KR20070119738A - 실리콘 단결정의 육성 방법 및 그 방법에 의해 육성된실리콘 단결정 - Google Patents

실리콘 단결정의 육성 방법 및 그 방법에 의해 육성된실리콘 단결정 Download PDF

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Abstract

본 실리콘 단결정의 육성 방법은, 육성중의 실리콘 단결정의 주위를 둘러싸고 그 내주면이 인상축과 동축인 냉각용 부재에 의해 실리콘 단결정의 적어도 일부를 냉각하면서 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 육성하고, 상기 단결정을 육성하는 분위기 가스가 수소 원자 함유 물질의 기체를 포함한다.
실리콘 단결정, 수소 원자, 육성 방법, 열응력

Description

실리콘 단결정의 육성 방법 및 그 방법에 의해 육성된 실리콘 단결정 {METHOD OF GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL AND SILICON SINGLE CRYSTAL GROWN BY THE METHOD}
본 발명은, 실리콘 웨이퍼의 소재인 실리콘 단결정의 육성 방법에 관한 것으로, 특히 열응력에 기인하는 유전위화(有轉位化)를 억제할 수 있고, 무전위부(無轉位部)를 수율 좋게 육성할 수 있는 실리콘 단결정의 육성 방법 및 그 방법에 의해 육성된 실리콘 단결정에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼의 소재인 실리콘 단결정의 제조 방법으로서, 초크랄스키법(이하, 「CZ법」이라고 함)에 의한 육성 방법이 알려져 있다. 종래부터, CZ법으로 소망하는 품질의 실리콘 단결정을 효율 좋게 제조하기 위해, 육성중의 실리콘 단결정의 온도를 조정하는 기술이 알려져 있다. 예를 들면, 인상중의 실리콘 단결정의 고액(固液) 계면 근방을 급냉함으로써, 최대 인상 속도를 증대하는 기술이 제안되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
그러나, 특허 문헌 1에 기재되어 있는 기술에서는, 실리콘 단결정을 냉각하는 것에 따른 열응력에 기인하는 유전위화가 생기기 쉬워, 생산성이나 수율이 나빠지는 것이 문제가 되고 있었다.
통상, 인상중의 실리콘 단결정에 유전위화가 생긴 경우, 인상한 실리콘 단결정을 녹여, 재차 인상함으로써 무전위부가 긴 실리콘 단결정의 육성을 목표로 한다.
그러나, 실리콘 단결정의 인상과 용해를 반복하면, 인상에 요하는 시간이 장시간이 되기 때문에 생산성이 저하하여 버린다. 또한, 무전위 결정의 육성을 단념하여 결정 육성을 중단한 경우에는 도가니 내에 다량의 실리콘 융액이 남아버리기 때문에, 원료가 쓸모없게 되고, 남은 실리콘 융액이 응고할 때의 체적 팽창에 의해 도가니나 히터가 파손하여 버리는 우려가 생긴다. 이 때문에, 종래부터, 유전위화가 다수회 발생하여, 인상한 실리콘 단결정을 녹여 재차 인상했다고 해도, 무전위부가 긴 실리콘 단결정의 인상을 기대할 수 없는 경우에는, 유전위화가 생긴 채로의 실리콘 단결정이 인상되고 있다.
또한, 이러한 유전위화가 다수회 발생한 실리콘 단결정은, 육성중의 열응력에 기인하는 결정립의 차이가 큰 것이 되기 때문에, 인상한 실리콘 단결정을 실온까지 냉각한 후에, 결정립의 차이에 의한 큰 잔류 응력이 발생한다. 이 때문에, 인상한 실리콘 단결정을 로(爐) 밖으로 꺼낼 때나, 로 밖으로 꺼낸 실리콘 단결정을 운반할 때 등에 약간의 충격이 가해지는 것으로, 용이하게 실리콘의 항복 응력 이상의 응력이 발생하여 결정이 깨져 버린다는 문제가 있었다.
[특허 문헌 1] 일본공개특허공보 평11-199385호
(발명의 개시)
(발명이 해결하고자 하는 과제)
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각함으로써 생기는 열응력에 기인하는 유전위화를 억제할 수 있어, 잘 깨지지 않고, 무전위부의 길이가 긴 실리콘 단결정을 수율 좋게 육성할 수 있는 생산성이 우수한 실리콘 단결정의 육성 방법을 제공한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법은, 육성중의 실리콘 단결정의 주위를 둘러싸고 그 내주면이 인상축과 동축인 냉각용 부재에 의해, 실리콘 단결정의 적어도 일부를 냉각하면서 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 육성하고, 상기 단결정을 육성하는 분위기 가스가 수소 원자 함유 물질의 기체를 포함한다. 본 발명에 있어서, 육성중의 실리콘 단결정의 적어도 일부란, 직동(body)부, 네크(neck)부, 테일(tail)부 등 실리콘 단결정의 어느 부분이라도 좋고, 예를 들면, 핫 존(hot zone)을 통과하는 실리콘 단결정의 측면부로 할 수 있다.
또한, 상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 상기 분위기 가스 중에 있어서 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 40∼400Pa로 해도 좋다.
또한, 상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 상기 수소 원자 함유 물질의 기체는 수소 가스라도 좋다.
또한, 상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)와, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)와의 비(Gc/Ge)가 1.1∼1.4가 되도록 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각해도 좋다.
또한, 상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 냉각용 부재의 설치에 의해, 상기 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)를 3.0∼3.5℃/mm로 해도 좋다.
또한, 상기의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 상기 실리콘 단결정의 직동부(body portion)를, Grown-in 결함을 포함하지 않는 무결함 영역으로 해도 좋다.
본 발명의 실리콘 단결정은, 상기의 어느 하나에 기재된 실리콘 단결정 육성 방법에 의해 육성되고 있다.
여기서, CZ법으로 제조된 실리콘 단결정의 품질(결함 상태)과 생산성(인상 속도)에 대하여 설명한다.
CZ법으로 제조된 실리콘 단결정에는, 디바이스의 제조 과정에서 현재화(顯在化)해지는 미세 결함, 즉 Grown-in 결함이 생기는 것이 알려져 있다. 도1 은, CZ법으로 얻어진 실리콘 단결정의 반경방향에 있어서의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 단면도이다. 도1 에 나타내는 바와 같이, CZ법으로 얻어진 실리콘 단결정의 Grown-in 결함은, 적외선 산란체 결함 또는 COP(Crystal Originated Particle) 등으로 불리는 크기가 0.1∼0.2㎛ 정도의 공공(空孔) 결함 및, 전위 클러스터로 불리는 크기가 10㎛ 정도의 미소 전위로 이루어진다.
