KR20140037034A - 단결정 제조장치 및 단결정 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 원료 용융액을 수용하는 도가니, 상기 원료 용융액을 가열하는 히터, 냉각매체에 의해 강제 냉각되는 냉각통 및 이들을 수용하는 냉각챔버를 갖는 단결정 제조장치로서, 상기 원료 용융액과 인상 중의 단결정과의 계면 근방에서, 상기 인상 중의 단결정을 감싸도록 차열부재가 배치되고, 상기 차열부재의 상향으로, 상기 인상 중의 단결정을 감싸도록 상기 냉각통이 배치되고, 상기 냉각통을 감싸도록, 상기 냉각통 외주와의 사이에 공극을 마련하여 냉각통 외주 단열재가 배치된 것인 것을 특징으로 하는 단결정의 제조장치이다. 이에 의해, 용융액 표면에서의 고체화나 유전위화를 발생하지 않고 냉각통의 냉각 능력을 향상시키고, 무결함의 단결정 제조시의 인상 속도를 고속으로 하고, 이에 의해 단결정의 생산성 및 수율을 향상시키고, 한편 소비 전력을 억제할 수 있는 단결정의 제조장치 및 제조방법을 제공한다.

Description

단결정 제조장치 및 단결정 제조방법{SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING DEVICE AND SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 초크랄스키(Czochralski) 방법에 의해 도가니 내의 원료 용융액으로부터 단결정을 인상(引上)시키는 경우에, 원료 용융액 면의 바로 위에 차열부재(遮熱部才)를 마련하고, 한편 냉각통을 사용하여 결정 냉각을 실행하는 단결정의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조에 사용되는 실리콘 단결정의 제조방법으로서, 석영 도가니 내의 원료 용융액으로부터 실리콘 단결정을 성장시키면서 인상시키는 초크랄스키 방법(CZ법이라고도 함)이 널리 실시되고 있다. CZ법에서는, 불활성 가스 분위기 하에서 석영 도가니 내의 원료 용융액(실리콘 용융액)에 종(種) 결정을 담고, 상기 석영 도가니 및 종 결정을 회전시키면서 인상시킴으로써 소정 직경의 실리콘 단결정을 육성한다.

최근, 반도체 소자의 고집적화와 그에 따른 미세화의 진전에 의해 실리콘 웨이퍼 내의 성장 결함(그로우인-인(grown-in) 결함이라고도 함)이 문제가 되고 있다. 성장 결함은, 반도체 소자의 특성을 저하시키는 요인이 될 것이고, 소자의 미세화의 진전에 따라, 그 영향이 더욱 커지고 있다. 그런 성장 결함으로는, 예를 들어 CZ법에 의해 제조된 실리콘 단결정의 공공(空孔)의 응집체인 팔면체의 공극상 결함(비특허 문헌 1)이나, 격자간 실리콘의 응집체로서 형성되는 전위 클러스터(비특허 문헌 2) 등이 알려져 있다.

이러한 성장 결함은, 실리콘 단결정의 고체상/액체상에서의 계면 영역에서 결정의 온도 구배와 실리콘 단결정의 성장 속도에 의해 그 도입량이 결정되는 것으로 나타나 있다(비특허 문헌 3). 그것을 이용하는 저결함 실리콘 단결정의 제조방법에 대하여, 예를 들면 실리콘 단결정의 성장 속도를 느리게 하는 것(특허 문헌 1)이나, 실리콘 단결정의 계면 영역의 온도 구배에 거의 비례하는 최대 인상 속도를 초과하지 않는 속도로 실리콘 단결정을 인상시키는 것(특허 문헌 2)이 종래에 개시되어 있다.

또한, 결정 성장 중의 온도 구배(G)와 성장 속도(V)에 주목한 개선된 CZ법(비특허 문헌 4) 등이 보고되고 있으며, 빠른 성장 속도로 무결함 영역의 고품질의 실리콘 단결정을 얻기 위해서는, 결정 온도 구배를 크게 하기 위해서 결정을 급냉 화하는 것이 필요하다.

또한, 냉각통과 냉각통으로부터 하향으로 연신하고, 원통 또는 하향으로 향하여 축경(縮徑)된 형상의 냉각보조부재를 갖고, 냉각통으로부터 연신된 냉각보조부재에 차열부재가 설치되어 있는 단결정의 제조장치가 개시되어 있지만(특허 문헌 3), 차열부재가 설치되어 있지 않은 부분을 통해 외부의 고온 영역으로부터 결정측으로 열이 공급되어 버리기 때문에, 육성 단결정의 냉각 능력이 불충분하였다.

