KR20100016121A - 단결정 제조 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 다결정 봉(1)을 가열 영역(12)에 통과시켜 용융 대역(3)을 생성하는 단계, 용융에 자계를 인가하는 단계, 및 단결정 핵(4) 상에서의 용융물 응고 시에 단결정을 성장시키는 단계를 포함하는 단결정 제조 방법에 관한 것이다. 성장하는 단결정은 시계 및 반시계 회전 방향으로 교대로 반복되는 패턴으로 회전한다. 본 방법은 전기 특성이 균일한 실리콘 단결정을 제조하는 데에 유용하다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.

단결정, 용융 대역, 다결정 봉, 회전, 자계

Description

단결정 제조 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING A SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 단결정 제조하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 부유 대역 공정(float-zone process) 중에 성장 방향에 본질적으로 수직한 단면에 걸쳐서 저항이 균일한 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.

전형적으로 실리콘과 같은 반도체 재료의 단결정 봉(rod)은 일반적인 두 가지 방법인 초크랄스키(CZ) 방법과 부유 대역(FZ) 방법 중 하나에 의해 제조된다. 이 두 방법은 공지되어 있고, 융용 재료의 재응고 중의 단결정 형성에 따라 구분된다. 그러나, 이 공정들은 어느 것도 완전하지는 않은데, 그 이유는 용융 재료와 고상 재료 사이의 계면에서의 결정화를 제어하는 것이 문제가 되기 때문이다. 특히, 인 또는 보론으로 도핑된 실리콘의 경우에 문제가 된다. 결정 구조 내에 전위 또는 결함이 존재하지 않는 단결정 봉으로부터 제조된 웨이퍼에 대한 필요성이 증가하고 있다. 단결정의 봉 내의 결함의 발생은 제조된 봉의 직경에 따라 증가하며, 따라서 결정화에 대한 제어를 향상시키는 방법이 요구되고 있다. 단결정의 품질은 재료의 저항에 의해 결정될 수 있는데, 봉의 단면에 걸쳐서 균질한 저항이 고품질을 나타 낸다.

레온(Leon), 굴드버그(Guldberg) 및 세일링(Sailing)에 의해 제안된 바와 같이, 결정화에는 자계가 유효할 수 있다는 점은 오래 전부터 알려져 왔다[1981, 저널 오브 크리스탈 그로스(Journal of Crystal Growth), 55: 406-408]. 이 경우에, 종래의 FZ 공정에서는 성장 방향과 평행한 자계(즉, 축 방향으로 향하는 자계)가 적용된다. 그러나, 소경(50mm 미만의 직경)의 봉만이 테스트되었으며, 이 결과로부터는 그 원리가 용이하게 확장 가능한 것인지에 대해서는 불명확하다.

상업적으로 자계를 채용한 최초의 시도는 동독 공개 특허 공보 제DD 263 310호에 기재되어 있다. 이 공보에서는, CZ 및 FZ 방법으로 제조된 실리콘 봉 내의 결정 구조의 향상을 달성하기 위하여, 자계를 측방으로 인가한다.

FZ 공정에서 결정 성장의 방향에 수직한 자계를 인가하는 또 다른 2가지 예가 독일 공개 특허 공보 제DE 100 51 885호와 제DE 102 16 609호에 나타나 있다. 두 경우 모두에 있어서, 결정 봉의 회전에 대해 반대 방향으로 자계가 회전한다. 이에 따라 향상된 응고 제어가 이루어진다고 주장되어 있다.

독일 공개 특허 공보 제DE 102 59 588호에는, 용융 실리콘을 수용한 도가니에 자계를 결정 성장의 방향과 평행하게 인가하는 방법이 기재되어 있는데, 자계 방향은 평행하다고 기재되어 있기는 하나 균일하다고는 할 수 없다.

