KR101540566B1 - 단결정 잉곳 성장 방법 - Google Patents

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Abstract

도가니 내에 담긴 원료 물질을 녹인 용융액에 커스프 자기장을 인가하면서 단결정 잉곳을 성장시, 제1 구간 동안 상기 커스프 자기장의 ZGP가 상기 용융액의 중심면을 기준으로 상하 10mm ~ 30mm 이내의 영역에 위치하도록 정렬시켜 단결정 잉곳을 성장시키는 단계, 및 제2 구간 동안 상기 도가니의 상승에 기초하여 상기 ZGP의 위치를 상기 제1 구간에서의 ZGP의 위치보다 상승시켜 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 제1 구간은 성장된 단결정 잉곳의 중량이 상기 원료 물질의 전체 중량의 40% ~ 50% 미만인 구간이고, 상기 제2 구간은 성장된 단결정 잉곳의 중량이 상기 원료 물질의 전체 중량의 40%~ 50% 이상인 구간이고, 상기 용융액의 중심면은 상기 도가니의 중심에서 상기 용융액 표면의 높이의 2분의 1인 지점을 지나는 수평면이다.

Description

단결정 잉곳 성장 방법{A method of growing a single crystal ingot}
실시 예는 산소 농도가 낮은 단결정 잉곳을 성장하는 방법에 관한 것이다.
초크랄스키(Czochralski, 이하 "CZ"라 한다) 방법으로 실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 성장할 경우 도가니와 실리콘 용액과의 접촉에 의하여 도가니로부터 산소가 용출되어 나올 수 있다. 용출된 산소는 실리콘 용액 내에서 대류에 의하여 이동하다가 대부분은 실리콘 용액의 표면에서 휘발하지만, 그 일부는 성장하는 실리콘 단결정 잉곳으로 유입되어 실리콘 격자 내에 위치할 수 있다.
웨이퍼 내의 격자 간 산소 농도([Oi])는 반도체 소자의 제조 수율 및 품질 등에 영향을 미치기 때문에 실리콘 단결정 잉곳 내의 적정 수준의 격자 간 산소 농도([Oi])을 유지하고, 실리콘 단결정 잉곳 내의 위치에 따른 격자 간 산소 농도([Oi])의 편차를 줄이는 것은 매우 중요하다.
잉곳의 중심부와 가장자리 간의 격자 간의 산소 농도 편차를 줄이기 위하여 다음과 같은 방법이 사용될 수 있다.
강한 수평 자기장을 통하여 도가니 하부의 용융액의 유속을 느리게 하여 산소 발생량을 줄이는 방법이 있을 수 있다. 또한 단결정 잉곳의 회전율을 높여 융용액의 강제 대류를 활발하게 함으로써, 산소 농도([Oi])의 편차를 줄이는 방법이 있을 수 있다.
그런데 수평 자기장을 강하게 하면 생산 비용이 증가할 수 있고, 단결정 잉곳 성장 중반 이후에는 단결정 잉곳의 유전위화율이 높아질 수 있다. 또한 단결정 잉곳의 회전율이 높아지면, 성장되는 단결정 잉곳의 부근의 대류를 단결정 잉곳까지 끌어올리는 힘이 작용하여 산소 농도가 높아질 수 있다.
실시 예는 산소 농도가 낮은 단결정 잉곳을 성장하는 방법을 제공한다.
실시 예에 따른 단결정 잉곳을 성장하는 방법은 도가니 내에 담긴 원료 물질을 녹인 용융액에 커스프 자기장(Cusped magnetic field)을 인가하면서 단결정 잉곳을 성장할 때, 제1 구간 동안 상기 커스프 자기장의 ZGP(Zero Gauss Plane)가 상기 용융액의 중심면을 기준으로 상하 10mm ~ 30mm 이내의 영역에 위치하도록 정렬시켜 단결정 잉곳을 성장시키는 단계; 및 제2 구간 동안 상기 도가니의 상승에 기초하여 상기 ZGP의 위치를 상기 제1 구간에서의 ZGP의 위치보다 상승시켜 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하며, 상기 제1 구간은 성장된 단결정 잉곳의 중량이 상기 원료 물질의 전체 중량의 40% ~ 50% 미만인 구간이고, 상기 제2 구간은 성장된 단결정 잉곳의 중량이 상기 원료 물질의 전체 중량의 40%~ 50% 이상인 구간이고, 상기 용융액의 중심면은 상기 도가니의 중심에서 상기 용융액 표면의 높이의 2분의 1인 지점을 지나는 수평면이다.
상기 제2 구간 동안 상기 ZGP의 위치는 상기 도가니의 바닥에서 20mm 이상 높을 수 있다.
상기 제1 구간 동안 상기 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율은 일정할 수 있다.
상기 제2 구간 동안 상기 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율은 상기 제1 구간 동안 상기 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율보다 클 수 있다.
상기 제2 구간 동안 상기 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율은 점차 증가할 수 있다.
