KR20130029876A - 단결정 잉곳 제조 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

실시예에 따른 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳의 제조 방법은, 단결정 잉곳이 성장되는 성장로의 내부로 불활성 가스를 가변 유속으로 공급하는 단계를 포함한다.

Description

단결정 잉곳 제조 방법 및 장치 {Method and apparatus for manufacturing single crystal ingot}
본 발명은 단결정 잉곳(ingot)을 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
실리콘(silicon) 단결정 잉곳 성장에서, 실리콘 융액과 석영 도가니(미도시)가 접하는 석영 도가니 내부 표면에서 실리콘 융액으로 용해되어 약 98% 이상의 산소는 실리콘 융해의 표면에서 SiO의 형태의 기체로 증발하고, 실리콘 단결정 잉곳과 실리콘 융해의 계면 근방에 존재하는 산소는 실리콘 단결정 잉곳 내로 혼입된다.
1980년대 초부터 산업적으로 지배적 위치에서 이용되는 쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 법으로 성장된 실리콘 결정의 산소 농도는 결정의 길이에 따라 변화하는 데, 결정의 중간 및/또는 저부에서 보다는 종 결정(seed)의 단부에서 더 높다. 또한, 결정 단면부의 반경 방향을 따라서도 산소 농도가 달라진다.
잉곳 내의 산소 농도를 조절하는 여러 가지의 종래의 방법들 중 하나가 미국 특허 번호(US No. 4,436,577)에 개시되어 있다. 개시된 종래의 방법에 의하면, 도가니(미도시)의 회전 방향과 반대 방향으로 결정 시드봉(미도시)을 회전시키고, 도가니의 회전 속도와 결정 시드봉의 회전 속도를 가변시켜 산소 농도를 조절하였다. 그러나, 직경이 큰 실리콘 결정이 요구될 때 또는 회전 속도를 최적화하기 위해 부여되는 물리학적인 제한 요인들로 인해, 축 방향이나 반경 방향에 관계없이 균일한 산소 농도를 갖는 단결정 잉곳을 제조하는 데 어려움이 있다.
이러한 어려움을 극복하기 위한 다른 종래의 방법은 축 대칭인 방사상의 커스프(CUSP) 자장을 이용하지만, 여전히 축 방향 및 반경 방향으로 산소 농도의 균일성이 절실히 요구되는 실정이다.
실시예는 원하는 산소 농도를 갖는 단결정 잉곳을 제조하는 방법 및 장치를 제공한다.
일 실시예의 일면에 의하면, 쵸크랄스키법(Czochralski, CZ)에 의한 단결정 잉곳 제조 방법은, 단결정 잉곳이 성장되는 성장로의 내부로 불활성 가스를 가변 유속으로 공급하는 단계를 포함한다.
일 실시예의 다른 면에 의하면, 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 방법은, 단결정 잉곳이 성장되는 성장로의 내부에 있는 실리콘 융액의 표면에서 불활성 가스의 난류를 형성하는 단계를 포함한다. 불활성 가스의 난류를 형성하는 단계는 성장로의 내부로 불활성 가스를 가변 유속으로 공급하는 단계를 포함한다. 또한, 불활성 가스의 난류를 형성하는 단계는 성장로 내부의 압력을 변화시키는 단계를 더 포함한다.
이 때, 불활성 가스는 아르곤이고, 불활성 가스의 유속의 가변 주기와 불활성 가스의 유속의 가변 폭 중 적어도 하나는 일정할 수 있다.
또한, 불활성 가스의 가변 유속의 진동수는 0.0001 ㎐ 내지 0.5 ㎐ 일 수 있다.
또한, 불활성 가스의 유속은 사인파 또는 구형파 형태로 가변될 수 있다.
또한, 단결정 잉곳 내의 산소 농도가 0 ppma 보다 크고 15 ppma 이하가 되도록 불활성 가스의 유속을 가변시킬 수 있다.
다른 실시예에서, 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치는 단결정 잉곳이 성장되는 성장로, 성장로의 내부로 불활성 가스를 공급하는 가스 유입 라인, 및 가스 유입 라인의 경로 상에 마련되어, 불활성 가스의 공급 유속을 가변시키는 유속 제어부를 포함한다.
이 때, 유속 제어부는 불활성 가스의 유속의 가변 주기 및 불활성 가스의 유속의 가변 폭 중 적어도 하나가 일정하게 되도록 불활성 가스의 유속을 제어할 수 있다.
또한, 단결정 잉곳 제조 장치는, 성장로의 내부에 있는 실리콘 융액의 표면에서 불활성 가스의 난류가 형성되도록 성장로 내부의 압력을 제어하는 압력 제어부를 더 포함할 수 있다.
