KR101132877B1 - 단결정 반도체 재료 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 재료로 이루어진 배출 튜브를 구비하는 디쉬(dish) 상에서 제1 유도 가열 코일에 의해 반도체 재료 과립을 용융시키는 것과, 용융물 네크(melt neck)와 용융물 웨이스트(melt waist) 형태로 배출 튜브에서 상 경계까지 연장되는 용융된 과립 용융물을 형성하는 것과, 용융물 네크가 통과하는 개구를 지닌 제2 유도 가열 코일에 의해 상기 용융물에 열을 전달하는 것과, 상 경계에서 과립 용융물을 결정화하는 것, 그리고 상기 배출 튜브와 용융물 네크 간의 인터페이스의 축방향 위치를 제어하기 위해서 배출 튜브와 용융물 네크에 냉각 가스를 전달하는 것을 포함하는 단결정 반도체 재료 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 단결정 반도체 재료 제조 방법을 실시하는 장치에 관한 것이다.

Description

단결정 반도체 재료 제조 방법{METHOD FOR PRODUCING A SINGLE CRYSTRAL OF SEMICONDUCTOR MATERIAL}
본 발명은 반도체 재료 과립이 반도체 재료로 이루어진 배출 튜브를 갖는 디쉬(dish) 상에 용융되고, 용융물 네크(melt neck) 및 용융물 웨이스트(melt waist) 형태로 배출 튜브에서 상 경계로 연장되는 용융된 과립 용융물이 형성되며, 용융물 네크가 통과하는 개구를 갖는 유도 가열 코일에 의해 과립 용융물에 열이 전달되고, 상기 과립 용융물은 상 경계에서 결정화되는 것인 단결정 실리콘 재료 제조 방법에 관한 것이다.
그러한 방법은, 예컨대 US 2003145781 A에 설명되어 있다. 상기 US 2003145781 A는 과립을 원료로 하여 단결정 반도체 재료를 제조하는 것을 가능하게 한다. 상기 US 2003145781 A의 도 4는 단결정 실리콘 재료 제조 방법을 실시하는 데 적절한 장치를 보여준다. 과립이 디쉬 상에서 용융되고, 디쉬의 중앙에는 배출 튜브로 연장되는 통과 개구가 있다. 디쉬 상부에 배치되는 제1 유도 가열 코일은 과립을 용융시키는 데 사용된다. 용융 과립은 초기에는 필름을 형성하고, 이후의 단결정 반도체 재료 제조 방법의 과정에서는 상 경계에서 결정화되며, 이에 따라 성장 단결정의 체적을 증가시킨다. 결정화되는 체적은 새롭게 용융되는 과립의 대응하는 체적으로 보충된다. 용융물은 배출 튜브에서부터 단결정이 성장하는 상 경계까지 연장된다. 배출 튜브 구역에서, 용융물은 제2 유도 가열 코일의 개구를 통과하는 용융물 네크 형태를 갖고, 보다 넓은 용융물 웨이스트로 합류하며, 이 용융물 웨이스트는 성장 단결정 상에 놓인다. 제2 유도 가열 코일의 도움으로, 단결정의 성장을 제어하기 위해 용융물에 열이 전달된다.
배출 튜브는 반도체 재료로 이루어지기 때문에, 에너지 입력이 상응하게 높은 경우에 제2 유도 가열 코일에 의한 용융이 일어날 수 있다. 다른 한편으로, 배출 튜브는 제2 유도 가열 코일에 의해 제공되는 에너지가 용융물 액체를 배출 튜브 구역에 유지하기에 충분하지 않은 경우에는 하방으로 성장할 수 있다. 그러나, 배출 튜브와 용융물 간의 인터페이스의 위치는 축방향으로 임의로 더 변위되어서는 안되는데, 즉 상방 또는 하방으로 변위되어서는 안된다. 배출 튜브가 용융되어 인터페이스가 상방으로 너무 멀리 이동되는 경우, 용융물 네크의 체적은 증가하고, 용융물이 제2 유도 가열 코일과 접촉하거나 용융물 네크가 너무 얇아져 파괴될 위험이 대두된다. 배출 튜브가 하방으로 성장하여 인터페이스가 하방으로 너무 멀리 이동되는 경우, 배출 튜브가 결빙하여 용융물 흐름을 차단할 위험이 대두된다. 이러한 두가지 상황은 발생해서는 안되는데, 그 이유는 이들 상황이 단결정이 더 성장하는 것을 방해하기 때문이다.
