KR100891570B1 - 단결정 실리콘 성장 장치 및 냉각 방법 - Google Patents

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Abstract

쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 방식의 실리콘 단결정 성장 장치의 냉각속도를 증가시키는 장치가 개시된다. 상기 단결정 성장 장치는 냉각을 위한 방열부가 구비된다. 상기 방열부는 표면적과 두께를 변화시킬 수 있도록, 챔버 벽을 따라 복수의 실드가 적층되어 상기 각 실드가 서로에 대해 슬라이드 이동이 가능하게 형성된다. 그리고, 상기 각 실드의 슬라이드 이동에 의해 전체 표면적이 확장되고 두께가 감소된다. 따라서, 상기 방열부의 표면적이 확장되고 두께가 감소됨으로써 상기 방열부를 통한 열방출 효율이 향상되고, 상기 챔버의 냉각속도가 증가된다.
실리콘 단결정 성장 장치, 쵸크랄스키(Czochralski), CZ, 라디에이션 실드

Description

단결정 실리콘 성장 장치 및 냉각 방법{APPARATUS FOR GROWING SILLICON SINGLE CRYSTAL AND COOLING MEHTOD OF THE SAME}
본 발명은 실리콘 단결정 성장 장치와 냉각 방법에 관한 것으로서, 쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 방식에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 장치에 있어서, 냉각 시간을 단축시킨 실리콘 단결정 성장 장치 및 그 냉각 방법에 관한 것이다.
쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 방식에 의해 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 장치는, 실리콘을 용융시키는 챔버와 용융된 실리콘에 종자결정(seed crystal)을 접촉시킨 상태에서 서서히 상승시키면서 원하는 지름의 실리콘 잉곳(Ingot)을 성장시키는 성장탑부로 이루어진다.
상기 챔버의 내부에는 상기 실리콘을 용융시키는 석영 도가니가 회전가능하게 구비되고, 상기 석영 도가니의 외측에는 상기 석영 도가니의 가열을 위한 히터가 구비되고, 상기 히터의 외측으로는 상기 챔버 외부로 열이 방출되는 것을 방지하기 위한 열차폐부가 설치된다.
또한, 상기 챔버에는 상기 히터의 열에 의해 상기 챔버가 가열되는 것을 방지하고, 상기 챔버 내의 온도를 적절하게 유지하기 위한 냉각수단이 구비되어 있 다.
한편, 실리콘 단결정의 성장이 완료되면 상기 챔버의 온도를 산화가 일어나지 않는 500℃ 이하로 냉각시키게 된다. 상기 챔버를 냉각시키는 방법은, 상기 히터에 인가된 전원이 해제시킨 후 상기 챔버의 온도가 500℃ 이하가 될 때까지 자연냉각 시키는 방법을 사용한다.
그런데, 상기 석영 도가니는 실리콘을 용융시키기 위해 실리콘의 녹는점인 1420℃ 이상 고온으로 가열되므로, 상기 히터에 전원을 해제하더라도 상기 챔버 중심부의 온도는 1000℃ 이상의 고온이 유지된다. 이와 같은 고온 상태에서 자연냉각 방식 만으로 상기 챔버의 온도를 500℃ 이하로 냉각시키는 것은 장시간이 소요된다. 예를 들어, 기존의 챔버를 냉각시키는 데는 대략 11시간 내지 12시간 정도가 소요된다.
특히, 상기 챔버 내부에는 단결정 실리콘을 성장 시키는 동안 상기 챔버 내의 고온 상태를 유지시키기 위한 열차폐부재가 구비되는데, 상기 열차폐부재는 상기 챔버의 열방출 효율을 더욱 저하시키게 된다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단결정 실리콘 성장 장치에서 단결정 실리콘의 성장이 완료된 후 챔버를 냉각시키는 데 있어서, 상기 챔버 내에 구비된 열차폐부를 통한 열방출 효율을 증가시켜, 상기 챔버의 냉각속도를 증가시키기 위한 단결정 실리콘 성장 장치와 그 냉각 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 챔버 내로 불활성 가스를 주입하여, 상기 챔버의 냉각속도를 증가시키는 단결정 실리콘 성장 장치와 그 냉각 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 챔버의 내부압을 변화시킴으로써, 상기 챔버의 냉각속도를 증가시키는 단결정 실리콘 성장 장치와 그 냉각 방법을 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 방식의 실리콘 단결정 성장 장치의 냉각을 위한 방열부가 구비된다. 상기 방열부는 표면적과 두께를 변화시킬 수 있도록, 챔버 벽을 따라 복수의 실드가 적층되어 상기 각 실드가 서로에 대해 슬라이드 이동이 가능하게 형성된다. 그리고, 상기 각 실드의 슬라이드 이동에 의해 전체 표면적이 확장되고, 두께가 감소된다.
