KR101022918B1 - 무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 무네킹 공정에 의한 단결정 제조 방법을 개시한다. 본 발명에 따른 단결정 제조 방법은, 보론과 게르마늄이 함께 도핑된 종자 결정을 회전시키면서 종자 결정의 하단을 멜트와 접촉시키는 멜트 접촉 단계; 종자 결정을 회전시키면서 열 충격에 의해 전위가 발생된 종자 결정의 하단을 멜트 내로 디핑시켜 전위 발생 부위를 용융시키는 전위 제거 단계; 및 종자 결정의 회전을 멈춘 상태에서 테이퍼 작업을 진행하고 종자 결정의 회전 수를 단결정 인상을 위한 회전수로 점차 높이는 무네킹 준비 단계; 및 종자 결정의 회전수가 단결정 인상 조건에 이르면 전위가 존재하지 않는 단결정을 인상하는 무네킹 인상 단계를 포함한다.
무네킹 공정, 단결정, 쵸크랄스키법, 전위 제어

Description

무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법{Method of manufacturing single crystal using without necking technology}
본 발명은 쵸크랄스키법을 이용한 단결정 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무네킹 공정에 의해 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조에 사용되는 단결정은 여러 가지 방법으로 제조가 가능한데, 대구경의 단결정을 제조할 때에는 주로 쵸크랄스키(Czochralski)법이 이용된다. 여기서, 단결정의 대표적인 예로는 실리콘 단결정을 들 수 있다. 쵸크랄스키법은 다결정 원료를 용융시킨 후 멜트(melt)의 표면을 과냉각 상태로 만들고 멜트 표면에 종자 결정을 접촉시킨 후 서서히 인상시켜 고액 계면을 통해 원하는 직경의 단결정을 성장시키는 기술이다.
종자 결정이 멜트에 접촉하면멜트와 접촉된 종자 결정 하단부의 온도는 급격히 멜트의 표면온도로 급격히 상승함으로써 종자 결정 하단부에 열 충격(thermal shock)이 가해진다. 그 결과, 종자 결정에 전단 응력(shear stress)이 유발되어 멜트 접촉 부위에 전위(dislocation)가 발생한다.
전위의 전파 속도는 인가되는 전단 응력의 크기가 증가할수록 증가하는 특성 이 있다. 만약 단결정의 성장 중에 종자 결정 하단부에 존재하는 전위가 고액계면으로부터 성장되는 단결정으로 전파되면 단결정의 구조 손실(structure loss: 다결정이 성장되는 것을 말함)이 발생함으로써 원하는 품질의 단결정을 성장시킬 수 없게 된다.
따라서 종래에는 전위가 단결정으로 전파되는 것을 막기 위해 단결정 제조 공정의 초반에 네킹(necking) 공정을 진행하였다. 네킹 공정은 단결정을 가늘고 길게 뽑아내어 전위를 제거하는 기술이다. 네킹 공정에서 성장되는단결정(네킹부)의 직경은 3 ~ 5mm이다. 네킹부의 직경이 5mm를 넘으면 네킹부 내/외부의 온도차에 의해 발생하는 전단 응력이 크기가 증가하여 전위의 전파 속도가 네킹부의 단결정 인상속도보다 커지게 됨으로 인해 종자 결정 하단부에 발생된 전위가 제거되지 않는 문제가 생긴다.
네킹 공정은 전위의 제거라는 긍정적 효과도 있지만, 종자 결정이 고중량의 단결정을 지탱하는 데는 부정적 영향을 미친다. 단결정의 하중이 가늘고 긴 네킹부를 통해 종자 결정에 인가되므로 네킹부의 파손으로 인한 단결정의 추락 사고 가능성이 있기 때문이다. 현재 450mm의 직경을 갖는 단결정은 공정 후반으로 가면 그 무게가 1톤에 달할 것으로 예상되는데, 3-5mm의 가는 네킹부로는 1톤에 달하는 단결정의 무게를 지지할 수 없다. 따라서 네킹 공정을 진행하지 않고 대구경의 단결정을 성장시킬 수 있는 기술들이 연구 개발되고 있다.
