KR20140097971A - 균등한 다중 도판트들을 갖는 실리콘 잉곳 및 그 제조방법과 제조장치 - Google Patents

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베이야드 케이. 존슨
존 피. 델루카
윌리엄 엘. 루터
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지티 어드밴스드 씨제트 엘엘씨
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Abstract

초크랄스키 성장장치가 개시되어 있는데, 이 장치는 도가니, 상기 도가니 위로 돌출한 운반 포인트를 가지며 조절가능한 양의 실리콘을 상기 도가니로 운반할 수 있는 공급장치를 구비한 실리콘 운반장치, 및 적어도 하나의 도판트 물질을 상기 실리콘 운반장치로 조절가능하게 운반할 수 있는 적어도 하나의 도핑 기구를 포함한다. 상기 장치는 각각 다른 도판트 물질로 적재되는 둘 또는 그 이상의 도핑기수를 포함할 수 있고, 그러므로 다중 도판트들을 갖는 실리콘 잉곳들을 준비하는데 사용될 수 있다. 결과로서 생기는 잉곳들은 자체의 축을 따라서 대체로 일정한 도판트 농도를 갖는다. 적어도 하나의 도판트 물질을 함유하는 적어도 하나의 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법이 또한 개시되어 있는데, 바람직하게는 이 방법은 연속적인 초크랄스키법이다.

Description

균등한 다중 도판트들을 갖는 실리콘 잉곳 및 그 제조방법과 제조장치{SILICON INGOT HAVING UNIFORM MULTIPLE DOPANTS AND METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING SAME}
관련출원의 상호참조
본 출원은 2011년 4월에 출원된 미국 가출원번호 제 61/475,351 호의 우선권을 주장한다.
본 출원은 실리콘의 초크랄스키(Czochralski) 성장에 관한 것이며, 특히 축방향으로 균등한 도핑을 갖는 실리콘 잉곳의 연속적인 초크랄스키 성장에 관한 것이다.
많은 타입의 광기전 태양전지가 개발되었는데 그중에서 가장 효율적이고 경제적인 전지들중 하나는 초크랄스키법에 의해서 성장한 실리콘 웨이퍼를 기초로한 것이며, 실리콘은 도가니에서 약 1,416℃의 온도에서 액체상태로 용융된다. 소정 결정배향의 작은 결정 실리콘 시드는 용융물과 접촉하여 점진적으로 움츠러들게된다. 온도의 적당한 조절을 통해서 액체 실리콘은 시드와 동일한 배향으로 결정 시드상에서 냉각된다. 그러면, 시드는 1미터 이상의 최종 길이와 수백밀리미터의 직경을 갖는 실리콘의 성장 결정잉곳을 형성하도록 용융물로부터 천천히 솟아 오른다.
통상적인 집적회로기판 응용에 있어서, 배치 CZ가 실행되는데, 이때 도가니는 소위 버진 폴리(virgin poly) 또는 단순히 폴리실리콘으로 불리우는 반도체급(EG) 실리콘의 초기전하로 채워진다. 그러면, 도가니는 가열되고, 도가니를 실질적으로 고갈시키도록 하나의 잉곳이 취출된다. 그러면 하나의 잉곳형성 후에 도가니는 폐기된다. 냉각된 잉곳은 대체로 밀리미터보다 작은 두께를 갖는 원형의 단결정 웨이퍼를 형성하도록 잘라내어진다(여기에서는 반도체급 실리콘, 금속급 실리콘 및 통상적인 초크랄스키 공정에 대한 토론을 위해서 참조로서 통합된 Wolf and Taber, Silicon Processing for the VLSI Era, vol. 1: Process Technology, Lattice Press, 1986, pp. 5-21 참조).
그러나, 태양전지 응용은 실리콘 집적회로보다 비용에 훨씬 민감하다. 한가지 해법은 CZ 도가니를 금속급(MG) 실리콘으로 채우는 것이다. 금속급(MG) 실리콘은 EG 실리콘에 요구되는 희석 및 화학증기증착 단계들이 회피되므로 EG 실리콘에 비해서 상대적으로 순수하지 못하나, MG 실리콘은 훨씬 용이하게 상용화된다. 보상된 MG 실리콘 웨이퍼들은 EG 실리콘 웨이퍼들의 태양전지 효율에 근접한 태양전지 효율을 나타내는 것으로 밝혀졌지만, 보상의 수준을 태양전지 디자인에 맞추어 최적화하여야만 한다. 예를 들면, 광기전 태양전지는 예를 들어 붕소, 알루미늄, 또는 갈륨으로 도핑된 반도체 p-타입 영역을 예를 들어 인으로 도핑된 반도체 n-타입 영역으로부터 분리시키는 p-n접합을 갖도록 형성될 수 있다. 태양전지 용도로 의도된 잉곳은 주어진 도핑타입, 예를 들어 p-타입으로 자주 성장할 것이며, 잉곳으로부터 절단된 웨이퍼들은 p-n접합을 형성하도록 그들의 표면이 n-타입으로 도핑될 것이다. 보상된 실리콘 잉곳들은 p-타입과 n-타입 도판트들을 갖는 CZ법에 의해서 성장할 것이다. 효율적인 도핑타입과 농도는 도판트가 높은 동도를 가지며 두 도판트들의 농도의 차이에 의해서 결정된다. 몇몇 연구들은 소수 반송자 수명이 강하게 보상된 실리콘 보다 실제로 높다는 것을 밝혀냈으며, 고효율의 태양전지는 도판트 불순물들, 예를들어 붕소와 인의 농도를 조절하는 것으로 달성될 수 있다고 제안한바 있다(여기에서는 모두 참조로서 통합된 Kraiem et al., Doping engineering as a method to increase the performance of purified MG silicon during ingot crystallization, Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 209 34th IEEE 978-1-34244-2950-9/09 (2010), pp. 1327-1330 및 Dubois et al., Beneficial effects of the compensation level on the carrier lifetime of crystalline silicon, Applied Physics Letters, 93 (2008), pp. 032114-032117, 참조).
