KR20040045624A - 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 - Google Patents

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것으로서, 특히 실리콘 단결정 잉곳의 성장시 열을 제공하는 히터의 열 분포를 제어한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는 챔버와, 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외연 하부를 감싸면서 지지하는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니를 지지하면서 상기 석영 도가니와 흑연 도가니를 회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 페데스탈과, 상기 흑연 도가니의 외부면으로부터 일정 거리 이격되어 상기 챔버의 측벽부의 내부에 설치되어 전기 공급에 따라 열을 발생하는 그라파이트 히터(Graphite heater)와, 상기 챔버의 외부로 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버 내부 측벽부에 설치된 열차폐 구조체를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 있어서, 상기 그라파이트 히터(Graphite heater)에서 상기 석영 도가니 내부의 실리콘 융액 표면(Melt level)과 수평한 위치에 있는 상기 그라파이트 히터의 일부분(이하,'제 2 히터부'라 함)의 저항치를 제 2히터부를 제외한 다른 히터부(이하, '제 1 히터부'라 함)의 저항치보다 크게 형성된 것이 특징이며, 이를 위하여 상기 제 2히터부의 두께를 상기 제 1히터부의 두께보다 좁게 형성된 것이 바람직하며, 특히, 상기 제 2 히터부는 상기 제 1 히터부의 두께를 기준으로 약 30 내지 70% 범위의 두께 이내에서 형성된 것이 더욱 바람직하다.

Description

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치{A Graphite heater of a Grower for single crystalline silicon ingot}
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것으로서, 특히 실리콘 단결정 잉곳의 성장시 열을 제공하는 히터의 열 분포를 제어한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것이다.
일반적인 종래의 실리콘 단결정 성장 장치는 챔버와, 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외연 하부를 감싸면서 지지하는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니를 지지하면서 상기 석영 도가니와 흑연 도가니를 회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 페데스탈과, 상기 흑연 도가니의 외부면으로부터 일정 거리 이격되어 상기 챔버의 측벽부의 내부에 설치되어 전기 공급에 따라 열을 발생하는 그라파이트 히터(Graphite heater)와, 상기 챔버의 외부로 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버 내부 측벽부에 설치된 열차폐 구조체를 포함하여 이루어진다.
그리고, 종래의 실리콘 단결정 성장 장치에 장착되는 그라파이트 히터(100)는, 도 1에 도시된 바와 같이 그 몸체 전체가 동일한 두께로 형성되어 있다. 따라서, 이러한 종래의 그라파이트 히터(100)를 장착한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 온도 분포를 살펴보면, 도 5에 도시된 바와 같이, 석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액의 중심 부분으로 집중적인 열을 가하면서 그 상부와 하부 쪽으로는 열이 약해지는 곡선(A)을 가지는 온도 분포를 나타낸다는 것을 알 수 있다.
일반적으로 실리콘 단결정 잉곳의 성장에 있어서 히터의 역할은 실리콘 단결정에서 기본적인 수율 및 결정 특성을 결정하며, 특히 성장 조건을 안정적으로 유지해 주는 역할을 하는 매우 중요한 인자로서 작용을 한다. 현재의 메모리(Memory) 반도체가 고 집적화되어 가면서 결정 내부의 Void성 결함이 완전히 제거된 순수한(Pure) 실리콘 웨이퍼가 요구되고 있는 가운데, 이를 만족하는 실리콘 웨이퍼를 제조하는 데에는 기존의 공정으로는 어려움이 있는 것이다.
