WO2015046746A1 - 도가니 및 이를 포함하는 잉곳성장장치 - Google Patents

도가니 및 이를 포함하는 잉곳성장장치 Download PDF

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WO2015046746A1
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crucible
graphite crucible
inert gas
graphite
inner body
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PCT/KR2014/007282
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정한솔
김도연
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엘지실트론 주식회사
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    • C30B15/20—Controlling or regulating
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Definitions

  • the present invention relates to a crucible and an ingot growth apparatus including the same, and more particularly, to a crucible and an ingot growth apparatus capable of further improving the thermal insulation of the crucible.
  • polysilicon is charged into a quartz crucible, heated and melted by a graphite heating element, and then the seed crystals are brought into contact with the silicon melt formed as a result of melting, and crystallization occurs at the interface to gradually raise the seed crystals while rotating them. Thereby growing a silicon single crystal ingot having a desired diameter.
  • the present invention is to solve the above problems, it is to propose an ingot growth apparatus to prevent the phenomenon that deterioration is concentrated on a specific portion of the crucible by insulating the inside of the graphite crucible when heating the polysilicon.
  • a quartz crucible in which the silicon melt is accommodated;
  • Graphite crucible in which the quartz crucible is accommodated;
  • a crucible pedestal for supporting a lower portion of the graphite crucible;
  • a heater unit for providing heat to the graphite crucible side, wherein the graphite crucible is formed of an inner body contacting the quartz crucible, and an outer body disposed at a predetermined distance from the inner body, and An inert gas layer in which an inert gas is injected is formed between the outer bodies.
  • 1 is a view showing the ingot growth apparatus of this embodiment.
  • FIG. 2 shows a cross section of the crucible and components around the crucible of this embodiment.
  • FIG 4 is a view showing a heater applying heat to the crucible without the inert gas layer of the present embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a heater applying heat to a crucible having an inert gas layer according to the present embodiment.
  • 1 is a view showing the ingot growth apparatus of this embodiment.
  • the ingot growth apparatus includes a quartz crucible 200 containing a silicon melt, a graphite crucible 100 supporting the silicon melt, a heater 300 for applying heat, and heat to the outside. It includes a side insulation 600 and the upper insulation 700 to block.
  • the apparatus further includes a pedestal 400 for supporting the graphite crucible 100 and a crucible rotating part 410 extending from the pedestal 400 to rotate the crucible, and the crucible rotating part 410 is also vertically movable. Therefore, the graphite crucible 100 may be rotated and lifted by the crucible rotating part 410.
  • the ingot growth apparatus includes an empty space and a gas injection hole inside the graphite crucible 100, and is connected to the gas injection hole to transmit an inert gas to an internal space of the graphite crucible 100;
  • the gas supply pipe 510 further includes a gas supply means 500 for supplying an inert gas to the gas supply pipe 510.
  • the graphite crucible 100 refers to a crucible made of graphite, but is also considered to include a crucible made of a carbon composite material.
  • a seed crystal rotating shaft 800 is attached to the lower end of the seed crystal made of a single crystal, the seed crystal rotating shaft 800 is rotated in a different direction than the crucible rotating part 410
  • the seed crystal rotation shaft 800 may also be lifted and lifted like the crucible rotation unit 410.
  • the heater unit 300 that generates heat toward the graphite crucible 100 serves to supply heat during the process of melting polysilicon, which is a raw material of the ingot, to form a silicon melt, and the side heat insulating part 600 is ingot grown. It is configured on the outside of the heater 300 for heat insulation in the device, the upper heat insulating portion 700 is located above the silicon melt, and the ingot is raised of the seed crystal rotating shaft 800 inside the upper heat insulating portion 700. Is impressed.
  • the heater unit 300 heats the graphite crucible 100, a deviation occurs in heat transfer according to a portion of the graphite crucible 100, and the specificity of the graphite crucible 100 is caused by the heat transfer deviation. Degradation may be concentrated at the site.
  • Inert gas layer is further formed to more effectively insulate the crucible 100.
  • an inert gas layer 110 is provided in the internal space of the graphite crucible 100, and the inert gas layer 110 is disposed inside the graphite crucible 100.
  • the inert gas layer 110 By insulating and distributing heat uniformly on the inner wall of the crucible, it is possible to prevent damage due to deterioration concentration on a specific portion of the graphite crucible 100.
  • the inert gas layer 110 excessive heat loss to the outside of the crucible can be prevented.
  • FIG. 2 To describe the components of the present invention in more detail, reference is made to FIG. 2.
  • FIG 2 is a view showing the components around the graphite crucible 100 and the graphite crucible 100 of the present embodiment.
  • the quartz crucible 200 in which the silicon melt is accommodated may be disposed in the graphite crucible 100 to form a double crucible.
  • silicon oxide gas SiOx
  • SiC silicon carbide
  • This phenomenon occurs intensively at a specific part where the temperature of the graphite crucible 100 is high, and the silicon carbide causes damage to the graphite crucible 100.
