KR100445862B1 - 단결정제조장치및이를이용한단결정제조방법 - Google Patents

Abstract

CZ 또는 MCZ 법에 의한 단결정제조용 새로운 장치가 제공되며, 이 장치는 내부에 실리콘 용융물을 함유하는 도가니, 단결정을 인상시키기 위한 와이어 릴과 와이어, 모터 및 도가니로 회전시키는 회전축을 포함하며, 상기 모터와 회전축사이에는 속도변환장치가 삽입되고 필요하면 용융물에 자기장을 인가하는 자기장 발생기를 포함한다.

상기 장치에 의하면 도가니의 회전정밀도가 개선되고 이에따라 인상된 단결정내의 불순물 농도를 아주 정밀하게 제어할 수가 있다.

Description

단결정 제조장치 및 이를 이용한 단결정 제조방법

본발명은 쵸코랄스키방법으로 반도체, 유전체, 자성체 등의 각종 결정재료를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

예를들어 실리콘 반도체, 화합물 반도체, 혹은 리듐 니오베이트 같은 산화물단결정 같은 반도체, 유전체, 자성체 등의 결정재료는 고도의 기능성 재료로서 전자나 광전자 분야에서 널리 개발되어 사용되고 있으며 그 중요성은 날로 증대되고 있다. 이들 결정재료는 일반적으로 쵸코랄스키 방법(Czochralski method, 이하 단지 'CZ법'이라한다)에 의해 단결정을 성장시키기 위한 원료가 장입되고 용융된 도가니로부터 봉(捧)형태의 단결정으로 제조된다.

예를들어 석영도가니같은 상기 도가니의 구성성분(예를들어 산소) 뿐만 아니라 원료에 함유된 몇몇 불순물들이 상기 CZ법에 의해 결정성장이 수행되는 경우에 인상되는 단결정내로 혼입된다고 알려져 있다.

상기 인상된 단결정에 혼입되는 불순물의 농도는 인상되는 결정의 회전수, 도가니의 회전속도, 용융물 등의 온도분포 등에 의해 영향을 받는다. 이는 결정의 회전속도는 용융물의 대류에 영향을 미치며, 도가니의 회전속도는 용융물의 대류 및 용융물내의 산소농도에 영향을 미치며, 또한 용융물의 온도분포는 용융물의 대류에 영향을 끼치기 때문이다. 따라서 이들 요인들을 조절함으로서 불순물의 농도를 어느정도까지 제어하는 것이 가능한 것이다.

그러나 용융물의 대류를 제어하는 것은 곤란하며, 그래서 용융물 대류는 이들 인자만에 의해서는 충분히 제어될수 없는 것이다.

그래서 CZ법에 있어서 용융물에 자장을 인가하여 단결정을 인상하는 소위 자장인가된 쵸코랄스키법(이하 'MCZ법' 이라한다)이 개발되었다.

MCZ 법에 의해 제조된 단결정에 있어서, 결정내의 불순물의 농도, 예를들어 산소농도는 CZ법에 의해 제조된 단결정에서 보다 광범위하고 보다 정밀하게 제어되며 또한 실리콘 용융물과 같이 용융물이 전기 전도성을 가질 때 소용돌이상의 결함이나 줄무늬(striations) 등의 결합도 감소된다. 이는 자장을 인가함으로써 용융물의 실효점도가 증대하여 용융물중의 열대류가 억제되기 때문이다.

한편, 반도체와 같은 소자들의 고정밀도 및 고접적화 등에 의해 단결정 재료에 대한 요구는 점점 더 엄격해지고 있다. 예를들어 단결정내의 불순물 농도에 관하여는 반도체 실리콘 단결정내의 산소 농도 및 분포는 그 실리콘 단결정으로 제조한 반도체 소자들의 특성에 크게 영향을 끼친다고 알려져 있다.

즉, 산소농도가 너무 크면, 결정결함이나 산소석출물이 발생하고 반도체 소자들의 특성에 여러 가지 악영향을 끼치는 것이다.

그러나, 이같은 결정결함이나 산소석출물이 반도체 소자의 비활성 영역에서 발생한다면 이들은 중금속 불순물의 게더링사이트로서 작용하여 반도체 소자의 특성을 개선시킬수 있다(고유게더링). 따라서 산소농도가 너무 낮으면 소자의 특성은 개선될수 없는 것이다.

따라서 결정재료는 제조되어지는 소자의 종류에 따라 필요한 불순물의 종류및 농도를 함유할 것이 필요하며, 그 농도의 허용범위는 현저하게 좁게 제한되게 되는 것이다. 종래에는 단결정내의 불순물의 농도를 고도로 제어하고 단지 MCZ법을 사용하여 이같이 엄격한 요구에 부응하는 것이 불가능한 것이다.

