KR20120112505A - 단결정 제조 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 원료 융액을 수용하는 도가니와, 이 도가니를 둘러싸고 있으며 원통 형상 발열부를 가지는 히터와, 이 히터를 격납하는 메인 챔버와, 상기 히터를 지지하여 전류를 공급하는 히터 전극과, 상기 히터의 원통 형상 발열부의 아래쪽에 배치되는 단열판을 구비한 쵸크랄스키법에 의해 단결정 잉곳을 제조하는 단결정 제조 장치에 있어서, 상기 단열판이 상기 히터 전극에 절연성 고정 부재를 통해 고정 지지되고, 상기 단열판 상면의 상기 원통 형상 발열부의 하단에 대응하는 위치에 절연성 지지 부재가 배치된 것인 단결정 제조 장치이다. 이에 따라, 히터의 변형을 억제하여, 열효율의 악화가 없는 단결정 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

Description

단결정 제조 장치{SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING APPARATUS}

본 발명은, 쵸크랄스키법을 이용하여 단결정 잉곳을 육성하는 단결정 제조 장치에 관한 것이다.

초고집적 반도체 소자의 제조에 사용되는 기판은, CZ법(쵸크랄스키법)에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 육성하고, 육성한 단결정 잉곳을 웨이퍼 가공하여 표면을 경면 처리한 실리콘 웨이퍼가 주로 사용되고 있다. 이와 같은 CZ법을 이용한 단결정 제조에서, 반도체 소자의 제조 비용 저감을 목적으로 한 실리콘 웨이퍼의 대구경화에 따라, 장치나 로 내 부품의 대형화가 진행되어 온 경위가 있다.

CZ법에서는, 석영 도가니에 넣은 다결정 원료를 원통 형상의 흑연 히터로 가열하여, 용해시킨 실리콘 멜트로부터 단결정을 육성한다. 이와 같이 육성하는 단결정 잉곳의 대구경화에 의한 도가니 등의 사이즈의 대형화에 따라, 도가니를 둘러싸고 가열하는 히터도 대형화되어, 휨 등의 변형이 발생하여, 다른 부품과 접촉되어 방전된다는 것이 문제가 되었다. 이러한 변형은 대형화된 히터의 자중에 의한 것도 있지만, 이에 더하여 특히 MCZ법(자장 인가 쵸크랄스키법)에서, 자장 중에서의 로렌츠 힘에 의한 변형은 무시할 수 없는 것이 있으며, 이와 같은 히터의 변형을 방지하기 위해, 히터 전극 이외에 보조전극을 설치하여, 히터를 지지하는 방법이 채용되고 있었다(특허문헌 1 참조).

일본특허공개 H9-263491호 공보

그러나, 히터로부터 보조전극을 통해 빠져나가는 열량이 크기 때문에, 단결정 제조 장치의 소비전력을 증가시키고 있었다. 이에 따라 종래의 CZ법 및 MCZ법으로는 열효율이 나쁘고, 공업적으로 고비용이고, 환경부하가 크다는 것이 문제였다.

본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 히터의 변형을 억제하여, 열효율의 악화가 없는 단결정 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 원료 융액을 수용하는 도가니와, 이 도가니를 둘러싸고 있으며 원통 형상 발열부를 가지는 히터와, 이 히터를 격납하는 메인 챔버와, 상기 히터를 지지하여 전류를 공급하는 히터 전극과, 상기 히터의 원통 형상 발열부의 아래쪽에 배치되는 단열판을 구비한 쵸크랄스키법에 의해 단결정 잉곳을 제조하는 단결정 제조 장치에 있어서, 상기 단열판이 상기 히터 전극에 절연성 고정 부재를 통해 고정 지지되고, 상기 단열판 상면의 상기 원통 형상 발열부의 하단에 대응하는 위치에 절연성 지지 부재가 배치된 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치를 제공한다.

이와 같이, 단열판이 히터 전극에 절연성 고정 부재를 통해 고정 지지되고, 단열판 상면의 원통 형상 발열부의 하단에 대응하는 위치에 절연성 지지 부재가 배치된 것이라면, 단열판 상의 절연성 지지 부재로 히터의 원통 형상 발열부를 지지하여 변형을 억제할 수 있을 뿐 아니라, 절연성 지지 부재와 히터가 접촉하더라도, 접촉하는 절연성 지지 부재는, 히터 전극에 절연성 고정 부재를 통해 고정 지지된 단열판 상에 배치되어 있으므로, 접촉에 의해 빠져나가는 열량이 작어, 히터의 열효율이 악화되는 일은 거의 없다. 또한, 단열판은 히터 전극 및 히터와 절연성 부재를 통해 접촉하게 되므로, 방전의 우려도 없다. 나아가, 히터의 원통 형상 발열부의 변형 억제로 인해, 보조전극 등의 추가부재는 필요하지 않게 되므로, 저비용의 장치가 된다.

