KR20150053416A

KR20150053416A - 잉곳성장장치 및 잉곳성장방법

Info

Publication number: KR20150053416A
Application number: KR1020130135312A
Authority: KR
Inventors: 이원주; 최일수
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-05-18
Also published as: KR101596550B1

Abstract

본 발명의 잉곳성장장치는 종자결정을 이용하여 석영도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장하는 장치로서, 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되어, 상기 실리콘 융액을 수용하는 석영도가니; 상기 석영도가니에 열 에너지를 전달하는 히터부; 상기 종자결정을 상기 실리콘 융액에 침지시키고 회전 및 인상하여 인곳을 성장시키는 승강 케이블; 상기 석영도가니의 상측에 배치되고, 상기 실리콘 융액의 열을 외부와 차단하는 단열수단으로, 성장되는 잉곳이 통과하는 홀을 구비한 열차폐체; 및 상기 열차폐체의 상측에 장착되어, 상기 홀의 크기를 조절하는 넥 커버; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 잉곳성장장치는 고품질의 대구경 잉곳을 안정적으로 생산할 수 있는 장점이 있다.

Description

잉곳성장장치 및 잉곳성장방법 {Apparutus and Method for Growing Ingot}

본 발명은 단결정 실리콘 잉곳을 생산하는 잉곳성장장치 및 잉곳성장방법에 관한 것이다.

일반적으로 웨이퍼의 재료가되는 실리콘 단결정 잉곳은 초크랄스키법(CZ법)으로 제조된다.

CZ법이란, 석영도가니에 실리콘을 넣고 석영도가니를 가열하여 실리콘을 용융시키킨 후, 종자 결정(seed crystal)을 실리콘 융액에 접촉시킨 상태에서 회전하면서 서서히 끌어올리면서 종자 단결정 표면에서 융액을 고체로 응고시킴에 따라 소정의 지름을 갖는 잉곳을 성장시키는 방법이다.

그런데, 종자결정을 실리콘에 침지할 때(deeping), 종자결정 하단부의 온도가 멜트(melt)의 표면온도로 급격히 상승하면서, 종자결정 하단부에는 열 충격(thermal shock)이 가해진다.

그 결과, 종자결정에 전단 응력(shear stress)이 유발되고, 이로 인하여 멜트 접촉 부위에는 전위(dislocation)가 발생한다.

따라서, 종래에는 전위가 잉곳으로 전파되는 것을 막기 위하여, 초기 잉곳 성장시 데쉬 네킹(dash necking) 공정을 진행하였다.

데쉬 네킹 공정이란 잉곳을 가늘고 길게 뽑아내어 전위를 제거하는 기술로써, 이때, 네킹 공정에서 성장되는 잉곳의 네크부의 직경은 3 ~ 5mm 정도 형성된다.

이때, 네크부의 직경이 5mm를 넘게 되면, 네크부의 상/하 및 내/외부의 온도차에 의해 발생하는 전단 응력의 크기가 점점 증가하면서, 전위의 전파 속도가 잉곳의 성장속도보다 커지게 되고, 이로 인하여 종자결정 하단부에 발생된 전위가 제거되지 않는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 데쉬 네킹 공정시 네크부의 직경은 얇게 형성되도록 진행하였다.

다만, 상기 데쉬 네킹 공정은 전위의 제거라는 긍정적 효과도 있지만, 종자결정이 고중량의 잉곳을 지탱하는 데는 부정적 영향을 미친다.

즉, 전체 잉곳의 하중이 가늘고 긴 잉곳의 네크부를 인가되므로, 네크부가 잉곳의 하중을 견딜 수 없게 되면, 네크부의 파손으로 인하여 잉곳이 멜트로 추락할 가능성이 있게 된다.

특히, 현재 450mm의 직경을 갖는 잉곳의 경우, 공정 후반으로 가면 잉곳의 무게가 1톤에 달는데, 상기 데쉬 네킹 공정으로 형성되는 3-5mm의 가는 네크부로는 1톤에 달하는 잉곳의 무게를 지지할 수 없다.

