KR20050067086A - 실리콘 결정 육성용 도가니 및 실리콘 결정의 육성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쵸크랄스키법(Czochralski method)에 의한 실리콘 결정의 육성에 있어서, 육성 중의 결정의 변형을 억제함에 의해, 결정의 생산성, 수율 및 결정 품질의 향상을 도모할 수 있는 실리콘 결정 육성용 도가니 및 상기 도가니를 사용하여 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 결정을 육성하는 방법을 제안하고자 하는 것이다.

이를 위해 쵸크랄스키법에 의한 결정 육성용 도가니의 저부 내면측 형상이, 도가니의 회전축에 대하여 축대칭인 최소한 하나의 볼록부를 가지고, 상기 볼록부의 외주단이 상기 회전 중심축으로부터 육성될 결정의 반경의 1.2 내지 0.4 배 되는 곳에 위치하고, 상기 볼록부의 높이가 육성될 결정 반경의 7% 이상 및 100% 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 육성용 도가니를 제공한다.

Description

실리콘 결정 육성용 도가니 및 실리콘 결정의 육성 방법 {CRUCIBLE FOR THE GROWTH OF SILICON CRYSTAL AND PROCESS FOR THE GROWTH OF SILICON CRYSTAL}

본 발명은, 쵸크랄스키법(Czochralski method)에 의한 실리콘 결정의 육성에 있어서, 육성 중의 결정의 변형을 억제함에 의해, 결정의 생산성, 수율 및 결정 품질의 향상을 도모할 수 있는 실리콘 결정 육성용 도가니 및 상기 도가니를 사용한 쵸크랄스키법에 의한 실리콘결정 육성 방법에 관한 것이다.

전자소자 또는 광전자 소자를 만들기 위한 기판으로서, 다양한 원소 반도체 및 화합물 반도체 등의 결정이 이용되고 있다. 이들 결정을 제조하는 방법으로서 쵸크랄스키 법(이하, CZ 법)이 있다. 상기 CZ 법은 대형 결정을 제조하는데 유리한 방법으로서, 오늘의 반도체 전자 소자의 주류인 실리콘 결정의 대부분이 CZ 법으로 제조되고 있다.

도 1은, CZ 법에 의한 결정 제조로(producing furnace)의 모식 종단면도이다. 상기 로(爐)에서는, 상승/하강 및 회전이 가능한 도가니 축(7)상에 탑재된 서셉터(1)에 수용된 도가니(2)에 결정원료를 장전하고, 이것을 히터(3)로 가열 및 용해시켜 용융액(4)을 수득한다. 한편, 로의 최상부에는 결정을 회전시키면서 상방으로 인상하는 기구(20)가 형성되어 있으며, 상기 기구에 접속한 종결정(seed crystal: 5)을 용융액(4)에 침지한 후, 종결정(5) 및 도가니(1)를 서로 역방향으로 회전시키면서 종결정(5)을 상방으로 인상하여, 원주 모양의 결정(6)을 육성하고 있다.

상기 CZ 법에서는, 용융액의 자유 표면으로부터 결정을 육성하기 위해, 결정성장 계면이 자유단(free end)으로 되어 있다. 결정 부근의 온도 분포가 축대칭이 되도록, 로 내부에서의 가열부재를 적절히 배치하거나, 혹은 결정을 적절히 회전시킴에 의해, 원주모양의 결정을 육성할 수 있다. 그러나, 육성속도를 빨리하면, 결정이 나선형 또는 꽃잎형으로 변형을 일으켜, 결정 형성 수율이 떨어진다. 나아가, 이러한 계면변형은, 용융액 면으로부터의 결정 괴리를 유발하는 국소적인 계면장력의 감소를 동반하게 된다. 또한, 결정 육성 속도를 빨리하면, 수득된 결정이 도가니 벽 또는 용융액면의 상부에 있는 로 내부재와 접촉하여 낙하할 수 있다. 따라서, 결정의 육성 속도를 특정 수준 보다 빨리하는 것이 어렵다.

결정 육성속도에 이처럼 상한이 있는 것은 결정의 생산성을 방해할 뿐만 아니라, 결정의 품질에도 영향을 미친다. 반도체 기판 용도의 실리콘 단결정을 참조하면, 미소 결함의 양은 성장계면에서 결정성장 방향으로의 온도구배(G)에 대한 결정의 육성속도(V)의 비인 V/G에 의해 지배된다. 상기 V/G 비가 임계값보다 작은 상태에서 육성된 결정은 좋은 품질의 수율이 현저히 떨어진다. (참조: 「신일수기법」제373호, 2000년 9월29일 발행, 제2페이지)

상기 결정육성 속도증가에 따르는 결정 변형의 원인은 아직 해명되어 있지 않다. 다만, 육성하는 결정이 충분히 냉각되도록 용융액 면의 위에 위치된 로 내부재를 고안함에 의해 약간의 개선이 가능한 것으로 공지되어 있다. 이를 위해, 육성 중의 결정 근처에 수냉관을 설치하는 등의 수많은 기술이 제안되어 있다. (참조: 일본 특개소63-256593호 공보, 일본 특개평8-239291호 공보, 일본 특개평11-92272호 공보)

