KR20190042457A - 실리콘 단결정 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

챔버와, 챔버 내에 마련되는 석영 도가니(3A)와, 석영 도가니(3A)를 에워싸도록 배치되고, 석영 도가니(3A)를 가열하는 히터(5)를 구비한 인상 장치를 사용하여 실리콘 단결정을 제조하는 실리콘 단결정 제조 방법은, 인상 장치에는, 인상 장치 내에 도입된 가스를 히터(5)의 상부로부터 배기하는 상부 배기구(16A) 및 히터(5)의 하부로부터 배기하는 하부 배기구(16B)가 형성되고, 1:3≤상부 배기구(16A)로부터의 가스의 배기량:하부 배기구(16B)로부터의 가스의 배기량≤6:1로 한다.

Description

실리콘 단결정 제조 방법{Method of manufacturing silicon single crystal}
본 발명은 실리콘 단결정 제조 방법에 관한 것이다.
실리콘 단결정 속의 Cs는 디바이스 공정에 있어서 Ci가 되고, Oi와 결합하여 CiOi 결함을 형성한다. CiOi 결함은 디바이스 불량을 일으키는 원인이 된다.
여기서, 결정 속의 탄소 농도는, 로(爐) 내의 히터, 흑연 도가니 등의 고온 탄소 부재로부터 원료 융액(融液) 속으로 혼입되는 CO의 오염 속도와, 원료 융액으로부터의 CO의 증발 속도를 제어함으로써 저감시키는 것이 알려져 있다. 덧붙여, 고온 탄소 부재로부터의 CO(gas)는 하기 반응식에 의거하여 발생한다.
SiO(gas)+2C(solid)→CO(gas)+SiC(solid)
이 때문에, 문헌 1(일본 공개특허공보 평 05-319976호)에는, 인상 장치의 상방으로부터 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 석영 도가니 내에 도입하고, CO를 포함하는 가스를 히터의 상단보다 상방 및 하단보다 하방으로 유도하고, 인상 장치의 하방으로부터 배출하는 기술이 개시되어 있다.
그러나, 상기 문헌 1에 기재된 기술에서는, 상방의 배기구가 높은 위치에 있기 때문에, 상방의 배기구에 의한 배기가 충분히 이루어지지 않아, 반드시 효율적으로 CO를 포함하는 가스를 배기할 수 있다고는 할 수 없다. 따라서, 실리콘 단결정 속의 Cs를 충분히 저감시킬 수 없다는 과제가 있다.
일본 공개특허공보 평 05-319976호
본 발명의 목적은, CO를 포함하는 가스를 효율적으로 배기하여 실리콘 단결정 속(中)의 Cs를 저감시킬 수 있는 실리콘 단결정 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 실리콘 단결정 제조 방법은, 챔버와, 상기 챔버 내에 마련되는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 에워싸도록 배치되고, 상기 석영 도가니를 가열하는 히터를 구비한 인상 장치를 사용하여 실리콘 단결정을 제조하는 실리콘 단결정 제조 방법으로서, 상기 인상 장치에는, 상기 인상 장치 내에 도입된 가스를 상기 히터의 상부로부터 배기하는 상부 배기구 및 상기 히터의 하부로부터 배기하는 하부 배기구가 형성되고, 1:3≤상기 상부 배기구로부터의 가스의 배기량:상기 하부 배기구로부터의 가스의 배기량≤6:1로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는, 1:2≤상기 상부 배기구로부터의 가스의 배기량:상기 하부 배기구로부터의 가스의 배기량≤3:1로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상부 배기구로부터 배기되는 가스의 배기량을 1:3≤상부 배기구로부터의 가스의 배기량:하부 배기구로부터의 가스의 배기량≤6:1로 함으로써, 상부 배기구로부터의 배기를 우선적으로 행할 수 있다. 따라서, 석영 도가니 내의 실리콘 융액 표면에 유입된 CO를 포함하는 가스를 효율적으로 배출할 수 있고, 실리콘 단결정 속의 Cs를 저감시킬 수 있다.
특히, 1:2≤상부 배기구로부터의 가스의 배기량:하부 배기구로부터의 가스의 배기량≤3:1로 함으로써, 석영 도가니 내의 CO를 포함하는 가스를 효율적으로 배출할 수 있다.
본 발명에서는, 상기 상부 배기구 및 상기 하부 배기구로부터의 가스의 배기량은, 각각의 배기구의 개구 면적을 변경함으로써 조정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 상부 배기구 및 하부 배기구의 개구 면적을 변경하는 것만으로 각각의 배기구의 가스의 배기량을 조정할 수 있기 때문에, 간단히 상부 배기구 및 하부 배기구로부터의 가스의 배기량을 조정할 수 있다.
