KR100784585B1 - Method of growing semiconductor crystal using unbalanced magnetic field and apparatus for implementing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다. The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치의 개략적인 구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor single crystal manufacturing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 반도체 단결정 제조 장치가 실리콘 단결정 제조에 사용된 경우, 실리콘 멜트와 석영 도가니 주변의 자기장 분포(위쪽 도면), 그리고 실리콘 멜트의 위치별 대류 속도(아래쪽 도면)를 시뮬레이션하여 도시한 것이다.FIG. 2 shows a simulation of the magnetic field distribution around the silicon melt and the quartz crucible (upper view) and the convection velocity by position of the silicon melt (lower view) when the semiconductor single crystal manufacturing apparatus according to the present invention is used for the production of the silicon single crystal. It is.
도 3은 자기장을 인가하지 않은 상태에서 100시간 동안 실리콘 단결정 성장 공정을 진행한 이후, 실리콘 도가니의 측벽부, 만곡부 및 바닥부를 촬영한 사진들이다.3 is a photograph of the sidewall portion, the curved portion, and the bottom portion of the silicon crucible after the silicon single crystal growth process is performed for 100 hours without applying a magnetic field.
도 4는 대칭적 자기장을 인가한 상태에서 100시간 동안 실리콘 단결정 성장 공정을 진행한 이후, 실리콘 도가니의 만곡부 표면과 단면을 촬영한 사진들이다.4 is a photograph of the surface and the cross-section of the curved portion of the silicon crucible after the silicon single crystal growth process is performed for 100 hours while applying a symmetric magnetic field.
도 5는 비대칭 자기장을 인가한 상태에서 100시간 동안 실리콘 단결정 성장 공정을 진행한 이후, 실리콘 도가니의 만곡부 표면과 만곡부 및 바닥부 단면을 촬영한 사진들이다. FIG. 5 shows photographs of the curved surface and the curved and bottom sections of the silicon crucible after the silicon single crystal growth process is performed for 100 hours while an asymmetric magnetic field is applied.
본 발명은 반도체 단결정 성장과 관련된 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키(czochralski: CZ라 약칭함)법에 의한 반도체 단결정 성장 시 비대칭 자기장을 인가하여 도가니의 결정화에 따른 표면 박리 현상과 도가니의 열화를 방지할 수 있는 반도체 단결정 성장 방법 및 이 방법을 구현할 수 있는 장치에 대한 것이다.The present invention relates to semiconductor single crystal growth, and more particularly, asymmetric magnetic field is applied during semiconductor single crystal growth by Czochralski (abbreviated as CZ) method to prevent surface delamination and crucible deterioration due to crystallization of crucible. The present invention relates to a method for preventing semiconductor single crystal growth and an apparatus capable of implementing the method.
일반적으로, 반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 단결정은 CZ법에 의해 제조된다. CZ법은 다결정 실리콘을 석영 도가니에 투입하여 1400℃ 이상에서 용융시킨 후 종자결정을 용융된 실리콘 멜트(melt)에 담갔다가 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법이다. 이에 대한 상세한 설명은 S.wolf와 R.N. Tauber씨의 논문 'Silicon Processing for the VLSI Era', volume 1, Lattice Press (1986), Sunset Beach, CA에 잘 기재되어 있다.In general, silicon single crystals used as materials for producing electronic components such as semiconductors are manufactured by the CZ method. In the CZ method, polycrystalline silicon is poured into a quartz crucible and melted at 1400 ° C. or higher, and the seed crystal is immersed in the molten silicon melt, and the crystal is grown while slowly pulling it. For a detailed description, see S.wolf and R.N. Tauber's paper is well described in Silicon Processing for the VLSI Era, volume 1, Lattice Press (1986), Sunset Beach, CA.
한편 최근 들어 반도체 디바이스 제조의 수율을 높이기 위하여, 실리콘 단결정의 대구경화가 요구되고 있다. 이에 따라 CZ법에서 사용되는 석영 도가니에 투입되는 다결정 실리콘의 용량과 결정 성장을 위한 조업 시간이 증가되고 있다. On the other hand, in order to increase the yield of semiconductor device manufacture in recent years, the large diameter of a silicon single crystal is calculated | required. Accordingly, the capacity of the polycrystalline silicon and the operating time for crystal growth are increased in the quartz crucible used in the CZ method.
또한 실리콘 단결정의 생산성을 증대시키기 위해 멀티-풀링(multi-pulling) 공정이 적용되고 있다. 여기서, 멀티-풀링 공정이란 석영 도가니의 교체 작업 없이 연속적으로 여러 개의 실리콘 단결정을 성장시키는 공정을 말한다. 따라서 멀티-풀링 공정이 적용되는 경우에도 실리콘 단결정의 대구경화와 무관하게 조업 시간이 증가하게 된다.In addition, multi-pulling processes have been applied to increase the productivity of silicon single crystals. Here, the multi-pooling process refers to a process of growing several silicon single crystals continuously without replacing the quartz crucible. Therefore, even when the multi-pooling process is applied, the operation time is increased regardless of the large diameter of the silicon single crystal.
