KR101331559B1 - 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 - Google Patents

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 Download PDF

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Abstract

실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘이 수용되는 도가니; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘을 가열하는 가열부; 및 상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 실리콘으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 향하는 상기 가열부의 열을 차폐하며, 가장 자리의 곡률이 45 내지 55인 상방 단열부를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.

Description

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치{APPARATUS FOR GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT}
실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것이다.
반도체 소자의 재료로서 사용되는 실리콘 웨이퍼는, 단결정 실리콘 잉곳을 웨이퍼 단위로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정(slicing), 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼의 손상(damage) 제거를 위한 에칭 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 연마 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염 물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 생산된다.
실리콘 단결정은 쵸크랄스키법으로 성장시킬 수 있는데, 성장된 실리콘 단결정의 품질 내지 결함특성은 실리콘 단결정의 인상속도 및 냉각 등의 성장 조건에 좌우된다.
도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에서 아르곤의 흐름을 나타낸 도면이다.
종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는, 면, 종래기술에 따른 단결정 잉곳 성장 장치는 챔버 내의 도가니에 폴리 실리콘(Si)을 가열하고, 실리콘 용융액으로부터 잉곳이 성장된다. 그리고, 도가니의 상부에는 열차폐재가 배치되어 챔버 내부의 공간을 실리콘 용융액이 가열되고 실리콘 용융액으로부터 단결정 잉곳이 성장되는 공간과, 성장된 단결정 잉곳이 냉각되는 공간으로 나눌 수 있다.
여기서, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 계면 근처에서의 열 환경에 따라 결정 결함의 종류 및 분포가 좌우될 수 있으며, 열차폐재(Heat Shield)가 상술한 열 환경에 직접적으로 영향을 미칠 수 있다.
열차폐재는 성장되는 단결정 잉곳과 도가니 사이에 단결정 잉곳을 에워싸고, 열차폐재 하부의 실리콘 용융액에서 방출되는 고온의 복사열이 외부로 전달되는 것을 방지하여 단결정 잉곳의 온도 구배를 높여서 고품질의 단결정 성장 속도를 상승시킬 수 있다.
열차폐재는 흑연(Graphite)로 구성되며 내부에는 열전달을 방지하기 위한 단열재가 포함될 수도 있으며, 열차폐재의 모양에 따라 단결정 잉곳의 성장 계면 근처의 열환경을 조절할 수 있다.
도 2에서 챔버 내부의 아르곤(Ar) 기체의 이동 경로가 화살표로 도시되어 있으며, 아르곤 기체는 (a) 경로를 지나 (b) 경로를 이동하는데 (b) 경로가 상대적으로 좁기 때문에 열차폐재 하부에서 터뷸런스(tubulence)가 발생하여 아르곤 가스의 이동이 지체되고 아르곤 기체가 열차폐재 하부에서 지체되면 실리콘 단결정 잉곳의 가장 자리의 냉각 효과가 저하되어, 잉곳의 품질이 특히 가장자리에서 저하될 수 있다.
실시예는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에서 열차폐재와 실리콘 단결정 및 도가니 사이에서 아르곤 기체의 유동을 원활히 하여 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 품질을 향상시키고자 한다.
