KR101892107B1

KR101892107B1 - 실리콘 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 실리콘 단결정 성장 방법

Info

Publication number: KR101892107B1
Application number: KR1020170068418A
Authority: KR
Inventors: 김지영; 최일수; 정한솔
Original assignee: 에스케이실트론 주식회사
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2017-06-01
Publication date: 2018-08-27

Abstract

본 발명은 실리콘 단결정 성장 장치에 관한 것으로, 실시예는 챔버; 상기 챔버 내에 회전 가능하게 배치되고, 실리콘 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니의 외측에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 히터; 상기 챔버 내에 배치되는 열차폐부; 상기 도가니의 상부에 배치되고 상하 이동이 가능한 보조 열차폐부; 및 상기 보조 열차폐부에 결합되어 상기 실리콘 용융액의 기포 발생을 억제하는 회전유도자; 를 포함할 수 있다.

Description

실리콘 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 실리콘 단결정 성장 방법{SILICONE SINGLE CRYSTAL GROWING APPARATUS AND SICLICONE SINGLE CRYSTAL GROWING METHOD USING THE APPARATUS}

실시예는 실리콘 용융액의 기포 발생을 억제할 수 있는 실리콘 단결정 성장 장치와 이를 이용한 실리콘 단결정 성장 방법에 관한 것이다.

일반적으로 실리콘 단결정을 제조하는 방법으로서, 플로우팅존 (FZ: Floating Zone)법 또는 초크랄스키(CZ:CZochralski)법이 많이 이용되고 있다. FZ 법을 적용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 경우, 대구경의 실리콘 웨이퍼를 제조하기 어려울 뿐만 아니라 공정 비용이 매우 비싼 문제가 있기 때문에, CZ 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 것이 일반화되어 있다.

CZ 법에 의하면, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고, 흑연 발열체를 가열하여 이를 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 시드 결정(Seed Crystal)을 침지시키고, 용융액 계면에서 결정화가 일어나도록 하여 시드 결정을 회전하면서 인상시킴으로써 단결정 실리콘 잉곳이 성장된다.

이러한 방법으로 성장하는 단결정 잉곳은 시드 결정으로부터 연결되어 가늘고 길게 목부(Neck)를 형성하는 네킹(Necking) 공정을 먼저 수행한다. 이후에는 단결정의 직경을 점차적으로 증가시켜 어깨부(Shoulder), 증가된 직경을 유지하면서 축 방향으로 성장시켜 형성하는 몸체부(Body) 및 성장하는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 용융 실리콘과 분리시키는 꼬리부(tail)를 순차적으로 형성한다.

그런데 단결정 잉곳의 성장 과정에서 도가니 내부의 용융액에 기포가 발생하면 에어 포켓(Air Pocket) 결함이 단결정 잉곳에 포함되어 품질에 악영향을 미치게 된다.

실시예는 도가니 내부의 실리콘 용융액에 발생하는 기포를 제거하여 단결정 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 성장 장치 및 성장 방법을 제공하고자 한다.

실시예는 챔버; 상기 챔버 내에 회전 가능하게 배치되고, 실리콘 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니의 외측에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 히터; 상기 챔버 내에 배치되는 열차폐부; 상기 도가니의 상부에 배치되고 상하 이동이 가능한 보조 열차폐부; 및 상기 보조 열차폐부에 결합되어 상기 실리콘 용융액의 기포 발생을 억제하는 회전유도자; 를 포함하는, 실리콘 단결정 성장 장치를 제공한다.

상기 보조 열차폐부는 차폐몸체; 및 상기 차폐몸체의 중심영역에 형성되는 관통공;을 포함하여, 상기 회전유도자는 상기 차폐몸체의 하부에 결합될 수 있다.

상기 회전유도자는 상기 차폐몸체에 결합되는 수평부재; 상기 수평부재에서 연장되는 수직부재; 및 상기 수직부재에 경사지게 연장되는 경사부재;를 포함할 수 있다.

상기 경사부재는 외측방향을 향하도록 경사질 수 있다.

상기 수직부재와 상기 경사부재가 이루는 경사각은 140° 내지 155 °일 수 있다.

상기 수평부재에는 상기 차폐몸체와 상기 회전유도자의 착탈결합을 위한 결합공이 형성될 수 있다.

상기 회전유도자는 한 쌍으로 마련되어 상기 보조 열차폐부의 상기 관통공을 중심으로 대칭되게 배치될 수 있다.

상기 회전유도자는 합성 석영 유리(Fused Silica Glass) 재질을 포함할 수 있다.

