KR20040018250A

KR20040018250A - 단결정 반도체 재료를 성장시키기 위한 결정 인상기 및 방법

Info

Publication number: KR20040018250A
Application number: KR10-2003-7009183A
Authority: KR
Inventors: 하리프라세드 스레드하라무르티; 모센 바난; 존 디. 홀더; 리 더블유. 페리
Original assignee: 엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼즈 인코포레이티드
Priority date: 2001-01-09
Filing date: 2001-11-15
Publication date: 2004-03-02
Also published as: CN1633526A; TW573084B; JP2004522684A; EP1349971A2; WO2002055765A2; WO2002055765A3; US20020124792A1

Abstract

도가니를 수용하고 보유하기 위해 결정 인상기 내에 배치된 서셉터를 포함하는 서셉터 어셈블리를 구비하는, 단결정 반도체 재료를 성장시키기 위한 결정 인상기 및 방법이 제공된다. 서셉터의 측벽은 도가니의 측벽과 대체로 반경 방향으로 대향한다. 어셈블리의 밀봉 부재는, 도가니와 서셉터의 사이로부터의 유출을 방지하도록, 도가니와 서셉터 사이에서, 도가니와 서셉터의 반응으로 인해 발생하는 임의의 기체 생성물을 대체로 밀봉함으로써, 도가니가 서셉터와 반응하는 것을 저지하기 위해, 도가니 측벽 및 서셉터 측벽에 밀착하도록 적응된다.

Description

단결정 반도체 재료를 성장시키기 위한 결정 인상기 및 방법{CRYSTAL PULLER AND METHOD FOR GROWING SINGLE CRYSTAL SEMICONDUCTOR MATERIAL}

많은 전자 부품을 제조하기 위한 시작 재료인 단결정 반도체 재료는, 통상적으로 초크랄스키(Czochralski, "Cz") 방법을 이용하여 제조된다. 이 방법에서, 다결정 실리콘("폴리실리콘")과 같은 다결정 반도체 원 재료(source material)는 도가니 내에서 용융된다. 턴테이블 상에 실장된 서셉터 내에 도가니가 장착되는데, 턴테이블은 단결정 실리콘 잉곳이 성장 중일 때에 서셉터 및 도가니를 결정 인상기의 중심축에 대하여 회전시키기 위한 것이다. 잉곳이 성장되어 원 재료가 용융체로부터 소진될 때, 용융된 원 재료의 표면을 대체로 일정한 수준으로 유지하기 위해, 성장 챔버 내에서 도가니는 상승될 수 있다.

원 재료가 도가니 내에서 용융된 후, 시드 결정이 용융된 재료 내로 하강되었다가 서서히 상승되어 단결정 잉곳을 성장시킨다. 잉곳이 성장될 때, 인상 속도및/또는 용융체 온도를 감소시켜 목표 직경에 도달할 때까지 잉곳 직경을 확대시킴으로써 상부 엔드 콘(upper end cone)이 형성된다. 목표 직경에 도달하고 나면, 감소하는 용융체 레벨을 보상하도록 인상 속도와 용융 온도를 제어함으로써, 잉곳의 원통형 본체가 형성된다. 성장 프로세스가 거의 끝나가지만 도가니는 아직 다 비워지지 않은 때에, 잉곳 직경이 감소되어 하부 엔드 콘(lower end cone)을 형성하고, 이 하부 엔드 콘이 용융체로부터 분리됨으로써, 반도체 재료의 완성된 잉곳이 나온다.

종래의 결정 인상기에서, 도가니는 석영(즉, 용융된 실리카)으로 구성된 단일체(unitary piece)이고, 서셉터 내부에 보유된 석영 도가니의 팽창 및 수축을 가능하게 하는, 흑연으로 된 2 이상의 부분으로 이루어진다. 서셉터가 복수의 부분으로 구성되기 때문에, 서셉터 부분들이 합쳐지는 접합부(seam) 또는 접합부들을 따라 종종 작은 갭이 존재한다. 또한, 도가니 및 서셉터의 제조와 관련된 제조 사양 및 허용 오차(tolerance)로 인해, 도가니는 서셉터의 전체 내부면에 밀착한 상태로 서셉터 내에 항상 장착되어 있지 못할 수 있다. 그 결과, 서셉터의 상단과 도가니 사이의 환형 접합부(annular seam)를 포함하여, 도가니 측벽의 외부면과 서셉터 측벽의 내부면 사이에 하나 이상의 갭이 존재할 수 있다.

1500℃와 같은, 결정 인상기 내의 높은 동작 온도(operating temperature)에서, 흑연은 다음과 같이 석영(즉, 용융된 실리카)과 반응한다.

SiO₂+ C →SiO + CO [1]

SiO +2C →SiC + CO [2]

제1 반응 [1]은 고체 상태 반응으로서 기체 상태의 SiO를 생성물로서 발생시키며, 그 SiO는 제2 반응 [2]에 따라 흑연과 반응하여 SiC를 형성한다. SiC는 흑연의 변환에 의해 형성되며, 따라서 서셉터 내부에 응력(stress)이 생긴다. 서셉터 내에서 발전된 응력은 서셉터의 왜곡을 유발하거나, 그렇지 않으면 서셉터가 쉽게 균열되거나 고장나게 한다. 또한, 흑연의 변환은 서셉터 부분들 사이 및 도가니 측벽과 서셉터 측벽 사이의 접합부의 갭을 실질적으로 확장시키는 경향이 있다. 따라서, 석영 도가니, 흑연 서셉터 및 SiO 가스 사이에서 발생하는 화학 반응에 따른 SiC의 형성은 서셉터의 유효 수명에 부정적인 영향을 미친다.