실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘이 수용되는 도가니; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘을 가열하는 가열부; 및 상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 실리콘으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 향하는 상기 가열부의 열을 차폐하며, 가장 자리의 곡률이 45 내지 55인 열차폐재를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.
열차폐재의 가장 자리는, 상기 도가니의 측벽과 나란한 제1 면과 상기 제1 면에 수직한 제2 면을 연결할 수 있다.
열차폐재의 가장 자리와 마주보는 영역에서 상기 도가니의 두께는 20 내지 30 밀리미터일 수 있다.
열차폐재의 가장 자리와 비중첩되는 영역에서 상기 도가니의 두께는 22 내지 27 밀리미터일 수 있다.
열차폐재의 가장 자리와 마주보는 영역에서 상기 도가니의 곡률은 160 내지 180일 수 있다.
열차폐재의 가장 자리와 비중첩되는 영역에서 상기 도가니의 바닥면의 곡률은 900 내지 930일 수 있다.
실시예에 따른 열차폐재를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는, 열차폐재가 서로 수직인 제1 면과 제2 면 사이에서 곡률이 45 내지 55인 곡면을 이루어, 아르곤 기체의 유동이 원활하여 실리콘 단결정 잉곳의 중앙 영역과 가장 자리 영역에서 모두 품질이 개선될 수 있다.
도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1에서 아르곤의 흐름을 나타낸 도면이고,
도 3은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4a 내지 도 4e는 도 3의 단열부의 곡률을 나타낸 도면이고,
도 5는 도 3의 도가니의 곡률을 나타낸 도면이고,
도 6은 도 3의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에서의 아르곤의 배출 경로를 나타낸 도면이고,
도 7은 단열부의 곡률에 따른 실리콘의 대류 및 온도 분포를 나타낸 도면이고,
도 8은 단열부의 곡률에 따른 계면의 높이 변화를 나타낸 도면이고,
도 9는 단열부의 곡률에 따른 냉각 속도의 변화를 나타낸 도면이고,
도 10은 단열부의 곡률에 따른 중심 영역과 가장 자리 영역의 G값 차이를 나타낸 도면이고,
도 11a 내지 도 11c는 단열부의 곡률에 따른 GOI와 Magics를 나타낸 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 3은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치(100)는, 내부에 실리콘(Si) 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(10)와, 상기 실리콘 용융액이 수용되기 위한 도가니(60, 65)와, 상기 도가니(60, 65)를 가열하기 위한 가열부(20)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부(20)의 열을 차단하기 위하여 상기 도가니(60, 65)의 상방에 위치되는 열차폐재(200)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)의 성장을 위한 시드(미도시)를 고정하기 위한 시드척(미도시)과 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)을 상방으로 이동시키는 이동 수단(미도시)을 포함한다.
그리고, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치(100)는, 상기 도가니(60, 65)를 지지하고 회전 및 상승시키기 위한 지지 수단(50)과, 상기 챔버(10)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(10)는 내부에 캐비티(cavity)가 형성된 원통 형상일 수 있고, 상기 챔버(10)의 중앙 영역에 상기 도가니가 위치된다. 상기 도가니는, 상기 실리콘 용융액이 수용될 수 있도록 전체적으로 오목한 그릇의 형상이다. 그리고, 상기 도가니는, 상기 실리콘 용융액(Si)과 직접 접촉되는 석영 도가니(60)와, 상기 석영 도가니(60)의 외면을 둘러싸면서 상기 석영 도가니(60)를 지지하는 흑연 도가니(65)로 이루어질 수 있다.
상기 도가니의 측면에는 상기 도가니를 향하여 열을 방출하기 위한 가열부(20)가 배치되하고, 상기 측방 단열부(31)는 상기 가열부(20)와 상기 챔버(10)의 내벽 사이에 구비된다.