또한, 도1 에 나타내는 실리콘 단결정에서는, 산소 유기 적층 결함(이하, 「OSF(Oxygen induced Stacking Fault)」라고 함)이 외경의 약 2/3의 영역에 링 형상으로 나타나 있다. OSF가 발생하는 OSF 발생 영역의 내측 부분에는, 적외선 산란체 결함이 105∼106개/cm3 정도 검출되는 영역(적외선 산란체 결함 발생 영역)이 있고, 외측 부분에는, 전위 클러스터가 103∼104개/cm3 정도 존재하는 영역(전위 클러스터 발생 영역)이 있다.
도2 는, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다. 또한, 도1 은, 도2 에 있어서의 A의 위치에 상당하는 인상 속도로 육성된 실리콘 단결정의 단면도이다.
도2 에 나타내는 바와 같이, 인상 속도가 빠른 단계에서는, 결정 주변부에 링 형상의 OSF 발생 영역이 나타나고, OSF 발생 영역의 내측 부분이, 적외선 산란체 결함이 다수 발생하는 적외선 산란체 결함 발생 영역으로 되어 있다. 그리고, 인상 속도의 저하에 따라, OSF 발생 영역의 지름이 점차 작아져, OSF 발생 영역의 외측 부분에 전위 클러스터가 발생하는 전위 클러스터 발생 영역이 나타나고, 결국에는 OSF 발생 영역이 소멸하여, 전면(全面)에 전위 클러스터 발생 영역이 나타난다.
또한, 링 형상의 OSF 발생 영역에 접하는 외측에는, 산소 석출물(BMD: Bulk Micro Defect)을 형성시킬 수 있는 산소 석출 촉진 영역(PV 영역)이 있고, 산소 석출 촉진 영역과 전위 클러스터 발생 영역과의 사이에 산소 석출을 일으키지 않는 산소 석출 억제 영역(PI 영역)이 있다. 산소 석출 촉진 영역(PV 영역), 산소 석출 억제 영역(PI 영역), 링 형상의 OSF 발생 영역은, 모두 Grown-in 결함이 극히 적은 무결함 영역이다.
적외선 산란체 결함이 검출되는 실리콘 단결정은, 전위 클러스터가 검출되는 실리콘 단결정과 비교하여 디바이스로의 악영향이 작고, 인상 속도를 빠르게 할 수 있기 때문에 생산성이 우수하다.
또한, 근년의 집적 회로의 미세화에 따라, 적외선 산란체 결함에 의한 산화막 내압성의 저하가 지적되어, 적외선 산란체 결함도 전위 클러스터도 검출되지 않는 무결함 영역으로 이루어지는 고품질인 실리콘 단결정이 요구되고 있다.
소망의 결함 상태의 실리콘 단결정은, 인상 속도(V)(mm/min)와, 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)(℃/mm)와의 비(V/G)를 제어함으로써 얻어진다.
도1 및 도2 를 이용하여 설명한 실리콘 단결정의 육성예는, 실리콘 단결정의 측면부에 있어서 온도 구배(G)를 제어하기 위한 온도 조정을 행하지 않은 핫 존(hot zone) 구조를 이용하여 육성된 것이다. 이러한 핫 존 구조에서는, 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)보다 작아진다(Gc<Ge). 또한, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간, 환언하면, 육성중의 실리콘 단결정이 1000∼800℃ 온도 범위를 통과하는 시간은, 180분을 초과하는 시간이 된다. 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간은, 실리콘 단결정 중에서 OSF 핵이 성장하는 온도 영역이다.
여기서, 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)를 제어함으로써, 소망의 결함 상태의 실리콘 단결정을 육성하는 방법에 대하여 예를 들어 설명한다.
예를 들면, 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)와 동일하거나 이보다 커지는(Gc≥Ge) 핫 존 구조를 이용하여, 웨이퍼면 전면에 걸쳐 균일한 무결함 영역으로 이루어지는 실리콘 단결정을 육성하는 방법이 고려된다.
구체적으로는, 응고 직후의 단결정의 주위를 둘러싸는 열차폐체의 치수나 위치를 개량함과 아울러, 냉각 수단에 의해 냉각함으로써 핫 존 구조를 개량한다. 이에 의해, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하고 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)를 제어하여, 융점으로부터 1250℃ 근방까지의 온도역에 있어서 Gc≥Ge가 되도록 한다. 도3 은, 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)와 동일하거나 이보다 커지는(Gc≥Ge) 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
Gc≥Ge가 되는 핫 존 구조를 갖는 육성 장치에서, 도3 에 나타내는 B 에서부터 C의 범위의 인상 속도로 육성하면, 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)가 제어되어, 무결함 영역이 되는 실리콘 단결정이 얻어지는 것이 도3 으로부터 알 수 있다.
또한, 도3 을 이용하여 설명한 실리콘 단결정의 육성예에서는, 도2 에 나타내는 예와 비교하여, 무결함 결정을 인상할 수 있는 인상 속도를 상대적으로 빠르게 할 수 있다. 또한, 무결함 결정을 인상할 수 있는 인상 속도 범위(도3 에서는 B 에서부터 C의 범위)를 무결함 결정의 인상 속도 마진(margin)이라고 한다.
또한, 도3 을 이용하여 설명한 실리콘 단결정의 육성예에서는, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간, 환언하면, 육성중의 실리콘 단결정이 1000∼800℃ 온도 범위를 통과하는 시간은, 80∼180분이 된다. 따라서, 도3 을 이용하여 설명한 실리콘 단결정의 육성예에서는, 도2 에 나타내는 예와 비교하여, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간이 짧아진다. 이 때문에, 실리콘 단결정 중에서의 OSF 핵의 성장이 억제되어, 무결함 결정의 인상 속도 마진을 크게 할 수 있다.
그러나, 도3 을 이용하여 설명한 실리콘 단결정의 육성예에서는, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하여 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)를 제어한다. 이 때문에, 실리콘 단결정의 측면부에 있어서 온도 구배(G)를 제어하기 위한 온도 조정을 행하지 않는 도2 에 나타내는 예와 비교하여, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되는 열응력이 커져, 열응력에 기인하는 유전위화가 발생하기 쉽게 된다.
본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법은, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하는 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하는 경우에도 매우 적합하게 사용할 수 있다. 본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법에서는, 단결정을 육성하는 분위기 가스를, 불활성 가스와 수소 원자 함유 물질의 기체와의 혼합 가스 등, 수소 원자 함유 물질의 기체를 포함하는 가스로 한다. 이 때문에, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하여 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)를 제어하는 경우와 같이, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 열응력이 부하되는 조건이라도, 이하에 나타내는 바와 같이, 열응력에 기인하는 유전위화를 억제할 수 있다.
