KR101105479B1 - Method and Apparatus for manufacturing high quality silicon single crystal - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고품질의 실리콘 단결정 제조 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조 방법은, 실리콘 멜트에 종자결정을 담근 후 종자결정을 서서히 인상시켜 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정 제조 방법에 있어서, 실리콘 단결정이 인상될 때 실리콘 단결정의 무게 변화 또는 직경 변화에 의해 멜트 갭 변화량을 산출하여 멜트 갭 변화를 보정함으로써 고액 계면의 V/G를 무결함 마진 내로 유지하는 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a method and apparatus for producing high quality silicon single crystals. The method for producing a silicon single crystal according to the present invention is a method for producing a silicon single crystal by using a Czochralski method in which a seed crystal is immersed in a silicon melt, and then the seed crystal is gradually raised to grow a single crystal. Melt gap change amount is calculated by weight change or diameter change to correct melt gap change, thereby maintaining V / G of the solid-liquid interface within a flawless margin.
본 발명에 따르면, 숄더 공정이나 바디 공정에서 실리콘 멜트의 소모량 변화에 따른 멜트 갭 변화를 보정함으로써 고액 계면의 V/G를 무결함 마진 내에서 제어할 수 있다. 따라서 실리콘 멜트의 소모량 변화가 큰 300mm 이상의 대구경 실리콘 단결정 제조 시에도 V 결함이나 I 결함이 없는 고품질의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.According to the present invention, it is possible to control the V / G of the solid-liquid interface within a flawless margin by correcting the melt gap change according to the change in the consumption amount of the silicon melt in the shoulder process or the body process. Therefore, even when manufacturing a large diameter silicon single crystal of 300 mm or more having a large change in silicon melt consumption, it is possible to produce a high quality silicon single crystal without V defects or I defects.
V 결함, I 결함, 무결함 마진, 멜트 갭, 멜트 갭 보정 V defect, I defect, defect margin, melt gap, melt gap compensation
Description
본 발명은 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키(Czochralski: CZ라 약칭함)법에 의한 실리콘 단결정 성장 시 단결정 전체 길이에서 결함 발생률을 최소화할 수 있는 고품질 실리콘 단결정의 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a silicon single crystal, and more particularly, to a silicon single crystal grown by Czochralski (abbreviated as CZ) method of the high quality silicon single crystal that can minimize the occurrence of defects in the entire length of the single crystal It relates to a manufacturing method and apparatus.
일반적으로, 반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 단결정은 CZ법에 의해 제조된다. CZ법은 다결정 실리콘을 석영 도가니에 투입하여 용융시킨 후 종자결정을 용융된 실리콘 멜트(melt)에 담갔다가 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법이다. 이에 대한 상세한 설명은 S.wolf와 R.N. Tauber씨의 논문 'Silicon Processing for the VLSI Era', volume 1, Lattice Press (1986), Sunset Beach, CA에 기재되어 있다.In general, silicon single crystals used as materials for producing electronic components such as semiconductors are manufactured by the CZ method. In the CZ method, polycrystalline silicon is poured into a quartz crucible and melted, followed by immersing seed crystals in the molten silicon melt and slowly pulling the crystals. For a detailed description, see S.wolf and R.N. Tauber's paper, Silicon Processing for the VLSI Era, volume 1, Lattice Press (1986), Sunset Beach, CA.
CZ법에 의한 실리콘 단결정의 성장 시에는 베이컨시(vacancy)와 격자간 실리콘(interstitial silicon)이 고액 계면을 통해 단결정 내로 유입된다. 그리고 단결정에 유입된 베이컨시와 격자간 실리콘의 농도가 과포화 상태에 이르면 베이컨시와 격자간 실리콘이 확산 및 응집하여 베이컨시 결함(이하, V 결함이라 함)과 인터스티셜 결함(I 결함이라 함)을 형성한다.When the silicon single crystal is grown by the CZ method, vacancy and interstitial silicon are introduced into the single crystal through the solid-liquid interface. When the concentration of bacon and lattice silicon introduced into a single crystal reaches a supersaturated state, the bacon and lattice silicon diffuse and aggregate to form baconic defects (hereinafter referred to as V defects) and interstitial defects (I defects). ).
그런데 V 결함과 I 결함은 웨이퍼의 특성에 악영향을 미치므로 단결정 성장 시 V 결함과 I 결함의 형성을 최대한 억제할 필요가 있다. 종래에는 V 결함과 I 결함의 발생을 억제하기 위해 단결정의 인상속도 V와 고액 계면에서의 온도 구배 G의 비인 V/G를 특정 범위 안에서 제어하는 방법을 주로 사용하였다. However, since V defects and I defects adversely affect the characteristics of the wafer, it is necessary to suppress formation of V defects and I defects as much as possible during single crystal growth. Conventionally, in order to suppress the occurrence of V defects and I defects, a method of controlling V / G, which is the ratio of the pulling rate V of the single crystal and the temperature gradient G at the solid-liquid interface, is mainly used.
예를 들어, US6,045,610과 JP8-330316은 CZ법에 의한 실리콘 단결정 성장 시 반경 방향으로 V/G의 편차를 최소화하고 인상속도 V를 조절하여 V/G가 무결함 마진 'V/Glower ~ V/Gupper' 내에 있도록 제어하면 무결함 단결정을 제조할 수 있음을 개시하고 있다.For example, US6,045,610 and JP8-330316 minimize V / G deviation in the radial direction when growing silicon single crystal by CZ method and adjust pulling speed V to make V / G perfect. Margin 'V / G lower ~ It is disclosed that a defect-free single crystal can be produced by controlling to be within V / G upper '.
V 결함과 I 결함이 발생되지 않는 V/G의 범위를 무결함 마진이라고 한다. V/G가 무결함 마진의 상한보다 커지면 단결정에 베이컨시가 과도하게 유입되는 경향이 있어 V 결함이 유발된다. 그리고 V/G가 무결함 마진의 하한보다 작아지면 단결정 내로 격자간 실리콘이 과도하게 유입되는 경향이 있어 I 결함이 유발된다.The range of V / G where V defects and I defects do not occur is called a defect margin. If V / G is greater than the upper limit of the flawless margin, excessive Bacon will be introduced into single crystal, causing V defect. If V / G becomes less than the lower limit of the defect-free margin, the lattice silicon tends to be excessively introduced into the single crystal, causing an I defect.
V/G에 포함된 파라미터 중 G는 단결정 성장 장치의 핫 존(Hot-zone) 설계를 통해 제어하는데, 주로 실리콘 멜트와 열실드 수단 사이의 갭인 멜트 갭(Melt-gap)을 조절하여 제어한다. 여기서, 열실드 수단은 실리콘 단결정이 인상될 때 단결정의 표면과 중심부의 온도 편차를 줄이기 위해 단결정의 표면에서 발생되는 복사열의 외부 방출을 방지하는 차열부재를 말한다. 멜트 갭은 단결정 중심부와 단결정 표면의 온도 구배가 동일한 조건을 만족하도록 결정한다. 즉 멜트 갭의 변화에 따 라 단결정 중심부와 표면의 온도 구배 변화 프로파일을 얻고, 2개의 온도 구배 프로파일이 교차하는 점의 멜트 갭을 공정 조건으로 설정한다.Among the parameters included in the V / G, G is controlled through the hot-zone design of the single crystal growth apparatus, mainly by adjusting the melt gap, which is a gap between the silicon melt and the heat shield means. Here, the heat shield means refers to a heat shield member that prevents external emission of radiant heat generated from the surface of the single crystal in order to reduce the temperature variation between the surface and the center of the single crystal when the silicon single crystal is pulled up. The melt gap is determined such that the temperature gradients of the single crystal center and the single crystal surface satisfy the same conditions. That is, the temperature gradient change profile of the center and the surface of the single crystal is obtained according to the change of the melt gap, and the melt gap at the point where the two temperature gradient profiles intersect is set as the process condition.
