KR20070001203A - 반도체 단결정 제조 장치 및 흑연 도가니 - Google Patents

Abstract

반도체 집적 회로용 웨이퍼의 재료로 사용되는 높은 산소 농도의 단결정으로부터 낮은 산소 농도의 단결정까지, 소정의 산소 농도 규격 범위에서 높은 수율로 제조할 수 있는 반도체 단결정 제조 장치를 제공한다. 도가니(3)를 측면 둘레측으로부터 가열하는 히터(4a, 4b, 4c)의 각각 인접하는 히터 사이의 원환 형상 영역의 전체 둘레에 걸쳐 열 차폐물(20, 21)이 형성되어 있다. 열 차폐물(20, 21)에 의해, 상기 히터의 각 가열 영역을 국소화하고, 도가니(3) 및 도가니 내 용융액(8)의 온도 분포를 능동적으로 제어함으로써, 높은 산소 농도의 단결정으로부터 낮은 산소 농도의 단결정까지, 소정의 산소 농도 규격 범위에서 높은 수율로 제조할 수 있다.

반도체 단결정, 열 차폐물, 웨이퍼, 흑연 도가니

Description

반도체 단결정 제조 장치 및 흑연 도가니{SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL, MANUFACTURING EQUIPMENT AND GRAPHITE CRUCIBLE}

본 발명은 반도체 웨이퍼의 재료로 사용되는 실리콘 단결정 등의 반도체 단결정 제조 장치에 관한 것으로, 특히 초크랄스키(Czochralski)법에 의한 반도체 단결정 제조 장치에 관한 것이다.

반도체 집적 회로에 있어서, 중금속 오염 대책 또는 각종 품질, 수율 향상을 위하여, 소정의 산소 농도를 갖는 실리콘 웨이퍼가 필요하게 되지만, 이와 같은 실리콘 웨이퍼의 재료인 실리콘 단결정은 초크랄스키법에 의한 단결정 제조 장치(이하, CZ 장치라고 함)에 의해 제조할 수 있다.

이 CZ 장치에 있어서는, 먼저 챔버 내에 배치한 도가니 내에 단결정용 원료를 충전하고, 불활성 퍼지 가스를 챔버 내에 도입하면서 이 원료를 도가니의 외측에 형성한 히터로 가열 용융한다. 이 용융된 용융액에 시드(seed) 결정을 침지하여, 적응화한 후, 이 시드 결정을 회전시키면서 위쪽으로 끌어올려서 시드 결정의 하단에 단결정을 성장시킨다.

상기 CZ 장치를 이용하여 제조한 실리콘 단결정 중의 산소의 대부분은 도가니의 재료인 석영으로부터 공급된다.

즉 고온 상태에서 실리콘 용융액과 도가니의 내면이 접하는 접탕면(接湯面)에서, 도가니 재료인 석영(SiO₂)과 용융액의 실리콘(Si)은 끊임없이 반응하고, 도가니 표면으로부터 휘발성의 산화 규소(SiO)가 용출 산소로서 용융액 중에 용출된다. 이 용출 산소는 휘발성의 SiO로서 용융액 표면으로부터 증발함과 아울러, 도가니의 회전에 의한 용융액의 강제 대류, 도가니 및 도가니 내 용융액의 온도 분포(이하, “도가니 내의 온도 분포”라고 함)에 의한 열 대류 등으로 교반되고, 그 일부는 끌어올리는 단결정의 성장 계면으로 수송되어 단결정 중에 도입된다.

그런데, 실제의 실리콘 단결정 제조에 있어서는, 단결정 중으로의 산소의 도입량은 각종 제조 조건, 예를 들면 SiO의 반응 속도, 퍼지 가스 조건, 용융액의 잔량, 히터 가열 조건 등에 복잡하게 관계되어 있으며, 소정의 산소 농도 범위 내의 단결정을 높은 수율로 제조하는 것은 상당히 곤란하다.

따라서, 종래에는, 실리콘 단결정의 산소 농도 제어법으로서, 도가니의 회전 속도와 용융액 중의 산소 농도의 관계에 주목한 방법, 퍼지 가스의 압력, 유량, 유속 조건과 SiO 증발량의 관계에 주목한 방법, 또는 도가니 내 인가 자장과 용융액 중의 산소 농도의 관계에 주목한 방법 등이 제안되고, 실행되어 왔다.

또한, 특허문헌 1～4에는, 상기 방법에 대체되는 유력한 산소 농도 제어법으로서, 이하에 개략하는 바와 같이, 복수개의 히터에 의해 상술한 “도가니 내의 온도 분포”를 제어함으로써, 끌어올리는 실리콘 단결정의 산소 농도를 제어하는 방법이나 장치가 개시되어 있다.

특허문헌 1에는, 도가니의 측면 둘레를 따라 상하 방향으로 복수단에 걸쳐 히터를 형성하고, 단결정 끌어올림의 진행 상태에 따라 이들 히터 각각에 적절히 전력을 공급함으로써, 용출 산소량과 산소 용출 영역을 적절히 제어하고, 단결정 중의 산소 농도를 소정의 범위 내로 제어하는 장치가 개시되어 있다. 단결정 제조 공정의 전반에 도가니 바닥부의 용융액을 일시적으로 고화(固化)하고, 도가니의 바닥부로부터 용출되는 용출 산소량을 제어하는 것이 특징으로 되어 있다.

특허문헌 2에는 도가니의 측면 둘레를 따라 상하 방향으로 히터를 복수단 형성하고, 용융액의 표면의 높이를 최상(最上) 히터의 가열 영역 내로 유지하면서, 전체 히터의 출력에 대한 최상 히터의 출력의 비율을 소정의 값 이상으로 설정하고, 도가니 바닥부의 온도를 도가니 상부의 온도보다 항상 낮게 제어함으로써, 도가니 바닥부의 산소 용출량을 억제하여, 목표로 하는 산소 농도의 단결정을 높은 수율로 제조하는 방법이 개시되어 있다.

특허문헌 3에는 차폐 부재를 갖는 장치에 있어서, 도가니의 측면 둘레와 바닥부를 따라 형성된 복수개의 히터의 출력을 독립적으로 제어함으로써, 용융액의 고온 영역이 상기 차폐 부재에 의해 고온측으로 시프트되는 것을 억제하면서, 정밀하게 단결정 중의 산소 농도를 제어하여 단결정을 제조하는 방법이 개시되어 있다.

특허문헌 4에는 석영 도가니의 측면의 상하 3단에 각각 히터를 형성하고, 각 히터의 전기 저항을 다르게 하고, 공통의 전원으로부터 각 히터에 전력을 공급함으로써, 각 히터에서 발생하는 발열량을 다르게 하여, 단결정 실리콘의 산소 농도를 제어한다는 발명이 기재되어 있다.

특허문헌 1 : 일본 특허공개 소62-153191호 공보

특허문헌 2 : 일본 특허 3000923호 공보

특허문헌 3 : 일본 특허 2681115호 공보

특허문헌 4 : 일본 특허공개 2001-39792호 공보

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그런데, 최근 반도체 집적 회로가 점점 다양화됨과 아울러, 종래 요구되어 온 산소 농도 범위보다 더욱 넓은 산소 농도 범위를 갖는 실리콘 웨이퍼의 수요가 높아지고, 그로 인해, 이와 같은 사양에 맞는 실리콘 단결정을 저가로 양산할 수 있는 CZ 장치의 필요성이 높아져 왔다.

