KR20100045399A - 실리콘 단결정의 제조 방법 - Google Patents

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KR20100045399A
KR20100045399A KR1020090101203A KR20090101203A KR20100045399A KR 20100045399 A KR20100045399 A KR 20100045399A KR 1020090101203 A KR1020090101203 A KR 1020090101203A KR 20090101203 A KR20090101203 A KR 20090101203A KR 20100045399 A KR20100045399 A KR 20100045399A
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silicon single
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cru
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센린 후
토시오 히사이치
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코바렌트 마테리얼 가부시키가이샤
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Abstract

실린더형 석영 도가니(11)에 저장되는 용융 실리콘(12)에 적용되는 자기장의 적절한 설정에 있어서, 한 쌍의 여기 코일들(13, 14)에 의해서 생성되는 수평 자기장에서의 석영 도가니(11)의 실린더 축으로서의 수직 대칭 축(17) 상의 자기 플럭스 밀도의 최대 값 (B0)는 B0 라고 지칭한다. 수직 대칭 축(17)에 수직으로 가로지르는 수평 대칭 평면(18)이 석영 도가니(11)와 만나는 원에 있어서, 자기 플럭스 밀도의 최소 값은 Bmin으로 지칭하고, 자기 플럭스 밀도의 최대 값은 Bmax로 지칭한다. 이러한 자기 플럭스 밀도들 B0, Bmin, 및 Bmax는 주어진 범위가 되도록 조절되고, 고체-액체 계면(15a)의 하부에서의 용융 실리콘(12)의 위쪽으로 흐름 및 온도는 적절하게 제어된다.
실리콘, 단결정, 자기장, MCZ, 코일

Description

실리콘 단결정의 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF SILICON SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 자기장 인가 쵸크랄스키법(Magnetic field applied CZochralski method;MCZ method)에 의한 실리콘 단결정 성장 기술에 관한 것이다. 더 자세하게, 본 발명은 300㎜이상과 같이, 대 직경을 가지는 실리콘 단결정의 제조방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 기판에서 실리콘 웨이퍼로 사용되는 많은 실리콘 단결정들은 소위 CZ법인 인상법(pulling out method)에 의해서 성장된다. 최근 이러한 방법에 의해서 성장되는 실리콘 단결정 잉곳은 약 300㎜(12인치)의 직경을 가지고, 직경을 더 증가시키는 방법(예를 들어, 450㎜(18인치))이 연구되고 있다.
CZ법에서, 성장로(growth furnace)에 위치한 바닥을 가지는 실린더형 석영 도가니는 원료 실리콘(raw material silicon)(일반적으로 다결정 실리콘)으로 채워지고, 실리콘은 히터로 가열되어, 용융 실리콘을 형성한다. 시드 결정은 용융 실리콘의 표면에 부착되고, 성장 핵으로 시드 결정을 사용하여, 용융 실리콘을 응고시키면서, 주어진 속도로 시드 결정을 인상시키는 것에 의해서, 용융 실리콘은 실리 콘 결정으로 성장된다. 실리콘 단결정을 인상하는 동안, 석영 도가니는 주어진 속도로, 인상 방향과 같은 회전축의 주위를 따라서 회전된다. 따라서, 인상된 단결정 잉곳은 슬라이싱(slicing) 및 미러 폴리싱(mirror polishing)과 같은 다양한 공정이 진행되어, 얇은 디스크 형상의 실리콘 웨이퍼로 제조된다.
기판으로서 실리콘 웨이퍼를 사용하는 반도체 소자에 있어서, 높은 집적도, 높은 성능은 반도체 소자의 반도체 구성의 나노제조(nanofabrication)에 의해서 기인한 것이다. 반도체는 예를 들어, 소자의 성능을 악화시키는 금속 불순물들을 포집하는 게터링 기능(gettering function) 및 원자 베이컨시(atomic vacancy) 및 격자간 실리콘(interstitial silicon)과 같은 점 결함들에 기인한 결정 결함들이 감소되는 높은 등급 결정을 필요로 한다. 또한, 반도체는 반도체 소자 칩의 생산량을 증대시키고, 소자를 제조하는 비용의 감소를 용이하게 하는 직경의 증가를 필요로 한다.
위에서 기술된 요구들을 충족시키기 위해서, 최근, 통상적인 CZ법은 발전되어, 용융 실리콘에 자기장을 인가하는 동안 단결정이 성장되는 소위 MCZ법이 널리 사용되고 있다. 수평 MCZ법(Horizontal MCZ method;HMCZ method), 수직 MCZ법(Vertical MCZ method;VMCZ method) 및 커스프 MCZ법(Cusp MCZ method;CMCZ method)이 MCZ법으로 지금까지 발전되어왔다. 이러한 방법들 중에서, 최근 HMCZ법 및 CMCZ법의 효용성이 실험적으로 증명되었고, 이러한 두 방법들은 실제적으로 사용된다.
MCZ법에서, 자석들은 성장로의 외벽부에 배치되어, 적당한 자기장이 용융 실 리콘에 인가된다. 자기장은 석영 도가니 내측에 저장된 도전성의 용융 실리콘의 열에 의한 자연적인 환류(convection flow)를 효과적으로 억제한다. 자기장은 석영 도가니의 내벽 표면으로부터 용융 실리콘에 녹아들어간 산소가 실리콘 단결정의 고체-액체 계면에 도달하는 것을 억제하여, 결과적으로 실리콘 단결정에서의 고용체 산소(solid-solution oxygen)의 농도가 조절된다.
MCZ법에 의한 인상 성장에서, 실리콘 단결정에서의 인상 방향(pulling out direction) 또는 반경 방향(radial direction)의 산소 농도의 균일도를 향상시키기 위한 다양한 연구들이 도가니의 회전 및 결정의 회전과 같은 다른 인상 조건들의 시행착오에 의해서, 진행되어왔다.(예를 들어, 일본 공개 특허 JP-B-2546736 및 일본 공개 특허 JP-A-2000-264785 참조.)
현재, 실리콘 웨이퍼의 직경의 확장으로, 직경이 450㎜(약 18 인치)(차세대), 675㎜(약 27인치)(차-차세대)인 웨이퍼를 위한 실리콘 단결정을 인상하는 많은 연구들이 진행 중이다. 대 직경을 가지는 실리콘 단결정의 형성에 있어서, 큰 사이즈의 석영 도가니에서의 용융 실리콘의 자연 환류의 증가, 인상 속도의 감소 및 피드백 제어 시간의 증가는 실제적인 사용을 더 어렵게 만드는 실질적으로 물리적인 요인들이다. 대 직경을 가지는 단결정 실리콘의 형성을 위하여, MCZ법은 자연적인 환류를 억제하고, 석영 도가니 내의 용융 실리콘의 온도의 안정화를 달성하는데 필수적이다.
또한, MCZ법이 점 결함들에 의해서 유발된 결정 결함들이 감소되는 높은 등급의 결정의 생산에 적용될 때, V(인상 속도)/G(결정 축 방향에서의 온도 구배)비 의 제어, 고체-액체 계면의 형상의 제어 등이 중요하게 된다. 만약 이들의 제어가 충분하지 않다면, 전위 클러스터(dislocation cluster) 결함들 및 옥타고널 보이드(octagonal void) 결함들과 같은 격자간 실리콘 또는 원자 베이컨시에 의해서 유발되는 결함들 또는 웨이퍼 표면 상에서 생성되는 링 형상의 OSF(Oxidation induced Sacking Fault)의 결함을 감소시키는 것이 어렵게 된다. 또한, 보다 열적 평형의 격자간 실리콘 또는 원자 베이컨시가 인상할 때에 단결정에 존재하지 않는 중성 결정(Neutral crystal)의 실제적인 사용이 어렵다.
