KR20140088117A

KR20140088117A - 단결정의 제조 방법

Info

Publication number: KR20140088117A
Application number: KR1020147011472A
Authority: KR
Inventors: 아츠시 이와사키
Original assignee: 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
Priority date: 2011-11-01
Filing date: 2012-10-02
Publication date: 2014-07-09
Also published as: US20140238292A1; DE112012004206B4; US9738988B2; DE112012004206T5; KR101917851B1; CN103890241B; JP5782996B2; WO2013065232A1; JP2013095636A; CN103890241A

Abstract

본 발명은, CZ법에 의한 단결정의 제조 방법에 있어서, 단결정을 제조하는 로 내에서 사용하는 적어도 1개의 흑연부품의 Ni 농도를 분석하여, 이 분석한 Ni 농도가 30ppb 이하인 흑연부품을 사용하여 상기 단결정을 제조하는 단결정의 제조 방법이다. 이에 따라, CZ법에 의한 단결정의 제조에 있어서, LT(Life Time)저하나 LPD(Light Point Defect) 이상의 발생이 없는 고품질의 단결정을 제조할 수 있는 방법이 제공된다.

Description

단결정의 제조 방법{SINGLE CRYSTAL MANUFACTURING METHOD}

본 발명은, 쵸크랄스키법(이하 CZ법이라고 함)에 의해 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.

예를 들어 실리콘 단결정의 제조 방법 중 하나로서, 도가니 내에서 실리콘 다결정 원료를 용융하고, 종(種)결정을 그 융액면에 접촉시켜 인상함으로써 단결정을 육성하는 CZ법이 널리 알려져 있다.

CZ법에 의한 단결정의 제조에 있어서, 융액이 되는 원료 다결정 및 그 융액을 수용하는 석영 도가니의 금속 불순물은, 제조되는 단결정의 결함밀도에 영향을 준다고 알고 있다. 예를 들어, 특허문헌 1에서는, 합성층의 불순물 함유량(Al, Fe, Ni, Cr 등)이 적은 합성 석영 도가니를 이용하여, 미소결함이 3개/cm² 이하인 단결정을 제조하고 있다.

일본특허공개 H05-58770호 공보

또한, 단결정을 제조할 때, 로 내의 흑연부품에 함유되어 있는 불순물은 단결정의 순도에 영향을 주므로, 로 내의 흑연부품은, 일반적으로 초고순도 흑연재나 고순도 흑연재가 사용된다. 이들 금속 불순물 농도(Fe, Al, Ni, Cr 등)의 규격은, 초고순도 흑연재가 0.3ppm(300ppb) 전후, 고순도 흑연재가 0.5ppm(500ppb) 전후였다.

종래에는, 이들 기준을 만족시키는 흑연재라면, 흑연재의 불순물이 단결정에 영향을 주는 경우가 없었다. 그러나, 최근, 저속으로 성장시키는 저결함 결정의 멀티풀링(1개의 도가니로부터 원료를 재충전(recharge)함으로써, 다수개의 단결정을 인상하는 방법) 등에 의해, 단결정을 제조하는 제조시간이 과거의 2~3배로 길어져, 흑연재 중에 포함되는 불순물 내, 특히 흑연, 석영, 및 실리콘 중에서의 확산계수가 큰 불순물이, 흑연재로부터 외방 확산되고, 그 후, 융액을 수용하는 석영 도가니를 확산하여 통과하고, 융액 중에 취입되고, 다시 단결정 중에 편석되어, 단결정의 결정 품질에 영향을 주게 되었다.

그리고, 흑연재 중의 불순물이 확산되어 단결정에 취입된 경우, 그 단결정의 LT(Life Time) 저하나 LPD(Light Point Defect) 이상(異常)이 발생한다.

여기서, LT는, 광 감쇠법에 의해 측정되며, 반도체 결정 중의 소수 캐리어가 광으로 여기되어 이동하는 시간을 말하고, 금속 불순물 농도가 높을 수 록 값이 낮아진다. 또한, LPD는, 단결정으로부터 얻어진 웨이퍼에 에피택셜층을 형성하고, 그 에피택셜층 표면을 파티클 카운터로 측정하면, 0.09μm 이상의 결정 결함이 관찰되고, 이들 레이저광을 이용한 웨이퍼 표면 검사장치로 관찰되는 휘점 결함의 총칭을 LPD라 칭한다.

