KR101543010B1 - 화학적 기상 증착 반응기에서 튜브 필라멘트들에 대한 척 연결점 및 브릿지 연결점 - Google Patents
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Abstract
화학적 기상 증착 반응기 시스템은 브릿지에 연결된 하나 또는 그 이상의 튜브 필라멘트를 포함하며, 각각의 튜브 필라멘트는 척에 연결된다. 척과 필라멘트의 연결은 튜브 필라멘트의 하나의 끝단에 형성된 시드를 포함하며, 시드가 척의 돌기에 연결되거나 필라멘트가 척에 직접 형성될 수 있다. 브릿지와 필라멘트의 연결을 위하여, 편평한 크로스 브릿지 또는 직사각형 브릿지가 필라멘트의 상응하는 개구와 연결된다. 이러한 연결의 사용은 전기적 연결성을 유지할 수 있으므로, 반응기 시스템의 작동 동안 튜브 필라멘트의 저항 가열을 유지할 수 있다.
Description
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2008년 6월 23일자 미국 가출원 61/074,824의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 내용은 참조로써 본 명세서에 명백히 통합된다. 모든 특허, 특허 공개 및 기타 여기에 인용된 참증들의 모든 내용은 참조로써 본 명세서에 명백히 통합된다.
본 발명은 반도체 및/또는 광기전성 응용에 유용한 물질을 형성할 수 있는 화학적 기상 증착(CVD) 반응기에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 화학적 기상 증착 반응기에서 튜브 필라멘트들에 대한 개선된 척 연결점 및 브릿지 연결점을 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
화학적 기상 증착(CVD)은 고순도, 고성능 고형 물질을 제조하기 위해 사용되는 화학 공정이다. 이 공정은 종종 반도체 및 광기전성 산업에서 고품질의 실리콘 물질을 제조하기 위해 사용된다. 통상적인 CVD 공정에서, 로드 구조는 하나 또는 그 이상의 휘발성 전구체에 노출되고, 휘발성 전구체는 원하는 증착물을 생산하기 위하여 로드 구조에서 반응 및/또는 분해된다. 빈번하게 휘발성 부산물도 생산되는데, 이는 CVD 반응기의 반응 챔버를 통한 가스 흐름에 의해 제거될 수 있다.
화학적 기상 증착 반응기의 증착에 의해 폴리실리콘과 같은 고형 물질을 생산하는데 사용되는 하나의 방법은 지멘스(Siemens) 방법으로 알려져 있다. 지멘스 방법을 이용하여 폴리실리콘을 생산할 때, 폴리실리콘은 CVD 반응기에서, "슬림 로드(slim rod)"로도 알려진 고순도 박막 실리콘 로드 위에 증착된다. 이러한 슬림 로드는 고순도 실리콘으로부터 제조되므로, 슬림 로드의 상응하는 전기적 저항은 극단적으로 높다. 따라서, 슬림 로드가 전기적으로 활성인 요소로 상쇄되지 않으면, CVD 공정의 시동 단계시 전류를 이용하여 슬림 로드를 가열시키는 것은 매우 어렵다.
지멘스 방법에 따르면, 전기적 저항을 감소시키기 위하여, 슬림 로드의 온도를 대략 400℃까지 승온시키기 위해 히터들이 사용된다. 일반적으로, 가열 공정을 가속화시키기 위하여, 수천 볼트의 높은 전압이 로드에 가해진다. 이렇게 높은 전압하에서, 작은 전류는 슬림 로드를 통해 흐르기 시작할 수 있다. 이러한 전류는 슬림 로드에 열을 발생시켜 로드의 전기적 저항을 감소시키고 더 높은 전류 흐름과 슬림 로드에 의해 발생될 추가적인 열을 허용한다. 로드가 원하는 온도까지, 일반적으로 800℃를 초과하여 가열될 때, 전압은 그에 따라 감소된다.
미국 특허 6,284,312의 도 1로부터 재현된, 종래 기술인 도 1을 참조하면, 통상적인 CVD 반응기는 베이스 플레이트(23), 종모양 석영 단지(quartz bell jar)(17), 챔버 덮개(24), 및 종모양 단지(17)와 챔버 덮개(24) 사이에 배치된 히터(18)를 포함할 수 있다. 또한, 전기 피드스루들(feedthroughs)(19), 및 가스 입구(20) 및 출구(21)가 각각 베이스 플레이트(23)에 구현될 수 있다. 관찰 포트(viewing port)(22)는 내부의 시각적인 조사를 위해 제공된다. 도 1에 도시된 반응기는 수평부(12)에 연결되는 2개의 수직부들(11)(13)의 형태로 실리콘 슬림 로드 구조를 조립하기 위하여 사용될 수 있다. CVD 공정 동안, 폴리실리콘 증착물은 슬림 로드 구조 위에 축적된다.
