KR20190023232A - 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액을 형성하는 방법 - Google Patents

단결정 잉곳 성장을 위한 용융액을 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

실시 예는 도가니 내에 다결정 덩어리들을 투입하는 단계, 및 상기 투입된 다결정 덩어리들을 녹이는 용융액 형성 단계를 포함하고, 상기 용융액 형성 단계는 상기 도가니 내에 수용된 용융액의 표면에 부유하는 다결정 덩어리들의 군집체의 직경을 검출하는 직경 검출 단계, 및 상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율에 기초하여 상기 도가니의 회전 속도 및 상기 도가니의 회전 방향을 제어하는 도가니 회전 제어 단계를 포함한다.

Description

단결정 잉곳 성장을 위한 용융액을 형성하는 방법{A method for forming a molten liquid for growing a crystal ingot}
실시 예는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액을 형성하는 방법에 관한 것이다.
단결을 성장시키는 방법인 초크랄스키(CZ:CZochralski)법에 따르면, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 투입하고, 흑연 발열체를 가열하여 다결정 실리콘을 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에씨드(seed) 결정을 침지시킨다. 그리고 씨드 결정을 회전시키면서 인상시킴으로써 용융액 계면에서 결정화가 일어나도록 함으로써, 단결정 실리콘 잉곳을 육성시킬 수 있다. 이후, 육성된 단결정 실리콘 잉곳에 대하여 슬라이싱(slicing) 공정, 에칭(etching) 공정 및 연마(polishing) 공정을 수행하여 웨이퍼 형태로 만들 수 있다.
실시 예는 도가니에 트랩된 에어 버블을 감소시킬 수 있고, 에어 버블에 기인하는 결함을 줄일 수 있는 단결정 성장을 위한 용융액을 형성하는 방법을 제공한다.
실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법은 도가니 내에 다결정 덩어리들을 투입하는 단계; 및 상기 투입된 다결정 덩어리들을 녹이는 용융액 형성 단계를 포함하고, 상기 용융액 형성 단계는 상기 도가니 내에 수용된 용융액의 표면에 부유하는 다결정 덩어리들의 군집체의 직경을 검출하는 직경 검출 단계; 및 상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율에 기초하여, 상기 도가니의 회전 속도 및 상기 도가니의 회전 방향을 제어하는 도가니 회전 제어 단계를 포함한다.
상기 도가니 회전 제어 단계는 제1 방향으로 상기 도가니를 회전시키는 단계; 상기 제1 방향으로 회전하는 상기 도가니를 정지시키는 단계; 및 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 상기 도가니를 회전시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 용융액 형성 단계는 상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율이 제1 타겟 값에 도달할 때까지 상기 도가니를 기준 속도로 제1 방향으로 회전시키는 준비 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 도가니 회전 제어 단계는 상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율이 제1 타겟 값에 도달할 때, 상기 도가니의 회전 속도 및 상기 도가니의 회전 방향을 적어도 1회 이상이 변경할 수 있다.
상기 도가니 회전 제어 단계는 상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율이 제1 타겟 값에 도달할 때, 상기 도가니의 상기 제1 방향으로의 회전 속도를 상기 기준 속도에서 제1 속도로 증가시키는 제1 속도 변경 단계와 상기 도가니의 상기 제1 방향으로의 회전 속도를 상기 제1 속도에서 0으로 감소시키는 제2 속도 변경 단계를 포함하는 제1 방향 회전 단계; 및 상기 도가니를 제2 방향으로 회전시키고, 상기 도가니의 상기 제2 방향으로의 회전 속도를 0에서 제2 속도까지 증가시키는 제3 속도 변경 단계와 상기 도가니의 상기 제2 방향으로의 회전 속도를 상기 제2 속도에서 0으로 감소시키는 제4 속도 변경 단계를 포함하는 제2 방향 회전 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 방향 회전 단계는 상기 제1 속도 변경 단계와 상기 제2 속도 변경 단계 사이에, 기설정된 제1 시간 동안 상기 제1 속도를 유지한 채 상기 도가니를 회전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 도가니 회전 제어 단계는 상기 제1 방향 회전 단계와 상기 제2 방향 회전 단계 사이에, 기설정된 제2 시간 동안 상기 도가니를 정지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 방향 회전 단계는 상기 제3 속도 변경 단계와 상기 제4 속도 변경 단계 사이에, 기설정된 제2 시간 동안 상기 제2 속도를 유지한 채 상기 도가니를 회전시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율이 제2 타겟 값에 도달할 때까지, 상기 도가니 회전 제어 단계를 2회 이상 반복하여 수행할 수 있다.
상기 제1 타겟 값은 75%보다 크거나 같고 99%보다 작거나 같을 수 있다.
상기 제2 타겟 값은 55%보다 크거나 같고 75%보다 작을 수 있다.
상기 제1 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값은 상기 제3 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 동일하고, 상기 제2 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값은 상기 제4 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 동일할 수 있다.
