JP2017522258A

JP2017522258A - シリコン単結晶成長装置及びこれを用いたシリコン単結晶成長方法

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Publication number: JP2017522258A
Application number: JP2017504817A
Authority: JP
Inventors: キム，ド・ヨン; チェ，イル・ス; アン，ユン・ハ
Original assignee: エルジー・シルトロン・インコーポレーテッド
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2017-08-10
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Abstract

実施形態は、チャンバー、チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ、るつぼの外側に配置され、るつぼを加熱するヒーター、チャンバー内に配置される遮熱部及びるつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部を含み、補助遮熱部はシリコン溶融液から成長した単結晶の胴体部の上部に隔たって配置され、単結晶胴体部での無欠陷領域が増加するように上昇速度を制御するシリコン単結晶成長装置及び成長方法を提供し、補助遮熱部が胴体部での温度勾配の偏差を減らして胴体部での無欠陷領域の分布を増加させることができる。【選択図】図１

Description

実施形態は成長する単結晶胴体部での結晶欠陥領域を調節するシリコン単結晶成長装置及びこれを用いたシリコン単結晶成長方法に関するものである。

一般に、シリコン単結晶を製造する方法として、浮遊ゾーン（ＦＺ：ＦｌｏａｔｉｎｇＺｏｎｅ）法又はチョクラルスキー（ＣＺ：ＣＺｏｃｈｒａｌｓｋｉ）法が多用されている。ＦＺ法を適用してシリコン単結晶インゴットを成長させる場合、大口径のシリコンウエハーを製造しにくいだけでなく工程コストが非常に高い問題があるため、ＣＺ法によってシリコン単結晶インゴットを成長させることが一般化している。

ＣＺ法によると、石英るつぼに多結晶シリコンを装入し、黒鉛発熱体を加熱してこれを溶融させた後、溶融結果として形成されたシリコン溶融液にシード結晶（ＳｅｅｄＣｒｙｓｔａｌ）を浸漬させ、溶融界面で結晶化するようにし、シード結晶を回転させながら引き上げることによって単結晶シリコンインゴットを成長させる。

このような方法で成長する単結晶インゴットは、シード結晶から連結されて細長く形成された首部（Ｎｅｃｋ）、ネッキング（Ｎｅｃｋｉｎｇ）工程以後、単結晶の直径を次第に増加させて成長させた肩部（Ｓｈｏｕｌｄｅｒ）、増加した直径を維持しながら軸方向に成長させて形成させた胴体部（Ｂｏｄｙ）、及び成長する結晶の直径を徐々に減少させて溶融シリコンから分離させて形成させるしっぽ部（ｔａｉｌ）を含む。

従来のシリコン単結晶インゴット成長装置及びこれを用いた単結晶インゴット成長方法の場合、るつぼの上部が開放しているため、成長工程中に単結晶内の熱分布が均一でないこともあり、また単結晶断面の中心部と外側部の間に冷却速度の差が発生することになる。

このような単結晶の半径方向への温度勾配差によって、引上軸方向に同じ位置の単結晶インゴットの切断面においても中心と外側領域で形成される結晶欠陷の分布が違うため、無欠陷結晶領域を増加させて単結晶を成長させることが難しい問題がある。

実施形態は、るつぼの上部に補助遮熱部を配置し、補助遮熱部の引上速度を制御することにより、単結晶の胴体部での無欠陷領域を増加させることができるシリコン単結晶成長装置及び成長方法を提供しようとする。

実施形態は、チャンバー；前記チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ；前記るつぼの外側に配置され、前記るつぼを加熱するヒーター；前記チャンバー内に配置される遮熱部；及び前記るつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部；を含み、前記補助遮熱部は前記シリコン溶融液から成長した単結晶の胴体部の上部に隔たって配置され、前記単結晶胴体部での無欠陷領域が増加するように上昇速度が制御されるシリコン単結晶成長装置を提供する。

他の実施形態は、チャンバー；前記チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ；前記るつぼの外側に配置され、前記るつぼを加熱するヒーター；前記チャンバー内に配置される遮熱部；前記るつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部；前記シリコン溶融液から成長した単結晶の引上速度を制御する主制御部；前記補助遮熱部の上昇速度を制御する補助制御部；及び前記主制御部及び前記補助制御部から入力された制御信号によって前記単結晶及び前記補助遮熱部をそれぞれ引き上げる引上装置；を含むシリコン単結晶成長装置を提供する。

他の実施形態は、チャンバー、前記チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ、前記チャンバー内に配置される遮熱部及び前記るつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部を含むシリコン単結晶成長装置で行うシリコン単結晶成長方法であって、前記補助遮熱部が前記シリコン溶融液から成長した単結晶胴体部から一定間隔を維持して前記単結晶胴体部での無欠陷領域が増加するように前記補助遮熱部の上昇速度を制御する段階を含むシリコン単結晶成長方法を提供する。

さらに他の実施形態は、チャンバー、前記チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ、前記チャンバー内に配置される遮熱部；前記るつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部；前記シリコン溶融液から成長した単結晶の引上速度を制御する主制御部；前記補助遮熱部の上昇速度を制御する補助制御部：及び前記主制御部及び前記補助制御部から入力された制御信号によって前記単結晶及び前記補助遮熱部をそれぞれ引き上げる引上装置；を含むシリコン単結晶成長装置で行うシリコン単結晶成長方法であって、前記成長した単結晶の胴体部の長さを確認する段階；前記確認された胴体部の長さによって前記補助制御部による前記補助遮熱部の動作可否を決定する段階；を含むシリコン単結晶成長方法を提供する。

