KR20020011956A - 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러 및 이를 이용한 단결정잉곳 성장방법 - Google Patents

자기장을 이용한 초크랄스키 풀러 및 이를 이용한 단결정잉곳 성장방법 Download PDF

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Abstract

커습 자기장의 세기와 위치를 제어하여 퓨어 실리콘을 위한 퓨어 마진을 향상시킨 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장방법이 개시된다. 본 발명의 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러는, 회전 및 승하강이 가능하며, 용융물을 담을 수 있는 도가니; 회전 및 승하강이 가능하며, 하단부에 부착된 씨드결정을 상기 도가니내에 담긴 용융물과 접촉시킨 후 수직으로 인상시키면서 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 씨드결정 인상부 및 수평적으로 상기 도가니의 외측으로부터 일정한 거리에 위치하며, 상기 도가니내의 용융물에 대하여는 수직방향으로 인가되는 자기장을 발생시키는 자기장 발생수단을 포함한다. 바람직하게는 상기 자기장 발생수단은 커습(cusp) 자기장을 발생시키며, 상기 커습 자기장의 제로 가우스의 수직위치가 용융물의 표면으로 부터 10 내지 300 mm 아래쪽에 위치한다.

Description

자기장을 이용한 초크랄스키 풀러 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장방법{Czochralski puller using magnetic field and method of growing single crystal ingot using the same}
본 발명은 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단결정 잉곳의 인상속도 향상 및 퓨어(pure) 실리콘 성장을 위한 퓨어 마진을 향상시키기 위하여 단결정 잉곳 성장시 이용되는 커습(cusp) 자기장을 사용하는 커습 초크랄스키 풀러 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장방법에 관한 것이다.
도1은 종래의 일반적인 초크랄스키 풀러(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도1에 도시된 장치는 외부로부터의 오염물을 차단하고 열적 안정성을 기하기 위해 밀봉된 하우징(도시안됨)내에 설치되며, 도가니(110)내에는 실리콘 용융물(160)이 담겨 있으며, 도가니(110)는 도가니 회전축(120)에 의하여 반시계방향으로 회전할 수 있으며, 또한 승하강 운동을 할 수 있도록 설치된다. 도가니(110)의 상측에는 그 하단부에 단결정으로 된 씨드결정(140)이 부착된 씨드결정 회전축(130)이 위치하며, 씨드결정 회전축(130)은 도가니 회전축(120)과 달리 시계방향으로 회전할 수 있으며, 또한 승하강 운동을 할 수 있도록 설치된다.
초크랄스키 풀러(100)에서의 결정성장을 간단히 살펴보면, 실리콘의 용융온도 이상으로 가열되어 용융된 실리콘 용융물(160)이 도가니(110)내에 담겨 있는 상태에서 씨드결정 회전축(130)이 하강하여 씨드결정(140)과 용융물의 표면을 접촉시킨 후 씨드결정 회전축(130)이 일정한 속도로 회전하면서 상방향(화살표 A)으로 인상되고, 동시에 도가니(110)는 씨드결정(140)의 회전방향과 반대방향으로 회전하면서 역시 일정한 속도로 상방향(화살표 B)으로 이동하면서, 단결정 실리콘 잉곳(150)이 성장된다. 도면에서 참조번호 "170"은 특정시간 후의 용융물(160)의표면을 가리키며, "180"은 그 후 일정시간이 경과한 후 용융물(160)의 표면이 하방향(화살표 C)으로 낮아진 후의 용융물(160)의 표면을 나타낸다.
일반적인 초크랄스키 단결정 실리콘 성장에서는 COP(Crystal Originated Particles)라 불리는 옥타헤드랄 보이드, OISF(Oxidation Induced Stacking Fault)-링, 인터스티셜(interstitial) 실리콘 전위루프 등과 같은 결정결함을 생성시킨다. COP는 스트레스에 의한 산화막의 파괴나 국부적인 산화막의 씨닝(thinning)을 일으켜 산화막의 절연특성을 악화시키고 소자분리를 파괴시키는 원인이 되고 있으며, OISF-링과 인터스티셜 실리콘 전위루프는 기판의 누설전류 파괴의 원인이 되고 있다. 따라서 이와 같은 결정결함들이 발생되지 않도록 단결정 실리콘을 성장시키기 위한 연구들이 많이 진행되고 있다.
한편, 초크랄스키 단결정 성장에서 상기와 같은 결정결함들의 형성은 주로 잉곳 성장에서 용융물과 잉곳의 경계에서의 축방향이나 반경방향의 온도구배에 대한 인상속도의 비인 V/G에 의해 결정된다. V/G가 인터스티셜 실리콘이 지배적인 결정 성장을 베이컨시 실리콘이 지배적인 결정성장으로 전환시키는 임계 V/G인 V/Gt에서의 문턱값보다 훨씬 클 경우 COP가 주로 형성되며, P-밴드라고도 불리는 OISF-링은 V/G가 V/Gt에 근접할 경우 형성되며, 인터스티셜 전위루프는 V/G가 V/Gt 보다 훨씬 작을 경우 형성된다. 한편, V/G가 V/Gt 보다 약간 낮은 경우 B-밴드라고 불리는 좁은 인터스티셜 실리콘 결합 밴드가 형성된다. 이러한 초크랄스키 결정성장 과정 동안에 V/G에 의한 결정결함의 형성을 연구한 결과 상기와 같은 결정결함들이 없는 퓨어(pure) 실리콘 단결정 잉곳은 경계면에서의 지름 및 축방향의 V/G가상기 P-밴드 하단과 B-밴드 상단 사이에 위치하도록 초크랄스키 풀러의 핫존(hot zone) 구조가 요구되고 있다.