본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, CZ법에 의한 단결정의 제조에 있어서, LT 저하나 LPD 이상의 발생이 없는 단결정을 제조할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, CZ법에 의한 단결정의 제조 방법에 있어서, 단결정을 제조하는 로 내에서 사용하는 적어도 1개의 흑연부품의 Ni 농도를 분석하여, 이 분석한 Ni 농도가 30ppb 이하인 흑연부품을 사용하여 상기 단결정을 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법을 제공한다.

이렇게 분석한 Ni 농도가 30ppb 이하인 흑연부품을 사용함으로써, LT 저하나 LPD 이상이 발생하지 않는 고품질의 단결정을 생산성 좋게 제조할 수 있다.

이때, 상기 흑연부품을, 석영 도가니에 직접적으로 접하는 흑연부품 및 이 직접적으로 접하는 흑연부품을 통해 상기 석영 도가니와 간접적으로 접하는 흑연부품 중 적어도 1개로 하는 것이 바람직하다.

이러한 흑연부품을 Ni 농도 30ppb 이하로 함으로써, 석영 도가니 내의 융액으로의 Ni의 확산을 효율적으로 방지할 수 있으며, 단결정의 LT 저하나 LPD 이상을 보다 효과적으로 방지할 수 있다.

이때, 상기 흑연부품을, 흑연 도가니로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 흑연 도가니는, 융액을 수용하는 석영 도가니에 직접 접촉되기 때문에, Ni 농도 30ppb 이하로 함으로써, 보다 효과적으로 단결정의 LT 저하나 LPD 이상을 방지할 수 있다.

이때, 상기 흑연부품을, 추가로 도가니 받침대(受皿) 및 페데스탈(pedestal) 중 적어도 1개로 하는 것이 바람직하다.

나아가, 이와 같은 흑연부품을 Ni 농도 30ppb 이하로 함으로써, 제조되는 단결정의 LT 저하나 LPD 이상을 확실하게 방지할 수 있다.

이때, 상기 Ni 농도를 분석하는 방법을, 상기 흑연부품의 흑연재를 플라즈마 회화(灰化)하고, 산용해한 것을 분석하는 고감도 분석 방법으로 하는 것이 바람직하다.

이와 같은 고감도 분석 방법이라면, 흑연부품의 흑연재의 Ni 농도를 30ppb 이하까지 정량적으로 분석할 수 있으므로, 제조되는 단결정의 LT 저하나 LPD 이상을 확실하게 방지할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면, LT 저하나 LPD 이상이 발생하지 않는 고품질의 단결정을 수율 좋게 제조할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 제조 방법에 이용할 수 있는 단결정 제조 장치의 일 예를 나타내는 개략도이다.

본 발명자는, CZ법에 의해 제조한 단결정에 발생하는 LT 저하나 LPD 이상에 대하여, 종래에는 고순도품을 이용한다면 원인이 되지는 않는다고 생각하고 있었던 흑연부품에 착안하여, 이하와 같이 검토하였다.

불순물 함유량이 매우 적은 원료 다결정과 석영 도가니를 사용하여, 단결정을 제조하고, 그 단결정의 LT 저하, 또는 LPD 이상이 발생한 경우와 발생하지 않은 경우의 양쪽에 대하여, 그 단결정을 제조했을 때에 사용한 흑연부품을 고감도 분석 방법(Fe, Al, Ni, Cr 등의 정량 하한이 5~10ppb)에 의해 분석하고, 비교를 행하였다. 그 결과, 흑연 중에 많이 포함되며, 흑연 중에서의 확산계수가 큰 금속 불순물인 Ni가, 30ppb를 넘는 농도의 흑연부품을 사용하여 제조한 단결정에서, LT 저하나 LPD 이상이 발생하는 것을 발견하였다.

여기서, 흑연부품 중의 금속 불순물이 단결정 중에 취입되는 프로세스를, 흑연 도가니의 경우로 설명한다.

흑연 도가니 중에 포함되는 불순물 내, 특히 확산계수가 큰 불순물이, 장시간의 단결정 제조 중에 흑연 도가니의 기재 내부로부터 외방 확산되고, 흑연 도가니와 접하는 석영 도가니의 석영 중에 확산되어, 석영 도가니를 통과하고, 그 후, 융액 중에 취입되어 간다. 그리고, 다시 융액으로부터 성장 중의 단결정 중에 편석되어, 제조된 단결정의 결정 품질에 LT 저하나 LPD 이상이 발생하게 된다.

