KR101540232B1

KR101540232B1 - 잉곳성장장치

Info

Publication number: KR101540232B1
Application number: KR1020130109152A
Authority: KR
Inventors: 이원주; 전수인
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2015-07-29
Also published as: JP6101368B2; JP2016513614A; CN105189834A; CN105189834B; US10145024B2; US20160017514A1; DE112014000786B4; KR20150029994A; DE112014000786T5; WO2015037831A1

Abstract

본 발명은 종자결정을 이용하여 도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키는 장치로서, 상기 도가니가 수용되는 하부와, 성장되는 잉곳이 통과하는 상부로 구성된 챔버; 및 상기 챔버의 상부 내측에 마련되어 상기 챔버의 하부까지 연장되고, 상기 성장되는 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각속도 제어부; 를 포함하고, 상기 냉각속도 제어부는, 상기 잉곳의 외측부를 보온하기 위한 단열부와, 상기 단열부 상측에 배치되어 상기 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각부와, 상기 단열부와 냉각부 사이에 배치되어 상기 냉각부와 단열부 사이의 열 교환을 방해하기 위한 차단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따르면, 잉곳의 성장시 잉곳의 냉각속도를 제어할 수 있고, 잉곳의 외측부와 중심부의 냉각속도차이를 감소시킴으로써, 생산되는 웨피어의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

잉곳성장장치{Ingot growing apparatus}

본 발명은 단결정 실리콘 잉곳을 생산하는 잉곳성장장치에 관한 것으로, 좀더 상세히 잉곳성장장치에 냉각 수단을 구비하여 고품질의 잉곳을 생산하는 장치에 관한 것이다.

반도체 소자의 재료로 사용되는 실리콘 단결정 웨이퍼는 일반적으로 쵸크랄스키법(CZ)에 의하여 제조된 단결정 잉곳을 슬라이싱 공정에 의하여 제조된다.

쵸크랄스키법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법은, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 용융시킨 후, 종자결정을 융액 표면에 침지시키고, 종자결정을 인상시켜서 가늘고 긴 결정을 성장시키는 넥킹 공정과, 결정을 직경 방향으로 성장시켜 목표 직경으로 만드는 솔더링(shouldering) 공정을 거치게 된다. 이후에는 일정한 직경을 갖는 실리콘 단결정 잉곳을 원하는 길이로 성장시키는 바디 그로잉(body growing) 공정을 거치고, 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 점점 줄여나가 실리콘 융액과 잉곳을 분리하는 테일링(tailing) 공정을 거침으로써 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 완료된다.

상기 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 성장 시에는 베이컨시(vacancy)와 격자간 실리콘(interstitial silicon)이 결정이 형성되는 고액계면을 통하여 단결정 내로 유입된다.

그리고, 단결정에 유입된 베이컨시와 격자간 실리콘의 농도가 과포화 상태에 이르면 베이컨시와 격자간 실리콘이 확산 및 응집하여 베이컨시 결함(이하, V 결함이라 함)과 인터스티셜 결함(I 결함이라 함)을 형성한다. 그리고, V 결함과 I 결함은 웨이퍼의 특성에 악영향을 미치므로 단결정 성장 시 V 결함과 I 결함의 형성을 억제하여야 한다.

상기 V 결함과 I 결함의 발생을 억제하기 위하여, 단결정의 인상속도 V와 고액 계면에서의 온도 구배 G의 비인 V/G를 특정 범위 안에서 제어하는 방법이 주로 사용되고, V/G에 포함된 파라미터 중 G는 단결정 성장 장치의 핫 존(Hot-zone) 설계를 통해 제어한다.