그런데 최근 실리콘 단결정이 300mm 이상으로 대구경화되면서 V/G를 무결함 마진 내에서 제어하는 것이 점점 어려워지고 있다. 실리콘 단결정의 구경이 커지면 단결정 인상 과정에서 실리콘 멜트의 소모량이 증가하여 멜트 갭의 변동 폭이 커지기 때문이다. 이처럼 멜트 갭이 변화하면 G 값의 변동이 수반되는데, 이런 경우 단결정 인상속도 V를 무결함 인상속도로 제어하더라도 V/G가 무결함 마진을 벗어남으로써 단결정 내에 V 결함이나 I 결함이 발생하게 되는 것이다. 따라서 대구경의 실리콘 단결정을 성장시킬 때에는 단결정의 길이 별로 단결정의 인상속도와 함께 멜트 갭도 조절하여 단결정 성장 공정 전체에 걸쳐 무결함 마진 내에서 V/G를 제어할 필요가 있다.However, as silicon single crystals have been largely cured to more than 300 mm, it is increasingly difficult to control V / G within a flawless margin. This is because the larger the diameter of the silicon single crystal is, the more the silicon gap is consumed during the single crystal pulling process, thereby increasing the variation of the melt gap. When the melt gap is changed, the G value is accompanied. In this case, even if the single crystal pulling speed V is controlled at the zero pulling speed, V / G is out of the defect free margin, which causes V defects or I defects in the single crystal. . Therefore, when growing a large-diameter silicon single crystal, it is necessary to control the melt gap along with the pulling speed of the single crystal by the length of the single crystal to control the V / G within the defect free margin throughout the single crystal growth process.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, CZ법에 의한 300mm 이상의 대구경 실리콘 단결정 성장 시 멜트 갭의 조절에 의해 고액 계면의 V/G를 무결함 마진 내에서 제어함으로써 단결정 전체 길이에서 무결함을 구현할 수 있는 고품질의 실리콘 단결정 제조 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems of the prior art, and by controlling the melt gap during the growth of a large diameter silicon single crystal of 300 mm or more by the CZ method, the single liquid crystal is controlled by controlling the V / G of the solid-liquid interface within a flawless margin. To provide a high quality silicon single crystal manufacturing method and apparatus capable of realizing defects in length.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 고품질의 실리콘 단결정 제조 방법은, 실리콘 멜트에 종자결정을 담근 후 종자결정을 서서히 인상시켜 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정 제조 방법에 있어서, 실리콘 단결정이 인상될 때 실리콘 단결정의 무게 변화 또는 직경 변화에 의해 멜트 갭 변화량을 산출하여 멜트 갭 변화를 보정함으로써 고액 계면의 V/G를 무결함 마진 내로 유지하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, a high quality silicon single crystal manufacturing method is a silicon single crystal manufacturing method using a Czochralski method in which a seed crystal is immersed in a silicon melt and then the seed crystal is gradually raised to grow a single crystal. In this case, the melt gap change amount is calculated by weight change or diameter change of the silicon single crystal to correct the melt gap change, thereby maintaining V / G of the solid-liquid interface within a defect free margin.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 멜트 갭 보정 단계는, 단결정의 인상속도 제어를 통해 실리콘 단결정의 직경을 목표 직경으로 증가시켜 단결정 숄더를 성장시키는 단계; 숄더의 목표 무게를 기준으로 성장된 숄더의 무게 변화량을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 숄더 무게 변화량을 이용하여 멜트 갭 변화량을 산출하는 단계를 포함한다. According to an aspect of the present invention, the melt gap correction step may include: growing a single crystal shoulder by increasing the diameter of the silicon single crystal to a target diameter through controlling the pulling speed of the single crystal; Calculating a weight change amount of the grown shoulder based on the target weight of the shoulder; And calculating a melt gap change amount using the calculated shoulder weight change amount.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 멜트 갭 보정 단계는, 단결정의 바디를 인상하는 중에 단결정 바디의 직경을 측정하는 단계; 측정된 바디 직경을 목표 직경과 대비하여 바디 직경 변화량을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 바디 직경 변화량을 이용하여 멜트 갭 변화량을 산출하는 단계를 포함한다. According to another aspect of the invention, the melt gap correction step, the step of measuring the diameter of the single crystal body while pulling the body of the single crystal; Calculating a body diameter change amount by comparing the measured body diameter with a target diameter; And calculating a melt gap change amount using the calculated body diameter change amount.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 고품질의 실리콘 단결정 제조 장치는, 실리콘 멜트가 담기는 석영 도가니; 상기 석영 도가니를 회전시키면서 상하로 이동시키는 석영 도가니 회전수단; 종자결정이 달린 와이어를 이용하여 실리콘 멜트로부터 단결정을 인상하는 단결정 인상수단; 상기 인상되는 단결정의 외주면으로부터 발산되는 열을 차폐하고 상기 실리콘 멜트의 표면과 멜트 갭을 형성하는 열실드 수단; 상기 인상되는 단결정의 직경을 측정하여 직경 데이터를 출력하는 직경 센서; 및 단결정 바디의 성장 중에 상기 직경 센서로부터 직경 데이터를 수신하고, 수신 된 직경과 목표 직경을 대비하여 바디 직경 변화량에 따라 실리콘 멜트의 소모량 변화에 따른 멜트 갭 변화량을 산출하고, 산출된 멜트 갭 변화량에 따라 멜트 갭을 보정하는 제어 수단을 포함한다.High quality silicon single crystal production apparatus for achieving the above technical problem, the quartz crucible containing silicon melt; Quartz crucible rotating means for moving the quartz crucible up and down while rotating the quartz crucible; Single crystal pulling means for pulling a single crystal from the silicon melt using a seed crystal wire; Heat shield means for shielding heat emitted from an outer circumferential surface of the single crystal being pulled up and forming a melt gap with a surface of the silicon melt; A diameter sensor measuring the diameter of the single crystal to be pulled and outputting diameter data; And receiving diameter data from the diameter sensor during growth of the single crystal body, calculating a melt gap change according to the consumption change of the silicon melt according to the change in the body diameter in comparison with the received diameter and the target diameter, and calculating the melt gap change amount. Control means for correcting the melt gap accordingly.
바람직하게, 본 발명의 장치는, 상기 와이어를 통해 인가되는 단결정의 무게를 측정하여 무게 데이터를 출력하는 무게 센서를 더 포함하고, 상기 제어 수단은 단결정의 직경을 목표 직경으로 증가시키는 숄더 공정이 진행된 후 성장된 숄더의 무게와 목표 무게를 대비하여 숄더 무게 변화량을 산출하고, 산출된 숄더 무게 변화량에 따른 멜트 갭 변화량을 산출하고, 산출된 멜트 갭 변화량에 따라 멜트 갭을 보정한다.Preferably, the apparatus of the present invention further comprises a weight sensor for measuring the weight of the single crystal applied through the wire and outputting weight data, wherein the control means has a shoulder process for increasing the diameter of the single crystal to a target diameter. The shoulder weight change amount is calculated by comparing the weight of the grown shoulder and the target weight, the melt gap change amount is calculated according to the calculated shoulder weight change amount, and the melt gap is corrected according to the calculated melt gap change amount.
바람직하게, 멜트 갭의 보정은 산출된 멜트 갭 변화량을 상쇄시키는 방향으로 이루어진다.Preferably, the correction of the melt gap is made in a direction to cancel the calculated melt gap change amount.
대안적으로, 멜트 갭의 보정은 멜트 갭 변화량이 임계치보다 큰 경우 이루어진다. 이때, 멜트 갭의 보정은 멜트 갭 변화량을 상쇄시키는 방향으로 이루어진다.Alternatively, the correction of the melt gap is made when the amount of melt gap change is greater than the threshold. At this time, the correction of the melt gap is made in a direction to cancel the melt gap change amount.
본 발명에 따르면, 멜트 갭 보정은 특정 값을 가진 무결함 멜트 갭으로 멜트 갭을 수렴시키거나 특정 범위를 가진 무결함 멜트 갭의 마진 내의 값으로 멜트 갭을 변경하는 것을 의미한다. In accordance with the present invention, melt gap correction means converging the melt gap to a defect-free melt gap with a specific value or changing the melt gap to a value within the margin of the defect-free melt gap with a specific range.
