KR20010022656A - 단결정 실리콘을 성장시키기 위한 비-대시 넥 방법 - Google Patents

Abstract

쵸크랄스키법에 따라 인상된 단결정 실리콘봉을 제조하기 위한 비-대시 넥 방법이 개시된다. 상기 공정은 시드 결정에 대한 열충격에 기인한 전위의 형성을 방지하기 위해, 실리콘봉의 성장 개시전에 직경이 큰 무전위 시드 결정을 열평형상태로 하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 공정은 저항 가열기를 사용하여 시드 결정의 하부 팁을 용융시켜, 시드 결정의 하부 팁이 용탕과 접촉하기 전에, 용융 캡을 형성하는 것을 특징으로 한다. 이러한 공정에 의해 성장 및 후속 핸들링시에 100㎏ 이상의 무게를 가진 실리콘봉을 지탱할 수 있는 짧고 직경이 큰 무전위 넥을 가진 단결정 실리콘봉이 제조될 수 있다.

Description

단결정 실리콘을 성장시키기 위한 비-대시 넥 방법{NON-DASH NECK METHOD FOR SINGLE CRYSTAL SILICON GROWTH}

대부분의 반도체 제조 공정의 기초 재료인 단결정 실리콘은 일반적으로 쵸크랄스키법에 의해 제조된다. 이 방법에 의하면, 다결정 실리콘 ("폴리실리콘") 이 결정 인상기내에 포함된 도가니내에 장입되어 용융된다. 8 내지 15㎜ 범위의 직경을 가진 시드 결정이 용탕 위쪽에 배치된 인상 케이블에 부착되며, 용융된 실리콘과 접촉할 때까지 하강된다. 시드 결정을 용탕 표면으로부터 서서히 끌어올려 단결정 실리콘봉을 성장시킨다.

결정 성장 개시 시에 시드 결정은 용융된 폴리실리콘보다 훨씬 낮은 온도에 존재한다. 결과적으로, 시드 결정이 용탕의 표면과 접촉하게 될 때, 시드 결정은 열충격을 받는다. 열충격은 시드 결정내에 전위가 형성되도록 한다. 이들 전위는, 시드 결정과 단결정 실리콘봉의 주몸체 사이의 영역인 넥에서 제거되지 않는다면, 성장되는 결정을 통해 퍼져나가 계속해서 증식한다.

이러한 전위들을 제거하기 위한 종래의 방법들은 작은 직경 (일반적으로 2㎜ 내지 4㎜) 을 가진 넥을 높은 인상 속도 (6㎜/분 정도) 에서 성장시키는 것을 포함한다. 이 방법은 단결정 실리콘봉의 성장이 개시되기 전에 전위들을 완전히 제거하기 위해 넥을 "쥐어짠다". 대시-넥이라고도 알려진 넥을 100㎜ 내지 150㎜의 길이로 성장시키면, 이들 전위들이 일반적으로제거된다.

넥의 전위들이 제거된 후에, 단결정 실리콘봉의 몸체가 원하는 지름에 이를 때까지 넥의 직경을 천천히 증가시킨다. 몸체는 대부분의 폴리실리콘이 고갈될 때까지 용탕으로부터 인상된다. 그 후에 도가니로부터 봉이 분리될 수 있을 정도까지 직경을 서서히 감소시켜 봉을 결정인상기로부터 제거한다.

이러한 길이의 넥 형성으로 인한 공정 지연 이외에, 넥이 결정의 가장 취약한 부분임에도 불구하고 단결정 실리콘봉의 전체 무게를 지탱해야 한다는 사실로부터 문제가 생긴다. 작은 지름을 가진 넥은 결정 성장 도중에 파단되어 결정의 몸체가 도가니내로 떨어지도록 한다. 이 때, 결정 잉곳에 의한 충격 및 이로 인한 용융된 폴리실리콘의 튀김 (splash) 이 도가니, 서셉터 및 가열기를 파괴할 수 있으며, 폴리실리콘 용탕을 회수할 수 없도록 하며, 심각한 안정성 문제를 제공할 수 있다. 넥은, 성장 공정이 완료된 후에, 단결정 실리콘봉을 후속 처리할 때 파단될 수도 있다. 이들 잠재적인 위험들 때문에, 넥 파단의 가능성을 최소화하기 위해, 대시 넥을 가진 종래의 200㎜ 직경의 결정은 일반적으로 100㎏ 이하의 무게로 성장된다.

