KR20150060690A - 실리콘 단결정 육성장치 및 실리콘 단결정 육성방법 - Google Patents

실리콘 단결정 육성장치 및 실리콘 단결정 육성방법 Download PDF

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신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 가열용 흑연히터의 내측에 흑연 도가니, 그 내측에 석영 도가니를 배치하고, 석영 도가니 내에 채워지는 원료용융액으로부터 결정을 육성하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 육성장치로서, 흑연히터의 외측에 히터 외측 단열부재, 흑연 도가니의 하부에 도가니 하부 단열부재, 흑연 도가니 및 석영 도가니의 직동부의 상방에 도가니 상부 단열부재, 흑연 도가니의 직동부의 외측에 위치하는 도가니 외측 단열부재, 흑연 도가니 및 석영 도가니의 직동부의 내측에 도가니 내측 단열부재, 원료용융액의 액면의 상방에 차열부재를 가지며, 도가니 상부 단열부재와 도가니 외측 단열부재와 도가니 내측 단열부재의 내측에 형성되는 공간에 있어서, 흑연 도가니 및 석영 도가니가 승강 가능한 것인 실리콘 단결정 육성장치이다. 이에 따라, 원료용융액의 액면의 보온성을 유지하고, 고화 등에 의한 유전위화를 억제할 수 있는 실리콘 단결정 육성장치 및 실리콘 단결정 육성방법이 제공된다.

Description

실리콘 단결정 육성장치 및 실리콘 단결정 육성방법{SILICON SINGLE CRYSTAL GROWING APPARATUS AND SILICON SINGLE CRYSTAL GROWING METHOD}
본 발명은 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 육성장치 및 실리콘 단결정 육성방법에 관한 것이다.
반도체 산업에서는, 실리콘 웨이퍼가 다수 이용되고 있으며, 그 기초가 되는 실리콘 단결정의 육성은 중요한 기술이다. 실리콘 단결정의 육성에는 실리콘 봉을 유도 코일로 국소적으로 가열 용융하여 단결정화시키는 플로팅존(FZ)법과, 도가니 내의 실리콘원료를 히터로 가열하여 용융시킨 용액으로부터 단결정을 인상하는 쵸크랄스키(CZ)법이 있다. CZ법에 있어서의 도가니는, 실리콘과 산소로 이루어진 석영 도가니와, 석영 도가니가 고온에서 연화되어 형상이 무너지는 것을 방지하기 위하여 석영 도가니를 지지하는 흑연 도가니의 2중 구조로 되어 있는 것이 일반적이다. CZ법에서는, 육성된 결정에는 석영 도가니로부터 용출한 산소가 실리콘 중에 취입되고, 이 결정으로부터 잘린 웨이퍼에서는 디바이스 중의 열처리 등에 의해 산소 석출물이 형성되는데, 이것이 디바이스 공정 중의 불순물을 포획하는 게터링 효과를 발휘한다. 또한, FZ법에 비해 CZ법에서는 대구경화가 비교적 용이한 경우 등도 있으며, 공업적으로 실리콘 단결정을 육성하는 방법으로는 CZ법이 주류가 되고 있다.
실리콘 웨이퍼 상에 형성되는 디바이스는 전자나 홀이 이동함으로써 동작하기 때문에, 웨이퍼에 전위가 있으면 전류가 리크되는 등의 문제가 발생한다. 그러므로, 디바이스를 형성할 때의 출발원료가 되는 실리콘 웨이퍼에는 전위가 없는 것이 요구된다. 따라서, 실리콘 웨이퍼를 잘라내기 전의 결정은 전위가 없는 단결정인 것이 필수적이다. 결정은 고온에서 육성되므로, 결정육성시에 유전위화하면, 전위가 미끄러지거나, 증식하거나 하여, 많은 전위가 발생한다. 이러한 유전위화 결정으로부터 잘라낸 웨이퍼는, 다수의 전위를 포함하고 있으므로, 선단 디바이스를 제작할 수 있다. 따라서, 결정육성에 있어서의 유전위화는 큰 문제이다. 하지만, 오랫동안 많은 연구가 이루어져 왔으나, 아직 완전하게 유전위화를 방지할 수 있도록 되어 있지는 않다.
