KR20050053102A - 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 관한 것으로, 그 목적은 실리콘 융액의 대류 및 열충격에 의한 결정 품질의 변화를 최소화하는 것이다. 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치는, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치에 있어서, 챔버; 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니; 도가니를 가열하는 히터; 및 도가니의 내부에 위치하여 실리콘 단결정 잉곳 주변의 실리콘 융액을 감싸는 도가니 형상이며, 자체에 홀이 형성되어 있어 홀을 통해 실리콘 융액이 통과하는 보호막을 포함하는 구성이다.

Description

실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치 {An apparatus of manufacturing silicon single crystal ingot}

본 발명은 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 실리콘 융액의 대류에 의한 영향을 최소화하여 보다 안정적인 환경에서 실리콘 잉곳을 성장시키는 장치에 관한 것이다.

반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(ingot)을 제조하는 대표적인 방법으로는 쵸크랄스키(Czochralski, CZ)법이 있다. 이 방법은 단결정인 종자결정(seed crystal)을 용융 실리콘에 담근 후 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법으로서 일반적으로 몇 가지 공정단계로 나누어진다.

먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking) 단계를 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering) 단계를 거치며 이 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정이 성장된다. 이 과정을 바디그로잉(body growing) 단계라 부르는데 이 때 성장된 부분이 웨이퍼로 만들어진다.

일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융실리콘과 분리하는 테일링(tailing) 공정단계를 거쳐 결정성장단계가 마무리된다.

이러한 결정성장 공정은 핫존(hot zone)이라는 공간에서 이루어지게 되는데, 핫존은 그로어(grower) 내부의 발열체(heater), 보온 구조물을 포함한 여러 부품들로 이루어져 있다.

한편, 단결정 내의 결함특성은 결정의 성장 및 냉각 조건에 매우 민감하게 의존하기 때문에 성장계면 근처의 열이력을 조절함으로써 성장결함의 종류 및 분포를 제어하고자 하는 많은 노력이 진행되어 왔다.

결정 성장 시 결정의 수율과 품질에 영향을 주는 인자는 여러 가지가 있지만, 특히 반도체 소자의 고집적화 추세에 따라 반도체 소자의 기판으로 사용되는 실리콘 단결정의 품질 제어를 위해 실리콘 융액의 대류 제어가 중요한 인자로 대두되고 있다.

결정의 수율 측면에서는 결정 성장 챔버 내부의 파티클과 열충격(thermal shock)을 줄이는 것이 중요하다. 이 때 열충격은 실리콘 융액 내부의 불균일한 온포 분포에 의해 결정 성장이 이루어지는 고-액 계면이 받는 열충격을 의미한다.

쵸크랄스키 법에 따라 단결정을 성장시킬 때 일반적으로 도가니의 외방에 설치된 히터로부터 발생되는 열이 실리콘 융액으로 전달되며, 이 때 융액의 온도는 잉곳에서 멀리 떨어질수록 높은 상태이므로, 열이 가장자리의 고온 융액으로부터 상대적으로 저온인 잉곳에 도달할 때 받는 열충격이 결정 성장에 악영향을 미친다.

실리콘 융액 내부에는 융액의 온도 차이에 따라 자연대류가 형성되고, 또한 실리콘 융액 내부의 온도 균질성 확보를 위해 도가니와 잉곳을 각각 회전시킴에 따른 강제대류가 형성된다.

특히, 잉곳이 점점 성장해나가면서 실리콘 융액의 부피가 점점 줄어들고, 이에 따라 융액 내부의 대류 패턴이 크게 달라지는데, 이와 같이 대류 패턴이 변화하면 결정의 품질이 변화하여 결과적으로 잉곳의 길이방향으로 품질이 불균일해지며, 또한, 대류 패턴의 변화는 결정의 안정적인 성장을 방해한다.

그리고, 잉곳이 점점 성장하면서 실리콘 융액의 부피가 점점 줄어듦에 따라 도펀트의 농도가 점점 높아져서 결과적으로 잉곳의 길이방향으로 도핑 농도가 달라진다. 따라서, 잉곳의 길이방향을 따라서 비저항이 변하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 실리콘 융액의 대류 및 열충격에 의한 결정 품질의 변화를 최소화하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 성장할 때 단결정 성장의 안정적인 환경을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 성장 초기에서 성장 말기에 이르기까지 균일한 품질의 실리콘 단결정을 제조하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 실리콘 잉곳 길이방향으로의 성장 조건을 균일하게 하는 핫존 구조를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 때, 도가니의 내부에 위치하여 실리콘 단결정 잉곳 주변의 실리콘 융액을 감싸는 도가니 형상의 보호막을 설치하여 대류 및 열충격의 영향을 최소화하는 것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치는, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치에 있어서, 챔버; 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니; 도가니를 가열하는 히터; 및 도가니의 내부에 위치하여 실리콘 단결정 잉곳 주변의 실리콘 융액을 감싸는 도가니 형상이며, 자체에 홀이 형성되어 있어 홀을 통해 실리콘 융액이 통과하는 보호막을 포함하는 구성이다.

