KR20050044808A - 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재 - Google Patents

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Abstract

열 차폐 부재(36)는, 석영도가니(13)에 저류된 실리콘 융액(12)으로부터 실리콘 단결정 봉(25)을 인양하는 장치에 설치되고, 실리콘 단결정 봉의 외주면을 포위하여 히터(18)로부터의 복사열을 차단하는 통부(37)와, 통부의 하부에 설치된 팽출부(41)와, 팽출부의 내부에 설치된 링 형상의 축열 부재(47)를 구비한다. 축열 부재는 열 전도율이 5W/(m·℃) 이하이고, 실리콘 단결정 봉의 직경을 d로 할 때 축열 부재의 내주면은 높이(H1)가 10㎜ 이상 d/2 이하이고 실리콘 단결정 봉의 외주면과 축열 부재의 내주면의 최소 간격(W1)이 10㎜ 이상 0.2d 이하이며, 축열 부재의 외주면의 상측 가장자리와 최하부의 수직 거리(H2)가 10㎜ 이상 d 이하이고 석영도가니 내주면과 축열 부재의 외주면의 최소 간격(W2)이 20㎜ 이상 d/4 이하이다.

Description

실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재{THERMAL SHIELD MEMBER OF SILICON SINGLE CRYSTAL PULLING SYSTEM}
본 발명은, 실리콘 단결정 봉(棒)을 인양하여 육성하는 장치에 설치된 열 차폐 부재에 관한 것이다.
종래, 이 종류의 실리콘 단결정 인양 장치로서, 챔버 내에 실리콘 융액이 저류된 석영도가니가 수용되고, 실리콘 단결정 봉의 외주면과 석영도가니의 내주면의 사이에 실리콘 단결정 봉을 포위하도록 열 차폐 부재가 삽입된 인양 장치(예를 들면, 일본국 특공소 57-40119호 공보)가 개시되어 있다. 이 장치에서의 열 차폐 부재는 인양되는 실리콘 단결정 봉의 외주면을 포위하고 또한 하단이 실리콘 융액 표면으로부터 간격을 두고 윗쪽에 위치하여 히터로부터의 복사열을 차단하는 통부를 갖고, 이 열 차폐 부재는 실리콘 단결정 봉의 외주면과 통부의 내주면의 사이를 유하하는 불활성 가스를 매끄럽게 인도하도록 구성된다. 이 인양 장치에서는, 노출된 석영도가니의 내주벽으로부터의 복사열을 열 차폐 부재가 차단함으로써, 복사열이 실리콘 단결정 봉의 외주면에 도달하는 것을 방지하고, 인양 중의 실리콘 단결정 봉의 응고를 촉진하여, 실리콘 단결정 봉을 급속하게 냉각하도록 되어 있다.
또, 이 종류의 열 차폐 부재로서, 통부가 복사열의 온도영역에서의 내열성을 갖는 흑연 등의 모재와, 이 모재의 실리콘 단결정 봉측의 면을 피복하고 또한 모재보다 복사율이 작은 석영 등의 피복재를 갖는 다층 구조로 형성된 것이 개시되어 있다(예를 들면, 일본국 특개평 8-325090호 공보). 이와 같이 구성된 열 차폐 부재에서는, 열 복사율이 큰 모재를, 이 모재보다 열 복사율이 작은 피복재로 피복하였기 때문에, 실리콘 단결정 봉으로의 도가니 및 히터의 복사열의 차단 효과를 향상할 수 있다. 이 결과, 실리콘 단결정 봉의 냉각의 촉진에 의한 인양 속도를 증대할 수 있고, 실리콘 단결정 봉의 생산성을 향상할 수 있도록 되어 있다.
한편, 반도체 집적 회로를 제조하는 공정에서, 수율을 저하시키는 원인으로서 산화 유기 적층 결함(Oxidation-induced Stacking Fault, 이하, OSF라고 한다)의 핵이 되는 산소 석출물의 미소 결함이나, 결정에 기인한 파티클(Crystal Originated Particle, 이하, COP라고 한다)이나, 혹은 침입형 전위(Interstitial-type Large Dislocation, 이하, L/D라고 한다)의 존재를 들 수 있다. OSF는, 결정 성장시에 그 핵이 되는 미소 결함이 도입되고, 반도체 디바이스를 제조할 때의 열 산화 공정 등으로 현재화(顯在化)되어, 제작한 디바이스의 누설 전류의 증가 등의 불량 원인이 된다. 또 COP는, 거울면 연마 후의 실리콘 웨이퍼를 암모니아와 과산화수소의 혼합액으로 세정하였을 때에 웨이퍼 표면에 출현하는 결정에 기인한 피트(pit)이다. 이 웨이퍼를 파티클 카운터로 측정하면, 이 피트도 본래의 파티클과 함께 광산란 결함으로서 검출된다.
