KR102587741B1 - 도펀트로서 붕산을 사용하여 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법 및 고체상 도펀트를 사용하는 잉곳 인상기 장치 - Google Patents

도펀트로서 붕산을 사용하여 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법 및 고체상 도펀트를 사용하는 잉곳 인상기 장치 Download PDF

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Abstract

실리콘 결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법이 개시된다. 잉곳은 붕소 소스로서 고체상 붕산을 사용하여 붕소로 도핑된다. 붕산은 잉곳 성장 동안 잉곳을 카운터 도핑하기 위해 사용될 수 있다. 고체상 도펀트를 사용하는 잉곳 인상기 장치가 또한 개시된다. 고체상 도펀트가 용융물의 표면에 더 가깝게 이동되는 리셉터클에 배치될 수 있거나 기화 유닛이 사용되어 고체상 도펀트로부터 도펀트 가스를 생성할 수 있다.

Description

도펀트로서 붕산을 사용하여 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법 및 고체상 도펀트를 사용하는 잉곳 인상기 장치
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2019년 6월 28일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/868,573호의 이익을 주장하며, 이 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
개시 분야
본 개시내용의 분야는 붕소 소스로서 고체상 붕산을 사용하여 잉곳에 붕소가 도핑된 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 개시내용의 분야는 또한 고체상 도펀트를 사용하는 잉곳 인상기 장치에 관한 것이다.
높은 저항률의 실리콘 웨이퍼 용례에서, 웨이퍼가 슬라이싱되는 단결정 실리콘 잉곳의 저항률은 다양한 도펀트를 용융물에 추가하여 제어될 수 있다. 도펀트는 실리콘 잉곳이 인출되는 용융물을 형성하는 데 사용되는 다결정 실리콘의 소스에서 다양한 불순물(예를 들어, 붕소 또는 인)을 보상하는 데 사용될 수 있다.
잉곳에서 목표 저항률을 달성하기 위해 하나 이상의 도펀트가 추가되는 경우, 화합물의 분리 계수의 차이로 인해 특정 도펀트 및/또는 불순물이 용융물에 축적될 수 있다. 예를 들어, 붕소는 붕소가 성장하는 잉곳으로 쉽게 흡수되게 하는 약 0.8의 분리 계수를 갖는다. 인은 더 쉽게 흡수되는 붕소에 비교하여 용융물에 인이 축적되게 하는 약 0.35의 분리 계수를 갖는다. 따라서, 잉곳이 성장하고 용융물이 고갈됨에 따라, 인이 용융물에 축적되어 성장하는 잉곳의 저항률을 변경시킨다. 이는 저항률을 감소시켜 고객 사양에서 벗어나게 하고/하거나 잉곳에서 유형 변경이 발생하게 할 수 있다.
고객 사양 내에 남아 있는 잉곳의 길이를 증가시키기 위해 잉곳 성장 동안 실리콘 용융물을 카운터 도핑하는 방법에 대한 요구가 존재한다. 용이하게 입수 가능하고/하거나 비교적 저렴한 도펀트 소스 재료의 사용을 허용하고 용융물이 비교적 용이하게 도핑되게 하는 도핑 방법에 대한 요구가 존재한다. 고체상 도펀트가 도펀트의 소스로서 사용될 수 있게 하는 잉곳 인상기 장치에 대한 요구가 존재한다.
이 섹션은 아래에 설명 및/또는 청구되는 본 개시내용의 다양한 양태와 관련될 수 있는 본 기술분야의 다양한 양태를 독자에게 소개하기 위한 것이다. 이 설명은 본 개시내용의 다양한 양태의 더 나은 이해를 용이하게 하기 위해 배경 정보를 독자에게 제공하는 데 도움이 되는 것으로 믿어진다. 따라서, 이들 언급은 이러한 관점에서 읽어야 하며 종래 기술을 인정하는 것이 아님을 이해하여야 한다.
본 개시내용의 일 양태는 도가니 내에 유지된 실리콘 용융물로부터 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 방법에 관한 것이다. 다결정 실리콘이 도가니에 추가된다. 도가니는 잉곳 인상기 내부 챔버 내에 배치된다. 다결정 실리콘은 가열되어 실리콘 용융물이 도가니에 형성되게 한다. 실리콘 용융물로부터 단결정 실리콘 잉곳이 인상된다. 고체상 붕산 소스가 제공된다. 붕소 함유 가스는 고체상 붕산으로부터 생성된다. 붕소 함유 가스는 용융물의 표면과 접촉되어 용융물로부터 단결정 실리콘 잉곳을 인상하는 동안 붕소가 도펀트로서 용융물에 진입하게 한다.
