KR101494527B1 - Method for optimizing crucible rotation for high quality silicon single crystal growing and high durability crucible - Google Patents

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Abstract

본 발명은 폴리실리콘 멜트가 수용된 도가니에 단결정 시드를 담그고, 상기 도가니를 8 rpm 내지 10 rpm으로 회전시켜 단결정 실리콘을 잉곳으로 성장시키는 결정 성장 방법에 있어서, 상기 도가니의 내벽과 상기 멜트 사이에서 용출되는 산소 농도를 저감시켜 상기 단결정 실리콘으로 유입되는 산소 농도를 조절할 수 있다. 이와 같은 본 발명에 의하면, 잉곳에 유입되는 산소 농도가 저감됨으로써 고품질 단결정 성장이 가능하고, 특히 도가니 내벽의 버블 팽창을 방지할 수 있다.The present invention relates to a crystal growth method of immersing a single crystal seed in a crucible containing polysilicon melt and rotating the crucible at 8 rpm to 10 rpm to grow single crystal silicon into an ingot, The oxygen concentration can be reduced and the oxygen concentration introduced into the single crystal silicon can be controlled. According to the present invention, it is possible to grow a high-quality single crystal by reducing the oxygen concentration introduced into the ingot, and in particular to prevent bubble expansion on the inner wall of the crucible.

Description

고품질 실리콘 단결정 성장 및 도가니 수명 연장을 위한 도가니 회전속도 최적화 방법 {Method for optimizing crucible rotation for high quality silicon single crystal growing and high durability crucible}TECHNICAL FIELD The present invention relates to a crucible rotation speed optimization method for high-quality silicon single crystal growth and crucible life extension,

본 발명은, 고품질 실리콘 단결정 성장 및 도가니 버블 팽창 방지를 위한 도가니 회전속도 최적화 방법에 관한 것으로, 특히 바디 성장 공정에서 고품질 단결정 성장 여부를 결정하는 여러 공정 파라미터 중에서 도가니 회전속도를 저감함으로써, 도가지 내벽과 멜트 사이의 마찰 저항으로 인하여 발생하는 산소 농도를 최소화하고, 산소로 인하여 발생되는 도가니 내벽의 버블을 저감하는 도가니 회전속도 최적화 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a crucible rotation speed optimization method for growing a high quality silicon single crystal and preventing the expansion of a crucible bubble, and more particularly, to a crucible rotation speed optimization method for reducing a crucible rotation speed among various process parameters for determining whether a high quality single crystal is grown in a body growth process, And a method for optimizing a crucible rotation speed for reducing bubbles on the inner wall of a crucible generated by oxygen.

일반적으로, 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시키는 방법에는 초크랄스키(czochralski: CZ) 방법 또는 플로팅 존(floating zone: FZ) 방법 등이 있다.In general, a method of growing monocrystalline silicon into an ingot form includes a czochralski (CZ) method or a floating zone (FZ) method.

초크랄스키 방법은 석영 도가니(quartz crucible)에서 폴리실리콘을 가열하여 용융시킨 후 단결정 실리콘의 시드(seed)를 멜트(melt) 내에 담근 후 소정의 속도로 회전시키면서 인상시켜 실리콘 단결정을 성장시키는 방법이다. 이렇게 제조된 단결정 실리콘 잉곳을 슬라이싱(slicing), 래핑(lapping), 식각(etching), 세정(cleaning) 및 폴리싱(polishing) 등의 공정을 수행하여 실리콘 웨이퍼의 제조를 완료한다.In the Czochralski method, polysilicon is heated and melted in a quartz crucible, a seed of monocrystal silicon is immersed in a melt, and the silicon single crystal is grown by rotating it at a predetermined speed while rotating it . The single crystal silicon ingot thus manufactured is subjected to processes such as slicing, lapping, etching, cleaning, and polishing to complete the production of the silicon wafer.

단결정 실리콘 성장을 위해 폴리실리콘을 녹이게 되는데 이러한 공정을 멜팅(Melting)이라 하며, 이때 녹은 폴리실리콘을 멜트(Melt)라 한다. 이러한 멜트는 액체로써 그 내부 대류 및 용융 상태는 시드를 접촉하여 단결정을 인상하게 되는 후속 공정에 중요한 인자라 할 수 있다.In order to grow monocrystalline silicon, polysilicon is melted. This process is called melting, and the molten polysilicon is called melt. These melts are liquids, and their internal convection and melting states are important factors in the subsequent process of contacting the seeds and pulling the single crystal.

