KR20100052142A - 히터 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조 장치 - Google Patents

Abstract

도가니에 수용되어 있는 실리콘 융액에 도가니의 승하강에 관계없이 동일한 열적 환경을 제공할 수 있는 히터 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치가 개시된다. 실리콘 단결정 제조장치에 있어서, 실리콘 융액을 수용하며, 승하강되는 도가니, 상기 도가니의 하부에 설치되며, 상기 도가니의 승하강에 따라 연동되어 승하강되는 하부히터를 포함하여, 상기 도가니의 승하강에 무관하게 상기 실리콘 융액에 동일한 열적 환경을 제공한다. 이에 따라, 도가니에 수용되어 있는 실리콘 융액에 도가니의 승하강에 관계없이 동일한 열적 환경을 제공하여, 실리콘 단결정의 결정 품질을 향상시키고, 산소농도까지 제어할 수 있는 효과가 있다.

단결정 성장 속도, 히터, 열적 환경

Description

히터 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조 장치{HEATER AND MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICON CRYSTAL HAVING THE SAME}

본 발명은 히터 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도가니에 수용되어 있는 실리콘 융액에 도가니의 승하강에 관계없이 동일한 열적 환경을 제공하는 히터 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 디바이스 제조용 기판으로 이용되는 실리콘 단결정은 쵸크랄스키법(Czochralski method, 이하 Cz)으로 제조된다. 상기 Cz법은 석영도가니에 다결정 실리콘을 넣고, 발열체에 전기를 흘려 도가니를 가열하여 용융시킨 후 종자 단결정을 용액에 접촉시킨 후 회전하면서 서서히 끌어올리면서 액체를 고체로 응고시키면서 단결정으로 성장시키는 방법이다.

대부분 결정제조 장치는 강철 재질로 원형을 이루고 있으며, 내부에는 열을 차단하기 위한 단열재와 실리콘을 용융시키기 위한 발열체, 석영도가니를 감싸는 석영도가니, 이를 지지하는 지지축 등으로 구성되며 이를 내부 구조물들을 핫존(Hot zone)이라 명한다.

고품질 실리콘 단결정을 성장시키기 위해서는 계면 주위의 열 환경을 일정하게 형성 및 유지하여, 단결정이 성장하여 길이가 증가하여도 단결정의 품질과 인상속도를 유지시키며, 인상속도 제어가 용이하여야 한다. 좀더 자세히 설명하면, 실리콘 용융액은 히터로부터 계속적으로 열을 전달받고, 열차폐 구조에 의해 열 손실이 차단되어 일정한 온도구배를 유지하여야 한다. 이를 위해 종래의 기술에서는 도가니의 측면에 히터를 장착하여 지속적으로 열을 용융액에 전달하는 방식이 있다.

이러한 모습을 도 1에 도시하였다. 도 1은 종래의 측면히터가 구비된 단결정 제조 장치를 간략히 도시한 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 상기 단결정 제조 장치는 석영도가니(12), 석영도가니(14), 자기장 발생장치(16), 단열재(18) 및 측면 히터(11)를 포함하고, 상술한 바와 같이, 상기 석영도가니(12) 내부에 실리콘을 수용하고, 상기 측면 히터(11)에서 열을 가함으로써, 실리콘 융액(SM)으로 용융시킨다. 이후, 상기 실리콘 융액(SM)을 단결정 잉곳(IG)으로 성장시킨다.

다른 예로는 도 2에 도시된 바와 같이 하부에 고정형 히터(21)가 장착되기도 한다.

종래의 실리콘 단결정 성장장치는 성장 챔버가 열차폐 구조에 의해 외부의 온도 변화에 영향을 받지 않도록 하여 실리콘 용융액이 일정 온도 구배를 유지하도록 하고 있으나, 실제 실리콘 용융액은 실리콘 단결정 성장 도중 외부의 온도변화에 영향을 받아 불안정한 온도 구배를 가지게 되는 문제점이 있다. 좀더 자세히 설명하면, 쵸크랄스키법에서, 단결정의 성장에 따라 실리콘 용융액의 레벨이 낮아지 는데, 이 실리콘 용융액의 레벨 저하만큼 도가니 높이를 상승시켜 실리콘 용융액의 레벨을 일정하게 유지시킨다. 그러나, 히터는 도가니의 주위에 일체로 형성되어 고정 상태를 유지하므로 실리콘단결정의 길이가 길어짐에 따라 히터 내에서 상승 작동하는 도가니와의 사이에 상대적인 위치 차이가 발생하게 된다.

이 위치 차이는 실리콘단결정의 성장이 진행됨에 따라 실리콘 단결정 계면 주위의 열환경 변화를 초래한다. 이 실리콘 단결정 계면 주위의 열 환경 변화는 실리콘단결정의 균일한 품질 구현을 어렵게 한다. 또한, 실리콘 단결정 성장 말기에는 히터에서 방사되는 열 중 대부분이 도가니의 가열에 작용하지 못하고 일부만이 도가니의 아랫부분을 가열하므로 실리콘단결정의 인상속도 및 산소농도제어를 어렵게 하고, 실리콘 단결정 계면 주위에서 열 환경 변화가 심화되어 인상속도 제어가 용이하지 않게 되며 고품질의 균일한 실리콘 단결정을 성장시키는데 어려움이 있다.