열응력에 기인하는 유전위화의 하나로서, 열응력에 저항하지 못하고 발생하는 전위 클러스터를 기점으로 하는 슬립(slip)을 들 수 있다. 본 발명에서는, 수소 원자 함유 물질의 기체 중의 수소 원자가, 실리콘 결정의 격자간(間)으로 들어오기 때문에, 실리콘의 격자간 원자의 농도를 높인 것과 동일한 것이 되어, 실리콘의 응고의 과정에서 실리콘 융액으로부터 결정내에 취입되는 격자간 원자의 수 자체를 저감할 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서는, 수소에 의해 격자간 원자에 기인하는 전위 클러스터의 발생을 억제할 수 있기 때문에, 전위 클러스터를 기점으로 하는 슬립이 발생하기 어려워져, 유전위화가 억제된다. 그 결과, 본 발명에 의하면, 분위기 가스 중에 수소를 첨가하지 않는 경우와 비교하여, 유전위화가 적고, 잘 깨지지 않고, 무전위부의 길이가 긴 고품질인 실리콘 단결정을 육성할 수 있다.
또한, 실리콘 단결정의 측면부에 있어서 온도 구배(G)를 제어하기 위한 온도 조정을 행하지 않는 도2 에 나타내는 예에서는, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되는 열응력이, 통상 28MPa 정도로 30MPa 미만이 된다. 이에 대하여, 도3 에 나타내는 예와 같이, Gc≥Ge가 되는 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용할 경우, 통상 30∼45MPa 정도로 30MPa 이상의 열응력이 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되게 된다. 열응력에 기인하는 유전위화는, 열응력이 30MPa 이상이 되면 현저하게 되고, 열응력이 40MPa 이상이 되면, 유전위화나 깨짐이 매우 생기기 쉽게 된다.
본 발명에 의하면, 열응력에 기인하는 유전위화가 현저하게 되는 30MPa 이상의 열응력이 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되는 조건이라도, 효과적으로 열응력에 기인하는 유전위화를 억제할 수 있다.
또한, 종래, 유전위화가 다수회 발생하여, 육성하여 냉각한 후의 실리콘 단결정에, 실리콘의 항복 응력에 가까운 잔류 응력이 발생하고 있던 40MPa 이상의 열응력이 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되는 조건이라도, 효과적으로 열응력에 기인하는 유전위화를 억제할 수 있다.
본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서, 수소 원자 함유 물질의 기체는, 수소 가스로 할 수 있지만, 예를 들면, H20, HCl 등의 수소 원자를 포함하는 무기 화합물이나, 실란 가스, CH4, C2H2 등의 탄화 수소, 알코올, 카르복실산 등의 수소 원자를 포함하는 각종 물질의 기체로부터 선택되는 1종 또는 복수의 가스를 이용할 수 있다.
또한, 수소 원자 함유 물질의 기체로서 수소 가스를 이용하는 경우에는, 시판의 수소 가스봄베(Gasbombe), 수소 가스 저장 탱크, 수소 흡장(吸藏) 합금에 수소를 흡장시킨 수소 탱크 등으로부터 전용의 배관을 통하여 인상로(爐)내에 공급시킬 수 있다.
또한, 불활성 가스(희(希)가스)로서는, Ar, He, Ne, Kr, Xe로부터 선택되는 1종 또는 복수의 가스를 이용할 수 있다. 통상, 저렴한 아르곤(Ar) 가스가 이용되지만, Ar 가스에 He, Ne, Kr, Xe 등의 다른 불활성 가스를 혼합한 것을 이용해도 좋다.
또한, 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 환산에서의 농도를 α로 하고, 산소 가스(O2) 농도를 β로 했을 때, 분위기 가스 중에 있어서의 산소 가스(O2)의 농도는, α-2β≥3%(체적%)를 만족시키는 것으로 된다. 분위기 가스 중에 있어서의 산소 가스(O2)의 농도 β와, 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 환산에서의 농도 α가 상기 식을 만족시키지 않는 경우, 실리콘 단결정 중에 취입된 수소 원자에 의한 Grown-in 결함의 생성을 억제하는 효과를 얻을 수 없다.
도4 는, 본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법을 이용하여 얻어진 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다. 도4 에 나타내는 실리콘 단결정은, 도3 과 동일하게 Gc≥Ge를 만족시키는 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 인상로 내에 수소 분압이 250Pa이 되도록 수소가 첨가된 불활성 가스를 공급하고, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 것이다.
단결정을 육성하는 분위기 가스를 불활성 가스와 수소와의 혼합 가스로 한 경우, 전술한 바와 같이, 수소에 의해 격자간 원자에 기인하는 전위 클러스터의 발생이 억제되기 때문에, 무결함 영역이 인상 속도의 저속측으로 이행한다. 따라서, 분위기 가스를 불활성 가스로 한 도3 에 나타내는 예와 비교하여, 도4 에 나타내는 바와 같이, 무결함 결정을 인상할 수 있는 최저 인상 속도가 늦어지고, 무결함 결정을 인상할 수 있는 인상 속도 범위(무결함 결정의 인상 속도 마진(도4 에서는 D 내지 E의 범위))가 커진다.
또한, Grown-in 결함의 형성에 영향을 미친 수소의 대부분은, 그 후의 냉각의 과정에서 실리콘 단결정으로부터 빠져 나간다.
또한, 분위기 가스를 불활성 가스와 수소와의 혼합 가스로 한 경우, 육성중의 장치내에서는, 불활성 가스 분위기 중에 포함되는 수소의 분압에 비례한 수소가, 실리콘 융액중에 녹아들어가 응고하는 실리콘 결정중에 분배된다.
실리콘 융액중의 수소 농도는, 헨리(Henry)의 법칙으로부터 기상(氣相)중의 수소 분압에 의존하여 정해지며,
PH2 = kCLH2로 나타난다.
여기서, PH2는 분위기 중의 수소 분압, CLH2는 실리콘 융액 중의 수소 농도, k는 양자(兩者)간의 계수이다.
한편, 실리콘 단결정 중의 농도는, 실리콘 융액중의 농도와 편석과의 관계로 정해지며,
CSH2 = k'CLH2 = (k'/k)PH2로 나타난다.
여기서, CSH2는 결정 중의 수소 농도, k'는 수소의 실리콘 융액-결정간의 편석(偏析) 계수이다.
이상에서, 수소를 포함하는 불활성 가스 분위기 중에서 육성할 때, 응고 직후의 실리콘 단결정 중의 수소 농도는, 분위기 중의 수소 분압을 제어함으로써 결정의 축방향으로 일정하게 소망하는 농도로 제어할 수 있다. 이 수소 분압은 수소 농도와 로 내 압력에 의해 제어할 수 있다.
또한, 도5 는, 분위기 중의 수소 분압과 V/G와의 관계를 나타낸 그래프이다. 인상중의 단결정 내부의 온도 분포는, 핫 존 구조가 동일하면 인상 속도가 변화해도 거의 변화하지 않기 때문에, 도5 에 나타낸 V/G는, 인상 속도로 간주된다. 도5 에 나타내는 바와 같이, 분위기 중의 수소 분압의 증가에 따라, 무결함 결정이 얻어지는 인상 속도는 저하되고 있지만, 무결함 결정의 인상 속도 마진은 커지고 있다.
