KR20020041203A - 단결정 잉곳의 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 챔버와, 상기 챔버 내에 설치되어 소정 직경(D)를 갖는 단결정 잉곳을 성장하기 위한 실리콘 융액을 담는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 피복하며 회전축 상에 고정 설치되는 도가니 지지대와, 상기 도가니 지지대를 에워싸는 원통형의 히터와, 상기 히터를 에워싸게 설치되어 상기 히터에서 발산되는 열이 상기 챔버 쪽으로 확산되는 것을 방지하는 보온통과, 상기 단결정 잉곳과 도가니 사이에 설치되고 원통 형상의 제 1 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 상부와 연결되어 상기 보온통 상에 고정되는 플랜지 형상의 제 2 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 하부와 연결되어 상기 단결정 잉곳 쪽으로 돌출되게 형성된 제 3 차폐부로 이루어진 열실드를 포함하는 단결정 잉곳 제조장치에 있어서, 상기 제 3 차폐부가 상기 단결정 잉곳 및 상기 실리콘 융액을 향하며 수평대응거리(W1)와 제 1 곡률 반경(R1)을 갖는 제 1 면과, 상기 단결정 잉곳의 반대 쪽인 상기 히터 및 상기 실리콘 융액를 향하며 수평대응거리(W2)와 제 2 곡률 반경(R2)을 갖는 제 2 면과, 상기 단결정 잉곳의 외주면과 대향하는 제 3 면과, 상기 챔버의 상부를 향하며 제 3 곡률 반경(R3)을 갖는 제 4 면으로 이루어진다.

Description

단결정 잉곳의 제조장치{Growing apparatus of a single crystal ingot}
본 발명은 액상(液狀)의 실리콘을 봉상(棒狀)의 단결정으로 성장시키는 단결정 잉곳의 제조장치에 관한 것이다.
반도체 등의 전자 부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 등의 웨이퍼(wafer)는 실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 얇은 두께로 절단(slice)하여 만든다. 실리콘 단결정 잉곳은 다결정실리콘을 액상으로 용융시킨 후 쵸크랄스키 방법(Czochralski method : 이하, CZ 방법이라 칭함) 등으로 결정 성장시켜 제조한다.
실리콘 단결정을 CZ 방법에 의하여 결정 성장시키는데 있어서 단결정 내 결함특성은 결정의 인상속도 및 냉각 등의 성장 조건에 크게 의존한다. 따라서, 성장 계면 근처의 열 환경을 조절함으로써 결정 결함의 종류 및 분포를 제어하고자 하는 많은 노력이 진행되어 왔다.
실리콘 융액이 고체 결정화되면서 베이컨시-타입(vacancy-type)과 인터스티셜-타입(interstitial-type)의 점 결함(point defect)이 평형농도 이상으로 혼입되어 냉각 중에 이 점 결함들이 응집되어 성장된 결정 결함으로 발전하게 된다. V.V. Voronkov가 발표한 (The mechanism of swirl defects formation in silicon"(Journal of crystal growth. Vol. 59(1982년), P. 625.,)에 따르면, 이러한 결함의 형성은 V/G비와 밀접한 관계를 갖는다. 여기서 V는 잉곳의 인상 속도이며 G는 성장계면 근처의 결정 내 수직온도기울기이다.
상기에서 V/G의 비가 어떤 임계치를 초과하면 베이컨시-타입의 결정 결함이 발생되고, 그 이하에서는 인터스티셜-타입의 결정 결함이 발생된다. 따라서, 단결정 잉곳의 제조장치를 이용하여 결정을 성장시킬 때 소정의 핫존(hot zone)의 일정한 성장 조건에서는 인상 속도에 의하여 결정 내에 존재하는 결함의 종류, 크기 및 밀도 등이 영향을 받게 된다.
일반적으로, 결정 내 수직온도기울기(G)는 잉곳의 중심에서 가장 작고 가장자리로 갈수록 반경 방향으로 증가한다. 그러므로, 잉곳의 중심부에는 베이컨시-타입의 결정 결함영역의 형성이 용이하고 외주부에는 인터스티셜-타입의 결정 결함영역의 형성이 용이하여진다. 이러한 결정결함은 식각(etching) 또는 열처리 등의 소정의 처리 후 웨이퍼의 표면에 COP(Crystal Originated Partical), LDP(Large Dislocation Pit) 또는 OSF(Oxidation-induced Stacking Fault) 등의 결함으로 관찰된다.
따라서, 결정 성장시 중심부에서 베이컨시-타입 결정 결함의 발생을 억제하고 외주부에서 인터스티셜-타입 결정 결함의 발생을 억제하기 위해 단결정 잉곳의 결정 반경 방향으로의 수직온도 기울기 편차(ΔG), 즉, 단결정 잉곳 중심부의 수직온도 기울기(Gc)와 외주부의 수직온도 기울기(Ge)의 차를 줄이고 성장 계면에서 평균적인 수직온도 기울기를 향상시켜여야 한다.
상기에서 단결정 잉곳의 결정 반경 방향으로의 수직온도 기울기 편차(ΔG)를 줄이기 위해서는 중심부의 수직온도 기울기(Gc)를 높이거나 외주부의 수직온도 기울기(Ge)를 낮추어야 한다.
