KR100869218B1

KR100869218B1 - 열실드 거리결정 방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정잉곳의 제조장치

Info

Publication number: KR100869218B1
Application number: KR1020060136728A
Authority: KR
Inventors: 이재은; 이상훈
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-11-18
Also published as: KR20080061718A

Abstract

실리콘 단결정 잉곳의 성장 속도를 증가시켜 생산성을 향상시킨 열실드 거리결정 방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치가 개시된다. 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치는 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치에 있어서, 챔버, 상기 챔버의 내부에 설치되고 실리콘 융액을 담는 도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터 및 상기 실리콘 단결정 잉곳과 상기 도가니 사이에 구비되어, 상기 히터와 상기 실리콘 융액에서 발산하는 열을 차단하는 열실드를 포함하며, 상기 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)는 상기 히터에서 발산하는 열(Q)의 함수로서, 상기 수평거리(d)를 상기 실리콘 융액의 계면과 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수직방향 온도구배(G)가 최대가 되는 조건에서 결정된다. 따라서, 본 발명에 의하면, 열실드와 실리콘 단결정 잉곳 사이의 거리를 조절하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장 속도를 증가시킴으로써 결과적으로 생산성을 향상시킬 수 있다.

실리콘, 단결정, 잉곳, 열실드, 수평거리, 온도구배

Description

열실드 거리결정 방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치 {Method for Determining Distance of Heat Shield and Manufacturing Apparatus of Silicon Single Crystal Ingot Using the Same}

도 1은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조장치를 나타내는 구성도;

도 2는 해석을 위한 도 1의 단순화 모델의 일부를 나타내는 구성도;

도 3은 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)에 따른 일률과 온도구배를 나타내는 그래프;

도 4는 열실드가 실리콘 단결정 잉곳과 인접하는 부분의 수직거리(h)에 따른 일률과 온도구배를 나타내는 그래프;

도 5는 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)와 열실드가 실리콘 단결정 잉곳과 인접하는 부분의 수직거리(h)에 따른 온도구배를 나타내는 그래프.

< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >

10: 챔버 20: 도가니

25: 도가니 지지대 30: 회전축

40: 히터 45: 단열부재

50: 열실드 IG: 실리콘 단결정 잉곳

SM: 실리콘 융액

본 발명은 열실드 거리결정 방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 속도를 증가시켜 생산성을 향상시킨 열실드 거리결정 방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로, 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에서는 석영 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음, 실리콘 융액의 표면으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.

실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때에는 석영 도가니를 지지하는 축을 회전시키면서 석영 도가니를 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 하고, 실리콘 단결정 잉곳은 석영 도가니의 회전축과 동일한 축을 중심으로 하여 석영 도가니의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올린다.

또한, 원활한 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위해, 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 가스를 잉곳 성장 장치의 상부로 유입하였다가 잉곳 성장 장치의 하부로 배출시키는 방법을 많이 이용하고 있다.

그리고, 실리콘 단결정 잉곳과 도가니 사이에는 열실드가 구비되어, 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸며 히터와 실리콘 융액에서 발산하는 열을 차단하여 실리콘 단결정 잉곳의 냉각이 잘 되도록 한다.

한편, 종래의 열실드는 자체적으로 열을 흡수하고 흡수된 열을 발산하기 때문에 이에 인접해있는 실리콘 단결정 잉곳의 냉각에 악영향을 미치는 문제점이 있었다.

하지만, 현재까지는 열실드의 이러한 상반된 영향에 대하여 인식하지 못하였으며, 열실드와 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리는 단열성 감소를 우려하여 일괄적으로 약 2 cm내외로 구성되었다. 즉, 종래에는 열실드의 자체 열에 따른 효과를 감안하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장속도를 향상시킬 수 있도록 하는 열실드의 최적 위치를 결정하는 명확한 기준이 없는 실정이었다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 열실드와 실리콘 단결정 잉곳 사이의 거리를 결정하는 기준을 제공하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 열실드와 실리콘 단결정 잉곳 사이의 최적화된 거리를 결정하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장속도를 증가시켜 결과적으로 실리콘 단결정 잉곳의 생산성을 향상시킨 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치에 있어서, 챔버, 상기 챔버의 내부에 설치되고 실리콘 융액을 담는 도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터 및 상기 실리콘 단결정 잉곳과 상기 도가니 사이에 구비되어, 상기 히터와 상기 실리콘 융액에서 발산하는 열을 차단하는 열실드를 포함하며, 상기 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)는 상기 히터에서 발산하는 열(Q)의 함수로서, 상기 수평거리(d)를 상기 실리콘 융액의 계면과 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수직방향 온도구배(G)가 최대가 되는 조건에서 결정되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치를 제공한다.

