KR20220041649A - 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법 - Google Patents

반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법 Download PDF

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Abstract

고형의 반도체 재료가 장입된 링형의 도가니; 상기 도가니의 외측에 위치하며 상기 고형의 반도체 재료를 용융시키는 제1 열원부; 상기 제1 열원부와 상기 도가니 사이에 위치하는 쉴드부; 상기 도가니의 링 내부를 상하 이동하는 제2 열원부; 및 상기 도가니의 하부에 위치하는 열교환부를 포함하고, 상기 반도체 재료의 용융 후 상기 쉴드부가 제1 열원부를 차단하고 상기 열교환부가 상기 도가니의 온도를 조절하며 상기 용융된 반도체를 수평방향으로 결정성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법을 제공한다.

Description

반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법{Manufacturing apparatus of semiconductor ring and manufacturing method of semiconductor ring using the same}
본 발명은 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법에 대한 것으로 링형의 도가니를 이용하여 반도체 물질을 결정화함으로써 반도체 제품 형상 가공 공정을 간소화하고, 제품의 제조과정 중 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 공정에 사용되는 실리콘 기반의 반도체 재료는 다결정 실리콘을 도가니에 장입하고 가열하여 용융시키면서 이를 환봉 형태로 된 실리콘 단결정 잉곳 또는 다결정 궤를 형성한 후 이를 코어링 및 절단 공정을 겨쳐서 가공하게 된다. 반도체 재료는 입계(grain boundary)와 다른 결정 결함이 디바이스 성능을 저하시키기 때문에 직경이 크고(약 10~30 ㎝), 완벽에 가까운 단결정으로 형성되어야 반도체 전자 부품의 제조에 유용하다. 고품질의 반도체 단결정을 얻기 위해서는 고도의 기술이 필요하며, 예를 들어 단결정 또는 다결정의 실리콘은 일반적으로 쵸크랄스키(CZ)기술 또는 플로트-존(FZ)법으로 성장시킬 수 있다. 종래의 CZ법은 용융 실리콘의 고온 충전물(charge)이 도가니 주위에 배치된 가열부재에 의해 도가니 내에서 가열될 때 가열부재는 도가니 벽을 통해 가열하는 것으로 이는 도가니에 응력을 생성시킬 수 있으며 이는 도가니의 유효수명을 단축시킬 수 있다. 따라서 각 성장 사이클 후에, 도가니의 저부에 잔류하는 용융 실리콘은 고화되며, 도가니를 파괴시킬 수 있는 정도로 팽창을 일으키는 문제가 발생하여 종래의 CZ법에 있어서 도가니는 일반적으로 1회용으로 사용된다. 또한, 실리콘 용탕과 결정화되고 있는 결정의 계면 사이인 응고구역을 가로질러 큰 방사상 온도구배 및 대류 속도구배(convection velocity gradient)가 존재하게 되어 결정화를 위한 균일한 온도분포의 제공이 어려울 수 있다.
최근에는 반도체 웨이퍼의 대형화로 인하여 반도체 제조공정 중 웨이퍼 식각 혹은 증착 공정 등에 사용되어지는 실리콘 소재에 대한 대형화를 요구하고 있으며, CZ법을 통한 단결정봉의 제작은 직경 500mm의 한계성을 가지고 있다. 또한, 다결정 공법을 통해서 생산되는 제품의 경우는 대형화는 가능하지만, 필요한 제품의 형상을 만들기 위한 코어링 및 Sawing 공정 및 연마 공정을 수행함으로써 부수적인 재료 손실 등이 많이 발생하고 있다.
한국등록특허 제 10-1279709호(등록일: 2013. 06. 21.) 한국등록특허 제 10-1997608호(등록일: 2019. 07. 02.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고형의 반도체 재료를 용융시키고 원하는 두께 및 형상으로 결정화함으로써 단결정 또는 다결정의 반도체 재료의 가공공정 단계와 공정 시간 및 가공 시 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법를 제공하는 것에 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 반도체(실리콘?) 물질 용탕을 균열이 발생하지 않도록 결정질 반도체(실리콘?)로 제조함으로써 대형화되는 반도체 제품을 제조할 수 있는 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 고형의 반도체 재료가 장입된 링형의 도가니; 상기 도가니의 외측에 위치하며 상기 고형의 반도체 재료를 용융시키는 제1 열원부; 상기 제1 열원부와 상기 도가니 사이에 위치하는 쉴드부; 상기 도가니의 링 내부를 상하 이동하는 제2 열원부; 및 상기 도가니의 하부에 위치하는 열교환부를 포함하고, 상기 반도체 재료의 용융 후 상기 쉴드부가 제1 열원부를 차단하고 상기 열교환부가 상기 도가니의 온도를 조절하며 상기 용융된 반도체를 수평방향으로 결정성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치를 제공할 수 있다.
