KR100255780B1 - 실리콘 단결정의 육성 - Google Patents

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Abstract

단결정을 융액으로부터 인상할 때, 도가니의 저면에서와 결정의 성장계면에서의 온도차 △T를 제어하여 다음식에 의해 정의된 레일레이 상수 Ra를 5×105-4×107의 범위내로 유지한다:
Ra = g·β·△T·L/κ·ν
(상기식에서 g는 중력가속도, β는 상기 융액의 부피팽창계수, L은 융액의 깊이, κ는 열확산률, ν는 동점성도를 나타낸다.)
결정의 성장계면에서의 융액의 대류 방식이 부드러운 난류의 영역에서 일정하게 유지되기 때문에, 단결정은 성장중인 단결정에로 융액내의 불순물 분포를 전달하지 않는 안정화된 온도조건하에 육성된다.

Description

실리콘 단결정의 육성
제1도는 융액으로부터 Si 단결정을 인상(pulling up)하는 초크랄스키(Czochralski) 방법을 설명한 개략도이다.
제2도는 결정의 성장계면에서의 융액 대류에 대한 융액의 깊이 및 온도차 △T의 효과를 도시한 그래프이다.
제3도는 도가니의 저면에서의 온도 및 레일레이(Rayleigh)상수 Ra사이의 관계를 도시한 그래프이다.
제4도는 결정의 성장방향을 따라 실시예에서 얻어진 단결정의 산소분포를 비교예에서 얻어진 단결정의 산소분포와 비교한 그래프이다.
[발명의 배경]
본 발명은 단 결정을 초크랄스키방법에 따라 용액으로부터 인상할 때, 결정의 성장 계면 직하에서의 융액의 대류를 제어함으로써 결정의 성장방향을 따라 균일화된 불순물 분포를 갖는 Si 단결정의 육성방법에 관한 것이다.
초크랄스크방법은 융액으로부터 Si 단결정을 육성하기 위한 대표적 방법이다.
초크랄스키방법은 제1도에 보여지는 바와 같이 밀폐챔버(1) 내에 위치된 도가니(2)를 사용한다. 도가니(2)는 회전 및/또는 승강운동이 가능하도록 지지체(3)에 의해 지지된다. 히터(4) 및 보온재(5)는 도가니(2) 외주에 동심원상으로 배치되어, 도가니를 Si 단결정의 성장에 적합한 온도로 유지한다.
종결정(7)은 융액(6)과 접촉위치되어, 종결정(7)의 결정방향을 모방한 결정방향을 갖는 Si 단결정(8)을 성장시킨다. 종결정(7)은 와이어(9)를 통해 회전식 와인더(10) 또는 강성 인상봉으로부터 매달리고, 결정의 성장정도에 따라 점차적으로 인상된다. 도가니(2)도 또한 지지체(3)의 적당한 회전운동에 의해 하강된다.
지지체(3)의 하강 및 회전속도 뿐만아니라 종결정(7)의 상승 및 회전속도는 융액(6)으로부터 인상되는 Si 단결정(8)의 성장속도에 따라 제어된다.
초크랄스키방법에 의해 얻어진 단결정은 결정의 성장방향을 따라 불순물 분포를 가진다. 미시적 불순물 분포는 결정의 성장계면 적하에서의 융액의 대류 상태에 의해 상당히 영향을 받는다.
다량의 융액이 인상 조작의 개시 단계에 도가니에 존재하기 때문에, 결정의 성장 계면은 도가니의 지면으로부터 충분한 높이를 가진다. 이 상태의 융액은 어떤 특정한 유동구조를 갖지 않는 부드러운 난류로서 결정의 성장계면내로 유입된다.
용액으로부터 육성된 단결정은 융액 대류를 모방한 불순물 분포를 가진다.
도가니에 잔류하는 융액의 양은 단결정의 성장에 따라 더 작아지므로, 융액흐름은 제2도에 보여지는 바와 같이 특정구조를 갖는 주기적 대류상태로 변호한다.
