KR20100009950A - 다결정 실리콘의 제조장치에 사용되는 불순물 방지막이있는 금속 심재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면에 불순물 방지막을 갖는 가열수단인 금속 심재에 있어서, 상기 불순물 방지막은 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘용 금속 심재에 관한 것이다.
불순물 방지층이 있는 고융점 금속 심재를 사용하게 되면 직접적으로 전기 가열을 하여 다결정 실리콘을 생산할 수 있기 때문에, 기존 실리콘 심재를 사용할 때 필수적으로 요구되는 예열 장치가 필요 없고, 기존 방법보다 경제적으로 다결정 실리콘을 생산할 수가 있다. 고융점 금속 심재를 사용하여 다결정 실리콘을 생산할 경우 금속 심재의 금속 원소들이 생산된 다결정 실리콘으로 고온 확산되는 현상이 불가피하게 일어나게 되는 문제점을 갖게 된다.
그러나, 본 발명에서는 이러한 금속 심재에서 기인하는 오염문제를 해결하고자 금속 심재에 불순물 방지막을 형성시켰으며, 이에 따라서, 금속 심재의 특성은 유지되면서, 금속 심재에 의해 기인되는 오염은 없는 고순도의 다결정 실리콘을 생산할 수 있게 된다.
다결정 실리콘, 가열 수단 심재, 불순물 방지막

Description

다결정 실리콘의 제조장치에 사용되는 불순물 방지막이 있는 금속 심재{Metal core rod with diffusion barrier materials for production system of polysilicon}
본 발명은 표면에 불순물 방지막을 갖는 가열수단인 금속 심재에 있어서, 상기 불순물 방지막은 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘용 금속 심재에 관한 것이다.
불순물 방지층이 있는 고융점 금속 심재를 사용하게 되면 직접적으로 전기 가열을 하여 다결정 실리콘을 생산할 수 있기 때문에, 기존 실리콘 심재를 사용할 때 필수적으로 요구되는 예열 장치가 필요 없고, 기존 방법보다 경제적으로 다결정 실리콘을 생산할 수가 있다. 고융점 금속 심재를 사용하여 다결정 실리콘을 생산할 경우 금속 심재의 금속 원소들이 생산된 다결정 실리콘으로 고온 확산되는 현상이 불가피하게 일어나게 되는 문제점을 갖게 된다.
그러나, 본 발명에서는 이러한 금속 심재에서 기인하는 오염문제를 해결하고자 금속 심재에 불순물 방지막을 형성시켰으며, 이에 따라서, 금속 심재의 특성은 유지되면서, 금속 심재에 의해 기인되는 오염은 없는 고순도의 다결정 실리콘을 생 산할 수 있게 된다.
본 발명은 가열 수단으로 사용되는 심재(core rod)를 포함하는 다결정 실리콘(polysilicon) 제조 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 불순물 방지막을 갖는 고융점 금속 심재를 포함하는 다결정 실리콘(polysilicon) 제조 장치에 관한 내용이다.
다결정 실리콘은 반도체용 단결정 실리콘과 태양 전지용 단결정 실리콘의 원료로써, 최근 태양 전지의 개발이 가속화 됨에 따라, 태양 전지용 다결정 실리콘의 국산화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 다결정 실리콘을 생산하는 방법으로는 통상 알려진 지멘스법에 의해 제조 된다. 지멘스(Siemens)법은 반응기내 바닥 부에 ∩자 모양의 실리콘 심재를 여러 개 설치하고, 이 실리콘 심재를 가열하고, 가열 후 원료 가스를 공급한다. 원료 가스는 고순도로 정제된 트리클로로실란, 사염화 규소 등의 클로로실란류와 수소의 혼합가스를 사용한다. 이러한 원료가스가 반응기내 고온으로 가열된 실리콘 심재 표면에 접촉하게 되고, 그 접촉면에서 반응가스의 열분해 및 수소 환원 반응이 일어나게 되면서 가열된 심재 위에 다결정 실리콘이 석출되게 된다.