또한, 잉곳 상승 시 멜트의 균일성 확보가 제대로 되지 않아 도가니 내벽에 멜트가 증착되어 공정 손실(Loss)의 원인이 되기도 한다. 이러한 이유로 멜팅 공정이 종료 후 멜트의 안정화 공정을 진행하게 되는데 이때 도가니를 회전시킴으로써 도가니 내부의 멜트를 균일화하는 작업을 진행하게 된다.In addition, when the ingot rises, the uniformity of the melt can not be ensured, and the melt is deposited on the inner wall of the crucible, thereby causing a process loss. For this reason, after the melting process is completed, the melt stabilization process proceeds. At this time, the crucible is rotated to homogenize the melt in the crucible.

멜트 대류의 균일화 및 안정화는 단결정 성장장치(Grower)의 내부 온도 변화에 영향을 주며, 온도가 높거나 낮을 경우 잉곳 성장에 불리하기 때문에 멜트 대류를 일정하고 적절하게 유지하기 위해서는 멜트의 제어가 중요하다.The homogenization and stabilization of the melt convection affects the internal temperature change of the single crystal growing apparatus. When the temperature is high or low, it is disadvantageous to the ingot growth. Therefore, the control of the melt is important in order to maintain the melt convection constantly and appropriately .

특히, 석영 도가니 내벽과 멜트 대류 사이에서 마찰에 의하여 증대되는 산소 및 기타 석출물은 도가니 중심으로 이동하여 실리콘 단결정 성장에 악영향을 주는 문제점이 있다.Particularly, oxygen and other precipitates, which are increased by friction between the inner wall of the quartz crucible and the melt convection, migrate to the center of the crucible and adversely affect the growth of the silicon single crystal.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 바디 공정에 있어서 고품질 실리콘 단결정 성장을 위한 도가니 회전속도를 최적화하는 방법을 제공한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a method for optimizing crucible rotation speed for high-quality silicon single crystal growth in a body process.

본 발명의 다른 목적은 마그네트를 사용하지 않고, 석영 도가니 회전속도를 제어함으로써, 멜트의 대류를 안정화하는 방법을 제공한다.Another object of the present invention is to provide a method for stabilizing the convection of melt by controlling the quartz crucible rotation speed without using a magnet.

본 발명의 또 다른 목적은 도가니 회전속도 저감에 따른 도가니 내벽의 버블 발생을 최소화하는 방법을 제공한다.Yet another object of the present invention is to provide a method for minimizing the occurrence of bubbles on the crucible inner wall due to the reduction of crucible rotation speed.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 폴리실리콘 멜트가 수용된 도가니에 단결정 시드를 담그고, 상기 도가니를 8 rpm 내지 10 rpm으로 회전시켜 단결정 실리콘을 잉곳으로 성장시키는 결정 성장 방법에 있어서, 상기 도가니의 내벽과 상기 멜트 사이에서 용출되는 산소 농도를 저감시켜 상기 단결정 실리콘으로 유입되는 산소 농도를 조절할 수 있다.According to an aspect of the present invention for achieving the above object, the present invention provides a method for producing a crystal by immersing a single crystal seed in a crucible containing a polysilicon melt, rotating the crucible at 8 rpm to 10 rpm to grow single crystal silicon into an ingot In the growth method, the oxygen concentration eluted between the inner wall of the crucible and the melt can be reduced, and the oxygen concentration introduced into the single crystal silicon can be controlled.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.As described above, according to the configuration of the present invention, the following effects can be expected.

첫째, 석영 도가니 회전속도 저감에 따라 도가니 내벽과 멜트 사이에서 발생하는 산소 농도 및 석출물을 최소화함으로써, 고품질 단결정 성장이 가능한 효과가 있다.First, it is possible to grow a high-quality single crystal by minimizing the oxygen concentration and precipitate generated between the inner wall of the crucible and the melt according to the reduction of the rotational speed of the quartz crucible.

둘째, 석영 도가니 회전속도 저감에 따라 멜트에서 용출되는 산소 양이 감소하여 도가니 내벽의 버블을 방지하는 효과가 있다.Second, as the rotational speed of the quartz crucible decreases, the amount of oxygen released from the melt decreases, thereby preventing bubbles on the inner wall of the crucible.