MCZ법에 의한 실리콘 단결정의 성장에서, 지금까지, 많은 기술적인 연구들이 주로 실리콘 단결정에서의 산소 농도의 균일도를 향상시키는 과정에서 진행되어 왔다. 그러나, 석영 도가니 내의 용융 실리콘의 흐름 제어 및 온도 제어의 관점에서의 기술적인 연구들은 매우 적다. 이는 현재 용융 실리콘의 자기 플럭스 밀도의 세기 또는 이의 세기의 분포, 정확한 실제적인 측정에 기초한 용융 실리콘의 흐름 및 온도 분포 사이의 관계를 규명하는 것이 극히 어렵기 때문이다.
MCZ법이 용융 실리콘의 환류의 억제에 의한 산소 농도의 제어에 있어서, CZ법보다 우수하다고 하더라도, 실리콘 단결정의 고체-액체 계면 및 석영 도가니의 내부면 사이의 온도 구배를 만드는 것이 어렵다. 또한, 강한 자기장에 의해서, 환류가 억제될 때, 용융 실리콘의 표면 온도는 현저히 감소된다. 결과적으로, 열 스트레스(heat stress)의 집중에 의한 실리콘 단결정의 전위는 실리콘 단결정을 인상에 있어서, 목 부분(neck portion) 및 어깨 부분(shoulder portion)의 성장시에 쉽게 생성된다.
그러나, MCZ법에 의한 인상 성장 분야에서, 지금까지, 용융 실리콘에 인가되는 자기장의 적용 및 석영 도가니 내의 용융 실리콘의 흐름 및 온도에 관한 포괄적으로 유용한 분석이 없었다. 더욱, 단결정 실리콘의 직경의 추가적인 확장을 위한 제조 기술의 현재 수준과 관하여, 위의 문제점들을 해결하기 위한 자기장을 적합하게 설계하고, 높은 등급의 단결정 성장을 실제적으로 적용하는 것이 어렵다.
본 발명은 위의 환경들의 관점에서 만들어졌고, 본 발명의 목적은 적합한 자기장을 설계하기 위한 가이드 라인을 제시하고, 용융 실리콘에 자기장을 적당하게 설정하는 것을 가능하게 하는 실리콘 단결정의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명자들은 고체-용액 계면과 연계되는 3차원 용융 환류(solid-solution interfaced-linked three-dimensional molten convection flow) 분석 프로그램, 산소 분석 프로그램(oxygen analysis program), 열 전달 분석 프로그램(heat transfer analysis program) 등을 사용하여, 실리콘 단결정의 인상에서의 많은 실험 조건들에 따른 결과들에서 분석 프로그램의 파라미터 조정을 실행해왔다. 정확도의 향상을 통하여, 본 발명자들은 수평 자기장을 적용하는 MCZ법에 의한 인상 성장에서의 자기장의 최적화 방법을 발견하였다. 본 발명은 이러한 연구들로부터 얻어진 발견에 기초한다.
따라서, 위의 목적들을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 면에 따라서, 아래의 식을 만족하는 수평 자기장이 적용되면서, 쵸크랄스키법에 의하여, 실린더형 도가니에 저장된 용융 실리콘으로부터 실리콘 단결정을 인상하는 단계를 포함하는 실리콘 단결정의 제조방법이 제공되는데,
여기서, 상기 수평 자기장이 만족하는 식은
2000/(Φcry/Φcru)1/2 - 2000 ≤ B0 ≤ 2000/(Φcry/Φcru)1/2 + 2000 및
0.8B0 ≤ Bmin 또는 0.6Bmax ≤ Bmin 이고,
B0[gauss]는 도가니의 실린더 축에서의 자기 플럭스 밀도의 최대 값이고,
Bmin[gauss]는 자기 플럭스 밀도가 B0 인 점을 지나고, 도가니의 실린더 축에 수직인 수평면과 도가니의 내경이 만나는 원에서의 자기 플럭스 밀도의 최소 값이고,
Bmax[gauss]는 상기 원에서의 자기 플럭스 밀도의 최대 값이고,
Φcry는 실리콘 단결정의 직선의 몸체부의 직경이고,
Φcru는 도가니의 내경이고,
수평 자기장은 도가니의 양 측면부들에 배치되는 한 쌍의 여기 코일들(exciting coils)에 의해서 적용된다.
본 발명의 다른 면에 따라서, 아래의 식을 만족하는 수평 자기장이 적용되면서, 쵸크랄스키법에 의하여, 실린더형 도가니에 저장된 용융 실리콘으로부터 실리콘 단결정을 인상하는 단계를 포함하는 실리콘 단결정의 제조방법이 제공되는데,
여기서, 상기 수평 자기장이 만족하는 식은
1500/(Φcry/Φcru) - 2000 ≤ B0 ≤ 1500/(Φcry/Φcru) + 2000 및
Bmin ≤ 0.9B0 또는 Bmin ≤ 0.65Bmax 이고,
B0[gauss]는 도가니의 실린더 축에서의 자기 플럭스 밀도의 최대 값이고,
Bmin[gauss]는 자기 플럭스 밀도가 B0 인 점을 지나고, 도가니의 실린더 축에 수직인 수평면과 도가니의 내경이 만나는 원에서의 자기 플럭스 밀도의 최소 값이 고,
Bmax[gauss]는 상기 원에서의 자기 플럭스 밀도의 최대 값이고,
Φcry는 실리콘 단결정의 직선의 몸체부의 직경이고,
Φcru는 도가니의 내경이고,
수평 자기장은 도가니의 양 측면부들에 배치되는 한 쌍의 여기 코일들(exciting coils)에 의해서 적용된다.
본 발명의 구성에 의해, 수평 자기장을 이용한 MCZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상에 있어서 적정한 자기장의 설계를 위한 지침을 제시하는 것과 함께, 용융중의 자기장의 적절한 설정을 가능하게 하는 실리콘 단결정 인상에서 수평 자기장의 최적화 방법 및 실리콘 단결정의 제조 방법을 제공하는 것이 가능하다.
이하 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들이 기술된다. 도면들에서, 동일 또는 유사한 부분들은 공통의 참조 번호들 및 기호들을 가지고, 중첩되는 설명들은 부분적으로 생략된다.
(제 1 실시예)
본 발명의 제 1 실시예에 따른 실리콘 단결정을 인상할 때, 수평 자기장의 최적화 방법은 다음과 같이 설명된다.
실리콘 단결정의 성장에서, 용융 실리콘(12)은 바닥을 가지는 실린더형 석영 도가니(11)에 저장되고, 가로의 자기장("수평 자기장"으로 언급됨)이 서로 마주보도록 석영 도가니(11)의 측면부들에 정렬되는 한 쌍의 여기 코일들(13, 14)로부터 용융 실리콘(12)에 인가된다. 실리콘 결정(15)은 핵으로 시드 결정(16)을 사용하는 대시-네킹(dash-necking) 공정에서의 목(neck) 부분, 원하는 결정 직경으로 직경을 증가시키는 어깨 부분, 일정한 직경을 가지는 직선 몸체 부분 및 직경이 감소되는 꼬리 부분 순으로 인상되고 성장된다.
여기 코일들(13, 14)은 도 2에 도시된 바와 같이, 서로 마주보도록 정렬되고 동일한 모양 및 크기를 가지는 한 쌍의 원형 여기 코일들(131, 141)이거나, 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 마주보도록 정렬되고 동일한 형상 및 크기를 가지는 한 쌍의 안장 형상(saddle-shaped) 여기 코일들(132, 142)이다. 이러한 여기 코일들은 여러 번 감길 수 있으며, 또는, 철심 코일(iron-core coil) 또는 철심이 없는 헬름홀츠(iron-coreless Helmholz) 타입의 자기장 코일일 수 있다. 한 쌍의 원형 여기 코일들 또는 한 쌍의 안장 형상 여기 코일들에 의해서 생성되는 수평 자기장은 각각 U 형상의 가로 자기장 또는 안장 형상의 가로 자기장으로 불린다.
