KR101443490B1 - 잉곳 성장 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 실시예의 잉곳 성장 장치는, 챔버 내의 도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키는 장치로서, 단결정 종자; 상기 단결정 종자가 결합된 씨드척; 상기 씨드척을 승강시키기 위하여 상기 챔버 외부에 마련된 인상부; 상기 씨드척과 연결되고, 상기 인상부에 의하여 길이가 조절되는 인상 케이블; 및 상기 인상 케이블로 기설정된 전압을 인가하는 전압 인가부;를 포함한다.

Description

잉곳 성장 장치 및 방법{Apparatus and method for growing ingot}
본 발명은, 잉곳 성장 장치에 대한 것으로서, 특히, 씨드 케이블을 통하여 실리콘 융액측으로 전압을 인가하여 융액 내의 도펀트의 이동을 제어할 수 있는 잉곳 성장 장치에 대한 것이다.
일반적으로 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 실리콘 단결정 잉곳(ingot)은 석영 도가니에 폴리실리콘(poly silicon)과 불순물(dopant)을 용융하여 형성된 실리콘 용융물에 인상장치를 사용하여 씨드를 디핑(dipping)시키고 이 씨드(Seed)와 석영 도가니를 서로 반대 방향으로 회전시키면서 서서히 씨드를 인상함으로써(pulling up) 성장 제조된다.
이 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 챔버 내부의 핫존(Hot Zone, H/Z)에 실리콘 용융물이 담겨지는 석영 도가니와, 이 석영 도가니를 감싸는 흑연 도가니, 이 도가니를 지지하는 지지판과, 이 지지판을 외부의 회전구동장치에 결합시키는 회전축, 도가니의 주변을 포위하는 구조로 설치되어 도가니에 열을 방사하는 히터와, 이 히터에서 발생된 열이 외부로 방사되는 것과 실리콘 용융물의 온도가 저하되는 것을 방지하는 열차폐부재를 포함하여 형성된다.
그리고 상기 챔버 내부에는 씨드척(seed chuck)이 구비된다. 이 씨드척은 외부의 인상 구동장치에 의하여 씨드를 실리콘 용융물에 디핑하고, 이 씨드를 다시 인상하며 이때, 씨드의 끝단에서 성장하는 실리콘 단결정 잉곳의 하중을 지탱한다.
또한 상기 씨드척은 상기와 같이 인상 작동되면서 이의 반대측에 구비되는 회전축의 회전 방향에 대하여 반대 방향으로 회전된다.
한편, 잉곳을 성장시킴에 따라, 실리콘 융액양의 감소로 인하여 융액 내의 도펀트 사이즈는 농축되며, 이로 인하여 성장되는 잉곳의 저항에 편차가 발생하게 된다. 즉, 이것은 성장 초반의 잉곳과, 성장 후반의 잉곳의 품질 변화를 야기하며, 필요한 품질의 잉곳 구간만을 사용하여야 하므로, 원가 손실이 발생할 수 있다.
도 1은 잉곳 성장 초반과 후반에 실리콘 융액 내 포함된 도펀트를 관찰한 것을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 일반적인 잉곳 성장 시 타겟 저항과 실제로 성장된 잉곳의 저항을 비교한 그래프이다.
도 1(a)와 같이, 잉곳 성장 초반에는 많은 양의 융액으로 인해 도펀트가 잉곳으로 이동하는 양이 작고, 도 1(b)와 같이, 성장 후반에는 줄어든 융액으로 인하여 도펀트가 밀집하게 되고 결국 성장되는 잉곳으로 도펀트가 많이 이동하게 된다. 이러한 도펀트의 이동에 차이가 발생하기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이, 실제로 성장된 잉곳의 저항은 성장 초반에는 목표치보다 높게 관찰되고, 성장 후반에는 목표치보다 더 낮게 관찰된다.
결국, 잉곳의 성장에 따른 실리콘 융액양의 감소로 인하여, 도펀트의 이동이 균일하지 않게 되고, 성장된 잉곳의 저항이 균일해지지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은, 잉곳 성장시에 실리콘 융액의 양이 변화하더라도, 도펀트의 포집 또는 분산시킬 수 있도록 전압(전류)을 인가할 수 있는 장치를 구비하여, 성장된 잉곳의 저항이 균일해지도록 하는 장치를 제안하고자 한다.
