KR20120124120A - 폴리실리콘의 용융 장치 및 용융 방법 - Google Patents

Abstract

실시예는 챔버; 상기 챔버에 폴리실리콘을 주입하는 폴리실리콘 공급 유닛; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 폴리실리콘이 수용되고 용융되는 도가니; 및 상기 도가니의 상부에 배치되고, 실리콘 용융액에 일부가 주입되어 상기 실리콘 용융액의 점도를 측정하는 점도 측정 유닛을 포함하는 실리콘 결정의 용융 장치를 제공한다.

Description

폴리실리콘의 용융 장치 및 용융 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MELTING POLY SILICON}

본 발명은 폴리실리콘의 용융 장치 및 용융 방법에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼는 폴리실리콘을 용융시킨 후, 쵸크랄스키(Czochralski)법 등으로 잉곳(Ingot)으로 단결정 성장시킨다. 그리고, 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 슬라이싱(Slicing), 래핑(Lapping), 폴리싱(Polishing), 클리닝(Cleaning) 등의 가공 공정을 거쳐서 실리콘 결정 웨이퍼가 되어 반도체 디바이스 기판으로 사용하게 된다.상술한 공정 중 실리콘 결정 잉곳의 제조장치는, 내부에 실리콘 결정 잉곳의 생성을 위한 공간이 형성되는 챔버와, 실리콘 결정 잉곳의 생성을 위한 기본 재료가 되는 실리콘 용융액이 수용되기 위하여 상기 챔버 내부에 구비되는 도가니를 포함한다.

폴리실리콘을 도가니에 충진할 때 실리콘 크기의 제약으로 원하는 양을 한 번에 충진하기 어려운데, 고체 상태의 폴리실리콘의 경우 실리콘 덩어리 사이에 공간이 발생하여 실리콘 용융액 대비하여 부피가 커지는 현상이 있기 때문이다.

따라서, 실리콘을 일부만 충진하여 용융 공정을 진행한 뒤, 별도의 피딩(feeeding) 장치를 사용하여 추가로 폴리실리콘을 실리콘 용융액 내로 투입하고 2차 녹임 공정을 진행한다.

이때, 실리콘 용융액은 온도가 상승함에 따라 점도가 낮아지는 특성을 갖고, 1차 녹임 공정의 진행 후 실리콘 용융액에 실리콘 다결정을 추가로 투입할 때 낙하하는 폴리실리콘에 의해 결정 결함의 일종인 기포가 실리콘 용융액 내에 발생할 수 있다.

또한, 폴리실리콘의 추가 녹임 공정 후에 단결정의 씨드(Seed)를 디핍(Dipping)하고 단결정의 잉곳(Ingot)을 성장시킬 때, 단결정 잉곳 내에 기포가 남아 있을 수 있다.

실시예는 실리콘 다결정의 제조 장치의 실리콘의 용융 공정에서, 실리콘 용융액 내에서의 기포의 발생을 억제하고 이에 따른 실리콘 잉곳의 결함을 제거하고자 한다.

실시예는 챔버; 상기 챔버에 폴리실리콘을 주입하는 폴리실리콘 공급 유닛; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 폴리실리콘이 수용되고 용융되는 도가니; 및 상기 도가니의 상부에 배치되고, 실리콘 용융액에 일부가 주입되어 상기 실리콘 용융액의 점도를 측정하는 점도 측정 유닛을 포함하는 실리콘 결정의 용융 장치를 제공한다.

점도 측정 유닛은, 상기 실리콘 용융액보다 높은 녹는점의 회전자를 포함할 수 있다.

회전자는 몰리브덴으로 이루어질 수 있다.

회전자는 회전자 몸체와 상기 회전자 몸체보다 넓은 너비를 갖는 저항부를 포함할 수 있다.

점도 측정 유닛은 상기 회전자를 기설정된 각속도로 회전시키는 모터를 더 포함할 수 있다.

다른 실시예는 도가니 내에 폴리실리콘을 주입하는 단계; 상기 폴리실리콘을 가열하여 용융하고, 실리콘 용융액의 점도를 측정하는 단계; 및 상기 실리콘 용융액의 점도가 기설정된 값 이상일 때, 상기 도가니 내에 실리콘 단결정의 씨드를 디핑하는 단계를 포함하는 실리콘의 용융 방법을 제공한다.

점도의 측정은, 상기 실리콘 용융액 내에서의 회전 토크 값으로부터 구할 수 있다.

상기 회전 토크 값의 측정은, 상기 실리콘 용융액 내에 회전기를 주입하고, 상기 회전기를 기설정된 각속도로 회전시켜서 구할 수 있다.