상기 회전유도자는 상기 실리콘 용융액에 안정적으로 침강되도록 일정한 무게를 가질 수 있다.

상기 보조 열차폐부는 네킹(Necking) 공정 이전에 하강하여 상기 회전유도자를 상기 실리콘 용융액에 침강시킬 수 있다.

상기 회전유도자가 용융액에 침강된 이후에는 상기 도가니의 회전/반전 공정을 주기적으로 실시할 수 있다.

상기 회전/반전 공정은 상기 도가니를 3분간 8 RPM의 속도로 정회전시키는 단계; 상기 도가니를 3분간 8 RPM의 속도로 역회전시키는 단계; 및 상기 도가니를 2분간 정지시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 회전/반전 공정은 3회 이상의 주기로 수행할 수 있다.

상기 회전유도자를 상기 도가니 내부에서 회전/반전시키는 회전부재를 더 포함할 수 있다.

한편, 실시예는 도가니를 가열하여 실리콘 용융액을 생성하는 단계; 보조 열차폐부를 하강시켜 회전유도자가 상기 도가니의 실리콘 용융액에 침강되는 단계; 상기 도가니의 회전/반전 공정을 실시하는 단계; 상기 도가니 내부로 시드 척을 하강시켜 상기 실리콘 용융액에 상기 시드 척을 침지하는 단계; 및 상기 시드 척을 상승시켜 실리콘 단결정 네킹(Necking)을 형성하는 단계; 를 포함할 수 있다.

상기 회전/반전 공정은 3회 이상의 주기로 수행할 수 있다.

상기 도가니의 회전/반전 공정을 수행하는 동안 상기 회전유도자를 반복 승하강시키는 승하강 공정을 더 수행할 수 있다.

상기 승하강 공정시, 상기 회전유도자는 상기 도가니의 바닥면에서 표면까지 승하강이 이루어질 수 있다.

상기 도가니의 회전/반전 공정을 수행하는 동안 상기 회전유도자를 회전시키는 공정을 더 수행할 수 있다.

상기 회전유도자의 회전은 상기 도가니의 회전 방향과 반대방향으로 이루어질 수 있다.

상기 네킹을 형성하는 단계 이후에는 상기 보조 열차폐부를 상승시켜 상기 회전유도자를 상기 실리콘 용융액으로부터 이격시키는 단계를 수행할 수 있다.

한편, 도가니를 가열하여 실리콘 용융액을 생성하는 단계; 보조 열차폐부를 하강시켜 회전유도자가 상기 도가니의 실리콘 용융액에 침강되는 단계; 상기 도가니의 회전/반전 공정을 실시하는 단계; 상기 회전유도자를 상기 도가니 내에서 반복 승하강시키는 단계; 및 상기 회전유도자를 회전시키는 단계;를 포함하는, 실리콘 단결정 성장방법을 제공한다.

상기 회전유도자는 상기 도가니의 바닥면에서 표면까지 승하강이 이루어질 수 있다.

실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치 및 성장 방법은 보조 열차폐부에 장착된 회전유도자를 이용하여 대류에 의한 실리콘 용융액의 전단력을 증가시킴으로써 기포 발생을 억제하여 단결정 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치의 단면도이다.
도 2 및 도 3은 보조 열차폐부의 실시예들을 나타낸 도면이다.
도 4는 실시예에 따른 회전 유도자의 사시도이다.
도 5는 도 1의 보조 열차폐부와 회전유도자 영역을 확대한 도면이다.
도 6 및 도 7은 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치에서 회전유도자의 동작을 보여주는 도면들이다.
도 8은 회전유도자의 유무에 따른 에어포켓 불량율을 보여주는 실험 결과표이다.
도 9는 다른 실시예로서 회전유도자의 동작에 따른 실리콘 단결정 성장 방법을 보여주는 도면이다.

이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다.

본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

도 1은 실리콘 단결정 성장 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 실시예의 실리콘 단결정 성장 장치(1)는 챔버(10), 실리콘 용융액(SM, Silicon Melt)을 수용하는 도가니(30), 도가니(30)의 외측에 배치되는 히터(20) 및 열차폐부(40)를 포함할 수 있다.

챔버(10)는 내부에 캐비티(cavity)가 형성된 원통 형상일 수 있고, 챔버(10)의 상부에는 풀(Pull) 챔버(미도시)가 연결되어 배치될 수 있다.

