KR101306218B1

KR101306218B1 - 크랙 없는 다결정질 실리콘 봉의 제조 방법

Info

Publication number: KR101306218B1
Application number: KR20110018430A
Authority: KR
Inventors: 하인즈 크라우스
Original assignee: 와커 헤미 아게
Priority date: 2010-03-19
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2013-09-09
Also published as: KR20110105707A; JP2011195441A; CA2731009A1; US9023426B2; CN102190302B; JP5485210B2; EP2368846B1; EP2368846A1; US20110229717A1; CA2731009C; CN102190302A; DE102010003068A1; ES2399194T3

Abstract

본 발명은, 가느다란 봉에 기상으로부터의 증착에 의해 다결정질 실리콘 봉을 제조하는 방법으로서, 증착 조건 하에서 다결정질 실리콘보다 낮은 전기적 비저항을 가진 물질로 구성된 하나 이상의 디스크를 전극의 상부 및/또는 한 쌍의 봉의 브릿지의 하부에 도입하는 제조 방법에 관한 것이다.

Description

크랙 없는 다결정질 실리콘 봉의 제조 방법 {METHOD FOR PRODUCING CRACK-FREE POLYCRYSTALLINE SILICON RODS}

본 발명은 대직경의 다결정질 실리콘 봉의 제조 방법으로서, 실리콘 봉에서의 크랙 발생과 치핑(chipping)을 피하기 위해 상기 다결정질 실리콘보다 낮은 전기적 비저항을 가진 물질로 구성된 디스크를 도입하는, 실리콘 봉의 제조 방법에 관한 것이다.

지멘스 공정에 따른 폴리실리콘의 증착시, 기상으로부터 고순도 원소 상태의 실리콘이 실리콘 봉의 표면 상에 증착된다. 이 경우에, 증착 반응기에서는, 수소와 할로실란 또는 할로겐 함유 실리콘 화합물의 혼합물로부터, 원소 상태의 실리콘이 기상으로부터 900∼1200℃로 가열된 가느다란 실리콘 봉의 표면 상에 증착된다.

이 경우에, 실리콘 봉은 일반적으로 고순도의 전기흑연(electrographite)으로 구성된 특수 전극에 의해 반응기 내에 유지된다. 각각의 경우에, 전극 마운트(mount)에 있는 상이한 전압 극성을 가진 2개의 가느다란 봉은 브릿지(bridge)에 의해 다른 가느다란 봉의 단부에 연결되어 폐쇄된 전기 회로를 형성한다. 가느다란 봉을 가열하기 위한 전기 에너지가 전극 및 전극 마운트를 통해 공급된다. 증착 반응기의 베이스 판에 있는 유입 노즐을 통해 수소와 할로실란의 혼합물이 첨가된다. 이 경우에, 할로실란은 가느다란 봉의 표면에서 분해된다. 이 경우에, 가느다란 봉의 선단에서 시작하여 직경이 증가된다. 그와 동시에, 전극은 실리콘 봉의 저부(foot) 내로 성장한다. 실리콘 봉의 목표로 한 설정 직경에 도달한 후, 증착 공정은 종료되고, 열과 빛을 발하는(glowing) 실리콘 봉은 냉각되고 마운트에서 탈착된다.

여기서 전극의 재료와 형상이 특히 중요하다. 전극 재료와 형상은, 첫째로 가느다란 봉을 유지시키고 전류를 실리콘 봉으로 전달하는 역할뿐 아니라, 열을 전달하고 반응기에서 성장되는 봉을 위한 고정 스테이지로서의 역할을 한다. 오늘날의 추세는 갈수록 봉이 길어지고 무거워지며, 중량이 수백 킬로그램에 달할 수 있는 한 쌍의 봉은 반응기 내의 전극에 의해서만 고정되기 때문에, 형상과 재료 구성의 선택은 매우 중요하다.

종래 기술에 따른 전극은 하부의 원통형 베이스 본체와 상부의 원뿔형 선단으로 구성된다. 원뿔형 선단에는 가느다란 봉을 받아들이기 위한 홀이 제공되어 있다. 이 경우에, 전극의 하단부는 금속성 전극 마운트 내에 장착되고, 이것을 통해 전류가 공급된다. 그러한 전극은 일반적으로 알려져 있고, 예를 들면 미국 특허 제5,284,640호에 기재된 바와 같이 실리콘 증착을 위해 사용된다.

흑연은 매우 높은 순도로 이용가능하고 증착 조건에서 화학적으로 불활성이기 때문에, 전극용 물질로서 주로 사용된다. 또한, 흑연은 매우 낮은 전기적 비저항을 가진다.

증착 공정 후, 얻어진 폴리실리콘으로 이루어진 U자형의 한 쌍의 봉은 전극 측면과 브릿지 측면에 맞추어 소정의 길이로 절단된다. 얻어진 봉은 단부와 길이 전체에 걸쳐 크랙 및 파단부(break-off)가 없어야 한다. 추후에, 이와 같이 얻어진 봉은 소정의 길이로 절단되어 봉 단편을 형성하는데, 봉의 길이 및 봉의 중량과 같은 소비자 요건에 부합시키는 것이 필요하다. 이러한 봉도 마찬가지로 양측면과 봉의 길이 전체에 걸쳐 크랙 및 파단부가 없어야 한다.

