KR20110094025A - 단결정 제조용 상부히터, 단결정 제조장치 및 단결정 제조방법 - Google Patents

Abstract

본발명은 적어도 전류가 공급되는 전극과 저항가열에 의한 발열부가 구비되고, 쵸크랄스키법으로 단결정을 제조할 때 사용되는 실리콘융액을 수용하는 도가니를 포위하도록 배치되는 흑연히터의 상부에 배치되는 상부히터로, 발열부는 링형상으로 도가니를 포위하도록 배치되며, 발열부의 내측 및 외측에서 각각 수평방향으로 슬릿이 형성된 것임을 특징으로 하는 단결정 제조용 상부히터이다. 이에 의해 단결정의 결정결함을 효율적으로 제어할 수 있는 단결정 제조용 상부히터 및 이 단결정 제조용 상부히터를 사용하여 결정결함을 효율적으로 제어하고 또한 산소농도의 제어성을 향상시켜 고품질 단결정을 제조하는 단결정 제조장치 및 단결정 제조방법이 제공된다.

Description

단결정 제조용 상부히터, 단결정 제조장치 및 단결정 제조방법{UPPER HEATER FOR MANUFACTURING SINGLE CRYSTAL, SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING APPARATUS AND SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 쵸크랄스키법으로 단결정을 제조할 때 사용되는 단결정 제조용 상부히터, 이를 이용한 단결정 제조장치 및 단결정 제조방법에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 기판으로 사용되는 단결정은, 예를 들면 실리콘 단결정이 있으며 주로 쵸크랄스키법(Czochralski Method, 이하 CZ법이라 한다)으로 제조되고 있다.

CZ법으로 단결정을 제조할 때에는 예를 들면 도 8에 나타낸 바와 같은 단결정 제조장치(30)를 사용한다. 이 단결정 제조장치는 메인챔버(31)의 중심부에 도가니가 배설되어 있다. 이 도가니는 이중구조로, 석영도가니(36)와 이 석영도가니의 외측을 유지하는 흑연도가니(37)로 구성되어 있다.

이들 도가니는 회전 및 승강이 가능하도록 샤프트(38)의 상단부에 고정되어 있으며 도가니의 외측에는 흑연히터(39)가 배설되어 있다. 또한, 흑연히터의 외측 주변에는 단열부재(40)가 동심원상에 배설되어 있다. 그리고 흑연히터로 실리콘원료를 용융한 실리콘융액(35)이 석영도가니 내에 수용되어 있다.

또한, 실리콘융액을 충진한 석영도가니의 중심축에는 샤프트와 동심축상에서 역방향 또는 동일방향으로 소정의 속도로 회전하는 와이어(34)가 배설되며, 와이어의 하단에는 종결정(45)이 유지되어 있다. 그리고 종결정의 하단면에는 단결정(33)이 형성된다.

또한, 인상한 단결정을 냉각하는 냉각통(41)과 그 하부에 흑연통(42)이 구비되며, 여기에 상부에서 냉각가스를 아래로 내보내서 인상한 단결정을 냉각할 수 있도록 했다. 그리고 흑연통의 외측하단에 열차폐체(43)를 설치하여 융액면에서의 복사를 커트함과 동시에 실리콘융액표면을 보온하도록 하였다.

또한, 단결정의 제조시간을 단축하기 위해서 실리콘원료를 용융하기 위한 히터가 흑연히터 외에도 배치되어 있는 장치가 개시되어 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조). 하지만 이 히터는 흑연히터의 상부의 실리콘융액 바로 위에 배치되기 때문에 단결정의 성장 중에 먼지 낙하에 의해 단결정이 유전위화하는 문제가 있었다. 그리고 실리콘융액에서 증발하는 SiO가스가 이 상부의 히터에 부착하면 흑연이 규화반응에 의해 열화가 진행되기 때문에 단결정 중의 탄소농도가 높아진다는 문제가 있었다.

또한, 흑연히터가 도 9에 나타낸 바와 같이 상하 2단의 구조이며, 종래의 흑연히터(39) 상에, 이와 동일한 정도의 내외경을 가지는 원통형의 히터(44)를 배치하고, 상하 히터의 출력비를 제어하여 결정결함을 제어하는 방법도 개시되어 있다(예를 들면 특허문헌 2 참조).

