KR101193083B1 - 단열 부재 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치 - Google Patents

단열 부재 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치 Download PDF

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Abstract

실시예는 단열 몸체; 상기 단열 몸체의 상단에 구비되고, 시드척에 결합되는 결합부; 및 상기 단열 몸체의 하단에 구비되고, 표면에 열 반사층이 형성된 단열부를 포함하는 단열 부재를 제공한다.

Description

단열 부재 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치{INSULATING MEMBER AND APPARATUS FOR MANUFACTURING SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT INCLUDING THE SAME}
본 발명은 단열 부재와 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼는 원료물질을 다결정 실리콘으로 형성시킨 후, 쵸크랄스키(Czochralski)법 등으로 단결정 잉곳(Ingot)으로 결정 성장시킨다. 그리고, 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 슬라이싱(Slicing), 래핑(Lapping), 폴리싱(Polishing), 클리닝(Cleaning) 등의 가공 공정을 거쳐서 실리콘 단결정 웨이퍼가 되어 반도체 디바이스 기판으로 사용하게 된다.
상술한 공정 중 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치는, 내부에 실리콘 단결정 잉곳의 생성을 위한 공간이 형성되는 챔버와, 실리콘 단결정 잉곳의 생성을 위한 기본 재료가 되는 실리콘 용융액이 수용되기 위하여 상기 챔버 내부에 구비되는 도가니를 포함한다.
그리고, 상기 도가니의 측방에는 상기 도가니를 가열하기 위한 가열부가 구비되고, 상기 도가니의 상방에는 상기 실리콘 용융액으로부터 생성된 상기 실리콘 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부의 열을 차단하기 위한 단열부가 구비될 수 있다.
상기 단열부는 상기 단결정 잉곳이 상승하는 데 지장이 없는 정도까지 연장되는데, 상기 단열부의 중심에는 상기 단결정 잉곳이 상승할 때 관통하기 위한 개구부가 형성된다.
상술한 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치에서, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 원재료가 상기 도가니에 수용되고, 상기 가열부가 작동하여 상기 도가니 및 실리콘을 가열하여 상기 도가니 내부의 실리콘 재료가 용융된다.
여기서, 상술한 실리콘 원재료의 멜팅(melting) 과정에서, 상기 단열부의 내측에 해당하는 상기 도가니의 상방은 개방되어 개구부가 형성되고, 상기 가열부의 열이 상기 개구부를 통하여 상방으로 확산된다. 이때, 상기 가열부의 열이 상방으로 확산되는 만큼 상기 멜팅 과정을 수행하는 데 걸리는 시간이 길어질 수 있다.
도 1은 실리콘 단결정의 성장 공정에서의 단위공정당 소요시간을 나타낸 도면인데, 전체 공정 중에서 실리콘의 멜팅 공정은 10% 이상을 차지하고 있다. 즉, 실리콘은 비열 및 액화열이 높기 때문에 고체 상태의 실리콘을 녹이기 위해서는 높은 히트 파워(Heater power)가 가해져야 한다.
따라서, 실리콘 용융액을 담는 석영 도가니와 기타 부자재의 열화방지를 위하여, 시간 단축 및 히트 파워의 감소가 요구되고 있다.
본 발명은 실리콘 잉곳의 성장 공정에서 도가니에서 방출되는 열의 손실을 줄여서 공정 시간을 줄이고, 도가니와 기타 부자재의 열화를 방지하고자 한다.
실시예는 단열 몸체; 상기 단열 몸체의 상단에 구비되고, 시드척에 결합되는 결합부; 및 상기 단열 몸체의 하단에 구비되고, 표면에 열 반사층이 형성된 단열부를 포함하는 단열 부재를 제공한다.
여기서, 상기 열 반사층은 파이로 탄소(Pyro Carbon)가 코팅되어 형성될 수 있다.
그리고, 상기 열 반사층은 1 내지 10 밀리미터의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 결합부는 원뿔대 형상일 수 있다.
