KR20110066850A - 흑연 도가니 및 실리콘 단결정 제조용 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 초크랄스키법(Czochralski method)에 따른 실리콘 단결정 제조용 흑연 도가니로서, 수명이 긴 흑연 도가니가 제공된다.
본 발명의 특징은, 흑연 도가니의 모서리부에 적어도 하나의 가스 배기 구멍이 마련된다는 데 있다. 흑연 도가니와 석영 도가니 간의 반응에 의해 생성된 가스는 상기 적어도 하나의 가스 배기 구멍을 통해 외측으로 배출된다. 이에 따라, 흑연 도가니의 표면 상의 SiC의 형성과 가스압에 의해 유발되는 석영 도가니의 변형이 방지된다.

Description

흑연 도가니 및 실리콘 단결정 제조용 장치{GRAPHITE CRUCIBLE AND SILICON SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING APPARATUS}

본 발명은 초크랄스키법(Czochralski method)에 따른 실리콘 단결정의 제조에 사용되는 흑연 도가니에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 흑연 도가니를 포함하는, 초크랄스키법에 따른 실리콘 단결정 제조용 장치에 관한 것이다.

실리콘 단결정을 성장시키는 하나의 방법으로서, 초크랄스키법(CZ법)으로 대표되는 인상법이 일반적으로 사용되었다. 통상적으로, 이러한 인상법에 사용되는 장치는 실리콘 원료 용융물을 유지하는 석영 도가니를 구비하며, 이때 이 석영 도가니는, 석영 도가니를 지지하도록 하고 균일한 가열을 달성하도록 하는 역할을 하는 내측 형상을 갖는 흑연 도가니에 의해 둘러싸이고, 가열용 히터가 석영 도가니 외측에 배치된다. 통상적으로, 석영 도가니와 흑연 도가니 모두의 형상은 대략 원통형 형상의 측벽과 대략 반경 방향으로 모따기된 바닥부로 구성된다.

CZ법에서, 석영 도가니에 놓이는 실리콘 원료는 가열되고 용융된다. 실리콘의 융점은 약 1420 ℃이기 때문에, 우선 융점에 도달하도록 가열이 이루어져만 한다. 이러한 경우, 히터의 온도는 약 1700 ℃까지 증가되어야만 한다. 이러한 가열로 인해, 흑연 도가니와 석영 도가니 모두가 실리콘의 융점 이상으로 가열된다. 석영은 약 1200 ℃를 초과할 때, 연화되고 변형되기 시작하며, 석영 도가니에 있는 용융 실리콘의 하중으로 인해 석영 도가니는 거의 전체적으로, 이 석영 도가니를 외측으로부터 에워싸는 흑연 도가니의 내측 형상과 밀착하게 된다. 실리콘 웨이퍼의 직경에 있어서의 최근의 증가와 함께, CZ법에서는 석영 도가니의 직경 및 용량에 있어서의 증가도 또한 요구되며, 이러한 증가는 온도 범위와 전술한 가열의 가열 균일성을 제어하는 데 있어서 더욱 중요해지고 있다.

아래의 등식으로 나타낸 바와 같이, CZ법의 기지의 문제는, 실리콘 용융 온도에서, 석영 도가니의 내면 상에서, 석영 도가니의 성분인 SiO₂와 용융 실리콘 Si 간의 반응이 일어난다는 것이다. 그 결과, SiO 가스가 생성된다. 더욱이, 석영 도가니의 외측에서는 또한, 이 SiO 가스가 흑연 부재의 외면과 반응하고, 이에 따라 SiC 고상을 형성한다. 더욱이, 석영 도가니의 외면 상에서, 석영 도가니의 외면과 흑연 도가니의 내면 간의 반응에 의해 SiO 가스와 CO 가스가 생성되고, 또한 흑연 도가니의 내면과의 다른 반응에 의해 SiC 고상이 형성된다. 형성된 SiC는 흑연의 열팽창계수와는 현저히 다른 열팽창 계수를 갖는다. 따라서, SiC는 흑연 도가니의 냉각/가열 사이클 동안에 균열 등의 원인이 되고, 이에 따라 안정성 등의 관점에서 흑연 도가니의 수명을 제한한다. 더욱이, 그 결과, 생성된 CO 가스가 석영 도가니에 압력을 가하여, 석영 도가니가 변형되도록 한다.