이 경우, 흑연의 고유저항은 실온에서 1000~1500μΩcm로 매우 낮으며 이대로는 발열하기 어렵기 때문에 원주방향의 여러 곳에 상하에 슬릿을 형성하여 상하방향에 지그재그 형상의 전류통로를 형성할 필요가 있다. 하지만, 초전도코일 등에 의한 정자장이 인가된 경우에는 로랜츠힘에 의해 히터가 변형되기 때문에 강도를 유지하여 변형을 방지하고 다른 흑연부품과의 사이에서 방전되지 않도록 해야 한다. 이 때문에 슬릿이 교차하지 않는 상하단의 길이를 극단적으로 짧게 하기에는 한계가 있었다.

따라서, 상부히터의 발열중심을 단결정의 성장계면 가까이에 배치한 경우, 상부히터의 하단은 융액표면보다도 낮아지고, 하부히터의 위치는 도 8에 나타낸 바와 같은 1단 히터의 경우에 비해 실리콘융액에 대해 보다 하측이 되기 때문에 결정 중의 산소농도가 증가하여 컨트롤하기 어려워지는 문제가 있었다. 또한, 직동전반부는 G가 크고, 목표로 하는 결정품질을 얻을 수 있는 V/G의 값으로 제어하기가 어렵다는 문제도 있었다.

여기서 V/G란 인상속도(V)와 결정고액계면온도구배(G)의 비이며, 공공과 격자간 실리콘의 2종류의 점결함을 제어할 수 있는 파라미터로, Grown-in결함이나 산소석출특성의 제어인자로 주목받고 있다. 이 V/G치가 일정해지도록 인상속도(V)와 결정고액계면온도구배(G)를 조절하면 단결정의 지름방향에서 결함영역이 배제된 전면 N영역에서 단결정을 인상할 수 있다.

특개평6-183876호 공보 특개2001-261482호 공보

본 발명은, 단결정의 결정결함을 효율적으로 제어할 수 있는 단결정 제조용 상부히터 및 이 단결정 제조용 상부히터를 사용하여 결정결함을 효율적으로 제어하며, 또한 산소농도의 제어성이 향상되어 고품질의 단결정을 제조할 수 있는 단결정 제조장치 및 단결정 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 적어도 전류가 공급되는 전극과 저항가열에 의한 발열부가 구비되고, 쵸크랄스키법으로 단결정을 제조할 때 사용되는 실리콘융액을 수용하는 도가니를 포위하도록 배치되는 흑연히터의 상부에 배치되는 상부히터이며, 상기 발열부는 링형상으로 도가니를 포위하도록 배치되며, 이 발열부의 내측 및 외측에서 각각 수평방향으로 슬릿이 형성된 것임을 특징으로 하는 단결정 제조용 상부히터를 제공한다.

이와 같이 발열부는 링형상으로 도가니를 포위하도록 배치되며 이 발열부의 내측 및 외측에서 각각 수평방향으로 슬릿이 형성된 것이기 때문에 발열부의 두께를 예를 들면 30mm이하와 같은 판상으로 할 수 있으며 종래와 비교하여 매우 얇게 할 수 있고, 발열분포를 수직방향에 국부 집중시킬 수 있는 단결정 제조용 상부히터로 만들 수 있다. 이 때문에 상부히터가 실리콘융액의 대류에 미치는 열적 영향을 저감할 수 있고, 효율적으로 결정결함을 제어하여 고품질의 단결정을 제조할 수 있다.

이 경우, 상기 상부히터는 상기 전극 외에 이 전극에서 각각 원주방향 90도의 위치에 아래쪽에서 상기 상부히터의 발열부를 지지하도록 배치되는 더미전극을 가지는 것임이 바람직하다.

이와 같이 상부히터는 전극 외에 전극에서 각각 원주방향 90도의 위치에 아래쪽에서 상부히터의 발열부를 지지하도록 배치되는 더미전극을 가지는 것이기 때문에 상부히터자체의 무게나 외력에 의해 발열부가 변형되는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에 상부히터가 다른 부품, 예를 들면 하부에 배치되는 흑연히터와의 거리가 너무 가까워져 방전되는 것이나 파손되는 것을 방지한 단결정 제조용 상부히터로 만들 수 있다.

이 경우, 상기 발열부는 카본섬유복합재로 이루어진 것이 바람직하다.

이와 같이 발열부는 카본섬유복합재로 이루어진 것이기 때문에 종래 사용되었던 등방성흑연보다도 휨강도가 높은 재료를 사용할 수 있다. 이 때문에 두께를 얇게 할 수 있는 단결정 제조용 상부히터로 만들 수 있다.

또한, 상기 발열부는 이 발열부의 발열분포가 원하는 값이 되도록 상기 슬릿의 폭이 내외에서 변경되어 형성된 것임이 바람직하다.

