KR100907184B1 - 단결정 성장장치용 석영 도가니 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쵸크랄스키법(Cz)으로 반도체 단결정을 성장시키는 성장장치에 사용되는 석영 도가니에 관한 것으로서, 내부 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지 마이크로 버블이 존재하지 않는 투명한 내부층; 및 상기 내부층의 바깥을 둘러싸는 불투명한 외부층;을 포함하는 석영 도가니가 개시된다.

본 발명에 의하면 도가니 내부에서의 마이크로 버블 성장을 원천적으로 억제할 수 있는 석영 도가니가 개시되므로 단결정 성장시 수율을 향상시킬 수 있다.

쵸크랄스키법, 석영 도가니, 마이크로 버블, 오픈 버블, Ostwald Growth

Description

단결정 성장장치용 석영 도가니 및 그 제조방법{Quartz crucible for grower of single crystal and fabrication method thereof}

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 석영 도가니의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2는 석영 도가니의 내부 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지의 마이크로 버블의 농도를 내부층의 두께 타입별로 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 3은 도 2에서 가로축의 측정 위치를 도식화한 단면도이다.

도 4는 열처리 전후에 석영 도가니의 내부층에서의 마이크로 버블의 성장 상태를 보여주는 사진이다.

도 5는 열처리 전후에 석영 도가니의 내부층에서의 마이크로 버블 성장모델을 도식화한 도면이다.

도 6은 도 2에 도시된 석영 도가니의 타입별 성장공정 종료 후 내부층 내에 서의 오픈 버블을 측정한 사진이다.

도 7은 도 2에 도시된 석영 도가니의 타입별 표면 식각 정도를 보여주는 도면이다.

도 8은 도 2에 도시된 석영 도가니의 타입별 단결정 수율을 나타내는 테이블이다.

본 발명은 석영 도가니 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고수율 단결정 성장이 가능하도록 내부층 구조가 개선된 석영 도가니 및 그 제조방법에 관한 것이다.

반도체 단결정 성장을 위한 쵸크랄스키(Cz) 공정에서 생산성을 향상시키기 위해서는 실리콘 멜트(melt)를 대용량화 하거나 멀티 풀링(multi-pulling) 등을 수행하는 방법이 사용될 수 있으나, 이 경우 장시간의 공정에 의해 석영 도가니가 식각되거나 열화되어 단결정 수율을 저하시키는 문제가 발생하게 된다.

반도체 단결정 성장장치에 사용되는 석영 도가니의 구조 개선과 관련하여 개시된 종래기술로는 예컨대, 국내 공개특허 제2005-87881호, 국내 등록특허 제524452호 등을 들 수 있다.

이들 공개기술에서는 주로 석영 도가니의 내부 투명층 두께나 종류(합성투명층, 천연투명층 등)에 초점을 두고 도가니 구조를 개선한 기술을 개시하고 있으며, 이러한 조건의 변화에 의해 석영 도가니 내부 표면의 브라운링(brown ring)의 개수가 저감되어 단결정 수율을 향상시킬 수 있다고 설명하고 있다. 하지만, 상기 공개기술에서도 석영 도가니 내부 표면에서의 브라운링의 발생, 식각 및 유리 용출면 발생 등을 억제하는 근본적인 해결방안은 여전히 제시하지 못하는 한계가 있다.

특히, 석영 도가니는 단결정 성장을 위한 열처리가 수행된 후 그 내부에서 마이크로 버블(micro bubble)이 Ostwald Growth에 의해 성장하여 오픈 버블(open bubble)이라는 치명적인 다결정화 소스(source)의 발생을 초래하게 되는데, 종래기술에서는 마이크로 버블의 성장을 원천적으로 억제할 수 있는 석영 도가니 구조가 제시된 바가 없었다.

본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창안된 것으로서, 도가니의 내부층에 대한 마이크로 버블 농도가 제어되어 단결정 수율의 향상이 가능한 고수율 단결정 성장장치를 위한 석영 도가니 및 그 제조방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 도가니 내부층의 마이크로 버블이 큰 버블로 성장하는 것을 억제할 수 있도록 내부층의 두께가 최적화된 구조의 석영 도가니를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 석영 도가니는 내부 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지 마이크로 버블이 존재하지 않는 내부층 구조를 개시한다.

