KR101725603B1 - 잉곳 성장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 도가니의 상단을 넘어가는 기체의 유로를 균일하게 형성시킬 수 있는 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
본 발명은 불활성 기체가 유동되고 잉곳이 성장되는 챔버; 상기 챔버 내부에 승강 가능하게 구비되고, 실리콘 융액이 담겨지는 도가니; 상기 도가니 둘레에 구비된 히터; 상기 히터 둘레에 구비된 단열부재; 상기 단열부재 상측에 구비된 고정부재; 상기 도가니 상측에 매달리도록 상기 고정부재 상단에 고정되고, 실리콘 융액으로부터 인상되는 잉곳을 감싸도록 위치하는 냉각부재; 및 상기 도가니에 구비되고, 상기 도가니가 승강되더라도 상기 도가니 상단을 넘어가는 기체의 유로를 균일하게 형성시키는 기체 가이드;를 포함하는 잉곳 성장장치를 제공한다.

Description

잉곳 성장장치 {Ingot growth equipment}
본 발명은 도가니의 상단을 넘어가는 기체의 유로를 균일하게 형성시킬 수 있는 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조해야하고, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.
초크랄스키법에 의해 잉곳이 성장되는 과정을 살펴보면, 챔버 내측에 다결정 실리콘을 도가니에서 용융시킨 다음, 종자결정을 실리콘 융액에 담그어 서서히 회전시키는 동시에 인상시키면, 원하는 직경까지 성장한 실리콘 단결정 잉곳을 만들 수 있다.
보통, 실리콘 융액의 오염을 방지하기 위해 Si를 포함하는 석영(SiO2) 도가니를 사용하는데, 도가니가 실리콘 융액 접촉면에서는 고열에 의해 도가니로부터 산소가 용해되어 도가니벽을 타고 용액 표면으로 이동하게 되며, 이러한 산소는 99%가 실리콘 융액의 표면에서 증발된다.
이때, 실리콘 융액 표면으로부터 증발하는 산소는 SiO2, SiO 형태로써, 아르곤 등의 불활성 기체를 챔버 내부로 유입시킨 다음, 배기시키면서 함께 빠져나가도록 유도한다.
그런데, 불활성 기체와 함께 유동되는 SiO가 히터 및 단열부재에 증착되기 쉽다.
도 1은 종래의 잉곳 성장장치에서 도가니 위치별 불활성 기체의 흐름이 도시된 그래프이다.
종래의 잉곳 성장장치는 챔버(1) 상측에서 불활성 기체가 유입되면, 냉각부재(2)와 잉곳 사이를 지나고, 도가니(3)의 내벽을 따라 상단을 넘은 다음, 히터(4)와 단열부재(5) 사이를 지나서 배기구를 통하여 챔버(1) 밖으로 빠져나간다.
이때, 잉곳 성장 공정 중에 실리콘 융액이 담긴 도가니(3)가 상측으로 이동되며, 도가니(3) 상단을 넘어가는 유로가 가변됨에 따라 난류가 발생되는 것을 볼 수 있다.
상기와 같이 종래의 잉곳 성장장치는 불활성 기체가 도가니 상단을 넘어가는 위치에서 난류가 발생되면, 고온의 환경 하에서 많이 사용되는 흑연 재질의 부재에 증착된 SiO가 박리된 다음, 실리콘 융액으로 유입될 수 있으며, 이로 인하여 실리콘 융액의 결정화가 깨질 뿐 아니라 Carbon 유입으로 잉곳의 품질을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 도가니의 상단을 넘어가는 기체의 유로를 균일하게 형성시킬 수 있는 잉곳 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 불활성 기체가 유동되고 잉곳이 성장되는 챔버; 상기 챔버 내부에 승강 가능하게 구비되고, 실리콘 융액이 담겨지는 도가니; 상기 도가니 둘레에 구비된 히터; 상기 히터 둘레에 구비된 단열부재; 상기 단열부재 상측에 구비된 고정부재; 상기 도가니 상측에 매달리도록 상기 고정부재 상단에 고정되고, 실리콘 융액으로부터 인상되는 잉곳을 감싸도록 위치하는 냉각부재; 및 상기 도가니에 구비되고, 상기 도가니가 승강되더라도 상기 도가니 상단을 넘어가는 기체의 유로를 균일하게 형성시키는 기체 가이드;를 포함하는 잉곳 성장장치를 제공한다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치는 도가니 상단에 기체 가이드를 구비함으로써, 도가니가 상승되더라도 도가니를 넘어가는 기체의 유로를 균일하게 형성시킬 수 있다.
