KR101727722B1 - 단결정 제조 장치 및 단결정의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 적어도, 원료융액을 유지하는 도가니를 수용하는 챔버와, 단결정을 인상하는 인상기구와, 상기 원료를 가열하는 승강 가능한 히터와, 상기 히터의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 구비한 단결정 제조 장치에 있어서, 상기 온도 검출 수단은, 상기 히터의 승강에 따라 승강할 수 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치이다. 이에 따라, 작업 조건(work condition)을 변경하더라도, 안정된 히터 온도 검출을 행할 수 있고, 이에 따라 히터 온도 및 히터 출력을 안정적으로 제어할 수 있어, 안정된 작업을 행할 수 있는 단결정 제조 장치나 단결정의 제조 방법이 제공된다.

Description

단결정 제조 장치 및 단결정의 제조 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING SINGLE CRYSTAL}

본 발명은, 단결정 인상시의 히터 온도를 안정적으로 검출할 수 있는 단결정 제조 장치 및 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 집적회로 등의 기판재료인 실리콘 단결정의 제조 방법 중 하나로서, 도가니 내의 원료융액으로부터 원기둥 형상의 단결정을 인상하는 쵸크랄스키법(이하, CZ법이라고도 기재함)이 이용되고 있다.

이 CZ법에서는, 예를 들어 도 4에 나타내는 바와 같은 단결정 제조 장치의 챔버(21) 내에 설치한 도가니(23)에 원료인 다결정을 충진하고, 상기 도가니(23)의 외주에 마련한 원통 형상의 히터(22)(외주부에는 단열통(25)을 배치)에 의해 원료를 가열용해한 후, 시드척(seed chuck)에 장착한 종자결정을 융액에 침지하고, 시드척 및 도가니(23)를 동일방향 또는 역방향으로 회전하면서 시드척을 인상하여 단결정을 성장시킨다.

이 CZ법에 의한 단결정의 제조시에는, 히터(22)의 온도를 제어하기 위하여, 챔버(21) 등에 고정된 방사 온도계 등의 온도계(온도 검출 수단(24))에 의해 히터 온도를 검출하고 있다(예를 들어, 특허문헌 1, 2 등 참조).

일본특허공개 H05-24967호 공보 일본특허공개 H03-137092호 공보

그런데, CZ법에 의한 단결정 제조에서는, 일반적으로 사용되고 있는 흑연 히터는, 슬릿형인 것이 채용되고 있다.

그러나, 히터는 슬릿단(端) 부근과 중앙(발열 중심) 부근에서는 전류 밀도 분포가 상이하기 때문에, 엄밀하게는 검출하는 장소에 따라 온도가 상이하다.

또한, 이 온도 검출 수단(24)은 일반적으로 챔버(21) 등에 고정되어 있으므로, 도가니(23)의 상승에 따라 히터(22)도 상승시키는 등, 작업 조건(work condition)에 따라 히터 위치가 상하로 이동한 경우, 측온부가 어긋난다는 문제가 있었다.

즉, 작업 조건의 변경에 따라 히터 위치가 바뀐 경우, 히터 온도는 동일한데도 불구하고, 측온부가 바뀜에 따라 검출되는 온도가 변해버린다는 사태가 발생한다.

그리고, 검출한 히터 온도에 기초하여 히터 출력을 변경하고 있으므로, 검출되는 히터 온도가 변하면, 이에 따라 히터 파워도 변해버린다. 따라서, 실제의 히터 온도가 소정의 제어 온도에서 벗어나거나, 히터 출력이 안정적이지 못한다는 문제가 있었다.

본 발명은, 상기 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 작업 조건을 변경하더라도, 안정된 히터 온도 검출을 행할 수 있고, 이에 따라 히터 온도 및 히터 출력을 안정적으로 제어할 수 있어, 안정된 작업을 행할 수 있는 단결정 제조 장치나 단결정의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 적어도, 원료융액을 유지하는 도가니를 수용하는 챔버와, 단결정을 인상하는 인상기구와, 상기 원료를 가열하는 승강 가능한 히터와, 상기 히터의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 구비한 단결정 제조 장치에 있어서, 상기 온도 검출 수단은, 상기 히터의 승강에 따라 승강할 수 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치를 제공한다.

이처럼, 히터의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을, 히터의 승강에 따라 승강하는 것으로 함으로써, 히터의 동일점의 온도를 검출할 수 있고, 히터 온도 검출 위치가 변함에 따라 검출 오차가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 히터 온도의 안정적인 검출이 가능해지고, 또한 히터 출력도 안정화할 수 있어, 안정된 작업을 행할 수 있는 단결정 제조 장치로 할 수 있다.