상기 제2 열원부는, 상기 용융된 반도체의 수직방향 결정화를 위한 어닐링을 수행하는 것일 수 있다.
상기 도가니는, 상부가 개방된 링형 트렌치를 구비하는 성형받침부재와, 상기 성형받침부재의 트렌치에 착탈 가능하도록 결합되고 상기 반도체재료가 장입되는 성형틀부재를 포함할 수 있다.
상기 도가니는, 석영(quartz)으로 구비되는 것일 수 있다.
상기 제2 열원부는, 상기 도가니 내측면에 대응하는 링형으로 구비되거나, 상기 도가니 내측면과 동일 간격을 갖도록 위치하는 봉형으로 구비되는 것일 수 있다.
상기 고형의 반도체 재료는, 폴리실리콘 칩 또는 화합물 반도체 재료일 수 있다.
또한, 상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 링형의 도가니에 고형의 반도체 재료를 장입하는 단계; 상기 도가니의 외측에 위치한 제1 열원부가 상기 고형의 반도체 재료를 용융시키는 단계; 상기 반도체 재료의 용융 후 상기 제1 열원부와 상기 도가니 사이에 위치하는 쉴드부가 상기 제1 열원부를 차단하는 단계; 및 제2 열원부가 상기 도가니의 링 내부를 상하 이동하고, 상기 도가니의 하부에 위치하는 열교환부와 함께 상기 도가니의 온도를 조절하며 상기 용융된 반도체를 수평방향으로 결정성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 제2 열원부가 상기 도가니의 링 내부를 상하 이동하는 것은, 상기 용융된 반도체의 수직방향 결정화를 위한 어닐링을 수행하는 것일 수 있다.
상기 고형의 반도체 재료는, 폴리실리콘 칩 또는 화합물 반도체 재료인 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법은 교체 가능한 링형의 도가니를 구비함으로써 고형의 반도체 재료를 용융시키고 원하는 두께 및 형상으로 결정화함으로써 단결정 또는 다결정의 반도체 재료의 가공공정 단계와 공정 시간을 단축시킬 수 있으며, 반도체 재료 가공을 최소화함으로써 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 제2 열원부와 열교환부를 구비하여 도가니 내부의 온도구배를 조절하여 수평방향 결정성장과 수직방향 결정성장을 조절하고 용융된 반도체 재료를 결정화함으로써 균열이 발생하지 않도록 결정질 반도체로 제조함으로써 향상된 품질의 대형화 반도체 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 링 제조장치를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치를 나타낸 사시도, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반도체 링 제조장치를 나타낸 단면도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치(10, 10')는 고형의 반도체 재료가 장입된 링형의 도가니(100); 상기 도가니(100)의 외측에 위치하며 상기 고형의 반도체 재료를 용융시키는 제1 열원부(200); 상기 제1 열원부(200)와 상기 도가니(100) 사이에 위치하는 쉴드부(300); 상기 도가니(100)의 링 내부를 상하 이동하는 제2 열원부(400, 400'); 및 상기 도가니(100)의 하부에 위치하는 열교환부(500)를 포함하고, 상기 반도체 재료의 용융 후 상기 쉴드부(300)가 제1 열원부(200)를 차단하고 상기 열교환부(500)가 상기 도가니(100)의 온도를 조절하며 상기 용융된 반도체를 수평방향으로 결정성장 시키는 것일 수 있다.
