KR20020081324A - 실리콘 용융체 제조 공정 - Google Patents

실리콘 용융체 제조 공정 Download PDF

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KR20020081324A
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Abstract

실리콘 용융체에 의해 트래핑된 비용해성 가스의 양을 제어하기 위한 공정이 개시되어 있다. 도가니에 다결정 실리콘을 충전한 후, 실리콘내에서 높은 용해도를 갖는 가스를 적어도 10% 포함하는 가스가 용융 도중 소정 기간에 퍼지 가스로 이용된다. 다결정 실리콘 충전물이 완전히 용융된 후, 퍼지 가스는 종래의 아르곤 퍼지로 전환될 수도 있다. 용융 공중 도중 소정 기간에서는 실리콘내에서 용해성이 높은 퍼지 가지를 이용하여 충전물내에 트래핑된 비용해성 가스의 양을 감소시킴으로써, 결정내로 성장해 들어가 슬라이스된 웨이퍼 상에 결함을 형성하게 되는 비용해성 가스의 양을 감소시킨다.

Description

실리콘 용융체 제조 공정{PROCESS FOR PRODUCING A SILICON MELT}
종래의 초크랄스키법에 의해 성장된 실리콘 단결정의 제조에 있어서, 먼저 그래뉼 다결정 실리콘(granular polysilicon), 천크 다결정 실리콘(chunk polysilicon), 또는 그래뉼 및 천크 다결정 실리콘의 혼합 형태의 다결정 실리콘이 석영 도가니 내에서 용융되어 약 1,500℃의 온도에서 평형상태로 유지된다. 천크 다결정 실리콘은 일반적으로 불규칙한 형태를 갖는 다결정 실리콘 덩어리로서, 다결정 실리콘 로드(rod)들을 더 작은 조각으로 파쇄하여 만들기 때문에 예리한 톱니형(jagged) 에지를 가지며, 대체적으로 약 2㎝ 내지 약 10㎝ 범위의 길이와 약 4㎝ 내지 약 6㎝ 범위의 폭을 가진다. 그래뉼 다결정 실리콘은, 전형적으로 유체형 베드 반응기(fluidized bed reactor)내에서 실리콘 그래뉼 상에 실리콘의 화학 기상 증착법에 의해 준비되기 때문에, 일반적으로 천크 다결정 실리콘보다 더 작고 더 균일하며 더 부드러운 다결정 실리콘 덩어리이며, 전형적인 그래뉼 다결정 실리콘은 약 1cm 내지 5㎝ 범위의 직경을 가지고 일반적으로 천크 다결정 실리콘보다 약 20% 높은 패킹 밀도를 갖는다.
이러한 다결정 실리콘이 가열되어 용융되는 동안, 다결정 실리콘의 용융 도중에 융융체의 내부와 주변에 생성된 용융 영역으로부터의 원치 않는 오염을 제거하기 위해, 아르곤과 같은 불활성 퍼지 가스가 계속적으로 도가니와 실리콘에 대해 도입된다. 실리콘이 완전 용융되어 약 1,500℃의 온도에 도달한 후, 시드 결정이 융융체내로 침지되며, 후속하여 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해 도가니가 회전되는 동안 견인된다. 다결정 충전물(charge)이 완전히 또는 부분적으로 고체 상태인 융융 공정의 초기 단계 동안에, 퍼지 가스는 다결정 실리콘 충전물내에 트래핑될 수도 있다. 이 가스는 개개의 다결정 실리콘 충전물 조각들 자체 사이에 또는 그 충전물 조각들과 도가니의 측면 또는 바닥 사이에 트래핑될 수 있어, 결국 성장 결정으로 성장될 수 있는 용융체내의 비용해성 기포(insoluble bubble)로 되어 버린다. 용융체내에 존재하는 아르곤 기포와 같은 대부분의 비용해성 기포는 용융 도중 및 온도 평형 동안 인접한 대기로 빠져나가지만, 일부는 실리콘 용융체 내에 잔류하여 실리콘 결정 내부로 성장될 수 있으며, 이에 의해 결정내에 보이드(void)를 생성하게 된다.