그 중에서, 상기 회전 속도와 용융액 내 산소 농도의 관계를 이용하는 방법이나 퍼지 가스 조건을 이용하는 방법의 경우, 산소 농도 제어폭이 너무 좁아서 상기한 넓은 산소 농도의 실리콘 단결정을 수율 좋게 제조할 수 없다는 문제가 있다. 자장 발생 장치를 이용하는 방법의 경우, 장치가 고가이고, 설치 장소를 차지하고, 게다가 유지 비용이 높기 때문에, 실리콘 단결정을 저가로 제조할 수 없다는 문제가 있다.

또한, 상술한 4개의 공보의 발명은 상기 방법이 갖는 문제를 어느 정도 해결하지만, 현재 요구되고 있는 넓은 산소 농도 범위의 실리콘 단결정을 수율 좋게 제조하기에는 불충분하다는 것을 알 수 있게 되었다.

복수개의 히터를 이용하는 장치의 경우, 상기한 넓은 산소 농도 범위의 실리콘 단결정을 높은 수율로 제조하기 위해서는, “도가니 내의 온도 분포”를 능동적으로 제어하여, 소정의 장소에 소정량의 용출 산소를 생성시키고, 이 용출 산소를 적절히 형성한 열 대류로 소정의 영역에 수송시키는 것이 중요한 관건이 된다.

그러나, 상기 어느 공보의 발명에 있어서도 인접 히터 각각의 가열 영역이 서로 포개어지게 되고, 각 히터의 출력을 독립적으로 변화시키더라도 “도가니 내의 온도 분포”를 능동적으로 부여할 수 없으므로, 넓은 산소 농도 범위에서 정밀한 제어를 행하고, 수율이 높은 실리콘 단결정을 제조하는 것은 곤란하다.

예를 들면 상기 특허문헌 4에 개시되는 방법에서는, 히터 단독으로 저항값을 다르게 하고 히터 단독으로 발열량을 다르게 하는 것이며, 단결정 실리콘의 성장 방향의 온도 분포의 변화 범위는 개개의 히터의 높이, 히터의 개수에 따라 규정되게 되고, “도가니 내의 온도 분포”를 크게 변화시킬 수 없다. 이로 인해, 단결정 실리콘의 산소 농도의 제어폭은 충분한 넓이라고 할 수 없으며, 반도체 제품의 수율은 만족할 만한 것은 아니다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 복수개의 히터를 이용하여, 단결정 실리콘의 산소 농도를 제어할 때에, 상하로 인접하는 복수개의 히터의 가열 영역을 국소화하고, 도가니 및 도가니 내 용융액의 온도 분포를 제어성 좋게 얻음으로써, 높은 산소 농도의 단결정으로부터 낮은 산소 농도의 단결정까지, 소정의 산소 농도 규격 범위에서 높은 수율로 제조할 수 있으며, 아울러 저가의 반도체 단결정 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

이상과 같은 목적을 달성하기 위하여, 제1 발명에 있어서는, 반도체 단결정의 원료의 용융액을 저장하는 도가니와, 상기 원료를 가열 용융하기 위하여 상기 도가니의 외측에 있어서 상하 방향이 상이한 위치에 형성된 복수개의 히터를 구비한 초크랄스키법에 의한 반도체 단결정 제조 장치에 있어서, 상기 복수개의 히터의 외측에 대향하여 존재하는 대향물과 상기 도가니 사이의 공간 또는 그 공간 근방에 열 차폐물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

제2 발명은 제1 발명에 있어서, 상기 복수개의 히터의 외측에 대향하여 존재하는 대향물이 단열체인 것을 특징으로 하고 있다.

제3 발명은 제1 발명에 있어서, 상기 열 차폐물은 복수개의 히터의 간극 또는 그 간극 근방의 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

제4 발명은 제1 또는 제2 발명에 있어서, 상기 각 히터는 독립적으로 전력이 공급되고, 전체 히터에 의한 발열 분포 중에서, 상대적으로 발열량이 적은 영역 근방의 위치에 상기 열 차폐물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

제5 발명은 제4 발명에 있어서, 상기 발열량이 적은 영역은 상측에 위치하는 히터에 대해서는, 히터 상부보다도 히터 하부 쪽이 상대적으로 발열량이 적게 되도록, 히터 각 부에 있어서의 저항값이 조정되고, 하측에 위치하는 히터에 대해서는, 히터 하부보다도 히터 상부 쪽이 상대적으로 발열량이 적게 되도록, 히터 각 부에 있어서의 저항값이 조정되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

제6 발명은 제1 내지 제5 발명에 있어서, 상기 도가니의 전체 둘레에 걸쳐 상기 열 차폐물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

제7 발명은 제1 내지 제5 발명에 있어서, 상기 열 차폐물을 구성하는 재료가 흑연 섬유 또는 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

제8 발명은 열 차폐물이 도가니의 외측에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 흑연 도가니인 것을 특징으로 하고 있다.

(발명의 효과)

제1 및 제2 발명에 따르면, 상기 복수개의 히터의 외측에 대향하여 존재하는 대향물과 상기 도가니 사이의 공간 또는 그 공간 근방에 열 차폐물이 형성되어 있으므로, 히터로부터 방사되는 열 방사의 방향성(지향성)을 높일 수 있으며, 히터의 가열 영역을 국소화할 수 있으므로, 도가니 및 도가니 내 용융액의 온도 분포(“도가니 내의 온도 분포”)를 능동적으로 부여할 수 있다.

제3 발명에 따르면, 도 1에 도시한 바와 같이, 열 차폐물(20)을 배치함으로써 인접하는 히터(4a, 4b) 각각의 가열 영역을, 또한, 열 차폐물(21)을 배치함으로써 인접하는 히터(4b, 4c) 각각의 가열 영역을 국소화할 수 있으므로, 도가니 내의 온도 분포를 능동적으로 부여할 수 있다.

제4 발명에 따르면, 상기 각 히터는 독립적으로 전력이 공급되고, 전체 히터에 의한 발열 분포 중에서, 상대적으로 발열량이 적은 영역 근방의 위치에 상기 열 차폐물이 형성되어 있으므로, 히터의 소정 영역의 열 방사의 지향성을 높일 수 있다.

제5 발명에 따르면, 도 10에 도시한 바와 같이, 열 차폐물은 상대적으로 히터의 발열량이 적은 중간 영역의 히터 외주부 근방의 대략 중앙부에 형성되어 있으므로, 측면 상단 히터로 도가니의 상측 영역을 고온으로, 또한 측면 하단 히터로 도가니의 하측 영역을 고온으로 할 수 있음과 아울러, 열 차폐물을 형성함으로써, 측면 상하단 히터의 열 방사의 지향성을 높일 수 있으므로, 도가니 내의 온도 분포를 능동적으로 부여할 수 있다.