그러나, 초크랄스키법이나 주조에 의한 조절 도핑되고 및 특별히 카운터-도핑되는 것은 분리 효과가 복잡하다. 분리는 고화과정 동안에 불순물이나 도판트가 용융물에 남는 경향이다. 고체-액체 인터페이스의 액체측에서 도판트의 농도 효과는 고체측에서의 도판트의 농도효과와는 크게 다르다. 분리현상은 k로 나타내는 "분리계수"에 의해서 특징지워지는데, 이것은 고화 인터페이스의 고체측에 있는 도판트의 농도 대 고화 인터페이스의 액체측에 있는 도판트의 농도의 비이다. 다른 도판트들은 실리콘에서 다른 분리계수들을 가지며, 이것들은 1.0보다 작고 때로는 그보다 훨씬 작다. 다음의 표 1은 실리콘에 있는 가능한 도판트들의 수에 대한 분리계수의 값들을 나타낸다.
요소 k
B 0.8
P 0.35
Ga 0.008
In 0.0004
As 0.3
Al 0.002
그 결과, 도가니에서 실리콘과 도판트의 고정된 전하로 인해, 액체측에 있는 도판트의 농도는 고화과정이 진행됨에 따라서 증가하게 된다. 그러나, 용융물에서 증가된 도판트 농도는 용융물로부터 추후 성장하는 결정의 일부에서 도판트 농도에서의 증가를 수반하게 된다.
그러므로, 주조나 배치 CZ에 의한 MG 실리콘의 통상적인 처리에 대한 분리현상은 통상적으로 용융물에 있는 도판트의 농도를 증가시키는 결과를 초래하고, 그러므로 결과로서 생기는 결정에서도 또한 동일한 결과를 초래하며, 도가니에 있는 용융된 실리콘의 계속적인 고갈을 야기하게 된다. 불순물 농도의 증가비율은 분리계수에 의존한다. 이것의 드라마틱한 예는 붕소와 인 도판트들을 모두 함유하는 MG 실리콘의 주조시에 볼 수 있는데, 초기 실리콘 전하는 두 요소들을 갖고 있기 때문에 결정(혹은 다결정)이 고화가 먼저 일어나는 부분에서는 붕소가 우세한(boron-dominated) 실리콘(p-타입)으로서 성장하고 고화가 나중에 일어나는 부분에서는 인이 우세한(phosphorous-dominated) (n-타입)으로 끝나는 다른 비율을 취한다. 모든 도판트들은 독특한 분리 계수를 가지며 다른 비율로 액체를 구성하기 때문에, 표준 주조와 CZ 잉곳 제조법을 사용하여 매우 다른 분리계수들을 갖는 요소들의 균등한 도핑 농도(또는 농도 비율)로 실리콘 잉곳을 제조하는 것은 불가능하였다.
다른 타입의 초크랄스키(CZ) 성장은 연속적인 초크랄스키(CCZ)로서 자주 일컬어지는 것으로서 많은 세월동안 알려져 왔지만, 폭넓게 실행되지는 못하였다. 태양전지에 대한 용도로서 최근에 제안된 것으로는 Bender에게 허여된 미국특허 7,635,414와 Williams 등이 출원한 미국 특허출원 제 2011/0006240 호를 들 수 있다. CCZ에 있어서, 다중 잉속들은 성장과정 동안에 보충되는 단일 도가니로부터 당겨진다. 성장영역과 공급영역을 모두 포함할 수 있는 도가니는 고정된 횟수의 잉곳 사이클을 수행한 후에는 폐기되어 새로운 도가니로 교체된다. 그 결과, 단지 새로운 도가니만이 예비장입되는데, 여기에서 장입은 대부분 가열되지 않은 도가니 내로 수동으로 장입되어 결정성장장치 내로 위치된다. 그러므로, 도가니의 성장영역과 공급영역내로 다른 농도의 도판트들을 예비장입할 수 있다. 그러나, 분리의 효과는 다중 잉곳들이 생산되는 경우에 극대화된다.
그러므로, 적어도 하나의 도판트, 특히 다중 도판트들을 갖는 실리콘 잉곳들(상기 각각의 잉곳은 대체로 일정한 도판트 농도를 가짐)을 제조하기 위한 장치 뿐만아니라 방법의 개발 필요성이 존재한다.
본 발명은 초크랄스키 성장장치에 관한 것으로서, 상기 초크랄스키 성장장치는 도가니, 상기 도가니 위로 돌출한 운반 포인트를 가지며 조절가능한 양의 실리콘을 상기 도가니로 운반할 수 있는 공급장치를 구비한 실리콘 운반장치, 및 적어도 하나의 도판트 물질을 상기 실리콘 운반장치로, 바람직하게는 상기 공급장치로 조절가능하게 운반할 수 있으며 이에 의해서 도판트 물질을 상기 도가니로 운반할 수 있는 적어도 하나의 도핑 기구를 포함한다. 상기 공급장치는 트로프 장치(trough system)로 이루어지고, 도판트 물질은 상기 트로프 장치로 운반된다. 상기 초크랄스키 성장장치는 다른 도판트 물질이 각각 적재되는 둘 또는 그 이상의 도핑기구를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 도가니는 외부공급영역과 유체 연결되는 내부성장영역을 포함하고, 상기 공급장치는 실리콘과 도판트 물질을 상기 외부공급영역으로 운반한다.