본 개시내용의 또 다른 양태는 도핑된 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 잉곳 인상기 장치에 관한 것이다. 잉곳 인상기 장치는 잉곳 인상기 외부 하우징 및 잉곳 인상기 외부 하우징 내에 형성된 잉곳 인상기 내부 챔버를 포함한다. 잉곳 인상기 내부 챔버 내에 도가니가 배치된다. 외부 공급 튜브는 적어도 부분적으로 잉곳 인상기 외부 하우징의 외측에 배치된다. 외부 공급 튜브는 외부 공급 튜브 챔버를 정의한다. 외부 공급 튜브는 원위 단부, 근위 단부 및 원위 단부와 근위 단부를 통해 연장되는 외부 공급 튜브 축을 갖는다. 세장형 부재는 외부 공급 튜브 축을 따라 외부 공급 튜브 챔버 내에서 이동 가능하다. 도펀트 리셉터클은 세장형 부재에 결합된다. 도펀트 리셉터클은 도펀트 리셉터클이 잉곳 인상기 외부 하우징의 외측에 배치되는 로딩 위치와 도펀트 리셉터클이 잉곳 인상기 내부 챔버 내에 배치되는 공급 위치 사이에서 이동 가능하다.
본 개시내용의 또 다른 양태는 도핑된 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 잉곳 인상기 장치에 관한 것이다. 잉곳 인상기 장치는 잉곳 인상기 외부 하우징 및 잉곳 인상기 외부 하우징 내에 형성된 잉곳 인상기 내부 챔버를 포함한다. 잉곳 인상기 내부 챔버 내에 도가니가 배치된다. 도펀트 도관의 가스 입구는 잉곳 인상기 내부 챔버의 외측에 배치되고 가스 출구는 잉곳 인상기 내부 챔버에 배치된다. 잉곳 인상기 챔버의 외측에 도펀트 기화 유닛이 배치된다. 도펀트 기화 유닛은 고체상 도펀트를 유지하기 위한 도펀트 챔버를 포함한다. 도펀트 기화 유닛은 고체상 도펀트를 가열하고 도펀트 가스를 생성하기 위한 가열 디바이스를 포함한다. 도펀트 기화 유닛은 도펀트 가스가 통과하는 출구를 포함한다. 출구는 도펀트 도관과 유체 연통한다.
본 개시내용의 앞서 설명된 양태와 관련하여 언급된 피처의 다양한 개선이 존재한다. 추가 피처가 또한 본 개시내용의 앞서 설명한 양태에 포함될 수도 있다. 이들 개선 및 추가 피처는 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 예시된 실시예 중 임의의 것과 관련하여 아래에 설명된 다양한 피처가 단독으로 또는 임의의 조합으로 본 개시내용의 앞서 설명한 양태 중 임의의 것에 통합될 수 있다.
도 1은 도펀트의 소스로서 붕산을 사용하여 실리콘 잉곳을 성장시키는 예시적인 방법의 개략도이고;
도 2는 도펀트 로딩 위치에 도펀트 리셉터클을 갖는 잉곳 인상기 장치의 실시예의 부분 측단면도이며;
도 3은 도펀트 리셉터클이 도펀트 공급 위치에 있는 잉곳 인상기 장치의 부분 측단면도이고;
도 4는 도펀트 리셉터클이 도펀트 공급 위치에 있는 잉곳 인상기 장치의 상세한 측단면도이며;
도 5는 고체상 도펀트를 유지하기 위한 도펀트 리셉터클 및 세장형 부재를 이동시키기 위한 병진 유닛을 포함하는 세장형 부재의 측면도이고;
도 6은 병진 유닛의 측면도이며;
도 7은 세장형 부재와 병진 유닛 사이의 조인트의 측단면도이고;
도 8은 리셉터클이 도펀트 로딩 위치에 있는 외부 튜브 내의 세장형 부재의 사시 단면도이며;
도 9는 리셉터클의 측단면도이고;
도 10은 잉곳 인상기 장치의 다른 실시예의 측단면도이며;
도 11은 잉곳 인상기 장치의 기화 유닛의 측단면도이고;
도 12는 기화 유닛의 사시도이며;
도 13은 기화 유닛의 상세한 측단면도이다.
대응 참조 부호는 도면 전체에 걸쳐 대응 부분을 나타낸다.
본 개시내용의 제공은 붕산을 함유하는 실리콘 용융물을 도핑(예를 들어, 카운터 도핑)하기 위한 방법에 관한 것이다. 추가 제공은 실리콘 용융물을 도핑하도록, 특히 붕산과 같은 고체상 도펀트를 사용하여 도핑하도록 구성된 잉곳 인상기 장치에 관한 것이다.
붕산을 사용한 도핑 방법
본 개시내용의 예시적인 방법이 도 1에 도시되어 있다. 방법은 고체상 붕산으로부터 붕소 함유 가스를 생성하도록 구성된 잉곳 인상기 장치를 사용하여 수행될 수 있다. 붕산을 사용하여 도핑하는 방법에 따라 사용될 수 있는 예시적인 잉곳 인상기 장치는 도 2 내지 도 13에 도시되어 있다. 방법을 예시하기 위해 도 2 내지 도 9에 도시된 잉곳 인상기 장치(100) 또는 도 10 내지 도 13에 도시된 잉곳 인상기 장치(400)를 참조하여 방법을 설명할 수 있지만, 방법은 달리 언급되지 않는 한 잉곳 인상기 장치(100, 400)로 제한되지 않아야 한다.