일 예로, 일본 특개평 1998-203898은 종자 결정의 끝 부분을 뾰족하게 하여 종자 결정의 디핑 시 열 충격의 발생 면적을 극단적으로 감소시켜 전위의 발생을 제어할 수 있는 무네킹 공정에 의한 단결정 제조 방법을 개시하고 있다. 그런데 이러한 단결정 제조 방법은, 종자 결정의 디핑시 종자 결정의 끝 부분 위쪽도 멜트에 의해 젖으므로(wetting) 목적하는 열 충격 감소 효과를 기대하기 어렵고, 단결정 인상 과정에서 구조 손실이 발생할 경우 종자 결정을 새로 교환해야 하므로 추가적인 작업과 비용이 소요된다는 문제가 있다.
다른 예로, 보론이 고농도로 도핑된 종자 결정을 사용하여 열 충격에 의해 발생된 전위의 전파 속도를 억제하고 전위가 발생된 종자 결정 부위는 멜트 내에서 완전히 용융시킨 후 네킹 공정 없이 단결정을 제조하는 방법이 사용되고 있다. 그런데 이 방법은 저 농도의 불순물(예컨대, 보론)을 함유하는 웨이퍼 제품에 사용되는 단결정을 인상하는 경우에 적용할 수 없는 한계가 있다. 보론이 고농도로 도핑된종자 결정을 사용하여 불순물이 저농도로 도핑된 단결정을 인상하면 종자 결정과 단결정의 최초 성장 계면에서 격자 상수 불일치(Lattice misfit)로 인해 발생하는 전단응력으로 인해 전위가 발생되기 때문이다. 참고로, 단결정이 실리콘인 경우 보론은 실리콘보다 공유 결합 반경(Covalent radius)이 작으므로 실리콘에 보론이 도핑되면 실리콘의 격자 상수가 감소한다.
보론이 도핑된 종자 결정을 이용한 실리콘 단결정의 성장 시 격자 상수 불일치로 인한 전위 발생을 억제하기 위한 방법으로 종자 결정 내에 보론과 함께 게르마늄을함께 첨가시켜 보론에 의한 종자 결정의 격자 상수 감소를 보상하는 방법이 제시되었다(Material Science. Proc. 5 (2003) 409-412_Dislocation behavior in heavily germanium-doped silicon crystal 참조). 하지만 이 방법에 따라 네킹 공 정을 진행하지 않고 단결정을 인상해 본 결과, 전위 제어 확률이 낮아 재현성이 떨어지는 문제가 있음을 확인하였다.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 보론과 게르마늄이 함께 도핑된 종자 결정을 이용한 단결정 인상 시 전위 제어의 재현성이 떨어지는 원인을 규명함으로써 전위 제어의 재현성을 확보할 수 있는 무네킹 공정에 의한 단결정 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 무네킹 공정에 의한 단결정 제조 방법은, 보론과 게르마늄이 함께 도핑된 종자 결정을 회전시키면서 종자 결정의 하단을 멜트와 접촉시키는 멜트 접촉 단계; 종자 결정을 회전시키면서 열 충격에 의해 전위가 발생된 종자 결정의 하단을 멜트 내로 디핑시켜 전위 발생 부위를 용융시키는 전위 제거 단계; 및 종자 결정의 회전을 멈춘 상태에서 테이퍼 작업을 진행하고 종자 결정의 회전 수를 단결정 인상을 위한 회전수로 점차 높이는 무네킹 준비 단계; 및 종자 결정의 회전수가 단결정 인상 조건에 이르면 전위가 존재하지 않는 단결정을 인상하는 무네킹 인상 단계를 포함한다
바람직하게, 상기 종자 결정이 멜트에 접촉되고 디핑되는 과정에서 자기장을 멜트에 인가한다.
