KR100826592B1 - 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치 및 제조 방법 - Google Patents

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    • C30B29/06—Silicon

Abstract

실리콘 단결정 잉곳 제조 장치 및 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는, 쵸크랄스키 방법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 있어서, 실리콘 단결정 잉곳과 석영 도가니 사이에 위치하며, 실리콘 단결정 잉곳 에지부의 수직 온도 기울기 저하를 보상하기 위하여 수직방향 열전도율이 수평방향 열전도율보다 큰 열차폐부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 실리콘 단결정 잉곳 에지부의 낮은 수직 온도 기울기를 향상시켜 실리콘 단결정 잉곳의 반경 방향으로 균일한 무결함 특성을 가지는 실리콘 단결정 잉곳을 생산할 수 있다.
열차폐부, 이방성, 잉곳

Description

실리콘 단결정 잉곳 제조 장치 및 제조 방법{Apparatus and method of manufacturing silicon single crystal ingot}
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 2는 도 1에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 구비되는 열차폐부 형상을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 3은 실리콘 단결정 잉곳의 인상속도 변화에 따른 무결함 품질 변화를 나타낸 개략도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명*
10: 열차폐부 21: 실리콘 단결정 잉곳 고액 계면 하부 부분
20: 실리콘 단결정 잉곳 30: 도가니
40: 히터
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 쵸크랄스키(CZ) 방법에 의하여 도가니 안에서 용융된 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 웨이퍼용 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법으로 쵸크랄스키 방법을 이용한다. 쵸크랄스키 방법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳이 성장될 때, 실리콘 단결정 잉곳 내의 결함 특성은 실리콘 단결정 잉곳의 인상속도 및 냉각 조건에 크게 의존한다. 실리콘 단결정 잉곳 결정 내에 나타나는 결함은 크게 베이컨시(vacancy) 점결함과 인터스티셜(interstitial) 점결함으로 나누어지며, 베이컨시 점결함이나 인터스티셜 점결함이 평형 농도 이상으로 존재하여 응집이 일어나면 성장결함으로 발전하는 것으로 알려져 있다. 이러한 결함이 형성된 실리콘 단결정 잉곳을 웨이퍼로 가공하면, 웨이퍼의 전면에는 COP(crystal originated particle), LDP(large dislocation pit), OSF(oxidation induced stacking fault) 등의 결함이 나타난다.
여기서, COP란 표면결정결함을 지칭하는 것으로, 베이컨시 점결함이 결정의 냉각과정에서 응집되어 생성되는 정팔면체 구조의 보이드(void) 결함의 한 형태로서, 단결정으로부터 웨이퍼 슬라이스됨으로써 표면에 드러난다. 즉, 베이컨시 결함이 응집된 3차원 보이드 결함이다.
그리고, LDP는 인터스티셜 결함이 응집하여 생성되는 전위 루프(dislocation-loop)이다. 즉, 인터스티셜 결함이 응집된 루프 형태의 전위 결함이다.
또한, OSF는 결정성장시 실리콘 단결정 잉곳에 혼입되는 격자간 산소가 웨이퍼 또는 단결정의 추가 열처리를 통하여 핵생성 및 성장 기구에 의해 벌크 미소결함(bulk micro defect) 형태로 나타나는 3차원 결함이다.
결정성장 저널에 발표된 보론코프씨의 논문(V.V. Voronkov, "The Mechanism of Swirl Defects Formation in Silicon", Journal of Crystal Growth 59 (1982) 625)에 의하면, 단결정 잉곳 결정 내의 결함은 V/G 비와 밀접한 관계를 갖는다. 여기서 V값은 인상속도이며, G값은 수직 온도 기울기, 즉 실리콘 단결정 잉곳이 성장하는 방향으로 실리콘 단결정 잉곳 결정내의 온도 경사의 평균치를 말한다. G값의 단위로는 ℃/mm를 사용한다.
V/G의 비가 어떤 임계치를 초과하면 베이컨시-타입(vacancy-type)이 되고 그 이하에서는 인터스티셜-타입(interstitial-type)의 결함이 형성된다. 따라서, 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때는 인상속도 V에 의하여 실리콘 단결정 잉곳 내에 존재하는 결함의 종류, 크기, 밀도 등이 영향을 받게 된다.
또한, 일반적으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때, 실리콘 단결정 잉곳의 중심부에서부터 에지부로 갈수록 G값이 증가한다. 왜냐하면, 실리콘 단결정 잉곳의 에지부가 중심부에 비하여 냉각속도가 빠르기 때문이다. G값은 결정 내에 존재하는 결함의 종류, 크기, 밀도 등에 영향을 주어 실리콘 단결정 잉곳의 품질에 중요한 요소로 작용한다.