상기 제1 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값은 상기 제3 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 다르고, 상기 제2 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값은 상기 제4 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 다를 수 있다.
상기 제1 속도의 절대값 및 상기 제2 속도의 절대값은 상기 기준 속도의 절대값보다 클 수 있다.
상기 제1 방향 회전 단계, 상기 제2 방향 회전 단계, 또는 상기 정지 단계 수행 도중에 상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율이 상기 제2 타겟 값에 도달할 경우, 수행 중인 단계가 완료되면 상기 도가니 회전 단계가 완료될 수 있다.
실시 예는 도가니에 트랩된 에어 버블을 감소시킬 수 있고, 에어 버블에 기인하는 결함을 줄일 수 있으며, 수율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 도가니의 직경과 용융액 형성 단계에서의 도가니 내에 수용된 다결정 덩어리들의 군집체의 직경을 나타낸다.
도 3은 실시 예에 따른 단결정 성장을 위한 용융액을 형성하는 방법을 나타내는 플로차트이다.
도 4는 도 3에 도시된 도가니 회전 제어 단계의 일 실시 예를 나타낸다.
도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 단결정 성장을 위한 용융액을 형성하는 방법에서의 도가니의 회전 속도의 타이밍도이다.
도 6은 직경 비율과 불량률 간의 관계를 실험하기 위한 제1 내지 제4 실험 조건들을 나타낸다.
도 7은 도 6의 제1 내지 제4 실험 조건들에 대응하는 불량률 실험 결과를 나타낸다.
도 8은 도 6의 제1 내지 제4 실험 조건들에 대응하는 웨이퍼의 결함의 크기를 나타낸다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시 예의 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 개의 element 사이에 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.
또한, 이하에서 이용되는 “제1” 및 “제2”, “상/상부/위” 및 “하/하부/아래” 등과 같은 관계적 용어들은 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다. 또한 동일한 참조 번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한 이상에서 기재된 "대응하는" 등의 용어는 "대향하는" 또는 "중첩되는" 의미들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치(100)를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 챔버(10), 도가니(20), 도가니 지지부(21), 회전축(23), 승강부(40), 단열재(11), 히터(30), 및 제어부(220)를 포함한다.예컨대, 실시 예에 따른 단결정잉곳 성장 장치(100)는 CZ 법에 의한 단결정잉곳(30)을 성장시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
챔버(10)는 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 공간으로, 도가니(20), 도가니 지지부(21), 승강부(40), 단열재(11), 및 히터(30)를 수용한다.
챔버(10) 상단에는 챔버(10) 내부를 관찰할 수 있도록 뷰 포트(view port, 15)가 마련될 수 있다.
도가니(20)는 챔버(10) 내부에 배치될 수 있고, 단결정잉곳을 성장시키기 위한 원료 물질, 용융액(25)을 수용할 수 있다.
예컨대, 도가니(10)는 안쪽에 위치하는 석영 도가니 및 바깥쪽에 위치하는 흑연 도가니를 포함할 수 있다.
도가니 지지부(21)는 도가니(20) 하부에 위치하고, 도가니(20)를 지지할 수 있다.
회전축(23)은 도가니 지지부(21) 아래에 위치하고, 도가니 지지부(21)를 지지하며, 도가니 지지부(21) 및 도가니(20)를 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전시킬 수 있다.
히터(30)는 도가니(20)의 외주면과이격되도록챔버(10) 내에 배치될 수 있고, 도가니(20)를 가열할 수 있다.
히터(30)에 의하여 발생하는 열에 의하여 도가니(20)가 가열될 수 있고,도가니(20)의 온도가 올라감에 따라 도가니(20) 내에 수용된 다결정 덩어리인 원료 물질(예컨대, 다결정 실리콘)은 점차 용융액(25)이 될 수 있다.
단열재(11)는 챔버(10)의 내벽과 히터(30) 사이에 위치할 수 있고, 챔버(10) 내부의 열이 챔버 외부로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다.
승강부(40)는 챔버(10) 상부에 위치할 수 있고, 단결정 잉곳(미도시) 성장을 위한 종자 결정(1)이 일단에 연결된 와이어(41)를 챔버(10) 내부에서 상하로 이동시킬 수 있다.
화상 촬영부(210)는 단결정 잉곳의 성장하기 위한 용융액(25)을 형성하는 공정에서, 뷰 포트(15)를 통하여 용융액(25)과 용융액(25)의 표면에 부유하는(또는 떠 있는) 다결정 덩어리들(예컨대, 다결정 실리콘 덩어리들)간의 경계선에 대한 이미지를 촬영하고, 이미지 데이터를 출력할 수 있다.
즉 화상 촬영부(210)는 뷰 포트(15)를 통하여 성장하는 용융액(25)의 표면에 부유하는 다결정 덩어리들에 대하여 실시간으로 지속적인 이미지를 촬영한 결과에 따른 이미지 테이터를 출력할 수 있다.