독일 공개 특허 공보 제DE 196 17 870호에는, 영구 자석을 사용하여, FZ 공정으로 제조되는 실리콘 결정에 축 방향 자계를 인가하는 방법이 기재되어 있다. 당시의 영구 자석으로 용이하게 달성 가능하였던 자계 강도를 고려한다면, 이는 흥 미로운 방법인 것으로 보인다. 그러나, 실리콘을 용융하는 데에 필요한 고온으로 인하여, 영구 자석은 용융 실리콘의 구역 근방에서 예상되는 온도에서 소자(消磁)되는 경향이 있기 때문에, 이 방법은 제한적일 것으로 예상된다.

유럽 공개 특허 공보 제EP 0 504 929호와 제EP 0 629 719호는 FZ 공정에서 단결정으로 성장하는 실리콘 봉에 축 방향 자계를 인가하는 방법에 관한 것이다. 이들 공보 모두는 실리콘 봉을 둘러싼 솔레노이드 코일에 직류를 인가함으로써 자계를 얻는 것을 제안하며, 제EP 0 629 719호에는 결정의 성장 방향에 수직한 자계 등이 추가로 논의되어 있다. 제EP O 504 929호와 제EP O 629 719호 모두의 실리콘 봉은 단결정 형성 중에 서서히 회전한다.

미국 공개 특허 공보 제US 2003/0024468호와 제US 2003/0024469호 모두는 단결정 실리콘 봉을 준비함에 있어서 수정된 FZ 공정을 채용한다. 수정된 공정에 따르면, 종래의 실리콘 봉의 일방향 회전 대신에, 회전은 회전 방향이 교대로 변경되는 패턴을 따른다. 이와 같이 더욱 복잡한 공정에 의해 최종 결정 내에 전위가 감소한다고 주장되어 있다.

본 발명은 전체 단면적에 걸쳐서 전기 특성이 상당히 균질한 단결정을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히 본 발명의 목적은, 웨이퍼로 절단된 후에 웨이퍼 상의 여러 위치에서 측정된 저항들 사이에 미소한 차이만이 존재하는 단결정을 얻기 위한 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은,

다결정 봉을 가열 영역에 통과시켜 용융 대역(molten zone)을 형성하는 단계와,

용융 대역에 자계를 인가하는 단계와,

단결정 핵(seed) 상에서의 용융물의 응고 시에, 단결정 형성과 성장을 일으키는 단계를 포함하는 단결정 제조 방법에 관한 것으로,

성장하는 단결정은 시계 및 반시계 회전 방향으로의 교호 패턴으로 회전하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 방법은 일반적으로 부유 대역(FZ) 공정으로 공지되어 있는 유형의 방법이다. 그러나, FZ 공정에서의 방법을 이용하여 얻어지는 장점은 초크랄스키(CZ) 공정에 기초한 방법에도 이용될 수도 있다. 따라서, CZ 공정에서 도가니 내의 용융물에 자계를 인가하고 그와 동시에 시계 회전 방향과 반시계 회전 방향으로의 교호 패턴으로 결정을 회전시키면, 공지의 공정에 비하여 단결정의 균일성이 향상할 것으로 예상된다.

본 발명의 방법은 실리콘 단결정 제조에 유용하지만, 다른 반도체 재료의 단결정도 본 방법에 의해 제조될 수도 있다. 원소 주기율 표를 참조하면, 이러한 재료는 IV족 단일 원소들로부터 선택된 하나의 원소 또는 혼합물, IV족으로부터의 원소들의 쌍(pair), III족과 V족으로부터의 원소들의 쌍, II족과 VI족으로부터의 원소들의 쌍, IV족과 VI족으로부터의 원소들의 쌍과 같은 재료를 포함한다. 보다 구체적으로는, 반도체 재료는 실리콘, 게르마늄, 카본 및 SiC, 또는 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.

본 발명의 특정 형태에 따르면, 실리콘 단결정은 인 또는 보론으로 도핑될 수 있다. 도펀트(dopant)는 다결정 봉 내에 제공될 수 있거나, 가스로서 용융 영역에 첨가될 수 있다.

