KR20090071832A - 고속 인상이 가능한 단결정 잉곳 성장 방법 및 장치와 이를위한 냉각관 - Google Patents

고속 인상이 가능한 단결정 잉곳 성장 방법 및 장치와 이를위한 냉각관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 멜트가 담기는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니가 수용되는 챔버와, 상기 챔버 내부에서 단결정 잉곳을 둘러싸도록 배치되는 냉각관을 포함하고, 상기 반도체 멜트(melt)에 시드(seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하기 위한 단결정 잉곳 성장장치에 있어서, 상기 냉각관에 접합되어 냉각기능을 제공하는 열전소자를 구비한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치를 제공한다.
쵸크랄스키법, 인상속도, 냉각관, 열전소자, 펠티에 효과, 열이력

Description

고속 인상이 가능한 단결정 잉곳 성장 방법 및 장치와 이를 위한 냉각관{Method and apparatus for growing semiconductor single crystal capable of high speed pulling and cooling tube for the same}
본 발명은 단결정 잉곳 성장공정에 적용되는 냉각기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용하여 반도체 단결정 잉곳을 제조함에 있어서 단결정 잉곳의 표면으로부터 외부로 열전달을 활성화하여 인상속도를 고속화할 수 있는 단결정 잉곳 성장 방법 및 장치와 이를 위한 냉각관 구조에 관한 것이다.
일반적으로 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 단결정 잉곳 성장법에서는 석영 도가니에 수용된 실리콘 멜트(melt)에 시드(seed)를 담근 후 시드 케이블을 회전시키면서 상부로 서서히 인상함으로써 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시킨다.
단결정 잉곳 성장법에 있어서 실리콘 단결정 잉곳의 생산성 향상 및 비용 절감을 위해서는 인상속도를 고속화하는 것이 필요하나, 무리하게 빨리 인상을 진행할 경우에는 실리콘 단결정 잉곳의 원주 모양이 틀어지거나 잉곳이 실리콘 멜트로부터 분리될 수 있어 인상속도 개선에는 한계가 있다.
인상속도를 높이기 위한 방안으로, 일본 특개평 6-211589호에는 실리콘 단결 정 잉곳 외주부에 금속제의 냉각관(냉각통)을 설치하여 실리콘 단결정 잉곳의 냉각능력을 향상시키는 기술이 개시되어 있으며, 일본 특개평 8-239291호에는 냉각관에 액체냉매를 도입하는 기술이 개시되어 있다. 이러한 종래기술들은 실리콘 잉곳의 바깥에 원통형의 냉각관을 설치함으로써 실리콘 단결정 잉곳의 표면으로부터 방출되는 복사열을 신속하게 외부로 방출하여 인상속도의 향상을 꾀하고 있다. 복사에 의한 열전달 효율(Qrad)은 아래의 수학식 1과 같이 열전달이 일어나는 표면의 면적(A)과, 잉곳 표면온도(Ts)와 잉곳 주위온도(Tsurr) 간의 온도차에 의해 표현된다.
Figure 112007094258032-PAT00001
상기 특허들에서는 위 식에서 잉곳 표면온도(Ts)와 잉곳 주위온도(Tsurr) 간의 온도차를 크게 하기 위해 냉각관을 설치하였으며, A를 크게 하기 위해 냉각관의 표면적을 넓히거나,ε(emissivity)이 큰 재질로 냉각관을 제작하는 방안을 제시하고 있다.
또한, 잉곳 표면온도(Ts)와 잉곳 주위온도(Tsurr) 간의 온도차를 보다 크게 하기 위해 냉각관 내부에 냉각수를 도입하는 기술도 제시되었으나, 이 경우 상온의 물 온도 수준에서의 냉각효과만을 얻게 되는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 자체 냉각기능을 갖춘 냉각관을 구성하여 단결정 잉곳 성장 시 단결정 잉곳 표면으로부터 방출되는 열을 신속하고 효율적으로 외부에 방출함으로써 인상속도를 고속화할 수 있는 단결정 잉곳 성장 방법 및 장치와 이를 위한 냉각관을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 열전소자에 의해 자체 냉각되는 새로운 형태의 냉각관 구조를 개시한다.
