KR100808929B1 - 반도체 재료의 단결정 성장을 지지하는 지지 장치 및단결정 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
초크랄스키 도가니 인상 공정을 이용하여 작동되는 결정 인상 설비에서, 반도체 재료로 이루어진 단결정의 대쉬 네크(81)에서 직경 증가 부위(82)를 지지하는 지지 장치(1)로서, 상기 지지 장치(1)는 그 하부에 중앙 개구부를 가진 베어링 장치(121, 122)를 가지며, 직경이 D1이고 중심점이 수직 축(16) 상에 위치한 원이 상기 중앙 개구부에서 수평면에 내접할 수 있고, 상기 베어링 장치(121, 122)는 하나 이상의 연결 부재(132, 133, 134)에 의해, 상기 베어링 장치(121, 122) 위에 배열되어 상기 결정 인상 설비의 리프팅 장치(2)에 고정되는 하나 이상의 고정 부재(14)에 연결되고, 상기 연결 부재(132, 133, 134)는 상기 베어링 장치(121, 122) 바로 위의 영역에서, 상기 축(16) 상에 위치한 중심점 및 상기 직경 D1보다 큰 직경 D2을 가진 원이 임의의 원하는 수평면에서 내접할 수 있도록 여유 공간이 형성되도록 배열되어 있고, 상기 지지 장치(1)는 본래 고정형인 것을 특징으로 하는 지지 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 상기 지지 장치를 이용하여, 반도체 재료로부터 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체 재료, 단결정, 결정 인상 설비, 대쉬 네크, 지지 장치, 베어링 장치
Description
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 지지 장치의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 상기 지지 장치를 결정 인상 설비의 리프팅 장치에 연결하는 데 사용할 수 있는 어셈블리 장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 단결정, 및 어셈블리 장치를 구비한 지지 장치에서 길이 방향 단면 형태로 발췌한 부분의 개략적 구조를 나타내는 도면이다. 명확히 나타내기 위해서, 어셈블리 장치는 왼쪽으로 90° 회전시킨 상태로 도시되었다.
도 5 내지 도 12는 본 발명에 따른 지지 장치를 사용한 결정 인상 공정의 진행 과정을 모식적으로 나타내는 도면이다.
본 발명은 초크랄스키 도가니 인상 공정을 이용하여 작동되는 결정 인상 설비에서 반도체 재료로 이루어진 단결정이 대쉬 네크(dash neck)에서 직경 증가 부위를 지지하는 지지 장치, 및 상기 지지 장치를 이용한 단결정 제조 방법에 관한 것이다.
초크랄스키 결정 인상 공정에서는, 시드 결정(seed crystal) 내에 이미 존재하거나 용융체와 접촉하게 되는 시드 결정으로부터 유래되는, 전위(dislocation)와 같은 결정 결함(defect)이 단결정의 원통형 부분에서 더 이상 성장하지 못하도록 억제하기 위해, 우선적으로 단면이 대폭 감소된 네크를 성장시킨다. 그러한 좁혀진 네크를 대쉬 네크라 지칭한다.
다음으로, 원추형 부분에 뒤이어 훨씬 크고 사실상 일정한 직경을 가진 원통형 부분이 형성되도록 인상 공정의 파라미터를 설정한다. 인상 공정은 또 다른 원추형 부분에 포함된다. 보통, 예를 들면 전자 산업용도의 제품으로서 관심의 대상이 되는 것은 원통형 부분뿐이다. 경제적 이유에서, 단결정의 직경은 이제까지 단계적으로 증가되어 왔다. 예를 들면, 오늘날 직경이 300mm인 실리콘 단결정은 산업적으로 대규모로 제조된다. 동시에, 가능한 한 원통형 부분이 긴 단결정을 제조하고자 시도되었다. 총괄하면 이는 단결정 질량의 지속적인 증가를 가져왔다.
