KR100799362B1

KR100799362B1 - 실리콘 단결정의 제조방법

Info

Publication number: KR100799362B1
Application number: KR1020017013579A
Authority: KR
Inventors: 키타가와코지; 소노카와스스무
Original assignee: 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
Priority date: 2000-02-25
Filing date: 2001-02-21
Publication date: 2008-01-30
Also published as: EP1193332A4; DE60138443D1; EP1193332B1; WO2001063026A1; EP1193332A1; TW546426B; US6506251B1; KR20020006710A; JP4165068B2

Abstract

본 발명은, CZ법에 의한 쵸크랄스키 단결정제조방법에 있어, 실리콘 융액에 접촉되는 종자결정선단부 형상이 뽀족한 형상 또는 뽀족한 선단을 절취한 형상의 종자결정을 사용하고, 종자결정 선단을 융액에 천천히 접촉시킨후, 종자결정을 저속도로 하강시키거나 융액면을 저속도로 상승시켜 종자결정선단부를 소망의 두께가 될때까지 용융한후, 종자결정을 천천히 상승시키거나, 융액면을 천천히 하강시켜 넥킹을 행하지 않고 단결정봉을 육성하는 단결정 제조방법에 있어서, 종자결정 선단부를 융액에 천천히 접촉시킨후 5분이상 종자결정을 보지하여 종자결정을 보온하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조방법이 제공된다. 이에 의해, 넥킹을 행하지 않고 무전위로 종부(種付)하는 방법에 있어서, 무전위화 성공율을 비약적으로 향상시켜, 대직경, 고중량의 실리콘 단결정을 안전하고 효율좋게 저코스트로 제조하는 방법이 제공된다.

종자결정, 넥킹, 종자결정선단부, 보온

Description

실리콘 단결정의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING SILICON SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 쵸크랄스키법(Czochralski Method, CZ법)에 의하여 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.

종래, CZ법에 의한 실리콘 단결정 제조에 있어서, 단결정 실리콘을 종자결정으로 이용하고, 이를 실리콘 융액에 접촉시켜 종부(種付)한 후 회전시키면서 천천히 인상함으로써 단결정봉을 성장시키고 있다. 이때, 종자결정을 실리콘 융액에 접촉시킨후에 열충격에 의해 종자결정에 고밀도로 발생하는 슬립전위로부터 전파되어 생기는 전위를 소멸시키기 위해, 직경을 3mm정도로 일단 가늘게 넥킹부를 형성하는 소위 넥킹(necking)을 행하고, 다음으로 소망의 구경으로 될 때까지 결정을 두껍게 하여 무전위의 실리콘 단결정을 인상하고 있다. 이러한 넥킹은 데쉬 넥킹(Dash Necking)법으로서 널리 알려져 있으며, CZ법으로 실리콘 단결정봉을 인상하는 경우의 상식으로 되고 있다.

즉, 종래 이용된 단결정 형상은, 예컨데 직경 또는 그 일변(一邊)이 약 8~20mm의 원주상이나 각주상(角柱狀)의 단결정을 종자홀더(holder)에 세트(set)하기 위해 절흠부(切欠部)를 부설해야 하므로 최초 실리콘 융액에 접촉하는 하방의 선단형상은 평탄면으로 되어 있다. 그리고 고중량의 단결정봉 중량을 견디고 안전 하게 인상되기 위해서는, 종자결정의 두께는 소재의 강도에 비추어 상기 이하로 가늘게 하는 것은 곤란하다.

이러한 형상의 종자결정(種結晶)은 융액과 접촉하는 선단의 열용량이 크기때문에, 종자결정이 융액에 접촉되는 순간에 결정내에 급격한 온도차가 생기고 슬립전위가 고밀도로 발생된다. 따라서 이 슬립전위를 제거하고 단결정을 육성하기 위해서는 상기 넥킹이 필요하게 되는 것이다.

그러나 이러한 상태에서는 넥킹조건을 다양하게 선택하여도 무전위화하기 위해서는 적어도 최소직경을 3~5mm정도로 줄여줄 필요가 있으며, 근자의 실리콘 단결정경(單結晶徑)의 대구경화에 수반하여, 고중량화된 단결정봉을 지지함에는 강도가 불충분하고, 단결정인상중에 이 가느다란 넥킹부가 파단하여 단결정봉이 낙하는등의 문제가 생길 염려가 있었다. 예컨데, 직경 5mm의 넥킹이 있으면, 안전율을 보아 250kg정도의 결정을 인상하는 것이 한도로 되고, 대직경의 결정을 양호한 효율로 생산하는 것은 곤란하다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 특개평4-104988호공보, 특개평4-139092호공보등의 발명이 제안되어 있다. 이러한 발명들은 종자결정의 선단부의 형상을 테이퍼(taper)상으로 함으로써 융액과 접촉하는 종자결정의 선단부의 열용량을 적게하고, 종자결정이 융액에 접촉되는 순간에 발생하는 슬립전위를 매우 작게 함으로써 사실상 넥킹프리(necking free)한 결정성장을 실현하는 것이다.

