KR20010052460A - 결정 성장 장치용 전기 저항 히터 - Google Patents

Abstract

초크랄스키법에 따라 단결정 실리콘 잉곳들을 성장시키는데 사용되는 결정 인상기에 사용하기 위한 전기 저항 히터는 도가니와 그 도가니내의 실리콘을 가열하도록 상기 도가니 주변의 상기 결정 인상기의 하우징내에 배치하기 위해 형상화되고 규격화된 가열 소자를 구비한다. 상기 가열 소자는 전기 회로에 함께 연결된 가열 세그먼트들을 포함한다. 그 가열 세그먼트들은 상부 및 하부 부분들을 가지며, 용융 실리콘을 포함하는 도가니 주변에 배치되는 경우에, 그 상부 부분들이 통상적으로 상기 용융 실리콘의 표면을 포함하는 수평 평면상에 배치되고, 상기 하부 부분들이 통상적으로 상기 수평 평면 아래에 배치되도록 서로 관련하여 배치된다. 상기 상부 부분들은 상기 하부 부분들보다 더 많은 가열 전력을 발생시키도록 구성됨으로써 용융 실리콘 표면에서의 용융 실리콘과 상기 용융 실리콘 표면 바로 위의 잉곳 사이에 온도 변화도를 감소시킨다. 상기 상부 부분들은 상기 하부 부분들의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 갖고, 상기 하부 부분들의 폭보다 실질적으로 작은 폭을 가진다. 상기 상부 부분들의 상기 교차 부분 영역은 어느 곳에서나 상기 하부 부분들의 교차 부분 영역보다 작다.

Description

결정 성장 장치용 전기 저항 히터{ELECTRICAL RESISTANCE HEATER FOR CRYSTAL GROWING APPARATUS}

반도체 전자 구성요소들의 제조에 있어 대부분의 공정에 대한 시료(starting material)인 단결정 실리콘은 공통적으로 소위 초크랄스키(“CZ”)법에 의해 제조된다. 결정 성장은 결정 인상 노(crystal pulling furnace)에서 수행된다. 이 방법에 있어서, 다결정 실리콘(“폴리실리콘”)은 도가니에 주입되고, 상기 도가니의 측벽의 외부 표면을 둘러싸는 히터에 의해 용해된다. 시드 결정은 상기 도가니의 용융 실리콘과 접촉하며, 단결정 잉곳은 결정 인상기에 의해 서서히 추출됨으로써 성장된다. 넥(neck)의 형성이 완료된 후에, 결정 잉곳의 직경은 소망하거나 목표로 하는 직경에 도달될 때 까지 인상속도 및/또는 용융 온도를 감소시킴으로써 확대된다. 대략 일정한 직경을 가지는 상기 잉곳의 원통 모양의 메인 바디는 그 후에 상기 도가니의 감소된 용융 레벨을 보상하면서 인상 속도와 용융 온도를 제어함에 의해 성장된다. 결정 공정의 끝 부근에서 도가니내의 용융 실리콘이 없어지기 전에, 결정 직경은 엔드-콘(end-cone)을 형성하도록 통상적으로 감소되어야 한다. 통상적으로, 엔드-콘은 상기 도가니에 공급된 열 및 결정 인상 속도를 증가시킴에 의해 형성된다. 직경이 충분히 작게 되는 경우에, 상기 결정은 그 후에 용해물로부터 분리된다.

도가니에 실리콘을 용해시키는데 사용되는 히터들은 통상적으로 전류가 저항성의 가열 물질(예를 들어, 흑연)로 구성된 가열 소자를 통해 흐르는 전기 저항 히터이다. 전류의 흐름에 있어서 저항은 가열 소자로부터 도가니 및 그 도가니에 포함된 실리콘으로 방사하는 열을 발생시킨다. 상기 가열 소자는 서로 연결되어 뱀모양의 구조를 가지며 나란한 관계로 배치되는 수직 지향의 가열 세그먼트들을 구비한다. 즉, 인접한 세그먼트들은 가열 소자 전체에 걸쳐 연속적인 전기 회로를 형성하도록 선택적인 방법으로 세그먼트들의 상부 또는 하부에서 서로 연결된다. 상기 뱀모양의 구조는 전기 저항 물질로 구성된 튜브로 수직 확장된 슬롯들을 절단(즉, 톱질)함에 의해 형성된다. 하향 및 상향 연장 슬롯들은 교대로 상기 가열 소자의 상부로부터 하부와 매우 가까운 곳 및 가열 소자의 하부로부터 상부와 매우 가까운 곳으로 연장하며, 각각 인접한 세그먼트들의 하부가 연결되고, 인접한 세그먼트들의 상부가 연결된다. 상기 가열 소자에 의해 발생된 가열 전력은 통상적으로 상기 세그먼트들의 교차 부분 영역의 함수이다.