챔버(10) 내에는 실리콘 용융액(SM)을 수용하는 도가니(30)가 배치될 수 있다. 도가니(30)는 챔버(10) 내의 중앙 영역에 배치될 수 있으며, 전체적으로 오목한 그릇의 형상일 수 있다. 또한, 도가니(30)는, 실리콘 용융액(SM)과 직접 접촉되는 석영 도가니와, 석영 도가니의 외면을 둘러싸면서 석영 도가니를 지지하는 흑연 도가니로 이루어질 수 있다.

도가니(30)의 측면에는 도가니(30)를 향하여 열을 공급하기 위한 히터(20)가 배치될 수 있다. 히터(20)는 도가니(30)의 외주면과 소정 간격 이격되어 도가니(30)의 외측에 배치될 수 있으며, 도가니(30)의 측부를 에워싸도록 원통형으로 배치될 수 있다. 또한, 챔버(10)의 상부에는 성장된 단결정(50)의 냉각을 위한 수냉관(60)이 더 포함될 수 있다.

단결정 성장 장치(1)의 챔버(10) 내에는 히터(20)로 가열된 도가니(30)의 열을 보존하기 위하여 열차폐부(40)가 배치될 수 있다. 열차폐부(40)는 히터(20)와 챔버(10) 사이에 포함될 수 있으며, 도가니(30)의 상부에 배치되는 상측 열차폐부와 도가니(30)의 측면에 배치되는 측면 열차폐부 및 도가니(30)의 하측에 배치되는 하측 열차폐부를 포함할 수 있으나 열차폐부(40)의 배치는 이에 한정되는 것은 아니다.

열차폐부(40)는 히터(20) 및 도가니(30)에서 최적의 열적 분포를 내고 그 에너지를 최대한 손실 없이 활용 가능하도록 하는 재질과 형상으로 설계될 수 있다.

단결정 성장 장치의 챔버(10) 내에는 보조 열차폐부(70)가 더 설치될 수 있다. 보조 열차폐부(70)는 도가니(30)의 상부에 배치될 수 있으며, 상하 이동이 가능할 수 있다.

도 2 및 도 3은 보조 열차폐부의 일 실시예에 대한 도면이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 보조 열차폐부(70A, 70B)는 차폐몸체(70A-1, 70B-1)와, 관통공(70A-2, 70B-2)을 가질 수 있다. 관통공(70A-2, 70B-2)은 시드 척(90, Seed Chuck)을 감싸면서 시트 척(90)이 승하강되도록 하기 위하여 차폐몸체(70A-1, 70B-1)의 상부면과 하부면을 관통하여 형성될 수 있다.

예를 들어 보조 열차폐부(70A, 70B)는 도 2와 같은 중심에 관통공(70A-2)이 형성된 디스크 형상의 차폐몸체(70A-1) 또는 도 3과 같은 중심에 관통공(70B-2)이 형성된 원뿔대 형상의 차폐몸체(70B-1)일 수 있다. 보조 열차폐부(70)의 형상은 상술한 형태에 한정되지 않고 변형실시 가능하다. 보조 열차폐부(70A, 70B)는 그라파이트(Graphite) 또는 CCM(Carbon Composite Material) 재질을 포함할 수 있다.

보조 열차폐부(70A, 70B)의 하부면은 후술할 회전유도자(80)가 결합되도록 편평(Flat)하게 형성될 수 있다.

보조 열차폐부(70A, 70B)의 상부에는 와이어(wire)가 부착되어 상하 이동이 가능하도록 조절될 수 있다. 이때, 와이어는 인상 장치(미도시)와 연결된 제1 와이어(72)일 수 있다.

인상 장치는 도 1에 도시된 바와 같이 보조 열차폐부(70)를 도가니(30)의 상부 방향으로 상승시키도록 보조 열차폐부(70)의 상부면을 연결하는 제1 와이어(72)와, 실리콘 단결정(50)을 상승시키도록 시드 척(90)과 연결된 제2 와이어(75)를 포함할 수 있다.

보조 열차폐부(70)와 연결된 제1 와이어(72)는 도면상으로 두 개만 도시되었으나, 실시예는 이에 한정하지 않으며 세 개 이상의 와이어가 보조 열차폐부(70)와 연결되어 보조 열차폐부(70)의 이동을 조절할 수 있다.

한편, 보조 열차폐부(70)에는 회전유도자(80)가 결합될 수 있다.

회전유도자(80)는 도가니(30) 내부의 실리콘 용융액(SM)에 침강되면서 실리콘 용융액(SM)의 기포 발생을 억제할 수 있다. 회전유도자(80)는 상술한 보조 열차폐부(70)의 차폐몸체(70-1) 하부에 착탈 결합될 수 있다.