화상 촬영부(210)는 포토 화상 촬영기, 또는 열화상 화상 촬영기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
단결정 잉곳 성장 장치(100)는 챔버에 마련된 개구(미도시)를 통하여 챔버 내부로 빛을 조사하는 광원부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 광원부는 기설정된 파장을 갖는 빛을 도가니 내의 용융액(25)과 성장되는 단결정 잉곳의 경계선으로 조사할 수 있다. 광원부로부터 조사되는 빛에 의하여 화상 촬영부(210)는 용융액과 단결정 잉곳 사이의 경계선에 대한 명확한 이미지를 획득할 수 있다.
제어부(220)는 단결정 잉곳의 성장하기 위한 용융액을 형성하는 단계에서, 화상 촬영부(210)로부터 전송되는 이미지 데이터에 기초하여, 용융액(25)의 표면에 부유하는 다결정 덩어리들의 군집체의 직경을 검출하고, 검출된 군집체의 직경과 도가니(20)의 내부 직경의 비율에 기초하여, 도가니(20)의 회전을 제어한다.
예컨대, 도가니(20)의 내부 직경은 도가니(20)의 최상단의 내부 직경 또는 도가니(20)의 최대 내부 직경일 수 있다.
제어부(220)는 도가니(20)의 내부 직경에 대한 정보를 저장하고 있거나, 도가니(20)의 내부 직경은 사용자로부터 제어부(220)에 입력되거나 제공될 수 있다.
단결정 잉곳 성장 장치(100)는 도가니(20) 상부에 위치하는 열차폐부재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 열차폐부재는 도가니(20) 내의 용융액(25)으로부터 성장되는 실리콘 단결정으로 복사되는 열을 차단하고, 히터(30)로부터 발생하는 불순물(예컨대, CO gas)이 성장하는 실리콘 단결정으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
단결정 잉곳 성장 장치(100)는 챔버(10) 외부에 위치하고, 도가니(20) 내의 용융액의 대류 현상을 제어하기 위한 자기장을 발생시키는 자기장 발생부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 이용하여 단결정 잉곳을 성장하는 방법은 도가니 내에 원료 물질인 다결정 덩어리들을 투입하는 단계, 투입된 다결정 덩어리들을 녹여 단결정 잉곳을 성장시키기에 적합한 용융액을 형성하는 용융액 형성 단계, 넥(neck)을 형성하는 넥킹(necking) 단계, 숄더(shoulder)를 성장시키는 숄더 성장 단계, 바디(body)를 성장시키는 바디 성장 단계, 및 테일(tail)을 성장시키는 테일 성장 단계를 포함할 수 있다.
다결정 덩어리들을 투입하는 단계에서는 제1 방향 또는 제2 방향으로 회전하는 도가니에 다결정 덩어리들이 투입될 수 있다.
예컨대, 다결정 덩어리들을 투입하는 단계는 도가니에 최초고 다결정 덩어리들을 투입하는 경우일 수 있다. 또한 다결정 덩어리들을 투입하는 단계는 도가니에 잔류하는 용융액에 다결정 덩어리들을 재충전하는 것일 수도 있다.
용융액 형성 단계에서는 히터(30)에 의하여 원료 물질의 융점, 예컨대 폴리 실리콘의 융점(예컨대, 약 1420℃) 이상으로 도가니를 가열하여 도가니 내에 투입된 다결정의 원료 물질, 예컨대, 폴리실리콘을 녹이는 공정이 수행될 수 있다.
용융액 형성 단계에서는 도가니가 제1 방향 또는 제2 방향으로 회전하기 때문에, 다결정 덩어리들이 용융액의 표면에서 군집체를 형성할 수 있다.
여기서 다결정 덩어리들의 군집체는 회전하는 도가니에 의하여 용융액 표면에 다결정 덩어리들이 서로 뭉쳐진 형태 또는 형상을 이루는 것을 말한다.
도 2는 도 1에 도시된 도가니(20)의 직경(D1)과 용융액 형성 단계에서의 도가니(20) 내에 수용된 다결정 덩어리들의 군집체(40)의 직경(D2)을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 용융액을 형성하는 단계에서는 상술한 바와 같이, 화상 촬영부(210)와 제어부(220)에 의하여 용융액 표면의 다결정 덩어리들의 군집체(40)의 직경(D2)을 검출할 수 있다.
그리고 제어부(220)는 도가니(20)의 내부 직경(D1) 대비 군집체(40)의 직경(D2)의 비율(D2/D1)에 기초하여, 도가니(20)의 회전 방향 및 도가니(20)의 회전 속도를 제어할 수 있다.
