KR20110036896A - 단결정 제조장치 및 단결정의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 적어도, 원료 융액을 수용하는 도가니 및 상기 원료 융액을 가열하는 히터를 격납하는 메인 챔버; 상기 메인 챔버의 상부에 연결 설치되고, 성장한 단결정이 상승되어 수용되는 상승 챔버; 상승 챔버에 설치된 가스 도입구; 메인 챔버의 천장부에서 아래쪽으로 연장 설치되는 흑연제 정류통; 및 정류통의 하단(下端)부로부터, 정류통을 감싸도록 바깥쪽 위로 확경(擴經)되어 연장해 나온 단열 링;을 가진 쵸크랄스키 법(Czochralski Method)에 따른 단결정 제조장치로서, 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역에 적어도 하나의 창을 설치하고, 창의 개구 면적이, 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역의 표면적의 50 % 이상을 차지하는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치이다. 이에 의해, 단결정으로부터 열의 방사가 차단되는 것을 억제하고, 단결정의 냉각 효과를 향상시킬 수 있는 단결정 제조장치가 제공된다.

Description

단결정 제조장치 및 단결정의 제조방법{SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 쵸크랄스키 법(Czochralski Method, 이하, CZ법이라 약칭함)에 따른 단결정의 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.

이하, 종래의 쵸크랄스키 법에 따른 단결정 제조장치에 관해, 실리콘 단결정의 육성을 예를 들어 설명한다.

도 6에 종래의 단결정 제조장치의 일례를 나타내는 단면도를 나타낸다.

CZ법으로 실리콘 단결정을 제조할 때 사용되는 단결정 제조장치(101)는, 일반적으로 원료 융액(106)이 수용된 승강 이동 가능한 도가니(109, 110)와, 상기 도가니(109, 110)를 감싸도록 배치된 히터(111)가 단결정을 육성하는 메인 챔버(105) 내에 배치되어 있고, 상기 메인 챔버(105)의 상부에는 육성한 단결정을 수용하고 꺼내기 위한 상승 챔버(107)가 연결 설치되어 있다. 이 같은 단결정 제조장치(101)를 사용해 단결정을 제조할 때는, 종자 결정(Seed Crystal)(113)을 원료 융액(106)에 침지하고, 회전시키면서 가만히 위쪽으로 끌어올려 봉 형태의 단결정(Single Crystal)(108)을 성장시키는 한편, 원하는 직경과 결정(結晶) 품질을 얻기 위해 융액 면의 높이가 항상 일정한 위치로 유지되도록 결정의 성장에 맞춰 도가니(109, 110)를 상승시키고 있다.

그리고, 단결정(108)을 육성할 때는, 종자 홀더(114)에 장착된 종자 결정(113)을 원료 융액(106)에 침지한 후, 상승 기구(미도시)에 의해 종자 결정(113)을 원하는 방향으로 회전시키면서 가만히 와이어(115)를 감아 올리고, 종자 결정(113)의 선단(先端)부에 단결정(108)을 성장시켜 간다.

이때, 단결정(108)의 일정한 직경을 갖는 정직경부(定徑部)의 상승 속도는, 상승되는 단결정의 직경에도 의존하지만, 0.4~2.0 mm/min 정도의 매우 느린 것이고, 무리하게 빨리 끌어올리려고 하면, 육성 중인 단결정이 변형되어 정직경을 갖는 원기둥형 제품을 얻을 수 없게 된다. 또는, 단결정(108)에 슬립 전위가 발생하거나, 단결정(108)이 융액에서 분리되어 제품이 되지 못하는 등의 문제가 생겨 버려, 결정 성장 속도의 고속화을 도모하는데는 한계가 있었다.

그러나, 상기 CZ법에 따른 단결정(108)의 제조에 있어, 생산성의 향상을 도모하고, 비용을 저감시키기 위해서는, 단결정(108)의 성장 속도를 고속화하는 것이 하나의 큰 수단이고, 지금까지도 단결정(108)의 성장 속도의 고속화를 달성시키기 위해 많은 개량이 이루어져 왔다.

