KR101725690B1 - 단결정 성장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 쵸크랄스키법에 따라 챔버 내부에서 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 성장시키기 위하여 도펀트를 투입하기 위한 단결정 성장용 도핑 장치에 있어서, 상기 실리콘 융액 상측에 승강 가능하게 설치되고, 도펀트를 수용하기 위하여 상/하/측면이 막힌 동시에 기화된 도펀트가 빠져나가는 복수개의 홀이 하면에 구비된 도펀트 로딩부; 및 상기 챔버 내측에 상단 둘레 부분이 걸림되고, 상기 실리콘 융액 계면까지 하단이 연장된 원통 형상의 도펀트 가이드;를 포함하고, 상기 도펀트 로딩부가 상기 도펀트 가이드 내측을 따라 하강함에 따라 기화된 도펀트를 실리콘 융액 계면으로 가압하는 단결정 성장용 도핑 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 단결정 잉곳이 성장되는 밀폐 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버 내측에 구비되고, 실리콘 융액이 담기는 도가니; 상기 도가니 상측에 승강 가능하게 구비되고, 실리콘 융액에 담기는 시드가 하단에 체결되는 와이어; 상기 도가니 상측에 위치하도록 상기 챔버 내측에 구비되고, 단결정 잉곳을 냉각시키는 수냉관; 및 상기 와이어와 수냉관 사이에 구비되고, 상기 와이어가 하강함에 따라 기화된 도펀트를 실리콘 융액 계면으로 균일하게 가압하는 도핑 장치;를 포함하는 단결정 성장장치를 제공한다.

Description

단결정 성장장치 {Crystal grower}
본 발명은 기화된 도펀트를 실리콘 융액 계면에 가압하여 균일하게 공급하는 동시에 손실을 방지할 수 있는 단결정 성장장치에 관한 것이다.
일반적으로 쵸크랄스키법(Czochralski)에 따른 실리콘 단결정을 성장시키는 방법에서는 석영 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음, 실리콘 융액의 표면으로부터 실리콘 단결정을 성장시킨다.
반도체 소자용 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼는 적절한 비저항 값을 갖기 위하여, 실리콘 단결정 성장 공정에서 도펀트가 첨가되는데, 도펀트는 융점이 실리콘 융점보다 높은 고융점 도펀트와 실리콘의 융점보다 낮은 저융점 도펀트로 구분되며, 도펀트의 종류에 따라서 실리콘 융액에 도펀트를 첨가하는 방식이 달라진다.
대표적인 고융점 도펀트로는 붕소(B)를 들 수 있는데, 그 융점이 약 2180℃로 실리콘의 융점인 1412℃보다 높으므로 실리콘 단결정 성장 준비 단계인 다결정 실리콘을 석영도가니에 적재하는 단계에서 석영도가니 바닥에 다결정 실리콘과 함께 투입하여 용융시킴으로써 실리콘 융액에 도펀트를 첨가하는 것이 가능하다.
한편, 실리콘에 비해 낮은 융점을 갖는 저융점 도펀트로는 안티모니(Sb), 적인(Red Phosphorus), 게르마늄(Ge), 비소(As) 등을 들 수 있는데, 이러한 저융점 도펀트들은 낮은 융점으로 인하여 단결정 성장 공정 중 최초 다결정 실리콘의 용융 단계에서 다결정 실리콘이 완전히 융해되기 전에 용융, 기화된다.
이렇게 기화된 저융점 도펀트는 실리콘 성장로 내의 오염을 유발하는 실리콘 융액으로부터 증발된 실리콘 산화물을 제거하기 위하여 흘려주는 Ar 등과 같은 비활성 기체와 함께 챔버의 외부로 배출 및 제거해야 하기 때문에 목표로 하는 비저항값을 갖는 실리콘 단결정을 생산하기 위하여 저융점 도펀트가 고농도로 첨가되어야 한다.