또한, OSF 영역의 인상 속도 마진은, 수소 분압의 증가에 따라, 좁아지고 있다. PI 영역의 인상 속도 마진은, 수소 분압의 증가에 따라, 대폭으로 확대된다. 또한, PV 영역의 인상 속도 마진은, 수소 분압의 증가에 따라, 넓어지거나 좁아지거나 하고 있지만, 수소 분압이 100∼250Pa일 때에 인상 속도 마진이 커지고 있다.
본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법에 있어서는, 분위기 가스 중에 있어서 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 40∼400Pa로 함으로써, 효과적으로 열응력에 기인하는 유전위화를 억제할 수 있다. 수소 분자 분압을 40Pa 미만으로 한 경우, 유전위화를 억제하는 효과가 충분히 얻어지지 않는 우려가 생긴다. 또한, 수소 분자 분압이 400Pa을 초과하는 경우, 수소 결함으로 불리는 거대 공동(空洞) 결함이 발생하기 쉽게 되기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 분위기 가스 중에 있어서 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 400Pa 이하로 함으로써, 가령, 실리콘 단결정의 육성 장치내로 리크(leak)하여 공기가 유입했다고 해도, 연소하는 일 없이 안전하게 조업하는 것이 가능하다.
또한, 도5 에 나타내는 바와 같이, 분위기 가스 중에 있어서 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 40∼400Pa로 함으로써, 무결함 결정의 인상 속도 마진을 크게 할 수 있다. 이 때문에, 전면(全面)이 무결함 결정인 대(大)구경의 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정을 용이하게 육성할 수 있다. 또한, 전면이 PV 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정과, 전면이 PI 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정의 분리 육성이 용이하게 된다. 또한, 수소 분자 분압을 40Pa 미만으로 한 경우, 무결함 결정의 인상 속도 마진을 크게 하는 효과가 충분히 얻어지지 않기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 도5 에 나타내는 바와 같이, 분위기 가스 중에 있어서 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 40∼160Pa(도5 에서는 I의 범위)로 함으로써, 전면이 PV 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정을 용이하게 육성할 수 있다. 수소 분자 분압이 160Pa을 초과하는 경우, PI 영역이 혼재하기 쉬워져, 전면이 PV 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정을 육성하기 어렵게 된다.
PV 영역은 산소 석출물을 형성하기 쉬워, PV 영역으로 이루어지는 실리콘 웨이퍼에서는, 예를 들면, 표면에 소위 DZ(Denuded Zone)층 형성 처리를 시행했을 때에, 내부에 게터링(gettering) 작용을 갖는 BMD를 용이하게 형성할 수 있다.
또한, 도5 에 나타내는 바와 같이, 분위기 가스 중에 있어서 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 160∼400Pa(도5 에서는 II의 범위)로 함으로써, 전면이 PI 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정을 용이하게 육성할 수 있다. 또한, OSF 발생 영역을 축소시킬 수 있기 때문에, 산소 농도를 높게 한 무결함 결정으로 이루어지는 웨이퍼를 용이하게 제조할 수 있게 된다. 수소 분자 분압을 160Pa미만으로 한 경우, PV 영역이 혼재하기 쉬워져, 전면이 PI 영역인 실리콘 웨이퍼가 얻어지는 실리콘 단결정을 육성하기 어려워진다.
도7 은, 본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법을 이용하여 얻어진 다른 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다. 응고 직후의 단결정의 주위를 둘러싸는 열차폐체의 치수나 위치를 개량함과 아울러, 냉각 수단에 의해 육성중의 실리콘 단결정을 강제적으로 냉각함으로써, Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치로 한다. 이 육성 장치를 이용하여, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하여 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)를 제어하고, 또한, 인상로 내에 수소 분압이 240Pa이 되도록 수소가 첨가된 불활성 가스를 공급하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 실리콘 단결정을 육성한다. 도7 에 나타내는 실리콘 단결정은, 이와 같이 하여 육성된 것이다.
또한, 도6 은, 도7 과 마찬가지의 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부의 온도를 조정하여 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)를 제어하고, 인상로 내에 불활성 가스만을 공급하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
이와 같은 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용한 경우에도, 통상 30∼45MPa 정도의 열응력이 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되고, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간, 환언하면, 육성중의 실리콘 단결정이 1000∼800℃ 온도 범위를 통과하는 시간은, 800∼180분이 된다.
본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법에서는, 단결정을 육성하는 분위기 가스를, 불활성 가스와 수소 원자 함유 물질의 기체와의 혼합 가스로 한다. 이 때문에, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)와, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)와의 비(Gc/Ge)가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하는 경우라도, 열응력에 기인하는 유전위화를 효과적으로 억제할 수 있다.
도7 에 나타내는 바와 같이, 상기의 방법으로 육성함으로써, 분위기 가스를 불활성 가스로 한 도6 에 나타내는 예와 비교하여, 무결함 결정의 인상 속도 마진(도6 에서는 F 에서부터 G의 범위, 도7 에서는 F 에서부터 G의 범위)를 크게 할 수 있다. 또한, Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용함으로써, 고액 계면 근방에서의 결정측의 온도 구배(G)가 커진다. 이 때문에, V/G를 변경하는 일이 없이 인상 속도(V)를 크게 할 수 있어, 무결함 결정을 인상할 수 있는 최저 인상 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기의 방법으로 육성함으로써, 실리콘 단결정을 인상할 때에 있어서의 V/G의 제어성(制御性)을 향상시킬 수 있다. 또한, 도7 에 나타내는 바와 같이, 상기의 방법으로 육성함으로써, 산소 석출 촉진 영역(PV 영역)의 인상 속도 마진 및 산소 석출 억제 영역(PI 영역)의 인상 속도 마진(도7 에서는 H 에서부터 G의 범위)이 커진다. 이 때문에, 웨이퍼면 전면에 걸쳐서 PV 영역이 되는 실리콘 단결정이나, 웨이퍼면 전면에 걸쳐서 PI 영역이 되는 실리콘 단결정을 얻을 수 있다.
또한, 도6 및 도7 에 나타내는 바와 같이, Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용함으로써, 이하의 식을 만족시키도록 제어할 수 있다.
-20≤(fpD-fpR)/fpD×100≤+20(%)
여기서, 식 중, fpD는, PV 영역과 OSF 발생 영역과의 사이에서 형성되는 경계면에 있어서, 도6 에 나타내는 바와 같이 중앙부가 결정축방향으로 볼록하게 되어 있는 부분 m의 육성에 상당하는 속도이다. fpR은, 도6 에 나타내는 바와 같이 링 형상으로 볼록하게 되어 있는 부분(결정의 반경방향에서 결정 중심과 최외부의 중간 위치에서 결정축방향으로 볼록 형상을 이루는 부분) n의 육성에 상당하는 속도이다.
또한, 본 발명에 있어서는, 로 내압이 4∼6.7kPa(30∼50Torr)의 범위인 경우, 분위기 가스 중에는, 20 체적% 이하의 농도로 질소(N2)가 존재해도 좋다.
