KR20060117486A - 실리콘 단결정 잉곳 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유효 편석 계수를 제어할 수 있는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 실리콘 단결정 잉곳에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법은 200 G(gauss) 이상의 자기장을 인가한 상태에서 상기 실리콘 단결정의 회전 속도를 5 rpm(revolution per minute) 이하로 유지하면서 초크랄스키(czochralski, CZ) 법으로 실리콘 단결정을 성장시켜 실리콘 단결정 잉곳을 제조한다.
잉곳, 제조 방법, 평형 편석 계수, 유효 편석 계수, 비저항

Description

실리콘 단결정 잉곳 및 이의 제조 방법{SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT AND FABRICATION METHOD OF THE SAME}
도 1은 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법에 적용될 수 있는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 실험 1에서 제조된 잉곳에서, 잉곳의 길이 방향에 따른 비저항을 도시한 그래프이다.
도 3는 실험 2에서 제조된 잉곳에서, 잉곳의 길이 방향에 따른 비저항을 도시한 그래프이다.
도 4는 실험 3에서 제조된 잉곳에서, 잉곳의 길이 방향에 따른 비저항을 도시한 그래프이다.
도 5는 실험 4에서 제조된 잉곳에서, 잉곳의 길이 방향에 따른 비저항을 도시한 그래프이다.
도 6은 실험 5에서 제조된 잉곳에서, 잉곳의 길이 방향에 따른 비저항을 도시한 그래프이다.
도 7은 실험 6에서 제조된 잉곳에서, 잉곳의 길이 방향에 따른 비저항을 도시한 그래프이다.
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 실리콘 단결정 잉곳에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유효 편석 계수를 제어할 수 있는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 실리콘 단결정 잉곳에 관한 것이다.
최근 정보기술(information technology, IT) 산업 등의 발달에 의해 이러한 정보기술 산업의 핵심 기술에 해당하는 반도체 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 반도체는 컴퓨터, 가전제품, 휴대폰, 액정표시장치 등의 다양한 분야에 적용될 수 있어, 반도체에 대한 연구의 중요성이 점차 증대되고 있다.
반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조하고 이러한 웨이퍼에 소정의 이온을 주입하고 회로 패턴을 형성하는 등을 단계를 거쳐야 한다.
웨이퍼를 제조하기 위해서는 먼저 실리콘 단결정을 잉곳(ingot) 형태로 성장시킨 후 절단하는 등의 단계를 거쳐야 한다. 실리콘 단결정 잉곳(이하 '잉곳'이라 한다)의 제조를 위해서는 초크랄스키(czochralski, CZ) 법 또는 플로팅 존(floating zone, FZ) 법이 적용될 수 있다. 플로팅 존 법은 대구경 잉곳의 제조가 어렵고 공정 비용이 매우 비싼 문제가 있는 바 초크랄스키 법으로 잉곳을 제조하는 것이 일반적이다.
초크랄스키 법은 석영 도가니에서 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액을 만든 후, 시드(seed) 실리콘 단결정을 실리콘 융액 내에 담근 다음 소정의 속도로 회전시 키면서 인상시켜 실리콘 단결정을 성장시키는 방법이다. 잉곳으로부터 제조되는 웨이퍼의 전기적 특성을 조절하기 위하여, 잉곳의 제조 단계에서 실리콘 융액에 소정 양의 도펀트를 첨가하는 것이 일반적이다.
상기 도펀트들은 도펀트마다 특유의 평형 편석 계수(equilibrium segregation coefficient) K0를 가지는데, 일례로 붕소(B)는 대략 0.73의 평형 편석 계수 K0를 가지며 인(P)은 대략 0.35의 평형 편석 계수 K0를 가진다.
실리콘 융액 내에 존재하는 도펀트들은 실리콘 융액과 잉곳의 계면에서 잉곳 내부로 유입되는데, 잉곳 내부로 유입되는 도펀트의 양은 유효 편석 계수(effective segregation coefficient) Ke에 따라 정해지는 것으로 알려져 있다.
이러한 유효 편석 계수 Ke는 다음의 수학식 1과 같이, 실리콘 융액 내의 도펀트 농도 Cl과 잉곳의 도펀트 농도 Cs로 정의된다.
Figure 112005024651951-PAT00001
이러한 유효 편석 계수 Ke의 값을 1에 가까운 값을 가지도록 하면 잉곳의 도펀트 농도가 길이 방향에서 거의 균일하게 될 수 있다. 즉, 잉곳 전체에서 균일한 전기적 특성을 가질 수 있다.
이러한 유효 편석 계수 Ke에 대한 간단한 이론식을 실험 결과와 비교하여 유 도된 다음과 같은 수학식 2가 1950 년대에 알려졌다.
Figure 112005024651951-PAT00002
즉, 상기 실험에서는 유효 편석 계수 Ke가 평형편석계수 K0, 실리콘 단결정의 성장 속도 V, 확산 경계층의 두께 T, 실리콘 융액에서 도펀트의 확산계수 D에 관련된 것으로 결론을 내렸다.
이 때, 확산 경계층의 두께 T를 지배하는 실험식은 동정섬(kinematic viscosity) 계수 ν와 실리콘 단결정의 회전 속도 w에 관련되며, 다음의 수학식 3과 같다.
Figure 112005024651951-PAT00003
이러한 확산 경계층의 두께 T에 대한 수학식 3을 수학식 2에 대입하여 얻은 유효 편석 계수 Ke의 최종식은 다음의 수학식 4와 같다.