도 3은 실시 예에 따른 단결정 성장을 위한 용융액을 형성하는 방법을 나타내는 플로차트이고, 도 4는 도 3에 도시된 도가니 회전 제어 단계(S120)의 일 실시 예를 나타내고, 도 5는 도 3 및 도 4에 도시된 단결정 성장을 위한 용융액을 형성하는 방법에서의 도가니(20)의 회전 속도의 타이밍도이다. 도 5에서 도가니의 회전 속도의 단위는 [rpm]일 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 용융액을 형성하는 단계는 준비 단계(S110), 제1 타겟 직경 도달 여부를 판단하는 단계(S120), 도가니 회전 방향 및 회전 속도를 제어하는 도가니 회전 제어 단계(S130), 및 제2 타겟 직경 도달 여부를 판단하는 단계(S140)를 포함할 수 있다.
준비 단계(S110)에서는 제1 방향(CW)으로 기준 속도(Vref)로 회전하는 도가니(20) 내의 다결정 덩어리들이 히터의 열에 의하여 점차 녹는다.
다결정 덩어리들이 녹는 과정에서 다결정 덩어리들은 제1 방향(CW)으로 기준 속도(Vref)로 회전하는 도가니(20) 내의 용융액(25)의 표면에 부유하는 군집체(40)를 이룬다. 예컨대, 제1 방향은 시계 방향(CW) 또는 시계 반대 방향(CCW)일 수 있다.
준비 단계(S110)는 도가니(20)의 내부 직경(D1) 대비 군집체(40)의 직경(D2)의 비율(D2/D1)이 제1 타겟 값 초과인 구간일 수 있다.
다음으로 도가니(20)의 내부 직경(D1) 대비 군집체(40)의 직경(D2)이 제1 타겟 값에 도달했는지 여부를 판단한다(S120).
예컨대, 도가니(20)의 내부 직경(D1)을 기준으로 군집체(40)의 직경(D1)의 비율(D2/D1)이 제1 타겟 값에 도달했는지를 판단할 수 있다. 예컨대, 비율(D2/D1)은 백분율로 표현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 제1 타겟 값은 75%보다 크거나 같고 99%보다 작거나 같을 수 있다.
다른 실시 예에서 제1 타겟 값은 90%보다 크거나 같고 95%보다 작거나 같을 수 있다. 준비 단계(S110)에서는 도가니(20)의 회전 방향이 변경되지 않을 수 있다. 또한 준비 단계(S110)에서는 도가니의 회전 속도가 변경되지 않을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도가니(20)의 내부 직경(D1) 대비 군집체(40)의 직경(D2)의 비율(D2/D1)이 제1 타겟 값에 도달한 경우, 적어도 1회 이상 도가니의 회전 방향과 회전 속도를 변경하는 도가니 회전 제어 단계(S130)를 수행한다.
도가니 회전 제어 단계(S130)에서는 도가니(20)에 트랩(trap)되어 있는 에어 버블(50, 도 2 참조)을 제거하기 위하여, 다음과 같이 도가니(20)의 회전 방향 및 회전 속도를 제어한다.
도 4를 참조하면, 도가니 회전 제어 단계(S130)는 제1 방향 회전 단계(S201), 제1 정지 단계(S240), 제2 방향 회전 단계(S202), 및 제2 정지 단계(S280)를 포함할 수 있다.
제1 방향 회전 단계(S201)에서는 도가니(20)의 회전 속도를 변경하여 도가니(20)를 제1 방향으로 회전시킨다.
제1 방향 회전 단계(S201)는 제1 속도 변경 단계(S210), 제1 속도 유지 단계(S220), 및 제2 속도 변경 단계(S230)를 포함할 수 있다.
제1 속도 변경 단계(S210)에서는 도가니(20)의 내부 직경(D1) 대비 군집체(40)의 직경(D2)의 비율(D2/D1)이 제1 타겟 값에 도달하면 제1 방향으로의 도가니(20)의 회전 속도를 기준 속도(Vref)에서 제1 속도(V1, V1>Vref)까지 증가시킨다.
제1 속도 변경 단계(S210)에서 도가니(20)의 회전 속도의 변화는 제1 기울기를 가질 수 있다.
예컨대, 제1 속도 변경 단계(S210)에서의 도가니의 회전 속도의 제1 기울기는 도가니의 회전 속도가 t1에서 t2 동안 Vref[rpm]에서 V1[rpm]으로 변화되는 평균 가속도일 수 있다.
또한 제1 속도 유지 단계(S220)에서는 도가니(20)의 제1 방향으로의 회전 속도가 제1 속도(V1)에 도달하면, 제1 속도(V1)를 유지한 채, 기설정된 제1 시간(t2 ~ t3) 동안 제1 방향으로 도가니(20)를 회전시킨다. 예컨대, 기설정된 제1 시간(t2 ~ t3)는 30초 내지 60초일 수 있다.
기설정된 제1 시간(t2 ~ t3)이 30초 미만이거나 또는 60초를 초과할 경우 용융액에 대한 강제 스터링(stirring) 효과가 감소하여 에어 버블(air bubble) 감소가 둔화될 수 있다.
또한 제2 속도 변경 단계(S230)에서는 제1 속도 유지 단계(S220)가 완료 후, 도가니(20)의 제1 방향으로의 회전 속도를 제1 속도에서 0으로 감소시켜 도가니(20)를 정지시킨다.
