KR102315979B1 - 퍼지 튜브, 단결정 인상 장치 및 실리콘 단결정의 제조 방법 - Google Patents

퍼지 튜브, 단결정 인상 장치 및 실리콘 단결정의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

퍼지 튜브(5)는, 원통형으로 형성되고, 챔버(21)의 외부로부터 도입되는 불활성 가스를 실리콘 융액(M) 측으로 안내하는 원통부(51)와, 원통부(51)의 외주면으로부터 외측을 향하여 플랜지형으로 돌출되는 플랜지부(52)를 구비하고, 플랜지부(52)의 적어도 일부에는 챔버(21)의 외부에 마련된 광학 관찰 수단(3)에 의해 실리콘 단결정(SM)의 육성 상황의 관찰을 가능하게 하는 투과부(522)가 마련되어 있다.

Description

퍼지 튜브, 단결정 인상 장치 및 실리콘 단결정의 제조 방법 {Purge tube, Single crystal pulling device, silicon single crystal production method}
본 발명은 퍼지 튜브, 단결정 인상 장치 및 실리콘 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.
종래 실리콘 단결정의 제조 중에 챔버 외부의 촬상 수단을 사용하여 내부를 촬상하고, 실리콘 단결정의 육성 상황에 기초하여 실리콘 단결정의 육성 조건을 제어하는 것이 행해지고 있다(예를 들면, 문헌 1: 일본 특허 공개 2011-246341호 공보 참조).
문헌 1에 기재된 단결정 인상 장치는 석영으로 된 퍼지 튜브를 구비하고 있다. 퍼지 튜브는 투명한 관찰창을 구비하고 있다. 이 관찰창을 통하여 CCD 카메라가 실리콘 단결정의 육성 상황을 촬상할 수 있도록 되어 있다.
그러나, 문헌 1의 구성에서는 관찰창의 표면과 연직선(중력의 방향으로 연장되는 직선)이 평행하기 때문에, 관찰창의 표면에 대한 CCD 카메라의 광축의 입사각이 크게 되어 있다. 이 때문에, 관찰창의 표면에서의 반사상이 CCD 카메라로 촬상되어 버려 실리콘 단결정의 육성 상황을 적절하게 촬상할 수 없다는 우려가 있다.
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 2011-246341호 공보
본 발명의 목적은 챔버의 외부로부터 실리콘 단결정의 육성 상황을 적절하게 파악하는 것을 가능하게 하는 퍼지 튜브, 단결정 인상 장치 및 실리콘 단결정의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 퍼지 튜브는, 단결정 인상 장치의 챔버 내에 마련되는 퍼지 튜브로서, 원통형으로 형성되고, 상기 챔버의 외부로부터 도입되는 불활성 가스를 실리콘 융액 측으로 안내하는 원통부와, 상기 원통부의 외주면으로부터 외측을 향하여 플랜지형(鍔狀)으로 돌출되는 플랜지부를 구비하고, 상기 플랜지부의 적어도 일부에는, 상기 챔버의 외부에 마련된 광학 관찰 수단에 의해 실리콘 단결정의 육성 상황의 관찰을 가능하게 하는 투과부가 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.
광학 관찰 수단으로 관찰하는 실리콘 단결정의 육성 상황으로는, 실리콘 단결정과 실리콘 융액(融液)의 액면과의 경계에 존재하는 원환(圓環)형의 메니스커스의 발생 상황이나 실리콘 융액의 액면부터 열차폐체 하단까지의 거리(이하, "갭"이라고 하는 경우가 있음) 등을 예시할 수 있다.
본 발명에 따르면, 원통부의 중심축과 연직선이 평행해지도록 퍼지 튜브를 단결정 인상 장치에 마련함으로써 투과부의 상면에 대한 광학 관찰 수단의 광축의 입사각을 상기 문헌 1과 같은 구성(이하, "종래의 구성"이라고 함)과 비교하여 작게 할 수 있다. 따라서, 투과부 상면에서의 반사 성분이 광학 관찰 수단으로 관찰되어 버리는 것을 억제할 수 있고, 광학 관찰 수단으로 실리콘 단결정의 육성 상황을 적절하게 파악할 수 있다.
실리콘 단결정의 육성 상황을 적절하게 파악할 수 없는 경우, 실리콘 단결정 제조 중의 갭을 정밀하게 제어할 수 없다는 문제나, 제조 중인 실리콘 단결정의 직경을 정밀하게 제어할 수 없다는 문제, 나아가, 실리콘 단결정의 직경 제어와 밀접하게 관련되어 있는 인상 속도 제어도 정밀하게 수행할 수 없을 우려가 있다.
본 발명은, 실리콘 단결정의 육성 상황을 적절하게 파악할 수 있기 때문에, 정밀한 갭 제어, 정밀한 실리콘 단결정의 직경 제어, 혹은 정밀한 인상 속도 제어, 또는 이들이 동시에 요구되는 반도체용의 실리콘 단결정의 제조에 매우 적합하다.
본 발명의 퍼지 튜브에 있어서, 상기 투과부는, 해당 투과부의 상면에 대한 상기 광학 관찰 수단의 광축의 입사각이 45°이하가 되도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.
