KR20110024866A

KR20110024866A - 석영 도가니의 열화 억제구조를 구비한 단결정 성장장치 및 단결정 성장장치용 시드 척 구조

Info

Publication number: KR20110024866A
Application number: KR1020090083036A
Authority: KR
Inventors: 이상훈; 최일수; 오현정; 정승; 문지훈; 김도연
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2009-09-03
Filing date: 2009-09-03
Publication date: 2011-03-09

Abstract

본 발명은 실리콘 멜트가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터와, 인상 케이블에 연결되어 단결정 시드를 척킹하는 시드 척과, 상기 석영 도가니, 히터 및 시드 척이 수용되는 챔버를 포함하고, 상기 시드 척의 몸체 일부 또는 상기 시드 척의 상방에 열차단판이 설치된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치를 개시한다.

단결정 성장, 쵸크랄스키법, 석영 도가니, 크리스토발라이트, 시드 척

Description

석영 도가니의 열화 억제구조를 구비한 단결정 성장장치 및 단결정 성장장치용 시드 척 구조{Single crystal grower having structure for reducing quartz degradation and seed chuck structure thereof}

본 발명은 쵸크랄스키(Cz) 공정에 사용되는 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 특히 고온의 히터(heater) 열에 의해 석영 도가니가 열화되는 것을 방지하는 구조를 가진 단결정 성장장치와 그에 구비된 시드척(seed chuck)에 관한 것이다.

쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정 성장공정에서는 석영 도가니에 담긴 다결정 실리콘을 녹여서 실리콘 멜트(melt)를 형성하고, 실리콘 멜트에 단결정 시드를 담근 후 인상 케이블을 회전시키면서 상부로 서서히 인상함으로써 고액계면을 통해 단결정 잉곳(ingot)을 성장시킨다.

이러한 단결정 성장 공정은 상당한 고온에서 이루어지므로 장시간 공정이 진행될 경우 석영 도가니가 식각되거나 열화되어 단결정 수율을 저하시키는 문제가 발생하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 석영 도가니는 고온에서 장시간 사용시 내부면(C)의 실리카(SiO₂)가 실리콘 멜트(SM)와 반응하여 크리스토발라이트(Cristobalite)(1) 로 상전이를 일으키게 된다. 결정질인 크리스토발라이트(1)는 실리콘 융액으로 유입된 후 실리콘 융액 내에서 부유하다가 실리콘 단결정이 형성되는 고액계면에 침투하여 실리콘 다결정화(Poly-Crystallization)를 유발함으로써 단결정 수율을 저하시킨다.

이러한 크리스토발라이트는 석영 도가니가 고온에서 장시간 사용될 경우 현저히 많이 발생하므로 크리스토발라이트의 발생을 억제하기 위해서는 단결정 성장공정에 사용되는 히터의 파워(power)를 가능한 한 낮추는 방안이 강구되어야 한다.

아래의 표 1에 나타난 바와 같이, 히터의 파워는 석영 도가니에 담긴 다결정 실리콘을 고온에서 융해시키는 멜팅 공정과 결정 성장 초기의 디핑 공정에서 다른 공정에 비해 상대적으로 높게 설정된다. 또한, 성장시키고자 하는 잉곳의 직경이 커질수록 결정 성장을 위한 공간이 더 많이 필요하여 열손실이 많이 발생하므로 요구되는 히터의 파워가 보다 증가하게 된다.

표 1을 참조하면, 450㎜ 잉곳 공정에 소요되는 히터의 파워는 300㎜ 잉곳 공정에 비해 10㎾ 이상 높음을 알 수 있다. 이에 따라, 450㎜ 잉곳 공정에 사용된 석영 도가니의 표면(도 2의 (a) 참조)에는 300㎜ 잉곳 공정에 사용된 석영 도가니의 표면(도 2의 (b) 참조)에 비해 현저히 많은 크리스토발라이트가 발생하게 된다.

한편, 크리스토발라이트의 발생을 억제하기 위해 단순히 히터의 파워만을 낮출 경우에는 단결정을 성장시키기에 충분한 복사열을 석영 도가니 내부로 제공할 수 없는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 인상되는 단결정의 상방으로 열이 유출되는 것을 차단하는 구조를 통해 히터의 파워를 가능한 한 낮게 설정함으로써 석영 도가니의 열화를 방지할 수 있는 단결정 성장장치와 그에 구비된 시드 척 구조를 제공하는 데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 인상되는 단결정의 상방에 열차단판이 설치된 구조를 가진 단결정 성장장치를 개시한다.