또한, 본 발명은 농도 C와 분리계수 k를 갖는 도판트 물질을 함유하는 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법에 관한 것이다. 상기 방법은 외부공급영역과 유체연결되는 내부성장영역을 가지며 상기 내부성장영역에는 실리콘과 도판트 물질이 예비장입되는 도가니를 제공하는 단계를 포함한다. 일 실시 예에 있어서, 상기 내부성장영역은 혼합물을 형성하기 위해서 실리콘과 도판트 물질로 예비장입되고, 상기 혼합물은 용융되는 경우에 C/k의 도판트 물질 농도를 갖는다. 상기 혼합물이 용융되면, 상기 내부성장영역으로부터 실리콘 잉곳의 성장이 개시된다. 실리콘 잉곳이 성장하는 동안에 실리콘과 도판트 물질의 공금원료가 상기 외부공급영역으로 운반된다. 상기 공급원료는 용융되는 동안에 도판트 물질의 평균농도 C를 갖는다. 그러면, 실리콘 잉곳이 제거될 수 있고, 농도 C의 도판트 물질을 함유한다. 바람직하게는, 실리콘 잉곳의 성장 후에, 상기 방법은 상기 도가니를 다시 예비장입함이 없이 농도 C의 도판트 물질을 함유하는 제 2 실리콘 잉곳의 성장을 개시하는 단계를 포함한다. 그러므로, 바람직하게는, 본 발명의 방법은 연속적인 초크랄스키 성장방법이다.
제 2 실시 예에 있어서, 상기 내부성장영역을 실리콘과 도판트 물질로 예비장입한 후에, 상기 방법은, 상기 내부성장영역으로부터 실리콘 잉곳의 성장을 개시하는 단계; 상기 내부성장영역에서 실리콘 잉곳이 성장하는 동안에 실리콘에 있는 도판트 물질의 제 1 농도를 유지하는 단계; 그리고 상기 외부공급영역에서 실리콘 잉곳이 성장하는 동안에 실리콘에 있는 도판트 물질의 제 2 농도를 유지하는 단계 - 상기 제 2 농도는 상기 제 1 농도보다 작음;를 포함한다. 실리콘 잉곳은 제거될 수 있고, 농도 C의 도판트 물질을 함유할 수 있다. 바람직하게는, 본 발명의 초크랄스키 성장장치는 초크랄스키 성장방법의 실시 예를 위해서 사용된다.
또한, 본 발명은 자체의 축을 따라서 대체로 일정한 카운터-도핑(counter-doping) 농도를 갖는 적어도 하나의 실리콘 잉곳에 관한 것이다. 바람직하게는, 본 발명은 자체의 축을 따라서 대체로 일정한 카운터-도핑(counter-doping) 농도를 각각 갖는 다수의 실리콘 잉곳에 관한 것이다. 실리콘 잉곳들은 본 발명의 초크랄스키 성장방법 및/또는 본 발명의 초크랄스키 성장장치를 사용하여 성장될 수 있다.
상기한 일반적인 설명과 다음의 상세한 설명은 예시적인 것이고 단지 설명을 위한 것이며 청구한 바와 같은 본 발명의 설명을 제공하기 위해서 의도된 것임을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 축방향으로 균등한 도핑을 갖는 실리콘 잉곳의 연속적인 초크랄스키 성장을 제공한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 초크랄스키 성장장치 및 방법의 실시 예들의 개략도이다.
본 발명은 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법과 초크랄스키 성장장치 및 그로부터 생산되는 잉곳에 관한 것이다.
본 발명의 초크랄스키 성장장치는 도가니, 실리콘 운반장치 및 적어도 하나의 도판트 기구를 포함한다. 도가니는 고체와 액체 실리콘 공급원료를 함유할 수 있고 실리콘 결정성장에서 사용하기 위한 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 도가니는 석영도가니가 될 수 있거나, 또는 석영 내부라이너를 함유하는 흑연 도가니가 될 수 있다. 도가니는 결정성장장치의 기하학에 의존할 수 있는데, 예를 들면 통상적으로는 원형의 단면형상과 같은 어느 단면형상에 의존할 수 있다. 바람직하게는, 도가니는 내부성장영역과 외부공급영역을 포함하며, 이 영역들은 서로 유체 연결된다. 예를 들면, 도가니는 도가니를 내부영역과 외부영역으로 나누는 벽 또는 다른 분리수단을 포함할 수 있다. 분리기는 구멍이나 파이프와 같은 개구부를 구비하는데, 이것은 두 영역들 사이에서 제한된 유체 연결을 제공하며, 그에 따라서 재료가 결정화공정에 의해서 내부성장영역으로부터 제거되고 신선한 재료가 공급영역으로부터 도입될 수 있다.
본 발명의 초크랄스키 성장장치는 실리콘 잉곳이 성장하여 취출하기전이나 그 동안에 반도체급 실리콘, 금속급 실리콘, 또는 태양전지급 실리콘과 같은 실리콘을 도가니로 제공하는 실리콘 운반장치를 더 포함한다. 그러므로, 바람직하게는, 실리콘 운반장치는 도가니가 가열되는 동안에 실리콘을 운반할 수 있고 용융된 실리콘을 함유할 수 있다. 실리콘은 고체나 용융 형태로 운반될 수 있다. 실리콘 운반장치는 바람직하게는 공급장치를 포함하는데, 이것은 해당 기술분야에 알려진 도가니로 실리콘을 운반하기 위한 어느 수단이 될 수 있다. 예를 들면, 공급장치는 조절된 양의 실리콘이 도가니로 제공되는 트로프 장치(trough system)로 이루어질 수 있다. 공급장치는 도가니 위로 불쑥 나온 적어도 하나의 운반 포인트를 갖는다. 도가니가 내부성장영역과 외부공급영역을 포함하는 경우, 실리콘 운반장치는 실리콘을 각 영역으로 공급할 수 있지만, 결정이 당겨지는 동안에 내부성장영역에서 용융 실리콘의 방해를 최소화하기 위해서 도가니의 외부공급영역으로 실리콘을 운반하는 것이 바람직하다.
