KR20130080901A - 잉곳 성장 장치 및 잉곳 성장 방법 - Google Patents

잉곳 성장 장치 및 잉곳 성장 방법 Download PDF

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주식회사 엘지실트론
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Abstract

실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 원료를 수용하는 제1 도가니; 상기 제1 도가니를 지지하는 제2 도가니; 및 상기 제1 도가니를 진공으로 유지하기 위한 덮개부를 포함하고, 상기 덮개부는 상기 제1 도가니 및 상기 제2 도가니의 센터링을 맞추기 위한 센터링 조절부를 포함한다.
실시예에 따른 잉곳 성장 방법은, 제1 도가니에 원료를 수용하는 단계; 상기 제1 도가니 상에 덮개부를 위치시키는 단계; 상기 제1 도가니를 제2 도가니에 위치시키는 단계; 및 상기 덮개부의 센터링 조절부를 통해 상기 제1 도가니 및 상기 제2 도가니의 센터링을 조절하는 단계를 포함한다.

Description

잉곳 성장 장치 및 잉곳 성장 방법{APPARATUS OF INGOT GROWING AND METHOD OF THE SAME}
본 기재는 잉곳 성장 장치 및 잉곳 성장 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자를 제조하기 위한 웨이퍼를 제조하는 공정은 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱(slicing)하는 절단 공정, 슬라이싱된 웨이퍼의 에지를 라운딩 처리하는 에지 연삭 공정, 절단 공정으로 인한 웨이퍼의 거친 표면을 평탄화 하는 래핑 공정, 에지 연삭 또는 래핑 공정 중에 웨이퍼 표면에 부착된 파티클을 비롯한 각종 오염 물질을 제거하는 세정 공정, 후공정에 적합한 형상 및 표면을 확보하기 위한 표면 연삭 공정 및 웨이퍼 에지에 대한 에지 연마 공정을 포함할 수 있다.
실리콘 단결정 잉곳은 쵸크랄스키(czochralski, CZ)법 또는 플로팅 존(floating zone, FZ)법 등을 통해 성장할 수 있다. 일반적으로는 대구경의 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 수 있고 공정비용이 저렴한 쵸크랄스키법을 사용하여 성장된다.
이러한 쵸크랄스키법은, 실리콘 융액에 종자정(seed crystal)을 담그고 이를 저속으로 인상하면서 이루어질 수 있다.
일반적으로 석영 도가니 내에 폴리 실리콘을 적재하고 이러한 폴리 실리콘이 녹아 용융 실리콘이 된 후, 잉곳이 성장한다. 이때, 석영 도가니를 지지하는 흑연 도가니를 사용하는데, 석영도가니를 흑연 도가니에 안착할 때, 두 도가니 사이에 센터링을 일치시켜야 한다.
한편, 잉곳의 대구경화가 진행됨에 따라 잉곳의 길이도 길어지면서 폴리 실리콘을 적재하는 양도 그만큼 많아지게 되었다. 따라서 폴리 실리콘이 소량이었을 때는 흑연도가니에 석영도가니를 셋업 후 적재를 하였지만, 대용량화 되면서 석영도가니에 먼저 폴리 실리콘을 적재한 후 흑연도가니에 셋업하는 방식으로 변경되었다. 그 이유는 폴리 실리콘 적재 시 도펀트 외에 외부 불순물이 유입되면 실리콘 웨이퍼 품질 이상을 유발하는 원인이 되기 때문이며, 대용량 적재 시 그 만큼 시간이 많이 걸리기 때문에 별도의 클린 룸에서 적재한 후 흑연도가니에 셋업하는 방식으로 변경되었다.
폴리 실리콘이 적재된 석영도가니는 그 무게 때문에 흑연도가니에 한 번 셋업하면 수정이 어렵기 때문에 정확히 안착하여 센터링에 문제가 없어야 한다.