이 COP는 전기적 특성, 예를 들면 산화막의 경시 절연 파괴 특성(Time Dependent dielectric Breakdown, TDDB), 산화막 내압 특성(Time Zero Dielectric Breakdown, TZDB) 등을 열화시키는 원인이 된다. 또 COP가 웨이퍼 표면에 존재하면 디바이스의 배선 공정에서 단차를 발생하여, 단선의 원인이 될 수 있다. 그리고 소자 분리 부분에서도 누설 등의 원인이 되어, 제품의 수율을 낮게 한다. 또한 L/D는, 전위 클러스터라고도 불리거나, 혹은 이 결함을 발생한 실리콘 웨이퍼를 불산(hydrofluoric acid)을 주성분으로 하는 선택 에칭액에 침지하면 피트를 발생하기 때문에 전위 피트라고도 불린다. 이 L/D도, 전기적 특성, 예를 들면 누설 특성, 아이솔레이션 특성 등을 열화시키는 원인이 된다. 이 결과, 반도체 집적 회로를 제조하기 위해서 이용되는 실리콘 웨이퍼로부터 OSF, COP 및 L/D를 감소시키는 것이 필요해지고 있다.
이 OSF, COP 및 L/D를 갖지 않는 무결함의 실리콘 웨이퍼를 잘라내기 위해서, 보론코프(Voronkov)의 이론에 기초한 실리콘 단결정 봉의 제조 방법이 (예를 들면, 미국 특허 번호 6,045,610호 및 일본국 특개평 11-1393호 공보)에 개시되어 있다. 이 보론코프(Voronkov)의 이론에서는, 실리콘 단결정 봉을 빠른 속도로 인양하면, 실리콘 단결정 봉 내부에 구멍형 점 결함의 응집체가 지배적으로 존재하는 영역[V]이 형성되고, 실리콘 단결정 봉을 느린 속도로 인양하면, 실리콘 단결정 봉 내부에 격자간 실리콘형 점 결함의 응집체가 지배적으로 존재하는 영역[Ⅰ]이 형성된다. 이 때문에 상기 제조 방법에서는, 실리콘 단결정 봉을 최적의 인양 속도로 인양함으로써 실리콘 단결정 봉의 축방향에서의 온도 구배의 직경방향 분포를 대략 균일하게 하여, 상기 점 결함의 응집체가 존재하지 않는 퍼펙트 영역[P]으로 이루어지는 실리콘 단결정 봉을 제조할 수 있도록 되어 있다.
그러나, 일본국 특개평 8-325090호 공보에 나타내어진 단결정 인양 장치에서의 열 차폐 부재에서는, 실리콘 융액로부터 인양되는 실리콘 단결정 봉의 외주면으로부터의 방열량이 많기 때문에, 실리콘 단결정 봉의 중앙에서의 축방향의 온도 구배에 비교하여 실리콘 단결정 봉의 외주부에서의 축방향의 온도 구배는 높아지고, 실리콘 단결정 봉의 축방향에서의 온도 구배의 직경방향 분포를 균일하게 할 수 없는 문제점이 있다. 특히, 실리콘 단결정 봉의 대구경화가 진행되면, 상기 실리콘 단결정 봉의 중심부와 외주부의 축방향에서의 온도 구배의 차이는 더욱 커질 것이 예상된다. 이 때문에, 실리콘 단결정 봉 중에 상기 차이에 기초한 열적 스트레스가 발생하여 무결함의 실리콘 단결정 봉을 얻을 수 없을 우려가 있었다.
본 발명의 목적은, 실리콘 융액으로부터 인양 중의 실리콘 단결정 봉의 하부 외주부의 급격한 온도 저하를 저지함으로써, 실리콘 단결정 봉의 중심부와 외주부의 축방향에서의 온도 구배의 차이를 좁혀서 무결함의 실리콘 단결정 봉을 얻는 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재를 제공하는 데에 있다.
도 1은 본 발명 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재를 도시하는 도 2의 A부 확대 단면도이다.
도 2는 그 실리콘 단결정 인양 장치의 단면 구성도이다.
도 3은 통부가 아래쪽을 향해서 직경이 작게 형성된 열 차폐 부재를 도시하는 단면도이다.
도 4는 단열재가 충전되어 있지 않은 통부를 갖는 열 차폐 부재를 도시하는 단면도이다.
도 5는 단면이 육각형상인 축열 부재를 갖는 열 차폐 부재를 도시하는 단면도이다.
도 6은 단면이 오각형상인 축열 부재를 갖는 열 차폐 부재를 도시하는 단면도이다.
도 7은 단면이 오각형상인 축열 부재를 갖는 다른 열 차폐 부재를 도시하는 단면도이다.
도 8은 단면이 오각형상인 축열 부재를 갖는 또 다른 열 차폐 부재를 도시하는 단면도이다.
도 9는 축열 부재의 바닥면이 아래쪽을 향함에 따라서 직경이 작게 형성된 열 차폐 부재를 도시하는 단면도이다.
