KR20200085160A - 단결정 성장용 열차폐 부재 및 이를 적용한 단결정 성장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 실리콘 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳을 열 차폐시키는 열차폐 부재가 구비되고, 열차폐 부재가 아우터 케이스과 이너 케이스가 결합된 구조로 형성되며, 이너 하면부가 아우터 하면부의 하측을 지지하도록 결합된다.
따라서, 고온에 노출된 아우터 케이스가 열 변형됨에 따라 크랙이 발생하더라도 이너 케이스에 의해 아우터 케이스가 지지됨으로서, 아우터 케이스의 일부가 분리되더라도 추락하는 사고를 사전에 방지할 수 있다.
또한, 고온의 실리콘 융액과 근접한 위치에 이너 하면부와 아우터 하면부가 겹쳐짐으로서, 단결정 잉곳에 대해 실리콘 융액의 열을 보다 효과적으로 차폐할 수 있고, 단결정 잉곳을 신속하게 냉각시킬 수 있다.

Description

단결정 성장용 열차폐 부재 및 이를 적용한 단결정 성장장치 {A heat shield member for single crystal growth and single crystal growth apparatus using the same}
본 발명은 단결정 성장용 열차폐 부재 및 이를 적용한 단결정 성장장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자로 많이 사용되는 웨이퍼는 실리콘 단결정 잉곳을 얇게 절단하여 만들어지는데, 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 대표적인 방법으로 쵸크랄스키(Czochralski, CZ)법이 많이 적용되고 있다.
Cz 법에 의하면, 단결정인 종자결정을 용융 실리콘에 담근 다음, 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법으로 단결정 잉곳이 많이 제조되고 있다.
이러한 단결정 잉곳 성장공정은 핫존(Hot Zone)이라는 공간에서 이루어지는데, 핫존은 성장장치(Grower)에서 용융 실리콘이 단결정 잉곳으로 성장되는 주위의 공간을 의미하며, 단결정 성장장치는 챔버 내부에 설치된 도가니, 히터, 단열부재, 열차폐 부재, 인상부 등 여러 부품들로 이루어진다.
이와 같은 실리콘 단결정 성장장치는 실리콘 융액의 표면과 히터로부터 복사되는 열이 실리콘 단결정 잉곳으로 전달되지 못하도록 하여 단결정 잉곳을 냉각시키는 열차폐부재를 포함한다.
보통, 열차폐 부재는 도가니 상측에 매달린 형태로 고정되며, 상측에서 하측으로 갈수록 그 직경이 좁아지는 원통 형상으로 형성된다.
한국등록특허 제1028933호에 개시된 단결정 성장 장치는 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 성장 챔버 및 단결정 성장 챔버 내에서 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 열실드의 온도를 감지하고, 열실드의 온도에 기초하여 단결정 멜트 레벨을 조절하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치를 포함한다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 단결정 성장용 열차폐 부재가 도시된 측단면도이고, 도 2는 종래 기술의 일 실시예에 따른 단결정 성장용 열차폐 부재가 실제 파단된 모습이 도시된 도면이다.
종래 기술의 일 실시예에 따른 단결정 성장용 열차폐 부재는 도 1에 도시된 바와 같이 아우터 케이스(11) 내측 상부에 이너 케이스(12)이 결합되고, 아우터 케이스(11)과 이너 케이스(12) 사이의 밀폐 공간에 일종의 단열재(13)가 삽입될 수 있다.
단결정 성장 공정이 진행되는 동안, 고온의 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳이 성장되고, 단결정 잉곳이 열차폐 부재(10)의 중심을 통과하도록 인상되며, 열차폐 부재(10)가 고온의 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳으로 열을 차폐시키게 된다.