Figure 112005024651951-PAT00004
즉, 유효 편석 계수 Ke는 실리콘 단결정의 성장 속도 V와 동점성 계수 ν에 비례하고, 도펀트의 확산 계수 D와 실리콘 단결정의 회전 속도 w에 반비례하는 것 으로 결론지어 진 것을 알 수 있다.
그런데, 상기 도펀트의 확산 계수 D와 동점섬 계수 ν는 온도 및 유체 유동에 의해 변화하는 인자이다. 일반적으로 실리콘 융액의 유체 유동은 비정상 상태의 유동이며, 유동의 형태 또한 매우 복잡하여 아직까지 정확한 해석이 불가능하다. 따라서, 도펀트의 확산 계수 D와 동점섬 계수 ν 또한 정확한 해석 및 제어가 불가능하다. 즉, 상기 수학식 4는 실제 공정에 적용되는 데 어려움이 있다.
상기 수학식 4가 1950년대에 알려진 이후 현재까지 수많은 실험과 상업적인 잉곳의 제조가 이루어졌지만, 이를 이용하여 유효 편석 계수 Ke를 제어하는 방법에 대해서는 보고된 바 없다. 즉, 수학식 4에 기재된 변수 들을 제어하여 실제 상업적인 실리콘 단결정의 유효 편석 계수 Ke를 변화시킨 예는 실제로 찾아보기 힘들다.
그리고, 이러한 수학식 4는 미소량의 실리콘 융액으로부터 매우 작은 구경의 잉곳을 제조하는 실험에 의해 유도된 식으로 중소 및 대구경이면서 길이가 1000 mm 이상인 대용량 잉곳에 적용하는 것이 불가능하다.
이에 따라 상기 수학식 4에 따라 유효 편석 계수 Ke를 조절하는 것은 실질적으로 불가능한 것으로 여겨져 왔으며, 이 외에도 대용량 잉곳의 제조에서 유효 편석 계수 Ke를 조절할 수 있는 다른 이론 또한 발표된 바 없다. 이에 따라 유효 편석 계수 Ke는 도펀트의 평형 편석 계수 K0와 동일한 것으로 간주되었다.
본 발명은 상기한 점에 착안한 것으로서, 본 발명의 목적은 실리콘 융액의 유동 안정화(stabilization)를 통해 유효 편석 계수를 조절하여 비저항 특성이 우수한 잉곳을 제조할 수 있는 잉곳의 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법은 200 G(gauss) 이상의 자기장을 인가한 상태에서 상기 실리콘 단결정의 회전 속도를 5 rpm(revolution per minute) 이하로 유지하면서 초크랄스키(czochralski, CZ) 법으로 실리콘 단결정을 성장시켜 실리콘 단결정 잉곳을 제조한다.
상기 실리콘 융액에 붕소(B) 또는 인(P)을 도펀트(dopant)로 첨가할 수 있다.
상기 실리콘 단결정을 성장시킬 때 도가니는 비회전 상태로 유지시키거나 상기 실리콘 단결정의 회전 방향과 같은 방향 또는 반대의 방향으로 회전시킬 수 있다. 상기 도가니가 회전될 때, 상기 실리콘 단결정의 회전 속도에 대한 상기 도가니의 회전 속도 비율이 1 이하일 수 있다.
상기 실리콘 융액에 붕소를 도펀트로 첨가한 경우에 붕소의 유효 편석 계수가 0.77 내지 1 의 범위에 속할 수 있고, 상기 실리콘 융액에 인을 도펀트로 첨가한 경우에 인의 유효 편석 계수가 0.45 내지 1 의 범위에 속할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳은 상기의 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법에 의해 제조되어, 실리콘 단결정 잉곳의 길이 방향을 따라 보다 균일한 비저항 값을 가질 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳(이하 '잉곳'이라 한다)의 제조 방법 및 이에 의해 제조된 잉곳을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 이하에서는 잉곳 제조 장치에 대하여 먼저 설명한 다음 이러한 잉곳 제조 장치를 이용하여 잉곳을 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 잉곳에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 잉곳 제조 방법에 적용될 수 있는 잉곳 제조 장치를 도시한 도면이다. 잉곳 제조 장치에 대해서는, 본 발명에 관련되는 부분에 대해서만 상세하게 설명하며 본 발명과의 관련성이 적은 부분에 대한 설명은 생략한다.
도 1을 참조하면, 잉곳 제조 장치는 내부에서 실리콘 단결정(40)을 성장시키는 챔버(10)를 구비한다. 챔버(10) 내부에는 실리콘 융액(30)을 담는 도가니(11)가 설치되며, 이 도가니(11)의 외부에는 도가니 지지대(13)가 도가니(11)를 에워싸면서 설치된다. 여기서, 도가니(11)는 석영 등으로 이루어질 수 있으며 도가니 지지대(13)는 흑연 등으로 이루어질 수 있다.