종래 기술로부터 공지된 모든 전극에 관한 단점은, 상기 전극들이 전극과 실리콘 봉 사이의 전이부, 또는 전극 인근에 있는 실리콘 봉에서, 정도의 차는 있지만 크랙킹 또는 물질의 치핑-오프(chipping-off)를 일으키기 쉬워서 실리콘 봉을 불안정하게 만든다는 점이다.

크랙이 없는 봉의 길이를 높은 수율로 얻기 위해서, 얻어진 U자형의 한 쌍의 봉의 전극측 및 브릿지측 봉 단부는 가능한 한 최소한의 범위로 크랙 및 치핑-오프를 가지도록, 이상적으로는 전혀 없도록 의도된다. 봉의 단부는 크랙이 없어질 때까지 슬라이스 상태로 절단되기 때문에, 봉을 소정 길이로 절단할 때 크랙을 가지는 봉 영역은 높은 비용을 나타낸다.

가공된 폴리실리콘 봉의 길이, 직경 및 중량은 소비자 규격의 일부이다. 소비자의 요구조건은 갈수록 길고 굵은 봉 쪽으로 바뀌고 있다. 반면에, 제조시 증착 직경이 증가됨에 따라 크랙과 파단부는 증가된다. 따라서, 크랙을 피하는 방법은 높은 경제적 잠재력을 가진다.

다결정질 실리콘으로 이루어진 봉에서 크랙과 치핑-오프를 피하는 것에 관해 이미 다양한 문헌이 있다.

예를 들면, 미국 특허 제6 676 916호에는, 홀이나 노치(notch)와 같은 작은 결함이 가느다란 봉의 브릿지의 하부에 제공되는 방법이 기재되어 있다. 언급되어 있는 또 다른 가능성으로는, 전도(conduction) 단면의 압축 또는 수축에 의해 가느다란 봉을 굵게 하는 방법이 포함된다. 이러한 결함에서, 붕괴된 결정 성장의 결과로서 증착시 갈라진 면(clavage plane)이 의도적으로 형성된다. 열변형(thermal strain)의 경우에, 이들 면은 바람직한 파손 위치(fracture location)로서 작용하도록 의도된다.

굵고 크랙이 없는 폴리실리콘 봉은 예를 들면 플로팅 존(floating zone) 공정, 초크랄스키(Czochralski) 공정의 재장입(recharging) 또는 신규 가느다란 봉의 절단과 같은 제조 공정에서 사용된다. 이러한 공정은 매끄러운 봉 표면 및 결함이 없고 상이한 결정 구조를 가진 영역이 봉에 없는 컴팩트한 봉 단면을 가정한다. 따라서, 증착 공정중에 폴리실리콘 봉의 균일한 결정 구조를 필요로 한다. 미국 특허 제6,676,916호에 제안되어 있는 바와 같이, 가느다란 봉에 있는 작은 결함은 봉의 직경이 가느다란 경우에도 그러한 증착 공정중에 완전히 함께 성장한다. 그 결과, 그 영역은 굵은 봉의 경우에 바람직한 파손 위치로서 작용할 수 없다.

특허 문헌 JP-63074909에는 실리콘 봉이 고주파 AC 전류에 의해 가열되는, 크랙 및 치핑-오프의 회피 방법이 개시되어 있다. 고주파 AC 전류에 있어서, 전류 밀도는 소위 외피 효과(skin effect)에 따라 봉의 에지 방향으로 이동된다. 따라서, 봉의 중심과 표면 사이의 온도차는 작게 유지될 수 있다. 주파수가 높을수록, 봉 에지에 대한 전류 밀도의 변위가 커진다. 적절한 효과를 달성하기 위해서, >100 kHz의 주파수가 필요하다. 이 방법에 있어서 불리한 점은 봉의 가열에 필요한 높은 전류 강도와 전압과 관련하여, 고비용의 파워 서플라이의 차폐 및 증착 설비가 필요해진다는 것이다. 따라서 실제적이고 경제적 조건 하에서, 이 방법을 실현하는 것은 매우 어려울 수 있다.

오늘날 통상적인 봉 직경의 대형화와 관련하여, 종래 기술로부터 공지된 방법에서는 크래킹을 방지하고 봉의 저부와 봉의 브릿지로 전이되는 영역에서 크래킹 및 치핑-오프를 방지하는 경제적이고 간단한 방법을 제공하는 것은 불가능했다.

따라서, 본 발명의 목적은 직경이 큰 실리콘 봉을 제조하는 간단한 방법으로서, 브릿지측과 전극측 봉의 단부 모두에서 크랙과 파단을 감소시키고, 그에 따라 봉 단부가 소정 길이로 절단된 후 크랙이 없는 봉의 길이를 증가시키는 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명자들은 놀랍게도, 증착 조건 하에서 다결정질 실리콘보다 낮은 전기적 비저항을 가진 물질로 구성된 디스크를, 사용되는 전극의 상부와 한 쌍의 봉의 2개의 봉 사이의 브릿지의 하부에 결합시킴으로써, 크랙이 없고 치핑-오프가 없는 봉의 길이가 현저히 증가되는 것을 발견했다.

