KR100506288B1 - 다결정 실리콘 충전물로부터 실리콘 용융체를 제조하는 공정 - Google Patents

Abstract

바닥, 측벽 형성물, 상기 측벽 형성물에 거의 평행하고 상기 바닥의 기하학적 중심점을 교차하는 중앙선, 및 상기 중앙선으로부터 상기 측벽 형성물까지의 반경을 갖는 도가니에서, 쵸크랄스키 방법으로 단결정 실리콘 잉곳의 생산에 사용되는, 다결정 실리콘 충전물로부터 실리콘 용융체를 형성하는 공정. 본 공정에서 도가니는 덩어리형 다결정 실리콘으로 적재되어 사발모양의 충전물을 형성하는데, 초기의 적재물은 중앙선으로부터 측벽 형성물 방향으로 정점까지 방사상으로 바깥쪽으로 상향의 경사를 가지며, 정점으로부터 측벽 형성물까지는 바깥쪽으로 하향의 경사를 갖는다. 상기 사발모양의 덩어리형 다결정 실리콘 충전물은 가열되어 부분적으로 용융된 충전물을 형성하며, 알갱이형 다결정 실리콘이 부분적으로 상기 부분적으로 용융된 충전물상으로 공급되어 덩어리형 및 알갱이형의 혼합 다결정 실리콘 충전물이 형성된다. 혼합된 충전물이 더 가열되어 실리콘 용융체를 형성함에 따라, 용융체 표면위에 존재하는 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘은 알갱이형 다결정 실리콘이 용융되면서 수소가 방출될 때 튀어 오르는 용융된 실리콘을 편향시키는 역할을 한다.

Description

다결정 실리콘 충전물로부터 실리콘 용융체를 제조하는 공정{PROCESS FOR PREPARING A SILICON MELT FROM A POLYSILICON CHARGE}

도 1 은 비어있는 쵸크랄스키 도가니의 단면도.도 2 는 덩어리형 다결정 실리콘의 초기 충전물을 나타낸, 쵸크랄스키 도가니의 단면도.

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도 3 은 덩어리형 다결정 실리콘이 사발모양의 충전물을 형성하도록 배치된 것을 나타낸, 쵸크랄스키 도가니의 단면도.

도 4 는 부분적으로 용융된 충전물의 형성을 나타낸, 쵸크랄스키 도가니의 단면도.

도 5 는 알갱이형 다결정 실리콘의 공급 초기단계를 나타낸 쵸크랄스키 도가니의 단면도.

도 6 은 알갱이형 다결정 실리콘의 계속되는 공급과 다결정 실리콘 덩어리 사이에 존재하는 공간 사이를 알갱이형 다결정 실리콘이 지나가는 것을 나타낸, 쵸크랄스키 도가니의 단면도.

도 7 은 알갱이형 다결정 실리콘의 공급을 계속함에 따라 알갱이형 다결정 실리콘 캡의 형성과 다결정 실리콘 덩어리 사이의 공간이 채워지는 것을 나타낸, 쵸크랄스키 도가니의 단면도.

도 8 은 알갱이형 다결정 실리콘의 공급 완료와 알갱이형 다결정 실리콘 캡의 형성을 나타낸, 쵸크랄스키 도가니의 단면도.

도 9 는 덩어리형 및 알갱이형 다결정 실리콘의 계속되는 용융을 나타낸 쵸크랄스키 도가니의 단면도.

도 10 은 알갱이형 다결정 실리콘이 실리콘 용융체로 들어가는 것을 나타낸 쵸크랄스키 도가니의 단면도.

발명의 상세한 설명

본 발명의 공정에 따르면, 우선 덩어리형 실리콘이 쵸크랄스키 도가니에 적재되고 용융되어, 그 융융된 실리콘과 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘이 공존하는, 부분적으로 용융된 충전물을 형성한다. 도가니의 어떤 특정한 형태가 그다지 중요하지는 않지만, 도가니는 통상 융융된 실리콘과 같은 액상을 담거나 넣을 수 있도록 적어도 부분적으로 개방된 구조를 형성하는 외면 및 내면을 일반적으로 갖는다. 도 1 을 참조하면, 예로 든 실리카 도가니 (10) 는 통상 내면 (12), 외면 (14), 중앙선 (16), 및 상부 에지 (18) 를 포함한다. 내면 (12) 은 덩어리형 다결정 실리콘이 적재되는 개방형 공동을 형성한다. 도가니 (10) 는 바닥부 (22), 코너부 (24), 측벽 형성물 (26) 을 포함하며, 이하 각각 도가니의 바닥 (22), 코너 (24), 측벽 (26) 이라 한다. 도가니는 중앙선 (16) 에서 측벽 (26) 의 내면까지 바깥쪽으로 방사상으로 측정되는 반경 (R) 을 갖는다. 도가니 (10) 는, 상부에지 (28b) 를 갖는 원통형의 사이드 히터 (28a) 및 바닥 히터 (29) 로 둘러싸여 있어서, 충전물을 용융시키는데 사용된다.

이 도시된 실시예에서, 측벽 (26) 은 통상 수직이며, 총 측벽 표면적의 약 50% 를 각각 포함하는, 상부 (26a) 와 하부 (26b) 를 포함한, 거의 수직의 원주 영역을 형성한다. 상부와 하부의 개략적인 분할은 라인 30 에 의하여 도시된다. 바닥 (22) 은 통상 수직 성분보다 수평 성분이 더 큰 경사를 갖는 포물선형이다. 코너 (24) 는 측벽 (26) 과 바닥 (22) 의 교차부위 부근의 만곡된 환형 경계영역이다. 이 코너 (24) 는 라인 (32) 으로 설명된, 코너의 만곡이 끝나는 측벽 (26) 과 만난다. 이 코너 (24) 는 코너의 총 표면면적의 약 절반을 각각 포함하는 상반부와 하반부를 가지며, 상반부는 측벽 (26) 에 보다 가깝고, 하반부는 바닥 (22) 에 보다 가깝다. 도가니 (10) 의 중앙선 (16) 은 측벽 (26) 에 거의 평행하며, 바닥 (22) 의 기하학 중심점과 교차한다.

본 발명의 공정은, 결정 인상 온도가 바람직한 범위내로 유지되는 것을 돕기 위하여, 도가니 위에 단열재 (insulation), 가스 퍼지 튜브, 및/또는 열 반사기 등이 배치하는 "복합 디자인의 핫존 (hot zones of complex design)" 을 갖는 결정 인상기에서의 사용에 가장 적합하다. 그러한 복합 디자인의 핫존의 일 실시예는 도 1 에 도시되었으며, 도가니 위에 열 반사기 (40) 가 설치된다. 구성되는 재료뿐 아니라 핫존의 디자인에 있어서도 본 발명의 실시 공정의 범위를 벗어나지 않는 한도에서 본 명세서에 서술된 것과 다를 수 있음을 주의한다.

초기 도가니 적재에서, 불규칙한 형태를 갖는 덩어리형 다결정 실리콘이 더 작고 균일한 알갱이형 다결정 실리콘보다 바람직하다. 이것은 알갱이형 다결정 실리콘을 초기에 쓰면, 수율이 떨어지고 단결정 실리콘 잉곳에 형성되는 큰 보이드 결점이 높게 발생될 수 있기 때문이다. 어떤 특정한 이론에 구속되는 것은 아니지만, 알갱이형 다결정 실리콘은 도가니 바닥의 수소 또는 아르곤 같은 기체성분을 트랩하여, 이 가스들이 후에 결정 성장중 기포로 실리콘 용융체로 방출되는 것으로 여겨지고 있다. 기포 중 어떤 것은 성장 계면의 결정에 부착될 수 있고, 그래서 보이드 결함을 형성한다. 덩어리형 다결정 실리콘을 초기 적재에 사용함으로서, 이러한 결함의 형성을 피하여 더 높은 수율을 얻을 수 있다.