도 2를 참조하면, 실리콘 잉곳을 준비하기 위한 방법의 실시예에 따르면, 실리콘 용융물은 잉곳 인상기 장치(100)의 내부 챔버(102) 내에 배치된 도가니(104)에 준비된다. 도가니(104)는 서셉터(도시되지 않음)에 의해 지지될 수 있다. 잉곳 인상기 장치(100)는 도가니(104)를 회전시키고/시키거나 잉곳 인상기 장치(100) 내에서 수직으로 도가니(104)를 이동시키도록 구성될 수 있다.
실리콘 용융물을 준비하기 위해, 다결정 실리콘이 도가니(104)에 추가된다. 다결정 실리콘은 실리콘 용융 온도(약 1414℃)를 초과하여 가열되어 다결정 실리콘이 실리콘 용융물(108)로 액화되게 한다. 가열 시스템은 다결정 실리콘을 용융시키도록 작동된다. 예를 들어, 도가니(104) 아래 또는 그 측면에 있는 하나 이상의 히터가 실리콘을 용융시키도록 작동된다.
용융물(108)이 생성되기 전 또는 후에, 용융물은 용융물 내의 p-형 불순물(예를 들어, 붕소)을 보상하기 위해 도펀트, 통상적으로 n-형 도펀트로 도핑될 수 있다. n-형 도펀트는 잉곳(112)의 성장이 시작되기 전에 추가될 수 있다. 용융물을 보상함으로써, 결과적인 잉곳(112)의 저항률이 증가될 수 있다. 예를 들어, 잉곳의 시드 단부(즉, 잉곳 크라운에 가장 가까운 잉곳의 부분)는 저항률이 적어도 약 1,500 Ω-cm, 또는 다른 실시예에서와 같이 적어도 약 2,000 Ω-cm, 적어도 약 4,000 Ω-cm, 적어도 약 6,000 Ω-cm, 적어도 약 8,000 Ω-cm, 적어도 약 10,000 Ω-cm 또는 약 1,500 Ω-cm 내지 약 50,000 Ω-cm 또는 약 8,000 Ω-cm 내지 약 50,000 Ω-cm일 수 있다. 적절한 n-형 도펀트는 인 및 비소를 포함한다.
용융물(108)이 준비되면, 단결정 실리콘 잉곳(112)이 용융물(108)로부터 인상된다. 시드 결정(118)은 시드 척(114)에 고정된다. 시드 척(114) 및 결정(118)은 시드 결정(118)이 실리콘 용융물(108)의 표면과 접촉할 때까지 하강된다. 시드 결정(118)이 용융하기 시작하면, 인상 메커니즘은 단결정 잉곳(112)을 성장시킬 때까지 천천히 시드 결정(118)을 상승시킨다.
프로세스 가스(예를 들어, 아르곤)는 잉곳 인상기 장치(100)의 내부 챔버(102)를 통해 순환하게 된다. 프로세스 가스는 챔버(102) 내에 대기를 생성한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 개시내용의 방법의 실시예는 고체상 붕산(H3BO3)의 소스를 제공하는 단계를 포함한다. 붕산은 약 99% 순수 이상, 99.9% 순수 이상, 또는 99.99% 순수 이상과 같이 비교적 순수할 수 있다. 일부 실시예에서, 붕산은 비교적 동위원소적으로 순수할 수 있다(즉, 붕소-11). 예를 들어, 붕산은, 예컨대, 도 2 내지 도 9의 잉곳 인상기 장치(100)의 리셉터클(156)(도 4)에서와 같이 잉곳 인상기 장치(100)의 내부 챔버(102) 내에(즉, 하우징(116) 내에) 제공될 수 있다. 대안적으로, 고체상 붕산은 도 10 내지 도 13의 잉곳 인상기 장치(400)의 기화 유닛(414)의 도펀트 챔버(424) 내부와 같이 잉곳 인상기 외부 하우징(416)의 외측에 배치될 수 있다.
붕소 함유 가스는 고체상 붕산으로부터 생성된다. 생성된 가스는 일반적으로 붕산(H3BO3) 또는 그 유도체(BxOyHz + 착물)의 형태이고, 다른 화합물(예를 들어, 디보란(B2H6) 또는 붕소 디히드라이드(BH2))의 형태는 아니다. 그러나, 다른 붕소 화합물이 붕소 함유 가스에 추가될 수 있음을 이해하여야 한다.
고체상 붕산은 그의 용융 온도(약 171℃)를 초과하여 가열되어 고체상 붕산을 액화하고 붕산 액체를 생성할 수 있다. 이어서, 붕산 액체는 그의 기화 온도(약 300℃)를 초과하여 가열되어 붕소 함유 가스를 생성한다. 예를 들어, 고체상 붕산은 도 2 내지 도 9의 잉곳 인상기 장치에서 실리콘 용융물(108)로부터 복사된 열에 의해 또는 도 10 내지 도 13의 잉곳 인상기 장치의 기화 유닛(414)의 가열 디바이스(428)(도 12)에 의해 가열될 수 있다.