도 4는 실시예에 따른 회전 유도자의 사시도이고, 도 5는 도 1의 보조 열차폐부와 회전유도자 영역을 확대한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이 회전유도자(80)는 수평부재(81), 수직부재(82), 경사부재(83)를 포함할 수 있다.

수평부재(81)는 편평하게 이루어지는 차폐몸체(70-1)의 하부에 결합되도록 수평방향으로 편평하게 이루어질 수 있다. 수평부재(81)에는 차폐몸체(70-1)와 회전유도자(80)의 착탈 결합을 위해 결합공(81a)이 형성될 수 있다. 결합공(81a)에는 체결볼트 등이 삽입되면서 회전유도자(80)는 보조 열차폐부(70)의 하부에 착탈결합될 수 있다. 즉, 회전유도자(80)는 탈부착 및 교체가 쉽게 구성될 수 있다.

수직부재(82)는 수평부재(81)에서 수직방향으로 연장될 수 있다. 수직부재(82)는 수직방향으로 편평하게 이루어질 수 있으며 실리콘 용융액(SM)에 침강될 수 있도록 일정한 길이를 가질 수 있다.

경사부재(83)는 수직부재(82)에 경사지게 연장될 수 있다. 예를 들어 경사부재(83)는 수직부재(82)의 외측 방향, 즉, 보조 열차폐부(70)의 관통공(70-2) 외측방향을 향하도록 아래로 경사질 수 있다.

여기서 수직부재(82)와 경사부재(83)가 이루는 경사각은 140° 내지 155°의 범위를 가질 수 있다. 이러한 경사각은 실리콘 용융액(SM)에 대한 기포 발생을 억제할 수 있는 실험결과로 얻어질 수 있다.

실험적으로 수직부재(82)와 경사부재(83)가 이루는 각도가 140° 미만이면 도가니(30)와 회전유도자(80) 사이의 실리콘 용융액(SM) 유량이 줄어들고, 155° 이상인 경우에는 도가니(30)와 회전유도자(80) 사이의 실리콘 용융액(SM) 유량이 에어포켓을 제거하기 위한 전단응력이 전달되기에 충분하지 않게 된다.

따라서 수직부재(82)와 경사부재(83)가 이루는 경사각은 140° 내지 155°의 범위를 갖는 것이 바람직하다.

회전유도자(80)는 한 쌍으로 마련되며 보조 열차폐부(70)의 관통공(70A-2, 70B-2)을 중심으로 대칭되게 배치될 수 있다. 회전유도자(80)들이 대칭구조를 가짐으로써 실리콘 용융액(SM)에 침강된 회전유도자(80)는 균형을 유지하면서 기포 제거를 수행할 수 있다.

회전유도자(80)는 한 쌍이 아니고 3개, 4개 이상의 개수를 가질 수 있다. 다수의 회전유도자(80)들은 균형을 유지할 수 있도록 서로 등간격을 이루면서 보조 열차폐부(70)에 착탈 결합될 수 있다.

회전유도자(80)는 실리콘 용융액(SM)에 안정적으로 침강되도록 일정한 무게를 가질 수 있다. 따라서 회전유도자(80)는 보조 열차폐부(70)의 하부에 안정적으로 고정되며, 도가니(30)의 회전에 따라 유동하는 실리콘 용융액(SM)에서 발생하는 기포를 안정적으로 제거할 수 있다. 또한, 도가니(30) 상부에서 투입되는 불활성가스에 의해 보조 열차폐부(70)가 흔들리지 않고 안정적인 위치를 유지하게 해준다.

회전유도자(80)는 합성 석영 유리(Fused Silica Glass) 재질을 포함할 수 있다. 합성 석영 유리는 불순물 없이 순수한 규산(SiO₂)만으로 이루어진 유리로서, 형태를 가공하기 쉬우며 내구성도 뛰어나고 불순물이 없는 등 여러 가지 장점을 갖는다. 따라서 합성 석영 유리 재질을 갖는 회전유도자(80)는 실리콘 용융액(SM)에 침강되더라도 내부 오염을 일으키지 않고 기포 제거를 수행할 수 있다.

도 5를 참조하면, 보조 열차폐부(70)는 성장하는 실리콘 단결정(50)의 상부에서 실리콘 단결정(50)과 함께 상승할 수 있다. 예를 들어 보조 열차폐부(70)는 성장하는 단결정(50)의 어깨부(S)와 몸체부(B)의 경계로부터 일정 간격(d)을 유지하여 상승할 수 있다. 즉, 보조 열차폐부(70)는 몸체부(B)의 시작점인 잉곳의 어깨부(S)와 몸체부(B)의 경계로부터의 간격(d)이 150mm 내지 300mm 로 유지되도록 속도가 제어될 수 있다. 이처럼 보조 열차폐부(70)의 상승 속도는 성장하는 단결정(50)의 인상 속도(Pulling speed)와 동일할 수 있으며 필요에 따라 다른 속도를 가질 수 있다.

