KR101506876B1 - 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 - Google Patents

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 Download PDF

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Abstract

실시예는 실리콘 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니의 외부의 측면과 바닥면에 배치되어, 상기 도가니를 가열하는 가열부; 상기 도가니를 지지하는 지지대; 및 상기 지지대와 연결되고, 도가니를 둘러싸고 배치되는 챔버를 포함하고, 상기 가열부는 상기 도가니의 측면과 마주보는 제1 부분과 상기 도가니의 바닥면과 마주보는 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분과 제2 부분이 일체로 구비된 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.

Description

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치{APPARATUS FOR GROWING A SILICON SINGLE CRYSTAL}
실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도가니의 측면과 하부에서의 열적 구배를 개선하여 실리콘 잉곳의 성장시에 크랙의 발생 등을 개선하고자 하는 것이다.
통상적인 실리콘 웨이퍼는, 단결정(Ingot)을 만들기 위한 단결정 성장 공정과, 단결정을 절삭(Slicing)하여 얇은 원판 모양의 웨이퍼를 얻는 절삭공정과, 상기 절삭으로 인하여 웨이퍼에 잔존하는 기계적 가공에 의한 손상(Damage)을 제거하는 연삭(Lapping) 공정과, 웨이퍼를 경면화하는 연마(Polishing) 공정과, 연마된 웨이퍼를 경면화하고 웨이퍼에 부착된 연마제나 이물질을 제거하는 세정 공정을 포함하여 이루어진다.
상술한 공정 중 실리콘 단결정을 성장시키는 공정은, 실리콘 원료를 장입한 성장로를 고온에서 가열하여 원료를 용용한 후, 초크랄스키법(Czochralski Method, 이하 'CZ'법이라 함) 등 다양한 방법으로 성장시킬 수 있으며, 본 특허에서 다루고자 하는 방법은 종자결정이 실리콘 용융액 상부에 위치하여 단결정을 성장시키는 CZ법에 적용할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면들이다.
CZ법으로 실리콘 단결정을 성장시킬 때 도가니의 내부에 실리콘(Si) 원료를 주입한 후 용융하는데, 도가니를 가열하기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 도가니의 측면을 감싸는 히터(HEATER)를 배치하고, 히터에서 발생되는 복사 열을 이용한다.
구체적으로, 챔버 내부에 단열 구조물(Hot Zone)을 장착하고, 도가니에 원료를 충진한 후, 녹는점 이상으로 가열한다. 그리고, 적정한 접촉과 함침(seeding) 온도에서 상부에 구비된 종자결정을 실리콘 용융액에 함침시켜 목부(neck)을 형성하고, 전력(power)를 감소시켜 성장에 필요한 온도 기울기를 유지하면서 실리콘 단결정을 성장시킨다.
그러나, 상술한 종래의 실리콘 단결정의 성장은 다음과 같은 문제점이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이 히터가 도가니의 측면에만 배치된 경우, 도가니로의 안정적인 열 공급에 한계가 있다. 따라서, 도가니 내의 실리콘 용융액이 고화되어 잉곳(Ingot)이 성장하는데, 불안정한 열 공급에 의하여 잉곳의 가장 자리 등에서 크랙이나 버블(bubble)이 생겨서 잉곳의 품질이 저하될 수 있다.
그리고, 도가니의 최대 발열 부위가 측면에 국한되어서, 실리콘 용융액 내에서 하부와 측면의 용융 속도가 서로 다를 수 있으므로, 실리콘 결정 중 일부가 용융되지 않을 수 있다.
도 2에 도시된 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에서는, 도가니의 측면에 제1 히터가 배치되고 도가니의 하부에 제2 히터가 배치되어 도가니의 측면과 바닥면을 동시에 가열할 수 있다.
그러나, 도 2에 도시된 구조에서 제1 히터와 제2 히터를 별개로 사용하여 많은 전력이 필요하고, 제1 히터와 제2 히터의 저항이 달라서 도가니의 측면과 바닥면으로부터 공급되는 열이 불균일할 수 있다.