즉, 본 발명은 실리콘 멜트가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터와, 인상 케이블에 연결되어 단결정 시드를 척킹하는 시드 척과, 상기 석영 도가니, 히터 및 시드 척이 수용되는 챔버를 포함하고, 상기 실리콘 멜트에 시드를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상기 인상 케이블을 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 수행하는 단결정 성장장치에 있어서, 상기 시드 척의 몸체 일부 또는 상기 시드 척의 상방에 열차단판이 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 열차단판은 기체의 흐름을 위한 다수의 통공이 형성된 원반 형태로 구 성될 수 있다.

상기 열차단판의 상부는 원뿔 형상으로 구성될 수 있다.

상기 챔버 내부에는 성장된 단결정을 냉각시키기 위한 냉각관이 설치되고, 상기 열차단판의 직경은, 상기 냉각관의 내경보다는 작고 상기 단결정의 외경보다는 큰 것이 바람직하다.

상기 열차단판은 그래파이트(Graphite) 또는 CCM(Cabon Composite Material)으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 상단에 인상 케이블이 연결되고, 하부에는 단결정의 소스가 되는 시드가 결합되는 단결정 성장장치용 시드 척 구조에 있어서, 시드 척 몸체의 종축에 대하여 수직한 방향으로 연장된 열차단면을 구비한 열차단판이 상기 시드 척 몸체에 설치된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 시드 척 구조가 제공된다.

본 발명에 따르면 인상 공정중에 단결정의 상방으로 유출되는 열을 차단함으로써 단열효과를 얻을 수 있으므로 히터의 파워를 종래에 비해 낮게 설정할 수 있다. 따라서, 석영 도가니에 가해지는 복사열의 온도를 낮출 수 있으므로 크리스토발라이트의 발생을 억제하여 단결정 수율을 향상시킬 수 있다.

특히, 본 발명에 의하면 시드 척에 열차단판이 부착된 구조가 제공되므로 단결정의 인상을 진행하면서 지속적으로 열의 유출을 차단할 수 있는 이점이 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 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치의 구성도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치는 실리콘 멜트(SM)가 담기는 석영 도가니(100)와, 석영 도가니(100)의 상부에 승강 가능하게 설치된 인상 케이블(108)과, 인상 케이블(108)의 하단에 장착되어 단결정 시드를 척킹(chucking) 하는 시드 척(106)과, 석영 도가니(100)를 둘러싸서 보호하는 도가니 지지대(101)와, 도가니 지지대(101)의 바깥에 배치되어 석영 도가니(100)에 복사열을 제공하는 히터(102)와, 히터(102)를 둘러싸도록 설치되어 히터(102)로부터 방출되는 복사열이 외부로 소실되는 것을 방지하는 단열재(103)와, 단열재(103)를 수용하는 메인 챔버(104)와, 성장된 단결정을 냉각하기 위한 냉각수가 순환되는 냉각관(105)을 포함한다. 이러한 구성요소들은 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 실리콘 단결정 성장장치의 기본적 인 구성요소이므로, 각 구성요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치에 있어서 시드 척(106)의 상부에는 열차단판(107)이 구비된다. 열차단판(107)은 단결정의 인상중에 단결정의 상방으로 불필요하게 유출되는 열을 차단함으로써 실리콘 멜트에 대하여 단열효과를 제공한다. 이에 따라, 히터(102)의 파워를 어느 정도 수준으로 낮추더라도 단결정 성장에 필요한 열을 충분히 확보할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이 열차단판(107)은 시드 척(106) 몸체의 종축에 대하여 수직한 방향, 즉 지면에 대하여 수평하게 연장된 열차단면을 구비한 실질적인 원반 형태를 갖는다. 인상 공정의 진행시 열차단판(107)은 시드 척(106)과 일체로 냉각관(105)을 통과하여 인상되므로 열차단판(107)의 직경은 냉각관(105)의 내경보다는 작아야 하며, 단열효과를 높이기 위해 단결정의 외경보다는 큰 것이 바람직하다. 바람직하게, 열차단판(107)의 직경은 150~800㎜로 설계될 수 있다.

열차단판(107)은 단열특성이 우수한 그래파이트(Graphite)나 CCM(Cabon Composite Material) 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.

열차단면에는 메인 챔버(104) 상부의 성장 챔버(미도시)로부터 공급되는 기체의 흐름을 원활히 하여 산화를 방지하도록 다수의 통공(107a)이 형성된다. 대안으로, 도 5에 도시된 바와 같이 열차단판(107')은 상부가 뾰족한 원뿔(cone) 형상으로 구성되는 것도 가능하다.

본 발명에 따라 제공되는 열차단판(107)은 상술한 바와 같이 시드 척(106) 몸체의 일부에 일체화되는 것에 한정되지 않고, 시드 척(106)으로부터 수직한 방향 으로 이격된 임의의 지점에 위치하는 것도 가능하다.