그러나, 이러한 종래의 장치와 실리콘 심재를 이용하여 실리콘을 생산하게 되면, 초기 높은 비저항 값을 갖는 실리콘의 특성과 이 값이 온도가 높아짐에 따라 급격히 낮아지는 실리콘의 특성에 기인하여 별도의 가열 수단에 의해 심재 실리콘을 일정 온도 이상으로 예열하여 실리콘 비저항값을 충분히 낮춘 다음에 추가 전기 를 가열될 수 있도록 하여야 한다. 따라서, 심재를 기존에 사용되는 실리콘을 사용하게 되면, 심재를 예열하는 별도의 예열 수단이 필수적으로 요구된다는 문제점이 있다.
따라서, 실리콘 심재를 사용하게 되면 예열 장치비, 예열 운전비 등으로 인해 실리콘 생산에 있어 추가 비용이 들게 된다. 이에 업체들은 보다 경제적으로 실리콘을 생산하기 위한 나름대로의 방안을 내놓고 있다.
일본 공개 특허 JP 2002-241120 에 기재되어 있듯이 원료 가스의 공급부 위치 변형으로 지멘스 반응기내에서 생기는 문제점을 해결함으로써 생산 효율을 높이는 방법이 있다. 통상적인 생산 방법은 반응기내 아랫부분에 원료가스를 주입하게 되면, 원료가스가 가열되기 전 반응기내 공급되면서, 공급 노즐 바로 근처에 실리콘 심재가 위치하게 되어, 차고 유속이 빠른 원료 가스가 실리콘 심재에 바로 접촉하게 되어, 표면이 냉각되게 되어 실리콘 결정의 석출이 저해되고, 실리콘 심재의 표면이 요철화되는 단점을 갖게 되어, 석출 효율이 저하되게 된다. 이런 단점을 원료 가스 주입부분을 변형시킴으로써 해결하는 방법이다. 대부분의 특허들이 반응기를 조금 변형하여 생산 효율을 높임으로써 단가를 낮추려는 노력을 한다. 하지만, 이러한 방법은 근본적인 해결책이 되지 못한다.
현재 사용되는 실리콘 심재를 이용하여 다결정 실리콘을 제조하는 방법은 실리콘 심재를 별도의 가열 수단으로 예열한 다음 심재를 전기 가열하여 다결정 실리콘을 제조하게 된다. 따라서, 초기 장치 비용에서 예열 장치비가 추가되며, 운전 비용 면에서도 예열에 따른 추가 운전 비용이 요구된다.
금속 심재를 사용하게 되면, 직접적으로 전기 가열을 하여 다결정 실리콘을 생산할 수 있기 때문에, 별도의 예열 장치비 및 추가 운전 비용이 불필요하여, 기존 방법보다 경제적으로 다결정 실리콘을 생산할 수가 있다.
하지만, 금속 심재를 사용하여 다결정 실리콘을 생산할 경우 금속이 생산된 다결정 실리콘이 고온 확산되는 현상이 불가피하게 생겨나게 된다. 따라서, 1961년에 독일 Siemens 사의 미국 등록 특허 (US 3,011,877) 에서 금속 심재가 언급이 되었지만, 이러한 금속에 의한 오염 현상으로 고융점 금속을 심재로 사용하는 것은 실용화되기 힘들었다. 이러한 이유로 다결정 실리콘을 생산하는데 있어서 수십 년간 실리콘 심재만을 사용하게 되었다.
대한민국 특허 제10-2006-0045707호에 금속 심재와 분리층으로 구성된 심재에 대해 기술되어 있지만, 단순 물질들의 나열로써, 800 ℃에서 1000 ℃의 반응 온도에서는 분리층이 소멸됨을 실험적으로 확인한 바, 실제 공정에서는 사용되기 어렵다는 문제점이 있었다. 또한, 심재의 불순물 방지막에 대한 결정형에 대한 언급이 전혀 없다.
그러나, 본 발명에서는 실제 공정에 적용할 수 있는, 심재 및 불순물 방지층을 포함하는 다결정 실리콘 제조장치를 개발하고자 한다.
본 발명은 표면에 불순물 방지막을 갖는 금속 심재에 있어서, 상기 불순물 방지막은 무정형(amorphous)인 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속심재에 관한 것이다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 불순물 방지막은 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속 심재에 대한 것이다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 금속 심재는 몰리브덴의 함량이 10 내지 50 atom%인 텅스텐-몰리브덴 합금을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속 심재에 대한 것이다.