본 발명에서는,상기 인상 장치는, 상기 챔버 내에 배치되고, 상기 상부 배기구 및 상기 하부 배기구가 형성되며, 카본 부재로 구성되는 배기 유로를 구비하고 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 인상 장치가 배기 유로를 구비하고 있음으로써, CO를 포함하는 가스가 다른 부위로 누출되지 않고 배기할 수 있기 때문에, 인상된 실리콘 단결정 속의 Cs를 확실하게 저감시킬 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따르면, 석영 도가니 내의 실리콘 융액 표면에 유입된 CO를 포함하는 가스를 효율적으로 배출할 수 있고, 실리콘 단결정 속의 Cs를 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 실리콘 단결정의 인상 장치의 구조를 나타내는 모식도이다.
도 2는 상기 실시 형태에 있어서의 배기 유로의 구조를 나타내는 수직 방향 단면도이다.
도 3은 상기 실시 형태에 있어서의 배기 유로의 구조를 나타내는 수평 방향 단면도이다.
도 4는 실시예에 있어서의 상부 배기구 및 하부 배기구의 가스의 배기량에 따른 실리콘 단결정 속의 카본 농도의 변화를 보인 그래프이다.
도 5는 배기 유로에 있어서의 상부 배기구의 가스의 배기량과 하부 배기구의 가스의 배기량의 비를 변경한 시뮬레이션 결과를 보인 그래프이다.
[1] 실리콘 단결정의 인상 장치(1)의 구조
도 1에는 본 발명의 실시 형태에 따른 실리콘 단결정 제조 방법을 적용할 수 있는 실리콘 단결정의 인상 장치(1)의 구조의 일례를 보인 모식도가 도시되어 있다. 인상 장치(1)는, 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정(10)을 인상하는 장치로서, 외곽을 구성하는 챔버(2)와, 챔버(2)의 중심부에 배치되는 도가니(3)를 구비한다.
도가니(3)는, 내측의 석영 도가니(3A)와, 외측의 흑연 도가니(3B)로 구성되는 이중 구조로서, 회전 및 승하강이 가능한 지지축(4)의 상단부에 고정되어 있다.
도가니(3)의 외측에는 도가니(3)를 에워싸는 저항 가열식의 히터(5)가 마련되고, 그 외측에는 챔버(2)의 내면을 따라 외통이 되는 단열재(6)가 마련되어 있다.
도가니(3)의 상방에는 지지축(4)과 동축 상에서 반대 방향 또는 동일 방향으로 소정의 속도로 회전하는 와이어 등의 인상축(7)이 마련되어 있다. 이 인상축(7)의 하단에는 종결정(種結晶, 8)이 부착되어 있다.
챔버(2) 내에는 통형상의 열차폐체(12)가 배치되어 있다.
열차폐체(12)는, 육성 중인 실리콘 단결정(10)에 대하여, 도가니(3) 내의 실리콘 융액(9)이나 히터(5)나 도가니(3)의 측벽으로부터의 고온의 복사열을 차단함과 아울러, 결정 성장 계면인 고액 계면(固液界面)의 근방에 대해서는 외부로의 열의 확산을 억제하고, 단결정 중심부 및 단결정 외주부의 인상축 방향의 온도 구배를 제어하는 역할을 담당한다.
또한, 열차폐체(12)는, 실리콘 융액(9)으로부터의 증발부를 로 상방으로부터 도입한 불활성 가스에 의해 로 밖으로 배기하는 정류통(整流筒)으로서의 기능도 있다.
챔버(2)의 상부에는 아르곤 가스(이하, Ar 가스라고 칭함) 등의 불활성 가스를 챔버(2) 내에 도입하는 가스 도입구(13)가 마련되어 있다. 챔버(2)의 하부에는 도시하지 않은 진공 펌프의 구동에 의해 챔버(2) 내의 기체를 흡인하여 배출하는 배기구(14)가 마련되어 있다.
가스 도입구(13)로부터 챔버(2) 내로 도입된 불활성 가스는, 육성 중인 실리콘 단결정(10)과 열차폐체(12) 사이를 하강하고, 열차폐체(12)의 하단과 실리콘 융액(9)의 액면과의 틈새를 거친 후, 열차폐체(12)의 외측, 나아가 도가니(3)의 외측을 향해 흐르고, 그 후에 도가니(3)의 외측을 하강하고, 배기구(14)로부터 배출된다.
이러한 인상 장치(1)를 이용하여 실리콘 단결정(10)을 제조할 때, 챔버(2) 안을 감압 하의 불활성 가스 분위기로 유지한 상태에서, 도가니(3)에 충전한 다결정 실리콘 등의 고형 원료를 히터(5)의 가열에 의해 용융시키고, 실리콘 융액(9)을 형성한다. 도가니(3) 내에 실리콘 융액(9)이 형성되면, 인상축(7)을 하강시켜 종결정(8)을 실리콘 융액(9)에 침지하고, 도가니(3) 및 인상축(7)을 소정의 방향으로 회전시키면서 인상축(7)을 서서히 인상하고, 이에 의해 종결정(8)에 연속된 실리콘 단결정(10)을 육성한다.