이와 같이 발열부는 발열분포가 원하는 값이 되도록 슬릿의 폭이 내외에서 변경되어 형성된 것이기 때문에 예를 들면 발열부의 내측이 외측보다도 강하게 발열되게 할 수 있다. 이 때문에 발열분포를 확실히 수직방향에 국부 집중시킬 수 있는 단결정 제조용 상부히터로 만들 수 있다.

또한, 본 발명의 단결정 제조용 상부히터로는 상기 전류가 공급되는 전극은 상기 상부히터가 상기 실리콘융액에 자장인가장치로 수평자장을 인가하면서 단결정을 인상하는 수평자장인가CZ법으로 단결정을 제조할 때 사용되는 경우에, 이 전극이 상기 자장인가장치에서 인가되는 수평자장의 코일 중심을 연결하는 자력선 방향에 대해 수직위치에 배치되며, 이 전극의 극성은 상기 상부히터가 상기 수평자장에서 하향의 힘을 받도록 배치되는 것이 바람직하다.

이와 같이 상부히터가 실리콘융액에 자장인가장치로 수평자장을 인가하면서 단결정을 인상하는 수평자장인가CZ법으로 단결정을 제조할 때 사용되는 경우에, 전극이 자장인가장치에서 인가되는 수평자장의 코일 중심을 연결하는 자력선 방향에 대해 수직위치에 배치되며, 이 전극의 극성은 상부히터가 수평자장에서 하향의 힘을 받도록 배치됨으로써 상부히터에 작용하는 힘의 방향을 수직 하향으로 할 수 있다. 이 때문에 상부히터를 위쪽에서 지지함으로써 발열부가 변형되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 적어도 상기 중 어느 하나에 기재된 단결정 제조용 상부히터를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치를 제공한다.

이와 같이 단결정 제조장치가 상기 중 어느 하나에 기재된 단결정 제조용 상부히터를 구비하는 것이기 때문에 상부히터가 실리콘융액의 대류에 미치는 열적 영향을 저감할 수 있으며 효율적으로 결정결함을 제어하여 고품질의 단결정을 제조할 수 있는 장치로 만들 수 있다.

이 경우, 상기 단결정 제조장치는 적어도 상기 실리콘융액을 수용하는 도가니와 이 도가니에서 인상한 단결정을 냉각하는 냉각통과 이 냉각통의 하부에 설치된 흑연통의 외측하단에 상기 실리콘융액과 대향하도록 배치된 상기 실리콘융액표면을 보온하는 열차폐체를 구비하고, 상기 상부히터의 저면이 단결정의 성장 중의 상기 실리콘융액표면보다도 위쪽이면서 상기 상부히터의 상면이 상기 열차폐체의 저면보다도 아래쪽이 되도록 상기 상부히터가 배치된 것임이 바람직하다.

이와 같이 상부히터의 저면이 단결정의 성장 중의 실리콘융액표면보다도 위쪽이면서 상부히터의 상면이 열차폐체의 저부보다도 아래쪽이 되도록 상부히터가 배치된 것이기 때문에 단결정의 측면으로의 전열효율을 높임과 동시에 상부히터가 실리콘융액에 미치는 열적 영향을 저감할 수 있는 단결정 제조장치로 만들 수 있다. 또한, 상부히터의 하부에 배치되는 흑연히터를 종래보다도 위쪽에 배치할 수 있어서 흑연히터의 발열 중심을 실리콘융액에 대해 높게 배치할 수 있다. 이 때문에 결정결함을 효율적으로 제어하고, 또한 산소농도의 제어성이 향상되어 고품질의 단결정을 제조할 수 있는 단결정 제조장치로 만들 수 있다.

또한, 상기 단결정 제조장치는 적어도 상기 실리콘융액에 수평자장을 인가하는 자장발생장치를 구비하고 이 자장발생장치로 수평자장을 인가하면서 단결정을 인상하는 수평자장인가CZ법으로 단결정을 제조하는 것임이 바람직하다.

이와 같이 단결정 제조장치는 적어도 상기 실리콘융액에 수평자장을 인가하는 자장발생장치를 구비하고, 실리콘원료융액에 자장발생장치로 수평자장을 인가하면서 단결정을 인상하는 수평자장인가CZ법으로 단결정을 제조할 때 사용되는 것이기 때문에 실리콘융액의 대류를 확실히 억제하고 보다 효율적으로 결정결함을 제어하여 단결정을 제조할 수 있는 장치로 만들 수 있다.

또한, 본 발명의 단결정 제조장치는 상기 단결정의 직경이 300mm이상인 대구경의 단결정을 제조할 때 사용되는 것으로 만들 수 있다.