그러나, 외주부의 수직온도 기울기(Ge)를 낮추어 수직온도 기울기 편차(ΔG)를 줄이면 단결정 잉곳 성장 계면의 평균적인 수직온도 기울기가 감소되므로 단결정 잉곳의 성장 속도가 저하된다.
그러므로, 결정 결함의 발생이 저하되고 성장 속도를 향상시키기 위한 단결정 잉곳 제조장치, 특히, 성장계면의 열 환경에 직접적으로 영향을 미치는 열실드(thermal shield)의 개발에 많은 노력이 집중되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 단결정 잉곳의 제조장치의 개략 단면도이다.
종래 기술에 따른 단결정 잉곳의 제조장치는 챔버(11) 내에 실리콘 융액(15)을 담는 석영 도가니(13)가 설치된다. 석영 도가니(13)는 외부가 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(17)로 피복되며, 이 도가니 지지대(17)는 회전축(19) 상에 고정 설치된다. 상기에서 회전축(19)은 구동 수단(도시되지 않음)에 의해 회전되어 석영 도가니(13)를 회전시키면서 상방으로 구동된다.
석영 도가니(13)를 피복한 지지대(17)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(21)에 에워 싸여지며, 이 히터(21)는 보온통(23)에 의해 에워 싸여진다. 상기에서 히터(21)는 석영 도가니(13) 내의 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(15)을 만든다.
챔버(11)의 상부에 케이블(33)을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(도시되지 않음)이 설치되며, 이 인상 수단은 회전된다. 케이블(33)의 하부에 석영 도가니(13) 내의 실리콘 융액(15)에 접촉되어 인상되면서 단결정 잉곳(29)을 성장시키는 종결정(seed crystal : 31)이 설치된다.
챔버(11)의 상부에 성장되는 단결정 잉곳(29)과 도가니(13) 내부의 실리콘 융액(15)에 불활성 가스를 외부로부터 공급하는 공급관(25)이 설치된다. 그리고, 챔버(11)의 하부에 사용된 불활성 가스를 외부로 배출하는 배기관(27)이 설치된다.
성장되는 단결정 잉곳(29)과 도가니(13) 사이에 단결정 잉곳(29)을 에워싸며 제 1, 제 2 및 제 3 차폐부(37)(39)(41)로 구성된 열실드(35)가 설치된다. 상기에서 제 1 차폐부(37)는 원통 형상을 가지며 히터(17)로부터 복사열을 차단하며, 제 2 차폐부(39)는 제 1 차폐부(37)의 상부와 연결된 플랜지(flange) 형상을 가지며 보온통(23) 상에 고정되게 설치되고, 제 3 차폐부(41)는 제 1 차폐부(37)의 하부와 연결되며 삼각형의 단면을 갖도록 단결정 잉곳(29) 쪽으로 돌출된다.
상기에서 제 3 차폐부(41)는 하부면이 실리콘 융액(15)과 수평을 이루며 소정 거리 이격되어 실리콘 융액(15)에서 방출되는 복사열이 챔버(11) 상부로 전이되는 것을 방지하여 단결정 잉곳(29)의 성장계면 근처에 축적되도록 한다. 그러므로, 단결정 잉곳(29)의 성장계면 근처는 중심부와 외주부의 온도 차가 감소되므로 결정 반경 방향의 수직온도 기울기의 편차(ΔG)가 감소된다. 따라서, 소정의 인상속도에서 성장되는 단결정 잉곳(29) 내에 중심과 가장자리의 온도 차에 의한 결함의 발생이 감소된다. 제 3 차폐부(41)의 내부는 단열 특성이 우수한 재료로 채워져 단결정 잉곳(29) 상부로 열이 전달되는 것을 방지하는 단열부(43)가 된다.