상세히 설명하면, 링형의 도가니(100)는 상부가 개방되어 고형의 반도체 재료의 장입, 용융 및 결정화가 진행되는 것일 수 있다. 또한, 요구되는 반도체 재료의 크기 또는 두께에 따라 상기 도가니(100)는 교체될 수 있으며 이로 인해 다양한 크기의 반도체 링을 제조할 수 있다. 따라서, 교체 가능한 링형의 도가니를 구비하고, 고형의 반도체 재료를 용융시키고 원하는 두께 및 형상으로 결정화함으로써 단결정 또는 다결정의 반도체 재료의 가공공정 단계와 공정 시간을 단축시킬 수 있으며, 가공을 최소화하여 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
예를 들어, 상기 도가니(100)는 상부가 개방된 링형 트렌치를 구비하는 성형받침부재(110)와, 상기 성형받침부재(110)의 트렌치에 착탈 가능하도록 결합되고 상기 반도체 재료가 장입되는 성형틀부재(130)를 포함할 수 있다. 따라서 제1 열원부(200)에서 발생한 열에 의해 도가니(100)에 손상이 발생하더라도 성형받침부재(110)만 교체할 수 있으므로 공정자재비용이 절감될 수 있으며, 성형받침부재(110)의 트렌치에 착탈 가능하도록 성형틀부재(130)가 결합됨으로써 성형틀부재(130)의 수용공간 형태에 따라 다양한 크기의 반도체 링을 제조할 수 있는 장점이 있다. 상기 도가니(100)는 석영(quartz)으로 구비되는 것일 수 있으며, 성형받침부재와 성형틀부재는 Graphite 혹은 Ceramic 류가 될 수 있다. 나아가서, 도가니(100)는 성형받침부재(110)와 성형틀부재(130)로 지지하며 제2 열원부(400, 400')와 소정의 간격을 유지하도록 하는 도가니 지지부재(150)를 포함할 수 있다.
상기 성형틀부재(130)의 상기 반도체 재료가 장입되는 영역, 즉, 상기 성형틀부재(130)의 수용공간 내측면은 폴리실라잔이 코팅된 것일 수 있다.
예를 들어, 석영으로 구비된 도가니는 실리콘 단결정 수율 저하의 원인이 되는 브라운 몰드 발생을 유도할 수 있으며, 그로 인해 실리콘 결정화를 억제하는 문제가 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해 본발명은 상기 성형틀부재(130)의 수용공간 내측면은 폴리실라잔이 코팅되어 희생층으로써 최내층인 실리카유리막을 형성시킨 것으로, 이로 인해 도가니 표면의 석영으로부터 발생한 크리스토발라이트의 결정핵 발생을 억제할 수 있으며, 크리스토발라이트의 결정핵의 성장을 억제하여 브라운 몰드의 발생을 억제할 수 있다.
즉, 폴리실리콘이 모두 용융되기 전에 최내층인 실리카유리막 표면에 크리스토발라이트의 결정핵이 형성되었다 하더라도, 그 부근에서 결정화가 진행하는 속도보다 실리카유리막의 융해가 더 빠르므로 실리카유리막의 용해 후에 노출되는 석영도가니 내층 표면에서의 크리스토발라이트의 결정핵 생성이 억제될 수 있으며, 실리콘 단결정 인상의 수율 저하의 원인이 되는 브라운 몰드 발생 및 성장 또한 억제할 수 있다. 다시 말하면, 석영도가니 내층 표면에 크리스토발라이트의 결정핵이 형성되기 전에, 크리스토발라이트의 결정핵이 형성되어버린 도가니 최내층(실리카유리막)을 용손시키면, 브라운 몰드 발생 기점이 없어질 수 있다.
따라서, 성형틀부재(130)는 실리콘 결정화 전에 실리콘 용융액에 접촉하고 있는 성형틀부재(130)의 표면의 용해 속도를 크게 하는 관점에서 최내층을 두께 0.02~0.2 mm의 폴리실라잔 코팅에 의한 실리카유리막으로 구비할 수 있다.