상기 제2 구간 동안 상기 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율은 0.85 ~ 1.3일 수 있다.
상기 제2 구간에서의 상기 도가니의 회전율은 상기 제1 구간에서의 상기 도가니의 회전율보다 클 수 있다.
상기 제1 구간 동안 상기 도가니의 회전율을 0.5rpm ~ 1rpm일 수 있다.
상기 제2 구간 동안 단결정 잉곳의 길이가 늘어남에 따라 상기 도가니의 회전율을 점차 증가시킬 수 있다. 상기 도가니의 회전율을 2rpm까지 증가시킬 수 있다.
상기 제2 구간 동안 단결정 잉곳의 길이가 늘어남에 따라 상기 커스프 자기장의 세기를 점차 낮출 수 있다.
상기 제2 구간에서의 상기 커스프 자기장의 세기는 상기 제1 구간에서의 상기 커스프 자기장의 세기보다 낮을 수 있다.
상기 도가니는 수직 방향으로 편평한 상단 부분, 및 곡면인 하단 부분으로 구분될 수 있으며, 상기 도가니의 상단 부분만을 가열하여 상기 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다.
실시 예는 산소 농도가 낮은 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치의 단면도를 나타낸다.
도 2는 실시 예에 따른 단결정 잉곳의 성장 방법을 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 도가니의 부위별 두께를 나타낸다.
도 4는 제1 조건에서 커스프 자기장의 ZGP의 위치, 및 단결정 잉곳과 도가니의 회전 속도를 나타낸다.
도 5는 제1 조건에서 용융액의 대류를 나타낸다.
도 6은 커스프 자기장의 세기에 따른 단결정 잉곳의 격자 간 산소 농도를 나타낸다.
도 7은 상부 코일과 하부 코일의 자기장의 세기의 비율이 일정할 경우, 단결정 잉곳 성장시의 격자 간 산소 농도를 나타낸다.
도 8a는 일반적인 단결정 잉곳의 성장 초반부터 중반까지의 ZGP의 위치를 나타낸다.
도 8b는 일반적인 단결정 잉곳의 성장 중반부터 후반까지의 ZGP의 위치를 나타낸다.
도 9a는 실시 예에 따른 제1 구간 동안의 ZGP의 위치를 나타낸다.
도 9b는 실시 예에 따른 제2 구간 동안의 ZGP의 위치를 나타낸다.
도 10은 실시 예에 따른 상부 코일과 하부 코일의 자기장의 세기의 비율을 나낸다.
도 11은 실시 예에 따른 ZGP의 도가니 내 수직 위치를 나타낸다.
도 12는 도 11에 도시된 실시 예에 따른 ZGP의 수직 위치에서 단결정 잉곳 성장시의 산소 농도를 나타낸다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 따른 단결정 잉곳의 성장 방법 및 단결정 잉곳 성장 장치를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치(100)의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 도가니 지지부(130), 발열체(140), 열차페제(150), 단열재(160), 인상 수단(170), 자기장 인가 수단(180), 및 제어부(190)를 포함할 수 있다.
챔버(110)는 결합하는 위치에 따라 몸체 챔버(body chamber, 111), 돔 챔버(dome chamber, 112), 및 풀 챔버(pull chamber, 113)를 포함할 수 있다.
몸체 챔버(111) 내에는 도가니(120)가 설치될 수 있고, 돔 챔버(112)는 몸체 챔버(111)의 상단에서 덮개부를 형성할 수 있다. 몸체 챔버(111)와 돔 챔버(112)는 다결정 실리콘을 실리콘 단결정 잉곳으로 성장시키기 위한 환경을 제공하는 곳으로, 내부에 수용 공간을 갖는 원통일 수 있다. 풀 챔버(113)는 돔 챔버(112) 상단에 위치하고, 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 인상하기 위한 공간일 수 있다.
도가니(120)는 몸체 챔버(111) 내부에 배치될 수 있고, 석영으로 이루어질 수 있다. 도가니 지지부(130)는 도가니(120) 하부에 위치하고, 도가니(120)를 지지할 수 있고, 도가니(120)를 회전시킬 수 있으며, 흑연으로 이루어질 수 있다.
발열체(140)는 도가니(120)의 외주면과 이격되도록 몸체 챔버(111) 내에 배치될 수 있으며, 도가니(120)를 가열할 수 있다.
열차폐제(150)는 도가니(120) 상부에 배치되며, 실리콘 융액(5)으로부터 실리콘 단결정(70)으로 복사되는 열을 차단하고, 발열체(140)로부터 발생하는 불순물(예컨대, CO gas)이 실리콘 단결정(70)으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
단열재(160)는 발열체(130)와 몸체 챔버(111)의 내벽 사이에 설치될 수 있다. 단열재(160)는 발열체(130)의 열이 몸체 챔버(111) 외부로 누출되는 것을 차단할 수 있다. 단열재(160)는 측부 단열재, 및 하부 단열재를 포함할 수 있다.