하지만, 현재의 방식에서는 작업자의 육안 확인, 혹은 안착 후 치수를 측정하여 교정하는 방법밖에 없기 때문에 한 번에 센터링을 맞추는 것이 쉽지 않고, 안착 후 교정 시 작업자의 수작업에 의해 진행되기 때문에 석영도가니 안으로 불순물 유입의 확률이 높다는 문제가 있다. 이는 잉곳의 품질에도 영향을 끼칠 수 있다. 또한, 센터링 불일치 시, 잉곳 성장에 실패하여 공정 상 불이익이 발생할 수도 있다.
실시예는 고품질의 실리콘 잉곳을 성장할 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 원료를 수용하는 제1 도가니; 상기 제1 도가니를 지지하는 제2 도가니; 및 상기 제1 도가니를 진공으로 유지하기 위한 덮개부를 포함하고, 상기 덮개부는 상기 제1 도가니 및 상기 제2 도가니의 센터링을 맞추기 위한 센터링 조절부를 포함한다.
실시예에 따른 잉곳 성장 방법은, 제1 도가니에 원료를 수용하는 단계; 상기 제1 도가니 상에 덮개부를 위치시키는 단계; 상기 제1 도가니를 제2 도가니에 위치시키는 단계; 및 상기 덮개부의 센터링 조절부를 통해 상기 제1 도가니 및 상기 제2 도가니의 센터링을 조절하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 잉곳 성장 장치는 센터링 조절부를 포함한다. 상기 센터링 조절부를 통해, 원료가 적재된 제1 도가니를 제2 도가니에 정확하게 안착함으로써, 센터링 불일치에 의한 공정 중 사고를 미연에 방지할 수 있다. 또한, 상기 센터링 조절부를 통해, 추가적인 센터링 확인 및 보정 작업이 필요 없어 공정 상 이점이 있다. 또한, 수작업으로 이루어지는 센터링 보정 작업을 생략할 수 있어, 이에 의한 오염 원인도 제거할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 잉곳 성장 장치에 포함되는 도가니 및 덮개부의 단면도이다.
도 2는 도 1의 A를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 단면도이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 3을 참조하여, 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 실시예에 따른 잉곳 성장 장치에 포함되는 도가니 및 덮개부의 단면도이다. 도 2는 도 1의 A를 확대하여 도시한 도면이다. 도 3은 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는, 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법 중에서 쵸크랄스키(czochralski, CZ)법에 사용되는 제조 장치일 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는 챔버(10), 원료(S)를 담을 수 있는 제1 도가니(20), 덮개부(100), 제2 도가니(22), 도가니 회전축(24), 잉곳을 인상하는 인상 기구(30), 열을 차단하는 열실드(40) 및 저항 히터(70), 단열재(80) 및 자기장 발생 장치(90)를 포함한다.
이를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제1 도가니(20)는 원료(S)를 수용할 수 있다. 상기 제1 도가니(20)는 폴리 실리콘을 수용할 수 있다. 또한, 상기 제1 도가니(20)는 상기 폴리 실리콘이 녹은 용융 실리콘을 수용할 수 있다. 상기 제1 도가니(20)는 석영을 포함할 수 있다.
상기 제2 도가니(22)는 상기 제1 도가니(20)를 지지할 수 있다. 상기 제2 도가니(22)는 흑연을 포함할 수 있다.
상기 제1 도가니(20)는 상기 제2 도가니(22) 내에 안착될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 도가니(20) 내에 원료(S)를 적재한 후, 상기 제1 도가니(20)를 상기 제2 도가니(22) 내에 안착시킬 수 있다. 이는, 대구경의 잉곳을 성장시키기 위해 원료(S) 또한 대용량이 필요하고, 이러한 대용량의 원료(S)를 적재 시, 도펀트 외에 외부 불순물이 유입되면 실리콘 웨이퍼의 품질이 저하될 수 있기 때문에, 별도의 클린룸에서 제1 도가니(20) 내에 원료(S)를 먼저 적재 시키는 방식이 도입되었다. 또한, 대용량의 원료(S) 적재 시 시간이 많이 걸리기 때문에 별도의 클린룸에서 원료(S)를 적재하는 것이 보다 유리하다.