종래에는 저융점 도펀트의 고농도 주입을 위하여 다결정 실리콘을 완전히 녹인 후에 분말상의 저융점 도펀트를 용융실리콘 표면에 뿌려서 도핑을 실시하여 왔으나, 실리콘 융액의 온도가 매우 높아서 도펀트가 완전히 실리콘 융액 내로 녹아들지 못하고 그 중 약 30%는 기화되어 불활성 기체와 함께 단결정 성장장치 외부로 배출 및 제거된다.
따라서, 실리콘 융액 상부에 구비되는 도핑 장치를 통해 실리콘 융액에 균일한 도핑을 실시함과 동시에 기화된 도펀트가 실리콘 융액에 완전히 녹아들어 원하는 비저항값을 갖는 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법이 많이 개발되고 있다.
일본등록특허 제4530483호에는 비소 도펀트를 정확하게 도핑시킬 수 있는 CZ법 단결정 인상장치를 제공하고 있는데, 도펀트가 수용된 용기의 하부 일측에 방출관이 구비되고, 용기가 원통 형상의 통체 내부에 위치하도록 구성된다.
따라서, 용기에 수용된 도펀트가 기회되면, 방출관을 통하여 배출되고, 통체 내부를 따라 실리콘 융액으로 공급된다.
그러나, 상기의 기술에 따르면, 용기 하부에 비대칭 형태로 구성된 방출관을 통하여 기회된 도펀트가 분사됨으로써, 용기의 흔들림이 발생하여 도핑의 안정성이 떨어지고, 균일한 도핑이 이루어지기 어려운 문제점이 있다.
한국등록특허 제1509343호에는 실리콘 융액에 대해 균일한 도핑 공정을 실시할 수 있는 단결정 성장을 위한 도핑 장치 및 도핑 방법을 제공하고 있는데, 도펀트가 담긴 용기의 하면 중심에 홀이 구비되고, 용기를 실리콘 융액 표면에 근접시키도록 구성된다.
따라서, 용기에 수용된 고체 도펀트가 실리콘 융액과 근접해짐에 따라 기화되고, 기화된 도펀트가 용기의 홀을 통하여 빠져나와 실리콘 융액으로 투입된다.
그러나, 상기의 기술에 따르면, 도펀트가 수용된 용기가 실리콘 융액 계면에 근접하더라도 용기의 하면과 실리콘 융액 사이의 간격이 구비됨으로써, 기화된 도펀트의 일부가 실리콘 융액으로 공급되지 못하고 손실되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 기화된 도펀트를 실리콘 융액 계면에 가압하여 균일하게 공급하는 동시에 손실을 방지할 수 있는 단결정 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 단결정 잉곳이 성장되는 밀폐 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버 내측에 구비되고, 실리콘 융액이 담기는 도가니; 상기 도가니 상측에 승강 가능하게 구비되고, 실리콘 융액에 담기는 시드가 하단에 체결되는 와이어; 상기 도가니 상측에 위치하도록 상기 챔버 내측에 구비되고, 단결정 잉곳을 냉각시키는 수냉관; 상기 와이어에 의해 승강 가능하게 설치되고, 도펀트를 수용하기 위하여 상/하/측면이 막힌 동시에 기화된 도펀트가 빠져나가는 복수개의 홀이 하면에 구비된 도펀트 로딩부; 및 상기 수냉관 내측에 상단 둘레 부분이 고정되고, 상기 실리콘 융액 계면까지 하단이 연장된 도펀트 가이드;를 포함하고, 상기 도펀트 로딩부의 외주면과 상기 도펀트 가이드의 내주면이 맞닿은 상태에서 상기 도펀트 로딩부가 상기 도펀트 가이드 내측을 따라 하강함에 따라 기화된 도펀트를 실리콘 융액 계면으로 가압하는 단결정 성장장치를 제공한다.
삭제
본 발명의 단결정 성장장치는 복수개의 홀이 하면에 구비된 도펀트 로딩부가 실리콘 융액 계면까지 연장된 도펀트 가이드 내측을 따라 하강하면, 기화된 도펀트가 도펀트 로딩부의 하면과 도펀트 가이드 사이의 공간이 줄어듦에 따라 가압되고, 최종적으로 실리콘 융액 계면으로 공급된다.