붕소 함유 가스가 생성되면, 붕소 함유 가스는 용융물(108)의 표면과 접촉하여 붕소가 용융물 내로 확산되게 한다. 예를 들어, 출구 튜브(168)(도 4) 내의 붕소 함유 가스의 유로는, 붕소 함유 가스가 도 2 내지 도 9의 잉곳 인상기 장치(100)에서와 같이 튜브 출구(170)를 통해서만 이동할 수 있거나 또는 붕소 함유 가스가 도 10 내지 도 13의 잉곳 인상기 장치(400)에서와 같이 프로세스 가스에 의해 운반될 수 있도록 제한될 수 있다.
붕소가 용융물에 진입하면, 붕소는 인의 상대적으로 낮은 분리 계수로 인해 용융물에 농축된 인을 보상함으로써, 잉곳 인상기 장치에서 형성되는 잉곳(112)의 잔여 부분의 저항률을 증가시킨다.
고체 도펀트를 사용하여 도핑하는 잉곳 인상기 장치
예시적인 잉곳 인상기 장치(100)는 일반적으로 도 2 내지 도 9에 도시되고 다른 예시적인 잉곳 인상기 장치(400)는 도 10 내지 도 13에 도시되어 있다. 도 2 내지 도 9의 장치(100) 및 도 10 내지 도 13의 장치(400)는 앞서 설명한 방법에서와 같이 고체상 붕산을 사용하여 붕소로 잉곳을 도핑하는 데 사용될 수 있거나, 자연 형태 또는 수화된 형태로, 또는 결정 성장 프로세스를 오염시키지 않는 화합물(예를 들어, 비교적 높은 농도의 B2O3가 SiO2 또는 도핑이 많이 된 Si-B 합금과 혼합된 도핑된 유리)로 실리콘의 융점(약 1414℃) 아래에서 기화될 수 있는 다른 고체상 도펀트와 함께 사용될 수 있다.
이제, 도 2를 참조하면, 잉곳 인상기 장치(100)는 하우징(116) 내에 잉곳 인상기 내부 챔버(102)를 정의하는 잉곳 인상기 외부 하우징(116)을 포함한다. 도가니(104)는 잉곳 인상기 내부 챔버(102) 내에 배치된다. 도가니(104)는 실리콘 잉곳(112)이 인상되는 실리콘 용융물(108)을 수용한다. 잉곳(112)은 열 차폐부(120)에 의해 덮여 있다.
잉곳 인상기 장치(100)는 도펀트 공급 시스템(126)을 포함한다. 도펀트 공급 시스템(126)은 잉곳 인상기 하우징(116)의 외측에 적어도 부분적으로 배치되는 외부 공급 튜브(130)를 포함한다. 외부 공급 튜브(130)는 내부에 외부 공급 튜브 챔버(136)를 정의한다. 외부 튜브(130)는 외부 하우징(116)으로부터 가장 먼 원위 단부(140) 및 하우징(116)에 가장 가까운 근위 단부(144)를 갖는다. 외부 공급 튜브 축(A130)은 외부 공급 튜브(130)의 원위 단부(140) 및 근위 단부(144)를 통해 연장된다. 외부 공급 튜브(130)는 스테인리스강 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다.
세장형 부재(150)는 외부 공급 튜브 축(A130)을 따라 외부 공급 튜브(130) 내에서 이동 가능하다. 세장형 부재(150)는 도 4에 도시된 바와 같이 잉곳 인상기 내부 챔버(102) 내로 하강될 수 있다. 예시된 실시예에서, 세장형 부재(150)는 튜브이다. 다른 실시예에서, 로드 또는 샤프트가 사용될 수 있다. 세장형 부재(150)는 석영과 같은 잉곳 인상기 챔버(102) 내의 환경을 견딜 수 있는 임의의 재료로 제조될 수 있다.
도펀트 리셉터클(156)은 세장형 부재(150)(도 4)에 결합된다(예를 들어, 그 내부에 포개진다). 도 8에 도시된 바와 같이, 리셉터클(156)은 세장형 부재(150)의 레지(160)에 맞닿을 수 있다. 리셉터클(156)은 레지(160) 상에 안착되는 숄더(162)(도 9)를 포함할 수 있다. 세장형 부재(150)를 이동시킴으로써, 도펀트 리셉터클(156)은, 도펀트 리셉터클(156)이 잉곳 인상기 외부 하우징(116)의 외측에 배치되는 상승된 위치(도 2, "도펀트 로딩 위치"로도 지칭될 수 있음)와 리셉터클(156)이 용융물(108)의 표면 근방의 잉곳 인상기 내부 챔버(102) 내에 배치되는 하강된 위치(도 3 및 도 4, "도펀트 공급 위치"로도 지칭될 수 있음) 사이에서 이동된다. 열 차폐부(120)는 용융물(108)에 접근하기 위해 세장형 부재(150) 및 이에 결합된 도펀트 리셉터클(156)을 위한 경로를 제공하도록 내부에 형성된 채널(124)(도 2)을 포함할 수 있다.
