KR20100013854A - 단결정 잉곳 제조장치 - Google Patents

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Abstract

열실드의 형상을 변경하여 단결정 잉곳으로부터 전달되는 복사열을 증가시켜 단결정 잉곳 성장 속도를 증가시킬 수 있는 단결정 잉곳 제조 장치가 개시된다. 상기 단결정 잉곳 제조 장치는 챔버, 상기 챔버의 내부에 설치되고 실리콘 융액을 담고 있는 도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터, 상기 히터를 둘러싸는 형상으로 형성되어, 상기 히터의 열이 상기 챔버로 확산되는 것을 방지하는 단열부재, 단결정 잉곳을 에워싸도록 잉곳과 도가니 사이에 설치되어 상기 실리콘 용액 및 상기 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드를 포함한다. 이 때, 상기 열실드는 상기 단열부재의 상부에 플랜지 형상으로 연결되고, 상기 도가니 내부로 연장되어 상기 도가니와 상기 단결정 잉곳 사이에 배치되며 대략 원기둥 형상으로 형성되고, 하부면은 상기 단결정 잉곳 방향으로 굴곡 형성되는 제 2차폐부, 상기 제 2차폐부의 상기 단결정 잉곳 최인접부에서 연장형성되되, 상기 단결정 잉곳의 회전 축과 수직한 방향으로 형성되는 제 1면, 상기 제 1면에서 연장 형성되고, 일정한 곡률반경을 지닌 곡면으로 형성되는 제 2면 및 상기 제 2면에서 연장되어 상기 제 2차폐부의 상부와 연결되되, 일정한 각도를 지니며 경사지게 형성되는 제 3면을 포함하는 제 1차폐부를 포함한다. 따라서, 열실드 하부의 실리콘 융액에서 방출되는 고온의 복사열이 단결정 잉곳으로 전달되는 것을 방지하고, 단결정 잉곳에서 복사되는 복사열을 증가시키고, 다시 단결정 잉곳으로 복원되는 양을 감소시킴으로써, 단결정 잉곳의 온도 구배를 높여서 고품질의 단결정 성장 속도 상승을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
단결정 잉곳, 온도 구배, 성장 속도, 열실드

Description

단결정 잉곳 제조장치{MANUFACTURING DEVICE FOR CRYSTAL INGOT}
본 발명은 단결정 잉곳 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열실드의 형상을 변경하여, 열실드 하부의 실리콘 융액에서 방출되는 고온의 복사열이 단결정 잉곳으로 전달되는 것을 방지하고, 단결정 잉곳에서 복사되는 복사열을 증가시키고, 다시 단결정 잉곳으로 복원되는 양을 감소시킴으로써, 단결정 잉곳의 온도 구배를 높여서 고품질의 단결정 성장 속도 상승을 최대화할 수 있는 단결정 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 쵸크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에서는 석영 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음, 실리콘 융액의 표면으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.
실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때에는 석영 도가니를 지지하는 축을 회전시키면서 석영 도가니를 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 하고, 실리콘 단결정 잉곳은 석영 도가니의 회전축과 동일한 축을 중심으로 하여 석영 도가니의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올린다.
또한, 원활한 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위해, 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 가스를 잉곳 성장 장치의 상부로 유입하였다가 잉곳 성장 장치의 하부로 배출시키는 방법을 많이 이용하고 있다.
그리고, 실리콘 단결정 잉곳과 도가니 사이에는 열실드가 구비되어, 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸며 히터와 실리콘 융액에서 발산하는 열을 차단하여 실리콘 단결정 잉곳의 냉각이 잘 되도록 한다.
실리콘 단결정을 초크랄스키 방법에 의하여 결정 성장시키는데 있어서 단결정 내 결함특성은 결정의 인상속도 및 냉각 등의 성장 조건에 크게 의존한다. 따라서, 성장 계면 근처의 열 환경을 조절함으로써 결정 결함의 종류 및 분포를 제어하고자 하는 많은 노력이 진행되어 왔다. 특히, 성장계면의 열환경에 직접적으로 영향을 미치는 열실드(Heat Shield)의 개발에 많은 노력이 집중되고 있다.
