KR20140048742A - 실리콘 단결정 잉곳 성장장치 - Google Patents

실리콘 단결정 잉곳 성장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 공정이 수행되는 챔버와, 챔버의 내부에 설치되어 실리콘 용융액이 담기는 도가니와, 챔버의 내부에 설치되어 도가니를 가열하는 히터와, 챔버의 상부에 설치되어 실리콘 용융액으로부터 성장하는 잉곳 표면의 열을 제거하기 위하여 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 대류에 의한 열전달 가스를 챔버의 내부에 주입하는 가스주입부를 포함하되, 열전달 가스는 헬륨 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개시한다.

Description

실리콘 단결정 잉곳 성장장치{APPARATUS FOR GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT}
본 발명은 실리콘 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 실리콘 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
일반적으로, 실리콘 단결정은 쵸크랄스키법(이하, 'CZ법'이라 칭함)으로 제조되는데, 이는 석영도가니에 실리콘을 넣고 도가니를 가열하여 실리콘을 용융시키고, 종자 단결정(seed crystal)을 실리콘 용융액에 접촉시킨 상태에서 회전하면서 서서히 끌어올리면서 종자 단결정 표면에서 용융액을 고체로 응고시킴에 따라 소정의 지름을 갖는 잉곳(IG)을 성장시키는 방법이다.
이러한 CZ법에 의한 실리콘 단결정 성장 시 인상 속도가 클수록 잉곳의 생산성이 향상되는 이점이 있어서 고속 인상이 선호되지만, 고화된 실리콘 잉곳(IG)으로부터 일정량의 열이 방출되어야만 결정 성장이 진행되므로 이러한 열방출 속도에 의해 인상 속도의 한계가 생긴다.
단결정 잉곳의 열방출 속도를 향상시키기 위하여 기존에는 흔히 복사에 의한 열전달을 고려하였다. 열쉴드(111, 도 1 참조)를 설치하여 실리콘 용융액(SM)으로부터 잉곳(IG)으로의 복사열 공급을 차단하는 것과 수냉관(112, 도 1 참조)을 설치하여 잉곳(IG)으로부터 나오는 복사열을 효율적으로 제거하는 것 등이 그 예라 할 수 있다. 이러한 복사에 의한 열전달은 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 매개 없이 이동하는 것으로서 수냉관(112)을 사용하면 복사에 의한 열전달이 촉진되어 잉곳(IG)의 냉각속도를 상승시킬 수 있다. 그러나, 수냉관(112)을 어느 한도까지 내리면 CCD카메라로 실리콘 융액 표면을 관찰하기 어렵기 때문에 공정상 문제점이 있다.
잉곳(IG)의 열을 제거하기 위한 다른 방법으로, 유체의 이동으로 열을 전달시키는 대류에 의한 열전달을 고려할 수 있는데, 여기서 챔버 내부에 주입되는 가스가 유체의 역할을 한다.
종래에는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치의 챔버 내부에 아르곤(Ar) 가스를 챔버 상부로부터 주입하여 하부로 배출한다. 아르곤 가스는 비활성 가스이기 때문에 고온의 내부에서 구조물과 반응하지 않고 배기관을 통해 배출된다. 이때, 아르곤 가스는 산소 농도를 제어하여 SiO 형성반응을 억제하는 역할을 하는데, 반면 열전도율이 낮기 때문에 잉곳(IG)으로부터 나오는 열을 효율적으로 제거하는 역할은 미미하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 열전도율이 높은 가스를 이용하여 결정의 냉각 속도를 높여 잉곳의 생산성을 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 공정이 수행되는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되며, 실리콘 용융액이 담기는 도가니; 상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 도가니를 가열하는 히터; 및 상기 챔버의 상부에 설치되며, 상기 실리콘 용융액으로부터 성장하는 상기 잉곳 표면의 열을 제거하기 위하여 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 대류에 의한 열전달 가스를 상기 챔버의 내부에 주입하는 가스주입부를 포함하되, 상기 열전달 가스는 헬륨 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개시한다.
또한, 상기 가스주입부는, 상기 챔버의 상부에 설치되며, 상기 열전달 가스를 상기 챔버 내로 주입하는 가스주입배관; 및 상기 챔버의 상부에 상기 실리콘 용융액으로부터 성장하는 상기 잉곳의 주위를 감싸도록 형성되며, 상기 가스주입배관으로부터 주입되는 상기 열전달 가스가 상기 잉곳의 표면을 따라 이동하면서 상기 챔버 내로 주입되도록 가이드하는 가스주입챔버를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개시한다.
또한, 상기 가스주입부는 상기 챔버 내에 아르곤 가스를 주입하는 동안 상기 헬륨 가스를 추가적으로 주입하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개시한다.