그리고, 상기 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)는 상기 열실드가 상기 실리콘 단결정 잉곳과 인접하는 부분의 수직거리(h)의 함수인 것이 바람직하다. 기서, 상기 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)는 상기 열실드가 실리콘 단결정 잉곳과 인접하는 부분의 수직거리(h)에 비례한다.

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본 발명에 따른 열실드 거리결정 방법은, 상기 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)를 상기 실리콘 융액의 계면과 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수직방향 온도구배(G)가 최대가 되는 조건에서 결정한다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

먼저, 도 1을 참조하여, 실리콘 단결정 제조장치의 전체적인 구성을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 과정을 도시한 구성도로서, 본 실시예에 따른 실리콘 단결정 제조장치는 챔버(10)를 포함하며, 챔버(10)의 내부에 서 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 이루어진다.

상기 챔버(10) 내에는 실리콘 융액(SM)을 담는 도가니(20)가 설치되며, 이 도가니(20)의 외부에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(25)가 도가니(20)를 에워싸도록 설치된다.

도가니 지지대(25)는 회전축(30) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(30)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(20)를 회전시키면서 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대(25)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(40)에 에워싸여지며, 이 히터(40)는 단열부재(45)에 의해 에워싸여진다.

즉, 히터(40)는 도가니(25)의 측방에 설치되어 도가니(20) 내에 적재된 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들며, 단열부재(45)은 히터(40)에서 발산되는 열이 챔버(10)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열효율을 향상시킨다.

상기 챔버(10)의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시) 이 설치되며, 이 케이블의 하부에 도가니(20) 내의 실리콘 융액(SM)에 접촉되어 인상하면서 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 종결정이 설치된다. 인상 수단은 단결정 잉곳(IG) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이 때 실리콘 단결정 잉곳(IG)은 도가니(20)의 회전축(30)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(20)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올리도록 한다.

상기 챔버(10)의 상부로는, 성장되는 단결정 잉곳(IG)과 실리콘 융액(SM)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 공급하고, 사용된 불활성 가스는 챔버(10)의 하부를 통해 배출시킨다.

실리콘 단결정 잉곳(IG)과 도가니(20) 사이에는 잉곳(IG)을 에워싸도록 열실드(50)를 구비하여, 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 에워싸며 히터(40)와 실리콘 융액(SM)에서 발산하는 열을 차단하는 역할을 수행한다.

하지만, 본 발명자의 실험에 의하면 상기 열실드(50)는 히터(40)나 실리콘 융액(SM)에서 발산된 열을 자체적으로 흡수하고 이를 실리콘 잉곳(IG)에 발산함으로써, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 냉각에 영향을 주는 것이 확인되었다. 즉, 상기 열실드(50)는 단열 기능을 수행하여 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 냉각을 돕는 효과와 자체 발열 효과의 두 가지 상반된 효과를 가진다.

따라서, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장속도를 향상시키기 위해서는 상기의 두 가지 효과를 적절하게 조절해야 한다.

본 발명에서는 상기 열실드(50)의 두 가지 상반된 효과를 감안하여, 열실드(50)와 실리콘 단결정 잉곳(IG) 사이의 수평거리를 결정한다.

기본적으로, 열실드(50)와 실리콘 단결정 잉곳(IG) 사이의 거리가 너무 가까우면 상술한 바와 같이 열실드(50) 자체에서 발산된 열에 의해 실리콘 잉곳(IG)의 냉각에 악영향을 미치며, 열실드(50)와 실리콘 단결정 잉곳(IG) 사이의 거리가 너무 멀면 열실드(50)의 열 차단에 의한 단열 기능을 할 수 없게 된다.

Voronkov equation에 의하면, 실리콘 단결정의 성장시 웨이퍼 내 품질은 V/G 값에 따라 정해지게 된다. 여기서, V는 실리콘 단결정의 수직 성장시의 인상속도를 의미하며, G는 실리콘 융액(SM) 표면에서부터 수직방향으로의 단결정 내의 온도구배를 의미한다.

따라서, G값을 높이게 되면 V도 높일 수 있어 성장속도가 증가되어 결과적으로 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 생산성을 향상시킬 수 있게 된다.

이러한 점에 착안하여, 본 발명에서는 실리콘 단결정 잉곳(IG)과 열실드(50) 사이의 수평거리(d)는 온도구배(G)를 최대로 하는 조건에서 결정하도록 구성한다.

