KR20210097966A - 도가니 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 - Google Patents

Abstract

실시예는 내부의 투명층과 외부의 불투명층을 포함하고, 석영을 포함하는 제1 도가니; 및 상기 제1 도가니의 외부에 구비되고, 흑연을 포함하는 제2 도가니를 포함하는 도가니를 제공한다.

Description

도가니 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치{CRUCIBLE AND APPARATUS FOR GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT INCLUDING THE SAME}

실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 용융액을 수용하는 도가니 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것이다.

통상적인 실리콘 웨이퍼는, 단결정(Ingot)을 만들기 위한 단결정 성장 공정과, 단결정을 절삭(Slicing)하여 얇은 원판 모양의 웨이퍼를 얻는 절삭공정과, 상기 절삭으로 인하여 웨이퍼에 잔존하는 기계적 가공에 의한 손상(Damage)을 제거하는 연삭(Lapping) 공정과, 웨이퍼를 경면화하는 연마(Polishing) 공정과, 연마된 웨이퍼를 경면화하고 웨이퍼에 부착된 연마제나 이물질을 제거하는 세정 공정을 포함하여 이루어진다.

상술한 공정 중 실리콘 단결정을 성장시키는 공정은, 고순도 실리콘 용융액을 장입한 성장로를 고온에서 가열하여 원료를 용용한 후, 초크랄스키법(Czochralski Method, 이하 'CZ'법이라 함) 등으로 성장시킬 수 있으며, 본 특허에서 다루고자 하는 방법은 종자결정이 실리콘 용융액 상부에 위치하여 단결정을 성장시키는 CZ법에 적용할 수 있다.

CZ법은 고순도의 실리콘 단결정 잉곳을 좋은 수율로 제조하는 것이 필요하고, 실리콘 단결정 잉곳의 대구경화에 수반하여 단결정 인상작업이 장시간화하기 때문에, 석영으로 이루어진 고순도의 도가니를 사용하고 있다.

그러나, 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는 아래와 같은 문제점이 있다.

도 1 및 도 2는 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이다.

석영으로 이루어진 도가니에 담겨진 실리콘 용융액(Si melt)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)이 성장될 때, 석영 도가니의 표면으로부터 산소가 용해(dissolution)되어 실리콘 용융액으로 공급될 수 있다.

그리고, 실리콘 용융액은 도가니 내에서 대류(convection)를 하는데, 실리콘 용융액 내에 용해된 산소 중 대부분은 대기 중으로 증발(evaporation)되나 소량은 성장되는 실리콘 단결정 잉곳 내로 포함되어 Oi 등의 결함을 이룰 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이 도가니의 단면은 수직부와 바닥부 및 굴곡부로 나뉘며, 굴곡부가 수직부 및 바닥부에 비하여 두꺼우나 그 차이가 현저하지는 않다.

도 2에서 A 영역에서 산소의 실리콘 용융액으로의 용해가 발생하고, B 영역에서 산소의 챔버 내의 공기로의 증발이 발생하고, C 영역에서 산소의 실리콘 단결정 잉곳으로의 공급이 발생할 수 있다.

여기서, 성장되는 실리콘 단결정 잉곳에 포함되는 산소의 농도는 실리콘 단결정 잉곳의 품질에 크게 좌우되며, 특히 잉곳의 온도를 균일하게 조절할 필요가 있다.

상술한 바와 같이 굴곡부의 두께가 상대적으로 두꺼우므로 단열 성능이 향상될 수는 있으나, 이로 인하여 도가니의 내표면의 온도가 상승하면 도가니의 특히 굴곡부로부터 용해되는 산소 용출양이 증가하고, 온도가 상승함에 따라 실리콘 용융액의 대류가 활성화되어 실리콘 단결정 잉곳의 길이별 면방향 산소 농도 편차가 커질 수 있다.

실시예는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실리콘 단결정 잉곳의 성장시에 공급되는 산소 농도의 균일도를 향상시키고자 한다.

실시예는 내부의 투명층과 외부의 불투명층을 포함하고, 석영을 포함하는 제1 도가니; 및 상기 제1 도가니의 외부에 구비되고, 흑연을 포함하는 제2 도가니를 포함하는 도가니를 제공한다.

