KR20230106211A - 단결정 제조장치 - Google Patents

단결정 제조장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20230106211A
KR20230106211A KR1020220001756A KR20220001756A KR20230106211A KR 20230106211 A KR20230106211 A KR 20230106211A KR 1020220001756 A KR1020220001756 A KR 1020220001756A KR 20220001756 A KR20220001756 A KR 20220001756A KR 20230106211 A KR20230106211 A KR 20230106211A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
crucible
single crystal
molten metal
manufacturing apparatus
heating
Prior art date
Application number
KR1020220001756A
Other languages
English (en)
Inventor
김강산
Original Assignee
(주)금강쿼츠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)금강쿼츠 filed Critical (주)금강쿼츠
Priority to KR1020220001756A priority Critical patent/KR20230106211A/ko
Publication of KR20230106211A publication Critical patent/KR20230106211A/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B15/00—Drawing glass upwardly from the melt
    • C03B15/14—Drawing tubes, cylinders, or rods from the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/30—Mechanisms for rotating or moving either the melt or the crystal

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

본 발명은 인상법에 따른 단결정 성장 장치에 있어서, 용탕 표면에 부유하는 불순물이 단결정 성장에 방해되지 않도록 유도하고 이를 효과적으로 제거할 수 있는 단결정 성장 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 내부에 원료 용탕을 수용하는 도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터, 상기 도가니의 용탕 상면으로부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하고, 상기 히터는 상기 도가니의 측면 및 밑면을 동시에 가열하고, 상기 도가니 밑면의 온도를 상기 도가니 측면의 온도보다 더 높게 유지하는 단결정 제조장치를 제공할 수 있다.