따라서, 최근에는 데쉬 네킹 공정을 진행하지 않고 대구경의 잉곳을 성장시킬 수 있는 기술들이 연구 개발되고 있다.

한편, 최근에는 반도체 기술이 발전함에 따라서 효율 향상을 위하여 잉곳이 대구경화 되고 있다. 이로 인하여, 석영도가니 내의 더 많은 다결정 실리콘을 적층해야 한다.

이 때문에 다결정 실리콘을 가열하기 위한 히터 파워가 증가하게 되고, 히터 파워 증가에 따른 잉곳의 단가 상승은 물론, 석영도가니의 크리스토발라이트화(cristobalite)가 촉진되어, 잉곳의 유전위화 및 제품 수율이 저하되는 문제점이 있다.

본 실시예는 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 잉곳 생산시 열 손실을 줄일 수 있고, 전위발생 없으며 네크부의 직경이 증가된 무결함 대구경 잉곳을 생산하는 잉곳성장장치 및 잉곳성장방법을 제공하고자 한다.

본 실시예의 잉곳성장장치는 종자결정을 이용하여 석영도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장하는 장치로서, 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되어, 상기 실리콘 융액을 수용하는 석영도가니; 상기 석영도가니에 열 에너지를 전달하는 히터부; 상기 종자결정을 상기 실리콘 융액에 침지시키고 회전 및 인상하여 인곳을 성장시키는 승강 케이블; 상기 석영도가니의 상측에 배치되고, 상기 실리콘 융액의 열을 외부와 차단하는 단열수단으로, 성장되는 잉곳이 통과하는 홀을 구비한 열차폐체; 및 상기 열차폐체의 상측에 장착되어, 상기 홀의 크기를 조절하는 넥 커버; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예의 잉곳성장방법은 석영도가니에 다결정 실리콘이 적층되는 단계; 상기 석영도가니의 상측에 마련된 열차폐체의 홀을 넥 커버로 최소화한 후 상기 다결정 실리콘을 용융시키는 단계; 상기 용융된 실리콘의 융액에 종자결정을 디핑하기 위하여, 상기 종자결정을 상기 실리콘 융액과 상기 넥 커버 사이에 위치시키는 단계; 상기 종자결정이 상기 실리콘 융액에 의하여 가열시킨 후, 상기 종자결정을 실리콘 융액에 침지하는 단계;상기 종자결정을 이용하여 잉곳의 네크부를 형성하는 네킹 공정을 완료한 후, 상기 네크부의 직경을 확장하는 숄더링 공정을 실시하면서, 상기 넥 커버로 상기 직경 확장에 따라 상기 열차폐체의 홀 크기를 증가시키는 단계; 상기 종자결정을 이용하여 잉곳의 바디를 형성하는 바디 그로잉 공정을 실시하면서, 상기 넥 커버로 상기 열차폐체의 홀을 상기 바디 보다 소정의 크기만큼 크게 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

제안되는 본 실시예에 따르면, 열차폐체의 홀의 직경을 조절하여, 종자결정이 멜트에 침지될 때 발생하는 열충격을 최소화할 수 있고, 잉곳의 네크부 형성시 네크부의 상/하 및 내/외부의 온도차를 감소시켜, 전단 응력을 최소화할 수 있다.

그리고, 열충격의 감소로 인하여, 네크부의 전위 발생속도 또한 감소시킬 수 있으며, 이를 통해 네크부의 직경을 성장시킬 수 있다.