본 실시예의 잉곳 성장 장치는, 챔버 내의 도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키는 장치로서, 단결정 종자; 상기 단결정 종자가 결합된 씨드척; 상기 씨드척을 승강시키기 위하여 상기 챔버 외부에 마련된 인상부; 상기 씨드척과 연결되고, 상기 인상부에 의하여 길이가 조절되는 인상 케이블; 및 상기 인상 케이블로 기설정된 전압을 인가하는 전압 인가부;를 포함한다.
그리고, 상기 전압 인가부는, 상기 실리콘 융액에 도핑된 도펀트가 N-타입의 전하일 경우에, 기설정된 성장 초반의 구간에는 상기 인상 케이블로 양전압을 인가한다.
그리고, 상기 전압 인가부는, 상기 실리콘 융액에 도핑된 도펀트가 N-타입의 전하일 경우에, 기설정된 성장 후반의 구간에는 상기 인상 케이블로 양전압을 인가한다.
제안되는 바와 같은 실시예의 잉곳 성장 장치에 의해서, 잉곳 성장시에 도펀트의 이동을 제어할 수 있으며, 성장 초반에는 도펀트를 잉곳 측으로 포집될 수 있도록 하고, 성장 후반에는 도펀트를 잉곳 측으로부터 분산될 수 있도록 함으로써, 성장된 잉곳의 저항이 균일해지도록 하는 장점이 있다.
또한, 이러한 장치를 통해서 잉곳 품질의 향상을 도모할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 잉곳 성장 초반과 후반에 실리콘 융액 내 포함된 도펀트를 관찰한 것을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 잉곳 성장 시 타겟 저항과 실제로 성장된 잉곳의 저항을 비교한 그래프이다.
도 3은 본 실시예의 잉곳 성장 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 실시예의 잉곳 성장 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 실시예에 따른 잉곳 성장 장치에 의하여 실리콘 융액 계면에 전류가 인가되는 때의 도펀트 변화를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 잉곳 성장 장치에 의해서 제조된 잉곳의 저항값을 나타낸 그래프이다.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 3은 본 실시예의 잉곳 성장 장치를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 실시예의 잉곳 성장 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는 본체를 형성하는 챔버(11)와, 이 챔버(11) 내부의 핫존(H/Z)에 구비되어 실리콘 융액(SM)을 담고 있는 석영 도가니(12)와, 이를 감싸고 있는 흑연 도가니(13)와, 이 흑연 도가니(13)를 하측에서 지지하는 지지판(14)과, 이 지지판(14)을 챔버(11) 외부에 구비되는 회전구동장치(미도시)에 연결하여 이 지지판(14)을 회전시키는 회전축(17)과, 상기 흑연 도가니(13)의 주변을 에워싸는 구조로 설치되어 도가니(13)에 열을 방사하는 히터(15)와, 이 히터(15)에서 발생된 열이 외부로 방사되는 것과 실리콘 융액(SM)의 온도가 저하되는 것을 방지하는 열차폐부재(16)를 포함하여 구성된다.
그리고 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는, 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장 제조할 때, 이 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 소스가 되는 단결정 종자(130)를 필요로 하며, 이 단결정 종자(130)를 고정시키기 위하여 챔버(11) 내부에 씨드척(40)을 구비한다. 상기 단결정 종자(130)는 전류가 흐를 수 있는 도전체로 이루어지며, 잉곳과 동일한 성분인 Si원자로 구성된 단결정 구조가 될 수 있다.
상기 씨드척(40)은 인상 케이블(120)을 통하여 챔버(11)의 외부에 구비되는 인상부(110)에 연결되고, 종자(130)를 실리콘 융액(SM)에 디핑(dipping)하고, 이 종자(130)를 다시 인상하여, 종자(130)의 끝단에서 성장하는 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 하중을 지탱하며, 이 인상 작동과 함께 상기 회전축(17)의 회전 방향의 반대 방향으로 회전 작동하면서 종자(130)를 회전시킨다.
