KR100906281B1 - Heat shield structure for growing silicon single crystal ingot and grower using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 구비되는 열실드 구조물에 관한 것으로서, 실리콘 멜트의 계면에 근접한 지점에 일부가 배치되고, 단결정 잉곳의 중심부로부터 에지부로 가면서 점차 축방향 온도구배가 커지도록 제어하는 하부 열실드; 및 일부가 상기 하부 열실드로부터 이격되게 상기 하부 열실드의 상방에 배치되고, 상기 단결정 잉곳의 중심부로부터 에지부로 가면서 점차 축방향 온도구배가 작아지도록 제어하여 결과적으로 상기 하부 열실드에 의한 온도구배 편차를 보상하는 상부 열실드;를 포함하는 열실드 구조물을 개시한다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a heat shield structure provided in a device for growing silicon single crystal ingots by the Czochralski method, wherein a portion is disposed at a point close to the interface of the silicon melt, and gradually becomes an axial direction from the center of the single crystal ingot to the edge portion. A lower heat shield for controlling the temperature gradient to be large; And a part of which is disposed above the lower heat shield so as to be spaced apart from the lower heat shield, and is controlled to gradually decrease in the axial temperature gradient from the center of the single crystal ingot to the edge portion, resulting in a temperature gradient deviation by the lower heat shield. Disclosed is a heat shield structure including;
쵸크랄스키법, 단결정 잉곳, 열실드, 온도구배, 멜트 갭, 보론코프 이론 Czochralski method, single crystal ingot, heat shield, temperature gradient, melt gap, boronkov theory
Description
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 아니된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 열실드 구조물을 도시한 단면도이다.1 and 2 are cross-sectional views showing a heat shield structure of a silicon single crystal ingot growth apparatus according to the prior art.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 열실드 구조물을 도시한 단면도이다.Figure 3 is a cross-sectional view showing a heat shield structure of the silicon single crystal ingot growth apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4는 도 3의 열실드 구조물에 의해 제공되는 G값 분포를 도시한 그래프이다.FIG. 4 is a graph illustrating the G value distribution provided by the heat shield structure of FIG. 3.
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 따라 실리콘 단결정 잉곳의 각 지점에 대한 G값 측정결과를 나타낸 테이블이다.5 is a table showing the results of measuring the G value for each point of the silicon single crystal ingot according to the embodiment and the comparative example of the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 열실드 구조물이 적용된 경우의 실리콘 단결정 인상속도 변화와 결정의 결함분포를 나타내는 분포도이다.FIG. 6 is a distribution diagram illustrating a change in silicon single crystal pulling speed and a crystal defect distribution when a heat shield structure according to the present invention is applied. FIG.
도 7은 종래기술에 따른 열실드 구조물이 적용된 경우의 실리콘 단결정 인상속도 변화와 결정의 결함분포를 나타내는 분포도이다.FIG. 7 is a distribution diagram illustrating a change in silicon single crystal pulling speed and a crystal defect distribution when a heat shield structure according to the related art is applied. FIG.
<도면의 주요 참조부호에 대한 설명><Description of main reference numerals in the drawings>
10: 석영 도가니 11: 단결정 잉곳10: quartz crucible 11: single crystal ingot
15: 열실드 구조물 15a: 하부 열실드15:
15b: 상부 열실드15b: top heat shield
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 열실드 구조물 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단결정 성장중에 반경방향으로 크고 균일한 온도구배를 구현할 수 있는 구조를 가진 열실드 구조물과 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것이다.The present invention relates to a heat shield structure of a silicon single crystal ingot growth apparatus and a silicon single crystal ingot growth apparatus using the same, and more particularly, to a heat shield structure having a structure capable of realizing a large and uniform temperature gradient in a radial direction during single crystal growth. It relates to a silicon single crystal ingot growth apparatus using the same.
반도체 디바이스 공정이 점차 나노급으로 미세화되면서 수십 나노 크기의 결정 결함조차도 디바이스 수율 악화의 요인이 되고 있다. 이에 따라 결정결함들이 제어된 웨이퍼를 반도체 기판으로 사용하는 반도체 디바이스 메이커들이 늘어나는 추세에 있다.As semiconductor device processes are increasingly micronized, even tens of nanoscale crystal defects are causing device yield deterioration. Accordingly, there is an increasing trend of semiconductor device makers using wafers whose crystal defects are controlled as semiconductor substrates.
