KR20120075387A - 소재 다결정 실리콘 재충전 방법 - Google Patents

소재 다결정 실리콘 재충전 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 도가니가 손상 및 파열되는 것을 방지할 뿐만 아니라 성장된 잉곳의 변위 자유율 및 품질의 감소를 제한하면서 큰 덩어리의 다결정 실리콘이 재충전될 수 있는, 소재 다결정 실리콘 재충전 방법을 제공한다.
다결정 실리콘 덩어리가 재충전될 때, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1) 또는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)인 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)가 맨 처음 도입된다. 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)는 도가니(20) 내의 실리콘 용융물(40)의 표면(41)상에 배치되어 완화 층(50)을 형성한다. 그 다음부터, 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 완화 층(50)상으로 도입되고, 완화 층(50)이 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 하강으로 인한 충격을 완화한다.

Description

소재 다결정 실리콘 재충전 방법 {METHOD FOR RECHARGING RAW MATERIAL POLYCRYSTALLINE SILICON}
본 발명은 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에 관한 것이며, 구체적으로는 쵸크랄스키법(이하에선 "CZ법"이라 칭함)을 이용하여 실리콘 단결정 잉곳(이하에선 "잉곳"이라 칭함)을 제조하는 방법에서 도가니 내에 소재 다결정 실리콘 덩어리를 재공급하기 위한 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에 관한 것이다.
반도체 장치를 제조하는데 사용되는 반도체 기판은 단결정 실리콘 웨이퍼로 제작되며, CZ법이 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는데 광범위하게 사용된다. CZ법에서, 도가니는 다결정 실리콘으로 채워지고, 이러한 다결정 실리콘은 용융되어 실리콘 용융물이 얻어진다. 다음에, 시드 결정체가 이러한 실리콘 용융물과 접촉하도록 이송되고 잉곳이 시드 결정체의 인상에 의해 성장된다.
이미 사용된 도가니를 재사용하는 것은 어렵다. 따라서, 잉곳 제조 비용의 감소를 위해, 소재인 다결정 실리콘이 잉곳의 인상으로 인해 감소된 실리콘 용융물을 보상하도록 도가니 내로 재공급되고 도가니의 교체 없이 잉곳이 반복적으로 인상되는 멀티 풀링 기술이 통상 사용된다.
예컨대, 원통형 재충전 튜브로 다결정 실리콘을 재충전하기 위한 방법이 국제 공개 공보 제02/068732호에 개시되어 있다. 이러한 재충전 튜브는 원통형 튜브와, 원통형 튜브 하단부의 탈착 가능한 원추형 밸브를 포함한다. 이러한 재충전 튜브를 사용하는 재충전 방법에서는, 튜브가 원추형 밸브에 의해 차단된 상태에서 고상 다결정 실리콘이 튜브 내에 채워지고, 재충전 튜브가 잉곳이 제거된 후 도가니 위에 배치되고, 원추형 밸브가 분리되어 튜브의 하단부를 개방시키고, 다결정 실리콘이 튜브의 하단부로부터 도가니 내로 공급된다.
이러한 종래의 재충전 방법에 따르면, 다결정 실리콘은 재충전 튜브로부터 도가니 내의 실리콘 용융물로 강하되어, 도가니 내의 실리콘 용융물이 스플래쉬된다. 실리콘 용융물이 도가니 외부로 스플래쉬되는 경우, 이는 잉곳 제조 장치의 손상을 유발하여 잉곳의 성장 프로세스가 중단되어야 함으로써, 잉곳의 성장 프로세스에 심각한 손상을 입힌다. 또한, 소정 분율의 불순물이 실리콘 용융물에 혼합되어, 실리콘 용융물의 스플래쉬가 도가니 내의 실리콘 용융물의 불순물 농도를 변화시킨다. 그 결과, 바람직하지 않은 품질의 잉곳이 성장되어, 품질의 저하를 야기한다.
따라서, 도가니 내의 실리콘 용융물이 재충전시 스플래쉬되는 것을 방지하기 위한 방법이 통상 개시되고 있다.
