KR101382134B1

KR101382134B1 - 도가니에 수용된 용융물로부터 실리콘으로 이루어진 단결정을 인상하는 방법 및 이 방법에 의해 제작되는 단결정

Info

Publication number: KR101382134B1
Application number: KR1020130023215A
Authority: KR
Inventors: 에리히 그마일바우어; 로베르트 포르부흐너; 마르틴 베버
Original assignee: 실트로닉 아게
Priority date: 2010-02-10
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2014-04-04
Also published as: TW201128002A; TWI431171B; TW201350628A; DE102010007460A1; US20110195251A1; CN102146583B; KR20130040979A; KR20110093641A; KR101317033B1; US9988739B2; TWI546423B; DE102010007460B4; JP5309170B2; SG173967A1; CN102146583A; JP2011162436A

Abstract

본 발명은, 도가니(4)에 수용된 용융물(11)로부터 실리콘으로 이루어진 단결정(9)을 인상하는 방법으로서, 상기 단결정(9)은 인상 중에 열 차폐부(2)에 의해 둘러싸여 있으며, 열 차폐부의 하단부(3)는 용융물(11)의 표면으로부터 소정 거리(h)에 위치하고, 소정 가스가 단결정(9)과 열 차폐부(2) 사이의 영역에서 하향으로 유동하며(10) 용융물(11)과 열 차폐부(2)의 하단부(3) 사이에서 외측으로 유동하고(10) 이후에 열 차폐부(2) 외측에 있는 영역에서 다시 상향으로 유동하며(10), 열 차폐부의 하단부(3)에서 열 차폐부(2)의 내경(D_HS)은 단결정(9)의 내경(D_SC)보다 적어도 55 mm만큼 크고 열 차폐부의 하단부(3)에서 열 차폐부(2)의 반경방향 폭(B_HSU)은 단결정(9)의 직경(D_SC)의 20 % 이하인 것인 방법에 관한 것이다.
본 발명은 또한 직경이 적어도 100 mm이며 결정 방위가 100 또는 111이고 주기율표의 3족 및 5족 원소의 도펀트 농도가 1·10¹⁷ 내지 1·10²⁰ cm^-3이며 산소 농도가 4·10¹⁷ 내지 9·10¹⁷ cm^-3인 실리콘으로 이루어지는 (상기 방법에 의해 제작된) 단결정에 관한 것이며, 이때 단결정에서 직경이 적어도 50 ㎛인 보이드의 농도는 50 m^-3보다 크지 않다.

Description

도가니에 수용된 용융물로부터 실리콘으로 이루어진 단결정을 인상하는 방법 및 이 방법에 의해 제작되는 단결정{METHOD FOR PULLING A SINGLE CRYSTAL COMPOSED OF SILICON FROM A MELT CONTAINED IN A CRUCIBLE, AND SINGLE CRYSTAL PRODUCED THEREBY}

본 발명은 도가니 내에 수용된 용융물로부터 실리콘으로 이루어진 단결정을 인상하기 위한 방법으로서, 상기 단결정은 인상 중에 열 차폐부에 의해 둘러싸이며, 열 차폐부의 하단부는 용융물의 표면으로부터 소정 거리(h)에 위치하고, 소정 가스가 단결정과 열 차폐부 사이의 영역에서 하향으로 유동하며, 실리콘 용융물과 열 차폐부의 하단부 사이에서 외측으로 유동하고, 이후에 열 차폐부 외측에 있는 영역에서 다시 상향으로 유동하는 것인 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이 방법에 의해 제작될 수 있는 단결정에 관한 것이다.

단결정을 성장시키는 전술한 방식은 매우 주의를 요하는 공정이며, 전위(dislocation)의 형태인 결정 구조 결함 및 원자 점 결함이 발생할 수 있다는 것이 공지되어 있다. 이외에도, 매크로 보이드(macroscopic void)의 발생이 관찰되며, 이는 직경이 수 마이크로미터 내지 수 밀리미터인 버블 유형의 구멍이다. 직경이 최대 수백 나노미터인 축적된 원자 공공(atomic vacancy)으로부터 형성되는 COP("Crystal Originated Particles")와 이를 혼동해서는 안 된다.