본 발명에 따른 디스크를 사용함으로써, 봉에서의 전류 밀도를 보다 균일하게 만들 수 있었다. 이를 위해서, 실리콘의 옴 저항(ohmic resistance)보다 훨씬 낮은 옴 저항을 가진 물질로 이루어지는 디스크를 전극의 상부 및 봉의 브릿지의 하부에 고정시킨다. 또한, 상기 디스크를 전극측 또는 브릿지측에만 삽입할 수도 있다. 이 경우에, 크랙 및 파단을 피하는 것과 관련된 디스크의 긍정적 효과는 디스크가 도입되는 봉의 단부에서만 감소된다.

디스크는 봉 축에 대해 45∼90도, 바람직하게는 60∼90도, 특히 바람직하게는 봉 축에 대해 90도의 각도로 삽입될 수 있다.

얻고자 하는 봉 직경에 따라서, 본 발명에 따른 디스크는 30∼250mm, 바람직하게는 50∼220mm, 특히 바람직하게는 90∼220mm의 직경을 가진다. 브릿지측 디스크에 있어서 디스크 직경은 이상적으로는 얻고자 하는 봉 직경에 해당한다. 전극측 디스크 직경은, 디스크가 전극 선단을 누르고 있다면 약간 작을 수 있다. 여기서, 이상적 디스크 직경은 평균 봉 직경의 약 80%이다.

디스크 두께는 0.5∼100mm, 바람직하게는 1∼20mm, 특히 바람직하게는 2∼10mm이다.

본 발명에 따른 디스크용으로 적합한 물질은, 1300℃ 이하의 온도에서 고온의 실리콘에 견디는 높은 융점을 가지고, 증착 조건 하에서 다결정질 실리콘보다 낮은 전기적 비저항을 가진 모든 물질을 포함하며, 다시 말하면, 디스크 물질의 비저항은 900∼1200℃의 온도 범위에서 100μohmㆍm 미만이다. 디스크 물질로서 흑연의 경우에, 20℃에서 이것은 130μohmㆍm 미만의 전기적 비저항에 해당한다. 적합한 물질은 텅스텐 및 탄탈과 같은 높은 융점을 가진 금속 또는 흑연이다.

또 다른 적합한 물질은 도핑된 다결정질 또는 단결정질 실리콘, 탄화규소 또는 CFC(탄소 섬유 보강 탄소) 복합 물질, 바람직하게는 단결정질 실리콘이다. 순도의 이유에서, 고순도 전기 흑연이 특히 바람직하다. 실리콘, 탄화규소, 피로카본, 질화규소, 유리질 탄소 또는 실리센(silicene), 즉 나노 실리콘에 의한 흑연 부분의 코팅도 가능하다. 이 경우에, 100㎛ 미만의 층 두께가 바람직하다.

사용된 디스크의 표면 조도(roughness) Ra의 산술평균 값은, DIN EN ISO 4287에 따라 측정했을 때, 1∼20㎛, 바람직하게는 1∼15㎛, 특히 바람직하게는 1∼10㎛이고, 조도 프로파일의 총 높이 Rt는 10∼200㎛, 바람직하게는 10∼150㎛, 특히 바람직하게는 10∼100㎛이고, 평균 조도 깊이 Rz는 8∼160㎛, 바람직하게는 8∼120㎛, 특히 바람직하게는 8∼80㎛이다.

가장 적합하게 열변형을 회피하기 위해서는, 증착 온도에서 디스크의 전기적 비저항이 - 특히 디스크 평면에서 공비혼합 물질인 경우에 - 고순도 실리콘의 전기적 비저항보다 훨씬 작아야 한다. 20℃에서 디스크의 비저항은 DIN 51911에 따라 측정했을 때, 130μohmㆍm 미만, 바람직하게는 75μohmㆍm 미만, 특히 바람직하게는 30μohmㆍm 미만이어야 한다.

본 발명에 따른 디스크는 종래 기술로부터 공지된 모든 전극과 함께 사용될 수 있다. 상기 전극은 바람직하게는 고순도 실리콘보다 낮은 전기적 비저항을 가진 전기흑연으로 구성된다. 상기 전극의 형상은 실리콘 봉 방향으로 중앙 선단을 구비한 원뿔형이고, 상기 선단은 가느다란 봉을 운반한다.

전극측 디스크의 최적 위치는 전극 바로 위의 봉 저부 위치이다. 디스크는 전극 선단으로부터 측정된 값으로, 0∼1000mm 떨어진 위치에 삽입되는 것이 바람직하다. 디스크를 전극 선단에 올려 놓는 것이 특히 바람직하다. 이를 위해서, 원뿔형 홀이 디스크 중심에 간단히 도입될 수 있고, 그 홀에 의해 디스크는 전극 선단 상에 적절히 틀어막힐 수 있고, 그 홀을 통해 캐리어 봉(가느다란 봉)은 전극에 틀어막힌다. 디스크는 또한, 전극 선단 하부로 20mm의 범위 내에 위치할 수 있고, 전극 선단 하부의 거리가 증가할수록 디스크의 긍정적 효과는 감소된다. 디스크의 비저항이 상대적으로 낮기 때문에, 봉으로의 전류의 공급이 더 이상 전극 선단을 통해 봉 저부 내로 이루어지지 않고, 디스크 단면에 걸쳐 더 균일하게 만들어지는 방식으로 이루어진다. 봉 중심으로부터 봉 저부에 있는 봉 표면까지의 온도 구배는 결과적으로 현저히 더 작다.