즉, 단결정 성장 공정에서 어깨부(S)와 몸체부(B) 초반에서는 보조 열차폐부(70)와 단결정(50)의 인상 속도를 동일하게 하고 보조 열차폐부(70)가 몸체부(50)와 일정 간격이 유지되도록 하여 성장하는 단결정(50) 몸체부(B)에서의 냉각 속도를 조절함으로써 몸체부(B) 초반에 형성되는 결정에서 무결함 영역을 증가시킬 수 있다.

이처럼 보조 열차폐부(70)를 실리콘 용융액(SM)의 상부에 배치하여 단결정(50)과 일정 간격을 유지하도록 하여 단결정 성장 공정을 진행하게 되면, 보조 열차폐부(70)가 도가니(30)에 수용된 실리콘 융액(SM)의 상부로 손실되는 열을 차폐하여 단결정 성장이 진행되는 동안 어깨부(S)와 몸체부(B) 초반에서의 급속한 냉각을 방지할 수 있어 이로 인하여 발생할 수 있는 결정 결함 영역을 줄일 수 있는 효과를 가질 수 있다.

한편, 시드 척(90)이 최초로 단결정(50) 성장면에 접촉(침지)되면 결정면이 급격하게 결정화가 일어나는데, 결정화되는 단결정(50)의 지름을 제어하기 위해 도가니(30)를 회전시키는 도가니 회전(Crucible Rotation) 공정을 수행하면서 서서히 단결정(50) 성장봉을 끌어올리게 된다.

도 6 및 도 7은 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치에서 회전유도자의 동작을 보여주는 도면들이다.

도 6에 도시된 바와 같이 도가니(30)의 내부에서 용융된 고온의 실리콘 용융액(SM)에는 일정한 흐름이 생기면서 도가니(30) 내표면에는 기포(3)가 발생하여 성장하는 단결정(50)에 부착될 수 있다. 상술한 회전유도자(80)는 단결정(50) 성장시 도가니(30)의 내부에서 발생하는 기포를 제거함으로써 단결정(50)에 에어포켓이 발생하지 않도록 할 수 있다.

보다 상세하게 기포 제거 동작은 도 7에 도시된 바와 같이 단결정 성장 단계 중 네킹(Necking) 공정 이전{시드척(90)의 침지 단계 이전}에 보조 열차폐부(70)를 하강시켜 회전유도자(80)를 실리콘 용융액(SM)에 침강시켜 수행할 수 있다.

즉, 도가니(30)를 가열하여 실리콘 용융액(SM)이 생성되면, 먼저 회전유도자(80)가 실리콘 용융액(SM)에 침강되면서 도가니(30)의 회전/반전 공정을 주기적으로 실시할 수 있다.

도가니(30)를 회전시키면 도가니(30) 내부의 실리콘 용융액(SM)은 일정한 흐름과 함께 기포(3)가 발생하게 되고, 실리콘 용융액(SM)에 침강된 회전유도자(80)는 기포(3)와 접촉하면서 기포(3)를 제거하게 된다.

도가니(30)의 회전 방향을 반전시키면, 실리콘 용융액(SM)의 흐름과 반대되는 흐름이 발생하여 실리콘 용융액(SM)의 계면에서 전단력이 발생하여 전단력에 의해 도가니(30)의 내표면에 발생한 기포(3)가 제거될 수 있으며, 제거되지 않고 남아 있는 기포(3)는 회전유도자(80)와 접촉되면서 제거될 수 있다.

이처럼 회전유도자(80)를 실리콘 용융액(SM)에 침강한 상태에서 도가니(30)의 회전/반전 공정을 주기적으로 수행하면 실리콘 용융액(SM)의 기포(3) 발생을 억제시킬 수 있으며 기포(3)가 발생하더라도 즉시에 제거할 수 있다.

예를 들어 상술한 도가니(30)의 회전/반전 공정은 도가니(30)를 3분간 8 RPM의 속도로 정회전 시키는 단계와, 도가니(30)를 3분간 8 RPM의 속도로 역회전시키는 단계와, 도가니(30)를 2분간 정지시키는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상술한 회전/반전 공정은 3회 이상의 주기로 수행하여 그 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.