이것은 대쉬 네크가 질량 증가와 관련된 인장력을 더 이상 흡수할 수 없게 되는 문제를 초래했다. 대쉬 네크는 약 250∼300kg의 질량을 가진 실리콘 단결정을 신뢰성 있게 지지할 수 없는 것이 일반적이다. 따라서, 제조 시 부가적 지지체를 구비한 무거운 단결정을 제공하기 위한 방법 및 장치가 개발되었다. 이러한 형태의 대부분의 공정에서, 대쉬 네크는 직경 증가 부위(thickening)를 형성하도록 특정한 축방향 위치에서 확대된다. 인장력의 일부를 흡수하는 지지 장치를 이러한 직경 증가 부위에 위치시킬 수 있다. 오늘날, 이 원리에 따라 작동되는 다수의 상 이한 지지 장치가, 예를 들면 특허 문헌 US5879448 또는 US6077347를 통해 알려져 있다. 특허 문헌 US5879448에는 결정 인상 설비 내에서 수직으로 이동될 수 있고 집게(tong) 스타일로 내경을 감소시킬 수 있는 지지 장치가 기재되어 있다. 예를 들면, 상기 장치는 결정에서 직경 증가 부위가 인상된 후 결정을 잡을 수 있다. 대안적인 옵션은 특허 문헌 US6077347에 개시된 바와 같이, 인상된 후 직경 증가 부위 하부에서 피벗되는 U-형 베어링(bearing) 표면을 가진 지지 장치로 이루어진다.
그러나, 모든 공지된 지지 장치는 입자를 발생하므로(예컨대 마모에 의해), 단결정이 금속에 의해 오염되는 결과를 초래할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 이러한 문제는 전자 산업에 부가되는 고순도 요건으로 인해 허용될 수 없다. 또한, 금속이나 실리콘 산화물(SiOx)의 입자는 결정 인상 시 전위의 형성을 초래할 수 있다. 더 나아가, 응축되는 일산화규소(SiO)는 지지 장치의 베어링 및 조인트에서 재밍(jamming)을 일으킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 지지 장치에 의해 입자가 생성되는 것을 신뢰성 있게 회피하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 목적은, 초크랄스키 도가니 인상 공정을 이용하여 작동되는 결정 인상 설비에서 반도체 재료로 이루어진 단결정의 대쉬 네크(81)에서 직경 증 가 부위(82)를 지지하는 지지 장치(1)로서, 상기 지지 장치(1)는 중앙 개구부(opening)가 있는 베어링 장치(121, 122)를 하부에 가지고, 직경이 D1이고 중심이 수직 축(16)에 위치한 원이 상기 중앙 개구부에서 수평면에 내접할 수 있으며, 상기 베어링 장치(121, 122)는 하나 이상의 연결 부재(132, 133, 134)에 의해 상기 베어링 장치(121, 122) 위에 배열되어 상기 결정 인상 설비의 리프팅 장치(2)에 고정되는 하나 이상의 고정 부재(securing element)(14)에 연결되고, 상기 연결 부재(132, 133, 134)는 상기 베어링 장치(121, 122) 바로 위의 영역에서, 축(16) 상에 위치한 중심점 및 상기 직경 D1보다 큰 직경 D2을 가진 원이 임의의 원하는 수평면에서 내접할 수 있는 여유 공간이 형성되도록 배열되어 있고, 상기 지지 장치(1)는 본래 고정형(immobile)인 것을 특징으로 하는 지지 장치에 의해 달성된다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에 따른 지지 장치(1)(도 1, 2 및 4)는 중앙 개구부가 있는 베어링 장치를 하부에 가진다. 베어링 장치는, 예를 들면 내경이 D1인 연속적인 원형 링(122)(도 2)의 형태를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 링(122)의 상부 내측은 직경 증가 부위(82)의 하부를 지지한다. 그러나, 베어링 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 대칭형으로 동일한 높이로 배열되고 중앙 개구부의 방향으로 내측으로 돌출되어 있는 적어도 2개, 바람직하게는 그 이상의 베어링 부재(121)를 가질 수도 있고, 그 경우 각각의 베어링 부재(121)는 연결 부재(132) 상에 배열된다. 베어링 부재(121)는, 직경이 D1이고 중심점이 지지 장치(1)의 축(16) 상에 위치한 원이 중 앙 개구부에서 수평면(즉, 축(16)에 수직인 평면)에 내접할 수 있도록 배열되어 있다. 결정을 인상하는 동안, 축(16)은 대쉬 네크(81)의 축과 일치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 베어링 부재(121)는, 예로서 도 4에 도시된 바와 같이, 하부로부터 직경 증가 부위(82)를 적합하게 지지할 수 있다.
베어링 장치(121, 122) 전체는 하나 이상의 연결 부재(132, 133, 134)에 의해 베어링 장치(121, 122) 상부에 배열된 하나 이상의 고정 부재(14)에 연결되어 있다. 연결 부재(132, 133, 134)는 봉(rod) 형상으로 되어 있는 것이 바람직하다. 연결 부재(132, 133, 134)는, 베어링 장치(121, 122)의 바로 상부 영역에서 축(16) 상에 위치한 중심점 및 상기 직경 D1보다 큰 직경 D2를 가진 원이 임의의 원하는 수평면(즉, 축(16)에 수직인 평면)에서 내접할 수 있는 여유 공간이 형성되도록 배열되어 있다. 이것은 연결 부재(132, 133, 134)가 직경 증가 부위(82)에 접촉하지 않고 연결 부재들(132, 133, 134) 사이의 자유 공간 내의 공간에 직경 증가 부위(82)가 위치할 수 있음을 의미한다.
