KR101301892B1 - 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법 및 장치 - Google Patents

용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 도가니 내에 용융물을 제공하는 단계; 자기장 중심 C에서 자기 유도 B를 갖는 수평 자기장을 용융물에 가하는 단계; 실리콘 단결정과 방열판 사이에서 가스를 용융물 자유 표면으로 안내하는 단계; 및 자기 유도 B의 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위로 가스가 흐르도록 제어하는 단계를 포함한다. 본 발명의 장치는 용융물을 수용하는 도가니; 실리콘 단결정을 둘러싸는 방열판을 포함하고, 이 방열판은 하단부에 용융물 자유 표면에 면하는 바닥 커버가 연결되어 있고, 이 바닥 커버는, 도가니 축선 M에 대하여 비(非)축대칭 형상을 가져서, 실리콘 단결정과 방열판 사이에서 용융물 자유 표면으로 안내되는 가스가 바닥 커버에 의해 자기 유도 B의 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위로 흐르게 된 것인 장치이다.

Description

용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법 및 장치{A METHOD AND AN APPARATUS FOR GROWING A SILICON SINGLE CRYSTAL FROM A MELT}
본 발명은 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는, 소위 HMCZ법으로 불리우는, 용융물에 수평 자기장을 가하면서 초크랄스키법에 따라 실리콘 단결정을 성장시키는 방법에 관한 것이다.
예컨대 EP 0 745 706 A1으로부터, 용융물에 수평 자기장을 가하게 되면 도가니로부터의 SiO의 분해와 용융물의 대류를 감소시킨다고 하는 점이 알려져 있다. 그 결과로서, 용융물에 수평 자기장을 가하는 것은 비교적 적은 산소 농도를 갖는 실리콘 단결정을 제조하기 위한 적절한 전략이다.
또한, 실리콘 단결정과 방열판 사이에서 용융물의 자유 표면으로 흐르는 불활성 가스의 유량을 증가시킴으로써 실리콘 단결정에서의 산소 농도를 감소시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 가스 유량의 증가는 용융물로부터 증발하는 SiO의 운반을 향상시켜, 성장하고 있는 실리콘 단결정에 산소의 혼입을 감소시킨다.
JP2004-196569 A는 저산소 실리콘 단결정을 제조하기 위해서 수평 자기장의 축방향 위치 및 가스 흐름의 세기를 동시에 제어하는 것을 포함하는 HMCZ법을 개시하고 있다. 그러나, 수평 자기장의 축방향 위치를 제어하는 데에는 복잡한 제어 시스템을 요구한다.
본 발명의 목적은 저산소 실리콘 단결정을 제조하기에 적절하고 산소 농도를 제어하는데 최소한의 노력을 요구하는 방법을 제공하는 것이다.
이 목적은, 도가니 내에 용융물을 제공하는 단계;
자기장 중심 C에서 자기 유도 B를 갖는 수평 자기장을 용융물에 가하는 단계;
실리콘 단결정과 방열판 사이에서 용융물 자유 표면으로 가스를 안내하는 단계; 및
자기 유도 B의 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위로 가스가 흐르도록 제어하는 단계
를 포함하는 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 목적은, 용융물을 수용하는 도가니;
자기장 중심 C에서 자기 유도 B를 갖는 수평 자기장을 용융물에 가하는 자기 시스템; 및
실리콘 단결정을 둘러싸는 방열판을 포함하고, 이 방열판은 하단부에 용융물 자유 표면에 면하는 바닥 커버가 연결되어 있고, 이 바닥 커버는, 도가니 축선 M에 대하여 비축대칭 형상을 가져서, 실리콘 단결정과 방열판 사이에서 용융물 자유 표면으로 안내되는 가스가 바닥 커버에 의해 자기 유도 B의 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위로 흐르게 된 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 장치에 의해 달성된다.