도 10은 축열 부재의 바닥면이 윗쪽을 향함에 따라서 직경이 작게 형성된 열 차폐 부재를 도시하는 단면도이다.
청구항 1에 따른 발명은, 도 2에 도시하는 바와 같이, 석영도가니(13)의 외주면을 포위하는 히터(18)에 의해 가열되고 그 석영도가니(13)에 저류된 실리콘 융액(12)으로부터 실리콘 단결정 봉(25)를 인양하는 장치에 설치되어, 하단이 실리콘 융액(12) 표면으로부터 간격을 두고 윗쪽에 위치하고 또한 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면을 포위하여 히터(18)로부터의 복사열을 차단하는 통부(37)와, 통부(37)의 하부에 통 내의 방향으로 팽출하여 설치된 팽출부(41)와, 팽출부(41)의 내부에 설치되어 실리콘 단결정 봉(25)의 하부 외주면을 포위하는 링 형상의 축열 부재(47)를 구비한 열 차폐 부재의 개량이다.
그 특징 있는 구성은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 축열 부재(47)는 열 전도율이 5W/(m·℃) 이하이고, 축열 부재(47)는 실리콘 단결정 봉(25)의 축 중심선에 대해서 평행하게 또는 -30도 이상 +30도 이하의 각도로 경사지는 내주면을 갖고, 실리콘 단결정 봉(25)의 직경을 d로 할 때 d가 100㎜ 이상이고 축열 부재(47)의 내주면은 높이(H1)가 10㎜ 이상 d/2 이하이고 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면과의 최소 간격(W1)이 10㎜ 이상 0.2d 이하가 되도록 형성된 바에 있다.
이 청구항 1에 기재된 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재에서는, 팽출부(41)보다 아래쪽의 실리콘 융액 근방에서의 실리콘 단결정 봉(25)의 주위는 고온의 히터(18) 및 실리콘 융액(12)에 의해서 적극적으로 가열된다. 한편, 팽출부(41)의 내부에 설치된 축열 부재(47)도 고온의 히터(18) 및 실리콘 융액(12)에 의해서 적극적으로 가열되고, 이 팽출부(41)에 대향하는 실리콘 단결정 봉(25)의 주위는 가열된 축열 부재(47)에 의해서 가열된다. 이것에 의해, 실리콘 단결정 봉(25)의 하부 외주부의 급격한 온도 저하는 저지되고, 이 부분에서의 실리콘 단결정 봉(25)의 축방향에서의 온도 구배의 직경방향 분포가 대략 균일해져서, 보론코프의 V/G 모델에 의해, 무결함의 실리콘 단결정 봉(25)을 제조할 수 있다.
한편, 팽출부(41)보다 윗쪽의 통부(37)의 내측은, 팽출부(41)의 내부에 설치된 축열 부재(47)에 의해 고온의 실리콘 융액(12)으로부터의 복사열이 차단되고, 통부(37)에 의해 히터(18)로부터의 복사열도 차단된다. 따라서, 팽출부(41)보다 윗쪽에 위치하는 실리콘 단결정 봉(25)로부터의 방열은 상술한 실리콘 단결정 봉(25)의 하부에 비교하여 촉진된다.
여기에서, 축열 부재(47)의 열 전도율이 5W/(m·℃)를 넘거나, 혹은 축열 부재(47)의 내주면에서의 높이(H1)가 10㎜ 미만이거나, 또는 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면과 축열 부재(47)의 내주면의 최소 간격(W1)이 0.2d를 넘으면, 실리콘 융액(12)으로부터의 복사열의 충분한 단열을 할 수 없다. 이 축열 부재(47)의 바람직한 열 전도율은 1W/(m·℃) 이하이다. 또, 축열 부재(47)의 내주면에서의 높이(H1)가 d/2를 넘으면 이 축열 부재(47)를 내장하는 팽출부(41)가 대형화하여 팽출부(41)보다 윗쪽에 위치하는 실리콘 단결정 봉(25)으로부터의 방열을 촉진하는 것이 곤란해진다. 또, 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면과 축열 부재(47)의 내주면의 최소 간격(W1)이 10㎜ 미만이면 인양 도중의 실리콘 단결정 봉(25)에 이 축열 부재(47)를 내장하는 팽출부(41)가 접촉할 우려가 있다.
청구항 2에 따른 발명은, 청구항 1에 따른 발명에 있어서, 축열 부재(47)는 실리콘 단결정 봉(25)의 축 중심선에 대해서 평행하게 또는 -30도 이상 +30도 이하의 각도로 경사지는 외주면을 갖고, 그 외주면의 상측 가장자리와 축열 부재(47)의 최하부의 수직 거리(H2) 10㎜ 이상 d 이하이며 석영도가니(13) 내주면과의 최소 간격(W2)이 20㎜ 이상 d/4 이하인 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재이다.