예컨대, 제2 속도 변경 단계(S230)에서 도가니(20)의 회전 속도의 변화는 제2 기울기를 가질 수 있다. 예컨대, 제2 속도 변경 단계(S230)에서의 도가니의 회전 속도의 제2 기울기는 도가니의 회전 속도가 t3에서 t4 동안 V1[rpm]에서 0[rpm]으로 변화되는 평균 가속도일 수 있다.
제1 방향 회전 단계(S201)가 완료 후, 제1 정지 단계(S240)에서는 기설정된 제2 시간(t4 ~ t5) 동안 도가니(20)의 회전 속도는 0이며, 도가니가 정지된 상태를 유지한다.
제1 방향 회전 단계(S201)와 제2 방향 회전 단계(S202) 사이에 제1 정지 단계(S1)를 수행하는 이유는 도가니(20)를 회전시키는 회전축(23)과 도가니(20)가 받는 스트레스를 완화시키고, 도가니 회전 방향의 급격한 변경으로 인한 용융액의 출렁임을 완화하기 위함이다.
제2 방향 회전 단계(S202)에서는 도가니(20)의 회전 속도를 변경하여 도가니(20)를 제2 방향으로 회전시킨다. 제2 방향은 제1 방향의 반대 방향일 수 있으며, 시계 반대 방향(CCW) 또는 시계 방향(CW)일 수 있다.
제2 방향 회전 단계(S202)는 제3 속도 변경 단계(S250), 제2 속도 유지 단계(S260), 및 제4 속도 변경 단계(S290)를 포함할 수 있다.
제3 속도 변경 단계(S250)에서는 도가니(20)를 제2 방향으로 회전시키며, 제2 방향으로의 도가니(20)의 회전 속도를 0에서 제2 속도(-V2)까지 증가시킨다.
도 3에서 V2 앞에 붙은 (-) 부호는 제1 방향과 반대 방향을 의미하는 것으로 사용되고, 속도의 증가와 감소는 (-) 부호와 상관없이 절대값이 증가하면 속도가 증가한다고 표현하고, 절대값이 감소하면 속도가 감소한다고 표현한다.
제3 속도 변경 단계(S250)에서 도가니(20)의 회전 속도의 변화는 제3 기울기를 가질 수 있다.
예컨대, 제3 속도 변경 단계(S250)에서의 도가니의 회전 속도의 제3 기울기는 도가니의 회전 속도가 t5에서 t6 동안 0[rpm]에서 -V2[rpm]으로 변화하는 평균 가속도일 수 있다.
제2 속도 유지 단계(S260)에서는 도가니(20)의 제2 방향으로의 회전 속도가 제2 속도(-V2)에 도달하면, 제2 속도(-V2)를 유지한 채, 기설정된 제3 시간(t6 ~ t7) 동안 제2 방향으로 도가니(20)를 회전시킨다. 예컨대, 기설정된 제3 시간(t6 ~ t7)는 30초 내지 60초일 수 있다.
기설정된 제3 시간(t6 ~ t7)이 30초 미만이거나 또는 60초를 초과할 경우 용융액에 대한 강제 스터링(stirring) 효과가 감소하여 에어 버블(air bubble) 감소가 둔화될 수 있다.
또한 제4 속도 변경 단계(S270)에서는 제2 속도 유지 단계(S260)가 완료 후, 도가니(20)의 제2 방향으로의 회전 속도를 제2 속도에서 0으로 감소시켜 도가니(20)를 정지시킨다.
제4 속도 변경 단계(S270)에서 도가니(20)의 회전 속도의 변화는 제4 기울기를 가질 수 있다. 예컨대, 제4 속도 변경 단계(S270)에서의 도가니의 회전 속도의 제2 기울기는 도가니의 속도가 -V2[rpm]에서 0[rpm]으로 변화하는 평균 가속도일 수 있다.
제2 방향 회전 단계(S202)가 완료 후, 제2 정지 단계(S280)에서는 기설정된 제4 시간(t7 ~ t8) 동안 도가니(20)의 회전 속도는 0이며, 도가니가 정지된 상태를 유지한다. 제2 정지 단계(S280)를 수행하는 이유는 제1 정지 단계(S1)를 수행하는 이유와 동일할 수 있다.
예컨대, 기설정된 제1 시간(t2 ~ t3)과 기설정된 제3 시간(t6 ~ t7) 각각은 기설정된 제2 시간(t4 ~ t5))과 기설정된 제4 시간(t7 ~ t8) 각각보다 클 수 있다.
또한 예컨대, 제1 시간과 제3 시간은 서로 동일할 수 있고, 제2 시간과 제4 시간은 서로 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 실시 예에서는 제1 시간과 제3 시간은 서로 다를 수 있고, 제2 시간과 제4 시간은 서로 다를 수 있다.
