KR20110019928A

KR20110019928A - 실리콘 단결정 잉곳 제조장치

Info

Publication number: KR20110019928A
Application number: KR1020090077545A
Authority: KR
Inventors: 문지훈; 정승; 최일수; 김도연; 김봉우; 조현정; 이상훈; 이재환
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-03-02
Also published as: KR101129112B1

Abstract

히터 파워를 낮춰서 도가니의 열화 및 외적변형을 방지하고 단결정 수율을 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치가 개시된다. 실리콘 단결정 잉곳 제조장치는, 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 공간을 제공하는 챔버, 상기 챔버 내부에 구비되어 실리콘 융액이 수용되는 도가니, 상기 도가니 외측에 구비되어 상기 도가니를 보호하는 제2 도가니, 상기 제2 도가니 외측 둘레를 따라 구비된 히터 및 상기 챔버 내부에서 상기 도가니의 측부 및 상부에 구비되어 단열시키는 상부 단열부를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제2 도가니 및 상기 상부 단열부 중 적어도 어느 하나가 CCM(carbon-carbon composite material) 재질로 형성될 수 있다.

단결정 잉곳, 초크랄스키(Czochralski, CZ), CCM(carbon-carbon composite material)

Description

실리콘 단결정 잉곳 제조장치{MANUFACTURING APPARATUS FOR SILICON CRYSTAL INGOT}

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치에서 히터 파워를 낮추고 도가니의 열화를 방지하여 단결정 수율을 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 제공하기 위한 것이다.

일반적으로 반도체 디바이스 제조용 기판으로 이용되는 실리콘 단결정 잉곳(ingot)은 초크랄스키법(Czochralski method, Cz)으로 제조된다. 초크랄스키법은 석영도가니에 실리콘을 넣고 도가니를 가열하여 실리콘을 용융시키고, 종자 단결정(seed crystal)을 실리콘 융액에 접촉시킨 상태에서 회전하면서 서서히 끌어올리면서 종자 단결정 표면에서 융액을 고체로 응고시킴에 따라 소정의 지름을 갖는 잉곳(ingot)을 성장시키는 방법이다.

초크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치는 실리콘의 용융을 위한 챔버와 실리콘 잉곳을 인상하면서 성장시키는 인상로로 이루어지고, 챔버 내부에는 실리콘을 용융시키고 융액을 수용하는 도가니, 히터, 단열재 등의 구조물이 구비된다. 여기서, 챔버 내에 구비되는 구조물들을 핫존 파트(Hot zone)이라 하는 데, 핫존 파트의 대부분은 흑연(graphite)으로 제조되며 구성성분은 특성 및 제조사에 따라 다르게 나타난다.

한편, 도가니는 실리콘 융액이 수용되는 부분은 실리콘 융액과 직접 접촉되므로 석영 재질로 형성되고 석영 도가니의 외측에 석영 도가니의 보호를 위한 흑연 도가니가 구비된다. 여기서, 실리콘을 용융시키기 위해서는 도가니 및 챔버 내부의 온도가 상당한 고온으로 가열되는데, 고온에서 석영 도가니를 장시간 사용하는 경우 석영 도가니가 실리콘 융액과 반응하면서 크리스토발라이트(cristobalite)라는 결정질이 발생한다. 이와 같이 발생한 크리스토발라이트가 석영 도가니 표면에서 박리되어 실리콘 융액에 용해되지 않고 실리콘 융액 표면을 따라 유동하게 되는데 실리콘 잉곳에 닿으면 잉곳 성장을 방해하므로 단결정 수율의 저하 원인이 된다.

그런데, 기존에는 다결정 실리콘을 빠르게 용해하기 위해서는 히터 파워를 높여서 고온에서 가열하여야 하는데 이 경우 공정 시간은 단축시킬 수 있으나 석영 도가니의 열화는 가속되어 수명이 단축된다. 또한, 기존의 열량이 균일한 히터를 사용하는 경우 히터 파워가 석영 도가니와 실리콘 융액에 고르게 전달될 수 있는 장점이 있는데 반해 실리콘 융액 온도의 부분 제어가 어렵고 원하는 실리콘 융액의 온도 제어가 어렵다는 단점이 있다.

