KR20120000199A - 단결정 잉곳 성장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정 잉곳 성장장치의 상부에 설치되는 수냉관 주위의 열충격을 방지할 수 있는 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것이다. 상기 단결정 잉곳 성장장치는, 내부에 수용 공간을 갖는 챔버; 상기 챔버 내에 설치되어 실리콘 융액을 수용하기 위한 도가니; 상기 도가니 주위에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 발열체; 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳을 냉각시키는 수냉관; 상기 수냉관과 상기 성장되는 잉곳 사이에서 상기 수냉관의 단부 주위를 감싸도록 설치되어, 상기 도가니로부터의 열이 상기 수냉관의 단부에 전달되는 것을 차단하는 열차단재; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 단결정 잉곳 성장장치는 성장되는 단결정 잉곳을 냉각시키기 위한 수냉관의 단부 주위를 감싸도록 설치되는 열차단재를 포함하므로, 도가니로부터의 열이 수냉관의 단부에 전달되는 것을 방지하여, 열충격을 가장 많이 받는 수냉관의 단부가 오랜 사용에 의해 파손되어, 수냉관 내부를 순환하는 물이 누수되는 현상을 방지한다. 따라서, 단결정 잉곳 성장장치에서의 단결정 잉곳의 수율이 향상되어, 단결정 잉곳의 생산 비용을 절감할 수 있다.

Description

단결정 잉곳 성장장치 {Apparatus for growing single crystal ingot}
본 발명은 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단결정 잉곳 성장장치의 상부에 설치되는 수냉관 주위의 열충격을 방지할 수 있는 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
반도체 소자 제조용 재료로서 광범위하게 사용되고 있는 웨이퍼는 단결정 실리콘 박판을 지칭한다. 이러한 웨이퍼(wafer)는, 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 웨이퍼 형태로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정, 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼 내부의 손상(damage)층 제거를 위한 식각 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 폴리싱 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 웨이퍼로 생산된다.
여기서, 상기 단결정 실리콘 잉곳은 일반적으로 쵸크랄스키법(Czochralski method)에 따라 성장되어 제조된다. 이 방법은 챔버 내의 도가니에서 다결정 실리콘을 용융시키고, 용융된 실리콘에 단결정인 종자 결정(seed crystal)을 담근 후, 이를 서서히 상승시키면서 원하는 지름의 실리콘 단결정 잉곳으로 성장시키는 방법이다.
도 1은 종래의 쵸크랄스키법에 의해 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 잉곳 성장장치를 도시하는 단면도이다.
단결정 잉곳 성장장치(1)는, 원통으로 형성되는 챔버(2), 이 성장챔버 내부에 설치되어 실리콘 융액(S)이 수용되는 도가니(3), 이러한 도가니(3)를 가열하는 발열체(4), 성장된 단결정 잉곳(I)을 냉각시키기 위한 냉각수가 순환되는 수냉관(5), 도가니(3)로의 열이 챔버(2) 외부로 방출되는 것을 차단하는 단열재(6) 및 실리콘 융액(S)에서 수냉관(5) 측으로 전달되는 열을 차단하는 열차폐체(7) 등을 포함한다.
이러한 단결정 잉곳 성장장치(1)에서, 종자 결정은 도가니(3) 내의 실리콘 융액(S)과 접촉된 상태에서, 서서히 끌어 올려짐으로써 단결정 잉곳(I)으로 성장된다.
단결정 잉곳(I)의 성장시에는 성장조건에 따라 결정결함이 발생된다. 이러한 결정결함은 단결정 잉곳(I)의 성장속도와, 실리콘 융액(S)의 실리콘 성분과 잉곳(I)의 계면에서의 온도구배와 밀접한 관계가 있다. 결정결함은 반도체 칩으로 제조된 후 누설 전류를 발생시키는 원인이 되어, 반도체 제조 수율을 저하시키므로, 결정결함의 발생을 억제시키기 위한 노력이 이루어지고 있다.
단결정 잉곳(I)의 성장속도는 적절하게 유지되는 것이 중요한데, 이를 위해 성장챔버(2) 상부의 단결정 잉곳(I)의 주위에는 냉각수가 순환되는 수냉관(5)이 위치된다.