  • quartz crucible 200 In the case where the quartz crucible 200 is positioned in the damaged graphite crucible 100, silicon carbide is more concentrated in the damaged specific portion of the graphite crucible 100, and thus the quartz in contact with the specific portion is finally formed. Deformation of the shape of the crucible 200 may occur, so that the lifetime of the graphite crucible 100 may be shortened.
  • the graphite crucible 100 is provided with a space for accommodating an inert gas according to the present embodiment.
  • a space in which an inert gas is filled in the graphite crucible 100 may be variously formed.
  • At least one or more empty spaces may be formed in the graphite crucible 100, or the graphite crucible 100 includes an inner body 101 and an outer body 102 spaced by a predetermined interval.
  • a space can be formed between the bodies.
  • the graphite crucible 100 is formed of an inner body 101 in contact with the quartz crucible 200 and an outer body 102 disposed at a predetermined distance from the inner body 101, the inner body 101 is provided.
  • at least one support 120 may be formed between the outer body 102.
  • At least one support part 120 is formed to a predetermined thickness, and an inert gas may be filled in the space inside the graphite crucible 100.
  • an inert gas may be filled in the space inside the graphite crucible 100.
  • a space in which an inert gas may be accommodated is provided between the inner body 101 and the outer body 102 positioned on the side surface of the graphite crucible 100, and the inert gas is an inner body of the graphite crucible 100.
  • 101 is provided to enclose.
  • the height at which the inner body 101 and the outer body 102 are separated by the support part 120 may be formed to be within 50% of the total thickness of the graphite crucible 100.
  • the height of the space filled with the inert gas may be in the range of 10 ⁇ 14mm.
  • the graphite crucible 100 is made of a carbon composite material and can be formed in a thinner thickness, for example, when the entire thickness can be formed in the range of 8 to 10 mm, the inner body and the outer body are spaced apart. Length can range from 3 to 4 mm.
  • the inner body 101 and the outer body 102 of the graphite crucible 100 may be formed to be connected to each other from the upper side, thereby preventing the inert gas from flowing out of the graphite crucible.
  • the bonds of the carbons forming the graphite is made of van der Waals bonds having a weak bonding force, the particles are easily generated by a high temperature reaction, the inert gas can be discharged through the outer body There is a risk of silicon contamination inside the graphite crucible.
  • the surface of the graphite crucible 100 accommodating the quartz crucible 200 or the inner surface of the outer and inner bodies forming the inner space of the graphite crucible 100 is coated with glassy carbon.
  • the strength of the graphite crucible 100 can be increased to prevent the outflow of inert gas.
  • thermosetting resin layer is formed on the surface of the graphite crucible 100, followed by drying and heat treatment to carbonize the thermosetting resin with the glassy carbon to form the glassy carbon with the graphite crucible 100. It may be coated on the surface of the outer inner body.
  • thermosetting resin used a phenol resin, a furan resin, or a mixture thereof may be used.
  • the inert gas constituting the inert gas layer 110 has a very low thermal conductivity, it is possible to block the heat exchange between the inner body 101 and the outer body 102.
  • the inert gas layer 110 may not easily escape the heat flowing into the graphite crucible 100 out of the crucible, so that the temperature of the crucible may be maintained even if the heater power value of the heater 300 is lowered. Due to the thermal insulation of the inert gas layer 110, it is possible to prevent deterioration of concentration at a specific portion of the inner wall of the graphite crucible 100.
  • the inert gas layer 110 may uniformly distribute heat on the inner wall of the graphite crucible 100, thereby preventing deterioration of concentrated phenomenon and further preventing damage to the graphite crucible 100.
  • argon gas (Ar gas) having a low thermal conductivity may be used.
  • an inlet for injecting gas into the inert gas receiving space or the inner space below the graphite crucible 100 is provided, connected to the inlet is inert
  • a gas supply pipe 510 for supplying and removing gas may be further disposed.
  • the graphite crucible 100 may maintain the internal pressure of the graphite crucible 100 uniformly by adjusting the amount of inert gas in the internal space.
  • a gas supply pipe 510 for delivering an inert gas is connected to a gas injection hole below the graphite crucible 100.
  • the gas supply pipe 510 passes through the inside of the pedestal 400 for supporting the graphite crucible 100 and extends along the rotation axis of the rotating part 410 inside the crucible rotating part 410, thereby providing a gas supply means 500. ).
  • the gas supply means 500 may be provided outside the chamber so that inert gas is supplied into the graphite crucible 100 only while the heater part 300 is operated.
  • the gas supply means 500 may also suck the inert gas inside the graphite crucible 100 to remove the inert gas.
  • the gas supply means 500 serves to maintain an internal pressure of the graphite crucible 100 by making an inert gas layer inside the graphite crucible 100 and maintaining an amount of inert gas.
  • At least one hole H may be formed in the graphite crucible 100 to discharge the injected inert gas.
  • the hole H of the graphite crucible 100 may be formed on the graphite crucible 100.
  • the hole H may be formed on the upper surface of the graphite crucible 100.
  • At least two holes may be disposed on the upper surface of the graphite crucible 100 at equal intervals.
  • the inert gas injected from the gas supply means 500 may be discharged through the hole H to prevent foreign substances from adsorbing into the gap between the graphite crucible 100 and the quartz crucible 200.
