KR20010043549A

KR20010043549A - 결정 성장 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20010043549A
Application number: KR1020007012668A
Authority: KR
Inventors: 베스윅죤알프레드
Original assignee: 스켈톤 에스. 알.; 더 세크러터리 오브 스테이트 포 디펜스
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1999-04-29
Publication date: 2001-05-25
Also published as: US6447602B1; EP1080256B1; HK1038946A1; CA2333194A1; HK1038946B; CN1247830C; EP1080256A1; DE69901830T2; TW406142B; GB9810207D0; RU2200776C2; DE69901830D1; JP2003512987A; CN1309728A; CA2333194C; JP4450992B2; WO1999058747A1

Abstract

결정 성장 장치는 결정이 성장하는 용융 물질의 공급을 포함하는 도가니와, 입력 통로를 따라 안내되는 방사물을 수용하기 위한 제 1 반사 수단, 및 제 2 반사 수단을 향한 반사 방사물을 포함하며, 여기서 상기 제 2 반사 수단은 출력 통로를 따라 출력 방사물을 반사한다. 상기 제 1 및 제 2 반사 수단은, 결정 성장시 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속할 수 있도록, 상기 용융 물질의 표면에 배열되거나 또는 상기 표면과 근접 위치된다. 상기 장치는 상기 제 1 및 제 2 반사 수단을 지지하기 위한 지지 수단을 부가로 포함하며, 상기 지지 수단은 상기 용융 물질상에 떠있도록 배열된다. 상기 장치는 단일 도가니 장치 또는 2중 도가니 장치가 될 수 있다. 2중 도가니 장치에 있어서, 상기 지지 수단은상기 제 1 도가니의 용융 물질과 액체적으로 연통하는 용융 물질을 포함하는 제 2의 내부 도가니로 될 수 있으며, 여기서, 상기 내부 도가니는 제 1 도가니의 용융 물질 위에 떠있게 되며, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단은 상기 내부 도가니상에 지지된다. 상기 장치는 성장 경계면 영역의 결정이나 또는 어떠한 부위의 화상을 형성하고, 성장시 결정 직경 측정이나 또는 메니스커스 직경 측정을 결정하기 위한 화상 처리 수단을 부가로 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 측정된 결정이나 또는 메니스커스 영역 직경에 반응하여 결정 성장을 제어하기 위한 수단을 포함한다. 본 발명은 또한 결정 성장에 있어서 사용되는 도가니 및 결정 성장 방법에 관한 것이다.

Description

결정 성장 장치 및 방법{Crystal growth apparatus and method}

저 결함 단결정 성장은 예를 들면 반도체 산업에 있어서 중요한 연구 대상이 되어왔다. 그와 같은 성장은 많은 변화를 겪고 있는 반도체 디바이스의 제조에 있어서 필수적인 전제 조건이 되고 있다.

단결정 성장을 위한 쵸크랄스키 시드-풀링 기술(Czochralski seed-pulling technique)이 널리 공지되어 있다[예를 들어, Z. Physic. Chem. (Liebzig) 92,219(1918)]. 그와 같은 기술에 의하면, 상기 시드 결정은 부가의 결정화를 용이하게 하기 위해 용융 물질(용해물)과 접촉한다. 그와 같이 생성된 결정은 성장함에 따라 상기 용해물로부터 얻어진다. 결정 성장을 위한 2중 도가니 방법이 또한 발전되어 왔다[예를 들면, Journal of Applied Physics, 29 no.8(1958) pp1241-1244 및 US 5,047,112]. 상기 장치들은 대표적으로 결정이 성장함에 따라 동일한 구성의 금속을 포함하는 외부 도가니를 포함한다. 내부 도가니는 외부 도가니의 용해물상에 떠있으며, 상기 내부 도가니의 측벽 바닥을 통하는 소형 채널은 용해물이 외부 도가니로부터 유입되도록 한다.

최근 변형된 2중 도가니 방법이 제안되었는데(GB 9412629.9), 여기서 1차 도가니가 2차 도가니를 형성하기 위해 사용된 물질보다 높은 열전도성을 갖는 물질로 제조되도록 용융 물질을 허용하는 인젝터가 사용된다. 상기 인젝터는 상기 1차 도가니의 용융 물질과는 비교적 높은 열접촉을 하고 2차 도가니의 물질과는 비교적 낮은 열접촉하도록 형성된다.

어떠한 결정 성장 기술에 있어서 중요한 관점은 성장 방법을 통한 시각화, 치수 및 결정 직경의 제어이다. 자동적으로 직경을 제어하기 위해 가장 빈번히 사용되는 방법은 결정 또는 도가니의 중량을 측정하는 방법이다[예를 들면, H.J.A. van Dick et al., Acta Electronica 17 1 45-55(1974), US 2,908,004]. 그와 같은 방법에 의해, 중량 변화율이 측정되고, 결정 직경을 산출하기 위해 사용된다. 그러나, 그와 같은 기술은 몇가지 단점을 갖는다.