불순물이 흑연 도가니로부터 석영 도가니로, 그리고, 융액 중에 취입되기 까지는, 흑연재 중과 석영재 중에서의 확산계수가 큰 금속 불순물이어도 상당히 장시간을 필요로 한다. 이 때문에, 저속 성장이어도 2개까지의 멀티풀링에 의한 단결정 제조, 또는 고속 성장에서의 3개까지의 멀티풀링에 의한 단결정 제조에서는, 성장 중의 단결정에 불순물이 취입되기까지의 시간에 이르지 않으므로, 흑연부품 중의 불순물에 기인하는 LT 저하나 LPD 이상이 발생하기 어렵다. 따라서, 본 발명의 제조 방법은, 원료를 재충전하면서 동일한 도가니로부터 복수의 단결정을 인상하는 멀티풀링에 호적하고, 특히, 저속 성장에서는 3개 이상, 고속 성장에서는 4개 이상의 단결정을 인상하는 멀티풀링에 있어서 호적하다.

Ni은, 흑연부품 중의 금속 불순물 내에서도, 흑연재 중과 석영재 중에서의 확산계수가 크고, 흑연재 중의 농도가 비교적 높으므로, 30ppb를 넘는 농도의 흑연부품을 이용하면, 상기와 같이 결정 품질에 영향을 주게 된다.

이하, 본 발명에 대하여, 실시태양의 일 예로서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명하나, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.

도 1은, 본 발명의 제조 방법에서 이용할 수 있는 단결정 제조 장치의 개략도이다.

도 1의 단결정 제조 장치(1)는, 메인챔버(2)와, 메인챔버(2)의 상부에 연결된 풀챔버(3)로 로가 구성되어 있다. 메인챔버(2) 내에는, 융액(4)을 수용하는 석영 도가니(5)와, 석영 도가니(5)를 지지하기 위한 흑연 도가니(6)가 배치되어 있다. 도가니(5, 6)는, 단결정 제조 장치(1)의 하부에 부착된 회전 구동기구(미도시)에 의해 회전 승강이 자유로운 지지축(11)에 의해 지지되어 있다. 지지축(11)은, 통상 금속제인 것이 이용된다. 또한, 도가니(5, 6)의 받침대(台座)로서의 흑연제의 페데스탈(8)이 지지축(11)에 연결되고, 도가니(5, 6)는 흑연제의 도가니 받침대(7)를 통해 페데스탈(8)에 지지되어 있다.

또한, 도가니(5, 6)를 둘러싸고, 융액(4)을 가열하는 히터(9)와, 히터(9)와 메인챔버(2)의 내벽 사이에 배설된 단열부재(10)가 마련되어 있다.

도가니(5, 6)의 상방에는, 종결정(13)을 인상하기 위한 인상축(와이어 또는 샤프트 등)(14)이 마련되어 있다.

본 발명에서는, 상기와 같은 단결정 제조 장치를 이용하여 단결정을 제조할 때, 단결정을 제조하는 로 내에서 사용하는 적어도 1개의 흑연부품의 Ni 농도를 분석하여, 이 분석한 Ni 농도가 30ppb 이하인 흑연부품을 사용하여 단결정을 제조한다.

Ni 농도가 30ppb를 넘는 흑연부품을 사용하면, 제조되는 단결정에 Ni이 불순물로서 혼입되어, LT 저하나 LPD 이상을 발생시킨다. 따라서, 미리 분석하여 Ni 농도가 30ppb 이하인 흑연부품을 사용함으로써, LT 저하나 LPD 이상이 발생하지 않는 고품질의 단결정을 생산성 좋게 제조할 수 있다.

이때, Ni 농도를 분석하여 이용하는 흑연부품으로는, 특별히 한정되지 않고, 전체 흑연부품으로 할 수 있으나, 그렇게 하면 비용적으로 문제가 발생한다. 그러므로, 본 발명에서 Ni 농도를 분석하여 이용하는 흑연부품을, 석영 도가니(5)에 직접적으로 접하는 흑연부품 및 이 직접적으로 접하는 흑연부품을 통해 석영 도가니(5)와 간접적으로 접하는 흑연부품 중 적어도 1개로 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 도 1에 나타내는 바와 같은 석영 도가니(5)에 직접적으로 접하는 흑연 도가니(6)를 분석하는 것이 바람직하고, 나아가, 흑연 도가니(6)를 통해 석영 도가니(5)와 간접적으로 접하는 도가니 받침대(7), 및 페데스탈(8) 중 적어도 1개를 분석하는 것이 보다 바람직하다.