도 1은 본 발명에 의한 고품질 실리콘 단결정 성장을 위한 도가니 회전 속도 최적화 사례를 나타내는 산소 농도 변화 그래프.
도 2는 본 발명에 의한 도가니 버블 감소를 위한 도가니 회전 속도 최적화 사례를 나타내는 도가니 단면 사진.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a graph showing an oxygen concentration change showing an example of crucible rotation speed optimization for high-quality silicon single crystal growth according to the present invention. FIG.
FIG. 2 is a crucible cross-sectional photograph illustrating a crucible rotation speed optimization example for reducing crucible bubbles according to the present invention. FIG.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해 질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려 주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Brief Description of the Drawings The advantages and features of the present invention, and how to achieve them, will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as being limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art. Is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 고품질 실리콘 단결정 성장 및 고 내구성 도가니를 위한 도가니 회전속도 최적화 방법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the crucible rotation speed optimization method for high-quality silicon single crystal growth and high durability crucible according to the present invention having the above-described structure will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

고품질 실리콘 단결정 잉곳의 제조방법은, 석영 도가니에 폴리실리콘(poly silicon)의 고체 원료를 충전하는 공정, 고체 연료를 히터로 가열 용융시키는 멜팅(melting) 공정, 멜트 내의 기포를 제거하는 안정화(stabilization) 공정, 멜트 표면에 시드(seed)를 디핑(dipping)하는 공정, 시드를 따라 결정 성장시키는 넥킹(necking) 공정과, 결정의 수직 성장 및 수평 성장 속도를 제어하여 원하는 직경까지 확장시키는 숄더링(shouldering) 공정, 직경을 일정하게 유지하여 잉곳을 성장하는 바디 성장(body growing) 공정, 및 잉곳과 멜트를 분리하는 테일링(tailing) 공정을 포함한다.A method for producing a high quality silicon single crystal ingot includes a step of filling a quartz crucible with a solid raw material of poly silicon, a melting step of heating and fusing a solid fuel with a heater, a stabilization step of removing air bubbles in the melt, A process of dipping a seed on a surface of a melt, a necking process of crystal-growing along a seed, a process of forming a shouldering process for controlling the vertical growth and horizontal growth rate of crystals to a desired diameter, ) Process, a body growing process for growing the ingot by keeping the diameter constant, and a tailing process for separating the ingot and the melt.

여기서, 바디 성장 공정의 여러 파라미터(Parameter)가 고품질 단결정 성장 여부를 결정한다. 예컨대 인상 속도(Pulling Speed), 잉곳 회전 속도(I/R), 혹은 도가니 회전 속도(C/R) 등의 공정 파라미터가 최적화된 실리콘 단결정 잉곳 성장에 영향을 주게 된다.Here, various parameters of the body growth process determine whether a high quality single crystal is grown. Process parameters such as a pulling speed, an ingot rotation speed (I / R), and a crucible rotation speed (C / R) affect optimization of the silicon single crystal ingot growth.

바디 결정 성장 시 상기 파라미터 중 도가니 회전속도(C/R)는 고품질 단결정 성장에 결정적이다. 또한 도가니 회전속도(C/R)는 석영 도가니에 결함을 줄 수 있기 때문에, 회전 속도를 적절하게 조절하는 것이 본 발명의 관심이다. 가령, 석영 도가니에 결함이 발생하면 장시간 결정 성장에 지장이 될 수 있다.The crucible rotation rate (C / R) of the above parameters at the time of body crystal growth is crucial to high-quality single crystal growth. Also, since the crucible rotation speed (C / R) can cause defects in the quartz crucible, it is of interest to adjust the rotation speed appropriately. For example, when a defect occurs in a quartz crucible, it may interfere with crystal growth for a long time.

결정 성장 공정에서, 멜트-잉곳 산소 농도 구배를 안정적으로 형성하는 것이 필요하다. 도가니 회전속도(C/R)는 이와 같은 산소 농도 구배에 직접적인 영향을 준다. 즉, 도가니 회전속도(C/R)의 증감에 따라 잉곳 품질 및 수율이 달라지는데, 이에 본 발명은 도가니 회전속도(C/R)를 저감함으로써, 잉곳 품질을 향상시키고 석영 도가니의 연화를 줄임으로써, 장시간 결정 성장을 실현하고자 한다.In the crystal growth process, it is necessary to stably form a melt-ingot oxygen concentration gradient. The crucible rotation speed (C / R) directly affects the oxygen concentration gradient. That is, the ingot quality and the yield are different according to the increase / decrease of the crucible rotation speed (C / R). Accordingly, the present invention reduces the crucible rotation speed (C / R), thereby improving the ingot quality and softening the quartz crucible, Thereby realizing long-term crystal growth.