이 때문에, 일본 특허 제6293588호는, 탄소 섬유 합성물로 이루어진 시트와 같은 열내구성 시트를 도가니와 흑연 서셉터 사이에 삽입하여, 실질적으로 흑연 서셉터의 전체 내부면에 걸쳐 서셉터를 덮는 방법을 개시하고 있다. 일반적으로, 열내구성 시트는 대체로 흑연 서셉터를 석영으로부터 차폐하여, 흑연 서셉터의 변환을 방지한다. 그 결과, 흑연 서셉터의 유효 수명이 증가된다. 그러나, 열내구성 시트의 강성률(rigidity)과 석영 도가니, 흑연 서셉터 및 열내구성 시트의 제조에 관련된 제조 허용 오차로 인해, 도가니와 열내구성 시트 사이의 갭은 여전히 존재한다. 따라서, 석영 도가니는 서셉터 대신에 열내구성 시트와 반응하여, 열내구성 시트의 변환을 유발한다. 그 결과, 열내구성 시트를 자주 교체할 필요가 있다.

<발명의 요약>

본 발명의 몇몇 목적 및 특징들 중에는, 석영 도가니와 결정 인상기 내에서그 석영 도가니를 보유하는 흑연 서셉터 사이의 화학 반응을 방지하는 서셉터 어셈블리를 갖는 결정 인상기를 제공하는 것; 흑연 서셉터가 SiC로 변환하는 것을 방지하는 서셉터 어셈블리를 갖는 결정 인상기를 제공하는 것; 서셉터의 유효 수명을 증가시키는 서셉터 어셈블리를 갖는 결정 인상기를 제공하는 것; 결정 인상기 내에 설치하기 쉬운 서셉터 어셈블리를 제공하는 것; 및 저렴하게 제조 및 사용할 수 있는 서셉터 어셈블리를 제공하는 것을 들 수 있다.

일반적으로, 단결정 잉곳을 생성하기 위한 본 발명의 결정 인상기는, 저부 및 측벽을 갖는 서셉터를 포함한다. 용융된 원 재료를 보유하는 도가니는 서셉터 내에 수용되고, 서셉터 측벽과 대체로 반경 방향으로 대향하여 배치된 측벽을 갖는다. 가열기는 서셉터 및 도가니와 열을 교환하여, 도가니에 의해 보유되는 상기 원 재료를 용융시키는 데에 충분한 온도까지 도가니를 가열한다. 인상 기구는 도가니의 상측에 배치되어, 도가니에 의해 보유된 용융된 원 재료로부터 잉곳을 인상한다. 도가니와 서셉터의 반응으로 인해 발생하는 임의의 기체 생성물의 도가니와 서셉터 사이로부터의 유출을 방지하기 위하여, 밀봉 부재는 도가니 측벽의 외부면 및 서셉터 측벽과 밀착하여 도가니와 서셉터의 사이에서 기체 생성물을 대체로 밀봉하기에 적합하다.

전술한 바와 같은 유형의 결정 인상기 내에서 이용되는 서셉터 어셈블리는, 저부 및 측벽을 포함하는 서셉터를 포함한다. 서셉터는 결정 인상기 내에 도가니를 수용하고 보유하기 위한 크기를 갖는다. 서셉터의 측벽은 도가니의 측벽과 대체로 반경 방향으로 대향한다. 또한, 어셈블리는 밀봉부재도 포함하는데, 이 밀봉부재는, 도가니와 서셉터의 반응으로 인해 발생하는 임의의 기체 생성물의 도가니와 서셉터 사이로부터의 유출을 방지하기 위하여, 도가니 측벽의 외부면 및 서셉터 측벽과 밀착하여 도가니와 서셉터의 사이에서 기체 생성물을 대체로 밀봉하기에 적합하다.

단결정 잉곳을 성장시키기 위한 본 발명의 방법은, 결정 인상기 내에 실장된 서셉터 내에 도가니를 장착하는 단계를 포함한다. 서셉터는 저부, 및 도가니의 측벽과 대체로 반경 방향으로 대향하는 측벽을 포함한다. 도가니에 반도체 원 재료가 충진되고, 서셉터 및 도가니는, 도가니에 의해 보유되는 반도체 원 재료를 용융시키는 데에 충분한 온도까지 가열된다. 이러한 가열로 인해 도가니가 서셉터와 반응하여 기체 생성물이 생성된다. 서셉터와 도가니 사이에서 기체 생성물이 대체로 밀봉되어, 그들 사이에서 상기 기체 생성물의 농도를 증가시킴으로써, 도가니가 서셉터와 더 이상 반응하는 것을 방지한다.

본 발명의 다른 목적 및 특징들은 이하에서 부분적으로는 명백해질 것이고, 부분적으로는 교시될 것이다.