초크랄스키 성장법에 따라 단결정 실리콘을 성장시키기 위해 사용되는 종래의 장치가 다양한 애플리케이션들에 유용한 결정 잉곳들을 성장시키는데 만족스럽게 될 지라도, 상기 반도체 물질의 품질에 있어 추가적인 개선사항들이 요구된다. 상기 반도체 물질상에 형성된 집적 회로 라인들의 폭이 감소됨에 따라, 상기 결정내의 결함들의 존재가 더 큰 관심사가 된다. 단결정 실리콘내의 다수의 결함들은 응고후에 결정이 냉각됨에 따라 결정 성장 챔버내에서 형성된다. 부분적으로 베이컨시(vacancy) 및 셀프 인터스티셜(self-interstitial)들로 공지된 내부 점 결함들이 과잉 존재(즉, 용해도 제한이상으로 농축됨)하므로, 그러한 결함들이 발생한다. 명칭에서 알 수 있는 바와 같이, 베이컨시는 결정 격자내의 실리콘 원자의 부재 또는 “베이컨시(vacancy)”에 의해 발생된다. 셀프 인터스티셜들은 상기 결정 격자내의 여분의 실리콘 원자의 존재에 의해 생성된다. 2 종류의 결함들은 반도체 물질의 품질에 악 영향을 준다.

용해물로부터 성장된 실리콘 결정들은 통상적으로 하나 또는 다른 타입의 고유 점 결함, 즉 결정 격자 베이컨시 또는 실리콘 셀프 인터스티셜의 초과에 의해 성장된다. 응고시에 고정되는 실리콘내의 이런한 점 결함들의 타입 및 초기 농도는 비율 v/G₀에 의해 제어되며, v 는 결정의 성장 속도 또는 인상 속도이며, G₀는 응고 시에(예를 들어, 액체-고체 인터페이스에서) 결정의 순시 축 온도 변화도임을 이해해야 한다. v/G₀의 값은 임계값을 초과하므로, 베이컨시의 농도가 증가한다. 마찬가지로, v/G₀의 값은 임계 값 아래로 떨어지므로, 셀프 인터스티셜의 농도가 증가한다.

비율 v/G₀을 제어하는데 있어 한가지 어려움은 액체-고체 인터페이스에서 결정의 축 온도 변화도의 비균일성에 의해 발생한다. 상술된 종래의 결정 인상 장치에 있어서, 도가니의 측벽은 실질적으로 상기 도가니에 포함된 용융 실리콘의 용융 표면 또는 표면 레벨위로 연장된다. 상기 용융 표면위의 노출 측벽의 높이는, 용융 실리콘의 응고시에 상기 도가니내의 용융 실리콘의 크기가 감소함에 따라 증가한다. 상기 용융 표면위로 연장하는 도가니 측벽의 일부가 상기 결정 인상기의 더 냉각된 벽들에 노출되어, 상기 도가니로부터 결정 인상기 벽들로 열이 방사됨에 의해, 이 상부 도가니 부분을 냉각한다. 상기 용융 표면위의 노출 부분이 더 커질수록, 더 빨리 냉각한다. 상기 도가니를 냉각할 뿐만 아니라 결정 인상기의 더 냉각된 벽들에 잉곳을 노출함에 의해, 융융 표면위에 결정 잉곳의 일부로부터 열이 방사되어, 결정 잉곳이 용융 실리콘으로부터 상향 인상될 때 상기 결정 잉곳을 냉각시킨다.

대조적으로, 상기 결정 잉곳이 상기 잉곳의 외부 표면상 보다 중심 축(상기 도가니 또는 결정 인상기 벽들에 노출되지 않음)을 따라 더 늦은 속도로 냉각되므로, 결정의 외부 표면에서의 축 온도 변화도에 비교하여 결정의 중심에서, 실질적으로 축 온도 변화도를 감소시킨다. 따라서, 비율 v/G₀는 외부 표면에서보다 결정의 중심에서 실질적으로 더 크므로, 상기 결정의 점 결함들의 수 밀도(number density)와 비균일성을 증가시킨다. 상기 도가니 측벽의 냉각과 연관된 축 온도 변화도들은 또한 상기 도가니가 수용되는 서셉터의 축 온도 변화도가 된다. 이는 서셉터 구조의 수명을 짧게 하므로, 더 자주 교체되어야 한다.

액체-고체 인터페이스에서 결정내의 점 베이컨시의 도입은 결정의 중심축에서의 축 온도 변화도와 상기 외부 표면에서의 축 온도 변화도사이의 차를 감소시킴에 의해 유효하게 제어 될 수 있다라고 공지되어 왔다. 특히, 용융 표면위의 도가니 측벽에서의 축 온도 변화도들을 감소시킴에 의해, 상기 액체-고체 인터페이스에서의 결정의 외부 표면의 냉각 속도가 감소되어, 상기 결정의 외부 표면에서의 온도 변화도가 실질적으로 감소됨으로써, 중심 축에서의 각각의 축 온도 변화도들과 상기 결정의 외부 표면사이의 차를 감소시킨다.