이러한 원료(S)가 적재된 제1 도가니(20)의 경우 그 무게(약 300 kg 이상)가 매우 크기 때문에 제1 도가니(20) 상에 덮개부(100)를 위치시켜 진공을 유지시킨 후, 상기 제2 도가니(22)에 설치할 수 있다.
따라서, 상기 제1 도가니(20) 내에 원료(S)를 적재시킨 후, 상기 제1 도가니(20) 상에 상기 덮개부(100)를 위치시킬 수 있다. 상기 덮개부(100)는 상기 제1 도가니(20) 내부를 진공으로 유지할 수 있다.
상기 덮개부(100)는 센터링 조절부(110, 120), 압력게이지(130), 연결라인(140) 및 연결고리(150)를 포함할 수 있다.
상기 센터링 조절부(110, 120)는 상기 제1 도가니(20) 및 상기 제2 도가니(22)의 센터링을 맞출 수 있다. 즉, 상기 제1 도가니(20) 내에 원료(S)를 적재한 후, 상기 제2 도가니(22) 내에 설치할 때, 상기 제1 도가니(20) 및 상기 제2 도가니(22)의 중심이 대응되도록 맞추어야 한다. 이러한 작업은 상기 센터링 조절부(110, 120)를 통해 이루어질 수 있다.
상기 센터링 조절부(110, 120)는 거리 측정부(110) 및 수평계(120)를 포함할 수 있다.
상기 거리 측정부(110)는 상기 덮개부(100)의 둘레를 따라 위치할 수 있다. 상기 거리 측정부(110)는 다수개로 구비될 수 있다. 일례로, 상기 거리 측정부(110)는 4개일 수 있다. 구체적으로, 상기 거리 측정부(110)는 제1 측정부, 제2 측정부, 제3 측정부 및 제4 측정부를 포함할 수 있다. 상기 제1 측정부, 제2 측정부, 제3 측정부 및 제4 측정부는 상기 덮개부(100)의 둘레를 따라 위치할 수 있다. 상기 제1 측정부, 제2 측정부, 제3 측정부 및 제4 측정부는 상기 덮개부(100) 상에서 동일한 거리로 이격되어 위치할 수 있다. 즉, 상기 제1 측정부, 제2 측정부, 제3 측정부 및 제4 측정부는 상기 덮개부(100)의 둘레를 따라 90°간격으로 위치할 수 있다. 그러나 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 거리 측정부(110)는 다양한 개수로 포함될 수 있다.
상기 거리 측정부(110)는 스테인레스스틸을 포함할 수 있다. 이를 통해, 내부 오염 원인을 최소화할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 거리 측정부(110)는 상기 제2 도가니(22)의 상면 및 상기 덮개부(100)의 하면 사이의 거리를 측정할 수 있다. 즉, 상기 제1 측정부, 제2 측정부, 제3 측정부 및 제4 측정부 각각이 측정한 거리가 모두 일치하여야 상기 제1 도가니(20) 및 상기 제2 도가니(22)의 정확한 센터링이 이루어질 수 있다. 따라서, 상기 제1 측정부, 제2 측정부, 제3 측정부 및 제4 측정부가 측정한 거리가 모두 일치하도록 상기 제1 도가니(20) 또는 상기 제2 도가니(22)를 이동시켜 설치할 수 있다.
여기서, 상기 제1 도가니(20) 및 상기 제2 도가니(22)의 높이 공차는 매 번 조금씩 달라질 수 있기 때문에, 상기 거리 측정부(110)는 제2 도가니(22) 상단부와 닿으면서 높이 공차만큼 자동으로 이동할 수 있다.
상기 수평계(120)는 상기 덮개부(100)의 하면에 위치할 수 있다. 즉, 상기 수평계(120)는 상기 덮개부(100)의 하단부와 평행하게 부착될 수 있다. 상기 덮개부(100)의 하단부는 상기 제1 도가니(20)와 접촉하여 진공을 잡는 부분이므로 수평의 기준이 될 수 있다. 상기 수평계(120)는 상기 제1 도가니(20) 설치 시 기울어짐이 있는지 여부를 확인할 수 있다.