바람직하게, 상기 멜트 접촉 단계를 진행하기 전에 종자 결정을 멜트 상부에 일정 시간 위치시켜 종자 결정을 예열하는 예열 단계를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 전위 제거 단계를 진행하기 전에 종자 결정의 멜트 접촉 상태를 안정화시키는 제1안정화 단계를 더 포함한다. 또한 상기 전위 제거 단계를 진행한 후 종자 결정의 디핑 상태를 안정화시키는 제2안정화 단계를 더 포함한다.
본 발명에 있어서, 상기 종자 결정의 단면은 원형 또는 사각형이다.
바람직하게, 게르마늄의 첨가 농도는 보론의 첨가 농도보다 2 ~ 10배 많다.
본 발명에 따르면, 보론의 첨가 농도는 2×1018/cm3 ~2×10ㅧ20/cm3이고, 게르마늄의 첨가 농도는 4×1018/cm3 ~ 2×1021/cm3이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 보론과 게르마늄이 고농도로 첨가된 종자 결정을 사용하고 단결정 인상 초기에 종자 결정의 멜트 접촉 부위에 가해지는 기계적 스트레스가 최소화될 수 있도록 종자 결정의 회전 제어를 최적화함으로써 무네킹 공정으로 단결정을 인상할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 단결정 인상 초기에 종자 결정의 멜트 접촉 부위에 가해지는 기계적 스트레스가 최소화될 수 있도록 종자 결정의 회전 제어를 최적화함으로써 가공이 용이한 사각형 종자 결정을 사용하고도 무네킹 공정의 성공률을 대폭 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 단면이 원형인 종자 결정을 사용할 경우 무네킹 공정에서의 전위 제어 성공률을 100%까지 향상시킬 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 무네킹 공정에 의한 단결정 제조 방법이 실시되는 단결정제조 장치의 주요 구성을 도시한 장치 단면도이다.
도면을 참조하면, 상기 단결정 제조 장치는 고온으로 용융된 반도체 멜트(M)가 수용되는 석영 도가니(10); 상기 석영 도가니(10)의 외주면을 감싸며, 석영 도가니(10)를 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 히터(40); 상기 히터(40)의 외곽에 설치되어 히터(40)로부터 발생되는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열수단(50); 종자 결정(C)을 이용하여 상기 석영 도가니(10)에 수용된 반도체 멜트(M)으로부터 단결정을 인상하는 단결정 인상 수단(60); 및 단결정 인상수단(60)에 의해 인상되는 단결정의 외주 면으로부터 소정 거리 이격되어 단결정으로부터 방출되는 열을 반사하는 열실드 수단(70);을 포함한다.
상술한 구성 요소들은 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 CZ법을 이용한 반도체 단결정 제조 장치의 통상적인 구성요소이므로 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 상기 반도체 멜트(M)는 다결정 실리콘을 용융시킨 실리콘 멜트일 수 있는데, 본 발명은 반도체 멜트의 종류에 의해 한정되지 않는다. 따라서 본 발명은 CZ법에 의해 성장시킬 수 있다고 알려진 어떠한 종류의 반도체 단결정 성장에도 적용이 가능하다.
선택적으로, 본 발명에 따른 단결정 제조 장치는, 상술한 구성요소에 더하여 석영 도가니(10)에 자기장을 인가하는 자기장 인가수단(80)을 더 포함할 수 있다. 상기 자기장 인가수단(80)은 수평 자기장을 석영 도가니(10)에 인가할 수 있다. 대안적으로, 상기 자기장 인가수단(80)은 커스프(cusp) 자기장을 석영 도가니(10)에 인가한다. 쵸크랄스키법에 의한 단결정 인상 시 수평자기장 또는 커스프 자기장을 인가하는 기술은 널리 알려져 있으므로 각 자기장을 형성하기 위한 구체적인 기술에 대해서는 상세한 언급을 생략하기로 한다. 자기장은 석영 도가니(10)에 수용된 멜트(M)의 대류를 안정화시키는 작용을 하며, 본 발명이 자기장의 종류에 의해 한정되는 것은 아니다.