본 발명의 초크랄스키 성장장치는 적어도 하나의 도판트를 도가니로 제공하기 위한 수단인 적어도 하나의 도판트 기구를 더 포함한다. 종래기술에서 알려진 도판트를 운반하기 위한 수단이 사용될 수도 있지만, 본 발명의 초크랄스키 성장장치에서 사용되는 적어도 하나의 도판트 기구는 도판트나 도판트들을 도가니로 직접 운반하기 보다는 실리콘 운반장치, 바람직하게는 공급장치로 운반한다. 만약 공급장치가 트로프장치로 이루어지면, 바람직하게는 적어도 하나의 도판트 기구가 도판트를 트로프장치로 도판트를 제공한다. 그러므로, 적어도 하나의 도판트가 실리콘 운반장치로 제공되고, 이에 의해서 실리콘과 도판트가 도가니로 운반된다. 이러한 방식에 있어서, 도판트 농도에 걸쳐서 개선된 제어가 달성될 수 있다.
하나 또는 그 이상의 도판트들이 실리콘과 함께 공급될 수 있는데, 이것은 아래에서 더욱 상세하게 설명하게될 본 발명의 방법에 따른 예비장입과정 동안과 실리콘 공급과정 동안에 일어날 수 있다. 해당 기술분야에 알려진 어느 도판트는 예를 들어 인과 같은 n-타입 도판트 및 붕소, 갈륨, 인듐 또는 알루미늄과 같은 p-타입 도판트를 포함하여 사용될 수 있다. 별도의 조절가능한 비율로 운반되는 다른 전도율 타입의 두가지 형식의 도판트들은 다중 도판트들의 비교적 균등한 도핑을 갖는 잉곳이 그 축을 따라서 형성되는 과정동안에 금속급 실리콘의 카운터-도핑을 가능하게 한다. 그러나, 몇몇 응용에 있어서, 동일한 전도율 타입의 다중 도판트들은 잉곳에서 도핑의 방사상 균등도를 증가시키거나 도판트들의 하나 또는 다른 것들과 연관된 결점들의 해로운 영향들을 줄이기 위한 것과 같은 다른 목적을 위해서 각각 조절된 비율로 공급될 것이다.
본 발명의 초크랄스키 성장장치의 2가지 특별한 실시예들이 도 1과 도 2에 개략적으로 도시되어 있으며, 아래에서 설명된다. 그런데, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 이것은 단지 설명을 위한 것으로서 본 발명을 한정하거나 제한하지 않는다는 것을 명백하게 이해할 수 있을 것이다. 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역 내에서 다양한 변경이 가능하고 다른 실시예들로서 구현될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 특별한 구성은 예시적인 것이고 실제의 구성은 특별한 장치에 의존하게 될 것임을 알 수 있을 것이다. 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 단지 통상적인 실험을 사용하여 특별한 요소들에 대한 등가물들을 인식하고 구별할 수 있을 것이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 장치는 이중 도가니(10)를 포함하는데, 이것은 원형의 단면을 가지며, 예를 들어 용융 석영으로 제조된다. 히이터들(도시되지 않음)이 도가니(10)를 가열하고, 그 안에 포함된 고체 실리콘은 통상적으로 약 1,420℃의 온도로 가열된다. 내벽(12)은 원형의 내부성장영역(14)을 한정하고, 외벽(16)은 내벽(12)과 함께 환형의 외부공급영역(18)을 한정한다. 그러므로, 내벽(12)은 도가니(10)를 2개의 별개 영역으로 분리시킨다. 내벽(12)에 있는 개구부(20)는 내부성장영역(14)과 외부공급영역(18) 사이에 제한된 유체 연결을 제공하고, 그래서 두개의 영역들은 대체로 평형시킨 상부 표면들을 갖는다. 도가니는 다른 유동 제어 뿐만아니라 추가적인 영역들을 한정하는 추가의 벽들을 가질 것이다.
또한, 도 1과 도 2에 도시된 초크랄스키 성장장치는 실리콘 공급장치(30)를 포함하는데, 이것은 일정량이나 비율의 도핑되지않은 고체 실리콘(32; 펠렛이나 조각을 포함하여 다양한 형상을 가질 수 있음)을 공급 트로프(34) 위로 공급하며, 이때 공급 트로프는 외부 공급영역(18) 위로 불쑥 솟은 운반 포인트와 같은 집적되거나 분리된 공급 분출구(feed spout)를 갖는다. 이러한 특별한 예들에 있어서, 비록 해당 기술분야에 알려진 다른 공급장치들이 사용될 수도 있지만, 트로프(34)가 진동기 위에 장착되는데, 진동의 타이밍과 진폭은 실리콘(32)을 트로프(34) 아래로 운반하도록 조절될 것이며, 공급량이나 공급비율이 조절될 것이다.
도 1은 붕소와 같은 제 1 도판트를 위한 제 1 도판트 기구(40) 및 인과 같은 제 2 도판트를 위한 제 2 도판트 기구(42)가 트로프(34) 위로 위치하여 이들을 트로프(34)에서 실리콘 입자들(32)의 흐름으로 별도로 독립적으로 공급하는 카운터-도핑(counter-doping)에 유용한 실시 예를 나타내고 있다. 도핑 기구(40,42)는 페즈 디스펜서와 유사한 디스펜서의 형태를 취할 것이며, 해당 디스펜서에 대하여 적합한 소정의 형상(구형이나 입방체와 같은)을 갖는 도판트의 고체 정제(44)를 컨트롤러의 제어하에 분배하게 된다. 고체 정체(44)는 바인더, 캐리어 또는 캡슐을 포함하여 도판트에 추가하는 성분들을 포함하게될 것이다. 예를 들면, 붕소로 고농도 도핑된 고체 실리콘은 저농도로 도핑된 실리콘 잉곳의 성장을 위한 붕소 정제를 형성할 수 있다. 각각의 정제(pill)(44)는 소정 량의 각각의 도판트를 함유한다. 각각의 도핑 타입으로 정제들(44)이 장입된 2개의 별도로 제어되는 도핑 기구들(40,42)을 사용하여, 두 종류의 도핑 농도들은 예비장입 및 연속적인 공급을 위하여 실리콘에 대해서 조절될 수 있다.