実施形態によるシリコン単結晶成長装置及び成長方法は、補助遮熱部をるつぼの上部に配置し、上昇速度を制御することにより、単結晶の胴体部での欠陥領域を制御して無欠陷領域を増加させることができる。

シリコン単結晶成長装置の一実施形態を示した図である。

補助遮熱部の一実施形態を示した図である。

一実施形態のシリコン単結晶成長装置の一部分を示した図である。

単結晶胴体部での結晶欠陷の分布を示した図である。単結晶胴体部での結晶欠陷の分布を示した図である。

単結晶切断面での温度分布を示した図である。

単結晶切断面での冷却速度の差を示した図である。

シリコン単結晶成長装置の一実施形態を示した図である。

補助制御部の一実施形態を示したブロック図である。

主制御部の一実施形態を示したブロック図である。

シリコン単結晶成長方法の一実施形態を示したフローチャートである。

以下、本発明を具体的に説明するために実施形態に基づいて説明し、発明の理解を助けるために添付図面を参照して詳細に説明する。しかし、本発明による実施形態は色々の他の形態に変形可能であり、本発明の範囲が以下に詳述する実施形態に限定されるものとして解釈されてはいけない。本発明の実施形態は当該分野で平均的な知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供するものである。

本発明の実施形態の説明において、各要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）の“上又は下（ｏｎｏｒｕｎｄｅｒ）”に形成されるものとして記載される場合、上又は下（ｏｎｏｒｕｎｄｅｒ）は二つの要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）が互いに直接（ｄｉｒｅｃｔｌｙ）接触するものと一つ以上の他の要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）が前記二つの要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）の間に配置されて（ｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ）形成されるものの両者を含む。また“上又は下（ｏｎｏｒｕｎｄｅｒ）”で表現される場合、一要素（ｅｌｅｍｅｎｔ）を基準に上方だけでなく下方の意味も含むことができる。

図面において、各層の厚さ又は大きさは説明の便宜及び明確性のために誇張又は省略されるかあるいは概略的に図示されている。また、各構成要素の大きさは実際の大きさをそのまま反映するものではない。

図１はシリコン単結晶成長装置の一実施形態を示した図である。

図１に示した実施形態のシリコン単結晶成長装置は、チャンバー１０、シリコン溶融液を収容するるつぼ３０、るつぼの外側に配置されるヒーター２０及び遮熱部４０を含むことができる。

チャンバー１０は内部にキャビティ（ｃａｖｉｔｙ）が形成された円筒形であってもよく、チャンバー１０の上部にはプル（Ｐｕｌｌ）チャンバー（図示せず）が連結されて配置されることができる。

チャンバー１０内にはシリコン溶融液ＳＭを収容するるつぼ３０が配置されることができる。るつぼ３０はチャンバー１０内の中央領域に配置されることができ、全体的に凹んでいる鉢状であってもよい。また、前記るつぼ３０は、前記シリコン溶融液ＳＭと直接接触する石英るつぼと、前記石英るつぼの外面を取り囲んで前記石英るつぼを支持する黒鉛るつぼとからなることができる。

前記るつぼ３０の側面には、前記るつぼ３０に向けて熱を供給するためのヒーター２０が配置されることができる。ヒーター２０はるつぼ３０の外周面から所定間隔で隔たってるつぼ３０の外側に配置されることができ、るつぼ３０の側部を取り囲むように円筒状に配置されることができる。また、チャンバー１０の上部には成長した単結晶５０の冷却のための水冷管６０がさらに含まれることができる。

単結晶成長装置のチャンバー１０内には、ヒーター２０によって加熱されたるつぼ３０の熱を保存するために、遮熱部４０が配置されることができる。遮熱部４０はヒーター２０とチャンバー１０の間に含まれることができ、るつぼ３０の上部に配置される上側遮熱部とるつぼ３０の側面に配置される側面遮熱部及びるつぼ３０の下側に配置される下側遮熱部を含むことができるが、遮熱部４０の配置はこれに限定されるものではない。

遮熱部４０は、ヒーター２０及びるつぼ３０で最適の熱的分布を形成し、そのエネルギーをできるだけ損失なしに活用可能にする素材及び形状に設計されることができる。

図１に示した実施形態の単結晶成長装置は補助遮熱部７０を含むことができる。

補助遮熱部７０はるつぼの上部に配置されることができ、上下移動が可能である。

図２ａ及び図２ｂは補助遮熱部の一実施形態を示す図である。

図２ａ及び図２ｂを参照すると、補助遮熱部７０Ａ、７０Ｂは、シードチャックを取り囲んで配置されるために、上面と下面が開放した円筒状の側面を有することができ、側面の内部は空いている形状であってもよい。

補助遮熱部７０Ａ、７０Ｂは図２ａのようなディスク状又は図２ｂのような円錐台状であってもよいが、これに限定しない。補助遮熱部７０Ａ、７０Ｂはグラファイト（ｇｒａｐｈｉｔｅ）又はＣＣＭ（Ｃａｒｂｏｎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ）素材を含むことができる。

補助遮熱部７０Ａ、７０Ｂの下面は単結晶の胴体部から一定間隔を維持するように平らに（Ｆｌａｔ）形成されることができる。

補助遮熱部７０Ａ、７０Ｂの上部にはワイヤ７２が付着されることにより、上下移動可能に調節可能である。この際、ワイヤ７２は後述するシリコン単結晶成長装置の実施形態において第１ワイヤ７２であってもよい。また、図面で補助遮熱部に連結されたワイヤ７２は２本のみ示されているが、実施形態はこれに限定しなく、３本以上のワイヤが補助遮熱部に連結されて補助遮熱部の移動を調節することができる。