특히, G는 핫 존 구조물인 상측 열차폐체이 구조를 변경하여, 실리콘 융액(Melt)과 상측 열차폐체 사이의 갭(Melt-gap)을 조절하는 것으로 주로 제어하게 된다. 여기서, 상측 열차폐체는 실리콘 단결정이 인상될 때 단결정의 표면과 중심부의 온도 편차를 줄이기 위해 단결정의 표면에서 발생되는 복사열의 외부 방출을 방지하는 차열 부재를 말한다. 즉, 상기 멜트 갭은 단결정 중심부와 단결정 표면의 온도 구배 차이가 최소가 되도록 결정한다.

그런데, 최근 실리콘 단결정이 대구경화되면서 V/G를 무결함 마진 내에서 제어하는 것이 점점 어려워지고 있다. 특히, 상측 열차폐체 만으로 G 값을 제어하기에는, 실리콘 단결정의 구경이 커지면 단결정 인상 과정에서 실리콘 융액의 소모량이 증가하여 멜트 갭의 변동 폭이 그 만큼 커지기 때문에 한계가 존재하였다.

그러므로, 상측 열차폐체의 구조 변경만으로 G 값을 제어하여 V/G를 무결함 마진내에서 유지하는 것이 힘들어지는 문제점이 발생하였다.

그리고, 잉곳이 상측 열차폐체를 지난 후에는 수냉관 안에서 성장되게 되고, 상기 수냉관은 잉곳을 급격하게 냉각시키기 때문에 상측 열차폐체를 지난 후에 온도대역에서는 잉곳의 냉각 속도를 제어할 수 없어서, 수냉관에 의하여 외측부가 급격하게 냉각되면서 중심부와의 온도 차이가 커져서 G 값의 제어가 힘들어지는 문제점이 발생한다.

또한, V와 I 결함이 발생한 이후의 냉각 온도대역에서는 잉곳의 냉각시 산소 결정핵과 같은 결함이 발생하기 때문에, 상기 온도대역에서도 잉곳의 냉각속도를 제어할 필요성있다. 특히, 최근에는 웨이퍼가 300mm 이상으로 대구경화 됨에 따라서, 잉곳의 중심부(C)와 외측부(E)에 냉각속도의 편차가 더욱 크게 발생해 버리고, 이후 상기 잉곳에서 생산된 웨이퍼를 가공하게 되면 면내에서 불균일한 결정특성, 즉, 웨이퍼의 중심부와 외측부의 BMD 및 산소 농도 차이가 커지는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 성장되는 잉곳의 외측부와 내측부의 냉각속도차이를 줄일 수 있는 냉각속도 제어수단을 구성함으로써, 고품질의 잉곳을 생산하기 위한 잉곳성장장치를 제안하고자 한다.

본 실시예의 잉곳성장장치는 종자결정을 이용하여 도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키는 장치로서, 상기 도가니가 수용되는 하부와, 성장되는 잉곳이 통과하는 상부로 구성된 챔버; 및 상기 챔버의 상부 내측에 마련되어 상기 챔버의 하부까지 연장되고, 상기 성장되는 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각속도 제어부; 를 포함하고, 상기 냉각속도 제어부는, 상기 잉곳의 외측부를 보온하기 위한 단열부와, 상기 단열부 상측에 배치되어 상기 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각부와, 상기 단열부와 냉각부 사이에 배치되어 상기 냉각부와 단열부 사이의 열 교환을 방해하기 위한 차단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 실시예에 따르면, 잉곳의 성장시 잉곳이 냉각되는 일정 온도대역에서 잉곳의 냉각속도를 제어할 수 있다.

또한, 잉곳의 외측부(E)와 중심부(C)가 냉각되는 속도의 차이를 감소시킴으로써, 생산되는 웨이퍼의 품질을 향상시킬 수 있다.

특히, 본 실시예에 의하면, 잉곳의 외측부와 중심부의 산소 결정핵의 양을 균일하게 할 수 있고, G(온도 구배)를 정밀하게 제어하여 V결함과 I 결함을 억제할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳성장장치의 개략적인 단면을 나타낸다.
도 2는 잉곳성장장치에서 잉곳 성장시 냉각 온도대역에 따라서 형성되는 결함을 설명하기 위한 예시를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각속도 제어부의 사시도를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각속도 제어부의 단면도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각속도 제어부 적용 전후의 BMD 값의 변화를 나타내는 그래프다.

