KR20110062361A - 원통형 열반사 수단을 구비한 단결정 성장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대직경, 고중량 단결정 잉곳의 성장에 적합하도록 네크부의 직경을 증가시키더라도 전위(dislocation)의 전파가 방지되는 단결정 성장 장치를 제공한다. 본 발명의 단결정 성장 장치는 쵸크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키는 단결정 성장 장치로서, 단결정 성장시키고자 하는 물질의 융액이 수용되는 도가니, 도가니의 주위에 설치되어 도가니를 가열하는 히터, 융액의 표면과 갭을 가지고 이격되고, 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳을 둘러싸도록 설치되는 열차폐체(heat shield), 및 열차폐체와 융액의 표면 사이에 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳을 둘러싸도록 설치되고, 융액으로부터의 복사열을 반사하여 잉곳으로 집중시키는 열반사 수단을 구비한다. 본 발명에 의하면, 열반사 수단에 의해 융액으로부터의 복사열을 잉곳 네크부로 반사 집중시킴으로써 네크부의 온도 분포를 균일하게 하고 열 응력을 감소시켜 네크부의 직경을 크게 하더라도 전위가 잉곳 바디부로 전파되지 않는다.

단결정 잉곳, 네크, 직경, 열 응력, 전위, 열반사

Description

원통형 열반사 수단을 구비한 단결정 성장 장치{Single crystal growing apparatus having cylindrical heat-reflection means}

본 발명은 단결정 실리콘 등의 단결정을 성장시키는 장치에 관한 것이다.

단결정 실리콘 등의 단결정은 보통 쵸크랄스키법(Czochralski method)으로 성장시킨다. 쵸크랄스키법은 도가니에 성장시키고자 하는 단결정의 고체 원료를 투입하고 용융시킨 다음, 이 융액(melt)에 종자(seed) 결정을 담갔다가 서서히 인상함으로써 잉곳(ingot) 형태로 단결정을 성장시키는 방법이다. 이때 저온의 종자 결정이 고온의 융액에 접촉함으로써 열충격(thermal shock)이 발생하게 된다. 이러한 열충격은 성장되는 단결정 내에 전단 응력(shear stress)을 발생시키게 되고, 이러한 응력은 단결정 내부에 전위(dislocation)을 발생시킨다. 따라서, 이러한 전위를 제거하기 위해 일반적으로 단결정 성장의 초기 단계에 네킹(necking) 공정을 진행하게 된다.

네킹 공정은 단결정을 가늘고 길게 뽑아내어 전위를 제거하는 기술로서, 특히 대시 네킹(dash necking)법이라 불리는 기술은 전단 응력에 의해 발생된 전위가 단결정 내에서 전파되는 속도보다 네크부의 인상 속도(pulling speed)를 더 빠르게 하여 종자 결정 부근에서 발생한 전위가 잉곳의 바디(body)부까지 전파되는 것을 방지하는 기술이다. 그런데, 네크부의 직경이 커지면 전단 응력이 커지고, 전위의 전파 속도는 전단 응력에 비례하여 커지게 된다. 따라서 네크부의 직경이 일정한 값 이상이 되면 전위의 전파 속도가 이론적으로 성장가능한 네크부 인상속도보다 커지게 됨으로 인해 대시 네킹법에 의해 전위를 제어할 수 있는 네크부의 직경한계는 대략 5mm로 알려져 있다.

한편, 실리콘 단결정 잉곳은 현재 바디부의 직경이 300mm인 것이 양산되고 있으며, 대직경 웨이퍼를 제공하기 위하여 잉곳 직경을 450mm 등으로 더욱 크게 하려는 연구가 진행되고 있다. 그런데, 잉곳의 직경이 커질수록 잉곳의 중량은 급격히 증가하여(450mm 직경의 잉곳의 경우 500kg을 넘어 1톤 정도에 달할 것으로 예상된다), 기존의 5mm 정도의 직경을 가지는 네크부에 의해 전체 잉곳을 지탱하기가 곤란하게 된다. 네크부의 직경이 5mm인 경우 지탱할 수 있는 잉곳의 한계 중량은 대략 400kg으로 계산되고, 1톤 정도의 잉곳을 지탱하기 위해서는 네크부의 직경이 대략 8mm 정도는 되어야 할 것으로 계산된다.