도 8은 회전유도자의 유무에 따른 에어포켓 불량율을 보여주는 실험 결과표이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 회전유도자(80)가 없는 경우와, 보조 열차폐부(70)에 장착된 회전유도자(80)를 실리콘 용융액(SM)에 침강한 경우에 대하여 도가니(30)의 회전/반전을 수행하는 실험을 수행하였다.

그 결과 회전유도자(80)가 있는 경우에 도가니(30)를 회전시켰을 때, 회전유도자(80)가 없는 경우보다 에어포켓 불량율이 절반 이하로 그 수치가 떨어지는 것을 알 수 있다.

나아가 회전유도자(80)가 있는 경우에 도가니(30)를 반전시키면, 에어포켓 불량율이 급격하게 떨어지고 반전주기가 3회가 되면 에어포켓 불량율은 0에 가까운 수치로 현저하게 감소하는 것을 알 수 있다.

이와 같이 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치는 보조 열차폐부에 장착된 회전유도자를 이용하여 대류에 의한 실리콘 용융액의 전단력을 증가시키고 회전/반전 공정을 수행함으로써 기포 발생을 억제하여 단결정 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 실리콘 단결정 성장장치를 이용하여 실리콘 단결정을 성장하는 방법을 약술하면 다음과 같다.

먼저, 도가니(30)를 가열하여 실리콘 용융액(SM)을 생성하는 단계가 수행된다. 이어서 보조 열차폐부(70)를 하강시켜 회전유도자(80)가 도가니(30)의 실리콘 용융액(SM)에 침강되는 단계가 수행된다.

이어서 도가니(30)의 회전/반전 공정을 실시한다. 회전/반전 공정은 도가니(30)를 3분간 8 RPM의 속도로 정회전시키는 단계와, 도가니(30)를 3분간 8 RPM의 속도로 역회전시키는 단계와, 도가니(30)를 2분간 정지시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서 기포 발생을 0에 가깝게 억제할 수 있도록 회전/반전 공정은 3회 이상의 주기로 수행할 수 있다.

다음으로 도가니(30) 내부로 시드 척(90)을 하강시켜 실리콘 용융액(SM)에 시드 척(90)을 침지하는 단계가 수행된다. 침지 단계 이후에는 시드 척(90)을 상승시켜 실리콘 단결정(50)의 네킹(Necking)을 형성하는 단계가 수행된다.

네킹을 형성하는 단계 이후에는 보조 열차폐부(70)를 상승시켜 회전유도자(80)가 실리콘 용융액(SM)으로부터 이격되는 단계를 수행하며, 실리콘 단결정(50)이 점점 성장되면서 보조 열차폐부(70)와 회전유도자(80)도 점점 상승되어 실리콘 단결정(50)의 성장에 방해가 되지 않도록 할 수 있다.

이와 같이 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치 및 성장 방법은 보조 열차폐부에 장착된 회전유도자를 이용하여 대류에 의한 실리콘 용융액의 전단력을 증가시킴으로써 기포 발생을 억제하여 단결정 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 9는 다른 실시예로서 회전유도자의 동작에 따른 실리콘 단결정 성장 방법을 보여주는 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이 회전유도자(80)는 도가니(30)의 내부에서 회전가능하게 동작할 수 있다. 이를 위해 실리콘 단결정 성장장치는 회전유도자(80)가 장착된 보조 열차폐부(70)를 회전/반전시킬 수 있는 회전부재(미도시)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 회전부재는 보조 열차폐부(70)가 연결된 와이어의 최상단에 회전이 가능한 장치를 별도로 장착하는 형태로 실시할 수 있다.

도가니(30)가 회전/반전 공정을 통해 회전되는 동안, 회전부재는 실리콘 용융액(SM)에 침강된 회전유도자(80)를 도가니(30)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시킬 수 있다.

그리고 회전유도자(80)는 도가니(30)의 바닥면에서 표면까지 승하강이 이루어질 수 있다. 예를 들어 회전유도자(80)의 승하강 높이는 인상수단의 와이어에 의해 보조 열차폐부(70)를 승하강시킴으로써 조절될 수 있다.

이처럼 보조 열차폐부(70)를 위 아래로 움직이면서 도가니(30)를 회전/반전시키게 되면, 도가니(30) 벽에 붙어있는 기포(3)의 높이에 구애받지 않고 골고루 제거할 수 있을 것이다.

이와 같이 회전유도자(80)가 기포(3) 제거를 수행할 동안, 전술한 방법들에 부가하여 도가니(30) 내부에서 승하강 동작과 회전/반전 동작을 함께 수행하면 더 큰 전단 응력을 발생시켜 기포 제거 효율이 높아질 것이다.

