KR100284572B1

KR100284572B1 - 단결정 제조방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR100284572B1
Application number: KR1019970032332A
Authority: KR
Inventors: 네메츠 프리드리히
Original assignee: 게르트 켈러; 와커 실트로닉 게젤샤프트 퓌르 할브라이테르마테리아리엔 아게
Priority date: 1996-07-17
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 2001-03-15
Also published as: JPH1081596A; DE19628851A1; MY133687A; EP0819783A1; KR980009529A; DE59702373D1; EP0819783B1; US5746824A; JP3000141B2; TW476816B

Abstract

본 발명은 초크랄스키방법에 의해 용융물에서 실리콘 단결정을 인발시켜 불활성가스 플러싱 인발 챔버내에서 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또 그 방법을 실시하는 장치에 관한 것이다.

그 방법은 a) 그 인발 챔버내에 제 1 내측 챔버와 제 2 내측 챔버를 구성시켜 각각은 측면, 상부면 및 저부면의 경계에 의해 형성하고, b) 제 1 내측 챔버의 상부면 경계를 통하여 제 1 불활성가스 스트림을, 그 단결정 주위에 설정된 열실드(heat shield)와 용응물 함유 도가니를 포함하는 제 1 내측 챔버로 통과시키며, c) 제 2 내측 챔버의 저부면 경계를 통하여 제 2 불활성가스 스트림을, 도가니 가열용 가열장치를 포함하는 제 2 내측 챔버로 통과시키는데 있다(단, 제 1 불활성가스 스트림과 제 2 불활성가스 스트림은 그 내측 챔버를 나온후 조기에 혼합시킬수 있음).

Description

단결정 제조방법 및 그 장치

본 발명은 초크랄스키방법에 의해 용융물에서 실리콘 단결정을 인발시켜 불활성가스 플러싱(flushing)인발 챔버내에서 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또 그 방법을 실시하는 장치에 관한 것이다.

그 초크랄스키방법에 의한 실리콘 단결정의 제조에 있어서, 불활성가스로 그 인발 챔버를 플러싱함과 동시에 단결정을 그 도가니내에 설정한 용융물에서 인발하는 것은 통상적인 방법이다.

불활성가스의 플러싱(flushing)으로, 그 인발 챔버의 가스공간내의 입자가 그 단결정이 성장하는 상경계면(phase boundary)에 도달할 수 없게 하였다.

즉, 이들의 입자가 그 단결정과 결합하여 전위(dislocations)를 상승시켜 그 단결정의 성장을 정지시키는 위험성이 있다.

불활성가스에 의한 플러싱은 산소가 그 성장결정과 결합하는 결합 능력범위에 영향을 준다.

그 불활성가스는 용융물에서 실리콘 옥사이드를 픽업(pick up)하여 인발챔버로 이동시키는 캐리어가스(carrier gas)로 작용한다.

실리콘옥사이드는 그 용융물과 통상적으로 사용하는 석영제 도가니벽과의 반응을 하는 동안 발생하여 그 용융물에서 상당히 탈기된다(outgas).

그 용융물에 잔류되어 있는 실리콘 옥사이드는 산소를 단결정에 결합시킨다.

불활성가스에 의해 픽업한 실리콘옥사이드의 양과 단결정에 결합시킨 산소의 양 사이에는 단결정에 산소의 결합을 조정하는 데 이용할 수 있는 단계가 존재한다.

그러나, 불활성가스의 플러싱에 의한 실리콘 옥사이드의 제거에는, 그 실리콘 옥사이드의 일부가 그 인발 챔버내에서 고체로서 용착되어 있기 때문에 기술적인 문제가 있다.

그 도가니를 가열시키는데 사용되고 통상 그라파이트로 구성되는 가열장치상에 그 실리콘옥사이드가 용착될 경우 그 가열장치 표면을 커버하는 실리콘옥사이드층이 즉시 형성된다.

이 층은 시간과 함께 취성(brittle)으로 되어 바람직하지 않는 입자원(particee source)이 된다.