성장하는 단결정 내로의 보이드의 포함은 필연적으로 전위의 형성을 초래하지 않으며, 이에 따라 일반적으로 결정 인상 공정 동안 탐지되지 않은 상태로 남아있게 된다. 내부에 포함된 보이드가 시각적인 검사에 의해 탐지될 수 있는 시점은, 오직 후속하여 단결정을 웨이퍼로 슬라이싱할 때 뿐이다. 일반적으로, 시각적인 검사에 의해 불합격 처리된 단지 상대적으로 적은 수의 실리콘 웨이퍼(천 분의 일의 범위에 속함)만이 영향을 받는다. 그러나, 중요한 특정 생산 공정의 경우에, 예컨대 고도로 도핑된 결정의 경우에, 빈번한 발생이 관찰된다. 더욱이, 100 %의 확신을 갖고 작은 보이드를 검출한다는 것은 어렵다. 시각적인 검사 중에 발견되지 않고 실리콘 웨이퍼 내에 보이드가 남아있을 위험이 있다. 그러나, 구성요소를 제작하는 소비자에 있어서, 오직 이러한 유형의 보이드가 없는 웨이퍼만을 획득하는 것은 매우 중요하다. 매크로 보이드의 제어되지 않은 발생은 막대한 경제적 손실을 초래할 수 있다. 따라서, 유해한 보이드를 현저하게 줄이거나 또는 심지어 완전하게 방지하는 해법을 찾는 것이 바람직하며 필요하다.

EP756024A2에서는, 서두에서 실리콘 과립보다는 실리콘으로 이루어진 단편(fragment)을 용융시키는 것이 유리하다고 강조되어 있는데, 이는 높은 수소 함량을 고려할 때 실리콘 과립은 궁극적으로 단결정 내에 포함될 수 있는 기포를 형성하는 경향이 있기 때문이다.

US5902394는, 결정 성장에 앞서 용융물로부터 가스 기포가 방출되도록 의도되며 도가니의 회전 속도를 변경하는 것을 실질적으로 포함하는 방법을 개시하고 있다.

US6086671에서, 용융물 내의 가스 기포는 전위의 원인으로서 언급되어 있다. 이 가스 기포는 다결정 재료의 용융 동안 조기에 인가되는 정자기장(static magnetic field)에 의해 억제될 수 있다.

DE102007023040A1은, 온도를 높이고 정자기장을 인가함으로써 모결정의 부착에 앞서 용융물에서 가스를 제거하는 인상 방법을 개시하고 있다. 이러한 가스 제거 단계의 유지시간은 최대 2 시간이다.

US2008/0011222A1은 또한, 석영 유리 도가니에서 다결정 반도체 재료를 용융하는 동안 발생하는 가스 기포에 의해 매크로 보이드가 유발된다고 가정하고 있다. 이에 따라 개선된 용융 공정이 제안되며, 이는 측부 히터에 의한 용융으로부터 시작된다. 다음으로 용융물은 도가니의 하부 영역에서 더욱 가열되며, 이는 용융물이 이동하도록 하고 이에 따라 용융물의 가스 제거를 초래하도록 의도된다.

그러나, 용융 단계를 수행하기 위한 전술한 방법에 의해 보이드의 발생이 완전히 방지될 수는 없다는 것을 확인하였다.

