KR20140104425A - 실리콘 단결정의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 있어서, 선단이 뾰족한 종결정의 이 선단부를 실리콘 융액에 접촉시킨 후, 상기 종결정을 소정의 직경의 위치까지 실리콘 융액에 멜팅하고, 그 후, 네킹을 행하는 일 없이 단결정 성장을 행하는 실리콘 단결정의 제조방법에 있어서, 상기 종결정을 융액에 멜팅하는 조작을, 도가니를 2rpm 이하로 회전시키면서 행하고, 멜팅 종료부터 결정 성장 개시 후 10분 이내에, 도가니의 회전을 상기 멜팅시의 도가니 회전속도보다 감속시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법이다. 이에 따라, 네킹을 행하지 않는 무전위 종부법의 경우에, 무전위화 성공률을 저하시키는 일 없이, 단결정 봉을 성장시키고, 대직경, 고중량의 단결정 봉의 생산성을 향상시키는 실리콘 단결정의 제조방법이 제공된다.

Description

실리콘 단결정의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING SILICON SINGLE CRYSTAL}

본 발명은, 쵸크랄스키법(Czochralski Method, CZ법)에 의한, 종결정을 사용하여 네킹을 행하는 일 없이 실리콘 단결정 봉을 성장시키는 실리콘 단결정의 제조방법에 관한 것이다.

종래, CZ법에 의한 실리콘 단결정의 제조에 있어서는, 단결정 실리콘을 종결정으로서 이용하고, 이것을 실리콘 융액에 접촉시킨 후, 회전시키면서 서서히 인상함으로써 단결정 봉을 성장시키고 있다. 이때, 종결정을 실리콘 융액에 접촉시킨 후에, 열충격에 의해 종결정에 고밀도로 발생하는 슬립전위로부터 전파하는 전위를 소멸시키기 위해, 직경을 3mm 정도로 일단 가늘게 하여 조임부(drawn part)를 형성하는, 소위 종 조임(네킹)을 행하고, 이어서, 원하는 구경이 될 때까지 결정을 굵게 하여, 무전위의 실리콘 단결정을 인상하고 있다. 이와 같은, 종 조임은 Dash Necking법으로서 널리 알려져 있으며, CZ법으로 실리콘 단결정 봉을 인상하는 경우의 상식이 되어 있다.

즉, 종래 이용되어 온 종결정의 형상은, 예를 들어 직경 혹은 일변 약 8~20mm의 원기둥 형상이나 각기둥 형상의 단결정에 종 홀더에 세팅하기 위한 절결부를 마련한 것이며, 최초에 실리콘 융액에 접촉하는 하방의 선단 형상은, 평탄면으로 되어 있다. 그리고, 고중량의 단결정 봉의 중량에 견뎌내어 안전하게 인상하기 위해서는, 종결정의 굵기는, 소재의 강도로 보아 상기 이하로 가늘게 하는 것은 어렵다.

이러한 형상의 종결정에서는, 융액과 접촉하는 선단의 열용량이 크기 때문에, 종결정이 융액에 접촉한 순간에 결정 내에 급격한 온도차를 일으키고, 슬립전위를 고밀도로 발생시킨다. 따라서, 이 전위를 소거하여 단결정을 육성하기 위해 상기 네킹이 필요해지는 것이다.

그러나, 이러한 상태에서는 네킹 조건을 다양하게 선택하더라도, 무전위화하기 위해서는, 최소직경을 4~6mm까지는 좁힐 필요가 있었고, 최근의 실리콘 단결정 직경의 대구경화에 따라, 고중량화한 단결정 봉을 지지하기에는 강도가 불충분하며, 단결정 봉 인상 중에, 이 가는 조임부가 파단하여 단결정 봉이 낙하하는 등의 중대한 사고를 일으킬 우려가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 특허문헌 1, 특허문헌 2와 같은 발명이 제안되어 있다. 이들 발명은, 종결정의 선단부의 형상을 설형(楔形;쐐기형) 혹은 중공부를 갖는 형상으로 하고, 종결정이 실리콘 융액에 접촉할 때에 들어가는 슬립전위를 가능한 한 저감함으로써, 조임부의 직경을 비교적 굵게 하여도 무전위화를 가능하게 하고, 이에 따라 조임부의 강도를 향상시키는 것이다.

이 방법에서는, 조임부의 굵기를 굵게 할 수 있으므로, 어느 정도 조임부의 강도의 향상이 가능하지만, 네킹을 행하고, 슬립전위가 있는 조임부를 형성하는 것에는 변함이 없이, 최근 점점 대직경, 장척화되고, 예를 들어 150Kg 이상이나 되는 단결정 봉의 인상에는, 강도가 불충분해지는 경우가 있어, 근본적인 해결까지는 못하고 있다.

이에, 강도상 가장 문제가 되는 네킹에 의한 조임부를 형성하는 일 없이, 결정을 단결정화시키는 방법이 개발되고 제안되어 있다(특허문헌 3). 이 방법은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 종결정으로서 실리콘 융액에 접촉시키는 선단부의 형상이 뾰족한 형상, 또는 뾰족한 선단을 자른 형상으로 하고, 우선, 이 종결정의 선단을 실리콘 융액에 침착하게 접촉시킨 후(도 2(1)), 종결정을 저속도(Vdown)로 하강시킴으로써 종결정의 선단부가 원하는 굵기 D가 될 때까지 용융하고(도 2(2)), 그 후, 종결정을 서서히 상승시키고(Vup), 네킹을 행하는 일 없이, 원하는 직경의 실리콘 단결정 봉을 육성시키는(도 2(3)) 것이다.