예컨대, 다음과 같은 방법이 국제 공개 공보 제02/068732호에 개시되어 있다. 다결정 실리콘이 강하되기 전에, 히터의 출력이 낮춰져 도가니 내의 실리콘 용융물의 표면을 고화시킨다. 그 후, 히터의 출력이 증가되고 소재 고상 다결정 실리콘이 재충전 튜브로부터 강하된다.
그러나, 종래의 재충전 방법에서는, 큰 덩어리의 다결정 실리콘이 강하될 때, 강하된 다결정 실리콘의 충격이 완화될 수가 없다. 그래서, 강하된 다결정 실리콘이 고화된 실리콘 용융물의 표면을 돌파하여, 도가니 내의 실리콘 용융물이 스플래쉬되어, 잉곳의 제조를 중단시킬 수도 있다. 이러한 이유 때문에, 종래의 재충전 방법에서는 큰 덩어리의 다결정 실리콘이 강하될 수가 없다. 큰 덩어리의 소재 다결정 실리콘은 저비용으로 제조되어 제조 비용이 감소될 수 있는 이점이 있다. 또한, 큰 덩어리의 소재 다결정 실리콘이 사용되는 경우, 소재 다결정 실리콘의 전체 표면 영역은 작은 덩어리의 다결정 실리콘이 사용되는 경우보다 동일 하중에서 더 적다. 그 결과, 다결정 실리콘 표면상의 SiO2, 금속과 같은 불순물 및 대기 가스의 혼합 등이 감소될 수 있다. 따라서, 큰 덩어리의 다결정 실리콘을 사용하는 경우, 성장된 잉곳에 있어서, 변위 자유율(dislocation free rate)의 감소와 불순물에 의한 오염 및 핀홀의 형성 등으로 인한 품질의 감소가 제한될 수 있다.
또한, 종래의 재충전 방법에서는 도가니 내의 실리콘 용융물의 표면이 고화된다. 따라서, 실리콘 용융물 표면에서 체적이 팽창되어 도가니의 내부벽을 가압하는 힘이 발생된다. 이러한 힘은 도가니를 파열시킬 수 있다.
본 발명의 목적은, 도가니가 손상 및 파열되는 것을 방지할 뿐만 아니라 성장된 잉곳의 변위 자유율 및 품질의 감소를 제한하면서 큰 덩어리의 다결정 실리콘이 재충전될 수 있는, 소재 다결정 실리콘 재충전 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 소재 다결정 실리콘 재충전 방법은 다음과 같다. 실리콘 단결정 잉곳을 제조하기 위한 방법에서 소재 다결정 실리콘을 재충전하기 위한 방법이며, 소재 다결정 실리콘을 도가니 내에 채우는 채움 단계와, 실리콘 용융물을 형성하기 위해 도가니 내의 채워진 다결정 실리콘을 용융시키는 용융 단계와, 시드 결정체를 실리콘 용융물과 접촉시키고 시드 결정체를 인상시켜 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 인상 단계를 포함하고, 추가의 소재 다결정 실리콘이 용융 단계 및 인상 단계 후에 도가니 내로 공급되고, 완화 구역이, 크기가 작은 소형 다결정 실리콘 덩어리를 도가니 내의 실리콘 용융물의 표면에 도입함으로써 형성되고, 소형 다결정 실리콘 덩어리보다 크기가 큰 대형 다결정 실리콘 덩어리가 완화 구역상으로 공급된다.
본 발명에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에서, 소형 다결정 실리콘 덩어리는 5mm 내지 50mm의 크기를 갖는다.
본 발명에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에서, 소형 다결정 실리콘 덩어리는 5mm 이상 20mm 미만의 크기를 갖는다.
본 발명에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에서, 소형 다결정 실리콘 덩어리는 20mm 내지 50mm의 크기를 갖는다.
본 발명에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에서, 관통하는 통로를 갖는 주 본체와, 주 본체의 일 단부가 개폐될 수 있게 하는 리드 본체를 포함하는 재충전 장치를 더 포함하고, 재충전 장치는 소재 다결정 실리콘을 도가니 내의 실리콘 용융물에 공급하는데 사용된다.