이러한 방법들에서는 넥킹공정을 단축할 수 있고 넥킹부의 직경을 크게할 수 있기 때문에, 단결정봉 인상중에 넥킹부가 파단하여 단결정봉이 낙하하는등의 문제 를 회피할 수 있다.

이러한 선단부가 특수형상의 종자결정을 이용하는 종부(種付)방법에서 문제로 되는 것은 무전위화(無轉位化) 성공율에 있다.

즉, 이러한 방법들에서는 일단 종자결정의 무전위화에 실패하면, 데쉬 넥킹법에 의해 넥킹을 행하거나 종자결정을 새로운 것으로 교환하여 다시 세우지 않으면 안되기 때문에, 공업적으로 널리 실시함에는 무전위화 성공율을 향상시키는 것이 특히 중요하다.

그렇지만, 상기 제안에서는 충분한 재현성이 얻어질만한 상세한 종부(種付)조건은 제시되어 있지 않으며, 무전위화 성공율은 반드시 만족하게 얻어지는 것은 아니었다.

따라서 본 발명은 이러한 종래 문제점을 감안하여 마련된 것으로, 넥킹을 행하지 않는 종부(種付)법에 있어서, 무전위화 성공율을 비약적으로 향상시켜 대직경, 고중량의 실리콘 단결정을 안전하고 효율좋게 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 단결정 제조방법은, 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조방법으로서, 실리콘 융액에 접촉되는 종자결정 선단부(先端部)의 형상이, 뽀족한 형상(尖形狀) 또는 뽀족한 선단이 절취(切取)된 형상인 종자결정을 사용하고, 먼저 상기 종자결정의 선단을 실리콘 융액에 천천히 접촉시킨후 상기 종자결정을 낮은 속도로 하강시키거나, 또는 실리콘 융액면을 낮 은 속도로 상승시킴으로써 종자결정 선단부를 소망의 두께로 될때까지 용융하고, 그후 상기 종자결정을 천천히 상승시키거나, 또는 실리콘 융액면을 천천히 하강시켜 넥킹을 행하지 않고 실리콘 단결정봉을 육성하는 실리콘 단결정 제조방법에 있어서, 상기 종자결정의 선단을 실리콘 융액에 천천히 접촉시킨 시점에서 5분이상 종자결정을 보지(保持)함으로써 상기 종자결정을 보온시키는 것을 특징으로 하는 것이다.

이와 같이, 종자결정의 선단을 실리콘 융액에 천천히 접촉시킨후 5분이상 종자결정을 보지함으로써 종자결정을 보온(保溫)하면, 종자결정의 온도가 충분히 상승하므로, 그 후 용융공정에 있어서 슬립전위가 발생할 확율이 저감하고, 무전위화 성공율을 비약적으로 향상시켜 대직경, 고중량의 실리콘 단결정을 안전하고 효율좋게 제조할 수가 있다.

더욱이, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조방법은, 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 제조방법으로서 실리콘 융액에 접촉되는 종자결정 선단부의 형상이, 뽀족한 형상(尖形狀) 또는 뽀족한 선단이 절취(切取)된 형상인 종자결정을 사용하고, 먼저 상기 종자결정의 선단을 실리콘 융액에 천천히 접촉시킨후 상기 종자결정을 낮은 속도로 하강시키거나, 또는 실리콘 융액면을 낮은 속도로 상승시킴으로써 종자결정 선단부를 소망의 두께로 될때까지 용융하고, 그후 상기 종자결정을 천천히 상승시키거나, 또는 실리콘 융액면을 천천히 하강시켜 넥킹을 행하지 않고 실리콘 단결정봉을 육성하는 실리콘 단결정 제조방법에 있어서, 상기 종자결정의 선단을 실리콘 융액에 천천히 접촉시켜 종자결정 선단부를 5mm이하의 길이로 용융한후, 5분이상 종자결정을 보지(保持)함으로써 상기 종자결정을 보온하는 것을 특징으로 하고 있다.

이와 같이, 종자결정 선단부를 실리콘 융액에 천천히 접촉시킨후, 종자결정 선단부 5mm이하의 길이를 용융한후 5분이상 종자결정을 보지하면, 종자결정 선단부의 온도를 실리콘 융액표면의 온도와 거의 동등하게 할 수 있으며, 또한 선단부가 뽀족한 형상을 사용하고 있으므로 종자결정 선단부를 용융하여도 그 길이가 5mm이하로 하면 실리콘 융액에 접촉하는 순간에 용융되기 때문에 슬립전위가 발생하지 않은 것이 밝혀졌다.