퓨어 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해 일반적으로 초크랄스키법이 많이 사용되고 있으나, 초크랄스키 풀러의 핫존 구조, 즉 열용량, 용융물의 위치, 갭, 절연체, 히터, 히터 전력, 냉각 자켓, 도가니 크기, 씨드결정의 회전속도, 도가니의 회전속도, 하우징의 크기 등을 조절하여 퓨어 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있으나, 잉곳 성장 중에 잉곳내에 산소농도가 높게 나타날 수 있으며, 이러한 산소 농도 문제를 해결하기 위해 용융물의 플럭스(flux)를 제어할 수 있는 커습(cusp) 마그넷형 초크랄스키 풀러가 제안되었다.
도4는 종래의 일반적인 커습 초크랄스키 풀러(200)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도4에 도시된 장치도 외부로부터의 오염물을 차단하고 열적 안정성을 기하기 위해 밀봉된 하우징(도시안됨)내에 설치되며, 도가니(110)내에는 실리콘 용융물(230)이 담겨 있으며, 도가니(110)는 도가니 회전축(120)에 의하여 반시계방향으로 회전할 수 있으며, 또한 승하강 운동을 할 수 있도록 설치된다. 도가니(110)의 상측에는 그 하단부에 단결정으로된 씨드결정(140)이 부착된 씨드결정 회전축(130)이 위치하며, 씨드결정 회전축(130)은 도가니 회전축(120)과 달리 시계방향으로 회전할 수 있으며, 또한 승하강 운동을 할 수 있도록 설치된다.
전술한 도1의 일반적인 초크랄스키 풀러(100)와 달리, 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러(200)는 도가니(110)의 외측으로 도가니를 둘러싸는 형태로 수평적으로 일정한 거리를 두고 설치된 자기장 발생수단을 포함한다. 상기 자기장 발생수단은제1 자석(210) 및 제2 자석(220)이 수직적으로 결합한 형태로서, 구체적으로는 제1 자석(210) 및 제2 자석(220)의 N극이 서로 근접 결합되어 그 중앙으로부터 도가니(110)를 향하여 자기력선(D,E)이 향하는 형태로 구성되어 있다. 도면에서 참조번호 "170"은 특정시간 후의 용융물(230)의 표면을 가리키며, "180"은 그 후 일정시간이 경과한 후 용융물(230)의 표면이 하방향(화살표 C)으로 낮아진 후의 용융물(230)의 표면을 나타낸다.
한편, 용융물(230)내에서는 시계방향으로 회전하는 잉곳(240)과 반시계방향으로 회전하는 도가니(110)에 의해 잉곳이 성장되는 동안에 용융물(230)의 열대류에 의해 잉곳(240)과 용융물(230)의 경계면부근에서 아래로부터 위로 향한 후 반경방향 외측으로 향하는 제1 흐름(234)과 제1 흐름(234)의 아래쪽에서 도가니(110)의 아래로 향한 후 외측방향으로 향하는 큰 제2 흐름(232)이 형성된다.
한편, 도4에서와 같이 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러(200)에서는 수직적으로 제1 자석(210)과 제2 자석(220)이 결합되는 위치가 자기장이 제로가 되는 제로 가우스(zero gauss) 위치가 되며, 제로 가우스의 수직위치가 도가니(110)내의 용융물(230) 표면의 수직위치가 일치하거나 그 수직위치간의 차이가 ±10 mm이내가 되도록 유지되도록 잉곳(240) 및 도가니(110)를 동시에 상승시키면서 잉곳(240)을 성장시킨다. 이때, 커습 자기장은 도가니(110)내의 용융물(230)의 플럭스(flux)와 흐름(stream)에 큰 영향을 끼치기 때문에 퓨어 실리콘 잉곳의 퓨어 마진을 잃게 되어 퓨어 실리콘 잉곳의 성장이 어렵게 된다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러에서는 퓨어 마진에 대한 제어가 곤란할 뿐만 아니라 잉곳의 인상속도 제어가 곤란하여 퓨어 실리콘의 양산이 곤란하다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 용융물 대류에 수반되는 온도 변동이 최소화되도록 커습 자기장의 세기와 위치를 제어하여 퓨어 실리콘을 위한 퓨어 마진을 향상시킨 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 커습 자기장의 세기와 위치를 제어하여 퓨어 실리콘의 성장속도를 개선한 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장방법을 제공하는 데 있다.
도1은 종래의 초크랄스키 풀러를 나타내는 개략도이다.
도2는 도1의 풀러내에서 실리콘 용융물 플럭스(melt flux)를 시뮬레이션한 결과도면이다.
도3은 도1의 풀러내에서 실리콘 용융물 스트림(melt stream)을 시뮬레이션한 결과도면이다.
도4는 종래의 커습(cusp) 마그넷형 초크랄스키 풀러를 나타내는 개략도이다.
도5는 도4의 풀러내에서 실리콘 용융물 플럭스(melt flux)를 시뮬레이션한 결과도면이다.
도6은 도4의 풀러내에서 실리콘 용융물 스트림(melt stream)을 시뮬레이션한 결과도면이다.
도7은 본 발명의 일 실시예에 따른 커습(cusp) 마그넷형 초크랄스키 풀러를 나타내는 개략도이다.