상술된 현존 히터들의 대부분은 이 목적을 달성하는데 있어서 불충분하다. 이러한 히터들은 상기 가열 소자의 각각의 세그먼트의 하부 부분이 통상적으로 노의 하부상에 히터를 설치하기 위해 도가니 아래에 존재하고, 상부 부분이 도가니의 측벽 부근에 존재하도록 구성된다. 이러한 히터들의 한가지 결점은 상기 가열 소자의 상부가 결정 인상기의 더 냉각된 벽들에 노출되는 반면에 그 하부는 더욱 크게 절연된다라는 것이다. 이는 상기 가열 소자의 상부에서 발생된 열이 상기 가열 소자의 중심 또는 하부에서 생성된 열보다 작으므로, 가열 소자의 상부와 하부사이의 온도 변화도를 만든다. 부가적으로, 상기 세그먼트들의 교차 부분 영역은 인접한 세그먼트들이 가열 소자의 구조적 완전성을 유지하기 위해 연결된 가열 소자의 상부에서 증가된다. 이러한 교차 부분 영역의 증가는 전기 저항을 감소시켜, 가열 소자의 상부에서 출력되는 전력을 감소시키고, 상기 용융 표면 위에 도가니 벽의 일부를 적절히 가열할 수 없게 하여 상기 잉곳으로부터의 열 방출을 감소시킨다 .

미국 특허 제 5,137,699(Azad) 호 및 제 4,604,262 호(Nishizawa)는 용융 표면위로 연장되는 도가니 벽을 가열하도록 종래의 도가니 히터를 증가시키기 위한 하나 또는 그 보다 많은 부가적인 히터들을 사용한다라고 기술한다. 그러나, 이러한 특허들에 기술된 부가적인 히터들은 종래의 히터와 무관하며, 이들의 동작을 제어하기 위한 부가적인 제어장치들을 요구한다. 또한 이러한 개별 히터들을 사용하면 도가니내에 부가적인 공간 및 동작에 대한 부가적인 에너지가 필요하고, 노의 하우징에 비싸게 제조 및 설치될 우려가 있다.

또한 상기 세그먼트들의 상부 부분들을 따라 상기 세그먼트들의 두께를 통상적으로 감소시킴에 의해(예를 들어, 안으로 테이퍼(tapering)화함에 의해) 가열 소자의 상부쪽으로 전기 저항을 증가시킨다라고 공지되어있다. 이는 상기 가열 소자의 상부쪽으로 상기 세그먼트들의 교차 부분 영역을 감소시켜, 상기 가열 소자의 상부에서 증가된 가열 전력을 발생시키도록 상기 세그먼트들의 저항을 증가시킨다. 그러나, 이러한 방식으로 상기 세그먼트들의 두께를 감소시키면 상기 세그먼트들의 상부 부분들의 구조적 완전성 (integrity)이 감소되어, 상기 히터의 기계적 고장의 위험을 증가시킨다. 예를 들어, 상기 히터내의 슬롯들이 절단되고, 휨 압력들이 상기 세그먼트들의 상부 부분들에 인가된다. 상부 부분들의 두께가 감소됨에 따라, 감소된 두께의 영역내에서 상기 휨 압력이 상기 세그먼트를 파괴시킬 가능성이 더 커진다. 결정 성장을 촉진하기 위해 십자형 자석이 결정 인상기의 결정 성장 챔버내에 사용되는 결정 인상기들에 있어서, 상기 십자형 자석에 의해 생성된 자계는 전기적으로 충전된 가열 소자를 끌어당기고, 세그먼트들의 상부 부분들에서 감소된 두께의 영역내의 세그먼트를 파괴할 수 있는 휨 압력을 생성한다. 부가적인 휨 압력은 상기 가열 소자의 무게에 의해 발생된다.

또한 통상적으로 상기 세그먼트들의 상부 부분을 따라 인접한 세그먼트들 사이에 상향 및 하향으로 연장된 슬롯들의 폭을 통상적으로 증가시킨다라고 공지되어 있다. 이는 상기 가열 소자의 상부에서 전력을 증가시키도록 상기 세그먼트들의 교차 부분 영역을 감소시킨다. 그러나, 상향 연장 슬롯들의 증가된 폭은 실질적으로 상기 상부 부분들의 좁아진 부분들을 생성한다. 이러한 좁아진 부분들은 상기 좁아진 부분위의 상부 부분들의 교차부분 영역들보다 실질적으로 작은 교차 부분 영역을 생성한다. 상기 슬롯들을 절단함에 의해, 상기 결정 인상기의 성장 챔버내에 생성된 자계에 의해, 그리고 상기 가열 소자 자체의 무게에 의해 생성된 그러한 압력들과 같은 상부 부분들의 휨 압력들은 이와 같이 좁아진 부분들에 집중되어, 파손의 위험을 증가시킨다. 그러나, 이러한 위험을 감소시키기 위해, 상향 연장 슬롯은 상기 좁아진 부분위의 세그먼트의 실질적으로 증가된 교차 부분 영역(예를 들어, 상기 좁아진 부분아래의 상기 세그먼트의 하부 부분의 교차 부분 영역보다 훨씬 큰)을 벗어나며 상기 가열 소자의 상부와 매우 가까운 곳에서 종결되므로, 상기 히터의 상부에서 실질적인 가열 전력 손실이 발생한다.

