KR20020031307A - 반도체 단결정 인상 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 EMCZ법에 의한 단결정의 인상(引上)에 관한 것으로, 대중량의 단결정의 낙하 사고를 방지하고, 또한 소비 전력을 줄일 수 있는 단결정 인상 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.

이 과제를 해결하기 위해, EMCZ법에 의한 단결정의 육성에 있어서, 단결정을 끌어올리는 메인 인상 수단과 단결정에 형성된 결합 단부를 결합 부재를 통해 움켜 쥐는 유지 기구와, 이 유지 기구를 승강시키는 서브 인상 수단을 구비하고, 통전이 상기 메인 인상 수단 및 서브 인상 수단에 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정의 인상 장치가 제공된다. 또한, 통전은 상기 서브 인상 수단에만 실시되는 것이 바람직하다. 그리고, 인상 수단은 샤프트식인 것이 바람직하고, 와이어식이라도 2개 이상의 전극을 설치하는 것이 바람직하다.

Description

반도체 단결정 인상 장치 {SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL PULLING APPARATUS}

본 발명은 초크랄스키법(Czochralski method)(이하, 「CZ법」이라 함)의 일종인 자계와 전류에 의해 용융액을 회전시키는 CZ법(이하「EMCZ 법」이라 함)에 의해서 단결정을 제조하는 인상(引上) 장치에 관한 것으로, 더욱 상세히 말하면, 통전(通電) 시에 시드부가 발열함으로써 발생하는 단결정의 낙하를 방지하고, 또한 소비 전력을 줄일 수 있는 단결정 인상 장치에 관한 것이다.

실리콘 등의 단결정의 제조 방법으로서 대표적인 것에 CZ법이 있다. CZ법은 도가니 내의 결정 원료의 용융액에 종결정(種結晶)을 접촉시켜, 도가니를 회전시키는 동시에, 도가니의 회전과 반대 방향으로 상기 종결정을 회전시키면서 위쪽으로 끌어올림으로써 단결정을 제조하는 것을 그 기본 사상으로 하는 것이다. 통상 CZ법으로 단결정을 제조하는 경우에는, 종결정을 용융액에 접촉시켰을 때의 열 쇼크에 의해 발생하는 전위(轉位)가 단결정의 본체에 미치지 않도록 하기 위해서 대쉬즈 네크 처리가 채용되고 있다.

도 1은 대쉬즈 네크 처리에 있어서의 네크부(이하, 「대쉬즈 네크」라 함)의 형상을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 단결정의 육성에있어서의 대쉬 네크 처리는 단결정 본체(9)가 생성하는 부분의 상부에 직경 약 3 mm, 길이 약 30 mm의 대쉬즈 네크(4)를 형성시켜, 전술한 전위가 단결정 본체에 미치게 하지 않도록 하고 있다.

최근의 반도체용 디바이스 제조에 있어서의 효율화의 요청에 의해, 끌어올려지는 단결정 자체의 대형화 및 대중량화가 진행되고 있다. 이 단결정의 대형화는 이하의 (1)∼(3)에 나타낸 바와 같은 문제를 유발하고 있다.

(1) 단결정의 대형화에 따라, 도가니 등의 장치 자체가 대규모화된다.

(2) 인상의 전반에 걸쳐, 대형화된 도가니를 일정한 회전수로 편심시키는 일 없이 회전시키는 것은 곤란하다.

(3) 인상 중에, 대중량화된 단결정의 낙하가 발생한다.

전술한 (1) 및 (2)의 문제를 해결하는 수단으로서, 일본 특허 공개 평11-171686호 공보, 또는 그 개량 발명인 일본 특허 공개 2000-63195호 공보에 개시된 바와 같이, 용융액 중에 자계 및 전류를 인가함으로써 발생하는 로렌츠력으로 도가니 내의 용융액을 회전시키는 것을 특징으로 하는 EMCZ법이 제안되어 있다. 이들 공보에 제안된 EMCZ법을 이용하면, 도가니 자체의 회전을 기계적으로 제어하는 종래의 방법에 비해, 소형의 장치로 단결정을 제조할 수 있고, 나아가서는 단결정 내의 불순물의 분포를 균일하게 할 수 있다고 하는 이점이 있다.