일부 물질에 대하여, 액체의 밀도는 융점에서 고체의 밀도보다 크다. 따라서, 만약 상기 용해물의 온도가 증가되고 따라서 메니스커스 높이가 증가될 경우, 결정 중량은 온도 증가의 결과로 인해 직경이 감소됨에도 불구하고 증가된다. 그러한 결과로 인해 필요에 반하는 반대 부호의 제어 신호를 제공하게 된다. 이와 같은 문제점은 안티몬화 인듐을 포함하는 대부분의 그룹 Ⅲ-Ⅴ 반도체에 대해 발생한다. 또한, 상기 결정은 표면 장력에 의한 하향력에 종속되며, 상기 결정의 수직축에 대한 접촉각의 코사인에 비례한다. 대부분의 그룹 Ⅲ-Ⅴ 반도체를 포함하는 일부 물질에 있어서, 액체와 결정의 유효 접촉각은 포지티브(positive)하다. 온도의 증가에 대하여, 상기 결정 용해물 경계면 바로 아래의 메니스커스 직경은 감소되고, 상기 결정의 수직축에 대한 유효 접촉각은 감소된다. 따라서 표면 장력에 의한 상기 장치의 중량은 증가하며, 따라서 직경의 감소에 의해 필요로 하는 것과는 반대 부호의 제어 신호를 제공하게 된다. 이와 같은 문제점은 GB 1494342 및 GB 1465191에 설명되어 있다.

자동으로 결정 직경을 제어하기 위한 중량 측정 방법이 갖는 또 다른 문제점은 미분이 중량 신호에 있어서의 어떠한 소음도 효과적으로 증폭시킨다는 점에 있다. 따라서, 저 성장율에 있어서, 미분 중량 신호가 작을 때, 상기 중량 신호에 있어서의 소음 효과는 증가되고, 상기 미분을 위한 소음율에 대한 신호는 더욱 악화된다. 실제로, 이것은 상기 방법이 시간당 2 밀리미터 이하의 성장율에서 거의 사용되지 않는다는 사실을 의미한다. 또한, 큰 결정의 성장에 대하여, 중량 측정 장치는 큰 용량을 가져야만 하고, 따라서, 반드시 낮은 분해를 갖게 된다. 그에 따라 소 직경하에서 성장 제어의 정확성을 잃게 된다. 캡슐에 싸인 용해물의 경우, 캡슐물은 결정의 중량을 효과적으로 감소시킬 수 있는 부력을 제공한다. 예를 들면, 그와 같은 효과는 캡슐물의 깊이, 결정 직경 및 상기 결정으로부터의 캡슐물의 배출에 근거하여 변화한다.

X-레이 화상 기술도 또한 자동적으로 결정 직경을 제어하기 위해 사용된다[예를 들어, H.J.A. van Dick et al., Acta Electronica 17 1 45-55(1974)]. 그러나, 이와 같은 기술은 몇가지 단점을 갖는다. X-레이와 관련된 방사 위험이 따르며, 방사선 방지를 위한 과다 비용이 발생한다. 또한, 이와 같은 기술은 필요한 장비들의 크기와 그들이 결정 성장 장치 둘레에 조립되야 하는 필요성 때문에 불편함이 초래된다. X-레이 투명 윈도우도 또한 필요하게 된다. 이와 같은 화상 장치는 과다한 비용을 발생시킨다.

결정 성장을 가시화하기 위한 광학적 방법이 또한 사용되어 왔다. 공지된 광학적 기술은 주로 2가지 방법으로 구성된다. 한 가지 기술은 광 빔이나 또는 성장 경계면 근방의 메니스커스로부터 반사된 빔을 사용하는 기술이다. 메니스커스의 운동과 직경의 변화는 반사된 빔의 각도를 변화시킴으로써 검출된다[예를 들면, H.J.A. van Dick et al., Acta Electronica 17 1 45-55(1974), US 3,201,650]. 두 번째 방법은 메니스커스를 검출하고 화상 처리에 의해 직경을 결정하기 위해 성장 결정의 비데오 화상을 사용하는 기술이다[예를 들면, D.F.O'kane et al., Journal of Crystal Growth 13/14 624-628(1972)]. 그러나, 이와 같은 방법들은 다음과 같은 하나 이상의 단점을 갖는다. 화상에 있어서 결정의 식별 가능한 직경은 결정이 성장하고 용해물이 격감함에 따라 감소된 용해물 수준에 의해 깊이가 변화됨으로써 영향을 받는다. 또한, 만약 상기 결정 직경이 갑자기 크게 감소될 경우, 상기 메니스커스는 성장중인 결정하에 시각적으로 사라지며, 측정과 제어가 소실된다. 액체 캡슐화된 용해물의 경우, 캡슐로부터의 반사와 그의 메니스커스는 혼란을 초래한다. 용해물 수준이 감소됨에 따라, 상기 메니스커스의 시각은 도가니 벽에 의해 약화될 수 있다.

성장 처리시 용해물 깊이의 변화는 외부 풀링 기구에 의해 보상될 수 있다. 그러나, 그 경우는 부가의 장비를 필요로 하게 되며, 용해물 깊이가 감소되는 어떠한 작용도 극복될 수 없다. 예를 들어, 도가니 벽에 의한 메니스커스의 시각적 장애를 극복할 수 없게 된다. 이와 같은 문제점들을 극복하는 것이 본 발명의 목적이다.