이 방법에 따르면, 최초에 종결정의 선단을 실리콘 융액에 접촉시켰을 때, 접촉 면적이 작고, 선단부의 열용량이 작기 때문에, 종결정에 열충격 또는 급격한 온도구배가 생기지 않으므로, 슬립전위가 도입되지 않는다. 그리고, 그 후, 종결정을 저속도로 하강시켜 종결정의 선단부가 원하는 굵기가 될 때까지 용융한다면, 급격한 온도구배를 발생시키지 않으므로 용융시에도 슬립전위가 종결정 내에 도입되는 일은 없다. 그리고, 최후에 종결정을 서서히 인상한다면, 종결정은 원하는 굵기이고, 무전위이므로, 네킹을 행할 필요는 없으며, 강도도 충분하므로, 그대로 원하는 직경까지 굵게 하여 실리콘 단결정 봉을 육성시킬 수 있다.

이상 서술한 바와 같이, 통상의 네킹 종부(種付)법에서는, 초기의 전위밀도를 저감시키는 방법으로서, 종결정의 융액 상에서의 보온이나 가온, 종부시의 열충격을 저감시키는 형상이나, 방법이 개시되어 왔지만, 넥의 굵기에 한계가 있어, 대직경화, 고중량화한 단결정 봉에는 추종(追隨)할 수 없게 된다. 이에, 상기 서술한 대직경화, 고중량화에도 견딜 수 있는, 네킹을 행하지 않는 무전위 종부법이 확립되었다.

이 무전위 종부법에서 문제가 되는 것은, 그 무전위화 성공률이다. 즉, 이 방법에서는, 한번 종결정에 전위가 도입되면, 종결정을 교환하지 않으면, 다시 고칠 수가 없으므로, 성공률을 향상시키는 것이 특히 중요하다. 그리고 이 경우, 무전위로 종부하여도, 종결정의 테이퍼진 선단부를 어느 한 소정길이 용융 후에 실리콘 융점 근방에서 방치해 두거나, 혹은, 결정 성장을 개시할 때까지 필요한 시간이나, 단결정의 성장에 이행할 때의 성장속도에 따라서는 슬립전위가 발생하고, 이 전위가 증가한다는 문제가 있었다.

이에, 무전위 종부법의 성공률을 높이기 위해, 특허문헌 4, 특허문헌 5, 특허문헌 6과 같은 발명이 제안되어 있다. 이들 발명에서는, 멜팅하기 전의 유지시간이나, 멜팅의 온도, 멜팅속도, 멜팅 후의 유지시간이나, 성장으로 이행했을 때의 성장속도나 자장강도 등이 제안되어 있다.

무전위 종부법의 성공률을 높이기 위해 제안되어 있는 상기 발명들에서, 공통적인 중요한 항목으로서, 종결정을 멜팅하는 실리콘 융액 표면온도 T를 실리콘의 융점보다 높게 설정한다는 내용이 있다. 특허문헌 4에 따르면, 실리콘 융점보다 25℃ 이상 45℃ 이하 높은 범위라고 기술(記述)되어 있다. 특허문헌 5에 따르면, 종결정의 멜팅 완료의 위치로부터 인상 3mm 구간 내에서, 결정의 직경이 멜팅 완료 후의 직경보다 0.3mm 이상 2mm 이하 축경(縮徑)하는 온도에서 멜팅을 행한다고 기술되어 있다. 특허문헌 6에 따르면, Dash Necking법에서의 적온이라 여겨지는 온도보다 10~20℃ 높은 온도라고 기술되어 있다.

종결정을 실리콘 융점보다 높은 온도에서 멜팅을 행하는 것의 필요성은, 높은 온도에서 멜팅함으로써, 종결정의 선단부분이 미융해부분을 남기는 일 없이 완전히 융해할 수 있다는 것에 있다. 실리콘 융액의 온도가 충분히 높지 않은 상태에서는, 종결정 선단이 빠르게 융해되지 않고, 고체상태로 실리콘 융액 중에 가라앉아, 슬립전위가 발생해버리기 때문이다.

또한, 최근의 인상결정의 장척화에 따른 고중량화나, 차세대 직경 450mm 결정과 같은 초고중량 결정에서는, 단결정 봉을 지지하기 위해 필요한 최소직경이 증가하게 된다. 특히 차세대 직경 450mm 결정에서는 1톤을 초과하는 결정중량을 상정하게 되는데, 이 경우, 유지에 필요한 최소직경은 10mm 이상 요구되게 된다. 최소직경 10mm가 요구되는 경우, 당연히 종결정의 멜팅은 직경 10mm 이상이 된다. 멜팅 직경이 굵어진다는 것은, 굵은 부위까지 빠르게 융해할 필요가 있고, 그 때문에도 멜팅온도의 고온화가 요구된다.

그러나, 이 무전위 종부법의 성공률을 높이기 위해 요구되는, 멜팅온도의 고온화에 대해서는 이하의 문제가 있었다.

멜팅온도의 고온화의 문제는, 종결정 멜팅 종료 후의 결정 성장으로 이행했을 때에 나타난다. 멜팅 공정은 실리콘 융액의 온도를 융점보다 높게 설정함으로써 원활하게 진행된다. 그러나, 멜팅 종료 직후의 실리콘 융액의 온도가 융점보다 높으면, 그대로 결정 성장을 개시하면 당연히, 결정직경은 멜팅 종료 직후의 직경보다 가늘게 잘록하고 경우에 따라서는 끊어지는 경우가 있다. 끊어지지 않는 경우여도, 가늘게 된 직경에서는, 고중량 결정을 유지하기에는 강도가 불충분해진다는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 4에 따르면, 멜팅 종료 후, 0~10분 동안 결정 성장으로 이행함으로써 무전위화 성공률은 향상되지만, 이 시간이 길어지면 무전위화 성공률이 저하된다고 기술되어 있다. 멜팅온도가 높은 경우에, 멜팅 종료 후 0~10분 동안 결정 성장으로 이행하고자 한 경우, 실리콘 융액의 온도를 재빨리 낮출 수 없고, 결정 성장 개시 후에 직경이 가늘어져 고중량 결정을 유지하기에는 강도가 불충분해진다는 문제가 있었다.