예컨대, 제1 속도 변경 단계(S210)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값은 제3 속도 변경 단계(S250)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 동일 수 있다. 또한 예컨대, 제2 속도 변경 단계(S230)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값은 제4 속도 변경 단계(S270)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 실시 예에서는 예컨대, 제1 속도 변경 단계(S210)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값은 제3 속도 변경 단계(S250)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 다를 수 있다. 또한 예컨대, 제2 속도 변경 단계(S230)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값은 제4 속도 변경 단계(S270)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 다를 수 있다.
또한 예컨대, 제1 속도 변경 단계(S210)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값은 제2 속도 변경 단계(S230)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 동일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시 예에서 양자는 서로 다를 수 있다.
또한 예컨대, 제3 속도 변경 단계(S250)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값은 제4 속도 변경 단계(S270)에서 도가니(20)의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 동일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시 예에서 양자는 서로 다를 수 있다.
예컨대, 제1 속도(V1)의 절대값 및 제2 속도(V2)의 절대값은 기준 속도(Vref)의 절대값보다 클 수 있다.
또한 예컨대, 제1 속도(V1)의 절대값과 제2 속도(V2)의 절대값은 서로 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 실시 예에서는 제1 속도(V1)의 절대값과 제2 속도(V2)의 절대값은 서로 다를 수 있다. 예컨대, V1의 절대값>V2의 절대값이거나, 또는 V2의 절대값>V1의 절대값일 수 있다.
다음으로 도가니(20)의 내부 직경(D1) 대비 군집체(40)의 직경(D2)이 제2 타겟 값에 도달했는지 여부를 판단한다(S140).
예컨대, 도가니(20)의 내부 직경(D1)을 기준으로 군집체(40)의 직경(D1)의 비율(D2/D1)이 제2 타겟 값에 도달했는지를 판단할 수 있다(S140).
예컨대, 제2 타겟 값은 55%보다 크거나 같고 75%보다 작을 수 있다.
예컨대, 제2 타겟 값은 55%보다 크거나 같고 60%보다 작거나 같을 수 있다.
도가니(20)의 내부 직경(D1)을 기준으로 군집체(40)의 직경(D1)의 비율(D2/D1)이 제2 타겟 값에 도달하지 못한 경우에는 도가니 회전 제어 단계(S130)를 반복 수행한다.
예컨대, 도가니(20)의 내부 직경(D1) 대비 군집체(40)의 직경(D2)의 비율(D2/D1)이 제2 타겟 값에 도달할 때까지, 도가니 회전 제어 단계(S130)를 2회 이상 반복하여 수행할 수 있다.
예컨대, 도가니 회전 제어 단계(S130)는 5회 내지 15회 반복 수행될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
반면에, 도가니(20)의 내부 직경(D1)을 기준으로 군집체(40)의 직경(D1)의 비율(D2/D1)이 제2 타겟 값에 도달한 경우에는 도가니 회전 제어 단계(S130)를 종료한다.
예컨대, 제1 방향 회전 단계(S201), 또는 제2 방향 회전 단계(S202) 도중에 도가니(20)의 내부 직경(D1) 대비 군집체(40)의 직경(D2)의 비율(D2/D1)이 제2 타겟 값에 도달할 경우, 수행 중인 제1 방향 회전 단계(S201) 또는 제2 방향 회전 단계(S201)가 완료되면 도가니 회전 단계(S130)는 완료 또는 종료될 수 있다.
또한 예컨대, 정지 단계 수행(S240, S280) 도중에 도가니(20)의 내부 직경(D1) 대비 군집체(40)의 직경(D2)의 비율(D2/D1)이 제2 타겟 값에 도달할 때 도가니 회전 단계(S130)는 완료 또는 종료될 수 있다.
도가니 회전 제어 단계(S130) 종료 후의 단계는 넥킹 공정 이전에 수행되는 안정화 단계일 수 있다.
비율(D2/D1)이 제1 타겟 값에 도달된 경우에 도가니 회전 제어 단계를 수행하는 이유는 다음과 같다.
군집체(40)의 직경(D2)이 도가니(20)의 내부 직경(D1) 대비 제1 타겟 값에 도달하기 이전인 준비 단계(S110)에서는 군집체(40)가 도가니(20)의 내면과 너무 인접하여 위치한다. 따라서 준비 단계(S110)에서 도가니의 회전 방향 및 회전 속도를 변경하여 도가니를 회전시킬 경우 다결정 덩어리가 도가니의 내면에 물리적으로 접촉하거나 또는 충돌될 수 있어 도가니에 흠집(scratch)이 발생되거나 또는 도가니가 파손될 수 있기 때문이다.
또한 비율(D2/D1)이 제2 타겟 값에 도달된 경우에 도가니 회전 제어 단계를 종료하는 이유는 다음과 같다.
비율(D2/D1)이 제2 타겟 값 이하인 경우에는, 용융액에 충분한 스터링(stirring )효과를 제공하기에는 군집체(40)의 직경 또는 양이 너무 작고, 이로 인하여 도가니(20)의 내면에 부착된 에어 버블을 제거 효과가 감소되기 때문이다.