그런데, 열차폐 부재(10)를 기준으로 보면, 아우터 케이스(11)이 이너 케이스(12) 보다 더 많은 열을 받게 되고, 아우터 케이스(11)의 측면부에서 열 변형으로 인하여 특정 지점(A)에서 크랙이 많이 발생된다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 크랙이 발생되는 특정 지점(A)을 기준으로 아우터 케이스(11)의 하부가 아우터 케이스(11)의 상부 및 이너 케이스(12)으로부터 분리되고, 아우터 케이스(11)의 하부가 도가니 내측으로 추락하는 사고가 발생될 수 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 크랙으로 인한 추락 사고를 방지할 수 있는 단결정 성장용 열차폐 부재 및 이를 적용한 단결정 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 실리콘 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳 주변을 감싸는 단결정 성장용 열차폐 부재에 관한 것으로서, 아우터 측면부와, 상기 아우터 측면부의 하측에 내주 방향으로 연장된 아우터 하면부를 포함하는 통 형상의 아우터 케이스; 및 상기 아우터 측면부 내측에 위치되는 이너 측면부와, 상기 이너 측면부의 하측에 외주 방향으로 연장된 이너 하면부를 포함하는 통 형상의 이너 케이스;를 포함하고, 상기 이너 하면부가, 상기 아우터 하면부의 하측을 지지하도록 결합되는 단결정 성장용 열차폐 부재를 제공한다.
상기 이너 하면부와 아우터 하면부는 서로 수평하게 겹쳐지고, 상기 이너 하면부가 상기 아우터 하면부의 적어도 2/3 면적 이상을 지지하는 것이 바람직하다. 물론, 상기 아우터 상면부가 상기 아우터 하면부의 전체를 지지하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 아우터 케이스는, 상기 아우터 측면부의 상측에 외주 방향으로 연장된 아우터 상면부를 더 포함하고, 상기 이너 케이스는, 상기 이너 측면부의 상측에 외주 방향으로 연장된 이너 상면부를 더 포함하며, 상기 아우터 상면부가, 상기 이너 상면부의 외주 부분을 하측을 지지하도록 결합될 수 있다.
상기 아우터 케이스과 이너 케이스 사이에 형성된 밀폐 공간에 내장되는 단열재를 더 포함하고, 상기 밀폐 공간은 하부에서 상부로 갈수록 좁아지게 형성될 수 있다.
상기 아우터 케이스과 이너 케이스는, 흑연 소재로 구성될 수 있다.
한편, 본 발명은, 밀폐 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버 내측에 구비되고, 실리콘 융액이 담겨지는 도가니; 상기 도가니 둘레에 구비되고, 상기 도가니를 가열하는 히터; 상기 히터와 챔버 사이에 구비되고, 상기 히터와 챔버 사이를 단열시키는 단열부재; 및 상기 도가니 상측에 매달리도록 설치되고, 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 열 차폐시키는 열차폐 부재;를 포함하고, 상기 열차폐 부재는, 아우터 측면부와, 상기 아우터 측면부의 하측에 내주 방향으로 연장된 아우터 하면부를 포함하는 통 형상의 아우터 케이스; 및 상기 아우터 측면부 내측에 위치되는 이너 측면부와, 상기 이너 측면부의 하측에 외주 방향으로 연장된 이너 하면부를 포함하는 통 형상의 이너 케이스;을 포함하고, 상기 이너 하면부가, 상기 아우터 하면부의 하측을 지지하도록 결합되는 단결정 성장장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 실리콘 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳을 열 차폐시키는 열차폐 부재가 구비되고, 열차폐 부재가 아우터 케이스과 이너 케이스가 결합된 구조로 형성되며, 이너 하면부가 아우터 하면부의 하측을 지지하도록 결합된다.
따라서, 고온에 노출된 아우터 케이스가 열 변형됨에 따라 크랙이 발생하더라도 이너 케이스에 의해 아우터 케이스가 지지됨으로서, 아우터 케이스의 일부가 분리되더라도 추락하는 사고를 사전에 방지할 수 있다.
또한, 고온의 실리콘 융액과 근접한 위치에 이너 하면부와 아우터 하면부가 겹쳐짐으로서, 단결정 잉곳에 대해 실리콘 융액의 열을 보다 효과적으로 차폐할 수 있고, 단결정 잉곳을 신속하게 냉각시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술의 일 실시예에 따른 단결정 성장용 열차폐 부재가 도시된 측단면도.
