KR20100085470A - 테일 공정이 개선된 단결정 성장 방법 및 이를 위한 단결정성장장치 - Google Patents

테일 공정이 개선된 단결정 성장 방법 및 이를 위한 단결정성장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트(Melt)에 시드(Seed)를 담근 후 시드 케이블을 회전시키면서 상부로 서서히 인상하여 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법에 의한 단결정 성장방법에 있어서, 상기 단결정 잉곳의 테일(Tail) 부분을 성장시키는 테일 공정 중에 상기 석영 도가니를 상승시켜 멜트 갭(Melt Gap)을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법을 개시한다.
쵸크랄스키법, 테일 공정, 멜트 갭, 팝 아웃, 로드 셀

Description

테일 공정이 개선된 단결정 성장 방법 및 이를 위한 단결정 성장장치{Method for growing single crystal improved in tail-process and grower for the same}
본 발명은 단결정 성장 방법 및 이를 위한 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단결정 잉곳(Ingot)의 테일(Tail) 부분을 성장시키는 공정에서 단결정 인상속도(Pull speed)와 성장비율(Growth rate) 간의 차이에 의해 단결정 수율이 저하되는 문제를 개선하는 단결정 성장 방법 및 이를 위한 단결정 성장장치에 관한 것이다.
쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 반도체 잉곳 성장법에서는 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트(Melt)에 시드(Seed)를 담근 후 시드 케이블을 회전시키면서 상부로 서서히 인상함으로써 고액계면을 통해 단결정 잉곳을 성장시킨다. 도 1에는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하기 위한 일반적인 단결정 잉곳 성장장치의 주요 구성이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장장치는 멜팅(Melting) 공정 이후 내부공간에 실리콘 멜트(SM)가 담기는 석영 도가니(10)와, 석영 도가니(10)를 감싸는 외부 도가니(11)와, 외부 도가니(11)의 바깥에 배치되어 석영 도가니(10)에 복사열을 제공하는 히터(12)와, 시드 케이블(1)의 하단에서 성장되는 단결정 잉곳(C)과 석영 도가니(10) 사이에서 단결정 잉곳(C)을 에워싸도록 설치되어 실리콘 멜트(SM)로부터 상부로 방사되는 열흐름을 차단하는 열실드(13)와, 외부 도가니(11)의 하부를 지지하는 서포터(Supporter)(14)와, 성장된 단결정 잉곳을 냉각하기 위한 냉각수가 순환되는 냉각관(15)을 포함한다.
상기 단결정 잉곳장치에 의해 단결정 잉곳은 넥(Neck) -> 쇼울더(Shoulder) -> 바디(Body) -> 테일(Tail)의 순서로 성장된다.
특히, 단결정 잉곳의 테일 부분을 성장시키는 테일 공정은 전체 단결정 성장 공정시간 중 적지 않은 부분을 차지하는 중요한 공정이므로 단결정의 구조 손실(Structure loss)이나 팝 아웃(Pop out)이 발생하지 않도록 주의를 기울여야 한다. 예컨대, 직경 300㎜ 단결정 잉곳의 경우 통상적으로 테일 공정시간은 약 6.5 시간이 소요되며 전체 단결정 성장 공정시간의 약 10%를 차지한다.
일반적으로 단결정 잉곳은 도 2에 나타난 바와 같이 단결정 직경이 커질수록 테일 공정시간(일점쇄선 그래프 참조)과 테일 무게(실선 그래프 참조)가 급격히 증가하는 양상을 보이게 되고, 이로 인해 대구경 단결정 잉곳의 성장 시에는 단결정 수율이 저하되는 문제가 빈번히 발생한다.
종래의 단결정 잉곳 성장방법에서는 테일 공정이 진행되는 동안에는 석영 도가니를 정지시킨 상태에서 단결정 인상공정을 진행하였다. 그러나, 이와 같은 공정방법에 따르면 단결정 직경이 커질수록 테일 직경이 커지고 테일 길이도 길어지기 때문에 결정화되는 멜트의 양도 많아져서 테일 공정 초기(도 3의 (a))로부터 중기 (도 3의 (b)) 이후로 가면서 멜트 갭(G)이 점차 증가하게 된다.
