KR101366728B1 - 단결정 잉곳 제조 장치 및 방법 - Google Patents

단결정 잉곳 제조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 단결정 잉곳 제조 장치 및 방법에 관한 것이며, 단결정 잉곳 제조 장치는 단결정 잉곳을 성장하기 위해 용융된 반도체 재료를 수용하는 도가니; 도가니의 내부 표면 상의 제1 영역에 형성된 제1 코팅층; 및 제1 영역과 인접한 도가니의 내부 표면 상의 제2 영역에 형성된 제2 코팅층을 포함한다.

Description

단결정 잉곳 제조 장치 및 방법{Apparatus and method for manufacturing ingot having single crystals}
실시예는 단결정 잉곳 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(ingot)을 제조하는 대표적인 방법으로는 초크랄스키(Czochralski)법이 있다. 쵸크랄스키 법에 따르면, 석영 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터(미도시)로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음, 단결정인 종자 결정(seed crystal)을 용융액에 담근 후 실리콘 융액의 표면으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.
도 1은 일반적인 석영 도가니(10) 및 코팅층(20)의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 석영 도가니(10)의 내부 표면에 코팅층(20)이 코팅되어 있다. 이후, 코팅층(20)을 갖는 석영 도가니(10)를 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 성장로로 투입한다. 이러한 코팅층(20)이 석영 도가니(10)와 실리콘 융액(30) 사이에 배치되기 때문에, 단결정 잉곳이 여러 번 성장됨에 따라 석영 도가니(10)의 내측 표면(12, 14)이 마모되는 현상을 미연에 방지할 수 있어 석영 도가니(10)의 내구성이 강화될 수 있다. 이러한 코팅층(20)은 액상의 코팅액을 도가니(10)의 내부 표면(12, 14)에 분사하여 형성할 수도 있고, 석영 도가니(10)의 제조시에 코팅 물질을 함께 배합하여 형성할 수도 있다.
도 2는 석영 도가니(10)의 내부를 촬영한 사진을 나타내며, 참조부호 '22'는 실리콘 용융액(30)이 도가니(10)에 담겼을 때 남긴 흔적을 나타낸다.
시간이 지남에 따라 코팅층(20)의 표면(24, 26)이 실리콘 융액(30)으로부터 마모되어 벗겨져서(40) 석영 도가니(10)의 내부 표면(12, 14)이 드러날 수 있다. 이로 인해, 석영 도가니(10)는 변형 또는 파손될 수 있으므로 코팅층(20)을 재코팅해야할 필요성이 대두된다. 이를 위해, 단결정 잉곳을 성장한 이후에 도가니(10)를 성장로로부터 꺼내서 냉각하고, 냉각된 도가니(10)에 코팅층(20)을 재코팅한다.
전술한 방법으로 코팅층(20)을 재코팅할 경우, 석영 도가니(10)를 성장로로부터 꺼내기 위한 냉각 공정에 장시간이 소요될 뿐만 아니라, 급랭에 의해 석영 도가니(10)가 도 2에 도시된 바와 같이 파손(30)될 수도 있다.
실시예는 도가니의 훼손을 방지할 수 있는 단결정 잉곳 제조 장치 및 방법을 제공한다.
실시예의 단결정 잉곳 제조 장치는, 단결정 잉곳을 성장하기 위해 용융된 반도체 재료를 수용하는 도가니; 상기 도가니의 내부 표면 상의 제1 영역에 형성된 제1 코팅층; 및 상기 제1 영역과 인접한 상기 도가니의 내부 표면 상의 제2 영역에 형성된 제2 코팅층을 포함한다.
또한, 상기 제2 영역은 상기 제1 코팅층이 벗겨져서 드러난 상기 도가니의 내부 표면의 영역일 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 영역은 상기 도가니의 저부면 및 측벽면 중 적어도 하나에 위치할 수 있다.
또한, 상기 제1 코팅층의 두께와 상기 제2 코팅층의 두께는 서로 다를 수 있다.