따라서, 대직경 잉곳을 성장시키기 위해서는 네크부의 직경을 현재의 5mm 이상으로 증가시켜야 하는데, 그러면 전술한 바와 같이 네크부(종자 결정 부근)의 전단 응력이 증가하고 종래의 수단이나 방법으로는 전위를 제어하지 못하게 된다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 네크부의 직경을 증가시키더라도 전단 응력의 증가를 방지하여 전위를 제어할 수 있는 단결정 성장 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서는 네킹 공정에서 융액 표면으로부터 복사되는 열을 네크부로 반사 집중시켜 종자 결정을 담갔을 때 발생하는 열충격을 완화시킴으로써 네크부의 전단 응력을 감소시킨다.

즉, 본 발명에 따른 단결정 성장 장치는 쵸크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키는 단결정 성장 장치로서, 단결정 성장시키고자 하는 물질의 융액이 수용되는 도가니; 상기 도가니의 주위에 설치되어 상기 도가니를 가열하는 히터; 상기 융액의 표면과 갭을 가지고 이격되고, 상기 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳을 둘러싸도록 설치되는 열차폐체(heat shield); 및 상기 열차폐체와 상기 융액의 표면 사이에 상기 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳을 둘러싸도록 설치되고, 상기 융액으로부터의 복사열을 반사하여 상기 잉곳으로 집중시키는 열반사 수단;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 열반사 수단은 잉곳 길이방향으로 잘라본 단면 형상이 오목 거울 형상인 것이 바람직하고, 이 오목 거울의 초점은 융액 표면으로부터 5~50mm 높이에 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열반사 수단은 고온의 단결정 성장 공정에 견딜 수 있고, 열반사율이 높은 재료로 이루어지는 것이 바람직한데, 구체적으로 적어도 그 표면이 열분해 흑연(pyrolytic graphite) 또는 BN(Boron Nitride)로 이루어져 있는 것이 바람 직하다.

또한, 상기 열반사 수단에는 열반사 수단을 관통하는 복수의 구멍이 형성되어 있을 수 있는데, 이에 따라 융액으로부터의 복사열의 반사/집중 정도를 조절할 수 있다.

또한, 상기 열반사 수단은 상기 열차폐체와 일체로 형성될 수도 있고 열차폐체와는 별체로 형성되어 설치될 수도 있다.

본 발명에 의하면, 열반사 수단이라는 간단한 구성으로 융액으로부터의 복사열을 잉곳 네크부로 반사 집중시킴으로써 네크부(종자 결정 부근)의 전단 응력을 감소시키고 그에 따라 네크부의 직경을 크게 하더라도 잉곳 바디부로의 전위의 전파를 방지할 수 있다. 따라서, 중량이 큰 대직경 잉곳을 성장시키는 경우에 네크부의 직경을 증가시켜 잉곳의 중량을 충분히 지탱하면서도 전위가 제어된 단결정 잉곳을 성장시킬 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 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 성장 장치는 쵸크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키는 단결정 성장 장치로서, 도가니(20), 히터(30), 열차폐체(40) 및 열반사 수단(50)을 주요 구성요소로서 구비한다.

도가니(20)는 단결정 성장시키고자 하는 물질의 고체 원료를 수용하고 도가니 주위에 설치된 히터(30)에 의해 용융된 융액(10)을 담는 구성요소로서, 통상 석영으로 이루어진다. 또한, 도 1에서 도가니(20)는 단일의 구성요소로서 도시되었지만 석영으로 이루어진 도가니와 이 석영 도가니를 감싸는 흑연 도가니의 이중 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 도가니(20)는 도시되지 않은 도가니 지지 구동부에 의해 지지되며 단결정 잉곳의 성장에 따라 감소되는 융액 양에 따라 상하로 이동가능하고, 인상 과정에서 일정한 속도로 회전할 수 있도록 되어 있다.