리셉터클(156)은 세장형 부재(150)로부터 분리 가능할 수 있다. 세장형 부재(150)는 리셉터클(156)에 대한 접근을 가능하게 하는 노치(164)(도 5)를 포함한다. 로딩 위치(도 2)에서, 리셉터클(156)은 도펀트로 충전하기 위해 세장형 부재(150)로부터 제거될 수 있다. 노치(164)는 리셉터클(156)에 대한 접근을 허용하기 위해 리셉터클(156)이 로딩 위치에 있을 때 접근 포트(166)와 정렬된다. 리셉터클(156)은 노치(164) 및 접근 포트(166)를 통해 리셉터클(156)을 당기기 위해 리셉터클(156)의 연결 루프(172)에 의해 파지될 수 있다. 다른 구성에서, 리셉터클(156)이 세장형 부재(150)에 배치될 때 도펀트가 리셉터클(156)에 추가될 수 있다.
리셉터클의 공급 위치(도 3 및 도 4)에서, 도펀트 가스는 고체상 도펀트로부터 생성된다. 도펀트 가스는 출구 튜브(168) 아래로 이동하고 출구(170)를 통해 이동하여 용융물(108)의 표면으로 지향된다.
예시된 실시예에서, 리셉터클(156)은 고체상 도펀트를 유지하는 캡슐(158)(도 9)이다. 캡슐(158)은 외부 캡슐 하우징(180)을 포함한다. 둑(182)이 외부 캡슐 하우징(180) 내에 배치된다. 둑(182)은 내부에 채널(184)을 형성한다. 둑(182)은 가스가 채널(184)을 통과할 수 있도록 각각 개방되는 상부 단부(188) 및 하부 단부(190)를 갖는다. 환형 챔버(194)는 둑(182)과 외부 캡슐 하우징(180) 사이에 배치된다. 고체 도펀트(174)(예를 들어, 붕산)는 환형 챔버(194) 내에 배치되고 캡슐 바닥(198)에 놓인다. 리셉터클(156)이 하강된 위치에 있을 때(도 3 및 도 4), 고체상 도펀트(174)가 가열되어 도펀트가 승화되거나 용융 및 증발되게 한다. 도펀트 가스는 환형 챔버(194)에서 상승하고 둑(182)의 상부 단부(188)를 통해 둑 채널(184)로 진입한다. 가스는 계속해서 채널(184)을 통과하여 둑(182)의 개방된 하부 단부(190)를 통해 빠져나간다. 도펀트 가스는 출구 튜브(168)(도 4)를 통해, 튜브 출구(170)를 통해 그리고 용융물의 표면을 향해 진행한다.
세장형 부재(150)는 가스가 세장형 부재(150) 위로 역류하는 것을 방지하는 기체 차단벽(240)(도 8)을 포함한다. 대안적으로, 세장형 부재는 가스가 역류하는 경로를 포함하지 않는 로드 또는 샤프트일 수 있다.
이제, 도 4를 참조하면, 잉곳 인상기 장치(100)는 외부 공급 튜브(130) 내에 격리 밸브(200)를 포함한다. 격리 밸브(200)는 세장형 부재(150)가 잉곳 인상기 내부 챔버(102)로부터 인출될 때 잉곳 인상기 내부 챔버(102)를 밀봉한다. 이는 포트(156)가 내부 챔버(102)로부터 격리되는 동안 도펀트 리셉터클(156)이 접근 포트(166)를 통해 접근되게 한다. 세장형 부재(150)가 하강될 때, 접근 포트(166)는 폐쇄되거나 프로세스 가스(예를 들어, 아르곤)의 소스에 연결될 수 있다. 격리 밸브(200)는 밸브(200)를 구동시키는 밸브 제어기(202)에 연결된다.
잉곳 인상기 장치(100)는 도펀트 로딩 위치(도 2)와 도펀트 공급 위치(도 3 및 도 4) 사이에서 도펀트 리셉터클(156)을 이동시키기 위한 병진 디바이스(208)(도 2)를 포함한다. 병진 디바이스(208)는 잉곳 인상기 장치(100)의 내부 챔버(102) 안팎으로 그리고 외부 공급 튜브 챔버(136) 내에서(즉, 외부 공급 튜브 축(A130)을 따라) 세장형 부재(150) 및 도펀트 리셉터클(156)을 이동시킨다. 일반적으로, 달리 언급되지 않는 한, 리셉터클(156)이 리셉터클(156)의 도펀트 로딩 위치와 도펀트 공급 위치 사이에서 이동되게 하는 임의의 병진 디바이스(208)가 사용될 수 있다.