트래핑된 가스의 문제는 천크 실리콘, 다결정 실리콘 및 이들의 혼합을 포함하는 모든 형태의 충전물에서 발생하지만, 이 문제는 단지 그래뉼 다결정 실리콘만으로 형성된 충전물에서 특히 심각한데, 높은 패킹 밀도를 갖는 그래뉼 다결정 실리콘은 도가니의 바닥과 측벽을 절연하는 경향이 있어, 용융 공정 동안에 아르곤과같은 비용해성 가스가 이탈하는 것을 어렵게 만든다. 저가이며 비반응성이기 때문에 종래 이용되어 온 아르곤 퍼지 가스는 실리콘내에서 비용해성이 매우 크다. 아르곤이 실리콘내에서 비용해성이 매우 크기 때문에, 용융체내에 트래핑된 아르곤 가스는 용융 동안 액체 실리콘 내에 작은 기포를 형성한다. 액체 실리콘내에 포함된 다수의 비용해성 가스 기포들은 액체 표면으로 상승하거나 대류(convection)에 의해 그 표면으로 운반되어, 결정 성장 가스 분위기내로 배출됨으로써, 성장 잉곳에는 유해한 영향을 미치지 않게 된다. 그러나, 소량의 가스 기포들은 전체 인상 공정에 걸쳐 액체 융융체내에 잔류하게 되며, 성장 동안 결정 자체 내로 성장된다. 일반적으로 비용해성 아르곤 퍼지 가스로 이루어진 이들 기포는, 액체-고체 성장 계면에 트래핑되어, 결정 표면상에 큰 결정 보이드를 야기한다. 이러한 결함은 일반적으로, 슬라이스된 실리콘 웨이퍼상에 약 1㎛ 이상의 직경을 갖는 대형 피트(large pit)로서 특징화되고 검출된다. 이들 피트는 성장된 결정으로부터 컷팅(cutting)되어 연마된 웨이퍼에 대한 레이저 스캐닝을 통하여 확인된다. 이러한 결함은 성장된 결정으로부터 슬라이스된 웨이퍼의 약 4% 이상에 영향을 미칠 수 있으며, 이들 슬라이스들을 1등급 웨이퍼 제품으로 부적당하게 한다.
이와 같이, 반도체 산업에 있어서, 단결정 실리콘 성장용 실리콘 용융체로서 실리콘내에 비용해성인 매우 적은 양의 가스를 포함하는 실리콘 용융체를 준비하는 공정에 대한 필요가 존재한다.
발명의 요약
따라서, 본 발명의 목적은, 실리콘내에 비용해성인 가스의 레벨을 매우 낮게포함하는 실리콘 용융체를 준비하기 위한 공정을 제공하고; 대형 결정 보이드를 매우 낮은 레벨로 포함하는 단결정 실리콘을 준비하기 위한 공정을 제공하며; 고 비율의 1등급 웨이퍼를 생산하는 실리콘 용융체를 제조하기 위한 공정을 제공하고; 성장된 단결정 실리콘내의 결함의 수를 감소시킬 수 있는 간단하고도 저렴한 공정을 제공하며; 용융 공정 도중에 실리콘 충전물 내에 트래핑된 모든 가스가 실질적으로 실리콘내에 용해성인 실리콘 용융체를 준비하기 위한 공정을 제공하는데 있다.
따라서, 본 발명은, 실리콘 용융체에 의해 트래핑된 비용해성 가스의 양을 제어하기 위한 공정을 제공한다. 본 공정은 우선 다결정 실리콘으로 도가니를 충전(充塡:charging)하는 단계와 그 충전물을 용융하기 위해 도가니를 가열하는 단계를 포함한다. 다결정 충전물의 용융 동안, 퍼지 가스가 상기 다결정 충전물로 유입된다. 퍼지 가스는, 적어도 1x1013원자/cm3의 실리콘내 용해도를 갖는 가스의 적어도 0.1의 몰분율을 갖는다.