본발명은 상기와 같은 점을 감안하여 완성된것으로써, 본발명의 목적은 성장되는 단결정내의 불순물의 농도를 고도의 정도(精度)로 제어하는 것이다.

본발명은 상기 목적이 내부에 실리콘 용융물을 함유한 도가니의 회전속도를 아주 정밀하게 제어하고 필요하면 동시에 자장을 인가하여 용융물 대류를 제어하면서 결정을 인상할수 있는 장치에 의해 해결될수 있다는 것에 근거한 것이다.

본 발명에 의하면,

내부에 실리콘 용융물을 함유하는 도가니(crucible);

상기 도가니로부터 단결정을 인상(引上)하기 위한 수단; 및

속도변환수단을 갖고 상기 도가니를 회전시키는 수단;을 포함하는 쵸코랄스키법에 의한 단결정 제조장치가 제공된다.

또한 본 발명은,

내부에 실리콘 용융물을 함유하는 도가니;

상기 도가니로부터 단결정을 인상하기 위한 수단;

속도 변환수단을 갖고 상기 도가니를 회전시키는 수단; 및

상기 용융물에 인가되는 자장을 발생하는 수단;

을 포함하는 자장인가된 쵸코랄스키법에 의한 단결정 제조장치가 제공된다.

나아가 본발명은 상기 장치를 이용하고 도가니 회전속도를 제어하여 도가니의 회전 정밀도를 ±0.02rpm 미만으로 제어함을 포함하는 도가니의 회전 정밀도 제어방법, 및

상기 장치를 이용하고 도가니의 회전속도를 변화시키면서 단결정을 인상하여 도가니의 회전정밀도를 ±0.02rpm 미만으로 제어함을 포함하는 단결정 제조방법을,제공한다.

본 발명에 의하면, CZ나 MCZ법에 의해 단결정을 제조하는 장치에서 도가니의 회전 속도를 아주 정밀하게 제어할수 있다. 따라서 상기 장치를 이용하여 단결정을 제조할 때 도가니로부터 혼입된 불순물의 농도변화나 변이를 억제할수 있으며, 이에따라 단결정내의 불순물을 요구되는 농도로 유지할수 있어 단결정으로 제조되는 여러가지 소자들의 특성을 개선시킬수 있게 되는 것이다.

이하 본발명은 MCZ법에 의해 실리콘 용융물로부터 반도체 실리콘 단결정을 제조하는 경우를 예를들어 보다 상세히 설명한다.

CZ법이나 MCZ법으로 실리콘 단결정을 제조할 때, 원료가 충진되는 도가니로서는 일반적으로 석영도가니를 사용한다.

따라서 석영의 일구성성분인 산소가 인상되는 단결정에 혼입되기 때문에 그 산소농도를 아주 정밀하게 제어하는 것이 필요한 것이다.

본발명자들은 MCZ법으로 인상된 결정내의 산소농도는 인상된 결정간에, 혹은 MCZ법에서 용융물 대류가 억제 되더라도 결정을 인상시키는데 사용된 장치간에 큰 변화가 있다는 것을 발견하였다.

제3도에 도시된 결과는 자장을 인가하고, 용융물내의 온도분포에 영향을 주는 결정 회전 및 기타요인은 일정하며, 단지 도가니의 회전속도만을 변화시킨 조건하에서 결정을 인상시험을 수행했을 때 얻어진 것이다.

제3도는 도가니의 회전속도와 인상된 결정내의 산소농도 사이의 관계를 보여준다.

제3도로부터, 이들은 전체적으로는 서로 상관관계를 가지나 세부적으로는 상당한 차이가 있음을 알수 있다.

이 큰 차이는 특히 도가니회전의 저속범위에서 괄목할만한 것이다.

상기 결과로부터 본발명자는 다음사항을 추정하였다.

i) 용융물 대류가 억제되는 MCZ법에서는, 인상되는 단결정내의 산소농도 변화의 제 1요인은 도가니 회전속도이며, 이에따라 도가니 회전속도의 약간의 편차나 오류는 산소농도에 크게 영향을 미친다.

ii) 산소농도의 차이는 도가니회전의 저속범위에서 크다는 사실에 비추어, 도가니를 회전시키는 모터의 회전정밀도는 충분치 않다.

즉, 용융물에 수평방향의 자장이 인가되는 MCZ법에서는 용융물 대류가 억제되기 때문에 제조되어지는 실리콘 단결정내의 산소농도는 도가니의 회전 속도에 의해 크게 영향을 받는다.

