KR20090074416A - 석영 도가니의 변형을 방지하는 구조를 가진 단결정성장장치 및 이를 이용한 단결정 성장방법 - Google Patents

석영 도가니의 변형을 방지하는 구조를 가진 단결정성장장치 및 이를 이용한 단결정 성장방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하고, 상기 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하는 단결정 잉곳 성장장치에 있어서, 상기 석영 도가니의 가열을 위해 상기 히터의 파워(Power)가 85~120kw로 설정된 것을 특징으로 한다.
쵸크랄스키법, 석영 도가니, 히터, 파워, 최대 발열 지점, 멜트 프리 표면

Description

석영 도가니의 변형을 방지하는 구조를 가진 단결정 성장장치 및 이를 이용한 단결정 성장방법{Single crystal ingot grower having structure for preventing deformation of quartz crucible and growing method thereof}
본 발명은 단결정 성장(Growing) 장치 및 그 성장방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단결정 성장 시 가해지는 열에 의한 석영 도가니의 변형을 최소화할 수 있는 구조를 가진 단결정 성장장치와 이를 이용한 성장방법에 관한 것이다.
쵸크랄스키법(Cz)을 이용한 실리콘 단결정의 성장 시에는 히터에 의해 용융된 실리콘 멜트를 담기 위해 석영 도가니가 필수적으로 사용되어 왔다.
쵸크랄스키(Cz) 공정에 사용되는 석영 도가니는 내부 투명층과, 투명층을 둘러싸는 조밀한 버블들에 의해 형성된 불투명층을 기본적으로 포함하고, 투명층 안쪽으로 수용공간이 형성되며 상면은 개방된 형태를 갖는다. 이러한 석영 도가니의 구조 개선과 관련하여 개시된 종래기술로는 예컨대, 국내 공개특허 제2005-87881호, 제2004-12472호 등을 들 수 있다.
이들 공개기술에서는 주로 석영 도가니의 투명층 두께나 물성에 초점을 두고 도가니 구조를 개선한 기술을 개시하고 있으며, 이러한 조건의 변화에 의해 석영 도가니 내부의 표면 반응이 저감되어 단결정 수율을 향상시킬 수 있다고 설명하고 있다.
그러나, 석영 도가니의 변형 중에 고온의 히터 열에 의한 물리적 변형, 즉 유리(Glass) 전이온도 근처에서 도가니가 휘거나(Bending) 흘러내림(Sagging)에 의한 두께의 변화, 표면박리 등의 문제는 여전히 해결되고 있지 않으며, 이러한 물리적인 변형은 Cz법에서 열 및 물질의 전달 메카니즘에 관여하여 단결정 잉곳의 축 대칭을 방해함으로써 고품질 단결정 생산을 곤란하게 한다. 이와 같은 석영 도가니의 물리적 변형을 고려하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 공정과 관련된 기술로는 예컨대, 대한민국 특허공개 제2007-46741호에 개시된 실리콘 단결정 제조방법을 들 수 있다.
최근에는 실리콘 단결정 성장을 위한 쵸크랄스키(Cz) 공정에서 생산성을 향상시키기 위해 실리콘 멜트(Melt)를 200kg 이상으로 대용량화 하거나, 하나의 석영 도가니로 여러 개의 잉곳을 인출하는 멀티 풀링(Multi-Pulling) 등을 수행하는 방법이 사용되고 있는데, 이 경우 장시간의 공정에 의해 석영 도가니가 식각되거나 열화되어 단결정 수율을 저하시키는 문제가 발생하게 된다.
실리콘 단결정 성장 중에는 미세입자(Particle), 온도편차 등으로 단결정이 다결정으로 변하는 경우가 있는데, 이 경우에는 성장시켰던 단결정을 멜트 형태로 다시 녹이는 M/B(Melt Back) 공정을 실시하게 된다. 단일 풀링(Single Pulling) 공정에서 이러한 M/B 공정이 많아지게 되면 공정시간이 늘어나서 멜트를 담고 있는 석영 도가니의 손상(Damage)이 커지게 된다. 또한, 멀티 풀링 공정에서는 평균 160 시간 이상으로 공정이 진행이 되고, 여러 개의 잉곳을 인출함으로 인해 석영 도가니의 손상이 큰 문제가 있다.
장시간의 인상 공정에서도 변형이 없는 석영 도가니를 확보하기 위한 방안으로는 두 가지 방법을 들 수 있다. 그 첫번째는 내구성이 강한 석영 도가니를 사용하는 것이고, 두번째는 석영 도가니의 변형이 최소화되는 공정조건으로 그로잉을 진행하는 것이다.
특히, 석영 도가니의 공정조건 중에 히터의 설정온도와 석영 도가니의 위치는 일단 고정된 후에는 그로잉 공정이 종료될 때까지 동일하게 유지되므로 석영 도가니의 변형에 많은 영향을 끼치게 된다. 따라서, 석영 도가니의 변형을 방지하기 위해서는 히터의 파워 조건이나 석영 도가니의 위치를 결정하는 멜트 레벨(Melt Level)과 멜트 갭(Melt Gap) 등의 설계치를 최적화하는 것이 매우 중요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 석영 도가니의 물리적 변형을 방지할 수 있도록 최적화된 히터 파워(Power)와, 히터와 석영 도가니 간의 상대위치 등의 공정조건을 제시하는 단결정 성장장치 및 이를 이용한 단결정 성장방법을 제공하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하고, 상기 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하는 단결정 잉곳 성장장치에 있어서, 상기 석영 도가니의 가열을 위해 상기 히터의 파워(Power)가 85~120kw로 설정된 것을 특징으로 한다.
상기 석영 도가니는 상기 히터의 최대 발열지점으로부터 멜트 프리 표면(Melt free surface)이 150~250㎜ 떨어지도록 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하고, 상기 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하는 단결정 잉곳 성장장치에 있어서, 상기 석영 도가니는 상기 히터의 최대 발열지점으로부터 멜트 프리 표면(Melt free surface)이 150~250㎜ 떨어지도록 배치된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하는 단결정 성장장치를 이용하고, 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법의 단결정 잉곳 성장방법에 있어서, 상기 히터의 파워(Power)를 85~120kw로 설정하여 상기 석영 도가니를 가열하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법이 제공된다.
