KR0161523B1 - 수지상 실리콘 웨브의 전위부 발생 억제방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체덩어리(13)에 인접한 수지상 결정(11)의 외측 가장자리에서 열적 균형을 제어하여, 얇고 완만한 형상을 가지고 전위부의 발생원이 상당히 적은 수지상 결정을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 복사냉각이 억제되도록 시각인자를 변화시키거나 수정램프 또는 레이저(21)로부터의 광을 수지상 결정(11)에 조사하여 그것의 온도를 상승시키므로써 실행할 수 있다.

Description

수지상 실리콘 웨브의 전위부 발생 억제방법

제1도는 본 발명을 실시하는데에 이용되는 장치의 개략도.

제2도는 결과의 유효성을 입증하기 위해 사용되는 제어식 시험장치의 개략도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 용해로 3 : 지지체

5 : 도가니 7 : 유도가열코일

9 : 용융지 11 : 수지상 결정

본 발명은 단일 실리콘 결정으로 이루어진 연속형 리본을 형성하는 수지상 실리콘웨브의 제조방법에 관한 것으로, 특히 웨브에 인접한 수지상 결정 중에서 전위부가 발생하는 것을 방지하기 위한 방법에 관한 것이다.

결정성장과정 중 전위부의 발생을 예측하여 통제하는 것은 실현 가능한 리본성장속도와 솔라셀의 효율을 정의함에 있어 중요한 과제중 하나이다. 재료 공학에 있어서 이와 같은 측면은 심각한 문제점이 되고 있는 바, 그 이유는 전위 발생원의 작용과 결함의 누적 또는 소멸에 관한 현장 이론이 아직까지는 완벽하게 정립되어 있지 않기 때문이다. 따라서, 실제경험이 어느 정도 가미된 현상학적 모델을 설정하지 않으면 아니 된다.

전위밀도, 분포, 버거스 벡터 및 잔류응력에 관한 대부분의 데이터와 일치하는 것으로 보여지는 특징적 모델은 다음과 같다: 경계면의 수지상 결정 내부 또는 웨브의 외측표면{111}근방에 위치한 전위발생원은, 결정성장 선단으로부터 0 내지 약 3㎝의 거리에서 열응력이 약 2MPa을 초과할 경우 전위부를 발생시킨다. 또한, 결정이 약 1000°K 미만으로 냉각되기 전에 비교적 큰 전단응력이 존재할 경우에는, 결정성장선단으로부터 4 내지 7㎝의 거리에 위치한 리본영역에서도 전위부가 발생할 수 있다. 대부분의 전위부는 내부의 쌍정경계면이나 액체-고체 접면에 당도할 때까지 웨브내로 계속해서 확산된다. 쌍정경계면은 전위운동에 대한 장벽으로서의 역할을 하며, 전위적체부를 발생시킨다. 이러한 전위적체부는 열에 의해 재배열되어 작은 각도의 다각형 경계면이나 큰 각도의 입자상 경계면을 형성할 수도 있으며, 이들 경계면은 일반적으로 결정의 성장을 중단시킬 뿐만 아니라 솔라셀의 효율을 저하시키게 된다. 고체-액체 접면과 교차하는 전위부는 성장중인 웨브에 부착된 원자의 성장단계에 따라 계속해서 전파된다. 이와 같은 확산 전위부는 [211]성장방향을 따라 정렬되며, 일반적으로 대량의 SiOx 석출입자로 둘러싸여 있게 된다. X-레이 투과법에 의한 조직분포도를 분석해 보면, 경계영역의 수지상 결정에 위치한 전위부 발생원은 성장과정중 실리콘 웨브 결정체의 내부로 확장전위루우프의 단편을 주입할 수도 있다는 것을 알 수 있다. 수지상 결정의 외측 가장자리 부근에 나타나는 암회색 부분은 여러 가지의 기법, 예를 들면 경사연마 수지상 결정에 대한 서틀(Sirtl)식각법, X-레이 회절시험법, 및 암회색 부분의 굴곡형상에 대한 전자투사 현미경 관찰법 등을 이용해서 검사한 결과, 국부적 응력 중심점인 것으로 판명되었다. 과거에 발표된 웨브 연구 논문, 예를 들면 Dislocation in Webs of Germanium and Silicon이라는 제목의 S. O'Hara씨의 논문과, Growth of Dislocation-Free Silicon Web Crystals이라는 제목의 T. N. Tucker 와 G. H. Schwuttke 씨의 논문을 보면, 성장이 완료된 웨브 결정에서도 상술한 것과 유사한 응력중심점이 발생한다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 목적은 수지상 결정의 웨브내에서 결정의 성장 및 그것의 전기적 효율에 영향을 미치는 전위부가 생성되는 것을 억제하기 위한 방법을 제공하는 데에 있다.

