KR20160075498A - 실리콘 단결정 인상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 원료를 수용하는 도가니와, 이 원료를 가열하여 원료융액으로 하는 히터를 격납하는 메인챔버와, 상기 히터와 상기 메인챔버의 사이에 배치되고, 상기 히터로부터의 복사열을 차단하는 쉴드를 구비하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 인상장치로서, 상기 히터 및 상기 쉴드를 하방으로부터 지지하는 지지부재를 갖고, 상기 지지부재가 승강가능함으로써, 상기 히터와 상기 쉴드가 함께 승강가능한 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상장치이다. 이에 따라, 열이력의 조절을 하면서, 실리콘 단결정의 인상속도의 향상이나 산소농도의 저감을 용이하게 할 수 있는 실리콘 단결정 인상장치가 제공된다.

Description

실리콘 단결정 인상장치{SILICON SINGLE CRYSTAL PULLER}

본 발명은, CZ법(쵸크랄스키법)에 의해, 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 인상하는 실리콘 단결정 인상장치에 관한 것이다.

종래, 실리콘 단결정은 주로 CZ법에 의해 제조되고 있다. CZ법에 있어서는, 우선, 석영도가니 내에 실리콘 다결정 원료를 넣고, 흑연제 히터에 의해 가열하여 원료를 용융한다. 그 융액에 상축의 하단에 부착된 종결정을 침지하고, 상축을 회전시키면서, 저속으로 인상함으로써, 실리콘 단결정을 성장시키고 있다. 이와 같이 실리콘 단결정을 성장시키는 장치가 실리콘 단결정 인상장치이다.

이 실리콘 단결정 인상장치에서는, 석영도가니 내의 융액의 액면이 실리콘 단결정의 인상과 함께 저하되므로, 융액면을 일정한 높이위치로 유지하기 위하여 융액면의 저하분만큼 도가니를 상승시킨다. 또한, 일정 직경의 실리콘 단결정을 인상하려면, 인상 중의 직경을 측정하면서, 직경이 일정해지도록 실리콘 단결정의 인상속도와 융액온도를 제어하고, 인상속도에 대하여 일정 비율로 도가니를 상승시킬 필요가 있다.

또한, 종래의 단결정 인상장치에서는, 히터가 고정되어 있고, 실리콘 단결정의 인상 중에 이동하지 않으므로, 인상의 진행과 함께 실리콘 단결정의 산소농도가 저하된다. 이 산소농도의 저하를 억제하기 위하여 도가니의 회전속도를 상승시키는데, 이로 인해 실리콘 단결정 단면내의 반경(半徑)방향의 산소농도 분포특성이 악화되는 경향이 있었다. 따라서, 특허문헌 1에 기재된 단결정 인상장치에서는, 도가니뿐만 아니라, 히터도 상하로 이동할 수 있는 단결정 인상장치로 함으로써, 단결정의 축방향의 산소농도 분포특성을 개선하고 있다.

특허문헌 2에 기재된 실리콘 단결정 인상장치에 있어서는, 쉴드(보온통부)를 승강할 수 있는 이동기구를 구비하고, 실리콘 단결정의 인상이 종료된 후, 쉴드를 상승시키고, 쉴드의 내측에 위치했던 쉴드의 하부영역을 수랭 챔버에 대하여 노출시켜, 수랭 챔버내를 효율좋게 냉각하고 있다. 이와 같이, 챔버의 냉각에 필요한 시간을 단축하여, 생산효율을 향상시키고 있다.

일본특허공개 H3-5394호 공보 일본특허공개 2012-240861호 공보

상기한 단결정 인상장치에서는, 도가니와 히터가 승강가능, 또는 도가니와 쉴드가 승강가능하게 되어 있으나, 히터와 쉴드의 양방이 승강가능하게 되지는 않았다. 이 때문에, 융액면의 위치를 일정한 높이위치로 유지하면서 실리콘 단결정을 인상할 때, 도가니에 대하여 히터위치만을 바꾸거나, 또는, 쉴드의 위치만을 바꿀 수는 있어도, 히터와 쉴드의 양방의 위치를 바꿀 수는 없었다.