이 청구항 2에 기재된 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재에서는, 실리콘 융액(12) 또는 석영도가니(13)로부터의 방열을 축열 부재(47)의 하면 및 외주면이 받아서 그 축열 부재(47) 자체가 온도 상승함으로써, 실리콘 단결정 봉(25)의 고액 계면 부근에서의 실리콘 단결정 봉(25)의 외주부에서의 급격한 온도 저하를 저지할 수 있다. 여기에서, 축열 부재(47)의 외주면에서의 높이(H2)가 10㎜ 미만이면 방열을 충분히 단열할 수 없고, 실리콘 단결정 봉(25)의 직경(d)을 넘으면 이 축열 부재(47)를 내장하는 팽출부(41)가 대형화한다. 또, 석영도가니(13) 내주면과의 최소 간격(W2)이 20㎜ 미만이면 이 열 차폐 부재(36)가 석영도가니(13)에 접촉할 우려가 있고, 0.25d를 넘으면 충분히 단열하는 것이 곤란해진다.
여기에서, 축열 부재(47)는 수평으로 형성된 상면 또는 수평면에 대해서 0도 초과 80도 이하의 각도(δ)로 윗쪽을 향함에 따라서 직경이 크게 형성된 상면을 갖는 것이 바람직하다. 수평 또는 경사진 상면을 가짐으로써, 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면과 통부(37)의 내주면의 사이를 유하하는 불활성 가스는 매끄럽게 실리콘 융액(12)과 팽출부(41)의 사이에 인도된다.
한편, 축열 부재(47)의 바닥면은, 실리콘 융액(12)으로부터의 복사열을 그 축열 부재(47)가 축적하는 것을 조장시키기 위해서, 도 1에 도시하는 바와 같은 수평면으로 하거나, 혹은 도 9 및 도 10에 도시하는 바와 같이, 평면에 대해서 0도 초과 80도 이하의 각도(α 또는 θ)로 아래쪽 또는 윗쪽을 향함으로써 직경이 작아지도록 형성하는 것이 바람직하다.
또, 도 1에 도시하는 바와 같이, 통부(37)가, 내통 부재(37a)와, 외통 부재(37b)와, 내통 부재(37a)와 외통 부재(37b)의 사이에 충전 또는 개재된 단열재(37c)를 갖는 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재이면, 히터(18)나 석영도가니(13)의 내주벽으로부터 실리콘 단결정 봉(25)을 향하는 복사열을 유효하게 차단하여, 팽출부(41)를 넘어서 인양된 실리콘 단결정 봉(25)의 냉각을 촉진시킬 수 있다. 이 경우, 단열재(37c)의 내경(D1)이 2d 이상이고, 단열재(37c)의 두께(t)가 5㎜ 이상인 것이 바람직하고, 내통 부재(37a)의 두께를 n으로 할 때, 내통 부재(37a)의 내경(D2)이 (2d-2n) 이상인 것이 더욱 바람직하다. 이와 같은 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재에서는, 히터(18)나 석영도가니(13)의 내주벽으로부터 실리콘 단결정 봉(25)을 향하는 복사열을 확실하게 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 통부(37)가 결정(25)으로부터 떨어질수록, 팽출부(41)보다 윗쪽에서의 결정(25)의 냉각을 촉진할 수 있다.
다음에 본 발명의 제1 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 실리콘 단결정의 인양 장치(10)의 챔버(11) 내에는, 실리콘 융액(12)을 저류하는 석영도가니(13)가 설치되고, 이 석영도가니(13)의 외주면은 흑연 서셉터(14)에 의해 피복된다. 석영도가니(13)의 하면은 상기 흑연 서셉터(14)를 통해서 지지축(16)의 상단에 고정되고, 이 지지축(16)의 하부는 도가니 구동 수단(17)에 접속된다. 도가니 구동 수단(17)은 도시하지 않지만 석영도가니(13)를 회전시키는 제1 회전용 모터와, 석영도가니(13)를 승강시키는 승강용 모터를 갖고, 이들의 모터에 의해 석영도가니(13)가 소정의 방향으로 회전할 수 있는 동시에, 상하 방향으로 이동 가능하게 되어 있다. 석영도가니(13)의 외주면은 석영도가니(13)로부터 소정의 간격을 두고 히터(18)에 의해 포위되고, 이 히터(18)는 보온통(19)에 의해 포위된다. 히터(18)는 석영도가니(13)에 투입된 고순도의 실리콘 다결정체를 가열·융해하여 실리콘 융액(12)으로 한다.
또 챔버(11)의 상단에는 원통 형상의 케이싱(21)이 접속된다. 이 케이싱(21)에는 인양 수단(22)이 설치된다. 인양 수단(22)은 케이싱(21)의 상단부에 수평 상태로 선회 가능하게 설치된 인양 헤드(도시하지 않음)와, 이 헤드를 회전시키는 제2 회전용 모터(도시하지 않음)와, 헤드로부터 석영도가니(13)의 회전 중심을 향해서 아래쪽으로 걸려진 와이어 케이블(23)과, 상기 헤드 내에 설치되어 와이어 케이블(23)을 감거나 또는 푸는 인양용 모터(도시하지 않음)를 갖는다. 와이어 케이블(23)의 하단에는 실리콘 융액(12)에 담구어 실리콘 단결정 봉(25)을 인양하기 위한 종결정(24)이 부착된다.