본 발명을 이용함으로써, 실리콘 단결정의 실린더형 부분의 적어도 50% 초과, 바람직하게는 적어도 70% 초과, 가장 바람직하게는 적어도 80% 초과하는 길이에 걸쳐, 5 × 107 원자/cm3 미만의 산소 농도(새로운 ASTM에 따른 산소 농도)를 갖는 실리콘 단결정을 성장시킬 수 있다.
용융물에 가해진 수평 자기장은 주로 자기 유도 B의 방향에 평행하게 연장하는 용융물의 부분에서 용융물의 열 대류를 억제한다. 본 발명에 따라, 용융물 자유 표면으로 안내되는 가스는 용융물 자유 표면 영역 위로 흐르도록 강제되고, 이 경우, 자유 표면 영역에서 용융물로부터의 SiO 증발은 수평 자기장에 의해 억제되지 않는 열 대류에 기인하여 증가된다. 이러한 용융물 자유 표면의 영역 위로 가스가 흐르도록 제어하여 SiO의 제거를 증가시키고 용융물과 실리콘 단결정에서의 산소 농도를 현저하게 감소시킨다.
또 다른 태양에 따라, 본 발명은 또한 300 mm, 450 mm, 또는 그 이상의 큰 직경을 갖는 실리콘 단결정에서의 산소 농도를 제어하는데 필요한 불활성 가스의 소비를 줄이기 위한 해법을 제공한다. 통상적으로, 성장된 실리콘 단결정에서 산소의 목표 농도를 얻는데 필요한 불활성 가스의 유량은 단결정의 직경에 의존한다. 예컨대, 200 mm의 직경을 갖는 단결정에서 소정 산소 농도를 유지하는데 필요한 유량과 비교하여, 300 mm의 직경을 갖는 실리콘 단결정에서 동일한 산소 농도를 유지하는데에는 더 높은 아르곤 유량이 필요하다. 300 mm를 초과하는 직경을 갖는 실리콘 단결정이 종래의 방식으로 인상되어야 한다면, 불충분한 펌프 및 진공 시스템과 같은 기술적인 이유 때문에, 필요한 가스 유량을 제공하기가 점점 더 어렵게 된다. 그러나, 본 발명에 따른 방법을 수행함으로써 이러한 어려움을 피할 수 있는데, 이는 단결정에서 소정 산소 목표 농도를 달성하는 데에는 종래 방법을 수행함으로써 동일 산소 목표 농도를 달성하는데 필요한 유량과 비교하여 더 낮은 유량의 불활성 가스를 필요로 하기 때문이다.
수평 자기장은 도가니 주위에 [도가니 축선(M)에 대하여] 대칭적으로 배치된 여러 코일을 포함하는 자기 시스템에 의해 통상적으로 생성된다. 청구한 발명에 따라 정의된 자기장 중심 C는 코일을 반으로 나누는 수평면과 도가니의 축선 M 간의 교차점이다. 자기 유도 B는 자기장 중심 C에서 수평 자기장의 자기 유도를 나타낸다.
본 발명에 따르면, 저산소 실리콘 단결정을 제조하기에 적절하고 산소 농도를 제어하는데 최소한의 노력을 필요로 하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 HMCZ법 및 청구한 발명의 특징에 따른 실리콘 단결정을 성장시키기에 적절한 로의 통상적인 구조를 도시하는 개략적인 단면도이다.
도 2는 바람직한 실시예에 따라 바닥 커버를 도시한다.
도 3은 도 4의 단면도이고 자기 유도 B의 방향에 평행한 방향에서 단결정을 통과하는 축상 단면을 나타낸다.
도 5 내지 도 8은 바람직한 실시예에 따른 브림 섹션의 형상을 도시하고 있다.
도 9 및 도 10은 결정 및 방열판이 나타나 있지 않은 실리콘 용융물 자유 표면의 평면도를 도시한다.
도 1은 HMCZ 법 및 청구한 발명의 특징에 따른 실리콘 단결정을 성장시키기에 적절한 로의 통상적인 구조를 도시하는 개략적인 단면도이다.