하지만, 보론코프(Voronkov)의 이론에 따라 소위 무결함 단결정 제조의 공정 마진은 반경방향 수직온도구배에 영향을 받으므로 반드시 반경방향으로 크고 균일한 온도구배를 실현해야 하는 어려움이 있다.However, according to Voronkov's theory, the process margin of the so-called defect-free single crystal production is affected by the radial vertical temperature gradient, so there is a difficulty in realizing a large and uniform temperature gradient in the radial direction.
보론코프 이론(Voronkov Theory)이란, 결정 내에서 우세한 점결함(dominant point defect)은 V/G 값이 어느 임계값 보다 크면 베이컨시-풍부(vacancy-rich), V/G 값이 어느 임계값보다 작으면 인터스티셜-풍부(interstitial-rich)가 된다는 이론이다. 여기에서, V는 단결정 인상속도이며, 실리콘 단결정 내에서 점결함의 대류 파라미터(convection term)이다. 또한, G는 결정 용융액 계면 근처의 순간 축방향 수직온도구배(이하, '온도구배'라 함)이며, 결정 내 온도구배에 의한 점결함의 확산 파라미터(diffusion term)이다.The Voronkov Theory means that the dominant point defect in a crystal is vacancy-rich if the V / G value is greater than a certain threshold and the V / G value is less than any threshold. The theory is that it becomes interstitial-rich. Where V is the single crystal pulling rate and is the convection parameter of point defects in the silicon single crystal. In addition, G is the instantaneous axial vertical temperature gradient near the crystal melt interface (hereinafter referred to as 'temperature gradient') and is the diffusion parameter of point defects due to the temperature gradient in the crystal.
G가 상대적으로 큰 경우, 큰 온도구배에 의하여 열역학적인 점결함 농도구배도 따라서 크게 형성되므로 결정 방향으로의 점결함 확산이 커진다. 그런데, 인터스티셜(Interstitial)의 확산이동도가 베이컨시(vacancy)보다 크기 때문에 결과적으로 지배적인 점결함은 인터스티셜이 된다. 반면, V가 큰 경우에는, 단결정 인상에 의한 대류(convection) 때문에 결정화시에 베이컨시 농도가 인터스티셜 보다 높은 상태가 그대로 유지된다(G에 의한 효과가 작으므로). 즉, V/G 값이 어느 임계값보다 크면 베이컨시 풍부(vacancy-rich)가, V/G 값이 어느 임계값보다 작으면 인터스티셜 풍부(interstitial-rich)가 형성된다. When G is relatively large, the thermodynamic point defect concentration gradient is also largely formed by a large temperature gradient, so that the point defect diffusion in the crystal direction increases. However, since the diffusion mobility of the interstitial is larger than the vacancy, the dominant point defect becomes the interstitial. On the other hand, when V is large, the state of vacancy concentration higher than interstitial is maintained as it is during crystallization due to convection due to single crystal pulling (because the effect by G is small). That is, if the V / G value is greater than a certain threshold, vacancy-rich is formed, and if the V / G value is less than a certain threshold, interstitial-rich is formed.