그러나, 전술한 EMCZ법은 종결정 및 단결정 본체에 통전시키는 것을 전제로 하고 있기 때문에, 전술한 대쉬즈 네크 등의 직경이 작은 부분(도 1에서 a로 나타낸 부분), 즉 전기 저항이 매우 높은 부분에서 주울 열이 증대된다. 이에 기인해서 국소적인 항복 응력의 저하가 발생하기 때문에, EMCZ법에 의한 단결정의 인상은 종래의 CZ법에 비해 경량이라도 단결정의 낙하 사고가 발생한다고 하는 문제가 있다. 또한, 전자력(電磁力)을 증대시켜 가면 용융액의 회전에 교란이 생기기 때문에, 단결정의 인상축의 진동이 커진다. 이 때문에, 단결정이 용융액으로부터 멀어져서 안정된 인상을 할 수 없으므로, 직경 제어가 곤란하게 되거나, 단결정이 유전위화(有轉位化)하기 때문에 수율이 저하하는 등의 문제도 유발된다.

한편, 전술한 (3)의 문제에 관련해서, 본 출원인은 단결정 본체의 상부에 형성한 역원추형의 결합 단부를 기계적으로 유지함으로써, 인상 공정에서 대중량의 단결정이 낙하하는 것을 방지하는 장치를 실용화하고 있다(일본 특허 제2990658호 공보 참조).

도 2는 전술한 기계적 유지 장치를 사용할 때의 단결정의 형상을 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 상기 장치를 단결정의 인상에 채용하는 경우, 대쉬즈 네크(4) 및 단결정 본체(9) 사이에 대경부(5), 결합 단부(6), 잘록부(7) 및 단결정 숄더(8)를 마련할 필요가 있다. 상기 장치는 결합 단부(6)를 기계적으로 유지하기 때문에, 대쉬즈 네크(4)를 기점으로 하는 낙하를 방지할 수 있다. 그러나, 이 장치는 EMCZ법에 의한 단결정의 인상을 상정한 것이 아니어서, 전술한 (1) 및 (2)의 문제를 해결하는 데에는 이르지 못한다.

본 발명은 전술한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, EMCZ법 특유의 문제인 단결정의 인상 시에 있어서의 국소적인 전기 저항의 증대, 즉 국소적인 주울 열의증대를 억제함으로써, 대중량화된 단결정이라도 낙하하는 일 없이 안전하게 끌어올릴 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 일반적인 대쉬즈 네크의 형상을 보여주는 모식도.

도 2는 기계적 유지 장치를 사용할 때의 단결정의 형상을 보여주는 모식도.

도 3은 본 발명의 장치 구성을 설명하는 도면으로, (a)는 와이어식의 단결정 인상 장치를 보여주는 도면이고, (b)는 샤프트식의 단결정 인상 장치를 보여주는 도면.

도 4는 EMCZ법에 의한 단결정의 인상 장치에 있어서, 복수 개의 전극의 배치 상황을 보여주는 도면으로서, (a)는 2개의 전극을 배치한 상황을 보여주는 도면이고, (b)는 3개의 전극을 배치한 상황을 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 도가니

1a : 석영 도가니

1b : 흑연 도가니

2 : 용융액

3 : 종결정

4 : 대쉬즈 네크

5 : 대경부

6 : 결합 단부

7 : 잘록부

8 : 단결정 숄더

9 : 단결정 본체

10 : 도가니축

11 : 히터

12 : 단열재

13 : 자계 인가 장치

14 : 메인 인상 수단

15 : 서브 인상 수단

16 : 유지 기구

17 : 결합 부재

18 : 클램프 레버

19 : 클램프 클로

20 : 링크 레버

21 : 이퀄라이저

22 : 전극

23 : 메인 볼 나사

24 : 서브 볼 나사

25 : 결정 회전 모터

26 : 샤프트

27 : 전원

본 발명자는 전술한 EMCZ법에 있어서의 단결정의 낙하 및 진동의 증대 문제에 관해서 연구를 거듭한 결과, 이하의 (A)∼(D)에 기재한 사실을 발견하였다.