따라서, 기화된 도펀트를 실리콘 융액 계면에 균일하게 공급하고, 도펀트의 누설을 방지하여 정량적인 도핑이 가능함으로써, 목표로 하는 비저항 값을 갖는 단결정 잉곳을 정확하게 생산할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 단결정 성장장치는 와이어의 하단에 연결된 도펀트 로딩부가 수냉관에 고정되어 실리콘 융액까지 연장된 도펀트 로딩부 내측을 따라 하강한다.
따라서, 도펀트 로딩부와 도펀트 가이드를 기존 장비에 손쉽게 설치할 수 있을 뿐 아니라 안정적으로 구동시킴으로써, 도핑 공정의 안정성을 보장할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 도핑 장치가 적용된 단결정 성장장치가 도시된 측단면도.
도 2는 본 발명의 도펀트 로딩부가 도시된 사시도.
도 3은 본 발명의 도펀트 로딩부에 구비된 홀들이 도시된 도면.
도 4는 본 발명의 도펀트 가이드가 도시된 사시도.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 도핑 장치가 작동되는 상태가 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 1은 본 발명의 도핑 장치가 적용된 단결정 성장장치가 도시된 측단면도이다.
본 발명의 단결정 성장장치는 도 1에 도시된 바와 같이 밀폐 공간인 챔버(110)와, 상기 챔버(110) 내부에 실리콘 융액이 담기는 도가니(120)와, 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(130)와, 상기 챔버(110) 내주면에 구비된 단열재(140)와, 상기 도가니(120) 상측에 승강 가능하게 구비된 와이어(W)와, 상기 챔버(110) 내측에 고정된 수냉관(150)과, 상기 와이어(W)와 수냉관(150) 사이에 설치된 도핑장치(200)로 구성된다.
상기 챔버(110)는 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키기 위한 핫 존(Hot zone)을 형성하는 밀폐 공간으로써, 상기 도가니(120)와 히터(130) 및 단열재(140)가 내장된다.
상기 도가니(120)는 실리콘 융액이 담기는 용기로써, 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액을 만들게 된다. 실시예에서, 상기 도가니(120)는 석영 재질의 내주부와, 흑연 재질의 외주부로 구성된다.
물론, 상기 도가니(120)의 하측에 구동축(121) 및 이와 연결된 페데스탈(pedestal)이 구비됨에 따라 상기 도가니(120)를 회전 및 승강시킬 수 있다.
상기 히터(130)는 상기 도가니(120)를 가열하는 열원으로써, 상기 도가니(120) 둘레에 구비된다.
상기 단열재(140)는 상기 히터(130)의 열이 상기 챔버(110)의 측면을 통하여 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 상기 히터(130)를 에워 싸도록 상기 챔버(110) 내주면에 구비된다.
상기 와이어(W)는 종자 결정이 하단에 연결되고, 상기 도가니(120) 상측 중심에서 승강 가능하게 구비된다. 실시예에서, 상기 와이어(W)는 상기 챔버(110) 외부에 구비된 드럼(미도시)에 감기고, 상기 드럼이 구동됨에 따라 상기 와이어(W)가 승강될 수 있다.
상기 수냉관(150)은 실리콘 융액으로부터 성장된 단결정 잉곳을 냉각시키기 위한 것으로써, 냉각수가 유동되는 관이 원통 형상의 케이스에 내장되게 구성되며, 상기 챔버(110)의 내측 상단에 고정된다.
이때, 상기 수냉관(150)의 하단에 내주 방향으로 일부 돌출된 지지부(151)가 구비되고, 하기에서 설명될 도펀트 가이드(220)가 상기 지지부(151)에 걸림되도록 구성된다.
