KR20110037985A - 불균형 자계 및 등방-회전을 이용하여 성장하는 실리콘 결정의 용융물-고체 계면 형상을 조절하는 방법 및 시스템 - Google Patents

불균형 자계 및 등방-회전을 이용하여 성장하는 실리콘 결정의 용융물-고체 계면 형상을 조절하는 방법 및 시스템

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KR20110037985A
KR20110037985A KR1020107029635A KR20107029635A KR20110037985A KR 20110037985 A KR20110037985 A KR 20110037985A KR 1020107029635 A KR1020107029635 A KR 1020107029635A KR 20107029635 A KR20107029635 A KR 20107029635A KR 20110037985 A KR20110037985 A KR 20110037985A
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해리프래새드 스리다라머티
밀린드 에스. 쿨카니
리차드 지. 슈렌커
조셉 씨. 홀저
해롤드 더블유. 코브
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엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼즈, 인크.
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Abstract

용융물-고체 계면의 형상을 용이하게 조절하는 실리콘 결정 성장 시스템이 기술된다. 상기 결정 성장 시스템은 쵸크랄스키 공정에 따라 단결정 잉곳이 성장되는 반도체 용융물을 포함하는 가열된 도가니를 포함한다. 상기 잉곳은 상기 용융물로부터 인상된 시드 결정에서 성장된다. 본 방법은 불균형 첨점 자계를 상기 용융물에 인가하는 단계, 및 상기 용융물로부터 상기 잉곳이 인상되는 동안 상기 잉곳 및 상기 도가니를 같은 방향으로 회전시키는 단계를 포함한다.

Description

불균형 자계 및 등방-회전을 이용하여 성장하는 실리콘 결정의 용융물-고체 계면 형상을 조절하는 방법 및 시스템{CONTROLLING A MELT-SOLID INTERFACE SHAPE OF A GROWING SILICON CRYSTAL USING AN UNBALANCED MAGNETIC FIELD AND ISO-ROTATION}
단결정 실리콘은 반도체 전자 부품을 제조하는 대부분의 공정에서의 출발 물질이며, 일반적으로 소위 쵸크랄스키 공정(Czochralski process)에 따라서 제조된다. 이 공정에서, 다결정 실리콘, 또는 폴리실리콘이 도가니에 채워져 용융되고, 시드 결정은 용융 실리콘과 접촉되며, {본 명세서에서 모노크리스탈라인(monocrystalline)이라고도 지칭되는} 단결정 잉곳은 비교적 느리게 추출됨으로써 성장된다. 네크의 형성이 완료된 후, 원하는 직경 또는 타겟 직경에 도달할 때까지 인상 속도(pulling rate) 및/또는 용융 온도를 감소시킴으로써 결정의 직경이 확대된다. 대략 일정한 직경을 갖는 대체로 원통형인 결정의 주 몸체는, 감소하는 용융 레벨을 보상하면서 인상 속도와 용융 온도를 조절함으로써 성장된다. 성장 공정의 끝무렵이지만 도가니에서 용융 실리콘이 비워지기 전에, 결정 직경이 점차 줄어들어 엔드-콘(end-cone)을 형성한다. 통상적으로, 결정의 인상 속도와 도가니에 공급된 열을 증가시킴으로써 엔드-콘이 형성된다. 직경이 충분히 작아질 때, 결정은 용융물로부터 분리된다.
반도체 등급 단결정 실리콘을 생성하기 위해, 보다 상세히 말해서, 크고 실질적으로 결함 없는 결정체를 생성하기 위해, 성장되는 결정의 주변 에지를 포함하는 응고 계면(solidification interface)의 거동 특성(behavior)이 조절되어야 한다. 성장되는 결정의 응고 계면은 본 명세서에서 용융물-고체 계면(melt-solid interface)이라고도 지칭한다. 용융물-고체 계면의 형상은 단결정 실리콘을 생성하는데 적절한 공정 윈도우를 얻는 중요한 요소이다.
따라서, 용융물-고체 계면의 형상을 조절하여 단결정 실리콘의 생성을 위한 공정 윈도우를 용이하게 증가시키도록 결정 성장 공정의 제어를 개선하는 것이 바람직하다.
일 양태에서, 결정 성장 시스템에서 결정 성장을 조절하는 방법이 제공된다. 상기 결정 성장 시스템은 쵸크랄스키 공정(Czochralski process)에 따라서 단결정 잉곳이 성장된 반도체 용융물을 포함하는 가열된 도가니를 포함한다. 상기 잉곳은 용융물로부터 인상된 시드 결정에서 성장한다. 상기 방법은 불균형 첨점 자계(unbalanced cusped magnetic field)를 용융물에 인가하는 단계, 및 상기 잉곳이 상기 용융물로부터 인상되는 동안 상기 잉곳과 상기 도가니를 같은 방향으로 회전시키는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 용융물-고체 계면의 형상을 용이하게 조절하기 위한 실리콘 결정 성장 시스템이 제공된다. 상기 결정 성장 시스템은 쵸크랄스키 공정에 따라서 단결정 잉곳이 성장되는 반도체 용융물을 포함하는 가열된 도가니를 포함한다. 상기 잉곳은 상기 용융물로부터 인상된 시드 결정에서 성장되며, 상기 용융물과 잉곳은 이들 사이에 용융물-고체 계면을 형성한다. 상기 시스템은, 상기 도가니의 외부에 인접하게 배치되어 불균형 첨점 자계를 발생시키는 제1 코일 세트와 제2 코일 세트, 및 상기 도가니 및 상기 결정을 같은 방향으로 회전시키도록 구성된 도가니 구동 유닛 및 결정 구동 유닛을 포함한다.
도 1은 결정 성장 장치에서 용융물을 담은 도가니에 인가되는 (본 명세서에서 수직 방향으로도 지칭되는) 축방향(axial) 자계를 도시하는 블록도.
