KR101516586B1 - 열차폐재 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치 - Google Patents

열차폐재 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치 Download PDF

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Abstract

실시예는 중앙 영역의 관통 홀을 둘러싸고 배치되는 제1 부분; 상기 제1 부분 상에 배치된 스케일(scale); 및 상기 제1 부분으로부터 가장 자리로 연장되어 배치되는 제2 부분을 포함하는 열 차폐재를 제공한다.

Description

열차폐재 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치{UNIT FOR SHIELDING HEAT AND APPARATUS FOR MANUFACTURING SILICON SINGLE CRYSTAL THE SAME}
실시예는 실리콘 단결정 웨이퍼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치 및 그에 사용되는 열차폐재에 관한 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, 고순도 실리콘 용융액을 장입한 성장로를 고온에서 가열하여 원료를 용용한 후, 초크랄스키법(Czochralski Method, 이하 'CZ'법이라 함) 등으로 성장시킬 수 있으며, 본 특허에서 다루고자 하는 방법은 종자결정이 실리콘 용융액 상부에 위치하여 단결정을 성장시키는 CZ법에 적용할 수 있다.
CZ법으로 실리콘 단결정을 성장시킬 때 도가니의 내부에 알루미나 원료를 주입한 후 용융하는데, 도가니를 가열하기 위하여 도가니의 외벽과 바닥면을 감싸는 저항가열 히터를 배치하고, 발생되는 복사 열을 이용한다.
이때, 실리콘 용융액으로부터 단결정의 성장 상태와 실리콘 용융액의 레벨을 확인할 필요가 있는데, 육안으로 관찰하면 실리콘 용융액의 정확한 높이를 파악하기 어렵다.
이를 개선하기 위하여 대한민국등록특허공보 10-0779970에서는 별도의 장치를 사용하여 실리콘 용융액의 높이를 측정하는데, 실리콘 단결정 잉곳의 궤도 운동에 의한 간섭이 발생하여 실리콘 용융액의 높이를 제대로 측정하지 못할 수 있다.
일본특허출원 2006-050299에서는 거울과 같은 반사판을 사용하여 실리콘 용융액의 높이를 측정하는데, 장치 내부에서 산화물이 발생하여 거울 등에 증착되거나 센서에 고장이 발생할 수 있다.
실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치 내에서, 실리콘 용융액의 높이를 정확히 측정하고자 한다.
실시예는 중앙 영역의 관통 홀을 둘러싸고 배치되는 제1 부분; 상기 제1 부분 상에 배치된 스케일(scale); 및 상기 제1 부분으로부터 가장 자리로 연장되어 배치되는 제2 부분을 포함하는 열 차폐재를 제공한다.
스케일은 상기 제1 부분의 바닥면에 배치될 수 있다.
스케일은 상기 제1 부분의 내측벽에 배치될 수 있다.
스케일은, 상기 제1 부분의 적어도 2개의 서로 다른 높이를 갖는 영역에 배치될 수 있다.
스케일은, 상기 제1 부분의 서로 다른 수평 영역에 배치될 수 있다.
제1 부분의 서로 다른 수평 영역에 배치되는 스케일은, 서로 연결된 라인 형상일 수 있다.
제1 부분의 서로 다른 수평 영역에 배치되는 스케일은, 서로 분리된 도트(dot) 형상일 수 있다.
서로 다른 수평 영역은, 상기 관통 홀을 사이에 두고 서로 마주보며 배치될 수 있다.
스케일은 상기 제1 부분에 음각으로 형성될 수 있다.
스케일은 상기 제1 부분에 양각으로 형성될 수 있다.
제1 부분은 상기 제2 부분과 기설정된 각도로 기울어질 수 있다.
다른 실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘이 용융액이 수용되는 도가니; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘을 가열하기 위한 가열부; 및 상기 실리콘으로부터 성장하는 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부의 열을 차폐하기 위하여, 상기 도가니의 상방에 위치되는 상술한 열 차폐재를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치를 제공한다.
실시예에 따른 열 차폐재 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는, 잉곳의 성장시에 잉곳이 궤적 운동을 하거나 산화물이 열 차폐재 등의 표면에 증착되더라도, 실리콘 용융액 표면의 높이를 열 차폐재에 형성된 반사상을 통하여 파악할 수 있으며, 각각 열 차폐재의 내부 측벽의 서로 다른 영역에 스케일이 형성되어 관측자의 위치가 달라지더라고 반사상을 관측할 수 있다.
도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 열 차폐재의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 열 차폐재의 다른 실시예를 나타낸 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 열차폐재의 스케일의 일실시예들을 나타낸 도면이고,
