KR101105593B1 - 실리콘 단결정 잉곳 성장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 대한 것이다. 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 융액에서 단결정시드로부터 실리콘 단결정을 인상시키면서 성장시켜 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치로서, 실리콘 단결정으로 성장되는 실리콘 융액이 담겨지는 도가니와; 상기 도가니를 외측에서 둘러싸도록 형성되며, 상기 성장장치 내의 특정위치에 열이 집중될 수 있도록 발열조절부가 형성된 발열체를 포함하여 구성되어, 상기 발열조절부의 형상과 구조를 변경시키는 것에 의해 잉곳 성장장치 내의 실리콘 융액내의 온도분포를 제어하는 것을 특징으로 한다.

히터, 잉곳, 성장장치, 발열량, 온도

Description

실리콘 단결정 잉곳 성장장치{A Silicon Single Crystal Grower}

도 1a는 종래의 실리콘 단결정 성장장치를 예시한 단면도.

도 1b는 종래의 실리콘 단결정 성장장치에서 발열체의 방사각도를 예시한 부분단면도.

도 2는 본 발명의 실리콘 단결정 성장장치에 있어서 발열체에 의한 발열량의 상하분포를 예시한 단면도.

도 3은 본 실시예의 발열체의 발열각도 조절부의 형상을 예시한 부분 단면도.

도 4는 본 실시예의 실리콘 단결정 잉곳성장장치에서 발열각도 조절부의 작용을 보여주는 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

30..........단결정 잉곳 성장장치 33..........도가니

35..........흑연히터 37..........요형 홈

IG..........단결정 잉곳 SM..........실리콘 융액

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 성장장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 도가니를 가열하는 발열체의 형상을 변형시켜 성장장치 내부의 실리콘 융액 내의 열적분포를 제어하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 대한 것이다.

도 1a은 종래의 실리콘 단결정 성장장치를 예시한 단면도이고, 도 1b는 종래의 실리콘 단결정 성장장치에서 발열체의 방사각도를 예시한 부분단면도이다.

도시된 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(10)는, 잉곳성장이 일어나는 공간인 챔버(11)와, 단결정 잉곳(IG)으로 성장되는 실리콘융액(SM)이 담겨지는 도가니(13)와, 도가니(13)에 열을 가하는 발열체를 포함한다.

실리콘 단결정 잉곳 성장장치(10)에 사용되는 발열체는 원통형상의 흑연히터(15)로, 이는 실리콘 융액(SM)이 담겨진 석영도가니(13a)와 이를 지지하는 흑연도가니(13b)의 외측에 설치되어 가열을 할 수 있도록 되어 있는 구조이다.

종래의 흑연히터(15)는 석영도가니(13a)의 상단부에 대응하는 위치에서부터 도가니(13) 하단부분에 걸쳐 동일반경으로 형성된다. 도 1a, 도 1b에 도시된 바와 같이 종래의 흑연히터(15)는 상하방향으로 동일한 형상을 이루며 저항값도 균일하기 때문에, 흑연히터(15)의 발열양은 흑연히터(15)의 상하로 가우스 형태의 열분포를 가지게 된다.

흑연히터(15)가 발열되면, 석영도가니(13a)에 담겨진 폴리실리콘이 가열 용융되어 실리콘융액(SM)이 형성된다. 실리콘융액(SM)이 형성된 후에 실리콘융액(SM)이 적정한 온도분포가 되도록 유지하면서, 실리콘 단결정 시드를 실리콘 융액에 담구어 인상시키면 실리콘 단결정(IG)의 성장이 이루어지게 된다.

도 1a의 잉곳성장장치(10)에서는 도가니(13)와 성장중인 실리콘 단결정을 반대방향으로 회전시키면서 잉곳(IG)의 단면이 원형이 되도록 단결정 잉곳을 성장시키게 된다.

그러나, 상기와 같은 구조의 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에는 다음과 같은 문제점이 있어 왔다.