지지 장치(1)를 안정화하여 단결정의 부하로 인해 파괴되는 것을 방지하기 위해, 베어링 부재(121) 및/또는 연결 부지(132, 133, 134)는 추가적 연결 부재, 예를 들면 버팀대(strut)(131)에 의해 서로 연결되어 있는 것이 바람직하다.
베어링 부재(121, 122)와 연결 부재(131, 132, 133, 134)는 서로, 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은, 케이지(cage) 구조 형태를 형성하는 것이 바람직하다. 케이지 구조는 베어링 장치(121, 122)의 하단부로부터 적어도 하나의 고정 부 재(14)의 상단부까지 계속되는 수직 개구부를 갖지 않는 것이 바람직하다. 결정 성장 공정중에, 이러한 종류의 지지 장치(1)는, 연속적인 수직 개구부가 없기 때문에 베어링 장치(121, 122)로 직경 증가 부위(82)를 지지하기 위해, 예를 들면 피벗된 직경 증가 부위(82)를 향해 측방향으로 이동시킬 수 없다. 결정 성장 공정이 시작되면, 지지 장치(1)는, 베어링 장치(121, 122)가 용융체(melt)(4)의 표면 하부에 위치하도록 용융체(4)에 잠겨야 한다. 결정 인상 공정중에, 케이지 구조는 대쉬 네크(81)를 접촉하지 않은 상태로 대쉬 네크(81) 및 직경 증가 부위(82)를 둘러싼다. 지지 장치(1)가 수직 방향으로 들어올려진 후, 베어링 장치(121, 122)에 의해 결정 인상 공정에서의 소정의 시간부터 시작하여 베어링 장치(121, 122)는 그 하측에서 직경 증가 부위(82)만을 지지한다.
상기 하나 이상의 고정 부재(14)의 형상은 결정 인상 설비의 리프팅 장치(2)에 고정되기에 적합하도록 되어 있다. 리프팅 장치(2)는 지지 장치(1)를 수직 변위시키는 데, 즉 승강시키는 데 사용되며, 예를 들면 하나 또는 바람직하게는 그 이상의 케이블을 포함한다. 지지 장치(1)를 리프팅 장치(2)에 고정시키기 위해서는, 예를 들면, 도 3에 도시되어 있는 2 파트(two-part) 어셈블리 장치(9)를 이용할 수 있다. 각각의 경우에, 2개의 이들 절반부(91)는, 구형(球形) 고정 부재(14)가 어셈블리 장치(9)(도 4 참조)의 원추형 접촉 부위(92) 상에 장착되도록, 수직 방향으로 배열된 원통형 연결 부재(134)를 둘러싼다. 2개의 절반부(91)는 볼트(93)에 의해 서로 연결된다. 볼트(94)는 리프팅 장치(2)의 케이블이 안내되어 통과할 수 있는 구멍을 가진다. 리프팅 장치(2)의 케이블이 상이한 길이로 되어 있을 경우에 볼트(23)에 의해 어셈블리 장치를 수직 방향으로 조절할 수 있다. 어셈블리 장치(9) 및 리프칭 장치(2)의 케이블은 몰리브덴으로 만들어지는 것이 바람직하다. 그러나, 케이블이 텅스텐으로 만들어지는 것도 바람직하다.
지지 장치(1) 전체는 본래 고정형으로, 서로 상대적으로 이동되는 부분이 전혀 없다. 본 발명이 뜻하는 범주 내에서 "지지 장치"라는 용어는 어셈블리 장치(9) 및 리프팅 장치(2)를 포함하는 것이 아니고, 예를 들면 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은, 석영 유리로 만들어진, 단일 부품의, 바람직하게는 케이지형 지지체만을 의미한다.
결정 인상 공정의 시작 단계에서는 지지 장치(1)가 반도체 재료의 용융체(4)에 잠겨 있기 때문에(도 6 내지 도 9 참조), 지지 장치(1)는 용융체(4) 및 용융체 내의 지배적인 고온에 견딜 수 있는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다.
실리콘 단결정을 제조하는 경우, 지지 장치(1)는 석영 유리로 만들어진 것이 바람직하다. 석영 유리를 사용할 때 알아야 하는 것은, 결정화 및 부식 현상으로 인해 사용 회수가 한정되고, 따라서 지지 장치(1)는 소정 회수의 사용 후에 교체해야 한다는 사실이다.