그결과, 도가니 회전속도의 약간의 변화나 오류도 산소농도에 크게 영향을 끼치므로 MCZ법에서 특히 도가니의 회전을 아주 정밀하게 제어하는 것이 필요하다.

본발명자는 통상의 장치에서 도가니의 회전기구(메카니즘)의 정밀도는 CZ, 특히 MCZ에 대하여는 충분치 않다는 것을 발견하고 상기 정밀도를 개선시키는데 초점을 모아 본 발명을 완성하였다.

CZ 혹은 MCZ법에 따라 단결정을 제조하는 통상의 장치에 사용되는 도가니를 회전시키는 메카니즘에서는, 속도 변경장치는 사용하지 않으며 도가니의 회전속도는 하나의 서보모터에 의해 도가니 회전속도의 전체 범위에서 설정된 도가니의 최대회전속도를 근거로 제어된다.

CZ나 MCZ법에 의해 단결정을 제조하는 통상의 장치에서는 도가니 회전의 최대 속도는 일반적으로 20- 50rpm이기 때문에 도가니의 회전속도는 상기 메카니즘에 의해 충분히 제어될수 있다.

그러나 일반적으로 모터의 회전정밀도는 모터회전의 최대속도에 대한 정밀도와 일치하며, 보다 높은 모터회전속도는 모터의 회전정밀도를 보다 높게 하며, 보다 낮은 모터회전속도는 모터의 회전정밀도를 보다 낮게한다.

즉, 일반적으로 모터의 회전 정밀도는 모터회전의 최대속도에 대한 회전오류(±%)로 나타내어지며, 상기 회전오류로부터 계산된 모터의 회전편차(±rpm)는 모터회전 속도의 전체 범위에 존재하는 것이다.

따라서 하기식을 가정할수 있으며, 하기 식은 도가니의 회전정밀도가 도가니회전의 저속 범위에서는 충분치 않다는 것을 나타낸다.

도가니의 회전 정밀도 ≒ 회전편차 x 감속비

단, 상기식에서, 감속비는 도가니축의 회전속도에 대한 모터축의 회전속도의 비율이다.

따라서 도가니 회전속도의 전체 요구되는 범위에서 도가니의 회전정밀도를개선시키기 위하여는 상기 감속비를 속도변경장치로 변경하고 도가니회전속도의 전체 범위를 몇몇 범주로 나누어 도가니의 회전속도를 제어하는 것이 효과적인 것이다.

여기서 사용된 용어 "속도변경장치(speed change device)"란 일정한 회전속도를 갖는 제1축(여기서는 모터축에 해당한다)과 제2축(여기서는 도가니축에 해당한다)사이에 기어맞물림 등을 적절히 변경하고, 제2축의 회전속도를 적절히 변경시킬수 있는 장치를 가리킨다.

상기 속도 변경장치를 이용하면 제2축의 여러 가지 회전속도를 얻을수 있다.

본발명에서는 요구되는 전체범위에서 도가니 회전속도를 아주 정밀하게 제어하기 위하여 속도 변경장치와 서보모터를 결합시킨다.

즉, 도가니 회전 속도의 정밀도를 개선시키기 위하여 도가니 축의 회전속도에 대한모터축의 회전속도의 감속비를 증대시키는 것이 필요한 것이다.

본발명에 의하면, 상기 감소비율은 도가니 회전속도의 전체 범위를 몇몇 범주로 나누고 각 범주에서 도가니 회전의 최대 속도를 감소시킴으로서 증대된다.

상기 속도 변화장치에는 클럿치, 슬라이드기어 등을 제공함으로서 모든 분할된 도가니 회전속도범위를 제어하도록 감속비를 변경시킬수 있다.

이하 본발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

제1도는 본발명에 따라 MCZ법으로 단결정을 제조하는 장치의 개략적 구조를 나타낸 것이다.

제1도에서 부호 1은 석영도가니를 나타내며 실리콘 용융물 2로 채워지고 회전축 3에 의해 회전된다. 회전축 3은 서보모터 4에 의해 구동되며 이에 의해 도가니의 회전속도가 제어된다.

도가니 1은 예를들어 흑연으로 만들어진 원통형 히터 5로 둘러싸여져 있다. 히터 5는 필요하면 도시되지 않은 원통형 단열물질로 둘러쌀수 있다. 도가니 1은 챔버 6 내에 위치한다.

챔버 6 외측에는 영구자석이나 전자석같은 자장 발생기 7이 배치된다.