본 발명은 표면에 불순물 방지막을 갖는 가열수단인 금속 심재인 코어수단, 코어수단과 연결된 전극부 및 석출반응기 셸을 포함하는 다결정 실리콘을 제조장치에 있어서, 상기 불순물 방지막은 무정형(amorphous)인 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘을 제조장치에 관한 것이다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 불순물 방지막은 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)인 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘을 제조장치에 대한 것이다.
또한 본 발명은 전극부를 통해 전기를 공급하여, 표면에 무정형인 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)을 포함하는 불순물 방지막을 갖는 가열수단인 금속 심재인 코어수단을 가열하는 단계 석출반응기 셸에 반응가스를 공급하여 상기 코어수단의 표면에 외부방향으로 실리콘을 석출시킴으로써 실리콘 석출부를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조방법에 관한 것이다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 금속 심재는 몰리브덴의 함량이 10 내지 50 atom%인 텅스텐-몰리브덴 합금을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조방법에 대한 것이다.
금속 심재를 사용하게 되면, 직접적으로 전기 가열을 하여 다결정 실리콘을 생산할 수 있기 때문에, 별도의 예열 장치비 및 추가 운전 비용이 불필요하게 되어, 기존 방법보다 경제적으로 다결정 실리콘을 생산할 수 있다. 그러나, 금속 심재를 사용하여 다결정 실리콘을 생산 할 경우 금속이 생산된 다결정 실리콘이 고온 확산되는 현상이 불가피하게 생겨나게 된다.
본 발명에서는 실제 공정에서 사용 가능한 금속 심재에 불순물 방지막을 형성시켰다. 이러한 불순물 방지층이 있는 금속 심재를 사용하여 다결정 실리콘을 생산할 경우, 금속 심재에 기인하는 오염을 방지하게 되어 고순도의 다결정 실리콘을 생산할 수 있게 될 것이다.
본 발명은 표면에 불순물 방지막을 갖는 금속 심재에 있어서, 상기 불순물 방지막은 무정형(amorphous)인 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속심재에 관한 것이다(도 1 참조).
본 발명에서 사용되는 고융점 금속 심재 위에 형성되는 불순물 방지막으로는 10 nm ~ 10 m의 두께로 되어 있으며 고온에서 무정형(amorphous)의 상을 갖는 물질이다. 두께가 10 nm 이하인 경우 층의 두께가 너무 얇게 되어 불순물 방지막의 역할을 하기 어려우며, 10 m 이상인 경우, 불순물 방지막이 열전달 매체처럼 작용하게 되어, 전력 손실이 발생되기 때문이다. 더욱 바람직하게는 20 nm ~ 1 m 의 범위의 두께를 가지고 800 ℃이상, 더욱 바람직하게는 800 ~ 1000 ℃에서 무정형(amorphous)을 유지할 수 있는 방지막이다.
불순물 방지막이 결정상(crystal phase)을 갖게 되면, 결정의계면 (boundary path)들이 불순물들이 지나가게 되는 길을 제공하게 되어, 심재의 성분들이 쉽게 확산(diffusion) 투과된다. 따라서, 불순물 방지막은 무정형(amorphous)인 특징을 가짐으로써, 불순물 성분들이 투과될 수 있는 길을 차단하는 것이 바람직하다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 불순물 방지막은 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속 심재에 대한 것이다.
이는 종래에 알려진 물질의 한두 개의 단순 조합으로는 불가능하게 된다.
이러한 특징을 지니는 불순물 방지막으로 쓰일 수 있는 물질은 산화물 (oxide), 또는질화물(nitride)이 쓰일 수 있지만, 산화물의 경우 증착된 실리콘 내로 산소가 확산(diffusion)되는 문제점을 갖고 있다. 또한, 일반 금속 성분 또는 실리콘 성분을 포함하는 질화물 (nitride)의 경우 실험 결과 800 ℃에서 질소(nitrogen) 성분이 이탈되어, 800 ℃이상에서 방지막으로서의 역할을 하지 못하고, 층의 무너짐현상이 발생하게 되는 문제점이 있어, 실제 공정에 적용되기 어렵다. 또한, 일반 혼합 금속 질화물의 경우 고온의 열처리에 의해 상 분리 현상이 발생하는 문제점이 발생한다. 또한, 심재 실험에서와 마찬가지로 탄탈륨(Ta) 성분이 혼합되어 있을 경우, 강하게 산소와 결합하려는 성질로 인해, 불순물 방지막이 쉽게 산화되는 문제점이 발생한다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 극복하고자, 메탈과 질소 성분 외에 원자 입경이 작은 붕소 (B) 또는 탄소 (C) 가 첨가되고, 4 성분 이상으로 이루어진 붕소 질화물(boron-nitride) 및 탄소 질화물(carbon-nitride)을 개발하여, 1000 ℃이상에서도 안정한 불순물 방지층을 개발하였다.