이때, 상기 히터 전극이 상기 히터를 2개소에서 지지하는 것이고, 상기 단열판 상면의 상기 절연성 지지 부재가 배치되는 위치는, 상기 원통 형상 발열부 하단의 상기 히터 전극이 상기 히터를 지지하는 위치의 90도 회전한 위치에 대응하는 위치인 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써, 히터의 원통 형상 발열부의 변형량이 가장 커지는 위치에 절연성 지지 부재가 배치되게 되므로, 히터의 변형을 보다 효과적으로 억제할 수 있는 장치가 된다.

이때, 상기 절연성 지지 부재의 상단과 상기 히터의 원통 형상 발열부의 하단 사이의 거리가 0~5mm인 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써, 히터의 변형을 충분히 억제할 수 있는 장치가 된다.

이때, 상기 히터의 원통 형상 발열부의 내경이, 850mm 이상인 것이 바람직하다.

이와 같이, 히터의 원통 형상 발열부의 내경이, 850mm 이상의 대형인 경우에도, 본 발명의 장치라면 열효율을 악화시키지 않고 변형을 억제할 수 있으므로, 대구경 단결정 잉곳을 제조하는데 적합한 장치가 된다.

이상과 같이, 본 발명의 단결정 제조 장치에 따르면, 히터의 변형을 억제하면서, 열효율이 악화되는 경우도 거의 없으므로, 소비전력이 저감되어, 저비용으로 대구경의 단결정을 제조할 수 있는 장치가 된다.

도 1은, 본 발명의 단결정 제조 장치의 실시 태양의 일 예를 부분적으로 나타내는 (a) 개략 사시도와, (b) 개략 측면도이다.
도 2는, 본 발명의 단결정 제조 장치의 실시 태양의 일 예를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은, 실시예, 비교예에 있어서, 단결정 잉곳을 제조했을 때의 평균 소비전력을 나타내는 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 단결정 제조 장치에 이용할 수 있는 단열판의 일 예를 나타내는 개략 사시도다.
도 5는, 비교예에서 이용한 단결정 제조 장치를 부분적으로 나타내는 (a) 개략 사시도와, (b) 개략 측면도이다.

이하, 본 발명의 단결정 제조 장치에 대하여, 실시 태양의 일 예로서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.

도 2는, 본 발명의 단결정 제조 장치의 일 예를 나타내는 개략도이다. 도 2에 나타내는 본 발명의 단결정 제조 장치(21)는, 쵸크랄스키법에 의해 단결정 잉곳을 제조하는 장치에 있어서, 원료 융액(20)을 수용하는 석영 도가니(18)와, 그 외측의 흑연 도가니(19)와, 석영 도가니(18) 및 흑연 도가니(19)를 지지함과 동시에 회전?승강시키는 도가니 지지축(17)을 구비한다. 그리고, 석영 도가니(18) 및 흑연 도가니(19)를 둘러싸고 있으며 원통 형상 발열부(14)를 가지는 히터(13)와, 히터(13)를 지지하여 전류를 공급하는 히터 전극(11)과, 히터(13)를 격납하는 메인 챔버(22)와, 히터(13)의 원통 형상 발열부(14)의 아래쪽에 배치되는 단열판(10)을 구비한다. 또한, 히터(13) 및 단열판(10)의 외측에서, 메인 챔버(22)의 내벽과 저면의 내측에는, 단열 부재(12)가 배치되어 있다.

여기서, 도 1은, 본 발명의 단결정 제조 장치의 일 예를 부분적으로 나타내는 (a) 개략 사시도와, (b) 개략 측면도이다. 한편, 도 1(a)에서는, 단열판(10)을 점선으로 나타낸다. 본 발명의 단결정 제조 장치(21)의 히터(13)는, 예를 들면, 흑연 히터로 할 수 있고, 또한, 도 1(a), (b) 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 원통 형상 발열부(14)의 하부에 단자부(15)를 가지며, 이 단자부(15)와 히터 전극(11)이 접속됨으로써, 히터(13)가 전류를 공급하는 동시에 지지된다.