따라서, 본 발명의 목적은 인터페이스의 축방향 위치를 보다 효과적으로 제어하는 것이 가능하도록 단결정 반도체 재료 제조 방법을 수정하는 것이다.
상기 목적은 반도체 재료로 이루어진 배출 튜브를 구비하는 디쉬 상에서 제1 유도 가열 코일에 의해 반도체 재료 과립을 용융시키는 것과, 용융물 네크와 용융물 웨이스트 형태로 배출 튜브에서 상 경계까지 연장되는 용융된 과립 용융물을 형성하는 것과, 용융물 네크가 통과하는 개구를 지닌 제2 유도 가열 코일에 의해 과립 용융물에 열을 전달하는 것, 그리고 상 경계에서 과립 용융물을 결정화하는 것을 포함하는 단결정 반도체 재료 제조 방법으로서, 상기 배출 튜브와 용융물 네크 간의 인터페이스의 축방향 위치를 제어하기 위해서 배출 튜브와 용융물 네크에 냉각 가스를 전달하는 것을 더 포함하는 단결정 반도체 재료 제조 방법에 의해 달성된다.
상기 목적은 또한 반도체 재료 과립을 수용하고, 중앙에 배출 튜브로 연장되는 개구를 갖는 디쉬와, 이 디쉬 상에서 반도체 재료 과립을 용융시키는 제1 유도 가열 코일과, 용융된 반도체 재료 과립으로 형성되는 용융물에 에너지를 전달하고, 중앙에 상기 용융물을 위한 통과 개구를 갖는 제2 유도 가열 코일, 그리고 상기 용융물의 네크와 배출 튜브가 접촉하는 구역에 가스를 제어된 방식으로 전달하는 기구를 포함하는 단결정 반도체 재료 제조 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 인터페이스의 축방향 위치를 보다 효과적으로 제어하는 것이 가능하기 때문에, 배출 튜브가 용융되어 인터페이스가 상방으로 너무 멀리 이동되는 경우, 용융물 네크의 체적은 증가하고, 용융물이 제2 유도 가열 코일과 접촉하거나 용융물 네크가 너무 얇아져 파괴될 위험과, 배출 튜브가 하방으로 성장하여 인터페이스가 하방으로 너무 멀리 이동되는 경우, 배출 튜브가 결빙하여 용융물 흐름을 차단할 위험이 해소된다.
깔때기에서 나온 과립(13)은 중앙에 배출 튜브(11)로 연장되는 통과 개구가 있는 회전형 디쉬(9) 상에서 용융된다. 디쉬 상부에 배치된 제1 유도 가열 코일을 사용하여 과립(13)을 용융시킨다. 제1 유도 가열 코일은 코일 단자(5)를 통해 공급되는 고주파 전류가 주로 코일 포머(coil former)(1)와 세그먼트(2)를 통해 흐르도록 구성되는 것이 바람직하다. 세그먼트는 얇은 바(3)를 통해 하단이 서로 전기 전도식으로 접속된다. 코일 포머(1)는 반경 방향을 향하는 전류 안내 슬롯을 가지며, 이 전류 안내 슬롯은 전류가 코일 포머를 통해 구불구불한 경로로 흐르도록 강제한다. 이것은 디쉬 표면의 구역 모두가 전자기장으로 균일하게 덮히는 것을 보장한다. 코일 포머(1)는 외측 구역에 반도체 재료 과립(13)을 회전형 디쉬(9)로 전달하는 적어도 하나의 통과 개구(6)를 갖는다. 제1 유도 가열 코일에는 냉각 시스템이 더 마련되는데, 이 냉각 시스템은 코일 포머(1)에 냉각제, 예컨대 물이 통과하여 흐르는 냉각 채널(7)을 포함한다. 세그먼트(2)의 강력한 냉각도 얻을 수 있도록, 냉각 채널은 세그먼트까지 계속되며, 가교 튜브(8)에 의해 함께 연결된다. 가교 튜브는 코일 포머(1)의 상측부 중앙에서 세그먼트(2)까지 연장되고, 예컨대 세그먼트 상에 솔더링되거나 용접된다. 가교 튜브(8)는 1회 이상 굴곡져, 충분히 높은 인덕턴스를 갖는다. 이에 따라, 고주파 전류는 세그먼트(2)를 접속시키는 바(3)를 통해 주로 흐르며, 가교 튜브(8)를 통해서는 흐르지 않는다. 전류 흐름으로 인해, 역선(力線) 밀도가 바 구역에서 특히 높고, 단결정(10)을 제조하는 동안 바(3)의 맞은편에 놓이는 용융물 부분의 유도 가열이 특히 효과적이다. 바람직하게는 동일한 전위, 특히 바람직하게는 접지 전위가 용융물과 바에 인가된다.