또, 그 가열장치를 둘러싼 그 절연부재가 실리콘 옥사이드와 반응할 경우에도 동일하게 발생한다.

이와 관련하여 그 절연부재의 절연 행동은, 그 용융물과 단결정에서 그 온도장(temperature field)에 대하여, 단결정성 결정성장을 지배하는 요건을 더 이상 충족시킬수 없기 때문에 단결정을 더 이상 인발할 수 없는 범위까지 추가로 변경시킬수 있다.

따라서, 단결정을 제조하는 장치를 정규적으로 차단시켜 클리닝시키고 그 장치의 손상부분을 대치시키는 것이 절대로 필요하였다.

그러나, 이와같은 유지작업은 번거러운 일이며 코스트가 대단히 높다.

필요한 유지조작의 회수를 늘리기 위하여, 특허문헌 EP-568 183 B1에서는 불활성가스를 인발 챔버를 통해 통과하도록 하는 기술구성이 기재되어 있는 바, 그 불활성가스스트림은 그 인발 챔버 상부 중심영역 유입개구를 통하여 유입되고, 인발 챔버 상부 유입개구 외측에서 반경방향으로 설정되어 있는 유출개구쪽으로 유출시켰다.

그 인발 챔버 상부로 그 불활성가스 스트림의 통과를 제한시킴으로써 그 불활성가스 스트림에 의해 단결정에 산소의 결합을 조정할 수 있는 가능성을 감소시킨다.

반면에, 이 방법은 그 도가니 주위와 그 도가니 바로 아래에 설정시킨 인발 챔버내 이들 장치부품에 확산에 의해 연속적으로 도달할 수 있도록 하는 실리콘 옥사이드를 방지하지 못하였다.

또, 그 인발 챔버의 하부에서는 가스대류(gas convection)가 발생하지 않는다.

그 결과, 절연부재에서 탈기되는 탄소분진은 그 절연부재에 용착되고 절연부재와 가열장치사이에서는 가스방출을 촉진시킨다.

본 발명의 목적은 위에서 설명한 결점을 허용함이 없이 필요한 2회의 유지조작(two maintenance operations)사이에 조작회수를 확대하는 데 있다.

이 목적은 a) 인발 챔버내에 제 1 내측 챔버와 제 2 내측 챔버를 구성시켜 각각 측면, 상부면 및 저부면의 경계에 의해 형성시키고, b) 제 1 내측 챔버의 상부면 경계를 통하여, 단결정 주위에 설정되어 있는 열실드(heat shield)와 용융물 포함 도가니가 포함되어 있는 제 1 내측 챔버로 제 1 불활성가스를 통과시키며, c) 제 2 내측 챔버의 저부면 경계를 통하여, 도가니를 가열시키는 가열장치를 포함하는 제 2 내측 챔버로 제 2 불활성가스 스트림을 통과시켜(단, 제 1 불활성가스 스트림과 제 2 불활성가스 스트림이 내측 챔버를 떠난 후 조기에 혼합할 수 있음)구성하는 방법에 의해 달성된다.

본 발명은 특히 필요한 2개의 유지 사이클 사이의 간격(interval)을 크게 확대시켜 달성한다.

또, 예로서 가열장치와 주변 절연부재가 더 적게 마모되고, 더 적게 교환할 수 있기 때문에 큰 절약이 된다.

또 다른 잇점은 인발장치의 생산성이 높아지고, 생성한 단결정은 일정한 고품질을 갖는 데 있다.

본 발명은 또 이 방법을 실시하는 장치에 관한 것이다.

이 장치는 도가니와 열실드(heat shield)를 포함하는 제 1 내측 챔버(first inner chamber)와 가열장치를 포함하며, 측면, 상부면 및 하부면의 경계에 의해 구성되고, 제 1 내측 챔버의 상부 경계를 통하여 제 1 내측 챔버로 불활성가스를 공급하는 제 1 장치와, 제 2 내측 챔버의 저부면 경계를 통하여 제 2 내측 챔버로 불활성가스를 공급하는 제 2 장치를 구비하는 제 2 내측 챔버를 구비한다.