Description

단결정 제조장치{SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING APPARATUS}
본 발명은 인상법에 따른 단결정 제조장치에 관한 것으로, 용탕 표면에 부유하는 불순물 입자가 단결정 성장에 방해되지 않도록 유도하고 이를 효과적으로 제거할 수 있는 단결정 제조장치에 관한 것이다.
단결정을 제조하는 방법으로 원료를 용해한 용융물로부터 단결정을 성장시키는 방법이 많이 활용되고 있다. 이러한 단결정 성장 방법은 인상법(초코랄스키법, EFG법, Bridgeman법)과 플로팅 존법으로 구분된다.
이중 인상법은 원료를 수용한 도가니를 가열하여 용융시키고 용탕의 상면에서 시드(seed) 결정을 접촉시켜 서서히 인상하여 단결정을 성장하는 방법이다. 주로 반도체용 실리콘, 사파이어, 갈륨 산화물 등의 단결정 성장에 사용된다.
이러한 인상법에서 성장 중에 도가니 내의 용탕 관리는 매우 중요한데, 특히 용탕의 표면에서 불순물 입자가 부유할 수 있고 이러한 부유하는 불순물 입자는 단결정의 품질 문제를 일으킬 수 있기 때문에 제어가 필요하다.
종래에는 이러한 불순물 입자를 용탕 표면에서 제거하기 위해 퍼지 튜브법에 의해 계면으로부터 날려버리거나 불순물 입자 제거 장치를 도가니 위에 배치하였다. 또는, 불순물 입자가 결정으로 혼입되는 것을 방지하기 위한 이중 도가니 구조를 사용하는 경우도 있었다. 하지만, 이러한 부가적인 장치가 도가니 위에 배치되어 장치가 복잡해지고 이러한 장치로 인해 성장시키는 단결정 잉곳의 직경이 제한되는 문제가 있게 된다. 또한, 시드와 불순물 제거용 장치가 동일한 축선 상에 배치되어 성장 중에는 불순물 제거가 어려운 문제가 있다.
일본등록특허공보 제4611076호
본 발명은 인상법에 따른 단결정 제조장치에 있어서, 용탕 표면에 부유하는 불순물이 단결정 성장에 있어 혼입되지 않도록 유도하고 이를 효과적으로 제거할 수 있는 단결정 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 내부에 원료 용탕을 수용하는 도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터, 상기 도가니의 용탕 상면으로부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하고, 상기 히터는 상기 도가니의 측면 및 밑면을 동시에 가열하고, 상기 도가니 밑면의 온도를 상기 도가니 측면의 온도보다 더 높게 유지하는 단결정 제조장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 도가니의 내측면은 미세 요철 구조를 가지는 단결정 제조 장치일 수 있다.
또한, 상기 히터의 가열원은 저항 발열체 또는 고주파 유도 코일일 수 있다.
또한, 상기 도가니의 밑면 중심부는 오목부를 가지고, 상기 오목부에 상기 히터의 가열원이 배치될 수 있다.
또한, 상기 오목부의 도가니 내측의 폭은 상기 도가니 내측 직경의 0.1~0.5배일 수 있다.
본 발명에 따른 단결정 성장 장치를 통해 다양한 단결정 재료를 제조하는 과정에서 불순물의 혼입을 방지하여 제품의 품질과 생산성을 높일 수 있다. 또한, 불순물을 제거하기 위한 추가적 공정 또는 장치가 필요하지 않아 공정 비용 및 장치의 설치비용을 절감할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 단결정 제조장치의 개략도이다.
도 2는 종래의 불순물 제거 부재가 있는 단결정 제조 장치의 개략도이다.
도 3은 종래의 내부 도가니가 있는 단결정 제조 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 제조장치의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 다른 단결정 제조장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 제조장치의 도가니 측면을 확대하여 설명하는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 제조장치를 설명하는 개략도이다.
이하 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 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.