CVD 반응기에서 전통적인 슬림 로드들 사이의 연결, 및 슬림 로드와 상응하는 척 사이의 연결은 반응기의 전기적 연결을 유지하는데 중요하다. 척-필라멘트 연결에 관하여, 공지된 부착 메카니즘은 스크류, 볼트, 클램프 등을 사용한다. 슬림 로드 사이의 공지된 연결은 각각의 수직 로드의 상단에서 홈(groove) 또는 키 슬롯(key slot)으로 형성된다. 작은 카운터 보어 또는 콘포밍 피그멘트(conforming figment)가 수평 로드의 끝단들에 형성되어, 2개의 수직 로드들을 연결하기 위하여 홈들에 억지끼워 맞춰질 수 있다.
미국 특허 6,284,312에 기술된 바와 같이, 대구경 실리콘 튜브 필라멘트는 공지된 슬림 로드 설계를 대체하기 위하여 사용되어 왔다. 이러한 설계는 핵심 요소인 슬림 로드 및 증착 대상을 박막 튜브 필라멘트 부분으로 대체함으로써 종래 기술에 따른 CVD 반응기의 비싼 부품들을 배제한다. 튜브 필라멘트는 전통적인 슬림 로드 필라멘트를 능가하는 몇 가지 장점을 제공한다. 튜브 필라멘트는 동일한 가열원 및 전력 출력을 사용할 때 더 높은 온도까지 가열될 수 있으므로, 전통적인 슬림 로드 필라멘트에 비해 전압이 덜 필요하다. 이러한 장점은 튜브 필라멘트가 슬림 로드에 비해 방사열의 흡수를 위한 표면적이 더 크기 때문이다. 덧붙여, 튜브 필라멘트 물질의 부품들 사이의 향상된 연결은 연결점에서의 감소된 저항과 초기에 극복해야 할 낮은 전체 저항을 제공한다. 따라서, 통상적인 슬림 로드 헤어핀(hairpin) 구성과 비교할 때, 튜브 필라멘트 헤어핀 구성은 전류를 유도하는데 더 낮은 저항이 필요하다.
통상적인 슬림 로드 대신, 튜브 필라멘트를 이용하는 CVD 반응기를 위하여 척과 필라멘트 사이 그리고 브릿지와 필라멘트 사이의 연결을 달성하기 위한 향상된 시스템 및 방법에 대한 필요성이 있다.
본 발명은 화학적 기상 증착(CVD) 반응기의 튜브 필라멘트들에 대한 척 연결점 및 브릿지 연결점을 제공하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 튜브 필라멘트들은 CVD 반응기에 수용된 하나 또는 그 이상의 튜브 필라멘트의 적합한 형상을 말하는 "헤어핀 구성"을 형성할 수 있으며, 튜브 필라멘트의 하나 또는 그 이상의 굽은 부분들(turns) 또는 만곡형 구조를 포함할 수 있다. "헤어핀" 구성 또는 구조의 설명은 제한적이지 않으며 다른 구성 또는 구조를 망라한다.
튜브 필라멘트 헤어핀 구성의 수직 및 수평 브릿지 부품들 뿐만 아니라 수직 튜브 필라멘트들과 흑연 척 지지대들 사이의 연결은 CVD 반응기에서 전기적 연결 및 폴리실리콘과 같은 고형 물질의 성공적인 증착을 유지하는데 중요하다. 이러한 연결은 여기서 척-필라멘트 연결점 및 브릿지-필라멘트 연결점, 또는 간단하게 "척" 연결점 및 "브릿지" 연결점으로 각각 언급된다. 이상적으로, 척 연결점 및 브릿지 연결점은 CVD 반응 사이클 동안 튜브 필라멘트를 증착 온도까지 가열시키도록 전류를 유동시키기에 충분한 표면적을 제공할 뿐만 아니라, 튜브 필라멘트에 안정성을 제공하여 기계적인 실패를 방지하고 피드스루와의 전기적 연결을 유지한다.
본 발명은 제1 및 제2 끝단을 구비하고 전류를 반송하도록 구성된 적어도 하나의 튜브 필라멘트; 튜브 필라멘트의 제1 끝단에 부착되는 시드(seed); 및 적어도 시드에 연결되고 튜브 필라멘트에 전기적으로 연결되도록 시드의 홈에 상응하는 돌기가 형성된 척을 포함하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템을 구비한다. 돌기는 일반적으로 척의 대략 중앙에 위치된다. 튜브 필라멘트가 척에 직접 견인되면 시드는 연결점의 일부분으로 사용되지 않을 수 있지만, 대신 튜브 필라멘트가 시드에 견인될 경우, 시드는 튜브 필라멘트의 형성 후 척에 부착될 것이다. 시드는 일반적으로 흑연으로 형성되지만 다른 적합한 물질로 형성될 수 있다. 적어도 하나의 튜브 필라멘트는 제1 및 제2 튜브 필라멘트를 포함할 수 있으며, 각각의 튜브 필라멘트는 개별 시드 및 척에 연결된다.