육성하는 결정이 충분히 냉각되도록 고안함에 의해, 결정성장 속도는 어느 정도 개선된다. 그러나, 성장속도를 증가시키면 수득된 결정이 변형을 일으켜, 소망하는 형상을 가진 결정을 형성하는 것이 불가능해진다. 육성속도의 한계가, 용융액으로부터의 결정 괴리라기 보다는, 결정변형에 기인한 것이라는 사실은, 상기 문제가, 결정냉각속도에 비해 결정 성장속도가 지나치게 빠른 것 때문에 일어나는 열밸런스의 붕괴에 의한 것이 아니라, 결정 외주 상에서의 결정성장 계면의 불안정화로부터 발생한다는 것을 의미하는 것이다. 이와 같은 성장계면의 불안정 요인으로서, 결정의 직경방향 온도구배의 변화가 관련되어 있을 것으로 추정해 볼 수 있다. 그러나, 결정 육성속도와 외주성장 계면온도 구배간이 관련성에 대해서는 알려져 있지 않아 결정 변형에 대한 유효한 대책을 얻을 수 없었다.

본 발명자들은, 수치 유동 시뮬레이션 및 유동이 가지는 소용돌이 특성에 관심을 두면서 CZ 법에 의한 실리콘 결정 육성 시에 발생하는 결정 변형의 원인에 대해 해석적 연구를 수행하였다. 그 결과, 결정성장의 속도 증가에 의해 발생하는 결정 변형이, 실리콘 결정에서 특정 결정 방향으로 크게 팽창한 성장 계면의 형상 및, 결정과 도가니 바닥(bottom) 사이의 연직 방향 두께에 의해 크게 영향을 받고 있음을 밝혀 내었다.

본 발명의 청구범위 제 1항에 정의된 발명은, 쵸크랄스키법에 의한 결정 육성용 도가니에 있어, 그 저부 내면측 형상이, 도가니의 회전축에 대하여 축대칭인 적어도 하나의 볼록부를 가지고, 상기 볼록부의 외주단이 상기 회전 중심축으로부터 육성되는 결정 반경의 0.4 내지 1.2 배의 떨어진 곳에 위치하고, 상기 볼록부의 높이가 육성할 결정반경의 7% 이상 및 100% 이하인 것을 특징으로 한다. 상기 배열의 메커니즘에 대해서는 이하, 상세히 설명한다.

CZ 법에서 결정으로 성장하고 있는 용융액은, 도가니 회전 및 결정 회전에 의해 각운동량을 얻고 있다. 이 때, 결정에 비해, 상기 도가니는 용융액과의 접촉면적이 훨씬 크고 회전 반경이 크다. 따라서, 용융액의 대부분은 도가니와 거의 동일 속도로 회전한다. 단지 결정성장 계면의 근방의 용융액의 부분만이 결정과 거의 동일 회전수로 돌고 있는 상황으로 된다 (참조: AWD Jones, "J. Crystal Growth", 88, (1988) p465)

도 2A는, CZ 법에 의한 결정 육성용 도가니 내에, 용융액의 유동 구조를 나타낸 것이다. 그의 확대 도면(도 2B)에 도시한 바와 같이, CZ 법의 도가니 내 용융액은, 유체 역학적으로 3개의 영역으로 나누어질 수 있다.

제1 영역은, 참조번호 22로 나타내어지는 코크란 경계층(Cochran boundary layer)이다. 이는, 결정 바로 아래 위치하고, 결정과 실질적으로 동일한 회전수에서 화살표 23의 방향으로 회전하는 얇은 층이다. 상기 층의 두께는 매우 얇다. 실리콘 용융액의 경우, 상기 층의 두께는 1mm 미만이다. 상기 층은 큰 회전 모멘트를 가지기 때문에, 비교적 안정적이며 유동의 흐트러짐이 작다.

제2 영역은, 참조번호 24의 강체 회전 영역이다. 제2 영역 내에서 상기 층은, 히터로부터의 가열에 의한 열 대류(thermal convection)가 일어나 많은 유동 흐트러짐을 격는다. 그러나, 보통의 CZ 법의 경우, 대류 또는 그에 따른 흐트러짐의 속도보다도 도가니의 회전 속도가 충분히 빠르다. 따라서, 상기 층이 화살표 25의 방향으로 도가니와 함께 회전하고 있다고 생각된다. 그러므로, 상기 영역내의 용융액의 소용돌이도(vorticity) 벡터는 대략 회전축 방향으로 연장되고, 소용돌이관(vortex)은 도가니 바닥으로부터 용융액 표면까지 대략 연직으로 뻗어있다.

제3 영역은, 참조번호 26으로 나타내어진 디스크 형상의 중간층 영역으로서, 코크란 경계층 (22)과 강체 회전영역(24)의 사이에 개재되어(interposed) 있다. 상기 영역의 두께는 코크란 경계층 (22)의 수배 정도로 얇고, 직경 방향의 치수는 결정반경의 대략 1.2배 이하라고 생각된다. 상기 영역은, 결정 및 도가니 양자의 회전에 의해 생성된 전단력이 집중적으로 작용하고 있어 레이놀즈 수(Raynolds number)가 높다. 이는, 상기 영역에서의 용융액의 흐름이 쉽게 흐트러진다는 것을 의미한다.

상기와 같은 상태에서, 도가니 외주측의 강체 회전역 내, 열 대류와 같은 변동에 의해 형성된 소용돌이관이, CZ 법의 용융액 내에 결정 성장 계면하부까지 이동하는 것을 도 3과 관련지어 설명한다.

