KR100307991B1 - 반도체단결정성장장치및결정성장방법 - Google Patents

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Abstract

초크랄스키 법에 따른 반도체 단결정의 성장에 있어서, 반도체 용융액내에 자기장이 생성되고, 상기 자기장에 수직 방향으로 상기 반도체 용융액내에 전류가 공급된다. 도가니를 회전시키지 않고 상기 반도체 용융액이 자발적으로 회전하도록 할 수 있기 때문에, 대구경의 반도체 단결정을 생성시킬 때도 줄무늬 없이 반도체 단결정을 성장시킬 수 있다. 또한, 상기 자기장의 세기와 전류의 크기를 변화시켜 상기 반도체 용융액의 회전속도를 정밀하게 제어할 수 있다. 또한, 상기 반도체 용융액내에 침지되는 전극 또는 전극 보호관의 위치를 변화시켜 상기 반도체 용융액내의 회전속도의 분포를 변화시킬 수 있다.

Description

반도체 단결정 성장장치 및 결정성장 방법 {SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL GROWING APPARATUS AND CRYSTAL GROWING METHOD}
본 발명은 초크랄스키 법(Czochralski Method)에 의한 반도체 단결정 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것이며, 좀더 구체적으로는, 반도체 용융액을 회전시켜 결정을 성장시키는 장치 및 방법에 관한 것이다.
초-고속 전자 디바이스의 기판으로 사용되는 반도체 단결정 웨이퍼는, 회전하고 있는 반도체 용융액으로부터 단결정을 용융액과 역방향으로 회전시키면서 인상시키는 초크랄스키 법에 따라 결정을 성장시킴으로써 제조된다. 도가니 내에 유지된 반도체 용융액은 도가니 주위에 배치된 실린더형 히터로부터 열을 공급받는다. 이 열에 의해 용융액내의 온도분포를 결정의 인상축에 대해 축대칭이 되도록 하기 위해서, 도가니를 회전시킨다. 용융액내의 온도분포를 축대칭이 되도록 하기 위해, 도가니의 회전중심 및 히터의 중심이 결정의 인상축과 반드시 일치해야 한다.
종래기술에서는, 도가니를 히터내에 유지하는 축을 기계적인 수단으로 회전시키는 방법이 일반적으로 이용되어 왔다. 또한, 히터에 위상이 상이한 전류를 공급하여, 이때 발생하는 회전 자기장에 의해 반도체 용융액이 자발적으로 회전하도록 하는 방법이 "Japanese Journal of Applied Physics vol.19 (1980), L33 - 36" 에 개시되어 있다. 또한, 결정 성장로 주위에 수개의 전자석 코일을 배치하고, 상기 전자석 코일로 공급되는 전류의 위상을 변화시킴으로써 생성되는 회전 자기장으로 인해 반도체 용융액이 자발적으로 회전하도록 하는 방법이 일본국 특개소 No. 63-60189 호 공보에 개시되어 있다.
그러나, 반도체 용융액을 회전시키는 종래의 방법은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
도가니를 유지하는 축을 기계적으로 회전시키는 방법에서는, 성장되는 반도체 결정이 30 cm 정도의 대구경인 경우에는, 300 kg 또는 그 이상의 반도체 용융액을 사용해야 하고, 이 때문에 장치가 대형화된다. 장치가 대형화됨에 따라, 회전축을 중심에서 벗어나지 않게 하면서 일정속도로 도가니를 회전시키는 것이 더욱어려워진다.
히터에 교류전류를 공급하는 방법에서는, 교류전류로 인해 히터 온도가 변화하고, 이 때문에 반도체 용융액의 온도에도 변동이 발생한다. 또한, 교류전류로 인한 히터의 변형과 같은 문제가 발생하며, 따라서, 대형 반도체 단결정의 경우에는 히터를 보강해야만하고, 이것은 대구경의 단결정을 성장시키는데는 적합하지 않다.
전자석 코일로 회전 자기장을 생성시키는 방법에서는, 자기장을 균일하게 회전시키고, 코일의 위치관계를 정밀하게 제어하기 위해서는 코일에 공급되는 전류의 위상을 제어해야 하고, 더구나, 회전속도를 원하는 값으로 제어하는 것이 곤란하다.