본 발명의 몇몇 목적들 및 특징들사이에서 결정 인상기내에 저 결함 단결정 실리콘 잉곳들의 성장을 용이하게 하는 결정 인상기에 사용되는 전기 저항 히터 설비; 상기 잉곳의 외부 표면에서의 축 온도 변화도들과 상기 잉곳의 중심 축사이의 차이를 감소시키는 전기 저항 히터 설비; 더 균일한 도가니 측벽 온도를 제공하는 전기 저항 히터 설비; 향상된 구조적 강도를 갖는 전기 저항 히터 설비; 동작하는데 유효한 전기 저항 히터 설비; 상기 결정 인상기내에 설치하기 쉬운 전기 저항 히터 설비가 언급될 수 있다.

본 발명은 통상적으로 단결정 실리콘 잉곳(ingot)들을 성장시키는데 사용되는 결정 성장 장치에 관한 것으로, 특히 그러한 결정 성장 장치의 전기 저항 히터에 관한 것이다.

도 1 은 단결정 실리콘 잉곳(ingot)의 성장동안에 위치 되며, 본 발명의 전기 저항 히터를 도시하는 상기 결정 인상기의 개략적인 부분 수직 단면도.

도 2 는 도 1 의 전기 저항 히터의 개략도.

도 3 은 도 2 의 라인 3-3 에 의해 지시되는 단면도.

도 4 는 도 2 의 라인 4-4에 대해 평면에서 취해진 단면도.

일반적으로, 초크랄스키 법에 따라 단결정 실리콘 잉곳들을 성장시키는데 사용되는 결정 인상기에 사용하기 위한 본 발명의 전기 저항 히터는 도가니 및 그 도가니내의 실리콘을 가열하기 위해 상기 도가니 주변의 결정 인상기의 하우징에 배치하기 위해 규격화되고 형상화된 가열 소자를 구비한다. 상기 가열 소자는 전기 회로에 함께 연결된 가열 세그먼트들을 포함한다. 상기 세그먼트들은 상부 및 하부 부분들을 가지며, 용융 실리콘을 포함하는 도가니 주변에 배치되는 경우에, 상기 상부 부분들은 상기 용융 시리콘의 표면을 포함하는 수평 평면위에 통상적으로 배치되며, 상기 하부 부분들은 통상적으로 상기 수평 평면 아래에 배치되도록 서로 관련하여 배치된다. 상기 상부 부분들은 상기 하부 부분들보다 더 많은 가열 전력을 발생시키도록 구성됨에 의해, 상기 용융 실리콘 표면에서의 용융 실리콘과 상기 용융 실리콘 표면 바로 위의 잉곳 사이의 온도 변화도를 감소시킨다. 상기 상부 부분들은 상기 하부 부분들의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 가지며, 실질적으로 상기 하부 부분들의 폭보다 작은 폭을 가진다. 상기 상부 부분들의 교차 부분 영역이 어느 곳에서나 상기 하부 부분들의 교차 부분 영역보다 작다.

본 발명의 다른 목적들 및 특징들은 이하 부분적으로 명백하고 부분적으로 지적된다.

이제 도면들 특히 도 1 을 참조하여, 본 발명의 원리들에 따라 구성된 전기 저항 히터가 통상적으로 참조번호 21 로 표시된다. 상기 전기저항 히터(21)는 초크랄스키법에 따른 단결정 실리콘 잉곳(ingot)들(예를 들어, 도 1 의 잉곳 I)을 성장시키는데 사용되는 타입의 결정 인상기(puller)(통상, 참조번호 23 으로 표시)에 설치된다. 상기 결정 인상기(23)는 하부 결정 성장 챔버(27)를 포함하는 내부와 상부 인상 챔버(29)를 분리하기위해, 하우징(통상적으로 참조번호 25 로 표시)을 포함한다. 상기 상부 인상 챔버(29)는 상기 성장 챔버(27)보다 작은 횡방향 치수를 갖는다. 서셉터(susceptor)(32)내에 수용된 수정 도가니(quartz crucible)(31)는 단결정 실리콘 잉곳(I)이 성장된 용융 반도체 소스 물질(M)을 함유한다. 상기 도가니(31)는 원통 모양의 측벽(33)을 포함하며, 중심 축(X)에 대해 회전하기 위해 턴테이블(35)상에 설치된다. 상기 도가니(31)는 상기 잉곳(I)가 성장되고, 소스 물질이 용해물로부터 제거됨에 따라, 통상적으로 일정 레벨 또는 수평 평면(H)에서 상기 용융 소스 물질(M)의 표면을 유지하기 위해 상기 성장 챔버(27)내에 또한 설치될 수 있다.