또한, 상기 제1 코팅층의 거칠기와 상기 제2 코팅층의 거칠기는 서로 다를 수 있다.
또한, 상기 제1 코팅층은 알칼리 토류 금속 산화물, 탄산염, 수산화물, 옥산살염, 규산염, 플로오르화물, 염화물, 과산화물, 삼산화 붕소 또는 오산화인 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 코팅층은 상기 도가니의 구성 물질과 반응 가능한 코팅 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도가니의 구성 물질은 석영을 포함하고, 상기 코팅 물질은 알칼리 토금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 코팅층은 상기 제1 코팅층의 구성 물질과 화학적 반응하지 않은 코팅 물질을 포함할 수 있다.
실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 방법은, 성장 챔버 내에서, 내부 표면 상에 제1 코팅층이 형성된 도가니를 가열하여 반도체 재료의 융액을 마련하는 단계; 상기 성장 챔버의 내부로 삽입된 종자를 단결정 잉곳으로 성장시키는 단계; 상기 단결정 잉곳을 제1 소정 횟수만큼 성장시킨 후에, 상기 도가니에 코팅 물질을 투입하는 단계; 및 상기 제1 코팅층이 형성된 제1 영역과 인접한 상기 도가니의 내부 표면상의 제2 영역에 상기 코팅 물질에 의해 제2 코팅층을 형성시키는 단계를 포함한다.
또한, 상기 제2 영역은 상기 제1 코팅층이 벗겨져서 드러난 상기 도가니의 내부 표면의 영역일 수 있다.
또한, 상기 코팅 물질은 상기 도가니에 덩어리 형태 또는 분말 형태로 투입될 수 있다. 예를 들어, 상기 코팅 물질이 상기 도가니에 투입되는 량은 1㎏ 내지 3㎏일 수 있다.
또한, 단결정 잉곳 제조 방법은, 상기 도가니를 소정 속도로 회전시키는 단계를 더 포함하고, 상기 도가니의 회전시의 원심력에 의해, 상기 투입된 코팅 물질은 상기 반도체 재료의 융액 속에서, 상기 도가니의 측벽 쪽으로 이동하여, 상기 제2 영역에 상기 제2 코팅층으로서 형성될 수 있다.
또한, 상기 코팅 물질은 상기 도가니의 구성 물질과 반응 가능한 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 도가니의 구성 물질은 석영을 포함하고, 상기 코팅 물질은 알칼리 토금속을 포함할 수 있다.
또한, 상기 코팅 물질은 탄산 바륨(BaCO3), 산화 마그네슘(MgO), 산화 스트론튬(SrO) 및 탄산 칼슘(CaCO3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
또한, 단결정 잉곳 제조 방법은 상기 단결정 잉곳을 제2 소정 횟수만큼 성장시킨 후에, 상기 반도체 재료를 도가니에 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1 소정 횟수와 상기 제2 소정 횟수는 동일하거나 다를 수 있다.
또한, 상기 반도체 재료를 충전하는 단계와 상기 코팅 물질을 투입하는 단계는 동시에 수행될 수 있다. 또는, 상기 반도체 재료를 충전하는 단계를 수행한 이후에, 상기 코팅 물질을 투입하는 단계가 수행될 수 있다. 또는, 상기 코팅 물질을 투입하는 단계를 수행한 이후에, 상기 반도체 재료를 충전하는 단계가 수행될 수도 있다.
또한, 상기 반도체 재료는 반복적으로 충전되고, 상기 코팅 물질은 반복적으로 투입될 수 있다.
상기 코팅 물질은 상기 제1 코팅층의 구성 물질과 화학적 반응하지 않는다.