도8은 도7의 풀러내에서 실리콘 용융물 플럭스(melt flux)를 시뮬레이션한 결과도면이다.
도9는 도7의 풀러내에서 실리콘 용융물 스트림(melt stream)을 시뮬레이션한 결과도면이다.
도10은 베이컨시 풍부영역의 직경에 대한 V/G의 영향을 도시한 그래프이다.
도11은 커습 자석 위치에 따른 Gc의 시뮬레이션값과 실제로 결정을 성장시켰을 때 퓨어 실리콘을 얻을 수 있는 인상속도와의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도12는 Gc의 시뮬레이션값과 동일 조건에서 실제로 결정을 성장시켰을 때 얻어진 퓨어 실리콘의 인상속도와의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도13은 커습 자석 위치에 따른 △G의 시뮬레이션값과 실제로 결정을 성장시켰을 때 퓨어 실리콘을 얻을 수 있는 퓨어 마진(pure margin)의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100 ; 초크랄스키 풀러
200, 300 ; 커습형 초크랄스키 풀러
110 ; 도가니 120 ; 도가니 회전축
130 ; 시드결정 회전축 140 ; 시드결정
150, 240, 340 ; 잉곳 160, 230, 330 ; 실리콘 용융물
210, 220 ; 자석
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러는, 회전 및 승하강이 가능하며, 용융물을 담을 수 있는 도가니; 회전 및 승하강이 가능하며, 하단부에 부착된 씨드결정을 상기 도가니내에 담긴 용융물과 접촉시킨 후 수직으로 인상시키면서 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 씨드결정 인상부 및 수평적으로 상기 도가니의 외측으로부터 일정한 거리에 위치하며, 상기 도가니내의 용융물에 대하여는 수직방향으로 인가되는 자기장을 발생시키는 자기장 발생수단을 포함한다.
상기 자기장 발생수단은 제1 자석 및 제2 자석이 상하에 수직적으로 결합되어 있으며, 그 자기력선의 방향이 그 결합된 중앙으로부터 출발하여 각기 제1 자석의 상단부 및 제2 자석의 하단부로 들어가는 커습(cusp) 자기장을 발생시키는 것이 바람직하며, 상기 자기장 발생수단은 자기장이 상기 용융물에 대하여 수직방향으로 인가되도록 상기 커습 자기장의 제로 가우스의 수직위치가 상기 용융물 표면의 수직위치와 일치하지 않도록 일정한 차이 이상 벗어난 위치, 바람직하게는 상기 자기장의 제로 가우스의 수직위치는 상기 용융물 표면의 수직위치로부터 적어도 10 mm 이상 아래쪽에, 보다 바람직하게는 10 mm 내지 300 mm 범위내의 아래쪽에 위치하도록 설정한다.
한편, 상기 자기장의 제로 가우스의 수직위치는 상기 용융물 표면의 수직위치로부터 적어도 10 mm 이상 위쪽에 위치할 수도 있다.
한편, 상기 자기장 발생수단은 상기 도가니의 승하강에 연동하여 승하강할 수 있거나, 또는 상기 도가니의 승하강에 관계없이 고정된 것일 수 있으며, 상기 용융물에 인가되는 자기장은 적어도 100 가우스 이상이 되도록 설정한다.
한편, 본 발명의 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장방법은, 도가니내의 용융물에 대하여 자기장을 인가할 수 있도록 수평적으로 상기 도가니의 외측으로부터 일정한 거리에 위치하는 자기장 발생수단을 포함하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러에서의 단결정 잉곳 성장방법에 있어서, 상기 자기장 발생수단에 의해 발생된 자기장이 상기 도가니내에 담긴 용융물에 대하여 수직방향으로 인가되도록 상기 도가니에 대한 상기 자기장 발생수단의 수직위치를 설정하는 단계 및 하단부에 씨드결정이 부착된 씨드결정 인상부를 하강시켜 상기 도가니내에 담긴 용융물과 상기 씨드결정을 접촉시킨 후 수직으로 인상시키면서 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함한다.
한편, 상기 자기장 발생수단의 수직위치를 설정하는 단계에서는, 상기 도가니내의 용융물에 대하여 자기장이 수직방향으로 인가되도록 자기장의 세기를 함께 설정할 수 있다.
상기 자기장 발생수단은 제1 자석 및 제2 자석이 상하에 수직적으로 결합되어 있으며, 그 자기력선의 방향이 그 결합된 중앙으로부터 출발하여 각기 제1 자석의 상단부 및 제2 자석의 하단부로 들어가는 커습(cusp) 자기장을 발생시키는 것이 바람직하며, 상기 자기장 발생수단은 자기장이 상기 용융물에 대하여 수직방향으로 인가되도록 상기 커습 자기장의 제로 가우스의 수직위치가 상기 용융물 표면의 수직위치와 일치하지 않도록 일정한 차이 이상 벗어난 위치, 바람직하게는 상기 자기장의 제로 가우스의 수직위치는 상기 용융물 표면의 수직위치로부터 10 mm 내지 300 mm 이상 아래쪽에 위치하도록 하며, 상기 용융말에 인가되는 자기장은 적어도 100 가우스 이상이 되도록 설정할 수 있다.