인상 메커니즘은 인상 샤프트(shaft)(37)를 상승, 하강 및 회전시킬수 있는 메커니즘(도시되지 않음)으로부터 확장된 상기 인상 샤프트(37)를 포함한다. 상기 결정 인상기(23)는 인상기의 타입에 의존하여, 샤프트보다 인상 와이어를 가질 수 있다. 상기 인상 샤프트(37)는 상기 단결정 잉곳(I)를 성장시키는데 사용되는 시드 결정(41)을 보유하는 시드 결정 척(chuck)(39)에서 종결된다. 상기 인상 샤프트(37)는 상기 시드 결정 척(39)과 잉곳(I)의 상승된 위치의 예를 명백하게 설명하기 위해 도 1 에 부분적으로 도시되었다. 아래에 더 상세히 설명된 범위 이외에, 상기 결정 인상기(23)의 일반적인 구조 및 동작은 상기 기술의 통상의 숙련된 자들에게 공지되었으므로, 이는 더 이상 기술하지 않는다.

도 2 를 참조하여, 상기 도가니(31)내에 실리콘을 용해시키는데 사용되는 히터(21)는 통상적으로 상기 도가니의 측벽(33)의 외부 표면을 둘러싸기 위해 규격화된 원통 모양의 가열 소자(통상적으로 참조번호 51 로 표시)를 구비한다. 상기 가열 소자(51)는 전기 회로에 서로 연결되며 나란한 관계로 배치되는 수직 지향 가열 세크먼트(53)들을 구비한다. 특히, 인접한 가열 세그먼트(53)들의 상부 및 하부들은 서로 교대로 연결되어 전체 가열 소자(51)에 대해 연속적인 뱀 모양의 구조를 갖는다. 지지 다리(55)들은 통상 종래의 방식으로 하우징의 하부에 상기 히터(21)를 설치하기 위해 가열 소자(53)와 전기적으로 연결된 가열 소자(51)의 하부에 매달려 있으므로, 본 발명의 히터는 종래의 결정 인상기들에 일반적으로 설치된 도가니 히터들로 교환 가능하다. 상기 지지 다리(55)들은 상기 가열 소자(51)를 통해 전류를 도전시키기 위해 종래의 전극들(도시되지 않음)에 의해 전류원(도시되지 않음)에 전기적으로 연결된다.

상기 가열 소자(51)는 전기 전류의 흐름을 방해하는 비오염적인 저항 가열 물질로 구성되며, 가열 소자에 의해 발생된 출력 전력은 상기 물질의 전기 저항에 따라 증가한다. 특히 바람직한 저항 가열 물질은 고 정화된(highly purified) 압축성형 흑연이다. 그러나, 상기 가열 소자(51)는 본 발명의 범위를 이탈하지 않고 같이 동일하게(isomolded) 주조된 흑연, 실리콘 카바이드 코팅된 흑연, 카본 파이버 혼합물 또는 다른 적절한 물질들로 구성될 수 있다.

도 2 에 도시된 바와 같이, 가열 세그먼트(53)들은 각각 서로 전기 회로에 연결된 상부 및 하부 부분(57,59)을 구비한다. 예시된 실시예에 있어서, 상기 상부 및 하부 부분들(57,59)은 필수 유닛으로 형성된다. 그러나, 상부 부분(57)들은 상기 하부 부분(59)들로부터 분리될 수 있고, 상기 상부 및 하부 부분들 사이의 접속이 전기 회로를 형성하는 한, 용접 또는 다른 적절한 조임 방법들에 의해 연결된다. 상기 하부 부분(59)들은 상기 지지 다리(55)들로부터 수평 평면(H)으로 상향 연장되며 상기 도가니(31)에 용해된 소스 물질(M)의 용융 표면에 의해 부분적으로 규정된다. 상기 가열 소자(51)의 상부 부분(57)들은 상기 도가니 측벽(33)에 인접한 하부 부분(59)들로부터 실질적으로 용융 소스 물질(M)의 용융 표면위의 높이로 상향 연장된다. 상기 상부 및 하부 부분들은 통상적으로 상부 부분들이 상기 하부 부분들의 폭보다 실질적으로 작은 폭을 가지고 프로파일에 있어 직각이므로, 각각의 상부 및 하부 전극들의 연결은 각각의 가열 소자의 통상의 L-형 어깨부(shoulder)를 규정한다.

