KR20130073560A - 단결정 실리콘 잉곳 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정 실리콘 잉곳 제조장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 챔버, 상기 챔버 내부에 설치된 도가니, 상기 도가니 상부에서 아르곤 가스의 흐름을 인도하는 콘, 상기 도가니 내부에 위치한 내부도가니, 상기 도가니를 에워싸 지지하는 서셉터, 상기 도가니를 가열하는 히터, 상기 히터의 열이 방출되는 것을 방지하는 인슐레이터로 구성된 단결정 실리콘 제조장치에 있어서, 상기 도가니는 그래파이트(graphite), 몰리브덴(Mo) 및 지르코니아(ZrO2) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치를 제공한다.

Description

단결정 실리콘 잉곳 제조장치 {APPARATUS OF CZOCHRALSKI SINGLE CRYSTAL SILICON INGOT}
본 발명은 단결정 실리콘 잉곳 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고품질의 실리콘 잉곳을 제조할 수 있는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치에 관한 것이다.
단결정 실리콘은 실제로 모든 반도체 부품의 기본소재로서 사용되는 데, 이들 물질은 높은 순도를 가진 완벽한 단결정체로 제조된다. 이러한 제조에 전통적으로 사용되는 방법이 쵸크랄스키법이다.
이러한 쵸크랄스키법에 의해 사용되는 일반적인 장치는 챔버, 상기 챔버 내부에 설치된 도가니, 상기 도가니를 지지하는 서셉터, 상기 서셉터를 지지하며 도가니를 상승, 하강, 회전시키는 페데스탈(Pedestal), 챔버 내벽에 설치된 히터, 히트쉴드, 히터의 열이 챔버의 외부로 방출되는 것을 최소화하기 위한 인슐레이터 등으로 구성되어 있다. 또한, 아르곤 가스가 노내의 불순물을 제거하기 위하여 챔버내부에 공급되는 데, 상기 아르곤 가스는 챔버 상부에서 공급되어 하부로 진행되어 배출되는 것이 일반적이다.
상기 쵸크랄스키법에서는 단결정 실리콘의 종자결정이 실리콘 용융액표면에 접촉했다가 서서히 인상되면서 성장하게 되어 단결정 실리콘의 원통형 불(boule)을 형성한다. 상기 불은 도가니의 회전방향과 반대방향으로 회전하여 실리콘 용융액내 도판트의 혼합효율을 높임으로써 단결정 실리콘 잉곳 내의 도판트의 농도분포가 균일하게 되어 단결정 실리콘 잉곳의 품질특성이 균일하게 된다.
또한, 단결정 실리콘 잉곳제조장치와 관련하여 대한민국 공개특허 제2006-0128033호에서는 예비용융챔버를 개별적으로 두어 폴리실리콘을 도가니에 제공함에 있어 용융상태로 만든 후에 도가니에 제공하는 특징이 있다. 그러나 상기 특허방법에서는 예비용융 챔버에서의 SiO2의 용융에 기인하는 산소로 인해 잉곳내에 산소불순물 함량이 증가하고, 도판트의 농도제어가 어려워 잉곳의 품질편차가 크게 되는 문제점이 발생한다.
또한, 실리콘 잉곳 제조시에 용융된 실리콘과 접촉되는 도가니와 화학반응을 일으켜 불순물이 발생하여 실리콘 잉곳 생산을 방해하는 문제점이 발생한다.
일반적으로 사용되는 단결정 실리콘의 잉곳 제조는 결정성장로에서 진행된다. 실리콘이 유입되는 도가니와, 도가니 주위를 감싸는 그래파이트(Graphite) 재질의 서셉터가 형성된다. 상기 서셉터는 도가니 주위를 에워싸이도록 설비되며 이는 도가니가 열에 의해 변형되는 것을 방지하는 역할을 한다.
종래 도가니는 석영을 주요 재질로 구성되기 때문에 고온의 실리콘 용융액과 접촉하는 과정에서 실리콘옥사이드(SiOx), 산소 등의 불순물을 발생시키는 문제점이 있다. 이로 인해 도가니 표면은 실리콘옥사이드의 손실에 의해 침식하게 되고 이렇게 발생된 실리콘옥사이드는 그래파이트 재질로 구성되는 핫존 등을 오염시켜 SiC 등을 생성하여 사용수명을 단축하는 등 내구성에 심각한 문제를 초래하며, 이러한 문제들로 인하여 제품 생산 시 성장 장치의 구성 부품들의 원활한 역할 수행을 방해하여 제품 품질을 떨어뜨리는 요인이 될 수 있다.