본 발명의 방법의 사용에 의해 제조된 단결정은 단결정 핵으로부터 <111> 또는 <100> 방향으로 형성될 수 있다. <110>과 같은 결정의 다른 방향은 특정 용도에 적합할 수 있고 본 발명에 포함된다.

본 발명의 방법에 필수적인 자계는 적절한 수단에 의해 생성될 수 있으나, 바람직한 실시 형태에서는 용융 대역을 둘러싸도록 배치된 솔레노이드 코일을 통해 전류를 통전함으로써, 축 방향으로 향하는 자계를 생성한다. 바람직한 실시 형태에서, 축 방향 자계의 자속 밀도는 0.005T 내지 0.015T의 범위이고, 더욱 바람직한 실시 형태에서 자속 밀도는 0.008T 내지 0.0125T의 범위이다. 그러나, 본 발명의 방법의 장점은 더 높은 자속 밀도, 예를 들어 대략 0.05T까지의 자속 밀도를 용융 대역에 인가함으로써 실현될 수도 있다.

자계는 다결정 봉에 본질적으로 축 방향으로 향하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 자계에는 원하는 정도로 교반 공정(stirring process)을 단속하기에 충분한 강도와 방향이 제공된다.

본 발명의 방법의 중요한 특징에 의하면, 성장하는 단결정은 회전 방향이 시계 방향과 반시계 방향으로 교대로 변경되도록 교호 방식으로 회전한다. 시계 방향 회전의 회전 속도는 반시계 방향 회전의 회전 속도와 같을 수도 있고 다를 수도 있다.

바람직한 실시 형태에서, 회전 속도는 본질적으로 동일하고, 그 값이 10rpm 내지 18rpm의 범위이고, 더욱 바람직하게는 회전 속도는 12rpm 내지 15rpm의 범위이다. 그러나, 더욱 고속 또는 저속의 속도의 사용이 바람직할 수도 있다. 회전 방향의 변경은 일반적으로 비교적 신속하게 일어나도록 유지된다. 따라서, 0.1초 내지 2초, 적절하게는 0.2초 내지 0.6초 동안에 방향이 변경될 수 있다.

본 발명의 방법에서 채용된 시계 방향 회전의 지속 시간(duration)은 본질적으로 반시계 방향의 지속 시간과 동일할 수 있거나, 두 지속 시간은 서로 다를 수 있다. 시계 방향 및 반시계 방향 회전의 지속 시간이 동일한 경우에, 형성된 단결정 봉 내에 반전점(inversion point)들이 서로 상하로 바로 인접하여 누적되는 것을 방지하기 위하여, 회전 속도는 다른 것이 바람직하다.

시계 방향 또는 반시계 방향 회전 각각의 지속 시간은 2초 내지 10초 사이의 범위일 수 있지만, 대략 4초 내지 대략 6초 사이의 범위가 바람직하다. 두 회전 방향으로의 회전의 지속 시간은 이 범위로 제한되는 것은 아니며, 특정 형태와 직경의 단결정을 제조함에 있어서는 지속 시간으로서 10초를 초과하는 것이 유리할 수도 있다. 전형적으로, 성장하는 단결정은 단결정의 성장 방향에 본질적으로 수직한 회전 평면 내에서 회전한다.

단결정의 성장 속도는 일반적으로 견인 속도(drawing rate)라고 불린다. 본 발명에 따른 형태에 따르면, 단결정은 2mm/분 내지 5mm/분의 속도로 견인된다. 제조된 단결정은 일반적으로 직경이 75mm 내지 350mm의 범위이고, 바람직하게는 100mm 내지 220mm의 범위이다.

