KR102237292B1

KR102237292B1 - 잉곳 성장 장치용 도가니

Info

Publication number: KR102237292B1
Application number: KR1020190093071A
Authority: KR
Inventors: 강인구; 김도연; 이영중
Original assignee: 에스케이실트론 주식회사
Priority date: 2019-07-31
Filing date: 2019-07-31
Publication date: 2021-04-06
Also published as: US11608567B2; CN112301417A; KR20210014953A; CN112301417B; US20210032768A1

Abstract

본 발명은 흑연 도가니의 수명을 증대시킬 수 있는 잉곳 성장 장치용 도가니에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 실리콘 융액이 담기고, 곡면 형태인 하면부를 가지는 석영 도가니; 상기 석영 도가니가 수용되고, 하면을 기준으로 적어도 두 개의 분할된 바디 형태인 흑연 도가니; 및 상기 석영 도가니의 하면과 상기 흑연 도가니 사이에 지지되는 이너 서포터;를 포함하는 잉곳 성장 장치용 도가니를 제공한다.

Description

잉곳 성장 장치용 도가니 {Crucible for ingot grower}

본 발명은 흑연 도가니의 수명을 증대시킬 수 있는 잉곳 성장 장치용 도가니에 관한 것이다.

반도체 소자 제조용 실리콘 웨이퍼의 대구경화가 진행됨에 따라, 실리콘 웨이퍼의 대부분은 초크랄스키(CZ) 법에 의해 성장된 실리콘 단결정 잉곳으로부터 제조되고 있다.

CZ 방법에서는, 도가니에 폴리 실리콘을 투입하고, 도가니를 흑연 발열체인 히터에 의해 가열한 후, 용융 결과 형성된 실리콘 융액에 종자 결정을 접촉시키고, 계면에서 결정화가 일어나도록 하여 종자 결정을 회전하면서 서서히 인상시킴으로써, 원하는 직경을 가진 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.

도 1은 종래 기술에 따른 잉곳 성장 장치용 도가니 및 실리콘 융액의 하중 분포가 도시된 측단면도이다.

종래 기술의 도가니는 도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 융액이 담기는 석영 도가니(10)와, 석영 도가니(10)가 수용되는 흑연 도가니(20)로 구성되는데, 흑연 도가니(20)는 종방향으로 분할된 두 개의 바디(21,22)로 구성될 수 있다.

흑연 도가니(20)의 하부가 볼록한 형태로 구성되고, 흑연 도가니(20)의 하부가 외부 서포터(30)의 상면 홈(30h)에 안착되도록 구성되며, 외부 서포터(30)는 도가니 구동부(미도시)에 의해 회전 구동될 수 있다.

상기와 같이 구성된 도가니에 담긴 폴리 실리콘이 가열되면, 실리콘 용융시, 실리콘 용융액과 석영 도가니(10)가 반응하여 SiO 가스가 발생한다.

이러한 SiO 가스는 챔버 내에서 Ar 가스와 함께 진공 펌프에 의해 챔버 밖으로 배기되지만, 일부는 흑연 도가니(20)와 석영 도가니(10) 사이로 들어가 SiO와 흑연 도가니의 C가 반응하여 흑연 도가니(20)의 SiC화가 진행된다.

SiC와 C는 열팽창 계수가 현저히 달라서 흑연 도가니(20)의 냉각/가열 동안에 열팽창 차이에 의한 응력이 발생하여 흑연 도가니(20)는 내구성이 점점 취약해져 균열이 발생하게 된다.

또한, 흑연 도가니(20)의 SiC화 층과 석영 도가니(10)의 SiO₂가 반응하여 SiO와 CO 가스가 발생하게 되고, 이 가스들의 흐름에 의해 흑연 도가니(20)에서 식각이 발생하게 된다. 이러한 흑연 도가니(20)의 균열은 흑연 도가니(20)의 수명을 단축시키고, 흑연 도가니(20)의 안쪽에 위치하는 석영 도가니(10)의 모양을 변형시키게 된다.

한국공개특허 제2008-056406호(2006.12.18.출원)에는 다결정 실리콘 조각이 들어가 용융되는 석영 도가니, 석영 도가니를 둘러싸도록 일체형으로 형성되며 석영 도가니의 모양 변형을 방지하는 제1 도가니 지지대, 및 제1 도가니 지지대를 둘러싸도록 형성되며 2부분 이상으로 분리된 제2 도가니 지지대(흑연 도가니)를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치가 개시된다.