CZ법을 이용한 단결정 성장 공정에서 석영 도가니 내의 실리콘 멜트의 온도는 1400 ℃이상의 고온이다. 따라서 단결정 성장을 위한 조업 시간이 길어지면, 석영 도가니의 표면에서 실리콘 멜트의 실리콘 원자와 도가니 내의 산소 원자가 결정화 반응을 일으켜 크리스토바라이트(SiOx)를 형성한다. 그런데 조업 시간이 한계 이상으로 길이지면 크리스토바라이트가 표면 박리에 의해 미세한 파티클의 형태로 실리콘 멜트 내로 유입된다. 그리고 대류에 의해 결정 성장이 이루어지는 고액 계면으로 이동한 후 결정 내로 유입되어 결정 내에 전위 결함을 일으킨다. 이렇게 전위 결함이 유발되면, 단결정의 품질이 저하되어 웨이퍼의 수율이 감소되는 문제가 있다.In the single crystal growth process using the CZ method, the temperature of the silicon melt in the quartz crucible is high temperature of 1400 ° C or higher. Therefore, when the operation time for single crystal growth is long, the silicon atoms of the silicon melt and the oxygen atoms in the crucible form crystallization reactions on the surface of the quartz crucible to form cristobarite (SiO x ). However, if the operation time is longer than the limit, cristobarite is introduced into the silicon melt in the form of fine particles by surface peeling. Then, the convection moves to the solid-liquid interface where crystal growth occurs, and then flows into the crystal to cause dislocation defects in the crystal. Thus, when dislocation defects are induced, there is a problem that the quality of the single crystal is lowered and the yield of the wafer is reduced.
또한 CZ 공정에 의한 단결정 성장 공정이 장시간 동안 진행되면, 석영 도가니가 연화되어 석영 도가니의 형태가 비대칭적으로 변형된다. 그러면 석영 도가니 내의 실리콘 멜트의 대류를 안정적으로 제어할 수 없다. 실리콘 멜트의 대류는 단결정 성장 시 생산성과 관련된 인상속도(mm/min)나 요구되는 품질 예를 들어, 결정 단면의 반경방향으로 균일한 품질을 갖는 결정의 성장을 위해 중요한 제어 인자이다. 따라서 석영 도가니의 변형에 의해 실리콘 멜트의 대류 제어가 어려워지면 고 품질의 단결정을 얻을 수 없다.In addition, when the single crystal growth process by the CZ process is performed for a long time, the quartz crucible is softened and the shape of the quartz crucible is asymmetrically deformed. This prevents stable control of the convection of the silicon melt in the quartz crucible. Convection of the silicon melt is an important control factor for the growth rate (mm / min) associated with productivity during single crystal growth or for the growth of crystals with a desired quality, for example, in the radial direction of the crystal cross section. Therefore, if the convection control of the silicon melt becomes difficult due to the deformation of the quartz crucible, a high quality single crystal cannot be obtained.
따라서 실리콘 단결정의 대구경화와 멀티-풀링 공정에 의해 단결정 성장 공정의 생산성을 높이기 위해서는, 조업 시간 연장에 의해 발생되는 도가니 표면에서의 결정 박리 현상을 방지하고 석영 도가니의 형태가 비대칭적으로 변형되는 것을 막을 수 있는 대책이 마련되어야 한다.Therefore, in order to increase the productivity of the single crystal growth process by the large diameter of the silicon single crystal and the multi-pooling process, it is necessary to prevent crystal delamination on the surface of the crucible caused by prolonged operation time and to asymmetrically deform the shape of the quartz crucible. Measures must be in place to prevent them.
위와 같은 문제를 해결하기 위한 종래기술의 일 예로 대한민국 특허공개공보 제2005-7012775는 석용 도가니의 벽을 내층, 중간층 및 외층의 3중층으로 구성하되 각 층에 Al을 도핑하여 그 농도를 조절함으로써 석영 도가니와 실리콘 멜트와의 결정화 반응을 방지하는 기술을 개시하고 있다. 하지만 이 기술은 석영 도가니 제조 공정이 복잡해지므로 도가니 제조 비용이 증가하고 실리콘 단결정 제조사의 입장에서는 기존의 석영 도가니를 모두 대체해야 하는 경제적 부담이 따른다.As an example of the prior art to solve the above problems, Korean Patent Publication No. 2005-7012775 consists of a triple layer of inner, middle and outer layers of the stone crucible, but doping Al in each layer to adjust the concentration of quartz A technique for preventing a crystallization reaction between a crucible and a silicon melt is disclosed. However, this technique complicates the quartz crucible manufacturing process, which increases the cost of crucible production and puts an economic burden on the silicon single crystal manufacturer to replace all existing quartz crucibles.