이것들의 경우, 상기 종자결정 선단부를 소망의 두께까지 용융하고, 그후 상기 종자결정을 천천히 상승시키거나, 또는 실리콘 융액면을 천천히 하강시켜 단결정봉을 성장시키는 공정에 있어서, 적어도 종자결정 선단부를 소망의 두께까지 용융을 완료한 위치에서부터 3mm의 구간내에서 결정의 직경을 용융완료시의 직경보다도 0.3mm이상 2mm이하로 축경(縮徑)한후, 확경(擴徑)을 행함이 바람직하다.

이와 같이, 종자결정을 천천히 상승시키거나 실리콘 융액면을 천천히 하강시켜 단결정봉을 성장시키는 공정에서, 적어도 종자결정의 선단부를 소망의 두께까지 용융을 완료한 위치에서부터 3mm의 구간내에서, 종자결정의 직경을 용융완료시의 직경보다도 0.3mm이상 2mm이하 축경시킨후 확경되도록 실리콘 융액의 온도를 조정하면, 상기 종자결정을 용융하는 공정에서 종자결정의 선단부가 빠르게 용융되는 온도로 되어 있기 때문에 슬립전위를 발생시키지 않고 소망의 직경까지 상기 종자결정을 용융시킬 수가 있다.

이것은, 대직경 고중량결정을 제조하기 위해서는, 도가니내의 융액량도 고중량으로 되어 열용량이 크게 되고, 실리콘 융액의 온도를 단시간에 저하시킬 수 없다. 따라서 용융완료후 곧바로 확경(擴徑)을 행하기 위해서는 종자결정을 용융하는 공정에서 실리콘 융액온도를 낮추어 시작할 필요가 있지만, 실리콘 융액의 온도가 충분히 높지 않은 상태에서는 종자결정 선단이 융액표면에서 빠르게 용융되지 않게 되고 고체상태로 실리콘 융액중으로 침입하여 슬립전위가 발생해 버리기 때문이다. 상기 방법에서 슬립전위를 발생시키지 않고 충분한 직경까지 용융을 행하면, 그후의 확경공정에서 용융완료부터 3mm의 구간내에서 0.3mm이상 2mm 축경된 후에도 충분한 직경을 확보할 수 있으며, 대직경 고중량결정을 제조함에 강도가 부족하는 일은 없다.

더욱이, 이들 경우, 종자결정을 저속도 하강시키거나, 또는 실리콘 융액면을 저속도로 상승시키고, 종자결정 선단부를 소망의 두께로 될때까지 용융하는 속도를 1분당 용융하는 종자결정 선단부의 체적이 50mm³이하가 되도록 연속적 또는 단계적(step 狀)으로 종자결정의 하강속도 또는 실리콘 융액면의 상승속도를 정할 수 있다.

슬립전위를 발생시킴이 없이 종자결정 선단부를 용융하기 위해서는, 종자결정 선단부가 용탕(melt)표면에서 빠르게 용융하고, 고체상태로 실리콘 융액에 들어가지 않도록 하면 되지만, 단순히 종자결정 선단부를 용융하는 스피드(speed)를 저속으로 조정하면 용융에 따른 시간이 장시간이 되고 생산성이 악화됨과 아울러, 종 자결정의 선단부와 접촉하는 실리콘 융액의 온도변동에 의해 슬립전위가 발생할 우려도 있다.

덧불여 이들 경우, 실리콘 융액을 수용하는 도가니중의 용탕표면에 1000G이상의 수평자장을 인가하는 것이 바람직하다.

실리콘 융액을 수용하는 도가니중의 용탕 표면에 1000G이상의 수평자장을 인가하면, 실리콘 융액의 대류가 억제되고 융액의 온도변동에 의해 슬립전위가 발생하는 것을 회피할 수 있으므로 무전위화 성공율을 크게 향상시킬 수가 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 넥킹함이 없이 종부(種付)하는 무전위 종부(種付)법에 있어서, 높은 무전위화 성공율을 거둘 수 있으며, 종래법에 비해 고생산성, 고수율, 저코스트로 고중량의 무전위 실리콘 단결정을 제조하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명의 무전위 종부법을 나타내는 설명도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1에는, 본 발명의 넥킹을 행하지 않고 단결정을 성장시키는 방법으로 성장된 단결정의 종자결정 부근의 확대도를 나타낸다.

본 발명자등은, 상기 특개평4-139092호공보등에서 제안되어 있는 방법에 의 해 넥킹으로 단결정 성장을 행하려고 하면 그 무전위화 성공율이나 그 재현성이 충분만족하게 얻어지는 수준에 도달하지 못하는 경우가 있어, 그 원인을 조사·구명한 바 슬립전위의 발생원인으로서 종자결정을 용융하기 전의 종자결정의 보온방법, 종자결정을 용융하는 속도와 용융에 필요한 시간등이 깊게 관계되어 있음을 발견하고, 상세한 조건을 판단하여 본 발명을 완성하였다.

