KR19980063897A - 실리콘 단결정의 제조방법 및 그 방법을 실시하는데 쓰이는히터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초크랄스키방법(czochralski method)에 의한 실리콘 단결정의 제조방법과, 실리콘충전도가니를 가열하는데 사용되고 그 도가니 아래에 배치시킨 히터에 관한 것이다.

그 방법은 그 도가니 아래에 배치시킨 코일상히터(coiled heater)를 사용하여 최소한 유도할 수 있는 일부의 시간동안 에너지를 그 용융물에 전달시킴을 특징으로 한다.

그 히터는 권회코일(wound coil)형상으로 구성한다.

Description

실리콘 단결정의 제조방법 및 그 방법을 실시하는데 쓰이는 히터

본 발명은 초크랄스키방법에 의한 실리콘단결정의 제조방법에 관한 것이다.

또 본 발명은 실리콘 충전도가니를 가열시키며 그 도가니 아래에 배치시킨 히터에 관한 것이다.

초크랄스키방법에 의한 실리콘단결정의 제조에 있어서, 고형실리콘을, 아래에서 도가니 로 설명되는 석영-글라스재 도가니에서 용융시킨다.

그 다음 종결정(seed crystal)을 그 용융물에 침지(dipping)시켜 단결정을 그 용융물에서 인발한다(pull).

이 방법은 초기부터 계속 개발하여 현재에는 직경 200mm를 초과한 단결정을 인발할 수 있다.

그러나, 크기가 큰 단결정의 제조에는 여러 가지의 문제점이 발생하였다.

이들 문제점 중 하나는 그 실리콘을 용융할때와 단결정을 인발할 때 열 및 유동학적(rheological)상태와 관련되어 있다.

가급적 신속하게 그 실리콘을 용융시켜, 단결정의 전위없는 인발(dislocation-free pulling)이 필요한 용융물의 열 및 유동학적인 상태를 얻는 것이 바람직하다.

크기가 큰 단결정을 제조하기 위하여 , 그 도가니에서는 그 대응하는 큰 용량의 실리콘을 용융시키는 것이 필요하다.

일반적으로, 전위를 포함하며 재용융이 필요한 단결정 또는 다결정 단편을 사용하였다.

그 용융에 필요로 하는 가열에너지는 통상적으로 도가니양측 주위와 도가니아래에 배치되어 있는 저항성 가열구성요소(resistive heating elements)에 의해 구성된다.

이 타입의 가열구성요소를 구비한 장치는 예로서 특허문헌 USP 5,360,599 에 기재되어 있다.

실리콘의 용융점보다 상당히 높은 온도로 그 가열구성요소를 가열시켜 그 실리콘을 신속하게 용융시킴으로써 발생하는 하나의 요인으로는 그 도가니의 벽을 과열시킬 때 액상실리콘이 도가니를 부식시키는데 있다.

다수의 입자가 그 도가니재에서 이탈되어, 단결정을 인발할 때 그 결정면에 도달되므로 전위(dislocation)를 일으킬 염려가 있다.

또, 그 도가니의 벽과 그 결정면 사이에는 온도규배가 과도하게 되어 조절하지 않은 대류가 발생한다.

그 대류는 용융물의 온도와 도판트(dopant) 및 용융물의 불순물의 농도에 있어서 바람직하지 않은 국부적인 변동을 초래한다.

따라서, 본 발명은 석영-글라스재 도가니에서 실리콘을 용융시키는데 걸리는 시간을 감축시키며, 그 도가니에서 과열을 방지하고 용융물을 안정화하는데 목적이 있으며, 본 발명에 의해 그 목적을 달성한다.

도 1 은 본 발명에 의한 히터를 사용하여 초크랄스키방법에 의해 단결정을 인발하는 장치의 개략종단면도.

도 2 내지 도 4 는 각각 그 히터의 구조특징을 나타낸 상세도.

도 5 는 그 히터의 바람직한 예의 개략 종단면도.