단결정(108)의 성장 속도는, 성장 중인 단결정(108)의 열수지에 의해 결정되고, 이를 고속화하기 위해서는, 단결정 표면에서 방출되는 열을 효율적으로 제거하면 되는 것이 알려져 있다. 이때, 단결정(108)의 냉각 효과를 높일 수 있으면 더 효율적인 단결정의 제조가 가능하다. 또한, 단결정(108)의 냉각 속도에 따라, 결정의 품질이 변하는 것이 알려져 있다. 예를 들어, 실리콘 단결정에서 단결정 육성 중에 형성되는 그로운 인(Grown-in) 결함은 결정 내 온도 구배와 단결정의 상승 속도(성장 속도)의 비율로 제어 가능하고, 이를 컨트롤함으로써 무결함의 단결정(N영역 단결정)을 육성할 수도 있다(일본 특허출원 공개 평11-157996호 공보 참조). 따라서, 무결함 결정을 제조하는데 있어서도, 단결정의 성장 속도를 고속화하여 생산성의 향상을 도모하는데 있어서도, 육성 중인 단결정의 냉각 효과를 높이는 것이 중요하다.

냉각 효과를 높이기 위한 방법으로, 불활성 가스를 정류(整流)하기 위한 정류통(103)과 상기 정류통(103)에 히터나 원료 융액으로부터의 직접 복사(輻射)를 차단하기 위한 단열 링(104)을 가진 구조가 제안되어 있다(일본 특허출원 공개 소(昭)64-65086호 공보 참조). 이 방법으로는 단열 링에 의한 열의 차단 효과와, 불활성 가스에 의한 단결정의 냉각 효과는 기대할 수 있다.

또한, 단결정 주위에 대형 열차폐체를 설치하여, 열차폐 효과를 향상시키는 것을 목적으로 한 단결정 제조장치가 개시되어 있다(일본 특허 제3634867호 참조).

또한, 정류통에 석영제 창판을 설치함으로써, 상기 정류통에 의한 효과를 가져오면서, 육성 중인 단결정의 형상을 관찰할 수 있는 정류통이 개시되어 있지만(일본 특허출원 공개 평(平)3-97688호 공보 참조), 석영제 창판의 목적은, 결정(結晶)의 관찰이나, 직경 제어를 위한 광학적인 계측을 위함이지, 냉각 효과와 같은 관점에서의 목적은 아니다.

그러나, 상술한 정류통(103)과 단열 링(104)을 가진 단결정 제조장치에서는, 단결정으로부터의 복사열을 냉각 챔버에 흡수시킨다는 점에 있어, 그 냉각 능력은 높다고는 할 수 없다.

또한, 상술한 대형 열차폐체를 배설한 단결정 제조장치에서는, 결정의 바로 근방에 커다란 차폐체를 설치하면, 히터 및 융액으로부터의 방사를 효과적으로 차단할 수는 있었지만, 단결정으로부터의 방사도 차단해 버려 결정의 냉각 효율을 저하시키는 원인이 되어 버렸었다. 또한, 상술한 정류통에 석영제 창판을 설치한 단결정 제조장치에서는, 흑연제 원통에 의한 열의 차단 효과와, 불활성 가스에 의한 냉각 효과는 바랄 수 있었지만, 그 냉각 효율은 충분하지 않았다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제에 비추어 만들어진 것으로, 단결정으로부터의 열의 방사가 차단되는 것을 억제하고, 단결정의 냉각 효과를 향상시킬 수 있는 단결정 제조장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 상기 단결정 제조장치를 사용함으로써, N영역의 단결정을 성장 속도를 향상시켜 제조할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있는 단결정의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 적어도, 원료 융액을 수용하는 도가니 및 상기 원료 융액을 가열하는 히터를 격납하는 메인 챔버; 상기 메인 챔버의 상부에 연결 설치되고, 성장한 단결정이 상승되어 수용되는 상승 챔버; 상기 상승 챔버에 설치된 가스 도입구; 상기 메인 챔버의 천장부에서 아래쪽으로 연장 설치되는 흑연제 정류통; 및 상기 정류통의 하단(下端)부로부터, 상기 정류통을 감싸도록 바깥쪽 위로 확경(擴經)되어 연장해 나온 단열 링;을 가진 쵸크랄스키 법에 따른 단결정 제조장치로서, 상기 정류통의 하단(下端)으로부터 50~200 mm 영역에 적어도 하나의 창을 설치하고, 상기 창의 개구 면적이, 상기 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역의 표면적의 50 % 이상을 차지하는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치를 제공한다.