고중량 결정을 제조하는 도가니 내의 실리콘 융액량은 고중량이고 열용량이 크고, 그 실리콘 융액의 온도를 단시간에 저하시키는 것이 과제였다. 실리콘 융액의 온도를 낮추기 위해서는, 로 내에 설치되어 있는 가열용 흑연 히터의 전력을 낮추는 수법을 이용하는데, 가열용 흑연 히터의 전력변화에 대응한 실리콘 융액온도의 변화는 반응이 나쁘기 때문에, 종결정의 멜팅 종료 직후, 결정 성장 개시까지의 단시간에 실리콘 융액의 온도를 속효성(速效性) 좋게 낮추는 것은 매우 곤란했었다.

그 때문에, 지금까지는 멜팅의 온도를 높게 설정하기는 했지만, 그 상한은, 멜팅이 종료되어 결정 성장 이행 후의 직경이, 고중량 결정을 유지하는데 필요한 직경을 유지할 수 있는 범위인 것이라는 등, 멜팅온도에는 상한이 있었다. 무전위화 성공률을 높이기 위해 멜팅온도를 높게 설정하고 싶다 하더라도, 상기 제약이 있기 때문에 충분히 높은 멜팅온도로 설정할 수 없었으며, 무전위화 성공률의 향상을 도모하기 위한 방해가 되고 있었다.

일본 특허공개 H5-139880호 공보 일본 특허공개 H9-255485호 공보 일본 특허공개 H10-203898호 공보 일본 특허공개 H11-240793호 공보 국제공개 제2001/063026호 국제공개 제2003/091483호

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 네킹을 행하지 않는 무전위 종부법의 경우에, 육성하는 단결정 봉의 무전위화 성공률을 향상시키고, 대직경, 고중량의 단결정 봉의 생산성을 향상시키는 실리콘 단결정의 제조방법을 제공하는 것을 주된 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 있어서, 선단이 뾰족한 종결정의 이 선단부를 실리콘 융액에 접촉시킨 후, 상기 종결정을 소정의 직경의 위치까지 실리콘 융액에 멜팅하고, 그 후, 네킹을 행하는 일 없이 단결정 성장을 행하는 실리콘 단결정의 제조방법에 있어서, 상기 종결정을 융액에 멜팅하는 조작을, 도가니를 2rpm 이하로 회전시키면서 행하고, 멜팅 종료부터 결정 성장 개시 후 10분 이내에, 도가니의 회전을 상기 멜팅시의 도가니 회전속도보다 감속시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법을 제공한다.

이러한 본 발명에 따르면, 종결정 멜팅 후의 실리콘 융액 표면의 온도를 속효성 좋게 저하시킬 수 있고, 멜팅온도가 충분히 높은 경우에도, 멜팅 종료 후 바로 결정 성장으로 이행하여도, 결정 성장 후의 직경은, 고중량 결정을 유지하는데 필요한 직경을 유지할 수 있게 된다. 그 때문에, 멜팅온도를 고온으로 하여, 무전위 종부법의 성공률을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 종결정을 융액에 멜팅하는 조작에 있어서, 상기 선단부로부터 종결정 직경 6mm의 범위까지의 멜팅속도를 1mm/min 이상 10mm/min 이하로 행하는 것이 바람직하다.

이와 같이 멜팅 초기단계의 멜팅속도를 조정함으로써, 멜팅온도가 높은 경우에도 종결정의 분리를 방지할 수 있고, 무전위화 성공률을 보다 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 도가니의 회전을 감속시킬 때, 상기 멜팅시의 도가니 회전속도보다 0.1rpm 이상 감속시키는 것이 바람직하다.

이처럼, 도가니 회전의 감속폭을 0.1rpm 이상으로 함으로써, 보다 효과적으로 실리콘 융액 표면의 온도를 저하시킬 수 있다.

또한, 상기 도가니 회전의 감속을, 감속 개시부터 5분 이내에 완료하는 것이 바람직하다.

이렇게 함으로써, 실리콘 융액 표면 중심온도를 재빨리 저하시키고, 고중량 결정을 유지하는데 필요한 직경을 유지한 채 확경(diameter expansion)으로 이행할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 봉을 인상할 때에, 네킹이 불필요한 무전위 종부법에 있어서, 높은 무전위화 성공률을 달성할 수 있고, 그 재현성도 좋고, 장기안정화시킬 수 있다. 따라서, 향후의 단결정 봉의 대직경화, 장척화, 고중량화에도 충분히 적응시킬 수 있고, 생산성, 수율 그리고 비용을 현저하게 개선할 수 있다.

도 1은, 실리콘 단결정을 성장하는 로 내의 일부의 개략도이다.
도 2는, 무전위 종부법을 나타내는 설명도이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태를 설명하나, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니다.

상기 서술한 바와 같이, 무전위 종부법의 성공률을 높이는 것으로서 중요한 것은, 종결정의 멜팅온도를 실리콘의 융점보다 높게 설정한다고 하는 것은 주지된 바였으나, 높은 온도로 함으로써, 종결정의 멜팅 종료 직후, 결정 성장 개시까지의 단시간에 실리콘 융액의 온도를 낮출 수 없고, 결정 성장 개시 후에 직경이 가늘어져 고중량 결정을 유지하기에는 강도가 불충분해진다는 문제가 있었다.

