KR20140104677A - 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법 - Google Patents

Abstract

실시예는 도가니에 실리콘 멜트를 주입하고 용융하여 실리콘 용융액을 준비하는 단계; 상기 실리콘 용융액에 시드를 디핑(dipping)하는 단계; 및 상기 실리콘 용융액으로부터 잉곳을 성장시키며 인상하는 단계를 포함하고, 상기 잉곳의 인상 속도와, 상기 잉곳의 가장 자리로부터 상기 잉곳의 가장 자리와 기설정된 온도 차이를 나타내는 상기 실리콘 용융액의 표면 상의 위치 사이의 거리의 곱이 기설정된 범위 이내인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공한다.

Description

실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법{METHOD FOR GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL}

실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 측면에서 비선형 성장이 발생하지 않는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 재료로서 사용되는 실리콘 웨이퍼는, 단결정 실리콘 잉곳을 웨이퍼 단위로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정(slicing), 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼의 손상(damage) 제거를 위한 에칭 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 연마 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염 물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 생산된다.

쵸크랄스키 법에 따른 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법은, 석영 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 용융액으로 만든 다음, 실리콘 용융액의 표면으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.

실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때에는 도가니를 지지하는 축을 회전시키면서 도가니를 상승시켜 잉곳과 실리콘 용융액의 경계면이 동일한 높이를 유지하도록 하고, 실리콘 단결정 잉곳은 도가니의 회전축과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어올린다.

또한, 원활한 실리콘 단결정 잉곳 성장을 위해, 아르곤(Ar) 가스와 같은 비활성 가스를 잉곳 성장 장치의 상부로 유입하였다가 잉곳 성장 장치의 하부로 배출시키는 방법을 많이 이용하고 있다.

도 1의 실리콘 용융액 내에서의 열 흐름을 나타낸 도면이다.

실리콘 단결정 잉곳을 성장시키면, 도 1에 도시된 바와 같은 도가니(60) 내에서의 실리콘 용융액의 대류 분포(A, B)를 가지게 된다.

이때, 히터로부터 발생된 열은 도가니를 통해 실리콘 용융액으로 전달되고 융액으로 유입된 열은 외주셀(B)을 통해 중심셀(A)로 전달되며, 중심셀로 전달된 열은 다시 결정으로 전달된다.

그러나, 상술한 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장은 다음과 같은 문제점이 있다.

상술한 분포의 열 대류는 결정으로의 열 전달이 충분하지 않고 또한 열량이 불규칙적으로 변화함에 따라 결정 성장이 불균일해져 결함이 발생되기 쉬우며, 실리콘 단결정 잉곳의 측면에서 비선형 성장이 발생될 수 있다.

도 2는 잉곳의 가장 자리에서의 비선형 성장을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 비선형 성장은 실리콘 단결정 잉곳의 가장자리(edge)에서 발생된 것으로서 결정성장이 반경방향으로 불규칙하게 일어나서 발생된 것이다. 따라서, 잉곳의 반경을 불균일하게 만들고 잉곳의 외주면을 따라 곡률반경을 불균일하게 만든다.

상술한 잉곳의 가장 자리에서의 비선형 성장을 방지하기 위하여 실리콘 용융액과 잉곳의 경계면에서의 냉각속도의 값을 조절하는 노력이 있었다. 그러나, 실리콘 용융액과 잉곳의 경계면에서의 냉각속도의 값의 조절 만으로 잉곳의 비선형 성장을 방지하기에 충분하지 않다.

실시예는 실리콘 잉곳의 가장 자리에서의 비선형 성장을 방지하고자 한다.

실시예는 도가니에 실리콘 멜트를 주입하고 용융하여 실리콘 용융액을 준비하는 단계; 상기 실리콘 용융액에 시드를 디핑(dipping)하는 단계; 및 상기 실리콘 용융액으로부터 잉곳을 성장시키며 인상하는 단계를 포함하고, 상기 잉곳의 인상 속도와, 상기 잉곳의 가장 자리로부터 상기 잉곳의 가장 자리와 기설정된 온도 차이를 나타내는 상기 실리콘 용융액의 표면 상의 위치 사이의 거리의 곱이 기설정된 범위 이내인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공한다.

기설정된 온도 차이는 2℃일 수 있다.

기설정된 범위는 33 mm²/min일 수 있다.

잉곳의 가장 자리는 선형 성장될 수 있다.

잉곳의 인상 속도가 증가할수록, 상기 잉곳의 측면 성장 속도를 감소시킬 수 있다.

