KR100843019B1 - 쵸크랄스키법에 의한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치에사용되는 열 환경 제공 모듈 및 이를 이용한 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쵸크랄스키법에 의한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치에 사용되는 열 환경 제공 모듈 및 이를 이용한 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 열 환경 제공 모듈은, 잉곳 성장의 대상이 되는 반도체 멜트가 담기는 도가니; 상기 도가니의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 멜트에 복사열을 제공하는 히터; 및 상기 히터와 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 히터의 외주면이 마주 대하도록 상기 히터 둘레에 설치되어 히터로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열 벽체를 포함하고, 상기 단열 벽체의 상단부에는 상기 히터의 상부로부터 방출되는 복사열을 외부로 방출하는 복사열 방출부가 구비된다.

본 발명에 따르면, 히터의 파워를 증가시켜 실리콘 멜트의 온도를 전반적으로 상승시킴으로써 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배를 증가시킬 수 있다. 이에 따라 고액 계면으로 실리콘 원자가 이동하려는 구동력이 증가되며, 그 결과 고액 계면의 볼록한 정도가 증가되어 무결함 단결정 잉곳의 인상 속도가 빨라진다.

쵸크랄스키, 잉곳 성장, 온도 구배, 고액 계면, 히터 파워

Description

쵸크랄스키법에 의한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치에 사용되는 열 환경 제공 모듈 및 이를 이용한 장치{Module providing thermal environment in apparatus for growing semiconductor single crystal based on Czochralski and Apparatus using the same}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

도 1은 쵸크랄스키법에 의한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치에서 일반적으로 사용되는 종래의 열 환경 제공 모듈의 우측 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열 환경 제공 모듈의 우측 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열 환경 제공 모듈의 우측 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 열 환경 제공 모듈의 우측 단면도이다.

도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 열 환경 제공 모듈의 우측 단면도이다.

도 6은 시뮬레이션을 위해 제공된 종래의 열 환경 제공 모듈(비교예)과 본 발명의 제1실시예에 따른 열 환경 제공 모듈(실시예)의 우측 단면을 비교한 도면이다.

도 7은 도 6에 도시된 비교예 및 실시예에 따른 열 환경 제공 모듈을 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켰을 때 고액 계면에서 융액 측의 수직 온도 구배를 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프이다.

도 8은 도 6에 도시된 비교예 및 실시예에 따른 열 환경 제공 모듈을 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켰을 때 고액 계면의 모양을 시뮬레이션 한 결과를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 참조번호>

100: 석영 도가니 110: 도가니 지지대

120: 히터 130: 단열 벽체

140: 바닥 단열재 150: 복사열 방출부

160: 열 분포 프로파일 M: 실리콘 멜트

170: 고액 계면 C: 잉곳

본 발명은 쵸크랄스키(Czochralski)법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 성장 장치에서 사용되는 열 환경 제공 모듈에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 무결함 단결정 잉곳의 인상 속도를 향상시킬 수 있도록 열 환경을 최적화시킬 수 있는 열 환경 제공 모듈 및 이를 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조를 위해 사용되는 단결정 실리콘은 통상적으로 쵸크랄스 키법에 의해 제조된다. 쵸크랄스키법에서는, 흑연 재질의 도가지 지지대에 설치된 석영 도가니 내부에 다결정 실리콘을 충진시킨 후 석영 도가니의 외주면을 둘러싸는 히터로 다결정 실리콘을 가열하여 액상으로 용융시킨다. 그런 다음 단결정으로 이루어진 씨드를 석영 도가니 내의 멜트 표면과 접촉시킨 후 씨드를 회전시키면서 서서히 인상시키면 고액 계면으로부터 단결정 실리콘 잉곳이 성장되기 시작한다. 이 때 잉곳이 성장되는 고액 계면의 형상은 위로 볼록한 형태를 가진다. 씨드를 인상시키면 처음에는 단결정 넥(neck)이 형성되는데, 넥의 형성이 완료되면 씨드의 인상 속도를 줄여서 성장되는 잉곳의 직경을 소망하는 직경으로 확장시킨다. 이렇게 잉곳의 직경이 확장되고 나서 실리콘 멜트의 온도와 인상 속도를 조절하면서 씨드를 인상시키면 일정한 직경을 갖는 잉곳의 몸체가 성장된다. 잉곳이 서서히 성장되면 실리콘 멜트가 소진되므로 고액 계면의 높이가 낮아진다. 따라서 잉곳이 서서히 성장됨에 따라 실리콘 도가니를 씨드의 회전방향과 반대 방향으로 회전시키면서 실리콘 도가니를 서서히 상승시켜 고액 계면의 높이를 동일하게 유지시켜준다. 잉곳 성장 후반부에서는 단결정의 직경이 점진적으로 감소하여 잉곳 하단의 형태를 엔드-콘(end cone) 형상으로 만들어야 한다. 전형적으로 엔드-콘은 단결정 인상 속도를 증가시키고 석영 도가니에 공급되는 열량을 증대시켜 형성한다. 이러한 과정을 통해 잉곳의 반경이 충분이 작아지면 고액 계면으로부터 잉곳을 완전히 분리하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 완료한다.