상기 입사각이 45°이하인 경우란, 측면에서 보았을 때의 원통부의 외주면과 투과부의 상면이 이루는 각도가 예각이 되는 경우와 둔각이 되는 경우 둘 모두를 포함한다.
본 발명에 따르면, 투과부 상면에서의 반사 성분이 광학 관찰 수단으로 관찰되어 버리는 것을 더욱 억제할 수 있다. 덧붙여, 상기 입사각은 22.5°이하가 되도록 형성되어 있는 것이 보다 바람직하다.
본 발명의 퍼지 튜브에 있어서, 상기 투과부는 상기 입사각이 0°가 되도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.
입사각이 0°인 경우란, 0°에 더하여, -5° 내지 5°의 범위도 포함한다.
본 발명에 따르면, 투과부 상면에서의 반사 성분이 광학 관찰 수단으로 관찰되어 버리는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 퍼지 튜브에 있어서, 상기 투과부는 두께가 균일한 평판형의 석영으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 이차원 관찰 시의 관찰 결과의 변형을 억제할 수 있고, 광학 관찰 수단으로 실리콘 단결정의 육성 상황을 보다 적절하게 파악할 수 있다.
본 발명의 퍼지 튜브에 있어서, 상기 플랜지부는 상기 원통부의 중심축과 직교하는 방향으로 연장되는 원환판형으로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 특히, 상기 플랜지부는 두께가 균일하게 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 플랜지부를 단순한 형상으로 함으로써, 해당 플랜지부를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 퍼지 튜브에 있어서, 상기 플랜지부의 외경은 상기 챔버 내에 마련되는 원통형 또는 원뿔대통형의 열차폐체의 하단의 내경보다 큰 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 플랜지부와 열차폐체와의 맞닿음(當接)만으로 퍼지 튜브를 용이하게 설치할 수 있다.
본 발명의 퍼지 튜브에 있어서, 상기 원통부는 흑연에 의해 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 퍼지 튜브의 경량화와 원가 절감(cost down)을 도모할 수있다.
본 발명의 단결정 인상 장치는, 실리콘 융액을 수용하는 도가니와, 종자 결정(種結晶)을 상기 실리콘 융액에 접촉시킨 후에 인상함으로써 실리콘 단결정을 육성하는 인상부와, 상기 도가니의 상방에 있어서 상기 실리콘 단결정을 에워싸도록 마련된 원통형의 열차폐체와, 전술한 퍼지 튜브와, 상기 도가니, 상기 열차폐체 및 상기 퍼지 튜브를 수용하는 챔버와, 상기 챔버의 외부로부터 해당 챔버의 내부로 불활성 가스를 도입하는 가스 도입부와, 상기 챔버의 외부에 마련되며, 상기 퍼지 튜브의 상기 투과부를 통하여 상기 실리콘 단결정의 육성 상황을 관찰하는 광학 관찰 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 단결정 인상 장치에 있어서, 상기 열차폐체의 내주면에는 상기 퍼지 튜브를 하방에서 지지하는 퍼지 튜브 지지부가 마련되어 있는 것이 바람직하다. 특히, 상기 퍼지 튜브의 플랜지부를 하방에서 지지하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 퍼지 튜브를 용이하게 위치 결정할 수 있다. 특히, 플랜지부를 하방에서 지지하면, 퍼지 튜브가 기울어지지 않고 안정된다.
본 발명의 실리콘 단결정의 제조 방법은 전술한 단결정 인상 장치를 이용한 실리콘 단결정의 제조 방법으로서, 상기 광학 관찰 수단의 관찰 결과에 기초하여 상기 실리콘 단결정의 육성 조건을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 광학 관찰 수단으로 실리콘 단결정의 육성 상황을 적절하게 파악할 수 있다. 또한, 실리콘 단결정의 육성 상황을 적절하게 파악할 수 있기 때문에, 정밀한 갭 제어, 정밀한 실리콘 단결정의 직경 제어, 혹은 정밀한 인상 속도 제어, 또는 이들이 동시에 요구되는 반도체용의 실리콘 단결정의 제조에 매우 적합하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 단결정 인상 장치의 모식도이다.
도 2는 상기 제1 실시 형태에 있어서 단결정 인상 장치의 주요 부분의 확대도이다.
도 3a는 상기 제1 실시 형태에 있어서 퍼지 튜브를 나타내는 평면도이다.
도 3b는 상기 제1 실시 형태에 있어서 퍼지 튜브를 나타내는 단면도이다.
도 3c는 상기 제1 실시 형태에 있어서 퍼지 튜브를 나타내며, 도 3b의 IIIC-IIIC선을 따른 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 퍼지 튜브를 나타내는 평면도이다.
도 4b는 본 발명의 제2 실시 형태에 따른 퍼지 튜브를 나타내며, 도 4a의 IVB-IVB선을 따른 단면도이다.
도 5는 상기 제2 실시 형태에 있어서 단결정 인상 장치의 모식도이다.
도 6은 상기 제2 실시 형태에 있어서 단결정 인상 장치의 주요 부분의 확대도이다.