예시된 실시예에서, 병진 디바이스(208)는 자기적으로 결합된 벽 관통 병진 유닛이다. 병진 디바이스(208)는 외부 튜브(212) 및 외부 튜브(212) 내에서 이동하는 내부 부재(214)를 포함한다. 내부 부재(214)는 병진 디바이스 핸들(216)에 자기적으로 결합된다. 외부 튜브(212)는 스테인리스강(비자성) 또는 다른 적절한 재료로 제조될 수 있다. 병진 디바이스 핸들(216) 및 내부 부재(214)는 핸들(216)과 내부 부재(214) 사이의 자기 결합을 가능하게 하도록 내부에 임베딩된 자석을 가질 수 있다.
내부 부재(214)는 또한 조인트(220)에서 세장형 부재(150)에 연결된다(도 7). 예시적인 조인트(220)는, 내부 부재(214)의 하부 부분을 둘러싸고 이에 핀 결합되는 슬리브(218) 상의 나사부와 맞물리는 나사 부재(224)를 포함한다. 조인트(220)는 제1 및 제2 o-링(228, 232) 및 o-링(228, 232) 사이에 배치된 부싱(236)을 포함한다. 나사 부재(224)는 o-링(228, 232)을 압축하여 o-링이 반경방향 외향으로 이동하게 함으로써 병진 디바이스 내부 부재(214)와 세장형 부재(150) 사이의 마찰 연결을 용이하게 한다.
병진 디바이스(208)의 핸들(216)은 축(A130)(도 2)을 따라 위아래로 이동될 수 있다. 핸들(216)이 이동함에 따라, 내부 부재(214)는 외부 튜브(212) 내에서 이동된다. 내부 부재(214)가 세장형 부재(150)에 결합되기 때문에, 세장형 부재(150) 및 리셉터클(256)은 잉곳 인상기 장치(100)의 내부 챔버(102) 안팎으로 이동하게 된다. 일부 실시예에서, 리셉터클(156)이 도펀트를 공급하기 위해 하강된 위치에 있을 때, 리셉터클(156)과 용융물(108) 사이의 거리는 리셉터클(156) 및 그 안의 고체상 도펀트에 인가된 열을 변경시키도록 (예를 들어, 조작자에 의해) 변화되어 도펀트 가스가 생성되는 속도를 제어할 수 있다. 다른 실시예에서, 리셉터클(156)은 수동이 아닌 액추에이터에 의해 로딩 위치(도 2)와 도펀트 공급 위치(도 3 및 도 4) 사이에서 이동될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 병진 디바이스(208)는 다른 구성을 가질 수 있다. 다른 예시적인 병진 디바이스는 벨로우즈 시스템 또는 외부에서 작동되는 선형 병진 디바이스(예를 들어, 외부에서 격리된 선형 레일 또는 공압 실린더에 부착된 로드)를 포함할 수 있다. 임의의 외부 액추에이터는 내부 챔버(102) 내부의 열과 진공으로부터 격리되어야 한다.
다른 예시적인 잉곳 인상기 장치(400)가 도 10 및 도 11에 도시되어 있다. 잉곳 인상기 장치(400)는 앞서 설명한 잉곳 인상기 장치(100)와 유사하게 작동할 수 있고 장치(100)의 작동은 장치(400)에 적용 가능한 것으로 고려되어야 한다(즉, 고체상 도펀트의 사용과 관련되지 않은 양태에서). 예를 들어, 잉곳 인상기 장치(400)는 하우징(416) 내에 내부 챔버(402)를 형성하는 외부 하우징(416)을 포함한다. 실리콘 용융물(408)을 내부에 유지하기 위한 도가니(404)가 챔버(402) 내에 배치된다. 장치(400)는 용융물로부터 인상된 잉곳을 덮는 열 차폐부(도시되지 않음)를 포함한다.
잉곳 인상기 장치(400)는 도펀트 도관(430)에 도핑된 가스를 공급하는 도펀트 기화 유닛(414)을 포함한다. 도핑된 가스는 도펀트 도관(430)을 통과하여 용융물(408)이 도핑되게 하도록 용융물(408)과 접촉한다. 도펀트 도관(430)은 잉곳 인상기 챔버(402)의 외측에 배치된 가스 입구(422)(도 11) 및 잉곳 인상기 내부 챔버(402)에 배치되고 용융물(408)의 표면 근방에 상대적으로 위치 설정된 가스 출구(426)를 포함한다.
도펀트 기화 유닛(414)은 잉곳 인상기 내부 챔버(402)의 외측에 배치된다. 도펀트 기화 유닛(414)은 고체상 도펀트(예를 들어, 상기 방법에서 설명된 바와 같은 붕산)를 유지하기 위한 도펀트 챔버(424)(도 13)를 포함한다. 프로세스 가스(예를 들어, 아르곤)는 제1 및 제2 프로세스 가스 입구(436, 440)를 통해 기화 유닛(414)을 통해 순환될 수 있다. 기화 유닛(414)의 도핑된 가스 출구(452)는 도핑된 가스를 용융물(408)의 표면으로 이동시키기 위해 도펀트 도관(430)(도 11)과 유체 연통한다.