즉, 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장방법은 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트(melt)에 시드(seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 단결정 잉곳 성장방법에 있어서, 열전소자가 접합된 냉각관을 상기 단결정 잉곳을 둘러싸도록 배치하고, 인상공정 중에 상기 열전소자를 동작시켜 상기 단결정 잉곳의 열이력을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상기 냉각관 상의 서로 다른 지점에 복수개의 열전소자들을 배치하고, 각각의 열전소자에 흐르는 전류를 서로 다르게 제어하여 상기 단결정 잉곳의 위치별로 상이하게 열이력을 제어할 수 있다.
상기 열전소자는 상기 냉각관의 온도가 0℃ 이하를 유지하도록 동작시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체 멜트가 담기는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니가 수용되는 챔버와, 상기 챔버 내부에서 단결정 잉곳을 둘러싸도록 배치되는 냉각관을 포함하고, 상기 반도체 멜트(melt)에 시드(seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하기 위한 단결정 잉곳 성장장치에 있어서, 상기 냉각관에 접합되어 냉각기능을 제공하는 열전소자를 구비한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치가 제공된다.
바람직하게, 상기 냉각관에는 냉각수를 포함하는 수냉부가 상기 열전소자의 발열부에 접하도록 구비될 수 있다.
상기 열전소자는 상기 냉각관의 높이 방향으로 복수개가 장착될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하기 위한 단결정 잉곳 성장장치에서 단결정 잉곳을 둘러싸도록 장착되어 상기 단결정 잉곳의 냉각을 촉진하는 냉각관에 있어서, 냉각관 몸체에 접합되어 냉각기능을 제공하는 열전소자를 구비한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치용 냉각관이 제공된다.
상기 냉각관에는 상기 열전소자의 발열부에 접하도록 구비되고 냉각수를 포함하는 수냉부가 더 포함될 수 있다.
상기 냉각관 몸체는 열전소자가 수용되는 공간을 기준으로 내벽체과 외벽체로 구분되고, 상기 내벽체의 바깥면에 상기 열전소자의 흡열부가 접합되고, 상기 외벽체에 상기 수냉부가 마련되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면 열전소자를 이용해 냉각관을 자체적으로 0℃ 이하로 냉각 시킴으로써 실리콘 단결정 잉곳에서 방출되는 열을 외부로 신속하게 전달할 수 있으므로 인상속도를 고속화하는 것이 가능하며, 이에 따라 실리콘 단결정 잉곳의 생산성을 높일 수 있고 공정비용을 절감할 수 있다. 이러한 본 발명은 45 나노미터(Nanometer) 이하 정도의 결함에 대한 제어 시 강력한 냉각성능을 제공할 수 있으므로, 향후 나노 결함 제어 고품질 실리콘 단결정 잉곳 개발에 유용하게 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 냉각관을 저온으로 냉각시킴으로써 잉곳 표면과 그 주변 간의 온도차를 크게 할 수 있으므로 복사 열전달 효율을 증가시켜 잉곳의 온도구배(G) 특성을 개선할 수 있고, 냉각관의 온도 수준을 다양하게 제어할 수 있음은 물론, 단결정 위치별로 상이하게 온도를 제어할 수 있으므로 실리콘 단결정의 열이력을 세밀하게 제어할 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들 이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치용 냉각관의 한쪽 부분 단면도이다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장장치용 냉각관은 냉각관 몸체(100)와, 냉각관 몸체(100)에 접합되어 냉각기능을 제공하는 열전소자(102)와, 냉각관 몸체(100)에 있어서 열전소자(102) 바깥에 배치된 수냉부(103)를 포함한다.
