KR20130007354A - 실리콘 결정 성장장치 및 그를 이용한 실리콘 결정 성장방법 - Google Patents

실리콘 결정 성장장치 및 그를 이용한 실리콘 결정 성장방법 Download PDF

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Abstract

공정 시간을 단축하며 제조 비용을 절감할 수 있는 실리콘 결정 성장장치 및 그를 이용한 실리콘 결정 성장방법을 개시한다. 본 발명의 실리콘 결정 성장장치는, 실리콘 결정의 성장이 이루어지는 챔버와, 챔버 내부에 설치되며, 실리콘 시료의 외곽부가 용융되지 않도록 냉각시키는 냉각자켓과, 냉각자켓의 상방에 상, 하 이동 가능하도록 설치되며, 냉각자켓에 수용된 실리콘 시료를 가열하여 용융시키는 가열수단, 및 가열수단을 상승 및 하강시키는 인상수단을 포함한다.

Description

실리콘 결정 성장장치 및 그를 이용한 실리콘 결정 성장방법{Apparatus for growing silicon crystal and method for growing silicon crystal using the same}
본 발명은 실리콘 결정 성장장치 및 결정 성장방법에 관한 것이다.
반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는 일반적으로 고순도 다결정 실리콘 봉을 제조한 후, 결정성장법에 따라 다결정 실리콘으로부터 단결정을 성장시켜 단결정 실리콘 봉을 생산하고 이를 얇게 절단하여 실리콘 웨이퍼를 생산한다. 단결정 성장시 적절한 도판트를 첨가하여 n형 및 p형 실리콘 웨이퍼를 제조한다.
실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 대표적인 방법으로 쵸크랄스키(Czochralski, CZ)법이 있다.
도 1은 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 개략적인 구조를 나타내보인 단면도이다.
종래의 실리콘 단결정 성장 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 챔버(10), 석영 도가니(20), 흑연 도가니(30), 흑연 받침대(40), 히터(50), 복사 단열재(60) 및 실리콘 단결정 잉곳을 인상ㆍ성장시키는 리프터(71)를 포함하여 이루어진다.
쵸크랄스키(CZ)법은 다결정 실리콘 시편을 도가니(20) 속에서 다결정 실리콘의 융점인 1,415℃까지 가열하는 방법이다. 사용하는 도가니(20)는 석영(SiO2)으로 제작되며 가열방법은 고주파가열이나 열저항법을 이용한다. 결정성장시에는 도가니(20, 30)를 회전시켜 온도가 부위에 관계없이 일정하게 유지되도록 한다. 결정성장기(crystal puller) 주위는 용융실리콘의 오염방지를 위해 아르곤(Ar) 가스를 채우기도 한다. 실리콘의 온도가 안정되면 실리콘 시편이 부착된 리프터(71)를 천천히 하강하여 용융 실리콘(SM)의 표면에 닿게 한다. 이 실리콘 시편은 종자결정(seed crystal)이라 하며 차후에 보다 큰 결정을 성장시키기 위한 출발원료가 된다.
종자결정의 아랫부분이 용융실리콘(SM) 속에서 녹기 시작하면 실리콘을 지지하는 리프터(lifter) 혹은 케이블의 하강운동이 상향운동으로 바뀐다. 이 때 종자결정을 용융실리콘(SM)으로부터 천천히 끄집어 내면 종자결정에 맞닿은 용융실리콘이 응고되면서 종자결정과 동일한 결정구조를 가지게 된다. 한편 리프터 또는 케이블은 상향 운동을 계속하여 보다 큰 결정을 성장시키는데, 결정성장은 도가니(20) 속의 실리콘이 일정량 남이 있을 때까지 계속된다. 이런 과정에서 도가니(20)와 종자결정의 인상속도와 도가니(20)의 온도를 적절히 조절하면, 균일한 직경의 단결정을 얻을 수 있다. 불순물의 농도는 결정성장에 앞서 실리콘의 도핑 농도를 높여줌으로써 조절할 수 있다.