불투명층은 에어 버블(air bubble)을 포함할 수 있다.

제1 도가니의 종단면은, 바닥부와 수직부 및 상기 바닥부와 수직부 사이의 굴곡부를 포함할 수 있다.

바닥부와 굴곡부 및 수직부에서 상기 투명층의 두께는 상기 불투명층의 두께의 11 내지 12%일 수 있다.

굴곡부의 두께는 상기 바닥부의 두께 및 상기 수직부의 두께보다 두꺼울 수 있다.

수직부의 두께는 상기 바닥부의 두께보다 두꺼울 수 있다.

제1 도가니의 전영역에서 상기 투명층의 두께와 상기 불투명층의 두께의 비율은 일정할 수 있다.

제1 도가니의 두께는, 상기 수직부의 상단으로부터 상기 굴곡부 방향으로 증가할 수 있다.

제1 도가니의 두께는, 상기 바닥부의 최저점으로부터 상기 굴곡부 방향으로 증가할 수 있다.

제1 도가니의 두께는 14.5 내지 17 밀리미터일 수 있다.

다른 실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘 용융액이 수용되는 상술한 도가니; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 도가니의 둘레에 배치되는 가열부; 상기 챔버 내부의 상부에 고정되어 구비되고, 상기 도가니로부터 성장되어 인상되는 잉곳의 둘레에 배치되는 수냉관; 및 상기 도가니의 상부에 구비되는 열차폐체를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 도가니 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는, 제1 도가니의 굴곡부의 두께가 수직부 및 바닥부와 비교하여 크게 차이가 나지 않으므로, 실리콘 용융액과 실리콘 단결정 잉곳의 계면이 굴곡부에 대응하는 높이일 때 석영으로 이루어진 제1 도가니로부터 실리콘 용융액으로 용해되어 공급되는 산소의 양도 고르게 분포하여, 이때 성장되는 실리콘 단결정 잉곳의 영역에서의 산소 농도도 고르다.

도 1 및 도 2는 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3의 제1 도가니의 단면을 나타낸 도면이고,
도 5는 비교예에 따른 제1 도가니의 단면을 나타낸 도면이고,
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에서 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 나타낸 도면이고,
도 7a는 실리콘 단결정 잉곳의 길이에 따른 산소 농도 분포를 나타내고,
도 7b는 실리콘 단결정 잉곳의 길이별 면방향 산소 농도 분포를 나타낸다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이다. 이하에서 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 설명한다.

실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치(1000)는 내부에 실리콘 용융액(Si melt)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(100)와, 상기 실리콘 용융액(Si melt)이 수용되기 위한 도가니(200, 250)와, 상기 도가니(200, 250)를 가열하기 위한 가열부(400)와, 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)을 향한 가열부(400)의 열을 차단하기 위하여 도가니(200)의 상부에 위치되는 열차폐체(600)와, 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)의 성장을 위한 시드(미도시)를 고정하기 위한 시드척(10)과, 도가니(250)를 회전시키고 상승시키는 지지대(300)을 포함하여 이루어진다.

성장되는 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)은 시드척(10)에 의하여 인상될 수 있는데, 상승되는 고온의 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)을 냉각시키기 위하여 수냉관(500)이 배치될 수 있다.

챔버(100)는 실리콘 용융액(Si melt)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)을 형성시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.

도가니(200, 250)는 실리콘 용융액(Si melt)을 담을 수 있도록 챔버(100)의 내부에 구비될 수 있다. 도가니(200, 250)는, 상기 실리콘 용융액과 직접 접촉되는 제1 도가니(200)와, 제1 도가니(200)의 외면을 둘러싸면서 지지하는 제2 도가니(250)로 이루어질 수 있다. 제1 도가니(250)는 석영으로 이루어질 수 있고, 제2 도가니(250)는 흑연으로 이루어질 수 있다.

