KR100690959B1

KR100690959B1 - 단결정 잉곳의 성장 장치

Info

Publication number: KR100690959B1
Application number: KR1020040111402A
Authority: KR
Inventors: 홍영호; 김상희; 최일수
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2007-03-09
Also published as: KR20060072692A

Abstract

초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시킬 때 단결정 잉곳 중심부의 수직온도기울기와 외주부의 수직온도기울기 사이의 편차를 최소화하고, 잉곳의 중심으로부터 2/3 지점의 수직온도기울기를 낮추어 반경방향으로의 온도편차를 줄이는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 본 발명에서는 초크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 있어서, 챔버와, 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니와, 도가니를 가열하는 히터와, 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 잉곳과 도가니 사이에 설치되어 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드와, 열실드에서 잉곳과의 최인접부에 부착되고 잉곳을 에워싸는 원통형이며, 잉곳 온도 1100~1350℃ 영역의 측방에 윈도우(window)가 형성된 열차폐부재를 포함하는 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.

잉곳, 열차폐부재, 윈도우, 국부발열, 마진

Description

단결정 잉곳의 성장 장치 {An apparatus of growing single crystal ingot}

도 1은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부를 도시한 단면도이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성장 장치에서 원통형의 열차폐부재를 펼친 상태로 도시한 평면도이며,

도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따라 열차폐부재의 윈도우를 통해 열 방사가 일어날 때 온도분포를 도시한 시뮬레이션 결과이고,

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳의 성장 장치를 사용한 경우 Ar 가스의 유동을 보여주는 단면도이고, 도 4b는 윈도우가 없는 경우에 대한 Ar 가스의 유동을 보여주는 단면도이며,

도 5a는 일반적인 종래 장치를 사용하여 결정 외주부의 수직온도기울기가 중심보다 현저히 높은 상태로 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 결정결함 평가 결과를 도시한 것이고, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 결정결함 평가 결과를 도시한 것이다.

본 발명은 초크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반경방향으로 품질 균일도가 높은 무결함 단결정을 생산함에 있어서 생산 마진(margin)을 확대하는 단결정 잉곳 성장 장치에 관한 것이다.

반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(ingot)을 제조하는 대표적인 방법으로는 초크랄스키(Czochralski, CZ)법이 있다. 이 방법은 단결정인 종자결정(seed crystal)을 용융액에 담근 후 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법으로서 일반적으로 몇 가지 공정단계로 나누어진다.

먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking) 단계를 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering) 단계를 거치며 이 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정이 성장된다. 이 과정을 바디그로잉(body growing) 단계라 부르는데 이 때 성장된 부분이 웨이퍼로 만들어진다.

일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융액과 분리하는 테일링(tailing) 공정단계를 거쳐 결정성장단계가 마무리된다.

이러한 결정성장 공정은 핫존(hot zone)이라는 공간에서 이루어지게 되는데, 핫존은 그로어(grower) 내부의 발열체(heater), 보온 구조물을 포함한 여러 부품들로 이루어져 있다.

단결정 내의 결함특성은 결정의 성장 및 냉각 조건에 매우 민감하게 의존하 기 때문에 성장계면 근처의 열이력을 조절함으로써 성장결함의 종류 및 분포를 제어하고자 하는 많은 연구가 진행되어 왔다.

일반적으로는 잉곳의 표면에서 열방출이 자유로와 잉곳의 중심부에 비해 외주부에서 결정의 수직온도기울기(G)가 크다. 즉, 잉곳의 반경방향을 따라서, 중심부에서부터 외주부로 갈수록 G값이 증가하기 때문에, 중심부에는 베이컨시 우세 영역이 형성되고, 상대적으로 외주부에는 인터스티셜 우세 영역이 형성된다.