본 발명의 방법은 더 짧거나 긴 다결정 봉의 경우에 채용될 수도 있다. 봉의 길이가 직경보다 상당히 긴 경우에, 가열 영역에 대하여 다결정 봉을 이동시키거나 다결정 봉에 대하여 가열 영역을 이동시킴으로써, 다결정 봉의 일단을 향해 용융 대역을 이동시키는 것이 바람직하다. 특정 실시 형태에서, 다결정의 회전을 일정하게 하는 것이 바람직하며, 다른 실시 형태에서는 다결정 봉을 0.5rpm 내지 40rpm의 회전 속도로 회전시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 방법에서, 다결정 봉의 방향은 어느 방향이라도 무관하다. 그러나, 균일하게 분배되는 용융물을 얻기 위해서는, 다결정 봉은 본질적으로 수직 방향으로 향하는 것이 바람직하다.

본 발명은 단결정을 제조하기 위한 장치에 관한 것이기도 한다. 본 발명의 장치는 다결정 봉 내에 용융 대역을 생성하기 위한 가열기, 가열기를 둘러싸는 코일로서 배치된 전류 전도체, 다결정 봉을 현수하기 위한 상측 샤프트, 및 성장하는 단결정을 지지하기 위한 하측 샤프트를 포함하며, 하측 샤프트는 제1 시간 동안에 시계 방향 회전을, 제2 시간 동안에 반시계 방향 회전을 성장 중의 단결정에 전달할 수 있다.

바람직한 실시 형태에서, 가열기는 동으로 준비되는 것이 바람직한 단일 권선(single-turn) 고주파수 유도 코일을 포함한다. 코일의 전류 전도체는 동 또는 알루미늄으로 제조되는 것이 바람직하다. 바람직한 다른 실시 형태에서, 샤프트들은 다결정 봉과 성장 중의 단결정을 수직 방향으로 이동시킬 수 있다. 상측 샤프트는 다결정 봉을 회전 가능하게 고정할 수 있거나 다결정 봉의 회전을 전달할 수 있다.

도 1은 본 발명의 방법에 따라 단결정을 제조하는 데에 적합한 본 발명에 따른 장치의 개략도를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 방법에 사용되는 예시적 회전 패턴을 나타낸다.

도 3은 본 발명의 방법에 따라 제조된 실리콘 단결정에 대해 측정된 상대 저항값을 나타낸다.

본 발명은 반도체 분야와 관련이 있다. 보다 구체적으로는, 단결정 봉의 제조에 관한 것이다. "봉"이라는 용어는 폭보다 길이가 상당히 긴 재료를 나타내기 위해 보편적으로 사용된다. 그러나, 본 발명의 설명에 있어서, 봉은 폭만큼 짧거나 폭보다 짧을 수도 있다. 또한, 본 발명의 방법에서 원재료로서 사용되는 다결정 봉은 반드시 직선형일 필요는 없으며, 형상에 있어서 외형이 바나나와 유사하게 약간 만곡되어 있을 수도 있다.

본 발명에서 "다결정"이란 단어는 특별히 한정하기 위한 것이 아니라 여러 유형의 결정성 재료를 포괄하기 위한 것이며, 본 발명의 방법에서의 처리에 의하여 그러한 재료의 품질이 향상할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 발명의 방법으로 제조된 "단결정"을 재처리하는 것이 바람직할 수도 있다. 마찬가지로, "단결정"이라는 용어는, 본 발명의 방법을 사용하여 "다결정 봉"의 처리한 결과를 나타내기 위한 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 방법을 실시하는 데에 유용한 본 발명의 장치가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 다결정 봉(1)은 용융 대역(3)을 형성하는 가열 영역을 통과하며, 가열 영역은 예를 들면 수랭형 동제(銅製) 단일 권선의 고주파 유도 코일(2)을 포함한다. 용융 대역에서의 냉각과 응고시에 단결정 핵(4) 상에서 단결정(5)의 형성과 성장이 진행된다. 공정 중에, 예를 들면 용융 대역을 둘러싼 솔레노이드 코일(6)에 의하여, 다결정 봉에 대해 실질적으로 축 방향으로 향한 자계가 용융 대역에 가해진다. 다결정 봉은 상측 샤프트(7)로부터 현수되며, 성장하는 단결정은 하측 샤프트(8)에 의해 지지된다. 적어도 하측 샤프트는 다결정 봉의 일단에서 타단으로 용융 대역을 이동시키면서 회전력을 성장 중의 단결정에 전달할 수 있고, 필요하다면 다결정 봉에도 전달할 수 있으며, 단결정의 성장 방향에 실질적으로 수직한 회전 평면 내에서 시계 방향과 반시계 방향으로 교대로 변경되는 패턴으로 단결정 또는 단결정과 다결정 모두를 회전시킬 수 있다.

