KR20140097425A - 단결정 실리콘의 제조 방법 - Google Patents

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히데오 가토
신이치 규후
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실트로닉 아게
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Abstract

동일한 도가니에 있는 재료 용융물로부터 복수 개의 단결정 실리콘 편을 인상하는 멀티 인상법을 사용하여 단결정 실리콘을 성장시킬 때에 단결정 실리콘의 전우 발생을 감소시키는 것을 가능하게 하는 단결정 실리콘의 제조 방법이 제공된다. 단결정 실리콘의 제조 방법은 초크랄스키법(Czochralski method)에 의해 챔버 내의 동일한 도가니(8)에 있는 재료 용융물(7)로부터 복수 개의 단결정 실리콘(1) 편을 인상하는 멀티 인상법을 사용하는 단결정 실리콘(1)의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 단결정 실리콘(1)의 후미부 형성의 적어도 일부를 생략하고 재료 용융물로부터 단결정 실리콘을 분리하는 단계를 포함하며, 도가니(8)의 내벽에 형성되는 바륨의 첨가량이 소정 범위 내에서 제어된다.

Description

단결정 실리콘의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SINGLE-CRYSTAL SILICON}
본 발명은 단결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 초크랄스키법(Czochralski method)에 의해 제조되는 단결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것이다.
초크랄스키법은 단결정 실리콘의 제조에 있어서 널리 사용되어 왔다. 초크랄스키법에서는, 다결정 재료가 석영 도가니에서 용융되고, 종(種)결정이 재료 용융물과 접촉하게 되어 인상(引上)되고, 이에 따라 단결정 실리콘을 성장시킨다.
몇몇 경우에, 단결정 실리콘의 성장 중에 단결정 실리콘의 전위(轉位)가 발생한다. 단결정 실리콘의 변위의 원인들 중 하나로는, 석영 유리로 형성된 도가니의 내면에서 석출되는 크리스토발라이트가 실리콘 용융물 내로 방출되고, 실리콘이 인상될 때에 크리스토발라이트가 실리콘 잉곳에 포함된다는 것이 지적된다.
일본 특허 공개 공보 제9-110590호에는 석영의 결정화를 촉진하고, 석영 도가니의 내면에 바륨과 같은 알칼리 토금속을 함유하는 실투 촉진제를 부착하는 것에 의해 크리스토발라이트의 방출을 방지하는 방법이 설명되어 있다.
일본 특허 공개 공보 제2003-160393호에는 석영 도가니의 내면에 부착되는 실투 촉진제의 농도를 단결정 실리콘 인상 중에 온도가 높은 부분에서 감소시키고, 실투 촉진제의 농도를 온도가 낮은 부분에서는 증가시키는 것에 의해 단결정 실리콘의 성장 중에 전위의 발생을 감소시키는 방법이 설명되어 있다.
최근에는, 동일한 도가니에 있는 재료 용융물로부터 복수 개의 단결정 실리콘 편(片)을 인상하는 멀티 인상법(multi-pulling method)을 사용하여 단결정 실리콘이 제조되고 있다. 이 방법에 따르면, 재료 용융물로부터 단결정이 인상된 다음, 히터를 끄지 않은 상태로 나머지 재료 용융물에 다결정 재료가 추가로 투입되어 용융된 후, 다음 단결정이 인상된다. 재료 용융물에 다결정 재료를 추가로 투입하여 용융시키고, 그 후에 다음 단결정 실리콘을 인상하는 이들 단계를 반복하는 것에 의해, 동일한 도가니를 사용하여 복수 개의 단결정 실리콘 편이 인상된다.
위에서 언급한 멀티 인상법을 사용하여 동일한 도가니에서 복수 개의 단결정 실리콘을 인상하는 경우, 조업에는 장시간이 걸리고, 이에 따라 도가니도 또한 장시간 동안 고온에 노출된다. 멀티 인상법에 의한 단결정 실리콘의 제조에서 바륨을 함유하는 실투 촉진제가 부착된 도가니가 사용되더라도, 몇몇 경우에는 단결정 실리콘을 재료 용융물로부터 분리할 때에 전위가 발생한다.