도 3은, CZ 법에 의한 실리콘 결정 육성용 도가니 내, 용융액층의 두께 변화 및 소용돌이관의 길이변화를, 결정 (6)의 중심축(27)의 좌측의 부분에 대해, 모식적으로 나타내고 있다. 용융액의 상방으로 팽창한 결정 성장 계면을 28, 용융액 (4)의 자유표면을 29, 도가니 밑바닥을 30로 나타내었다.

CZ 법에서 실리콘 결정의 성장 계면은 통상 상향 (결정의 성장 방향)으로 팽창되어 있다. 따라서, 통상 사용되고 있는, 내측 저면이 구면형인 도가니의 경우, 결정성장 계면과 도가니 저부 내면의 연직거리가 결정 외주측에서 결정 중심축을 향함에 따라서 길어지고 있다. 여기에서, 열 대류와 같은 요동에 의해, 연직으로 선 소용돌이 관 (vortex tube: 31)이 결정의 외측으로부터 중심을 향해 진입하면, 소용돌이 관(32, 33)으로 도시한 바와 같이 소용돌이 관의 길이가 신장된다. 소용돌이 관의 길이가 신장하면, 소용돌이도의 보존법칙에 의해 소용돌이관 내의 용융액 회전속도가 증가한다. 이 때, 소용돌이관의 신장에 기인한 큰 전단력이 중간층의 저부에 작용한다. 따라서, 중간층의 하부에 있는 용융액의 유동이 불안정해진다.

도 4A는, 수치 시뮬레이션에 의해 수득한 실리콘 결정 육성 시의 용융액 표면의 소용돌이 분포의 패턴이 나타내고 있다. 도 4B는 수치 시뮬레이션에 의해 수득한 실리콘 결정 육성 시의 용융액 상의 온도 분포의 패턴이 나타내고 있다. 도면중, 참조번호 6은 결정, 참조번호 34는 도가니 (2)의 측벽을 나타낸다.

특히, 결정의 외주부에는, 도 4A에서 나타낸 바와 같은 둘레 방향으로 파형의(wavy) 소용돌이가 형성된다. 동시에, 도 4B에 나타낸 바와 같이 둘레방향으로 파형의 일그러진 온도 분포가 생긴다. 이러한 온도분포는 결정성장 계면의 형상에 직접적 영향을 주어 결정 변형이 원인이 된다. 또, 둘레 방향으로의 파형 흐트러짐은, 직경 방향으로의 열 전달을 촉진하기 때문에 결정성장 계면의 직경 방향의 온도구배 dT/dR의 큰 감소를 가져온다. dT/dR는, 그 값이 작을수록 결정이 변형하는 자유도가 크고, 보다 결정의 변형하기 쉬운 상태인 것을 의미한다.

상기 이론을 실제 확인하기 위해, 고속에서 실리콘 결정 육성을 가정하여, 결정계면의 단면 형상에 대해, 결정 육성방향으로 진폭 H에서 팽창한 1/2주기의 삼각 함수형의 관점으로 수치 유동 시뮬레이션을 행하였다. 그 결과, 결정 외주단에 접하는 용융액 표면의 온도 구배 dT/dR의 둘레방향 평균값과, 결정의 팽창의 높이인 H 사이에, 표 1과 같은 관계를 얻었다. 표 1에서, H는 결정 반경을 1로 한 단위로 나타내었다. 상기 수치 시뮬레이션에 있어서, 도가니 회전 중 용융액의 테일러수는 1×10¹⁰으로, 결정 직경은 도가니 직경의 1/2로, 결정 회전수는 도가니 회전의 2배로, 도가니의 반대 방향으로 회전하는 것으로 가정하였다. 또, 도가니 내 용융액은 종횡비(aspect ratio) 6의 원통 영역을 형성하므로, 상기 시뮬레이션에서 H는, 결정의 끝으로부터 중심까지의 범위에 걸쳐 소용돌이관이 신장한 양에 상당한다.

	조건 1	조건 2	조건 3	조건 4
결정 성장 방향으로의 결정 계면의 팽창 H	-0.1	0	0.1	0.2
결정 외주에서의 용융액 표면의 직경방향 온도 구배 dT/dR(℃/분)	1.50	1.35	1.15	0.83

표 1: 수치 유동 시뮬레이션으로 얻어진, 결정계면의 결정 육성방향으로의 팽창과 결정 외주에서의 용융액의 직경 방향온도 구배와의 관계 (H의 단위는 결정 반경을 1로 한 길이)

수치 시뮬레이션에서 알 수 있는 바와 같이, 결정계면의 팽창의 증가 (즉 용융액의, 연직 방향의 두께 증가)시, 결정 변형에 대한 안정도의 지표인 dT/dR가 감소한다. 이러한 사실은, 결정 변형이 결정 성장 계면 하에서의 소용돌이관의 신장 및 수축에 기인된 것이라는 추측을 제공한다.

전술한 고찰 및 시뮬레이션의 결과에 기초하여, 본 발명자들은, 실리콘 결정의 변형을 억제할 목적으로, 결정 육성에 사용하는 도가니 밑바닥의 형상을 형성하는 것을 제안하였다.