수평 자기장이 적용되는 인상 성장에서, 석영 도가니(11)의 실린더(중심) 축인 수직 대칭 축(17)은 실리콘 단결정(15)의 결정 축의 방향과 같은 방향이고, 실리콘 단결정(15)의 인상 방향의 중심 축과 일반적으로 거의 일치한다.
수직 대칭 축(17) 상의 자기 플럭스 밀도 벡터 B는 B0[gauss]이고, 수평 대칭 평면(18)은 실린더 축 상에서의 최대 값 B0의 위치를 통과하고, 수직 대칭 축(17)에 수직인 수평면이다. 여기서, 상기 수평 대칭 평면(18)은 상기 용융 실리콘(12)과 상기 실리콘 단결정(15) 사이의 고체-액체 계면(15a) 상에 위치하거나 상기 고체-액체 계면(15a) 보다 조금 낮은 위치에 위치한다.
수평 대칭 평면(18)이 석영 도가니의 내경과 만나는 원에서의 자기 플럭스 밀도 벡터 B의 최대 값은 Bmax[gauss]로 정의되고, 이의 최소 값은 Bmin[gauss]로 정의된다.
예를 들어, 직류 전류(I)가 초전도체 또는 전도체가 거의 원형상으로, 각각의 전극들(미도시)로부터 같은 방향으로 감기는 원형 여기 코일들(131, 141)에 흐르는데, 수평 대칭 평면(18)은 상기 전류(I)에 의해서 생성되는 자기장의 대칭면이고, 평면에 대하여 수직 방향의 성분이 0인 평면이다.
수평 대칭 평면(18) 상의 자기 플럭스 밀도 벡터 B 분포의 일 예가 도 4에 도시된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 자기 플럭스 밀도 벡터 B는 수평 대칭 평면(18) 상에 존재하고, 원형 여기 코일(131)로부터 원형 여기 코일(141)로 분포된다. 수평 대칭 평면(18)에 상대적으로 위 또는 아래에 위치하는 다른 자기 플럭스 밀도 벡터 B는 수평 대칭 평면(18)에 수직하는 성분을 가진다.
도 4에서, 수평 대칭 평면(18) 상의 자기 플럭스 밀도 벡터 B는 석영 도가니(11)의 중앙에 위치하는 실린더 축 상의 최대 값 B0을 가진다. 또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 자기 플럭스 밀도 벡터 B는 석영 도가니(11)의 내경이 원형 코일들(131, 141)의 원 중심들과 연결되는 수평 선(19)과 만나는 두 지점들에서의 최대 값 Bmax를 가진다.
반면에, 자기 플럭스 밀도 벡터 B는 도가니(11)의 내경이 도가니(11)의 중심을 지나고 수평 선(19)에 수직인 수직 선(20)과 만나는 점들에서의 최소 값 Bmin을 가진다.
그러나, 도 4는 원형 여기 코일들(131, 141)이 동일한 형상 및 크기를 가지고, 완벽한 원형인 경우를 보여주는 일 예이고, 이러한 형상 또는 크기가 달라지면, 최대 값 Bmax 및 최소 값 Bmin의 위치는 위에서 설명한 위치와 달라진다.
비슷하게, 도 3에 도시된 바와 같이, 같은 방향에 초전도체 또는 전도체의 안장 형상 여기 코일들(132, 142)에 각각의 전극들(미도시)로부터 직류 전류(I)가 인가되는 경우, 수평 대칭 평면(18)은 전류(I)에 의해서 생성되는 자기장의 대칭면으로 정의되고, 평면에 수직 성분이 0인 평면으로 정의된다.
수평 대칭 평면(18) 상의 자기 플럭스 밀도 벡터 B의 일 예가 도 5에 도시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 자기 플럭스 밀도 벡터 B는 수평 대칭 평면(18) 상에 존재하고, 안장 형상 여기 코일(132)로부터 안장 형상 여기 코일(142)로 분포된다. 도 4의 경우와 유사하게, 이 경우에, 수평 대칭 평면(18) 상의 자기 플럭스 밀도 벡터 B는 석영 도가니(11)의 중앙인 실린더 축 상의 최대 값 B0를 가진다.
두 개의 사선(191, 192)은 안장 형상 여기 코일들(132, 142)의 중심들을 연결하는 수평선(19)과 각각 경사각(α)으로 만난다. 자기 플럭스 밀도 벡터 B는 석영 도가니(11)의 내경이 두 개의 사선들(191, 192)과 만나는 4 개의 접촉점들에서 최대 값 Bmax를 가진다. 여기서, 경사각(α)은 안장 형상 여기 코일의 모양에 따라서 달라진다. 수평선(19)에 대한 사선(191, 192)의 경사각들은 안장 형상 여기 코일의 모양에 따라 달라지기 때문에, 서로 다를 수 있다.
또한, 자기 플럭스 밀도 벡터 B는 도가니(11)의 중심을 통과하고, 수평선(19)에 수직인 수직선(20)과 도가니(11)의 내경이 만나는 두 개의 점들에서 최소 값 Bmin을 가진다.
그러나, 도 5는 안장 형상 여기 코일들(132, 142)이 동일한 형상 및 크기를 가지는 경우를 보여주는 일 예이고, 이러한 형상 또는 크기가 달라지면, 최대 값 Bmax 및 최소 값 Bmin의 위치는 위에서 설명한 위치와 달라진다.
위의 분석의 관점에서, 최적화된 수평 자기장은 이하의 식 (1)을 만족하도록, 여기 코일들(13, 14)에 의해서, 석영 도가니(11) 내의 용융 실리콘(12)에 생성되는 실린더 축 상의 최대 값 B0을 설정하는 것에 의해서 얻어진다.
1500/(Φcry/Φcru) - 2000 ≤ B0 ≤ 1500/(Φcry/Φcru) + 2000 (1)
여기서, 도 1에 도시된 바와 같이, Φcry는 실리콘 단결정(15)의 직선 몸체 부분의 직영이고, Φcru는 석영 도가니(11)의 내경이다.
식 (1)은 수평 대칭 평면(18) 상의 최소 값 Bmin은 Bmin ≤ 0.65Bmax(이하, "I-타입 수평 자기장"이라 칭한다)를 만족하고, 여기 코일들(13, 14)은 원형 여기 코일들(131, 141)인 경우에 바람직하다.
식 (1)은 도 6을 참조하여, 아래에서 설명된다. 도 6은 실린더 축 상의 최대 값 B0) 및 (Φcry/Φcru)의 관계를 보여주는 상관표이다. 수직 축은 실린더 축 상의 최대 값 B0이고, 수평 축은 (Φcry/Φcru)이다. 이 경우에, I-타입 수평 자기장은 원형 여기 코일들에 의해서 생성된다.
도 6에서, 영역 H1은 결정 변형을 일으킬 수 있는 상태를 나타낸다. 결정 변형의 발생은 실리콘 단결정(15)의 직선 몸체 부분의 직경이 주기적으로 인상 방향으로 변동하거나, 결정의 결정상 라인의 흩어짐이 발생되는 것을 의미한다. 이러한 결정 변형들은 CCD 카메라 등으로 관찰된다. 또한, 변형이 크다면, 용융 실리콘이 석영 도가니의 내벽의 일부와 접촉하는 것에 의해서 응고되는 냉각 현상이 유도된다.