CZ법에 있어서의 결정육성 중의 유전위화의 원인으로는, 결정성장시의 내부응력에 의한 것이나, 다양한 난용물에 의한 것 등을 생각할 수 있다. 결정의 유전위화의 원인 중 하나인 내부응력은, 예를 들어 결정의 성장속도를 매우 고속화시키면, 액체에서 고체로 변할 때에 발하는 고화잠열이 증가하여, 융점의 등온선인 결정성장 계면이 상(上)볼록형상이 되어 그 높이가 높아진다. 결정성장 계면의 높이가 높아지면, 결정성장축에 대하여 수직인 방향에 있어서의 온도구배가 커지므로, 결정의 중심부의 응력이 커진다. 이 응력이 일정 이상이 되면 유전위화가 발생하는 것이 경험적으로 알려져 있다. 이를 방지하기 위해서는 예를 들어 결정의 냉각을 강화하거나 하여, 발생한 고화잠열을 결정측에서부터 빼냄으로써, 결정성장 계면의 높이가 저하되고, 그 결과 응력이 저하되어 유전위화의 억제가 가능해진다. 더욱 용이한 방법은, 성장속도를 저하시켜서 고화잠열을 감소시키는 것이다. 일반적으로는, 내부응력에 의한 유전위화가 일어나지 않는 범위의 성장속도로 결정을 육성하는 것이 상식적으로 행해지고 있으므로, 내부응력에 의한 유전위화는 특별히 큰 문제는 아니다.
유전위화의 다른 원인인 난용물로는, 로내에 있는 흑연재나 단열재, 와이어 등 로내 부품 유래의 불순물, 석영 도가니의 결정화·열화·기포의 개구 등에 의해 석영 도가니의 일부가 박리된 SiO2, 석영 도가니로부터 실리콘 용융액 중에 용출한 산소와 실리콘이 반응한 휘발성 산화실리콘(SiO)이 도가니의 직동부의 선단이나 챔버 등의 냉각된 부분에 부착되어 굳은 것이 재차 원료용융액 중에 낙하한 SiO, 원료용융액의 온도의 불균일성이나 변동 등에 의해 발생하는 원료용융액의 고화 등을 생각할 수 있다. 이 중 로내 부품에서 유래하는 불순물은 부품형상의 고안 등을 통해 비교적 용이하게 해결 가능하다.
석영 도가니의 열화에 의한 SiO2 난용물의 발생에 대해서는, 예를 들어 특허문헌 1에서는 조업 중 로내압을 적정화하여 열화 방지가 강구되고 있다. 또한 석영 도가니 자체의 품질을 개선하는 기술이 다양하게 개시되어 있다.
휘발성 SiO가 굳어서 낙하하는 문제에 대해서는, 예를 들어 특허문헌 2에는 결정을 둘러싸는 원통(정류통)과 그 하단에 칼라(collar)를 장착함으로써, 상부로부터 흐르는 아르곤가스 등에 의해 휘발성 SiO나 히터부에서 생성되는 CO나 CO2 등의 가스를 정류하여, 도가니보다 상부에 있는 부품에 부착되는 것을 방지하는 기술이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 3에서는 칼라의 외주부를 도가니의 직동부의 상부까지 연장시킴으로써 도가니의 직동부의 상단부를 보온하고, SiO의 부착을 방지하는 것도 개시되어 있다. 또한, 목적은 상이하지만 특허문헌 4에는 단열재를 갖는 역원뿔형 차열부재와 도가니의 직동부의 외측의 단열부재를 조합한 구조, 특허문헌 5, 6에는 히터의 상부에서 도가니의 직동부 근처까지 튀어나온 단열부재, 특허문헌 7에는 도가니의 측벽 상부와 내측으로 튀어나와 있는 복사실드가 개시되어 있다. 이 특허문헌들은 도가니의 직동부를 보온하는 효과가 있어 SiO의 부착을 예방하고 있는 것으로 생각된다.
마지막으로, 원료용융액이 고화되는 문제에 대해서는, 예를 들어 특허문헌 8에는 차열링에 의해 복사열을 반사하여 계면 근방을 보온하는 기술이 개시되어 있다. 또한 특허문헌 9에서는 석영 도가니의 상방에 설치되는 어퍼 링(upper ring)에 의해 어퍼 링보다 하방의 공간이 보온되어, 원료용융액의 고화를 억제할 수 있는 기술이 개시되어 있다.