폴리실라잔은 -(SiH2NH)-를 기본 유닛으로 하는 유기 용제에 용해 가능한 무기 고분자 화합물이며 일반적으로 모든 곁사슬이 수소인 파 하이드로폴리실라잔이 이용된다. 상기 폴리실라잔은 대기 중 또는 수증기 함유 분위기 하에서 가열함으로써, 수분이나 산소와 반응하고 치밀한 실리카유리막을 생성할 수 있는데, 이로 인해 실리카 코팅재로서 이용되고 있다. 상기 폴리실라잔 코팅은 폴리실라잔을 유기 용제에 용해시킨 용액을 도포한 후, 산화 분위기 중에서 200~400℃로 열처리함으로써 수행하여 치밀한 실리카유리막을 형성할 수 있다. 나아가서, 폴리실라잔은 가수분해되기 쉬우므로 용액 조제에는 크실렌 등의 소수성 용제를 이용할 수 있다. 이러한 방법에 의하면 실리콘 용융액에 용해하기 쉽고 석영 도가니에 치밀한 최내층을 간편하게 형성할 수 있다. 또한, 상기와 같이 형성된 실리카유리막은 알칼리금속 등의 실리콘 단결정에 대한 불순물 원소 등을 포함하지 않으므로 실리콘 용융액 중에 용해해도, 실리콘 단결정에 대해서 순도 저하 등의 악영향을 미치지 않는다.
상기 폴리실라잔 코팅에 의한 실리카유리막으로 구성되는 최내층의 두께는 0.02~0.2 mm일 수 있다. 상기 두께가 0.02 mm미만일 경우, 너무 얇아서, 성형틀부재(130) 내의 폴리실리콘이 완전하게 융해하기 전에 최내층(실리카유리막)이 용해되어, 최내층에 의한 크리스토발라이트의 결정핵 형성의 저해 효과를 얻을 수 없다. 상기 두께가 0.2 mm를 초과할 경우, 폴리실리콘이 모두 용융된 후에도 최내층(실리카유리막)이 잔존하기 때문에, 최내층의 융해가 계속됨으로써, 실리콘 단결정의 산소 농도로 영향을 미칠 수 있다. 또한, 실리카유리막은 점성이 낮으므로 성형틀부재(130) 내 표면에 폴리실리콘이 닿아서 형성된 캐비티 내에 Ar이 들어가, 실리콘 용융액과의 접촉 초기에 녹지 못하고 남은 최내층에 잔존할 수 있으며, 상기 캐비티를 기점으로서 기포가 발생해 실리콘 단결정의 에어 포켓 발생을 초래할 수 있다.
도가니(100)의 외측에 위치하며 상기 고형의 반도체 재료를 용융시키는 제1 열원부(200)는 고주파 유도코일 또는 흑연히터를 포함하여 도가니(100) 내부에 장입된 고형의 반도체 재료를 용융시킬 수 있다. 이때, 예를들어 상기 고형의 반도체 재료는 폴리실리콘 칩 또는 화합물 반도체 재료일 수 있으며, 폴리실리콘 칩의 경우 기제작된 폴리실리콘을 칩(chip) 형태로 형성한 것이거나 폴리실리콘 제조 시 생산된 부산물을 이용할 수 있고, 화합물 반도체 재료의 경우 세라믹과 같은 물질을 이용할 수 있으며, 상기 고형의 반도체 재료는 이에 한정된 것은 아니다.
상기 도가니(100)의 링 내부를 상하 이동하는 제2 열원부(400, 400')는 용융된 반도체의 수직방향 결정화를 위한 어닐링을 수행하는 것일 수 있다. 예로써 상기 제2 열원부(400, 400')는 본발명의 실시예인 도1과 같이 상기 도가니(10) 내측면과 동일 간격을 갖는 봉형(400)으로 구비되거나, 본 발명의 다른 실시예인 도2와 같이 상기 도가니(100) 내측면에 대응하는 링형(400')으로 구비되는 것일 수 있다. 나아가서 상기 제2 열원부(400, 400')는 상하이동 시 진동을 방지하여 반도체 재료의 결정성장에 영향을 최소화할 수 있도록 Aux heater의 형태로 구비될 수 있다.
상기 제1 열원부(200)와 상기 도가니(100) 사이에 위치하는 쉴드부(300)는 상기 제1 열원부(200)로부터 제공되는 열을 차단하여 도가니(100) 내부의 용융된 반도체 재료의 온도를 상기 열교환부(500) 및 상기 제2 열원부(400)와 함께 조절할 수 있다. 예로써 상기 쉴드부(300)는 탄소섬유 또는 고온에 사용가능한 단열재 등에서 선택되어 구비될 수 있으며, 도가니(100) 내부의 용융된 반도체 재료의 온도 상태에 따라 쉴드부(300)는 위치가 변경되거나 일부 이탈될 수 있도록 설치에 변동성을 가질 수 있다. 상기 열교환부(500)의 열교환 매질은 헬륨가스 또는 냉각수일 수 있다.
