KR20200070759A - 실리콘 잉곳 성장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 잉곳 성장장치에 관한 것으로, 시드가 결합된 인상와이어를 이용하여 도가니의 용융물을 결정화하여 인상로로 인상하는 실리콘 잉곳 성장장치에 있어서, 잉곳의 상부 일부에 결합된 자성체링과, 상기 인상로의 둘레에 마련되어 상기 자성체링에 상향의 힘을 제공하는 전자석인상부를 더 포함한다.

Description

실리콘 잉곳 성장장치{Growth device for silicon ingot}

본 발명은 실리콘 잉곳 성장장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 실리콘 잉곳을 균일하게 성장시킬 수 있는 실리콘 잉곳 성장장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체용 단결정 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위한 잉곳의 제작방법으로 쵸크랄스키(Czochralski) 결정 성장법을 주로 사용하고 있다. 쵸크랄스키 결정 성장법은 용융된 소재에 단결정 시드를 접한 상태에서 회전과 동시에 상향으로 인상하여, 단결정화를 통해 잉곳을 얻을 수 있는 방법이다.

쵸크랄스키 결정 성장법으로 단결정 잉곳을 성장시킬 때 중요한 변수로서 회전속도, 인상속도, 온도 조건, 잉곳의 직경을 고려해야 한다. 회전속도, 인상속도, 온도, 직경의 변수는 독립적인 변수가 아니라 상호 의존적인 변수이다. 즉 한가지 변수가 변경되는 경우에도 다른 변수들이 모두 변경되어야 원하는 품질의 단결정 잉곳을 얻을 수 있다.

또한, 산소 농도의 제어를 위하여 자기장을 제어하는 기술도 필요하다.

이처럼 다양한 조건을 제어하여 실리콘 잉곳을 성장시킬 때, 인상속도의 차이, 온도의 변화 등에 따라 잉곳의 표면에는 불순물의 분포 변화가 발생하여 줄무늬가 생기는 현상이 발생할 수 있다.

줄무늬가 생성되었다는 의미는 실리콘 잉곳의 결정 균일성이 저하되고, 실리콘 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 제조하였을 때에도 결정 결함이 발생하게 되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해소하기 위한 방안으로 등록특허 10-0558177호(2006년 2월 28일 등록, 결정결함을 가지지 않는 실리콘 단결정 제조방법과 장치, 및 이에 의해 제조된 실리콘 단결정과 실리콘 웨이퍼) 등이 제안되었다.

위의 등록특허에서는 열 절연체를 이용하여 온도 구배를 제어하는 것이며, 이때 온도와 인상속도의 관계를 정의함과 아울러 자기장, 도가니의 회전 방향 및 속도, 잉곳의 회전방향 및 속도 등을 정의한다.

이처럼 종래에는 균일한 결정을 가지는 잉곳을 성장시키기 위하여 다양한 변수를 제어해야 하기 때문에 제어가 매우 어려운 문제점이 있었다.

특히 실리콘 잉곳의 성장이 지속되면서 중량이 점차 증가하게 되어, 잉곳을 인상시키는 인상장치에 가해지는 부하도 증가하게 된다.

이때 잉곳 인상을 위한 와이어는 잉곳의 중량 증가와 가해진 열에 의해 인장될 수 있으며, 따라서 인상 속도가 변화될 수 있으며, 이러한 인상 속도의 변화는 온도, 자기장, 회전 방향 및 속도 등 다른 변수들에 영향을 주어 결국 성장 줄무늬가 발생할 수 있는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 잉곳이 성장함에 따라 증가하는 인상 부하를 고려하여 일정한 속도를 유지할 수 있는 실리콘 잉곳 성장장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 실리콘 잉곳 성장장치는, 시드가 결합된 인상와이어를 이용하여 도가니의 용융물을 결정화하여 인상로로 인상하는 실리콘 잉곳 성장장치에 있어서, 잉곳의 상부 일부에 결합된 자성체링과, 상기 인상로의 둘레에 마련되어 상기 자성체링에 상향의 힘을 제공하는 전자석인상부를 더 포함한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 전자석인상부는, 다수의 전자석링이 상하로 적층되며, 각각의 전자석링에 전원 공급을 제어하는 전원제어부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 다수의 상기 전자석링은, 상기 자성체링의 가장 가까운 상부에 위치하는 전자석링에만 선택적으로 전원이 공급될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 도가니와 상기 전자석인상부의 사이에 위치하는 자기장차폐판을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 자기장차폐판은, 서로 임피던스와 두께가 다른 다수의 차폐판이 적층된 것일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 자기장차폐판은, 상하로 다수의 통공이 마련되어 있으며, 상기 통공의 깊이에 대한 직경의 비는 4:1일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 도가니의 측면 둘레를 감싸도록 설치되어 열과 자기장을 발생시키는 마그넷히터를 더 포함할 수 있다.