넥 직경은 지탱될 수 있는 잉곳의 무게와 직접적으로 연관되는 것으로 보고되어져 왔다 (예컨대, 김 등이 발표한 결정성장 저널 (100 (1990)) 527-528쪽 참조). 넥 직경의 증가에 의한 넥 파단으로 인한 장비 및 원료의 손실과 안정성 문제를 최소화하려는 시도가 이루어져 왔다. 예컨대, 일본 특개평 05-43379 에는 대시 넥의 직경보다 큰 직경을 가진 넥을 형성하면서 전위를 제거하는 방법이 기술된다. 넥을 4.5㎜ 내지 10㎜ 범위의 일정한 직경을 유지하면서 30㎜ 내지 200㎜ 범위의 길이만큼 4㎜/분 내지 6㎜/분의 속도로 성장시켜 전위들을 제거한다. 그러나, 넥 직경이 10㎜를 초과하면, 전위들은 제거하기 어려운 것으로 알려져 있다.

이에 비해, 미국 특허번호 5,578,284 는 10㎜를 초과하는 직경을 가진 넥으로부터 전위들을 제거시키는 공정에 대해 설명한다. 이 공정은 4㎜/분 미만의 인상 속도를 채용하며 120㎜ 내지 180㎜의 넥 길이를 요한다. 이러한 직경의 넥에 대해서, 4.0 ㎜/분 미만의 인상 속도는 전위들이 형성되는 속도보다 빠르게 전위들을 제거시킨다고 알려져 있다.

넥 파단을 감소시키기 위한 다른 시도들은 결정 몸체를 위한 추가적인 기계적 지지체를 제공하는 것에 집중되어 있다. 예컨대, 미국특허번호 5,126,113 은, 단결정 실리콘봉이 성장되는 동안, 이를 지탱하기 위한 기구를 개시한다. 결정내의 전위들은 대시 방법에 의해 작은 지름의 넥을 성장시킴으로써 제거된다. 결정 몸체의 원뿔형 부분의 개시 전에, 큰 직경의 불룩한 부분이 대시 넥 아래에서 성장된다. 기계적 그립이 불룩한 부분 아래의 들어간 부분에 물려, 결정 몸체가 성장되는 동안 몸체를 지탱한다. 그러나, 이러한 그립을 사용하여 결정을 고정하는 경우, 정상 결정 성장 작동 조건들이 교란되어 대시-넥이 파단될 수도 있다.

상기 관점에서, 실질적인 장비 손상, 원료의 상실, 안정성 문제의 초래 및 처리량과 수율의 감소 없이도 보다 큰 직경을 가진 무전위 실리콘봉이 제조될 수 있도록, 단결정 실리콘봉의 넥의 전위들을 제거하는 공정에 대한 필요가 존재한다.

본 발명은 일반적으로 쵸크랄스키법에 의해 성장된 단결정 실리콘봉의 제조에 대한 것이다. 특히, 본 발명은 짧고 두꺼운 무전위 (dislocation-free) 넥 (neck) 을 가진 단결정 실리콘봉을 제조하는 비-대시 (non-dash) 넥 방법에 대한 것이다.

도 1 은 본 발명의 공정에 따라 보조 가열기의 일 실시예가 표시된, 결정 인상기의 일 예의 도식적 단면도이다.

도 2 는 용융 캡을 형성하기 위해 시드 결정을 보조 가열기로 충분히 가열한 후의 시드 결정의 일 예를 도시하는 수직 단면도이며, 빗금친 부분은 용융 캡을 도시하며 점선 부분은 시드의 고상 실리콘으로부터 용융 캡의 용융된 실리콘으로의 전이 영역을 개략적으로 나타낸다.

도 3 은 용탕과 접촉해 있는 시드 결정의 일 예를 도시하는 수직 단면도이며, 빗금친 부분은 용융 실리콘의 메니스커스를 도시하며 점선은 시드의 고상 실리콘으로부터 메니스커스의 용융된 실리콘으로의 전이 영역을 개략적으로 나타낸다.

도 4 는 단결정 실리콘의 넥 부분의 형성의 초기 단계의 일 예를 도시하는 수직 단면도이며, 점선은 시드 결정으로부터 넥의 초기 테이퍼링된 부분으로의 전이 영역을 나타내며, 빗금친 부분은 넥의 고상 실리콘과 용탕의 용융 실리콘사이에 존재하는 용융 실리콘의 메니스커스를 나타낸다.