실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에서 도가니 내의 실리콘 용융액에 고르게 열이 공급되어, 성장되는 실리콘 단결정 잉곳에 발생할 수 있는 크랙이나 버블 등의 하자를 방지하고자 한다.
실시예는 실리콘 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니의 외부의 측면과 바닥면에 배치되어, 상기 도가니를 가열하는 가열부; 상기 도가니를 지지하는 지지대; 및 상기 지지대와 연결되고, 도가니를 둘러싸고 배치되는 챔버를 포함하고, 상기 가열부는 상기 도가니의 측면과 마주보는 제1 부분과 상기 도가니의 바닥면과 마주보는 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분과 제2 부분이 일체로 구비된 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.
제1 부분은 복수 개의 제1 히트 파이프를 포함하고, 상기 복수 개의 제1 히트 파이프들은 상기 제1 부분의 상부에서 적어도 일부가 연결될 수 있다.
제2 부분은 복수 개의 제2 히트 파이프를 포함하고, 상기 복수 개의 제2 히트 파이프들은 상기 제2 부분의 하부에서 적어도 일부가 연결될 수 있다.
복수 개의 제1 히트 파이프들이 서로 연결된 영역과, 상기 복수 개의 제2 히트 파이프들이 서로 연결된 영역은 서로 중첩되지 않을 수 있다.
복수 개의 제1 히트 파이프들이 서로 연결된 영역의 높이와, 상기 복수 개의 제2 히트 파이프들이 서로 연결된 높이는 서로 동일할 수 있다.
제1 부분과 제2 부분은 120도 내지 140의 각도로 기울어질 수 있다.
지지대와 상기 제2 부분은, 상기 도가니와 마주보는 방향에서 서로 중첩되지 않을 수 있다.
제1 히트 파이프의 횡단면의 길이는 일정할 수 있다.
인접한 상기 제1 히트 파이프 사이의 간격은 일정할 수 있다.
제2 히트 파이프의 횡단면의 길이는, 상기 제1 부분과 인접한 영역에서 가장 클 수 있다.
인접한 상기 제2 히트 파이프 사이의 간격은 일정할 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는, 도가니의 측면과 바닥면을 동시에 가열할 수 있으며, 제1 부분과 제2 부분이 동일한 재료로 이루어져서 저항이 동일하므로 도가니의 측면과 바닥면으로부터 공급되는 열이 불균일 할 수 있으며, 제1 부분과 제2 부분이 일체로 이루어져서 별개로 구비된 것보다 적은 전력으로 가열부를 구동할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면들이고,
도 3은 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3의 가열부의 사시도이고,
도 5a는 도 4의 가열부의 일부 영역의 배치를 나타낸 도면이고,
도 5b는 도 4의 가열부의 상면도이고,
도 6a는 도 4의 가열부의 제1 부분을 상세히 나타낸 도면이고,
도 6b는 도 4의 가열부의 제2 부분을 상세히 나타낸 도면이고,
도 7은 도 3의 지지대와 가열부의 위치를 나타낸 도면이고,
도 8a 내지 도 8c는 가열부의 제1 부분과 제2 부분의 배치를 나타낸 도면이고,
도 9a 내지 도 9g는 제1 부분과 제2 부분의 각도를 달리할 때의 응력 분포를 나타낸 도면이며,
도 10a 내지 도 10c는 각각, 제2 부분이 생략된 경우와, 제1 부분과 제2 부분 사이의 각도를 각각 직각과 120도로 하였을 때, 가열부에서의 전력 소모량을 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 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치(100)는, 내부에 실리콘 용융액(Si)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(14)이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(10)와, 상기 실리콘 용융액(Si)이 수용되기 위한 도가니(20, 22)와, 상기 도가니(20, 22)를 가열하기 위한 가열부(200)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(14)을 향한 상기 가열부(200)의 열을 차단하기 위하여 상기 도가니(20, 22)의 상방에 위치되는 상방 단열부(60)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(14)의 성장을 위한 시드(미도시)를 고정하기 위한 시드척(18)과 상기 실리콘 단결정 잉곳(14)을 상방으로 이동시키는 이동 수단을 포함한다.