다른 예로 일본국 특개평 6-159602호는 석영 도가니 내에 금속을 도핑함으로써 석영 도가니의 내구성을 향상시킬 수 있는 기술을 개시하고 있다. 하지만 석영 도가니 내에 도핑된 금속이 실리콘 멜트 측으로 확산하여 고액 계면을 통해 단결정 내에 혼입될 경우 단결정의 품질을 저하시키는 것은 물론이고 반도체 소자의 수율에도 악영향을 미치게 된다.As another example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-159602 discloses a technique capable of improving the durability of a quartz crucible by doping a metal into the quartz crucible. However, when the metal doped in the quartz crucible diffuses into the silicon melt and is incorporated into the single crystal through the solid-liquid interface, the quality of the single crystal is degraded as well as adversely affecting the yield of the semiconductor device.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, CZ법에 의한 단결정 성장시 도가니 자체의 성분을 변화시키지 않으면서도 저렴한 비용으로 조업 시간을 연장할 수 있는 반도체 단결정 제조 방법과 그 장치를 제공하 는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems of the prior art, and a method and apparatus for manufacturing a semiconductor single crystal which can prolong operation time at low cost without changing the components of the crucible itself when growing single crystals by the CZ method. The purpose is to provide.
본 발명의 다른 기술적 과제는 CZ법에 의한 단결정 성장 공정의 조업 시간 연장에 의해 반도체 원재료의 도가니 투입 용량을 증대시킴으로써 반도체 단결정의 대구경화를 도모하고, 멀티-풀 공정의 적극적 도입에 의해 단결정 성장 공정의 생산성을 극대화할 수 있는 반도체 단결정 제조 방법과 그 장치를 제공하는데 있다.Another technical problem of the present invention is to increase the crucible input capacity of semiconductor raw materials by prolonging the operating time of the single crystal growth process by the CZ method, and to increase the size of the semiconductor single crystals, and to introduce the single-crystal growth process by the active introduction of the multi-pull process. To provide a semiconductor single crystal manufacturing method and apparatus that can maximize the productivity of the.
본 발명의 또 다른 기술적 과제는 CZ법에 의한 단결정 성장 공정시 도가니 표면에서 발생되는 결정의 표면 박리 현상을 방지하고 도가니의 변형을 방지하여 반도체 멜트의 대류를 안정적으로 확보할 수 있는 반도체 단결정 제조 방법과 그 장치를 제공하는데 있다. Another technical problem of the present invention is to prevent the surface delamination of the crystals generated on the surface of the crucible during the single crystal growth process by the CZ method and to prevent the deformation of the crucible, thereby enabling to secure the convection of the semiconductor melt. And to provide the device.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 단결정 제조 방법은, CZ법을 이용한 반도체 단결정 제조 방법에 있어서, 자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)를 기준으로 상부보다 하부의 자기장 세기가 큰 비대칭 자기장을 도가니에 인가하되 반도체 멜트의 표면과 도가니의 측벽이 수직으로 만나는 지점의 자기장 수평성분 또는 수직성분이 800G 이하인 것을 특징으로 한다.In the semiconductor single crystal manufacturing method according to the present invention for achieving the above technical problem, in the semiconductor single crystal manufacturing method using the CZ method, the magnetic field strength of the lower than the upper portion based on the Zero Gauss Plane (ZGP) having a vertical component of zero magnetic field A large asymmetric magnetic field is applied to the crucible, but the magnetic field horizontal component or vertical component at the point where the surface of the semiconductor melt and the sidewall of the crucible meet vertically is 800 G or less.
본 발명에 있어서, 단결정 성장 조업 시간은 바람직하게는 60시간 이상이다.In the present invention, the single crystal growth operation time is preferably 60 hours or more.
바람직하게, 상기 도가니는 석영 도가니이고, 상기 반도체 멜트는 실리콘 멜트이다.Preferably, the crucible is a quartz crucible and the semiconductor melt is a silicon melt.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 단결정 제조 장치는, 도가니, 도가니 회전수단 및 종자결정에 의해 도가니에 수용된 반도체 멜트로 부터 단결정을 인상하는 인상수단을 포함하는 CZ법을 이용한 단결정 성장 장치에 있어서, 상기 도가니 또는 챔버(제조장치)의 주변에 설치된 상/하부 코일에 의해 인가된 자기장의 수직성분이 0인 ZGP(Zero Gauss Plane)를 기준으로 상부보다 하부의 자기장 세기가 큰 비대칭 자기장을 도가니에 인가하되, 반도체 멜트의 표면과 도가니의 측벽이 수직으로 만나는 지점의 자기장 수평성분 또는 수직성분이 800G 이하인 자기장을 인가하는 자기장 인가수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.The semiconductor single crystal manufacturing apparatus according to the present invention for achieving the above technical problem, the single crystal growth apparatus using the CZ method including a crucible, crucible rotating means and pulling means for pulling the single crystal from the semiconductor melt contained in the crucible by seed crystals According to the present invention, an asymmetric magnetic field having a higher magnetic field strength than the upper portion is formed based on a zero gauge plane (ZGP) having a vertical component of zero applied by an upper / lower coil installed around the crucible or a chamber (manufacturing device). It is applied to the crucible, characterized in that it further comprises a magnetic field applying means for applying a magnetic field horizontal component or a vertical field of 800G or less at the point where the surface of the semiconductor melt and the sidewall of the crucible vertically.
