KR100975004B1 - 단결정 잉곳 성장방법 및 이의 전위제어방법 - Google Patents

Abstract

고 중량의 단결정 잉곳을 지지할 수 있으면서도 전위를 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장방법 및 이의 전위제어방법이 개시된다. 개시된 본 발명에 의한 단결정 잉곳 성장방법은, 도가니에 수용되어 가열되며 열차폐체에 의해 열이 차폐되는 실리콘용액에 결정시드가 침지되는 단계, 결정시드에 넥부가 형성되면서 전위가 제어되는 단계 및, 넥부가 형성된 결정시드가 단결정 잉곳으로 성장되는 단계를 포함하며, 전위 제어단계는, 결정시드가 도가니의 회전속도보다 낮은 속도로 회전하면서 1mm/min 내지 3.5mm/min의 속도로 인상됨과 아울러, 열차폐체와 실리콘용액 사이의 이격간격이 30mm 내지 80mm일 때 전위가 제어되는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성에 의하면, 전위 발생이 제어된 상태로 넥부가 7mm 이상으로 형성될 수 있게 되어, 1톤 이상의 고 중량으로 성장되는 단결정 잉곳을 지지할 수 있게 된다.

단결정, 잉곳, 성장, 결정시드, 넥부, 전위, 제어.

Description

단결정 잉곳 성장방법 및 이의 전위제어방법{SINGLE CRYSTAL INGOT GROWING METHOD AND DISLOCATION CONTROL METHOD HAVING SAME}

본 발명은 반도체 제조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전위발생을 제어할 수 있으면서도 보다 무거운 중량의 단결정 잉곳을 성장시켜 지지할 수 있는 단결정 잉곳 성장방법 및 이의 전위제어방법에 관한 것이다.

반도체 소자 제조용 재료로서 광범위하게 사용되고 있는 웨이퍼는 단결정 실리콘 박판을 지칭한다. 이러한 웨이퍼 제조 공정은 성장된 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 웨이퍼 형태로 자르는 절단공정, 웨이퍼의 두께를 균일화하여 평면화하는 래핑(lapping) 공정, 기계적인 연마에 의하여 발생한 데미지를 제거 또는 완화하는 에칭(etching) 공정, 웨이퍼 표면을 경면화하는 연마(polishing) 공정, 그리고, 완료된 웨이퍼를 세정하는 세정공정(cleaning)으로 이루어진다.

여기서, 상기 단결정 실리콘 잉곳은 쵸크랄스키법(Czochralski method)에 따라 성장되어 제조된다. 이 쵸크랄스키법은 도가니에 수용되어 가열되는 실리콘용액에 잉곳의 종자를 침지시켜 단결정 잉곳으로 성장시키는 방법이다. 구체적으로, 상기 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 성장장치는 고압으로 기밀상태를 유지하는 성 장챔버로 10torr 정도로 감압된 신선한 아르곤(Ar)가스를 공급함과 동시에, 상기 성장챔버의 내부에 설치되어 가열되는 도가니를 가열하여 고온의 실리콘용액을 준비한다. 이렇게 성장챔버 내부에 성장환경이 조성되면, 상기 도가니의 실리콘용액에 결정시드를 침지시킨 후, 상기 도가니와 결정시드를 서로 반대방향으로 회전시키면서 결정시드를 서서히 인상시킨다. 그러면, 상기 실리콘용액의 고체와 액체의 계면에서의 냉각에 의해, 직경(Dia)이 확장되어 길이가 연장된 단결정 잉곳이 형성된다. 한편, 상기 결정시드가 단결정 잉곳으로 성장되는 도중에 전위(dislocation)가 발생된다.