실시예에서, 상기 챔버는 벽을 따라 상기 챔버의 열변형을 방지하고, 상기 챔버 내의 온도를 조절하기 위한 냉각수가 제공되는 수냉 챔버이다.
실시예에서, 상기 방열부는 상기 챔버 벽에 밀접하게 구비된 아웃터실드와 상기 아웃터실드에 대해 상하 방향으로 슬라이드 이동 가능하도록 상기 아웃터실드의 내측에 구비된 이너실드로 이루어지고, 상기 이너실드와 상기 아웃터실드를 서로에 대해 반대 방향으로 슬라이드 이동시키는 구동부가 각각 구비된다.
실시예에서, 상기 챔버의 냉각을 위해, 상기 방열부로 불활성 가스인 아르곤 가스를 제공하는 냉각가스 제공부가 구비될 수 있다.
실시예에서, 상기 챔버의 냉각을 위해 상기 챔버의 내부압을 조절하는 압력조절부가 구비될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 방식의 실리콘 단결정 성장 장치의 냉각 방법은 상기 방열부의 표면적을 확장시키고, 두께를 감소시킴으로써 상기 챔버의 냉각속도를 증가시킨다. 상세하게는, 상기 이너실드와 상기 아웃터실드를 서로에 대해 반대 방향으로 슬라이드 이동시킴으로써 상기 방열부의 표면적을 확장시키고, 두께를 감소시킨다. 그리고, 상기 이너실드와 상기 아웃터실드는 상기 챔버의 온도가 기설정된 냉각온도인 300 내지 500℃ 가 냉각될 때까지 기설정된 주기로 반복 수행된다.
실시예에서, 상기 방열부는 1시간을 주기로 상기 실드들을 이동시킨다.
실시예에서, 상기 챔버의 냉각속도를 증가시키기 위해서, 상기 방열부로 불 활성 가스를 공급할 수 있다. 즉, 상기 방열부를 추가적으로 냉각시킴으로써 상기 방열부를 통한 열방출 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
실시예에서, 상기 챔버의 냉각속도를 증가시키기 위해서, 상기 챔버의 내부압을 변화시킬 수 있다. 여기서, 상기 챔버의 내부압은 고압에서 저압으로 저압에서 고압으로 빠르게 변화된다. 그리고, 상기 챔버의 내부압은 30분을 주기로 상기 챔버의 온도가 500℃ 이하로 냉각 될 때까지 반복적으로 변화된다. 상기 챔버의 내부압을 변화시킴으로써, 상기 내부압의 변화시에 상기 챔버 내의 기류에 변화가 발생하여 열방출을 향상된다.
한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예들에 따르면, 쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 방식의 실리콘 단결정 성장 장치의 냉각 방법은 상기 방열부의 표면적을 확장시키고 두께를 감소시킴과 더불어, 상기 챔버의 내부압을 변화시키거나 상기 방열부로 불활성 가스를 공급하여 냉각시키는 방법을 선택적으로 이용하여 상기 챔버의 냉각속도를 증가시킨다.
실시예에서, 상기 방열부는, 상기 이너실드와 상기 아웃터실드를 서로에 대해 반대 방향으로 슬라이드 이동시킴으로써, 상기 방열부의 표면적을 증가시키고 두께를 감소시키게 된다. 그리고, 상기 방열부는 1시간을 주기로 상기 이너실드와 상기 아웃터실드를 반복적으로 이동시킨다.