가열 소자(51)의 구조의 바람직한 방법에 있어서, 수직 연장 슬롯(61,63)들은 저항 가열 물질로 구성된 튜브(도시되지 않음)로 절단되어, 뱀 모양의 구조를 갖는다. 하향 연장 슬롯(61)들은 가열 소자(51)의 상부로부터 하향 연장되며, 서로 연결된 인접한 하부 부분들을 벗어나지 않고, 상기 세그먼트(53)들의 인접한 하부 부분들사이의 가열 소자의 하부와 가까운 곳에서 종결된다.

상향 연장하는 슬롯(63)들은 상기 가열 소자(51)의 하부로부터 위쪽으로 연장되고, 상기 가열 소자의 상부와 가까운 곳에서 종결하며, 서로 연결된 인접한 상부 부분들을 벗어나지 않고, 상기 세그먼트(53)들의 인접한 상부 부분(57)들 사이에 존재한다. 가열 소자(51)의 주변에 대하여 하향 및 상향 연장 슬롯(61,63)들을 교번함에 의해 상기 가열 소자의 뱀 모양의 구조가 생성된다.

도 3 및 도 4 를 참조하여, 상기 세그먼트(53)들의 상부 및 하부 부분들(57,59)의 두께(T)는 통상적으로 같다. 그러나, 각각의 상부 부분(57)의 폭(WU)은 실질적으로 대응하는 하부 부분(59)의 폭(WL)보다 작으므로, 상기 상부 부분의 교차 부분 영역은 상기 하부 부분의 교차 부분의 영역보다 작다. 또한, 인접한 상부 부분(57)들 사이의 접속의 길이(HU)(예를 들어, 상기 가열 소자(51)의 상부와 상기 하향 연장 슬롯(63)의 상부사이의 수직 거리)는 상기 하부 부분(59)들의 폭(WL)보다 실질적으로 작으므로, 상기 접속부의 교차 부분 영역은 상기 하부 부분들의 교차 부분 영역보다 작다. 바람직하게는, 상기 인접한 상부 부분(57)들 사이를 연결하는 교차 부분 영역은 상기 상부 부분들의 교차 부분 영역보다 크지 않으므로, 상기 가열 소자 세그먼트(53)들의 교차 부분 영역은 통상적으로 상기 세그먼트들의 하부 부분(59)들 상에서 일정하게 된다.

예로서, 예시된 실시예의 각각의 상부 및 하부 부분(57,59)의 두께(T)는 대략 25 mm 이다. 각각의 하부 부분(59)은 대략 55 mm의 폭(WL)과, 대략 1375 mm²의 교차 부분 영역을 가지는 반면에, 각각의 상부 부분(57)은 대략 23 mm의 폭(WU)과 대략 575 mm²의 교차 부분 영역을 가진다. 인접한 상부 부분(57)들 사이의 연결에서 상기 가열 소자(51)의 교차 부분 영역은 바람직하게도 상부 부분의 교차 부분 영역(즉, 대략 575 mm²)과 실질적으로 같으므로, 상기 교차 부분 영역(및 본원에서의 저항)은 상부 부분들 전체에 걸쳐 비교적 균일하고, 상기 부분들 사이에 연결된다. 따라서, 상기 상부 부분(57)들의 상기 교차 부분 영역과 그들 사이의 연결부는 어느 곳에서나 상기 세그먼트(53)들의 하부 부분(59)들의 교차 부분 영역보다 작다. 상기 하부 부분(59)들상의 감소된 교차 부분 영역은 가열 소자(51)의 상부 부근의 전기 저항을 증가시킴으로써, 상기 하부 부분들에 의해 생성된 가열 전력에 대하여 상기 가열 소자의 상부 부분(57)들의 가열 전력을 증가시킨다.

동작시에, 다결정 실리콘(“폴리실리콘”)은 상기 도가니(31)에 증착되고, 전류는 상기 도가니에 상기 실리콘을 용해하기 위해 충분한 열을 발생시키도록 상기 가열기(21)의 가열 소자(51)에 충전된다. 시드 결정(41)은 용융 실리콘과 접촉하며, 단일 결정 잉곳(I)는 결정 인상기(23)을 통해 서서히 추출함에 의해 성장된다. 상기 잉곳의 성장동안에, 상기 가열 소자 세그먼트(53)들의 상부 부분(57)들내에 증가된 전기 저항은 상기 상부 부분들의 가열 전력을 증가시킨다. 이 증가된 가열 전력은 상기 가열 소자(51)의 높이에 걸쳐 통상의 균일한 온도 변화도를 제공하며 상기 결정 인상기 하우징의 냉각 효과를 극복하기에 충분하다. 상기 상부 부분(57)들이 상기 용융 표면 또는 수평면(H)위로 약간 연장되므로, 상기 상부 부분들에 의해 생성되는 증가된 가열 전력은 용융 표면위의 도가니 측벽(33)의 냉각을 억제함으로써, 상기 용융 표면에서 잉곳의 복사 냉각을 감소시킨다.