상기 수평계(120)는 다수개로 구비될 수 있다. 일례로, 상기 수평계(120)는 제1 수평계(120) 및 제2 수평계(120)를 포함할 수 있고, 상기 제1 수평계(120) 및 상기 제2 수평계(120)는 서로 이격되어 위치할 수 있다. 특히, 상기 덮개부(100)의 하면이 원형일 때, 상기 제1 수평계(120) 및 상기 제2 수평계(120) 각각은 상기 하면의 90°및 180°되는 지점에 위치할 수 있다. 이를 통해, 보다 정확하게 수평을 유지할 수 있다.
상기 센터링 조절부(110, 120)를 통해, 원료(S)가 적재된 제1 도가니(20)를 제2 도가니(22)에 정확하게 안착함으로써, 센터링 불일치에 의한 공정 중 사고를 미연에 방지할 수 있다. 또한, 상기 센터링 조절부(110, 120)를 통해, 추가적인 센터링 확인 및 보정 작업이 필요 없어 공정 상 이점이 있다. 또한, 수작업으로 이루어지는 센터링 보정 작업을 생략할 수 있어, 이에 의한 오염 원인도 제거할 수 있다.
이어서, 상기 압력게이지(130)는 상기 제1 도가니(20) 내에 원료(S)를 적재한 후, 상기 제1 도가니(20) 상에 덮개부(100)를 씌워 진공을 잡을 때, 그 수준을 알기 위한 장치이다.
상기 연결라인(140)은 상기 제1 도가니(20)에 진공을 잡거나 해제할 때 필요한 장치이다.
상기 연결고리(150)는 상기 제1 도가니(20)를 상기 제2 도가니(22) 내에 설치할 때, 상기 제1 도가니(20)를 이동시키기 위한 장치이다. 즉, 상기 연결고리(150)에 지그 등의 장치가 연결되어 상기 제1 도가니(20)를 이동시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 원료(S)가 적재된 상기 제1 도가니(20)가 상기 제2 도가니(22) 내에 안착된 후, 잉곳이 성장할 수 있다.
상기 제1 도가니(20)는 상기 도가니 회전축(24)에 의해 시계 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 상기 제1 도가니(20) 상부에는 종자정(seed crystal)이 부착되어 이를 인상하는 인상 기구(30)가 위치하며, 상기 인상 기구(30)는 상기 도가니 회전축(24)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전할 수 있다.
상기 인상 기구(30)에 부착된 종자정을 실리콘 융액(SM)에 담근 후, 상기 인상 기구(30)를 회전하면서 인상시킴으로써 실리콘 단결정을 성장시켜 잉곳(I)을 제조할 수 있다.
이어서, 제2 도가니(22)에 인접하여 제1 도가니(20)에 열을 가하는 저항 히터(70)가 위치할 수 있다. 이러한 저항 히터(70)의 바깥쪽에 단열재(80)가 위치할 수 있다. 저항 히터(70)는 폴리 실리콘을 녹여 실리콘 융액(SM)을 만드는데 필요한 열을 공급하고, 제조 공정 중에서도 실리콘 융액(SM)에 계속적으로 열을 공급한다.
한편, 제1 도가니(20)에 담긴 실리콘 융액(SM)은 고온으로, 실리콘 융액(SM)의 계면에서 열을 방출하게 된다. 이때 많은 열이 방출되면 실리콘 단결정 잉곳을 성장하는데 필요한 실리콘 융액(SM)의 적정 온도를 유지하기가 어렵다. 따라서, 계면에서 방출되는 열을 최소화하고, 방출된 열이 실리콘 단결정 잉곳의 상부에 전달되지 않도록 해야 한다. 이를 위해, 실리콘 융액(SM) 및 실리콘 융액(SM)의 계면이 고온의 온도환경을 유지할 수 있도록 열실드(40)가 설치된다.
열실드(40)는 열적 환경을 원하는 상태로 유지시켜 안정된 결정 성장이 이루어지도록 하기 위해 다양한 형상을 가질 수 있다. 일례로, 열실드(40)는 실리콘 단결정 잉곳의 주위를 감싸도록 내부가 빈 원통형의 형상일 수 있다. 이러한 열실드(40)는 일례로, 흑연, 흑연펠트 또는 몰리브덴 등을 포함할 수 있다.