도 2는 종래 기술의 일 실시예에 따른 단결정 성장용 열차폐 부재가 크랙 지점을 기준으로 파단된 모습이 도시된 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장장치가 도시된 측단면도.
도 4는 도 3에 적용된 단결정 성장용 열차폐 부재의 일예가 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 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장장치가 도시된 측단면도이고, 도 4는 도 3에 적용된 단결정 성장용 열차폐 부재의 일예가 도시된 측단면도이다.
본 발명의 단결정 성장장치는 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 챔버(110)와, 도가니(120)와, 히터(130)와, 단열부재(140)와, 열차폐 부재(150)를 포함한다.
상기 챔버(110)는 잉곳(IG)이 성장되는 소정의 밀폐 공간을 제공하며, 각종 구성 요소가 내/외측에 장착된다.
실시예에 따르면, 챔버(110)는, 직경이 큰 원통 형상의 본체부(111)와, 본체부(111)의 상측에 결합되는 돔 형상의 커버부(112)와, 커버부(112)의 상측에 결합되고 본체부(111)에 비해 직경이 작은 원통 형상의 인상부(113)로 구성된다.
상기 본체부(111)는 도가니(120)와 히터(130)와 단열부재(140) 및 열차폐 부재(150)가 장착될 있는 공간을 제공하고, 상기 커버부(112)는 잉곳 성장 공정을 관찰할 수 있는 뷰 포인트(View point : 미도시)가 구비되며, 상기 인상부(113)는 잉곳이 인상될 수 있는 공간을 제공한다.
이러한 챔버(110) 내부에서 잉곳 성장 공정이 이루어지고, 잉곳 성장 공정 중에 챔버(110)의 상측에서 하측으로 Ar 등과 같은 불활성 기체가 유동시키도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 챔버(110) 상측에 종자결정이 매달리는 시드 케이블(W) 및 상기 시드 케이블(W)이 감긴 드럼(미도시)이 구비될 수 있다.
상기 도가니(120)는 단결정 잉곳(IG)을 성장시키기 위하여 실리콘 융액(M)이 담기는 용기로써, 챔버(110) 중심에 회전 가능하게 설치된다.
실시예에 따르면, 도가니(120)는 불순물의 유입을 차단하는 동시에 고온 하에서도 견딜 수 있도록 석영 도가니와 흑연 도가니가 겹쳐진 형태로 구성된다.
또한, 상기 도가니(120)의 하측에 도가니 구동부(121)가 구비되며, 상기 도가니 구동부(121)가 도가니(120)를 회전 및 승강시킬 수 있다.
상기 히터(130)는 도가니(120) 둘레에 구비되는데, 도가니(120)에 담긴 폴리 형태의 원료를 실리콘 융액(M)으로 액화시킬 수 있다.
상기 단열부재(140)는 챔버(110) 내주면에 구비되는데, 히터(130)의 열이 챔버(110) 외부로 빠져나가는 것을 방지할 수 있다.
상기 열차폐 부재(150)는 고온의 실리콘 융액(M)으로부터 성장되는 잉곳(IG)을 냉각시키기 위하여 구비되는데, 도가니(120) 상측에 매달리도록 단열부재 상측에 지지되고, 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액(M)으로부터 성장되는 잉곳(IG) 둘레에 소정 간격을 두고 감싸도록 설치된다.
실시예에 따르면, 열차폐 부재(150)는 아우터 케이스(151)와 이너 케이스(152) 사이의 밀폐 공간에 단열재(153)가 내장된 형태로 구성될 수 있고, 아우터 케이스(151)의 하부가 이너 케이스(152)의 하부에 의해 지지되도록 설치된다.
상기 아우터 케이스(151)는 원통 형상의 아우터 측면부(151a)와, 아우터 측면부(151a)의 상단에 외주 방향으로 확장된 아우터 상면부(151b)와, 아우터 측면부(151a)의 하단에 내주 방향으로 확장된 아우터 하면부(151c)로 구성될 수 있다.
