KR101218852B1 - 단결정 성장장치의 단열장치 및 이를 포함하는 단결정 성장장치 - Google Patents
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Abstract
실시예는 단결정 성장장치의 단열장치 및 이를 포함하는 단결정 성장장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치는 단결정 성장장치의 챔버 내에 설치되는 단열장치에 있어서, 상기 단열장치는, 제1 거리로 이격되도록 적층된 복수의 단열블록; 및 상기 단열블록 사이에 구비된 제1 단열층을 포함한다.
실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치는 단결정 성장장치의 챔버 내에 설치되는 단열장치에 있어서, 상기 단열장치는, 제1 거리로 이격되도록 적층된 복수의 단열블록; 및 상기 단열블록 사이에 구비된 제1 단열층을 포함한다.
Description
실시예는 단결정 성장장치의 단열장치 및 이를 포함하는 단결정 성장장치에 관한 것이다.
반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조하고 이러한 웨이퍼에 소정의 이온을 주입하고 회로 패턴을 형성하는 단계 등을 거쳐야 한다. 이때, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 한다.
실리콘 단결정 잉곳(IG) 성장을 위한 대표적인 제조방법으로는 단결정인 종자결정(seed crystal)을 용융 실리콘에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법이 있다.
종래기술에 의하면 단결정 성장 공정에서의 단열재는 히터(Heater)로부터 발생한 열이 외부로 빠져나가지 않도록 설계되어 있다. 이러한 설계를 통해 히터의 외측부를 열전도도가 낮은 단열재를 이용하여 열의 로스(Loss)를 차단하고 있으며, 단열재의 두께는 가능한 두껍게 사용되고 있다.
한편, 종래기술에 따른 단결정 성장장치는 히터로부터 발생한 열이 외부로 유출되지 않도록 단열재의 두께를 이용하여 제어함에 따라 열의 3가지 특성인 전도, 대류, 복사 중 전도만을 고려하여 열의 유출을 억제하고자 하는 한계가 있다.
실시예는 대류나 복사를 이용해서도 열의 흐름을 차단할 수 있는 단결정 성장장치의 단열장치 및 이를 포함하는 단결정 성장장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치는 단결정 성장장치의 챔버 내에 설치되는 단열장치에 있어서, 상기 단열장치는, 제1 거리로 이격되도록 적층된 복수의 단열블록; 및 상기 단열블록 사이에 구비된 제1 단열층을 포함한다.
또한, 실시예에 따른 단결정 성장장치는 히터를 구비하는 챔버; 상기 히터 일측의 상기 챔버 내부에 설치되는 단열장치;를 포함하며, 상기 단열장치는, 제1 거리로 이격되도록 적층된 복수의 단열블록; 및 상기 단열블록 사이에 구비된 제1 단열층을 포함한다.
실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치 및 이를 포함하는 단결정 성장장치에 의하면, 단결정 성장공정에서 히터파워(Heater Power) 값을 300mm 기준 약 3KW~ 8KW까지 다운(down)이 가능할 것으로 보이며, 이로 인해 도가니(Quartz)의 열화 현상 및 핫존 수명(Hot zone Life time) 증가 및 공정비용 등의 감소효과가 있다.
또한, 실시예에 의하면 히터 파워가 높은 경우 도가니 근처의 온도가 높아 멜트(melt)의 상태가 불안정해지는데, 히터 파워를 낮춤으로써 멜트가 안정상태가 될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치를 적용하는 경우 종래의 단결정 성장장치와 비교할 경우 같은 히터 파워에서 작업시 실리콘 멜팅 시간(melting time)이 줄어드는 효과가 있다.
또한, 실시예에 의하면 450mm와 같이 대구경의 결정성장시에는 히터파워 값 감소가 중요한 만큼 대구경 결정성장 기술에 있어서 큰 효과를 줄 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치의 예시도.
도 2는 제1 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 부분 단면도.
도 3은 제2 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 부분 단면도.
도 4은 제3 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 부분 단면도.