  • the inert gas layer 110 is provided inside the graphite crucible 100. Effects of the inert gas layer 110 will be described with reference to FIGS. 4 and 5.
  • 4 and 5 are diagrams for explaining the difference of the heat distribution when the heater 300 applies the graphite crucible 100 heat, depending on the presence or absence of the inert gas layer 110.
  • the process of transferring heat from the heater 300 to the graphite crucible 100 by dividing the graphite crucible 100 into an upper portion 130, an intermediate portion 140, and a lower portion 150.
  • the heater unit 300 heats the graphite crucible 100
  • heat is transferred to the side surface of the graphite crucible 100.
  • the middle portion 140 of the graphite crucible 100 is provided in a shape having a bend to connect the side surface and the bottom surface of the graphite crucible 100, by the shape of the graphite crucible 100, the middle portion Since the area where the 140 receives heat increases, heat transfer is concentrated in the intermediate part 140.
  • the heater 300 is powered up to maintain the temperature of the upper portion 130 and the lower portion 150.
  • heat transfer is concentrated due to the curved shape of the graphite crucible 100 in the middle part 140, and deterioration is concentrated compared to the peripheral part because the middle part 140 also has little heat loss to the outside.
  • a portion of the quartz crucible 200 in contact with the intermediate portion 140 is placed in a higher temperature environment than the peripheral portion, and the silicon oxide gas is generated in a portion of the quartz crucible 200 due to the high temperature environment. This will be further promoted, the reaction of the silicon oxide gas and the carbon of the graphite crucible 100 to produce silicon carbide is also promoted.
  • Such silicon carbide easily falls from the graphite crucible 100 when the graphite crucible 100 is cleaned, and damage occurs as much as the amount of the silicon carbide falls, causing deformation of the graphite crucible 100 and shortening its lifespan. .
  • the intermediate portion 140 is formed as a bent portion, the silicon carbide reaction penetrates to the inside of the bent portion, the bending when the quartz crucible 200 infiltrate the graphite crucible 100 This part is easily broken, and the broken portion or the shape of the deformed portion is more active heat and gas movement, the damage of the graphite crucible 100 is further promoted. Therefore, the degree of damage of the intermediate portion 140 is a portion that determines the life of the graphite crucible 100.
  • an inert gas layer 110 is provided inside the graphite crucible 100 to prevent damage to the intermediate portion 140.
  • the inert gas layer 110 has a very low thermal conductivity, heat flowing into the graphite crucible 100 becomes difficult to be discharged to the outside.
  • the upper portion 130 and the lower portion 150 of the graphite crucible 100 exposed to the outside emits a lot of heat by the graphite crucible 100 having a high thermal conductivity, but an inert gas layer having a low thermal conductivity in this portion.
  • the 110 is formed to prevent the release of heat.
  • the graphite crucible 100 may be sufficiently heated to a value lower than the heater power required for heating the existing graphite crucible 100.
  • the inert gas layer 110 while reducing the heat exiting the upper portion 130 and the lower portion 150 of the graphite crucible 100 reduces the phenomenon that deterioration is concentrated only in the middle portion 140, By reducing the amount of heat received by the outer wall of the intermediate portion 140 is transferred to the inner portion it can prevent the shape in which deterioration is concentrated in the intermediate portion 140.
  • the graphite crucible 100 has a uniform heat distribution over the entire area, it is possible to prevent the phenomenon that deterioration is concentrated on a specific portion, the graphite crucible due to the deterioration concentration Damage to the 100 is prevented.
  • the ingot growth apparatus as described above, it is possible to reduce the heater power by insulating the inside of the graphite crucible 100, to prevent the phenomenon that deterioration is concentrated on a specific portion of the graphite crucible 100 of the graphite crucible 100 It can increase the lifespan, thereby reducing the production cost of the ingot.
  • the present invention relates to an ingot growth apparatus for growing an ingot as a material on a wafer and a crucible used therein, there is industrial applicability.

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Abstract

본 실시예의 잉곳성장장치는, 실리콘 융액이 수용되는 석영 도가니;상기 석영 도가니가 수용되는 흑연 도가니; 상기 흑연 도가니의 하부를 지지하는 도가니 받침대; 및 상기 흑연 도가니 측으로 열을 제공하기 위한 히터부;를 포함하고, 상기 흑연 도가니는 상기 석영 도가니와 접하는 내측 바디와, 상기 내측 바디로부터 소정 간격을 두고 배치되는 외측 바디로 이루어지고, 상기 내측 바디와 외측 바디 사이에는 불활성 가스가 주입되어 있는 불활성 가스층이 형성되는 것을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 따르면, 폴리 실리콘 용융시 도가니 내부를 단열함으로써, 히터파워를 감소시킬 수 있고, 도가니 내벽의 특정부위에 열화가 집중되는 현상을 방지하여 열화에 의한 손상을 예방함으로써, 도가니의 수명을 증가시키는 장점이 있다.

Description

도가니 및 이를 포함하는 잉곳성장장치
본 발명은 도가니 및 이를 포함하는 잉곳성장장치에 관한 것으로, 특히, 도가니의 단열을 보다 향상시킬 수 있는 도가니 및 잉곳성장장치에 관한 것이다.