제6 발명에 따르면, 예를 들면 도 1에 있어서, 도가니(3)의 전체 둘레에 걸쳐 열 차폐물(20, 21)이 형성되어 있으므로, 열 차폐 효과를 충분히 발휘할 수 있다.

제7 발명에 따르면, 열 차폐물에 이용하는 재료의 단열성이 높고, 열적으로 안정되므로, 인접 히터들 간의 상호 열 간섭을 효과적으로 억제할 수 있음과 아울러, 단결정의 오염을 회피할 수 있다.

제8 발명에 따르면, 열 차폐물이 도가니의 외측에 형성되어 있으므로, 제1 발명의 장치에 적용한 경우, 도가니 내의 온도 분포를 효과적으로 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2는 본 발명의 장치와 종래의 장치에 의한 낮은 산소 농도측에 있어서의 비교 실험 결과를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 장치와 종래의 장치에 의한 높은 산소 농도측에 있어서의 비교 실험 결과를 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 실시하기 위한 개념도이다.

도 7은 본 발명의 열 차폐 블록을 이용한 열 차폐물을 설명하기 위한 횡단면 개념도이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 히터 구조를 설명하기 위한 개념도이다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 히터 구조를 설명하기 위한 개념도이다.

〈도면의 주요 부분에 있어서의 부호의 설명〉

A～C, H, J : 종래의 장치의 히터의 가열 영역

D～F, G, I : 본 발명의 장치의 히터의 가열 영역

G1～G4 : 퍼지 가스의 흐름 방향

1 : CZ 장치

2 : 챔버

3 : 도가니

3a : 석영 도가니

3b : 흑연 도가니

3c : 접탕면(接湯面)

4 : 측면 히터

5 : 단열체

6 : 퍼지 가스 정류 부재

7 : 끌어올림 기구

8 : 실리콘 용융액

9 : 지지축

10 : 실리콘 단결정

14 : 바닥 히터

20～25, 80, 100 : 열 차폐물

20a : 열 차폐 블록

이하, 본 발명에 따른 반도체 단결정 제조 장치 및 흑연 도가니에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

실시예 1

도 1은 본 발명의 실시예 1을 설명하기 위한 반도체 단결정 제조 장치의 단면도이다.

CZ 장치(1)는 챔버(2) 내에 배치된 도가니(3), 도가니(3)의 외측 둘레에 형성된 측면 히터(4), 측면 히터(4)의 외주에 형성된 단열체(5), 도가니(3)의 근방에 배치된 퍼지 가스 정류 부재(6), 및 단결정 끌어올림 기구(7)를 주요 구성요소로 하고 있다.

도가니(3)는 이중 구조로 되어 있으며, 실리콘 용융액(8)을 내측에 저장하기 위한 석영(SiO₂) 도가니(3a)에, 석영 도가니(3a)와 서로 유사(相似)한 형태의 흑연(카본) 도가니(3b)가 외삽된다. 용융액(8)과 석영 도가니(3a)의 내부 표면은 접탕면(接湯面)(3c)에서 접촉해 있다. 또한, 도가니(3)의 바닥부는 회전 및 승강이 가능한 지지축(9)으로 지지되어 있으며, 이에 따라, 회전하여 용융액(8)의 강제 대류를 일으킴과 아울러, 실리콘 단결정(10)의 제조 중에 용융액 표면(8a)을 대략 동일 평면 위치에 유지할 수 있다.

측면 히터(4)는 상부 히터(4a), 중간 히터(4b), 하부 히터(4c)의 3개의 히터로 구성되어 있다. 각 히터는 내경과 외경을 동일하게 하고, 소정의 두께를 갖는 원통 형상의 흑연 히터로, 상하 방향으로 소정의 간격을 갖고 도가니(3)와 동심으로 도가니(3)의 측면에 배치되어 있다. 또한, 도가니(3)를 효율성 좋게 가열할 수 있도록, 흑연 도가니(3b)의 외주 측면에 근접한 양태로 배치되어 있다.

한편, 본원 발명의 장치에 이용되는 히터의 재질로서는, 도전성이 있는 재질로, 통전 가열이 가능하고, 오염 발생원이 되지 않는 것이라면, 흑연 이외의 재질이어도 무방하다. 예를 들면, C/C 컴포지트(composite)(탄소 섬유 강화 탄소 복합 재료)이어도 무방하다.

단열체(5)는 측면 히터(4)가 발하는 열을 방출하지 않고, 도가니(3)를 효율 성 좋게 가열하기 위한 것으로, 챔버(2)의 원통 형상의 내주 측면과 평면 형상의 바닥면을 소정의 두께로 피복하는 구조를 하고 있다.

한편, 측면 히터(4)의 외주에는 단열체(5) 외에도, 예를 들면 도입한 퍼지 가스를 배기하기 위한 배기통 등의 부재가 배치되는 경우도 있다. 이하에서, 측면 히터(4)의 외주에는 단열체(5)만 배치되어 있는 경우에 대하여 먼저 설명하고, 배기통 등의 부재가 배치된 경우에 대해서는 나중에 설명한다.

퍼지 가스 정류 부재(6)는 도시하지 않은 챔버(2)의 상부에 형성된 불활성 퍼지 가스 도입구로부터 도입된 퍼지 가스를 실리콘 용융액 표면(8a) 위쪽에서 정류시키기 위한 것이다.

단결정 끌어올림 기구(7)는 회전 및 승강이 가능한 끌어올림 축(7b)을 갖고 있으며, 그 하단에 시드 결정(7a)을 고정할 수 있다.

지금까지는 종래의 복수개의 히터를 이용한 반도체 단결정 제조 장치와 동일하지만, 실시예 1의 경우, 도 1에 있어서, 열 차폐물(20)이, 상하로 인접하는 히터(4a)와 히터(4b)의 간극의 위치이며, 인접하는 히터의 상호 열 간섭을 억제하고, 인접하는 히터의 가열 영역을 국소화시키는 위치에 형성되어 있다. 마찬가지로, 열 차폐물(21)이, 상하로 인접하는 히터(4b)와 히터(4c)의 간극의 위치이며, 인접하는 히터의 상호 열 간섭을 억제하고, 인접하는 히터의 가열 영역을 국소화시키는 위치에 형성되어 있다.

즉 실시예 1에서는, 상하로 인접하는 히터의 모든 간극(여기서는 두 부위)에 열 차폐물이 배치되어 있다.

또한, 열 차폐물(20, 21)은 도가니(3)의 전체 둘레에 걸쳐 형성되어 있다.

열 차폐물(20)은 원환(원통) 형상으로 형성되어 있으며, 그 내경이 측면 히터(4)의 내경과 거의 일치해 있으며, 그 외경이 단열체(5)의 내주 직경과 거의 일치해 있다. 또한, 히터(4a)의 하단과 열 차폐물(20)의 상면 및 히터(4b)의 상단과 열 차폐물(20)의 하면이 소정의 거리 이격된 양태로 배치될 수 있도록 두께(살두께)가 설정되어 있다.

마찬가지로, 열 차폐물(21)도 원환 형상으로 형성되어 있으며, 그 내외 직경을 열 차폐물(20)의 내외 직경과 거의 동일하게 하고 있다. 또한, 히터(4b)의 하단과 열 차폐물(21)의 상면 및 히터(4c)의 상단과 열 차폐물(21)의 하면이 소정의 거리 이격된 양태로 배치될 수 있도록 두께가 설정되어 있다.