지지 장치(1)를 용융체(4)로부터 들어올리고 이어서 용융체(4) 내에 낙하시킬 때 지지 장치(1)에 부착되는 용융체의 액적에 의해, 단결정(8)의 성장 공정이 방해받지 않도록 하기 위해, 지지 장치(1)의 형상은 용융체(4)와 접촉되는 모든 부위의 표면 상에 용융체의 액적이 매달릴 수 없도록 되어 있는 것이 바람직하다. 지지 장치(1) 전체의 형상은 용융체가 표면으로부터 용이하게 흘러 나갈 수 있도록 되어 있는 것이 바람직하다.
이것은 지지 장치(1)의 표면이 수평면을 갖지 않는 것, 즉 축(16)에 수직인 평면에 놓이는 면을 갖지 않음으로써 이루어질 수 있다. 예를 들면, 도 1에 도시된 버팀대(131)는 수평으로 설치되지 않고 경사지게 설치된다. 경사진 배열에 의해 용융체가 흘러내리기 용이하며, 버팀대(131)에 부착되는 액적의 형성을 방지한다. 동일한 이유에서, 연결 부재(133)는 수평으로 설치되지 않고 경사지게 설치된다. 가장 낮은 지점에서, 연결 부재(133)는 수직으로 또는 경사지게 배열된 연결 부재(132)와 만나게 되고, 여기서 용융체는 더욱 하향하는 방향으로 흘러 나갈 수 있다. 베어링 부재(121)도 마찬가지로 수평면을 갖지 않으며, 용융체가 용이하게 흘러 나갈 수 있는 형상으로 되어 있다.
또한, 지지 장치는, 지지 장치(1)가 용융체(4)로부터 들어올려질 때 용융체(4)가 흘러나가도록 하는 하나 이상의 유출(run-off) 장치(15)를 갖는 것이 바람직하다. 각각의 수직형 또는 경사형 연결 부재(132)는 연결 부재(132)의 원추형 연장부로 형성되어 있는 유출 장치(15)를 하단부에 구비하는 것이 바람직하다. 이것은 또한 용융체(4)와 접촉하고 있는 지지 장치(1)의 마지막 위치에서 지지 장치(1) 상에 용융체의 잔사(residue)가 응고되는 것을 방지할 수 있게 한다. 응고된 용융체의 잔사는 공정이 계속됨에 따라 박리될 수 있고, 이에 따라 결정화 공정을 방해할 수 있다.
본 발명에 따른 지지 장치의 제조는 유리 블로어(glass blower)의 전문 지식의 일부이므로 여기서는 설명하지 않는다.
본 발명은 또한, 초크랄스키 결정 인상 공정을 이용하여 반도체 재료로 이루어지는 단결정(8)의 제조 방법으로서, 하기 단계를 포함하는 제조 방법에 관한 것이다:
a) 베어링 장치(121, 122)가 용융체(4)의 표면 하부에 위치하도록, 본 발명에 따른 지지 장치(1)를 반도체 재료의 용융체(4)에 부분적으로 침지시키는 단계,
b) 대쉬 네크(81)를 둘러싸는 지지 장치(1)가 대쉬 네크(81)와 접촉하지 않는 상태로, 용융체(4)로부터 시드 결정을 인상함으로써, 직경이 D3인 대쉬 네크(81)를 인상하는 단계
c) 직경 증가 부위(82)를 둘러싸는 지지 장치(1)가 직경 증가 부위(82)와 접촉하지 않는 상태로, 최대 직경이 D4(단 D1＜D4＜D2)인 직경 증가 부위(82) 및 그 하부의 최소 직경이 D5(단, D3＜D5＜D1)인 좁은 부위(83)를 인상하는 단계,
d) 지지 장치(1)가 더 이상 용융체(4)와 접촉하지 않도록, 지지 장치(1)를 용융체(4)로부터 들어올리는 단계,
e) 연속적으로 증가되는 직경을 가진 단결정 피스(piece)(84)를 인상하는 단계,
f) 직경이 D6(단, D6＞D5)인 원통형 단결정 피스(85)를 인상하는 단계, 및
g) 베어링 장치(121, 122)가 하부로부터 직경 증가 부위(82)에 접하여 지지하도록, 지지 장치(1)를 상승시키는 단계.
본 발명에 따른 방법을 도 5 내지 도 12에 도식적으로 나타낸다. 다양한 부 위와 직경을 가진 단결정(8), 및 상기 도면이 다시 본 발명에 따른 지지 장치를 참조하는 방식을 도 4에 확대된 스케일로 도시한다.