본 발명에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에서, 대형 다결정 실리콘 덩어리는 대형 다결정 실리콘 덩어리가 주 본체의 통로를 통과하는 것을 허용하는 50mm보다 큰 크기를 갖는다.
본 발명에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에서, 재충전 장치의 주 본체의 일 단부가 리드 본체에 의해 폐쇄되고, 소형 다결정 실리콘 덩어리가 주 본체 내로 채워지고, 대형 다결정 실리콘 덩어리가 주 본체 내로 채워진 소형 다결정 실리콘 덩어리상에 채워지고, 리드 본체가 소재 다결정 실리콘을 도가니 내의 실리콘 용융물에 공급하도록 개방된다.
본 발명에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에 따르면, 큰 덩어리의 소재 다결정 실리콘이 재충전되는 경우에도 도가니 내의 실리콘 용융물의 표면상에 형성되는 완화 영역이 충격 완화 부재로서 기능하여, 도가니 내의 실리콘 용융물이 스플래쉬되는 것을 방지하고 도가니가 손상되거나 파열되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 큰 덩어리의 다결정 실리콘이 실리콘 용융물의 스플래쉬 없이 재충전될 수 있어, 성장된 잉곳의 변위 자유율 및 품질의 감소를 방지할 수 있다. 또한, 큰 덩어리의 소재 다결정 실리콘이 저비용으로 제조될 수 있어, 잉곳 제조 비용이 감소될 수 있는 이점을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법을 실시하기 위한 재충전 장치를 도시하는 단면도.
도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법을 도시하는 도면.
도 3은 재충전 장치의 주 본체의 장치배열의 일례를 도시하는 도면.
도 4는 소재로서의 다결정 실리콘의 유형을 도시하는 도면.
본 발명은 양호한 실시예를 도시하는 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법을 수행하기 위한 재충전 장치를 도시하는 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 재충전 장치(10)는 도면에는 도시되지 않은 잉곳 제조 기구 내부에 배열된 도가니(20) 위에 배치된다. 잉곳 제조 기구에서, CZ법이 수행된다. CZ법에서, 소재인 다결정 실리콘은 도가니 내에 채워지고, 도가니 내에 채워진 다결정 실리콘이 불활성 가스, 예컨대 Ar 가스의 대기에서 용융되어 실리콘 용융물이 형성된다. 시드 결정체가 실리콘 용융물과 접촉하도록 이송되고 잉곳이 시드 결정체의 인상에 의해 성장된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 도가니(20)는 히터(30)에 의해 외주연부가 둘러싸여 있다. 히터(30)는 도가니(20)의 내부를 가열하고 다결정 실리콘의 덩어리(이하에선 "다결정 실리콘 덩어리"로도 칭함)를 용융시키는데 사용된다. 도가니(20)는 예컨대 석영으로 제작된 석영 도가니이며, 히터(30)는 예컨대 흑연 히터이다.
재충전 장치(10)는, 양 단부(1a, 1b)를 갖고 외부로 개방되는 관통로를 갖는 중공 원통형 주 본체(1)와, 주 본체의 일 단부가 개폐될 수 있게 하는 리드 본체(2)를 갖는다. 주 본체(1)는 예컨대 석영으로 제조된다. 리드 본체(2)는 단부(1a)의 주연부와 밀접 접촉할 수 있는 원추형 표면(2a)을 갖는 원추형 형상부를 갖는다. 와이어(3)가 리드 본체(2)에 부착되고, 와이어(3)는 도시되지 않은 재충전 장치(10)의 개폐 장치에 연결되도록 단부(1a)에서 단부(1b)까지 주 본체(1)를 관통한다. 주 본체(1)의 형상은 원통형 형상에 제한되지 않으며 칼럼 형상과 같은 다른 형상도 채용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 마찬가지로, 리드 본체(2)의 형상에 대해서도 피라미드 형상과 같은 다른 형상이 채용될 수 있다.
