KR20020070312A - 결정 성장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정(8)을 포위하는 냉각체(10)를 사용한 고속 인상용의 결정 성장 장치이다. 냉각체(10)를 구리계 금속에 의해 제작하여, 수냉한다. 냉각체(10)를 지지하는 지지 아암(12)을, 구리계 금속보다 기계적 강도가 높고, 열전도성이 떨어지는 스텐리스강 등에 의해 제작하여, 냉각체(10)와 착탈 가능하게 연결한다. 지지 아암(12)의 과잉 냉각이 방지되어, 산화 규소의 석출에 기인하는 유전위화가 방지됨으로써, 고속화를 저해하지 않고서 무전위 인상율이 향상된다. 냉각체(10)의 제작 비용이 저감된다. 냉각체(10)의 지지 강도가 향상된다.

Description

결정 성장 장치{Crystal growth apparatus}

실리콘 단결정을 제조하기 위해서는 여러 가지 방법이 있지만, 대표적인 것으로서 CZ 법(초크랄스키법; Czochralski process)이 있다. CZ 법에 의한 실리콘 단결정의 제조에는 주지하는 바와 같이, 석영 도가니 내에 형성된 실리콘 융액에 종자 결정을 침지하고, 이 상태로부터 도가니 및 종자 결정(seed)을 회전시키면서, 종자 결정을 상방으로 서서히 인상함으로써, 종자 결정의 하방으로 실리콘의 단결정을 성장시킨다.

이러한 CZ 법에 의한 실리콘 단결정의 인상에서는 결정 단면에 있어서의 결함 분포 등이 결정 성장 속도, 즉 인상 속도에 지배되는 것이 알려져 있다. 구체적으로 설명하면, 인상 속도를 크게 할 수록, 링 형상의 OSF 발생 영역이 외주부로 이동하고, 최종적으로는 결정 유효 부분의 외측으로 배제된다. 반대로, 인상 속도를 작게 함으로써, 링 형상의 OSF 발생 영역이 결정 중심부로 이동하고, 최종적으로는 그 중심부에서 소멸된다.

OSF 발생 영역의 외측도 내측도 모두 결함 발생 영역이지만, 그 외측과 내측에서는 결함의 종류가 다르다. 또한, 인상 속도를 고속화하면, 당연한 사실이지만 생산성이 향상되고, 또한 결함이 미세화되는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 결정 성장의 하나의 방법으로서, 인상의 고속화가 추구되고 있다.

고속 인상을 실현하기 위한 기술로서 열 차폐체의 설치가 알려져 있다. 열 차폐체는 단결정의 주위를 포위하도록 설치된 역전된 절두원추 형상의 통형 단열 부재이고, 주로 도가니 속의 융액이나 도가니의 외측에 배치된 가열기로부터의 복사열을 차단함으로써, 융액으로부터 인상되는 단결정의 냉각을 촉진하여, 인상 속도의 고속화를 도모한다.

또한 최근에는 열 차폐체의 내측에, 강제적으로 수냉된 통형의 냉각체를 설치하는 기술도 주목되고 있다(특개소63-256593호 공보, 특개평8-239291호 공보, 특개평11-92272호 공보, 특개평11-292684호 공보). 강제적으로 수냉된 통형의 냉각체를, 열 차폐체의 내측에, 단결정의 주위를 포위하도록 설치함으로써, 단결정의 특히 고온 부분의 냉각이 더 촉진되어, 인상 속도의 고속화가 한층 더 도모된다.

그러나, 지금까지 제안되어 있는 냉각체를 사용한 결정 성장 장치에서는 그 냉각체의 통형의 본체부가, 냉각체의 일부, 즉, 통형의 본체부와 일체화된 플랜지부나 통형의 본체부로부터 연장된 통과수 배관을 지지 부재로서, 인상 화로의 화로 내에 지지 고정되어 있다.