용해로 내에 배치된 용융지로부터 인발된 수지상 웨브 리본의 수지상 결정내에 전위부가 생성되는 것을 억제하기 위한 본 발명의 방법은, 용융지로부터 소정의 속도로 수지상 웨브리본을 인발하는 단계와, 고체-액체 접면에 인접한 수지상 결정의 외측 가장자리에서 수지상 웨브 중 일부의 열적 균형을 제어하여, 상기 수지상 웨브의 가장자리가 보다 얇고 완만하게 되도록 함과 아울러 수지상 결정내에서 생성되는 전이부를 상당히 감소시키는 단계를 포함한다.

특허청구의 범위에 기재된 본 발명은, 첨부도면을 참조하여 다음의 상세한 설명을 읽어보면 명백하게 이해할 수 있을 것이다. 각각의 도면에 있어서 동일한 부품에 대하여는 동일한 참조번호를 부여하였다.

도면, 특히 제1도를 참조하면, 석영도가니(5)를 갖춘 몰리브덴 지지체(3)를 수납하고 있는 용해로도(1)가 도시되어 있다. 전기적 유도가열코일(7)은 몰리브덴 지지체(3)의 둘레에 배치되어 도가니(5)에 장입된 실리콘을 용융시키는데에 필요한 에너지를 공급함으로써 실리콘 용융지(9)를 형성시킨다. 수지상의 실리콘 시이드 결정(도시하지 않음)은 냉각과정에 있는 용융지의 중심부로 하강한 후 다시 후퇴함으로써 결정의 성장을 개시한다. 상기 결정의 종방향 연부에는 수지상 결정(11)이 형성되어 있다. 이러한 수지상 결정은 용융액의 아냉각부로 침투한 다음 후퇴하게 되는바, 후퇴가 진행됨에 따라 수지상 결정(11)사이에는 액체덩어리(13)가 형성되고, 이 액체덩어리는 수지상 결정(11)이 용융지(9)로부터 멀어지는 방향으로 서서히 인발됨에 따라 고형화되어 수지상 웨브 또는 리본(15)이 된다. 이러한 방법은 공지된 것이며, 수지상 결정의 근방에 전위부라고 불리우는 결함부 및 불연속부가 존재한다는 사실도 알려져 있다. 이에 관하여는, Dislocations of Germanium and Silicon이라는 제목의 S. O'Hara씨의 논문과, Direct Observation of Dislocations in Silicon Web Crystals라는 제목의 E. D. Jungbluth 씨의 논문과, Growth of Dislocation-Free Silicon Web라는 제목의 T. N. Tucker 씨 및 G. H. Schwuttke 씨의 공동논문을 참조하기 바란다.