상술한 단결정 제조 장치를 이용하여 단결정을 인상할 때 네킹부를 형성하지 않기 위해서는, 종자 결정(C)을 디핑하는 과정에서 유발되는 열 충격과 격자 상수 불일치에 의해 생성되는 전위를 제거해야 할 뿐만 아니라 단결정이 인상되기 시작할 때 최초 단결정 성장 계면에서 새로운 전위가 발생되는 것을 막아야 한다.
전위는 종자 결정(C)이 멜트(M)와 접촉하는 과정에서 생기는 열 충격에 의해서도 생성되지만, 종자 결정(C)과 멜트(M) 사이의 고액 계면에서 종자 결정(C)으로 인가되는 응력에 의해서도 생성된다. 즉 종자 결정(C)으로 인가되는 응력이 임계전단응력(Resolved shear stress)보다 크면 전위가 발생한다.
고액 계면에 존재하는 총 응력은 종자 결정(C) 내의 온도 분포에 의한 열 응력, 종자 결정(C)과 새롭게 고화되는 단결정 사이의 격자 상수 불일치에 의한 응력, 그리고 종자 결정(C)의 회전에 의해 발생되는 기계적 응력의 합으로 이루어진다.
본 발명에 따른 단결정 제조 방법은, 고농도로 불순물이 첨가된 종자 결정(C)을 사용하여 격자 상수의 불일치에 의해 생성되는 전위의 량을 최소화함과 동시에 이미 생성된 전위에 대해서는 전파 속도를 감소시켜 전위의 이동을 억제한다. 또한 전위 발생 부위에 대해서는 단결정을 인상하기에 앞서 용융을 통해 제거함으로써 단결정의 인상이 시작되기 직전에는 전위가 없는 종자 결정(C)과 멜트(M)와의 접촉을 구현한다. 나아가 단결정이 인상되기 시작하는 순간에는 종자 결정(C)의 회전에 의한 기계적 응력으로 전위가 새롭게 발생되는 것을 억제한다. 그러면 네킹 공정을 진행하지 않고도 고중량의 단결정을 인상할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 무네킹 공정에 의한 단결정 제조 방법의 흐름을 도시한 공정 순서도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 단결정 제조 방법은, 멜트 접촉 단계(S10), 전위 제거 단계(S20), 무네킹 준비 단계(S30) 및 무네킹 인상 단계(S40)를포함한다.
먼저, 멜트 접촉 단계(S10)에서는, 종자 결정을 서서히 회전시키면서 멜트 측으로 하강시켜 멜트의 표면과 종자 결정의 하단을 접촉시킨다. 바람직하게, 종자 결정의 회전 속도는 멜트의 젖음은 용이하게 하면서도 종자 결정의 회전에 의한 기계적 응력으로 인해 전위가 생성되는 것을 최대한 억제할 수 있도록 낮게 제어한다. 바람직하게, 종자 결정의 회전속도는 0 ~ 13 rpm으로 제어한다.
상기 종자 결정은 보론과 게르마늄이 고농도로 첨가된 실리콘 단결정이다. 상기 종자 결정의 단면 형상은 원형이나 사각형일 수 있다. 종자 결정의 단면 형상이 사각형인 경우 한 변의 길이는 8 ~ 15mm인 것이 바람직하다. 그리고 상기 종자 결정의 단면 형상이 원형인 경우 직경은 8 ~ 20mm인 것이 바람직하다. 종자 결정의 단면이 원형이면 단면의 대칭성으로 인해 단면이 사각형인 경우보다 종자 결정의 회전에 의한 기계적 응력에 덜 취약하다. 따라서 무네킹 공정으로 단결정을 성장시킬 때에는 원형 종자 결정을 사용하는 것이 보다 바람직하다.