근래 단결정 성장기술의 발전에 의해 실리콘 단결정 잉곳 중심부보다 에지부에서의 G값이 오히려 작아지는 문제가 발생하고 있다. 왜냐하면, 단결정 회전에 의한 중심 셀이 상대적으로 커짐으로써 실리콘 단결정 잉곳으로의 열 전달이 부족하여 실리콘 단결정 잉곳의 에지부 고액 계면 하부의 온도 기울기가 약화되는 문제가 발생하기 때문이다. 이러한 문제는 종래의 실리콘 융액을 제어하는 대부분의 공정 변수 조절로는 해결이 불가능하다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 실리콘 단결정 잉곳의 중심부보다 에지부에서의 수직 온도 기울기가 작은 경우, 실리콘 단결정 잉곳의 에지부에서의 수직 온도 기울기를 증가시켜 실리콘 단결정 잉곳의 반경방향으로 균일한 무결함 특성을 가지는 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명이 제공하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는 쵸크랄스키 방법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 있어서, 실리콘 단결정 잉곳과 석영 도가니 사이에 위치하며, 실리콘 단결정 잉곳 에지부의 수직 온도 기울기 저하를 보상하기 위하여 수직방향 열전도율이 수평방향 열전도율보다 큰 열차폐부를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치를 제공한다.
이때, 상기 열차폐부는 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장방향으로 방향성을 가지도록 제조된 압출 흑연인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열차폐부는 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 원통형으로 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법은 상술한 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법으로서, 상기 실리콘 단결정 잉곳 에지부의 수직 온도 기울기 저하를 보상함으로써, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 중심부로부터 에지부까지 균일한 무결함 특성을 가지는 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 것을 특징으로 한다 .
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
상술한 바와 같이, 근래에는 실리콘 단결정 잉곳 중심부보다 에지부의 수직 온도 기울기, 즉 G값이 작아지는 문제가 발생한다. 특히, 이러한 현상은 석영 도가니 내에 실리콘 융액의 양이 충분하지 않은 상태에서 발생한다. 실리콘 융액의 양이 적으면 상대적으로 실리콘 융액이 충분할 때와 비교하여 실리콘 단결정 잉곳의 회전에 의하여 실리콘 융액 내의 대류가 받는 영향이 증가한다. 즉, 실리콘 단결정 잉곳의 회전에 의한 중심셀이 상대적으로 커진다. 상대적으로 커진 중심셀은 실리콘 단결정 잉곳 고액 계면 하부 부분의 수평 온도 기울기가 약화됨을 의미한다. 따라서, 히터로부터 복사 전달된 열이 실리콘 융액의 대류를 통하여 실리콘 단결정 잉곳으로 충분히 전달되지 못하고 이로 인하여 실리콘 단결정 잉곳 에지부의 G값이 실리콘 단결정 잉곳 중심부의 G값에 비하여 상대적으로 작아지는 현상이 발생하는 것이다. 본 발명은 상기와 같이 실리콘 단결정 잉곳의 중심부보다 실리콘 단결정 잉곳의 에지부에서의 G값이 작은 경우에 탁월한 효과를 발휘한다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치의 단면도이며, 도 2는 도 1에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 구비되는 열차폐부 형상을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치에 구비되는 열차폐부(10)는 실리콘 단결정 잉곳(20)과 실리콘 융액이 담긴 석영 도가니(30) 사이에 위치한다. 열차폐부(10)의 재질은 수직방향 열전도율이 수평방향 열전도율보다 큰 재질을 사용한다. 열차폐부(10)는 수직방향 열전도율을 수평방향 열전도율보다 높게 하기 위하여 이방성 재질로 형성된다. 열차폐부(10)에 사용된 이방성 재질의 방향성은 실리콘 단결정 잉곳(20)이 성장하는 방향(11)이 되도록 형성된다. 본 실시예에서는 열차폐부(10)의 이방성 재질의 예로서, 이방성을 가지도록 제조된 압출 흑연을 예로 든다. 이때, 열차폐부(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 원통형으로 형성될 수도 있으나 이외에도 실리콘 단결정 잉곳(20)을 에워싸도록 다양한 형태로 형성될 수 있다.
열차폐부(10)는 도 1에서 도시된 바와 같이 히터(40)로부터 실리콘 단결정 잉곳(20)의 에지부로 복사 전달되는 열을 차단시킴과 동시에 복사 전달된 열을 흡수한다. 그 다음, 흡수한 열을 실리콘 단결정 잉곳(20)이 성장하는 방향(11)으로 빠르게 방출시킨다.
또한, 열차폐부(10)는 실리콘 단결정 잉곳(20) 에지부로부터 방출되는 열을 흡수한다. 이 흡수한 열을 실리콘 단결정 잉곳(20)이 성장하는 방향(11)으로 빠르 게 방출시킨다.