질소 농도가 20 체적% 를 초과하는 경우, 실리콘 단결정이 유전위화할 우려가 있다.
(발명의 효과)
본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법에 의하면, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각함으로써 생기는 열응력에 기인하는 유전위화를 억제할 수 있다. 이 때문에, 잘 깨지지 않고, 무전위부의 길이가 긴 실리콘 단결정을 수율 좋게 육성할 수 있어, 우수한 생산성을 달성할 수 있다.
도1 은 CZ법으로 얻어진 실리콘 단결정의 반경방향에 있어서의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 단면도이다.
도2 는 실리콘 단결정의 측면부에 있어서 온도 구배(G)를 제어하기 위한 온도 조정을 행하지 않음으로써, 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)보다 작아지는(Gc<Ge) 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도3 은 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각함으로써, 결정 중심부에서의 온도 구배(Gc)가 결정 외주부에서의 온도 구배(Ge)와 동일하거나 이보다 커지는(Gc≥Ge) 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도4 는 본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법을 이용하여 얻어진 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도5 는 분위기 중의 수소 분압과 V/G와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도6 은 Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육 성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도7 은 Gc/Ge가 1.1∼1.4이며, 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm인 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하고, 또한, 인상로 내에 수소가 첨가된 불활성 가스를 공급하여, 인상시의 인상 속도를 서서히 저하시켜 육성한 실리콘 단결정의 단면의 결함 분포 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도8 은 본 발명의 실리콘 단결정의 육성 방법을 실시하는 것에 적합한 CZ로(爐)의 종단면도이다.
도9 는 전열 계산의 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도10 은 열응력 계산의 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.
도11 은 실험예마다의 유전위화 횟수를 나타낸 그래프이다.
도12 는 실험예마다의 무전위부의 길이를 나타낸 그래프이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 도가니
1a : 석영 도가니
1b : 흑연 도가니
2 : 히터
3 : 실리콘 융액
4 : 인상축
5 : 시드척(seed chuck)
6 : 단결정
7 : 열차폐체
8 : 수냉 수단
9 : 자장(磁場) 공급 장치
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
이하, 본 발명에 따른 제1 실시 형태를, 도면에 기초하여 설명한다.
도8 은, 본 실시 형태에 있어서의 실리콘 단결정의 육성 방법을 실시하는 것에 적합한 CZ로(爐)의 종단면도이다.
도8 에 나타내는 CZ로는, 챔버내의 중심부에 배치된 도가니(1)와, 도가니(1)의 외측에 배치된 히터(2)와, 히터(2)의 외측에 배치된 자장 공급 장치(9)를 구비하고 있다. 도가니(1)는, 내측에 실리콘 융액(3)을 수용하는 석영 도가니(1a)를 외측의 흑연 도가니(1b)로 지지하는 이중 구조이며, 페디스털(pedestal)로 불리는 지지축에 의해 회전 및 승강 구동된다.
도가니(1)의 상방에는, 원통 형상의 열차폐체(7)가 마련되어 있다. 열차폐체(7)는, 흑연으로 외각(外殼)을 만들고, 내부에 흑연 펠트(felt)를 충전한 구조이다. 열차폐체(7)의 내면은, 상단부로부터 하단부에 걸쳐서 내경이 점차 감소하는 테이퍼면으로 되어 있다. 열차폐체(7)의 상부 외면은 내면에 대응하는 테이퍼면이며, 하부 외면은, 열차폐체(7)의 두께를 하방을 향하여 점차 증가시키도록 거의 스트레이트면으로 형성되어 있다.
이 CZ로는, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구 배(Gc)와, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)와의 비(Gc/Ge)가 1.1∼1.4이며, 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm가 되는 핫 존 구조를 구비한 것이다. 상기 비(Gc/Ge)는, 바람직하게는 1.2∼1.4이며, 상기 온도 구배(Gc)는, 바람직하게는, 3.2∼3.3℃/mm이다.
육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간, 환언하면, 육성중의 실리콘 단결정이 1000∼800℃ 온도 범위를 통과하는 시간이, 80∼180분, 보다 바람직하게는 100∼150분이 된다. 이와 같은 핫 존 구조는, 열차폐체(7) 및 수냉 수단(8)(냉각 수단)에 의해 구성된다.
열차폐체(7)는, 히터(2) 및 실리콘 융액(3)면으로부터 실리콘 단결정(6)의 측면부로의 복사열을 차단하는 것으로, 육성중의 실리콘 단결정(6)의 측면을 포위함과 아울러, 실리콘 융액(3)면을 포위하는 것이다. 열차폐체(7)의 사양예를 들면 다음과 같다.
반경 방향의 폭(W)은 예를 들면 50mm, 역원추대면(逆圓錐臺面)인 내면의 수직방향에 대한 기울기(θ)는 예를 들면 21°, 열차폐체(7)의 하단(下端)의 융액면으로부터의 높이(H1)는 예를 들면 60mm로 한다.
수냉 수단(8)은, 열차폐체(7)의 내측에 부착되어 있다. 수냉 수단(8)을 열차폐체(7)의 내측에 부착함으로써, 효과적으로 실리콘 단결정(6)의 측면부를 냉각할 수 있음과 아울러, 열차폐체(7)의 내측을 고속으로 하강하는 불활성 가스류(流)에 의해, 수냉 수단(8)으로의 SiO의 석출이 억제되게 된다.
여기서 사용되는 수냉 수단(8)으로서는, 구리나 스텐레스 등으로 이루어지는 코일 형상의 통수관(通水管)이나, 통수격벽(通水隔壁)을 갖는 수냉 재킷 등을 들 수 있다. 수냉 수단(8)의 통수량은, 10리터/분 이상으로 하는 것이 바람직하다. 수냉 수단(8)의 냉각 능력은, 수냉 수단(8)의 결정 인상 방향의 높이나 융액 표면으로부터의 설치 거리를 조정함으로써 조정 가능하며, 통수량에 따라 통수관이나 수냉 재킷의 구성을 적절히 변경할 수 있다. 또한, 수냉 수단(8)의 냉각 능력을 조정함으로써, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되는 열응력을 30∼45MPa의 범위로 변화시킴과 아울러, 육성중의 실리콘 단결정의 온도가 1000∼800℃의 범위인 시간을, 80∼180분의 범위로 변화시킬 수 있다.
또한, 수냉 수단(8)은 인상 단결정의 직경을 Dc로 할 때, 냉각용 부재는 그 내주면의 지름이 1.20Dc∼2.50Dc, 길이가 0.25Dc 이상이며, 융액 표면으로부터 냉각용 부재의 하단면까지의 거리가 0.30Dc∼0.85Dc의 범위로 설계하는 것이 일반적이다.
또한, 자장 공급 장치(9)로부터 공급되는 자장의 강도는, 수평 자장(횡자장)에 있어서는 2000∼4000G, 보다 바람직하게는 2500∼3500G로 되고, 자장 중심 높이가 융액 액면에 대하여 -150∼+100mm, 보다 바람직하게는 -75∼+50mm의 범위내가 되도록 설정된다.