자계를 생성하기 위하여 사용된 코일은 용융 대역 주위에 다수의 권선수로 감긴 동 또는 알루미늄 와이어로 적절히 이루어질 수 있다. 따라서, 와이어를 통해 직류가 흐르면, 코일의 중앙에는 다결정 봉과 성장 중의 단결정에 실질적으로 평행하게 자계가 형성된다. 일반적으로 주파수가 50Hz 내지 100kHz의 범위인 교류를 사용하여 자계를 형성시킬 수도 있다. 50Hz 미만의 주파수는 특정 용도를 위하여 고려될 수도 있다. 그러나, 낮은 주파수에서는, 용융물이 불안정하게 되는 경향이 있다.

솔레노이드 코일에 형성된 자계의 자속 밀도는 전자기에 관한 공지의 물리 법칙으로부터 용이하게 계산될 수 있으며, 일반적으로는, 권선수가 많을수록 그리고 인가 전류(단위는 암페어)가 증가할수록, 자속 밀도는 증가한다. 적절히 설계된 장치는 대략 0.05T까지의 자속 밀도를 부여하는 충분히 많은 권선수를 가질 수 있으며, 자계를 생성하기 위하여 솔레노이드 코일을 이용함으로써, 인가 전류의 조정에 의해 자속 밀도를 용이하고 간단하게 제어할 수 있다. 또한, 와이어는 자계 생성 중에 에너지 소비가 최소화되도록 충분히 큰 직경으로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 코일에 직류를 통전함으로써 자계를 형성하는 것이 바람직하지만, 특정 용도에 있어서는 영구 자석이 고려될 수도 있다.

본 발명의 특정 형태에 따르면, 자속선은 실질적으로 축 방향으로 향하는데, 다시 말하자면, 자속선은 용융 대역의 적어도 일부에서 다결정 봉의 길이 방향과 실질적으로 평행하다. 따라서, 자속선은 용융 대역의 일부분에서 만곡될 수 있고 또 다른 부분에서 실질적으로 평행할 수 있다. 실질적으로 평행하다는 것이 의미하는 바는, 자속선이 봉의 축선으로부터 10도까지 벗어날 수 있다는 것이다. 용융 대역에 대하여 상대적으로 코일을 상승 또는 하강시킴으로써, 원하는 자속선의 패턴을 얻을 수 있다. 솔레노이드 코일이 일반적으로 바람직하지만, 헬름홀츠 코일, 맥스웰 코일, 또는 2선 권선형 코일(bifilar coil)과 같은 다른 유형의 코일을 사용하는 것이 바람직할 수도 있다.

본 발명의 다른 형태에 따르면, 자속선은 실질적으로 방사형이고 수직형 다결정 봉에 대하여 수평이다.

다결정의 공급 봉은 적절한 공정에 의해 얻어질 수 있다. 첫 번째 공정에 따 르면, 다결정 봉은 CZ 공정에 의해 얻어진다. 두 번째 공정에 따르면, 다결정 봉은, 예를 들어 실리콘을 함유하는 휘발성 화합물이 분해되어 와이어 상에 실리콘이 부착되는 이른바 지멘스형 공정(Siemens-type process)에 의해 얻어진다. 세 번째 공정에서는, 미가공 실리콘 함유 재료가 제1 패스에서 FZ 공정에 의해 처리되고 제2 패스에서 본 발명에 의해 처리되는 이중 패스 공정에 의하여 단결정이 준비된다. 제1 패스의 FZ 공정은 본 발명의 방법과 동일할 수 있거나 다를 수도 있다.