디쉬(9)는 과립(13)과 동일한 반도체 재료로 구성되며, 그 내용이 본 명세서에 명백히 포함되는 DE 102 04 178 A1에 설명되어 있는 용기와 같은 방식으로 구성되는 것이 바람직하다. 그러나, 디쉬는 중앙 배출 튜브를 구비하는 간단한 평판으로 구성될 수도 있다.
단결정 반도체 재료 제조 방법의 과정에 있어서, 과립은 연속 필름(12), 용융물 네크(18) 및 용융물 웨이스트(16)로 세분될 수 있는 용융물을 형성한다. 용융물은 상 경계(4)에서 결정화되고, 이에 따라 성장 단결정(10)의 체적을 증가시킨다. 결정화하는 체적은 대응하는 새롭게 용융되는 과립의 체적에 의해 보충된다. 용융물 네크(18)는 배출 튜브(11) 하단에서 용융물 웨이스트(16)까지 연장되며, 제2 유도 가열 코일(15)의 개구를 통과한다. 용융물 네크보다 넓은 용융물 웨이스트(16)는 성장 단결정(10) 상에 지지된다. 제2 유도 가열 코일(15)의 도움으로, 단결정(10)의 성장을 제어하기 위해 용융물에 열이 전달된다. 유도 가열 코일을 전자기적으로 서로로부터 차폐하기 위해서, 바람직하게는 적극적으로 냉각되는 금속판으로 구성되는 쉴드(19)가 유도 가열 코일 사이에 배치된다. 더욱이, 쉴드(19)는 디쉬(9)의 저부를 냉각한다.
본 발명에 따른 방법을 실시하기 위해서, 배출 튜브(11)와, 배출 튜브와 용융물 네크 사이의 인터페이스(17) 구역에 있는 용융물 네크(18)에 냉각 가스를 제어식으로 전달하게 하는 기구가 마련된다. 제시한 실시예에서, 상기 기구는 노즐(20)을 포함하며, 이 노즐을 통해 냉각 가스, 바람직하게는 아르곤이 측부에서 배출 튜브(11)로, 그리고 용융물 네크(18)로 공급된다. 노즐(20)은 바람직하게는 제2 유도 가열 코일에 포함된다. 그러나, 노즐은 쉴드(19) 내에 또는 쉴드(19) 상에 수용될 수도 있다. 상기 기구는 축(A)에 대한 인터페이스(17)의 축방향 위치를 광학적으로 얻기 위한 카메라(21)와 노즐에 냉각 가스를 공급하기 위한 제어기(22)를 더 포함한다. 카메라, 노즐 및 제어기는 제어 루프를 형성하도록 연결된다. 인터페이스의 축방향 위치는 배출 튜브와 용융물 간의 휘도에 있어서의 뚜렷한 차로 인해 카메라에 의해 식별된다. 제어기, 바람직하게는 PID 제어기(비례 제어기, 적분 제어기 및 미분 제어기의 조합)가 검출된 인터페이스(17)의 위치에 따라 노즐을 통한 가스의 체적 유량을 제어한다. 인터페이스(17)가 허용 상한 위치를 넘어 상방으로 이동되는 경우, 제어기는 증대된 냉각 효과로 인해 배출 튜브의 단부에서 반도체 재료가 고화되도록 체적 유량을 증가시켜, 배출 튜브가 길어진다. 이것의 효과는 인터페이스(17)를 하방으로 변위시키는 것이다. 인터페이스(17)가 허용 하한 위치 아래로 하방으로 이동되는 경우, 제어기는 감소된 냉각 효과로 인해 배출 튜브의 하단이 용융되도록 체적 유량을 감소시킨다. 이것의 효과는 인터페이스를 상방으로 변위시키는 것이다.
제2 유도 가열 코일(15)의 중앙에서 허용 상한 위치 및 허용 하한 위치까지의 거리는 바람직하게는 10 mm 이하이며, 특히 바람직하게는 5 mm 이하이다. 이에 따라, 축(A)에 대한 인터페이스(17)의 축방향 위치는 바람직하게는 축(A) 상에서의 축방향 길이가 20 mm 미만, 특히 바람직하게는 10 mm 미만인 구역 내에 인터페이스(17)가 남아 있도록 제어된다.
