KR101089909B1 - 단결정 성장장치용 석영 도가니 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쵸크랄스키(Cz) 공정에 사용되는 단결정 성장장치용 석영 도가니에 관한 것으로서, 3~10㎜ 두께의 버블 프리 영역(Bubble Free Region)을 갖는 투명한 내부층; 및 상기 내부층을 둘러싸는 불투명한 외부층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 석영 도가니를 개시한다.

쵸크랄스키법, 실리콘 융액, 석영 도가니, 마이크로 버블, 버블 프리 영역, 크리스토발라이트

Description

단결정 성장장치용 석영 도가니{Quartz crucible for single crystal grower}

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 제조를 위한 석영 도가니에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 벌크(Bulk) 내에 존재하는 마이크로 버블(Micro Bubble)에 의해 단결정의 품질이 저하되는 현상을 방지하는 구조를 가진 단결정 성장장치용 석영 도가니에 관한 것이다.

실리콘 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.

쵸크랄스키(Cz) 공정에 사용되는 석영 도가니는 투명한 내부층과, 내부층을 둘러싸는 조밀한 버블들에 의해 형성된 불투명한 외부층을 포함하며, 내부층 안쪽으로 수용공간이 형성되고 상면은 개방된 형태를 갖는다. 이러한 석영 도가니의 제조기술과 관련된 문헌으로는 예컨대, 국내 공개특허 제2005-87881호, 제2004-12472호 등을 들 수 있다.

상기 공개특허에서는 주로 석영 도가니의 내부층 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 버블이 Ostwald Growth에 의해 성장하여 열처리 전보다 2~3배 커지게 된다. 또한, 단결정 성장 중에는 석영 도가니 내벽에서 일어나는 식각으로 인해 내부의 버블이 표면으로 오픈된다. 이때 표면의 크리스토발라이트(Cristobalite) 상은 박리되기 쉬운 조직이므로 버블이 오픈됨에 따라 크리스토발라이트 조직의 박리가 진행되어 치명적인 다결정화 소스(Source)의 발생을 초래하게 된다. Ostwald Growth에 의해 마이크로 버블이 성장 및 이동함에 따라 석영 도가니의 내부층에는 마이크로 버블이 존재하지 않는 버블 프리 영역(Bubble Free Region)이 형성되는데, 이 영역은 통상적으로 'BFL(Bubble Free Layer)'로 지칭된다.

한편, 본 출원인이 기출원한 대한민국 특허출원 제2007-0136735호에서는 석영 도가니의 변형을 물리적 변형, 화학적 변형 등으로 구분하여 그 원인과 영향을 분석한 바 있다.

물리적 변형은 쵸크랄스키법(Cz법)에서 고온의 열변형에 의한 것으로 유리(Glass) 전이온도 근처에서 휘거나 흘러내림에 의한 두께의 변화(도 1의 ① 및 ② 참조), 불투명층 내에 존재하는 버블의 팽창에 의한 두께변화 등을 들 수 있다. 이러한 물리적인 변형은 Cz법에서 열 및 물질의 전달 메카니즘에 관여하여 단결정 잉곳의 축 대칭을 방해함으로써 고품질 단결정 생산을 곤란하게 한다.

화학적 변형은 석영 도가니의 불순물 성분과 온도변화에 의하여 일어나는데, 특히 석영 도가니 내벽 표면 및 표면근처의 벌크(Bulk) 영역에서 발생하는 실투(Devitrification) 현상이 중요하다. 이는 Cz법에서 사용 전 석영 도가니는 유리 상으로 존재하다가 사용온도의 변화 및 조성에 의하여 크리스토발라이트나 준안정한(metastable) 인규석(Tridymite), α-Quartz, β-Quartz 등으로 상전이를 일으킨 후 물리화학적 특성 차이로 실리콘 융액으로 플레이크 아웃(Flake Out)되기 때문이다(도 1의 ③ 참조). Cz법에서 이와 같은 상전이가 일어날 수 있음은 각 상의 프리에너지(Free Energy) 값을 분석해 보면 알 수 있다. 석영 도가니에 존재하는 금속 불순물 중 전이금속 산화물은 석영과 결합하여 크리스토발라이트 상을 형성하게 되며, 특히 알칼리 금속의 총 불순물 농도에 의한 영향이 크므로 유의해야 한다.