한편, 이러한 문제점을 보완하기 위해서 석영 도가니 높이의 80~120%에 대해 국부 발열하는 히터를 사용하여 실리콘 융액 온도의 부분 제어를 가능하게 할 수 있다. 그러나 이 경우 석영 도가니의 특정 부위에 열이 집중됨에 따라 석영 도가 니의 외형 변형 및 열적 내구성 문제가 더욱 심하게 나타나는 문제점이 있다.

이러한 문제점으로 인해 기존의 열량이 균일한 히터를 사용하되, 석영 도가니의 열화를 방지하기 위해서 히터 파워를 낮추는 경우에는 공정 시간이 길어지는 문제점이 있다.

특히, 이러한 문제점은 대구경 실리콘 단결정을 성장시키기 위해서는 고온에서 장시간 실리콘을 성장시키게 되므로 크리스토발라이트의 발생량이 훨씬 많으며, 용해 공정 단계와 바디 공정 단계에서 히터 파워의 증가가 커서 석영 도가니의 열화가 심화되는 문제점이 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예들은 히터 파워를 낮출 수 있는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 실시예들은 석영 도가니의 열화를 방지하고 단결정 수율을 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치를 제공하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예들에 따르면, 석영 도가니의 열화를 방지하고 히터 파워를 낮출 수 있는 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치가 개시된다. 실리콘 단결정 잉곳 제조장치는, 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 공간을 제공하는 챔버, 상기 챔버 내부에 구비되어 실리콘 융액이 수용되는 도가니, 상기 도가니 외측에 구비되어 상기 도가니를 보호하는 제2 도가니, 상기 제2 도가니 외측 둘레를 따라 구비된 히터 및 상기 챔버 내부에서 상기 도가니의 측부 및 상부에 구비되어 단열시키는 상부 단열부를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 제2 도가니 및 상기 상부 단열부 중 적어도 어느 하나가 CCM(carbon-carbon composite material) 재질로 형성될 수 있다.

예를 들어, 상기 도가니 또는 상기 상부 단열부는 카본 파이버의 방향이 일 방향으로 배치되되, 상기 카본 파이버의 배치 방향이 열의 흐름에 대해서 교차하도록 형성된 CCM 재질로 형성될 수 있다. 그리고 상기 히터는 상기 제2 도가니 외측 에서 10 내지 25㎜ 이격되어 구비될 수 있다.

여기서, 상기 상부 단열부는 상기 제2 도가니와 상기 챔버 사이의 상부에 구비된 제1 단열재와 상기 제2 도가니의 측부 둘레를 따라 구비된 제2 단열재로 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 상부 단열부는 상기 제1 단열재 또는 상기 제2 단열재의 일부 또는 전부가 CCM 재질로 형성될 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예들에 따르면, 실리콘 단결정 잉곳 제조장치는, 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 공간을 제공하는 챔버, 상기 챔버 내부에 구비되어 실리콘 융액이 수용되고 석영 재질로 형성된 석영 도가니, 상기 석영 도가니 외측에 결합 구비되며 CCM 재질로 형성된 CCM 도가니, 상기 CCM 도가니 외측 주변에 구비된 히터, 상기 챔버 내부에서 상기 CCM 도가니의 측부 및 상부에 구비되어 상기 히터에서 방출되는 열을 단열시키고 CCM 재질로 형성된 상부 단열부를 포함하여 구성될 수 있다.