그러나, 종래 기술에 따른 단결정 잉곳의 제조장치는 열실드의 제 3 차폐부에 의해 실리콘 융액에서 방출되는 복사열을 챔버 상부로 전이되는 것을 방지하여 제 3 차폐부와 실리콘 융액 사이의 성장계면 근처에 축적되게만 한다. 그러므로, 축적된 열이 단결정 잉곳의 외주부에 집중되지 않아 온도를 상승시키기 어렵기 때문에 결정 반경 방향으로의 수직온도 기울기 편차(ΔG)가 비교적 크므로 결정 결함이 많이 발생되는 문제점이 있었다. 또한, 제 3 차폐부와 실리콘 융액 사이의 상층부에 축적된 열 의해 중심부의 열이 방출되는 것이 억제되므로 성장 계면에서의 평균적인 수직온도 기울기가 저하되어 성장 속도가 감소되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 성장된 단결정 잉곳의 중심부와 외주부의 수직온도 기울기의 차이를 작게하여 성장 결함의 발생을 감소시키는 단결정 잉곳의 제조장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 단결정 잉곳 성장 계면의 평균적인 수직온도 기울기를 증가시켜 단결정 잉곳의 성장 속도를 향상시킬 수 있는 단결정 잉곳의 제조장치를 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 실시예는 챔버와, 상기 챔버 내에 설치되어 소정 직경(D)를 갖는 단결정 잉곳을 성장하기 위한 실리콘 융액을 담는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 피복하며 회전축 상에 고정 설치되는 도가니 지지대와, 상기 도가니 지지대를 에워싸는 원통형의 히터와, 상기 히터를 에워싸게 설치되어 상기 히터에서 발산되는 열이 상기 챔버 쪽으로 확산되는 것을 방지하는 보온통과, 상기 단결정 잉곳과 도가니 사이에 설치되고 원통 형상의 제 1 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 상부와 연결되어 상기 보온통 상에 고정되는 플랜지 형상의 제 2 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 하부와 연결되어 상기 단결정 잉곳 쪽으로 돌출되게 형성된 제 3 차폐부로 이루어진 열실드를 포함하는 단결정 잉곳 제조장치에 있어서, 상기 제 3 차폐부가 상기 단결정 잉곳 및 상기 실리콘 융액을 향하며 수평대응거리(W1)와 제 1 곡률 반경(R1)을 갖는 제 1 면과, 상기 단결정 잉곳의 반대 쪽인 상기 히터 및 상기 실리콘 융액를 향하며 수평대응거리(W2)와 제 2 곡률 반경(R2)을 갖는 제 2 면과, 상기 단결정 잉곳의 외주면과 대향하는 제 3 면과, 상기 챔버의 상부를 향하며 제 3 곡률 반경(R3)을 갖는 제 4 면으로 이루어진다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는 챔버와, 상기 챔버 내에 설치되어 소정 직경(D)를 갖는 단결정 잉곳을 성장하기 위한 실리콘 융액을 담는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 피복하며 회전축 상에 고정 설치되는 도가니 지지대와, 상기 도가니 지지대를 에워싸는 원통형의 히터와, 상기 히터를 에워싸게 설치되어 상기 히터에서 발산되는 열이 상기 챔버 쪽으로 확산되는 것을 방지하는 보온통과, 상기 단결정 잉곳과 도가니 사이에 설치되고 원통 형상의 제 1 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 상부와 연결되어 상기 보온통 상에 고정되는 플랜지 형상의 제 2 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 하부와 연결되어 상기 단결정 잉곳 쪽으로 돌출되게 형성된 제 3 차폐부로 이루어진 열실드를 포함하는 단결정 잉곳 제조장치에 있어서, 상기 제 3 차폐부가 상기 단결정 잉곳 및 상기 실리콘 융액을 향하며 수평대응거리(W1)와 볼록한 제 1 곡률 반경(R1)을 갖는 제 1 면과, 상기 단결정 잉곳의 반대 쪽인 상기 히터 및 상기 실리콘 융액를 향하며 수평대응거리(W2)와 볼록한 제 2 곡률 반경(R2)을 갖는 제 2 면과, 상기 단결정 잉곳의 외주면과 대응하는 제 3 면과, 상기 챔버의 상부를 향하며 오목한 제 3 곡률 반경(R3)을 갖는 제 4 면으로 이루어진다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예는 챔버와, 상기 챔버 내에 설치되어 소정 직경(D)를 갖는 단결정 잉곳을 성장하기 위한 실리콘 융액을 담는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 피복하며 회전축 상에 고정 설치되는 도가니 지지대와, 상기 도가니 지지대를 에워싸는 원통형의 히터와, 상기 히터를 에워싸게 설치되어 상기 히터에서 발산되는 열이 상기 챔버 쪽으로 확산되는 것을 방지하는 보온통과, 상기 단결정 잉곳과 도가니 사이에 설치되고 원통 형상의 제 1 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 상부와 연결되어 상기 보온통 상에 고정되는 플랜지 형상의 제 2 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 하부와 연결되어 상기 단결정 잉곳 쪽으로 돌출되게 형성된 제 3 차폐부로 이루어진 열실드를 포함하는 단결정 잉곳 제조장치에 있어서, 상기 제 3 차폐부가 상기 단결정 잉곳 및 상기 실리콘 융액을 향하며 수평대응거리(W1)와 오목한 제 1 곡률 반경(R1)을 갖는 제 1 면과, 상기 단결정 잉곳의 반대 쪽인 상기 히터 및 상기 실리콘 융액를 향하며 수평대응거리(W2)와 볼록한 제 2 곡률 반경(R2)을 갖는 제 2 면과, 상기 단결정 잉곳의 외주면과 대향하는 제 3 면과, 상기 챔버의 상부를 향하며 오목한 제 3 곡률 반경(R3)을 갖는 제 4 면으로 이루어진다.
도 1은 종래 기술에 따른 단결정 잉곳의 제조장치의 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조장치의 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳의 제조장치의 열실드를 나타내는 도 2의 A부분 확대 단면도.