용융물(2)이 담긴 도가니(1)가 하우징(3) 내에 배치되고 리프팅 샤프트(4) 상에 놓인다. 단결정(5)은 수평 자기장을 용융물에 가하면서 인상 메커니즘(16)에 의해 용융물로부터 인상된다. 도가니(1) 주위에 배치된 측면 히터(7)에서 방출된 열 복사로부터 결정을 보호하기 위해 단결정을 둘러싸는 방열판(6)이 제공된다. 바람직한 실시예에 따라, 추가의 히터(18)가 도가니 아래에 배치된다. 하우징은, 가스 입구에 의해서 하우징에 들어오고 다수의 가스 배출 개구(17)에 의해 하우징을 빠져나가는 가스를 이용하여 꾸준하게 퍼징된다. 가스가 단결정과 방열판 사이에서 용융물 자유 표면(8)으로 안내되고 또한 이 용융물 자유 표면으로부터 방열판과 도가니 벽 사이를 지나 가스 배출 개구(17)로 보내진다. 바람직하게는, 가스는 중심 축선 M에 대하여 비(非)축대칭 방식으로 실리콘 단결정과 방열판 사이에서 용융물 자유 표면으로 안내된다. 도가니 주위에 대칭적으로 배치된 코일(9)에 의해서 자기장이 생성된다. 수평 자기장의 자기장 중심 C는 코일을 반으로 나누는 수평면과 도가니의 중심 축선 M 간의 교차점으로 나타난다. 자기장 중심에서 자기 유도는 자기 유도 B로 나타난다. 본 발명에 따라, 방열판(6)은 방열판의 하단에 연결되고(예컨대 나사 고정되고) 용융물 자유 표면(8)에 면하는 바닥 커버(10)를 포함한다. 바닥 커버는 도가니의 중심 축선 M에 대하여 비축대칭이고, 자기 유도 B의 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위로 흐르도록 가스를 제어하기 위한 도구로서, 즉 중심 축선 M에 대하여 비축대칭 방식으로 용융물 자유 표면 위로 가스가 흐르도록 제어하기 위한 도구로서 기능한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 방열판은 방열판을 회전시킬 수 있는 방식으로 지지부에 부착된다. 방열판과 이에 연결된 바닥 커버를 회전시키면 용융물 자유 표면의 영역 위로 흐르는 가스를 더 정확하게 제어할 수 있다. 방열판을 왼쪽(오른쪽)으로 회전시키는 가스 흐름을 상기 영역의 왼쪽(오른쪽)으로 안내할 것이다. 자기 유도 B의 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위로 가스가 흐르도록 촉진하기 위해서 배출 개구(17)가 도가니 축선 M에 대하여 비축대칭 방식으로 배치되는 것이 또한 바람직하다.
도 2는 바람직한 실시예에 따른 바닥 커버를 도시한다. 바닥 커버는 링 섹션(11: ring section), 브림 섹션(12: brim section) 및 칼라 섹션(13: collar section)을 포함한다. 브림 섹션은 평탄하거나 볼록 또는 오목하게 구부러질 수 있다. 링은 이를 통과해 실리콘 단결정이 인상될 수 있을 만큼 충분히 큰 내경을 갖는다. 브림 섹션이 링으로부터 수평으로 연장하고 칼라 섹션이 브림 섹션의 외부 에지에 연결되며 용융물을 향해 직교하여 연장한다.
본 발명의 효과는 도 3 및 도 4를 참조하여 더 설명되는데, 도 3은 도 4의 단면도로서, 자기 유도 B의 방향에 평행한 방향에서 단결정을 통과하는 축상 단면을 나타낸다. 대체로, 단결정(5), 도가니(1), 용융물(2) 및 바닥 커버(10)가 도시되어 있다. 화살표 "Si"는 용융물 대류의 방향을 도시한다. 화살표 "Ar"은 초기에 방열판(미도시)과 단결정 사이에서 용융물 자유 표면(8)으로 안내되는 가스, 예컨대 아르곤과 같은 불활성 가스 흐름의 방향을 도시한다.