또한, 실리콘 단결정을 인상할 때는, 융액면의 위치에 대하여 히터의 위치를 바꿈으로써, 인상 중인 실리콘 단결정의 산소농도를 제어하거나, 실리콘 단결정의 열이력을 조정한다. 이때, 쉴드의 위치를 고정한 채로 히터의 위치만을 바꾸어, 히터에 대하여 쉴드의 위치가 높아지면, 쉴드의 보온효과가 높아져 실리콘 단결정을 효율좋게 냉각할 수 없고, 인상속도를 충분히 높일 수 없다. 또한, 히터에 대하여 쉴드의 위치가 낮아지면, 쉴드의 보온효과가 낮으므로, 융액의 상부를 충분히 가열할 수 없고, 실리콘 단결정의 산소농도를 충분히 낮출 수 없는 등의 문제가 있었다.

또한, 히터의 위치를 고정한 채로 쉴드의 위치만을 승강하는 장치에서는, 히터의 발열중심의 위치가 바뀌지 않으므로, 인상 중인 실리콘 단결정의 산소농도를 제어하거나, 실리콘 단결정의 열이력을 조정할 수 없었다.

이들 문제를 해결하기 위하여, 도가니와 히터가 승강할 뿐만 아니라, 쉴드도 승강하는 기구를 실리콘 단결정 인상장치에 구비하고자 하면, 구조가 매우 복잡해지므로, 비용이 높아지고, 나아가, 실리콘 단결정 인상장치가 고장나기 쉬워지는 등의 문제가 발생하였다.

본 발명은 상기 서술한 바와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 실리콘 단결정의 열이력의 조절을 하면서, 인상속도의 향상이나 산소농도의 저감을 용이하게 할 수 있는 실리콘 단결정 인상장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 원료를 수용하는 도가니와, 이 원료를 가열하여 원료융액으로 하는 히터를 격납하는 메인챔버와, 상기 히터와 상기 메인챔버의 사이에 배치되고, 상기 히터로부터의 복사열을 차단하는 쉴드를 구비하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 인상장치로서, 상기 히터 및 상기 쉴드를 하방으로부터 지지하는 지지부재를 갖고, 상기 지지부재가 승강가능함으로써, 상기 히터와 상기 쉴드가 함께 승강가능한 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상장치를 제공한다.

이와 같은 것이면, 히터와 쉴드를 함께 승강할 수 있으므로, 히터의 위치를 낮추어, 인상 중인 실리콘 단결정을 식기 쉬운 상태로 하는 경우에, 쉴드도 함께 낮은 위치로 할 수 있고, 종래의 장치와 비교했을 때, 실리콘 단결정을 보다 식기 쉬운 상태로 할 수 있고, 인상속도를 보다 빠르게 할 수 있다. 또한, 히터위치를 높게 하고, 히터의 발열중심을 융액의 상부에 위치시키는 경우, 쉴드도 함께 높은 위치로 할 수 있고, 종래의 장치와 비교했을 때, 발열중심을 보다 높은 위치로 할 수 있어, 인상 중인 실리콘 단결정의 산소농도를 보다 저감할 수 있다. 또한, 지지부재의 승강만으로, 히터 및 쉴드를 승강할 수 있으므로 기구를 간단하게 할 수 있다.

이때, 상기 지지부재는, 상기 히터에 전류를 통전하는 승강가능한 전극과, 이 전극의 상부에 고정된 클램프로 이루어지고, 상기 히터는, 상기 히터의 족부(足部)의 플러그가 상기 클램프의 상면에 삽입됨으로써, 상기 클램프에 고정되어 지지되어 있고, 상기 쉴드는, 상기 클램프의 상면에 끼워진 절연물과, 이 절연물의 상부에 끼워진 로어(ロア―)쉴드를 개재하여 상기 클램프에 고정되어 지지된 것이며, 상기 전극이 승강가능함으로써, 상기 히터와 상기 쉴드가 함께 승강가능한 것으로 할 수 있다.