직경이 상승한 네크부는 고중량의 잉곳 하중을 견딜 수 있으므로, 고중량의 대구경 잉곳을 안정적으로 생산할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 실리콘 융액 가열시 히터파워를 감소시켜 잉곳의 품질을 향상시키며 생산 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

그리고, 본 실시예에 따르면, 잉곳의 외측부 온도를 정밀하게 제어하여 잉곳의 결함을 억제함으로써 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 열차폐체의 홀 크기조절이 가능한 넥 커버가 구비된 잉곳성장장치의 개략적인 모습을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 넥 커버가 열차폐체의 홀 크기를 감소시킨 잉곳성장장치의 개략적인 모습을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 열차폐체와 넥 커버의 단면을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 넥 커버가 열차폐체의 상면에 위치한 모습을 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 넥 커버의 일부가 열차폐체의 홀로 이동한 모습을 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 넥 커버가 구비된 잉곳성장장치를 이용한 잉곳성장방법의 흐름도이다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른, 열차폐체의 홀 크기조절이 가능한 넥 커버(100)가 구비된 잉곳성장장치의 개략적인 모습을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 잉곳성장장치는 챔버(10)와, 실리콘 융액을 수용하는 석영도가니(20)와, 상기 실리콘 융액에서 잉곳을 인상하기 위한 종자결정(seed)과, 상기 종자결정을 고정하기 위한 종자결정 척(300)(seed chuck)과, 상기 종자결정 척(300)을 승강 및 회전시켜 잉곳을 성장시키는 승강 케이블(310)과, 상기 석영도가니(20)를 가열하기 위한 히터부(30)와, 상기 히터부의 측면에서 외부와 열을 차단하기 위한 측면 열차폐부(40)를 포함한다.

특히, 본 실시예의 잉곳성장장치는 상기 석영도가니(20)의 상측에서 실리콘 융액의 열을 외부와 차단하기 위한 열차폐체(200)와, 상기 열차폐체(200)의 홀 크기를 조절하기 위한 넥 커버(100))(neck cover)를 더 포함한다.

이하에서는, 본 실시예의 잉곳성장장치를 이루는 구성요소들에 대해서 좀더 상세히 설명한다.

먼저, 상기 챔버(10)는 반도체 등의 전자 부품 소재로 사용되는 웨이퍼용 잉곳을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다. 즉, 상기 잉곳성장장치의 구성요소들은 상기 챔버(10) 내부에 마련되어 잉곳을 성장시키기 위한 공정을 수행한다.

그리고, 상기 챔버(10) 내부에는 핫존(hot zone) 구조물로서 실리콘 융액이 수용되는 석영도가니(20)가 배치되고, 상기 석영도가니(20)의 하중을 지지하기 위한 지지구조체 및 받침대가 석영도가니의 하부에 결합된다. 이러한 받침대에는 회전 구동장치가 장착되어, 석영도가니(20)의 회전 및 승강이 가능하도록 구성된다.

또한, 상기 석영도가니(20)의 외측에는 잉곳의 원료가 되는 다결정 실리콘을 용융시키기 위하여 열에너지를 공급하는 히터부(30)가 배치되고, 상기 히터부(30)의 외측에는 히터부(30)와 석영도가니(20)의 열이 챔버(10) 외부로 방출되지 않도록 단열하는 측면 열차폐부(40)가 마련된다.

그리고, 용융된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키기 위한 종자결정과 상기 종자결정을 수용하는 종자결정 척(300)이 석영도가니(20)의 상측에 배치되고, 상기 종자결정 척(300)을 승강 및 회전시키기 위하여 상기 종자결정 척(300) 상부에는 승강 케이블(310)이 연결된다.

그런데, 상기 다결정 실리콘 용융시에는 상기 석영도가니(20)의 열이 상측으로 누출될 수 있고, 상기 종자결정으로부터 잉곳의 네크부를 형성하는 네킹 공정 진행시에는 네크부의 상/하 및 내/외부의 온도차이에 의하여 전위(dislocation)가 발생하는 문제점이 있다.

이를 방지하기 위하여, 상기 잉곳성장장치에는 석영도가니(20)의 상측에서 외부로 열이 방출되는 것을 방지하기 위한 열차폐체(200)가 더 마련된다. 상기 열차폐체(200)는 석영도가니(20)의 상측을 둘러싸고, 성장되는 잉곳이 통과될 수 있는 홀을 구비하도록 형성된다.