본 발명은 또한, 실리콘 용융체에 의해 트래핑된 비용해성 가스의 양을 제어하기 위한 공정으로서, 먼저 다결정 실리콘으로 도가니가 충전되고 그 충전물을 용융시키기 위해 도가니가 가열되는 공정을 제공한다. 적어도 1x1013원자/cm3의 실리콘내 용해도를 갖는 가스의 적어도 0.1의 몰분율을 가지는 퍼지 가스가, 다결정 용융 공정의 가열 단계 및 용융 단계 동안 상기 충전물로 유입된다. 가열 단계는 실리콘 용융 중 용융된 실리콘(molten silicon)이 형성되기 전의 기간을 포함하고,용융 단계는 용융된 실리콘의 형성으로부터 다결정 실리콘 충전물이 완전히 용융되는 때까지의 기간을 포함한다.
본 발명의 다른 목적과 특징들은 이하에서 부분적으로 명확해지고 부분적으로 지적될 것이다.
본 발명은 결정 결함의 양을 감소시킨 단결정 잉곳을 제조하기 위한 공정에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해, 실리콘에 비용해성인 가스를 매우 적게 포함하고 있는 실리콘 용융체를 제조하는 공정에 관한 것이다.
도 1은 결정 인상 장치(crystal pulling apparatus)내 다결정 실리콘 충전물의 용융 동안의 퍼지 가스의 흐름 패턴의 개략도이다.
대응 도면 부호는 도면 전체에 걸쳐 대응 부분을 지시한다.
바람직한 실시예에 대한 상세한 설명
본 발명에 따르면, 충전물이 용융되고 있는 동안 용융된 실리콘내에서 높은 용해도를 갖는 퍼지 가스를 다결정 실리콘 충전물 내로 흘려 줌으로써, 초크랄스키 성장 공정 동안 결정내 가스의 트래핑의 결과로 단결정 실리콘내에 형성되는 대형 결정 보이드들의 수가 상당히 감소되거나 더 나아가 제거될 수 있다는 것을 발견하게 된다. 본 발명의 공정은, 천크 다결정 실리콘, 그래뉼 다결정 실리콘, 또는 천크 및 그래뉼 다결정 실리콘의 혼합을 포함하는 다결정 실리콘 충전물로부터 도가니내의 용융된 실리콘 전체, 즉, 실리콘 용융체를 형성하는 데에 이용될 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 공정에 있어서, 도가니는 다결정 실리콘으로 충전된 후, 용융된 실리콘을 형성하기 위해 가열된다. 다결정 실리콘 충전물이 가열되어 용융되는 충전물 용융 공정(charge melting process) 전체에 걸쳐, 퍼지 가스가 도가니 내로 보내진다. 도 1은 다결정 실리콘의 가열 및 용융 동안 결정 인상 장치(2)내로 유입하는 퍼지 가스의 흐름 패턴을 나타낸다. 퍼지 가스(6)는 퍼지 가스 주입구(4)를 통해 결정 인상 장치(2)로 들어가고, 퍼지 튜브(12)를 통하여 다결정 실리콘 충전물을 담고 있는 도가니로 흘러내려 간다. 도가니(8)는 지지체(2)에 의해 지지되고, 히터(24, 26, 28, 30)에 의해 가열된다. 퍼지 튜브(12)는 퍼지 가스를 직접 도가니(8)와 다결정 충전물(10)로 향하게 한다. 퍼지 가스(6)는 결정 인상 장치(2)와 도가니(8) 전체를 통해 라미나(Laminar) 흐름 패턴을 가지며, 다결정 실리콘 충전물의 용융 동안 생성된 오염물질을 도가니 영역으로부터 멀어지도록 운반한다. 퍼지 가스(6)는 개방 영역(open areas: 18, 20)을 통하여 다결정 충전물(10)을 포함하는 도가니(8)를 빠져 나가며, 퍼지 가스 배출구(14, 16)를 통하여 결정 인상 장치(2)를 빠져 나간다. 퍼지 가스의 유속은 일반적으로 약 1 내지 40 Torr 사이, 더욱 바람직하게는 약 10 내지 약 30 Torr 사이, 가장 바람직하게는 약 25 Torr의 도가니 위의 압력을 달성하도록 설정된다.