제2 도가니(250)는 제1 도가니(200)가 열에 의하여 팽창될 경우를 대비하여, 2개 또는 4개로 분할되어 구비될 수 있다. 예를 들어 제2 도가니(250)가 2개로 분할될 경우, 2개의 부분 사이에는 틈이 형성되어, 내부의 제1 도가니(200)가 팽창되어도 제2 도가니(250)가 손상되지 않을 수 있다.

챔버(100) 내에는 가열부(400)의 열이 방출되지 못하도록 단열재를 구비할 수 있다. 본 실시예에서는 도가니(200, 250) 상부의 열차폐체(600)만이 도시되고 있으나, 도가니(200, 250)의 측면과 하부에 각각 단열재가 배치될 수도 있다.

가열부(400)는 도가니(200, 250) 내에 공급된 다결정의 실리콘을 녹여서 실리콘 용융액(Si melt)으로 만들 수 있는데, 가열부(400) 상부에 배치되는 전류 공급 로드(미도시)로부터 전류를 공급받을 수 있다.

도가니(200, 250)의 바닥면의 중앙에는 지지대(300)가 배치되어 도가니(200, 250)를 지지할 수 있다. 도가니(200, 250) 상부의 시드(미도시)로부터 실리콘 용융액(Si melt)이 일부 응고되어 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)이 성장된다.

도 4는 도 3의 제1 도가니의 단면을 나타낸 도면이다. 이하에서 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 도가니 중 제1 도가니의 구조를 설명한다.

실시예에 따른 제1 도가니(200)는 내부의 투명층(210)과 외부의 불투명층(220)을 포함할 수 있다. 투명층(210)은 석영으로 이루어져서 투명하고, 불투명층(220)은 석영에 에어 버블(air bubble)이 포함되어 불투명할 수 있으며, 에어 버블은 단열 작용을 할 수 있다.

도 4에 도시된 제1 도가니(200)의 종단면은 단면은, 바닥부와 수직부 및 상기 바닥부와 수직부 사이의 굴곡부를 포함할 수 있는데, 바닥부와 굴곡부 및 수직부는 일체로 형성되어 물리적으로 뚜렷하게 구분되지는 않는다.

도 4에서 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2)는 수직부에서의 제1 도가니(200)의 두께를 나타내고, 제3 두께(t3)는 굴곡부에서의 두께를 나타내고, 제4 두께(t4)와 제5 두께(t5)는 바닥부에서의 제1 도가니(200)의 두께를 나타낸다. 이때, 수직부와 굴곡부 및 바닥부 각각에서의 제1 도가니(200)의 두께는 일정하지 않고 점차 변할 수 있다.

예를 들면, 상기의 제1 두께 내지 제5 두께(t1~t5)의 비율은 각각 15 대 15.9 대 17.0 대 15.3 대 14.8일 수 있으며, 굴곡부의 제3 두께(t3)가 수직부의 제1,2 두께(t1, t2) 및 바닥부의 제4,5 두께(t4, t5)보다 두꺼울 수 있다.

그리고, 수직부의 두께는 바닥부의 두께보다 클 수 있는데, 여기서 수직부의 두께와 바닥부의 두께는 각각 수직부와 바닥부의 평균 두께일 수 있다.

제1 도가니(200)의 두께는 수직부의 상단으로부터 굴곡부 방향으로 증가할 수 있고, 또한 제1 도가니(200)의 두께는 바닥부의 최저점으로부터 굴곡부 방향으로 증가할 수 있다.

그리고, 제1 도가니(200)의 두께는 굴곡부의 제3 두께(t3)에서 최대일 수 있고, 바닥부에서 최저일 수 있는데, 바닥부에서 제1 도가니(200)의 두께는 상기 제3 두께(t3)가 17.0 일때 적어도 14.5일 수 있다.

본 실시예에서, 제1 도가니(200)의 전 영역에서, 즉 바닥부와 굴곡부 및 수직부에서 투명층의 두께와 불투명층의 두께의 비율은 일정할 수 있다. 예를 들면, 투명층의 두께는 불투명층의 두께의 11% 내지 12%일 수 있는데, 예를 들면 11.1%일 수 있다.

도 5는 비교예에 따른 제1 도가니의 단면을 나타낸 도면이다. 비교예에 따른 제1 도가니의 외부에 제2 도가니가 구비될 수 있으나, 표현의 편의를 위하여 제2 도가니를 생략하고 도시하였다.