또한, 냉각통의 내주면을 복사열 반사 방지면, 용융액과의 대항부를 복사열 반사면으로 하고, 외주면에 단열체를 마련하는 것으로 냉각통 사용시에 냉각통 외주부에서 기상 중 SiO 성분이 냉각 고체화하여 발생하는 고체층 SiO에 의한 쌍정(雙晶) 또는 전위를 억제할 수 있는 단결정 제조장치가 개시되어 있다(특허 문헌 4).

그러나, 냉각통 외주면에 단열체를 밀착되어 설치하여 단열시키기 때문에, 강제 냉각의 능력은 냉각통 내주면에 의존하게 되어서, 한층 더 냉각 능력 향상을 위해서는, 보다 고온의 고액(固液) 계면 근방에 냉각통을 설치하거나, 표면 복사율을 향상시키고, 흡열을 촉진시킬 수밖에 없다. 그런데, 전자의 경우는 용융액 면도 함께 냉각됨으로써 발생하는 융융액 표면에서의 고체화의 발생이나, 원료 용융액의 보유체(保持體)가 되는 석영 도가니로부터 발생하는 석영 도가니 파편에 기인하는 이물(異物) 부착 빈도 증가에 의한 유전위화(有轉位化)의 원인이 된다는 문제가 있고, 후자의 경우는 표면 복사율의 상한이 1이기 때문에 더욱 급냉화로의 기여는 어렵다는 문제가 있었다.

또한, 냉각통의 외주면의 적어도 일부를 열 반사층으로 덮은 반도체 단결정의 제조장치가 개시되어 있지만(특허 문헌 5), 상기 특허 문헌 4와 유사하게, 강제 냉각의 능력은 냉각통 내주면에 의존하기 때문에, 전술된 바와 유사한 문제를 갖고 있었다.

특개평 6-56588 호 공보 특개평 7-257991 호 공보 WO 01/057293 호 공보 특공평 7-33307 호 공보 WO 02/103092 호 공보

Analysis of side-wall structure of grown-in twin-type octahedral defects in Czochralski silicon, Jpn. J. Appl. Phys. 　 Vol. 37 (1998) p-p. 1667-1670 Evaluation of microdefects in as-grown silicon crystals, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 262 (1992) p-p. 51-56 The mechanism of swirl defects formation in silicon, Journal of Crystal growth 1982 p-p. 625-643 일본 결정성장학회(日本 結晶成長學會) vol. 25 No. 5 1998

따라서, 본 발명은 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 용융액 표면에서의 고체화의 발생이나 유전위화를 발생시키지 않고 냉각통의 냉각 능력을 향상시키고, 무결함의 단결정 제조시의 인상 속도를 고속으로 하고, 이에 의해 단결정의 생산성 및 수율을 향상시키고, 한편 소비 전력을 억제할 수 있는 단결정의 제조장치 및 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명에서는, 원료 용융액을 수용하는 도가니, 상기 원료 용융액을 가열하는 히터, 냉각매체에 의해 강제 냉각되는 냉각통 및 이들을 수용하는 냉각챔버를 갖는 단결정 제조장치로서, 상기 원료 용융액과 인상 중의 단결정과의 계면 근방에서, 상기 인상 중의 단결정을 감싸도록 차열부재가 배치되고, 상기 차열부재의 상향으로, 상기 인상 중의 단결정을 감싸도록 상기 냉각통이 배치되고, 상기 냉각통을 감싸도록, 상기 냉각통 외주와의 사이에 공극을 마련하여 냉각통 외주 단열재가 배치된 것인 것을 특징으로 하는 단결정의 제조장치를 제공한다.

이와 같이, 냉각통 외주와의 사이에 공극을 마련하여 냉각통 외주 단열재가 배치된 단결정의 제조장치이면, 상기 냉각통 외주 단열재가, 외주로부터의 상기 공극 및 냉각통으로 향하는 열을 차단하기 위해, 상기 공극에서 형성되는 공간이 냉각통 외주부 및 하단부에 의해 냉각되어 저온화한다. 이에 의해 냉각통 내주부 뿐만 아니라, 상기 저온화된 공극에서 형성되는 공간도 성장 중의 단결정의 결정 냉각에 기여할 수 있다.

또한, 이에 의해 결정 냉각을 강화시킬 수 있는, 냉각통을 용융액 표면 근방의 고온부에 접근할 필요가 없기 때문에, 원료 용융액과 성장 중의 단결정 계면에 발생하는 고체화나, 석영 도가니 파편에 기인하는 이물 부착 빈도 증가에 의한 유전위화를 억제할 수 있다. 또한, 이에 의해, 결정의 인상 속도를 고속으로 할 수 있기 때문에, 단결정의 생산성이나 수율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 공극이 결정 냉각에 기여하여서 결정 냉각시의 냉각통의 부담이 경감되기 때문에, 제조장치의 소비 전력을 억제하여 비용 절감을 꾀할 수 있다.