이를 해결하기 위해 하부에 히터를 달고 보완하지만 도가니와의 위치가 멀어짐에 따라 단결정 실리콘 계면 주위의 열 환경을 균일하게 안정하는 데는 한계가 발생하는 문제가 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 목적은 도가니에 수용되어 있는 실리콘 융액에 도가니의 승하강에 관계없이 동일한 열적 환경을 제공할 수 있는 히터 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 실리콘 단결정 계면 주위의 열환경을 일정하게 형성 및 유지하여, 실리콘 단결정의 결정 품질과 인상속도를 향상시키며, 인상속도 제어를 용이하게 할 수 있는 히터 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 측면히터의 발열을 제한하여, 석영도가니로부터 용출되어 실리콘 용융액으로 확산되는 산소량을 제어하여 실리콘 단결정의 산소농도 편차를 개선하고 목표 산소농도에 도달할 수 있는 히터 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 제조장치를 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조장치는 실리콘 단결정 제조장치에 있어서, 실리콘 융액을 수용하며, 승하강되는 도가니, 상기 도가니의 하부에 설치되며, 상기 도가니의 승하강에 따라 연동되어 승하강되는 하부히터를 포함하여, 상기 도가니의 승하강에 무관하게 상기 실리콘 융액에 동일한 열적 환경을 제공한다.

상기 하부히터는 발열량이 조절되는 것이 좋으며, 하부히터는 가변저항을 이 용하여 발열량을 조절할 수 있다. 또한, 하부히터는 카본 히터인 것이 바람직하다.

또한, 구동수단을 더 구비하며, 상기 구동수단은 상기 도가니의 움직임을 감지하여 상기 하부히터를 승하강시키는 것이 좋다. 도가니의 측면에 구비되어 상기 도가니에 열을 제공하는 측면 히터를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 히터는 실리콘 단결정 제조장치에 사용되는 히터에 있어서, 상기 히터는 실리콘 융액을 수용하는 도가니의 하부에 배치되며, 발열량이 조절되어, 상기 도가니와 상기 히터의 상대적 거리가 증가하면 발열량이 증가하고, 상기 도가니와 상기 히터의 상대적 거리가 감소하면 발열량이 감소하여 상기 도가니의 움직임에 무관하게 상기 실리콘 융액에 동일한 열적 환경을 제공한다.

이에 따라, 실리콘 단결정 계면 주위의 열환경을 일정하게 형성 및 유지하여, 실리콘 단결정의 결정 품질과 인상속도를 향상시키며, 인상속도 제어를 용이하게 하는 것이다. 또한, 측면히터의 발열을 제한하여, 석영도가니로부터 용출되어 실리콘 용융액으로 확산되는 산소량을 제어하여 실리콘 단결정의 산소농도 편차를 개선하고 목표 산소농도에 도달할 수 있도록 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 도가니에 수용되어 있는 실리콘 융액에 도가니의 승하강에 관계없이 동일한 열적 환경을 제공할 수 있다

또한, 실리콘 단결정 계면 주위의 열환경을 일정하게 형성 및 유지하여, 실리콘 단결정의 결정 품질과 인상속도를 향상시키며, 인상속도 제어를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 측면히터의 발열을 제한하여, 석영도가니로부터 용출되어 실리콘 용융액으로 확산되는 산소량을 제어하여 실리콘 단결정의 산소농도 편차를 개선하고 목표 산소농도에 도달할 수 있는 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.

도 3은 본 발명에 따른 단결정 제조방치를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3의 장치에서 도가니가 상승했을 때의 모습을 도시한 단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 상기 단결정 제조 장치(100)는 석영도가니(120), 자기장 발생장치(160), 단열재(180) 및 측면 히터(110)를 포함하고, 상술한 바와 같이, 상기 석영도가니(120) 내부에 실리콘을 수용하고, 상기 측면 히터(110)에서 열을 가함으로써, 실리콘 융액(SM)으로 용융시킨다. 이후, 상기 실리콘 융액(SM)을 단결정 잉곳(IG)으로 성장시킨다.

이때, 하부에는 하부히터(210)가 구비되게 되는데, 하부히터(210)는 석영도가니(120)의 상승과 하강과 연동하여 같이 이동하게 된다.

즉, 초크랄스키법으로 다결정 실리콘을 용융시킨 후, 실리콘 단결정으로 성장시키는 단계에서 단결정의 성장에 따라 실리콘 용융액의 레벨이 낮아지고, 이 실 리콘 용융액의 레벨 저하만큼 도가니 높이를 상승시켜 용융액의 레벨을 일정하게 유지하는데, 이때 도가니 상승으로 인해 하부쪽으로 열손실이 발생하게 된다. 종래에는 이러한 열손실을 해결하기 위하여 하부에 히터를 설치하였지만, 하부에 고정된 히터로는 단결정 실리콘 계면 주위의 열환경을 균일하게 안정하는데 한계가 있었다.