(A) EMCZ법에 의한 단결정의 육성에서는, CZ법에 비해 경량이라도 인상 중에 단결정이 낙하하기 때문에, 기계적으로 단결정을 유지하는 기구를 설치할 필요가 있다.

(B) 국소적인 주울 열의 발생을 줄이기 위해서는 통상의 통전 루트 외에 소위 바이패스를 설치해서 대쉬즈 네크 및 결합 단부의 전기 저항치를 내릴 필요가 있다.

(C) 바이패스를 설치함으로써 통전되는 계(系)에 있어서의 전기 저항치를 내릴 수 있기 때문에 결과적으로 소비 전력을 줄일 수 있다. 또한, 계에 의해 큰 전류를 인가할 수 있기 때문에, 많은 소비 전력을 필요로 하는 자계를 줄이더라도 용융액을 회전시키는 데에 충분한 전자력을 확보할 수 있다.

(D) 전자력의 증대에 따라 발생하는 단결정의 진동을 방지하기 위해서는 단결정의 인상 수단이 샤프트식인 것이 바람직하다.

본 발명은 이상의 발견에 기초하여 완성된 것으로, 이하의 (1)∼(3)에 나타낸 단결정 인상 장치를 요지로 한다.

(1) 반도체 용액 중에 자계와 전류를 인가한 초크랄스키법에 의한 단결정의육성에 있어서, 단결정을 끌어올리는 메인 인상 수단과 단결정에 형성된 잘록부를 결합 부재를 통해 움켜 쥐는 유지 기구와, 이 유지 기구를 승강시키는 서브 인상 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 단결정의 인상 장치로서, 통전이 상기 메인 인상 수단 및 서브 인상 수단에 실시되는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치이다(이하, 「제1 장치」라 함).

(2) 결합 단부를 결합 부재로 유지한 단계에서, 메인 인상 수단의 통전을 차단하고, 서브 인상 수단에만 통전을 실시하는 것을 특징으로 하는 전술한 (1)의 단결정 인상 장치이다(이하, 「제2 장치」라 함).

(3) 단결정의 인상 수단이 샤프트식인 것을 특징으로 하는 전술한 (1) 또는 (2)의 단결정 인상 장치이다(이하, 「제3 장치」라 함).

도 3은 본 발명의 장치 구성을 설명하는 도면으로, (a)는 와이어식의 단결정 인상 장치를 보여주고, (b)는 샤프트식의 단결정 인상 장치를 보여주고 있다. 또한, 동일한 기능의 구성부에는 동일한 도면 번호를 붙였다.

이하, 도 3에 기초하여 본 발명의 장치 구성 및 특징을 설명한다.

1. 본 발명의 장치 구성에 대하여

본 발명의 단결정 인상 장치에서는 석영 도가니(1a) 및 흑연 도가니(1b)로 구성되는 도가니(1)에 채워진 용융액(2)에 종결정(3)을 접촉시켜 단결정 본체(9)를 성장시킨다. 더욱 상세히 말하면, 메인 인상 수단(14)에 의해서 종결정(3)을 용융액(2)면에 접촉시킨 후 종결정(3)을 회전시키면서 끌어올려, 상기 도 2에 도시한 대쉬즈 네크(4)를 성형하고, 계속해서 대경부(5), 결합 단부(6), 잘록부(7) 및 단결정 숄더(8)를 성형하며, 그 후 단결정 본체(9)를 끌어올린다.

