KR20030052467A - 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 잉곳 성장 도중 석영 도가니와의 접촉면에서 산화 가스의 발생을 억제하고, 또한 결정화의 진행을 방지할 수 있는 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니에 관한 것으로서, 종래 흑연 도가니는 석영 도가니와의 접촉면에서 화학 반응을 통해 흑연 도가니의 표면이 산화되어 다량의 산화가스가 발생함과 동시에 석영 도가니의 결정화를 진행시키는 문제점이 있었던 바, 이를 해소하기 위해 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니는 석영 도가니 외연과 접촉되는 접촉면 또는 내부 전체 표면에 석영 도가니에 의한 산화 반응이 발생되지 않도록 내산화층을 증착 형성한다.

Description

실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니{Graphite Crucible}

본 발명은 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니에 관한 것으로서, 특히 석영 도가니와의 접촉면에서 발생되는 산화 가스량을 감소시키는 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니에 관한 것이다.

일반적으로 실리콘 잉곳은 초크랄스키 방법(Cz)에 의해 성장로의 핫존(hot zone)에서 성장되는 것으로, 이를 위해 핫존 내부에 석영 도가니(Quartz Crucible)및 흑연 도가니(Graphite Crucible)로 된 지지체를 장착하고, 석영 도가니에 실리콘 덩어리와 불순물로 된 원부자재를 적층시킨 다음 히터를 통해 고온으로 원부자재를 용융시키고, 그 실리콘 융액에 종자 결정체(seed crystal)를 접촉시켜 서서히 인상시킴으로써 실리콘 잉곳이 종자 결정체와 동일한 결정을 갖도록 성장시킨다.

이와 같이 성장되는 실리콘 잉곳은 원하는 품질을 갖는 고품질의 잉곳으로 성장시키기 위해 성장로 내부의 구조와 공정 조건을 최적화하여야 한다.

도 1 및 도 2 는 성장로 내부에 장착되어 히터에 의해 용융되어 형성된 고온의 실리콘 융액이 담겨진 석영 도가니를 외부에서 지지하는 흑연 도가니를 설명하기 위한 사시도 및 평면도이다.

도시된 바와 같이, 흑연 도가니(10)는 세 개로 분할된 형태의 도가니 본체(10a,10b,10c)로 구성되고, 성장로 내부의 핫존에 장착되는 경우 분할된 각각의 도가니 본체를 서로 결합하여 하나의 완성된 흑연 도가니를 구성한 다음 그 내부에 석영 도가니를 장착한다.

고온 상태에서 석영 도가니는 흑연 도가니의 내부에 완전 밀착되는 것이 아니라 도가니 내부에 담겨진 실리콘 융액과 접촉되는 하부 외연과 측면 외연 일부만이 밀착된다.

즉, 흑연 도가니의 도가니 본체와 석영 도가니 외연은 일부분만이 밀착된다.

그러나, 이와 같이 석영 도가니가 내부에 장착되는 종래 흑연 도가니는 성장로 내부를 고품질의 실리콘 잉곳 성장을 위한 최적화된 조건으로 설정하는 것을 어렵게 한다.

좀더 구체적으로 설명하면, 종래 흑연 도가니는 도가니 본체와 석영 도가니의 외연에 일부분만이 밀착되나, 밀착된 접촉면에서는 산화 가스(Oxide gas)가 대량 발생된다.

즉, 고온의 실리콘 융액과 발열체에 의한 열에 의해 석영 도가니는 흑연 도가니와 접촉면에서 화학 반응(SiO₂+ C = SiO + CO, SiO₂+ CO = SiO + CO₂)이 발생되는데, 이 화학반응은 도가니 내부 표면에서 발생되는 화학반응이 아니라 도가니 외부 표면에서 발생되는 화학반응이다.

따라서, 화학 반응의 결과 석영 도가니 외표면(흑연도가니와의 접촉면)에서 산화가스가 발생되고, 산화가스가 발생되는 표면이 불투명하게 되는 결정화(devitrification)가 진행된다.

이처럼 석영 도가니의 외표면에서 발생되는 산화 가스는 석영 도가니의 내표면(실리콘 융액과 접촉되는 면)에서 발생되는 산화가스와 함께 성장로 내부의 산화가스량을 전체적으로 증가시킨다.

이에 성장로 내부의 오염을 증가시키고, 실리콘 잉곳 성장을 위한 부가적인 장치들의 수명을 단축시키게 되며, 특히 증가된 산화가스량만큼 진공 배기장치의 진공도를 증가시켜야 하므로 진공 배기 장치의 과부하를 초래하기도 한다.

또한, 석영 도가니 외벽에 진행되는 결정화(devitrification)는 석영 도가니의 구조를 변화시켜 히터에서 석영 도가니 내부로 열이 전달되는 것을 차단하여 실리콘 융액의 온도 구배에 악영향을 끼치게 되고, 또한 히터의 과열을 초래하기도 한다.