제1도는 본 발명에 의한 장치의 한 실시예를 나타낸 단면도.

제2도는 본 발명에 의한 장치의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 인발 챔버(pulling chamber) 2 : 단결정 인발장치

3 : 단결정(single crystal) 4 : 용융물(melt)

5a : 도가니 5b : 지지도가니

6 : 축(shaft) 7 : 열실드(heat shield)

8 : 홀더(holder) 9 : 가열장치(heating device)

10 : 전류공급리드(lead) 11a : 절연부재(insulation)

11b : 그라파이트-펠트 와인딩(graphite-felt winding)

12,13 : 절연부재 14 : 제1내측 챔버(first inner chamber)

15 : 제2내측 챔버(second inner chamber)

16 : 튜브(tube)

17 : 캐리어 플레이트(carrier plate)

18 : 커버(cover) 19 : 저부면(bottom)

20 : 지지튜브 22 : 불활성가스 공급장치

23,24 : 유출개구(outlet openings)

25 : 디플렉션 튜브(deflection tube)

26 : 유출개구 27,28 : 추출개구(extraction opening)

29 : 불활성가스 공급장치 30 : 불활성가스 공급제3장치

본 발명에 의한 방법과 그 장치를 첨부 도면에 따라 구체적으로 아래에 설명한다.

제1도 및 제2도에서는 본 발명을 설명하는 데 필요한 특징만을 나타낸 것이다.

동일한 특징은 동일한 부호에 따라 주어진다.

제1도에 의한 장치는 인발 챔버(pulling chamber)(1)를 구성하며, 그 인발 챔버는 초크랄스키방법에 의해 용융물(4)에서 단결정(3)을 인발하는 장치(2)를 구비하며 개략적으로만 나타내었다.

그 용융물은 도가니(5a)내에 포함되고, 그 도가니(5a)는 통상 석영유리로 구성되고, 지지도가니(5b)상에 지지되며, 축(shaft)(6)상에서 회전할 수 있게 그리고 수직방향으로 이동할 수 있게 장착되어 있다.

그 단결정을 열선별(screen thermally)하기 위하여, 그 단결정을 포위하며, 용융물 표면 부근까지 형성되어 있는 열실드(heat shield)(7)를 구비하는 것이 통상적이다.

그 열실드는 튜브상구조 또는 제1도에서 나타낸 바와같이 원추상 구조이다.

그 열실드를 지지하기 위하여, 홀더(holder)(8)와 인발장치의 상부면에 구성되어 있다.

가열장치(9)는 도가니(5a)주위에 설정되며 그 도가니 아래에 있다.

최소한 하나의 전류공급리드(lead)(10)를 가진 그라파이트 저항성 히터(graphite resistance heater)를 가열장치로 통상사용된다.

그 가열챔버는 절연부재(insulations)에 의해 열노출 손상을 방지한다.

하나의 절연부재(insulation)(11)가 가열장치 주위에 설정되어 있다.

예로서, 그라파이트 방사튜브(11a)가 그라파이트-펄트와인딩(graphite-felt winding)(11b)을 구성한다.

또 다른 절연부재(12,13)가 인발 챔버(1)의 하부분에 포함되어 있다.

도에 나타낸 실시예에서, 가열실드(7)의 홀더(8)아래에 있는 인발 챔버 내부를 또 다른 간격(intervals)에 의해 내부챔버로 세분시킨다.

제 1 내측 챔버(14)에는 열실드(7)와 도가니(5a)가 포함되어 있고, 제2내측 챔버(15)에는 가열장치(9)가 포함되어있다.

제 1 내측 챔버(14)는 튜브(16)에 의해 횡방향으로 구성되어 있다.

또 다른 경계가 홀더(8)(챔버 14의 상부면 경계)와 캐리어 플레이트(carrier plate)(17)(챔버 14 의 저부면 경계)에 의해 형성되어 있다.