이는 입경이 작은 붕소(B) 또는 탄소(C)가 질화물 (nitride)과 같이 존재함으로써, 층의 조밀도를 향상시킴으로써 고온에서 층에서의 질소의 이탈을 방지하며, 1000 ℃이상에서도 붕소 및 탄소가 박막 내에 결합되어 있는 원자들의 이동성 (mobility)을 줄여 주어 형성된 박막의 안성정 을 증가시켜 주는 역할을 하게 된다. 이러한 금속 심재 위에 불순물 방지막을 형성시키는 방법으로는 스퍼터, CVD, PVD, 증착, 플라즈마 가공법 등이 될 수 있으며, 형성방법에 제한을 두지는 않는다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 불순물 방지막은 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 크롬(Cr), 바나듐(V) 및 레늄(Re) 중 선택된 2가지 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속 심재에 대한 것이다.
상기 불순물 방지막에는 물성의 향상을 위하여, 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 크롬(Cr), 바나듐(V) 및 레늄(Re) 중 선택된 2가지 이상의 원소를 더 포함 할 수 있다. 실리콘의 첨가는 생산물인 실리콘간의 농도 구배를 작게 만들어 주며, 몰리브덴과 텅스텐도 불순물 방지막의 한 성분으로 첨가될 경우, 본 발명에서 선택된 텅스텐-몰리브덴 심재와의 농도 구배를 작게 만들어 주어, 확산 가속력을 낮춰주는 역할을 한다. 또한 나머지 다른 원소들은 높은 융점을 갖으면서 산소에 대한 저항력이 좋아 불순물 방지막으로써, 적합한 물질이다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 금속 심재는 몰리브덴의 함량이 10 내지 50 atom%인 텅스텐-몰리브덴 합금을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속 심재에 대한 것이다.
본 발명에서 심재로 사용되는 물질로는 고융점 금속으로써 융점이 1500 ℃이상이며 비저항 값이 0.1 Wm 이하인 텅스텐 (W)을 주 물질로 이루어져 있고, 몰리브덴 (Mo)이 10 ~ 50 atom%로 첨가된 형태로 된 합금(alloy) 심재이다. 이는, 기존 금속 심재에 대한 특허들에 명시된 탄탈륨(Ta) 및 몰리브덴(Mo) 단독 물질 또는 탄탈륨의 합금의 경우 산소에 대한 저항성이 낮아, 쉽게 산화된다는 단점이 있어, 실제 공정 적용에 어려움이 있다.
텅스텐이 다른 금속들보다 고온에서 산소 (oxygen)에 의한 오염이 적어, 심재로써 적당하지만, 텅스텐 단독 물질의 경우 고온에서 갈라짐 현상이 발생하는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 몰리브덴 (Mo) 을 첨가 함으로써, 갈라짐 현상을 완화시킬 수 있으며, 기계적 물성도 단성분으로 된 텅스텐(W) 보다 좋아지게 할 수가 있다. 몰리브덴의 첨가는 10 atom% 이하에서는 고온에서 텅스텐의 갈라짐 현상을 완화시켜 주지 못하며, 50 atom% 이상에서는 몰리브덴에 의해 고온에서 미량의 산소에 의해 오염되는 문제점을 갖게 된다. 더욱 바람직하게는 20 ~ 40 atom%의 몰리브덴의 첨가가 바람직하다. 이는 본 발명의 실시예 1과 비교예 1에서 잘 보여주고 있다.
본 발명은 표면에 불순물 방지막을 갖는 가열수단인 금속 심재인 코어수단, 코어수단과 연결된 전극부 및 석출반응기 셸을 포함하는 다결정 실리콘을 제조장치에 있어서, 상기 불순물 방지막은 무정형(amorphous)인 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘을 제조장치에 관한 것이다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 불순물 방지막은 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)인 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘을 제조장치에 대한 것이다.