구체적으로, 상기 결정시드는 상기 실리콘용액에 접촉되는 순간 결정시드 내의 급격한 온도차이로 인한 슬립 전위(Slip Dislocation)가 고밀도로 발생된다. 이러한 슬립 전위의 제거를 위해, 상기 결정시드를 실리콘용액에 접촉시킨 후 넥(Neck) 부위의 직경을 3 ~ 5mm 이내로 경사지게 줄인 후 이 직경을 유지하면서 3.5mm/min 이상의 속도로 회전시키면서 200mm 이상의 길이로 성장시키는 대시 네킹(Dash Necking) 방식이 주로 사용되었다. 이러한 대시 네킹 방식은 전단응력(Shear stress)의 발생에 의한 전위의 전파속도보다 상기 넥 부위의 풀링속도(Pulling Speed)가 빠름을 이용하여, 상기 발생된 슬립 전위를 제거한다.

그런데, 상기 넥 부위의 직경이 늘어날 경우, 전단응력의 증가에 따른 전위 속도가 보다 빨라짐으로써 단순히 넥 부위의 풀링속도를 높여도 상기 슬립 전위의 제거가 용이하지 않다. 특히, 상기 대시 네킹 방식으로 슬립 전위를 제어할 수 있는 넥 부위의 직경은 최대 400kg까지 지지할 수 있는 5mm 이내이다. 그로 인해, 근 래와 같이 웨이퍼의 대구경화되는 추세에 따른 1톤(ton) 이상의 무게를 지지할 수 있는 넥 부위를 구비하는 단결정 잉곳의 성장을 위한 연구 및 개발이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 고 중량의 단결정 잉곳을 지지할 수 있는 넥부를 형성시킬 수 있는 단결정 잉곳 성장방법 및 단결정잉곳의 전위제어방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 성장공정 중의 전위 발생을 제거할 수 있는 단결정 잉곳 성장방법 및 단결정 잉곳의 전위제어방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 단결정 잉곳 성장방법은, 도가니에 수용되어 가열되며 열차폐체에 의해 열이 차폐되는 실리콘용액에 결정시드가 침지되는 단계, 상기 결정시드에 넥부가 형성되면서 전위가 제어되는 단계 및, 상기 넥부가 형성된 결정시드가 단결정 잉곳으로 성장되는 단계를 포함하며, 상기 전위 제어단계는, 상기 결정시드가 상기 도가니의 회전속도에 비해 낮은 속도로 회전하면서 1mm/min 내지 3.5mm/min의 속도로 인상됨과 아울러, 상기 열차폐체와 실리콘용액 사이의 이격간격이 30mm 내지 80mm일 때 전위가 제어된다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 결정시드와 도가니의 회전속도 비는 1:3 또는 2:3인 것이 좋다. 이러한 파라미터들에 의해 형성되는 상기 넥부는 7mm 이상의 직경을 가짐으로써, 고 중량의 단결정 잉곳을 지지할 수 있게 된다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 단결정 잉곳의 전위제어방법은, 도가니에 수용되며 히터에 의해 가열됨과 아울러 수면으로부터 이격된 위치에 마련된 열차폐 체에 의해 열이 차폐되는 실리콘용액에 결정시드를 침지시켜 인상시킴으로써 성장되는 단결정 잉곳의 전위제어방법에 있어서, 상기 단결정 잉곳의 전위제어방법은, 상기 결정시드가 상기 도가니의 회전속도 보다 낮은 속도로 회전하면서 1mm/min 내지 3.5mm/min의 속도로 인상되어 넥부를 형성시킴으로써, 상기 전위를 제어한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 넥부 형성시의 결정시드의 회전속도, 인상속도 및 열차폐체와 실리콘용액 사이의 간격을 조절함으로써, 넥킹부의 직경을 7mm 이상 확장할 수 있게 된다. 그로 인해, 기존의 전위 전파속도보다 빠른 속도로 결정시드를 인상시켜 전위를 제어하는 대시 넥킹 방식의 문제점인 넥킹부의 직경 한계로 인한 400kg 미만의 단결정 잉곳 만을 지지할 수 있었던 문제점을 개선할 수 있게 된다.