그리고, 도 1(a), (b) 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 장치(21)는, 단열판(10)이 히터 전극(11)에 절연성 고정 부재(16)를 통해 고정 지지되고, 단열판(10)의 상면의 원통 형상 발열부(14)의 하단에 대응하는 위치에 절연성 지지 부재(23)가 배치된 것이다.

통상, 단열판(10)은 아래쪽 단열에 의한 원료 융액(20)의 보온을 목적으로 한 것이지만, 이와 같은 본 발명의 장치(21)라면, 단열판(10) 상의 절연성 지지 부재(23)에 의해 히터(13)의 원통 형상 발열부(14)의 변형을 억제, 방지할 수 있다. 그러므로, 히터 전극 이외에 보조전극 등의 새로운 부품 등을 추가하는 일 없이, 저비용으로 히터(13)의 변형을 억제할 수 있는 장치가 된다. 또한, 단열판(10) 상의 절연성 지지 부재(23)와 원통 형상 발열부(14)가 접촉하더라도, 단열판(10)이 히터 전극(11)에 의해 절연성 고정 부재(16)를 통해 지지되어 있으므로, 전열에 의해 빠져나가는 열량은 작다. 또한, 단열판(10)은, 히터 전극(11) 및 히터(13)와는 절연성의 부재를 통해서 접촉하게 되므로, 방전도 발생하지 않는다.

도 4는, 본 발명의 단결정 제조 장치에 사용할 수 있는 단열판의 일 예를 나타내는 개략 사시도다. 단열판(10)으로는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 예를 들면, 흑연재(26)와 단열재(27)로 이루어지며, 원판형상으로서, 도가니 지지축(17)이 통과하는 중앙의 구멍(24)과, 히터(13)의 단자부(15)가 통과하는 구멍(25)이 형성된 것으로 할 수 있다.

또한, 절연성 지지 부재(23) 및 절연성 고정 부재(16)는, 단(端)면이 평면이라면, 어떠한 형상이어도 좋으며, 재질로는, 예를 들면, 탄화규소, 질화규소, 알루미나 등으로 할 수 있다.

한편, 히터(13)가 단자부(15)를 갖지 않는 경우에는, 히터 전극으로 히터의 원통 형상 발열부를 직접 지지하는 것도 가능하다.

또한, 도 1, 2에 나타내는 바와 같은 히터 전극(11)이 히터(13)를 2개소에서 지지하는 것인 경우에는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 단열판(10)의 상면의 절연성 지지 부재(23)가 배치되는 위치가, 원통 형상 발열부(14)의 하단의 히터 전극(11)이 히터(13)를 지지하는 위치(구멍(25)의 위치)의 90도 회전한 위치에 대응하는 위치인 것이 바람직하다.

이에 따라, 히터(13)의 원통 형상 발열부(14)의 휨 등의 변형이 특히 발생하기 쉬운 위치에, 절연성 지지 부재(23)가 배치되게 되어, 원통 형상 발열부(14)의 하단을, 히터 전극(11)의 지지 위치와 함께 4개의 회전 대칭의 위치에서 지지할 수 있게 되므로, 원통 형상 발열부(14)의 변형을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 히터(13)의 원통 형상 발열부(14)의 내경이 큰 경우에는, 2개소보다 많이 절연성 지지 부재(23)를 추가로 배치하여 원통 형상 발열부(14)를 지지하는 것도 가능하다.

또한, 도 1(b)에 나타내는 바와 같이, 절연성 지지 부재(23)의 상단과 히터(13)의 원통 형상 발열부(14)의 하단 사이의 거리(D)는 0~5mm인 것이 바람직하다.

단결정 제조 전의 히터(13)를 설치한 상태에서 절연성 지지 부재(23)를 원통 형상 발열부(14)의 하단과 접촉시켜 두거나(D=0mm), 또는, 하단과 5mm 이내의 거리인 경우에는, 다른 부재와의 접촉 등의 문제가 발생하지 않을 정도로 히터(13)의 변형을 확실하게 억제할 수 있다.

또한, 히터(13)의 원통 형상 발열부(14)의 내경이, 850mm 이상인 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명의 단결정 제조 장치라면, 원통 형상 발열부(14)가, 850mm 이상으로 큰 내경을 갖는 것이어도 변형을 억제할 수 있다. 그러므로, 대구경 단결정 잉곳을 제조하기 위한 큰 내경의 도가니를 사용할 때에도, 효과적으로 가열할 수 있으므로, 실리콘 웨이퍼의 제조 비용을 저감시킬 수 있다.