열차폐부(10)는 실리콘 단결정 잉곳(20)이 성장하는 방향(11)이 되도록 이방성을 가지기 때문에 종래에 사용되던 등방성 열차폐부에 비하여 수평방향 열전도율이 작다. 따라서, 실리콘 단결정 잉곳(20) 고액 계면 하부 부분(21)에서 수평으로 열전달이 이루어지는 것을 보다 효율적으로 방지한다. 만약, 열차폐부(10)가 없거나 종래의 열차폐부를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳(20) 고액 계면 하부 부분(21)에서 수평으로 열전달이 쉽게 이루어지면, 수평방향으로 과냉도가 증가하게 된다. 수평방향으로 과냉도가 증가하게 되면, 실리콘 단결정 잉곳(20)이 원하는 반경 이상으로 성장 발달하려는 경향이 생기며 정상적인 실리콘 단결정 잉곳(20)의 생산이 어려워진다. 열차폐부(10)는 수평방향 열전도율이 낮아 실리콘 단결정 잉곳(20) 고액 계면 하부 부분(21)에서 수평으로 열전달이 이루어지는 것을 막아줌으로써 실리콘 단결정 잉곳(20) 고액 계면 하부 부분(21)의 수평방향 온도 기울기를 증가시켜준다. 수평방향의 온도 기울기가 증가되면, 실리콘 단결정 잉곳(20) 고액 계면 하부 부분(21)에서 온도분포가 커지고 결과적으로 정상적인 결정이 성장된다.
이렇듯, 열차폐부(10)는 실리콘 단결정 잉곳(20)으로부터 방출되는 열과 히터(40)로부터 방출되는 열이 수평방향으로 이동하는 것을 방지하며 열이 최대한 실리콘 단결정 잉곳(20)이 성장하는 방향(11)으로 수직이동하도록 한다. 이에 따라 실리콘 단결정 잉곳(20) 고액 계면 하부 부분(21)의 수직 온도 기울기가 증가되며 실리콘 단결정 잉곳(20)의 에지부의 G값이 증가된다.
기존에는 열차폐부의 재질로 등방성 흑연을 사용하였다. 등방성 흑연은 방향 성이 없어 수직, 수평 방향으로 비슷한 열전도율을 가지며, 평균적으로 80~100 kcal/mhr℃ 정도의 열전도율을 갖는다. 반면에 이방성을 갖게끔 제조된 압출 흑연은 압착 방향에 따라 수직방향으로의 열전도율이 수평방향으로의 열전도율에 2배까지도 가능하다. 아래 표 1은 각각의 열 전도율 차이로 인한 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치를 사용하면 실리콘 단결정 잉곳(20)의 에지부 G값이 향상되는 것을 보여주고 있다.
수직방향 열전도율 (kcal/mhr℃) 수평방향 열전도율 (kcal/mhr℃) 에지부 G값 (종래대비)
종래 기술 80~110 80~110 1
본 발명 160~190 80~100 1.1~1.2
이러한 이방성 재질로된 열차폐부(10)를 사용하게 되면 실리콘 단결정 잉곳(20) 결정 및 융액 내에서 감소되는 에지부 G값을 실리콘 단결정 잉곳(20)의 중심부 정도로 향상시킬 수 있다.
도 3은 실리콘 단결정 잉곳의 인상속도 변화에 따른 무결함 품질 변화를 나타낸 개략도이다.
도 3을 참조하면, 비교예에서는 실리콘 단결정 잉곳(20)의 에지부에는 낮은 G값에 의해 OSF 영역이 존재하는 반면에, 실시예에서는 에지부에서의 G값 저하를 보상하여 반경방향으로 균일한 V/G 비를 유지, 무결함 특성을 얻을 뿐만 아니라 인상속도도 향상되는 결과를 얻고 있다. 또한, 본 실시예에서는 인터스티셜 점결함의 농도(Pi)가 종래의 비교예에 비하여 균일하게 분포되어 있는 것을 알 수 있다. 특히, 도 3의 점선 표시를 보면 그 점선 위치에서 비교예 및 실시예 웨이퍼 품질의 차이가 있음을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는 수직방향 열전도율이 수평방향 열전도율보다 큰 이방성을 가지는 열차폐부(10)를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳(20) 에지부의 G값을 증가시킴으로써, 실질적으로 실리콘 단결정 잉곳(20)의 중심부로부터 에지부까지 거의 균일한 무결함 마진을 얻을 수 있게 해준다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.
본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치 및 제조 방법에 따르면, 실리콘 단결정 잉곳 에지부의 낮은 수직 온도 기울기를 향상시켜 실리콘 단결정 잉곳의 반경방향으로 균일한 무결함 특성을 가지는 실리콘 단결정 잉곳을 생산할 수 있다.

Claims (4)

  1. 쵸크랄스키 방법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치에 있어서,
    실리콘 단결정 잉곳과 석영 도가니 사이에 위치하며, 실리콘 단결정 잉곳 에지부의 수직 온도 기울기 저하를 보상하기 위하여 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장방향으로 방향성을 가지도록 제조된 압출 흑연으로 형성되며 수직방향 열전도율이 수평방향 열전도율보다 큰 열차폐부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 열차폐부는 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 원통형으로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치.
  4. 제1항의 기재에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법으로서,
    상기 실리콘 단결정 잉곳 에지부의 수직 온도 기울기 저하를 보상함으로써, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 중심부로부터 에지부까지 균일한 무결함 특성을 가지는 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법.
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