수냉관(5)은 통상 스텐레스 스틸(stainless steel) 재질로 이루어져, 내부에는 냉각수가 순환한다. 도가니(3)는 실리콘을 용융시키기 위해 실리콘의 녹는점인 1420℃ 이상의 고온으로 가열되므로, 도가니(3)로부터의 열은 상당부분 수냉관(5)까지 전달되어, 수냉관(5)은 상당한 열충격을 받게 된다. 특히, 수냉관(5)의 단부 지점(P)은 열충격을 직접 전달받는 부분이다. 단결정 잉곳 성장장치(1)를 오랜시간 사용할 경우, 가장 많은 열충격을 받는 수냉관(5)의 단부 지점(P)이 파손되어 누수가 발생된다. 이는 실리콘 단결정 잉곳의 수율을 50% 이상 저하시키는 원인이 된다. 따라서, 단결정 잉곳 성장장치(1)에서, 도가니(3)로부터 전달되는 열충격으로부터 수냉관(5)을 보호하기 위한 수단이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 단결정 잉곳 성장장치의 챔버 상부에 설치되어 성장된 잉곳을 냉각시키기 위한 수냉관을 열충격으로부터 보호할 수 있는 단결정 잉곳 성장장치를 제공하고자 함에 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 단결정 잉곳 성장장치는, 내부에 수용 공간을 갖는 챔버; 상기 챔버 내에 설치되어 실리콘 융액을 수용하기 위한 도가니; 상기 도가니 주위에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 발열체; 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳을 냉각시키는 수냉관; 상기 수냉관과 상기 성장되는 잉곳 사이에서 상기 수냉관의 단부 주위를 감싸도록 설치되어, 상기 도가니로부터의 열이 상기 수냉관의 단부에 전달되는 것을 차단하는 열차단재; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열차단재는 링형 부재와, 상기 링형 부재 위에 적층되고 상부가 개방된 갓형 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수냉관은 상기 성장되는 잉곳을 감싸도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열차단재의 표면에는 상기 도가니로부터의 열을 반사하기 위한 열반사 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열반사 코팅층은 파이로 카본(Pyro Carbon)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발열체와 상기 챔버의 내벽 사이의 열전달을 차단하는 단열재; 상기 도가니로부터의 열이 상기 수냉관으로 전달되는 것을 차단하는 열차폐체; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 챔버는 몸통부와, 상기 몸통부 상부의 뚜껑부를 포함하고, 상기 수냉관은 상기 뚜껑부에 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열차단재는 흑연으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 단결정 잉곳 성장장치는, 내부에 수용 공간을 갖는 챔버; 상기 챔버 내에 설치되어 실리콘 융액을 수용하기 위한 도가니; 상기 도가니 주위에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 발열체; 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳을 냉각시키는 냉각체; 상기 냉각체와 상기 성장되는 잉곳 사이에서 상기 냉각체의 단부 주위를 감싸도록 설치되어, 상기 도가니로부터의 열이 상기 냉각체의 단부에 전달되는 것을 차단하는 열차단재; 를 포함하고, 상기 열차단재의 표면에는 상기 도가니로부터의 열을 반사하기 위한 열반사 코팅층이 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각체는 상기 성장되는 잉곳의 주위를 감싸도록 설치되고, 상기 열차단재는 링형 부재와, 상기 링형 부재 위에 적층되고 상부가 개방된 갓형 부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 단결정 잉곳 성장장치는 성장되는 단결정 잉곳을 냉각시키기 위한 수냉관의 단부 주위를 감싸도록 설치되는 열차단재를 포함하므로, 도가니로부터의 열이 수냉관의 단부에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 열충격을 가장 많이 받는 수냉관의 단부가 오랜 사용에 의해 파손되어 수냉관 내부를 순환하는 물이 누수되는 현상을 방지함으로써, 단결정 잉곳 성장장치에서의 단결정 잉곳의 수율이 향상되어, 단결정 잉곳의 생산 비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 수냉관을 감싸도록 설치되는 열차단재는 링형 부재와 갓형 부재를 포함함으로써, 챔버 내에 링형 부재와 갓형 부재를 간단히 적층하는 것으로 열차단재가 설치될 수 있어, 도가니로부터의 열이 수냉관의 단부에 전달되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 이는 챔버 내에 열차단재를 설치 또는 분리하기 위한 작업시간을 단축시켜, 생산성을 향상시킨다.