또한, 디스크는 디스크의 영역 내의 봉에서 원뿔형 크랙이 형성된 결과로서 나머지 잔류 응력을 감소시키는 미리설정된 파손 위치처럼 작용한다. 디스크 상하 100mm 이하의 범위에서, 원뿔형 크랙은 냉각시 여전히 발생되므로, 나머지 봉 단부는 약간 뾰족한 형상을 가진다. 봉은 이미 전극측 디스크 상부 약 100mm와 브릿지측 디스크 하부 100mm에서 원뿔형 크랙의 단부에 크랙 및 파단부가 없다.

본 발명에 따른 디스크의 형태에 의해 보완되고 하나의 물품으로 합쳐져 만들어진 종래 기술에 따른 전극도 가능하고, 동일한 효과를 가진다. 그러나, 전극 직경에 비해 디스크의 직경이 크기 때문에, 하나의 물품으로 제조하는 것은, 개별적 부품으로 만들어진 전극과 디스크의 분리된 제조보다 바람직하지 않다.

봉 저부에서 디스크를 따라, 선택적으로는 한 쌍의 봉의 브릿지로 전이되는 위치에서 봉의 상부에 디스크를 삽입할 수도 있다. 본 발명에 따른 디스크는 바람직하게는 각각 가느다란 봉 브릿지에 대해, 브릿지의 하부 200∼1000mm, 바람직하게는 200∼800mm, 특히 바람직하게는 300∼600mm에 삽입된다.

상기 디스크는 바람직하게는 봉 축에 대해 직각으로 삽입된다. 여기서, 봉 축에 대해 90도로부터 벗어나는 각도도 가능하지만, 디스크의 효과가 감소된다.

디스크는 가느다란 봉 내에 직접 삽입될 수도 있고, 또는 어댑터를 이용하여 고정될 수도 있다. 이를 위해서, 디스크는 바람직하게는 디스크 중심에 원통형 홀을 가진다. 디스크의 수직 위치는 봉의 단부 직경에 의존한다. 디스크는 얻고자 하는 봉 직경이 얻어진 후에도 여전히 브릿지의 하부에 있도록 선택되어야 한다. 브릿지측 디스크가 봉 레그의 직선 부분에 있는 최상부 위치는, 가느다란 봉의 경우가 굵은 봉의 경우보다 브릿지에 더 가깝다. 더 깊고 그에 따라 브릿지로부터 더 먼 위치가 가능하지만, 이 경우에는 이어서 얻어지는 크랙 없는 봉의 길이가 감소된다.

브릿지에 인접하여 본 발명에 따른 디스크 하부에, 전류 밀도는 보다 균일해지고, 고유 열 전도도 및 봉 표면으로부터 봉 중심까지의 동심원 형태로 된 실리콘의 전기적 비저항의 온도 의존성 때문에 작은 범위까지만 증가된다. 봉은 크랙 및 파단부가 없는 방식으로 브릿지층 디스크 하부로 약 100mm 소정 길이로 절단될 수 있다.

가느다란 캐리어 봉은 반응기 내 가스 유동으로 인해 변동될 수 있기 때문에, 인접한 캐리어 봉의 브릿지측 디스크를 약간 상이한 높이에 고정시키는 것이 유리하다. 여기서 20∼50mm 범위의 높이 차가 실험상 가치있는 것으로 입증되었다. 더 큰 높이 차가 가능하지만, 디스크 위치가 더 낮은 상태가 되므로 봉의 유용한 길이를 단축시킨다. 이 경우에, 인접한 캐리어 봉의 디스크는 상이한 높이에 위치한다. 이것은 변동이 심한 캐리어 봉으로 인한 인접한 한 쌍의 봉의 디스크들 사이의 일시적 접촉을 방지한다. 인접한 디스크들의 충돌은 증착 설비의 사용 불능과 함께 디스크와 캐리어 봉의 파손을 초래할 수 있다.

본 발명에 따른 디스크는 간단히 전극에 올려놓거나, 적합한 어댑터 또는 슬리브를 이용하여 고정된다. 간단한 어댑터는, 예를 들면, 단부에 홀과 같은 캐비티를 각각 가진 기다란 연결체일 수 있다. 어댑터에 의해, 2개의 가느다란 캐리어 봉은 단순히 함께 끼워짐으로써 연결되어 더 긴 캐리어 봉을 형성할 수 있다. 어댑터는 그밖에도, 본 발명에 따른 디스크를 수용하는 장치를 구비한다. 이것은, 예를 들면, 디스크가 그 위에 가지는 에지(edge) 또는 칼라(collar)일 수 있다.

어댑터용으로 적합한 물질은, 1300℃ 이하의 온도 범위에서 고온의 실리콘에 대해 내구성이고, 900℃보다 높은 온도 범위에서 전기적으로 전도성인, 고융점을 가진 모든 물질을 포함한다. 적합한 물질은 텅스텐 및 탄탈과 같은 고융점의 금속 또는 흑연이다. 또 다른 적합한 물질은 도핑된 다결정질 또는 단결정질 실리콘, 탄화규소 또는 CFC(탄소 섬유 보강 탄소) 복합 물질, 바람직하게는 단결정질 실리콘이다. 순도의 이유에서, 고순도 전기 흑연이 특히 바람직하다. 실리콘, 탄화규소, 피로카본, 질화규소, 유리질 탄소 또는 실리센, 즉 나노 실리콘에 의한 흑연 부분의 코팅도 가능하다. 이 경우에, 100㎛ 미만의 층 두께가 바람직하다.

