KR20220049808A - 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치 - Google Patents

상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 챔버, 톱링, 하단링, 상단 튜브 및 수냉관을 구비하는 실리콘 단결정 성장 장치에 관한 것으로, 상기 챔버의 안쪽과 상기 상단 튜브 사이에 설치되며, 상기 챔버쪽으로 소정 크기의 빈 공간을 형성하도록 상기 상단 튜브와 인접하게 설치되는 상단 튜브 단열재; 상기 상단 튜브 단열재 하부에 형성하며, 상기 챔버의 안쪽 하부와 상기 상단 튜브의 하부 사이에 빈공간 없이 밀접하게 설치되는 하단 링 단열재를 포함한다. 이러한 본 발명의 실시예에서는 실리콘 단결정 성장 장치의 상부 핫존에서 단열재 구조를 변화시켜 상부 열을 효과적으로 챔버 쪽으로 배출하여 수냉관 자킷 효율을 높일 수 있다.

Description

상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치{Silicon single crystal growth device with easy upper heat discharge}
본 발명은 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치에 관한 것으로, 특히 실리콘 단결정 성장 장치의 상부 핫존에서 단열재 구조를 변화시켜 상부 열을 효과적으로 챔버 쪽으로 배출하여 수냉관 자킷 효율을 높이는 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 단결정 실리콘은 초크랄스키(CZ)법에 의해 제조되며, 제조장치는 챔버내에 단열재, 그라파이트 재질의 히터, 열차단 반사경, 도가니, 수냉자켓 등으로 구성되어 있다.
단결정 실리콘은 액상에서 단결정으로 성장되면서 결정이 서서히 냉각하게 되며, 냉각시의 온도에 의해 결정내부의 결함들이 성장하게 된다.
한편, 기존에 사용하는 핫존(Hot Zone) 구조물은 반도체용 잉곳 성장시 발생하는 결함들을 제어하기 위하여 구성 되어 있다.
이 결정 결함들은 일반적으로 성장 속도가 대략 0.45 mm/min 이상에서는 실리콘 격자 베이컨시(Vacancy)가 우세한 영역이 발생한다.
이 영역중 결정성장 과정에서 베이컨시 농도가 임계치 이상의 과포화된 영역에서 응집 되어 대략 잉곳 응고점 1200도 이하에서 COP(Crystal Originated Particle) 핵생성 및 성장하는 결정경함 영역이 생성된다(V-rich 영역).
또한, 베이컨시 농도가 임계치 이하에서는 COP가 존재하지 않는 즉, 베이컨시만 존재하는 영역이 생성 된다(Pi 영역).
일반적으로 위의 V-rich 영역과 Pi 영역 경계 영역에서 산화유도된 적층 결함(OISF)이 발생한다.
OISF는 잉곳 성장 과정에서 잉곳 응고점 900도시 근처에서 핵이 생성 되는 것으로 보고되고 있다.
반대로 잉곳 성장속도 0.45 mm/min 이하에서는 실리콘 인터스티셜(Silicon Intersticial)이 영역이 존재한다.
이 또한 임계치 이상 과포화 된 영역에서는 이들이 응집(agglomerated)되어 고유점 결함(intrinsic Point Defect) 을 형성하는데, 일반적으로 이영역을 인터네셔널 리치(Interaticial Rich, I-rich)라 한다.
그리고 대략 잉곳 응고점 온도 1420 ~ 1300도에서 발생하며, 임계치 이하 영역에서는 실리콘 인터스티셜(silicon interstitial)이 응집되지 못하고 내부에 존재하는 영역이 있는데, 이영역을 일반적으로 Pi 영역이라고 부르고 있다.
이와 같이 잉곳 성장중 성장된 잉곳 축방향 온도 구배가 결정결함을 제어하는데 중요한 역할을 하고, 이를 제어하기 위해 핫존구조물을 변경시켜 잉곳 축방향 온도 구배를 제어하고 있는데, 일반적으로 잉곳 응고점 온도 1420 ~ 1200도 영역에서는 슬로우 쿨링을 하고 있고, 1200도 이하온도에서는 잉곳이 빨리 식히는 구조로 디자인하고 있다. 직접회로 제조에 있어서는 상기 서술한 결정 결함이 없는Pi 와 Pv 영역으로 구성된 잉곳을 성장 시켜 사용하고 있다.
도 1 또는 도 2를 참조하면, 실리콘 단결정 성장로의 챔버(110) 내부는 그라파이트, 단열재, 수냉관 자킷 및 실리콘 용액을 담는 궤츠 도가니로 구성 되어 있다.