바람직하게, 상기 게르마늄의 첨가 농도는 보론의 첨가 농도 대비 2 ~ 10배이다. 구체적으로, 보론은 2×1018/cm3 ~ 2×1020/cm3의 농도 범위에서, 게르마늄은 4×1018/cm3 ~ 2×1021/cm3의 농도 범위에서 첨가된다. 상기 보론은 멜트와 접촉한 종자 결정에 발생된 전위의 전파 속도를 감소시킨다. 그리고 상기 게르마늄은 보론의 첨가로 인한 종자 결정의 격자상수 감소를 보상한다. 바람직하게, 상기 보론과 게르마늄의 첨가 농도 비는 종자 결정의 격자 상수와 인상되는 단결정의 격자 상수 사이의 차이를 해소하는 수준에서 결정한다.
다음 수학식 1은 실리콘으로 이루어진 종자 결정에 보론을 첨가하였을 때, 베가드 법칙(Vegard law)에 따라 실리콘의 격자 상수 변화량을 계산한 식이다.
[수학식 1]
Figure 112009009923714-pat00001
상기 수학식 1에서, △aB는 보론이 첨가되었을 때의 실리콘 격자 상수 변화량, a0는 보론이 첨가되지 않았을 때의 실리콘 격자 상수, rB와 rSi는 각각 보론과 실리콘의 공유 반경(Covalent radius), NB와 NSi는 각각 보론과 실리콘의 농도이다.
보론(rB=0.853A)은 실리콘(rSi=1.173A)에 비해 공유 반경이 작다. 따라서 종자 결정에 보론이 첨가되면 종자 결정의 격자 상수는 감소한다. 즉, 수학식 1에 의해 계산되는 격자 상수 변화량은 음의 값을 가진다.
다음 수학식 2는 실리콘으로 이루어진 종자 결정에 게르마늄을 첨가하였을 때, 베가드 법칙에 따라 실리콘의 격자 상수 변화량을 계산한 식이다.
[수학식 2]
Figure 112009009923714-pat00002
상기 수학식 2에서, △aGe는 실리콘의 격자 상수 변화량, a0는 게르마늄이 첨가되지 않았을 때의 실리콘 격자 상수, rGe와 rSi는 각각 게르마늄과 실리콘의 공유 반경(Covalent radius), NGe와 NSi는 각각 게르마늄과 실리콘의 농도이다.
게르마늄(rGe=1.225A)은 실리콘(rSi=1.173A)에 비해 공유 반경이 크다. 따라서 종자 결정에 게르마늄이 첨가되면 종자 결정의 격자 상수는 증가한다. 즉, 수학식 2에 의해 계산되는 격자 상수 변화량은 양의 값을 가진다.
다음 수학식 3은 실리콘으로 이루어진 종자 결정에 보론을 첨가하였을 때 생기는 격자 상수 감소를 해소하기 위해 종자 결정에 첨가해야 하는 게르마늄의 첨가 농도 비율을 계산하는 식이다. 수학식 3은
Figure 112009009923714-pat00003
이라는 조건에 수학식 1 및 2를 대입하여 유도한 것이다.
[수학식 3]
Figure 112009009923714-pat00004
상기 수학식 3에서, NGe는 게르마늄의 첨가 농도이고, NB는 보론의 첨가 농도이다.
상기 수학식 3을 참조하면, 종자 결정으로 성장하는 단결정이 불순물이 없는 실리콘이면 게르마늄의 첨가 농도는 대략 보론의 첨가 농도 대비 6.4 배 정도로 제어하면 된다. 만약 불순물(예: 보론)이 도핑된 단결정을 인상할 때에는 베가드 법 칙을 이용하여 단결정의 격자 상수를 계산한 후 종자 결정의 격자 상수가 단결정의 격자 상수와 동일해 지기 위한 조건 하에서 NGe/NB를 계산하면 보론과 게르마늄의 첨가 농도 비율을 용이하게 산출할 수 있다.