여기서, 상기 온도 검출 수단은, 적어도, 방사 온도계와, 상기 방사 온도계의 승강용 축과, 상기 축의 구동용 모터와, 상기 구동용 모터를 구동하기 위한 모터 드라이버로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 온도 검출 수단을, 이러한 것으로 함으로써, 고온이 된 히터의 온도를 안정적으로 검출할 수 있는 방사 온도계를, 히터의 승강에 따라 안정적이면서 고정밀도(高精度)로 승강시킬 수 있어, 보다 히터 온도의 안정적인 검출이 가능해지고, 히터 출력 또한 보다 안정화시킬 수 있다.

또한, 상기 단결정 제조 장치는, 상기 히터의 외주부에 배치된 단열통을 가지며, 상기 단열통 및 상기 챔버에는, 상기 히터 온도를 검출하기 위한 온도 검출용 구멍이 마련되며, 상기 온도 검출용 구멍은 긴 구멍인 것이 바람직하다.

이처럼, 히터 외주부에 배치된 단열통이나 챔버에 온도 검출용 구멍이 긴 구멍 형상으로 마련되어 있다면, 이 긴 구멍으로부터, 히터의 승강에 따라 히터 온도 검출을 행할 수 있고, 히터 온도 검출을 보다 용이하면서 안정적으로 행할 수 있으므로, 보다 안정된 작업이 가능해진다.

또한, 본 발명에서는, 쵸크랄스키법에 의해 단결정을 제조하는 방법에 있어서, 히터에 의해 용융된 인상 원료를 유지하는 도가니 내의 융액으로부터 인상기구에 의해 단결정을 인상할 때에, 히터 온도를 검출하는 온도 검출 수단을, 상기 히터의 승강에 따라 승강시키면서 상기 단결정을 인상하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법을 제공한다.

이처럼, 히터 온도를 검출하는 온도 검출 수단을, 히터의 승강에 따라 승강시키면서 단결정을 인상함에 따라, 히터 온도의 검출 위치를 히터에 대하여 일정 개소에 고정할 수 있으므로, 안정적인 히터 온도 검출이 이루어진다. 따라서, 단결정 인상 중의 히터 출력을 안정화시킬 수 있으며, 단결정 인상을 안정적으로 행할 수 있는 단결정의 제조 방법이 된다.

여기서, 상기 온도 검출 수단에 의해 검출하는 상기 히터의 높이 위치를, 상기 히터의 중앙 ±10mm의 범위 내로 하는 것이 바람직하다.

히터 중앙부 ±10mm의 범위는, 전류 밀도가 다른 개소(예를 들면 슬릿단 등)에 비해 안정적이고, 즉, 온도도 안정적이다. 따라서, 온도 검출 수단에 의해 검출하는 히터의 높이 위치를, 히터의 중앙 ±10mm의 범위로 함으로써, 히터 온도가 안정된 높이 위치의 온도를 검출하면서 단결정의 인상을 행할 수 있으므로, 보다 안정된 히터 출력 제어, 안정 작업이 가능해진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 히터의 승강에 따라 온도 검출 수단을 승강시킴으로써, 온도 검출 수단을 히터에 대하여 동일한 높이 위치로 할 수 있으므로, 온도 변동이나, 분할형 흑연 도가니에 기인한 온도 변동의 영향조차도, 더 높은 정밀도로 억제할 수 있으므로, 히터 온도 제어를 종래에 비해 대폭 안정화시킬 수 있다. 따라서, 단결정 제조시 직경 제어도 용이해지므로, 육성 결정의 유전위화의 저감, 생산성의 향상으로 이어질 수 있다. 나아가, 검출 온도가 안정됨으로써 결정 인상 속도도 안정되므로, 원하는 결정 품질을 가지는 단결정을 종래에 비해 보다 안정되게 얻을 수 있다는 효과도 나타내는 단결정 제조 장치와 단결정의 제조 방법이 제공된다.

도 1은, 본 발명의 단결정 제조 장치의 개략적인 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는, 일반적인 히터의 형상의 전극부 근방에서의 개략을 나타낸 확대도이다.
도 3은, 실시예 1, 2에서의 히터 온도 검출 위치와, 히터 출력(전력) 변동의 최대값의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는, 종래의 단결정 제조 장치의 개략의 일 예를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하나, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.