재충전 장치(10)에서, 주 본체(1)의 단부(1a)의 개방 및 폐쇄는 와이어(3)를 풀거나 감음으로써 리드 본체(2)를 수직으로 이동시키는 도시되지 않은 개폐 장치에 의해 수행된다.
상기 재충전 장치(10)를 사용하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법이 이하에서 설명될 것이다. 도 2a 내지 도 2f는 본 발명의 제1 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법을 도시한다.
잉곳의 성장 동안, 재충전은 다결정 실리콘 덩어리 용융 단계 또는 잉곳 인상 단계 후에 수행된다. 맨 처음, 재충전 장치(10)의 주 본체(1)의 단부(1a)가 리드 본체(2)에 의해 폐쇄된다. 그 다음, 소재 다결정 실리콘이 주 본체(1) 내에 채워진다. 소재 다결정 실리콘이 채워지는 동안, 재충전 장치(10)는 예컨대, 주 본체(1)의 축 방향이 수직 방향으로 배향되는 방식으로 자세를 취한다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 재충전 장치(10)는, 지지체(4)에 의해 주 본체(1)가 예컨대 주 본체(1)의 축 방향이 수직 방향에 대해 소정의 각도, 예컨대 45도가 되도록 기울어질 수 있는 방식으로 자세를 취할 수 있다.
본 명세서에서는 다결정 실리콘 덩어리의 크기에 따라, 소재 다결정 실리콘으로서의 다결정 실리콘 덩어리는 세 종류, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1), 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2) 및 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)로 나눠진다. 도 4에 도시된 바와 같이, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1)는 작은 덩어리 크기를 갖는 다결정 실리콘 덩어리이고, 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)는 중간 덩어리 크기를 갖는 다결정 실리콘 덩어리이며, 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)는 큰 덩어리 크기를 갖는 다결정 실리콘 덩어리이다. 덩어리의 크기는 덩어리의 최대 폭(h)에 의해 정의된다. 20mm보다 작은 최대 폭(h)을 갖는 다결정 실리콘 덩어리가 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1)이다. 20mm 내지 50mm의 최대 폭(h)을 갖는 다결정 실리콘 덩어리가 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)이다. 50mm보다 큰 최대 폭(h)을 갖는 다결정 실리콘 덩어리가 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)이다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 주 본체(1) 내에 소재 다결정 실리콘을 채우는 것은 후술될 완화 층을 형성하기 위한 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리와 함께 처음에 개시된다. 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)로서, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1) 또는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 사용된다. 즉, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1) 또는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 소재 다결정 실리콘으로 아직 채워지지 않은 주 본체(1) 내에 채워진다. 채워질 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)의 양은 도가니(20)의 직경 등에 기초하며, 도가니(20) 내의 실리콘 용융물(40)의 표면(41)은 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)로 완전히 덮인다. 본 실시예에서는, 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)로서 사용된다.
다음으로, 도 2c에 도시된 바와 같이, 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)보다 크기가 큰 다결정 실리콘 덩어리, 즉 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 주 본체(1) 내에 채워진다. 따라서, 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)는 하단부(1a)로부터 주 본체(1) 내부에 배치되고, 후속하여 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2) 위에 배치되는데, 상기 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)보다 크기가 크다.
다결정 실리콘 덩어리가 주 본체(1) 내에 채워지는 동안, 상술된 바와 같이 주 본체(1)는 도 3에 도시된 바와 같이 수직 방향에 대해 소정의 각도로 기울어질 수도 있다. 이런 방식으로, 다결정 실리콘 덩어리가 주 본체(1) 내에 채워질 때 주 본체(1)에 대한 다결정 실리콘 덩어리의 충격을 완화시킬 수 있다. 특히 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 채워질 때, 이 전에 주 본체(1)의 바닥에 배치되어 있던 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 완화 부재로서 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 하강으로 인한 충격을 완화시킨다.