도 7a는 본 발명의 실시 예를 나타내며, 실험 예에 있어서 실리콘 융액 표면 근방의 상태를 나타내는 단면도이다.
도 7b는 본 발명의 실시 예를 나타내는 퍼지 튜브의 사시도이다.
[제1 실시 형태]
이하, 본 발명의 제1 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
〔관련 기술〕
먼저, 단결정 인상 장치의 일반적인 구성에 대하여 설명하기로 한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 단결정 인상 장치(1)는, CZ법(Czochralski법)에 사용되는 장치로서, 인상 장치 본체(2)와, 광학 관찰 수단(3)과, 제어부(4)를 구비하고 있다.
인상 장치 본체(2)는, 챔버(21)와, 이 챔버(21) 내에 배치된 도가니(22)와, 이 도가니(22)를 가열하는 히터(23)와, 인상부(24)와, 열차폐체(25)와, 챔버(21)의 내벽에 마련된 단열재(26)와, 도가니 구동부(27)를 구비하고 있다.
단, 단결정 인상 장치(1)는, 이점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, MCZ(Magnetic field applied Czochralski)법에 사용되는 장치로서, 챔버(21)의 외측에 있어서 도가니(22)를 사이에 두고 배치된 한 쌍의 전자(電磁) 코일(28)을 가지고 있을 수도 있다.
챔버(21)는, 메인 챔버(211)와, 이 메인 챔버(211)의 상부에 게이트 밸브(212)를 통하여 접속된 풀 챔버(213)를 구비하고 있다.
메인 챔버(211)는, 상면이 하는 형상으로 형성되고, 도가니(22), 히터(23), 열차폐체(25) 등이 배치되는 본체부(211A)와, 본체부(211A)의 상면을 폐쇄하는 덮개부(211B)를 구비하고 있다. 덮개부(211B)에는, Ar 가스 등의 불활성 가스를 메인 챔버(211)에 도입하기 위한 개구부(211C)와, 광학 관찰 수단(3)이 챔버(21) 내부를 관찰하기 위한 석영으로 된 창부(211D)가 마련되어 있다. 본체부(211A)와 덮개부(211B) 사이에는 내측으로 연장되는 지지부(211E)가 마련되어 있다.
풀 챔버(213)에는 Ar 가스 등의 불활성 가스를 메인 챔버(211) 내에 도입하는 가스 도입구(21A)가 마련되어 있다. 메인 챔버(211)의 본체부(211A)의 하부에는 해당 메인 챔버(211) 내의 기체를 배출하는 가스 배기구(21B)가 마련되어 있다.
도가니(22)는 석영 도가니(221)와 이 석영 도가니(221)를 수용하는 흑연 도가니(222)를 구비하고 있다.
히터(23)는 도가니(22)의 주위에 배치되어 있으며, 도가니(22) 내의 실리콘을 융해(融解)한다.
인상부(24)는 일단에 종결정(種結晶)(SC)이 부착되는 케이블(241)과 이 케이블(241)을 승하강 및 회전시키는 인상 구동부(242)를 구비하고 있다.
열차폐체(25)는 실리콘 단결정(SM)을 에워싸도록 마련되며, 히터(23)로부터 상방을 향하여 방사되는 복사열을 차단한다. 열차폐체(25)는 하방으로 갈수록 직경이 작아지는 원뿔대통형으로 형성된 열차폐체 본체부(251)와 열차폐체 본체부(251)의 상단으로부터 외측을 향하여 플랜지형으로 연장되는 피지지부(252)를 구비하고 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 열차폐체 본체부(251)에는 그 내주면으로부터 원주 방향으로 연속적으로 돌출되는 퍼지 튜브 지지부(251A)가 마련되어 있다.
열차폐체(25)는 지지부(211E) 위에 피지지부(252)가 고정됨으로써 도가니(22)의 상방에 배치된다.
도가니 구동부(27)는 흑연 도가니(222)를 하방에서 지지하는 지지축(271)을 구비하며, 도가니(22)를 소정의 속도로 회전 및 승하강시킨다.
광학 관찰 수단(3)은 실리콘 융액(M)의 액면에 존재하는 메니스커스의 발생 상황이나 갭(G) 등을 실리콘 단결정(SM)의 육성 상황으로서 관찰한다. 광학 관찰 수단(3)은 촬상 수단(31)과 연산 수단(32)을 구비하고 있다. 촬상 수단(31)은, 예를 들면 이차원 CCD 카메라로서, 챔버(21)의 외부로부터 창부(211D)를 통하여 실리콘 융액(M)의 액면을 촬상한다. 연산 수단(32)은 촬상 수단(31)의 촬상 결과에 기초하여 실리콘 단결정(SM)의 육성 상황을 연산하여 구한다.
제어부(4)는 메모리(41)에 기억된 각종 정보나 작업자의 조작에 기초하여 실리콘 단결정(SM)을 제조한다. 메모리(41)에 기억된 정보로는, 챔버(21) 내의 가스 유량이나 로(爐) 내압, 히터(23)에 투입하는 전력, 도가니(22)나 실리콘 단결정(SM)의 회전 수 등을 예시할 수 있다.