도 2 내지 도 5를 참조하여, 실리콘 단결정 잉곳과 열실드 사이의 거리를 결정하는 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 2를 참조하여, 해석을 위해 도1을 단순화한 모델을 설명한다.

열실드(150)의 발열효과는, 열실드(150)가 실리콘 단결정 잉곳(IG)과 인접하는 부위에서의 수직거리(h), 히터(140)의 발열량, 열실드(150)와 실리콘 단결정 잉곳 (IG)사이의 수평거리(d) 등에 의해 영향을 받는 것으로 파악된다.

도 2는 도 1에서 단순화한 모델로서, 열실드(150)의 형상을 단순화하여 열실드(150)의 거리별 단열재의 두께 변화 효과나 열실드(150)의 구체적인 형상에 따른 효과 등을 배제하였다.

즉, 본 모델에서의 열실드(150)는, 도 2에 도시된 바와 같이 일정 수평거리 동안 수직방향 폭이 일정한 형상으로 단순화된다.

이와 같은 단순화된 모델을 바탕으로, 아래의 조건에서 컴퓨터 모사해석을 실시하였다.

여기서, N3는 모델명, H/Z size는 도가니의 직경, Change Size는 실리콘단결정 잉곳(IG)에 사용되는 폴리 실리콘 양, Melt Level은 히터(140)의 상단과 실리콘 융액(SM)의 계면 사이의 수직거리(l), Melt Gap은 열실드(150) 하단과 실리콘 융액(SM)의 계면 사이의 수직거리(g), Pull Speed는 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 인상속도를 의미한다.

상기 표 1과 같은 조건에서, 열실드(150)와 실리콘 단결정 잉곳(IG) 사이의 거리(d)와 열실드(150)가 실리콘 단결정 잉곳(IG)에 인접한 부위의 수직거리(h)를 변화시켜 가며 컴퓨터 모사해석을 실시하였다.

도 3 내지 도 5는, 위와 같은 조건에서 실시한 컴퓨터 모사 해석의 결과를 나타낸다.

먼저, 도 3은 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)에 따른 일률과 온도구배(G)를 나타내고 있다.

여기서, 온도구배(G)는 상기 실리콘 융액의 계면과 상기 실리콘 융액의 계면에서 상부로 2 mm올라간 지점 사이의 온도 차에 의해 산출한다. 그리고, 열실드가 실리콘 단결정 잉곳과 인접하는 부분의 수직거리(h)는 50 mm인 조건에서, d를 10 mm / 30 mm / 50 mm / 70 mm / 90 mm 로 20 mm씩 변화시켜가며 해석을 수행하였다.

도 3의 (a)된 바와 같이, d가 증가함에 따라 잉곳의 성장에 필요한 일률 값이 증가함을 확인할 수 있다. 이는 열실드의 거리(d)가 증가하면서 단열성의 감소로 인한 열손실에 의한 것으로 파악된다.

한편, 일률의 증가로 실리콘 융액의 하부 온도가 높아지면서 충분한 열이 공급되면서 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이 온도구배(G)는 증가하는 것을 확인할 수 있다.

하지만, 열실드의 거리(d)가 증가하면서 실리콘 단결정 잉곳이 직접 받는 일이 많아져 실리콘 단결정 잉곳의 온도는 올라간다. 이에 따라, 온도구배(G)는 떨어지게 된다.

반면, 실리콘 잉곳과 열실드 사이의 수평 거리(d)가 작아지면 열실드의 자체 발열에 의해 실리콘 단결정 잉곳에 영향을 주어 온도구배(G)를 떨어뜨리게 된다.

이상의 결과와 같이, 실리콘 단결정 잉곳과 열실드간의 수평거리(d)가 증가함에 따라 온도구배(G)값은 증가하다가 어느 지점에서 다시 감소하는 경향을 보이며, 중간에 온도구배를 최대로 하는 최적의 거리가 있음을 알 수 있다.

다음으로, 도 4는 열실드가 실리콘 단결정 잉곳과 인접하는 부분의 수직거리(h)에 따른 동력과 온도구배(G)를 나타내고 있다.

여기서, 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)는 10 mm인 조건에서, h를 10 mm / 30 mm / 50 mm 로 20 mm씩 변화시켜가며 해석을 수행하였다.