도 1에 예시한 바와 같이, 본 발명의 단결정 제조 장치(10)는, 적어도, 원료융액을 유지하는 도가니(13)를 수용하는 챔버(11)와, 단결정을 인상하는 인상기구(16)와, 원료를 가열하는 승강 가능한 히터(12)와, 히터(12)의 온도를 검출하는 온도 검출 수단(14)과, 히터(12)의 외주부에 배치된 단열통(15)을 구비한다.

그리고, 온도 검출 수단(14)은, 챔버 본체에 고정되지 않고서, 검출 위치를 변경할 수 있고, 히터(12)의 승강에 따라 승강할 수 있다. 예를 들면, 도 1에 나타내는 바와 같이, 적어도, 방사 온도계(14a)와, 방사 온도계의 승강용 축(14b)과, 축의 구동용 모터(14c)와, 구동용 모터(14c)를 구동하기 위한 모터 드라이버(14d)로 이루어진 것이다.

이 같은 경우, 방사 온도계(14a)의 히터 온도 검출 위치를, 예를 들면 미리 히터(12)의 중앙 부근이 되도록 조정해 두고, 그 위치를 기준으로, 히터축(12b)의 승강 지령과 동일한 지령을 방사 온도계의 승강용 축(14b)의 모터 드라이버(14d)로 주어, 구동용 모터(14c)에 의해 방사 온도계의 승강용 축(14b)을 승강시키고, 방사 온도계(14a)의 승강을 히터축(12b)의 승강과 연동시키도록 되어 있다.

이에 따라, 방사 온도계(14a)는 히터(12)의 동작과 연동하고, 방사 온도계(14a)는 항상 히터(12)의 중앙 부근의 온도를 검출할 수 있다.

그리고 방사 온도계(14a)에 의해 검출한 히터(12)의 온도를, 히터 온도를 조정하기 위한 온도 조정기(12d)로 피드백하고, 상기 온도 조정기(12d)는 피드백된 신호에 기초하여 히터 전원(12c)에 신호를 발신하여, 히터(12)의 출력(전력)을 조정한다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 일반적으로 사용되고 있는 슬릿(12a)이 형성된 히터에서는, 전류 밀도가 큰 히터 슬릿단(12a') 부근(영역 A) 쪽이, 온도 제어 중인 히터 전력의 변동량이 크고, 히터 중심부(영역 B)에서는 안정적이다. 이 때문에, 히터 온도의 검출 위치가 바뀌면, 실제로는 온도가 변하지 않음에도 불구하고, 검출되는 온도가 변하게 된다.

그러나, 본 발명에 따르면, 히터의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을, 히터의 승강에 따라 승강시키므로, 히터 온도의 검출 위치가 단결정의 인상 중에 바뀌는 것을 방지할 수 있어, 히터의 동일점의 온도를 계속 검출할 수 있다. 따라서, 히터 온도의 안정적인 검출이 가능해지고, 또한 히터의 검출 온도에 기초하여 제어하는 히터 출력도 안정화시킬 수 있다. 이들 효과에 의해, 단결정의 안정적인 인상을 행할 수 있고, 또한 원료융액의 상태를 안정화시킬 수 있으며, 인상한 단결정의 결정 품질도 안정화시킬 수 있는 단결정 제조 장치로 할 수 있다.

여기서, 단결정 제조 장치(10)의 각 구동부(히터축(12b), 도가니축(13a), 방사 온도계의 승강용 축(14b), 인상축 승강용 모터(16a)를 각각 구동하는 모터 드라이버)는, 제어를 행하고 있는 컴퓨터(17)로부터의 각 모터 드라이버에 대한 지령(위치·회전 속도·방향)에 따라서 구동하는 것으로 할 수 있다.

또한 각각의 모터 드라이버로부터는, 각각 구동되는 구동부의 현재의 상황(위치·회전 속도·방향)을 컴퓨터(17)로 피드백하여, 목표값이 되도록 제어를 행하고 있다.

한편, 온도 검출 수단(14)은, 도 1에 나타내는 실시형태에 한정되지 않고, 히터(12)의 승강에 따라 승강할 수 있는 것이면 되는데, 예를 들면 측온 저항체 등을 이용할 수도 있다.

또한, 온도 검출 수단(14)에 의해 검출하는 히터(12)의 온도의 검출 높이 위치는, 히터(12)의 중앙 ±10mm가 되도록 조정하는 것이 바람직하다.