〔퍼지 튜브의 구성〕
다음, 단결정 인상 장치(1)에 마련되는 퍼지 튜브의 구성에 대하여 설명하기로 한다.
도 3a∼도 3c에 나타낸 바와 같이, 퍼지 튜브(5)는, 원통형의 원통부(51)와 해당 원통부(51)의 하단으로부터 외측을 향하여 플랜지형으로 돌출되는 플랜지부(52)를 구비하고 있다.
플랜지부(52)는 하방으로 갈수록 직경이 커지는 원뿔대통형으로 형성되어 있다. 플랜지부(52)는 플랜지 본체부(521)와 투과부(522)를 구비하고 있다.
플랜지 본체부(521)는 평면에서 보았을 때, 두께가 균일한 원뿔대통 형상의 일부가 잘려 없어진 대략 C자형으로 형성되어 있다. 즉, 플랜지 본체부(521)의 상면(521A)은 곡면으로 되어 있다.
투과부(522)는 두께가 균일한 평판형으로 형성되어 있다. 즉 투과부(522)의 상면(522A)은 평면으로 되어 있다. 투과부(522)는 플랜지 본체부(521)의 잘려 없어진 부분을 메우도록 마련되어 있다. 투과부(522)는 측면에서 보았을 때 상면(522A)과 원통부(51)의 외주면(51A)이 이루는 각도(θ1)가 둔각이 되도록 마련되어 있다. 투과부(522)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 그 상면(522A)에 대한 촬상 수단(31)의 광축(P)의 입사각(상면(522A)의 법선(N)에 대한 광축(P)의 각도)이 45°이하가 되도록 마련되어 있다. 본 제1 실시 형태에서는, 입사각이 0°, 즉 상면(522A)과 광축(P)이 이루는 각도(θ2)가 90°가 되도록 마련되어 있다.
원통부(51), 플랜지 본체부(521) 및 투과부(522)는 각각 투명한 석영에 의해 형성되어 있으며, 이들은 원통부(51)의 중심축과 플랜지 본체부(521)의 중심축이 일치하도록 용접에 의해 일체화되어 있다. 평면에서 보았을 때 플랜지부(52)의 외형은 원형으로 되어 있으며, 그 외경은 열차폐체(25)의 하단 개구의 내경보다 크게 되어 있다. 실리콘 단결정(SM)은 이 원통부(51)의 내부를 통과하여 상방으로 인상된다.
〔퍼지 튜브를 구비하는 단결정 인상 장치의 구성〕
도 1과 도 3a∼도 3c에 나타낸 바와 같이, 퍼지 튜브(5)는 플랜지부(52)가 열차폐체 본체부(251)의 내주면으로부터 돌출되는 퍼지 튜브 지지부(251A)에 의해 하방에서 지지됨으로써, 실리콘 융액(M)의 액면부터 투과부(522)까지의 거리가 L1이 되도록 위치 결정되어 있다. 이 거리를 L1로 함으로써 투과부(522)의 하단의 위치가 후술하는 실시 예에 있어서 퍼지 튜브(9)의 변색 영역(A)의 상단 위치보다 높아진다. 또한, 퍼지 튜브(5)는 원통부(51)의 중심축과 열차폐체(25)의 중심축이 일치하도록, 또한 원통부(51)의 중심축이 연직선(V)과 평행해지도록 위치 결정되어 있다.
인상 장치 본체(2) 내에는 드로 튜브(Draw Tube)(29)가 마련되어 있을 수도 있다. 드로 튜브(29)는, 예를 들면 금속에 의해, 내경이 퍼지 튜브(5)의 원통부(51)의 외경보다 큰 원통형으로 형성되어 있다. 드로 튜브(29)는 그 외주면이 덮개부(211B)의 개구부(211C)의 내주면에 고정됨으로써 그 하단이 열차폐체(25)의 내부에 위치하고, 또한 그 내부에 플랜지부(52)의 상단부가 위치하도록 마련할 수 있다. 덧붙여, 본 실시 형태에서는 퍼지 튜브(5)와 드로 튜브(29)가 접촉되어 있지 않으나, 양자가 접촉되어 있을 수도 있다.
〔실리콘 단결정의 제조 방법〕
다음, 단결정 인상 장치(1)를 이용한 실리콘 단결정(SM)의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
단, 본 제조 방법에 의해, 200 mm, 300 mm, 450 mm 등의 실리콘 웨이퍼를 취득할 수 있는 실리콘 단결정(SM)을 제조할 수도 있다.
먼저, 단결정 인상 장치(1)의 제어부(4)는, 실리콘 단결정(SM)에 요구되는 품질, 예를 들면 저항률, 산소 농도를 만족시키기 위한 인상 조건인 불활성 가스의 유량, 챔버(21) 내부의 압력, 도가니(22)나 실리콘 단결정(SM)의 회전 수, 히터(23)의 가열 조건 등을 설정한다. 덧붙여, 이 설정 조건은 작업자가 입력한 것일 수도 있고, 작업자가 입력한 목표 산소 농도 등에 기초하여 제어부(4)가 연산하여 구한 것일 수도 있다.