한편, 상기 성장되는 잉곳의 퓨어 실리콘(pure silicon) 마진이 0.001 mm/min 이상이 되도록 상기 자기장 발생수단의 수직위치 및 자기장의 세기를 조절하는 것이 바람직하며, 상기 단결정 잉곳 성장시 스트럭처 로스 프리퀀시(structrue loss frequency)가 1.5 이하가 되도록 상기 자기장 발생수단의 수직위치 및 자기장의 세기를 조절할 수 있으며, 바람직하게는 상기 성장되는 잉곳의 퓨어 실리콘(pure silicon) 마진이 0.015 mm/min 이상이 되도록 상기 자기장 발생수단의 수직위치 및 자기장의 세기를 조절한다. 상기 스트럭처 로스 프리퀀시는한번의 잉곳 성장시 하나의 퓨어 실리콘 잉곳이 성장되는 경우 1이며, 두번의 잉곳 성장시 하나의 퓨어 실리콘 잉곳이 성장되는 경우 2이며, 세번의 잉곳 성장시 하나의 퓨어 실리콘 잉곳이 성장되는 경우 3으로써 가능한 낮은 것이 바람직하며, 본 발명에서는 핫존 구조와 자석의 수직 위치 및 자기장의 세기를 조절하여 평균적으로 1.5 이하가 되게 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 커습 자기장의 세기와 자석의 위치를 최적화함으로써 용융물에 대하여 수직 자기장이 인가되는 형태로 설정하여 용융물의 플럭스를 약하게 하고 동시에 용융물의 흐름을 수직방향으로 분할시켜 작은 대류로 만들어 잉곳과 용융물의 경계에서의 온도 구배를 최소화시켜 퓨어 실리콘 잉곳을 만들 수 있는 퓨어 마진을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러(300)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도7에 도시된 장치도 외부로부터의 오염물을 차단하고 열적 안정성을 기하기 위해 밀봉된 하우징(도시안됨)내에 설치되며, 도가니(110)내에는 실리콘 용융물(330)이 담겨 있으며, 도가니(110)는 도가니 회전축(120)에 의하여 반시계방향으로 회전할 수 있으며, 또한 승하강 운동을 할 수 있도록 설치된다. 도가니(110)의 상측에는 그 하단부에 단결정으로 된 씨드결정(140)이 부착된 씨드결정 회전축(130)이 위치하며, 씨드결정 회전축(130)은 도가니 회전축(120)과 달리 시계방향으로 회전할 수 있으며, 또한 승하강 운동을 할 수 있도록설치된다. 상기 씨드결정 회전축(130)과 도가니 회전축(120)의 회전방향은 서도 반대 방향이면 상기 회전방향이 바뀌어도 좋다.
전술한 도4의 일반적인 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러(200)와 같이, 본 발명에 따른 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러도 도가니(110)의 외측으로 도가니를 둘러싸는 형태로 수평적으로 일정한 거리를 두고 설치된 자기장 발생수단을 포함한다. 상기 자기장 발생수단은 제1 자석(210) 및 제2 자석(220)이 수직적으로 결합한 형태로서, 구체적으로는 제1 자석(210) 및 제2 자석(220)의 N극이 서로 근접 결합되어 그 중앙으로부터 도가니(110)를 향하여 자기력선(D,E)이 향하는 형태로 구성되어 있다. 상기 자석들은 코일형태로 된 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. 도면에서 참조번호 "170"은 특정시간 후의 용융물(330)의 표면을 가리키며, "180"은 그 후 일정시간이 경과한 후 용융물(330)의 표면이 하방향(화살표 C)으로 낮아진 후의 용융물(330)의 표면을 나타낸다.
한편, 전술한 도4의 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러(200)와는 달리, 본 발명에 의한 풀러(300)에서는 상기 자기장 발생수단의 수직위치와 용융물(330)에 인가되는 자기장의 세기가 조절되어 있다. 즉, 도7에서 보여지듯이, 용융물(330)의 표면(180)의 수직위치에 대한 제1 자석(210) 및 제2 자석(220)의 수직위치가 아래쪽으로 "H"만큼 차이가 나는 위치에 설정된다. 즉, 커습 자기장의 제로 가우스의 위치가 용융물(330)의 표면으로부터 "H" 만큼 아래쪽에 위치함에 따라 제1 자석(210)으로부터 나온 자기력선(D)에 의해 도가니(110)내의 용융물(330)에는 도가니(110)의 하방에서 상방향으로 향하는 수직 자기장과 같은 효과를 나타낸다.
즉, 전술한 도 4의 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러(200)와 동일한 핫존 구조에서 다른 파라미터를 변경하지 않고 커습 자기장을 발생시키는 자석의 위치를 변경함으로써, 용융물(330)의 플럭스에 영향을 미칠 수 있다. 즉, 시계방향으로 회전하는 씨드결정(140)과 반시계방향으로 회전하는 도가니(110)에 의해 발생되는 용융물 플럭스 및 대류의 흐름에 대하여 수직방향으로 작용하는 본 발명에 따른 커습 자기장으로 인하여, 용융물 플럭스는 약화되고, 용융물의 대류는 억제되어 소순환 형태로 잘게 나누어진다. 따라서, 도7에서 보여지는 바와 같이, 용융물(330)내에서는 시계방향으로 회전하는 잉곳(340)과 반시계방향으로 회전하는 도가니(110)에 의해 잉곳이 성장되는 동안에 열대류에 의해 잉곳(340)과 용융물(330)의 경계면부근에서 아래에서 위로 향한 후 반경방향 외측으로 향하는 제3 흐름(334), 제3 흐름(334)의 아래쪽에서 도가니(110)의 아래로 향한 후 외측방향으로 향하는 제4 흐름(332), 제4 흐름(332)의 외측에서 상방향으로 흐르는 제5 흐름(336) 및 도가니(110)의 최외각부근에서 하측방향으로 흐르는 제6 흐름(338)으로 용융물(330)의 대류가 잘게 분할되어짐을 알 수 있다.