본 발명은 종형 또는 벨자형(bell-jar type)과 튜브형 또는 챔버형 등의 형태와 구조에 관계없이 봉 형상의 다결정 실리콘 제조를 목적으로 하는 모든 석출반 응기에 적용될 수 있는데, 상업적으로는 벨자(Bell-jar)형 석출반응기 또는 지멘스(Siemens) 반응기라고도 불리는 종형 석출반응기(이하, '종형 반응기'라 함)가 가장 많이 활용되어오고 있으므로, 본 명세서에서는 이러한 종형 반응기를 기준으로 본 발명을 설명하기로 한다.
이 종형 반응기는 도 7에 개략적으로 예시된 바와 같이 셸(Rs)과 베이스부(Rb)에 의하여 형성된 내부공간을 가지며, 상기 내부공간에는 다수의 코어단위로 구성된 코어수단(C)이 설치된다. 상기 코어단위는 셸(Rs) 및 베이스부(Rb)의 외부에 설치되는전력공급원(V)으로부터 전력전달수단(T)을 통해 전기가 공급되는 전극부(E)에 의하여 기계적으로 고정되고 전기적으로 상호 연결된다.
소수의 코어단위만이 코어수단에 포함되어 코어단위별로 한 쌍의 전극부에 연결되어 이루어지는 소형 실험실 규모의 석출반응기와 달리, 다결정 실리콘 봉의 상업적 대량 생산의 목적으로 이용되는 재래식 석출반응기에서 코어수단(C)에는 수십 ~ 수백 개의 코어단위들이 포함되고, 이들 코어단위들은 코어요소의 재료성분이나 형태 면에서 서로 동일하다.
본 발명에서 코어수단(core means)이라 함은 석출반응에 의한 실리콘 석출부 (이하, '석출부'라 함) 형성의 출발점이 되는 기면(substrate)을 이루는 다수의 코어단위(core units)의 집합을 나타낸다. 그리고, 다수의 코어단위들은 직렬 및/또는 병렬형식으로 전기적으로 상호 연결될 수 있고, 각각의 코어단위에서는 실리콘 석출이 거의 동일하게 진행되므로, 본 발명에서는 개별 코어단위별 조작방법이나 현상 및 특성을 코어수단이라는 집합체로 대변하여 설명하기로 한다.
상기 코어수단(C)을 실리콘 석출에 필요한 온도 이상으로 전기가열하면서 석출반응기 내부공간에 반응가스를 공급하면, 코어수단(C) 표면에 실리콘이 석출되기 시작하여 코어수단(C) 외부방향, 즉 두께방향으로 석출부(D)가 형성되어 봉 형상의 다결정 실리콘이 제조되는데, 각각의 코어단위는 반응기 운전으로 얻어질 한 세트의 다결정 실리콘 봉의 기본골격이 된다.
전기가열이 잘 되는 금속요소를 코어수단(C)으로 사용하면, 금속재질의 반응기 셸(Rs) 내부에 석영재질의 벨자(bell-jar)와 별도의 예열수단을 설치하지 않고도 전극부(E)를 통해 전기를 공급하여코어수단(C)을 전기가열방식으로 직접 가열할 수 있으므로, 석출반응기의 구조가 도 7과 같이 간단해질 수 있다.
본 발명에서 사용되는 고융점 금속 심재 위에 형성되는 불순물 방지막으로는 10 nm ~ 10 m의 두께로 되어 있으며 고온에서 무정형(amorphous) 의 상을 갖는 물질이다. 두께가 10 nm 이하인 경우 층의 두께가 너무 얇게 되어 불순물 방지막의 역할을 하기 어려우며, 10 m 이상인 경우, 불순물 방지막이 열전달 매체처럼 작용하게 되어, 전력 손실이 발생되기 때문이다. 더욱 바람직하게는 20 ~ 1 m 의 범위의 두께를 가지고 800 ℃이상, 더욱 바람직하게는 800 ~ 1000 ℃에서 무정형(amorphous)을 유지할 수 있는 방지막이다.