또한, 이 때, 상기 공극은, 폭이 15mm 이상인 것으로 할 수 있다.

이러한 폭의 공극인 경우, 냉각통 외주부에 의해 공극이 냉각되어 저온화한 경우에, 성장 중의 단결정에 대한 효과적인 냉각 기능을 얻을 수 있다.

또한, 이 때, 상기 냉각통 외주 단열재는 두께가 20mm 이상이고, 연직(鉛直) 방향의 하단은 상기 차열부재의 하단부의 높이와 동등한 위치이며, 상단은 상기 냉각통 하단에서 50mm 상향의 위치로부터 상기 냉각챔버의 상내벽(上內壁)까지의 범위에 있는 것으로 할 수 있다.

이러한 냉각통 외주 단열재이면, 냉각통과의 사이에 확실하게 공극을 마련할 수 있으며, 또한 그 단열 기능보다도 더 효과적인 것으로 할 수 있기 때문에, 상기 저온화된 공극보다 효율적으로 성장 중의 단결정을 냉각할 수 있다.

또한, 이 때, 상기 차열부재는 원통형으로 단열재를 갖고, 상부가 됨에 따라 그 내경이 확대하도록 형성된 것으로 할 수 있다.

이러한 차열부재이면, 원료 용융액 및 히터에 의한 성장 중의 단결정으로의 복사열을 억제하면서, 상기 저온화된 공극에 의한 결정 냉각을 더욱 강화할 수 있다.

또한, 이 때, 상기 냉각챔버의 상내벽은, 상벽 단열재에 의해 덮인 것으로 할 수 있다.

이렇게 하면, 히터 등의 고온부로부터 냉각챔버 상내벽 및 냉각통으로의 복사열을 보다 효율적으로 억제할 수 있으며, 이에 의해 히터 파워가 감소하고, 성장 중의 단결정으로의 결정 냉각을 강화시킬 수 있는 것과 동시에, 전력 절감 효과도 얻을 수 있다.

또한, 이 때, 상기 냉각통의 내주면 또는 외주면 중 일면 또는 양면에 흑연재를 밀착되어 배치된 것으로 할 수 있다.

이러한 냉각통이면, 흑연재에 의해 냉각통의 흡열 기능이 향상되기 때문에, 냉각통 및 저온화된 공극에 의한 냉각 능력을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 이 때, 상기 냉각통 외주 단열재는, 표면이 흑연재에 의해 덮인 것으로 할 수 있다.

이러한 냉각통 외주 단열재이면, 단열재로부터의 발진에 기인하는 원료 용융액의 오염 및 성장 단결정의 유전위화를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은, 챔버 내에서, 도가니 내의 원료 용융액을 히터로 가열하면서, 상기 원료 용융액으로부터 초크랄스키 방법에 의해 단결정을 인상시키고, 상기 인상 중의 단결정을 냉각통에서 냉각하면서 단결정을 제조하는 단결정 제조방법으로서, 본 발명의 단결정 제조장치를 이용하여 단결정을 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법을 제공한다.

이와 같이, 본 발명의 단결정 제조장치를 이용한 단결정의 제조방법이면, 원료 용융액의 고체화와 유전위화를 억제하면서, 쉽게 결정의 인상 속도를 고속으로 하면서 단결정을 제조할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 냉각통 외주와의 사이에 공극을 마련하여 냉각통 외주 단열재를 배치함으로써, 냉각통 내주부뿐만 아니라, 냉각통 외주부에 의해 저온화된 상기 공극도 성장 중의 단결정의 결정 냉각에 기여할 수 있기 때문에, 용융액 표면에서 고체화의 발생이나 성장 단결정의 유전위화를 억제하면서 결정의 인상 속도를 고속으로 할 수 있으며, 단결정의 생산성이나 수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 단결정 제조장치의 냉각통 주변 구조의 단면 구성예를 모식적으로 제시한 도면이다.
도 2는, 본 발명의 단결정의 제조장치에서, 냉각통 외주 단열재의 상단을 냉각챔버 상내벽에 밀착시키고, 냉각챔버 상내벽을 상벽 단열재로 덮은 경우의 단면 구성예를 제시한 도면이다.
도 3은, 본 발명의 단결정의 제조장치에서, 냉각통 외주면에 흑연재를 밀착되어 배치시킨 경우의 단면 구성예를 제시한 도면이다.
도 4는, 본 발명의 단결정의 제조장치에서, 차열부재를 단열재로 형성하고, 상부가 됨에 따라 그 내경이 확대하도록 형성한 경우의 단면 구성예를 제시한 도면이다.
도 5는 종래의 냉각통을 구비한 단결정 제조장치의 단면 구성예를 제시한 도면이다.
도 6은, 종래의 냉각통을 구비한 단결정 제조장치에서, 단열재의 상단은 냉각챔버 상내벽과 밀착시키고, 측면은 냉각통과 밀착시키도록 형성한 경우의 단면 구성예를 제시한 도면이다.
도 7은, 종래의 냉각통을 구비한 단결정 제조장치에서, 냉각통과 단열재 펜던트 보조기구와의 사이에 공극을 마련한 경우의 단면 구성예를 제시한 도면이다.
도 8은, 실시예 및 비교예에서, 비교예 1을 100 %로 했을 때의 웨이퍼면 내 전체가 무결함이 되는 실리콘 단결정 성장 속도의 결과의 그래프를 제시한 도면이다.
도 9는, 실시예 및 비교예에서, 용융액 표면에서의 고체화 발생률의 결과의 그래프를 제시한 도면이다.
도 10은 실시예 및 비교예에서 DF화율의 결과의 그래프를 제시한 도면이다.
도 11은, 실시예 및 비교예에서, 비교예 1을 100 %로 했을 때의 실리콘 단결정 성장 중의 히터 전원의 결과의 그래프를 제시한 도면이다.
도 12는, 실시예 및 비교예에서, 비교예 1을 100 %로 했을 때의 냉각통 제거 열량의 결과의 그래프를 제시한 도면이다.