도면에 나타낸 주요부분의 부호설명

1 ----- 도가니(quartz-glass crucible)

2 ------ 지지도가니(support crucible)

3 ------ 지지판(support plate)

4 ------ 저면히터(bottom heater)

6 ------ 선회부재(turns)

7 ------ 내측전기접속부재(inner electrical connection)

8 ----- 외측전기접속부재(outer electrical connection)

9 ------ 단열기판(thermally insulating base plate)

10 ---- 브리징엘레멘트(bridging element)

11 ----- 소켓(socket)

12 ----- 콤형상 전기절연스페이스(comb-shaped electrically insulating spacer)

13 ----- 프롱(prongs)

14 ------ 환상의 전기절연스페이서(annular, electrically insulating spacer)

15 ---- 스크루(screw)

16 ----- 헤드(head)

17 --- 절연와서(insulating washer)

18 ---- 샤프트(shaft)

18a , 18b -------- 공축부(coaxial parts)

19 ----- 튜브(tube)

20 ----- 캐비티(cavity)

21a,21b ------- 슬립링(slip ring)

본 발명은 석영-글라스재 도가니에서 실리콘을 용융시켜, 그 단결정을 실리콘용융물에서 인발하는 실리콘 단결정의 제조방법에 있어서, 도가니아래에 설치한 코일상히터(coiled heater)를 사용하여 최소한 유도할 수 있는 일부 시간동안 에너지를 그 용융물에 전달함을 특징으로 하는 구성에 관한 것이다.

또 본 발명은 실리콘을 충전한 석영-글라스재 도가니아래에 설치하여 그 도가니를 가열하는 히터(heater) 에 관한 것으로, 그 히터는 권회코일(wound coil)형상으로 구성되고, 교류 및 직류등으로 구성되는 전기접속부재를 구비한다.

본 발명의 특징은 열에너지를 실리콘 용융물로 직접 이동시킬 뿐만 아니라 전자계를 유도한 용융물의 대류(field-induced melt convection)에 의해 그 용융물에서 신속하고 균일하게 분산시키는데 있다.

기타로(furnace)의 성분(그라파이트)의 전기저항이 더 높기 때문에 그 에너지는 주로 그 용융물에 전달한다.

그 열에너지를 이동시킨 결과 실리콘을 용융시키는데 필요로 하는 시간을 상당히 감축하였다.

또, 그 도가니는 그 도가니의 내부로 향하는 열이동에 의해 도가니 주위에 배치한 저항성히터에 의한 과열을 방지한다.

그 단결정을 인발할 때, 유도가열(inductive heating)에 의한 용융물의 강제대류를 이용하여 온도 및 도판트와 불순물의 농도에서 조절하지 않은 국부적인 변동을 감축할 수 있고, 그 용융물을 안정화시킬수 있다.

이것은 전위없고 균일한 도핑 단결정의 인발을 촉진한다.

액체상태에서만은 실리콘이 유도전자계(induced electro-magnetic field)와 바람직한 상호작용을 하기 때문에, 그 처리공정이 개시될 때, 고형실리콘은 저항성히터에 의해 용융된다.

그 도가니 주위에 설치한 통상의 히터 역시 저면히터로서 다음에 설명되는 본 발명에 의한 히터로 사용할 수 있다.

그 저면히터는 DC 전원에 접속시켜 저항성가열로 처리한다.

그러나, 대부분의 실리콘을 용융시키기 위하여, 저면히터를 교류조작으로 전환시키므로 그 실리콘으로 이동한 에너지가 유도할 수 있게 발생한다.

사인파 AC 전압(sinusoidal AC voltage) 및 DC전압성분으로 변조한 AC전압 또는 반복스위칭에 의해 발생한 AC 전압의 인가가 바람직하다.

그 AC 전압의 주파수는 20Hz ~ 10KHz 가 바람직하다.

AC 전압의 고주파수에서, 그 용융물은 저주파수에서 보다 더 강한 국부적가열을 한다.

그러나, 저주파수에서 그 에너지 전달은 도가니의 내부에서 더멀리 도달된다.