본 실시예에서는 직경이 예를 들어, 18인치인 도가니를 사용하여 자기장이 인가되지 않는 종래의 일반적인 초크랄스키 풀러(100), 제로 가우스의 수직위치가 용융물의 표면과 일치하는 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러(200) 및 본 발명에 따라 자기장의 제로 가우스의 수직위치가 용융물의 표면에 대하여 일정한 거리만큼 아래쪽에 위치하는 본 발명의 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러(300)를 사용하여 용융물의 플럭스, 흐름에 대하여 시뮬레이터인 FEMAG(Finite Element Methodfor Analysis of crystal Growth)를 사용하여 계산하였으며, 각 풀러내에서 실제 잉곳을 동일 조건에서 성장시킴으로써 검증하였다.
먼저, 자기장이 인가되지 않은 종래의 일반적인 초크랄스키 풀러(100)에서는 용융물 플럭스에 대한 시뮬레이션 결과가 도2에서와 같이 벡터값으로 표현되어 있으며, 용융물 흐름에 대한 시뮬레이션 결과는 도3에서와 같이 잉곳과 용융물의 경계 바로 아래에는 작은 흐름이 나타나며, 그 아래로 큰 흐름이 있는 것으로 나타났다. 또한 퓨어 실리콘 잉곳이 형성되는 길이에서 잉곳 성장축의 중심에서의 온도구배를 나타내는 Gc는 1.9772059 ℃/min이며, 반경방향으로의 온도구배와 관련된 △G는 0.4367138 ℃/min이며, 이때 V/G는 0.22354779 mm2min-1K-1로 나타났다. 한편, 실제의 잉곳을 동일한 조건하에서 성장시킨 결과 퓨어 실리콘 잉곳의 성장속도는 0.475 mm/min이며, 퓨어 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해 필요한 퓨어 마진(pure margin)은 0.017 mm/min으로 나타났다.
다음으로, 커습 자기장의 제로 가우스의 위치가 용융물의 표면과 일치하는 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러(200)에서는 자기장의 세기를 300 가우스로 한 경우, 벡터값으로 표현되는 용융물 플럭스에 대한 시뮬레이션 결과가 도5에서와 같이 표현되어 있으며, 용융물 흐름에 대한 시뮬레이션 결과는 도6에서와 같이 잉곳과 용융물의 경계 바로 아래에는 작은 흐름이 나타나며, 그 아래로 큰 흐름이 있는 것으로 나타났다. 또한 퓨어 실리콘 잉곳이 형성되는 길이에서 Gc는 1.8694966 ℃/min이며, △G는 0.4388106 ℃/min이며, 이때 V/G는 0.23642728 mm2min-1K-1로 나타났다. 한편, 실제의 잉곳을 동일한 조건하에서 성장시킨 결과 퓨어 실리콘 잉곳의 성장속도는 0.468 mm/min이며, 퓨어 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해 필요한 퓨어 마진(pure margin)은 0.001 mm/min으로 나타났다.
도2 및 도3과 도5 및 도6을 각기 비교해본 결과, 자기장이 인가되지 않은 일반적인 초크랄스키법에 의한 잉곳 성장에서보다 제로 가우스와 용융물 표면이 일치하는 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법에 의한 경우가 용융물의 플럭스 및 흐름(stream)이 강함을 보여주고 있다. 또한, 퓨어 실리콘 잉곳의 인상속도와 관련된 Gc값은 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법이 약간 낮아지며, 퓨어 실리콘 잉곳의 퓨어 마진과 관련된 △G값은 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법이 약간 크게 된다. 실제 잉곳의 성장에서도 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법의 경우 일반적인 초크랄스키법에 비하여 퓨어 실리콘 잉곳의 인상속도가 약간 작아지는 것으로 나타났으며, 퓨어 마진은 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법의 경우 매우 작어 거의 퓨어 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 없음을 알 수 있었다.
다음으로, 커습 자기장의 제로 가우스의 수직위치가 용융물의 표면의 수직위치로부터 300 mm 아래쪽에 위치하는 본 발명에 따른 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러(300)에서는 자기장의 세기를 300 가우스로 한 경우, 벡터값으로 표현되는 용융물 플럭스에 대한 시뮬레이션 결과가 도8에서와 같이 표현되어 있으며, 용융물 흐름에 대한 시뮬레이션 결과는 도9에서와 같이 잉곳과 용융물의 경계 바로 아래의 흐름이 약간 커지게 되나, 그 아래 및 도가니의 외측방향으로는 여러개의 작은 흐름으로 분할되어 나타났다. 또한 퓨어 실리콘 잉곳이 형성되는 길이에서 Gc는2.1034024 ℃/min이며, △G는 0.303652 ℃/min이며, 이때 V/G는 0.21013573 mm2min-1K-1으로 나타났다. 한편, 실제의 잉곳을 동일한 조건하에서 성장시킨 결과 퓨어 실리콘 잉곳의 성장속도는 0.487 mm/min이며, 퓨어 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해 필요한 퓨어 마진(pure margin)은 0.023 mm/min으로 나타났다.