본 발명은 단결정 반도체 재료를 성장시키기 위한 결정 인상기(crystal puller)에 관한 것으로, 특히 결정 인상기 내에 배치된 서셉터(susceptor)의 유효 수명(useful life)을 증가시키기 위한 서셉터 어셈블리(susceptor assembly)를 갖는 결정 인상기에 관한 것이다.

도 1은 서셉터 어셈블리를 포함하는 본 발명의 결정 인상기의 부분 수직 단면도.

도 2는 도 1의 결정 인상기의 서셉터 어셈블리 내에 수용된 도가니의 부분 수직 단면도.

도 3은 도 2의 도가니 및 서셉터 어셈블리의 상면도.

도 4는 도 2의 도가니 및 서셉터 어셈블리의 확대된 부분도.

도 5는 도 2의 서셉터 어셈블리의 서셉터의 상면도.

동일한 도면 부호는 여러 도면에서 동일한 부분을 나타낸다.

도면들, 특히 도 1을 참조하면, 초크랄스키 법에 따라 단결정 실리콘 잉곳(예를 들어, 도 1에 점선으로 표시된 잉곳 I)을 성장시키는 데에 이용되는 유형의 본 발명의 결정 인상기는 총괄적으로 "23"으로 표시된다. 결정 인상기(23)는, 하부 결정 성장 챔버(27)와 상기 성장 챔버보다 작은 가로 치수를 갖는 상부 인상 챔버(29)를 분리시키기 위한, 총괄적으로 "25"로 표시되는 수냉 하우징(water cooled housing)을 포함한다. 도가니(31)는 서셉터(33) 내에 장착되며, 원통형 측벽(35)을 갖는다. 도가니(31)는 용융된 반도체 원 재료 M을 포함하며, 그로부터 단결정 실리콘 잉곳 I이 성장된다. 서셉터(33)는 서셉터 및 도가니(31)를 결정 인상기(23)의 길이 방향의 중심축 X에 대하여 회전시키기 위한 턴테이블(37) 상에 실장된다. 또한, 잉곳 I이 성장되고 원 재료가 용융체로부터 제거될 때 용융된 원 재료 M의 표면을 대체로 일정한 수준으로 유지하기 위해, 도가니(31)는 성장 챔버(27) 내에서 상승될 수 있다. 저항 가열기(39)는, 서셉터(33) 및 도가니(31)를 가열하여 도가니 내의 원 재료 M을 용융시키기 위해 서셉터를 둘러싼다. 가열기(39)는 외부 제어 시스템(도시되지 않음)에 의해 제어되어, 전반적인 인상 프로세스 동안 용융된 원 재료 M의 온도가 정확하게 제어된다.

인상 기구는 인상 축(pull shaft, 41)을 포함하며, 상기 인상 축(41)은 자신을 상승, 하강 및 회전시킬 수 있는 기구(도시되지 않음)로부터 하측으로 연장되어 있다. 결정 인상기(23)는 인상기의 유형에 따라 축(41) 대신에 인상 와이어를 가질 수 있다. 인상 축(41)의 끝단에는, 단결정 잉곳 I을 성장시키는 데에 이용되는 시드 결정 C을 보유하는 시드 결정 척(seed crystal chuck, 43)이 있다. 도 1에서, 시드 척(43) 및 잉곳 I의 상승된 위치를 명확하게 도시하기 위해, 인상 축(41)은 부분적으로 생략된 채로 표시되어 있다. 이하에 보다 상세하게 설명되는 것을 제외한 결정 인상기(23)의 일반적인 구성 및 동작은 본 기술 분야의 숙련된 기술자들에게 잘 알려져 있으므로, 더이상 설명되지 않을 것이다.

도시된 실시예의 도가니(31)는 용융된 실리카(즉, 석영)로 이루어져 있으며, 서셉터(33)는 흑연으로 이루어져 있다. 결정 인상기 내에서 경험하는 것과 같은 고온(예를 들어, 약 1500℃)에서, 흑연은 다음과 같이 용융된 실리카와 반응한다.

SiO₂+ C →SiO + CO [1]

SiO +2C →SiC + CO [2]

제1 반응 [1]은 고체 상태 반응으로서, 기체 상태의 SiO 및 CO를 생성물로서 발생시킨다. 그리고, 기체 상태의 SiO는 제2 반응 [2]에 따라 흑연과 반응하여 SiC를 형성한다. 즉, 서셉터를 구성하는 흑연의 변환에 의해 SiC가 형성된다.

실험

제1 반응 [1]을 조작하는 것에 의해 흑연이 SiC로 변환되는 것이 방지될 수 있는지를 결정하기 위해, 4회의 테스트 런(test run)을 포함하는 실험이 고온 진공노(vacuum furnace) 내에서 수행되었다. 각각의 런에 대해, 용융된 실리카의 블록 및 흑연의 블록이 중량 측정된 후, 노 내에 서로 인접하여 배치된다. 블록은 미리 결정된 기간동안 미리 결정된 온도 및 압력으로 가열된다. 처음의 3회의 런에서, 실질적으로 흑연 블록의 전체 표면을 따라 서로 표면-대-표면으로 접촉하도록 하기 위해, 블록은 대체로 평탄하다. 블록이 가열된 온도는 3회의 런 각각에 대해 달라졌다 (예를 들어, 1000℃, 1250℃ 및 1500℃). 4회차의 런에서, 블록들이 인접하여 배치될 때 용융된 실리카 블록과 흑연 블록의 중심 사이에 약 3㎜의 갭을 형성하기 위해, 대체로 아치형의 구성을 갖는 용융된 실리카 블록이 사용되었고, 블록은 약 1500℃로 가열되었다.