용융된 반도체 재료(610)의 결정 성장속도는 온도의 변화를 유발시킬 수 있으며, 고상으로 결정화(630) 시 바람직한 결정 계면을 위해 온도에 대한 급격한 시간변화율을 가지지 않도록 하여야 한다. 따라서 실제 결정화 속도는 성장 중인 결정의 응고 계면 상하의 온도 상황에 종속되므로 용융된 반도체 재료, 즉 반도체 용탕 상부의 응고 구동력과 반도체 용탕의 온도 분포는 결정화 속도를 제어와 밀접한 관련이 있다고 할 수 있다. 따라서 용융된 반도체 재료의 결정화 속도 제어를 위한 적정 온도분포를 위하여 용융된 반도체의 수직방향 결정화는 제2 열원부(400, 400')와 쉴드부(500)를 구비함으로써 이루어질 수 있으며, 수평방향 결정화는 열교환부(500)가 상기 도가니(100) 하부의 온도를 조절함으로써 이루어질 수 있다.
Ks (dT / dx )s - KI (dT / dx ) l = LV / A ---- (식1)
Ks : 실리콘 단결정의 열전도도,
Kl : 용융된 실리콘(실리콘 용탕)의 열전도도,
(dT / dx )s : 실리콘 단결정의 축방향 온도 기울기
(dT / dx ) l : 실리콘 용탕의 축방향 온도 기울기
L : 응고 잠열
V: 인상 속도
A: 응고 계면의 면적
상기의 식(1)과 같이 실제 결정화 속도는 결정화되는 실리콘 단결정의 축방향 온도 기울기와 용융된 실리콘의 실리콘 용탕의 축방향 온도 기울기로 결정된다고 할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치(10, 10')는 도우넛 모양의 도가니(100)의 성형틀부재(130)에 고형의 실리콘 재료를 장입 후 제1 열원부(200)를 이용하여 실리콘 재료를 용융시킨 후 다결정 잉곳 성장법처럼 열교환부(500)를 이용하여 결정질의 반도체 재료를 생산하는 제조장치라 할 수 있으며, 쉴드부(300)는 용융된 반도체 재료의 온도상태 또는 결정화 속도에 따라 설치에 변동성을 가지되 링형상의 도가니(100) 내측을 제2 열원부(400, 400')가 승하강하여 크랙 발생을 방지하며 수직방향 결정화를 위한 어닐링을 수행하고, 도가니(100) 하부에 구비된 열교환부(500)로 열 교환을 수행함으로써 제2 열원부(400, 400')와 함께 수평방향의 결정성장을 진행할 수 있다.
따라서 쉴드부(300)와 제2 열원부(400, 400') 및 열교환부(500)를 구비하여 도가니(100) 내부의 온도구배를 조절하여 수평방향 결정성장과 수직방향 결정성장을 조절하고 용융된 반도체 재료를 결정화할 수 있으며, 균열이 발생하지 않도록 결정질 반도체 재료로 제조함으로써 향상된 품질의 대형화 반도체 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조방법은 먼저 링형의 도가니(100)에 고형의 반도체 재료를 장입할 수 있다(S110). 예를 들어 상기 고형의 반도체 재료는 폴리실리콘 칩 또는 화합물 반도체 재료일 수 있으며, 폴리실리콘 칩의 경우 기제작된 폴리실리콘을 칩형태로 형성하거나, 폴리실리콘 제조 시 생산된 부산물을 이용하여 장입할 수 있고, 화합물 반도체 재료의 경우 세라믹과 같은 물질을 장입할 수 있으며, 상기 고형의 반도체 재료는 이에 한정된 것은 아니다.
