KR20050047348A - 실리콘 단결정 잉곳 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 제조방법에 대한 것이다. 본 발명은 전자기적 상호 작용력으로 실리콘 융액을 회전시키는 EMCZ 잉곳 성장장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켜 제조하는 방법에 있어서, 폴리실리콘을 도가니에 넣고 용융시켜 실리콘 융액을 형성하는 융액 형성단계와; 상기 융액에 전극을 담구고 전류를 인가하여 상기 실리콘 융액을 일정방향으로 회전시키는 단계와; 상기 융액에 시드를 담구고, 성장되는 단결정 잉곳을 상기 실리콘 융액의 회전방향과 동일방향으로 회전시키면서 인상하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함한다. 본 발명은 상기와 같은 단계에 의해 잉곳 성장계면에서의 온도 및 산소농도 분포를 방사방향으로 균일하게 유지시키는 것이 가능하게 된다.

Description

실리콘 단결정 잉곳 제조방법{A Manufacturing Method For Silicon Ingot}

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 제조방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 EMCZ(Electro-magnetic CZochralski method)잉곳 성장장치를 이용하여 잉곳과 실리콘 융액을 회전방향을 변경시켜 성장계면의 온도분포를 균일하게 유지시키는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법에 대한 것이다.

도 1은 일반적인 EMCZ잉곳 성장장치를 예시한 단면도이다.

도시된 종래 EMCZ잉곳성장장치는, 단결정 잉곳(IG)의 성장이 이루어지는 공간인 챔버(11)와, 상기 챔버(11) 내부에 설치되며 실리콘융액(SM)이 담겨지는 도가니(13)와, 도가니(13)의 외측에서 열을 가하여 폴리실리콘을 용융시켜 융액상태로 유지되게 하는 히터(15)를 포함한다.

그리고, 상기 잉곳성장장치는 도가니(13)에 담겨진 융액(SM)을 전자기적 상호작용력에 의한 로렌츠힘으로 회전시키는 방법을 사용하고 있기 때문에 융액에 자장을 인가하는 전자석코일(17)이 도가니(13)의 외측에 설치되고, 융액의 표면에는 융액에 전류를 인가하는 전극(19)이 접촉되게 설치된다.

그리고, 챔버(11)의 상측에는 잉곳을 인상시켜 성장을 가능하게 하는 리프터(20)가 설치된다.

상기 잉곳성장장치(10)의 도가니(13)에 폴리실리콘을 적재하고 히터(15)가 도가니(13)를 가열하여 폴리실리콘을 융액상태가 되도록 한다. 이 상태에서, 리프터(20)의 시드척(21)에 연결된 시드를 융액에 담구고, 전자석 코일(17)과 전극(19)에 의해 인가되는 전류에 의해 발생되는 로렌츠의 힘으로 실리콘 융액을 회전시키게 된다.

이 상태에서 리프터(20)가 시드가 성장해서 형성되는 실리콘 단결정을 끌어올리게 되면, 융액으로부터 단결정 잉곳(IG)이 성장되며 인상되게 된다.

그러나, 상기와 같은 구성을 가지는 종래의 잉곳 성장방법에는 다음과 같은 문제점이 있어 왔다.

종래의 EMCZ 잉곳성장장치(10)에 의하는 경우에는 잉곳의 회전방향과 실리콘 융액의 회전방향이 서로 반대(Counter-Rotation)이기 때문에 실리콘 융액의 흐름에 왜곡을 발생시키게 되고, 잉곳 성장계면에서의 온도분포를 불균일하게 하는 요소로 작용하게 된다. 따라서 성장하는 잉곳의 산소농도도 불균일하여 웨이퍼로 가공했을 때 품질문제가 야기된다.

본 발명의 목적은, 실리콘 단결정 잉곳성장계면의 온도분포를 균일하게 유지시키는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법을 구현하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 실리콘 단결정 잉곳 성장계면의 온도분포를 균일하게 유지하여 잉곳의 반경방향의 산소농도의 균일성을 향상시키는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법을 구현하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조방법은, 전자기적 상호 작용력으로 실리콘 융액을 회전시키는 EMCZ 잉곳 성장장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켜 제조하는 방법에 있어서, 폴리실리콘을 도가니에 적재한후 용융시켜 실리콘 융액을 형성하는 융액 형성단계와; 상기 융액에 전극을 담구고 전류를 인가하여 상기 실리콘 융액을 일정방향으로 회전시키는 단계와; 상기 융액에 시드를 담구고, 성장되는 단결정을 상기 실리콘 융액의 회전방향과 동일방향으로 회전(Co-Rotation)시키면서 인상시켜 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서는 상기 전류에 의한 실리콘 융액의 회전속도는 0 ~ 5 rpm/sec인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에서는 상기 성장중인 실리콘 잉곳의 회전 속도는 0 ~ 20 rpm/sec인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 실리콘 융액과 실리콘 단결정 잉곳을 동일방향으로 회전시켜, 잉곳의 성장계면에서의 온도분포를 균일하게 하는 것이 가능하게 된다.