도 2에 개략적으로 도시된 본 발명의 초크랄스키 성장장치의 제 2 실시 예는 단일 도핑기구(40)를 포함한다. 이 실시 예는 한 도판트나 한가지 형식의 도판트가 실리콘에 추가되는 경우에 유용하다. 예를 들면, 공지된 양의 제 1 도판트 물질을 함유하는 실리콘이 잉곳 성장이 개시된 후에 실리콘 공급 뿐만아니라 도가니에 대한 예비장입으로서 사용될 것이다. 제 2의 다른 도판트가 단일 도핑기구를 사용하여 이렇게 도핑된 실리콘 공급물로 운반될 것이다. 이와는 달리, 추가 양의 제 1 도판트가 분리계수의 영향을 보상하기 위해서 제공될 것이다. 또한, 이 실시 예는 일단 도핑 절차가 수행되고 상대적인 농도가 결정되면 다중 도판트에 대하여 유용하다. 예를 들면, 원하는 도핑 농도들을 제공하기 위해서 다른 도핑 타입들의 정제(44)가 소정의 순서로 단일 디스펜서 내로 장입될 것이다.
본 발명은 농도 C와 분리계수 k를 갖는 적어도 하나의 도판트 물질을 함유하는 적어도 하나의 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법에 관한 것이다. 도판트물질은 상기한 것들중 어느 것이 될 수 있다. 또한, 초크랄스키 성장방법에 의해서 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있는 공지된 장치가 사용될 수도 있으나, 바람직하게는 본 발명의 방법은 본 발명의 초크랄스키 성장장치를 사용한다. 이 방법은 외부공급영역과 유체 연결되는 내부성장영역을 갖는 도가니를 제공하는 단계, 및 실리콘과 도판트 재료나 재료들을 내부성장영역으로 (즉, 실리콘 잉곳의 성장이 개시되기 전에) 예비장입하는 단계를 포함한다. 바람직하게는, 도가니의 외부공급영역은 실리콘ㄹ과 도판트 물질로 예비장입된다. 해당 기술분야에 알려진 예비장입방법이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 초기 장입물의 일부는 결정성장 챔버가 폐쇄되기 전에 도가니 내에 축적될 수 있으며, 나머지는 공정에서 잉곳성장이 개시되기 전에 때로 "topping off"라고 부르는 방식으로 도가니 내로 공급될 수 있다. 외부공급영역 내로 공급되어 용융되는 물질은 내부성장영역으로 통과할 것이다. 예비장입은 용융물의 상부표면이 목표 수위에 도달할때까지 계속될 것이다.
본 발명의 방법의 일 실시 예에 있어서, 도가니의 내부성장영역은 예비장입 혼합물을 형성하도록 실리콘과 도판트로 예비장입되고, 실리콘과 도판트의 양은 용융되는 경우에 결과로서 생긴 용융물에서의 도판트 농도가 C/k가 되도록 결정된다. 전체 양은 도가니의 크기와 내부성장영역의 크기에 의존한다. 이러한 제 1 실시 예에 대하여, 바람직하게는 도가니의 외부공급영역은 실리콘과 도판트 물질로 예비장입되고, 실리콘과 도판트의 양은 용융되는 경우에 결과로서 생긴 용융물이 C의 도판트 물질의 농도를 가지도록 결정된다. 그러므로, 바람직하게는, 실리콘 잉곳 성장 전에, 도가니의 내부성장영역에서 도판트 물질의 농도는 C/k이고 외부공급영역에서 도판트 물질의 농도는 C이다.
예비장입 후에, 혼합물은 용융되고, 실리콘 잉곳의 성장은 내부성장영역으로부터 개시된다. 초크랄스키 방법에 의해서 잉곳을 성장시키는 해당 기술분야에 알려진 어느 기술이 본 방법에서 성장을 개시하기 위해서 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 고정된 결정 배향의 결정 실리콘의 시드(22)가 케이블(24)에 고정되어 용융 혼합물을 함유하고 있는 성장영역(14)의 표면으로 낮추어질 수 있다. 온도와 상방향 견인비율의 적절한 제어를 통해서 용융 실리콘이 시드(22) 상에서 시드의 결정배향과 동일한 결정배향으로 냉각된다. 그러면 시드(22)는 천천히 상승하게 되고 결정화 공정이 계속 진행된다. 결정화 물질의 직경은 크라운 영역(26)에서 증가하고, 상방향 견인비율이 증가하며, 대체로 원통형상을 갖는 결정 실리콘의 잉곳(28)이 용융물로부터 천천히 취출된다. 잉곳의 약 1 또는 2미터의 원하는 길이로 성장한 후에, 견인비율은 꼬리 영역(도시되지 않음)을 형성하기 위해서 증가할 수 있으며, 결정으로서 생긴 잉곳은 용융물로부터 분리될 수 있다.