반도체 소자 제조용 실리콘 웨이퍼의 대구경화가 진행됨에 따라, 실리콘 웨이퍼의 대부분은 초크랄스키(CZ) 법에 의해 성장된 실리콘 단결정 잉곳으로부터 제조되고 있다.
CZ 방법에서는, 석영 도가니에 폴리실리콘을 장입하고, 이를 흑연 발열체에 의해 가열하여 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 융액에 종자 결정을 접촉시키고, 계면에서 결정화가 일어나도록 하여 종자 결정을 회전하면서 서서히 인상시킴으로써, 원하는 직경을 가진 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.
그런데, 석영 도가니 내의 폴리 실리콘을 용융할 때와 단결정 성장 공정시, 흑연 도가니의 상측 및 하측은 외부에 노출되어 있고 노출된 도가니의 열 전도율이 높아서 도가니의 상측 및 하측에서 많은 양의 열이 손실되는 문제점이 발생하였다.
또한, 열의 손실을 보상하기 위하여 히터파워 상승시, 흑연 도가니의 상측과 하측 사이의 코너부에 열화가 집중되는 현상이 발생하였고, 이러한 열화로 인한 손상이 코너부에 집중적으로 발생하여, 흑연 도가니뿐만 아니라 석영 도가니의 수명이 짧아지는 문제점이 발생하였다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폴리 실리콘 가열시 흑연 도가니 내부를 단열하여 도가니의 특정부위에 열화가 집중되는 현상을 방지하는 잉곳성장장치를 제안하고자 한다.
본 실시예의 잉곳성장장치는, 실리콘 융액이 수용되는 석영 도가니;상기 석영 도가니가 수용되는 흑연 도가니; 상기 흑연 도가니의 하부를 지지하는 도가니 받침대; 및 상기 흑연 도가니 측으로 열을 제공하기 위한 히터부;를 포함하고, 상기 흑연 도가니는 상기 석영 도가니와 접하는 내측 바디와, 상기 내측 바디로부터 소정 간격을 두고 배치되는 외측 바디로 이루어지고, 상기 내측 바디와 외측 바디 사이에는 불활성 가스가 주입되어 있는 불활성 가스층이 형성되는 것을 특징으로 한다.
제안되는 본 실시예에 따르면, 폴리 실리콘 용융시 도가니 내부를 단열함으로써, 히터파워를 감소시켜 잉곳의 품질 향상 및 단가를 낮추는 장점이 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 도가니 내벽의 특정부위에 열화가 집중되는 현상을 방지하여 열화에 의한 손상을 예방함으로써, 도가니의 수명을 증가시키는 장점이 있다.
도 1은 본 실시예의 잉곳성장장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 실시예의 도가니와 도가니 주변의 구성요소의 단면을 나타낸다.
도 3은 본 실시예의 도가니의 상면을 나타낸다.
도 4은 본 실시예의 불활성 가스층이 없는 도가니에 히터가 열을 가하는 모습을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 실시예의 불활성 가스층이 있는 도가니에 히터가 열을 가하는 모습을 나타내는 도면이다.
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 1은 본 실시예의 잉곳성장장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 잉곳성장장치 내에는 실리콘 융액을 담는 석영 도가니(200)와, 이를 지지하는 흑연 도가니(100)가 포함되며, 열을 가해주는 히터부(300)와, 외부로의 열을 차단하는 측면 단열부(600)와 상부 단열부(700)를 포함한다.
또한, 상기 흑연 도가니(100)를 지지하는 받침대(400)와, 받침대(400)에서 연장되 상기 도가니를 회전시키는 도가니 회전부(410)를 더 포함하며, 상기 도가니 회전부(410)는 상하 이동 또한 가능하므로, 상기 흑연 도가니(100)는 도가니 회전부(410)에 의하여 회전 및 승강될 수 있다.
특히, 상기 잉곳성장장치는 상기 흑연 도가니(100)의 내부에 빈공간 및 가스 주입구를 구비하며, 상기 가스 주입구와 연결되어 흑연 도가니(100) 내부공간에 불활성 가스를 전달하는 가스 공급관(510)과, 상기 가스 공급관(510)에 불활성 가스를 공급하는 가스 공급수단(500)을 더 포함한다.
한편, 상기 흑연 도가니(100)는 재질이 흑연으로 이루어진 도가니를 지칭하나, 탄소복합재료로 구성된 도가니도 이에 포함되는 것으로 본다.
그리고, 상기 석영 도가니(200)의 상측에는 그 하단부에 단결정으로 된 종자결정이 부착되는 종자결정 회전축(800)이 위치하며, 상기 종자결정 회전축(800)은 도가니 회전부(410)와 다른 방향으로 회전될 수 있고, 종자결정 회전축(800) 역시 도가니 회전부(410)와 마찬가지로 승강이 이루어진다.