따라서, 종래기술로 30 cm 이상의 대구경 반도체 단결정을 성장시킬 경우, 반도체 용융액의 회전축이 인상축과 완전히 일치하지 않으면 결정성장 계면에서의 온도분포가 인상축에 대해 비대칭이 되며, 이는 결정성장 계면에서의 비대칭적인 온도분포 및 성장된 단결정에서의 불순물의 불균일한 분포의 원인이 되며, 결과적으로 줄무늬(striation)가 생긴다.
본 발명의 목적은, 30 cm 이상의 대구경 반도체 단결정을 성장시키는 경우에도, 장치 크기의 증가를 최소화 할 수 있으며, 회전속도를 정밀하게 제어할 수 있고, 반도체 용융액내에서 바람직한 온도분포를 얻을 수 있는, 반도체 단결정을 성장시키는 초크랄스키 법에 따른, 결정 성장장치 및 결정 성장방법을 제공하는 것이다.
본 발명은, 반도체 용융액내에 자기장을 생성시키는 장치, 자기장에 수직방향으로 반도체 용융액내에 전류를 공급하는 장치, 반도체 용융액내에 침지되는 전극; 및 인상되는 결정에 전류를 공급하는 전극을 포함하는 초크랄스키 법에 따른 반도체 단결정의 성장장치를 제공한다.
또한 본 발명은, 반도체 용융액내에 자기장을 생성시키는 단계 및 자기장에 수직방향으로 상기 반도체 용융액내에 침지된 전극을 통하여 전류를 공급하는 단계를 포함하는 초크랄스키 법에 따른 반도체 단결정 성장방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 초크랄스키 법에 따라 반도체 단결정을 성장시킬 때, 반도체 용융액내에 자기장을 생성시키고, 상기 자기장과 수직방향으로 전류를 공급함으로써, 도가니를 회전시키지 않고 반도체 용융액을 자발적으로 회전시키면서 결정을 성장시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반도체 용융액의 회전속도는, 전술된 바와 같이 자기장의 세기와 전류의 크기를 변화시킴으로써 자유롭게 설정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 전극 또는 반도체 용융액내에 침지되는 전극 보호관의 위치를 변화시킴으로써, 반도체 용융액내의 회전속도 분포를 변화시킬 수 있다. 이 때문에, 결정에 혼입되는 불순물 원소의 농도변화를 용이하게 제어할 수 있다.
반도체 용융액을 자발적으로 회전시키는 본 발명의 방법에서는, 반도체 용융액의 회전축이 결정의 인상축과 완전히 일치하기 때문에, 용융액내의 온도분포가결정 인상축에 대해 대칭이 되고 따라서 성장된 결정내에 줄무늬가 생성되지 않는다.
도 1 은 본 발명의 반도체 단결정 성장장치의 구성을 도시하는 다이어그램이다.
도 2 는 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 1 실시예에서 3.0 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 전극의 침지 위치를 설명하는 다이어그램이다.
도 3 은 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 2 실시예에서 3.0 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 전극의 침지 위치를 설명하는 다이어그램이다.
도 4 는 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 3 실시예에서 3.0 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 전극의 침지 위치를 설명하는 다이어그램이다.
도 5 는 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 4 실시예에서 3.0 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 전극의 침지 위치를 설명하는 다이어그램이다.
도 6 은 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 5 실시예에서 30.0 cm 의직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 전극의 침지 위치를 설명하는 다이어그램이다.
도 7 은 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 6 실시예에서 30.0 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 전극의 침지 위치를 설명하는 다이어그램이다.
도 8 은 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 7 실시예에서 30.0 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 전극의 침지 위치를 설명하는 다이어그램이다.
도 9 는 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 8 실시예에서 40.0 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 전극 및 전극의 침지 위치를 설명하는 다이어그램이다.
도 10 은 본 발명에 따른 반도체 단결정의 성장 공정(제 1 실시예 내지 제 9 실시예)에서 회전하는 실리콘 용융액의 관찰 결과를 도시하는 다이어그램으로서, 화살표의 길이는 이동속도의 크기를 나타낸다.
도 11 은 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 12 실시예에서 30.0 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 커스프 자기장의 형상을 설명하는 다이어그램이다.
도 12 는 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 13 실시예에서 30.0 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 수평 자기장의 위치를 설명하는 다이어그램이다.
도 13 은 본 발명에 따른 반도체 단결정 성장의 제 13 실시예에서 30.0 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 때, 전극의 침지 위치를 설명하는 다이어그램이다.