열차폐재(200)는, 챔버(10)의 내벽으로부터 상기 실리콘 용융액과 상기 실리콘 용융액으로부터 성장된 단결정 잉곳의 경계면을 향하여 전달된다. 그리고, 열차폐재(200)의 단부와 경계면 사이를 통하여 아르곤 기체가 유동할 수 있도록, 상기 열차폐재(200)의 단부가 상기 경계면과 이격되는 범위 내에서 연장되는데, 열차폐재(200)의 구체적인 형상은 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 후술한다.
열차폐재(200)의 단부는 성장 중인 잉곳(45)을 둘러싸며 배치될 수 있다. 즉, 열차폐재(200)는 챔버(10)의 내부 공간을, 상기 실리콘 용융액이 가열되고 실리콘 용융액으로부터 단결정 잉곳이 성장되는 가열 챔버(13)와, 단결정 잉곳이 냉각되는 냉각 챔버(14)로 구획한다.
그리고, 실리콘 단결정 잉곳의 이동 수단은 단열 부재(600를 이동시킬 수도 있다. 도시된 바와 같이 이동 수단은 시드 케이블(42)과, 단결정 잉곳(45)을 상승시키기 위한 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함한다. 구동 모터에 의하여 상기 시드 케이블(42)이 당겨짐으로써, 시드척(미도시)과 시드척에서 성장 중인 단결정 잉곳(45)이 함께 당겨질 수 있다.
또한, 지지수단(50)은, 상기 도가니를 지지하는 지지부와, 상기 도가니를 회전 및 승강시키기 위한 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함한다. 상기 지지부는 도가니의 하방에서 도가니의 저면을 지지하고, 상기 구동모터는 상기 지지부를 회전 및 승강시킴으로써 상기 도가니가 회전 및 승강되도록 할 수 있다.
그리고, 냉각관(70)은 전체적으로 상/하 방향으로 긴 중공형의 원통 형상이다. 그리고, 냉각관(70)은 상기 단결정 잉곳의 상방에 해당하는 상기 챔버(10)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.
도 4a 내지 도 4e는 도 3의 단열부의 곡률을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 3의 도가니의 곡률을 나타낸 도면이다.
열차폐재의 단면은 도가니의 측벽과 나란한 제1 면(S1)과, 제1 면(S1)에 수직한 제2 면(S2)와, 제1 면(S1)과 제2 면(S2)를 연결하는 가장 자리를 포함하여 이루어진다. 가장 자리는 도 4a 내지 도 4e에 도시된 바와 같이 곡률이 각각 60, 55, 50, 45, 40일 수 있다. 즉, 도가니의 측벽과 나란한 제1 면(S1)과, 제1 면(S1)에 수직한 제2 면(S2)의 사이를 곡면인 R60 내지 R40이 연결하며 배치될 수 있다. 이러한 구성은 도가니와 도가니 내부에 수용된 실리콘 용융액과, 열차폐재의 사이에서 아르곤 기체의 유동을 원활하게 할 수 있다.
도 5에서 독니(60)는 바닥면과 측벽을 연결하는 가장 자리, 즉 도 5에서 좌주의 가장 자리가 라운드 가공되는데, 라운드 가공된 부분은 열차폐재의 가장 자리와 마주보는 영역이며, 두께(t2)는 20 내지 30 밀리미터일 수 있고, 다른 영역에서 도가니(60)의 두께(t1)는 22 내지 27 밀리미터일 수 있다. 도가니(60)의 가장 자리가 더 두꺼운 것은, 실리콘의 용융과 잉곳의 성장 등의 공정에서 도가니의 라운드 가공된 가장자리가 가장 많이 식각되고 손상되어 크랙(crack)이 발생할 수 있기 때문이다.
도가니(60)의 바닥면은 전체적으로 라운드 가공되어 있으며 곡률(R1)은 900 내지 930일 수 있는데, 본 영역은 열차폐재의 가장 자리와 도가니(60)가 비중첩되는 영역이며, 상술한 열차폐재의 가장 자리와 마주보며 라운드 가공된 영역은 곡률(R2)이 160 내지 180일 수 있다.
도 6은 도 3의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에서의 아르곤의 배출 경로를 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 6을 참조하여 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장용에 대하여 설명한다.
도가니(60) 내에 실리콘을 주입하고 가열부(20)를 작동시켜, 도가니(60)에 수용되는 실리콘(Si)을 가열한다. 이때, 가열부(20)로부터 방출된 열이 도가니(60)에 집중되고, 실리콘의 용융 과정에서 아르곤 기체가 냉각 챔버(14)로부터 가열 챔버(13)를 향하여 이동한다.
아르곤 기체는 단결정 잉곳의 측면과 열차폐재로부터 인도되어, 실리콘 용융액과 열차폐재의 제2 면 사이의 제1 경로(P1)와, 도가니(60)의 측벽과 열차폐재의 가장 자리의 곡면 사이의 제2 경로(P2)와, 도가니(60)의 측벽과 열차폐재의 제1 면 사이의 제3 경로(P3)를 유동하게 된다.