단결정 잉곳에 있어서 열전달은 온도구배에 의한 열전도를 통해 이루어지며 잉곳의 표면을 통해 열방출이 이루어진다. 따라서, 단결정 잉곳에서의 온도구배는 잉곳 표면에서 열방출을 효과적으로 제어함으로써 조절될 수 있으며, 이를 위해 단결정 잉곳 성장장치에는 열실드(heat shield)가 구비되는 것이 일반적이다. 이와 관련된 종래기술로는 대한민국 특허 등록번호 제374703호, 대한민국 특허 등록번호 제411571호, 미국 특허등록번호 6,527,859 등이 있다.In the single crystal ingot, heat transfer is performed through thermal conduction by temperature gradient and heat is released through the surface of the ingot. Therefore, the temperature gradient in the single crystal ingot can be controlled by effectively controlling the heat release at the ingot surface. For this purpose, the single crystal ingot growth apparatus is generally provided with a heat shield. Related arts related thereto include Korean Patent Registration No. 374703, Korean Patent Registration No. 411571, and US Patent Registration No. 6,527,859.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 열실드(12)는 단결정 잉곳(11)과 석영 도가니(10) 사이에 설치되어 석영 도가니(10)에 담긴 실리콘 멜트(SM)의 계면에서 방출되는 열을 단열하며, 잉곳이 성장하는데 필요한 실리콘 멜트(SM)의 온도 분포와 잉곳 고온부의 온도 분포를 적정하게 제어한다. 도 1 및 도 2에서 A와 B의 열실드(12)는 각기 다른 성장장치에 구비되는 엘리먼트에 해당하나, 이해의 편의상 동일한 도면에 도시되었다.As shown in FIGS. 1 and 2, the
열실드의 구조를 개선하기 위한 방안으로, 종래에는 열실드의 사이즈를 작거나 크게 설계하여 G값을 조절하는 방법이 사용되었다. 그러나, 도 1에 도시된 바와 같이 상대적으로 얇은 사이즈의 열실드(12)는 G값을 크게 할 수 있으나 반경방향 균일도가 나빠지는 문제가 있고, 반대로 도 2에 도시된 바와 같이 상대적으로 두꺼운 사이즈의 열실드(12)는 반경방향 균일도는 좋아지지만 중심부(13)와 에지부(14)의 G값이 작아지는 문제가 있다. 또한, 단일의 열실드(12)를 구성하는 경우에는 아무리 멜트 갭(Melt-Gap) 제어를 하더라도 (1/2)R~(2/3)R 지점에서 G값이 가장 크게 나타나기 때문에 반경방향으로 G값이 불균일할 수 밖에 없는 한계가 있다.In order to improve the structure of the heat shield, conventionally, a method of controlling the G value by designing a small or large size of the heat shield has been used. However, as shown in FIG. 1, the
한편, 도 1의 A나 도 2의 C와 같이 열실드가 고액계면에 가까울수록, 즉 멜트 갭이 작을수록 잉곳 에지부의 온도구배가 중심부에 비해 커지고, 반대로 도 1의 B나 도 2의 D와 같이 열실드가 고액계면으로 멀어질수록 잉곳 중심부의 온도구배는 에지부에 비해 커지는 특성이 있다.On the other hand, as the heat shield is closer to the solid-liquid interface, that is, the smaller the melt gap, the temperature gradient of the ingot edge portion is larger than that of the central portion, as shown in FIG. As the heat shield moves away from the liquid-liquid interface, the temperature gradient at the center of the ingot is larger than the edge portion.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 실리콘 단결정 잉곳의 중심부와 에지부의 온도구배를 동시에 크게 하여 잉곳의 반경방향 전체에 걸쳐 크고 균일한 온도구배를 실현할 수 있는 2단 열실드 구조물 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 제공하는 데 목적이 있다.The present invention was conceived in view of the above, a two-stage heat shield structure that can realize a large and uniform temperature gradient throughout the radial direction of the ingot by increasing the temperature gradient at the center and the edge of the silicon single crystal ingot at the same time; An object of the present invention is to provide a silicon single crystal ingot growth apparatus using the same.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 잉곳의 에지부에 대한 온도구배를 제어하는 하부 열실드와, 잉곳의 중심부에 대한 온도구배를 제어하는 상부 열실드가 결합된 2단 구조의 열실드를 개시한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a heat shield having a two-stage structure in which a lower heat shield for controlling a temperature gradient for the edge portion of the ingot and an upper heat shield for controlling the temperature gradient for the center of the ingot are combined. It starts.