또한, 상기 넥부의 직경이 7mm 이상까지 확장되어도 소정 파라미터에 의해 전위가 제어될 수 있게 된다. 이러한 넥부의 직경 확장 및 전위 제어는 1톤과 같은 고 중량으로 성장되는 단결정 잉곳을 지지할 수 있는 넥부를 구현함으로써, 고 중량의 단결정 잉곳 성장에 채용될 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 의한 단결정 잉곳 성장방법 및 이의 전위제어방법은, 성장챔버(10), 도가니(20), 히터(30) 및 열차폐체(40)를 구비하는 단결정 잉곳 성장장치(1)를 통해 구현된다.

상기 단결정 잉곳 성장장치(1)를 구성하는 상기 성장챔버(10)는 결정시드를 단결정 잉곳(I)으로 성장시키기 위한 성장환경을 제공하는 것으로서, 성장전의 결정시드와 성장된 잉곳(I)이 출입될 수 있는 출입구(11)가 마련된다. 이러한 성장챔버(10)의 상부의 대략 중앙에 출입구(11)가 마련되는 원통 형상을 가진다.

상기 도가니(20)는 실리콘용액(S)이 수용되며, 보다 구체적으로는 다결정 실리콘 덩어리가 수용되어 가열됨으로써 용해된 실리콘용액(S)이 수용된다. 이러한 도가니(20)는 석영 재질로 형성되며, 그 외주면을 흑연 재질로 형성되는 도가니 지지체(21)에 지지된다. 아울러, 상기 도가니(20)는 도가니 지지체(21)에 마련된 축(22)을 중심으로 소정 속도로 회전된다. 이러한 도가니(20)의 회전으로 인해, 상기 도가니(20)에 수용된 실리콘 용액(S)이 균일한 밀도와 온도를 유지하게 된다.

한편, 상기 도가니(20)와 이 도가니(20)의 실리콘용액(S)에 침지되는 성장전의 결정시드 또는 성장된 잉곳(I)은 상호 반대방향으로 회전되며, 특히, 상기 결정시드 또는 잉곳(I)은 상기 실리콘용액(S)으로부터 소정 속도로 인상된다. 이때, 상기 실리콘용액(S)으로부터 결정시드 또는 잉곳(I)이 인상되는 속도에 따라, 상기 성장된 잉곳(I)의 직경이 결정된다.

상기 히터(30)는 상기 도가니(20)의 외주면으로부터 소정간격 이격되도록 설치되도록 성장챔버(10)의 내부에 설치되어, 상기 도가니(20)를 가열한다. 이러한 히터(30)의 가열에 의해 상기 도가니(20)에 수용되어 있던 다결정 실리콘 덩어리가 실리콘용액(S)으로 용해된다.

참고로, 상기 히터(30)는 상기 도가니 지지체(21)와 마찬가지로 열전도성 및 내열성이 우수하고 열팽창율이 낮아 열에 의해 쉽게 변형되지 않으며 열충격에 강한 흑연으로 형성됨이 좋다. 이러한 흑연 재질의 도가니 지지체(21)와 히터(30)의 기술구성에 의해, 상기 도가니(20)의 가열성이 보다 우수해진다.

상기 열차폐체(40)는 상기 실리콘용액(S)의 수면과 마주하는 일단(41)과, 상기 실리콘용액(S)에 침지된 잉곳(I)의 외주면을 감쌀 수 있도록 일단(41)으로부터 연장되는 타단(42)을 구비하여, 상기 실리콘용액(S)의 열을 차폐시킨다. 즉, 상기 열차폐체(40)는 가열되는 실리콘용액(S)의 열을 차폐시켜, 결정시드가 단결정 잉곳(I)으로 성장되는 성장율 향상에 기여하는 것이다. 이러한 열차폐체(40)의 일단(41)은 상기 실리콘용액(S)의 수면으로부터 소정 간격(G) 이격되도록 마련된다.

상기와 같은 구성을 가지는 단결정 잉곳 성장장치(1)에 의한 단결정 잉곳의 성장방법을 도 2를 참고하여 설명하면 하기와 같다.