실시예에 따른 단결정 잉곳 제조 장치 및 방법은 도가니 내부에 형성된 제1 코팅층의 마모에 의해 드러난 도가니의 내부면을 도가니의 구성 물질과 반응 가능한 코팅 물질을 이용하여 제2 코팅층으로서 코팅할 수 있기 때문에, 도가니의 내부를 재코팅하기 위해 성장로로부터 도가니를 꺼내거나 도가니를 냉각시킬 필요가 없으므로, 도가니의 내부를 재코팅하는 시간을 절감 및 단축할 수 있고, 급랭에 의해 도가니의 파손 위험을 방지할 수 있어, 보다 쉽고 빠르고 간단하게 도가니의 내구성을 강화할 수 있다.
도 1은 일반적인 석영 도가니 및 코팅층의 단면도를 나타낸다.
도 2는 석영 도가니의 내부를 촬영한 사진을 나타낸다.
도 3은 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 'A' 및 'B' 부분을 각각 확대 도시한 단면도이다.
도 5는 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 6a 내지 도 6g는 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 단결정 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 7은 일반적인 경우 단결정 잉곳을 3회 성장시킨 이후의 도가니의 내부 표면을 촬영한 사진을 나타낸다.
도 8a는 도 7에 도시된 '610' 부분을 확대한 사진을 나타내고, 도 8b는 도 7에 도시된 '620' 부분을 확대한 사진을 나타낸다.
도 9는 실시예에 따라, 3회에 걸쳐 단결정 잉곳을 성장시킨 후에 바륨 탄산을 도가니에 투입한 후 단결정 잉곳을 한 번 더 성장시킨 이후에 도가니의 내부 표면을 촬영한 사진을 나타낸다.
도 10a는 도 9에 도시된 '630' 부분을 확대한 사진을 나타내고, 도 10b는 도 9에 도시된 '640' 부분을 확대한 사진을 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
이하, 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 장치를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.
도 3은 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 장치의 단면도로서, 도가니(crucible)(100), 회전축(120), 제1 코팅층(200), 반도체 재료 용융액(300) 및 제2 코팅층(400)을 포함한다.
도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 'A' 및 'B' 부분을 각각 확대 도시한 단면도이다.
도 3을 참조하면, 도가니(100)는 단결정 잉곳을 성장하기 위하여 용융된 반도체 재료(300)를 수용한다. 예를 들면, 반도체 재료로서 폴리 실리콘이 도가니(100)에 채워진 후, 도가니(100)를 가열하여 폴리 실리콘을 용융할 수 있다.
예를 들어, 도가니(100)의 재질은 석영(quartz)(SiO2), 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 마그네시아(MgO), SiC, 백금(Pt), 탄탈룸(Ta), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄소 또는 질화붕소(boron nitride) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며 이에 국한되지 않는다.
도가니(100)의 외부에는 도가니(100)를 지지하는 도가니 지지대(미도시)가 구비될 수 있으며, 도가니 지지대는 흑연 재질로 이루어질 수 있다. 이러한 도가니 지지대는 회전축(120) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(120)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(100)를 회전 및 승강 운동시킬 수 있다. 본 실시예의 단결정 잉곳 제조 장치는 이러한 도가니 지지대와 회전축의 각 모양, 각 배치 형태 및 유무 등에 국한되지 않는다.
한편, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 제1 코팅층(200)은 도가니(100)의 내부 표면 상의 제1 영역에 형성된다. 도 3의 경우, 제1 코팅층(200)은 도가니(100)의 측벽면(102)과 저부면(104)에 모두 형성된 것으로 도시되어 있다. 즉, 제1 코팅층(200)이 형성된 제1 영역은 측벽면(102)과 저부면(104)에 모두 위치한다. 그러나, 본 실시에는 이에 국한되지 않으며, 제1 코팅층(200)은 도가니(100)의 측벽면(102) 또는 저부면(104)만에 형성될 수도 있다. 즉, 제1 코팅층(200)이 형성된 제1 영역은 측벽면(102) 또는 저부면(104)에만 위치할 수도 있다.
실시예에 의하면, 제1 코팅층(200)은 알칼리 토류 금속 산화물, 탄산염, 수산화물, 옥산살염, 규산염, 플로오르화물, 염화물, 과산화물, 삼산화 붕소 또는 오산화인 중 적어도 하나를 포함하며 이에 국한되지 않는다.