상기한 쵸크랄스키(CZ) 법에 따라 실리콘 단결정을 성장시킬 때 일반적으로 도가니(20, 30)의 외방에 설치된 히터(50)로부터 발생한 열이 실리콘 융액(SM)으로 전달된다. 이때 융액의 온도는 잉곳(IG)에서 멀리 떨어질수록 높은 상태이므로, 열이 가장자리의 고온 융액으로부터 상대적으로 저온인 잉곳에 도달할 때 받는 열 충격이 결정 성장에 악영향을 미친다.
또한, 도가니(20, 30)의 외방에 설치된 히터(50)로 도가니 속의 다결정 실리콘 시편을 융점인 1,415℃까지 가열하여 완전히 용융시킨 다음에 결정의 성장이 이루어지는데, 다결정 실리콘 시편을 완전히 녹이는 데에 대략 아홉 시간 정도 소요되어 공정 시간이 길다는 단점이 있다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 공정 시간을 단축하며 제조 비용을 절감할 수 있는 실리콘 결정 성장장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기 실리콘 결정 성장장치를 이용한 실리콘 결정 성장방법을 제공하는 데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 결정 성장장치는, 실리콘 결정의 성장이 이루어지는 챔버와, 상기 챔버 내부에 설치되며, 실리콘 시료의 외곽부가 용융되지 않도록 냉각시키는 냉각자켓과, 상기 냉각자켓의 상방에 상, 하 이동 가능하도록 설치되며, 상기 냉각자켓에 수용된 실리콘 시료를 가열하여 용융시키는 가열수단, 및 상기 가열수단을 상승 및 하강시키는 인상수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실리콘 결정 성장장치는, 상기 냉각자켓의 바닥에, 실리콘 시드(seed)를 위치시키는 홈을 더 구비할 수 있다.
상기 가열수단은 다수 개의 봉이 결합된 구조일 수 있다.
상기 각각의 봉은 독립적으로 온도 조절이 가능할 수 있다.
상기 가열수단의 봉은 석영 보호관으로 감싸져있는 것이 바람직하다.
본 발명의 실리콘 결정 성장장치는, 상기 냉각자켓 내에 수용되어 상기 가열수단에 의해 용융되며, 상기 가열수단이 삽입될 수 있도록 상기 가열수단의 구조와 대응하는 구조의 실리콘 잉곳을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실리콘 결정 성장장치는, 상기 냉각자켓 내에 설치된 실리콘 도가니를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실리콘 결정 성장장치는, 상기 냉각자켓의 상부로 불활성 가스를 공급하는 불활성가스 공급수단을 더 포함할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 이루기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 결정 성장방법은, 챔버 내에 설치된 냉각자켓 내에 실리콘 시드와 실리콘 시료를 수용하는 단계; 상기 냉각 자켓의 상방에 설치된 가열수단을 상기 실리콘 시료에 삽입하는 단계; 상기 실리콘 시료에 삽입된 상기 가열수단을 발열시켜 상기 실리콘 시료를 용융시키는 단계; 및 상기 가열수단을 끌어올리면서 상기 실리콘 시드로부터 실리콘 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실리콘 결정 성장방법에 있어서, 상기 실리콘 시료로, 상기 가열수단이 삽입될 수 있도록 상기 가열수단의 구조와 대응하는 구조의 실리콘 잉곳을 사용할 수 있다.
상기 실리콘 시드를 상기 냉각 자켓의 바닥에 안치할 수 있다.
상기 가열수단을 발열시켜 상기 실리콘 시료를 용융시키는 단계에서, 상기 실리콘 시료의 외측면은 용융되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기 가열수단을 끌어올리면서 상기 실리콘 시드로부터 실리콘 결정을 성장시키는 단계에서, 결정 성장 초기에는 상기 가열수단의 인상속도를 조절하여 원하는 지름의 단결정 실리콘이 성장되도록 할 수 있다.
상기 냉각자켓의 상부로 불활성가스를 공급할 수 있다.
본 발명의 실리콘 결정 성장장치 및 방법에 따르면, 가열수단을 냉각자켓의 상부에 설치하고 가열수단이 삽입될 수 있도록 구성된 실리콘 잉곳을 사용함으로써, 실리콘 융액을 형성하기 위하여 시스템 전체를 가열하기 위하여 장시간이 소요되던 문제점을 해소하여 공정시간을 크게 단축할 수 있다. 또한 시스템 가열에 필요한 전력의 소모를 크게 줄일 수 있어 제조비용을 절감할 수 있다.