열차폐재의 상술한 곡면의 곡률에 따라서 열차폐재와 도가니의 측벽 및 실리콘 용융액 사이를 유동하는 아르곤 기체의 유속에도 차이가 있을 수 있으며, 아르곤 기체의 유속이 너무 느리면 실리콘 단결정 잉곳의 가장 자리의 냉각 효과가 저하되어 잉곳의 품질이 특히 가장 자리에서 저하될 수 있다.
도 7은 단열부의 곡률에 따른 실리콘의 대류 및 온도 분포를 나타낸 도면이다.
도 7에서 실리콘 용융액의 고액 계면의 오도는 열차폐재의 곡면의 곡률이 50일 때의 온도가 60일 때의 온도보다 상승하고 있으며, 특히 실리콘 용융액의 표면 중 가장 자리의 온도 차이가 더 크다.
도 8은 단열부의 곡률에 따른 계면의 높이 변화를 나타낸 도면이고, 도 9는 단열부의 곡률에 따른 냉각 속도의 변화를 나타낸 도면이고, 도 10은 단열부의 곡률에 따른 중심 영역과 가장 자리 영역의 G값 차이를 나타낸 도면이다.
도 8과 도 9에서, 열차폐재의 곡면 부분의 곡률이 작아질수록 실리콘 용융액의 가장 자리의 냉각 속도는 개선되나, 중앙 영역의 냉각 속도 및 계면 형상의 변형이 발생할 수 있고, 특히 곡률이 40인 경우에는 중앙 영역의 실리콘 용융액의 품질의 저하가 발생할 수 있다
도 10에서 상술한 5개의 열차폐재의 G값을 확인하였는데, 곡률이 감소할수록 실리콘 단결정의 가장 자리 영역(도 10에서 300 밀리미터의 직경의 실리콘 단결정 잉곳의 경우 반경 150 밀리미터 영역)에서 품질은 향상되고 잇으며, 곡률이 40인 경우에는 중앙 영역의 실리콘 단결정의 품질이 저하되고 있다.
도 11a 내지 도 11c는 단열부의 곡률에 따른 GOI와 Magics를 나타낸 도면이다.
도 11a에서 곡면 부분의 곡률이 60인 열차폐재를 사용하였을 때 실리콘 단결정 잉곳의 가장 자리 영역의 품질이 저하되고 있으며, 도 11c에서 곡면 부분의 곡률이 40인 열차폐재를 사용하였을 때 실리콘 단결정 잉곳의 중앙 영역과 가장 자리 영역의 품질이 모두 저하되어 결정 결함이 발생되고 있다.
상술한 바와 같이, 열차폐재의 서로 수직한 직선 부분인 제1 면과 제2 면 사이를 곡면으로 형성하고, 곡면의 곡률이 45 내지 55로 하였을 때, 실리콘 단결정의 가장 자리와 중앙 영역의 품질이 모두 향상되고 있다.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 챔버 60, 65: 도가니
13: 가열 챔버 14: 냉각 챔버
20: 가열부 31: 측방 단열부
32: 상방 단열부
42: 케이블 50: 지지 수단
60: 단열 부재 61: 단열재
62a: 단열부 62b: 단열 몸체
62c: 결합무 63: 결합홈
64: 열반사층 70: 냉각관
100: 실리콘 단결정 잉곳 제조장치
200: 열차폐재

Claims (6)

  1. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘이 수용되는 도가니;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘을 가열하는 가열부; 및
    상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 실리콘으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 향하는 상기 가열부의 열을 차폐하며, 가장 자리의 곡률이 45 내지 55인 상방 단열부를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 상방 단열부의 가장 자리는, 상기 도가니의 측벽과 나란한 제1 면과 상기 제1 면에 수직한 제2 면을 연결하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 상방 단열부의 가장 자리와 마주보는 영역에서 상기 도가니의 두께는 20 내지 30 밀리미터인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 상방 단열부의 가장 자리와 비중첩되는 영역에서 상기 도가니의 두께는 22 내지 27 밀리미터인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 상방 단열부의 가장 자리와 마주보는 영역에서 상기 도가니의 곡률은 160 내지 180인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 상방 단열부의 가장 자리와 비중첩되는 영역에서 상기 도가니의 바닥면의 곡률은 900 내지 930인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
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