예를 들어, 상기 상부 단열부는 상기 CCM 도가니와 상기 챔버 사이의 상부에 구비된 제1 단열재 및 상기 CCM 도가니의 측부 둘레를 따라 구비된 제2 단열재로 이루어지고, 상기 제1 단열재 또는 제2 단열재의 일부 또는 전부가 CCM 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 히터는 상기 CCM 도가니의 외측에서 10 내지 25㎜ 이격되어 구비될 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상부 단열부 또는 도가니를 CCM 재질로 형성함으로써 히터 파워를 낮출 수 있고 도가니의 열화를 방지 할 수 있다.

또한, 도가니와 상부 단열부를 열전도율이 낮은 CCM 재질로 형성하므로 히터 파워에 의해 도가니의 외형 변형(bending, sagging)을 방지할 수 있다.

또한, CCM 재질로 제작 시 탄소섬유의 방향을 일 방향으로 제어하여 제작함으로써 열의 흐름을 지연시키고 히터 파워를 효과적으로 절감할 수 있다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.

이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조장치(10)에 대해 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳 제조장치(10)는 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 위한 공간을 제공하는 챔버(11)와, 챔버(11) 내부에 구비되어 실리콘의 용융 및 단결정의 성장을 위한 도가니(12)와 히터(13), 그리고 챔버(11) 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하고 챔버(11) 및 주변 구조물을 보호하기 위한 열실드(15)와 단열부재(14) 및 도가니(12)의 측부 및 상부에 구비되어 히터(13)에서 방출된 열을 단열시키는 상부 단열부(16)로 이루어진다.

도가니(12)는 다결정 실리콘이 수용되어 히터(13)에서 공급되는 열에 의해 용융되며, 단결정 잉곳의 성장을 위해 용융된 실리콘 융액(101)이 수용된다. 여기서, 도가니(12)는 실리콘 융액(101)과 직접 접촉되는 내측 도가니는 석영 재질로 형성되고, 석영 도가니(121)의 외측에는 고온에서 석영 도가니(121)의 형태가 변형되는 것을 방지하기 위한 제2 도가니(122)가 구비된 이중 구조로 형성된다.

도가니(12) 하부에는 도가니(12)를 승강 및 회전시키기 위한 도가니 지지축(123)이 구비된다. 도가니 지지축(123)은 단결정 잉곳의 성장 시 도가니(12)에 수용된 실리콘 융액(101)의 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 도가니(12)를 회전 및 상승시킨다.

히터(13)는 도가니(12) 외측에서 소정 간격 이격되어 구비되며 도가니(12) 전체 표면에 대해 균일하게 가열할 수 있도록 도가니(12) 둘레를 둘러쌀 수 있는 원통 형태를 갖는다. 또한, 히터(13)는 도가니(12)와 단열부재(14) 사이에 구비되되 제2 도가니(122)와 단열부재(14)에서 각각 소정 간격 이격되어 구비된다.

단열부재(14)는 챔버(11) 내측면을 따라 구비되어 히터(13)에서 발산되는 열이 챔버(11) 외부로 방출되는 것을 방지한다.

열실드(15)는 도가니(12) 상부에 구비되어 도가니(12) 내부의 실리콘 융액(101)에서 방출되는 열이 챔버(11)의 상부로 방출되는 것을 방지하여 도가니(12) 내부 온도를 균일하게 유지할 수 있다.

한편, 히터(13)의 파워가 큰 경우에는 도가니(12)의 열화 현상이 발생하므로 히터(13)의 파워를 낮추어야 하는데, 히터(13)의 파워가 낮은 경우에는 실리콘을 용융시키는데 걸리는 시간이 증가할 수 있다. 이에 본 실시예에서는 열전도율이 낮은 단열재를 이용하여 히터(13)에서 발생된 열의 흐름을 지연시킴으로써 열을 도가니(12)에 집중시켜서 낮은 히터(13) 파워로 실리콘 용융 시간이 증가하는 것을 억제하고, 더불어 석영 도가니(121)의 열화를 억제할 수 있다.