본 발명에 따르면, 숄더 공정이나 바디 공정에서 실리콘 멜트의 소모량 변화에 따른 멜트 갭 변화를 보정함으로써 고액 계면의 V/G를 무결함 마진 내에서 제어할 수 있다. 따라서 실리콘 멜트의 소모량 변화가 큰 300mm 이상의 대구경 실리콘 단결정 제조 시에도 V 결함이나 I 결함이 없는 고품질의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.According to the present invention, the V / G of the solid-liquid interface can be controlled within a flawless margin by correcting a melt gap change caused by a change in the consumption amount of silicon melt in a shoulder process or a body process. Therefore, even when manufacturing a large diameter silicon single crystal of 300 mm or more having a large change in silicon melt consumption, it is possible to produce a high quality silicon single crystal without V defects or I defects.
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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조 방법에서 사용하는 단결정 제조 장치의 개략적인 구성을 보인 장치 단면도이다.1 is a cross-sectional view of an apparatus showing a schematic configuration of a single crystal production apparatus used in the silicon single crystal production method according to the present invention.
도 1을 참조하면, 상기 단결정 제조 장치는, 다결정 실리콘이 용융된 실리콘 융액(SM)이 수용되는 석영 도가니(10); 상기 석영 도가니(10)의 외주면을 감싸며, 석영 도가니(10)의 외주면을 일정한 형태로 지지하는 도가니 하우징(20); 상기 도가니 하우징(20) 하단에 설치되어 하우징(20)과 함께 석영 도가니(10)를 회전시키며 멜트 갭(MG)의 조절을 위해 석영도가니(10)를 상하 이동시키는 도가니 회전수단(30); 상기 도가니 하우징(20)의 측벽으로부터 소정 거리 이격되어 석영 도가 니(10)를 가열하는 가열수단(40); 상기 가열수단(40)의 외곽에 설치되어 가열수단(40)으로부터 발생되는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열수단(50); 와이어에 달린 종자결정(60)을 이용하여 상기 석영 도가니(10)에 수용된 실리콘 융액(SM)으로부터 단결정(C)을 인상하는 단결정 인상수단(70); 및 단결정 인상수단(70)에 의해 인상되는 단결정(C)의 외주면으로부터 소정 거리 이격되어 단결정(C)으로부터 방출되는 열을 반사하는 열실드 수단(80);을 포함한다. 이러한 구성 요소들은 본 발명이 속한 기술 분야에서 잘 알려진 CZ법을 이용한 단결정 제조 장치의 통상적인 구성요소이므로 각 구성 요소에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Referring to FIG. 1, the single crystal manufacturing apparatus includes a
본 발명에 따른 단결정 제조 장치는 단결정 인상수단(70)에 의해 인상되는 단결정의무게를 감지하는 무게 센서(100); 상기단결정(C)의 인상 시 단결정(C)의 직경을 측정하는 직경 센서(110); 및 구동 수단(130)을 제어하여 상기 석영 도가니 회전 수단(30)을 상하로 구동시켜 멜트 갭(MG)의 크기를 제어하는 제어수단(140)을 더 포함한다.The single crystal manufacturing apparatus according to the present invention includes a
상기 무게 센서(100)는 단결정(C)이 인상될 때 단결정 인상 와이어에 인가되는 단결정의 무게를 감지하고, 단결정의 무게 데이터를 제어 수단(140)으로 출력한다. 이를 위해, 상기 무게 센서(100)는 제어 수단(140)과 전기적으로 연결된다. 상기 무게 센서(100)로는 로드 셀(load cell)을 사용할 수 있다. 로드 셀은 측정 대상의 무게를 전기적인 신호로 변환하는 센서 소자이다. 로드 셀은 팬 케익 & 미니어쳐 로드 셀을 사용할 수 있는데, 일 예로 한국 CAS 사에서 제조한 엠엔티(MNT) 모델을 사용할 수 있다. 하지만, 본 발명은 무게 센서(100)의 구체적인 종류에 의해 한정되지 않는다. 상기 무게 센서(100)는 단결정 성장 장치 상부에 위치한 단결정 인상 수단(미도시)에 설치한다.The
상기 직경 센서(110)는 단결정(C)이 인상될 때 단결정(C)의 직경을 측정하여 직경 데이터를 제어 수단(140)으로 출력한다. 이를 위해, 상기 직경 센서(110)는 제어 수단(140)과 전기적으로 서로 연결된다. 상기 직경 센서(110)로는 미국 아이알콘 사(Ircon, Inc.)의 오토매틱 옵틱 파이로미터 시리즈1100(Automatic Optic Pyrometer Series 1100)을 사용할 수 있는데 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. The
상기 제어 수단(140)은 숄더 공정에서 무게 센서(100)를 이용하여 숄더 무게 변화량을 감지한다. 숄더 무게 변화량을 감지하면 멜트 갭 변화에 직접적인 관련이 있는 실리콘 멜트의 소모량 변화를 간접적으로 알 수 있다. 여기서, 상기 숄더 공정은 단결정 인상 공정의 초기 공정으로서 단결정(C)을 성장시키기 앞서 단결정(C)의 직경을 목표 직경까지 서서히 증가시키는 공정이다. 도 1에서, 숄더 공정에서 인상되는 단결정 부분은 S로 표시하였다.The
상기 숄더 무게 변화량은 목표 무게를 기준으로 한 변화량이다. 상기 목표 무게는 숄더 공정이 완료된 후의 멜트 갭(MG)이 무결함 멜트 갭이되기 위한 숄더의 목표 무게를 말한다. 상기 무결함 멜트 갭은 고액 계면의 V/G가 무결함 마진 내에 있도록 하는 멜트 갭을 말한다. 상기 무결함 멜트 갭은 단일 값으로 한정되지 않고 일정한 마진을 가질 수 있다. 즉 멜트 갭(MG)이 일정한 범위 내에 있으면 고액 계면의 V/G가 무결함 마진 내에 있게 된다.The shoulder weight change amount is a change amount based on a target weight. The target weight refers to the target weight of the shoulder for the melt gap MG to become a defect-free melt gap after the shoulder process is completed. The defect free melt gap refers to a melt gap such that the V / G of the solid-liquid interface is within the defect free margin. The defect free melt gap is not limited to a single value but may have a constant margin. That is, when the melt gap MG is in a certain range, the V / G of the solid-liquid interface is in a defect free margin.
상기 숄더 공정이 완료된 직후 숄더 무게 변화량이 + 이면 멜트 갭(MG)은 공정 조건으로 설정한 무결함 멜트갭보다 증가한다. 반대로 상기 숄더 공정이 완료된 직후 숄더 무게 변화량이 - 이면 멜트 갭(MG)은 공정 조건으로 설정한 무결함 멜트 갭보다 감소한다.Immediately after the shoulder process is completed, if the amount of change in the shoulder weight is +, the melt gap MG increases than the defect-free melt gap set as the process condition. On the contrary, if the shoulder weight change amount is-immediately after the shoulder process is completed, the melt gap MG is reduced than the defect-free melt gap set as the process condition.
상기 제어 수단(140)은 숄더 공정이 완료된 직 후 하기 수학식 1을 이용하여 숄더 무게 변화량에 따른 멜트 갭 변화량을 산출한다. The control means 140 calculates the melt gap change amount according to the shoulder weight change amount by using Equation 1 immediately after the shoulder process is completed.
[수학식 1][Equation 1]
△Melt_gap = F(△Wshoulder)△ Melt_gap = F (△ W shoulder )
상기 수학식1에서, △Wshoulder 는 목표 무게를 기준으로 한 숄더 무게변화량이고, F는 숄더 무게 변화량을 멜트 갭 변화량으로 환산해 주는 함수이고, △Melt_gap은 숄더 무게 변화량에 대응하는 멜트 갭 변화량이다. In Equation 1, ΔW shoulder is a shoulder weight change amount based on a target weight, F is a function of converting a shoulder weight change amount into a melt gap change amount, and ΔMelt_gap is a melt gap change amount corresponding to a shoulder weight change amount. .
