KR20130110863A

KR20130110863A - 흑연 도가니

Info

Publication number: KR20130110863A
Application number: KR1020120033151A
Authority: KR
Inventors: 이송언; 이상준; 전홍용
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10
Also published as: KR101390799B1

Abstract

실시예는 하부가 오목하고 상부가 개방되어 석영 도가니를 수용하는 내부 공간을 형성하고 흑연을 포함하는 도가니 몸체; 및 상기 도가니 몸체의 외측벽과 내측벽을 관통하는 적어도 하나의 슬릿;을 포함하고, 상기 슬릿은 양 단부가 닫힌 구조로 상기 도가니 몸체의 굴곡진 하부에 형성되는 흑연 도가니를 제공한다.

Description

흑연 도가니{Graphite Crucible}

실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장용 흑연 도가니에 관한 것이다.

반도체 소자의 재료로서 사용되는 실리콘 웨이퍼는, 단결정 실리콘 잉곳을 웨이퍼 단위로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정(slicing), 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼의 손상(damage) 제거를 위한 에칭 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 연마 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염 물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 생산된다.

쵸크랄스키(Czochralski)법은 석영 도가니 내에 폴리 실리콘(Poly Silicon)을 충진하여 용융액을 단결정으로 성장시키는 방법으로 실리콘 단결정 잉곳의 성장에 넓게 사용되고 있다.

도 1을 참조하면, 쵸크랄스키(Czochralski)법이 사용되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치(100)는, 내부에 실리콘(Si) 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(110)와, 상기 챔버(110) 내에 실리콘(Si) 용융액(Si melt)을 수용하는 석영 도가니(160)와, 상기 석영 도가니(160)의 외면을 둘러싸고 상기 석영 도가니(160)를 지지하는 흑연 도가니(170)를 포함하고, 상기 석영 도가니(160) 및 상기 흑연 도가니(170)는 지지 수단(150)에 의해 지지되고 회전 및 상하 이동될 수 있다. 흑연 도가니(170)의 외측에는 상기 도가니(160, 170)를 향하여 열을 방출하기 위한 가열부(120)가 배치되고, 상기 가열부(120)의 외측에는 상기 가열부(120)의 상기 챔버(110)의 내벽을 향한 열을 차단하기 위한 측방 단열부(130)가 설치되고, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부(120)의 열을 차단하기 위하여 상방 단열부(135)가 상기 도가니(160, 170)의 상방에서 상기 챔버(110)의 내벽으로부터 상기 실리콘 용융액과 상기 실리콘 용융액으로부터 성장된 단결정 잉곳의 경계면을 향하여 연장되어, 상기 챔버(110)의 내부 공간은 상기 실리콘 용융액이 가열되고 상기 실리콘 용융액으로부터 단결정 잉곳이 성장되는 가열 챔버(113)와 상기 단결정 잉곳이 냉각되는 냉각 챔버(115)로 구획된다. 또한, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 상태를 감지하기 위한 감지부(미도시)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각하기 위한 냉각관(170)을 더 포함할 수 있다.

또한 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 위한 시드(미도시)를 고정하기 위한 시드척(미도시)과 상기 실리콘 단결정 잉곳을 상방으로 이동시키는 이동 수단(미도시)을 포함하고, 상기 이동 수단은 시드 케이블(140)과 상기 단결정 이곳을 상승시키기 위한 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함하고, 상기 구동모터에 의해 상기 시드 케이블(140)이 당겨짐으로써 상기 시드척과 상기 시드척에 성장 중인 단결정 잉곳이 함께 당겨져, 단결정 잉곳은 도시된 바와 같이 넥(neck)으로부터 성장을 시작하여 숄더(shoulder)를 거쳐 바디(body)의 성장이 이루어진다.

이와 같은 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 경우, 실리콘 용융액과 석영 도가니가 반응하여 SiO 가스가 발생한다. 이 SiO 가스는 챔버 내에서 Ar 가스와 함께 진공 펌프에 의해 챔버 밖으로 배기되지만, 일부는 흑연 도가니와 석영 도가니의 틈으로 들어가 SiO와 흑연 도가니의 C가 반응하여 흑연 도가니의 SiC화가 진행된다. SiC와 C는 열팽창 계수가 현저히 달라서 흑연 도가니의 냉각/가열 동안에 열팽창 차이에 의한 응력이 발생하여 흑연 도가니는 내구성이 점점 취약해져 균열이 발생하게 된다.