図３は一実施形態の単結晶成長装置の一部分を示した図である。

図３を参照すると、補助遮熱部７０は収容されたシリコン溶融液ＳＭの上部に配置されることができ、例えばシリコン溶融液ＳＭから成長するシリコン単結晶５０の上部に隔たって配置されることができる。

また、補助遮熱部７０は単結晶５０の胴体部Ｂから一定間隔を維持することにより、成長する単結晶の胴体部Ｂでの無欠陷領域が増加するように上昇速度が制御できる。

この際、補助遮熱部７０と単結晶胴体部Ｂの間の離隔した一定間隔は単結晶を製造する成長工程条件によって変わるように制御できる。

すなわち、単結晶成長工程において、単結晶の引上速度、るつぼ内のシリコン溶融液の温度又はチャンバー内の温度条件などによって補助遮熱部７０と単結晶胴体部Ｂが離隔した間隔は調節可能である。

補助遮熱部７０は、成長する単結晶５０の肩部Ｓと胴体部Ｂの境界から一定間隔（ｄ）を維持するように配置できる。

例えば、補助遮熱部７０は胴体部Ｂの上部に配置されることができ、胴体部Ｂの始点であるインゴットの肩部Ｓと胴体部Ｂの境界からの間隔（ｄ）が１５０ｍｍ〜３００ｍｍに維持されるように速度を制御することができる。

補助遮熱部７０は、胴体部Ｂから一定間隔を維持するために、０．５ｍｍ／ｍｉｎ〜０．７ｍｍ／ｍｉｎの上昇速度を有することができる。０．７ｍｍ／ｍｉｎより速い速度で補助遮熱部７０を上昇させれば、成長する単結晶５０と補助遮熱部７０の間隔（ｄ）が増加し、単結晶５０の中心と外側での温度勾配の差を目標値に減らすことができなく、０．５ｍｍ／ｍｉｎより遅い速度で移動する場合は、成長する単結晶５０との接触危険が発生し得る。

補助遮熱部７０の上昇速度は成長する単結晶５０の引上速度（Ｐｕｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄ）と同一であってもよい。

すなわち、単結晶成長工程において肩部Ｓと胴体部Ｂの始部には補助遮熱部７０と単結晶５０の引上速度を同一にするとともに補助遮熱部７０が胴体部５０から一定間隔を維持するようにして成長する単結晶胴体部での冷却速度を調節することにより、胴体部Ｂの始部に形成される結晶において無欠陷領域を増加させることができる。

図４ａ及び図４ｂは補助遮熱部７０の適用有無による胴体部Ｂでの結晶欠陥領域を図式化して示した図である。

図面で、Ｘ軸は単結晶胴体部の軸方向への長さ（ＡｘｉａｌＬｅｎｇｔｈ）であり、胴体部Ｂの始点、つまり肩部Ｓと胴体部Ｂの境界地点が０ｍｍであり、単結晶が成長する軸方向に増加する長さに相当する。

図面で、Ｙ軸は単結晶の引上速度（Ｐｕｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄ）を示したものであり、図面に実線で表示したものは単結晶胴体部の長さによる引上速度の変化を示したものである。

また、Ｙ軸方向は胴体部の成長する長手方向の一地点での半径方向に相当することができる。例えば、グラフに示したＹ軸領域の中心は単結晶断面の中心部に相当することができ、これを基準にＹ軸値が減る方向と増える方向はそれぞれ単結晶断面の外側領域に相当することができる。

図面に点線で表示したものは結晶の欠陥領域の分布を区分して示したもので、１）領域はベイカンシー欠陥領域であるＯｃｔａｈｅｄｒａｌｖｏｉｄ領域であり、２）領域は酸化誘起積層欠陷（ＯｉＳＦ、ＯｘｉｄａｔｉｏｎＩｎｄｕｃｅｄＳｔａｃｋｉｎｇｆａｕｌｔ）領域、３）領域は無欠陷領域を示す。

図４ａは補助遮熱部７０が適用されなかった場合の単結晶胴体部での結晶欠陥分布を示したものである。

図４ａの図示を参照すると、補助遮熱部が配置されなかった場合、単結晶に含まれた欠陥領域は胴体部の長さが３５０ｍｍである地点まで分布されており、その上、胴体部の半径方向に同種の欠陥形態が配置される領域だけでなくＯｃｔａｈｅｄｒａｌｖｏｉｄ欠陷、ＯｉＳＦ欠陷、無欠陷領域が皆含まれる領域も現れることを確認することができる。

これに対し、図４ｂの補助遮熱部７０が適用された場合の結晶の欠陥分布においては、胴体部の長さが２００ｍｍより長くなった場合は欠陷がない無欠陷領域のみ分布し、胴体部の長さが２００ｍｍ以下の場合は欠陥分布領域でも胴体部の半径方向に同一結晶欠陷の形態が現れることを確認することができる。

すなわち、補助遮熱部７０をシリコン溶融液ＳＭの上部に配置するとともに単結晶から一定間隔を維持するようにして単結晶成長工程を進めば、補助遮熱部７０がるつぼに収容されたシリコン融液ＳＭの上方に損失される熱を遮蔽することにより、単結晶成長が進行しているうちに肩部Ｓと胴体部Ｂの始部での急速な冷却を防止することができ、急速冷却によって発生し得る結晶欠陥領域を減らすことができる効果を有することができる。

実施形態の単結晶成長装置において補助遮熱部７０の上昇速度は、補助遮熱部７０の上昇方向に垂直な胴体部切断面の中心と外側での温度差を減少させるように制御することができる。