주 본체(1) 내로의 다결정 실리콘 덩어리(S)의 채워짐이 마무리된 후, 재충전 장치(10)는 도가니(20) 위에 소정의 위치에 배치된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 재충전 장치(10)가 배치될 위치는 주 본체(1)의 축 방향이 수직 방향과 일치하는 도가니(20) 위의 위치이다.
다음으로, 도 2d에 도시된 바와 같이, 리드 본체(2)가 하향 이동하여 주 본체(1)의 단부(1a)를 개방시키도록 와이어(3)가 도시되지 않은 개폐 장치에 의해 풀려 연장된다. 이러한 방식으로, 맨 먼저, 주 본체(1)의 하부에 배치된 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 도가니(20) 내의 실리콘 용융물(40)상으로 공급된다. 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)는 크기가 작기 때문에, 실리콘 용융물(40)의 표면(41)상에서 표류한다. 이러한 이유 때문에, 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 실리콘 용융물(40)의 표면(41)상에 배치되어 표면(41)을 덮는다. 다음으로, 도 2e에 도시된 바와 같이, 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)보다 큰 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 도가니(20) 내의 다결정 실리콘 용융물(40) 상으로 공급된다. 이때, 리드 본체(20)는 주 본체(10)의 단부(1a)의 개방 폭이 더 넓어지도록 추가로 낮춰진다. 이때로부터, 실리콘 용융물(40)의 표면(41)은 실리콘 용융물(40)의 표면(41)상에서 표류하는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)의 층상으로 강하된 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3) 및 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)로 덮이고, 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 강하에 의한 충격은 표류하는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)의 층에 의해 완화된다. 즉, 도가니(20) 내로 맨 먼저 공급된 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 다결정 실리콘 용융물(40)의 표면(41)상에 배치되어 완화 구역인 완화 층(50)을 형성한다. 그 후, 도 2f에 도시된 바와 같이, 재충전 장치(10)의 주 본체(1) 내부에 채워진 모든 다결정 실리콘 덩어리가 도가니(20) 내로 공급되고, 재충전이 마무리된다.
재충전된 다결정 실리콘 덩어리는 히터(30)에 의해 가열됨으로써 용융되어 실리콘 용융물이 된다. 이런 방식으로, 목표량의 실리콘 용융물이 도가니(20) 내로 공급된다.
다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법이 설명될 것이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법은, 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)로서 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 아니라 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1)가 사용된다는 점에서만, 상기 제1 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법과 다르다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 재충전 방법에서는, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1)가 도가니(20) 내의 실리콘 용융물(40)의 표면(41)상에 완화 층(50)을 형성하고, 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 이러한 완화 층(50)상으로 공급된다. 본 발명의 제2 실시예에 따른 재충전 방법은, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1)가 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)로서 사용된다는 점에서만, 제1 실시예에 따른 재충전 방법과 다르다. 재충전 프로세스는 양쪽 방법 모두 동일하기 때문에, 재충전 프로세스의 상세한 설명은 생략될 것이다.
다음으로, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 있어서 주 본체(1)로부터 도가니(20)로 소재 다결정 실리콘을 공급하는 방법이 설명될 것이다. 와이어(3)의 길이를 조절함으로써 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1) 또는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)인 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)가 맨 먼저 도가니(20) 내로 공급되고, 그 후, 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)로 이루어진 완화 층(50)이 실리콘 용융물(40)의 표면(41)상에 형성되도록 모든 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)가 도가니(20) 내로 공급되고, 그 후, 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 완화 층(50)상으로 도입된다. 예컨대, 다결정 실리콘 덩어리가 주 본체(1)로부터 도가니(20)로 공급될 때, 맨 먼저, 리드 본체(2)가 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)의 통과는 허용하지만 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 통과는 방지하는 폭 만큼 낮춰져 주 본체(1)의 단부(1a)를 개방시키고, 그 후, 모든 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)가 도가니(20) 내로 공급되고, 리드 본체(2)는 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 통과를 허용하도록 추가로 낮춰진다.
재충전 장치(10)의 주 본체(10) 내로 채워지는 다결정 실리콘 덩어리의 양에 대해서는, 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)와 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 총량이 재충전될 다결정 실리콘의 목표량에 대응하는 것이 바람직하다.