도 2 를 참조하면, 초기에 도가니 (10) 로 적재되는 덩어리형 다결정 실리콘 (42) 은 통상 단결정 실리콘 잉곳의 품질과 처리량에 대하여 최적화되도록 한다. 예를 들어, 전술한 바와 같이, 너무 많은 덩어리형 다결정 실리콘이 도가니에 적재되면, 도가니에 대한 기계적 응력이 증가한다. 또한, 충전물 이동(shifting)의 확률, 또는 브리지 또는 행거 형성의 확률이 증가한다. 그러므로, 충전물의 이동으로 인한 도가니 손상의 가능성을 제한하기 위해, 덩어리형 다결정 실리콘의 초기 충전은 덩어리의 평평한 면 (44) 이 도가니의 바닥 (22) 또는/및 측벽 (26) 에 인접하도록 도가니에 배치되는 것이 바람직하다. 그러한 배치는, 다결정 실리콘의 덩어리가 이동하더라도, 덩어리의 뽀족한 부분이 도가니의 측벽 또는 바닥과 충돌하여 결함을 일으키는 결함의 가능성을 감소시키기 위해서 바람직하다.

초기 적재되는 덩어리형 다결정 실리콘의 크기는, 도가니 디자인, 핫존 디자인 및 생성될 결정의 형태에 따라 다를 수 있다. 예컨데, 22 인치 도가니를 사용한 총 100 kg 의 충전물에 대해서는, 덩어리형 다결정 실리콘의 초기 적재가 약 50 ∼ 65 kg 인 것이 바람직하며, 약 55 kg 의 적재가 가장 바람직하다. 이에 대하여, 24 인치 도가니를 사용한 총 120 kg 의 충전물에 대해서는, 덩어리형 다결정 실리콘의 초기적재가 50 ∼ 70 kg 인 것이 바람직하고, 55 kg 인 것이 가장 바람직하다. 그 결과, 도 2 에 도시된 바와 같이, 임의의 도가니, 핫존, 또는 결정 생성물에 있어서, 덩어리형 다결정 실리콘 (42) 을 적재하되, 그 충전물의 높이는, 라인 (45) 으로 표시된 바와 같이, 실리콘 용융체의 제조가 완료될 때의 실리콘 용융체의 총높이를 초과하지 않도록 일반적으로 적재될 것이다. 이와 관련하여, 덩어리형 다결정 실리콘 형태의 불규칙성으로 인해 충전물의 일반적인 높이는 도가니 (10) 의 바닥 (22) 으로부터 덩어리형 다결정 실리콘 충전물의 가장 높은 지점까지를 측정하여 결정되어야함에 주의한다.

덩어리형 다결정 실리콘은 행거나 브리지 형성의 가능성을 제한하기 위하여 이러한 방식으로 적재된다. 즉, 덩어리형 다결정 실리콘은 충전물의 높이가 총 실리콘 용융체 높이의 약 0.6 ∼ 1 배의 범위의 높이가 되도록 배치된다. 바람직하게는, 총 실리콘 용융체 높이의 약 0.7 ∼ 0.8 배가 되도록 배치된다.

도 3 을 참조하면, 일단 도가니 (10) 에 충전물이 배치되면, 다결정 실리콘의 덩어리를 충전물의 중앙으로부터 제거하여 충전물이 사발 모양 또는 둥지 모양을 갖도록 도가니 (26) 의 측벽쪽으로 쌓는다. 즉, 초기의 충전물을 중앙선 (16) 으로부터 도가니 측벽 (26) 쪽으로 이동시켜서, 통상 정점까지는 바깥쪽으로 방사상의 상향의 경사가 이루어지며, 정점에서부터는 바깥쪽으로 방사상의 하향의 경사가 이루어진다. 충전물의 후자의 하향의 경사 뿐아니라 전자의 상향의 경사는 일반적으로 덩어리형 다결정 실리콘의 안식각(angle of repose)과 같다. 환형 테두리 (46) 는 사발모양의 충전물 배치에서의 정점에 의해 형성된다.

사발모양의 충전물을 배치하는데 있어서, 도가니 측벽 (26) 에서의 충전물의 높이는, 라인 (45) 에 의하여 표시된, 다결정 실리콘 용융체의 형성이 완료되었을 때의 용융체의 최고 높이를 초과하지 않는 것이 바람직함을 주의한다. 측벽에서 충전물의 높이는 충전물의 용융이 진행됨에 따라 행거 또는 브리지의 형성을 억제하기 위해 용융체의 높이를 초과하지 않는 것이 바람직하다.

덩어리형 다결정 실리콘 (42) 의 불규칙한 형상으로 인하여 충전물의 표면은 균일하지 않으며, 이는 충전물의 경사가 충전물의 특정한 부분과 다른 부분에서 다소 차이가 존재하는 것을 의미함을 주의한다. 그 결과, 최적 라인 (47) 은 사발모양의 충전물의 일반적인 경사를 근사화 한 것임을 의미한다. 그러나, 충전물의 경사는, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는다면, 여기에서 라인 (47) 으로 묘사된 것과는 다를 수 있다.

사발모양의 충전물의 환형 테두리 (46) 는, 중앙선 (16) 에서 도가니 측벽 (26) 바깥쪽으로 방사상으로 측정된, 반경 r 을 가지며, 이는 대체적으로 도가니 반경 R 의 약 5/10 ∼ 9/10 의 값을 가진다. 테두리는 도가니 반경의 약 6/10 ∼ 8/10 의 반경을 가지는 것이 바람직하다. 그러나, 테두리 (46) 의 실제 반경은 덩어리형 다결정 실리콘 (42) 의 불규칙한 형상으로 인하여, 기준지점으로 사용되는 테두리의 환형 위치에 의존하여 다소 다를 수 있다. 그러므로, 중앙선 (16) 으로부터 바깥쪽으로 방사상으로 가장 먼 사발모양 충전물까지의 정점까지를 측정함으로서 반경이 결정되어야한다.

일반적으로, 환형 테두리 (46) 에서의 사발모양의 충전물의 높이는 중앙선 (16) 혹은 그 부근의 충전물의 높이보다 높다. 전형적으로, 중앙선 혹은 그 부근의 높이에 대한 환형 테두리의 높이의 비율은 약 3.5:1 내지 1.25:1 의 범위에 있어야 하며, 3:1 내지 2.5:1 인 것이 바람직하다. 예컨데, 22 인치 직경의 도가니 및 100 kg 의 충전물에 있어서는, 환형 테두리 (46) 에서의 사발모양의 충전물의 높이는 도가니 (10) 의 바닥 (22) 으로부터 측정되었을 때 약 18 cm 내지 25 cm 의 범위에 있으며, 22 cm 내지 25 cm 인 것이 바람직하다. 중앙선 (16) 혹은 그 부근에서의 충전물의 높이는 도가니 바닥으로부터 측정되었을 때 대체적으로 8 cm 내지 16 cm 이며, 약 8 cm 내지 10 cm 인 것이 바람직하다. 또한, 테두리는 중앙선 (16) 혹은 그 부근의 충전물 위로 6 cm 내지 12 cm 에 펼쳐져 있는 것이 바람직하며, 약 10 내지 12 cm 인 것이 더 바람직하다.