도 6에서, 파선(broken line) h1은 영역 H1의 하한 곡선이고, 앞서 기술된 고체-용액 계면과 연계되는 3차원 용융 환류 분석 프로그램, 산소 분석 프로그램, 열 전달 분석 프로그램을 사용하여 수치 해석에 의해서 얻어진다. 하한 곡선은 결정 변형(crystal deformation)의 측정 결과와 일치하고, 파선 h1은 아래의 식 (5)를 만족한다.
B0 = 1500/(Φcry/Φcru) + 2000 (5)
도 6에서, 영역 L1은 용융 실리콘의 진동류(oscillating flow)를 일으키는 조건을 나타낸다. 용융 실리콘의 진동류의 발생은 고체-액체 계면(15a)의 하부 영 역에서의 용융 실리콘의 난류(turbulent flow)에 의해서, 회전류(rotating flow) 또는 측류(side flow)의 발생을 의미한다. 이러한 흐름의 발생은 용융 실리콘 흐름의 추적 입자들의 X선 관찰로 측정될 수 있다.
도 6에서, 파선 l1은 영역 L1의 상한 곡선이고, 앞서 기술된 고체-용액 계면과 연계되는 3차원 용융 환류 분석 프로그램, 산소 분석 프로그램, 열전달 분석 프로그램을 사용하여 수치 해석에 의해서 얻어진다. 상한 곡선은 결정 변형의 측정 결과와 일치하고, 파선 l1은 아래의 식 (6)을 만족한다.
B0 = 1500/(Φcry/Φcru) - 2000 (6)
위에서 설명된 바와 같이, 식 (1)은 결정 변형이 발생되지 않고, 용융 실리콘의 진동류가 발생되지 않는 수평 자기장의 적절한 영역 A1(도 6에 도시)을 나타낸다.
I-타입 수평 자기장의 최적화는 바람직하게, 여기 코일들(13, 14)에 의한 석영 도가니(11) 내의 용융 실리콘(12)에 생성되는 실린더 축 상의 최대 값 B0이 아래의 식 (2)를 만족하도록 진행될 수 있다.
1500/(Φcry/Φcru) - 1000 ≤ B0 ≤ 1500/(Φcry/Φcru) + 1000 (2)
또한, 다른 수평 자기장의 최적화는 여기 코일들(13, 14)에 의한 석영 도가니(11) 내의 용융 실리콘(12)에 생성되는 실리더 축 상의 최대 값 B0이 아래의 식 (3)을 만족하도록 진행될 수 있다.
2000/(Φcry/Φcru)1/2 - 2000 ≤ B0 ≤ 2000/(Φcry/Φcru)1/2 + 2000 (3)
식 (3)은 수평 대칭 평면(18) 상의 최소 값 Bmin이 0.8B0 ≤ Bmin 또는 0.6Bmax ≤ Bmin (이하, "II-타입 수평 자기장"으로 정의한다) 이고, 여기 코일들(13, 14)은 안장 형상 여기 코일들(132, 142)을 포함하는 경우 바람직하다.
식 (3)은 도 7을 참조하여, 아래와 같이 설명된다. 도 7은 실린더 축 상의 최대 값 B0 및 (Φcry/Φcru)의 관계를 보여주는 상관표이다. 수직 축은 실린더 축 상의 최대 값 B0이고, 수평 축은 (Φcry/Φcru)의 비율이다. 이 경우에, II-타입 수평 자기장은 안장 형상 여기 코일들에 의해서 생성된다.
도 7에서, 영역 H2는 도 6과 비슷하게 결정 변형을 일으킬 수 있는 조건들을 나타낸다. 파선 h2는 영역 H2의 하한 곡선이고, 고체-용액 계면과 연계되는 3차원 용융 환류 분석 프로그램, 산소 분석 프로그램, 열 전달 분석 프로그램을 사용하여 수치 해석에 의해서 얻어진다. 파선 h2는 아래의 식 (7)을 만족한다.
B0 = 2000/(Φcry/Φcru)1/2 + 2000 (7)
도 7에서는, 도 6과 비슷하게, 영역 L2는 용융 실리콘의 진동류(oscillating flow)을 일으키는 조건을 나타내고, 파선 l2는 영역 L2의 상한 곡선이고, 고체-용액 계면과 연계되는 3차원 용융 환류 분석 프로그램, 산소 분석 프로그램 및 열 전달 분석 프로그램을 사용하여 수치 해석에 의해서 얻어진다. 상한 곡선은 결정 변형의 측정 결과와 일치하고, 파선 l2는 아래의 식 (8)을 만족한다.
B0 = 1500/(Φcry/Φcru)1/2 - 2000 (8)
위에서 설명된 바와 같이, 식 (3)은 결정 변형이 발생되지 않고, 용융 실리콘의 진동류가 발생되지 않는 수평 자기장의 적절한 영역 A2(도 7에 도시)를 나타낸다.
II-타입 수평 자기장의 최적화는 바람직하게, 여기 코일들(13, 14)에 의한 석영 도가니(11) 내의 용융 실리콘(12)에 생성되는 실린더 축 상의 최대 값 B0이 아래의 식 (4)를 만족하도록 진행될 수 있다.
2000/(Φcry/Φcru)1/2 - 1000 ≤ B0 ≤ 2000/(Φcry/Φcru)1/2 + 1000 (4)
I-타입 수평 자기장(예를 들어, 원형 여기 코일들의 경우) 및 II-타입 수평 자기장(예를 들어, 안장 형상 여기 코일들의 경우) 사이에 수평 자기장의 최적화가 다르다는 사실은 간단하게 아래와 같이 설명된다. 일반적으로, 수평 대칭 평면(18) 상의 자기 플럭스 밀도의 분포에서, I-타입 수평 자기장은 II-타입 자기장과 비교하여, 수평 자기장에서의 더 큰 편차를 보여준다. 도 8은 수평 대칭 평면(18) 상의 석영 도가니의 실린더 축으로부터 반경 방향으로 편차의 예를 보여주는 자기 플럭스 밀도의 분포도이다. 수직 축은 실린더 축에서의 자기 플럭스 밀도, 즉, 실린더 축 상의 최대 값 B0에 의해서 표준화된 상대적인 자기 플럭스 축이고, 수평축은 석영 도가니의 구경의 반에 의해서 표준화된 상대적인 거리이다.
원형 여기 코일들의 경우에서 상대적인 자기 플럭스 밀도는 도 8에서의 실선에 의해서 보이는 바와 같이, 최대 값 Bmax의 방향으로 상대적인 거리(R)에 따라서 현저히 증가하고, R=1에서의 최대 값 Bmax는 약 실린더 축 상의 최대 값 B0의 약 2.67배이다.
반면에, 상대적인 자기장 플럭스 밀도는 도 8의 파선에 의해서 보여지는 바와 같이, 원 상의 최소 값 Bmin 방향으로 상대적인 거리(R)에 따라서 현저히 감소되고, R=1에서의 최소 값 Bmin은 실린더 축 상의 최대 값 B0의 0.498배이다.
따라서, I-타입 수평 자기장(예를 들어, 원형 여기 코일들의 경우)은 석영 도가니(11) 내의 수평 자기장의 최대 값 및 최소 값 사이에 5 배의 자기 플럭스 밀도 편차(0.498B0 에서 2.67B0)를 보여준다.