또한, 도가니(1)는 도가니축(10)에 의해 지지되고 있고, 도가니(1)의 주위에는 용융액(2)을 가열하는 히터(11) 및 단열재(12)가 설치되어 있다. 또한, 단열재(12)의 주위에는 카푸스 자장 또는 종(縱)자장을 발생시키는 자장 인가 장치(13)가 설치되어 있다.

용융액(2) 중에는 자계 인가 장치(13)에 의해서 결정 성장 계면에 대해 수직 방향으로 자계가 인가되고, 또한 자계에 수직 방향으로는 전류가 흘러, 용융액(2)은 로렌츠력에 의해 상기 단결정 본체(9)의 회전과 역방향으로 회전한다.

단결정 본체(9)가 어느 정도 끌어올려진 단계에서, 서브 인상 수단(15)에 의해 유지 기구(16)를 하강시킨다. 이 때, 결합 부재(17)에 설치된 클램프 레버(18), 또는 클램프 클로(19) 및 링크 레버(20)는 역원추형의 결합 단부(6)로 밀려 올려져 개방된 상태로 대경부(5)를 통과한다. 결합 부재(17)는 대경부(5)를 통과한 후 결합 단부(6)를 유지한다. 결합 부재(17)의 유지가 완료된 후, 메인 인상 수단(14) 및 서브 인상 수단(15)은 동조하면서 단결정을 끌어올려 간다. 또한, 유지 기구(16)의 상부에는 이퀄라이저(21)가 설치되어 있어, 이 이퀄라이저(21)에 의해 인상 시에 단결정 본체(9)가 기울어지는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 전극(22)은 용융액(2) 중에 있으며, 다른 쪽의 전극은 메인 인상 수단(14) 및 서브 인상 수단(15)에 접속되어 있다. 따라서, 결합 단부(6)를 결합 부재(17)로 유지하기 전의 상태, 즉 결합 단부(6)와 결합 부재(17)가 떨어져 있는 상태에서는 통전이 메인 인상 수단(14)에만 실시되고 있어, 대쉬즈 네크(4) 및 결합부재(6)에서 국소적인 주울 열의 증대가 있다.

2. 제1 장치에 대하여

제1 장치를 이용하면, 결합 단부(6)를 결합 부재(17)로 유지한 후에는 서브 인상 수단(15)을 통해 결합 부재(17)로부터도 결합 부재(6)에 통전이 실시되기 때문에, 대쉬즈 네크(4) 및 결합 부재(6)의 발열을 억제할 수 있다. 또한, 메인 인상 수단(14) 외에 서브 인상 수단(15)도 통전 패스로서 이용하기 때문에, 계 전체의 전기 저항을 줄일 수 있어 소비 전력을 줄일 수 있다.

3. 제2 장치에 대하여

제2 장치를 이용하면, 결합 단부(6)와 결합 부재(17)가 접촉하는 단계에서 메인 인상 수단(14)에의 통전이 차단되어 서브 인상 수단(15)에만 통전이 실시되기 때문에, 대쉬즈 네크(4)의 발열을 없애고 결합 부재(6)의 발열을 억제할 수 있다. 또한, 메인 인상 수단(14)에 비해 서브 인상 수단(15)의 전기 저항이 작기 때문에 소비 전력을 줄일 수 있다.