상기 흑연 도가니(100) 측으로 열을 발생시키는 상기 히터부(300)는 잉곳의 원료인 폴리 실리콘을 녹여 실리콘 융액을 만들기 위하여 공정 중에 열을 공급하는 역할을 하며, 측면 단열부(600)는 잉곳성장장치내의 단열을 위하여 히터부(300)의 바깥쪽에 구성되고, 상기 상부 단열부(700)는 실리콘 융액의 상방에 위치하며, 잉곳은 상부 단열부(700) 내측으로 종자결정 회전축(800)의 상승으로 인하여 인상된다.
그런데, 상기 히터부(300)가 흑연 도가니(100)를 가열할 때, 상기 흑연 도가니(100)의 부위에 따라서 열 전달에 편차가 생기게 되며, 상기 열 전달 편차로 인하여 흑연 도가니(100)의 특정부위에 열화가 집중되는 현상이 발생될 수 있다.
그리고, 이러한 열화 집중현상에 의하여, 상기 흑연 도가니(100)의 특정부위에 손상이 집중적으로 발생하게 되고, 이러한 손상에 의하여 흑연 도가니(100) 수명이 줄어드는 문제점이 발생할 수 있기 때문에, 본 실시예에서는 상기 도가니(100)에 대한 단열이 보다 효과적으로 이루어질 수 있도록 불활성 가스층이 더 형성된다.
즉, 상기 흑연 도가니(100)의 수명을 연장하기 위하여, 본 발명에서는 상기 흑연 도가니(100) 내부공간에 불활성 가스층(110)을 마련하고, 상기 불활성 가스층(110)이 흑연 도가니(100) 내부를 단열하여, 도가니 내벽에 균일하게 열을 분포하게 함으로써, 상기 흑연 도가니(100)의 특정부위에 열화 집중에 따른 손상을 방지할 수 있다. 또한, 이러한 불활성 가스층(110)에 의하여, 도가니 외부로의 과도한 열손실도 방지할 수 있다.
본 발명의 구성요소를 보다 상세히 설명하기 위하여, 도 2를 참조한다.
도 2는 본 실시예의 흑연 도가니(100)와 흑연 도가니(100) 주변의 구성요소를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 실리콘 융액이 수용되어 있는 석영 도가니(200)는 흑연 도가니(100) 내에 배치되어, 이중 구조의 도가니가 형성될 수 있다.
상기 흑연 도가니(100)로부터 열을 전달받아 상기 석영도가니가 고온의 환경에 놓이게 되면, 상기 석영도가니에서 산화 실리콘 가스(SiOx)가 발생하게 되고, 상기 산화 실리콘 가스는 흑연 도가니(100)의 탄소와 반응하여 탄화규소(SiC)화가 되는 현상이 발생하게 된다.
이러한 현상은, 흑연 도가니(100)의 온도가 높은 특정부위에서 집중적으로 발생하게 되고, 상기 탄화규소화는 흑연 도가니(100) 손상에 원인이 된다.
그리고, 상기 손상된 흑연 도가니(100) 내에 석영 도가니(200)를 위치시키는 경우에, 흑연 도가니(100)의 손상된 특정부위 내부에서 더욱 탄화규소화가 집중적으로 발생하게 되고, 결국 상기 특정부위와 접촉하는 석영 도가니(200) 형상의 변형이 일어나게 되어, 상기 흑연 도가니(100)의 수명이 짧아지게 될 수 있다.
이하에서는, 상기 손상을 방지하기 위한 본 발명의 흑연 도가니(100)에 대하여 설명한다.
상기 흑연 도가니(100) 내에는 본 실시예에 따라 불활성 가스가 수용될 수 있는 공간이 마련된다. 상기 흑연 도가니(100) 내에 불활성 가스가 채워지는 공간은 다양하게 형성될 수 있다.
예를 들면, 상기 흑연 도가니(100) 내부에 적어도 하나 이상은 빈 공간을 형성할 수 있고, 또는, 상기 흑연 도가니(100)가 소정 간격 이격된 내측 바디(101)와 외측 바디(102)로 이루어져 바디 사이에 공간을 형성할 수 있다.
상기 흑연 도가니(100)가 상기 석영 도가니(200)와 접하는 내측 바디(101)와, 상기 내측 바디(101)로부터 소정 간격을 두고 배치되는 외측 바디(102)로 이루어질 경우에는, 상기 내측 바디(101)와 상기 외측 바디(102) 사이에는 적어도 하나 이상의 지지부(120)가 형성될 수 있다.
따라서, 상기 지지부(120)는 소정 두께로 적어도 하나 이상 형성되어, 흑연 도가니(100) 내부의 공간에는 불활성 가스가 채워질 수 있다. 이때, 상기 흑연 도가니(100)의 측면부에 위치한 내측 바디(101)와 외측 바디(102) 사이에도 불활성 가스가 수용될 수 있는 공간이 마련되며, 불활성 가스가 상기 흑연 도가니(100)의 내측 바디(101)를 감싸도록 제공된다.
