KR20090070255A - 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니 및 이를 구비한 실리콘단결정 잉곳 생산장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니 및 이를 구비한 실리콘 단결정 잉곳 생산장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키(CZ) 방법을 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 융액이 수용되는 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니 및 이를 구비한 실리콘 단결정 잉곳 생산장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니는 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 융액이 수용되며, 합성 실리카로 이루어지는 내층과, 내층을 감싸며 천연 실리카로 이루어지는 외층을 포함하는 석영 도가니와, 석영 도가니의 외측면을 감싸며 흑연 재질로 이루어지는 흑연 도가니를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니에 있어서, 외층에 포함된 알루미늄의 함유량이 10ppm 미만인 것을 특징으로 한다.

실리콘, 도가니, 단결정, 멜트백(melt back)

Description

실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니 및 이를 구비한 실리콘 단결정 잉곳 생산장치{Crucible for manufacturing silicon single crystal ingot and apparatus of manufacturing silicon single crystal ingot having the same}

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니 및 이를 구비한 실리콘 단결정 잉곳 생산장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키(CZ) 방법을 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 융액이 수용되는 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니 및 이를 구비한 실리콘 단결정 잉곳 생산장치에 관한 것이다.

일반적으로 실리콘 웨이퍼용 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 방법으로 쵸크랄스키 방법을 이용한다. 도 1은 쵸크랄스키 방법을 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니의 단면도이며, 도 2는 도 1의 석영 도가니가 흑연 도가니에 불안정하게 안착된 모습을 나타내는 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니(30)는 석영 도가니(10)와, 흑연 도가니(20)를 포함한다. 석영 도가니(10)의 내부에는 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 융액(S)이 수용된다. 석영 도가니(10)는, 합성 실리카로 이루어져 불순물의 함유량이 매우 적은 내층(11)과, 내층(11)을 감싸 며 천연 실리카로 이루어지는 외층(12)의 이중구조로 이루어져 있다. 흑연 도가니(20)는 석영 도가니(10)를 감싸며, 복수 개의 조각으로 분리 가능하다.

상술한 바와 같이 구성된 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니(30)를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장하는 과정 중, 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니(30)를 가열하게 되고, 이에 따라 석영 도가니(10)의 온도가 상승하게 된다. 이와 같이, 석영 도가니(10)의 온도가 상승하면, 석영 도가니 외층(12)이 경화되며, 이에 따라 석영 도가니(10)와 흑연 도가니(20) 사이의 접착력이 저하되게 된다. 따라서, 석영 도가니(10)와 흑연 도가니(20)가 서로 조금만 상이하게 열팽창을 하더라도, 석영 도가니(10)가 흑연 도가니(20)에 최초로 안착된 위치에서 이탈하게 되며, 그 결과 도 2에 도시된 바와 같이 석영 도가니(10)가 흑연 도가니(20) 내에서 불안정하게, 즉 수평면에 대하여 기울어지게 안착 되게 된다.

상술한 바와 같이 석영 도가니(10)가 기울어진 상태로 안착되면, 석영 도가니(10) 내부에서 실리콘 융액(S)의 흐름이 불안정해지게 되며, 또한 석영 도가니(10)가 기울어진 상태로 회전함에 따라 실리콘 융액(S)의 표면에 진동이 발생하게 된다. 그리고, 이 상태에서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 경우, 시드(Seed)를 실리콘 융액(S)에 담근 후 숄더를 형성하는 데까지 많은 시간의 소요될 뿐 아니라, 실리콘 단결정 잉곳의 성장중 단결정이 흐트러져서 성장된 실리콘 단결정을 다시 녹여야 하는 이른바 멜트백 현상이 일어나게 되며, 그 결과 실리콘 단결정 잉곳의 생산율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 석영 도가니가 흑연 도가니 내부에 불안정하게 안착되는 것을 방지함으로써 실리콘 단결정 잉곳의 생산수율이 향상되도록 구조가 개선된 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니 및 실리콘 단결정 잉곳 생산장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치는, 내부에 수용부가 마련되어 있는 챔버와, 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니와, 상기 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니를 감싸도록 설치되며 상기 실리콘 융액을 가열하는 히터 및 단부에 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 시드가 결합되며, 상기 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니의 상측에 승강 가능하게 설치되는 케이블을 포함한다.