* 도면의주요부분에대한부호의설명 *
1 : 결정 성장로 2 : 히터
3 : 도가니 4 : 반도체 용융액
5 : 반도체 단결정 6 : 결정 인상축
7 : 전극 8 : 전극 보호관
9 : 전원 10 : 전자기 코일
11 : 자기장 12 : CDD 카메라
13 : X-선원 14 : X-선 카메라
15 : 자력선
본 발명은, 반도체 용융액내에 존재하는 자기장에 전류를 흘려줌으로써 반도체 용융액에 작용하는 로렌쯔 힘을 생성시켜 반도체 용융액이 자발적으로 회전하도록 하는 원리를 응용하고 있다. 따라서, 도가니를 회전시키지 않고 반도체 용융액을 회전시키는 것이 가능하다.
결과적으로, 300 kg 이상의 반도체 용융액을 사용하여, 직경이 30 cm 이상인 반도체 단결정을 성장시키는 경우에도, 장치규모를 대형화하지 않고, 반도체 용융액을 결정 인상축과 일치하는 회전축 주위로 용이하게 회전시킬 수 있다.
또한, 자기장의 세기와 전류의 크기를 변화시킴으로써, 반도체 용융액의 회전속도를 자유롭게 변화시킬 수 있다. 이러한 관점에서, 자기장의 세기와 전류의 크기를 독립적으로 변화시킬 수 있기 때문에, 회전속도를 보다 정밀하게 제어하는 것이 가능하다.
또한, 반도체 단결정과 반도체 용융액을 통해 전류를 공급할 때, 반도체 용융액내에 침지되는 전극 또는 전극 보호관의 위치를 변화시킴으로써, 반도체 용융액내의 회전속도의 분포를 변화시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예가 이하 설명될 것이다.
본 발명에 따른 단결정 성장장치의 일 실시예는, 결정성장 계면과 수직이며, 결정 인상축에 대해 축대칭인 자기장의 생성장치 및 상기 자기장에 수직방향으로반도체 용융액에 전류를 공급하는 장치를 구비한다.
상기 전류공급 장치는, 예를 들어 반도체 용융액에 침지되는 전극 및 인상되는 결정에 전류를 공급하는 전극을 구비하는 장치를 포함한다.
반도체 용융액내에 침지되는 전극은, 결정의 인상축에 대해 축대칭으로 배치되며, 다수가 제공될 수도 있다.
또한, 반도체 용융액내에 침지되는 전극은, 결정의 인상축에 대해 대칭인 배치를 갖는 폐곡선내에 만들어질 수도 있다.
또한, 본 발명의 반도체 단결정 성장장치는, 결정이 인상될 때, 반도체 용융액의 표면 가까운 곳에 전극의 팁이 일정 깊이로 침지되도록 배치될 수도 있다.
또한, 본 발명의 반도체 단결정 성장장치는, 결정이 인상될 때, 반도체 용융액내에 침지된 전극 보호관이 일정깊이를 유지하도록 배치될 수도 있다.
또한, 본 발명의 반도체 단결정 성장장치는, 결정이 인상될 때, 반도체 용융액내에 침지된 전극 보호관과 반도체 용융액의 깊이의 비가 일정하게 유지되도록 배치될 수도 있다.
또한, 본 발명의 반도체 단결정 성장장치는, 결정성장 계면에 평행한 자기장을 생성하기 위한 장치 및 자기장에 수직방향으로 흐르는 전류를 반도체 용융액내에 공급하기 위한 장치를 구비하는 구성을 가질 수도 있다.
또한, 본 발명의 반도체 단결정 성장장치는, 커스프 자기장(cusped magnetic field)을 생성하기 위한 장치 및 반도체 용융액내의 상기 자기장에 수직방향으로 흐르는 전류를 공급하기 위한 장치를 구비할 수도 있다.
본 발명에 따른 반도체 단결정 성장방법의 일 실시예에 있어서, 결정성장 계면에 수직인 자기장이 생성되고, 반도체 용융액내의 상기 자기장에 수직방향으로 흐르는 전류가 공급된다.
결정성장 계면에 수직인 자기장은 결정 인상축에 대해 축대칭으로 형성될 수도 있다.
본 발명의 결정 성장방법에 따르면, 결정이 성장하는 동안 자기장의 세기를 변화시킴으로써, 반도체 용융액의 표면을 최적 형상으로 유지하면서 결정을 인상할 수도 있다. 또한, 결정이 성장하는 동안 전류의 크기를 변화시킴으로써, 반도체 용융액의 표면을 최적 형상으로 유지하면서 결정을 인상할 수도 있다.