예기된 바와 같이, 용융 표면위의 도가니의 냉각이 감소되면 액체-고체 인터페이스에서 상기 성장 잉곳(I)의 외부 표면의 냉각이 감소한다. 상기 잉곳의 외부 표면(B)과 상기 잉곳의 중심 축(A)에서의 축 온도 변화도들 사이의 차는 이와 같이 감소됨으로써, 상기 잉곳의 응결시에 성장 점 결합들의 수를 감소시킨다.

상기 결정 잉곳(I)는 계속 성장하므로, 상기 도가니(31)내의 소스 물질(M)의 양이 감소하며, 상기 도가니는 하우징내에 동일한 레벨(H)에서 용융 소스 물질(M)의 표면을 유지하도록, 상기 가열 소자(51)와 하우징(25)에 대하여 위쪽에 위치된다. 따라서, 상기 도가니의 측벽(33)이 상기 가열 소자(51)의 상부 부분(57)들에 대하여 이동할 지라도, 상기 상부 부분들은 상기 용융 표면위의 도가니 벽을 즉시 가열하여 유지하도록 상기 도가니내의 용융 표면위에 소량 존재한다.

예를 들어, 한정된 소자 분석이 상술된 타입의 결정 인상기(23)의 초크랄스키법에 따라 한 쌍의 단결정 실리콘 잉곳(I)들의 성장을 자극하도록 수행된다. 종래의 히터(도시되지 않음)는 제 1 잉곳(I)의 성장을 자극하도록 상기 결정 인상기(23)내에 사용되며, 본 발명의 프로파일화된(profiled) 히터(21)는 제 2 잉곳의 성장을 자극하도록 결정 인상기에 사용된다. 결정 성장동안에, 축 온도 변화도는 상기 결정의 중심 축(도 1 에 A로 표시됨)과 결정의 외부 표면(도 1 에 B로 표시됨)에 대해 액체-고체 인터페이스에 기록된다. 도가니 측벽(33)의 온도는 용융 표면(도 1 에 C로 표시됨)과 도가니의 상부 코너(도 1 에 D로 표시됨)에서 분석된다.

상기 결정 잉곳(I)의 중심 축(A)과 외부 표면(B)에서의 축 온도 변화도들은 종래의 히터를 사용하여 성장된 결정에 대하여 각각 19.32 ℃/mm 및 34.95 ℃/mm 이다. 따라서, 상기 결정의 외부 표면의 냉각 속도는 상기 결정의 중심 축에서의 냉각 속도보다 실질적으로 훨씬 크다. 외부 표면축 온도 변화도에 대한 중심축의 축 온도 변화도의 비율(예를 들어, B/A)은 1.81 이다. 본 발명의 프로파일화된 히터(21)를 사용하는 경우에, 상기 결정의 중심 축에서의 축 온도 변화도는 17.9 ℃/mm로 계산되며, 상기 결정의 외부표면에서의 축 온도 변화도는 26.3 ℃/mm로 계산된다. 외부 표면 축 온도 변화도에 대한 중심 축의 축 온도 변화도의 비율은 이와 같이 1.47 로 감소된다.

도가니 벽 온도에 대하여, 상기 도가니 벽(33)의 상부 코너(D)의 온도는 종래의 히터를 사용할때 대략 1191 ℃ 이고, 상기 프로파일화된 히터(21)가 사용되는 경우에 대략 1209 ℃로 증가된다. 따라서, 본 발명의 상기 프로파일화된 히터(21)가 유한 소자 모델에서 도가니 벽(33)의 냉각 온도를 연속적으로 증가시킨다. 결과적으로, 상기 잉곳(I)로부터 상기 도가니(31)의 원통 모양의 측벽(33)으로의 순(net) 방사열 전송이 감소된다.

본원에 기술된 전기 저항 히터(21)는 본 발명의 다양한 목적들을 충족하고, 다른 유리한 결과들을 획득한다라고 전술된 사항으로부터 관찰할 수 있다. 상기 가열 세그먼트(53)들이 통상적으로 일정한 두께(T)의 상부 및 하부 부분들(57,59)을 가진 프로파일화된 가열 소자(51)를 제공하는 경우, 휨 압력에 대하여 가열 소자의 구조적 완전성을 유지함으로써, 파손의 위험을 감소시킨다. 그러한 휨 압력은 슬롯들을 절단하는 동안에 상기 결정 인상기내에 사용되는 십자형 자석들에 의해 생성된 자계에 의해 그리고 상기 가열 소자의 높이에 의해 유도된다. 일반적으로 상기 가열 소자 세그먼트(53)들의 상부 부분(57)들의 일정한 교차 부분 영역을 제공하는 경우에, 각각의 세그먼트의 상부 및 하부 부분들사이에 넓고 더 안정하게 연결시킴으로써 파손의 위험을 더 감소시킨다. 상기 하부 부분(59)에 대하여 상부 부분(57)의 폭(WU)을 감소시키면서 상부 부분의 두께(T)를 유지함에 의해 또한 상기 가열 소자(51)의 교차 부분 영역을 감소시킴으로써, 상기 히터(21)의 상부에서의 가열 소자의 가열 전력을 증가시키도록 상기 가열 소자(51)의 상부에서의 전기 저항을 증가시킨다. 이는 상기 가열 소자(51)의 높이에 따른 온도 변화도들의 형성을 방해하고, 전류원에 의해 상기 히터에 공급되는 전류를 유효하게 사용하는 더 많은 등가열(isothermal) 히터(21)를 제공한다.