반면에, II-타입 수평 자기장(예를 들어, 안장 형상 여기 코일들의 경우)의 상대적인 자기장 플럭스 밀도는 도 8에서의 대시-도트선(dashed-dotted line)에 의해서 보여지는 바와 같이, 최대 값 Bmax 방향으로 상대적인 거리(R)에 따라서 증가된다. 그러나, 증가도는 작고, R=1에서의 최대 값 Bmax은 B0의 약 1.73배이다. 반면에, 상대적인 자기 플럭스 밀도는 도 8의 2대시-2도트선(two dashed-two dotted line)에 도시된 바와 같이, 최소 값 Bmin의 방향으로 상대적인 거리(R)에 따라서, 약간 감소되고, R=1에서의 최소 값 Bmin은 B0의 0.988배이다. 따라서, II-타입 수평 자기장은 석영 도가니(11) 내의 수평 자기장의 최대 값 및 최소 값 사이에 약 1.75배의 자기 플럭스 밀도의 편차(0.988B0 에서 1.73B0)를 보여준다.
따라서, I-타입 수평 자기장은 II-타입 수평 자기장과 비교하여, 수평 자기장 분포에서 더 큰 편차를 보여준다. 따라서, 축에서의 자기 플럭스 밀도 B0는 용융 실리콘의 진동류를 억제하기 위해서 증가될 필요가 있다.
여기서, 반경 방향의 자기 플럭스 밀도의 편차가 증가될 때, 맥동류(pulsating flow) 및 측류(side flow)와 같은 용융 실리콘의 주기적인 진동류는 쉽게 발생되고, 원에서의 자기 플럭스 밀도의 편차가 증가될 때, 불균일한 회전류와 같은 주기적인 진동류가 쉽게 발생된다.
본 실시예의 효과들은 앞에서 설명하였듯이, 고체-용액 계면과 연계되는 3차원 와류의 분석 프로그램, 산소 분석 프로그램 및 열 전달 프로그램을 사용하는 수치 해석의 결과를 보여주는 것에 의해서 특별히 기술된다. 본 실시예에서, 수평 자기장은 안장 형상 여기 코일들에 의해서 발생되었다. 실리콘 단결정의 인상에 의한 성장에서, 석영 도가니(11)는 900㎜(약 36인치)의 내경을 가지고, 잔존하는 용융 실리콘(12)의 양은 300㎏이었고, 실리콘 단결정(15)의 직선 몸체 부분의 직경은 450㎜(약 18인치)이었고, 이의 길이는 800㎜이었다. 인상 조건들에 대해서는, 인상 속도는 0.8㎜/min이고, 도가니의 회전 속도는 1rpm이고, 실리콘 단결정의 회전 속 도는 5rpm이고, 수평 대칭 평면(18)은 용융 실리콘(12)의 액체 수위(liquid level)이다.
도 9는 용융 실리콘의 진동류의 억제 효과의 일 예를 도시한 그래프이다. 도 9에서, 수직축은 수치 해석에 의해서 계산된 고체-액체 계면(15a)의 중심에서의 용융 실리콘의 온도이고, 수평선은 무차원 수치 해석(dimensionless numeric analysis)에서의 짧은 시간(lapse time)이다. 고체-액체 계면(15a)의 하부 영역에서의 용융 실리콘의 환류는 실린더 축의 최대 값 B0이 1,000 gausses일 때, 용이하게 난류 상태가 된다. 또한, 용융 실리콘의 진동류는 쉽게 발달되고, 결과로, 도 9에 도시된 바와 같이, 고체-액체 계면(15a)의 중심에서의 용융 실리콘의 온도는 일시적으로 예를 들어 용융점(1,685K)으로 오르내리게 된다. 반면에, 실린더 축 상의 최대 값 B0가 예를 들어, 3,000 내지 5,000 gausses로 증가될 때, 용융 실리콘의 진동류는 효과적으로 억제되고, 용융 실리콘의 온도는 짧은 기간에 안정화되고, 일시적인 오르내림은 발생하지 않는다.
도 10에 도시된 바와 같이, 실리콘 단결정(15)에서의 산소 농도의 반경 방향으로의 분포는 용융 실리콘의 진동류의 억제 효과에 의해서 균일화된다. 도 10은 산소 농도 분포의 균일화 효과의 일 예를 도시하는 그래프이다. 수직축은 수치 해석에 의해서 계산되는 실리콘 단결정에서의 상대적인 산소 농도이고, 수평선은 실리콘 단결정의 반경 방향에서의 위치이다.
실린더 축 상의 최대 값 B0이 1,000 gausses일 때, 실리콘 단결정의 산소 농 도는 주기적으로 반경 방향에 따라서 오르내린다는 것을 알 수 있다. 반면에, 실린더 축 상의 최대 값 B0이 예를 들어, 3,000 내지 5,000 gausses로 증가될 때, 산소 농도의 오르내림은 발생하지 않는다. 또한, 알다시피, 산소 농도 레벨은 자기장의 강도가 증가함에 따라서 감소된다.
도 11은 결정 변형의 억제 효과를 설명하는 사용되는 용융 실리콘의 자유 표면(free surface) 온도의 일 예를 도시한 그래프이다. 도 11에서, 수직축은 수치 해석에 의해서 계산되는 용융 실리콘(12)의 자유 표면의 온도이고, 수평축은 석영 도가니의 반경 방향에서의 위치인데, 수평축은 석영 도가니의 내경에 의해서 표준화되고, 고체-액체 계면(15a)의 가장자리로부터 도시된다.
실린더 축 상의 최대 값 B0이 5,000 gausses일 때, 용융 실리콘의 표면 온도는 고체-액체 계면(15a)의 가장자리로부터 반경 방향으로 한번 용융점(1,685K)보다 낮게 감소되고, 점차적으로 증가된다. 이 때문에, 실리콘 단결정(15)의 원 상에 용융 실리콘의 메니스커스(meniscus)는 불안정해지고, 쉽게 고체화되고, 결과적으로, 도 12a에 도시된 바와 같이, 결정 변형 부분(15b)이 주기적으로 성장한다.
반면에, 실린더 축 상의 최대 값 B0가 예를 들어, 5,000 gausses로부터 3,000 gausses로 감소될 때, 용융 실리콘의 표면 온도는 고체-액체 계면(15a)의 가장자리로부터 반경 방향으로 단조롭게 증가된다. 실리콘 단결정(15)의 원 상의 용융 실리콘의 메니스커스는 극히 안정되고, 도 12b에 도시된 바와 같이, 결정 변형은 발생되지 않는다.
도 13은 고체-액체 계면에서의 G(결정 축 방향으로의 온도 구배)의 균일화 효과의 일 예를 도시한 그래프이다. 도 13에서, 수직축은 결정 축 방향으로의 온도 구배의 상대적인 값이고, 수평 축은 실리콘 단결정의 반경 방향으로의 위치이다.
실린더 축 상의 최대 값 B0이 3,000 gausses일 때, 결정축의 방향으로 온도 구배의 상대적인 값은 반경 방향으로 균일하다는 것을 알 수 있다. 반면에, 실린더 축 상의 최대 값 B0)이 약한 자기장인 1,000 gausses일 때, 최대 값 B0은 결정의 중심에서 현저히 감소된다는 것을 알 수 있다. 또한, 실린더 축 상의 최대 값 B0이 예를 들어, 강한 자기장인 5,000 gausses일 때, 최대 값 B0는 결정의 중심에서 감소되고, 실린더 축 상의 최대 값 B0이 3,000 gausses인 경우보다 불균일해진다.
반경 방향에서의 G의 균일화는 V(인상 속도)/G(결정 축 방향에서의 온도 구배)의 제어 및 고체-액체 계면의 형상의 제어를 극히 용이하게 한다. 또한, 실리콘 단결정에서의 점 결함들에 기인한 결정 결함을 감소시키기 위한 제어는 현저하게 향상되고, 추가적으로, 무 결함의 결정의 제조가 용이하게 되었다.