US6340390B1에 따르면, 결정 인상 중에 결정 인상 장치 중 챔버 내의 압력은 95 mbar 미만으로 그리고 용융 단계 도중의 전반적인 압력 미만으로 유지된다. 결정 인상 동안의 낮은 압력은, 용융물의 연속적인 가스 제거를 초래하고 이에 따라 가스 기포가 성장하는 단결정에 포함되는 것을 방지하기 위해 의도된 것이다. 그러나, 압력은 전체 결정 품질에 있어서 중요한 파라메타이다. 예로써, 단결정의 산소 함량 및 결과적으로 침전 능력과 이에 따른 게터링 능력이 변경된다. 상응하게 압력을 설정함으로써 매크로 보이드를 줄이는 것은 이에 따라 단점과 관련이 있다. 더욱이, 전술한 효과는 실제로 항상 달성되는 것은 아니다.

따라서, 본 발명은 다른 결정 특성에 영향을 주지 않으면서 실리콘 단결정에서의 매크로 보이드의 빈도를 더욱 줄이려는 목적에 기초하였다.

상기 목적은, 도가니에 수용된 용융물로부터 실리콘으로 이루어진 단결정을 인상하는 방법으로서, 상기 단결정은 인상 중에 열 차폐부에 의해 둘러싸이며, 열 차폐부의 하단부는 용융물의 표면으로부터 소정 거리(h)에 위치하고, 소정 가스가 단결정과 열 차폐부 사이의 영역에서 하향으로 유동하며 용융물과 열 차폐부의 하단부 사이에서 외측으로 유동하고 이후에 열 차폐부 외측에 있는 영역에서 다시 상향으로 유동하며, 열 차폐부의 하단부에서 열 차폐부의 내경(D_HS)은 단결정의 내경(D_SC)보다 적어도 55 mm만큼 크고, 열 차폐부의 하단부에서 열 차폐부의 반경방향 폭(B_HSU)은 단결정의 직경의 20 % 이하인 것인 방법에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 다른 결정 특성에 영향을 주지 않으면서 실리콘 단결정에서의 매크로 보이드의 빈도를 더욱 줄일 수 있다.

본 발명은 도면을 참고하여 이하에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법을 위해 사용될 수 있는 결정 인상 장치의 개략적인 구조를 도시한 것이다.
도 2은 단결정 인상을 위한 개략적인 장치를 도시하며, 본 발명의 내용상 소정 역할을 담당하는 기하학적 변수를 예시한 것이다.

도 1은 결정 인상 공정 중인 종래 기술에 따른 결정 인상 장치를 개략적으로 도시한 것이다. 일반적으로 석영 유리로 이루어지는 도가니(4)는, 실리콘 용융물(11)을 수용한다. 도가니(4)는 지지 도가니(5)에 의해 안정화되며, 측부 히터(7)에 의해 또는 하부 히터(8)에 의해 또는 양자 모두에 의해 가열된다. 실리콘 단결정(9)은 회전[화살표(15)]과 함께 사전에 결정된 속도[인상 속도, 화살표(14)로 도시되어 있음]로 용융물(11)로부터 상방으로 인상되며, 이때 용융물 표면의 위치를 일정하게 유지할 목적으로 도가니(4)도 마찬가지로 회전하고[화살표(16)] 저속으로 상방을 따라[화살표(17)] 이동하게 된다. 도가니(4) 및 단결정(9)은 공통 회전축을 중심으로 동일한 방향으로 또는 반대 방향으로 회전하도록 되어 있을 수 있다. 용융물에서의 대류는 전자석(6)에 의해 발생되는 자기장에 의해 선택적으로 영향을 받을 수 있다. 용융물에서의 대류는 화살표로 표시되어 있다.

고화되는 단결정(9)은, 능동 냉각 시스템(1)을 포함할 수 있는 대체로 회전 대칭인 열 차폐부(2)에 의해 둘러싸여 있다. 열 차폐부(2) 및 적절하다면 냉각 시스템(1)은 일반적으로 단결정(9)의 회전축에 대해 회전 대칭을 이루도록 배치된다. 열 차폐부는 일반적으로 높이(수직 방향으로 측정되는 경우)가 200 내지 400 mm 범위이다.