냉각체로서는 통과수에 의해 강제적으로 냉각된 구리계의 금속 부재가, 단결정에 대한 냉각 능력의 점에서 추장되지만, 상술한 바와 같은 통형의 본체부와 그 지지 부재가 일체화된 구조에서는 통형의 본체부를 구리계 금속으로 구성하면, 필연적으로 지지 부재의 부분도, 본체부와 동일한 구리계 금속으로 구성되게 된다.

이러한 냉각체는 비교적 고가의 구리계 금속을 많이 사용하기 때문에, 제작 비용이 비싸질 뿐만 아니라, 지지 부재 부분의 과잉 냉각에 의해서 고속 인상에서의 무전위 인상율을 저하시키는 원인이 되는 것이 본 발명자들에 의한 조사로부터 판명되었다. 즉, 지지 부재의 부분이 본체부와 동일한 구리계 금속으로 구성되면, 지지 부재의 부분이 지나치게 냉각되어, 그 표면에 다량으로 석출되는 산화규소 등의 낙하로 인해, 인상 중의 단결정에 유전위화가 발생하는 것이, 그 이유라고 생각된다.

또한, 지지 부재의 부분이 본체부와 동일한 구리계 금속으로 구성되면, 그 부분의 기계적 강도를 확보하는 것이 어려워진다. 이 때문에, 지지 부재 부분의 변형에 의해 본체부의 위치가 어긋나, 인상 결정을 변형시켜 고속화를 방해하거나, 배관을 파단시켜 수증기 폭발을 야기할 위험성도 우려된다. 이 위험성은 지지 부재로서 구리제의 통과수 배관이 사용되는 경우에 특히 커진다.

게다가, 지지 부재로부터의 본체부의 분리가 가능하기 때문에, 인상 조건에 따른 본체부의 설계가 곤란하고, 인상 속도를 충분하게 고속화할 수 없는 것도 우려된다.

본 발명의 목적은 인상 결정에 대한 냉각 능력을 저하시키지 않고서, 무전위 인상율의 저하를 회피할 수 있고, 아울러, 냉각체의 제작 비용을 감소시킬 수 있는 동시에, 냉각체의 위치 어긋남에 의한 모든 문제를 해결할 수 있는 결정 성장 장치를 제공하는 것에 있다.

본 발명은 반도체 재료로서 사용되는 실리콘 단결정 등의 제조에 사용되는 결정 성장 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 결정 성장 장치의 일 예에 관해서 그 구성을 도시하는 인상 화로의 종단면도.

도 2는 상기 인상 화로의 횡단면도.

도 3은 상기 인상 화로의 주요부의 종단면도.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 결정 성장 장치는 CZ 법에 의해 인상 화로 내에서 원료 융액으로부터 단결정을 육성하는 결정 성장 장치에 있어서, 원료 융액으로부터 육성되는 단결정을 포위하도록 통형의 냉각체를 설치하고, 또한 상기 냉각체를 상기 인상 화로의 화로체에, 상기 냉각체로부터 분할된 독립의 지지부재에 의해 착탈 가능하게 지지한 것이다.

통형의 냉각체를 화로체에 기지하기 위해서, 상기 냉각체로부터 분할된 독립의 지지 부재를 사용함으로써, 양자를 다른 재료로 구성할 수 있다. 구체적으로는 통형의 냉각체를 열 전도성이 양호한 구리계 금속으로 구성하여, 지지 부재를 구리계 금속보다 염가로 기계적 강도가 높고, 또한 열전도성이 떨어지는 예를 들면 스텐리스강으로 구성할 수 있다.

이로써, 인상 결정에 대한 냉각 능력을 저하시키지 않고서, 지지 부재의 과잉 냉각이 방지되고, 무전위 인상율의 저하가 회피된다. 또한, 냉각체의 제작 비용이 저감되는 동시에, 냉각체의 지지 강도가 올라가고, 위치 어긋남에 의한 모든 문제가 해결된다. 게다가, 냉각체가 지지 부재에 대하여 착탈 가능해짐으로서, 인상 조건에 따른 냉각체의 설계가 용이하게 된다.