그런데, 상기 열차폐체(200)의 형상은 석영도가니(20)의 실리콘 융액의 열이 상측으로 방출되는 것을 방지하는 점에 있어서는 어느 정도 효과적일 수 있으나, 잉곳 바디(body)의 직경 이상으로 형성된 홀에 의하여, 네킹 공정시 얇은 직경을 갖는 네크부의 상/하 및 내/외부의 온도차를 정밀하게 제어하는 것에는 한계가 있다.

이러한 한계를 극복하기 위하여, 본 실시예의 잉곳성장장치는 공정 진행에 따라서 상기 열차폐체(200)의 홀의 직경을 조절할 수 있는 넥 커버(100)를 더 마련한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 넥 커버가 열차폐체의 홀 크기를 감소시킨 잉곳성장장치의 개략적인 모습을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 상기 넥 커버(100)는 열차폐체(200)의 상면에 장착되어, 네킹 공정시 열차폐체(200)의 홀의 직경을 줄임으로써, 얇은 직경의 네크부를 감쌀 수 있도록 구성된다.

이러한 구성으로 인하여, 본 실시예의 잉곳성장장치는 네킹 공정시 네크부의 상/하 및 내/외부를 넥 커버(100)로 단열할 수 있어서, 네크부에서 발생하는 전위를 억제할 수 있다.

또한, 전위 발생이 억제됨에 따라서, 네크부의 직경을 7mm 이상으로 향상시킬 수 있으며, 7mm 이상의 네크부는 450mm 이상의 고중량 잉곳의 하중을 견딜 수 있으므로, 무결점의 대구경 잉곳을 안정적으로 생산할 수 있게 된다.

이하에서는 좀더 상세히, 상기 열차폐체(200)와 상기 넥 커버(100)의 구조에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 열차폐체와 넥 커버의 단면을 나타내는 사시도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예의 열차폐체(200)는 성장되는 잉곳을 감싸는 링 형상으로 구성되며, 상부에서 하부로 갈수록 점차적으로 홀의 직경이 감소되도록 형성된다.

그리고, 상기 넥 커버(100)는 상기 열차페체(200)의 상면에 장착되어 열차폐체(200)의 홀로 이동가능하도록 형성되어 홀 크기를 조절하는 조절부(130)와, 상기 조절부(130)를 승강시켜 조절부(130)가 홀로 이동되는 양을 제어하기 위한 구동부(110)와, 상기 구동부(110)와 조절부(130)를 연결하는 지지부(120)를 포함한다.

좀더 상세히, 상기 조절부(130)는 상기 열차페체(200)의 상면을 따라서 열차폐체(200)의 홀로 이동하여, 상기 홀을 덮을 수 있는 다양한 형상으로 구성될 수 있다.

예를 들어, 측면에서 바라보았을 때, 상기 조절부(130)는 원호 형상의 단열부로 구성되어 열차폐체(200)의 상면을 따라 회전하여 상기 열차폐체(200)의 홀을 덮도록 구성될 수 있다.

이때, 상기 단열부는 실리콘 융액의 열을 차단하고 네크부를 단열하기 위하여, 반사율이 높고, 고온안정성이 보장되며, 실리콘 융액의 오염을 방지할 수 있는 재질로 구성된다. 예를 들어, 상기 단열부는 고순도 석영, 그라파이트(graphite) 또는 고순도의 탄소 합성물((M/I 1.0 ppma이하)로 구성될 수 있으며, 표면은 반사율이 높은 탄소(carbon)로 코팅될 수 있다.

즉, 상기 구동부(110)가 조절부(130)의 상단에 연결된 지지부(120)를 통해 상기 조절부(130)를 하강시키면, 상기 조절부(130)의 하단은 열차페체(200)의 홀로 이동함으로써, 홀의 크기를 감소시킬 수 있다.

반대로, 상기 구동부(110)가 지지부(120)를 통해 조절부(130)를 당겨 상승시키면, 상기 조절부(130)는 열차폐체(200)의 상면으로 이동함으로써, 홀의 크기를 증가시킬 수 있다.