어댑터와 디스크는 상이한 물질로부터 제조될 수 있다. 두 가지 부품용으로 고순도 전기흑연이 바람직하게 사용된다. 어댑터와 디스크는 2개의 분리된 부분 또는 하나의 부분으로 구성될 수 있다. 두 구현예 모두에 있어서, 기능은 악영향을 받지 않는다. 어댑터 직경에 비해 큰 디스크 직경 및 어댑터 길이에 비해 얇은 디스크 두께를 고려할 때, 2개의 분리된 부분이 경제적 이유에서 바람직하다.

어댑터의 전기적 비저항은 또한 실리콘의 비저항보다 클 수 있고; 모든 경우에 어댑터는 전기적으로 전도성이어야 한다. 이상적으로는, 어댑터는 도핑되지 않은 결정질 실리콘의 전기적 비저항 이하의 전기적 비저항을 가진다.

전극측 디스크와 브릿지측 디스크 사이의 위치에 추가적 디스크가 마찬가지로 배치될 수 있다. 바람직하게는, 이것들은 후속적으로 필요한 길이로 봉을 절단하기 위해 계획된 절단 위치에 배치된다. 그러나, 브릿지측 디스크와 전극측 디스크 사이의 봉이 낮은 열변형을 나타내기 때문에, 추가적 디스크가 절대적으로 필요한 것은 아니다. 그러나, 추가적 디스크는 이어지는 길이에 대한 절단 작업을 용이하게 한다.

증착 온도에서, 디스크는 실리콘보다 훨씬 작은 전기적 비저항을 가져야 한다. 실리콘에 비해 디스크의 낮은 전기적 비저항 때문에, 브릿지측과 전극측 디스크들 사이에서 봉의 단면에 걸쳐 보다 균일해진 전류 밀도가 실리콘 봉에 확립되는데, 이것은 봉에서의 수직 위치(전극측, 봉 중심, 브릿지측)와 독립적이다.

본 발명의 또 다른 구현예에서, 추가적 디스크가 U자형의 한 쌍의 봉의 임의의 원하는 위치, 바람직하게는 브릿지에서 후속적인 소정의 파손 지점으로서 결합될 수 있다. 크랙 및 열변형을 회피하는 것과 관련된 이들 디스크의 효과는 전류 밀도를 보다 균일하게 만드는 것에 의거하는 것이 아니고, 단순히 소정의 파손 위치로서의 효과이다. 봉을 냉각시키는 동안, 디스크에 바로 인접한 곳에서의 크랙 발생으로 인한 열변형은 디스크 영역에서 감소되고, 그 결과 봉의 나머지 부분은 적은 범위로 손상된다. 디스크는 마찬가지로 어댑터에 의해 브릿지의 하부 또는 브릿지 내에 위치하게 된다. 소정의 파손 디스크로서의 기능만을 가지는 브릿지측 디스크는 실리콘보다 낮은 전기 전도도를 가진 물질로 구성될 수 있다. 이 경우에, 전기적 비저항은 적어도 디스크를 통해 전류가 흐를 수 있는 크기를 가져야 한다. 적합한 물질은 텅스텐 및 탄탈과 같은 고융점을 가진 금속, 도핑되거나 도핑되지 않은 다결정질 또는 단결정질 실리콘, 흑연, 탄화규소, 질화규소, CFC 복합 물질이고, 바람직하게는 도핑되지 않은 단결정질 또는 다결정질 실리콘이다. 실리콘, 탄화규소, 피로카본, 질화규소, 유리질 탄소 또는 실리센, 즉 나노 실리콘에 의한 흑연 부분의 코팅도 가능하다. 이 경우에, 100㎛ 미만의 층 두께가 바람직하다.

본 발명의 일 구현예에서, 하나 이상의 디스크가 브릿지에 삽입된다. 이것은 이미 설명한 어댑터에 의해 실행될 수 있고, 또는 브릿지 상의 디스크가 측면으로 미끄러지는 것을 방지하기 위해서, 단순히 브릿지에 관해 가로 방향으로 홈(groove) 내에 매닮으로써 실행될 수 있다. 디스크는 중심점에 대해 중앙 및 편심 상태로 브릿지 내에 삽입될 수 있다. 이 구현예에서, 디스크의 홀은 디스크의 중심점과 0.8× 디스크 반경 사이의 영역, 바람직하게는 0.2× 디스크 반경과 0.6× 디스크 반경 사이의 영역, 특히 바람직하게는 0.2× 디스크 반경과 0.4× 디스크 반경 사이의 영역에 위치한다.

홀은 브릿지가 디스크를 통해 끼워질 수 있도록 정확한 크기로 되어 있다. 가장 간단한 경우에, 홀은 원형 또는 타원형이고; 이상적으로는 크기와 형태 측면에서 브릿지의 단면에 대응한다. 얻고자 하는 봉 직경에 따라서, 디스크는 30∼250mm, 바람직하게는 50∼220mm, 특히 바람직하게는 90∼200mm의 직경을 가진다. 브릿지측 디스크에 있어서 디스크 직경은 얻고자 하는 봉 직경에 이상적으로 대응한다.