여기서, 종래의 단결정 잉곳 제조장치를 설명하면 다음과 같다. 도 1은 종래의 단결정 잉곳 제조장치의 단면을 도시한 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 단결정 잉곳 제조장치는 챔버(10), 실리콘 융액(SM)을 담는 도가니(20), 도가니 지지대(25), 도가니(20)에 열을 가하는 히터(40), 열실드(50) 및 수냉관(60)를 포함하며, 챔버(10)의 내부에서 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장이 이루어진다.
이 때, 상기 열실드(50)는 실리콘 단결정 잉곳(IG)과 도가니(20) 사이에는 잉곳(IG)을 에워싸도록 구비되며, 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 에워싸는 형상으로 형성되어 히터(40)와 실리콘 융액(SM)에서 발산하는 열을 차단하는 역할을 수행한다.
여기서, 상기 열실드(50)의 형상을 좀 더 상세히 설명하면, 상기 챔버(10) 방향으로 대향되는 제 1부분과 상기 실리콘 융액(SM)에 대향되는 제 2부분 및 상기 잉곳(IG)에 대향되는 제 3부분으로 구성된다.
이에 따라, 상기 열실드(50)의 모양을 조절하여 성장계면 근처의 열환경을 조절하여 성장 속도와 결정 품질을 제어한다.
그러나, 종래기술의 상기 열실드(50)는 내부 단열재를 흑연으로 에워싸져 있어서 열전도 계수가 굉장히 높다. 상기 열실드(50) 고유의 목적인 실리콘 융액(SM)에서 방출되는 고온의 복사열이 상기 챔버(10)의 상부 및 단결정 잉곳(IG)으로 전달 되는 것을 방지할 수는 있으나, 상기 열실드(50)외부 재질의 높은 열전도 계수로 인해, 외부를 통한 전도 열전달을 방지 할 수는 없다.
이러한, 상기 열실드(50)의 외부를 통한 열전달로 인해서, 실리콘 융액(SM)의 열손실을 야기시키고, 온도를 높여서, 상기 단결정 잉곳(IG)의 성장 속도를 저하시킨다.
또한, 상기 단결정 잉곳(IG)의 대구경화 및 실리콘 융액(SM)의 대용량화로 인해, 열실드(50) 크기가 증가하여, 열실드(50) 외부 재질에 의한 전도 열전달이 증가하고, 이에 따라 외부의 온도가 굉장히 높다. 상기 단결정 잉곳(IG)의 온도 증가는 상기 단결정 잉곳(IG)의 온도 증가를 야기시켜서 잉곳의 온도 구배를 낮추어 고품질의 단결정 성장 속도를 하락시키는 역할을 한다. 따라서 생산성 저하를 야기시킨다.
도 1에서 보는 바와 같이 상기 단결정 잉곳(IG)에 대향되는 상기 제 3부분의 형상에 따라서 열실드(50) 표면에서 잉곳(IG)과 수냉관(60)으로의 복사 열전달이 차이가 남을 알 수 있다. 이러한 열실드(50) 표면 복사의 차이는 상기 단결정 잉곳(IG)의 표면 온도에 영향 끼쳐서, 최종적으로 상기 단결정 잉곳(IG)의 온도구배에 영향을 주어, 고품질 상기 단결정 잉곳(IG)의 성장 속도를 지배한다.
상기 단결정 잉곳(IG)으로부터의 표면 복사 열전달은 열실드(50)의 표면으로 전달되고, 다시 열실드(50) 표면의 복사 열전달이 잉곳 표면으로 전달되어, 즉, 열실드(50)의 복사열전달이 잉곳 표면으로 환원되어, 상기 단결정 잉곳(IG) 냉각을 약화시키고 있다. 특히, 단결정 성장 그로워에서 거대하고 유일한 히트 싱크(Heat Sink)인 수냉관(60) 및 상기 챔버(10)의 상부로의 직접적인 복사 열전달을 이용하지 않았다.
종래의 열실드(50) 형상은 도 1에서 보는 바와 같이 열실드(50)의 상기 단결정 잉곳에 대향되는 제 3부분의 모양과 단열재 두께에 초점을 맞추었다. 단열재 두께에 따라서 제 3부분의 형상을 정했으며, 더 섬세한 제 3부분의 형상에는 초점을 맞추지 않고, 무시하여 왔다.