또한, 본 발명의 실시예에 따라, 상기 인상 케이블(120), 단결정 종자(130) 및 성장되는 잉곳(140)과, 잉곳과 실리콘 융액의 계면으로 전류 또는 전압을 인가시키기 위한 전압 인가부(100)를 포함한다.
그리고, 상기 인상 케이블(120)에 전류가 흐르도록 하여 실리콘 융액 표면과 잉곳의 접합 상태를 확인하기 위한 터치 센서 등의 감지부를 더 포함할 수 있다. 참고로, 터치 센서 등과 같은 감지부를 통해서는, 잉곳 성장 진행 중에 융액에서 잉곳 접합이 떨어질 경우에 팝아웃(pop out)의 신호를 발생시키며, 시스템은 이러한 신호로부터 잉곳 성장의 상태를 확인할 수 있다.
본 실시예에 따라, 상기 전압 인가부(100)는 이러한 인상 케이블(120)로 전압을 인가하여 종국적으로 실리콘 융액(SM) 측으로 전류가 가해지도록 하는데, 인상 케이블(120)에 가하는 전압의 극성은 융액 내에 도핑된 도펀트의 종류 및 잉곳 성장 시간에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, (-)전하인 N-타입의 P, Sb, AS 등의 도펀트가 융액 내에 도핑되어 있을 경우에는, 잉곳 성장 초반에 상기 인상 케이블(120)로 (+)전압을 가하게 되고, 이로 인해 융액 내의 N-타입의 도펀트들이 잉곳 측으로 포집되는 현상이 일어난다(도 5(a) 참조). 이를 통해, 성장 초반의 잉곳은 기존에 비해 저항을 줄일 수 있다.
특히, 공급되는 전압의 크기는, -100V ~ +100V 범위가 될 수 있으며, 주입되어 있는 도펀트의 종류 또는 양에 따라 가하는 전압의 크기 역시 달라질 수 있다. 전압의 공급은 서서히 증가하는 방향으로 공급하다가 반전되어 서서히 감소하는 방향으로 공급될 수 있다. 즉, 잉곳 성장 초기에는 +100V를 가하다가 잉곳 성장 후반에는 -100V 의 전압이 인상 케이블로 가해질 수 있다. 바람직하게는, -50V ~ +50V의 전압을 가하며, 더욱 바람직하게는, -30V ~ +30V 의 전압을 가할 수 있다.
한편, 잉곳 성장 후반에는 줄어든 융액의 양에 의해 도펀트들 사이의 거리가 줄어들어 있으므로, 잉곳 측으로 과포집되어 있는 현상을 억제하기 위하여, 인상 케이블(120)로 (-)전압을 가하면, 결국 융액과 잉곳 사이의 계면으로부터 도펀트들이 분산되도록 한다(도 5(b) 참조). 이를 통해, 성장 후반의 잉곳은 기존에 비해 저항을 증가시킬 수 있다.
또한, 실리콘 융액 내에 도핑된 도펀트가 양전하인 S-타입의 전하들일 경우에는, 위의 경우와는 반대로 성장 초반에는 인상 케이블(120)로 (-)전압을 가해 잉곳 측으로 도펀트들이 포집되도록 하고, 성장 후반에는 인상 케이블로 (+)전압을 가해 잉곳 측으로부터 도펀트들이 분산되도록 한다.
본 발명의 실시예는 잉곳 성장 초반, 중반 및 후반과 같이 다수의 구간으로 구분하여, 각 구간에서 인상 케이블로 인가하는 전압을 서로 달리 구성하는 것도 가능하다. 예를 들면, 성장 잉곳의 목표 길이의 1/3 이내의 구간에서는 전압을 인가하고, 목표 길이의 1/3 내지 2/3 구간에서는 전압 인가를 중지하고, 2/3구간에서 잉곳 성장 완료시까지는 역전압을 가하는 것이 가능하다.
예를 들면, 성장시키고자 하는 잉곳의 최종 길이를 기준으로, 0 ~ 1/3 지점까지는 +30V의 전압을 인가하고, 1/3 ~ 2/3 지점까지는 전압을 인가하지 않으며, 2/3 ~ 성장 완료시까지는 -30V의 전압을 인가할 수 있다.