이와 같이 단결정의 직경이 300mm이상인 대구경의 단결정을 제조할 때 사용됨으로써 대구경의 단결정을 고품질로 제조할 수 있는 장치로 만들 수 있다.

또한, 본 발명은, 적어도 상기 중 어느 하나에 기재된 단결정 제조용 상부히터를 구비하는 단결정 제조장치를 사용하여 쵸크랄스키법으로 단결정을 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법을 제공한다.

이와 같이 본 발명의 단결정 제조용 상부히터를 구비하는 단결정 제조장치를 사용하여 쵸크랄스키법으로 단결정을 제조함으로써 효율적으로 결정결함을 억제하고, 또한 산소농도를 좋은 정밀도로 제어한 고품질의 단결정을 제조할 수 있다.

이 경우, 적어도 상기 실리콘융액을 수용하는 도가니와 이 도가니에서 인상한 단결정을 냉각하는 냉각통과 이 냉각통의 하부에 설치된 흑연통의 외측하단에 상기 실리콘융액과 대향하도록 배치된 상기 실리콘융액표면을 보온하는 열차폐체를 구비하고 상기 상부히터의 저면이 단결정의 성장 중의 상기 실리콘융액표면보다도 위쪽이면서 상기 상부히터의 상면이 상기 열차폐체의 저면보다도 아래쪽이 되도록 상기 상부히터가 배치된 단결정 제조장치를 사용하여 쵸크랄스키법으로 단결정을 제조하는 방법에서, 상기 단결정을 인상하여 이 단결정의 직경이 일정해지는 직동부를 형성한 후 이 직동부의 상부가 상기 냉각통의 하단부에 도달할 동안, 상기 상부히터의 파워를 서서히 감소시키는 것이 바람직하다.

이와 같이 단결정을 인상하여 직동부를 형성한 후, 직동부의 상부가 냉각통의 하단부에 도달할 동안, 상부히터의 파워를 서서히 감소시킴으로써 직동전반부의 결정계면 부근의 온도구배의 저하를 동반하는 급격한 단결정 중의 온도구배의 저하를 억제할 수 있으며, 직동전반부보다 인상속도를 안정시킬 수 있기 때문에 V/G를 좋은 정밀도로 제어할 수 있다. 그 결과, 안정된 품질로 제어된 보다 고품질의 단결정을 제조할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 단결정 제조용 상부히터는 발열부가 링형상으로 도가니를 포위하도록 배치되며 그 발열부의 내측 및 외측에서 각각 수평방향으로 슬릿이 형성된 것이기 때문에 상부히터가 실리콘융액의 대류에 미치는 열적 영향을 저감할 수 있으며, 효율적으로 결정결함을 제어하여 단결정을 제조할 수 있다. 그리고 이와 같은 단결정 제조용 상부히터를 구비한 단결정 제조장치로 효율적으로 결정결함을 억제하고, 또한 산소농도의 제어성을 향상시킬 수 있어서 고품질의 단결정을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 단결정 제조용 상부히터의 계략도이다.
도 2는 본 발명의 단결정 제조용 상부히터의 발열부의 슬릿의 일예를 나타내는 도이다.
도 3은 상부히터가 수평자장으로부터의 힘을 받아서 변형하는 모습을 나타내는 도이다.
도 4는 본 발명의 단결정 제조용 상부히터를 구비한 단결정 제조장치를 나타내는 도이다.
도 5는 실시예 및 비교예에서의 직동부의 길이와 단결정 중의 산소농도를 나타내는 도이다.
도 6은 실시예 및 비교예에서의 직동부의 길이와 상부히터의 파워를 나타내는 도이다.
도 7은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서의 지름방향 전면이 N영역이 된 직동 길이 방향의 영역을 나타내는 데이터이다.
도 8은 종래의 1단히터의 단결정 제조장치를 나타내는 도이다.
도 9는 종래의 2단히터의 단결정 제조장치를 나타내는 도이다.

이하, 본 발명에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

상술한 바와 같이 실리콘원료를 용융시키기 위한 흑연히터가 상하2단의 구조인 것이 개시되어 있지만, 하부히터의 위치가 종래의 1단히터 구조의 경우에 비해 실리콘융액에 대해 보다 하측이 되기 때문에 결정 중의 산소농도가 증가한다는 문제가 있었다. 또한, 직동전반부는 G가 크고 목표로 하는 결정품질을 얻을 수 있는 V/G의 값으로 제어하는 것이 어렵다는 문제도 있었다.

그래서 본 발명자들은 상부히터의 발열부의 높이를 가능한 한 낮게 하는 것에 상도하여 발열부를 판상의 링으로 내측 및 외측에서 각각 수평방향으로 슬릿이 형성된 것으로 만드는 것을 시도했다.