이와 같은 것이면, 전극의 승강기구만으로 히터와 쉴드를 함께 승강할 수 있고, 전극의 승강기구 이외에 쉴드용 승강기구를 별도로 새롭게 마련할 필요가 없다. 그리고, 로(爐)내부품인 클램프, 로어쉴드, 절연물 등을 조합하는 간단한 구조로 함으로써, 히터와 쉴드를 함께 승강할 수 있는 실리콘 단결정 인상장치를 저비용으로 용이하게 도입할 수 있다. 나아가, 구조가 간단하므로 고장이 적은 것이 된다.

또한 이때, 상기 절연물은 석영제 또는 알루미나제인 것으로 할 수 있다.

이와 같은 것이면, 실리콘 단결정의 인상중, 클램프가 고온이 되어도 절연물이 손모되는 일이 없다. 또한, 히터에 대전류가 통전되어도 로어쉴드 및 쉴드는 전기적으로 절연된 상태를 유지할 수 있는 것이 된다. 그 결과, 실리콘 단결정 인상장치의 고장의 발생을 보다 줄일 수 있는 것이 된다.

본 발명의 실리콘 단결정 인상장치이면, 장치구성을 복잡화시키지 않고, 실리콘 단결정의 열이력의 조절이나, 인상속도의 향상, 산소농도의 저감을 용이하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실리콘 단결정 인상장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실리콘 단결정 인상장치의 히터위치를 변경했을 때의 개략도이다.
도 3은 비교예 1에 있어서 사용한 종래의 실리콘 단결정 인상장치를 나타낸 개략도이다.
도 4는 비교예 2에 있어서 사용한 종래의 실리콘 단결정 인상장치를 나타낸 개략도이다.

이하, 본 발명에 대하여 실시의 형태를 설명하나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

실리콘 단결정 인상장치에 있어서, 히터와 쉴드의 위치관계가 당초의 위치에 대하여 서로 상이한 높이위치가 되면, 성장시키는 실리콘 단결정의 인상속도의 향상 또는 산소농도의 억제를 충분히 할 수 없다는 문제가 있었다. 또한, 히터와 쉴드가, 모두 승강가능한 실리콘 단결정 인상장치는, 구조가 매우 복잡해지므로 도입비용이 높아지고, 나아가, 실리콘 단결정 인상장치가 고장나기 쉬워지는 등의 문제가 발생하였다.

이에, 본 발명자 등은 이러한 문제를 해결하기 위하여 예의검토를 거듭하였다. 그 결과, 히터와 쉴드를 승강가능한 1개의 지지부재로 지지하고, 히터와 쉴드가 함께 승강가능하다고 하면, 양자의 높이의 위치관계를 유지하면서, 양방 모두 승강함으로써 상기 문제를 해결할 수 있는 것에 상도하여, 본 발명을 완성시켰다.

이하, 본 발명의 실리콘 단결정 인상장치를, 도 1, 2를 참조하여 설명한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실리콘 단결정 인상장치(1)는, 중공원통상의 챔버(2)로 외관을 구성하고, 챔버(2)는 하부원통을 이루는 메인챔버(2a)와, 메인챔버(2a)에 연접고정된 상부원통을 이루는 풀챔버(2b)로 구성된다. 또한, 메인챔버(2a)의 천장부로부터, 실리콘 단결정을 도통(導通)하기 위한 개구부를 갖는 원통상의 정류통(14)이 하방에 연설(延設)되어 있다.