실시예는 단결정 잉곳 내의 산소 농도를 원하는 대로 다양하게 조절할 수 있고, 특히 낮은 산소 농도를 갖는 실리콘 단결정을 고품질로 원활히 성장시켜 수율을 향상시키며 생산성을 높일 수 있고, 약 300㎜ 이상의 대구경 실리콘 단결정 잉곳 및 웨이퍼를 제공할 수 있고, 약 15 ppma 이하의 저 산소 농도를 갖는 실리콘 단결정 잉곳 및 웨이퍼를 제조할 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 단결정 잉곳의 제조 방법에 따른, 실리콘 융액의 표면에서 아르곤 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른, 실리콘 융액의 표면에서 불활성 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 단결정 잉곳 제조 방법에 따른, 아르곤 가스의 유속을 나타내는 그래프이다.
도 4 및 5는 본 발명의 실시예들에 따른 아르곤 가스의 유속을 나타내는 그래프들이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 방법과 종래의 방법들을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른, 단결정 잉곳 제조 장치의 구조를 나타내는 도면이다.
이하, 실시예들을 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이므로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다. 각 도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성 요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 발명의 실시예에 따른, 쵸크랄스키법(Czochralski, CZ)에 의한 단결정 잉곳(ingot) 제조 방법은, 단결정 잉곳이 성장되는 성장로의 내부에 있는 실리콘 융액의 표면에서 불활성 가스의 난류(turbulence flow)를 형성한다. 여기서, 불활성 가스는 아르곤(Ar)일 수 있다.
도 1은 종래의 단결정 잉곳의 제조 방법에 의할 경우, 실리콘 융액의 표면에서 아르곤 가스의 흐름을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 의할 경우 실리콘 융액의 표면에서 불활성 가스의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 제조 방법에 의할 경우, 아르곤 가스의 층류(laminar flow)가 실리콘 융액의 표면에 형성된다. 그러나, 본 실시예에 의할 경우, 실리콘 융액의 표면에서 도 2에 도시된 바와 같이 불활성 가스의 난류가 형성된다.
이와 같이, 실리콘 융액의 표면에서 불활성 가스의 층류가 형성되는 종래와 비교할 때, 본 실시예에서 실리콘 융액의 표면에서 불활성 가스의 난류가 형성될 경우, 실리콘 융액의 표면으로부터 증발(또는, 휘발)되는 산소의 량이 더 증대될 수 있다. 이로 인해, 단결정 잉곳 내의 산소 농도가 더 낮아질 수 있다.
실시예의 일 모습에 의하면, 불활성 가스의 난류를 실리콘 융액의 표면에 형성하기 위해, 불활성 가스를 가변 유속(flow rate)으로 성장로 내부로 공급할 수 있다.
실시예의 다른 모습에 의하면, 불활성 가스의 유속을 가변시키는 것과 함께 성장로 내부의 압력을 변화시켜, 불활성 가스의 난류를 실리콘 융액의 표면에 형성할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 불활성 가스의 유속 및 성장로 내부의 압력을 가변하여 불활성 가스의 실리콘 융액 표면에서의 난류 정도를 조절할 수 있기 때문에, 실리콘 융액의 표면으로서 증발되는 산소의 량 및 잉곳 내의 산소 농도를 조절할 수 있다.
도 3은 종래의 단결정 잉곳 제조 방법에 의할 경우, 아르곤 가스의 유속을 나타내는 그래프이고, 도 4 및 5는 본 발명의 실시예들에 따른 불활성 가스의 유속을 나타내는 그래프로서, 각 그래프에서 종축은 유속을 lpm(liter per minute)의 단위로 나타내며 횡축은 시간(time)을 나타낸다.
종래의 경우, 약 200㎜ 실리콘 단결정 성장시 도 3에 도시된 바와 같이 아르곤 가스가 성장로로 공급되는 유속이 시간에 따라 변하지 않고 일정하므로, 도 1에 도시된 바와 같이 실리콘 융액의 표면에서의 아르곤 가스의 층류가 형성된다.
반면에, 본 발명의 실시예에 따르면, 성장로로 유입되는 불활성 가스가 유속의 주기와 폭 중 적어도 하나를 가변시켜, 실리콘 융액의 표면에서 불활성 가스의 난류를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 불활성 가스의 유속의 가변 주기와 불활성 가스의 유속의 가변 폭 중 적어도 하나를 일정하게 할 수 있다. 예를 들어, 불활성 가스가 성장로로 유입되는 유속은 도 4에 도시된 바와 같이 사인파(sinusoidal) 형태로 가변되거나 도 5에 도시된 바와 같이 구형파(rectangular) 형태로 가변될 수 있다.