도펀트 챔버(424)를 가열 챔버(472)(도 13)가 둘러싸고 있다. 가열 디바이스(428)(예를 들어, 저항 가열 요소)는 기화 유닛(414)에서 순환하는 가스를 가열한다. 가열된 가스는 도펀트 챔버(242) 내의 고체상 도펀트와 접촉하여 (예를 들어, 승화를 통해 또는 고체상 도펀트의 액화 및 기화에 의해) 도펀트 가스가 생성되게 한다. 도펀트 가스는 도핑된 가스 출구(452)를 통해 도펀트 도관(430)(도 11)으로 배출되는 도핑된 프로세스 가스를 생성하기 위해 프로세스 가스를 픽업한다. 기화 유닛(414)은 가열 챔버(472)의 벽을 통해 손실되는 열을 감소시키기 위해 열 차폐부(476)를 포함한다. 가열 챔버(472)는 오염을 감소시키기 위해 석영으로 제조될 수 있다.
격리 밸브(460)는 가열 챔버(472) 및 도펀트 챔버(424) 하류의 프로세스 가스 경로 내에 있다. 격리 밸브(460)는 도펀트가 용융물(408)에 첨가 되지 않을 때 챔버(402)를 밀봉하기 위해 잉곳 인상기 장치(400)의 내부 챔버(402)로부터 기화 유닛(414)을 격리한다. 밸브 제어기(464)는 밸브(460)를 구동시키기 위해 사용될 수 있다.
기화 유닛(414)은 가열 챔버(472)(도 13)의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(448)(도 12)를 포함한다. 온도 센서(448)는 감지된 온도에 기초하여 가열 디바이스(428)의 출력을 변경하기 위해 제어 유닛에 신호를 전송할 수 있다. 기화 유닛(414)은 도핑을 위해 격리 밸브(460)를 개방하기 전에 잉곳 인상기 장치 내부 챔버(402)와 압력을 균등화하고 펌프다운, 누설 테스트를 위한 진공 포트(456)를 포함한다.
실리콘 용융물로부터 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 종래의 방법과 비교하여, 본 개시내용의 실시예의 방법은 몇 가지 이점을 갖는다. 붕산을 사용하여 용융물이 카운터 도핑되는 실시예에서, 잉곳의 더 많은 부분이 고객 사양(예를 들어, 높은 저항률) 내에 있을 수 있고/있거나 잉곳의 유형 변경이 방지될 수 있다. 고체상 붕산은 비교적 쉽게 도펀트 가스가 생성되게 하는 비교적 낮은 용융 및 기화 온도를 갖는다.
종래의 잉곳 인상기 장치와 비교하여, 본 개시내용의 실시예의 잉곳 인상기 장치는 몇 가지 이점을 갖는다. 고체 도펀트를 유지하기 위해 도펀트 리셉터클이 사용되는 실시예에서, 리셉터클은 용융물의 열이 도펀트를 용융하고 기화시키게 하는 용융물 표면에 비교적 근접하게 배치될 수 있다. 용융물 근방에 리셉터클을 위치 설정하면 또한 결정 구조 또는 무결성의 손실을 초래하는 원소 붕소 또는 붕소 화합물의 석출 또는 응축 형성이 감소되거나 방지된다. 둑을 포함하는 도펀트 리셉터클을 사용하면 도펀트 입자가 리셉터클 밖으로 그리고 용융물로 추진되지 않고 리셉터클 내에서 이동하게 된다. 도펀트 입자가 용융물에 직접 진입하면 잉곳에서의 전위 손실이 0이 될 수 있다. 격리 밸브를 사용하면 잉곳 인상기의 내부 챔버가 고체상 도펀트 시스템로부터 격리되게 되어 용융물의 오염을 방지하고 고체상 도펀트를 다시 로딩할 수 있다. 자기적으로 결합된 벽 관통 병진 유닛을 사용하면 밀봉이 단순화되고 시스템이 기밀 환경을 유지하기 위해 더 견고하게 된다(예를 들어, 별개의 밀봉부 없음).
고체상 도펀트가 잉곳 인상기 하우징 외측의 기화 유닛에 의해 가스로 변환되는 실시예에서, 가열 디바이스는 도펀트를 가열하는 데 사용되어 도펀트가 용융물에 추가되는 속도의 제어를 개선할 수 있다. 프로세스 가스가 기화 유닛을 통해 순환되는 속도는 또한 용융물이 도핑되는 속도를 제어하는 데 사용될 수 있다. 공급 튜브 또는 도관이 잉곳 인상기 장치 내에서 이동 가능한 실시예에서, 용융물로부터의 거리를 제어하여 용융물에 대한 도펀트 추가 속도를 제어할 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "약", "실질적으로", "본질적으로" 및 "대략"은 치수, 농도, 온도 또는 기타 물리적 또는 화학적 특성 또는 특징의 범위와 함께 사용될 때, 예를 들어 반올림, 측정 방법론 또는 기타 통계적 변동으로 인한 변동을 비롯하여 특성 또는 특징 범위의 상한 및/또는 하한에 존재할 수 있는 변동을 커버하도록 의도된다.