여기서, 히터(13)는 도가니(12)의 측면까지 가열할 수 있도록 도가니(12)의 높이 방향을 따라 소정 높이 측부까지 구비되며, 히터(13)에서 방출되는 열의 흐름을 살펴보면 도가니(12) 및 도가니(12) 하부에서 열실드(15)와 단열부재(14) 사이를 통해 상부로 흐르게 된다.

본 실시예에서는 상기와 같은 챔버(11) 내부에서의 히터(13)에서 방출된 열의 흐름을 효과적으로 지연시킬 수 있도록 열실드(15)와 단열부재(14) 사이에 구비된 상부 단열부(16)를 열전도율이 낮은 CCM(carbon-carbon composite material) 재질로 형성할 수 있다. 또한, 제2 도가니(122) 역시 CCM 재질로 형성할 수 있다. 여기서, 상부 단열부(16)는 히터(13)에서 방출된 열이 챔버(11) 상부로 방출되는 열의 패스(path) 상에 구비되어 열의 흐름을 지연시킬 수 있도록 구비되며, 도 1 또는 도 3에 도시한 바와 같이, 도가니(12)와 챔버(11) 사이 공간의 상부, 즉, 열실드(15)의 둘레 및 단열부재(14) 상부에 해당하는 부분에 구비된 제1 단열재(161)와 히터(13) 상부 및 도가니(12) 측부에 구비된 제2 단열재(162)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상부 단열부(16)의 형상과 위치는 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 히터(13)에서 방출되는 열 흐름을 차단할 수 있는 방향에 설치될 수 있도록 실질적으로 다양하게 변경될 수 있다.

참고적으로, CCM 재질은 열전도율이 2.8W/mK 정도로 낮아서 히터(13)에서 방 출되는 열의 흐름을 지연시킬 수 있고, 석영 도가니(121)의 열화를 억제할 수 있다.

특히, 도 2에 도시한 바와 같이 열의 흐름을 보다 효과적으로 지연시킬 수 있도록 카본 파이버(carbon fiber)를 일 방향으로 배치되도록 형성하되, 카본 파이버의 배치 방향이 열의 흐름에 대해서 방해할 수 있는 방향, 예를 들어, 열 흐름 방향과 소정 각도로 교차하도록 배치되며, 바람직하게는 열 흐름과 대략적으로 수직 방향으로 교차하도록 형성할 수 있다. 여기서, 일반적으로 흑연 재질에서는 열이 일직선으로 흐르는데 반해, 카본 파이버를 열의 흐름 방향에 대해 수직 방향으로 배치함으로써 열이 카본 파이버에 의해 일직선으로 흐르지 못하고 카본 파이버를 피해 지그재그로 흐르게 되어 열 흐름에 대한 저항을 증가시킴으로써 열을 보다 효과적으로 지연시킬 수 있다. 그리고 이와 같이 카본 파이버의 방향이 제어된 CCM 재질로 상부 단열부(16)와 제2 도가니(122)를 형성함으로써 석영 도가니(121)의 열화를 효과적으로 억제할 수 있다.

도 3은 상부 단열부(16)와 제2 도가니(122)를 CCM 재질로 형성한 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조장치(10)의 히터 파워와 온도 분포를 보여주는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 실시예는 히터 파워가 약 90.3kW로 비교적 낮아서 석영 도가니(121)의 열화를 방지할 수 있다. 그리고 실시예의 온도 분포를 살펴보면, 열이 히터(13) 주변 및 도가니(12) 쪽으로 집중되어 있으며 단열부재(14) 및 상부 단열부(16) 외측의 온도가 낮은 것으로부터 단열부재(14) 및 상부 단열부(16) 외측으로의 열 방출을 효과적으로 억제할 수 있음을 알 수 있다.