이 때, 도가니 지지대(13)가 설치되는 회전축(15)이 구동 수단(미도시)에 연결되어, 도가니(11)가 일방향으로 회전될 수 있도록 한다. 도가니(11)는 구동 수단(미도시)에 의해 일방향으로 회전되면서 상승되어 실리콘 융액(30)과 성장중인 실리콘 단결정(40)이 만나는 고-액 계면(35)을 높이를 일정하게 유지할 수 있다. 또는, 도가니 지지대(13)가 일정 고정축 상에 고정되면서 상승되어, 실리콘 단결정 성장 중에 도가니(11)가 비회전 상태를 유지할 수도 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
그리고, 소정의 간격을 두고 도가니 지지대(13)를 둘러싸면서 히터(17)가 설치되고, 이러한 히터(17)를 둘러싸면서 보온통(18)이 설치된다. 히터(17)는 도가니(11) 내에 적재되는 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(30)으로 만드는 역할을 한다. 그리고, 보온통(18)은 히터(17)에서 발산되는 열이 챔버(10)의 외부로 발산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다. 이러한 히터(17)와 보온통(18)은 도면에서와 같이 원통형으로 이루어질 수 있으며, 이외의 다양한 형상을 가질 수 있음은 물론이다.
챔버(10)의 상부에는, 하부에 시드(seed) 실리콘 단결정이 장착되며 이러한 실리콘 단결정을 회전시키면서 인상시키는 인상(引上) 수단(미도시)이 설치된다. 도가니(11)가 회전되는 경우 실리콘 단결정(40)은 도가니(11)의 회전 방향과 같은 방향 또는 반대 방향으로 회전될 수 있다.
그리고, 실리콘 단결정(40)과 도가니(11) 사이에는 실리콘 단결정을 에워싸면서 열실드(19)가 설치될 수 있다. 열실드(19)는 실리콘 단결정(40) 외주부가 다른 부분보다 외부 공기에 의해 더 급속하게 냉각되는 것을 방지하여, 잉곳의 반경방향으로의 수직 온도 기울기 편차를 감소시킨다. 즉, 실리콘 단결정(40)의 성장으로 얻어진 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 제조하는 경우, 웨이퍼 면내에서 균일한 특성을 가질 수 있도록 한다.
이러한 열실드(19)는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W), 탄소(C) 또는 실리콘카바이드(SiC)가 코팅된 흑연으로 이루어질 수 있다. 그리고, 열실드(19)는 실리콘 단결정(40)의 외주부 냉각 속도를 느리게 할 수 있는 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
그리고, 챔버(10)의 외부로 실리콘 융액(30)에 자기장을 인가하는 자석(20)이 설치된다. 여기서, 자석(20)이라 함은 자기장을 인가할 수 있는 일체의 수단을 말한다.
상기 자석(20)은 실리콘 단결정(40)의 길이 방향에 대해 수직, 수평, 또는 커스프(CUSP) 형태의 자기장을 실리콘 융액(30)에 인가할 수 있다. 여기서, 커스프 형태의 자기장이란 상하 방향이 반대인 두 개의 수직 방향의 자기장으로 구성된 형태의 자기장을 말한다.
본 발명에서는 챔버(10)의 외부로 자석(20)이 위치하는 것을 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 자석이 챔버의 내부에 위치하는 등 다양한 배치 상태를 가질 수 있으며 이 또한 본 발명의 범위에 속한다. 또한, 본 발명은 자석(20)의 형상 또한 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1에 도시한 잉곳 제조 장치는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명에 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명에서는 다른 구조를 가지는 잉곳 제조 장치로 잉곳을 제조할 수 있다.
본 발명에서는 상기와 같은 잉곳 제조 장치를 이용하여 초크랄스키(czochralski, CZ) 법으로 실리콘 단결정(40)을 성장시킨다. 즉, 도가니(11) 내에 담겨진 실리콘 융액(30)에 시드 실리콘 단결정을 담근 후 이를 일방향으로 회전시키면서 인상시켜 실리콘 단결정(40)을 성장시킨다. 이 때, 도가니(11)는 비회전 상태를 유지하거나, 실리콘 단결정과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 회전될 수 있 다.
일반적으로 실리콘 단결정(40) 성장 중에 실리콘 융액(30) 내에는, 실리콘 융액(30)의 온도 구배에 의해 자연 대류가 형성되고 도가니(11) 및 실리콘 단결정(40)의 회전에 의해 강제 대류가 형성된다. 이러한 자연 대류와 강제 대류가 작용하여 실리콘 융액(30) 내에 일정한 대류 패턴이 형성된다.
이 때, 잉곳의 전기적 특성을 조절하기 위하여 실리콘 융액(30) 내에 붕소(B) 또는 인(P) 등의 도펀트를 첨가하는데, 실리콘 단결정(40) 내부로 도펀트들이 많이 유입될수록 잉곳의 비저항은 저하된다.
본 발명에서는 비저항 값에 관련되는 도펀트가 잉곳의 길이 방향에서 균일한 양으로 첨가되도록 하기 위하여, 실리콘 단결정(40) 성장 시의 공정 변수를 조절한다. 이에 따라 각 도펀트의 유효 편석 계수 Ke가 제어될 수 있다.
이에 따라 본 발명에서 설정한 상기 공정 변수와 유효 편석 계수 Ke의 관계식은 다음의 수학식 5와 같다.
Figure 112005024651951-PAT00005
여기서, V는 실리콘 단결정(40)의 성장 속도, U는 실리콘 융액(30)의 벌크 유체 속도(bulk velocity)(이하 "유체 속도"라 함), T는 확산 경계층의 두께, w는 실리콘 단결정(40)의 회전 속도, R은 도가니(11) 회전 속도, M은 전기장 또는 자기장의 세기, G는 실리콘 융액(30)의 온도 구배를 의미한다. 그리고, 상기 a, b, c, d, e, f 및 g는 모두 0이거나 0보다 큰 값을 가진다. 수학식 5에서 특정의 공정 변수가 적용되지 않거나 공정 변수의 값이 0인 경우에는 이러한 공정 변수의 지수를 0으로 간주한다.