상기 조절부(130)를 정면에서 바라보았을 때는 모서리가 잘려진 부채꼴 형상의 단열부로 구성될 수 있다. 이때, 상기 조절부(130)가 원활하게 열차폐체(200)의 홀로 이동할 수 있도록, 단열부의 중심각 크기는 180도 이하인 것이 바람직하다. 또한, 조절부(130)의 중심각 크기가 180도 이하이므로, 홀의 둘레를 모두 감쌀 수 있도록 단열부는 2개 이상으로 구비되는 것이 바람직하다.

예를 들어, 상기 조절부(130)는 중심각이 120도인 3개의 부채꼴 형상의 단열부가 120도 간격으로 이격되어 열차페체의 상면에 배치되도록 구성될 수 있다.

한편, 상기 구동부(110)는 조절부(130)를 열차폐체의 상면에서 열차폐체(200)의 홀로 이동시키는 양을 제어하는 역할을 한다.

즉, 잉곳성장공정에 따라서, 상기 구동부(110)는 조절부(130)가 홀로 이동되는 양을 조절하여, 상기 열차폐체(200)의 홀 크기를 조절할 수 있다.

예를 들어, 네킹 공정시에는 네크부의 직경 크기만큼 열차페체(200)의 홀 크기를 줄여서 네크부를 외부와 단열하고, 바디 공정시(body growing)에는 잉곳 바디부의 직경크기만큼 홀의 크기를 증가시켜서 상기 조절부(130)가 성장되는 잉곳에 방해가 되지 않도록 한다.

이러한 구동부(110)는 챔버 외부에 장착될 수 있으며, 이때 상기 구동부(110)와 조절부(130)는 지지부(120)에 의하여 연결된다.

상기 지지부(120)는 상단은 구동부(110)와 연결되고 하단은 조절부(130)와 연결되어 조절부(130)를 지지하는 지지대 또는 와이어로 구성될 수 있다.

상기 지지부(120)가 와이어로 구성되는 경우, 상기 구동부(110)는 와이어의 길이를 늘리고 조절부(130)의 무게를 이용하여 조절부(130)를 홀로 이동시킬 수 있고, 와이어의 길이를 줄여서 조절부(130)를 당김으로써 조절부(130)를 열차폐체(200)의 상면으로 이동시킬 수 있다.

상기 지지부(120)가 지지대로 구성되는 경우에는, 상기 구동부(110)는 지지대를 상측으로 이동시켜서 하단에 연결된 조절부(130)를 열차페체(200)의 상면으로 이동시킬 수 있고, 지지대를 하측으로 이동시켜서 조절부(130)를 열차폐체(200)의 홀로 이동시킬 수 있다.

다만, 조절부(130)가 열차폐체(200)의 상면에서 이동할 때, 조절부(130)와 열차폐체(200)의 마찰로 인하여 크랙이 발생하여 생산되는 잉곳 품질을 저하할 수 있으며, 조절부(130)가 열차폐체(200)의 상면에 걸려 홀의 크기를 정밀하게 조절할 수 없는 문제점이 있다.

이를 극복하기 위해, 상기 조절부(130)의 바닥 면에 레일(131)을 설치하고, 열차폐체(200)의 상면에 홈(201)을 마련하여, 조절부(130)의 레일(131)을 열차폐체(200)의 홈(201)에 끼워 조절부(130)와 열차폐체(200)를 결합시킴으로써, 위와 같은 문제점을 해결할 수 있다.

즉, 상기 조절부(130)가 열차폐체(200)에 파여진 홈(201)의 안내에 따라 이동하도록 구성하여, 상기 조절부(130)가 이동경로에서 벗어나는 것을 방지할 수 있고, 상기 레일(131)과 홈(201)을 상기 조절부(130)와 열차폐체(200)의 일부에만 설치하여 마찰되는 부분을 최소화함으로써, 크랙 발생도 방지할 수 있다.

또한, 상기 레일(131)과 홈(201) 부분을 몰리브 덴이나 텅스텐 등과 같은 고강도의 금속 방막으로 구성하여, 크랙 발생을 방지할 수도 있을 것이다.