본 실시예에서는 전술한 방법과 같이, 먼저 도가니(30)를 가열하여 실리콘 용융액(SM)을 생성하는 단계와, 보조 열차폐부(70)를 하강시켜 회전유도자(80)가 도가니(30)의 실리콘 용융액(SM)에 침강되는 단계가 차례로 수행된다.

이어서 도가니(30)의 회전/반전 공정을 실시한다. 예를 들어 회전/반전 공정은 도가니(30)를 3분간 8 RPM의 속도로 정회전시키는 단계와, 도가니(30)를 3분간 8 RPM의 속도로 역회전시키는 단계와, 도가니(30)를 2분간 정지시키는 단계를 포함할 수 있다. 여기서 기포 발생을 0에 가깝게 억제할 수 있도록 회전/반전 공정은 3회 이상의 주기로 수행할 수 있다.

다음으로 회전유도자(80)를 도가니(30) 내에서 반복 승하강시키는 단계가 수행될 수 있다. 여기서 회전유도자는 도가니(30)의 바닥면에서 표면까지 승하강이 반복적으로 이루어지면서 도가니(30) 내의 여러 높이에 위치한 기포(3)를 제거하게 된다.

이어서 회전유도자(80)를 회전시키는 단계를 수행할 수 있다. 회전유도자(80)의 회전은 도가니의 회전 방향과 반대 방향으로 이루어질 수 있다. 그리고 회전유도자(80)의 승하강과 회전 동작은 전술한 순서에 의할 수도 있고, 순서를 바꾸거나 동시에 수행할 수도 있을 것이다.

이처럼 기포(3) 제거가 완료되면 도가니(30) 내부로 시드 척(90)을 하강시켜 실리콘 용융액(SM)에 시드 척(90)을 침지하고, 시드 척(90)을 상승시켜 실리콘 단결정(50)의 네킹(Necking)을 형성하는 단계가 수행된다.

이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 단결정 성장장치 10 : 챔버
20 : 히터 30 : 도가니
40 : 열차폐부 50 : 단결정
60 : 수냉관 70, 70A, 70B : 보조 열차폐부
70A-1, 70B-1 : 차폐몸체 70A-2, 70B-2 : 관통공
72 : 제1 와이어 75 : 제2 와이어
80 : 회전유도자 81 : 수평부재
82 : 수직부재 83 : 경사부재
90 : 시드척