실시예에서, 상기 챔버의 내부압은 30분을 주기로 제1 압력과 상기 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 변화된다. 즉, 상기 챔버의 내부압 변화시 상기 챔버 내의 기류에 변화가 발생하여 상기 챔버의 열방출을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명에 따르면, 첫째, 방열부를 챔버의 내측방향으로 적층되게 구성하고, 상기 방열부를 서로 슬라이딩시켜 표면적을 변화시킴으로써 전체 방열면적을 증대시켜 상기 방열부를 통한 열방출 효율을 증가시킨다. 더불어, 상기 방열부는 서로 슬라이딩되어 전체 두께가 얇아지므로, 상기 방열부를 통한 열방출 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 방열부의 이너실드와 아웃터실드의 슬라이딩시 상기 실드들 사이의 잠열을 방출시킬 수 있다.
따라서, 상기 챔버의 온도가 500℃ 이하로 냉각되는 데 걸리는 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다. 더불어, 공정에서 자연냉각으로 인해 낭비되는 시간을 절감시킴으로써 전체 공정 시간을 줄일 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.
둘째, 상기 방열부로 아르곤 가스를 주입함으로써 상기 방열부의 열방출 효율을 더욱 증가시키고, 상기 챔버의 냉각속도를 향상시킬 수 있다.
셋째, 상기 챔버 내의 압력을 고압에서 저압으로 저압에서 고압으로 빠르게 변화시킴으로써, 압력 변화에 따른 상기 챔버 내 열의 확산을 증가시켜 상기 챔버의 냉각효율을 향상시킨다. 더불어, 압력 변화시 상기 챔버 내에 기류가 순간적으로 변화됨으로써 상기 챔버의 열방출을 향상시키고, 냉각속도를 증가시킨다.
넷째, 상기 챔버의 냉각이 완료된 후 상기 방열부의 교체를 위한 시간을 효과적으로 단축시킬 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치를 설명하기 위한 단면도이고, 도 2와 도 3의 도 1에서 방열부의 동작을 설명하기 위한 단면도들이다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치에 대해 설명한다.
쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 방식에 의한 단결정 실리콘 성장 장치(100)는 챔버(110), 도가니(112), 히터(114) 및 방열부(150)로 이루어진다.
상기 챔버(110)는 상기 단결정 실리콘이 성장되는 환경을 제공하고, 상기 챔버(110)의 벽에는 열에 의해 상기 챔버(110)가 변형되기 것을 방지하기 위한 냉각수단(미도시)이 구비된다. 예를 들어, 상기 챔버(110)는 벽을 따라 냉각수가 유동되어 상기 챔버(110)의 열변형을 방지하고, 상기 챔버(110) 내의 온도를 적절하게 조절할 수 있다.
상기 도가니(112)는 폴리 실리콘 또는 실리콘 융액(10)을 수용하고, 상기 챔버(110) 내에 회전 가능하게 구비된다. 그리고, 상기 도가니(112) 하부에는 상기 도가니(112)를 회전시키기 위한 회전축(116)이 상기 챔버(110) 하부로 연장된다.
상기 히터(114)는 상기 도가니(112)에 열을 가하고, 상기 도가니(112) 외측에서 소정 간격 이격되어 상기 도가니(112)를 둘러싸도록 형성된다.
상기 방열부(150)는 상기 챔버(110)와 상기 히터(114) 사이에서 구비되어, 상기 챔버(110) 내의 열을 방출시키는 역할을 한다. 여기서, 상기 방열부(150)는 단열재로서, 상기 단결정 실리콘의 성장 공정 동안에는 상기 히터(114)의 열이 상기 챔버(110) 외부로 방출되는 것을 차단시키는 단열재의 역할을 한다.
그러나, 상기 단결정 실리콘 성장이 완료된 후에는, 상기 방열부(150)는 상기 챔버(110) 내의 열을 방출시키는 방열부재의 역할을 하게 된다. 그리고, 이와 같은 상기 방열부(150)의 열방출 효율을 향상시키기 위해서 상기 방열부(150)는 표면적과 두께를 가변 가능하게 형성된다.
이하, 상기 방열부(150)에 대해 상세하게 설명한다.
상기 방열부(150)는 상기 챔버(110) 벽면에 밀착되도록 형성된다. 그리고, 상기 방열부(150)는 서로 슬라이드 이동 가능하도록 복수의 실드(151, 152)가 적층되어 형성된다.