따라서, 실리콘 잉곳 제조시 불순물의 발생을 최소화하여 고품질의 실리콘 잉곳을 제조하며, 장치의 수명을 연장함과 동시에 생산성을 향상시킬 수 있는 실리콘 잉곳 제조장치의 개발이 요구되었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 SiOx의 불순물의 발생을 억제하여 고품질의 고순도 실리콘 잉곳을 제조할 수 있는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 장치의 수명을 연장함과 동시에 생산성이 극대화할 수 있는 실리콘 잉곳 제조장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 챔버, 상기 챔버 내부에 설치된 도가니, 상기 도가니를 에워싸 지지하는 서셉터, 상기 도가니 내부에 위치한 내부도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터, 상기 히터의 열이 방출되는 것을 방지하는 인슐레이터, 상기 도가니 상부에서 아르곤 가스의 흐름을 인도하는 콘으로 구성된 단결정 실리콘 제조장치에 있어서, 상기 도가니는 그래파이트(graphite), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2) 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 도가니가 그래파이트(graphite)로 구성되며, SiC로 라이닝 또는 코팅되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 내부도가니가 그래파이트(graphite), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2), 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 도가니 및 서셉터가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치를 제공한다.
또한 본 발명은 상기 실리콘 제조장치가 쵸크랄스키법(CZ) 또는 연속성장형 쵸크랄스키법(CCZ)에 의해 실리콘 잉곳을 제조되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조장치는 SiOX 등의 불순물의 발생을 억제하여 고품질의 고순도 실리콘 잉곳을 제조할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조장치는 도가니의 재질을 개선함으로써 실리콘 잉곳 제조장치의 수명을 연장함과 동시에 생산성이 극대화되는 효과가 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳 제조장치의 단면도를 나타낸 것이다.
이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명은 챔버, 상기 챔버 내부에 설치된 도가니, 상기 도가니를 에워싸 지지하는 서셉터, 상기 도가니 내부에 위치한 내부도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터, 상기 히터의 열이 방출되는 것을 방지하는 인슐레이터, 상기 도가니 상부에서 아르곤 가스의 흐름을 인도하는 콘으로 구성된 단결정 실리콘 제조장치에 있어서, 상기 도가니는 그래파이트(graphite), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2) 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 쵸크랄스키법에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조장치에 관한 것으로 일반적인 쵸크랄스키법(CZ) 또는 연속성장형 쵸크랄스키법(CCZ)에 비제한적으로 적용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조장치에 대하여 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조장치의 단면도를 나타낸 것이다. 본 발명은 도가니가 회전 또는 도가니가 회전하지 않는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치에 제한없이 적용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 연속성장형 쵸크랄스키법(CCZ)에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조장치에서 도가니 110의 회전이 이루어지면서 잉곳이 제조되는 것으로, 도가니 110, 서셉터 120, 내부도가니 130, 히터 140, 인슐레이터 150, 피더(feeder) 160,아르곤 가스의 흐름을 인도하는 콘 170, 페데스탈 180, 샤프트(Shaft) 180 등을 구비한다. 상기 서셉터 120을 비롯한 도가니 110은 샤프트 180에 의해 회전되고, 단결정 실리콘 잉곳은 샤프트 190의 회전방향과 반대방향으로 회전하면서 단결정 실리콘 잉곳이 생성된다.
본 발명의 단결정 실리콘 잉곳 제조장치에 있어서, 상기 도가니 110은 그래파이트(graphite), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2) 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅되는 것이 바람직하다.
도가니의 일반적인 재질은 석영(SiO2)을 주로 사용하는 데, 상기 석영은 도가니 내에서 용융된 실리콘과 반응을 일으켜 산화물인 SiOx를 형성하는 데, 이러한 반응은 아래와 같다.
SiO2(도가니) + Si(용융된 실리콘) → 2SiOX
상기 반응식으로 생성된 실리콘 옥사이드(SiOX)는 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 것을 방해하고 석영으로 이루어진 경우 열에 의해 변형되는 문제점이 있으며, 실리콘 잉곳 제품 생산시 품질이 떨어지는 요인이 된다.
또한, 서셉터, 인슐레이터 등의 부품들은 일반적으로 그래파이트(graphite)를 사용한다.
그래파이트(graphite)로 제조된 부품들은 표면에서 다음과 같은 화학반응이 일어나게 된다.
C(graphite) + SiOx → CO + SiC
상기 반응에 의해 생성된 일산화탄소는 용융액에 흡수되어 탄소 불순물 형태로 결정 공정중에 실리콘 단결정체에 함유된다.