다른 실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘이 수용되는 도가니; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘을 가열하는 가열부; 상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 실리콘으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 향하는 상기 가열부의 열을 차폐하는 상방 단열부; 및 상기 단열부의 내측에 해당하는 상기 도가니의 상부를 차폐하고, 표면에 열 반사층이 형성된 단열 부재를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치를 제공한다.
여기서, 상기 단열 부재는 상기 도가니 내의 실리콘으로부터 적어도 100 밀리미터 상부에 배치될 수 있다.
그리고, 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치는 시드가 고정되는 시드척을 더 포함하고, 상기 단열 부재는 상기 시드척에 결합과 분리가 가능할 수 있다.
그리고, 상기 실리콘의 멜팅(Melting)이 시작되면 상기 단열 부재가 하강하여 상기 단열 부재의 저면이 상기 상방 단열부의 하단의 높이와 동일하게 이르며, 상기 멜팅 과정이 종료되면 상기 단열 부재가 상승할 수 있다.
상술한 실시예에 따르면, 실리콘 잉곳의 성장 공정에서 도가니에서 방출되는 열의 손실을 줄여서 공정 시간을 줄이고, 도가니와 기타 부자재의 열화를 방지하고자 한다.
도 1은 실리콘 단결정의 성장 공정에서의 단위공정당 소요시간을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 단열 부재의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4 내지 도 6은 도 3의 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 효과를 나타낸 도면이고,
도 7은 종래의 실리콘 멜팅 공정에서의 히트 파워를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
상기의 실시예들의 설명에 있어서, 각 층(면), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는 본 발명에 따른 단열 부재의 일실시예를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 일실시예를 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 2 및 도 3을 참조하여 단열 부재 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 일실시예를 설명한다.
본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치(100)는, 내부에 실리콘(Si) 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(1)와, 상기 실리콘 용융액이 수용되기 위한 도가니(10)와, 상기 도가니(10)를 가열하기 위한 가열부(20)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부(20)의 열을 차단하기 위하여 상기 도가니(10)의 상방에 위치되는 상방 단열부(32)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 위한 시드(미도시)를 고정하기 위한 시드척(41)와, 상기 시드척(41)에 결합과 분리가 가능한 단열 부재(60)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 상방으로 이동시키는 이동 수단(미도시)을 포함한다.
그리고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치(100)는, 상기 도가니(10)를 지지하고 회전 및 상승시키기 위한 지지수단(50)과, 상기 챔버(1)의 내벽을 향한 상기 가열부(20)의 열을 차단하기 위한 측방 단열부(31)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 상태를 감지하기 위한 감지부(미도시)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각하기 위한 냉각관(70)을 더 포함한다.
상기 챔버(1)는 내부에 캐비티(cavity)가 형성된 원통 형상일 수 있고, 상기 챔버(1)의 중앙 영역에 상기 도가니(10)가 위치된다. 상기 도가니(10)는, 상기 실리콘 용융액이 수용될 수 있도록 전체적으로 오목한 그릇의 형상이다. 그리고, 상기 도가니(10)는, 상기 실리콘 용융액(100)과 직접 접촉되는 석영 도가니(11)와, 상기 석영 도가니(11)의 외면을 둘러싸면서 상기 석영 도가니(11)를 지지하는 흑연 도가니(12)로 이루어질 수 있다.
상기 도가니(10)의 측면에는 상기 도가니(10)를 향하여 열을 방출하기 위한 가열부(20)가 위치하고, 상기 측방 단열부(31)는 상기 가열부(20)와 상기 챔버(1)의 내벽 사이에 구비된다.
그리고, 상기 상방 단열부(32)는, 상기 챔버(1)의 내벽으로부터 상기 실리콘 용융액과 상기 실리콘 용융액으로부터 성장된 단결정 잉곳의 경계면을 향하여 연장된다. 다만, 상기 상방 단열부(32)의 단부와 상기 경계면 사이를 통하여 아르곤 가스가 유동할 수 있도록, 상기 상방 단열부(32)의 단부가 상기 경계면과 이격되는 범위 내에서 연장된다.