전술한 고찰로부터 판단할 때, 중간층을 통해서 결정 형상이 영향받는 것으로 생각될 수 있는 영역에서의 소용돌이관의 길이가, 도가니의 중심 방향을 향해 짧아지는 것이 필수적이다. 따라서, 도가니의 저부 형상을, 용융액 층 계면의 팽창된 형상을 고려한 용융액 층의 연직 방향의 두께가 도가니의 중심 축선 방향을 향해 증가하지 않도록 구열할 수 있다. 나아가, 다른 한편으로는, 용융된 실리콘이 점성유체이므로, 도가니의 저부 형상이 상기에서 정의된 구성으로부터 다소 벗어나 있더라도 소망하는 효과가 기대할 수 있다. 즉, 도가니 저부가 결정 육성방향으로 팽창하여 볼록부를 형성하고, 상기 볼록부의 반경이 육성하는 결정 반경의 1.2배 이하인 것이면, dT/dR를 증가시키는 효과가 있다고 볼 수 있다.

이러한 효과를 확인하기 위해, 아래에 후술하고, 도 5에 도시한 바와 같이, 8개의 타입의 도가니 저부 형상에 대해 표 1에 제시된 조건 4의 결정 계면 형상으로 가정하여 용융액 유동의 수치 시뮬레이션을 실시하여, dT/dR 에 대한 도가니 형상의 효과를 연구하였다.

타입 (1): 저면의 형상이 결정 성장 계면과 동일한 형상인 도가니;

타입 (2): 도가니의 회전축을 중심으로, 결정 반경의 0.4 내지 1.2배의 구간에 걸쳐, 높이가 육성할 결정 반경의 0.13배인 반원 환형(half torus) 볼록부를 가지는 도가니;

타입 (3): 도가니의 회전축을 중심으로, 결정 반경의 0.8배 까지의 구간에 걸쳐 높이가 육성할 결정 반경의 0.13배인 반원환형의 볼록부를 갖는 도가니;

타입 (4): 도가니의 회전축을 중심으로, 결정반경의 0.4배 까지의 구간에 높이가 육성할 결정반경의 0.13배인 반원환형의 볼록부를 갖는 도가니;

타입 (5): 도가니의 회전축을 중심으로, 결정 반경의 0.85 내지 1.05배의 구간에 걸쳐 높이가 육성할 결정 반경의 0.13배의 반원 환형의 볼록부를 갖는 도가니;

타입 (6): 도가니의 회전축을 중심으로, 결정 반경의 0.8배 내지 l.2배의 구간에 걸쳐 높이가 육성할 결정 반경의 0.2배인 끝이 잘린 원뿔형상(truncated cone-shaped)의 볼록부를 가지는 도가니;

타입 (7): 도가니의 회전축을 중심으로, 결정 반경의 0.95배 내지 1.05배의 구간에 걸쳐 높이가 육성할 결정 반경의 0.2배인 끝이 잘린 원뿔형상의 볼록부를 가지는 도가니;

타입 (8): 도가니의 회전축을 중심으로, 결정 반경의 0.8 내지 1.6배의 구간에 걸쳐 높이가 육성 결정 반경의 0.13배인 볼록부를 가지는 도가니.

상기 (1) 내지 (8) 타입의 도가니에 대하여 수행한 시뮬레이션으로부터 얻어진 결정 외주단에서의 용융액 표면의 직경 방향온도 구배(dT/dR)의 결과는, 표 2에 나타낸 바와 같다. 비교를 위해, 표 2는 도가니 저부가 수평면인 것 (표 1의 조건 4와 동일함)을 타입 (0)으로서 포함시켜 나타내고 있다.

표 2는, 각종 타입의 도가니 형상으로 대하여, 수치시뮬레이션에 의해서 얻어진 dT/dR의 값, (위치, 및 높이의 수치는, 결정 반경을 1로 한 단위로 나타내었음)를 나타낸다.

표 2의 결과로부터 알 수 있듯이, 도가니의 저부 내면측 형상이, 도가니의 회전축에 대하여 볼록부를 가지고, 상기 볼록부가 육성하는 결정 반경의 1.2 배 이하에 있는 타입 (1) 내지 (7)의 도가니의 경우, 결정 외주단에서의 dT/dR의 증가에 효과가 있다. 이와 대조적으로, 타입 (8)과 같이, 도가니 저부에 볼록부가 있더라도, 그것이 결정의 하부에 위치하지 않은 것의 경우, dT/dR를 증가시키기 보다는, dT/dR을 감소시키는 효과가 있다.

결정 에지부에서의 깊이가 크게 변화되는 타입 (6) 및 (7)의 도자기는, 결정 성장 계면의 중심부에서의 용융액층의 두께가 도가니의 중심축을 향해 증가하는 경우에도, 증가하는 dT/dR을 가진다.

본 발명에서는, 도가니는 저부 내면에 볼록부를 가진다. 본 발명의 효과는, 그 볼록부의 높이에 따라 달라지는 것으로 생각된다. 본 발명의 효과는, 얻어지는 dT/dR의 값을, 도가니 밑바닥에 볼록부가 없는 평탄한 도가니의 사용 시에 결정 성장 계면이 평탄한(상측 볼록형으로 되어 있지 않은)상태에서의 값과 비교함에 의해 판단할 수 있다.

도 6은, 볼록부의 높이가 다른 타입(7)의 형상의 도가니에 대해, dT/dR 와 볼록부의 높이 Hb의 관계를, 수치시뮬레이션에 의해서 구한 것이다. 도 6에서, Hb는 도가니 반경에 대한 백분율을 나타낸다. 참고적으로, 도가니 밑바닥에 볼록부가 없는 평탄한 도가니를 사용한 평탄한 계면을 가진 결정 육성에 대해 수치시뮬레이션으로 구한 dT/dR의 값(1.35℃/mm)을 점선으로 나타내었다.