동시에 상기 반응에 따라 발생한 실리콘 옥사이드는 그래파이트(graphite)로 제조 된 부품들을 부식시키며 SiC로 변형시켜 기능을 상실하게 하고, 또한 파손되기도 하여 조업을 중단해야 하는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명은 도가니의 재질을 변경함으로써 이러한 문제점을 해결할 수 있었다. 즉, 본 발명에 따른 도가니 110의 기본 재질은 그래파이트(graphite), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2) 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅될 수 있다.
도가니 110의 기본 재질은 그래파이트(graphite), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2) 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성됨으로 인해 고온에서도 잘 견딜 수 있다. 더욱 바람직하게는 그래파이트(graphite)로 구성될 수 있다.
또한, 도가니 표면에 SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나의 물질로 라이닝 또는 코팅되는 데, SiC로 라이닝 또는 코팅되는 것이 가장 바람직하다. 상기와 같은 물질로 코팅됨으로써, 도가니가 실리콘 용융액과 반응하여 다른 불순물이 발생하는 것을 방지하는 효과가 있다.
따라서, 본 발명에 있어서, 도가니 110을 그래파이트(graphite), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2) 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅됨으로써, 불순물 발생을 억제하고 도가니 110의 수명도 연장되어 생산성이 극대화되는 장점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 제조장치에 있어서, 내부도가니 130의 재질 또한 도가니 110과 동일한 것이 바람직하다. 내부도가니 130 또한 용융된 실리콘과 접촉하고 있으므로 실리콘과 반응하여 불순물을 발생시킬 수 있다.
따라서, 내부도가니 130은 그래파이트(graphite), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2) 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅되는 것이 바람직하다.
도 2의 경우에는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치에서 도가니가 회전이 이루어지지 않으면서 잉곳이 제조되는 것으로 서셉터 120, 히터 140, 인슐레이터 150, 피더 160, 콘 170을 구비하되, 페데스탈 180 및 샤프트(Shaft) 190을 구성하지 않으며, 단결정 실리콘 잉곳만이 회전하면서 생성된다.
도 2의 경우에도 도 1의 단결정 잉곳 제조장치에서 설명한 도가니 110이 회전하는 경우와 동일하게 표현될 수 있다. 즉, 도가니 110은 그래파이트(graphite), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2) 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅되는 것이 특징이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조장치의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3을 참조하면, 도 1 및 도 2에서 구성된 도가니 및 서셉터를 동일한 재질로 일체화하여 형성될 수 있다.
서셉터는 도가니를 지지하는 역할을 수행하는 것이다. 이렇게 서섭터를 별도로 구성하여 도가니를 구성하였던 이유 중에 하나는 석영(SiO2)으로 이루어진 도가니는 고온에서 변형되기 때문에 도가니내에 담겨진 용융액을 담는 데 불안정하다. 이러한 이유로 도가니를 에워싸 지지할 수 있는 서셉터를 구성하는 것이며, 상기 서셉터의 일반적인 재질은 그래파이트(graphite)이다.
본 발명은 상기에서 살펴본 바와 같이 도가니를 그래파이트(graphite), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2) 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅되는 경우 서셉터의 구성을 생략할 수 있다. 즉, 도가니와 서셉터를 일체화하여 구성될 수 있다.
이 경우 구조가 단순해지는 장점과 함께 도가니와 서셉터 사이에 틈이 발생하지 않아 틈사이에 불순물이 쌓일 수 있는 가능성을 제거하였다.
본 발명에 따른 실리콘 잉곳 제조장치는 도가니의 재질을 개선함으로써 장치의 수명을 연장함과 동시에 생산성이 극대화할 수 있게 되었다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims (5)

  1. 챔버, 상기 챔버 내부에 설치된 도가니, 상기 도가니를 에워싸 지지하는 서셉터, 상기 도가니 내부에 위치한 내부도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터, 상기 히터의 열이 방출되는 것을 방지하는 인슐레이터, 상기 도가니 상부에서 아르곤 가스의 흐름을 인도하는 콘으로 구성된 단결정 실리콘 제조장치에 있어서,
    상기 도가니는 그래파이트(graphite), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(Mo), 지르코니아(ZrO2) 및 이트리아(Y2O3) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도가니는 그래파이트(graphite)로 구성되며, SiC로 라이닝 또는 코팅되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 내부도가니는 그래파이트(graphite), 실리콘 카바이드(SiC), 몰리브덴(Mo) 및 지르코니아(ZrO2) 중 어느 하나로 구성되며, SiC, Si3N4 및 MoSi2 중 어느 하나로 라이닝 또는 코팅되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 도가니 및 서셉터가 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 실리콘 제조장치는 쵸크랄스키법(CZ) 또는 연속성장형 쵸크랄스키법(CCZ)에 의해 실리콘 잉곳을 제조되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조장치.
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