또한, 카스프(cusp) 자장에 있어서는, 자장 공급 장치(9)로부터 공급되는 자장의 강도가, 200∼1000G, 보다 바람직하게는 300∼700G로 되고, 자장 중심 높이가 융액 액면에 대하여 -100∼+100mm, 보다 바람직하게는 -50∼+50mm의 범위내가 되도록 설정된다.
상기의 자장의 강도로 상기의 자장 중심 높이 범위에서 자장 공급 장치(9)로부터 자장을 공급함으로써, 대류를 억제할 수 있어, 고액 계면의 형상을 바람직한 형상으로 할 수 있다.
도8 에 나타내는 CZ로를 이용하여 실리콘 단결정(6)의 인상을 행하는 경우, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.2℃/mm이고, 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)가 2.3∼2.5℃/mm이며, Gc/Ge는 1.3 정도가 된다. 또한, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되는 열응력은, 30∼45MPa가 된다. 이 상태는, 인상 속도를 바꾸어도 거의 변화하지 않는다.
다음으로, 도8 에 나타내는 CZ로를 이용하고, 단결정을 육성하는 분위기 가스로서, 불활성 가스와 수소 가스와의 혼합 가스를 이용하여, 직동부가 Grown-in 결함을 포함하지 않는 무결함 영역인 실리콘 단결정(6)의 육성을 행하는 방법에 대하여 설명한다.
(조업 조건의 설정)
먼저, 목표로 하는 무결함 결정의 실리콘 단결정을 육성하기 위한 조업 조건의 설정을 행한다. 처음에, 수소 농도와 무결함 결정이 얻어지는 인상 속도의 허용 범위를 파악하기 위해, 분위기 가스 중에 있어서의 수소 분자 분압을 예를 들면, 0, 20, 40, 160, 240, 400Pa의 혼합 비율로 하여, 각각의 조건에서 목표 직경, 예를 들면 300mm의 단결정을 육성한다.
즉, 도가니 내로 고순도 실리콘의 다결정을, 예를 들면 300kg 장입하고, 단결정의 전기 저항률을 소망하는 값, 예를 들면 10Ωcm가 되도록 p형(B, Al, Ga 등) 또는 n형(P, As, Sb 등)의 도펀트를 첨가한다. 장치 내를 아르곤 분위기에서, 감압하여 1.33∼26.7kPa(10∼200torr)로 하고, 분위기 가스 중에 있어서의 수소 분자 분압이 상기의 소정의 혼합 비율이 되도록 설정하여 로 내에 유입시킨다.
이어서, 자장 공급 장치(9)로부터, 예를 들면 3000G의 수평 자장을 자장 중심 높이가 융액 액면에 대하여 -75∼+50mm가 되도록 공급함과 아울러, 히터(2)에 의해 실리콘의 다결정을 가열하여 실리콘 융액(3)으로 하고, 시드척(5)에 부착한 종결정을 실리콘 융액(3)에 침지하여, 도가니(1) 및 인상축(4)을 회전시키면서 결정 인상을 행한다. 결정 방위는 {100}, {111} 또는 {110}의 어느 하나로 하고, 결정 무전위화를 위한 시드 네킹(necking)을 행한 후, 숄더부를 형성시켜, 교대로 메어 목표 바디(body) 지름으로 한다.
그리고, 바디 길이가, 예를 들면 300mm에 달한 시점에서, 인상 속도를 임계 속도보다도 충분히 큰, 예를 들면 1.0mm/min로 조정한다. 그 후 인상 길이에 따라 거의 적선적으로 인상 속도를 저하시켜, 바디 길이가 예를 들면 600mm에 달했을 때에 임계 속도보다도 작은, 예를 들면 0.3mm/min가 되도록 한다. 그 후는 이 인상 속도로, 예를 들면 1600mm까지 바디부를 육성하고, 통상 조건에서 테일링(tailing)을 행한 후, 결정 성장을 종료한다.
이와 같이 하여, 다른 수소 농도로 육성된 단결정을, 인상축을 따라 종분할하여 인상축 근방을 포함하는 판형상 시편을 제작하고, Cu 데코레이션을 행하여, Grown-in 결함의 분포를 관찰한다. 먼저, 각각의 시편을 황산구리 수용액에 침지한 후 자연 건조하여, 질소 분위기 중에서 900℃로, 20분 정도의 열처리를 행한다. 그 후, 시편 표층의 Cu 실리사이드층을 제거하기 위해, HF/HNO3 혼합 용액중에 침지하여, 표층 수십 미크론(micron)을 에칭 제거한 후, X선 토포그라피(topography)법에 의해 OSF 링의 위치나 각 결함 영역의 분포를 조사한다. 또한, 이 슬라이스 편(片)의 COP의 밀도를, 예를 들면 OPP법, 전위 클러스터의 밀도를, 예를 들면 Secco 에칭법으로 각각 조사한다.
상기와 같은 인상 실험에 의해, 적외선 산란체 결함 발생 영역, OSF 발생 영역, PV 영역, PI 영역, 전위 클러스터 발생 영역의 각 결함 영역의 V/G와 수소 농도와의 관계가 얻어진다. 또한, 인상 속도를 변화시키는 위치를, 300mm 에서부터 600mm, 500mm 에서부터 800mm 및, 700mm 에서부터 1000mm와 같이 다른 부위에서 수 개소 실시함으로써, 무결함 결정의 인상 속도 마진과 결정축방향 위치와의 관계가 구해져, 무결함 결정을 얻기 위한 조업 조건의 설정이 가능해진다.
(실리콘 단결정의 육성)
다음으로, 도8 에 나타내는 CZ로를 이용하여, 단결정을 육성하는 분위기 가스로서, 불활성 가스와 수소 가스와의 혼합 가스를 이용하여, 전술한 방법에 의해 설정된 적절한 조업 조건에서, 직동부가 Grown-in 결함을 포함하지 않는 무결함 영역인 실리콘 단결정(6)의 육성을 행한다.
본 실시 형태의 실리콘 단결정의 육성 방법에 의하면, 단결정을 육성하는 분위기 가스를, 불활성 가스와 수소 가스와의 혼합 가스로 한다. 이 때문에, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 열응력이 부하되는 조건이라도, 열응력에 기인하는 유전위화를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 무결함 결정의 인상 속도 마진을 크게 할 수 있기 때문에, 직동부가 Grown-in 결함을 포함하지 않는 무결함 영역인 실리콘 단결정(6)을 용이하게 육성할 수 있다.
또한, 전술한 실시 형태에서는, 수냉 수단(8)(냉각 수단)에 의해 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 적극적으로 냉각한 경우를 예로 들어 설명했다. 그러나, 본 발명은, 수냉 수단(8)(냉각 수단)에 의해 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하는 경우에만 한정되는 것은 아니며, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각할 수 있으면 다른 어떠한 수단을 이용하여 냉각해도 좋다.