도 4에는 실시예의 잉곳 성장 장치의 블록 구성도가 도시되어 있으며, 작업자 등은 입력부(60)를 통해 잉곳 성장 시 인상 케이블(120)로 인가하기 위한 전압의 극성 및 세기의 설정 및, 설정된 전압이 가해지는 시간(예를 들면, 잉곳 성장 길이별 전압 인가부의 동작 여부를 세팅) 등을 설정할 수 있다.
그리고, 실시예의 제어부(50)는, 설정된 값으로 잉곳이 성장될 때까지 설정된 극성과 크기의 전압을 인상 케이블(120)로 가하도록 상기 전압 인가부(100)를 제어한다. 만약, 작업자가 설정한 잉곳의 길이보다 더 크게 잉곳이 성장된 경우에는, 상기 전압 인가부(100)의 동작을 오프시키고, 반대의 극성을 갖는 전압을 인가하기 위한 성장 길이를 모니터링한다.
그리고, 성장 후반으로 작업자가 설정한 잉곳 길이가 되면, 융액 내의 도펀트를 분산시키기 위하여 초반에 가한 전압과는 반대 극성의 전압을 상기 인상 케이블(120)에 인가하도록 상기 전압 인가부(100)를 제어한다.
이러한 과정을 통하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 잉곳의 목표 저항값에 가깝게 잉곳을 성장시킬 수 있다. 참고로, 도 6에는 본 실시예에 따라 잉곳 성장 초반과 후반에 각각 전압을 인가하여, 융액 계면에서 도펀트의 포집과 분산이 이루어지도록 한 경우의 실험 데이터이다.
전술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 의해서, 잉곳 성장에 따른 실리콘 융액의 감소로 인하여, 잉곳에 포함되는 도펀트의 양이 불규칙적인 현상을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 챔버 내의 도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키는 장치로서,
    단결정 종자;
    상기 단결정 종자가 결합된 씨드척;
    상기 씨드척을 승강시키기 위하여 상기 챔버 외부에 마련된 인상부;
    상기 씨드척과 연결되고, 상기 인상부에 의하여 길이가 조절되는 인상 케이블; 및
    상기 인상 케이블로 기설정된 전압을 인가하는 전압 인가부;를 포함하고,
    상기 전압 인가부는, 기설정된 성장 초반의 구간과, 후반의 구간에 각각 상기 인상 케이블로 인가하는 전압의 극성을 반대로 인가하는 잉곳 성장 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 인가부는, 상기 실리콘 융액에 도핑된 도펀트가 N-타입의 전하일 경우에, 기설정된 성장 초반의 구간에는 상기 인상 케이블로 양전압을 인가하는 잉곳 성장 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 인가부는, 상기 실리콘 융액에 도핑된 도펀트가 N-타입의 전하일 경우에, 기설정된 성장 후반의 구간에는 상기 인상 케이블로 양전압을 인가하는 잉곳 성장 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압 인가부에 의하여 인가되는 전압의 극성과, 가해지는 전압의 크기를 사용자가 설정하기 위한 입력부를 더 포함하는 잉곳 성장 장치.
  6. 도가니에 수용된 실리콘 융액을 성장시키기 위하여, 씨드척과 상기 씨드척을 승강시키기 위한 인상 케이블을 이용하여 잉곳을 성장시키는 방법으로서,
    잉곳 성장의 정도에 따라 기설정된 잉곳 성장 초반과, 잉곳 성장 후반으로 구분 설정하고,
    상기 잉곳 성장 초반으로 설정된 구간에서는 상기 인상 케이블로 (+)전압을 인가하고,
    상기 잉곳 성장 후반으로 설정된 구간에서는, 상기 인상 케이블로 (-)전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 잉곳 성장 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기의 잉곳 성장 초반과 후반에 인상 케이블로 인가하는 전압의 크기는, +100V ~ -100V 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 잉곳 성장 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기의 잉곳 성장 초반과 후반에 인상 케이블로 인가하는 전압의 크기는, +30V ~ -30V 범위 내의 값인 것을 특징으로 하는 잉곳 성장 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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