전체 장치는, 가스가 연속적으로 통과할 수 있는 밀봉된 챔버(도시되어 있지 않음) 내에 위치한다. 가스는 일반적으로 불활성 가스(inert gas)이며, 보통 예컨대 아르곤과 같은 비활성 가스(noble gas)이다. 가스의 유동(10)이 단결정(9)과 열 차폐부(2) 사이에서 용융물(11)의 방향으로 하방을 향해 유동한 후 열 차폐부(2)의 하단부(3)와 용융물(11) 사이에서 열 차폐부(2) 외측에 있는 영역으로 유동하고 최종적으로 열 차폐부(2)의 외측에 있는 영역에서[도가니(4)의 내측 에지에서] 다시 상방으로 유동하도록 하는 방식으로 가스가 챔버에 공급되며, 가스는 열 차폐부의 외측에 있는 영역에서 챔버로부터 방출된다.

가스 기포(12)는, 용융물(11)의 표면 및 결정 전면까지 용융물(11)의 대류에 의해 가스 기포가 전달될 수 있는, 용융물(11)에 의해 젖어있는 도가니의 내측 벽에서 발생할 수 있다. 가스 기포가 결정 전면까지 전달되는 경우, 가스 기포는 단결정(9) 내에 보이드(13)로서 포함된다.

본 발명자는, 실리콘 단결정에서 매크로 보이드를 방지하기 위해서는 결정 인상 공정의 용융 단계를 변경하는 것으로는 충분하지 않다고 확신하고 있다. 더구나, 가스 기포(12)는 또한 실리콘 용융물(11)과 접촉하는 석영 유리 도가니(4)의 벽에서 전체 인상 공정 중에 발생할 수 있다.

실리콘 용융물(11)은 석영 유리 도가니(4)의 젖어있는 벽을 어택(attack)하며, 이는 석영 유리 도가니(4)의 부식을 초래한다. 가스상인 일산화실리콘(SiO)은 반응 중에 형성되며, 즉 가스 기포(12)가 발생된다. 섭씨 1450 도의 온도에서 SiO의 증기 압력은 거의 13 mbar이다. 석영 유리 도가니(4)의 부식의 결과로서, 석영 유리 도가니(4)에 이미 존재하는 가스 함유물이 개방되는 현상이 또한 발생할 수 있으며, 이는 마찬가지로 가스 기포(12)의 형성을 초래한다. 가스 기포(12)는 용융물(11)의 자유 표면만큼 멀리 용융물(11)의 대류에 의해 전달될 수 있으며, 이때 가스 기포(12)의 많은 부분이 대기로 빠져나오게 된다. SiO는 분말 형태로 배기 가스 시스템 및/또는 장치의 냉각부에 퇴적된다. 그러나, 가스 기포(12)의 일부는 용융물(11)에서의 대류의 결과로서 결정 전면까지 진행하며, 성장하는 단결정(9) 내에 포함되고, 이에 따라 전술한 매크로 보이드(13)가 발생한다.

이러한 경우에 있어서, 직경이 최대 100 미크론인 작은 기포의 경우에는(다른 한편으로는 보다 신속하게 용해됨) 부력이 작다는 것을 주목해야만 한다. 따라서, 이들 기포는 단지 작은 부력 속도(buoyancy speed)로(10 cm/s 미만으로) 용융물 표면까지 이동하게 된다.

전술한 바와 같이, 용융물에서의 유동 조건의 변경은 결정 전면에 대한 가스 기포의 전달뿐만 아니라, 예컨대 부식의 결과로서 석영 유리 도가니로부터 용융물 내로 마찬가지로 진행하며 성장하는 단결정 내에 포함되는, 산소와 같은 용해된 물질의 전달에도 영향을 준다. 일반적으로, 실리콘의 산소 함량 또는 다른 결정 특성의 변경은 바람직하지 않으며, 결과적으로 단결정에서의 가스 함유를 방지하기 위해 용융물에서의 유동 조건을 임의로 변경하여서는 안 된다.