즉, (1)의 경우, 상기 열실드(50)의 상기 제 3부분은 상기 잉곳(IG)에 대해 일정 곡률을 지니는 곡면을 형성하고, (2)의 경우, 상기 제 3부분은 상기 잉곳(IG)에 대해 대향되는 면과 일정 경사도록 지닌 면만을 형성하도록 구비되었다. 이에 따라, 상기 제 3부분에 있어서, 상기 잉곳(IG)에서 복사되는 열(a)의 경우, 상기 제 3부분으로 복사되었다가 다시 상기 단결정 잉곳(IG) 방향(b)으로 복사되거나, 상기 챔버(10)의 상부층 방향으로 복사된다.
또한 수냉관(60) 기능을 강화하여 상기 단결정 잉곳(IG)의 냉각 활성화를 통한 상기 단결정 잉곳(IG)의 온도구배 증가를 통해서, 상기 단결정 잉곳(IG)의 성장 속도 상승에 초점을 맞추어 왔기 때문에 열실드의 형상에 따른 단열 효과에 대해 관심을 갖지 않았던 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 열실드 하부의 실리콘 융액에서 방출되는 고온의 복사열이 단결정 잉곳으로 전달되는 것을 방지하여 단결정 잉곳의 온도 구배를 높여서 고품질의 단결정 성장 속도 상승을 최대화할 수 있는 단결정 잉곳 제조장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 수냉관이나 단열재의 복사 열전달과 상대적으로 관계없이 열실드의 형상을 변경하여 수냉관으로의 복사열전달을 증가시켜, 상기 단결정 잉곳의 복사 열전달을 증가시키고, 다시 단결정 잉곳으로 환원되는 복사열을 감소시킬 수 있는 단결정 잉곳 제조장치를 제공함에 있다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 단결정 잉곳 제조 장치는 챔버, 상기 챔버의 내부에 설치되고 실리콘 융액을 담고 있는 도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터, 상기 히터를 둘러싸는 형상으로 형성되어, 상기 히터의 열이 상기 챔버로 확산되는 것을 방지하는 단열부재, 단결정 잉곳을 에워싸도록 잉곳과 도가니 사이에 설치되어 상기 실리콘 용액 및 상기 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드를 포함한다. 이 때, 상기 열실드는 상기 단열부재의 상부에 플랜지 형상으로 연결되고, 상기 도가니 내부로 연장되어 상기 도가니와 상기 단결정 잉곳 사이에 배치되며 대략 원기둥 형상으로 형성되고, 하부면은 상기 단결정 잉곳 방향으로 굴곡 형성되는 제 2차폐부, 상기 제 2차폐부 의 상기 단결정 잉곳 최인접부에서 연장형성되고, 상기 단결정 잉곳의 회전 축과 수직한 방향으로 형성되는 제 1면, 상기 제 1면에서 연장 형성되되, 일정한 곡률반경을 지닌 곡면으로 형성되는 제 2면 및 상기 제 2면에서 연장되어 상기 제 2차폐부의 상부와 연결되되, 일정한 각도를 지니며 경사지게 형성되는 제 3면을 포함하는 제 1차폐부를 포함한다.
여기서, 상기 제 1면의 상기 단결정 잉곳 방향 반경 길이는 상기 단결정 잉곳의 반경의 2분의 1배 이상 2배 이하인 것이 바람직하다.
또한, 상기 열실드는 상기 제 1 및 제 2 차폐부에 의해 형성되는 내부에 단열재를 수용하는 것이 바람직하며, 상기 단열재의 최소 두께는 2 내지 5센티미터인 것이 더욱 바람직하다.
여기서, 상기 제1 차폐부는 복사 방사율이 높은 검정색 재질을 사용한 것이 바람직하며, 상기 제 1차폐부는 복사 방사율(Emissivity)이 섭씨 500 내지 1500 C 에서 0.45 이상인 재질로 형성되거나, 또는 코팅된 상태로 구비되는 것이 가능하다.
또한, 상기 제 1차폐부는 흑연을 포함하는 재질로 형성되는 것도 가능하다.