그 튜브(16)와 캐리어 플레이트(17)는 그라파이트로 구성되는 것이 바람직하며, 동시에 제 2 내측 챔버(15)의 경계로도 작동한다.

제 2 내측 챔버(15)의 또 다른 경계는 커버(18)(그 챔버 15의 상부면 경계), 절연부재(13)(그 챔버 15의 저부면 경계), 지지튜브(20) 및 절연부재(11)(그 챔버 15의 측면경계)에 의해 형성되어 있다.

각각의 내측 챔버(14,15)는 불활성가스를 공급하는 장치를 각각 구비한다.

불활성가스를 제1내측 챔버(14)로 공급하는 장치(22)가 불활성가스 스트림(stream)(I)을 홀더(8)를 통하여 인발 챔버의 상부분으로, 그리고 열실드(7)를 통하여 제 1 내측 챔버(14)로 통과시킨다.

공급한 불활성가스 스트림이 튜브(16)의 유출개구(23)를 통하여 그리고, 디플렉션 튜브(deflection tube)(25)의 유출개구(24)를 통하여 그 내측 챔버(14)를 떠난다.

최종적으로, 공급한 불활성가스는 추출개구(extraction opening)(28)를 통하여 인발 챔버(1)에서 흡입된다.

불활성가스를 제 2 내측 챔버(15)로 공급하는 장치(29)는 불활성가스 스트림(II)을 인발 챔버(1)와 절연부재(13)의 저부면(19)를 통하여 제 2 내측 챔버(15)로 통과시킨다.

공급한 불활성가스 스트림은 커버(18)의 유출개구(26)를 통하여 내측 챔버(15)를 떠나 추출개구(28)를 통하여 인발 챔버(I)에서 흡입된다.

그 불활성가스 스트림은 내측 챔버(14,15)를 떠난후 즉시 혼합할 수 있다.

도에 나타낸 실시예에서는 이 혼합이 추출챔버(27)내에서 발생하며, 이 챔버는 추출개구(28)에 접속되어 있다.

이 장치에 나타낸 구조는 실리콘옥사이드로 로딩(loading)시킨 불활성가스 스트림(I)이 특히 가열장치(9)와 절연부재(11)에 도달할 수 없게 보호한다.

반면에, 그 불활성가스 스트림(II)은 절연부재(11)상에 용착물 생성을 방지하여, 최종적으로 전기 플래쉬오버(electrical flashovers)의 우려를 없앤다.

제2도는 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로, 제1도의 실시예와 특징이 다르다.

이 장치는 불활성가스를 공급하는 제 3 장치(third device)(30)를 구비하며, 이 장치(device)는 불활성가스 스트림(III)를 캐리어 플레이트(17)를 통하여 제1내측 챔버(14)로 통과시킨다.

공급한 그 불활성가스 스트림(III)은 그 튜브(16)의 유출개구(23)를 통하여, 그리고 디플렉션 튜브(25)의 유출개구(24)를 통하여 그 내측 챔버(14)를 떠나, 그 추출개구(28)를 통해 인발 챔버(1)에서 흡입한다.

그 불활성가스 스트림(I)및 (III)은 그 내측 챔버(14)에서 혼합한다.

이 실시예에서 단결정에 산소의 결합은 그 불활성가스 스트림(I)의 공급에 의해 영향을 받을 뿐만 아니라, 불활성가스 스트림(111)의 공급에 의해서도 영향을 받는다.

그 산소의 결합을 조정할 수 있는 중요한 변수는 불활성가스 스트림(I)및 (III)에 의해 단위시간당 내측 챔버(14)를 통과하는 불활성가스의 양이다.

일정한 산소농도가 단결정에서 얻어지도록 단결정을 인발할 때 그 양을 조절하여 변화하도록 한다.

그 단결정에서의 산소농도는 일반적으로 소정의 협소한 값 범위를 초과할 수 없으며 또 그 범위 이하로 벗어날 수 없다.