멜트 갭(G)이 커질수록 멜트 표면이 냉각관(15)으로부터 멀어지므로 단결정의 응고를 위한 냉각구동력이 급격히 저하되어 동일 온도에서 단위시간당 단결정이 성장되는 비율(Growth rate)에 비해 단결정이 인상되는 속도(Pull speed)가 빠르기 때문에 팝 아웃 발생률이 급격히 증가하게 된다. 도 4에는 정상적인 테일 공정에서 단결정 인상속도(점선 그래프 참조)와 단결정 성장비율(일점쇄선 그래프 참조) 간의 관계가 도시되어 있으며, 도 5에는 멜트 갭(G)의 증가로 인해 냉각구동력이 저하되어 팝 아웃 현상이 발생한 상태가 도시되어 있다. 여기서, 팝 아웃 발생률을 감소시키기 위해 도 6과 같이 인상속도를 낮추어 공정을 진행할 경우에는 테일 공정시간이 과도하게 증가하게 되므로 생산성이 저하되는 문제가 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 테일 공정의 진행 시 냉각구동력이 저하되는 것을 억제하여 단결정 인상속도와 성장비율 간의 차이에 의한 팝 아웃 현상을 방지할 수 있는 단결정 성장 방법 및 이를 위한 단결정 성장장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트(Melt)에 시드(Seed)를 담근 후 시드 케이블을 회전시키면서 상부로 서서히 인상하여 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법에 의한 단결정 성장방법에 있 어서, 상기 단결정 잉곳의 테일(Tail) 부분을 성장시키는 테일 공정 중에 상기 석영 도가니를 상승시켜 멜트 갭(Melt Gap)을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 본 발명에서는 상기 테일 공정중에 단결정 잉곳의 무게변화를 측정하고, 상기 단결정 잉곳의 무게변화 프로파일에 대응하는 속도비율로 상기 석영 도가니의 상승속도를 제어할 수 있다.
상기 단결정 잉곳의 무게변화 측정을 위해서는 로드셀(Load Cell)을 적용하여 상기 시드 케이블에 걸리는 하중을 검출하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 반도체 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 감싸는 외부 도가니와, 상기 외부 도가니를 둘러싸는 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니, 외부 도가니 및 히터를 수용하는 챔버를 포함하고, 상기 반도체 멜트(Melt)에 시드(Seed)를 담근 후 시드 케이블을 회전시키면서 상부로 서서히 인상하여 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법에 적용되는 반도체 잉곳 성장장치에 있어서, 상기 단결정 잉곳의 테일(Tail) 부분을 성장시키는 테일 공정중에 상기 석영 도가니를 상승시켜 멜트 갭(Melt Gap)을 일정하게 유지하는 리프트 제어 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치가 제공된다.
상기 리프트 제어 시스템은, 상기 단결정 잉곳의 무게를 측정하는 하중 측정모듈;을 구비하고, 상기 하중 측정모듈에 의해 측정되는 무게변화 프로파일에 대응하는 속도비율로 상기 석영 도가니의 상승속도를 제어하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 하중 측정모듈에는 상기 시드 케이블에 걸리는 하중에 의해 물리적으로 변형되어 전기신호를 출력하는 로드셀(Load Cell)이 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면 테일 공정 중에 멜트 갭을 일정하게 유지함으로써 단결정의 응고를 위한 냉각구동력을 충분히 확보할 수 있다. 이러한 본 발명은 예컨대, 300㎜ 이상의 대구경 실리콘 단결정 성장공정에 적용되어 테일 공정시간의 증가없이 단결정의 구조 손실이나 팝 아웃 현상을 방지하는 효과를 제공할 수 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 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치의 주요 구성과 동작을 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치는 석영 도가니(100)와, 석영 도가니(100)를 둘러싸서 지지하는 외부 도가니(101)와, 외부 도가니(101)의 바깥에 배치되어 석영 도가니(100)를 가열하는 히터(102)와, 성장되는 단결정 잉곳(C)과 석영 도가니(100) 사이에서 단결정 잉곳(C)을 에워싸도록 설치되는 열실드(103)와, 시드 케이블(1)을 감아 인상하는 인상기구(105)와, 테일 공정 중에 멜트 갭(G)을 일정하게 유지하도록 도가니의 상승을 제어하는 리프트 제어 시스템(Lift control system)(도 8의 200 참조)을 포함한다. 비록 도면에는 미도시되었으나 상기 구성요소들은 단결정 성장장치의 돔(Dome)형 챔버 내에 수용된다.