실리콘 용액을 담는 퀘츠도가니(190)는 1420도 이상의 실리콘 용액을 담는 그릇으로 고온에서 변형 방지목적으로 그라파이트로 된 흑연도가니(180)로 감싸고 있다.
결정 성장중에는 실리콘(Si)과 궤츠 크루시블(SiO2)이 반응하여 실리콘 모노옥사이드(SiO)가 발생하는데, 이를 제거하기 위해 결정성장 중에 불활성 개스인 아르곤(Ar)을 플로우시켜 준다.
그라파이트는 챔버(110, 써스), 톱 링(120, 그래피이트), 반사경(130, 그래피이트), 상단 튜브(140, 그래피이트), 하단 링(150, 그래피이트), 히터(160, 그래피이트), 열 차폐(170), 흑연 도가니(180)로 구성 되고 있고, 각각의 명칭은 사용 용도에 따라 부르고 있다.
발열체인 히터(160)는 폴리 실리콘을 녹이고, 결정성장시에는 잉곳직경 제어를 위한 온도 조절목적으로 사용하고, 그밖에 챔버(110), 톱 링(120, 그래피이트), 반사경(13,그래피이트), 상단 튜브(140, 그래피이트), 하단 링(150, 그래피이트), 히터(160, 그래피이트), 열 차폐(170, 그래파이트), 흑연 도가니(180)는 크게 두가지 목적으로 사용한다.
첫번째는 상부 구조물인 반사경(130) 및 상부링(b)을 지지하기 위한 뼈대역할을 하고, 두번째로는 결정성장 중에 발생하는 실리콘 모노옥사이드(SiO) 개스에 의해 쉽게 산화 되는 단열재를 보호하기 위해 사용하고 있다.
단열재는 상단 단열재(210)와 측면 단열재(200)가 존재하고, 주요 역할은 챔버(110)내 열을 보호할 목적으로 사용한다.
히터(160) 옆에 있는 단열재인 측면 단열재(200)는 히터(160)로 부터 오는 열을 보호하고, 챔버(110)가 뜨거워 지는 것을 방지한다
동일하게 상부에 사용하는 단열재인 상부 단열재(210) 또한 상부 열방출을 줄여, 단결성 성장시 들어가는 파워(Power)를 낮춰 주는 역할을 하고 있다.
수냉관 자켓(220)은 써스 재질로 되어 있고 내부에는 물이 흐르는 구조로 되어 있어, 단결정 성장시 잉곳을 식혀주는 역할을 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실리콘 단결정 성장 장치의 상부 핫존에서 단열재 구조를 변화시켜 상부 열을 효과적으로 챔버 쪽으로 배출하여 수냉관 자킷 효율을 높이는 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수냉관 자킷을 사용하여 잉곳 축방향 온도 구배를 제어하는데 있어, 수냉관 자킷의 냉각 효과를 높여 잉곳 응고점 온도 1200도 이하에서 패스트 쿨링(Fast Cooling) 될 수 있는 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치를 제공하는 것이다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치는,
챔버, 톱링, 하단링, 상단 튜브 및 수냉관을 구비하는 실리콘 단결정 성장 장치로서,
상기 챔버의 안쪽과 상기 상단 튜브 사이에 설치되며, 상기 챔버쪽으로 소정 크기의 빈 공간을 형성하도록 상기 상단 튜브와 인접하게 설치되는 상단 튜브 단열재;
상기 상단 튜브 단열재 하부에 형성하며, 상기 챔버의 안쪽 하부와 상기 상단 튜브의 하부 사이에 빈공간 없이 밀접하게 설치되는 하단 링 단열재를 포함한다.
상기 상단 튜브 단열재는 두께가 30mm ~ 100mm이다.
상기 하단 링 단열재의 높이는 50mm ~ 200mm이다.
상기 수냉관에 공급하는 물 온도는 섭씨 12~ 20도이다.
상기 상단 튜브 단열재 및 하단 링 단열재는 일체형으로 형성된다.
이러한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치는,
챔버, 톱링, 하단링 및 상단 튜브를 구비하는 실리콘 단결정 성장 장치로서,
상기 챔버의 안쪽과 상기 상단 튜브 사이에 상단 단열재가 설치되며,
상기 챔버 내벽에 빈공간을 갖도록 상단 단열재가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 수냉관에 공급하는 물 온도는 섭씨 12~ 20도이고, 상기 상단 튜브 단열재 및 하단 링 단열재는 일체형으로 형성된다.