[2] 배기 유로의 구조
도 2 및 도 3에는 전술한 인상 장치(1)에 형성된 배기 유로의 구조가 도시되어 있다. 도 2는 수직 방향 단면도이고, 도 3은 수평 방향 단면도이다.
배기 덕트(15)는, 도 3에 도시한 바와 같이 단면 C자형의 길이가 긴 부재로 구성되고, 히터(5)의 외측에 배치되는 내통(16)에 배기 덕트(15)의 C자의 플랜지 끝이 접합되어 있다. 배기 덕트(15)는 내통(16)의 주위에 4곳 마련되고, 석영 도가니(3A)의 중심을 중심으로 하여 인접하는 배기 덕트(15)는 90°의 각도를 이루도록 배치되어 있다.
내통(16)은 그라파이트 등의 카본 부재로 구성되는 원통형상체이다. 내통(16)에는, 도 2에 도시한 바와 같이, 히터(5)의 상단의 상방에 상부 배기구(16A)가, 히터(5)의 하단의 하방에 하부 배기구(16B)가 형성되어 있다.
4개의 배기 덕트(15)의 4개의 상부 배기구(16A)의 가스의 배기량 및 하부 배기구(16B)의 가스의 배기량은, 1:3≤상부 배기구(16A)로부터의 가스의 배기량:하부 배기구(16B)의 가스의 배기량≤6:1, 바람직하게는, 1:2≤상부 배기구(16A)로부터의 가스의 배기량:하부 배기구(16B)의 가스의 배기량≤3:1이 된다.
단, 본 실시 형태에서는 배기 덕트(15)를 4곳 마련하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 3곳이어도 좋고, 또한 8곳이어도 좋으며, 복수 개의 배기 덕트(15)가 있으면 된다. 또한, 상부 배기구(16A) 및 하부 배기구(16B)의 가스의 배기량은, 상부 배기구(16A) 및 하부 배기구(16B)의 개구 면적을 변경함으로써 조정할 수 있다.
이러한 배기 유로에서는, 석영 도가니(3A)의 상부의 가스 도입구(13)(도 1 참조)로부터 도입된 불활성 가스는 실리콘 융액(9)의 융액 표면을 따라 외측으로 확산되고, CO를 포함하는 가스는 석영 도가니(3A)의 내주면을 따라 상승한다.
그리고, CO를 포함하는 가스의 일부는, 도 2에 도시한 바와 같이, 내통(16) 및 열차폐체(12)에 의해 에워싸인 공간으로 유입되고, 고(高) CO 가스 농도 분위기 영역을 형성한다. 이 고 CO 가스 농도 분위기 영역 내의 CO를 포함하는 가스는 상부 배기구(16A)로부터 배기 덕트(15)의 내부로 들어오고, 하방으로 흘러 배기구(14)로부터 배출된다.
한편, CO를 포함하는 가스의 다른 일부는 히터(5)의 내측을 흐르고, 도 2에 도시한 바와 같이, 도가니(3)의 하방에 고 CO 가스 농도 분위기 영역을 형성한다. 이 CO 가스 농도 분위기 영역 내의 CO를 포함하는 가스는 하부 배기구(16B)로부터 배기 덕트(15)의 내부로 들어오고, 하방으로 흘러 배기구(14)로부터 배출된다.
그리고, 상부 배기구(16A)로부터 배기되는 가스의 배기량과 하부 배기구(16B)로부터 배기되는 가스의 배기량을 조정함으로써, 석영 도가니(3A) 내의 실리콘 융액(9)의 표면으로 유입된 CO를 포함하는 가스를 효율적으로 배출할 수 있고, 결과적으로 인상된 실리콘 단결정(10) 속의 Cs를 저감시킬 수 있다.
실시예
다음, 본 발명의 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 덧붙여, 본 발명은 이하에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[1] 배기 위치에 따른 실리콘 단결정(10)의 카본 농도의 변화
실시 형태에서 설명한 실리콘 단결정(10)의 인상 장치(1)를 사용하여, 상부 배기구(16A), 하부 배기구(16B)로부터의 배기 유로를 변경하고, 실리콘 단결정(10)을 인상하고, 인상된 실리콘 단결정(10) 속의 카본 농도를 측정하였다.
실시예: 상부 배기구(16A)를 열림, 하부 배기구(16B)를 열림으로 하였다. 덧붙여, 상부 배기구(16A)로부터의 가스의 배기량:하부 배기구(16B)로부터의 가스의 배기량=4:1로 하였다.
