KR20170081499A - 단결정 잉곳 성장장치 및 이에 적용된 진동 방지판 - Google Patents

단결정 잉곳 성장장치 및 이에 적용된 진동 방지판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 융액이 담기는 도가니; 상기 도가니를 승강시키는 도가니 승강부; 상기 도가니 상측에 매달리도록 설치되고, 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳 성장이 진행되는 중에 실리콘 융액과 멜트 갭을 유지하며, 단결정 잉곳을 냉각시키는 열차폐부재; 및 상기 단결정 잉곳이 관통되는 중심홀이 구비되고, 실리콘 융액 계면을 덮어주는 석영 재질의 진동 방지판;을 포함하고, 상기 진동 방지판은, 상기 중심홀에 멜트 갭 만큼 상향 돌출되어 상기 열차폐부재의 하단에 고정되는 고정부가 구비되는 단결정 잉곳 성장장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 단결정 잉곳이 관통되는 중심홀이 구비되고, 실리콘 융액 계면을 덮어주는 석영 재질의 단결정 잉곳 성장장치에 적용된 진동 방지판에 있어서, 외주부에서 내주부로 갈수록 하향 이동 가능하게 분리되는 복수개의 링 판 형상으로 구성되는 단결정 잉곳 성장장치에 적용된 진동 방지판을 제공한다.

Description

단결정 잉곳 성장장치 및 이에 적용된 진동 방지판 {Single crystal ingot growing apparatus and the anti-vibration plate applied to it}
본 발명은 실리콘 융액 계면의 진동을 제어하는 동시에 단결정 잉곳의 산소 농도를 균일하게 향상시킬 수 있는 단결정 잉곳 성장장치 및 이에 적용된 진동 방지판에 관한 것이다.
일반적으로 쵸크랄스키법(Czochralski)에 따른 실리콘 단결정을 성장시키는 단결정 잉곳 성장장치는, 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고, 히터로부터 복사되는 열로 도가니에 담긴 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음, 시드(seed)를 실리콘 융액에 담근 상태에서 서서히 회전시키는 동시에 상승시킨다.
따라서, 시드 주변에 실리콘 융액이 결정화되고, 실리콘 융액의 표면으로부터 단결정 잉곳이 성장된다.
그런데, 단결정 잉곳의 산소 농도는 실리콘 융액 내부에 산소 용해도와 실리콘 융액 계면으로부터 산소의 증발량에 따라 결정된다.
상세하게, 실리콘 융액 내부에 산소 용해도를 제어하기 위하여, 공정 중에 도가니의 회전 속도 및 도가니와 히터의 상대적인 위치를 조절할 수 있고, 실리콘 융액 계면으로부터 산소의 증발량을 제어하기 위하여, 불활성 가스의 흐름을 조절할 수 있다
그러나, 상기와 같은 방법으로는 단결정 잉곳의 산소 농도를 미세하게 조절할 수 있다.
반면, 단결정 잉곳을 제조하는 공정 중에 실리콘 융액에 자장을 인가함으로써, 단결정 잉곳의 산소 농도를 대폭 저감시킬 수 있다.
일본공개특허 제1993-085876호에는 공정 중에 실리콘 융액 계면에 부유하는 석영판을 적용함으로써, 실리콘 융액에 자장을 인가하더라도 실리콘 융액 계면으로부터 산소의 증발량을 제한하여 단결정 잉곳의 산소 농도를 폭넓게 제어할 수 있다.
최근에 반도체 웨이퍼의 대구경화로 인하여 단결정 잉곳의 직경이 300mm 이상으로 증가하고, 단결정 잉곳의 직경이 커질수록 실리콘 융액 계면이 넓어짐에 따라 진동이 증가하고 있으며, 안정적인 공정 진행을 위하여 실리콘 융액 계면의 진동을 제어하는 것이 필요하다.