실시예에 따른 실리콘 결정의 용융 장치 및 용융 방법은, 폴리실리콘의 녹임 과정에서 실리콘 용융액의 점도 측정을 통하여 실리콘 용융액 내에서의 기포 발생을 억제하고, 점도 측정을 통하여 기포가 없는 시점을 명확히 파악하고 이때 단결정 씨드(Seed)를 디핑하여 단결정을 성장시켜도 잉곳 내에 기포가 발생하지 않을 수 있다.

또한, 2차 녹임 공정 시점을 조절하여 실리콘 용융액 내의 기포에 의한 실리콘 웨이퍼의 에어 포켓(Air Pocket) 불량 감소와 상부로의 스플래시 발생을 감소하여, 흑연(Graphite) 부자재의 훼손을 방지할 수 있다.

도 1은 폴리실리콘의 용융 장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 2는 실리콘 용융액의 점도 측정 유닛을 나타낸 도면이고,
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 회전자의 일실시예들을 나타낸 도면이고,
도 4a 내지 도 4c는 폴리실리콘의 용융 방법의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 종래의 폴리실리콘의 용융 방법을 나타낸 도면이다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

도 1은 실리콘 결정의 용융 장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.

실시예에 따른 실리콘 결정의 용융 장치(100)는, 내부에 실리콘(Si) 용융액으로부터 실리콘 결정 잉곳이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(1)와, 상기 실리콘 용융액이 수용되는 도가니(10)와, 상기 도가니(10)를 가열하는 가열부(20)와, 상기 실리콘 결정 잉곳을 향한 상기 실리콘 용융액으로부터의 열을 차단하고 상기 도가니(10)의 상방에 위치되는 열차폐체(32)를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 실리콘 결정 잉곳 제조 장치(100)는, 상기 도가니(10)를 지지하고 회전 및 상승시키는 지지수단(50)과, 상기 챔버(1)의 내벽을 향한 상기 가열부(20)의 열을 차단하는 측방 단열부(31)와, 상기 실리콘 결정 잉곳의 상태를 감지하는 감지부(미도시)와, 상기 실리콘 결정 잉곳을 냉각하는 수냉관(70)을 더 포함한다.

상기 챔버(1)는 원통 형상일 수 있고, 상기 챔버(1)의 중앙 영역에 상기 도가니(10)가 위치된다. 상기 도가니(10)는, 상기 실리콘 용융액이 수용될 수 있도록 전체적으로 오목한 그릇의 형상이다. 그리고, 상기 도가니(10)는, 상기 실리콘 용융액(Si)과 직접 접촉되는 석영 도가니(11)와, 상기 석영 도가니(11)의 외면을 둘러싸면서 상기 석영 도가니(11)를 지지하는 흑연 도가니(12)로 이루어질 수 있다.

상기 도가니(10)의 측면에는 상기 도가니(10)를 향하여 열을 방출하기 위한 가열부(20)가 위치하고, 상기 측방 단열부(31)는 상기 가열부(20)와 상기 챔버(1)의 내벽 사이에 구비된다.

그리고, 상기 열차폐체(32)는, 상기 챔버(1)의 내벽으로부터 상기 실리콘 용융액과 상기 실리콘 용융액으로부터 성장된 실리콘 결정 잉곳의 경계면을 향하여 연장된다. 여기서, 상기 열차폐체(32)의 단부와 상기 경계면 사이를 통하여 아르곤 등의 가스가 유동할 수 있도록, 상기 열차폐체(32)의 단부가 상기 경계면과 이격되는 범위 내에서 연장될 수 있다.

상기 지지수단(50)은, 상기 도가니(10)를 지지하는 지지부와, 상기 도가니(10)를 회전 및 승강시키는 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 지지부는 상기 도가니(10)의 하방에서 상기 도가니(10)의 저면을 지지하고, 상기 구동모터는 상기 지지부를 회전 및 승강/하강시킴으로써 상기 도가니(10)가 회전 및 승강/하강되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 수냉관(70)은 전체적으로 상하 방향으로 긴 중공형의 원통 형상이고, 상기 결정 잉곳의 상방에 해당하는 상기 챔버(1)의 상부에 고정될 수 있다.

상기 수냉관(70)의 내부에는, 상기 결정 잉곳의 냉각을 위한 물이 유동하기 위한 유로가 형성될 수 있다. 상기 결정 잉곳의 쿨링(cooling) 과정이 수행되는 동안, 상기 결정 잉곳은 상기 수냉관(70)의 내측에 위치되고 상기 수냉관(70)을 통하여 물이 유동하는 방식으로 상기 결정 잉곳이 냉각될 수 있다.