그리고, 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치(100)는, 상기 도가니(20, 22)를 지지하고 회전 및 상승시키기 위한 지지대(30)가 배치될 수 있다.
챔버(10)의 중앙 영역에 상기 도가니(20, 22)가 위치된다. 도가니(20, 22)는, 실리콘 용융액(Si)이 수용될 수 있도록 전체적으로 오목한 그릇의 형상이다. 그리고, 도가니는, 상기 실리콘 용융액(Si)과 직접 접촉되는 석영 도가니(20)와, 상기 석영 도가니(20)의 외면을 둘러싸면서 상기 석영 도가니(20)를 지지하는 흑연 도가니(22)로 이루어질 수 있다.
도시되지는 않았으나, 상기 가열부(200)와 상기 챔버(10)의 내벽 사이에 측방 단열부가 구비될 수 있다.
상방 단열부(60)는, 상기 챔버(10)의 내벽으로부터 상기 실리콘 용융액과 상기 실리콘 용융액으로부터 성장된 단결정 잉곳의 경계면을 향하여 연장된다. 다만, 상방 단열부(60)의 단부와 상기 경계면 사이를 통하여 아르곤 가스가 유동할 수 있도록, 상기 상방 단열부(60)의 단부가 상기 경계면과 이격되는 범위 내에서 연장될 수 있다.
실리콘 단결정 잉곳(14)은 넥(neck)으로부터 성장을 시작하여 숄더(shoulder)를 거쳐 바디(body)의 성장이 이루어진다.
상기 지지대(30)는 도가니(20, 22)를 지지하고, 도가니(20, 22)를 회전 및 승강시키기 위한 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함할 수 있다. 지지대(30)는 도가니(20, 22)의 하방에서 상기 도가니(20, 22)의 저면을 지지하고, 구동모터는 상기 지지부를 회전 및 승강시킴으로써 상기 도가니가 회전 및 승강되도록 한다.
가열부(200)는 도가니(20, 22)의 외부의 측면과 바닥면을 둘러싸고 배치될 수 있다. 후술하는 바와 같이 가열부(200)는 제1 부분(portion)과 제2 부분을 포함하여 이루어질 수 있고, 제1 부분은 도가니(20, 22)의 외부의 측면에 배치될 수 있으며, 제2 부분은 도가니(20, 22)의 외부의 바닥면의 일부에 배치될 수 있다.
그리고, 제1 부분과 제2 부분은 일체로 구비될 수 있으며, 전류 공급 로드(미도시)로부터 전류가 가열부(200)로 공급될 수 있는데, 가열부(200)는 열전도성이 우수하고 고온에서 내구성인 강한 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 텅스텐, 흑연으로 이루어질 수 있다.
가열부의 상술한 구조로 인하여, 도가니의 측면과 바닥면을 동시에 가열할 수 있으며, 제1 부분과 제2 부분이 동일한 재료로 이루어져서 저항이 동일하므로 도가니의 측면과 바닥면으로부터 공급되는 열이 불균일 할 수 있으며, 제1 부분과 제2 부분이 일체로 이루어져서 별개로 구비된 것보다 적은 전력으로 가열부(200)를 구동할 수 있다.
도 4는 도 3의 가열부의 사시도이고, 도 5a는 도 4의 가열부의 일부 영역의 배치를 나타낸 도면이고, 도 5b는 도 4의 가열부의 상면도이다.
가열부(200)는 도가니의 측면과 마주보는 제1 부분(200a)과 도가니의 바닥면과 마주보는 제2 부분(200b)을 포함할 수 있다.
제1 부분(200a)은 복수 개의 제1 히트 파이프를 포함하고, 복수 개의 제1 히트 파이프들은 제1 부분(200a)의 상부에서 적어도 일부가 연결될 수 있다. 제2 부분(200b)은 복수 개의 제2 히트 파이프를 포함하고, 복수 개의 제2 히트 파이프들은 제2 부분(200b)의 하부에서 적어도 일부가 연결될 수 있다.
