KR102451953B1 - 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치는, 상부측에서 외측으로 돌출되어 형성되는 아우터와, 상기 아우터의 상면 일부와 결합되고, 하부에서도 상기 아우터와 결합되어 소정의 공간을 형성하는 이너를 포함하고, 상기 아우터와 이너의 하부 결합부에서 하부로 연장 형성된후 다시 아우터 방향으로 연장형성된 가이드를 구비하여 아르곤가스의 흐름을 변경하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에서는 불활성가스의 흐름이 결정의 수율에 영향을 주는 것은 기존기술에 잘 나타나 있기 때문에 이러한 와류현상을 줄임으로써 결정 수율 향상에 기여할 수 있다. 또한 본 발명의 실시예에서는 결정표면의 불활성가스의 흐름이 증가하게 되고, 일정하게 유지되므로 단결정내 산소농도를 저감할 수 있으며, 가이드의 길이 및 높이 조절을 통해 불활성 가스의 유속을 증가하여 단결정내 산소농도를 감소할 수 있다.

Description

단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치{Device for improving flow in single crystal growth furnace of pulling machine}

본 발명은 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치에 관한 것으로, 특히 결정내부 새로운 구조물을 이용하여 불활성가스의 흐름을 개선함으로써 결정성장의 안정성과 산소농도를 낮출 수 있는 단결정 성장로 내 유동흐름 개선 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 단결정 실리콘은 초크랄스키(CZ)법에 의해 제조되며, 제조장치는 챔버내에 단열재, 그라파이트 재질의 히터, 열차단 리플렉터, 도가니, 수냉자켓으로 구성되어 있다.

단결정 실리콘은 폴리실리콘을 석영도가니에 담아 액상으로 가열한 후 액상에서 단결정으로 성장하게 된다.

도 1은 불활성가스의 흐름을 나타내었다.

불활성가스는 상부에서결정의 측면을 지나 멜트표면과 리플렉터사이의 Gap을 지나 흘러간다. 이러한 불활성가스의 흐름은 성장로 내부 구조물의 형상에 따라 영향을 받으며 결정이 성장함에 따라 내부공간의 변화로 유속이 달라지게 된다.

국내 공개특허 2004-0051868호는 단결정 잉곳의 성장에 따라 불활성가스의 흐름의 변화로 인해 도 2의 표 1의 델타압력이 발생하고, 이러한 델타압력을 내부압력을 변화 시킴으로써 표 2 델타압력을 감소시켜 수율을 향상시킨 기술이다. 즉, 내부 불활성가스의 흐름 즉 유속의 변화를 개선함으로써 수율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

그리고, 결정성장시의 산소농도의 발생을 도 3에 나타내었다.

도 3을 참조하면, 산소농도는 석영도가니에서 발생하여, 실리콘 멜트를 따라 대류 및 확산에 의해 이동을 하면서 약 99%의 산소가 휘발하게 되고, 약 1%의 산소가 결정으로 유입되게 된다.

기존 논문(""The effects of argon gas flow rate and furnace pressure on oxygen concentration in Czochralski silicon single crystals grown in a transverse magnetic ", Journal of Crystal Growth 210 (2000) 532~540)에 공개된 내용을 보면 수평자기장이 적용되는300mm 이상의 결정에서는 도 4의 Ar 유속이 증가되면 산소농도는 유속에 비례해서 감소되는 결과가 나타남을 알 수 있다. 즉, 멜트 표면의 유속을 증가시킬수록 산소농도가 낮아짐을 알 수 있다.

도 5는 기존 반도체용 리플렉터의 구조를 나타내었다.

도 5를 참조하면, 기존 조건의 리플렉터 하부형상은 불활성가스가 흘러가는 공간의 변화가 심하기 때문에 멜트 상부에서 이러한 공간의 변화로 인해 불활성가스의 유속의 변화가 크게 일어난다.

기존조건1에서는 유동공간의 증가로 유속감소가 나타나므로 산소농도 증가가 예상되며, 특히 가이드가 설치된 경우에는 가이드 뒤쪽으로 와류가 발생하며 이러한 와류는 유동의 불안정성과 SiO2와 같은 산화물이 유동을 따라 이동하다가 멜트에 떨어져 결정으로 유입될 수 있는 가능성이 높아져 결정의 수율에 좋지 않은 영향을 주게 된다.

또한, 가이드 이후 유동공간의 증가로 인해 멜트표면의 불활성가스의 유속이 줄어 들기 때문에 산소농도 감소에도 좋지 않은 영향을 주게 된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 결정의 수율을 향상시키고, 산소농도를 낮출수 있는 리플렉터에 장착하는 불활성가스 가이드를 구비하는 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치를 제공하는 것이다.