본 발명의 장치는, 잉곳을 에워싸도록 잉곳과 도가니 사이에 설치되어 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드를 더 포함할 수 있고, 이 경우, 보호막은 열실드에 의해 지지될 수 있다.

보호막은 돌출형의 상단부를 가질 수 있고, 돌출형의 상단부가 열실드에 걸쳐지면서 설치될 수 있다.

또는 보호막의 상단부가 체결부재를 매개로 하여 열실드에 결합 설치될 수도 있다.

보호막에는, 바닥부에 형성된 중앙홀과 측면에 형성된 측면홀이 형성될 수 있으며, 이 때 중앙홀 및 측면홀은 하나 또는 둘 이상의 복수개로 형성될 수 있다.

보호막은 순도 99.9999% 이상의 실리카(silica)로 이루어질 수 있다.

보호막은 잉곳의 성장 전, 고상의 다결정실리콘이 용융하여 실리콘 융액이 된 후에 설치되고, 잉곳의 성장 중에는 일정한 높이를 유지하도록 고정되어 있는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 방법은, 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조함에 있어서, 잉곳의 결정 성장 전에, 챔버, 도가니 및 히터를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치에서 도가니 내에 다결정실리콘을 장입하는 단계; 히터를 가동하여 다결정실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만드는 단계; 및 자체에 홀이 형성되어 있어 홀을 통해 실리콘 융액을 통과시키는 도가니 형상의 보호막을, 도가니의 내부에 위치하여 실리콘 단결정 잉곳 주변의 실리콘 융액을 감싸도록 설치하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이하, 본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키며 도 1에 도시된 바와 같은 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치를 이용한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부를 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치는 챔버(10)를 포함하며, 챔버(10)의 내부에서 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 이루어진다.

챔버(10) 내에는 실리콘 융액(SM)을 담는 석영 도가니(20)가 설치되며, 이 석영 도가니(20)의 외부에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(25)가 석영 도가니(20)를 에워싸도록 설치된다.

도가니 지지대(25)는 회전축(30) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(30)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 석영 도가니(25)를 회전시키면서 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대(25)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(40)에 의해 에워싸여지며, 이 히터(40)는 보온통(45)에 의해 에워싸여진다.

히터(40)는 석영 도가니(20) 내에 적재된 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들며, 보온통(45)은 히터(40)에서 발산되는 열이 챔버(10)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다.

챔버(10)의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시)이 설치되며, 이 케이블의 하부에 석영 도가니(20) 내의 실리콘 융액(SM)에 접촉되어 인상하면서 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 종결정이 설치된다. 인상 수단은 단결정 잉곳(IG) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이 때 실리콘 단결정 잉곳(IG)은 도가니(20)의 회전축(30)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(20)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올리도록 한다.

또한, 원활한 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위해, 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 챔버(10)의 상부로 유입하고, 사용된 불활성 가스는 챔버(10)의 하부를 통해 배출시키는 방법을 많이 이용하고 있다.

도가니(20)의 내부에는 실리콘 단결정 잉곳(IG) 주변의 실리콘 융액(SM)을 감싸는 도가니 형상의 보호막(60)을 설치한다.

보호막(60)에는 홀(Hc, Hs)이 형성되어 있어서 홀(Hc, Hs)을 통해 실리콘 융액이 통과한다.

또한, 실리콘 단결정 잉곳(IG)과 도가니(20) 사이에는 잉곳(IG)을 에워싸도록 열실드(50)가 설치될 수 있다. 열실드(50)는 웨이퍼가 면내에서 특성이 균질할 것이 요구되는 추세에 따라, 결정 반경방향으로의 수직온도기울기의 편차를 줄이기 위해 다양한 핫존을 설계하는 과정에서 개발된 것으로서, 잉곳(IG)으로부터 방사되는 열을 차단하여 잉곳 외주부에서의 냉각속도를 늦추는 역할을 한다.

열실드(50)는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄소(C) 또는 SiC가 코팅된 흑연으로 이루어지고 다양한 형상으로 제작될 수 있다.