CCM 재질의 제1 도가니 지지대가 석영 도가니를 감싸고, 2부분 이상으로 분리된 제2 도가니 지지대(흑연 도가니)가 제1 도가니 지지대를 감싸도록 구성됨으로서, 제1 도가니 지지대에 의해 석영 도가니의 변형을 제어하고자 한다.

잉곳의 대구경화가 진행됨에 따라 잉곳 성장 공정 중 실리콘 융액의 하중이 크게 작용하게 되는데, 실리콘 융액의 하중이 구조 상 제1 도가니 지지대와 흑연 도가니의 하면과 측면으로 작용하게 된다.

따라서, 제1 도가니 지지대는 큰 하중에 쉽게 변형될 수 있고, 석영 도가니의 변형을 방지하는데 한계가 있다.

또한, 2부분 이상으로 분할된 흑연 도가니의 측면으로도 큰 하중이 작용함으로서, 흑연 도가니의 분할 부분들 사이가 벌어지도록 하고, 석영 도가니의 일부가 흑연 도가니의 분할면 사이로 침투함으로서, 흑연 도가니의 분할 부분들 사이가 더욱 벌어지도록 하여 도가니의 수명을 단축시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 흑연 도가니의 수명을 증대시킬 수 있는 잉곳 성장 장치용 도가니를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예는 실리콘 융액이 담기고, 곡면 형태인 하면부를 가지는 석영 도가니; 상기 석영 도가니가 수용되고, 하면을 기준으로 적어도 두 개의 분할된 바디 형태인 흑연 도가니; 및 상기 석영 도가니의 하면과 상기 흑연 도가니 사이에 지지되는 이너 서포터;를 포함하는 잉곳 성장 장치용 도가니를 제공한다.

상기 이너 서포터는, 상기 석영 도가니의 하면부가 안착되는 라운드진 상면 홈이 구비될 수 있다.

상기 흑연 도가니는, 상기 석영 도가니의 측면과 상기 이너 서포터의 측면을 지지하는 원통 형상의 측면부와, 상기 측면부의 하단에 연결될 수 있다.

상기 석영 도가니와 상기 흑연 도가니 사이에 발생한 가스를 상기 흑연 도가니 외부로 배출하는 가스 배출 유로;를 더 포함할 수 있다.

상기 가스 배출 유로는, 상기 흑연 도가니의 원주 방향을 따라 일정 간격을 두고 복수개가 구비될 수 있다.

상기 가스 배출 유로는, 상기 흑연 도가니의 내주면 또는 상기 이너 서포터의 외주면에 형성되는 슬릿을 포함할 수 있다.

상기 가스 배출 유로는, 상기 슬릿과 연통하도록 상기 흑연 도가니의 하면을 관통하는 배출구를 포함할 수 있다.

상기 흑연 도가니의 하부가 지지되는 아우터 서포터;를 더 포함할 수 있다.

상기 배출구는 상기 아우터 서포터 외측에 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 잉곳 성장 장치용 도가니는, 석영 도가니가 적어도 두 개의 바디로 분할된 흑연 도가니 내부에 수용될 때, 하나의 바디 형태인 이너 서포터가 석영 도가니의 하면과 흑연 도가니 사이에 지지될 수 있고, 이너 서포터에 의해 흑연 도가니의 바디들이 벌어지는 것을 방지함으로서, 도가니의 수명을 증대시킬 수 있다.

또한, 석영 도가니와 흑연 도가니 사이로 가스가 유입되거나, 석영 도가니와 흑연 도가니 사이에서 가스가 발생더라도 이너 서포터 측 슬릿들과 흑연 도가니 측 배출구들을 통하여 외부로 빠져나가도록 함으로서, 흑연 도가니의 내구성을 증대시키는 동시에 흑연 도가니의 식각을 방지할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 잉곳 성장 장치용 도가니 및 실리콘 융액의 하중 분포가 도시된 측단면도.
도 2는 본 발명의 잉곳 성장 장치가 도시된 측단면도.
도 3은 도 2에 적용된 도가니 일예가 도시된 분해 도시된 측단면도.
도 4는 도 2에 적용된 도가니 및 실리콘 융액의 하중 분포가 도시된 측단면도.
도 5는 도 2에 적용된 도가니의 흑연 도가니가 도시된 평면도.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다.

도 2는 본 발명의 잉곳 성장 장치가 도시된 측단면도이다.

본 발명의 잉곳 성장 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 밀폐 공간인 챔버(110) 및 인상로(120)와, 챔버(110) 내측에 구비된 도가니(200)와, 도가니(200)를 가열하는 히터(300)와, 히터(300)의 열이 외부로 빠져나가는 것을 방지하는 단열재(400)와, 도가니(200)를 회전 구동시키는 도가니 구동부(500)와, 도가니(200)에서 인상되는 단결정 잉곳을 냉각시키는 열차폐부재(600)를 포함할 수 있다.