수지상 결정의 외측 가장자리 부근에 나타나는 암회색 부분은 여러 가지의 기법, 예를 들면 경사연마 수지상 결정에 대한 서틀(Sirtl)식각법, X-레이 회절시험법, 및 암회색부분의 굴곡형상에 대한 전자투사현미경 관찰법 등을 이용해서 검사한 결과, 국부적 응력 중심점인 것으로 판명되었다. 이러한 검사결과는 수지상 결정(11)의 표면에서 결정면사이에 Si액적이 포집되는 원리와 모순되지 않는 것으로 밝혀졌다. 액체 덩어리(13)상부의 액적이 냉각되는 과정 중에는 고도로 집중된 열응력이 발생할 수도 있다. 그 이유는 용해 잠열이 확산되는 동안 액적이 열원으로서의 역할을 하기 때문이다. 액적은 넓은 범위의 도핑농도 및 여러 가지 종류의 원료물질에서 관측되었으므로 그것이 불순물에 의해 영향을 받는다고 단정할만한 증거는 없다. 또한, 에너지 확산법에 의한 X-레이 측정결과를 보더라도, 응력중심부와 주변매트릭스간에 화학조성의 차이가 없다. 이상과 같은 조건과 그것의 발생 원인을 분석한 결과, 수지상 결정(11)을 완만하게 하고 그것의 두께를 감소시키고, 용해도 및 견인속도를 증가시키기에 충분히 높은 열적 부하조건하에서 용융실리콘 액적이 편승할 가능성을 줄일 수 있는 방법을 창안하게 되었다. 이 방법은, 수지상 결정(11)이 용융지(9)로부터 견인됨에 따라, 고체-액체 접면 또는 액체 덩어리(13)에 인접한 수지상 결정(11)의 외측 가장자리 중 일부영역에 대한 열적 균형을 제어 또는 조절함으로써 실행할 수 있다.

이와 같은 열적균형의 제어 또는 조절작업은 수지상 결정(11)에 레이저(21)나 수정램프(도시하지 않음)의 비임을 조사하거나 시각인자를 변화시켜서 행할 수 있다. 이에 의하면 복사 냉각속도가 변화되어서 수지상 결정의 외측 가장자리에 위치한 국부적 영역(17)에서의 열손실이 감소하고, 이 결과 액적의 고형화 과정중 그 둘레에서 발생하는 온도구배 및 국부적 응력을 감소시킬 수 있다.

제1도에 도시한 실시예에 있어서, 레이저(21)는 집속 광비임(23)을 발생하고, 이것은 반사경(25)에 의해서 촛점이 맞춰지고, 양쪽으로 분할된 후 방향이 조절되어서, 경사수정 윈도우를 통해 액체-고체 접면 또는 액체 덩어리(13)에 인접한 수지상 결정(11)의 외측 가장자리 상에 위치한 직경 약 3㎜의 국부영역(17)으로 조사된다. 완만한 구조를 갖는 얇은 수지상 결정(11)을 생성시킴과 아울러 전위부의 갯수를 상당히 감소시키는데에 필요한 전력량은 50 내지 300㎜W 이면 충분하지만, 견인속도 및 용해도에 따라서 이 값은 달라질 수도 있다.

제2도는 Spectra Physics 164 아르곤 레이저(도시하지 않음)를 이용해서 수지상 결정(11)중 하나를 조사하는 시험예에 대한 개략도이다. X-레이 분석법으로 수지상 웨브(15)를 검사한 결과, 비임 조사후의 수지상 결정은 가열작업을 행하지 않은 수지상 결정(11)에 비해서 얇고 완만한 구조를 가졌으며, 결함도 적었다. 아르곤 레이저를 선택한 이유는, 촛점을 맞추기가 편리하고 비임의 출력조절이 용이할 뿐만 아니라 출력광이 수지상 결정의 외측 가장자리의 약 1㎛범위 내에서 흡수될 수 있기 때문이다. 제1도에 도시한 바와 같이, 광비임(23)은 그것의 경로가 반사경(25)에 의해서 결정된 후 융해로 덮개의 경사 윈도우(27)를 통과하게 되므로, 웨브가 성장하는 동안 수지상 결정중 하나의 가장자리에 조사되는 광비임(23)의 입사각도를 동적으로 제어할 수 있다.