종래의 흑연히터(15)는 상부에서 하부에 걸쳐 균일한 형상과 균일한 저항값을 갖기 때문에 상술한 바와 같이 히터 길이의 중앙을 중심으로 가우스 형태의 열분포를 가지게 된다. 그리고, 이러한 경우의 방사열은 석영도가니(13)에 담겨진 실리콘 융액(SM)의 중심부까지는 충분히 도달하지 못하며 석영도가니(13) 외벽 부분이 중심부분보다 고온상태를 유지하게 된다.

이처럼 중심부분보다 외벽부분이 고온상태를 유지하기 때문에 실리콘 융액의 수평방향 온도 불균일성이 심화되게 된다. 이와 같은 온도분포의 불균일성은 단결정잉곳(IG)의 수율을 악화시키는 요인으로 작용하게 된다.

종래의 성장장치(10)에서는 이러한 문제점을 극복하기 위하여 도가니(13)나 단결정(IG)을 충분히 회전시켜 열적 불균일성을 완화시키는 방법에 의하고 있었다.

이와 같은 기존의 흑연히터(15)에 의해서는 특정부위에 발열을 집중시키는 것이 곤란하여, 가열의 조건 변화에 의해 단결정의 성장조건을 변화시키는 데는 한계가 있어왔다. 이러한 실리콘 융액 내의 온도 불균일성으로 인해 제품에 따라 낮은 도가니 회전수 또는 낮은 단결정 회전수를 사용해야 할 경우 수율이 악화되는 어려운 문제가 있어 왔다.

본 발명의 목적은, 히터의 형상을 변형시킴으로써 성장장치의 특정지점에 발열이 집중되도록 하여 성장장치 내의 실리콘 융액의 열분포를 부분별 제어하는 것이 가능한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 구현하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 실리콘 융액에서 단결정시드로부터 실리콘 단결정을 인상시키면서 성장시켜 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘단결정 잉곳 성장장치로서, 실리콘 단결정으로 성장되는 실리콘 융액이 담겨지는 도가니와; 상기 도가니를 외측에서 둘러싸도록 형성되며, 상기 성장장치 내의 특정위치에 열이 집중될 수 있도록 발열조절부가 형성된 발열체를 포함하여 구성되어, 상기 발열조절부의 형상과 구조를 변경시키는 것에 의해 잉곳 성장장치 내 실리콘 융액의 온도분포를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 발열체는 원통형상의 흑연히터인 것을 특징으로 한다.

상기 발열조절부는 상기 발열체의 내측면 일정위치에 형성되며 발열체의 발열각도를 조절하는 것에 의해 성장장치 내 실리콘 융액의 온도분포를 제어하는 발열각도 조절부인 것을 특징으로 한다.

상기 발열각도 조절부는 상기 발열체인 흑연히터의 내주면 원주를 따라 형성된 요형 홈인 것을 특징으로 한다.

상기 발열각도 조절부는 수평면에 대한 도가니로의 발열각도 θ가 0 < θ< 90°의 범위에 놓여지도록 형성된다.

상기 발열각도 조절부의 위치는 상기 흑연히터 상단에서 총 길이의 1/2위치까지의 범위 내에 존재하는 것을 특징으로 한다.

상기 발열각도 조절부는 잉곳의 성장계면 부분에 해당하는 위치에서 열전달이 최대가 되도록 형성하여 잉곳성장장치 내부 실리콘 융액의 수직적 열분포가 비대칭 형태로써 상부 특정지점에 열전달이 집중되도록 하는 상온하냉 상태가 유지되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 성장시키고자 하는 잉곳의 종류와 특성에 따라 히터의 형상과 구조 그리고 발열량을 달리하여 성장장치 내부 실리콘 융액의 열분포를 제어하는 것이 가능해진다.