(실시예)
본 발명을 검증하기 위해 이하에 나타내는 실험을 행하였다.
즉, 표1 및 이하에 나타내는 1∼3의 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여, 분위기 가스로서, 아르곤 가스 또는, 아르곤 가스와 수소 가스와의 혼합 가스를 이용하여, 외경 300mm, 바디 길이 1800mm의 무결함 결정인 실리콘 단결정의 육성을 행하였다.
핫 존 구조 결정 측면 열응력(MPa)
1 40
2 35.7
3 28
(핫 존 구조 1)
도8 에 나타내는 CZ로를 이용하여, 수냉 수단(8)의 냉각 능력을, 치수가 내경 600mm, 높이 200mm로 하고, 그 하면이 융액 표면으로부터 150mm가 되도록 설치했다. 또한, 자장 공급 장치(9)로부터 3000G의 수평 자장을 자장 중심 높이가 융액 액면에 대하여 0mm가 되도록 공급했다. 이에 따라 공급 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.2℃/mm이고, 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)가 2.2℃/mm이며, Gc/Ge가 1.4가 되는 핫 존 구조로 했다.
(핫 존 구조 2)
도8 에 나타내는 CZ로를 이용하여, 수냉 수단(8)의 냉각 능력을, 치수가 내경 600mm, 높이 150mm로 하고, 그 하면이 융액 표면으로부터 200mm가 되도록 설치했다. 또한, 핫 존 구조 1과 동일하게 하여 수평 자장을 공급했다. 이에 따라 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0℃/mm이고, 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)가 2.5℃/mm이며, Gc/Ge가 1.2가 되는 핫 존 구조로 했다.
(핫 존 구조 3)
수냉 수단(8) 및 열차폐체(7)가 없는 CZ로를 이용하여, 핫 존 구조 1과 동일하게 하여 수평 자장을 공급했다. 이에 따라 융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 2.8℃/mm이고, 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)가 2.5℃/mm이며, Gc/Ge가 1.1이 되는 핫 존 구조로 했다.
이러한 1∼3의 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여 실리콘 단결정을 육성한 경우에, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되는 열응력을 이하에 나타내는 방법에 의해 구했다.
<전열(傳熱) 계산>
열응력은, 도9 에 나타내는 전열계산을 행한 결과를 이용하여 구했다.
전열 계산에서는, 먼저, 인상로의 모델링을 행하였다(S1). 인상로의 모델링에서는, 외형 및 메쉬 형상의 수치화를 행하는 형상의 수치화와, 열전도율과 표면 복사율을 재질에 의해 설정하는 재료의 물성치의 설정을 행하였다.
다음으로, 2개의 표면 요소가 서로 어떻게 보이고 있는지를 나타내는 형태 계수의 계산을 행하였다(S2). 형태 계수의 계산은, 표면의 요소마다 행하였다.
계속해서, 전열 계산을 실행하였다(S3). 전열 계산에서는, SOR법에 의해 반복 계산을 실행하여, 복사 전열을 구하고, 열 밸런스에 기초하는 수렴 계산을 행하였다.
열 밸런스에 기초하는 수렴 계산은, 인상 속도가 설정 범위내에서 안정하다는 수렴 조건에서 이하에 나타내는 바와 같이 행하였다.
1. n회째의 전열 계산 종료 후에, 실리콘 단결정 내를 흐르는 열유속을 Hso, 고액 계면에서 발생하는 응고선열을 Hla, 실리콘 융액내를 흐르는 열유속을 Hlq로 했을 때, Hso=Hla+Hlq가 만족하도록 Hla를 정한다. 여기서, Hla는 인상 속도의 함수이기 때문에, 열 밸런스를 만족하는 인상 속도를 구할 수 있다.
2. 인상 속도가 수렴 목표보다도 빠르면 히터의 발열량을 증가시키고, 수렴 목표보다도 늦으면 히터의 발열량을 감소시킨다.
3. n+1회째의 전열 계산을 실행한다.
<열응력 계산>
열응력은, 도10 에 나타내는 바와 같이 행하였다. 먼저, 결정의 모델링(S4)을 행하였다. 결정의 모델링에서는, 실리콘 단결정의 외형 및 메쉬 형상의 수치화를 행하는 형상의 수치화와, 실리콘 단결정의 물성치인 열팽창률, 영률, 푸아송비(poisson比)의 설정을 행하였다.
다음으로, 전열 계산 결과의 입력을 행함으로써, 온도 분포의 입력을 행하였다(S5).
그 후, 유한 요소법에 의한 열응력 계산을 행함으로써, 결정중의 열응력을 계산했다(S6).
이와 같이 하여 구한 1∼3의 핫 존 구조를 갖는 육성 장치를 이용하여 실리콘 단결정을 육성한 경우에, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부에 부하되는 열응력의 결과를 표1 에 나타낸다.
(실험예 1)
표1 에 나타내는 핫 존 구조 1을 갖는 육성 장치를 이용했다. 단결정을 육성하는 분위기 가스로서, 아르곤 가스 중에 수소 분자 분압이 240Pa이 되도록 수소 가스를 혼합한 혼합 가스를 이용했다. 전술한 방법에 의해 설정된 조업 조건에서, 무결함 결정인 실리콘 단결정의 육성을 행하였다.
(실험예 2)
표1 에 나타내는 핫 존 구조 3을 갖는 육성 장치를 이용하고, 단결정을 육성하는 분위기 가스로서 아르곤 가스를 이용하여, 무결함 결정인 실리콘 단결정의 육성을 행하였다.
(실험예 3)
표1 에 나타내는 핫 존 구조 2를 갖는 육성 장치를 이용하고, 단결정을 육성하는 분위기 가스로서 아르곤 가스를 이용하여, 무결함 결정인 실리콘 단결정의 육성을 행하였다.
(실험예 4)
표1 및 이하에 나타내는 핫 존 구조 1을 갖는 육성 장치를 이용하고, 단결정을 육성하는 분위기 가스로서 아르곤 가스를 이용하여, 전술한 방법에 의해 설정된 조업 조건에서, 무결함 결정인 실리콘 단결정의 육성을 행하였다.
(실험예 5)
표1 에 나타내는 핫 존 구조 3을 갖는 육성 장치를 이용했다. 단결정을 육성하는 분위기 가스로서, 아르곤 가스 중에 수소 분자 분압이 240Pa이 되도록 수소 가스를 혼합한 혼합 가스를 이용했다. 전술한 방법에 의해 설정된 조업 조건에서, 무결함 결정인 실리콘 단결정의 육성을 행하였다.
이와 같이 하여 얻어진 실험예 1∼실험예 5의 실리콘 단결정의 인상 속도(mm/min)와 무결함 결정의 인상 속도 마진(mm/min)을 표 2에 나타낸다.