도 4 내지 도 7은 상술한 실시예에 대한 비교예들로써, 제2 도가니와 상부 단열부 중 일부 또는 전부를 흑연으로 형성하였을 때의 히터 파워 및 온도 분포를 보여주는 그래프들이다. 이하에서 설명하는 비교예들은 제2 도가니가 흑연으로 형성되고, 상부 단열부의 일부 또는 전부가 흑연으로 형성되었다는 점을 제외하고는 상술한 실시예와 실질적으로 동일하며, 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 명칭을 사용하고 중복되는 설명은 생략한다. 다만, 각 실시예에서 '도가니(22)'의 도면부호는 22를 사용하고 석영 도가니는 221, 흑연 재질의 제2 도가니는 222를 사용하며, 상부 단열부는 각 비교예에서 하나씩 증가하는 도면부호를 사용하였다.

우선, 도 4에 도시한 비교예 1은 도가니(22)가 석영 도가니(221)와 흑연 재질의 제2 도가니(222)로 이루어지고, 상부 단열부(26)는 제1 단열재(261)와 제2 단열재(262)가 모두 흑연(graphite)로 이루어진다. 여기서, 제2 도가니(222)와 상부 단열부(26)는 흑연 입자를 가압 성형하여 제작하였다.

참고적으로, 흑연의 열전도율은 104W/mK로 CCM 재질의 2.8W/mK에 비해 매우 높다. 도 4를 참조하면, 비교예 1의 경우, 히터 파워는 107.1kW로 실시예에 비해 높아서 공정 시간이 길어질수록 석영 도가니(221)의 열화가 빨라짐을 알 수 있다. 그리고 비교예 1의 온도 분포를 살펴보면, 상부 단열부(26)와 단열부재(14) 외측까지 온도 분포가 높은 것을 알 수 있으며, 이는 비교예 1의 히터 파워가 높으며 더불어 흑연의 열전도율이 CCM 재질에 비해 높아서 상부 단열부(26)를 통해 열이 빠르게 빠져나가기 쉽다는 것을 알 수 있다.

그리고 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 제2 도가니(222)가 흑연 재질로 형성되므로 석영 도가니(221)의 열화 및 그로 인한 석영 도가니(221)의 외형 변형을 방지하기 위해서는 소정 두께로 형성된다. 이에 반해, 실시예에 따르면 CCM 재질의 도가니(122)는 흑연 재질의 도가니(222)에 비해 얇은 두께로 제작된다. 또한, 흑연 재질의 제2 도가니(222)에서 히터(13)까지의 거리(gap)는 대략 18㎜로 형성되는데 반해, 실시예는 열전전도가 낮은 CCM 재질로 형성되므로 제2 도가니(122)에서 히터(13)까지의 거리(gap) 10㎜로 비교예 1에 비해 짧게 형성된다. 즉, 실시예에 따르면 도가니(12)의 크기 및 도가니(12)에서 히터(13) 사이의 거리를 줄일 수 있으므로 챔버(11) 및 실리콘 단결정 잉곳 제조장치(10)의 크기를 줄일 수 있다.

여기서, CCM 재질은 흑연에 비해 비용이 고가이므로 비용적인 면에서도 CCM 도가니(122)의 두께는 비교예 1에 따른 흑연 도가니(222)보다 얇게 제작될 수 있다. 또한, CCM 재질의 열전도도가 낮으므로 히터 파워를 감소시키되 열손실이 너무 커지는 것을 방지하기 위해서도 제2 도가니(122)를 비교적 얇은 두께로 형성할 수 있다. 즉, CCM 도가니(122)의 두께는 석영 도가니(121)의 외형 변형을 방지할 수 있으면서 히터 파워에 의한 석영 도가니(121)의 열화를 방지할 수 있는 두께로 형성된다. 여기서, 제2 도가니(122)는 석영 도가니(121)의 열화를 방지하고 단열을 위해서 히터(13)로부터 10 내지 25㎜ 거리 이내에 설치될 수 있다.