상기와 같이, 몇 가지 생각할 수 있는 유전위화의 원인에 대하여, 지금까지 여러가지 수단을 강구하여 이를 방지하는 것을 시도하고 있다. 그러나, 이 방책들을 실시하여도, 아직 결정의 유전위화가 완전히 방지되지는 않았으며, 석영 도가니의 개질·각종 조업조건의 최적화 등 나날이 유전위화의 저감을 위한 노력이 계속되고 있다. 또한, 최근, 결정을 육성한 시점에서 무결함인 결정의 수요 증가가 현저해지고 있다. 이 무결함결정을 육성하기 위해서는, 결정면 내의 온도구배를 균일하게 유지할 필요가 있다. 이 결정면 내의 온도구배를 균일화하기 위하여, 상술한 정류통이나 차열링과 원료용융액의 액면과의 거리를 약간 크게 취하는 것이 행해지고 있으며, 그 결과, 원료용융액의 액면의 보온성이 저하되어, 원료용융액의 고화가 발생하고 유전위화의 원인이 되고 있다.
일본특허공개 H5-9097호 공보 일본특허공개 S64-65086호 공보 일본특허공개 H9-183686호 공보 일본특허공개 H6-340490호 공보 일본특허공개 2001-10890호 공보 일본특허공개 H9-278581호 공보 일본특허공개 2000-119089호 공보 일본특허공개 H5-105578호 공보 일본특허공개 H5-221779호 공보 일본특허공개 2012-148918호 공보
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 정류통이나 차열부재와 원료용융액의 액면과의 거리가 큰 경우에도, 원료용융액의 액면의 보온성을 유지하고, 고화 등에 의한 유전위화를 억제할 수 있는 실리콘 단결정 육성장치 및 실리콘 단결정 육성방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따르면,
가열용 흑연히터의 내측에 흑연 도가니, 이 흑연 도가니의 내측에 석영 도가니를 배치하고, 이 석영 도가니 내에 채워지는 원료용융액으로부터 결정을 육성하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 육성장치로서,
상기 흑연히터의 외측에 히터 외측 단열부재, 상기 흑연 도가니의 하부에 도가니 하부 단열부재, 상기 흑연 도가니 및 상기 석영 도가니의 직동부의 상방에 도가니 상부 단열부재, 상기 흑연 도가니가 상승했을 때에 그 직동부의 외측에 위치하는 도가니 외측 단열부재, 상기 흑연 도가니 및 상기 석영 도가니의 직동부의 내측에 도가니 내측 단열부재, 상기 원료용융액의 액면의 상방에 차열부재를 가지며, 상기 도가니 상부 단열부재와 상기 도가니 외측 단열부재와 상기 도가니 내측 단열부재의 내측에 형성되는 공간에 있어서, 상기 흑연 도가니 및 상기 석영 도가니가 결정성장 축방향으로 승강 가능한 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 육성장치를 제공한다.
이러한 실리콘 단결정 육성장치이면, 정류통이나 차열부재와 원료용융액의 액면과의 거리가 큰 경우에도, 원료용융액의 액면의 보온성을 유지하고, 고화 등에 의한 유전위화를 억제할 수 있다.
또한, 상기 히터 외측 단열부재, 상기 도가니 하부 단열부재, 상기 도가니 상부 단열부재, 상기 도가니 외측 단열부재, 상기 도가니 내측 단열부재, 및 상기 차열부재가 각각 탄소섬유 또는 유리섬유로 이루어진 것이 바람직하고, 또한, 각각의 표면이 흑연재 또는 석영재에 의해 보호된 것이 바람직하다.
이러한 단열재를 이용함으로써, 보다 고온역에서의 보온성을 유지할 수 있고, 나아가, 단열재의 실리콘과의 반응에 의한 규화를 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 불순물로도 잘 되지 않는다.
또한, 상기 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 상기 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배가 11℃/cm 이하인 것이 바람직하다.
이러한 흑연 도가니의 온도구배이면, 원료용융액의 온도구배를 작게 하여, 원료용융액의 고화에 의한 유전위화의 횟수를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명은, 가열용 흑연히터의 내측에 흑연 도가니, 이 흑연 도가니의 내측에 석영 도가니를 배치하고, 이 석영 도가니 내에 채워지는 원료용융액으로부터 결정을 육성하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 육성방법으로서, 상기 실리콘 단결정 육성장치를 이용하여 결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 육성방법을 제공한다.
이러한 실리콘 단결정 육성방법이면, 정류통이나 차열부재와 원료용융액의 액면과의 거리가 큰 경우에도, 원료용융액의 액면의 보온성을 유지하고, 고화 등에 의한 유전위화의 횟수를 줄인 실리콘 단결정을 얻을 수 있다.
나아가, 본 발명은, 가열용 흑연히터의 내측에 흑연 도가니, 이 흑연 도가니의 내측에 석영 도가니를 배치하고, 이 석영 도가니 내에 채워지는 원료용융액으로부터 결정을 육성하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 육성방법으로서, 상기 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 상기 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배를 11℃/cm 이하로 하여 실리콘 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 육성방법을 제공한다.