도 5 는 본 발명의 공정에 의해 제조된 단결정 실리콘봉의 상부 영역의 일 예를 도시하는 수직 단면도이다.

도 6 은 저항 가열기 튜브들의 바람직한 실시예와 시드 결정에 대한 이들의 위치 및 용탕의 표면을 도시하는 측면도이다.

도 7 은 저항 가열기의 바람직한 실시예 및 시드 결정에 대한 튜브들의 위치를 도시하는 하면도이다.

도 8 은 저항 가열기의 바람직한 실시예의 부분도이다.

따라서, 본 발명의 목적에는 짧고 직경이 큰 무전위 넥을 가지며 쵸크랄스키법에 따라 인상되는 단결정 실리콘봉을 제조하는 공정의 제공; 결정성장 또는 핸들링시 파단 없이도 무거운 실리콘봉 몸체를 지탱할 수 있는 짧고 직경이 큰 넥을 가진 단결정 실리콘봉을 제조하기 위한 공정의 제공; 성장 시간의 감소 및 전체 생산 수율과 처리량의 개선을 가능케 하며 짧고 직경이 큰 넥을 제조하기 위한 공정의 제공이 포함된다.

즉, 본 발명은 쵸크랄스키법에 따라 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하기 위한 공정에 대한 것으로서, 상기 공정은

무전위 시드 결정의 하부 팁이 용융되어 용융 캡을 형성할 때까지 하부 팁을 가열하는 단계,

용융 캡이 용탕 표면과 접촉하게 될 때까지 시드 결정을 하강시키는 단계, 및

시드 결정에 인접하게 넥을 형성하기 위해 용탕으로부터 시드 결정을 인상하는 단계를 구비한다.

본 발명은 또한 쵸크랄스키법에 따라 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하기 위한 공정에 대한 것으로서, 상기 공정은

무전위 시드 결정을 실리콘 용탕 표면 위쪽의 위치로 하강시키는 단계,

시드 결정의 하부 팁을 용융시켜 용융 캡을 형성하기 위해, 보조 가열기를 시드 결정에 인접한 초기 위치로 하강시키는 단계,

용융 캡이 용탕 표면과 접촉하게 될 때까지 시드 결정을 하강시키는 단계, 및

보조 가열기를 실리콘 용탕 표면에 대해 제 2 위치로 인상시키는 단계를 구비한다.

본 발명의 다른 목적 및 특징의 일부는 자명하고 일부는 이후에 지적된다.

도 1 에서, 본 발명의 원리에 따라 건조된 쵸크랄스키 결정 인상기는 참조번호 10 으로 표시된다. 상부가 개방되고 일정량의 용융 실리콘을 함유하는 도가니 (14) 가 결정 성장 체임버 (12) 내에 위치한다. 단결정 실리콘봉 (도시되지 않음) 은 인상 케이블 (22) 에 부착된 척 (20) 내에 고정된 시드 결정 (18) 을 용탕 (16) 으로부터 인상시켜 제조된다. 인상 케이블 (22) 은 지지 구조체 (23) 의 작동에 의해 필요에 따라 회전 및 승강된다. 도가니 (14) 는 턴테이블 또는 서셉터 (24) 상에 탑재되며, 턴테이블 또는 서셉터 (24) 는 도가니를 필요에 따라 회전 및 승강시키기 위해 도가니 구동 유닛 (도시되지 않음) 에 연결된 샤프트 (26) 를 가진다.

본 발명의 공정에 따라 단결정 실리콘봉을 성장시키기 위해, 일정량의 폴리실리콘이 도가니 (14) 내에 장입되며, 도가니 (14) 를 둘러싸는 원통형 가열기 (28) 에 전류를 흘려보내 장입물을 용융시킨다. 무전위 시드 결정 (18) 은 일반적으로 약 8㎜ 내지 약 15㎜ 또는 그 이상의 범위의 최소 직경 (ds) 을 가진다. 시드 결정은 약 9㎜ 내지 약 13㎜ 범위의 최소 지름을 가지는 것이 바람직하며 약 10㎜ 내지 약 12㎜ 범위의 최소 지름을 가지는 것이 가장 바람직하다.