환형 테두리에서의 충전물의 높이와 중앙선 혹은 그 부근에서의 충전물의 높이는 도가니의 반경, 충전물의 크기, 및 핫존의 디자인에 따라 변경될 수 있음을 주의한다. 예컨데, 핫존의 디자인에 의해 방해가 되지 않는다면, 도가니의 직경이 증가하면, 사발모양의 충전물의 깊이, 즉 중앙선 혹은 그 부근의 충전물에서 테두리가 펼쳐져 있는 거리도 증가한다. 결과적으로, 환형 테두리와 중앙선 부근에서의 충전물의 높이는 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위에서 여기에서 기재된 것과 다를 수 있음을 주의한다.

테두리 (46) 와 중앙선 (16) 에서의 충전물의 높이는 덩어리형 다결정 실리콘 (42) 의 불규칙한 형상으로 인하여 다소 변화될 수 있다. 그 결과, 테두리 및 중앙선 혹은 그 부근의 충전물의 높이는, 테두리 및 중앙성 혹은 그 주변에서 가장 높은 충전물의 지점과 도가니 (10) 의 바닥 (22) 사이의 거리를 측정하여 결정되어야 한다. 또한, 중앙선에 있는 충전물 위로부터 테두리가 펼쳐져 있는 거리는 중앙선 혹은 그 부근의 충전물의 가장 높은 지점과 테두리에서의 충전물의 가장 높은 지점 사이의 거리를 측정하여 결정되어야 한다.

도 4 를 참조하면, 원통형의 사이드 히터 (28a) 내의 대체적으로 중앙에 충전물이 존재하도록 도가니 (10) 를 배치시켜서 덩어리형 다결정 실리콘 (42) 을 가열시킨다. 이와 관련하여 도가니의 정확한 위치는 덩어리형 다결정 실리콘 초기 적재물의 크기 뿐만 아니라 도가니의 디자인 및 사용되는 핫존의 디자인에 따라 변화되는 것임을 주의한다. 덩어리형 다결정 실리콘 (42) 이 용융되기 시작할 때까지 덩어리형 다결정 실리콘을 가열시켜서, 상면 (49) 을 갖는 용융된 실리콘 층 (48) 및 용융된 실리콘 용융체의 상면 위에 노출된 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘 (42) 모두를 구비하는 부분적으로 용융된 충전물을 형성한다. 도가니 바닥 (22) 을 덮기에 충분한 용융 실리콘층 (48) 이, 덩어리형 다결정 실리콘의 4 내지 10 중량%를 용융함으로써 형성되도록, 바람직하게는 6 내지 8 중량% 를 용융함으로써 형성되도록, 가열속도를 제어한다. 약 60 내지 120 분 동안, 바람직하게는 85 내지 95 분 동안, 충전물을 가열함으로써 부분적으로 용융된 실리콘 용융체를 얻을 수 있도록, 사이드 히터 (28a) 및 바닥 히터 (29) 에 대한 초기 히터전력을 선택한다.

도 5 를 참조하면, 용융된 실리콘 (48) 층이 도가니 (10) 의 바닥 (22) 에 형성되면, 노출된 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘 (42) 상으로 반사기 (40) 내의 중앙에 배치된 개구부 (56) 의 위에 위치한 공급 튜브 (54) 를 통하여 알갱이형 다결정 실리콘 (52) 를 공급함으로서 혼합 충전물을 형성한다. 알갱이형 다결정 실리콘의 충전 중 또는 그 전에, 공급 튜브는, 도가니 (10) 의 중앙 위에, 사발모양의 충전물의 중앙 바로 위에, 이동가능하게 위치 된다. 알갱이형 다결정 실리콘은 도가니 (10) 의 중앙선 (16) 부근의 사발모양의 덩어리형 다결정 실리콘 충전물의 중앙 또는 바닥으로 공급된다. 공급 튜브 (54) 는 노즐 (55)을 갖는데, 그 노즐은, 알갱이형 다결정 실리콘의 첨가가 완료된 후의 형성된 알갱이형 다결정 실리콘 더미의 상부로부터 약 1 내지 2 cm 정도에 노즐의 끝이 위치하도록 선택되는 길이를 갖는다. 전형적으로, 노즐은 8 ∼ 12 cm 의 길이를 갖는다. 노즐 (55) 은 사발모양의 충전물의 벽과 접합되어 실리콘 첨가 중 사발모양의 충전물 바닥에 의해 튀어 도가니 외부로 나가는 알갱이형 다결정 실리콘의 양을 줄이도록 가동된다.

알갱이형 다결정 실리콘은 사용되는 도가니의 직경과 덩어리형 및 알갱이형 다결정 실리콘 충전물의 전체 크기에 의존하여 속도를 다르게 하여 충전물 상으로 공급된다. 예컨데, 20 또는 22 인치의 직경의 도가니 및 약 75 내지 100 kg 의 충전물에 대해서는, 전형적으로 약 15 내지 25 kg/hr 의 비율로, 바람직하게는 약 19 ∼ 21 kg/hr 의 비율로 공급될 것이다. 24 인치 직경의 도가니 및 120 내지 140 kg 의 충전물에 대해서는, 전형적으로 약 20 내지 30 kg/hr 로, 바람직하게는 약 24 내지 26 kg/hr 의 공급율을 가질 것이다. 32 인치 직경의 도가니 및 약 150 kg 또는 그 이상의 충전물에 대해서는, 전형적으로 약 40 내지 60 kg/hr 의 공급률을 가질 것이다.

용융되지 않은 덩어리 상으로 공급되는 알갱이형 다결정 실리콘에 대한 초기 적재된 덩어리형 다결정 실리콘의 중량비는 1:2 내지 2:1 의 범위를 가지며, 2:3 내지 3:2 가 바람직하다. 예컨데, 22 인치 도가니에서 총 충전물 중량 100 kg 에 대해서는, 전술한 요소들에 기초하여, 약 55 kg의 덩어리형 다결정 실리콘을 적재하고 총 충전물 중 나머지는 알갱이형 다결정 실리콘으로 적재하는 것이 가장 바람직하다. 알갱이형 다결정 실리콘의 첨가 전에, 도가니의 바닥에 용융된 실리콘 층을 형성하는 것은 도가니 바닥에 존재하는 아르곤 가스가 트랩되는 것을 방지하는 역할을 한다. 이는 가열 공정이 시작되면, 아르곤이 도가니에 충전된 덩어리형 다결정 실리콘 사이에 존재하는 공간 또는 채널 (도 5 의 60 으로 나타냄) 을 통하여 방출될 수 있기 때문이다. 그러므로, 다결정 실리콘이 이 공간을 메워 아르곤을 트랩하여 달아날 수 없도록 할 수 있기 때문에, 용융된 실리콘층이 형성되기 전에 알갱이형 다결정 실리콘의 추가공급을 시작하지 않는 것이 중요하다.

알갱이형 다결정 실리콘 첨가의 초기에 있어서, 결정 인상기 내의 압력은 전형적으로 약 1 torr 로 유지된다. 이 압력은 약 160 내지 200 분간 유지되며, 약 170 내지 190 분간 유지되는 것이 바람직하다. 결정 인상기 내에서 이 압력을 유지하는 것은 도가니 바닥에 트랩될 수 있는 아르곤의 량을 줄이는 역할을 한다. 아르곤 가스가 달아날 수 있도록 함으로써, 성장 과정 중 단결정 실리콘 잉곳에 보이드가 생성되지 않는다.