인상 수단(170)은 대상물(예컨대, 종단 결정이 장착된 시드 척(seed chuck))을 고정하는 고정부(172) 및 대상물을 상승 또는 하강시키는 인상부(174)를 포함할 수 있다. 고정부(172)는 케이블 타입(cable type) 또는 샤프트(shaft type)일 수 있다. 인상부(174)는 모터 등을 이용하여 고정부(172)를 상승 또는 하강시킬 수 있으며, 일정 방향으로 고정부(172)를 회전시킬 수 있다. 즉 인상 수단(170)은 성장하는 단결정 잉곳(70)을 회전시킬 수 있다.
산소와 결합한 실리콘 산화물의 배출을 돕고, 단열재(160)를 보호하기 위하여 불활성 가스, 예컨대, 아르곤(Ar) 가스가 가열 초기부터 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시킬 때까지 챔버(110) 내부로 계속 공급될 수 있다.
자기장 인가 수단(180)은 도가니(12) 주위에 배치될 수 있으며, 도가니(120) 내의 용융액(5)에 자기장을 인가할 수 있다.
예컨대, 자기장 인가 수단(180)은 챔버(110) 둘레에 배치되는 링(ring) 형태의 상부 코일(182), 및 상부 코일(182) 아래에 배치되는 하부 코일(184)을 포함할 수 있다.
자기장 인가 수단(180)은 상부 코일(182)과 하부 코일(184)에 서로 반대 방향(또는 다른 극성)의 전류를 공급하여 커스프 자기장(Cusped magnetic field)을 발생시킬 수 있다.
예컨대, 상부 코일(182)에 의하여 커스프 자기장의 상부 자기장이 형성될 수 있고, 하부 코일(184)에 의하여 커스프 자기장의 하부 자기장이 형성될 수 있다.
이때 커스프 자기장의 분포는 상부 코일(182)과 하부 코일(184)에 인가하는 전류의 세기, 상부 코일(182)과 하부 코일(184)의 권선 수, 및 상부 코일(182)과 하부 코일(184)의 위치 등을 조절하여 다양한 형태로 제어할 수 있다.
예컨대, 커스프 자기장의 자기력 방향은 상부 코일(182)과 하부 코일(184) 사이의 중앙 지점에서 출발할 수 있고, 단결정 잉곳의 중심부를 통과하여 상부 코일의 상부 방향 및 하부 코일의 하부 방향으로 들어갈 수 있다.
제어부(190)는 상부 코일(182) 및 하부 코일(184) 각각의 자기장의 세기를 조절할 수 있다. 제어부(190)는 상부 코일(182)의 자기장의 세기와 하부 코일(184)의 자기장의 세기의 비율을 조절함으로써, 커스프 자기장의 ZGP(Zero Gauss Plane, 101)의 수직 위치(7)의 높이를 조절할 수 있다.
제어부(190)는 인상 수단(170)을 제어하여, 단결정 잉곳(70)의 회전율을 조절할 수 있다. 예컨대, 제어부(190)는 단결정 잉곳(70)의 회전율을 높이거나, 낮출 수 있다.
제어부(190)는 도가니 지지대(130)를 제어하여, 도가니(120)의 위치를 조절하거나, 도가니(120)의 회전율을 조절할 수 있다.
예컨대, 제어부(190)는 도가니(120)를 상승 또는 하강시키도록 도가니 지지대(130)를 제어할 수 있다. 제어부(190)는 도가니(120)의 회전율을 높이거나, 낮출 수 있다.
또한 제어부(190)는 자기장 인가 수단(180)을 상승 또는 하강시킬 수 있으며, 자기장 인가 수단(180)이 상승 또는 하강함에 따라 커스프 자기장의 ZGP(101)의 수직 위치(7)의 높이를 조절할 수 있다.
도 2는 실시 예에 따른 단결정 잉곳의 성장 방법을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 도가니(120) 내에 원료 물질, 예컨대, 폴리 실리콘을 적재하고, 발열체(140)에 의하여 폴리 실리콘의 융점(약 1420℃) 이상으로 도가니(120)를 가열하여 용융액(5), 예컨대, 실리콘 융액을 형성한다(S110).
실리콘 융액면(6)의 중심부에 종자 결정을 접촉 또는 침지시키고, 도가니 지지부(130)를 회전시킴과 동시에 종자 결정을 인상함으로써 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 개시한다.
용융액(5)의 대류에 의하여 도가니(120)의 부위별 산소 발생량이 다를 수 있다. 이는 도가니(120)의 부위별 두께가 달라 용융액(5)과의 접촉 면적이 다르기 때문이다.
도 3은 도 1에 도시된 도가니(120)의 부위별 두께를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 도가니(120)는 수직 방향으로 편평한 상단 부분(301), 및 곡면인 하단 부분(302)으로 구분할 수 있다. 일반적으로 도가니(120)의 하단 부분(302)의 두께(W3)는 도가니(120)의 상단 부분(301)의 두께(W1)보다 두꺼울 수 있으며, 도가니(120)의 상단 부분(301)과 하단 부분(302)이 서로 만나는 경계 부분(303), 및 이와 인접하는 부분의 두께(W2)가 가장 두꺼울 수 있다.