본 발명의 이러한 제 1 실시 예에 있어서, 실리콘 잉곳이 성장하는 동안에, 내부성장영역에서 비교적 일정량의 물질을 유지하기 위해서, 일정량의 실리콘과 추가적인 도판트가 도가니, 바람직하게는 외부공급영역으로 운반된다. 도판트는 상기한 것들을 포함하여 유용한 어느 형태를 취할 수 있다. 그러나, 통상적인 도판트들은 분말이므로, 도판트 물질은 예를 들어 이미 성장한 실리콘 잉곳들의 일부로부터 제거된 조각을 포함하여 실리콘에서 합금으로서 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 실리콘과 도판트 물질의 양이 선택되고, 그래서 공급원료가 용융되었을 때 도판트 물질의 평균농도 C를 갖게 된다. 그러므로, 실리콘과 도판트는 용융되었을 때 C의 일정한 도판트 농도를 갖는 흐름으로 연속해서 공급될 수 있고, 이와는 달리, 공급단계동안에 도판트 물질이 실리콘 공급물로 추가되는 동안 실리콘은 도가니로 연속해서 공급될 수 있다. 만약 도판트 물질이 조심스러운 단계들에 추가되면, 도판트 추가의 빈도와 추가된 도판트 물질의 양이 조정되고, 그래서 공급단계에 걸친 도판트 물질의 농도는 평균 C가 된다. 추가될 도판트 물질의 전체 양은 실리콘의 양에 비해서 작고 그 추가는 대체로 긴 시간동안에 이루어지므로 도판트 물질의 단계적 추가가 바람직하며, 공급에 있어서 도판트의 일정한 농도를 유지하기 위해서는 매우 적은 양의 물질이 추가되는 것이 요구된다. 또한, 일단 실리콘/도판트 물질이 예를 들어 도가니의 외부공급영역으로 도입되면, 시간이 지남에 따라서 용융이 일어나고, 외부공급영역에서 용융물에서의 도판트 농도 평형화가 진행된다. 실리콘과 도판트의 공급은 실리콘 잉곳이 성장함에 따라서 계속된다. 일단 성장하면, 농도 C의 도판트 물질을 함유하는 원하는 실리콘 잉곳이 제거될 수 있다.
본 발명의 방법의 제 2 실시 예에 있어서, 도가니의 내부성장영역에 대한 장입이 완료된 후에, 실리콘 잉곳의 성장은 내부성장영역으로부터 개시된다. 잉곳이 성장하는 동안에, 내부성장영역에서 도판트 물질의 농도가 제 1 농도로 유지되고, 외부공급영역에서 도판트 물질의 농도는 다른 제 2 농도로 유지된다. 이러한 실시 예에 있어서, 제 2 농도는 제 1 농도보다 작다. 바람직하게는, 외부공급영역에서 도판트 물질의 농도는 실리콘과 도판트 물질을 외부공급영역으로 공급함으로써 유지되고, 이것은 위에서 언급한 기술들의 어느 것을 사용하여 수행될 수 있다. 외부공급영역에서의 농도에 비해서 내부성장영역에서 도판트 물질의 높은 농도를 유지함으로써, 실리콘 잉곳은 원하는 최종 농도로 도판트 물질을 함유하여 생산될 수 있다.
본 발명의 방법의 두 실시예들에 있어서, 생산된 잉곳과 잉곳들은 하나 또는 그 이상의 도판트를 함유할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 잉곳은 분리계수 k1을 갖는 제 1 도판트 물질과 분리계수 k2를 갖는 제 2 도판트 물질의 2개의 다른 도판트 물질을 함유할 수 있다. 잉곳에 있는 제 1 도판트 물질의 농도는 C1이고 잉곳에 있는 제 2 도판트 물질의 농도는 C2이다. 이 예에 있어서, 내부성장영역은 혼합물을 형성하기 위해서 제 1 도판트 물질 및 제 2 도판트 물질과 함께 실리콘이 예비장입되고, 상기 혼합물은 용융되는 경우에 제 1 도판트 물질의 농도 C1/k1, 제 2 도판트 물질의 농도 C2/k2를 갖는다. 외부공급영역에서는 실리콘 잉곳이 성장함에 따라서 실리콘과 제 1 및 제 2 도판트 물질들이 공급된다. 공급원료는 용융되는 경우에 제 1 도판트 물질의 농도 C1과 제 2 도판트 물질의 농도 C2를 갖는다. 마찬가지로, 본 발명의 방법은 2개 도판트들 이상을 갖는 잉곳을 생산하도록 사용될 수 있다.
일반적으로, 본 발명의 방법에 대하여, 도가니로 제공되는 예비장입물은 각각의 도판트 물질들의 분리계수 ki 뿐만 아니라 최종 잉곳의 원하는 도핑 농도를 고려하게 된다. 특히, 각 중량 N의 실리콘, 분리계수 k를 갖는 i번째 도판트의 중량 ni를 함유하는 성장한 잉곳에 대하여, 내부성장영역에서의 예비장입물은 i번째 도판트 대 실리콘의 비율
Figure pct00001
을 갖게 된다. 외부공급영역에서 예비장입물은 만일 사용되는 경우에, 바람직하게는 i번째 도판트 대 실리콘의 비율
Figure pct00002
를 갖게 된다. 성장하는 동안에, 만일 도판트 물질이 각 정제당 각각 Li 원자들을 함유하는 앞서 설명한 고체 정제와 같은 실리콘을 합금으로서 제공되면, 정제들은
Figure pct00003
의 실리콘 공급 간격으로 주기적으로 방출될 수 있다. 이러한 방정식은 다중 도판트들 i의 각각에 대하여 적용될 것이다. 예비장입물에서 실리콘의 절대 양은 도가니를 채우는데 필ㅇ한 양이고, 도판트-함유 정제들의 실리콘 함량에 대하여 필요에 따라서 보정될 것이다. 위에서 주어진 초기 도판트 장입 양들은 내부성장영역에 있는 도판트 물질이 잘 혼합되는 경우에 용융물에 정상상태 농도의 프로필을 제공하고, 따라서 도판트 물질이나 용융물이 외부공급영역으로 역방향 전달되는 것이 존재하지 않게 된다. 내부성장영역으로부터 외부공급영역으로 도판트 물질의 역 혼합에 대하여 비교적 긴 시간이 소요되므로, 예를 들면 내부성장영역과 외부공급영역 사이에 있는 개구부의 크기를 조절하여 예비장입과정 동안과 잉곳 사이클들 사이에서 내부성장영역에서 Ci/ki의 도판트 농도와 외부공급영역(18)에서 Ci의 도판트 농도를 유지하는 것이 실현 가능함을 알 수 있다. 또한 세분화가 가능하다. 예를 들면, 공급될 도판트 물질의 양은 다른 증발율에 대하여 보정될 수 있다. 이것은 도판트 물질이 갈륨이고 인듐이나 알루미늄이 실리콘보다 방사상으로 증발하는 경향이 더 적은 경우에 특히 유용하다.