냉각체는 통과수에 의해 강제적으로 냉각되는 금속체로 이루어진다. 그 금속으로서는 열전도성이 양호한 구리를 주성분으로 하는 구리계 금속이 바람직하다. 냉각체의 구체적인 크기 및 형상은 인상 조건에 따라서 적절하게 설계된다.

지지 부재는 화로체 내의 인상 축 주위에 방사형으로 배치된 복수의 지지 아암이 화로 내의 가스류를 저해하지 않는 점, 재료비를 절감할 수 있는 점 등에서 바람직하다. 지지 부재의 구성 재료로서는 구리계 금속보다 염가로 기계적 강도가 높고, 열 전도성이 떨어지는 것이 바람직하고, 구체적으로는 스텐리스강이 가장 적합하지만, 흑연(graphite), 카본파이버콤포지트 등도 유효하다. 지지 부재를 구리계 금속보다 열전도성이 떨어지는 재료로 구성한 후에, 이것을 수냉하는 것은 인상 속도의 고속화 등의 점에서 바람직한 것이다.

냉각체와 지지 부재의 고정법은 특별히 한정되지 않지만, 볼트에 의한 연결 고정이 간편하고 바람직하다. 더욱 간편하게는 냉각체를 지지 부재에 싣거나 거는 것도 가능하지만, 냉각체로의 통과수 배관에 하중이 걸리지 않도록 유의하는 것이 중요하다.

냉각체에 대해서는 또한, 열 차단체와 조합하여, 그 내측에 배치하는 것이 좋다. 열 차폐체의 온도 상승이 더욱 효과적으로 억제되어, 인상 속도의 고속화가 추진된다.

이하에 본 발명의 실시예를 도면에 따라 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 인상 화로는 화로체로서 원통 형상의 메인 챔버(1) 및 풀 챔버(2)를 구비하고 있다. 메인 챔버(1)보다 소직경이고 긴 풀 챔버(2)는 메인 챔버(1)의 중심부 상에 세워 설치되어 있다.

메인 챔버(1) 내의 중심부에는 도가니(3)가 배치되어 있다. 도가니(3)는 다결정 실리콘이 충전되는 내측의 석영 도가니와, 그 외측에 결합되는 흑연제의 지지 도가니로 구성되어 있다. 이 도가니(3)는 지지대라고 불리는 지지축에 의해 회전 및 승강 구동된다.

도가니(1)의 외측에는 저항 가열식의 가열기(4)가 동심원형으로 배치되고, 더 외측에는 보온통(5)이 메인 챔버(1)의 내면을 따라 배치되어 있다. 가열기(4)는 도가니(3)내에 충전된 다결정 실리콘을 용융시켜, 그 도가니(3) 내에 실리콘의 융액(6)을 형성한다.

한편, 도가니(3)의 상방에는 인상축으로서의 와이어(7)가 풀 챔버(2)내의 중심부를 통과하여 걸려 있다. 와이어(7)는 풀 챔버(2) 상부에 설치된 인상 기구에 의해 회전 구동되는 동시에, 축 방향으로 승강 구동된다. 와이어(7)의 하단부에는 종자 결정을 보유하는 시드 척(seed chuck)이 설치되어 있다. 시드 척에 보유된 종자 결정을 도가니(3) 내의 융액(6)에 침지하고, 그 종자 결정을 회전시키면서 서서히 상승시키도록, 와이어(7)를 구동함으로써, 종자 결정의 하방으로 실리콘의 단결정(8)을 성장시킨다.