열 차폐물(20, 21)의 재료로서는, 고온 환경에 있어서 오염원으로 되지 않고, 단열성이 높은 것일수록 바람직하다. 이와 같은 재료로서 흑연 또는 흑연 섬유재가 있지만, 흑연 섬유재를 흑연으로 피복하는 구조의 열 차폐물이라면 더욱 바람직하다.

한편, 열 차폐물(20, 21)은 열 차폐 효과를 저감시키지 않도록, 복수개의 지지 로드 등을 통하여 챔버(2)의 내부 부품에 고정하여 두는 것이 바람직하다. 이 점은 다른 실시예에 있어서도 마찬가지이며, 이하에서는 이것에 관한 설명을 생략한다.

다음으로, 열 차폐물(20, 21)을 배치함으로써 얻어지는 작용 효과를 설명한다.

배경 기술에서 설명한 바와 같이, 종래의 장치에 조립된 복수개의 히터는 각각 독립적으로 출력을 바꿀 수 있지만, 인접하는 히터의 가열 영역이 상호 열 간섭하게 되어, 각 히터의 가열 영역을 국소화하여 온도 제어할 수가 없었다.

이에 비하여, 실시예 1의 경우는 인접하는 히터의 사이 또는 그 근방에 열 차폐물(20, 21)을 형성함으로써, 히터들 간의 상호 열 간섭이 효과적으로 억제되므로, 각각의 히터의 가열 영역을 충분히 국소화하여 온도 제어할 수 있다.

실시예 1과 종래의 장치의 가열 영역을 비교할 수 있도록, 도 1에 있어서, 좌측의 히터에서는 종래의 각 히터의 가열 영역(파선 A, B, C), 우측의 히터에서는, 본 발명의 각 히터의 가열 영역(실선 D, E, F)을 모식적으로 나타내었다. 다만, 대응하는 좌우의 각 히터의 출력은 동일하다고 가정하고 있다.

종래의 장치의 경우, 도 1의 단면에 있어서, 각 히터의 간극 또는 그 간극 근방에 열 차폐물이 없으므로, 각 히터로부터의 열 방사는 원형상으로 방사되고, 인접하는 히터의 가열 영역과 포개지는 부분이 크다. 이에 비하여, 실시예 1의 경우, 열 차폐물(20, 21)이 배치됨으로써, 각 히터로부터의 열 방사는 방향성(지향성)을 갖게 되므로, 가열 영역이 국소화되고, 인접하는 히터의 가열 영역과 포개지는 부분이 작아진다. 즉 본 실시예의 경우, 열 차폐물(20, 21)은 인접 히터의 상호 열 간섭을 억제할 수 있다.

게다가, 양 장치의 각각 대응하는 히터 출력을 동일하다고 한 경우, 실시예 1의 히터는 열 방사의 방향성을 갖고 있으므로, 종래의 히터에 비하여 더욱 먼 영역까지 국소 가열할 수 있다. 따라서, 실시예 1에 따르면, 종래의 장치에 비하여 더욱 넓고, 또한 먼 영역의 “도가니 내의 온도 분포”를 능동적으로 온도 제어할 수 있다.

본 발명의 장치를 이용하면, 실리콘 단결정 중의 산소 농도를 이하와 같이 하여 광범위에 걸쳐 능동적으로 제어할 수 있다.

상술한 바와 같이, 실리콘 단결정 중의 산소 농도는 용융액에 용출되는 SiO의 용출량과 단결정의 성장 계면으로의 용출 산소의 수송 방법에 깊이 관계되어 있다.

따라서, 본 실시예의 장치를 이용하여 단결정의 성장 계면에 용출 산소를 가능한 많이 도입하기 위해서는, 도가니 바닥부의 접탕(接湯) 면적이 크고, 또한 용융액 표면(8a)의 중앙에 끌어올려 성장시키는 단결정(10)의 성장 계면이 있다는 것을 고려하여, 다음과 같이 행해도 무방하다.

즉 도가니 바닥부 및 그 부근에 있는 용융액을 국소 가열하여, 도가니 바닥부 부근의 접탕면(接湯面)에서 도가니 재료인 석영(SiO₂)과 용융액의 실리콘(Si)의 반응을 촉진시켜서, 더욱 많은 용출 산소를 용출시킨다. 그와 동시에, 각 히터의 출력을 조정하여 도가니 및 도가니 내 용융액에 소정의 온도 분포를 부여하고, 도가니 바닥부의 접탕면(接湯面)으로부터 용출된 용출 산소를, 증발물로서 소산시키지 않고 단결정(10)의 성장 계면에 신속히 수송시키는 열 대류를 형성시킨다.

반대로, 단결정 중의 산소 농도를 가능한 작게 하기 위해서는, 각 히터의 출력을 조정하여, 도가니 바닥부로부터 용출되는 용출 산소량을 억제함과 아울러, 접 탕면(接湯面)으로부터 용출되는 용출 산소를 증발물로서 가능한 소산시키고, 용융액 내 산소 농도를 저하시킴과 동시에, 용출 산소를 단결정의 성장 계면에 신속히 수송시키지 않도록 하는 열 대류를 형성시켜도 무방하다.

도 2에, 상기 설명한 실시예 1의 장치 및 종래의 장치에 따른 저산소측에 있어서의 실리콘 단결정의 산소 농도의 비교 실험 결과를 나타낸다.

도 2에 있어서, 가로축은 끌어올린 단결정의 성장 초기(0%)로부터 성장 종료(100%)까지의 결정 길이(고화율)를 나타내고, 세로축은 단결정 중의 산소 농도(임의값)를 나타내고 있다. 사선부는 낮은 산소 농도 웨이퍼에 이용되는 실리콘 단결정 중의 산소 농도 규격 범위이고, 이 범위에 있는 단결정이 양품으로 된다. 도면 중의 실선은 실시예 1에 따른 개선 데이터를, 파선은 종래의 장치에 따른 종래 데이터를 나타내고 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 종래의 장치는 저산소측의 한계점이 높기 때문에, 성장 초기의 단결정의 산소 농도를 규격 범위 내로 구속할 수 없으며, 결정 길이가 약 20%로 된 시점에서 간신히 양품으로 된다. 또한, 성장 길이가 약 70%로 된 시점에서 재차 산소 농도가 높아지게 되어, 그 이후의 부분은 불량품으로 된다.

한편, 실시예 1의 장치의 경우, 상술한 바와 같이, 저산소측의 한계점을 종래보다 낮출 수 있으므로, 성장 초기부터 양품이고, 결정 길이가 약 85%로 될 때까지 산소 농도의 규격 범위 내로 구속되어 있다. 결과적으로 양품율이 약 35% 개선되어 있다.

도 3에, 실시예 1의 장치와 종래의 장치에 따른 고산소측에 있어서의 실리콘 단결정의 산소 농도의 비교 실험 결과를 나타낸다.