쵸크랄스키법에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 시 고액 계면에서 수직 온도 구배(결정 측 또는 융액 측)를 증가시키면 무결함 단결정 성장 속도를 높일 수 있 다는 사실은 잘 알려져 있다. 그리고 최근에는 고액 계면의 형상을 더욱 더 상부로 볼록하게 할수록 무결함 결정의 성장속도를 높일 수 있다는 사실이 실험을 통하여 증명되었다. 고액 계면의 볼록한 정도가 증가했다는 것은 고액 계면 측으로 실리콘 원자가 이동하려는 구동력이 증가했다는 것을 의미하기 때문이다. 따라서 고액 계면의 볼록한 정도를 증가시키기 위해서는 히터가 제공하는 열 환경을 최적화시킴으로써, 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배를 증가시켜 실리콘 원자가 고액 계면으로 이동하려는 구동력을 증가시켜야 한다.

히터의 열 환경을 최적화하기 위해서는, 실리콘 멜트의 상부는 온도를 낮추고 실리콘 멜트의 온도는 전체적으로 증가시키되 고액 계면 하부에 있는 고온 멜트 영역으로 전달되는 복사 열량을 최대화하여 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배를 증가시켜야 한다. 그러기 위해서는 히터의 파워가 최대가 될 수 있는 열 환경을 구축하는 것이 중요하다. 그런데 종래의 반도체 단결정 잉곳 제조 장치의 경우는 히터의 파워를 최대로 하는데 한계가 있었다.

여기서, 고온 멜트 영역이라 함은 고액 계면의 중심에서 석영 도가니의 바닥면까지 수직으로 온도를 측정하였을 때 가장 높은 온도를 가지는 지점의 인근 영역을 의미한다. 참고로, 고액 계면의 중심으로부터 석영 도가니의 바닥면까지 실리콘 멜트의 온도를 측정하면, 고액 계면에서부터 융액의 깊이가 깊어질수록 온도가 증가하여 극대 값에 이르렀다가 다시 석영 도가니의 바닥면으로 갈수록 온도가 감소한다.

도 1은 종래의 쵸크랄스키법에 의한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치에서 열 환경을 제공하는 모듈의 주요 구성 요소를 도시한 도면이다.

도면을 참고하면, 종래의 열 환경 제공 모듈은 전기 저항에 의해 복사열을 방출하는 히터(10)를 구비한다. 히터(10)의 내측에는 실리콘 멜트(M)을 담고 있는 석영 도가니(20)와, 석영 도가니(20)의 외주면과 긴밀하게 결합되어 고온에서 석영 도가니(20)의 형상을 지지하는 도가니 지지대(30)가 구비된다. 그리고 상기 히터(10)의 둘레와 도가니 지지대(30)의 저부에는 각각 단열 벽체(40)와 바닥 단열재(50)가 설치되어 히터(10)로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것이 방지한다. 상기 단열 벽체(40)와 바닥 단열재(50)는 주로 카본 섬유(carbon) 또는 카본 복합 물질(carbon composite material) 재질로 이루어진다.