그리고, 상기 단결정 잉곳 제조 장치는 상기 제 1차폐부의 상기 단결정 잉곳 최근접부에서 상기 도가니 방향으로 연장형성되되, 상기 단결정 잉곳을 감싸는 원통형으로 형성되는 제 3차폐부를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 단결정 종자를 도가니에 담긴 반도체 융액에 접촉시킨 후 상부로 서서히 인상시켜 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 제조 장치에 사용되는 열실드의 차페부에 있어서, 상기 잉곳의 최내측 인접부에 해당하는 차폐부의 형상이 회전축과 수직인 면을 포함한다.
이 때, 상기 수직인 면의 반경 길이는 상기 단결정 잉곳의 반경의 2분의 1배 이상 2배 이하인 것이 바람직하며, 상기 열실드의 내부에는 단열재가 구비되고, 상기 단열재의 최소 두께는 2내지 5센티미터인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 상기 열실드 중 상기 단결정 잉곳에 대향되는 차폐부는 복사 방사율이 상대적으로 높은 검정색 계열의 재질을 사용한 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 열실드 하부의 실리콘 융액에서 방출되는 고온의 복사열이 단결정 잉곳으로 전달되는 것을 방지하고, 단결정 잉곳으로 부터의 복사열 전달을 증가시키고, 복사열이 다시 단결정 잉곳으로 복원되는 양을 감소시킴으로써, 단결정 잉곳의 온도 구배를 높여서 고품질의 단결정 성장 속도 상승을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 수냉관이나 단열재의 복사 열전달과 상대적으로 관계없이 열실드의 형상을 변경하여 상기 단결정 잉곳의 복사 열전달을 증가시키고, 다시 단결정 잉곳으로 환원되는 복사열을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 열실드의 형상을 변경하여 열실드의 표면적 및 뷰팩터(View Factor)가 증가되고, 복사 열전달 증가로 단결정 잉곳의 온도 구배를 향상시켜, 상기 무결함 잉곳의 성장 속도가 증가되는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 이하 설명에서는 구성 및 기능이 거의 동일하여 동일하게 취급될 수 있는 요소는 동일한 참조번호로 특정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조장치에 대해 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조장치의 주요부분의 단면을 도시한 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 단결정 잉곳 제조장치는 챔버(10), 도가니(20), 히터(40), 단열부재(45) 및 열실드(100)를 포함한다.
상기 챔버(10) 내에는 실리콘 융액(SM)을 담는 도가니(20)가 설치되며, 이 도가니(20)의 외부에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(25)가 도가니(20)를 에워싸도록 설치된다.
도가니 지지대(25)는 회전축 상에 고정 설치되고, 이 회전축은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(20)를 회전시키면서 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대(25)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(40)에 에워싸여지며, 이 히터(40)는 단열부재(45)에 의해 에워싸여진다.
즉, 히터(40)는 도가니(25)의 측방에 설치되어 도가니(20) 내에 적재된 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들며, 단열부재(45) 는 히터(40)에서 발산되는 열이 챔버(10)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열효율을 향상시킨다.
상기 챔버(10)의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시)이 설치되며, 이 케이블의 하부에 도가니(20) 내의 실리콘 융액(SM)에 접촉되어 인상하면서 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 종결정이 설치된다. 인상 수단은 단결정 잉곳(IG) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이 때 실리콘 단결정 잉곳(IG)은 도가니(20)의 회전축(30)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(20)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올리도록 한다.
여기서, 여기서, 상기 열실드(100)를 좀 더 상세히 설명하기 위하여 도 3을 제시한다. 도 3은 도 2의 열실드를 좀 더 상세히 설명하기 위하여 상기 열실드를 분리 확대하여 도시한 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 상기 열실드(100)는 제 1차폐부(200) 및 제 2차폐부(300)를 포함한다.
상기 제 2차폐부(300)는 상기 단열부재(45)의 상부에 플랜지 형상으로 연결되고, 상기 도가니(20) 내부로 연장되어 상기 도가니(20)와 상기 단결정 잉곳(IG) 사이에 배치되며 대략 원기둥 형상으로 형성되고, 하부면은 상기 단결정 잉곳(IG) 방향으로 굴곡 형성되어 형성된다.