본 발명에 따른 단결정 제조장치는 인상법에 따른 단결정 제조를 위한 장치로서, 내부에 원료 용탕을 수용하는 도가니, 상기 도가니를 가열하는 히터, 상기 도가니의 용탕 상면으로부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하고, 상기 히터는 상기 도가니의 측면 및 밑면을 동시에 가열하고, 상기 도가니 밑면의 온도를 상기 도가니 측면의 온도보다 더 높게 유지하는 단결정 제조장치를 제공할 수 있다.
상술한 바와 같이 단결정 제조 장치에서 용탕의 표면에는 불순물 입자가 부유할 수 있다. 이러한 불순물 입자가 단결정 성장 중에 혼입되면 불량을 야기할 수 있기 때문에 종래에는 이러한 입자를 단결정 성장 전에 제거해 주거나 입자가 단결정이 성장하는 면으로 이동하지 못하도록 내부 도가니를 통해 장벽을 만들어주었다.
종래의 인상법에 따른 단결정 제조 장치를 도 1에서 나타내었다. 종래의 단결정 제조 장치에서 불순물 입자는 도 1에서 나타낸 바와 같이 용탕의 대류에 의한 유동에 의해 용탕 표면의 중앙으로 이동하게 된다. 도 1에서와 같은 종래의 단결정 제조 장치에서는 도가니(11)의 측면에만 가열원(14)이 배치되고 이러한 가열원(14)을 통한 도가니의 가열을 통해 내부의 내용물이 가열되어 용탕(13)을 형성하게 된다. 이렇게 측면에서 가열이 되기 때문에 용탕(13)은 화살표(18)로 나타낸 바와 같이 표면에서는 도가니 측면으로부터 용탕 중심으로 대류에 의한 유동이 일어나게 된다. 따라서, 용탕 표면에 불순물 입자가 부유하게 되면 이는 인상 장치(15)에 의해 성장 중인 단결정(17)으로 유입되어 불량을 일으키기 쉽다.
종래에는 도 2에서와 같이 이러한 용탕 표면에서 중심부로 모여든 불순물 입자(19)를 제거하기 위한 불순물 제거부재(18)를 용탕 표면 위에 배치하고 불순물 입자를 제거하는 작업을 실시하였으나, 이를 위해 단결정 성장을 위한 시드와 동일 축선 상에 불순물 입자 제거를 위한 장치의 부착이 불가피하여 단결정 성장 중에는 불순물의 제거가 불가능하다. 또한, 장치 구조가 복잡해지고 이러한 불순물 입자 제거 위한 장치의 구동을 통해 부가적인 불순물 입자의 생성 가능성이 높아지게 된다.
한편, 도 3에서와 같이 불순물 입자의 단결정 성장 영역으로의 진입을 막기 위해 내부 도가니(19)를 통해 장벽을 형성하는 경우가 있는데, 이 경우 단결정의 크기가 내부 도가니의 크기로 제한되는 문제가 있게 되고, 내부 도가니가 용액에 접촉하게 됨으로써 용탕의 온도 분포에 영향을 주어 성장하는 단결정의 품질에 영향을 미치게 된다.
본 발명에서는 열 대류에 의해 용탕 표면에서 용탕의 이동이 중앙으로 향하는 것을 방지하기 위해 도가니의 측면 뿐만 아니라 밑면에서도 가열을 하고 도가니 밑면의 온도를 측면보다 더 높게 함으로써 용탕 표면에서 대류 방향을 도가니 중심이 아닌 도가니 측면으로 향하도록 한다. 이를 통해 불순물 입자의 제거를 위해 단결정 성장을 위한 시드와 동일 축선 상인 용탕 상면에 부가적인 장치를 구비할 필요가 없어 장치가 복잡해지지 않고 용탕 위에서 불순물 제거장치의 구동에 따라 추가적인 불순물이 생길 염려도 없다. 또한, 내부 도가니와 같은 구조도 필요하지 않기 때문에 단결정의 품질에 영향을 미치거나 단결정의 성장 크기에 있어 제한이 없게 된다.
본 발명에 따른 단결정 제조 장치의 일 실시예에 따른 단면을 도 4에서 나타내었는데, 가열원(21, 22)은 도가니(30)의 측면(31)과 밑면(32)에 각각 배치되고 특히 도가니의 밑면(32)이 측면(31) 보다 더 높은 온도로 가열됨에 따라 용탕의 대류는 화살표(61,62,63,64)로 표시한 것과 같이 일어나게 된다. 특히 용탕의 표면에서는 용탕의 중앙에서 도가니 측면(31) 방향으로 대류(62)가 일어나게 된다. 따라서, 용탕의 표면에 부유하는 불순물 입자는 도가니 측면으로 이동함에 따라 성장하는 단결정(50)에 혼입되는 것을 방지할 수 있게 된다.