상술된 바와 같이, 다결정 실리콘 덩어리가 본 발명의 실시예에 따른 재충전 방법으로 재충전될 때, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1) 또는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 맨 먼저 도입되고, 그 후, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1) 또는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 도가니(20) 내의 실리콘 용융물(40)의 표면(41)상에 배치되어 완화 층(50)을 형성한다. 그 다음부터, 크기가 큰 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 완화 층(50)상으로 도입되고, 완화 층(50)이 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 하강으로 인한 충격을 완화시킨다. 이는 도가니(20) 내의 실리콘 용융물(40)이 대형 다결정 실리콘 덩어리의 하강 충격으로 인해 스플래쉬되는 것을 방지할 수 있다.
완화 층(50)을 형성함으로써, 종래의 재충전 방법으론 재충전될 수 없을 만큼 큰 크기를 갖는 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)를 실리콘 용융물(40)의 스플래쉬 없이 재충전할 수 있다.
또한, 완화 층(50)은 실리콘 용융물(40)상에서 표류하는 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1) 또는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)로 형성된다. 완화 층(50)을 형성하는 것은 힘이 도가니(20)에 가해지는 것을 방지함으로써, 도가니(20)가 손상되거나 파열되지 않는다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 재충전 방법에 따르면, 대형 다결정 실리콘 덩어리를 충전하는 경우 대형 다결정 실리콘 덩어리의 소재가 저비용으로 제조될 수 있다. 따라서, 잉곳 제조 비용이 감소되고 소재 다결정 실리콘의 총 표면 영역이 더 작아져, 다결정 실리콘 표면상의 SiO2, 금속과 같은 불순물 및 대기 가스의 혼합 등이 감소될 수 있다. 따라서, 성장된 잉곳에 있어서, 변위 자유율의 감소와, 불순물에 의한 오염 및 핀홀의 형성 등으로 인한 품질의 감소가 제한될 수 있다. 따라서, 재충전될 다결정 실리콘 덩어리는 양호하게는, 종래의 재충전 방법으론 스플래쉬 없이는 도가니 내로 재충전될 수 없을 만큼 큰 크기를 갖는 대형 다결정 실리콘 덩어리이다.
상기 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)로서의 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1)의 크기는 잉곳 내의 핀홀의 형성과 같은 결점이 나타나지 않도록 적어도 5mm로 설정되는 것이 바람직하다.
도가니(20) 내에 형성된 완화 층(50)상으로 도입될 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 최대 크기는 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 재충전 장치(10)의 주 본체(1) 내의 통로를 통과할 수 있도록 설정된다. 예컨대, 주 본체(1)의 통로의 직경이 200mm인 경우, 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 최대 크기는 200mm이다. 그러나, 다결정 실리콘 덩어리가 주 본체(1) 내로 도입될 때, 충격으로 인한 주 본체(1)에 대한 손상의 방지를 고려하면, 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 크기는 최대 200mm인 것도 바람직하다. 그러나, 주 본체(1)에 대한 손상의 방지를 고려한 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)의 최대 크기는 재료 및 주 본체(1)의 크기에 따르며, 상술된 바에 한정되지 않는다.
본 발명의 예가 이하에서 설명될 것이다.
다결정 실리콘 덩어리는 상술된 본 발명의 제1 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법을 이용하여 재충전되었다(예 1 내지 예 4).
예 1에선, 60mm의 최대 폭(h)을 갖는 다결정 실리콘 덩어리가 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)로서 사용되었다. 예 2에선, 100mm의 최대 폭(h)을 갖는 다결정 실리콘 덩어리가 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)로서 사용되었다. 예 3에선, 150mm의 최대 폭(h)을 갖는 다결정 실리콘 덩어리가 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)로서 사용되었다. 예 4에선, 200mm의 최대 폭(h)을 갖는 다결정 실리콘 덩어리가 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)로서 사용되었다. 예 1 내지 예 4 중 어느 예에서든지, 50mm의 최대 폭(h)을 갖는 다결정 실리콘 덩어리가 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)인 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)로서 사용되었다. 재충전 장치(10)에서, 주 본체(1)의 통로의 직경은 200mm보다 약간 더 컸다.