그리고, 도 1에 나타내는 바와 같이, 히터(12)의 외주부에 배치된 단열통(15)과 챔버(11)에는, 히터(12)의 온도를 검출하기 위한 온도 검출용 구멍(15a 및 11a)이 마련된 것으로 하고, 이 온도 검출용 구멍(11a, 15a)의 형상은 긴 구멍으로 할 수 있다.

이처럼, 히터 외주부에 배치된 단열통이나 챔버에, 긴 구멍의 온도 검출용 구멍을 마련함으로써, 작업시의 히터 이동량을 고려할 수 있어, 방사 온도계 등의 온도계의 시야 결손을 확실하게 방지할 수 있다. 따라서, 히터의 승강에 따른 히터 온도 검출을 확실하면서 안정적으로 행할 수 있다. 따라서, 보다 안정적인 작업을 행할 수 있다.

상기와 같은, 본 발명의 단결정 제조 장치를 이용한, 본 발명의 단결정의 제조 방법의 일 예를 이하에 나타내지만, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.

상술한 단결정 제조 장치(10)에서, 도가니(13) 내의 원료융액으로부터 단결정을 인상하는데 있어서, 도가니(13) 내의 원료를 용융시키기 위해, 도가니(13)의 둘레에 배치된 히터(12)로 가열할 필요가 있다.

이 히터(12)에 의해 가열할 때, 히터(12)에 전압을 인가하여 통전시킨다. 그리고 이때, 당연 원료융액이나 도가니(13)의 온도를 간접적으로 평가하기 위하여, 방사 온도계(14a) 등의 온도 검출 수단(14)에 의해 히터(12)의 온도를 측정한다.

그리고 이 도가니(13) 내의 원료융액에 종자결정을 침지시킨 후, 원료융액으로부터 단결정이 인상되지만, 도가니(13)는 결정 성장축 방향으로 승강 가능하고, 단결정의 성장이 진행되어 감소된 원료융액의 액면 하강분을 보충하도록, 성장 중에 도가니(13)를 상승시킴으로써, 원료융액의 융액면의 높이를 항상 일정하게 유지하고 있다.

그리고 이에 따라, 히터(12)도 승강시키고 있으며, 본 발명에서는, 종래와 같이 히터(12)뿐만 아니라, 히터(12)의 온도를 검출하는 온도 검출 수단(14)도, 히터(12)의 승강에 따라 승강시키면서 단결정을 인상시킨다.

이처럼, 히터 온도를 검출하는 온도 검출 수단을, 히터의 승강에 따라 승강시키면서 단결정을 인상하면, 히터 온도의 검출 위치가 히터에 대하여 바뀌는 것을 방지할 수 있으므로, 히터의 일정 개소의 온도를 계속 검출할 수 있다.

따라서, 히터 온도의 검출이 종래에 비해 안정되고, 단결정 인상 중의 히터 출력도 안정화된다. 따라서, 검출 온도에 기초한 히터 출력의 제어도 안정화되고, 실제의 히터 온도도 안정화시킬 수 있다. 그리고, 원료융액의 대류 등도 안정화시킬 수 있고, 인상되는 단결정의 품질도 안정화시킬 수 있다.

여기서, 온도 검출 수단에 의해 히터 온도를 검출하는 히터의 높이 위치를, 히터의 중앙 ±10mm의 범위 내로 할 수 있다.

단결정의 육성 중 히터 내, 히터 슬릿단 부근(영역 A)과 히터 중앙 부근(영역 B)의 온도를 실제로 방사 온도계로 측정하여, 비교하면, 전류 밀도가 큰 히터 슬릿단 부근 쪽이 온도 제어 중인 히터 전력의 변동량이 커서(도 2, 3 참조), 온도 제어상의 불필요한 외란(外亂) 요인이 된다. 그래서, 히터 온도의 검출 위치를, 히터를 원주방향으로 보았을 때의 온도 기복이 작은 히터 중앙부 ±10mm의 범위 내로 함으로써, 항상 히터 온도가 안정된 위치의 온도를 검출하면서 단결정의 인상을 행할 수 있고, 보다 안정된 히터 출력 제어, 안정 작업이 가능해진다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

히터 온도 검출 위치와 온도 변동의 관계에 대하여, 직경 26인치(650mm) 도가니를 이용한 노(furnace)내 구조, 히터 사용 시간 400시간, 히터 전력 100kW, 도가니 회전 속도 0.1rpm의 조건으로, 도가니에 원료를 투입하지 않는 베이킹(空燒) 테스트를 통해, 방사 온도계를 히터의 상승에 맞추어 상승시켜 동일 포인트의 온도를 계속 검출하도록 하여 확인하였다.