상기 제 1차폐부(200)는 제 1면(210), 제 2면(230) 및 제 3면(250)을 포함한다. 상기 제 1면(210)은 상기 단결정 잉곳(IG) 최인접부에서 연장형성되고, 상기 단결정 잉곳(IG)의 회전 축과 수직한 방향의 면으로 형성된다.
상기 제 2면(230)은 상기 제 1면(210)에서 연장 형성되되, 일정한 곡률반경을 지닌 곡면으로 형성되고, 상기 제 3면(250)은 상기 제 2면(230)의 상기 제 1면(210)과 연결되지 않는 단부에서 연장 형성되어 상기 제 2차폐부(300)의 상부와 연결되되, 일정한 각도를 지니며 경사진 면으로 형성된다.
이에 따라, 상기 제 1차폐부(200)에 상기 단결정 잉곳(IG)으로부터 복사된 고온의 복사열은 상대적으로 상기 수냉관(60) 및 상기 챔버(10)의 상부로 복사되는 양이 많이짐을 알 수 있다. 이는 상기 단결정 잉곳(IG)의 성장 속도를 증가시킬 수 있는 주요 이점이 된다.
이 때, 상기 단결정 잉곳(IG)의 회전축과 수직인 상기 제 1면(210)의의 상기 단결정 잉곳(IG)의 반경 방향 길이는 상기 단결정 잉곳(IG)의 반경의 2분의 1배 이상 2배 이하로 형성된다.
또한, 상기 제 2면(230)은 상기 실리콘 잉곳(IG) 방향으로 오목한 형상으로 형성되되, 일정 곡률 반경을 지니고 형성되도록 하며, 상기 제 1차폐부(200)의 단면적이 상대적으로 극대화 될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제 1차폐부(200)로 복사된 열(a)은 상기 챔버(10)의 상부 방향(c) 또는 상기 수냉관(60) 방향(d)으로 복사되어 상기 단결정 잉곳의 온도 구배를 향상시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.
그리고, 상기 제 1차폐부(200) 및 상기 제 2차폐부(300)에 의해 형성되는내부는 단열재(400)가 수용된다. 이 때, 상기 단열재(400)의 최소 두께, 즉, 상기 제 3면(250)과 상기 제 2차폐부(300)에 의해 형성되는 부분의 단열재(400)의 최소 두께는 2 내지 5센티미터로 구비된다.
더불어, 상기 제 1차폐부(200)는 복사 방사율이 높은 검정색 재질로 형성된다. 예를 들면, 상기 제 1차폐부(200)는 복사 방사율(Emissivity)이 섭씨 500 내지 1500 C 에서 0.45 이상인 재질로 형성되거나, 또는 코팅되는 것이 바람직하며, 이 때, 상기 제 1차폐부(200)는 흑연을 포함하는 재질로 형성되는 것도 가능하다.
그리고, 상기 단결정 잉곳 제조 장치는 제 3차폐부(500)를 더 포함하고, 상기 제 3차폐부(500)는 제 1차폐부(200)의 상기 단결정 잉곳(IG) 최근접부, 즉, 상기 제 1면(210)의 일측에서 상기 도가니(20) 방향으로 연장형성되되, 상기 단결정 잉곳(IG)을 감싸는 원통형으로 형성된다.
이 때, 본 발명의 바람직한 실시예의 변형실시예에 대해 설명하면 다음과 같다. 도가니에 열을 가하여 잉곳을 가열 용융시키고, 이를 인상시켜 단결정 잉곳을 생산하는 장치에 사용되는 열실드의 차폐부(201)에 있어서, 상기 잉곳의 최내측 인접부에 해당하는 차폐부(201)의 형상이 회전축과 수직인 면을 포함한다.
즉, 상기 차폐부(201)의 상기 잉곳(IG)에 대향하는 면 중 적어도 일부가 상기 단결정 잉곳(IG)의 회전축과 수직인 면을 형성한다. 따라서, 상기 차폐부(201)로 상기 단결정 잉곳(IG)에서 복사된 열은 상기 차폐부(201)를 거치 상기 챔버(10)의 상부 또는 상기 수냉관(60) 방향으로 복사될 수 있도록 한다.