열차폐체(40)는 융액(10) 표면과 일정한 갭을 가지고 이격 설치되고, 인상되는 잉곳을 둘러싸도록 설치되어, 융액으로부터 방출되는 열을 차폐하며 융액 상부, 고액계면 및 인상되는 잉곳의 온도 분포를 적절하게 제어하는 구성요소로서, 통상 흑연과 같은 탄소 재료로 이루어진다.

열반사 수단(50)은 본 발명의 특징적인 구성요소로서, 열차폐체(40)와 융액(10)의 표면 사이에 인상되는 단결정 잉곳을 둘러싸도록 설치되어, 융액(10)으로 부터의 복사열을 반사하여 잉곳의 네크부(12)로 집중시키는 역할을 한다. 이를 위해 열반사 수단(50)은 기본적인 형상이 원통형으로 이루어지고, 그 종단면 형상은 도 1에서 화살표로 나타낸 것처럼 융액(10) 표면으로부터의 복사열이 반사되어 잉곳 네크부(12)로 집중되도록 오목 거울 형상인 것이 바람직하다. 이때, 이 오목 거울의 초점은 융액(10) 표면으로부터 5~50mm 높이에 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 이 오목 거울의 초점이 반드시 하나의 점으로 제한될 필요는 없다. 오히려 네크부의 수직 방향 위치에 따른 온도 변화가 적고 균일하게 되도록 수직 방향으로 어느 정도 넓은 초점을 형성하도록 구성하는 것이 열 응력을 감소하는데 효과적이다.

열반사 수단(50)은 고온의 단결정 성장 공정에 견딜 수 있고, 열반사율이 높은 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 핫존(hot zone)에 설치되는 열차폐체(40) 등의 부품들은 일반적으로 흑연이나 복합 탄소 재료, 또는 실리콘 카바이드(SiC) 등으로 이루어지거나, 이러한 재료로 표면이 코팅되어 있다. 그런데, 이러한 일반적인 탄소 재료나 실리콘 카바이드는 복사율이 0.7~0.8로 높고 반사율이 0.2~0.3으로 낮다. 따라서, 이러한 일반적인 탄소 재료나 실리콘 카바이드로 열반사 수단(50)을 구성하게 되면 융액(10)으로부터 방출된 복사열을 잉곳 네크부(12)로 반사하기에는 그 효율이 떨어진다.

한편, 금속이나 일부 금속 산화물의 경우는 반사율이 높아 열반사 수단(50)의 재료로 고려해 볼 수 있다. 그러나, 반도체 기판으로 사용되는 실리콘 등의 단결정은 매우 고순도의 것이 요구되는데, 이러한 금속 또는 금속 산화물은 1400℃ 이상의 고온에서 금속 원자가 휘발하여 성장되는 실리콘 단결정에 금속 불순물로서 혼입될 가능성이 있어 적절하지 않다.

따라서, 본 발명에서는 고온 내열성과 열반사율 및 오염원이 되지 않아야 하는 점 등을 고려하여 열반사 수단(50)의 적어도 표면을 열분해 흑연(pyrolytic graphite)으로 구성한다. 열분해 흑연은 매우 높은 온도의 진공로(vacuuam furnace)에서 탄화수소 가스를 열분해하여 기재 상에 증착함으로써 얻어지는 탄소 재료로서 3000℃에서도 안정적으로 유지되고 순도가 매우 높으며 오염원을 발생시키지 않는 재료이다. 또한, 열분해 흑연은 층상 구조로 이루어지고 그 물리적 특성이 방향에 따라 현저하게 다른 이방성을 가지고 있다. 특히 열적 특성과 관련하여 복사율과 반사율에 영향을 미치는 열전도도가, 다음 표에 나타내는 바와 같이, 층상 구조에서 층에 평행한 방향과 층에 수직한 방향에서 현저하게 다르게 나타난다.