다결정 봉은 회전 가능하게 설치되는데, 다시 말하자면 설치되어 회전할 수 있다. 다결정 봉은, 회전 가능하게 구성된 경우에, 시계 방향이나 반시계 방향으로, 또는 시계 방향과 반시계 방향으로 교대로 회전할 수 있다.

본 발명의 방법에서 사용되는 전형적인 다결정의 공급 봉은 직경이 90mm 내지 160mm이고 길이가 2.5m에 이른다. 봉의 단부는 일반적으로 공정 전에 원추형으로 연삭되거나 다른 방식으로 처리될 수 있다. 본 발명의 방법에서, 그와 같은 다결정 봉의 원추형 저부 단부는 초기에 예열되고 수랭형 단일 권선 동제 고주파 유도 코일의 중심에 배치된다. 그 후에 다결정 봉의 하방에 최소 간극을 두고서 흑연과 같은 전도성 서셉터(susceptor)가 배치된다. 유도 코일에 전류가 인가되면, 서셉터 내에 와전류가 유도되고 서셉터의 온도가 증가한다. 그 후에 발생 열은 복사에 의해 다결정 봉으로 전달된다. 서셉터에 근접한 다결정 재료의 부분이 적열되기 시작하면, 고주파 에너지에 의해 재료의 그 부분에 와전류가 유도될 수 있다. 흑연 서셉터는 더 이상 필요하지 않게 되고 유도 코일로부터 제거된다. 열은 다결정 봉의 원추형 부분이 용융될 때까지 계속 가해진다. 그 후에, 하방으로부터 단결정 핵이 용융 재료 내로 침지된다.

핵이 용융 재료에 의해 습윤되면, 핵을 하강시킴으로써 결정의 성장을 개시할 수 있다. 다결정 봉도 하강하지만, 훨씬 저속으로 하강한다. 높은 견인 속도를 사용함으로써, 접종 공정(seeding process) 중에 전위가 없는 성장을 개시하여야 한다. 전위가 없는 조직이 관찰되면(명확히 관찰 가능한 측면 외관으로부터 확인 가능), 결정 직경이 점차 증가하도록, 핵과 다결정 봉의 견인 속도의 비를 점차 감소시킨다. 본 발명의 방법을 사용하여 제조한 단결정은 직경이 대략 75mm 내지 대략 450mm일 수 있고, 전형적으로는 직경이 대략 100mm 내지 200mm이다.

단결정은 전기적 물성을 변화시키는 소량의 불순물로 도핑될 수 있다. 도펀트의 예는 원소의 주기율 표의 III족 또는 V족에 속한다. 실리콘을 도핑하기 위하여, 일반적으로는 보론, 비소 및 인이, 그리고 경우에 따라서는 갈륨이 사용된다. 보론은 실리콘 집적회로 제조의 경우에 선택되는 p형 도펀트인데, 그 이유는 접합 깊이(junction depth)를 용이하게 제어할 수 있게 하는 속도로 확산하기 때문이다. 인은 n형 도펀트이고 전형적으로 실리콘 웨이퍼의 벌크 도핑을 위하여 사용되며, 비소는 인보다 서서히 확산되고 그에 따라 인보다 제어가 용이하므로 접합부 확산을 위하여 사용된다. 보론은 다이보레인(diborane) 분위기 내에서의 결정 성장에 의해 결정 조직 내에 도입될 수 있고, 인은 포스핀(phosphine) 분위기 내에서의 결정 성장에 의하여 조직 내에 함유될 수 있다.