또한, 본 발명은 제1 끝단, 및 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결된 제2 끝단을 구비하고, 전류를 반송하도록 구성된 제1 튜브 필라멘트; 제1 및 제2 끝단을 구비하고 전류를 반송하도록 구성된 제2 튜브 필라멘트; 및 제1 튜브 필라멘트와 제2 튜브 필라멘트를 연결하기 위한 브릿지를 포함하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템을 구비한다. 브릿지는 제1 및 제2 튜브 필라멘트들의 제1 끝단들과 결합하기 위한 적어도 하나의 리세스를 구비할 수 있다. 또한, 하나 또는 그 이상의 리세스는 튜브 필라멘트 내부에 가스 배출 통로를 제공하기 위한 적어도 하나의 배출 구멍을 포함할 수 있다.
브릿지는 제1 및 제2 튜브 필라멘트들의 제1 끝단들의 원주를 완전히 덮도록 더 구성될 수 있다. 예를 들면, 브릿지는 제1 및 제2 튜브 필라멘트들의 제1 끝단들의 적어도 일부분과 결합하는 적어도 2개의 홈(grooves)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 브릿지는 제1 및 제2 튜브 필라멘트들의 제1 끝단들의 원주를 완전히 덮지 않도록 구성될 수 있다. 일반적으로, 브릿지는 실리콘으로 형성되지만 다른 적합한 임의의 물질로 형성될 수 있다.
본 발명은 제1 끝단을 구비하는 적어도 하나의 튜브 필라멘트를 포함하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템을 더 구비하며, 제1 끝단은 브릿지에 연결되고, 브릿지는 상기 적어도 하나의 튜브 필라멘트와 기계적으로 결합하기 위한 접촉부를 구비한다. 브릿지는 일반적으로 실리콘으로 형성되지만 기타 적합한 물질로 형성될 수 있다. 접촉부는 적어도 하나의 튜브 필라멘트의 제1 끝단과 결합하기 위한 적어도 하나의 리세스를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 리세스는 적어도 하나의 배출 구멍을 더 포함할 수 있다. 접촉부는 제1 끝단의 원주를 완전히 덮도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 접촉부는 제1 끝단의 원주를 완전히 덮지 않도록 구성될 수 있다. 접촉부는 또한 제1 끝단의 원주와 결합하는 적어도 하나 또는 2개의 홈을 포함할 수 있다.
본 발명은 척에 분리가능하게 연결되는 시드를 제공하는 단계; 척의 적어도 일부분을 실리콘 융액에 삽입하는 단계; 및 튜브 필라멘트가 척에 직접 형성되도록 척을 실리콘 융액으로부터 인출하는 단계를 포함하는 화학적 기상 증착 반응기에서 척에 튜브 필라멘트를 형성하는 방법을 더 구비한다. 시드는 척에 분리가능하게 연결되는 재사용가능한 시드일 수 있다. 본 방법은 튜브 필라멘트의 길이를 도가니에 수용된 용융 물질의 양을 기준으로 조정하는 단계, 및 재사용가능한 시드를 척으로부터 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 시드는 척으로부터 분리되어 추가 튜브 필라멘트를 만들 때 재사용될 수 있다. 대안적으로, 화학적 기상 증착 반응기에서 척에 튜브 필라멘트를 형성하는 방법은 척에 연결되는 시드를 제공하는 단계; 척의 적어도 일부분을 실리콘 융액에 삽입하는 단계; 튜브 필라멘트가 시드에 형성되도록 척을 실리콘 융액으로부터 인출하는 단계; 및 튜브 필라멘트를 척에 연결하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 이러한 측면 및 장점과 기타 측면 및 장점들은 도면과 함께 아래의 바람직한 실시예의 설명으로부터 더욱 쉽게 분명해질 것이다.
본 발명과 관련한 기술의 당업자가 본 발명의 방법 및 장치의 제조 및 사용법을 꼭 필요하지 않은 실험 없이 용이하게 이해할 수 있도록, 바람직한 실시예들이 도면을 참조하여 아래에 상세하게 설명될 것이다.
도 1(종래 기술)은 종래 기술에 따른 CVD 반응기의 사시도로, CVD 반응기의 기본적인 부품들을 도시한다.
도 2는 본 발명에 유용한 CVD 반응기 시스템의 단면도이다.