한편 상기 단결정 잉곳 제조 장치에서 히터(10)의 파워는 실리콘 멜트(M)로부터 인상되는 잉곳(C)과 멜트(M) 그리고 외부의 기체 환경이 서로 만나는 삼중점(G)에서의 잉곳(C) 지름에 의해 자동으로 조절된다. 즉 잉곳(C)의 지름이 기준치를 상회하면 상기 삼중점(G)의 온도가 감소하는 것이므로 히터(10)의 파워를 올리고, 잉곳 지름이 기준치를 하회하면 상기 삼중점(G)의 온도가 증가하는 것이므로 히터(10)의 파워를 내린다.

그런데 상기 단열 벽체(40)와 바닥 단열재(50)는 히터(10)에 의해 방출되는 복사열의 단열에만 초점이 맞추어져 설계되는 것이 보통이다. 따라서 실리콘 멜트(M)를 담고 있는 석영 도가니(10)를 중심으로 하부 및 측면부의 단열을 강화하고 상부로는 열 손실을 유도하는 구조를 채용하고 있다. 때문에, 히터(10)에 의해 제공되는 열 분포 프로파일(50)을 보면, 실리콘 멜트(M)의 상부로도 상당량의 복사 열(A 참조)이 전달되며, 그 결과 실리콘 멜트(M)의 상부 온도, 특히 삼중점(G)의 온도를 낮춤으로써 히터(10)의 파워를 증가시키는데 한계가 있다. 이처럼 히터(10)의 파워 상승에 제약이 따르면, 고온 멜트 영역을 중심으로 실리콘 멜트(M)의 온도를 상승시켜 고액 계면에서 융액 측으로 수직 온도 구배의 증가를 유발하여 고액 계면의 볼록한 정도를 증가시키는데 한계가 있다. 이에 따라, 종래에는 무결함 단결정 잉곳의 인상 속도를 향상시키는데 어려움이 있었다.

따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 쵸크랄스키법에 의한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치에서 무결함 단결정 인상 속도를 증가시킬 수 있도록 열 환경을 최적화시키는 열 환경 제공 모듈 및 이를 구비한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 쵸크랄스키법에 의한 무결함 단결정 잉곳 제조 장치에 사용되는 열 환경 제공 모듈은, 잉곳 성장의 대상이 되는 반도체 멜트가 담기는 도가니; 상기 도가니의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 멜트에 복사열을 제공하는 히터; 및 상기 히터와 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 히터의 외주면이 마주 대하도록 상기 히터 둘레에 설치되어 히터로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열 벽체를 포함하고, 상기 단열 벽체의 상단부에는 상기 히터의 상부로부터 방출되는 복사열을 외부로 방출하는 복사열 방출부가 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 쵸크랄스키법에 의한 무결함 단결정 잉곳 제조 장치에 사용되는 열 환경 제공 모듈은, 잉곳 성장의 대상이 되는 반도체 멜트가 담기는 도가니; 상기 도가니의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 멜트에 복사열을 제공하는 히터; 및 상기 히터와 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 히터의 외주면이 마주 대하도록 상기 히터 둘레에 설치되어 히터로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열 벽체를 포함하고, 상기 단열 벽체의 상단부에는 타 벽체 부분보다 두께가 얇은 단열 감쇄부가 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 복사열 방출부는 단열 벽체에 형성된 개구이다. 보다 바람직하게, 상기 단열 벽체는 원통형 형상을 가지며, 상기 개구는 단열 벽체의 상단부 둘레에 형성된 환형 개구이다.

바람직하게, 상기 단열 벽체는 원통형 형상을 가지며, 상기 단열 감쇄부는 단열 벽체의 상단부 둘레를 따라 소정의 폭으로 형성된 환형 홈이다.