또한, 본 발명의 결정 성장방법에 따르면, 반도체 용융액내에 침지된 전극 팁의 깊이를, 반도체 용융액의 표면 부근에 유지하면서, 결정을 인상할 수도 있다.
또한, 반도체 용융액의 표면부근에 침지된 전극 보호관을 일정한 깊이로 유지하면서 결정을 인상할 수도 있다.
또한, 반도체 용융액내에 침지된 전극 보호관의 깊이와 반도체 용융액의 깊이의 비를 일정하게 유지하면서 결정을 인상할 수도 있다.
또한, 반도체 용융액의 회전속도는, 반도체 용융액으로 채워진 도가니의 방사 방향 또는 깊이 방향으로 변화될 수 있다.
본 발명의 결정 성장방법에 따르면, 결정성장 계면에 평행하게 자기장을 생성시키고, 상기 반도체 용융액내에 상기 자기장에 수직방향으로 흐르는 전류를 공급할 수도 있다.
본 발명의 결정 성장방법에 따르면, 커스프 자기장을 생성시키고, 반도체 용융액내에 상기 자기장에 수직방향으로 흐르는 전류를 공급할 수도 있다.
본 발명의 반도체 단결정 성장장치의 일 실시예가 이하 도 1 을 참조하여 설명될 것이다.
도가니(3)를 결정 성장로(1)내에 장착된 히터(2)내에 위치시킴으로써, 반도체 용융액(4)을 제조한다. 반도체 단결정(5)은 전기적 도전물질로 만들어진 인상축(6)에 의해 반도체 용융액으로부터 인상된다. 초크랄스키 법에 따른 결정성장에 사용되는 통상적인 방법으로 시드 결정과 상기 인상축을 결합할 때, 전기 전도를 양호하게 유지하기 위해, 시드 결정과 인상축사이에 넓은 접촉면적을 제공하는 것이 바람직하다.
반도체 단결정이 성장되는 동안, 성장되는 반도체 단결정과 도가니내의 반도체 용융액사이에 전류가 흐르도록 전류를 공급한다. 상기 목적으로, 석영 또는 p-BN(pyrolytic boron nitride)로 제조된 개방 보호관(8)내에 한쪽 단부가 삽입된 전극(7)을 반도체 용융액내에 침지하고, 반도체 단결정이 성장하는 동안, 외부 전원(9)으로부터 전류가 공급된다. 이 공정에서, 결정성장 계면에 수직이고, 인상축에 대해 축대칭인 자기장(11)이, 결정 성장로 주위에 배치된 전자기 코일(10)에 의해 생성되어, 자기장이 반도체 용융액을 관통한다. 자기장 및 전류의 세기를 제어하여 소정의 속도로 반도체 용융액을 회전시키기 위해, 반도체 용융액의 회전 및 결정의 성장을 결정 성장로(1)의 최상부에 장착된 CDD 카메라(12)로 모니터한다. 또한, 자기장 및 전류의 세기를 제어하여 반도체 용융액의 표면을 원하는 형상으로 유지하기 위해, 결정 성장로(1)의 측벽상에 장착된 X-선원(X-ray source)(13) 및 X-선 카메라(14)로 반도체 용융액의 단면상태를 모니터한다.
상술된 장치를 이용하여 실행된 실시예들이 이하 설명될 것이다.
제 1 실시예 내지 제 4 실시예
7.5 cm 의 직경을 갖는 도가니내에 0.3 kg 의 실리콘 용융액을 제조하고, 0.4 cm 의 직경을 갖는 그라파이트 재질의 전극 로드를 석영 재질의 보호관내에 삽입하여 실리콘 용융액에 침지한다. 따라서, 반도체 용융액이 자발적으로 회전하도록 하는 본 발명의 결과를 확인하면서, 3 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정이 성장된다. 그라파이트 전극은 석영 보호관 내부의 실리콘 용융액과 접촉하도록 침지된다.