이하 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 바람직한 실시예의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 실시예의 실리콘 단결정 성장장치에 있어서 발열체에 의한 발열량의 상하분포를 예시한 단면도이고, 도 3은 본 실시예의 발열체의 발열각도 조절부의 형상을 예시한 부분 단면도이다. 도 4는 본 실시예의 히터의 발열상태를 종래의 것과 비교한 단면도이다.

도시된 본 실시예의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(30)는, 실리콘 융액(SM)에 담겨진 단결정 시드로부터 실리콘 단결정(IG)을 성장시키는 쵸크랄스키 방법에 의하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치이다.

본 실시예의 단결정 잉곳 성장장치(30)는, 실리콘 단결정으로 성장되는 실리콘 융액(SM)이 담겨지는 도가니(33)를 발열체가 외측에서 둘러싸도록 형성되며, 발 열체에는 성장장치(30) 내의 특정위치에 방사열이 집중될 수 있도록 하는 발열조절부가 구비된다.

본 실시예의 발열체는 흑연히터(35)를 사용하고 있는데, 실리콘의 용융에 필요한 발열을 열변형의 수반없이 행할 수 있는 다양한 물질이 발열체의 재료로 사용될 수 있는 것이고, 본 실시예의 물질로 한정되는 것은 아니다.

본 실시예의 잉곳 성장장치(30)의 발열조절부는 흑연히터(35)의 특정지점에 있어서 발열각도를 조절할 수 있는 구조로 형성된다. 본 실시예에서 발열각도조절부는 특정 높이 지점에 발열이 집중되게 조절하기 위한 것이므로, 복사선을 특정방향으로 모을 수 있는 요형 홈(37)의 형태로 흑연히터(35)의 내주면을 따라 형성된다.

복사선은 표면에서 수직인 방향으로 진행하는 것이어서, 요형 홈(37)의 상측벽(37a)과 하측벽(37b)에 의해 발열되는 복사선은 상측벽(37a)과 하측벽(37b)의 설치각도에 따라 그 방사 각도가 다르게 된다. 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에서 발열각도 조절부(37)는 요형 홈(37)의 형태를 취하고 있으므로, 복사선은 요형 홈(37)의 중심에 대응하는 높이에 집중되게 된다.

본 실시예의 발열각도 조절부는, 수평면에 대한 도가니(33)로의 복사선의 발열각도(수평면과 히터표면이 이루는 각도, 이하 " θ "라 한다)가 0 < θ< 90°의 범위에 놓여지도록 형성되며, 이 방사각도를 조절하는 것에 의하여 실리콘 융액내의 온도분포 조절이 가능하다.

또한, 요형 홈(37)의 상측벽(37a)과 하측벽(37b)의 각도를 서로 달리하는 것 에 의해서도 최대 발열지점은 변경될 수 있다. 예를 들어, 상측벽(37a)을 수평면과 거의 평행이 되게하고 하측벽(37b)의 각도를 수직에 가깝게 하는 경우는, 모두 상하측벽(37a,37b)을 모두 수평면과 평행에 가깝게 하는 경우에 비하여 최대발열지점이 하방으로 치우치게 된다.

본 실시예에서 발열각도 조절부의 위치는 상기 흑연히터(35) 상단에서 총 길이의 1/2 위치까지의 범위 내에 형성시키고 있는데, 이는 주로 실리콘 단결정이 성장되는 부분인 고액계면에 복사선을 집중시켜 수평방향의 온도분포를 완만하게 하고 또한 기 성장된 실리콘 단결정의 온도분포를 변경하기 위한 것이다.

다음은 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 작용을 설명한다.

본 실시예의 실리콘 단결정 잉곳성장장치(30)에 의하는 경우에는 도 2와 도3에 도시된 바와 같이 흑연히터(35)에서 발생되는 복사선은 요형 홈(37)의 상측벽(37a)과 하측벽(37b) 부분에서 각 측벽의 표면에 수직으로 방사되어 발생되는 복사선과 요형 홈(37)의 중앙부분에서 방사되는 복사선과 중첩되게 된다.