본 발명에 따르면, 퍼지 가스는 용융된 실리콘내에서 비교적 높은 용해도를 갖는 가스를 포함한다. 바람직하게는, 상기 퍼지 가스는 용융된 실리콘내에서 적어도 약 1x1013원자/cm3의 용해도를 갖는 가스를 포함하고, 더 바람직하게는 적어도 약 1x1014원자/cm3, 더욱 바람직하게는 적어도 약 1x1015원자/cm3, 더욱 바람직하게는 적어도 약 1x1016원자/cm3, 더더욱 바람직하게는 적어도 약 1x1017원자/cm3,가장 바람직하게는 적어도 약 1x1018원자/cm3의 용해도를 갖는 가스를 포함하여, 실리콘 용융체내로의 상기 가스의 충분한 용해를 보장한다. 이러한 가스에는, 예컨대, 질소, 염소, 헬륨, 수소, 네온 등이 포함되며, 질소가 특히 바람직하다. NH3또는 HCL과 같은 원하는 용해도를 갖는 혼합 가스도 또한 본 발명의 범위 내에 포함된다. 퍼지 가스는 단일 가스 또는 용해성 가스들의 혼합체, 또는 아르곤과 용해성 가스의 혼합체를 포함할 수도 있고, 아르곤과 용해성 가스의 혼합체가 이용되는 경우에는 일반적으로 퍼지 가스 혼합체 내의 용해성 가스의 몰분율이 적어도 0.2, 0.4, 0.5, 또는 심지어 0.6인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 퍼지 가스 혼합체 내의 가스의 몰분율이 적어도 0.7, 0.8, 0.9, 또는 심지어 1인 것이 바람직하다. 따라서, 예를들면, 퍼지 가스는 아르곤과 질소(및/또는 실리콘내에서 높은 용해도를 가진 다른 가스)의 혼합체를 포함할 수도 있다. 선택된 가스들에 관계없이, 소스 가스는 적어도 약 99%, 더 바람직하게는 적어도 약 99.9%, 가장 바람직하게는 적어도 약 99.99%의 순도를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적을 위해서, 결정 성장 공정의 다결정 충전물 용융 단계(charge melting step)는 가열 단계(heating phase)와 용융 단계(melting phase)의 2 단계를 포함하는 것을 고려할 수 있다. 용융 공정의 가열 단계는 어떠한 열도 도가니에 인가되기 전의 기간을 포함하여 용융된 실리콘(molten silicon)이 도가니내에 형성되기 전의 기간을 포함하고, 충전물 용융 공정의 용융 단계는 최초 용융된 실리콘(molten silicon)의 형성으로부터 다결정 실리콘 충전물이 완전히 융융될 때까지의 기간을 포함한다.
본 발명에 따르면, 결정 성장 공정의 용융 단계의 가열 단계중 적어도 일부분 동안에는 퍼지 가스가 용융된 실리콘내에서 높은 용해도를 갖는 가스를 포함하는 것이 바람직하다. 충전물 용융 단계의 가열 단계(즉, 어떠한 용융된 실리콘도 도가니에 형성되기 전)는 다결정 실리콘 입자들(particle) 사이에서의 가스의 트래핑 또는 측벽 형성부 또는 바닥에서의 가스의 트래핑이 가장 문제가 되는 단계이고, 이 단계 동안에 퍼지 가스는 다결정 실리콘 입자들 사이에서 또는 도가니의 측벽 형성부 또는 바닥을 따라 트래핑될 수 있다. 전술한 바와 같이, 이들 위치에 트래핑된 비용해성 퍼지 가스는 우연히 성장 결정내로 포함될 수도 있지만, 용해성 가스는 융융체내로 분해되는 경향이 있어 성장 결정으로 그렇게 포함되기 전에 기포를 제거하게 된다. 가열 단계 동안 실리콘내에서 높은 용해도를 가지는 퍼지 가스를 이용함으로써 용융된 실리콘내의 비용해성 가스의 존재 및, 그 결과 용융된 실리콘으로부터 성장된 단결정 실리콘이 결정 보이드 결함을 포함하게 될 가능성을 상당히 감소시키거나 제거할 수 있다. 그러므로, 가열 단계의 적어도 일부분에 대해, 퍼지 가스내에서 용융된 실리콘내 높은 용해도를 갖는 가스(들)의 몰분율이 적어도 0.2, 0.4, 0.5, 또는 심지어 0.6인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 퍼지 가스내에서 용융된 실리콘내 높은 용해도를 갖는 가스(들)의 몰분율이, 가열 단계의 적어도 20%, 40%, 80%, 또는 심지어 100%에 대해, 즉, 용융된 실리콘이 도가니내에 형성되기 전에, 적어도 0.7, 0.8, 0.9, 또는 심지어 약 1인 것이 바람직하다.