실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법은, 잉곳의 인상속도와 상기 잉곳의 가장 자리로부터 상기 잉곳의 가장 자리와 기설정된 온도 차이를 나타내는 상기 실리콘 용융액의 표면 상의 위치 사이의 거리의 곱이 기설정된 범위 이내가 되도록 하여 잉곳의 가장 자리에서 비선형 성장을 방지할 수 있으며, 잉곳의 인상 속도가 커질수록 잉곳의 측면 성장속도를 감소시켜서 잉곳의 가장 자리에서 비선형 성장을 방지한다.

도 1의 실리콘 용융액 내에서의 열 흐름을 나타낸 도면이고,
도 2는 잉곳의 가장 자리에서의 비선형 성장을 나타낸 도면이고,
도 3은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 1에서 도가니의 고온 영역과 저온 영역에서의 열 교환을 나타낸 영역이고,
도 5는 실리콘 용융액으로부터 잉곳의 성장을 나타낸 도면이고,
도 6은 잉곳의 가장 자리에서의 선형 성장을 나타낸 도면이고,
도 7은 실리콘 용융액의 wetting angle에서의 온도 분포를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

도 3은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.

본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치(100)는, 내부에 실리콘(Si) 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(10)와, 상기 실리콘 용융액(Si melt)이 수용되기 위한 도가니(60, 65)와, 상기 도가니(60, 65)를 가열하기 위한 가열부(20)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부(20)의 열을 차단하기 위하여 상기 도가니(60, 65)의 상방에 위치되는 상방 단열부(32)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 위한 시드(미도시)를 고정하기 위한 시드척(미도시)과 상기 실리콘 단결정 잉곳을 상방으로 이동시키는 이동 수단을 포함한다.

그리고, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 제조 장치(100)는, 상기 도가니(60, 65)를 지지하고 회전 및 상승시키기 위한 지지 수단(50)과, 상기 챔버(10)의 내벽을 향한 상기 가열부(20)의 열을 차단하기 위한 측방 단열부(31)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각하기 위한 냉각관(70)을 더 포함한다.

상기 챔버(10)는 내부에 캐비티(cavity)가 형성된 원통 형상일 수 있고, 상기 챔버(10)의 중앙 영역에 상기 도가니가 위치된다. 상기 도가니는, 상기 실리콘 용융액이 수용될 수 있도록 전체적으로 오목한 그릇의 형상이다. 그리고, 상기 도가니는, 상기 실리콘 용융액(Si)과 직접 접촉되는 석영 도가니(60)와, 상기 석영 도가니(60)의 외면을 둘러싸면서 상기 석영 도가니(60)를 지지하는 흑연 도가니(65)로 이루어질 수 있다.

상기 도가니의 측면에는 상기 도가니를 향하여 열을 방출하기 위한 가열부(20)가 배치되하고, 상기 측방 단열부(31)는 상기 가열부(20)와 상기 챔버(10)의 내벽 사이에 구비된다.

그리고, 상기 상방 단열부(32)는, 상기 챔버(10)의 내벽으로부터 상기 실리콘 용융액과 상기 실리콘 용융액으로부터 성장된 단결정 잉곳의 경계면을 향하여 연장된다. 다만, 상기 상방 단열부(32)의 단부와 상기 경계면 사이를 통하여 아르곤 가스가 유동할 수 있도록, 상기 상방 단열부(32)의 단부가 상기 경계면과 이격되는 범위 내에서 연장된다.

또한, 상기 상방 단열부(32)의 단부는 성장 중인 잉곳을 둘러싸며 배치될 수 있다. 즉, 상방 단열부(32)는 상기 챔버(10)의 내부 공간을, 상기 실리콘 용융액이 가열되고 상기 실리콘 용융액으로부터 단결정 잉곳이 성장되는 가열 챔버(13)와, 상기 단결정 잉곳이 냉각되는 냉각 챔버(14)로 구획한다.

그리고, 실리콘 단결정 잉콧의 이동 수단은 시드 케이블(42)과, 구동모터(미도시)를 포함한다. 상기 구동모터에 의하여 상기 시드 케이블(42)을 당겨짐으로써, 상기 시드척(미도시)과 상기 시드척에 성장 중인 단결정 잉곳이 함께 당겨질 수 있다. 단결정 잉곳은 도시된 바와 같이 넥(neck)으로부터 성장을 시작하여 숄더(shoulder)를 거쳐 바디(body)의 성장이 이루어진다.

또한, 상기 지지수단(50)은, 상기 도가니를 지지하는 지지부와, 상기 도가니를 회전 및 승강시키기 위한 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함한다. 상기 지지부는 상기 도가니의 하방에서 상기 도가니의 저면을 지지하고, 상기 구동모터는 상기 지지부를 회전 및 승강시킴으로써 상기 도가니가 회전 및 승강되도록 한다.

