KR101292223B1 - 실리콘 단결정 성장용 수냉관 및 이를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치 - Google Patents

실리콘 단결정 성장용 수냉관 및 이를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치 Download PDF

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Abstract

실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 수냉관은 실리콘 단결정 잉곳의 외주면을 둘러싸는 내측부 및 상기 내측부와 이격되어 상기 내측부를 감싸는 외측부를 포함하고, 상기 내측부와 상기 외측부 사이의 공간에 냉각수가 순환하는 냉각수 유동부가 형성되며, 상기 냉각수 유동부는 실리콘 단결정 잉곳이 성장하는 제1 방향과는 다른 제2 방향으로 분할되어 복수 개가 구비된다.

Description

실리콘 단결정 성장용 수냉관 및 이를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치{SILICON SINGLE CRYSTAL COOLING CYLINDER AND SILICON SINGLE CRYSTAL GROWTH APPARATUS INCLUDING THE SAME}
본 발명은 온도 영역별로 발생되는 실리콘 단결정 잉곳의 결함을 제어할 수 있는 실리콘 단결정 성장용 수냉관 및 이를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 재료로서 사용되는 실리콘 단결정 웨이퍼는 일반적으로 쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 법에 의해 제조된 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱 공정에 의해 절단하여 제작된다.
쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법은, 석영 도가니에 다결정 실리콘과 도펀트를 적층시키고 석영 도가니의 측벽 주위에 설치된 히터에서 복사되는 열을 이용하여 다결정 실리콘과 도펀트를 용융시켜 실리콘 융액(Silicon Melt, SM)을 형성하고, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 소스인 종자 결정(seed crystal)을 실리콘 융액의 표면에 침지시키고, 종자 결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 넥킹(necking) 공정과, 결정을 직경 방향으로 성장시켜 목표 직경으로 만드는 솔더링(sholdering) 공정을 거쳐, 이후에는 일정한 직경을 갖는 실리콘 단결정 잉곳을 원하는 길이로 성장시키는 바디 그로잉(body growing) 공정을 거치며, 석영 도가니의 회전을 빠르게 하여 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 점점 줄여나가 실리콘 융액과 잉곳을 분리하는 테일링(tailing) 공정을 거쳐서 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 완료된다.
도 1은 온도 영역별로 실리콘 단결정 잉곳에 나타나는 결함을 도시한 모식도이다. 실리콘 단결정 성장시 혼입된 베이컨시(vacancy)나, 인터스티셜(interstitial) Si 원자는 온도 영역에 따라 여러 과정을 통해 점 결함으로 형성된다.
이러한 실리콘 단결정 잉곳에 나타나는 결정 결함을 제어하기 위하여 잉곳 성장시 잉곳 주변에 수냉관을 배치하여 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키게 되는데, 종래의 수냉관은 구조적으로 잉곳의 위치별 결함 제어에 효과적이지 못하다.
도 2는 종래의 실리콘 단결정 성장용 수냉관의 내부 단면 구조를 도시한 전개도이다.
도 2를 참조하면, 종래의 실리콘 단결정 성장용 수냉관(10)은 내부의 냉각수 유동 공간이 내벽(12)에 의해 좌,우로 분할되어 있으며, 냉각수 유입구(14)에 의해 좌,우의 냉각수 유동 공간으로 냉각수가 각각 유입되어 화살표 방향으로 순환한 후 냉각수 배출구(16)에 의해 냉각수가 배출되어 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시킨다.
종래의 실리콘 단결정 성장용 수냉관(10)은 냉각수 유동 공간의 전구간에 걸쳐 냉각수의 온도나 유속이 동일하게 되므로, 도 1과 같이 온도 영역별로 나타나는 실리콘 단결정 잉곳의 결함을 제어하는 것이 어려운 문제점이 있었다.
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방향에 따라 공간이 분할된 복수 개의 냉각수 유동부를 구비한 실리콘 단결정 성장용 수냉관 및 이를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 수냉관은 실리콘 단결정 잉곳의 외주면을 둘러싸는 내측부 및 상기 내측부와 이격되어 상기 내측부를 감싸는 외측부를 포함하고, 상기 내측부와 상기 외측부 사이의 공간에 냉각수가 순환하는 냉각수 유동부가 형성되며, 상기 냉각수 유동부는 실리콘 단결정 잉곳이 성장하는 제1 방향과는 다른 제2 방향으로 분할되어 복수 개가 구비된다.
상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 직각을 이룰 수 있다.
상기 복수 개의 냉각수 유동부 각각에 냉각수 유입구 및 냉각수 배출부가 구비될 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되며 실리콘 융액을 수용하는 도가니; 상기 챔버의 내부에서 상기 도가니의 측벽 주위에 설치된 히터; 및 상기 실리콘 융액으로부터 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 외주면에 설치되어 상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키는 수냉관을 포함하고, 상기 수냉관은, 실리콘 단결정 잉곳의 외주면을 둘러싸는 내측부 및 상기 내측부와 이격되어 상기 내측부를 감싸는 외측부를 포함하고, 상기 내측부와 상기 외측부 사이의 공간에 냉각수 유동부가 형성되며, 상기 냉각수 유동부는 실리콘 단결정 잉곳이 성장하는 제1 방향과는 다른 제2 방향으로 분할되어 복수 개가 형성된다.