즉, 본 발명의 일 측면에 따르면, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 구비되는 열실드 구조물에 있어서, 실리콘 멜트의 계면에 근접한 지점에 일부가 배치되고, 단결정 잉곳의 중심부로부터 에지부로 가면서 점차 축방향 온도구배가 커지도록 제어하는 하부 열실드; 및 일부가 상기 하부 열실드로부터 이격되게 상기 하부 열실드의 상방에 배치되고, 상기 단결정 잉곳의 중심부로부터 에지부로 가면서 점차 축방향 온도구배가 작아지도록 제어하여 결과적으로 상기 하부 열실드에 의한 온도구배 편차를 보상하는 상부 열실드;를 포함하는 열실드 구조물이 제공된다.That is, according to one aspect of the present invention, in the heat shield structure provided in the apparatus for growing a silicon single crystal ingot by the Czochralski method, a part is disposed at a point close to the interface of the silicon melt, and from the center of the single crystal ingot A lower heat shield that controls the gradual temperature gradient gradually toward the edge portion; And a part of which is disposed above the lower heat shield so as to be spaced apart from the lower heat shield, and is controlled to gradually decrease in the axial temperature gradient from the center of the single crystal ingot to the edge portion, resulting in a temperature gradient deviation by the lower heat shield. An upper heat shield structure is provided that includes a top heat shield to compensate.
바람직하게 상기 하부 열실드는 상기 실리콘 멜트에 근접한 위치에서 대향하는 저면과, 상기 저면과 이어지되 상기 단결정 잉곳을 향하면서 비스듬히 기울어진 경사면을 구비하고, 상기 상부 열실드는 상기 하부 열실드의 상기 경사면으로부터 이격된 저면과, 상기 저면과 이어지되 단결정 잉곳을 향하면서 비스듬히 기울어진 경사면을 구비한다.Preferably, the lower heat shield has an opposite bottom surface at a position proximate to the silicon melt, and an inclined surface connected to the bottom surface and inclined obliquely toward the single crystal ingot, wherein the upper heat shield is the inclined surface of the lower heat shield. A bottom surface spaced apart from the bottom surface and an inclined surface that is connected to the bottom surface and inclined obliquely toward the single crystal ingot.
상기 하부 열실드와 상부 열실드는 카본 펠트, 그라파이트, SiC 코팅된 그라파이트 및 몰리(Moly)로 이루어진 그룹에서 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성될 수 있다.The lower heat shield and the upper heat shield may be composed of any one or two or more selected from the group consisting of carbon felt, graphite, SiC coated graphite, and Moly.
상기 상부 열실드의 멜트 갭은 상기 단결정 잉곳의 직경을 초과하지 않는 것이 바람직하다.It is preferable that the melt gap of the upper heat shield does not exceed the diameter of the single crystal ingot.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 실리콘 멜트가 수용되는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치되어 상기 석영 도가니를 가열하는 히터와, 상기 실리콘 멜트로부터 성장되는 실리콘 단결정 잉곳과 상기 석영 도가니 사이에 설치되어 상기 실리콘 단결정 잉곳에서 방사되는 열을 차단하는 열실드 구조물을 포함하는, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 있어서, 상기 열실드 구조물이, 실리콘 멜트의 계면에 근접한 지점에 일부가 배치되고, 단결정 잉곳의 중심부로부터 에지부로 가면서 점차 축방향 온도구배가 커지도록 제어하는 하부 열실드; 및 일부가 상기 하부 열실드로부터 이격되게 상기 하부 열실드의 상방에 배치되고, 상기 단결정 잉곳의 중심부로부터 에지부로 가면서 점차 축방향 온도구배가 작아지도록 제어하여 결과적으로 상기 하부 열실드에 의한 온도구배 편차를 보상하는 상부 열실드;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치가 제공된다.According to another aspect of the present invention, a quartz crucible having an internal space for accommodating silicon melt, a heater installed to surround the quartz crucible, and heating the quartz crucible, a silicon single crystal ingot grown from the silicon melt and the quartz A device for growing a silicon single crystal ingot by a Czochralski method, comprising a heat shield structure disposed between crucibles and blocking heat radiated from the silicon single crystal ingot, wherein the heat shield structure is formed at an interface of the silicon melt. A lower heat shield disposed at an adjacent point, the lower heat shield controlling the gradual temperature gradient gradually from the center of the single crystal ingot to the edge; And a part of which is disposed above the lower heat shield so as to be spaced apart from the lower heat shield, and is controlled to gradually decrease in the axial temperature gradient from the center of the single crystal ingot to the edge portion, resulting in a temperature gradient deviation by the lower heat shield. Provided is a silicon single crystal ingot growth apparatus comprising a; top heat shield to compensate.