여기서, 상기 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니는 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 융액이 수용되며, 합성 실리카로 이루어지는 내층과, 상기 내층을 감싸며 천연 실리카로 이루어지는 외층을 포함하는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외측면을 감싸며 흑연 재질로 이루어지는 흑연 도가니를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니에 있어서, 상기 외층에 포함된 알루미늄의 함유량이 10ppm 미만인 것을 특징으로 한다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 석영 도가니가 흑연 도가니 내부에 불안정하게 안착되는 것이 방지되며, 이에 따라 실리콘 융액의 흐름이 불안정해지거나 실리콘 융액의 표면에 진동이 발생하는 것이 방지된다. 따라서, 실리콘 단결정의 성장과정 중 실리콘 단결정이 흐트러지는 것이 방지되며, 그 결과 실리콘 단결정 잉곳의 생산수율이 향상된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니 및 실리콘 단결정 잉곳 생산장치에 관하여 설명하기로 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(100)의 개략적인 단면도이다.

도 3을 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(100)는 챔버(110)와, 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니(120)와, 히터(150)와, 보온벽(160)과, 케이블(170)를 구비한다.

챔버(110)는 중공 형상으로 이루어지며, 내부에는 수용부(111)가 형성되어 있다. 또한 챔버(110)의 상단부에는 실리콘 단결정 잉곳이 배출되는 통로인 배출구(112)가 관통 형성되어 있으며, 챔버(110)의 하단부에는 후술할 아르곤 가스가 배출되는 배기덕트(113)가 설치되어 있다.

실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니(120)는 수용부에 회전 가능하게 설치되며, 그 내부에 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 융액이 수용된다. 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니(120)는 석영 도가니(130)와 흑연 도가니(140)를 포함한다.

석영 도가니(130)는 오목한 형상으로 이루어지며, 내층(131)과 외층(132)의 이중구조로 형성된다. 내층(131)은 실리콘 융액이 수용되는 곳으로서, 내층(131)과 실리콘 융액(S)은 서로 접촉된다. 내층(131)은 불순물의 함량이 매우 낮은 합성 실리카로 이루어지며, 따라서 내층(131)에 수용된 실리콘 융액(S)이 오염되는 것이 방지된다. 외층(132)은 내층(131)을 감싸며 형성된다. 외층(132)은 후술할 흑연 도가니(140)의 내측면에 안착 되며, 외층(132)의 외주면은 흑연 도가니(140)의 내측면에 접착된다. 외층(132)은 천연 실리카로 이루어지는데, 특히 본 실시예에서 외층(132)은 알루미늄의 함유량이 5ppm(parts per million) 이상 10ppm 미만 인 천연 실리카로 이루어진다. 이는, 후술하는 바와 같이 천연 실리카에 포함된 알루미늄의 함유량이 10ppm을 넘어서는 경우, 천연 실리카로 이루어진 외층(132)이 고온 상태에서 경화됨으로써 외층(132)과 후술할 흑연 도가니(140) 사이의 접착력이 약화되기 현상을 방지하기 위한 것이다. 또한, 천연 실리카에 포함된 알루미늄의 함유량이 5ppm보다 작은 경우, 고온 상태에서 외층(132)의 점도가 매우 낮아져 도가니의 형상을 유지하지 못하고 흑연 도가니 내에서 외층(132)이 흘러내리는 현상을 방지하기 위한 것이다.

흑연 도가니(140)는 흑연으로 이루어지며, 석영 도가니(130)의 외주면을 감싸도록 설치된다. 흑연 도가니(140)는 상호 분리 가능한 복수 개의 조각으로 이루어진다.

히터(150)는 중공의 원통형으로 형성되며, 그 내부에 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니(120)가 배치된다. 히터(150)는 전원 인가시 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니(120)를 가열하여 그 내부에 존재하는 다결정 실리콘을 융해시키며, 융해된 실리콘 융액(S)을 가열한다.

보온벽(160)은 중공의 원통형으로 형성되며, 그 내부에 히터(150)와 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니(120)가 배치된다. 보온벽(160)은 히터(150)에서 발산되는 열이 챔버(110)의 내벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열효율을 향상시키며, 고온의 복사열로부터 챔버(110)의 내벽을 보호한다.