중공원통상의 챔버(2)의 중심부에는 도가니(3)가 배설되고, 이 도가니는 이중구조이며, 석영도가니(3a)와, 석영도가니(3a)의 외측을 유지하기 위하여 적합된 흑연도가니(3b)로 구성되어 있다. 또한, 도가니(3)의 하방에는, 도가니(3)를 지지하고, 회전시키기 위한 패디스탈(13)이 마련되어 있다. 또한, 이 패디스탈(13)을 실리콘 단결정의 인상 중에 승강시킴으로써, 도가니(3)를 승강시킬 수 있다.

이중구조로 이루어진 도가니(3)의 외측에는 흑연제의 히터(4)가 배설되고, 히터(4)의 외측주변에는 단열재의 쉴드(5)가 동심원상으로 배설된다. 본 발명의 실리콘 단결정 인상장치에 있어서는, 히터(4) 및 쉴드(5)는, 상하로 승강가능한 지지부재(6)에 지지되어 있다. 이 지지부재(6)를 승강함으로써, 히터(4)와 쉴드(5)가 함께 승강가능한 것으로 되어 있다.

이와 같은 것이면, 열이력 등의 조정을 위하여, 히터(4)를 승강시킬 때는, 히터(4)와 쉴드(5)를 함께 승강시킬 수 있다. 따라서, 도 1과 같이, 히터(4)의 위치를 낮추고, 인상 중인 실리콘 단결정을 식기 쉬운 상태로 하는 경우, 쉴드(5)도 함께 낮은 위치로 할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실리콘 단결정 인상장치는, 종래의 실리콘 단결정 인상장치와 비교했을 때 냉각효율이 좋고, 실리콘 단결정의 인상속도를 보다 빠르게 할 수 있는 것이 된다. 또한, 도 2에 나타낸 바와 같이 히터(4)의 위치를 높게 하고, 히터(4)의 발열중심을 융액의 상부에 위치시키는 경우, 쉴드(5)도 함께 높은 위치로 할 수 있다. 이로 인해, 본 발명의 실리콘 단결정 인상장치는, 종래의 실리콘 단결정 인상장치와 비교했을 때, 발열중심을 보다 높은 위치로 할 수 있고, 인상 중인 실리콘 단결정의 산소농도를 보다 낮출 수 있는 것이 된다. 게다가, 히터와 쉴드의 상하동의 사이, 항상 히터와 쉴드의 높이의 위치관계를 킵할 수 있으므로, 예상치 못한 결정품질의 악화나 단결정화율의 저하 등의 문제를 발생시키는 일도 없다.

히터 및 쉴드를 하방으로부터 지지하는 지지부재의 구조로는 특별히 한정되지 않으나, 도 1과 같이, 지지부재(6)는 히터(4)에 전류를 통전하는 승강가능한 전극(7)과, 흑연제의 클램프(8)로 이루어진 것이 바람직하다. 전극(7)은, 수랭된 구리전극(7b)과, 구리전극(7b)에 나사삽입 고정된 흑연전극(7a)으로 구성되어 있다. 이 전극(7)은 승강기구를 갖고 있으며, 이에 따라 전극(7)은 승강가능하게 되어 있다. 클램프(8)는, 흑연전극(7a)에 클램프볼트(9)로 고정되어 있고, 클램프(8)의 상면에 히터(4)의 족부의 플러그(10)에 삽입되어 있다. 이와 같이 하여, 히터(4)가 클램프(8)의 상면에 고정되어 지지되어 있다. 또한, 클램프(8)의 상면에 원형상 또는 링상의 절연물(11)이 끼워지고, 그 절연물(11)의 상부에 로어쉴드(12)가 끼워져 있다. 그리고, 절연물(11)과, 로어쉴드(12)를 개재하여 클램프(8)에 쉴드(5)가 고정되어 있다. 상기와 같은 구조를 가진 지지부재(6)가, 전극(7)을 승강시킴으로써 히터(4)와 쉴드(5)가 함께 승강하는 것이 바람직하다.