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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳성장장치의 개략적인 단면을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 잉곳성장장치는 실리콘 융액이 수용되는 도가니(12)와, 상기 도가니(12)를 가열하는 히터와, 도가니(12)에 상측에서 실리콘 융액의 열을 차폐하는 상측 열차폐체(13)와, 상기 상측 열차폐체(13)를 통과한 이후 잉곳의 냉각을 제어하는 냉각속도 제어부(100)를 포함한다.

상기 냉각속도 제어부(100)는 상측 열차폐체(13)에서 잉곳의 H/Z(hot zone) 영역에서 열을 제어한 이후에도 잉곳의 냉각 온도를 제어하기 위한 것으로서, 후에 자세히 설명하겠지만, 상기 냉각속도 제어부(100)는 저온대역(상측 열차폐체(13) 위에 위치하는 잉곳이 냉각되는 온도대역 의미)에서도 잉곳이 냉각속도를 제어하며, 특히, 대형화되는 잉곳의 외측부와 내측부 사이의 냉각속도차이를 줄이기 위함이다.

예를 들어, 온도가 1500℃ 정도인 실리콘 융액에서 성장된 잉곳은 상측 열차폐체(13)를 통과하여 성장하면서 온도가 1000℃정도로 하강하게 된다. 그리고, 1000도 이하의 온도로 성장되는 잉곳은 본 실시예의 냉각속도 제어부(100) 내측을 통과하게 되는데, 이때부터 잉곳은 냉각속도 제어부(100)에 의해 냉각 온도가 제어된다.

즉, 잉곳이 1500℃에서 1000℃ 냉각되는 경우에는 베이컨시 타입과 인터스티셜 타입의 점 결함과 점 결합이 응집되어 생기는 집괴결함이 주로 발생하게 되며, 이러한 결함은 상측 열차폐체(13)로 제어하려는 것이고, 1000℃ 이하에서 잉곳이 냉각되는 경우에는 주로 산소 침전물과 침전물이 결합하여 산소 결정핵 등의 결함이 발생하며, 이러한 결함을 상기 냉각속도 제어부(100)로 제어하기 위함이다.

이러한, 상기 냉각속도 제어부(100)는, 성장되는 잉곳이 통과할 수 있는 크기의 홀이 형성된 링 형상으로 챔버(11) 내에 제공되고, 상기 상측 열차폐체(13)로부터 소정 간격을 두고 배치된다.

그리고, 상기 냉각속도 제어부(100)는 외부 뼈대를 구성하는 프레임부(101)와, 성장되는 잉곳의 외측부(E)를 보온하기 위한 단열부(102)와, 상기 단열부(102) 상측에 배치되어 성장되는 잉곳을 냉각하기 위한 냉각부(104)와, 상기 단열부(102)와 냉각부(104) 사이에 배치되어 상기 냉각부(104)와 단열부(102) 사이의 열교환을 방해하기 위한 차단부(103)를 포함한다.

그런데, 상기 냉각속도 제어부(100)를 구성하는 상기 구성요소들은 잉곳이 냉각되는 온도대역에 따라서 그 형성되는 높이 및 형성되는 길이가 결정된다. 그리고, 상기 냉각 온도대역은 잉곳이 각각의 온도대역에서 냉각될 때 형성되는 결함 종류에 따라서 온도대역이 나눠지게 되므로, 먼저 이에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 잉곳이 냉각되는 온도대역에 따라서 발생하는 결함의 종류를 설명하기 위한 예시를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 실리콘 융액의 표면에서 인상되는 잉곳의 냉각 온도대역인 1500~1080 ℃ 를 제 1 온도대역(200)이라고 정의하고, 이후 인상되어 냉각되는 온도대역인 1080~450℃를 제 2 온도대역(210)이라고 정의하며, 450도 이하의 온도대역을 제 3 온도대역(220)이라 정의한다.