그 결과, 발열부의 두께를 30mm이하와 같이 종래에 비해 매우 얇게 하여 발열분포를 수직방향에 국부 집중시킬 수 있었다.

또한, 이 상부히터와 실리콘융액을 수용하는 도가니와 도가니에서 인상한 단결정을 냉각하는 냉각통과 냉각통의 하부에 설치된 흑연통의 외측하단에 실리콘융액과 대향하도록 배치된 실리콘융액표면을 보온하는 열차폐체를 구비한 단결정 제조장치에서, 상부히터의 저면이 단결정의 성장 중의 실리콘융액표면보다도 위쪽이면서 상부히터의 상면이 열차폐체의 저부보다도 아래쪽이 되도록 상부히터를 배치함으로써 단결정의 측면으로의 전열효율을 높이고 단결정 중의 결정결함을 제어하면서 산소농도의 증가를 방지할 수 있다는 것을 알았다.

또한, 이 단결정 제조장치를 사용하여 단결정을 제조할 때, 단결정을 인상하여 단결정의 직경이 일정해지는 직동부를 형성한 후, 직동부의 상부가 냉각통의 하단부에 도달할 동안, 상부히터의 파워를 서서히 감소시킴으로써 품질이 안정된 단결정을 제조할 수 있다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 상기 지현 및 발견에 기초하여 완성된 것이며, 이하에서 본 발명에 대해 도면을 참조하면서 더욱 상세하게 설명하지만 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니다.

도 1은 본 발명의 단결정 제조용 상부히터의 계략도이다.

이 단결정 제조용 상부히터(1)에는 전류가 공급되는 2개의 전극(2)과 저항가열에 의한 발열부(3)가 설치되어 있다. 이 발열부(3)는 두께가 예를 들면 30mm이하의 링형상이며, 내측(6) 및 외측(7)에서 각각 수평방향으로 슬릿(4)이 형성되어 있다. 이 경우, 본 발명의 링형상의 발열부는 예를 들면 그 두께보다 폭이 큰 판상이다.

이와 같이 발열부의 두께를 종래와 비교하여 매우 얇게 할 수 있으며 발열분포를 수직방향에 국부 집중시킬 수 있기 때문에 효율적으로 결정결함을 제어하여 고품질의 단결정을 제조할 수 있다.

또한, 이 단결정 제조용 상부히터(1)는 도 1에 나타낸 바와 같이 전극(2) 외에 전극(2)에서 각각 원주방향 90도의 위치에 아래쪽에서 상부히터의 발열부를 지지하도록 배치되는 2개의 더미전극(5)을 가지는 것이 바람직하다.

이에 의해 상부히터의 발열부자체의 무게나 자장으로부터 받는 외력 등에 의해 발열부가 변형되는 것을 방지할 수 있다. 이 때문에 상부히터가 단결정 제조장치에 사용될 때, 상부히터가 다른 부품, 예를 들면 하부에 배치되는 흑연히터와의 거리가 너무 가까워서 방전되거나 파손되는 것을 방지한 단결정 제조용 상부히터로 만들 수 있다. 더미전극은 당연히 전기적으로 절연되어야 한다.

또한, 발열부(3)는 카본섬유복합재로 이루어진 것임이 바람직하다.

이에 의해 종래 사용되었던 등방성흑연보다도 휨강도가 높은 재료를 사용할 수 있으며 발열부의 두께를 얇게 해도 변형이나 파손이 발생하는 것을 보다 확실히 방지할 수 있다.

또한, 발열부(3)는 발열부의 발열분포가 원하는 값이 되도록 내측(6) 및 외측(7)에 형성된 슬릿(4)의 폭이 내외에서 변경되어 형성된 것임이 바람직하다.

여기서 도 2에 본 발명의 단결정 제조용 상부히터의 발열부의 슬릿의 일 예를 나타낸다. 예를 들면 도 2에 나타낸 바와 같이 발열부의 내측의 슬릿폭보다도 외측의 슬릿폭을 넓게 함으로써 발열부의 내측이 외측보다도 강하게 발열하게 할 수 있다. 이 때문에 발열분포를 확실히 수직방향에 국부 집중시킬 수 있는 단결정 제조용 상부히터로 만들 수 있다. 물론 본 발명에서는 목적에 따라 내측의 슬릿과 외측의 슬릿의 폭을 같게 할 수도 있고, 반대로 내측의 폭을 넓게 할 수도 있다.