흑연 도가니, 도가니 받침대, 및 페데스탈은, 흑연재가 이용되는데, 융액을 수용하는 석영 도가니에 근접해 있으며, Ni이 확산되어 융액에 취입되기 쉬우므로, 본 발명과 같이, 분석하여 Ni 농도가 30ppb 이하인 것을 이용함으로써, LT 저하나 LPD 이상을 보다 효과적으로 방지할 수 있다. 이 경우, Ni 농도 30ppb 이하로 할 필요가 있는 우선순위는, 흑연 도가니, 도가니 받침대, 페데스탈 순이다. 물론, LT 저하나 LPD 이상을 보다 확실하게 방지하기 위해서는, 흑연 도가니(6), 도가니 받침대(7), 및 페데스탈(8) 전부에 대하여, 분석하여 Ni 농도가 30ppb 이하인 것을 이용하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 본 발명에서 분석하는 흑연부품은, 흑연 도가니(6), 도가니 받침대(7), 및 페데스탈(8) 이외의 것이어도 된다. 흑연 도가니(6), 도가니 받침대(7), 및 페데스탈(8) 이외의 흑연부품이더라도, 본 발명에서 분석하고나서 사용하므로, 어떠한 흑연부품에 대해서도 확실하게 Ni 농도 30ppb 이하의 것을 사용하게 되어, 분석하지 않았던 종래와 같이, Ni로 오염된 부품을 사용하는 일이 없도록 할 수 있다. 따라서, LT 저하나 LPD 이상의 억제 효과를 발휘할 수 있다. 특히, 석영 도가니(5) 바로 위에 이용되는 흑연부품에서 효과를 발휘할 수 있다.

이때, Ni 농도를 분석하는 방법을, 흑연부품의 흑연재를 플라즈마 회화하고, 산용해한 것을 분석하는 고감도 분석 방법으로 하는 것이 바람직하다.

종래의 흑연부품의 흑연재의 분석 방법은, 흑연을 연소 회화한 후, 이것을 산처리하여, 그 산용해물을 분석했었기 때문에, 금속 불순물(Fe, Al, Ni, Cr 등)의 정량 하한이 50~100ppb이고, 50~100ppb 이하인 농도를 측정할 수 없었다. 이러한 분석 방법은, 종래의 흑연부품의 금속 불순물 농도(Fe, Al, Ni, Cr 등)의 규격(초고순도 흑연재가 300ppb 전후, 고순도 흑연재가 500ppb 전후)에 있어서는, 충분한 정량 하한이었다. 그러나, 이러한 종래의 방법에서는, LT 저하나 LPD 이상이 발생하는 30ppb 이하의 Ni 농도를 분석하는 것은 불가능하다.

한편, 상기와 같은 고감도 분석 방법의 Ni 농도의 정량 하한은 5ppb이고, 30ppb 이하인지의 여부를 정밀도 좋게 식별할 수 있으므로, 본 발명의 제조 방법을 확실하게 실시할 수 있다. 단, Ni 농도의 정량 하한이 30ppb 이하인 분석 방법이라면, 본 발명에 이용할 수 있으며, 상기 방법으로 한정되지 않는다.

한편, Ni 농도가 30ppb 이하인 흑연부품은, Ni 농도가 30ppb 이하인 흑연재를 가공하여 흑연부품을 제작함으로써 얻을 수 있으나, 흑연재를 가공하여 흑연부품으로 한 후에, 열처리 등을 실시하여 고순도화함으로써, Ni 농도를 30ppb 이하로 할 수도 있다. 즉, 얻어진 흑연부품의 Ni 농도가 30ppb 이하이면 된다.

그리고, 상기와 같이 분석한 Ni 농도가 30ppb 이하인 흑연부품을 사용하여, 예를 들면 이하와 같이 단결정을 제조한다.

석영 도가니(5) 내에 충전된 다결정 원료를 히터(9)로 가열하여 융액(4)으로 하고, 이 융액(4)에 종결정(13)을 침지시키고, 인상축(14)으로 인상하면서 종결정(13)의 하단(下端)에 단결정(잉곳)(12)을 성장시킨다. 이때, MCZ법인 경우에는, 융액(4)에 자장을 인가하면서, 단결정(12)을 성장시킬 수 있다.