먼저, 제 1 온도대역(200)에서는 베이컨시-타입(vacancy-type)과 인터스티셜-타입(interstitial-type)의 점 결함 (point defect)이 주로 발생한다.

그리고, 위에서 설명한 바와 같이 제 1 온도대역(200)에서의 결함은 V/G 값으로 제어하고, G값은 상측 열차폐체(13)의 설계로 제어할 수 있다.

그런데, 잉곳의 직경이 300mm 이상으로 대구경화 되면 G 값을 상측 열차폐체(13)로만 제어하는 것이 어려워 진다. 즉, 잉곳의 구경이 커지면 잉곳 인상 과정에서 실리콘 융액의 소모량이 증가하여, 상측 열차폐체(13)와 실리콘 융액 사이의 폭이 커지게 되고, 사이의 폭이 변화하면 실리콘 융액 계면의 G 값이 변동되는데, 이런 경우 잉곳의 인상속도 V를 무결함 인상속도로 제어하더라도 실리콘 융액 계면의 일부 영역이나 전체 영역에서 V/G가 무결함 마진을 벗어남으로써 단결정 내에 V 결함이나 I 결함이 발생할 수 있다.

이후, 제 2 온도대역(210)에서는 산소 침전물이 발생 및 성장하며, 상기 침전물이 결합하여 산소 결정핵이 주로 발생하는 대역이다.

특히, 1080~850℃ 사이에서는 주로 산소 침전물이 생성 및 성장하는 구역이고, 850~450℃에서는 주로 이러한 산소 침전물이 응집하여 산소 결정핵(Nucleation or cluster)가 형성되는 대역이다.

이러한 응집된 산소 결정핵(oxygen precipitate nucleation)은 웨이퍼에서 BMD와 같은 결함으로 측정된다.

그런데, 산소 결정핵은 웨이퍼의 활성영역에서는 웨이퍼의 결함으로 유해하게 작용하여 상기 웨이퍼로 제조된 집적회로장치에 손상을 줄 수 있으나, 활성역역 밖에 존재하는 경우에는 금속의 게터링 사이트로 유익한 기능을 할 수 있다.

그렇기 때문에, 상기 BMD는 어느 정도 값을 유지하는 것이 고품질의 웨이퍼를 생산하는데 도움이 되므로, 잉곳 생산시 BMD 값을 제어할 필요가 있다.

마지막으로, 제 3 온도대역(220)에서는 실리콘 잉곳의 결정이 완성되고, 이 대역에서는 상기 결함들에 형성이 급격하게 저하되는 구간이다.

상기 냉각속도 제어부(100)는 주로 제 2 온도대역(210)에서 잉곳의 냉각 온도를 컨트롤하여, 웨이퍼의 BMD 값을 제어하고, 결함들의 형성이 적은 제 3 온도대역(220)에서 잉곳을 급속 냉각시켜 잉곳의 수율을 높이기 위함이다.

그러므로, 성장되는 잉곳의 온도가 주로 제 2 온도대역(210)과 제 3 온도대역(220) 내에 해당되는 경우에, 본 실시예의 냉각속도 제어부(100)에 의하여 잉곳의 냉각 속도가 제어된다.

다만, 상기 냉각속도 제어부(100)에 제어되는 결함은 산소 결정핵에 한정되는 것이 아니고, 기타 결함 또한 잉곳 냉각속도가 컨트롤됨에 따라서 제어될 수 있음은 당연하다.

예를 들어, 상기 제 1 온도대역(200)에서 설명하였듯이, 잉곳이 대구경화 됨에 따라서 상기 상측 열차폐체(13)만으로 G값의 제어가 힘들어져서 V결함이나 I결함이 발생할 가능성이 높아지는 것을 방지하기 위하여, 상기 냉각속도 제어부(100)는 제 1 온도대역(200)까지 연장되어 G 값을 제어함으로써 V결함이나 I결함 발생을 억제할 수 있다.