바닥 커버(10)는, 단결정과 방열판 사이에서 용융물 자유 표면으로 안내되는 가스가 자기 유도 B의 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위로 흐르게 하도록 비축대칭 형상을 갖는다. 이 영역에서, SiO의 증발 속도가 증가되는데, 이는 융융물에서의 열 대류 "Si"가 수평 자기장에 의해 영향을 덜 받고 가스 흐름 "Ar"이 그 영역 내의 용융물로부터 증발하는 SiO를 용이하게 제거하기 때문이다.
바람직하게는, 상기 영역은 45°이상 135°이하의 중심 각 α를 갖는 용융물 자유 표면의 섹터에 걸쳐 연장하고, 섹터의 중심 축선 D는 자기 유도 B의 방향에 직교하게 정렬되거나, 도가니 회전의 영향에 기인하여, 그러한 직교 정렬 상태에서 ±30°이내로 벗어난 방향으로 안내된다.
브림 섹션(12), 칼라 섹션(13), 용융물 자유 표면(8) 및 실리콘 단결정(5)은 가스가 칼라 섹션의 내벽을 따라 칼라 섹션의 개구(15)를 향해 흐르도록 제어하는 채널(14)의 경계를 형성한다. 바닥 커버는, 개구를 빠져나오는 가스가 자기 유도 B으 방향에 실질적으로 직교하는 방향으로 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위로 흐르도록 배치된다. 브림 섹션(12) 및 칼라 섹션(13)은 바람직하게는 자기 유도 B의 방향에 횡방향으로 연장하는 형상으로 이루어진다. 이는 가스가 용융물 표면과 브림 섹션 사이에서 증가된 속도로 흐를 수 있게 하고 용융물로부터 SiO의 제거 속도를 더 개선시킨다.
도 5 내지 도 8은 바람직한 실시예에 따른 브림 섹션의 형상을 도시하고 있다. 브림 섹션은 직사각형(도 5) 또는 타원형(도 7) 형상을 가질 수 있거나 만곡한 단부(도 6) 또는 타원형으로 확장된 단부(도 8)를 갖는 직사각형 형상을 가질 수 있다. 브림 섹션이 자기 유도 B의 방향에 횡방향으로 확장된 경우, 브림 섹션의 길이 L과 폭 W의 비율 L/W는 바람직하게는 식 1.1 < L/W < 3.0을 만족한다. 길이 L 및 폭 W는 링(11)의 중심에서 교차한다.
바람직하게는, 바닥 커버는 실리콘 단결정의 성장 계면에서 축방향 온도 구배에 대한 바닥 커버의 영향을 가능한 한 작게 유지시키고 용융물로부터 방출된 열복사의 흡수로 인해 전력 소모를 줄이는 방식으로 구성된다. 이러한 이유로, 바람직하게는 바닥 커버는 자기 유도 B의 방향으로 실질적으로 연장하지 않는 형상으로 된다. 바닥 커버를 구성하는 바람직한 재료는 흑연이다.
도 9 및 도 10은 결정 및 방열판은 도시하지 않은 상태에서의 실리콘 용융물 자유 표면의 평면도를 도시한다. 섹터의 중심 축선 D가 자기 유도 B의 방향에 직교하게 또는 직교 정렬로부터 ±30°의 각 β만큼 벗어난 방향으로 정렬되고 있음을 설명하고 있다. 각 β의 산술 부호는 도가니의 회전 방향, 즉 시계 방향 회전(도 10) 또는 반시계 방향 회전(도 9)에 의존한다.