図５は補助遮熱部７０の適用有無による単結晶胴体部での温度（Ｋ）分布を示したグラフである。図５のグラフで、ＡとＢは単結晶胴体部断面の外側領域に対する結果を示すもので、Ａは補助遮熱部が配置されなかった場合、Ｂは補助遮熱部が配置された場合である。また、ＣとＤは胴体部断面の中心領域に対するもので、Ｃは補助遮熱部が配置されなかった場合、Ｄは補助遮熱部が配置された場合である。

図５を参照すると、補助遮熱部７０を含んでいない単結晶成長装置によって成長した単結晶の場合、胴体部の中心（Ｃ）と外側（Ａ）での温度差は胴体部の長さが増えるほど大きくなる。

一方、補助遮熱部７０を含むとともに胴体部から一定間隔を維持するように補助遮熱部の移動速度を制御する実施形態の単結晶成長装置によって成長した単結晶の場合、胴体部の長さが長くなって４００ｍｍまで成長した場合にも胴体部の中心（Ｄ）と外側Ｂでの温度差がほとんど現れないことが分かる。

したがって、実施形態の単結晶成長装置に補助遮熱部７０を配置し、上昇速度を制御することにより、単結晶成長時に胴体部断面での温度差を減らして結晶欠陷の分布を均一にすることができる。

実施形態の単結晶成長装置において、補助遮熱部７０の上昇速度は、補助遮熱部の上昇方向に垂直な胴体部の切断面の中心と外側での冷却速度（ＣｏｏｌｉｎｇＳｐｅｅｄ）の差を減少させるように制御することができる。

図６は補助遮熱部７０の適用有無による単結晶胴体部での温度勾配（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＧｒａｄｉｅｎｔ、Ｋ／ｃｍ）を示したグラフである。

図６で、温度勾配（ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＧｒａｄｉｅｎｔ）は冷却速度（ＣｏｏｌｉｎｇＳｐｅｅｄ）であってもよい。また、図５と同様に、ＡとＣは補助遮熱部が配置されなかった場合の単結晶断面の外側領域と中心をそれぞれ示し、ＢとＤは補助遮熱部が配置されて速度が制御される実施形態の単結晶成長装置を使った場合の単結晶断面の外側領域と中心をそれぞれ示す。

図６を参照すると、補助遮熱部７０が適用されない場合、単結晶の胴体部の中心（Ｃ）と外側領域（Ａ）で冷却速度の差があることを確認することができ、胴体部の長さ１００ｍｍ〜２００ｍｍの領域では冷却速度、つまり温度勾配の差が５Ｋ／ｃｍ以上であることが分かる。

これに対し、補助遮熱部７０を含む実施形態の単結晶成長装置を使った場合、胴体部の中心（Ｄ）と外側（Ｂ）での冷却速度の差がほとんど発生しないことを確認することができる。

したがって、実施形態の単結晶成長装置は、補助遮熱部が成長する単結晶胴体部から一定間隔を有するように上昇速度を制御して、補助遮熱部の上昇方向に垂直な胴体部の切断面の中心と外側での冷却速度の差を減少させることにより、結晶欠陥領域を調節し、胴体部での無欠陷領域の分布を増加させることができる。

例えば、実施形態の場合、胴体部切断面の中心（Ｄ）と外側（Ｂ）での冷却速度の差が１Ｋ／ｃｍ未満であってもよい。

図７はシリコン単結晶成長装置の一実施形態を示した図である。

以下、図面を参照して説明する単結晶成長装置の実施形態に対しては、上述した単結晶成長装置の実施形態と重複する内容は再び説明せずに、相違点を中心に説明する。

図７に示した一実施形態のシリコン単結晶成長装置は、チャンバー１０、シリコン溶融液を収容するるつぼ３０、るつぼの外側に配置されるヒーター２０、遮熱部４０、単結晶の引上速度を制御する主制御部１４０及び補助遮熱部の上昇速度を制御する補助制御部１３０を含むことができる。

また、一実施形態のシリコン単結晶成長装置は、るつぼ３０の上側から単結晶の引上方向に伸びて配置された水冷管６０と、単結晶及び補助遮熱部にワイヤ７２、５２で連結された引上装置１１０とを含むことができる。

引上装置１１０は、補助遮熱部７０の上面に第１ワイヤ７２で連結された第１引上部１１４、及び成長するシリコン単結晶に第２ワイヤ５２で連結された第２引上部１１２を含むことができる。

第１引上部１１４は補助遮熱部７０に連結されて補助遮熱部をるつぼの上方に上昇させる引上手段であってもよい。第１引上部１１４は少なくとも一つ以上であってもよく、補助遮熱部７０が均衡的に上昇するように複数でなることができ、また補助遮熱部７０と第１引上部１１４を連結する第１ワイヤ７２も複数が配置されることができる。

第２引上部１１２は成長する単結晶をるつぼの上方に移動させる引上手段であってもよく、第２引上部は単結晶の成長が始まる単結晶シード部に第２ワイヤ５２で連結されることができる。また、第２引上部１１２は単結晶の上端に連結されたシードチャックにワイヤ５２で連結されることができる。

補助制御部１３０は、引上装置１１０から出力される成長した単結晶胴体部と補助遮熱部の位置情報を入力されることができ、また補助制御部１３０で演算された補正値を引上装置１１０に再びフィードバックすることができる。この際、フィードバックされた値は引上装置１１０の補助遮熱部引上装置である第２引上部１１４に伝達されることができる。