도 3에 도시한 바와 같이, 종래의 장치는 고산소측의 한계점이 낮기 때문에, 끌어올린 실리콘 단결정은 성장 초기는 양품이지만, 결정 성장과 함께 도가니 내 용융액의 산소 농도가 점차 감소하는 경향이 있기 때문에, 결정 길이가 약 55%로 된 곳에서 산소 농도 규격 범위로부터 벗어나고, 그 이후의 부분은 불량품으로 된다.

한편, 실시예 1의 장치는 상술한 방법에 의해 높은 산소 농도측의 한계점을 종래보다 높일 수 있으므로, 성장 초기부터 결정 길이가 약 73%까지의 범위는 양품으로 되어 있으며, 양품율이 약 18% 개선되어 있다.

이와 같이, 실시예 1의 장치에 따르면, 높은 산소 농도 실리콘 단결정이나 낮은 산소 농도 실리콘 단결정이더라도, 종래의 장치에 비교하여 대폭으로 수율을 향상시켜서 제조할 수 있다. 또한, 종래는 제조할 수 없었던 높은 산소 농도 또는 낮은 산소 농도의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.

높은 산소 농도와 낮은 산소 농도 사이에 있는 소정의 산소 농도의 실리콘 단결정은 상기 국소 가열할 수 있는 각 히터에 의해, 도가니 및 도가니 내 용융액의 온도 분포를 적절히 조정하여 제조할 수 있다.

한편, 실시예 1의 장치에서는, 소정의 히터의 가열 영역을 국소화할 수 있으므로, 종래의 장치보다 효율이 좋은 가열 제어를 행할 수 있으며, 실리콘 단결정 제조에 요하는 소비 전력을 저감할 수 있다는 이점도 있다.

실시예 2

도 4는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.

도 4에 있어서, 실시예 2의 CZ 장치(1)는 실시예 1의 CZ 장치(1)와 마찬가지로, 챔버(2)의 내부에 도가니(3), 측면 히터(4)(상부 히터(4a), 중간 히터(4b), 하부 히터(4c)), 단열체(5) 등을 조립한 구조를 하고 있으며, 도 1과 공통되는 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고 있다. 이하에 있어서, 이들에 관한 설명을 생략하고, 그 밖의 부분에 관하여 상세히 설명한다.

실시예 2의 경우, 열 차폐물(22)이, 상하로 인접하는 히터(4a)와 히터(4b)의 간극 근방의 위치이며, 인접하는 히터의 상호 열 간섭을 억제하고, 인접하는 히터의 가열 영역을 국소화시키는 위치에 형성되어 있다. 마찬가지로, 열 차폐물(23)이, 상하로 인접하는 히터(4b)와 히터(4c)의 간극 근방의 위치이며, 인접하는 히터의 상호 열 간섭을 억제하고, 인접하는 히터의 가열 영역을 국소화시키는 위치에 형성되어 있다.

열 차폐물(22, 23)은 원환(원통) 형상으로 형성되어 있으며, 각각의 내경이 측면 히터(4)의 외경과 거의 일치하고, 각각의 외경이 단열체(5)의 내주 직경과 거의 일치해 있다. 또한, 열차폐물(22, 23)의 두께(살두께)는 각각 실시예 1의 열 차폐물(20, 21)과 동일한 두께로 설정되어 있다. 한편, 열 차폐물(22, 23)의 내주 직경을 측면 히터(4)의 외경보다 크게 하고, 측면 히터(4)에 접촉할 우려를 회피함과 아울러, 열 차폐물(22, 23)의 두께를 실시예 1의 열 차폐물(20, 21)보다 크게 설정할 수도 있다.

상기 구조로 함으로써, 인접하는 히터의 상호 열 간섭을 억제하는 효과는 실 시예 1의 경우보다 약간 약화되지만, 종래에 비하여 각 히터의 가열 영역을 충분히 국소화할 수 있다.

또한, 실시예 2의 경우, 실시예 1에 비하여, 챔버(2) 내로의 열 차폐물(22, 23)의 부착 또는 분리가 용이해짐과 아울러, 열 차폐물이 고전압의 히터와 접촉하여 통전되거나, 또는 양자 사이에서 이상 방전되거나 할 우려를 회피할 수 있다는 효과가 있다.

실시예 3

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.

실시예 3의 CZ 장치(1)는 실시예 1의 CZ 장치(1)와 마찬가지로, 챔버(2)의 내부에 도가니(3), 측면 히터(4)(상부 히터(4a), 중간 히터(4b), 하부 히터(4c)), 단열체(5) 등을 조립한 구조를 하고 있으며, 도 1과 공통되는 부분에 대해서는 동일 부호가 붙여져 있다. 이하에서, 이들에 관한 설명을 생략하고, 그 밖의 부분에 관하여 상세히 설명한다.

실시예 3의 경우, 측면 히터와 함께, 하부 히터(4c)보다 아래쪽 위치에, 바닥 히터(14)가 지지축(9)을 동심으로 포위하여 형성되어 있다. 또한, 실시예 1에서 설명한 열 차폐물(20, 21)과 함께, 하부 히터(4c)와 바닥 히터(14)의 간극에는 열 차폐물(24)이 형성되어 있다.

바닥 히터(14)는 소정의 두께를 갖고 원환 형상으로 형성되어 있으며, 그 내경은 지지축(9)의 외경보다 크고, 그 외경은 하부 히터(4c)의 내경보다 작다. 한편, 실리콘 단결정 제조 중에 도가니(3)가 승강하더라도, 바닥 히터(14)의 상면이 도가니(3)의 하단과 간섭하지 않도록 배치해 둔다.

열 차폐물(24)은 소정의 길이를 갖는 원통 형상으로 형성되어 있으며, 그 내경은 바닥 히터(14)의 외경보다 크고, 그 외경은 하부 히터(4c)의 내경보다 작다. 이와 같이 형성된 열 차폐물(24)은 단열체(5)의 바닥면에 접하여 바닥 히터(14)의 거의 상면의 높이까지 세워진 양태로, 하부 히터(4c)와 바닥 히터(14)의 간극에 배치되어 있다.

상기 구성으로 함으로써, 하부 히터(4c)와 바닥 히터(14)의 상호 열 간섭이 억제되므로, 바닥 히터(14)에 의해 도가니(3)의 바닥부를 국소적으로 가열하는 것이 가능해진다. 따라서, “도가니 내의 온도 분포”를 더욱 능동적으로 제어할 수 있으므로, 실리콘 단결정 중의 산소 농도를 소정의 범위 내로 구속하여 제조하는 것이 가능해진다.

실시예 4

도 6은 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 개념도이다.

실시예 4의 CZ 장치(1)는 실시예 1의 CZ 장치(1)와 마찬가지로, 챔버(2)의 내부에 도가니(3), 측면 히터(4), 단열체(5) 등을 조립한 구조를 하고 있으며, 도 1과 공통되는 부분에 대해서는 동일 부호가 붙여져 있다. 이하에서, 이들에 관한 설명을 생략하고, 그 밖의 부분에 관하여 상세히 설명한다.