또한, 상기 가스주입부는 상기 챔버 내에 아르곤 가스와 상기 헬륨 가스를 혼합하여 주입하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개시한다.
또한, 상기 가스주입부는 상기 챔버 내에 상기 아르곤 가스와 상기 헬륨 가스를 특정 비율로 설정하여 주입하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개시한다.
본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.
(1) 본 발명은 단결정 잉곳의 성장이 끝난 후 냉각 공정에서 빨리 결정을 냉각시키기 위하여 헬륨을 사용하는 것이 아니라, 단결정 잉곳이 성장하는 과정에서 아르곤과 헬륨 가스를 특정 비율로 섞어서 사용하여 결정 성장 속도를 높이는 것이다. 따라서, 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 열전도율이 높은 헬륨 가스를 이용하여 잉곳으로부터 나오는 열을 효율적으로 제거함으로써, 결정의 냉각 속도를 높여 잉곳의 생산성을 향상시킬 수 있다.
(2) 본 발명은 기존의 열쉴드 및 수냉관을 사용하던 복사에 의한 열전달만 고려하는 것이 아니라, 헬륨 가스를 이용한 대류에 의한 열전달까지 고려함으로써, 결정의 냉각 속도를 높여 실리콘 단결정 잉곳의 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개략 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 성장하는 잉곳의 열분포를 비교하여 보여주는 도면이다.
도 3은 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 아르곤과 헬륨 가스의 조성 비율에 따른 잉곳의 열분포를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 4는 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 아르곤과 헬륨 가스의 조성 비율에 따른 G값을 비교하여 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개략 도시하는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 히터(130) 및 가스주입부(140)를 포함할 수 있다.
챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(IG)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다. 여기서, 실리콘 단결정 잉곳(IG) 성장을 위한 대표적인 제조방법으로는 단결정인 종자결정(seed crystal)(미도시)을 실리콘 용융액(SM)에 접촉시킨 상태에서 회전하면서 서서히 끌어 올리면서 종자결정 표면에서 용융액을 고체로 응고시킴에 따라 소정의 지름을 갖는 잉곳(IG)을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk.CZ)법이 있다. 이 방법에 따르면, 먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 솔더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 실리콘 용융액(SM)으로부터 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.
또한, 챔버(110) 내에는 실리콘 용융액(SM)으로부터 성장하는 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 복사되는 열을 차단하기 위하여 열차폐부재, 예컨대 열쉴드(heat shield)(111)가 설치된다. 여기서 열쉴드(111)는 실리콘 용융액(SM)의 표면과 후술할 히터(130)로부터 복사되는 열이 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 전달되지 못하도록 하기 때문에 잉곳(IG)의 생산성과 품질 향상을 위하여 최근에는 열쉴드(111)를 필수적으로 설치한다. 이는 복사에 의한 열전달을 막기 위함이다.
또한, 챔버(110)의 내벽에는 히터(130)의 열이 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 복사 단열체(113)가 설치될 수 있다.
도가니(120)는 실리콘 용융액(SM)을 담을 수 있도록 챔버(110)의 내부에 구비되며, 석영 재질로 이루어진다. 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 흑연으로 이루어지는 도가니 지지대(121)가 구비될 수 있다. 도가니 지지대(121)는 회전축(123) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(123)은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 고액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다.
히터(130)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 설치된다. 보다 상세하게는, 히터(130)는 도가니(120)를 에워싸는 원통형으로 이루어질 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 용융액(SM)으로 만들게 된다.
가스주입부(140)는 챔버(110)의 상부에 설치되며, 실리콘 용융액(SM)으로부터 성장하는 잉곳(IG) 표면의 열을 제거하기 위하여 대류에 의한 열전달 가스를 챔버(110)의 내부에 주입한다. 특히, 가스주입부(140)는 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 내화물과 반응하지 않는 비활성 기체이면서 기존의 아르곤(Ar) 가스(열전달 가스) 보다 열전도율이 상대적으로 높은 헬륨(He) 가스(열전달 가스)를 주입하여 결정의 냉각 속도를 높여 잉곳(IG)의 생산성을 향상시키는 역할을 한다.
아래 표 1은 아르곤과 헬륨의 물성을 비교한 표이다.
열전도율 W/(m*K) 열용량 J/(kg*K) 점도 Pa*s
아르곤(Ar) 0.0158 521 2.13×10-5
헬륨(He) 0.152 5193 1.99×10-5
표 1에 의하면, 헬륨은 아르곤에 비해 약 10배 큰 열전도율을 가지므로 더 많은 대류 열전달을 함으로써 잉곳(IG) 표면의 열을 효과적으로 제거할 수 있다.
가스주입부(140)는 가스주입배관(141) 및 가스주입챔버(143)를 포함할 수 있다.