예를 들어, 상기 방열부(150)는 상기 챔버(110)에 대응되는 소정 두께를 갖는 원통형태를 갖는다.
상기 방열부(150)는 상기 챔버(110) 벽에 밀접하게 구비된 이너실드(inner shield)(151)와 상기 이너실드(151) 내측에 적층된 아웃터실드(outer shield)(152)로 이루어진다. 그리고, 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)를 서로에 대해 슬라이드 이동시키는 구동부(153, 154)가 각각 연결된다. 즉, 상기 이너실드(151)가 일 방향으로 상기 챔버(110) 벽면을 따라 슬라이드 이동하며, 상기 아웃터실드(152)는 상기 이너실드(151)와 반대 방향으로 상기 이너실드(151)에 대해 슬라이드 이동한다.
상기와 같이, 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)가 서로에 대해 반대 방향으로 슬라이드 이동하면 결과적으로 상기 방열부(150)의 전체 표면적이 확장된다. 그리고, 상기 방열부(150)의 표면적이 확장됨에 따라 실질적으로 열이 방출되는 면적을 증가시키게 되므로, 상기 방열부(150)를 통해 상기 챔버(110) 외부로의 열방출이 활발하게 이루어진다.
또한, 서로 적층되어 있던 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)가 슬라이드 이동에 의해 서로 분리되면서 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)가 겹쳐진 부분에 존재하던 잠열을 외부로 방출시킬 수 있다.
상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)는 동일한 두께를 가질 수 있다. 따라서, 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)가 서로에 대해 반대 방향으로 슬라이드 이동하면 상기 방열부(150)의 실질적인 두께가 상기 이너실드(151) 및 상기 아웃터실드(152)의 두께로 줄어들게 된다. 그리고, 상기 방열부(150)의 두께 감소는 상기 방열부(150)를 통한 열방출 효율을 향상시킨다.
또한, 상기 방열부(150)는 상기 챔버(110) 내벽을 따라 원통이 적층된 형태 로서, 상기 챔버(110)의 냉각이 완료된 후 상기 방열부(150)를 교체하는 데 걸리는 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 상기 챔버(110)에는 상기 챔버(110) 내의 압력을 조절하기 위한 압력조절부(115)가 구비된다.
상기 압력조절부(115)는 상기 챔버(110)의 냉각을 위해 상기 챔버(110) 내의 압력을 선택적으로 변경시키는 역할을 한다. 특히, 상기 압력조절부(115)는 상기 챔버(110)의 내부압을 고압에서 저압으로 저압에서 고압으로 빠르게 변경시킴으로써 상기 챔버(110) 내부의 기류를 변화시키고, 열을 확산시켜 상기 챔버(110)의 열방출 효율을 향상시키게 된다. 예를 들어, 상기 단결정 실리콘의 성장을 위해서는 상기 챔버(110) 내부압은 10torr가 유지되고, 상기 압력조절부(115)는 상기 냉각과정에서 상기 챔버(110) 내부압을 45torr로 승압시키고, 다시 10torr로 감압시키도록 작동한다.
또한, 상기 챔버(110)에는 상기 방열부(150)의 냉각을 위한 냉각가스를 제공하는 냉각가스 제공부(125)가 구비된다.
상기 냉각가스 제공부(125)는 상기 챔버(110) 내로 불활성 가스, 예를 들어, 아르곤(Ar) 가스를 제공한다.
상기 챔버(110) 벽을 따라 상기 불활성 가스의 유동을 위한 복수의 가스홀(120)이 형성된다. 예를 들어, 상기 가스홀(120)은 상기 챔버(110)의 내측면을 따라 환형의 띠 형태로 형성된 홈이고, 상기 가스홀(120)은 상기 챔버(110)의 길이 방향을 따라 평행하게 복수의 환형의 홈이 배치될 수 있다.
그리고, 상기 가스홀(120)을 통해 상기 불활성 가스가 상기 이너실드(151) 및 상기 아웃터실드(152)에 제공되어, 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)를 냉각시키게 된다. 따라서, 상기 챔버(110)의 냉각속도를 향상시킨다.