저널 오브 크리스탈 그로스(Journal of Crystal Growth) 13/14 619-623(1972)에 있어서, 가트너(Gartner) 등은 결정 성장의 관측이 투명한 메니스커스에 대항하여 수평에 대해 15° 이하의 각도를 형성하는 가시화 방법을 공개하고 있다. 이와 같은 방법은 가능한 한 큰 도가니를 사용하게 되며, 용해물의 성장을 약 15㎜ 이하로 제한한다. 또한, 결정 화상은 성장 처리 개시시에 어두운 배경을 가지게 되며, 성장 처리 말기에는 밝은 배경을 가지게 된다. 이와 같은 배경의 불연속성은 복잡성과 제어의 불연속 가능성을 초래할 수 있다. 또한, 성장 결정의 화상은 용해물 수준이 낮아짐에 따라 이동되며, 카메라나 거울이 보정을 위해 조정되지 않을 경우 상기 화상은 카메라의 시계 안으로 이동한다. 상기 미러는 또한 성장 처리가 진행됨에 따라 더욱 제어를 어렵게 하는 휘발성 물질이 갖는 증기 적층으로 인해 반사의 악화를 격게 된다.

본 발명은 결정 성장 장치 및 결정 성장 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 결정 성장시 결정 직경을 자동 제어할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 결정 성장에 있어서 사용되는 도가니에 관한 것이다

이하, 본 발명은 첨부 도면을 참고로 오직 일례로서만 설명된다.

도 1은 광학 결정 직경 측정을 위한 종래 기술에 따른 장치를 도시한 도면.

도 2는 금속 표면 경계면을 더욱 상세히 도시한 선도.

도 3은 본 발명의 장치에 대한 한 실시예를 도시한 개략 선도.

도 4는 성장 메니스커스의 개략 화상도.

도 5는 도 4에 도시된 장치의 일부에 대한 다른 배열을 도시한 도면.

도 6은 제어 피드백 공정의 흐름도.

본 발명의 목적은 상술된 문제점들을 극복할 수 있는 결정 성장 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 결정 성장 장치는:

결정이 성장하는 용융 물질의 공급을 포함하는 도가니로서, 상기 용융 물질과 결정은 그들 사이에 메니스커스 영역을 갖는 것과,

입력 통로를 따라 안내되는 방사물을 수용하고 성장 경계면 영역을 가로지르는 방사물을 반사시키기 위한 제 1 반사 수단, 및

성장 경계면 영역을 가로질러 반사되는 방사물을 수용하고 출력 통로를 따라 출력되는 방사물을 반사시키기 위한 제 2 반사 수단을 포함한다.

여기서, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단은, 결정 성장시 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속할 수 있도록, 상기 용융 물질의 표면에 배열되거나 또는 상기 표면과 근접 위치된다.

상기 장치는, 상기 제 2 반사 수단으로부터 반사되는 출력 방사물을 관측함으로써 얻어진 성장 경계면 영역의 결정 또는 어떠한 다른 부위가, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단의 위치가 결정의 성장에 따라 발생하는 용융 물질의 깊이가 감소되는 것과는 별도로 독립적으로 됨에 따라, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단의 위치가 관측 영역에 고정된 상태로 남게 된다는 장점을 제공한다.

상기 장치는 제 1 및 제 2 반사 수단을 지지하기 위한 지지 수단을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 지지 수단은, 결정 성장시 상기 제 1 및 제 2 반사 수단이 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속하도록, 상기 용융 물질상에 떠있도록 배열된다.

상기 지지 수단이 제 1 및 제 2 반사 수단과 일체로 형성되거나, 또는 상기 제 1 및 제 2 반사 수단이 개별 지지 수단상에 장착될 수 있다.

선택적으로, 상기 지지 수단은 상기 제 1 도가니의 용융 물질과 액체적으로 연통하는 용융 물질을 포함하는 제 2의 내부 도가니가 될 수 있으며, 이 때, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단은 내부 도가니상에 지지되며, 내부 도가니는 제 1 도가니의 용융 물질상에 떠있게 된다. 이와 같은 배열은 종래의 2중 도가니 장치가 가지고 있던 모든 장점들을 포함할 뿐만 아니라, 또한 상기 제 2 반사 수단으로부터 반사되는 출력 방사물을 관측함으로써 얻어진 성장 경계면 영역의 결정 또는 어떠한 다른 부위의 화상이 결정의 성장에 따라 용융 물질의 깊이가 감소되는 것과는 별도로 독립적으로 상기 관측 영역에 고정된 상태로 남게 된다는 부가의 장점을 제공한다.

상기 제 1 및 제 2 반사 수단은 상기 제 1 반사 수단으로부터 반사된 입력 방사물이 용융 물질의 표면을 통해 제 2 반사 수단으로 반사되도록 배열될 수 있다.

상기 장치는 또한 출력 방사물을 수용하고 성장 경계면 영역의 결정 또는 어떠한 부위의 화상을 형성하기 위한 화상 처리 수단을 포함할 수 있다. 상기 장치는 상기 제 1 도가니의 내용물들을 가열하기 위한 수단을 부가로 포함할 수 있다.