도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, h가 증가할수록 일률값은 떨어지게 된다. 이는 열실드에 의한 단열효과가 높아지기 때문으로 파악된다. 그리고, 실리콘 단결정 잉곳에 인접하는 면적이 넓어짐에 따라 발열량이 증가하여 실리콘 잉곳의 냉각속도가 떨어지고 일률값이 떨어지게 된다. 따라서, 도 4의 (b)에서와 같이 h가 증가하면서 온도구배(G)가 감소하는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)와 열실드가 실리콘 단결정 잉곳과 인접하는 부분의 수직거리(h)에 따른 온도구배를 나타내고 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, d를 변화시킬 때 온도구배(G)가 가장 높은 최적의d 가 있음을 알 수 있다. h가 증가하게 되면 온도구배(G)가 가장 높은 최적의 d의 값은 증가하게 된다.

즉, h가 증가하면서 실리콘 잉곳에 영향을 미치는 열실드 발열량이 증가함으로 온도구배(G)가 가장 높은 d가 변화하게 된다.

도 5를 참조하면, 온도구배(G)가 최대가 되는 열실드의 거리(d)는 h가 10 mm일 때 50 mm, h가 30 mm 일 때 66.51 mm, h가 50 mm 일 때 77.81 mm임을 확인할 수 있다.

이상의 해석 결과에서, 열실드의 거리(d)는 온도구배(G)를 최대로 하는 최적 값이 존재하고, 이러한 최적의 d는 h가 커질수록 증가한다는 점을 알 수 있다.

그리고, 이상의 결과를 커브 피팅(curve fitting)하면, 아래와 같은 지수형식으로 표현될 수 있다,

.

여기서, A와 B는 0과 1사이의 양의 상수이다.

한편, 이와 달리 다항식의 형태로 표현될 수 있으며, 도 5의 결과를 다항식으로 커브 피팅한 구체적인 식은 다음과 같다,

.

이상 상술한 바와 같이, d와 h를 변화시켜가면서 온도구배(G)를 최대로 하는 최적의 d를 h에 대한 상관 관계식으로 표현할 수 있어, h 값의 변화에 따른 최적의 d를 용이하게 결정할 수 있게 된다.

본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

상기의 구성을 가지는 본 발명에 따른 열실드 거리결정 방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 열실드의 최적 거리를 결정함으로써, 실리콘 단결정 잉곳의 성장속도를 증가시키는 이점이 있다.

구체적으로, 실리콘 단결정 잉곳과 열실드 사이의 거리를 일률적으로 정하는 대신 단열 정도, 일률값, 열실드의 자체 발열 현상을 감안하여 온도구배(G)를 고려하여 결정함으로써, 열실드에 의한 단열효과를 유지하면서도 열실드의 자체 발열에 의한 악영향을 최소화하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장속도를 향상시킬 수 있게 된다.

둘째, 실리콘 단결정 잉곳의 성장속도를 향상시켜, 일정한 품질의 실리콘 단결정 잉곳의 생산성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims

쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치에 있어서,

챔버;

상기 챔버의 내부에 설치되고 실리콘 융액을 담는 도가니;

상기 도가니를 가열하는 히터; 및

상기 실리콘 단결정 잉곳과 상기 도가니 사이에 구비되어, 상기 히터와 상기 실리콘 융액에서 발산하는 열을 차단하는 열실드를 포함하며,

상기 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)는 상기 히터에서 발산하는 열(Q)의 함수로서, 상기 수평거리(d)는 상기 실리콘 융액의 계면과 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수직방향 온도구배(G)가 최대가 되는 조건에서 결정되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 수평거리(d)는 상기 열실드가 상기 실리콘 단결정 잉곳과 인접하는 부분의 수직거리(h)의 함수인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
제2항에 있어서,

상기 수평거리(d)는 상기 수직거리(h)에 비례하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
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챔버, 상기 챔버의 내부에 설치되고 실리콘 융액을 담는 도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터 및 실리콘 단결정 잉곳과 상기 도가니 사이에 구비되어 상기 히터와 상기 실리콘 융액에서 발산하는 열을 차단하는 열실드를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치에 있어서,

상기 열실드와 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수평거리(d)는 상기 히터에서 발산하는 열(Q)의 함수이고, 상기 수평거리(d)는 상기 실리콘 융액의 계면과 상기 실리콘 단결정 잉곳 사이의 수직방향 온도구배(G)가 최대가 되는 조건에서 결정되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 열실드 거리결정 방법.
제6항에 있어서,

상기 수평거리(d)는 상기 열실드가 상기 실리콘 단결정 잉곳과 인접하는 부분의 수직거리(h)의 함수인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 열실드 거리결정 방법.
제7항에 있어서,

상기 수평거리(d)는 상기 수직거리(h)에 비례하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 열실드 거리결정 방법.
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