비교예 1: 상부 배기구(16A)를 닫힘, 하부 배기구(16B)를 열림으로 하였다.
비교예 2: 상부 배기구(16A)를 열림, 하부 배기구(16B)를 닫힘으로 하였다.
단, 실시예 및 비교예 1, 2에 있어서, 원료 차지(charge)량은 400 kg으로 하였고, 390 kg의 실리콘 단결정(10)을 인상하였다. 또한, 아르곤 가스 유량은 200 L/min으로 하였고, 로 내압을 4000 Pa(30 Torr를 환산한 값)로 하였다. 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 비교예 1의 하부 배기만의 경우와 비교하여, 실시예의 상부+하부 배기의 경우, 실리콘 단결정(10) 속의 카본 농도가 대폭으로 저감되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
한편, 비교예 2의 상부 배기만의 경우에는, 비교예 1의 하부 배기만보다도 실리콘 단결정(10) 속의 카본 농도가 증가하였다. 이는, 석영 도가니(3A) 및 흑연 도가니(3B)의 반응에 의해 생성된 CO 가스를 모두 상부로 빨아올려버리기 때문에, 실리콘 융액(9) 근방의 CO 농도가 상승하고, 결과적으로 실리콘 단결정(10) 속의 농도 상승으로 이어진 것이라고 생각된다.
[2] 상부 배기구(16A) 및 하부 배기구(16B)의 가스의 배기량의 비율
다음, STR사의 열유량 분석 프로그램 CGSim을 이용하여 상부 배기구(16A) 및 하부 배기구(16B)의 가스의 배기량의 비율을 변화시킨 경우에, 실리콘 융액(9) 속의 카본 농도가 어떻게 변화하는지를 시뮬레이션하였다. 결과를 표 1 및 도 5에 나타내었다.
배기량 비 카본농도
Х1015(atoms/cm3)
상부 배기 하부 배기
하부 배기만 5.27
1 9 5.23
1 3 4.88
1 2 3.85
1 1 2.81
2 1 3.53
3 1 3.55
4 1 4.01
6 1 4.44
8 1 5.45
11 1 5.71
상부 배기만 13.2
표 1 및 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 상부 배기구(16A)의 가스의 배기량:하부 배기구(16B)의 가스의 배기량=1:3에 있어서, 실리콘 융액(9) 속의 카본 농도가 5Х1015(atoms/cm3) 이하로 저감되었다.
한편, 상부 배기구(16A)의 가스의 배기량:하부 배기구(16B)의 가스의 배기량=6:1까지는 5Х1015(atoms/cm3) 이하로 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.
특히, 1:2≤상부 배기구(16A)의 가스의 배기량:하부 배기구(16B)의 가스의 배기량≤3:1의 범위에서는 4Х1015(atoms/cm3) 이하까지 저감시킬 수 있고, 실리콘 융액(9) 속의 카본 농도를 크게 저감시킬 수 있었다.
따라서, 상부 배기구(16A)의 가스의 배기량:하부 배기구(16B)의 가스의 배기량을 적절하게 변화시킴으로써 실리콘 융액(9) 속의 카본 농도를 저감시킬 수 있기 때문에, 인상된 실리콘 단결정(10) 속의 탄소 농도를 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

Claims (4)

  1. 챔버와, 상기 챔버 내에 마련되는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 에워싸도록 배치되고, 상기 석영 도가니를 가열하는 히터를 구비한 인상 장치를 사용하여 실리콘 단결정을 제조하는 실리콘 단결정 제조 방법으로서,
    상기 인상 장치에는, 상기 인상 장치 내에 도입된 가스를 상기 히터의 상부로부터 배기하는 상부 배기구 및 상기 히터의 하부로부터 배기하는 하부 배기구가 형성되고,
    1:3≤상기 상부 배기구로부터의 가스의 배기량:상기 하부 배기구로부터의 가스의 배기량≤6:1로 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
  2. 청구항 1에 기재된 실리콘 단결정 제조 방법에 있어서,
    1:2≤상기 상부 배기구로부터의 가스의 배기량:상기 하부 배기구로부터의 가스의 배기량≤3:1로 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
  3. 청구항 1에 기재된 실리콘 단결정 제조 방법에 있어서,
    상기 상부 배기구 및 상기 하부 배기구로부터의 가스의 배기량은, 각각의 배기구의 개구 면적을 변경함으로써 조정되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 기재된 실리콘 단결정 제조 방법에 있어서,
    상기 인상 장치는, 상기 챔버 내에 배치되고, 상기 상부 배기구 및 상기 하부 배기구가 형성되며, 카본 부재로 구성되는 배기 유로를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 제조 방법.
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