따라서, 그 실리콘을 용융할 때 실리콘을 가급적 신속하게 용융시키기 위하여 고주파수로 초기에 처리하는 것이 바람직하다.

그 단결정을 인발할 때 그 저면히터를 직류로 통상의 저항성 가열을 시키면서 조작하거나 또는 그 용융물을 더 안정화시키기 위하여 교류 또는 변조직류로 조작할 수 있다.

그 히터를 변조직류로 조작시킬 경우, 그 용융물의 산소함량을 조정할수도 있다.

특히, 그 산소함량은 용융물중에서 대류의 이동속도에 의해 영향을 받는다.

그 변조전류의 AC 성분으로 그 용융물에 전달한 파워(power)즉 대류구동력(convection drive)을 측정한다.

동시에 그 히터의 필요한 전가열파워(heating power)를 DC 성분으로 제어한다.

따라서, 그 대류속도는 변조직폭(modulation amplitude)를 변경시킴으로서 전체의 열수지(total heat budger)를 각각 제어할 수 있다.

그 용융물중의 산소함량은, 상대적으로 강한 변조진폭을 선택함으로써 높은 대류속도를 설정하여 그 용융물에 침투하는 외측정자계(external static magnetic field)에 의해 천천히 그 대류속도를 제동하여 제어할 수 있다.

또, 그 용융물의 산소함량은, 주파수의 변화가 전자계의 침투두께(skin depth), 즉 대류를 변동시키므로, AC 성분의 주파수를 변화시킬수 있다.

다음으로, 본 발명의 장치를 첨부도면에 따라 더 구체적으로 설명한다.

도면에서 동일한 부호는 동일한 특징을 나타낸다.

우선 도 1 에 대하여 설명한다.

도 1 에서는 석영-글라스재 도가니(guastz-glass crucible)(1)를 나타내며, 그 도가니는 지지도가니(2)내에 매입(embed)되어 있고, 그 지지도가니와 함께, 회전할 수 있고 축방향으로 이동할 수 있는 샤프트의 지지판(3)상에 지지되어 있다.

그 도가니(1)는 그 양측면에서 원통형의 저항성히터에 의해 둘러싸여 있다.

본 발명에 의한 저면헤터(4)는 그 도가니 아래에 배치되어 있다.

반경방향의 슬롯(radial slots)(도시생략)은 그 지지도가니(2)의 바람직하지 않는 유도결합(inductiue coupling)을 감축한다.

이와 대응하여, 그 저면히터의 다음에 있는 다른 장치부품은 또 반경방향에서 슬롯형상으로 구성되어 있다.

그 저면히터(4)는 주로 그라파이트(graphite), CFC(탄소섬유 복합재 : Carbon fiber composite)또는 몰리브덴(Mo)또는 탄탈(Ta)등의 금속으로 된 코일(coil)로 구성되어 있다.

그 코일의 선회부재(turns)(6)은 내측전기접속부재(7)에서 외측접속부재(8)에 이르기까지의 폭이 넣은 통로로 안내된다.

그 선회부재의 수는 코일재에 따라 좌우되며, 탄소 코일은 그 코일재의 전기저항이 더 크기 때문에 직경이 동일한 금속코일보다 선회부재가 더 적다.

그 코일의 선회부재는 단일층 또는 다수층으로 번갈아가면서 배열할 수 있다.

그 저면히터아래에는 단열기판(9)이 있다.

그 코일의 선회부재 각각은, 예로서 그 선회부재에 피팅(fitting)하여 전기절연시키거나 또는 전기절연재로 구성하는 지지구성요소를 사용하여, 최소한 3개의 지지점에서 그 기판에 기계적으로 고정시키는 것이 바람직하다.

동시에 그 지지구성요소는 차례로 일정한 거리에서 코일의 선회부재를 지지하며, 그 선회부재의 진동을 감쇠한다.

그 기판은 그라파이트로 구성하는 것이 바람직하며, 동시에 저면히터의 내부전극의 전기접속부로서 작동하는 것을 촉진한다.