또한, 이 흑연 도가니의 SiC화 층과 석영 도가니의 SiO2가 반응하여 SiO와 CO 가스가 발생하게 되고, 이 가스들의 흐름에 의해 흑연 도가니에서 식각이 발생하게 된다.

특히, 흑연 도가니(170)의 하부의 굴곡진 부분에서는 가스의 병목 현상이 발생하여 가스의 흐름이 집중적으로 발생하게 되고 그 결과, 도 2에 도시된 바와 같이 흑연 도가니 하부의 굴곡진 부분에 식각이 발생하여 두께가 감소하고, 수평 방향의 균열(Crack)(175)이 발생한다.

이러한 흑연 도가니의 균열은 흑연 도가니의 수명을 단축시키고, 흑연 도가니의 안쪽에 위치하는 석영 도가니의 모양을 변형시켜 공정의 손실을 초래하게 된다.

흑연 도가니의 균열이 발생하는 문제점을 해결하기 위하여 도 3a에 도시된 바와 같이 흑연 도가니(370)의 하부의 굴곡진 부분에 복수의 관통 구멍(377)을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 상기 관통 구멍(377)을 통해 가스가 흑연 도가니 밖으로 배출될 수 있어서 흑연 도가니에 균열이 발생하는 것이 방지될 수 있다.

그러나 이 방법은 흑연 도가니(370)의 관통 구멍(377)으로 가스 흐름이 집중적으로 발생하게 되어 그 부위에 식각이 집중적으로 발생하여 도 3b에 도시된 바와 같이 흑연 도가니의 관통 구멍과 닿는 석영 도가니의 부위에 변형(375)이 더 심하게 발생하게 되는 문제점이 있다.

또한, 종래의 석영 도가니(160)는 흑연 도가니(370)에 의해 둘러싸여 있기 때문에, 가열부(120)의 복사열이 직접 석영 도가니(160)로 전달되지 못하고 흑연 도가니(370)를 통과해 열이 전달되므로 열 전달 효율이 떨어지는 문제점도 있다.

실시예는, 종래에 실리콘 단결정 잉곳의 성장용 흑연 도가니의 하부의 굴곡진 부분에서 균열(crack)이 발생하거나 흑연 도가니의 관통 구멍에 의해 석영 도가니에서 변형이 발생하는 문제점을 개선하여, 흑연 도가니의 사용횟수를 증대시키고 실리콘 단결정 잉곳의 성장 품질을 안정화시키고, 석영 도가니에서의 실리콘의 용융 시간을 단축시키고자 한다.

실시예는 하부가 오목하고 상부가 개방되어 내부 도가니를 수용하는 내부 공간을 형성하고 흑연을 포함하는 도가니 몸체; 및 상기 도가니 몸체의 외측벽과 내측벽을 관통하는 적어도 하나의 슬릿;을 포함하고, 상기 슬릿은 양 단부가 닫힌 구조로 적어도 일부가 상기 도가니 몸체의 굴곡진 하부에 형성되는 흑연 도가니를 제공한다.

상기 슬릿은 도가니 몸체에 세로 방향으로 형성될 수 있다.

상기 슬릿은 도가니 몸체의 길이의 4% 내지 80%까지 연장될 수 있다.

상기 슬릿의 길이는 1mm 내지 1500mm일 수 있고, 상기 슬릿의 길이는 180mm일 수 있다.

상기 슬릿의 폭은 0.1mm 내지 30mm이거나, 상기 슬릿의 폭은 2mm 내지 3mm일 수 있다.

상기 슬릿의 폭은 상기 도가니 몸체의 외측벽과 내측벽 사이에서 일정할 수 있다.

상기 슬릿은 1개 내지 20개일 수 있다.

상기 슬릿의 폭은 모두 동일할 수 있다.

상기 슬릿은 일정한 간격으로 형성되어 있을 수 있다.

상기 슬릿은 상기 도가니 몸체에 사선 방향 또는 상기 도가니 몸체에 가로 방향으로 형성될 수 있다.

상기 슬릿의 양 단부가 라운드되어 있을 수 있다.

상기 도가니 몸체는 2개 이상으로 분할될 수 있다.

상기 도가니 몸체의 굴곡진 하부에 적어도 하나의 관통 구멍이 형성될 수 있고, 상기 관통 구멍은 원형 또는 사각형일 수 있다.

상기 내부 도가니는 석영 도가니일 수 있다.