이하 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조방법의 바람직한 실시예의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 실시예의 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법의 바람직한 실시예의 구성을 예시한 평면도이고, 도 3과 4는 각각 본 실시예의 잉곳 성장조건을 종래와 비교하기 위하여 Simulation으로 얻어낸 온도분포 및 산소농도의 평면도이다.

도시된 바에 의하면, 본 실시예의 실리콘 단결정 잉곳은 전자기적 상호작용력으로 실리콘 융액을 회전시키는 잉곳 성장장치(10)(이하 'EMCZ 잉곳성장장치')에 의해 제조된다.

본 실시예에서 사용되는 EMCZ 잉곳 성장장치(10)는, 단결정 잉곳(IG)의 성장이 이루어지는 공간인 챔버(11) 내부에는 실리콘융액(SM)이 담겨지는 도가니(13)가 구비되고, 그 외측에는 히터(15)가 설치되어 도가니(13) 내부에 담겨진 폴리실리콘을 가열 용융시켜 융액상태로 유지되게 한다.

그리고, 상기 잉곳성장장치는 도가니(13)에 담겨진 융액(SM)을 전자기적 상호작용력에 의한 로렌츠힘으로 회전시키는 방법을 사용하고 있기 때문에 융액에 자장을 인가하는 전자석코일(17)이 챔버(11) 외측에 설치되고, 융액의 표면에는 융액에 전류를 인가하는 전극(19)이 접촉되게 설치된다.

본 실시예의 실리콘 단결정 잉곳 제조방법에서는 상기와 같은 구성을 가지는 단결정 잉곳 성장장치(10)를 이용하여 도가니(13)에 적재한 폴리실리콘을 히터(15)로 가열하여 용융시켜 실리콘 융액(SM)을 형성하는 단계가 선행된다.

도가니(13)의 폴리실리콘이 용융되어 융액이 형성되게 되면, 실리콘 융액(SM)에 담군 전극(19)과 챔버(11) 외부의 전자석 코일(17)에 전류를 인가하여 실리콘 융액(SM)을 일정방향으로 회전시키게 된다.

본 발명의 실시예에서는 상기 전류에 의한 실리콘 융액의 회전속도는 0 ~ 5 rpm/sec인 것을 특징으로 하는데, 융액의 회전속도는 융액의 자연대류를 교란시키고 방사방향으로 실리콘 융액이 균일한 온도분포를 유지할 수 있도록 하는 적당한 범위 이내로 유지시키는 것이 바람직하다.

실리콘 융액(SM)은 일정방향으로 회전하며 방사방향의 외측과 내측의 융액이 혼합되며, 융액중심에서 방사방향으로 균일한 온도분포가 유지되게 된다. 다음으로 시드를 융액에 담구어 끌어올리면서 잉곳을 성장시키는 과정이 행하여진다.

본 실시예에서는 단결정 잉곳(IG)을 실리콘 융액(SM)의 회전방향과 동일방향으로 회전시키면서 끌어올리며 성장시키게 된다(Co-Rotation).

그러나, 잉곳(IG)의 회전방향의 조절은 잉곳 자체의 회전을 바꾸는 것에 의하는 것도 가능하지만, 이에 한정되는 것이 아니고 전극에 인가되는 전류의 방향을 바꾸거나 전자석코일의 전류의 방향을 바꾸어 융액에 인가되는 자기장의 방향을 바꾸는 것에 의하는 것도 가능하며, 잉곳의 회전방향을 융액의 회전방향과 일치시킬 수 있는 다양한 방법을 포함하는 것이다.

본 발명의 실시예에서는 상기 성장중인 실리콘 잉곳의 회전 속도는 0 ~ 20 rpm/sec인 것을 특징으로 하는데, 이 속도는 잉곳의 결정성장이 방사방향으로 균일한 성장속도를 얻는 것을 가능하게 하는 일정 범위 이내로 조절되는 것이 바람직하다.

그리고, 본 실시예에서 사용되는 전극은 실리콘 융액의 오염을 방지하기 위하여 실리콘 전극을 사용하는 것이 바람직하다.

다음은 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예의 실리콘 단결정 잉곳 제조방법의 작용을 설명한다.

본 실시예에서와 같이 실리콘 융액(SM)을 회전시키는 이유는 잉곳 안으로 유입되는 산소 농도를 제어하기 위한 것이다. 즉, 실리콘 융액이 담겨지는 도가니는 실리콘의 산화물인 석영물질로 이루어지며, 이 석영도가니가 가열됨에 따라 내벽에서 산소가 발생하여 융액으로 유입되는데, 융액을 전류를 인가시켜 회전시키는 것으로 잉곳 성장계면의 산소농도를 균일하게 유지할 수 있게 된다.