	상온	400℃	800℃	1200℃
등방성 흑연	100	80	65	50
열분해 흑연 (층에 평행한 방향)	300	222	134	90
열분해 흑연 (층에 수직한 방향)	2.2	0.7	0.25	0.15

<등방성 흑연과 열분해 흑연의 온도별 열전도도> (단위: W/mK)

위 표 1에 나타낸 것처럼, 열분해 흑연은 층에 평행한 방향의 열전도도는 통상의 등방성 흑연보다 높지만, 층에 수직한 방향의 열전도도는 매우 낮아 층에 수직한 방향으로의 복사율이 0.33 정도로 낮다. 따라서, 통상의 탄소 재료나 실리콘 카바이드로 열반사 수단(50)의 기본적인 형태를 만들고 그 표면에 열분해 흑연을 코팅하게 되면 열반사 수단(50)의 표면에 수직한 방향으로의 열전도도가 매우 낮으므로 융액(10) 표면으로부터의 복사열이 열반사 수단(50)의 표면에서 잘 반사되어 잉곳 네크부(12)로 집중되게 된다. 이때 열반사 수단(50) 수단 표면에 코팅되는 열분해 흑연층의 두께는, 융액(10)으로부터의 복사열을 잉곳 네크부(12)로 반사하기에 필요 충분한 정도, 예컨대 50~300㎛ 정도가 되는 것이 적당하다.

열분해 흑연 이외에 열반사 수단의 재료로서 BN(Boron Nitride)를 사용할 수 있다. BN은 구성 원소에 금속을 포함하지 않고 최대 3000℃까지 안정되며, 반사율이 0.5 이상이다. 또한, BN은 기계 가공성이 좋아 원하는 형상으로 가공하기 쉽다. 따라서, 열분해 흑연과 마찬가지로 통상의 탄소 재료나 실리콘 카바이드로 열반사 수단(50)의 기본적인 형태를 만들고 그 표면에 BN을 코팅하거나, BN으로 전체 열반사 수단(50)을 만들게 되면, 융액(10) 표면으로부터 복사된 열이 열반사 수단(50)의 표면에서 잘 반사되어 잉곳 네크부(12)로 집중되게 된다.

한편, 열반사 수단(50)은 열차폐체(40)와 별체로 제작하여 열차폐체(40)의 하부에 고정 설치하거나, 열차폐체(40)와 일체로 제작할 수도 있다. 또한, 도 2에 도시된 다른 실시예의 단결정 성장 장치에서와 같이, 열차폐체(40')의 잉곳에 면하는 내면 하부를 오목 거울 형상으로 형성함으로써 열반사 수단(50')을 구성할 수도 있다.

또한, 도 3에 도시된 또 다른 실시예의 단결정 성장 장치에서와 같이, 열반사 수단(50")에 열반사 수단을 관통하는 복수의 구멍(52)을 형성할 수 있다. 이 구멍(52)은 융액(10)으로부터의 복사열의 일부가 열반사 수단(50")에서 반사되지 않고 열반사 수단(50")을 관통하여 통과하게 하는데, 이 구멍(52)의 직경과 개수 및 분포를 조절함으로써 융액(10)으로부터의 복사열의 반사/집중 정도를 조절할 수 있다.

한편, 도 2 및 도 3에 도시된 다른 실시예의 단결정 성장 장치에서 도 1과 동일한 참조 부호가 부여된 구성요소들은 도 1을 참조하여 설명한 실시예의 구성요소들과 동일하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

이어서, 본 발명에 따라 열반사 수단을 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 시험 성장시킨 실험예를 설명한다.

먼저, 도 1에 도시된 바와 같은 단결정 성장 장치를 구성하였다. 이 장치의 도가니(20) 내경은 450mm, 전술한 바와 같이 열분해 흑연을 코팅한 열반사 수단(50)의 내경은 203mm, 높이는 75mm로 하였다.