도 2는 결정 성장 장치에서 용융물을 담은 도가니에 인가되는 (본 명세서에서 횡 방향으로도 지칭되는) 수평방향 자계를 도시하는 블록도.
도 3은 결정 성장 장치에서 용융물을 담은 도가니에 인가되는 첨점 자계를 예시하는 블록도.
도 4는 예시적인 결정 성장 시스템의 블록도.
도 5 및 도 6은 예시적인 용융물-결정 계면을 도시하는 도면.
도 7은 결정 성장 동안 형성된 용융물 유동 셀의 개략적인 도면.
도 8a, 도 8b, 및 도 8c는 각기 균형 첨점 자계 하에서의 결정 성장 동안, 예시적인 용융물 유동 시뮬레이션, 예시적인 온도 자계 시뮬레이션, 및 예시적인 자계 벡터 시뮬레이션을 도시하는 도면.
도 9a, 도 9b, 및 도 9c는 각기 불균형 첨점 자계 하에서의 결정 성장 동안, 예시적인 용융물 유동 시뮬레이션, 예시적인 온도 자계 시뮬레이션, 및 예시적인 자계 벡터 시뮬레이션을 도시하는 도면.
도 10은 두 개의 예시적인 용융물-고체 계면을 도시하는 도면.
도 11은 균형 자계의 존재 하에서의 성장된 결정의 예시적인 결함 전이도.
도 12는 불균형 자계의 존재 하에서의 성장된 결정의 예시적인 결함 전이도.
도 13은 결정 성장 시스템, 예를 들어, 도 4에 도시된 시스템에서 결정 성장을 조절하기 위한 예시적인 방법의 흐름도.
용융물-고체 계면의 형상을 조절하는 것은 생성된 실리콘 결정의 품질을 결정하는데 있어서 중요한 요소이다. 용융물-고체 계면의 형상은 공정 변수, 이를 테면, 이것으로 한정되지 않지만, 온도, 도가니 또는 결정 회전, 및 결정 인상 속도(crystal pulling rate)에 종속된다. 이들 공정 변수들을 정해놓음으로써, 용융물-고체 계면 또한 정해진다. 예시적인 실시예에서, 결정 성장 공정 중에 인가된 자계 또한 용융물-고체 계면의 형상에 영향을 미친다. 자계는 금속 및 반도체 용융물에서의 대류 흐름을 안정화시키고 자연적인 대류 흐름과 난기류를 완충시키는데 사용될 수 있다. 대류 흐름을 안정화시키는 데 사용되는 자계 구성의 세 가지 종래의 유형, 즉 축방향(axial), 수평방향(horizontal), 첨점(cusped)이 존재한다.
도 1은 결정 성장 장치에서 용융물(25)을 담은 도가니(23)에 인가되는 (본 명세서에서 수직 방향이라고도 지칭되는) 축방향 자계를 도시하는 블록도이다. 축방향 자계의 구성은 결정 성장 방향에 평행한 자계를 발생시킨다. 도 1에서, 횡단면으로 도시된 자석 코일(21)은 자계를 도가니(23)에 공급한다. 도시된 바와 같이, 도가니(23)는 실리콘 용융물(25)을 담고 있고 이 용융물로부터 결정(27)이 성장된다.
도 2는 결정 성장 장치에서, 용융물(25)을 담은 도가니(23)에 인가되는 (본 명세서에서 횡방향이라고도 지칭되는) 수평방향 자계를 도시하는 블록도이다. 수평방향 자계 구성에 있어서, 두 개의 자극(magnetic poles; 29)이 마주 배치되어 결정 성장 방향에 직교하는 자계를 발생시킨다.
도 3은 결정 성장 장치에서, 용융물(25)을 담은 도가니(23)에 인가되는 첨점 자계를 예시하는 블록도이다. 첨점 자계의 구성은 축방향 및 수평방향 자계 구성의 결함을 극복하도록 설계된다. {예를 들면, 헬름홀쯔 코일(Helmholtz coils)과 같은} 한 쌍의 코일들(31 및 33)은 용융물-고체 계면(360)의 위아래에 동축으로 배치되었고, 역전류 모드에서 작동되어 용융물 표면(36)에 가까운 순수 방사방향(radial) 자계 성분 및 용융물(25)의 중심(38)에 가까운 순수 축방향 자계 성분을 갖는 자계를 발생시켰다. 코일들(31 및 33)에 의해 각기 생성된 상부 자계(40)와 하부 자계(42)를 조합한 결과 축방향 및 방사방향 첨점 자계 성분이 발생된다.
예시적인 실시예에서, 공정 변수는 용융물-고체 계면의 형상을 변형하도록 조절된다. 보다 상세히 설명하면, 예시적인 실시예에서, 자계는 용융물-고체 계면 형상에 영향을 주는 방식으로 인가된다. 예시적인 실시예에서, 첨점 자계가 불균형을 이루면, 그 결과 용융물-고체 계면에서 더 강한 축방향 자계 성분이 발생하며, 용융물 흐름에 영향을 주어 카르만 셀(Karman cell)을 향상시키고, 그럼으로써 용융물-고체 계면의 깊이를 증가시킨다. 불균형 첨점 자계의 바람직한 효과는 결정에 대해 더 많은 오목한 형상을 갖는 용융물-고체 계면의 생성이다.