본 발명의 실시예에서는 실리콘 단결정 성장 장치의 상부 핫존에서 단열재 구조를 변화시켜 상부 열을 효과적으로 챔버 쪽으로 배출하여 수냉관 자킷 효율을 높이는 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 수냉관 자킷을 사용하여 잉곳 축방향 온도 구배를 제어하는데 있어, 수냉관 자킷의 냉각 효과를 높여 잉곳 응고점 온도 1200도 이하에서 패스트 쿨링(Fast Cooling) 될 수 있는 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 실리콘 단결정 성장 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 한쪽 부분을 나타낸 도면이다.
도 3은 상부 단열재를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치의 일측 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 사용되는 상단 튜브 단열재 및 하단 링 단열재를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치와 종래의 장치의 열흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치와 종래의 장치의 결정 성장시 풀링 스피드를 비교한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치의 일측 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4에서 사용되는 상단 튜브 단열재 및 하단 링 단열재를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치와 종래의 장치의 열흐름을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치와 종래의 장치의 결정 성장시 풀링 스피드를 비교한 도면이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치는,
챔버(110), 톱링(120), 하단링(150), 상단 튜브(140) 및 수냉관(220)을 구비하는 실리콘 단결정 성장 장치로서,
상기 챔버(110)의 안쪽과 상기 상단 튜브(140) 사이에 설치되며, 상기 챔버(110)쪽으로 소정 크기의 빈 공간을 형성하도록 상기 상단 튜브(140)와 인접하게 설치되는 상단 튜브 단열재(212);
상기 상단 튜브 단열재(212) 하부에 형성하며, 상기 챔버(110)의 안쪽 하부와 상기 상단 튜브(140)의 하부 사이에 빈공간 없이 밀접하게 설치되는 하단 링 단열재(211)를 포함한다.
상기 상단 튜브 단열재(212)는 두께가 30mm ~ 100mm이다.
상기 하단 링 단열재(211)의 높이는 50mm ~ 200mm이다.
상기 수냉관(220)에 공급하는 물 온도는 섭씨 12~ 20도이다.
상기 상단 튜브 단열재(212) 및 하단 링 단열재(211)는 일체형으로 형성된다.
이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치를 상세히 설명하면 다음과 같다.
종래의 상부 단열재(210)는 실린더 모양의 그라파이트로 된 상부 튜브(140) 안쪽을 모두 채워주는 디자인으로 되어 있어 상부 및 챔버(110)로 방출 되는 열을 막아 주는 구조로 되어 있었다.
이와는 달리 본 발명의 실시예에서는 잉곳 축방향 온도 구배를 제어하기 위해 도 4와 같이 핫존 디자인을 변경하였다.
도 4 또는 도 5를 참조하면, 단열이 상단 튜브 단열재(212) 및 하단 링 단열재(211)의 두 파트로 분리 제작되고, 상부 튜브 안쪽 중 챔버(110) 쪽 공간을 빈 공간으로 만들어 열 방출이 용이하다.
세부 디자인을 보면, 기존 상부 단열재(210) 높이 h을 기준으로 하여, 상단 튜브 단열재(212)는 높이 h2를 100mm로 하여 같은 넓이로 제작하였고, 하단 링 단열재(211)는 높이 h1를 (h-h2) 기준으로 하여 두께 t를 50mm로 제작하였다.
상단 튜브 단열재(212)는 히터로 부터 오는 열을 막기 위한 단열재로 너무 얇으면 오히려 상부 튜브 안쪽온도를 높여주어 열손실이 많아지고, 하단 링 단열재(211) 두께 t는 너무 두꺼워지면 챔버(110) 쪽으로 방출시키려는 열을 차단하여 효과를 줄어들 수 있으므로 적정 두께를 유지하는 것이 바람직하다.
도 6은 개선 전후의 핫존 및 열흐름을 나타낸 것으로서, 상부 열흐름을 보면 개선 전 종래의 핫존은 히터(160) 상부 쪽은 단열재(210)로 모두 채워져 있기 때문에 외부로 열이 최대한 적게 나가는 구조이다. 따라서 종래의 장치는 단열 효과가 증가하고, 결정 성장 중 파워를 낮추는 역할을 한다.
그러나, 종래의 장치의 전체적인 열흐름을 보면 반사경 안쪽으로 열흐름이 발생하여, 잉곳 성장 중 잉곳을 식히는데 방해 요소로 작용한다. 즉, 수냉관(220) 자킷의 효율이 떨어져 잉곳 성장 속도가 느려지고, 잉곳 응고점 온도제어(1200도 ~ 900도 Fast Cooling)가 어렵게 된다.