상기 아우터 측면부(151a)와 아우터 상면부(151b) 사이에 상측으로 갈수록 직경이 점차 커지는 원통 형상의 아우터 경사부(151a')를 더 포함할 수 있고, 상기 아우터 측면부(151a)가 아우터 경사부(151a')보다 상하 방향으로 더 길게 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
상기 아우터 상면부(151b)는 링 판 형상으로 구성될 수 있고, 상기 아우터 하면부(151c)는 링 판 형상 또는 하향 볼록한 형상으로 구성될 수 있으며, 한정되지 아니한다.
상기 이너 케이스(152)는 아우터 측면부(151a) 보다 직경이 작은 원통 형상의 이너 측면부(152a)와, 아우터 상면부(151b)에 의해 지지될 수 있도록 이너 측면부(152a)의 상단에 외주 방향으로 확장된 이너 상면부(152b)와, 아우터 하면부(151c)를 지지할 수 있도록 이너 측면부(152a)의 하단에 외주 방향으로 확장된 이너 하면부(152c)로 구성될 수 있다.
상기 이너 측면부(152a)와 이너 상면부(152b) 사이에 상측으로 갈수록 직경이 점차 커지는 원통 형상의 이너 경사부(152a')를 더 포함할 수 있고, 상기 이너 경사부(152a')가 상기 이너 측면부(152a)보다 상하 방향으로 더 길게 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
상기 이너 상면부(152b)는 링 판 형상으로 구성되고, 상기 이너 하면부(152c)는 링 판 형상 또는 하향 볼록한 형상으로 구성될 수 있으며, 한정되지 아니한다.
그런데, 상기 아우터 케이스(151)와 이너 케이스(152)가 상호 지지되는 구조로 조립되는데, 이너 상면부(152b)가 아우터 상면부(151b)에 지지되고, 아우터 하면부(151c)가 이너 하면부(152c)에 지지된다.
실시예에 따르면, 이너 하면부(152c)가 아우터 하면부(151c)을 안정적으로 지지하기 위하여, 이너 하면부(152c)가 아우터 하면부(151c)의 적어도 2/3 면적 이상을 지지하는 것이 바람직하고, 이너 하면부(152c)가 아우터 하면부(151c)의 전체를 지지하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 이너 하면부(152c)와 아우터 하면부(151c)가 서로 형합될 수 있도록 동일한 형상으로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
이와 같이 구성된 아우터 케이스(151)와 이너 케이스(152)는 고온 하에서도 견딜 수 있는 흑연 소재로 구성되고, 단열재(153)는 열차폐 효과를 높일 수 있는 felt 등과 같은 소재로 구성될 수 있다.
상기 아우터 케이스(151)와 이너 케이스(152)가 조립되면, 아우터 케이스(151)와 이너 케이스(152) 사이의 밀폐 공간이 하부에서 상부로 갈수록 좁아지게 구성되고, 단열재(153)가 밀폐 공간의 상부보다 하부에 더 많이 내장되며, 아우터 하면부(151c)와 이너 하면부(152c)가 서로 겹쳐지게 설치된다.
따라서, 고온의 실리콘 융액(M)과 근접하게 위치되는 열차폐 부재(150)의 하부에서 열차폐 효과를 높일 수 있다.
이와 같이 조립된 열차폐 부재(150)는 도가니(120)에 매달리도록 설치되는데, 아우터 상면부(151b)가 단열부재(140)의 상단에 지지되고, 이너 상면부(152b)의 외주 부분이 아우터 상면부(151b)의 상측에 지지되며, 아우터 하면부(151c)가 이너 하면부(152c)의 상측에 적어도 2/3 이상 지지된다.
잉곳 성장 공정이 진행되면, 열차폐 부재(150)가 고온 하에 노출되는데, 이너 케이스(152)에 비해 아우터 케이스(151)가 실리콘 융액의 열이 직접적으로 받게 되고, 아우터 케이스(151)가 열 변형에 의해 특정 지점(A)에서 크랙이 발생할 수 있다.
하지만, 특정 지점(A)을 기준으로 아우터 케이스(151)의 하부가 아우터 케이스(151)의 상부로부터 분리되더라도 아우터 케이스(151)의 하부가 이너 케이스(152)에 의해 아우터 케이스(151)의 상부 및 단열부재(140)에 매달릴 상태를 유지할 수 있고, 아우터 케이스(151)의 하부가 추락하여 공정을 중단하는 사고를 방지할 수 있다.