링형의 도가니(100)는 상부가 개방됨으로써 고형의 반도체 재료는 상부로부터 장입될 수 있다. 또한, 요구되는 반도체 재료의 크기 또는 두께에 따라 상기 도가니(100)는 교체될 수 있으며 이로 인해 다양한 크기의 반도체 링을 제조할 수 있다. 따라서, 교체 가능한 링형의 도가니(100)를 이용하여 고형의 반도체 재료를 용융시키고 원하는 두께 및 형상으로 결정화할 수 있으므로, 단결정 또는 다결정의 반도체 가공공정 단계와 공정 시간을 단축시킬 수 있으며, 종래의 방법에 비해 가공과정이 감소되어 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
예를 들어, 상기 도가니(100)는 상부가 개방된 링형 트렌치를 구비하는 성형받침부재(110)와, 상기 성형받침부재(110)의 트렌치에 착탈 가능하도록 결합되고 상기 반도체칩이 장입되는 성형틀부재(130)를 포함할 수 있다. 따라서 제1 열원부(200)에서 발생한 열에 의해 도가니(100)가 손상이 발생하더라도 성형받침부재(110)만 교체할 수 있으므로 공정비용이 절감될 수 있으며, 성형받침부재(110)의 트렌치에 착탈 가능하도록 성형틀부재(130)가 결합됨으로써 성형틀부재(130)의 수용공간 형태에 따라 다양한 크기의 반도체 링을 제조할 수 있는 장점이 있다. 상기 도가니(100)는 석영(quarts)으로 형성된 것일 수 있으며, 성형받침부재(110)와 성형틀부재(130) 모두 석영으로 형성된 것일 수 있다.
다음으로 상기 도가니(100)의 외측에 위치한 제1 열원부(200)가 상기 고형의 반도체 재료를 용융시킬 수 있다(S120). 예로써, 제1 열원부(200)는 고주파 유도코일 또는 흑연히터를 포함하여 구비될 수 있으며, 제1 열원부(200)에서 발생한 열로 인해 도가니(100) 내부에 장입된 고형의 반도체 재료는 용융될 수 있다.
그리고, 상기 반도체 재료의 용융 후 제2 열원부(400, 400')와 열교환부(500)가 작동할 수 있다(S140).
이 경우 먼저, 상기 제1 열원부(200)와 상기 도가니(100) 사이에 위치하는 쉴드부(300)가 상기 제1 열원부(200)를 차단할 수 있다(S130). 즉, 쉴드부(300)는 상기 제1 열원부(200)로부터 제공되는 열을 차단할 수 있으며, 도가니(100) 내부의 용융된 반도체 재료(610)의 온도를 상기 열교환부(500) 및 상기 제2 열원부(400)와 함께 조절할 수 있다. 예로써 상기 쉴드부(300)는 탄소섬유, 유리섬유 또는 고온에 사용가능한 단열재 등에서 선택되어 구비될 수 있으며, 도가니(100) 내부의 용융된 반도체 재료의 온도 상태 또는 결정성장 속도에 따라 쉴드부(300)는 위치가 변경되거나 일부 이탈될 수 있도록 설치에 있어서 변동성을 가질 수 있다. 상기 열교환부(500)의 열교환 매질은 헬륨가스 또는 냉각수일 수 있다.
상기 제2 열원부(400, 400')는 본발명의 실시예인 도1과 같이 상기 도가니(100) 내측면과 동일 간격을 갖는 봉형(400)으로 구비되거나, 본 발명의 다른 실시예인 도2와 같이 상기 도가니(100) 내측면에 대응하는 링형(400')으로 구비되는 것일 수 있다. 나아가서 상기 제2 열원부(400, 400')는 상하이동 시 진동을 최소화하여 반도체 재료의 결정화에 영향을 주지 않도록 Aux heater의 형태로 구비될 수 있다.
다음으로, 용융된 반도체는 결정화가 진행될 수 있다(S150). 상기 결정화가 진행되는 것은 제2 열원부(400, 400')가 상기 도가니(100)의 링 내부를 상하 이동하고, 상기 도가니(100)의 하부에 위치하는 열교환부(500)와 제2 열원부(400, 400')가 함께 상기 도가니(100)의 하부 온도를 조절하며 상기 용융된 반도체를 수평방향으로 결정성장시키는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 제2 열원부(400, 400')가 상기 도가니(100)의 링 내부를 상하 이동하는 것은, 상기 용융된 반도체의 수직방향 결정화를 위한 어닐링을 수행하는 것일 수 있다.