도 1은 종래의 쵸크랄스키법에 의해 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 잉곳 성장장치를 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치를 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치의 열차단재를 도시하는 사시도이다.
도 4의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치의 열차단재를 챔버 내에 설치하는 과정을 순차적으로 나타내는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치를 도시하는 단면도이다. 도 3은 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치의 열차단재를 도시하는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 발열체(130), 수냉관(140), 열차단재(150)를 포함한다.
챔버(110)는 다결정 실리콘을 실리콘 단결정 잉곳(I)으로 성장시키기 위한 환경을 제공하는 곳으로, 원통형으로 형성되어 내부에는 수용공간을 갖는다. 바람직하게는, 챔버(110)는 몸통부(111)와, 이러한 몸통부(111) 위에 적층되는 뚜껑부(112)를 포함한다. 챔버(110)의 뚜껑부(112)에는 단결정 잉곳(I)이 수직으로 출입 가능하도록 상부에 개방된 출입구(113)가 형성된다.
도가니(120)는 챔버(110) 내에 설치되며, 실리콘 융액(S)이 수용되는 곳이다. 이러한 도가니(120)의 외주면은 흑연으로 형성된 도가니 지지대(121)에 의해 지지된다. 도가니 지지대(121)의 하부에는 축(122)이 형성되어, 지지된 도가니(120)를 회전시킨다. 이로 인해, 도가니(120)에 수용된 실리콘 융액(S)이 균일한 밀도를 유지한다.
발열체(130)는 도가니(120)의 외주면과 소정간격 이격되도록 챔버(110) 내에 설치되어, 도가니(120)를 가열한다. 발열체(130)는 도가니 지지대(121)와 마찬가지로 열전도성 및 내열성이 우수하고 열팽창율이 낮아 열에 의해 쉽게 변형되지 않으며 열충격에 강한 흑연으로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 흑연 재질의 도가니 지지대(121)와 발열체(130)에 의해, 도가니(120)의 가열성이 보다 우수해진다.
발열체(130)에 의해 도가니(120)가 가열됨으로써, 도가니(120)의 내에 수용되었던 고순도의 다결정 실리콘 덩어리가 실리콘 융액(S)으로 용융된다. 즉, 도가니(120)에 수용되는 실리콘 융액(S)의 초기상태는 다결정 실리콘 덩어리로서, 발열체(130)의 가열에 의해 다결정 실리콘 덩어리가 실리콘 융액(S)으로 형상변형된 것이다.
단결정 잉곳(I)을 성장시키기 위한 종자 결정은 챔버(110)의 출입구(111)를 통해 챔버(110) 내부로 진입한다. 이러한 종자 결정은 도가니(120) 내의 용융된 실리콘에 담그진 상태에서 성장된다. 도가니(120)가 회전하는 동안, 종자 결정은 실리콘 융액(S)과 접촉된 상태에서 위로 끌어 당겨지면서 단결정 잉곳(I)으로 성장된다. 성장된 단결정 잉곳(I)은 출입구(111)를 통해 챔버(110) 외부로 배출된다.
단결정 잉곳(I)의 성장시에는 성장조건에 따라 결정결함이 발생된다. 이러한 결정결함은 단결정 잉곳(I)의 성장속도와, 실리콘 융액(S)의 실리콘 성분과 단결정 잉곳(I)의 계면에서의 온도구배와 매우 밀접한 관계가 있다.
단결정 잉곳(I)의 성장속도는 적절하게 유지되는 것이 중요한데, 이를 위해 챔버(110) 상부의 단결정 잉곳(I)의 주위에는 냉각수가 순환되는 수냉관(140)이 위치된다.
수냉관(140)은 실리콘 융액(S)으로부터 성장되는 단결정 잉곳(I)을 냉각시키기 위한 것으로, 단결정 잉곳(I)의 외주면을 감싸도록 챔버(110) 내부에 설치된다. 바람직하게는, 수냉관(140)은 챔버(110)의 뚜껑부(112)에 결합되거나 뚜껑부(112)와 일체로 형성되어, 챔버(110) 내에 종방향으로 설치된다. 단결정 잉곳(I)은 수냉관(140) 내에서 순환되는 냉각수에 의해 냉각되어, 성장속도가 적절하게 조절된다. 수냉관(140)의 외부는 금속 재질, 바람직하게는 스테인레스 스틸(stainless steel)로 형성된다.