가스주입배관(141)은 챔버(110)의 상부에 위치하고, 후술할 가스주입챔버(143)의 상부 내측으로 관통하여 설치되며, 대류에 의한 열전달 가스를 챔버(110) 내로 주입하는 관부재이다.
또한, 가스주입배관(141)으로 주입되는 헬륨 가스의 분출량을 조절하여 잉곳(IG)의 성장속도를 제어할 수 있도록 가스주입배관(141)에는 가스조절밸브(미도시)가 설치될 수 있다.
가스주입챔버(143)는 가스주입배관(141)으로부터 주입되는 가스가 잉곳(IG)의 표면을 따라 이동하면서 챔버(110) 내로 주입되도록 가이드하는 역할을 한다.
가스주입챔버(143)는 챔버(110)의 중앙 상부에 실리콘 용융액(SM)으로부터 상승하여 성장하는 잉곳(IG)의 주위를 감싸도록 상단면이 밀폐되고 하단면이 개방된 원통형으로 형성되며, 챔버(110)의 중앙 상단 개구부에 가스주입챔버(143)의 하단 개구부가 연통되게 결합된다.
또한, 가스주입부(140)는 챔버(110) 내에 기존의 아르곤 가스를 주입하는 동안 헬륨 가스를 추가적으로 주입하거나, 아르곤 가스와 헬륨 가스를 혼합하여 주입할 수 있고, 챔버(110) 내에 아르곤 가스와 헬륨 가스를 특정 비율로 설정하여 주입할 수도 있다. 아르곤 가스와 헬륨 가스의 상대적인 양에 따라 잉곳(IG)의 냉각속도가 달라지게 되고, 이로 인해 잉곳(IG)의 성장속도가 달라지게 된다. 이때, 가스주입배관(141)에 설치된 가스조절밸브를 이용하여 헬륨 가스의 주입량을 조절함으로써 잉곳(IG)의 성장속도를 제어할 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(100)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 히터(130)로 가열 용융하여 실리콘 용융액(SM)으로 만든다. 단결정인 종자결정을 실리콘 용융액(SM)에 접촉시킨 후, 회전하면서 서서히 끌어올려 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시킨다.
잉곳(IG)이 성장하면서 잉곳(IG)의 하부는 실리콘 용융액(SM)에 담겨 있고, 이미 성장한 잉곳(IG) 상부는 챔버(110) 내에 남아 있게 된다. 이때, 결정의 냉각속도가 증가하여 빨리 식는다면, 이는 잉곳(IG)과 실리콘 용융액(SM)이 만나는 고액계면에서의 결정화 속도에 영향을 미치게 된다. 결정화가 빠르게 될수록 단위시간당 결정의 성장속도는 증가하게 되어 결정을 끌어당기는 인상속도를 증가시킬 수 있다.
본 실시예에서는 실리콘 단결정의 성장 시 인상속도를 증가시켜 잉곳(IG)의 생산성을 향상시키기 위하여 열전도율이 높은 헬륨 가스를 이용한다. 구체적으로, 챔버(110)의 상부에 설치된 가스주입배관(141)으로부터 챔버(110) 내에 아르곤 가스를 주입하는 동안 아르곤 가스 보다 열전도율이 높은 헬륨 가스를 추가적으로 주입시키면 아르곤 만을 사용했을 때보다 잉곳(IG)의 표면 온도가 낮아지게 된다. 이는 높은 열전도율을 가진 헬륨을 사용한 효과라고 할 수 있으며, 대류에 의한 열전달이 잘 일어난다는 것을 의미한다.
특히, 본 발명은 단결정 잉곳(IG)의 성장이 끝난 후 냉각 공정에서 빨리 결정을 냉각시키기 위하여 헬륨을 사용하는 것이 아니라, 단결정 잉곳(IG)이 성장하는 과정에서 아르곤과 헬륨 가스를 특정 비율로 섞어서 사용하여 결정 성장 속도를 높이는 것이다. 따라서, 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 열전도율이 높은 헬륨 가스를 이용하여 잉곳(IG)으로부터 나오는 열을 효율적으로 제거함으로써 결정의 냉각 속도를 높여 잉곳(IG)의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 아르곤 가스와 헬륨 가스의 상대적인 양에 따라 잉곳(IG)의 냉각속도가 달라지게 되고, 이로 인해 잉곳(IG)의 성장속도가 달라지게 된다. 이때, 가스주입배관(141)에 설치된 가스조절밸브의 조절을 통해 헬륨 가스의 주입량을 조절함으로써 잉곳(IG)의 성장속도를 제어한다.
또한, 헬륨 가스가 잉곳(IG)의 표면에 충분히 작용하여 효과적으로 대류에 의한 열전달이 일어날 수 있도록 가스주입배관(141)으로부터 분출되는 속도와 배출구(115)로 배출되는 속도를 제어한다.