이러한 흑연 도가니의 온도구배로 한 실리콘 단결정 육성방법이면, 원료용융액의 온도구배를 작게 하여, 원료용융액의 고화에 의한 유전위화를 확실하게 억제하여 실리콘 단결정을 얻을 수 있다.
본 발명의 실리콘 단결정 육성장치 및 실리콘 단결정 육성방법이면, 정류통이나 차열부재와 원료용융액의 액면과의 거리가 큰 경우에도, 원료용융액의 액면의 보온성을 유지하고, 고화 등에 의한 유전위화를 억제하여 실리콘 단결정을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실리콘 단결정 육성장치의 일예를 나타내는 개략도이다.
도 2는 비교예 1에서 이용한 실리콘 단결정 육성장치의 개략도이다.
도 3은 비교예 2에서 이용한 실리콘 단결정 육성장치의 개략도이다.
도 4는 실시예 및 비교예에 있어서의 흑연 도가니의 온도구배를 계산한 장소를 나타내는 단면도이다.
도 5는 실시예 및 비교예에 있어서의 온도구배 및 유전위화 지표의 결과의 상관관계를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명자들은 여러가지 조업조건에 있어서의 유전위화의 상황을 상세하게 조사하였다. 우선, 조업조건마다 유전위화를 지표화하여, 그 조업조건에 있어서의 여러가지 데이터를 비교하였다. 아직 다 제거되지 않은 유전위화의 요인은 원료용융액의 온도 변동에 의해 발생하는 고화로 추정하고, 원료용융액 주변의 온도와 여러 지표의 상관관계를 조사하였다. 그 결과, 흑연 도가니의 온도구배, 특히 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배와 유전위화 지표 사이에 상관이 있으며, 온도구배가 작을수록 유전위화하기 힘들다는 것을 발견하였다. 흑연 도가니의 온도구배가 크면, 원료용융액의 온도 변동이 발생한 경우에, 그 변동의 폭도 커지기 때문에, 고화가 발생하기 쉬워지는 것으로 생각된다.
여기서, 흑연 도가니의 온도구배, 더 나아가 원료용융액의 온도구배를 작게 하기 위해서는, 이들 열손실을 감소시키는 것이 중요하다. 종래의 CZ법에 의한 실리콘 단결정 육성장치에 있어서는, 흑연히터의 외측에 단열부재를 배치하여, 흑연히터 및 흑연 도가니의 열손실의 저감을 도모하는 것이 일반적이었다.
본 발명자들은 이에 더하여, 흑연 도가니 및 석영 도가니의 직동부의 주변 및 하부에 단열부재를 배치하고, 강고하게 보온함으로써, 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배를 감소시킬 수 있는 것을 발견하였다.
이상과 같은 지견에 기초하여, 본 발명자들은, 흑연히터의 외측에 히터 외측 단열부재, 흑연 도가니의 하부에 도가니 하부 단열부재, 흑연 도가니 및 석영 도가니의 직동부의 상방에 도가니 상부 단열부재, 흑연 도가니가 상승했을 때에 그 직동부의 외측에 위치하는 도가니 외측 단열부재, 흑연 도가니 및 석영 도가니의 직동부의 내측에 도가니 내측 단열부재, 원료용융액의 액면의 상방에 차열부재를 갖는 실리콘 단결정 육성장치이면, 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배를 감소시킬 수 있고, 이에 따라 단결정의 유전위화를 개선할 수 있는 것을 깨달아, 본 발명을 완성시켰다.
이하, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.
도 1은, 본 발명의 실리콘 단결정 육성장치의 일예를 나타내는 개략도이다.
본 발명의 특징은, 흑연 도가니의 직동부를 강고하게 보온하는 기술이다. CZ법에 의한 실리콘 단결정 육성장치에서는, 메인챔버(1) 내에 있어서, 흑연 도가니(6)에 지지되는 석영 도가니(5)에 채워진 원료용융액(4)에 종결정을 침지한 후, 원료용융액(4)으로부터 단결정 봉(3)이 인상된다. 흑연 도가니(6) 및 석영 도가니(5)는 결정성장 축방향으로 승강 가능하며, 결정성장 중에 결정화되어 감소한 원료용융액(4)의 액면 하강분을 보충하도록 상승시켜 간다. 따라서, 육성 중인 단결정 봉(3)의 길이가 길어지면, 흑연 도가니(6)의 직동부 상단은, 상부의 냉각수 등으로 차가워져 있는 냉각통(10)이나 메인챔버(1)의 천정부에 가까워지고, 이로부터의 열손실이 증대한다. 본 발명에서는, 이를 방지하기 위하여, 흑연히터(7)의 외측의 히터 외측 단열부재(13)에 더하여, 도가니 하부 단열부재(14), 도가니 상부 단열부재(15), 도가니 외측 단열부재(16), 및 도가니 내측 단열부재(17)를 가지며, 도가니 상부 단열부재(15)와 도가니 외측 단열부재(16)와 도가니 내측 단열부재(17)의 내측에 흑연 도가니(6) 및 석영 도가니(5)가 결정성장 축방향으로 승강 가능한 공간을 형성함으로써, 흑연 도가니(6)의 직동부를 보온하고, 이로부터의 열손실을 저감한다.