수학식 5를 살펴보면, 본 발명에서 유효 편석 계수 Ke는 실리콘 단결정(40)의 성장 속도 V에 비례하고, 실리콘 융액(30)의 유체 속도 U에 반비례하여 확산 경계층의 두께 T에 비례하는 것으로 설정된다.
실리콘 단결정(40) 성장 속도 V는 제품의 품질에 큰 영향을 미치고 잉곳 제조 장치의 구조 및 특성에 따라 이미 정해져 있어 일정한 범위 내로 고정되는 것이 일반적이다. 즉, 정해진 잉곳 제조 장치에서 원하는 특성을 구현하기 위해서는 실리콘 단결정(40) 성장 속도 V가 일정한 범위 내로 제한되어야 한다. 따라서, 이러한 실리콘 단결정(40) 성장 속도 V를 조절하는 것보다 실리콘 융액(30)의 유체 속도 U를 조절하는 것이 유효 편석 계수 Ke의 제어에 더 효과적이다.
이에 따라 본 발명에서는 실리콘 융액(30)의 유체 속도 U를 조절하여 유효 편석 계수 Ke를 제어한다. 이 때, 실리콘 융액(30) 중에서 고-액 계면(35) 근처에서의 유체 속도를 억제하는 것이 효과적이다.
본 발명에서 이러한 실리콘 융액(30)의 유체 속도 U를 조절하기 위한 공정 변수를 실리콘 단결정(40)의 회전 속도 w, 도가니(11) 회전 속도 R, 전기장 또는 자기장의 세기 M, 실리콘 융액(30)의 온도 구배 G로 설정한다. 여기서, 실리콘 단결정(40)의 회전 속도 w 및 도가니(11)의 회전 속도 R은 실리콘 융액(30)의 강제 대류에 관계되며, 실리콘 융액(30)의 온도 구배 G는 실리콘 융액(30)의 자연 대류에 관련된다. 전기장 또는 자기장의 세기 M 는 강제 대류 및 자연 대류 양쪽에 관련된다. 그리고, 도가니(11)의 회전 속도 R에 따라 자연 대류의 세기가 제어될 수 있는 바 이에 대해서는 후술한다.
본 발명에서는 강제 대류에 관계되는 실리콘 단결정(40)의 회전 속도 w를 5 rpm(revolution per minute) 이하로 유지하면서 실리콘 단결정(40)을 성장시킨다. 이는 실리콘 단결정(40)의 회전 속도 w가 5 rpm을 초과하는 경우에는 강제 대류가 커지기 때문에 실리콘 융액(30)의 유체 속도 U가 증가하여 유효 편석 계수 Ke를 증가시킬 수 없기 때문이다. 즉, 본 발명에서는 실리콘 단결정(40)의 회전 속도 w를 5 rpm 이하로 유지하여 강제 대류를 최소화하고, 이에 따라 실리콘 융액(30)의 유체 속도 U를 줄일 수 있다.
실리콘 단결정(40) 성장 시 도가니(11)를 회전시키는 경우에는 강제 대류를 효과적으로 줄이기 위하여, 실리콘 단결정(40)의 회전 속도 w에 대한 도가니(11)의 회전 속도 R의 비율(R/w)을 1 이하로 유지하는 것이 바람직하다. 이 때, 실리콘 단결정(40)의 회전 속도 w에 대한 도가니(11)의 회전 속도 R의 비율(R/w)이 1을 초과하는 경우에는 공정이 불안해져 대용량의 잉곳을 제조할 수 없다. 따라서, 도가니(11)의 회전 속도 R을 5 rpm 이하로 유지한 상태에서 실리콘 단결정을 성장시키는 것이 바람직하다.
이 때, 도가니(11) 회전 속도 R을 증가시켜 온도 구배에 의해 발생되는 자연 대류를 감소시킬 수 있다. 그러나, 자연 대류를 조절하기 위해서 도가니 회전 속도 R을 지나치게 증가시키는 경우 전체적인 유체 속도 U의 증가하는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 자연 대류의 세기 및 전체적인 유체 속도 U를 감안하여 도가니 회전 속도 R을 조절하는 것이 바람직하다.
이 때, 별도의 자기장 또는 전기장의 인가 없이 실리콘 단결정(40)의 회전 속도 w를 5 rpm 이하로 유지하는 경우에는 자연 대류가 상대적으로 매우 커져, 실질적으로 실리콘 단결정(40)을 성장시키는 것이 불가능하거나 실제로 사용될 수 없는 정도의 열악한 특성을 가지는 잉곳이 제조될 수 있다. 이러한 문제는 대구경 대용량의 잉곳 제조 시에 더욱 큰 문제가 될 수 있는데 이러한 이유에 대하여 설명하면 다음과 같다.
자연 대류는 그 세기가 증가할수록 안정한 층류 유동, 주기적인 진동을 하는 유동, 무질서한 난류 유동으로 발전한다. 이러한 자연 대류의 세기는 무차원 변수인 레일리수(Rayleigh number, Ra)로 나타낼 수 있는데, 이러한 레일리수는 다음의 수학식 6과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112005024651951-PAT00006
여기서, g는 중력 가속도, β는 열팽창 계수, ΔT는 실리콘 융액(30) 내부의 온도차, L은 실리콘 융액(30) 또는 도가니의 대표 길이, ν는 동점성 계수, α는 열확산 계수이다.