본 발명자는, 무전위 종부법에 있어서의 성공률을 높이기 위하여, 예의 검토를 거듭한 결과, 실리콘 융액 표면온도를 종래의 온도보다 높게 설정한 경우에도, 멜팅 종료 후에, 도가니 회전을 조정함으로써, 반응 좋게 단시간에 실리콘 융액 표면온도를 저하시킬 수 있는 것을 발견하였다.

여기서, 표 1에, 도가니 회전의 감속을 이용하여 실리콘 융액 표면온도를 저하시킨 경우와, 가열용 흑연 히터의 전력 저하만으로 실리콘 융액 표면온도를 저하시킨 경우의, 온도의 변화량, 온도가 변하기 시작할 때까지의 시간, 및 그 온도가 안정될 때까지의 시간을 비교한 결과를 나타낸다.

	변화조건		실리콘 융액 표면 온도의 변화량(℃)	온도가 변하기 시작하는 시간(min)	온도가 변하기 시작하고 나서 안정될 때까지의 시간(min)
도가니 회전 감속에 따른 온도 변화	0.5→0.1rpm	감속	-7	<1	9
	1.0→0.1rpm	감속	-10	<1	10
가열용 흑연 히터의 전력 저하에 따른 온도 변화	150→146kw	다운	-5	8	120
	150→140kw	다운	-12	5	145

표 1에 나타내는 바와 같이, 도가니 회전의 감속을 이용한 경우에는, 도가니 회전의 감속 직후에 온도가 저하되기 시작하고, 그 온도가 안정될 때까지의 시간도 10분 정도로 매우 반응이 좋다. 그에 반해, 가열용 흑연 히터의 전력 저하만인 경우에는, 온도가 변하기 시작할 때까지도 타임래그가 있고, 온도가 변하기 시작하여 안정될 때까지에 이르러서는 2시간 이상이나 되는 시간을 요하였다. 변하기 시작하고 나서 변화 종료까지 온도 프로파일은 시간을 걸쳐 점점 감소하므로, 도가니 회전의 변화를 이용한 경우에 비해 반응이 나쁨이 명확하다.

이 지견을 토대로, 본 발명자는 도가니 회전의 감속에 따라, 실리콘 융액 표면온도가 저하되는 것, 저하량의 안정성·재현성의 양호함과, 그 반응의 양호함을 무전위 종부법에 적용할 수 없을까라고 생각하였다. 그리고 최종적으로, 실리콘 단결정 봉의 성장에 있어서, 네킹을 행하지 않는 무전위 종부법에서, 이들 조건의 무전위화 성공률이 만족할 수 있을 수준에 달하는지의 여부를 확인하여 본 발명을 완성시켰다.

이하에 그 검토결과를 상세하게 나타낸다.

검토를 행할 때, 본 발명자는, 종결정의 멜팅온도를 실리콘의 융점보다 높게 설정하였다. 구체적으로는, 무전위 성공률을 높이기 위하여 종래부터 행해지고 있는 온도(종래 온도)보다 추가로 5~15℃ 약간 높게 설정하였다.

여기서 「종래 온도」라는 것은, 특허문헌 5에서 기술되어 있는 바와 같이, 「종결정의 멜팅 종료의 위치로부터 결정 성장 3mm 구간 내에서, 결정의 직경이 멜팅 종료 후의 직경보다 0.3mm 이상 2mm 이하 축경하는 온도」이다(이하 동일).

멜팅의 온도의 구체적이면서 정확한 숫자라는 것은, 단결정 성장로 밖에서부터 온도계 등으로 정확하고 재현성 좋게 측정할 필요가 있지만 매우 어렵다. 단결정 성장로마다 온도계는 설치되어 있지만, 그 성장로에서의 상대적인 온도를 측정하기 위한 것으로서, 정확한 절대값을 나타내는 것은 아니다. 멜팅의 온도가, 실리콘의 융점보다 높은 것은 분명하지만 실리콘 융점보다 몇℃ 높은지라고 하는 구체적 숫자를 나타낼 수는 없다.

여기에서는, 성장로에 설치되어 있는 온도계를 이용하여, 종래부터 행해지고 있는 온도보다 5~15℃ 높은 온도로 설정하였다.

그리고, 도가니 회전의 감속영역이나 감속폭을 조정하여, 실리콘 융액 표면온도의 측정을 행하고, 어떠한 온도변화가 되는지를 측정하였다.

표 2에, 도가니 회전변화 패턴과 실리콘 융액 표면온도의 변화량, 및 도가니 회전변화 개시부터 온도가 변하기 시작하는 시간과 그 온도가 안정될 때까지의 시간을 측정한 결과를 나타낸다. 시험 No.1~10까지는 도가니 회전을 감속(도가니 회전의 정지를 포함한다)시킨 경우이고, 시험 No.11~13까지는 도가니 회전을 가속시킨 경우의 결과이다.