실제로 결정 인상 공정이 시작되기 전에, 도가니(3)에 들어 있는 일반적으로 다결정질 반도체 재료를 종래 기술에 따라 용융시킨다. 도 5는 반도체 재료가 용융된 후 결정 인상 설비의 상태를 나타낸다. 결정 인상 설비 내의 리프팅 장치(2)에 고정된 지지 장치(1)는 도가니(3) 상부의 대기 위치에 있다.
상기 방법의 단계 a)에서, 지지 장치(1)는 반도체 재료의 용융체(4) 내에 부분적으로 침지되고, 그에 따라 지지 장치(121, 122)는 용융체(4)의 표면보다 아래에 위치하게 된다. 이러한 이유에서 지지 장치(1)가 용융체의 지배적인 온도 조건 하에서 용융체(4)에 실질적으로 견딜 수 있는 재료로 만들어지는 것이 유리하다. 예를 들어 용융체(4)가 실리콘인 경우, 지지 장치(1)용으로 적합한 재료는 석영 유리이다. 침지하는 동안, 지지 장치(1)를 수직축(16) 중심으로 회전시키지 않거나, 수직축(16) 중심의 지지 장치의 회전을 도가니(3)의 회전과 동기시키는(synchronize) 것을 생각할 수 있으며, 후자의 경우가 바람직하다. 그러나, 지지 장치(1)를 용융체에 침지시키기 전에, 지지 장치(1)의 회전을 용융체(4)의 회전과 동기시키는 것이 특히 바람직하다.
단계 b)에서, 종래 기술과 같이, 시드 결정 홀더(5)에 부착된 시드 결정(7)을 용융체(4)에 침지시키고(도 7), 정의된 속도로 다시 들어올린다. (시드 결정 홀더(5)는 전진 장치(advancing device)(6)에 고정되어 있고, 전진 장치(6)는 시드 결정 홀더(5)를 고정시키고 수직 방향으로 변위시키는 데, 즉 승강시키는 데 사용 된다. 전진 장치(6)는, 예를 들면, 샤프트이거나 하나 이상의 케이블을 포함한다.) 인상 속도, 즉 전진 장치(6)가 시드 결정(7)을 수직 방향으로 들어올리는 속도는, 감소된 직경 D3을 가진 부위, 즉 대쉬 네크(81)가 시드 결정(7)에 접속되어 형성되도록 설정된다(도 8). 인상 속도, 인상 공정의 기타 파라미터 및 성장하는 단결정(8)의 직경 사이의 관계는 당업자에게 알려져 있으므로, 여기서는 더 이상 설명할 필요가 없다. 대쉬 네크는 지지 장치(1)와 접촉하지 않는 상태로, 침지된 지지 장치(1) 내의 용융체(4)의 표면에서 성장한다. 시드 결정(7)과 지지 장치(1)는, 시드 결정의 축이 지지 장치(1)의 축과 일치하도록 배향되는 것이 바람직하다. 이점은 본 발명에 따른 방법의 나머지 순서에서도 동일하게 적용된다. 단계 b)는 단계 a)가 완료되었을 때 시작되는 것이 바람직하다. 따라서, 우선 지지 장치를 용융체(4)에 침지시키고, 시드 결정(7)은 상기 침지가 이루어진 후에 용융체(4)에 접촉시키거나 침지시키는 것이 바람직하다.
단계 c)에서, 최대 직경 D4를 가진 직경 증가 부위(82)를 인상한다. 이 공정은 일반적으로, 인상 속도를 감소시킴으로써, 성장하는 단결정(8)의 직경을 최대 직경 D4까지 증가시키고, 이어서 인상 속도를 증가시킴으로써 상기 직경이 다시 감소되도록 함으로써 이루어진다. 이와 같이 해서, 직경 증가 부위(82)를 예를 들면 바이콘(bicone)으로 생성시킬 수 있다. 직경 증가 부위(82)의 최대 직경 D4는 D1＜D4＜D2의 조건을 만족시킨다. 따라서 직경 증가 부위(82)의 최대 직경 D4는 베어링 장치(121, 122) 부위의 지지 장치(1)의 중앙 개구부의 직경 D1보다 크지만, 동시에 베어링 장치(121, 122) 상부의 지지 장치(1)의 중앙 개구부의 직경 D2보다 작다. 이것은, 직경 증가 부위(82)가 지지 장치(1)에 접촉하지 않으면서, 지지 장치(1)의 내측에서 성장할 수 있고 공간을 가질 수 있음을 의미한다.