상기 냉각속도 제어부(100)의 구성을 좀더 상세하게 설명하기 위하여 도 3과 도 4를 참조한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각속도 제어부(100)의 구성을 보여주는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각속도 제어부(100)의 단면 구성을 보여주는 도면이다.

도 3과 도 4를 참조하면, 상기 냉각속도 제어부(100)는 원통기둥 형상으로 이루어지며, 원통기둥의 내부에는 잉곳이 성장되는 홀이 마련된다.

그리고, 상기 냉각속도 제어부(100)의 외형은 프레임부(101)에 의하여 형성되고, 상기 프레임부(101)는 내측벽과 외측벽으로 구성되며, 상기 프레임부(101)의 내측벽과 외측벽은 기설정된 간격을 두고 형성되어 단열부(102)와 냉각부(104)가 그 사이에 배치된다. 즉, 상기 프레임부(101)를 구성하는 외측벽과 내측벽사이의 폭은 빈공간으로 이루어진다.

그리고, 상기 프레임부(101)의 빈공간은 수직방향으로 구간을 나누기 위하여, 상기 빈공간의 수평면으로 파티션이 마련될 수 있다. 즉, 상기 프레임부(101)의 내부 공간에는 파티션이 수용되어 2 이상으로 분리될 수 있고, 분리된 각각의 프레임 내부는 단열부(102), 차단부(103), 냉각부(104)로 구성될 수 있다.

또한, 상기 프레임부(101)는 측면에 개구부를 포함할 수 있다. 상기 개구부는 돔 챔버(11)에 마련된 뷰포트를 통하여 성장되는 잉곳을 관찰하도록 빛을 투과하는 역할을 한다.

그리고, 상기 프레임부(101)의 재질로는 몰리(Moly), 스테인리스강(SUS), 그래파이트(Graphite), 탄소 복합소재(Carbon composite material) 등이 사용될 수 있다.

이때, 상기 프레임부(101)는 구획된 부분에 따라서 각각 다른 재질로 되는 것도 가능하다. 예를 들어, 상기 프레임부(101)에서 단열부(102)로 구성되는 부분은 단열효과를 상승시키기 위하여 흑연(Graphite)으로 이루어지고, 내측벽의 표면은 단결정의 열을 반사하기 위하여 열분해 그래파이트(Pyrolytic graphite)와 같은 반사체 물질로 코팅될 수 있다. 그리고, 상기 프레임부(101)에서 냉각부(104)로 구성되는 부분은 열전도율이 높은 스테인리스 강(SUS)으로 이루어지고, 내측벽은 열을 흡수할 수 있는 물질로 코팅될 수 있다.

또한, 상기 분리된 부분들이 각각 다른 재질로 구성되는 경우에는, 냉각부(104)와 단열부(102)가 각각 제조된 후 조립과 해체가 가능하게 냉각속도 제어부(100)를 구성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 상기 냉각부(104)와 단열부(102)의 단부에는 수나사부를 구성하고, 차단부(103)의 양단부에는 암나사를 구성하여, 차단부를 중심으로 양단에 각각 냉각부와 단열부를 체결하여 냉각속도 제어부(100)를 구성할 수 있다.

또한, 단열부(102)의 하부와 차단부(103)의 상부는 끼어맞춤 되도록 구성되고, 차단부(103)의 하부와 냉각부(104)의 상부 또한 끼어맞춤 되도록 구성될 수도 있다.

또한, 상기 프레임부(101)의 상측은 상부 챔버(11)에 연결되고, 상측 열차폐체(13)까지 수직방향으로 연장된다.