도 1은 일반적인 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 개략적인 구조를 나타내보인 단면도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 결정 성장장치의 구성을 개략적으로 나타내보인 도면이다.
도 4는 본 발명의 실리콘 결정 성장장치의 가열수단을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실리콘 결정 성장장치의 실리콘 잉곳의 단면을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 결정 성장방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 결정 성장장치의 구성을 개략적으로 나타내보인 도면들이고, 도 4는 본 발명의 실리콘 결정 성장장치의 가열수단을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 실리콘 결정 성장장치의 실리콘 잉곳의 단면을 도시한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실리콘 결정 성장장치(100)는, 실리콘 결정의 성장이 이루어지는 공간을 제공하는 챔버(110)를 포함하며, 이 챔버(110)의 내부에서 실리콘 결정의 성장이 이루어진다.
챔버(110) 내에는 실리콘 잉곳(120)을 냉각하여 실리콘 잉곳의 외곽부가 녹지 않도록 하는 냉각 자켓(130)이 설치되고, 이 냉각 자켓(130)에 용융될 실리콘 잉곳(120)이 수용된다. 냉각 자켓(130)의 하단에는 종자결정인 단결정 실리콘 시드(seed)(125)가 위치하며, 실리콘 시드(125)로부터 단결정 수준의 실리콘 결정의 성장이 시작된다.
냉각 자켓(130)은 회전축(140) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(140)은 구동수단(도시되지 않음)에 의해 회전하여 냉각 자켓(130)을 회전시킨다.
냉각 자켓(130)의 상방에는 실리콘 잉곳(120)을 가열, 용융시켜 실리콘 융액을 형성하며, 상, 하 운동이 가능한 가열수단(150)과, 상기 가열수단(150)을 일정 방향으로 회전시키면서 인상 및 하강하는 인상수단(도시되지 않음)이 설치된다.
본 발명의 실리콘 결정 성장장치(100)의 가열수단(150)은 종래의 석영 도가니의 측방에 설치되던 것과는 달리, 실리콘 잉곳(120)이 담긴 냉각 자켓(130)의 상방에 상, 하 승강이 가능하도록 설치된다.
가열수단(150)은, 도 3에 도시된 것과 같이 다수 개의 봉이 결합된 구조로 되어 있으며, 각각의 봉(152)은 개별적으로 온도 조절이 가능하도록 구성되어 가열수단(150)의 발열 온도를 조절할 수 있다. 가열수단(150)을 구성하는 각각의 봉(152)은 실리콘카바이드(SiC) 또는 흑연 등의 재질을 이루어져 있다. 각각의 봉(152)은 실리콘 융액의 오염을 방지하기 위하여 석영 보호관(154)으로 감싸져 있다. 가열수단의 석영 보호관(154)은 가열수단(150)과 용융 실리콘을 격리시켜 용융 실리콘이 가열수단으로 인해 오염되는 것을 방지하며 전기적으로 절연하는 역할도 한다.
실리콘 융액의 재료가 되는 실리콘 잉곳(120)은 다수 개의 봉이 결합된 가열수단(150)이 삽입될 수 있도록 상기 봉의 구조에 대응하도록 홀(hole)들이 형성되어 있다. 실리콘 잉곳(120)의 외형은 도 4에 도시된 바와 같이 사각형일 수 있으며, 원형 또는 그 외에 여러 가지 다각형 모양으로 구성될 수 있다.
상기 가열수단(150)이 하강하여 실리콘 잉곳(120)에 형성된 홀(hole)에 삽입되면, 가열수단(150)이 발열하면서 가열수단이 삽입된 실리콘 잉곳(120)의 중심부로부터 실리콘의 용융이 일어나게 된다. 냉각 자켓(130)과 접촉하고 있는 실리콘 잉곳(120)의 외곽부에서는 냉각 자켓에 의해 냉각되므로 실리콘의 용융이 일어나지 않는다. 실리콘 잉곳(120)의 외곽부가 적절한 두께로 용융되지 않은 상태로 잔류하도록 가열수단의 발열 온도를 조절할 수가 있다. 그러면, 실리콘 잉곳(120)의 외곽부가 도가니 역할을 하므로 별도의 도가니가 필요하지 않게 된다.