또한, 전류가 공급되는 전극(2)은 상부히터(1)가 실리콘융액에 자장인가장치로 수평자장을 인가하면서 단결정을 인상하는 수평자장인가CZ법으로 단결정을 제조할 때 사용되는 경우, 이 전극(2)이 자장인가장치에서 인가되는 수평자장의 코일 중심을 연결하는 자력선 방향에 대해 수직위치에 배치되며, 이 전극(2)의 극성은 상부히터가 수평자장으로부터 하향의 힘을 받도록 배치되는 것이 바람직하다.

여기서 도 3에 상부히터가 수평자장으로부터 힘을 받아 변형되는 모습을 나타낸다. 도 3에 나타낸 바와 같이 전극의 극성은 상부히터가 수평자장으로부터 하향의 힘을 받도록 배치됨으로써 예를 들면 더미전극을 사용하여 상부히터의 발열부를 아래쪽에서 지지할 수 있기 때문에 발열부가 변형되는 것을 방지할 수 있다.

다음으로 본 발명의 단결정 제조용 상부히터를 구비한 단결정 제조장치를 도 4에 나타낸다.

이 단결정 제조장치(10)는 다결정실리콘을 수용하여 용융하기 위한 부재나 열을 차단하기 위한 단열부재 등을 가지며, 이들은 메인챔버(11)내에 수용되어 있다. 메인챔버(11)의 천장부에는 위로 연장되는 인상챔버(12)가 연접되어 있고, 이 상부에 단결정(13)을 와이어(14)로 인상하는 인상기구(27)가 설치되어 있다.

메인챔버(11)내에는 용융된 실리콘융액(15)을 수용하는 석영도가니(16)와 이 석영도가니(16)를 지지하는 흑연도가니(17)가 설치되며 이들 도가니(16, 17)는 회전 및 승강이 가능하도록 샤프트(18)에 의해 지지된다.

그리고 도가니(16, 17)를 포위하도록 실리콘원료를 용융시키기 위한 흑연히터(19)이 배치되어 있다. 이 흑연히터(19)의 외측에는 흑연히터(19)로부터의 열이 메인챔버(11)에 직접 복사되는 것을 방지하기 위해 단열부재(20)가 그 주위를 둘러싸도록 설치되어 있다.

또한, 인상한 단결정을 냉각하는 냉각통(21)과 그 하부에 흑연통(22)이 설치되며 여기에 상부에서 냉각가스를 아래로 내보내서 인상한 단결정을 냉각할 수 있도록 하였다. 그리고 흑연통(22)의 외측하단에 실리콘융액(15)과 대향하도록 열차폐체(23)를 구비하여 융액면에서의 복사를 커트함과 동시에 실리콘융액표면을 보온하도록 하였다.

또한, 상부히터의 저면이 단결정(13)의 성장 중의 실리콘융액표면보다도 위쪽이면서 상부히터(24)의 상면이 열차폐체(23)의 저부보다도 아래쪽이 되도록 상부히터(24)가 배치되어 있다.

이와 같이 단결정의 성장 중의 실리콘융액의 표면보다도 위쪽이면서 열차폐체의 저부도다도 아래쪽이 되도록 상부히터가 배치되어 있기 때문에 단결정의 측면으로의 전열효율을 높일 수 있는 단결정 제조장치로 만들 수 있다.

또한, 상부히터(24)의 하부에 배치되는 흑연히터(19)를 종래보다도 위쪽에 배치할 수 있으며, 흑연히터(19)의 발열중심을 실리콘융액에 대해 높게(원하는 위치) 배치할 수 있기 때문에 산소농도제어를 용이하게 할 수 있으며, 산소농도의 제어성이 향상된 단결정 제조장치로 만들 수 있다. 종래의 상부히터는 상하방향의 높이가 크고, 흑연히터를 배치할 수 있는 위치에 현저한 제약이 있었지만 본 발명과 같이 얇은 링형상의 상부히터이면 흑연히터의 배치위치에 제약이 거의 발생하지 않는다.

또한, 본 발명의 단결정 제조장치는 실리콘융액에 수평자장을 인가하는 자장발생장치를 구비하고, 이 자장발생장치로 수평자장을 인가하면서 단결정을 인상하는 수평자장인가CZ법으로 단결정을 제조할 때 사용할 수 있다.

이에 의해 실리콘융액의 대류를 확실히 억제하고 보다 효율적으로 결정결함을 제어하여 단결정을 제조할 수 있는 장치로 만들 수 있다.

또한, 본 발명의 단결정 제조장치는 단결정의 직경이 300mm이상인 대구경의 단결정을 제조할 때 사용할 수 있다.

이에 의해, 단결정의 직경이 300mm이상인 대구경의 단결정을 결정결함을 제어하여 고품질로 제조할 수 있는 장치로 만들 수 있다.