도 5는 성장되는 실리콘 단결정 잉곳과 열차폐재의 스케일을 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 1은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치(100)는, 내부에 실리콘(Si) 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳(14)이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(10)와, 상기 실리콘 용융액이 수용되기 위한 도가니(20, 22)와, 상기 도가니(20, 22)를 가열하기 위한 가열부(40)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부(40)의 열을 차단하기 위하여 상기 도가니(20)의 상방에 위치되는 열 차폐재(200)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(14)의 성장을 위한 시드(미도시)를 고정하기 위한 시드척(18)과, 구동 수단에 의해 회전되어 도가니(22)를 회전시켜 상승시키는 회전축(30)을 포함하여 이루어진다.
챔버(10)는 실리콘 용융액(Si)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)을 형성시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다. 도가니는 실리콘 용융액(Si)을 담을 수 있도록 챔버(10)의 내부에 구비되며, 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo) 등의 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도가니는, 상기 실리콘 용융액과 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.
챔버(10) 내측에 가열부(40)의 열이 방출되지 못하도록 복사 단열재를 구비할 수 있다. 본 실시예에서는 도가니(20, 22) 상부의 열 차폐재(200)만이 도시되고 있으나, 도가니(20, 22)의 측면과 하부에 각각 단열재가 배치될 수도 있다.
가열부(40)는 도가니(20,22) 내에 적재된 다양한 형상의 실리콘 원료를 용융하여 실리콘 용융액(Si)으로 만들 수 있는데, 가열부(40) 상부에 배치되는 전류 공급 로드(미도시)로부터 전류를 공급받을 수 있다.
가열부(40)는 도가니(20, 22)의 측면과 바닥면을 둘러싸고 U자형으로 배치된 복수 개의 히터 유닛을 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 가열부(40) 도가니(20, 22)의 측면과 바닥면에서 상기 도가니(20, 22)를 둘러싸는 U자형의 히터 유닛이 복수 개로 배치된 형상일 수 있다.
도가니(20, 22)의 바닥면의 중앙에는 지지대(30)가 배치되어 도가니(20, 22)를 지지할 수 있다. 도가니(20, 22) 상부의 시드(미도시)로부터 실리콘 용융액(Si)이 일부 응고되어 실리콘 단결정 잉곳(14)이 성장된다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1의 열 차폐재의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 2a에서는 열차폐재(200a)의 사시도를 나타내고, 도 2b에서는 열차폐재(200a)의 측단면도를 나타내고, 도 2c에서는 열차폐재(200a)의 배면도를 나타내고 있다.
열 차폐재(200a)는 중앙 영역의 관통 홀(hole)을 둘러싸고 배치되는 제1 부분(220)과, 제1 부분(220)의 가장 자리로부터 연장되어 배치되는 제2 부분(230)을 포함하여 이루어진다. 제1 부분(220)과 제2 부분(230)은 도가니 방향에서 열이 방출되지 못하게 하여 핫 존(hot zone)으로 작용할 수 있다.
제2 부분(230)은 제1 부분(220)과 기설정된 각도로 기울어져서 배치될 수 있다.
스케일(h1, h2, h3)은, 제1 부분(220)의 바닥면의 3개의 서로 다른 영역에 배치되어, 스케일(h1, h2, h3)이 실리콘 용융액의 표면에서 반사되는 형상을 보고 실리콘 용융액의 높이를 판단하려면 적어도 2개 이상의 서로 다른 영역에 배치되어야 한다. 여기서, '바닥면'은 실리콘 용융액과 마주보며 배치되는 제1 부분(220)의 영역을 의미한다.
상술한 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치에서, 관찰자가 서로 다른 위치에서도 실리콘 용융액의 높이를 측정하기 위하여, 스케일(h1, h2, h3)은 상술한 제1 부분(220)의 바닥면에서 각각 2곳 이상에 배치될 수 있으며, 특히 제1 부분(220)의 바닥면의 서로 분리된 수평한 영역에 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 3개의 수평한 영역(A, B, C)에서 서로 영역의 3개의 스케일(h1, h2, h3)이 배치되고 있고, 3개의 스케일(h1, h2, h3)은 서로 분리되어 도트(dot) 형상일 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 3개의 스케일(h1, h2, h3)은 서로 연결된 라인 형상일 수도 있다.
도 2d에서 열차폐재(200a)가 실리콘 용융액(Si) 상에 배치된 형상을 도시하고 있으며, 열차폐재(200a)의 제1 부분(220)의 바닥면에 도시된 스케일(미도시)이 실리콘 용융액(Si)의 표면에서 반사되어, 스케일(image)이 실리콘 용융액(Si)의 표면의 일부 영역에서 도시되고 있다. 실리콘 용융액(Si)의 표면에서 반사되어 표시되는 스케일(image)의 위치를 보고, 실리콘 용융액(Si)의 높이를 파악할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 열 차폐재의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3a에서는 열차폐재(200b)의 사시도를 나타내고, 도 3b에서는 열차폐재(200b)의 측단면도를 나타내고 있다.