한편, 상기 단결정 실리콘의 성장이 완료되면, 상기 챔버(110)를 냉각시키게 된다. 상기 히터(114)에 인가된 전원을 해제하고, 상기 챔버(110)의 온도가 산화가 발생하지 않는 500℃ 이하로 냉각시킨다. 그런데, 상기 히터(114)의 전원이 해제되더라도, 상기 도가니(112)에 수용된 실리콘 융액의 온도가 높아서 상기 챔버(110) 중앙부의 온도는 1000℃ 이상의 고온이 유지된다. 따라서, 상기 방열부(150)를 슬라이드 이동시켜 표면적을 변화시키고 두께를 변화시킴으로써 열방출 효율을 향상시키게 된다. 그리고, 상기 냉각과정 동안 상기 방열부(150)로 불활성 가스를 제공할 수 있다. 또는, 상기 냉각과정 동안 상기 챔버(110)의 내부압을 변경시킬 수도 있다.
이하, 상술한 본 발명의 실리콘 단결정 성장 장치의 냉각 방법들에 관한 실시예들에 대해 상세하게 설명한다.
먼저, 표 1은 후술한 실시예들에 대해 정리하였다.
방열부 지름[㎜] 방열부 높이[㎜] 이너실드[㎜] 아웃터실드[㎜] 내부압[torr] 아르곤[slpm]
실시예 1 450 400 150->200 50->200 10 -
실시예 2 900 500 300->400 100->400 45->10 -
실시예 3 900 500 150->200 50->200 20 170
실시예 4 450 400 150->200 50->200 45->10 70
참고적으로, 표 1에서 '이너실드'와 '아웃터실드' 항목은 각각 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)의 이동거리를 나타낸다. 여기서, 상기 실시예들은 상기 이너실드(151)는 상부로 이동시킨 후 하부로 이동하고, 상기 아웃터실드(152)는 하부로 이동시킨 후 상부로 이동시킨다.
그리고, '내부압' 항목은 주기에 따른 상기 챔버(110) 내부압의 변화를 나타낸다.
또한, '아르곤' 항목은 상기 챔버(110)로 공급되는 아르곤 가스의 공급량을 나타낸다.
이하, 상기 표 1을 참조하여 각각의 실시예들에 대해 상세하게 설명한다.
실시예 1
실시예 1은 상기 챔버(110)의 내부압을 변화시키지 않고, 아르곤 가스를 추가로 공급하지 않은 상태에서 상기 방열부(150)의 표면적만을 변화시키면서, 상기 챔버(110)의 냉각시간을 측정한다.
참고적으로, 단결정 실리콘의 성장 공정 동안의 상기 챔버(110)의 내부압을 그대로 유지한 상태에서 냉각공정이 진행된다. 예를 들어, 상기 챔버(110)의 내부압은 10torr 일 수 있다.
상기 방열부(150)의 지름은 450㎜이고, 높이는 400㎜이다.
상기 냉각공정에서 상기 방열부(150)의 동작을 살펴보면, 먼저, 상기 이너실드(151)를 상부방향으로 150㎜ 이동시킨다. 동시에 상기 아웃터실드(152)를 하부방향으로 50㎜ 이동시킨다.
다음으로, 1시간이 경과한 후, 상기 이너실드(151)를 하부방향으로 200㎜이동시키고, 상기 아웃터실드(152)는 상부방향으로 200㎜ 이동시킨다.
그리고, 1시간을 주기로 반복적으로 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)를 이동시킴으로써 상기 챔버(110)를 냉각시키게 된다.
여기서, 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)가 서로 반대 방향으로 이동하여 펼쳐지면 상기 방열부(150)의 전체 표면적이 초기 표면적에 넓어지게 된다. 그리고, 상기 방열부(150)의 표면적이 증가함에 따라 상기 방열부(150)를 통한 열방출 효율이 증가하게 되므로, 상기 챔버(110)를 빠르게 냉각시킬 수 있다.
더불어, 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)가 서로 반대 방향으로 이동하여 겹쳐진 부분이 적어지므로, 상기 방열부(150)의 전체 두께가 얇아지고, 이는 상기 방열부(150)를 통한 열방출 효율을 증가시키게 된다.
실시예 1에 의하면, 기존에 자연냉각 방식으로 상기 챔버(110)의 온도를 500℃ 이하로 냉각시키는데 11시간이 소요되었으나, 실시예 1에서는 7시간으로 단축시키게 된다.