침투 깊이는 주파수에 의존하므로, 고주파 유도 코일에 인가된 주파수는 공정 파라미터이다. 최적 주파수는 2MHz 내지 3MHz 사이의 범위라는 것이 제안되어 왔다. 주파수가 500kHZ 미만이면, 바람직하지 않은 표면 용융이 일어날 수 있다. 반면에, 3MHz를 초과하는 주파수는 아크 발생의 위험성을 증가시킨다.

성공적인 결정 성장을 위하여 중요한 점은 용융 대역의 안정성을 유지하는 것이다. 대역의 내향 압력이 외향 압력보다 클 때에, 대역은 안정적이다. 내향 압력은 표면 장력, 고상과 액상 사이의 응집력 및 전자기압(electromagnetic pressure)을 포함한다. 응집력과 전자기압은 표면 장력에 비하여 비교적 작다. 외향 압력은 주로 용융 대역의 중력에 기인하는 정수압(hydrostatic pressure)을 포함한다. 정수압은 용융 대역 높이에 정비례한다. 따라서, 용융 대역은 봉 직경보다도 작게 유지되어야 한다.

단결정은 적절한 소정 속도로 견인될 수 있다. 일반적으로, 공정 경제성을 위하여 비교적 고속의 견인 속도를 얻는 것이 바람직하다. 특히, 견인 속도는 형성된 단결정의 직경에 따라 달라진다. 따라서, 작은 직경에 대해서는 높은 견인 속도가 달성될 수 있다. 본 발명에 있어서는, 일반적으로 5mm/분 이하의 견인 속도가 적절하다.

본 발명에 따르면, 축 방향 자계와 교호 회전 패턴을 조합한 사용은 종래에 공지된 기술에 비하여 단결정의 균일성을 향상시킨다. 단결정의 균일성은 상대 저항값(RRV)로 표현될 수 있다. 이 값은 다음과 같이 최대 저항값과 최소 저항값의 차이와 최소 저항값의 비로 계산된다.

RRV = (R_max - R_min) / R_min

따라서, RRV는 단결정의 단면 균일성을 나타내며, 결정으로부터 절단된 웨이퍼의 품질에 대한 척도로서 사용될 수 있다.

본 발명에서, 자계와 결정의 교호 회전 패턴의 사용을 조합함으로써, 자계는 용융 대역의 중앙부를 안정화하는 데에 기여하는 것으로 생각된다. 본 발명에서 보고된 실험 데이터에 의하면, 교호 회전 패턴 또는 축 방향 자계의 단독 사용에 의해서는 얻어지지 않는 단결정의 균일성 향상이 양자의 조합에 의해 달성된다.

본 발명의 방법의 장점은 보론이나 인으로 도핑된 실리콘 단결정을 제조함에 있어서 특히 명확히 나타나며, 그 이유는 개선된 결정화에 의하여 결정의 단면에 걸쳐서 그와 같은 도펀트의 매우 균일한 분포가 보장될 수 있기 때문이다.

<실시예>

<실시예 1>

본 발명의 방법에 따라서 실리콘 단결정을 준비하였다. FZ 원리를 사용하여, 다결정 봉으로부터 결정 핵의 <111> 방향으로 직경 10mm(4")의 결정을 견인하였다. 결정의 성장 방향과 실질적으로 평행(즉, 봉의 길이 축에 평행)한 방향으로, 정자속 밀도(static magnetic filed)(0부터 0.02T까지)를 용융 대역에 인가하였다. 결정의 주위에 권선된 동 코일에 직류를 통전함으로써 자계를 생성하였으며, 이에 따라 자속 밀도를 용이하게 제어할 수 있었다. 모든 실험에 있어서, 결정의 회전을 4초 지속 시간의 시계 방향과 6초 지속 시간의 반시계 방향으로 교대로 변경하였다. 회전 방향의 변경은 최대 0.3초 동안에 이루어졌다. 교호 회전의 패턴은 도 2에 도시되어 있다. 10rpm 내지 18rpm의 회전 속도를 테스트하였다. 모든 실험에 있어서, 봉의 이동 속도는 2.8mm/분이었다.