플레이크 아웃된 파티클은 실리콘 융액 내에서 부유하다가 실리콘 단결정이 형성되는 성장계면에 침투하여 실리콘 다결정화(Poly-Crystallization)를 유발함으로써 단결정 수율을 저하시킨다.

도 2는 종래기술에 따른 단결정 성장공정의 완료 후 석영 도가니의 실제 내부층의 표면 상태(A)와 단면 상태(B)를 보여주는 사진이다. 도 2의 (A)를 참조하면, 도가니 내부면의 전영역에서 크리스토발라이트 상변화가 발생했음을 알 수 있다. 크리스토발라이트는 고온의 용액에서도 녹지 않고 고액계면에서 잉곳에 부착되 어 단결정의 깨짐 현상을 초래하게 된다. 도가니 내부의 표면을 면밀히 조사해 보면 오픈 버블을 관찰할 수 있는데, 이로부터 파티클이 플레이크 아웃되어 실리콘 융액으로 유입됐음을 유추할 수 있다. 도 2의 (B)를 참조하면, 멜트 라인(Melt Line)에 가까운 부분이 도가니의 바닥(Bottom) 쪽에 비해 식각이 많이 발생했음을 확인할 수 있으며, 심한 지점(1)은 버블 프리 영역이 없어질 정도로 식각이 진행되어 불투명층의 버블 레이어(BL: Bubble Layer)까지 식각됐음을 확인할 수 있다.

따라서, 고품질의 단결정을 생산하기 위해서는 석영 도가니의 버블 프리 영역과 BL 영역에 대한 최적 설계치를 제시하여 오픈 버블의 발생을 억제하고 석영 도가니의 변형을 방지하는 것이 중요함을 알 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 단결정 성장을 위한 열처리 후에 마이크로 버블이 팽창 및 이동하여 오픈 버블을 유발하는 것을 방지하도록 내부층의 버블 프리 영역 두께가 최적화된 단결정 성장장치용 석영 도가니를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 단결정 성장을 위한 열처리 후에 석영 도가니가 변형되는 것을 방지하도록 내부층의 버블 프리 영역 두께가 최적화된 단결정 성장장치용 석영 도가니를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 실리콘 융액이 수용될 수 있는 내부공간을 구비하고, 3~10㎜ 두께의 버블 프리 영역(Bubble Free Region)을 갖는 투명한 내부층; 및 상기 내부층을 둘러싸는 불투명한 외부층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 석영 도가니를 개시한다.

상기 버블 프리 영역의 두께는 도가니 두께의 50% 이내인 것이 바람직하다.

상기 석영 도가니는 멜트 라인(Melt Line)이 위치하는 지점의 버블 프리 영역의 두께가 다른 부분에 비해 상대적으로 더 두꺼운 것이 바람직하다.

본 발명에서 제시하는 버블 프리 영역의 두께 범위에 따르면 오픈 버블과 플레이크 아웃의 발생을 효과적으로 억제하고 석영 도가니의 휨 변형 등을 방지할 수 있다. 따라서, 실리콘 멜트(Melt)를 대용량화 하거나 멀티 풀링(Multi-Pulling) 등을 위해 장시간의 그로잉(Growing) 공정을 진행하더라도 에어 포켓(Air Pocket)이나 깨짐 등의 불량이 없는 고품질 실리콘 단결정 잉곳을 고수율로 제조할 수 있는 장점이 있다.

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 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치용 석영 도가니의 구성을 도시한 단면도이며, 도 4는 석영 도가니 내에 존재하는 버블 프리 영역을 도시한 구성도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치용 석영 도가니는 3~10㎜ 두께의 버블 프리 영역을 갖는 투명한 내부층(100)과, 내부층(100)을 둘러싸는 조밀한 버블들에 의해 형성된 불투명한 외부층(110)을 포함하고, 투명층 안쪽으로 수용공간이 형성되며 상면은 개방된 형태를 갖는다. 석영 도가니는 쵸크랄스키법(Cz)으로 반도체 단결정을 성장시키는 성장장치에 사용되어 반도체 멜트를 수용한다.