바람직하게, 상기 자기장 인가수단은 소정 거리 이격된 상부 코일 및 하부 코일을 포함하고, 상부 코일 및 하부 코일은 도가니와 동축적으로 배치된다. Preferably, the magnetic field applying means comprises an upper coil and a lower coil spaced a predetermined distance, the upper coil and the lower coil is disposed coaxially with the crucible.
바람직하게, 상기 비대칭 자기장은 커스프(Cusp) 타입의 자기장이다.Preferably, the asymmetric magnetic field is a Cusp type magnetic field.
바람직하게, 상기 도가니는 석영 도가니이고, 상기 반도체 멜트는 실리콘 멜트이다. Preferably, the crucible is a quartz crucible and the semiconductor melt is a silicon melt.
바람직하게, 상기 반도체 단결정 성장 장치의 조업시간은 60 시간 이상이다.Preferably, the operation time of the semiconductor single crystal growth apparatus is 60 hours or more.
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이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기 로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to the common or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents that may be substituted for them at the time of the present application It should be understood that there may be water and variations.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 단결정 제조 장치의 개략적인 구성도이다. 1 is a schematic configuration diagram of a semiconductor single crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 반도체 단결정 제조 장치는, 고온으로 용융된 반도체 멜트(SM)가 수용되는 도가니(10); 상기 도가니(10)의 외주면을 감싸며, 도가니(10)의 외주면을 일정한 형태로 지지하는 도가니 하우징(20); 상기 도가니 하우징(20) 하단에 설치되어 하우징(20)과 함께 도가니(10)를 회전시키는 도가니 회전수단(30); 상기 도가니 하우징(20)의 측벽으로부터 소정 거리 이격되어 도가니(10)를 가열하는 가열수단(40); 상기 가열수단(40)의 외곽에 설치되어 가열수단(40)으로부터 발생되는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열수단(50); 종자결정을 이용하여 상기 도가니(10)에 수용된 반도체 멜트(SM)로부터 단결정(C)을 인상하는 단결정 인상수단(60); 및 단결정 인상수단(60)에 의해 인상되는 단결정(C)의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 단결정(C)으로부터 방출되는 열을 반사하는 열실드 수단(70);을 포함한다. 이러한 구성 요소들은 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 반도체 단결정 제조 장치의 통상적인 구성요소이므로 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Referring to FIG. 1, the semiconductor single crystal manufacturing apparatus of the present invention includes a
본 발명에 따른 반도체 단결정 제조 장치는 상술한 구성요소에 더하여 도가니(10)에 자기장을 인가하는 자기장 인가수단(80a, 80b: 이하, 80으로 통칭함)을 더 포함한다. 바람직하게, 상기 자기장 인가수단(80)은 도가니(10) 내에 수용된 고온의 반도체 멜트(SM)에 비대칭 자기장(Gupper, Glower: 이하, G라고 통칭함)을 인가한다. The semiconductor single crystal manufacturing apparatus according to the present invention further includes magnetic field applying means (80a, 80b, hereinafter referred to as 80) for applying a magnetic field to the
여기서, 비대칭 자기장(G)이라 함은 자기장의 수직성분이 0이 되는 ZGP(Zero Gauss Plane: 90)를 기준으로 상부의 자기장(Gupper) 세기보다 하부의 자기장(Glower) 세기가 더 큰 자기장을 의미한다. 즉 R = Glower/Gupper 가 1보다 큰 자기장이다. 이러한 비대칭 자기장 조건에서, 상기 ZGP(90)는 대략 상부가 볼록한 포물선 형태를 갖는다. Here, the asymmetric magnetic field (G) refers to a magnetic field having a higher G lower intensity than the G upper intensity based on ZGP (Zero Gauss Plane 90) where the vertical component of the magnetic field is zero. Means. That is, R = G lower / G upper is a magnetic field greater than one. Under these asymmetric magnetic field conditions, the ZGP 90 has a parabolic shape with approximately convex tops.