제2 코팅층(400)은 도가니(100)의 내부 표면 상의 제2 영역에 형성된다. 제2 영역은 제1 영역과 인접하며, 제1 코팅층(200)이 벗겨져서 드러난 도가니(100)의 내부 표면의 영역일 수 있다.
도 3, 도 4a 및 도 4b의 경우, 제2 코팅층(400)은 도가니(100)의 측벽면(102)에만 형성된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 본 실시에는 이에 국한되지 않으며, 제2 코팅층(400)이 형성된 제2 영역은 도가니(100)의 측벽면(102)과 저부면(104)에 모두 위치할 수도 있고, 저부면(104)에만 위치할 수도 있다.
실시예에 의하면, 제1 코팅층(200)의 두께와 제2 코팅층(400)의 두께는 서로 다를 수도 있고 동일할 수도 있다. 예컨대, 도 4a에 도시된 바와 같이 제1 코팅층(200)의 두께(t1)는 제2 코팅층(400)의 두께(t2)보다 클 수도 있고, 도 4b에 도시된 바와 같이 제1 코팅층(200)의 두께(t1)는 제2 코팅층(400)의 두께(t3)보다 적을 수도 있다.
또한, 제2 코팅층(400)의 거칠기는 제1 코팅층(200)의 거칠기와 다를 수도 있고 동일할 수도 있다. 예를 들어, 제2 코팅층(400)의 거칠기는 제1 코팅층(200)의 거칠기보다 클 수 있다.
또한, 제2 코팅층(400)은 도가니(100)의 구성 물질과 반응 가능한 코팅 물질에 의해 형성될 수 있다. 또한, 제2 코팅층(400)은 제1 코팅층(200)의 구성 물질과 화학적 반응하지 않은 코팅 물질에 의해 형성될 수 있다.
만일, 도가니(100)의 재질이 석영(SiO2)일 경우, 제2 코팅층(400)을 이루는 코팅 물질은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 스트론튬(Sr) 또는 칼슘(Ca)과 같은 알칼리 토금속을 적어도 하나 포함할 수 있으며, 이에 국한되지 않는다. 예를 들어, 코팅 물질이 탄산 바륨(BaCO3)인 경우, 제2 코팅층(400)은 바륨 메타 실리케이트(BaSiO3)일 수 있다.
이하, 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 살펴본다.
도 5는 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 6a 내지 도 6g는 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 단결정 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
본 실시예의 이해를 돕기 위해, 도 3에 도시된 단결정 잉곳 제조 장치가 도 5에 도시된 단결정 잉곳 제조 방법에 의해 제조되는 것으로 설명하지만, 이에 국한되지 않고, 도 3에 도시된 단결정 잉곳 제조 장치는 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다.
먼저, 도가니(100)의 내부 표면 상에 제1 코팅층(200)을 형성한다(제702 단계). 이때, 제1 코팅층(200)은 도가니(100)의 내부 표면 상의 제1 및 제2 영역 모두에 형성될 수 있다.
제702 단계 후에, 성장 챔버 내에서, 도가니(100)에 반도체 재료로서 폴리 실리콘을 투입하고, 도가니(100)를 가열하여 도 6a에 도시된 바와 같이 실리콘 융액(300)을 도가니(100)의 내부에 마련한다(제704 단계).
제704 단계 후에, 성장 챔버의 내부로 종자(seed)를 삽입하고, 삽입된 종자를 이용하여 도 6b에 도시된 바와 같이 단결정 잉곳(500)을 성장시킨다(제706 단계). 단결정 잉곳(500)을 여러 번 성장시킬 경우, 실리콘 융액(300)은 도 6b에 도시된 바와 같이 줄어들 수 있다.