디스크는 브릿지 내에 특별한 전기적 기능을 갖지 않기 때문에, 디스크는 매우 얇은 두께를 가질 수 있다. 디스크의 두께는 0.5∼10mm, 바람직하게는 1∼5mm, 특히 바람직하게는 1∼3mm 범위이다.

전극측과 브릿지측 디스크가 사용되고, 캐리어 봉의 길이가 길이 방향에 수직으로 절단된 후 3000mm로 주어질 때, 1400mm보다 길고, 바람직하게는 1850mm보다 길고, 특히 바람직하게는 2000mm보다 긴 크랙 및 파단부 없는 길이를 가진 다결정질 실리콘 봉을 얻을 수 있다. 본 발명에 따른 방법은, 130∼250mm, 바람직하게는 160∼220mm, 특히 바람직하게는 180∼220mm의 직경을 가진, 크랙 및 파단부 없는 다결정질 실리콘 봉의 제조에 사용될 수 있다.

본 발명에 따라 제조된 다결정질 실리콘 봉은 플로팅 존 방법(FZ)에 의해 단결정질 실리콘의 제조에 사용될 수 있다. 이 경우에, 상기 봉은 인상 공정(pulling process)중에, 불가피하게 인상 공정의 종료를 초래하게 되고 그에 따라 FZ 수율을 크게 감소시키게 되는 추가적 치핑-오프가 일어나지 않는 성질을 가진다. 상기 봉은 인상 패스에서 변위가 없는 방식으로 인상될 수 있다. 또한, 폴리실리콘 봉은, 도가니의 충전도를 증가시키기 위해, 파단을 일으키지 않고 CZ 인상 공정용 도가니에 용융되어 들어갈 수 있다. 또 다른 응용은 봉 단편의 틈을 위한 상이한 단편 크기를 가진 폴리 칩과 함께 CZ 인상 공정중에 도가니를 조밀하게 채우기 위한, 크랙과 파단부가 없는 짧은 다결정질 실리콘 봉이다.

본 발명에 의하면, 직경이 큰 실리콘 봉을 제조하는 간단한 방법에 있어서, 브릿지측과 전극측 봉의 단부 모두에서 크랙과 파단을 감소시키고, 그에 따라 봉 단부가 소정 길이로 절단된 후 크랙이 없는 봉의 길이를 증가시킬 수 있다.

이하의 실시예에 의거하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

증착 반응기에서 지멘스 방법에 따라 기상으로부터 다결정질 실리콘 봉을 증착했다. 종래 기술에 따른 흑연 전극(형상에 대해서 미국 특허 제5,593,465호를 참조할 수 있음), 즉 기다란 형상을 가진 전극을 원뿔형 선단을 구비한 상단부에 장착했다. 흑연 전극은 길이 방향으로 선단에 홀을 가지며, 그 홀 속으로 가느다란 캐리어 봉이 끼워졌다. 각각의 경우에, 2개의 인접한 캐리어 봉이 상단부에서 브릿지로의 U자형 방식으로 가느다란 캐리어 봉에 연결된다. 증착 반응기 외부의 전극 마운트의 2개의 단부는 전압 소스에 연결되어 폐쇄된 전기 회로를 형성했다. 전류가 직접 통과하여 흐르는 결과로서, 캐리어 봉은 900∼1200℃로 전기에 의해 가열되었다. 캐리어 가스로서 식 SiH_nCl₄ _-n(여기서 n=0,…, 4)의 하나 이상의 염소-함유 실란 화합물 및 수소로 구성되는 공급물을 증착 공정중에 첨가했다. 할로겐-함유 실란 화합물은 가느다란 봉의 표면에서 분해되고, 다결정질 실리콘은 그 표면에서 성장된다. 130∼220mm의 얻고자 하는 직경이 얻어진 후, 반응을 종료하고, 봉을 냉각시킨 다음, 증착 반응기로부터 분리했다.

실시예 1:

적절한 중앙 홀을 구비한 고순도 전기흑연으로 구성된 디스크를 흑연 전극의 선단에 끼워넣었다. 흑연 전극의 선단은 디스크 표면과 동일 평면 상에 존재한다. 디스크의 직경은 130mm였고 두께는 4mm였다. 길이가 2500mm 및 2550mm인 캐리어 봉들은, 한 쌍의 봉이 항상 더 킨 캐리어 봉과 더 짧은 캐리어 봉을 수용하고, 인접한 봉들은 상이한 길이를 갖도록 흑연 전극 내에 끼워졌다. 2개의 캐리어 봉을 연결하여 더 긴 캐리어 봉을 형성하는 어댑터와 슬리브는 캐리어 봉의 단부에 끼워졌다. 어댑터는 고순도 전기흑연으로 구성되었다. 500mm 및 450mm의 길이를 가진 상대적으로 짧은 캐리어 봉들은, 모든 캐리어 봉이 3000mm의 총 길이를 가지도록 다른 어댑터 단부에 끼워졌다. 어댑터들은 동시에 브릿지의 하부에서 각각의 고순도 흑연 디스크를 고정하는 역할을 했다. 디스크는 중앙 홀에 의해 어댑터에 끼워지고 탑재되었다. 어댑터 상의 디스크는 180mm의 직경과 4mm의 두께를 가졌다. 전극측 디스크와 브릿지측 디스크는 각각 가느다란 봉과 90°의 각도를 형성했다. 디스크는 DIN 51911에 따라 실온에서 측정했을 때, 30μohmㆍm 미만의 전기 비저항을 가졌다. 다결정질 실리콘은 180mm의 직경이 얻어질 때까지, 이와 같은 방식으로, 결합된 캐리어 봉에 증착되었다. 마감처리된 다결정질 실리콘 봉은, 크랙 및 파단부가 없는 방식으로 양단부에서 절단 손실이 매우 적은 상태로 전극측 및 브릿지측 디스크 사이에 소정 길이로 절단될 수 있음으로써, 마감처리된 봉은 그 길이 전체에 걸쳐 크랙과 파단부가 없었다.