図８は補助制御部１３０の構成を簡略に示したブロック図である。

図８を参照すると、補助制御部１３０は、位置値センシング部１３２、ギャップ（ＧＡＰ）演算部１３４、補正値生成部１３６及び第１駆動部１３８を含むことができる。

位置値センシング部１３２は引上装置で確認される単結晶胴体部の位置と補助遮熱部の位置値を取得するものであってもよい。

例えば、単結晶胴体部の位置値は成長した単結晶で胴体部が始まる地点の位置値であってもよく、補助遮熱部の位置値は補助遮熱部の下面の位置値であってもよい。

ギャップ演算部１３４は位置値センシング部１３２で獲得した胴体部と補助遮熱部のそれぞれの位置値から両者間の離隔した間隔を抽出するものであってもよい。

例えば、図３をまた参照すると、胴体部と補助遮熱部の離隔した間隔は胴体部の始部と補助遮熱部の下面の間の間隔であるｄであってもよい。

この際、胴体部の始部は肩部Ｓと胴体部Ｂの境界に相当することができる。

補正値生成部１３６は、ギャップ演算部１３４で演算された胴体部と補助遮熱部の間の離隔間隔からこれに相応する補助遮熱部の上昇速度の補正値を抽出するものであってもよい。

この際、胴体部と補助遮熱部の間の離隔（Ｇａｐ）値の目標値が設定されることができ、設定された目標離隔値と演算された離隔間隔値を比較することによって上昇速度の補正値を抽出することができる。

例えば、胴体部と補助遮熱部の離隔間隔値が目標値の範囲内にある場合、補正値が反映された補助遮熱部の上昇速度値は現在の上昇速度値と同一であっても良い。また、演算された離隔間隔値が目標値より大きい場合、補正された上昇速度は現在の上昇速度より小さくてもよく、演算された離隔間隔値が目標値より小さい場合、補正された上昇速度は現在の上昇速度より大きくてもよい。

すなわち、上昇速度補助値は、胴体部と補助遮熱部の離隔間隔値が目標値の範囲と一致するように調節できる。

この際、目標値は１５０ｍｍ〜３００ｍｍであってもよい。

補助制御部１３０は第１駆動部１３８を含むことができる。

第１駆動部１３８は補助遮熱部を引上装置１１０によって引き上げるようにする信号を出力するものであってもよい。第１駆動部１３８は、補正値生成部１３６で生成された補正上昇速度値のデータを引上装置１１０に伝達することができる。

第１駆動部１３８は補助遮熱部の上昇速度を制御して動作させるためのサーボモーター（ＳｅｒｖｏＭｏｔｏｒ）であってもよい。

すなわち、補助制御部１３０によって制御されて上昇する補助遮熱部７０は成長する単結晶５０の肩部Ｓと胴体部Ｂの境界から一定間隔（ｄ）を維持するように制御できる。

すなわち、単結晶成長工程において、単結晶の引上速度、るつぼ内のシリコン溶融液の温度又はチャンバー内の温度条件などによって補助遮熱部７０と単結晶胴体部Ｂが離隔した間隔が調節できる。

例えば、補助遮熱部７０は胴体部Ｂの上部に配置されることができ、胴体部Ｂの始点であるシリコン単結晶インゴットの肩部Ｓと胴体部Ｂの境界からの間隔（ｄ）を１５０ｍｍ〜３００ｍｍに維持するように速度を制御することができる。

また図７を参照すると、主制御部１４０はチャンバーの上部一側に配置されるセンサー１４１で獲得した信号を受信して単結晶の引上速度を調節するように引上装置１１０に信号を伝達する部分であってもよい。

図７で、センサー１４１はチャンバーの上部一側に配置されるビューポート（ＶｉｅｗＰｏｒｔ）を通じて単結晶の成長程度を感知するものであってもよい。

センサー１４１は成長する単結晶の直径を測定するもので、赤外線センサー（ＩＲｓｅｎｓｏｒ）、ＣＣＤカメラ又は高温計（ｐｙｒｏｍｅｔｅｒ）などの多様なセンサーが使われることができ、例えばＡＤＣ（ＡｕｔｏｍａｔｉｃＤｉａｍｅｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌ）センサーであってもよい。

センサー１４１で感知された情報はシリコン単結晶の直径変化を類推することができる光学情報又は映像情報であってもよい。

センサーで感知された成長する単結晶の直径変化値についての情報は主制御部１４０に伝達されることができる。

図９は主制御部１４０の構成を簡略に示したブロック図である。

図９を参照すると、主制御部１４０は、直径センシング部１４２、引上速度決定部１４４及び第２駆動部１４６を含むことができる。

直径センシング部１４２は上述したセンサー１４１で感知されて伝達された情報からシリコン単結晶の直径値を抽出するものであってもよい。

直径センシング部１４２では工程進行によるシリコン単結晶の直径の変化値を連続的に得ることができる。

直径センシング部１４２で獲得されたシリコン単結晶の直径値は引上速度決定部１４４に伝達されることができる。

引上速度決定部１４４では直径センシング部１４２から入力される単結晶の直径値から単結晶の引上速度（Ｐｕｌｌｉｎｇｓｐｅｅｄ）を決定することができる。

例えば、直径センシング部１４２から入力された成長するシリコン単結晶の直径に対するデータから単結晶の引上速度の調節可否を判断し、ＰＩＤ制御を用いて引上速度を変更することができる。

すなわち、目標直径値と直径センシング部１４２で感知された測定直径値を比較し、目標値と測定値の間に差がある場合、単結晶引上速度値を調節することができる。

例えば、測定された直径値が目標直径値より大きい場合、引上速度を現在の引上速度より速く調節することができ、測定された直径値が目標直径値より小さい場合、引上速度を現在の引上速度より遅く調節することができる。

主制御部１４０は第２駆動部１４６を含むことができる。

第２駆動部１４６はシリコン単結晶が引上装置１１０によって引き上げられるようにする信号を出力するものであってもよい。第２駆動部１４６は引上速度決定部１４４で生成された補正引上速度値のデータを引上装置１１０に伝達することができる。