시험 No.	도가니 회전 변화 패턴(rpm)		실리콘 융액 표면 온도의 변화량(℃)	도가니 회전을 변화시키고 나서, 온도가 변하기 시작하는 시간(min)	온도가 변하기 시작하고 나서 안정될 때까지의 시간(min)
1	4.0→3.0	감속	0	-	-
2	3.0→2.0	감속	0	-	-
3	4.0→2.0	감속	0	-	-
4	2.0→1.0	감속	-1	<1	7
5	1.0→0.5	감속	-3	<1	8
6	0.5→0.1	감속	-7	<1	9
7	0.1→0	감속	-4	<1	8
8	0.5→0	감속	-11	<1	10
9	1.0→0.1	감속	-10	<1	10
10	1.0→0	감속	-13	<1	11
11	0.1→0.5	가속	+7	<1	9
12	0.5→1.0	가속	+3	<1	8
13	0→1.0	가속	+13	<1	11

도가니 회전을 감속시켜 가면, 2rpm 이하의 영역에서 감속시킨 경우에, 실리콘 융액 표면온도의 저하가 관찰되었다. 2rpm보다 빠른 영역의 도가니 회전의 감속에서는, 실리콘 융액 표면온도의 저하는 관찰할 수 없었다. 또한, 2rpm 이하의 영역에서도, 가속하면 실리콘 융액 표면온도는 상승하게 된다.

온도의 저하가 관찰된 2rpm 이하의 영역에 관해서는, 상세하게 감속시키는 조건을 할당하여, 실리콘 융액 표면온도의 변화를 측정한 결과, 도가니 회전이 1rpm 이하인 영역, 나아가 도가니 회전이 0.5rpm 이하인 영역에서 감속시킬 때에 실리콘 융액 표면온도의 저하가 크다는 것을 발견하였다.

도가니 회전의 감속에 다른 온도 변화의 측정에 관해서는, 단결정 성장로마다 설치되어 있는 2색 온도계를 이용하였다. 앞에서 설명한 바와 같이, 이 온도계는 그 성장로의 상대적인 온도를 측정하기 위한 것이다. 표 2에 나타낸 시험 No.1~13의 결과에 관해서는 어느 한 단결정 제조로에서의 측정결과이지만, 그 밖의 복수대의 단결정 제조로에서도 거의 동일한 온도 변화가 관찰되었다. 결국, 온도변화량(ΔT)은 어떠한 단결정 제조로에서도 동일한 정도로 재현성 좋게 확인되었다는 것이다.

나아가, 실리콘 융액 표면온도의 저하는, 도가니 회전의 감속개시 직후에 시작되어, 저하된 온도가 안정되는 시간도 약 10분으로 빠르다는 것을 알 수 있다. 통상, 실리콘 융액의 온도는 가열용 흑연 히터의 전력을 변화시킴으로써 제어하고 있다. 그러나, 표 1에도 나타나 있는 바와 같이, 고중량 결정을 제조하는 도가니 내의 실리콘 융액량은 고중량이고 열용량이 커서, 그 실리콘 융액의 온도를 단시간에 저하시키는 것은 곤란하고, 가열용 흑연 히터의 전력변화에 대응한 실리콘 융액온도의 변화는 반응이 나쁘다. 그에 비해 도가니 회전의 변화에 따른 실리콘 융액 표면온도의 변화가 일어나기 시작했을 뿐 아니라, 안정될 때까지의 시간도 빠르다는 것을 알 수 있다.

이는, 가열용 흑연 히터에 가까운 도가니벽에 있는 비교적 고온의 실리콘 융액의 대류가 도가니 중심 표면으로 흐르는 것이 약해지므로, 도가니 중심 표면온도가 저하된다는 현상에 의한다. 도가니 중심 표면온도의 저하는, 가열용 흑연 히터로부터의 열전도나 열복사라고 하는 시간을 요하는 온도 변화와는 달리, 실리콘 융액의 대류변화이기 때문에, 온도 변화는 속효성이 매우 좋다.

이러한 도가니 회전의 감속에 따른 실리콘 융액 표면온도의 저하는, 속효성이 좋기 때문에, 멜팅 중에 도가니 회전을 감속하면 멜팅하는 중에 실리콘 융액 표면온도가 저하되고, 그 결과, 종결정 선단이 빠르게 융해되지 않고, 고체상태로 실리콘 융액 중에 가라앉아, 슬립전위가 발생할 우려가 있다. 그 때문에, 도가니 회전의 감속의 타이밍은, 빨라도 멜팅 종료 후로 할 필요가 있다. 또한, 도가니 회전의 감속의 타이밍이 느리면, 도가니 회전의 감속에 따른 실리콘 융액 표면 중심온도의 저하가 맞지 않고, 결정 성장 후의 직경이, 고중량 결정을 유지하는데 필요한 직경을 유지할 수 없게 되는 경우가 생기기 때문에, 도가니 회전의 감속의 타이밍은, 느리더라도 결정 성장 개시 후 10분 이내로 할 필요가 있다.

이하, 본 발명의 실리콘 단결정의 제조방법에 대하여, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은, 실리콘 단결정을 성장하는 로 내의 일부의 개략도이다.

우선, 종결정 홀더(7)에 유지된, 선단이 뾰족한 종결정(5)의 선단부(6)를 실리콘 융액(4)에 접촉시킨다.

여기서, 본 발명의 네킹을 행하지 않는 무전위 종부법에 사용되는 종결정으로는, 종래부터 무전위 종부법용으로 사용되어 온, 실리콘 융액에 접촉시키는 선단부가, 뾰족한 형 또는 뾰족한 선단을 자른 형으로, 원추 또는 원뿔 또는 각뿔형상이고, 몸통이 원기둥 또는 각기둥형상인 것 등이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서 말하는 선단이 뾰족한 종결정이란, 이들을 포함하는 것이다.

실리콘 융액(4)에 선단부(6)를 접촉시킨 후, 종결정(5)을 소정의 직경의 위치, 예를 들어 육성하는 단결정 봉을 지지하기 위해 필요한 최소직경까지 실리콘 융액(4)에 멜팅한다.