본 발명은 마그네트를 사용하지 않고 도가니 회전 속도를 제어함으로써 멜트의 대류를 안정화하는 점에 특징이 있다. 가령, 멜트 대류 안정과 잉곳 품질 향상을 위해 초전도 마그네트를 사용할 수 있다.The present invention is characterized in that convection of the melt is stabilized by controlling the crucible rotation speed without using a magnet. For example, superconducting magnets can be used to stabilize melt convection and improve ingot quality.

결과적으로, 도가니 회전속도(C/R) 저감을 통해 잉곳 품질이 향상된다. 도가니 회전속도(C/R)가 감소하면, 멜트에서 용출되는 산소의 량이 감소하고, 단결정으로 유입되는 산소 농도는 그 만큼 감소한다.As a result, the ingot quality is improved by reducing the crucible rotation speed (C / R). As the crucible rotation speed (C / R) decreases, the amount of oxygen released from the melt decreases, and the concentration of oxygen introduced into the single crystal decreases accordingly.

가령, 폴리실리콘 멜트가 수용된 도가니에 단결정 시드를 담그고, 상기 도가니를 회전시켜 단결정 실리콘을 잉곳으로 성장시키는 결정 성장 방법에 있어서, 상기 도가니의 내벽과 상기 멜트 사이에서 용출되는 산소 농도를 저감시켜 단결정 실리콘으로 유입되는 산소 농도를 조절할 수 있다.For example, in a crystal growth method of immersing a single crystal seed in a crucible containing a polysilicon melt and rotating the crucible to grow single crystal silicon into an ingot, the oxygen concentration eluted between the inner wall of the crucible and the melt is reduced, The oxygen concentration can be controlled.

도 1을 참조하면, 본 발명은 도가니 회전속도(C/R)를 20% 내지 30%(바람직하기로는 25%) 감축시켜, 도가니 내벽과 멜트 사이의 마찰력을 최소화하는 것에 의하여 산소 농도를 저감시키는 것에 특징이 있다. 이러한 도가니 회전속도(C/R)는 통상 8 rpm 내지 10 rpm으로 결정되되, 감축된 도가니 회전속도(C/R)는 5 rpm 내지 6 rpm으로 저감될 수 있다.1, the present invention reduces oxygen concentration by reducing the crucible rotation speed (C / R) by 20% to 30% (preferably 25%) and minimizing the frictional force between the inner wall of the crucible and the melt It is characterized by. The crucible rotation speed (C / R) is usually determined to be 8 rpm to 10 rpm, and the reduced crucible rotation speed (C / R) can be reduced to 5 rpm to 6 rpm.

상기 성장은 직경을 일정하게 유지하는 바디(body) 성장이고, 성장된 바디의 산소 농도는 상기 감축 전과 대비하여 전체 길이에서 저감되는 것을 알 수 있다.It can be seen that the growth is body growth that keeps the diameter constant and that the oxygen concentration of the grown body is reduced over its entire length as compared to before the reduction.

다른 한편, 도가니 회전속도(C/R)를 감축하면, 석영 도가니 데미지가 감소된다. 결정 성장 후 석영 도가니 단면 버블(bubble) 상태로 확인이 가능하다.On the other hand, when the crucible rotation speed (C / R) is reduced, the quartz crucible damage is reduced. After the crystal growth, quartz crucible can be confirmed in a bubble state.

단결정 성장에 있어서 석영 도가니 내벽에는 멜트와 석영 도가니 성분인 실리카가 상호 작용하여 결정질의 석출물을 발생시킨다. 특히, 상기 석출물의 생성 속도는 도가니 회전 속도(C/R)에 비례하여 빨라지기 때문에, 도가니 회전속도(C/R)가 증가하면, 도가니의 노화 속도도 그만큼 빨라지게 된다. 상기 석축물이 도가니 내벽에서 박리되면, 멜트 대류 시 멜트 표면으로 이동하게 되어, 고품질 단결정 성장에 치명적이 된다. 따라서 도가니 회전 속도(C/R)가 감소하면, 석출물의 발생을 최소화하게 된다.On the inner wall of the quartz crucible in the single crystal growth, melt and silica as a quartz crucible component interact with each other to generate crystalline precipitates. Particularly, since the generation rate of the precipitate is increased in proportion to the crucible rotation speed (C / R), the crucible aging speed becomes even faster as the crucible rotation speed (C / R) increases. If the tear material is peeled from the inner wall of the crucible, the molten material moves to the melt surface during the convection of the melt, which is critical to the growth of high quality single crystal. Therefore, when the crucible rotation speed (C / R) is decreased, generation of precipitates is minimized.