도 3은 시드에 의해 척에 성장된 튜브 필라멘트의 개략도이다.
도 4는 바람직한 제1 실시예에 따른 척-필라멘트 연결의 사시도이다.
도 5는 바람직한 제2 실시예에 따른 척-필라멘트 연결의 사시도이다.
도 6은 바람직한 제3 실시예에 따른 편평한 브릿지 연결을 구비한 튜브 필라멘트 구성의 사시도이다.
도 7a는 도 6의 편평한 브릿지의 크로스 브릿지의 상측 단면도로, 크로스 브릿지의 상면을 통해 돌출하는 배출 구멍을 나타낸다.
도 7b는 도 6에 도시된 편평한 브릿지 연결의 크로스 브릿지의 저면 사시도이다.
도 7c는 도 7b의 크로스 브릿지의 개략적인 저면도이다.
도 8은 바람직한 제4 실시예에 따른 직사각형 브릿지 연결을 구비한 튜브 필라멘트의 사시도이다.
도 9a는 도 8에 도시된 직사각형 브릿지 연결의 크로스 브릿지의 상측 사시도이다.
도 9b는 도 9a의 크로스 브릿지의 개략적인 정면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 헤어핀 구성을 완성하기 위하여 크로스 브릿지가 수직 튜브 필라멘트에 삽입된 단일 노치형 브릿지 연결을 구비한 튜브 필라멘트 구성의 사시도이다.
도 11a는 도 10에 도시된 단일 노치형 브릿지 연결의 크로스 브릿지의 측단면도이다.
도 11b는 도 10에 도시된 단일 노치형 브릿지 연결의 크로스 브릿지의 저면 사시도이다.
도 1(종래 기술)은 종래 기술에 따른 CVD 반응기의 사시도로, CVD 반응기의 기본적인 부품들을 도시한다.
도 2는 본 발명에 유용한 CVD 반응기 시스템의 단면도이다.
도 3은 시드에 의해 척에 성장된 튜브 필라멘트의 개략도이다.
도 4는 바람직한 제1 실시예에 따른 척-필라멘트 연결의 사시도이다.
도 5는 바람직한 제2 실시예에 따른 척-필라멘트 연결의 사시도이다.
도 6은 바람직한 제3 실시예에 따른 편평한 브릿지 연결을 구비한 튜브 필라멘트 구성의 사시도이다.
도 7a는 도 6의 편평한 브릿지의 크로스 브릿지의 상측 단면도로, 크로스 브릿지의 상면을 통해 돌출하는 배출 구멍을 나타낸다.
도 7b는 도 6에 도시된 편평한 브릿지 연결의 크로스 브릿지의 저면 사시도이다.
도 7c는 도 7b의 크로스 브릿지의 개략적인 저면도이다.
도 8은 바람직한 제4 실시예에 따른 직사각형 브릿지 연결을 구비한 튜브 필라멘트의 사시도이다.
도 9a는 도 8에 도시된 직사각형 브릿지 연결의 크로스 브릿지의 상측 사시도이다.
도 9b는 도 9a의 크로스 브릿지의 개략적인 정면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 헤어핀 구성을 완성하기 위하여 크로스 브릿지가 수직 튜브 필라멘트에 삽입된 단일 노치형 브릿지 연결을 구비한 튜브 필라멘트 구성의 사시도이다.
도 11a는 도 10에 도시된 단일 노치형 브릿지 연결의 크로스 브릿지의 측단면도이다.
도 11b는 도 10에 도시된 단일 노치형 브릿지 연결의 크로스 브릿지의 저면 사시도이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명되며, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소들을 나타낸다.
본 명세서는 폴리실리콘의 제조에 관한 것이지만, 여기에 설명된 기술, 장치 및 방법들은 폴리실리콘의 제조만으로 제한되지 않으며 CVD 반응기와 튜브 필라멘트가 사용되는 임의의 물질에 유용하다. 이러한 물질은, 예를 들면, 탄소섬유, 탄소 나노섬유, 이산화규소, 실리콘-게르마늄, 텅스텐, 탄화규소, 실리콘 질화물, 실리콘 산화질화물, 티타늄 질화물, 및 다양한 고유전율(high-k) 절연물일 수 있다.
도 2는 본 발명과 함께 사용할 수 있는 CVD 반응기 시스템(10)의 단면도이다. 여기에 제공되는 도 2는, 여기에 참조로써 통합되는 미국 특허 6,284,312의 도 2에 상응한다. 본 발명에 의해 사용되는 CVD 반응기 시스템(10)은 미국 특허 6,284,312에 기술된 것과 유사하지만, 본 발명에 설명되는 튜브 필라멘트에 대한 척 연결점 및 브릿지 연결점은 통상적인 척 연결 및 브릿지 연결에 비해 유리하며, 이에 대해 아래에 상세하게 설명된다.