이하, 도 2 내지 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 잉곳(IG)의 열분포 시뮬레이션 및 열흡수계수에 따른 G값 시뮬레이션을 비교하는 실험을 실시하였다.
도 2는 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 잉곳(IG)을 1000mm 성장시켰을 때 잉곳의 열분포를 비교하여 보여주는 도면으로서, 도 2(A)는 종래의 아르곤 가스를 챔버(110) 내에 주입하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(미도시)에서 성장시킨 잉곳(IG)의 열분포이고, 도 2(B)는 본 발명의 실시예에 따라 헬륨 가스를 주입하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(100)에서 성장시킨 잉곳(IG)의 열분포이다.
도 2에서 보는 바와 같이, 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 아르곤 가스를 주입했을 때보다 헬륨 가스를 주입했을 때 잉곳(IG) 전체적으로 더 낮은 온도분포를 보이는 것을 확인할 수 있다.
도 3은 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 아르곤과 헬륨 가스의 조성 비율을 설정하여 계산된 시뮬레이션 결과를 바탕으로 잉곳 표면의 열분포를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 챔버(110) 내에 아르곤 가스를 주입하는 동안 헬륨 가스를 추가적으로 주입시키면 아르곤 만을 사용했을 때보다 잉곳(IG)의 같은 높이에서 표면온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이는 높은 열전도율을 가진 헬륨을 사용한 효과라고 할 수 있으며, 대류에 의한 열전달이 잘 일어난다는 것을 의미한다.
도 4는 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 아르곤과 헬륨 가스의 조성 비율에 따른 G값을 비교하여 보여주는 그래프이다. 여기서, G값이란 결정의 수직 온도차를 나타내는 지표(℃/cm)로써 G값이 크다는 것은 결정 상하의 온도차가 크다는 것이고, 이는 결정의 냉각속도가 빠르다는 것을 의미한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 아르곤 가스와 헬륨 가스의 상대적인 주입량을 변화시키면 G값이 증가하는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 결정 표면을 기준으로 했을 때 아르곤만 사용할 경우 82.9℃/cm의 G값을 나타내는 반면, 헬륨을 사용할 경우 108.8℃/cm의 G값을 보여준다. G값이 약 26K/cm 정도 상승하므로 헬륨 가스를 사용하면 결정의 냉각속도가 증가하고, 이를 근거로 인상속도를 향상시킬 수 있어 잉곳(IG)의 생산성이 증가한다.
상기와 같은 실험결과를 통하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(100)는 기존의 열쉴드(111) 및 수냉관(112)을 사용하던 복사에 의한 열전달만 고려하는 것이 아니라, 헬륨 가스를 이용한 대류에 의한 열전달까지 고려함으로써, 결정의 냉각 속도를 높여 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 생산성이 향상된 것을 알 수 있다.
이상, 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다. 또한, 본 발명의 권리 범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 결정되며, 특허 청구범위에 사용된 괄호는 선택적 한정을 위해 기재된 것이 아니라, 명확한 구성요소를 위해 사용되었으며, 괄호 내의 기재도 필수적 구성요소로 해석되어야 한다.
100 : 실리콘 단결정 잉곳 성장장치
110 : 챔버
111 : 열쉴드
112 : 수냉관
120 : 도가니
130 : 히터
140 : 가스주입부
141 : 가스주입배관
143 : 가스주입챔버

Claims (5)

  1. 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 공정이 수행되는 챔버;
    상기 챔버의 내부에 설치되며, 실리콘 용융액이 담기는 도가니;
    상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 도가니를 가열하는 히터; 및
    상기 챔버의 상부에 설치되며, 상기 실리콘 용융액으로부터 성장하는 상기 잉곳 표면의 열을 제거하기 위하여 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 대류에 의한 열전달 가스를 상기 챔버의 내부에 주입하는 가스주입부를 포함하되,
    상기 열전달 가스는 헬륨 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 가스주입부는,
    상기 챔버의 상부에 설치되며, 상기 열전달 가스를 상기 챔버 내로 주입하는 가스주입배관; 및
    상기 챔버의 상부에 상기 실리콘 용융액으로부터 성장하는 상기 잉곳의 주위를 감싸도록 형성되며, 상기 가스주입배관으로부터 주입되는 상기 열전달 가스가 상기 잉곳의 표면을 따라 이동하면서 상기 챔버 내로 주입되도록 가이드하는 가스주입챔버를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스주입부는 상기 챔버 내에 아르곤 가스를 주입하는 동안 상기 헬륨 가스를 추가적으로 주입하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스주입부는 상기 챔버 내에 아르곤 가스와 상기 헬륨 가스를 혼합하여 주입하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 가스주입부는 상기 챔버 내에 상기 아르곤 가스와 상기 헬륨 가스를 특정 비율로 설정하여 주입하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.
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