본 발명에 따른 열 환경 제공 모듈은, 상기 단열 벽체의 하단부에 결합된 바닥 단열재를 더 포함할 수 있다. 아울러, 상기 도가니와 히터 사이에, 도가니의 외주면과 긴밀히 결합되어 고온 환경에서 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대를 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치는, 잉곳 성장의 대상이 되는 반도체 멜트 가 담기는 도가니; 상기 도가니의 외주면과 긴밀히 결합되어 고온 환경에서 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대; 상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 멜트에 복사열을 제공하는 히터; 상기 도가니, 도가니 지지대 및 히터가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 히터의 외주면이 마주 대하도록 상기 히터 둘레에 설치되어 히터로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하되, 상단부에 상기 히터의 상부로부터 방출되는 복사열을 외부로 방출하는 복사열 방출부가 구비된 단열 벽체; 상기 석영 도가니에 담긴 반도체 멜트의 표면에 단결정 씨드를 접촉시킨 후 씨드를 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단; 및 상기 도가니 지지대를 씨드의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 서서히 상승시키는 회전 마운트;를 포함한다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 쵸크랄스키법을 이용한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치는, 잉곳 성장의 대상이 되는 반도체 멜트가 담기는 도가니; 상기 도가니의 외주면과 긴밀히 결합되어 고온 환경에서 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대; 상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 멜트에 복사열을 제공하는 히터; 상기 히터, 도가니 지지대 및 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 히터의 외주면이 마주 대하도록 상기 히터 둘레에 설치되어 히터로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하되, 상단부에 타 부분보다 두께가 얇은 단열 감쇄부가 구비된 단열 벽체; 상기 석영 도가니에 담긴 반도체 멜트의 표면에 단결정 씨드를 접촉시킨 후 씨드를 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단; 및 상기 도가니 지지대를 씨드의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 서서히 상승시키는 회전 마운트;를 포함한다.

바람직하게, 상기 복사열 방출부는 단열 벽체에 형성된 개구이다. 보다 바람직하게, 상기 단열 벽체는 원통형 형상을 가지며, 상기 개구는 단열 벽체의 상단부 둘레에 형성된 환형 개구이다.

바람직하게, 상기 단열 벽체는 원통형 형상을 가지며, 상기 단열 감쇄부는 단열 벽체의 상단부 둘레를 따라 소정의 폭으로 형성된 환형 홈이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

한편 후술하는 실시예에서 반도체 단결정 잉곳 제조 장치를 통하여 제조되는 반도체 단결정 잉곳은 실리콘 단결정 잉곳이다. 하지만 본 발명은 잉곳을 구성하는 반도체 물질의 구체적인 종류에 의해 한정되지 않는다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열 환경 제공 모듈의 구성을 보여주는 우측 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 열 환경 제공 모듈은 실리콘 멜트(M)가 담기는 석영 도가니(100)와, 석영 도가니(100)의 외주면과 긴밀하게 결합되어 고온 환경에서 석영 도가니(100)의 형상을 지지하는 도가니 지지대(110)와, 상기 도가니 지지대(110)를 통해 석영 도가니(100)로 복사열을 전달하여 석영 도가니(100)에 담긴 고순도의 다결정 실리콘을 실리콘 멜트(M)로 용융시키는 히터(120)와, 상기 히터(120)로부터 방출되는 복사열의 외부 소실을 방지하기 위해 히터(120)의 외주면과 마주 보도록 설치된 단열 벽체(130) 및 상기 단열 벽체(130)의 하단부에 결합되어 도가니 지지대(110)의 하부로 복사열이 소실되는 것을 방지하는 바닥 단열재(140)를 포함한다.

상기 단열 벽체(130)는 히터(120)와 그 내측에 구비된 구조물을 수용할 수 있는 내부 중공이 마련된 원통형 벽체인 것이 바람직하다. 그리고 상기 단열 벽체(130)의 상단부에는 히터(120)의 상단부로부터 방출되는 복사열을 의도적으로 소실시키기 위한 복사열 방출부(150)가 구비된다. 상기 복사열 방출부(150)는 단열 벽체(130)의 상단부 벽을 따라 형성된 환형 개구인 것이 바람직하다.

상기 단열 벽체(130)에 복사열 방출부(150)가 형성되면, 히터(120)에 의해 석영 도가니(100) 측으로 인가되는 열 분포 프로파일(160)이 변형된다. 즉 도면에 도시된 바와 같이 히터(120)에 의해 방출되는 복사열 중 히터(120)의 상단부에서 방출되는 복사열이 복사열 방출부(150)를 통해 상당 부분이 소실됨으로써 실리콘 멜트(M)의 상부로 전달되는 복사 열량이 저감된다. 그 결과, 잉곳(C), 실리콘 멜트(M) 및 외부 기체 환경이 만나는 삼중점(G)의 온도가 낮아지게 되며, 그 결과 삼중점(G)의 온도가 낮아진 만큼 히터(120)의 파워를 증대시킬 수 있다. 히터(120)의 파워가 증대되면, 고온 멜트 영역을 중심으로 석영 도가니(100)에 담긴 실리콘 멜트(M)의 온도가 전반적으로 상승하여 고액 계면(170)에서 융액 측으로의 수직 온도 구배가 증가된다. 이에 따라 실리콘 원자가 고액 계면(170)으로 이동하려는 구동력이 증가하여 고액 계면(170)의 볼록한 정도가 증가하며, 그 결과 무결함 단결정 인상 속도가 향상된다.