또한 챔버(11)에는 이 챔버(11)의 실리콘 단결정 봉측에 불활성 가스를 공급하고 또한 상기 불활성 가스를 챔버(11)의 도가니 내주면측으로부터 배출하는 가스 공급 수단(28)이 접속된다. 가스 공급 수단(28)은 일단이 케이싱(21)의 둘레벽에 접속되고 타단이 상기 불활성 가스를 저류하는 탱크(도시하지 않음)에 접속된 공급 파이프(29)와, 일단이 챔버(11)의 하벽에 접속되고 타단이 진공 펌프(도시하지 않음)에 접속된 배출 파이프(30)를 갖는다. 공급 파이프(29) 및 배출 파이프(30)에는 이들의 파이프(29, 30)를 흐르는 불활성 가스의 유량을 조정하는 제1 및 제2 유량 조정 밸브(31, 32)가 각각 설치된다.
한편, 인양용 모터의 출력축(도시하지 않음)에는 인코더(도시하지 않음)가 설치되고, 도가니 구동 수단(17)에는 지지축(16)의 승강 위치를 검출하는 인코더(도시하지 않음)가 설치된다. 2개의 인코더의 각 검출 출력은 컨트롤러(도시하지 않음)의 제어 입력에 접속되고, 컨트롤러의 제어 출력은 인양 수단(22)의 인양용 모터 및 도가니 구동 수단의 승강용 모터에 각각 접속된다. 또 컨트롤러에는 메모리(도시하지 않음)가 설치되고, 이 메모리에는 인코더의 검출 출력에 대한 와이어 케이블(23)의 권취 길이, 즉 실리콘 단결정 봉(25)의 인양 길이가 제1 맵으로서 기억된다. 또, 메모리에는, 실리콘 단결정 봉(25)의 인양 길이에 대한 석영도가니(13) 내의 실리콘 융액(12)의 액면 레벨이 제2 맵으로서 기억된다. 컨트롤러는, 인양용 모터에서의 인코더의 검출 출력에 기초하여 석영도가니(13) 내의 실리콘 융액(12)의 액면을 항상 일정한 레벨로 유지하도록, 도가니 구동 수단(17)의 승강용 모터를 제어하도록 구성된다.
실리콘 단결정 봉(25)의 외주면과 석영도가니(13)의 내주면의 사이에는 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면을 포위하는 열 차폐 부재(36)가 설치된다. 이 열 차폐 부재(36)는 원통 형상으로 형성되어 히터(18)로부터의 복사열을 차단하는 통부(37)와, 이 통부(37)의 상측 가장자리에 연결 설치되어 외측으로 대략 수평 방향으로 돌출되는 플랜지부(38)를 갖는다. 상기 플랜지부(38)를 보온통(19) 상에 올려 놓음으로써, 통부(37)의 하측 가장자리가 실리콘 융액(12) 표면으로부터 소정의 거리만큼 윗쪽에 위치하도록 열 차폐 부재(36)는 챔버(11) 내에 고정된다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 통부(37)는, 내통 부재(37a)와, 외통 부재(37b)와, 내통 부재(37a)와 외통 부재(37b)의 사이에 충전 또는 개재된 단열재(37c)를 갖는다. 이 실시 형태에서의 통부(37)는 동일 직경의 통형상체이고, 단열재(37c)는, 카본 섬유로 이루어지는 펠트재로 이루어진다. 그리고, 실리콘 단결정 봉(25)의 직경을 d로 할 때, d가 100㎜ 이상인 경우, 이 단열재(37c)의 내경(D1)은 2d 이상이고 외통 부재(37b)가 석영도가니(13)의 내면에 접촉하지 않는 범위에서 그 외경이 결정된다. 이 단열재(37c)의 두께(t)는 5㎜ 이상이 되도록 형성되고, 내통 부재(37a)의 두께를 n으로 하면, 내통 부재(37a)의 내경(D2)은 (2d-2n) 이상이 되도록 형성된다. 그리고 이 통부(37)의 하부에는 통내의 방향으로 팽출하는 팽출부(41)가 설치된다.
팽출부(41)는, 통부(37)의 하측 가장자리에 접속되어 수평으로 연장되어 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면 근방에 도달하는 링 형상의 바닥벽(42)과, 바닥벽(42)의 내측 가장자리에 연결되어 설치된 세로벽(44)과, 이 세로벽(44)의 상측 가장자리에 연결되어 설치된 상부벽(46)에 의해 구성된다. 이 실시 형태에서는, 통부(37)에서의 외통 부재(37b)와 바닥벽(42)은 일체적으로 형성되고, 통부(37)에서의 내통 부재(37a)와 상부벽(46)과 세로벽(44)이 일체적으로 형성된다. 내통 부재(37a), 외통 부재(37b), 바닥벽(42), 세로벽(44) 및 상부벽(46)은, 열적으로 안정하고 고순도인 흑연 혹은 표면에 SiC가 코팅된 흑연에 의해서 만드는 것이 바람직하지만, 열적으로 안정한 Mo(몰리브덴)이나 W(텅스텐) 등의 재료를 사용할 수도 있다.