4. 제3 장치에 대하여

제3 장치에서 규정하는 「샤프트식의 인상 수단」은 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 메인 인상 수단(14)은 메인 볼 나사(23)의 선회 작용에 의해서, 그리고 서브 인상 수단(15)은 서브 볼 나사(24)의 선회 작용에 의해 각각 독립적으로 승강할 수 있게 하는 구조를 갖고 있다. 또한, 종결정(3)은 결정 회전 모터(25)의 하부에 설치된 샤프트(26)에 의해서 유지되고 있다. 이 구성에 의하면, 큰 전자력을 인가했을 때에 생기는 용융액(2)의 회전에 교란이 있더라도 단결정 본체(9)가 흔들리는일이 없어, 진동의 증대에 의한 단결정 본체(9)의 이액(離液)을 방지해서 직경 제어를 안정화하고, 또한 단결정 본체(9)의 유전위화를 방지할 수 있다. 또한, 각각의 인상 수단에는 전원(27)으로부터의 도선이 접속되어 있어, 메인 인상 수단(14) 및 서브 인상 수단(15)은 통전 패스로서도 이용된다.

또한, 전술한 용융액(2)의 회전의 교란은 단결정 본체(9)의 주위에 복수 개의 전극(22)을 등간격으로 배치함으로써 줄일 수 있다.

도 4는 EMCZ법에 의한 단결정의 인상 장치에 있어서, 복수 개의 전극의 배치 상황을 결정축에 대해 평행한 방향에서 본 도면으로, (a)는 2개의 전극을 배치한 상황을 보여주는 도면이고, (b)는 3개의 전극을 배치한 상황을 보여주는 도면이다. 도 4의 (a) 또는 (b)에 도시한 바와 같이, 전극(22)은 단결정 본체(9)의 중심점을 중심으로 하는 동심원 위를 등간격으로 2개 또는 3개 배치되어 있다. 이러한 위치에 전극(22)을 배치하면, 용융액(2)의 회전의 교란을 줄일 수 있으므로, 와이어 방식에 의한 단결정 인상 장치를 이용하더라도 단결정 본체(9)를 끌어올릴 때 진동이 발생하는 일이 거의 없다.

실시예

(실시예 1)

도 3(a)에 도시한 와이어 방식의 인상 장치를 이용해서 직경 3∼3.5 mm의 대쉬즈 네크를 성형한 후, 직경 305 mm, 길이 1000 mm의 실리콘 단결정을 육성하는 시험을 행한 결과를 표 1에 나타내었다. 또한, 본 시험은 도가니 내의 실리콘 원료의 장입량을 300 kg로 하고, 전자력을 1 A·T(자계 강도: 0.1 T, 전류: 10A)로해서 행하였다. 또한, 본 발명예 1, 2 및 비교예 2에 있어서는 단결정의 중량이 60 kg에 달했을 때 결합 부재에 의해 결합 단부를 유지하고 단결정의 인상을 행했다.

	유지기구	통전 위치	각 결정 중량의 낙하 시의 개수(개)	평균전기저항(Ω)	평균소비전력(kW)	평균대쉬즈네크직경(mm)
		메인	서브				60-69kg	70-79kg	80-89kg	90-99kg	100kg이상
본발명예 1	유	-	o	0/20	0/20	0/20	0/20	0/20	8.6	0.86	3.2
본발명예 2	유	o	o	0/20	0/20	0/20	0/20	0/20	5.5	0.55	3.1
비교예 1	무	o	-	2/20	2/20	2/20	5/20	11/20	72	7.2	3.2
비교예 2	유	o	-	0/20	0/20	0/20	0/20	0/20	72	7.2	3.2

표 1에 나타낸 바와 같이, 비교예 1에서는 중량이 70 kg가 되었을 때부터 단결정이 낙하하기 시작했지만, 본 발명예 1, 2 및 비교예 2에 있어서는 단결정의 낙하가 보이지 않았다. 그러나, 비교예 2에서는 결합 단부에서의 발열이 개선되지 않아, 항복 응력의 저하에 의한 단결정의 낙하, 또는 결합 단부에 균열이 생긴 경우에 단결정 본체에 대한 영향이 우려된다. 또한, 계 전체의 전기 저항이 높고, 소비 전력이 줄지 않는다. 한편, 본 발명예 1 및 2에서는 결합 단부의 발열이 거의 없었다. 또한, 본 발명예에 있어서는 비교예에 대해 전기 저항이 반정도이며, 소비 전력이 줄었다.