그런데, 웨이퍼가 면내에서 특성이 균질할 것이 요구되는 추세에 따라, 결정 반경방향으로의 수직온도기울기의 편차를 줄이기 위해 다양한 핫존이 설계되었지만 기존의 열실드들은 수직온도 기울기의 반경방향 편차를 줄이는 데는 효과가 있었지만 여전히 결정 외주부의 수직온도 기울기는 중심보다 현저히 높고 이를 극복하기 위하여 잉곳의 성장속도를 낮출 경우 생산성이 저하될 우려가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 Ar 유속에 의하여 성장계면이 위로 양각이 되도록 하는 제어장치, 원통형 열차폐부에 기인한 Ar 유속의 증대로 잉곳 계면의 삼중점 주위에서의 압력변화 및 실리콘 융액진동을 방지하기 위해 잉곳 길이에 따라 압력을 변화시키는 방법, 도가니 회전속도를 낮추는 방법 또는 자장을 적용한 방법도 제안되었다. 그러나, 이들 기술에서는 잉곳 중심부에서의 수직온도기울기는 상승하였으나 잉곳 중심으로부터 2/3 지점의 수직온도기울기 또한 상승하여 반경방향으로의 온도편차를 줄이는 데 한계가 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목 적은 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시킬 때 단결정 잉곳 중심부의 수직온도기울기와 외주부의 수직온도기울기 사이의 편차를 최소화하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 잉곳의 중심으로부터 2/3 지점의 수직온도기울기를 낮추어 반경방향으로의 온도편차를 줄이는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 실리콘 단결정 잉곳의 국부가열을 통하여 고온영역에서 점결함의 확산 및 Recombination 효과증대로 인한 무결함 영역의 마진이 확대되고 잉곳 반경방향으로의 점결함 거동을 제어할 수 있는 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 성장계면 근처의 Ar 유동 최적화에 의한 압력변화 및 실리콘 융액 진동의 효과적인 제어를 제공함에 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명에서는 초크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 있어서, 챔버와, 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니와, 도가니를 가열하는 히터와, 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 잉곳과 도가니 사이에 설치되어 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드와, 열실드에서 잉곳과의 최인접부에 부착되고 잉곳을 에워싸는 원통형이며, 잉곳 온도 1100~1350℃ 영역의 측방에 윈도우(window)가 형성된 열차폐부재를 포함하는 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.

이 때 열차폐부재는 열실드에서 실리콘 융액을 향해 연장되도록 부착되는 것이 바람직하다.

윈도우는 열차폐부재의 전체 면적에 대해 20-70%를 점유할 수 있고, 바람직하게는 40-50%를 점유할 수 있다.

윈도우의 잉곳 길이방향으로의 높이 D1과, 윈도우를 통해 열 방사가 일어나는 잉곳 영역의 높이 D2는, D1≤D2≤200mm을 만족시키는 것이 바람직하다.

잉곳의 중심으로부터 반경방향으로 2/3 지점에서의 수직온도기울기값을 G_2/3라 하고, 잉곳 외주부에서의 수직온도기울기값을 G_e라 하며, 잉곳 중심에서의 수직온도기울기값을 G_c라 할 때, G_2/3≤G_e와 G_2/3≤G_c을 동시에 만족시키는 것이 바람직하다. 여기서 수직온도기울기값은 잉곳과 융액의 계면에서의 값이다.

또한, G_e와 G_2/3의 차이(G_e-G_2/3)를 △G라 할 때, △G≤30 K/cm 인 것이 바람직하다.

열차폐부재의 재질은 흑연, 비정질 석영, 몰리브덴 중의 어느 하나일 수 있고, 열차폐부재의 표면에는 실리콘카바이드(SiC)가 코팅되어 있는 것이 바람직하다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

본 발명에서는 초크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키며 도 1에 도시된 바와 같은 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치를 이용한다. 도 1은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 내부를 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치는 챔버(10)를 포함하며, 챔버(10)의 내부에서 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 이루어진다.

챔버(10) 내에는 실리콘 융액(SM)을 담는 석영 도가니(20)가 설치되며, 이 석영 도가니(20)의 외부에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(25)가 석영 도가니(20)를 에워싸도록 설치된다.