도 4는 예시적인 결정 성장 시스템(100)의 블록도이다. 시스템(100)은 쵸크랄스키 결정 성장 방법을 이용하여 반도체 잉곳을 생성한다. 일반적으로, 결정 성장 시스템(100)은 도가니(103)를 둘러싸는 진공 챔버(101)를 포함한다. 히터(105), 예를 들어, 저항성 히터는 도가니(103)를 감싸고 있다. 가열 및 결정 인상 동안, (예를 들면, 모터와 같은) 도가니 구동 유닛(107)은 도가니(103)를, 예를 들어, 화살표로 표시된 바와 같이 시계 방향으로 회전시킨다. 도가니 구동 유닛(107)은 또한 성장 공정 동안 원하는 대로 도가니(103)를 승강시키고/승강시키거나 하강시킬 수 있다. 도가니(103) 내에는 용융물 레벨(111)을 갖는 실리콘 용융물(109)이 담겨 있다. 그 동작에 있어서, 시스템(100)은 인상 샤프트(pull shaft) 또는 케이블(117)에 부착된 시드 결정(115)에서부터 시작하여 용융물(109)로부터 단결정(113)을 인상한다. 인상 샤프트 또는 케이블(117)의 일단(one end)은 (도 4에는 도시되지 않은) 도르래(pulley)를 경유하여 (도 4에는 도시되지 않은) 드럼에 연결되며, 나머지 단(the other end)은, 시드 결정(115) 및 그 시드 결정(115)으로부터 성장한 결정(113)을 붙잡고 있는 (도 4에는 도시되지 않은) 척(chuck)에 연결된다.
도가니(103) 및 단결정(113)은 공통의 대칭 축(119)을 갖는다. 도가니 구동 유닛(107)은 레벨(111)을 원하는 높이로 유지하기 위해 용융물(109)이 소진됨에 따라 도가니(103)를 축(119)을 따서 상승시킬 수 있다. 유사하게, 결정 구동 유닛(121)은, 도가니 구동 유닛(107)이 도가니(103)를 회전시키는 방향과 반대 방향(즉, 역회전)으로 인상 샤프트 또는 케이블(117)을 회전시킨다. 등방-회전(iso-rotation)을 이용하는 실시예에 있어서, 결정 구동 유닛(121)은, 도가니 구동 유닛(107)이 도가니(103)를 회전시키는 방향과 동일한 방향으로 (즉, 시계 방향으로) 인상 샤프트 또는 케이블(117)을 회전시킬 수 있다. 등방-회전은 또한 동시 회전(co-rotation)이라고도 지칭될 수 있다. 또한, 결정 구동 유닛(121)은 성장 공정 동안 원하는 대로 용융물 레벨(111)에 대해 결정(113)을 상승시키고 하강시킨다.
쵸크랄스키 단결정 성장 공정에 따르면, 다결정 실리콘, 또는 폴리실리콘의 물량이 도가니(103)에 채워진다. 히터 전력 공급원(123)은 저항성 히터(105)에 전원을 공급하며, 절연체(125)는 진공 챔버(101)의 내벽에 정렬된다(lines). (예를 들어, 보틀(bottle)과 같은) 가스 공급원(127)은, 진공 펌프(151)에 의해 진공 챔버(101)로부터 가스가 제거됨에 따라 가스 흐름 제어기(129)를 통해 진공 챔버(101)로 아르곤 가스를 공급한다. 저장소(135)로부터 냉각수를 공급받는 외부 챔버(133)는 진공 챔버(101)를 둘러싸고 있다. 냉각 재킷(136)은 저항성 히터(105)와 결정(113) 사이에 배치된다. 예시적인 실시예에서, 냉각 재킷(136)은 (도 5 및 도 6에 도시된) 용융물-고체 계면의 형상에 영향을 미칠 수 있다. 보다 상세히 말해서, 일부 실시예에서, 시스템(100)은 냉각 재킷(136) 없이 결정(113)에 대해 오목한 형상으로 된 계면 형상을 생성할 수 있으며, 여기서 오목한 형상은 대략 3 밀리미터(3mm)의 깊이를 갖는다. 그러나, 냉각 재킷(136)을 포함함으로써, 오목한 형상의 깊이는, 예를 들어, 대략 5 밀리미터(5mm)까지 증가될 수 있다.
냉각수는 냉각수 회수 매니폴드(137)로 배기된다. 통상적으로, 포토셀(139)(또는 고온계(pyrometer))와 같은 온도 센서는 그 표면에서 용융물(109)의 온도를 측정하며, 직경 변환기(141)는 단결정(113)의 직경을 측정한다. 제어 유닛(143)과 같은 프로세서는 포토셀(139) 및 직경 변환기(141)에 의해 생성된 신호를 처리한다. 제어 유닛(143)은 도가니 구동 유닛(107), 결정 구동 유닛(121), 히터 전력 공급원(123), 진공 펌프(151), 및 가스 흐름 제어기(129)(예를 들면, 아르곤 흐름 제어기)를 제어하는 프로그램된 디지털 또는 아날로그 컴퓨터일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 시스템(100)은 상부 히터를 포함하지 않는다. 상부 히터가 있거나, 상부 히터가 없는 경우 결정(113)의 냉각 특성이 변동된다.
예시적인 실시예에서, 솔레노이드 코일(145)과 같은 상부 자석 및 솔레노이드 코일(147)과 같은 하부 자석은 각기 용융물 레벨(111)의 위아래에 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 횡단면으로 도시된 코일(145 및 147)은 진공 챔버(101)를 감싸고 있으며 대칭축(119)과 축을 공유한다. 상부 및 하부 코일(145 및 147)은 별개의 전력 공급원, 즉, 상부 코일 전력 공급원(149) 및 하부 코일 전력 공급원(151)을 가지며, 각각의 전력 공급원은 제어 유닛(143)에 연결되고 제어 유닛(143)에 의해 제어된다.
전류는 두 개의 솔레노이드 코일들(145 및 147)에서 반대 방향으로 흘러 자계를 형성한다. 저장소(153)는 냉각수를 상부 및 하부 코일들(145 및 147)에 제공한 다음 냉각수 회수 매니폴더(137)를 통해 배기한다. 철계 실드(ferrous shield; 155)는 코일들(145 및 147)을 둘러싸고 있으므로 표류 자계(stray magnetic fields)를 감소시키고 생성된 자계의 세기를 강화시킨다.