한편, 도가니 하부 단열부재(14)는, 흑연 도가니(6)로부터 하측으로의 열손실의 저감을 도모하는 것이다. 흑연 도가니(6)로부터 하측으로의 열손실이 크면, 그 열손실을 보충하도록 흑연히터(7)의 파워가 높아지고, 결과적으로 흑연 도가니(6)의 온도구배가 높아지므로, 이 열손실을 저감시키는 도가니 하부 단열부재(14)는 필수적이다.
또한, 원료용융액(4)과 단결정 봉(3)의 계면 근방에 있어서, 단결정 봉(3)을 둘러싸도록, 탄소섬유 또는 유리섬유로 이루어진 단열재를 갖는 차열부재(12)를 배치한다. 이 차열부재(12)에 의해, 원료용융액(4)으로부터 성장 중인 단결정 봉(3)으로의 복사열을 억제할 수 있다. 차열부재(12)의 재질로는, 특별히 한정되는 것은 아니지만, 상기 단열재를 예를 들어 흑연, 몰리브덴, 텅스텐, 탄화규소, 또는 흑연의 표면을 탄화규소로 피복한 것 등으로 보호한 것을 이용할 수 있다.
상기와 같은 구조는 열손실을 저감할 수 있는 것을 제1의 이점으로 하고 있으나, 그 밖의 이점으로서 휘발성 산화실리콘(SiO)의 도가니의 상방에 있어서의 부착방지를 들 수 있다. 상술한 바와 같이 휘발성 SiO는 식어 있는 곳에 부착되어 굳어지고, 원료용융액에 낙하하여 유전위화의 원인이 된다. 그러나, 상기와 같이 흑연 도가니 및 석영 도가니의 상방을 도가니 상부 단열부재에 의해 덮음으로써, 흑연 도가니 및 석영 도가니의 상방에는 저온부가 없어져, SiO의 부착을 방지하는 것이 가능하다. 또한, SiO는, 가스도입구(9)로부터 흘러나와 정류통(11)을 통해 가스유출구(8)의 끝에 있는 진공펌프에 흡입되어 있는 Ar가스의 흐름을 타고, 하방으로 운반됨으로써 원료용융액(4)보다 상부에 부착되지 않도록 하고 있다.
또한, 상술한 각 단열부재는 탄소섬유 또는 유리섬유 등 고온에서 사용 가능한 단열재인 것이 바람직하다. 단, 이러한 단열부재의 표면은 섬유상으로 되어 있어, 열화되면 먼지가 발생하기 쉬운데다가, 실리콘과 반응하여 규화되는 경우가 있다. 따라서 단열부재의 규화를 억제할 필요가 있는 경우에는, 판상의 흑연재 또는 석영재 등 고온에서 안정적인 물질로 표면을 보호하면 보다 바람직하다.
각 단열부재의 표면을 흑연재나 석영재로 보호하는 경우에는, 단열부재 전체를 감싸서 보호할 수도 있고, 규화되기 쉽고 섬유가 낙하하면 문제가 되는 원료용융액에 가까운 쪽의 면만을 보호할 수도 있다.
이상과 같은 장비를 설치하여, 원료용융액(4)의 액면의 높이에 있어서의 흑연 도가니(6)의 결정성장 축방향의 온도구배가 11℃/cm 이하인 실리콘 단결정 육성장치를 이용하여 결정을 육성한다면, 유전위화의 횟수를 줄이는 것이 가능하다.
여기에서의 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배는, FEMAG 등 온도 해석 시뮬레이션에 의해 구해진 값이다. 구체적으로 온도구배를 구한 위치는 도 4의 「A」로 나타낸 부분이다.