시드 결정 (18) 및 도가니 (14) 는 시드 결정 (18) 이 용탕 (16) 위쪽의 위치까지 하강함에 따라 회전되며, 시드 결정의 하부 팁이 상기 위치에서의 분위기와 열적 평형에 이를 때까지, 즉 약 1225℃ 내지 약 1375℃ 범위의 온도에 이를 때까지 시드 결정의 하부 팁의 온도가 용탕으로부터의 복사열에 의해 올라간다. 즉, 시드 결정 (18) 은 시드 결정 팁의 반경상의 모든 점에서의 온도가 약 1225℃ 내지 약 1375℃ 범위내가 될 때까지 상기 위치에 고정된다. 시드 결정의 회전 속도는 일반적으로 약 10 내지 약 18 rpm 이나 약 14 내지 약 16rpm 의 범위를 가지는 것이 바람직하며, 용탕/도가니의 회전 속도는 일반적으로 약 2 내지 약 10rpm 이다.

경험상 시드 결정 팁의 온도가 약 1225℃ 내지 약 1375℃ 범위내로 되는 데에는 약 10 내지 약 20분이 걸린다. 팁의 온도는 약 1250℃ 내지 약 1350℃ 범위내인 것이 바람직하며, 약 1275℃ 내지 약 1325℃ 의 범위내인 것이 가장 바람직하다. 열적 평형을 달성하기 위해, 시드 결정 (18) 은 실리콘 용탕 (16) 의 표면 위쪽으로 약 5㎜ 내지 약 15㎜의 거리가 될 때까지 하강된다.

도 1 및 2 에서, 시드 결정 (18) 이 열적 평형에 이른 후에, 초기에 시드 결정에 인접하도록 배치된 보조 가열기 (30) 에 의해 시드 결정의 하부 팁을 가열하여 그 온도를 천천히 올린다. 가열은 팁이 용융되어 시드 결정 (18) 의 하부 팁에서 볼록한 형상을 가지는 용융 캡 (2) 이 형성될 때까지 계속된다. 일반적으로, 용융 캡을 구성하는 용융된 실리콘의 길이가 약 2㎜ 내지 약 5㎜의 범위를 가질 때까지 팁을 용융시킴으로써 용융 캡을 형성한다. 용융 실리콘의 길이가 약 3㎜ 내지 약 4㎜가 될 때까지 팁을 용융시켜 용융 캡 (2) 을 형성하는 것이 바람직하다. 가열을 계속하여 더 긴 용융 캡을 형성할 수도 있음에 유의해야 한다. 그러나, 용융 캡 (2) 의 길이가 시드 결정 (18) 의 지름을 초과할 때까지 팁의 가열 및 용융이 계속되는 경우, 용융 캡이 시드 결정 팁으로부터 떨어질 수 있으므로, 이는 피해야 한다. 열충격에 의해 시드 결정내에 전위들이 생성되는 것을 피하기 위해 가열을 약 15 내지 20분에 걸쳐 천천히 수행해야 한다.

도 1 및 3 을 참조하여, 시드 결정 (18) 은, 용융 팁이 용탕 (16) 표면과 접촉하게 될 때까지, 일반적으로 약 0.5㎜/분 내지 약 4㎜/분의 속도로 천천히 하강된다. 일단 접촉하게 되면, 시드 결정의 하강은 정지된다. 보조 가열기 (30) 를 끈 후에, 성장 공정이 진행되는 동안 성장 공정에 방해되지 않도록 하기 위해, 유닛을 구동 모터에 의해 용탕 표면에 대해 제 2 위치로 인상시킨다.

시드 결정 (18) 의 위치는 약 5 내지 20분간 유지된다. 이 시간 동안, 본 기술분야에서 일반적으로 실시되듯이, 용탕의 온도가 너무 높은지 또는 낮은지를 판별하기 위해 시드/용탕 경계에서의 메니스커스 (19) 의 지름을 관찰한다. 예를 들어, 메니스커스의 직경이 시드 결정의 직경보다 크면, 용탕의 온도가 너무 낮은 것이다. 반대로, 메니스커스의 지름이 시드 결정의 지름보다 작으면 용탕의 온도가 너무 높은 것이다. 사정에 따라, 용탕/도가니의 회전 속도는 약 0.2rpm 내지 약 1rpm 정도 증가 (용탕의 온도가 너무 높은 경우) 또는 감소 (용탕의 온도가 너무 낮은 경우) 된다. 넥 성장 개시 전에 메니스커스의 직경이 시드 결정의 직경과 거의 동일하도록 만들기 위해 메니스커스의 직경을 이러한 방식으로 모니터링 한다.