본 발명 실리콘 잉곳 성장장치는, 자기장으로 인상 힘을 보정하여 잉곳의 성장에 따른 중량의 증가에 따른 인상 속도의 변화를 방지할 수 있어, 균일한 결정의 잉곳을 성장시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명 실리콘 잉곳 성장장치는, 인상 힘을 보정하는 자기장이 용융물에 영향을 주는 것을 방지하여, 잉곳 결정 균일성을 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 잉곳 성장장치의 구성도이다.
도 2는 전자석인상부의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
도 3과 도 4는 각각 자기장차폐부의 일실시 구성도이다.

이하, 본 발명 실리콘 잉곳 성장장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시 예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이며, 아래에 설명되는 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 발명을 더욱 충실하고 완전하게 하며 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시 예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는"포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.　

본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 부재, 영역 및/또는 부위들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부위들은 이들 용어에 의해 한정되지 않음은 자명하다. 이들 용어는 특정 순서나 상하, 또는 우열을 의미하지 않으며, 하나의 부재, 영역 또는 부위를 다른 부재, 영역 또는 부위와 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제1 부재, 영역 또는 부위는 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제2 부재, 영역 또는 부위를 지칭할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 실시 예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 잉곳 성장장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명은 용융물(11)을 수용하는 도가니(10)와, 상기 도가니(10)에 수용된 용융물(11)을 가열하여 온도를 유지하고, 자기장을 제공하여 산소 농도를 조절하는 마그넷히터(20)와, 인상와이어(12)의 끝단에 마련된 시드(13)를 이용하여 용융물(11)로부터 잉곳(30)을 인상하는 인상장치부(14)와, 상기 잉곳(30)이 결정화되어 인상되는 인상로(15)의 둘레에 마련되어 전원제어부(51)의 전원 공급에 따라 상향으로 순차적인 인상힘을 제공하는 전자석인상부(50)와, 상기 잉곳(30)의 상단의 어깨부(31) 일부에 결합되어 상기 전자석인상부(50)의 자기장의 힘을 받아 잉곳(30)의 인상힘을 보정하는 자성체링(40)을 포함한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 잉곳 성장장치의 구성과 작용에 대하여 보다 상세히 설명한다.

먼저, 도가니(10)에는 실리콘 용융물(11)이 수용되어 있으며, 실리콘 용융물(11)의 적정한 온도는 마그넷히터(20)에 의해 유지된다.

상기 마그넷히터(20)는 도가니(10)의 측면둘레에 링형 구조로 배치되어 있으며, 열과 함께 용융물(11) 내에 자기장을 발생시켜 용융물(11)을 순환 대류 시킴으로써 산소 농도를 줄일 수 있다.

이때 마그넷히터(20)의 온도와 자기장은 일정하게 유지되는 것으로 한다.

여기서 일정하게 유지된다는 의미는 동일 값이 지속적으로 유지된다는 의미는 아니며 잉곳의 성장시 결정된 온도 및 자기장 프로파일에 따른다는 의미로 해석되어야 한다.

이와 같은 상태에서 인상장치부(14)는 인상와이어(12)를 하강시켜 인상와이어(12) 끝단의 시드(13)가 용융물(11)에 접촉되도록 하고, 회전 및 인상한다.

이때 회전속도와 인상속도는 균일하게 유지되는 것으로 한다. 이때의 회전속도와 인상속도의 균일성을 공정의 전체에서 모두 동일한 값이라는 의미보다는 이미 결정된 회전 및 인상 속도 프로파일에 따른다는 의미로 해석되는 것이 바람직하다.

상기 인상와이어(12)를 상향으로 이동시키면 시드(13)에서부터 하향으로 경사진 잉곳(30)의 상부측이 결정화되고, 인상이 지속되면서 통상 어깨부(31)로 지칭되는 잉곳(30)의 상부측이 형성된다.

상기 어깨부(31)가 완전히 완성되기 이전에 상기 어깨부(31)에 자성체링(40)을 결합한다. 자성체링(40)은 강자성체이며 잉곳(10) 내의 열에 의해 변형 또는 변성이 되지 않는 것이면 알려진 강자성체를 사용할 수 있다.

상기 자성체링(40)을 결합한 후 인상 공정을 계속 진행하여, 잉곳(30)을 성장시킨다.

잉곳(30)이 성장되면서 결정화된 잉곳의 높이는 점차 높아지고, 그 높이의 증가에 비례하여 중량도 증가하게 된다. 상기 인상와이어(12)는 도가니(10)의 내측까지 유입되었던 것으로 가열된 상태이며 잉곳(30)의 중량 증가에 따라 미세하게 인장될 가능성이 있다.

이와 같은 인상와이어(12)의 변형 및 잉곳(30)의 중량 증가를 보상하기 위하여 본 발명에서는 잉곳(30)이 인상되는 인상로(15)의 둘레에 전자석인상부(50)를 설치한다.

전자석인상부(50)는 전자석링이 상향으로 적층된 구조이며, 각 전자석링은 전원제어부(51)에 의해 개별적으로 전원 공급이 제어될 수 있다.

도 2는 상기 전자석인상부(50)의 동작을 설명하기 위한 설명도이다.