도 2에 도시된 반응기 시스템(10)은 바람직하게 베이스 플레이트(23), 종모양 석영 단지(17), 챔버 덮개(24), 및 종모양 단지(17)와 챔버 덮개(24) 사이에 배치된 적어도 하나의 히터(18)를 포함한다. 바람직하게, 가스 입구(20), 가스 출구(21), 및 전극들(미도시)은 베이스 플레이트(23)에 구현된다. 내부의 시각적인 조사를 허용하기 위하여, 관찰 포트(22)는 선택적으로 포함될 수 있다. 도 2의 시스템은 고형 물질의 증착을 위하여 통상적인 슬림 로드 구성보다는 튜브 필라멘트(헤어핀) 구조를 사용한다. 바람직하게, 본 발명에 유용한 시스템(10)의 튜브 필라멘트 구조는 수직 튜브 필라멘트들(1)(3) 및 수평 크로스 브릿지(2)를 포함한다.
상기된 바와 같이, 튜브 필라멘트 헤어핀 구조의 2개의 주요한 연결은 수평 크로스 브릿지(2)와 수직 튜브 필라멘트들(1)(3) 사이의 연결을 말하는 브릿지-필라멘트 연결(즉, "브릿지 연결"), 및 수직 튜브 필라멘트들(1)(3)과 척(9) 사이의 연결을 말하는 척-필라멘트 연결(즉, "척 연결")이며, 척은 튜브 필라멘트들을 가열하기 위하여 전극과의 전기적 연결을 용이하게 할 수 있다.
본 시스템(10)에 사용된 튜브 필라멘트 구조는 통상적인 슬림 로드 구조를 대체한다. 본 발명에 따르면, 튜브 필라멘트들(1)(3)은 흑연 시드(5)를 필라멘트 성장 기계의 샤프트에 연결시킴으로써 형성된다. 예를 들면, 시드(5)의 얇은 원통형 부분은 용융 실리콘으로 채워진 도가니에 잠길 수 있다. 접촉된 후, 시드(5)는 회전하며 천천히 성장될 수 있으며, 원통형 튜브 필라멘트(1)는 융액으로부터 성장되면서 응고됨에 따라 형성된다. 도가니 안의 용융 실리콘 양을 조정함으로써 튜브 필라멘트(1)는 원하는 길이까지 성장된다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 튜브 필라멘트(1)가 시드(5)에 형성된 후, 나사 고정(threaded fit)이나 직접 고정(straight fit) 또는 기타 공지된 수단을 통해 척(9)에 부착될 수 있다. 그런 후, 척(9)은 CVD 반응기 시스템 내부의 전극에 부착된다.
대안적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 튜브 필라멘트(1)는 나사 고정을 사용하여 척(9)의 바닥에 분리가능하게 연결되는 재사용가능한 시드(5)를 사용하여 형성될 수 있다. 척(9)은 하나의 끝단에서 시드(5)에 부착된 후, 용융 실리콘으로 채워진 도가니에 잠길 수 있다. 접촉 후, 척(9)은 회전하면서 천천히 성장되고, 원통형 튜브 필라멘트(1)는 형태를 갖춰 척(9) 위에 형성되고 융액으로부터 성장되면서 냉각된다. 형성된 튜브 필라멘트(1)는 중공형 코어(hollow core)를 갖는다. 튜브 필라멘트(1)는 도가니 안의 용융 실리콘 양을 조정함으로써 원하는 길이까지 성장된다. 튜브 필라멘트(1)가 척(9)에 형성된 후, 시드(5)는 제거될 수 있고, 척(9)은 CVD 반응기 시스템 내의 전극에 직접 부착될 수 있다. 이 공정을 반복함으로써, 한 쌍의 튜브 필라멘트(1)(3)가 제조될 수 있다. 시드(5)는 흑연, 탄화규소, 실리콘, 또는 기타 적합한 물질로 형성될 수 있다. 척(9)은 바람직하게 탄소, 실리콘 또는 기타 적합한 물질로 형성된다.
튜브 필라멘트(1)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 척(9)에 직접 견인되기 되기 때문에, 조립되어야 하는 CVD 반응기의 전체 부품들의 수가 감소된다. 이 공정 동안 2개의 물질이 기계적으로 연결되는 대신 함께 융합되기 때문에, 척-필라멘트 연결의 시동 저항 또한 감소된다. 전통적인 슬림 로드 필라멘트 구성처럼 다수의 부품들의 전이 또는 기계적인 짝맞춤이 없기 때문에, 이 공정은 연결 저항이 상당히 감소되는 것을 돕는다.