케이블(170)은 챔버(110)의 배출구(112)를 통과하도록 설치되며, 구동수단(미도시)과 연결되어 회전 및 승강가능하다. 그리고 케이블(170)의 일단에는 시드(171)가 결합되어 있다. 시드(171)는 실리콘 융액에 접촉 후, 케이블(170)과 함께 회전 및 상승하면서 실리콘 단결정 잉곳으로 성장하게 된다.

이하, 석영 도가니의 외층(131)에 포함된 알루미늄의 함유량이 11ppm인 경우와, 그 함유량이 9ppm인 경우, 석영 도가니 내에 수용된 실리콘 융액의 멜트 라인(Melt line)을 측정한 결과에 관해 설명하기로 한다.

도 4는 멜트 라인을 설명하기 위한 석영 도가니의 사시도이며, 도 5는 멜트 라인을 따라 각 지점의 높이를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 멜트 라인(L) 은 실리콘 융액의 표면과 석영 도가니의 내층이 만나 형성하는 라인을 의미하며, 도 5의 X축 및 Y축은 각각 멜트 라인을 따라 기준점(O)으로부터 떨어진 거리 및 석영 도가니의 중점(T)으로부터 측정라인(G)을 따라 멜트 라인(L)의 각 지점까지 측정한 거리를 나타낸다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 실시예와 같이 외층의 알루미늄 함유량이 9ppm인 경우에는 멜트 라인이 대체로 동일한 높이로 형성됨을 확인할 수 있으며, 이는 도 1에 도시된 바와 같이 석영 도가니가 흑연 도가니 내부에 안정된 상태로 안착 되어 있음을 의미한다. 한편, 외층의 알루미늄 함유량이 11ppm인 경우에는 멜트 라인의 가운데 부분을 중심으로 하여 좌측부분은 멜트 라인이 높게 형성되며 반대로 우측부분은 멜트 라인이 낮게 형성됨을 확인할 수 있으며, 이는 도 2에 도시된 바와 같이 석영 도가니가 흑연 도가니 내부에 기울어져 안착 되어 있음을 의미한다. 즉, 외층에 포함된 알루미늄의 함유량이 약 10ppm인 점을 기준으로 하여, 그 이상인 경우에는 고온상태에서 외층에 경화가 많이 발생되며, 그 미만인 경우에는 경화가 덜 발생함을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 석영 도가니 외층(132)의 알루미늄 함유량이 10ppm 미만인 경우에는, 실리콘 단결정 잉곳의 성장과정 중 석영 도가니 외층(132)이 경화됨으로 인해 석영 도가니(130)가 흑연 도가니(140) 내부에 불안정하게 안착 되는 것이 방지되며, 이에 따라 실리콘 융액의 흐름이 불안정해지거나 실리콘 융액의 표면에 진동이 발생하는 것이 방지된다. 따라서, 실리콘 단결정의 성장과정 중 실리콘 단결정이 흐트러지는 멜트백 현상이 방지되며, 그 결과 실리콘 단결정 잉곳의 생산 수율이 향상된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 쵸크랄스키 방법을 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니의 단면도이다.

도 2는 도 1의 석영 도가니가 흑연 도가니에 불안정하게 안착된 모습을 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(100)의 개략적인 단면도이다.

도 4는 멜트 라인을 설명하기 위한 석영 도가니의 사시도이다.

도 5는 멜트 라인을 따라 각 지점의 높이를 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100...실리콘 단결정 잉곳 생산장치 110...챔버

120...실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니 130...석영 도가니

140...흑연 도가니 150...히터

160...보온벽 170...케이블

171...시드

Claims (2)

1. 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 융액이 수용되며, 합성 실리카로 이루어지는 내층과, 상기 내층을 감싸며 천연 실리카로 이루어지는 외층을 포함하는 석영 도가니와,

   상기 석영 도가니의 외측면을 감싸며 흑연 재질로 이루어지는 흑연 도가니를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니에 있어서,

   상기 외층에 포함된 알루미늄의 함유량이 10ppm(parts per million) 미만인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니.
2. 내부에 수용부가 마련되어 있는 챔버;

   제1항에 기재되어 있는 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니;

   상기 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니를 감싸도록 설치되며 상기 실리콘 융액을 가열하는 히터; 및

   단부에 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 시드가 결합되며, 상기 실리콘 단결정 잉곳 생산용 도가니의 상측에 승강 가능하게 설치되는 케이블;을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치.

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