본 발명에 따르면 복수 개의 냉각수 유동부 각각에서 냉각수의 온도나 유속을 달리하는 것이 가능하여, 온도 영역별로 발생되는 실리콘 단결정 잉곳의 결함을 제어할 수 있다.
도 1은 온도 영역별로 실리콘 단결정 잉곳에 나타나는 결함을 도시한 모식도이고,
도 2는 종래의 실리콘 단결정 성장용 수냉관의 내부 단면 구조를 도시한 전개도이고,
도 3은 일실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 수냉관을 포함한 실리콘 단결정 성장 장치를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 4는 일실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 수냉관의 사시도이고,
도 5는 일실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 수냉관을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 6은 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정 수냉관을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 7은 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정 수냉관을 개략적으로 도시한 전개도이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
도 3은 일실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 수냉관을 포함한 실리콘 단결정 성장 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치는 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 이루어지는 공간인 챔버(110), 상기 챔버(110)의 내부에 설치되며 고온으로 용융된 실리콘 융액(SM)이 수용되는 도가니(120), 상기 도가니(120)의 외주면을 감싸며 도가니(120)를 지지하는 도가니 지지대(125), 상기 도가니 지지대(125)의 하단에 위치하여 상기 도가니(120)와 도기나 지지대(125)를 회전시키면서 도가니(120)를 상승 또는 하강시키는 도가니 회전 수단(127), 상기 챔버(110)의 내부에 설치되며 상기 도가니(120)의 측벽 주위에 설치되어 도가니(120)를 가열하는 히터(130), 상기 히터(130)의 외곽에 설치되어 히터(130)로부터 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열 수단(140), 종자 결정을 이용하여 상기 도가니(120)에 수용된 실리콘 융액(SM)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 일정 방향으로 회전시키면서 인상하는 인상 수단(150), 상기 인상 수단(150)에 의해 인상되는 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 냉각시키기 위해 상기 잉곳(IG)의 주변에 이격되어 위치하며 내부에 냉각수가 순환되는 수냉관(200), 실리콘 융액(SM)으로부터 성장되는 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 복사되는 열을 차단하기 위한 열실드(160)를 포함한다.
수냉관(200)은 도가니(120)에 수용된 실리콘 융액(SM)으로부터 성장하는 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 수냉관(200)의 내부를 통과하면서 냉각되도록 챔버(110) 내의 핫존(hot zone)에 위치한다.
상술한 구성 요소들은 쵸크랄스키(CZ) 법을 이용한 실리콘 단결정 성장 장치의 통상적인 구성 요소들이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하고, 이하에서는 실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)을 중심으로 설명하기로 한다.
도 4는 일실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 수냉관의 사시도이고, 도 5는 일실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 수냉관을 개략적으로 도시한 단면도이다.
일실시예에 다른 실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)은 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 외주면을 둘러싸는 내측부(210)와, 상기 내측부(210)와 이격되어 상기 내측부(210)를 감싸는 외측부(220)를 포함하고, 상기 내측부(210)와 상기 외측부(220) 사이의 공간에 냉각수가 순환하는 냉각수 유동부(230)가 형성되며, 상기 냉각수 유동부(230)는 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 성장하는 제1 방향과는 다른 제2 방향으로 분할되어 복수 개(230a, 230b)가 구비된다.
실리콘 단결정 잉곳(IG)이 성장하는 상기 제1 방향은 실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)의 상면 방향이고, 상기 제2 방향은 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 길이 방향으로 나타나는 온도 영역별 결함을 제어하기에 적합하도록 정해질 수 있으며, 일 예로서 상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 직각을 이룰 수 있다.
도 4를 참조하면, 실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)은 실리콘 단결정 잉곳(IG)과 이격되어 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 외주면을 감싸도록 상,하면이 개방된 원통 형상으로 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 일 예로서, 실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)은 냉각수 유동부(230)가 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 방향과 직각을 이루는 방향으로 분할되어 제1 냉각수 유동부(230a) 및 제2 냉각수 유동부(230b)를 포함할 수 있다.