도 6에 도시한 바와 같이, dT/dR 은 볼록부의 높이에 실질적으로 비례하여 증가하고, Hb가 결정 반경의 7%보다 큰 경우, 1.35℃/mm을 넘는 것을 나타내어, 본 발명의 효과가 있다고 말할 수 있다.

볼록부의 높이 Hb가 높을수록 dT/dR가 크고, 효과가 큰 것으로 생각된다. 그러나, Hb가 크면, 실제의 조업에서는, 저부의 볼록부의 정점보다 낮은 위치에 있는 용융액을 결정화시킬 수 없기 때문에, 그만큼의 양의 원료를 쓸모없이 만든다. 볼록부의 높이가 도가니 내의 결정 반경보다도 높은 경우, 쓸모없게 되는 용융액의 양이 결정의 꼬리부 또는 콘(cone)부의 버려지는 양을 초과하게 되어 경제적이지 않다.

전술한 바와 같이, 청구범위 제 1항에서 정의된 도가니는, 상기 타입 (1) 내지 타입 (7)에서와 같이, 도가니의 저부 내면측 형상이, 도가니의 회전 중심축에 대하여 축대칭인 하나 이상의 볼록부를 가지고, 상기 볼록부의 외주단 위치가 상기 회전중심축으로부터 육성하는 결정 반경의 1.2배 내지 0.4배에 있으며, 상기 볼록부의 높이가 육성하는 결정 반경의 7% 이상 및 l00% 이하인 것을 특징으로 하고 있다.

청구범위 제 2항의 발명은, 상기 타입 (2), (3), (5), (6) 및 (7)의 도가니에서와 같이, 도가니의 회전 중심축선으로부터의 거리가 육성하는 결정 반경의 최소한 0.8 배 내지 1.2 배가 되는 구간에서의 도가니 저부 내면형상이, 결정 정형부 육성 시의 결정에 대한 용융액 계면의 팽창 형상을 고려한 용융액 층의 연직 방향의 두께가 도가니의 중심 축선 방향을 향해 증가하지 않도록 형성되고, 그의 저부 내면이, 높이가 육성하는 결정의 반경의 반 이하이도록 그 위에 형성된 볼록부를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

이러한 배열에서, 육성하는 결정 반경의 0.8 내지 1.2 배의 구간에 걸쳐 용융액층의 깊이가 증가하지 않고, 적어도 그 일부에서는 도가니 중심을 향해 (점진적으로 혹은 단조롭게) 감소하여 가는 것이다. 물론 육성 결정 반경의 0.8배 내지 1.2배의 전체 구간에 걸쳐 용융액층의 깊이가 감소할 수 있다. 따라서, 육성 결정반경의 1.0 내지 1.2배가 되는 구간에서는 용융액의 두께가 단조롭게(monotonously) 감소되고, 결정 반경의 0.8 내지 1.0배의 구간에서는 대략 일정값을 취하도록, 도가니 내부 저면을 형성할 수 있다. 대안으로서, 결정 반경의 0.9 내지 1.3배의 구간에서는 용융액의 두께가 증가되고, 0.9배로부터 도가니 중심 축선까지의 구간에서는 용융액의 두께가 대략 일정값을 취하도록, 도가니 내 밑바닥을 형성할 수 있다. 반대로, 용융액의 두께가 육성 결정 반경의 1.0 내지 1.3배의 구간에서는 대략 일정하고, 결정 반경의 1.0 내지 0.7배의 구간에 걸쳐 혹은 1.0배로부터 도가니 회전 중심 축선까지의 구간에서는 (예를 들어, 도가니 중심축 방향으로) 감소하도록, 도가니 저부를 형성할 수도 있다. 다시 말해, 제 2항 기재의 발명에서는, 육성 결정반경의 최소한 0.8 내지 1.2배의 구간에 걸쳐 또는 상기 구간의 일부에서, 용융액의 두께가 도가니 중심 방향을 향해 증가하지 않도록 하고 있으면 된다. 이러한 형상의 경우, 육성 결정 반경의 최소한 1.2배로부터 0.8배의 구간에서는, 상기 용융액의 두께는 증가하지 않으며, 도가니 중심 방향을 향해 소용돌이관의 신장 또는 수축이 없으므로, 결정 변형이 없다.

제 3항의 발명은, 제 2항에 기재된 도가니에 있어, 결정 중심부 하에서의 소용돌이관의 신장이 커지지 않도록, 육성 결정반경으로부터 회전 중심까지의 구간에서의 저부 내면의 높이가 중심축 방향을 향해 감소하지 않도록 형성되고, 저부 내면에 형성되는 볼록부의 높이가 육성될 결정의 반경의 반 이하인 것을 특징으로 하고 있다. 이는, 전술한 타입 (6) 및 타입 (7)의 도가니에 상당한 것으로, 본 청구항의 발명에 해당하지 않고, 제2항에 해당하는 타입 (3)과 같은 도가니에 비해 dT/dR를 크게 하는 효과가 있고, 보다 효과적으로 결정변형을 억제할 수 있다.

상기 청구항 l 내지 3에 기재된 발명에 따라서 도가니 저부 형상을 디자인하기 위해서는, 정형부(定型部) 육성 시의 결정의 내면형상을 알 필요가 있다. 정형부 육성 시 결정의 내부 형상은 종래 형상의 도가니 내에서 육성된 결정의 단면을 X-레이 토포그라피(topography)에 의해서 가시화하여 수득한 줄무늬 모양의 형상으로부터 확인할 수 있다.