본 발명은 상기한 과제를 감안하여 이루어진 것이며, 동일한 도가니에 있는 재료 용융물로부터 복수 개의 단결정 실리콘 편을 인상하는 멀티 인상법을 사용하여 단결정 실리콘을 성장시키는 경우에, 단결정 실리콘의 전위의 발생을 감소시키는 것을 가능하게 하는 단결정 실리콘의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
성실한 연구 결과, 본 발명자들은 단결정 실리콘의 전위 발생은 도가니의 내면에 대한 바륨의 첨가량(투입량)에 의해 영향을 받는다는 것을 확인하였다. 바륨의 첨가량(투입량)이 많은 경우, 단결정 실리콘의 전위 발생률은 높다. 다른 한편으로, 바륨의 첨가량(투입량)이 적은 경우, 단결정 실리콘의 전위 발생률은 낮다. 바륨의 첨가량(투입량)이 소정 첨가량(투입량)보다 작아지는 경우, 단결정 실리콘의 전위 발생률은 높아진다.
바륨의 첨가량(투입량)이 많은 경우에 단결정 실리콘의 전위 발생률이 높은 이유는 다음과 같은 것으로 고려된다. 우선, 도가니의 표면에 부착되고 바륨을 함유하는 실투 촉진제에 의해 석영 도가니의 표면에 크리스토발라이트가 생성된다. 단결정 실리콘이 실리콘 용융물로부터 소정 길이로 인상된 후에 분리되는 경우, 단결정 실리콘은 실리콘 용융물 내로 방출된 크리스토발라이트가 후미부로부터 실리콘 용융물로 흐르기 전에 응고하여 크리스토발라이트가 불순물로서 단결정 실리콘에 포함된다. 그 결과, 단결정 실리콘에서 전위가 발생하고, 단결정 실리콘이 전위화된다.
다른 한편으로, 바륨의 첨가량(투입량)이 극소량인 경우, 단결정 실리콘의 전위 발생률은 높다. 이에 대한 원인들 중 한가지는 다음과 같이 고려된다. 바륨의 첨가량(투입량)이 적은 경우, 도가니 내벽 상에서의 석영의 균일한 결정화가 달성되지 않고, 이에 따라 크리스토발라이트가 실리콘 용융물에 방출되어 단결정 실리콘에 포함된다.
도가니의 크기가 대형인 경우, 단결정 실리콘의 성장 중에 도가니의 온도는 높다. 도가니의 고온은 결정화를 촉진한다. 따라서, 실리콘 용융물에 용융되는 바륨의 양이 도가니의 크기에 따라 변한다.
본 발명은 상기한 연구 결과에 기초하여 안출되었다. 본 발명에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법은 초크랄스키법에 의해 챔버 내의 동일한 도가니에 있는 재료 용용물로부터 복수 개의 단결정 실리콘 편을 인상하는 멀티 인상법을 사용하는 단결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 아래의 단계를 포함한다. 재료 용융물은 직경이 18 인치인 도가니에 준비된다. 단결정 실리콘은 재료 용융물로부터 인상된다. 재료 용융물을 계속해서 가열하면서 나머지 재료 용융물에 다결정 재료가 추가로 투입되고 용융된다. 내부에 다결정 재료가 추가로 투입되어 용융된 재료 용융물로부터 다음 단결정 실리콘이 인상된다. 다결정 재료를 추가로 투입하고 용융시키는 단계와 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계는 1회 이상 반복된다. 단결정 실리콘을 인상하는 단계와, 1회 이상 반복되는 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계 중 적어도 하나에서, 단결정 실리콘의 후미부의 형성의 적어도 일부가 생략되고, 단결정 실리콘이 재료 용융물로부터 분리된다. 도가니의 내벽에 바륨 함유층이 형성되고, 바륨의 첨가량은 1.4×1016 원자·cm-2 이상 5.4×1016 원자·cm-2 이하이다.