충전물 용융 공정이 계속됨에 따라, 용융 단계가 시작되고, 용융된 실리콘이 도가니내에 형성되며, 용융된 실리콘의 층이 쌓이기 시작하여 도가니의 바닥과 측벽을 따라 성장한다. 실리콘의 용융이 더욱 계속됨에 따라, 도가니의 중심에서의 용융된 실리콘의 레벨이 성장해 올라간다. 이 기간 동안에는, 비용해성 가스가 도가니 측벽들 또는 바닥과 고체 다결정 실리콘 입자들 사이에 트래핑될 가능성이 더 적기 때문에, 가스의 트래핑은 덜 문제화 된다. 또한, 다결정 실리콘 입자들 자체 사이의 비용해성 가스 트래핑도 문제화가 덜 되는데, 용융체 내에 잔류하는 고체 다결정 실리콘 입자들이 액체 실리콘에 의해 젖게 되어 다결정 실리콘 충전물이 완전히 융융됨으로써 비용해성 가스가 입자들 사이로 침투하여 트래핑되는 것이 어려워지기 때문이다. 결국, 퍼지 가스내에 용융된 실리콘내에서 높은 용해도를 가지는 가스를 포함하는 이점은 감소하게 된다. 그럼에도 불구하고, 용융 단계, 즉, 약간의 용융된 실리콘이 도가니내에 형성되는 시점으로부터 다결정 실리콘 충전물이 완전히 용융되는 시점 사이의 단계 동안, 퍼지 가스내에 용융된 실리콘내에서 높은 용해도를 가지는 가스를 포함함으로써 다소의 이점이 실현될 수도 있다. 이러한 용융 단계의 적어도 일부분 동안, 바람직하게는 적어도 도가니의 바닥이 용융된 실리콘의 층으로 덮일 때까지, 퍼지 가스내의 용융된 실리콘내에서 높은 용해도를 갖는 가스(들)의 몰분율이 적어도 0.2, 0.4, 0.5, 또는 심지어 0.6인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 충전물 용융 공정의 용융 단계의 적어도 5%, 10%, 20%, 40%, 80%, 또는 심지어 100%에 대해, 퍼지 가스내의 용융된 실리콘내에서 높은 용해도를 갖는 가스(들)의 몰분율이 적어도 0.7, 0.8, 0.9, 또는 심지어 약 1인것이 바람직하다.
결정 성장 공정의 충전물 용융 단계의 용융 단계가 종료되고 다결정 실리콘 충전물이 완전히 용융되는 때에는, 다결정 실리콘 충전물과 도가니 측벽 또는 바닥 사이에 또는 다결정 실리콘 충전물 입자들 자체 사이에 어떤 퍼지 가스도 더 이상 트래핑될 수 없다. 이 때, 퍼지 가스는, 실리콘내 퍼지 가스 용해도에 대한 고려 없이, 종래의 아르곤 퍼지 또는 다른 퍼지로 전환될 수 있다. 만약 충전물 용융 공정의 가열 단계 및/또는 용융 단계 동안에 바람직한 질소 퍼지 가스가 이용된다면, 다결정 실리콘 충전물이 완전히 용융되어 용융된 상태로 된 후에, 용융체 내에 분해된 질소의 양을 제어할 수 있도록 상기 질소 퍼지 가스는 아르곤이나 또 다른 퍼지 가스로 전환되는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 용융 동안 약 5x1012질소원자/cm3이하의 농도로만 액체 용융체 내에 분해되는 것이 바람직하다. 질소가 용융된 실리콘내로 과도하게 포함되면, 전위가 없는(dislocation free) 결정을 성장시키는 것을 어렵게 하는 고체 질화물 입자의 형성을 야기할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 질소와 같은 용해성 퍼지 가스는 결정 성장 공정의 충전물 용융 단계 중 가열 및 용융 동안 및 결정 성장 동안에 이용될 수 있으며, 적어도 1x1010원자/cm3, 더 바람직하게는 적어도 5x1013원자/cm3또는 그 이상이 성장 결정으로 포함되도록 할 수 있다. 이어서, 질소 도핑된 결정은 실리콘 웨이퍼로 슬라이스되고, 후속하여 챔퍼링(chamfering), 랩핑(lapping),에칭(etching), 연마(polishing) 등의 종래의 공정에 의해 처리됨으로써, 완성된 실리콘 웨이퍼를 생산하게 된다. 공정 후에, 웨이퍼의 결함을 제거하기 위해, 상기 웨이퍼는 급속 가열/급속 냉각 장치를 이용하여 열처리되어 표면 층내의 산소와 질소를 외부확산(outdiffuse)시킨다. 이러한 공정은 공지된 기술이며, EPO 특허 제0942077호에 충분히 개시되어 있다.