냉각관 몸체(100)는 쵸크랄스키(Cz) 공법에 따라 인상되는 실리콘 단결정 잉곳(C)을 둘러싸도록 실질적으로 원통형으로 구성된다. 또한 냉각관 몸체(100)는 열전소자(102)를 수용하기 위한 내부공간을 기준으로 내벽체(101)와 외벽체(수냉부(103)를 이루는 벽체 참조)로 구분된다.
열전소자(102)는 냉각관 몸체(100)의 내부공간에 수용되어 냉각관 몸체(100)를 냉각하는 기능을 제공한다. 열전소자(102)는 도 2에 도시된 바와 같이 상용 P-N 접합 펠티에(Peltier) 소자(1) 형태로 구성되어 직류전원 공급 시 흡열과 발열 작용을 동시에 일으킨다. 일반적으로 P-N 접합 펠티에(Peltier) 소자(1)의 흡열부에는 피냉각체(10)가 접합되고, 발열부에는 방열핀(3)이 접합된다.
본 발명에 있어서, 열전소자(102)의 흡열부는 냉각관 몸체(100)의 내벽체(101) 바깥면에 접합되고, 열전소자(102)의 발열부는 냉각관 몸체(100)의 외벽체 내부면에 접합된다.
단결정 잉곳(C)으로부터 냉각관 몸체(100)로의 열복사 효율을 극대화하기 위해, 열전소자(102)는 냉각관 몸체(100)의 온도가 0℃ 이하를 유지하는 수준으로 전 류를 공급받는 것이 바람직하다.
냉각관 몸체(100)의 외벽체에는 냉각수가 수용되는 수냉부(103)가 마련되어 열전소자(102)의 발열부에서 발생하는 열을 흡수한다.
상기와 같은 구성에 따르면 실리콘 단결정 성장공정 중에 열전소자(102)를 동작시켰을 때, 열전소자(102)의 흡열부에서 흡열작용이 일어나면서 냉각관에 자체적으로 냉각영역(Cooling area)을 형성함으로써 단결정 잉곳(C)의 냉각속도를 높일 수 있다. 이때 열전소자(102)의 발열부에서 발생하는 열은 수냉부(103)로 전달되어 제거된다.
도 3에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치용 냉각관이 도시되어 있다.
본 실시예에서 열전소자(102)는 냉각관 몸체(100) 상의 서로 다른 지점에 복수개가 배치되고, 서로 동일하거나 서로 다른 동작전류에 의해 구동된다. 특히, 서로 다른 동작전류가 공급되는 경우에는 단결정 잉곳(C)의 위치별로 상이하게 열이력을 제어할 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 냉각관의 높이 방향으로 두 개의 열전소자(102)를 이격배치한 경우, 냉각영역 #1(Cooling area #1)과 냉각영역 #2(Cooling area #2)의 온도를 서로 다르게 조절함으로써 실리콘 단결정의 열이력을 결정길이 방향의 위치별로 보다 세밀하게 제어하는 것이 가능하다. 이러한 온도 제어는 향후 나노(Nano) 수준의 결함에 대한 제어가 필요할 경우의 열이력 제어에 매우 효과적으로 적용될 수 있다.