따라서, 제706 단계에서 단결정 잉곳(500)을 성장시킨 후에, 도 6c에 도시된 바와 같이 도가니(100)에 반도체 재료(310)로서 폴리 실리콘을 충전시키고, 도가니(100)를 가열하여 반도체 재료(310)를 용융시킨다(제708 단계).
제708 단계 후에, 도 6d에 도시된 바와 같이 코팅 물질(410)을 도가니(100)에 투입시키고, 도가니(100)를 계속 가열하여 코팅 물질(410)도 용융시킨다(제710 단계). 만일, 코팅 물질(410)로서 탄산 바륨(BaCO3)이 투입되고 반도체 재료(310)로서 폴리 실리콘이 충전될 경우, 탄산 바륨(BaCO3)의 용융점은 대략 1300℃이고, 폴리 실리콘의 용융점은 대략 1425℃이므로, 도가니(100)를 가열하여 탄산 바륨(BaCO3)과 함께 폴리 실리콘을 함께 용융시킬 수 있다.
제1 소정 횟수만큼 단결정 잉곳(500)을 성장시킨 이후에, 코팅 물질(410)을 도가니(100)에 투입시키고, 제2 소정 횟수만큼 단결정 잉곳(500)을 성장시킨 이후에, 반도체 재료인 폴리 실리콘(310)을 도가니(100)에 충전시킬 수 있다. 이 경우, 제1 소정 횟수는 제2 소정 횟수와 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 또한, 제1 소정 횟수 또는 제2 소정 횟수 중 적어도 하나는 복수일 수 있다.
실시예에 의하면, 코팅 물질(410)은 단결정 잉곳(500)을 성장시킨 횟수에 상관없이 제1 코팅층(200)이 마모되어 도가니(100)의 내부 표면이 노출된 어느 시점이든지 도가니(100)에 투입될 수 있다.
만일, 제1 소정 횟수와 제2 소정 횟수가 다르거나 동일할 경우, 전술한 바와 같이 폴리 실리콘(310)을 도가니(100)에 충전시킨 후(도 6c 참조)에 코팅 물질(410)을 도가니(100)에 투입시키거나(도 6d 참조), 도시된 바와 달리 코팅 물질(410)을 도가니(100)에 먼저 투입시킨 후에 폴리 실리콘(310)을 나중에 충전시킬 수도 있다.
또는, 제1 소정 횟수와 제2 소정 횟수가 동일할 경우, 도시된 바와 달리 폴리 실리콘(310)을 도가니(100)에 충전함(제708 단계)과 동시에 코팅 물질(410)을 도가니(100)에 투입(제710 단계)할 수도 있다.
또한, 반도체 재료(310)를 도가니(100)에 반복적으로 충전시키고, 코팅 물질(410) 역시 도가니(100)에 반복적으로 투입시킬 수 있다. 즉, 반도체 재료(310)을 충전시키고 및/또는 코팅 물질(410)을 투입시킨 이후에, 도 6e에 도시된 바와 같이, 반도체 재료(310)를 충전시킴과 동시에 코팅 물질(410)을 도가니(100)에 투입할 수도 있다. 또는, 도시된 바와 달리 코팅 물질(410)을 도가니(100)에 먼저 투입한 후 반도체 재료(310)를 나중에 충전할 수도 있다. 또는, 반도체 재료(310)를 도가니(100)에 먼저 충전시킨 후, 코팅 물질(410)을 도가니(100)에 나중에 투입할 수도 있다.
결국, 코팅 물질(410)을 도가니(100)에 투입하는 시점은 반도체 재료(310)를 도가니(100)에 충전시키는 시기와 무관하게 수행될 수 있다.