본 발명의 단결정 제조방법에서는 도 4에 나타낸 바와 같은 단결정 제조장치(10)를 사용하여 다음과 같이 단결정을 인상하여 제조한다.

우선, 석영도가니(16)에 다결정실리콘을 수용하고 이 도가니(16)를 흑연히터(19), 상부히터(24)로 가열하여 석영도가니(16)내의 다결정실리콘을 용융시킨다. 그리고 다결정실리콘을 용융시킨 실리콘융액(15)에 와이어(14)의 하단에 유지되어 있는 종결정(25)을 착액시키고, 그 후 종결정(25)을 회전시키면서 인상함으로써 종결정(25)의 아래쪽에 원하는 직경과 품질을 가지는 단결정(13)을 육성한다.

이 때, 단결정(13)의 직경이 일정하게 되는 직동부(26)를 형성하고 이 직동부(26)의 상부가 도 4에 나타낸 바와 같이 냉각통(21)의 하단부에 도달할 동안, 상부히터(24)의 파워를 서서히 감소시키는 것이 바람직하다.

이에 의해 직동전반부의 결정계면 부근의 온도구배의 저하에 동반되는 급격한 단결정 중의 온도구배의 저하를 억제할 수 있으며, 직동전반부보다 인상속도를 안정시킬 수 있기 때문에 V/G를 좋은 정밀도로 제어할 수 있다. 그 결과, 안정된 품질로 제어된 보다 고품질의 단결정을 제조할 수 있다.

다음에 본 발명의 실시예, 비교예를 나타내여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

우선 목표직경 300mm의 단결정을 제조하기 위해 도 4에 나타낸 바와 같은 단결정 제조장치(10)를 사용하여 외경이 909mm인 석영도가니(16)에 다결정실리콘을 450kg충진하고 흑연히터(19), 상부히터(24)에 통전하여 다결정실리콘을 용융하여 실리콘융액(15)을 형성했다. 그 후, 실리콘융액(15)에 종결정(25)을 담그고 와이어(14)로 도가니(16, 17)의 회전방향과는 반대방향으로 회전시켜서 단결정(13)을 인상했다.

이 때, 도 6에 나타낸 바와 같이 상부히터(24)의 파워를 일정하게 했다.

또한, 제조한 단결정의 산소농도 및 결정결함을 측정했다.

(실시예 2)

상기 실시예 1의 단결정의 육성에서 직동부(26)를 형성하고, 직동부(26)의 상부가 냉각통(21)의 하단부에 도달할 동안, 도 6에 나타낸 바와 같이 상부히터(24)의 파워를 서서히 감소시키도록 변경제어하면서 단결정을 인상, 제조한 단결정의 산소농도 및 결정결함을 측정했다.

(비교예 1)

상기 실시예 1과는 달리 도 8에 나타낸 바와 같은 종래의 1단히터의 단결정 제조장치를 사용하여 다결정실리콘을 용융하고 실리콘융액을 형성했다. 그 후, 실리콘융액에 종결정을 담드고 와이어로 도가니의 회전방향과는 방대방향으로 회전시켜서 단결정을 인상, 제조한 단결정의 산소농도 및 결정결함을 측정했다.

(비교예 2)

상기 실시예 1과는 달리 도 9에 나타낸 바와 같은 종래의 2단히터의 단결정 제조장치를 사용하여 다결정실리콘을 용융하고 실리콘융액을 형성했다. 그 후, 실리콘융액에 종결정을 담드고 와이어로 도가니의 회전방향과는 방대방향으로 회전시켜서 단결정을 인상했다. 이 때, 상부히터의 파워를 도 6에 나타낸 바와 같이 실시예 2와 동일하게 서서히 감소시켰다. 또한, 제조한 단결정의 산소농도 및 결정결함을 측정했다.

여기서 도 5는 실시예 및 비교예에서의 직동부의 길이와 단결정 중의 산소농도를 나타내는 도이며, 도 6은 실시예 및 비교예에서의 직동부의 길이와 상부히터의 파워를 나타내는 도이다. 또한, 도 7은 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에서의 지름방향 전면이 N영역이 된 직동 길이 방향의 영역을 나타내는 데이터이다.

도 5로 실시예 1은 비교예 1과 거의 동일한 산소농도로 제어되어 있으며, 비교예 2와 같이 산소농도가 증가하지 않은 것을 알 수 있다. 또한, 실시예 2는 비교예 1, 실시예 1보다도 직동부 전반의 산소농도가 낮으며 보다 일정하게 제어되어 있다.