즉, 본 발명에 따른 석영 도가니는 쵸크랄스키법(Cz)으로 반도체 단결정을 성장시키는 성장장치에 사용되는 도가니로서, 내부 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지 마이크로 버블이 존재하지 않는 투명한 내부층; 및 상기 내부층의 바깥을 둘러싸는 불투명한 외부층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 내부층의 두께는 1~2㎜인 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 투명한 내부층과 상기 내부층을 둘러싸는 불투명한 외부층을 포함하는 반도체 단결정 성장장치용 석영 도가니의 제조방법에 있어서, 상기 내부층의 형성시, 내부 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지 마이크로 버블의 농도를 0으로 유지하는 것을 특징으로 하는 석영 도가니의 제조방법이 제공된다.

본 발명에 따른 석영 도가니 제조방법은, 상기 석영 도가니에 대응하는 도가니 주형의 내부에 실리카 그레인을 투입한 후 용융시켜 상기 내부층과 외부층을 형성하고, 상기 내부층의 형성시, 상기 도가니 주형를 수용하는 챔버 내부에 대한 가스 유동과 배기를 제어하여 상기 마이크로 버블의 농도를 0으로 유지할 수 있다.

상기 내부층을 형성함에 있어서, 상기 내부층의 두께는 1~2㎜로 형성하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 석영 도가니의 구성을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 석영 도가니는 마이크로 버블이 존재하지 않는 내부층(11)과, 내부층(11)의 바깥에 형성된 외부층(10)을 포함하고, 내부층(11) 안쪽으로 수용공간이 형성되고 상면은 개방된 형태를 갖는다. 이러한 석영 도가니는 쵸크랄스키법(Cz)으로 반도체 단결정을 성장시키는 성장장치에 사용되어 반도체 멜트를 수용한다.

내부층(11)은 도가니의 내부 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지 마이크로 버블이 존재하지 않는 투명한 실리카층 형태를 갖는다. 이러한 내부층(11)은 합성층 또는 천연층으로 구성될 수 있으며, 두께는 1~2㎜로 형성된다.

외부층(10)은 내구성 강화 및 멜트 진동을 억제하기 위해 버블을 함유한 천연재질의 기포층으로 구성되며, 이 기포층에 의해 불투명 상태가 되어 열복사를 확산시킬 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 내부층 구조와 마이크로 버블의 성장 특성 간의 관계를 살펴보기로 한다.

도 2는 도가니의 내부 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지 직경이 30㎛ 크기 이상의 마이크로 버블의 농도를 나타내는 그래프이다. 도면에서 내부층의 두께는 Type- 2 = Type-1 > Type-3 > Type-4의 순이며, 도 3은 도 2의 가로축 상의 거리, 즉 도가니의 바닥 중심으로부터 이격된 거리를 도식화한 도면이다. 도 2에서 Type-1과 Type-2는 통상적으로 사용되는 규격의 석영 도가니에 해당한다.

또한, 도 4는 내부층의 두께에 따른 열처리 전과 후의 마이크로 버블 성장을 나타낸다. 도 4에서 (a)는 상대적으로 두꺼운 두께의 내부층을 나타내고, (b)는 상대적으로 얇은 두께의 내부층을 나타낸다.

도 2와 도 4를 참조하면, 내부층의 두께가 두꺼울수록 열처리 후 마이크로 버블의 성장이 많이 진행되어 큰 직경의 버블들이 많이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

도 5는 마이크로 버블의 Ostwald Growth를 도식화한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 내부층 내에 마이크로 버블이 많이 존재하는 경우에는 열처리 과정에서 마이크로 버블들이 Ostwald Growth를 거쳐서 큰 직경의 버블로 성장하게 된다. 그런데, 내부층에 존재하는 마이크로 버블 중에서 외부층 부근의 마이크로 버블들은 외부층의 큰 버블들 근처로 이동하여 결국 외부층 부근의 내부층에서는 버블들이 존재하지 않는 영역이 생기게 된다. 이러한 특성을 고려하여 본 발명에 따른 석영 도가니는 내부층의 두께를 1~2mm, 보다 바람직하게는 1mm 내외로 유지함으로써 Ostwald Growth에 의한 마이크로 기포의 성장을 억제할 수 있다.

도 6은 도 2에 도시된 석영 도가니 두께 타입별 단결정 성장공정 종료 후 내부층 내에서의 오픈 버블을 측정한 결과를 나타낸다. 도면을 참조하면, 마이크로 버블의 농도가 높을수록, 즉 Type-3 이나 Type-4에 비해 Type-1과 Type-2가 Ostwald Growth에 의한 마이크로 버블의 거대화가 더욱 진행되어 오픈 버블의 농도가 높게 나타남을 확인할 수 있다.