따라서, 발열조절부 해당높이에는 복사선의 중첩으로 발열량이 집중되며, 상기 해당높이에서는 실리콘 융액 중심부에까지 히터의 발열량의 집중 전달이 가능해진다. 따라서 융액 내부의 온도분포의 조절이 가능하게 된다.

본 실시예에서는 단결정(IG)의 성장계면 부분을 가열하여 실리콘 융액표면과 그에 인접한 공간의 온도편차를 줄이는 것이 가능하여 결과적으로 성장되는 잉곳이 고온영역에서 서냉되는 효과를 발생시키게 된다.

이와 같이 성장계면에 인접한 고온영역에서는 COP 등의 결정성장 결함을 제어할 수 있는 영역이므로 이 영역에서 실리콘 잉곳(IG)의 성장 온도조건을 제어하는 것이 가능하여 단결정에 의해 제조되는 반도체 디바이스의 수율이 향상되는 것이 가능해진다.

본 발명의 다른 실시예에서는 최대 발열을 원하는 지점에는 히터의 저항값을 크게 하여 발열량을 높이는 방법에 의하고 있다.

이 경우에도 최대 발열지점은 잉곳의 성장계면 해당부위가 되게 하여 융액표면에서 성장형성되는 순간의 온도분포와 성장형성된 직후 고온영역에서 서서히 냉각이 되도록 하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장조건 및 결함의 제어가 가능하게 된다.

본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 정해지며, 특허청구범위에 기재된 사항과 동일성 범위에서 당업자가 행한 다양한 변형과 개작을 포함함은 자명하다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 히터의 형상을 변경시켜 히터의 높이에 따른 발열량을 변경시키는 것이 가능해진다.

따라서 실리콘 융액의 온도분포를 상온하냉의 안정적인 구조에서 상냉하온의 역전구조에 이르기까지 다양하게 제어하는 것이 가능해진다.

특히 실리콘 단결정의 성장계면 부분에 발열이 집중되게 하여 결정성장 결함의 형성조건을 제어함으로서 실리콘 단결정 잉곳으로부터 제조되는 반도체 디바이 스의 수율을 향상시키는 것이 가능해진다.

Claims (6)

1. 실리콘 융액에서 단결정시드로부터 실리콘 단결정을 인상시키며 성장시키면서 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치로서,

   실리콘 단결정으로 성장되는 실리콘 융액이 담겨지는 도가니와;

   상기 도가니를 외측에서 둘러싸도록 형성되며, 상기 성장장치 내의 특정위치에 열이 집중될 수 있도록 하는 형상 변형부분인 발열조절부가 형성된 발열체를 포함하여 구성되어,

   상기 발열조절부의 형상과 구조에 의해 잉곳 성장장치 내의 실리콘 융액 내의 온도분포를 제어하고,

   상기 발열조절부는 상기 발열체의 내측면 일정위치에 형성되며 발열체의 수평면과 히터표면이 이루는 각도인 발열각도를 조절하는 것에 의해 성장장치 내 실리콘 융액 내의 온도분포를 제어하는 발열각도 조절부인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 발열각도 조절부는 상기 발열체인 흑연히터의 내주면 원주를 따라 형성된 요형 홈인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
4. 청구항 1 또는 3에 있어서, 상기 발열각도 조절부는 수평면에 대하여 히터 표면이 이루는 각도인 발열각도 θ가 0 < θ< 90°의 범위에 놓여지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
5. 청구항 1 또는 3에 있어서, 상기 발열각도 조절부의 위치는 상기 발열체인 흑연히터 상단 끝단에서 총 길이의 1/2이 되는 지점까지의 범위 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
6. 청구항 1 또는 3에 있어서, 상기 발열각도 조절부는 잉곳의 성장계면 부분에 해당하는 위치에서 열전달이 최대가 되도록 형성하여 잉곳성장장치 내 실리콘 융액 내의 온도분포가 상온하냉으로 안정적으로 유지되도록 하는 것을 특징으로 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.

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