수학식 6에서 알 수 있듯이, 자연 대류의 세기 Ra는 실리콘 융액(30) 또는 도가니(11)의 대표 길이 L의 세제곱에 비례하는 것을 알 수 있다. 따라서, 대구경의 대용량 잉곳의 제조 시에는 강한 자연 대류가 발생하여 실리콘 단결정(40) 성장에 더 큰 문제가 될 수 있다.
본 발명에서는 이러한 자연 대류를 최소화할 수 있도록 200 G(gauss) 이상의 자기장을 인가하여 실리콘 단결정(40)의 회전 속도 w가 5 rpm 이하인 경우에도 정상적으로 실리콘 단결정(40)이 정상적으로 성장될 수 있도록 한다. 즉, 이러한 자기장의 세기 G는 실리콘 단결정의 회전 속도 w가 5 rpm 이하인 경우에 자연 대류를 최소화할 수 있는 범위로 결정된 것이다. 이러한 자기장에 의해 자연 대류를 최소화함으로써 유효 편석 계수 Ke를 보다 효과적으로 제어할 수 있다.
이 때, 자연 대류를 최소화할 수 있는 자기장의 세기 M은 실리콘 융액의 용량에 따라 차이가 발생한다. 즉, 대용량 융액의 경우에는 200 G 이상의 자기장을 인가하면서 실리콘 단결정(40)을 성장시키는 것이 바람직하며, 자연 대류의 크기가 작은 소용량 융액의 경우에서는 이 보다 낮은 자기장으로도 유동 안정화를 이룰 수 있다.
그리고, 실리콘 단결정(40) 성장 중 자기장의 세기 M이 큰 경우, 즉 자연 대류가 많이 억제된 경우에는 상기 도가니(11) 회전 속도 R을 낮게 유지하는 것이 바 람직하나, 자기장의 세기 M 이 작은 경우, 즉 자연 대류가 강한 경우에는 도가니(11) 회전 속도 R을 적정 범위로 조절하는 것이 바람직하다.
이와 같이 본 발명은 실리콘 융액(30)의 유체 속도에 관계되는 공정 변수들을 조절하여, 유효 편석 계수 Ke가 도펀트 고유의 평형 편석 계수 K0보다 큰 값을 가질 수 있도록 한다. 이에 따라 잉곳의 길이 방향에서 나타날 수 있는 비저항 편차를 감소시킬 수 있다. 일례로, 도펀트로 평형 편석 계수가 0.73 인 붕소가 첨가된 경우에는 유효 편석 계수를 0.77 내지 1로 증가시킬 수 있고, 도펀트로 평형 편석 계수가 0.35 인 인이 첨가된 경우에는 유효 편석 계수를 0.45 내지 1로 증가시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 잉곳 제조 방법에 따르면, 유효 편석 계수를 증가시킴으로써 잉곳의 길이 방향 전체에 걸쳐 보다 균일한 비저항 분포를 가질 수 있다. 종래에는 반도체 제품으로 사용되기 위한 전기적 특성을 만족하기 위하여 일정한 범위의 비저항 값을 갖는 부분의 잉곳을 절단하여 웨이퍼를 제조하였는데, 본 발명에서는 비저항 값의 편차를 줄임으로써 잉곳 전체를 웨이퍼 제조에 사용할 수 있다. 즉, 잉곳 전체를 제품화할 수 있어 생산성 및 수율을 혁신적으로 향상시킬 수 있다.
한편, 일반적으로 실리콘 융액과 실리콘 단결정의 계면에서 실리콘 단결정(40) 내부로 유입되는 도펀트의 농도 Cs는 다음의 수학식 7과 같다.
Figure 112005024651951-PAT00007
여기서, Cl은 실리콘 융액의 도펀트 농도, C0는 실리콘 융액 내부의 초기 도펀트 농도, S는 실리콘 단결정의 고하분율이다.
이러한 수학식 7로부터 유효 편석 계수 Ke가, 잉곳의 길이 방향에 대한 비저항을 도시한 그래프에서 기울기에 관련됨을 알 수 있다.
즉, 유효 편석 계수 Ke가 1인 경우에는 수학식 7에서 실리콘 융액의 도펀트 농도 Cs와 실리콘 융액 내부의 초기 도펀트 농도 C0가 동일하여, 상기 그래프에서 잉곳의 길이 방향에서 도펀트 농도가 일정하게 분포될 수 있다. 따라서, 유효 편석 계수 Ke가 1인 경우에는 잉곳의 길이 방향을 따라 비저항이 일정한 값을 가져 기울기가 실질적으로 0의 값을 가진다.
반면, 유효 편석 계수 Ke가 1보다 작은 경우에는 실리콘 단결정이 성장하면서 실리콘 융액 내의 도펀트 농도가 점차적으로 증가하여 상대적으로 더 많은 양의 도펀트가 실리콘 단결정 내부로 유입된다. 이에 따라 실리콘 단결정이 성장함에 따라 비저항이 저하되게 되며, 이러한 경우에는 유효 편석 계수 Ke가 1인 경우보다 기울기의 절대값이 커지게 된다.
이하에서는 이러한 점을 참조하여 본 발명의 잉곳 제조 방법으로 유효 편석 계수 Ke을 제어할 수 있음을 실험을 통해 보다 상세하게 설명한다. 그러나, 이러한 실험은 본 발명을 예시하기 위한 것이며 본 발명이 이러한 실험에 한정되는 것은 아니다.