도 6 을 참조하면, 덩어리형과 알갱이형 다결정 실리콘의 혼합 충전물을 형성하는 초기 단계에서, 알갱이형 다결정 실리콘 (52) 은 사발모양의 충전물의 바닥으로 공급된다. 다음, 알갱이형 다결정 실리콘은 덩어리형 다결정 실리콘의 불규칙한 형태로 인하여, 도가니 (10) 의 바닥 (22) 의 용융된 실리콘 (48) 에 다다를 때까지 다결정 실리콘의 덩어리 사이에 존재하는 공간 (60) 을 통해 통과 또는 "흘러내린다". 사발모양의 충전물은 도가니 바닥으로 알갱이형 다결정 실리콘을 통과시키는 깔때기 역할을 하며, 또한, 덩어리형 다결정 실리콘 사이의 공간이 알갱이형 다결정 실리콘이 바닥에 이르기전에 막히거나 채워지는 것을 방지하는 역할을 한다.

전술한 바와 같이, 알갱이형 다결정 실리콘 (52) 이 용융점까지 가열됨에 따라, 알갱이형 다결정 실리콘내에 함유된 수소가 방출된다. 알갱이형 다결정 실리콘이 용융된 실리콘과 너무 빨리 접촉하게 되면, 알갱이형 다결정 실리콘의 온도가 빠르게 상승되어, 함유하고 있던 수소가 빠르게 방출되는 결과를 낳는다. 이러한 수소의 빠른 방출은 용융된 실리콘의 스플래터링을 가져온다. 도 6 에서 62 로 묘사된 바와 같이, 용융된 실리콘의 표면 위에 존재하는 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘은, 용융된 실리콘의 스플래터링된 작은 방울을 편향시키는 역할을 하여, 도가니를 벗어나, 반사기 (40) 또는 공급 튜브 (54) 와 같은 도가니 위의 핫존 내의 다른 영역에 부착되는 것을 막는다.

도 7 을 참조하면, 알갱이형 다결정 실리콘 (52) 의 공급이 계속되면, 결국 도가니 (10) 의 바닥 (22) 에 존재하는 덩어리형 다결정 실리콘 사이의 공간 (60) 을 채우기에 충분한 량이 첨가되게 된다. 그 결과, 알갱이형 다결정 실리콘은 혼합 다결정 실리콘 충전물의 상부에 축적되어, 중앙선 (16) 에서 바깥쪽으로 방사상의 하향으로 펼쳐진 알갱이형 다결정 실리콘 캡 (64) 를 형성하여, 그 아래 덩어리형과 알갱이형 다결정 실리콘을 덮는다. 이와 관련하여 캡을 구성하는 알갱이형 다결정 실리콘은 일반적으로, 측벽 (26) 의 상부 (26a) 와 바닥부 (26b) 사이의 구분을 나타내는 라인 30 에 또는 그 위에 존재하게 됨을 주의한다. 말하자면, 일반적으로 알갱이형 다결정 실리콘 캡은 측벽의 상부와 맞닿는다.

도가니 적재와 실리콘 용융체 형성의 공정에 걸쳐, 도가니 (10) 는 사이드 히터 (28a) 내의 대략적인 중앙 위치에 덩어리형 다결정 실리콘 충전물이 유지되도록 한다. 그러나, 알갱이형 다결정 실리콘 캡 (64) 의 형성으로 인하여, 도가니 (10) 는 그 캡이 반사기 (40) 와 접촉하지 않도록 하강 시킬 필요가 있을 수 있다. 도가니 (10) 를 하강 배치해야 할 경우, 그것의 상부 에지 (18) 는 사이드 히터 (28a) 의 상부 에지 (28b) 에 또는 그 위에 위치하는 것이 바람직하다. 이와 관련하여, 도가니를 하강 배치해야하는지, 만약 그렇다면, 어느 정도까지 하강 배치해야 하는지는 도가니의 디자인, 핫존의 디자인, 및 충전물의 크기 등에 따라 정해져야 함에 주의한다. 그 결과, 이러한 요소들은, 다결정 실리콘 캡 (64) 이 반사기 (40) 와 접촉되는 것을 막기 위하여, 도가니의 상부 에지 (18) 가 사이드 히터 (28a) 의 상부 에지 (28b) 아래에 있도록 지시할 수도 있다. 이러한 경우에는, 캡이 반사기와 접촉하지 않을 만큼 충분하게 다결정 실리콘 충전물이 용융 되자마자, 도가니는 빠르게 상승 배치해야한다.

도 8 을 참조하면, 알갱이형 다결정 실리콘의 공급은 충전물의 나머지량이 도가니로 첨가될 때까지 계속된다. 예를 들어, 덩어리형 다결정 실리콘의 초기 충전물이 약 55 kg 을 갖는 총 100 kg 의 충전물에 대하여는, 약 45 kg 의 알갱이형 다결정 실리콘의 나머지가 첨가될 때까지 공급이 계속된다. 알갱이형 다결정 실리콘의 나머지는 혼합 다결정 실리콘 충전물의 상부에 축적되어, 측벽 (26) 의 상부 (26a) 와 접촉하고 상기 라인 30 위에 존재하는 알갱이형 다결정 실리콘에 의하여 형성된 알갱이형 다결정 실리콘 캡 (64) 의 대략적인 크기, 형태, 및 경사에 부가된다. 캡을 구성하는 알갱이형 다결정 실리콘의 최종 경사는 일반적으로 첨가된 알갱이형 다결정 실리콘의 안식각과 동일하다. 혼합 다결정 실리콘 충전물이 도가니 (10) 의 바닥 (22) 에서 계속 용융됨에 따라, 용융된 실리콘 (48) 위의 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘 (42) 과 알갱이형 다결정 실리콘 캡 (64) 이 차폐 역할을 하여 수소의 빠른 방출로 인해 스플래터링된 용융된 실리콘 방울을 편향시킴으로서 방울이 도가니를 벗어나지 못하도록 한다.

알갱이형 다결정 실리콘의 공급이 완료된 후, 알갱이형 다결정 실리콘 캡 (64) 이 용융되는 속도를 제어하기 위하여 히터 전력을 모니터한다. 도 9 를 참조하면, 용융된 실리콘이 도가니 벽으로 튀거나 핫존 부분으로 돌출되는 것을 방지할 수 있을 만큼 서서히 캡을 용융된 실리콘 용융체로 들어갈 수 있는 속도로, 캡 (64) 아래의 덩어리형 (42) 과 알갱이형 (52) 다결정 실리콘의 혼합 충전물, 즉 라인 (30) 또는 그 아래에 존재하며 통상 측벽 (26) 의 바닥부 (26b) 와 접촉하는 다결정 실리콘을 용융시키기 위하여, 히터 전력을 그 범위 내에서 유지시킨다. 즉, 캡을 구성하는 알갱이형 다결정 실리콘, 즉 측벽의 상부와 접촉하고 있는 다결정 실리콘이 실리콘 용융체로 들어가는 속도를 제어하기 위하여 히터 전력을 유지시킨다. 전형적으로, 다결정 실리콘은 캡이 실리콘 용융체로 서서히 들어갈 수 있도록 약 60 내지 120 분에 걸쳐서, 바람직하게는 약 75 내지 105 분에 걸쳐서, 가장 바람직하게는 90 분에 걸쳐서 용융된다.