Claims

챔버;
상기 챔버 내에 회전 가능하게 배치되고, 실리콘 용융액을 수용하는 도가니;
상기 도가니의 외측에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 히터;
상기 챔버 내에 배치되는 열차폐부;
차폐몸체와 상기 차폐몸체의 중심영역에 형성되는 관통공을 가지며, 상기 도가니의 상부에 배치되고 상하 이동이 가능한 보조 열차폐부; 및
상기 차폐몸체에 결합되는 수평부재와, 상기 수평부재에서 연장되는 수직부재와, 외측방향을 향하도록 상기 수직부재에 경사지게 연장되는 경사부재를 가지며, 상기 보조 열차폐부의 상기 차폐몸체의 하부에 결합되어 상기 실리콘 용융액의 기포 발생을 억제하는 회전유도자; 를 포함하며,
상기 회전유도자는 한 쌍으로 마련되어 상기 보조 열차폐부의 상기 관통공을 중심으로 대칭되게 배치되며,
상기 수직부재와 상기 경사부재가 상기 실리콘 용융액에 침강되면서 기포 발생을 억제하는, 실리콘 단결정 성장 장치.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 수직부재와 상기 경사부재가 이루는 경사각은 140° 내지 155 °인, 실리콘 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 수평부재에는 상기 차폐몸체와 상기 회전유도자의 착탈결합을 위한 결합공이 형성된, 실리콘 단결정 성장장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 회전유도자는 합성 석영 유리(Fused Silica Glass) 재질을 포함하는, 실리콘 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 회전유도자는 상기 실리콘 용융액에 안정적으로 침강되도록 일정한 무게를 갖는 실리콘 단결정 성장장치.
제9항에 있어서,
상기 보조 열차폐부는 네킹(Necking) 공정 이전에 하강하여 상기 회전유도자를 상기 실리콘 용융액에 침강시키는, 실리콘 단결정 성장장치.
제10항에 있어서,
상기 회전유도자가 용융액에 침강된 이후에는 상기 도가니의 회전/반전 공정을 주기적으로 실시하는, 실리콘 단결정 성장장치.
제11항에 있어서,
상기 회전/반전 공정은
상기 도가니를 3분간 8 RPM의 속도로 정회전시키는 단계;
상기 도가니를 3분간 8 RPM의 속도로 역회전시키는 단계; 및
상기 도가니를 2분간 정지시키는 단계를 포함하는, 실리콘 단결정 성장장치.
제12항에 있어서,
상기 회전/반전 공정은 3회 이상의 주기로 수행하는, 실리콘 단결정 성장장치.
제1항, 제5항, 제6항, 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전유도자를 상기 도가니 내부에서 회전/반전시키는 회전부재를 더 포함하는, 실리콘 단결정 성장장치.
도가니를 가열하여 실리콘 용융액을 생성하는 단계;
차폐몸체와 상기 차폐몸체의 중심영역에 형성되는 관통공을 가지며 상기 도가니의 상부에 배치되는 보조 열차폐부를 하강시켜, 상기 차폐몸체에 결합되는 수평부재와 상기 수평부재에서 연장되는 수직부재와 외측방향을 향하도록 상기 수직부재에 경사지게 연장되는 경사부재를 포함하며 상기 보조 열차폐부의 상기 관통공을 중심으로 대칭되게 한 쌍으로 배치되는 회전유도자가 상기 도가니의 실리콘 용융액에 침강되는 단계;
상기 회전유도자의 상기 수직부재와 상기 경사부재가 상기 실리콘 용융액에 침강되면 상기 도가니의 회전/반전 공정을 실시하는 단계;
상기 도가니 내부로 시드 척을 하강시켜 상기 실리콘 용융액에 상기 시드 척을 침지하는 단계; 및
상기 시드 척을 상승시켜 실리콘 단결정 네킹(Necking)을 형성하는 단계; 를 포함하는, 실리콘 단결정 성장방법.
제15항에 있어서,
상기 회전/반전 공정은
상기 도가니를 3분간 8 RPM의 속도로 정회전시키는 단계;
상기 도가니를 3분간 8 RPM의 속도로 역회전시키는 단계; 및
상기 도가니를 2분간 정지시키는 단계를 포함하는, 실리콘 단결정 성장방법.
제16항에 있어서,
상기 회전/반전 공정은 3회 이상의 주기로 수행하는, 실리콘 단결정 성장방법.
제17항에 있어서,
상기 도가니의 회전/반전 공정을 수행하는 동안 상기 회전유도자를 반복 승하강시키는 승하강 공정을 더 수행하는 실리콘 단결정 성장방법.
제18항에 있어서,
상기 승하강 공정시, 상기 회전유도자는 상기 도가니의 바닥면에서 표면까지 승하강이 이루어지는, 실리콘 단결정 성장방법.
제19항에 있어서,
상기 도가니의 회전/반전 공정을 수행하는 동안 상기 회전유도자를 회전시키는 공정을 더 수행하는 실리콘 단결정 성장방법.
제20항에 있어서,
상기 회전유도자의 회전은 상기 도가니의 회전 방향과 반대방향으로 이루어지는, 실리콘 단결정 성장방법.
제21항에 있어서,
상기 네킹을 형성하는 단계 이후에는 상기 보조 열차폐부를 상승시켜 상기 회전유도자를 상기 실리콘 용융액으로부터 이격시키는 단계를 수행하는, 실리콘 단결정 성장방법.
도가니를 가열하여 실리콘 용융액을 생성하는 단계;
차폐몸체와 상기 차폐몸체의 중심영역에 형성되는 관통공을 가지며 상기 도가니의 상부에 배치되는 보조 열차폐부를 하강시켜, 상기 차폐몸체에 결합되는 수평부재와 상기 수평부재에서 연장되는 수직부재와 외측방향을 향하도록 상기 수직부재에 경사지게 연장되는 경사부재를 포함하며 상기 보조 열차폐부의 상기 관통공을 중심으로 대칭되게 한 쌍으로 배치되는 회전유도자가 상기 도가니의 실리콘 용융액에 침강되는 단계;
상기 회전유도자의 상기 수직부재와 상기 경사부재가 상기 실리콘 용융액에 침강되면 상기 도가니의 회전/반전 공정을 실시하는 단계;
상기 회전유도자를 상기 도가니 내에서 반복 승하강시키는 단계; 및
상기 회전유도자를 회전시키는 단계;를 포함하는, 실리콘 단결정 성장방법.
제23항에 있어서,
상기 회전유도자는 상기 도가니의 바닥면에서 표면까지 승하강이 이루어지는, 실리콘 단결정 성장방법.
제24항에 있어서,
상기 회전유도자의 회전은 상기 도가니의 회전 방향과 반대방향으로 이루어지는, 실리콘 단결정 성장방법.