우선, 도 2의 도시와 같이, 상기 도가니(20)에 수용되어 히터(30)에 의해 가열되며 열차폐체(40)에 의해 열이 차폐되는 실리콘용액(S)에 결정시드가 침지된다(S10). 이렇게 실리콘용액(S)에 침지된 결정시드는 도가니(20)의 회전방향에 대해 반대방향으로의 회전되어, 넥부(N)가 형성됨과 아울러 전위가 제어된다(S20). 여기서, 상기 결정시드에 형성되는 넥부(N)는 상기 실리콘용액(S)에 침지된 결정시드의 성장시 직경을 최대한 줄이도록 소정속도로 인상시켜 형성되는 부위로써, 후에 형성될 단결정 잉곳(I)을 지지한다. 이러한 넥부(N)의 형성은 단결정 잉곳(I)으로 완전히 성장시킬 수 있는지를 판단할 수 있는 중요한 작업으로서, 풀링속도(pulling speed) 즉, 인상속도에 따라 직경의 크기가 결정된다.

상기 넥부(N)의 형성 및 전위제어단계(S20)를 위한 파라미터(parameter)는 하기와 같다.

우선, 상기 실리콘용액(S)에 침지된 결정시드의 회전속도는 도가니(20)의 회전속도에 비해 느리다. 구체적으로, 상기 결정시드의 회전속도와 도가니의 회전속도 사이의 비는 1:3 또는 2:3이 적절하다. 이렇게 도가니(20)의 회전속도보다 낮은 속도로 회전되는 결정시드는 1mm/min 내지 3.5mm/min의 속도로 인상된다.

참고로, 상기 결정시드의 회전속도 및 인상속도에 따른 넥부(N)의 형상이 도 3에 도시된다. 도 3의 (a), (b) 및 (c)에 도시된 넥부(N)의 형상은 상기 결정시드의 회전속도가 상기 도가니(20)의 회전속도보다 낮은 상태에서, 각각 1mm/min 내지 3/5mm/min 사이의 속도, 1mm/min 이하의 속도, 그리고, 3.5mm/min 이상의 속도로 결정시드가 인상되는 상태를 도시한 것이다. 도 3의 (a)에서와 같이, 상기 결정시드가 1mm/min 내지 3.5mm/min의 속도로 인상될 경우에는 결정시드와 실리콘용액(S)의 계면이 수평하다.

그러나, 도 3의 (b)와 같이 결정시드가 1mm/min 이하의 속도로 인상될 경우에는 결정시드의 느린 인상속도에 의해 상기 결정시드와 실리콘용액(S)의 계면에서 오목(concave)한 형태의 경계면이 형성된다. 또한, 도 3의 (c)와 같이 결정시드가 3.5mm/min 이상의 속도로 빨리 인상될 경우, 상기 결정시드와 실리콘용액(S)의 계면에서 볼록(convex)한 형태의 경계면이 형성된다. 이렇게, 상기 결정시드가 1mm/min 내지 3.5mm/min의 범위를 벗어난 속도로 인상될 경우 넥부(N)의 내외부 큰 온도차이로 인해 전단응력 발생이 증가된다. 상기 전단응력 발생 증가는 전위발생 속도에 밀접하게 관여함으로써, 전위 제어를 방해하게 된다.

또한, 상기 열차폐체(40)와 실리콘용액(S) 사이의 이격간격(G)은 30mm 내지 80mm인 것이 좋다. 이러한 열차폐체(40)와 실리콘용액(S) 사이의 간격(G)에 따른 온도구배가 도 4에 도시된다. 도 4의 도시된 (a), (b) 및 (c)는 각각 열차폐체(40)와 실리콘용액(S)의 수면 사이의 간격(G)이 30mm, 50mm 및 70mm인 경우의 성장챔버(10)의 내부 온도구배를 도시하였다. 도 4의 도시와 같이, 상기 열차폐체(40)와 실리콘용액(S)의 수면과의 간격(G)이 넓어질수록 넥부(N)의 온도구배가 수평해짐과 아울러, 온도구배 사이의 간격이 좁아진다. 이러한 넥부(N)의 수평하고 좁은 간격의 온도구배는 전단응력의 발생을 줄이는 요인이다. 그러나, 상기 열차폐체(40)와 실리콘용액(S)의 수면 사이의 간격(G)이 80mm을 초과할 경우에는 단결정 잉곳(I)으로의 성장 시 인상속도 저하를 야기하여 생산성 저하를 초래한다. 그러므로, 상기 열차폐체(40)와 실리콘용액(S) 사이의 이격간격(G)은 30mm 내지 80mm인 것이 적당하다.