적합하게도, 상기 입력 및 출력 통로는 수직에 대해 5° 이하의 각을 가지며, 상기 입력 및 출력 통로는 실제로 수직 방향을 갖는다.

상기 제 1 및 제 2 반사 수단은 편평한 거울이 될 수 있다. 상기 장치는 또한 입력 통로를 따라 방사물을 안내하기 위한 방사원(source of radiation)을 포함할 수 있다. 상기 장치는 또한 입력 통로를 따라 방사원으로부터 방사물을 안내하기 위한 하나 이상의 거울을 포함할 수 있다. 이와 같은 구성은 상기 방사원이 더욱 편리한 위치에 위치될 수 있다는 장점을 제공한다. 상기 장치는 또한 화상 처리 수단을 향해 제 2 반사 수단으로부터 반사된 방사물을 반사시키기 위한 하나 이상의 거울을 포함할 수 있다.

상기 장치는 또한 측정된 화상으로부터의 메니스커스 영역 직경 측정이나 또는 결정 직경 측정중 적어도 하나를 결정하기 위한 수단을 포함한다. 상기 장치는 또한 측정된 결정 직경이나 또는 측정된 메니스커스 영역 직경에 반응하여 결정 성장을 제어하기 위한 피드백 수단을 포함할 수 있다.

상기 제 1 반사 수단은 결정 직경 측정이나 또는 메니스커스 영역 직경 측정을 위한 스케일링을 제공하기 위한 측정 스케일로 설계될 수 있다. 선택적으로, 상기 장치는 결정 직경 측정이나 또는 메니스커스 영역 직경 측정을 위한 스케일링을 제공하기 위해 상기 제 1 반사 수단에 측정 스케일을 반사시키기 위한 수단을 포함할 수도 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도가니가 외부 도가니 안의 용융 물질상에 떠있는 용융 물질로부터 결정을 성장시키기 위해 사용되는 도가니는 방사물을 수용하고 성장 경계면 영역을 가로질러 방사물을 반사시키기 위한 제 1 반사 수단과, 상기 성장 경계면 영역을 가로질러 반사된 방사물을 수용하고 출력 방사물을 반사시키기 위한 제 2 반사 수단을 포함하며, 여기서 상기 제 1 및 제 2 반사 수단은, 결정 성장시 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속할 수 있도록, 결정 성장시 상기 용융 물질의 표면에 위치하거나 또는 상기 표면과 근접 위치하도록 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기 도가니는, 예를 들면 연마된 면과 같은, 도가니의 일체부로 되거나 또는 상기 도가니상에 장착될 수 있는 제 1 및 제 2 반사면을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 또 다른 실시예에 따르면, 결정 성장 방법은:

(가) 결정이 가열 수단으로 성장하게 될 용융 물질을 가열하는 단계로서, 상기 용융 물질과 결정은 그들 사이에 메니스커스 영역을 갖는 단계와,

(나) 성장 경계면을 가로질러 제 2 반사 수단으로 반사시키기 위한 제 1 반사 수단을 향해 입력 통로를 따라 방사물을 안내하는 단계와,

(다) 상기 제 2 반사 수단에서 제 1 반사 수단으로부터 반사된 방사물을 수용하고, 출력 통로를 따라 출력 방사물을 반사하는 단계, 및

(라) 결정 성장시 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속할 수 있도록, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단을 상기 용융 물질의 표면이나 또는 상기 표면에 근접하여 배열하는 단계를 포함한다.

상기 방법은, 결정 성장시 상기 제 1 및 제 2 반사 수단이 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속하도록, 상기 용융 물질상에 떠있도록 배열된 지지 수단상에서 제 1 및 제 2 반사 수단을 지지하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 또한 화상 처리 수단을 사용하는 성장 경계면 영역의 어떠한 부위나 또는 결정의 화상을 얻기 위한 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 화상 처리 수단으로부터의 메니스커스 영역 직경 측정이나 또는 결정 직경 측정중 적어도 하나를 결정하는 단계, 및 측정된 결정 직경이나 또는 측정된 메니스커스 영역 직경에 반응하여 결정 성장을 제어하는 단계를 부가로 포함할 수 있다.

도 1에는 종래의 쵸크랄스키 성장 기술(Czochralski growth technique)을 사용하는, 성장시 결정 직경을 측정하기 위한 공지된 광학 측정 장치를 개략적으로 도시하고 있다. 상기 장치(1)는 도가니(2)를 포함하며, 상기 도가니(2)는 용해물 표면(4)을 갖는 용융 물질(용해물)(3)을 포함하며, 상기 금속 표면은 가열 및 냉각 후에 예정된 구성의 결정(5)을 형성하도록 고체화 된다. 이와 같은 구성에 있어서, 상기 결정(5)의 직경은 상기 금속 표면(4)으로부터의 포인트원(P)에서 입력 레이저 빔(6)의 반사를 관측함으로써 측정된다. 상기 방사 빔(6)은 입력 신호를 주기적으로 변화시키기 위해 초퍼(7)를 통해 입력되고, 렌즈(L₁및 L₂)를 통해 초점을 맞추고, 금속 표면(4)을 향해 거울(8)로부터 반사된다. R에서 금속 표면으로부터 반사된 방사물은 렌즈(L₁)에 의해 초점이 맞춰지며, 거울(M₁및 M₂)에 의해 포토다이오드 검출기(D₁및 D₂) 위로 반사된다. 상기 포토다이오드에서의 휘도 분포율은 반사각에 의존하며, 상기 금속 표면(4)으로부터 빔의 반사각을 측정함으로써 표면 경사각(ø)이 결정될 수 있다(도 2 참조). 그것은 상기 표면 경사각이 고체-액체 경계면에서의 실질적인 결정 직경임을 나타낸다[예를 들면, H.J.A. van Dijk et al., Acta Electronica 17, 1, 1974 pp 45-55]. 따라서, 상기 반사각을 측정함으로써 결정 직경이 측정된다.