상기 함수 F는 석영 도가니의 직경, 단결정 바디의 목표 직경, 핫존(hot zone)의 설계 조건 등을 고려하여 V/G에 대한 무결함 마진, 무결함 멜트 갭 및 숄더의 목표 무게를 결정하고, 다양한 조건의 숄더 무게 변화량에 대응하는 멜트 갭 변화량을 산출하고, 숄더 무게 변화량과 멜트 갭 변화량 간의 함수적 상관 관계를 수치 해석하여 구할 수 있다. The function F determines a defect margin for the V / G, a defect melt gap, and a target weight of the shoulder in consideration of the diameter of the quartz crucible, the target diameter of the single crystal body, the design conditions of the hot zone, and the like. The melt gap change amount corresponding to the shoulder weight change amount of the condition may be calculated, and the functional correlation between the shoulder weight change amount and the melt gap change amount may be obtained by numerical analysis.
상기 수학식 1은 하기 수학식 2와 같이 구체화될 수 있는데, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. Equation 1 may be embodied as Equation 2 below, but the present invention is not limited thereto.
[수학식 2][Equation 2]
△Melt_gap = A△Wshoulder △ Melt_gap = A △ W shoulder
상기 수학식 2에서, A는 숄더 무게 변화량을 멜트 갭 변화량으로 환산해 주는 비례상수로서, 석영 도가니의 직경에 의존적이다. 상기 A는 0.6 ~ 1.2mm/kg의 값을 가질 수 있다.In Equation 2, A is a proportional constant that converts the shoulder weight change amount into the melt gap change amount, and is dependent on the diameter of the quartz crucible. A may have a value of 0.6 ~ 1.2mm / kg.
상기 제어 수단(140)은 수학식 1에 의해 산출되는 멜트 갭 변화량에 기초하여 멜트 갭을 보정한다. 즉, 상기 제어 수단(140)은 멜트 갭 변화량이 + 값을 가지면 멜트 갭을 멜트 갭 변화량의 절대값만큼 감소시킨다. 또한, 상기 제어 수단(140)은 멜트 갭 변화량이 - 값을 가지면 멜트 갭을 멜트 갭 변화량의 절대값만큼 증가시킨다. The control means 140 corrects the melt gap based on the melt gap change amount calculated by Equation (1). That is, the control means 140 reduces the melt gap by the absolute value of the melt gap change amount when the melt gap change amount has a positive value. In addition, the control means 140 increases the melt gap by the absolute value of the melt gap change amount if the melt gap change amount has a-value.
대안적으로, 상기 제어 수단(140)은 멜트 갭 변화량이 임계치를 초과하는 조건이 성립되면 멜트 갭(MG)을 보정한다. 무결함 멜트 갭은 일정한 마진을 가질 수 있으므로 멜트 갭 변화량이 과도하지 않으면 멜트 갭(MG)이 무결함 멜트 갭의 마진 내에 포함될 수 있기 때문이다. 따라서 본 발명에서 멜트 갭(MG)을 보정한다는 것은 멜트 갭(MG)을 특정한 수치의 무결함 멜트 갭으로 수렴시키거나 특정 범위를 가진 무결함 멜트 갭의마진 내의 값으로 변경하는 것을 의미한다.Alternatively, the control means 140 corrects the melt gap MG when a condition in which the melt gap change exceeds a threshold is established. Since the defect-free melt gap may have a constant margin, the melt gap MG may be included in the margin of the defect-free melt gap unless the amount of change in the melt gap is excessive. Therefore, correcting the melt gap MG in the present invention means converging the melt gap MG to a certain value of the defect-free melt gap or changing it to a value within a margin of the defect-free melt gap having a specific range.
멜트 갭(MG)의 보정은 석영 도가니(10)와 열실드 수단(80) 사이의 간격을 조절하는 것에 의해 이루어진다. 간격의 조절은 석영 도가니 회전수단(30)을 상하로 구동시켜 석영 도가니(10)의 높이를 조절하는 것에 의해 가능하다. 대안적으로, 열실드 수단(80)의 위치를 상하로 조절하여 멜트 갭(MG)을 보정할 수 있다. The correction of the melt gap MG is made by adjusting the gap between the
바람직하게, 상기 제어 수단(140)은 숄더 무게 변화량에 따라 멜트 갭 변화 량을 환산하는 함수 F를 저장하고 있는 메모리(미도시)를 구비한다. 메모리는제어 수단 내부에 구비될 수도 있고, 제어 수단 외부에 구비될 수도 있다. 메모리는 통상적으로 사용되는 불활성 메모리이다.Preferably, the control means 140 has a memory (not shown) that stores a function F for converting the melt gap change amount according to the shoulder weight change amount. The memory may be provided inside the control means or may be provided outside the control means. The memory is an inactive memory that is commonly used.
상기와 같이, 제어 수단(140)이 숄더 공정이 종료된 후 상기 수학식 1을 이용하여 숄더 무게의 변화량에 따라 멜트 갭 변화량을 산출하고 산출된 멜트 갭 변화량에 기초하여 멜트 갭을 보정하면 후속하는 바디 공정의 초기에 고액 계면(CM)에서 V/G가 무결함 마진을 벗어나는 것을 방지하여 바디 공정의 초반부에 형성되는 단결정에 V 결함이나 I 결함이 발생되는 것을 방지할 수 있다.As described above, the control means 140 calculates the melt gap change amount according to the change amount of the shoulder weight by using Equation 1 after the shoulder process is completed, and corrects the melt gap based on the calculated melt gap change amount In the initial stage of the body process, the V / G at the solid-liquid interface (CM) can be prevented from escaping the defect margin, thereby preventing the occurrence of V defects or I defects in the single crystal formed at the beginning of the body process.
상기 제어 수단(140)은 숄더 공정이 완료되면 단결정을 원하는 길이로 성장시키는 바디 공정을 진행한다. 도 1에서, 단결정 바디는 B로 표시하였다. 상기 제어 수단(140)은 바디 공정이 진행되는 동안 직경 센서(110)로부터 직경 데이터를 수신 받아 바디 직경 변화량을 모니터링 한다. 직경 데이터의 수신은 미리 스케쥴링된 시점에 이루어진다. 상기 바디 직경 변화량은 목표 직경을 기준으로 한 변화량이다. 상기 목표 직경은 바디 공정이 진행되는 과정에서 제어의 목표가 되는 단결정의 직경이다. 예를 들어, 300mm 웨이퍼용 단결정은 304 ~ 310mm로 목표 직경이 설정된다. 목표 직경이 웨이퍼의 직경보다 큰 이유는 단결정의 웨이퍼 가공 시 단결정의 외주면이 연삭 가공되기 때문이다. The control means 140 proceeds to the body process to grow a single crystal to a desired length when the shoulder process is completed. In Fig. 1, the single crystal body is marked B. The control means 140 receives the diameter data from the
바디 공정이 진행되면 실리콘 멜트(SM)가 소모되어 멜트 갭(MG)이 증가한다. 따라서 상기 제어 수단(140)은 바디 공정이 진행될 때 실리콘 멜트(SM)의 소모량에 맞추어 석영 도가니(10)를 서서히 상승시켜 멜트 갭(MG)을 공정 조건으로 설정된 무결함 멜트 갭으로 유지시킨다. 하지만, 단결정 성장 공정의 불안정 등으로 인해 단결정 바디(B)의 직경이 목표 직경을 벗어나면 실리콘 멜트(SM)의 소모량에 변화가 생겨 바디 직경 변화량만큼 멜트 갭(MG)이 변화된다. 그 결과, 멜트 갭(MG)이 무결함 멜트 갭보다 커지거나 작아져 마진을 벗어나면 인상속도를 무결함 인상속도로 유지하더라도 고액 계면(CM)에서의 V/G가 무결함 마진을 벗어날 수 있다.As the body process proceeds, the silicon melt SM is consumed to increase the melt gap MG. Accordingly, the
따라서 상기 제어 수단(140)은 바디 공정이 진행되는 과정에서 직경 센서(110)로부터 수신되는 단결정의 직경 데이터를 모니터링한다. 단결정의 직경 데이터를 모니터링하면 실리콘 멜트(SM)의 소모량 변화를 간접적으로 확인할 수 있기 때문이다. 만약 바디 직경 변화량이 +가 되면 실리콘 멜트(SM)의 소모량이 증가하여 멜트 갭(MG)이 공정 조건으로 설정한 무결함 멜트 갭보다 증가한다. 그리고 바디 직경 변화량이 - 가 되면 실리콘 멜트(SM)의 소모량이 예상보다 감소하여 멜트 갭(MG)이 공정 조건으로 설정한 무결함 멜트 갭보다 감소한다. 이러한 멜트 갭의 증가와 감소는 고액 계면(CM)에서의 온도 구배 G에 영향을 미쳐 단결정 인상속도가 무결함 인상속도를 유지하더라도 V/G가 무결함 마진을 벗어나게 할 수 있다. Therefore, the control means 140 monitors the diameter data of the single crystal received from the
따라서 상기 제어 수단(140)은 바디 공정이 진행되는 과정에서 바디 직경의 변화가 발생되면 하기 수학식 3을 이용하여 멜트 갭(MG)을 보정한다. Therefore, the control means 140 corrects the melt gap MG using Equation 3 below when a change in the body diameter occurs during the process of the body process.