예를 들어, 제 2 온도대역(210)부터 잉곳의 냉각 온도를 제어하기 위하여, 상기 프레임부(101)의 단부는 인상되는 잉곳의 온도가 1080~850℃가 되는 높이까지 연장된다. 또한, 상기 제 1 온도대역(200)까지 제어하기 위하여, 상기 프레임부(101)의 단부는 상측 열차폐체(13)의 상면까지 연장될 수도 있다.

그리고, 앞서 설명한 바와 같이, 분리된 프레임부(101)의 하부에는 단열재(Insulator)가 채워져서 단열부(102)를 구성하게 된다.

상기 단열재의 재질은 실리콘 융액의 오염방지를 위하여 카본 펠트(carbon felt)가 사용될 수 있다.

그리고, 상기 단열부(102)는 잉곳의 냉각시 외측부(E)를 보온하여, 잉곳의 중심부(C)의 냉각 속도와 잉곳의 외측부(E)의 냉각 속도의 편차를 줄이려는 것이다(도 5 참조).

즉, 잉곳이 냉각될 때에는, 잉곳의 중심부(C)는 전도로만 열이 방출되고 외측부(E)는 전도뿐만 아니라 대류와 복사방식으로도 열을 방출하기 때문에 열 방출 방식이 다르다. 또한, 방출되는 주변의 온도도 다르기 때문에, 외측부(E)가 중심부(C)에 비하여 상대적으로 더 빨리 냉각되게 된다. 이처럼 잉곳의 중심부(C)와 외측부(E)의 냉각속도가 달라져서 각각의 냉각된 이력의 편차가 생기게 되고, 이러한 잉곳으로부터 생산된 웨이퍼의 면내에는 불균일한 결정 특성을 같은 웨이퍼가 만들어 지게 되므로, 상기 단열부(102)가 이를 방지하려는 것이다.

예를 들어, BMD는 제 2 온도대역(210)에서 잉곳의 냉각된 이력에 따라 그 값이 결정되는데, 잉곳의 외측부(E)와 내측부의 냉각 속도가 달라지게 되면, 잉곳의 수평면에서 외측부(E)와 내측부의 BMD의 값이 달라지게 되므로, 수평면으로 잘라져서 생성되는 웨이퍼의 면내에 불균일한 BMD 값을 갖게 된다.

그러므로, 상기 냉각속도 제어부(100)의 하부에 상기 단열부(102)를 구성하여, 상기 단열부(102)가 잉곳의 외측부(E)를 천천히 냉각되도록 함으로써, 잉곳의 중심부(C)와 외측부(E)의 냉각속도의 편차를 줄일 수 있다.

그런데, 상기 단열부(102)를 구성 길이를 늘리면 잉곳의 외측부(E)와 중심부(C)의 냉각속도의 편차를 줄어서 더욱 균일한 품질의 면을 갖는 웨이퍼를 생산할 수 있으나, 잉곳의 냉각속도가 줄어들어서 잉곳 생산 수율이 늦어지는 단점이 있을 수 있으므로, 상기 단열부(102)는 제어하려는 결함이 주로 발생하는 구간에만 형성되는 것이 바람직 하다.

예를 들어, 상기 단열부(102)의 하부는 인상되는 잉곳 외측부(E)의 온도가 1080~800 ℃ 되는 높이에서 형성되어, 상부는 450~400℃가 되는 높이까지 형성될 수 있다. 특히, 상기 단열부(102)가 제어하려는 BMD 값에 결정적으로 영향을 끼치는 산소 결정핵의 농도를 주로 제어하기 위해서, 산소 결정핵이 가장 많이 형성되는 온도 구간인 850~450도에서 형성되는 것이 잉곳의 수율면에서 바람직하다.

그리고, 상기 단열부(102)의 하부는 상측 열차폐체의 상면의 높이까지 형성되는 것도 가능하다. 이때, 상기 단열부(102)는 상측 열차폐부를 벗어난 이후의 잉곳에 G 값을 제어하여 V결함과 I 결함을 제어할 수 있는 이점이 있다.