그러나, 종래 기술에 따르면, 석영판이 실리콘 융액 계면에 부유하기 때문에 실리콘 융액 계면에 진동이 발생됨에 따라 석영판이 움직일 뿐 아니라 도가니 내측에 부딪히고, 이로 인하여 불안정한 공정이 진행되는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따르면, 도가니의 형상을 고려할 때 도가니의 하측 부분에 담긴 실리콘 융액 계면의 넓이가 줄어드는 반면, 원판 형상의 석영판은 그대로 유지되기 때문에 석영판이 공정이 완료될 때까지 실리콘 융액 계면과 접촉하지 못하고, 이로 인하여 공정이 완료되기 전에 만들어진 단결정 잉곳의 하부에서 균일하게 산소 농도를 향상시키기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 실리콘 융액 계면의 진동을 제어하는 동시에 단결정 잉곳의 산소 농도를 균일하게 향상시킬 수 있는 단결정 잉곳 성장장치 및 이에 적용된 진동 방지판을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 실리콘 융액이 담기는 도가니; 상기 도가니를 승강시키는 도가니 승강부; 상기 도가니 상측에 매달리도록 설치되고, 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳 성장이 진행되는 중에 실리콘 융액과 멜트 갭을 유지하며, 단결정 잉곳을 냉각시키는 열차폐부재; 및 상기 단결정 잉곳이 관통되는 중심홀이 구비되고, 실리콘 융액 계면을 덮어주는 석영 재질의 진동 방지판;을 포함하고, 상기 진동 방지판은, 상기 중심홀에 멜트 갭 만큼 상향 돌출되어 상기 열차폐부재의 하단에 고정되는 고정부가 구비되는 단결정 잉곳 성장장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 단결정 잉곳이 관통되는 중심홀이 구비되고, 실리콘 융액 계면을 덮어주는 석영 재질의 단결정 잉곳 성장장치에 적용된 진동 방지판에 있어서, 외주부에서 내주부로 갈수록 하향 이동 가능하게 분리되는 복수개의 링 판 형상으로 구성되는 단결정 잉곳 성장장치에 적용된 진동 방지판을 제공한다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치는 단결정 잉곳을 제조하는 공정 중에 열차폐부재와 실리콘 융액 계면 사이에 멜트 갭을 유지하고, 열차폐부재의 하단에 고정된 진동 방지판이 실리콘 융액 계면을 덮어줌으로써, 열차폐부재에 고정된 진동 방지판이 실리콘 융액 계면에서 발생되는 진동을 저감시킬 수 있고, 나아가 안정적인 공정이 이루어지도록 하는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치에 적용된 진동 방지판은 외주부에서 내주부로 갈수록 하향 이동 가능하게 분리되는 복수개의 링 판 형상으로 구성됨으로써, 도가니의 하측 부분에 담긴 실리콘 융액 계면의 넓이가 줄어들더라도 진동 방지판의 내주부만 하향 이동됨에 따라 진동 방지판이 공정이 완료될 때까지 실리콘 융액 계면과 접촉할 수 있고, 이로 인하여 공정이 완료될 때까지 실리콘 융액 계면으로부터 산소 증발량을 저감시킬 수 있어 단결정 잉곳의 길이 방향 전체에 걸쳐 균일하게 산소 농도를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치 일예가 도시된 측단면도.
도 2는 도 1에 적용된 진동 방지판이 도시된 평면도.
도 3은 도 1에 적용된 진동 방지판이 도시된 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치에서 진동 방지판의 움직임이 도시된 측단면도.
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 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치 일예가 도시된 측단면도이다.
본 발명의 단결정 잉곳 성장장치는 도 1에 도시된 바와 같이 챔버(110)와, 도가니(120) 및 도가니 승강부(125)와, 히터(130)와, 단열재(140)와, 열차폐 부재(150)와, 냉각관(160)과, 진동 방지판(170)을 포함하도록 구성된다.
