KR20180057999A - 단결정 잉곳 성장 장치 - Google Patents

단결정 잉곳 성장 장치 Download PDF

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KR20180057999A KR1020160156574A KR20160156574A KR20180057999A KR 20180057999 A KR20180057999 A KR 20180057999A KR 1020160156574 A KR1020160156574 A KR 1020160156574A KR 20160156574 A KR20160156574 A KR 20160156574A KR 20180057999 A KR20180057999 A KR 20180057999A
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윤성훈
공정현
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에스케이실트론 주식회사
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Abstract

본 발명은 쵸크랄스키법을 이용하여 단결정 잉곳을 성장시키는 장치로서, 실리콘 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳이 성장되기 위한 공간이 형성되는 공정 챔버; 실리콘 용융액이 담겨지는 도가니, 상기 도가니의 측면에서 상기 도가니로 열을 인가하는 히터; 및 상기 공정 챔버 내부의 열을 차폐하기 위해 상기 도가니 주변부에 마련되는 핫존 구조물을 포함하며, 상기 핫존 구조물 중에서 최상부에 위치하는 상부 단열 링과 열차폐제 사이에 소정의 높이를 가진 단열 부재가 배치되는 것을 특징으로 한다. 이에, 실리콘 용융액을 형성할 시 핫존 구조물의 상부에 실리콘 용융액의 침착물이 생길지라도 열차폐제의 틀어짐을 방지하여 성장되는 잉곳의 품질 변동을 방지할 수 있다.

Description

단결정 잉곳 성장 장치{Apparatus for Fabricating Single Crystal Ingot}
본 발명은 잉곳 성장 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 챔버 내부의 단열을 위해 마련되는 핫존 구조물 중에서 특히 열차폐제의 평형을 유지할 수 있는 단열 부재가 포함된 잉곳 성장 장치에 관한 것이다.
쵸크랄스키(CZ:Czochralski)법에 의해 단결정 실리콘(silicon) 잉곳을 제조하는 기존의 방법에 의하면, 도가니 내에 다결정 폴리(poly) 실리콘 원료를 채운 후, 히터에 의해 도가니를 가열하여 다결정 폴리 실리콘 원료를 용융하여 실리콘 용융액을 생성한다. 이후, 시드(seed)를 실리콘 용융액의 표면에 접촉시킨 후, 시드에 연결된 와이어를 인상 모터에 의해 회전시키면서 끌어올려 실리콘 잉곳을 성장시킨다.
도 1은 종래 단결정 잉곳 성장 장치를 나타낸 것으로, 다결정 폴리실리콘을 용융시키는 단계의 모습을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 공정이 이루어지는 공간을 제공하는 공정 챔버(101), 챔버 내부의 중심에 마련되어 실리콘 용융액이 차있는 석영 도가니(104), 상기 석영 도가니 내부의 실리콘 용융액으로 열을 인가하는 히터(105), 상기 공정 챔버 내부를 단열하기 위해 상기 히터의 외측에 원통형으로 마련되는 단열 튜브(103)와 상기 단열 튜브 상부에 얹혀지는 단열 링(102)을 포함하여 구성될 수 있다.
공정 챔버(101) 내부를 단열하기 위한 핫존 구조물들을 배치한 후에 석영 도가니 내부에 고체의 폴리실리콘 원부자재를 충진한 후 이를 용융시켜 실리콘 융액을 형성하게 되는데, 이 때 고체가 액체로 변화되는 과정에서 실리콘 용융액은 주변의 핫존 구조물로 튀는 경우가 많다. 본 발명에서는 특히 A와 같이 단열 링(102)의 표면에 실리콘 용융액이 튀어 침착되는 경우 생기는 문제에 초점을 둔다.
도 2는 종래 단결정 잉곳 성장 장치에서 핫존 구조물의 배치에 생기는 문제점을 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 고체 상태의 폴리실리콘이 모두 실리콘 용융액으로 녹게 되면, 실리콘 용융액의 상면의 단열을 위한 열차페제(107)가 승강장치를 통해 하강하여 안착된다. 그러나, 도 1에서와 같이 단열 링(102) 상면에 침착된 실리콘 용융액(A)로 인해 열차폐제의 일단이 들리는 현상이 발생하게 되고, 이로 인해 열차폐제와 실리콘 용융액 간의 거리인 멜트갭이 부분적으로 상이하게 되므로(x1 > x2), 이는 성장되는 단결정의 품질에 영향을 미치는 요인이 된다.