도가니(120)의 상단 부분(301)에 비하여, 도가니(120)의 하단 부분(302), 및 경계 부분(303)은 용융액(5)의 대류에 의하여 산소가 더 많이 생성될 수 있다.
발열체(140)는 도가니(120)의 상단 부분(301)에만 열을 가하거나, 도가니(120)의 하단 부분(302)에 비하여 도가니(120)의 상단 부분(301)에 열을 더 가함으로써, 도가니(120)의 하단 부분(402)의 온도를 상단 부분(401)보다 낮출 수 있다. 이로 인하여 실시 예는 도가니(120)의 하단 부위(402)로부터의 산소 발생량을 줄일 수 있다.
제1 구간 동안에서 제1 조건 하에서 단결정 잉곳(70)을 성장시킨다(S120).
제1 구간은 성장된 단결정 잉곳의 중량이 도가니(120)에 충전된 원료 물질(예컨대, 폴리실리콘)의 전체 중량(total charge size)의 40% ~ 50% 미만인 구간일 수 있다. 예컨대, 제1 구간은 단결정 잉곳(70)의 중량이 충전된 원료 물질의 전체 중량의 43% 미만인 구간일 수 있다.
제1 조건은 다음과 같을 수 있다.
제1 구간 동안 도가니(120)의 상단 부분(301)에만 열을 가하여 단결정 잉곳을 성장시킴으로써, 도가니(120)의 하단 부위(302)로부터의 산소 발생량을 줄일 수 있다.
자기장 인가 수단(190)이 발생하는 커스프 자기장의 ZGP(Zero Gauss Plane, 101)의 수직 위치(7)가 용융액(5)의 중심면(3)을 기준으로 상하 10mm ~ 30mm 이내의 영역(R)에 위치하도록 한다. 예컨대, 커스프 자기장의 ZGP(101)가 용융액(5)의 중심면(3)을 기준으로 상하 20mm 이내의 영역에 위치하도록 한다.
여기서 ZGP의 수직 위치(7)는 도가니(120)의 바닥을 기준으로 수직 방향으로의 ZGP의 위치를 의미할 수 있다. 용융액의 중심면(3)은 도가니(120)의 중심에서 용융액(5)의 표면(6)의 높이(h)의 2분의 1인 지점을 지나는 수평면일 수 있다.
커스프 자기장의 ZGP(101)를 용융액(5)의 중심면(3)에 정렬시키는 이유는 용융액의 중심면(3)이 단결정 잉곳(70)의 회전에 의한 용융액(5)의 강제 대류에 의하여 가장 많이 산소가 유입된다고 예상되는 도가니(120) 내의 ZGP(101)의 수직 위치에 해당하거나 또는 수직 위치에 정렬될 수 있기 때문이다.
도 4는 제1 조건에서 커스프 자기장의 ZGP의 위치, 및 단결정 잉곳(70)과 도가니(120)의 회전 속도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 상부 코일(182)의 자기장의 세기와 하부 코일(184)의 자기장의 세기의 비율을 조절하여, ZGP(101)가 용융액(5)의 중심면(3)을 기준으로 상하 10mm ~ 30mm 이내의 영역(예컨대, 20mm 이내의 영역)에 위치하도록 할 수 있다. 상부 코일(182) 및 하부 코일(184)의 자기장의 세기는 전류의 세기 및 권수에 의해 결정될 수 있다.
제1 구간 동안 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기(A)와 하부 자기장의 세기(B)의 비율(B/A)은 일정할 수 있다. 예컨대, 상부 코일(182)의 자기장의 세기(A)와 하부 코일(184)의 자기장의 세기(B)의 비율(B/A)은 제1 구간 동안 일정할 수 있다.
인상 수단(170)에 의하여 성장하는 단결정 잉곳(70)의 회전율(IV1)은 18rpm 이하로 한다. 예컨대, 단결정 잉곳(70)의 회전율(IV1)은 16.5rpm일 수 있다. 성장 초기에는 IV1은 씨드 결정의 회전율일 수 있다.
도가니 지지부(130)에 의하여 도가니(120)의 회전율(CV1)은 0.5rpm ~ 1rpm 일 수 있다. 예컨대, 도가니(120)의 회전율(CV1)은 0.7rpm일 수 있다.
단결정 잉곳(70)의 회전 방향과 도가니(120)의 회전 방향은 서로 반대일 수 있다.
도 5는 제1 조건에서 용융액(5)의 대류를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 일반적으로 도가니(120)의 회전에 따른 산소 발생량을 줄이기 위하여 도가니(120)의 회전율을 0.1rpm ~ 0.3rpm으로 낮게 설정할 수 있다.