예시적인 실시예에서, 시스템(100)은 소자를 제조할 때 사용하기에 적절한 실리콘 결정 잉곳을 생성한다. 유리하게, 시스템(100)은 실리콘 결정(113)을 생성하는데 사용될 수 있으며, 이 결정의 실질적인 부분 또는 결정의 전체는 실질적으로 응집된 고유점 결함(agglomerated intrinsic point defects)이 없다. 즉, 생성된 결정(113)의 실질적인 부분 또는 결정의 모든 부분은 약 1 x 104 결함/cm3 보다 작은 결함 밀도, 약 5 x 103 결함/cm3 보다 작은 결함 밀도, 약 1 x 103 결함/cm3 보다 작은 결함 밀도를 가질 수 있고, 또는 심지어 검출가능한 응집된 고유점 결함이 전혀 없을 수 있다. 더욱이, 시스템(100)은 직경이 약 60 나노미터(nm)보다 큰 응집된 결함이 실질적으로 없는 결정(113)을 생성하는데 사용될 수 있다.
용융물-고체 계면 또는 용융물-결정 계면의 형상은 결정 성장 동안 조절되어 응집된 고유 점 결함의 형성을 제한하고/제한하거나 억제한다. 도 5 및 도 6은 용융물 표면(161)으로부터 연장하는 예시적인 용융물-고체 계면을 도시한다. 용융물(109)과 실리콘 결정(113) 간의 용융물-고체 계면의 형상은 결정(113)에 대해 (도 6에 도시된) 오목한 형태 또는 (도 5에 도시된) 볼록한 형태, 또는 {"걸윙(gull-wing)" 형상이라고도 지칭되는} 오목과 볼록 형태의 조합일 수 있다. 아래에서 설명하는 바와 같이, 용융물-고체 계면 형상을 조절하면 결정 성장 결함이 용이하게 감소된다.
예시적인 실시예에서, 용융물 대류가 용융물-고체 계면의 형상에 영향을 주는 데 이용된다. 대류는 액체 자체의 유동에 의해 액체 내에서 열이 이동하는 과정을 말한다. 일반적으로, 자연 대류와 강제 대류라는 두 가지 유형의 대류가 있다. 자연 대류는, 예를 들면, 밀도 구배(density gradients)를 일으키는 히터(105)의 존재로 인해 용융물(109)이 유동할 때 일어난다. 강제 대류는 도가니(103) 내에 자계와 같은 외부 작용제로 인해 용융물(109)이 유동할 때 일어난다. 따라서, 자계를 조절함으로써 원하는 용융물-고체 계면의 형상을 용이하게 생성할 수 있다.
도 7은 결정 성장 동안에 형성된 용융물 유동 셀(200 및 202)의 개략적인 도면이다. 예시적인 실시예에서, 결정(204)은 도가니(208) 내에 보유된 용융물(206)부터 인상된다. 도가니(208)는 상부(210), 바닥부(212), 및 도가니 벽(214)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 용융물 유동 셀(200 및 202)은 결정(204) 및 도가니(208)가 같은 방향으로 회전(즉, 등방 회전)하면서 일어나는 결정(204)의 성장 동안 용융물(206)에서 형성된다. 보다 상세히 말해서, 용융물(206)에서 형성된 두 가지 형태의 유동 셀은 카르만 셀(Karman cell; 200) 및 이형 셀(buoyancy cell; 202)이다. 카르만 셀(200)은 결정(204)의 바로 아래에서 형성되며 이형 셀(202)은 도가니 벽(214)을 따라서 형성된다. (도 7에서는 도시되지 않은) 에크만 셀(Eckmann cell)을 포함하여, 상이한 유동 셀들이 역회전 조건 하에서 형성된다. 에크만 셀이 존재하는 경우는, 카르만 셀(200)이 존재하는 경우에 비해 오목한 용융물-고체 계면(216)의 형성을 용이하게 하지 못한다.
카르만 셀(200)을 증강(strengthening)하면 결정(204)에 대해 (도 6에 도시된) 더 오목한 용융물-고체 계면(216)의 형성이 용이해진다. 카르만 셀(200)은 축방향 자계를 인가함으로써 또는 인가된 첨점 자계에서 축방향 자계 성분을 증가시킴으로써 더욱 강화될 수 있다. 축방향 자계는 또한 도가니(208)의 바닥부(212)에서 용융물의 온도를 증가시키는 효과가 있어 더 많은 열을 발생하도록 하고, 이는 용융물-고체 계면(216)의 더 오목한 형상의 형성을 용이하게 한다.
예시적인 실시예에서, 결정 성장 공정 동안 인가된 첨점 자계의 축방향 성분은 (도 3에 도시된) 상부의 자계(40)와 (도 3에 도시된) 하부의 자계(42)를 불균형하게 만듦으로써 증가된다. 일부 실시예에서, 균형 첨점 자계는 본 명세서에서 첨점 자계로서 규정되며, 상부의 자계(40){즉, (도 3에 도시된) 코일(31)에 의해 생성된 자계}가 하부의 자계(42){즉, (도 3에 도시된) 코일(33)에 의해 생성된 자계}와 실질적으로 동일한 세기를 갖는다. 이와 반대로, 일부 실시예에서, 불균형 첨점 자계는 본 명세서에서 첨점 자계로서 규정되며, 상부의 자계(40)가 하부의 자계(42)와는 실질적으로 상이한 세기를 갖는다. 또한, 균형 첨점 자계는 (도 3에 도시된) 용융물 표면(36)에 가까운 순 방사방향의 자계 성분을 갖는다. 이와 달리, 불균형 첨점 자계는 용융물 표면(36)에 가까운 순 방사방향 자계 성분을 포함하지 않고, 오히려 용융물 표면(36)에 가까운 축방향 자계 성분을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 제1 코일에 의해 생성된 제1 자계의 세기를 제2 코일에 의해 생성된 제2 자계의 세기와 비교해볼 때, 자계 세기는, 예를 들어, 소스로부터의 거리에 따라서 자계 세기가 변하기 때문에, 제1 자계 세기는 제1 코일로부터 거리 X에 있는 지점에서 측정되며, 제2 자계 세기는 제2 코일로부터 같은 거리 X에 있는 지점에서 측정된다.