이상과 같은 마이크로 버블의 성장 특성을 감안하여 석영 도가니의 내부층은 내부 표면으로부터 0.5mm 깊이까지 마이크로 버블이 존재하지 않는 구조로 최적화된다. 이와 같이 내부층의 표면으로부터 0.5mm 깊이까지 마이크로 버블을 제어하게 되면, 오픈 버블이나 브라운 링, 표면 식각 등을 가장 효율적으로 억제할 수 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 최종적인 유리 용출면의 발생을 억제할 수 있다. 도 7은 단결정 성장시 멀티 풀링을 수행한 후 석영 도가니에 있어서 식각이 가장 심한 부분을 기준으로 가로 5cm, 세로 5cm의 넓이 안에서 내부층 표면을 촬영한 사진으로서, 내부층의 두께가 상대적으로 얇아짐에 따라, 즉 Type-1 및 Type-2에 비해 Type-3이나 Type-4가 유리 용출면의 발생이 적은 결과를 확인할 수 있다.

도 8에는 상술한 Type-1 내지 Type-4에 해당하는 석영 도가니를 이용해 멀티 풀링을 수행한 결과를 정리한 테이블이다. 여기서, 공정시간은 140~200시간 정도로 통상적인 공정 시간의 2배 이상으로 수행되었다.

도 8을 참조하면, Type-1 내지 Type-4 모두 첫번째 단결정 성장에서는 단결정 수율이 100%였으나, 두번째 단결정 성장시에는 장시간의 공정으로 인해 석영 도가니의 표면 식각이 진행되고, 이 식각으로 인해 유리 용출면이 발생함으로써 단결정 수율이 감소했음을 알 수 있다. 이것은 공정시간이 증가할수록 석영 도가니의 내부층에 존재하는 마이크로 버블이 직접적으로 유리 용출면의 발생에 영향을 미치고, 단결정 수율에도 관여한다는 것을 의미한다. 한편, 두번째 단결정 성장시 수율 을 비교해 보면 상대적으로 마이크로 버블의 농도가 감소할수록 장시간 공정시 단결정 수율이 증가함을 확인할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 석영 도가니는 도가니 제조공정시 내부층의 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지 마이크로 버블의 농도를 실질적으로 0으로 유지하는 제어를 통해 제조된다. 바람직하게, 석영 도가니 제조공정으로는 석영 도가니에 대응하는 도가니 주형을 챔버 내에 구성하고, 도가니 주형의 내부에 실리카 그레인(silica grain)을 투입한 후 용융시키되 가열온도 등 공정조건을 제어하여 내부층과 외부층을 형성하는 공정방법이 채택될 수 있다. 이 경우 내부층의 형성시에는, 도가니 주형를 수용하는 챔버 내부에 대한 가스 유동과 배기 등을 제어하여 내부층의 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지 마이크로 버블의 농도를 0으로 유지할 수 있다. 이때 공정조건을 제어하여 내부층의 두께를 1~2㎜로 형성하게 되면 상술한 바와 같이 마이크로 버블들의 Ostwald Growth에 의한 오픈 버블들의 발생을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명에 의하면 내부층의 마이크로 버블 분포를 제어하여 도가니 표면에서의 유리 용출면 발생과 오픈 버블 발생을 억제할 수 있으므로 장시간의 공정시간을 필요로 하는 멀티 풀링 시에도 높은 단결정 수율을 제공할 수 있다.

또한 내부층의 두께를 1~2㎜로 최적 설계함으로써 내부층 내에서의 마이크로 버블들의 Ostwald Growth에 의한 오픈 버블의 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 쵸크랄스키법(Cz)으로 반도체 단결정을 성장시키는 성장장치에 사용되는 석영 도가니에 있어서,

   내부 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지 마이크로 버블이 존재하지 않으며, 1~2㎜의 두께를 갖는 투명한 내부층; 및

   상기 내부층의 바깥을 둘러싸는 불투명한 외부층;을 포함하는 단결정 성장장치용 석영 도가니.
2. 삭제
3. 투명한 내부층과 상기 내부층을 둘러싸는 불투명한 외부층을 포함하는 반도체 단결정 성장장치용 석영 도가니의 제조방법에 있어서,

   상기 내부층의 형성시, 내부 표면으로부터 0.5㎜ 깊이까지 마이크로 버블의 농도를 0으로 유지하고, 두께를 1~2㎜로 형성하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 석영 도가니의 제조방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 석영 도가니에 대응하는 도가니 주형의 내부에 실리카 그레인을 투입한 후 용융시켜 상기 내부층과 외부층을 형성하고,

   상기 내부층의 형성시, 상기 도가니 주형를 수용하는 챔버 내부에 대한 가스 유동과 배기를 제어하여 상기 마이크로 버블의 농도를 0으로 유지하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 석영 도가니의 제조방법.
5. 삭제

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