비교예로서, 다결정 실리콘 덩어리가 종래의 소재 다결정 실리콘 재충전 방법을 이용하여 재충전되었다(비교예 1 내지 비교예 4).
종래의 재충전 방법은 본 명세서에서, 다결정 실리콘 덩어리가 완화 층 형성 없이 재충전된다는 점에서 본 발명의 실시예에 따른 재충전 방법과 다르다. 즉, 동일한 크기의 다결정 실리콘 덩어리가 각각의 예에서 재충전 장치(10)로부터 도가니(20)로 도입되었다.
비교예 1에선, 60mm의 최대 폭(h)을 갖는 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 충전되었다. 비교예 2에선, 100mm의 최대 폭(h)을 갖는 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 충전되었다. 비교예 3에선, 150mm의 최대 폭(h)을 갖는 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 충전되었다. 비교예 4에선, 200mm의 최대 폭(h)을 갖는 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 충전되었다.
참조예로서, 상술된 종래의 소재 다결정 실리콘 재충전 방법이 30mm의 최대 폭(h)을 갖는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)(참조예 1) 및 50mm의 최대 폭(h)을 갖는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)(참조예 2)를 재충전하는데 사용되었다.
예 1 내지 예 4와, 비교예 1 내지 비교예 4와, 참조예 1 및 참조예 2에서, 다결정 실리콘 덩어리를 도입할 때의 실리콘 용융물의 스플래쉬 상태가 관측되었다. 관측 결과는 다음과 같다.


번호
 예 비교예 참조예
덩어리
크기		 스플래쉬
상태		 덩어리
크기		 스플래쉬
상태		 덩어리
크기		 스플래쉬
상태
(mm) (mm) (mm)
1 60 ○ 60 △ 30 ○
2 100 ○ 100 △ 50 ○
3 150 ○ 150 ×
4 200 ○ 200 ×
표 1에서, 기호 "○"는 도가니 외부로의 실리콘 용융물의 스플래쉬가 없다는 것을 나타내고, 기호 "△"은 도가니 외부로의 실리콘 용융물의 스플래쉬는 발생하였지만 도가니는 손상되거나 파열되지 않았다는 것을 나타내고, 기호 "×"는 도가니 외부로의 실리콘 용융물의 스플래쉬가 발생하였으며 도가니도 손상되거나 파열되었다는 것을 나타낸다.
표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예의 재충전 방법에 따르면, 크기가 큰 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 실리콘 용융물의 스플래쉬 없이 재충전될 수 있다. 그러나, 종래의 재충전 방법에서는, 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 재충전되는 경우, 실리콘 용융물이 스플래쉬된다. 또한, 참조예에 의해 명확해진 바와 같이, 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 재충전될 때, 종래의 재충전 방법의 경우에서조차도 실리콘 용융물의 스플래쉬는 발생하지 않는다.
상술된 바와 같이, 본 발명의 재충전 방법에 따르면, 크기가 큰 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)가 재충전될 때조차도 실리콘 용융물의 스플래쉬가 발생하지 않는다. 따라서, 종래의 재충전 방법으론 재충전될 수 없을 만큼 큰 크기를 갖는 대형 다결정 실리콘 덩어리(S3)를 실리콘 용융물(40)의 스플래쉬 없이 재충전할 수 있다. 또한, 도가니가 재충전에 의해 손상되거나 파열되는 것을 방지하고, 성장된 잉곳의 변위 자유율 및 품질의 감소도 방지할 수 있다. 또한, 큰 덩어리의 소재 다결정 실리콘이 저비용으로 제조됨으로써, 잉곳의 제조 비용이 감소될 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에서는, 다결정 실리콘 덩어리는 재충전 장치(10)를 사용하여 도가니(20) 내로 도입된다는 것을 알아야 한다. 그러나, 다결정 실리콘 덩어리를 도입하기 위한 방법은 이러한 방법에 한정되지 않는다. 다결정 실리콘 덩어리를 도입하기 위한 방법으로서, 완화 층이 상술된 바와 같이 생성되는 한, 어떠한 방법도 이용될 수도 있다. 예컨대, 다른 형태의 재충전 장치가 사용될 수도 있으며, 다결정 실리콘 덩어리는 재충전 장치의 사용 없이 도입될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법에서는, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1) 또는 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)가 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)로서 사용된다. 그러나, 소형 다결정 실리콘 덩어리(S1)와 중형 다결정 실리콘 덩어리(S2)를 혼합하여 얻은 다결정 실리콘 덩어리도 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리(Sb)로서 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 소재 다결정 실리콘 재충전 방법은 CZ법에 적용될 수 있다. 이러한 CZ법은 상술된 바에 한정되지 않으며, 본 발명은 예컨대, 자기장을 이용하는 MCZ법뿐만 아니라 실리콘 이외의 재료에도 적용될 수 있다.