충전물 용융 동안의 기간에 대해 실리콘내 높은 용해도를 가지는 퍼지 가스를 이용하는 본 발명에 따라 준비된 실리콘 용융체는, 종래의 아르곤 퍼지를 이용하여 준비된 용융체와 비교하여, 상당히 감소된 양의 비용해성 가스를 포함한다. 종래기술로 준비된 용융체로부터 성장된 단결정 실리콘으로부터 슬라이스된 웨이퍼의 약 4%는 적어도 하나의 대형 피트를 가지고 있어, 이들을 1등급 제품으로 적당하지 않게 한다. 이와 같이, 종래기술로 준비된 용융체로부터 제조된 실리콘 웨이퍼는 1000개마다 약 40개가 1등급 제품으로 사용할 수 없게 된다. 본 발명에 따라 준비된 용융체로부터 성장된 단결정 실리콘으로부터 슬라이스된 실리콘 웨이퍼는 대형 피트를 실질적으로 갖지 않게 된다. 여기서 사용된, "대형 피트를 실질적으로 갖지 않게 된다"는 용어는, 적어도 하나의 대형 피트를 포함하는 웨이퍼의 결과적인 개수가, 전체 용융 공정에 대하여 종래의 아르곤 퍼지 가스를 이용하여 실리콘 용융체로부터 제조된 웨이퍼 상의 피트의 개수로부터 적어도 50%, 더 바람직하게는 적어도 90%, 가장 바람직하게는 100%만큼 감소된 것을 의미한다. 이와 같이, 본 발명의 실리콘 용융체로부터 성장된 잉곳으로부터 슬라이스된 매 1000개의 실리콘 웨이퍼에 대해, 적어도 20개 더, 바람직하게는 적어도 36개 더, 가장 바람직하게는 40개의 웨이퍼들이 더 1등급 제품으로 이용될 수 있다. 본 발명의 용융체의 이용을 통해서, 용융체내에 트래핑되어 성장중의 잉곳내로 전달되는 비용해성 가스의 양이 상당히 감소되거나 제거되므로, 결과적인 웨이퍼는 대형 피트를 실질적으로 가지지 않게 된다. 따라서, 단결정 실리콘으로부터 슬라이스된 웨이퍼중 훨씬 더 많은 퍼센트가 1등급 재료로 적합하게 된다.
본 발명에 따르면, 다결정 실리콘의 용융 동안 용해성 퍼지 가스를 이용하여 준비된 실리콘 용융체는, 미국 특허 제5,913,975호에서 홀더(Holder)에 의해 개시된 석영 도가니에 결합되어 사용될 수도 있다. 미국 특허 제5,913,975호에 개시된 도가니는 매우 낮은 레벨의 아르곤을 포함하는 합성 공기(synthetic air)와 같은 분위기내에서 그 도가니를 퓨징(fusing)함으로써 준비된다. 이와 같이, 퓨징된 도가니는 다결정 실리콘의 용융 동안 실리콘 용융체로의 비용해성 가스의 중요한 기여자가 아니다. 본 발명의 실리콘 용융체와 미국 특허 제5,913,975호에서 홀더(Holder)에 의해 개시된 석영 도가니를 결합하면, 성장중의 실리콘 잉곳으로 포함되는 실리콘내에서 비용해성인 가스를 더욱 감소시킬 수 있게 되어, 성장된 결정당 더 많은 1등급 웨이퍼의 제조가 가능하게 된다.