제 1 내지 제 4 실시예에 있어서, 전극은 실리콘 용융액내에 침지되고, 상기 전극 또는 보호관의 위치를 변화시키면서 결정이 성장된다. 도 2 내지 도 5 에 도시된 바와 같이, 다른 실시예들에서 전극을 둘러싸는 보호관 팁의 위치는 다음과 같이 설정된다. 제 1 실시예(도 2)에 있어서, 보호관은, 도가니 벽으로부터 1 cm 의 거리 및 용융액의 표면으로부터 1 cm 의 깊이를 유지한다. 제 2 실시예(도 3)에 있어서, 보호관은, 도가니의 벽으로부터 1 cm 의 거리 및 용융액의 깊이(h)의 절반(h/2)의 깊이를 유지한다. 제 3 실시예(도 4)에 있어서, 보호관은, 실리콘 용융액의 반경(r)의 절반(r/2)의 거리 및 용융액의 표면으로부터 1 cm 의 깊이를 유지한다. 제 4 실시예(도 5)에 있어서, 보호관은, 반도체 용융액의 반경(r)의 절반(r/2)의 거리 및 용융액의 깊이(h)의 절반(h/2)의 깊이를 유지한다.
제 5 실시예 내지 제 7 실시예
75 cm 의 직경을 갖는 도가니내에 300 kg 의 실리콘 용융액이 제조되고, 석영 재질의 보호관 내에 삽입된, 0.4 cm 의 직경을 갖는 그라파이트 재질의 전극 로드가 실리콘 용융액내에 침지되어 직경이 30 cm 인 실리콘 단결정이 성장된다.
이들 실시예에 있어서, 다음과 같이, 용융액내에 침지된 전극들의 숫자를 변화시켜가면서 결정이 성장된다. 제 5 실시예에 있어서, 도 6 에 도시된 바와 같이, 전극을 둘러싸는 두 개의 보호관은, 용융액의 표면으로부터 1 cm 의 깊이로 침지되고, 그 중심이 도가니 직경상의 실리콘 용융액의 반경(r)의 절반(r/2)의 위치에 위치한다. 제 6 실시예에 있어서, 도 7 에 도시된 바와 같이, 전극을 둘러싸는 세 개의 보호관이, 용융액의 표면으로부터 1 cm 의 깊이로 침지되고, 그 중심이 실리콘 용융액의 반경(r)의 절반(r/2)의 위치에 도가니의 중심 주위로 120 도의 동일한 간격으로 배치된다. 제 7 실시예에 있어서, 도 8 에 도시된 바와 같이, 전극을 둘러싸는 여섯 개의 보호관이, 용융액의 표면으로부터 1 cm 의 깊이로 침지되고, 그 중심이 실리콘 용융액의 반경(r)의 절반(r/2)의 위치에 도가니의 중심 주위로 60 도의 동일한 간격으로 배치된다.
제 8 실시예
본 실시예에 있어서, 도 9 에 도시된 바와 같이, 내부 반경이, 실리콘 용융액의 반경(r)의 절반(r/2)인 원형 링이 전극(7)으로 이용된다. 이 링의 중심선이 결정의 인상축과 일치하도록 한다. 보호관(8)을 그 하단이 실리콘 용융액의 표면으로부터 1 cm 의 깊이에 침지시켜 결정을 성장시킨다.
제 9 실시예
본 실시예에서, 직경 40 cm 의 실리콘 단결정이 100 cm 의 직경을 갖는 도가니를 이용하여 성장된다. 제 6 실시예(도 7)의 경우에서와 같이, 직경 0.4 cm 인 탄소 전극을 둘러싸는 세 개의 보호관이 용융액의 표면으로부터 1 cm 의 깊이로 침지되고, 그 중심이 실리콘 용융액의 반경(r)의 절반(r/2)의 위치에 도가니의 중심 주위로 120 도의 동일한 간격으로 배치되어, 결정이 성장된다.
상술된 실시예에 있어서, 자기장의 세기, 전류의 크기 및 결정성장의 다른 조건들이 표 1 에 정리되어 있다. 반도체 용융액의 회전속도 및 제 1 내지 제 9 실시예에서 성장된 결정에서 관찰되는 줄무늬가 표 2 에 정리되어 있다.