도5 및 도6과 도8 및 도9를 각기 비교해 본 결과, 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법에 의한 잉곳 성장에서보다 제로 가우스와 용융물 표면이 일치하지 않는 본 발명의 커습 마그넷형 초크랄스키법에 의한 경우가 용융물의 플럭스가 매우 약하게 되고, 용융물의 흐름(stream)이 수직방향으로 분할되어 작은 순환을 갖는 대류로 변화됨을 보여주고 있다. 또한, 퓨어 실리콘 잉곳의 인상속도와 관련된 Gc값은 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법에 비하여 커지게 되며, 퓨어 실리콘 잉곳의 퓨어 마진과 관련된 △G값은 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법에 비하여 아주 작아지게 된다. 실제 잉곳의 성장에서도 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법의 경우에 비하여 퓨어 실리콘 잉곳의 인상속도가 약간 증가하는 것으로 나타났으며, 퓨어 마진은 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법의 경우에 비하여 매우 커짐을 알 수 있었다.
이상의 결과로부터 퓨어 실리콘 잉곳을 제작함에 있어서 V/G에 대한 제어도 중요한 요소이지만 커습 자기장의 세기와 자석의 위치를 최적화함으로써 퓨어 마진을 넓힐 수 있다. 본 발명에 따른 커습 마그넷형 초크랄스키법의 경우 퓨어 실리콘 잉곳의 성장속도는 약간 개선되었지만 퓨어 마진은 크게 개선되어 퓨어 실리콘 잉곳의 양산에 적용하기가 매우 용이하게 되었다. 이것은 용융물의 플럭스를 수직방향으로 분할시켜 작은 대류를 만듦으로써 잉곳과 용융물 경계의 온도구배를 최소화함으로써 퓨어 마진의 향상에 영향을 주는 것으로 생각할 수 있다.
도10은 V/G와 베이컨시 풍부영역의 직경간의 관계를 나타내는 하나의 예시 도면으로써, 퓨어 실리콘 잉곳의 성장을 위한 V/G의 영향을 설명하기 위한 것이다. 베이컨시 풍부영역(I)과 낮은 COP 발생영역(II)에서 알 수 있는 바와 같이 이들 영역에서는 V/G의 감소에 따라 베이컨시 풍부영역의 직경도 감소하여 베이컨시 풍부영역이 잉곳의 중심축으로 수축함을 알 수 있다. 도면에서 "a"는 베이컨시 풍부영역(I)내의 한 지점을 나타내는 것이며, "b"는 COP 발생영역(II)내의 한 지점을 나타낸 것이다.
V/G값이 0.221 mm2min-1K-1인 P-밴드영역(III)에서는 베이컨시 풍부영역이 완전히 사라지며, 베이컨시 풍부영역에서 인터스티셜 풍부영역으로 변화되는 V/G 문턱값은 0.213 mm2min-1K-1이며 도10에서 위치 "g"를 가리킨다. V/G 값이 0.211 mm2min-1K-1(위치 "h")보다 작을 때는 인터스티셜 전위 루프영역(VI)이 형성된다. 좁은 인터스티셜 실리콘 결합 밴드인 B-밴드영역(V)은 V/G가 임계 V/Gt 보다 약간 작은 경우 형성되며, 잉곳의 길이방향으로 자른 단면상에서 M자형으로 나타난다. 퓨어 실리콘 잉곳의 영역(IV)은 P-밴드영역(III)의 하단부인 위치 "d"와 B-밴드영역(V)의 상단부인 위치 "f"와의 사이에 위치한다.
퓨어 실리콘 잉곳 영역(IV)은 베이컨시 영역 내에서의 퓨어 실리콘(Pv)와 인터스티셜 영역 내에서의 퓨어 실리콘(Pi) 및 Pv와 Pi 혼합의 퓨어 실리콘 영역을 포함하며, 초크랄스키 결정성장 동안에 지름 및 축방향의 V/G값이 위치"f"와 "d" 사이에 있어야 한다.
다음으로, 전술한 시뮬레이터 FEMAG에 의한 계산결과와 실제로 성장시킨 실리콘 단결정 잉곳과의 상관관계를 보다 많은 실험 데이터를 통하여 알아본다.
도11은 커습 자석 위치를 변화시키면서 FEMAG 시뮬레이터에 의한 Gc의 계산값과 실제 잉곳을 성장시켰을 때 퓨어 실리콘을 얻을 수 있는 인상속도(pull rate)와의 상관관계를 나타낸 것이다. 그래프의 가로축에서 "CZ"는 자기장을 적용하지 않은 일반적인 초크랄스키법에 의해 결정을 성장시킨 경우이며, 다른 경우는 300 가우스의 자기장 세기하에서 커습 자기장의 제로 가우스의 위치를 실리콘 용융물의 표면에 대하여 각기 +100mm, +40mm, 0, -40mm, -300mm에서 잉곳성장을 시작하는 경우를 나타내며, 가로축에서 표시 ■은 시뮬레이션에 의한 Gc의 계산값이며, 표시 ◆은 실제 결정의 인상속도를 나타낸다.