이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치는,

인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치로서,

상부측에서 외측으로 돌출되어 형성되는 아우터(1)와,

상기 아우터의 상면 일부와 결합되고, 하부에서도 상기 아우터와 결합되어 소정의 공간을 형성하는 이너를 포함하고,

상기 아우터와 이너의 하부 결합부에서 하부로 연장 형성된후 다시 아우터 방향으로 연장형성된 가이드를 구비하여 아르곤가스의 흐름을 변경하는 것을 특징으로 한다.

상기 가이드는 그라파이트(Graphite) 및 몰리텅스텐(Molybdenum), 텅스텐을 포함하는 고온에서 견딜 수 있는 재질로 구성된다.

상기 가이드는 단면이 1~10mm 두께를 가진다.

상기 가이드는 단면의 높이가 0~150mm이다.

상기 가이드는 단면의 길이가 0~150mm 이다.

상기 아우터와 이너의 결합에 따라 형성되는 내부 공간에 단열재가 채워지는 것을 특징으로 한다.

상기 이너와 아우터의 사이인 단열공간에는 단열재가 충진되는 것이 보통이며, 이때 단열재가 노출되면 이물이 발생 될 수 있기 때문에 이너와 아우터는 상호 기밀을 유지하여 결합 된다.

본 발명의 실시예에서는 리플렉터의 구조로 인해 발생되는 와류현상을 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 불활성가스의 흐름이 결정의 수율에 영향을 주는 것은 기존기술에 잘 나타나 있기 때문에 이러한 와류현상을 줄임으로써 결정 수율 향상에 기여할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 리플렉터의 구조로 인해 멜트표면 불활성가스의 유속이 감소하게 되나, 본 발명을 적용함으로써 결정의 온도를 크게 변화시키지 않으면서 불활성가스의 흐름을 증가함으로써 결정의 산소농도를 낮출 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 이너와 아우터로 이루어지는 리플렉터에 장착하는 가이드를 통해 가스의 흐름을 일정하게 유지함으로써 결정의 수율도 향상할 수 있으며, 가이드의 길이 및 높이 조절을 통해 불활성 가스의 유속을 증가하여 단결정 성장로내 산소농도를 감소할 수 있다.

도 1은 종래의 불활성 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 델타압력을 나타낸 도면이다.
도 3은 종래의 결정 성장시의 산소 농도의 발생을 나타낸 도면이다.
도 4는 아르곤 가스 유속과 산소 농도이 발생을 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 리플렉터 구조에서 2가지 조건에서 불활성 가스의 유속차이를 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 열차단 에셈블리의 단면을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치 장착시의 성장로 내의 불활성 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치 장착시의 성장로 내의 산소농도를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치 장착시의 성장로 내의 가이드 높이 및 길이 변화에 따른 멜트 표면 유속을 나타낸 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 열차단 에셈블리의 단면을 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치 장착시의 성장로 내의 불활성 가스의 흐름을 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치 장착시의 성장로 내의 산소농도를 나타낸 도면이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치 장착시의 성장로 내의 가이드 높이 및 길이 변화에 따른 멜트 표면 유속을 나타낸 도면이다.

도 6a 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치는,

인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치로서,

상부측에서 외측으로 돌출되어 형성되는 아우터(1)와,

상기 아우터(1)의 상면 일부와 결합되고, 하부에서도 상기 아우터(1)와 결합되어 소정의 공간을 형성하는 이너(2)를 포함하고,

상기 아우터(1)와 이너(2)의 하부 결합부에서 하부로 연장 형성된후 다시 아우터(1) 방향으로 연장형성된 가이드(4)를 구비하여 아르곤가스의 흐름을 변경하는 것을 특징으로 한다.

상기 가이드(4)는 그라파이트(Graphite) 및 몰리텅스텐(Molybdenum), 텅스텐을 포함하는 고온에서 견딜 수 있는 재질로 구성된다.

상기 가이드(4)는 단면이 1~10mm 두께를 가진다.

상기 가이드(4)는 단면의 높이가 0~150mm이다.

상기 가이드(4)는 단면의 길이가 0~150mm 이다.

상기 아우터(1)와 이너(2)의 결합에 따라 형성되는 내부 공간에 단열재(3)가 채워지는 것을 특징으로 한다.

상기 이너(2)와 아우터(1)의 사이인 단열공간에는 단열재(3)가 충진되는 것이 보통이며, 이때 단열재(3)가 노출되면 이물이 발생 될 수 있기 때문에 이너(2)와 아우터(1)는 상호 기밀을 유지하여 결합 된다.