상기 챔버(110)는 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키기 위한 핫 존(Hot zone)을 형성하는 밀폐 공간으로써, 상기 도가니(120)와 히터(130) 및 단열재(140)가 내장된다.
상기 도가니(120)는 실리콘 융액이 담기는 용기로써, 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액을 만들게 된다. 실시예에서, 상기 도가니(120)는 석영 재질의 내주부(121)와, 흑연 재질의 외주부(122)로 구성된다.
상기 도가니 구동부(125)는 상기 도가니(120)의 하측에 구비되는데, 구동축과 페데스탈(pedestal)로 구성될 수 있으며, 단결정 잉곳 성장 공정이 진행되는 중 상기 도가니(120)를 회전 및 승강시킬 수 있다.
실시예에서, 상기 도가니 구동부(125)는 단결정 잉곳 성장 공정이 진행될수록 실리콘 융액이 줄어듦에 따라 멜트 갭(G)을 일정하게 유지하기 위하여 상기 도가니(120)를 10분 간격으로 1mm 상승시키도록 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
상기 히터(130)는 상기 도가니(120)를 가열하는 열원으로써, 상기 도가니(120) 둘레에 구비된다.
상기 단열재(140)는 상기 히터(130)의 열이 상기 챔버(110)의 측면을 통하여 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 상기 히터(130)를 에워 싸도록 상기 챔버(110) 내주면에 구비된다.
상기 열차단부재(150)는 실리콘 융액으로부터 성장되는 단결정 잉곳이 통과할 수 있는 형태로 구성되는데, 그 상단이 상기 단열재(140)의 상측에 고정되고, 그 하단이 상기 도가니에 담긴 실리콘 융액 계면과 멜트 갭(G)을 유지하도록 설치된다.
상기 냉각관(160)은 냉각수가 유동되는 관이 원통 형상의 케이스에 내장된 형태로 구성되는데, 상기 열차단부재(150)를 통과한 단결정 잉곳이 통과할 수 있도록 상기 챔버(110)의 내측 상단에 고정된다.
따라서, 실리콘 융액으로부터 성장되는 단결정 잉곳은 상기 열차단부재(150)와 냉각관(160)을 순차적으로 통과하면서 냉각된다.
상기 진동 방지판(170)은 석영 재질의 원판 형상으로써, 단결정 잉곳이 관통되는 중심홀이 구비되고, 상기 열차폐부재(160)의 하단에 고정됨에 따라 실리콘 융액 계면을 덮어주도록 설치된다.
따라서, 실리콘 융액 계면에 진동이 발생되더라도 상기 진동 방지판(170)은 상기 열차폐부재(160)의 하단에 고정됨에 따라 실리콘 융액 계면 상에서 움직이지 않고, 진동을 효과적으로 저감시킬 수 있다.
도 2 내지 도 3은 도 1에 적용된 진동 방지판이 도시된 도면이다.
상기 진동 방지판(170)은 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 석영 재질의 원판 형상으로써, 서로 분리 가능한 제1,2,3 링 판(172,173,174)으로 구성되며, 여러 개의 링 판으로 구성되더라도 무방하다.
상기 제1 링 판(172)은 내주부를 형성하는데, 단결정 잉곳이 관통되는 중심홀(170H)이 구비되고, 상기 중심홀(170H)을 따라 상향 돌출된 고정부(171)가 구비된다.
따라서, 상기 제1 링 판(172)은 상기 고정부(171)에 의해 상기 열차폐부재(150 : 도 1에 도시)의 하단에 고정된다.
실시예에서, 상기 중심홀(170H)의 직경은 단결정 잉곳의 직경보다 적여도 120% 이상 크게 형성되는 것이 바람직하다.
실싱예에서, 상기 고정부(171)는 상기 열차폐부재(150 : 도 1에 도시)의 하단과 같은 직경의 원통 형상 또는 돌기 형상 등으로 다양하게 구성될 수 있다.