그러나 실시 예는 도가니(120)의 회전율(CV1)을 0.5rpm ~ 1rpm으로 증가시킴으로써, 도가니(120)의 회전에 따른 강제 대류(501)를 활성화시킬 수 있다. 이러한 강제 대류(501)는 산소가 용융액(5)의 상부로 증발(510)하는 것을 도울 수 있기 때문에, 실시 예는 단결정 잉곳(70)으로 유입되는 산소량을 줄일 수 있다.
도가니(120)의 회전율을 높임으로써 도가니에 기인하는 산소 발생량이 증가할 수도 있지만, 실시 예는 상술한 바와 같이 도가니(120)의 상단 부분(301)에만 열을 가하여 단결정 잉곳을 성장시킴으로써, 도가니(120)의 하단 부위(302)로부터의 산소 발생량을 줄일 수 있다.
또한 커스프 자기장의 ZGP(101)의 수직 위치(7)를 단결정 잉곳(70)의 회전에 의한 용융액(5)의 강제 대류(503)에 의하여 산소가 가장 많이 유입된다고 예상되는 용융액(5)의 중심면(3)에 정렬시킴으로, 도가니(120)의 회전에 의한 수평 방향의 대류(502)는 활성화될 수 있다.
도가니(120)의 회전에 의한 수평 방향의 대류(502)가 활성화됨에 따라, 단결정 잉곳(70)의 회전에 의한 용융액(5)의 강제 대류(503)에 의하여 단결정 잉곳(70)으로 유입되는 산소량을 줄일 수 있다.
도가니(120) 내의 용융액(5)의 대류는 단결정 잉곳(70)의 회전에 의한 용융액(5)의 수직 방향의 강제 대류(503) 및 도가니(120)의 회전에 의한 강제 대류(501)의 2가지 경로로 나뉠 수 있기 때문에, 실시 예는 단결정 잉곳(70)으로 유입되는 산소량을 줄일 수 있다.
결과적으로 실시 예는 단결정 잉곳의 회전율을 비교적 높이더라도 단결정 잉곳의 성장 초반에 저산소 농도의 단결정을 성장시킬 수 있다.
단결정 잉곳 성장 중반 이후에는 상부 코일 및 하부 코일의 커스프 자기장의 세기를 높여도 단결정 잉곳의 산소 농도가 상승할 수 있다.
도 6은 커스프 자기장의 세기에 따른 단결정 잉곳의 격자 간 산소 농도([Oi])를 나타낸다. 제1 구간 및 제2 구간 동안 상부 자기장의 세기(A)와 하부 자기장의 세기(B)의 비율(B/A)은 일정할 수 있다.
도 6을 참조하면, 단결정 잉곳의 성장 중반(길이가 약 720mm) 이후에 커스프 자기장의 세기를 증가시켜도 산소 농도([Oi])가 증가하는 것을 알 수 있다.
단결정 잉곳의 성장 중반 이후에 산소 농도([Oi])를 증가시키는 요인으로는 다음과 같이 것이 있을 수 있다.
일반적으로 단결정 잉곳 성장 중반 이후에는 도가니 내의 용융액의 양이 줄어드는데 비하여 단결정 잉곳의 물리적 회전력은 일정하기 때문에, 단결정 잉곳의 회전에 의한 강제 대류에 의하여 용융액으로부터 단결정 잉곳으로 유입되는 산소량이 증가할 수 있다.
또한 단결정 잉곳이 성장함에 따라 멜트 갭(melt gap)을 일정하게 유지하기 위하여 도가니가 상승하는데, 도가니가 상승함에 따라 도가니의 하단 부분이 발열체에 가까워지면서 도 3에서 설명한 바와 같이 산소 발생량이 증가할 수 있다.
또한 커스프 자기장에서는 ZGP를 경계로 ZGP의 상부에 위치하는 용융액 부분과 ZGP의 하부에 위치하는 용융액 부분 간의 온도 교류 및 산소 전달이 억제되는 효과가 발생할 수 있다.
도 8a는 일반적인 단결정 잉곳의 성장 초반부터 중반까지의 ZGP의 위치를 나타내고, 도 8b는 일반적인 단결정 잉곳의 성장 중반부터 후반까지의 ZGP의 위치를 나타낸다.
도 8a를 참조하면, 단결정 잉곳의 성장 초반부터 중반 동안에는 용융액(5)은 ZGP(101)의 상부 및 하부에 모두 위치할 수 있다. 그리고 ZGP(101)를 경계로 ZGP(10)의 상부의 용융액 부분과 ZGP(101)의 하부의 용융액 부분 간의 온도 교류 및 산소 전달이 억제되는 효과가 발생할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 단결정 잉곳 성장 중반 이후에는 멜트 갭 유지를 위한 도가니(120)가 상승하게 되고, 용융액(5)이 ZGP(101)의 상부에만 위치하게 될 수 있다. 따라서 단결정 잉곳 성장 중반 이후에는 온도 교류 및 산소 전달이 억제되는 효과가 없어짐으로써 단결정 잉곳으로 유입하는 산소량이 증가할 수 있다.