상기 하부 열실드에 있어서 상기 단결정 잉곳과의 최근접 부분에 대응되는 단결정 잉곳의 온도분포는 1050 ~ 1250℃이고, 상기 상부 열실드에 있어서 상기 단결정 잉곳과의 최근접 부분에 대응되는 단결정 잉곳의 온도분포는 800 ~ 1000℃인 것이 바람직하다.The temperature distribution of the single crystal ingot corresponding to the nearest part with the single crystal ingot in the lower heat shield is 1050 to 1250 ° C., and the temperature of the single crystal ingot corresponding to the nearest part with the single crystal ingot in the upper heat shield. It is preferable that distribution is 800-1000 degreeC.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 열실드 구조물을 개략적으로 도시한 단면도이다.3 is a cross-sectional view schematically showing a heat shield structure of a silicon single crystal ingot growth apparatus according to an embodiment of the present invention.
비록 도면에는 상세하게 도시되지 않았으나 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 공지의 구성요소들을 포함한다. 즉, 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에는 챔버가 구비되고, 챔버 내에는 실리콘 멜트(SM)를 담으며 그 외주면은 흑연으로 이루어진 도가니 지지대에 둘러쌓인 석영 도가니(10)가 설치된다. 이때, 도가니 지지대는 회전축 상에 고정 설치되고, 이 회전축은 구동 수단에 의해 회전되어 석영 도가니(10)를 회전시키면서 상승시켜 고액계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대는 소정 간격을 두고 원통형의 히터에 에워싸여진다. 히터는 석영 도가니의 측방에 설치되어 석영 도가니(10)에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 멜트(SM)로 만든다. 또한, 단결정 잉곳(11)과 석영 도가니(10) 사이에는 단결정 잉곳(11)을 에워싸도록 열실드 구조물(15)이 설치되어 실리콘 멜트(SM)로부터 상부로 방사되는 열흐름을 차단함으로써 열을 보존한다. 또한, 챔버의 상부에는 케이블을 감아 인상하는 인상 수단이 설치되며, 이 케이블의 하부에는 석영 도가니 내의 실리콘 멜트(SM)에 접촉되어 인상하면서 단결정 잉곳(11)을 성장시키는 종결정이 설치된다. 인상 수단은 단결정 잉곳(11) 성장시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이때 단결정 잉곳(11)은 석영 도가니(10)의 회전축과 동일한 축을 중심으로 하여 석영 도가니(10)의 회전방향과 반대 방향 또는 동일 방향으로 회전시키면서 끌어올리도록 한다. 챔버의 상부로는, 성장되는 단결정 잉곳(11)과 실리콘 멜트(SM)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 공급하고, 사용된 불활성 가스는 챔버의 하부를 통해 배출시킨다.Although not shown in detail in the drawing, the silicon single crystal ingot growth apparatus includes known components for growing a silicon single crystal ingot by the Czochralski method. That is, the silicon single crystal ingot growth apparatus is provided with a chamber, and inside the chamber is filled with a
특히, 본 발명에 따라 제공되는 열실드 구조물(15)은 실리콘 멜트(SM)의 상방에 근접배치되어 단결정 잉곳(11)의 에지부의 온도구배 제어에 관여하는 하부 열실드(15a)와, 하부 열실드(15a)의 상방에 배치되어 단결정 잉곳(11)의 중심부의 온도구배 제어에 관여하는 상부 열실드(15b)로 이루어진 2단 열실드로 구성된다.In particular, the
하부 열실드(15a)는 실리콘 멜트(SM)에 근접한 위치에서 대향하는 저면(16)과, 이 저면(16)과 이어지는 경사면(17)을 구비한다. 경사면(17)은 하부 열실드(15a)에 있어서 단결정 잉곳(11)과의 최근접면으로부터 연장되되 단결정 잉곳(11)을 향하면서 비스듬히 기울어진 형태를 갖는다. 이때 경사면(17)은 서로 다 른 경사각을 갖는 다단으로 형성되거나, 단일한 경사각으로 형성된다. 잉곳 에지부의 온도구배를 크게 하기 위해서는 하부 열실드(15a)의 멜트 갭이 작을수록 바람직하다.The
상부 열실드(15b)는 하부 열실드(15a)의 경사면(17)으로부터 소정 거리 이격된 저면(18)과, 이 저면과 이어지는 경사면(19)을 구비한다. 경사면(19)은 하부 열실드(15a)의 경사면(17)과 마찬가지로 단결정 잉곳(11)과의 최근접면으로부터 연장되되 단결정 잉곳(11)을 향하면서 비스듬히 기울어진 형태를 가지며, 서로 다른 경사각을 갖는 다단으로 형성되거나 단일한 경사각으로 형성된다.The