상기 자장발생기 7은 정해진 방향으로, 예를들어 수평자기장과 같은 정전자기장을 실리콘 용융물 2로 인가한다.

부호 8은 단결정 실리콘 시드(Seed)로서 이는 용융물내에 침적되어 와이어 릴 9 및 인상와이어 11에 의해 중심축을 따라 회전하면서 인상된다. 이같은 방법으로 실리콘 단결정 10이 MCZ법으로 제조된다.

상기와 같은 MCZ법에 의해 단결정을 제조함에 있어서는 특히 도가니의 회전속도를 아주 정밀하게 제어하는 것이 중요하다.

이를 위하여 본 발명에서는 제1도에 도시된 바와같이 서보모터 4와 회전축을 포함하여 구성되는 도가니 회전장치에 속도변환장치 12를 장착시키는바, 즉 서보모터 4와 회전축 3사이에 속도 변환장치 12를 삽입하고 있다.

상기 속도 장치 12를 제2도에 상세히 도시하였다.

제2도에 도시된 바와같이, 서보 모터 4는 감속기어 A와 맞물려 있으며, 감속기어 A와 감속기어 B의 입력면 그리고 더블 클럿치 F는 타이밍 기어 C,D,E에서 타이밍 벨트 I에 연결되어 있다.

감속기어 B의 출력면은 기어 G,H를 통해 더블클럿치 F와 맞물려 있다. 더블 클럿치 F는 하나의 유니트로된 2개의 클럿치를 포함한다.

클럿치 기구중 하나는 타이밍 기어 H를 풀리 J에 연결하는데 사용되고 나머지 클럿치 기구는 타이밍기어 E와 풀리 J를 연결하는데 사용된다.

상기 클럿치 F를 절환시킴으로서 작동되는 클럿치 기구를 선택하는 것이 가능하다.

더욱이 풀리 J가 풀리 K에 연결되어 있음으로서 도가니의 회전속도를 2범위로 제어할수 있다.

예를들어, 서보모터의 최대 회전속도가 3000rpm인 경우 감속기어A의 감속비는 1/75이며, 감속기어 B의 감속비는 1/10이며, 타이밍기어 E는 40rpm의 최대 회전속도를 갖고 기어 H는 4rpm의 최대속도를 갖는다.

기어 H와 타이밍 기어E중 어느하나가 더블 클럿치 F에 의해 풀리 J로 연결될 때 풀리 J는 4rpm 혹은 40rpm의 최대 회전속도를 가질수 있다.

따라서 도가니회전의 저속범위에서는 결정이 인상되면 풀리 J를 기어 H와 결합함으로서 그리고 도가니회전의 고속범위에서는 결정이 인상되면 풀리 J와 타이밍 기어E를 결함함으로서 도가니회전의 고속범위와 저속범위 모두에서 도가니 회전을 보다 정밀하게 제어할수 있게 되는 것이다.

실시예 1

제2도에 도시된 바와같은 속도 변환장치가 장착된 도가니 회전장치를 갖는, 본발명에 의한 CZ법에 의한 단결정 제조장치(실시예)와 속도 변환장치가 없는 도가니 회전장치를 갖는 CZ법에 의한 단결정 제조용 종래장치(비교예)를 사용하였으며, 이들 양자 모두는 직경 6인치인 실리콘 단결정을 제조하기 위하여 다결정성 실리콘 60kg을 장착할수 있는 직경 18인치의 수정도가니를 포함하였으며, 도가니 회전정밀도를 큰 오류를 야기하는 도가니 회전의 저속범위에서 측정하였다. 그 결과를 제4도에 도시하였다.

제4도에 도시된 바와같이 본 발명에 의한 장치에서는 도가니회전 정밀도가 현저하게 개선되고, 이 회전정밀도는 저속범위의 도가니 회전에서 ±0.02rpm 미만으로 제어된다.

반면 통상의 장치에서는 회전 정밀도가 충분하지 않았으며 그 정밀도는 ±0.1rpm 미만으로 제어되는 것이다.

실시예 2

속도변환장치가 장착된 도가니 회전장치가 제공된 본발명에 따라 MCZ법으로서 단결정을 제조하는 장치(제1도에 도시된 것과 같은 장치)를 사용하였으며, 직경 18인치인 석영도가니에 다결정성 실리콘 60kg을 장입하고 2500 가우스의 자장을 인가하면서 직경 6인치인 실리콘 단결정을 제조하였다. 도가니의 회전속도와 결정내의 산소 농도와의 관계를 조사하였으며 그 결과를 제5도에 나타내었다.