다른 한편으로, 본 발명자는, 전술한 경우에 있어서 가스 기포가 단지 결정 인상 동안에만 생성된다는 것과 고화되는 결정에 대한 전달을 초래하는 용융물 유동이 매우 중요하다는 것을 인식하였다. 다음으로 본 발명자는 결정 전면에 대한 가스 기포의 전달이 용융물 내의 산소 전달과 대체로 무관하게 정해질 수 있도록 하는 방법의 가능성을 확인하였다.

본 발명자는, 열 차폐부(2)의 하위 영역의 치수를 적절히 선택함으로써(도 2), 표면 근처의 용융물(11)의 영역에서 목표하는 방식으로 유동 조건에 영향을 줄 수 있다는 것을 확신하고 있다. 반대로, 결정 품질에 중요한 용융물(11) 내에서의 내부 유동은 변경되지 않는다.

본 발명에 따르면, 열 차폐부의 하단부(3)에서 열 차폐부(2)의 내경(D_HS)은 단결정(9)의 직경(D_SC)보다 적어도 55 mm만큼 크다. 더욱이, 열 차폐부의 하단부(3)에서 열 차폐부(2)의 반경방향 폭(B_HSU)은 단결정(9)의 직경(D_SC)의 20 %보다 크지 않다. 이러한 조건 하에서, 다른 결정 품질을 변경시키지 않으면서, 성장하는 단결정(9) 내로 가스 기포가 포함되는 것을 대체로 억제할 수 있다. 내경(D_HS)이 더 작게 선택되거나 또는 반경방향 폭(B_HSU)만큼 더 크게 선택된다면, 성장하는 단결정(9)에 포함되는 보이드의 양은 증가하게 된다. 바람직하게는, 열 차폐부(2)의 내경(D_HS)은 도가니(4)의 내경(D_TI)보다 적어도 100 mm만큼 작다. 특히 바람직하게는, 열 차폐부의 하단부(3)에서 열 차폐부(2)의 내경(D_HS)은 단결정(9)의 직경(D_SC)보다 적어도 55 mm만큼 크고 110 mm보다는 크지 않다. 열 차폐부의 하단부(3)에서 열 차폐부(2)의 반경방향 폭(B_HSU)은 단지 열 차폐부의 요구되는 재료 두께에 의해서만 하한이 한정되는데, 이는 일반적으로 2 mm보다 작을 수 없다. 열 차폐부의 높이는 바람직하게는 200 내지 400 mm 범위에 속한다.

단결정(9)의 직경(D_SC)은 성장하는 단결정의 실제 직경이라는 것을 지적해야 한다. 이는 공칭 직경, 즉 이후에 실린더 결정으로부터 제작될 반도체 웨이퍼의 직경보다 몇 밀리미터 더 크다.

가스 기포의 포함을 줄이기 위해 종래 기술에서 제안된 대부분의 방법과는 달리, 본 발명은 실제 결정 인상 공정 개시 이전에(예컨대, 다결정 실리콘의 용융 중에) 효과가 있을 뿐만 아니라, 전체 인상 공정 중에, 특히 전자 부품의 제작을 위해 사용되는 웨이퍼로 이후에 슬라이싱되는 원통형 결정 부분의 인상 중에도 또한 효과가 있다.

열 차폐부의 특정 기하학적 형상은 용융물에 대한 가스 유동을 실질적으로 변경시키며 이에 따라 용융물의 표면에서의 온도를 변경시킨다. 이에 따라 용융물의 표면에서의 유동 조건은, 고화되는 결정에 대한 유해한 가스 기포의 전달이 억제되는 방식으로 변경된다.