구체적인 예를 들면 최초에 도가니(100)에 폴리 실리콘을 160㎏ 정도 넣은 후에 가열하여 도 6a에 도시된 바와 같이 실리콘 용융액(300)을 만든 후, 수회에 걸쳐서 단결정 잉곳(500)을 성장시키면 도 6b에 도시된 바와 같이 실리콘 용융액(300)이 소진된다. 따라서, 소진된 실리콘 용융액(300)을 보충하기 위해, 도 6b에 도시된 바와 같이 대략 20㎏ 정도의 실리콘 용융액(300)이 잔존한 상태에서 140㎏ 정도의 폴리 실리콘(310)을 3회에 걸쳐서 나누어서 도 6c 및 도 6e에 도시된 바와 같이 도가니(100)에 충전시킬 수 있다. 이 경우, 전술한 바와 같이, 폴리 실리콘(310)을 충전시킴과 동시에 또는 폴리 실리콘(310)을 충전시키기 이전에 또는 폴리 실리콘(310)을 충전시킨 이후에, 1㎏ 내지 3㎏ 정도의 코팅 물질(410)을 적어도 한 번 걸쳐서 도가니(100)에 투입할 수 있다.
한편, 도가니(100)에 투입되는 코팅 물질(410)은 도가니(100)의 구성 물질과 반응 가능한 물질을 포함할 수 있다. 만일, 도가니(100)의 구성 물질이 석영을 포함할 경우, 코팅 물질(410)은 바륨(Ba), 마그네슘(Mg), 스트론튬(Sr) 또는 칼슘(Ca) 같은 알칼리 토금속을 적어도 하나 포함할 수 있다. 구체적인 례로서, 도가니(100)에 투입되는 코팅 물질(410)은 탄산 바륨(BaCO3), 산화 마그네슘(MgO), 산화 스트론튬(SrO) 및 탄산 칼슘(CaCO3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면, 코팅 물질(410)은 도가니(100)에 덩어리 형태 또는 분말 형태로 투입될 수 있다.
한편, 회전축(120)이 화살표 방향(800)으로 회전시키면, 도가니(100) 역시 화살표 방향(800)으로 회전하며, 도가니(100)의 회전시 원심력에 의해 코팅 물질(410)은 도가니(100)의 측벽(102) 쪽으로 더 잘 이동할 수 있다(제712 단계).
전술한 바와 같이, 여러 번에 걸쳐서 단결정 잉곳(500)을 성장시킬 경우, 도가니(100)의 내부 표면의 제1 영역에 형성된 제1 코팅층(200)이 마모되어, 도 6b 내지 도 6f에 도시된 바와 같이, 도가니(100)의 내부 표면의 제2 영역(600)이 드러날 수 있다.
이 경우, 도가니(100)에 충전된 폴리 실리콘(310)이 가열되어 실리콘 용융액(300)이 되면, 도가니(100)에 투입된 코팅 물질(410)은 도 6f에 도시된 바와 같이 도가니(100)의 내부 표면의 드러난 제2 영역(600)에서 도가니(100)의 물질과 반응하여 결정이 제2 코팅층(714)으로서 형성될 수 있다(제714 단계).
예를 들어, 코팅 물질(410)로서 탄산 바륨(BaCO3)이 도가니(100)에 투입되고 도가니(100)의 재질이 석영(SiO2)일 경우, 도 6f 및 도 6g를 참조하면 노출된 도가니(100)의 부위(600)의 석영(SiO2)과 탄산 바륨(BaCO3)이 다음 반응식 1과 같이 반응하여 바륨 메타 실리케이트(BaSiO3)가 제2 코팅층(400)으로서 형성될 수 있다.
[반응식 1]
Figure 112012016682268-pat00001
이때, 제2 코팅층(400)을 형성하기 위해 도가니(100)에 투입된 코팅 물질(410)은 단결정 잉곳의 성장을 방해하지 않는다.
결국, 도 1에 도시된 코팅층(20)이 벗겨져서 도가니(100)의 내부 표면(40)이 드러날 경우, 코팅층(20)을 재코팅하기 위해 도가니(10)를 성장로부터 꺼내서 냉각시키는 일반적인 경우와 달리, 실시예에 따르면 도가니(100)를 성장로로부터 꺼내서 냉각시킬 필요가 없다. 왜냐하면, 전술한 바와 같이 코팅 물질(410)과 도가니(100)의 드러난 제2 영역(600)의 내부 표면이 반응하여, 제2 영역(600)에 제2 코팅층(400)이 형성되기 때문이다. 그러므로, 실시예에 의하면, 비교적 간편하고 빠르게 제1 코팅층(200)의 손상으로부터 도가니(100)의 내부 표면이 변형 및 파손되는 것을 방지하여 도가니(100)의 내부 표면이 강화될 수 있다.