도 4 및 5 를 참조하여, 원하는 메니스커스 직경이 일단 달성되면, 일반적으로 참조 번호 34 로 표시되는 단결정 실리콘봉의 넥 (32) 의 형성이 용탕표면으로부터 상방으로 시드 결정 (18) 을 천천히 인상시킴으로써 개시된다. 일반적으로, 인상 속도는 약 7㎜ 내지 약 15㎜ 또는 그 이상의 범위의 최소 직경을 가진 무전위 넥의 형성을 유지할 수 있을 만큼 느려야 한다. 따라서, 넥 형성 동안의 인상 속도는 시드 결정 (18) 의 최소 직경 (ds) 보다 약간 작은 최소 지름 (dn) 으로 넥 (32) 을 유지할 정도이어야 한다. 시드 직경에 대한 넥 직경의 비 (dn/ds) 는 약 0.7 내지 약 1 인 것이 바람직하며, 약 0.75 내지 약 0.95 인 것이 더 바람직하다. 그 비가 약 0.8 내지 약 0.9 인 것이 가장 바람직하다. 이러한 직경의 무전위 넥을 유지하기 위해, 인상 속도는 일반적으로 약 0.4㎜/분 내지 약 2.0㎜/분의 범위를 가진다. 인상속도는 약 0.7㎜/분 내지 약 1.2㎜/분의 범위를 가지는 것이 바람직하다.

넥 형성은 약 30㎜ 미만의 길이가 달성될 때까지 유지된다. 넥 길이는 약 20㎜ 미만인 것이 바람직하며 약 15㎜ 미만인 것이 가장 바람직하다. 길이가 30㎜를 초과하여도 본 발명의 공정에 의하면 무전위 넥이 유지됨에 유의해야 한다. 그러나, 경험상 30㎜를 초과하는 길이는 필요하지 않으며 따라서 이 길이를 초과하는 것은 공정 시간을 불필요하게 연장시키는 결과를 가져온다.

일단 무전위 넥 (32) 의 형성이 완료되면, 나머지 공정들이 종래 쵸크랄스키법과 유사하게 진행된다. 나팔 모양으로 바깥쪽으로 뻗은 시드-콘 (seed-cone) 부분 (36) 이 넥 (32) 에 인접하도록 성장된다. 시드-콘은, 인상 속도를 동일하게 유지하면서, 가열기 파워를 감소시켜 용탕 온도를 감소시킴으로써 넥의 직경을 계속적으로 증가시켜 성장된다. 따라서, 본 발명은 시드-콘 형성시 인상속도가 현저히 감소되는 표준 대시-넥 방법과는 다르다. 이것은 대시 넥에서 전위를 제거하는데 6㎜/분 정도의 인상 속도가 요구되기 때문이다. 따라서, 시드-콘 형성을 개시하기 위해 직경이 급격히 증가될 수 있도록 인상 속도를 크게 감소시킨다.

단결정 실리콘봉 몸체 (38) 의 원하는 지름이 얻어지면, 인상 속도를 일시적으로 증가시켜 쇼울더 (shoulder) (37) 를 형성한다. 인상 속도는, 몸체 (38) 가 쇼울더 (37) 에서와 동일한 직경으로 성장되는 동안, 유지된다. 용탕이 거의 고갈되면 인상 속도 및 용탕 온도를 증가시켜 테이퍼링된 엔드-콘 (도시되지 않음) 을 형성한다.

시드 결정 팁을 더욱 가열하여 용융시키는데 사용되는 보조 가열기 (30) (도 1 에 도시됨) 는 시드 결정 (18) 의 팁을 일반적으로 가열하는데 충분한 임의의 실시예를 따라 설계될 수도 있다. 그러나, 가열기는 결정 인상 공정에 일반적인 온도를 견딜 수 있으며, 오염원으로서 작용하지 않는 재료로 제조되어야 한다.