실리콘을 용융시키기 위해 도가니(120)는 실리콘의 녹는점인 1420℃ 이상의 고온으로 가열되므로, 도가니(120)로부터의 열은 상당부분 수냉관(140)까지 전달되어, 수냉관(140)은 상당한 열충격을 받게 된다. 특히, 수냉관(140)의 단부 지점은 열충격을 직접 전달받는 부분으로, 단결정 잉곳 성장장치(100)를 오랜 시간 사용할 경우, 열충격을 많이 받는 수냉관(140)의 단부 지점이 파손되어 누수가 발생된다. 이로 인해 단결정 잉곳(I)의 수율이 50% 이상 저하되므로, 본 발명에서는 도가니(120)로부터의 열이 수냉관(140)의 단부에 전달되는 것을 차단하는 열차단재(150)를 포함한다.
열차단재(150)는 성장되는 단결정 잉곳(I)과 수냉관(140) 사이에 설치된다. 바람직하게는, 열차단재(150)는 수냉관(140)의 단부 주위를 감싸도록 설치된다. 이는 수냉관(140)의 단부 부분이 도가니(120)부터의 열이 가장 많이 전달되는 부분으로 가장 많은 열충격을 받기 때문이다. 다만, 수냉관(140)은 단결정 잉곳(I)을 냉각시키기 위한 부분이므로, 열차단재(150)는 수냉관(140)의 단부 주위에만 배치되는 것이 바람직하다.
열차단재(150)의 재질로는 기술 분야에 잘 알려져 있는 여러 가지 재질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 열차단재(150)는 흑연으로 이루어질 수 있다. 열차단재(150)의 표면에는 도가니(120)로부터 전달되는 열을 반사할 수 있도록 열반사 코팅층(153)이 형성되는 것이 바람직하다. 열반사 코팅층(153)은 바람직하게는 파이로 카본(Pyro Carbon)을 포함한다. 파이로 카본 코팅층은 흑연보다 2배 이상 높은 반사율을 가지므로, 도가니(120)로부터 전달되는 열을 반사시켜 수냉관(140)의 단부에 전달되는 열을 최소화한다. 또한, 열차단재(150)에 의해 도가니(120)로부터 열이 수냉관(140)으로 전달되는 것을 차단함으로써, 수냉관(140)에 의한 냉각율 향상도 기대할 수 있다.
열차단재(150)의 일 실시예로서 도 3을 참조하면, 열차단재(150)는 링형 부재(151)와, 이러한 링형 부재(151) 위에 적층되는 갓형 부재(152)를 포함한다. 갓형 부재(152)의 상부는 단결정 잉곳(I)이 출입할 수 있도록 개방된다. 갓형 부재(152)의 하단부 외경은 링형 부재(151)의 외경과 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 단결정 잉곳 성장장치(100)는 발열체(130)와 챔버(110)의 내벽 사이에 설치되는 단열재(160)와, 도가니(120)로부터의 열이 수냉관(140)으로 전달되는 것을 차단하는 열차폐체(170)를 더 포함한다.
단열재(160)는 발열체(130)의 열이 챔버(110)의 내벽 측으로 발산되어 외부로 누출되는 것을 차단한다. 또한, 단열재(160)는 발열체(130)의 외부 열이 도가니(120)로 유입되는 것을 차단한다.
열차폐체(170)는 수냉관(140)의 하부에서 도가니(120)에 수용된 실리콘 융액(S)의 상면으로 연장되어, 도가니(120)로부터의 열이 수냉관(140)으로 전달되는 것을 차단한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 단결정 잉곳 성장장치(100)는 성장되는 단결정 잉곳(I)를 냉각시키기 위한 수냉관(140)의 단부 주위를 감싸도록 설치되는 열차단재(150)를 포함하므로, 도가니(120)로부터의 열이 수냉관(140)의 단부에 전달되는 것을 방지한다. 따라서, 열충격을 가장 많이 받는 수냉관(140)의 단부가 오랜 사용에 의해 파손되어, 수냉관(140) 내부를 순환하는 물이 누수되는 현상을 방지한다. 이는 단결정 잉곳 성장장치(100)에서의 단결정 잉곳(I)의 수율을 향상시켜, 저렴한 비용으로 단결정 잉곳(I)을 생산할 수 있게 한다. 이는 단결정 잉곳(I)으로부터 생산되는 웨이퍼의 생산 비용을 절감하는 결과가 된다.