도 5에서 제1 두께(t1)와 제2 두께(t2)는 수직부에서의 제1 도가니(200)의 두께를 나타내고, 제3 두께(t3)는 굴곡부에서의 두께를 나타내고, 제4 두께(t4)와 제5 두께(t5)는 바닥부에서의 제1 도가니(200)의 두께를 나타낸다. 이때, 수직부와 굴곡부 및 바닥부 각각에서의 제1 도가니(200)의 두께는 일정하지 않고 점차 변할 수 있다.

예를 들면, 상기의 제1 두께 내지 제5 두께(t1~t5)의 비율은 각각 15.0 대 19.0 대 25.1 대 16.3 대 14.0일 수 있다. 그리고, 수직부의 두께는 바닥부의 두께보다 클 수 있는데, 여기서 수직부의 두께와 바닥부의 두께는 각각 수직부와 바닥부의 평균 두께일 수 있다.

종래의 제1 도가니(200)는 수직부와 굴곡부 및 바닥부에서의 두께 편차가 도 4의 본 발명의 일 실시예와 비교하여 상대적으로 클 수 있고, 특히 투명층(210)의 수직부와 굴곡부 및 바닥부에서의 두께 편차가 클 수 있다. 또한, 도 4의 본 발명의 일 실시예에서는, 제1 도가니(200)의 전 영역에서, 즉 바닥부와 굴곡부 및 수직부에서 투명층(210)의 두께와 불투명층(220)의 두께의 비율은 일정하였는데, 도 5의 비교예에 따른 제1 도가니(200)에서는 투명층(210)의 두께가 바닥부 및 수직부로부터 굴곡부 방향으로 급격하게 증가한다. 따라서, 도 5의 비교예에 따른 제1 도가니(200)의 경우, 도 4의 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 도가니(200)보다, 두께 편차가 크고, 특히 투명층(210)의 두께 편차가 크다.

도 5의 비교예에 따른 제1 도가니(200)에서 상술한 두께 편차는, 제1 도가니(200)의 특히 투명층(210)의 굴곡부로부터 실리콘 용융액으로 공급되는 산소의 증가를 유발할 수 있다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에서 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 나타낸 도면이다.

도 6a에서 실리콘 용융액과 실리콘 단결정 잉곳의 계면은 제1 도가니(200)의 수직부에 위치하고, 실리콘 단결정 잉곳의 바디의 길이가 제1 길이(L1)이다.

도 6b에서 실리콘 용융액과 실리콘 단결정 잉곳의 계면은 제1 도가니(200)의 굴곡부에 위치하고, 실리콘 단결정 잉곳의 바디의 길이가 제2 길이(L2)이다.

도 6c에서 실리콘 용융액과 실리콘 단결정 잉곳의 계면은 제1 도가니(200)의 바닥부에 위치하고, 실리콘 단결정 잉곳의 바디의 길이가 제3 길이(L3)이며, 바디의 성장이 종료된 상태이다.

도 6a 내지 도 6c에서, 상술한 바와 같이 수직부와 굴곡부 및 바닥부에서 제1 도가니(200)의 투명층의 두께 편차가 비교예에 비하여 적으므로, 석영으로 이루어진 제1 도가니(200)로부터 실리콘 용융액에 용해되어 공급되는 산소의 양이 비교적 일정할 수 있다.

따라서, 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 바디의 전 영역에서 산소 농도가 고르게 나타날 수 있다.

도 7a는 실리콘 단결정 잉곳의 길이에 따른 산소 농도 분포를 나타내고, 도 7b는 실리콘 단결정 잉곳의 길이별 면방향 산소 농도 분포를 나타낸다. 가로축은 잉곳의 길이를 나타내고, 세로축은 산소 농도 Oi(ppma)를 나타낸다.

실시예에 따른 도가니를 구비한 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에서 성장시킨 실리콘 단결정 잉곳이 Test 1, Test2이고, 비교예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에서 성장시킨 실리콘 단결정 잉곳이 Ref이다.