전통적인 슬림 로드 구성에서, 흑연 척과 결합하는 실리콘 로드의 부분은 실리콘 자체에 비해 매우 높은 저항성을 갖는 산화층(이산화규소)을 포함한다. 이러한 이산화규소층은 저항성이 매우 높기 때문에, 더 높은 연결 저항성을 생성한다. 상기한 바와 같이 실리콘 튜브 필라멘트가 흑연과 융합될 때, 실리콘과 흑연 사이에 산화층은 더 이상 존재하지 않으므로, 더 낮은 연결 저항이 제공된다.
본 발명은 수직 튜브 필라멘트들(1)(3)을 크로스 브릿지(2)를 통해 자신에 연결할 뿐만 아니라 각각의 척(9)에 연결하는 유익한 방식을 제공한다. 이러한 연결은 원하는 벌크 물질이 증착 및 제조되는 튜브 필라멘트 헤어핀 구성의 기초를 형성한다. 2개의 연결은 각각 차례로 논의될 것이다.
1. 척-필라멘트 연결
본 발명에 따른 척-필라멘트 연결은 수직 배열된 튜브 필라멘트들(1)(3)에 기계적 지지를 제공하고, 튜브 필라멘트의 저항 가열을 제공하기 위하여 전류가 통과할 수 있는 전기적 접촉 영역을 제공할 수 있다. 도 4를 참조하면, 척(9)-필라멘트(1) 연결의 바람직한 제1 실시예가 제공된다. 바람직하게, 튜브 필라멘트(1)는, 예를 들면, 상기한 성장 공정에 따라 시드(5)와 융합된다. 실리콘과 흑연의 이러한 융합은 이러한 연결에서의 산화층을 배제하여, CVD 반응 사이클 동안 헤어핀의 저항 가열을 개시하는데 필요한 전압을 감소시킨다. 시드(5)를 튜브 필라멘트(1)에 부착하므로 튜브 필라멘트(1) 자체가 덜 가공될 수 있다. 바람직하게, 본 발명의 CVD 반응 사이클 동안 양호한 안정성 및 전극과의 강한 전기적 연결을 제공하기 위하여, 척(9)은 튜브 필라멘트(1)와 융합된 시드(5) 내부의 상응하는 홈 또는 인버전(inversion)과 짝을 이루기 위한 돌기(29)를 척(9)의 대략 중앙 내부에 제공하도록 가공된다. 대안적으로, 도 4의 척-필라멘트 구성은 필라멘트(1)가 시드(5)의 존재 없이 척(9)에 직접 융합되도록 형성될 수 있다.
도 5를 참조하면, 척(9)-필라멘트(1) 연결의 바람직한 제2 실시예가 제공된다. 이 실시예에서도, 튜브 필라멘트(1)는 시드(5)와 융합된다. 바람직하게, 본 발명의 CVD 반응 사이클 동안 양호한 안정성 및 전극과의 강한 전기적 연결을 제공하기 위하여, 척(9)은 튜브 필라멘트(1)와 융합된 시드(5) 내부의 상응하는 인버전(inversion)과 짝을 이루기 위한 돌기(39)를 척(9)의 대략 중앙 내부에 제공하도록 가공된다. 도 5의 척-필라멘트 구성은 필라멘트(1)가 시드(5)의 존재 없이 척(9)과 직접 융합되도록 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 척(9)은 또한 바람직하게 지지벽(49)을 형성하기 위하여 가공된다. 지지벽(49)은 안정성 증가를 위하여 척(9) 내부에 필라멘트(1)를 위한 확고한 고정을 제공하지만, 폴리실리콘의 증착을 위한 약간 작은 표면적을 갖는다. 흑연에 증착된 실리콘은 탄소로 오염되기 때문에 일반적으로 사용되지 않으므로, 이는 문제되지 않을 것이다. 또한, 지지벽(49)은 CVD 반응기 시스템 내부에서 필라멘트(1)의 증가된 기계적 안정성을 가능하게 한다.
2.
브릿지
-필라멘트 연결
본 발명에 따른 브릿지-필라멘트 연결은 수직으로 배치된 튜브 필라멘트들(1)(3)에 기계적 지지를 제공하고, 튜브 필라멘트의 저항 가열을 제공하기 위하여 전류가 통과할 수 있는 전기적 접촉 영역을 제공할 수 있다. 실리콘 크로스 브릿지(2)는 수직 튜브 필라멘트(1)(3) 각각에 대한 하나 또는 그 이상의 접촉점을 갖는다. 크로스 브릿지(2)는 튜브 또는 로드일 수 있으며, 이에 한정되지 않지만 사각형, 직사각형, 및 원통형을 포함한 다양한 형태로 형성될 수 있다. 바람직하게, 전극으로부터 브릿지(2)까지 실질적으로 균일한 전류 통로를 형성하기 위하여, 접촉점들은 튜브 필라멘트의 상단 주위에 분포된다.