도 4도는 도 3에 도시된 열실드의 작용 상태도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열실드의 확대 단면도
도 6도는 도 5에 도시된 열실드의 작용 상태도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2은 본 발명에 따른 단결정 잉곳의 제조장치의 개략 단면도이다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳의 제조장치는 챔버(51) 내에 실리콘 융액(15)을 담는 석영 도가니(53)가 설치되며, 이 석영 도가니(53)는 외부가 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(57)로 피복된다. 도가니 지지대(57)는 회전축(59) 상에 고정 설치되는 데, 이 회전축(59)은 구동 수단(도시되지 않음)에 의해 회전되어 석영 도가니(53)를 회전시키면서 상방으로 구동된다.
석영 도가니(53)를 피복한 지지대(57)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(61)에 에워싸여지며, 이 히터(61)는 보온통(63)에 의해 에워싸여진다. 상기에서 히터(61)는 석영 도가니(53) 내의 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(55)을 만드며, 보온통(63)은 히터(61)에서 발산되는 열이 챔버(51)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다.
챔버(51)의 상부에 케이블(73)을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(도시되지 않음)이 설치되며, 이 케이블(73)의 하부에 석영 도가니(53) 내의 실리콘 융액(55)에 접촉되어 인상하면서 단결정 잉곳(69)을 성장시키는 종결정(71)이 설치된다. 인상 수단은 단결정 잉곳(69) 형성시 케이블(73)을 감아 인상하면서 회전 운동한다.
챔버(51)의 상부에 성장되는 단결정 잉곳(69)과 도가니(53) 내부의 실리콘 융액(55)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 외부로부터 공급하는 공급관(65)이 설치된다. 그리고, 챔버(51)의 하부에 사용된 불활성 가스를 외부로 배출하는 배기관(67)이 설치된다.
단결정 잉곳(69)과 도가니(53) 사이에 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄소(C) 또는 SiC가 코팅된 흑연으로 이루어진 열실드(75)가 설치된다. 상기에서 열실드(75)는 제 1, 제 2 및 제 3 차폐부(77)(79)(81)로 구성되어 단결정 잉곳(69)을 에워싸도록 설치된다.
제 1 차폐부(77)는 원통 형상을 가지며 히터(67)와 도가니(53)로부터 전달되는 복사열이 잉곳(69) 쪽으로 확산되는 것을 차단하며, 제 2 차폐부(79)는 제 1 차폐부(77)의 상부와 연결된 플랜지(flange) 형상을 가지며 보온통(63) 상에 고정되게 설치되어 히터(67)로부터 발생되는 복사열이 챔버(51)의 상부로 확산되는 것을 차단한다. 제 3 차폐부(81)는 제 1 차폐부(77)의 하부와 연결되며 단결정 잉곳(69) 쪽으로 돌출되게 형성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 잉곳의 제조장치의 열실드(75)를 나타내는 도 2의 A부분 확대 단면도이고, 도 4도는 도 3에 도시된 열실드(75)의 작용상태도이다.
열실드(75)의 제 3 차폐부(81)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 볼록하며 단결정 잉곳(69) 및 실리콘 융액(55)을 향하는 제 1 면(85)과, 볼록하며 단결정 잉곳(69)의 반대 쪽인 히터(53) 및 실리콘 융액(55)를 향하는 제 2 면(87)과, 단결정 잉곳(69)의 외주면과 대향하는 제 3 면(89)과, 오목하며 챔버(51)의 상부를 향하는 제 4 면(91)으로 이루어진다. 또한, 제 3 차폐부(81)의 내부는 카본 펠트(carbon felt) 등의 단열 특성이 우수한 재료로 채워져 단결정 잉곳(69)의 상부로 열이 전달되는 것을 방지하는 단열부(83)가 된다.
제 3 차폐부(81)는 제 3 면(89)이 단결정 잉곳(69)과 간격(ID) 만큼 이격된다. 상기에서 간격(ID)은 공정 중 제 3 차폐부(81)와 단결정 잉곳(69)이 충돌되는 것을 방지하여야 하기 위해 10㎜ 보다 크며, 또한, 실리콘 융액(55)의 복사 열이 단결정 잉곳(69) 상부로 확산되는 것을 억제하기 위해 30㎜ 보다 작아야 한다. 즉, 간격(ID)은 10㎜≤ID≤30㎜의 조건을 만족하여야 한다.
그리고, 단결정 잉곳(69)의 직경이 D라면, 제 3 면(89)의 높이(H1)는 0.05D≤H1≤0.35D가 되어 외주부가 과냉각되는 것을 방지하고, 제 3 차폐부(81)의 높이(H2)는 1.0D≤H2≤2.0D가 되어 실리콘 융액(55)에서 방출되는 복사열이 단결정 잉곳(69)의 상부로 전달되는 것을 방지하므로 상부와 하부의 온도 차를 크게하여 중심부의 수직온도 기울기(Gc)를 증가시킨다. 또한, 실리콘 융액(55)과 제 3 차폐부(81) 사이 높이(H3)는 히터(61)에서 단결정 잉곳(69)로 복사되는 열을 증가시키기 위해 30∼100㎜ 정도로 조정된다.0
제 1 및 제 2 면(85)(87)은 볼록면으로 형성되며 각각 수평대응거리(W1)(W2)와 곡률 반경(R1)(R2)를 가지고, 제 4 면(91)은 오목면으로 형성되며 곡률 반경(R3)를 갖는다. 제 1 및 제 2 면(85)(87)의 수평대응거리(W10)(W2)의 합은 0.5D≤W1+W2≤1.0D이고, 비율은 1.0≤W1/W2≤4.00이다. 또한, 제 1 및 제 2 면(85)(87)의 곡률 반경(R1)(R2)의 비율은 1.0≤R01/R2≤3.0이며, 제 4 면(91)의 곡률 반경(R3)은 R3≤2.0R1이 되어야 한다.