[수학식 3]&Quot; (3) "
△Melt_gap = G(△D)ΔMelt_gap = G (ΔD)
상기 수학식 2에서, △D는 바디의 목표 직경을 기준으로 한 바디 직경변화량이고, G는 바디 직경 변화량을 멜트 갭 변화량으로 환산해 주는 함수이고, △ Melt_gap은 바디 직경 변화량에 대응하는 멜트 갭 변화량이다. In Equation 2, ΔD is the body diameter change amount based on the target diameter of the body, G is a function of converting the body diameter change amount to the melt gap change amount, △ Melt_gap is the melt gap change amount corresponding to the body diameter change amount to be.
상기 함수 G는 석영 도가니의 직경, 핫 존(hot zone)의 설계 조건, 다결정 실리콘의 사용량 등을 고려하여 V/G에 대한 무결함 마진, 무결함 멜트 갭 및 단결정 바디의 목표 직경을 결정하고, 다양한 조건의 바디 직경 변화량에 대응하는 멜트 갭 변화량을 산출하고, 바디 직경 변화량과 멜트 갭 변화량 간의 함수적 상관 관계를 수치 해석하여 구할 수 있다. The function G determines a defect margin for the V / G, a defect melt gap, and a target diameter of the single crystal body in consideration of the diameter of the quartz crucible, the design conditions of the hot zone, the amount of polycrystalline silicon used, and the like. Melt gap variation corresponding to body diameter variation under various conditions can be calculated, and the functional correlation between body diameter variation and melt gap variation can be obtained by numerical analysis.
일 예로, 상기 수학식 3은 하기 수학식 4와 같이 구체화될 수 있는데, 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다. For example, Equation 3 may be embodied as Equation 4 below, but the present invention is not limited thereto.
[수학식 4]&Quot; (4) "
△Melt_gap = B△D△ Melt_gap = B △ D
상기 수학식 4에서, B는 바디 직경 변화량을 멜트 갭 변화량으로 환산해 주는 비례 상수로서, 석영 도가니의 직경과 단결정 바디의 길이에 의존적이다. 상기 B는 1 ~ 2의 값을 가질 수 있다.In Equation 4, B is a proportional constant that converts the change in the body diameter into the melt gap change, and depends on the diameter of the quartz crucible and the length of the single crystal body. B may have a value of 1 to 2.
상기 제어 수단(140)은 바디 직경변화량에 대응하는 멜트 갭 변화량이 산출되면 멜트 갭(MG)을 보정한다. 만약 멜트 갭 변화량이 + 값을 가지면 멜트 갭(MG)이 공정 조건으로 설정한 무결함 멜트 갭보다 증가하였음을 의미하므로 멜트 갭 변화량의 절대값만큼 멜트 갭(MG)을 감소시킨다. 그리고 멜트 갭 변화량이 - 값을 가지면 멜트 갭(MG)이 공정 조건으로 설정한 무결함 멜트 갭보다 감소하였음을 의미하므로 멜트 갭(MG)을 멜트 갭 변화량의 절대값만큼 증가시킨다. The control means 140 corrects the melt gap MG when the melt gap change amount corresponding to the body diameter change amount is calculated. If the melt gap change amount has a positive value, it means that the melt gap MG is increased more than the defect-free melt gap set as the process condition, thereby reducing the melt gap MG by the absolute value of the melt gap change amount. If the melt gap change amount has a negative value, it means that the melt gap MG is reduced from the defect-free melt gap set as the process condition, thereby increasing the melt gap MG by the absolute value of the melt gap change amount.
대안적으로, 상기 제어 수단(140)은 멜트 갭 변화량이 임계치를 초과하는 조 건이 성립되면 멜트 갭(MG)을 보정한다. 무결함 멜트 갭은 일정한 마진을 가질 수 있으므로 멜트 갭 변화량이 과도하지않으면 멜트 갭(MG)이 무결함 멜트 갭의 마진 내에 포함될 수 있기 때문이다. Alternatively, the control means 140 corrects the melt gap MG when a condition in which the melt gap change exceeds a threshold is established. Since the defect-free melt gap may have a constant margin, the melt gap MG may be included in the margin of the defect-free melt gap if the amount of change in the melt gap is not excessive.
멜트 갭(MG)의 보정은 석영 도가니(10)와 열실드 수단(80) 사이의 간격을 조절하는 것에 의해 이루어진다. 간격의 조절은 석영 도가니 회전수단(30)을 상하로 구동시켜 석영 도가니(10)의 높이를 조절하는 것에 의해 가능하다. 대안적으로, 열실드 수단(80)의 위치를 상하로 조절하여 멜트 갭(MG)을 보정할 수 있다. The correction of the melt gap MG is made by adjusting the gap between the
상기와 같이 제어 수단(140)이 바디 공정이 진행되는 과정에서 바디 직경 변화량에 따라 멜트 갭(MG)을 보정하면 고액 계면(CM)에서 V/G가 무결함 마진을 벗어나는 것을 방지함으로써 바디 공정 전반에 걸쳐 단결정 내에 V 결함이나 I 결함이 발생되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 300mm 이상의 대구경 단결정을 고품질의 무결함 단결정으로 성장시킬 수 있다. As described above, when the control means 140 corrects the melt gap MG according to the change in the body diameter during the process of the body process, the overall body process is prevented by preventing the V / G from leaving the defect margin at the solid-liquid interface CM. It is possible to prevent the occurrence of V defects or I defects in the single crystal. As a result, a large diameter single crystal of 300 mm or more can be grown into a high quality defect free single crystal.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 제조 방법을 도시한 순서도이다.2 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a silicon single crystal according to the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 단계(S10)에서, 제어 수단(140)은 메모리에 설정된 단결정 숄더의 목표 무게와 단결정 바디의 목표 직경을 로드한다.1 and 2, in step S10, the control means 140 loads the target weight of the single crystal shoulder and the target diameter of the single crystal body set in the memory.
단계(S20)에서, 제어 수단(140)은 단결정인상수단(70)을 제어하여 실리콘 멜트(SM) 내에 종자결정(60)을 담근 후 숄더 공정을 진행한다. 숄더 공정에서 종자결정의 인상속도를 제어하여 단결정의 직경을 목표 직경까지 증가시킨다. 도면에 도시하지 않았지만, 상기 제어 수단(140)은 종자결정(60)에 존재하는 전위를 제거하기 위해 숄더 공정에 앞서 넥킹 공정을 진행할 수 있다. In step S20, the control means 140 controls the single crystal raising means 70 to soak the
단계(S30)에서, 제어 수단(140)은 숄더 공정이 완료되면 무게 센서(100)를 이용하여 단결정 숄더(S)의 무게 데이터를 얻는다. In step S30, the control means 140 obtains the weight data of the single crystal shoulder S by using the
단계(S40)에서, 제어 수단(140)은 숄더 무게와 목표 무게를 비교하여 숄더 무게 변화량을 산출한다. In step S40, the control means 140 calculates the shoulder weight change amount by comparing the shoulder weight with the target weight.
단계(S50)에서, 제어 수단(140)은 수학식 1을 이용하여 숄더 무게 변화량에 대응하는 멜트 갭 변화량을 산출한다.In step S50, the control means 140 calculates a melt gap change amount corresponding to the shoulder weight change amount using Equation (1).