전술한 바와 같은, 본 발명에 따른 열 차폐부의 기하학적 형상은 용융물에 대한 가스의 유동 조건에 직접 영향을 주며, 이에 따라 용융물에서의 대류 조건 및 온도에 간접적으로 영향을 준다. 가스의 유량 및 챔버 내의 전반적인 압력이 또한 적절하게 선택된다면 최선의 결과가 달성된다는 것을 확인하였다. 구체적으로, 챔버 내의 전반적인 압력에 대한 가스의 유량의 비는 20 내지 500 (l/h)/mbar의 범위인 것이 바람직하고, 20 내지 50 (l/h)/mbar의 범위인 것이 특히 바람직하다. 전술한 비율을 고려하면, 가스의 유량은 500 내지 8000 l/h일 수 있고, 챔버 내의 압력은 10 내지 80 mbar일 수 있다.

더욱이, 열 차폐부(2)의 하단부(3)와 실리콘 용융물(11)의 표면 사이의 거리(h)는 10 내지 40 mm 범위에 속하는 것이 바람직하다(도 2).

시뮬레이션 계산에 의해, 용융물에 대한 가스의 비교적 느린 유동 속도는 열 차단부의 하단부의 본 발명에 따른 기하학적 형상에 의해 그리고 압력, 가스 유량 및 용융물과 열 차폐부 사이의 거리에 대한 앞서의 특정 범위에 의해 달성된다는 것을 확인할 수 있었다. 가스의 유동 속도의 최대값은 바람직하게는 30 m/s를 넘지 않아야 한다.

본 발명에 따른 방법은, 도가니와 단결정이 결정 인상 중에 공통 축을 중심으로 반대방향으로 회전하는 경우 그리고 도가니의 회전 속도가 분당 0.25 내지 25 회전인 경우 특히 유리하게 사용될 수 있다. 단결정의 회전 속도는 바람직하게는 분당 1 내지 25 회전의 범위이지만, 본 발명에 따른 방법의 성공에 대해서는 현저히 영향을 주지 않는다. 결정 진행(인상 속도)는 바람직하게는 0.4 내지 2.0 mm/min의 범위에 속하며, 본 발명에 따른 방법에 있어서 마찬가지로 부차적인 중요도를 갖는다.

도가니(4)의 직경(D_TI)(도 2)은 바람직하게는 단결정(9)의 직경(D_SC)의 2 배 내지 4 배이다.

본 발명에 따른 방법은, 매크로 보이드가 거의 없거나 또는 적어도 종래 기술에 따라 인상되는 단결정보다 이러한 유형의 보이드를 현저하게 적게 포함하는 실리콘 단결정의 제작을 가능하게 한다.

가장 큰 문제는 높은 도펀트 농도를 갖는 단결정에 의해 이전에 제기되었다. 더욱이 결정 직경이 커질수록 매크로 보이드의 발생 빈도도 커진다. 고도로 도핑된 실리콘 단결정의 경우에 있어서, 보이드는 보통 직경이 마이크로미터 범위에 속한다(대략 10 내지 100 ㎛). 영향을 받는 결정의 도펀트 농도는 1·10¹⁷ 내지 1·10²⁰ 원자수/cm³ (세제곱 센티미터당 원자수)이다. n 유형의 도핑의 경우에 있어서, 안티몬, 비소, 또는 적린이 도펀트로서 사용되는 것이 바람직하다. 보통의 도펀트 농도는 안티몬의 경우에 1·10¹⁷ 내지 5·10¹⁸ 원자수/cm³ 의 범위에 속하고, 비소의 경우에 5·10¹⁸ 내지 5·10¹⁹ 원자수/cm³의 범위에 속하며, 인의 경우에 5·10¹⁹ 내지 5·10²⁰ 원자수/cm³의 범위에 속한다.