원료용융액의 고화발생 억제의 지표로는, 본래, 흑연 도가니나 석영 도가니의 온도구배가 아닌, 원료용융액의 온도구배로 하고, 그 값을 감소시켜야 하는데, 시뮬레이션에서의 원료용융액의 온도계산은, 자연대류나 강제대류 등의 대류를 고려하는지 아닌지로 크게 구배값이 변하기 때문에, 지표로서 이용하기 어렵다. 이에 원료용융액의 온도구배와 비례 관계에 있는 흑연 도가니 또는 석영 도가니의 온도구배, 특히 열전도율이 큰 흑연 도가니의 온도구배를 지표로 하였다. 석영 도가니의 경우에는 석영재의 열전도율이 흑연 도가니와 상이하므로, 석영 도가니의 온도구배를 지표로 이용하는 경우에는 상술한 값과는 상이한 값으로 할 필요가 있다.
한편, 상기 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배의 값은 하방으로부터 상방을 향해 온도가 저하되는 온도구배로서 흑연 도가니를 형성하는 흑연재의 열전도율, 방사율 등의 물성값이 변함에 따라 변동하는 것이다. 따라서, 이들에 대해서도 감안하여 시뮬레이션을 행한다.
또한, 각 단열부재를 배치하는 경우에는, 이들 단열부재가 간극 없이 흑연 도가니, 석영 도가니, 및 흑연히터를 감싸도록 되어 있는 것이 이상적이다. 그러나 현실적으로는 석영 도가니, 및 흑연히터의 승강 형편상이나, 세팅시의 형편상 이외에, 로내의 관찰 형편상, 여러 가지 이유로 간극 없이 각 단열부재를 배치하기는 어렵다. 따라서, 상술한 각종 단열부재는, 상기 온도구배를 만족하는 범위에서 간극 등을 마련할 수 있다. 또한, 각종 단열부재 중, 몇 가지를 분할 또는 결합하여 부품점수를 증감시켜도 상관없다.
또한, 각 단열부재의 두께는 두꺼우면 두꺼울수록 바람직하다. 그러나 상술한 이유나, 메인챔버의 크기 등의 제약으로 한없이 크게 하는 것은 불가능하다. 이러한 경우에도, 상술한 온도구배를 만족하는 범위에서 두께를 적당히 선택할 수 있다.
또한, 본 발명의 실리콘 단결정 육성장치에는, 상기 장비에 저촉하지 않는 범위이면, CZ법에 의한 다른 기술과 조합할 수 있다. 예를 들어, 특허문헌 10에 기재된, 냉각통의 냉각능력을 향상시켜, 인상속도를 고속도로 하고, 이에 따라 단결정의 생산성 및 수율을 향상시키고, 또한 소비전력을 억제할 수 있는 기술 등과 조합할 수 있다.
본 발명의 실리콘 단결정 육성방법에서는, 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배를 11℃/cm 이하, 바람직하게는 10℃/cm 이하로 하여 실리콘 단결정을 육성한다.
원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배를 11℃/cm 이하로 하는 방법으로는, 상술한 흑연 도가니의 직동부 및 하부를 강고하게 보온하는 장비를 설치한 실리콘 단결정 육성장치를 이용하는 것을 들 수 있다. 이에 따라, 원료용융액의 온도구배를 작게 할 수 있고, 원료용융액의 고화에 의한 유전위화를 확실하게 억제한 실리콘 단결정을 얻을 수 있다.
이러한 실리콘 단결정 육성방법은, CZ법에 의해 행해지는 방법으로, 예를 들어, 원료용융액에 자장을 인가하여 단결정을 육성하는 자장인가 CZ(MCZ)법 등에 의해 행할 수 있다.
실시예
이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 보다 구체적으로 설명하는데, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니다.
(비교예 1)
도 2에 나타낸 단결정 육성장치를 이용하여, 구경 32인치(813mm)의 도가니로부터 300mm 결정(실제 굵기는 305-307mm 정도)을 다수 육성하였다. 도 2의 장치는, 히터 외측 단열부재(113)와 얇은 도가니 하부 단열부재(114)를 가지고 있으나, 흑연 도가니(106) 및 석영 도가니(105)의 직동부나 상부를 보온하는 단열부재는 가지고 있지 않다.
(비교예 2)
도 3에 나타낸 단결정 육성장치를 이용하여, 구경 32인치(813mm)의 도가니로부터 300mm 결정(실제 굵기는 305-307mm 정도)을 다수 육성하였다. 도 3의 장치는, 히터 외측 단열부재(213), 얇은 도가니 하부 단열부재(214), 석영 도가니(205)의 내측에 큰 차열부재(212)를 가지고 있으며, 이것과 대향하도록 흑연 도가니(206)의 외측에도 작은 단열부재(216)를 가지고 있다. 그러나, 도가니 상부 단열부재 및 도가니 내측 단열부재는 가지고 있지 않다.