제1 냉각수 유동부(230a)와 제2 냉각수 유동부(230b)는 공간이 분할된 독립적인 영역이므로, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 길이 방향으로 나타나는 온도 영역별 결함의 제어에 요구되는 조건에 따라, 냉각수의 온도나 유속을 각각 달리 적용할 수 있다.
제1 냉각수 유동부(230a)와 제2 냉각수 유동부(230b) 각각에 냉각수 유입구(240)와 냉각수 배출구(250)가 구비될 수 있다.
도 5에는 냉각수 유동부(230)의 상부의 일측부에 냉각수 유입구(240)가 구비되고, 상부의 타측부에 냉각수 배출구(240)가 구비되는 것으로 도시하였으나, 냉각수 유입구(240) 및 냉각수 배출구(240)의 위치는 실시예에 따라 달라질 수 있다.
실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)의 상부의 일측부에 위치한 냉각수 유입구(240)에서 냉각수가 유입되어 순환하다가 상부의 타측부에 위치한 냉각수 배출구(240)로 냉각수가 배출된다.
도시되지는 않았으나, 냉각수 유입구(240)와 냉각수 배출구(250)에는 냉각수 순환 공급부가 연결되어 냉각수가 계속적으로 유입 및 배출되는 사이클이 반복될 수 있다.
제1 냉각수 유동부(230a)와 제2 냉각수 유동부(230b) 각각에는 격벽(260)이 마련되어 있다. 상기 격벽(260)은 냉각수 유동부(230)의 상측에서부터 시작되어 냉각수 유동부(230) 내의 공간의 일부를 좌,우로 분할하도록 형성될 수 있다. 상기 격벽(260)에 의해 냉각수 유동부(230)에 유입된 냉각수가 내부 공간에 걸쳐 고르게 순환될 수 있다.
실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)은 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 냉각시키는 역할 외에, 히터(130)의 강한 열원으로부터 수냉관(200) 자체를 보호하는 역할도 할 수 있다.
특히, 히터(130)와 가까운 실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)의 하부에서 열적 데미지에 의해 수냉관에 균열 등이 빈번하게 발생하므로, 수냉관(200)의 하부에 위치하는 제2 냉각수 유동부(230b)에 유입되는 냉각수의 온도를 낮게 설정함으로써 실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)의 수명을 연장할 수 있다.
도 6은 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정 수냉관을 개략적으로 도시한 단면도이다. 상술한 실시예와 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명한다.
도 6을 참조하면, 일 예로서, 실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)은 냉각수 유동부(230)가 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 방향과 직각을 이루는 방향으로 분할된 제1 냉각수 유동부(230a), 제2 냉각수 유동부(230b) 및 제2 냉각수 유동부(230c)를 포함할 수 있다.
제1 냉각수 유동부(230a), 제2 냉각수 유동부(230b) 및 제2 냉각수 유동부(230c)는 공간이 분할된 독립적인 영역이므로, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 길이 방향으로 나타나는 온도 영역별 결함의 제어에 요구되는 조건에 따라, 냉각수의 온도나 유속을 달리 적용할 수 있다.
제1 냉각수 유동부(230a), 제2 냉각수 유동부(230b) 및 제2 냉각수 유동부(230c) 각각에 냉각수 유입구(240)와 냉각수 배출구(250)가 구비될 수 있다.
실리콘 단결정 잉곳(IG)의 길이 방향으로 나타나는 온도 영역별 결함의 제어에 요구되는 조건에 따라, 냉각수 유동부(230)를 순환하는 냉각수의 온도가 유속을 좀 더 세밀하게 달리 적용할 필요가 있을 때, 네 개 이상의 냉각수 유동부(230)를 구비할 수도 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정 수냉관을 개략적으로 도시한 전개도이다. 상술한 실시예들과 중복되는 내용은 다시 설명하지 않으며, 이하에서는 차이점을 중심으로 설명한다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 수냉관(200)은 냉각수 유동부(230)가 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 방향과 직각을 이루는 방향으로 분할된 제1 냉각수 유동부(230a) 및 제2 냉각수 유동부(230b)를 포함하며, 각각의 냉각수 유동부(230) 내의 공간이 내벽(270)에 의해 좌,우로 분할될 수 있다.
내벽(270)에 의해 좌,우로 분할된 냉각수 유동부(230) 각각에는 냉각수 유입구(240)와 냉각수 배출구(250)가 구비되며, 냉각수 유입구(240)에서 유입된 냉각수가 좌,우 공간에서 독립적으로 순환된 후 냉각수 배출구(250)를 통해 각각 배출될 수 있다.
종래의 수냉관은 냉각수 유동부 내의 전체 공간에 걸쳐 냉각수의 온도와 유속이 동일할 수밖에 없어 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 온도 영역별 결함을 제어하는 것이 어려웠으나, 본 발명에 따르면 냉각수 유동부가 상,하 방향으로 복수 개가 구비되어 필요에 따라 각각의 냉각수 유동부에서 냉각수의 온도와 유속을 독립적으로 달리 적용할 수 있으므로, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 결함을 효과적으로 제어하여 잉곳의 품질을 향상시킬 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.
110: 챔버 120: 도가니
130: 히터 140: 단열 수단
150: 인상 수단 160: 열실드
200: 실리콘 단결정 성장용 수냉관
210: 내측부 220: 외측부
230: 냉각수 유동부 240: 냉각수 유입구
250: 냉각수 유출부 260: 격벽
270: 내벽