다음으로, 상기 전위 제거 단계(S20)에서는, 종자 결정의 하단이 멜트와 접촉하는과정에서 생긴 전위를 제거한다. 이를 위해, 종자 결정의 회전 속도를 멜트 접촉 단계(S10)와 유사한 수준으로 유지하면서 전위가 발생된 종자 결정 하단을 하강하여 멜트 내로 디핑시켜 전위 발생 부위를 용융시킴으로써 전위가 존재하지 않는 종자결정의 하단부와 멜트의 새로운 고액 계면을 형성한다. 상기 전위 제거 단계(S20)가 완료되면 전위 발생 부위가 용융되어 제거됨으로써 전위가 존재하지 않는 종자 결정이 고액 계면을 통해 멜트와 접촉된 상태를 이루게 된다.
이어서, 상기 무네킹 준비 단계(S30)에서는, 종자 결정의 회전을 멈춘 상태에서 테이퍼(taper) 작업을 진행하고, 테이퍼 작업이 완료되면 종자 결정의 회전 수를 단결정 인상을 위한 회전수로 점차 높인다.
여기서, 테이퍼 작업은 도 3에 도시된 바와 같이 단결정의 인상속도를 0.1 ~ 3.0mm/min 제어하여 종자 결정과 연접한 초기 단결정의 직경을 종자 결정의 직경보다 다소 감소시키는 작업을 말한다. 테이퍼 작업은 종자 결정의 회전을 정지한 상태에서 진행하므로 테이퍼 작업 시 성장되는 단결정에는 전위가 새로 발생하지 않는다. 바람직하게, 테이퍼 작업은 종자 결정의 최 하단으로부터 3 ~ 20mm 길이 구간에서 실시한다.
다음으로, 무네킹 인상 단계(S40)에서는, 무네킹 준비 단계(S30)에서 종자 결정의 회전수가 단결정 인상 조건에 이르렀을 때 진행하는 단계로서, 무네킹 공정으로 단결정을 인상한다. 즉 네킹부를 성장시키지 않고 곧 바로 숄더링 공정, 바디 공정 및 테일링 공정을 순차적으로 진행하여 단결정을 인상한다.
여기서, 숄더링 공정 구간은 도 3에 도시된 바와 같이 단결정의 인상속도를 제어하여 단결정의 직경을 목표 직경까지 서서히 증가시키는 공정 구간이다. 또한 바디 공정 구간은 단결정의 인상속도를 무결함 마진 내에서 제어하면서 목표직경을 갖는 단결정을 원하는 길이로 성장시키는 공정 구간이다. 아울러 테일링 공정 구간은 단결정의 인상속도를 제어하여 단결정의 직경을 서서히 줄이면서 단결정을 멜트로부터 분리하는 공정이다. 상기 숄더링 공정, 바디 공정 및 테일링 공정은 쵸크랄스키법을 이용한 단결정 제조 방법에서 널리 채용되는 공지의 공정이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.
바람직하게, 상기 멜트 접촉 단계(S10)를 진행하기에 앞서 종자 결정을 멜트 표면의 일정 높이에 일정한 시간 동안 위치를 고정시켜 종자 결정을 예열시키는예열 단계를 더 진행한다.
바람직하게, 상기 전위 제거 단계(S20)의 전 또는 후로 종자 결정을 안정화시키는 단계를 진행할 수 있다. 즉 상기 멜트 접촉 단계(S10)를 진행한 후 멜트와의 접촉 상태를 일정한 시간 동안 유지시켜 종자 결정의 열적 상태를 안정화시킬 수 있다. 또한 상기 전위 제거 단계(S20)를 진행한 후 종자 결정과 멜트 사이의 고액 계면 형성 상태를 일정한 시간 동안 유지시켜 종자 결정의 열적 상태를 다시 한번 안정화시킬 수 있다. 이러한 안정화 공정이 진행되면 종자 결정에 가해지는 열 적 충격을 최소화할 수 있어 열적 충격으로 인한 전위의 발생을 최대한 억제할 수 있다.