도가니(1)의 상방에는 또한, 단결정(8)을 포위하도록 원통 형상의 열 차폐체(9)가 도가니(3)내의 융액(6)에 접근하여 동심원 형상으로 설치되어 있다.열 차폐체(9)는 흑연으로 이루어지고, 도가니(3)내의 융액(6)이나 가열기(4)로부터의 복사열을 효과적으로 차단하기 위해서 하방에서 상방으로 향하여 서서히 직경이 확대하고, 그 하부를 도가니(3)내에 삽입하여 도가니(3)내의 융액(6)의 상방에 위치시킨다.

도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 열 차폐체(9)의 내측에는 원통 형상의 냉각체(10)가 동심원형으로 설치되어 있다. 냉각체(10)는 열 차폐체의 하부 내측에 배치되어, 열 차폐체(9)와 마찬가지로 하방에서 상방으로 향하여 서서히 직경이 확대된 테이퍼 형상으로 되어 있다.

도 3에 도시하는 바와 같이, 이 냉각체(10)는 열전도성이 양호한 구리계 금속으로 이루어지고, 그 내부에는 고리형의 통과 수로(1Oa)가 복수단으로 형성되어 있다. 그리고, 구리계 금속으로 이루어지는 통과수 배관(11, 11)을 통하여 통과 수로(1Oa)에 냉각수가 공급됨으로써, 냉각체(10)는 강제적으로 냉각되고, 단결정(8)의 특히 응고 직후의 고온 부분의 냉각을 촉진한다. 통과수 배관(11, 11)은 냉각체(10)에 용접되어, 냉각체(10)의 하중이 걸리지 않는 상태로 지지되어 있다.

냉각체(10)를 화로체 내에 지지하는 지지 부재는 여기서는 화로체 내의 인상 축 주위에 방사형으로 배치된 복수의 지지 아암(12··)으로 이루어진다. 지지 아암(12··)은 메인 챔버(1)의 상부 내주면으로부터 화로 내 중심으로 향하여 수평으로 연장되어 나오고, 도중에서 하방으로 굴곡된 대략 역 L자 형상의 봉재로 이루어지며, 그 상단부가 메인 챔버(1)의 측벽부에 관통하여 고착되어 있다. 지지 아암(12··)의 각 하단부에는 냉각체(10)의 상측 가장자리부가 반경 방향의 볼트(13)에 의해서 착탈 가능하게 연결되어 있다.

각 지지 아암(12)은 여기서는 스텐리스강으로 이루어지고, 그 내부에는 아암 긴쪽 방향으로 연장되는 U자형의 통과 수로(12a)가 형성되어 있다. 그리고, 통과 수로(12a)에 공급되는 냉각수에 의해, 각 지지 아암(12)은 강제적으로 냉각된다.

다음에, 상기의 인상 화로를 사용한 결정 성장의 조업예에 관해서 설명한다.

도가니(3)내에 다결정 실리콘 원료를 100kg 장전한 후, 챔버 내를 1330Pa의 Ar 분위기로 한다. 도가니(3)의 외측에 설치된 가열기(4)에 의해, 도가니(3)내의 다결정 실리콘 원료를 용융하여, 100방위의 종자 결정을 사용하여, 그 하방으로 지름 200mm의 단결정(8)을 성장시킨다.

이 때, 도가니(3)내의 융액(6)의 액면 레벨이 일정하게 유지되도록, 결정 성장에 따라서 도가니(3)를 서서히 상승시킨다. 또한, 단결정(8)의 회전 방향과 동일 방향 또는 반대 방향으로 도가니(3)를 회전시킨다.

이 조업에서는 냉각체(10)를 구리계 금속에 의해 제작하였기 때문에, 단결정(8)의 직통부의 평균 인상 속도로서 2.3mm/분을 달성할 수 있었다. 또한, 단결정(8)을 5개 인상하였지만, 5개 모두 무전위로 인상할 수 있고, 냉각체(10)의 위치 어긋남도 생기지 않았다. 이것은 냉각체(10)의 지지 아암(12··)을, 냉각체(10)와 다른 스텐리스강에 의해 제작하여, 그 과잉 냉각을 방지할 수 있었던 것, 및 냉각체(10)의 지지 강도를 상승시킬 수 있었던 것이 이유라고 판단된다.