특개평4-139092호공보등에서 제안되어 있는 방법에서는 「종자결정의 테이퍼선단부를 실리콘 융액에 침적하기 전에, 융액 직상(直上)에서 5분이상 보지하여 테이퍼 선단부를 융점부근의 온도까지 가열하고 나서 테이퍼 선단부를 융액에 침적한다」라고 되어 있지만, 현재 일반적으로 널리 이용되고 있는 와이어에 의한 종자결정 인상기구, 또는 샤프트(shaft)에 의한 종자결정 인상기구중 어느 것을 이용한 경우에도 종자결정 선단위치를 정확하게 정하는 것은 매우 곤란하다.

한편, 실리콘 융액면 직상의 분위기온도는, 로내(爐內)를 보온하고 있는 흑연부품의 구성에도 따르지만, 융액표면에서 부터 50mm위까지의 범위에서 약 1℃/mm, 융액표면으로 부터 20mm위까지의 범위에서는 2℃/mm 정도의 온도구배로 되어 있다. 이 때문에, 융액직상에서의 종자결정 보지위치(保持位置)가 벗어나는 경우에는, 보온시의 종자결정 선단온도가 저온화되고 무전위화 성공율이 현저하게 저하되는 것은 아닌가 생각된다. 또한 탕면상에서의 보온에는 종자결정이 한번도 융액에 접촉되어 있지 않기 때문에 열전도에 의한 보온이 안되고, 충분히 종자결정이 고온화하고 있지 않는 것이 예측된다.

따라서 선단부의 형상이 뽀족한 형상 또는 뽀족한 선단을 절취(切取)된 형상 으로 있는 종자결정으로서는 특개평10-324594호공보에 제시되어 있는 형상의 종자결정을 사용가능하며, 이 종자결정을 이용하여 다음의 실험을 행하였다.

직경 150mm의 단결정을 인상할때에, 실리콘 종자결정으로서, 실리콘 종자결정 직동부(直胴部)의 일변이 15mm의 사각봉으로 실리콘 종자결정 선단부를 15도 원추상으로 테이퍼 가공하고, 불산과 초산의 혼합산으로 표면을 200㎛이상 에칭한 것을 사용하여 종자결정 홀더에 세트하고, 종자결정 선단을 실리콘 융액에 접촉시킨후 곧바로 종자결정을 실리콘 융액위로 인상하여 종자결정을 그 길이방향으로 평행하게 잘라서(slice) X선 토포그래피(TOPOGRAPHY)에 의해 전위유무를 관찰하였다. 종자결정을 융액에 접촉하는 조업은, 먼저 상기 실리콘 종자결정을 실리콘 융액면으로 부터 약 20cm위의 위치까지 300mm/min의 속도로 하강시켜 그 위치로 부터는 5mm/min의 속도로 하강시켜 행하였다. 종자결정이 실리콘 융액에 접촉되는 위치는 종자결정과 실리콘 융액의 사이에 교류전류를 인가하여 도통(導通)을 검지(檢知)하는 것으로 행하였다.

이렇게 하여, 10개의 종자결정을 이용하여 조사하였는데, 슬립전위가 발생하고 있는 것은 하나도 없으며, 선단부가 뽀족한 형상의 종자결정을 사용한 경우에는 탕면상에 정지시킴으로써 보온을 하지 않고 종자결정을 융액표면에 접촉시키는 것만으로 슬립전위는 발생하지 않음을 발견하였다. 또한 뽀족한 선단을 절취(切取)한 형상의 종자결정에 대해서도 조사를 행하였는데, 동일한 결과를 얻을 수 있었다.

이 때, 종자결정선단부는 실리콘 융액에 접촉되어 빠르게 용융하기 때문에, 종자결정의 강하를 정지시킨 후에, 실리콘 융액과 계속 접촉하지 않고 곧바로 종자 결정선단부와 실리콘 융액은 이탈된 상태로 된다. 이 때문에, 종자결정 선단부가 실리콘 융액에 접촉한 위치에서 부터 더욱이, 종자결정을 강하시키는 거리(종자결정을 침적하는 길이)를 0.5mm에서부터 10mm까지 0.5mm간격으로 실험을 행하고, 종자결정 선단부와 실리콘 융액의 접촉상태를 관찰한 결과, 종자결정 선단부가 실리콘 융액에 접촉하고 나서 융액에 침적하는 거리를 5.5mm이상으로 한 것에는 모두 단결정의 강하정지후에도 종자결정선단부와 실리콘 융액이 계속 접촉한 상태로 되었다. 그리고 이러한 종자결정을 상기와 동일한 방법으로 자른후 X선 토포그래피에 의해 슬립전이를 관찰하였는데, 종자결정선단부가 실리콘 융액에 접촉하고 나서 침적된 거리가 5.0mm이하의 것에는 어느것에도 전위가 관찰되지 않았으며 5.5mm이상의 것에는 모두 전위가 관찰되었다.