도 5에 도시한 비교예 2는 석영 도가니(221)와 흑연 재질의 제2 도가니(222)로 이루어진 도가니(22) 및 다른 구성요소들은 상술한 비교예 1과 실질적으로 동일하며, 다만, 제1 단열재(271)의 형상 및 재질이 실시예 및 비교예 1과 상이하다. 여기서, 제1 단열재(271)는 CCM 재질로 형성되며 단열부재(14) 상부를 모두 덮지 않고 일부만 덮는 형상을 가질 수 있다.

도 5를 참조하면, 비교예 2의 경우 히터 파워는 99.9kW로 비교예 1에 비해서는 낮지만, 실시예에 비해서는 높다. 또한, 비교예 2의 온도 분포 역시, 실시예에 비해 상부 단열부(27)와 단열부재(14) 외측까지 온도 분포가 높은 것을 알 수 있다. 이는 비교예 2의 경우 히터(13) 상부에 구비된 제2 단열재(272)가 열전도율이 높은 흑연 재질로 형성되므로 제2 단열재(272)를 통해서 열이 빠르게 빠져나가기 쉬우며, 제1 단열재(271)가 단열부재(14)의 상부를 완전히 덮지 않으므로 제1 단열재(271)이 설치되지 않은 부분을 통해서 열이 빠르게 빠져나간다는 것을 알 수 있다.

다음으로, 도 6에 도시한 비교예 3은 제1 단열재(281)의 형상은 실시예 및 비교예 1과 동일하며 CCM 재질로 형성되고, 제2 단열재(282)는 흑연 재질로 형성된다.

도 6을 참조하면, 비교예 3은 히터 파워가 99.49kW이고, 온도 분포는 비교예 2에 비해 상부 단열부(28)의 온도가 낮은 것을 알 수 있다.

도 7에 도시한 비교예 4는 제1 단열재(291)와 제2 단열재(292) 모두 CCM 재질로 형성하였다.

도 7을 참조하면, 비교예 4는 히터 파워가 94.43kW로 비교예 3보다 낮은 것을 알 수 있으며, 온도 분포 역시 비교예 3에 비해서도 상부 단열부(29)의 온도가 낮은 것을 알 수 있다.

상술한 바와 같이, 도 3 내지 도 7을 통해 알 수 있는 바와 같이, 상부 단열부와 제2 도가니를 모두 CCM 재질로 형성하는 경우 가장 히터 파워가 낮으며 온도 분포 역시 히터(13)의 상부와 외측, 즉, 챔버(11) 쪽으로의 열이 가장 느리게 빠져나가는 것을 알 수 있다. 그리고 상부 단열부와 제2 도가니 중 일부의 재질을 CCM 재질로 형성하더라도 흑연 재질로 형성하는 경우에 비해 히터 파워를 낮출 수 있으며 열이 외부로 빠르게 빠져나가는 것을 효과적으로 억제할 수 있음을 알 수 있다.

한편, 실리콘을 용융시키기 위해서는 도가니(12)가 고온으로 가열되는데, 소정 온도 이상의 고온에서 장시간 도가니(12)를 사용하는 경우에는 석영 도가니(121)가 열화되면서 내측 표면에 크리스토발라이트(cristobalite) 결정질이 발생할 수 있다. 크리스토발라이트는 실리콘 융액(101)에 용해되지 않으므로 발생된 크리스토발라이트가 석영 도가니(121) 표면에서 박리되어 실리콘 융액(101)을 따라 유동하면서 실리콘 잉곳에 닿으면 잉곳의 성장을 방해하여 단결정 수율이 저하된다.

도 8에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 제2 도가니(122)와 상부 단열부(16)를 열전도율이 낮은 CCM 재질로 형성함으로써 석영 도가니(121)의 열화를 방지할 수 있으며, 고온으로 인해 석연 도가니(121) 내측면에 크리스토발라이트의 발생 및 박리 현상 발생을 억제할 수 있음을 알 수 있다.