각각의 런 이후, 블록은 냉각되도록 허용되었고, 블록들 사이의 반응으로 인한 중량 손실 또는 중량 이득을 결정하기 위해 다시 중량 측정되었다. SiC의 중량은 탄소보다 1.66배 큰 것으로 알려져 있고, 따라서 제2 반응 [2]이 발생하고 서셉터의 흑연이 SiC로 변환되는 경우, 흑연 블록은 중량 이득 또는 약간의 중량 손실을 겪을 것이다. 실험 결과는 아래의 표와 같다.

실험	온도	흑연의 중량 손실(%)	용융된 실리카의 중량 손실(%)	흑연과 용융된 실리카 사이의 접촉
#1	1500℃	0.0136	0.9399	갭 없음
#2	1250℃	0.0084	0.0193	갭 없음
#3	1000℃	0.0055	0.0054	갭 없음
#4	1500℃	0.0098	0.6054	3㎜의 갭

압력 = 23 Torr, 시간 = 24 시간

처음의 3회의 런의 결과에 의해 나타나는 바와 같이, 반응 온도가 상승할수록, 흑연 및 용융된 실리카 블록의 중량 손실이 증가하였다. 처음의 3회의 런 이후에 각각의 흑연 블록을 관찰한 결과, SiC가 존재하지 않는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 흑연 및 용융된 실리카의 중량 손실은, SiO 및 CO 가스를 생성하는 흑연과 용융된 실리카 사이에서의 제1 반응 [1]에 의한 것이다. 또한, 흑연 블록의 증가된 중량 손실은 존재하는 SiC의 부족(예를 들어, 석연으로부터 SiC로의 변환 부족)에 의한 것이다. 블록들이 서로 접촉하여 있었기 때문에, 제1 반응의 결과로서 생성된 SiO 가스는 블록들 사이로부터 탈출할 수가 없었다. 그 결과, 블록들 사이에서의 SiO 및 CO 가스의 농도가 순방향 반응(예를 들어, 제1 반응 [1])이 저지되는 농도로까지 증가되어, 제2 반응 [2]의 발생을 방지했다. 결과적으로, 제1 반응 [1]이 중단되고 난 후, 흑연 블록은 더 이상 SiO 가스와 반응하지 않았으며, 따라서 흑연은 SiC로 변환되지 않았다.

블럭들이 서로 밀착하여 1500℃로 가열된 제1 런과, 블럭들이 그 사이에 작은 갭을 갖도록 성형되고 1500℃로 가열된 제4 런을 비교하면, 흑연 블록의 중량 손실은 제4 런의 경우(예를 들어, 블럭들 사이에 약 3㎜의 갭이 정의된 경우)가 실질적으로 더 낮았다. 제1 런에 의한 중량 손실에 비하여 제4 런에 의한 중량 손실이 더 낮은 이유는, 흑연과 용융된 실리카 사이에서 반응 [2]에 따라 흑연이 SiC로 변환한다는 것이다.

이러한 실험 결과에 기초하여, 흑연과 용융된 실리카 사이에서 제1 반응 [1]을 조작함(예를 들어, 저지함)으로써 SiC의 형성이 방지될 수 있는 것으로 결정되었다. 제1 반응 [1]의 기체 생성물, 즉 SiO 및 CO가 확산되지 않도록 하는 경우,반응 표면들 사이에서 이러한 생성물들의 농도가 증가한다. 이러한 생성물들의 농도가 충분히 증가하면, 제1 반응이 저지되고, 그 결과 제2 반응 [2]이 방지됨으로써, 흑연은 더 이상 SiC로 변환되지 않는다.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 서셉터 어셈블리는 총괄적으로 "51"로 표시되며, 결정 인상기(23) 내에서 도가니(31)를 보유하기 위한 서셉터(33), 및 도가니를 둘러싸며 서셉터의 상부 림(55)에 장착된 환형 밀봉 부재(annular sealing member, 53)를 포함한다. 서셉터(33)는 그 내부에 도가니(31)를 수용하기 위한 크기의 대체로 사발형인 저부(bottom, 57) 및 원통형 측벽(59)을 가지며, 서셉터 측벽(59)의 내부면(61)은 도가니 측벽(35)의 외부면(63)과 반경 방향으로 대향하도록 배치된다. 턴테이블 상에 서셉터를 적절하게 장착하기 위해, 서셉터(33)의 저부의 중앙 개구(60) 내에 턴테이블(37)의 부분이 수용된다. 서셉터의 상부 림에 의해 도가니(31)와 서셉터(33) 사이의 최상단의 반경 방향의 대향 관계가 정의되도록, 결정 인상기(23) 내에서 도가니 측벽(35)은 서셉터(33)의 상부 림(55)보다 위쪽으로 상향 연장되어 있다. 환형 접합부(65)는 서셉터(33)의 상부 림(55)과 상기 서셉터의 상부 림에 반경 방향으로 대향하는 도가니 측벽(35)의 외부면(63) 사이로 정의된다. 예를 들어, 도시된 실시예의 도가니 측벽(35)은 서셉터(33)의 상부 림(55)보다 위쪽으로 약 1인치(25.4㎜)만큼 연장되어 있다. 서셉터 측벽(59)의 두께는 약 19㎜이다.