第２駆動部１４６は成長する単結晶の引上速度を制御して第２引上部１１２を動作させるためのサーボモーター（ＳｅｒｖｏＭｏｔｏｒ）であってもよい。

したがって、図７〜図９に示した実施形態の単結晶成長装置は補助遮熱部を制御する補助制御部及びシリコン単結晶の引上を制御する主制御部を含み、補助遮熱部が成長する単結晶胴体部から一定間隔を維持するように上昇速度を制御することができる。

また、一定間隔を維持するように制御された補助遮熱部とシリコン単結晶胴体部は補助遮熱部の上昇方向に垂直な胴体部の切断面の中心と外側での冷却速度の差を減少させることにより、結晶欠陥領域を調節し、胴体部での無欠陷領域の分布を増加させることができる。

以下では上述した実施形態のシリコン単結晶成長装置を用いたシリコン単結晶成長方法の実施形態について説明する。

以下の実施形態についての説明では上述した単結晶成長装置の実施形態と重複する内容は再び説明せずに、相違点を中心に説明する。

シリコン単結晶成長方法の一実施形態は、チャンバー、チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ、チャンバー内に配置される遮熱部及びるつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部を含むシリコン単結晶成長装置で行われるシリコン単結晶成長方法であって、補助遮熱部がシリコン溶融液で成長する単結晶の胴体部から一定間隔を維持して単結晶胴体部での無欠陷領域が増加するように補助遮熱部の上昇速度を制御する段階を含む単結晶製造方法であってもよい。

実施形態の単結晶成長工程では、補助遮熱部の上昇方向に垂直な胴体部の切断面中心と外側での温度差を減少させるように補助遮熱部の上昇速度を制御することができる。

また、補助遮熱部の上昇速度は胴体部の切断面の中心と外側での冷却速度の差を減少させるように制御することができ、例えば冷却速度の差が１Ｋ／ｃｍ未満となるように制御することができる。

すなわち、実施形態の場合、るつぼの上部に配置される補助遮熱部の上昇速度を制御することで、単結晶の胴体部成長時に溶融液から損失される熱を遮断し、単結晶の急速な冷却を防止して単結晶断面の中心と外側領域の間の温度差及び軸方向への温度勾配差を減らすことができる。

したがって、このように温度勾配差が減少することによって単結晶の半径方向への欠陥領域の分布を均一にすることができ、その上、温度勾配の調節によって胴体部の始部から無欠陷領域を形成することができ、胴体部内での無欠陷領域の割合を増加させることができる効果がある。

補助遮熱部は、単結晶インゴットの肩部と胴体部の境界から１５０ｍｍ〜３００ｍｍの上部に配置される間隔を有するように上昇速度を制御すことができる。

また、補助遮熱部の上昇速度は胴体部の長さが４００ｍｍ以下の場合に制御することができる。

胴体部の長さが４００ｍｍより大きく成長した場合、胴体部での結晶成長は補助遮熱部による断熱効果よりチャンバーの上部領域に配置される水冷管の影響をもっと多く受けるので、補助遮熱部による単結晶の結晶欠陥領域の制御は補助遮熱部がシリコン溶融液の表面と水冷管の間に位置する場合にもっと効果的であり得る。

すなわち、補助遮熱部が水冷管を通過するときから補助遮熱部の上昇速度を制御して単結晶での結晶欠陥領域を調節する効果は減少することができる。

シリコン単結晶成長方法の他の実施形態は、チャンバー、チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ、チャンバー内に配置される遮熱部、るつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部、シリコン溶融液から成長した単結晶の引上速度を制御する主制御部及び補助遮熱部の上昇速度を制御する補助制御部を含むシリコン単結晶成長装置で行われるシリコン単結晶成長方法であって、成長した単結晶の胴体部の長さを確認する段階、及び確認された胴体部の長さによって補助制御部による補助遮熱部の動作可否を決定する段階を含むことができる。

図１０は一実施形態のシリコン単結晶成長方法をフローチャートで示した図である。

例えば、図１０に示したシリコン単結晶成長方法のフローチャートは主制御部と補助制御部によって単結晶引上速度と補助遮熱部の上昇速度を制御する段階を示した図であってもよい。

図１０を参照すると、シリコン単結晶成長方法の実施形態は、成長した単結晶胴体部の長さを確認し、確認した胴体部の長さが４００ｍｍ以下であるかを判断する段階（Ｓ１０００）を含むことができる。

胴体部の長さが４００ｍｍ以下の場合、シリコン単結晶成長方法において単結晶インゴットの引上は主制御部によって制御し、補助遮熱部の動作は補助制御部によって制御することができる。

この際、補助遮熱部の動作を補助制御部によって制御する段階は、胴体部の位置と補助遮熱部の位置を確認する段階と確認された位置によって胴体部と補助遮熱部の離隔（Ｇａｐ）値を演算する段階（Ｓ１３１０）、演算された離隔間隔値が目標間隔値の範囲内にあるかを判断する段階（Ｓ１３３０）、離隔間隔値が目標間隔値の範囲から外れる場合、補助遮熱部の上昇速度補正値を生成する段階（Ｓ１３５０）、及び生成された上昇速度補正値によって補助遮熱部を引き上げる段階（Ｓ１３７０）を含むことができる。

この際、胴体部と補助遮熱部の目標間隔値は１５０ｍｍ〜３００ｍｍであってもよい。すなわち、成長する単結晶の肩部と胴体部の境界から補助遮熱部の下面までの間隔は目標値である１５０ｍｍ〜３００ｍｍ内で一様に維持されることができる。