이 종결정(5)을 멜팅하는 조작은, 내측의 석영 도가니(1a)와, 외측의 흑연 도가니(1b)(흑연 도가니(1b) 본체의 저부를 감합하여 일체적으로 유지하는 도가니 서포트(2)를 갖는다)를 조합한 이중구조로 이루어져 페데스탈(3)(회전 및 승강이 가능한 지지축) 위에 재치 고정된 도가니(1)를, 2rpm 이하로 회전시키면서 행한다.

멜팅시의 도가니 회전을 2rpm 이하로 하는 것은, 상기 표 2에 나타내는 바와 같이, 실리콘 융액 표면온도를 도가니 회전의 감속을 이용하여, 속효성 좋게 저하시키기 위해 알맞은 범위이기 때문이다.

또한, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 표 2에 나타나는 바와 같이, 특히, 도가니 회전을 1rpm로부터 감속, 나아가 도가니 회전을 0.5rpm로부터 감속시킬 때에 실리콘 융액 표면온도의 저하가 크기 때문에, 멜팅시의 도가니 회전은, 0.5rpm 이상이면 보다 바람직하다.

그리고, 종결정(5)의 멜팅 종료 후에, 시드 와이어(8)의 회전(9)에 의해 종결정(5)을 회전시키면서 서서히 인상함으로써, 실리콘 단결정의 육성을 행한다. 이때, 멜팅 종료부터 결정 성장 개시 후 10분 이내에, 도가니의 회전 10을, 멜팅시의 도가니 회전속도보다 감속시킨다.

멜팅 종료부터 결정 성장 개시로 이행하는 간극을 가능한 한 짧게 하기 위하여, 도가니 회전의 감속은, 감속 개시부터 5분 이내에 완료하는 것이 바람직하다.

도가니 회전을, 멜팅 종료부터 결정 성장 개시 후 10분 이내에, 멜팅시의 도가니 회전속도보다 감속시킴으로써, 실리콘 융액 표면의 온도를 속효성 좋게 저하시킬 수 있으며, 특히, 감속 개시부터 5분 이내에 도가니의 감속을 완료함으로써, 멜팅온도가 충분히 높은 경우에도, 멜팅 종료 후 바로 결정 성장으로 이행하더라도, 결정 성장 후의 직경은, 고중량 결정을 유지하는데 필요한 직경을 유지한 채 확경으로 이행할 수 있다.

상기 서술한 바와 같이, 가열용 흑연 히터의 전력을 낮추는 수법만으로는 실리콘 융액 표면의 온도를 속효성 좋게 낮추는 것이 불충분하였으나, 도가니 회전을 감속시킴으로써, 종결정의 멜팅을 행하는 도가니 중심 표면온도를 속효성 좋게 저하시키는 것이 가능하다.

이 속효성이 좋은 온도저하를 이용함으로써, 멜팅온도가 충분히 높은 경우여도, 무전위화 성공률이 향상된다고 여겨지고 있는 「멜팅 종료 후 0~10분 동안」에 결정 성장으로 이행할 수 있고, 결정 성장 후의 직경은, 고중량 결정을 유지하는데 필요한 직경을 유지할 수 있게 된다.

물론, 본 발명에서, 실리콘 융액 표면의 온도를 저하시키기 위해, 도가니 회전의 감속과, 가열용 흑연 히터의 전력 저하를 동시에 행할 수도 있다.

멜팅온도를 고온화하면, 선단이 뾰족한 무전위 종부용 종결정이, 실리콘 융액과의 착액으로부터 멜팅의 초기단계에 있어서, 실리콘 융액과 분리된다는 경우도 있다. 멜팅온도가 실리콘의 융점 근방의 온도라면, 종결정과 실리콘 융액과는 융합한 상태가 되어, 분리가 발생하는 경우는 없다. 그러나, 멜팅온도를 높이면, 착액으로부터 종결정이 가는 초기단계의 멜팅시에, 종결정이 재빨리 녹아 실리콘 융액과 분리될 가능성이 높아진다.

선단이 가는 멜팅 초기단계에서 종결정이 실리콘 융액과 분리되면, 종결정의 선단 형상은, 당초 뾰족한 형상이 아니라 평평해진다. 애초부터 무전위 종부를 성공시키기 위해 선단부를 뾰족한 형상으로 한 것은, 실리콘 융액과의 접촉 면적을 줄이면, 종결정에 대한 열충격이나 급격한 온도구배를 방지하여 슬립전위를 도입하지 않도록 하는 것이 목적이었으므로, 멜팅 중에 분리되어 선단이 평평해진 종결정에서는, 선단의 단면적은 아직 충분히 작다고는 해도, 재차 그대로 멜팅을 계속한다면, 평평해진 선단으로부터 슬립전위가 도입될 가능성이 높아져, 무전위 종부의 성공률 저하의 요인이 된다는 것이 명백하다.

그러므로, 이러한 경우에는, 종결정을 융액에 멜팅하는 조작에 있어서, 선단부(6)로부터 종결정 직경 6mm의 범위까지의 멜팅속도를 1mm/min 이상 10mm/min 이하로 행하면 된다.

그 후 다시 종결정을 멜팅하는 경우에는, 멜팅속도는, 고속으로 할 필요가 없는데, 예를 들어 0.5mm/min 이상 5mm/min 이하로 하면 된다.

여기서, 표 3에 멜팅온도와, 종결정 선단으로부터 결정직경 6mm까지의 멜팅속도와, 그 조건 하에서의 멜팅 중의 종결정 끊김 발생률을 정리한 결과를 나타낸다.