챔버(110)는 단결정 잉곳이 성장되는 소정의 밀폐 공간을 제공하고, 각종 구성 요소가 내/외측에 장착될 수 있다.

챔버(110)는 각종 구성 요소가 내장되는 원통 형상의 본체(111)와, 본체(111) 상측에 결합되는 돔 형상의 커버(112)로 구성될 수 있는데, 커버(112)에는 잉곳 성장 공정을 관찰할 수 있는 뷰 포트(view port)가 구비될 수 있다.

인상로(120)는 단결정 잉곳이 인상될 수 있는 긴 원통 형상으로서, 챔버(110)의 상측에 구비될 수 있다.

도가니(200)는 본체(111) 내측에 구비되는데, 고온의 실리콘 융액(M)이 담기는 용기로서, 챔버(110) 내측에 회전 가능하게 설치될 수 있으며, 하기에서 자세한 구성을 설명하기로 한다.

히터(300)는 흑연 발열체로서, 도가니(200) 둘레에 이격되게 구비되고, 도가니(200)를 가열할 수 있다. 히터(300)가 작동되면, 도가니(200)에 담긴 폴리 실리콘을 실리콘 융액으로 액화시킬 수 있고, 히터(300)의 작동을 조절하여 실리콘 융액의 온도를 제어할 수 있다.

단열재(400)는 본체(111) 내주면에 구비되고, 히터(300) 둘레에 이격되도록 배치됨으로서, 히터(300)의 열이 본체(111)를 통하여 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.

도가니 구동부(500)는 도가니(200) 하측에 구비되는데, 도가니(200)를 회전 및 승강시킬 수 있다. 도가니 구동부(500)는 구동축을 비롯하여 구동 모터 등을 포함할 수 있다.

종자 결정을 실리콘 융액(M)에 담그고, 도가니 구동부(500)가 도가니(200)를 서서히 회전시키면, 종자 결정 주변에 단결정이 성장되고, 종자 결정을 서서히 인상시키면, 단결정의 직경이 점차 커져서 단결정 잉곳으로 성장시킬 수 있다. 잉곳 성장 공정이 진행될수록 도가니(200)에 담긴 실리콘 융액(M)이 줄어듦에 따라 도가니 구동부(500)가 도가니(200)를 서서히 승강시키고, 실리콘 융액(M) 계면의 높이를 일정하게 유지할 수 있다.

즉, 잉곳 성장 공정이 진행될수록 도가니 구동부(500)의 작동을 조절함으로서, 도가니(200)의 회전속도 및 승강속도를 제어할 수 있다.

열차폐 부재(600)는 도가니(200) 상측에 매달리도록 설치되는데, 고온의 실리콘 융액(M)으로부터 성장되는 잉곳을 바로 냉각시킬 수 있다. 열차폐 부재(600)는 고온 하에서도 견딜 수 있는 그라파이트 재질로 구성되고, 냉각 유로(미도시)가 내부에 구비될 수 있다.

열차폐 부재(600)의 하부가 도가니(200)에 담긴 실리콘 융액(M)으로부터 성장되는 단결정 잉곳 둘레에 소정 간격을 두고 감싸도록 배치되고, 실리콘 융액(M) 계면과 소정 간격을 유지하도록 설치될 수 있다.

도 3은 도 2에 적용된 도가니 일예가 도시된 분해 도시된 측단면도이고, 도 4는 도 2에 적용된 도가니 및 실리콘 융액의 하중 분포가 도시된 측단면도이며, 도 5는 도 2에 적용된 도가니의 흑연 도가니가 도시된 평면도이다.

본 발명의 도가니(200)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 석영 도가니(210)와, 흑연 도가니(220)와, 아우터 서포터(outer supporter : 230)와, 이너 서포터(inner supporter : 240)로 구성될 수 있다.

석영 도가니(210)는 실리콘 융액이 담기는 용기로서, 석영 재질로 구성되므로, 고온 하에서 일부 녹으면서 Oxide 성분이 실리콘 융액에 포함되더라도 단결정 잉곳의 품질에 영향을 미치지 않을 수 있다.

석영 도가니(210)는 원통 형상의 측면부(211)와, 측면부(211) 하측에 구비된 하면부(212)로 구성되며, 측면부(211)와 하면부(212) 사이를 완만하게 연결한 곡면부(210R)를 포함할 수 있다.