상기 히터의 최대 발열지점으로부터 멜트 프리 표면(Melt free surface)까지의 거리는 150~250㎜로 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치되어 상기 석영 도가니를 가열하는 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하는 단결정 성장장치를 이용하고, 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법의 단결정 잉곳 성장방법에 있어서, 상기 히터의 최대 발열지점으로부터 멜트 프리 표면(Melt free surface)까지의 거리를 150~250㎜로 유지하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법이 제공된다.
본 발명에 의하면 석영 도가니를 가열하는 히터의 온도와, 석영 도가니와 히터 간의 이격거리가 최적화되어 단결정의 품질을 변화시키지 않는 범위에서 석영 도가니의 물리적 변형(Bending, Sagging, 표면박리 등)을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하 기로 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 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 구성을 도시한 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치는 본체 챔버(미도시)와, 챔버 내부에 설치되고 내부공간에는 실리콘 멜트(SM)가 담기는 석영 도가니(100)와, 석영 도가니(100)를 둘러싸서 지지하는 도가니 지지대(101)와, 도가니 지지대(101)의 바깥에 배치되어 석영 도가니(100)에 복사열을 제공하는 히터(102)와, 히터(102)를 둘러싸도록 설치되어 히터(102)로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열재(103)와, 단결정 잉곳(C)과 석영 도가니(100) 사이에서 단결정 잉곳(C)을 에워싸도록 설치되어 실리콘 멜트(SM)로부터 상부로 방사되는 열흐름을 차단하는 열실드 구조(104)와, 챔버 내부의 상측에 마련되어 시드(Seed)에 의해 실리콘 멜트(SM)로부터 성장되는 단결정 잉곳(C)을 인상하는 리프터(Lifter)(미도시)와, 도가니 지지대(101)를 일정한 방향으로 회전 시키면서 고액계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대(101)를 서서히 상승시키는 도가니 회전수단(미도시)를 포함한다. 이러한 구성요소들은 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 기본적인 구성요소이므로, 각 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에 있어서, 히터(102)는 그로잉 진행중에 그 공급전원의 파워(Power) 값이 85~120kw를 유지하도록 설정된다. 또한, 챔버 내 석영 도가니(100)의 위치와 관련하여 멜트 프리 표면(Melt Free Surface)은 히터의 최대 발열지점으로부터의 수직거리가 150~250mm를 유지하도록 정해진다. 이 경우, 적정한 M/L은 120~170mm구간에 위치하게 된다. 도 1에서 M/L은 멜트 레벨(Melt Level)을 나타내고, M/G은 멜트 갭(Melt Gap)을 나타낸다. 이와 관련하여 도 2에는 히터(102)의 파워값과 M/L에 따른 멜트 온도(Melt Temp.)의 변화에 대한 실험예가 등고선도(Contour plot)로 도시되어 있다.
상기와 같은 구조에 의하면 석영 도가니(100)에 가해지는 손상(Damage)을 최소화하면서도 실리콘 멜트의 응고 현상(Icing) 없이 그로잉 공정을 진행하기에 충분한 멜트 온도를 유지할 수 있다.
도 3에는 히터(102)의 파워값과 석영 도가니(100)의 위치(C/P)에 따른 멜트 온도(Melt Temp.)의 변화에 대한 실험예가 등고선도(Contour plot)로 도시되어 있다. 석영 도가니(100)의 손상(Damage)은 가해지는 열이 높을수록 크다고 할 수 있으므로 멜트 온도가 높다는 것은 곧 석영 도가니(100)의 손상이 크다는 것을 의미 한다. 도 3에 나타난 바와 같이, 파워는 낮을수록 유리하나, 너무 낮은 파워일 경우에는 실리콘 멜트가 응고되는 Icing 현상이 발생되므로, 이러한 Icing 현상이 일어나지 않는 파워를 유지하는 것이 중요하다.
본 발명에서는 상기와 같이 히터(102)와 석영 도가니(100)의 공정조건을 유지하면서 쵸크랄스키(Cz)법에 따른 실리콘 단결정 그로잉 공정을 진행한다. 즉, 히터(102)에 공급되는 전원의 파워를 85~120kw의 범위로 유지한 상태에서 석영 도가니(100)를 가열하여 석영 도가니(100)에 적재된 다결정 실리콘 원료를 실리콘 멜트(SM)로 용융시키고, 실리콘 멜트(SM)에 시드를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 서서히 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 성장시키는 단결정 잉곳을 제조한다. 여기서, 석영 도가니(100)의 위치는 히터(102)의 최대 발열지점으로부터 멜트 프리 표면까지의 거리가 150~250㎜를 유지하도록 정해진다.
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 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치의 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 실리콘 멜트의 온도와 멜트 레벨 및 히터 파워 간의 관계를 도시한 등고선도이다.
도 3은 실리콘 멜트의 온도와 석영 도가니 위치 및 히터 파워 간의 관계를 도시한 등고선도이다.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>
100: 석영 도가니 101: 도가니 지지대
102: 히터 103: 단열재
104: 열실드 구조 C: 단결정 잉곳