여기에서 바륨 첨가량은 단위 면적당 도가니의 내면에 첨가되는 바륨의 양을 일컫는다. 바륨 함유층은 바륨 단독으로 이루어진 층 또는 바륨 카보네이트나 바륨 하이드록사이드와 같은 바륨 화합물로 이루어진 층일 수 있다. 더욱이, 바륨 함유층은 도가니의 표면에 바륨을 주입하는 것에 의해 얻어지는 바륨 농후층일 수 있다.
본 발명에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법은 초크랄스키법에 의해 챔버 내의 동일한 도가니에 있는 재료 용용물로부터 복수 개의 단결정 실리콘 편을 인상하는 멀티 인상법을 사용하는 단결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것이다. 재료 용융물은 직경이 24 인치인 도가니에 준비된다. 단결정 실리콘은 재료 용융물로부터 인상된다. 재료 용융물을 계속해서 가열하면서 나머지 재료 용융물에 다결정 재료가 추가로 투입되고 용융된다. 내부에 다결정 재료가 추가로 투입되어 용융된 재료 용융물로부터 다음 단결정 실리콘이 인상된다. 다결정 재료를 추가로 투입하고 용융시키는 단계와 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계는 1회 이상 반복된다. 단결정 실리콘을 인상하는 단계와, 1회 이상 반복되는 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계 중 적어도 하나에서, 단결정 실리콘의 후미부의 형성의 적어도 일부가 생략되고, 단결정 실리콘이 재료 용융물로부터 분리된다. 도가니의 내벽에 바륨 함유층이 형성되고, 바륨의 첨가량은 5.4×1015 원자·cm-2 이상 2.7×1016 원자·cm-2 이하이다.
본 발명에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법은 초크랄스키법에 의해 챔버 내의 동일한 도가니에 있는 재료 용용물로부터 복수 개의 단결정 실리콘 편을 인상하는 멀티 인상법을 사용하는 단결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 아래의 단계를 포함한다. 재료 용융물은 직경이 32 인치인 도가니에 준비된다. 단결정 실리콘은 재료 용융물로부터 인상된다. 재료 용융물을 계속해서 가열하면서 나머지 재료 용융물에 다결정 재료가 추가로 투입되고 용융된다. 내부에 다결정 재료가 추가로 투입되어 용융된 재료 용융물로부터 다음 단결정 실리콘이 인상된다. 다결정 재료를 추가로 투입하고 용융시키는 단계와, 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계는 1회 이상 반복된다. 단결정 실리콘을 인상하는 단계와, 1회 이상 반복되는 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계 중 적어도 하나에서, 단결정 실리콘의 후미부의 형성의 적어도 일부가 생략되고, 단결정 실리콘이 재료 용융물로부터 분리된다. 도가니의 내벽에 바륨 함유층이 형성되고, 바륨의 첨가량은 1.4×1015 원자·cm-2 이상 5.4×1015 원자·cm-2 이하이다.
본 발명에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법에서는, 동일한 도가니에 있는 재료 용융물로부터 복수 개의 단결정 실리콘 편을 인상하는 멀티 인상법을 사용하여 단결정 실리콘이 성장되는 경우에 단결정 실리콘의 전위 발생을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 단결정 실리콘의 제조 장치를 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 단결정 실리콘의 제조 장치의 작동 상태에 관한 일례를 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 실시예에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 4의 (a) 내지 (d)는 단결정 실리콘의 성장면의 형상에 있어서의 변화 과정을 보여주는 설명도이다.
도 5는 프리 스팬 성공률과 바륨의 투입량 간의 관계를 보여주는 도면이다.
도 6은 재용융 회수와 인상 실리콘 잉곳 개수 간의 관계를 보여주는 도면이다.
도 7은 도가니의 온도와 도가니의 크기 간의 관계 및 바륨의 투입량과 도가니의 크기 간의 관계를 보여주는 도면이다.
이후, 동일하거나 대응하는 부분은 동일한 참조번호로 표시되고 그 설명은 반복되지 않는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 설명하겠다.