도 10 을 참조하면, 가열을 제어하여 캡 (64) 이 천천히 상면 (49) 아래로 떨어지도록하고 용융된 실리콘 용융체 (48) 로 들어가도록하여, 캡이 용융체로 떨어져 용융된 실리콘이 도가니 밖으로 튀는 것을 방지할 수 있도록 한다. 이와 관련하여, 본 발명의 공정은 특히 복합 핫존 디자인 결정 인상기에 적합하다. 복합 핫존 디자인은 알갱이형 다결정 실리콘 캡 (64) 에 대한 더 양호한 용융 제어를 제공하여, 캡이 용융체로 들어가면서 용융된 실리콘이 튀는 것을 제한시키므로 바람직하다.

알갱이형 (52) 과 덩어리형 (42) 다결정 실리콘의 혼합 충전물이 캡 (64) 아래로 용융됨에 따라, 캡을 구성하는 용융되지 않은 알갱이형 다결정 실리콘의 온도는 증가한다. 캡 (64) 이 용융된 실리콘 용융체로 마지막으로 들어가는 시간을 제어함으로써, 캡을 구성하는 알갱이형 다결정 실리콘은 용융된 실리콘에 잠기기전에 탈수소화가 될 수 있을 만큼의 충분한 시간동안의 온도 레벨에 노출된다. 탈수소화는 트랩된 수소 분자 (H₂) 또는 원자 (H) 가 다결정 실리콘의 결정 구조를 통해 확산하는 것을 말한다. 따라서, 탈수소화에 영향을 미치는 요소는, 온도에 따른 수소의 확산계수, 수소가 결정 구조를 확산하여 탈출해야하는 거리, 및 시간 등이다. 일반적으로, 특정 크기의 다결정 실리콘 덩어리 또는 알갱이에 있어서, 온도가 증가함에 따라 확산 계수도 증가하며, 수소가 확산하는데 소요되는 시간은 감소한다.

도가니 (10) 를 알갱이형 다결정 실리콘의 공급시 하강시켰다면, 다결정 실리콘 (64) 이 용융된 실리콘 용융체 (48) 로 성공적으로 들어갔을 때, 다시 그 초기 위치로 복귀시킨다. 또한, 이것은 바람직하게는 다결정 실리콘 충전물이 사이드 히터 (28a) 내의 중앙에 위치되도록 도가니를 배치하는 것을 의미한다.

상기 히터 전력 레벨 및 시간 범위는 다음의 경험적인 가이드라인을 사용하여 어떠한 직경의 도가니 및 어떠한 크기의 충전물에 대해서도 최적화될 수 있다. 캡 아래의 알갱이 및 덩어리형의 다결정 실리콘의 혼합 충전물이 천천히 용융체로 들어갈 수 있을 만큼의 속도로 용융되는 것이 중요하다. 캡 아래의 덩어리형 및 알갱이형 다결정 실리콘이 너무 빨리 용융되면, 캡이 용융된 실리콘 용융체로 떨어져야하는 거리가 너무 커서, 용융된 실리콘이 도가니로부터 튈 수 있다. 이러한 현상이 일어나면, 전체 사이드 히터 전력이 너무 높다는 것으로, 다음의 실리콘 용융체가 준비될 때에는, 알갱이형 다결정 실리콘의 공급 및 공급 후에 약 1 내지 2 kW 만큼 감소되어야한다.

반대로, 캡 아래의 덩어리형 및 알갱이형 다결정 실리콘이 너무 느리게 용융되면, 캡이 결국 브리지를 형성하고 용융된 실리콘 용융체 표면으로부터 분리될 수 있어 용융체와의 사이에 존재하는 열전도 경로를 잃게 된다. 결과적으로, 캡이 알갱이형 다결정 실리콘의 공급 완료 후 약 90 내지 100 분내에 용융체로 떨어지지 못한다면, 사이드 히터는 1 kW 가 더 증가되어야한다. 캡이 공급 완료후 약 120 분 후에도 용융체로 떨어지지 못하면, 약 2 kW 를 추가로 공급해야 한다. 캡이 약 150 분후 용융체로 떨어지지 못하면, 약 2 kW 를 추가로 공급해야 한다.

캡이 알갱이형 다결정 실리콘의 공급 완료후 약 180 분 경과후 용융체로 떨어지지 않는다면, 브리지가 형성된 징후이다. 이러한 현상이 발생하면, 용융된 실리콘이 크게 튈 심각한 가능성이 존재하며, 캡이 도가니의 속박에서 벗어나 용융체로 떨어질 것이다. 이러한 경우의 악영향은 심각하기 때문에, 충전물을 버리고 총 사이드 히터 전력을 적어도 약 3 ∼ 4 kW 만큼 증가시켜 새로운 용융체를 준비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 공정에 따르면, 사발모양의 덩어리형 다결정 실리콘으로의 알갱이형 다결정 실리콘의 공급은 덩어리형 다결정 실리콘보다 더 자유롭게 흐를 수 있기 때문에 일반적으로 바람직하다. 알갱이형 다결정 실리콘은 찌꺼기가 없고 무게의 약 90% 의 알갱이들이 약 400 ㎛ 내지 1400 ㎛ 의 범위내의 크기 분포를 갖는 것이 바람직하다. 알갱이형 다결정 실리콘의 수소 농도는 덩어리형 다결정 실리콘과 알갱이형 다결정 실리콘 캡을 수단으로 스플래터링이 도가니 내로 한정되기 때문에 그다지 중요하지는 않다. 또한, 수소 농도는 캡을 구성하는 알갱이형 다결정 실리콘이 용융된 실리콘 용융체에 잠기기 전에 탈수소화가 가능하다는 사실 때문에 그다지 중요하지 않다. 그러므로, 본 발명은 종래 기술의 방법에 비하여 넓은 범위의 평균 수소 농도 (200 ppma 까지) 를 갖는 알갱이형 다결정 실리콘을 채용할 수 있는 수단을 제공하므로 유익하다. 그러나, 알갱이형 다결정 실리콘의 평균 수소 농도는 약 50 ppma 미만이 바람직하며, 20 ppma 미만이 더욱 바람직하다.

본 발명의 공정은, 성장되는 단결정 실리콘 잉곳으로 결함이 혼입될 수 있는 상기의 문제점을 피할 수 있고, 용융된 실리콘 용융체를 제조하는데 소요되는 시간을 줄일 수 있는 수단을 제공하여, 무전위 단결정 생산의 전체적인 수율과 처리량을 개선할 수 있다. 예를 들어, 복합 핫존 디자인을 갖는 주어진 결정 인상기에서 100 kg 의 용융된 실리콘 용융체를 형성하는데 필요한 총 소요시간은 약 6.5 내지 7.5 시간이다. 캡이 상기의 주어진 시간 범위 내에 용융체로 들어가지만, 충전물이 완전히 용융시키는 시간이 7.5 시간을 넘는다면, 다음 용융체가 준비되는 때에 약 5.5 시간 후의 히터의 전력 레벨은 약 1 kW 증가되어야함을 주의한다. 반대로, 충전물을 완전히 용융시키는데 소요되는 시간이 6.5 시간 미만이라면, 약 5.5 시간 후의 히터의 전력 레벨은 약 1 kW 감소되어야한다.

알갱이형 다결정 실리콘이 도가니로 공급되는 속도는 상기 주어진 범위내로 유지되어야 함이 중요하다. 만약 공급 속도가 주어진 범위의 하한으로 떨어진다면, 알갱이형 다결정 실리콘 캡의 형성전에 너무 많은 덩어리형 다결정 실리콘이 용융된 징후를 나타낸다. 이러한 현상이 발생하면, 용융된 알갱이형 다결정 실리콘으로부터 수소가 방출될 때 용융된 실리콘을 편향시킬만큼의 충분한 덩어리형 다결정 실리콘이 없기 때문에 용융된 실리콘이 도가니로부터 튈 수 있다. 반대로, 공급 속도가 주어진 상한을 넘는다면, 충전물을 용융시키기 위한 히터 전력의 증가가 요구될 수 있다. 히터 전력의 증가는 캡 아래의 덩어리형과 알갱이형의 혼합 충전물이 너무 빨리 용융되도록 하여, 캡이 용융체로 들어갈 때 용융된 실리콘의 스플래터링을 가져온다.