단계(S60)에서, 제어 수단(140)은 멜트 갭 변화량에 대응하여 석영 도가니(10)와 열실드 수단(80) 사이의 간격을 조절하여 멜트 갭(MG)을 특정 수치의 무결함 멜트 갭으로 수렴시키거나 특정 범위의 무결함 멜트 갭 마진 내의 값으로 조정한다. In step S60, the control means 140 adjusts the distance between the
대안적으로, 제어 수단(140)은 멜트 갭 변화량이 임계 값보다 큰 조건에서 멜트 갭을 보정할 수도 있다.Alternatively, the control means 140 may correct the melt gap under conditions in which the melt gap change amount is larger than the threshold value.
단계(S70)에서, 제어수단(140)은 숄더 무게 변화량에 따른 멜트 갭(MG)의 보정이 완료되면 바디 공정을 개시하고 바디 직경 측정 회차 k를 1로 초기화한다. 바디 공정이 시작되면, 제어 수단(140)은 메모리에 설정된 무결함 인상속도에 의해 단결정을 인상시키며, 단결정 바디(B)가 성장됨에 따라 바디공정 초기의 멜트 갭(MG)을 일정하게 유지하기 위해 석영 도가니 회전수단(30)을 제어하여 석영 도가니(10)를 서서히 상승시킨다.In step S70, the control means 140 starts the body process and initializes the body diameter measurement time k to 1 when the correction of the melt gap MG according to the shoulder weight change amount is completed. When the body process is started, the control means 140 raises the single crystal by the defect free pulling speed set in the memory, and in order to keep the melt gap MG at the beginning of the body process constant as the single crystal body B is grown. The quartz
단계(S80)에서, 제어 수단(140)은 바디 직경의 측정 주기가 도래되었는지 판단한다. 만약 바디 직경의 측정 주기가 도래되면, 제어 수단은 단계(S90)을 수행한 다.In step S80, the control means 140 determines whether the measuring period of the body diameter has arrived. If the measuring cycle of the body diameter arrives, the control means performs step S90.
단계(S90)에서, 제어 수단(140)은 직경 센서(110)를 이용하여 단결정 바디(B)의 직경을 측정한다. 그런 후, 단계(S100)에서, 제어 수단(140)은 측정한 바디 직경과 목표 직경을 대비하여 바디 직경 변화량을 산출한다.In step S90, the control means 140 measures the diameter of the single crystal body B using the
단계(S110)에서, 제어 수단(140)은 수학식 3을 이용하여 바디 직경 변화량에 대응하는 멜트 갭 변화량을 산출한다.In step S110, the control means 140 calculates a melt gap change amount corresponding to the body diameter change amount by using Equation 3.
단계(S120)에서, 제어 수단(140)은 멜트 갭 변화량에 따라 멜트 갭을 특정 수치의 무결함 멜트 갭으로 수렴시키거나 특정 범위의 무결함 멜트 갭 마진 내의 값으로 조정하여 멜트 갭(MG)을 보정한다.In step S120, the control means 140 converges the melt gap to a certain value of the defect-free melt gap or adjusts the melt gap MG to a value within a specific range of defect-free melt gap margins according to the melt gap variation. Correct.
대안적으로, 제어 수단(140)은 멜트 갭 변화량이 임계 값보다 큰 조건에서 멜트 갭을 보정할 수도 있다.Alternatively, the control means 140 may correct the melt gap under conditions in which the melt gap change amount is larger than the threshold value.
단계(S130)에서, 제어 수단(140)은 메모리에 설정된 바디 직경의 다음 측정 주기가 도래되었는지 판별한다. 제어 수단(140)은 바디 직경의 다음 측정 주기가 도래되었으면 단계(140)를 수행한다. In step S130, the control means 140 determines whether the next measurement period of the body diameter set in the memory has arrived. The control means 140 performs
단계(S140)에서, 제어 수단(140)은 바디 직경 측정 회차 k를 1 증가시킨다. 단계(S150)에서, 제어 수단(140)은 바디 공정이 종료되었는지 판단한다. 만약 바디 공정이 종료되지 않았으면 제어 수단(140)은 프로세스를 S90 단계로 복귀시켜 S90 단계를 포함한 그 이후 단계를 수행한다. 반면 바디 공정이 종료되었으면 제어 수단(140)은 멜트 갭 보정 프로세스를 종료한다.In step S140, the control means 140 increases the body diameter measurement turn k by one. In step S150, the control means 140 determines whether the body process is finished. If the body process is not finished, the control means 140 returns the process to step S90 to perform subsequent steps including step S90. On the other hand, if the body process is finished, the control means 140 ends the melt gap correction process.
상기 단계(S90) 내지 단계(S150)은 바디 공정이 진행되는 동안 주기적으로 반 복되며, 그 결과 바디 직경이 목표 직경으로부터 벗어나 멜트 갭이 변화되더라도 멜트 갭을 보정하여 고액 계면(CM)의 V/G가 무결함 마진을 벗어나는 것을 방지할 수 있다. 따라서 실리콘 멜트의 소모량이 많은 300mm 이상의 대구경 실리콘 단결정의 성장 시에도 V 결함이나 I 결함이 없는 고품질의 실리콘 단결정 생산이 가능해진다.Steps S90 to S150 are periodically repeated during the body process, so that even if the body diameter is out of the target diameter and the melt gap is changed, the melt gap is corrected so that the V / It is possible to prevent G from falling out of a flawless margin. Therefore, even when the large diameter silicon single crystal of 300 mm or more, which consumes a large amount of silicon melt, is grown, it is possible to produce high quality silicon single crystal without V defect or I defect.
[실험예][Experimental Example]
1. 숄더 무게 변화에 따른 멜트 갭 변화 및 결함 유형 확인 실험1. Melt Gap Change and Defect Type Identification Experiment
본 실험은 숄더의 무게가 목표 무게를 벗어났을 때 멜트 갭의 변화로 단결정에 V 결함이나 I 결함이 발생될 수 있고, 이러한 결함 발생을 방지하기 위해서는 숄더 무게 변화에 따라 멜트 갭을 보정하는 것이 바람직하다는 것을 보여준다. 하기 표 1은 실험1의 결과를 정리한 표이다.In this experiment, when the shoulder weight is out of the target weight, the V gap or I defect may occur in the single crystal due to the change of the melt gap, and in order to prevent such defects, it is desirable to correct the melt gap according to the change in the shoulder weight. Shows that Table 1 below summarizes the results of Experiment 1.
[표 1][Table 1]
[실시예1]Example 1
실시예1에서는, 단결정의 직경을 308mm로 설정한 상태에서 숄더를 6.3kg의 무게로 성장시켰다. 그 결과, 멜트 갭은 숄더 공정을 진행하기 전의 멜트 갭을 기준으로 5mm 증가하였다. 5mm가 증가된 멜트 갭은 단결정의 전 영역에 걸쳐 무결함 단결정을 성장시키기 위한 무결함 멜트 갭에 해당한다. 이하, 5mm가 증가된 멜트 갭을 무결함 멜트 갭으로 지칭한다. 숄더 공정이 완료된 후, 무결함 멜트 갭을 기준으로 무결함 인상속도 마진을 산출하고 산출된 마진 내에서 단결정 인상속도를 제어하면서 단결정 바디를 1100mm의 길이로 성장시켰다. 단결정 바디를 성장시킬 때에는 멜트 갭을 무결함 멜트 갭으로 유지시키기 위해 단결정 바디가 성장됨에 따라 석영 도가니를 서서히 상승시켰다. 이와 같이 성장된 단결정을 웨이퍼로 가공한 결과 V 결함 또는 I 결함이 없는 고품질의 웨이퍼를 얻을 수 있었다.In Example 1, the shoulder was grown to a weight of 6.3 kg with the diameter of the single crystal set to 308 mm. As a result, the melt gap increased by 5 mm based on the melt gap before proceeding with the shoulder process. The 5 mm increased melt gap corresponds to a defect free melt gap for growing defect free single crystals over the entire area of the single crystal. Hereinafter, the melt gap with an increase of 5 mm is referred to as a defect-free melt gap. After the shoulder process was completed, the single crystal body was grown to a length of 1100 mm while calculating the defect free pulling speed margin based on the defect free melt gap and controlling the single crystal pulling speed within the calculated margin. When growing the single crystal body, the quartz crucible was slowly raised as the single crystal body was grown in order to maintain the melt gap as a defectless melt gap. As a result of processing the grown single crystal into a wafer, a high quality wafer without V defects or I defects was obtained.