상기 결과를 바탕으로, 무전위로 종부(種付)를 행하기 위한 요인을 추출하고, 무전위화 조건을 확립하도록 조사, 실험을 되풀이하였다.

조사한 요인으로는, 표 1에 나타난 바와 같이, 종자결정을 실리콘 융액에 접촉하기 전에 종자결정을 보온하는 때에, 종자결정 선단과 실리콘 융액 표면과의 거리(A) 또는 실리콘 종자결정 선단부와 실리콘 융액을 접촉시킨후, 더욱이 종자결정 선단부를 용융하는 제 1단계의 종자결정 용융공정의 용융길이(B), 종자결정을 실리콘 융액에 접촉시키기 전에 종자결정을 보온할 때 또는 제 1단계의 종자결정 용융공정후에 용융을 정지하여 종자결정을 보온할때의 보온시간(C), 종자결정 보온완료후 종자결정선단 용융공정에서의 종자결정을 용융하는 속도(D), 종자결정 용융완료후, 종자결정을 인상하는 공정에 있어서, 용융완료후의 종자결정 선단직경 M과 소망의 직경까지 확경(擴徑)할때까지의 구간에서의 최소경(最小徑) N(이하, 축경후의 직경이라 한다)과의 차이(E, 축경폭(縮徑幅)이라 한다)), 무전위 종부(種付)를 행할때에 실리콘 융액을 수용하는 도가니중의 용탕표면에 인가되는 자장강도(F)이다.

더욱이, 이때의 자장강도(F)는 도가니중의 실리콘 융액에 수평자장을 인가할때, 종자결정 선단부와 용탕표면이 접하는 경계면에 생기는 자장강도의 값을 나타내는 것이다.

이렇게 하여, 인상되는 실리콘 단결정의 성장중 종자결정의 상태를 도 1에 나타내었다.

실리콘 종자결정으로서, 실리콘 종자결정 직동부(直胴部)2의 일변이 15mm의 사각봉으로 실리콘 종자결정 선단부3가 15도가 되도록 원추상으로 테이퍼 가공하고, 불산과 초산의 혼합산에 의해 표면을 200㎛이상 에칭한 것을 사용하여 종자결정 홀더6에 장착하여 직경 150mm의 단결정봉 7개를 성장시켜 무전위화의 성공율을 조사하였다.

무전위로 종부(種付)를 행하는 조업은, 먼저 상기 실리콘 종자결정1을 5mm/min의 속도로 실리콘 융액에 근접시켜, 실리콘 종자결정과 실리콘 융액표면의 거리가 Amm의 위치에서 종자결정을 보지(保持)하여 C분간 보온을 행하거나, 또는 이 조업을 행하지 않고 실리콘 종자결정을 5mm/min의 속도로 그대로 실리콘 융액에 근접시켜 실리콘 종자결정선단을 실리콘 융액표면에 접촉시키고, 더욱이 종자결정 선단부를 Bmm 용융한후(B는 0mm일수도 있다) 용융을 정지하고 C분간 보온을 행한 다. 다음으로, Dmm³/min의 속도로 종자결정 선단부를 용융시킨다.

그 후, 종자결정을 인상하고, 0.1~1.5mm/min의 속도로 단결정을 성장시키는 공정에 있어서, 용융완료시의 용융완료부4의 직경 M으로부터 Emm 축경시킨후(축경후 추경부5의 직경 N) 확경하여 단결정봉을 소정의 단결정 성장속도로 인상하는 것이다. 한편, 실험에서 종자결정의 용융완료부4의 지경M을 8mm로 하였다.

그리고 이때, 실리콘 융액을 수용하는 도가니의 용탕 표면과 접하는 경계면에서의 자계강도가 F가 되도록 수평자장을 인가하였다.

이렇게 하여 인상된 실리콘 단결정의 성장에서 결정의 무전위화 성공율을 표 1에 나타내었다. 여기에서, 무전위화 성공율이란 단결정봉의 인상갯수에 대한 전위가 발생된 단결정봉 갯수의 비를 백분율로 표시한 값이다.

시험 No.	종자결정을 보온하는 탕면상의 거리 A(mm)	초기단계에서의 종자결정선단부 용융길이B(mm)	종자결정의 보온시간 C(분)	종자결정의용융속도 D(mm³/min)	축경폭 E(mm)	자계강도F (G,가우스)	무전위화율(%)
1 2 3 4 5	5.0 1.0 - - -	- - 0 3 5	10 10 10 10 20	50 50 50 50 50	0.9 1.2 1.1 1.2 1.1	3000 3000 3000 3000 3000	5 10 50 60 80
6 7 8 9 10	- - - - -	3 3 3 3 3	5 20 20 0 20	50 50 80 50 150	0.3 0.0 0.6 0.7 0.6	3000 3000 3000 3000 3000	70 40 10 20 0
11 12 13 14 15 16	- - - - - -	5 5 5 5 5 8	10 10 10 10 10 10	30 50 60 50 50 50	1.1 0.9 0.9 1.0 1.1 1.0	3000 3000 3000 1000 0 3000	85 90 50 70 50 0

이 표로부터 A~F의 종부(種付)요인과 무전위화 성공율과의 사이에는 다음과 같은 관계가 있음이 밝혀졌다.