이에 본 발명은 실리콘 잉곳 성장 도중 석영 도가니와의 접촉면에서 산화 가스의발생을 억제하고, 또한 결정화의 진행을 방지할 수 있는 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니를 제공하는데 그 목적이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 목적을 이루기 위해, 성장로 내부의 핫존에 장착되어 고온의 실리콘 융액을 담고 있는 석영 도가니 외연을 지지하는 흑연 도가니에서 석영 도가니 외연과 접촉되는 접촉면 또는 내부 전체 표면에 내산화층을 증착 형성한다.

도 1 은 종래 실리콘 잉곳 성장용 흑연도가니를 설명하기 위한 사시도.

도 2 는 도 1 의 평면도.

도 3 은 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장용 흑연도가니를 설명하기 위한 일부 사시도.

도 4 는 도 3 의 <Ⅳ-Ⅳ> 방향 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10,100 : 흑연 도가니 200 : 내산화층

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.

도 3 은 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장용 흑연도가니를 설명하기 위한 일부 사시도이고, 도 4 는 도 3 의 <Ⅳ-Ⅳ> 방향 단면도이다.

도 3에 도시된 본 발명의 흑연 도가니(100)는 다수개로 분할된 도가니 본체 중 하나의 도가니 본체(100a)를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 흑연 도가니(100)는 도가니 본체(100a)의 내부 표면(102)에 내산화층(200)이 증착 형성된다.

좀더 구체적으로 설명하면, 본 발명의 흑연 도가니는 핫존 내부에 다수개의 도가니 본체를 결합하여 석영 도가니를 지지하는 것으로, 도가니 본체의 내부 표면(102)에 형성되는 내산화층(200)은 석영 도가니와 접촉되는 부분에 증착 형성된다.

또한, 내산화층(200)은 도가니 본체의 내부 표면(102)에 석영 도가니와 접촉되는 부분(도3의 채색부)에만 증착 형성할 수 도 있고, 도가니 본체의 내부 전체 표면에 증착 형성되어도 된다.

그리고, 내산화층(200)은 내산화성(耐酸化性)이 좋은 SiC 재질로 증착 형성하고, 화학 기상 증착방법(Chemical Vapor Deposition : 이하 CVD) 또는 이온 주입방법(Ion Implantation)을 통해 증착 형성한다.

이와 같이 도가니 본체의 표면에 내산화층이 형성된 본 발명에 따른 흑연 도가니(100)는 성장로 내부의 핫존에 장착되어 실리콘 잉곳을 성장시키는 도중 흑연 도가니의 내면에 밀착되는 석영 도가니의 외연에서 산화 가스가 발생되는 것을 억제하고, 또한 석영 도가니의 외연에서 석영 도가니의 결정화가 진행되는 것을 방지할 수 있게 된다.

산화 가스의 발생 억제를 설명하면 본 발명의 흑연 도가니는 석영 도가니와의 접촉면에 SiC 재질로 된 내산화층(200)이 형성되어 있으므로 석영 도가니에 담겨진 실리콘 융액과 발열체로부터 고온 열이 전달되더라도 석영 도가니의 외연이 접촉면과 화학 반응하는 것이 차단됨으로써 산화 가스의 발생을 억제한다.

그리고, 본 발명의 흑연 도가니는 석영 도가니와의 접촉면에서 산화 가스의 발생이 억제됨으로써 석영 도가니의 외연에서 결정화(devitrification)가 진행되는 것을 방지하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장용 흑연도가니는 석영 도가니와 접촉되는 접촉면에 내산화성이 좋은 SiC 재질로 된 내산화층이 형성됨으로써 흑연 도가니의 내면과 석영 도가니의 외연이 성장로 내부의 고온 공정 조건에 의해 서로 화학반응을 일으켜 산화가스가 발생되는 것이 방지된다.

따라서, 본 발명은 산화가스량이 감소되어 산화 가스에 의한 성장로 내부의 오염을 방지하게 되고, 장착되는 장치들의 수명을 연장하게 될 뿐만 아니라 성장로 내부의 진공도를 더욱더 용이하게 제어하게 되는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니는 석영 도가니 외벽에 진행되는 결정화(devitrification)를 감소시켜 히터의 열전달 방해 요소를 제거함으로써 실리콘 융액의 온도 구배를 최적화시킬 수 있을 뿐만 아니라 히터의 과열을 방지하는 효과를 제공한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니는 성장로 내부의 진공도, 오염, 온도 등의 압력공정 조건을 최적화시킬 수 있어 고품질의 실리콘 잉곳 성장이 가능하게 되는 효과를 제공하게 된다.

Claims (4)

1. 성장로 내부의 핫존에 장착되어 고온의 실리콘 융액을 담고 있는 석영 도가니의 외연을 지지하는 흑연 도가니에 있어서,

   상기 석영 도가니의 외연과 접촉되는 접촉면 또는 내부 전체 표면에 내산화층이 증착된 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니.
2. 제1항에 있어서,

   상기 내산화층은 SiC 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 내산화층은 화학 기상 증착(CVD)를 통해 증착 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 내산화층은 이온 주입을 통해 증착 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장용 흑연 도가니.