비교를 위해, 냉각체(10) 및 지지 아암(12··)을 구리계 금속에 의해 일체적으로 제작하고, 양자를 수냉하여 사용하였다. 인상 속도로서 2.3mm/분을 달성할 수 있었지만, 5개의 인상에서의 무전위 인상율은 5개중 2개의 40%에 그쳤다. 지지 아암(12··)을 포함한 냉각체(10)의 제작 비용은 냉각체(10)를 구리계 금속에 의해 제작하고, 지지 아암(12··)을 스텐리스강에 의해 제작하고, 양자를 볼트 고정하는 경우와 비교하여 약 3배로 증대하였다. 또한, 냉각체(10)의 지지 강도가 충분하지 않고, 냉각체(10)의 위치 어긋남에 의한 결정 변형이나 인상 속도의 저하, 통과수 배관으로의 하중의 부가에 의한 배관 파단이 우려되었다.

또한, 냉각체(10) 및 지지 아암(12··)을 스텐리스강에 의해 일체적으로 제작하여, 양자를 수냉하여 사용하였다. 달성 인상 속도는 1.7mm/분으로 저하되었다. 5개의 인상에서의 무전위 인상율은 5개중 1개의 20%에 그쳤다. 이것은 저속화에 의해 인상의 프로세스 시간이 길어져 유전위화의 가능성이 높아졌기 때문이라고 추정된다. 지지 아암(12··)을 포함시킨 냉각체(10)의 제작 비용은 냉각체(10)를 구리계 금속에 의해 제작하고, 지지 아암(12··)을 스텐리스강에 의해 제작하고, 양자를 볼트 고정하는 경우와 비교하여 약 2.5배로 증대하였다. 단, 냉각체(10)의 지지 강도는 충분하고, 냉각체(10)의 위치 어긋남의 우려는 없었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 결정 성장 장치는 인상 결정을 냉각하여 인상 속도의 고속화를 도모하는 냉각체를, 인상 화로의 화로체에, 냉각체로부터 분할된 독립의 지지 부재에 의해 착탈 가능하게 지지한 것에 의해, 인상 결정에 대한 냉각 능력을 저하시키지 않고서, 무전위 인상율의 저하를 도모할 수 있다.또한, 냉각체의 제작 비용을 저감할 수 있다. 게다가, 냉각체의 지지 강도를 높여, 그 위치 어긋남에 의한 결정 변형이나 인상 속도의 저하, 통과수 배관으로의 하중 부가에 의한 배관 파단을 피할 수 있다.

Claims (7)

1. CZ 법에 의해 인상 화로 내에서 원료 융액으로부터 단결정을 육성하는 결정 성장 장치에 있어서, 통과수에 의해 냉각되는 금속체로 이루어지는 통형의 냉각체를, 원료 융액로부터 육성되는 단결정의 주위를 포위하도록 설치하고, 또한, 상기 냉각체를, 상기 인상 화로의 화로체에, 상기 냉각체로부터 분할된 독립의 지지 부재에 의해 착탈 가능하게 지지한 것을 특징으로 하는 결정 성장 장치
2. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 부재는 상기 화로체 내의 인상 축 주위에 방사형으로 배치된 복수의 지지 아암인 결정 성장 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각체는 상기 단결정의 주위를 포위하도록 설치된 통형 단열 부재로 이루어지는 열 차폐체의 내측에 배치되어 있는 결정 성장 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속체는 구리계 금속인 결정 성장 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 부재는 상기 냉각체보다 열전도성이 뒤떨어지는 재료로 구성되어 있는 결정 성장 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 재료는 스텐리스강인 결정 성장 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 지지 부재는 냉각수에 의해 강제적으로 냉각되는 결정 성장 장치.