석영 도가니(100)의 내부공간에는 잉곳 원료로서 다결정 실리콘이 적재되고, 이 다결정 실리콘은 히터(102)의 복사열에 의해 용융되어 실리콘 멜트(SM) 상으로 전환된다.
외부 도가니(101)는 석영 도가니(100)의 외주면을 둘러싸면서 긴밀히 결합되어 석영 도가니(100)를 지지한다. 외부 도가니(101)는 내열성과 도전성을 모두 갖춘 그래파이트(Graphite)나 CCM(Cabon Composite Material) 소재로 구성되는 것이 바람직하다.
히터(102)는 외부 도가니(101)의 측벽으로부터 소정 거리 이격되어 원통형으로 둘러싸도록 설치되어 석영 도가니(100)를 가열함으로써 도가니 내부에 복사열을 제공한다.
열실드(103)는 성장되는 단결정 잉곳(C)과 석영 도가니(100) 사이에 배치되 어 실리콘 멜트(SM)로부터 상부로 방사되는 복사열의 열흐름을 차단한다.
리프트 제어 시스템(200)은 하중 측정모듈(201), 리프트 제어부(202) 및 도가니 구동기구(203)를 포함한다.
하중 측정모듈(201)은 시드 케이블(1)에 걸리는 하중을 측정하도록 인상기구 내에 설치된다. 도 9에 도시된 인상기구(105)는 시드 케이블(1)을 감아 인상하기 위한 회전수단을 구비한 장치로서, 인상 동작을 위한 기본적인 구성으로는 통상의 단결정 성장장치에 구비되는 인상기구의 구성이 동일하게 채용될 수 있다.
하중 측정모듈(201)은 시드 케이블(1)에 걸리는 하중에 의해 물리적으로 변형되어 전기신호를 출력하는 로드셀(Load Cell)(106)을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 로드셀(106)은 도 10에 도시된 바와 같이 단결정 잉곳(C)의 무게에 의해 시드 케이블(1)에 걸리는 하중이 가해지는 상부부재(108)와 베이스(Base)가 되는 하부부재(107) 사이에 개재되고, 그 탄성몸체에 가해지는 압축변형에 의해 전기저항이 변화하여 변형량에 대응하는 전기신호를 출력한다. 로드셀(106)은 도 9의 (b)와 같이 시드 케이블(1)을 중심으로 일정간격으로 복수개가 배치되는 것이 바람직하다.
리프트 제어부(202)는 하중 측정모듈(201)로부터 전기신호를 전달받아 단결정의 무게변화를 검출하고 이에 기초하여 석영 도가니(100)를 상승시킴으로써 멜트 갭(G)을 일정하게 유지한다. 이를 위해, 리프트 제어부(202)는 도가니 구동기구(203)를 제어하여 하중 측정모듈(201)에 의해 측정되는 무게변화 프로파일에 대응하는 속도비율로 석영 도가니(100)의 상승속도를 제어하는 것이 바람직하다. 도 11에 도시된 바와 같이 단결정 잉곳(C)은 테일 공정 중에 소정 길이구간까지는 무게가 급격히 상승하고, 이후에 완만하게 상승하는 프로파일에 따라 무게가 변화하므로 이에 대응하여 도가니의 상승속도는 도 12에 도시된 바와 같은 수치로 제어될 수 있다.
도가니 구동기구(203)는 외부 도가니(101)의 하부를 지지하는 소정의 서포터(Supporter)(104)를 구동하여 석영 도가니(100) 및 외부 도가니(101)에 대하여 승강 구동력과 회전력을 제공하는 소정의 동력제공수단을 포함한다. 도가니 구동기구(203)는 리프트 제어부(202)에 의해 제어되어 테일 공정의 진행중에 석영 도가니(100) 및 외부 도가니(101)를 상승시키도록 동작한다.
상기와 같은 구성을 갖는 단결정 성장장치는 석영 도가니(100) 내에 수용된 실리콘 멜트(SM)에 시드(Seed)를 담근 후 시드 케이블(1)을 회전시키면서 상부로 서서히 인상하여 단결정 잉곳(C)을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법의 단결정 성장공정에 적용된다.
본 발명에 따른 단결정 성장방법에서는 단결정 잉곳(C)의 테일 부분을 성장시키는 테일 공정의 진행 시 리프트 제어 시스템(200)을 이용하여 석영 도가니(100)를 적정 속도 프로파일에 따라 h 지점까지 상승시켜 멜트 갭(G)을 일정하게 유지함으로써 단결정의 응고를 위한 냉각구동력을 확보하고, 이를 통해 인상속도를 빠르게 유지하면서 단결정 성장을 진행함으로써 팝 아웃 발생을 방지한다.