[비교예1] [Comparative Example 1]
실시예1에 비해 숄더 공정을 좀더 길게 진행하여 숄더의 무게를 2.1kg 증가시켜 8.4kg의 무게로 숄더를 성장시켰다. 그 결과, 멜트 갭은 숄더 공정을 진행하기 전의 멜트 갭을 기준으로 6.7mm 증가하였다. 이러한 수치는 무결함 멜트 갭 보다 1.7mm 증가한 수치이다. 바디 공정에서는, 실시예1에서 산출한 인상속도 마진 내에서 인상속도를 조절하면서 단결정 바디를 1100mm의 길이로 성장시켰다. 아울러 단결정 바디를 성장시키는 동안 석영 도가니의 상승속도를 제어하여 멜트 갭을 무결함 멜트 갭보다 1.7mm 크게 유지하였다. 이렇게 성장된 단결정으로 웨이퍼를 가공한 결과 V 결함이 있는 웨이퍼의 비율이 18.3%로 확인되었다.Compared to Example 1, the shoulder process was carried out longer, and the weight of the shoulder was increased by 2.1 kg to grow the shoulder to a weight of 8.4 kg. As a result, the melt gap increased by 6.7 mm based on the melt gap before proceeding with the shoulder process. This is a 1.7 mm increase over the flawless melt gap. In the body process, the single crystal body was grown to a length of 1100 mm while adjusting the pulling speed within the pulling speed margin calculated in Example 1. In addition, the growth rate of the quartz crucible was controlled during growth of the single crystal body to maintain the melt gap 1.7 mm larger than the defect free melt gap. As a result of processing the wafer with the grown single crystal, the percentage of wafers with V defects was found to be 18.3%.
[비교예2]Comparative Example 2
실시예1에 비해 숄더 공정을 빠르게 진행하여 숄더 무게를 1.4kg 감소시켜 4.9kg의 무게로 숄더를 성장시켰다. 그 결과, 멜트 갭은 숄더 공정을 진행하기 전의 멜트 갭을 기준으로 3.9mm 증가하였다. 이러한 수치는 실시예1의 무결함 멜트 갭보다 1.1mm 감소한 수치이다. 바디 공정에서는 실시예1에서 산출한 인상속도 마진 내에서 단결정 인상속도를 조절하면서 단결정 바디를 1100mm의 길이로 성장시켰다. 아울러 단결정 바디를 성장시키는 동안 석영 도가니의 상승속도를 제어하여 멜트 갭을 무결함 멜트 갭보다 1.1mm 작게 유지하였다. 이렇게 성장된 단결정을 웨이퍼로 가공한 결과 I 결함이 있는 웨이퍼의 비율이 13.1%로 확인되었다.Compared to Example 1, the shoulder process was rapidly performed to reduce the weight of the shoulder by 1.4 kg to grow the shoulder to a weight of 4.9 kg. As a result, the melt gap increased by 3.9 mm based on the melt gap before the shoulder process. This value is 1.1 mm smaller than the defect free melt gap of Example 1. In the body process, the single crystal body was grown to a length of 1100 mm while controlling the single crystal pulling speed within the pulling speed margin calculated in Example 1. In addition, the growth rate of the quartz crucible was controlled during growth of the single crystal body to keep the melt gap 1.1 mm smaller than the defect free melt gap. As a result of processing the grown single crystal into a wafer, it was found that the ratio of the wafer having I defect was 13.1%.
표 1에 나타난 실험 결과로부터 다음과 같은 사실을 확인할 수 있다. 숄더 무게가 목표 무게로 제어되지 않으면 숄더 공정이 완료되었을 때의 멜트 갭이 무결함 멜트 갭 조건을 충족하지 못한다. 따라서 숄더 무게의 목표 값 이탈에 의해 발생된 멜트 갭 변화를 보정하지 않고 바디 공정을 진행하면 단결정 내에 V 결함이나 I 결함이 발생된다. V 결함은 숄더 공정이 완료되었을 때의 멜트 갭이 무결함 멜트 갭보다 큰 경우 발생된다. 그 원인은 멜트 갭의 증가로 G가 감소됨으로써 무결함 인상속도로 단결정이 인상되더라도 베이컨시가 단결정 내로 과도하게 유입되기 때문이다. 또한 I 결함은 숄더 공정이 완료되었을 때의 멜트 갭이 무결함 멜트 갭보다 작을 경우 발생된다. 그 원인은 멜트 갭의 감소로 G가 증가함으로써 무결함 인상속도로 단결정이 인상되더라도 격자간 실리콘이 단결정 내로 과도하게 유입되기 때문이다. 따라서 숄더 공정이 완료되었을 때 멜트 갭의 변화가 생기면 본 발명에 따라 멜트 갭을 보정한 후 바디 공정을 진행하면 단결정 내에 V 결함이나 I 결함이 발생되는 것을 방지할 수 있다.From the experimental results shown in Table 1 it can be confirmed the following facts. If the shoulder weight is not controlled to the target weight, the melt gap at the completion of the shoulder process does not meet the melt gap condition. Therefore, if the body process is performed without correcting the melt gap change caused by the deviation of the target value of the shoulder weight, V defects or I defects are generated in the single crystal. V defects occur when the melt gap at the completion of the shoulder process is greater than the faultless melt gap. The reason for this is that even if the single crystal is pulled up at the rate of zero defect increase due to the decrease of G due to the increase of the melt gap, the bacon is excessively introduced into the single crystal. I defects also occur when the melt gap at the completion of the shoulder process is less than the faultless melt gap. The reason for this is that the lattice silicon is excessively introduced into the single crystal even though the single crystal is pulled up at a defect free pulling speed by increasing G due to the decrease of the melt gap. Therefore, if the melt gap is changed when the shoulder process is completed, if the melt gap is corrected according to the present invention and the body process is performed, V defects or I defects may be prevented from occurring in the single crystal.
2. 단결정 바디의 직경 변화에 따른 멜트 갭 변화와 결함 유형 확인 실험2. Melt Gap Change and Defect Type Identification Experiments
단결정 바디를 성장시킬 때 나타나는 단결정의 직경 변화 역시 숄더 무게 변화와 마찬가지로 고화되는 실리콘 멜트 량에 변화를 준다. 따라서 단결정의 직경 변화 또한 멜트 갭의 변화를 야기한다. 멜트 갭이 변화되면 고액 계면의 온도 구배 G가 변화되며, 이로 인해 단결정 내에 V 결함이나 I 결함이 발생될 수 있다.The diameter change of the single crystal when growing the single crystal body also changes the amount of silicon melt that solidifies as well as the change in shoulder weight. Therefore, the change in diameter of the single crystal also causes a change in the melt gap. When the melt gap is changed, the temperature gradient G at the solid-liquid interface is changed, which may cause V defects or I defects in the single crystal.
다음 표 2는 다양한 바디 직경 조건에서 멜트 갭 변화량과 결함 발생 유형에 대한 실험 결과를 나타낸다. 하기 표 2에서, 멜트 갭 변화량은 바디 공정이 완료되었을 때 실시예2의 멜트갭을 기준으로 측정한 멜트 갭의 상대적 변화량이다. 그리고 결함 발생률은 각 실험에서 얻은 단결정 바디로 웨이퍼 가공을 하였을 때 결함이 발견된 웨이퍼의 비율을 나타낸다. Table 2 below shows the experimental results for the melt gap variation and the defect generation type under various body diameter conditions. In Table 2 below, the melt gap change amount is a relative change amount of the melt gap measured based on the melt gap of Example 2 when the body process is completed. The defect incidence rate represents the percentage of wafers where defects are found when wafer processing is performed with the single crystal body obtained in each experiment.