또는, 상기 조절부(130)와 열차폐체(200)가 마찰되는 부분에는 SiC 코팅을 하여, 강도를 높임으로써, 크랙의 발생을 방지할 수 있다.

이하에서는 상기 넥 커버(100)의 동작에 대하여, 도 4와 도 5를 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른, 넥 커버(100)가 열차폐체의 상면에 위치한 모습을 나타내는 평면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른, 넥 커버(100)의 일부가 열차폐체의 홀로 이동한 모습을 나타내는 평면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 넥 커버(100)의 전부가 열차폐체(200) 상면에 위치하여, 상기 열차폐체(200)의 홀 크기가 최대일 때의 모습을 나타낸다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 열차폐체(200)의 홀의 크기는 잉곳 바디부의 직경 이상의 크기로 형성되어 있으며, 위와 같이 넥 커버(100)가 위치하는 경우는, 주로 바디 그로잉 공정 진행시 일 것이다. 즉, 상기 넥 커버(100)는 잉곳 성장에 방해가 되지 않도록 열차폐체(200) 상면으로 모두 이동되어 있을 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기 넥 커버(100)의 일부가 열차폐체(200)의 홀로 이동하여, 상기 홀을 덮어서, 홀의 크기를 줄인 모습을 나타낸다. 이때, 넥 커버(100)로 인하여 줄어든 홀의 직경은 네크부의 직경에 가깝도록 구성할 수 있다.

즉, 위와 같이 넥 커버(100)가 위치하는 경우는, 주로 네킹 공정 진행시 일 것이다.

네킹 공정 이후, 잉곳의 직경을 확장해가는 숄더링 공정(shouldering) 진행시에는 잉곳 성장에 방해가 되지 않도록, 구동부(110)는 조절부(130)를 열차폐체의 상면으로 이동시켜 홀의 크기를 점점 늘릴 수 있다.

좀 더 상세히, 상기 넥 커버(100)를 이용한 잉곳성장방법을 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 넥 커버(100)가 구비된 잉곳성장장치를 이용한 잉곳성장방법의 흐름도이다.

먼저, 석영도가니(20)에 다결정 실리콘을 적층한 후, 히터부(30)는 다결정 실리콘을 용융시키기 위한 열 에너지를 공급한다.

이때, 상기 구동부(110)는 조절부(130)를 최대한 열차폐체(200)의 홀로 이동시켜서 홀의 크기를 최소화 하여, 다결정 실리콘으로 전달된 열이 상측으로 방출되는 것을 방지한다. 이를 통해, 실리콘 용융에 필요한 열의 손실을 줄일 수 있고, 다결정 실리콘의 크리스토발화를 억제할 수 있다. (S101)

그 다음 디핑(deeping) 공정을 위하여, 종자결정과 종자결정 척(300)을 승강 케이블(310)로 하강시킨다. 이때, 상기 조절부(130)로 덮은 열차폐체(200)의 홀이 상기 종자결정 척(300)보다 작다면, 구동부(110)는 상기 넥 커버(100)의 일부를 열차폐체(200)의 상면으로 이동시켜, 종자결정 척(300)이 통과할 수 있도록 홀의 크기를 증가시킨다.

상기 종자결정 척(300)을 상기 개방된 홀을 통과시킨 후 실리콘 융액과 조절부(130) 사이의 공간에 위치하도록 한다. 이후, 실리콘 융액에서 전달되는 열에 의하여 종자결정이 충분히 가열되면, 종자결정을 더 하강시켜서 실리콘 융액에 침지(deeping)한다.

종자결정이 침지될 때, 가열된 종자결정의 온도는 1000도 이상이 되어야 하며, 바람직하게는 1200도 이상으로 가열한 후에 침지하는 것이 바람직하다. 종자결정과 실리콘 융액의 온도차가 낮을수록 네크부에 열 충격이 덜 발생하고, 열 충격에 따른 전위 발생도 방지할 수 있기 때문이다. (S102)

이후, 잉곳의 네크부를 형성하는 넥킹 공정(necking) 공정이 시작된다. 네크부 형성을 위하여, 상기 승강 케이블(310)은 침지된 종자결정 척(300)을 회전 및 인상시킨다. 이때, 상기 구동부(110)는 조절부(130)를 열차페체(200)의 상면으로 이동시켜 열차폐체의 홀의 크기가 네크부 이상이 되도록 형성한다.