발명의 배경

본 발명은 용융된 실리콘 용융체로부터의 단결정 실리콘의 제작에 관한 것이다. 더 자세하게는, 본 발명은 알갱이형 (granular) 과 덩어리형 (chunk) 의 다결정 실리콘의 혼합 충전물(充塡物)로부터 용융된 실리콘 용융체를 제조하는 공정에 관한 것으로서, 덩어리형 다결정 실리콘이 사발모양 (bowl-like shape) 으로 되도록 적재되고, 그 위에 알갱이형 다결정 실리콘이 공급된다.

마이크로 전자회로 제작에 사용되는 대부분의 단결정 실리콘은 쵸크랄스키 (Czochralski, 이하 "Cz") 공정으로 제조된다. 이 공정에서, 단결정 실리콘 잉곳은, 도가니에 다결정 실리콘을 용융시키고, 용융된 실리콘에 종결정 (seed crystal) 을 담그고, 요구되는 잉곳의 직경을 얻을 만큼 충분하게 종결정을 끌어올리고, 요구되는 직경의 단결정을 성장시킴으로써 제작된다.

용융 실리콘을 형성하기 위해 용융되는 다결정 실리콘은, 일반적으로 "지멘스 공정 (Siemens process)" 으로 제작되는 덩어리형 다결정 실리콘이다. 덩어리형 다결정 실리콘은, 다결정 실리콘 막대를 2 cm ∼ 10 cm 의 길이와 4 cm ∼ 6 cm 의 폭을 갖는 작은 조각으로 조각내어 제조되는 결과, 일반적으로 그 형태가 불규칙하며, 예리하고 들쑥날쑥한 가장자리를 가진다. 다른 것으로는, 일반적으로 덩어리형 보다 훨씬 작고, 균일하며 구형상을 갖는, 알갱이형 다결정 실리콘이 용융체를 형성하는데 사용될 수 있다. 알갱이형 다결정 실리콘은 전형적으로 다소 간편하면서도 효과적인, "유동층 반응공정 (fluidized-bed reaction process)" 으로 제조된다. 알갱이형 다결정 실리콘은 전형적으로 약 1 ∼ 5 mm 직경으로, 일반적으로 덩어리형 다결정 실리콘 보다 20 % 높은 충전 밀도 (packing density) 를 갖는다. 덩어리형 및 알갱이형의 다결정 실리콘의 제조 및 특징에 대해서는 F. Shimura 의 "Semiconductor Silicon Crystal Technology", page 116-121, Academic Press (San Diego CA, 1989) 및 그 참조 문헌에 더 자세하게 기술되었다.

전형적인 Cz 공정에 따르면, 초기에 도가니의 전체를 덩어리형 다결정 실리콘으로 충전시키거나 혹은 적재시킨다. 그러나, 이러한 방법으로 도가니를 적재하는 것은 이어지는 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 있어서의 문제점을 야기한다. 예를 들어, 덩어리형 다결정 실리콘의 끝은 전형적으로 예리하고 들쑥날쑥하다. 그 결과, 전체 충전물의 무게하에서, 덩어리는 도가니 벽, 특히 도가니 바닥을 긁거나 홈을 만들 수 있다. 이러한 긁힘 및 홈을 제조하는 것은 도가니에 손상을 발생시켜서, 도가니의 작은 입자들이 도가니 표면으로부터 떨어져 나오게 된다. 이러한 작은 입자들은 실리콘 용융체에 함유되어, 성장되는 결정속으로 혼입될 수 있다. 이러한 작은 입자의 존재는 단결정내의 전위 (dislocation) 의 형성과 같은 것들을 현저히 증가시키며, 무전위 단결정의 생산 수율과 처리량을 감소시킨다.

다결정 실리콘 충전물의 용융이 진행됨에 따라, 덩어리형 다결정 실리콘의 하부가 용융되어 나아가고, 용융체 위의 도가니 벽에 붙어 융용되지 않은 물질인 행거 (hanger) 들을 남긴다. 또는 용융되지 않은 물질의 브릿지 (bridge) 가 용융체에 위에서 도가니의 마주보는 벽들 사이까지 이르도록 형성될 수 있다. 행거 또는 브릿지가 붕괴되면, 용융된 실리콘이 튀거나, 도가니에 기계적 응력손상을 가할 수 있다. 이러한 것과 동일한 문제점들은, 용융이 진행됨에 따라 단순하게 덩어리형 다결정 실리콘 충전물의 좌우이동으로도 발생될 수 있다.

도가니에 생길 수 있는 손상에 더하여, 초기에 100% 덩어리형 다결정 실리콘으로 도가니를 적재하는 것은, 충전 밀도가 작기 때문에 충전될 수 있는 물질의 부피에 제한을 가하게 된다, 부피 제한은 또한 무전위 단결정의 생산수율과 처리량에 직접적으로 영향을 미친다.알갱이형 다결정 실리콘이 덩어리형 다결정 실리콘에 비하여 제조 및 충전밀도에 있어 장점을 가지나, 알갱이형 다결정 실리콘으로 도가니 전체 용량을 충전시키고 용융시키는 것은, 단결정에 원치 않는 불술물과 결함을 도입시킬 수 있다. 예를 들어, 알갱이형 다결정 실리콘을 융용시키기 위해서는 낮은 열 전도성 때문에 큰 전력량이 요구되며, 이러한 문제점은 최근의 결정 인상기 (crystal puller) 들에서 주로 채용되는 퍼지 가스 시스템의 냉각 효과에 의해 증대 될 수 있다. 그러한 고 용융 전력에 놓이면 도가니에 유도되는 열응력은 도가니의 변형을 야기할 수 있고, 도가니 벽의 입자를 용융체로 혼입시켜, 급기야 단결정으로 혼입될 수 있는 결과를 가져온다.

기계적 응력과 마찬가지로, 이러한 열 응력은 무전위 결정의 생산수율과 처리량을 감소시키게 된다.

Kim 등의 미국 특허 출원 제 08/595075 호에서는 덩어리형 다결정 실리콘을 알갱이형 다결정 실리콘 상에 적재함으로써 퍼지 가스의 냉각 효과로부터 알갱이형 다결정 실리콘을 열적으로 차폐시킬 것을 제안하였다. 이러한 접근은, 충전물을 용융시키기 위하여 요구되는 히터 전력 레벨을 낮춤으로써, 도가니에 대한 열 응력의 가능성을 제한하는 역할을 한다. 그러나, 그러한 용융체로 부터 성장된 단결정에는 보이드(voide)가 형성될 가능성이 증가된다.