도 7a에서 잉곳의 길이가 증가함에 따라 산소 농도의 편차가 크지 않으나, 화살표로 표시된 영역에서는 Ref의 산소 농도가 주변보다 비교적 급격히 증가하나, Test 1 및 Test 2에서는 그러하지 아니한 것을 알 수 있다.

그리고, 도 7b에서 잉곳의 길이가 증가함에 따라 면방향 산소농도의 편차가, 화살표로 표시된 영역에서는 Ref의 면방향 산소농도의 편차가 급격히 증가하나, Test 1 및 Test 2에서는 그러하지 아니한 것을 알 수 있다.

도 7a와 도 7b에서 화살표로 표시된 영역은 실리콘 단결정 잉곳의 동일한 길이를 나타내며, 상술한 제1 도가니의 굴곡부에 해당하는 영역일 수 있다.

즉, 비교예(Ref)에서는 제1 도가니의 굴곡부의 두께가 수직부 및 바닥부와 비교하여 현저하게 두꺼워서, 실리콘 용융액과 실리콘 단결정 잉곳의 계면이 굴곡부에 대응하는 높이일 때 석영으로 이루어진 제1 도가니로부터 실리콘 용융액으로 용해되어 공급되는 산소의 양이 증가하여, 이때 성장되는 실리콘 단결정 잉곳의 영역, 즉 도 7a 및 도 7b의 화살표 영역에서의 산소 농도가 급격히 증가할 수 있다.

그러나, 실시예(Test 1, Test 2)에서는 제1 도가니의 굴곡부의 두께가 수직부 및 바닥부와 비교하여 크게 차이가 나지 않으므로, 실리콘 용융액과 실리콘 단결정 잉곳의 계면이 굴곡부에 대응하는 높이일 때 석영으로 이루어진 제1 도가니로부터 실리콘 용융액으로 용해되어 공급되는 산소의 양도 고르게 분포하여, 이때 성장되는 실리콘 단결정 잉곳의 영역, 즉 도 7a 및 도 7b의 화살표 영역에서의 산소 농도도 고른 것을 알 수 있다.

이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 시드척 100: 챔버
200: 제1 도가니 210: 투명층
220: 불투명층 250: 도가니
300: 지지대 400: 가열부
500: 수냉관 600: 열차폐체
1000: 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치

Claims (11)

1. 내부의 투명층과 외부의 불투명층을 포함하고, 석영을 포함하는 제1 도가니; 및
   상기 제1 도가니의 외부에 구비되고, 흑연을 포함하는 제2 도가니를 포함하는 도가니.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 불투명층은 에어 버블(air bubble)을 포함하는 도가니.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 도가니의 종단면은, 바닥부와 수직부 및 상기 바닥부와 수직부 사이의 굴곡부를 포함하는 도가니.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 바닥부와 굴곡부 및 수직부에서 상기 투명층의 두께는 상기 불투명층의 두께의 11 내지 12%인 도가니.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 굴곡부의 두께는 상기 바닥부의 두께 및 상기 수직부의 두께보다 두꺼운 도가니.
6. 제3 항에 있어서,
   상기 수직부의 두께는 상기 바닥부의 두께보다 두꺼운 도가니.
7. 제3 항에 있어서,
   상기 제1 도가니의 전영역에서 상기 투명층의 두께와 상기 불투명층의 두께의 비율은 일정한 도가니.
8. 제3 항에 있어서,
   상기 제1 도가니의 두께는, 상기 수직부의 상단으로부터 상기 굴곡부 방향으로 증가하는 도가니.
9. 제3 항에 있어서,
   상기 제1 도가니의 두께는, 상기 바닥부의 최저점으로부터 상기 굴곡부 방향으로 증가하는 도가니.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 도가니의 두께는 14.5 내지 17 밀리미터인 도가니.
11. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘 용융액이 수용되는 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 도가니;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 도가니의 둘레에 배치되는 가열부;
    상기 챔버 내부의 상부에 고정되어 구비되고, 상기 도가니로부터 성장되어 인상되는 잉곳의 둘레에 배치되는 수냉관; 및
    상기 도가니의 상부에 구비되는 열차폐체를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.

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