도 4는 냉각관 몸체(100) 표면의 온도 변화에 따른 단결정 잉곳(C)의 냉각속 도 변화를 나타내는 온도분포도이다. 도 4를 참조하면, 단결정 성장장치의 복사능(Emissivity)이 동일할 때, 냉각관 몸체(100)의 표면온도를 종래의 25℃ 수준으로 유지한 경우(A)에 비해 열전소자(102)를 동작시켜 0℃ 수준으로 낮게 유지한 경우(B)가 단결정 잉곳(C)의 냉각속도를 더욱 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
비록 도면에는 미도시되었으나, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치는 상술한 냉각관을 포함하는 구조로 제공된다. 단결정 잉곳 성장장치에 기본적으로 구비되는 석영 도가니와, 석영 도가니가 수용되는 돔(Dome)형 챔버와, 돔형 챔버의 상부에 설치되는 성장 챔버와, 석영 도가니에 수용된 실리콘 멜트로부터 성장되는 단결정 잉곳을 인상하기 위한 인상수단 등의 구성요소는 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 쵸크랄스키(Cz) 공법을 이용한 단결정 제조장치의 통상적인 구성을 그대로 채용하는 것이 가능하므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에서는 상술한 바와 같이 열전소자(102)가 접합된 냉각관을 단결정 잉곳(C)을 둘러싸도록 단결정 성장장치 내에 배치한 상태에서, 인상공정 중에 열전소자(102)를 동작시켜 단결정 잉곳(C)의 열이력을 제어하면서 쵸크랄스키(Cz) 공법에 따라 잉곳 성장공정을 진행한다. 이때 냉각관 몸체(100)는 열전소자(102)에 의해 0℃ 이하의 수준으로 유지되어 단결정 잉곳(C) 표면과의 온도차이로 인한 복사 열전달 효율을 높일 수 있으므로 단결정 잉곳(C)의 인상속도를 고속화하는 것이 가능하고, 온도구배(G) 값이 상승하게 되어 고품질의 단결정 잉곳(C)을 제조할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치용 냉각관의 구성도이다.
도 2는 일반적인 열전소자의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치용 냉각관의 구성도이다.
도 4는 냉각관의 온도변화에 따른 단결정 잉곳의 냉각속도 변화를 나타내는 온도분포도이다.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>
100: 냉각관 몸체 101: 내벽체
102: 열전소자 103: 수냉부
C: 단결정 잉곳

Claims (10)

  1. 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트(melt)에 시드(seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 단결정 잉곳 성장방법에 있어서,
    열전소자가 접합된 냉각관을 상기 단결정 잉곳을 둘러싸도록 배치하고,
    인상공정 중에 상기 열전소자를 동작시켜 상기 단결정 잉곳의 열이력을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각관 상의 서로 다른 지점에 복수개의 열전소자들을 배치하고,
    각각의 열전소자에 흐르는 전류를 서로 다르게 제어하여 상기 단결정 잉곳의 위치별로 상이하게 열이력을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 냉각관의 온도가 0℃ 이하를 유지하도록 상기 열전소자를 동작시키는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  4. 반도체 멜트가 담기는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니가 수용되는 챔버와, 상기 챔버 내부에서 단결정 잉곳을 둘러싸도록 배치되는 냉각관을 포함하고, 상기 반도체 멜트(melt)에 시드(seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하기 위한 단결정 잉곳 성장장치에 있어서,
    상기 냉각관에 접합되어 냉각기능을 제공하는 열전소자를 구비한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
  5. 제4항에 있어서,
    냉각수를 포함하는 수냉부가 상기 열전소자의 발열부에 접하도록 구비된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 냉각관의 높이 방향으로 상기 열전소자가 복수개가 장착된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
  7. 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하기 위한 단결정 잉곳 성장장치에서 단결정 잉곳을 둘러싸도록 장착되어 상기 단결정 잉곳의 냉각을 촉진하는 냉각관에 있어서,
    냉각관 몸체에 접합되어 냉각기능을 제공하는 열전소자를 구비한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치용 냉각관.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열전소자의 발열부에 접하도록 구비되고 냉각수를 포함하는 수냉부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치용 냉각관.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 냉각관 몸체는 열전소자가 수용되는 공간을 기준으로 내벽체과 외벽체로 구분되고,
    상기 내벽체의 바깥면에 상기 열전소자의 흡열부가 접합되고, 상기 외벽체에 상기 수냉부가 마련된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치용 냉각관.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각관 몸체의 높이 방향으로 상기 열전소자가 복수개가 장착된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치용 냉각관.
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