실시예에 따르면 흑연 도가니에서 가스가 슬릿을 통해 배출되어 흑연 도가니의 식각이 완화되고 석영 도가니의 변형이 줄어들어, 흑연 도가니의 사용횟수를 증대할 수 있고, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 품질을 안정화 시킬 수 있다.

또한, 슬릿을 통해 가열부의 복사열이 직접 석영 도가니로 전달되어 실리콘의 용융 시간을 단축시킬 수 있다.

도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치를 나타낸 도면이고,
도 2a는 종래 기술에 따른 흑연 도가니의 사시도이고, 도 2b는 종래 기술에 따른 흑연 도가니의 측단면도이고,
도 3a는 종래 기술에 따른 흑연 도가니의 측단면도이고, 도 3b는 변형이 일어난 석영 도가니의 측면도이고,
도 4는 일 실시예에 따른 흑연 도가니의 사시도이고,
도 5는 일 실시예에 따른 흑연 도가니의 측단면도이고,
도 6은 일 실시예에 따른 흑연 도가니의 측면도이고,
도 7은 일 실시예에 따른 흑연 도가니의 횡단면도이고,
도 8은 일 실시예에 따른 슬릿의 일 단부의 확대도이고,
도 9는 일 실시예에 따른 흑연 도가니의 측면도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다.

본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

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

도 4는 실리콘 단결정 잉곳의 성장용 흑연 도가니(400)를 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장용 흑연 도가니(400)는 상부가 개방되어 있고, 하부가 오목한 구조로 되어 있는 도가니 몸체(410)를 포함한다. 상기 도가니 몸체(410)는 흑연을 포함하고, 실리콘 용융액(Si)과 직접 접촉되는 내부 도가니(미도시)를 수용하는 내부 공간(420)을 형성한다. 또한, 도가니 몸체(410)에는 도가니 몸체의 외측벽(413)과 내측벽(415)을 관통하는 적어도 하나의 슬릿(450)이 형성되어 있고, 상기 슬릿(450)은 양 단부(453, 457)가 닫힌 구조로 상기 슬릿의 적어도 일부가 상기 도가니 몸체(410)의 굴곡진 하부에서 도가니 몸체(410)의 상부로 형성되어 있다. 상기 내부 도가니는 석영 도가니일 수 있다.

슬릿이 형성되어 있지 않은 흑연 도가니의 경우, 흑연 도가니의 하부 굴곡진 부분에 가스의 병목 현상이 발생하여 가스의 흐름이 집중적으로 발생하게 되고 그 부분에 식각현상이 발생하게 된다. 또한, 도가니 몸체에 복수의 관통 구멍이 형성된 흑연 도가니의 경우, 관통 구멍으로 가스의 흐름이 집중되어 관통 구멍 주위에 식각이 집중적으로 발생하고, 석영 도가니의 변형이 발생하게 된다.

그러나 도가니 몸체(410)의 굴곡진 하부에 외측벽(413)과 내측벽(415)을 관통하는 적어도 하나의 슬릿(450)을 형성하는 경우, 이 슬릿(450)을 통해 가스가 밖으로 배출되어 가스의 흐름 집중을 분산시키고, 관통 구멍보다 넓은 영역에 걸쳐서 가스가 배출되기 때문에 흑연 도가니(400)의 식각 현상을 최소화 할 수 있다. 이렇게 흑연 도가니(400)의 변형이 최소화 됨으로써 석영 도가니 안의 실리콘 용융액의 높이가 일정하게 유지되어 실리콘 단결정 잉곳의 성장 품질을 안정화 시킬 수 있다.

또한, 슬릿의 양 단부가 열린 구조 즉, 슬릿이 흑연 도가니를 완전히 관통하여 흑연 도가니를 분리시키는 구조인 경우에는, 가스의 흐름 분산에는 효과적일 수 있지만, 그 경우, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 완료 후 석영 도가니의 부피 증가에 따른 흑연 도가니의 물리적인 팽창으로 인해 슬릿의 단부에서 균열이 발생하게 되어 흑연 도가니의 사용횟수 증대라는 목적을 달성 할 수 없다. 그러나 슬릿(450)의 양 단부(453, 457)가 닫힌 구조로 형성된 경우에는, 흑연 도가니(400)의 물리적인 강도가 강하여 가스 흐름을 분산시키면서도 석영 도가니의 부피 팽창에 대해 슬릿(450)의 단부(453, 457)에서의 흑연 도가니(400)의 균열이 방지될 수 있다.