우선, 도 1을 참고하여 본 실시예에 따른 단결정 실리콘의 제조 장치를 설명하겠다.
도 1에 도시한 바와 같이, 단결정 실리콘의 제조 장치(10)는 주로 챔버(2), 히터(6), 도가니(8), 도가니 지지 샤프트(13) 및 인상 와이어(14)를 갖는다. 챔벼(2)의 내벽에는 단열재(3)가 마련된다. 아르곤(Ar)과 같은 불활성 가스를 유입시키는 유입구(4)가 챔버(2)의 상부에 마련되고, 챔버(2) 내의 가스를 배출시키는 유출구(5)가 챔버(2)의 저부에 마련된다. 도가니(8)는 실리콘 용융물(7)을 형성하기 위해 고체 실리콘 재료로 충전된다. 히터(6)는 도가니(8) 둘레에 마련되어 고체 실리콘 재료를 용융시키고, 이에 따라 실리콘 용융물(7)이 제조될 수 있다. 도가니 지지 샤프트(13)가 도가니(8)의 하단부로부터 챔버의 바닥을 향해 연장되고, 도가니 지지 샤프트 구동 디바이스(12)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 도가니(8)는 도가니 지지 샤프트 구동 디바이스(12)에 의해 상하로 이동될 수 있다. 인상 와이어(14)는 단결정 실리콘(1)을 인상시키기 위한 것으로, 인상 와이어 구동 디바이스(15)에 의해 상하로 이동될 수 있다. 도가니 지지 샤프트 구동 디바이스(12)와 인상 와이어 구동 디바이스(15)는 제어 디바이스(19)에 의해 제어된다. 도가니의 내벽에 바륨 함유층이 형성되는데, 바륨 함유층은 바륨 단독으로 이루어진 층 또는 바륨 카보네이트와 같은 바륨 화합물로 이루어진 층일 수 있다.
다음으로, 도 1 내지 도 3을 참고하여 본 실시예에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법을 설명하겠다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법은 초크랄스키법에 의해 챔버 내의 동일한 도가니에 있는 재료 용용물로부터 복수 개의 단결정 실리콘 편을 인상하는 멀티 인상법을 사용하는 단결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것으로, 주로 실리콘 용융물 준비 단계(S1), 단결정 실리콘 성장 단계(S2), 단결정 실리콘 분리 단계(S3), 다결정 재료 투입 단계(S4) 및 단결정 실리콘 성장 단계(S5)를 포함한다.
실리콘 용융물 준비 단계(S1)에서, 도가니(8)는 고체 실리콘 재료로 충전되고, 도가니는 고체 실리콘 재료를 용융시키도록 히터(6)에 의해 가열된다. 도가니(8)는 직경이, 예컨대 18 인치, 24 인치, 32 인치, 40 인치 등이다. 바륨 함유층은 도가니(8)의 내벽에 형성된다. 바륨 첨가량(투입량)은 도가니(8)의 크기에 따라 변한다.
도가니가 18 인치의 직경을 갖는 경우에 바륨의 첨가량은 1.4×1016 원자·cm-2 이상 5.4×1016 원자·cm-2 이하이다. 도가니가 24 인치의 직경을 갖는 경우에 바륨의 첨가량은 5.4×1015 원자·cm-2 이상 2.7×1016 원자·cm-2 이하이다. 도가니가 32 인치의 직경을 갖는 경우에 바륨의 첨가량은 1.4×1015 원자·cm-2 이상 5.4×1015 원자·cm-2 이하이다.
단결정 실리콘 성장 단계(S2)에서, 시드 척(seed chuck)(16)에 부착되는 종결정(17)은 우선 실리콘 용융물(7)로 하향 이동되고 실리콘 용융물(7)에 침지된다. 그 후, 인상 와이어(14)가 인상 와이어 구동 디바이스(15)에 의해 권취되어 단결정 실리콘(1)을 인상한다. 단결정 실리콘(1)이 원추부(연장부)의 성장을 통해 목표 직경을 달성한 후, 직선부(11)가 예정된 길이를 갖도록 성장된다.