예를 들면, 열실드(50)는 잉곳과 도가니 사이에 설치된 원통 형상의 제 1 차폐부와, 제 1 차폐부의 상부와 연결되어 보온통 상부에 고정되는 플랜지 형상의 제 2 차폐부와, 제 1 차폐부의 하부와 연결되어 상기 단결정 잉곳 쪽으로 돌출되게 형성된 제 3 차폐부로 이루어질 수도 있다.

그러나 열실드(50)의 형상은 상술한 구조로 한정되지 않고, 본 발명에서는 어떠한 형상의 열실드라도 가능하다.

본 발명의 보호막(60)은 열실드(50)에 의해 지지될 수 있는데, 이 때 열실드의 형상에 제한되지 않고 어떠한 형상이라도 사용가능하다.

일 예로 도 1에 도시된 보호막(60)은 돌출형의 상단부를 가지고 있고, 돌출형의 상단부가 열실드(50)에 걸쳐지는 방식으로 보호막(60)이 설치된다.

그러나 보호막(60)의 설치 방법은 이러한 열실드(50)에 걸쳐지는 방식으로 한정될 필요는 없으며 다양한 방법이 가능하다.

또 다른 예로는 보호막의 상단부를 너트 및 볼트와 같은 체결부재를 매개로 하여 열실드에 결합 설치할 수도 있다.

도 2a 및 2b는 각각 보호막(60)의 단면도 및 평면도이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 보호막(60)의 바닥부에는 중앙홀(Hc)이 형성될 수 있고, 보호막(60)의 측면에는 측면홀(Hs)이 형성될 수 있다.

중앙홀(Hc) 및 측면홀(Hs)의 개수에는 제한이 없으며, 이들을 각각 복수개로 형성하는 것도 가능하다.

도 2에는 한 개의 중앙홀(Hc)과 복수개의 측면홀(Hs)을 형성한 경우가 도시되어 있으며, 이 경우 중앙홀(Hc)의 크기를 측면홀(Hs)보다 더 크게 제작하여 실리콘 융액(SM)의 유동을 원활하게 하였다.

중앙홀(Hc)을 통해서는 실리콘 융액(SM)을 통과시키고, 측면홀(Hs)을 통해서는 실리콘 융액(SM) 또는 아르곤과 같은 불활성 가스를 통과시킬 수 있다.

측면홀(Hs) 중에서 보호막(60)의 바닥부에 가까운 곳에 위치하여 실리콘 융액(SM)의 수면 아래에서 잠겨 있는 경우에는 그 홀을 통해서 실리콘 융액(SM)이 통과하고, 실리콘 융액(SM)의 수면 위에 위치하는 경우에는 불활성 가스가 통과한다.

보호막(60)은 순도 99.9999% 이상의 실리카(silica)로 이루어지는 것이 바람직하다. 보호막의 재질은 고순도 석영 재질로 만들어질 수 있으며 통상 도가니 보다 더 고순도 재질이 바람직하다.

보호막(60)은 잉곳의 성장 전에 설치되고, 잉곳의 성장 중에는 일정한 높이를 유지하도록 고정되어 있다.

보다 구체적으로는 잉곳의 결정 성장 전에, 도가니 내에 다결정실리콘을 장입한 후 히터를 가동하여 다결정실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음에 설치한다.

도 1과 같은 구조에서는 실리콘 융액이 준비된 다음에, 보호막의 돌출형 상단부가 열실드에 걸쳐질 때까지 보호막을 하강하여 설치한다. 이후 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 중에는 보호막은 일정한 높이를 유지하도록 고정되어 있다.

잉곳이 점점 결정 성장되어 실리콘 융액이 점차 줄게 되더라도 도가니가 상승하여 고-액 계면은 일정한 높이로 유지되며 보호막 역시 일정한 높이로 유지된다.

이와 같이 보호막이 설치되면 외부의 충격 등에 의해 실리콘 융액의 대류가 변하더라도 보호막이 감싸고 있는 잉곳 주변의 융액은 그 대류 변화의 영향을 덜 받고, 보다 안정적인 상태가 유지된다.

특히, 잉곳이 점점 성장해 나감에 따라서 실리콘 융액의 부피가 점점 줄어들고, 이에 따라 융액 내부의 대류 분포가 크게 달라지는데, 이 때 보호막이 잉곳 주변의 융액을 감싸고 있어서 대류가 그대로 전달되는 것을 막아주며 따라서 대류 분포의 변화가 잉곳에 직접 영향을 미치지 않게 된다. 즉, 보호막이 대류 분포의 변화를 완화시켜 주며, 이는 잉곳 주변의 실리콘 융액 대류를 보다 더 안정적인 상태로 만들어주는 것이다.