상기와 같은 조건으로 실리콘용액(S)에서 결정시드를 인상시켜 넥부(N)를 형성할 경우 전위가 제거되는 시점이 7mm 이상으로써, 7mm 이상의 직경을 가지는 넥부(N)가 구현될 수 있게 된다. 이렇게 7mm 이상의 직경을 가지는 넥부(N)가 형성될 경우, 1톤과 같은 무거운 중량으로 단결정 잉곳(I)이 성장되어도 넥부(N)가 이를 지지할 수 있게 된다.

상기와 같은 파라미터로 넥부(N)가 형성된 후, 상기 결정시드는 계속해서 소정 속도로 실리콘용액(S)으로부터 인상되어 단결정 잉곳(I)으로 성장된다(S30). 이 단결정 잉곳(I)의 성장단계(S30)는 상기 넥부(N)로부터 서서히 직경이 확장되는 숄더링공정과 이 확장된 직경으로 길이가 연장되는 바디공정 등을 포함하나, 이러한 기술구성은 공지로부터 이해 가능하므로, 자세한 설명 및 도시는 생략한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하기 위한 단결정 잉곳 성장장치를 개략적으로 도시한 단면도,

도 2는 본 발명에 의한 단결정 잉곳 성장방법 및 이의 전위제어방법을 설명하기 위한 플로우챠트,

도 3은 결정시드의 인상속도에 따른 넥부의 형상을 확대 도시한 도면,

도 4는 열차폐체와 실리콘용액 사이의 간격 변화에 따른 온도구배를 개략적으로 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1: 단결정 잉곳 성장장치 10: 성장챔버

20: 도가니 30: 히터

40: 열차폐체

Claims (7)

1. 도가니에 수용되어 가열되며 열차폐체에 의해 열이 차폐되는 실리콘용액에 결정시드가 침지되는 단계;

   상기 결정시드에 넥부가 형성되면서 전위가 제어되는 단계; 및

   상기 넥부가 형성된 결정시드가 단결정 잉곳으로 성장되는 단계;

   를 포함하며,

   상기 전위 제어단계는,

   상기 결정시드가 상기 도가니의 회전속도에 비해 낮은 속도로 회전하면서 1mm/min 내지 3.5mm/min의 속도로 인상됨과 아울러, 상기 열차폐체와 실리콘용액 사이의 이격간격이 30mm 내지 80mm일 때 전위가 제어되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 결정시드와 도가니의 회전속도 비는 1:3 또는 2:3인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 넥부는 7mm 이상의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
4. 도가니에 수용되며 히터에 의해 가열됨과 아울러 수면으로부터 이격된 위치에 마련된 열차폐체에 의해 열이 차폐되는 실리콘용액에 결정시드를 침지시켜 인상시킴으로써 성장되는 단결정 잉곳의 전위제어방법에 있어서,

   상기 단결정 잉곳의 전위제어방법은,

   상기 결정시드가 상기 도가니의 회전속도 보다 낮은 속도로 회전하면서 1mm/min 내지 3.5mm/min의 속도로 인상되어 넥부를 형성시킴으로써, 상기 전위를 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳의 전위제어방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 결정시드와 도가니의 회전속도 비는 1:3 또는 2:3인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳의 전위제어방법.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 열차폐체와 실리콘용액의 수면은 30mm 내지 80mm로 이격된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳의 전위제어방법.
7. 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 넥부는 7mm 이상의 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳의 전위제어방법.

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