(1) 실리콘 종자결정 선단을 용융되기 전에 실리콘 종자결정 선단과 실리콘 융액표면의 거리 A는 아주 적게하는 것이 바람직하지만, 융액면상의 보온에서는 무전위화 성공율의 향상이 기대되지 않는다. 즉, 이 거리가 크게 되면 탕면직상의 온도구배 때문에 종자결정 선단부의 온도가 충분하게 높게되지 않으며, 융액과의 온도차이가 해소되지 않으므로 용융하는 공정에서 슬립전위가 발생할 확율이 대폭으로 증가하여 버리기 때문인 것으로 생각된다.

이에 대하여, 종자결정 선단부를 실리콘 융액 표면에 접촉된 위치에서 보온을 행하는 것이 더욱 바람직하다. 선단이 뽀족한 형상의 종자결정을 사용하고 있기 때문에, 선단부를 융액에 접촉시켜도 선단부가 곧바로 용융하여 슬립전위를 발생함이 없으며, 종자결정의 온도를 충분히 고온으로 할 수 있으므로 이 보온에 연속하는 종자결정 용융공정에서 슬립전위가 발생할 확율을 저하시키는 것이 가능하게 된다. 이것은 종래 행해진 융액면에 종자결정을 접촉하기 전에 종자결정의 예열을 행하지 않아도 된다는 것을 의미하며, 본 발명에서는 이러한 종자결정을 융액에 접촉하기 전의 예열공정을 폐지하고, 공정의 신속성을 꾀할 수 있다.

(2) 실리콘 종자결정 선단부를 실리콘 용탕표면에 접촉시키고, 더욱이 종자결정 선단부를 용융하는 길이 B는 5mm이하로 하는 것이 바람직하다. 또한 그 위치에서 종자결정을 보온·보지하는 시간 C는 5분이상으로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 종자결정 선단부는 충분하게 고온으로 되고, 이 보온에 연속하는 재 결정선단부 용융공정에서 슬립전위가 발생할 확율을 대폭 저하시킬 수 있다.

다만, 단결장 보지시간이 필요이상으로 길어지더라도 얻어지는 효과에 큰 차이가 없으며, 보지시간은 길어도 30분정도가 적당하다. 종자결정을 융액에 용융시킨후 5분이상 60분이하의 범위에서 보지하면, 생산성을 저하시키지 않고 효율좋게 단결정을 제조할 수 있다.

(3) 실리콘 종자결정 선단부를 소망의 직경으로 될때까지 용융한후, 단결정봉을 성장시키는 공정에서 적어도 종자결정 선단부의 용융완료후로부터 3mm의 구간내에서 결정의 직경을 용융완료시의 직경으로 부터 축경하고 그 축경폭 E를 0.3mm이상 2.0mm이하의 범위로 하는 것이 바람직하다. 종자결정 선단부를 소망의 직경까지 용융한후 곧바로 확경을 행하기 위해서는 종자결정 용융완료시에 실리콘 융액온도를 융점근처까지 저하시킬 필요가 있지만, 실리콘 융액은 열용량이 크기 때문에 단시간에 온도를 저하시키는 것이 곤란하다.

그렇지만, 실리콘 융액온도가 융점부근의 온도인 경우에는 종자결정을 용융하는 공정에서, 종자결정 선단부가 빠르게 용융되지 않고, 고체상태 그대로 실리콘 융액중으로 침입하여 종자결정에 슬립전위가 발생해 버린다. 이 슬립전위의 발생을 회피하면서 종자결정 선단부를 용융하기 위해서는, 종자결정 용융시에 실리콘 융액표면부근의 온도를 실리콘 융점보다 고온으로 둘 필요가 있다. 결과적으로, 종자결정 선단부의 용융완료로부터 인상으로 반전되는 초기 단계에서 결정이 축경성장하는 것으로 된다.

이 축경(縮徑) 때에 적절한 온도를 온도계등으로 단결정 성장로 외부에서 부 터 재현성좋게 측정하는 것은 매우 곤란하지만, 본 발명에서는 종자결정 선단부의 용융완료위치에서 부터 확경부까지의 단결정봉의 형상에 의해 최적온도를 판단할 수 있음을 발견하였다.