도11로부터, 시뮬레이션에서 퓨어 실리콘이 되는 잉곳의 길이에서의 Gc는 자기장을 가하지 않은 초크랄스키법에서는 1.9772059 ℃/min이지만, 종래의 커습 마그넷형 초크랄스키법(커습 자석위치 0 mm)에서는 1.8694966 ℃/min으로 낮아진다. 따라서 종래의 커습 마그넷형의 경우에는 일반적인 초크랄스키법 보다 퓨어 실리콘을 성장시킬 수 있는 인상속도가 낮아짐을 알 수 있다. 반면에 커습 마그넷의 코일 위치를 용융물 표면에서 -40 mm로 하게 되면 시뮬레이션값은 1.9118401℃/min으로 종래의 커습 마그넷형 보다 약간 높아지며, 커습 마그넷의 코일 위치를 -300 mm로하게 되면 시뮬레이션값 Gc는 2.1034024 ℃/min로 매우 높아지게 된다. 커습 마그넷 코일의 위치를 +40 mm와 +100 mm로하여 시뮬레이션한 Gc값도 종래의 커습 마그넷형인 0 mm위치에서의 값보다 커짐을 알 수 있다.
이와 동일한 방법으로 실제 결정을 성장시킨 결과, 일반적인 초크랄스키법에서는 퓨어 실리콘이 성장된 잉곳 길이에서의 성장속도는 0.475 mm/min이었으며, 종래의 커습 마그넷형의 방법으로 성장시킨 경우 퓨어 실리콘이 되는 잉곳의 인상속도는 0.468 mm/min으로 일반적인 초크랄스키법에서보다 약간 저하되었다. 반면에 커습 마그넷의 코일 위치를 -40 mm로 하게 되면 퓨어 실리콘이 되는 잉곳 길이에서의 인상속도는 0.473 mm/min으로 약간 높아지게 되며, -300 mm로 한 경우 인상속도는 0.487 mm/min으로 높아지게 됨을 알 수 있다.
도12는 시뮬레이션에 의한 Gc의 계산값과 동일 조건으로 실제 잉곳을 성장시켰을 때 얻어진 퓨어 실리콘의 인상속도와의 상관관계를 나타낸 그래프이다. 시뮬레이션에서 계산된 Gc값이 높아지면 인상속도도 그것과 비례하여(y=0.0779x + 0.3226) 높아지고 R2=0.9736으로 상관성이 매우 좋다는 것을 알 수 있다.
도13은 도11에서와 같은 방법으로 커습 자석 위치를 변화시키면서 FEMAG 시뮬레이터에 의한 △G값과 실제 잉곳을 성장시켰을 때 퓨어 실리콘을 얻을 수 있는 퓨어 마진을 나타낸 것이다. 그래프의 가로축에서 "CZ"는 자기장을 적용하지 않은 일반적인 초크랄스키법에 의해 결정을 성장시킨 경우이며, 기타는 300 가우스의 자기장 세기하에서 커습 자기장의 제로 가우스의 위치를 실리콘 용융물의 표면에 대하여 각기 +100mm, +40mm, 0, -40mm, -300mm에서 잉곳성장을 시작하는 경우를 나타내며, 가로축에서 표시 ■은 시뮬레이션에 의한 △G의 계산값이며, 표시 ◆은 실제 결정의 퓨어 마진을 나타낸다.
도13으로부터, 시뮬레이션에서 퓨어실리콘이 되는 잉곳의 길이에서의 Gc는 자기장을 가하지 않은 초크랄스키법에서는 0.4367138 ℃/min이며, CUSP 0에서는 0.4388106 ℃/min이며, CUSP -40에서는 0.437258℃/min으로 CUSP +100에서 CUSP -40까지는 유의차가 없으나 CUSP -300에서는 0.303652 ℃/min로 온도 균일성이 매우 좋음을 알 수 있다. 그러나 동일 조건에서 성장된 실제 잉곳의 퓨어 마진은 자기장이 없는 종래의 일반적인 초크랄스키법에서 0.017 mm/min이며, CUSP 0에서는 0.001 mm/min, CUSP -40에서는 0.004 mm/min으로 유의차 없으나 CUSP -300에서는 0.023 mm/min으로 퓨어 마진이 매우 향상됨을 알 수 있다. 이는 FEMAG에 의한 시뮬레이션은 커습 마그넷의 코일 위치가 용융물 근접 표면에서는 정확히 계산하는 것이 매우 어렵기 때문이지만, 경향성은 실제 잉곳 성장시 퓨어 마진과 동일하다고 볼 수 있다.
도11, 도12 및 도13의 그래프로부터, 종래의 커습 마그넷형 방법은 일반적인 초크랄스키법에 대비하여 Gc값이 낮아 퓨어 실리콘의 인상속도가 낮으며, △G값은 크게 변하지 않으나, 실제 잉곳 성장한 퓨어 마진은 0.001 mm/min으로 퓨어 실리콘 잉곳을 성장시키는 것이 매우 곤란하다. 적어도 퓨어 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해서는 풀러의 특징 및 핫존의 특징과 관계있으나, 인상속도 제어를 할 수 있는 풀러의 제어능력에 따라 조금씩 다르지만 0.015 mm/min 이상이 되는 것이 바람직하다고 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부하는 특허청구범위를 벗어나지 않는 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 다양하게 변형 및 수정되어 실시될 수 있음은 물론이다. 구체적으로 본 실시예에서는 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러의 핫존 구조에 대하여 상세히 설명하지 않았지만, 풀러의 특징 및 핫존 구조의 특징에 따라 도가니내의 용융물의 플럭스 및 흐름은 다양해질 수 있으며, 그에 따라 본 발명에 의한 플럭스의 세기를 약화시키고 용융물의 흐름을 분할시키기 위한 수치들이 달라질 수 있음은 물론이며, 커습 자기장을 발생시킬 수 있는 자기장 발생수단의 종류도 다양한 형태로 구성될 수 있음은 물론이며, 자기장 발생수단의 수직위치와 더불어 도가니 내의 용융물에 인가되는 자기장의 세기와 도가니로부터의 수평거리 등을 조절할 수 있음은 물론이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 커습 마그넷 코일의 위치와 자기장의 세기를 변경함으로써 퓨어 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있는 퓨어 마진이 매우 향상되었다.