다음, 제어부(4)는, 도가니(22)를 가열함으로써 해당 도가니(22) 내의 폴리실리콘 소재(실리콘 원료)를 융해시키고, 실리콘 융액(M)을 생성한다. 덧붙여, 실리콘 융액(M)은 실리콘 단결정(SM)의 저항률 조정용의 도펀트를 포함하고 있을 수도 있다.
그 후, 제어부(4)는 가스 도입구(21A)로부터 챔버(21) 내로 불활성 가스를 소정의 유량으로 도입함과 아울러, 챔버(21) 내의 압력을 감압하여 챔버(21) 안을 감압 하의 불활성 분위기로 유지한다.
그 후, 제어부(4)는 종결정(SC)을 실리콘 융액(M)에 침지하여 도가니(22) 및 케이블(241)을 소정의 방향으로 회전시키면서, 해당 케이블(241)을 인상함으로써 실리콘 단결정(SM)을 육성한다.
이 실리콘 단결정(SM)의 육성 중, 실리콘 융액(M)의 실리콘이 증발하여 산소와 반응하여 SiO가 생성되는 경우가 있다. 이 SiO가 메인 챔버(211)의 덮개부(211B)의 내벽에 부착되어 응집되면, 이 응집물이 열차폐체(25)의 내부를 통과하여 실리콘 융액(M)에 낙하해 버려 실리콘 단결정(SM)이 다결정화될 우려가 있다. 그러나, 본 실시 형태에서는 원뿔대통형의 플랜지부(52)의 바깥 가장자리 전체 둘레가 열차폐체(25)의 내주면에 접촉되어 있기 때문에, 응집물이 열차폐체(25)의 내부에 낙하하여도 플랜지부(52)에 의해 응집물이 실리콘 융액(M)에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실리콘 단결정(SM)의 육성 중, 광학 관찰 수단(3)은 투과부(522)를 투과하는 실리콘 융액(M)이나 실리콘 단결정(SM)의 상(像)을 촬상 수단(31)으로 촬상하고, 이 촬상 결과에 기초하여 연산 수단(32)으로 실리콘 단결정(SM)의 육성 상황을 구한다. 그리고, 제어부(4)는 광학 관찰 수단(3)으로 얻어진 육성 상황에 기초하여, 원하는 실리콘 단결정(SM)이 제조되도록 실리콘 단결정(SM)의 직경이나 갭(G) 등의 육성 조건을 제어한다.
〔제1 실시 형태의 작용 효과〕
제1 실시 형태에 따르면, 이하와 같은 작용 효과를 이룰 수 있다.
(1) 원통부(51)와 플랜지부(52)로 구성된 퍼지 튜브(5)를 원통부(51)의 중심축과 연직선(V)이 평행해지도록 챔버(21) 내에서 위치 결정하고 있다.
이 때문에, 투과부(522)의 상면(522A)에 대한 촬상 수단(31)의 광축(P)의 입사각을 종래의 구성과 비교하여 작게 할 수 있다. 그 결과, 투과부(522)의 상면(522A)에서의 반사 성분이 촬상 수단(31)으로 촬상되는 것을 억제할 수 있고, 챔버(21)의 외부에서 실리콘 단결정(SM)의 육성 상황을 적절하게 파악할 수 있다.
(2) 특히, 상면(522A)에 대한 광축(P)의 입사각이 0°가 되도록 투과부(522)를 구성하고 있기 때문에, 상면(522A)에서의 반사 성분이 촬상 수단(31)으로 촬상되는 것을 방지할 수 있다.
(3) 또한, 평판형의 투과부(522)의 두께를 균일하게 하고 있기 때문에, 이차원 관찰 시의 관찰 결과의 변형(왜곡)을 억제할 수 있다.
이들 (2), (3)의 효과에 의해, 촬상 수단(31)은 실리콘 융액(M)이나 실리콘 단결정(SM)의 실제의 상황이 거의 정확하게, 또한 클리어하게 비친 상을 촬상할 수 있다. 특히, 실리콘 융액(M)과 실리콘 단결정(SM)의 경계부 및 그 주변의 상을 클리어하게 촬상할 수 있다.
그 결과, 챔버(21)의 외부에서 실리콘 단결정(SM)의 육성 상황을 거의 정확하게 파악할 수 있다. 그리고, 파악한 육성 상황에 기초하여 실리콘 단결정(SM)의 직경 및 갭(G)을 정밀하게 제어할 수 있다. 즉, 클리어한 상에 의해 목적하는 직경에 대한 괴리량, 혹은 목적하는 갭(G)에 대한 괴리량을 정확하게 파악하고, 그 괴리량을 없애도록 제어하는 것이 가능해진다.
(4) 플랜지부(52)의 외경을 열차폐체(25)의 하단 개구의 내경보다 크게 하였기 때문에, 플랜지부(52)와 열차폐체(25)와의 맞닿음만으로 퍼지 튜브(5)를 용이하게 설치할 수 있다.
(5) 실리콘 융액(M)의 액면부터 투과부(522)까지의 거리가 L1이 되도록 퍼지 튜브(5)를 위치 결정하고 있기 때문에, 실리콘 융액(M)의 복사열에 의해 투과부(522)가 변색되는 것을 억제할 수 있다.