내층이 바륨 화합물, 예컨대 바륨 카보네이트로 코팅된 석영 유리 도가니는, 특히 고도로 도핑된 실리콘 용융물에 대해 내침식성을 갖는다. 따라서, 높은 무전위 결정 산출물을 획득하기 위해, 고도로 도핑된 단결정의 생산을 위해서는 오로지 이러한 유형의 도가니가 사용된다. 그러나, 이는 정확히는 특히 빈번하게 가스 기포 함유가 발생하는 도가니의 경우이며, 이에 따라 예컨대 직경이 사전에 150 mm이며 비소로 고도로 도핑된(n++) 단결정으로 이루어진 웨이퍼는 매 1000 개마다 1개가 넘는 웨이퍼가 매크로 보이드를 갖는다. 이는 매크로 보이드의 농도가 80 보이드수/m³인 것에 대응한다. 본 발명에 따른 방법은 이러한 유형의 단결정에서 매크로 보이드의 발생 빈도를 현저하게 줄여준다.

본 발명은 이에 따라 또한 직경이 적어도 100 mm이며 결정 방위가 (100) 또는 (111)이고 주기율표의 3족 및 5족 원소의 도펀트 농도가 1·10¹⁷ 내지 1·10²⁰ 원자수/cm³이며 산소 농도가 4·10¹⁷ 내지 9·10¹⁷ 원자수/cm³인 실리콘으로 이루어지는 단결정에 관한 것이며, 이때 단결정에서 직경이 적어도 50 ㎛인 보이드의 농도는 50 보이드수/m³보다 크지 않다.

도펀트는 바람직하게는 안티몬, 비소 또는 인이며, 안티몬과 비소가 특히 바람직하다.

매크로 보이드의 농도, 즉 직경이 50 ㎛이상(대략 최대 1 mm)인 보이드의 농도는, 통상적인 방식으로 단결정으로부터 제작되는 실리콘 웨이퍼의 시각적인 검사에 의해 결정될 수 있다. 검사되는 실리콘 웨이퍼의 개수가 충분히 많다면, 예컨대 50,000 개 이상이라면, 단결정에서 매크로 보이드의 기본적인 밀도는 통계로부터 신뢰성 있게 결정될 수 있다.

예 및 비교예

공칭 직경이 100, 125 및 150 mm이며 방위가 (111) 및 (100)인 100 개를 훨씬 초과하는 실리콘 단결정을 쵸크랄스키법에 따른 도가니 인상 방법에 의해 인상하였다. 도핑은 비소(As) 또는 안티몬(Sb)을 이용하여 행해졌다. 인상된 단결정의 실제 직경(D_SC), 결정 방위 및 도핑[도펀트 및 도펀트의 농도(C_Dop)]에 대한 데이터는 아래의 표에 제시되어 있다. 도펀트 농도는 축방향으로 단결정 내에서의 분정(segregation)을 고려하여 변경된다. 제시된 농도(C_Dop)는 각각의 단결정에서 나타나는 최대 도펀트 농도이다.

내측부에서 바륨 카보네이트(BaCO₃)로 코팅된 석영 유리 도가니(4)가 실험을 위해 사용되었다. 도가니(4)의 내경(D_TI)도 마찬가지로 표에 제시되어 있다. 사용된 시작 재료는 다결정 초순수 실리콘 단편이었으며, 수작업으로 이 단편을 도가니 내에 배치하였다.

도 1의 도면에 대응하는 결정 인상 장치가 사용되었다. 인상 공정은 자기장 없이 수행되었다. 가열은 오직 측부 히터(7)에 의해서만 행해졌다. 냉각 장치(1)가 없이 몰리브덴으로 이루어진 열 차폐부(2)가 사용되었으며, 상기 열 차폐부의 치수는 표에 제시되어 있다. 이러한 경우에 있어서, D_HS는 열 차폐부의 하단부(3)에서의 열 차폐부(2)의 내경을 나타내며, B_HSU는 열 차폐부의 하단부(3)에서의 열 차폐부(2)의 반경방향 폭을 나타낸다.