종래에는 이러한 문제를 해결하고자, 실리콘 용융액 형성시 도가니 상부에 차단막을 형성하여 핫존 구조물에 실리콘 융액의 침착을 방지하고자 하는 노력이 시도되었으나, 이러한 방법은 실리콘 융액이 침착될 가능성을 줄이는 것 일뿐 이미 침착된 실리콘 융액에 대해서는 열차페제가 수평을 이루도록 할 수 없는 한계가 있었다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 단결정 성장 장치 내부의 단열을 위해 배치되는 핫존 구조물 중에서, 특히 열차폐제가 수평을 이루도록 안착되도록하여 실리콘 용융액의 표면과 모든 영역에서 동일한 멜트갭을 유지할 수 있도록 하는데에 있다.
본 발명의 실시예는 쵸크랄스키법을 이용하여 단결정 잉곳을 성장시키는 장치로서, 실리콘 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳이 성장되기 위한 공간이 형성되는 공정 챔버; 실리콘 용융액이 담겨지는 도가니; 상기 도가니의 측면에서 상기 도가니로 열을 인가하는 히터; 및 상기 공정 챔버 내부의 열을 차폐하기 위해 상기 도가니 주변부에 마련되는 핫존 구조물;을 포함하고, 상기 핫존 구조물은 상기 도가니의 측면을 둘러싸는 하부 단열 튜브와 상기 튜브에 얹혀지는 하부 단열 링과, 상기 하부 단열 링에서 연장형성되는 상부 단열 튜브와 상기 단열 튜브에서 연장형성되는 상부 단열 링, 상기 상부 단열 링의 상면에 안착되며 상기 실리콘 용융액과 일정한 거리를 유지하도록 배치되는 열차폐제를 포함하고, 상기 열차폐제와 상기 상부 단열 링의 접촉면 사이에는 소정의 높이를 가진 단열 부재가 배치될 수 있다.
실시예에서 상기 단열 부재는 상기 상부 단열 링의 상면 중에서 상기 열차폐제가 안착되는 영역에 원주 방향을 따라 링의 형태로 마련될 수 있다.
상기 단열 부재는 상방향으로 갈수록 그 폭이 작아지도록 형성될 수 있으며, 특히 측면에서 바라본 단면이 삼각형으로 형성될 수 있다. 그리고, 상기 단열 부재는 측면에서 바라본 단면이 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 원형 중 어느 하나로 제작될 수도 있다.
상기 단열 부재의 높이는 상기 상부 단열 링의 상면에 침착된 석영침착물의 높이보다 높도록 형성되며, 적어도 20mm 이상으로 형성될 수 있다.
상기 상부 단열 링의 상면에는 상기 단열 부재의 하면의 폭에 대응되는 홈부가 마련되어, 상기 단열 부재가 고정될 수 있다.