즉, 단결정봉의 축경폭 E을 종자결정 선단부 용융완료위치에서 부터 3mm내의 구간내에서 0.3mm이상 축경함으로써 종자결정선단부 용융개시시의 실리콘 융액온도를 조정하면, 융액중에 슬립전위가 발생하는 것을 거의 배제하는 것이 가능하다. 그러나 축경의 폭을 극단적으로 크게 하면 고중량의 단결정을 인상할 때에는 종자결정선단부의 용융완료시 직경을 극단적으로 크게 할 필요가 있으며, 결과로써 종자결정의 용입량이 증가하여 슬립전위를 발생시키는 확율이 높게 되므로 2.0mm정도 이하로 하는 것이 바람직하다.

(4) 실리콘 종자결정선단부를 융액에 용입하는 조업에 있어서, 용입시의 속도 D는 1분당 용융하는 종자결정 선단부의 체적이 50mm³이하가 되도록 연속적 또는 단계적으로 종자결정의 하강속도 또는 실리콘 융액면의 상승속도를 정할 수 있다.

슬립전위를 발생시키지 않고, 실리콘 종자결정선단부를 융액에 용입하기 위해서는 종자결정선단부가 융액표면에서 빠르게 용융하고 고체상태로 융액중으로 침입되지 않는 것이 중요하다. 다만, 이를 위하여 단순히 용융속도를 저하한 경우에는 종자결정선단부가 고체상태로 융액중에 침입하는 것은 회피할 수 있지만, 용융에 따른 시간이 장시간으로 되고 생산성이 낮아져 코스트가 상승되며, 종자결정선단부와 접촉하는 융액의 온도변동에 의해 슬립전위가 발생하는 것도 있다. 이 때문 에, 실리콘 종자결정선단부를 융액에 침입하는 조업은 극력 단시간으로 하는 것이 중요하며, 1분당 용융하는 종자결정선단부의 체적으로서 50mm³이하에서 무전위화 성공율이 높게 되고 있다. 그러나 용융속도가 지나치게 늦은 경우에는 생산성 악화나, 융액의 온도변동을 받아 슬립전위가 쉽게 들어가게 되므로 용융속도 D는 20mm³/min 이상으로 하는 것이 좋다.

(5) 슬립전위를 발생시킴이 없이, 실리콘 종자결정을 융액에 용입하기 위해서는 실리콘 융액을 수용하는 도가니중의 용탕표면과 종자결정이 접하는 경계면에서의 자계강도F가 100가우스이상이 되도록 수평자장을 인가하는 것이 바람직하다. 실리콘융액에 자장을 인가함으로써 융액의 열대류, 특히 종자결정 주변의 대류가 억제되고, 융액표면근방 온도의 경시변화(經時變化)가 현저하게 경감된다.

상술한 바와 같이, 슬립전위를 발생시킴이 없이, 실리콘 종자결정을 융액에 용입하기 위해서는 종자결정선단부가 융액표면에서 빠르게 용융하고, 고체상태로 융액중으로 침입되지 않도록 하는 것이 중요하며, 이 때문에 실리콘융액 온도를 고온으로 하고, 실리콘 종자결정 용입스피드를 어느 정도 저속으로 하는 것이 필요하다. 이 경우, 종자결정선단부와 접촉하는 융액의 온도변동에 의해 슬립전위가 발생하는 문제가 있지만, 실리콘용액을 수용하는 도가니중 용탕표면에서의 자장강도F가 1000가우스 이상으로 되도록 수평자장을 인가함으로써 융액의 열대류, 특히 종자결정 주변의 대류가 억제되고 융액표면근방 온도의 경시변화가 현저하게 경감되기 때문에, 종자결정선단부를 용융할때 슬립전위가 발생할 확율이 현저하게 저감하 는 것이 가능해 진다.

나아가. 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 청구범위에 기재된 기술사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며 동일한 작용효과를 갖는 것이면 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

예컨데, 상기 실시형태에 있어서, 직경 6인치(150mm)의 실리콘 단결정을 육성하는 경우에 대한 예를 들어 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 실리콘 융액에 접촉되는 종자결정의 선단부형상이 뽀족한 형상 또는 뽀족한 선단이 절취된 형상인 종자결정을 사용하고, 본 발명의 종부(種付)조건을 적용하여 종부하여 단결정을 인상한다면, 직경 8~16인치 또는 그 이상의 실리콘 단결정에도 적용할 수 있다.

또한 실리콘 융액에 인가하는 자장도 수평자장을 인가하는 경우를 예로 들었지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 실리콘 융액의 대류를 억제하는 효과를 갖는 종자장(縱磁場), 카스프자장을 인가하는 경우에도 적용할 수 있음은 말할 필요도 없다.