그리고, 잉곳에 결함 발생이 급격하게 줄어드는 높이부터는 잉곳을 빠르게 냉각하기 위하여, 상기 프레임부(101)의 상부에는 냉각부(104)가 마련된다. 예를 들어, 상기 냉각부(104)는 잉곳 외측부(E)의 온도가 450도에서 400도 사이의 높이에서부터 형성될 수 있는데, 이는 산소 결정핵의 생성이 450도 이하에서 급격하게 저하되기 때문이다.

본 실시예에서 상기 냉각부(104)는 수냉관으로 이루어진다. 상기 수냉관은 2 이상의 통로로 구성될 수 있다. 그리고, 상기 수냉관의 상부 일측에는 냉각수가 유입되는 유입구가 형성되고, 하부 일측에는 냉각수가 배출되는 배출구가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 유입구와 배출구에는 냉각수를 공급하는 공급관과 펌프가 연결되어 냉각수의 유입 배출을 통해 냉각수의 온도를 저온으로 유지할 수 잇다.

이때, 수냉관의 재질로는 스테인리스강(SUS)과 같이 열 전도율이 높은 금속을 사용될 수 있다.

한편, 상기 단열부(102)의 상측에 바로 냉각부(104)가 형성되는 것도 가능하나, 상기 냉각부(104)가 상기 단열부(102)를 냉각시켜서 단열부(102)의 보온효과가 감소할 수 있으므로 단열부(102)와 냉각부(104) 사이에 별도의 차단부(103)를 구성할 수 있다.

즉, 상기 차단부(103)를 단열부(102)와 냉각부(104)사이에 구성하여, 차단부(103) 하측의 단열부(102)와 상측의 냉각부(104)의 열 교환을 차단시킬 수 있다. 그리고, 상기 차단부(103)는 상기 단열부(102)와 냉각부(104) 사이의 열교환을 차단시키기 위한 정도의 높이를 갖으면 충분하므로, 상기 단열부(102) 및 냉각부(104)보다는 작은 높이를 갖도록 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 냉각부와 상기 차단부와 상기 단열부의 수직 길이의 비는 2:1:1로 구성될 수 있다.

그리고, 상기 냉각부(104)와 단열부(102)의 열교환을 차단하기 위하여, 상기 차단부(103)는 진공상태로 구성될 수 있으나 별도의 단열재나 빈공간으로 구성되어도 무방하다.

전술한 냉각속도 제어부(100)에 의해, 잉곳은 단열부(102)에 의해 제 2 온도대역(210)에서 잉곳의 외측부(E)와 중심부(C)의 냉각속도의 편차가 줄어들게 되고, 냉각부(104)를 거쳐 최종 생산되게 된다. 이하에서는 냉각속도 제어부(100)의 적용에 따른 잉곳의 변화를 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각속도 제어부(100)의 적용 전후의 BMD 값의 변화를 나타내는 그래프다.

먼저, 적용 전의 그래프는, 상기 냉각속도 제어부(100)를 구비하지 않고, 수냉관만으로 구성된 잉곳성장장치에서 잉곳을 성장시킨 후, 상기 잉곳의 수평면을 절단하여 생산된 웨이퍼의 BMD 값을 측정한 것이다.

상기 그래프를 보면, 처음 잉곳의 외측부(E)에서 중심부(C)로 갈수록 BMD 값이 상승하는 것을 볼 수 있으며, 중심부(C)에서 다음 외측부(E)로 갈수록 BMD 값이 줄어들게 되는 것을 알 수 있다. 즉, BMD의 기울값이 큰 것을 알 수 있다.

그 이유는, 잉곳의 외측부(E)는 수냉관으로 인하여 급격하게 냉각되므로 산소 결정핵이 형성되는 시간이 적어지게 되어 BMD 값이 작게 나타나고, 잉곳의 중심부(C)의 경우에는 외측부(E)에 비하여 천천히 냉각하게 된다. 그러므로, 산소 결정핵이 형성되는 시간이 증가하여 BMD값이 증가하게 된다.