바람직하게, 상기 자기장 인가수단(80)은 커스프(Cusp) 타입의 비대칭 자기장(G)을 도가니(10)에 인가한다. 이러한 경우, 상기 자기장 인가수단(80)은 단열수단(50)의 외주면과 소정 거리 이격되어 설치된 환형의 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)을 포함한다. 바람직하게, 상기 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)은 실질적으로 도가니(10)와 동축적으로 설치된다. Preferably, the magnetic field applying means 80 applies a cusp type asymmetric magnetic field G to the
상기 비대칭 자기장(G)을 형성하기 위해, 일예로 상기 상부 코일(80a) 및 하 부 코일(80b)에는 서로 다른 크기의 전류가 인가된다. 즉, 상부 코일(80a)보다 하부 코일(80b)에 더 큰 전류를 인가한다. 대안적으로, 상기 상부 코일(80a) 및 하부 코일(80b)에 인가되는 전류의 크기는 같고, 각 코일의 권선수를 조절하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수 있다. 또 다른 대안으로, 코일에 인가되는 전류와 코일의 권선수를 동시에 조절하여 비대칭 자기장(G)을 형성할 수도 있다. In order to form the asymmetric magnetic field G, for example, different sizes of currents are applied to the
상기 비대칭 자기장(G)이 도가니(10)에 인가됨에 있어서, 도가니(10) 내에 수용된 반도체 멜트(SM)의 상부 표면과 도가니의 측벽이 수직으로 만나는 지점(100)의 수평 자기장 성분 또는 수직 자기장 성분의 크기는 800G 이하인 것이 바람직하다. 그러면 실리콘 멜트(SM)의 대류 속도가 느려져 도가니(10) 표면에서 유발되는 결정화 반응을 지연시킬 수 있고 도가니(10)가 열화되어 그 형태가 변형되는 것을 방지할 수 있다. 이에 대해서는 실험예를 통하여 후술될 것이다.When the asymmetric magnetic field G is applied to the
바람직하게, 상기 반도체 단결정 제조 장치는 실리콘 단결정 성장을 위해 사용된다. 이러한 경우, 상기 도가니(10)에 수용된 고온의 반도체 멜트(SM)는 실리콘 멜트이며, 도가니(10)는 석영 도가니이다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않으며 본 발명이 속한 기술 분야에서 공지된 다양한 반도체 단결정 제조에 사용될 수 있다. 따라서 도가니와 여기에 수용되는 반도체 멜트의 구체적인 성분은 제조 대상이 되는 반도체 단결정의 종류에 따라 여러 가지 변형이 있을 수 있음은 물론이다.Preferably, the semiconductor single crystal manufacturing apparatus is used for silicon single crystal growth. In this case, the high temperature semiconductor melt SM accommodated in the
도 2는 본 발명에 따른 반도체 단결정 제조 장치가 실리콘 단결정 제조에 사용된 경우, 실리콘 멜트와 석영 도가니 주변의 자기장 분포(위쪽 도면), 그리고 실리콘 멜트의 위치별 대류 속도(아래쪽 도면)를 시뮬레이션하여 도시한 것이다. 도 2에서 좌측 도면은 R(Glower/Gupper)이 1.36인 경우이고, 우측 도면은 R(Glower/Gupper) 이 2.3인 경우이다. 그리고 참조번호 90은 자기상의 수직 성분이 0이 되는 ZGP를 나타낸다. FIG. 2 shows a simulation of the magnetic field distribution around the silicon melt and the quartz crucible (upper view) and the convection velocity by position of the silicon melt (lower view) when the semiconductor single crystal manufacturing apparatus according to the present invention is used for the production of silicon single crystal It is. In FIG. 2, the left figure shows a case where R (G lower / G upper ) is 1.36 and the right figure shows a case where R (G lower / G upper ) is 2.3.
도 2를 참조하면, R 값이 1.36에서 2.3으로 증가함에 따라 ZGP(90)의 위치는 상승한다는 것을 알 수 있다. R 값이 증가한다는 것은 상부 코일보다는 하부 코일의 자기장 세기가 크다는 것을 의미한다. 따라서 R 값이 커지면 ZGP(90)는 점점 상부로 이동할 것임은 자명하다. Referring to FIG. 2, it can be seen that the position of the
상기와 같이 R 값을 증가시킨 후, 석영 도가니(10) 측벽의 하단부에 위치한 만곡 지점 A에서 자기장의 세기를 계산한 결과, 자기장의 세기는 87G에서 200G로 증가하였다. 이에 따라, 석영 도가니 측벽의 하단부 만곡 지점 A, 고액 계면의 최외곽 지점 B, 그리고 석영 도가니 바닥 지점 C 모두에서 실리콘 멜트의 대류속도는 감소하게 된다. 구체적으로, 지점 A에서는 3.2cm/s에서 2.7cm/s로, 지점 B에서는 2.3cm/s에서 2.2cm/s로, 지점 C에서는 1.6cm/s에서 1.4cm/s로 대류 속도가 감소된다. 대류 속도의 감소 정도를 보면 석영 도가니(10)의 만곡 지점 A에서 속도 감소가 두드러지는 것을 확인할 수 있다.After increasing the R value as described above, the strength of the magnetic field was calculated at the bending point A located at the lower end of the sidewall of the
위와 같이 R 값의 증가에 의해 실리콘 멜트(SM)의 대류 속도가 감소되면, 석영 도가니(10) 표면에서 크리스토바라이트가 결정화되는 속도를 감소시킬 수 있다. 이에 따라 바람직하게는 60 시간 이상의 장시간 조업 환경에서도 크리스토바라이트가 표면 박리될 정도의 크기로 성장되는 것을 억제할 수 있다. 이러한 효과는 다음 의 실험 결과를 통하여 분명하게 확인된다.When the convection speed of the silicon melt (SM) is reduced by increasing the R value as described above, it is possible to reduce the rate of crystallization of cristobarite on the surface of the