상기 히터의 상부에서 출력된 증가된 전력은 상기 성장 잉곳(I)상의 도가니(31)의 냉각 효과를 감소시키도록 용융 표면위의 상기 도가니 측벽(33)을 가열한다. 이는 액체-고체 인터페이스에서 상기 잉곳(I)의 외부 표면(B)과 상기 잉곳의 중심(A) 사이의 온도 변화도 차를 감소시킨다.

부가적으로, 상기 도가니 측벽(33)을 더 가열하면 상기 도가니 측벽의 외부 표면을 따른 축 온도 변화도를 감소시킨다. 상기 도가니로 부터의 열이 통상적으로 상기 서셉터에 직접 전달되므로, 따라서 상기 서셉터의 온도 변화도는 더 균일하게 되어, 상기 서셉터의 구조 수명을 증가시킨다.

다양한 변경들이 본 발명의 범위를 이탈하지 않고 위의 구조내에서 행해질 수 있으므로, 상기 설명에 포함되거나 첨부된 도면들에 도시된 모든 사실은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로 해석되어야 한다고 의도된다.

Claims (5)

1. 초크랄스키법에 따라 단결정 실리콘 잉곳들을 성장시키는데 사용되는 결정 인상기에 사용하기 위한 전기 저항 히터에 있어서, 상기 결정 인상기는 하우징, 용융 실리콘을 포함하기 위한 하우징내의 도가니 및 상기 용융 실리콘으로부터 상향 성장한 잉곳을 인상시키기 위한 인상 메커니즘을 가지며, 상기 히터는 상기 도가니와 그 도가니내의 실리콘을 가열하도록 상기 도가니 주변의 상기 결정 인상기의 하우징에 배치하기 위해 형성되고 규격화된 가열 소자를 구비하며, 상기 가열 소자는 전기 회로에 함께 연결된 가열 세그먼트들을 포함하며, 상기 가열 세그먼트들은 상부 및 하부 부분들을 가지며, 용융 실리콘을 포함하는 도가니 주변에 배치되는 경우에, 상기 상부 부분들이 통상적으로 상기 용융 실리콘의 표면을 포함하는 수평 평면상에 배치되고, 상기 하부 부분들이 통상적으로 상기 수평 평면 아래에 배치되도록 서로 관련하여 배치되고, 상기 상부 부분들은 상기 하부 부분들보다 더 많은 가열 전력을 발생시키도록 구성됨으로써 그 표면에서의 용융 실리콘과 상기 용융 실리콘표면 바로 위의 잉곳 사이에 온도 변화도를 감소시키며, 상기 상부 부분들은 상기 하부 부분들의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 갖고, 상기 하부 부분들의 폭보다 실질적으로 작은 폭을 가지며, 상기 상부 부분들의 상기 교차 부분 영역은 어느 곳에서나 상기 하부 부분들의 교차 부분 영역보다 작은 것을 특징으로 하는 전기 저항 히터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가열 소자의 세그먼트들은 뱀 모양의 구조에서 함께 연결되며, 각각의 상부 부분은 인접한 상부 부분에 연결되고, 각각의 하부 부분은 인접한 하부 부분에 연결되고, 그 연결은 상기 하부 부분들의 교차 부분 영역보다 실질적으로 작은 교차 부분 영역을 가지는 인접한 상부 부분들사이에서 행해지는 것을 특징으로 하는 전기 저항 히터.
3. 제 2 항에 있어서, 인접한 상부 부분들 사이의 연결의 교차 부분 영역은 상기 상부 부분들의 교차 부분 영역보다 더 크지 않은 것을 특징으로 하는 전기 저항 히터.
4. 제 1 항에 있어서, 각각의 상부 부분의 교차 부분 영역은 어느 곳에서나 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는 전기 저항 히터.
5. 제 1 항에 있어서, 각각의 상부 부분은 대응하는 하부 부분으로부터 상향 연장하며, 상기 하부 부분과 상기 상부 부분의 교차 부분은 상기 가열 소자의 통상의 L-형 어깨부를 규정하는 것을 특징으로 하는 전기 저항 히터.