그리고, 상기 지지부(120)에 의하여 내측 바디(101)와 외측 바디(102)가 이격되는 높이는 상기 흑연 도가니(100)의 전체 두께의 50% 이내가 되도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 내측 바디(101)와 외측 바디(102)의 두께 및, 불활성 가스가 채워지는 공간의 높이를 합한 전체 두께가 25~30mm가 되는 경우에, 상기 불활성 가스가 채워지는 공간의 높이(즉, 지지부에 의하여 내측 바디와 외측 바디가 이격된 거리)는 10~14mm의 범위가 될 수 있다. 만약, 상기 흑연 도가니(100)가 탄소복합재료로 이루어져 더 얇은 두께로 형성될 수 있는 경우, 예를 들면, 전체 두께를 8~10mm 범위로 형성시킬 수 있는 경우에는, 내측 바디와 외측 바디가 이격된 길이가 3~4mm 범위가 될 수 있다.
그리고, 상기 흑연 도가니(100)의 내측 바디(101)와 외측 바디(102)는 상측에서 서로 연결되도록 형성하여, 불활성 가스가 흑연 도가니 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
그런데, 상기 흑연 도가니(100)의 경우, 흑연을 이루는 탄소들의 결합은 결합력이 약한 반데르발스 결합으로 이루어져 있어, 고온 반응에 의하여 파티클이 발생하기 쉽고, 불활성 가스가 외측바디를 통해 유출될 수 있어, 흑연 도가니 내부에 실리콘이 오염될 우려가 있다.
이를 방지하기 위하여, 상기 석영 도가니(200)를 수용하는 상기 흑연 도가니(100)의 표면 또는 흑연 도가니(100)의 내부 공간을 형성하는 외측과 내측 바디의 내면을 유리질 탄소(Grassy carbon)로 코팅하여, 흑연 도가니(100)의 강도를 높이고, 불활성 가스의 외부 유출 막을 수 있다.
유리질 탄소를 코팅하는 방법으로는, 상기 흑연 도가니(100)의 표면에 열경화성 수지층을 형성한 후, 건조 및 열처리하여, 상기 열경화성 수지를 유리질 탄소로 탄화함으로써, 유리질 탄소를 흑연 도가니(100)와 외측 내측바디의 표면에 코팅할 수 있다. 이때, 사용되는 열경화성 수지로는 페놀 수지, 푸란 수지 또는 그 혼합물이 사용될 수 있다.
한편, 상기 불활성 가스층(110)을 이루는 불활성 가스는 열 전도율이 매우 낮기 때문에, 상기 내측 바디(101)와 외측 바디(102) 사이를 열교환을 차단할 수 있다.
즉, 상기 불활성 가스층(110)은 흑연 도가니(100) 내부로 흘러들어온 열을 쉽게 도가니 밖으로 빠져나가지 않도록 하여, 히터부(300)의 히터 파워 값을 낮추더라도 도가니의 온도를 유지시킬 수 있고, 이러한 상기 불활성 가스층(110)의 단열작용으로 인하여 흑연 도가니(100)의 내측벽의 특정부위에서의 열화가 집중되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 불활성 가스층(110)은 흑연 도가니(100)의 내측벽에 열을 균일하게 분포하게 함으로써, 열화 집중현상을 방지하고, 나아가 흑연 도가니(100)의 손상을 예방할 수 있다.
본 실시예에서는 상기 불활성 가스층(110)의 단열효과를 높이기 위하여, 열 전도율이 낮은 아르곤 가스(Ar gas)를 사용할 수 있다.
그런데, 폴리 실리콘 용융을 위해 상기 흑연 도가니(100)를 가열하면, 상기 흑연 도가니(100) 내부의 불활성 가스가 팽창하게 되어, 흑연 도가니(100)가 손상될 수 있다. 이를 방지하기 위하여, 불활성 가스에 의한 흑연 도가니(100)의 내부 압력을 조절할 필요성이 있다.
본 실시예에서는 상기 흑연 도가니(100)의 압력을 조절하기 위하여, 상기 흑연 도가니(100)의 하측에는 불활성 가스 수용공간 또는 내부공간으로 가스를 주입하기 위한 주입구를 마련하고, 상기 주입구에 연결되어 불활성 가스를 공급 및 제거하는 가스 공급관(510)을 더 배치할 수 있다.
이러한 구성을 통하여, 상기 흑연 도가니(100)는 내부 공간에 불활성 기체의 양을 조절하여 흑연 도가니(100)의 내부압력을 균일하게 유지할 수 있다.
이하에서는, 좀더 상세히 흑연 도가니(100)의 내부공간에 불활성 가스를 공급 및 제거하기 위한 구성요소에 대하여 설명한다.
먼저, 상기 흑연 도가니(100) 하부의 가스 주입구에는 불활성 가스를 전달하기 위한 가스 공급관(510)이 연결된다.
상기 가스 공급관(510)은 상기 흑연 도가니(100)를 지지하는 받침대(400)의 내부를 통과하고, 도가니 회전부(410)의 내부에서 회전부(410)의 회전축을 따라서 연장되어, 가스 공급수단(500)으로 연결된다.
상기 가스 공급수단(500)은 챔버 외부에 마련되어, 상기 히터부(300)가 동작되는 동안에만 불활성 가스가 흑연 도가니(100) 내부로 공급되도록 할 수 있다.