이처럼, 상기 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 높이 영역에 적어도 하나의 창을 설치하고, 상기 창의 개구 면적이, 상기 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역의 표면적의 50 % 이상을 차지하는 것이면, 단열 링으로 히터 및 융액으로부터의 정류통 및 단결정으로의 직접 복사를 차단하면서, 정류통에 설치한 창을 통해, 단결정의 열을 도중에 차단하지 않고 효율적으로 방사할 수 있고, 냉각 효과를 향상시킬 수 있다. 또한, 냉각 효과를 향상시킴으로써, 단결정의 성장 속도를 빠르게 할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

이때, 상기 정류통의 창을, 석영제 창판으로 막는 것일 수 있다.

이처럼, 상기 정류통의 창을, 석영제 창판으로 막는 것이면, 정류통에 의한 불활성 가스의 정류 효과가 저감되는 것을 방지하면서, 단결정에서 방사되는 열을 석영제 창판을 통해 투과시킬 수 있어, 단결정의 냉각 효과가 한층 향상될 수 있다.

또한, 이때, 상기 정류통의 하단과 상기 융액의 표면 사이의 간격은, 10~100 mm인 것이 바람직하다.

이처럼, 상기 정류통의 하단과 상기 융액의 표면 사이의 간격이, 10 mm 이상이면, 정류하는 불활성 가스의 유속이 너무 커져 탕면(湯面)의 진동이나 쇳물(湯)의 뿜어오름이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 100 mm 이하이면, 단결정의 냉각 효과의 향상을 확실히 가져올 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 본 발명에 따른 단결정 제조장치를 사용해, N영역의 실리콘 단결정을 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법을 제공한다.

이처럼, 본 발명에 따른 단결정 제조장치를 사용해, N영역의 실리콘 단결정을 제조하면, 상승 시의 단결정의 냉각 효과를 높일 수 있고, 즉, 결정 내 온도 구배를 크게 할 수 있으므로, 성장 속도를 높여 N영역의 실리콘 단결정을 제조할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는, 단결정 제조장치에 있어, 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역에 적어도 하나의 창을 설치하고, 상기 창의 개구 면적이, 상기 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역의 표면적의 50 % 이상을 차지하도록 하여 단결정을 제조하므로, 단열 링으로 히터 및 융액으로부터 정류통에 대한 직접 복사를 차단하면서, 정류통에 설치한 창을 통해, 단결정의 열을 방사할 수 있고, 냉각 효과를 향상시킬 수 있다. 또한, 단결정의 냉각 효과를 향상시킴으로써, 단결정의 성장 속도를 빠르게 할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 단결정 제조장치의 일례를 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 단결정 제조장치의 정류통에 창을 설치한 모습을 나타낸 설명도이다.
도 3은, 본 발명에 따른 단결정 제조장치의 정류통의 창에 석영제 창판을 설치한 모습을 나타낸 설명도이다.
도 4는, 실시예 1 및 비교예의 단결정 육성 시의 메인 챔버 상부의 제거 열량의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는, 실시예 및 비교예의 성장 속도와 결정 결함 분포의 결과를 나타내는 도면이다.
도 6은, 종래의 단결정 제조장치의 일례를 나타내는 개략도이다.

이하, 본 발명에 관해 실시형태를 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.

종래부터, 단결정의 성장 속도는, 성장 중인 단결정의 열수지에 의해 결정되고, 이를 고속화하기 위해서는, 단결정 표면에서 방출되는 열을 효율적으로 제거하면 되는 것이 알려져 있다. 이때, 단결정의 냉각 효과를 높일 수 있으면 더 효율적인 단결정의 제조가 가능하다.

또한, 실리콘 단결정에서 단결정 육성 중에 형성되는 그로운 인(Grown-in) 결함은 결정 내 온도 구배와 단결정의 상승 속도(성장 속도)의 비율로 제어 가능하고, 이를 컨트롤함으로써 무결함의 단결정을 육성할 수 있다.

따라서, 무결함 결정을 제조하는데 있어서도, 단결정의 성장 속도를 고속화하여 생산성의 향상을 도모하는데 있어서도, 육성 중인 단결정의 냉각 효과를 높이는 것이 중요한 과제가 되었다.