따라서, 소정의 산소농도가 그 단결정에서 실제로 얻어지므로, 예비실험을 실시하여 그 불활성가스 스트림(I) 및 (II)이 불활성가스를 그 내측 챔버에 공급시켜야 할 비를 결정하여 단결정 성장을 할 때 그 비를 어떻게 변화시켜야 할 것인가를 규명한다.

제3의 불활성가스 스트림이 불필요하게 될 경우, 단위 시간당 내측 챔버(14)에 들어오는 그 불활성가스의 양은 그 불활성가스 스트림(I)과, 시간에 따르는 이 양의 변화에 의해 결정된다.

[실시예]

가열장치 또는 그 가열장치를 둘러싼 절연부재의 마모로 인한 필요한 유지조작 사이의 조작회수 비교에서는 제1도에 의한 장치가 동일한 공지의 구조의 장치와 같이 대비할 수 있는 인발 조건하에서 약 5 회 조작할 수 있었다.

본 발명은 필요한 2개의 유지사이클(maintenance cycles)사이의 간격(interval)을 크게 연장시키며, 코스트가 저렴한 잇점이 있고, 제조한 단결정이 일정한 고품질을 갖도록 하는 효과가 있다.

Claims

초크랄스키방법에 의해 용융물에서 실리콘 단결정을 인발시켜 불활성가스 플러싱(flushing)인발 챔버내에서 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 있어서, a) 그 인발 챔버내에 제 1 내측 챔버(first inner chamber)와 제 2 내측 챔버(second inner chamber)를 구성시켜 이들의 내측챔버 각각은 측면, 상부면 및 저부면의 경계에 의해 형성하고, b) 제 1 불활성가스 스트림(first innert gas stream)을, 제 1 내측 챔버의 상부면 경계를 통하여 그 단결정 주위에 설정시킨 열실드(heat shield)와 용융물포함 도가니를 구성하는 제 1 내측 챔버로 통과시키며, c) 제 2 불활성가스 스트림(secondinert gas stream)을, 제 2 내측 챔버의 저부면 경계를 통하여 도가니를 가열시키는 가열장치를 포함하는 제 2 내측챔버로 통과시키고, d) 제3불활성가스 스트림을 제1내측 챔버의 저부면 경계를 통하여 제1내측 챔버로 통과시킴(단, 제1불활성가스 스트림과 제2불활성가스 스트림이 그 내측 챔버를 떠난후 조기에 혼합할 수 있음)을 특징으로 하는 실리콘 단결정을 제조하는 방법.
제1항에 있어서, 제 1 불활성가스 스트림과 제 3 불활성가스 스트림을 공급하여 그 단결정에 산소의 결합을 조정하도록함을 특징으로 하는 실리콘 단결정을 제조하는 방법.
초크랄스키방법에 의해 실리콘 단결정을 제조하며, 용융물에서 그 단결정을 인발하는 장치(device)를 포함하는 불활성가스 플러싱 인발 챔버를 구성하는 장치에 있어서, a) 용융물을 수용하는 도가니와, b) 그 도가니 주위에 설정한 도가니를 가열하는 가열장치와, c) 그 가열장치 주위에 설정한 절연부재와, d) 그 단결정 주위의 용융물 위에 설정한 열실드(heat shield)를 구비하여, e) 그 도가니와 열실드를 포함하는 제 1 내측 챔버(first inner chamber)와, 그 가열장치를 포함하는 제 2 내측 챔버(second inner chamber)를 구성시켜 이들의 내측 챔버는 측면, 상부면 및 저부면의 겅계에 의해 형성시키고, f) 불활성가스를 제 1 내측 챔버의 상부면의 경계를 통하여 제 1 내측 챔버로 공급하는 제 1 장치와, 불활성가스를 제 2 내측 챔버의 저부면의 경계를 통하여 제 2 내측 챔버로 공급하는 제 2 장치를 구성하고, g) 불활성가스를 제1 내측 챔버의 저부면의 경계를 통하여 제 1 내측 챔버로 공급하는 제3 장치를 구비함을 특징으로 하는 불활성가스 플러싱 인발장치를 구성하는 장치.