불순물 방지막이 결정상(crystal phase)을 갖게 되면, 결정의 계면 (boundary path)들이 불순물들이 지나가게 되는 길을 제공하게 되어, 심재의 성분들이 쉽게 확산(diffusion) 투과된다. 따라서, 불순물 방지막은 무정형(amorphous)인 특징을 가짐으로써, 불순물 성분들이 투과될 수 있는 길을 차단하 는 것이 바람직하며, 이는 종래에 알려진 물질의 한두 개의 단순 조합으로는 불가능하게 된다.
이러한 특징을 지니는 불순물 방지막으로 쓰일 수 있는 물질은 산화물 (oxide), 또는 질화물(nitride)이 쓰일 수 있지만, 산화물의 경우 증착된 실리콘 내로 산소가 확산(diffusion)되는 문제점이 있다. 또한, 일반 금속 성분 또는 실리콘 성분을 포함하는 질화물 (nitride) 의 경우 실험 결과 800 ℃에서 질소(nitrogen) 성분이 이탈되어, 800 ℃이상에서 방지막으로서의 역할을 하지 못하고, 층의 무너짐 현상이 발생하게 되는 문제점이 있어, 실제 공정에 적용되기 어렵다. 또한, 일반 혼합 금속 질화물의 경우 고온의 열처리에 의해 상 분리 현상이 발생하는 문제점이 발생한다. 또한, 심재 실험에서와 마찬가지로 탄탈륨(Ta) 성분이 혼합되어 있을 경우, 강하게 산소와 결합하려는 성질로 인해, 불순물 방지막이 쉽게 산화되는 문제점이 발생한다.
본 발명에서는 이러한 문제점을 극복하고자, 메탈과 질소 성분 외에 원자 입경이 작은 붕소 (B) 또는 탄소 (C) 가 첨가되고, 4 성분 이상으로 이루어진 붕소 질화물 (boron-nitride) 및 탄소 질화물(carbon-nitride)을 개발하여, 1000 ℃ 이상에서도 안정한 불순물 방지층을 개발하였다.
이는 입경이 작은 붕소(B) 또는 탄소(C)가 질화물 (nitride)과 같이 존재함으로써, 층의 조밀도를 향상시킴으로써 고온에서 층에서의 질소의 이탈을 방지하며, 1000 ℃이상에서도 붕소 및 탄소가 박막 내에 결합되어 있는 원자들의 이동성 (mobility)을 줄여 주어 형성된 박막의 안성정 을 증가시켜 주는 역할을 하게 된 다. 이러한 금속 심재 위에 불순물 방지막을 형성시키는 방법으로는 스퍼터, CVD, PVD, 증착, 플라즈마 가공법 등이 될 수 있으며, 형성방법에 제한을 두지는 않는다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 불순물 방지막은 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 크롬(Cr), 바나듐(V), 레늄(Re) 중 2가지 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조장치에 대한 것이다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 금속 심재는 몰리브덴의 함량이 10 내지 50 atom%인 텅스텐-몰리브덴 합금을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 다결정 실리콘 제조장치에 대한 것이다.
본 발명에서 심재로 사용되는 물질로는 고융점 금속으로써 융점이 1500 ℃ 이상이며 비저항 값이 0.1 Wm 이하인 텅스텐 (W)을 주 물질로 이루어져 있고, 몰리브덴 (Mo)이10 ~ 50 atom%로 첨가된 형태로 된 합금(alloy) 심재이다. 이는, 기존 금속 심재에 대한 특허들에 명시된 탄탈륨(Ta) 및 몰리브덴(Mo) 단독 물질 또는 탄탈륨의 합금의 경우 산소에 대한 저항성이 낮아, 쉽게 산화된다는 단점이 있어, 실제 공정 적용에 어려움이 있다.
텅스텐이 다른 금속들보다 고온에서 산소 (oxygen)에 의한 오염이 적어, 심재로써 적당하지만, 텅스텐 단독 물질의 경우 고온에서 갈라짐 현상이 발생하는 단점을 갖고 있다. 이러한 단점을 몰리브덴 (Mo) 을 첨가 함으로써, 갈라짐 현상을 완화시킬 수 있으며, 기계적 물성도 단성분으로 된 텅스텐(W) 보다 좋아지게 할 수가 있다. 몰리브덴의 첨가는 10 atom% 이하에서는 고온에서 텅스텐의 갈라짐 현상을 완화시켜 주지 못하며, 50 atom% 이상에서는 몰리브덴에 의해 고온에서 미량의 산소에 의해 오염되는 문제점을 갖게 된다. 더욱 바람직하게는 20 ~ 40 atom%의 몰리브덴의 첨가가 바람직하다.