실린더 축 상의 자기 플럭스 밀도의 최대 값 B0의 적절한 설정의 효과는 주로 고체-액체 계면의 하부에서의 용융 실리콘의 위쪽으로의 흐름의 적절한 제어 및 위쪽으로의 흐름의 적절한 제어에 기인한 용융 실리콘의 온도 제어로부터 얻어진다. 이러한 제어들은 도 1에서 설명된 석영 도가니(11)의 실린더 축이 실리콘 단결정의 인상 중심 축과 거의 일치할 때 매우 용이하게 된다. 그러나, 이러한 제어들 은 상기 실린더 축이 상기 인상 중심 축과 일치하지 않더라도 용이하다.
위에서 기술된 제어들로 인하여, 위의 효과들에 더하여, 얻어지는 효과들은 인상되는 단결정의 전위의 감소; 실리콘 단결정의 반경 방향으로의 산소 농도의 향상; 결정 결함들과 같은 불순물의 균일도; 및 결정 성장의 안정화이다.
자세한 사항이 이하에서 기술되더라도, 인상 속도, 도가니 및 실리콘 단결정의 회전 속도, 수평 대칭 평면 상의 용융 실리콘의 위치, 히터 출력, 방사선 차폐(radiation shield)의 위치, 및 성장로로 도입되는 아르곤과 같은 불활성 기체의 유속과 같은 많은 인상 조건들은 실리콘 단결정의 인상에 의한 성장에 있어서 조절될 수 있다. 그러나, 실리콘 단결정이 예를 들어, 300㎜를 초과하는 직경을 가질 때, 위에서 기술된 자기장의 최적화는 인상에 의한 높은 등급의 결정을 성장시키는데 가장 효과적이다.
본 실시예에서, 적합한 자기장을 설계하기 위한 가이드라인들은 수평 자기장을 적용하는 MCZ법에 의해서 실리콘 단결정을 성장시키는 것에 의해서 얻어지고, 이는 용융 실리콘에 적당한 자기장을 적용하는 것을 가능하게 한다. 석영 도가니의 크기가 실리콘 단결정의 길이 또는 직경에 따라서 변하는 경우, 석영 도가니의 크기에 적합한 수평 자기장의 범위가 결정될 수 있다. 또한, 본 실시예는 대 직경을 가지는 차세대 실리콘 단결정 또는 차-차 세대 실리콘 단결정을 생산하기 위한 장치의 자기장을 설계하는데 매우 유용하다. 이는 자기장을 생성하기 위한 장비들의 증가를 회피하고, 훌륭한 경제적인 효율을 가지는 적당한 장비들을 설계하는 것이 가능하도록 한다.
본 실시예에서, 여기 코일들(13, 14)에 의해서 발생되는 수평 자기장은 수평 대칭 평면(18)이 형성되지 않는 곳일 수 있다. 수평 대칭 평면(18)에서, 자기 플럭스 밀도는 마주보는-대칭 상부 및 하부 수평면이지만, 수평면은 자기 플럭스 밀도의 대칭 평면이 아닐 수 있다. 또한, 바닥이 있는 실린더 석영 도가니(11)는 바람직하게, 단면이 완벽한 원형에 가까울 수 있지만, 원형은 약간 왜곡될 수 있다. 예를 들어, 원형은 타원형과 같이 약간 왜곡될 수 있다.
(제 2 실시예)
제 2 실시예에 따른 실리콘 단결정의 제조방법이 아래에서, 도 14를 참조하여, 기술된다.
실리콘 단결정의 제조 장치는 바닥이 있는 실린더형 주 챔버(21)를 포함한다. 주 챔버(21)에서, 용융 실리콘(12)을 수용하는 석영 도가니(11) 및 석영 도가니(11)의 바깥쪽에 배치되는 흑연 도가니(22)는 이중 구조의 형태로 제공된다. 또한, 상기 제조 장치는 상기 흑연 도가니(22)와 소정의 거리를 유지하여 상기 흑연 도가니(22)를 가열하기 위한 측면 히터들(23)과 바닥 히터들(24)을 포함한다. 또한, 단열 부재들(25)은 측면 히터들(23) 및 바닥 히터들(24)의 바깥쪽에 이 히터들과 주 챔버(21) 사이에 배치된다. 또한, 예를 들어, 잘려진 콘 형상을 가지고 측면 히터들(23)로부터 실리콘 단결정(15)에 인가되는 방사열을 차단하기 위한 방사선 차폐들(26)은 단열 부재(25)의 상부 가장자리에 위 아래로 자유롭게 움직일 수 있도록 배치된다.
수평 자기장을 발생시키기 위한 한 쌍의 여기 코일들(13, 14)은 서로 마주보 도록 주 챔버(21) 바깥쪽에 배치되는데, 여기 코일들(13, 14)은 용융 실리콘(12)에 수평 자기장을 인가한다. 수평 자기장은 실리콘 단결정(15)의 직선 몸체 부분의 직경 및 석영 도가니(11)의 크기에 따라서, 여기에서 기술되는 바와 같이 적절하게 설정된다.
석영 도가니(11) 및 흑연 도가니(22)를 회전시키고 상하 이송시키기 위한 지지 샤프트(27)가 제공되고, 지지 샤프트(27)는 회전/리프팅 장치(미도시)에 의해서, 회전적으로 제어된다. 지지 샤프트(27)는 실리콘 단결정의 인상 방향(결정 축 방향)이 회전축이 되도록 흑연 도가니(22) 및 석영 도가니(11)를 회전시키고, 또한, 자기장이 용융 실리콘의 원하는 영역에 인가되도록 용융 실리콘(12)의 레벨을 조절하기 위하여, 이러한 도가니들을 상방/하방으로 이송시킨다. 지지 샤프트(27) 및 주 챔버(21) 사이의 공간은 밀봉 부재(미도시)로 견고하게 밀봉된다.
와이어를 가지는 인상 샤프트(28)는 실리콘 단결정(15)의 목의 상부에 위치한 시드 결정(16)을 고정하는 시드 척(29)에 연결된다. 인상 샤프트는 인상 챔버(30)로부터 주 챔버(21)로 늘어뜨려지고, 주어진 속도로 실리콘 단결정을 인상시킨다.
제조 장치는, 예를 들어, 주 챔버(21)의 바닥에 챔버 바깥쪽으로 아르곤과 같은 불활성 기체를 방출하기 위한 배기 포트(exhaust port)(미도시)가 적절하게 제공된다. 실리콘 단결정(15)은 붕소, 비소 및 인과 같은 유효 불순물들을 첨가하기 위한 공정 또는 부재가 제공될 수 있지만, 본 발명의 설명을 단순화하기 위해서, 이는 생략된다.
실리콘 단결정의 제조 장치를 사용하여, 실리콘 단결정을 제조하는 실시예가 이하 기술된다. 석영 도가니(11)에는 폴리 실리콘 및 첨가제로 적당량의 유효 불순물을 포함하는 원료 실리콘이 채워진다. 아르곤과 같은 불활성 기체는 주 챔버(21)에 흐르고, 원료 실리콘은 불활성 기체 분위기에서 용융되고, 석영 도가니(11)에 용융 실리콘(12)이 형성된다. 불활성 기체는 용융 실리콘(12)의 표면을 정류시키고, SiO는 액체 수위로부터 휘발되어 성장로 바깥으로 효율적으로 방출된다.
시드 척(29)에 의해서 고정된 시드 결정(16)은 용융 실리콘(12) 상에 배치된다. 인상 샤프트(28)는 일 방향으로 회전하면서 상방으로 이동한다. 동시에, 석영 도가니(11)를 일 방향(회전(CR)이 석영 도가니(11)에 전달된다)으로 회전시키고, 인상 샤프트(28)를 같은 방향 또는 반대 방향(회전(SR)이 샤프트(28)에 전달된다)으로 회전시키고, 이에 따라서, 목 부분을 가지는 실리콘 단결정(15)을 앞서 기술한 바와 같이 꼬리 부분까지 성장시킨다. 인상에 의한 성장에 있어서, 여기 코일들(13, 14)에 의해서 생성되는 수평 자기장은 네킹 공정으로부터 용융 실리콘(12)에 적용될 수 있고, 또는 직경이 확대되는 어깨 부분 형성 공정부터 수평 자기장이 적용될 수 있다.