가열수단(150)의 발열에 의해 실리콘이 적절히 용융되고 실리콘 시드(125)의 표면이 용융되면, 인상수단을 이용하여 가열수단(150)을 상방으로 천천히 끌어올린다. 가열수단(150)의 인상 속도를 적절히 조절하면 용융 실리콘의 하부에서부터 실리콘의 응고가 일어나면서, 냉각 자켓(130)의 바닥에 안착되어 있는 실리콘 시드(125)로부터 실리콘 결정의 성장이 일어난다.
도시되지는 않았지만, 실리콘 융액의 상부 표면으로 예컨대 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 공급하여 실리콘 융액의 오염을 방지하기 위한 가스공급수단과, 챔버 내의 불활성 기체를 배기하기 위한 배기수단을 더 구비한다.
본 발명의 실리콘 결정 성장장치는 실리콘 융액을 형성하기 위하여 시스템 전체를 가열하지 않아도 되므로 공정 시간을 크게 단축할 수 있으며, 시스템 전체를 가열하는 데 필요한 전력의 소모를 줄일 수 있다.
한편, 본 발명의 실리콘 결정 성장장치에는 실리콘 잉곳 대신에 실리콘 소스로 청크아 그래뉼이 사용될 수도 있다. 실리콘 잉곳 대신에 청크나 그래뉼이 사용될 경우에는 용융된 실리콘을 수용할 수 있도록 냉각 자켓 내에 실리콘 도가니가 설치된다.
다음에, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 실리콘 결정 성장장치를 이용한 실리콘 결정 성장방법을 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 결정 성장방법을 설명하기 위하여 나타낸 흐름도이다.
먼저, 용융시켜 실리콘 융액을 만들 실리콘 잉곳을 준비한다(단계 210). 실리콘 잉곳은 도 4에 도시된 바와 같이, 중심부에 가열 수단이 삽입될 수 있도록 다수 개의 홀(hole)을 포함하도록 준비한다. 상기 홀(hole)의 크기와 개수는 가열 수단을 구성하는 봉의 크기와 개수에 따라 결정한다.
실리콘 잉곳이 준비되면, 냉각 자켓(130) 내에 종자결정과 실리콘 잉곳을 안착시킨다(단계 220). 실리콘 잉곳의 중심부는 용융되어 실리콘 융액을 형성하지만 가장자리 쪽은 냉각 자켓(130)에 의해 냉각되므로 용융되지 않는다. 따라서, 실리콘 잉곳의 가장자리가 용융 실리콘을 수용하는 도가니 역할을 하게 되고, 별도의 도가니가 필요하지 않게 된다. 실리콘 잉곳(120) 대신에 실리콘 소스로 청크나 그래뉼을 사용할 경우 실리콘 소스를 수용할 도가니가 필요하므로 냉각 자켓(130) 내에 실리콘 도가니(도시되지 않음)를 설치하고, 이 실리콘 도가니 내에 실리콘 소스를 수용하면 된다.
단결정의 실리콘 시드(125)는 냉각 자켓의 바닥에 형성된 홈(135)에 안착된다.
냉각 자켓(130) 내에 실리콘 잉곳(120)이 안착되면, 인상수단을 이용하여 가열수단(150)을 하강시켜 도 3에 도시된 것과 같이 실리콘 잉곳(120)에 형성된 홀(hole)에 가열수단의 봉이 삽입되도록 한다. 실리콘 잉곳 대신 실리콘 소스를 사용할 경우에는 실리리콘 소스가 담긴 도가니의 중심 부근에 가열 수단을 접근시키면 된다.
실리콘 잉곳(120)의 홀에 가열수단(150)의 봉(152)이 삽입되면, 가열수단을 작동시켜 실리콘 잉곳을 용융시킨다(단계 240). 실리콘 잉곳(120)의 홀에 가열수단(150)의 봉이 삽입되고 가열수단이 발열하면 봉이 삽입된 실리콘 잉곳(120)의 중심부로부터 실리콘의 용융이 일어난다.