이렇게 구성된 단결정 성장 장치의 도가니(20)에 50kg의 다결정 실리콘 고체 원료를 투입하고 히터(30)로 가열함으로써 용융시켰다. 이어서, 종자 결정을 융액(10)에 담갔다가 서서히 인상함으로써 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켰는데, 네크부(12)의 직경이 7.5mm가 되도록 네크부의 인상 속도를 3mm/min로 하고, 바디부의 직경은 150mm로 하였다.

그 결과, 도 5에 나타낸 바와 같은 실리콘 단결정 잉곳을 얻을 수 있었으며, 네크부의 직경이 종래에 비해 증가했음에도 불구하고 네크부의 하단부 이하로 전파된 유의할 수준의 전위는 발견할 수 없었다.

한편, 본 실험예에서 시험 성장한 실리콘 단결정 잉곳의 바디부 직경은 150mm이고, 열반사 수단(50)의 내경도 203mm이지만, 열반사 수단(50)을 포함한 단결정 성장 장치의 크기를 증가시키고 바디부 직경을 증가시킴으로써 450mm 직경의 잉곳을 성장하는 경우에도 본 발명의 원리를 그대로 적용할 수 있음은 자명하다.

또한, 본 실험예에 따른 잉곳 네크부의 온도 분포와 열 응력 분포를 시뮬레이션함으로써 본 발명의 효과를 확인하였다. 즉, 본 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 이용하여 잉곳 네크부를 인상시켰을 때와 종래의 단결정 성장 장치(도 1에서 열반사 수단(50)이 없는 장치)를 이용하여 잉곳 네크부를 인상시켰을 때의 잉곳 네크부의 온도 분포와 열 응력 분포를 시뮬레이션하여 각각 도 4의 (a)와 (b)에 나타내었다. 도 4에서 적색에 가까울수록 온도와 열 응력이 높은 것을, 청색에 가까울수록 온도와 열 응력이 낮은 것을 나타낸다.

도 4에서 알 수 있듯이, 열반사 수단을 구비한 본 발명의 실시예에 따른 성장 장치를 이용하여 잉곳을 성장시킬 때가 종래의 경우에 비해, 네크부의 수직 방향 위치에 따른 온도 분포가 더욱 균일하고 열 응력도 훨씬 적은 것으로 나타난다.

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.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 나타내는 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치와 종래의 단결정 성장 장치를 이용하여 단결정 잉곳을 성장하였을 때 잉곳 네크부의 온도 분포와 열 응력 분포를 시뮬레이션한 결과를 나타내는 도면으로서, (a)는 본 발명의 실시예의 경우를, (b)는 종래의 경우를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 시험 성장된 단결정 잉곳을 나타내는 사진이다.

Claims (7)

1. 쵸크랄스키법에 의해 단결정을 성장시키는 단결정 성장 장치에 있어서,

   단결정 성장시키고자 하는 물질의 융액이 수용되는 도가니;

   상기 도가니의 주위에 설치되어 상기 도가니를 가열하는 히터;

   상기 융액의 표면과 갭을 가지고 이격되고, 상기 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳을 둘러싸도록 설치되는 열차폐체; 및

   상기 열차폐체와 상기 융액의 표면 사이에 상기 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳을 둘러싸도록 설치되고, 상기 융액으로부터의 복사열을 반사하여 상기 잉곳으로 집중시키는 열반사 수단;을 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 열반사 수단의 잉곳 길이방향으로 잘라본 단면 형상이 오목 거울 형상인 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 열반사 수단은 상기 융액 표면으로부터 5~50mm 높이에 초점을 가지는 오목 거울 형상인 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 열반사 수단의 적어도 표면이 열분해 흑연으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 열반사 수단의 적어도 표면이 BN으로 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 열반사 수단에는 상기 열반사 수단을 관통하는 복수의 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 열반사 수단이 상기 열차폐체와 일체로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.

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