이와 같이, 불활성 가스가 공급되는 유속의 가변 주기와 가변 폭 중 적어도 하나를 조정하여, 실리콘 융액의 표면으로부터 산소의 증발 량을 조절할 수 있다. 그리고, 실리콘 융액의 표면으로부터 산소의 증발량을 조절하여, 실리콘 단결정 잉곳 내에 함유된 산소 농도를 원하는 값으로 조절할 수 있다.
또한, 불활성 가스의 난류가 실리콘 융액의 표면에 형성될 경우, 성장되는 단결정 잉곳의 축 방향 및 반경 방향으로 일정한 산소 농도를 갖는 잉곳이 제조될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 불활성 가스의 유속을 가변시켜, 단결정 잉곳 내의 산소 농도가 약 0 ppma (parts per million atoms) 보다 크고 15 ppma 이하가 되도록 할 수 있다. 특히, 불활성 가스의 유속을 가변시켜 실리콘 융액의 표면으로부터 증발되는 산소의 량을 조절하므로서, 단결정 잉곳 내의 산소 농도가 약 8 ppma 이상 12 ppma 미만이 되도록 할 수 있다.
예를 들어, 아르곤 가스의 유속의 변화폭을 20 lpm 로 하고, 진동수를 0.1 ㎐로 할 경우, 단결정 잉곳 내의 산소 농도를 약 1 ppma 내지 1.5 ppma 정도 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 불활성 가스의 유속의 진동수는 약 0.0001 ㎐ 내지 0.5 ㎐ 일 수 있고, 그의 가변 폭은 유속의 목표치(target)(즉, 소정 기준값)의 약 0.5배 이하의 범위에서 결정할 수도 있다. 만일, 유속의 목표치가 90 lpm인 경우, 유속의 가변 폭은 45 lpm 이하의 범위에서 결정될 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 방법(■)과 종래의 방법들(○ 및 ●)을 비교하여 나타내는 그래프로서, 종축은 초기 산소 농도(initial oxygen content)를 ppma의 단위로 나타내고, 횡축은 결정의 축(axial crystal) 길이를 ㎜의 단위로 나타낸다.
핫 존(hot zone)의 크기(size)를 600㎜로하고, 차지(charge)를 100㎏으로 하고, 실리콘 단결정을 1000㎜의 길이로 성장(grow)시키고, 유속의 폭을 90 lpm으로 하고, 성장로의 내부 압력을 32 torr로 하고, 단결정의 회전 속도를 18 rpm으로 하고, 도가니의 회전 속도를 4 rpm으로 하여, 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 경우, 잉곳에 포함된 초기 산소의 농도는 도 6에 도시된 바와 같이 종래의 경우(○ 및 ●) 보다 본 실시예(■)에서 더 낮음을 알 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 장치의 구성도를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다. 이하의 도면은 본 실시예의 이해를 돕기 위한 것으로서, 본 실시예의 범위를 한정하지 않으며 당업자에 의해 다른 형태로 구성될 수 있음은 자명하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 단결정 잉곳을 제조하는 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 쵸크랄스키법에 의해 단결정 잉곳을 제조하는 장치는, 성장로(9), 유속 제어부(11), 가스 유입 라인(13) 및 압력 제어부(35)를 포함한다.
도 7에 도시된 장치에서, 단결정 잉곳이 성장되는 성장로(9)의 내부로 아르곤과 같은 불활성 가스가 가스 유입 라인(13)을 통해 유입된다. 유속 제어부(11)는 가스 유입 라인(13)의 경로 상에 마련되어, 불활성 가스의 공급 유속을 변화시켜 실리콘 융액(17)의 표면(19)에서 불활성 가스의 난류가 형성되도록 한다.
유속 제어부(11)는 불활성 가스의 유속의 가변 주기 및 가변 폭 중 적어도 하나가 일정하게 되도록 불활성 가스의 유속을 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 유속 제어부(11)는 프로그래머블 로직 콘트롤러(PLC:Programmable Logic Controller)(미도시)에 의해 구현될 수 있다.
또한, 압력 제어부(35)는 불활성 가스의 난류가 실리콘 융액(17)의 표면(19)에 형성되도록 성장로(9) 내부의 압력을 제어한다.
따라서, 실리콘 융액(17)의 표면(19)에서 불활성 가스의 난류에 의해, 실리콘 융액(17)의 표면(19)으로부터 증발되는 산소의 량이 많아지고, 이로 인해, 단결정 잉곳(15) 내의 산소 농도를 감소시킬 수 있다.