즉, 상술한 바와 같이 종래의 그라파이트 히터(100)를 장착한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에서는 히터(100)의 상ㆍ하부가 균일하게 열을 발생시키도록 되어 있으므로, 도 5의 A곡선과 같은 온도 분포를 가지게 된다. 이러한 경우 실리콘 단결정 잉곳의 결정 성장 시 발생되는 불가피한 열적 기울기(Radial & Axial Gradient)를 제어할 수 없게 된다. 따라서, 이러한 조건에서는 실리콘 단결정이 성장 과정 중에 잉곳의 중심부(Center)와 가장자리(Edge)의 냉각 속도(Cooling Rate)에 차이가 발생하여 결정 특성이 반경 방향으로 달라지게 되어 균일한 품질 특성을 얻기가 어려운 문제점이 있는 것이다.
그리고, 도 5의 A곡선 과 같이 용융 실리콘의 중심 부분으로 온도 분포가 집중이 되므로 용융 실리콘 내부의 열적 안정화가 이루어지지 못하여 용융 실리콘 자체의 열적 안정화를 위한 대류 현상이 발생하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장에 악영향을 미치게 되는 것이다. 또, 종래에는 이러한 대류 현상을 억제하기 위하여 마그네틱코일(Magnetic Coil)을 이용하였으나, 이는 설치 투자비용이 과다하게 소요되는 문제점이 있었다.
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 결정 성장 시 잉곳의 중심부(Center)와 가장 자리(Edge)의 온도차를 최소화시켜, 결정 성장의 Radial 방향의 온도 기울기가 없는 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공하려는 것이다.
이를 위한 본 발명인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는 챔버와, 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외연 하부를 감싸면서 지지하는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니를 지지하면서 상기 석영 도가니와 흑연 도가니를 회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 페데스탈과, 상기 흑연 도가니의 외부면으로부터 일정 거리 이격되어 상기 챔버의 측벽부의 내부에 설치되어 전기 공급에 따라 열을 발생하는 그라파이트 히터(Graphite heater)와, 상기 챔버의 외부로 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버 내부 측벽부에 설치된 열차폐 구조체를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 있어서, 상기 그라파이트 히터(Graphite heater)에서 상기 석영 도가니 내부의 실리콘 융액 표면(Melt level)과 수평한 위치에 있는 상기 그라파이트 히터의 일부분(이하,'제 2 히터부'라 함)의 저항치를 제 2히터부를 제외한 다른 히터부(이하, '제 1 히터부'라 함)의 저항치보다 크게 형성된 것이 특징이며, 이를 위하여 제 2히터부의 두께를 상기 제 1히터부의 두께보다 좁게 형성한 것이 바람직하며, 특히, 상기 제 2 히터부는 상기 제 1 히터부의 두께를 기준으로 약 30 내지 70% 범위의 두께 이내에서 형성된 것이 더욱 바람직하다.
그리고, 상기 제 2히터부는 그 중심이 상기 실리콘 융액의 멜트 레벨과 일치하거나, 또는 제 2히터부의 상단부가 상기 실리콘 융액의 멜트 레벨과 일치하도록 형성되고, 특히, 상기 제 2 히터부의 길이는 70 내지 140mm의 범위가 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
도 1은 종래의 그라파이트 히터의 정면도.
도 2는 본 발명의 그라파이트 히터를 장착한 실리콘 단결정 성장 장치의 개략적인 단면도.
도 3a는 본 발명의 그라파이트 히터의 정면도.
도 3b은 본 발명의 그라파이트 히터의 정단면도.
도 4는 그라파이트 히터의 디멘젼(dimension)에 따른 발열 차이를 나타낸 그래프.
도 5는 종래의 그라파이트 히터와 본 발명의 그라파이트 히터에 따른 온도 분포를 나타낸 개략적인 온도 분포도.