서셉터(33)는, 그 내부에 장착된 석영 도가니(31)가 결정 인상기(23)의 동작 동안 가열된 후 계속하여 냉각될 때, 도가니의 팽창 및 수축을 허용하도록 2 부분으로 된 구성(도 5)을 갖는 것이 바람직하다. 서셉터 부분들은, 서셉터(33)의 저부(57)에서 대체로 반경 방향으로 연장하는 아치형의 세그먼트(69) 및 대체로 수직 방향으로 연장하는 세그먼트(71)[그 상단이 도 5의 서셉터의 상부 림(55)에 도시됨]를 포함하는 접합부(67)를 따라, 대체로 서로 인접한다. 서셉터 부분들이 접합부를 따라 반경 방향으로 서로 중첩하게 되도록, 서셉터 부분들이 합쳐지게 되는 접합부(67)의 수직으로 연장하는 세그먼트(71)는 서셉터 측벽(35)을 통해 대체로 비반경 방향을 향하며, 그 목적은 이하에서 분명하게 밝혀질 것이다. 그러나, 접합부(67)의 수직으로 연장하는 세그먼트(71)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 서셉터 측벽(35)을 통해 반경 방향으로 향할 수도 있음에 유의할 필요가 있다. 또한, 서셉터(33)는 단일체 구성일 수도 있고, 2개 이상의 부분으로 이루어질 수도 있으며, 그들 모두 본 발명의 범위 내에 있다.

특히 도 4를 참조하면, 석영 도가니 및 흑연 서셉터의 제조와 관련된 제조 사양 및 허용 오차로 인해, 도가니 측벽(35)이 서셉터 측벽의 전체 내부면(61)을 따라 서셉터 측벽(59)과 밀착하지 않은 상태로 도가니(31)가 서셉터(31) 내에 장착될 수 있다. 그 결과, 도가니 외부면(63)과 서셉터 내부면(61) 사이에, 예를 들어 약 5-6㎜까지의 환형 갭(73)이 존재할 수 있는데, 서셉터(33)의 상부 림(55)과 도가니 측벽(35)의 외부면 사이의 환형 접합부(65)를 포함한다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 갭(73)은 불연속적일 수도 있음에 유의할 필요가 있는데, 예를 들어, 도가니(31)가 서셉터 측벽(59)의 내부면(61)의 일부와는 밀착하고 서셉터 측벽의 남은 부분들과는 이격되어, 도가니 측벽과 서셉터 측벽 사이에 복수의 갭이존재할 수 있다.

환형 밀봉 부재(53)는 흑연으로 이루어진 가요성 스트립(flexible strip)인 것이 바람직하며, 등방 성형된(isomolded) 흑연인 것이 더 바람직하다. 또는, 밀봉 부재(53)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 탄소, 더 바람직하게는 탄소 섬유 합성물로 이루어질 수 있다. 밀봉 부재(53)는, 서셉터의 상부 림 및 도가니 측벽의 외부면에 의해 정의되는 환형 접합부(65)를 덮기 위해, 실질적으로 도가니 측벽의 외주의 거의 전체에서 도가니 측벽(35)의 외부면(63)에 밀착하면서 서셉터(33)의 상부 림(55) 상에 장착될 수 있는 크기를 갖는다. 따라서, 밀봉 부재(65)는, 흑연과 용융된 실리카 사이, 도가니 측벽과 서셉터 측벽 사이의 반응에서 생성되는 기체 생성물을 대체로 밀봉한다. 예를 들어, 도시된 실시예의 환형 밀봉 부재(65)는 약 1/2 인치(12.7 ㎜)의 높이 및 약 10 ㎜의 두께를 갖는다.

본 명세서에서, 본 발명의 결정 인상기(23)는 도가니(31) 및 서셉터(33)를 포함하고, 밀봉 부재(53)가 그 위에 배치되는 환형 접합부(65)가 도가니 측벽의 외부면(63)과 서셉터의 상부 림에 의해 정의되도록, 도가니 측벽(35)이 결정 인상기 내에서 서셉터(33)의 상부 림(55)의 상측까지 연장되는 것으로 도시되고 설명된다. 그러나, 밀봉 부재(53)가 서셉터와 도가니 모두를 구속하여 그들 사이의 최상단의 반경 방향의 대향 관계에 의해 정의되는 환형 접합부를 덮는 한, 도가니(31) 및 서셉터(33)는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 본 명세서에 개시되고 도면에 도시된 것과는 다른 상대적인 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 도가니(31)는, 도가니(31)의 상부 림(77)이 서셉터(33)의 상부 림(55)과 동일한 높이를 갖도록 하는크기를 가질 수 있다. 따라서, 밀봉 부재(53)는 도가니 및 서셉터의 반경 방향으로 대향하는 상부 림들 사이에 정의된 환형 접합부에 걸쳐, 도가니(31)의 상부 림(77) 및 서셉터(33)의 상부 림(55) 상에 장착된다. 또 다른 예로서, 서셉터 측벽(59)은 결정 인상기 내에서 도가니(31)의 상부 림(77)의 상측으로 연장될 수 있다. 이러한 구성에서, 밀봉 부재(53)는, 도가니의 상부 림과 서셉터 측벽의 반경 방향으로 대향하는 내부면 사이에 정의된 환형 접합부(65)에 걸쳐, 서셉터 측벽(59)의 내부면(61)과 밀착하여 도가니(31)의 상부 림(77) 상에 장착된다.