또한, 상기 고정부(170)는 설정된 멜트 갭(G) 만큼 돌출되도록 구성함으로써, 단결정 잉곳 성장 공정이 진행되는 중에 상기 고정부(170)의 길이로 멜트 갭(G)을 확인할 수 있다.
는 제2 링 판(173)과, 상기 제2 링 판(173)의 외측에 마찬가지로 소정의 경사면(S2)을 기준으로 조립되는 제3 링 판(174)으로 구성된다.
상기 제2 링 판(173)은 상기 제1 링 판(172)의 외측에 제1 경사면(S1)을 기준으로 조립되는데, 상기 제1 경사면(S1)의 직경이 상단에서 하단으로 갈수록 더 커지게 구성함으로써, 상기 제1,2 링 판(172,173)이 조립된 상태에서 상기 제1 링 판(172)이 상기 제2 링 판(173)에 대해 하향 이동되지만, 상향 이동되지 않도록 조립된다.
마찬가지로, 상기 제3 링 판(174)은 상기 제2 링 판(172)의 외측에 제2 경사면(S2)을 기준으로 조립되고, 상기 제2 경사면(S2)에 의해 상기 제2,3 링 판(173,174)이 조립된 상태에서 상기 제2 링 판(173)이 상기 제3 링 판(174)에 대해 하향 이동되지만, 상향 이동되지 않도록 조립된다.
따라서, 상기 제1,2,3 링 판(172,173,174)은 상기 제1,2경사면을 기준으로 분리 가능한 원판 형상으로 조립되고, 하기에서 설명될 도가니(120 : 도 1에 도시)의 하부에서 상기 제3 링 판(174)이 걸리더라도 상기 제1,2 링 판(172,173)이 하향 이동될 수 있어 단결정 잉곳 성장 공정이 완료될 때까지 실리콘 융액 계면과 접촉 상태를 유지할 수 있다.
상기와 같은 진동 방지판(170)은 단결정 잉곳 성장 공정이 진행되는 중에 실리콘 융액 계면과 접촉하는데, 석영 재질의 진동 방지판(170)이 실리콘 융액과 반응하여 가스가 발생되며, 이러한 반응물 가스를 배출시킬 뿐 아니라 실리콘 융액으로부터 산소의 증발량을 제어하기 위하여 복수개의 가스 배출홀(170h)이 구비되는 것이 바람직하다.
실시예에서, 상기 가스 배출홀(170h)은 상기 제1,2 링 판(172,173)에만 구비되고, 상기 중심홀(170H)과 가까울수록 그 직경과 단위 면적당 개수가 많도록 구성할 수 있으나, 한정되지 아니한다.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치에서 진동 방지판의 움직임이 도시된 측단면도이다.
상기 와이어(W)에 매달린 시드를 상기 도가니(120) 내부의 실리콘 융액에 담근 다음, 서서히 회전시키면서 승강시키면, 단결정 잉곳이 성장되는 공정이 진행된다.
상기와 같은 단결정 잉곳 성장 공정 중 상기 진동 방지판(170)은 상기 열차폐부재(150)의 하단에 고정된 상태로 실리콘 융액 계면과 접촉함으로써, 실리콘 융액 계면에 발생되는 진동을 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 진동 방지판(170)이 실리콘 융액 계면과 반응하여 반응물 가스를 발생시킬 수 있는데, 반응물 가스를 비롯하여 실리콘 융액 표면으로부터 증발되는 산소를 상기 가스 배출홀들(170h)을 통하여 원활하게 배출시킴으로써, 단결정 잉곳의 산소 농도를 제어할 수 있다.
물론, 공정이 진행됨에 따라 단결정 잉곳이 길게 성장될수록 상기 도가니(120) 내부의 실리콘 융액이 줄어든다.
그런데, 상기 도가니(120)의 하부 모서리 부분이 둥글게 형성되는데, 상기 도가니(120)의 하부 모서리까지 실리콘 용액 계면이 낮아지면, 상기 진동 방지판(170)이 상기 도가니(120)의 하부 내주면에 걸리게 된다.