흑연 도가니(220)는 석영 도가니(210)가 수용되고, 고온 하에서도 형상을 그대로 유지할 수 있는 흑연 재질로 만들어지며, 종 방향으로 두 개로 분할된 제1,2 바디(220A,220B) 형태로 구성될 수 있다.

제1 바디(220A)는 반원통 형상의 제1 측면부(221A)와, 제1 측면부(221A) 하측에 구비된 반원판 형상의 제1 하면부(222A)로 구성되고, 제2 바디(220B) 역시 제1 바디(221A) 및 제1 하면부(222A)와 대칭된 제2 측면부(221B) 및 제2 하면부(222B)로 구성될 수 있다.

제1,2 바디(220A,220B)가 양측에서 맞물리면, 흑연 도가니(220)를 구성하게 된다. 즉, 흑연 도가니(220)는 원통 형상의 측면부(221A,221B)와, 측면부(221A,221B) 하측에 구비된 원판 형상의 하면부(222A,222B)로 구성되며, 측면부(221A,221B)와 하면부(222A,222B)를 각진 형태로 연결한 하부 모서리부(223A,223B)를 포함할 수 있다.

아우터 서포터(230)는 흑연 도가니(220) 하측을 지지하는 평판 형상으로서, 흑연 재질로 구성될 수 있으며, 도가니 구동부(500 : 도 2에 도시)에 의해 회전 또는 승강 가능하게 지지될 수 있다.

이너 서포터(240)는 석영 도가니(210)의 하부와 흑연 도가니(220) 사이에 지지되고, 소정의 중량을 가진 하나의 바디 형태로서, 흑연 재질로 구비될 수 있다.

이너 서포터(240)는 흑연 도가니(220)의 내부에 안착될 수 있는 소정의 높이를 가진 원판 형상으로서, 측면부(241)와 하면부(242)를 구비할 수 있다. 이너 서포터(240)는 적어도 석영 도가니(210)의 하면부(212)와 라운드부(210R)를 포함하는 높이 보다 높게 형성될 수 있고, 석영 도가니(210)의 하면부(212)와 라운드부(210R)가 안착될 수 있도록 상면에 홈부(240h)가 구비될 수 있다.

이너 서포터(240)의 측면부(241)와 하면부(242)는 흑연 도가니(220)의 측면부(221A,221B)와 하면부(222A,222B) 내측에 지지될 수 있고, 이너 서포터(240)의 하부 모서리부(243)는 흑연 도가니(220)의 하부 모서리부(223A,223B)와 맞물릴 수 있도록 구성될 수 있다.

석영 도가니(210)와 흑연 도가니(220) 사이에 발생한 가스를 배출하기 위한 가스 배출 유로가 구비될 수 있으며, 흑연 도가니(220)의 측면부(221A,221B) 내측 또는 이너 서포터(240)의 측면부(241) 외측에 구비될 수 있다.

실시예에 따르면, 가스 배출 유로는 이너 서포터(240)의 측면부(241) 외주면에 상하 방향으로 길게 구비된 슬릿(241S)과, 슬릿(241S)과 연통하도록 흑연 도가니(220)의 하면부(222A,222B)에 관통되는 배출구(222h)를 포함할 수 있고, 슬릿(241S)과 배출구(222h)는 원주 방향으로 소정 간격을 두고 복수개가 구비될 수 있으며, 1 ~ 100mm 직경을 가지도록 구비될 수 있다.

슬릿(241S)은 흑연 도가니(220)의 측면부(220A,220B) 내주면에 상하 방향으로 길게 구비될 수 있고, 배출구(222h)는 아우터 서포터(230)에 의해 막히지 않게 구비되어야 하므로, 아우터 서포터(230)의 외측에 위치될 수 있다.

가스 배출 유로는 흑연 도가니(220)와 이너 서포터(240)에 슬릿, 배출구 등과 같이 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 한정되지 아니한다.

흑연 도가니(220), 아우터 서포터(230), 이너 서포터(240)는 각각 다양한 형태로 분할되어 공정을 용이하게 하거나, 석영 도가니(210)의 변형을 효과적으로 제어할 수 있다.

상기와 같이 구성된 도가니를 살펴보면, 제1,2 바디(220A,220B)가 양측에서 서로 맞물리고, 이너 서포터(240)가 제1,2 바디(220A,220B)에 안착된 다음, 석영 도가니(210)가 제1,2 바디(220A,220B) 내측과 이너 서포터(240) 상측에 안착된다.

물론, 이너 서포터(240)의 슬릿들(241S)과 흑연 도가니(220)의 배출구들(222h)은 각각 연통하도록 조립된다.