상부 열실드(15b)는 카본 펠트, 그라파이트, SiC 코팅된 그라파이트 또는 몰리(Moly) 중 적어도 하나 이상의 재료로 구성되어 단결정 잉곳으로부터 열방출을 촉진하거나, 부분적으로 단열하는 것이 바람직하다. 고액계면으로부터의 열전달 분포와 온도구배를 감안할 때, 상부 열실드(15b)의 멜트 갭은 단결정 잉곳(11)의 직경을 초과하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 상부 열실드(15b)의 위치는 상용화된 실리콘 단결정 잉곳의 직경에 대응하여 150mm, 200mm, 300mm 등으로 설계될 수 있을 것이다.The
하부 열실드(15a)와 상부 열실드(15b)에 의한 온도구배 제어작용에 의해 고액계면으로부터의 주요 열전달 경로는 도 3에 도시된 바와 같이 잉곳 중심, R/2 및 에지부가 거의 상호 동일한 G값을 갖도록 분포된다.The main heat transfer path from the solid-liquid interface by the temperature gradient control action by the
하부 열실드(15a)에 있어서 단결정 잉곳(11)과의 최근접 부분에 대응되는 단결정 잉곳(11)의 온도분포는 1050 ~ 1250℃인 것이 바람직하고, 상부 열실드(15b) 에 있어서 단결정 잉곳(11)과의 최근접 부분에 대응되는 단결정 잉곳(11)의 온도분포는 800 ~ 1000℃인 것이 바람직하다. 상기와 같은 대응구조는 고온영역에서 점결함 확산 효과를 극대화시키고, 특히 1150℃ 부근과 850℃ 부근에서의 2차 결함 형성 억제 효과를 제공할 수 있다.The temperature distribution of the
도 4에는 도 3의 열실드 구조물에 의해 제공되는 G값 분포가 도시되어 있다. 도면에서 점선 그래프는 하부 열실드(15a)에 의한 G값 분포를 나타내고, 일점쇄선 그래프는 상부 열실드(15b)에 의한 G값 분포를 나타낸다. 도면에 나타난 바와 같이 하부 열실드(15a)와 상부 열실드(15b)에 의해 동시에 축방향 온도구배 차이가 보상되므로 결과적으로 실선 합성그래프와 같이 전체적으로 G값이 향상되며 잉곳 중심으로부터 에지부까지 실질적으로 균일하게 G값이 분포하게 된다.FIG. 4 shows the G value distribution provided by the heat shield structure of FIG. 3. In the figure, the dotted line graph shows the G value distribution by the
일반적인 성장계면의 형태(slightly single concave or double concave)에서는 결정 중심에서의 열방출이 에지보다 원활하지 않으므로 필연적으로 중심에서 에지부로 갈수록 G값이 증가하는 경향을 보이게 된다. 하지만, 성장계면에서의 온도구배 분포는 열전달 경로에 의해 영향을 받으므로, 하부 열실드(15a)로부터 이격된 상부 열실드(15b)를 통해 중심부의 G값을 에지부보다 크게 증가시킬 수 있고, 이러한 경우에는 하기의 열균형 방정식(Heat balance equation)에 따라 잉곳 중심부로 갈수록 G값 증가분이 생기므로 결정에서의 열전달 경로에 의한 온도구배 차이를 보상하게 된다.In the general growth interface (slightly single concave or double concave), the heat dissipation at the crystal center is not smoother than the edge, so the G value tends to increase from the center to the edge. However, since the temperature gradient distribution at the growth interface is affected by the heat transfer path, the G value of the center portion can be increased larger than the edge portion through the
kS: 고체(단결정) 열전달 계수, GS : 고체(단결정) 온도구배k S : Solid (single crystal) heat transfer coefficient, G S : Solid (single crystal) temperature gradient
kL: 액체(멜트) 열전달 계수, GL: 액체(멜트) 온도구배 k L : Liquid (melt) heat transfer coefficient, G L : Liquid (melt) temperature gradient
Lf: 결정화 잠열, V: 성장속도L f : latent heat of crystallization, V: growth rate
도 5는 본 발명의 실시예와 비교예에 따라 실리콘 단결정 잉곳의 각 지점에 대한 G값 측정결과를 나타낸 테이블이다. 도면을 참조하면, 비교예 1 내지 4(도 1 및 도 2의 A ~ D)와는 달리 본 발명의 실시예는 잉곳 중심, R/2 및 에지부의 G값 편차(Gmin - max)가 0.1~0.2로 매우 작게 나타나는 것을 확인할 수 있다.5 is a table showing the results of measuring the G value for each point of the silicon single crystal ingot according to the embodiment and the comparative example of the present invention. Referring to the figure, the comparative examples 1 to 4 the embodiment of the present invention, unlike (A-D in Fig. 1 and 2) is the ingot center, R / 2 and the edge of the G value of the deviation (G min - max) of 0.1 to It can be seen that the appearance is very small as 0.2.