이와 같은 것이면, 기존의 전극(7)의 승강기구만으로 히터(4)와 쉴드(5)를 함께 승강시킬 수 있고, 전극(7)의 승강기구 이외에 쉴드용 등의 다른 승강기구를 새롭게 마련할 필요가 없다. 또한, 로내부품인 클램프(8), 로어쉴드(12), 절연물(11) 등을 상기한 바와 같이 조합하는 간단한 구조로 함으로써, 히터(4)와 쉴드(5)를 함께 승강할 수 있는 실리콘 단결정 인상장치를 저비용으로 용이하게 도입할 수 있다. 그리고, 그 구조도 간단하므로, 고장의 발생을 줄일 수 있는 것이 된다.

또한 이때, 절연물(11)은 석영제 또는 알루미나제인 것으로 할 수 있다.

이와 같은 것이면, 실리콘 단결정의 인상중, 클램프(8)가 고온이 되어도 절연물(11)이 손모되는 일이 없다. 또한, 히터(4)에 대전류가 통전되어도 로어쉴드(12) 및 쉴드(5)는 전기적으로 절연된 상태를 유지할 수 있다. 그 결과, 실리콘 단결정 인상장치의 고장의 발생을 보다 줄일 수 있는 것이 된다.

[실시예]

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 나타내어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

도 1에 나타낸 바와 같은, 본 발명의 실리콘 단결정 인상장치(1)를 이용하여, 실리콘 단결정의 인상을 행하였다.

우선, 직경 22인치(55.88cm)의 석영도가니 내에 100kg의 실리콘 다결정 원료를 충전하고, 히터(4)로 가열하고 용융하였다. 그 후, 도 1에 나타낸 바와 같이, 히터(4)의 상단위치를 도가니(3)의 상단위치보다 낮아지도록 지지부재(6)를 하강시키고, 히터(4)와 쉴드(5)의 높이위치를 조정하여, 실리콘 단결정을 직경 205mm를 목표로 인상하였다.

그 결과, 실리콘 단결정의 직동부(直胴部)를 인상할 때의 평균인상속도를 1.4mm/min로 하여 인상할 수 있었다. 또한, 인상 후의 직동 중의 산소농도는 약 19ppma±1.2ppma(JEIDA)였다.

이와 같이, 히터와 쉴드를 함께 하강시킴으로써, 성장 중인 실리콘 단결정을 효율좋게 냉각할 수 있고, 후술하는 비교예 1보다 평균인상속도를 크게 할 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 인상 후의 직동 중의 산소농도를 후술하는 비교예 1과 동등한 범위였다.

(비교예 1)

도 3에 나타낸 바와 같은, 히터(104)가 승강가능하고, 쉴드(105)는 승강할 수 없는 실리콘 단결정 인상장치(101)를 사용한 것 이외에, 실시예 1과 동일한 조건으로 실리콘 단결정의 인상을 행하였다. 이때, 도 3에 나타낸 바와 같이, 히터(104)의 상단위치를 도가니(103)의 상단위치보다 낮아지도록 하였으나, 쉴드(105)는 움직이지 않으므로 히터(104)에 대하여 쉴드(105)의 위치는 높아져 있었다.

그 결과, 실리콘 단결정의 직동부를 인상할 때의 평균인상속도는 1.1mm/min가 되고 실시예 1보다 평균인상속도는 줄었다. 또한, 인상 후의 직동 중의 산소농도가 거의 19ppma±1.2ppma이었다.

이는, 쉴드의 위치를 고정한 채로 히터의 위치만을 바꾸어 히터에 대하여 쉴드의 위치가 높아졌으므로, 쉴드의 보온효과에 의해 실리콘 단결정을 효율좋게 냉각하지 못한 것이 원인으로 생각된다.

(실시예 2)

히터(4)와 쉴드(5)를 함께 상승시켜, 도 2에 나타낸 바와 같이 히터(4)의 상단위치를 도가니(3)의 상단위치보다 높게 한 것 이외에, 실시예 1과 동일한 조건으로 실리콘 단결정의 인상을 행하였다.