멜팅온도	종결정 선단으로부터 결정 직경 6mm까지의 멜팅속도	멜팅시의 종결정 끊김 발생률
종래 온도	0.5mm/min	4%
	1mm/min	0%
	5mm/min	0%
	5→1mm/min	0%
	10mm/min	0%
종래 온도+5℃	0.5mm/min	30%
	1mm/min	5%
	5mm/min	0%
	5→1mm/min	0%
	10mm/min	0%
종래 온도+10℃	0.5mm/min	40%
	1mm/min	8%
	5mm/min	0%
	5→1mm/min	0%
	10mm/min	0%
종래 온도+15℃	0.5mm/min	50%
	1mm/min	10%
	5mm/min	0%
	5→1mm/min	0%
	10mm/min	0%

표 3에 나타나는 바와 같이, 종래 온도보다 5~15℃ 높은 온도에서의 멜팅의 경우, 멜팅온도가 높을수록 멜팅 중의 종결정 끊김은 발생하기 쉬워지는 경향이긴 하나, 멜팅속도를 1mm/min 이상으로 함으로써, 종결정이 가는 초기단계의 멜팅에 있어서도, 멜팅 중에 종결정 끊김이 발생할 확률을 낮게 억제할 수 있다. 멜팅온도가 높은 경우여도, 멜팅속도를 고속으로 할수록, 멜팅시의 종결정 끊김을 감소시킬 수 있으므로, 멜팅속도를 조정함으로써, 멜팅온도의 고온화에도 대응할 수 있다.

또한, 멜팅속도가 10mm/min 이하이면, 융액 표면에서 빠르게 종결정이 용융되므로, 고체 상태에서 실리콘 융액 중에 가라앉아 슬립전위가 도입되거나 하는 일도 없으며, 무전위화 성공률을 보다 향상시킬 수 있다.

이처럼, 특히 융액면 위의 온도가 실리콘의 융점보다 충분히 높은 범위에서 종결정을 융액에 멜팅하는 조작을 행할 때에, 멜팅의 초기단계인 종결정 직경이 6mm 이하인 가는 단계의 멜팅속도를, 1mm/min 이상 10mm/min 이하의 범위에서 행한다면, 종결정의 착액으로부터 멜팅 초기단계에서, 종결정이 실리콘 융액과 분리되는 것을 회피할 수 있다. 종결정이 실리콘 융액과 분리되면, 종결정의 선단 형상은, 당초의 뾰족한 형상이 아니라 평평해지고, 그러한 종결정에서 재차 멜팅을 계속한 경우, 종결정에 대한 열충격이나 급격한 온도구배에 의한 슬립전위가 도입될 가능성이 높아져, 무전위 종부의 성공률 저하로 이어지지만, 멜팅속도를 조정함으로써, 이를 회피할 수 있다.

실시예

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이것들로 한정되는 것은 아니다.

[실시예·비교예]

표 4에 나타내는 조건으로, 무전위 종부법에 의해 실리콘 단결정을 제조하였다.

표 4에, 무전위 종부법으로 콘 직경 300mm까지 확경시켰을 때의 무전위화 성공률을 나타낸다.

한편, 여기서 말하는 「무전위화 성공률」이란, 콘 직경 300mm까지의 확경시의 정벽선(晶癖線: crystal habit line)의 유무를 말하며, 정벽선이 성장 도중에 없어진 것은, 단결정화가 파탄된 것으로 간주하고 있다. 시행횟수에 대한 콘 직경 300mm까지의 무전위화의 성공률을 나타낸 값이다. 본 실시예, 비교예에서의 시행횟수는, 20회로 하였다.

또한, 종결정 선단부로부터 종결정 직경 6mm의 범위까지의 멜팅속도를 「멜팅속도」로 하고, 멜팅 직경 8mm와 10mm의 것에 대해서는, 6mm 이후의 범위의 속도는 멜팅 직경이 6mm일 때의 멜팅속도를 유지하고, 멜팅 종료 후 바로 결정 성장을 개시하였다.

	멜팅온도	멜팅속도	멜팅 종료 후의 도가니 회전	멜팅 직경	무전위화 성공률	코멘트
비교예 1	종래 온도	0.8mm/min	변화 없음 (0.5rpm 일정)	6mm	80%	-
비교예 2				8mm	70%	-
비교예 3				10mm	5%	-
비교예 4	종래 온도 +10℃			6mm	0%	결정성장 개시 후 결정 직경이 <5mm가 되어 중지
비교예 5				8mm	0%
비교예 6				10mm	0%
실시예 1			멜팅 종료 후 1분 이내에 1.0→0.1rpm (변화에 필요한 시간은 1분)	6mm	95%	-
실시예 2				8mm	90%	-
실시예 3				10mm	90%	-
실시예 4		5→1mm/min		6mm	100%	-
실시예 5				8mm	95%	-
실시예 6				10mm	95%	-

표 4에서는, 멜팅온도를 2수준, 멜팅속도를 2수준, 멜팅 완료 후의 도가니 회전의 설정을 2수준, 멜팅 직경을 3수준 시행했을 때의 무전위화 성공률을 나타내고 있다.

표 4에 나타나는 바와 같이, 종래 온도에서, 멜팅속도가 0.8mm/min, 멜팅 종료 후의 도가니 회전이 0.5rpm 일정한 경우(비교예 1~3), 멜팅 직경 6mm, 8mm일 때에는 70% 이상의 무전위화 성공률이 얻어졌다. 그러나, 멜팅 직경이 10mm에서는 무전위화 성공률은 크게 저하되었다. 멜팅 직경이 10mm로 굵은 경우에 성공률이 저하된 이유는, 종래 온도라는 것이 충분히 높지 않기 때문에, 서서히 굵어지는 멜팅 종반에 있어서, 융액 표면에서 종결정이 빠르게 용융되지 않게 되고, 고체 상태로 실리콘 융액 중에 가라앉아 슬립전위가 도입되어, 무전위화 성공률이 저하된 것으로 생각된다.