상부벽(46)은 수평이나, 혹은 윗쪽을 향함에 따라서 직경이 커지도록 형성되고, 상측 가장자리가 통부(37)에서의 내통 부재(37a)에 연속하도록 구성된다. 또한, 통부(37)의 하부인 외통 부재(37b)의 하부와 바닥벽(42)과 세로벽(44)과 상부벽(46)에 의해 둘러싸인 팽출부(41)의 내부에는 링 형상의 축열 부재(47)가 설치된다. 이 실시 형태에서의 축열 부재(47)는, 팽출부(41)의 내부에 카본 섬유로 이루어지는 0.05∼0.50g/㎤의 펠트재로 충전함으로써 형성되고, 이 카본 섬유를 축열 부재(47)로서 이용함으로써, 그 축열 부재(47)의 열 전도율은 5W/(m·℃) 이하로 제한된다. 단, 축열 부재(47)는, 이 카본 섬유로 이루어지는 펠트재에 한정되지 않고, 열 전도율이 5W/(m·℃) 이하이면, 알루미나 등의 단열재를 사용하는 것도 가능하다.
팽출부(41)의 내부에 설치된 축열 부재(47)는, 팽출부(41)를 형성하는 세로벽(44)에 의해 실리콘 단결정 봉(25)의 축 중심선에 대해서 평행하게 또는 -30도 이상 +30도 이하의 각도로 경사지는 내주면이 형성되고, 실리콘 단결정 봉(25)의 직경을 d로 할 때 그 축열 부재(47)의 내주면은 높이(H1)가 10㎜ 이상 d/2 이하이고 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면과의 최소 간격(W1)이 10㎜ 이상 0.2d 이하가 되도록 형성된다. 여기에서, -30도란 실리콘 단결정 봉(25)의 축 중심선에 대해서 30도의 각도를 갖고 윗쪽을 향함에 따라서 직경이 작아지도록 형성되는 것을 나타내고, +30도란 축 중심선에 대해서 30도의 각도를 갖고 윗쪽을 향함에 따라서 직경이 커지도록 형성되는 것을 나타내지만, 바람직하게는 실리콘 단결정 봉(25)의 축 중심선에 대해서 평행, 즉 축열 부재(47)의 내주면은 연직이 되도록 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 팽출부(41)를 구성하는 상부벽(46)이 수평이거나, 혹은 윗쪽을 향함에 따라서 직경이 커지도록 형성되기 때문에, 축열 부재(47)는 수평으로 형성된 상면, 또는 수평면에 대해서 0도 초과 80도 이하의 각도(δ)로 윗쪽을 향함에 따라서 직경이 크게 형성된 상면을 갖고, 축열 부재(47)는, 통부(37)의 하부에 의해 실리콘 단결정 봉(25)의 축 중심선에 대해서, 평행하게 또는 -30도 이상 +30도 이하의 각도로 경사지는 외주면이 형성된다. 그리고 바닥벽(42)이 수평으로 연장되어 형성되기 때문에 축열 부재(47)는 수평으로 형성된 바닥면을 갖고, 축열 부재(47)의 내주면 및 외주면의 각각의 하측 가장자리는 동일한 연직 위치가 되어, 그 외주면의 상측 가장자리와 축열 부재(47)의 최하부의 수직 거리(H2)는 10㎜ 이상 d 이하이고 석영도가니(13) 내주면과의 최소 간격(W2)이 20㎜ 이상 d/4 이하가 되도록 형성된다. 또한, 직경(d)이 200㎜인 실리콘 단결정 봉(25)을 인양하는 경우에 있어서의 간격(W1)의 바람직한 값은 15∼35㎜이고, 간격(W2)의 바람직한 값은 20∼40㎜이다.
이와 같이 구성된 실리콘 단결정의 인양 장치의 동작을 설명한다.
종래의 실리콘 단결정의 인양 장치에서의 열 차폐 부재에서는, 실리콘 단결정 봉(25)을 실리콘 융액(12)으로부터 소정의 인양 속도로 인양하면, 실리콘 단결정 봉(25)의 실리콘 융액(12) 근방에서의 외주면으로부터의 방열량이 많기 때문에, 실리콘 단결정 봉의 중앙에서의 축방향의 온도 구배에 비교하여 실리콘 단결정 봉의 외주부에서의 축방향의 온도 구배는 높아진다.