직경 증가 부위(82)가 제조된 후, 좁은 부위(83)를 인상한다. 이때의 좁은 부위(83)는 가장 가는 지점에서, 조건 D3＜D5＜D1을 만족시키는 직경 D5를 가진다. 좁은 부위(83)의 직경 D5는 대쉬 네크(81)의 직경 D3보다 커야 하는데, 그것은 성장하는 단결정(8)에 대한 추가적 지지가 직경 증가 부위(82)에 제공될 것이기 때문이다. 따라서, 좁은 부위(83)는 단결정(8)의 질량 전체를 신뢰성 있게 운반할 수 있는 충분한 굵기를 가져야 한다. 그러나, 반면에 좁은 부위(83)의 직경 D5는, 좁은 부위(83)가 베어링 장치를 접촉하지 않고 성장하고 개구부 내에 공간을 가질 수 있도록, 베어링 장치(121, 122)의 부위에서 지지 장치(1)의 중앙 개구부의 직경 D1보다 작아야 한다. 도 9는 직경 증가 부위(82)가 인상된 후, 좁은 부위(83)가 인상되는 동안의 상황을 나타낸다. 지지 장치(1)의 하부는 여전히 용융체(4)에 침지되어 있다.
단계 d)에서, 지지 장치(1)는 리프팅 장치(2)에 의해 지지 장치(1)가 더 이상 용융체(4)에 닿지 않는 거리 만큼 들어올려진다(도 10). 지지 장치(1)가 용융체(4)로부터 들어올려지는 동안 지지 장치(1) 상에 매달리는 용융체 액적의 형성 은, 앞에서 설명한 지지 장치(1)의 디자인에 의해 회피할 수 있다. 용융체(4)로 되돌아 떨어지는 액적은 결정화 공정을 방해하여 결정 결함을 초래할 수 있다. 직경 D1, D2, D4 및 D5가 서로 전술한 바와 같은 조건에 합치된다는 사실은, 지지 장치(1)가 성장하는 단결정(8)을 어떠한 부위에서도 측면으로 접촉하지 않는 것을 보장한다. 단계 d)에서 지지 장치(1)는, 베어링 장치(121, 122)가 하부로부터 직경 증가 부위(82)를 접촉하지 않는 거리 만큼만 들어올려지는 것이 바람직한데, 그것은 지지 장치가 여전히 온도가 매우 높은 부위에 위치하고, 따라서 아직 기계적으로 불안정하기 때문이다. 단계 d)는 단계 c) 동안에 일어나는 것이 바람직하고, 특히 단계 c)의 최종 과정, 즉 좁은 부위(83)가 인상되는 동안 일어나는 것이 바람직하다.
단계 e)에서, 원하는 직경 D6이 얻어질 때까지 직경이 계속적으로 증가되는 단결정 피스(84)가, 바람직하게는 인상 속도를 감소시킴으로써 인상된다(도 10). 단결정 피스(84)는, 예를 들면 원추 형상을 가질 수 있으며, 따라서 출발 콘(starting cone)이라 불리기도 한다. 이 단계에서, 지지 장치(1)는 직경 증가 부위(82)를 접촉하지 않도록 연속적으로 들어올리는 것이 바람직하다. 예로서, 지지 장치(1)를 들어올리는 속도는 인상 속도와 동일할 수 있다.
단계 f)에서, 일정한 직경 D6를 가진 원통형 단결정 피스(85)를 인상한다. 디 단계의 제1 시기 동안, 지지 장치(1)가 충분히 냉각되어 단결정(8)의 무게의 일부를 운반할 수 있을 만큼 기계적으로 충분히 안정해질 때까지, 지지 장치(1)는 여 전히 직경 증가 부위(82)를 접촉하지 않도록 연속적으로 들어올려지는 것이 바람직하다.
마지막으로 단계 g)에서, 베어링 장치(121, 122)가 하부로부터 직경 증가 부위(82)를 접촉하여, 성장중인 단결정(8)의 무게의 일부를 흡수할 수 있는 범위까지 들어올려진다(도 11). 상기 리프팅 공정은 소정의 시각 또는 원통형 단결정 피스(85)의 소정의 길이 또는 단결정(8)의 소정의 중량에서 시작하는 것이 바람직하다. 리프팅 공정은 지지 장치에 작용하는 중량이 소정의 값에 도달할 때 자동적으로 종료되는 것이 바람직하다.