또한 본 발명은 전극부를 통해 전기를 공급하여, 표면에 무정형인 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)을 포함하는 불순물 방지막을갖는 가열수단인 금속 심재인 코어수단을 가열하는 단계 석출반응기 셸에 반응가스를 공급하여 상기 코어수단의 표면에 외부방향으로 실리콘을 석출시킴으로써 실리콘 석출부를 형성시키는 단계 를 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조방법에 관한 것이다.
더 자세하게는 본 발명은 상기 금속 심재는 몰리브덴의 함량이 10 내지 50 atom%인 텅스텐-몰리브덴 합금을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로하는 다결정 실리콘 제조방법에 대한 것이다.
이하는 본 발명의 실시예를 설명하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
실시예 1. 텅스텐-몰리브덴 합금인 금속 심재
실리콘 웨이퍼 위에 심재 성분인 텅스텐과 몰리브덴이 60: 40 atom%가 되도록 스퍼터 장치를 이용하여 층을 형성하였다.
실시예 2. W-Si-B-N인 방지막 텅스텐-몰리브덴 합금 금속 심재
실리콘 웨이퍼 위에 W-Si-B-N층을 200 nm 두께로 스퍼터 장치를 이용하여 형성시키고, 잔여 산소를 없애기 위해 800 ℃에서 환원 처리를 하였다. X-선 회절 분석을통해 제조된 W-Si-B-N의 800 ℃에서의 결정성을 분석하였다. 도 4에서와 같이 제조된 방지막은 특정 Peak이 나타나지 않았으며, 무정형임을 알 수 있었다.
제조된 붕소-질화 방지막 위에 텅스텐-몰리브덴 층을 형성시켜, 실리콘/W-Si-B-N/텅스텐-몰리브덴으로 이루어진 층을 제조하였다.
비교예 1. 텅스텐인 금속 심재
심재 성분을 텅스텐 단독 물질로 하여 형성시킨 점을 제외하고 실시예 1과 동일하게 층을 제조하였다.
비교예 2. W-Si-N인 방지막 텅스텐-몰리브덴 합금 금속 심재
불순물 방지막을 W-Si-N의 성분으로 증착한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 층을 제조하였다. 도 4의 X-선 회절 분석 결과에서 볼 수 있듯이, 제조된 W-Si-N의 경우 800 ℃에서 환원 처리에 의해 결정성을 나타내는 피크가 나타났다. 이는 질화 방지막이 800 ℃에서 결정화 되었음을 알려준다.
시험예 1. 금속 심재의 고온 안정성 시험
실시예 1의 제조된 금속 심재를 수소 환원 분위기에서 800 ℃로 환원 처리하였으며, 전자 현미경을 통해 층을 확인하였다. 도 2에 나타난 바에 따르면 층이 고온에서도 깨짐 현상 없이 유지되고 있다는 것을 확인할 수가 있었다.
비교예 1의 제조된 금속 심재를 수소 환원 분위기에서 800 ℃로 환원 처리하였으며, 전자 현미경을 통해 층을 확인한 결과 도 3에 나타난 바와 같이 관찰 결과 텅스텐 단독 물질로 존재 시 고온에서 깨짐 현상이 발생한다는 것을 주사 현미경을 통하여 관찰할 수 있었다.
시험예 2. 불순물 방지막의 고온 안정성 시험
도 5-a에 나타난 바와 같이 전자 현미경을 통하여 실시예 2의 불순물 방지막의 안정성을 확인하였다. 실시예 2의 제조된 금속 심재를 수소 환원 분위기에서 1000 ℃의 고온에서 환원 처리하였다. 도면 5-b의 주사 현미경 사진에서 볼 수 있듯이, 본 발명에 의해 이루어진 불순물 방지층을 갖는 물질로 이루어진 층은 고온에서도 안정하게 존재함을 확인할 수 있었다.