실시예 4의 장치에는 실시예 3과 마찬가지로, 측면 히터(상부 히터(4a), 중간 히터(4b), 하부 히터(4c))와 함께, 하부 히터(4c)보다 아래쪽 위치에 바닥 히터(14)가 형성되어 있다. 또한, 실시예 1에서 설명한 열 차폐물(20, 21)과 함께, 하부 히터(4c)와 바닥 히터(14)의 간극에는 열 차폐물(25)이 형성되어 있다.

바닥 히터(14)는 실시예 3의 경우와 마찬가지로, 소정의 길이를 갖는 원통 형상으로 형성되어 있으며, 그 내경은 지지축(9)의 외경보다 크고, 그 외경은 측면 히터(4)의 내경보다 작다. 또한, 실리콘 단결정 제조 중에 도가니(3)가 승강하더라도, 바닥 히터(14)의 상면이 도가니(3)의 하단과 간섭하지 않도록 배치해 둔다.

열 차폐물(25)은 소정의 길이를 갖는 원통 형상으로 형성되어 있으며, 그 내경은 바닥 히터(14)의 외경보다 크고, 그 외경은 측면 히터(4)의 내경보다 작다. 이와 같이 형성된 열 차폐물(25)은 그 원통의 상단을 도가니(3)의 하단 외주에 접하고, 그 원통의 하단을 바닥 히터(14)의 외주를 피복하도록 아래로 늘어뜨린 양태로, 하부 히터(4c)와 바닥 히터(14)의 간극에 배치되어 있다.

상기 구성으로 함으로써, 실시예 3의 경우와 거의 동일한 효과가 얻어진다.

한편, 열 차폐물(24, 25)은 반드시 원통 형상에 한정될 필요는 없고, 예를 들면 육각형과 같은 형상이어도 무방하다.

실시예 1 내지 4에서는, 측면 히터(4)를 세 개로 한 양태로 설명하였으나, 측면 히터 수는 두 개 또는 네 개 이상이어도 무방하다.

또한, 상기 실시예에서는, 모든 인접하는 히터의 간극에 열 차폐물을 형성하고 있다. 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고, 장치 코스트·보수유지 등을 고려하여, 임의로 인접하는 히터의 간극에 열 차폐물을 배치해도 무방하다. 예를 들면, 도 1에 있어서, 열 차폐물(20)을 제외하고, 열 차폐물(21)만을 배치해 두는 것도 바람직하게 가능하다. 또한, 도 5에 있어서, 열 차폐물(20)을 형성하지 않 고, 열 차폐물(21, 24)만을 이용한 장치로 하는 것도 가능하다.

그런데, 이상의 열 차폐물은 모두 일체 구조의 것으로서 설명해 왔으나, 본 발명의 열 차폐물은 도가니(3)의 주위를 따라 분할하여 배치되어도 무방하다.

도 7에, 그 일례로서, 도 1에 있어서, 도가니(3)의 주위에 네 개의 열 차폐 블록을 배치하여 열 차폐물을 구성한 경우의 P-P선을 따른 횡단면도를 나타낸다.

도 7에 있어서, 열 차폐 블록(20a)은 동일 형상을 하고 있으며, 서로 등간격으로 배치되어 있다.

특히, 히터(4)의 외주에 배기통 등이 형성된 경우에는, 적절히 열 차폐물을 분할하여, 배기통 등에 접촉하지 않는 양태의 배치를 해도 무방하다.

이와 같이 분할한 열 차폐 블록을 형성하더라도, 단결정 제조 시에 도가니(3)가 소정의 주기로 회전하므로, 열적 불균일을 충분히 완화할 수 있음과 아울러, 본 발명의 목적인 인접 히터들 간의 상호 열 간섭을 억제할 수 있다. 한편, 열 차폐 블록의 형상, 분할수, 상호 간격 등은 배기통 등의 형상 및 단결정 제조 조건에 맞추어 적절히 결정할 수 있다.

열 차폐 블록을 이용하는 이점으로서, 일체물과 비교하여 가공 및 형성하는 것이 용이해지는 것과, 챔버 내로의 장착이나 보수유지가 용이해지는 것을 열거할 수 있다.

한편, 경우에 따라서, 배기통 등의 부위에 열 차폐물을 형성할 수도 있다.

실시예 5

히터들 간의 열 방사를 효과적으로 분리하기 위해서는, 열 차폐물이 상대적 으로 히터의 발열량이 적은 영역에 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 넓은 범위에서 단결정의 산소 농도를 억제하기 위하여, 히터(4)의 상측 영역과 하측 영역에 큰 전력량(발열량)을 부여하고, 한편, 히터(4)의 중간 영역에 작은 전력량(발열량)을 부여하고, 상대적으로 발열량이 작은 중간 영역에 열 차폐물을 배치하는 것이 바람직하다. 한편, 반드시 열 차폐물을 히터(4)의 중앙부에 형성할 필요는 없고, 요구되는 단결정 품질에 따라, 열 차폐물의 위치를 적절히 결정할 수 있다.

도 8은 본원 발명의 열 차폐물을 적용한 다른 실시예를 설명하기 위한 단면 개념도이다.

실시예 5에 있어서는, 도 8에 도시한 바와 같이, 단열체(5)의 내측 표면과 측면 히터(4)의 외측 표면으로 구성되는 공간의 대략 중앙부에, 히터의 외측 표면으로부터 소정의 거리를 갖고 열 차폐물(80)이 배치되어 있다. 또한, 측면 히터(4)는 상하 3단의 측면 히터(4)(상부 히터(4a), 중간 히터(4b), 하부 히터(4c))로 구성되어 있다. 한편, 도 8에서는, 도시하지 않았지만, 하부 히터(4c)의 더욱 하단에 있어서, 도가니(3)의 바닥면에, 원환 형상의 바닥 히터를 형성해도 무방하다.

이하에 설명하는 바와 같이, 열 차폐물(80)은 히터 전체적으로 비교적 발열량이 적은 영역에 배치된다.

도 9는 상부 히터(4a), 중간 히터(4b), 하부 히터(4c)를 전개한 전개도이고, 실시예 5에 적용한 측면 히터(4)의 구성을 도시하고 있다.

도 9에 도시한 바와 같이, 각 히터는 독립적으로 전력이 공급되는 것이며, 통전됨으로써 발열하는 도체로 구성되어 있다. 각 히터에 대응하여 독립된 전원이 형성되어 있다.

즉 각 히터(4a, 4b, 4c) 마다, 플러스 전극(4a1, 4b1, 4c1), 마이너스(어스) 전극(4a2, 4b2, 4c2)을 구비하고 있다. 각 히터(4a, 4b, 4c)에 인가되는 전압을 독립적으로 조정함으로써 발열량, 즉 도가니(3)에 대한 가열량을 독립적으로 조정할 수 있다.

상부 히터(4a)용 전원의 전압이, 히터(4a)의 플러스 전극(4a1), 마이너스 전극(4a2) 사이에 인가됨으로써 상부 히터(4a)에 전류가 흐르고, 발열한다. 상부 히터(4a)용 전원의 전압을 변화시킴으로써, 상부 히터(4a)의 발열량이 조정되고, 도가니(3) 상측의 가열량이 제어된다.