도가니 지지대(25)는 회전축(30) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(30)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 석영 도가니(25)를 회전시키면서 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대(25)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(40)에 에워싸여지며, 이 히터(40)는 보온통(45)에 의해 에워싸여진다.

히터(40)는 석영 도가니(20) 내에 적재된 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들며, 보온통(45)은 히터(40)에서 발산되는 열이 챔버(10)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다.

챔버(10)의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시)이 설치되며, 이 케이블의 하부에 석영 도가니(20) 내의 실리콘 융액(SM)에 접촉되어 인상하면서 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 종결정이 설치된다. 인상 수단은 단결정 잉곳(IG) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이 때 실리콘 단결정 잉곳(IG)은 도가니(20)의 회전축(30)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(20)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어 올리도록 한다.

챔버(10)의 상부로는, 성장되는 단결정 잉곳(IG)과 실리콘 융액(SM)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 공급하고, 사용된 불활성 가스는 챔버(10)의 하부를 통해 배출시킨다.

실리콘 단결정 잉곳(IG)과 도가니(20) 사이에는 잉곳(IG)을 에워싸도록 열실드(50)가 설치되어 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하며, 열실드(50)에서 잉곳(IG)과의 최인접부에는 열차폐부재(60)를 부착 설치하여 열 흐름을 더욱 차단하여 열을 보존한다.

열실드(50)는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄소(C) 또는 SiC가 코팅된 흑연으로 이루어지고 다양한 형상으로 제작될 수 있다. 열실드(50)는 특정한 형상으로 한정되지 않고 본 발명에서는 어떠한 형상의 열실드라도 가능하다.

열실드의 형상에 제한되지 않고 어떠한 형상이든 열실드(50) 중에서 잉곳(IG)과의 최인접부에 본 발명의 열차폐부재(60)가 설치된다. 열차폐부재(60)는 열실드에서 실리콘 융액을 향해 연장되도록 부착될 수도 있고, 또는 열실드와 일체형으로 제작될 수도 있다.

열차폐부재(60)는 잉곳(IG)을 에워싸는 원통형의 형상을 가지고, 잉곳 온도 1100~1350℃ 영역의 측방에 윈도우(window)(65)가 형성되어 있으며, 이 윈도우를 통해 열 방사(heat radiation)가 일어나므로 윈도우는 잉곳을 국부발열시키는 작용을 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 성장 장치에서 원통형의 열차폐부재(60)를 펼친 상태로 도시한 평면도이다.

윈도우(65)는 열차폐부재(60)의 전체 면적에 대해 20-70%를 점유하는 것이 바람직하다. 만약 윈도우(65)의 점유면적이 20% 미만이면 본 발명에서 제시한 국부발열 효과를 낼 수 없으며, 윈도우(65)의 점유면적이 70%를 초과하면 국부발열 효과가 지나치게 커서 오히려 결정 성장에 악영향을 미치고 반경방향으로의 품질 편차를 만들게 된다.

따라서 윈도우는 열차폐부재의 전체 면적에 대해 20-70%를 점유하는 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 40-50%를 점유하는 것이다.

열차폐부재(60) 원통형의 높이(H)는 클수록 열차폐의 역할을 보다 더 효과적으로 수행하므로 바람직하나, 기 설치된 열실드의 높이를 고려하여 실리콘 융액(SM)에 닿지 않을 조건을 만족시키는 것에 의해 제한되어 높이(H)의 상한치가 결정된다.

열차폐부재(60)의 판 두께는 특별한 제한이 없으며 단결정 잉곳 성장 시의 열충격에 깨지지 않을 정도의 두께이면 가능하다.

열차폐부재(60)에 형성된 윈도우(65)의 크기, 형상, 및 배열 형태 등은 맬트갭(melt-gap : 반경방향으로의 가스 유동 단면적) 및 잉곳갭(ingot-gap : 수직방향으로의 가스 유동 단면적) 등을 고려하여 다양하게 변경가능하되 하기 수학식 1 등으로 표현되는 몇가지 조건을 만족시켜야 하나 이에 대해서는 후술하기로 한다.