실시예 2
실시예 2는 상기 방열부(150)의 표면적을 변화시킴을 물론, 상기 챔버(110)의 내부압을 변화시키면서 상기 챔버(110)의 냉각시간을 측정한다.
상기 방열부(150)의 지름은 900㎜이고, 높이는 500㎜이다.
상기 냉각공정에서 상기 방열부(150)의 동작을 살펴보면, 먼저, 상기 이너실드(151)를 상부방향으로 300㎜ 이동시킨다. 동시에 상기 아웃터실드(152)를 하부방향으로 100㎜ 이동시킨다.
다음으로, 1시간이 경과한 후, 상기 이너실드(151)를 하부방향으로 400㎜이동시키고, 상기 아웃터실드(152)는 상부방향으로 400㎜ 이동시킨다.
그리고, 1시간을 주기로 반복적으로 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)를 이동시킴으로써 상기 챔버(110)를 냉각시키게 된다.
여기서, 상기 방열부(150)를 상하 방향으로 각각 이동시킴으로써, 상기 방열부(150)의 표면적이 증가하게 된다. 그리고, 상기 방열부(150)의 표면적이 증가하면 상기 방열부(150)를 통한 열방출 효율이 향상된다. 또한, 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)가 서로 반대 방향으로 이동하여 펼쳐지므로, 상기 방열부(150)의 두께가 상기 이너실드(151) 및 상기 아웃터실드(152)의 두께로 얇아지므로, 상기 방열부(150)를 통한 열방출 효율이 증가하게 된다.
또한, 상기 방열부(150)를 이동시킴과 더불어, 상기 챔버(110)의 내부압을 변화시킨다.
상세하게는, 상기 냉각공정이 시작되면 상기 챔버(110)의 내부압을 45torr로 상승시킨다. 그리고, 30분이 경과하면 상기 챔버(110)의 내부압을 10torr로 감압시킨다. 그리고, 상기 챔버(110)의 온도가 500℃ 이하로 냉각될 때까지, 상기 챔버(110)의 내부압을 30분을 주기로 반복적으로 승압 및 감압시킨다.
여기서, 상기 챔버(110)의 내부압을 고압에서 저압 또는 저압에서 고압으로 빠르게 변화시키면 상기 챔버(110) 내의 온도도 일시적으로 변하게 된다. 더불어, 상기 내부압을 변화시키면 상기 챔버(110) 내부의 공기의 흐름을 일시적으로 변화시킬 수 있으며, 이로 인해 상기 챔버(110) 내의 열방출을 촉진시키게 된다. 또한, 압력변화에 의해 상기 챔버(110) 내의 열을 순간적으로 확산시킬 수 있으므로, 상기 챔버(110)의 냉각속도를 증가시킬 수 있다.
실시예 2에 의하면, 기존 자연냉각 방식으로 상기 챔버(110)의 온도를 500℃ 이하로 냉각시키는데 14시간 소요되었으나, 실시예 2에 의하면, 8시간으로 단축시킬 수 있다.
실시예 3
실시예 3은 상기 챔버(110)의 내부압은 변화시키지 않은 상태에서, 상기 방열부(150)의 표면적을 변화시키고, 더불어, 상기 챔버(110) 내로 아르곤 가스를 제공하면서 상기 챔버(110)의 냉각시간을 측정한다.
상기 방열부(150)의 지름은 900㎜이고, 높이는 500㎜이다.
상기 냉각공정에서 상기 방열부(150)의 동작을 살펴보면, 먼저, 상기 이너실드(151)를 상부방향으로 150㎜ 이동시킨다. 동시에 상기 아웃터실드(152)를 하부방향으로 50㎜ 이동시킨다.
다음으로, 1시간이 경과한 후, 상기 이너실드(151)를 하부방향으로 200㎜이동시키고, 상기 아웃터실드(152)는 상부방향으로 200㎜ 이동시킨다.
그리고, 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)를 상술한 것과 같이 1시간을 주기로 반복적으로 이동시켜 상기 챔버(110)를 냉각시킨다.
한편, 상기 방열부(150)가 이동되는 동안 상기 챔버(110) 내로 아르곤 가스를 제공한다. 특히, 상기 아르곤 가스는 상기 방열부(150)에 직접 접촉되도록 공급된다.