그러나 본 실시 형태의 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재(36)에서는, 팽출부(41)보다 아래쪽의 실리콘 융액 근방에서의 실리콘 단결정 봉(25)의 주위는 고온의 히터(18) 및 실리콘 융액(12)에 의해서 적극적으로 가열된다. 한편, 팽출부(41)의 내부에 설치된 축열 부재(47)도 고온의 히터(18) 및 실리콘 융액(12)에 의해서 적극적으로 가열되고, 이 팽출부(41)에 대향하는 실리콘 단결정 봉(25)의 주위는 가열된 축열 부재(47)에 의해서 가열된다. 이것에 의해, 실리콘 단결정 봉(25)의 하부 외주부의 급격한 온도 저하는 저지되고, 이 부분에서의 실리콘 단결정 봉(25)의 축방향에서의 온도 구배의 직경방향 분포가 대략 균일해져서, 보론코프의 V/G 모델에 의해, 무결함의 실리콘 단결정 봉(25)을 제조할 수 있다. 한편, 팽출부(41)보다 윗쪽의 통부(37)의 내측은, 그 통부(37)에 의해 히터(18)로부터의 복사열이 차단되고, 팽출부(41)의 내부에 설치된 축열 부재(47)에 의해 고온의 실리콘 융액(12)으로부터의 복사열도 차단된다. 따라서, 팽출부(41)보다 윗쪽에 위치하는 실리콘 단결정 봉(25)으로부터의 방열은 상술한 실리콘 단결정 봉(25)의 하부에 비교하여 촉진된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 열 차폐 부재의 통부(37)를 원통 형상으로 형성하였지만, 도 3에 도시하는 바와 같이, 통부(37)는 아래쪽을 향함에 따라서 직경이 작아지는 중공의 원추대(圓錐臺) 형상으로 형성해도 된다. 통부(37)를 아래쪽을 향함에 따라서 직경을 작게 형성하면, 그 통부(37)와 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면의 사이를 유하하는 불활성 가스를 매끄럽게 실리콘 융액(12)과 팽출부(41)의 사이로 인도할 수 있다.
또, 상기 실시 형태에서는, 내통 부재(37a)와 외통 부재(37b)의 사이에 단열재(37c)를 충전한 통부(37)를 나타내었지만, 축열 부재(47)의 내주면은 높이(H1)가 10㎜ 이상 d/2 이하이고, 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면과의 최소 간격(W1)이 10㎜ 이상 0.2d 이하인 한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 단열재를 충전하고 있지 않은 통부(37)이어도 된다.
또, 상기 실시 형태에서는, 세로벽(44)과 바닥벽(42)과 상부벽(46)으로 이루어지는 팽출부(41)에 의해 단면 사각형상의 축열 부재(47)를 나타내었지만, 도 5에 도시하는 바와 같이, 축열 부재(47)는 단면 육각형상이어도 되고, 도 6∼도 8에 도시하는 바와 같은 단면 오각형상이어도 된다. 이와 같은 오각형상 및 육각형상에서도, 축열 부재(47)의 내주면은 높이(H1)가 10㎜ 이상 d/2 이하이고, 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면과의 최소 간격(W1)이 10㎜ 이상 0.2d 이하인 한, 팽출부(41)보다 아래쪽의 실리콘 융액 근방에서의 실리콘 단결정 봉(25)의 주위는 고온의 히터(18) 및 실리콘 융액(12)에 의해서 적극적으로 가열되고, 실리콘 단결정 봉(25)의 고액 계면 부근에서의 실리콘 단결정 봉(25)의 외주부에서의 급격한 온도 저하를 저지할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태에서는, 축열 부재(47)에 수평인 바닥면을 형성하였지만, 축열 부재(47)의 내주면은 높이(H1)가 10㎜ 이상 d/2 이하이고, 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면과의 최소 간격(W1)이 10㎜ 이상 0.2d 이하인 한, 도 9 및 도 10에 도시하는 바와 같이, 축열 부재(47)는 평면에 대해서 0도 초과 80도 이하의 각도(α 또는 θ)로 아래쪽 또는 윗쪽을 향함에 따라서 직경이 작게 형성된 바닥면을 갖도록 해도 된다. 이와 같은 열 차폐 부재에서도, 팽출부(41)보다 아래쪽의 실리콘 융액 근방에서의 실리콘 단결정 봉(25)의 주위는 고온의 히터(18) 및 실리콘 융액(12)에 의해서 적극적으로 가열되고, 실리콘 단결정 봉(25)의 외주부의 급격한 온도 저하를 저지할 수 있다.
본 발명의 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재에서는, 실리콘 단결정 봉의 축방향에서의 온도 구배의 직경방향 분포를 대략 균일하게 할 수 있고, 보론코프의 모델에 의해, 무결함의 실리콘 단결정 봉을 제조할 수 있다.