위에서 기술된 실리콘 단결정의 제조에 있어서, 용융 실리콘(12)에 인가되는 자기장은 제 1 실시예에서 설명된 실리콘 단결정을 인상하는데 있어서의 수평 자기장의 최적화 방법에 의해서 설정되고, 300㎜를 초과하는 직선 몸체 부분의 직경을 가지는 실리콘 단결정은 인상되고 성장된다. 특별히, 적당한 수평 자기장이 얻어지는 실리콘 단결정(15)의 목표 직경 및 석영 도가니(11)의 크기를 고려하여, 여기 코일들(13, 14)로부터 용융 실리콘(12)에 적용된다.
인상 속도, 석영 도가니(11)의 회전 속도, 실리콘 단결정(15)의 회전 속도, 수평 대칭 평면(18)의 위치, 측면 히터들(23) 및 바닥 히터들(24)의 출력, 방사선 차폐(26)의 위치 및 성장로에 도입되는 아르곤과 같은 불활성 기체의 유속과 같은 다른 인상 조건들은 적절하게 인상에 의한 성장에 적용된다.
예를 들어, I-타입 수평 자기장(예를 들어, 원형 여기 코일들의 경우)에서, 실리콘 단결정(15)의 직선 몸체 부분의 목표 직경이 450㎜(약 18인치)일 때,
(1-1) 석영 도가니(11)의 내경이 900㎜(약 36인치)일 때, 석영 도가니(11)의 실린더 축 상의 최대 값 B0은 1,000 gausses 내지 5,000 gausses의 범위로, 바람직하게, 2,000 gausses 내지 4,000 gausses의 범위로 설정되고;
(1-2) 석영 도가니(11)의 내경이 1,200㎜(약 48인치)일 때, 최대 값 B0은 2,000 gausses 내지 6,000 gausses의 범위로, 바람직하게, 3,000 gausses 내지 5,000 gausses의 범위로 설정되고;
(1-3) 석영 도가니(11)의 내경이 1,350㎜(약 54인치)일 때, 최대 값 B0은 2,500 gausses 내지 6,500 gausses의 범위로, 바람직하게, 3,500 gausses 내지 5,500 gausses의 범위로 설정된다.
또한, I-타입 수평 자기장에서, 실리콘 단결정(15)의 직선 몸체 부분의 목표 직경이 675㎜(약 27인치)일 때,
(1-4) 석영 도가니(11)의 내경이 1,350㎜(약 54인치)일 때, 석영 도가니(11) 의 실린더 축 상의 최대 값 B0은 1,000 gausses 내지 5,000 gausses의 범위로, 바람직하게, 2,000 gausses 내지 4,000 gausses의 범위로 설정되고;
(1-5) 석영 도가니(11)의 내경이 1,800㎜(약 72인치)일 때, 최대 값 B0은 2,000 gausses 내지 6,000 gausses의 범위로, 바람직하게, 3,000 gausses 내지 5,000 gausses의 범위로 설정되고;
(1-6) 석영 도가니(11)의 내경이 2,025㎜(약 81인치)일 때, 최대 값 B0은 2,500 gausses 내지 6,500 gausses의 범위로, 바람직하게, 3,500 gausses 내지 5,500 gausses의 범위로 설정된다.
II-타입 수평 자기장(예를 들어, 안장 형상 여기 코일들의 경우)에서, 실리콘 단결정(15)의 직선 몸체 부분의 목표 직경이 450㎜(약 18인치)일 때,
(2-1) 석영 도가니(11)의 내경이 900㎜(약 36인치)일 때, 석영 도가니(11)의 실린더 축 상의 최대 값 B0은 800 gausses 내지 4,800 gausses의 범위로, 바람직하게, 1,800 gausses 내지 3,800 gausses의 범위로 설정되고;
(2-2) 석영 도가니(11)의 내경이 1,200㎜(약 48인치)일 때, 최대 값 B0은 1,300 gausses 내지 5,300 gausses의 범위로, 바람직하게, 2,300 gausses 내지 4,300 gausses의 범위로 설정되고;
(2-3) 석영 도가니(11)의 내경이 1,350㎜(약 54인치)일 때, 최대 값 B0은 1,500 gausses 내지 5,500 gausses의 범위로, 바람직하게, 2,500 gausses 내지 4,500 gausses의 범위로 설정된다.
또한, II-타입 수평 자기장에서, 실리콘 단결정(15)의 직선 몸체 부분의 목표 직경이 675㎜(약 27인치)일 때,
(2-4) 석영 도가니(11)의 내경이 1,350㎜(약 54인치)일 때, 석영 도가니(11)의 실린더 축 상의 최대 값 B0은 800 gausses 내지 4,800 gausses의 범위로, 바람직하게, 1,800 gausses 내지 3,800 gausses의 범위로 설정되고;
(2-5) 석영 도가니(11)의 내경이 1,800㎜(약 72인치)일 때, 최대 값 B0은 1,300 gausses 내지 5,300 gausses의 범위로, 바람직하게, 2,300 gausses 내지 4,300 gausses의 범위로 설정되고;
(2-6) 석영 도가니(11)의 내경이 2,025㎜(약 81인치)일 때, 최대 값 B0은 1,500 gausses 내지 5,500 gausses의 범위로, 바람직하게, 2,500 gausses 내지 4,500 gausses의 범위로 설정된다.
제 1 실시예에서 설명된 동일한 효과가 본 실시예에 따른 실리콘 단결정을 제조할 때 보여진다. 300㎜를 초과하는 대 직경을 가지는 실리콘 단결정의 인상에 의한 성장에서, 안정되고 높은 정확성의 인상 조건들이 용이하게 확보되고, 높은 등급의 결정의 성장이 가능하게 되었다. 또한, 자기장 생성을 위한 장비들은 현저히 커지지 않으며, 이에 따라서, 실리콘 단결정의 생산 비용을 감소시킨다.
실리콘 단결정을 생산할 때, 실린더 축 상의 최대 값 B0 및 Φcry/Φcru 사이의 관계 및 실리콘 단결정 내의 산소 농도 및 Φcry/Φcru 사이의 관계는 제 1 실시예에서의 산소 분석 프로그램에 의해서 수치적으로 분석되고, 예측될 수 있다. 수치 해석의 결과들은 도 15 및 도 16에서 도시된다. 도 15는 도 6과 같이, 예를 들어, 원형 여기 코일들(131, 141)을 사용하는 I-타입 수평 자기장의 경우이다. 도 16은 도 7과 같이, 예를 들어, 안장 형상 여기 코일들(132, 142)을 사용하는 II-타입 수평 자기장의 경우이다. 도 15 및 도 16에서, 실선(m1)은 극히 낮은 농도(7×1017 atom/㎤ 또는 그 이하)의 산소화의 하한 곡선이고, 대시-도트 라인(l1)은 극히 낮은 농도(15×1017 atom/㎤ 또는 그 이상)의 산소화의 상한 곡선이다. 이 그래프에서, 산소의 일정한 농도(isoconcentration) 곡선은 하한 곡선 및 상한 곡선 사이에 존재하고, 실린더 축 상의 최대 값 B0)는 Φcry/Φcru의 증가에 따라서, 단조롭게 증가한다.