이와 같은 방식으로 제조된 본 발명에 따른 다결정질 실리콘 봉의 90%는 2100mm보다 긴 길이를 가졌고, 나머지 봉의 길이는 1900mm 내지 2100mm였다. 이어서, 봉은 플로팅 존 방법에 의해 위치 변동이 없는 방식으로 단결정을 형성하도록 단 번에 인상될 수 있었다. 크랙 없는 다결정질 봉의 높은 중량 때문에, 그 봉은 대직경, 여기서는 8인치의 직경을 가진 단결정을 인상하는 데 특히 적합하게 사용되었다.

비교예 1:

실시예 1과 동일한 공정을 이용했다. 그러나, 대조군의 봉들에 대해 하나의 단편으로 만들어진 3000mm의 길이를 가진 가느다란 봉을 증착시켰다. 즉, 상부 디스크 및 어댑터가 없이, 다시 말하면 동일한 파라미터로 증착되었다. 본 발명에 따른 디스크만이 전극에 사용되었다.

브릿지측 봉의 단부에서 크랙 발생이 집중되었기 때문에, 크랙 및 파단부가 없는 봉이 얻어질 때까지 브릿지측에서 더 많은 정도로 짧아질 수 밖에 없었고, 그 결과 가공된 봉의 20%만이 2100mm보다 길었고, 봉의 70%는 1800mm 내지 2100mm의 길이를 가졌다. 봉의 나머지는 단지 1800mm 미만의 길이를 가졌다. 크랙 없는 봉은 마찬가지로 플로팅 존 방법에 의해 위치 변동 없는 방식으로 8인치까지 인상될 수 있었지만, 봉의 길이가 상대적으로 짧았기 때문에 인상 수율이 낮았고, 설비 산출량이 적었다.

비교예 2:

비교예 1과 동일한 공정을 사용했고, 추가로 전극측 디스크도 생략했다. 따라서 한 쌍의 봉은 디스크를 갖지 않았고, 증착은 종래 기술과 동일하게 이루어졌다. 브릿지측 크랙에 더하여, 전극측 봉의 단부도 더 많은 정도로 크랙을 발생시켰다. 브릿지측 절단 손실은 또한, 크랙이 없는 봉이 얻어질 때까지 소정 길이로 봉을 절단하는 과정에서 전극측 봉의 단부에서 절단 손실에 의해 증가된 범위까지 수반되었다. 1800mm를 넘는 길이를 가진 크랙 없는 봉은 없었다. 얻어진 봉의 15%는 1500mm 내지 1800mm의 길이를 가졌다. 봉의 55%는 1200mm 내지 1500mm 범위였고, 봉의 14%는 1000mm 내지 1200mm였다. 나머지 봉은 크랙 없는 봉의 길이가 너무 짧았기 때문에 플로팅 존 방법용으로 사용할 수 없었다. 이 경우에도, 다결정질 실리콘 봉은 플로팅 존 공정에 의해 위치 변동 없는 방식으로 인상될 수 있었다. 그러나, 낮은 중량으로 인해, 그것들은 8인치 단결정 인상용 예비봉으로서 적합하지 않았고, 6인치 이하의 직경을 가진 단결정용으로서만 적합했다.

실시예 2:

적절한 중앙 홀을 가진 고순도 전기흑연으로 구성된 디스크는 각각 흑연 전극의 선단에 끼워졌다. 흑연 전극의 선단은 디스크 표면과 동일 평면 상에 존재한다. 디스크의 직경은 120mm였고 두께는 4mm였다. 흑연 전극에는 2400mm의 길이를 가진 캐리어 봉이 장착되었다. 다결정질 실리콘으로 구성된 각각의 디스크는 한 쌍의 봉의 브릿지 내에 매달렸다. 브릿지 내 디스크의 직경은 150mm였고 디스크 두께는 2mm였다. 디스크를 브릿지 내에 매달기 위한 홀은 중심점으로부터 0.3× 디스크 반경의 거리로 편심 상태였다. 디스크는 브릿지 내의 노치에 의해 미끄러지지 않도록 고정되었다. 다결정질 실리콘은 이와 같이 결합된 캐리어 봉 상에 160mm의 직경에 도달될 때까지 기상으로부터 증착되었다.