따라서, 도가니의 상단을 넘어가는 불활성 기체가 층류 흐름을 유지하고, 난류 발생을 억제할 수 있으며, 전체적으로 불활성 기체의 속도를 안정적으로 제어할 수 있다.
또한, 불활성 기체와 함께 유동되는 SiO 성분이 흑연 재질의 부재에 증착되더라도 난류 흐름을 억제하여 박리되는 것을 방지할 수 있고, SiO 와 Carbon이 실리콘 융액(Melt)으로 유입되는 것을 방지하여 잉곳 품질을 높일 수 있다.
도 1은 종래의 잉곳 성장장치에서 도가니 위치별 불활성 기체의 흐름이 도시된 그래프.
도 2는 본 발명의 잉곳 성장장치가 도시된 도면.
도 3은 본 발명의 잉곳 성장장치에 적용된 기체 가이드의 일예가 도시된 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에서 도가니가 승강됨에 따라 기체 가이드의 위치가 도시된 도면.
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 2는 본 발명의 잉곳 성장장치가 도시된 도면이고, 도 3은 본 발명의 잉곳 성장장치에 적용된 기체 가이드의 일예가 도시된 도면이다.
본 발명의 잉곳 성장장치는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 챔버(110)와, 도가니(120)와, 히터(130)와, 단열부재(140)와, 냉각부재(150)와, 고정부재(160)와, 기체 가이드(170)를 포함하도록 구성된다.
상기 챔버(110)는 잉곳을 성장시킬 뿐 아니라 인상시키는 밀폐공간을 제공하는데, 불활성 기체를 상부 일측의 유입구(미도시)에서 공급한 다음, 하부 일측의 배기구(out)로 배출시킨다.
상기 도가니(120)는 상기 챔버(110) 내측에 구비되고, 실리콘 융액이 담기더라도 순도에 영향을 미치지 않는 석영 재질의 내주부 및 그 외측에 흑연 재질의 외주부로 구성된다.
물론, 상기 도가니(120)의 하부 중심에 도가니 구동부(125)가 구비됨에 따라 상기 도가니(120)를 회전 및 승강 가능하게 구동시킬 수 있다.
상기 히터(130)는 상기 도가니(120) 둘레에 소정 간격을 두고 구비되고, 상기 도가니(120)를 가열하도록 구성된다.
상기 단열부재(140)는 상기 히터(130) 둘레에 소정 간격을 유지하도록 상기 챔버(110) 내벽에 구비되고, 상기 히터(130)에서 제공되는 열이 상기 챔버(110)를 통하여 외부로 빠져나가는 것을 방지하도록 구성된다.
상기 냉각부재(150)는 상기 도가니(120) 상측에 매달리도록 설치되고, 상기 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액으로부터 인상되는 잉곳을 감싸도록 위치하여 냉각시킬 수 있도록 구성된다.
실시예에서, 상기 냉각부재(150)는 내주부(151)와 외주부(152) 사이에 소정의 밀폐공간을 가지도록 구성되는데, 상기 내주부(151)는 하측으로 갈수록 직경이 좁아지는 반면, 상기 외주부(152)는 상하측에서 직경이 균일하게 형성된다.
또한, 상기 냉각부재(150)는 상기 내/외주부(151,152) 사이의 공간에는 별도의 냉각유체가 순환하도록 구성될 수 있으며, 한정되지 아니한다.
상기 고정부재(160)는 상기 단열부재(140) 상측 둘레에 구비되고, 상기 냉각부재(150)의 상단을 고정시킬 수 있도록 구성된다.