본 발명의 방법 및 장치들은 특히 하나 이상의 도판트물질이 사용되는 경우에 개선된 전체 특성들을 갖는 실리콘 잉곳들을 생산하는 것을 알 수 있다. 특히, 도판트 물질(들)의 농도의 양호한 축방향 조절은 본 발명에 따라서 생산된 초크랄스키 성장 실리콘 잉곳들에서 발견되었다. 상기한 바와 같이, 일정한 카운터-도핑 농도들이 몇몇 응용들에 대하여 바람직하지만, 도판트 분리에서의 다양성으로 인하여 복잡하다. 그러므로, 본 방법은 다중의 도판트들을 함유하는 균등한 실리콘 잉곳들을 생산하기 위한 방법 및 장치를 제공하며, 대체적으로 그것의 축을 따라서 일정한 카운터-도핑 농도를 갖는 실리콘 잉곳에 관련된다.
하나 또는 다중의 잉곳들이 본 발명의 방법 및/또는 장치를 사용하여 제조될 것이다. 예를 들면, 본 발명의 방법은 적어도 실리콘과 하나 또는 그 이상의 도판트들을 함유하는 도가니로부터 제 1 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계, 동일한 내부성장영역으로부터 하나 또는 그 이상의 추가적인 실리콘 잉곳들을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 도가니의 내부성장영역이 먼저 장입되면(즉, 예비장입되면), 원하는 농도의 도판트나 도판트들을 갖는 하나 또는 다수의 잉곳들이 예비장입 단계를 반복함이 없이 성장한다. 성장한 잉곳은 장치로부터 제거되고, 그 공정은 다른 잉곳에 대하여 반복된다. 그러므로, 바람직하게는, 본 발명의 초크랄스키 성장방법은 연속적인 초크랄스키 성장방법이다. 연속적인 초크랄스키에 있어서, 상당한 개수의 잉곳 사이클이 진행된 후 또는 용융물이 냉각 및 고화되거나 다른 오작동이 일어난 경우에 기존 도가니는 폐기되고 새로운 도가니로 교체된다. 그 결과, 단지 새로운 도가니가 예비장입된다. 연속적인 초크랄스키는 다수의 잉곳 사이클들이 단일 도가니와 단일 예열 및 예비장입 기간을 사용하여 운용될 수 있게 한다. 또한, 실리콘 잉곳이 성장함에 따라서, 실리콘은 외부공급영역 뿐만아니라 내부성장영역으로부터 제거되고, 개구부와 같은 곳을 통해서 내부성장영역과 유체 연결되고, 용융물의 전체 수위가 낮아진다. 연속적인 초크랄스키에 있어서, 실리콘의 이러한 손실을 보상하기위해서 잉곳의 취출과정 동안에 적어도 간헐적으로 더 많은 실리콘이 공급된다. 본 발명에 있어서, 실리콘에 추가하여, 도판트 수위가 조절되고 유지되며, 이에 의해서 대체적으로 일정한 도판트, 바람직하게는 카운터-도핑 농도를 갖는 다중 도핑된 실리콘 잉곳들이 제조된다.
본 발명의 바람직한 실시 예들의 전술한 상세한 설명은 설명을 목적으로 제공된 것이다. 이것은 본 발명을 설명한 것으로 한정하기 위해서 의도된 것이 아니다. 상기한 내용들을 기초하여 수정 및 변경이 가능하거나 또는 본 발명의 수행을 통해서도 수정 및 변경이 가능하다. 상기 실시 예들은 본 발명의 원리를 설명하기 위해서 선택되거나 설명되었으며, 그것의 실제적인 응용은 해당 기술분야의 숙련된 당업자가 다앙한 실시 예들에 있어서 본 발명을 이용할 수 있고 특별한 용도에 부합하도록 다양하게 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명의 영역은 여기에 첨부된 특허청구범위에 의해서 그리고 그 등가물들로 한정되도록 의도된 것이다.