초기에, 도가니를 알갱이형 다결정 실리콘으로 적재시키든지 혹은 덩어리형 다결정 실리콘으로 적재시키든지간에, 많은 공정에 있어서, 공급 또는 계측 시스템을 사용하여 다결정 실리콘을 용융 실리콘으로 첨가하여, 용융된 실리콘의 양을 증가시키는 것이 바람직하다. 이러한 「차지업(charge-up)」다결정 실리콘의 추가적인 적재는 배치 (batch)형, 반연속형, 또는 연속형 공정 시스템이 공지되어 있다. 예를 들어, 배치 시스템에 있어서는, 초기 다결정 실리콘 충전물이 용융된 후 일어나는 부피의 감소 때문에, 추가적인 실리콘이 기존의 용융체로 적재되어 전체 도가니 용량을 얻을 수 있다. 일본 실용신안 출원 제 50-11788 (1975) 호를 예로 들 수 있다. 반연속형 및 연속형 쵸크랄스키 시스템에서는, 단결정 실리콘 잉곳이 성장되면서 끌어올려지는 실리콘을 보충하기 위해, 추가적인 다결정 실리콘이 실리콘 용융체로 충전된다. F. Shimura 의 Semiconductor Silicon Crystal Technology, p 175-83, Academic Press (San Diego CA, 1989) 를 참조바란다.

알갱이형 다결정 실리콘은 일반적으로 그 흐름이 자유롭기 때문에, 배치형, 반연속형, 및 연속형 쵸크랄스키 시스템을 보급하기 위해 선택된 물질이지만, 단점이 없는 것은 아니다. Kajimoto 등의 미국 특허 제 5,037,503 호 에 개시된 바와 같이, 실란 (Silane) 공정으로 제조되는 알갱이형 다결정 실리콘은, 용융된 실리콘에 잠길 때, 실리콘이 파열 (burst) 또는 폭발 (explode) 을 일으키기에 충분한 양의 수소를 함유한다. 다결정 실리콘 알갱이의 폭발 또는 파열은 용융된 실리콘의 작은 방울들이 튀도록 한다. 이러한 방울들은, 도가니 표면 및 결정 인상기 (crystal puller) 의 다른 부재들에 축적될 수 있으며, 후에 다시 실리콘 용융체로 떨어져 결정 성장을 방해한다.

이러한 문제점에 대한 해결책으로서, Kajimoto 등은 알갱이형 다결정 실리콘의 수소 성분의 H₂ 무게 농도가 7.5 ppm (210 ppma) 이하가 될 때까지 독립된 가열 장치에서, 불활성 가스 분위기에서 예비가열시킴으로서 알갱이형 다결정 실리콘의 수소성분을 줄이는 방법을 제안하였다. 이러한 시도가 알갱이들의 폭발력을 줄일 수는 있었지만, 이러한 현상을 없애지는 못했다. 즉, 이러한 현상은 알갱이형 다결정 실리콘이 1 ppm (28 ppma) 이하의 수소 무게 농도를 가질 때까지 생기게 된다.

이러한 문제의 대체적 방안으로서 미국 특허 제 5,588,993 호에서는 덩어리형 다결정 실리콘이 부분적으로 용융된 후, 노출된 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘의 부분으로 알갱이형 다결정 실리콘을 공급하는 방법을 제안하였다. 알갱이형 다결정 실리콘은, 약 1200 ℃ 이상의 온도에 이르고, 용융전 약 30 초간 이 온도를 유지할 수 있는 속도로 공급된다. 알갱이형 다결정 실리콘을 이러한 방식으로 가열하는 것은 용융된 실리콘 용융체에 잠기기 전에 탈수소화 (dehydrogenation) 를 가능하게 한다.

이러한 시도에 있어서의 문제점은, 수소 폭발 현상과 관련된 영향들을 피하기 위하여, 알갱이형 다결정 실리콘이 용융이 일어나기 전에 탈수소화가 될 만큼 충분히 느린 속도로 공급되어야 한다는 것이다. 이것은 100 kg 의 실리콘 용융체를 제작하기 위하여, 특히 알갱이형 다결정 실리콘 공급량의 평균 수소함량이 약 10 ppma 을 초과할 때, 필요한 공정시간이 약 10 시간이 되게 하므로, 결정 인상기의 처리량을 감소시킨다.

알갱이형 다결정 실리콘의 폭발과 관련된 문제점 및 이와 관련된 실리콘 용융체의 스플래터링 (splattering) 은 복합 가열 핫존 디자인 (complex heating hot zone design) 를 갖는 결정 인상기가 사용될 때 더욱 심각해진다. 퍼지 가스 시스템이 채용되고, 그라파이트 차폐 (graphite shielding) 가 도가니의 상부에 존재하는 이러한 설계방법은 우수한 성질의 결정을 얻을 수 있어 단결정의 제작에 더욱 더 널리 사용되고 있다. 그러나, 이러한 설계방법은 용융체 위에 더 많은 표면이 존재하게 되어고, 스플래팅된 실리콘 입자들이 축적되고 결국 그 스플래팅된 입자들은 다시 용융체로 떨어져, 성장되는 결정으로 결함을 도입할 수 있는 부가적인 기회를 제공한다.

그 결과, 무전위 단결정 실리콘 잉곳의 생산수율 및 처리량을 개선시키면서도, 실리콘 입자의 스플래터링을 방지한 복합 핫존 디자인 방법으로 실리콘 용융체를 제작할 수 있는 공정의 필요성이 계속적으로 존재한다.

발명의 요약

그러므로, 본 발명의 목적은, 도가니에 기계적 응력 및 열 응력을 감소시키고, 용융체의 수소의 농도를 최소화하고, 도가니 바닥의 아르곤의 존재로 인한 단결정내의 보이드의 발생을 최소화하고, 초기 적재되는 다결정 실리콘의 체적을 최대화하고, 알갱이형 다결정 실리콘이 첨가되는 동안 수소 폭발효과를 방지할 수 있는, 무전위 단결정 실리콘 잉곳의 생산수율과 처리량을 개선시키기에 적합한 실리콘 용융체를 제조하는 공정을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 현저한 추가 공정 비용, 장비, 또는 시간을 추가하지 않으면서, 개선된 무전위 성장 및 처리량을 갖는 단결정 실리콘 잉곳을 생산하기에 적합한 실리콘 용융체를 제작하는 공정을 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은, 복합 디자인의 핫존을 갖는 결정 인상기에서 전술한 장점들을 얻는 것이다.

요약하면, 본 발명은, 바닥, 측벽 형성물, 상기 측벽 형성물과 거의 평행하고 상기 바닥의 기하학 중심점을 교차하는 중앙선, 및 상기 중앙선으로부터 상기 측벽 형성물까지의 반경을 갖는 도가니에서, 쵸크랄스키 방법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는데 사용되는 실리콘 용융체의 제조 공정에 관한 것이다. 도가니에는, 초기에 적재물이 중앙선으로부터 정점까지 측벽 형성물 방향으로 바깥쪽으로 상향의 경사를 가지며, 그 정점으로부터 측벽 형성물까지는 대체적으로 바깥쪽으로 하향의 경사를 가지는 사발모양의 충전물을 형성하도록, 덩어리형 다결정 실리콘을 적재시키는 것을 공정의 특징으로 한다. 사발모양의 덩어리형 다결정 실리콘 충전물은 가열되어 부분적으로 용융된 충전물을 형성한다. 부분적으로 용융된 충전물 상으로 알갱이형 다결정 실리콘이 첨가되어 덩어리형 및 알갱이형 다결정 실리콘의 혼합 충전물을 형성한다. 혼합 충전물은 더 가열되어 실리콘 용융체를 형성한다.

또한, 알갱이형 다결정 실리콘 일부는, 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘 사이에 존재하는 공간 사이를, 실리콘 용융체 표면에 닿을 때까지 통과하는 것을 공정의 특징으로 한다. 용융된 실리콘 용융체와 접촉하게 되는 알갱이형 다결정 실리콘은 빠르게 용융되어, 그 결과 수소의 빠른 방출을 가져온다. 용융체 위에 존재하는 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘은 스플래터링이 일어날 수 있는 용융된 실리콘을 편향시키는 역할을 한다.