<실험예>Experimental Example
비교예1Comparative Example 1
자기장을 인가하지 않은 상태에서, CZ법에 의해 100시간 동안 직경 200mm의 실리콘 단결정을 1500mm로 성장시켰다. 그런 다음 석영 도가니의 측벽부, 만곡부 및 바닥부의 표면을 사진으로 촬영하였다. 도 3은 이렇게 촬영된 사진을 각각 도시한 것이다. 도 3에서 (a)는 측벽부 사진, (b)는 만곡부 사진, 그리고 (c)는 바닥부 사진이다. In a state where no magnetic field was applied, a silicon single crystal having a diameter of 200 mm was grown to 1500 mm for 100 hours by the CZ method. Then, the surface of the side wall, the bend and the bottom of the quartz crucible was photographed. 3 shows the photographs taken in this way. In FIG. 3, (a) is a side wall part photograph, (b) is a curved part photograph, and (c) is a bottom part photograph.
도 3을 참조하면, 자기장을 인가하지 않음으로 인해 석영 도가니 표면 전체에 걸쳐 다량의 크리스토바라이트가 발생하여 석용 도가니의 결정화가 활발히 진행되었음을 확인할 수 있다. 상기 크리스토바라이트는 실리콘 단결정 성장 중 석영 도가니로부터 표면 박리되어 대류에 의해 고액계면으로 이동한 후 단결정 실리콘 내로 혼입됨으로써 전위 결함의 결정적 요인으로 작용한다. 이에 따라, 실리콘 단결정의 품질을 저하시켜 수율 감소를 초래한다.Referring to FIG. 3, it can be seen that a large amount of cristobarite is generated over the entire surface of the quartz crucible due to the absence of a magnetic field, thereby actively crystallizing the stone crucible. The cristobarite surface is peeled off from the quartz crucible during silicon single crystal growth, moved to the solid-liquid interface by convection, and then incorporated into single crystal silicon to act as a determinant of dislocation defects. As a result, the quality of the silicon single crystal is reduced, resulting in a decrease in yield.
비교예2Comparative Example 2
대칭적인 커스프(Cusp) 자기장을 인가한 상태에서, CZ법에 의해 87시간 동안 직경 200mm의 실리콘 단결정을 1200mm의 길이로 성장시켰다. 이 때 실리콘 멜트와 석영 도가니 측벽이 수직으로 만나는 지점(도 1의 100 참조)의 자기장 세기는 17G였고, 석영 도가니 하단부에 위치한 만곡부(도 2의 A 참조) 및 고액 계면 최외곽 지점(도 2의 B 참조)의 자기장 세기는 각각 62G 및 17G였다. In a state in which a symmetric Cusp magnetic field was applied, a silicon single crystal having a diameter of 200 mm was grown to a length of 1200 mm for 87 hours by the CZ method. At this time, the magnetic field strength at the point where the silicon melt and the quartz crucible sidewall vertically met (see 100 in FIG. 1) was 17G, and the bent portion (see FIG. 2A) located at the bottom of the quartz crucible and the outermost point of the solid interface (see FIG. 2). Magnetic field strengths were 62G and 17G, respectively.
그런 다음 석영 도가니의 만곡부의 표면과 단면을 사진으로 촬영하였다. 도 4는 이렇게 촬영된 사진을 도시한다. 도 4에서 (a)는 석영 도가니 만곡부의 표면 사진을, (b)는 만곡부의 단면 사진이다. Then, the surface and the cross section of the curved portion of the quartz crucible were photographed. 4 shows a photograph thus taken. In FIG. 4, (a) is a surface photograph of the quartz crucible bend, and (b) is a cross-sectional picture of the bend.
도 4를 참조하면, 커스프 자기장을 인가한 경우에도 석영 도가니의 만곡부 부분에서 크리스토바라이트의 결정화가 다량 발생하였음을 확인할 수 있다. 또한 도 4(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 크리스토바라이트의 결정화 정도는 육안으로 확인할 수 있을 정도로 확연하게 나타났다(점선 원 부근 참조). 따라서 대칭적 자기장으로는 크리스토바라이트의 결정화를 효과적으로 억제시킬 수 없으므로 고품질의 실리콘 단결정을 제조하는데 한계가 있다. Referring to FIG. 4, it can be seen that crystallization of cristobarite occurs in the curved portion of the quartz crucible even when a cusp magnetic field is applied. In addition, as can be seen in Fig. 4 (a), the degree of crystallization of cristobarite was apparent enough to be seen with the naked eye (see the dotted circle). Therefore, since the crystallization of cristobarite cannot be effectively suppressed by the symmetric magnetic field, there is a limit in producing a high quality silicon single crystal.