따라서, 본 발명자는 이 같은 과제에 있어, 종래는 주로, 히터나 융액으로부터 단결정을 향해 방사된 열을 도중에 차단하는 대책이 강구되고 있고, 단결정으로부터의 열의 방사에 관해서는 그다지 고려되고 있지 않음에 주목하고, 예의 검토를 거듭하였다. 그리고, 단결정으로부터의 열의 방사를 효율적으로 행할 수 있으면 냉각 효과를 한층 향상시킬 수 있고, 이를 위해서는 정류통의 일부에 지금까지보다 큰 창을 설치함으로써 단결정으로부터 열의 방사를 효율적으로 행할 수 있는데 생각이 이르렀다. 그리고, 이를 실시하기 위한 최선의 형태에 관해 정밀하게 조사하고, 본 발명을 완성시켰다.

도 1은 본 발명의 단결정 제조장치의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 단결정 제조장치(1)는, 원료 융액(6)을 수용하는 도가니(9, 10), 원료를 가열, 융해하기 위한 히터(11) 등이 메인 챔버(5) 내에 격납(格納)되고, 메인 챔버(5) 상에 연접된 상승 챔버(7)의 상부에는, 육성된 단결정(8)을 끌어올리는 상승 기구(미도시)가 설치되어 있다.

상승 챔버(7)의 상부에 장착된 상승 기구로부터는 상승 와이어(15)가 풀려나와 있고, 그 선단(先端)에는, 종자 결정(13)을 장착하기 위한 종자 홀더(14)가 접속되며, 종자 홀더(14)의 끝에 장착된 종자 결정(13)을 원료 융액(6)에 침지하고, 상승 와이어(15)를 상승 기구에 의해 감아 옮김으로써 종자 결정(13)의 아래쪽에 단결정(8)을 형성한다.

한편, 상기 도가니(9, 10)는, 내측에 원료 융액(6)을 직접 수용하는 석영 도가니(9) 및 외측에 상기 도가니를 지지하기 위한 흑연 도가니(10)로 구성되어 있다. 도가니(9, 10)는, 단결정 제조장치(1)의 하부에 장착된 회전 구동기구(미도시)에 의해 자유자재로 회전 승강 이동이 가능한 도가니 회전축(18)에 지지되어 있고, 단결정 제조장치(1) 중 융액 면의 변화에 의해 결정 직경이나 결정 품질이 변하지 않도록, 융액 면을 일정한 위치로 유지하기 위해, 결정과 반대방향으로 회전시키면서 단결정(8)의 상승에 따라 융액이 감소한 만큼 도가니(9, 10)를 상승시키고 있다.

또한, 도가니(9, 10)를 감싸도록 히터(11)가 배치되어 있고, 상기 히터(11)의 외측에는, 히터(11)로부터의 열이 메인 챔버(5)에 직접 복사되는 것을 방지하기 위한 단열 부재(12)가 주위를 감싸도록 설치되어 있다.

또한, 육성하는 단결정(8)을 감싸도록 하여, 원통형의 정류통(3)이 설치되어 있다.

여기서, 정류통(3)에는 흑연재가 사용되고 있고, 히터나 융액으로부터의 단결정(8)에 대한 복사열을 차단할 수 있게 되어 있다.

그리고, 노(爐) 내에 발생한 산화물을 노의 바깥으로 배출하는 등을 목적으로 하여, 상승 챔버(7) 상부에 설치된 가스 도입구(16)로부터 아르곤 가스 등의 불활성 가스가 도입되고, 정류통(3)의 내측을 지나 상승 중인 단결정(8)의 근방에 정류되고, 원료 융액(6)의 표면을 통과해 도가니(9, 10)의 상단(上端) 가장자리의 위쪽을 통과하고, 가스 유출구(17)를 통해 배출된다. 이에 의해, 상승 중인 단결정(8)이 가스에 의해 냉각됨과 동시에, 정류통(3)의 내측, 및 도가니(9, 10)의 상단 가장자리 등에 산화물이 퇴적되는 것을 방지할 수 있게 되어 있다.

또한, 정류통(3)의 하단(下端)부로부터, 정류통(3)을 감싸도록 바깥쪽 위로 확경되어 연장해 나온 단열 링(4)이 설치되어 있다. 상기 단열 링(4)에 의해, 히터(11), 및 원료 융액(6)으로부터의 열을 차단하고, 정류통(3)이나 단결정(8)에 열이 직접 복사되는 것을 방지할 수 있게 되어 있다.