즉, 제1 부분(200a)은 도가니를 둘러싸고 배치되는 속이 빈 원통 형상일 수 있고, 제2 부분(200b)은 도가니의 바닥면의 일부를 마주보고 배치되되 제1 부분(200a)과 기설정된 각도로 기울어질 수 있다.
제1 히트 파이프와 제2 히트 파이프는 도시된 구조로 배치되어, 전체가 하나로 연결될 수 있어서 하나의 전류 공급 로드로부터 전체가 가열될 수 있다. 이러한 배치로 인하여, 도 5b에 도시된 바와 같이 제1 부분(200a)에서 복수 개의 제1 히트 파이프들이 서로 연결된 영역과, 제2 부분(200b)에서 복수 개의 제2 히트 파이프들이 서로 연결된 영역은 서로 중첩되지 않고 교차하여 배치될 수 있다.
도 6a는 도 4의 가열부의 제1 부분을 상세히 나타낸 도면이고, 도 6b는 도 4의 가열부의 제2 부분을 상세히 나타낸 도면이다.
도 6a에서 제1 부분(200a) 내의 복수 개의 제1 히트 파이프들이 서로 연결된 영역의 높이(h2)와, 도 6b에서 제2 부분(200b) 내의 복수 개의 제2 히트 파이프들이 서로 연결된 높이(h4)는 서로 동일하여, 제1 히트 파이프들과 제2 히트 파이프들이 각각 동일한 구조로 연결될 수 있다.
그리고, 제1 부분(200a)의 높이(h1)은 제2 부분(200b)의 높이(h3)보다 클 수 있는데, 도가니의 구조에 따라 달라질 수 있다.
제1 부분(200a) 내의 제1 히트 파이프의 횡단면의 길이, 즉 도 6a에서 가로 방향의 폭(W1)은 모든 제1 히트 파이프들에서 일정할 수 있다. 그리고, 도 6a에서 인접한 제1 히트 파이프 사이의 간격(d1, g1)은 일정할 수 있다. 이러한 제1 히트 파이트의 폭과 간격은, 제1 부분(200a)이 원통형의 도가니의 외곽의 측면에서 배치됨에 기인할 수 있다.
도 6b에서 제2 부분(200b) 내의 제2 히트 파이프의 횡단면의 길이는, 즉 가로 방향의 폭은 제1 부분과 인접한 영역에서의 폭(W2)이 반대 방향의 폭(W3)보다 클 수 있다. 즉, 도 5b에 도시된 바와 같이, 제2 히트 파이프들은 제1 부분(200a)으로부터 멀어질수록 중앙의 영역으로 수렴하므로, 제2 히트 파이프의 가로 방향의 폭은 제1 부분과 인접한 영역에서의 폭(W2)이 가장 클 수 있다.
그리고, 도 6b에서 인접한 제2 히트 파이프 사이의 간격(d2, g2)은 일정할 수 있는데, 제2 부분(200b)의 도 5b에 도시된 바와 같은 구조에 기인한다.
도 7은 도 3의 지지대와 가열부의 위치를 나타낸 도면이다.
가열부(200) 중 제2 부분(200b)은 도가니와 마주보는 방향에서 지지대(30)와 서로 중첩되지 않게 배치될 수 있는데, 지지대(30)의 가장 가장 자리의 지점(b)은 제2 부분(200b)의 가장 내측의 영역(a)보다 안쪽에 배치될 수 있는데, 이러한 구조는 가열부(200)의 제2 부분(200b)의 히트 파이프들에서 방출되는 열이 지지대(30)를 가열하지 않을 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 가열부의 제1 부분과 제2 부분의 배치를 나타낸 도면이다.
도 8a에서는 제1 부분(200a)과 제2 부분(200b)이 이루는 각도(θ1)가 직각이고, 도 8b에서는 제1 부분(200a)과 제2 부분(200b)이 이루는 각도(θ2)가 둔각이고, 도 8c에서는 제1 부분(200a)과 제2 부분(200b)이 이루는 각도(θ3)가 예각이다.