도 5는 종래기술에 따른 단결정 성장장치의 열분포 시뮬레이션 예시도.
도 6는 제1 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 열분포 시뮬레이션 예시도.
도 7은 제2 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 열분포 시뮬레이션 예시도.
도 2는 제1 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 부분 단면도.
도 3은 제2 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 부분 단면도.
도 4은 제3 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 부분 단면도.
도 5는 종래기술에 따른 단결정 성장장치의 열분포 시뮬레이션 예시도.
도 6는 제1 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 열분포 시뮬레이션 예시도.
도 7은 제2 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 열분포 시뮬레이션 예시도.
이하, 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치 및 이를 포함하는 단결정 성장장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치의 예시도다.
실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 히터(127), 인상수단(미도시) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 실리콘 융액(SM)을 수용하는 도가니(120)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(127) 및 단결정 잉곳(IG)을 감싸는 냉각관(115) 등을 포함할 수 있다.
상기 챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.
상기 챔버(110)는 도가니(120)가 수용되는 성장챔버와, 상기 성장챔버 상에 단결정 잉곳(IG)이 성장되어 나가는 풀챔버를 포함할 수 있다.
상기 챔버(110)의 내벽에는 히터(127)의 열이 상기 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 단열장치(130)가 설치될 수 있다.
실시예는 실리콘 단결정 성장 시의 산소 농도를 제어하기 위하여 석영 도가니(120)의 회전 내부의 압력 조건 등 다양한 인자들을 조절할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 산소 농도를 제어하기 위하여 실리콘 단결정 성장 장치의 챔버(110) 내부에 아르곤 가스 등을 주입하여 하부로 배출할 수 있다.
상기 도가니(120)는 실리콘 융액(SM)을 담을 수 있도록 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 석영 재질로 이루어질 수 있다. 상기 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 흑연으로 이루어지는 도가니 지지대(125)가 구비될 수 있다. 상기 도가니 지지대(125)는 회전축(미도시) 상에 고정 설치되고, 이 회전축은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 할 수 있다.
상기 히터(127)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 히터(127)는 도가니 지지대(125)를 에워싸는 원통형으로 이루어질 수 있다. 이러한 히터(127)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들게 된다.
실시예는 실리콘 단결정 잉곳(IG) 성장을 위한 제조방법으로 단결정인 종자결정(seed crystal)을 실리콘 융액(SM)에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.
이 방법에 따르면, 먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 잉곳(IG) 성장이 마무리된다.
도 1은 단결정 잉곳(IG) 성장 공정 중 바디그로잉(body growing)공정을 도시한 것이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 단결정 성장장치 중 단열장치의 부분 단면도이다.
제1 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치(130)는 소정의 제1 거리(d1)로 이격되도록 적층된 복수의 단열블록(131, 132, 133, 134, 135)을 포함할 수 있다. 이때, 챔버와 히터가 원통인 것을 가정하면, 단열블록들(131, 132, 133, 134, 135)은 챔버와 히터 사이에서 반경 방향으로 소정의 제1 거리(d1)를 두고 이격된 상태를 유지하며, 서로 적층되도록 배열된다.
실시예에 의하면 단열장치(130)의 단열재를 하나의 블록(Block)이 아니라 복수의 단열블록(131, 132, 133, 134, 135)으로 나눈 형태로 형성함으로써 복사(Radiation)에 의한 단열효과에 의해 히터의 파워값을 감소시킬 수 있다.
도 2는 단열블록의 개수를 5개로 도시하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 2개 이상의 복수로 가능하다.
또한, 실시예는 상기 단열블록(131, 132, 133, 134, 135) 사이의 이격거리를 약 1mm 내지 약 5mm인 제1 거리(d1)로 이격시킴으로써 복사(Radiation)에 의한 단열효과에 의해 히터의 파워값을 감소시킬 수 있다.
실시예에서 상기 단열블록(131, 132, 133, 134, 135) 사이의 이격거리인 제1 거리(d1)는 반드시 서로 같은 거리일 필요는 없으며 약 1mm 내지 약 5mm 범위로 서로 다른 거리를 가질 수도 있다.