도 6-a에 나타난 바와 같이 전자 현미경을 통하여 비교예 2의 불순물 방지막을 확인하였다. 도면 6-b의 현미경 사진에 따르면, 1000 ℃ 열처리에 의해 형성된 W-Si-N/텅스텐-몰리브덴 층이 사라져버렸고, 실리콘 내부로 불순물이 확산됨을 주사현미경 사진을 통하여 확인할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 불순물 방지막을 갖는 금속 심재의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실리콘 위에 텅스텐-몰리브덴 (W-Mo) 금속 심재를 800 ℃ 열처리 후 관찰한 전자 현미경 사진이다.
도 3은 실리콘 위에 텅스텐 금속 심재를 800 ℃ 열처리 후 (a) 단면과 (b) 위에서 관찰한 전자 현미경 사진이다.
도 4는 불순물 방지막인 붕소 질화물(W-Si-B-N)과 질화물(W-Si-N)의 800 ℃ 열 처리 후 X-선 회절 분석 결과이다.
도 5는 (a) 불순물 방지막으로 붕소 질화물 (boron-nitride) 막을 갖는 금속 심재 위에 실리콘이 형성되어 있는 전자 현미경 사진이다. (b) 상기 (a) 를 1000 ℃ 열처리 후 전자현미경 사진이다.
도 6는 (a) 불순물 방지막으로 질화물 (nitride)막을 갖는 금속 심재 위에 실리콘이 형성되어 있는 전자 현미경 사진이다. (b) 상기 (a) 를 1000 ℃ 열처리 후 전자 현미경 사진
도 7은 표면에 불순물 방지막을 갖는 가열수단인 금속 심재인 코어수단, 코어수단과 연결된 전극부 및 석출반응기 셸을 포함하는 다결정 실리콘을 제조장치
[도면의 주요 부분에 대한 부호 설명]
1: 텅스텐-몰리브덴 심재 2: 불순물 방지막
3: 실리콘(Si) 층 4: 텅스텐-몰리브덴 (W-Mo) 층
5: 텅스텐 (W) 층
6: 텅스텐-실리콘-붕소-질화 (W-Si-B-N) 층
7: 텅스텐-실리콘-질화 (W-Si-N) 층
C: 코어수단 D: 석출부
E: 전극부 Nf: 가스공급부
No: 가스배출부 Rb: 석출반응기 베이스부
Rs: 석출반응기 셸 T: 전력전달수단
V: 전력공급원

Claims (10)

  1. 표면에 불순물 방지막을 갖는 금속 심재에 있어서,
    상기 불순물 방지막은 무정형(amorphous)인 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속심재.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물 방지막은 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속 심재.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 불순물 방지막은 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 크롬(Cr), 바나듐(V) 및 레늄(Re) 중 선택된 2가지 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속 심재.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 심재는 몰리브덴의 함량이 10 내지 50 atom%인 텅스텐-몰리브덴 합금을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조용 금속 심재.
  5. 표면에 불순물 방지막을 갖는 가열수단인 금속 심재인 코어수단, 코어수단과 연결된 전극부 및 석출반응기 셸을 포함하는 다결정 실리콘을 제조장치에 있어서,
    상기 불순물 방지막은 무정형(amorphous)인 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 불순물 방지막은 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)을 포함하는 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 불순물 방지막은 실리콘(Si), 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 철(Fe), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 크롬(Cr), 바나듐(V) 및 레늄(Re) 중 선택된 2가지 이상의 원소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제 조장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속 심재는 몰리브덴의 함량이 10 내지 50 atom%인 텅스텐-몰리브덴 합금을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조장치.
  9. 전극부를 통해 전기를 공급하여, 표면에 무정형(amorphous)인 붕소 질화물(boron-nitride) 또는 탄소 질화물(carbon-nitride)을 포함하는 불순물 방지막을 갖는 가열수단인 금속 심재인 코어수단을 가열하는 단계; 및
    석출반응기 셸에 반응가스를 공급하여 상기 코어수단의 표면에 외부방향으로 실리콘을 석출시킴으로써 실리콘 석출부를 형성시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 금속 심재는 몰리브덴의 함량이 10 내지 50 atom%인 텅스텐-몰리브덴 합금을 포함하여 이루어진 것임을 특징으로 하는 다결정 실리콘 제조방법.
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