내부층(100)은 천연실리카 또는 합성실리카에 의해 투명층 형태로 구성된다. 내부층(100)은 그 내부에 두께(T)가 3~10㎜인 버블 프리 영역이 존재하는 구조를 갖는다. Ostwald Growth에 의해 내부층(100) 내부에서 성장하여 이동하는 마이크로 버블의 특성과 도가니에 요구되는 내구성 등을 고려할 때, 버블 프리 영역의 두께(T) 범위는 상기와 같은 수치범위를 갖는 절대값으로 제시되는 것이 바람직하다. 상기 두께(T) 범위에 따르면, 단결정 성장을 위한 열처리가 수행된 이후에 내부층(100)에서 마이크로 버블이 Ostwald Growth에 의해 성장하여 발생하는 오픈 버블(Open Bubble)을 효과적으로 줄일 수 있고, 파티클이 단결정 융액으로 플레이크 아웃되는 현상을 방지할 수 있다.

상기 버블 프리 영역의 두께(T)는 도가니 전체 두께의 50% 이내인 것이 바람직하다. 50%를 초과하여 과도하게 두꺼울 경우에는 외부층(110)의 두께가 너무 얇아지므로 석영 도가니의 강도와 열전달 특성이 저하되는 문제가 있다.

상기 버블 프리 영역의 두께(T)에 대한 수치범위는 예컨대, 300㎜나 450㎜ 직경의 단결정 성장 시에 효과적으로 적용 가능하다.

내부층(100)에 있어서, 멜트 라인(Melt Line)이 위치하는 부분은 식각에 취약하므로 멜트 라인에 대응하는 지점의 버블 프리 영역은 다른 부분에 비해 상대적으로 더 두꺼운 두께(도 5의 T_ML 참조)를 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 멜트 라인은 다결정 실리콘을 석영 도가니 내에 투입한 후 용융시키는 멜팅(Melting) 공정이 완료됐을 때 멜트의 표면부와 석영 도가니의 내벽이 접촉되는 부분으로 정의된다.

외부층(110)은 도가니의 내구성 강화 및 멜트 진동을 억제하기 위해 버블을 함유한 천연재질의 기포층으로 구성되며, 이 기포층에 의해 불투명 상태가 되어 열복사를 확산시킬 수 있다.

이상의 설명과 같이 도가니 전체 두께의 50% 이내에서 3~10㎜의 두께로 설계된 버블 프리 영역을 갖는 석영 도가니는 쵸크랄스키법(Cz)에 의한 단결정 성장 이후에 도가니몸체가 휘는 현상 등이 발생하지 않으며, 에어 포켓이 발생하지 않는 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 제공할 수 있다.

석영 도가니의 제조 시에는 통상의 도가니 제조공정이 채택될 수 있으며, 내부층(100)과 외부층(110)의 형성 시 가열온도, 가스 유동, 배기 등의 다양한 공정 조건을 제어함으로써 상술한 바와 같은 버블 프리 영역의 조건을 만족하는 석영 도가니를 제조할 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 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 석영 도가니에서 발생 가능한 변형들을 나타낸 모식도이다.

도 2는 종래기술에 따른 단결정 성장공정의 완료 후 석영 도가니의 내부 표면과 단면의 상태를 보여주는 사진이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단결정 성장장치용 석영 도가니의 구성을 도시한 단면도이다.

도 4는 도 3에서 내부층에 존재하는 버블 프리 영역의 두께(T)를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 5는 도 3에서 멜트 라인이 위치하는 지점의 버블 프리 영역의 두께(T_ML)를 개략적으로 도시한 구성도이다.

Claims (3)

1. 쵸크랄스키(Cz) 공정에 사용되는 단결정 성장장치용 석영 도가니에 있어서,

   3~10㎜ 두께의 버블 프리 영역(Bubble Free Region)을 갖는 투명한 내부층; 및

   상기 내부층을 둘러싸는 불투명한 외부층;을 포함하고,

   멜트 라인(Melt Line)이 위치하는 지점의 버블 프리 영역의 두께가 다른 부분에 비해 상대적으로 더 두꺼운 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 석영 도가니.
2. 제1항에 있어서,

   상기 버블 프리 영역의 두께가 도가니 두께의 50% 이내인 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치용 석영 도가니.
3. 삭제

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