상세하게, 상기 제3 링 판(174)이 상기 도가니(120)의 하부 내주면에 걸리더라도 상기 제1,2 링 판(172,173)이 상기 제3 링 판(174)으로부터 분리되어 하향 이동됨으로써, 상기 제1,2 링 판(172,173)이 실리콘 융액 계면과 접촉한 상태를 유지한다.
또한, 실리콘 융액 계면이 더욱 낮아져서 상기 제2 링 판(173)이 상기 도가니(120)의 하부 내주면에 걸리더라도 상기 제1 링 판(172)이 상기 제2 링 판(173)으로부터 분리되어 하향 이동됨으로써, 상기 제1링 판(172)이 실리콘 융액 계면과 접촉한 상태를 유지한다.
이와 같이, 공정이 진행될수록 상기 도가니(120) 내부에 실리콘 융액 계면이 낮아지고, 상기 진동 방지판(170)이 상기 도가니(120)의 하부 내주면에 걸리면, 상기 제1,2,3 링 판(172,173,174)이 서로 분리됨에 따라 공정이 완료될 때까지 실리콘 융액 계면과 접촉한 상태를 유지할 수 있다.
따라서, 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 공정이 완료될 때까지 실리콘 융액 계면의 진동을 방지할 수 있고, 나아가 단결정 잉곳의 길이 방향으로 균일하게 산소 농도를 제어할 수 있다.
110 : 챔버 120 : 도가니
130 : 히터 140 : 단열재
150 : 열차폐부재 160 : 냉각관
170 : 진동 방지판 171 : 고정부
172,173,174 : 제1,2,3 링 판 S1,S2 : 제1,2 경사면

Claims (9)

  1. 실리콘 융액이 담기는 도가니;
    상기 도가니를 승강시키는 도가니 승강부;
    상기 도가니 상측에 매달리도록 설치되고, 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳 성장이 진행되는 중에 실리콘 융액과 멜트 갭을 유지하며, 단결정 잉곳을 냉각시키는 열차폐부재; 및
    상기 단결정 잉곳이 관통되는 중심홀이 구비되고, 실리콘 융액 계면을 덮어주는 석영 재질의 진동 방지판;을 포함하고,
    상기 진동 방지판은,
    상기 중심홀에 멜트 갭 만큼 상향 돌출되어 상기 열차폐부재의 하단에 고정되는 고정부가 구비되는 단결정 잉곳 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동 방지판은,
    외주부에서 내주부로 갈수록 하향 이동 가능하게 분리되는 단결정 잉곳 성장장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 진동 방지판은,
    적어도 세 개의 링판으로 분리되는 단결정 잉곳 성장장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진동 방지판은,
    상단에서 하단으로 갈수록 직경이 커지는 경사면을 따라 분리되는 단결정 잉곳 성장장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 진동 방지판은,
    상기 중심홀 주변에 복수개의 가스 배출홀이 구비되는 단결정 잉곳 성장장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 가스 배출홀들은,
    외주부에서 내주부로 갈수록 직경이 커지거나, 단위 면적당 개수가 많아지는 단결정 잉곳 성장장치.
  7. 단결정 잉곳이 관통되는 중심홀이 구비되고, 실리콘 융액 계면을 덮어주는 석영 재질의 단결정 잉곳 성장장치에 적용된 진동 방지판에 있어서,
    외주부에서 내주부로 갈수록 하향 이동 가능하게 분리되는 복수개의 링 판 형상으로 구성되는 단결정 잉곳 성장장치에 적용된 진동 방지판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 중심홀 상측에 상향 돌출된 고정부가 구비되는 단결정 잉곳 성장장치에 적용된 진동 방지판.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 중심홀 주변에 복수개의 가스 배출홀이 구비되는 단결정 잉곳 성장장치에 적용된 진동 방지판.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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