한편, 메인 챔버(5) 및 상승 챔버(7)는, 스테인리스 등의 내열성, 열전도성이 뛰어난 금속에 의해 형성되어 있고, 냉각관(미도시)을 통해 수냉되어 있다.

또한, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 정류통(3)의 하단으로부터 50~200 mm 높이 영역에, 적어도 하나의 창(2)이 설치되어 있다. 그리고, 상기 창(2)의 개구 면적이, 정류통(3)의 하단으로부터 50~200 mm 높이 영역의 표면적의 50 % 이상을 차지하게 되어 있다.

도 2 중 A는, 정류통(3)의 외주면을 평면 상에 나타낸 것이다. A에 나타내는 바와 같이, 도 2의 정류통(3)은, 창(2)이 3개 설치된 예이고, 이 3개의 창(2)의 개구 면적의 합계가, 정류통(3)의 하단으로부터 50~200 mm 높이 영역의 표면적의 50 % 이상을 차지하고 있다.

이처럼, 정류통(3)에 창(2)을 설치함으로써 단결정(8)으로부터의 열이 도중에 차단되지 않고, 방사될 수 있다. 그리고, 이 방사된 열은 메인 챔버에 의해 흡수되고 냉각된다. 여기서, 단결정(8)의 하부의 고온역(高溫域)일수록 열을 방사하는 효과는 커지고, 특히, 정류통(3)의 하단으로부터 200 mm 이하의 영역에서 그 효과가 현저해진다. 그러나, 정류통(3)의 하단으로부터 50 mm 미만의 영역은, 단열 링(4)의 하단부가 연장 설치되어 있는 영역이고, 단열 링(4)을 지지하기 위한 강도를 확보하기 위해, 이 영역에는 창(2)을 설치하지 않는다.

또한, 정류통(3)의 하단으로부터 50 mm 미만의 영역은, 외측에 근접해 단열 링(4)이 있기 때문에, 이 영역에 창을 달아도 방열 효과는 거의 바랄 수 없다.

그리고, 창(2)의 개구 면적이, 정류통(3)의 하단으로부터 50~200 mm 영역의 표면적의 50 % 이상을 차지하게 하면, 확실히 냉각 효과를 향상시킬 수 있는 것으로 할 수 있다.

그러나, 일반적으로, N영역을 포함하는 무결함 결정을 제조할 때는, 결정의 제조 속도를 V[mm/min], 고액(固液) 계면의 온도 구배를 G[℃/mm]로 했을 때, V/G가 일정해지도록 제어할 필요가 있음이 알려져 있다.

본 발명에 따른 단결정 제조장치는, 상술한 바와 같이 단결정의 냉각 효과를 향상시킬 수 있으므로, 고액 계면의 온도 구배를 크게 할 수 있는 것이 된다. 이에 의해, 성장 속도를 높여 단결정(8)을 제조할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

이때, 도 3에 나타내는 바와 같이, 정류통(3)의 창(2)을, 석영제 창판(19)으로 막는 것일 수 있다.

이처럼, 정류통(3)의 창(2)을, 석영제 창판(19)으로 막는 것이면, 정류통(3)에 의한 불활성 가스의 정류 효과가 창(2)에 의해 저감되는 것을 방지하면서, 단결정(8)에서 방사되는 열을 석영제 창판(19)에서 투과시킬 수 있어, 한층 뛰어난 냉각 효과의 향상을 가져올 수 있다.

여기서, 정류통(3)의 창판(19)의 재료는, 석영 외에도, 내열성이 있고 적외선을 투과하는 것이면 사용할 수 있다.

또한, 이때, 정류통(3)의 하단과 융액(6)의 표면 사이의 간격은, 10~100 mm인 것이 바람직하다.

이처럼, 정류통(3)의 하단과 융액(6)의 표면 사이의 간격이, 10 mm 이상이면, 정류하는 불활성 가스의 유속이 너무 커져 탕면의 진동이나 쇳물의 뿜어오름이 발생하는 것을 방지할 수 있고, 100 mm 이하이면, 냉각 효과의 향상을 확실히 가져올 수 있다.