단결정 실리콘 분리 단계(S3)에서, 직선부(11)가 우선 예정된 길이를 갖도록 성장된 다음, 인장 와이어(14)의 권취가 중단된다. 그 후, 실리콘 용융물(7)로부터 단결정 실리콘(1)을 분리하기 위해 도가니(8)가 하향 이동된다. 단결정 실리콘을 분리하는 방법으로서 다양한 방법들이 있지만, 수율을 증대시키는 관점에서 단결정 실리콘의 후미부가 가능한 한 짧도록 단결정 실리콘을 분리하는 것이 바람직하다. 짧은 후미부를 달성하도록 단결정 실리콘을 분리하는 방법으로서 "프리 스팬법(free span method)[후미 무원추법(tail-coneless method)]이라고 하는 방법이 있다. 프리 스팬법에 따르면, 직선부의 길이가 단결정 실리콘(1)의 인상 시에 예정된 길이에 도달하는 경우, 도가니 지지 샤프트 구동 디바이스는 도가니(8)를 상향 이동시키기 시작한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 도가니(8)를 상향 이동시키는 속도는 단결정 실리콘(1)을 상향 이동시키는 속도와 동일하게 설정되고, 단결정 실리콘(1)과 도가니(8)는 상향 이동된다. 도가니(8)가 예정된 높이에 도달할 때, 도가니 지지 샤프트 구동 디바이스(12)에 의한 도가니(8)의 상향 이동과 인상 와이어(14)의 권취가 중단된다. 그 후, 도가니 지지 샤프트 구동 디바이스(12)는 실리콘 용융물(7)로부터 단결정 실리콘(1)을 분리하기 위해 도가니(8)를 하향 이동되게 한다. 전술한 방법으로, 후미부의 형성을 최소화하면서 단결정 실리콘(1)이 분리될 수 있다.
다음으로, 다결정 재료 투입 단계(S4)가 수행된다. 다결정 재료 투입 단계에서, 단결정 실리콘(1)이 실리콘 용융물(7)로부터 분리된 후, 다결정 재료가 도시하지 않은 공급구를 통해 도가니(8)에 남아 있는 실리콘 용융물(7)에 추가로 투입되고, 다결정 재료가 용융된다. 다결정 재료가 추가로 투입될 때, 도가니(8)를 가열하는 히터(6)는 꺼지지 않는다. 그 결과, 도가니(8)가 계속해서 가열되는 동안에 다결정 재료가 도가니(8)에 투입된다.
그 후, 단결정 실리콘 성장 단계(S5)가 수행된다. 이 단계에서, 내부에 다결정 재료가 추가 투입되어 용융된 재료 용융물로부터 다음 단결정 실리콘(1)이 인상된다. 직선부(11)가 예정된 길이에 도달할 때, 단결정 실리콘(1)은 실리콘 용융물(7)로부터 분리된다.
단결정 실리콘 분리 단계, 다결정 재료를 추가로 투입하고 용융시키는 단계 및 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계는 1회 이상 반복된다. 그 결과, 복수 개의 단결정 실리콘(1) 편이 인상될 수 있다. 복수 개의 단결정 실리콘(1) 편을 인상하는 단계들 중 적어도 하나는 단결정 실리콘(1)의 후미부 형성의 적어도 일부를 생략하고 재료 용융물[실리콘 용융물(7)]로부터 단결정 실리콘(1)을 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 후미부 형성의 적어도 일부의 생략은 또한 후미부를 부분적으로 형성한 후에 프리 스팬법에 의해 단결정 실리콘을 분리하는 경우도 포함한다.