용액흐름이 주기적 대류 상태로 변화함에 따라, 융액내 불순물의 불균일한 분포를 반영하는 불순물 불균일성이 육성된 단결정에서 나타난다. 종래의 초크랄스키방법에서 불순물 불 균일성은 불가피하다고 여겨지므로, 결정의 후반부는 규격외의 성질을 가진다.
[발명의 개요]
본 발명은 상기 문제점들을 극복하기 위해 성취된다.
본 발명의 목적은 결정의 성장계면 근방에서의 융액 대류를 제어함으로써 한 개의 결정중 균일한 불순물 분포를 갖는 부분의 비율을 증가시키는 한편, 결정의 성장방향을 따라 균일화된 불순물 분포를 갖는 고품질의 Si 단결정을 생산하는 것이다.
Si 단결정을 본 발명에 따라 융액으로부터 인상할 때, 도가니의 저면에서의 온도와 결정의 성장계면에서의 온도차 △T를 제어하여 다음식에 의해 정의된 레일레이 상수 Ra를 5×105-4×107의 범위내로 유지한다:
Ra = g·β·△T·L/κ·ν
(상기식에서, g는 중력가속도, β는 융액의 부피팽창게수, L은 도가니의 저면으로부터의 융액의 높이, κ는 열확산률, ν는 동점성도를 나타낸다).
[바람직한 구체예의 상세한 설명]
레일레이 상수 Ra는 부력 차이로부터 유래된 융액 대류의 상태를 표시하는 무차원 수이며, 부력 대 점성도의 비율과 일치한다. 지상에 배치된 유체를 상부는 가열하고 하부는 냉각할 때, 1700초과의 Ra로 대류가 발생한다.
유체는 약 1010초과의 Ra의 완전 난류로 변화한다.
단 결정을 초크랄스키방법에 의해 융액으로부터 육성할 때, 레일레이 상수는 105-108의 값이므로 융액흐름은 완전 난류상태로 변화하지 않는다.
레일레이 상수 Ra의 인자들, 즉 중력가속도g, 부피팽창계수β, 열확산률κ 및 동점성도ν는 일정한 값인 반면, 온도차 △T 및 융액의 깊이 L은 단결정의 성장동안 변화한다. 이들 인자는 조작도중 모니터 될 수 있는 물리량이다.
결정의 성장계면이 일정한 온도로 유지되므로, 온도차 △T는 (도가니 저면에서의 온도-융액의 융점)의 식으로 나타낸다.
융액의 깊이 L이 70mm일 때, 레일레이 상수 Ra 는 제3도에 보여지는 바와 같이 도가니 저면에서의 온도에 따라 변동한다. 레이레이 상수 Ra가 5×105이하일 때, 주기적 대류는 결정의 성장계면에서 쉽게 발생한다.
레일레이 상수 Ra가 4×107을 초과할때, 결정의 성장계면은 저온대(cool zone)의 형성 때문에 안정한 온도조건으로 된다.
깊이 L이 50mm이하가 될 때, 레일레이 상수는 감소되어 융액흐름은 부드러운 난류를 벗어난다.
한편, 레일레이 상수가 5×105-4×107의 범위내에 있을 때, 결정의 성장계면에서 융액의 교반을 촉진하는 부드러운 난류의 상태가 유지된다.
따라서 융액내의 불순물 분포는 성장하는 결정내로 도입되지 않고, 단결정은 안정된 온도조건하에서 융액으로부터 육성된다.
제3도에 도시된 관계를 고려하여, 피드백 신호를 제어시스템에 입력하여 결정성장중인 융액에서의 예정된 온도차 △T를 만든다. 결과적으로 결정의 성장방향을 따라 결정의 천길이에 걸쳐 동일한 대류방식을 갖는 융액으로부터 단결정을 인상할 수 있다. 온도차 △T를 변화시키는 조작조건은 도가니의 회전방향 또는 회전속도를 조정함으로써 또는 한쌍의 히터를 사용하여 수직방향을 따라 결정성장에 필요한 온도구배를 유지하면서 수직방향을 따라 온도차를 변화시킴으로써 제어할 수 있다.