실시예에서, 상기 고정부재(160)는 링판 형상의 상면부(161)와, 상기 상면부(161) 내주단 하측에 구비된 원통 형상의 내주부(162)와, 상기 내주부(162)과 챔버(110) 내벽 사이의 공간에 구비된 단열부(163)로 이루어질 수 있다.
이때, 상기 고정부재(160)의 내주부(162)와 상기 냉각부재(150)의 외주부(152)는 각각 수직하게 구성됨에 따라 반경 방향으로 일정 간격을 유지하며, 그 사이로 하기에서 설명될 기체 가이드(170)가 승강될 수 있다.
상기 기체 가이드(170)는 상기 도가니(120) 상단에 구비되고, 상기 도가니(120) 상단을 넘어가는 불활성 기체의 유로를 균일하게 형성시킬 수 있다.
실시예에서, 상기 기체 가이드(170)는 상기 도가니(120)의 상단에 소정의 유로를 형성할 수 있도록 구비되는 링 형상의 캡(Cap : 171)과, 상기 캡(171) 하측에 원주 방향으로 일정 간격을 두고 구비된 세 개의 지지대(172)로 구성되며, 고온 환경 하에서도 견딜 수 있는 흑연 재질로 구성된다.
이때, 상기 캡(171)은 링 단면이 상향 볼록한 형상으로 구성되며, 상기에서 설명한 바와 같이 고정부재(160)의 내주부(162)와 상기 냉각부재(150)의 외주부(152)를 가로지르도록 설치된다.
물론, 상기 도가니(120)와 함께 기체 가이드(170)가 상하 방향으로 이동되더라도 상기 고정부재(160)의 내주부(162)와 상기 냉각부재(150)의 외주부(152)와 간섭되지 않도록 설치되고, 불활성 기체가 상기 캡(171) 상측으로 유동되는 것을 방지하여야 한다.
따라서, 상기 캡(171)의 양단이 상기 고정부재(160)의 내주부(162)와 상기 냉각부재(150)의 외주부(152)와 각각 2mm 이내의 간극을 유지하도록 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 지지대들(172)이 상기 도가니(120) 상단에 고정되면, 상기 캡(171)을 상기 고정부재(160)의 내주부(162)와 상기 냉각부재(150)의 외주부(152) 사이에 위치하게 되며, 상기 도가니(120)의 상단을 넘어가는 불활성 기체들은 상기 캡(171)의 하측을 따라 상기 지지대들(172) 사이의 공간을 통하여 유동될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에서 도가니가 승강됨에 따라 기체 가이드의 위치가 도시된 도면이다.
먼저, 상기 챔버 내부의 상측에서 불활성 기체가 공급되면,
잉곳 성장 초기 시점을 살펴보면, 도 4a와 같이 상기 도가니(120)가 상승하기 전 상태이기 때문에 상기 기체 가이드(170)가 상기 냉각부재(150)와 고정부재(160) 사이의 공간에서 상대적으로 하측에 위치한다.
따라서, 상기 챔버(110) 내부의 상측에서 불활성 기체가 공급되면, 상기 냉각부재(150)의 내주부(151)를 따라 하강하고, 상기 냉각부재(150)의 하부를 따라 잉곳(IG)과 사이의 간극과 실리콘 융액면(Melt) 사이의 간극을 지난 다음, 상기 캡(171)의 하측으로 안내되어 상기 도가니(120)의 상단을 넘어간다.
이후, 상기 도가니(120)의 상단을 넘어간 불활성 기체는 상기 도가니(120)의 외주면과 상기 히터(130) 및 단열부재(140) 사이의 공간을 따라 하강한 다음, 상기 배기구(Out)를 통하여 빠져나간다.
한편, 잉곳 성장 완료 시점을 살펴보면, 도 4b와 같이 상기 도가니(120)가 상승한 상태이기 때문에 상기 기체 가이드(170)가 상기 냉각부재(150)와 고정부재(160) 사이의 공간에서 상대적으로 상측에 위치한다.