그러나, 상기 방법은 몇가지 단점을 갖는다. 예를 들어, 상기 결정의 외경은 상기 결정 성장 및 용해물이 격감됨에 따라 용해물 수준의 감소에 따른 깊이 변화에 의해 영향을 받는다. 또한, 만약 상기 결정 직경이 갑자기 충분히 감소될 경우, 상기 메니스커스는 시야에서 사라지고, 측정과 제어는 소실된다. 액체 캡슐화된 용해물의 경우, 일부 물질에서 요구되는 바와 같은, 상기 캡슐로부터의 광 빔의 반사와 그의 메니스커스는 혼란이 초래된다.

또한 다른 방법[예를 들면, Gartner et al. Journal of Crystal Growth 13/14 619-623(1972)]에 있어서, 결정이 성장함에 따라 용해물 수준의 감소에 따른 용해물 깊이의 변화는 또한 결정의 화상이 동일한 카메라 시계에서 이동함에 따라 문제점을 갖는다. 따라서, 이 방법에서 채용된 거울이나 또는 카메라는 보정을 위해 이동되어야만 한다.

본 발명의 목적은, 결정의 화상 위치가 용해물 깊이의 감소와는 독립되어 있고 따라서 외부 보정 수단을 필요로 하지 않는, 성장시 결정의 관측을 가능하게 하는 결정 성장 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 상기 장치는 쵸크랄스키 성장을 위한 종래 장치와 함께 사용하기 위해 용이하게 배열될 수 있다. 상기 장치는 특히 결정 성장을 위한 2중 도가니 기술에 적용될 수 있다. 그와 같은 시스템의 상세한 설명은 Journal of Applied Physics, 29 no.8(1958) pp1241-1244와 US 5,047,112 및 GB 특허 출원 9412629.9에 설명되어 있다.

도 3은 본 발명의 장치에 따른 2중 도가니에 대한 실시예를 도시하며, 상기 장치는 일반적으로 도면 부호 10으로 표기하였다. 상기 장치는 대표적으로 내부 도가니(11)를 포함하며, 상기 내부 도가니는 용해물(12)을 형성하기 위해 가열한 후 예정된 구성의 결정(1)을 형성하기 위해 고형화 될 물질을 포함한다. 상기 장치(10)는 또한 용해물 표면의 수준에서 또는 상기 표면 수준과 근접해서 상기 도가니(11)상에 지지되는 2개의 거울(14,15)을 포함한다. 또한 2개의 거울(16,17)이 부가될 수도 있으며, 상기 도가니(11)의 외부로 지지된다. 상기 장치는 또한 외부 도가니(50)를 포함할 수 있다.

상기 장치는 특히, 느린 성장이 구조적 냉각으로부터 발생하는 것과 같은 성장 결함을 회피하기 위해 필수적으로 되는, 결정들의 결정 성장을 허용하도록 설계된 2중 도가니 방법에 적용될 수 있다. 결정 성장을 위한 종래의 2중 도가니 시스템은 앞서 설명된 바 있다. 상기 내부 도가니(11)는 외부 도가니(50) 안에 위치한다. 결정(13)은 평행 상태 하에 외부 도가니에 있는 용해물(12b)과 동일한 구성을 갖는 내부 도가니의 용해물(12a)로부터 얻는다. 상기 내부 도가니(11)의 용해물은 채널(21)을 통해 외부 도가니(50)로부터 보충된다.

성장 경계면 영역의 확대 화상이 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 이것은 상기 결정(13), 성장 경계면(20)(예를 들면, 용해물/결정 경계면), 상기 용해물과 성장 결정 사이에 형성된 메니스커스(19) 및 용해물 표면(23) 뿐만 아니라 상기 성장 경계면에 근접한 성장 결정(13)의 일부를 도시한다. 본 명세서의 목적을 위해, 상기 "성장 경계면 영역"은 상기 성장 경계면(20), 메니스커스(19), 용해물 표면(23) 및 상기 성장 경계면(20) 영역에 있어서의 성장 결정을 포함하는 영역을 의미하도록 정의된 용어이다.