결정의직경(cm) 도가니의직경(cm) 용융액의양(kg) 결정의 회전속도(rpm) 자기장의 세기(T) 전류(A)
제 1 실시예 3.0 7.5 0.3 10.0 0.01∼0.5 0.1∼20
제 2 실시예 3.0 7.5 0.3 10.0 0.01∼0.5 0.1∼20
제 3 실시예 3.0 7.5 0.3 10.0 0.01∼0.5 0.1∼20
제 4 실시예 3.0 7.5 0.3 10.0 0.01∼0.5 0.1∼20
제 5 실시예 30.0 75.0 300.0 10.0 0.01∼1.0 0.1∼40
제 6 실시예 30.0 75.0 300.0 10.0 0.01∼1.0 0.1∼40
제 7 실시예 30.0 75.0 300.0 10.0 0.01∼1.0 0.1∼40
제 8 실시예 30.0 75.0 300.0 10.0 0.01∼1.0 0.1∼40
제 9 실시예 40.0 100.0 400.0 10.0 0.01∼1.0 0.1∼40
최대 용융액 회전속도(rpm) 최소 용융액 회전속도(rpm) 줄무늬의 존재여부
제 1 실시예 3000 0.01 없음
제 2 실시예 3000 0.01 없음
제 3 실시예 3000 0.01 없음
제 4 실시예 3000 0.01 없음
제 5 실시예 5000 0.01 없음
제 6 실시예 5000 0.01 없음
제 7 실시예 5000 0.01 없음
제 8 실시예 5000 0.01 없음
제 9 실시예 5000 0.01 없음
반도체 용융액의 표면상에 부유한 트레이서 입자(tracer particle)를 로의 상부에 부착된 CCD 카메라로 관찰하여 반도체 용융액의 회전을 모니터하였다. 반도체 용융액의 회전을 관찰한 결과를, 트레이서 입자의 이동속도를 화살표의 길이로서, 용융액내에 침지되는 전극의 각 위치에따라 도 10 에 정리하여 도시하였다.
도 10(a) 는 전극 보호관의 팁이 도가니 벽으로부터 1 cm 의 거리 및 1 cm 의 깊이에 위치하는 제 1 실시예의 경우를 도시하며, 반도체 용융액의 모든 부분은 거의 동일한 속도로 회전한다는 것을 나타낸다. 도 10(b)는 보호관의 팁이 도가니 벽으로부터 1 cm 의 거리 및 반도체 용융액의 깊이(h)의 절반(h/2)의 깊이에 위치하는 제 2 실시예의 경우를 도시한다. 표면에 가까운 곳에서는 용융액의 회전속도가 제 1 실시예에서 보다 느렸지만, 용융액의 심부에서는 전체 용융액의 회전속도가 제 1 실시예와 유사하였다.
도 10(c) 는 전극 보호관의 팁이 용융액의 반경(r)의 절반(r/2)의 위치, 1 cm 의 깊이에 위치하는 제 3 실시예의 경우를 도시한다. 실리콘 단결정 부근의 표면 가까운 곳에서는 용융액의 회전속도가 제 1 실시예에서보다 빨랐지만, 도가니벽 부근에서는 매우 느렸다.
도 10(d) 는 보호관의 팁이 도가니 벽으로부터 용융액의 반경(r)의 절반(r/2)의 위치, 용융액의 깊이(h)의 절반(h/2)의 깊이에 위치하는 제 4 실시예의 경우를 도시한다. 실리콘 단결정 부근의 표면 가까운 곳에서는 용융액의 회전속도가 느렸고, 도가니 벽 부근에서는 용융액이 거의 회전하지 않았다. 용융액의 심부에서는, 실리콘 단결정 부근에서는 회전속도가 빨랐지만, 도가니 벽에 가까운 곳에서는 거의 회전하지 않았다.
이들 실시예로부터, 본 발명에 의한 방법으로 반도체 용융액을 5000 rpm 까지의 범위에서 0.01 rpm 의 정확도로 회전시킬 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 방법으로 성장된 반도체 단결정 중에는 줄무늬가 생성되지 않고, 이는 반도체 용융액이 결정 인상축과 완전히 일치하는 축 주위를 회전한다는 것을 나타낸다.
용융액 회전의 관찰결과를 도시하는 도 10 으로부터, 전극 또는 전극 보호관의 침지위치를 변화시킴으로써, 반도체 용융액의 회전속도의 분포를 변화시킬 수 있다는 것이 확인되었다.
제 1 비교예 내지 제 3 비교예
본 발명의 효과를 밝히기 위해서, 비교예로서, 기계적으로 도가니를 회전시키는 종래방법에 의해 실리콘 단결정을 성장시켰을 경우의 결과를 이하 설명한다.
제 1 비교예에 있어서, 7.5 cm 직경의 석영 도가니를 이용하여 직경 3.0 cm 의 실리콘 단결정이 성장되었다. 도가니의 회전속도는 0.1 rpm 내지 20 rpm 으로 변화되었다.
제 2 비교예에 있어서, 제 5 실시예와 유사하게, 75 cm 직경의 석영 도가니를 이용하여 직경 30 cm 의 실리콘 단결정이 성장되었다. 도가니의 회전속도는 0.1 rpm 내지 20 rpm 으로 변화되었다.