또한, 상기 상방 단열부(32)의 단부는 단열 부재(60)를 둘러싸고 있다. 즉, 상기 상방 단열부(32)는 상기 챔버(1)의 내부 공간을, 상기 실리콘 용융액이 가열되고 상기 실리콘 용융액으로부터 단결정 잉곳이 성장되는 가열 챔버(13)와, 상기 단결정 잉곳이 냉각되는 냉각 챔버(14)로 구획한다.
그리고, 실리콘 단결정 잉콧의 이동 수단은 단열 부재(60)를 이동시킬 수도 있다. 도시된 바와 같이 이동 수단은 시드척(41)에 연결되는 시드 케이블(42)과, 상기 단결정 잉곳을 상승시키기 위한 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함한다. 상기 구동모터에 의하여 상기 시드 케이블(42)을 당겨짐으로써, 상기 시드척(41)과 단열 부재(60)가 함께 당겨질 수 있다.
또한, 상기 지지수단(50)은, 상기 도가니(10)를 지지하는 지지부와, 상기 도가니(10)를 회전 및 승강시키기 위한 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함한다. 상기 지지부는 상기 도가니(10)의 하방에서 상기 도가니(10)의 저면을 지지하고, 상기 구동모터는 상기 지지부를 회전 및 승강시킴으로써 상기 도가니(10)가 회전 및 승강되도록 한다.
그리고, 상기 냉각관(70)은 전체적으로 상하 방향으로 긴 중공형의 원통 형상이다. 그리고, 상기 냉각관(70)은 상기 단결정 잉곳의 상방에 해당하는 상기 챔버(1)의 상면에 고정된다.
그리고, 상기 냉각관(70)의 내부에는, 상기 단결정 잉곳의 냉각을 위한 물이 유동하기 위한 유로가 형성된다. 상기 단결정 잉곳의 쿨링(cooling) 과정이 수행되는 동안, 상기 단결정 잉곳은 상기 냉각관(70)의 내측에 위치되고 상기 냉각관(70)을 통하여 물이 유동하는 방식으로 상기 단결정 잉곳이 냉각될 수 있다.
상기 단결정 잉곳이 멜팅(melting)되는 동안, 상기 상방 단열부(32)의 내측에 해당하는 상기 도가니(10)의 상방을 단열 부재(80)가 선택적으로 차단할 수 있다. 즉, 상기 도가니(10)의 상방으로 방출되는 열을 상기 상방 단열부(32)와 단열 부재(60)가 함께 차단할 수 있다.
상기 단열 부재(60)는 전체적으로 원뿔대(circular truncated cone) 형상으로 형성되는 단열 몸체(62b)와, 상기 단열 몸체(62b)의 하단으로부터 하방으로 연장되는 단열부(62a)와, 상기 시드척에 결합되는 결합부(62c)를 포함한다. 그리고, 상기 단열 몸체(62b) 및 단열부(62a)의 내부에는 단열재(61)가 수용될 수 있다.
그리고, 상기 단열 몸체(62b)의 외면은 경사지게 형성되어, 상기 냉각 챔버(14) 내부를 유동하는 아르곤 가스를 상기 가열 챔버(13)를 향하여 유동하도록 안내할 수 있다. 그리고, 상기 단열부(62a)는 상기 단열 몸체(62b)의 하단과 동일한 외경을 가지도록 형성된다.
이때, 상기 단열 몸체(62b)의 하단의 외경 및 상기 단열부(62a)의 외경은 상기 상방 단열부(32)의 내경보다 작다. 즉, 상기 단열 부재(60)의 저면의 면적은, 상기 상방 단열부(32)로 둘러싸이는 내측 공간의 면적보다 적다. 따라서, 상기 단열 부재(60)와 상기 상방 단열부(32)의 사이로 상기 아르곤 가스가 유동할 수 있도록, 상기 단열 부재(60) 및 상방 단열부(32)는 서로 이격된다.
그리고, 단열부(62a)의 저면 즉, 상기 단열 부재(60)의 저면은, 상기 실리콘 용융액의 표면으로부터 일정한 간격을 가지도록 편평하게 형성된다.
한편, 상기 결합부(62c)는 상기 단열 몸체(62b)의 상단에 구비되어, 상기 시드척(41)에 결합된다. 상기 결합부(62c)의 상면에는 상기 시드척(41)과 결합하기 위한 결합홈(63)이 형성된다.