예시적인 실시예에서, 불균형 첨점 자계는 일정하다. 다시 말해서, 상부의 자계(40)의 세기와 하부의 자계(42)의 세기 간의 비율은 결정 성장 공정 동안 변하지 않는다. 일정한 자계 비율은 축방향 자계 성분을 용융물 표면(36) 가까이에 유지하는 것을 용이하게 한다. 대안적인 실시예에서, 상부 자계(40)의 세기와 하부 자계(42)의 세기 간의 비율은 결정 성장 공정 동안 변화되어 축방향 자계 성분의 세기를 용이하게 용융물 표면(36) 가까이에서 원하는 대로 유지한다. 이 비율은 상부 코일(31) 및/또는 하부 코일(33)에 공급된 전류를 조절함으로써 변화될 수 있다. 더욱이, 이 비율은 시간 및/또는 결정 길이의 함수로서 변경될 수 있으므로 불균형 첨점 자계의 축방향 자계 성분의 세기를 상이한 결정 성장 국면 및/또는 상이한 결정 길이에 매칭하는 것이 용이해진다.
예시적인 실시예에서, 상부 자계(40)의 세기, 하부 자계(42)의 세기, 및/또는 상부 자계(40)의 세기와 하부 자계(42)의 세기 간의 비율은 적어도 부분적으로는 불균형 첨점 자계가 용융물 유동 셀들{예를 들어, 카르만 셀(200) 및 이형 셀(202)}에 미치는 영향에 기초하여 결정된다. 상부 자계(40)의 세기 및/또는 하부 자계(42)의 세기는 카르만 셀(200)이 증강되도록 및/또는 이형 셀(202)이 약화되도록 결정될 수 있다. 더욱이, 상부 자계(40)의 세기와 하부 자계(42)의 세기 간의 비율은 카르만 셀(200)이 증강되도록 및/또는 이형 셀(202)이 약화되도록 결정될 수 있다.
도 8a, 도 8b 및 도 8c는 각각 균형 첨점 자계 하에서 결정 성장 동안의 예시적인 용융물 유동 시뮬레이션(300), 용융물(206)에서의 온도의 예시적인 온도 자계 시뮬레이션(310), 및 예시적인 자계 벡터 시뮬레이션(320)을 예시한다. 예시된 실시예에서, (도 3에 도시된) 상부 자계(40)의 세기와 (도 3에 도시된) 하부 자계(42)의 세기 간의 자계 비율이 1이다. 다시 말해서, 상부 자계(40)는 실질적으로 하부 자계(42)의 세기와 같은 세기를 갖는다. 예를 들어, 균형 첨점 자계의 발생을 용이하게 하기 위하여, (도 3에 도시된) 상부 코일(31) 및 (도 3에 도시된) 하부 코일(33)은 둘 다 코일들(31 및 33)에 이용가능한 최대 전류 레벨의 45 퍼센트(45%)에 해당하는 전류 레벨을 공급받는다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 각각 불균형 첨점 자계 하에서 결정 성장 동안의 예시적인 용융물 유동 시뮬레이션(330), 용융물(206)에서의 온도의 예시적인 온도 자계 시뮬레이션(340), 및 예시적인 자계 벡터 시뮬레이션(350)을 예시한다. 도 9c에 도시된 불균형 첨점 자계는 (도 8c에 도시된) 균형 첨점 자계에 의해 생성된 자계와 비교해 볼 때 증가된 축방향 성분을 갖는다. 인가된 불균형 자계의 증가된 축방향 성분은 용융물-고체 계면(216) 가까이에서 특히 현저하다.
예시된 실시예에서, 상부 자계(40)와 하부 자계(42) 간의 자계 비율은 대략 0.64 이다. 보다 상세히 말해서, 예시된 실시예에서, 상부 자계(40)의 세기는 하부 자계(42)의 세기의 대략 0.64이다. 더 상세히 말해서, 일부 실시예에서, 상부 자계(40)의 세기와 하부 자계(42)의 세기 간의 자계 비율은 0.10 내지 0.90일 수 있다. 다른 실시예에서, 상부 자계(40)의 세기와 하부 자계(42)의 세기 간의 자계 비율은 0.40 내지 0.70일 수 있다.
단지 예를 들자면, 코일들(31 및 33)에 이용가능한 최대 전류 레벨의 대략 29 퍼센트(29%)에 해당하는 전류 레벨을 상부 코일(31)에 공급하고 또한 코일들(31 및 33)에 이용가능한 최대 전류 레벨의 대략 45 퍼센트(45%)에 해당하는 전류 레벨을 하부 코일(33)에 공급함으로써 0.64의 자계 비율이 성취될 수 있다. 그러나, 원하는 자계 비율을 용이하게 생성할 수 있다면 어떠한 적절한 상부 코일(31)과 하부 코일(33)의 전류 레벨의 비율이라도 상부 코일(31) 및 하부 코일(33)에 공급될 수 있다.
부가적으로, 도 8b와 도 9b를 비교해보면, 불균형 첨점 자계가 용융물(206)에 인가될 때 결정(204)의 바로 아래의 온도가 더 높음을 보여주고 있다. 일부 예에서, 균형 자계를 인가할 때와 비교해 볼 때, 불균형 첨점 자계가 결정(204) 바로 아래의 온도를 대략 일 내지 오 켈빈(kelvin)만큼, 또는 더 상세히 말해서, 대략 삼 내지 오 켈빈만큼 증가시킬 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도 9b에서 결정(204) 바로 아래에 더 높은 온도가 집중된 것은 도가니(208)에 제공된 열 에너지의 증가로 인한 것이 아니고, 그보다는 용융물-고체 계면(216)에서 인가된 첨점 자계의 축방향 성분의 증가로 인한 것이다. (도 8a 및 9a에 도시된) 용융물 유동 시뮬레이션은 결정 형성 공정 동안 인가된 자계가 불균형할 때, 구체적으로, 상부 코일(31)로부터의 자계가 하부 코일(33)로부터의 자계보다 낮을 때 카르만 셀이 더 두드러지게 형성된 것을 도시한다.