また、補助遮熱部の動作を補助制御部によって制御する段階において、胴体部と補助遮熱部の離隔間隔値が目標間隔値の範囲内にある場合、補助遮熱部を現在の上昇速度の変化なしに上昇させる段階（Ｓ１３６０）を含んで進めることができる。

一方、成長した単結晶胴体部の長さを確認し、確認した胴体部の長さが４００ｍｍ以下であるかを判断する段階（Ｓ１０００）で測定した胴体部の長さが４００ｍｍより大きい場合は、補助遮熱部の上昇速度を単結晶の引上速度以上に維持することができる。

すなわち、補助遮熱部を動作することは、補助遮熱部の引上速度をシリコン単結晶の引上速度以上に維持する段階（Ｓ１２１０）を含んでなることができる。

例えば、胴体部の長さが４００ｍｍ以上になるようにシリコン単結晶が成長した以後の工程では、補助遮熱部の上昇速度は胴体部との離隔間隔にかかわらず、引き上げられるシリコン単結晶の引上速度以上に維持することができる。

図１０に示したシリコン単結晶成長方法の実施形態において、単結晶の引上速度は主制御部によって制御することができる。

単結晶の引上速度を主制御部によって制御する段階は、直径センシング部で単結晶の直径をセンシングする段階（Ｓ１１００）、引上速度決定部でセンシングされた直径値と目標直径値の間の誤差を算出する段階（Ｓ１１２０）、算出された誤差から引上速度の補正値を生成する段階（Ｓ１１４０）、及び補正値によって変換された引上速度で単結晶を引き上げる段階（Ｓ１１６０）を含むことができる。

したがって、図１０に示した実施形態のシリコン単結晶成長方法は、単結晶の胴体部と補助遮熱部の間の離隔間隔値を抽出し、これから補助遮熱部とシリコン単結晶の引上速度を制御することができる。

また、補助制御部によって一定間隔が維持されるように制御された補助遮熱部と単結晶は、補助遮熱部の上昇方向に垂直な胴体部の切断面の中心と外側での冷却速度の差を減少させることにより、結晶欠陥領域を調節し、胴体部での無欠陷領域の分布を増加させることができる。

上述した実施形態の単結晶成長装置及び成長方法の場合、補助遮熱部を配置することによって単結晶胴体部の初期成長時に断熱効果を期待することができる。また、胴体部の成長初期にるつぼの上部から熱の離脱を最小化して胴体部の中心と外側での軸方向及び半径方向への温度勾配差を減らすことにより、成長する結晶の欠陥領域を均一に調節し、無欠陷領域の割合を増加させることができる。

以上で実施形態に基づいて説明したが、これはただ例示であるだけ、本発明を限定するものではなく、本発明が属する分野の通常の知識を有する者であればこの実施形態の本質的な特性を逸脱しない範疇内で以上で例示しなかったさまざまの変形及び応用が可能であることが分かるであろう。例えば、実施形態に具体的に示した各構成要素は変形実施することができるものである。そして、このような変形及び応用に係わる相違点は添付の請求範囲で規定する本発明の範囲に含まれるものに解釈されなければならない。

実施形態によるシリコン単結晶成長装置及び成長方法は、補助遮熱部をるつぼの上部に配置し、上昇速度を制御することにより、単結晶の胴体部での欠陥領域を制御し、無欠陷領域を増加させることができるので、産業上の利用可能性がある。