또한, 중간 히터(4b)용 전원의 전압이, 히터(4b)의 플러스 전극(4b1), 마이너스 전극(4b2) 사이에 인가됨으로써 중간 히터(4b)에 전류가 흐르고, 발열한다. 중간단 히터용 전원의 전압을 변화시킴으로써, 중간 히터(4b)의 발열량이 조정되고, 도가니(3)의 중앙부의 가열량이 제어된다.

또한, 하부 히터(4c)용 전원의 전압이, 히터(4c)의 플러스 전극(4c1), 마이너스 전극(4c2) 사이에 인가됨으로써 하부 히터(4c)에 전류가 흐르고, 발열한다. 하부 히터(4c)용 전원의 전압을 변화시킴으로써, 하부 히터(4c)의 발열량이 조정되고, 도가니(3) 하측의 가열량이 제어된다.

상부 히터(4a)에 대해서는, 전류 유로의 폭이, 히터 상부의 폭(c1)보다도 히터 하부의 폭(c2) 쪽이 넓게 되도록 구성하고 있다. 이에 따라, 상부 히터(4a)의 전류 통과 단면적은 히터 상부보다도 히터 하부 쪽이 넓게 되고, 그에 따라 저항값은 히터 상부보다도 히터 하부 쪽이 작아지고, 히터 상부보다도 히터 하부 쪽이 상대적으로 발열량이 적게 된다.

한편, 하부 히터(4c)에 대해서는, 전류 유로의 폭이, 히터 하부의 폭(c1)보다도 히터 상부의 폭(c2) 쪽이 넓게 되도록 구성되어 있다. 이에 따라, 하부 히터(4c)의 전류 통과 단면적은 히터 하부보다도 히터 상부 쪽이 넓게 되고, 그에 따라 저항값은 히터 하부보다도 히터 상부 쪽이 작아지고, 히터 하부보다도 히터 상부 쪽이 상대적으로 발열량이 적게 된다.

이에 비하여, 중간 히터(4b)에 대해서는, 전류 유로의 폭이, 히터 각 부에서 동일 폭(c1)으로 되도록 구성되어 있다. 한편, 상부 히터(4a), 하부 히터(4c)에 비하여, 중간 히터(4b)의 발열량이 적게 되도록, 중간 히터(4b)의 전류 유로의 폭을, 상부 히터(4a), 하부 히터(4c)의 전류 유로의 최대폭(c2)과 동등하거나, 그 이상의 크기의 폭으로 해도 무방하다.

상기한 상부 히터(4a), 중간 히터(4b), 하부 히터(4c)는 각각 독립적으로 발열량을 제어할 수 있으므로, 예를 들면 중간 히터(4b)의 발열량이 상부 히터(4a) 및 하부 히터(4c)의 발열량보다 작게 되도록 제어할 수 있다.

실시예 5에서는, 도 8에 도시한 바와 같이, 열 차폐물(80)이, 상부 히터(4a) 및 하부 히터(4c)와 비교하여 발열량이 상대적으로 적게 되도록 제어된 중간 히터(4b)의 대략 중앙부 외측 근방에 배치된다.

한편, 실시예 5에서는, 히터 각 부의 전류 유로의 폭(c)을 변화시켜서, 히터 각 부의 발열량을 변화시키고 있지만, 예를 들면 히터 각 부의 전류 유로의 폭(c)을 일정하게 하고, 히터 각 부의 전류 유로의 살두께를 변화시킴으로써 히터 각 부의 발열량을 변화시켜도 무방하다.

도 8의 도면 중에서, 실시예 5에 따른 가열 영역(실선 G) 및 종래의 3단 히터에 의한 가열 영역(파선 H)을 나타낸다. 종래의 3단 히터를 사용한 경우, 가열 영역은 중앙단 히터 영역에 있어서 충분히 분리되어 있지 않지만, 실시예 5의 경우, 히터(4)의 상하 방향의 가열 영역이 중앙단 히터 영역에 있어서 충분히 분리됨과 아울러, 히터(4)의 상부 및 하부 영역의 가열 영역에 방향성이 부여된다.

이상과 같이, 실시예 5에 따르면, 열 차폐물(80)을 중간 히터(4b)의 외주면 근방에 배치함으로써, 상부 히터(4a)와 하부 히터(4c)의 열 방사의 방향성을 높일 수 있다. 또한, 상부 히터(4a)의 상부측과 하부 히터(4c)의 하부측의 발열량을 상대적으로 크게 할 수 있으므로, 예를 들면 중간 히터(4b)의 열 방사량을 적절히 설정함으로써, 히터(4) 전체의 상부 영역 및 하부 영역으로부터 방향성이 높은 열 방사를 행하는 것이 가능해진다.

실시예 6

도 10은 본원 발명의 열 차폐물을 이용한 또 다른 실시예를 설명하기 위한 단면 개념도이다.

도 10에 있어서, 단열체(5)의 내측 표면과 측면 히터(4)의 외측 표면으로 구성되는 공간의 대략 중앙부에, 측면 히터(4)의 표면으로부터 소정의 거리를 갖고 열 차폐물(100)이 배치되어 있다. 또한, 히터는 상하 2단의 측면 히터(4)(상단 히 터(4a), 하단 히터(4c))로 구성되어 있다. 한편, 도 10에서는, 도시하지 않았지만, 하부 히터(4c)의 더욱 하단에 있어서, 도가니(3)의 바닥면에, 원환 형상의 바닥 히터를 형성해도 무방하다.

이하에 설명하는 바와 같이, 열 차폐물(100)은 히터 전체적으로 보아 비교적 발열량이 적은 영역에 배치된다.

도 11은 상부 히터(4a), 하부 히터(4c)를 전개한 전개도이고, 실시예 6에 적용하는 측면 히터(4)의 구성을 도시하고 있다.

도 11에 도시한 바와 같이, 각 히터는 독립적으로 전력이 공급되는 것이며, 통전됨으로써 발열하는 도체로 구성되어 있다. 각 히터에 대응하여 독립된 전원이 형성되어 있다.

즉 상부 히터(4a), 하부 히터(4c)는 독립적으로 전력이 공급되는 것이며, 통전됨으로써 발열하는 도체로 구성되어 있다. 즉 각 히터(4a, 4c)에 대응하여 독립된 전원이 형성되어 있으며, 각 히터(4a, 4c)마다, 플러스 전극(4a1, 4c1), 마이너스(어스) 전극(4a2, 4c2)을 구비하고 있다. 각 히터(4a, 4c)에 인가되는 전압을 독립적으로 조정함으로써 발열량, 즉 도가니(3)에 대한 가열량을 독립적으로 조정할 수 있다.

상부 히터(4a)용 전원의 전압이, 상부 히터(4a)의 플러스 전극(4a1), 마이너스 전극(4a2) 사이에 인가됨으로써 상부 히터(4a)에 전류가 흐르고, 발열한다. 상부 히터(4a)용 전원의 전압을 변화시킴으로써, 상부 히터(4a)의 발열량이 조정되고, 도가니(3) 상측의 가열량이 억제된다.