그리고, 상기 냉각관(70)은 전체적으로 상하 방향으로 긴 중공형의 원통 형상이다. 그리고, 상기 냉각관(70)은 상기 단결정 잉곳의 상방에 해당하는 상기 챔버(10)의 상면에 고정된다.

그리고, 상기 냉각관(70)의 내부에는, 상기 단결정 잉곳의 냉각을 위한 물이 유동하기 위한 유로가 형성된다. 상기 단결정 잉곳의 쿨링(cooling) 과정이 수행되는 동안, 상기 단결정 잉곳은 상기 냉각관(70)의 내측에 위치되고 상기 냉각관(70)을 통하여 물이 유동하는 방식으로 상기 단결정 잉곳이 냉각될 수 있다.

이하에서, 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 도가니 내에 실리콘 멜트를 주입하고 가열부(20)를 작동시키고, 가열부(20)로부터 방출된 열이 도가니(60)에 집중되어 도가니(60)에 수용되는 실리콘 멜트를 용융하여 실리콘 용융액을 마련한다.

그리고, 실리콘 용융액에 시드를 디핑(dipping)하고, 실리콘 용융액의 일부가 고화되어 상술한 시드로부터 가늘고 긴 형상의 넥(neck)이 성장될 수 있다.

이어서, 넥의 하부로부터 연속하여 숄더(shoulder)가 성장될 수 있는데, 숄더는 넥으로부터 수직 및 수직 방향으로 성장하여 잉곳의 직경이 가로 방향(직경 방향)으로도 성장할 수 있다.

숄더의 성장 종료 후 바디(body)의 성장 공정에서 잉곳이 수직 방향으로 성장할 수 있다.

상술한 바와 같이 시드의 디핑으로부터 넥과 숄더 및 바디의 성장을 포함하는 잉곳의 성장 공정에서 잉곳을 윗 방향으로 천천히 인상할 수 있다.

이때, 잉곳의 가장 자리와 접촉하는 실리콘 용융액의 표면에서 초냉각 존(supercooling zone)이 형성될 수 있고, 초냉각 영역 내의 잉곳의 가장 자리에서 비선형 성장이 발생할 수 있다.

도 4는 도 1에서 도가니의 고온 영역과 저온 영역에서의 열 교환을 나타낸 영역이다.

도시된 바와 같은 도가니(60) 내에서의 실리콘 용융액의 대류 분포는 크게, 도가니의 회전으로 인해 발생되는 외주셀(B)과 잉곳의 회전으로 인해 발생되는 중심셀(A)로 구분된다. 즉, 외주셀(B)은 도가니(60)의 바닥부와 측벽부를 따라 실리콘 용융액의 표면으로 상승하다가 실리콘 용융액의 표면을 따라 실리콘 단결정 잉곳 쪽으로 순환하는 대류이고, 중심셀(A)은 외주 셀(B)의 내부 경사면을 따라 실리콘 단결정 잉곳의 하부 근접 부분에서 순환하는 대류이다.

이때, 히터로부터 발생된 열은 도가니를 통해 실리콘 용융액으로 전달되고 융액으로 유입된 열은 외주셀(B)을 통해 중심셀(A)로 전달되며, 중심셀로 전달된 열은 다시 결정으로 전달된다.

그러나, 도시된 바와 같이 잉곳의 가장 자리와 접촉하는 영역에서 잉곳으로의 열 전달이 충분하지 않고 열량이 불규칙적으로 변화함에 따라 결정 성장이 불균일해져 비선형 성장이 발생할 수 있다.

도 5는 실리콘 용융액으로부터 잉곳의 성장을 나타낸 도면이다. 상술한 비선형 성장이 발생할 수 있는 영역은 잉곳의 가장 자리와 접촉하는 실리콘 용융액의 표면인 초냉각 존(supercooling zone)일 수 있다.

아래의 수학식 1을 만족할 때, 즉 좌변의 값이 우변보다 크거나 같을 때 초냉각 영영이 형성되지 않거나 잉곳의 비선형 성장이 발생하지 않을 수 있고, 우변의 값이 좌변의 값보다 클 때 초냉각 영영이 형성되거나 잉곳의 비선형 성장이 발생할 수 있다.

수학식 1.

G_L/v=ΔT/Lv≥{(mC_L/D)(1-K₀)}/k₀

여기서, G_L은 실리콘 용융액 내에서의 온도 구배(temperature gradient in melt)이며 특히 수평 방향 내지 반경 방향으로의 온도 구배일 수 있고, v는 잉곳의 인상 속도이고, ΔT는 실리콘 용융액의 표면에서 잉곳의 가장 자리와 기설정된 온도 차이이고, L은 실리콘 용융액의 표면에서 잉곳의 가장 자리로부터 기설정된 온도 차이(ΔT)를 나타내는 지점 사이의 거리이고, m은 실리콘과 도펀트(dopant)의 phase diagram에서의 기울기(dT/dC)이고, C_L은 실리콘 용융액 내에서의 도펀트의 농도이고, D는 도펀트의 확산 계수(Diffusion Coefficient)이고, k₀는 실리콘 용융액 내에서의 실리콘과 도펀트의 평형 분리 계수(equilibrium segregation coefficient)이다.