제 3 비교예에 있어서, 제 9 실시예와 유사하게, 100 cm 직경의 석영 도가니를 이용하여 직경 40 cm 의 실리콘 단결정이 성장되었다. 도가니의 회전속도는 0.1 rpm 내지 20 rpm 으로 변화되었다.
결정성장 조건 및 성장된 결정내의 줄무늬 관찰결과는 표 3 에 정리되어 있다.
결정의 직경(cm) 도가니의 직경(cm) 용융액의 양(kg) 결정의 회전속도(rpm) 도가니의 회전속도(rpm) 줄무늬의 존재여부
제 1 비교예 3.0 7.5 0.3 10.0 0.1∼20 존재
제 2 비교예 30.0 75.0 300.0 10.0 0.1∼20 존재
제 3 비교예 40.0 100.0 400.0 10.0 0.1∼20 존재
이들 비교예로부터, 도가니를 회전시키는 종래방법으로 성장된 실리콘 단결정은, 결정의 인상축에 대해 비대칭적으로 분포된 실리콘 용융액의 온도 때문에 줄무늬가 발생하고, 도가니를 회전시켜 용융액내의 온도분포를 정확히 축대칭이 되도록 하는 것이 어렵다는 것을 알 수 있다.
제 10 실시예 및 제 11 실시예
실리콘 이외의 반도체 단결정들에도 본 발명을 적용할 수 있다는 것을 확인하기 위하여, 제 10 실시예로서, 직경 30 cm 의 p-BN 도가니를 이용하여 15 cm 직경의 GaAs 단결정이 성장되었고, 전극들은 제 7 실시예와 유사하게 배치되었다. 제 11 실시예로서, 직경 25 cm 의 p-BN 도가니를 이용하여 10 cm 직경의 GaP 단결정이 유사한 전극배치로 성장되었다. 결과는 표 4 에 도시되었다.
결정의 종류 결정의 직경(cm) 도가니의 직경(cm) 결정의 회전속도(rpm) 자기장의 세기(T) 전류(A) 줄무늬의 존재여부
제 10 실시예 GaAs 15.0 30.0 10.0 0.01∼0.5 0.1∼40 없음
제 11 실시예 GaP 10.0 25.0 10.0 0.01∼0.5 0.1∼40 없음
이들 결과로부터, 실리콘 이외의 단결정을 성장시키는 경우에도, 본 발명에 따라 반도체 용융액을 자발적으로 회전시키는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 또한, 반도체 단결정에 줄무늬가 생성되는 것을 억제할 수 있다는 것을 확인하였다.
본 발명의 자기장의 생성방법, 용융액내에 침지되는 전극 및 결정에 접속된 전극은, 전술된 실시예들의 구조, 재료 및 방법에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은, 용융액 표면에 수직인 자기장을 생성하고 그 자기장에 수직방향으로 전류를 공급할 수 있는 임의의 구조, 재료 및 방법을 포함한다.
제 12 실시예 및 제 13 실시예
제 1 내지 제 11 실시예에서는, 자기장의 방향이 결정 성장면에 수직인 경우를 주로 다루었지만, 반도체 용융액내의 전류가 자기장과 수직이기만 하다면 본원 발명의 자기장의 방향에는 제한이 없으며, 예를 들면 커스프 자기장 또는 수평 자기장이 사용될 수도 있다.
이를 확인하기 위하여, 제 12 실시예에서는, 커스프 자기장을 생성시키고,제 7 실시예에서와 유사한 전극 배치로, 직경 75 cm 의 석영 도가니를 이용하여 30.0 cm 직경의 실리콘 단결정이 성장되었다. 도 11(a) 내지 도 11(c) 에 도시된 3 가지 형상의 커스프 자기장이 생성되었다.
제 13 실시예로서, 도 12 에 도시된 바와 같이, 결정의 인상방향에 수직인 수평 자기장을 생성시키고, 도 13 에 도시된 바와 같은 전극 배치로, 직경 75 cm 의 석영 도가니를 이용하여 30.0 cm 직경의 실리콘 단결정이 성장되었다. 도 12(a) 는 평면도이고, 도 12(b) 는 장치의 측면도이다.
제 12 및 제 13 실시예의 결과는 표 5 에 정리되어 있다. 이 결과로부터, 반도체 용융액내의 전류가 자기장에 수직방향이기만 하면, 자기장의 형상에 관계없이, 본 발명의 효과를 얻을 수 있다는 것이 확인된다.