도 10은 예시적인 두 용융물-고체 계면(360 및 362)을 예시한다. 더 상세히 말해서, 예시적인 용융물-고체 계면(360)은 균형 첨점 자계의 존재 하에 성장된 결정의 용융물-고체 계면의 예이다. 이와 반대로, 예시적인 용융물-고체 계면(362)은 불균형 첨점 자계의 존재 하에 성장된 결정의 용융물-고체 계면의 예이다. 일부 실시예에서, 불균형 첨점 자계를 인가함으로써 용융물-고체 계면(360)보다 더 오목한 용융물-고체 계면(362)의 생성이 용이해진다. 볼록한 형상의 계면, 예를 들면, 용융물-고체 계면(360)은 전형적인 제조 공정을 실행가능하게 해주는 공정 윈도우를 제공하지 않는다.
예시적인 실시예에서, 300 밀리미터(300 mm)의 직경을 갖는 결정이, 인가된 불균형 첨점 자계 하에서 성장된다. 전술한 바와 같이, 전형적으로 결정 성장 동안 인가된 첨점 자계는 실질적으로 동일한 세기의 상부 및 하부 자계를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 하부 자석은 상부 자석이 발생시키는 것보다 강한 자계를 발생시킨다. 예를 들어, 상부 자석은, 하부 자석에 의해 발생된 자계 세기의 이십 퍼센트(20%)에 해당하는 자계를 생성하도록 유지될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예에서, 용융물-고체 계면은 300mm의 결정 길이에서 불균형 첨점 자계 조건 하에서 용융물로부터 결정을 제거하고 그 계면 형상을 측정함으로써 측정된다.
용융물-고체 계면(362)의 형상을 조절하는 것이 유리하다. (도 6에 도시된) 더욱 오목한 형상의 용융물-고체 계면을 성취하면 결정 성장의 공정 윈도우의 증가를 가져온다. 예시적인 실시예에서, 계면 형상을 개선하기 위해(즉, 결정에 대해 더욱 오목한 형상의 계면을 생성하기 위해) 공정 변수가 변경된다. 시드 회전 및 도가니 회전과 같은 공정 변수들은 계면 형상을 변경하는데 사용될 수 있으나, 이들 공정 변수들 단독으로는 계면 형상의 상당한 변화를 가져오기에 충분하지 않을 수 있고 따라서 공정 윈도우의 상당한 개선을 이루기에 충분하지 않을 수 있다. 예시적인 실시예에서, 전술한 바와 같이, 시드 및 도가니의 등방-회전과 조합하여 결정의 형성 동안 인가된 첨점 자계를 불균형하게 하면, 용융물-고체 계면 형상이 더욱 용이하게 변형된다.
도 11은 균형 자계의 존재 하에 성장된 결정의 예시적인 결함 전이도(defect transition diagram; 380)이다. 도 12는 불균형 자계의 존재 하에 성장된 결정의 예시적인 결함 전이도(382)이다. 결함 전이도(380 및 382)는 공정 윈도우로도 지칭되는 인상 속도 윈도우를 결정하는데 사용될 수 있다. 결함 전이도(380)는 네거티브 공정 윈도우(384)를 예시한다. 이와 반대로, 결함 전이도(382)는 플래터 결함 전이(flatter defect transition)로 인해 공정 윈도우(386)가 증가된 것을 도시한다.
도 13은 결정 성장 시스템, 예컨대, (도 4에 도시된) 결정 성장 시스템(100)에서 결정 성장을 조절하기 위한 예시적인 방법의 흐름도(400)이다. 더 상세히 말해서, 도 13은 쵸크랄스키 공정에 따라서 생성된 단결정 잉곳의 성장을 조절하기 위한 예시적인 방법을 예시한다. 예시적인 실시예에서, 결정 성장 시스템에서 결정 성장을 조절하는 것은 잉곳의 용융물-고체 계면의 형상을 조절하는 것을 포함하며, 보다 상세하게는 (도 6에 도시된) 실질적으로 오목한 용융물-고체 계면 형상을 갖는 잉곳의 생성을 용이하게 하는 것을 포함한다.
본 명세서에 기술된 시스템 및 방법은 이십팔 인치 고열 구역(예컨대, 이십팔 인치 도가니)와 함께 사용하기 위해 설계된다. 그러나, 본 명세서에 기술된 혜택은 본 명세서에 기술된 시스템 및 방법을 어떤 다른 크기의 고열 구역, 예컨대, 삼십이 인치 고열 구역, 이십사 인치 고열 구역, 및 이십이 인치 고열 구역에도 적용함으로써 성취될 수 있다.
전술한 바와 같이, 결정 성장 시스템은 잉곳이 인상되는 반도체 용융물을 포함하는 가열된 도가니를 포함한다. 잉곳은 용융물로부터 인상된 시드 결정에서 성장한다. 예시적인 방법은 원하는 불균형 첨점 자계를 성취하기 위해 결정 성장 시스템의 상부 코일에 인가할 전류 레벨과 하부 코일에 인가하는 전류 레벨을 결정하는 단계(402)를 포함한다. 예를 들어, 결정 성장 시스템(100)의 (도 4에 도시된) 상부 코일(145)에 인가할 전류 레벨 및 (도 4에 도시된) 하부 코일(147)에 인가할 전류 레벨은 원하는 불균형 첨점 자계를 성취하기 위해 결정될 수 있다(단계 402). 상부 코일(145) 및 하부 코일(147)에 인가될 전류 레벨들은 반도체 용융물에 인가될 때, (도 3에 도시된) 결과적인 상부 자계(40) 및 (도 3에 도시된) 결과적인 하부 자계(42)가 (도 7에 도시된) 카르만 셀(200)의 세기를 용이하게 최대화하고/최대화하거나 (도 7에 도시된) 유동 셀(202)의 세기를 용이하게 최소화하도록 결정된다(단계 402). 더욱이, 상부 코일(145)에 인가될 전류 레벨 및 하부 코일(147)에 인가될 전류 레벨은 상부 자계(40)의 결과적인 세기와 하부 자계(42)의 결과적인 세기 간의 원하는 비율이 성취되도록 결정될 수 있다(단계 402). 상부 자계(40)의 세기와 하부 자계(42)의 세기 간의 비율은 카르만 셀(200)의 세기를 최대화하고/최대화하거나 유동 셀(202)의 세기를 최소화하도록 결정될 수 있다.