(조사)
이상의 비교예에 대하여 다수의 결정을 육성했을 때의 유전위화의 상황을 지표화하였다. 같은 유전위화인 경우에도, 유전위화한 위치에 따라 그 중대성이 다르다. 예를 들어 170cm의 단결정 봉을 육성했을 때에, 직동부분에서는 유전위화하지 않고, 동그란 선단부에서 유전위화가 발생하여, 슬립백이 직동부까지 되돌아가지 않아야, 처음에 설계한 제품이 모두 얻어진다. 그러나 예를 들어 동일하게 170cm의 단결정 봉을 육성했을 때에, 직동부의 120cm의 위치에서 유전위화하고, 40cm 정도 슬립백하였다고 한다면, 얻어지는 제품은 처음에 설계한 길이인 170cm의 절반 정도가 된다. 그러므로, 이 유전위화가 증대하는 것을 반영하기 위하여, 이하와 같은 유전위화 지표를 마련하였다.
처음에 설계한 제품길이를 100으로 하여, 실제로 얻어진 제품길이를 %로 나타낸다. 즉 유전위화 지표=(얻어진 제품길이/설계 제품길이)x100이다. 이것을 육성한 결정 전체로 평균화한 것을 유전위화 지표로 한다. 예를 들어 10개 중 9개가 유전위화하지 않고, 유전위화한 1개의 제품길이가 절반이었다고 한다면, 유전위화 지표는 (100x9+50x1)/10=95이다.
상기 유전위화 지표를 비교예 1에서 구했더니 64로 매우 낮은 값이었다. 한편 비교예 2에서는 88로 약간 낮은 값이었다. 또한, 비교예 1에서는 유전위화 횟수가 많은 것에 더하여, 직동부의 전반에서의 유전위화도 많았다. 한편 비교예 2에서는 비교예 1과 비교할 때 전위화 횟수는 적었지만, 주로 직동부의 후반부터 유전위화가 확인되었다. 이 이유는 비교예 2에서는 단결정 봉의 직동부의 후반에서 흑연 도가니 및 석영 도가니의 직동부 상단이 차열부재와 도가니 외측 단열부재에 의해 보온되는 영역을 빠져나가 상부로 나왔으므로, 석영 도가니 상단부가 식어 SiO의 석출이나, 흑연 도가니의 온도구배가 커졌기 때문이라고 생각된다.
이와 같이 유전위화 지표가 상이한 조건에 있어서, 무엇이 다른지 여러 파라미터와의 상관을 조사하였다. 특히 비교예 1과 비교예 2의 조건에서의 유전위화 상태의 차이로부터, 흑연 도가니 및 석영 도가니의 열손실이 커지면, 근소한 온도 변동에 의해 고화가 발생하여 유전위화하는 것은 아닌지 추정되었다. 이에 FEMAG에 의해 구한 원료용융액 및 흑연 도가니의 온도구배와의 관련성을 조사한 결과 강한 상관이 보여졌다. 비교예 1은 이 흑연 도가니의 온도구배값이 14.6℃/cm, 비교예 2는 11.8℃/cm였다. 한편 온도구배는 단결정의 직동부가 100cm 육성되었을 때의 계산값을 이용하였다(도 4 참조). 직동부의 육성이 시작한지 얼마 되지 않았을 무렵이나 상황이 극단적으로 변한 경우 등을 제외한다면, 온도구배가 크게 변하는 경우는 없었으며, 대표적인 위치에서의 온도구배를 계산한다면 비교 가능하다. 양자의 온도구배값의 비교로부터, 각 비교예에서는 흑연 도가니의 직동부를 타고 상방부에 열손실이 발생하고 있으며, 그 결과 고화가 발생하여, 유전위화가 다발한 것이라 생각된다.
(실시예)
이상과 같은 결과로부터, 도 1에 나타낸 장치를 준비하였다. 이 장치는 비교예 2에서 이용한 도 3의 장치와 비교할 때 도가니 하부 단열부재(14)를 두껍게 한 것과, 도가니(5, 6)가 상승해 가는 부분에 도가니 상부 단열부재(15)와 도가니 외측 단열부재(16)와 도가니 내측 단열부재(17)를 배치하고, 상승해 가는 흑연 도가니(6) 및 석영 도가니(5)의 직동부도 보온하여 열손실의 저감을 도모한 것이다. 실시예에 있어서의 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 흑연 도가니의 온도구배는 6.6℃/cm로 매우 작았으며, 11℃/cm 이하의 값이었다.