또한, 석영 도가니의 만곡부 단면을 보면 그 두께가 일정하지 않은 것을 확인할 수 있다. 이는 장시간 조업으로 인해 석용 도가니가 열화되어 형상이 변형되었음을 의미한다. 이러한 석영 도가니의 변형은 실리콘 멜트의 안정적 대류에 악영향을 미친다. 특히 실리콘 단결정 성장 공정의 후반부로 갈수록 석영 도가니의 변형 정도가 커질 것임은 자명하다. 따라서 공정 후반부에서 실리콘 멜트의 대류 패턴 변화가 심해져 플라워(flower) 또는 도그 레그(dog-leg)와 같은 공정 이상 현상이 유발될 가능성이 크다. 이러한 공정 이상 현상이 유발되면 실리콘 단결정의 품질이 저하되어 수율이 감소한다.In addition, when looking at the cross section of the curved part of the quartz crucible, it can be confirmed that the thickness is not constant. This means that the stone crucible deteriorated due to prolonged operation, which deformed the shape. This deformation of the quartz crucible adversely affects the stable convection of the silicon melt. In particular, it is obvious that the degree of deformation of the quartz crucible will increase as the latter part of the silicon single crystal growth process increases. Therefore, the change in the convection pattern of the silicon melt in the second half of the process is likely to be severe, causing a process abnormality such as a flower or a dog-leg. When such process abnormalities are induced, the quality of the silicon single crystal is degraded and the yield is reduced.
실시예Example
본 발명에 따라 R이 1보다 큰 비대칭 자기장을 인가한 상태에서 132시간 동안 직경 200mm의 실리콘 단결정을 1500mm의 길이로 성장시켰다. 이 때, R 값은 2.3 으로 설정하였고, 실리콘 멜트 표면과 석영 도가니 측벽이 수직으로 만나는 지점(도 1의 100 참조)의 자기장 세기는 66G였고, 석영 도가니 만곡 지점(도 2의 A 참조) 및 고액 계면 최외곽 지점(도 2의 B 참조)의 자기장 세기는 각각 200G 및 84G였다. According to the present invention, a silicon single crystal having a diameter of 200 mm was grown to a length of 1500 mm for 132 hours while an asymmetric magnetic field with R greater than 1 was applied. At this time, the R value was set to 2.3, the magnetic field strength at the point where the silicon melt surface and the quartz crucible sidewall vertically met (see 100 in FIG. 1) was 66 G, the quartz crucible curved point (see A in FIG. 2) and the solid solution The magnetic field strengths at the outermost point of the interface (see B in FIG. 2) were 200G and 84G, respectively.
그런 다음 석영 도가니 만곡부 표면 사진을 촬영하고, 석영 도가니를 파쇄하여 만곡부와 바닥부의 단면 사진을 촬영하였다. 도 5는 이렇게 촬영된 사진을 도시한다. 도 5의 (a)는 석영 도가니 만곡부의 표면 사진을, (b)는 석영 도가니 바닥부의 단면 사진을, (c)는 석영 도가니 만곡부의 단면 사진을 나타낸다. Then, a quartz crucible curved surface photograph was taken, and a quartz crucible was crushed to take a cross-sectional photograph of the curved portion and the bottom portion. 5 shows a photograph taken in this way. Fig. 5 (a) shows the surface photograph of the quartz crucible bend, (b) shows the cross section photograph of the bottom of the quartz crucible, and (c) shows the cross section photograph of the quartz crucible bend.
도 5의 (a)를 참조하면, 육안으로 확인될 정도로 크리스토바라이트의 결정화가 진행되지 않았다. 도 4의 (a)와 대비하여 볼 때, 석영 도가니의 내부 표면은 오염이 거의 발생되지 않아 거의 순백색에 가깝다. 뿐만 아니라, 크리스토바라이트의 결정화가 어느 정도 진행되긴 하였지만 그 정도가 현저하게 작음을 확인할 수 있다. 따라서 132시간 정도의 장시간 조업 환경에서도 석영 도가니 표면에서 크라스토바라이트의 표면 박리가 실질적으로 발생되지 않는다. 뿐만 아니라 도 5의 (b) 및 (c)를 참조하면, 석영 도가니 만곡부 및 바닥부의 두께가 균일한 것으로 보아 장시간 조업 환경에서도 석영 도가니의 형태가 거의 변형되지 않았음을 알 수 있다.Referring to Figure 5 (a), the crystallization of cristobarite did not proceed to the extent that it is visually confirmed. In contrast to FIG. 4A, the inner surface of the quartz crucible is almost pure white due to little contamination. In addition, although the crystallization of the cristobarite proceeded to some extent, it can be seen that the degree is significantly small. Therefore, the surface peeling of the crastobarite is not substantially generated on the surface of the quartz crucible even in a long operating environment of about 132 hours. In addition, referring to Figure 5 (b) and (c), it can be seen that the shape of the quartz crucible is hardly deformed even in a long time operating environment because the thickness of the quartz crucible curved portion and the bottom portion is uniform.