시드 결정 팁에 열충격을 주지 않도록, 레이저와 같은 광학 또는 광에너지원에 의한 가열보다는 저항 가열이 선호된다. 저항 가열기에 의해 발생되는 복사열이 약 10분 내지 약 20분의 시간에 걸쳐 결정 팁 전체의 온도를 서서히 증가시켜주는 수단을 제공한다. 이에 비해, 레이저에 의한 가열은 국부적이며 그 결과 제어하기가 더욱 곤란한 점이 있다. 또한, 레이저의 사용에 연관된 많은 잠재적 안전 문제가 없다는 점때문에 저항 가열이 레이저보다 선호된다.

도 6, 7, 8a, 및 8b 를 참조하여, 보조 가열기 (30) 의 바람직한 실시예가 설명된다. 바람직한 실시예에서, 저항 가열기는 기저판 (40) 을 구비하는데 이 기저판 (40) 에는 두개의 튜브 (42) 가 탑재된다. 튜브는 가열기가 정위치에 있을 때 튜브들 사이에 시드 결정이 끼워질 수 있을 정도의 충분한 거리로 이격된다. 일반적으로, 튜브 (42) 들 사이의 거리는 약 2㎝ 내지 약 5㎝ 이며, 약 3㎝ 내지 약 4㎝인 것이 바람직하다. 기저판 (40) 및 튜브 (42) 는 알루미나로 이루어지는 것이 바람직하다. 바람직하게는 탄탈 (tantalum) 로 이루어진 와이어 (44) 들이 각 튜브 (42) 주위에 감겨지며 저항 가열기의 가열 부품으로 기능한다.

기저판 (40), 튜브 (42) 및 와이어 (44) 재료 및 튜브 사이의 간격은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도, 변화될 수 있다.

기저판 (40) 은 당 기술분야에서 표준인 수단에 의해 수직 슬라이딩 기구 (31) (도 1 에 도시됨) 에 부착된다. 수직 슬라이딩 기구에 의해, 시드 결정 (18) 이 튜브 (42) 들 사이를 통과하도록, 저항 가열기가 용탕 (16) 위쪽에 배치될 수 있게 된다. 시드 결정 팁을 가열하여 용융 캡을 형성하고, 상기한 바와 같이, 시드 결정을 하강시켜 용탕 표면에 접촉시킨 후에, 저항 가열기가 그 초기 위치로부터 실리콘 용탕 표면 (16) 에 대해 제 2 위치로 인상되는데, 이 제 2 위치는 용탕표면으로부터 멀어진 위쪽이다. 이것은 인상 공정이 계속됨에 따라 결정 성장을 방해하지 않을 위치에 보조 가열기를 배치하기 위한 것이다. 이러한 제 2 위치에서, 가열기는 더 이상 시드 결정 팁을 용융된 상태로 유지하는데 충분한 열을 제공할 수 없다.

저항 가열기는 본 기술분야에 일반적인 수단에 의해 DC 전원 (도시되지 않음) 에 부착된다. 시드 결정 (18) 의 팁을 더욱 가열하여 용융시키기 위해, 시드 결정 (18) 팁을 서서히 가열하기에 충분하도록 가열기에 파워를 공급한다. 열충격으로 인해 시드 결정 (18) 내에 전위가 형성되는 것을 피하기 위해 서서히 가열하는 것이 매우 중요하다. 일반적으로 약 10 내지 약 20분에 걸쳐, 바람직하게는 약 14분 내지 약 16분에 걸쳐, 가열기에 공급되는 파워가 약 50W 에서 약 100W 로 증가된다. 공급된 파워는 튜브 (42) 주위에 감긴 와이어 (44) 를 가열하는 작용을 한다. 와이어 (44) 로부터의 복사열이 시드 결정 (18) 의 팁을 용융시켜 용융 캡을 만드는데 충분한 시간 동안 파워 공급이 유지된다.