또한, 위와 반대로, 상기 가스 공급수단(500)은 상기 흑연 도가니(100) 내부의 불활성 가스를 흡입하여, 불활성 가스를 제거하는 것 또한 가능하다.
즉, 상기 가스 공급수단(500)은 상기 흑연 도가니(100) 내부에 불활성 가스층을 만들고, 불활성 가스의 양을 유지하여 흑연 도가니(100)의 내부 기압을 일정하게 유지시키는 역할을 한다.
도 3은 본 실시예의 도가니의 상면을 나타낸다.
도 2을 보면, 상기 흑연 도가니(100)에는 주입된 불활성 가스를 배출할 수 있는 홀(H)이 적어도 하나 이상 형성될 수 있다.
잉곳성장공정시, 상기 흑연 도가니(100)의 상단에서 석영 도가니(200)와 접촉된 틈으로 잉곳성장장치 내부의 이물질들이 흡착되는 현상이 발생된다. 이러한 이물질의 흡착으로 인하여 흑연 도가니(100)의 상단에 손상이 집중되는 문제점이 있다.
이를 방지하기 위하여, 상기 흑연 도가니(100)의 홀(H)은 흑연 도가니(100)의 상부에 형성될 수 있다. 더 자세히, 상기 홀(H)은 흑연 도가니(100)의 상면에 형성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 홀은 흑연 도가니(100)의 상면에 등간격으로 적어도 둘 이상 배치될 수 있다.
상기 가스 공급수단(500)에서 주입된 불활성 가스는 상기 홀(H)을 통해 배출되어, 흑연 도가니(100)와 석영 도가니(200) 사이 틈으로 이물질이 흡착하는 것을 미연에 방지할 수 있다.
전술한 구성요소에 의하여, 상기 흑연 도가니(100) 내부에는 불활성 가스층(110)이 구비된다. 이러한 불활성 가스층(110)이 갖는 효과를 도 4와 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4와 도 5는 불활성 가스층(110)의 유무에 따라서, 히터(300)가 흑연 도가니(100) 열을 가할 때의 열 분포의 차이점을 설명하기 위한 도면이다.
상기 흑연 도가니(100)를 상측부(130)와 중간부(140)와 하측부(150)로 구분하여, 히터(300)에서 흑연 도가니(100)로 열이 전달되는 과정을 설명한다.
도 3을 참조하면, 상기 히터부(300)가 흑연 도가니(100)를 가열하면, 상기 흑연 도가니(100)의 측면에 열이 전달된다. 이때, 상기 흑연 도가니(100)의 중간부(140)는 흑연 도가니(100)의 측면부와 바닥면을 연결하기 위하여 굴곡을 갖는 형상으로 마련되는데, 이러한 흑연 도가니(100)의 형상에 의하여, 중간부(140)가 열을 받는 면적이 증가하게 되므로, 중간부(140)에 열 전달이 집중되는 현상이 발생된다.
또한, 상기 상측부(130)와 하측부(150)는 모두 외부와 노출되어 있으므로, 상기 상측부(130)와 하측부(150)에 둘러쌓여있는 중간부(140)에 비하여 열이 쉽게 손실되게 되고, 상기 히터부(300)는 이러한 상측부(130)와 하측부(150)의 온도를 유지하기 위하여 파워를 올리게 된다.
즉, 상기 중간부(140)는 흑연 도가니의(100)의 굴곡된 형상 때문에 열 전달이 집중되고, 또한, 중간부(140)는 외부로의 열 손실도 적기 때문에 주변부에 비하여 열화가 집중된다.
그러므로, 상기 중간부(140)에 접촉되는 석영 도가니(200)의 일부분은 주변부 보다 더욱 높은 고온의 환경에 놓이게 되고, 상기 고온의 환경으로 인하여 상기 석영 도가니(200)의 일부분에서는 산화 실리콘 가스의 발생이 더욱 촉진되게 되며, 상기 산화 실리콘 가스와 흑연 도가니(100)의 탄소가 반응하여 탄화규소가 생기는 반응 또한 촉진되게 된다.
이러한 탄화규소는 흑연 도가니(100) 클리닝시 흑연 도가니(100)로부터 쉽게 떨어지게 되며, 상기 떨어진 탄화규소의 양만큼 손상이 발생되어 흑연 도가니(100) 현상의 변형이 일어나게 되며 수명이 짧아지는 원인이 된다.
특히, 상기 중간부(140)는 굴곡이 있는 부위로 형성되어 있는데, 이러한 굴곡이 있는 부위의 내부까지 탄화규소화 반응이 침투하게 되어, 상기 흑연 도가니(100)에 석영 도가니(200) 잠입시 굴곡이 있는 부위가 잘 부서지게 되고, 이러한 부서진 부분이나 형상이 변형된 부분에서는 더욱 열 및 가스의 움직임이 활발해짐으로, 상기 흑연 도가니(100)의 손상이 더욱 촉진되게 된다. 그러므로, 상기 중간부(140)의 손상 정도가 흑연 도가니(100)의 수명을 좌우하는 부분이 된다.
도 4를 참조하면, 이러한 중간부(140)에 손상을 방지하기 위하여 상기 흑연 도가니(100)의 내부에 불활성 가스층(110)이 마련된다.