이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.

전술한 바와 같이, 빠른 성장 속도로 무결함 영역의 고품질의 실리콘 단결정을 얻기 위해서는, 결정 온도 구배를 크게 하기 위해서 결정을 급냉화하는 것이 필요하다.

반면, 종래, 냉각통을 사용하여 강제 냉각하는 기술이 개시되어 있지만, 강제 냉각의 능력은 냉각통 내주면에 의존하기 때문에, 한층 더 냉각 능력 향상에는, 예를 들어 보다 고온의 고액 계면 근방에 냉각통을 설치하는 것이 필요하다. 그러나, 단결정과 함께 원료 용융액도 함께 냉각되어 버림으로써 발생하는 용융액 표면에서 고체화의 발생이나, 원료 용융액의 보유체가 되는 석영 도가니로부터 발생하는 이물 부착 빈도 증가에 의한 유전위화의 원인이 되는 문제점이 있었다.

이에, 본 발명자들이 예의 연구를 실시한 결과, 냉각통 외주부에 공극을 마련하고 냉각통 외주 단열재를 설치함으로써 외부로부터 단열된 내부 공간을 형성함으로써, 상기 내부 공간은 냉각통 외주부 및 하단부에 의해 냉각된 냉각 내부 공간을 얻을 수 있으며, 상기 냉각 내부 공간이 냉각통 내주부 및 하단부와 함께 결정 냉각에 기여하고, 원료 용융액의 고체화나 성장 단결정의 유전위화를 억제하면서 결정 냉각을 강화할 수 있는 것으로 나타났습니다.

즉, 본 발명은, 적어도, 원료 용융액을 수용하는 도가니, 상기 원료 용융액을 가열하는 히터, 냉각매체에 의해 강제 냉각되는 냉각통 및 이들을 수용하는 냉각챔버를 갖는 단결정 제조장치로서, 상기 원료 용융액과 인상 중의 단결정과의 계면 근방에서, 상기 인상 중의 단결정을 감싸도록 단열재를 갖는 차열부재가 배치되고, 상기 차열부재의 상향으로, 상기 인상 중의 단결정을 감싸도록 상기 냉각통이 배치되고, 상기 냉각통을 감싸도록, 상기 냉각통 외주와의 사이에 공극을 마련하여 냉각통 외주 단열재가 배치된 것인 것을 특징으로 하는 단결정의 제조장치이다.

즉, 본 발명의 단결정의 제조장치에서는, 인상 중의 단결정을 감싸도록 냉각통이 배치되고, 상기 냉각통을 감싸도록, 냉각통 외주와의 사이에 공극을 마련하여 냉각통 외주 단열재가 배치되고, 상기 냉각통 외주 단열재의 하단의 원료 용융액과 인상 중의 단결정과의 계면 근방에서, 인상 중의 단결정을 감싸도록 차열부재가 배치되어 있다.

이하, 본 발명의 실시형태에서, 실리콘 단결정의 제조를 예로 들어 도면을 참조하여 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

먼저, 도 1에 본 발명의 단결정 제조장치의 냉각통 주변 구조의 단면 구성예를 모식적으로 제시한 도면을 보여준다. 본 발명의 단결정 제조장치(1)는, 중공 원통형의 챔버로 외관을 구성하고, 그 챔버는 하부 원통을 이루는 냉각챔버(12a)와, 냉각챔버(12a)에 연접 고정된 상부 원통을 이루는 풀 챔버(12b)로 구성된다.