청구범위 제4항에 기재된 발명은, 제1 내지 3항 중 어느 한 항에 기재된 결정 육성용 도가니를 사용하여, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 결정을 육성하는 것을 특징으로 하고 있다. 이 경우 결정품질이 양호한 결정을 고속으로 육성할 수 있다.

본 발명의 개념은 강체 회전 영역에서의 소용돌이관이 연직 방향으로 서있는 것이 전제되어 있다. 그러나, 도가니 내에 발생하고 있는 열 대류에 의해 소용돌이관의 방향이 연직 방향으로부터 어긋남으로써 본 발명의 효과가 약해지는 경우가 있다. 이와 관련하여, 회전하고 있는 용기 내에서의 유동의 연직 성분은, 회전에 따르는 코리올리력의 작용에 의해 억제되는 것으로 알려져 있으므로 (吉澤徹 [유체 역학]동경 대학출판회2001년 9월5일 발행, P75참조), 코리올리 효과를 보다 강하게 작용시킴으로써 용융액 내의 소용돌이관의 축을 연직 방향으로 유지할 수 있고, 본 발명의 효과를 보다 강하게 발현시킬 수 있다.

따라서, 청구항 제 5항에 기재된 발명은, 제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 기재된 결정 육성용 도가니를 사용하고, 결정 육성중의 도가니 회전수를 용융액의 테일러수가 1.O×10⁹ 이상이 되도록 설정하는 것을 특징으로 하고 있다. 이 경우도 결정 품질을 향상시켜, 결정 육성 속도를 높일 수 있다.

테일러 수라 함은, 용융액에 작용하는 코리올리력의 강도를 나타내는 무차원수로서, 하기 식으로 정의된다:

Ta= 4Ω²R⁴/υ

여기서, Ω는 도가니의 회전 각속도, R는 도가니의 반경, υ는 원료 용융액의 동적 점성 계수이다.

[실시예]

이하, 본 발명을 첨부된 도면과 관련된 실시예에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 7은, 현재 실리콘 결정의 제조를 위해 사용되는 전형적인 구경 350mm의 석영제 도가니의 단면 형상이 나타내고 있다. 상기 도가니는 연직으로 선 내측 직경350mm 원통형의 외벽부와 반경 350mm의 구면 저부를, 반경 70mm에서 내접하는 원호 상의 벽에 접속시켜 구성된다.

도 8은, 직경 100mm의 결정을 육성한 경우, 도가니 외벽 위치로부터 중심 축선 위치까지의 범위의 영역에 걸쳐 용융액 층의 연직길이의 변화를, 결정 정형부 육성 시의 성장 계면의 형상 및 도가니 저부 형상의 변화와 함께 나타낸 것이다.

도 8에서, 종축에 높이를 mm 단위로 잡고 횡축에 도가니 중심 축선으로부터의 거리를 동일하게 mm 단위로 잡아, 도가니 중심 축선으로부터의 반경 방향으로 연장된 도가니 내부 저면의 높이는 실선(35)으로, 용융액층의 두께는 파선(36)으로, 용융액의 액면 및 결정 성장 계면의 높이는 점선(37)으로, 결정 외주단의 위치는 참조번호 38로 나타낸 것이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 용융액 층의 연직길이는 도가니의 외주측으로부터 중심 축선을 향해 단조롭게 증가하고 있는 것을 알 수 있다.

도 9는, 본 발명의 실리콘 결정 육성용 석영제 도가니의 제1 실시예의 종단면도이다. 상기 도가니는, 직경 100mm의 결정 육성을 위한 것으로, 그 외형(outer shape)은 도 7에 나타낸 비교예 1의 것과 동일하지만, 도가니 저부의 중심으로부터 반경 60mm까지 범위의 부분에 걸쳐 높이10mm의 낮은 원추형 저부를 구비한다.

도 10은, 도 9에 나타낸 도가니를 이용하여 직경 100mm의 결정을 육성하는 경우, 도가니 외주로부터 중심 위치까지 범위의 구간에서의 용융액의 연직방향 두께 변화를, 결정 정형부의 성장 계면의 형상 및 도가니 저부 형상의 변화와 함께 나타낸 것이다. 도 10에서도, 종축에 높이를 mm 정도로 잡고 횡축에 도가니 중심 축선으로부터의 거리를 mm 단위로 잡아, 도가니 중심축선으로부터의 반경방향의 도가니 내바닥면의 높이는 실선(35)으로, 용융액층의 두께는 파선(36)으로, 용융액의 액면 및 결정 성장 계면의 높이는 점선(37)로, 결정 외주단의 위치는 참조번호 38로 나타내었다. 용융액층의 연직방향 두께는 도가니의 외주 직경의 반경 175mm의 위치로부터 중앙을 향해 결정 반경의 1.2배인 반경 60mm의 위치까지는 단조롭게 증가하고 있으나, 결정 반경 60mm의 위치로부터 결정반경 50mm의 위치에 걸쳐서는 단조감소하고, 결정반경 50mm의 위치로부터 결정 반경의 0.8배인 반경 40nm의 위치까지의 구간에서는 거의 일정하게 되어 있다. 다시 말해, 본 발명에 의해, 결정 정형부 육성 시, 결정 중앙부의 용융액 계면의 상향의 팽창 형상을 고려한 용융액층의 연직 방향의 두께는, 도가니 회전 중심축으로부터의 거리가 육성시킬 결정의 반경에 적어도 0.8 내지 1.2배인 위치들 사이의 구간에 걸쳐, 도가니 중심 방향을 향해 증가하지 않도록 형성되어 있는 것이다. 본 실시예에서는 결정 반경 0.6배인 30mm로부터 결정 중심을 향해 용융액층의 두께는 점차 감소하도록, 도가니의 바닥부의 내면 형상이 원추형으로 형성되어 있는 것으로 기술되어 있다. 그러나, 도가니의 내부 저면을, 원뿔대(truncated cone) 혹은, 반대로 접힌 최상부를 가지는 원뿔인, 이른바, 접힌 이중 원뿔(folded double cone)로 형성하여, 용융액층의 두께가 도가니 중심을 향해 증가하지 않도록, 즉 두께가 일정하거나 혹은 도가니 중심을 향해 단조롭게 감속하도록 구성할 수 있다.