사용한 지지구성요소는 예로서 도 2 에 나타낸 브리징엘레멘트(bridging element)(10)이며, 그 브리징 엘레멘트는 선회부재(6)에 접속되고 푸트(foot)형상으로 그 선회부재에서 돌출되어 있다.

도면에 나타낸 실시예에서, 그 기판(9)은 그라파이트판에 의해 형성되고, 하부에 그라파이트-펠트판을 설정한 복합층으로 구성되어 있다.

브리징 엘레멘트(10)는 석영유리로 구성되어 있는 소켓(11)에 삽입되며, 그 소켓은 그 기판에서 대응되는 구멍에 매입된다.

도 3 은 코일의 선회부재가 어떻게 기판에 지지되는 가를 설명한 또 다른 실시예를 나타낸다.

이 경우, 보론니트리드로 구성되고, 기판(도시생략)상에 설정되어 있는 콤형상전기절연스페이서(12)가 여기서 지지구성요소로서 작동한다.

한쪽면에서 그 스페이서는 선회부재(6)사이의 갭에 끼운 프롱(13)을 구비한다.

선회부재의 지지체를 구성하는 또 다른 실시예를 도 4에서 나타낸다.

그 지지구성요소는 2개의 인접하는 선회부재(6)를 지지하고 스크루(15)를 이용하여 기판(9)에 나사식고정을 시킨 환상의 전기절연스페이서(annuler, electrically insulating spacer)(14)이다.

그 스크루의 헤드(16)가 절연와서(17)를 통하여 그 스페이서에 선회부재를 고정시킨다.

그 스크루는 CFC 로 구성되는 것이 바람직하다.

그 스페이서와 그 와서는 보론니트리드로 구성하는 것이 바람직하다.

동일하게 지지할 수 있는 또 다른 선회부재는 환상의 전기절연 스페이서에 의해 기판상에 지지되는 선회부재로 구성할 수 있다.

이 경우, 예로서 전기절연되거나 전기절연재로 구성되는 스크루에 의해 기판에 선회부재의 접속을 간편하게 하며, 그 기판과 스페이서를 통하여 그 선회부재에 나사식고정을 시킨다.

그 기판이 전기절연재, 예로서 보론니트리드로 구성될 경우 그 선회부재는 CFC 재스크루에 의해 기판에 직접 고정시킬수 있다.

단결정을 인발할 때, 그 용융물의 용량이 감소하여도 일정한 레벨에서 그 용융물의 표면을 유지하기 위하여 그 샤프트를 사용하여 도가니를 상승시키는 것이 통상적이다.

전달에너지의 양은, 저면헤드와 도가니 사이의 거리에 따라 좌우되므로, 그 저면히터를 도가니의 축방향으로 이동을 하도록 작동시키며, 동일하게 도가니로부터의 거리를 일정하게 유지시키는 것이 바람직하다.

원칙적으로, 각각의 장치가 여기에 구성되어 있어, 도가니와 함께 저면히터를 동시에 이동시킨다.

바람직한 예로서 도가니와 저면히터는 소정의 샤프트(18)(도 5 )에 의해 축방향이동을 한다.

그 샤프트(18)는 2개의 공축부(18a,18b)로 나누어지며, 그 내측부는 저면히터(4)의 내측전기접속부재로 구성된다.

그 외측부는 기판(9) 및 튜브(19)와 함께 저면히터의 외측전기접속부재로서 작동함과 동시에 기판(9)를 지지한다.

튜브(20) 및 지지도가니(2)와 함께 그 기판(9)은 저면히터(4)를 포함하는 캐비티(20)를 형성한다.

그 저면히터는 그 캐비티내에 거의 포위되어 있다.

따라서 그 캐비티에서 오는 불순물은 가스상으로 그 용융물에 도달할 수 없다.

그 전기접속부재는 슬립링(21a,21b)을 통하여 전원에 결합된다.