단결정 잉곳을 성장시키기 위한 본 발명의 방법에 따른 동작에서, 다결정 실리콘은 서셉터(33) 내에 장착된 도가니(31) 내에 배치되고, 도가니 가열기(39)로부터 방사되는 열에 의해 용융된다. 시드 결정 C은 용융된 실리콘 원 재료 S와 접촉하게 되고, 단결정 잉곳 I은 인상 기구를 통한 저속 추출에 의해 성장된다. 서셉터 측벽(59) 및 도가니 측벽(35)은 가열기(39) 및 도가니(31) 내의 용융된 원 재료 S에 의해 가열된다. 서셉터(33) 및 도가니(31)의 온도가 상승함에 따라, 서셉터의 흑연은 상술한 바와 같은 반응 [1], [2]에 따라 도가니의 용융된 실리카와 반응한다. 환형 밀봉 부재(53)는 제1 반응 [1]에 의해 생성된 CO 가스를 대체로 밀봉하여, 도가니 측벽(35)과 서셉터 측벽(59) 사이로부터 탈출하는 것을 방지한다. 그에 따라, 도가니 측벽(35)과 서셉터 측벽(59) 사이의 CO 가스의 농도는 증가하고, 전술한 바와 같이, 증가된 농도는 용융된 실리카와 흑연이 제1 반응 [1]에 따라 더 이상 반응하는 것을 방지한다. 따라서, 제2 반응 [2]에 따른 SiC의 형성(즉, 흑연의 변환)이 방지된다. 서셉터의 부분들이 합쳐지는 접합부(67)의 비반경 방향을향하는 수직 세그먼트(71)는, CO에 대해 간접적인 탈출 경로를 제공함으로써, 서셉터 측벽(59)을 통한 CO 가스의 탈출을 방지한다.

이상으로부터 볼 때, 본 발명의 몇몇 목적이 달성되며, 다른 유리한 결과들이 획득됨을 알 것이다. 서셉터(33)와 도가니(31) 사이로 정의된 접합부(65)에 있어서 서셉터(33)와 도가니(31)에 붙은 밀봉 부재(53)를 갖는 서셉터 어셈블리(51)를 결정 인상기(23)에 제공하면, 서셉터와 도가니의 반경 방향으로 대향하는 표면들 사이에서 실질적으로 가스가 밀봉된다. 그 결과, 기체 상태의 CO가 도가니(31)와 서셉터(33) 사이로부터 유출되는 것이 방지되어, 그들 사이에서의 제1 화학 반응 [1]이 저지된다. 따라서, 제2 반응 [2]에 따른 SiC의 형성(즉, 흑연의 변환)이 방지된다. 그 결과, 서셉터(33) 내부에 도입되는 응력이 감소됨으로써, 서셉터의 왜곡 또는 균열의 위험성이 감소되고, 따라서 서셉터의 유효 수명이 증가한다.

석영 도가니 및 흑연 서셉터의 제조와 관련된 제조 사양 및 허용 오차의 관점에서 볼 때, 도가니와 서셉터 사이에 존재하는 임의의 갭(73) 또는 갭들의 크기가 달라지도록, 각각의 도가니(31)가 각각의 서셉터(33) 내에 장착되는 방식은 상이하다. 도가니와 서셉터의 사이의 하측 대신에, 도가니(31)와 서셉터(33) 사이의 최상단의 반경 방향으로 대향하는 관계 사이로 정의된 환형 접합부(65)에 걸쳐 환형 밀봉 부재(53)를 배치함으로써, 그들 사이에 있는 임의의 갭의 크기에 무관하게 하나의 밀봉 부재가 이용될 수 있다. 따라서, 서셉터(33)의 내부면(61)을 덮거나 감싸거나 차폐할 필요성이 제거된다. 따라서, 환형 밀봉 부재(53)는 서셉터(33)의 전체 내부면(61)을 감싸기 위한 시트보다 제조 비용이 덜 든다.

본 발명 또는 그 바람직한 실시예의 구성 요소들을 소개할 때, "~들"이라는 표현이 생략된 경우 및 "상기"라는 표현이 이용된 경우는 모두 하나 이상의 구성 요소가 존재함을 의미한다. "포함하는", "구비하는"이라는 용어는 포괄적인 의미를 갖도록 의도된 것이며, 본 명세서에 제시된 구성 요소들 이외에 추가의 구성 요소가 존재할 수 있음을 의미한다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 상기 구성에 대한 여러가지 변경이 이루어질 수 있기 때문에, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항들은 단지 예시적인 것일 뿐이며 제한적인 의미로 해석되어서는 안 된다.