초냉각 존의 형성은 결정성장 측면에서는 긍정적으로 작용하나 과도한 인상속도의 증가나 과도한 시드회전의 증가로 너무 많이 형성되게 되면 비선형 성장이 발생하게 된다. 과도한 초냉각 존의 형성은 실리콘 용융액의 온도구배가 작아진다는 것을 의미하고, 이는 곧 열전달이 원활하지 않다는 것을 의미한다. 따라서, 초냉각 존에서 결정으로의 열전달이 원활하지 않아서 비선형 성장이 발생할 수 있다.

이때, 잉곳의 가장 자리에서 비선형 성장이 발생하지 않으려면 아래의 수학식 2의 좌변 값이 33mm²/min이하일 수 있다.

수학식 2.

Lv≤ξ

즉, 잉곳의 인상속도(v)와, 상기 잉곳의 가장 자리로부터 상기 잉곳의 가장 자리와 기설정된 온도 차이(ΔT)를 나타내는 실리콘 용융액의 표면 상의 위치 사이의 거리(L)의 곱이 기설정된 범위(ξ) 33mm²/min 이내일 때 잉곳의 가장 자리에서 비선형 성장이 발생하지 않을 수 있다.

또한, 수학식 2로부터 잉곳의 인상 속도 v가 커질수록 잉곳의 측면 성장속도가 감소하여야 잉곳의 가장 자리에서 비선형 성장이 발생하지 않음을 알 수 있다.

도 6은 잉곳의 가장 자리에서의 선형 성장을 나타낸 도면이다. 상술한 수학식 2의 조건을 만족하도록 잉곳이 성장될 때, 잉곳의 가장 자리에서 도시된 바와 같이 선형 성장이 진행될 수 있다.

도 7은 실리콘 용융액의 wetting angle에서의 온도 분포를 나타낸 도면이다.

사파이어 용융액으로부터 잉곳 방향으로 갈수록 온도가 점점 낮아지고 있으며, wetting angle 내에서 실리콘 용융액의 표면에서 잉곳의 가장 자리와 기설정된 온도 차이를 나타내는 위치 사이의 거리 'L'이 표시되고 있는데, 여기서 기설정된 온도 차이는 2℃이다.

아래의 표 1은 상술한 장치에서 잉곳을 성장시킬 때, 실리콘 용융액의 표면에서 잉곳의 가장 자리로부터 기설정된 온도 차이(2℃)를 나타내는 위치 사이의 거리 L과 잉곳의 인상 속도 v, 및 L과 v의 곱을 나타내고 있다.

사례 2와 사례 4 및 사례 9는 L과 v의 곱이 33을 초과하였으며 잉곳의 가장 자리에서 비선형 성장이 발생함을 확인할 수 있었다.

	L(mm)	v(mm/min)	Lv(mm2/min)
사례 1	5.75	1.2	7
사례 2	31.36	1.5	47
사례 3	21.94	1.5	33
사례 4	30.18	1.6	48
사례 5	1.09	1.6	2
사례 6	1.41	1.8	3
사례 7	2.38	2	5
사례 8	8.52	2.2	19
사례 9	18.21	2.3	42

이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 챔버 20: 가열부
31: 측방 단열부 32: 상방 단열부
42: 시드 케이블 50: 지지 수단
60: 석영 도가니 65: 흑연 도가니
70: 냉각관

Claims (5)

1. 도가니에 실리콘 멜트를 주입하고 용융하여 실리콘 용융액을 준비하는 단계;
   상기 실리콘 용융액에 시드를 디핑(dipping)하는 단계; 및
   상기 실리콘 용융액으로부터 잉곳을 성장시키며 인상하는 단계를 포함하고,
   상기 잉곳의 인상 속도와, 상기 잉곳의 가장 자리로부터 상기 잉곳의 가장 자리와 기설정된 온도 차이를 나타내는 상기 실리콘 용융액의 표면 상의 위치 사이의 거리의 곱이 기설정된 범위 이내인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 기설정된 온도 차이는 2℃인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 기설정된 범위는 33 mm²/min인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 잉곳의 가장 자리는 선형 성장되는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 잉곳의 인상 속도가 증가할수록, 상기 잉곳의 측면 성장 속도를 감소시키는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.

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