실험 결과가 도 3에 도시되어 있다. 이 도면에서, 데이터는 상대 저항값으로 나타나 있다. 실리콘 단결정의 직경에 걸쳐서 균일한 저항은 낮은 RRV 값으로 표시된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 0.01T(100 가우스)의 자속 밀도를 사용한 경우에, RRV는 회전 속도와는 무관하게 가장 작았다. 0.01T의 자속 밀도의 경우에, 회전 속도가 12rpm 또는 15rpm이면, 그보다 높거나 낮은 회전 속도에 의하여 얻어진 결과보다 우수한 결과를 나타내었다.

Claims (24)

1. 다결정 봉을 가열 영역에 통과시켜 용융 대역을 형성하는 단계,

   용융 대역에 자계를 인가하는 단계, 및

   단결정 핵 상에서의 용융물의 응고 시에, 단결정을 형성하고 성장시키는 단계를 포함하는 단결정 제조 방법에 있어서,

   성장 중의 단결정을 시계 및 반시계 회전 방향으로의 교호 패턴으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
2. 제1항에 있어서,

   다결정 봉과 단결정 핵은 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
3. 제2항에 있어서,

   실리콘은 인 또는 보론으로 도핑되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   단결정 핵의 방향은 <111> 또는 <100>인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

   축 방향 자계의 자속 밀도는 0.005T 내지 0.015T의 범위인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   자계는 다결정 봉에 대해 본질적으로 축 방향으로 향하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

   자계는 용융 대역을 둘러싸도록 배치된 솔레노이드 코일에 직류를 통전함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   다결정 봉은 회전 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   다결정 봉은 0.5rpm 내지 40rpm의 회전 속도로 회전하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    성장 중의 단결정은 단결정의 성장 방향에 본질적으로 수직한 회전 평면 내에서 회전하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    시계 방향 및 반시계 방향 회전의 회전 속도는 10rpm 내지 18rpm인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    시계 방향 및 반시계 방향 회전 각각의 지속 시간은 2초 내지 10초의 범위인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
13. 제12항에 있어서,

    시계 방향 회전의 지속 시간은 반시계 방향 회전의 지속 시간과 다른 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

    성장 중의 단결정은 2mm/분 내지 5mm/분의 속도로 견인되는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,

    견인된 단결정의 직경은 75mm 내지 350mm의 범위인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

    견인된 단결정의 직경은 100mm 내지 220mm의 범위인 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,

    다결정 봉과 가열 영역 사이의 상대적 이동을 포함하고, 그에 따라 다결정 봉의 일단을 향하여 용융 대역의 이동을 일으키는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

    제조된 단결정을 하나 이상의 웨이퍼로 절단하는 단계를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 방법.
19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따라 단결정을 제조하기 위한 장치로서,

    다결정 봉 내에 용융 대역을 형성하기 위한 가열기,

    가열기를 둘러싸는 코일로서 배치된 전류 전도체,

    다결정 봉을 현수하기 위한 상측 샤프트, 및

    성장하는 단결정을 지지하기 위한 하측 샤프트를 포함하며,

    하측 샤프트는 성장 중의 단결정에 제1 시간 동안에 시계 방향 회전을 전달하고 제2 시간 동안에 반시계 방향 회전을 전달하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
20. 제19항에 있어서,

    가열기는 단일 권선 고주파 유도 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
21. 제19항 또는 제20항에 있어서,

    코일의 전류 전도체는 동 또는 알루미늄을 주로 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,

    다결정 봉을 현수하는 상측 샤프트와 성장 중의 단결정을 지지하는 하측 샤프트 각각은 다결정 봉과 성장 중의 단결정 각각에 본질적으로 수직 이동을 일으킬 수 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
23. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,

    상측 샤프트는 다결정 봉에 회전 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.
24. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,

    상측 샤프트는 다결정 봉의 회전을 전달할 수 있는 것을 특징으로 하는 단결정 제조 장치.

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