단열블록사이의 거리 | 0 mm | 1 mm | 3 mm | 5 mm |
히터 파워값 | 97.9KW | 97.1KW | 97.6KW | 97.8KW |
표 1은 단열블록 사이의 제1 거리에 따른 히터 파워값이다.
제1 실시예에 의하면 단열블록을 복수로 하고, 단열블록 사이의 이격거리를 약 1mm 내지 약 5mm로 이격시킴으로써 복사(Radiation)에 의한 단열효과에 의해 히터의 파워값을 약 1KW 정도 감소시킬 수 있다.
도 3은 제2 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 부분 단면도이다.
제2 실시예는 상기 제1 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
제2 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치는 상기 단열블록(131, 132, 133, 134, 135) 사이에 제1 단열층(137)을 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예는 복사효과를 고려하여 복수의 단열블록 사이에 단열블록보다 방사율(emissivity)이 낮은 제1 단열층(137)을 개재시킬 수 있다.
예를 들어, 방사율 0.8보다 낮은 재질을 제1 단열층(137)으로 추가할 경우 단열효과가 증가하여 히터 파워 값을 감소시킬 수 있다.
실시예는 단열블록의 재질을 흑연(Graphite)의 방사율 0.8보다 낮은 약 0.45의 방사율을 가지는 스틸(steel) 등을 상기 제1 단열층(137)의 재질로 채용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 상기 단열블록과 상기 제1 단열층(137) 사이의 제2 거리(d2)는 1mm 내지 10mm일 수 있다.
단열블록과 제1 단열층 사이의 거리 | 1 mm | 5 mm | 10 mm |
히터 파워값 | 95.82KW | 96.62KW | 97.35KW |
표 2은 단열블록과 제1 단열층(137) 사이의 제2 거리(d2)에 따른 히터 파워값이다.
제2 실시예에 의하면 방사율 낮은 재질을 단열블록 사이에 제1 단열층(137)으로 추가할 경우 단열효과가 증가하여 히터 파워 값이 현저히 감소함을 알 수 있다.
도 4은 제3 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 부분 단면도이다.
제3 실시예는 상기 제1 실시예, 제2 실시예의 기술적인 특징을 채용할 수 있다.
제3 실시예는 상기 제2 실시예와 달리 상기 단열블록(131, 132, 133, 134, 135) 외벽에 코팅된 제2 단열층(138)을 포함할 수 있다.
상기 제2 단열층(138)은 상기 단열블록보다 낮은 방사율을 가질 수 있으며, 상기 제2 단열층(138) 사이의 제3 거리(d3)는 1mm 내지 10mm일 수 있다.
도 5는 종래기술에 따른 단결정 성장장치의 열분포 시뮬레이션 예시도이며, 도 6은 제1 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 열분포 시뮬레이션 예시도이고, 도 7은 제2 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치의 열분포 시뮬레이션 예시도이다.
도 5는 종래기술에 따라 챔버(10), 히터(27), 단일블록의 단열재(30)를 구비하는 경우이며, 도 6은 제1 실시예에 따라 5개의 단열블록을 약 1mm 간격으로 설정한 예이다.
제1 실시예에 의하면 단열블록을 복수로 하고, 단열블록 사이의 이격거리를 약 1mm 내지 약 10mm로 이격시킴으로써 복사(Radiation)에 의한 단열효과에 의해 히터의 파워값을 약 1KW 정도 감소시킬 수 있다.
도 7은 방사율이 낮은 물질을 제1 단열층으로 하여 단열블록 사이에 넣어 단열효과를 증대시킨 경우로, 예를 들어 흑역(Graphite) 재질의 단열블록 사이에 약 1mm 두께의 스틸(Steel) 재질의 제1 단열층(137)을 단열블록과의 거리를 약 1mm가 되도록 하여 배치한 경우의 시뮬레이션 예이다.