상기에서 볼록한 모양의 제 1 면(85)에 의해, 도 4에 도시된 바와 같이, 실리콘 융액(55)의 복사열은 단결정 잉곳(69)의 성장 계면을 중심으로 결정 부위 및 실리콘 융액(55) 표면에 방사상(放射狀)으로 반사된다. 그러므로, 단결정 잉곳(69)의 외주부에 도달되는 복사열의 밀도가 분산되어 과도하지 않을 정도로 외주부의 온도가 상승되므로 외주부의 수직온도 기울기(Ge)가 적절히 낮아지면서 중심부의 수직온도 기울기(Gc)도 적절히 상승하게된다.
그리고, 볼록한 모양의 제 2 면(87)은 실리콘 융액(55)의 복사열을 석영 도가니(53) 방향으로 반사시켜 실리콘 융액(55)과 제 3 차폐부(81) 사이의 열 밀도를 저하시킨다. 그러므로, 단결정 잉곳(69) 중심부의 열이 용이하게 방출되므로 성장계면에서의 평균적인 수직온도 기울기를 향상시킨다.
상기에서 제 1 면(85)과 제 2 면(87)이 동일한 곡률 반경을 가질 때 같은 중심점을 가질 수도 있다.
제 3 면(89)은 단결정 잉곳(69)에서 방출된 열을 반사시켜 외주부의 온도를 향상시킨다. 그리고, 오목한 모양의 제 4 면(91)은 단결정 잉곳(69)의 상부에서 방출된열을 챔버(51) 상부로 반사시켜 단결정 잉곳(69)의 상부로 환원되는 것을 방지하므로 평균적인 수직온도 기울기를 향상시킨다.
상기에서 제 4 면(91)이 하나의 곡률 반경(R3)을 갖는 것으로 설명하였으나 2이상 다단의 곡률 반경을 가질 수도 있다. 2이상 다단의 곡률 반경을 갖는 제 4 면(91)은 단결정 잉곳(69)과 인접하는 부분은 하나를 가질 때와 동일한 곡률 반경(R3)을 가지며 멀어질수록 점차 큰 곡률 반경을 갖는다. 그러므로, 제 4 면(91)은 단결정 잉곳(69)에서 방출된 열을 단결정 잉곳(69)과 인접하는 부분은 챔버(51) 상부로 반사시켜 환원되는 것을 방지하여 평균적인 수직온도 기울기를 향상시키며, 또한, 멀어져 점차 작은 곡률 반경을 갖는 부분은 단결정 잉곳(69) 상부의 냉각된 소정 부분에 집속되도록 반사시켜 부가적인 열처리에 의해 결정 결함을 제거한다.
아래 표 1 는 종래 기술에 따른 장치와 본 발명에 따른 장치로 단결정 잉곳을 성장할 때 결정 중심부 수직온도 기울기(Gc)와 결정 반경방향의 수직 온도기울기 편차(ΔG)의 변화를 나타낸다.
Gc(。K/㎝) ΔG(。K/㎝)
종래 기술 22.01 0.83
본 발명 26.44 0.65
표 1를 참조하면, 결정 중심부의 수직 온도기울기(Gc)는 종래 기술에 따른 장치가 22.01。K/㎝이나, 본 발명에 따른 장치는 26.44。K/㎝로 향상되므로 결정결함이 억제되는 성장 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 결정 반경방향의 수직 온도기울기 편차(ΔG)는 종래 기술에 따른 장치가 0.83。K/㎝이나, 본 발명에 따른 장치는 0.65。K/㎝로 저하되므로 종래 기술 조건에서 보다 향상된 소정의 인상속도에서도 결정 결함 발생의 편차을 감소시킬 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳의 열실드(75)는 제 1 면(85)에 의해 실리콘 융액(55)의 복사열을 단결정 잉곳(69)으로 반사시켜 외주부의 온도를 상승시키며, 실리콘 융액(55)과 제 3 차폐부(81) 사이 높이(H3)를 조절하여 히터(61)로부터 단결정 잉곳(69)에 복사되는 열을 증가시키므로 결정 외주부는 온도가 높아져 수직온도기울기가 낮아진다. 그러므로, 단결정 잉곳의 결정반경 방향의 수직온도 기울기 편차(ΔG)를 작게하여 결정 결함 발생의 편차을 감소시킨다.