석영 도가니(210)의 측면부(211)와 이너 서포터(240)의 측면부(241)는 흑연 도가니(220)의 측면부(221A,221B) 내측에 지지되고, 석영 도가니(210)의 하면부(212)와 곡면부(210R)는 이너 서포터(240)의 상측 홈부(240h)에 지지되며, 이너 서포터(240)의 하면부(242)는 석영 도가니(210)의 하면부(211) 상측에 지지된다.

잉곳 성장 공정을 위하여, 실리콘 융액이 석영 도가니(210) 내부에 담긴 상태에서 실리콘 융액(M)의 중량이 석영 도가니(210)에 응력으로 작용하게 된다. 그러나, 실리콘 융액(M)의 중량이 흑연 도가니(220)의 측면부(221A,221B)에 응력으로 작용하더라도 실리콘 융액(M)의 중량에 더해진 이너 서포터(240)의 중량이 흑연 도가니(220)의 하면부(222A,222B)에 중력으로 작용하게 된다.

따라서, 흑연 도가니(220)의 측면부(221A,221B)에 작용하는 응력을 중력 방향으로 분산시킴으로서, 흑연 도가니(220)를 구성하는 제1,2 바디(220A,220B) 사이가 벌어지는 것을 방지할 수 있고, 석영 도가니(210)의 변형 부분이 제1,2 바디(220A,220B) 사이의 분할면으로 투입되는 것을 방지하므로, 도가니 전체의 수명을 늘릴 수 있다.

또한, 잉곳 성장 공정 중 SiO 가스의 일부가 석영 도가니(210)와 흑연 도가니(220) 사이로 유입되더라도 이너 서포터(240)의 슬릿들(241S)과 흑연 도가니(220)의 배출구들(222h)을 통하여 외부로 빠져나가도록 한다.

따라서, SiO 가스가 흑연 도가니(220)의 C 와 반응하여 흑연 도가니(220)의 SiC 화가 진행되는 것을 방지할 수 있고, 흑연 도가니(220)의 내구성을 증대시키는 동시에 흑연 도가니(220)의 식각을 방지할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

110 : 챔버 120 : 인상로
200 : 도가니 210 : 석영 도가니
220 : 흑연 도가니 230 : 아우터 서포터
240 : 이너 서포터

Claims

실리콘 융액이 담기고, 곡면 형태인 하면부를 가지는 석영 도가니;
상기 석영 도가니가 수용되고, 하면을 기준으로 적어도 두 개의 분할된 바디 형태인 흑연 도가니;
상기 석영 도가니의 하면과 상기 흑연 도가니의 하면 사이에 지지되고, 하나의 바디 형태로 구성된 이너 서포터; 및
상기 석영 도가니와 상기 흑연 도가니 사이에 발생한 가스를 상기 흑연 도가니 외부로 배출하기 위하여 상기 흑연 도가니 또는 상기 이너 서포터에 구비된 가스 배출 유로;를 포함하는 잉곳 성장 장치용 도가니.
제1항에 있어서,
상기 이너 서포터는,
상기 석영 도가니의 하면부가 안착되는 라운드진 상면 홈이 구비되는 잉곳 성장 장치용 도가니.
제1항에 있어서,
상기 흑연 도가니는,
상기 석영 도가니의 측면과 상기 이너 서포터의 측면을 지지하는 원통 형상의 측면부와,
상기 측면부의 하단에 연결된 평면 형태의 하면부로 구성되는 잉곳 성장장치용 도가니.
제3항에 있어서,
상기 이너 서포터는,
상기 흑연 도가니의 측면부와 하면부의 연결 부분인 하부 모서리부에 맞물리는 잉곳 성장 장치용 도가니.
제1항에 있어서,
상기 가스 배출 유로는,
상기 흑연 도가니의 원주 방향을 따라 일정 간격을 두고 복수개가 구비되는 잉곳 성장 장치용 도가니.
제5항에 있어서,
상기 가스 배출 유로는,
상기 흑연 도가니의 내주면 또는 상기 이너 서포터의 외주면에 형성되는 슬릿을 포함하는 잉곳 성장 장치용 도가니.
제6항에 있어서,
상기 가스 배출 유로는,
상기 슬릿과 연통하도록 상기 흑연 도가니의 하면을 관통하는 배출구를 포함하는 잉곳 성장 장치용 도가니.
제7항에 있어서,
상기 흑연 도가니의 하부가 지지되는 아우터 서포터;를 더 포함하는 잉곳 성장 장치용 도가니.
제8항에 있어서,
상기 배출구는 상기 아우터 서포터 외측에 구비되는 잉곳 성장 장치용 도가니.