본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장용 흑연 도가니(400)에서 도가니 몸체(410)의 외측벽(413)과 내측벽(415)을 관통하는 슬릿(450)을 형성하는 경우, 흑연 도가니(400)와 석영 도가니 사이의 틈에서의 가스 흐름이 개선될 뿐만 아니라, 가열부(미도시)로부터의 복사열이 직접 석영 도가니에 전해질 수 있어 실리콘(Si)의 용융시간을 단축시킬 수도 있다.

도 4의 흑연 도가니(400)에서 슬릿(450)은 도가니 몸체(410)에 세로 방향으로 형성된다. 즉, 슬릿(450)은 도가니 몸체(410)의 굴곡진 하부에서부터 상부로 세로 방향으로 길게 연장되어 형성된다. 도 5는 실시예의 흑연 도가니(400)의 측단면도를 나타낸 도면으로서 슬릿(450)이 도가니 몸체(410)에 세로 방향으로 형성된 것을 보여준다.

슬릿(450)은 도 8에 도시된 바와 같이, 도가니 몸체(410)의 굴곡진 하부에 임의의 방향으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 도가니 몸체(410)의 가로 방향 또는 사선 방향으로 형성될 수 있지만, 슬릿(450)이 도가니 몸체(410)에 세로 방향으로 형성된 경우, 흑연 도가니(400)의 굴곡진 하부에서뿐만이 아니라, 흑연 도가니(400)와 석영 도가니의 사이 공간 전체에서 가스를 고르게 분산시킬 수 있어 흑연 도가니(400)의 SiC화 및 식각을 효율적으로 방지할 수 있다.

도 6은 실리콘 단결정 잉곳의 성장용 흑연 도가니(400)의 일 실시예의 측면도이다.

상기 흑연 도가니(400)의 도가니 몸체(410)에 형성된 슬릿(450)은 도가니 몸체(410)의 길이의 약 4% 내지 약 80%까지 연장되거나, 상기 슬릿(450)의 길이(L)는 약 1mm 내지 약 1500mm이거나, 상기 슬릿(450)의 길이(L)는 약 180mm이다. 슬릿(450)의 길이(L)가 1mm 또는 도가니 몸체(410)의 길이의 4%보다 짧은 경우에는 가스 흐름의 분산 효과가 적고, 도가니 몸체(410)에 관통 구멍을 형성한 경우와 같이 식각이 슬릿 부위에 집중적으로 발생될 있다(도 3 참조). 슬릿(450)의 길이(L)가 1500mm 또는 도가니 몸체(410)의 길이의 80%보다 긴 경우에는 슬릿(450)의 양 단부(453, 457)에서 흑연 도가니의 물리적 강도가 약해 석영 도가니의 팽창으로 인한 균열이 발생할 수 있다.

상기 슬릿(450)의 폭(w)은 약 0.1mm 내지 약 30mm이거나, 약 2mm 내지 약 3mm이다. 물론 흑연 도가니(400)의 크기에 따라 상기 슬릿은 다른 폭을 가질 수 있다. 이 경우 슬릿(450)은 흑연 도가니(400)와 석영 도가니 사이 공간의 가스 흐름을 효율적으로 분산시킬 수 있으면서도, 흑연 도가니(400)가 석영 도가니를 지지하는 역할을 충분히 수행할 수 있다.

또한, 슬릿들(450) 사이에 가스 흐름의 분산을 고르게 하여 어느 한 슬릿(450)이 형성된 부위에서만 가스 흐름이 집중적으로 발생하여 식각이 발생하는 것을 방지하기 위해 도가니 몸체(410)에 형성되는 모든 슬릿(450)의 폭(w)을 동일하게 하거나 슬릿들간의 간격(d)을 동일하게 할 수 있다.

그리고 도 7을 참조하면, 상기 슬릿(450)의 도가니 몸체(410)의 외측벽(413)에서의 폭(w1)과 내측벽(415)에서의 폭(w2)이 동일하게 형성되는 경우에는 슬릿(450)에서 가스가 일정한 속도로 배출되므로 슬릿(450) 내부에서의 가스 흐름이 변화되지 않아 도가니 몸체(410)의 외측벽(413)과 내측벽(415)의 슬릿(450)이 형성된 부위에 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

상기 슬릿(450)은 도가니 몸체(410)에 1개 내지 20개 형성될 수 있다. 물론 흑연 도가니(400)의 크기에 따라 슬릿(450)의 개수는 다를 수 있다. 슬릿(450)의 개수가 20개보다 많은 경우, 흑연 도가니(400)의 외측면(413)에서 슬릿(450)이 차지하는 면적이 너무 커져 흑연 도가니(400)의 물리적 강도가 약해져 흑연 도가니(400)가 석영 도가니를 지지하는 역할을 충분히 수행할 수 없다.