이 변색은 산화 규소(SiOx)가 투과부(522)에 부착, 결합됨으로써 발생하기 때문에, 불산 등에 의한 산 세정에 의해 제거할 수 있지만, 제거 비용이 발생하기 때문에 제조 원가(cost) 증가로 이어진다.
상기 실시 형태에서는 투과부(522)의 변색을 억제할 수 있기 때문에 원가 증가를 억제할 수 있다.
[제2 실시 형태]
다음, 본 발명의 제2 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
단, 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 설명을 생략 또는 간략하게 한다.
〔퍼지 튜브의 구성〕
먼저, 퍼지 튜브의 구성에 대하여 설명하기로 한다.
도 4a와 도 4b에 나타낸 바와 같이, 퍼지 튜브(7)는, 원통형의 원통부(71)와 해당 원통부(71)의 하단으로부터 외측을 향하여 플랜지형으로 돌출되는 플랜지부(72)를 구비하고 있다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 플랜지부(72)의 외경은 열차폐체(25)의 하단 개구의 내경보다 크고, 나아가 열차폐체(25)의 상단 개구의 내경보다 큰 것을 특징으로 한다.
원통부(71)는 흑연에 의해 형성되어 있다.
플랜지부(72)는 투명한 석영에 의해 형성되어 있다. 플랜지부(72)는 원통부(71)의 중심축과 직교하는 방향으로 연장되며, 또한 두께가 균일한 원환판형으로 형성되어 있다. 플랜지부(72)의 외경은 열차폐체(25)의 하단 개구의 내경보다 크며, 나아가 열차폐체(25)의 상단 개구의 내경보다 크다. 퍼지 튜브(7)가 챔버(21) 내에 마련되었을 때, 플랜지부(72)에 있어서 촬상 수단(31)의 광축(P)과 중첩되는 부분을 포함하는 일부의 영역이 투과부(721)로서 기능한다. 예를 들면, 도 4a에 있어서, 이점 쇄선으로 에워싸인 영역이 투과부(721)로서 기능하는데, 퍼지 튜브(7)의 설치 상태에 따라서는 다른 영역이 투과부(721)가 될 수 있다. 이러한 구성에 의해 투과부(721)의 상면(721A)은 평면이 된다.
플랜지부(72)의 상면(72A)에는 원환판형의 안쪽 가장자리를 따른 원형의 위치 결정 홈부(72B)가 마련되어 있다. 이 위치 결정 홈부(72B)에 원통부(71)의 하단이 끼워져들어감으로써 원통부(71)의 중심축과 플랜지부(72)의 중심축이 일치하도록 양자가 위치 결정된다. 투과부(721)는, 측면에서 보았을 때 그 상면(721A)과 원통부(71)의 외주면(71A)이 이루는 각도(θ3)가 직각이 되도록 마련된다.
〔퍼지 튜브를 구비하는 단결정 인상 장치의 구성〕
도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 퍼지 튜브(7)는 단결정 인상 장치(1A)의 챔버(21) 내에 마련된다. 퍼지 튜브(7)는 열차폐체(25)의 상단 개구의 내경보다 크므로, 열차폐체(25)의 피지지부(252)의 상면에 올려놓을 수 있다. 플랜지부(72)가 열차폐체(25)의 피지지부(252)의 상면에 올려놓여짐으로써 실리콘 융액(M)의 액면부터 투과부(721)까지의 거리(L2)를 제1 실시 형태의 거리(L1)보다 길게 할 수 있고, 투과부(721)의 하단의 위치를 확실하게 퍼지 튜브(9)의 변색 영역(A)의 상단 위치보다 높게 할 수 있다. 나아가, 퍼지 튜브(7)가 제1 실시 형태와 비교하여 고온에 노출되는 것을 피할 수 있으므로, 보다 많은 반복 사용이 가능해진다.
또한, 퍼지 튜브(7)는 원통부(71)의 중심축과 열차폐체(25)의 중심축이 일치하고, 또한 원통부(71)의 중심축이 연직선(V)과 평행해지도록 위치 결정되어 있다. 나아가, 퍼지 튜브(7)는 그 상단 측의 일부분이 덮개부(211B)의 개구부(211C) 내에 위치하도록 위치 결정되어 있다. 퍼지 튜브(7)와 개구부(211C)가 접촉되어 있지 않으나, 양자가 접촉되어 있을 수도 있다.
이상과 같이, 퍼지 튜브(7)가 챔버(21) 내에서 지지됨으로써 투과부(721)의 상면(721A)에 대한 촬상 수단(31)의 광축(P)의 입사각(θ4)(상면(721A)의 법선(N)에 대한 광축(P)의 입사각(θ4)은 45°이하가 된다.
〔실리콘 단결정의 제조 방법〕
다음, 단결정 인상 장치(1A)를 이용한 실리콘 단결정(SM)의 제조 방법에 대하여 설명하기로 한다.
단, 실리콘 단결정(SM)의 제조 공정은 제1 실시 형태와 동일하기 때문에, 퍼지 튜브(5) 대신 퍼지 튜브(7)를 마련한 것에 따른 차이점만 설명하기로 한다.