이하에서는, 도 4의 (a) 내지 (c)를 참조하여, 본 발명의 열차단재를 챔버 내에 설치하는 과정을 살펴보기로 한다.
도 4의 (a)를 참조하면, 챔버(110)의 뚜껑부(112)가 제거된 상태에서, 지지대(115) 위에 열차단재(150)의 링형 부재(151)를 안착시킨다.
다음에, 도 4의 (b)를 참조하면, 링형 부재(151) 위에 갓형 부재(152)를 적층하여 열차단재(150)의 설치를 완료한다.
다음에, 도 4의 (c)를 참조하면, 챔버(110)의 뚜껑부(112)를 덮어 단결정 잉곳 성장장치(100)의 설치를 완료한다. 뚜껑부(112)에는 수냉관(140)이 결합되어 있어, 뚜껑부(112)를 덮음으로써 수냉관(140)은 열차단재(150)에 의해 감싸지게 된다. 따라서, 열차단재(150)에 의해 도가니(120)로부터의 열이 수냉관(140)의 단부로 전달되는 것이 방지된다.
이와 같이, 본 발명의 열차단재(150)는 수냉관(140)을 감싸기 위한 링형 부재(151)와 갓형 부재(152)를 포함함으로써, 챔버(110) 내에 링형 부재(151)와 갓형 부재(152)를 간단히 적층하는 것으로 설치가 가능하다. 이는 챔버 내에 열차단재를 설치 또는 분리하기 위한 작업시간을 단축시켜, 생산성을 향상시킨다.
상기에서, 실리콘 융액(S)으로부터 성장되는 단결정 잉곳(I)을 냉각시키기 위한 수단으로 수냉관(140)을 설치하는 것에 대해 설명하였지만, 단결정 잉곳(I)을 냉각시킬 수 있다면, 수냉관(140) 외에도 다른 냉각체가 설치될 수 있다. 예를 들어, 공기 또는 다른 냉각유체가 순환되는 냉각체가 단결정 잉곳(I)을 냉각시키기 위해 설치될 수 있다. 이러한 경우에도, 열차단재(150)는 냉각체의 단부 주위를 감싸도록 설치되어 도가니(120)로부터의 열이 냉각체의 단부에 전달되는 것을 차단하여, 냉각체의 단부에 전달되는 열충격을 최소화함으로써 단결정 잉곳(I)의 수율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100 : 단결정 잉곳 성장장치
110 : 챔버
111 : 몸통부
112 : 뚜껑부
120 : 도가니
130 : 발열체
140 : 수냉관
150 : 열차단재
151 : 링형 부재
152 : 갓형 부재
153 : 열반사 코팅층
160 : 단열재
170 : 열차폐체
I : 단결정 잉곳
S : 실리콘 융액

Claims (5)

  1. 단결정 잉곳 성장장치에 있어서,
    내부에 수용 공간을 갖는 챔버;
    상기 챔버 내에 설치되어 실리콘 융액을 수용하기 위한 도가니;
    상기 도가니 주위에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 발열체;
    상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳을 냉각시키는 수냉관;
    상기 수냉관과 상기 성장되는 잉곳 사이에서 상기 수냉관의 단부 주위를 감싸도록 설치되어, 상기 도가니로부터의 열이 상기 수냉관의 단부에 전달되는 것을 차단하는 열차단재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열차단재는 링형 부재와, 상기 링형 부재 위에 적층되고 상부가 개방된 갓형 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열차단재의 표면에는 상기 도가니로부터의 열을 반사하기 위한 열반사 코팅층이 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열반사 코팅층은 파이로 카본(Pyro Carbon)을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열차단재는 흑연으로 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치.
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