예시적인 방법은 또한 불균형 첨점 자계를 용융물에 인가하는 단계(404)를 포함한다. 예를 들어, 단계(402)에서 결정된 전류 레벨은 상부 코일(145) 및 하부 코일(147)에 인가되어, 불균형 첨점 자계를 생성한다. 이 불균형 자계는 이어서 용융물에 인가된다(단계 404). 예시적인 방법은 또한 용융물로부터 잉곳을 인상하면서 잉곳과 도가니를 같은 방향으로 회전시키는 단계(406)를 포함한다. 일부 실시예에서, 불균형 자계를 인가하는 단계(404)는 상부 자계(40)를 용융물-고체 계면 위에 인가하고 하부 자계(42)를 용융물-고체 계면 아래에 인가하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 불균형 자계는 (도 4에 도시된) 용융물-고체 계면(111) 위에 배치된 상부 코일(145) 및 용융물-고체 계면(111)의 아래에 배치된 하부 코일(147)에 의해 공급될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 상부 자계(40)의 자계 세기는 하부 자계(42)의 자계 세기보다 약하다. 더 상세히 말해서, 일부 실시예에서, 상부 자계(40)의 자계 세기는 하부 자계(42)의 자계 세기의 5% 내지 50%일 수 있다. 다른 실시예에서, 상부 자계(40)의 자계 세기는 하부 자계(42)의 자계 세기의 10% 내지 30%일 수 있다. 상부 자계(40)의 세기와 하부 자계(42)의 세기 간의 비율은 결정 성장 시스템(100)을 본 명세서에서 설명된 바와 같이 작동하게 해주는 모든 적절한 비율일 수 있다.
불균형 첨점 자계를 용융물에 인가하는 단계(404)는 (도 9c에 도시된) 용융물-고체 계면에서, 인가된 자계의 축방향 성분이 인가된 자계의 방사방향 성분보다 크도록 상부 및 하부 자계를 인가하는 단계를 포함한다.
결정 성장을 조절하기 위한 전술한 방법 및 시스템은 비용 효과적이며 정확성이 높다. 본 방법 및 시스템은 쵸크랄스키 공정에 따라서 성장된 단결정 잉곳의 용융물-고체 계면의 형상을 용이하게 조절한다. 용융물-고체 계면의 형상을 조절하는 것은 단결정 실리콘의 생성을 위한 공정 윈도우의 증가를 용이하게 한다. 불균형 첨점 자계의 인가와 결정 및 도가니의 등방-회전을 조합하면 결정에 대해 대체로 오목한 형상을 갖는 용융물-고체 계면이 용이하게 생성된다. 결정에 대해 대체로 오목한 형상을 갖는 용융물-고체 계면은 원하는 공정 윈도우 및 결함 전이를 제공한다.
본 명세서에 예시되고 기술된 방법의 실행 또는 이행 순서는 달리 명시하지 않는 한 필수적인 것은 아니다. 즉, 본 발명자들에 의하면 방법의 구성요소들은 달리 명시하지 않는 한 어떠한 순서로도 수행될 수 있으며, 본 방법은 본 명세서에 기술된 것들보다 많거나 적은 구성요소들을 포함할 수 있으리라 생각된다.
전술한 방법 및 시스템의 구성요소들, 또는 그 실시예들을 언급할 때, "하나", "한", "그" 및 "상기"라는 관사들은 하나 이상의 구성요소들이 있음을 의미하려는 것이다. "포함하는", "구비하는", 및 "갖는"이라는 용어는 포괄하는 것으로 의도하고자 하며 열거된 구성요소들과 다른 추가적인 구성요소들이 있을 수 있음을 의미하고자 한다.
본 명세서에 기술된 설명은 예를 사용하여 최선의 실시예를 포함하는 본 발명을 개시하며, 또한 당업자가 어떤 장치 또는 시스템이라도 만들고 이용하는 것과 어떤 포함된 방법이라도 수행하는 것을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있도록 해준다. 본 발명의 특허가능한 범주는 청구범위에서 규정되며, 당업자들에게 만들어지는 다른 예들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예들은 이들이 청구항들의 문언적 표현과 다르지 않은 구조적인 구성요소들을 갖는다면, 또는 이들이 청구항들의 문언적 표현과 실질적인 차이가 없는 균등한 구조적 구성요소를 포함하고 있다면 이들 청구항들의 범주 내에 속하는 것으로 하고자 한다.