도 4를 참고하여, 단결정 실리콘(1)이 프리 스팬법에 의해 분리될 때에 단결정 실리콘(1)의 성장면(재료 용융물과의 인터페이스)의 형상에서의 변화 과정을 설명하겠다. 도 4의 (a)에 도시한 바와 같이, 직선부(11)의 성장 중에 단결정 실리콘(1)의 성장면은 위로 볼록한 형상을 갖는다. 도가니(8)가 단결정 실리콘(1)의 인상률과 동일한 속도로 상향 이동하기 시작할 때, 단결정 실리콘(1)의 인상은 실질적으로 중단된다[수직 방향에서의 도가니(8)와 단결정 실리콘(1)의 상대 이동이 중단됨]. 이에 따라, 단결정 실리콘(1)에 있는 성장면의 위로 볼록한 형상은 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이 점차 완화된다. 이러한 실질적으로 중단된 상태가 예정된 기간 동안 유지된 후, 단결정 실리콘(1)에 있는 성장면의 형상은 도 4의 (c)에 도시한 바와 같이 아래로 볼록한 형상으로 바뀐다. 단결정 실리콘(1)의 성장면이 아래로 볼록한 형상을 갖도록 실리콘 용융물(7)로부터 단결정 실리콘(1)을 분리하는 것에 의해, 실리콘 용융물(7)의 버블링을 최소화한[도 4의 (d)]. 그 결과, 단결정 실리콘(1)은, 단결정 실리콘(1)을 무전위 상태로 유지하고 후미의 길이를 최소화하면서 실리콘 용융물(7)로부터 분리될 수 있다.
프리 스팬법에서, 실리콘 용융물(12)을 포함하는 도가니(8)는 성장 중에 단결정 실리콘(1)의 인상률과 동일한 속도로 상향 이동된다. 그 결과, 단결정 실리콘(1)의 인상은 단결정 실리콘(1)의 열 이력에서의 현저한 변화 없이 실질적으로 중단되고, 이 상태에서 단결정 실리콘(1)은 실리콘 용융물(7)로부터 분리된다. 결과적으로, 단결정 실리콘(1)의 하단부면[즉, 실리콘 용융물(7)과의 인터페이스]이 아래로 볼록한 형상을 가질 수 있으며, 단결정 실리콘은 무전위 상태로 유지되면서 실리콘 용융물(7)로부터 분리될 수 있다.
도 5를 참고하여, 단결정 실리콘(1)이 인상될 때의 프리 스팬 성공률과 28 인치 도가니(8)의 내벽에 형성되는 바륨의 첨가량(투입량) 간의 관계를 설명하겠다. 수직축은 프리 스팬 성공률을 나타내고, 수평축은 바륨 코팅의 농도를 나타낸다. 프리 스팬 성공률은 단결정 실리콘(1)의 인상 회수와 프리 스팬법에 의한 전위가 없는 단결정 실리콘(1)의 인상 회수의 비율을 일컫는다. 데이터를 얻기 위해, 멀티 인상법에 의한 5개의 단결정 실리콘(1) 편의 인상이 10회 실시된다. 도가니(8)의 내벽에 바륨 하이드록사이드 수용액을 분사하는 것에 의해 바륨이 첨가된다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 바륨의 첨가량(투입량)이 1.4×1017 원자·cm-2 이상인 경우에는 프리 스팬 성공률이 40% 이하이다. 다른 한편, 바륨의 첨가량(투입량)이 5.4×10165 원자·cm-2 이상인 경우, 프리 스팬 성공률은 대략 90% 이상이다. 바륨의 첨가량(투입량)이 많은 경우에 프리 스팬 성공률이 낮은 원인들 중 한가지는 다음과 같이 고려된다. 바륨이 실리콘 용융물(7)에 용해되고, 단결정 실리콘(1)이 인상될 때에 실리콘 용융물(7)에 용융된 바륨이 실리콘에 포함되며, 이에 의해 실리콘이 전위화된다.