따라서 대류방식은 부드러운 안류영역에서 계속 유지되어, 결정의 성장방향을 따라 균일화된 불순물 분포를 갖는 단결정을 육성시킨다.
[실시예]
Si원료 5kg을 도가니에 넣고, 가열하여 융해시킨다.
형성된 융액은 도가니의 저면으로부터 융액의 표면까지의 깊이가 105mm이었다.
결정성장의 조작은 Si 단결정 3kg이 얻어질때가지 이상태의 융액을 사용하여 계속했다.
융액의 깊이 L 및 온도차 △T는 결정성장의 개시직후에 각각 105mm 및 40℃이었다. 레이레일 상수 Ra는 Si 융액의 부피팽창계수 β = 8.0×10-4(1430℃이하의 온도에서), 1.0×10-4(1430℃초과), 열확산률 κ = 2.55×10-5㎡/초 및 동점성도 ν = 3.0×10-7㎡/초를 사용하여 4.75×10-7로 계산되었다.
온도차 △T는 결정성장을 위해 소비된 융액의 깊이 L의 감소에 따라 더 작아져서, 레일레이 상수 Ra는 부드러운 난류영역 하에서 감소됐다. 그러므로 도가니를 더 고속으로 회전시켜, 도가니 저면에서의 온도와의 관계를 고려하여 온도차 △T를 증가시킨다. 결과적으로 거의 전부분의 단결정이 부드러운 난류상태에서 육성되는 상태로 단결정을 인상했다.
비교예로서, 도가니를 일정한 회전속도로 회전시키는 조건하에 단결정을 인상했다.
이 방법으로 얻어진 각각의 단결정을 인상방향, 즉 결정의 성장방향에 따른 불순물 분포를 연구하기 위해 시험했다. 그 결과는 제4도에 보여준다.
본 발명에 따라 육성된 단결정은 결정의 성장방향을 따라 변동이 억제된 불순물 분포를 가진다는 것을 제4도로부터 알 수 있다.
이 균일한 불순물 분포는 단결정이 부드러운 난류상태로 유지된 융액으로부터 육성되었다는 것을 의미한다.
이와 반대로 비교예에서의 단결정은 결정의 성장방향을 따라 주기적으로 변동되는 산소분포를 가지며, 변동은 단결정의 성장에 따라 더 커졌다. 우리는 이 균일성이 주기적 흐름영역으로의 대류방식의 이동에 따라 융액내의 불순물 분포가 육성된 단결정에 반영된 것에 기인한다고 추측한다.
불순물 분포가 균일화된 단결정은 본 발명에 따라 융액의 대류상태를 제어함으로써 얻었다는 것이 이 비교로부터 명백히 인식된다.
상기 본 발명에 따르면, 단결정을 융액으로부터 인상할 때, 도가니 저면에서와 결정의 성장계면에서의 온도차를 제어하여 융액대류방식을 예정된 범위내로 유지함으로써, 결정의 성장계면에서 발생되는 대류방식을 부드러운 난류의 영역에서 유지한다.
따라서 성장하는 단결정내로의 융액의 불순물 불균일성의 도입을 저해하는 안정된 온도조건하에 단결정을 육성한다.
결과적으로 불순물 분포가 결정의 성장방향을 따라 균일화된 영역의 비율이 더 길어지고, 제품으로서 유용한 결정의 비율이 향상되고, 고 안정품질의 단결정이 높은 수율로 생산될 수 있다.

Claims (1)

  1. 도가니에 수용되는 융액을 제공하고, 상기 도가니 저면에서와 결정의 성장계면에서의 온도차 △T를 제어하여 다음식: Ra = g·β·△T·L/κ·ν에 의해 정의된 레일레이 상수 Ra를 5×105-4×107의 범위내로 유지하고 (상기식에서 g는 중력가속도, β는 상기 융액의 부피팽창계수, L은 융액의 깊이, κ는 열확산률, ν는 동점성도를 나타낸다). 부드러운 난류상태로 유지된 상기 융액으로부터 단결정을 인상하는 것으로 이루어진 Si단결정을 육성하는 방법.
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