이 때, 상기 수직인 상기 차폐부(201)의 일부면의 반경 길이는 상술한 상기 제 1차폐부(200)의 상기 제 1면(210)과 유사하게 상기 단결정 잉곳(IG)의 반경의 2분의 1배 이상 2배 이하로 구비된다.
또한, 상기 열실드(100) 중 상기 단결정 잉곳(IG)에 대향되는 차폐부(201)는 복사 방사율이 상대적으로 높은 검정색 계열의 재질로 형성된다.
여기서, 상기 온도구배와 상기 단결정 잉곳(IG)의 상승 속도에 대한 이론적 배경을 좀 더 상세히 설명하면, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 결정 인상속도 V가 비교적 고속인 경우에는, 공공형의 점결함이 집합한 보이드 기인의 FPD(Flow Pattern Defect)나 COP(Crystal Originated Particle)등의 그론-인 결함이 고밀도로 존재하게 된다. 참고로, 이러한 보이드 기인 결함이 존재하는 영역은 V(Vacancy)영역으로 불리고 있다. 또한, 보이드 기인 결함을 야기하는 속도보다 결정 인상속도를 더 낮추면 인상속도의 저하에 수반하여 OSF(산화유기적층결함, Oxidation Induced Stacking Fault) 영역이 결정 주변에서 링상으로 발생하고, 더욱 결정 인상속도를 낮추면, OSF링이 단결정 중심으로 수축하여 소멸한다. 그리고 더욱 결정 인상속도를 낮추면 격자 간 실리콘이 집합한 전위루프 기인의 결함인 LSEPD(Large Secco Etch Pit Defect), LFPD(Large Flow Pattern Defect) 등이 저밀도로 존재하게 된다. 참고로, 이러한 전위루프 기인의 결함이 존재하는 영역은 I(Interstitial) 영역으로 불리고 있다.
상술한 그론-인 결함은, 단결정을 성장시킬 때의 결정 인상속도 V(mm/min)와 고액계면 근방의 온도구배 G(℃/mm)의 비인 V/G(mm2/℃min)라고 하는 파라미터에 의해 그 도입량이 결정되는 것으로 알려져 있다(예를 들면, V.V.Voronkov, Journal of Crystal Growth, 59(1982), 625~643참조).
이를 수학식으로 표현한 수학식 1은 다음과 같다.
Figure 112008055682413-PAT00001
이다.
여기서, V는 무결함 잉곳의 성장 속도, ζ는 상수(Constant Number), Gs는 계면에서의 잉곳 온도구배를 나타내며, 간단히 무결함 상기 단결정 잉곳의 성장 속도를 높이기 위해서는 잉곳의 냉각을 강화해야 함을 지적하고 있다.
즉, V/G를 소정의 값으로 일정하게 제어하면서 단결정 성장을 하면 원하는 결함 영역 또는 원하는 무결함 영역을 갖는 단결정을 제조하는 것이 가능해진다.
또한, 간단한 기초 복사 열전달을 나타내는 수학식을 표현한 수학식 2는 다음과 같다.
Figure 112008055682413-PAT00002
이다.
여기서, Q는 열유량(Heat Flux [w]), A는 표면적(m2), Fij는 뷰팩터(View Factor), σ는 스테판-볼츠만 상수(Stefan-Boltzmann Constant), Ti는 물체 표면 i의 온도, Tj는 또 다른 물체 표면 j의 온도를 나타낸다.
이에 제시된 수학식 2는 물체 i로부터 또 다른 물체 j로의 복사 열전달을 나타내는 수식이다. 이에 제시된 바와 같이, 두 물체간의 복사 열전달은 표면적 및 뷰팩터(View Factor)에 비례한다. 형상 계수(Configuration or Shape Factor)라고도 불리우는 뷰팩터(View Factor) Fij는 물체 표면 i를 떠나서 또 다른 물체 표면j에 도달하는 복사 열전달의 분율을 나타낸다. 즉, 간단히, Fij는 물체 표면의 형상에 대한 함수이다.
따라서, 두 물체간의 복사 열전달을 강화 시키기 위해서는, 표면적을 증가시키거나 표면 형상을 최적화(Fij 증가) 시키면 된다.