또한, 도 7로 본 발명의 2단히터에 의한 단결정의 육성에서는 종래의 1단히터에 의한 단결정의 육성에 비해 직동전반부의 G가 작아지고 N영역이 되는 인상속도가 직동전반부보다 안정되기 때문에 지름방향 전면이 N영역이 되는 직동 길이를 길게 할 수 있었다.

이상으로 본 발명의 단결정 제조용 상부히터를 사용함으로써 종래의 2단히터와 같이 단결정 중의 산소농도가 증가하는 것을 방지할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 상부히터의 파워를 서서히 감소시키면서 단결정을 인상함으로써 직동부 전반의 산소농도의 증가를 억제할 수 있으면서 결정결함도 원하는 것을 얻을 수 있다.

이와 같이 본 발명의 단결정 제조용 상부히터에 따르면 단결정의 결정결함을 효율적으로 제어할 수 있는 단결정 제조용 상부히터로 만들 수 있다. 그리고 본 발명의 단결정 제조장치에 따르면 결정결함을 효율적으로 제어하여 산소농도의 제어성을 향상시킬 수 있으며, 또한 이 단결정 제조장치를 사용하여 고품질의 단결정을 제조하는 단결정 제조방법으로 만들 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며 동일한 작용효과를 가지는 것은 어떠한 것도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (11)

1. 적어도 전류가 공급되는 전극과 저항가열에 의한 발열부가 구비되고, 쵸크랄스키법으로 단결정을 제조할 때 사용되는 실리콘융액을 수용하는 도가니를 포위하도록 배치되는 흑연히터의 상부에 배치되는 상부히터로, 상기 발열부는 링형상으로 도가니를 포위하도록 배치되며 이 발열부의 내측 및 외측에서 각각 수평방향으로 슬릿이 형성된 것임을 특징으로 하는 단결정 제조용 상부히터.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 상부히터는 상기 전극 외에 이 전극에서 각각 원주방향 90도의 위치에 아래쪽에서 상기 상부히터의 발열부를 지지하도록 배치되는 더미전극을 가지는 것임을 특징으로 하는 단결정 제조용 상부히터.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 발열부는 카본섬유복합재로 이루어진 것임을 특징으로 하는 단결정 제조용 상부히터.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 발열부는 이 발열부의 발열분포가 원하는 값이 되도록 상기 슬릿의 폭이 내외에서 변경되어 형성된 것임을 특징으로 하는 단결정 제조용 상부히터.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전류가 공급되는 전극은 상기 상부히터가 상기 실리콘융액에 자장인가장치로 수평자장을 인가하면서 단결정을 인상하는 수평자장인가CZ법으로 단결정을 제조할 때 사용되는 경우에, 이 전극이 상기 자장인가장치에서 인가되는 수평자장의 코일 중심을 연결하는 자력선 방향에 대해 수직위치에 배치되며, 이 전극의 극성은 상기 상부히터가 상기 수평자장으로부터 하향의 힘을 받도록 배치되는 것을 특징으로 하는 단결정 제조용 상부히터.
6. 적어도 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 기재된 단결정 제조용 상부히터를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 단결정 제조장치는 적어도 상기 실리콘융액을 수용하는 도가니와 이 도가니에서 인상한 단결정을 냉각하는 냉각통과 이 냉각통의 하부에 설치된 흑연통의 외측하단에 상기 실리콘융액과 대향하도록 배치된 상기 실리콘융액표면을 보온하는 열차폐체를 구비하고, 상기 상부히터의 저면이 단결정의 성장 중의 상기 실리콘융액표면보다도 위쪽이면서 상기 상부히터의 상면이 상기 열차폐체의 저면보다도 아래쪽이 되도록 상기 상부히터가 배치된 것임을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
   상기 단결정 제조장치는 적어도 상기 실리콘융액에 수평자장을 인가하는 자장발생장치를 구비하고, 이 자장발생장치로 수평자장을 인가하면서 단결정을 인상하는 수평자장인가CZ법으로 단결정을 제조하는 것임을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
9. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 단결정의 직경이 300mm이상인 대구경의 단결정을 제조할 때 사용되는 것임을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
10. 제 6항에 기재된 단결정 제조장치를 사용하여 쵸크랄스키법으로 단결정을 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법.
11. 제 7항 또는 제 8항에 기재된 단결정 제조장치를 사용하여 쵸크랄스키법으로 단결정을 제조하는 방법에서, 상기 단결정을 인상하여 이 단결정의 직경이 일정해지는 직동부를 형성한 후 이 직동부의 상부가 상기 냉각통의 하단부에 도달할 동안, 상기 상부히터의 파워를 서서히 줄이는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법.

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