바람직하게, 브릿지의 단면적은 튜브 필라멘트의 단면적과 대략 동일해야 한다. 튜브 필라멘트들은 표면적 증가로 인해 전통적인 로드보다 더 큰 열손실을 갖기 때문에, 튜브 필라멘트가 적합한 증착 온도에 도달하기 위해서는 더 높은 전류가 필요하다. 따라서, 브릿지의 단면적이 튜브 필라멘트의 단면적보다 작을 경우, 브릿지의 과도한 가열과 그로 인한 용융이 발생할 수 있다. 브릿지의 단면적이 튜브 피랄멘트의 단면적보다 클 경우, 브릿지가 튜브 필라멘트보다 낮은 온도로 유지되기 때문에 브릿지에 증착이 거의 발생하지 않거나 아예 발생하지 않을 것이다. 헤어핀에 적절한 지지를 제공하기 위하여, 브릿지와 튜브 필라멘트의 단면적이 실질적으로 일치될 때, 브릿지와 튜브 필라멘트에 증착이 최적으로 발생한다.
도 6, 및 도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 편평한 브릿지 연결을 구비한, 본 발명의 바람직한 제3 실시예가 도시된다. 도 6에 도시된 편평한 브릿지 연결은 바람직하게 편평한 크로스 브릿지(2)를 포함하며, 바람직하게 크로스 브릿지(2)의 너비와 길이는 튜브 필라멘트들(1)(3)의 접촉점을 덮기에 충분히 크다. 도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같이, 광범위한 두께의 실리콘 수직 필라멘트들(1)(3)을 상단에 수용하기 위하여 크로스 브릿지(2)의 저면에 원형 리세스들(15)이 제공된다. 원형 리세스들(15)은 튜브 필라멘트들(1)(3)을 통해 CVD 반응 사이클 동안 전기적 연결을 위한 커다란 표면적 및 전류와 열의 향상된 분포를 제공할 수 있다. 리세스들(15)은 여기에서 원형으로 도시되지만, 다른 형상일 수 있다.
도 7a에 도시된 바와 같이, 반응 사이클 동안, 공정 가스의 도입 전에 공기가 튜브 필라멘트들(1)(3)을 빠져나오는 배출 통로를 제공하기 위하여, 하나 또는 그 이상의 구멍(14)이 바람직하게 원형 리세스들(15)의 대략 중간에 위치된다. 즉, 폭발이나 기타 안전 위험의 원인이 될 수 있는 공정 가스를 도입하기 전에 튜브 필라멘트(1)에서 공기를 제거하기 위하여, 갖힌 공기를 사이클 초기에 튜브 필라멘트(1)로부터 빠져나오게 할 수 있다. 브릿지들(2)에 구멍을 내는 것에 추가로, 흐름 전에 공기가 빠져나오고 흐름의 말기에 공정 가스가 빠져나오도록 통로를 제공하기 위하여 척(9)에도 구멍을 낼 수 있다. 브릿지(2)는 흐름의 말기에 성장될 것이므로, 온도가 매우 낮아서 그 위에 상당한 양의 증착을 갖지 않는다. 그 후, 반응기가 흐름의 말기에 질소로 퍼지/압력 스윙될 때, 척(9)을 통한 배출은 공정 가스가 빠져나갈 수 있는 통로를 제공할 것이다.
도 8, 도 9a, 및 도 9b를 참조하면, 직사각형 브릿지 연결을 구비한, 본 발명의 바람직한 제4 실시예가 도시된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 직사각형 브릿지 연결은 수직 튜브 필라멘트들(1)(3)에 비해 감소된 직경을 갖는 이중 노치형 크로스 브릿지(2)를 구현하며, 브릿지(2)는 튜브 필라멘트들(1)(3)의 상단에 안착된다. 편평한 브릿지 연결은 튜브 필라멘트들(1)(3)의 개구들의 전체 원주를 완전히 덮지 않기 때문에 물질을 덜 사용한다. 그 결과, 이 실시예는 증가된 비용 절감을 발생시킬 수 있다. 홈 또는 이중 노치(16)는 수직 튜브 필라멘트들(1)(3)을 통해 흐르는 전류에 대해 적어도 2개의 접촉점을 제공한다. 이 실시예의 크로스 브릿지(2)는 튜브 필라멘트들(1)(3)의 개구들을 완전히 덮지 않으므로, 가공이 덜 필요하고 배출 구멍이 필요하지 않다.