Claims (25)

  1. 초크랄스키 성장장치로서,
    도가니;
    상기 도가니 위로 돌출한 운반 포인트를 가지며 조절가능한 양의 실리콘을 상기 도가니로 운반할 수 있는 공급장치를 구비한 실리콘 운반장치; 및
    적어도 하나의 도판트 물질을 상기 실리콘 운반장치로 조절가능하게 운반할 수 있으며 이에 의해서 도판트 물질을 상기 도가니로 운반할 수 있는 적어도 하나의 도핑 기구를 포함하는 초크랄스키 성장장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공급장치는 트로프 장치(trough system)로 이루어지고, 도판트 물질은 상기 트로프 장치로 운반되는 초크랄스키 성장장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 도가니는 외부공급영역과 유체 연결되는 내부성장영역을 포함하는 초크랄스키 성장장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 공급장치는 실리콘과 도판트 물질을 상기 도가니의 상기 외부공급영역으로 운반하는 초크랄스키 성장장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 도가니는 구멍을 갖는 벽을 더 포함하며, 상기 벽은 상기 내부성장영역과 상기 외부공급영역을 분리시켜서 그 사이에 제한된 유체 연결을 제공하는 초크랄스키 성장장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 2개의 도핑 기구를 포함하는 초크랄스키 성장장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 제 1 도핑 기구는 제 1 도판트 물질을 상기 공급장치로 조절가능하게 운반하고, 제 2 도핑 기구는 제 2 도판트 물질을 상기 공급장치로 조절가능하게 운반하고, 이때 상기 제 1 도판트 물질과 상기 제 2 도판트 물질은 서로 다른 초크랄스키 성장장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 도판트 물질과 상기 제 2 도판트 물질은 서로 다른 반도체특성 타입을 갖는 초크랄스키 성장장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 장치는 단일 도핑기구를 포함하는 초크랄스키 성장장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 실리콘은 제 1 도판트 물질을 함유하고, 상기 단일 도핑기구에는 다른 제 2 도판트 물질이 장입되는 초크랄스키 성장장치.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 단일 도핑기구에는 다른 도판트 물질의 더미가 장입되는 초크랄스키 성장장치.
  12. 농도 C와 분리계수 k를 갖는 도판트 물질을 함유하는 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법으로서,
    i) 외부공급영역과 유체연결되는 내부성장영역을 갖는 도가니를 제공하는 단계;
    ii) 혼합물을 형성하기 위해서 실리콘과 도판트 물질을 상기 내부성장영역에 예비장입하는 단계 - 상기 혼합물은 용융되는 경우에 C/k의 도판트 물질 농도를 가짐 -;
    iii) 상기 혼합물을 용융시키는 단계;
    iv) 상기 내부성장영역으로부터 실리콘 잉곳의 성장을 개시하는 단계;
    v) 실리콘 잉곳이 성장하는 동안에 실리콘과 도판트 물질의 공금원료를 상기 외부공급영역으로 운반하는 단계 - 상기 공급원료는 용융되는 동안에 도판트 물질의 평균농도 C를 가짐 -; 그리고
    vi) 농도 C의 도판트 물질을 함유하는 실리콘 잉곳을 제거하는 단계;를 포함하는, 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 실리콘 잉곳의 성장을 개시하기 전에, 상기 방법은 용융되는 경우에 실리콘과 도판트 물질을 농도 C로 상기 외부공급영역에 예비장입하는 단계를 더 포함하는, 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 실리콘 잉곳은 단일 도판트 물질을 함유하는, 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 실리콘 잉곳은 다중 도판트 물질들을 함유하는, 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 실리콘 잉곳은 농도 C1와 분리계수 k1을 갖는 제 1 도판트 물질을 포함하고, 농도 C2와 분리계수 k2를 갖는 제 2 도판트 물질을 더 포함하며, 상기 내부성장영역은 혼합물을 형성하도록 실리콘과 제 1 도판트 물질 및 제 2 도판트 물질로 예비장입되고, 용융되는 경우에, 상기 혼합물은 C1/k1의 제 1 도판트 물질 농도 및 C2/k2의 제 2 도판트 물질 농도를 가지며, 상기 외부공급영역에는 용융되는 경우에 실리콘, 농도 C1의 제 1 도판트 물질, 농도 C2의 제 2 도판트 물질이 공급되는, 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 도판트 물질과 상기 제 2 도판트 물질은 다른 반도체특성 타입을 갖는, 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 도판트 물질은 인, 붕소, 갈륨, 인듐, 또는 알루미늄, 비소, 안티몬인 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  19. 제 16 항에 있어서, 상기 제 1 도판트 물질은 인이고 상기 제 2 도판트 물질은 붕소인 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  20. 제 12 항에 있어서, 실리콘 잉곳의 성장 후에, 상기 실리콘 잉곳의 성장을 개시하는 단계는, 상기 도가니를 다시 예비장입함이 없이 농도 C의 도판트 물질을 함유하는, 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  21. 제 12 항에 있어서, 실리콘 잉곳의 성장 후에, 상기 방법은 상기 내부성장영역의 예비장입 후에 농도 C의 도판트 물질을 함유한 다수의 잉곳들을 성장시키는 단계를 포함하는, 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  22. 제 12 항에 있어서, 상기 방법은 연속적인 초크랄스키 성장방법인, 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  23. 농도 C와 분리계수 k를 갖는 도판트 물질을 함유하는 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법으로서,
    i) 외부공급영역과 유체연결되는 내부성장영역을 갖는 도가니를 제공하는 단계;
    ii) 실리콘과 도판트 물질을 상기 내부성장영역에 예비장입하는 단계 ;
    iii) 상기 내부성장영역으로부터 실리콘 잉곳의 성장을 개시하는 단계;
    iv) 상기 내부성장영역에서 실리콘 잉곳이 성장하는 동안에 실리콘에 있는 도판트 물질의 제 1 농도를 유지하는 단계; 그리고
    v) 상기 외부공급영역에서 실리콘 잉곳이 성장하는 동안에 실리콘에 있는 도판트 물질의 제 2 농도를 유지하는 단계 - 상기 제 2 농도는 상기 제 1 농도보다 작음; 를 포함하는, 실리콘 잉곳의 초크랄스키 성장방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 상기 외부공급영역에서 실리콘에 있는 도판트 물질의 제 2 농도를 유지하는 단계, 상기 외부공급영역으로 실리콘과 도판트 물질을 공급하는 단계로 이루어진 초크랄스키 성장방법.
  25. 자체의 축을 따라서 대체로 일정한 카운터-도핑(counter-doping) 농도를 갖는 실리콘 잉곳.
KR1020137030047A 2011-04-14 2012-04-13 균등한 다중 도판트들을 갖는 실리콘 잉곳 및 그 제조방법과 제조장치 KR20140097971A (ko)

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