본 발명은 단지 예시의 목적으로 제공되는 다음의 구체예를 통해 설명되며, 이 구체예는 발명의 범위를 제한하거나 본 발명이 실시될 수도 있는 방식을 제한하는 것으로 고려되어서는 안 된다.
구체예
본 구체예에 있어서, 100% 그래뉼 다결정 실리콘으로 이루어진 2개의 별도의32kg의 실리콘 충전물들이 각각 카이엑스 함코 3000 퍼니스(Kayex Hamco 3000 furnace)에서 직경 14 inch의 도가니내에서 용융되어, 그들로부터 단결정 실리콘 잉곳들이 성장되었다. 비용해성 가스로부터의 기포의 형성 확률을 증가시키기 위해, 각각의 도가니는 내측벽과 바닥 상에 바륨 카보네이트 탈유리화 프로모터로 코팅을 하였다. 후속하여, 실리콘 잉곳들을 개개의 실리콘 웨이퍼들로 슬라이스하였고, 이들 웨이퍼를 단일 측(single side) 연마하여 대형 피트에 대한 검사를 행하였다.
그래뉼 다결정 실리콘의 제1 32kg 충전물은, 약 32slm의 유속과 약 25 Torr의 압력으로 흐르는 종래의 아르곤 퍼지 하에서 용융되었다. 다결정 실리콘을 용융하여 약 1500℃의 온도로 평형상태를 이루게 하였다. 용융 및 평형상태화 공정은 3.5 시간이 걸렸다. 다결정 실리콘이 평형상태로 된 후에, 첫번째 시도에서 직경 120mm의 결정을 약 1200mm의 길이까지 성장시켰다. 후속하여, 이 결정을 슬라이스하고 100mm 웨이퍼로 연마하였고, 이 웨이퍼를 단일 측 연마하여 모델 CR 80 레이저 스캐너(A. D. Optical)로 레이저 스캐닝함으로써 직경 10㎛이상의 대형 표면 피트에 대해 검사하였다. 이 레이저 스캐닝은, 연마된 실리콘 웨이퍼의 3.2%가 그 연마 표면에 10㎛ 이상의 직경을 갖는 하나 이상의 피트를 가지고 있는 것으로 판정하였다.
그래뉼 다결정 실리콘의 제2의 32kg 충전물은, 약 52slm의 유속과 약 25 Torr의 압력의 질소 퍼지 하에서, 도가니의 측벽과 바닥에 접촉하는 액체 다결정 실리콘의 연속 층이 있게 될 때까지 약 1시간 동안 용융되었다. 약 1시간 후에,퍼지 가스를 약 32slm의 유속과 약 25 Torr의 압력의 종래의 아르곤 퍼지로 전환하였다. 다결정 실리콘을 완전히 용융하여, 약 1500℃의 온도로 평형상태를 이루게 하였다. 다결정 실리콘이 평형상태로 된 후에, 첫번째 시도에서 직경 120mm의 결정을 약 1200mm의 길이까지 성장시켰다. 후속하여, 이 결정을 슬라이스하고 100mm 웨이퍼로 연마하였고, 이 웨이퍼를 단일 측 연마하여 모델 CR 80 레이저 스캐너(A. D. Optical)로 레이저 스캐닝함으로써 직경 10㎛이상의 대형 표면 피트에 대해 검사하였다. 이 레이저 스캐닝은, 연마된 실리콘 웨이퍼의 0.7%가 그 연마 표면에 10㎛ 이상의 직경을 갖는 하나 이상의 피트를 가지고 있는 것으로 판정하였다.