그러면 이하에서는 고액 계면(170)에서 융액 측으로의 수직 온도 구배가 증가할 경우 무결함 단결정 인상 속도가 빨라지는 이론적 배경을 설명하기로 한다.

실리콘 단결정 잉곳 성장 시 고액 계면을 통해 잉곳으로 유입되는 지배적인 점 결함(dominant point defect)은 단결정 인상속도와 성장 시스템의 온도 구배에 의해 결정된다. 그리고 상기 온도 구배는 고액 계면 부근의 값이기 때문에, 결정 내의 온도 구배 및 융액 내의 온도 구배에 영향을 받는다. 이는 하기의 수학식1에 따른 열균형 방정식(Heat balance equation)으로 알 수 있으며, 또한 단결정의 온도 구배와 융액의 온도 구배는 서로 비례하는 상관관계를 갖는다.

k_SG_S = k_LG_L + L_fV

k_S: 고체(단결정) 열전달 계수, G_S : 고체(단결정) 온도구배

k_L: 액체(융액) 열전달 계수, G_L: 액체(융액) 온도구배

L_f: 결정화 잠열, V: 성장속도

보론코프(Voronkov)씨의 이론에 의하면, 무결함 잉곳 성장 조건에서는 V/G_s=C 의 조건을 만족한다. 여기서, V는 잉곳의 성장 속도이고, G_s는 고액 계면에서 결정 측의 수직 온도 구배, C는 상수이다. 위 조건식에 의하면, 무결함 잉곳의 성장 속도를 상승시키기 위해서는 효과적인 잉곳의 냉각 메카니즘을 통해 고액 계면에서 결정 측으로의 수직 온도 구배를 증가시켜야 한다는 것을 알 수 있다. 그런데 상기 열균형 방정식에 의하면 고액 계면에서 결정 측의 수직 온도 구배(G_s)와 융액 측의 수직 온도 구배(G_L)는 서로 비례하는 관계에 있다. 따라서 상기 무결함 잉곳 성장 조건식 [V/G_s=C]을 융액 측의 수직 온도 구배 G_L을 사용하여 변환하면 [V/G_L=C']로 표현할 수 있다. 이 조건식에 의하면, 무결함 잉곳의 성장 속도를 상승시키기 위해서는 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배(G_L)를 증가시켜야 한다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명이 제안한 바와 같이 단열 벽체(130)의 측벽에 복사열 방출부(150)를 형성하여 히터(120)의 파워를 증가시킴으로써 융액 측의 수직 온도 구배 G_L를 증가시키면, 상수 C'에 비례하여 무결함 잉곳의 인상속도 V가 증가하는 효과가 발생하게 된다. 그리고 융액 측 수직 온도 구배 G_L이 증가하면, 고 액 계면으로 실리콘 원자가 이동하려는 구동력이 증가되어 고액 계면의 볼록한 정도가 증가하게 된다.

상기 단열 벽체(130)에 형성되는 복사열 방출부(150)의 위치와 폭은 다양한 변형이 가능하다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 복사열 방출부(150)를 구성하는 환형 개구의 폭을 증가시키면, 그 만큼 히터(120)의 상단부에서 발생되는 복사열의 외부 방출량을 증대시킬 수 있다. 히터(120)의 파워 증대량은 복사열의 외부 방출량에 비례하므로, 환경 개구의 폭을 증가시키면 시킬수록 히터(120)의 파워를 더욱 증가시킬 수 있다. 또한 도 4에 도시된 바와 같이 환형 개구의 폭을 유지시킨 상태에서 환형 개구의 위치를 하방으로 이동시키면 열 분포 프로파일의 열 분포를 석영 도가니(100)의 바닥면 측으로 하방 이동시킬 수 있다.