즉, 상기 조절부(130)가 네크부의 외주면을 둘러싸서 네크부의 열을 외부와 차단하여, 네크부의 상/하 및 내/외부의 온도차를 줄이려는 것이다.

그리고, 상기 네크부의 상/하 및 내/외부의 온도차가 감소함에 따라서 전단 응력의 크기가 감소하여, 네크부에서 발생하는 전위의 전파 속도를 감소시킬 수 있다.

이를 통해, 상기 전위 전파속도의 감소로 네크부의 직경을 향상시켜, 네크부가 견딜 수 있는 잉곳의 하중을 늘릴 수 있게 되어, 안정적으로 고중량 대구경의 잉곳을 생산할 수 있게 된다. (S103)

네킹 공정이 완료된 후에는, 네크부를 직경 방향으로 성장시켜 목표 직경으로 향상시키는 숄더링(shouldering) 공정이 진행된다. 이때, 상기 구동부(110)는 잉곳의 숄더부 직경증가에 맞춰서 상기 열차페체(200)의 홀 크기를 점점 증가시킨다.

한편, 본 실시예의 또 다른 측면의 장점을 설명하기 위하여, 잉곳의 온도구배(G)를 제어하여 잉곳의 결함 발생을 억제하는 방법에 대해 설명한다.

잉곳 성장시, 실리콘 융액이 고체 결정화되면서 베이컨시-타입(vacancy-type)과 인터스티셜-타입(interstitial-type)의 점 결함 (point defect)이 발생하고, 이후 잉곳이 계속적으로 인상됨에 따라 경계이었던 부분이 냉각됨에 따라서, 베이컨시 점결함들과 인터스티셜 점결함들이 서로 합병하여 집괴를 형성여 베이컨시 결함과 인터스티셜 결함을 형성한다.

위와 같은 결함은 단결정의 인상속도 V와 고액 계면에서의 온도 구배 G의 비인 V/G를 특정 범위 안에서 제어하는 방법을 주로 사용하는데, 상측 열차폐체(200)의 홀 크기를 조절하면, 상기 온도 구배 G를 정밀하게 제어할 수 있게 되어, 상기 결함 발생을 억제할 수 있게 된다.

즉, 넥 커버(100)는 열차폐체(200)의 홀 크기를 조절하여, 온도 구배(G)를 제어함으로써 잉곳의 결함 발생을 억제할 수 있다. (S104)

이후, 잉곳의 바디부를 형성하는 바디 그로잉(body growing) 공정이 진행되며, 네크부의 직경이 향상되어 고중량을 견딜 수 있으므로, 대구경의 바디를 성장시킬 수 있다.

이때, 상기 구동부(110)는 조절부(130)를 상기 바디부의 직경이 형성되는 부근까지 배치시켜서, 잉곳의 바디부의 온도구배(G) 값을 정밀하게 제어할 수 있다.

또한, 실리콘 융액의 열이 외부로 누출되는 것을 차단하여, 열차폐체(200)의 상측에서 잉곳의 냉각속도를 증가시킬 수 있는 장점도 있다. (S105)

마지막으로, 잉곳의 테일부를 형성하는 테일링(tailing) 공정을 끝으로 대구경의 고품질 잉곳이 생산된다. (S106)

전술한 바와 같은 잉곳성장장치 및 방법에 의하여, 실리콘 융액 가열시 실리콘 융액으로부터 유출되는 열을 차단하여 열 손실을 줄일 수 있고, 네킹 공정이 수행되기 전 종자결정을 가열하여 열충격을 줄임으로써 네킹부의 직경을 향상시킬 수 있으며, 상기 네크부의 직경 향상으로부터 보다 안정적인 대구경의 잉곳을 성장시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 상측 열차폐체(200)는 잉곳의 외측부의 온도를 정밀하게 조절할 수 있으므로, 고품질의 잉곳을 생산할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