실시 예에서는 도 3에 도시된 바와 같이, 비율(D2/D1)이 제1 타겟 값에 도달되면, 도가니의 제1 방향 회전 동작(P), 도가니의 제2 방향 회전 동작(R), 및 제1 방향 회전 동작(P)과 제2 방향 회전 동작(R) 사이에 위치하는 정지 동작(S1, S2)을 포함하는 도가니의 회전 제어 동작(K1 내지 KN, N≥1인 자연수)을 1회 이상 수행한다.
제1 방향 회전 동작(P)은 도 4의 제1 방향 회전 단계(S201에 해당할 수 있고, 제2 방향 회전 동작(R)은 도 4의 제2 방향 회전 단계(S202)에 해당할 수 있고, 정지 동작(S1, S2)은 도 4의 제1 및 제2 정지 단계들(S240, S290)에 해당할 수 있다.
또한 제1 방향 회전 동작(P)은 제1 속도 변경 동작(P1), 제1 속도 유지 동작(P2), 및 제2 속도 변경 동작(P3)을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 속도 변경 동작(P1)은 도 4의 제1 속도 변경 단계(S210)에 해당될 수 있고, 제1 속도 유지 동작(P2)은 도 4의 제1 속도 유지 단계(S220)에 해당될 수 있고, 제2 속도 변경 동작(P3)은 도 4의 제2 속도 변경 단계(S230)에 해당될 수 있다.
또한 제2 방향 회전 동작(R)은 제3 속도 변경 동작(R1), 제2 속도 유지 동작(R2), 및 제4 속도 변경 동작(R3)을 포함할 수 있다. 예컨대, 제3 속도 변경 동작(R1)은 도 4의 제3 속도 변경 단계(S250)에 해당될 수 있고, 제2 속도 유지 동작(R2)은 도 4의 제2 속도 유지 단계(S260)에 해당될 수 있고, 제4 속도 변경 동작(R3)은 도 4의 제4 속도 변경 단계(S270)에 해당될 수 있다.
도가니의 회전 제어 동작은 비율(D2/D1)이 제2 타겟 값에 도달할 때까지 회전 제어 동작(K1 내지 KN, N≥1인 자연수)은 반복 수행될 수 있다.
도 6은 직경 비율(D2/D1)과 불량률 간의 관계를 실험하기 위한 제1 내지 제4 실험 조건들(CASE 1 내지 CASE4)을 나타내고, 도 7은 도 6의 제1 내지 제4 실험 조건들(CASE 1 내지 CASE4)에 대응하는 불량률 실험 결과를 나타내고, 도 8은 도 6의 제1 내지 제4 실험 조건들(CASE 1 내지 CASE4)에 대응하는 웨이퍼의 결함의 크기(size)를 나타낸다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 제3 및 제4 조건들(CASE 3 및 CASE 4)이 제1 및 제2 조건들(CASE1, CASE2)에 비하여 불량률이 낮다.
제1 및 제2 조건들(CASE1, CASE2)에 비하여 제3 및 제4 조건들(CASE 3 및 CASE 4)의 불량률이 53% 감소될 수 있다. 즉 직경 비율D2/D1)이 55%이하인 경우(CASE1, CASE2)에는 에어 버블 제거 효과가 감소하여 불량률이 높게 나타나며, 조건 3(CASE 3)에서 불량률이 가장 낮게 나타난다.
도 8에서 A는 웨이퍼의 결함(예컨대, 핀 홀)의 크기(예컨대, 직경)이 30㎛이상 ~ 40㎛미만인 것이고, B는 웨이퍼의 결함의 크기가40㎛이상 ~ 50㎛미만인 것이고, C는 웨이퍼의 결함의 크기가 50㎛이상 ~ 60㎛미만인 것이고,
D는 웨이퍼의 결함의 크기가 60㎛이상 ~ 80㎛미만인 것이고, E는 웨이퍼의 결함의 크기가 80㎛이상 ~ 100㎛미만인 것이고, F는 웨이퍼의 결함의 크기가 100㎛이상인 것이다.
또한 웨이퍼의 결합의 크기도 제1 및 제2 조건들(CASE1, CASE2)에 비하여 제3 및 제4 조건들(CASE 3 및 CASE 4)에서 더 작다.
예컨대, 조건 3(CASE 3)과 같이, 실시 예에 따른 비율(D2/D1)이 75% ~ 85%인 구간 동안 도가니 회전 제어 단계(S130)를 적어도 1회 이상 반복 수행함으로써, 불량률을 줄일 수 있다.
실시 예는 용융액을 형성하는 단계에서 도가니를 제1 방향으로 회전, 도가니 정지, 도가니를 제2 방향으로 회전하는 것을 1회 이상 반복함으로써, 용융액을 강제로 휘저음(stirring)으로써 도가니에 트랩(trap)되어 있는 에어 버블을 제거하여 성장된 단결정 잉곳의 에어 포켓(air pocket)을 감소시킬 수 있고, 성장된 단결정 잉곳으로 제조된 웨이퍼의 불량률 또는 웨이퍼의 결함을 낮출 수 있고, 수율을 향상시킬 수 있다.