실험 1
붕소를 첨가한 150 kg의 실리콘 융액으로부터 구경이 200 mm이고 길이가 1500 mm인 잉곳을 제조하였다. 이 때, 실리콘 단결정 성장 시 실리콘 융액에 인가되는 자기장의 세기 M은 150 G, 실리콘 단결정의 회전 속도 w는 17 rpm을 유지하여 총 4개의 잉곳을 제조하였다.
이러한 4개의 잉곳에서 잉곳의 길이 방향에 따른 비저항을 측정하여 도 2에 각각 (a)선, (b)선, (c)선 및 (d)선으로 나타내었다.
그리고, 유효 편석 계수 Ke가 붕소의 평형 편석 계수 K0 과 동일한 0.73 인 경우에 잉곳의 길이 방향에 따른 비저항의 이론값을 (t1)선에 도시하였고, 유효 편석 계수 Ke가 1 인 경우에 잉곳의 길이 방향에 따른 비저항의 이론값을 (t2)선에 도시하였다. 이러한 (t1) 선 및 (t2) 선은 각 실험으로 제조된 잉곳의 유효 편석 계수 Ke 값의 판단을 위한 것으로 이후의 도면에도 도시한다.
도 2에 도시된 바와 같이, (a)선, (b)선, (c)선 및 (d)선은 (t1)선과 기울기가 거의 동일한 것을 알 수 있다. 이러한 기울기의 절대값은 유효 편석 계수 Ke에 관계되는 바, 본 실험에 의해 제조된 잉곳에서 도펀트의 유효 편석 계수 Ke는 붕소 의 평형 편석 계수 K0와 실질적으로 동일한 것을 알 수 있다. 즉, 실리콘 융액에 첨가되는 초기 붕소의 농도를 동일하게 할 경우, 즉 그래프에서 잉곳의 길이 방향에서 0mm에서의 비저항을 일치시켰을 경우에 각 선들은 실질적으로 거의 일치하는 것을 알 수 있다.
이는 본 실험에서 실리콘 단결정 성장 시 실리콘 단결정의 회전 속도 w를 17 rpm으로 유지하였기 때문에, 실리콘 융액 내에서 매우 큰 강제 대류가 발생하여 유체 속도 U가 큰 값을 가지기 때문이다. 즉, 이러한 조건으로는 유효 편석 계수 Ke를 조절할 수 없음을 알 수 있다.
실험 2
붕소를 첨가한 110 kg의 실리콘 융액으로부터 구경이 200 mm이고 길이가 1100 mm인 잉곳을 제조하였다. 이 때, 실리콘 단결정 성장 시 실리콘 단결정의 회전 속도 w는 13 rpm을 유지하고, 자기장의 세기 M을 각각 150 G, 300 G, 700 G 으로 유지하여 총 3개의 잉곳을 제조하였다.
상기 3개의 잉곳 중 150 G의 자기장을 인가하여 제조된 잉곳의 비저항을 도 3에 (a)선으로 도시하였고, 300 G의 자기장을 인가하여 제조된 잉곳의 비저항을 도 3에 (b)선으로 도시하였으며, 700 G의 자기장을 인가하여 제조된 잉곳의 비저항을 도 3에 (c)선으로 도시하였다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 (a)선, (b)선 및 (c)선 각각은 실질적으로 (t1)선과 동일한 기울기 절대값을 가지므로, 이러한 공정 조건에서는 유효 편석 계 수 Ke를 증가시킬 수 없음을 알 수 있다. 이는 실리콘 단결정 성장 중 실리콘 단결정의 회전 속도 w가 13 rpm으로 크기 때문에 전기장을 인가하여도 실리콘 융액의 유체 유동을 안정화시킬 수 없기 때문이다.
실험 3
붕소를 첨가한 110 kg의 실리콘 융액으로부터 구경이 200 mm이고 길이가 1100mm 인 잉곳을 제조하였다. 이 때, 서로 다른 실리콘 단결정의 회전 속도 w 및 자기장 세기 M을 유지하면서 실리콘 단결정을 성장시켜 총 4개의 잉곳을 제조하였다.
실리콘 단결정의 회전 속도 w가 19 rpm 이고 자기장 세기 M가 150 G 인 조건으로 성장된 잉곳의 비저항을 도 4에 (a) 선으로 도시하였고, 실리콘 단결정의 회전 속도가 13 rpm 이고 자기장 세기가 700 G 인 조건으로 성장된 잉곳의 비저항을 도 4에 (b) 선으로 도시하였다. 그리고, 실리콘 단결정의 회전 속도 w가 7 rpm 이고 자기장 세기 M이 700 G 인 조건으로 성장된 잉곳의 비저항을 도 4에 (c) 선으로 도시하였고, 실리콘 단결정의 회전 속도 w가 5 rpm 이고 자기장 세기 M이 210 G 인 조건으로 성장된 잉곳의 비저항을 도 4에 (d) 선으로 도시하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 (a)선, (b)선, (c)선 및 (d)선 각각은 (t1 선과 실질적으로 동일한 기울기 절대값을 가짐을 알 수 있다. 이는 본 실험에서 제조된 잉곳들이 실리콘 성장 시 실리콘 단결정의 회전 속도 w가 5 rpm을 초과하거나 자기장을 200 G 미만으로 유지하여 강제 대류 및 자연 대류를 효과적으로 제어할 수 없기 때문이다.