한편 본 발명은 복사열 방출부(150)를 구성하는 환형 개구를 단열 벽체(130)의 상단부에 형성하지 않고, 도 5에 도시된 바와 같이 히터(120)의 상단과 근접한 지점의 측벽 두께를 타 측벽 보다 얇게 구성함으로써 단열 효과를 상대적으로 저감시키는 것에 의해 실리콘 멜트(M) 상부로 전달되는 복사열을 저감시킬 수도 있다. 설명의 편의상, 측벽 두께가 타 측벽보다 저감된 부위를 단열 감쇄부(180)라 명명한다. 이처럼, 단열 벽체(130) 상단부에 단열 감쇄부(180)가 형성된 경우, 히터(120)의 상단부에서 방출된 복사열은 두께가 상대적으로 얇은 측벽 부위를 통해 외부로 방출되므로 그 만큼 실리콘 멜트(M)의 상부로 전달되는 복사열을 감소시킴으로써 삼중점(G)의 온도를 낮출 수 있다. 따라서 삼중점(G)의 온도가 낮아진 만큼 히터(120)의 파워를 증대시킬 수 있으므로 환형 개구에 의해 복사열 방출부(150)를 구성한 경우와 마찬가지로 고온 멜트 영역을 중심으로 실리콘 멜트(M)의 온도를 전반적으로 증가시켜 고액 계면(170)에서 융액 측으로의 수직 온도 구배를 상승시킬 수 있다. 이렇게 융액 측으로의 수직 온도 구배가 증가되면 고액 계면(170)의 볼록한 정도가 증가하므로 무결함 단결정 잉곳 성장 속도를 향상시켜 잉곳 제조의 생산성을 개선할 수 있다.

본 발명에 따른 단결정 잉곳 제조 장치는, 상술한 열 환경 제공 모듈 이외에 도가니 지지대(110)를 일정한 방향으로 회전시키면서 실리콘 멜트(M)의 소진에 따라 고액 계면이 낮아진 레벨만큼 서서히 도가니 지지대(110)를 상승시키는 회전 마운트와, 실리콘 멜트(M)의 상부 표면에 단결정 씨드를 접촉시킨 후 상기 씨드를 도가니 지지대(110)의 회전방향과 반대 방향으로 회전시키면서 단결정 잉곳(C)을 인상하는 잉곳 인상 수단과, 실리콘 잉곳(C)을 에워싸도록 설치되어 잉곳(C)으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드와, 성장되는 단결정 잉곳(C)과 실리콘 융액(M)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 수단 등 일반적인 쵸크랄스키법에 의한 반도체 단결정 잉곳 제조 장치에 구비되는 공지의 구성요소가 더 포함될 수 있음은 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

상술한 본 발명에 따른 단결정 잉곳 제조 장치는 실리콘 멜트(M)의 상부로 전달되는 복사열을 저감시켜 삼중점(G)의 온도를 낮출 수 있으므로 삼중점(G)의 온도가 낮아진 만큼 히터(120)의 파워를 증대시켜 고온 멜트 영역을 중심으로 실리콘 멜트(M)의 온도를 전반적으로 상승시켜 고액 계면(170)에서 수직 온도 구배를 증가 시킬 수 있다. 그 결과 고액 계면의 볼록한 정도가 증가하여 무결함 단결정 잉곳의 인상 속도를 향상시키는 것이 가능하여 잉곳 제조 생산성을 개선시킬 수 있다.

<시뮬레이션 결과>

이하에서는, 도 6에 도시된 바와 같이 단열 벽체의 상부에 복사열 방출부 또는 단열 감쇄부를 형성하지 않은 종래의 단열 벽체를 사용하여 열 환경을 조성한 경우(비교예)와 상단부에 환형 개구로 이루어진 복사열 방출부가 구비된 단열 벽체를 사용하여 열 환경을 조성한 경우(실시예), 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배와 고액 계면의 형상에 대한 시뮬레이션 결과를 설명한다. 시뮬레이션 시 씨드의 회전속도는 17rpm, 석영 도가니의 회전속도는 0.5rpm, 잉곳의 직경은 206mm, 잉곳의 인상속도는 0.65-0.7mm/min로 설정하였다. 실시예의 경우 비교예에 비해 삼중점의 온도가 낮아지므로, 삼중점의 온도를 비교예와 동일하게 맞추기 위해 히터의 파워를 증대시키는 것을 가정하였다.