그 중심부에는 도가니(2)가 배치되어 있고, 이 도가니는 이중 구조이며, 유저(有底) 원통형을 이루는 석영제의 내층 보유 용기(이하, 단순히 "석영 도가니(2a)"라고 함)와, 그 석영 도가니(2a)의 외부를 유지하기 위해 적용된 동일한 유저 원통형의 흑연제의 외층 보유 용기(이하, 단순히 "흑연 도가니(2b)"라고 함)로 구성되어 있다.

이중 구조로 이루어진 도가니(2)의 외측에는 히터(3)가 배치되고, 히터(3)의 외측 주변에는 보온 통(9)이 동심원상으로 배치되며, 그 아래에 장치 저부에 보온 판(10)이, 상향에는 보온 부재(11)가 배치되어 있다.

그리고, 상기 도가니(2) 내에 투입된 소정 중량의 실리콘 원료가 용해되고, 원료 용융액(4)이 형성된다. 형성된 원료 용융액(4)의 표면에 종 결정(8)을 담그고, 도가니(2)를 지지 축(7)에 의해 회전되고, 한편 인상 축(6)은 그것과는 반대 방향으로 회전시키면서 인상 축(6)을 상향으로 인상시켜 종 결정(8)의 하단면에 실리콘 단결정(5)를 성장시킨다.

여기서 원료 용융액(4)과 단결정(5)과의 계면 근방에서, 상기 단결정(5)을 감싸도록 단열재를 갖는 차열부재(15)가 배치된다. 이 차열부재(15)에 의해, 원료 용융액(4)으로부터 성장 중의 단결정(5)으로의 복사열을 억제할 수 있다. 차열부재(15)의 재질로는, 예를 들면 흑연, 몰리브덴, 텅스텐, 탄화규소, 또는 흑연의 표면을 탄화규소로 코팅한 것 등을 사용할 수 있다. 그러나, 이에 국한되는 것은 아니다.

또한, 차열부재를 원통형으로 하고, 도 4에 도시한 바와 같이 상부가 됨에 따라 그 내경이 확대하도록 형성된, 단열재로 이루어진 차열부재(15')라고 하면, 상기 복사열을 억제하면서, 상기 저온화된 공극에 의한 결정 냉각을 더욱 강화할 수 있다.

또한, 차열부재(15)의 상향으로 인상 중의 단결정(5)을 둘러싸도록 단결정(5)의 외주에 배치된 냉각통(16)은, 물을 냉각매체로 하여 10 ~ 50 ℃ 정도로 냉각되고, 주로 복사열 전달에 의해 단결정(5)을 강제 냉각하고 있다. 냉각통(16)의 재질로는, 예를 들면 철, 니켈, 크롬, 구리, 티타늄, 몰리브덴 또는 텅스텐, 또는 이러한 금속을 포함하는 합금, 또는 이러한 합금 티타늄, 몰리브덴, 텅스텐 또는 백금족 금속으로 피복한 것으로 할 수 있다. 그러나, 이에 국한되는 것은 아니다.

그리고, 본 발명에서는, 공극(17)을 설치하여 상기 냉각통(16)을 감싸도록 차열판(13) 위에 냉각통 외주 단열재(14)가 배치되고, 히터(3)로부터 단결정(5)으로의 복사열을 완화 차열하고 있다. 냉각통 외주 단열재(14)의 재질로는, 예컨대 탄소섬유 성형체 등을 사용할 수 있다. 그러나, 이에 국한되는 것은 아니다.

여기서, 상기 공극(17)의 폭은 바람직하게는 15mm 이상, 보다 바람직하게는 20mm 이상 50mm 이하로 하여 형성된다.

이 공극(17)에서 형성되는 공간이, 냉각통(16) 외주부에 의해 냉각되어 저온화하기 때문에, 냉각통(16) 내주부에 가하여 상기 저온화된 공극(17)에서 형성되는 공간을 결정 냉각에 기여할 수 있다. 게다가, 외주는 냉각통 외주 단열재(14)에 의해 감싸지기 때문에, 외주로부터 공극(17)으로의 열의 유입을 확실하게 차단할 수 있다. 따라서, 결정 냉각을 더욱 강화할 수 있다.