따라서, 상기 챔버(110) 내부의 상측에서 불활성 기체가 공급되면, 상기 냉각부재(150)의 내주부(151)를 따라 하강하고, 상기 냉각부재(150)의 하부를 따라 잉곳(IG)과 사이의 간극과 실리콘 융액면(Melt) 사이의 간극을 지난 다음, 상기 냉각부재(150)의 외주부(152)와 상기 도가니(120) 내주부를 따라 상승한다.
이때, 불활성 기체가 상기 도가니(120)의 내주부 상측까지 상승하면, 상기 캡(171)의 하측으로 안내되어 상기 도가니(120)의 상단을 넘어간다.
이후, 상기 도가니(120)의 상단을 넘어간 불활성 기체는 상기 도가니(120)의 외주면과 상기 고정부재(160)의 내주부(162) 사이를 따라 하강하고, 상기 히터(130)의 내/외측과 상기 단열부재(140) 사이의 공간을 따라 하강한 다음, 상기 배기구(Out)를 통하여 빠져나간다.
상기와 같이 잉곳(IG)이 성장하는 초기부터 완료까지 상기 도가니(120)와 같이 상기 캡(171)이 상승하고, 상기 캡(171)에 의해 상기 도가니(120) 상단에 소정의 유로가 형성된다.
이때, 상기 도가니(120)의 상단을 넘어가는 불활성 기체는 상기 캡(171)에 의해 만들어진 비교적 균일한 크기의 유로를 따라 유동하게 된다.
따라서, 상기 도가니(120)의 상단을 넘어가는 불활성 기체가 층류 흐름을 유지하고, 난류 발생을 억제할 수 있으며, 전체적으로 불활성 기체의 속도를 안정적으로 제어할 수 있다.
또한, 불활성 기체와 함께 유동되는 SiO 성분이 상기 냉각부재(150)의 외주부(152)와 상기 고정부재(160)의 내주부(162) 사이로 유입되는 것을 방지할 뿐 아니라 증착되더라도 박리되는 것을 방지할 수 있으며, SiO 와 Carbon이 실리콘 융액(Melt)으로 유입되는 것을 방지하여 잉곳 품질을 높일 수 있다.
110 : 챔버 120 : 도가니
130 : 히터 140 : 단열부재
150 : 냉각부재 160 : 고정부재
170 : 기체 가이드 171 : 캡
172 : 지지대

Claims (6)

  1. 불활성 기체가 유동되고 잉곳이 성장되는 챔버;
    상기 챔버 내부에 승강 가능하게 구비되고, 실리콘 융액이 담겨지는 도가니;
    상기 도가니 둘레에 구비된 히터;
    상기 히터 둘레에 구비된 단열부재;
    상기 단열부재 상측에 구비된 고정부재;
    상기 도가니 상측에 매달리도록 상기 고정부재 상단에 고정되고, 실리콘 융액으로부터 인상되는 잉곳을 감싸도록 위치하는 냉각부재; 및
    상기 도가니에 구비되고, 상기 도가니가 승강되더라도 상기 도가니 상단을 넘어가는 기체의 유로를 균일하게 형성시키는 기체 가이드;를 포함하고,
    상기 기체 가이드는,
    상기 고정부재 내주면과 상기 냉각부재의 외주면 사이를 가로지르도록 구비된 링 형상의 캡(cap)과,
    상기 캡 하측에 구비된 복수개의 지지대로 이루어지는 잉곳 성장장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캡은 링 단면이 상향 볼록하도록 형성된 잉곳 성장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지대는 원주 방향으로 일정 간격을 두고 세 개가 구비되는 잉곳 성장장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부재의 외주면과 상기 고정부재 내주면 사이의 반경 방향 간격은 일정하게 형성되며,
    상기 캡은 상기 도가니가 승강됨에 따라 상기 냉각부재의 외주면과 상기 고정부재 내주면과 2mm 이내의 간극을 유지한 상태에서 승강하는 잉곳 성장장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기체 가이드는,
    흑연 재질로 이루어진 잉곳 성장장치.
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