공급원(도시되지 않음)으로부터 유입되는 방사물(18)은 거울(14)을 향해 반사되는 거울(16)을 향해 안내된다. 거울(16,14)은 방사물이 실제로 수직 방향으로 거울(16)로부터 거울(14)로 반사되도록 배열된다. 도 4에 도시된 실시예에 있어서, 거울(14,15)은 그들 사이에서 반사된 방사물의 통로가 그의 표면(23)에서 용해물을 가로지르도록 배열된다. 거울(17)은 방사물이 거울(15)로부터 상향으로 수직으로 반사되도록 거울(15)에 대해 배열되고, 또한 상기 거울(17)은 출력 방사물(18b)이 상기 장치로부터 가시화가 용이한 위치로 반사되도록 각을 이룬다. 다음에, 출력 방사물(18b)은 화상 처리 수단(도시되지 않음)으로 출력된다. 상기 화상 처리 수단은 망원경을 통해 직접 상기 결정을 관측하는 사람의 눈이 될 수도 있다. 그러나, 실용적으로는 카메라로 결정을 관측하는 것이 적합하다. 다음에, 카메라에 의해 얻어진 화상은 소프트웨어에서 분석될 수 있으며, 이에 대하여는 나중에 더욱 상세히 후술하겠다.

결정 성장이 진행되는 동안, 상기 도가니(11) 안의 용해물(12a) 수준은 격감된다. 따라서, 상기 외부 도가니(50)의 용해물(12b) 수준은 결정이 성장함에 따라 낮아지며, 상기 내부 도가니(11)의 수직 높이는 감소된 용해물 깊이 내로 감소된다. 본 발명의 중요한 특징은 메니스커스 화상의 위치가 감소된 용해물 깊이(예를 들면, 외부 도가니의 용해물 깊이)와는 독립되어 있다는 점이다. 이와 같은 특징은 상기 거울(14,15)이 외부 도가니(50)의 용해물 상에 떠있는 내부 도가니(11) 안에 지지되기 때문에 발생한다. 이것은 상기 메니스커스 화상의 위치가 관측 시야에 고정된 상태로 남아있게 된다는 장점을 갖는다. 이것은 화상 처리를 위한 포획을 용이하게 한다. 이것은 감소된 용해물 깊이를 보상하기 위해 부가의 수단을 필요로 하던 종래의 광학적 측정 방법의 경우에 있어서는 가능하지 않다.

도 4에 도시된 2중 도가니 장치의 실시예에 있어서, 상기 거울(14,15)은 용해물(23)의 표면에 위치된다. 본 발명의 2중 도가니 장치의 다른 실시예에 있어서는, 상기 용해물(23)의 표면에 위치하는 것과는 달리, 상기 거울(14,15)은 상기 용해물(23)과 매우 근접하여 배열될 수 있다. 그와 같은 배열의 예에 대하여는 도 6에서 설명한다. 이와 같은 배열에 있어서, 상기 거울(14,15)은 내부 도가니(11)상에 지지될 수 있다. 상기 거울(14,15)은 유입되는 방사물이 거울(15)을 향해 반사되는 용해물 표면(23)상에서 거울(14)로부터 반사되도록 각을 이룬다. 또한 이와 같은 배열에 있어서, 상기 용해물 표면(23)에 대한 거울(14,15)의 위치는 상기 메니스커스의 화상 위치가 감소된 용해물 깊이와는 독립적으로 되도록 실제로 일정하게 유지된다.

상기 방법은, 만약 거울 쌍들(16/14 및 15/17) 사이의 수직으로부터의 방사물 광 통로의 편향각이 작을 경우만, 감소된 용해물 깊이와 독립적으로 된다. 상기 편향각(θ)에 대하여, 측정 에러는 θ≥5°의 각도에 대해 무시할 수 있는 tan²θ에 비례하게 된다.

다른 실시예에 있어서, 상기 도가니는 어떠한 채널도 갖지 않을 수도 있으며, 종래의 쵸크랄스키 성장을 위한 단일 도가니 시스템에 사용될 수도 있다. 이와 같은 실시예에 있어서, 상기 거울은 용해물 표면상에 떠있는 지지부 상에 위치될 수 있다. 상기 지지부는, 예를 들면 거울의 반사 코팅부가 제공되는 기판과 같은, 거울의 일체부가 될 수 있다. 상기 지지 수단은, 개별적으로 제조되거나 또는 거울(14,15)이 상기 용해물상에 떠있도록 장착되는, 칼라와 같은, 어떠한 지지부로도 될 수 있다.

상기 거울(14)은 반사면상에 형성된 눈금을 매긴 측정 스케일을 가질 수 있다. 이것은 결정 직경의 정확한 측정을 제공하기 위해 사용될 수 있거나, 또는 줌 렌즈의 초점 길이를 자동 또는 수동적으로 최적화하도록 화상 포착 하드웨어(예를 들면, 카메라 렌즈)을 조절하기 위해 사용될 수도 있으며, 따라서, 화상의 배율도 가능한 구멍을 초과하는 일 없이 가능한 한 높게 된다. 따라서, 최대 해상도와 정확한 제어가 가능해지며, 특히 성장의 정상적인 다른 시드 상태가 진행되는 동안 사용이 가능해진다. 선택적으로, 눈금을 매긴 측정 스케일은 거울상에 스케일을 형성하기 보다는 거울(14) 안으로 반사될 수 있다.