그리고, 'A'를 통하여 고체 상태의 폴리다결정이 도가니(10) 내로 주입될 수 있다. 폴리실리콘을 상기 도가니(10)에 충진할 때, 실리콘 결정의 크기의 제약으로 도가니(10)를 채울 정도의 양을 1회에 충진하기 어렵다. 즉, 폴리실리콘의 경우, 실리콘 덩어리 사이에 공간이 발생하여 실리콘 용융액 대비하여 부피가 커지는 현상이 있기 때문이다.

따라서, 도가니(10)에 폴리실리콘을 일부 충진하고 녹임 공정을 진행한 후, 추가로 폴리실리콘을 용융액 내로 추가로 충진하고 용융한다. 추가 충진 전,후의 폴리실리콘의 녹임 공정을 1차 녹임과 2차 녹임으로 구분할 수 있다.

실리콘 용융액의 1차 녹임 공정 진행 후 실리콘 용융액에 폴리실리콘을 추가 투입할 때, 낙하하는 폴리실리콘에 의해 표면 손상의 일종인 기포가 실리콘 용융액 내에 발생할 수 있다.

실리콘 용융액 내에서의 기포의 발생은 실리콘 결정 잉곳의 품질 저하와 장비의 손상을 가져올 수 있으므로, 본 실시예에서는 1차 녹임 공정 진행 시 실리콘 용융액의 점도를 측정하여 최적의 2차 녹임 공정 시작 시점을 판단한다. 그리고, 2차 녹임 공정의 진행 후에도 실리콘 용융액의 점도를 측정하여 기포가 없는 시점을 명확히 파악하고, 이때 단결정 씨드(Seed)를 디핑(Dipping)하여 성장되는 단결정 잉곳(Ingot) 내에 기포 등의 결함을 줄일 수 있다.

도 2는 실리콘 용융액의 점도 측정 유닛을 나타낸 도면이다.

1400 ℃ 이상의 고온에서 실리콘 용융액의 점도를 측정해야 하기 때문에 회전진동법을 사용하여 실리콘 용융액의 점도를 측정한다.

점도 측정 유닛(200)은 실리콘 용융액 내에 투입되어 상기 실리콘 용융액의점도를 측정하는 회전자(210)와, 상기 회전자(210)를 회전시키는 모터(230)와, 상기 모터(230)를 지지하는 거치대(220)와, 상기 모터(230) 등을 체결하여 점도 측정 유닛(200)을 도가니(10) 가까이 하강시키는 케이블(240)를 포함한다. 상기 케이블(240)은 시드를 도가니(10) 내로 하강시키는 시드 케이블로써 작용할 수도 있다.

모터(230)는 회전자(210)를 기설정된 각속도로 회전시킬 수 있다. 회전 진동업은 회전자(210)를 실리콘 용융액 안에 넣어서 일정한 각속도로 회전시킬 때, 회전 운동을 정상적으로 일으키기 위한 힘 즉, 회전 토크 값이 점도에 비례하는 것을 이용한다.

도가니(10) 내에서 폴리실리콘의 용융이 시작되고, 실리콘 용융액이 현탁한 상태가 되는 1100 ℃ 근방의 온도에 도달하면, 상기 회전자(210)를 실리콘 용융액 내로 하강시키고 점도를 측정하고, 그 값이 0.7 mPa.s 이하로 되면 2차 녹임을 위한 폴리실리콘을 추가로 투입할 수 있다.

그리고, 추가로 투입된 폴리실리콘의 용융이 진행된 후 상술한 과정을 반복할 수 있다. 즉, 실리콘 용융액이 현탁한 상태가 되면 상기 회전자(210)를 실리콘 용융액 내로 하강시키고 점도를 측정하고, 그 값이 0.7 mPa.s 이하로 되면 단결정의 씨드(Seed)를 실리콘 용융액으로 디핑(Dipping)하여 단결정 잉곳을 성장시키도록 한다.

용융실리콘의 점도는 1400~1600 ℃에서 0.7~0.9 mPa.s 정도로 20 ℃의 물보다 낮고, 1600~1800 ℃에 이르면 0.7 mPa.s 이하가 되며, 이때 실리콘 결정이 충분히 용융되어 디핑공정을 수행할 수 있는 것이다.

그리고, 실리콘 용융액의 점도가 커질수록 회전자가 받은 회전 토크 값이 커지므로, 상기 회전자를 기설정된 각속도로 회전시키고 이때 상기 회전자가 받은 토크 값을 측정하여 상기 실리콘 용융액의 점도를 파악한다.