멜트 갭(G)을 일정하게 유지하기 위해, 리프트 제어 시스템(200)은 테일 공정의 진행에 따라 변화하는 잉곳의 무게를 측정하고 그 무게변화 프로파일에 따라 도가니 구동기구(203)를 제어하여 석영 도가니(100)를 상승시키는 동작을 수행한다. 이와 같은 멜트 갭 제어에 따르면 도 13과 같이 단결정 인상속도와 성장비율을 실질적으로 일치시켜 테일 공정시간의 저하없이 팝 아웃 현상을 효과적으로 억제할 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 일반적인 단결정 성장장치의 주요 구성을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 단결정 성장장치에 의해 성장되는 단결정의 테일 공정시간과 테일 무게를 추정하여 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래기술에 따른 단결정 성장방법의 테일 공정 초기(a)와 중기(b)의 멜트 갭 차이를 도시한 단면도이다.
도 4는 정상적인 테일 공정에서 단결정 인상속도와 단결정 성장비율 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 테일 공정중 멜트 갭의 증가로 인해 냉각구동력이 저하되어 팝 아웃 현상이 발생한 예를 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 5에서 팝 아웃 발생률을 감소시키기 위해 인상속도를 낮추어 테일 공정을 진행한 예를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치의 구성 및 동작을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치에 구비되는 리프트 제어 시스템의 기능적 구성을 도시한 블록도이다.
도 9는 본 발명에 따라 제공되는 로드셀의 설치예를 도시한 측면도 및 평면도이다.
도 10은 도 9의 로드셀의 개략적인 구성도이다.
도 11은 도 9의 로드셀에 의해 측정되는 단결정 잉곳의 무게변화 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 12는 도 11의 무게변화 프로파일에 대응하는 도가니 상승속도 제어 수치를 나타낸 테이블이다.
도 13은 본 발명의 적용에 따라 팝 아웃 현상이 억제된 결과를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>
1: 시드 케이블 100: 석영 도가니
101: 외부 도가니 102: 히터
103: 열실드 104: 서포터
105: 인상기구 106: 로드셀
200: 리프트 제어 시스템

Claims (6)

  1. 석영 도가니에 수용된 반도체 멜트(Melt)에 시드(Seed)를 담근 후 시드 케이블을 회전시키면서 상부로 서서히 인상하여 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법에 의한 단결정 성장방법에 있어서,
    상기 단결정 잉곳의 테일(Tail) 부분을 성장시키는 테일 공정 중에 상기 석영 도가니를 상승시켜 멜트 갭(Melt Gap)을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 테일 공정중에 단결정 잉곳의 무게변화를 측정하고,
    상기 단결정 잉곳의 무게변화 프로파일에 대응하는 속도비율로 상기 석영 도가니의 상승속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
  3. 제2항에 있어서,
    로드셀(Load Cell)을 적용하여 상기 시드 케이블에 걸리는 하중을 검출하여 상기 단결정 잉곳의 무게변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
  4. 반도체 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 감싸는 외부 도가니와, 상기 외부 도가니를 둘러싸는 히 터(Heater)와, 상기 석영 도가니, 외부 도가니 및 히터를 수용하는 챔버를 포함하고, 상기 반도체 멜트(Melt)에 시드(Seed)를 담근 후 시드 케이블을 회전시키면서 상부로 서서히 인상하여 단결정 잉곳을 성장시키는 쵸크랄스키(Cz)법에 적용되는 반도체 잉곳 성장장치에 있어서,
    상기 단결정 잉곳의 테일(Tail) 부분을 성장시키는 테일 공정중에 상기 석영 도가니를 상승시켜 멜트 갭(Melt Gap)을 일정하게 유지하는 리프트 제어 시스템;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 리프트 제어 시스템은,
    상기 단결정 잉곳의 무게를 측정하는 하중 측정모듈;을 구비하고,
    상기 하중 측정모듈에 의해 측정되는 무게변화 프로파일에 대응하는 속도비율로 상기 석영 도가니의 상승속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하중 측정모듈에는 상기 시드 케이블에 걸리는 하중에 의해 물리적으로 변형되어 전기신호를 출력하는 로드셀(Load Cell)이 구비된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
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