본 발명에 의해, 석영-글라스재 도가니내에 실리콘을 용융시킬 때 소요되는 시간을 단축시킬수 있고, 그 도가니의 과열을 방지하고 용융물을 안정화시킬수 있다.

도가니 아래에 설치한 코일상 히터에 의해 에너지를 용융물에 효과적으로 전달할 수 있다.

또, 본 발명에 의해 열에너지를, 직접 실리콘 용융물로 이동시킬수 있고 전자계로 유도한 용융물의 대류에 의해 그 용융물에서 신속하고 균일하게 분산시킬수 있으며, 로(furnace)의 구성성분(그라파이트)의 전기저항이 더 높아 열에너지를 용융물에 전달할 수 있다.

열에너지의 직접 이동으로 실리콘의 용융에 필요로 하는 시간을 크게 감소시킨다.

더 나아가서, 본 발명에 의해 도가니는 그 도가니내부로 향하는 열이동으로 저항성 히터에 의한 과열을 방지하며, 단결정을 인발할 때 유도가열에 의한 용융물의 강제대류를 이용하여 온도 및 도판트와 불순물의 농도에서 조절하지 않은 국부적인 변동을 감축할 수 있어 전위없는 균일한 도핑 단결정의 인발을 촉진할 수 있다.

Claims (17)

1. 석영-글라스재 도가니에서 실리콘을 용융시켜 실리콘용융물에서 그 단결정을 인발하여 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 있어서,

   그 도가니 아래에 배치시킨 코일상 히터(coiled heater)를 사용하여 에너지를 최소한 유도할 수 있는 일부의 시간동안 용융물에 전달함을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   그 실리콘을 용융할 때 그 히터를 최소한 일부 시간동안 교류로 작동시킴을 특징으로 하는 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   교류의 주파수를 변경시킴을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   히터는 실리콘을 용융시킬 때 변조직류로 최소한 일부 시간동안 작동시킴을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   히터는 단결정을 인발할 때 직류로 작동시킴을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서,

   히터는 단결정을 인발할 때 교류로 작동시킴을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   히터는 단결정을 인발할 때 변조직류로 작동시켜 AC 성분과 DC 성분의 비를 변동시킴을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서,

   히터는 단결정을 인발할 때 변조직류로 작동시켜, 그 용융물에 침투하는 정자계(static magnetic filld)를 발생시킴을 특징으로 하는 방법.
9. 제 1 항에 있어서,

   히터는 단결정을 인발할 때 변조직류로 작동시켜 AC 성분의 주파수를 변동시킴을 특징으로 하는 방법.
10. 실리콘충전도가니를 가열시키며 그 도가니 아래에 배치시킨 히터(heater)에 있어서,

    히터를 권회코일(wound coil)형상으로 구성함을 특징으로 하는 히터.
11. 제 10 항에 있어서,

    그 코일의 선회부재(turns)는 브리징엘레멘트(bridging elements)에 의해 기판(base plate)상에 기계적으로 고정시킴을 특징으로 하는 히터.
12. 제 10 항에 있어서,

    코일의 선회부재는 전기절연부재로 구성되는 선회부재 사이에서 콤브(comb)형상으로 구성되는 스페이서(spacer)를 통하여 기판에 기계적으로 고정시킴을 특징으로 하는 히터.
13. 제 10 항에 있어서,

    코일의 선회부재는 절연재로 된 환상스페이서를 통하여 기판에 기계적으로 고정시킴을 특징으로 하는 히터.
14. 제 10 항에 있어서,

    코일의 선회부재는 전기절연부재로 된 기판에 직접 고정시킴을 특징으로 하는 히터.
15. 제 12 항 내지 제 14 항중 한항에 있어서,

    전기절연재는 보론니트리드(boron nitride)임을 특징으로 하는 히터.
16. 제 10 항 내지 제 15 항중 한항에 있어서,

    코일은 수직으로 이동시킴을 특징으로 하는 히터.
17. 제 10 항 내지 제 16 항중 한항에 있어서,

    코일은 캐비티(cavity)내에 설정시킴을 특징으로 하는 히터.