제2 실시예에 의하면 방사율 낮은 재질을 단열블록 사이에 제1 단열층(137)으로 추가할 경우 단열효과가 증가하여 히터 파워 값이 약 3KW 이상 감소키실 수 있다.
실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치 및 이를 포함하는 단결정 성장장치에 의하면, 단결정 성장공정에서 히터파워(Heater Power) 값을 300mm 기준 약 3KW~ 8KW까지 다운(down)이 가능할 것으로 보이며, 이로 인해 도가니(Quartz)의 열화 현상 및 핫존 수명(Hot zone Life time) 증가 및 공정비용 등의 감소효과가 있다.
또한, 실시예에 의하면 히터 파워가 높은 경우 도가니 근처의 온도가 높아 멜트(melt)의 상태가 불안정해지는데, 히터 파워를 낮춤으로써 멜트가 안정상태가 될 수 있다.
또한, 실시예에 따른 단결정 성장장치의 단열장치를 적용하는 경우 종래의 단결정 성장장치와 비교할 경우 같은 히터 파워에서 작업시 실리콘 멜팅 시간(melting time)이 줄어드는 효과가 있다.
또한, 실시예에 의하면 450mm와 같이 대구경의 결정성장시에는 히터파워 값 감소가 중요한 만큼 대구경 결정성장 기술에 있어서 큰 효과를 줄 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예 및 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 청구항의 권리범위에 속하는 범위 안에서 다양한 다른 실시예가 가능하다.
100: 단결정 성장장치
110: 챔버
120: 도가니
127: 히터
110: 챔버
120: 도가니
127: 히터
Claims (16)
- 단결정 성장장치의 챔버 내에 설치되는 단열장치에 있어서,
상기 단열장치는,
제1 거리로 이격되도록 적층된 복수의 단열블록; 및
상기 단열블록 사이에 구비된 제1 단열층을 포함하는 단결정 성장장치의 단열장치. - 제1 항에 있어서,
상기 단열블록 사이의 제1 거리는 1mm 내지 5mm인 단결정 성장장치의 단열장치. - 삭제
- 제1 항에 있어서,
상기 단열블록과 상기 제1 단열층 사이의 제2 거리는 1mm 내지 10mm인 단결정 성장장치의 단열장치. - 제4 항에 있어서,
상기 제1 단열층은,
상기 단열블록보다 낮은 방사율을 가지는 단결정 성장장치의 단열장치. - 제5 항에 있어서,
상기 제1 단열층은
0.8 이하의 방사율을 가지는 단결정 성장장치의 단열장치. - 제1 항에 있어서,
상기 단열블록 외벽에 코팅된 제2 단열층을 더 포함하는 단결정 성장장치의 단열장치. - 제7 항에 있어서,
상기 제2 단열층은,
상기 단열블록보다 낮은 방사율을 가지는 단결정 성장장치의 단열장치. - 히터를 구비하는 챔버;
상기 히터 일측의 상기 챔버 내부에 설치되는 단열장치;를 포함하며,
상기 단열장치는,
제1 거리로 이격되도록 적층된 복수의 단열블록; 및
상기 단열블록 사이에 구비된 제1 단열층을 포함하는 단결정 성장장치. - 제9 항에 있어서,
상기 단열장치의 단열블록 사이의 제1 거리는 1mm 내지 10mm인 단결정 성장장치. - 삭제
- 제9 항에 있어서,
상기 단열블록과 상기 제1 단열층 사이의 제2 거리는 1mm 내지 10mm인 단결정 성장장치. - 제12 항에 있어서,
상기 제1 단열층은,
상기 단열블록보다 낮은 방사율을 가지는 단결정 성장장치. - 제13 항에 있어서,
상기 제1 단열층은
0.8 이하의 방사율을 가지는 단결정 성장장치. - 제9 항에 있어서,
상기 단열블록 외벽에 코팅된 제2 단열층을 더 포함하는 단결정 성장장치. - 제15 항에 있어서,
상기 제2 단열층은,
상기 단열블록보다 낮은 방사율을 가지는 단결정 성장장치.
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