도 11 및 도 12는, 도 7에 나타낸 비교예 1의 통상의 도가니를 이용한 경우 및, 도 9에 나타낸 본 발명의 실시예의 도가니를 이용한 경우에 있어, 결정 육성 속도와 결정의 변형 폭 간의 관계를 나타내는 선도(diagram)이다. 상기 도면 들에서는, 횡축에 성장 속도를 mm/min의 단위로, 종축에 변형 폭을 임의 단위로써 잡아 나타내었다. 결정의 변형 폭은, 결정이 1회전 할 때 결정 외주단의 위치의 최대치와 최소치간의 차이를 취하고, 화상처리 장치에 의해 상기 차이를 계산하여 산출한 것이다.

도 11 및 도 12은 상기 2개의 도가니에 40kg의 원료를 용해시키고, 직경100mm의 결정을, 일정한 결정 회전수 15 rpm에서 회전시켜, 육성 속도를 서서히 증가시키면서 육성시켰을 때의 인상 속도와 결정 직경의 변동의 관계를 나타내고 있다.

도 11은, 도가니를 일정한 회전수 1.8 rpm로 회전시키고, 용융액의 테일러수를 9.20×10⁸로 유지했을 때 수득된 결과로서, 비교예 1의 경우를 곡선 (39)로 나타내고, 본 발명의 실시예의 경우를 곡선 (40)으로 나타내었다. 비교예 1에 따라 통상 구조의 도가니를 이용한 결정 육성에서는, 인상 속도가 1.2mm/min 이상에서 결정 변형이 시작되고 직경 변동의 진폭이 급속히 증대되어 인상 속도를 저하시키지 않을 수 없었다. 반면, 본 발명의 실시예의 저부 형상의 도가니로서는, 인상 속도를 1.2mm/min까지 증가하더라도 결정 변형이 일어나지 않고, 1.4mm/min까지 증가시킨 시점에서 변형이 시작되어 직경 변동이 커졌다. 다시 말해, 본 발명의 실시예의 구조의 도가니를 사용하는 편이, 결정 변형을 일으키지 않고서 고속으로 결정을 육성할 수 있었다.

도 12는, 상기의 시험에 계속해서, 도가니 내의 용융액의 테일러수가 3.O×1O⁹가 되도록, 도가니 회전수를 높게 설정한 경우의 결과를 나타내고 있다. 도 12에서는, 도 7에 나타낸 비교예 1에 따른 통상 구조의 도가니를 이용한 경우를 곡선(41)로 나타내고, 본 발명의 도 8에 나타낸 실시예 1의 구조를 가진 도가니를 이용한 경우를 곡선(42)로 나타내었다. 본 발명의 도가니의 경우, 청구범위 제4항의 조건을 만족시키고 있다.

비교예 1의 통상의 도가니의 경우, 인상 속도는 l.1 mm/min 이상에서 결정 변형이 일어나 직경 변동의 진폭이 커져서 인상 속도를 저하시키지 않을 수 없었다. 본 발명의 실시예에 따른 구조의 저부 형상을 가지는 도가니의 경우, 심지어 1.4 mm/min까지 증가시켰을 때에도 결정 변형이 일어나지 않았다. 인상 속도를 1.5mm/min까지 증가시킨 시점에서야 결정 직경 변형이 시작되었다. 다시말해, 도가니 내 용융액의 테일러수가 커서 코리올리력의 작용이 강한 경우에는, 본 발명에 관한 효과가 현저하여, 보다 고속으로 결정을 육성할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 용융액 중의 소용돌이 관이 결정 바로 아래에 침입했을 때, 소용돌이관의 보존법칙에 의해 소용돌이관의 회전이 가속되는 일없이, 결정 성장 계면의 측부 흐름을 안정적으로 유지할 수 있다. 나아가, 결정 성장 계면의 외주측 온도 분포를 안정화 하여 육성 중의 실리콘 결정의 변형을 억제할 수 있으므로, 결정의 생산성이 높아지고, 결정의 품질을 향상시키는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면, 결정 육성 중의 도가니 회전수를, 용융액의 테일러수가 1.0×10⁹ 이상이 되도록 제어함으로써, 결정의 육성 속도를 높일 수 있다.