실리콘 잉곳(120)의 중심부에서 시작하여 바닥까지 실리콘의 용융이 일어나고 실리콘 시드(125)의 표면이 일부 용융되어 원하는 수준의 실리콘융액이 형성되면, 인상수단을 이용하여 가열수단(150)을 서서히 회전시키면서 상부로 천천히 끌어올린다(단계 250).
가열수단(150)을 상방으로 끌어올리면 실리콘 융액의 바닥으로부터 서서히 냉각이 이루어지면서 실리콘 시드(125)에서부터 실리콘 결정의 성장이 이루어진다. 가열수단이 상부로 인상되어 멀어지면서 실리콘 융액의 냉각이 이루어지므로 결정 성장 초기에는 가열수단의 인상속도를 조절하여 원하는 지름이 얻어지도록 한다.
상술한 본 발명에 따르면, 가열수단을 냉각자켓의 상부에 설치하고 가열수단이 삽입될 수 있도록 구성된 실리콘 잉곳을 사용함으로써, 실리콘 융액을 형성하기 위하여 시스템 전체를 가열하기 위하여 장시간이 소요되던 문제점을 해소하여 공정시간을 크게 단축할 수 있다. 또한 시스템 가열에 필요한 전력의 소모를 크게 줄일 수 있어 제조비용을 절감할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
110.....챔버 120.....실리콘 잉곳
125.....실리콘 시드(seed) 130.....냉각자켓
140.....회전축 150.....가열수단

Claims (16)

  1. 실리콘 결정의 성장이 이루어지는 챔버;
    상기 챔버 내부에 설치되며, 실리콘 시료의 외곽부가 용융되지 않도록 냉각시키는 냉각 자켓;
    상기 냉각 자켓의 상방에 상, 하 이동 가능하도록 설치되며, 상기 냉각 자켓에 수용된 실리콘 시료를 가열하여 용융시키는 가열 수단; 및
    상기 가열 수단을 상승 및 하강시키는 인상 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 자켓의 바닥에, 실리콘 시드(seed)가 안착되도록 형성된 홈을 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열 수단은 다수 개의 봉이 결합된 구조인 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 각각의 봉은 독립적으로 온도 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 가열 수단의 봉은 실리콘카바이드(SiC) 또는 흑연으로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가열 수단의 봉은 석영 보호관으로 감싸져있는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 자켓 내에 수용되어 상기 가열 수단에 의해 용융되며,
    상기 가열 수단이 삽입될 수 있도록 상기 가열 수단의 구조와 대응하는 구조의 실리콘 잉곳을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 자켓 내에 설치된 실리콘 도가니를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉각 자켓의 상부로 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장장치.
  10. 챔버 내에 설치된 냉각자켓 내에 실리콘 시드와 실리콘 시료를 수용하는 단계;
    상기 냉각 자켓의 상방에 설치된 가열수단을 상기 실리콘 시료에 삽입하는 단계;
    상기 실리콘 시료에 삽입된 상기 가열수단을 발열시켜 상기 실리콘 시료를 용융시키는 단계; 및
    상기 가열수단을 끌어올리면서 상기 실리콘 시드로부터 실리콘 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘 시료로, 상기 가열수단이 삽입될 수 있도록 상기 가열수단의 구조와 대응하는 구조의 실리콘 잉곳을 사용하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘 시드를 상기 냉각 자켓의 바닥에 안치하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 가열수단을 발열시켜 상기 실리콘 시료를 용융시키는 단계에서,
    상기 실리콘 시료의 외측면은 용융되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 가열수단을 끌어올리면서 상기 실리콘 시드로부터 실리콘 결정을 성장시키는 단계에서,
    결정 성장 초기에는 상기 가열수단의 인상속도를 조절하여 원하는 지름의 단결정 실리콘이 성장되도록 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 냉각자켓의 상부로 불활성가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 가열수단은 다수 개의 봉이 결합된 구조인 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 성장방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101724291B1 (ko) * 2015-11-20 2017-04-10 재단법인 포항산업과학연구원 역 승화법을 이용한 탄화규소 단결정 성장장치
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KR20180032412A (ko) * 2016-09-22 2018-03-30 주식회사 엘지화학 실리콘카바이드 단결정 제조장치 및 실리콘카바이드 단결정 제조방법

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