결국 단결정 잉곳의 성장 중반 이후에도 ZGP의 위치가 동일할 경우에는 단결정 잉곳으로 유입하는 산소량이 증가할 것으로 예상될 수 있다.
도 7은 상부 코일과 하부 코일의 자기장의 세기의 비율이 일정할 경우, 단결정 잉곳 성장시의 격자 간 산소 농도를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 단결정 잉곳 성장 동안, 예컨대, 제1 구간 및 제2 구간 동안 상부 코일의 자기장의 세기(A)와 하부 코일의 자기장의 세기(B)의 비율(B/A)을 일정하게 유지시킬 경우, 단결정 잉곳의 성장 중반 이후에 격자 간 산소 농도가 증가하는 것을 알 수 있다.
실시 예는 상술한 단결정 성장 중반 이후 단결정 잉곳으로 유입하는 산소량을 증가시키는 요인들을 고려하여, 제2 구간 동안에서는 제2 조건 하에서 단결정 잉곳(70)을 성장시킨다(S130).
제2 구간은 제1 구간 이후 단결정 잉곳(70)의 성장 완료 시점까지일 수 있다. 즉 제2 구간은 성장된 단결정 잉곳의 중량이 도가니(120)에 충전된 원료 물질(예컨대, 폴리실리콘)의 전체 중량(total charge size)의 40%~ 50% 이상인 구간일 수 있다. 예컨대, 제2 구간은 단결정 잉곳(70)의 중량이 충전된 원료 물질의 전체 중량의 43% 이상인 구간일 수 있다.
제2 조건은 다음과 같을 수 있다.
단결정 잉곳(70)의 회전율은 제1 조건과 동일할 수 있다.
성장하는 단결정 잉곳의 길이가 늘어남에 따라 도가니(120)의 회전율을 점차적 증가시킨다. 예컨대, 도가니(120)의 회전율(CV1)을 제1 조건인 0.5rpm ~ 1rpm에서 2rpm까지 점차 증가시킬 수 있다. 도가니(120)의 회전율이 증가함에 따라 도가니 회전에 의한 강제 대류(501)를 활성화시킬 수 있다.
그리고 강제 대류(501)가 활성화됨에 따라 산소가 용융액(5)의 상부로 증발(510)하는 것을 도울 수 있어, 실시 예는 단결정 잉곳(70)으로 유입되는 산소량을 줄일 수 있다.
또한 도가니(120) 회전에 의한 강제 대류를 활성화시키기 위하여 단결정 잉곳의 길이가 늘어남에 따라 커스프 자기장의 세기를 점차 낮출 수 있다. 예컨대, 상부 코일(182)과 하부 코일(184) 각각의 자기장의 세기를 단결정 잉곳(70)의 성장 길이가 늘어남에 따라 점차 감소시킬 수 있다.
자기장 인가 수단(190)에 의하여 제1 조건의 자기장의 세기보다 제2 조건의 자기장의 세기를 낮춤으로써, 도가니(120) 회전에 의한 강제 대류(501)를 활성화시킬 수 있고, 강제 대류(501)가 활성화됨에 따라 산소가 용융액(5)의 상부로 증발(510)하는 것을 도울 수 있어, 실시 예는 단결정 잉곳(70)으로 유입되는 산소량을 줄일 수 있다.
ZGP 상부에 위치하는 용융액 부분과 ZGP 하부에 위치하는 용융액 부분 간의 온도 교류 및 산소 전달을 억제하기 위하여 도가니(120) 내에서의 ZGP(101)의 수직 위치(7)를 조절할 수 있다.
도 9a는 실시 예에 따른 제1 구간 동안의 ZGP(101)의 위치를 나타내고, 도 9b는 실시 예에 따른 제2 구간 동안의 ZGP(101-1)의 위치를 나타낸다.
도 9a를 참조하면, 상부 코일(182)의 자기장의 세기와 하부 코일(184)의 자기장의 세기의 비율을 조절하여, ZGP(101)의 수직 위치(7)를 용융액(5)의 중심면(3)을 기준으로 상하 10mm ~ 30mm 이내의 영역, 예컨대, 20mm 이내의 영역에 맞출 수 있다.
제1 구간 동안에는 용융액(5)은 ZGP(101)를 기준으로 ZGP(101)의 상부 및 하부에 모두 위치할 수 있다. 따라서 제1 구간 동안에는 ZGP(101)를 경계로 ZGP(10) 상부에 위치하는 용융액 부분과 ZGP(101) 하부에 위치하는 용융액 부분 간의 온도 교류 및 산소 전달이 억제되는 효과가 발생할 수 있으며, 이로 인하여 단결정 잉곳(70)으로 유입하는 산소량을 줄일 수 있다.
도 9b를 참조하면, 제2 구간 이후에서는 도가니(120) 상승에 기초하여, ZGP(101)의 수직 위치(7)를 상승시킬 수 있다.