SiO₂ + Si = SiO

SiO₂ + C = SiO + CO

SiO + 2C = SiC + CO

상기 문제들을 해결하기 위해 흑연 도가니의 개선에 관한 몇몇 기법이 공지되어 있다. 이들 기법 중 하나는 일본 특허 출원 공개 제61-44791호에 개시되어 있으며, 이 기법에서 석영 도가니와 흑연 도가니 사이에서 생성되는 CO 가스는, 석영 도가니와 흑연 도가니 사이에서 하류 방향으로 아르곤과 같은 불활성 가스가 흐르도록 하고 흑연 도가니의 측면의 하부에 마련된 구멍을 통해 하류 방향으로 불활성 가스를 배출함으로써 배출된다. 더욱이, 일본 특허 출원 공개 제10-297992호에는, 생성된 가스에 의해 유발되는 석영 도가니의 변형을 방지하기 위해 수평 방향 구멍이 흑연 도가니에서 용융 실리콘의 액체 레벨 위에 있는 위치에 마련되는 기법이 개시되어 있다. 또한, 일본 특허 출원 공개 제2008-201619호에는, 석영 도가니와 흑연 도가니 사이에서 생성된 CO 가스가, 흑연 도가니의 내면 상에 수직 방향으로 마련되는 가스 안내 홈을 따라 도가니의 바닥부를 향해 하류 방향으로 아르곤과 같은 불활성 가스가 흐르도록 하고, 상기 바닥부로부터 불활성 가스를 배출함으로써 배출되는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 이러한 종래의 방법들은 특히 최근에 CZ법에서 사용되는 대직경/대용량(고중량) 석영 도가니에 대해서는 더 이상 적합하지 않은 것으로 인식되기 시작하였다. 보다 구체적으로 말하자면, 생성된 가스를 배출하기 위해 흑연 도가니의 내면 상에 가스 안내 홈과 같은 복잡한 구조를 마련하는 것은 대용량(고중량) 석영 도가니의 안정성 유지의 관점에서 바람직하지 않다. 더욱이, 대직경/대용량(고중량)의 석영 도가니가 사용될 때, 높은 가열 온도로 인해 연화된 석영 도가니는 거의 전체적으로, 석영 도가니를 둘러싸는 흑연 도가니와 밀착되도록 변형된다. 이에 따라, 상기 석영 도가니와 흑연 도가니 사이에서 충분한 가스가 흐르도록 하는 것이 어려워진다.

따라서, (i) 흑연 도가니의 내면 상에 복잡한 구조를 마련하지 않으면서, 그리고 (ii) 흑연 도가니와 석영 도가니 사이에서 충분한 불활성 가스가 흐르도록 하지 않으면서, 생성된 CO 가스를 원활하게 배출함으로써 석영 도가니에 대한 압력의 누적을 방지하고, 또한 흑연 도가니의 내측부 상의 SiC의 형성/누적을 방지하는 신규한 흑연 도가니 기술이 요구된다.

본 발명자들은 상기 요구를 만족시키는 흑연 도가니를 개발하기 위해 열심히 연구를 수행하였다. 그 결과, 본 발명자들은 대략 수평 방향의 적어도 하나의 가스 배기 구멍이 흑연 도가니 상에서 적어도 하나의 특정 위치에 마련되고, 이로 인해, 생성된 CO 가스가 원활하게 배출됨으로써 석영 도가니의 표면 상에 압력이 누적되지 않고 흑연 도가니의 내측부 상에 SiC의 형성/누적이 방지되는 신규한 흑연 도가니를 발견하는 데 성공하였다. 이에 따라, 본 발명이 달성된다.

구체적으로 말하자면, 본 발명은 초크랄스키법에 따른 실리콘 단결정의 제조에 사용되는 흑연 도가니로서, 흑연 도가니의 모서리부에 적어도 하나의 가스 배기 구멍이 마련되는 것을 특징으로 하는 흑연 도가니에 관한 것이다.

본 발명은 또한, 적어도 하나의 가스 배기 구멍의 방향이 대략 수평인 것을 특징으로 하는 흑연 도가니에 관한 것이다.

본 발명은 또한 초크랄스키법에 따른 실리콘 단결정 제조용 장치로서, 본 발명의 흑연 도가니를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조용 장치에 관한 것이다.

이때, 본 발명의 흑연 도가니는 분할형뿐만 아니라 일체형도 포함한다. 게다가, 본 발명은 또한 CFC 합성물(탄소섬유 강화 탄소)로 형성된 도가니를 포함한다.