또한 도 8을 참조하면, 상기 슬릿(450)의 단부(453, 457)는 슬릿 단부(453, 457)에서 균열이 발생하는 것을 최소화하기 위하여 모따기 등에 의해 라운드되어 형성될 수 있다.

본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장용 흑연 도가니(400)는 하나의 단일 유닛으로 고려될 수 있지만, 2개 또는 3개 이상의 부분으로 분할되는 형상을 갖는 흑연 도가니(400)일 수도 있다.

또한 상기 도가니 몸체(410)는 굴곡진 하부에는 적어도 하나의 관통 구멍을 추가로 포함할 수 있다. 상기 관통 구멍은 임의의 모양일 수 있으며, 예를 들면 원형 또는 사각형 등일 수 있다. 상기 관통 구멍을 통해서 흑연 도가니(400)와 석영 도가니 사이의 가스가 흑연 도가니(400) 외부로 배출될 수 있다. 흑연 도가니(400)에 관통 구멍만이 존재하는 경우 관통 구멍에 가스의 흐름이 집중되어 식각이 집중되는 문제점이 있었으나, 본 실시예에 따른 슬릿 구조(450)와 함께 관통 구멍을 형성하는 경우에는 슬릿(450)으로도 가스가 흘러 관통 구멍에 가스 흐름이 집중되지 않아 관통 구멍으로 식각이 집중되는 문제는 현저하게 줄어들고 가스 흐름 개선의 효과는 증대될 수 있다.

이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110 : 챔버 160 : 석영 도가니
170 : 흑연 도가니 175 : 균열
113 : 가열 챔버 115 : 냉각 챔버
120 : 가열부 130 : 측방 단열부
135 : 상방 단열부 140 : 케이블
150 : 지지 수단 170 : 냉각관
100 : 실리콘 단결정 잉곳 제조장치
370 : 흑연 도가니 375 : 변형
377 : 관통 구멍
400 : 흑연 도가니
410 : 도가니 몸체 413 : 외측벽
415 : 내측벽 420 : 내부 공간
450 : 슬릿 453, 457 : 슬릿 단부

Claims

상부가 개방되어 내부 도가니를 수용하는 내부 공간을 형성하고 흑연을 포함하는 도가니 몸체; 및
상기 도가니 몸체의 외측벽과 내측벽을 관통하는 적어도 하나의 슬릿;을 포함하고,
상기 슬릿은 양 단부가 닫힌 구조로 적어도 일부가 상기 도가니 몸체의 굴곡진 하부에 형성되는 흑연 도가니.
제1 항에 있어서, 상기 슬릿은 도가니 몸체에 세로 방향으로 형성되는 흑연 도가니.
제2 항에 있어서, 상기 슬릿은 도가니 몸체의 길이의 4% 내지 80%까지 연장되는 흑연 도가니.
제2 항에 있어서, 상기 슬릿의 길이는 1mm 내지 1500mm인 흑연 도가니.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬릿의 폭은 0.1mm 내지 30mm인 흑연 도가니.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬릿의 폭은 상기 도가니 몸체의 외측벽과 내측벽 사이에서 일정한 흑연 도가니.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬릿은 1개 내지 20개인 흑연 도가니.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬릿의 폭은 모두 동일한 흑연 도가니.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬릿은 일정한 간격으로 형성되어 있는 흑연 도가니.
제1 항에 있어서, 상기 슬릿은 상기 도가니 몸체에 사선 방향 또는 상기 도가니 몸체에 가로 방향으로 형성된 흑연 도가니.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 슬릿의 양 단부가 라운드되어 있는 흑연 도가니.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도가니 몸체는 2개 이상으로 분할되는 흑연 도가니.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도가니 몸체의 굴곡진 하부에 적어도 하나의 관통 구멍이 형성된 흑연 도가니.
제13 항에 있어서, 상기 관통 구멍은 원형 또는 사각형인 흑연 도가니.