단결정 실리콘봉내의 전위의 감지는 본 기술분야에서 종래부터 사용해온 여러 방법에 의해 수행될 수 있다. 예컨대, 단결정 실리콘봉의 성장 동안, 결정 표면상의 패싯 라인 (facet line) 이 존재한다는 것은 결정내에 전위가 부존재한다는 분명한 증거가 된다. 실리콘봉이 인상된 후에, 웨이퍼로 절단되며 그리고 나서 본 기술분야에서 일반적인 방법을 사용하여 전위에 대한 분석을 수행할 수 있다. 웨이퍼내에 전위가 없다면 실리콘봉에도 전위가 없다고 결론 지을 수 있다. 또는, 넥이 형성된 후에, 전위가 있는지 밝히기 위해 화학적 에칭에 의한 분석을 수행할 수도 있다. 이 방법에 의하면, 전체 넥의 축방향 단면의 (110) 면들을 기계적으로 연마하고, 임의의 표면 손상을 제거하기 위해 10:3:1 의 HOAc, HNO₃:HF 용액에 10분간 담그어 화학적으로 연마한다. 전위 에치 피트 (etch pit) 를 찾아내기 위해, 20분간 면들을 라이트 (Wright) 에칭한다. 넥이 무전위이면 어떤 피트도 관찰되지 않는다.

종래 쵸크랄스키 인상기내의 성장 조건하에서 무전위 단결정 실리콘봉 (34) 내에 새롭게 전위가 발생하는 것은 매우 어렵다는 것이 경험상 알려져 있음에 유의해야 한다. 따라서, 일반 본 발명의 공정에 따라 무전위 넥 (32) 이 성공적으로 형성되면, 단결정 실리콘봉은 무전위 상태를 유지한다.

본 발명의 공정은 적어도 약 100㎏ 내지 약 200㎏, 300㎏, 400㎏ 이상의 범위의 무게를 가진 무전위 단결정 실리콘봉을 제조하기 위한 수단을 제공한다. 또한, 본 발명에 의해 형성된 무전위넥의 길이는 표준 대시형 기술에 의해 형성된 넥 길이의 약 1/10 이기 때문에, 본 발명은 수율 및 처리량의 증가를 가져온다.

다음 예에 도시된 바와 같이, 본 발명의 공정은 쵸크랄스키법에 의해 제조되는 단결정 실리콘봉의 넥에 전위가 형성되는 것을 방지하는데 사용될 수 있다. 원하는 결과를 얻기 위해 사용될 수 있는 일군의 조건들을 다음 예에 기재한다. 이하에 제공된 데이터와 유사한 데이터가 다른 결정 지름 및 무게에 대해 얻어질 수 있다. 따라서, 다음 예는 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

예

강유체성 (Ferrofluidic) 쵸크랄스키 결정 인상기 및 붕소가 도핑된 폴리실리콘 120㎏ 이 장입된 24 인치 직경의 도가니를 사용한 본 발명의 공정에 의해, 약 200㎜의 직경 및 약 100㎏ 이상의 무게를 가진 단결정 실리콘 잉곳이 제조될 수 있다. 폴리실리콘을 용융시키기 위해 도가니를 둘러싸는 원통형 가열기에 파워를 공급한다. 폴리실리콘 장입물의 용융도중 발생하는 일산화규소 (silicon monoxide) 가스가 저항 가열기 및 시드 결정상에 응축되는 것을 방지하기 위해, 저항 가열기 및 시드 결정을 고온대 (hot zone) 로부터 이격되도록 결정 인상기내에 배치한다.

일단 장입물이 용융되면, 저항 가열기를 수직 슬라이딩 기구에 의해 용탕 표면의 중심 위쪽으로 약 15㎜ 되는 초기 위치까지 하강시킨다. 약 20분 내지 약 30분 동안 가열기가 열적 평형을 이루도록 방치하며, 그리고 나서 약 9㎜의 직경 및 약 160㎜의 길이를 가진 무전위 실리콘 시드 결정을 상기 위치까지 하강시킨다. 시드 결정의 팁은 저항 가열기로부터 뻗어나온 튜브를 사이에 위치하는데, 팁은 튜브 아래로 약 2 내지 3㎜ 그리고 용탕 표면으로부터 약 12 내지 13㎜에 위치한다.

결정을 이 위치에서 약 15분간 방치하여 인상기내의 온도와 열적 평형을 이루게 하며, 열적 평형이 이루어진 때에 저항 가열기에 의한 가열을 개시한다. 약 15분간에 걸쳐, 가열기에 공급되는 파워가 약 50W 에서 약 100W로 증가되며, 이 동안 시드 결정 팁이 용융되기 시작한다. 결과적으로, 약 3 내지 약 4㎜ 길이의 용융 캡이 형성된다.