상세하게는, 단결정 실리콘을 성장시키는 동안 상기 챔버(110) 내부로 100slpm의 아르곤 가스가 제공된다. 그리고, 냉각공정이 시작되면, 상기 아르곤 가스의 양을 170slpm으로 증가시켜 제공한다. 또한, 상기 아르곤 가스의 공급이 원활하게 이루어질 수 있도록 상기 챔버(110)의 내부압을 20torr정도로 유지시켜 준다.
상기 아르곤 가스를 제공하여 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)를 추가적으로 냉각시킴으로써, 상기 실드(151, 152)를 통한 열방출 효율이 증가되고, 상기 챔버(110)의 냉각속도를 증가시킬 수 있다.
실시예 3에 의하면, 상기 챔버(110)의 온도를 500℃ 이하로 냉각시키는데 걸리는 시간을 6시간 30분으로 단축시킬 수 있다.
실시예 4
실시예 4는 상기 방열부(150)의 표면적을 변화시키고, 상기 챔버(110) 내로 아르곤 가스를 제공하면서, 더불어, 상기 챔버(110)의 내부압은 변화시키면서 상기 챔버(110)의 냉각시간을 측정한다.
상기 방열부(150)의 지름은 500㎜이고, 높이는 400㎜이다.
상기 냉각공정에서 상기 방열부(150)의 동작을 살펴보면, 먼저, 상기 이너실드(151)를 상부방향으로 150㎜ 이동시키고, 상기 아웃터실드(152)를 하부방향으로 50㎜ 이동시킨다.
다음으로, 1시간이 경과한 후, 상기 이너실드(151)를 하부방향으로 200㎜이동시키고, 상기 아웃터실드(152)는 상부방향으로 200㎜ 이동시킨다.
그리고, 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)를 상술한 것과 같이 1시간을 주기로 반복적으로 이동시켜 상기 챔버(110)를 냉각시킨다.
한편, 상기 방열부(150)가 이동되는 동안 상기 챔버(110) 내로 아르곤 가스를 제공한다. 특히, 상기 아르곤 가스는 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)에 직접 접촉되도록 공급된다.
상세하게는, 단결정 실리콘을 성장시키는 동안 상기 챔버(110) 내부로 40slpm의 아르곤 가스가 제공되는데, 냉각공정 동안에는 상기 아르곤 가스를 70slpm으로 증가시켜 제공한다.
상기 아르곤 가스를 제공하여 상기 이너실드(151)와 상기 아웃터실드(152)를 추가적으로 냉각시킴으로써, 상기 실드(151, 152)를 통한 열방출 효율이 증가되고, 상기 챔버(110)의 냉각속도를 증가시킬 수 있다.
한편, 상기 챔버(110)를 냉각시키는 동안 상기 챔버(110)의 내부압을 변화시킨다.
상세하게는, 상기 챔버(110)의 내부압을 10torr에서 45torr로 승압시킨 후, 30부이 경과하면, 상기 챔버(110)의 내부압을 다시 10torr로 감압시킨다. 그리고, 30분을 주기로 상기 챔버(110)의 내부압을 반복적을 승압 및 감압시킨다.
여기서, 상기 챔버(110)의 내부압을 고압에서 저압 또는 저압에서 고압으로 빠르게 변화시키면 상기 챔버(110) 내의 온도와 공기의 흐름을 일시적으로 변화시킬 수 있으며, 이로 인해 상기 챔버(110) 내의 열방출을 촉진시킬 수 있다. 또한, 압력변화에 의해 상기 챔버(110) 내의 열을 순간적으로 확산시킬 수 있으므로, 상기 챔버(110)의 냉각속도를 증가시킬 수 있다.