본 실시예에 따른 열차폐재(200b)는 도 2a 내지 도 2d에 도시된 실시예와 유사하나, 제1 부분(225)이 실리콘 용융액(Si)의 표면과 수직하지 않게 배치될 수 있으며, 스케일이 제1 부분(225)의 내측벽이 배치될 수 있는 점에서 상이하다.
열 차폐재(200b)는 중앙 영역의 관통 홀(hole)을 둘러싸고 배치되는 제1 부분(225)과, 제1 부분(225)의 가장 자리로부터 연장되어 배치되는 제2 부분(235)을 포함하여 이루어진다. 제1 부분(225)과 제2 부분(235)은 도가니 방향에서 열이 방출되지 못하게 하여 핫 존(hot zone)으로 작용할 수 있으며, 제2 부분(235)은 제1 부분(225)과 기설정된 각도로 기울어져서 배치될 수 있다.
스케일(h1, h2, h3)은 제1 부분(225)의 내측면의 3개의 서로 다른 영역에 배치되어, 스케일(h1, h2, h3)이 실리콘 용융액의 표면에서 반사되는 형상을 보고 실리콘 용융액의 높이를 판단하려면 적어도 2개 이상의 서로 다른 영역에 배치되어야 한다.
상술한 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치에서, 관찰자가 서로 다른 위치에서도 실리콘 용융액의 높이를 측정하기 위하여, 스케일(h1, h2, h3)은 상술한 제1 부분(250)의 내측면에서 서로 다른 높이를 가지는 2곳 이상에 배치될 수 있으며, 특히 제1 부분(225)의 내측면의 서로 분리된 수평한 영역에 배치될 수 있다.
본 실시예에서, 3개의 수평한 영역(A', B', C')에서 서로 영역의 3개의 스케일(h1, h2, h3)이 배치되고 있고, 3개의 스케일(h1, h2, h3)은 서로 연결된 라인 형상이다. 다른 실시예에 따르면, 3개의 스케일(h1, h2, h3)은 서로 분리되어 도트(dot) 형상일 수도 있다.
도 3c에서 열차폐재(200b)가 실리콘 용융액(Si) 상에 배치된 형상을 도시하고 있으며, 열차폐재(200b)의 제1 부분(225)의 내측벽에 도시된 스케일이 실리콘 용융액(Si)의 표면에서 반사되어, 스케일(image)이 실리콘 용융액(Si)의 표면의 일부 영역에서 도시되고 있다. 실리콘 용융액(Si)의 표면에서 반사되어 표시되는 스케일(image)의 위치를 보고, 실리콘 용융액(Si)의 높이를 파악할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 열차폐재의 스케일의 일실시예들을 나타낸 도면이다.
도 4a에 도시된 실시예에서 스케일(a, b, c)은 제1 부분(220)의 내측벽이 함몰되어 음각으로 형성되고 있는데, 스케일(a, b, c)의 단면은 각각 사각형(a)과 삼각형(b)과 반원형(c)일 수 있다. 도 4a에서는 하나의 제1 부분(220)의 내측벽에 서로 다른 형상의 스케일(a, b, c)이 배치되고 있으나, 동일한 제1 부분에는 동일한 형상의 스케일이 형성될 수 있다.
도 4b에 도시된 실시예에서 스케일(a', b', c')은 제1 부분(220)에 양각으로 형성되고 있다. 구체적으로, 제1 부분(220)의 내측벽의 서로 다른 높이에 그루브(groove)가 형성되고 있으며, 3개의 스케일(a', b', c')이 각각의 그루브(groove) 내에 삽입되어 배치되고 있다.
도 4a에서 음각 형상으로 형성된 스케일의 깊이(d)와 도 4b에서 양각 형상으로 형성된 스케일의 두께(t)는, 관측자가 실리콘 용융액의 반사 형상을 보고 높이를 측정할 수 있으면 충분하다. 이러한 깊이(d)와 두께(t)는 각각 1 센티미터 내지 3 센티미터일 수 있는데, 깊이(d)와 두께(t)가 너무 작으면 관측자가 식별하기에 어려울 수 있으며, 너무 크면 실리콘 용융액의 높이를 정확히 구별하기 어려울 수 있다.
도 5는 성장되는 실리콘 단결정 잉곳과 열차폐재의 스케일을 나타낸 도면이다.
도 5에서 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)이 성장됨에 따라 실리콘 용융액(Si-Melt)의 표면이 낮아질 수 있는데, 실리콘 용융액(Si-Melt)의 표면에 제1 부분(220)에 형성된 스케일이 반사되어 스케일(이미지)이 관측자에게 관측될 수 있다. 이때, 관측자에게 관찰되는 스케일(이미지)은 제1 부분(220)의 서로 마주보는 2개의 영역(D, E)에 각각 형성될 수 있다.
따라서, 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에 잉곳이 궤적 운동을 하거나 산화물이 열 차폐재 등의 표면에 증착되더라도, 실리콘 용융액 표면의 높이를 열 차폐재에 형성된 반사상을 통하여 파악할 수 있다. 그리고, 각각 열 차폐재의 내부 측벽의 서로 다른 영역에 스케일이 형성되어, 관측자의 위치가 달라지더라고 반사상을 관측할 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: 단결정 잉곳
18: 시드척 20, 22: 도가니
30: 회전축 40: 가열부
100: 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치
200, 200a, 200b: 열 차폐재 210: 제1 반사부
220: 제1 부분 230: 제2 부분