10: 챔버
20: 석영도가니
30: 히터부
40: 측면 열차폐부
100: 넥 커버
200: 열차폐체
300: 종자결정 척

Claims

종자결정을 이용하여 석영도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장하는 장치로서,
챔버;
상기 챔버 내부에 배치되어, 상기 실리콘 융액을 수용하는 석영도가니;
상기 석영도가니에 열 에너지를 전달하는 히터부;
상기 종자결정을 상기 실리콘 융액에 침지시키고 회전 및 인상하여 상기 잉곳을 성장시키는 승강 케이블;
상기 석영도가니의 상측에 배치되고, 상기 실리콘 융액의 열을 외부와 차단하는 단열수단으로, 성장되는 잉곳이 통과하는 홀을 구비한 열차폐체; 및
상기 열차폐체의 상측에 장착되어, 상기 홀의 크기를 조절하는 넥 커버; 를 포함하는 잉곳성장장치.
제 1 항에 있어서,
상기 넥 커버는 상기 열차폐체의 상면에 배치되어, 상기 열차폐체의 상면과 상기 홀 사이에서 이동하는 조절부를 포함하는 잉곳성장장치.
제 2 항에 있어서,
상기 넥 커버는 상기 조절부와 연결되어, 상기 조절부의 이동을 제어하는 구동부를 포함하는 잉곳성장장치.
제 3 항에 있어서,
상기 넥 커버는 상부는 상기 구동부와 연결되고 하부는 상기 조절부와 연결되어 상기 조절부를 지지하는 지지부를 포함하는 잉곳성장장치.
제 4 항에 있어서,
상기 조절부는 2 이상의 부채꼴 형상의 단열부로 구성된 잉곳성장장치.
제 5 항에 있어서,
상기 조절부는 3개의 상기 단열부로 구성되며, 상기 단열부는 상기 열차폐체의 상면에서 120도 간격으로 이격되어 배치된 잉곳성장장치.
제 5 항에 있어서,
상기 단열부의 하부에는 레일이 마련되고, 상기 열차폐체의 상면에는 홈이 마련되며, 상기 레일과 상기 홈이 결합되는 잉곳성장장치.
제 2 항에 있어서,
상기 조절부는 고순도 석영, 그라파이트 또는 고순도의 탄소 합성물 중 어느 하나로 구성되고, 상기 조절부의 표면은 열분해 그라파이트로 코팅된 잉곳성장장치.
제 4 항에 있어서,
상기 지지부는 와이어 또는 지지대로 구성된 잉곳성장장치.
석영도가니에 다결정 실리콘이 적층되는 단계;
상기 석영도가니의 상측에 마련된 열차폐체의 홀을 넥 커버로 최소화한 후 상기 다결정 실리콘을 용융시키는 단계;
상기 용융된 실리콘의 융액에 종자결정을 디핑하기 위하여, 상기 종자결정을 상기 실리콘 융액과 상기 넥 커버 사이에 위치시키는 단계;
상기 종자결정이 상기 실리콘 융액에 의하여 가열시킨 후, 상기 종자결정을 실리콘 융액에 침지하는 단계;
상기 종자결정을 이용하여 잉곳의 네크부를 형성하는 네킹 공정을 완료한 후, 상기 네크부의 직경을 확장하는 숄더링 공정을 실시하면서, 상기 넥 커버로 상기 직경 확장에 따라 상기 열차폐체의 홀 크기를 증가시키는 단계;
상기 종자결정을 이용하여 잉곳의 바디를 형성하는 바디 그로잉 공정을 실시하면서, 상기 넥 커버로 상기 열차폐체의 홀을 상기 바디 보다 소정의 크기만큼 크게 형성하는 단계; 를 포함하는 잉곳정장방법.
제 10 항에 있어서,
상기 네킹 공정시, 상기 넥 커버는 상기 열차폐체의 홀 크기를 상기 네크부 보다 소정의 크기만큼 크게 형성하는 잉곳성장방법.