도 9a 내지 도 9g는 제1 부분과 제2 부분의 각도를 달리할 때의 응력 분포를 도시하고 있다. 도 9에서는 제1 부분과 제2 부분이 150도를 이루고, 도 9b에서 제1 부분과 제2 부분이 130도를 이루고, 도 9c에서 제1 부분과 제2 부분이 110도를 이루고, 도 9d에서 제1 부분과 제2 부분이 90도를 이루고, 도 9e에서 제1 부분과 제2 부분이 70도를 이루고, 도 9f에서 제1 부분과 제2 부분이 50도를 이루며, 도 9g에서는 제1 부분과 제2 부분이 30도의 각도를 이룬다.
도시된 바와 같이 제1 부분과 제2 부분이 120도 내지 140도의 각도, 예를 들면 도 9b와 같이 130도를 이룰 때 열응력 발생이 가장 적으며 구체적으로 인장 응력은 0.27MPa이고 압축응력은 발생하지 않았다.
도 9a에서 인장 응력은 0.38MPa이고 압축 응력은 0. 26MPa이고, 도 9c에서 인장 응력은 0.40MPa이고 압축 응력은 0. 14MPa이고, 도 9d에서 인장 응력은 0.34MPa이고 압축 응력은 0. 15MPa이고, 도 9e에서 인장 응력은 0.45MPa이고 압축 응력은 0. 41MPa이고, 도 9f에서 인장 응력은 0.60MPa이고 압축 응력은 0. 67MPa이고, 도 9g에서 인장 응력은 1.01MPa이고 압축 응력은 1.31MPa일 수 있다.
도 10a 내지 도 10c는 각각, 제2 부분이 생략된 경우와, 제1 부분과 제2 부분 사이의 각도를 각각 직각과 120도로 하였을 때, 가열부에서의 전력 소모량을 나타낸 도면이다.
제1 부분만 배치되는 경우와, 제2 부분이 제1 부분과 직각으로 또는 120도의 각도를 이루며 배치되는 경우에 각각 전력 소모량은 거의 비슷함을 알 수 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 14: 잉곳
18: 시드척 20, 22: 도가니
30: 지지대 60: 상방 단열부
100: 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치
200: 가열부
200a: 제1 부분 200b: 제2 부분

Claims (11)

  1. 실리콘 용융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니의 외부의 측면과 바닥면에 배치되어, 상기 도가니를 가열하는 가열부;
    상기 도가니를 지지하는 지지대; 및
    상기 지지대와 연결되고, 도가니를 둘러싸고 배치되는 챔버를 포함하고,
    상기 가열부는 상기 도가니의 측면과 마주보는 제1 부분과 상기 도가니의 바닥면과 마주보는 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분과 제2 부분이 일체로 구비되며,
    상기 제1 부분은 복수 개의 제1 히트 파이프를 포함하고, 상기 복수 개의 제1 히트 파이프들은 상기 제1 부분의 상부에서 적어도 일부가 연결된 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 부분은 복수 개의 제2 히트 파이프를 포함하고, 상기 복수 개의 제2 히트 파이프들은 상기 제2 부분의 하부에서 적어도 일부가 연결된 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 히트 파이프들이 서로 연결된 영역과, 상기 복수 개의 제2 히트 파이프들이 서로 연결된 영역은 서로 중첩되지 않는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 히트 파이프들이 서로 연결된 영역의 높이와, 상기 복수 개의 제2 히트 파이프들이 서로 연결된 높이는 서로 동일한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 부분과 제2 부분은 120도 내지 140의 각도로 기울어진 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  7. 제1 항에서 있어서,
    상기 지지대와 상기 제2 부분은, 상기 도가니와 마주보는 방향에서 서로 중첩되지 않는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 히트 파이프의 횡단면의 길이는 일정한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    인접한 상기 제1 히트 파이프 사이의 간격은 일정한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 히트 파이프의 횡단면의 길이는, 상기 제1 부분과 인접한 영역에서 가장 큰 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    인접한 상기 제2 히트 파이프 사이의 간격은 일정한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
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