이 실험의 결과는, 실리콘내에 높은 용해성을 가지는 퍼지 가스를 이용하여 준비된 용융체로부터 제조된 단결정에서 슬라이스된 실리콘 웨이퍼들은 연마 표면상에 대형 비트를 약 80% 더 적게 가진다는 것을 보여주고 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 여러 목적이 성취된 것을 알 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 아니하고도 다양한 변형이 상술한 용융 준비 공정에 의해 이루어질 수 있기 때문에, 이상의 상세한 설명에 포함되는 모든 개시내용은 단지 예시적으로 해석되어야 하며 제한적인 의미로 해석되는 안 된다는 것을 밝혀두고자 한다.

Claims (10)

  1. 실리콘 용융체에 의해 트래핑된 비용해성 가스의 양을 제어하기 위한 공정으로서,
    다결정 실리콘으로 도가니를 충전하는 단계;
    상기 도가니를 가열하여, 상기 다결정 실리콘 충전물을 용융하는 단계; 및
    상기 다결정 실리콘 충전물이 용융될 때, 상기 다결정 실리콘 충전물로 퍼지 가스를 흘려주는 단계
    를 포함하며,
    상기 퍼지 가스는 실리콘내에서 적어도 약 1x1013원자/cm3의 용해도를 갖는 가스의 몰분율이 적어도 0.1인 공정.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다결정 실리콘 용융 중 가열 단계의 적어도 20% 동안, 상기 퍼지 가스는 실리콘내에서 적어도 1x1013원자/cm3의 용해도를 갖는 가스의 몰분율이 적어도 0.1이고,
    상기 가열 단계는 상기 다결정 실리콘 용융 중 용융된 실리콘(molten silicon)이 형성되기 전의 기간을 포함하는 공정.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 퍼지 가스는 질소인 공정.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 퍼지 가스는 실리콘내에서 적어도 1x1013원자/cm3의 용해도를 갖는 가스의 몰분율이 적어도 0.5인 공정.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다결정 실리콘 용융 중 용융 단계의 적어도 20% 동안, 상기 퍼지 가스는 실리콘내에서 적어도 1x1013원자/cm3의 용해도를 갖는 가스의 몰분율이 적어도 0.1이고,
    상기 용융 단계는 상기 용융된 실리콘의 형성으로부터 상기 다결정 실리콘 충전물이 완전히 용융될 때까지의 기간을 포함하는 공정.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다결정 실리콘 용융 중 가열 단계의 적어도 20% 동안 및 상기 다결정 실리콘 용융 중 용융 단계의 적어도 5% 동안, 상기 퍼지 가스는 실리콘내에서 적어도 1x1013원자/cm3의 용해도를 갖는 가스의 몰분율이 적어도 0.1이고,
    상기 가열 단계는 상기 다결정 실리콘 용융 중 용융된 실리콘이 형성되기 전의 기간을 포함하고,
    상기 용융 단계는 상기 다결정 실리콘 용융 중 상기 용융된 실리콘의 형성으로부터 상기 다결정 실리콘 충전물이 완전히 용융될 때까지의 기간을 포함하는 공정.
  7. 실리콘 용융체에 의해 트래핑된 비용해성 가스의 양을 제어하기 위한 공정으로서,
    다결정 실리콘으로 도가니를 충전하는 단계;
    상기 도가니를 가열하여, 상기 다결정 실리콘 충전물을 용융하는 단계; 및
    상기 다결정 실리콘 충전물의 용융 중 가열 단계와 용융 단계 동안에, 상기 다결정 실리콘 충전물로 퍼지 가스를 흘려주는 단계
    를 포함하며,
    상기 퍼지 가스는 실리콘내에서 적어도 약 1x1013원자/cm3의 용해도를 갖는 가스의 몰분율이 적어도 0.1이고,
    상기 가열 단계는 상기 실리콘 용융 중 용융된 실리콘이 형성되기 전의 기간을 포함하며,
    상기 용융 단계는 상기 용융된 실리콘의 형성으로부터 상기 다결정 실리콘 충전물이 완전히 용융될 때까지의 기간을 포함하는 공정.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 퍼지 가스는 실리콘내에서 적어도 1x1013원자/cm3의 용해도를 갖는 가스의 몰분율이 적어도 0.5인 공정.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 퍼지 가스는 실리콘내에서 적어도 1x1013원자/cm3의 용해도를 갖는 가스의 몰분율이 약 1인 공정.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 퍼지 가스는 질소인 공정.
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