한 쌍의 봉이 증착 설비로부터 분리된 후, 한 쌍의 봉의 80%는 브릿지 내 디스크에서 파손되었다. 브릿지측 봉 단부는 몇 개의 크랙만 가졌기 때문에, 브릿지 부분이 소정 길이로 절단된 후, 크랙과 파단부가 없는 봉 단부가 얻어질 때까지 브릿지측 봉 단부에서는 약간의 추가적 절단 손실만 발생되었다. 브릿지측 봉 단부는 브릿지를 포함하여 각각의 경우에 300∼500mm 만큼 짧아져야 했다. 전극측 봉 단부는 100mm로부터 시작하여 전극측 디스크 상부 200mm까지 크랙과 파단부가 없었다. 따라서 크랙과 파단부가 없는 봉은 1700mm 내지 2100mm였다. 크랙이 없는 봉으로부터, 초크랄스키 인상 공정에 있어서 석영 도가니를 충전하기 위해, 봉 1개당 200mm의 짧은 봉 단편 8∼10개가 소정 길이로 절단될 수 있었다.

비교예 3:

실시예 2와 동일한 공정이 이용되었다. 그러나, 비교군으로서, 브릿지에 디스크가 없이 증착이 수행되었다. 증착 공정의 종료 시점에서, 한 쌍의 봉은 반응기로부터 꺼내어지기 전에 브릿지에서 분리되어야 했다. 이 경우에, 변형은 이완되었고, 소정 길이로 절단시 파단부가 발생되었다. 브릿지측 크랙이 없는 봉 단부가 얻어질 때까지 브릿지측 절단 손실은 400∼700mm였다. 100∼200mm의 전극측 절단 손실을 포함하여, 크랙 없는 봉의 길이는 실리콘 봉 1개당 1500∼1800mm였다. 초크랄스키 인상 공정에 있어서 석영 도가니를 충전하기 위해, 7∼9개의 짧은 봉 단편을 실리콘 봉으로부터 절단할 수 있었다.

비교예 4:

비교예 3과 동일한 공정이 사용되었다. 또한, 전극측 흑연 디스크도 사용되지 않았기 때문에, 종래 기술에 따른 공정이 채택되었다. 나머지 공정 파라미터는 동일하게 유지되었다. 브릿지 및 크랙이 발생된 브릿지측 봉 단부를 소정 길이로 절단함으로써 발생된 브릿지측 절단 손실이 증가된 것에 더하여, 크랙 및 치핑-오프오 인해 전극측 봉 단부에서 절단 손실이 증가되었다. 크랙과 파단부가 없는 봉이 얻어질 때까지 소정 길이로 절단된 후, 봉의 길이는 1100mm 내지 1500mm에 불과했다. 초크랄스키 인상 공정에 있어서 석영 도가니를 충전하기 위해, 그 봉으로부터 5∼7개의 짧은 봉 단편만이 절단될 수 있었다.

Claims

가느다란 봉에 기상(gas phase)으로부터의 증착에 의해 다결정질 실리콘 봉을 제조하는 방법으로서,
증착 조건 하에서 다결정질 실리콘보다 낮은 전기적 비저항을 가진 물질로 구성된 하나 이상의 디스크를 전극의 상부, 한 쌍의 봉의 브릿지의 하부, 또는 상기 전극의 상부 및 상기 한 쌍의 봉의 브릿지의 하부에 도입하는,
제조 방법.
제1항에 있어서,
사용되는 상기 디스크가 30∼200mm의 직경을 가지는, 제조 방법.
제1항에 있어서,
사용되는 상기 디스크의 직경은 상기 봉의 평균 직경의 80%인, 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 전극측에 도입되는 상기 디스크의 직경은 상기 브릿지측에 있는 상기 디스크의 직경보다 작은, 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 디스크의 두께가 0.5∼100mm인, 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 디스크가 상기 봉의 축에 대해 45도 내지 90도의 각도로 삽입되는, 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 디스크가, 텅스텐, 탄탈, 흑연, 실리콘, 탄화규소, 질화규소 또는 탄소 섬유 보강된 탄소 복합 물질로 구성되는, 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 디스크의 비저항이 20℃에서 130μohmㆍm 미만인, 제조 방법.
제1항에 있어서,
사용된 디스크의 표면 조도(roughness) Ra의 산술평균 값은, 조도 프로파일의 총 높이 Rt를 10∼200㎛로 했을 때, 1∼20㎛이고, 평균 조도 깊이 Rz는 8∼160㎛인, 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 전극측 디스크는 상기 전극으로부터 0∼1000mm 떨어진 위치에 삽입되고, 상기 브릿지측 디스크는 상기 브릿지로부터 200∼1000mm 떨어진 위치에 삽입되는, 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 전극측 디스크는 상기 전극 바로 위에 놓이는, 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 디스크는 어댑터에 의해 상기 가느다란 봉에 고정되는, 제조 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
하나 이상의 디스크가 상기 한 쌍의 봉의 상기 브릿지 내에 삽입되는, 제조 방법.
직경이 130mm 이상이고, 길이가 1400mm 이상인 가느다란 봉 상에 기상으로부터 순수한 실리콘을 증착시킴으로써 얻어지고, 길이 전체에 걸쳐 크랙 및 치핑(chipping)이 없는, 다결정질 실리콘 봉.
제14항에 있어서,
플로팅 존(floating zone) 방법 또는 초크랄스키(Czochralski) 방법에서 사용되는, 다결정질 실리콘 봉.