도 2를 참조하면 상기 전원제어부(51)는 잉곳(30)에 결합된 자성체링(40)의 위치에 따라 전자석인상부(50)의 전자석링(50a, 50b)에 전원을 공급할 수 있다.

즉, 자성체링(40)이 전자석링(50a)보다 낮은 위치(a)에 위치할 때는 전자석링(50a)에 전원을 공급한다. 전자석링(50a)에 전원을 공급하면 자계가 발생하며, 이때의 자계의 방향은 상기 자성체링(40)을 상향으로 이동시키는 힘이 작용하는 것으로 한다.

인상와이어(12)에 의한 인상과 함께 상기 자성체링(40)에 의해 가해지는 자계의 영향으로 잉곳(30) 성장에 따른 부하의 증가를 보정할 수 있어 일정한 속도로 인상함이 가능하다.

상기 자성체링(40)의 위치(b)가 전자석링(50a)보다 높아지면, 상기 전원제어부(51)는 전자석링(50b)에 전원을 공급하고, 전자석링(50b)의 자계에 의해 자성체링(40)이 상향의 힘을 받도록 제어한다. 이때 하부의 전자석링(50a)에는 전원의 공급을 차단한다. 보호층(52)는 전자석링들에 의해 인상로가 오염되는 것을 방지한다.

보호층(52)은 석영 재질일 수 있다.

이와 같은 제어를 통해 인상와이어(12)의 변형을 방지함과 아울러 인상 힘을 보정하여 인상속도가 변경되는 것을 방지할 수 있다.

이처럼 본 발명은 잉곳(30)의 성장에 영향을 주는 요인들을 균일한 상태로 유지할 수 있으며, 잉곳 성장 공정의 균일성을 확보할 수 있다.

상기 전자석인상부(50)는 자기장을 이용하여 자성체링(40)에 상향의 힘을 발생시키는 것으로, 전자석인상부(50)의 자기장이 용융물(11)에 영향을 주는 것을 방지할 필요가 있다.

통상 도가니(10)와 인상로(15)의 사이에는 열차폐판(60)이 마련되어 있으며, 본 발명에서는 열차폐판(60)의 상부에 별도의 자기장차폐판(70)을 더 포함한다. 상기 자기장차폐판(70)은 높은 투자율을 가지는 강자성체를 이용하는 것이 바람직하다.

도 3은 자기장차폐판(70)의 일부 단면 사시도이다.

도 3을 참조하면 자기장차폐판(70)은 서로 임피던스와 두께가 다른 복수의 차폐판(71,72,73)이 적층된 구조를 사용할 수 있다. 이와 같이 임피던스와 두께가 다른 복수의 차폐판(71,72,73)을 사용하는 경우 다양한 주파수에 대응하여 차폐를 수행할 수 있다.

도 4는 자기장차폐판(70)의 다른 실시예의 구성도이다.

도 4를 참조하면 자기장차폐판(70)은 상하방향으로 다수의 천공(74)이 형성된 것으로 한다. 이와 같은 구조는 자기장차폐판(70)의 무게를 줄이면서 적당한 자기장 차폐의 성능을 제공할 수 있다.

상기 천공(74)은 정육각형 모양일 수 있으며, 깊이대 직경비가 4:1이 되어야 차폐 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

10:도가니 11:용융물
12:인상와이어 13:시드
14:인상장치부 15:인상로
20:마그넷히터 30:잉곳
31:어깨부 40:자성체링
50:전자석인상부 51:전원제어부
52:보호층 60:열차폐판
70:자기장차폐판

Claims (7)

1. 시드가 결합된 인상와이어를 이용하여 도가니의 용융물을 결정화하여 인상로로 인상하는 실리콘 잉곳 성장장치에 있어서,
   잉곳의 상부 일부에 결합된 자성체링과,
   상기 인상로의 둘레에 마련되어 상기 자성체링에 상향의 힘을 제공하는 전자석인상부를 더 포함하는 실리콘 잉곳 성장장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전자석인상부는,
   다수의 전자석링이 상하로 적층되며, 각각의 전자석링에 전원 공급을 제어하는 전원제어부를 더 포함하는 실리콘 잉곳 성장장치.
3. 제2항에 있어서,
   다수의 상기 전자석링은,
   상기 자성체링의 가장 가까운 상부에 위치하는 전자석링에만 선택적으로 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 도가니와 상기 전자석인상부의 사이에 위치하는 자기장차폐판을 더 포함하는 실리콘 잉곳 성장장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 자기장차폐판은,
   서로 임피던스와 두께가 다른 다수의 차폐판이 적층된 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장장치.
6. 제4항에 있어서,
   상기 자기장차폐판은,
   상하로 다수의 통공이 마련되어 있으며,
   상기 통공의 깊이에 대한 직경의 비는 4:1인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 도가니의 측면 둘레를 감싸도록 설치되어 열과 자기장을 발생시키는 마그넷히터를 더 포함하는 실리콘 잉곳 성장장치.

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