결정의 회전속도(rpm) 자기장의 세기(T) 전류(A) 용융액의 회전속도(rpm) 줄무늬의 존재여부
제 12 실시예 10.0 0.01∼0.5 0.1∼20 0.01∼3000 없음
제 13 실시예 10.0 0.01∼0.5 0.1∼20 0.01∼3000 없음
본 발명에 따르면, 초크랄스키 법에 의한 반도체 단결정의 성장에 있어서, 성장하고 있는 반도체 단결정과 반도체 용융액사이의 성장계면에 수직, 또한 결정 인상축에 대하여 축대칭인 자기장내에서 성장하고 있는 반도체 단결정과 반도체 용융액사이에 전류를 공급함으로써 도가니를 회전시키지 않고, 반도체 용융액을 자발적으로 회전시켜 결정을 성장시킬 수 있다.

Claims (20)

  1. 반도체 용융액내에 자기장을 생성시키는 장치;
    상기 자기장에 수직방향으로 반도체 용융액내에 전류를 공급하는 장치;
    상기 반도체 용융액내에 침지되는 전극; 및
    인상되는 결정에 전류를 공급하는 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 초크랄스키 법에 따른 반도체 단결정 성장장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반도체 용융액내에, 결정성장 계면과 수직이고 결정 인상축에 대해 축대칭인 자기장을 생성하는 장치 및 상기 자기장에 수직방향으로 상기 반도체 용융액내에 전류를 공급하는 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체 용융액내에 침지되는 전극이, 상기 결정의 상기 인상축에 대하여 축대칭 형상으로, 복수개가 제공되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 반도체 용융액내에 침지되는 전극이, 상기 결정의 상기 인상축에 대하여 축대칭 형상을 갖는 폐곡선내에 설치되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 결정이 인상되는 동안, 상기 전극의 팁이, 상기 반도체 용융액의 표면과 가까운 곳에 일정깊이를 유지하면서 침지되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    전극 보호관이 상기 반도체 용융액에 침지되는 깊이가, 상기 결정이 인상되는 동안 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 전극 보호관이 상기 반도체 용융액에 침지되는 깊이와 상기 반도체 용융액의 깊이의 비가, 상기 결정이 인상되는 동안 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  8. 반도체 용융액내에 자기장을 생성시키는 단계; 및
    상기 자기장에 수직방향으로 상기 반도체 용융액내에 침지된 전극을 통하여전류를 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초크랄스키 법에 따른 반도체 단결정 성장방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    결정성장 계면에 수직인 자기장을 생성시키고, 상기 자기장에 수직방향으로 상기 반도체 용융액내에 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 결정성장 계면에 수직인 자기장이 결정 인상축에 대하여 축대칭인 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 결정을 인상시켜 성장시키는 동안, 자기장의 세기를 변화시켜 상기 반도체 용융액의 표면을 최적의 형상으로 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 결정을 인상시켜 성장시키는 동안, 전류를 변화시켜 상기 반도체 용융액의 표면을 최적의 형상으로 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 결정을 인상시켜 성장시키는 동안, 전극의 팁이 상기 반도체 용융액의 표면과 가까운 곳에 침지되고 일정깊이로 유지되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장방법.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 용융액내에 침지되는 전극 보호관의 깊이가 상기 결정이 인상되는 동안 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장방법.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 용융액내에 침지되는 상기 전극 보호관의 깊이와 상기 용융액의 깊이의 비가 상기 결정이 인상되는 동안 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장방법.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 반도체 용융액의 회전속도가, 상기 반도체 용융액으로 채워진 도가니의 방사방향 또는 깊이 방향으로 변화되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장방법.
  17. 제 1 항에 있어서,
    결정성장 계면에 평행한 자기장을 생성하는 장치 및 상기 자기장에 수직방향으로 상기 반도체 용융액내에 전류를 공급하는 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    커스프 자기장을 생성하는 장치 및 상기 자기장에 수직방향으로 상기 반도체 용융액내에 전류를 공급하는 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  19. 제 8 항에 있어서,
    상기 결정성장 계면에 평행한 자기장을 생성하고, 상기 자기장에 수직방향으로 상기 반도체 용융액내에 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장방법.
  20. 제 8 항에 있어서, 커스프 자기장을 생성하고, 상기 자기장에 수직방향으로 상기 반도체 용융액내에 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장방법.
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