단계 g)는 원칙적으로 단계 c)에서의 직경 증가 부위(82)가 생성된 후, 즉 단계 d), e) 또는 f)를 진행하는 동안 임의의 시점에서 일어날 수 있다. 그러나, 부하를 지지할 수 있도록 지지 장치(1)가 충분히 냉각되었을 때에만 단계 g)를 시작하는 것이 바람직하다. 단계 g)가 시작되면, 지지 장치는 이미 탄성을 가질 것이지만, 점상 부하(punctiform load) 하의 변형(deformation)에 의해 반응해야 한다. 점상 부하 하의 작은 변형은 베어링 장치(121, 122)에 의해 직경 증가 부위(82)에 최적의 균일한 지지가 제공되는 것을 보장한다. 따라서, 단계 g)가 수행되는 정확한 시점은 지지 장치(1)의 재료 성질에 따라 맞추어지는 것이 바람직하다. 그러나, 단계 g)는 단계 f)를 진행하는 동안, 즉 원통형 단결정 피스(85)를 인상하는 동안 수행하는 것이 일반적이다. 수직 축(16)을 중심으로 한 지지 장치(1)의 회전은, 지지 장치가 하부로부터 직경 증가 부위(82)에 접촉하기 전에, 길이 방향 축을 중심으로 한 단결정의 회전과 동기시키는 것이 바람직하다.
단계 f)가 계속되어 원통형 단결정 피스(85)의 길이가 성장함에 따라, 인상 속도와 동일한 속도로 지지 장치(1)를 들어올리는 것이 바람직하다. 더욱 들어올리게 되면, 지지 장치는 계속해서 고온의 용융체(4)로부터 더욱 이격하게 이동되고 더욱 냉각된다. 따라서, 지지 장치는 단계 f) 동안 점증하는 부하를 받을 수 있다.
결정 인상 공정은 직경이 증가되는 상태에서 단결정 피스(86)를 인상함으로써 종래 기술에서와 동일한 방식으로 완료된다. 이러한 단결정 피스를 일반적으로 엔드 콘(end cone)이라 칭한다. 도 12는 결정 인상 공정이 종료된 후의 결정 인상 설비의 상황을 나타낸다. 결정 인상 설비로부터 단결정(8)을 제거하기 위해서는, 적합한 장치를 이용하여 하부 및 측면으로부터 지지하고, 단결정의 좁은 부위(83)를 절단하는 것이 바람직하다. 부위(84, 85, 86)를 가진 단결정(8)의 하부가 제거된 후, 시드 결정(7)은 단결정의 상측 부위(81, 82)와 함께 떼어낼 수 있다.
본 발명은 지지 장치에서 서로 상대적 이동이 가능하도록 장착된 부분이 없이 이루어질 수 있다는 사실로 인해, 마모의 형성을 억제할 수 있으며 그에 따라 방해되는 입자의 생성을 억제할 수 있게 된다. 또한, 예를 들면 일산화규소 분진의 부착으로 인한 베어링 또는 회전 연결부의 잼(jam)이 일어날 수 없다.
종래 기술에 따른 지지 장치는 전체적인 결정 인상 공정(즉, 도가니에 위치한 반도체 재료가 용융되는 동안, 시드 결정의 안정화, 초기 이동 및 단결정의 제1 부위의 생성을 포함)에 걸쳐 인상 설비 내의 분위기에 노출된다. 따라서, 실리콘 산화물이 지지 장치에 부착된다. 이러한 부착된 실리콘 산화물의 조각들은 지지 장치가 제거되는 즉시 떨어져 나간다. 이와는 대조적으로, 본 발명에 따른 방법에서는, 결정 인상 공정의 시작 단계에서, 지지 장치의 표면의 대부분이 용융체의 표면 하부에 위치하므로, 외부와 접촉되어 있지 않다. 따라서, 실리콘 산화물이 지지 장치의 표면에 부착될 가능성이 거의 없다. 용융체에 침지되기 이전에 이미 부착되어 있는 실리콘 산화물은 침지 과정중에 재용해된다.
본 발명의 이러한 특징은 이동 부분을 회피하는 특징과 함께, 이동 부분을 구비한 지지 장치만이 개시되어 있는 종래 기술에 비해 입자가 발생되는 빈도를 상당히 감소시키는 이점을 제공한다.
이동 부분이 없음에도 불구하고, 본 발명에 의하면 성장하는 단결정이 네크 부위의 직경 증가 부위에서 신뢰성 있게 지지될 수 있다.