열차폐부재(60)는 흑연, 비정질 석영, 몰리브덴 중의 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 방사율 및 투과율 등을 고려하여 목적에 따라 적절한 재질로 선택하여 사용할 수 있다. 또한, 열차폐부재(60)의 표면에는 실리콘카바이드(SiC)가 코팅될 수도 있다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예에 따라 열차폐부재의 윈도우를 통해 열 방사가 일어날 때 온도분포를 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 3a 및 3b에는 윈도우의 잉곳 길이방향으로의 높이 D1을 통해 열 방사가 일어나는 잉곳 영역의 높이 D2가 도시되어 있으며, 도 3b에서는 열차폐부재의 윈도우 직하부 이면에 추가판(67)을 설치하여 도 3a에 비해 열 방사가 일어나는 잉곳 영역의 높이 D2를 줄이고 있다.

본 발명에서는 윈도우의 잉곳 길이방향으로의 높이 D1과, 윈도우를 통해 열 방사가 일어나는 잉곳 영역의 높이 D2 사이에 다음과 같은 수학식 1을 만족시키는 조건으로 열차폐부재를 제작한다.

D1≤D2≤200mm

수학식 1에서 '200mm'라는 수치는 8인치 직경의 잉곳을 성장할 때로 산출된 것이며, 잉곳의 직경이 증가할수록 이 수치는 더욱 증가될 것이다.

상술한 수학식 1을 만족시키는 열차폐부재는 잉곳의 중심으로부터 반경방향으로 2/3 지점에서의 수직온도기울기값을 낮춰 잉곳의 반경방향으로의 품질 편차를 최소화시켜준다.

보다 구체적으로는, 잉곳의 중심으로부터 반경방향으로 2/3 지점에서의 수직온도기울기값을 G_2/3라 하고, 잉곳 외주부에서의 수직온도기울기값을 G_e라 하며, 잉곳 중심에서의 수직온도기울기값을 G_c라 할 때, 다음의 수학식 2 및 수학식 3을 동시에 만족시킨다.

G_2/3≤G_e

G_2/3≤G_c

여기서 수직온도기울기값은 잉곳과 융액의 계면, 즉 고-액계면에서의 값을 의미한다.

또한, G_e와 G_2/3의 차이(G_e-G_2/3)를 △G라 할 때 다음의 수학식 4를 만족시킨다.

△G≤30 K/cm

또한 열차폐부재(60)의 윈도우(65)를 통해 아르곤 등의 불활성 가스의 유동이 최적화된다. 도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳의 성장 장치를 사용한 경우 Ar 가스의 유동을 보여주는 단면도이고, 도 4b는 윈도우가 없는 경우에 대한 Ar 가스의 유동을 보여주는 단면도이다.

도 4a 및 4b를 비교한 결과 본 발명에서와 같이 윈도우를 포함하는 열차폐부재를 설치하면 고액계면 근방에서의 Ar 유동이 최적화되어 실리콘 융액의 진동이 억제되고 삼중점에서의 압력변화가 일정하게 되는 장점이 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 장치를 이용하면 잉곳의 국부발열 효과에 의해 점결함의 확산 및 재결합 증대로 인해 무결함 영역의 생산 마진이 확대된다. 도 5a는 일반적인 종래 장치를 사용하여 결정 외주부의 수직온도기울기가 중심보다 현저히 높은 상태로 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 결정결함 평가 결과를 도시한 것이 고, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 결정결함 평가 결과를 도시한 것이다.

