KR101390795B1 - 실리콘 단결정 성장용 열실드 및 이를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치 - Google Patents

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

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Abstract

실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 열실드는, 상기 열실드 하부의 개구부 내에 삽입되어 설치되고 상면과 하면이 개방된 제어 부재를 포함한다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되며 실리콘 융액을 수용하는 도가니; 상기 챔버의 내부에서 상기 도가니의 주변에 설치된 히터; 및 상기 실리콘 융액으로부터 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 둘러싸는 열실드를 포함한다.

Description

실리콘 단결정 성장용 열실드 및 이를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치{THERMAL SHIELD FOR GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL AND SILICON SINGLE CRYSTAL GROWTH APPARATUS INCLUDING THE SAME}
실시예는 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 단결정 성장용 열실드 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.
실리콘 단결정 잉곳의 성장시, 성장로 내부의 불순물을 제거하거나 산소 농도를 조절하기 위하여 아르곤(Ar)이나 질소(N2)와 같은 불활성 가스를 성장로의 상부에서 주입시켜 성장로의 하부로 배출시킨다.
그러나, 성장로 내부에서 이러한 불활성 가스들의 흐름에 의해 삼중점(Meniscus) 근방에 변화가 발생하여 실리콘 단결정 잉곳의 인상 속도의 산포가 증가하며, 이에 따라 실리콘 단결정 잉곳의 품질이 저하되는 문제점이 발생한다.
여기서, 삼중점이란, 도가니의 내부에 용융되어 있는 용융 실리콘으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때, 액체인 용융 실리콘과 고체인 실리콘 단결정 잉곳과 기체인 불활성 가스가 접하는 현상이 발생하는 도가니 내부의 결정 성장 계면의 부근을 말한다.
종래에는, 삼중점 근방의 변화에 따른 인상 속도를 제어하기 위하여 불활성 가스의 유량 수준에서 제어하거나 열실드의 하부에 설치되는 부재에 홀을 형성하는 등의 방법을 사용하였으나, 오히려 삼중점 근방에 불활성 가스들의 난기류(Turbulence Flow)가 형성되어 삼중점의 변화를 제어하는데 효과적이지 못한 문제가 있었다.
실시예는 삼중점 근방의 변화를 안정화하여 인상 속도를 제어함으로써 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 단결정 성장용 열실드 및 이를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 열실드는, 상기 열실드 하부의 개구부 내에 삽입되어 설치되고 상면과 하면이 개방된 제어 부재를 포함한다.
상기 제어 부재는 실리콘 단결정 잉곳을 둘러싸는 측벽을 갖고, 상기 측벽의 적어도 일부가 상기 열실드의 외부로 노출될 수 있다.
상기 제어 부재는, 상기 측벽의 상부에 위치하고 상기 측벽의 길이 방향인 제1 방향과 다른 제2 방향으로 형성된 윙부(Wing Part)가질 수 있다.
상기 윙부는 상기 측벽으로부터 연장되어 상기 측벽과 일체로 형성될 수 있다.
상기 측벽은 상면과 하면이 개방된 원통 형상을 가질 수 있다.
상기 윙부의 일면이 상기 열실드와 접하여 배치될 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되며 실리콘 융액을 수용하는 도가니; 상기 챔버의 내부에서 상기 도가니의 주변에 설치된 히터; 및 상기 실리콘 융액으로부터 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 둘러싸는 열실드를 포함한다.
실시예에 따르면 성장로 내부의 삼중점 근방에서의 불활성 가스의 유속 및 흐름을 제어함으로써 인상 속도의 산포가 감소하여 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 수 있다.
또한, 윙부에 의해 열 전달이 원활히 이루어짐으로써 실리콘 단결정 잉곳의 외주부의 냉각 속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치를 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 2는 실시예에 따른 열실드에 설치되는 제어 부재의 사시도이고,
도 3은 도 2의 AA'방향에서 바라본 제어 부재의 측단면도이고,
도 4는 실시예에 따른 열실드가 포함된 실리콘 단결정 성장 장치를 사용하여 잉곳을 성장시킬 때 인상 속도의 산포 변화를 종래와 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 5는 실시예에 따른 열실드를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치를 사용하여 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 외주부의 냉각 열이력 변화를 종래와 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 6은 실시예에 따른 열실드가 포함된 실리콘 단결정 성장 장치를 사용하여 잉곳을 성장시킬 때 삼중점 근방의 아르곤 가스의 유속 변화를 종래와 비교하여 나타낸 그래프이고,
도 7은 종래의 실리콘 단결정 성장 장치를 사용하여 제조된 잉곳과 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치를 사용하여 제조된 잉곳의 무결함 영역을 비교하여 도시한 도면이다.
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 1은 일실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
일실시예에 다른 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), 실리콘 융액(SM)으로부터 성장되는 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 복사되는 열을 차단하기 위한 열실드(200)를 포함한다.
상술한 구성 요소들은 쵸크랄스키(CZ) 법을 이용한 실리콘 단결정 성장 장치의 통상적인 구성 요소들이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하고, 이하에서는 실리콘 단결정 성장용 열실드(200)를 중심으로 설명하기로 한다.
도 2는 실시예에 따른 열실드에 설치되는 제어 부재의 사시도이고, 도 3은 도 2의 AA' 방향에서 바라본 제어 부재의 측단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장용 열실드(200)는 상기 열실드(200) 하부의 개구부 내에 삽입되어 설치되고 상면과 하면이 개방된 제어 부재(300)를 포함한다.
제어 부재(300)는 실리콘 단결정 성장 장치에서 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장축 방향의 열이력 분포상 약 1350~1100℃에 대응하여 위치할 수 있다.