본 발명에 따른 흑연 도가니에서, 적어도 하나의 가스 배기 구멍은 흑연 도가니의 모서리부에 마련된다. 따라서, 상기 흑연 도가니는 석영 도가니와 흑연 도가니 간의 반응에 의해 생성된 가스를 원활하게 배출할 수 있고, 이에 따라 흑연 도가니의 표면 상의 SiC의 생성과 가스압에 의해 유발되는 석영 도가니의 변형을 방지한다. 본 발명의 초크랄스키법에 따른 실리콘 단결정 제조용 장치는 본 발명에 따른 흑연 도가니를 포함하기 때문에, 실리콘 단결정을 제조하는 동안에 석영 도가니와 흑연 도가니 간의 반응에 의해 생성된 가스는 원활하게 배출될 수 있다. 이에 따라, 흑연 도가니의 표면 상의 SiC의 형성과 가스압에 의해 유발되는 석영 도가니의 변형이 방지되어, 제조에 있어서의 안정성을 보장할 수 있고 흑연 도가니의 수명을 연장할 수 있다.

본 발명에 따르면, 흑연 도가니의 내면 상에 복잡한 구조를 마련하지 않으면서, 그리고 흑연 도가니와 석영 도가니 사이에서 충분한 불활성 가스가 흐르도록 하지 않으면서, 생성된 CO 가스를 원활하게 배출함으로써 석영 도가니에 대한 압력의 누적을 방지하고, 또한 흑연 도가니의 내측부 상의 SiC의 형성/누적을 방지하는 신규한 흑연 도가니 기법이 제공된다.

도 1은 본 발명의 흑연 도가니를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 가스 배기 구멍의 효과를 설명하는 도면.

도 1에 도시된 본 발명의 흑연 도가니(1)를 예로 들어 설명되는 바와 같이, 본 발명의 흑연 도가니에서 (내)측부(2)는 통상적으로 대략 수직의 원통 형상과 대략 반경 방향으로 모따기된 바닥부(3)를 갖는다. 상기 흑연 도가니의 특징은 이 흑연 도가니의 모서리부(4)에 가스 배기 구멍(5)이 마련된다는 데 있다. 이때, 흑연 도가니(1)는 초크랄스키법에 따른 실리콘 단결정의 제조에 사용되는 공지되어 있는 종래의 흑연 도가니와 거의 동일할 수 있고, 상기 흑연 도가니가 분할형인지 또는 일체형인지의 여부에 대해 부여되는 특별한 제한 사항은 없으며, 그 크기, 형상 또는 재료에 관한 특별한 제한 사항도 없다. 하나의 유닛으로 고려되는 흑연 도가니는, 심지어는 도가니가 2개 또는 3개의 부분으로 분할되는 공지되어 있는 종래의 분할형인 경우에도 사용 중에 전술한 형상을 갖는다. 이때, 본 발명의 흑연 도가니의 모서리부는 측부와 바닥부를 연결하는 부분(영역)을 뜻한다. 본 발명의 흑연 도가니는 사용 중에 그 모서리부로 석영 도가니와 용융 실리콘의 대부분의 하중을 지지하는 기능을 갖는다. 석영 도가니는 사용 중에 대략 그 연화점까지 가열되기 때문에, 이 석영 도가니가 거의 전체적으로, 바닥부와 모서리부에서 흑연 도가니와 밀착하게 되는 상태로 되고, 소망하는 가열 효과가 달성된다. 가스 배기 구멍은 상기 모서리부에서 흑연 도가니의 내측에서부터 외측까지 대략 수평 방향의 구멍으로서 마련된다.

도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 사용 중에 불활성 가스(21)(통상적으로 아르곤 가스)가 통상 감소된 압력으로 흑연 도가니의 외측으로 흘러 배출된다. 이에 따라, 가스 배기 구멍(25)의 내측부(26)와 갭(28)의 압력은, 이 압력이 흑연 도가니의 외측 압력(27)보다 다소 낮은 상태가 된다. 따라서, 전술한 바와 같이, 사용 중에, SiO 가스가 가스 배기 구멍에 도달할 때까지의 단기간 동안에 흑연 도가니 표면의 C와 SiO 가스 간의 반응으로 인해 CO 가스가 형성된다. 그러나, 상기 CO 가스는 가스 배기 구멍으로부터 신속히 배출되고, 석영 도가니에 가해지는 압력의 누적이 방지될 수 있다. 따라서, 흑연 도가니의 표면과 SiO의 반응은 주로 가스 배기 구멍에서 또는 흑연 도가니와 가스 배기 구멍의 외측 둘레에서만 일어난다.

본 발명에서, 모서리부에 마련되는 가스 배기 구멍의 위치, 형상, 개수 및 방향은, 전술한 작동 효과가 충분히 이루어지는 한, 특별히 제한되지 않는다. 다른 한편으로, 흑연 도가니는 석영 도가니와 용융 실리콘의 하중을 안전하게 지지해야만 하기 때문에, 이점을 종합적으로 고려하여 가스 배기 구멍의 상기 위치, 형상, 개수 및 방향이 바람직한 범위로 선택될 수 있다. 구체적으로, 가스 배기 구멍의 방향에 관하여, 노(爐)의 내부가 아르곤과 같은 불활성 가스로 채워지는 경우에 생성되는 CO 가스를 보다 원활하게 배출하기 위해 가스 배기 구멍을 수평 방향으로 마련하는 것이 바람직하다.