도 3에 도시된 상부 거울(16,17)은 필수적인 구성물은 아니다. 다른 실시예에 있어서, 상기 거울(16,17)은 거울 위치(16)에 위치한 광원 및 거울 위치(17)에 위치한(또는, 반대로 적합한 관측 위치에 의존하는) 검출 수단으로 대체될 수 있다. 또한, 상기 메니스커스 화상의 위치 결정은 작은 편향각(θ)에 대한 감소된 용해물 높이와 독립되어 수행되며, 상기 광원과 검출 수단을 적절히 위치 결정함으로써 성취될 수 있다.

종래의 광학 측정 구성에 있어서, 결정 직경의 갑착스런 감소는 결정 성장시 상기 메니스커스를 시계로부터 사라지도록 하며, 측정 및 제어가 불가능해진다. 본 발명을 사용함으로써, 상기 메니스커스는 결정 직경의 감소 및 상기 문제점이 해소된 후 명료해진다.

본 발명은 성장시 결정 직경을 측정하고 자동적으로 제어하기 위해 사용되는 종래 측정 기술 이상의 장점을 갖는다. 그와 같은 방법에 있어서는, 필요한 반대 방향의 제어 신호가 성장 결정 물질의 특성에 의해 우연히 얻어질 수 있다. 특히, 상기 방법은 InSb와 같은 그룹 Ⅲ-Ⅴ 반도체 물질에 대해 문제점을 갖는다. 본 발명에 따른 측정 방법은 그와 같은 문제점을 방지할 수 있으며, 쵸크랄스키 방법에 적합한 어떠한 물질에도 널리 적용될 수 있다. 상기 기술은 또한 캡슐에 의한 어떠한 역효과도 갖지 않는 캡슐화 용해물에도 적용될 수 있는데, 이는 캡슐로부터의 반사가 문제점을 야기하던 종래의 기술과는 전혀 다른 것이다.

또한, 종래 측정 기술은 중량 변화율에 대한 측정에 의존한다. 따라서, 만약 결정이 성장하지 않을 경우, 상기 기술은 결정 변화를 측정하기 위해 사용될 수 없다. 본 발명의 장점은 만약 결정이 성장하지 않을 경우라도 결정 직경이 직접 측정될 수 있다는 점에 있다. 이것은 특히 성장의 시드 상태의 경우 유용하며, 일반적으로 다른 시드 디핑 스테이지(seed dipping stage)로부터 자동적으로 성장시키기 위해 사용된다.

결정 성장에 대한 개량된 관측과 그의 메니스커스는, 특히 일반적으로 다른 성장의 시드 상태가 진행되는 동안, 훨씬 용이한 수동 성장 제어를 가능하게 한다. 실루에트, 또는 섀도우그래프와 같은 화상은 결정과 화상 배경 사이의 연속 화상 처리에 있어서 훨씬 용이하게 식별될 수 있다. 이것은 상기 결정 직경이 더욱 정확하게 측정될 수 있음을 의미한다. 높은 정확도는 성장 방법을 자동적으로 제어하기 위한 어떠한 피드백 제어 방법에 있어서도 중요하다.

성장하는 동안, 성장 결정의 화상이나 또는 성장 경계면 영역의 어떠한 부위도 종래의 비데오 카메라 및 프레임 그래버(frame grabber)를 사용하여 포획될 수 있다. 다음에, 상기 화상은 화상에 특별한 특징의 선형 측정을 제공하는 종래 상업적으로 이용 가능한 방법을 사용하여 분석될 수 있다. 결정 직경, 또는 성장 결정 바로 아래의 메니스커스 직경을 나타내는 화상의 일부를 선정함으로써, 상기 성장 결정의 유효 직경이 결정될 수 있다.

얻어진 값은 예정된 결정을 성취하기에 적합한 성장 비율을 변경하기 위해 용해물 온도, 도가니 히터에 제공되는 동력, 또는 결정 회수율을 대응적으로 조절하도록 피드백 방법을 제어하기 위해 사용된 에러 또는 어떠한 편차를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 도 6은 화상 포획으로부터 온도 제어에 이르는 본 발명에 따른 대표적인 자동 피드백 제어 방법에 있어서의 단계에 대한 흐름도를 도시하고 있다.

성장시 결정 직경을 측정하고 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법은 쵸크랄스키 성장 기술이나 또는 2중 도가니 기술 등과 같은 어떠한 종래의 기술에도 적용될 수 있다.

Claims

결정이 성장하는 용융 물질을 공급하고, 상기 용융 물질과 결정이 그들 사이에 메니스커스 영역을 갖는 도가니와;