여기서, 상기 정류통(3)의 하단과 융액(6)의 표면 사이의 간격은, 10~100 mm범위 내에서 노(爐)의 사양이나 제조하는 단결정(8)의 목적으로 하는 품질에 맞춰 적절한 간격으로 조정하는 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명에 따른 단결정 제조장치를 사용해, N영역의 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 관해 설명한다.

우선, 도가니(9, 10) 내에서 실리콘의 고순도 다결정 원료를 융점(약 1,420 ℃) 이상으로 가열하고 융해하여 융액(6)으로 만든다. 그리고, 와이어(15)를 풀어냄으로써 탕면의 거의 중심부에 종자 결정(13)의 선단(先端)을 접촉 또는 침지시킨다.

이때, 종자 결정(13)을 원료 융액(6)에 접촉시켰을 때 발생하는 전위을 소멸시키기 위해, 일단, 성장 초기의 결정을 3~5 mm 정도까지 가늘게 압축하고, 전위가 사라진 곳에서 직경을 원하는 직경까지 확대하여, 목적으로 하는 품질의 단결정(8)을 성장시켜 간다. 또는, 이 같은 종자 결정 압축을 하지 않고, 선단이 뾰족한 종자 결정(13)을 사용해, 그 종자 결정(13)을 원료 융액(6)에 가만히 접촉시켜 소정의 직경까지 침지시킨 후 상승을 수행하는 무전위(無轉位) 교배법을 적용하여 단결정(8)을 육성할 수도 있다.

그 후, 도가니 회전축(18)을 적당한 방향으로 회전시킴과 동시에, 와이어(15)를 회전시키면서 감아 옮겨, 종자 결정(13)을 끌어올림으로써, 단결정(8)의 육성이 개시된다.

그리고, 상승 중에는 V/G의 값을 적절히 제어하면서, N영역의 단결정(8)을 육성해 간다.

이처럼, 본 발명에 따른 단결정 제조장치를 사용해, N영역의 실리콘 단결정을 제조하면, 상승 시의 단결정의 냉각 효과를 높일 수 있고, 즉, 고액 계면의 온도 구배를 크게 할 수 있으므로, 성장 속도를 높여 N영역의 실리콘 단결정을 제조할 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에서는, 단결정 제조장치에 있어, 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역에 적어도 하나의 창을 설치하고, 상기 창의 개구 면적이, 상기 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역의 표면적의 50 % 이상을 차지하도록 하여 단결정을 제조하므로, 단열 링에 의해 히터 및 융액으로부터의 정류통에 대한 직접 복사를 차단하면서, 정류통에 설치한 창을 통해, 단결정의 열을 방사할 수 있고, 냉각 효과를 향상시킬 수 있다. 또한, 냉각 효과를 향상시킴으로써, 단결정의 성장 속도를 높일 수 있고, 생산성을 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 나타내 본 발명을 보다 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

도 1에 나타내는 바와 같은 본 발명에 따른 단결정 제조장치를 사용해, 직경 200 mm의 N영역의 실리콘 단결정을 제조하였다. 그리고, 그 제조 시간, 및 챔버 상부의 제거 열량에 관해 평가하였다.

사용한 도가니는 직경 650 mm인 것을 사용하였고, 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역에, 도 2에 나타내는 바와 같은 창을 3개 설치하고, 그 개구 면적을, 50~200 mm 영역의 표면적에 대한 비율이 72 %가 되게 하였다. 또한, 정류통의 하단과 융액의 표면 사이의 간격은, 50 mm로 하였다.

우선, 도가니 내에 실리콘의 고순도 다결정 원료를 180 kg 넣고, 융점(약1,420 ℃) 이상으로 가열하여 융액으로 만들었다. 그리고, 상승 중에는, N영역의 단결정이 되도록, V/G의 값을 제어하면서 단결정을 육성하였다.

이때의 단결정 육성 시의 메인 챔버 상부의 제거 열량의 변화를 도 4에 나타낸다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 후술하는 비교예의 결과와 비교해, 제거 열량이 커졌고, 냉각 효과가 향상되었음을 알 수 있다.

그리고, 냉각 효과가 향상됨으로써, 성장 속도를 높일 수 있고, 제조 시간을 비교예의 결과보다 16 % 향상시킬 수 있었다.