도 4에서의 가열원(21, 22)은 몰리브덴, 니크롬, MoSi2, 탄화규소와 같은 저항 발열체일 수 있고, 또는 유도가열을 위한 유도코일일 수도 있다. 도가니 밑면(32)에서의 온도가 높게 유지되도록 도가니 측면에서의 가열원(21)과 밑면에서의 가열원(22)은 각각 따로 제어될 수 있고, 또는 동일한 제어부(미도시)에 의해 제어가 되어도 밑면에서의 가열원(22)의 밀도가 높게 배치되어 도가니 밑면(32)의 온도가 더 높게 될 수 있다. 특히, 밑면의 가열원은 도가니 밑면(32)의 중심부에 집중되어 밑면의 중심부에서 온도가 도가니(30) 중에서 가장 높게 되도록 할 수 있다. 가열 영역이 넓어질 경우 도가니 중앙에서 유동 형성이 어려울 수 있기 때문에 도가니 밑면 중에서 특히 중심부에서의 온도가 가장 높게 되는 것이 바람직하기 때문이다.
도가니 밑면의 중심부는 도가니의 중점을 포함하고 중점으로부터 도가니 측면까지의 거리(L)의 1/2이하인 지점을 의미할 수 있다(도 5 참조). 이를 위해 밑면에서의 가열원(22)은 도 5(a)에서와 같이 도가니의 밑면의 아래에서 중점을 통과하도록 배치되거나 도 5(b)에서 처럼 중심부 내에서 중점을 포함하는 영역에만 가열원(23)이 배치될 수도 있다.
한편, 도가니 밑면의 온도와 도가니 측면에서의 온도 차이가 커지게 되면 높은 온도 편차로 인해 단결정에 열응력이 발생하거나 높은 속도의 유체 흐름에 의해 결함이 발생할 수 있다. 따라서 도가니 측면의 온도와 도가니 밑면의 온도를 일정한 수준으로 관리할 필요가 있다. 이를 위해, 상기 히터의 가열원은 저항 발열체이고, 섭씨를 기준으로 상기 도가니 측면을 가열하는 가열원의 온도(T2)에 대한 상기 도가니 밑면을 가열하는 가열원의 온도(T1)의 비인 T1/T2은 1.01~1.10 범위일 수 있고, 보다 바람직하게는 1.03~1.08 범위일 수 있다.
측면과 밑면 가열원 사이에 너무 차이가 없으면 용탕의 유동이 일어나기 어렵고 너무 크면 상술한 바와 같이 단결정의 품질에 영향을 미칠 수 있기 때문이다.
본 발명에 따른 단결정 성장 장치에서 상기 도가니의 내측면은 미세 요철 구조를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 단결정 성장 장치에서 용탕의 표면에 부유하는 불순물 입자는 도가니의 측면으로 흐르게 되는데 도가니 측면에 도달하면 이러한 불순물 입자가 도가니 측면에서 더이상 이동하지 않고 고착될 필요가 있다. 이를 위해 도 6에서 나타낸 바와 같이 도가니 측면(31)은 미세요철 구조(33)를 가짐으로써 용탕 표면에서 흘러온 불순물 입자(70)가 고착되고 이로부터 쉽게 불순물 입자(70)를 제거할 수 있게 된다. 이러한 불순물 입자(70)의 제거는 공정 중에도 쉽게 이루어질 수 있어 공정 생산성의 향상도 기대할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 단결정 성장 장치에 있어서 상기 도가니의 밑면 중심부는 오목부를 가지고, 상기 오목부에 상기 히터의 가열원이 배치될 수 있다.
이러한 구조는 도 7에서 나타내었는데, 도가니(30)의 밑면 중심에 용탕 쪽으로 돌출되는 오목부(34)가 배치되고 이러한 오목부(34)에 도가니 밑면 가열원(22)이 배치됨에 따라 도가니 밑면(32) 중심에서의 가열이 보다 효율적으로 일어나게 된다. 이에 따라 도가니(30) 중심 아래로부터 용탕 유동의 상승 흐름(61)이 원활하게 일어나고 이에 따라 표면에서 용탕 중심에서부터 측면으로의 유동 흐름(62)도 효과적으로 나타나게 된다. 이처럼 도가니 밑면 중심부에서의 가열이 효과적으로 일어나도록 함에 의해 불순물 입자(70)의 잉곳(50)으로의 유입을 막을 수 있게 된다.
특히 이러한 오목부는 도가니 밑면의 중점을 통과하도록 배치되는데, 오목부의 도가니 내측의 폭(d)은 전체 도가니 내측 직경(D)의 0.1~0.5배인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.2~0.4배이다.
오목부의 도가니 내측의 폭이 전체 도가니 내측 직경보다 너무 작거나 크면 원활한 유동을 일으킬 수 없다. 또한, 너무 작으면 열 유동을 위해 가열원(23)에 큰 부하가 걸리고, 반대로 너무 크게 되면 중심부를 벗어난 영역까지도 가열이 되어 열효율이 떨어지는 문제가 있게 된다.
본 발명에 따른 단결정 제조장치를 통해 반도체 기판 등에 사용될 수 있는 실리콘, 사파이어, 갈륨 옥사이드, 탄화 규소와 같은 재료의 단결정을 결함 없이 우수한 생산성으로 제조할 수 있게 된다.