도 6는 본 발명의 그라파이트 히터를 장착하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장 시킬 때의 인상 속도 경향(Pulling Speed Trend)를 나타내는 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *
100, 200 : 그라파이트 히터 210 : 제 1 히터부
220 : 제 2 히터부 130, 230 : 결합부
10 : 챔버 20 : 석영 도가니
30 : 흑연 도가니 40 : 페데스탈
50 : 열차폐 구조체
SM : 실리콘 융액 ML : 실리콘 융액 표면 높이(멜트 레벨)
IG : 실리콘 단결정 잉곳
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는, 도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(10)와, 석영 도가니(20)와, 석영 도가니(20)의 외연 하부를 감싸면서 지지하는 흑연 도가니(30)와, 흑연 도가니(30)를 지지하면서 석영 도가니(20)와 흑연 도가니(30)를 회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 페데스탈(40)과, 챔버(10)의 외부로 방출되는 열을 차단하도록 챔버(10) 내부 측벽부에 설치된 열차폐 구조체(50)를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 있어서, 흑연 도가니(30)의 외부면으로부터 일정 거리 이격되어 챔버(10)의 측벽부의 내부에 설치되어 전기 공급에 따라 열을 발생하는 그라파이트 히터(Graphite heater)(200)는 석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액 표면(Melt level: ML)과 수평한 위치에 있는 그라파이트 히터(200)의 일부분(이하,'제 2 히터부'라 함 : 220)의 저항치가 제 2히터부(220)를 제외한 다른 히터부(이하, '제 1 히터부'라 함 : 210)의 저항치 보다 크게 형성된다.
즉, 그라파이터 히터(200)는 그 저항치를 히터의 각각의 부위에 따라 다르게 하여 전류를 흘릴 때, 각각 다르게 형성된 저항치에 따라 발열량의 차이를 제어할 수가있는 데, 이 때에 발열 최대 부위를 실리콘 단결정 잉곳의 결정 성장 계면 위쪽에 가해지도록 해당 부위 즉, 석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액 표면(ML)과 수평한 위치에 있는 그라파이트 히터(200)의 일부분인 제 2히터부(220)의 저항치를 높게함으로서 원하는 발열 차이를 얻을 수 있는 것이다.
그리고, 그라파이트 히터의 디멘젼(dimension)에 따른 발열량의 개략적인 차이를 살펴보면 도 4에 도시된 바와 같다. 즉, 그라파이트 히터의 디멘젼이 작은 부분(Ⅱ)은 디멘젼이 큰 부분(Ⅰ) 보다 발열량(Power)이 더 크게 나타나는 것이다.
이에 본 발명은 제 2히터부(220)의 저항치를 제 1히터부(210)의 저항치보다 크게 하기 위하여 제 2히터부(220)의 두께를 제 1히터부(210)의 두께보다 좁게 형성함으로서, 제 2히터부의 발열량을 제 1히터부의 발열량보다 더 크게 할 수 있는 것이다. 이 때, 제 2 히터부(220)와 제 1히터부(210)의 두께차를 너무 크게 하여 그 저항 차이가 너무 크게 되면 그라파이트 히터(200)의 수명을 단축시켜 장치의 안정성에 문제가 생기게 되며, 제 2히터부(220)와 제 1히터부(210)의 두께차를 너무 작게 하여 그 저항 차이가 너무 작게 되면 히터의 발열량의 차이에 따른 효과를 얻을 수 없는 문제가 있다. 따라서, 제 2히터부(220)의 두께는 제 1 히터부(210)의 두께를 기준으로 약 30 내지 70% 범위의 두께 이내에서 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 제 2히터부(220)에 의하여 제 1히터부(210)보다 더 높게 발생되는 발열량을 실리콘 단결정 잉곳의 결정 성장 계면에 보다 효과적으로 집중시키기 위하여, 제 2 히터부(220)는 그 중심이 실리콘 융액(SM)의 멜트 레벨(ML)과 일치하거나, 제 2히터부(220)의 상단부가 실리콘 융액(SM)의 멜트 레벨(ML)과 일치하도록 형성된것이 바람직하며, 특히, 제 2히터부(220)의 길이는 70 내지 140 mm 범위가 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 설계된 그라파이트 히터(220)를 장착한 본 발명인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시킬 때, 그라파이트 히터(200)로부터의 발열되는 온도 분포가 도 5에 도시된 B곡선과 같이 실리콘 융액의 표면(ML) 즉, 실리콘 단결정 잉곳의 결정 성장 계면으로 집중된다. 이에 따라, 실리콘 단결정의 성장 시 잉곳의 가장 자리(Edge) 부분의 급격한 냉각(Fast cooling)이 약화됨으로서, 중심부(Center)와 가장자리(Edge)의 냉각 속도(Cooling Rate)의 차이를 좁혀, 중심부(Center)와 가장자리(Edge)의 온도 차이 즉, 결정 성장의 Radial 방향의 온도 기울기를 없애 균일한 결정 성장이 되도록 할 수 있는 것이다. 그리고, 이때, 수직 냉각 속도(Axial Cooling Rate)가 변화하게 되는데, 이는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 공정 중의 다른 변수(Parameter)의 조절로서 제어할 수 있는 것이다.