또한, 상기 냉각통 외주 단열재(14)의 두께는 바람직하게는 20mm 이상, 보다 바람직하게는 25mm 이상 100mm 이하로 형성된다. 또한, 연직 방향의 하단은 차열부재(15)의 하단부의 높이와 동등한 위치로 하며, 상단은 냉각통(16) 하단보다, 바람직하게는 50mm, 보다 바람직하게는 150mm 상향의 위치로부터 냉각챔버(12a)의 상내벽까지의 범위에 있도록 형성된다. 또한, 도 2에 제시된 바와 같이, 상기 냉각통 외주 단열재(14)는 상단이 냉각챔버(12a)의 상내벽과 가능한 틈새가 없도록 형성되는 것이 보다 바람직하다.

이렇게 하면, 냉각통 외주 단열재(14)에 의한 단열 효과를 향상시킬 수 있을뿐 아니라, 상기 공극(17)이 저온화된 때에, 그 결정 냉각 기능을 보다 효과적인 것으로 할 수 있다.

또한, 상기 냉각챔버(12a)의 상내벽을, 도 2에 제시된 바와 같이 상벽 단열재(18)에 의해 덮음으로써, 히터(3) 등의 고온부로부터 냉각챔버(12a)의 상내벽으로의 복사열이나, 냉각통 외주 단열재(14)의 측면을 통해 공극(17)에 도달하는 복사열을 보다 효율적으로 차단할 수 있으며, 결과적으로 단결정(5)으로의 복사열을 보다 효율적으로 억제할 수 있음과 동시에 히터 전력의 절감에 의한 전력 절감의 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 3에 제시한 바와 같이, 강제 냉각되는 냉각통(16) 외주면에 흑연재(19)를 밀착되어 배치할 수 있다. 이와 같이, 좋은 열 전도체인 흑연재(19)를 냉각통(16) 외주면에 밀착되어 배치함으로써, 더욱 공극(17)의 냉각이 촉진되어, 결정 냉각을 더욱 강화할 수 있다. 이 때, 냉각통 외주면 뿐만 아니라, 냉각통 내주면 또는 양면에 흑연재를 밀착되어 배치해도 좋다.

본 발명의 단결정 제조방법에서는, 이러한 장치를 이용하여, 다음과 같이 하여 단결정의 제조가 실시된다.

먼저, 도가니(2)에 의해 유지되는 원료 용융액(4)에 종 결정(8)을 침지한다. 그 후, 인상 축(6)에서 종 결정(8)을 회전시키면서 인상시킨다. 그 때, 히터(3)에서 가열하고, 지지 축(7)에 의해 도가니(2)를 종 결정(8)과는 반대 방향으로 회전시킨다. 그리고, 인상된 단결정(5)을 냉각통(16)에서 급냉하고, 단결정(5)을 제조한다.

이때, 냉각통(16)의 외주에는 공극(17)을 마련하여 냉각통 외주 단열재(14)가 배치되어 있기 때문에, 히터(3) 등의 고온부로부터 공극(17)으로의 복사열을 확실히 차단할 수 있다. 따라서, 공극(17)에서 형성된 공간이, 냉각통(16) 외주부 및 하단부에 의해 냉각된 저온화이기 때문에, 상기 저온화된 공간을 결정 냉각에 기여하고, 결정 냉각을 강화할 수 있다.

또한, 이에 의해 용융액 표면에 생기는 고체화나 유전위화를 억제할 수 있다. 또한, 이에 의해, 결정의 인상 속도를 고속으로 할 수 있기 때문에, 단결정의 생산성이나 수율을 향상시킬 수 있다.

실시예

이하, 실시예 및 비교예를 제시하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

도 1에 제시된 단결정 제조장치에 있어서, 냉각통과, 두께 30mm의 냉각통 외주 단열재와의 사이에 60mm의 공극을 마련하고, 냉각통 외주 단열재의 하단을 차열부재의 하단부로 하고, 상단을 냉각통 하단보다 150mm 상향의 위치로 하였다. 이러한 제조장치를 이용하여 내경 800mm의 석영 도가니에 실리콘 원료 200kg을 충전하고, 원료 용융액을 형성한 후, 직경 300mm의 실리콘 단결정을 인상, 성장시켜 웨이퍼면 내 전체가 무결함이 되는 실리콘 단결정 성장 속도, 용융액 표면에서의 고체화 발생률, DF화율(결정 전체 길이에 걸쳐 무전위로 단결정이 얻어진 확률), 실리콘 단결정 성장 중의 히터 전력 및 냉각통 제거 열량을 구하였다. 또한, 냉각통 제거 열량은 냉각에 사용된 물의 유량과 온도 상승량으로부터 구하고, 냉각수 통로를 나누어 배치함으로써 전체 제거 열량과 외주부의 제거 열량을 나누어 측정할 수 있도록 하였다.

이 때의 결과를 도 8 ~ 도 12에 제시한다.