이로부터, 본 발명에 따른 단결정 제조장치는, 단결정 육성 중의 냉각 효과를 향상시킬 수 있고, 또한, 단결정의 성장 속도를 높여, 생산성을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

또한, 상기 단결정 제조장치를 사용해, 직경 200 mm의 실리콘 단결정을 제조하고, 상승 중에 성장 속도를 점감(漸減)시키고, 얻어진 단결정의 결함 분포를 평가하였다.

결과를 도 5에 나타낸다. 도 5의 세로축은 후술하는 비교예의 OSF가 소멸하는 성장 속도를 1.0으로 했을 때의 상대 속도를 나타낸 것이다. 도 5로부터도 알 수 있듯이, 후술하는 비교예보다 각 결함의 발생 영역의 성장 속도가 빨라졌다.

<실시예 2>

정류통의 하단과 융액의 표면 사이의 간격을 58 mm로 한 것 외에, 실시예 1과 동일한 단결정 제조장치를 사용해, 실시예 1과 마찬가지로, 상승 중의 성장 속도를 점감(漸減)시키고, 얻어진 단결정의 결함 분포를 평가하였다.

결과를 도 5에 나타낸다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 실시예 1보다 다소 성장 속도가 늦어지긴 했지만, 후술하는 비교예보다 N영역으로 하기 위한 성장 속도가 빨라졌고, 예를 들어, 결정의 중심축 부근의 OSF 영역의 바로 밑의 N영역은, 실시예 2 쪽이 비교예에 비해 약 12 %의 성장 속도의 향상이 이루어졌음을 알 수 있다.

또한, 실시예 1의 결과와 비교하면, 결정 직경 상의 전체를 N영역으로 할 수 있는 성장 속도의 범위(도면 중, A의 범위)가, 실시예 2 쪽이 커졌음을 알 수 있다. 또한, 비교예와 비교하면, 성장 속도가 다를 뿐이고, 거의 동일한 형상의 분포를 나타내고 있음을 알 수 있다.

이처럼 하여, 정류통의 하단과 융액의 표면 사이의 간격을 조정함으로써, 성장 속도에 따른 결함 분포를 개선할 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한, 종래의 단결정 제조장치를 사용한 경우와 비교해, 결함 분포를 악화시키지 않고, 성장 속도를 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

<비교예>

도 6에 나타내는 바와 같은 종래의 단결정 제조장치를 사용한 것 외에, 실시예 1과 동일한 조건에서 N영역의 실리콘 단결정을 제조하고, 실시예 1과 동일하게 하여 평가하였다.

이때의 메인 챔버 상부의 제거 열량의 결과를 도 4에 나타낸다.

도 4에 나타내는 바와 같이, 실시예 1의 결과와 비교해, 제거 열량이 작아졌음을 알 수 있다.

또한, 상기 단결정 제조장치를 사용해, 직경 200 mm의 실리콘 단결정을 제조하고, 상승 중에 성장 속도를 점감시키고, 얻어진 단결정의 결함 분포를 평가하였다.

결과를 도 5에 나타낸다. 도 5로부터도 알 수 있듯이, 실시예보다 N영역으로 하기 위한 성장 속도가 느려졌다.

한편, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이고, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용 효과를 가져오는 것은, 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (4)

1. 적어도, 원료 융액을 수용하는 도가니 및 상기 원료 융액을 가열하는 히터를 격납하는 메인 챔버;
   상기 메인 챔버의 상부에 연결 설치되고, 성장한 단결정이 상승되어 수용되는 상승 챔버;
   상기 상승 챔버에 설치된 가스 도입구;
   상기 메인 챔버의 천장부에서 아래쪽으로 연장 설치되는 흑연제 정류통; 및
   상기 정류통의 하단(下端)부로부터, 상기 정류통을 감싸도록 바깥쪽 위로 확경(擴經)되어 연장해 나온 단열 링;
   을 갖는 쵸크랄스키 법(Czochralski Method)에 따른 단결정 제조장치로서,
   상기 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역에 적어도 하나의 창을 설치하고, 상기 창의 개구 면적이, 상기 정류통의 하단으로부터 50~200 mm 영역의 표면적의 50 % 이상을 차지하는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 정류통의 창을, 석영제 창판으로 막는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 정류통의 하단과 상기 융액의 표면 사이의 간격은, 10~100 mm인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
   
4. 상기 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 단결정 제조장치를 사용해, N영역의 실리콘 단결정을 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.

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