또한, 잉곳이 점점 성장하면서 실리콘 융액의 부피가 점점 줄어듦에 따라 도펀트의 농도가 점점 높아져서 결과적으로 잉곳의 길이방향으로 도핑 농도가 달라지고 따라서 비저항이 변하는데, 본 발명의 보호막을 설치하면 이러한 비저항의 변화폭을 줄여 보다 더 균일한 비저항값을 가지는 잉곳을 제조할 수 있다.

그리고 잉곳에서 멀리 떨어질수록 융액의 온도가 높은 상태이므로, 가장자리에서 고온의 융액이 잉곳에 도달할 때 받는 열충격을 보호막이 완화시켜 줄 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 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.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 실리콘 단결정 잉곳 주변의 실리콘 융액을 감싸도록 도가니의 내부에 보호막을 설치함으로써, 실리콘 융액의 대류 및 열충격에 의한 결정 품질의 변화를 최소화하는 효과가 있다.

따라서 본 발명의 장치를 이용하면 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정을 성장할 때 단결정 성장의 안정적인 환경을 제공하는 효과가 있고, 또한, 성장 초기에서 성장 말기에 이르기까지 균일한 품질의 실리콘 단결정을 제조하는 효과가 있다.

특히, 잉곳의 길이방향을 따라서 비저항이 균일한 제품을 제조하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부를 도시한 단면도이다.

도 2a 및 2b는 각각 보호막의 단면도 및 평면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *

10 : 챔버 20 : 도가니

25 : 도가니 지지대 30 : 회전축

40 : 히터 45 : 보온통

50 : 열실드 60 : 보호막

IG : 실리콘 단결정 잉곳 SM : 실리콘 융액

Hc : 중심홀 Hs : 측면홀

Claims (13)

1. 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치에 있어서,

   챔버;

   상기 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니;

   상기 도가니를 가열하는 히터; 및

   상기 도가니의 내부에 위치하여 실리콘 단결정 잉곳 주변의 실리콘 융액을 감싸는 도가니 형상이며, 자체에 홀이 형성되어 있어 상기 홀을 통해 상기 실리콘 융액이 통과하는 보호막;

   을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 장치는, 상기 잉곳을 에워싸도록 상기 잉곳과 상기 도가니 사이에 설치되어 상기 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드를 더 포함하고,

   상기 보호막은 상기 열실드에 의해 지지되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 보호막은 돌출형의 상단부를 가지고 있고, 상기 돌출형의 상단부가 상기 열실드에 걸쳐지는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 보호막의 상단부가 체결부재를 매개로 하여 상기 열실드에 결합 설치되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 보호막에는, 바닥부에 형성된 중앙홀과 측면에 형성된 측면홀이 형성되어 있는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 중앙홀 및 측면홀은 하나 또는 둘 이상의 복수개인 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 보호막은 순도 99.9999% 이상의 실리카(silica)로 이루어진 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 보호막은 상기 잉곳의 성장 전에 설치되고, 상기 잉곳의 성장 중에는 일정한 높이를 유지하도록 고정되어 있는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 보호막은 상기 잉곳의 성장 전, 고상의 다결정실리콘이 용융하여 실리콘 융액이 된 후에 설치되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치.
10. 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조함에 있어서, 잉곳의 결정 성장 전에,

    챔버, 도가니 및 히터를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치에서 상기 도가니 내에 다결정실리콘을 장입하는 단계;

    상기 히터를 가동하여 상기 다결정실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만드는 단계; 및

    자체에 홀이 형성되어 있어 상기 홀을 통해 실리콘 융액을 통과시키는 도가니 형상의 보호막을, 상기 도가니의 내부에 위치하여 실리콘 단결정 잉곳 주변의 실리콘 융액을 감싸도록 설치하는 단계;

    를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 장치는, 상기 잉곳을 에워싸도록 상기 잉곳과 상기 도가니 사이에 설치되어 상기 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드를 더 포함하고,

    상기 보호막은 상기 열실드에 의해 지지되도록 설치하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 보호막은 돌출형의 상단부를 가지고 있고, 상기 보호막을 설치할 때에는 상기 돌출형의 상단부가 상기 열실드에 걸쳐질 때까지 상기 보호막을 하강하여 설치하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 보호막의 상단부를 체결부재를 매개로 하여 상기 열실드와 결합하여 설치하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.