제어 부재(300)는, 실리콘 단결정 성장용 열실드(200) 하부의 개구부에 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 둘러싸도록 위치하며, 상면과 하면이 개방되고 측벽(310)을 갖는다.
상기 측벽(310)은 제어 부재(300)의 상면과 하면이 개방되어 있으므로 내부에 빈 공간을 갖는 원통 형상을 가질 수 있다.
상기 측벽(310)의 적어도 일부는 상기 실리콘 단결정 성장용 열실드(200)의 외부로 노출될 수 있으며, 일반적으로 상기 측벽(310)의 하부가 열실드(200) 외부로 노출되어 위치할 수 있다.
상기 제어 부재(300)에는 홀이 형성되어 있지 않다.
종래에는 성장 장치 내의 아르곤 가스의 흐름을 제어하여 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 인상 속도를 제어하기 위하여, 열실드의 하부에 설치되는 부재에 홀을 형성하는 방법을 사용하였으나, 오히려 삼중점 근방에 아르곤 가스의 난기류가 형성되어 삼중점 근방의 변화를 제어하는데 효과적이지 못하였다.
실시예에 따른 열실드(200)에 설치되는 제어 부재(300)에는 홀을 형성하지 않아서, 실리콘 단결정 잉곳(IG)과 실리콘 단결정 성장용 열실드(200) 사이의 아르곤 가스 흐름의 경로를 수직 방향으로 단일화함으로써 난기류의 발생을 억제할 수 있으며, 이에 따라 삼중점 근방의 안정적인 제어가 가능하다.
또한, 삼중점 근방의 변화에 따라 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 인상 속도가 변화하므로 인상 속도의 산포가 감소함으로써 고품질의 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 제조할 수 있다.
상기 제어 부재(300)는 상기 측벽(310)의 상부에 위치하고 상기 측벽(310)의 길이방향과 다른 방향으로 형성된 윙부(Wing Part, 320)를 가질 수 있다.
상기 윙부(320)는 제어 부재(300)가 실리콘 단결정 성장용 열실드(200)에 설치될 때, 상기 열실드(200)와 접하여 제어 부재(300)를 지지하는 역할을 할 수 있다.
상기 윙부(320)는 상기 측벽(310)으로부터 연장되어 상기 측벽(310)과 일체로서 형성될 수 있다.
실리콘 단결정 잉곳(IG)으로부터 방출된 열이 열 전도에 의하여 제어 부재(300)에 전달되며, 상기 윙부(320)에 의해 열 방출 면적이 증대되므로 상대적으로 저온인 열실드(200)의 상부 측으로 열이 원활하게 빠져나갈 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 열실드가 포함된 실리콘 단결정 성장 장치를 사용하여 잉곳을 성장시킬 때 인상 속도의 산포 변화를 종래와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 비교예와 실시예를 비교하면, 실시예에 따른 제어 부재(300)가 설치된 열실드(200)를 포함한 기상 성장 장치를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시킨 경우, 아르곤 가스 흐름의 난기류가 억제되어 삼중점 근방의 변화가 안정화됨으로써 인상 속도의 산포가 감소하였음을 확인할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 열실드를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치를 사용하여 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 외주부의 냉각 열이력 변화를 종래와 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 5에서 x축은 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 길이, y축은 잉곳 외주부의 냉각 속도이며, 오른쪽 작은 그래프는 왼쪽 사각형 박스 부분을 확대하여 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 종래의 경우(비교예)와 비교하여 실시예(실시예 1, 실시예 2)의 경우 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 외주부의 냉각 속도가 증가한 것을 알 수 있다.
즉, 제어 부재(300)의 윙부(320)에 의해 열 방출 면적이 증대되어 열실드(200)의 상부 측으로 열이 원활하게 방출되어 실리콘 단결정 잉곳(IG) 외주부의 냉각 속도가 증가한 것이다.
잉곳(IG)을 슬라이싱하여 제조되는 웨이퍼의 결함의 종류는 V/G 값에 따라 달라지는데, V/G 값이 소정의 임계치보다 큰 경우 베이컨시-타입의 결정 결함이 우세하고 V/G 값이 소정의 임계치보다 작은 경우 인터스티셜-타입의 결정 결함이 우세하다.
이때, V는 인상 속도이고 G는 성장 계면 근처의 결정 내 수직 온도 기울기이다.
상기 G값은 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 중심에서 가장 작고 반경 방향으로 갈수록 증가하는데, 실시예에 따르면, 잉곳의 외주부 측의 G값을 제어함으로써 잉곳 외주부의 G값(Ge). 2/3 지점의 G값(GS) 및 잉곳 중심부의 G값(GC)의 균형으로 맞춤으로써 잉곳의 반경 방향으로 품질이 균일한 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 제조할 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 열실드가 포함된 실리콘 단결정 성장 장치를 사용하여 잉곳을 성장시킬 때 삼중점 근방의 아르곤 가스의 유속 변화를 종래와 비교하여 나타낸 그래프이다.
왼쪽 그래프는 수평 흐름의 유속(Vx)을, 오른쪽 그래프는 수직 흐름의 유속(Vy)을 나타낸 것이다.
종래의 경우(비교예)에는 열실드에 설치되는 부재에 홀이 형성되어 있어 아르곤 가스 흐름의 경로가 두 개 이상 형성되어 유속이 낮아지게 되는데, 이와 비교하여 실시예(실시예 1, 실시예 2)의 경우는, 실리콘 단결정 성장용 열실드(200)에 설치된 제어 부재(300)에 홀이 형성되어 있지 않아 아르곤 가스 흐름의 경로가 단일화되어 유속이 증가하였음을 확인할 수 있다.
도 7은 종래의 실리콘 단결정 성장 장치를 사용하여 제조된 잉곳과 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치를 사용하여 제조된 잉곳의 무결함 영역을 비교하여 도시한 도면이다.
도 7의 그림은 실리콘 단결정 잉곳(IG)에서 무결함 영역이 어떻게 분포되어 있는지를 나타내며, 도 7의 왼쪽 그림은 종래의 경우를 도 7의 오른쪽 그림은 실시예의 경우를 나타내고 있다.
실리콘 단결정 잉곳(IG)을 수평 방향으로 슬라이싱하여 웨이퍼를 제조하기 때문에, 웨이퍼 제작에 있어서, 잉곳 내부의 무결함 영역의 분포가 중요한 요인이 된다.
도 7의 왼쪽 그림을 보면, 결함을 나타내는 어두운 부분이 무결함 영역을 나타내는 흰색 부분의 일측으로 쳐져 있어서 웨이퍼 제작에 사용될 수 있는 잉곳의 길이 d1이 짧지만, 도 7의 오른쪽 그림을 보면, 어두운 부분이 아래쪽으로 쳐지지 않고 잉곳의 중심부와 외주부에서 균형이 맞추어져 있으므로 웨이퍼 제작에 사용될 수 있는 잉곳의 길이 d2가 종래에 비해 길어진 것을 확인할 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 200: 실리콘 단결정 성장용 열실드
300: 제어 부재 310: 측벽
320: 윙부