Claims (12)

  1. 중앙 영역의 관통 홀을 둘러싸고 배치되는 제1 부분;
    상기 제1 부분 상에 배치된 스케일(scale); 및
    상기 제1 부분으로부터 가장 자리로 연장되어 배치되는 제2 부분을 포함하는 열 차폐재.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스케일은 상기 제1 부분의 바닥면에 배치되는 열 차폐재.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 스케일은 상기 제1 부분의 내측벽에 배치되는 열 차폐재.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 스케일은, 상기 제1 부분의 적어도 2개의 서로 다른 높이를 갖는 영역에 배치된 열 차폐재.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 스케일은, 상기 제1 부분의 서로 다른 수평 영역에 배치되는 열 차폐재.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 부분의 서로 다른 수평 영역에 배치되는 스케일은, 서로 연결된 라인 형상인 열 차폐재.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 부분의 서로 다른 수평 영역에 배치되는 스케일은, 서로 분리된 도트(dot) 형상인 열 차폐재.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 서로 다른 수평 영역은, 상기 관통 홀을 사이에 두고 서로 마주보며 배치되는 열 차폐재.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 스케일은 상기 제1 부분에 음각으로 형성된 열 차폐재.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 스케일은 상기 제1 부분에 양각으로 형성된 열 차폐재.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 부분은 상기 제2 부분과 기설정된 각도로 기울어진 열 차폐재.
  12. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘이 용융액이 수용되는 도가니;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘을 가열하기 위한 가열부; 및
    상기 실리콘으로부터 성장하는 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부의 열을 차폐하기 위하여, 상기 도가니의 상방에 위치되는 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항의 열 차폐재를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치.
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