한편, 이 온도 변동이란, 2분할로 분할된 흑연 도가니 사용시에 도가니의 연결(joint) 부근(도가니 회전주기)에서 일어나는 온도 변동을 말하는데, 이 도가니의 연결의 영향에 의해, 히터 온도의 검출 온도가 도가니의 회전에 따라, 주기적으로 변동된다. 이에 따라, 히터 온도의 검출 온도에 기초하여 제어하는 히터 출력도 도가니 회전에 따라 주기적으로 변동된다.

그 결과, 도 3의 (A)에 나타내는 바와 같이, 히터 온도 검출 위치를 중앙 부근, 슬릿단에 고정한 경우의 온도 변동(전력변동)은, 온도계의 검출 위치가 히터 중앙 부근일 때에 있는 쪽이 슬릿단 부근에 있을 때에 비해 약 50% 작았다.

마찬가지로, 히터 온도 검출 위치를 슬릿단 부근으로부터 중앙 부근이 되도록 서서히 이동시킨 경우에도 온도 변동은 중앙에 가까워짐에 따라 서서히 감소하였다.

그리고, 온도 검출 위치가 히터 중앙 ±10mm의 범위일 때가 가장 온도 변동이 작았다.

한편, 본 실시예 1에 있어서, 가장 온도 변동가 컸던 슬릿단의 위치 측정이더라도, 온도계를 고정한 종래에 비해 출력 변동은 약 90%가 되고, 중앙에서는 변동 폭이 50% 이하가 되어, 본 발명에 따라, 어떠한 히터 온도 검출 위치에서도 종래보다 히터 출력을 안정화시킬 수 있다는 것도 알 수 있었다.

(실시예2)

다음에, 실제 작업 조건에서도 같은 결과가 얻어지는지 확인하기 위하여, 직경 26인치(650mm) 도가니를 이용한 노(furnace)내 구조, 히터 사용 시간 1200시간, 히터 전력 120kW, 도가니 회전 속도 0.1rpm, 종부(種付) 전의 조건으로 테스트하였다.

이 경우에도, 도 3의 (B)에 나타내는 바와 같이, 실시예 1과 마찬가지로 히터 온도 검출 위치가 히터 중앙일 때 가장 온도 변동이 작았다. 온도계를 고정한 경우, 변동 폭은 8kw 이상이므로, 대폭 개선되는 것을 알 수 있었다.

이상의 점으로부터, 본 발명과 같이, 방사 온도계를 히터의 상승에 맞추어 상승시켜 동일 포인트의 온도를 계속 검출함으로써 히터 온도 검출을 안정화시킬 수 있다는 것을 알 수 있었다.

그리고 히터의 온도 검출 위치를 항상 중앙 ±10mm 부근으로 함으로써, 외란의 영향이 작아지고, 온도 검출은 보다 안정적이라는 것을 알 수 있었다.

한편, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시일 뿐으로, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지고, 동일한 작용효과를 나타내는 것이면 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (5)

1. 원료융액을 유지하는 도가니를 수용하는 챔버와, 단결정을 인상하는 인상기구와, 상기 원료를 가열하는 승강 가능한 히터와, 상기 히터의 온도를 검출하는 온도 검출 수단을 구비한 단결정 제조 장치에 있어서,
   상기 온도 검출 수단은, 상기 히터의 승강에 따라 승강할 수 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 온도 검출 수단은, 방사 온도계와, 상기 방사 온도계의 승강용 축과, 상기 축의 구동용 모터와, 상기 구동용 모터를 구동하기 위한 모터 드라이버로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 단결정 제조 장치는, 상기 히터의 외주부에 배치된 단열통을 가지며, 상기 단열통 및 상기 챔버에는, 상기 히터 온도를 검출하기 위한 온도 검출용 구멍이 마련되며, 상기 온도 검출용 구멍은 긴 구멍으로 하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
   
4. 쵸크랄스키법에 의해 단결정을 제조하는 방법에 있어서,
   히터에 의해 용융된 인상 원료를 유지하는 도가니 내의 융액으로부터 인상기구에 의해 단결정을 인상할 때에, 히터 온도를 검출하는 온도 검출 수단을, 상기 히터의 승강에 따라 승강시키면서 상기 단결정을 인상하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 온도 검출 수단에 의해 검출하는 상기 히터의 높이 위치를, 상기 히터의 중앙 ±10mm의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.

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