Claims (20)

  1. 결정 성장 시스템에서 결정 성장을 조절하는 방법으로서, 상기 결정 성장 시스템은 쵸크랄스키 공정(Czochralski process)에 따라 단결정 잉곳(ingot)이 성장되는 반도체 용융물을 포함하는 가열된 도가니(heated crucible)를 가지며, 상기 잉곳은 상기 용융물로부터 인상된(pulled) 시드 결정에서 성장되며, 상기 방법은,
    불균형 첨점 자계(unbalanced cusped magnetic field)를 상기 용융물에 인가하는 단계; 및
    상기 잉곳이 상기 용융물로부터 인상되는 동안 상기 잉곳 및 상기 도가니를 같은 방향으로 회전시키는 단계
    를 포함하는 결정 성장 조절 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 불균형 첨점 자계를 인가하는 단계는, 제1 자계를 용융물-고체 계면 위에 인가하고 제2 자계를 상기 용융물-고체 계면의 아래에 인가하는 단계를 포함하며, 상기 제1 자계의 자계 세기는 상기 제2 자계의 자계 세기보다 약한, 결정 성장 조절 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 자계의 자계 세기 대 상기 제2 자계의 자계 세기의 비율은 0.10과 0.90 사이인, 결정 성장 조절 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 불균형 첨점 자계를 인가하는 단계는 제1 자계를 용융물-고체 계면 위에 인가하고 제2 자계를 상기 용융물-고체 계면의 아래에 인가하여 상기 용융물-고체 계면에서 상기 인가된 자계의 축방향 성분이 상기 인가된 자계의 방사방향 성분보다 크게 하는 단계를 포함하는, 결정 성장 조절 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제1 자계를 용융물-고체 계면 위에 인가하고 상기 제2 자계를 상기 용융물-고체 계면의 아래에 인가하는 단계는 일정한 제1 자계 및 일정한 제2 자계를 인가하여 상기 용융물-고체 계면에서 상기 인가된 자계의 축방향 성분을 용이하게 유지시키는 단계를 포함하는, 결정 성장 조절 방법.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제1 자계를 용융물-고체 계면 위에 인가하고 상기 제2 자계를 상기 용융물-고체 계면의 아래에 인가하는 단계는, 상기 제1 자계 및 상기 제2 자계 중의 적어도 하나의 세기를 변화시켜 상기 용융물-고체 계면에서 상기 인가된 자계의 축방향 성분의 미리결정된 세기를 용이하게 유지시키는 단계를 포함하는, 결정 성장 조절 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 결정 성장 시스템에서 결정 성장을 조절하는 것은 상기 잉곳의 용융물-고체 계면의 형상을 조절하는 것을 포함하는, 결정 성장 조절 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 용융물-고체 계면의 형상을 조절하는 것은 상기 잉곳에 대해 실질적으로 오목한 용융물-고체 계면 형상을 갖는 잉곳의 생성을 용이하게 하는 것을 포함하는, 결정 성장 조절 방법.
  9. 용융물-고체 계면의 형상을 용이하게 조절하는 실리콘 결정 성장 시스템으로서, 상기 결정 성장 시스템은 쵸크랄스키 공정에 따라 단결정 잉곳이 성장되는 반도체 용융물을 포함하는 가열된 도가니를 가지며, 상기 잉곳은 상기 용융물로부터 인상된 시드 결정에서 성장되며, 상기 용융물 및 상기 잉곳은 이들 사이에 상기 용융물-고체 계면을 형성하며, 상기 시스템은,
    상기 도가니의 외부에 인접 배치되어 불균형 첨점 자계를 발생시키는 제1 코일 세트 및 제2 코일 세트; 및
    상기 도가니 및 상기 결정을 같은 방향으로 회전시키도록 구성된 도가니 구동 유닛 및 결정 구동 유닛
    을 포함하는 실리콘 결정 성장 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 코일 세트는 상기 용융물-고체 계면 위에 배치되고 상기 제2 코일 세트는 상기 용융물-고체 계면의 아래에 배치되며, 상기 제1 코일 세트는 제1 자계를 발생시키도록 구성되고 상기 제2 코일 세트는 제2 자계를 발생시키도록 구성되는, 실리콘 결정 성장 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 코일 세트 및 상기 제2 코일 세트는 상기 용융물-고체 계면에서 방사방향 성분보다 큰 축방향 성분을 갖는 자계를 발생시키도록 구성되는, 실리콘 결정 성장 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 자계의 자계 세기는 상기 제2 자계의 자계 세기보다 약한, 실리콘 결정 성장 시스템.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제1 자계의 자계 세기 대 상기 제2 자계의 자계 세기의 비율은 0.10과 0.90 사이인, 실리콘 결정 성장 시스템.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제1 자계의 자계 세기 대 상기 제2 자계의 자계 세기의 비율은 0.40과 0.70 사이인, 실리콘 결정 성장 시스템.
  15. 제9항에 있어서, 상기 제1 코일 세트는 제1 전류 레벨에 의해 전력을 공급받고 상기 제2 코일 세트는 제2 전류 레벨에 의해 전력을 공급받는, 실리콘 결정 성장 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 전류 레벨은 상기 제2 전류 레벨보다 낮은, 실리콘 결정 성장 시스템.
  17. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코일 세트에 의해 발생된 상기 불균형 첨점 자계는 각각, 상기 도가니 구동 유닛 및 상기 결정 구동 유닛에 의한 상기 도가니 및 상기 결정과 같은 방향으로의 상기 회전과 조합하여, 상기 잉곳의 상기 용융물-고체 계면의 형상을 용이하게 조절하는, 실리콘 결정 성장 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 잉곳의 상기 용융물-고체 계면의 상기 형상은 상기 잉곳에 대해 실질적으로 오목한 용융물-고체 계면 형상을 포함하는, 실리콘 결정 성장 시스템.
  19. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코일 세트에 의해 발생된 상기 불균형 첨점 자계는 각각, 상기 도가니 구동 유닛 및 상기 결정 구동 유닛에 의한 상기 도가니 및 상기 결정과 같은 방향으로의 상기 회전과 조합하여, 원하는 공정 윈도우 및 결함 전이를 갖는 잉곳을 용이하게 생성하는, 실리콘 결정 성장 시스템.
  20. 제9항에 있어서, 상기 제1 및 제2 코일 세트에 의해 발생된 상기 불균형 첨점 자계는 각각, 상기 도가니 구동 유닛 및 상기 결정 구동 유닛에 의한 상기 도가니 및 상기 결정과 같은 방향으로의 상기 회전과 조합하여, 상기 결정 성장 동안 형성된 카르만 셀(Karman cell)을 용이하게 증강하는, 실리콘 결정 성장 시스템.
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