반대로, 상기 잉곳성장장치에서 잉곳을 성장시킨 후, 상기 잉곳의 수평면을 절단하여 생산된 웨이퍼의 BMD 값을 보면, 그 값이 일정하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

즉, 상기 그래프를 보면 잉곳의 외측부(E)의 BMD 값과 중심부(C)의 BMD 값의 차이가 거의 없는 것을 확인할 수 있으며, 즉, BMD의 기울기 값이 거의 0에 가깝게 측정되는 것을 확인할 수 있다.

그 이유는, 잉곳의 외측부(E)가 단열부(102)에 의해 보온됨에 따라서 잉곳의 외측부(E)와 중심부(C)가 냉각되는 시간은 거의 동일하게 형성되므로, 냉각 시간에 비례하여 형성되는 BMD 값이 잉곳의 외측부(E)와 중심부(C)에 유사하게 형성되는 것이다.

전술한 바와 같은 본 실시예의 잉곳성장장치에 의해서, 제 2 온도대역(210) 이하의 대역에서 잉곳의 냉각 온도를 제어하여 잉곳의 외측부(E)와 내측부의 냉각속도의 편차를 줄일 수 있으며, 이를 통해 상기 잉곳으로부터 균일한 품질의 웨이퍼를 생산할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

11: 챔버
12: 도가니
13: 상측 열차폐체
50: 잉곳
100: 냉각속도 제어부
101: 프레임부
102: 단열부
103: 차단부
104: 냉각부

Claims

종자결정을 이용하여 도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키는 장치로서,
상기 도가니가 수용되는 하부와, 성장되는 잉곳이 통과하는 상부로 구성된 챔버; 및
상기 챔버의 상부 내측에 마련되어 상기 챔버의 하부까지 연장되고, 상기 성장되는 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각속도 제어부; 를 포함하고,
상기 냉각속도 제어부는,
상기 잉곳의 외측부를 보온하기 위한 단열부와, 상기 단열부 상측에 배치되어 상기 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각부와, 상기 단열부와 냉각부 사이에 배치되어 상기 냉각부와 단열부 사이의 열 교환을 방해하기 위한 차단부를 포함하고,
상기 냉각속도 제어부는 상기 냉각속도 제어부의 외형을 이루는 프레임부를 포함하고,
상기 프레임부는 상기 단열부와 차단부 사이와, 상기 차단부와 냉각부 사이를 각각 구획하기 위한 복수개의 파티션을 포함하는 잉곳성장장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 단열부는 카본 펠트의 단열재로 이루어지는 잉곳성장장치.
제 1 항에 있어서,
상기 차단부는 상기 단열부와 냉각부 사이에서 진공 상태로 이루어지는 잉곳성장장치.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각부는 상기 상부 챔버의 내벽을 따라 상기 잉곳을 냉각시키기 위한 수냉관으로 이루어지는 잉곳성장장치.
제 1 항에 있어서,
상기 단열부는 상기 잉곳의 외측부 온도가 850도 내지 450도가 되는 영역 내에 배치될 수 있는 크기로 제공되는 잉곳성장장치.
제 1 항에 있어서,
상기 단열부와 상기 차단부 및 상기 냉각부와 상기 차단부는 각각 체결 분리가 가능하도록 구성된 잉곳성장장치.
제 1 항에 있어서,
상기 도가니의 상측에 배치되는 단열 수단으로, 성장되는 잉곳이 통과할 수 있는 홀을 구비한 상측 열차폐체를 더 포함하고,
상기 단열부는 상기 상측 열차폐체의 상면까지 연장된 잉곳성장장치.
제 1 항에 있어서,
상기 단열부의 측면에 개구부가 형성된 잉곳성장장치.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각부와 상기 차단부와 상기 단열부의 수직 길이의 비는 2:1:1로 구성된 잉곳성장장치.