멜팅온도를 종래 온도에 대하여 10℃ 높게 설정한 경우에, 멜팅속도가 0.8mm/min, 멜팅 종료 후의 도가니 회전이 0.5rpm 일정(비교예 4~6)할 때는, 결정 성장 개시직후에 직경이 5mm 이하가 되어, 고중량 결정을 유지하기에는 강도가 불충분한 직경이므로, 실패라고 판단하고, 콘 확경은 중지로 하였다. 즉, 단순히 멜팅온도를 높게 설정하는 것만으로는, 무전위화 성공률의 향상은 바라볼 수 없다는 것이다.

멜팅온도를 종래 온도에 대하여 10℃ 높게 설정한 경우에, 멜팅속도가 0.8mm/min, 멜팅 종료 후의 도가니 회전을 1.0으로부터 0.1rpm으로 감속한 조건(실시예 1~3)에서는, 결정 성장 개시 후에도 직경이 너무 가늘어진다고 하는 문제가 발생하지 않았으며, 멜팅 직경 3수준 모두에서 무전위화 성공률 90% 이상으로 양호하였다. 멜팅온도를 고온화하면 무전위화 성공률이 향상된다고 하는 것을, 여기에서도 확인할 수 있었다.

나아가, 멜팅온도를 종래 온도에 대하여 10℃ 높게 설정한 경우에, 멜팅속도를 5mm/min로부터 1mm/min, 멜팅 종료 후의 도가니 회전을 1.0으로부터 0.1rpm으로 감속한 조건(실시예 4~6)에서는, 멜팅온도를 높게 설정했음에도 불구하고, 멜팅 중의 종결정 분리의 발생은 없었으며, 멜팅 직경 3수준 전체에 있어, 무전위화 성공률을 95% 이상까지 향상시킬 수 있었다.

이상과 같이, 단순히 멜팅온도를 고온화하면 결정 성장 개시 후 의 직경이 가늘어진다는 부작용이 발생하므로, 그 대책으로서 멜팅 완료 후의 도가니 회전 변화에 따른 실리콘 융액온도의 변화를 이용함으로써, 부작용은 회피할 수 있고 또한, 멜팅온도의 고온화에 따른 무전위화 성공률의 향상이라는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 멜팅속도를 조정함으로써, 무전위화 성공률을 보다 향상시키는 것이 가능하다.

멜팅온도의 고온화에 따른 메리트는, 특히 멜팅 직경이 굵을 때에 크게 효과를 발휘한다. 이것을 앞에서 설명한 바와 같이, 굵은 직경의 멜팅시에는, 융액 표면에서 종결정이 빠르게 용융되지 않게 되고, 고체 상태로 실리콘 융액 중에 가라앉아 슬립전위가 도입되기 쉬워지기 때문에, 고온에서의 멜팅이 이것을 회피하기에 효과적이었음을 나타내고 있다. 차세대 직경 450mm 결정과 같은 초고중량 결정에 있어서는, 1톤을 초과하는 결정중량을 상정하게 되고, 이 경우 유지에 필요한 최소직경은 10mm 이상이 요구되게 된다. 최소직경 10mm가 요구되는 경우, 당연히 종결정의 멜팅은 직경 10mm 이상이 된다. 이러한 경우, 특히 본 발명은 유효성을 발휘하고, 결정 성장 개시 후에 직경이 가늘어져 고중량 결정을 유지하기에는 강도가 불충분해지는 것을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 단지 예시일 뿐으로, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용 효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

예를 들어, 본 발명의 실시형태에서는, 직경 300mm의 콘 확경부를 성장시키고 있으나, 향후 상정되는 직경 400mm(16인치)로의 대직경화, 나아가 그 다음의 직경 450mm 결정과 같은 초고중량 결정에도 충분히 대응할 수 있다. 본 발명에서는, 네킹을 행하지 않고, 전위도 발생하지 않으므로, 실리콘 단결정 자체의 물성의 한계값 이하이면, 결정 유지장치 등의 복잡한 장치를 이용하는 일 없이, 원칙적으로 어떠한 원칙적으로 어떠한 직경, 길이, 중량의 단결정 봉의 인상이어도 당연히 적용할 수 있다.

나아가, 본 발명은, 통상의 쵸크랄스키법 뿐만 아니라, 실리콘 단결정의 인상시에 자장을 인가하는 MCZ법(Magnetic field applied Czochralski crystal growth method)에도 동일하게 적용할 수 있다.

Claims (4)

1. 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 방법에 있어서, 선단이 뾰족한 종결정의 이 선단부를 실리콘 융액에 접촉시킨 후, 상기 종결정을 소정의 직경의 위치까지 실리콘 융액에 멜팅하고, 그 후, 네킹을 행하는 일 없이 단결정 성장을 행하는 실리콘 단결정의 제조방법에 있어서, 상기 종결정을 융액에 멜팅하는 조작을, 도가니를 2rpm 이하로 회전시키면서 행하고, 멜팅 종료부터 결정 성장 개시 후 10분 이내에, 도가니의 회전을 상기 멜팅시의 도가니 회전속도보다 감속시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 종결정을 융액에 멜팅하는 조작에 있어서, 상기 선단부로부터 종결정 직경 6mm의 범위까지의 멜팅속도를 1mm/min 이상 10mm/min 이하로 행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 도가니의 회전을 감속시킬 때, 상기 멜팅시의 도가니 회전속도보다 0.1rpm 이상 감속시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 도가니 회전의 감속을, 감속 개시부터 5분 이내에 완료하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
   

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