또한, 본 발명은, 알갱이형 다결정 실리콘의 공급이 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘을 덮는 알갱이형 다결정 실리콘의 캡 (cap) 이 형성될 때까지 계속되는 것을 특징으로 한다. 캡 아래에 혼합 다결정 실리콘 충전물이 용융될 때, 캡은 발생될 수 있는 용융된 다결정 실리콘의 스플래터링을 편향시키는 기능을 한다. 또한, 캡을 구성하는 알갱이형 다결정 실리콘의 온도는 실리콘 용융체와 접촉하기 전에 효과적으로 탈수소화를 하기에 충분한 시간동안의 온도 레벨로 증가된다.

본 발명의 또 다른 목적 및 특징은 이하 설명에서 부분적으로 설명되고 분명해질 것이다.

Claims (15)

1. 쵸크랄스키 방법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는데 사용되며, 바닥, 측벽, 상기 측벽에 실질적으로 평행하고 상기 바닥의 기하학 중심점을 교차하는 중앙선, 및 상기 중앙선에서 상기 측벽까지의 반경을 갖는 도가니에서 제조하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정에 있어서,

   다결정 실리콘 덩어리들을 도가니로 적재시키는 단계,

   상기 다결정 실리콘 덩어리들을 가열하여, 상면을 갖는 용융된 실리콘 및 상기 용융된 실리콘의 상면 위로 노출된 용융되지 않은 다결정 실리콘의 덩어리들을 구비하는, 부분적으로 용융된 충전물을 형성하는 단계,

   알갱이형 다결정 실리콘이 용융된 실리콘과 접촉하여 용융될 때의 수소의 방출에 기인하는 용융된 실리콘의 스플래터링을 편향시키는 역할을 하는 상기 용융된 실리콘의 상면 위로 노출된 용융되지 않은 다결정 실리콘의 덩어리들 상으로 알갱이형 다결정 실리콘을 공급하여 혼합 다결정 실리콘 충전물을 형성하고, 상기 알갱이형 다결정 실리콘이 용융된 실리콘에 닿을 때까지, 상기 알갱이형 다결정 실리콘의 일부가 상기 용융되지 않은 다결정 실리콘의 덩어리들 사이에 존재하는 공간을 통과하도록 하는 단계, 및

   상기 혼합 다결정 실리콘 충전물을 가열하여 실리콘 용융체를 형성시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 다결정 실리콘 덩어리들을 적재시키는 단계는 다결정 실리콘 덩어리를 상기 도가니로 적재하여 사발과 유사한 모양을 가지는 충전물를 형성하고, 상기 적재물은 중앙선으로부터 측벽 형성물 방향으로 정점까지 방사상으로 바깥쪽으로 상향의 경사를 일반적으로 가지며, 정점으로부터 측벽 형성물까지는 바깥쪽으로 하향의 경사를 일반적으로 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 부분적으로 용융된 충전물은, 상기 덩어리형 다결정 실리콘의 6 중량% 내지 8 중량% 를 용융하여 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 알갱이형 다결정 실리콘은, 상기 중앙선 부근의 사발모양의 부분적으로 용융된 충전물 상으로 공급되는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 사발모양의 덩어리형 다결정 실리콘 충전물은, 혼합 다결정 실리콘 충전물이 용융되고 난 후의 실리콘 용융체의 높이 보다 높지 않은 측벽에서의 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 정점은 사발모양의 덩어리형 다결정 실리콘 충전물의 환형 테두리를 일반적으로 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 환형 테두리는 중앙선에서 도가니 측벽으로 방사상으로 바깥쪽으로 측정했을 때, 도가니 반경의 6/10 내지 8/10 의 범위의 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기의 환형 테두리는, 도가니 바닥으로부터 측정했을 때, 22 cm 내지 25 cm 의 범위의 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 중앙선 부근의 충전물의 높이에 대한 상기 환형 테두리의 높이의 비는 3:1 내지 2.5:1 의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
10. 제 2 항에 있어서,

    상기 알갱이형 다결정 실리콘은, 노출된 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘으로 공급되어 혼합 다결정 실리콘 충전물의 상부에 축적되며, 알갱이형 다결정 실리콘의 공급이 완료된 후 측벽의 상부와 접촉하는 알갱이형 다결정 실리콘 캡을 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 알갱이형 다결정 실리콘 캡은, 상기 용융된 실리콘의 상면 위로 존재하며, 상기 알갱이형 다결정 실리콘이 용융된 실리콘과 접촉하며 용융될 때 수소의 방출로 기인된 용융된 실리콘의 스플래터링을 편향시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 혼합 다결정 실리콘 충전물은, 알갱이형 다결정 실리콘의 첨가가 완료된 후 75 분 내지 105 분에 걸쳐서 알갱이형 다결정 실리콘 캡이 실리콘 용융체로 들어갈 수 있는 속도로, 용융되는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
13. 제 10 항에 있어서,

    알갱이형 다결정 실리콘 캡을 구비하는 알갱이형 다결정 실리콘은 실리콘 용융체 표면에 접촉하기 전에 탈수소화될 수 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
14. 쵸크랄스키 방법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는데 사용되며, 바닥, 측벽, 상기 측벽에 실질적으로 평행하고 상기 바닥의 기하학 중심점을 교차하는 중앙선, 및 상기 중앙선에서 상기 측벽까지의 반경을 갖는 도가니에서 제조되는 실리콘 용융체를 제조하는 공정에 있어서,

    덩어리형 다결정 실리콘을 도가니로 적재하여 사발모양을 갖는 충전물을 형성하는 단계로서, 상기 적재는 중앙선에서 측벽을 향하여 정점까지 방사상으로 바깥쪽으로 상향의 경사를 가지며, 정점에서 측벽까지는 바깥쪽으로 하향의 경사를 갖도록 덩어리형 다결정 실리콘을 적재하는 단계,

    상기 사발모양의 덩어리형 다결정 실리콘 충전물 상으로 알갱이형 다결정 실리콘을 공급하여, 덩어리형 및 알갱이형 다결정 실리콘의 혼합 충전물을 형성하도록 하는 단계, 및

    상기 혼합 다결정 실리콘 충전물을 가열하여 실리콘 용융체를 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.
15. 쵸크랄스키 방법에 따라 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는데 사용되며, 바닥, 측벽, 상기 측벽에 실질적으로 평행하고 상기 바닥의 기하학 중심점을 교차하는 중앙선, 및 상기 중앙선에서 상기 측벽까지의 반경을 갖는 도가니에서 제조되는 실리콘 용융체를 제조하는 공정에 있어서,

    도가니로 덩어리형 다결정 실리콘을 적재하는 단계,

    상기 덩어리형 다결정 실리콘을 가열하여, 상면을 갖는 용융된 실리콘과 상기 용융된 실리콘의 상면 위로 노출된 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘을 구비하는, 부분적으로 용융된 충전물을 형성하는 단계와,

    상기 노출된 용융되지 않은 덩어리형 다결정 실리콘 상으로 알갱이형 다결정 실리콘을 공급하여, 상기 알갱이형 다결정 실리콘이 혼합 다결정 실리콘 충전물의 상부에 축적되며, 상기 알갱이형 다결정 실리콘의 공급 완료 후 통상 측벽의 상부와 접촉하는 알갱이형 다결정 실리콘 캡을 형성하는 단계, 및

    상기 혼합 다결정 실리콘 충전물을 용융시켜 실리콘 용융체를 형성하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융체를 제조하는 공정.