그 밖에, 도 7에 도시된 장치는, 상부 회전부(3), 케이블(5), 석영 도가니(21), 흑연 도가니(23), 히터(heater)(25), 측면 단열재(27), 흑연 도가니 지지축(29), 하부 구동부(31), 하부 회전부(33) 및 하부 단열재(37)를 더 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치(1)는 잉곳(15)이 성장되는 성장로(9) 안의 실리콘 융액(17)을 인상로(8)로 끌어올리는 방식으로 구성되어 있다. 인상로(8) 위에는 잉곳(15)을 성장시킬 때 종결정(7)을 회전시키기 위한 상부 회전부(3)에 케이블(5)이 연결되어 있다. 성장로(9) 내부에는 실리콘 융액(17)이 담긴 석영 도가니(21)가 있고, 그 둘레에는 고온의 실리콘 융액(17)에 의해 형태가 변할 수 있는 석영 도가니(21)를 지지하기 위한 흑연 도가니(23)가 마련된다. 그 하부에는 흑연 도가니(23)를 받치고 있는 흑연 도가니 지지축(29)을 승하강 및 회전시킬 수 있도록 하부 구동부(31) 및 하부 회전부(33)가 있으며, 그 둘레에는 실리콘을 녹이고 공정 중에 열을 공급하기 위한 흑연 발열체로서의 히터(25)가 설치되어 있다. 성장로(9) 내의 단열을 위해 히터(25)의 바깥쪽에는 측면 단열재(27) 및 하부 단열재(37)가 마련될 수 있다. 또한, 압력 제어부(35)가 하부 단열재(37) 아래에 위치한다.
전술한 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치(1)를 이용하여 잉곳을 성장시키는 방법은 다음과 같다.
석영 도가니(21)의 내부에 고순도 다결정 실리콘을 적재하고 히터(25)로부터 복사되는 열로 융점 이상으로 실리콘을 가열하여 실리콘 융액(17)을 만든다. 그리고, 수평 자장을 인가하고, 케이블(5)을 풀어냄으로써, 실리콘 융액(17)의 표면(19) 대략 중심부에 종결정(7)의 선단을 접촉 또는 침지시킨다. 그 후, 흑연 도가니 지지축(29)을 적절한 방향으로 회전시킴과 동시에, 케이블(5)을 회전시키면서 감아 올려 종결정(7)을 인상함으로써, 잉곳(15)의 성장이 개시된다. 이 후, 인상속도와 온도를 적절히 조절하는 것에 의해 대략 원추 형상의 잉곳을 얻는 것이 가능하다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
3: 상부 회전부
5: 케이블
9: 성장로
11: 유속 제어부
13: 가스 유입 라인
21: 석영 도가니
23: 흑연 도가니
25: 히터
27: 측면 단열재
29: 흑연 도가니 지지축
31: 하부 구동부
33: 하부 회전부
35: 압력 제어부
37: 하부 단열재

Claims (12)

  1. 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 방법에 있어서,
    상기 단결정 잉곳이 성장되는 성장로의 내부로 불활성 가스를 가변 유속으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  2. 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 방법에 있어서,
    상기 단결정 잉곳이 성장되는 성장로의 내부에 있는 실리콘 융액의 표면에서 불활성 가스의 난류를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 불활성 가스의 난류를 형성하는 단계는
    상기 성장로의 내부로 상기 불활성 가스를 가변 유속으로 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 불활성 가스의 난류를 형성하는 단계는
    상기 성장로 내부의 압력을 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 불활성 가스는 아르곤인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  6. 제1 항 또는 제3 항에 있어서, 상기 불활성 가스의 유속의 가변 주기와 상기 불활성 가스의 유속의 가변 폭 중 적어도 하나는 일정한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  7. 제1 항 또는 제3 항에 있어서, 상기 불활성 가스의 가변 유속의 진동수는 0.0001 ㎐ 내지 0.5 ㎐ 인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  8. 제1 항 또는 제3 항에 있어서, 상기 불활성 가스의 유속은 사인파 또는 구형파 형태로 가변되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  9. 제1 항 또는 제3 항에 있어서, 상기 단결정 잉곳 내의 산소 농도가 0 ppma 보다 크고 15 ppma 이하가 되도록 상기 불활성 가스의 상기 유속을 가변시키는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  10. 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치에 있어서,
    상기 단결정 잉곳이 성장되는 성장로;
    상기 성장로의 내부로 불활성 가스를 공급하는 가스 유입 라인; 및
    상기 가스 유입 라인의 경로 상에 마련되어, 상기 불활성 가스의 공급 유속을 가변시키는 유속 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 유속 제어부는
    상기 불활성 가스의 유속의 가변 주기 및 상기 불활성 가스의 유속의 가변 폭 중 적어도 하나가 일정하게 되도록 상기 불활성 가스의 유속을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 성장로의 내부에 있는 실리콘 융액의 표면에서 상기 불활성 가스의 난류가 형성되도록 상기 성장로 내부의 압력을 제어하는 압력 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 장치.
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