즉, 상술한 본 발명의 상기 열실드(100)는 상술한 표면적을 증가시키며, 상기 표면의 형상을 최적화 시킬 수 있는 형상으로 형성되어 있다.
여기서, 상기 열실드(100)의 형상에 따른 상기 단결정 잉곳(IG) 표면에서의 복사 열전달에 대해 설명하기 위하여 도 4를 제시한다. 도 4는 차폐부의 형상에 따른 단결정 잉곳 표면에의 표면 복사 열전달에 대한 수치해석 결과를 간략히 도시한 도면이다.
이에 도시된 바와 같이, 종래의 열실드의 형상(II)에 따른 상기 단결정 잉곳(IG) 표면 복사 열전달 량을 나타낸 e 그래프와 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열실드의 형상(I)에 따른 상기 단결정 잉곳(IG) 표면 복사 열전달 량을 나타낸 f 그래프를 비교한다.
수치 해석 결과, 본 발명의 열실드 형상을 나타내는 I 형상에 대한 f그래프가, 종래의 열실드의 형상(II)에 따른 e 그래프에 비해서, 훨씬 많은 잉곳 표면 복사 열전달량을 나타내고 있다. 여기서 본 발명의 열실드는 종래 열실드에 비해서, 표면적이 대략 12% 증가하였다.
여기서, 수치 해석 결과를 구체적으로 살펴보면, 다음과 같다.
먼저, 상기 열실드(100)의 제 1차폐부(200)로부터 냉각수(Cooling Water)가 흐르는 히트싱크(Heat Sink)인 상기 수냉관 및 상기 챔버(10) 상부로의 복사 열전달 측면에서 살펴보면, 상기 열실드(100)의 표면적 증가 및 뷰팩터(View Factor) 증가를 통한 복사 열전달 증가로, 상기 열실드(100)에 구비된 상기 제 1차폐부(200)의 온도가 상대적으로 하강한다.
다음, 상기 단결정 잉곳(IG) 표면으로부터 상기 열실드(100)로의 복사 열전달 측면에서 살펴보면, 상기 열실드(100)의 표면적 증가 및 뷰팩터(View Factor) 증가를 통한, 복사 열전달 증가로 상기 단결정 잉곳(IG)의 온도가 하강된다.
그리고, 상기 단결정 잉곳(IG)의 온도하강을 통한 상기 단결정 잉곳(IG) 계면에서의 온도 구배 증가 측면을 살펴보면, 상술한 보론코프의 이론에 따라 상기 무결함 잉곳의 성장 속도가 증가된다.
이를 바탕으로 비교예를 선정하여 실험한 실험결과를 설명하기 위하여 도 5를 제시한다. 도 5는 열실드의 형상에 따른 무결함 성장 속도를 비교하기 위하여 도시한 열실드 형상의 비교예를 도시한 단면도이다.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열실드의 형상(C)과 비교예 1에 따른 열실드 형상(A) 및 비교예 2에 따른 열실드 형상(B)가 도시되어 있다.
이에 따라, 각각 비교예 2를 대조군으로 하여 각각 표면적, 성장 속도 및 무결함 마진을 나타낸 표 1은 다음과 같다.
Figure 112008055682413-PAT00003
이다.
이에 제시된 바와 같이, 상술한 열실드 형태(A, B 및 C)에 따른 무결함 잉곳의 최대 성장 속도(P/S) 및 무결함 마진(Margin)을 나타내고 있다.
비교예 1에 따른 열실드 형상(A)에 비하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열실드 형상(C)의 표면적은 26% 증가하였고, 무결함 잉곳의 최대 성장 속도(P/S)는 0.032mm/min 증가하였으며, 무결함 마진(Margin)도 60% 이상 증가하는 것으로 나타났다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열실드의 형상은 종래의 열실드 형상(A)에 비하여, 열실드의 표면적 및 뷰팩터(View Factor)가 증가되고, 복사 열전달 증가로 단결정 잉곳의 온도 구배를 향상시켜, 상기 무결함 잉곳의 성장 속도가 증가되는 효과가 있다.