또한, 하부 히터(4c)용 전원의 전압이, 하부 히터(4c)의 플러스 전극(4c1), 마이너스 전극(4c2) 사이에 인가됨으로써 하부 히터(4c)에 전류가 흐르고, 발열한다. 하부 히터(4c)용 전원의 전압을 변화시킴으로써, 하부 히터(4c)의 발열량이 조정되고, 도가니(3) 하측의 가열량이 제어된다.

또한, 실시예 6의 히터(4)의 경우, 상부 히터(4a)에 대해서는, 전류 유로의 폭이, 히터 상부의 폭 c1보다도 히터 하부의 폭 c2의 쪽이 넓게 되도록 구성되어 있다. 이에 따라, 상부 히터(4a)의 전류 통과 단면적은 히터 상부보다도 히터 하부의 쪽이 넓게 되고, 그에 따라 저항값은 히터 상부보다도 히터 하부의 쪽이 작아지고, 히터 상부보다도 히터 하부의 쪽이 상대적으로 발열량이 적게 된다.

한편, 하부 히터(4c)에 대해서는, 전류 유로의 폭이, 히터 하부의 폭 c1보다도 히터 상부의 폭 c2의 쪽이 넓게 되도록 구성하고 있다. 이에 따라, 하부 히터(4c)의 전류 통과 단면적은 히터 하부보다도 히터 상부의 쪽이 넓게 되고, 그에 따라 저항값은 히터 하부보다도 히터 상부의 쪽이 작아지고, 히터 하부보다도 히터 상부의 쪽이 상대적으로 발열량이 적게 된다.

또한, 도 11에 도시한 바와 같이, 상부 히터(4a)는 그 일부의 전류 유로가, 하단 히터(4c)의 상단 위치에 상당하는 위치보다도 아래쪽의 위치까지 들어가도록 형성되어 있음과 아울러, 하부 히터(4c)는 그 일부의 전류 유로가, 상부 히터(4a)의 하단 위치에 상당하는 위치보다도 위쪽의 위치까지 들어가도록 형성되어 있다.

이에 따라, 도 10에 도시한 실시예 6의 상하 히터(4a, 4c)를 전체적으로 보았을 때, 히터(4) 전체의 상측 영역의 발열량, 히터(4) 전체의 하측 영역의 발열량 에 비교하여, 히터(4) 전체의 중간 영역의 발열량이 적어진다.

실시예 6에서는, 열 차폐물(100)이, 히터(4) 전체적으로 비교적 발열량이 적은 중간 영역의 대략 중앙부에 배치된다.

한편, 도 11의 실시예 6의 히터를 구성할 때에, 슬릿의 수에 제한은 없고, 소망하는 히터 저항값에 맞추어 슬릿의 수를 설정해도 무방하다.

또한, 히터를 구성하는 전류 유로의 간격(슬릿 폭), 상부 히터(4a)와 하부 히터(4c)의 간격(상하 히터 간격)은 예를 들면 10～30mm 정도로 설정하는 것이 바람직하다. 이들 간격을 넓게 하면, 간극으로부터의 열의 방출이 많아져서, 본 발명의 효과가 얻어지기 어려워지고, 반대로 간격을 좁게 하면, 방전 가능성이 높아지고, 프로세스 자체가 성립하지 못하게 되기 때문이다.

도 11의 도면 중에 있어서, 실시예 6에 따른 가열 영역(실선 I) 및 종래의 2단 히터에 의한 가열 영역(파선 J)을 나타낸다. 종래의 2단 히터를 사용한 경우, 가열 영역은 측면 히터(4) 전체의 중간 영역에 있어서 충분히 분리되어 있지만, 실시예 6의 경우, 가열 영역이 측면 히터(4)의 중간 영역에 있어서 충분히 분리되어 있음과 아울러, 측면 히터(4)의 상부 및 하부 영역의 가열 영역의 방향성을 높일 수 있다.

이상과 같이, 실시예 6에 따르면, 열 차폐물(100)을 측면 히터(4)의 중간 영역 근방에 배치함으로써, 상부 히터(4a)와 하부 히터(4c)의 열 방사의 방향성을 높일 수 있다. 또한, 상부 히터(4a)의 상부측과 하부 히터(4c)의 하부측의 발열량을 상대적으로 크게 할 수 있으므로, 히터(4) 전체의 상부 영역 및 하부 영역으로부터 방향성이 높은 열 방사를 행하는 것이 가능해진다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 장치에 따르면, 복수개의 히터 및 대향물로 구성되는 공간 또는 그 공간 근방에 열 차폐물이 형성되어 있기 때문에, 히터의 가열 영역을 국소화시킬 수 있다. 그 결과, “도가니 내의 온도 분포”를 능동적으로 제어할 수 있으므로, 높은 산소 농도의 단결정으로부터 낮은 산소 농도의 단결정까지, 소정의 산소 농도 규격 범위의 단결정을 수율 좋게 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 장치의 경우, 챔버를 특히 변경할 필요가 없고 저코스트로 장치 개조를 할 수 있는 점, 소정 히터의 가열 영역을 국소화하여 효율 좋게 가열 제어를 행할 수 있으므로, 단결정 제조에 드는 소비 전력을 종래에 비하여 저감할 수 있는 점 등의 이점이 있다.

이상에 있어서는 실리콘 단결정의 제조에 이용한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 한 갈륨비소(GaAs) 등의 반도체 단결정 제조에 있어서도 동일하게 적용할 수 있다.

본 발명의 반도체 단결정 제조 장치에 의해, 광범위한 산소 농도 및 소정의 산소 농도 규격 범위가 요구되는 반도체 웨이퍼용의 반도체 단결정을, 저가로 아울러 안정되게 시장에 공급할 수 있다.

Claims (8)

1. 반도체 단결정의 원료의 용융액을 저장하는 도가니와, 상기 원료를 가열 용융하기 위하여 상기 도가니의 외측에 있어서 상하 방향으로 복수개의 히터를 구비한 초크랄스키법에 의한 반도체 단결정 제조 장치에 있어서,

   상기 복수개의 히터의 외측에 있어서, 상기 복수개의 히터에 대향하여 배치되는 대향물과 상기 도가니 사이의 공간 또는 그 공간 근방에 열 차폐물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 복수개의 히터의 외측에 대향하여 존재하는 대향물이 단열체인 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 열 차폐물은 복수개의 히터의 간극 또는 그 간극 근방의 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 히터는 독립적으로 전력이 공급되고,

   전체 히터에 의한 발열 분포 중에서, 상대적으로 발열량이 적은 영역 근방의 위치에 상기 열 차폐물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 발열량이 적은 영역은

   상측에 위치하는 히터에 대해서는, 히터 상부보다도 히터 하부의 쪽이 상대적으로 발열량이 적게 되도록, 히터 각 부에 있어서의 저항값이 조정되고,

   하측에 위치하는 히터에 대해서는, 히터 하부보다도 히터 상부의 쪽이 상대적으로 발열량이 적게 되도록, 히터 각 부에 있어서의 저항값이 조정되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도가니의 전체 둘레에 걸쳐 상기 열 차폐물이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 차폐물을 구성하는 재료가 흑연 섬유 또는 흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 제조 장치.
8. 열 차폐물이 도가니의 외측에 형성된 제1항의 반도체 단결정 제조 장치에 사용되는 것을 특징으로 하는 흑연 도가니.

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