도 10, 도 11a, 및 도 11b을 참조하면, 직사각형 브릿지 연결을 구비한, 본 발명의 바람직한 제5 실시예가 도시된다. 노치형 크로스 브릿지(2)는 튜브 필라멘트들의 상부에 있는 구멍에 삽입되는 수직 튜브 필라멘트들(1)(3)에 비해 감소된 직경을 갖도록 제공된다. 크로스 브릿지(2)는 바람직하게 튜브 필라멘트들(1)(3)에 뚫린 상응하는 구멍에 맞는 테이퍼진 가장자리를 갖는다. 연결점에서 필라멘트 구멍에 의해 완전히 둘러싸이므로, 이 실시예는 높은 가스 흐름 하에서 증가된 안정성을 제공한다. 또한, 단순한 설계 덕분에 가공이 감소될 수 있고 물질을 덜 사용함으로써 비용 감소도 성취될 수 있다. 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 노치(17)가 크로스 브릿지(2)의 각각의 끝단에 제공된다. 연결을 형성하기 위하여, 노치들(17)은 수직 튜브 필라멘트들(1)(3)의 측벽과 결합된다. 대안적인 실시예에서, 노치형 크로스 브릿지(2)는, 튜브 필라멘트들(1)(3)의 상부의 벽에 있는 구멍 대신, 튜브 필라멘트들(1)(3)의 상면과 결합된다.
전술한 실시예들은 반드시 따로 사용되는 것은 아니며, 동일한 반응기에서 함께 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 척-필라멘트 연결인 바람직한 제1 실시예는 도 7 및 도 8a 내지 도 8c에서 설명한 바람직한 제3 실시예와 같은 브릿지-필라멘트 연결과 함께 동일한 반응기에서 사용될 수 있다. 유사하게, 상이한 척-필라멘트 연결과 상이한 브릿지-필라멘트 연결도 함께 동일한 반응기에서 사용될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예에 관하여 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 한정된 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않는 한, 설명된 시퀀스에 변화 또는 변경 또는 그에 개량이 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
Claims (25)
- 화학적 기상 증착 반응기 시스템에 있어서,
단일의 브릿지에 연결되어 있는 제1 끝단 및 반응기 내부에 위치된 상응하는 척에 연결된 제2 끝단을 각각 포함하고, 서로 비-동심원으로 구성된 제1 튜브 필라멘트와 제2 튜브 필라멘트를 구비하고;
브릿지는 제1 튜브 필라멘트와 제2 튜브 필라멘트에 각각 기계적으로 결합하기 위한 제1 접촉부와 제2 접촉부를 가지며;
제1 접촉부와 제2 접촉부는 각각의 튜브 필라멘트의 제1 끝단의 둘레에 결합되기 위한 적어도 하나의 오목한 그루브를 가진 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제1항에 있어서,
적어도 하나의 오목한 그루브는 배출 통로를 제공하기 위해 적어도 하나의 구멍을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제1항에 있어서,
제1 접촉부와 제2 접촉부는 제1 튜브 필라멘트와 제2 튜브 필라멘트의 제1 끝단들의 둘레에 완전히 겹치도록 구성된 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제1항에 있어서,
제1 접촉부와 제2 접촉부는 제1 튜브 필라멘트와 제2 튜브 필라멘트의 제1 끝단들의 둘레에 완전히 겹치지 않도록 구성된 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제1항에 있어서,
브릿지는 실리콘으로 제조된 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제1항에 있어서,
제1 튜브 필라멘트의 제2 끝단은 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결되고;
제2 튜브 필라멘트의 제2 끝단은 적어도 하나의 전극에 전기적으로 연결되고;
브릿지는 제1 튜브 필라멘트와 제2 튜브 필라멘트에 전기적으로 연결된 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제1항에 있어서,
각각의 오목한 그루브는 배출 통로를 제공하기 위해 적어도 하나의 구멍을 둘러싸는 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제1항에 있어서,
제1 튜브 필라멘트의 제2 끝단과 상응하는 척 사이에 위치에 연결된 시드를 더 구비하고;
척이 제1 튜브 필라멘트에 전기적으로 연결되도록, 척은 시드의 그루브에 상응하는 돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제8항에 있어서,
돌기는 척의 중앙에 배치되는 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제8항에 있어서,
시드는 척으로부터 분리될 수 있는 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제8항에 있어서,
시드는 제1 튜브 필라멘트의 형성 후에 척에 부착되는 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제1항에 있어서,
시드는 흑연으로 제조되는 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 제1항에 있어서,
제1 튜브 필라멘트와 제2 튜브 필라멘트의 제2 끝단들과 상응하는 척 사이에 위치된 시드들을 더 구비하고;
각각이 척이 제1 필라멘트와 제2 필라멘트에 전기적으로 연결되도록 각각의 척은 시드의 그루브에 상응하는 돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 화학적 기상 증착 반응기 시스템. - 삭제
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