상기 불활성 가스층(110)은 열 전도율이 매우 낮으므로, 흑연 도가니(100) 내부로 흘러 들어온 열은 외부로 방출되는 것이 힘들어 진다. 특히, 외부에 노출된 흑연 도가니(100)의 상측부(130)와 하측부(150)는 열 전도율이 높은 흑연 도가니(100)에 의하여 많은 열이 방출되지만, 이 부분에 열 전도율이 낮은 불활성 가스층(110)이 형성됨으로써 열의 방출을 막을 수 있다.
그러므로, 기존 흑연 도가니(100)에 가열시 필요한 히터파워보다 낮은 값으로 충분히 흑연 도가니(100)를 가열할 수 있다.
상기 불활성 가스층(110)에 의하여, 흑연 도가니(100)의 상측부(130)와 하측부(150)로 빠져나가는 열이 줄이면서 상기 중간부(140)에만 열화가 집중되는 현상을 줄이고, 또한, 상기 중간부(140)의 외측벽이 받는 열이 내측부에 전달되는 양을 줄여서 상기 중간부(140)에 열화가 집중되는 형상을 방지할 수 있다.
결국, 상기 불활성 가스층(110)으로 인하여, 흑연 도가니(100)는 전 영역에 걸쳐서 균일한 열 분포를 갖게 되어, 특정부위에 열화가 집중되는 현상을 방지할 수 있게 되고, 열화 집중으로 인하여 흑연 도가니(100)의 손상되는 것을 방지하게 된다.
전술한 바와 같은 잉곳성장장치에 의해서, 흑연 도가니(100) 내부를 단열함으로써 히터파워를 감소시킬 수 있고, 흑연 도가니(100) 특정부위에 열화가 집중되는 현상을 방지하여 상기 흑연 도가니(100)의 수명을 증가시킬 수 있으며, 이를 통해 잉곳의 생산비를 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
본 발명은 웨이퍼에 재료가 되는 잉곳을 성장시키기 위한 잉곳성장장치와 이에 사용되는 도가니에 관한 것이므로, 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (16)

  1. 실리콘 융액이 수용되는 석영 도가니;
    상기 석영 도가니가 수용되는 흑연 도가니;
    상기 흑연 도가니의 하부를 지지하는 도가니 받침대; 및
    상기 흑연 도가니 측으로 열을 제공하기 위한 히터부;를 포함하고,
    상기 흑연 도가니는 상기 석영 도가니와 접하는 내측 바디와, 상기 내측 바디로부터 소정 간격을 두고 배치되는 외측 바디을 포함하도록 구성되어, 상기 내측 바디와 외측 바디 사이에는 공간이 형성되는 잉곳성장장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흑연 도가니에는 공간은 불활성 가스로 채워진 잉곳성장장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 흑연 도가니 내부로 상기 불활성 가스를 공급하기 위한 가스 공급수단을 더 포함하는 잉곳성장장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 공급수단을 통하여 공급되는 불활성 가스는 상기 도가니 받침대를 통과하여 상기 흑연 도가니 하측부를 통하여 제공되는 잉곳성장장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 가스 공급수단은 상기 히터부가 동작되는 때에 상기 불활성 가스를 상기 흑연 도가니 내부로 공급하는 잉곳성장장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 불활성 가스는 아르곤 가스인 잉곳성장장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 흑연 도가니의 내측 바디와 외측 바디 사이는 소정 두께의 적어도 하나 이상의 지지부에 의하여 이격된 간격이 유지되는 잉곳성장장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성 가스층은 상기 흑연 도가니 두께의 50%미만의 높이를 갖도록 형성되는 잉곳성장장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 흑연 도가니의 적어도 일부 표면에는 유리질 탄소가 코팅되는 잉곳성장장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 불활성 가스층과 맞닿는 상기 외측 바디와 내측 바디의 적어도 일부 면에는 유리질 탄소가 코팅되는 잉곳성장장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 흑연 도가니의 상면에는 홀이 형성된 잉곳성장장치.
  12. 잉곳성장을 성장하기 위한 잉곳성장장치의 내부에 배치되고, 석영 도가니를 수용하는 흑연 도가니로서,
    상기 석영 도가니와 접하는 내측 바디;
    상기 내측 바디로부터 소정 간격을 두고 배치되는 외측 바디; 및
    상기 외측 바디와 내측 바디를 연결하는 상부 연결부; 를 포함하고,
    상기 내측 바디와 외측 바디 사이에는 적어도 하나 이상의 공간이 형성된 흑연 도가니.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 흑연 도가니의 공간은 불활성 가스로 채워진 흑연 도가니.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 흑연 도가니의 공간으로 불활성 가스를 주입하기 위한 가스 공급수단을 포함하는 흑연 도가니.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 흑연 도가니의 상면에는 불활성 가스를 배출하기 위한 적어도 하나 이상의 홀이 배치된 흑연 도가니.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 흑연 도가니의 내측 바디와 외측 바디 사이는 소정 두께의 적어도 하나 이상의 지지부에 의하여 이격된 간격이 유지되는 잉곳성장장치.
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