본 발명에 따른 단결정 제조 방법은 상술한 S10 ~ S40 단계가 진행되는 동안 자기장 인가수단을 이용하여 종자 결정이 디핑되는 멜트 부위의 대류를 안정화시키기 위해 멜트에 자기장을 인가할 수 있다.
바람직하게, 상기 자기장은 수평 자기장이다. 이런 경우, 상기 수평 자기장의 MGP(Maximum Gauss Plane) 위치는 멜트의 표면을 기준으로 0 ~ 200mm에 설정하고, MGP에서의 자기장 세기는 500 ~ 3000Gauss로 제어한다. 여기서, MGP는 자기장의 수직 성분이 0이고, 수직 방향에서 자기장의세기가 가장 큰 점들을 모아 놓은 평면을 의미한다. 그리고 상기 자기장의 세기는 MGP의 중심 위치에서 측정한 값을 기준으로 한다. 상기 수평 자기장은 커스프 자기장으로 대체 가능하다. 이런 경우, 커스프 자기장의 ZGP(Zero Gauss Plane)는 멜트의 표면을 기준으로 0 ~ 200mm에 설정하고, 자기장의 세기는 100 ~ 500Gauss로 제어한다. 여기서, ZGP는 자기장의 수직성분의 세기가 0인 지점을 모아 놓은 평면을 의미한다. 상기 커스프 자기장의 세기는 도가니 하우징의 내표면과 멜트 표면이 만나는 지점에서 측정한 값을 기준으로 한다.
이하에서는 본 발명에 따른 단결정 제조 방법의 효과를 검증하기 위하여 실시한 실험예를 설명한다. 본 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로서, 본 실험예의 구체적인 실험 조건에 의해 본 발명의 기술적 범위가 제한되는 것은 아니다.
<비교예>
보론과 게르마늄이 각각 1.2×1019/cm3 및 9.0×1019/cm3의 농도로 도핑되어 있고 한 변의 길이가 10mm인 사각형 단면을 가진 종자 결정을 이용하여 무네킹 공정으로 단결정을 20회에 걸쳐 성장시켰다.
각 단결정의 성장 초기에 수행하는 종자 결정의 테이퍼 작업 시 12rpm의 속도로 종자 결정을 회전시켰다. 멜트 접촉 단계와 전위 제거 단계에서는 종자 결정을 12rpm으로 회전시켰고, 전위 제거 단계 전 후로 안정화 공정을 진행하였다.
<실시예1>
보론과 게르마늄이 각각 1.2×1019/cm3 및 9.0×1019/cm3의 농도로 도핑되어 있고 한 변 길이가 10mm인 사각형 단면을 가진 종자 결정을 이용하여 무네킹 공정으로 단결정을 20회에 걸쳐 성장시켰다.
각 단결정의 성장 초기에 수행하는 종자 결정의 테이퍼 작업 시 종자 결정의 회전을 중단시켰다. 멜트 접촉 단계와 전위 제거 단계에서 종자 결정의 회전 속도는 비교예와 동일하게 하였다. 또한 비교예와 마찬가지로 전위 제거 단계 전 후로 안정화 공정을 진행하였다. 아울러 본 발명의 실시예에서 제시된 조건으로 수평 자기장을 멜트에 인가하였다.
<실시예2>
보론과 게르마늄이 각각 1.2×1019/cm3 및 9.0×1019/cm3의 농도로 도핑되어 있고 직경이 10mm인 원형 단면을 가진 종자 결정을 이용하여 무네킹 공정으로 단결 정을 20회에 걸쳐 성장시켰다.