(실시예 2)

도 2에 제시된 단결정 제조장치에 있어서, 냉각통 외주 단열재의 상단을, 냉각챔버 상내벽을 밀착시키고, 한편 냉각챔버 상내벽을 상벽 단열재로 덮은 것을 제외하고는, 실시예 1과 유사하게 웨이퍼면 내 전체가 무결함이 되는 실리콘 단결정 성장 속도, 용융액 표면에서의 고체화 발생률, DF화율 실리콘 단결정 성장 중의 히터 전력 및 냉각통 제거 열량을 구하였다.

이 때의 결과를 도 8 ~ 도 12에 제시한다.

(실시예 3)

도 3에 제시된 단결정 제조장치에 있어서, 도 4에 제시된 바와 같이, 단열재로 이루어진 차열부재를, 상부가 됨에 따라 그 내경이 확대하도록 형성하고, 냉각통 외주면에 흑연재를 밀착되어 배치시킨 것을 제외하고는, 실시예 2와 유사하게 웨이퍼면 내 전체가 무결함이 되는 실리콘 단결정 성장 속도, 용융액 표면에서의 고체화 발생률, DF화율 실리콘 단결정 성장 중의 히터 전력 및 냉각통 제거 열량을 구하였다. 이 때의 결과를 도 8 ~ 도 12에 제시한다.

(비교예 1)

도 5에 제시된 단결정 제조장치에 있어서, 냉각통(21)과, 육성 중의 단결정을 감싸는 두께 30mm의 단열재(22)를 마련하고, 상기 단열재(22)를 펜던트하기 위한 보조기구(23)와의 사이에는 공극은 마련하지 않고, 상기 단열재(22)의 하단을 차열부재(24)의 하단부로 하고, 상단을 냉각통(21) 하단부보다 150mm 하향의 위치로 하였다. 이러한 제조장치를 이용하여 내경 800mm의 석영 도가니에 실리콘 원료 200kg을 충전하고, 원료 용융액을 형성한 후, 직경 300mm의 실리콘 단결정을 인상, 성장시켜, 웨이퍼면 내 전체가 무결함이 되는 실리콘 단결정 성장 속도, 용융액 표면에서의 고체화 발생률, DF화율 실리콘 단결정 성장 중의 히터 전력 및 냉각통 제거 열량을 구하였다. 이 때의 결과를 도 8 ~ 도 12에 제시한다.

(비교예 2)

도 6에 제시된 단결정 제조장치에 있어서, 단열재(22)의 상단을 냉각챔버(25) 상내벽과 밀착시키고, 측면을 냉각통(21)과 밀착시킨 것을 제외하고는, 비교예 1과 유사한 조건에서 웨이퍼면 내 전체가 무결함이 되는 실리콘 단결정 성장 속도, 용융액 표면에서의 고체화 발생률, DF화율 실리콘 단결정 성장 중의 히터 전력 및 냉각통 제거 열량을 구하였다. 이 때의 결과를 도 8 ~ 도 12에 제시한다.

(비교예 3)

도 7에 제시된 단결정 제조장치에 있어서, 냉각통(21)과 단열재(22) 펜던트 보조기구(23)와의 사이에 폭이 60mm인 공극을 마련한 것을 제외하고는, 비교예 1과 유사한 조건에서 웨이퍼면 내 전체가 무결함이 되는 실리콘 단결정 성장 속도, 용융액 표면에서의 고체화 발생률, DF화율 실리콘 단결정 성장 중의 히터 전력 및 냉각통 제거 열량을 구하였다. 이 때의 결과를 도 8 ~ 도 12에 제시한다.

도 8은, 실시예 및 비교예에서, 비교예 1을 100 %로 했을 때의 웨이퍼면 내 전체가 무결함이 되는 실리콘 단결정 성장 속도의 결과의 그래프를 제시한 도면이다. 도 8에서, 본 발명의 실시예에서는, 비교예 1에 비해 10 ~ 25 %의 무결함 실리콘 단결정 성장 속도의 고속화를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 냉각통의 외주부와 냉각통 외주 단열재와의 사이에 공극을 마련하고 절연하는 것으로, 상기 공극에 형성된 공간이 냉각되어 저온화하고, 그것이 결정 냉각에 기여함으로써 결정 냉각을 강화할 수 있기 때문이다.

반면, 냉각통의 외주부와 단열재를 밀착시키고, 사이에 공극을 마련하지 않은 비교예 2 및 공극을 마련하고도, 단열재의 상단이 냉각통 하단부보다 하향으로 있기 때문에, 단열재에 의한 단열이 충분히 이루어지지 않은 비교예 3에서는, 대부분 무결함 실리콘 단결정 성장 속도는 가속화할 수 없는 것을 알 수 있다.