도 5a 및 도 5b는 특정 속도로 성장시킨 잉곳을 길이방향으로 잘랐을 때 보이는 단면도로서 이들 도면에는 베이컨시 우세 영역(V), 인터스티셜 우세 영역(I), 산화적층결함(OiSF) 영역이 도시되어 있으며, 이 때 산화적층결함(OiSF) 영역과 인터스티셜 우세 영역(I) 사이의 무결함 영역(P)의 생산마진이 도 5a에는 M1으로, 도 5b에는 M2로 표시되어 있다. 이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 도 5b의 경우 무결함 영역의 생산마진(M2)이 도 5a에 도시된 비교예의 생산마진(M1)에 비해 현저히 향상됨을 확인할 수 있다.

무결함 영역의 생산마진을 성장속도로 표현하면 종래 통상적인 마진은 0.02 mm/min 미만이었으나, 본 발명에 따르면 0.02 내지 0.04 mm/min 정도로 향상된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에서는 초크랄스키 법에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 장치에서 열실드에 열차폐부재를 설치하여 실리콘 단결정 잉곳의 중심으로부터 2/3 지점의 수직온도기울기를 낮추어 반경방향으로의 온도편차를 줄이는 효과가 있다.

즉, 본 발명에서는 열차폐부재의 설치로 인해 잉곳 중심부와 외주부 간의 수직온도기울기 편차를 줄이고, 따라서 실리콘 단결정 잉곳의 반경 방향 품질 편차를 감소시키는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 무결함 영역의 생산 마진이 확대되는 효과가 있다. 그리고 본 발명의 열차폐부재에는 윈도우가 형성되어 있어 고액계면 근방에서의 Ar 유동이 최적화되고 실리콘 융액의 진동이 억제되며 삼중점에서의 압력변화가 일정하게 되는 효과가 있다.

Claims

초크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 있어서,

챔버;

상기 챔버의 내부에 설치되고, 실리콘 융액을 담고 있는 도가니;

상기 도가니를 가열하는 히터;

실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 상기 잉곳과 상기 도가니 사이에 설치되어 상기 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단하는 열실드; 및

상기 열실드에서 상기 잉곳과의 최인접부에 부착되고 상기 잉곳을 에워싸는 원통형이며, 상기 잉곳 온도 1100~1350℃ 영역의 측방에 윈도우(window)가 형성된 열차폐부재;를 포함하는 단결정 잉곳의 성장 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 열차폐부재는 상기 열실드에서 상기 실리콘 융액을 향해 연장되도록 부착된 것인 단결정 잉곳의 성장 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 윈도우는 상기 열차폐부재의 전체 면적에 대해 20-70%를 점유하는 단결정 잉곳의 성장 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 윈도우는 상기 열차폐부재의 전체 면적에 대해 40-50%를 점유하는 단결정 잉곳의 성장 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 윈도우의 잉곳 길이방향으로의 높이 D1과, 상기 윈도우를 통해 열 방사가 일어나는 잉곳 영역의 높이 D2는 다음의 식을 만족시키는 단결정 잉곳의 성장 장치.

D1≤D2≤200mm
제 1 항에 있어서,

상기 잉곳의 중심으로부터 반경방향으로 2/3 지점에서의 수직온도기울기값을 G_2/3라 하고, 상기 잉곳 외주부에서의 수직온도기울기값을 G_e라 하며, 상기 잉곳 중심에서의 수직온도기울기값을 G_c라 할 때, 다음의 두 식을 동시에 만족시키는 단결정 잉곳의 성장 장치.

G_2/3≤G_e, G_2/3≤G_c
제 6 항에 있어서,

상기 수직온도기울기값은 상기 잉곳과 상기 융액의 계면에서의 값인 단결정 잉곳의 성장 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 G_e와 상기 G_2/3의 차이(G_e-G_2/3)를 △G라 할 때, 다음의 식을 만족시키는 단결정 잉곳의 성장 장치.

△G≤30 K/cm
제 1 항에 있어서,

상기 열차폐부재의 재질은 흑연, 비정질 석영, 몰리브덴 중의 어느 하나인 단결정 잉곳의 성장 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 열차폐부재의 표면에는 실리콘카바이드(SiC)가 코팅되어 있는 단결정 잉곳의 성장 장치.