도 1은 쵸크랄스키법(CZ) 법에 의한 결정 육성 도가니의 모식도이고,

도 2A, 2B는 CZ 법에 의한 결정 육성용 도가니 내의 용융액 유동 구조의 전형적 도면이고,

도 3은 CZ 법 도가니 내에서의 용융액층의 두께 변화와 소용돌이관(vortex)의 신장간의 관계를 설명하는 개략도이며,

도 4A, 4B는 수치 시뮬레이션으로 얻어진 실리콘 결정 육성 시의 용융액 표면에서의 소용돌이와 온도의 분포 패턴을 도시한 도면이고,

도 5는 수치 시뮬레이션으로 검토한, 다양한 도가니 저부 형상과 결정 계면의 형상을 도시한 도면이고;

도 6은 청구항 l에 따른 도가니의 저부 내면에 형성된 볼록부의 높이와 dT/dR의 관계를 도시한 도면이고;

도 7은 비교예 1에 따른 도가니의 종단면 형상을 도시한 도면이며;

도 8은 도 7에 도시한 도가니에서의 실리콘 결정 육성 시, 용융액층 두께의 직경 방향 변화를 나타내는 선도(線圖)이고;

도 9는 실시예 1에 따른 도가니의 종단면 형상을 도시한 도면이고;

도 10은 도 9에 나타낸 구조의 도가니 내에서의 실리콘 결정 육성 시의 용융액층 두께의 반경방향 변화를 나타내는 선도이며;

도 11은 테일러수 9.2×10⁸에서의, 결정 육성 속도와 결정 변형 폭 간의 관계를, 본 발명의 실시예 1의 도가니를 이용한 경우와 도 7의 비교예 1의 도가니를 이용한 경우에 대해 나타내는 선도이고;

도 12는 테일러수 3.0×10⁹에서의, 결정 육성 속도와 결정 변형 폭 간의 관계를, 본 발명의 실시예 1의 도가니를 이용한 경우와 도 7의 비교예 1의 도가니를 이용한 경우에 대해 나타내는 선도이다.

*도면의 주요 부호에 대한 설명*

1 서셉터 2 도가니

3 히터 4 용융액

5 종(種)결정 6 결정

8 단열재 9 로(furnace)

10 단열재 20 결정 구동 기구

21 와이어 22 코크란 경계층

23 결정 회전방향 24 강체 회전영역

25 도가니 회전방향 26 중간층

27 회전 중심 축선 28 결정 성장 계면

29 용융액 자유표면 30 도가니 바닥(底)

31, 32, 33 소용돌이 관(vortex tube)

34 도가니 측벽 35 도가니 저면(底面)의 높이

36 용융액 층의 두께 37 용융액 액면

38 결정의 외주단

39 비교예의 결정육성 속도와 결정변형 폭과의 관계를 나타내는 곡선

40 본 발명의 실시예 1의 결정육성 속도와 결정변형 폭과의 관계를 나타내는 곡선

41 비교예 1의 결정육성 속도와 결정변형 폭과의 관계를 나타내는 곡선

42 본 발명의 실시예 1의 결정육성 속도와 결정변형 폭과의 관계를 나타내는 곡선

Claims (5)

1. 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 결정 육성용 도가니로서,

   그의 저부 내면측 형상이, 도가니의 회전축에 대하여 축대칭인 하나 이상의 볼록부를 가지고,

   상기 볼록부의 외주단은, 상기 회전 중심축으로부터, 육성될 결정 반경의 0.4 내지 1.2배의 거리에 위치하고,

   상기 볼록부의 높이는, 육성될 결정 반경의 7% 내지 100% 인 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 육성용 도가니.
2. 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 결정 육성용 도가니로서,

   상기 도가니의 회전 중심축으로부터의 거리가, 육성될 결정의 반경의 0.8 내지 1.2배가 되는 구간에서의 상기 도가니 저부 내면이, 결정의 정형부(regular shape portion) 육성 과정 중에서 결정에 대한 용융액 계면의 팽창 형상을 고려한 용융액 층의 연직방향 두께가 도가니의 중심축 쪽으로 증가하지 않도록 구성되고,

   상기 저부 내면은, 그 위에, 육성될 결정의 반경의 반 이하의 높이를 가진 볼록부를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 육성용 도가니.
3. 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 결정 육성용 도가니로서,

   도가니의 회전 중심 축선으로부터의 거리가 육성될 결정의 반경의 0.8 내지 1.2 배가 되는 구간에서의 상기 도가니 저부 내면이, 결정 정형부 육성 과정 중에서, 결정에 대한 융액 계면의 팽창 형상을 고려한 융액층의 연직 방향의 두께가 도가니의 중심축 쪽으로 증가하지 않도록, 구성되어 있고, 육성될 결정의 반경으로부터 회전 중심까지의 구간에 걸쳐, 저부 내면의 높이가, 중심축 쪽으로 감소하지 않도록 형성되어 있으며,

   저부 내면에 형성되는 볼록부의 높이가 육성될 결정의 반경의 반 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 결정 육성용 도가니.
4. 제 1항 내지 3항 중 어느 한 항에 따른 결정 육성용 도가니를 사용하여 쵸크랄스키법에 의해 결정을 육성하는 단계를 포함하는 실리콘 결정 육성 방법.
5. 제 1항 내지 3항 중 어느 한항에 따른 결정 육성용 도가니를 사용하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 결정 육성 방법으로서, 결정 육성 과정 중의 도가니 회전수를 융액의 테일러수가 1.O×10⁹ 이상이 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 결정 육성 방법.