도 7은 일반적인 경우 단결정 잉곳을 3회 성장시킨 이후의 도가니(10)의 내부 표면을 촬영한 사진을 나타낸다.
도 8a는 도 7에 도시된 '610' 부분을 확대한 사진을 나타내고, 도 8b는 도 7에 도시된 '620' 부분을 확대한 사진을 나타낸다.
도 7 내지 도 8b에 도시된 바와 같이, 단결정 잉곳을 3회에 걸쳐서 성장시킨 이후에, 도가니(10)의 내부 표면을 보면 제1 코팅층(200)이 마모되어 도가니(100)의 내부 표면(650)이 드러날 수 있다. 즉, 도 8a에 도시된 바와 같이 도가니(10)의 내부 표면이 수평과 수직으로 길게 띠 모양(650)으로 노출될 수도 있고, 도 8b에 도시된 바와 같이, 도가니(10)의 내부 표면이 점 모양(650)으로 노출될 수도 있다.
도 9는 실시예에 따라, 3회에 걸쳐 단결정 잉곳을 성장시킨 후에 바륨 탄산(BaCO3)을 도가니(100)에 투입한 후 단결정 잉곳을 한 번 더 성장시킨 이후에 도가니(100)의 내부 표면을 촬영한 사진을 나타낸다.
도 10a는 도 9에 도시된 '630' 부분을 확대한 사진을 나타내고, 도 10b는 도 9에 도시된 '640' 부분을 확대한 사진을 나타낸다.
실시예에 따라, 3회에 걸쳐서 단결정 잉곳을 성장시킨 후에, 코팅 물질(410)인 바륨 탄산(BaCO3)을 석영 재질의 도가니(100)에 투입하고, 단결정 잉곳을 한 번 더 성장한 후, 도가니(100)의 내부 표면을 살펴보면, 도 7 내지 도 8b에 도시된 드러난 도가니(100)의 내부 표면이 도 9 내지 도 10b에 도시된 바와 같이 제2 코팅층(400)인 바륨 메타 실리케이트(BaSiO3)에 의해 덮여 있음을 알 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.
10, 100: 도가니 20, 200: 제1 코팅층
30, 300: 실리콘 용융액 120: 회전축
310: 반도체 재료 400: 제2 코팅층
410: 코팅 물질 500: 단결정 잉곳

Claims (26)

  1. 단결정 잉곳을 성장하기 위해 용융된 반도체 재료를 수용하는 도가니;
    상기 도가니의 내부 표면 상의 제1 영역에 형성된 제1 코팅층; 및
    상기 제1 영역과 인접하며 상기 제1 코팅층이 벗겨져서 드러난 상기 도가니의 내부 표면 상의 제2 영역에 형성되며, 상기 제1 코팅층의 구성 물질과 화학적 반응하지 않은 코팅 물질을 포함하는 제2 코팅층을 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 영역은 상기 도가니의 저부면 및 측벽면 중 적어도 하나에 위치하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제1 코팅층의 두께와 상기 제2 코팅층의 두께는 서로 다른 단결정 잉곳 제조 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제1 코팅층의 거칠기와 상기 제2 코팅층의 거칠기는 서로 다른 단결정 잉곳 제조 장치.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 제1 코팅층은 알칼리 토류 금속 산화물, 탄산염, 수산화물, 옥산살염, 규산염, 플로오르화물, 염화물, 과산화물, 삼산화 붕소 또는 오산화인 중 적어도 하나를 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  7. 제1 항 및 제3 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 코팅층은 상기 도가니의 구성 물질과 반응 가능한 코팅 물질을 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 도가니의 구성 물질은 석영을 포함하고, 상기 코팅 물질은 알칼리 토금속을 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  9. 삭제
  10. 성장 챔버 내에서, 내부 표면 상에 제1 코팅층이 형성된 도가니를 가열하여 반도체 재료의 융액을 마련하는 단계;
    상기 성장 챔버의 내부로 삽입된 종자를 단결정 잉곳으로 성장시키는 단계;
    상기 단결정 잉곳을 제1 소정 횟수만큼 성장시킨 후에, 상기 도가니에 코팅 물질을 투입하는 단계; 및
    상기 제1 코팅층이 형성된 제1 영역과 인접하며 상기 제1 코팅층이 벗겨져서 드러난 상기 도가니의 내부 표면상의 제2 영역에 상기 코팅 물질에 의해 제2 코팅층을 형성시키는 단계를 포함하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  11. 삭제
  12. 제10 항에 있어서, 상기 코팅 물질은 상기 도가니에 덩어리 형태로 투입되는 단결정 잉곳 제조 방법.