실시예 4에 의하면, 상기 챔버(110)의 온도를 500℃ 이하로 냉각시키는데 걸리는 시간을 6시간으로 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치를 설명하기 위한 단면도;
도 2와 도 3은 도 1의 실리콘 단결정 성장 장치에서 방열부의 동작을 설명하기 위한 단면도들이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 실리콘 융액 100: 실리콘 단결정 성장 장치
110: 챔버 112: 도가니
114: 히터 115: 압력조절부
116: 회전축 120: 가스홀
125: 냉각가스 제공부 150: 방열부
151: 이너실드 152: 아웃터실드
153: 제1 구동부 154: 제2 구동부

Claims (20)

  1. 쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 방식의 실리콘 단결정 성장 장치에 있어서,
    챔버;
    상기 챔버 벽에 복수의 실드가 적층되어 이루어지고, 상기 각 실드가 서로에 대해 슬라이드 이동이 가능하고, 상기 각 실드의 슬라이드 이동에 의해 전체 표면적이 가변되는 방열부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 챔버의 벽에는 상기 챔버의 냉각을 위한 냉각수가 제공되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 방열부는,
    상기 챔버 벽에 밀접하게 구비된 아웃터실드;
    상기 아웃터실드에 대해 상하 방향으로 슬라이드 이동 가능하도록 상기 아웃터실드의 내측에 구비된 이너실드;
    상기 이너실드를 승강 이동시키는 제1 구동부; 및
    상기 아웃터실드를 승강 이동시키는 제2 구동부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 내부로 냉각을 위한 불활성 가스를 제공하는 냉각가스 제공부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 냉각가스 제공부는 상기 방열부로 상기 불활성 가스가 제공되도록 구비된 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 챔버의 냉각을 위해 상기 챔버의 내부압을 조절하는 압력조절부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치.
  7. 쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 방식의 실리콘 단결정 성장 장치의 냉각 방법에 있어서,
    이너실드와 아웃터실드를 서로에 대해 슬라이드 이동시켜 방열부의 표면적을 제1 가변시키는 단계;
    상기 이너실드와 상기 아웃터실드를 상기 제1 가변 단계와 반대 방향으로 서로에 대해 슬라이드 이동시켜 방열부의 표면적을 제2 가변시키는 단계; 및
    상기 제1 가변 단계와 상기 제2 가변 단계를 기설정된 주기로 반복 수행하여 챔버의 온도를 기설정된 냉각온도로 냉각시키는 단계;
    를 포함하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 가변 단계와 상기 제2 가변 단계는 1시간을 주기로 반복되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 냉각온도는 300 내지 600℃인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 방열부로 불활성 가스를 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 챔버의 내부압을 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 내부압 변화 단계는,
    상기 챔버의 내부압을 제1 압력으로 변화시키는 단계;
    상기 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 변화시키는 단계; 및
    상기 제1 압력과 상기 제2 압력을 기설정된 주기로 반복 변화시키면서 기설정된 냉각온도까지 상기 챔버를 냉각시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 내부압은 30분을 주기로 변화시키는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  14. 쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 방식의 실리콘 단결정 성장 장치의 냉각 방법에 있어서,
    이너실드와 아웃터실드를 서로에 대해 제1 주기로 슬라이드 이동시켜 방열부의 표면적을 가변시키는 단계;
    챔버의 내부압을 제2 주기로 가변시키는 단계; 및
    상기 방열부로 불활성 가스를 공급하는 단계;
    를 포함하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 방열부의 표면적 가변 단계와 상기 내부압 가변 단계 및 상기 가스 공급 단계 중 적어도 하나 이상의 단계를 반복 수행하여 상기 챔버의 온도를 기설정된 냉각온도까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 방열부의 표면적 가변 단계는,
    상기 이너실드와 상기 아웃터실드를 일 방향으로 슬라이드 이동시키는 제1 가변 단계;
    상기 이너실드와 상기 아웃터실드를 상기 제1 가변 단계와 반대 방향으로 슬라이드 이동시키는 제2 가변 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 가변 단계와 상기 제2 가변 단계는 한 시간을 주기로 수행되며, 상기 챔버가 기설정된 냉각온도로 냉각될 때까지 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 챔버의 내부압 가변 단계는,
    상기 챔버의 내부압을 제1 압력으로 변화시키는 단계; 및
    상기 챔버의 내부압을 상기 제1 압력보다 낮은 제2 압력으로 변화시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 챔버의 내부압은 30분을 주기로 상기 제1 압력과 상기 제2 압력이 변화되고, 상기 챔버가 기설정된 냉각온도로 냉각될 때까지 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤(Ar) 가스인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 성장 장치의 냉각 방법.
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