또한, 제 3 차폐부(81)에 의해 실리콘 융액(55)에서 방출되는 복사열이 단결정 잉곳(69)의 상부로 전달되는 것을 방지하고, 제 2 면(87)에 의해 실리콘 융액(55)의 복사열을 석영 도가니(53) 방향으로 반사시켜 실리콘 융액(55)과 제 3 차폐부(81) 사이의 열 밀도를 저하시키며, 제 4 면(91)에 의해 다결정 잉곳(69)의 상부에서 방출된 열을 챔버(51)의 상부로 반사시켜 다결정 잉곳(69)의 상부로 환원되는 것을 방지한다. 그러므로, 단결정 잉곳(69)의 하부와 상부의 온도 차이를 크게하여 결정 중심부를 포함하는 평균 수직온도 기울기를 향상시키므로 결정결함의 발생이 억제되는 단결정 잉곳의 성장 속도를 향상시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열실드(75)의 확대 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열실드(75)는 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 열실드(75)와 제 1 면(85)을 제외하고 동일한 구성을 가지므로 동일한 부분은 동일한 참조 번호를 부여한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열실드(75)는 제 3 차폐부(81)의 제 1 면(85)이 본 발명의 일 실시예에 따른 것과 반대로 곡률 반경(R1)를 갖는 오목한 형상을 갖는다. 상기에서 제 1 면(85)의 곡률 반경(R1)은 R1≤1/2R3이 되어야 한다.
상기에서 오목한 모양의 제 1 면(85)은, 도 6에 도시된 바와 같이, 실리콘 융액(55)의 복사열을 단결정 잉곳(69)의 성장계면 바로 위를 집중적으로 조사하도록 반사시킨다. 그러므로, 단결정 잉곳(69)의 외주부는 온도가 상승되어 이곳의 수직온도 기울기가 낮아진다.
상기에서도 제 4 면(91)이 2이상 다단의 곡률 반경을 가질 수도 있다. 2이상 다단의 곡률 반경을 갖는 제 4 면(91)은 단결정 잉곳(69)과 인접하는 부분은 하나를 가질 때와 동일한 곡률 반경(R3)을 가지며 멀어질수록 점차 큰 곡률 반경을 갖는다.
상술한 바와 같이 본 발명은 제 3 차폐부의 제 1 면에 의해 실리콘 융액의 복사열을 단결정 잉곳의 하부로 반사시키고, 실리콘 융액과 제 3 차폐부 사이 높이를 조절하여 히터로부터 단결정 잉곳에 복사되는 열을 증가시켜 단결정 잉곳 외주부의 온도를 높여 수직온도기울기를 낮게한다. 그리고, 실리콘 융액의 복사열을 제 3 차폐부에 의해 단결정 잉곳의 상부로 전달되는 것을 방지하면서 제 2 면에 의해 석영 도가니 방향으로 반사시켜 실리콘 융액과 제 3 차폐부 사이의 열 밀도를 저하시키고, 또한, 단결정 잉곳의 상부에서 방출된 열을 제 4 면에 의해 다결정 잉곳의상부로 환원되는 것을 방지하여 평균 수직온도 기울기를 향상시킨다.
따라서, 본 발명은 단결정 잉곳의 결정반경 방향의 수직온도 기울기 편차(ΔG)를 작게 하므로 성장 결함의 발생의 편차을 감소시키며, 또한, 평균 수직온도 기울기를 향상시키므로 결정 결함의 발생이 억제되는 단결정 잉곳의 성장 속도를 향상시킬 수 있는 잇점이 있다.

Claims (50)

  1. 챔버와, 상기 챔버 내에 설치되어 소정 직경(D)를 갖는 단결정 잉곳을 성장하기 위한 실리콘 융액을 담는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 피복하며 회전축 상에 고정 설치되는 도가니 지지대와, 상기 도가니 지지대를 에워싸는 원통형의 히터와, 상기 히터를 에워싸게 설치되어 상기 히터에서 발산되는 열이 상기 챔버의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하는 보온통과, 상기 단결정 잉곳과 도가니 사이에 설치되고 원통 형상의 제 1 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 상부와 연결되어 상기 보온통 상에 고정되는 플랜지 형상의 제 2 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 하부와 연결되어 상기 단결정 잉곳 쪽으로 돌출되게 형성된 제 3 차폐부로 이루어진 열실드를 포함하는 단결정 잉곳 제조장치에 있어서,
    상기 제 3 차폐부가 상기 단결정 잉곳 및 상기 실리콘 융액을 향하며 수평대응거리(W1)와 제 1 곡률 반경(R1)을 갖는 제 1 면과, 상기 단결정 잉곳의 반대 쪽인 상기 히터 및 상기 실리콘 융액를 향하며 수평대응거리(W2)와 제 2 곡률 반경(R2)을 갖는 제 2 면과, 상기 단결정 잉곳과 의 외주면과 대향하는 제 3 면과, 상기 챔버의 상부를 향하며 제 3 곡률 반경(R3)을 갖는 제 4 면으로 이루어진 단결정 잉곳 제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서 상기 열실드는 몰리브덴(Mo) 또는 텅스텐(W)이나, 탄소 또는 SiC가 코팅된 흑연으로 이루어진 단결정 잉곳 제조장치.
  3. 청구항 1에 있어서 상기 제 3 차폐부는 내부에 카본 펠트(carbon felt)로 이루어진 단열부를 더 포함하는 단결정 잉곳 제조장치.