구체적으로 말하자면, 복수 개의 가스 배기 구멍이 마련될 때, 이들 가스 배기 구멍의 위치는 원통형 모서리부를 동등하게 분할하는 위치인 것이 바람직하다. 가스 배기 구멍이 모서리부를 동등하게 분할하는 위치에 있는 경우, 가스 배기 구멍에 의해 유발되는 흑연 도가니의 강도의 감소가 최소화될 수 있다. 가스 배기 구멍의 형상은 특별히 제한되지는 않지만, 원형 형상과 다각형 형상이 채용될 수 있다. 가스 배기 구멍의 단면적도 또한 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 상기 단면적은 대략 그 연화점까지 가열되는 석영 도가니의 석영벽이 가스 배기 구멍의 방향으로 변형되는 것을 방지할 수 있는 방법을 충분히 고려하여 선택될 수 있다. 따라서, 이러한 점을 종합적으로 고려하여 각각의 가스 배기 구멍의 단면적은 225 ㎟ 이하인 것이 바람직하다. 이는, 단면이 원형이면 이 단면의 반경이 5 mm 내지 8 mm의 범위인 것이 바람직하다는 것을 뜻한다. 이러한 단면적을 갖는 가스 배기 구멍이 채용될 때, 가스 배기 구멍의 개수는 바람직하게는 분할형인 경우에는 도가니당 2개 내지 3개, 비분할형인 경우에는 도가니당 6개 내지 8개이다.

가스 배기 구멍의 방향은 특별히 제한되지 않는다. 그러나, 가스 배기 구멍은, 전술한 과정, 석영 도가니와 흑연 도가니 사이에 생성된 CO 가스의 원활한 배출이 이루어질 수 있도록 하는 방향으로 마련되는 것이 바람직하다. 구체적으로 말하자면, 상기 가스 배기 구멍을 대략 수평 방향으로 또는 다소 상방으로 마련하는 것이 바람직한데, 그 이유는 이렇게 함으로써 원활한 가스 흐름이 이루어지기 때문이다.

본 발명의 초크랄스키법에 따른 실리콘 단결정 제조용 장치는, 공지되어 있는 종래의 장치에 사용되는 흑연 도가니 대신에 전술한 본 발명의 흑연 도가니를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 공지되어 있는 종래의 제조 조건 하에서 석영 도가니와 흑연 도가니 사이에서 생성된 CO 가스가 흑연 도가니의 가스 배기 구멍으로부터 외측으로 신속히 배출된다. 그 결과, SiC의 형성과 흑연 도가니 측부 상의 SiC의 누적이 억제될 수 있고, CO 가스의 누적 압력으로 인한 석영 도가니의 변형이 억제될 수 있다.

예

외경이 500 mm이고 내경이 460 mm이며, 내경이 5 mm인 구멍이 모서리부에서 6개의 위치에 균일하게 수평 방향으로 마련된 흑연 도가니를 이용하여 50개의 실리콘 잉곳을 인상하였다. 도가니의 내측부 상의 SiC의 어떠한 누적도 전혀 확인할 수 없었다. 그러나, 도가니 외측부 상에서 구멍의 둘레에서는 약 3 mm의 SiC의 누적이 확인되었다. 또한, CO 가스로 인한 석영 도가니의 변형은 전혀 관찰되지 않았다.

본 발명에 따른 흑연 도가니는 초크랄스키법에 따른 실리콘 단결정 제조용 장치에서 활용될 수 있다.

1 : 흑연 도가니
2 : 흑연 도가니의 내측부
3 : 바닥부
4 : 모서리부
5, 25 : 가스 배기 구멍
28 : 갭

Claims (3)

1. 초크랄스키법(Czochralski method)에 따른 실리콘 단결정의 제조에 사용되는 흑연 도가니에 있어서,
   상기 흑연 도가니의 모서리부에 적어도 하나의 가스 배기 구멍이 마련되는 것을 특징으로 하는 흑연 도가니.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가스 배기 구멍의 방향은 대략 수평인 것을 특징으로 하는 흑연 도가니.
3. 초크랄스키법에 따른 실리콘 단결정 제조용 장치로서, 제1항 또는 제2항에 따른 흑연 도가니를 포함하는 실리콘 단결정 제조용 장치.

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