실시예의 조건으로 다수의 결정을 육성하였다. 그 결과, 유전위화 지표는 97로 매우 양호한 값이 되었다. 이는 흑연 도가니로부터의 열손실 저감을 도모함에 따라, 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 흑연 도가니의 온도구배가 작아져, 고화에 의한 유전위화 횟수가 감소되었기 때문이라 생각된다. 이상의 비교예를 포함하는 조사결과와 실시예의 결과를 플롯한 도면을 도 5에 나타내었다. 흑연 도가니의 온도구배와 유전위화 지표 사이에 상관이 있음을 알 수 있다. 도 5의 상관관계로부터, 흑연 도가니의 온도구배를 11℃/cm 이하로 한다면, 유전위화 지표가 확실하게 90 이상이 되어, 처음에 설정한 제품량의 90% 이상의 아웃풋을 확실하게 확보할 수 있는 것을 알 수 있다. 이는 유전위화에 의해 아웃풋량이 저하되기 쉽고, 제품 생산량이 변동하기 쉬운 CZ 단결정 제조에 있어서는, 안정적인 생산이 가능한 숫자라고 할 수 있다.
이상으로부터, 본 발명의 실리콘 단결정 육성장치 및 실리콘 단결정 육성방법을 이용한다면, 원료용융액의 액면의 보온성을 유지하고, 고화 등에 따른 유전위화를 억제할 수 있음이 실증되었다.
한편, 본 발명은, 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용 효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (5)

  1. 가열용 흑연히터의 내측에 흑연 도가니, 이 흑연 도가니의 내측에 석영 도가니를 배치하고, 이 석영 도가니 내에 채워지는 원료용융액으로부터 결정을 육성하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 육성장치에 있어서,
    상기 흑연히터의 외측에 히터 외측 단열부재, 상기 흑연 도가니의 하부에 도가니 하부 단열부재, 상기 흑연 도가니 및 상기 석영 도가니의 직동부의 상방에 도가니 상부 단열부재, 상기 흑연 도가니가 상승했을 때에 그 직동부의 외측에 위치하는 도가니 외측 단열부재, 상기 흑연 도가니 및 상기 석영 도가니의 직동부의 내측에 도가니 내측 단열부재, 상기 원료용융액의 액면의 상방에 차열부재를 가지며, 상기 도가니 상부 단열부재와 상기 도가니 외측 단열부재와 상기 도가니 내측 단열부재의 내측에 형성되는 공간에 있어서, 상기 흑연 도가니 및 상기 석영 도가니가 결정성장 축방향으로 승강 가능한 것을 특징으로 하는,
    실리콘 단결정 육성장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히터 외측 단열부재, 상기 도가니 하부 단열부재, 상기 도가니 상부 단열부재, 상기 도가니 외측 단열부재, 상기 도가니 내측 단열부재, 및 상기 차열부재가 각각 탄소섬유 또는 유리섬유로 이루어지며, 상기 히터 외측 단열부재, 상기 도가니 하부 단열부재, 상기 도가니 상부 단열부재, 상기 도가니 외측 단열부재, 상기 도가니 내측 단열부재, 및 상기 차열부재의 각각의 표면이 흑연재 또는 석영재에 의해 보호된 것을 특징으로 하는,
    실리콘 단결정 육성장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 상기 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배가 11℃/cm 이하인 것을 특징으로 하는,
    실리콘 단결정 육성장치.
  4. 가열용 흑연히터의 내측에 흑연 도가니, 이 흑연 도가니의 내측에 석영 도가니를 배치하고, 이 석영 도가니 내에 채워지는 원료용융액으로부터 결정을 육성하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 육성방법에 있어서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정 육성장치를 이용하여 결정을 육성하는 것을 특징으로 하는,
    실리콘 단결정 육성방법.
  5. 가열용 흑연히터의 내측에 흑연 도가니, 이 흑연 도가니의 내측에 석영 도가니를 배치하고, 이 석영 도가니 내에 채워지는 원료용융액으로부터 결정을 육성하는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 육성방법에 있어서,
    상기 원료용융액의 액면의 높이에 있어서의 상기 흑연 도가니의 결정성장 축방향의 온도구배를 11℃/cm 이하로 하여 실리콘 단결정을 육성하는 것을 특징으로 하는,
    실리콘 단결정 육성방법.
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