Claims (5)

  1. 내부에 원료 용탕을 수용하는 도가니;
    상기 도가니를 가열하는 히터;
    상기 도가니의 원료 용탕 상면으로부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하고,
    상기 히터는 상기 도가니의 측면 및 밑면을 동시에 가열하고, 상기 도가니 밑면의 온도를 상기 도가니 측면의 온도보다 더 높게 유지하는, 단결정 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히터의 가열원은 저항 발열체이고, 섭씨를 기준으로 상기 도가니 측면을 가열하는 가열원의 온도(T2)에 대한 상기 도가니 밑면을 가열하는 가열원의 온도(T1)의 비인 T1/T2은 1.01~1.10 범위인, 단결정 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니의 내측면은 미세 요철 구조를 가지는, 단결정 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도가니의 밑면에는 상기 도가니 밑면의 중점을 통과하는 오목부를 가지고, 상기 오목부에 상기 히터의 가열원이 배치되는, 단결정 제조장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 오목부의 도가니 내측의 폭은 상기 도가니 내측 직경의 0.1~0.5배인, 단결정 제조장치.
KR1020220001756A 2022-01-05 2022-01-05 단결정 제조장치 KR20230106211A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220001756A KR20230106211A (ko) 2022-01-05 2022-01-05 단결정 제조장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220001756A KR20230106211A (ko) 2022-01-05 2022-01-05 단결정 제조장치

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230106211A true KR20230106211A (ko) 2023-07-13

Family

ID=87160241

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220001756A KR20230106211A (ko) 2022-01-05 2022-01-05 단결정 제조장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20230106211A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4611076B2 (ja) 2005-03-30 2011-01-12 株式会社光波 β‐Ｇａ２Ｏ３単結晶製造装置

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4611076B2 (ja) 2005-03-30 2011-01-12 株式会社光波 β‐Ｇａ２Ｏ３単結晶製造装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100953361B1 (ko) 실리콘 반도체 웨이퍼 및 그 제조 방법
CN109196144B (zh) 单晶硅的制造方法及装置
KR101473789B1 (ko) 단결정 제조장치
KR102049710B1 (ko) SiC 단결정의 제조 방법 및 제조 장치
CN108779577B (zh) 单晶硅的制造方法
JP2002517366A (ja) 結晶成長装置用電気抵抗ヒータ
JP7295252B2 (ja) 半導体結晶成長装置
KR101385997B1 (ko) 단결정 제조장치 및 단결정 제조방법
KR101285935B1 (ko) 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼
JP5743511B2 (ja) 直径が一定の区分を備えたシリコンから成る単結晶を引上げるための方法
JP5117671B2 (ja) 高品質単結晶及びその成長方法
JP4349493B2 (ja) 単結晶シリコン引き上げ装置、シリコン融液の汚染防止方法及びシリコン融液の汚染防止装置
KR20230106211A (ko) 단결정 제조장치
JP3531333B2 (ja) チョクラルスキー法による結晶製造装置、結晶製造方法、およびこの方法から製造される結晶
KR20110052501A (ko) 낟알을 재용융시킴으로써 실리콘으로 이루어진 단결정을 제조하는 방법
CN109537045B (zh) 用于硅晶锭生长的换热器、硅晶锭的生长炉和制备硅晶锭的方法
JP5425858B2 (ja) 再使用が可能なシリコン溶融用二重坩堝を備える単結晶シリコンインゴット成長装置
WO1994028206A1 (fr) Appareil et procede de production d'une matiere monocristalline
JP5375636B2 (ja) シリコン単結晶の製造方法
TWI761454B (zh) 單晶矽的製造方法
JP2009292684A (ja) シリコン単結晶の製造方法およびこれに用いる製造装置
JP2007031235A (ja) 単結晶製造装置
KR101597207B1 (ko) 실리콘 단결정 잉곳, 그 잉곳을 제조하는 방법 및 장치
KR100709798B1 (ko) 고품질 단결정 성장 방법
KR20070064210A (ko) 단결정 잉곳 성장장치

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application