도 6을 참고하여, 재용융 회수와 인상 실리콘 잉곳의 개수 간의 관계를 설명하겠다. 수직축은 재용융 회수를 나타내고, 수평축은 인상 잉곳의 개수를 나타낸다. 백색 원으로 나타낸 데이터는 바륨 코팅의 농도(투입량)가 2.7×1017 원자/cm2 인 경우의 데이터이다. 백색 삼각형으로 나타낸 데이터는 바륨 코팅의 농도(투입량)가 1.4×1017 원자/cm2 인 경우의 데이터이다. 백색 정사각형으로 나타낸 데이터는 바륨 코팅의 농도(투입량)가 5.4×1016 원자/cm2 인 경우의 데이터이다. 흑색 원으로 나타낸 데이터는 바륨 코팅의 농도(투입량)가 1.4×1016 원자/cm2 인 경우의 데이터이다. 흑색 정사각형으로 나타낸 데이터는 바륨 코팅의 농도(투입량)가 5.4×1015 원자/cm2 인 경우의 데이터이다. 단결정 실리콘(1)의 인상 중에 단결정 실리콘(1)이 전위화되면, 전위화된 단결정 실리콘(1)은 하향 이동되어 다시 실리콘 용융물(7)에 용융된다. 그 후, 단결정 실리콘(1)의 인상이 재개시된다. 재용융 회수는, 단결정 실리콘(1)이 전위화될 때에 단결정 실리콘(1)을 실리콘 용융물(7)에 재용융시키는 평균 회수를 일컫는다. 인상 잉곳 개수는, 복수 개의 단결정 실리콘(1) 편이 멀티 인상법을 사용하여 인상되는 경우의 인상 잉곳 개수를 일컫는다.
도 6을 참고하면, 바륨의 첨가량(투입량)이 1.4×1016 원자·cm-2 이상인 경우, 인상 잉곳의 개수가 5개일 때에 재용융 회수는 거의 변하지 않은 상태로 남아 있는다. 그러나, 바륨의 첨가량(투입량)이 5.4×1015 원자·cm-2 이하인 경우, 인상 잉곳의 개수가 증가하면 재용융 회수도 증가한다. 재용융 회수가 증가할수록, 공정 시간은 더 길어지며, 이는 생산률에 있어서의 극단적인 감소를 초래한다. 이에 따라 생산률과 도가니(8)에 대한 열하중의 관점에서 바륨의 첨가량은 바람직하게는 1.4×1016 원자·cm-2 이상이다.
도 7을 참고하여, 도가니(8)의 온도와 도가니(8)의 크기의 관계 및 바륨의 투입량과 도가니(8)의 크기의 관계를 설명하겠다. 좌측의 수직축은 도가니(8)의 온도를 나타내고, 우측의 수직축은 바륨의 투입량을 나타낸다. 수평축은 도가니(8)의 직경을 나타낸다. 대형 크기의 도가니(8)가 사용되는 경우, 도가니(8) 내의 실리콘 용융물(7)의 상태를 소형 크기의 도가니(8)가 사용될 때의 조건과 유사한 조건으로 유지하기 위해 도가니(8)의 온도는 상승되어야만 한다. 도가니(8)의 고온은 도가니(8)의 내벽에 부착된 바륨의 결정화를 촉진한다. 바륨의 결정화가 촉진될 때, 실리콘 용융물(7)에 용융되는 바륨의 양이 감소한다. 이에 따라, 바륨의 최적 첨가량(투입량)은 도가니(8)의 크기에 따라 변한다. 일반적으로, 도가니(8)의 온도에서의 변화량은 바륨의 최적 첨가량(투입량)에서의 변화율에 반비례한다. 예컨대, 도가니(8)의 온도가 20 ℃ 상승될 때, 바륨의 첨가량(투입량)은 10배 감소되어야만 한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 도가니(8)의 직경이 18 인치 내지 32 인치에서 변경될 때, 단결정 실리콘(1)의 인상에 있어서 도가니(8)의 온도는 1430 ℃(18 인치) 내지 1450 ℃(32 인치)에서 변경되어야만 한다. 도가니(8)의 온도가 20 ℃ 상승할 때, 바륨의 첨가량(투입량)은 10배 감소되어야만 한다. 도가니(8)가 18 인치의 직경을 가질 때에 바륨의 최적 첨가량은 1.4×1016 원자·cm-2 이상 5.4×1016 원자·cm-2 이하이다. 이에 따라, 도가니(8)가 32 인치의 직경을 가질 때에 바륨의 최적 첨가량은 1.4×1015 원자·cm-2 이상 5.4×1015 원자·cm-2 이하이다. 이와 마찬가지로, 도가니(8)가 24 인치의 직경을 가질 때에 바륨의 최적 첨가량은 5.4×1015 원자·cm-2 이상 2.7×1016 원자·cm-2 이하이다.