Claims

단결정 잉곳을 생성하기 위한 결정 인상기에 있어서,

저부 및 측벽을 갖는 서셉터;

용융된 원 재료를 보유하는 도가니 -상기 도가니는 상기 서셉터 내에 수용되고, 상기 서셉터 측벽과 반경 방향으로 대체로 대향하여 배치된 측벽을 가짐-;

상기 서셉터 및 상기 도가니와 열을 교환하여, 상기 도가니에 의해 보유되는 상기 원 재료를 용융시키는 데에 충분한 온도까지 상기 도가니를 가열하는 가열기;

상기 도가니의 상측에 배치되어, 상기 도가니에 의해 보유된 상기 용융된 원 재료로부터 상기 잉곳을 인상하는 인상 기구; 및

상기 도가니와 상기 서셉터의 반응으로 인해 발생하는 임의의 기체 생성물의 상기 도가니와 상기 서셉터 사이로부터의 유출을 방지하기 위하여, 상기 도가니 측벽 및 상기 서셉터 측벽에 밀착하여 상기 도가니와 상기 서셉터의 사이에서 상기 기체 생성물을 대체로 밀봉하기에 적합한 밀봉 부재

를 포함하는 결정 인상기.
제1항에 있어서, 상기 도가니 측벽과 상기 서셉터 측벽 사이의 최상단의 반경 방향으로 대향된 관계는 그들 사이에 접합부를 정의하고,

상기 밀봉 부재는, 상기 도가니와 상기 서셉터 사이로부터 유출되지 않도록 상기 도가니와 상기 서셉터의 반응으로 인해 발생하는 임의의 기체 생성물을 대체로 밀봉하기 위하여, 대체로 상기 접합부에 걸쳐 상기 서셉터 측벽 및 상기 도가니 측벽에 밀착하는 결정 인상기.
제2항에 있어서, 상기 접합부는 상기 도가니 측벽 및 상기 서셉터 측벽의 상부 림(upper rim)에 의해 정의되고,

상기 밀봉 부재는, 대체로 상기 접합부에 걸쳐, 실질적으로 상기 도가니 측벽의 외주의 전체에 있어서 상기 도가니 측벽과 밀착하여, 상기 서셉터 측벽의 상기 상부 림 상에 장착되는 결정 인상기.
제3항에 있어서, 상기 서셉터 측벽의 상기 상부 림과 상기 도가니 측벽의 외부면에 의해 상기 접합부가 정의되도록, 상기 도가니 측벽은 상기 결정 인상기 내에서 상기 서셉터 측벽의 상기 상부 림의 상측으로 연장되고,

상기 밀봉 부재는, 대체로 상기 접합부에 걸쳐, 실질적으로 상기 도가니 측벽의 외부면의 외주의 전체에 있어서 상기 도가니 측벽의 외부면과 밀착하여, 상기 서셉터의 상기 상부 림 상에 장착되는 결정 인상기.
제1항에 있어서, 상기 밀봉 부재는 흑연으로 이루어지는 결정 인상기.
제5항에 있어서, 상기 밀봉 부재는 등방 성형된(isomolded) 흑연으로 이루어지는 결정 인상기.
제1항에 있어서, 상기 서셉터는 적어도 2 부분(piece)으로 이루어지고,

상기 서셉터의 부분들은, 상기 서셉터의 상기 측벽 내에서 대체로 수직 연장하는 세그먼트를 포함하는 접합부를 따라, 대체로 서로 인접하는 결정 인상기.
제7항에 있어서, 상기 기체 생성물이 상기 서셉터와 상기 도가니 사이로부터 유출되는 것을 더욱 방지하기 위해, 상기 서셉터의 부분들이 상기 접합부를 따라 반경 방향으로 서로 중첩되도록, 인접하는 서셉터의 부분들 사이에 있는 상기 접합부의 상기 수직 연장하는 세그먼트는, 상기 서셉터의 상기 측벽을 통해 대체로 비반경 방향으로(non-radially) 향하는 결정 인상기.
결정 인상기 내의 도가니 내에 포함된 용융된 원 재료로부터 단결정 잉곳을 성장시키는 데에 이용되는 유형의 결정 인상기 내에서 이용되는 서셉터 어셈블리에 있어서,

저부 및 측벽을 포함하는 서셉터 -상기 서셉터는 상기 결정 인상기 내에 상기 도가니를 수용하고 보유하기 위한 크기를 갖고, 상기 서셉터의 상기 측벽은 측벽과 반경 방향으로 대체로 대향함- ; 및

상기 도가니와 상기 서셉터의 사이로부터의 유출을 방지하도록, 상기 도가니와 상기 서셉터 사이에서, 상기 도가니와 상기 서셉터의 반응으로 인해 발생하는 임의의 기체 생성물을 대체로 밀봉함으로써, 상기 도가니가 상기 서셉터와 반응하는 것을 저지하기 위해, 상기 도가니 측벽 및 상기 서셉터 측벽에 밀착하는데 적합한 밀봉 부재

를 포함하는 서셉터 어셈블리.
제9항에 있어서, 상기 도가니 측벽과 상기 서셉터 측벽 사이의 최상단의 반경 방향으로 대향된 관계는 그들 사이에 접합부를 정의하고,