  4. 청구항 1에 있어서 상기 제 3 차폐부는 상기 제 3 면이 상기 단결정 잉곳과 10㎜ ∼ 30㎜ 이격되게 설치되는 단결정 잉곳 제조장치.
  5. 청구항 1에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면이 볼록하게 형성되는 단결정 잉곳 제조장치.
  6. 청구항 5에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 수평대응거리(W1)(W2)의 합은 0.5D≤W1+W2≤1.0D인 단결정 잉곳 제조장치.
  7. 청구항 6에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 수평대응거리(W1)(W2)는 1.0≤W1/W2≤4.0인 단결정 잉곳 제조장치.
  8. 청구항 5에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 곡률 반경(R1)(R2)은 1.0≤R1/R2≤3.0인 단결정 잉곳 제조장치.
  9. 청구항 8에 있어서 상기 제 1 면의 곡률 반경과 제 2 면의 곡률 반경이 동일할 때제 1 면과 제 2 면이 같은 중심점을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  10. 청구항 5에 있어서 제 4 면이 오목하게 형성되는 단결정 잉곳 제조장치.
  11. 청구항 10에 있어서 상기 제 4 면이 하나의 곡률 반경(R3)을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  12. 청구항 11에 있어서 상기 곡률 반경(R3)이 R3≤2.0R1인 단결정 잉곳 제조장치.
  13. 청구항 10에 있어서 상기 제 4 면이 다단의 곡률 반경을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  14. 청구항 13에 있어서 상기 다단의 곡률 반경은 상기 단결정 잉곳과 인접하는 부분에서부터 멀어질수록 점차 커지는 단결정 잉곳 제조장치.
  15. 청구항 1에 있어서 상기 제 1 면이 오목하고 상기 제 2 면이 볼록하게 형성되는 단결정 잉곳 제조장치.
  16. 청구항 15에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 수평대응거리(W1)(W2)의 합은 0.5D≤W1+W2≤1.0D인 단결정 잉곳 제조장치.
  17. 청구항 14에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 수평대응거리(W1)(W2)는 1.0≤W1/W2≤4.0인 단결정 잉곳 제조장치.
  18. 청구항 15에 있어서 상기 제 1 및 제 2 면의 곡률 반경(R1)(R2)은 1.0≤R1/R2≤3.0인 단결정 잉곳 제조장치.
  19. 청구항 18에 있어서 상기 제 1 면의 곡률 반경과 제 2 면의 곡률 반경이 동일할 때 제 1 면과 제 2 면이 같은 중심점을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  20. 청구항 15에 있어서 제 4 면이 오목하게 형성되는 단결정 잉곳 제조장치.
  21. 청구항 20에 있어서 상기 제 4 면이 하나의 곡률 반경(R3)을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  22. 청구항 21에 있어서 상기 곡률 반경(R3)이 R3≤2.0R1인 단결정 잉곳 제조장치.
  23. 청구항 20에 있어서 상기 제 4 면이 다단의 곡률 반경을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  24. 청구항 23에 있어서 상기 다단의 곡률 반경은 상기 단결정 잉곳과 인접하는 부분에서부터 멀어질수록 점차 커지는 단결정 잉곳 제조장치.
  25. 청구항 1에 있어서 상기 제 3 면의 높이(H1)는 0.05D≤H1≤0.35D인 단결정 잉곳 제조장치.
  26. 청구항 1에 있어서 상기 제 3 차폐부의 높이(H2)는 1.0D≤H2≤2.0D인 단결정 잉곳 제조장치.
  27. 청구항 1에 있어서 상기 제 3 차폐부의 최 저면부는 상기 실리콘 융액에 30∼100㎜ 보다 높게 설치되는 단결정 잉곳 제조장치.
  28. 챔버와, 상기 챔버 내에 설치되어 소정 직경(D)를 갖는 단결정 잉곳을 성장하기 위한 실리콘 융액을 담는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 피복하며 회전축 상에 고정 설치되는 도가니 지지대와, 상기 도가니 지지대를 에워싸는 원통형의 히터와, 상기 히터를 에워싸게 설치되어 상기 히터에서 발산되는 열이 상기 챔버의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하는 보온통과, 상기 단결정 잉곳과 도가니 사이에 설치되고 원통 형상의 제 1 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 상부와 연결되어 상기 보온통 상에 고정되는 플랜지 형상의 제 2 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 하부와 연결되어 상기 단결정 잉곳 쪽으로 돌출되게 형성된 제 3 차폐부로 이루어진 열실드를 포함하는단결정 잉곳 제조장치에 있어서,
    상기 제 3 차폐부가 상기 단결정 잉곳 및 상기 실리콘 융액을 향하며 수평대응거리(W1)와 볼록한 제 1 곡률 반경(R1)을 갖는 제 1 면과, 상기 단결정 잉곳의 반대 쪽인 상기 히터 및 상기 실리콘 융액를 향하며 수평대응거리(W2)와 볼록한 제 2 곡률 반경(R2)을 갖는 제 2 면과, 상기 단결정 잉곳의 외주면과 대향하는 제 3 면과, 상기 챔버의 상부를 향하며 오목한 제 3 곡률 반경(R3)을 갖는 제 4 면으로 이루어진 단결정 잉곳 제조장치.