도 2를 참조하면, 석영 도가니는 다층으로 형성될 수 있다. 가령, 멜트가 수용되는 내측의 투명층(Transparent Layer)과 상기 투명층 외측의 불투명층(Opaque Layer)을 포함한다. 상기 투명층 및 불투명층은 멜트의 복사열을 분산시키는 기능을 수행한다. 그러나 폴리실리콘 멜트는 실리카 도가니 내벽과 반응하여 산소 발생과 동시에 투명층 및 불투명층에 버블(Bubble)을 확대시킨다. 이와 같은 버블(Bubble)은 잉곳 인상 공정에서 계속 성장하여 멜트로 방출되는 동시에 그 자체로서 석영 도가니의 수명을 단축하는 원인이 된다. 이와 같은 버블(Bubble)이 지속적으로 성장하면, 멜트 내로 방출되어 고품질 단결정 성장에 방해가 되는 악순환을 발생한다. 특히 버블(Bubble)은 도가니 부피를 팽창시켜 도가니의 내구성을 약화시키는 원인이 된다.Referring to FIG. 2, the quartz crucible may be formed in multiple layers. For example, it includes an inner transparent layer in which the melt is accommodated and an opaque layer outside the transparent layer. The transparent layer and the opaque layer function to disperse radiant heat of the melt. However, the polysilicon melt reacts with the inner wall of the silica crucible to expand the bubble in the transparent and opaque layers at the same time as oxygen is generated. Such a bubble continues to grow in the ingot lifting process and is released as a melt, and at the same time, causes the life of the quartz crucible to shorten. When such a bubble continuously grows, it is released into the melt to generate a vicious circle which interferes with the growth of high-quality single crystal. In particular, bubbles cause the crucible volume to expand and weaken the durability of the crucible.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 고품질 단결정 성장을 결정하는 여러 가지 파라미터 중에서 도가니 회전 속도를 기존과 대비하여 25% 정도 저감시킴으로써, 석영 도가니 내벽과 멜트 사이의 반응으로 인해 발생되는 산소 농도 및 도가니 내벽의 버블 팽창을 최소화하는 구성을 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.As described above, the present invention reduces the crucible rotation speed by about 25% from among various parameters for determining high-quality single crystal growth, so that the oxygen concentration generated due to the reaction between the inner wall of the quartz crucible and the melt, The bubble expansion of the bubble is minimized. Many other modifications will be possible to those skilled in the art, within the scope of the basic technical idea of the present invention.

Claims (4)

폴리실리콘 멜트가 수용된 도가니에 단결정 시드를 담그고, 상기 도가니를 8 rpm 내지 10 rpm으로 회전시켜 단결정 실리콘을 잉곳으로 성장시키는 결정 성장 방법에 있어서,
상기 도가니의 내벽과 상기 멜트 사이에서 용출되는 산소 농도를 저감시켜 상기 단결정 실리콘으로 유입되는 산소 농도를 조절하고,
상기 산소 농도는, 상기 도가니 회전속도(C/R)를 20% 내지 30% 감축시켜, 상기 도가니 내벽과 상기 멜트 사이의 마찰력을 최소화하는 것에 의하여 저감되며,
상기 감축된 도가니 회전속도(C/R)는 5 rpm 내지 6 rpm으로 저감되는 것을 특징으로 하는 도가니 회전속도 최적화 방법.
1. A crystal growth method for growing a single crystal silicon into an ingot by immersing a single crystal seed in a crucible containing a polysilicon melt and rotating the crucible at 8 rpm to 10 rpm,
The oxygen concentration eluted between the inner wall of the crucible and the melt is reduced to adjust the oxygen concentration introduced into the single crystal silicon,
The oxygen concentration is reduced by reducing the crucible rotation speed (C / R) by 20% to 30% to minimize the frictional force between the crucible inner wall and the melt,
Wherein the reduced crucible rotation speed (C / R) is reduced from 5 rpm to 6 rpm.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 성장은 직경을 일정하게 유지하는 바디(body) 성장이고, 성장된 상기 바디의 산소 농도는 상기 감축 전과 대비하여 전체 길이에서 저감되는 것을 특징으로 하는 도가니 회전속도 최적화 방법.

The method according to claim 1,
Wherein the growth is a body growth that keeps the diameter constant and the oxygen concentration of the grown body is reduced in its entire length as compared to before the reduction.

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