그 결과, 실리콘 단결정의 직동부를 인상할 때의 평균인상속도는 1.0mm/min이 되었다. 또한, 인상 후의 직동 중의 산소농도는 약 15ppma±1.2ppma이 되어 후술하는 비교예 2보다 산소농도를 낮출 수 있었다.

이와 같이, 히터(4)와 쉴드(5)를 함께 상승시킴으로써, 쉴드(5)도 함께 높은 위치로 할 수 있고, 히터(4)의 발열중심을 보다 높은 위치로 할 수 있으므로, 후술하는 비교예 2보다 산소농도를 낮출 수 있었다. 또한, 평균인상속도를 후술하는 비교예 2와 동등한 범위였다.

(비교예 2)

도 4에 나타낸 바와 같은, 히터(104)가 승강가능하고, 쉴드(105)는 승강하지 못한 실리콘 단결정 인상장치(101)를 사용한 것 이외에, 실시예 2와 동일한 조건으로 실리콘 단결정의 인상을 행하였다. 이때, 도 4에 나타낸 바와 같이, 히터(104)의 상단위치를 도가니(103)의 상단위치보다 높아지도록 하였으나, 쉴드(105)는 움직이지 않으므로 히터(104)에 대하여 쉴드(105)의 위치는, 실시예 2의 경우(도 2의 경우)에 비해 낮아져 있었다.

그 결과, 실리콘 단결정의 직동부를 인상할 때의 평균인상속도는 1.0mm/min이 되었다. 또한, 인상 후의 직동 중의 산소농도가 거의 16ppma±1.2ppma이 되어 실시예 2보다 산소농도는 높아졌다.

이는, 히터(104)에 대하여 쉴드(105)의 위치가 낮고, 쉴드의 보온효과가 낮으므로, 융액의 상부를 충분히 가열할 수 없고, 실리콘 단결정의 산소농도를 충분히 낮추지 못한 것이 원인으로 생각된다.

이상의 결과로부터, 본 발명의 실리콘 단결정 인상장치이면, 히터와 쉴드를 함께 승강시킴으로써, 히터와 쉴드의 위치를 적절한 위치로 유지할 수 있으므로, 실리콘 단결정의 인상속도를 향상시키거나, 산소농도를 저감시킬 수 있는 것이 확인되었다. 또한, 실시예 1, 2에서는, 함께 승강가능한 히터(4)와 쉴드(5)를, 실리콘 단결정의 인상 도중에는 승강시키지 않았으나, 인상 중인 실리콘 단결정의 상태에 맞추어, 적당히 히터(4)와 쉴드(5)의 높이위치를 변경하여 조정함으로써, 원하는 인상속도나 산소농도의 실리콘 단결정을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (3)

1. 원료를 수용하는 도가니와, 이 원료를 가열하여 원료융액으로 하는 히터를 격납하는 메인챔버와, 상기 히터와 상기 메인챔버의 사이에 배치되고, 상기 히터로부터의 복사열을 차단하는 쉴드를 구비하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 인상장치로서,
   상기 히터 및 상기 쉴드를 하방으로부터 지지하는 지지부재를 갖고, 상기 지지부재가 승강가능함으로써, 상기 히터와 상기 쉴드가 함께 승강가능한 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 지지부재는, 상기 히터에 전류를 통전하는 승강가능한 전극과, 이 전극의 상부에 고정된 클램프로 이루어지고, 상기 히터는, 상기 히터의 족부의 플러그가 상기 클램프의 상면에 삽입됨으로써, 상기 클램프에 고정되어 지지되어 있고, 상기 쉴드는, 상기 클램프의 상면에 재치된 절연물과, 이 절연물의 상부에 재치된 로어쉴드를 개재하여 상기 클램프에 고정되어 지지된 것이며, 상기 전극이 승강가능함으로써, 상기 히터와 상기 쉴드가 함께 승강가능한 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 절연물이 석영제 또는 알루미나제인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상장치.

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