이 손실을 해결하기 위해 본 발명에서는 하부히터(210)는 석영도가니(120)의 움직임과 연동하여 같이 이동할 수 있는 이동형으로 교체하였으며, 실리콘 단결정이 성장함에 있어 이동형 하부히터(210)를 도가니(120)가 상승하는 방향으로 이동시켜 페데스탈을 통해 이루어지는 열전도와 복사에 의해 하부로 빠져나가는 열을 차단하거나 보충하여, 열환경을 균일하게 안정되도록 한다.

하부히터(210)가 승하강하는 방식은, 하부히터(210)를 지지하는 지지체를 형성하고, 지지체를 모터 등의 구동수단을 이용하여 도가니의 움직임을 감지에 따라 구동수단이 작동하여 하부히터(210)를 승하강시킬 수 있다. 이와 다른 방식으로는, 도가니(120)와 일체로 형성되어, 도가니(120)의 움직임에 따라 하부히터(210)가 승하강하도록 구성할 수도 있다.

또한, 열환경을 안정화시키기 위해 히터의 상승과 더불어, 하부히터(210)의 발열량을 조절하는 방법을 사용할 수 있다. 즉, 종래와 같이 하부히터는 이동형이 아닌 바닥에 고정된 히터를 사용하며, 도가니(120)가 상승하여 히터와의 상대적 거리가 멀어지는 경우에는, 히터의 발열량을 높여서 실리콘 단결정이 성장하는 열적 환경이 균일하도록 하는 것이다. 이러한 히터의 발열량 조작방법은 이동형 혹은 고정형 히터 모두에 응용될 수 있다.

열환경을 유지하는 히터는 다양한 방식으로 형성될 수 있으며, 저항 발열을 통하여 열 발생을 제어하는 카본 히터로 구성할 수 있다. 또한, 히터는 동일한 출력을 낼 수도 있지만, 저항 가변을 통하여 출력을 가변시킬 수 있는 카본히터로 형성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 실리콘 단결정 계면 주위의 열환경을 일정하게 형성 및 유지하여, 실리콘 단결정의 결정 품질과 인상속도를 향상시키며, 인상속도 제어를 용이하게 하는 것이다. 또한, 측면히터의 발열을 제한하여, 석영도가니로부터 용출되어 실리콘 용융액으로 확산되는 산소량을 제어하여 실리콘 단결정의 산소농도 편차를 개선하고 목표 산소농도에 도달할 수 있도록 할 수 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 측면히터가 구비된 단결정 제조 장치를 간략히 도시한 단면도이다.

도 2는 또 다른 종래의 측면히터가 구비된 단결정 제조 장치를 간략히 도시한 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 단결정 제조방치를 도시한 단면도이다.

도 4는 도 3의 장치에서 도가니가 상승했을 때의 모습을 도시한 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 측면 히터 120: 석영도가니

160: 자기장 발생장치 180: 단열부재

210: 하부 히터 IG: 단결정 잉곳

SM: 실리콘 융액

Claims (10)

1. 실리콘 단결정 제조장치에 있어서,

   실리콘 융액을 수용하며, 승하강되는 도가니;

   상기 도가니의 하부에 설치되며, 상기 도가니의 승하강에 따라 연동되어 승하강되는 하부히터;

   를 포함하여, 상기 도가니의 승하강에 무관하게 상기 실리콘 융액에 동일한 열적 환경을 제공하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 하부히터는 발열량이 조절되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 하부히터는 가변저항을 이용하여 발열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 하부히터는 카본 히터인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조장치.
5. 제 1항에 있어서,

   구동수단을 더 구비하며,

   상기 구동수단은 상기 도가니의 움직임을 감지하여 상기 하부히터를 승하강시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 도가니의 측면에 구비되어 상기 도가니에 열을 제공하는 측면 히터를 더 포함하는 실리콘 단결정 제조장치.
7. 실리콘 단결정 제조장치에 사용되는 히터에 있어서,

   상기 히터는 실리콘 융액을 수용하는 도가니의 하부에 배치되며, 발열량이 조절되어, 상기 도가니와 상기 히터의 상대적 거리가 증가하면 발열량이 증가하고, 상기 도가니와 상기 히터의 상대적 거리가 감소하면 발열량이 감소하여 상기 도가니의 움직임에 무관하게 상기 실리콘 융액에 동일한 열적 환경을 제공하는 것을 특징으로 하는 히터.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 히터는 가변저항을 이용하여 발열량을 조절하는 것을 특징으로 하는 히터.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 히터는 카본 히터인 것을 특징으로 하는 히터.
10. 제 7항에 있어서,

    상기 도가니의 측면에 구비되어 상기 도가니에 열을 제공하는 측면 히터를 더 포함하는 히터.

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