  13. 제10 항에 있어서, 상기 코팅 물질은 상기 도가니에 분말 형태로 투입되는 단결정 잉곳 제조 방법.
  14. 제10 항에 있어서, 상기 코팅 물질은 상기 도가니에 투입되는 량은 1㎏ 내지 3㎏인 단결정 잉곳 제조 방법.
  15. 제10 항에 있어서, 상기 도가니를 소정 속도로 회전시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 도가니의 회전시의 원심력에 의해, 상기 투입된 코팅 물질은 상기 반도체 재료의 융액 속에서, 상기 도가니의 측벽 쪽으로 이동하여, 상기 제2 영역에 상기 제2 코팅층으로서 형성되는 단결정 잉곳 제조 방법.
  16. 제10 항에 있어서, 상기 코팅 물질은 상기 도가니의 구성 물질과 반응 가능한 물질을 포함하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 도가니의 구성 물질은 석영을 포함하고, 상기 코팅 물질은 알칼리 토금속을 포함하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  18. 제16 항에 있어서, 상기 코팅 물질은 탄산 바륨(BaCO3), 산화 마그네슘(MgO), 산화 스트론튬(SrO) 및 탄산 칼슘(CaCO3)으로 이루어진 그룹에서 선택된 하나를 포함하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  19. 제10 항에 있어서, 상기 단결정 잉곳을 제2 소정 횟수만큼 성장시킨 후에, 상기 반도체 재료를 도가니에 충전하는 단계를 더 포함하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  20. 제19 항에 있어서, 상기 제1 소정 횟수와 상기 제2 소정 횟수는 동일한 단결정 잉곳 제조 방법.
  21. 제19 항에 있어서, 상기 제1 소정 횟수와 상기 제2 소정 횟수는 서로 다른 단결정 잉곳 제조 방법.
  22. 제20 항에 있어서, 상기 반도체 재료를 충전하는 단계와 상기 코팅 물질을 투입하는 단계는 동시에 수행되는 단결정 잉곳 제조 방법.
  23. 제20 항 또는 제21 항에 있어서, 상기 반도체 재료를 충전하는 단계를 수행한 이후에, 상기 코팅 물질을 투입하는 단계가 수행되는 단결정 잉곳 제조 방법.
  24. 제20 항 또는 제21 항에 있어서, 상기 코팅 물질을 투입하는 단계를 수행한 이후에, 상기 반도체 재료를 충전하는 단계를 수행하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  25. 제20 항 또는 제21 항에 있어서, 상기 반도체 재료는 반복적으로 충전되고, 상기 코팅 물질은 반복적으로 투입되는 단결정 잉곳 제조 방법.
  26. 제10 항에 있어서, 상기 코팅 물질은 상기 제1 코팅층의 구성 물질과 화학적 반응하지 않은 단결정 잉곳 제조 방법.
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