상기 상부 단열 링의 상면에는 원주 방향을 따라 복수개의 돌출부가 마련되고 상기 단열 부재에는 상기 돌출부와 대응되는 위치에 홈부가 마련되어, 상기 돌출부에 상기 홈부가 끼워짐으로써 상기 단열 부재가 고정될 수 있다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장 장치는 실리콘 용융액을 형성할 시 핫존 구조물의 상부에 실리콘 용융액의 침착물이 생길지라도 열차폐제의 틀어짐을 방지, 즉 열차폐제가 평형을 유지할 수 있기 때문에 성장되는 단결정 잉곳의 품질 변동을 최소화 할 수 있다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장 장치는 상부 핫존 자재에 석영 침착물이 발생하여도 이에 대한 엄격한 클리닝 과정이 요구되지 않기 때문에, 공정 챔버의 재가동 시간을 줄일 수 있고 단결정 잉곳 생산의 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래 단결정 잉곳 성장 장치에서 다결정 폴리실리콘을 용융시키는 과정을 나타낸 도면
도 2는 종래 단결정 잉곳 성장 장치에서 핫존 구조물의 배치에 생기는 문제점을 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 나타낸 단면도
도 4는 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치 내부의 일부분을 확대하여 나타낸 단면도
도 5는 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치에 포함되는 상부 링을 나타낸 도면
도 6은 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치에 열차폐제를 장착한 후에 잉곳을 성장시키는 모습을 나타낸 단면도
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치(200)는 내부에 실리콘 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳이 성장되기 위한 공간이 형성되는 공정 챔버(202), 상기 실리콘 용융액이 수용되기 위한 도가니(208), 상기 도가니를 가열하기 위해 도가니 측면에 배치되는 히터(207), 상기 히터의 외측면을 둘러싸며 상기 도가니로 전해지는 열을 단열시키기 위한 원통형의 하부 단열 튜브(206), 단열의 효과를 향상시키기 위해 상기 히터의 상면을 덮도록 하부 단열 링(205), 상기 하부 단열 링의 내측 상면에서 지지되도록 배치되는 상부 단열 튜브(204) 및 상기 상부 단열튜브 상면과 접촉되는 상부 단열 링(201)을 포함할 수 있다. 공정 챔버 내부를 일정한 온도로 유지하기 위해 배치되는 단열 부재들인 단열 튜브, 단열 링, 열차폐제와 같은 자제들을 핫존(hot zone) 구조물이라 한다.
그리고, 상기 상부 단열 링(201)에 일단이 얹혀지며 실리콘 용융액 표면에서 발생되는 열을 단열하기 위해 일정한 거리만큼 이격되도록 배치되는 열차폐제(203)와 도면에 도시되진 않았으나, 상기 열차폐제(203)를 승하강시키는 승강기구가 포함될 수 있으며, 단결정 잉곳의 성장에 따라 도가니를 일정한 속도로 상승시키는 페데스탈(209)이 마련될 수 있다.
상술한 구성들은 기공지된 단결정 성장 장치와 동일한 구성으로 자세한 설명은 생략하며, 본 발명의 단결정 잉곳 성장 장치는 상기의 구성 중에서 제2 단열 링(201) 상면에 배치되며 소정의 높이를 갖도록 형성된 단열 부재(210)가 마련되는 점에 그 특징이 있다.
상기 단열 부재(210)는 상부 단열 링(201)의 상면 중에서도 특히 열차폐제(203)가 안착되는 영역에 마련되며, 상기 열차폐제(203)를 제2 단열 링(201)으로부터 일정한 높이만큼 이격시키면서 상기 열차폐제의 하면을 지지하기 위해 마련되는 부재이다. 상기 단열 부재(210)에 대해 다음의 도면을 통해 상세히 설명한다.
도 4는 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치 내부의 일부분을 확대하여 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 공정 챔버 내부에서 히터 상부에 위치한 핫존 구조물로, 상부 단열 튜브(204), 상부 단열 링(201) 및 열차폐제(203)의 상부만을 확대하여 나타낸 도면이다.
열차폐제는 도가니에 채워진 실리콘 용융액 상부로 하강하면서 상부 단열 튜브(204)의 내측에 하면이 안착되고, 그 이후에 단결정 잉곳을 인상시키는 공정이 시작된다. 실시예는 열차폐제와 상부 단열 링이 접촉하는 영역에 소정의 높이를 갖는 단열 부재(210)를 마련한다.
상기 단열 부재(210)는 상부 단열 링(201)과 같이 원형의 링 형상으로 상부 단열링의 상면에 결합되는 구조이며, 상부 단열 링으로부터 탈부착이 가능하도록 형성될 수 있다. 상기 단열 부재의 높이는 융액 침착물보다 높게 형성되는 것이 바람직하며, 융액 침착물의 형성 추이를 보았을 때 적어도 20mm 이상으로 형성되는 것이 바람직하다.