[표 2]TABLE 2
(mm)Average diameter
(mm)
(mm)Melt-Gap Variation
(mm)
(%)Defect rate
(%)
[실시예2]Example 2
실시예2에서는, 바디의 목표 직경을 308mm로 설정하여 바디를 1100mm의 길이로 성장시켰다. 바디 공정이 진행되는 동안에는 석영도가니의 상승속도를 제어하여 멜트 갭을 무결함 멜트 갭으로 일정하게 유지하였다. 그리고 인상속도 또한 무결함 인상속도 범위 내에서 제어하였다. 그 결과 단결정 내에 V 결함이나 I 결함이 없는 고품질의 웨이퍼를 얻었다.In Example 2, the body was grown to a length of 1100 mm by setting the target diameter of the body to 308 mm. During the body process, the rate of rise of the quartz crucible was controlled to keep the melt gap constant as a defectless melt gap. The pulling speed was also controlled within the flawless pulling speed range. As a result, a high-quality wafer without V defects or I defects in a single crystal was obtained.
[비교예 3 ~ 9][Comparative Examples 3 to 9]
비교예 3 ~ 6에서는 바디의 목표 직경을 308mm보다 크게 설정하였다. 그리고 단결정 인상속도와 멜트 갭은 실시예2와 동일한 조건에서 제어하였다. 그 결과 비교예 3 ~ 6은 실리콘 멜트의 소모량이 실시예2보다 커서 멜트 갭 변화량이 + 값을 보였다. 그리고 멜트 갭 변화량의 크기는 308mm보다 바디의 직경이 클수록 증가하였다. 그 결과, 비교예 3 ~ 5에 의해 제조된 웨이퍼에서는 V 결함이 있는 웨이퍼가 발견되고, 불량 웨이퍼의 비율은 바디의 목표 직경이 308mm보다 클수록 증가하였다. 이는 바디 공정이 진행되는 과정에서 멜트 갭이 무결함 멜트 갭을 초과하여 G가 감소되고 그 결과 인상속도가 무결함 마진 내에서 제어되더라도 단결정 내로 베이컨시가 과도하게 유입되었기 때문이다. In Comparative Examples 3 to 6, the target diameter of the body was set larger than 308 mm. The single crystal pulling speed and the melt gap were controlled under the same conditions as in Example 2. As a result, in Comparative Examples 3 to 6, the amount of change in the melt gap was greater than that of Example 2, showing a positive value. The size of the melt gap change increased as the diameter of the body was larger than 308 mm. As a result, wafers with V defects were found in the wafers produced by Comparative Examples 3 to 5, and the proportion of defective wafers increased as the target diameter of the body was larger than 308 mm. This is because the melt gap is intact during the process of the body process, and the G decreases because the melt gap is exceeded. As a result, the bake is excessively introduced into the single crystal even though the pulling speed is controlled in the margin.
한편 비교예 5에서는 목표 직경이 308mm 보다 크게 설정되었지만 V 결함이 있는 웨이퍼가 발견되지 않았다. 이는 멜트 갭 증가량이 실시예2에 비해 크지 않았기 때문에 G의 감소폭이 상당히 작고 그 결과 G가 감소되었더라도 고액 계면의 V/G가 무결함 마진을 벗어나지 않았기 때문이다. 이는 G가 감소되더라도 V 결함이 유발될 수 있을 정도로 베이컨시가 과도하게 유입되지 않았음을 의미한다. 이를 달리 해석하면, 단결정 바디의 직경 변화로 멜트 갭이 변화되더라도 변화 폭이 일정 값 이내이면 고액 계면의 V/G가 무결함 마진을 이탈하지 않음으로써 단결정 내에 결함이 발생되지 않는다는 것을 의미한다.On the other hand, in the comparative example 5, although the target diameter was set larger than 308 mm, the wafer with a V defect was not found. This is because the decrease in G is considerably smaller because the melt gap increase was not as large as in Example 2, and as a result, even if G was reduced, the V / G of the solid-liquid interface did not escape the margin. This means that even if G is reduced, the vacancy is not excessively introduced to cause V defects. In other words, even if the melt gap is changed due to the diameter change of the single crystal body, if the change width is within a certain value, it means that the defects do not occur in the single crystal by not leaving the margin without defects of the V / G of the solid-liquid interface.
비교예 7 ~ 9에서는 바디의 목표 직경을 308mm보다 작게 설정하였다. 그리고 단결정 인상속도와 멜트 갭은 실시예2와 동일한 조건에서 제어하였다. 그 결과 비교예 7 ~ 9는 실리콘 멜트의 소모량이 실시예2보다 작아서 멜트 갭 변화량이 - 값을 보였다. 멜트 갭 변화량의 크기는 바디의 목표 직경이 308mm보다 작을수록 증가하였다. 그 결과, 비교예 7 ~ 9에 의해 제조된 웨이퍼에서는 I 결함이 있는 웨이퍼가 발견되었고, 불량 웨이퍼의 비율은 바디의 목표 직경이 308mm보다 작을수록 증가하였다. 이는 바디 공정이 진행되는 과정에서 멜트 갭이 무결함 멜트 갭 이하로 감소하여 G가 증가하였고 그 결과 인상속도가 무결함 마진 내에서 제어되더라도 단결정 내로 격자간 실리콘이 과도하게 유입되었기 때문이다. In Comparative Examples 7 to 9, the target diameter of the body was set smaller than 308 mm. The single crystal pulling speed and the melt gap were controlled under the same conditions as in Example 2. As a result, in Comparative Examples 7 to 9, the consumption amount of the silicon melt was smaller than that of Example 2, and the change amount of the melt gap was-. The magnitude of the melt gap change increased as the target diameter of the body was smaller than 308 mm. As a result, the wafer with I defect was found in the wafer manufactured by Comparative Examples 7-9, and the ratio of the defective wafer increased as the target diameter of the body was smaller than 308 mm. This is because the melt gap decreases below the melt gap during the process of the body process, and the G increases. As a result, the lattice silicon is excessively introduced into the single crystal even though the pulling speed is controlled within the margin.
위와 같은 실험 결과로부터 다음과 같은 사실을 확인할 수 있다. 바디 공정을 진행할 때에는 단결정의 직경을 목표 직경으로 정밀하게 제어하는 것이 바람직하다. 만약 바디 공정의 진행 중에 단결정 바디의 직경이 목표 값을 벗어나면 멜트 갭의 변화로 G가 변화되어 고액 계면의 V/G가 무결함 마진을 이탈할 수 있으므로 멜트 갭 변화량에 따라 멜트 갭을 보정하는 것이 바람직하다. 이러한 멜트 갭 보정이 이루어지면 실리콘 멜트의 소모량이 많은 300mm 이상의 대구경 실리콘 단결정을 성장시킬 때에도 V 결함이나 I 결함이 없는 고품질의 무결함 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.From the above experimental results, the following facts can be confirmed. When carrying out the body process, it is preferable to precisely control the diameter of the single crystal to the target diameter. If the diameter of the single crystal body is out of the target value during the process of the body process, the G is changed due to the change of the melt gap, and the V / G of the solid-liquid interface can be released. It is preferable. This melt gap correction enables the production of high quality defect-free silicon single crystals without V defects or I defects even when growing large diameter silicon single crystals of 300 mm or more, which consume a large amount of silicon melt.
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.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims to be described.
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.The following drawings, which are attached to this specification, illustrate exemplary embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the present invention serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention includes matters described in such drawings. It should not be construed as limited to.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 단결정 제조 장치의 구성도이다.1 is a block diagram of a silicon single crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 단결정 제조 방법의 순서도이다.2 is a flowchart of a method of manufacturing silicon single crystal according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요 참조번호><Main reference number in drawing>
10: 석영 도가니 20: 도가니 하우징10: quartz crucible 20: crucible housing
30: 석영 도가니 회전수단 40: 가열 수단30: quartz crucible rotating means 40: heating means
50: 단열 수단 60: 종자결정50: heat insulation means 60: seed crystal
70: 단결정 인상수단 80: 열실드 수단70: single crystal pulling means 80: heat shield means
100: 무게 센서 110: 직경 센서100: weight sensor 110: diameter sensor
130: 구동 수단 140: 제어 수단130: drive means 140: control means
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