이와는 달리 본 발명의 실시예는 도 6의 개선 후 핫존의 열흐름으로, 히터(160) 상부 쪽은 상단 튜브 단열재(212) 및 하단 링 단열재(211)로 단열을 하고 챔버(110) 쪽 공간은 빈공간으로 만든 구조로서, 개선 전 핫존보다는 상대적으로 단열 효과는 떨어진다.
따라서 이러한 본 발명의 구조는 결정성장시 파워는 상승하지만, 기존 보다 두께가 얇은 상단 튜브 단열재(212)쪽으로 일부 열흐름이 발생하여, 반사경 안쪽 온도를 보다 효과 적으로 낮춰 수냉관(220) 자킷의 효율을 높여줄 수 있다.
상기 과정에서 기술한 발명 효과를 확인하기 위하여, 개선 전후 핫존을 제작하여 단결정을 성장 시켰다.
근본적으로 수냉관(220) 자킷 효율을 높이는 방법에 있어서 기존에 사용하는 물 온도(21~ 24도)를 보다 낮은 15도로 낮춰 공급하면 상대적으로 효과가 크지만, 비용이 상승되므로 본 실험에서는 적용하지 않았다.
단결정 성장은 패스트 풀링(Fast Pulling) 성장 방법을 적용하였고, 앞에서 언급한 결정 결함 영역은 모두 V-Rich 영역으로 되어 있다.
일반적으로 수냉관(220) 자킷 효율이 높아지면 상대적으로 풀 스피드(Pull Speed)가 상승하고, 결정결함인 COP 크기는 작아지고, COP 밀도는 높아져, Epi 성장하는데 유리한 점으로 작용하고 있다.
도 7은 개선 전 후 핫존을 사용하여 결정성장시 잉곳 변형이 일어나지 않는 최대 풀 스피트(Pull Speed)로 잉곳을 성장 시킨 그래프로서, 핫존 변경 전후 평균 풀스피드는 변경전 0.98mm/min 으로 성장 되었고, 변경후는 1.25mm/min 으로 잉곳 변형 없이 성장 시킬 수 있었다. 이때, 사용한 평균 파워(Power)는 변경 후 핫존이 변경전 핫존 보다 대략 5kw 상승하였다.
결론적으로 핫존 변경 전후 잉곳 변형 없이 최대 풀스피드로 성장 시킨 결과 파워(Power)는 5kw 상승 했지만, 평균 풀스피드가 0.27mm/min 상승한 것으로 보아, 본 발명의 실시예의 핫존 구성이 변경전 핫존 보다 상부 열 배출이 보다 용이하고, 반사경 안쪽 온도를 낮춰주어 수냉관 자킷 효율을 증대시켰다.
이상의 본 발명의 실시예에서는 실리콘 단결정 성장 장치의 상부 핫존에서 단열재 구조를 변화시켜 상부 열을 효과적으로 챔버 쪽으로 배출하여 수냉관 자킷 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 수냉관 자킷을 사용하여 잉곳 축방향 온도 구배를 제어하는데 있어, 수냉관 자킷의 냉각 효과를 높여 잉곳 응고점 온도 1200도 이하에서 패스트 쿨링(Fast Cooling)이 될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

  1. 챔버, 톱링, 하단링, 상단 튜브 및 수냉관을 구비하는 실리콘 단결정 성장 장치로서,
    상기 챔버의 안쪽과 상기 상단 튜브 사이에 설치되며, 상기 챔버쪽으로 소정 크기의 빈 공간을 형성하도록 상기 상단 튜브와 인접하게 설치되는 상단 튜브 단열재;
    상기 상단 튜브 단열재 하부에 형성하며, 상기 챔버의 안쪽 하부와 상기 상단 튜브의 하부 사이에 빈공간 없이 밀접하게 설치되는 하단 링 단열재를 포함하는 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상단 튜브 단열재는 두께가 30mm ~ 100mm인 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하단 링 단열재의 높이는 50mm ~ 200mm인 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수냉관에 공급하는 물 온도는 섭씨 12~ 20도인 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상단 튜브 단열재 및 하단 링 단열재는 일체형으로 형성된다.
  6. 챔버, 톱링, 하단링 및 상단 튜브를 구비하는 실리콘 단결정 성장 장치로서,
    상기 챔버의 안쪽과 상기 상단 튜브 사이에 상단 단열재가 설치되며,
    상기 챔버 내벽에 빈공간을 갖도록 상단 단열재가 형성되는 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 수냉관에 공급하는 물 온도는 섭씨 12~ 20도이고, 상기 상단 튜브 단열재 및 하단 링 단열재는 분리형으로 형성되는 상부열 배출이 용이한 실리콘 단결정 성장 장치.


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