실험 4
붕소를 첨가한 110 kg의 실리콘 융액으로부터 구경이 200 mm이고 길이가 1100 mm인 잉곳을 제조하였다. 이 때, 자기장의 세기 M을 640 G로 유지하면서 실리콘 단결정의 회전 속도 w를 1 rpm, 3 rpm, 5rpm 및 7 rpm으로 단계적으로 증가시켜 하나의 잉곳을 성장시켰다. 그리고, 자기장의 세기 M을 310 G로 유지하면서 실리콘 단결정의 회전 속도 w를 1 rpm, 3 rpm, 5rpm 및 7 rpm 으로 단계적으로 증가시켜 또 다른 잉곳을 성장시켰다. 두 경우 모두 도가니의 회전 속도 R은 0.3 rpm으로 유지하였다.
상기 640 G의 자기장을 인가하여 제조된 잉곳의 비저항을 도 5에 (a) 선으로 도시하였고, 310 G의 자기장을 인가하여 제조된 잉곳의 비저항을 도 5에 (b) 선으로 도시하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, (a)선과 (b)선은 모두 5 rpm 이하의 실리콘 단결정 회전 속도 w에서 비저항 곡선의 기울기 절대값이 실질적으로 (t1)선과 (t2) 사이의 값을 가진다. 이는 실리콘 단결정의 회전 속도 w가 5 rpm 인 경우에는 유효 편석 계수 Ke가 0.73 보다 큰 값을 가지며 1 보다 작은 값을 가짐을 의미한다.
그리고, 동일한 조건에서 자기장의 세기 M이 클수록 잉곳의 길이 방향 중 0mm에서의 도펀트 유입량이 증가하여 비저항 값이 저하되는 것을 알 수 있다. 즉, 자기장의 세기 M이 클수록 유체 유동이 안정화되어 유효 편석 계수 Ke가 증가함을 알 수 있다.
이는 실리콘 단결정의 회전 속도 w가 5 rpm 이하의 값을 가짐으로써 강제 대류를 최소화할 수 있고 실리콘 융액에 인가되는 자기장 역시 310 G 및 640 G으로 자연 대류를 최소화할 수 있어, 실리콘 융액의 유체 유동을 안정화시킬 수 있기 때문이다.
반면, (a)선과 (b)선의 기울기 절대값은 7 rpm의 실리콘 단결정 회전 속도 w를 가지는 부분에서 실질적으로 (t1)선의 기울기 절대값과 동일한 것을 알 수 있다. 즉, 이러한 조건에서는 유효 편석 계수 Ke를 제어하는 데 어려움이 있는 것을 알 수 있다.
이를 통해 실리콘 단결정의 회전 속도 w를 5 rpm 이하로 유지하면서 자기장을 200 G 이상으로 인가하는 경우에는 유효 편석 계수 Ke를 효과적으로 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 이에 따라 잉곳의 길이 방향에서 비저항의 편차를 효과적으로 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 실험에서 실리콘 단결정의 회전 속도 w를 단계적으로 증가시키는 것은 하나의 잉곳으로 각 실리콘 단결정 회전 속도에서의 유효 편석 계수 Ke를 비교를 용이하게 하기 위한 것이다. 이는 이하의 실험에서도 동일하다.
실험 5
붕소를 첨가한 110 kg의 실리콘 융액으로부터 구경이 200 mm이고 길이가 1100 mm인 잉곳을 제조하였다. 이 때, 실리콘 단결정 성장 시 도가니의 회전 속도 R을 0 rpm에서 0.3 rpm으로 단계적으로 증가시켜 하나의 잉곳을 제조하였다. 그리고, 도가니의 회전 속도 R을 0.3 rpm으로 유지하여 다른 잉곳을 제조하였으며, 도가니의 회전 속도 R을 0 rpm, 0.5 rpm, 1 rpm, 2 rpm으로 단계적으로 증가시켜 또 다른 하나의 잉곳을 제조하였다. 상기 3 개의 잉곳 제조 시 자기장의 세기 M은 650 G을 유지하고 실리콘 단결정의 회전 속도 w는 1 rpm, 3 rpm, 5rpm 및 7 rpm 으로 단계적으로 증가시켰다.
상기 도가니의 회전 속도 R을 0 rpm에서 0.3 rpm으로 단계적으로 증가시켜 제조된 잉곳의 비저항을 도 6에 (a)선으로 도시하였고, 도가니의 회전 속도 R을 0.3 rpm으로 유지하여 제조된 잉곳의 비저항을 도 6에 (b)선으로 도시하였다. 그리고, 도가니의 회전 속도 R을 0 rpm, 0.5 rpm, 1 rpm, 2 rpm으로 단계적으로 증가시켜 제조된 잉곳의 비저항을 도 6에 (c)선으로 도시하였다.
도 6을 참조하면, (a)선, (b)선 및 (c)선 각각은 모두 5 rpm 이하의 실리콘 단결정 회전 속도 w에서 각 선의 기울기의 절대값이 실질적으로 (t1)선의 기울기 절대값과 (t2)선의 기울기 절대값 사이의 값을 가지거나, (t1)선의 기울기 절대값보다 작은 값을 가지는 것을 알 수 있다. 반면, 7 rpm의 실리콘 단결정 회전 속도 w에서는 상기 각 선의 기울기의 절대값이 실질적으로 (t1) 선과 거의 동일한 것을 알 수 있다.
그리고, 도가니 회전 속도 R이 작아질수록, 즉 (c)선, (b)선, (a)선의 순서로 기울기의 절대값이 작아짐을 알 수 있다. 즉, 도가니 회전 속도 R를 낮추어 자 연 대류를 최소화함으로써 유효 편석 계수 Ke를 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.