입력 통로를 따라 안내되는 방사물을 수용하고 성장 경계면 영역을 가로지르는 방사물을 반사시키기 위한 제 1 반사 수단, 및

성장 경계면 영역을 가로질러 반사되는 방사물을 수용하고 출력 통로를 따라 출력되는 방사물을 반사시키기 위한 제 2 반사 수단을 포함하며,

상기 제 1 및 제 2 반사 수단은, 결정 성장시 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속할 수 있도록, 상기 용융 물질의 표면에 배열되거나 또는 상기 표면과 근접 위치되는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단을 지지하기 위한 지지 수단을 부가로 포함하며, 상기 지지 수단은, 결정 성장시 상기 제 1 및 제 2 반사 수단이 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속하도록, 상기 용융 물질상에 떠있도록 배열되는 결정 성장 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 지지 수단은, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단이 내부 도가니상에 지지되며, 상기 내부 도가니는 제 1 도가니의 용융 물질상에 떠있게 되도록, 상기 제 1 도가니의 용융 물질과 액체적으로 연통하는 용융 물질을 포함하는 제 2의 내부 도가니로 되는 결정 성장 장치.
제 2 항에 있어서, 상기 지지 수단은 제 1 및 제 2 반사 수단과 일체로 형성되는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단은 상기 제 1 반사 수단으로부터 제 2 반사 수단으로 반사된 입력 방사물이 용융 물질의 표면을 통해 성장 경계면 영역을 가로질러 반사되도록 배열되는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 출력 방사물을 수용하고 성장 경계면 영역의 결정이나 또는 어떠한 부위의 화상을 형성하기 위한 화상 처리 수단을 부가로 포함하는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 도가니의 내용물들을 가열하기 위한 수단을 부가로 포함하는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 입력 및 출력 통로는 수직에 대해 5° 이하의 각을 갖는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 입력 및 출력 통로는 실제로 수직 방향을 갖는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단은 편평한 거울인 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 입력 통로를 따라 방사물을 안내하기 위한 방사원(source of radiation)을 포함하는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 입력 통로를 따라 방사물을 안내하기 위한 방사원 및 하나 이상의 거울을 포함하는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 화상 처리 수단을 향해 제 2 반사 수단으로부터 반사된 방사물을 반사시키기 위한 하나 이상의 거울을 부가로 포함하는 결정 성장 장치.
제 13 항에 있어서, 측정된 화상으로부터의 메니스커스 영역 직경 측정이나 또는 결정 직경 측정중 적어도 하나를 결정하기 위한 수단을 부가로 포함하는 결정 성장 장치.
제 14 항에 있어서, 결정 직경 측정이나 또는 메니스커스 영역 직경 측정에 반응하여 결정 성장을 제어하기 위한 피드백 수단을 부가로 포함하는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 반사 수단에는 결정 직경 측정이나 또는 메니스커스 영역 직경 측정을 위한 스케일링을 제공하기 위한 측정 스케일이 표시되는 결정 성장 장치.
제 1 항에 있어서, 결정 직경 측정이나 또는 메니스커스 영역 직경 측정을 위한 스케일링을 제공하기 위해 상기 제 1 반사 수단의 측정 스케일을 반사시키기 위한 수단을 부가로 포함하는 결정 성장 장치.
도가니가 외부 도가니 안의 용융 물질상에 떠있는 용융 물질로부터 결정을 성장시키기 위해 사용되는 도가니에 있어서,

방사물을 수용하고 성장 경계면 영역을 가로질러 방사물을 반사시키기 위한 제 1 반사 수단과, 상기 성장 경계면 영역을 가로질러 반사된 방사물을 수용하고 출력 방사물을 반사시키기 위한 제 2 반사 수단을 포함하며,

상기 제 1 및 제 2 반사 수단은, 결정 성장시 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속할 수 있도록, 결정 성장시 상기 용융 물질의 표면에 위치하거나 또는 상기 표면과 근접 위치하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 도가니.
제 18 항에 있어서, 상기 도가니의 일체부인 제 1 및 제 2 반사면을 포함하는 도가니.
제 18 항에 있어서, 상기 도가니상에 장착된 제 1 및 제 2 반사면을 포함하는 도가니.
결정이 가열 수단으로 성장하게 될 용융 물질을 가열하는 단계로서, 상기 용융 물질과 결정은 그들 사이에 메니스커스 영역을 갖는 단계와,

성장 경계면을 가로질러 제 2 반사 수단으로 반사시키기 위한 제 1 반사 수단을 향해 입력 통로를 따라 방사물을 안내하는 단계와,

상기 제 1 반사 수단에서 제 2 반사 수단으로부터 반사된 방사물을 수용하고, 출력 통로를 따라 출력 방사물을 반사하는 단계, 및

결정 성장시 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속할 수 있도록, 상기 제 1 및 제 2 반사 수단을 상기 용융 물질의 표면이나 또는 상기 표면에 근접하여 배열하는 단계를 포함하는 결정 성장 방법.
제 21 항에 있어서, 결정 성장시 상기 제 1 및 제 2 반사 수단이 용융 물질의 표면에 대해 실제로 일정한 위치를 지속하도록, 상기 용융 물질상에 떠있도록 배열된 지지 수단상에서 제 1 및 제 2 반사 수단을 지지하는 단계를 포함하는 결정 성장 방법.
제 21 항 또는 제 22 항에 있어서, 화상 처리 수단을 사용하는 성장 경계면 영역의 어떠한 부위나 또는 결정의 화상을 얻기 위한 단계를 부가로 포함하는 결정 성장 방법.
제 23 항에 있어서, 상기 화상 처리 수단으로부터의 메니스커스 영역 직경 측정이나 또는 결정 직경 측정중 적어도 하나를 결정하는 단계, 및 측정된 결정 직경이나 또는 메니스커스 영역 직경에 반응하여 결정 성장을 제어하는 단계를 부가로 포함하는 결정 성장 방법.