도면상에서 상기 단열 부재의 측면에서 바라본 단면은 바람직한 예시로 실리콘 융액의 침착 영향을 최대한 줄이기 위해 상측으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 삼각형으로 형성되어 있으나, 실리콘 용융액을 형성하는 수많은 런을 실시한 결과 실리콘 용융액이 단열 부재의 상면에 튀어 침착될 확률은 극히 낮은 것으로 판정되었다. 이에, 단열 부재의 상면은 이에 국한되지 않으며 측면에서 바라본 단면은 삼각형뿐만 아니라 사각형, 마름모, 원형, 오각형, 육각형 등 여러 형상으로 중에서 선택되어 적용될 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치에 포함되는 상부 단열 링과 단열 부재를 나타낸 도면이다. 도 5의 (a)를 참조하면, 상부 단열 링(201)은 중심이 관통된 원형 링 형상이며, 단열 부재(210)는 상부 단열 링(201)의 상면과 접촉하는 원형의 링으로 형성될 수 있다. 단열 부재가 상부 단열 링과 접촉하는 부분은 열 차폐제가 안착되는 영역 중에서 선택될 수 있으며, 따라서 단열 부재의 하면은 상부 단열 링의 내주측에 인접하도록 그 직경이 설정되는 것이 바람직하다.
(b)는 상부 단열 링을 A-A' 방향으로 잘라 나타낸 단면도로서, 단열 부재(210)는 단면으로 보았을 때 삼각형과 같이 상방향으로 갈수록 폭이 좁아지는 형상으로 제작될 수 있다. 그러나, 이에 이는 바람직한 예시이며, 단열 부재(210)의 상면이 열차폐제를 지지할 수 있는 구조이고, 원주 방향으로 일정한 높이로 제작되는 실시예는 모두 본 발명의 단결정 잉곳 성장 장치에 적용이 가능하다.
단열 부재(210)는 상부 단열 링(201)의 상면에서 탈부착이 가능하도록 형성될 수 있다. 하나의 실시예로, 상부 단열 링(201)의 상면에는 단열 부재의 하면에 해당하는 폭만큼의 홈이 형성되어 홈에 단열 부재(210)를 끼워 넣을 수 있도록 제작될 수 있다. 이 경우에는 단열 부재를 간단히 들어올림으로써 상부 단열 링으로부터의 탈착이 가능하고, 홈부에 하면이 끼워지는 형식이기 때문에 공정 중에도 흔들림없이 안정적으로 고정이 가능하다.
또 다른 실시예로, 상부 단열 링(201)의 상면에 복수개의 돌출부가 마련되고 단열 부재의 하면에는 이의 위치에 대응하는 홈부가 마련되어, 단열 부재가 상부 단열링에 끼워 맞춰지는 형식으로도 탈부착이 가능하다. 또한, 반대로 단열링의 상면에 복수개의 홈부가 마련되고, 단열 부재의 하면에 복수개의 돌출부가 마련되는 경우도 적용될 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치에 열차폐제를 장착한 후에 잉곳을 성장시키는 순서를 나타낸 단면도이다.
도 6의 (a)를 참조하면, 공정 챔버 내부에 배치된 도가니에 고체의 폴리를 넣고 도가니 쪽으로 열을 가해주어 실리콘 용융액을 형성한다. 고체 상태의 폴리가 액체 상태로 변하면서 도가니 내부의 실리콘 용융액이 일정한 높이로 채워지게 된다. 그리고, 도가니의 상부로부터 실리콘 용융액의 열을 단열하기 위한 열차폐제를 승하강시키는 승강기구를 동작시켜 실리콘 용융액의 표면과의 기설정된 거리(멜트갭)를 만족하도록 열차폐제를 하강시킨다.
(b)를 참조하면, 승상기구의 하강에 의해서, 열차폐제의 하부면은 초기 실리콘 용융액과 일정한 거리를 유지하면서 배치되는데, 실시예에서는 열차폐제의 하단면이 상부 단열 링의 상면에 마련된 단열 부재(210)의 상면에 안착된다. 그리고, 실리콘 용융액에 시드를 투입하여 일정한 속도로 인상시키면서 단결정 잉곳의 성장이 이루어질 수 있다.
(c)를 참조하면, (a)의 과정에서 실리콘 용융액이 내부 핫존 구조물에 튀게 되는 현상이 발생하게 되는데, 특히 상부 단열 링의 상면에 실리콘 용융액이 침착되어 침전물(A)이 형성된 모습을 나타낸다. 실시예의 단결정 잉곳 성장 장치는 열차폐제의 하면이 단열 부재에 의해 소정의 거리만큼 단차를 가지면서 이격되어 있기 때문에, 침전물이 상부 단열 링의 어느 곳에 침착된다고 할지라도 열차폐제의 높이가 일정하며 평형 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 열차폐제의 하면을 실리콘 용융액의 표면과 모든 방향에서 일정한 거리(멜트갭)를 유지할 수 있다.