제2 구간에서의 ZGP(101-1)의 수직 위치(7-1)가 제1 구간에서의 ZGP(101)의 수직 위치(101)보다 높을 수 있다.
예컨대, ZGP(101-1)의 수직 위치(7-1)의 높이는 용융액(5)의 중심면(3)을 기준으로 상하 10mm ~ 30mm 이내의 영역(R)에 도가니(120)의 상승 높이를 합한 것일 수 있다.
커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율을 조절하여 도가니(120) 내에서의 ZGP(101-1)의 수직 위치(7-1)를 상승시킬 수 있다.
즉 상부 코일(182)의 자기장의 세기와 하부 코일(184)의 자기장의 세기의 비율을 조절하여, 도가니(120) 내에서의 ZGP(101-1)의 수직 위치(7-1)를 상승시킬 수 있다.
예컨대, 커스프 자기장의 하부 자기장의 세기(B)를 상부 자기장의 세기(A)보다 크게 하여, ZGP(101-1)의 수직 위치(7-1)의 높이를 상승시킬 수 있다.
제2 구간 동안 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기(A)와 하부 자기장의 세기(B)의 비율(B/A)은 제1 구간 동안 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기(A)와 하부 자기장의 세기(B)의 비율(B/A)보다 클 수 있다.
예컨대, 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기(A)와 하부 자기장의 세기(B)의 비율(B/A)이 0.85 이상이 되도록 할 수 있으며, 예컨대, 비율(B/A)은 0.85 ~ 1.3일 수 있다.
또한 ZGP(101-1)를 기준으로 용융액의 상부와 하부 간의 온도 교류 및 산소 전달이 억제되는 효과를 얻기 위하여, ZGP(101-)의 수직 위치(7-1)는 적어도 도가니(120)의 중심 바닥에서 20mm 이상 높을 수 있다.
ZGP(101-)의 수직 위치(7-1)가 적어도 도가니(120)의 중심 바닥에서 20mm 이상 높도록 하기 위하여 제어부(190)에 의하여 자기장 인가 수단(180)을 상승 또는 하강시킴으로써, 커스프 자기장의 ZGP(101)의 수직 위치(7)의 높이를 조절할 수 있다.
도 10은 실시 예에 따른 상부 코일과 하부 코일의 자기장의 세기의 비율을 나타낸다.
도 10을 참조하면, 제2 구간에서는 상부 코일(182)의 자기장의 세기(A)와 하부 코일(184)의 자기장의 세기(B) 간의 비율(B/A)이 제1 구간보다 증가하는 것을 알 수 있다.
제2 구간 동안 성장하는 단결정 잉곳의 길이가 늘어남에 따라 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기(A)와 하부 자기장의 세기(B)의 비율(B/A)은 점차 증가할 수 있다.
예컨대, 제2 구간 동안 단결정 잉곳의 길이가 960mm, 1200mm, 1440mm로 증가함에 따라 상부 자기장의 세기(A)와 하부 자기장의 세기(B)의 비율(B/A)은 0.89, 0.93, 1.02로 증가할 수 있다.
도 11은 실시 예에 따른 ZGP의 도가니 내 수직 위치를 나타낸다.
도가니(120) 바닥의 높이를 제로(0)로 할 때, + 값은 ZGP가 도가니 바닥 상단에 위치하는 것을 의미하고, - 값은 ZGP가 도가니 바닥 하단에 위치하는 것을 의미한다.
case1은 상부 코일과 하부 코일의 자기장의 세기의 비율이 제1 구간과 제2 구간 동안 일정한 경우이고, case 2 및 case 3은 실시 예에 따라 제2 구간 동안 상부 코일과 하부 코일의 자기장의 세기의 비율이 제1 구간과 다른 경우일 수 있다.
또한 case 2 및 case 3은 제2 구간 동안 ZGP(101-)의 수직 위치(7-1)가 적어도 도가니(120)의 중심 바닥에서 20mm 이상 높도록 커스프 자기장의 ZGP(101)의 수직 위치(7)의 높이를 조절한 경우일 수 있다. case 2에 비하여 case 3은 커스프 자기장의 ZGP(101)의 수직 위치(7)의 높이가 더 높게 조절된 경우일 수 있다.
도 11을 참조하면, case 1의 경우는 단결정 잉곳의 길이가 900mm를 초과하면 ZGP의 수직 위치가 20mm미만이 되고, 단결정 잉곳의 길이가 1200mm를 초과하면 ZGP의 수직 위치가 도가니 아래에 위치하는 것을 알 수 있다.
그러나 case 2 및 case 3의 경우는 단결정 잉곳의 성장이 완료될 때까지, ZGP의 수직 위치가 도가니의 바닥으로부터 20mm 이상인 것을 알 수 있다.