Claims (12)
- 초크랄스키 도가니 인상 공정(crucible pulling process)을 이용하여 작동되는 결정 인상 설비에서, 반도체 재료로 이루어진 단결정의 대쉬 네크(dash neck)(81)에서 직경 증가 부위(thickening)(82)를 지지하는 지지 장치(supporting apparatus)(1)로서,상기 지지 장치(1)는 그 하부에 중앙 개구부를 가진 베어링 장치(bearing apparatus)(121, 122)를 가지며, 직경이 D1이고 중심점이 수직 축(16) 상에 위치한 원이 상기 중앙 개구부에서 수평면에 내접(內接)할 수 있고,상기 베어링 장치(121, 122)는, 하나 이상의 연결 부재(132, 133, 134)에 의해, 상기 베어링 장치(121, 122) 위에 배열되어 상기 결정 인상 설비의 리프팅 장치(lifting device)(2)에 고정되는 하나 이상의 고정 부재(14)에 연결되고,상기 연결 부재(132, 133, 134)는 상기 베어링 장치(121, 122) 바로 위의 영역에서, 상기 축(16) 상에 위치한 중심점 및 상기 직경 D1보다 큰 직경 D2을 가진 원이 임의의 원하는 수평면에서 내접할 수 있도록 여유 공간이 형성되도록 배열되어 있고, 상기 지지 장치(1)는 본래 고정형(immobile)인 것을 특징으로 하는지지 장치.
- 제1항에 있어서,상기 지지 장치는 상기 반도체 재료로 된 용융체(4)에 견딜 수 있는 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 지지 장치.
- 제2항에 있어서,상기 지지 장치는 석영 유리로 이루어진 것을 특징으로 하는 지지 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지 장치는, 상기 반도체 재료로 된 용융체(4)의 매달린 액적(hanging drop)이 표면에서 형성될 수 없는 형상을 가진 것을 특징으로 하는 지지 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지 장치는 표면에 수평인 면(horizontal face)이 없는 것을 특징으로 하는 지지 장치.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,상기 지지 장치(1)가 상기 반도체 재료로 된 용융체(4)로부터 들어올려질 때 상기 용융체(4)가 흘러나가도록 하는 하나 이상의 유출 장치(run-off apparatus)(15)를 포함하는 것을 특징으로 하는 지지 장치.
- 초크랄스키 결정 인상 공정을 이용하여 반도체 재료로 이루어지는 단결정(8)의 제조 방법으로서,a) 베어링 장치(121, 122)가 용융체(4)의 표면 하부에 위치하도록, 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 지지 장치(1)를 반도체 재료의 용융체(4)에 부분적으로 침지시키는 단계,b) 대쉬 네크(81)를 둘러싸는 상기 지지 장치(1)가 대쉬 네크(81)와 접촉하지 않는 상태로, 상기 용융체(4)로부터 시드 결정을 인상함으로써, 직경이 D3인 상기 대쉬 네크(81)를 인상하는 단계,c) 직경 증가 부위(82)를 둘러싸는 상기 지지 장치(1)가 직경 증가 부위(82)와 접촉하지 않는 상태로, 최대 직경이 D4(단 D1＜D4＜D2)인 상기 직경 증가 부위(82) 및 그 하부의 최소 직경이 D5(단, D3＜D5＜D1)인 좁은 부위(83)를 인상하는 단계,d) 상기 지지 장치(1)가 더 이상 상기 용융체(4)와 접촉하지 않도록, 상기 지지 장치(1)를 상기 용융체(4)로부터 들어올리는 단계,e) 연속적으로 증가되는 직경을 가진 단결정 피스(piece)(84)를 인상하는 단계,f) 직경이 D6(단, D6＞D5)인 원통형 단결정 피스(85)를 인상하는 단계, 및g) 상기 베어링 장치(121, 122)가 하부로부터 상기 직경 증가 부위(82)에 접하여 지지하도록, 상기 지지 장치(1)를 상승시키는 단계를 포함하는 단결정 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 지지 장치(1)는 단계 d)에서, 상기 직경 증가 부위(82)와 접촉하지 않을 정도의 거리 만큼만 들어올려지는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 지지 장치(1)가 계속적으로 상기 직경 증가 부위(82)와 접촉하지 않도록, 상기 단계 e) 동안 상기 지지 장치(1)가 계속적으로 들어올려지는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
- 제7항에 있어서,상기 단계 g)는, 상기 지지 장치(1)가 부하를 받을 수 있는 정도까지 냉각되자마자 실행되는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
- 제10항에 있어서,상기 단계 g)는 상기 단계 f)를 실행하는 과정중에 실행되는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
- 제11항에 있어서,상기 단계 f) 도중 및 상기 단계 g)가 수행된 후, 상기 지지 장치(1)가 점진적으로 높은 부하를 받는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
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