이 때, 일반적으로, 전도, 대류 및 복사 열전달은 면적에 비례해서 증가하므로, 복사 열전달은 표면적에 비례한다. 따라서, 본 발명의 열실드는 종래 열실드에 비해서, 월등히 표면적이 넓게 나타났다. 즉, 본 발명의 열실드는, 형상을 최적화, 즉, 뷰팩터(View Factor)를 증가키시키고, 표면적을 최대화 하여, 무결함의 단결정 잉곳 성장 속도를 향상시키는 이점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 단결정 잉곳 제조장치의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조장치의 주요부분의 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 열실드를 좀 더 상세히 설명하기 위하여 상기 열실드를 분리 확대하여 도시한 단면도이다.
도 4는 차폐부의 형상에 따른 단결정 잉곳 표면에의 표면 복사 열전달에 대한 수치해석 결과를 간략히 도시한 도면이다.
도 5는 열실드의 형상에 따른 무결함 성장 속도를 비교하기 위하여 도시한 열실드 형상의 비교예를 도시한 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 챔버 20: 도가니
40: 히터 45: 단열부재
100: 열실드 200: 제 1차폐부
210: 제 1면 230: 제 2면
250: 제 3면 300: 제 2차폐부
400: 단열재 500: 제 3차폐부
SM: 실리콘 융액 IG: 단결정 잉곳

Claims (13)

  1. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 설치되고 실리콘 융액을 담고 있는 도가니;
    상기 도가니를 가열하는 히터;
    상기 히터를 둘러싸는 형상으로 형성되어, 상기 히터의 열이 상기 챔버로 확산되는 것을 방지하는 단열부재; 및
    단결정 잉곳을 에워싸도록 잉곳과 도가니 사이에 설치되어 상기 실리콘 용액 및 상기 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드;
    를 포함하고, 상기 열실드는
    상기 단열부재의 상부에 플랜지 형상으로 연결되고, 상기 도가니 내부로 연장되어 상기 도가니와 상기 단결정 잉곳 사이에 배치되며 대략 원기둥 형상으로 형성되고, 하부면은 상기 단결정 잉곳 방향으로 굴곡 형성되는 제 2차폐부; 및
    상기 제 2차폐부의 상기 단결정 잉곳 최인접부에서 연장형성되고, 상기 단결정 잉곳의 회전 축과 수직한 방향으로 형성되는 제 1면, 상기 제 1면에서 연장 형성되되, 일정한 곡률반경을 지닌 곡면으로 형성되는 제 2면 및 상기 제 2면에서 연장되어 상기 제 2차폐부의 상부와 연결되되, 일정한 각도를 지니며 경사지게 형성되는 제 3면을 포함하는 제 1차폐부;
    를 포함하는 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 잉곳 제조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1면의 상기 단결정 잉곳 방향 반경 길이는 상기 단결정 잉곳의 반경의 2분의 1배 이상 2배 이하인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열실드는 상기 제 1 및 제 2 차폐부에 의해 형성되는 내부에 단열재를 수용하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 단열재의 최소 두께는 2 내지 5센티미터인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 차폐부는 복사 방사율이 높은 검정색 재질을 사용한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1차폐부는 복사 방사율(Emissivity)이 섭씨 500 내지 1500 C 에서 0.45 이상인 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제 1차폐부는 흑연을 포함하는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1차폐부는 복사 방사율(Emissivity)이 섭씨 500 내지 1500 C 에서 0.45 이상인 재질로 코팅된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1차폐부의 상기 단결정 잉곳 최근접부에서 상기 도가니 방향으로 연장형성되되, 상기 단결정 잉곳을 감싸는 원통형으로 형성되는 제 3차폐부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  10. 단결정 종자를 도가니에 담긴 반도체 융액에 접촉시킨 후 상부로 서서히 인상시켜 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 제조 장치에 사용되는 열실드의 차페부에 있어서,
    상기 잉곳의 최내측 인접부에 해당하는 차폐부의 형상이 회전축과 수직인 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 수직인 면의 반경 길이는 상기 단결정 잉곳의 반경의 2분의 1배 이상 2배 이하인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 열실드의 내부에는 단열재가 구비되고, 상기 단열재의 최소 두께는 2내지 5센티미터인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 열실드 중 상기 단결정 잉곳에 대향되는 차폐부는 복사 방사율이 상대적으로 높은 검정색 계열의 재질을 사용한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
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