본 실시예의 EMCZ 잉곳 성장장치(10)에 의하는 경우에는 도가니와 융액의 마찰에 의해 융액이 회전하는 것이 아니고, 로렌츠 힘에 의해 융액이 회전하는 것이기 때문에 전류의 세기를 조절하는 것에 의해 실리콘 융액(SM)의 회전속도를 제어하는 것이 가능하게 된다.

또한, 실리콘 융액의 중심에서 도가니 외주부분과 마찬가지로 높은 회전속도를 유지하는 것이 가능하게 되며, 이러한 융액의 회전에 의해 융액 내부에서의 자연대류를 최대한 억제할 수 있게 된다.

이처럼 EMCZ 장치(10)에서는 융액의 온도분포를 교란시키는 요소로 작용하는 자연대류가 억제되기 때문에 잉곳 성장계면에 있어서 반경방향으로의 균일한 온도분포를 얻는 것이 가능하게 된다.

한편, 실리콘 융액(SM)으로부터 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 과정에서는 잉곳을 원형으로 키우기 위해서 회전을 시키게 된다. 즉, 잉곳에 회전이 없으면 잉곳은 결정학적으로 빨리 성장되는 면을 따라 각각 다른 속도로 성장하게 되어 다각형상의 결정으로 성장하게 되는데, 잉곳을 회전시키면 원심력이 작용하여 방사방향에 대해 동일 결정성장 속도를 얻는 것이 가능해진다.

EMCZ 잉곳 성장장치(10)에 의하는 경우에는 단결정 잉곳과 실리콘 융액을 반대방향으로 회전시키게 되면 잉곳성장계면 밑의 온도분포가 균일하지 않고 방사방향의 온도편차가 존재한다.

본 실시예에서는 실리콘 융액의 회전방향과 동일방향으로 단결정 잉곳을 회전시키고 있다.

따라서 본 실시예에 의하는 경우에는 실리콘 융액이 로렌츠 힘에 의해 회전하여 잉곳성장장치의 기계적중심축과 온도중심축을 일치시키게 되어 실리콘 융액내의 온도분포를 왜곡시키는 것 없이 단결정 잉곳을 동일방향으로 회전시켜(Co-rotation), 잉곳 성장계면에서 방사방향으로 균일한 온도분포를 유지하는 것이 가능하게 된다.

또한, 잉곳 성장계면에서 온도분포를 균일하게 유지시킬 수 있기 때문에, 도 4의 (가)에서와 같이 단결정 잉곳에 함유된 산소분포를 균일하게 유지하는 것이 가능하게 되어 제조되는 실리콘 웨이퍼의 품질을 향상시키게 된다.

본 발명의 권리범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 정해지며, 특허청구범위에 기재된 사항과 동일성 범위에서 당업자가 행한 다양한 변형과 개작을 포함함은 자명하다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의해 EMCZ 잉곳성장장치를 사용하고 잉곳의 회전방향을 실리콘 융액의 회전방향과 동일하게 하여, 잉곳성장계면에서의 온도분포를 방사방향으로 균일하게 유지하는 것이 가능하게 된다.

또한 본 발명에서는 잉곳성장계면의 온도분포를 균일하게 유지하는 것이 가능하기 때문에, 온도분포와 밀접한 관련성이 있는 잉곳에 포함되는 산소농도를 균일하게 제어하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 종래의 일반적인 EMCZ 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 예시한 단면도.

도 2는 본 발명에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조방법의 바람직한 실시예의 구성을 예시한 평면도.

도 3은 본 발명의 실시예의 잉곳성장조건을 종래와 비교하기 위하여 Simulation으로 얻어낸 온도분포 평면도.

도 4는 본 발명의 실시예의 잉곳성장조건을 종래와 비교하기 위하여 Simulation으로 얻어낸 산소농도분포 평면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10........단결정 잉곳 성장장치 11..........챔버

13........석영도가니 15..........히터

17........전자석 코일 19..........전극

20........리프터

Claims (3)

1. 전자기적 상호 작용력으로 실리콘 융액을 회전시키는 EMCZ 잉곳 성장장치를 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시켜 제조하는 방법에 있어서,

   폴리실리콘을 도가니에 적재한후 용융시켜 실리콘 융액을 형성하는 융액 형성단계와;

   상기 융액에 전극을 담구고 전류를 인가하여 상기 실리콘 융액을 일정방향으로 회전시키는 단계와;

   상기 융액에 시드를 담구고, 성장되는 단결정 잉곳을 상기 실리콘 융액의 회전방향과 동일방향으로 회전시키면서 인상하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 전류에 의한 실리콘 융액의 회전속도는 0 ~ 5 rpm/sec인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 성장중인 실리콘 잉곳의 회전 속도는 0 ~ 20 rpm/sec인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 제조방법.