또한, 본 발명에 따르면, 종래와 동일한 커습 마그넷형 초크랄스키 풀러의 핫존 구조에서 다른 파라미터를 변경함이 없이 단순히 마그넷 코일의 위치만을 변경함으로써 퓨어 실리콘 잉곳의 인상속도를 향상시키고, 퓨어 마진을 향상시켜 양산에 용이하게 적용할 수 있다.

Claims (20)

  1. 회전 및 승하강이 가능하며, 용융물을 담을 수 있는 도가니;
    회전 및 승하강이 가능하며, 하단부에 부착된 씨드결정을 상기 도가니내에 담긴 용융물과 접촉시킨 후 수직으로 인상시키면서 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 씨드결정 인상부; 및
    수평적으로 상기 도가니의 외측으로부터 일정한 거리에 위치하며, 상기 도가니내의 용융물에 대하여는 수직방향으로 인가되는 자기장을 발생시키는 자기장 발생수단을 포함하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자기장 발생수단은 제1 자석 및 제2 자석이 상하에 수직적으로 결합되어 있으며, 그 자기력선의 방향이 그 결합된 중앙으로부터 출발하여 각기 제1 자석의 상단부 및 제2 자석의 하단부로 들어가는 커습(cusp) 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 자기장 발생수단은 자기장이 상기 용융물에 대하여 수직방향으로 인가되도록 상기 커습 자기장의 제로 가우스의 수직위치가 상기 용융물 표면의 수직위치와 일치하지 않도록 일정한 차이 이상 벗어난 위치에 설정되는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 자기장의 제로 가우스의 수직위치는 상기 용융물 표면의 수직위치로부터 적어도 10 mm 이상 아래쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 자기장의 제로 가우스의 수직위치는 상기 용융물 표면의 수직위치로부터 10 mm 내지 300 mm 범위내의 아래쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 자기장의 제로 가우스의 수직위치는 상기 용융물 표면의 수직위치로부터 적어도 10 mm 이상 위쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 자기장 발생수단은 상기 도가니의 승하강에 연동하여 승하강할 수 있는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 자기장 발생수단은 상기 도가니의 승하강에 관계없이 고정된 것을 것을 특징으로 하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 용융물에 인가되는 자기장은 적어도 100 가우스 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 용융물은 실리콘 용융물임을 특징으로 하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러.
  11. 도가니내의 용융물에 대하여 자기장을 인가할 수 있도록 수평적으로 상기 도가니의 외측으로부터 일정한 거리에 위치하는 자기장 발생수단을 포함하는 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러에서의 단결정 잉곳 성장방법에 있어서,
    상기 자기장 발생수단에 의해 발생된 자기장이 상기 도가니내에 담긴 용융물에 대하여 수직방향으로 인가되도록 상기 도가니에 대한 상기 자기장 발생수단의 수직위치를 설정하는 단계; 및
    하단부에 씨드결정이 부착된 씨드결정 인상부를 하강시켜 상기 도가니내에 담긴 용융물과 상기 씨드결정을 접촉시킨 후 수직으로 인상시키면서 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 자기장 발생수단의 수직위치를 설정하는 단계에서는, 상기 도가니내의 용융물에 대하여 자기장이 수직방향으로 인가되도록 자기장의 세기를 함께 설정하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 자기장 발생수단은 제1 자석 및 제2 자석이 상하에 수직적으로 결합되어 있으며, 그 자기력선의 방향이 그 결합된 중앙으로부터 출발하여 각기 제1 자석의 상단부 및 제2 자석의 하단부로 들어가는 커습(cusp) 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 자기장 발생수단은 자기장이 상기 용융물에 대하여 수직방향으로 인가되도록 상기 커습 자기장의 제로 가우스의 수직위치가 상기 용융물 표면의 수직위치와 일치하지 않도록 일정한 차이 이상 벗어난 위치에 설정되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 자기장의 제로 가우스의 수직위치는 상기 용융물 표면의 수직위치로부터 10 mm 내지 300 mm 이상 아래쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 용융말에 인가되는 자기장은 적어도 100 가우스 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  17. 제 12 항에 있어서, 상기 용융물은 실리콘 용융물임을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 성장되는 퓨어 실리콘(pure silicon) 마진이 0.001 mm/min 이상이 되도록 상기 자기장 발생수단의 수직위치 및 자기장의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 단결정 잉곳 성장시 스트럭처 로스 프리퀀시(structrue loss frequency)가 1.5 이하가 되도록 상기 자기장 발생수단의 수직위치 및 자기장의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 성장되는 퓨어 실리콘(pure silicon) 마진이 0.015 mm/min 이상이 되도록 상기 자기장 발생수단의 수직위치 및 자기장의 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장방법.
KR10-2001-0088842A 2001-12-31 2001-12-31 자기장을 이용한 초크랄스키 풀러 및 이를 이용한 단결정잉곳 성장방법 KR100470231B1 (ko)

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