또한, 단열 부재는 원형의 링 형상으로 제작되기 때문에, 열차폐제가 안착되고 나면 열차폐제와 마찬가지로 실리콘 잉곳 공정 중에 열이 빠져나는 것을 차단하는 역할을 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이 단결정 잉곳 성장 장치는 실리콘 용융액을 형성할 시 공정 챔버 내부의 단열을 수행하는 핫존 구조물의 상면에 실리콘 용융액의 침착물이 생길지라도 열차폐제의 틀어짐을 방지, 즉 평형을 유지할 수 있기 때문에 성장되는 단결정 잉곳의 품질 변동을 최소화 할 수 있다. 즉, 종래 석영침전물의 발생을 최소화하는 기술에 비해 석영침전물이 생성된다 할지라도 열차폐제의 높이 변동을 원천적으로 봉쇄하는 이점이 있다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장 장치는 상부 핫존 자재에 석영 침착물이 발생하여도 이에 대한 엄격한 클리닝 과정이 요구되지 않기 때문에, 공정 챔버의 재가동 시간을 줄일 수 있고 단결정 잉곳 생산의 수율을 향상시킬 수 있다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200: 단결정 잉곳 성장 장치
201: 상부 단열 링
202: 공정 챔버
203: 열차폐제
204: 상부 단열 튜브
205: 하부 단열 링
206: 하부 단열 튜브
207: 히터
208: 도가니
209: 페데스탈
210: 단열 부재

Claims (8)

  1. 쵸크랄스키법을 이용하여 단결정 잉곳을 성장시키는 장치로서,
    실리콘 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳이 성장되기 위한 공간이 형성되는 공정 챔버;
    실리콘 용융액이 담겨지는 도가니;
    상기 도가니의 측면에서 상기 도가니로 열을 인가하는 히터; 및
    상기 공정 챔버 내부의 열을 차폐하기 위해 상기 도가니 주변부에 마련되는 핫존 구조물;을 포함하고,
    상기 핫존 구조물은 상기 도가니의 측면을 둘러싸는 하부 단열 튜브와 상기 튜브에 얹혀지는 하부 단열 링과, 상기 하부 단열 링에서 연장형성되는 상부 단열 튜브와 상기 단열 튜브에서 연장형성되는 상부 단열 링, 상기 상부 단열 링의 상면에 안착되며 상기 실리콘 용융액과 일정한 거리를 유지하도록 배치되는 열차폐제를 포함하고,
    상기 열차폐제와 상기 상부 단열 링의 접촉면 사이에는 소정의 높이를 가진 단열 부재가 배치되는 단결정 잉곳 성장 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 단열 부재는 상기 상부 단열 링의 상면 중에서 상기 열차폐제가 안착되는 영역에 원주 방향을 따라 링의 형태로 마련되는 단결정 잉곳 성장 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 단열 부재는 상방향으로 갈수록 그 폭이 작아지도록 형성되는 단결정 잉곳 성장 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 단열 부재는 측면에서 바라본 단면이 삼각형으로 형성되는 단결정 잉곳 성장 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 단열 부재는 측면에서 바라본 단면이 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형, 원형 중 어느 하나로 제작되는 단결정 잉곳 성장 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 단열 부재의 높이는 상기 상부 단열 링의 상면에 침착된 석영침착물의 높이보다 높도록 형성되며, 적어도 20mm 이상으로 형성되는 단결정 잉곳 성장 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 단열 링의 상면에는 상기 단열 부재가 끼워지는 홈부가 마련되어 상기 단열 부재가 고정되는 단결정 잉곳 성장 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 상부 단열 링의 상면에는 원주 방향을 따라 복수개의 돌출부가 마련되고 상기 단열 부재에는 상기 돌출부와 대응되는 위치에 홈부가 마련되어, 상기 돌출부에 상기 홈부가 끼워짐으로써 상기 단열 부재가 고정되는 단결정 잉곳 성장 장치.
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