상기 제어는 제2 유도 가열 코일(15)을 측부로 변위시키는 것에 의해 보조될 수 있어, 용융물 네크(18)가 더 이상 디쉬의 회전축 및 단결정과 축대칭으로 제2 유도 가열 코일의 개구를 통과하지 않는다. 이러한 조치는 단결정의 직경이 최종 직경으로 확대되는 상에서 특히 유리하다. 제2 유도 가열 코일이 용융물 길이부에 보다 근접할수록, 전체 에너지 입력, 즉 용융물 네크에 공급되는 에너지의 총량은 커진다. 제2 유도 가열 코일이 측방향으로 변위하는 경우에 용융물 네크의 일측부 상에서의 거리는 감소하는 반면, 이와 동시에 용융물 네크의 타측부 상에서의 거리는 증가하지는 하지만, 제2 유도 가열 코일이 용융물 네크에 접근할 때 추가의 에너지 입력이 발생한다. 이에 따라, 용융물 네크가 축대칭으로 코일 개구로 통하는 위치에서 용융물 네크를 향한 제2 유도 가열 코일의 측방향 변위는 질적으로, 노즐을 통과하는 냉각 가스의 체적 유량을 감소시키는 것과 동일한 효과를 갖는다.
예:
본 발명의 성공을 증명하기 위해서, 직경이 70 mm, 105 mm 및 150 mm인 복수 개의 실리콘 단결정을 도 1에 따른 장치에서 제조하였다.
도 1은 단결정 반도체 재료 제조 방법을 실시하는 데 매우 적절한 장치를 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 코일 포머 2 : 세그먼트
5 : 코일 단자 9 : 회전형 디쉬
11 : 배출 튜브 13 : 과립
15 : 제2 유도 가열 코일 16 : 용융물 웨이스트
17 : 인터페이스 18 : 용융물 네크
19 : 쉴드 20 : 노즐
21 : 카메라 22 : 제어기

Claims (5)

  1. 반도체 재료로 이루어진 배출 튜브(11)를 구비하는 디쉬(dish) 상에서 제1 유도 가열 코일에 의해 반도체 재료 과립을 용융시키는 것과,
    용융물 네크(melt neck)(18)와 용융물 웨이스트(melt waist)(16) 형태로 배출 튜브에서 상 경계까지 연장되는 용융된 과립 용융물을 형성하는 것과,
    용융물 네크가 통과하는 개구를 지닌 제2 유도 가열 코일에 의해 과립 용융물에 열을 전달하는 것, 그리고
    상 경계에서 과립 용융물을 결정화하는 것
    을 포함하는 단결정 반도체 재료 제조 방법으로서, 축(A)에 대한, 상기 배출 튜브와 용융물 네크 간의 인터페이스(17)의 축방향 위치를 제어하기 위해서 배출 튜브와 용융물 네크에 냉각 가스를 전달하는 것을 더 포함하는 단결정 반도체 재료 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서, 축(A)에 대한 상기 인터페이스의 축방향 위치는, 축(A) 상에서의 축방향 길이가 20 mm 미만인 구역에 인터페이스가 남아 있도록 제어되는 것인 단결정 반도체 재료 제조 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 축(A)에 대한 상기 인터페이스의 축방향 위치는 제2 유도 가열 코일을 용융물 네크를 향해 변위시키는 것에 의해 변경되는 것인 단결정 반도체 재료 제조 방법.
  4. 반도체 재료 과립을 수용하고, 중앙에 배출 튜브(11)로 연장되는 개구를 갖는 디쉬와,
    상기 디쉬 상에서 반도체 재료 과립을 용융시키는 제1 유도 가열 코일과,
    용융된 반도체 재료 과립으로 형성되는 용융물에 에너지를 전달하고, 중앙에 상기 용융물을 위한 통과 개구를 갖는 제2 유도 가열 코일, 그리고
    상기 용융물의 용융물 네크(18)와 배출 튜브(11)가 접촉하는 구역에 가스를 제어된 방식으로 전달하는 기구
    를 포함하는 단결정 반도체 재료 제조 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가스를 제어된 방식으로 전달하는 기구는 카메라, 제어기 및 노즐을 포함하는 것인 단결정 반도체 재료 제조 장치.
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