  29. 청구항 28에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 수평대응거리(W1)(W2)의 합은 0.5D≤W1+W2≤1.0D인 단결정 잉곳 제조장치.
  30. 청구항 29에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 수평대응거리(W1)(W2)는 1.0≤W1/W2≤4.0인 단결정 잉곳 제조장치.
  31. 청구항 28에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 곡률 반경(R1)(R2)은 1.0≤R1/R2≤3.0인 단결정 잉곳 제조장치.
  32. 청구항 31에 있어서 상기 제 1 면의 곡률 반경과 제 2 면의 곡률 반경이 동일할 때 제 1 면과 제 2 면이 같은 중심점을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  33. 청구항 28에 있어서 상기 제 4 면이 하나의 곡률 반경(R3)을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  34. 청구항 33에 있어서 상기 곡률 반경(R3)이 R3≤2.0R1인 단결정 잉곳 제조장치.
  35. 청구항 28에 있어서 상기 제 4 면이 다단의 곡률 반경을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  36. 청구항 35에 있어서 상기 다단의 곡률 반경은 상기 단결정 잉곳과 인접하는 부분에서부터 멀어질수록 점차 커지는 단결정 잉곳 제조장치.
  37. 청구항 28에 있어서 상기 제 3 면의 높이(H1)는 0.05D≤H1≤0.35D인 단결정 잉곳 제조장치.
  38. 청구항 28에 있어서 상기 제 3 차폐부의 높이(H2)는 1.0D≤H2≤2.0D인 단결정 잉곳 제조장치.
  39. 청구항 28에 있어서 상기 제 3 차폐부의 최 저면부는 상기 실리콘 융액에 30∼100㎜ 보다 높게 설치되는 단결정 잉곳 제조장치.
  40. 챔버와, 상기 챔버 내에 설치되어 소정 직경(D)를 갖는 단결정 잉곳을 성장하기 위한 실리콘 융액을 담는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 피복하며 회전축 상에 고정 설치되는 도가니 지지대와, 상기 도가니 지지대를 에워싸는 원통형의 히터와, 상기 히터를 에워싸게 설치되어 상기 히터에서 발산되는 열이 상기 챔버 쪽으로 확산되는 것을 방지하는 보온통과, 상기 단결정 잉곳과 도가니 사이에 설치되고 원통 형상의 제 1 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 상부와 연결되어 상기 보온통 상에 고정되는 플랜지 형상의 제 2 차폐부와 상기 제 1 차폐부의 하부와 연결되어 상기 단결정 잉곳 쪽으로 돌출되게 형성된 제 3 차폐부로 이루어진 열실드를 포함하는 단결정 잉곳 제조장치에 있어서,
    상기 제 3 차폐부가 상기 단결정 잉곳 및 상기 실리콘 융액을 향하며 수평대응거리(W1)와 오목한 제 1 곡률 반경(R1)을 갖는 제 1 면과, 상기 단결정 잉곳의 반대 쪽인 상기 히터 및 상기 실리콘 융액를 향하며 수평대응거리(W2)와 볼록한 제 2 곡률 반경(R2)을 갖는 제 2 면과, 상기 단결정 잉곳의 외주면과 대향하는 제 3 면과, 상기 챔버의 상부를 향하며 오목한 제 3 곡률 반경(R3)을 갖는 제 4 면으로 이루어진 단결정 잉곳 제조장치.
  41. 청구항 40에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 수평대응거리(W1)(W2)의 합은 0.5D≤W1+W2≤1.0D인 단결정 잉곳 제조장치.
  42. 청구항 41에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 수평대응거리(W1)(W2)는1.0≤W1/W2≤4.0인 단결정 잉곳 제조장치.
  43. 청구항 42에 있어서 상기 제 1 면 및 제 2 면의 곡률 반경(R1)(R2)은 1.0≤R1/R2≤3.0인 단결정 잉곳 제조장치.
  44. 청구항 40에 있어서 상기 제 4 면이 하나의 곡률 반경(R3)을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  45. 청구항 44에 있어서 상기 곡률 반경(R3)이 R3≤2.0R1인 단결정 잉곳 제조장치.
  46. 청구항 40에 있어서 상기 제 4 면이 다단의 곡률 반경을 갖는 단결정 잉곳 제조장치.
  47. 청구항 46에 있어서 상기 다단의 곡률 반경은 상기 단결정 잉곳과 인접하는 부분에서부터 멀어질수록 점차 커지는 단결정 잉곳 제조장치.
  48. 청구항 40에 있어서 상기 제 3 면의 높이(H1)는 0.05D≤H1≤0.35D인 단결정 잉곳 제조장치.
  49. 청구항 40에 있어서 상기 제 3 차폐부의 높이(H2)는 1.0D≤H2≤2.0D인 단결정 잉곳제조장치.
  50. 청구항 40에 있어서 상기 제 3 차폐부의 최 저면부는 상기 실리콘 융액에 30∼100㎜ 보다 높게 설치되는 단결정 잉곳 제조장치.
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