이미 앞서 언급한 변수들 이외에도, 아래 표는 또한, 각각의 경우에 상기 열 차폐부의 하단부에서, 각각의 실제 결정 직경(D_SC)[성장하는 단결정의 실제 직경(D_SC)의 20 %에 해당함]에 대해 본 발명에 따라 허용 가능한 최대 폭(B_HSU _, _max) 및 또한 열 차폐부의 본 발명에 따른 허용 가능한 최소 내경(D_HS _, _min)[성장하는 단결정의 실제 직경(D_SC)보다 55 mm만큼 큼]을 포함한다.

마지막 행은 인상된 단결정에서 직경이 적어도 50 ㎛인 보이드의 농도(C_PH)를 포함한다. 이러한 목적을 위해, 각각의 경우에 50,000 개가 넘는 실리콘 웨이퍼를 인상된 단결정으로부터 취하였으며 시각적인 검사법에 의해 검사하였다.

예	D_SC [mm]	방위	도펀트	C_Dop [10¹⁸ atom /cm³]	B_HSU [mm]	B_HSU _, _max [mm]	D_HS [mm]	D_HS _, _min [mm]	C_PH [voids/m³]
1a	104	(111)	Sb	0.8	22	20.8	140	159	56
1b	104	(111)	Sb	0.8	20	20.8	180	159	25
2a	104	(111)	As	7.8	22	20.8	140	159	78
2b	104	(111)	As	7.8	20	20.8	180	159	49
3a	129	(111)	As	7.8	20	25.8	180	184	81
3b	129	(111)	As	7.8	15	25.8	210	184	16
4a	154	(100)	As	7.8	35	30.8	200	209	91
4b	154	(100)	As	7.8	15	30.8	210	209	49

비교예 1a, 2a, 3a 및 4a의 경우에 있어서, 본 발명과 관련된 열 차폐부의 치수는 본 발명에 따른 조건(stipulation)에 대응하지 않는다. 따라서, 비교예 1a, 2a 및 4a에 있어서, 열 차폐부의 하단부에서의 열 차폐부의 반경방향 폭(B_HSU)은 본 발명에 따라 허용 가능한 최대값(B_HSU _, _max)보다 크다. 더욱이, 모든 비교예에 있어서, 열 차폐부의 하단부에서의 열 차폐부의 내경(D_HS)은 본 발명에 따라 허용 가능한 내경의 최소값(D_HS,min)보다 작다. 표에 제시된 열 차페부의 2가지 기하학적 파라메타와는 별도로, 완전히 동일한 조건 하에서 비교예와 예의 관련 쌍(1a와 1b; 2a와 2b; 3a와 3b; 4a와 4b)을 실시하였다.

반대로, 예 1b, 2b, 3b 및 4b의 경우에는, 본 발명에 따른 조건이 모두 충족된다. 이로 인해 각각의 개별적인 경우에 있어서 매크로 보이드의 발생이 현저히 감소된다. 특히, 청구항 9에서 정의된 바와 같은 매크로 보이드의 발생에 관한 최대값은 모든 예에서 언더슈트되어 있다. 비교예에서는 그렇지 못하다. 결과적으로, 본 발명에 따른 인상 방법을 실시하면 본 발명에 따른 범위에 속하는 매크로 보이드의 현저히 낮은 빈도를 달성할 수 있다는 것이 분명히 명백하다.

h : 거리
2 : 열 차폐부
3 : 하단부
4 : 도가니
9 : 단결정
11 : 용융물

Claims

단결정으로서, 직경이 적어도 100 mm이며 결정 방위가 (100) 또는 (111)이고 주기율표의 3족 및 5족 원소의 도펀트 농도가 1·10¹⁷ 내지 1·10²⁰ 원자수/cm³이고 산소 농도가 4·10¹⁷ 내지 9·10¹⁷ 원자수/cm³인 실리콘으로 이루어지는 단결정이고, 단결정에서 직경이 적어도 50 ㎛인 보이드의 농도는 50 보이드/m³ 이하인 것인 단결정.