아래의 표 2는 시드 척(106)에 열차단판(107)이 없는 종래기술(비교예)과 열차단판(107)을 구비한 본 발명의 실시예에 대하여 고온 공정을 성공적으로 수행할 수 있는 히터(102)의 파워와 석영 도가니(100)의 온도를 비교한 결과를 나타낸다.

표 2를 참조하면, 본 발명에 따라 열차단판(107)을 구비한 경우에는 히터 파워를 비교예에 비해 15㎾ 만큼 낮출 수 있으며, 이에 따라 석영 도가니(100)의 온도를 109℃ 만큼 떨어뜨릴 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이 석영 도가니(100)의 온도를 떨어뜨리더라도 열차단판(107)에 의해 단열효과가 제공되므로 도 6의 (b)에 나타난 바와 같이 실리콘 멜트에 충분한 열을 제공할 수 있다. 도 6의 (a)에서는 히터 파워를 151㎾로 설정하였으며, 도 6의 (b)에서는 히터 파워를 136㎾로 설정하였다.

상기와 같은 구성을 갖는 단결정 성장장치는 쵸크랄스키(Cz)법에 따라 단결정을 성장시킴에 있어서 멜팅 공정이나 결정 성장초반과 같이 높은 히터 파워가 소요되는 고온 공정에 유용하게 적용될 수 있다.

단결정 성장공정에서는 히터(102)로부터 제공되는 복사열에 의해 석영 도가니(100)가 가열되고, 이에 따라 석영 도가니(100)에 적재된 다결정 실리콘 원료는 실리콘 멜트 형태로 용융된다.

이후 실리콘 멜트 방향으로 시드 척(106)을 하강시켜 단결정 시드를 실리콘 멜트에 담근 상태에서 상기 시드를 회전시키면서 상부로 서서히 인상하여 고액계면을 통해 단결정을 성장시키는 공정을 진행한다. 이 때 단결정의 상방으로 불필요하게 유출되는 열은 단결정의 정상방에 위치하는 열차단판(107)에 의해 차단되므로 실리콘 멜트에 대하여 단열효과가 제공될 수 있다.

따라서, 히터(102)의 파워를 종래에 비해 낮게 설정하는 것이 가능하므로 석영 도가니(100)에 가해지는 복사열의 온도를 낮춤으로써 크리스토발라이트의 발생을 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 석영 도가니의 내부면으로부터 실리콘 융액으로 크리스토발라이트가 유입되는 메카니즘을 개략적으로 표현한 모식도,

도 2는 450㎜ 잉곳 공정과 300㎜ 잉곳 공정 후 석영 도가니의 표면 상태를 보여주는 사진,

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치의 주요 구성도,

도 4는 도 3에서 열차단판이 부착된 시드 척의 구조를 상세히 도시한 사시도,

도 5는 도 4의 변형예를 도시한 사시도,

도 6은 열차단판의 적용 전후의 온도분포도이다.

<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>

100: 석영 도가니 101: 도가니 지지대

102: 히터 103: 단열재

104: 메인 챔버 105: 냉각관

106: 시드 척 107,107': 열차단판

107a: 통공 108: 인상 케이블

Claims

실리콘 멜트가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸도록 설치된 히터와, 인상 케이블에 연결되어 단결정 시드를 척킹하는 시드 척과, 상기 석영 도가니, 히터 및 시드 척이 수용되는 챔버를 포함하고, 상기 실리콘 멜트에 시드를 담근 후 상기 시드를 회전시키면서 상기 인상 케이블을 상부로 인상시켜 고액계면을 통해 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 수행하는 단결정 성장장치에 있어서,

상기 시드 척의 몸체 일부 또는 상기 시드 척의 상방에 열차단판이 설치된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,

상기 열차단판은 기체의 흐름을 위한 다수의 통공이 형성된 원반 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,

상기 열차단판의 상부가 원뿔 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,

상기 챔버 내부에는 성장된 단결정을 냉각시키기 위한 냉각관이 설치되고,

상기 열차단판의 직경은, 상기 냉각관의 내경보다는 작고 상기 단결정의 외경보다는 큰 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열차단판은 그래파이트(Graphite) 또는 CCM(Cabon Composite Material)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
상단에 인상 케이블이 연결되고, 하부에는 단결정 시드가 결합되는 단결정 성장장치용 시드 척 구조에 있어서,

시드 척 몸체의 종축에 대하여 수직한 방향으로 연장된 열차단면을 구비한 열차단판이 상기 시드 척 몸체에 설치된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 시드 척 구조.
제6항에 있어서,

상기 열차단판은 기체의 흐름을 위한 다수의 통공이 형성된 원반 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 시드 척 구조.
제6항에 있어서,

상기 열차단판의 상부가 원뿔 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 시드 척 구조.
제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 열차단판은 그래파이트(Graphite) 또는 CCM(Cabon Composite Material)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 시드 척 구조.