Claims (6)

  1. 실리콘 융액으로부터 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키는 수냉관에 있어서, 상기 수냉관은,
    실리콘 단결정 잉곳의 외주면을 둘러싸는 내측부 및 상기 내측부와 이격되어 상기 내측부를 감싸는 외측부를 포함하고, 상기 내측부와 상기 외측부 사이의 공간에 냉각수가 순환하는 냉각수 유동부가 형성되며,
    상기 냉각수 유동부는 실리콘 단결정 잉곳이 성장하는 제1 방향과는 다른 제2 방향으로 분할되어 복수 개가 구비된 실리콘 단결정 성장용 수냉관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 직각을 이루는 실리콘 단결정 성장용 수냉관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 냉각수 유동부 각각에 냉각수 유입구 및 냉각수 배출부가 구비된 실리콘 단결정 성장용 수냉관.
  4. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 설치되며 실리콘 융액을 수용하는 도가니;
    상기 챔버의 내부에서 상기 도가니의 측벽 주위에 설치된 히터; 및
    상기 실리콘 융액으로부터 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 외주면에 설치되어 상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키는 수냉관을 포함하고,
    상기 수냉관은, 실리콘 단결정 잉곳의 외주면을 둘러싸는 내측부 및 상기 내측부와 이격되어 상기 내측부를 감싸는 외측부를 포함하고, 상기 내측부와 상기 외측부 사이의 공간에 냉각수 유동부가 형성되며,
    상기 냉각수 유동부는 실리콘 단결정 잉곳이 성장하는 제1 방향과는 다른 제2 방향으로 분할되어 복수 개가 형성된 실리콘 단결정 성장 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 서로 직각을 이루는 실리콘 단결정 성장 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수 개의 냉각수 유동부 각각에 냉각수 유입구 및 냉각수 배출부가 구비된 실리콘 단결정 성장 장치.
KR1020110130773A 2011-12-08 2011-12-08 실리콘 단결정 성장용 수냉관 및 이를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치 KR101292223B1 (ko)

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