Claims (6)

  1. 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하고, 상기 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하는 단결정 잉곳 성장장치에 있어서,
    상기 석영 도가니의 가열을 위해 상기 히터의 파워(Power)가 85~120kw로 설정된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 석영 도가니는 상기 히터의 최대 발열지점으로부터 멜트 프리 표면(Melt free surface)이 150~250㎜ 떨어지도록 배치된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
  3. 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하고, 상기 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하는 단결정 잉곳 성장장치에 있어서,
    상기 석영 도가니는 상기 히터의 최대 발열지점으로부터 멜트 프리 표면(Melt free surface)이 150~250㎜ 떨어지도록 배치된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
  4. 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하는 단결정 성장장치를 이용하고, 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법의 단결정 잉곳 성장방법에 있어서,
    상기 히터의 파워(Power)를 85~120kw로 설정하여 상기 석영 도가니를 가열하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 히터의 최대 발열지점으로부터 멜트 프리 표면(Melt free surface)까지의 거리를 150~250㎜로 유지하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  6. 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니와 히터가 수용되는 챔버를 포함하는 단결정 성장장치를 이용하고, 실리콘 멜트에 시드(Seed)를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정 잉 곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법의 단결정 잉곳 성장방법에 있어서,
    상기 히터의 최대 발열지점으로부터 멜트 프리 표면(Melt free surface)까지의 거리를 150~250㎜로 유지하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
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