실리콘 단결정(SM)의 육성 중, 실리콘 융액(M)의 증발에 따라 SiO의 응집물이 열차폐체(25)의 내부에 낙하할 우려가 있는데, 본 실시 형태에서는 원환판형의 플랜지부(72)의 바깥 가장자리 전체 둘레가 열차폐체 본체부(251)의 상단 개구보다 외측에 위치해 있기 때문에, 플랜지부(72)에 의해 응집물이 실리콘 융액(M)에 도달하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실리콘 단결정(SM)의 육성 중, 광학 관찰 수단(3)의 촬상 수단(31)은 투과부(721)를 투과하는 상을 촬상한다. 그리고, 제어부(4)는 광학 관찰 수단(3)으로 얻어진 육성 상황에 기초하여, 원하는 실리콘 단결정(SM)이 제조되도록 육성 조건을 제어한다.
〔제2 실시 형태의 작용 효과〕
제2 실시 형태에 따르면, 제1 실시 형태의 (4), (5)와 동일한 작용 효과에 더하여, 이하와 같은 작용 효과를 이룰 수 있다.
(6) 원통부(71)와 플랜지부(72)로 구성된 퍼지 튜브(7)를 원통부(71)의 중심축과 연직선(V)이 평행해지도록 챔버(21) 내에서 위치 결정하고 있다.
이 때문에, 투과부(721)의 상면(721A)에 대한 촬상 수단(31)의 광축(P)의 입사각(θ4)을 종래의 구성과 비교하여 작게 할 수 있고, 챔버(21)의 외부에서 실리콘 단결정(SM)의 육성 상황을 적절하게 파악할 수 있다.
(7) 플랜지부(72)를 원통부(71)의 중심축과 직교하는 방향으로 연장되고, 또한 두께가 균일한 원환판형으로 형성하고 있기 때문에, 해당 플랜지부(72)를 용이하게 제조할 수 있다.
(8) 원통부(71)를 흑연에 의해 형성하고 있기 때문에, 퍼지 튜브(7)의 경량화와 원가 절감을 도모할 수 있다.
[변형 예]
단, 본 발명은 상기 실시 형태에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에 있어서 다양한 개량 및 설계의 변경 등이 가능하다.
예를 들면, 투과부(522)는 상면(522A)과 원통부(51)의 외주면(51A)이 이루는 각도(θ1)가 둔각이 되고, 또한 상면(522A)에 대한 광축(P)의 입사각이 45° 이상이 되도록 마련될 수도 있다.
투과부(522)는 상면(522A)과 원통부(51)의 외주면(51A)이 이루는 각도(θ1)가 180° 미만이면, 즉 종래의 구성과 같이 180°가 아니면, 상면(522A)에 대한 광축(P)의 입사각이 45°를 초과하도록 마련될 수도 있다. 이러한 구성에서도, 상면(522A)에 대한 광축(P)의 입사각을 종래의 구성과 비교하여 작게 할 수 있고, 투과부(522)에서의 반사 성분이 촬상 수단(31)으로 촬상되는 것을 억제할 수 있다.
투과부(522, 721)는 두께가 불균일한 판형일 수도 있다.
곡면형의 플랜지 본체부(521)의 상면(521A)을 투과부로서 기능시킬 수도 있고, 이 경우, 플랜지부(52) 전체를 원뿔대통형으로 형성할 수도 있다.
원통부(71)를 스테인리스 등의 금속이나 석영으로 형성할 수도 있고, 원통부(51)나 플랜지 본체부(521)나 플랜지부(72)의 투과부(721)로서 기능하는 영역 이외를 흑연이나 금속으로 형성할 수도 있다.
열차폐체(25)의 열차폐체 본체부(251)는 원통형일 수도 있고, 열차폐체 본체부(251)에 퍼지 튜브 지지부(251A)를 마련하지 않을 수도 있다.
실시 예
다음, 본 발명을 실시 예에 의해 더 상세하게 설명하는데, 본 발명은 이들 예에 의해 전혀 한정되는 것은 아니다.
먼저, 도 7a에 나타낸 바와 같은 퍼지 튜브(9)를 열차폐체(25)의 내부에 배치하였다. 퍼지 튜브(9)는, 상기 선행 기술 문헌(일본 특허 공개 2011-246341호 공보)의 도 1에 나타낸 바와 같이, 석영에 의해 원통형으로 형성되어 있다. 퍼지 튜브(9)는 열차폐체(25)의 하단으로부터 내측으로 돌출되는 돌출부(259)에 의해 그 하단(91)이 지지되고 있다.
도 7a의 구성을 갖는 단결정 인상 장치를 이용하여 싱글 인상법(한 개의 석영 도가니를 이용하여 한 개의 실리콘 단결정을 제조하는 방법)으로 복수 개의 실리콘 단결정(SM)을 제조하고, 각 실리콘 단결정(SM)을 제조할 때마다 퍼지 튜브(9)의 변색을 관찰하였다. 이 때, 퍼지 튜브(9)의 하단 측의 측면 부분을 통하여 광학 관찰 수단(3)으로 육성 상황을 관찰하면서 갭(G)을 조정하였다.