이때 멀티풀링을 행하는 경우에는, 1개의 단결정(12)을 인상한 후, 석영 도가니(5) 내에 다결정 원료를 재충전하여, 동일하게 단결정을 제조할 수 있다. 이러한 단결정의 인상을 반복하는 멀티풀링은, 한 번밖에 사용할 수 없고 재사용할 수 없는 석영 도가니로부터 복수개의 단결정을 제조하여, 제조수율을 향상시킴과 함께, 석영 도가니의 비용을 저감할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 특히, 저속 성장으로 멀티풀링을 행하는 경우 등, 3개 이상의 장시간의 단결정 제조를 행하는 경우에, 3개 이후의 단결정에 대해서도, LT 저하나 LPD 이상의 발생이 없이, 결정 품질이 양호한 단결정을 제조할 수 있다.

[실시예]

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이것들로 한정되지 않는다.

(실시예 1-3)

고감도 분석 방법으로 불순물 농도를 분석하여, Ni 농도가 15ppb~30ppb, Fe 농도가 45ppb~131ppb, Cr 농도가 35ppb~118ppb인 흑연 도가니를 사용한 단결정 제조 장치에서, 멀티풀링(5개)에 의한 단결정 제조를 실시하였다.

제조된 단결정에 대하여 LT, LPD의 검사를 행한 결과, 3개 이후의 단결정에 대해서도 LT값에 저하는 없었으며, 또한, LPD의 이상도 관찰되지 않았다. 표 1, 2에 그 결과를 나타낸다.

(비교예 1-3)

고감도 분석 방법으로 불순물 농도를 분석하여, Ni 농도가 38ppb~48ppb, Fe농도가 18ppb~125ppb, Cr 농도가 15ppb~133ppb인 흑연 도가니를 사용한 단결정 제조 장치에서, 멀티풀링(5개)에 의한 단결정 제조를 실시하였다.

제조된 단결정에 대하여 LT, LPD의 검사를 행한 결과, 특히 3개 이후의 단결정에 대하여, LT값에 저하가 발생하였으며, 또한, LPD의 이상도 관찰되었다. 표 1, 2에 그 결과를 나타낸다.

(실시예 4-6)

고감도 분석 방법으로 Ni 농도를 분석하여, Ni 농도가 19ppb~30ppb의 흑연 도가니, Ni 농도가 23ppb~29ppb인 도가니 받침대, Ni 농도가 22ppb~28ppb인 페데스탈을 사용한 단결정 제조 장치에서, 멀티풀링(5개)에 의한 단결정 제조를 실시하였다.

제조된 단결정에 대하여 LT, LPD의 검사를 행한 결과, 3개 이후의 단결정에 대해서는 LT값에 저하는 없었으며, 또한, LPD의 이상도 관찰되지 않았다. 표 3, 4에 그 결과를 나타낸다.

표 1, 2로부터 알 수 있는 바와 같이, LT 저하, LPD 이상은, 흑연 중의 Ni 농도에 의존하고 있으며, 30ppb 이하의 Ni 농도에서 LT 저하, LPD 이상이 억제되어 있다. 흑연 도가니의 Ni 농도를 30ppb 이하로 하기만 해도 LT 저하, LPD 이상은 효과적으로 억제되어 있다. 또한, 표 3, 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 흑연 도가니, 도가니 받침대, 및 페데스탈 전부를 Ni 농도 30ppb 이하로 한다면, LT 저하, LPD 이상은 보다 억제되고 있다.

한편, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용효과를 나타내는 것은 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims

CZ법에 의한 단결정의 제조 방법에 있어서, 단결정을 제조하는 로 내에서 사용하는 적어도 1개의 흑연부품의 Ni 농도를 분석하여, 이 분석한 Ni 농도가 30ppb 이하인 흑연부품을 사용하여 상기 단결정을 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 흑연부품을, 석영 도가니에 직접적으로 접하는 흑연부품 및 이 직접적으로 접하는 흑연부품을 통해 상기 석영 도가니와 간접적으로 접하는 흑연부품 중 적어도 1개로 하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 흑연부품을, 흑연 도가니로 하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 흑연부품을, 추가로 도가니 받침대 및 페데스탈 중 적어도 1개로 하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 Ni 농도를 분석하는 방법을, 상기 흑연부품의 흑연재를 플라즈마 회화하고, 산용해한 것을 분석하는 고감도 분석 방법으로 하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조 방법.