도 15 및 도 16으로부터, 실리콘 단결정(15)의 필요한 산소 농도가 증가하는 경우, Φcry/Φcru의 증가가 효과적이다는 것을 알 수 있다. 반면에, 실리콘 단결정(15)의 필요한 산소 농도가 감소되는 경우, Φcry/Φcru의 감소가 효과적이다는 것을 알 수 있다. 특히, 실리콘 단결정(15)의 산소 농도가 증가되고, 실리콘 단결정이 인상에 의해서 성장되는 경우, 석영 도가니(11)의 내경은 감소된다. 반면에, 실리콘 단결정(15)의 산소 농도가 감소되고, 실리콘 단결정이 인상에 의해서 성장되는 경우, 석영 도가니(11)의 내경은 증가된다. 석영 도가니(11)의 제어는 증가된 직경을 가지는 차세대 실리콘 단결정 및 차세대 이후의 실리콘 단결정의 생산에 효 과적으로 적용된다.
석영 도가니(11)의 제어는 원하는 산소 농도를 얻기 위한 자기장 세기의 조절에서의 증가 및 감소의 폭을 줄일 수 있게 한다. 또한, 자기장의 생성을 위한 장비들이 단순화될 수 있고, 단결정 실리콘의 제조 비용은 감소된다.
비록 본 발명은 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되었지만, 앞선 실시예들은 본 발명을 한정하지 않는다. 당해 기술 분야의 당업자는 본 발명의 기술적이 개념 및 기술적인 범위를 벗어나지 않고서 특정 실시예들에 대한 변형 및 변경이 가능할 수 있다.
앞선 실시예들은 실리콘 단결정의 인상에 의한 성장의 경우를 설명하였지만, 본 발명은 유사하게, 주기율표에서 Ⅲ-Ⅴ족 및 Ⅱ-Ⅵ족 화합물의 반도체 단결정의 인상에 의한 성장에 적용될 수 있다.
본 발명은 이후에 주로 요구될 300㎜를 초과하는 대 직경을 가지는 실리콘 단결정의 성장의 경우에 특별히 효과적이지만, 300㎜ 이하의 직경을 가지는 통상적인 실리콘 단결정의 성장의 경우에 유사하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 설명하기 위한 실리콘 단결정의 인상에 의한 성장의 상태를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에서의 원형 여기 코일들을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에서의 안장 형상 여기 코일들을 개략적으로 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에서의 원형 여기 코일들에 의해서 생성되는 I-타입 수평 자기장의 일 예의 자기 플럭스 밀도 분포를 도시한다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에서의 안장 형상 여기 코일들에 의해서 생성되는 II-타입 수평 자기장의 일 예의 자기 플럭스 밀도 분포를 도시한다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에서의 I-타입 수평 자기장의 자기 플럭스 밀도의 최적의 범위의 상관관계를 도시한다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예에서의 II-타입 수평 자기장의 자기 플럭스 밀도의 최적의 범위의 상관관계를 도시한다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예에서 I-타입 및 II-타입 수평 자기장들의 수평 대칭 평면의 자기장 세기 편차의 일 예를 도시하는 자기 플럭스 밀도 분포를 도시한다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예의 용융 실리콘의 진동류에 대한 억제 효과를 도시한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예의 산소 농도 분포의 균일화 효과를 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제 1 실시예의 결정 변형의 억제 효과를 설명하기 위한 용융 실리콘의 자유 표면 온도의 일 예를 도시한 그래프이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 제 1 실시예의 결정 변형을 설명하기 위한 인상 상태를 도시하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제 1 실시예의 고체-액체 계면에서의 G(결정 축 방향으로의 온도 구배)의 균일화 효과를 도시하는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제 2 실시예의 실리콘 단결정의 제조방법을 실행하기 위한 실리콘 단결정의 제조장치의 개략적인 수직 단면도이다.
도 15는 본 발명의 제 2 실시예에서 I-타입 수평 자기장을 사용하는 실리콘 단결정의 성장에서 산소 농도 제어를 설명하기 위한 상관관계도이다.
도 16은 본 발명의 제 2 실시예에서 II-타입 수평 자기장을 사용하는 실리콘 단결정의 성장에서 산소 농도 제어를 설명하기 위한 상관관계도이다.

Claims (8)

  1. 아래의 식을 만족하는 수평 자기장을 적용하면서, 쵸크랄스키법에 의해서 실린더 도가니에 저장된 용융 실리콘으로부터 실리콘 단결정을 인상하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 식은,
    2000/(Φcry/Φcru)1/2 - 2000 ≤ B0 ≤ 2000/(Φcry/Φcru)1/2 + 2000 및
    0.8B0 ≤ Bmin 또는 0.6Bmax ≤ Bmin 이고,
    여기서, B0[gauss]는 상기 도가니의 실린더 축 상의 자기 플럭스 밀도의 최대 값이고,
    Bmin[gauss]는 자기 플럭스 밀도가 B0 인 점을 지나고, 상기 도가니의 실린더 축에 수직인 수평면과 상기 도가니의 내경이 만나는 원에서의 상기 자기 플럭스 밀도의 최소 값이고,
    Bmax[gauss]는 상기 원 상의 상기 자기 플럭스 밀도의 최대 값이고,
    Φcry는 상기 실리콘 단결정의 직선 몸체 부분의 직경이고,
    Φcru는 상기 도가니의 내경이고,
    상기 수평 자기장은 상기 도가니의 양 측면부들에 배치되는 한 쌍의 여기 코일들(exciting coils)에 의해서 인가되는 실리콘 단결정의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    B0는 2000/(Φcry/Φcru)1/2 - 1000 ≤ B0 ≤ 2000/(Φcry/Φcru)1/2 + 1000를 만족하는 실리콘 단결정의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 여기 코일은 안장 형상 코일인 실리콘 단결정의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    Φcry/Φcru의 비율은 상기 실리콘 단결정에서의 요구되는 산소 농도가 높아질수록 크게 설정되는 실리콘 단결정의 제조방법.
  5. 아래의 식을 만족하는 수평 자기장을 적용하면서, 쵸크랄스키법에 의해서 실린더 도가니에 저장된 용융 실리콘으로부터 실리콘 단결정을 인상하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 식은,
    1500/(Φcry/Φcru) - 2000 ≤ B0 ≤ 1500/(Φcry/Φcru) + 2000 및
    Bmin ≤ 0.9B0 또는 Bmin ≤ 0.65Bmax이고,
    여기서, B0[gauss]는 상기 도가니의 실린더 축 상의 자기 플럭스 밀도의 최대 값이고,
    Bmin[gauss]는 자기 플럭스 밀도가 B0 인 점을 지나고, 상기 도가니의 실린더 축에 수직인 수평면과 상기 도가니의 내경이 만나는 원에서의 상기 자기 플럭스 밀도의 최소 값이고,
    Bmax[gauss]는 상기 원 상의 상기 자기 플럭스 밀도의 최대 값이고,
    Φcry는 상기 실리콘 단결정의 직선 몸체 부분의 직경이고,
    Φcru는 상기 도가니의 내경이고,
    상기 수평 자기장은 상기 도가니의 양 측면부들에 배치되는 한 쌍의 여기 코일들(exciting coils)에 의해서 인가되는 실리콘 단결정의 제조방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    B0는 1500/(Φcry/Φcru) - 1000 ≤ B0 ≤ 1500/(Φcry/Φcru) + 1000를 만족하는 실리콘 단결정의 제조방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 여기 코일은 원형 코일인 실리콘 단결정의 제조방법.
  8. 제 5 항에 있어서,
    Φcry/Φcru의 비율은 상기 실리콘 단결정에서 요구되는 산소 농도가 높아질수록 크게 설정되는 실리콘 단결정의 제조방법.
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