1: 도가니 2: 용융물
3: 하우징 4: 리프팅 샤프트
5: 단결정 6: 방열판
7: 측면 히터 8: 용융물 자유 표면
9: 코일 10: 바닥 커버
11: 링 섹션 12: 브림 섹션
13: 칼라 섹션 15: 개구
17: 가스 배출 개구 18: 히터

Claims (10)

  1. 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법으로서,
    도가니 내에 용융물을 제공하는 단계;
    자기장 중심 C에서 자기 유도 B를 갖는 수평 자기장을 용융물에 가하는 단계;
    실리콘 단결정과 방열판 사이에서 가스를 용융물 자유 표면으로 안내하는 단계; 및
    자기 유도 B의 방향에 직교하는 방향으로 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위에서, 가스가 상기 도가니의 중심축 M에 대해 비축대칭 방식으로 흐르도록, 가스를 제어하는 단계
    를 포함하는 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 영역은 45°이상 135°이하의 중심 각 α를 갖는 용융물 자유 표면의 섹터를 형성하며, 상기 중심 각 α의 중심은 도가니의 중심 축선 M과 용융물 자유 표면이 만나는 지점이고, 이 섹터는 자기 유도 B의 방향에 직교하게 정렬되거나 직교 정렬에서 ±30°이내에서 벗어나는 방향으로 정렬되는 중심 축선 D를 포함하는 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 방열판을 회전시켜 상기 용융물 자유 표면의 영역 위로 가스가 흐르도록 제어하는 단계를 포함하는 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 자기 유도 B의 방향에 직교하는 방향으로 도가니에서 가스를 배출시키는 단계를 포함하는 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 방법.
  5. 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 장치로서,
    용융물을 수용하는 도가니;
    자기장 중심 C에서 자기 유도 B를 갖는 수평 자기장을 용융물에 가하는 자기 시스템; 및
    실리콘 단결정을 둘러싸는 방열판
    을 포함하고, 이 방열판은 하단부에 용융물 자유 표면에 면하는 바닥 커버가 연결되어 있고, 이 바닥 커버는, 도가니의 중심 축선 M에 대하여 비(非)축대칭 형상을 가져서, 실리콘 단결정과 방열판 사이에서 용융물 자유 표면으로 안내되는 가스가 바닥 커버에 의해 자기 유도 B의 방향에 직교하는 방향으로 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위로 흐르게 된 것인 방열판
    을 포함하고, 상기 바닥 커버는, 브림 섹션(brim section) 및 칼라 섹션(collar section)에 의해 둘러싸인 링 섹션(ring section)을 포함하고, 상기 브림 섹션 및 칼라 섹션은 상기 용융물 자유 표면의 영역 위로 가스를 안내하는 개구를 갖는 채널을 형성하는 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 영역은 45°이상 135°이하의 중심 각 α를 갖는 용융물 자유 표면의 섹터를 형성하며, 상기 중심 각 α의 중심은 도가니의 중심 축선 M과 용융물 자유 표면이 만나는 지점이고, 이 섹터는 자기 유도 B의 방향에 직교하게 정렬되거나 직교 정렬에서 ±30°이내로 벗어난 방향으로 정렬되는 중심 축선 D를 포함하는 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 브림 섹션은 자기 유도 B의 방향에 횡방향으로 연장하고, 직사각형 또는 타원형 형상을 갖거나 만곡한 단부 또는 타원형으로 확장된 단부를 갖는 직사각형 형상을 갖는 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 장치.
  8. 제5항 또는 제7항에 있어서, 상기 브림 섹션은 링 섹션의 중심에서 교차하는 길이 L 및 폭 W를 갖고, L/W의 비는 1.1 < L/W < 3.0을 만족하는 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 장치.
  9. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 자기 유도 B의 방향에 직교하게 연장하는 용융물 자유 표면의 영역 위로 가스가 흐르도록 촉진하기 위해서 도가니의 중심 축선 M에 대하여 비축대칭 방식으로 배치되는 가스 배출 개구를 포함하는 것인 용융물로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 장치.
  10. 삭제
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