1 : 주 본체
1a, 1b : 단부
2 : 리드 본체
2a : 원추형 표면
3 : 와이어
4 : 지지체
20 : 도가니
30 : 히터
40 : 실리콘 용융물
50 : 완화 층
S1 : 소형 다결정 실리콘 덩어리
S2 : 중형 다결정 실리콘 덩어리
S3 : 대형 다결정 실리콘 덩어리
Sb : 완화 층 형성 다결정 실리콘 덩어리

Claims (7)

  1. 실리콘 단결정 잉곳을 제조하기 위한 소재 다결정 실리콘 재충전 방법이며,
    소재 다결정 실리콘을 도가니 내에 채우는 채움 단계와,
    실리콘 용융물을 형성하기 위해 도가니 내의 채워진 다결정 실리콘을 용융시키는 용융 단계와,
    시드 결정체를 실리콘 용융물과 접촉시키고 시드 결정체를 인상시켜 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 인상 단계를 포함하고,
    추가의 소재 다결정 실리콘이 용융 단계 및 인상 단계 후에 도가니 내로 공급되고,
    완화 구역이, 크기가 작은 소형 다결정 실리콘 덩어리를 도가니 내의 실리콘 용융물의 표면에 도입함으로써 형성되고,
    소형 다결정 실리콘 덩어리보다 크기가 큰 대형 다결정 실리콘 덩어리가 완화 구역상으로 공급되는,
    소재 다결정 실리콘 재충전 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소형 다결정 실리콘 덩어리는 5mm 내지 50mm의 크기를 갖는,
    소재 다결정 실리콘 재충전 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 소형 다결정 실리콘 덩어리는 5mm 이상 20mm 미만의 크기를 갖는,
    소재 다결정 실리콘 재충전 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 소형 다결정 실리콘 덩어리는 20mm 내지 50mm의 크기를 갖는,
    소재 다결정 실리콘 재충전 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 관통하는 통로를 갖는 주 본체와, 주 본체의 일 단부가 개폐될 수 있게 하는 리드 본체를 포함하는 재충전 장치를 더 포함하고, 상기 재충전 장치는 소재 다결정 실리콘을 도가니 내의 실리콘 용융물에 공급하는데 사용되는,
    소재 다결정 실리콘 재충전 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 대형 다결정 실리콘 덩어리는 상기 대형 다결정 실리콘 덩어리가 주 본체의 통로를 통과하는 것을 허용하는 50mm보다 큰 크기를 갖는,
    소재 다결정 실리콘 재충전 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 재충전 장치의 주 본체의 일 단부가 리드 본체에 의해 폐쇄되고, 상기 소형 다결정 실리콘 덩어리가 주 본체 내로 채워지고, 상기 대형 다결정 실리콘 덩어리가 주 본체 내로 채워진 소형 다결정 실리콘 덩어리상에 채워지고, 상기 리드 본체가 소재 다결정 실리콘을 도가니 내의 실리콘 용융물에 공급하도록 개방되는,
    소재 다결정 실리콘 재충전 방법.
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