실험예 인상 속도 마진 무전위성 깨짐
1 0.51 0.043 A A
2 0.42 0.015 A A
3 0.534 0.027 B B
4 0.55 0.03 C C
5 0.4 0.023 A A
또한, 실험예 1∼실험예 5의 실리콘 단결정을 각각 복수 육성하여 시험체로 하여, 육성시의 1 인상 시험당의 유전위화 횟수를 이하에 나타내는 바와 같이 하여 구했다.
인상 길이 1000mm 미만으로 유전위화한 것은 결정을 녹여 재차 무전위의 결정 인상을 시도한다. 이러한 작업을 반복하여, 전체 길이에 걸쳐서 무전위한 결정이 얻어진 경우는, 인상 결정을 녹인 횟수가 유전위화 횟수이며, 1000mm 이후에 유전위화한 결정이 얻어진 경우에는, 인상한 결정을 녹인 횟수+1회가 유전위화 횟수가 된다.
실험예 1∼실험예 5의 결과의 평균값을 도11 에 나타낸다.
또한, 실험예 1∼실험예 5의 실리콘 단결정을 각각 복수 육성하여 시험체로 하여, 육성 후에 무전위부의 길이를 조사했다. 실험예 1∼실험예 5의 결과의 평균치를 도12 에 나타낸다.
또한, 실험예 1∼ 실험예 5의 실리콘 단결정의 무전위성을 이하에 나타내는 평가 기준에 기초하여 평가했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
A(Good) : 무전위부의 길이의 평균치가 1400mm를 초과하고, 또한 유전위화 횟수의 평균치가 0.5회 미만이다.
B(Fair) : 무전위부의 길이의 평균치가 1000∼1400mm의 범위이며, 유전위화 횟수의 평균치가 0.5∼1회의 범위이다.
C(Bad) : 무전위부의 길이의 평균치가 1000mm 미만이며, 또한 유전위화 횟수의 평균치가 1회를 초과한다.
또한, 실험예 1∼실험예 5의 실리콘 단결정에 대하여, 로 외로 꺼내는 작업 및 로 외로 꺼낸 실리콘 단결정을 운반하는 작업에 의한 깨짐의 유무를 이하에 나타내는 평가 기준에 기초하여 평가했다. 그 결과를 표 2에 나타낸다.
A(Good) : 모든 시험체에 깨짐이 생기지 않았다.
B(Fair) : 일부의 시험체에 깨짐이 생겼다.
C(Bad) : 모든 시험체에 깨짐이 생겼다.
표 2로부터, 본 발명의 실험예로 핫 존 구조 1을 이용하여 분위기 가스 중에 수소를 첨가한 실험예 1 및, 핫 존 구조 3을 이용하여 분위기 가스 중에 수소를 첨가한 실험예 5에서는, 무전위성 및 깨짐의 평가가 A가 되었다.
또한, 분위기 가스 중에 수소를 첨가하지 않은 것만 실험예 1과 다른 핫 존 구조 1을 이용한 본 발명의 비교예인 실험예 4에서는, 무전위성 및 깨짐의 평가가 C가 되었다.
따라서, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하는 동일한 핫 존 구조 1을 이용한 경우, 분위기 가스 중에 수소를 첨가함으로써, 무전위성을 향상시킬 수 있었다. 또한 분위기 가스 중에 수소를 첨가하지 않은 경우와 비교하여, 유전위화가 적고, 무전위부의 길이가 긴 실리콘 단결정을 육성할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 표 2로부터, 열응력이 35.7MPa인 핫 존 구조 2를 이용한 실험예 3에서는, 실험예 1보다도 열응력이 작음에도 불구하고, 무전위성 및 깨짐의 평가가 B이었다.
또한, 표 2로부터, 실험예 1의 인상 속도는, 실험예 2 및 실험예 5와 비교하여 매우 빠르고, 실험예 3 및 실험예 4보다도 늦어지기는 했지만, 손색없는 결과가 되었다. 또한, 실험예 5의 인상 속도는, 실험예 2보다도 늦어지기는 했지만, 손색 없는 결과가 되었다.
또한, 표 2로부터, 실험예 1의 인상 속도 마진은, 실험예 2와 비교하여 매우 넓고, 실험예 3∼실험예 5와 비교해도 넓은 결과가 되었다. 또한, 실험예 5의 인상 속도 마진은, 실험예 2와 비교하여 매우 넓은 결과가 되었다.
또한, 도11 로부터, 실험예 1에서는, 실험예 4와 비교하여, 유전위화 횟수가 매우 적은 것을 확인할 수 있었다.
또한, 실험예 1에서는, 핫 존 구조 2를 이용한 실험예 3보다도 유전위화 횟수가 적고, 핫 존 구조 3을 이용한 실험예 2보다도 유전위화 횟수가 많기는 하지만, 손색없는 결과가 되었다.
따라서, 실험예 1에서는, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하지 않은 경우와 동등한 유전위화 횟수로 실리콘 단결정을 육성할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도12 로부터, 실험예 1에서는, 실험예 4와 비교하여, 무전위부의 길이가 400mm 이상 길어졌다. 따라서, 분위기 가스 중에 수소를 첨가함으로써, 무전위부의 길이가 긴 실리콘 단결정을 육성할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 도12 로부터, 실험예 1에서는, 실험예 2 및 실험예 3 보다도 무전위부의 길이가 짧은 것으로 되었지만, 무전위부의 길이의 차는 250mm 미만이며, 실험예 1과 실험예 4의 차와 비교하여 근소하였다.
본 발명에 의하면, 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 강제적으로 냉각함으로써 생기는 열응력에 기인하는 유전위화를 억제할 수 있고, 잘 깨지지 않고, 무전위부의 길이가 긴 실리콘 단결정을 수율 좋게 육성할 수 있는 생산성이 우수한 실리콘 단결정의 육성 방법을 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 육성중의 실리콘 단결정의 주위를 둘러싸고 그 내주면이 인상축과 동축인 냉각용 부재에 의해, 실리콘 단결정의 적어도 일부를 냉각하면서 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 육성하고,
    상기 단결정을 육성하는 분위기 가스가 수소 원자 함유 물질의 기체를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분위기 가스 중에 있어서 수소 원자 함유 물질의 기체의 수소 분자 분압을 40∼400Pa로 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소 원자 함유 물질의 기체가, 수소 가스인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    융점으로부터 1350℃까지의 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)와, 융점으로부터 1350℃까지의 결정 외주부에서의 축방향 온도 구배(Ge)와의 비(Gc/Ge)가 1.1∼1.4가 되도록 육성중의 실리콘 단결정의 측면부를 냉각하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결정 중심부에서의 축방향 온도 구배(Gc)가 3.0∼3.5℃/mm인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 단결정의 직동부(body portion)를, Grown-in 결함을 포함하지 않는 무결함 영역으로 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 육성 방법.
  7. 제1항에 기재된 실리콘 단결정의 육성 방법에 의해 육성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정.
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