실험 6
붕소를 첨가한 110 kg의 실리콘 융액으로부터 구경이 200 mm이고 길이가 1100 mm인 잉곳을 제조하였다. 이 때, 자기장의 세기를 650 G로 유지하면서 실리콘 단결정의 회전 속도 w를 1 rpm, 3 rpm, 5rpm 및 7 rpm 으로 단계적으로 증가시켜 하나의 잉곳을 성장시켰다. 실리콘 단결정 성장 중 도가니의 회전 속도 R은 0 rpm에서 0.3 rpm으로 증가시켰다.
이러한 잉곳의 비저항을 도 7에 (a)선으로 도시하였다. 그리고, 보다 정확한 비교를 위하여 (t1)선과 (t2)선 이외에 (t3)선을 도시하였다. (t3)선은 유효 편석 계수가 0.83 인 경우에 잉곳의 길이 방향에 따른 비저항의 이론값이다.
도 7을 참조하면, (a)선은 5 rpm 이하의 실리콘 단결정 회전 속도 w에서 비저항 곡선의 기울기 절대값이 실질적으로 (t2)선의 기울기 절대값과 (t3)선의 기울기 절대값의 사이 값을 가지는 것을 알 수 있다. 즉, 5 rpm 이하에서 실리콘 단결정을 성장시키는 경우에 유효 편석 계수가 0.83 에서 1 사이의 값을 가짐을 알 수 있다. 이는 종래의 붕소의 유효 편석 계수로 여겨졌던 0.73 에 비교하며 매우 큰 값임을 알 수 있다.
더욱이, 실리콘 단결정의 회전 속도 w가 3 rpm 이하인 경우에는 유효 편석 계수 Ke가 실질적으로 1을 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 650 G의 자기장을 인가하면서 실리콘 단결정의 회전 속도 w를 3 rpm으로 하여 실리콘 단결정을 성장 시키는 경우에는 잉곳의 길이 방향에서 실질적으로 동일한 비저항을 가지는 것도 가능하다. 따라서, 잉곳의 길이 방향을 따라 비저항 값을 균일하게 할 수 있음을 알 수 있다.
예를 들어, 붕소를 첨가한 110 kg 의 실리콘 융액으로부터 구경이 200 mm 이고 길이가 1100 mm인 잉곳을 제조하는 경우에, 고객의 비저항 범위가 8.91 내지 11.79 Ω인 경우를 살펴보면 다음과 같다. 종래와 같이 유효 편석 계수 Ke가 0.73 인 경우 잉곳의 제품화 비율이 900/1100 정도에 불과한 반면, 실리콘 단결정의 회전 속도 w가 5 rpm 이하이고 200 G 이상의 자기장을 인가하여 제조된 본 발명의 일례에 따른 잉곳의 제품화 비율은 1100/1100에 달할 수 있음을 알 수 있다.
즉, 상기와 같은 실험을 통하여, 실리콘 단결정의 회전 속도 w를 5 rpm 이하로 유지하고 도가니 회전 속도 R을 조절하면서 200 G 이상의 자기장을 인가하여 실리콘 단결정을 성장시키는 경우에 유효 편석 계수 Ke를 각 도펀트의 평형 편석 계수 K0보다 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 이에 따라 잉곳의 길이 방향에 따라 균일한 비저항 값을 가지도록 할 수 있으며 이에 따라 잉곳의 비저항 특성에 따른 제품화 비율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기에 기재된 바에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 잉곳 제조 방법은 실리콘 융액의 유체 속도를 낮추어 유동을 안정화시킴으로써 유효 편석 계수를 증가시킬 수 있다. 즉, 실리콘 단결정의 회전 속도 및 도가니의 회전 속도를 일정한 범위로 조절하여 강제 대류를 최소화하는 한편, 자기장을 인가함으로써 자연 대류를 최소화하여 유동을 안정화시켜 유효 편석 계수를 제어할 수 있다.
이러한 유효 편석 계수의 증가에 따라 잉곳의 길이 방향에서 균일한 비저항을 가질 수 있고, 이에 따라 잉곳 전체를 제품화하여 생산성을 혁신적으로 증대시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 도가니 내의 실리콘 융액에 시드(seed) 실리콘 단결정을 담근 후 상기 시드 실리콘 단결정을 회전시키면서 인상시켜 실리콘 단결정을 성장시키는 초크랄스키(czochralski, CZ) 법으로 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 방법에 있어서,
    200 G(gauss) 이상의 자기장을 인가한 상태에서 상기 실리콘 단결정의 회전 속도를 5 rpm(revolution per minute) 이하로 유지하면서 실리콘 단결정을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 실리콘 융액에 붕소(B) 또는 인(P)을 도펀트(dopant)로 첨가하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 도가니를 비회전 상태로 유지하면서 실리콘 단결정을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 도가니를 상기 실리콘 단결정의 회전 방향과 같은 방향 또는 반대 방향으로 회전시키면서 실리콘 단결정을 성장시키고,
    상기 실리콘 단결정의 회전 속도에 대한 상기 도가니의 회전 속도 비율이 1 이하인 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 실리콘 융액에 붕소를 도펀트로 첨가한 경우에 붕소의 유효 편석 계수가 0.77 내지 1 의 범위에 속하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 실리콘 융액에 인을 도펀트로 첨가한 경우에 인의 유효 편석 계수가 0.45 내지 1 의 범위에 속하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법에 의해 제조된 실리콘 단결정 잉곳.
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