또한 실시 예는 용융액을 형성하는 단계에서 도가니에 트랩된 에어 버블을 제거하는 도가니 회전 제어를 수행하기 때문에, 단결정 잉곳 성장시 에어 버블을 제거하는 별도의 공정을 하지 않아도 되므로, 단결정 잉곳 성장 공정 시간을 단축시킬 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 챔버, 11: 단열재
20: 도가니 30: 히터
40: 인상 수단 41: 와이어
210: 화상 촬영부 220: 제어부.

Claims (15)

  1. 도가니 내에 다결정 덩어리들을 투입하는 단계; 및
    상기 투입된 다결정 덩어리들을 녹이는 용융액 형성 단계를 포함하고,
    상기 용융액 형성 단계는,
    상기 도가니 내에 수용된 용융액의 표면에 부유하는 다결정 덩어리들의 군집체의 직경을 검출하는 직경 검출 단계; 및
    상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율에 기초하여, 상기 도가니의 회전 속도 및 상기 도가니의 회전 방향을 제어하는 도가니 회전 제어 단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도가니 회전 제어 단계는,
    제1 방향으로 상기 도가니를 회전시키는 단계;
    상기 제1 방향으로 회전하는 상기 도가니를 정지시키는 단계; 및
    상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 상기 도가니를 회전시키는 단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 용융액 형성 단계는,
    상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율이 제1 타겟 값에 도달할 때까지 상기 도가니를 기준 속도로 제1 방향으로 회전시키는 준비 단계를 더 포함하는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 도가니 회전 제어 단계는,
    상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율이 제1 타겟 값에 도달할 때, 상기 도가니의 회전 속도 및 상기 도가니의 회전 방향을 적어도 1회 이상이 변경하는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 도가니 회전 제어 단계는,
    상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율이 제1 타겟 값에 도달할 때,
    상기 도가니의 상기 제1 방향으로의 회전 속도를 상기 기준 속도에서 제1 속도로 증가시키는 제1 속도 변경 단계와 상기 도가니의 상기 제1 방향으로의 회전 속도를 상기 제1 속도에서 0으로 감소시키는 제2 속도 변경 단계를 포함하는 제1 방향 회전 단계; 및
    상기 도가니를 제2 방향으로 회전시키고, 상기 도가니의 상기 제2 방향으로의 회전 속도를 0에서 제2 속도까지 증가시키는 제3 속도 변경 단계와 상기 도가니의 상기 제2 방향으로의 회전 속도를 상기 제2 속도에서 0으로 감소시키는 제4 속도 변경 단계를 포함하는 제2 방향 회전 단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 방향 회전 단계는,
    상기 제1 속도 변경 단계와 상기 제2 속도 변경 단계 사이에, 기설정된 제1 시간 동안 상기 제1 속도를 유지한 채 상기 도가니를 회전시키는 단계를 더 포함하는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 도가니 회전 제어 단계는,
    상기 제1 방향 회전 단계와 상기 제2 방향 회전 단계 사이에, 기설정된 제2 시간 동안 상기 도가니를 정지시키는 단계를 더 포함하는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 제2 방향 회전 단계는,
    상기 제3 속도 변경 단계와 상기 제4 속도 변경 단계 사이에, 기설정된 제2 시간 동안 상기 제2 속도를 유지한 채 상기 도가니를 회전시키는 단계를 더 포함하는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  9. 제5항 또는 제7항에 있어서,
    상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율이 제2 타겟 값에 도달할 때까지, 상기 도가니 회전 제어 단계를 2회 이상 반복하여 수행하는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 제1 타겟 값은 75%보다 크거나 같고 99%보다 작거나 같은 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  11. 제5항에 있어서,
    상기 제2 타겟 값은 55%보다 크거나 같고 75%보다 작은 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 제1 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값은 상기 제3 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 동일하고,
    상기 제2 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값은 상기 제4 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 동일한 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  13. 제5항에 있어서,
    상기 제1 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값은 상기 제3 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 다르고,
    상기 제2 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값은 상기 제4 속도 변경 단계에서 상기 도가니의 회전 속도의 기울기의 절대값과 서로 다른 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 제1 속도의 절대값 및 상기 제2 속도의 절대값은 상기 기준 속도의 절대값보다 큰 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 제1 방향 회전 단계, 상기 제2 방향 회전 단계, 또는 상기 정지 단계 수행 도중에 상기 도가니의 내부 직경 대비 상기 군집체의 직경의 비율이 상기 제2 타겟 값에 도달할 경우, 수행 중인 단계가 완료되면 상기 도가니 회전 단계가 완료되는 단결정 잉곳 성장을 위한 용융액 형성 방법.
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