Claims (17)

  1. 석영도가니(13)의 외주면을 포위하는 히터(18)에 의해 가열되어 상기 석영도가니(13)에 저류된 실리콘 융액(12)으로부터 실리콘 단결정 봉(25)을 인양하는 장치에 설치되어, 하단이 상기 실리콘 융액(12) 표면으로부터 간격을 두고 윗쪽에 위치하고 또한 상기 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면을 포위하여 상기 히터(18)로부터의 복사열을 차단하는 통부(37)와, 상기 통부(37)의 하부에 통 내의 방향으로 팽출하여 설치된 팽출부(41)와, 상기 팽출부(41)의 내부에 설치되어 상기 실리콘 단결정 봉(25)의 하부 외주면을 포위하는 링 형상의 축열 부재(47)를 구비한 열 차폐 부재에 있어서,
    상기 축열 부재(47)는 열 전도율이 5W/(m·℃) 이하이고,
    상기 축열 부재(47)는 상기 실리콘 단결정 봉(25)의 축 중심선에 대해서 평행하게 또는 -30도 이상 +30도 이하의 각도로 경사지는 내주면을 갖고,
    상기 실리콘 단결정 봉(25)의 직경을 d로 할 때 d가 100㎜ 이상이고 상기 축열 부재(47)의 내주면은 높이(H1)가 10㎜ 이상 d/2 이하이며 상기 실리콘 단결정 봉(25)의 외주면과 상기 축열 부재(47)의 내주면의 최소 간격(W1)이 10㎜ 이상 0.2d 이하가 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  2. 제1항에 있어서, 축열 부재(47)는 상기 실리콘 단결정 봉(25)의 축 중심선에 대해서 평행하게 또는 -30도 이상 +30도 이하의 각도로 경사지는 외주면을 갖고,
    상기 외주면의 상측 가장자리와 축열 부재(47)의 최하부의 수직 거리(H2)가 10㎜ 이상 d 이하이고 상기 석영도가니(13) 내주면과 상기 축열 부재(47)의 외주면의 최소 간격(W2)이 20㎜ 이상 d/4 이하인 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  3. 제2항에 있어서, 통부(37)가, 내통 부재(37a)와, 외통 부재(37b)와, 상기 내통 부재(37a)와 상기 외통 부재(37b)의 사이에 충전 또는 개재된 단열재(37c)를 갖는 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  4. 제3항에 있어서, 단열재(37c)의 내경(D1)이 2d 이상이고, 상기 단열재(37c)의 두께(t)가 5㎜ 이상인 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  5. 제4항에 있어서, 내통 부재(37a)의 두께를 n으로 할 때, 내통 부재(37a)의 내경(D2)이 (2d-2n) 이상인 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  6. 제1항에 있어서, 축열 부재(47)는 수평으로 형성된 상면 또는 수평면에 대해서 0도 초과 80도 이하의 각도(δ)로 윗쪽을 향함에 따라서 직경이 크게 형성된 상면을 갖는 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  7. 제6항에 있어서, 통부(37)가, 내통 부재(37a)와, 외통 부재(37b)와, 상기 내통 부재(37a)와 상기 외통 부재(37b)의 사이에 충전 또는 개재된 단열재(37c)를 갖는 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  8. 제7항에 있어서, 단열재(37c)의 내경(D1)이 2d 이상이고, 상기 단열재(37c)의 두께(t)가 5㎜ 이상인 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  9. 제8항에 있어서, 내통 부재(37a)의 두께를 n으로 할 때, 내통 부재(37a)의 내경(D2)이 (2d-2n) 이상인 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  10. 제1항에 있어서, 축열 부재(47)는 수평으로 형성된 바닥면을 갖는 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  11. 제10항에 있어서, 통부(37)가, 내통 부재(37a)와, 외통 부재(37b)와, 상기 내통 부재(37a)와 상기 외통 부재(37b)의 사이에 충전 또는 개재된 단열재(37c)를 갖는 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  12. 제11항에 있어서, 단열재(37c)의 내경(D1)이 2d 이상이고, 상기 단열재(37c)의 두께(t)가 5㎜ 이상인 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  13. 제12항에 있어서, 내통 부재(37a)의 두께를 n으로 할 때, 내통 부재(37a)의 내경(D2)이 (2d-2n) 이상인 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  14. 제1항에 있어서, 축열 부재(47)는 평면에 대해서 0도 초과 80도 이하의 각도(α 또는 θ)로 아래쪽 또는 윗쪽을 향함에 따라서 직경이 작게 형성된 바닥면을 갖는 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  15. 제14항에 있어서, 통부(37)가, 내통 부재(37a)와, 외통 부재(37b)와, 상기 내통 부재(37a)와 상기 외통 부재(37b)의 사이에 충전 또는 개재된 단열재(37c)를 갖는 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  16. 제15항에 있어서, 단열재(37c)의 내경(D1)이 2d 이상이고, 상기 단열재(37c)의 두께(t)가 5㎜ 이상인 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
  17. 제16항에 있어서, 내통 부재(37a)의 두께를 n으로 할 때, 내통 부재(37a)의 내경(D2)이 (2d-2n) 이상인 실리콘 단결정 인양 장치의 열 차폐 부재.
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