도 7은 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배를 시뮬레이션하여 나타낸 그래프이다. 도면을 참조하면, 비교예에 비해 실시예의 경우 융액 측으로의 수직 온도 구배가 최대 10% 정도 증가한다는 것을 알 수 있다.

도 8은 비교예 및 실시예에 따른 각각의 열 환경에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때 계면의 형상을 시뮬레이션하여 나타낸 그래프이다. 도면을 참조하면, 비교예에 의한 열 환경보다 실시예에 의한 열 환경에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키면 고액 계면의 볼록한 정도를 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 융액 측으로의 수직 온도 구배가 증가하여 고액 계면 측으로 실리콘 원자가 이동하려는 구동력이 증가하였기 때문이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 따르면, 히터 상단부에서 방출되는 복사열을 외부로 방출시킴으로써 실리콘 멜트의 상부로 전달되는 복사 열량을 감소시킬 수 있다. 그러면 삼중점의 온도를 낮출 수 있으므로 삼중점의 온도가 낮아진 만큼 히터의 파워를 증가시킬 수 있다. 히터의 파워가 증가되면, 고온 멜트 영역을 중심으로 실리콘 멜트의 온도가 전반적으로 상승하여 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배가 증가되므로 고액 계면으로 실리콘 원자가 이동하려는 구동력이 증가되어 고액 계면의 볼록한 정도가 증가하고 그 결과 무결함 단결정 잉곳 성장 속도의 향상을 통해 잉곳 제조의 생산성을 개선할 수 있다.

Claims (16)

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10. 잉곳 성장의 대상이 되는 반도체 멜트가 담기는 도가니;

    상기 도가니의 외주면과 긴밀히 결합되어 고온 환경에서 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대;

    상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 멜트에 복사열을 제공하는 히터;

    상기 도가니, 도가니 지지대 및 히터가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 히터의 외주면이 마주 대하도록 상기 히터 둘레에 설치되어 히터로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하되, 상단부에 상기 히터의 상부로부터 방출되는 복사열을 외부로 방출하는 복사열 방출부가 구비된 단열 벽체;

    상기 석영 도가니에 담긴 반도체 멜트의 표면에 단결정 씨드를 접촉시킨 후 씨드를 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단; 및

    상기 도가니 지지대를 씨드의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 서서히 상승시키는 회전 마운트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 복사열 방출부는 단열 벽체에 형성된 개구인 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 단열 벽체는 원통형 형상을 가지며, 상기 개구는 단열 벽체의 상단부 둘레에 형성된 환형 개구인 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치.
13. 제10항에 있어서,

    상기 단열 벽체의 하단부에 결합된 바닥 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치.
14. 잉곳 성장의 대상이 되는 반도체 멜트가 담기는 도가니;

    상기 도가니의 외주면과 긴밀히 결합되어 고온 환경에서 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대;

    상기 도가니 지지대의 측벽을 둘러싸도록 설치되어 도가니에 담긴 반도체 멜트에 복사열을 제공하는 히터;

    상기 히터, 도가니 지지대 및 도가니가 수용되는 중공이 구비되고, 상기 중공의 내 측벽과 히터의 외주면이 마주 대하도록 상기 히터 둘레에 설치되어 히터로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하되, 상단부에 타 부분보다 두께가 얇은 단열 감쇄부가 구비된 단열 벽체;

    상기 석영 도가니에 담긴 반도체 멜트의 표면에 단결정 씨드를 접촉시킨 후 씨드를 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단; 및

    상기 도가니 지지대를 씨드의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 서서히 상승시키는 회전 마운트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치.
15. 제14항에 있어서,

    상기 단열 벽체는 원통형 형상을 가지며, 상기 단열 감쇄부는 단열 벽체의 상단부 둘레를 따라 소정의 폭으로 형성된 환형 홈인 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치.
16. 제14항에 있어서,

    상기 단열 벽체의 하단부에 결합된 바닥 단열재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치.

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