첨가되는 바륨의 투입량은 제곱 센티미터의 표면적당 도가니(8)의 내면에 부착되거나 포함되는 바륨의 양 - 원자 개수로 표현됨 - 을 일컫는다.
다음으로, 도가니(8)의 내면에 바륨 함유층을 형성하는 방법을 설명하겠다.
우선, 예컨대 바륨 하이드록사이드 수용액을 바륨 함유층(실투 촉진제)로서 준비한다. 다음으로, 바륨 하이드록사이드 수용액을 200 내지 300 ℃로 가열된 석영 도가니(8)에 분사한다. 도가니(8)를 회전시키면서 분사법을 이용하여 바륨 하이드록사이드 수용액을 도포한다. 바륨 함유층의 부착량은 분사 시간 등에 따라 제어될 수 있다.
바륨 함유층은 균일한 첨가량으로 도가니(8)의 내면에 형성될 수도 있고, 도가니(8)의 내면 상의 위치에 따라 상이한 첨가량으로 형성될 수도 있다. 예컨대, 도가니(8)의 바닥에 대량의 바륨이 첨가될 수 있고, 도가니(8)의 측벽부와 바닥에는 소량의 바륨이 첨가될 수 있다.
여기에 개시된 실시예는 예시적인 것으로 어떠한 면으로든 제한적이지 않다는 것을 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 실시예보다는 청구범위의 관점에서 규정되며, 청구범위의 관점에서 등가의 범위 및 의미 내에 있는 임의의 수정을 포함하도록 의도된다.

Claims (1)

  1. 초크랄스키법(Czochralski method)에 의해 챔버 내의 동일한 도가니에 있는 재료 용융물로부터 복수 개의 단결정 실리콘 편(片)을 인상하는 멀티 인상법(multi-pulling method)을 사용하는 단결정 실리콘의 제조 방법으로서,
    상기 도가니에서 재료 용융물을 준비하는 단계로서, 상기 도가니는 18 인치, 24 인치 또는 32 인치의 직경을 갖고, 도가니의 내벽에 바륨 함유층이 형성되며, 상기 바륨의 양은, 도가니의 직경이 18 인치인 경우에 1.4×1016 원자·cm-2 이상 5.4×1016 원자·cm-2 이하이고, 도가니의 직경이 24 인치인 경우에 5.4×1015 원자·cm-2 이상 2.7×1016 원자·cm-2 이하이며, 도가니의 직경이 32 인치인 경우에 1.4×1015 원자·cm-2 이상 5.4×1015 원자·cm-2 이하인 것인 단계;
    상기 재료 용융물로부터 단결정 실리콘을 인상하는 단계;
    단결정 실리콘을 인상한 후에 남아 있는 상기 재료 용융물에 다결정 재료를 추가로 투입하고, 재료 용융물을 계속해서 가열하면서 용융물에 다결정 재료를 용융시키는 단계; 및
    상기 다결정 재료가 추가로 투입되어 용융된 재료 용융물로부터 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계
    를 포함하고, 다결정 재료를 추가로 투입하여 용융시키는 상기 단계 및 다음 단결정 실리콘을 인상하는 상기 단계는 1회 이상 반복되며, 단결정 실리콘을 인상하는 상기 단계와, 1회 이상 반복되는 다음 단결정 실리콘을 인상하는 상기 단계 중 하나 이상은 단결정 실리콘의 후미부의 형성의 적어도 일부를 생략하고 재료 용융물로부터 단결정 실리콘을 분리하는 단계를 포함하는 것인 단결정 실리콘의 제조 방법.
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