110 : 챔버 120 : 도가니
130 : 히터 140 : 단열부재
150 : 열차폐 부재 151 : 아우터 케이스
152 : 이너 케이스 153 : 단열재

Claims (10)

  1. 실리콘 융액으로부터 인상되는 단결정 잉곳 주변을 감싸는 단결정 성장용 열차폐 부재에 관한 것으로서,
    아우터 측면부와, 상기 아우터 측면부의 하측에 내주 방향으로 연장된 아우터 하면부를 포함하는 통 형상의 아우터 케이스; 및
    상기 아우터 측면부 내측에 위치되는 이너 측면부와, 상기 이너 측면부의 하측에 외주 방향으로 연장된 이너 하면부를 포함하는 통 형상의 이너 케이스;를 포함하고,
    상기 이너 하면부가,
    상기 아우터 하면부의 하측을 지지하도록 결합되는 단결정 성장용 열차폐 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이너 하면부와 아우터 하면부는 서로 수평하게 겹쳐지고,
    상기 이너 하면부가 상기 아우터 하면부의 적어도 2/3 면적 이상을 지지하는 단결정 성장용 열차폐 부재.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이너 하면부가 상기 아우터 하면부의 전체를 지지하는 단결정 성장용 열차폐 부재.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아우터 케이스는,
    상기 아우터 측면부의 상측에 외주 방향으로 연장된 아우터 상면부를 더 포함하고,
    상기 이너 케이스는,
    상기 이너 측면부의 상측에 외주 방향으로 연장된 이너 상면부를 더 포함하며,
    상기 아우터 상면부가,
    상기 이너 상면부의 외주 부분 하측을 지지하도록 결합되는 단결정 성장용 열차폐 부재.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 아우터 케이스과 이너 케이스 사이에 형성된 밀폐 공간에 내장되는 단열재를 더 포함하고,
    상기 밀폐 공간은 하부에서 상부로 갈수록 좁아지게 형성되는 단결정 성장용 열차폐 부재.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아우터 케이스과 이너 케이스는,
    흑연 소재로 구성되는 단결정 성장용 열차폐 부재.
  7. 밀폐 공간을 제공하는 챔버;
    상기 챔버 내측에 구비되고, 실리콘 융액이 담겨지는 도가니;
    상기 도가니 둘레에 구비되고, 상기 도가니를 가열하는 히터;
    상기 히터와 챔버 사이에 구비되고, 상기 히터와 챔버 사이를 단열시키는 단열부재; 및
    상기 도가니 상측에 매달리도록 설치되고, 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 열 차폐시키는 열차폐 부재;를 포함하고,
    상기 열차폐 부재는,
    아우터 측면부와, 상기 아우터 측면부의 하측에 내주 방향으로 연장된 아우터 하면부를 포함하는 통 형상의 아우터 케이스; 및
    상기 아우터 측면부 내측에 위치되는 이너 측면부와, 상기 이너 측면부의 하측에 외주 방향으로 연장된 이너 하면부를 포함하는 통 형상의 이너 케이스;를 포함하고,
    상기 이너 하면부가,
    상기 아우터 하면부의 하측을 지지하도록 결합되는 단결정 성장장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 이너 하면부와 아우터 하면부는 서로 수평하게 겹쳐지고,
    상기 이너 하면부가 상기 아우터 하면부의 적어도 2/3 면적 이상을 지지하는 단결정 성장장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 아우터 케이스는,
    상기 아우터 측면부의 상측에 외주 방향으로 연장되고, 상기 단열부재의 상단에 지지되는 아우터 상면부를 더 포함하고,
    상기 이너 케이스는,
    상기 이너 측면부의 상측에 외주 방향으로 연장되고, 상기 아우터 상면부의 상단에 지지되는 이너 상면부를 더 포함하는 단결정 성장장치.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아우터 케이스과 이너 케이스는,
    흑연 소재로 구성되는 단결정 성장장치.
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