이하에서, 실시예에 따른 단열 부재 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에서 작용에 대하여 설명한다.
시드척(41)에 단열 부재(60)를 결합하는데, 상기 단열 부재(60)의 단열부(62a)의 표면에는 열 반사층(64)이 형성되어 있다. 그리고, 상기 열 반사층(64)는 파이로 카본(Pyro carbon)이 코팅되어 형성될 수 있고, 1 밀리미터 내지 10 밀리미터의 두께로 코팅될 수 있다.
여기서, 상기 열 반사층(64)를 단열 부재(60)의 전체에 코팅하면 열 반사 효과가 향상될 수 있으나, 파이로 카본은 코팅 속도가 작으므로 도가니(10)로부터 방출되는 열과 직접 접촉하는 단열부(62a)에만 형성할 수 있다.
상기 결합홈(63)에 시드척(41)이 삽입되고, 상기 시드 케이블(42)이 하강하고 따라서 상기 단열 부재(60)가 하강하게 된다. 이때, 상기 단열 부재(60)는 저면, 즉 단열부(62a)의 저면이 상기 상방 단열부(32)의 하단의 높이와 동일하게 이를 때까지 하강한다. 즉, 상기 단열 부재(60)의 저면이 상기 상방 단열부(32)의 하단의 높이와 일치하면, 멜팅 과정에서 도가니(10)로부터 발생하는 열이 외부로 방출되는 것을 막을 수 있다.
또한, 상기 파이로 카본 등이 코팅된 열 반사층(64)이 도가니(10)로부터 방출되는 열을 반사하므로, 이러한 효과를 더욱 증대시킬 수 있다. 파이로 카본은 종래의 그라파이트(Graphite)에 비하여 반사율이 2배 이상 증가되어 상술한 효과를 기대할 수 있다.
이때, 상기 단열 부재(60)는 그 저면이 상기 도가니(10) 내의 실리콘으로부터 100 밀리미터 이상 상부에 고정될 수 있다. 만약, 상기 단열 부재(60)가 상기 도가니(10) 내의 실리콘과 너무 가까우면, 상기 실리콘의 특성에 악영향을 미칠 수 있다.
그리고, 상기 가열부(20)를 작동시켜, 상기 도가니(10)에 수용되는 실리콘을 가열한다. 이때, 상기 가열부(20)로부터 방출된 열이 상기 도가니(10)로 집중되고, 상기 단열 부재(60)에 의하여 상기 상방 단열부(32)의 내측에 해당하는 상기 도가니(10)의 상방이 차폐되고, 도가니(10)의 상부를 향하는 열은 열 반사층(64)에서 반사되어 다시 도가니(10) 내로 향한다.
따라서, 상기 가열부(20)가 더욱 적은 출력으로도 상기 실리콘의 멜팅 과정을 수행할 수 있으며, 상기 가열부(20)의 출력이 종래에 비하여 감소되므로, 상기 멜팅 과정을 수행하는 데 필요한 에너지 소비량이 감소될 수 있다.
또한, 상기 멜팅 과정에서도, 상기 아르곤 가스는 상기 냉각 챔버(14)로부터 상기 가열 챔버(13)를 향하여 유동하게 되는데, 상기 아르곤 가스는 상기 단열 부재(80)의 측면에 의하여 상기 가열 챔버(13)을 향하도록 안내될 수 있다.
한편, 상기 멜팅 과정이 완료된 경우에는, 상기 인상 수단에 의하여 상기 단열 부재(60)가 다시 상승되어, 상기 상방 단열부(32)의 내측에 해당하는 공간으로부터 이탈된다. 그리고, 상기 단결정 잉곳을 생성하기 위한 다음 과정이 수행될 수 있다.
아래의 표 1은 본 실시예와 같이 단열 부재의 표면에 열 반사층(64)를 코팅한 경우와, 종래의 비교예에서 동일한 히트 파워(Heat power)에서의 온도를 비교한 것이다.