Claims

チャンバー；
前記チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ；
前記るつぼの外側に配置され、前記るつぼを加熱するヒーター；
前記チャンバー内に配置される遮熱部；及び
前記るつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部；を含み、
前記補助遮熱部は前記シリコン溶融液から成長した単結晶の胴体部の上部に隔たって配置され、前記単結晶胴体部での無欠陷領域が増加するように上昇速度が制御される、シリコン単結晶成長装置。
前記補助遮熱部は前記胴体部の上部に一定間隔で隔たって配置され、前記一定間隔は前記単結晶胴体部の成長条件によって制御される、請求項１に記載のシリコン単結晶成長装置。
前記補助遮熱部の上昇速度は前記単結晶の引上速度と同一である、請求項１に記載のシリコン単結晶成長装置。
前記補助遮熱部の上昇速度は前記補助遮熱部の上昇方向に垂直な前記胴体部切断面の中心と外側での温度差を減少させるように制御される、請求項１に記載のシリコン単結晶成長装置。
前記補助遮熱部の上昇速度は前記補助遮熱部の上昇方向に垂直な前記胴体部の切断面の中心と外側での冷却速度の差を減少させるように制御される、請求項１に記載のシリコン単結晶成長装置。
前記冷却速度の差は１Ｋ／ｃｍ未満である、請求項５に記載のシリコン単結晶成長装置。
チャンバー；
前記チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ；
前記るつぼの外側に配置され、前記るつぼを加熱するヒーター；
前記チャンバー内に配置される遮熱部；
前記るつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部；
前記シリコン溶融液から成長した単結晶の引上速度を制御する主制御部；
前記補助遮熱部の上昇速度を制御する補助制御部；及び
前記主制御部及び前記補助制御部から入力された制御信号によって前記単結晶及び前記補助遮熱部をそれぞれ引き上げる引上装置；を含む、シリコン単結晶成長装置。
前記補助制御部は、
前記単結晶の胴体部の位置と前記補助遮熱部の位置を検出する位置値センシング部；
前記位置値センシング部で検出した前記胴体部と前記補助遮熱部の離隔間隔を計算するギャップ演算部；
前記ギャップ演算部で出力した値によって前記補助遮熱部の上昇速度の補正値を生成する補正値生成部；及び
前記生成された補正値によって変換上昇速度値を出力して前記引上装置に伝達する第１駆動部；を含む、請求項７に記載のシリコン単結晶成長装置。
前記補正値生成部は、前記補助遮熱部が前記単結晶の胴体部から一定間隔を維持するように補正値を生成する、請求項８に記載のシリコン単結晶成長装置。
前記一定間隔は前記単結晶の胴体部の成長条件によって制御される、請求項９に記載のシリコン単結晶成長装置。
前記主制御部は、
前記単結晶の直径を検出する直径センシング部；
前記直径センシング部で検出した前記直径値によって前記単結晶の引上速度を決定する引上速度決定部；及び
前記決定された引上速度値を出力して前記引上装置に伝達する第２駆動部；を含む、請求項８に記載のシリコン単結晶成長装置。
前記引上装置は、
前記補助遮熱部の上面に第１ワイヤで連結された第１引上部；及び
前記単結晶に第２ワイヤで連結された第２引上部；を含む、請求項７に記載のシリコン単結晶成長装置。
前記一定間隔は、前記単結晶の肩部と前記胴体部の境界から前記補助遮熱部が１５０ｍｍ〜３００ｍｍの上部に配置される間隔である、請求項２又は１０に記載のシリコン単結晶成長装置。
チャンバー、前記チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ、前記チャンバー内に配置される遮熱部及び前記るつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部を含むシリコン単結晶成長装置で行うシリコン単結晶成長方法であって、
前記補助遮熱部が前記シリコン溶融液から成長した単結晶胴体部から一定間隔を維持して前記単結晶胴体部での無欠陷領域が増加するように前記補助遮熱部の上昇速度を制御する段階を含む、シリコン単結晶成長方法。
前記補助遮熱部の上昇速度は前記補助遮熱部の上昇方向に垂直な前記胴体部の切断面の中心と外側での温度差を減少させるように制御する、請求項１４に記載のシリコン単結晶成長方法。
前記補助遮熱部の上昇速度は前記補助遮熱部の上昇方向に垂直な前記胴体部の切断面の中心と外側での冷却速度の差を減少させるように制御する、請求項１４に記載のシリコン単結晶成長方法。
前記冷却速度の差は１Ｋ／ｃｍ未満である、請求項１６に記載のシリコン単結晶成長方法。
前記補助遮熱部が前記インゴットの肩部と前記胴体部の境界から１５０ｍｍ〜３００ｍｍの上部に配置されるように前記上昇速度を制御する、請求項１４に記載のシリコン単結晶成長方法。
前記補助遮熱部の上昇速度は前記胴体部の長さが４００ｍｍ以下の場合に制御する、請求項１４に記載のシリコン単結晶成長方法。
チャンバー、前記チャンバー内に配置され、シリコン溶融液を収容するるつぼ、前記チャンバー内に配置される遮熱部；前記るつぼの上部に配置され、上下移動が可能な補助遮熱部；前記シリコン溶融液から成長した単結晶の引上速度を制御する主制御部；前記補助遮熱部の上昇速度を制御する補助制御部：及び前記主制御部及び前記補助制御部から入力された制御信号によって前記単結晶及び前記補助遮熱部をそれぞれ引き上げる引上装置；を含むシリコン単結晶成長装置で行うシリコン単結晶成長方法であって、
前記成長した単結晶の胴体部の長さを確認する段階；
前記確認された胴体部の長さによって前記補助制御部による前記補助遮熱部の動作可否を決定する段階；を含む、シリコン単結晶成長方法。
前記胴体部の長さが４００ｍｍである場合、前記補助遮熱部の動作を前記補助制御部によって制御する段階を含む、請求項２０に記載のシリコン単結晶成長方法。
前記補助遮熱部の動作を前記補助制御部によって制御する段階は、
前記胴体部の位置と前記補助遮熱部の位置を確認する段階；
前記確認された位置から前記胴体部と前記補助遮熱部の離隔間隔を演算する段階；
前記演算された離隔間隔が目標間隔値の範囲内にあるかを判断する段階；
前記離隔間隔が前記目標間隔値の範囲から外れる場合、前記補助遮熱部の上昇速度補正値を生成する段階；及び
前記生成された上昇速度補正値によって前記補助遮熱部を引き上げる段階；を含む、請求項２１に記載のシリコン単結晶成長方法。
前記補助遮熱部の動作を前記補助制御部によって制御する段階は、
前記胴体部の位置と前記補助遮熱部の位置を確認する段階；
前記確認された位置によって前記胴体部と前記補助遮熱部の離隔間隔を演算する段階；
前記演算された離隔間隔が目標間隔値の範囲内にあるかを判断する段階；及び
前記離隔間隔が前記目標間隔値の範囲内にある場合、前記補助遮熱部を上昇速度の変化なしに引き上げる段階；を含む、請求項２１に記載のシリコン単結晶成長方法。
前記胴体部の長さが４００ｍｍより大きい場合、前記補助遮熱部の上昇速度を前記単結晶の引上速度以上に維持する、請求項２０に記載のシリコン単結晶成長方法。
前記単結晶の引上速度を前記主制御部によって制御する段階を含む、請求項２０に記載のシリコン単結晶成長方法。
前記単結晶の引上速度を前記主制御部によって制御する段階は、
前記直径センシング部で前記単結晶の直径をセンシングする段階；
前記引上速度決定部で前記センシングされた直径値と目標直径値の間の誤差を算出する段階；
前記算出された誤差から前記引上速度の補正値を生成する段階；及び
前記補正値によって変換された引上速度で前記単結晶インゴットを引き上げる段階；を含む、請求項２０に記載のシリコン単結晶成長方法。