상기 도핑장치(200)는 일종의 압축기와 같은 형태로 구성되는데, 실시에에서 피스톤 역할을 하는 도펀트 로딩부(210)와, 실린더 역할을 하는 도펀트 가이드(220)로 구성된다. 물론, 상기 도펀트 로딩부(210)의 외주면과 상기 도펀트 가이드(220) 내주면이 서로 맞닿은 상태를 유지하며, 상기 도펀트 로딩부(210)가 이동하기 용이하도록 상기 도펀트 가이드(220) 내측에 소정 간극을 유지하도록 설치된다.
실시예에서, 상기 도펀트 로딩부(210)는 도펀트를 수용한 상태에서 상기 와이어(W)의 하단에 매달리도록 설치되고, 상기 도펀트 가이드(220)는 상기 수냉관(150)의 지지부(151)에 걸림되는 동시에 실리콘 융액 계면까지 연장도록 설치된다.
도 2는 본 발명의 도펀트 로딩부가 도시된 사시도이고, 도 3은 본 발명의 도펀트 로딩부에 구비된 홀들이 도시된 도면이다.
실시예에서, 도펀트 로딩부(210)는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 상면(211)이 막힌 원통형 측면(213,214)을 가지도록 구성되고, 복수개의 홀(215h)이 구비된 하면(215)이 별도로 조립될 수 있도록 구성된다.
상기 도펀트 로딩부(210)는 상기에서 설명한 와이어(W : 도 1에 도시)와 직접 연결될 수 있도록 상기 상면(211) 중심에는 소정 형태의 와이어 연결부(216)가 구비되며, 그 형상은 한정되지 아니한다.
상기 측면(213,214)은 상/하측면(213,214)로 분리 및 조립 가능하게 구성되는데, 별도로 고체 도펀트(D)를 투입하거나, 상기 하면(215)을 투입할 수 있도록 다른 형태로 구성되더라도 무방하다.
이때, 상기 측면(213,214)은 상측에서 하측으로 갈수록 그 직경이 미세하게 좁아지도록 구성되는데, 이는 상기 도펀트 로딩부(210)가 상기 도펀트 가이드(220 : 도 1에 도시) 내측면을 따라 하강하기 용이하도록 한다. 물론, 상기 하면(215)이 상기 측면(213,214) 내측에서 조립될 경우, 상기 하면(215)이 상기 측면(213,214)의 하단 내측에 걸림될 수 있도록 한다.
상기 하면(215)은 고체 도펀트(D)보다 직경이 작은 복수개의 홀(215h)이 균일하게 분포되는데, 실시예에서 하면(215)의 중심을 기준으로 방사형으로 균일하게 분포될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
상기와 같은 도펀트 로딩부(210)는 석영 재질로 구성되고, 상기 와이어 연결부(216)에 의해 상기 와이어(W : 도 1에 도시)에 매달리도록 설치되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 도펀트 가이드가 도시된 사시도이다.
실시예에서, 도펀트 가이드(220)는 도 4에 도시된 바와 같이 상면(221)이 막힌 원통형 측면(222)을 가지도록 구성되고, 상면(221) 중심에 상기 와이어(W : 도 1에 도시)와 와이어 연결부(216 : 도 2에 도시)와 관통될 수 있는 홀(221h)이 구비되며, 상면(221) 둘레에 외주 방향으로 돌출된 걸림부(223)가 구비된다.
물론, 상기 도펀트 가이드(220)는 상기 도펀트 로딩부(210 : 도 1에 도시)와 반경 방향으로 소정 간극을 유지하면서 상기 도펀트 로딩부(210 : 도 1에 도시)를 수용하도록 그 직경이 한정되고, 상기 수냉관(150 : 도 1에 도시)에 안착된 상태에서 그 하단이 실리콘 융액 계면까지 연장되도록 그 길이가 한정되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 도펀트 가이드(220)는 마찬가지로 석영 재질로 구성되고, 상기 걸림부(223)에 의해 상기 수냉관의 지지부(151 : 도 1에 도시)에 걸림된다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 도핑 장치가 작동되는 상태가 도시된 도면이다.
고체 도펀트(D)가 상기 도펀트 로딩부(210)에 수용되고, 상기 도펀트 로딩부(210)가 상기 와이어(W)의 하단에 연결되면, 상기 와이어(W)가 하강함에 따라 상기 도펀트 로딩부(210)가 상기 도펀트 가이드(220) 내측을 따라 하강한다.