용융된 반도체 재료(610)의 결정화(630) 속도 제어를 위한 적정 온도분포를 위하여 용융된 반도체의 수직방향 결정화는 제2 열원부(400, 400')와 쉴드부(300)를 구비함으로써 이루어질 수 있으며, 수평방향 결정화는 열교환부(500)가 제2 열원부(400, 400')와 함께 상기 도가니(100) 하부의 온도를 조절함으로써 이루어질 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치(10, 10')는 도우넛 모양의 도가니(100)의 성형틀 부재(130)에 고형의 실리콘 재료를 장입 후 제1 열원부(200)를 이용하여 실리콘 재료를 용융시킨 후 다결정 잉곳 성장법처럼 열교환부(500)를 이용하여 결정질의 반도체 재료를 생산하는 제조장치라 할 수 있다, 그리고 그와 함께 쉴드부(300)는 용융된 반도체 재료(610)의 온도상태에 따라 설치에 변동성을 가지고, 링형상의 도가니(100) 내측을 제2 열원부(400, 400')는 승하강하여 크랙 발생을 방지하면서 수직방향 결정화를 위한 어닐링을 수행하고, 도가니(100) 하부에 구비된 열교환부(500)로 열 교환을 수행함으로써 제2 열원부(400, 400')와 함께 수평방향의 결정성장을 진행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치(10, 10') 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법은 교체 가능한 링형의 도가니(100)를 구비함으로써 고형의 반도체 재료를 용융시키고 원하는 두께 및 형상으로 결정화함으로써 단결정 또는 다결정의 반도체 재료의 가공공정 단계와 공정 시간을 단축시킬 수 있으며, 반도체 재료 가공을 최소화함으로써 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 제2 열원부(400, 400')와 열교환부(500)를 구비하여 도가니(100) 내부의 온도구배를 조절하여 수평방향 결정성장과 수직방향 결정성장을 조절하고 용융된 반도체 재료를 결정화함으로써 균열이 발생하지 않도록 결정질 반도체로 제조함으로써 향상된 품질의 대형화 반도체 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 10'; 반도체 링 제조장치
100; 도가니
110; 성형받침부재
130; 성형틀부재
200; 제1 열원부
300; 쉴드부
400, 400'; 제2 열원부
500; 열교환부
610; 용융된 반도체 재료
630; 결정화된 반도체 재료

Claims (9)

  1. 고형의 반도체 재료가 장입된 링형의 도가니;
    상기 도가니의 외측에 위치하며 상기 고형의 반도체 재료를 용융시키는 제1 열원부;
    상기 제1 열원부와 상기 도가니 사이에 위치하는 쉴드부;
    상기 도가니의 링 내부를 상하 이동하는 제2 열원부; 및
    상기 도가니의 하부에 위치하는 열교환부를 포함하고,
    상기 반도체 재료의 용융 후 상기 쉴드부가 상기 제1 열원부를 차단하고 상기 열교환부가 상기 도가니의 온도를 조절하며 상기 용융된 반도체를 수평방향으로 결정성장시키는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 열원부는, 상기 용융된 반도체의 수직방향 결정화를 위한 어닐링을 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니는, 상부가 개방된 링형 트렌치를 구비하는 성형받침부재와, 상기 성형받침부재의 트렌치에 착탈 가능하도록 결합되고 상기 반도체 재료가 장입되는 성형틀부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니는, 석영(quartz)으로 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 열원부는, 상기 도가니 내측면에 대응하는 링형으로 구비되거나, 상기 도가니 내측면과 동일 간격을 갖도록 위치하는 봉형으로 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고형의 반도체 재료는, 폴리실리콘 칩 또는 화합물 반도체 재료인 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치.
  7. 링형의 도가니에 고형의 반도체 재료를 장입하는 단계;
    상기 도가니의 외측에 위치한 제1 열원부가 상기 고형의 반도체 재료를 용융시키는 단계;
    상기 반도체 재료의 용융 후 상기 제1 열원부와 상기 도가니 사이에 위치하는 쉴드부가 상기 제1 열원부를 차단하는 단계; 및
    제2 열원부가 상기 도가니의 링 내부를 상하 이동하고, 상기 도가니의 하부에 위치하는 열교환부와 함께 상기 도가니의 온도를 조절하며 상기 용융된 반도체를 수평방향으로 결정성장시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 열원부가 상기 도가니의 링 내부를 상하 이동하는 것은, 상기 용융된 반도체의 수직방향 결정화를 위한 어닐링을 수행하는 것인 반도체 링 제조방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 고형의 반도체 재료는, 폴리실리콘 칩 또는 화합물 반도체 재료인 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조방법.


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