도 6에는 본 발명에 따른 열실드 구조물이 적용된 경우의 실리콘 단결정 인상속도 변화와 결정의 결함분포가 도시되어 있으며, 도 7에는 종래기술에 따른 열실드 구조물이 적용된 경우의 실리콘 단결정 인상속도 변화와 결정의 결함분포가 도시되어 있다. 도면들을 참조하면, 도 6에 도시된 본 발명의 열실드 구조물이 적용된 단결정 잉곳의 무결함영역(Pv,Pi)의 공정마진(M)이 도 7의 (a) 내지 (c)에 도시된 종래기술의 공정마진(M)에 비해 현저히 증가하고 인상속도도 향상됨을 확인할 수 있다.Figure 6 shows the change in silicon single crystal pulling speed and the defect distribution of the crystal when the heat shield structure according to the present invention is applied, Figure 7 shows the change and crystallization of silicon single crystal pulling speed when the heat shield structure according to the prior art is applied The defect distribution of is shown. Referring to the drawings, the process margin M of the defect-free regions Pv and Pi of the single crystal ingot to which the heat shield structure of the present invention shown in FIG. 6 is applied is shown in FIGS. 7A to 7C. Compared to the process margin (M) of the technology it can be seen that the increase rate is significantly increased.
상술한 바와 같이 본 발명에 따라 제공되는 열실드 구조물(15)은 적정 수준의 갭을 갖는 2단 열실드로 구성되어 단결정 잉곳 성장계면상에서 온도구배 편차를 최소화하는 작용을 하게 된다. 즉, 열실드 구조물(15)의 하부에 위치하는 하부 열실드(15a)는 실리콘 멜트(SM)의 상부에 배치되어 성장중인 단결정 잉곳을 둘러쌈으로써 실리콘 멜트(SM)의 온도분포를 유지함과 아울러 단결정 잉곳의 에지부에 대한 축방향 온도구배를 효과적으로 제어하고, 열실드 구조물(15)의 상부에 위치하는 상부 열실드(15b)는 단결정 잉곳(11)으로부터 열방출을 촉진함과 아울러 단결정 잉곳의 중심부에 대한 축방향 온도구배를 효과적으로 제어한다.As described above, the
이상에서 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.Although the present invention has been described above by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below by the person skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims.
본 발명에 의하면 잉곳의 반경방향을 따라 중심, R/2 및 에지부의 축방향 온도구배를 거의 일정하게 유지할 수 있으므로 웨이퍼 전면에 걸쳐 동일한 특성을 갖는 실리콘 웨이퍼의 제조가 가능하다.According to the present invention, the axial temperature gradients of the center, R / 2, and edge portions of the ingot can be maintained substantially constant along the radial direction of the ingot, thereby making it possible to manufacture silicon wafers having the same characteristics over the entire wafer surface.
또한 실리콘 단결정 잉곳 성장시 인상속도를 향상시킬 수 있으므로 생산성이 향상되고 제조단가를 절감할 수 있는 장점이 있다.In addition, since the pulling speed can be improved during the growth of the silicon single crystal ingot, productivity is improved and manufacturing cost can be reduced.
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