상기 밀봉 부재는, 상기 도가니와 상기 서셉터 사이로부터의 유출을 방지하도록, 상기 도가니와 상기 서셉터 사이에서, 상기 도가니와 상기 서셉터의 반응으로 인해 발생하는 임의의 기체 생성물을 대체로 밀봉하기 위해, 대체로 상기 접합부에 걸쳐 상기 서셉터 측벽 및 상기 도가니 측벽에 밀착하는데 적합한 결정 인상기.
제10항에 있어서, 상기 서셉터 측벽은 상부 림을 갖고,

상기 접합부는 상기 도가니 측벽 및 상기 서셉터 측벽의 상부 림에 의해 정의되고,

상기 밀봉 부재는, 상기 접합부에 걸쳐 장착되기 위해, 실질적으로 상기 도가니 측벽의 외주의 거의 전체에서 상기 도가니 측벽과 밀착하여, 상기 서셉터 측벽의 상기 상부 림 상에 장착되는데 적합한 결정 인상기.
제11항에 있어서, 상기 서셉터는, 상기 서셉터 측벽의 상기 상부 림과 상기도가니 측벽의 외부면에 의해 상기 접합부가 정의되도록, 상기 도가니 측벽이 상기 결정 인상기 내에서 상기 서셉터 측벽의 상기 상부 림의 상측으로 연장되는 크기를 갖고,

상기 환형 밀봉 부재는, 상기 접합부에 걸쳐 장착되기 위해, 실질적으로 상기 도가니 측벽의 외부면의 외주의 거의 전체에서 상기 도가니 측벽의 외부면과 밀착하여, 상기 서셉터의 상기 상부 림 상에 장착되는 결정 인상기.
제9항에 있어서, 상기 환형 밀봉 부재는 흑연으로 이루어지는 서셉터 어셈블리.
제13항에 있어서, 상기 환형 밀봉 부재는 등방 성형된 흑연으로 이루어지는 서셉터 어셈블리.
제9항에 있어서, 상기 서셉터는 적어도 2 부분(piece)으로 이루어지고,

상기 서셉터 부분은, 상기 서셉터의 상기 측벽 내에서 대체로 수직 연장하는 세그먼트를 포함하는 접합부를 따라, 대체로 서로 인접하는 결정 인상기.
제15항에 있어서, 상기 기체 생성물이 상기 서셉터와 상기 도가니 사이로부터 유출되는 것을 더 방지하기 위해, 상기 서셉터 부분들이 상기 접합부를 따라 반경 방향으로 서로 중첩되도록, 인접하는 서셉터 부분들 사이에 있는 상기 접합부의상기 수직 연장하는 세그먼트는, 상기 서셉터의 상기 측벽을 통해 대체로 비반경 방향으로 향하는 결정 인상기.
원 재료를 보유하도록 적응된 도가니, 및 상기 도가니 내의 상기 원 재료를 용융시키기 위해 상기 도가니를 가열하도록 적응된 가열기를 포함하는 유형의 결정 인상기 내에서, 용융된 원 재료로부터 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에 있어서,

상기 결정 인상기 내에 실장된 서셉터 내에 상기 도가니를 장착하는 단계 -상기 서셉터는 저부, 및 상기 도가니의 측벽과 대체로 반경 방향으로 대향하는 측벽을 포함함-;

상기 도가니에 반도체 원 재료를 충진(charge)하는 단계;

상기 서셉터 및 상기 도가니를, 상기 도가니에 의해 보유되는 상기 반도체 원 재료를 용융시키는 데에 충분한 온도까지 가열하는 단계 -상기 가열 단계는 상기 도가니가 상기 서셉터와 반응하여 기체 생성물을 생성하게 함-; 및

상기 서셉터와 상기 도가니 사이에서 상기 기체 생성물을 대체로 밀봉하여, 그들 사이에서 상기 기체 생성물의 농도를 증가시킴으로써, 상기 도가니가 상기 서셉터와 더 이상 반응하는 것을 방지하는 단계

를 포함하는 단결정 잉곳의 성장 방법.
제17항에 있어서, 상기 도가니과 상기 서셉터 사이의 최상단의 반경 방향으로 대향된 관계는 그들 사이에 접합부를 정의하고,

상기 서셉터와 상기 도가니 사이에서 상기 기체 생성물을 대체로 밀봉하는 단계는, 상기 밀봉 부재를 상기 접합부에 걸쳐 상기 서셉터 측벽 및 상기 도가니 측벽과 밀착하도록 배치하는 단계를 포함하는 단결정 잉곳의 성장 방법.
제18항에 있어서,

상기 서셉터 측벽은 상부 림을 갖고,

상기 접합부는 상기 도가니 측벽 및 상기 서셉터 측벽의 상부 림에 의해 정의되고,

상기 접합부에 걸쳐 상기 밀봉 부재를 배치하는 단계는, 실질적으로 상기 도가니 측벽의 외주의 거의 전체에 걸쳐 상기 도가니 측벽과 밀착하도록, 상기 서셉터 측벽의 상기 상부 림 상에 상기 밀봉 부재를 장착하는 단계를 포함하는 단결정 잉곳의 성장 방법.