Claims

쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조방법으로서, 실리콘 융액에 접촉되는 종자결정 선단부(先端部)의 형상이, 뽀족한 형상(尖形狀) 또는 뽀족한 선단이 절취(切取)된 형상인 종자결정을 사용하고, 먼저 상기 종자결정의 선단을 실리콘 융액에 천천히 접촉시킨 후 상기 종자결정을 하강시키거나, 또는 실리콘 융액면을 상승시킴으로써 종자결정 선단부를 제1단계의 두께로 될 때까지 용융하고, 그 후 상기 종자결정을 상승시키거나, 또는 실리콘 융액면을 하강시켜 넥킹을 행하지 않고 실리콘 단결정봉을 육성하는 실리콘 단결정 제조방법에 있어서,

상기 종자결정의 선단을 실리콘 융액에 천천히 접촉시킨 후, 5분 이상 종자결정을 보지(保持)함으로써 상기 종자결정을 보온시키고 나서, 종자결정 선단부가 제1단계의 두께가 될 때까지 용융하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조방법.
쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 제조방법으로서, 실리콘 융액에 접촉되는 종자결정 선단부의 형상이, 뽀족한 형상(尖形狀) 또는 뽀족한 선단이 절취(切取)된 형상인 종자결정을 사용하고, 먼저 상기 종자결정의 선단을 실리콘 융액에 천천히 접촉시켜 상기 종자결정을 하강시키거나, 또는 실리콘 융액면을 상승시킴으로써 종자결정 선단부를 제1단계의 두께로 될 때까지 용융하고, 그 후 상기 종자결정을 상승시키거나, 또는 실리콘 융액면을 하강시켜 넥킹을 행하지 않고 실리콘 단결정봉을 육성하는 실리콘 단결정 제조방법에 있어서,

상기 종자결정의 선단을 실리콘 융액에 천천히 접촉시켜 종자결정 선단부를 5mm이하의 길이로 용융한 후, 5분 이상 종자결정을 보지(保持)함으로써 상기 종자결정을 보온시키고 나서, 종자결정 선단부가 제1단계의 두께가 될 때까지 용융하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조방법.
제1항에 기재된 실리콘 단결정 제조방법으로서, 상기 종자결정 선단부를 제1단계의 두께까지 용융하고, 그 후 상기 종자결정을 상승시키거나, 또는 실리콘 융액면을 하강시켜 단결정 봉을 성장시키는 공정에 있어서,

적어도 종자결정 선단부를 제1단계의 두께까지 용융을 완료한 위치에서부터 3mm의 구간내에서 결정의 직경을 용융완료시의 직경보다도 0.3mm이상 2mm이하로 축경(縮徑)한후, 확경(擴徑)을 행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조방법.
제2항에 기재된 실리콘 단결정 제조방법으로서, 상기 종자결정 선단부를 제1단계의 두께까지 용융하고, 그 후 상기 종자결정을 상승시키거나, 또는 실리콘 융액면을 하강시켜 단결정 봉을 성장시키는 공정에 있어서,

적어도 종자결정 선단부를 제1단계의 두께까지 용융을 완료한 위치에서부터 3mm의 구간내에서 결정의 직경을 용융완료시의 직경보다도 0.3mm이상 2mm이하로 축경(縮徑)한후, 확경(擴徑)을 행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조방법.
제1항에 있어서, 종자결정을 하강시키거나, 또는 실리콘 융액면을 상승시켜, 종자결정 선단부를 제1단계의 두께로 될 때까지 용융하는 속도를 1분당 용융하는 종자결정 선단부의 체적이 50mm³이하가 되도록 연속적 또는 단계적(step 狀)으로 종자결정의 하강속도 또는 실리콘 융액면의 상승속도를 정하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조방법.
제2항에 있어서, 종자결정을 하강시키거나, 또는 실리콘 융액면을 상승시켜, 종자결정 선단부를 제1단계의 두께로 될 때까지 용융하는 속도를 1분당 용융하는 종자결정 선단부의 체적이 50mm³이하가 되도록 연속적 또는 단계적(step 狀)으로 종자결정의 하강속도 또는 실리콘 융액면의 상승속도를 정하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조방법.
제3항에 있어서, 종자결정을 하강시키거나, 또는 실리콘 융액면을 상승시켜, 종자결정 선단부를 제1단계의 두께로 될 때까지 용융하는 속도를 1분당 용융하는 종자결정 선단부의 체적이 50mm³이하가 되도록 연속적 또는 단계적(step 狀)으로 종자결정의 하강속도 또는 실리콘 융액면의 상승속도를 정하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조방법.
제4항에 있어서, 종자결정을 하강시키거나, 또는 실리콘 융액면을 상승시켜, 종자결정 선단부를 제1단계의 두께로 될 때까지 용융하는 속도를 1분당 용융하는 종자결정 선단부의 체적이 50mm³이하가 되도록 연속적 또는 단계적(step 狀)으로 종자결정의 하강속도 또는 실리콘 융액면의 상승속도를 정하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정 제조방법에 있어서, 실리콘 융액을 수용하는 도가니중의 용탕표면에 1000G이상의 수평자장을 인가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조방법.