본 개시내용의 요소 또는 그 실시예(들)를 도입할 때, 단수 표현("a", "an", "the" 및 "said")은 요소 중 하나 이상이 있음을 의미하도록 의도된다. "포함하는(comprising)", "포함하는(including)", "함유하는" 및 "갖는"이라는 용어는 포괄적으로 의도되며 나열된 요소 이외의 추가 요소가 있을 수 있음을 의미한다. 특정 배향을 나타내는 용어(예를 들어, "상단", "하단", "측면" 등)의 사용은 설명의 편의를 위한 것이며 설명된 항목의 임의의 특정 배향을 필요로 하지 않는다.
본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 상기 구성 및 방법에서 다양한 변경이 이루어질 수 있으므로, 상기 설명에 포함되고 첨부 도면(들)에 도시되어 있는 모든 요지는 한정의 개념이 아니라 예시적인 것으로 해석되어야 한다는 점이 의도된다.

Claims (19)

  1. 도핑된 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 잉곳 인상기 장치로서, 상기 잉곳 인상기 장치는:
    잉곳 인상기 외부 하우징;
    상기 잉곳 인상기 외부 하우징 내에 형성된 잉곳 인상기 내부 챔버;
    상기 잉곳 인상기 내부 챔버 내에 배치된 도가니;
    상기 잉곳 인상기 외부 하우징의 외측에 적어도 부분적으로 배치된 외부 공급 튜브 -상기 외부 공급 튜브는 외부 공급 튜브 챔버를 정의하고 원위 단부, 근위 단부 및 상기 원위 단부와 상기 근위 단부를 통해 연장되는 외부 공급 튜브 축을 가짐-;
    상기 외부 공급 튜브 축을 따라 외부 공급 튜브 챔버 내에서 이동 가능한 세장형 부재 - 상기 세장형 부재는 튜브, 로드 또는 샤프트임 - ; 및
    상기 외부 공급 튜브 축을 따른 상기 세장형 부재의 이동이 도펀트 리셉터클을 상기 외부 공급 튜브 축을 따라 이동시키도록 상기 세장형 부재에 결합된 상기 도펀트 리셉터클 - 상기 도펀트 리셉터클은 상기 도펀트 리셉터클이 상기 잉곳 인상기 외부 하우징의 외측에 배치되는 로딩 위치와 상기 도펀트 리셉터클이 상기 잉곳 인상기 내부 챔버 내에 배치되는 공급 위치 사이에서 이동 가능하고 하고, 상기 도펀트 리셉터클은 캡슐이 상기 외부 공급 튜브를 통해 연장되는 접근 포트를 통해 인상될 수 있도록 상기 세장형 부재로부터 분리 가능한 캡슐이고, 상기 캡슐은 상기 캡슐이 상기 외부 공급 튜브 축을 따라 상기 접근 포트와 정렬될 때 상기 잉곳 인상기 외부 하우징으로부터 외부적으로 접근 가능함-
    을 포함하는, 잉곳 인상기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 캡슐은:
    외부 캡슐 하우징; 및
    상기 외부 캡슐 하우징 내에 배치된 둑을 포함하고, 상기 둑은 도펀트 가스가 통과하는 채널을 형성하며, 상기 둑은 상부 단부 및 하부 단부를 갖고, 상기 상부 단부와 상기 하부 단부는 개방되며, 환형 챔버가 고체상 도펀트를 유지하기 위해 상기 둑과 상기 잉곳 인상기 외부 하우징 사이에 배치되는, 잉곳 인상기 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 세장형 부재는 레지를 포함하고, 상기 캡슐은 상기 세장형 부재의 레지 상에 안착되는, 잉곳 인상기 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 도펀트 리셉터클 아래에 배치되어 도펀트 가스를 용융물의 표면으로 지향시키는 튜브를 포함하는, 잉곳 인상기 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 세장형 부재는 튜브인, 잉곳 인상기 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 세장형 부재가 상기 잉곳 인상기 내부 챔버로부터 인출될 때 상기 잉곳 인상기 내부 챔버를 밀봉하기 위한 밸브를 더 포함하는, 잉곳 인상기 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 로딩 위치와 상기 공급 위치 사이에서 상기 도펀트 리셉터클을 이동시키는 병진 디바이스를 포함하고, 상기 병진 디바이스는 자기적으로 결합된 벽 관통 병진 유닛인, 잉곳 인상기 장치.
  8. 제1항에 있어서, 잉곳 성장 중에 상기 단결정 실리콘 잉곳을 보호하기 위한 열 차폐부를 더 포함하고, 상기 열 차폐부는 내부에 형성된 채널을 포함하고, 상기 세장형 부재는 상기 도펀트 리셉터클이 상기 공급 위치에 있을 때 상기 채널에 배치되는, 잉곳 인상기 장치.
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