제5도로부터 보는 바와같이, 본발명에 의한 장치를 사용하는 경우 결정내의 산소농도는 저속범위의 도가니 회전에서 아주 정밀하게 제어될수 있는 것이다.

본발명은 본발명의 범위내에서 다른 특정형태로 변경될수 있다. 따라서 상기 실시예는 단지 예시적인 것으로 해석되어야 한다.

예를들어, 상기 실시예에서, 도가니의 회전속도를 제어하기 위하여 도가니 회전의 전체 속도범위를 2개의 범주로 나눌수 있으나, 도가니 회전을 보다 미세하게 제어하기 위하여 도가니의 회전속도의 전영역을 3 또는 4 혹은 그이상 범주로 분할하는 것 역시 바람직한 것이다.

기어들을 변경시키기 위하여 클럿치가 아닌 슬라이드 기어, 백기어, 스윙 링크기어 등을 사용할수 있다.

더욱이 단지 하나의 모터만을 사용하는것에 한정되지 않고 속도 변경장치에 복수의 모터를 결합하여 사용하는 것도 가능한 것이다.

뿐만 아니라, 본발명은 MCZ법 뿐만아니라 CZ 법에 의한 단결정 제조에도 적용될수 있으며, 실리콘 반도체가 아닌 다른 어떠한 반도체, 어떠한 종류의 복합물 반도체 또는 단결정 산화물에도 적용 가능한 것이다.

제1도는 본 발명에 의한 장치의 일예를 도시한 개략도

제2도는 제1도 장치의 일부확대도

제3도는 종래의 장치로 결정을 인상(引上)할 때 결정중의 산소농도와 도가니의 회전속도사이의 관계를 나타낸 그래프

제4도는 본 발명과 종래의 장치에서 도가니의 회전정밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프

제5도는 본발명에 따라 결정을 인상(引上)할 때 결정중의 산소농도와 도가니의 회전속도사이의 관계를 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부위에 대한 부호의 설명 *

1...도가니(crucible) 2...실리콘 용융물(silicon melt)

3...도가니 회전축(crucible rotation shaft)

4...서보모터(servomotor) 5...히터(heater)

6...챔버(chamber)

7...자장발생장치(magnetic field generator)

8...단결정 실리콘 종자(single crystal silicon seed)

10...실리콘 단결정(silicon single crystal)

Claims (7)

1. 내부에 실리콘 용융물을 함유하는 도가니(용기);

   상기 도가니로부터 단결정을 인상하는 인상수단; 및

   상기 도가니를 회전시키는 도가니 회전수단;을 구비한 쵸크랄스키법에 의한 단결정 제조장치에 있어서,

   상기 도가니를 회전시키는 수단에, 도가니축의 회전속도에 대한 모터축의 회전속도의 비율(감속비)을 변경하고 회전영역을 분할하여 제어하는 속도변환수단이 장착된 것을 특징으로 하는 단결정제조장치.
2. 내부에 실리콘 용융물을 함유하는 도가니;

   상기 도가니로부터 단결정을 인상하는 인상수단;

   상기 실리콘 용융물에 자장을 인가하는 자장발생수단; 및

   상기 도가니를 회전시키는 도가니 회전수단;을 구비하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정제조장치에 있어서,

   상기 도가니를 회전시키는 수단에, 도가니축의 회전속도에 대한 모터축의 회전속도의 비율(감속비)을 변경하고 회전영역을 분할하여 제어하는 속도변환수단이 장착된 것을 특징으로 하는 단결정제조장치.
3. 상기 제1항에 의한 장치를 사용하고, 도가니의 회전정밀도를 ±0.02 rpm 미만으로 제어하도록 도가니의 회전속도를 제어함을 포함하는 도가니의 회전정밀도 제어방법
4. 상기 제2항에 의한 장치를 사용하고, 도가니의 회전정밀도를 ±0.02rpm미만으로 제어하도록 도가니의 회전속도를 제어함을 포함하는 도가니의 회전정밀도 제어방법
5. 상기 제1항의 장치를 사용하고, 상기 도가니의 회전정밀도를 ±0.02rpm미만으로 제어하도록 도가니의 회전속도를 변경시키면서 단결정을 인상시킴을 포함하는 단결정 제조방법
6. 상기 제2항의 장치를 사용하고, 상기 도가니의 회전정밀도를 ±0.02rpm 미만으로 제어하도록 도가니의 회전속도를 변경시키면서 단결정을 인상시킴을 포함하는 단결정 제조방법
7. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 도가니의 회전속도를 ±0.02rpm이하로 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정제조장치