Claims (7)

  1. 실리콘 융액으로부터 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 둘러싸는 열실드에 있어서,
    상기 열실드는, 상기 열실드 하부의 개구부 내에 삽입되어 설치되고 상면과 하면이 개방되어 있으며, 홀이 형성되어 있지 않은 제어 부재를 포함하는 실리콘 단결정 성장용 열실드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 부재는 실리콘 단결정 잉곳을 둘러싸는 측벽을 갖고, 상기 측벽의 적어도 일부가 상기 열실드의 외부로 노출된 실리콘 단결정 성장용 열실드.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 부재는, 상기 측벽의 상부에 위치하고 상기 측벽의 길이 방향인 제1 방향과 다른 제2 방향으로 형성된 윙부(Wing Part)를 갖는 실리콘 단결정 성장용 열실드.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 윙부는 상기 측벽으로부터 연장되어 상기 측벽과 일체로 형성된 실리콘 단결정 성장용 열실드.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 측벽은 상면과 하면이 개방된 원통 형상을 갖는 실리콘 단결정 성장용 열실드.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 윙부의 일면이 상기 열실드와 접하여 배치되는 실리콘 단결정 성장용 열실드.
  7. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 설치되며 실리콘 융액을 수용하는 도가니;
    상기 챔버의 내부에서 상기 도가니의 주변에 설치된 히터; 및
    상기 실리콘 융액으로부터 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 둘러싸는 열실드를 포함하고,
    상기 열실드는 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 의한 실리콘 단결정 성장용 열실드인 실리콘 단결정 성장 장치.
KR1020120001518A 2012-01-05 2012-01-05 실리콘 단결정 성장용 열실드 및 이를 포함한 실리콘 단결정 성장 장치 KR101390795B1 (ko)

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