결정이 성장함에 따라, 수지상 결정(11)중 하나에는 100, 200 및 300㎜W의 출력을 갖는 광비임이 조사된다. 그러나, 다른 종류의 레이저를 사용할 경우, 특히 수지상 결정(11)의 국부영역으로부터 열이 복사되는 것에 주의를 기울이게 되면, 50㎜W이하의 출력으로도 충분할 수 있다. 제2도에 있어서 광비임(23)은 액체 덩어리(13)의 바로 윗쪽에서 수지상 결정(11)의 외측 가장자리에 입사되며, 그 반점의 직경은 약 3㎜ 이다. 가열과정을 거친 수지상 결정(11)과 가열과정을 거치지 않은 수지상 결정(11)에 대하여 X-레이 분석을 행한 결과, 가열후의 수지상 결정(11)은 100㎜W 정도의 낮은 출력레벨에서 조차도 미가열상태의 수지상 결정(11)에 비해 얇고, 완만한 형상을 가졌으며, 결합(29)도 훨씬 적었다. 이와 같이, 액체 덩어리(13)에 인접한 수지상 결정(11)의 외측 가장자리에서 열의 유동을 조절하면, 결함이 거의 없는 실리콘 웨브 결정을 높은 용해도 및 높은 성장속도로 성장시킬 수 있으며, 전기적 특성이 개선된 고품질의 결정체를 생산할 수 있다.

이상에서는 본 발명자가 생각한 발명의 최선실시태양을 대표적인 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 여러 가지 형태로 변경 실시할 수도 있을 것이다. 따라서, 이상의 실시예는 예시적인 것으로 보아야 할 것이며, 특허청구의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태의 변경실시가 가능하다는 점을 이해하여야 할 것이다. 별첨의 특허청구 범위는 본 발명의 기술적 사상 및 범위 내에 속한다고 판단되는 변경 실시예를 포괄하도록 작성된 것이다.

Claims (13)

1. 용해로(1)내에 배치된 용융지(9)로부터 제어된 속도로 인발되는 수지상 웨브 리본(15)의 수지상 결정(11)근방에서 전위부가 생성되는 것을 방지하기 위한 방법에 있어서, 상기 수지상 결정(11)의 가장자리가 얇고 완만한 형상을 가지도록 하고, 상기 가장자리의 근방에서 생성되는 전위부가 상당히 감소되도록 하여, 우수한 전기적 특성을 갖는 고품질의 결정체를 생성시킬 수 있는 방식으로, 고체-액체 접면(13)에 인접한 수지상 결정의 국부영역(17)의 열적 균형을 제어하는 단계를 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 국부영역(17)이 상기 각 수지상 결정(11)의 액체 덩어리에 인접한 직경 약 3㎜의 반점인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 반점(17)에 열을 가하여 상기 열적 균형을 제어하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 반점(17)을 조사하도록 된 광원(21)을 이용해서 열을 가하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 광원(21)이 레이저(21)인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 레이저(21)에 가해지는 에너지가 50㎜W 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 레이저가 아르곤 레이저(21)인 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 레이저(21)로부터의 광(23)용 대한 촛점을 맞추는 단계와, 상기 용해로(1)에 하나의 수정윈도우(27)를 제공하는 단계와, 상기 광(23)을 반사경(25)을 이용해서 상기 윈도우(27)를 통해 상기 반점(17)으로 배향시키는 단계를 특징으로 하는 방법.
9. 제5항에 있어서, 상기 레이저(21)로부터의 광(23)에 대한 촛점을 맞추는 단계와, 상기 용해로(1)에 복수개의 수정윈도우(27)를 제공하는 단계와, 상기 광(23)을 상기 윈도우(27)를 통해서 상기 반점(17)으로 배향시키는 단계를 특징으로 하는 방법.
10. 제4항에 있어서, 상기 열원이 레이저(21)인 점과, 상기 레이저(21)로부터의 광 비임(23)을 그것이 상기 수지상 결정(11)의 외측 가장자리에 입사되도록 배향시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제1항에 있어서, 상기 수지상 결정의 국부영역(17)의 열적 균형을 제어하기 위한 상기 단계가, 레이저(21)를 이용해서 열을 가하는 단계와, 상기 레이저(21)로부터의 광비임(23)을 그것이 상기 수지상 결정(11)의 외측 가장자리에 입사되도록 배향시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 조사반점(17)이 그 표면으로부터 수 ㎛ 이내에서 열에너지를 흡수하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제3항에 있어서, 상기 반점(17)에 공급되는 열이 상기 표면으로부터 수 ㎛ 이내에서 흡수되는 것을 특징으로 하는 방법.