이상과 같은, 본 발명의 단결정 제조 장치라면, 열효율을 악화시키는 일 없이, 히터의 변형을 억제할 수 있으므로, 예를 들면, 자장에 의해 히터에 변형이 생기기 쉬운 MCZ법에 의한 단결정 제조에 사용하는 것이 적합하다.

이하, 실시예 및 비교예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니다.

(실시예)

도 1, 2, 4에 나타내는 본 발명의 단결정 제조 장치를 이용하여, 단결정 잉곳을 제조하였다. 이때, 절연성 지지 부재의 상단과 히터의 원통 형상 발열부의 하단 사이의 거리를 5mm로 하였다.

우선, 500kg의 다결정 원료를, 내경 910mm의 석영 도가니에 충진하고, 내경 1020mm의 흑연 히터에 의해 다결정을 용해시켰다. 그 후, 수평자장을 중심 강도가 0.4T가 되도록 인가하고, 융액의 숙성 공정을 거쳐, <001>면을 가지는 종 결정을 융액에 침지하였다. 이때, 로 내로 흘리는 Ar 유량은 200L/min.로 하고, 로 내의 압력은 배기관에 저항을 마련하여 100hPa(75torr)로 조정하였다.

종 결정을 융액에 착액(着液)시킨 후에, 네킹(necking)을 행하는 일 없이 원하는 직경 300mm까지 넓히고, 그 후, 제품부인 정경(定經)의 비저항이 10Ω?cm로 조정된 붕소 도핑된 직경 300mm의 실리콘 단결정 잉곳을 육성하였다. 이때의 평균 소비전력은 138kW였다. 측정 결과를 도 3에 나타낸다.

(비교예)

도 5는, 비교예에서 이용한 단결정 제조 장치를 부분적으로 나타내는 (a) 개략 사시도와, (b) 개략 측면도이다. 한편, 도 5(a)의 개략 사시도에서는, 단열판(100)을 점선으로 나타내었다. 도 5(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 원통 형상 발열부(104)와 단자부(105)를 가지는 히터(103)를 히터 전극(101)으로 지지하고, 원통 형상 발열부(104)의 아래쪽에 단열판(100)을 배치하였다. 단, 히터 보조 전극(102)을 2개 배치하여, 이 히터 보조 전극(102)으로 단열판(100)을 지지함과 동시에, 구멍(125)을 관통한 히터 보조 전극(102) 상에 절연성 지지 부재(106)를 통해 원통 형상 발열부(104)의 하단을 2개소에서 지지하도록 하였다. 이를 제외하고는, 실시예와 동일한 장치를 이용하여, 동일한 조건으로 직경 300mm의 실리콘 단결정 잉곳을 육성하였다. 이때의 평균 소비전력은 150kW였다. 측정 결과를 도 3에 나타낸다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 단결정 제조 장치라면, 단결정의 제조시, 소비전력을 8% 정도 삭감할 수 있다는 효과를 확인할 수 있었다.

한편, 본 발명은 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시 형태는, 예시일 뿐으로, 본 발명의 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지고, 같은 작용 효과를 나타내는 것은 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (4)

1. 원료 융액을 수용하는 도가니와, 이 도가니를 둘러싸고 있으며 원통 형상 발열부를 가지는 히터와, 이 히터를 격납하는 메인 챔버와, 상기 히터를 지지하여 전류를 공급하는 히터 전극과, 상기 히터의 원통 형상 발열부의 아래쪽에 배치되는 단열판을 구비한 쵸크랄스키법에 의해 단결정 잉곳을 제조하는 단결정 제조 장치에 있어서,
   상기 단열판이 상기 히터 전극에 절연성 고정 부재를 통해 고정 지지되고, 상기 단열판 상면의 상기 원통 형상 발열부의 하단에 대응하는 위치에 절연성 지지 부재가 배치된 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 히터 전극이 상기 히터를 2개소에서 지지하는 것으로, 상기 단열판 상면의 상기 절연성 지지 부재가 배치되는 위치가, 상기 원통 형상 발열부 하단의 상기 히터 전극이 상기 히터를 지지하는 위치의 90도 회전한 위치에 대응하는 위치인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 절연성 지지 부재의 상단과 상기 히터의 원통 형상 발열부의 하단 사이의 거리가 0~5mm인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 히터의 원통 형상 발열부의 내경이, 850mm 이상인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.

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