챔버(10)의 외부에는 실리콘 융액(SM)에 자기장을 인가하여 실리콘 융액(SM)의 대류를 제어할 수 있는 자기장 발생 장치(90)가 위치할 수 있다. 이러한 자기장 발생 장치(90)은 실리콘 단결정 잉곳의 결정 성장축에 수직인 방향 즉, 수평 자기장(magnet field, MF)을 발생시키는 장치일 수 있다.
이하, 실시예에 따른 잉곳 성장 방법을 설명한다. 명확하고 간략한 설명을 위해 앞서 설명한 부분과 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
실시예에 따른 잉곳 성장 방법은, 원료를 수용하는 단계, 덮개부를 위치시키는 단계, 제1 도가니를 제2 도가니에 위치시키는 단계, 센터링을 조절하는 단계 및 잉곳을 성장시키는 단계를 포함한다.
상기 원료를 수용하는 단계에서는 제1 도가니 내에 원료를 수용할 수 있다. 이때, 상기 원료를 수용하는 단계는 별도의 클린룸에서 진행될 수 있다.
이후, 덮개부를 위치시키는 단계에서는 원료가 적재된 제1 도가니 상에 덮개부를 위치시킬 수 있다. 상기 덮개부를 통해 상기 제1 도가니를 진공으로 유지할 수 있다.
이어서, 상기 제1 도가니를 제2 도가니에 위치시킬 수 있다. 상기 제1 도가니 상에 위치하는 상기 덮개부의 연결고리를 통해 상기 제1 도가니를 이동시킬 수 있다.
이어서, 센터링을 조절하는 단계에서는 상기 제1 도가니 및 상기 제2 도가니의 센터링을 조절할 수 있다. 여기서, 상기 덮개부의 센터링 조절부를 통해 센터링을 조절할 수 있다.
이어서, 잉곳을 성장시킬 수 있다. 즉, 상기 원료로부터 잉곳을 성장시킬 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 원료를 수용하는 제1 도가니;
    상기 제1 도가니를 지지하는 제2 도가니; 및
    상기 제1 도가니를 진공으로 유지하기 위한 덮개부를 포함하고,
    상기 덮개부는 상기 제1 도가니 및 상기 제2 도가니의 센터링을 맞추기 위한 센터링 조절부를 포함하는 잉곳 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센터링 조절부는 상기 제2 도가니 및 상기 덮개부 사이의 거리를 측정하는 거리 측정부를 포함하는 잉곳 성장 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 거리 측정부는 상기 제2 도가니의 상면 및 상기 덮개부의 하면 사이의 거리를 측정하는 잉곳 성장 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 거리 측정부는 다수개로 구비되는 잉곳 성장 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 거리 측정부는 스테인레스스틸을 포함하는 잉곳 성장 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 거리 측정부는 제1 측정부, 제2 측정부, 제3 측정부 및 제4 측정부를 포함하고, 상기 제1 측정부, 제2 측정부, 제3 측정부 및 제4 측정부는 상기 덮개부 상에서 동일한 거리로 이격되어 위치하는 잉곳 성장 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 측정부, 제2 측정부, 제3 측정부 및 제4 측정부는 상기 덮개부의 둘레를 따라 위치하는 잉곳 성장 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 센터링 조절부는 수평계를 더 포함하는 잉곳 성장 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수평계는 상기 덮개부의 하면에 위치하는 잉곳 성장 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 수평계는 다수개로 구비되는 잉곳 성장 장치.
  11. 제1 도가니에 원료를 수용하는 단계;
    상기 제1 도가니 상에 덮개부를 위치시키는 단계;
    상기 제1 도가니를 제2 도가니에 위치시키는 단계;
    상기 덮개부의 센터링 조절부를 통해 상기 제1 도가니 및 상기 제2 도가니의 센터링을 조절하는 단계; 및
    상기 원료로부터 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는 잉곳 성장 방법.
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