본 발명인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 이용하여 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 조건과 동일한 상태에서 실제로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키면서 실리콘 단결정 잉곳의 인상 속도 경향(Pulling Speed Trend)를 살펴보면, 도 6에 나타난 그래프와 같다. 즉, 본 발명에서 상술한 대로 히터의 구조를 변경하여 실제 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키면서 확인한 Pulling Speed Trend 결과는 종래에서 사용한 히터와 비교하여 결정 성장에 문제가 없음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의권리 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 결정 성장 시 잉곳의 중심부(Center)와 가장 자리(Edge)의 온도차를 최소화시킴으로서 결정 성장의 Radial 방향의 온도 기울기가 없는 균일한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켜, 결정 성장 과정에서 발생하는 COP를 억제한 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공하였다.
그리고, 본 발명은 히터로부터의 발열량을 용융 실리콘 표면으로 집중시킴으로서 용융 실리콘의 열적 안정화를 유도함으로서 용융 실리콘의 대류를 방지하기 위하여 설치하는 마그네틱 코일(Magnetic Coil)의 설치를 생략할 수 있게 함으로서, 설비 투자 비용을 절감하는 효과가 있으며, 또한, 히터로부터의 열을 석영 도가니의 상부 쪽으로 집중시킴으로서, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 중에 석영 도가니의 하부 내벽에서 녹아 나오는 산소의 농도를 낮아지게 하여 산소 농도의 제어에도 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

  1. 챔버와, 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외연 하부를 감싸면서 지지하는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니를 지지하면서 상기 석영 도가니와 흑연 도가니를 회전ㆍ상승ㆍ하강 시키는 페데스탈과, 상기 흑연 도가니의 외부면으로부터 일정 거리 이격되어 상기 챔버의 측벽부의 내부에 설치되어 전기 공급에 따라 열을 발생하는 그라파이트 히터(Graphite heater)와, 상기 챔버의 외부로 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버 내부 측벽부에 설치된 열차폐 구조체를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 있어서,
    상기 그라파이트 히터(Graphite heater)에서 상기 석영 도가니 내부의 용융 실리콘 표면(Melt level)과 수평한 위치에 있는 상기 그라파이트 히터의 일부분(이하,'제 2 히터부'라 함)의 저항치를 제 2히터부를 제외한 다른 히터부(이하, '제 1 히터부'라 함)의 저항치보다 크게 형성된 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2히터부의 저항치를 상기 제 1히터부의 저항치보다 크게 형성하도록, 상기 제 2히터부의 두께를 상기 제 1히터부의 두께보다 좁게 형성한 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 히터부는 상기 제 1 히터부의 두께를 기준으로 약 30 내지 70% 범위의 두께 이내에서 형성된 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 히터부는 그 중심이 상기 실리콘 융액의 멜트 레벨과 일치하거나, 또는 제 2히터부의 상단부가 상기 실리콘 융액의 멜트 레벨과 일치하도록 형성된 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 히터부의 길이는 70 내지 140 mm의 범위가 되도록 형성된 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
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