비교예 실시예
히트 파워(kw) 120 120
측면 멜팅 온도(K) 1893 1983
중심 멜팅 온도(K) 1685 1880
중심-측면 멜팅 온도차 208 103
종래의 그라파이트보다 파이로 카본의 열, 적외선 반사효율이 커서, 동일한 히트 파워를 사용하여도 멜팅 온도가 약 90도 상승하고 있다.그리고, 본 실시예에서는 멜팅 덮개를 적용한 경우에 멜팅 중심부와 측면부의 온도차가 비교예보다 편차가 105도 감소하고 있다. 즉, 멜팅 덮개로 상부 단열을 강화하여 멜팅 공정을 진행하였을 때, 온도 편차가 줄어 전체적으로 멜팅의 온도 분포가 균일하게 된다.
도 4 내지 도 6은 도 3의 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 효과를 나타낸 도면이고, 도 7은 종래의 실리콘 멜팅 공정에서의 히트 파워를 나타낸 도면이다.
도 4로부터 동일한 히트 파워 조건에서 멜팅 시간이 상술한 실시예에서 종래의 비교예보다 약 18% 감소하고 있다.
그리고, 도 5에서는 도 4와 달리 멜팅 시간을 종래의 비교예와 동일하게 할때, 히트 파워의 감소를 측정하였다. 실시예에서 종래보다 히트 파워가 약 20 킬로 와트(kw) 감소함을 알 수 있다.
도 6에서, 도가니의 라이프 타임 내구성이 종래의 비교예보다 약 9% 증가하고 있다.
즉, 도 7에서 멜팅 공정은 다른 공정에 비하여 높은 히트 파워(Heat power)에서 진행되며 석영 도가니의 열화를 가져와 수율을 저하시킬 수 있는데, 실시예와 같이 단열 부재에 열 반사층을 파이로 카본으로 형성하여 멜팅 효율을 증가시키고 TOH(Total Operation Hour)를 단축할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 챔버 10 : 도가니
11 : 석영 도가니 12 : 흑연 도가니
13 : 가열 챔버 14 : 냉각 챔버
20 : 가열부 31 : 측방 단열부
32 : 상방 단열부 41 : 시드척
42 : 케이블 50 : 지지 수단
60 : 단열 부재 61 : 단열재
62a : 단열부 62b : 단열 몸체
62c : 결합부 63 : 결합홈
64 : 열 반사층 70 : 냉각관
100 : 실리콘 단결정 잉곳 제조장치

Claims (11)

  1. 단열 몸체;
    상기 단열 몸체의 상단에 구비되고, 시드척에 결합되는 결합부; 및
    상기 단열 몸체의 하단에 구비되고, 표면에 열 반사층이 형성된 단열부를 포함하는 단열 부재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 반사층은 파이로 탄소(Pyro Carbon)가 코팅되어 형성된 단열 부재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 반사층은 1 내지 10 밀리미터의 두께로 형성된 실리콘 단열 부재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합부는 원뿔대 형상인 단열 부재.
  5. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘이 수용되는 도가니;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘을 가열하는 가열부;
    상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 실리콘으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 향하는 상기 가열부의 열을 차폐하는 상방 단열부; 및
    상기 단열부의 내측에 해당하는 상기 도가니의 상부를 차폐하고, 표면에 열 반사층이 형성된 단열 부재를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열 반사층은 파이로 탄소(Pyro Carbon)가 코팅되어 형성된 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 열 반사층은 1 내지 10 밀리미터의 두께로 형성된 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 단열 부재는 상기 도가니 내의 실리콘으로부터 적어도 100 밀리미터 상부에 배치되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 단열 부재의 상단은 원뿔대 형상인 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    시드가 고정되는 시드척을 더 포함하고,
    상기 단열 부재는 상기 시드척에 결합과 분리가 가능한 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 실리콘의 멜팅(Melting)이 시작되면 상기 단열 부재가 하강하여 상기 단열 부재의 저면이 상기 상방 단열부의 하단의 높이와 동일하게 이르며, 상기 멜팅 과정이 종료되면 상기 단열 부재가 상승하는 실리콘 잉곳 제조 장치.
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