이때, 회전자(210)는 실리콘 용융액보다 높은 온도의 녹는점을 가지고 있어야 하며, 일 예로써 녹는점이 2610℃인 몰리브덴을 회전자(210)를 형성할 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 도 2의 회전자의 일실시예들을 나타낸 도면이다.

상기 회전자(210)는 실리콘 용융액 내에서 회전하면서 실리콘 용융액의 점도를 측정할 수 있다. 따라서, 3b와 같은 형상 외에, 도 3a 또는 도 3c와 같이 몸체(210b)보다 넓은 너비를 갖는 저항부(210a)를 구비할 수 있다. 상기 저항부(210a)는 실리콘 용융액 내에서 회전자(210)가 회전할 때, 실리콘 용융액과의 회전 저항에 의하여 실리콘 용융액의 점도를 오류 없이 측정할 수 있다.

즉, 도 4a에 도시된 바와 같이 도가니(10) 폴리실리콘(Si)을 주입하고, 도 4b에 도시된 바와 같이 모터(230)에 의하여 회전자(210)를 회전시키고, 회전 토크 값에 의하여 실리콘 용융액의 점도를 측정한다. 그리고, 폴리실리콘의 1차 녹임을 종료를 상기 실리콘 용융액의 점도로부터 파악한 후, 도 4c에 도시된 바와 같이 폴리실리콘을 추가로 주입한 후 2차 녹임 공정을 진행한다. 그리고, 2차 녹임 공정 후에도 같이 모터(230)에 의하여 회전자(210)를 회전시키고, 회전 토크 값에 의하여 실리콘 용융액의 점도를 측정한 후, 디핑 공정을 진행할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 종래의 실리콘 결정의 용융 방법을 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이 도가니(10) 내의 실리콘의 용융을 육안으로 확인하고 용융 실리콘에 추가로 폴리실리콘을 주입하거나 또는 씨드를 디핑할 때 실리콘 용융액 내에 기포가 남아 있을 수 있고, 기포는 잉곳(80)으로 유입되어 에어 포켓이 발생할 수 있다.

본 발명에서 실리콘 용융액의 점도를 측정하여 씨드의 디핑 시점 또는 최적의 2차 녹임 공정 시작 시점을 판단하고, 실리콘 단결정 잉곳 또는 실리콘 용융액 내에서 기포 발생량이 감소하고 스플래쉬로 인한 핫 존(Hot zone) 부품의 손상을 방지할 수 있다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 챔버 10 : 도가니
11 : 석영 도가니 12 : 흑연 도가니
13 : 가열 챔버 14 : 냉각 챔버
20 : 가열부 31 : 측방 단열부
32 : 열차폐체 50 : 지지 수단
70 : 수냉관
81, 82, 83 : 제1,2,3 반사판 100 : 실리콘 결정 잉곳 제조장치
200 : 점도 측정 유닛 210 : 회전자
220 : 지지부 230 : 모터
240 : 케이블

Claims (8)

1. 챔버;
   상기 챔버에 폴리실리콘을 주입하는 폴리실리콘 공급 유닛;
   상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 폴리실리콘이 수용되고 용융되는 도가니; 및
   상기 도가니의 상부에 배치되고, 실리콘 용융액에 일부가 주입되어 상기 실리콘 용융액의 점도를 측정하는 점도 측정 유닛을 포함하는 실리콘 결정의 용융 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 점도 측정 유닛은,
   상기 실리콘 용융액보다 높은 녹는점의 회전자를 포함하는 실리콘 결정의 용융 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 회전자는,
   몰리브덴으로 이루어진 실리콘 결정의 용융 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 회전자는,
   회전자 몸체와 상기 회전자 몸체보다 넓은 너비를 갖는 저항부를 포함하는 실리콘 결정의 용융 장치.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 점도 측정 유닛은,
   상기 회전자를 기설정된 각속도로 회전시키는 모터를 더 포함하는 실리콘 결정의 용융 장치.
6. 도가니 내에 폴리실리콘을 주입하는 단계;
   상기 폴리실리콘을 가열하여 용융하고, 실리콘 용융액의 점도를 측정하는 단계; 및
   상기 실리콘 용융액의 점도가 기설정된 값 이상일 때, 상기 도가니 내에 실리콘 단결정의 씨드(Seed)를 디핑하는 단계를 포함하는 실리콘의 용융 방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 점도의 측정은, 상기 실리콘 용융액 내에서의 회전 토크 값으로부터 구하는 실리콘의 용융 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 회전 토크 값의 측정은, 상기 실리콘 용융액 내에 회전기를 주입하고, 상기 회전기를 기설정된 각속도로 회전시켜서 구하는 실리콘의 용융 방법.

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