이에 반해, 도 9에 도시한 바와 같이, 비교예 1과 같이 제2 도가니(222)와 상부 단열부(26)가 모두 흑연으로 형성된 경우, 흑연의 열전도율이 커서 석영 도가 니(221)가 열화되면서 내표면의 화학적인 변형으로 인해 크리스토발라이트가 발생하고 박리됨을 알 수 있다. 또한, 제2 도가니(222)를 흑연 재질로 형성하는 경우, 석영 도가니(221)의 외형 변형(bending 또는 sagging)이 발생하여 공정에 어려움이 있었다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳 제조장치를 설명하기 위한 단면도;

도 2는 도 1의 단결정 잉곳 제조장치에서 CCM 재질의 특성을 설명하기 위한 모식도;

도 3 내지 도 7은 본 발명의 실시예 및 비교예들에 따른 단결정 잉곳 제조장치의 효과를 설명하기 위한 그래프들로써, 상부 단열부의 각 부분을 일부 또는 전부 CCM을 사용했을 때 각각의 경우에 대한 히터 파워 및 온도 분포를 도시한 그래프들;

도 8은 실시예에 따른 도가니 내부 표면의 변화를 보여주는 사진들;

도 9는 비교예에 따른 도가니 내부 표면의 변화를 보여주는 사진들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 단결정 잉곳 제조장치 11: 챔버

12, 22: 도가니 13: 히터

14: 단열부재 15: 열실드(shield)

16, 26: 상부 단열부 101: 실리콘 융액

121, 221: 석영 도가니 122: 제2 도가니

123: 도가니 지지축 161, 162: CCM 단열재

222: 흑연 도가니 261, 262: 흑연 단열재

Claims

쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치에 있어서,

실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 공간을 제공하는 챔버;

상기 챔버 내부에 구비되어 실리콘 융액이 수용되는 도가니;

상기 도가니 외측에 구비되어 상기 도가니를 보호하는 제2 도가니;

상기 제2 도가니 외측 둘레를 따라 구비된 히터; 및

상기 챔버 내부에서 상기 도가니의 측부 및 상부에 구비되어 단열시키는 상부 단열부;

를 포함하고, 상기 제2 도가니 및 상기 상부 단열부 중 적어도 어느 하나가 CCM(carbon-carbon composite material) 재질로 형성된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 도가니 또는 상기 상부 단열부는 카본 파이버의 방향이 일 방향으로 배치되되, 상기 카본 파이버의 배치 방향이 열의 흐름에 대해서 교차하도록 형성된 CCM 재질로 형성된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제2항에 있어서,

상기 히터는 상기 제2 도가니 외측에서 10 내지 25㎜ 이격되어 구비된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제1항에 있어서,

상기 상부 단열부는 상기 제2 도가니와 상기 챔버 사이의 상부에 구비된 제1 단열재와 상기 제2 도가니의 측부 둘레를 따라 구비된 제2 단열재로 이루어진 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제4항에 있어서,

상기 상부 단열부는 상기 제1 단열재 또는 상기 제2 단열재의 일부 또는 전부가 CCM 재질로 형성된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 공간을 제공하는 챔버;

상기 챔버 내부에 구비되어 실리콘 융액이 수용되고 석영 재질로 형성된 석영 도가니;

상기 석영 도가니 외측에 결합 구비되며 CCM 재질로 형성된 CCM 도가니;

상기 CCM 도가니 외측 주변에 구비된 히터; 및

상기 챔버 내부에서 상기 CCM 도가니의 측부 및 상부에 구비되어 상기 히터에서 방출되는 열을 단열시키고 CCM 재질로 형성된 상부 단열부;

를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제6항에 있어서,

상기 상부 단열부는 상기 CCM 도가니와 상기 챔버 사이의 상부에 구비된 제1 단열재 및 상기 CCM 도가니의 측부 둘레를 따라 구비된 제2 단열재로 이루어지고,

상기 제1 단열재 또는 제2 단열재의 일부 또는 전부가 CCM 재질로 형성된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
제6항에 있어서,

상기 히터는 상기 CCM 도가니의 외측에서 10 내지 25㎜ 이격되어 구비된 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.