비교 실험예Comparative Experiment
상술한 비교예1 및 2, 그리고 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 방법을 실제 공정에 적용한 후 수율을 측정해 보았다. 그런 다음 그 결과를 하기 표1로 정리 하였다. After the silicon single crystal growth method according to Comparative Examples 1 and 2 described above and the examples were applied to an actual process, the yield was measured. Then the results are summarized in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
상기 표 1에서, 'Lot수'는 성장 시킨 실리콘 단결정의 수, 'charge'는 석영 도가니에 투입한 다결정 실리콘의 량(단위: kg), 'Total Length'는 성장시킨 실리콘 단결정의 총 길이, 'cm/run'은 성장시킨 각 실리콘 단결정의 평균 길이, 'Yield'는 수율, 그리고 '조업 시간'은 실리콘 단결정 성장 공정을 진행한 총 시간을 나타낸다.In Table 1, 'Lot number' is the number of silicon single crystals grown, 'charge' is the amount of polycrystalline silicon injected into the quartz crucible (unit: kg), 'Total Length' is the total length of the silicon single crystal grown, ' cm / run 'is the average length of each silicon single crystal grown,' Yield 'is the yield, and' operation time 'is the total time of the silicon single crystal growth process.
표 1을 참조하면, 실시예와 같이 비대칭 자기장을 인가함으로써 석영 도가니 표면에서의 크리스토바라이트 결정화 속도를 지연하고 석영 도가니의 형태 변형을 방지한 결과, 약 130 시간에 이르는 장시간 조업 환경에서도 실리콘 단결정 수율이 비교예1 및 2에 비해 매우 우수하다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 조업 시간 연장에 의해 실리콘 단결정의 대구경화가 가능하고 멀티-풀 공정의 적극적 도입으로 단결정 제조 공정의 생산성을 극대화할 수 있다는 것을 의미한다. Referring to Table 1, the application of an asymmetric magnetic field as described in Example 1 delayed the crystallization rate of cristobarite on the surface of the quartz crucible and prevented the morphology of the quartz crucible, resulting in silicon single crystal yield even in a long time operation environment of about 130 hours. It can be confirmed that it is very excellent compared to the Comparative Examples 1 and 2. This result means that the large size of the silicon single crystal can be increased by the increase of the operating time, and the productivity of the single crystal manufacturing process can be maximized by the active introduction of the multi-pull process.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
본 발명에 따르면, CZ법을 이용하여 200mm 이상의 대구경을 갖는 장시간의 반도체 단결정 제조 과정에서, 도가니 표면의 결정 박리 현상으로 인한 반도체 단결정의 전위 결함을 효과적으로 억제할 수 있으므로 고품질의 반도체 단결정 제조가 가능하다. According to the present invention, in the process of manufacturing a semiconductor single crystal having a large diameter of 200 mm or more by using the CZ method, it is possible to effectively suppress the dislocation defects of the semiconductor single crystal due to crystal delamination on the surface of the crucible, thereby enabling the production of high quality semiconductor single crystal. .
본 발명의 다른 측면에 따르면, 장시간 조업 환경에서도 석영 도가니의 형태적 변형을 방지할 수 있으므로 도가니의 용량 증대가 가능하다. 따라서 반도체 단결정의 대구경화가 가능하고 멀티-풀 공정의 적극적 도입에 의해 반도체 단결정 제조 공정의 생산성(수율)을 극대화할 수 있다. According to another aspect of the present invention, it is possible to prevent the morphological deformation of the quartz crucible even in a long time operating environment, it is possible to increase the capacity of the crucible. Therefore, the large diameter of the semiconductor single crystal is possible, and the productivity (yield) of the semiconductor single crystal manufacturing process can be maximized by the active introduction of the multi-pull process.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, CZ 법을 이용한 반도체 단결정 성장 장치의 핵심 부품인 도가니의 수명을 연장시킴으로써 반도체 단결정의 생산 원가를 절감할 수 있고 또 기존 장비의 간단한 설계 변경만으로도 생산에 곧 바로 적용이 가능하다는 경제적 이점이 있다.According to another aspect of the present invention, by extending the life of the crucible, which is a key component of the semiconductor single crystal growth apparatus using the CZ method, it is possible to reduce the production cost of the semiconductor single crystal and immediately apply it to production even with a simple design change of the existing equipment. There is an economic advantage that this is possible.
Claims (11)
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