(실시예 2)

도 3(a)에 도시한 와이어 방식의 인상 장치 및 도 3(b)에 도시한 샤프트 방식의 인상 장치를 이용해서 직경 3∼3.5 mm의 대쉬즈 네크를 성형한 후, 직경 305 mm, 길이 1000 mm의 실리콘 단결정을 육성하는 시험을 행한 결과를 표 2에 나타내었다. 또한, 본 시험은 도가니 내의 실리콘 원료의 장입량을 300 kg로 하고, 전자력을 0.3∼1.5 A·T로 해서 행했다. 또한, 전극의 갯수가 2개인 경우는 전술한 도 4(a)에 도시한 바와 같이 전극을 배치했다.

	유지수단	통전 위치	전극 개수	인상 수단	전자력(A·T)	결정의 진폭(mm)
		메인					서브
본발명예 3	유	o	o	1	와이어 방식	0.3	0
본발명예 4	유	o	o	1	와이어 방식	0.5	5
본발명예 5	유	o	o	1	와이어 방식	1.5	30
본발명예 6	유	o	o	1	샤프트 방식	0.5 이상	0
본발명예 7	유	o	o	2	와이어 방식	0.3	0
본발명예 8	유	o	o	2	와이어 방식	0.3	0
본발명예 9	유	o	o	2	와이어 방식	1.5	2

표 2에 나타낸 바와 같이, 인상 수단이 와이어 방식이고, 또한 전극을 1개만 배치한 본 발명예 3∼5에서는, 전자력이 0.5 A·T 부근부터 단결정이 흔들리기 시작한다. 이것은, 전자력이 0.3 A·T 부근에서는 용융액이 인상축을 중심으로 해서 동심원형으로 회전하고 있지만, 0.5 A·T 부근부터 용융액의 회전이 교란되기 시작하기 때문이다. 한편, 인상 수단이 샤프트식인 본 발명예 6에서는 용융액의 회전의 교란에 관계없이 0.5 A·T 이상이라도 결정의 진동이 발생하는 일이 없었다.

또한, 본 발명예 7∼9는 인상 수단이 와이어 방식이지만, 2개의 전극을 배치하고 있기 때문에 용융액의 회전의 교란이 거의 없고, 전자력이 1.5 A·T가 될 때까지 단결정의 진동이 발생하지 않았다. 따라서, 전극을 2개 또는 그 이상 등간격으로 배치하면, 1.5 A·T 미만까지의 전자력을 인가하더라도 와이어 방식으로 충분히 대응할 수 있다.

본 발명의 장치를 이용해서 EMCZ법에 의한 단결정의 인상을 행하면, EMCZ법 특유의 주울 열에 의한 국소적인 항복 응력의 저하를 억제할 수 있기 때문에, 대중량의 단결정이라도 낙하 사고가 발생하지 않아 단결정을 안전하게 제조할 수 있다. 또한, 계 전체의 전기 저항치를 줄일 수 있기 때문에 소비 전력을 줄일 수 있다.

Claims (3)

1. 반도체 용액 중에 자계와 전류를 인가한 초크랄스키법에 의한 단결정의 인상 장치에 있어서, 단결정을 끌어올리는 메인 인상 수단과 단결정에 형성된 결합 단부를 결합 부재를 통해 움켜 쥐는 유지 기구와, 이 유지 기구를 승강시키는 서브 인상 수단을 구비하고, 통전이 상기 메인 인상 수단 및 서브 인상 수단에 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정의 인상 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 결합 단부가 상기 결합 부재에 의해서 유지된 단계에서, 상기 메인 인상 수단으로의 통전을 차단하고, 상기 서브 인상 수단에만 통전이 실시되는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정의 인상 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단결정의 인상 수단은 샤프트식인 것을 특징으로 하는 반도체 단결정의 인상 장치.