일단 용융 캡이 형성되면, 가열기에 공급되는 파워는 약 5분의 시간에 걸쳐 0까지 감소되며, 이 동안, 시드 결정은 용탕 표면을 향해 약 2㎜/분 의 속도로 하강된다. 용융 캡이 용탕 표면과 접촉할 때까지 시드를 계속해서 하강시킨다. 시드 및 용탕은 각각 약 15rpm 및 약 8rpm의 속도로 회전된다. 일단, 용융 캡이 용탕 표면에 접촉하면, 하강은 중지된다. 그리고 나서, 가열기가 용탕 표면에 대해 제 2 위치로 용탕 표면으로부터 멀어지도록 상방으로 이동한다.

시드는 이 위치에 약 10분 내지 15분간 고정되며, 이 동안 시드/용탕 접촉면에서의 메니스커스의 형상을 관찰하여, 용탕의 온도가 너무 높은지 또는 너무 낮은지 (이는 메니스커스의 직경을 시드 결정의 직경과 비교함으로써 결정됨) 를 알아낸다. 필요에 따라 약 0.2 내지 1rpm 정도 용탕/도가니의 회전속도를 증가 또는 감소시킴으로써 조절을 행한다.

메니스커스의 직경이 시드 결정의 직경과 거의 동일하게 되면, 넥이 약 1.0㎜/분 의 속도로 성장시키기 시작한다. 약 8 내지 9㎜ 의 직경 및 약 18 내지 20㎜ 의 길이를 가지는 짧고 두꺼운 넥이 성장된다. 그리고 나서, 인상 속도를 약 0.6㎜/분으로 감소시키고 원통형 가열기로 공급되는 파워를 약간 감소시킴으로써 시드-콘이 성장된다. 쇼울더 부분, 일정한 직경의 몸체 부분, 및 엔드 콘 부분을 포함하는 단결정 실리콘 잉곳의 나머지 부분들이 본 기술분야에서 표준인 종래 쵸크랄스키 공정 파라미터에 따라 성장된다.

일단, 단결정 실리콘 잉곳의 성장이 완료되면, [100] 결정 성장 방향으로의 패싯 라인이 존재하는지 확인하기 위해 넥을 검사한다. 이들 라인이 존재하면 이는 무전위 성장이 이루어졌다는 증거가 된다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상기 방법에 다양한 변화가 가해질 수 있으므로, 상기 설명에 포함된 모든 것은 예시적인 것으로 해석되어야 하며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (11)

1. 무전위 시드 결정을 실리콘 용탕 표면 위쪽의 위치로 하강시키는 단계,

   보조 가열기를 상기 시드 결정에 인접한 초기 위치로 이동시키는 단계,

   상기 시드 결정의 하부 팁을 용융시켜 용융 캡을 형성하기 위해, 상기 시드 결정을 상기 가열기로 가열하는 단계,

   상기 용융 캡이 상기 실리콘 용탕 표면과 접촉하게 될 때까지 상기 시드 결정을 하강시키는 단계, 및

   상기 가열기를 상기 실리콘 용탕 표면에 대해 제 2 위치로 인상시키는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 쵸크랄스키법에 따라 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 시드 결정의 하부 팁의 용융이 약 14 내지 약 16분에 걸쳐 상기 팁을 가열함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 보조 가열기가 저항 가열기인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 용융 캡이 상기 용탕 표면과 접촉된 후에, 상기 시드 결정에 인접하게 무전위 넥을 형성하기 위해, 상기 무전위 시드 결정이 상기 실리콘 용탕으로부터 인상되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 무전위 넥이 약 30㎜ 미만의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 무전위 넥이 약 20㎜ 미만의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.
7. 제 4 항에 있어서, 상기 무전위 시드 결정의 최소 직경 (ds) 에 대한 상기 무전위 넥의 최소 직경 (dn) 의 비가 약 0.7 내지 약 1 의 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 ds 에 대한 상기 dn 의 비가 약 0.8 내지 약 0.9 인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.
9. 제 4 항에 있어서, 나팔 모양으로 바깥쪽으로 뻗은 시드-콘이 상기 무전위 넥에 인접하게 형성되고, 몸체가 상기 나팔 모양으로 바깥쪽으로 뻗은 시드-콘에 인접하게 형성되며, 상기 몸체가 약 100㎏ 이상의 무게를 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 몸체가 약 200㎏ 이상인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 몸체가 약 300㎏ 이상인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘봉의 성장을 개시하는 방법.