이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치의 동작에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예는 결정의 수율을 향상시키고, 산소농도를 낮출수 있도록 아우터(1)와 이너(2)로 이루어진 리플렉터에 불활성가스 가이드(4)를 장착하였다.

가이드(4)는 재질을 리플렉터와 동일한 재질이거나 고온에서 견딜 수 있는 Graphite(Emissivity 0.8~0.95), Molybdenum(Emissivity 0.13~0.19)과 텅스텐(Emissivity 0.15~0.28) 같은 재질이 사용될 수 있다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 가이드(4)는 리플렉터의 아우터(1)와 이너(2)의 결합부에 장착하는 형태로 되어 있으며, 결정 성장시에 불활성가스의 흐름이 멜트 상부에서 균일하게 유지될 수 있도록 가이드 하게 된다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예 장착시의 불활성가스 Ar 흐름을 나타내었으며, 기존 리플렉터보다 멜트 표면에서 높은 유속과 멜트 전반적으로 균일한 유속이 유지됨을 알 수 있다.

또한, 기존 리플렉터에서 발생되었던 와류가 발생되지 않으므로 결정의 수율의 향상을 예상할 수 있다.

도 8에는 본 발명의 실시예 장착시의 산소농도의 변화를 나타내었다.

도 8을 참조하면, 기존 리플렉터에 비해 본 발명의 실시예는 멜트 표면의 불활성가스 Ar 흐름속도가 증가되어, 이로 인해 결정으로의 산소농도가 기존보다 감소됨을 알 수 있다.

도 9에는 본 발명의 실시예에 따른 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치의 가이드 길이 및 높이에 따른 유속의 변화를 나타내었다.

본 발명의 실시예의 가이드(4) 구조물의 길이와 높이를 변화시킴으로써 멜트 표면의 유속을 변화 시킬 수 있으며, 이에 따라 추가적인 산소농도의 저감이 가능하다. 특히 결정의 온도에는 영향을 주지 않으면서 멜트표면의 유속과 결정으로 유입되는 산소농도의 조절도 가능하다.

본 발명의 실시예에서는 리플렉터의 구조로 인해 발생되는 와류현상을 줄일 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 불활성가스의 흐름이 결정의 수율에 영향을 주는 것은 기존기술에 잘 나타나 있기 때문에 이러한 와류현상을 줄임으로써 결정 수율 향상에 기여할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 리플렉터의 구조로 인해 멜트표면 불활성가스의 유속이 감소하게 되며, 결정의 온도를 변화시키지 않으면서 불활성가스의 흐름을 증가함으로써 결정의 산소농도를 낮출 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 이너(2)와 아우터(1)로 이루어지는 리플텍터에 장착하는 가이드(4)를 통해 가스의 흐름을 일정하게 유지함으로써 결정의 수율도 향상할 수 있으며, 가이드(4)의 길이 및 높이 조절을 통해 불활성 가스의 유속을 증가하여 단결정내 산소농도를 감소할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

1. 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치로서,
   상부측에서 외측으로 돌출되어 형성되는 아우터와,
   상기 아우터의 상면 일부와 결합되고, 하부에서도 상기 아우터와 결합되어 소정의 공간을 형성하는 이너를 포함하고,
   상기 아우터와 이너의 하부 결합부에서 하부로 연장 형성된후 다시 아우터 방향으로 연장형성된 L자형의 가이드를 구비하여 아르곤가스의 흐름을 변경하는 것을 특징으로 하고,
   상기 가이드는 그라파이트(Graphite) 및 몰리텅스텐(Molybdenum), 텅스텐중 적어도 하나를 포함하여 고온 내열성이 향상되고,
   
   상기 L자형의 가이드의 수평부가 상기 아우터의 볼록부까지 연장되며,
   상기 인상기 폭의 절반으로 상기 아우터가 형성되고, 상기 아우터의 폭의 절반으로 상기 L자형의 가이드의 횡방향의 폭이 형성되는 것을 특징으로 하고,
   
   상기 가이드는 단면이 1~10mm 두께를 가지고,
   상기 가이드는 단면의 높이가 120~150mm이고,
   상기 가이드는 단면의 길이가 100~150mm 이며,
   상기 가이드는 상기 아우터와 이너의 결합부에 장착하는 형태로 되어 있으며, 결정 성장시에 불활성가스의 흐름이 멜트 상부에서 균일하게 유지될 수 있도록 가이드 하고,
   상기 아우터와 이너의 결합에 따라 형성되는 내부 공간에 단열재가 채워지고,
   상기 이너와 아우터는 상호 기밀을 유지하여 결합되는 인상기의 단결정 성장로내 유동흐름 개선 장치.
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