도 12는 도 11에 도시된 실시 예에 따른 ZGP의 수직 위치에서 단결정 잉곳 성장시의 산소 농도를 나타낸다. □가 표시된 그래프가 case 2를 나타내고, ○가 표시된 그래프가 case3을 나타낸다.
도 12를 참조하면, 제2 구간 동안 도가니(120) 내에서 ZGP(101-1)의 수직 위치(7-1)의 높이를 상승시킴으로써, 실시 예는 도 7과 비교할 때, 제2 구간에서 단결정 잉곳으로 유입하는 산소 농도([Oi])를 감소시킬 수 있다.
실시 예는 단결정 잉곳 성장 공정에서 단결정 잉곳의 격자 간 산소 농도를 낮춤으로써, 반도체 제조 공정 중의 350℃ ~ 500℃ 열 처리 공정 진행시 웨이퍼 내의 비저항 변동을 감소시킬 수 있다.
실시 예는 도가니의 상단을 가열하고, 도가니(120) 회전율을 상승시킴으로써, 낮은 자기장 세기 하에서도 산소 농도가 낮은 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다.
또한 실시 예는 단결정 잉곳의 회전율을 높임에 따라 면내 산소 농도 및 비저항 값 산포를 줄일 수 있다.
또한 실시 예는 단결정 잉곳 중반 이후에도 커스프 자기장에 의한 ZGP 상부에 위치하는 용융액 부분과 ZGP 하부에 위치하는 용융액 부분 간의 상하 대류 억제 효과를 유지하여 단결정 잉곳 성장 후반까지 저산소 농도를 일정하게 구현하여 생산성을 높일 수 있다.
또한 실시 예는 제2 구간에서 자기장의 세기를 감소시킴으로써, 자기장의 세기가 강할 때 자주 발생하는 단결정의 유전위화 현상을 완화할 수 있고, 도가니 회전에 의한 강제 대류를 활성화킬 수 있으며, 단결정 잉곳으로 유입하는 산소 농도를 억제할 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 챔버 120: 도가니
130: 도가니 지지부 140: 발열체
150: 열차페제 160: 단열재
170: 인상 수단 180: 자기장 인가 수단
182: 제1 코일 184: 제2 코일
190: 제어부.

Claims (13)

  1. 도가니 내에 담긴 원료 물질을 녹인 용융액에 커스프 자기장(Cusped magnetic field)을 인가하면서 단결정 잉곳을 성장하는 방법에 있어서,
    제1 구간 동안 상기 커스프 자기장의 ZGP(Zero Gauss Plane)를 상기 용융액의 중심면에 정렬시켜 상기 단결정을 성장시키되, 상기 커스프 자기장의 ZGP가 상기 용융액의 중심면을 기준으로 상하 10mm ~ 30mm 이내의 영역에 위치하도록 하여 성장되는 단결정으로 유입되는 산소량을 감소시키는 단계; 및
    제2 구간 동안 상기 도가니의 상승에 기초하여 상기 ZGP의 위치를 상기 제1 구간에서의 ZGP의 위치보다 상승시켜 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하며,
    상기 제1 구간은 성장된 단결정 잉곳의 중량이 상기 원료 물질의 전체 중량의 제1 기준 값% 미만인 구간이고, 상기 제2 구간은 성장된 단결정 잉곳의 중량이 상기 원료 물질의 전체 중량의 상기 제1 기준 값% 이상인 구간이고, 상기 제1 기준 값은 40 이상 50 이하의 값이고, 상기 용융액의 중심면은 상기 도가니의 중심에서 상기 용융액 표면의 높이의 2분의 1인 지점을 지나는 수평면이고,
    상기 제2 구간 동안 상기 ZGP의 위치는 상기 도가니의 바닥에서 20mm 이상 높도록 유지시키는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구간 동안 상기 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율은 일정한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구간 동안 상기 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율은 상기 제1 구간 동안 상기 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율보다 큰 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  5. 제1항에 있어서
    상기 제2 구간 동안 상기 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율은 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 구간 동안 상기 커스프 자기장의 상부 자기장의 세기와 하부 자기장의 세기의 비율은 0.85 ~ 1.3인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구간에서의 상기 도가니의 회전율은 상기 제1 구간에서의 상기 도가니의 회전율보다 큰 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구간 동안 상기 도가니의 회전율을 0.5rpm ~ 1rpm인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 구간 동안 단결정 잉곳의 길이가 늘어남에 따라 상기 도가니의 회전율을 점차 증가시키는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 도가니의 회전율을 2rpm까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구간 동안 단결정 잉곳의 길이가 늘어남에 따라 상기 커스프 자기장의 세기를 점차 낮추는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구간에서의 상기 커스프 자기장의 세기는 상기 제1 구간에서의 상기 커스프 자기장의 세기보다 낮은 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 도가니는 수직 방향으로 편평한 상단 부분, 및 곡면인 하단 부분으로 구분되며, 상기 도가니의 상단 부분만을 가열하여 상기 단결정 잉곳을 성장시키는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳을 성장하는 방법.
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