도 9에서, 본 발명의 실시예에서는, 냉각통을 용융액 계면 근방의 고온부에 접근할 필요가 없기 때문에, 상기 냉각 강화에 의한 무결함 실리콘 단결정 성장 속도의 고속화를 실시하고 있음에도 관계없이 고체화 발생률은 악화하지 않고, 오히려 감소하는 것을 알 수 있다.

도 10에서, 본 발명의 실시예에서는, 무결함 실리콘 단결정 성장 속도의 고속화를 할 수 있는 것과 동시에, DF화율도 비교예에 비해 다소 나아질 것을 알고 있다.

도 11은, 실시예 및 비교예에서, 비교예 1을 100 %로 했을 때의 실리콘 단결정 성장 중의 히터 전원의 결과의 그래프를 제시한 도면이다. 도 11에서, 본 발명의 실시예 1에서는, 냉각통과 냉각통 외주 단열재와의 사이의 공극을 외부의 고온부로부터 절연하고 있기 때문에, 비교예 1과 비교하여 12 %의 전력 절감 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 또한, 실시예 2 및 실시예 3에서는, 냉각통 외주부 단열재의 상단을 냉각챔버의 상내벽에 밀착시키고, 한편 냉각챔버 단열재를 이용한 단열 구조가 되어 있기 때문에, 비교예 1과 비교하여 25 ~ 31 %의 전력 절감 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.

도 12는, 실시예 및 비교예에서, 비교예 1을 100 %로 했을 때의 냉각통 제거 열량의 결과의 그래프를 제시한 도면이다. 도 12에서, 본 발명의 실시예는, 전술한 바와 같이 비교예에 비해 히터 전력이 낮아지고 있음에도 불구하고, 제거 열량에는 거의 차이가 없다. 이것은, 전술한 바와 같이 공극의 존재에 의해 냉각통 외주부에 의해서도 냉각된 공간이, 효율적으로 결정 냉각에 기여하고 있기 때문이다.

이상의 것으로부터, 본 발명의 단결정의 제조장치 및 제조방법에 따르면, 단결정의 인상 과정에서, 냉각통 외주부와 냉각통 외주 단열재와의 사이에 공극을 마련하고, 외부의 고온부로부터 단열하고, 이 공극을 주로 하여 냉각통 외주부가 냉각됨으로써, 상기 공극이 저온화됨에 따라 결정 냉각을 강화할 수 있는 것을 알 수 있다.

따라서, 결정 성장 속도를 고속화하고, 높은 수율을 유지하는 무결함 결정의 생산성을 향상시킬 수 있으며, 에너지 절약하고 높은 생산성으로 실리콘 단결정을 얻는 것이 가능하므로, 반도체 디바이스용 실리콘 단결정 및 태양전지용 실리콘 단결정의 제조 분야에서 널리 이용될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용 효과를 나타내는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (8)

1. 원료 용융액을 수용하는 도가니, 상기 원료 용융액을 가열하는 히터, 냉각매체에 의해 강제 냉각되는 냉각통 및 이들을 수용하는 냉각챔버를 갖는 단결정 제조장치로서,
   상기 원료 용융액과 인상(引上) 중의 단결정과의 계면 근방에서, 상기 인상 중의 단결정을 감싸도록 차열부재가 배치되고, 상기 차열부재의 상향으로, 상기 인상 중의 단결정을 감싸도록 상기 냉각통이 배치되고, 상기 냉각통을 감싸도록, 상기 냉각통 외주와의 사이에 공극을 마련하여 냉각통 외주 단열재가 배치된 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 공극은, 폭이 15mm 이상인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 냉각통 외주 단열재는, 두께가 20mm 이상이고, 연직(鉛直) 방향의 하단은 상기 차열부재의 하단부의 높이와 동등한 위치이며, 상단은 상기 냉각통 하단에서 50mm 상방의 위치로부터 상기 냉각챔버의 상내벽(上內壁)까지의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 차열부재는 원통형으로서 단열재를 갖고, 상부가 됨에 따라 그 내경이 확대하도록 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
   
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각챔버의 상내벽은, 상벽 단열재에 의해 덮인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
   
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각통의 내주면 또는 외주면 중 일면 또는 양면에 흑연재가 밀착되어 배치된 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
   
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 냉각통 외주 단열재는, 표면이 흑연재에 의해 덮인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
   
8. 챔버 내에서, 도가니 내의 원료 용융액을 히터로 가열하면서, 상기 원료 용융액으로부터 초크랄스키(Czochralski) 방법에 의해 단결정을 인상시키고, 상기 인상 중의 단결정을 냉각통에서 냉각하면서 단결정을 제조하는 단결정 제조방법으로서,
   제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 단결정 제조장치를 이용하여 단결정을 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조방법.
   

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