물론, 상기 도펀트 가이드(220)는 상기 수냉관(150)의 하측에 걸림되고, 실리콘 융액 계면까지 연장된 상태로 설치된다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 도펀트 로딩부(210)가 실리콘 융액 계면과 가까워질수록 상기 도펀트 로딩부(210) 내측의 고체 도펀트(D)가 기화되고, 기화된 도펀트는 상기 도펀트 로딩부(210)의 하면에 균일하게 배열된 홀들(215h : 도 3에 도시)을 통하여 기화된 도펀트가 빠져나온 다음, 상기 도펀트 로딩부(210)와 도펀트 가이드(220) 사이의 제한된 공간으로 공급되며, 기화된 도펀트의 손실을 방지할 수 있다.
도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 도펀트 로딩부(210)와 도펀트 가이드(220) 사이의 공간이 줄어듦에 따라 기화된 도펀트가 가압되고, 상기 도펀트 로딩부(210)의 하면이 실리콘 융액 계면까지 근접하면, 기화된 도펀트를 실리콘 융액 계면으로 균일하게 공급할 수 있다.
따라서, 기화된 도펀트를 모두 실리콘 융액 계면에 균일하게 공급함으로써, 정량적인 도핑이 가능할 뿐 아니라 목표로 하는 비저항 값을 갖는 단결정 잉곳을 정확하게 생산할 수 있다.
또한, 상기 도펀트 로딩부(210)와 도펀트 가이드(220)를 기존 장비에 손쉽게 설치할 수 있을 뿐 아니라 안정적으로 구동시킴으로써, 도핑 공정의 안정성을 보장할 수 있다.
110 : 챔버 120 : 도가니
130 : 히터 140 : 단열재
150 : 수냉관 200 : 도핑장치
210 : 도펀트 로딩부 220 : 도펀트 가이드

Claims (10)

  1. 단결정 잉곳이 성장되는 밀폐 공간을 제공하는 챔버;
    상기 챔버 내측에 구비되고, 실리콘 융액이 담기는 도가니;
    상기 도가니 상측에 승강 가능하게 구비되고, 실리콘 융액에 담기는 시드가 하단에 체결되는 와이어;
    상기 도가니 상측에 위치하도록 상기 챔버 내측에 구비되고, 단결정 잉곳을 냉각시키는 수냉관;
    상기 와이어에 의해 승강 가능하게 설치되고, 도펀트를 수용하기 위하여 상/하/측면이 막힌 동시에 기화된 도펀트가 빠져나가는 복수개의 홀이 하면에 구비된 도펀트 로딩부; 및
    상기 수냉관 내측에 상단 둘레 부분이 고정되고, 상기 실리콘 융액 계면까지 하단이 연장된 도펀트 가이드;를 포함하고,
    상기 도펀트 로딩부의 외주면과 상기 도펀트 가이드의 내주면이 맞닿은 상태에서 상기 도펀트 로딩부가 상기 도펀트 가이드 내측을 따라 하강함에 따라 기화된 도펀트를 실리콘 융액 계면으로 가압하는 단결정 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도펀트 로딩부는,
    하면이 분리 가능할 뿐 아니라 측면 내부에서 유동 가능하게 장착되는 단결정 성장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도펀트 로딩부는,
    상기 홀들의 직경이 동일하고, 상기 하면에 균일하게 배열되는 단결정 성장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 도펀트 로딩부는,
    석영으로 구성되는 단결정 성장장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도펀트 로딩부는,
    도펀트의 기화 후에 실리콘 융액 계면과 접촉할 때까지 하강하는 단결정 성장장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 도펀트 가이드는,
    상기 도펀트 로딩부의 상면을 덮어주도록 상면이 일부 막힌 원통 형상이고,
    상기 도펀트 로딩부의 직경보다 소정 간극 큰 내경을 가지도록 구성되는 단결정 성장장치.
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