각 단결정의 성장 초기에 수행하는 종자 결정의 테이퍼 작업 시 종자 결정의 회전을 중단시켰다. 멜트 접촉 단계와 전위 제거 단계에서 종자 결정의 회전 속도는 비교예와 동일하게 하였다. 또한 비교예와 마찬가지로 전위 제거 단계 전 후로 안정화 공정을 진행하였다. 아울러 본 발명의 실시예에서 제시된 조건으로 수평 자기장을 멜트에 인가하였다.
상기 비교예 및 실시예1 ~ 2에 의해 무네킹 공정으로 단결정을 성장시킨 후 단결정 내로 전위가 전파되었는지를 검사하여 전위 제어의 성공 여부를 확인해 보았다. 그 결과, 비교예1에 의해 성장된 단결정은 20개의 단결정 중 3개의 단결정만이 전위 제어에 성공하였다. 하지만 실시예1 및 2에 의해 성장된 단결정은 20개의 단결정 중 각각 17개 및 20개의 단결정이 전위 제어에 성공하였다.
위와 같은 실험 결과로부터 무네킹 공정에서 전위 제어와 밀접하게 관련이 있는 요소는 종자 결정의 회전으로 인한 기계적 응력임을 확인할 수 있다. 따라서 단결정 성장 초기에 진행하는 테이퍼 작업 시 기계적 응력을 유발하는 종자 결정의 회전을 중단시키면 단면이 사각형인 종자 결정을 사용하더라도 전위 성공률을 획기적으로 개선할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 단면이 원형인 종자 결정을 사용하게 되면 전위 성공률을 100%까지 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
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 균등범 위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법의 실시에 이용되는 단결정 제조 장치의 개략적인 구성을 보인 장치 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법의 흐름을 보인 공정 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따라 성장된 단결정에 테이퍼 작업 구간, 숄더링 공정 구간, 바디 공정 구간 및 테일링 공정 구간을 표시한 도면이다.
<도면의 주요 참조 번호>
10: 석영 도가니 20: 도가니 하우징
30: 도가니 회전수단 40: 히터
50: 단열수단 60: 단결정 인상수단
70: 열실드 수단 80: 자기장 인가수단
M: 멜트 C: 종자 결정

Claims (7)

  1. 보론과 게르마늄이 함께 도핑된 종자 결정을 회전시키면서 종자 결정의 하단을 멜트와 접촉시키는 멜트 접촉 단계;
    종자 결정을 회전시키면서 열 충격에 의해 전위가 발생된 종자 결정의 하단을 멜트 내로 디핑시켜 전위 발생 부위를 용융시키는 전위 제거 단계;
    종자 결정의 회전을 멈춘 상태에서 테이퍼 작업을 진행하고 종자 결정의 회전 수를 단결정 인상을 위한 회전수로 점차 높이는 무네킹 준비 단계; 및
    종자 결정의 회전수가 단결정 인상 조건에 이르면 전위가 존재하지 않는 단결정을 인상하는 무네킹 인상 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각 단계가 진행되는 동안 멜트에 자기장을 인가하는 것을 특징으로 하는 무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 멜트 접촉 단계를 진행하기 전에 종자 결정을 멜트 상부에 일정 시간 위치시켜 종자 결정을 예열하는 예열 단계;
    상기 전위 제거 단계를 진행하기 전에 종자 결정의 멜트 접촉 상태를 안정화 시키는 제1안정화 단계; 및
    상기 전위 제거 단계를 진행한 후 종자 결정의 디핑 상태를 안정화시키는 제2안정화 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 종자 결정의 단면은 원형인 것을 특징으로 하는 무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 종자 결정의 단면은 사각형인 것을 특징으로 하는 무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    게르마늄의 첨가 농도는 보론의 첨가 농도보다 2 ~ 10배 많은 것을 특징으로 하는 무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    보론의 첨가 농도는 2×1018/cm3 ~ 2×1020/cm3이고, 게르마늄의 첨가 농도는 4×1018/cm3 ~ 2×1021/cm3임을 특징으로 하는 무네킹 공정을 이용한 단결정 제조 방법.
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