첫 번째의 실리콘 단결정(SM)의 제조 후부터, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 변색이 발생하기 시작하였고, 제조 수가 많아질수록 변색 색이 짙어지는 것을 확인할 수 있었다. 히터(23)의 통전 시작 후 50시간을 경과했을 무렵의 실리콘 단결정을 제조한 시점에서 광학 관찰 수단(3)으로의 관찰이 어려운 상태까지 퍼지 튜브(9)가 변색되었다.
그리고, 퍼지 튜브(9)의 하단(91)부터 변색 영역(A)의 상단까지의 높이(H)와 열차폐체(25)의 내측 표면이 변색된 위치를 확인하였다.
이 확인 결과에 기초하여 투과부(522, 721)의 하단의 위치가 퍼지 튜브(9)의 변색 영역(A)의 상단 위치 및 열차폐체(25) 내측의 변색 영역의 상단 위치보다 높아지도록 퍼지 튜브(5, 7)를 설치함으로써 변색을 억제할 수 있을 가능성이 있음을 확인할 수 있었다.
실제로 제1, 제2 실시 형태의 구성에 있어서, 상기 확인 결과에 기초한 위치에 퍼지 튜브(5, 7)를 설치하여 실리콘 단결정(SM)을 제조하였더니, 히터(23)의 통전 시작 후 50시간을 초과하여도 변색은 보이지 않았다.

Claims (11)

  1. 단결정 인상 장치의 챔버 내에 마련되는 퍼지 튜브로서,
    원통형으로 형성되고, 상기 챔버의 외부로부터 도입되는 불활성 가스를 실리콘 융액 측으로 안내하는 원통부와,
    상기 원통부의 외주면으로부터 외측을 향하여 플랜지형으로 돌출되는 플랜지부를 구비하고,
    상기 플랜지부의 적어도 일부에는, 상기 챔버의 외부에 마련된 광학 관찰 수단에 의해 실리콘 단결정의 육성 상황의 관찰을 가능하게 하는 투과부가 마련되고,
    상기 플랜지부의 외경은 상기 챔버 내에 마련되는 원통형 또는 원뿔대통형의 열차폐체의 하단의 내경보다 큰 것을 특징으로 하는 퍼지 튜브.
  2. 청구항 1에 기재된 퍼지 튜브에 있어서,
    상기 투과부는 해당 투과부의 상면에 대한 상기 광학 관찰 수단의 광축의 입사각이 45°이하가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 퍼지 튜브.
  3. 청구항 2에 기재된 퍼지 튜브에 있어서,
    상기 투과부는 상기 입사각이 0°가 되도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 퍼지 튜브.
  4. 청구항 1에 기재된 퍼지 튜브에 있어서,
    상기 투과부는 두께가 균일한 평판형의 석영으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 퍼지 튜브.
  5. 청구항 1에 기재된 퍼지 튜브에 있어서,
    상기 플랜지부는 상기 원통부의 중심축과 직교하는 방향으로 연장되는 원환판형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 퍼지 튜브.
  6. 청구항 5에 기재된 퍼지 튜브에 있어서,
    상기 플랜지부는 두께가 균일하게 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 퍼지 튜브.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 기재된 퍼지 튜브에 있어서,
    상기 원통부는 흑연에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 퍼지 튜브.
  9. 실리콘 융액을 수용하는 도가니와,
    종자 결정을 상기 실리콘 융액에 접촉시킨 후에 인상함으로써 실리콘 단결정을 육성하는 인상부와,
    상기 도가니의 상방에 있어서 상기 실리콘 단결정을 에워싸도록 마련된 원통형 또는 원뿔대통형의 열차폐체와,
    상기 도가니 및 상기 열차폐체를 수용하는 챔버와,
    상기 챔버 내에 마련되는 퍼지 튜브이며, 원통형으로 형성되고, 상기 챔버의 외부로부터 도입되는 불활성 가스를 실리콘 융액 측으로 안내하는 원통부와, 상기 원통부의 외주면으로부터 외측을 향하여 플랜지형으로 돌출되는 플랜지부를 구비하고, 상기 플랜지부의 적어도 일부에는, 상기 챔버의 외부에 마련된 광학 관찰 수단에 의해 실리콘 단결정의 육성 상황의 관찰을 가능하게 하는 투과부가 마련되어 있는 퍼지 튜브와,
    상기 챔버의 외부로부터 해당 챔버의 내부로 불활성 가스를 도입하는 가스 도입부와,
    상기 챔버의 외부에 마련되며, 상기 퍼지 튜브의 상기 투과부를 통하여 상기 실리콘 단결정의 육성 상황을 관찰하는 광학 관찰 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
  10. 청구항 9에 기재된 단결정 인상 장치에 있어서,
    상기 열차폐체의 내주면에는 상기 퍼지 튜브를 하방에서 지지하는 퍼지 튜브 지지부가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
  11. 청구항 9에 기재된 단결정 인상 장치를 이용한 실리콘 단결정의 제조 방법으로서,
    상기 광학 관찰 수단의 관찰 결과에 기초하여, 상기 실리콘 단결정의 육성 조건을 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법.
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