KR20190120316A - 열 차폐 부재, 단결정 인상 장치 및 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

무결함의 단결정 실리콘이 얻어지는 결정의 인상 속도의 마진을 확대할 수 있는 열 차폐 부재, 단결정 인상 장치 및 그 단결정 인상 장치를 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 제안한다. 석영 도가니의 주위에 배치된 히터에 의해 가열되어 석영 도가니에 저장된 실리콘 융액으로부터 단결정 실리콘 잉곳(I)을 인상하는 단결정 인상 장치에 마련되는 열 차폐 부재(1)로서, 그 열 차폐 부재(1)는, 단결정 실리콘 잉곳의 외주면을 포위하는 원통 형상의 통부(2)와, 통부(2)의 하부에서 환 형상의 팽출부(3)를 구비하고, 팽출부(2)는, 윗벽(3a)과 바닥벽(3b)과 두 개의 세로벽(3c, 3d)을 갖고, 그들 벽에 의해 에워싸인 공간에 환 형상의 단열재(H)를 가지며, 단결정 실리콘 잉곳(I)에 인접하는 측의 세로벽(3c)과 단열재(H) 사이에 공극을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

열 차폐 부재, 단결정 인상 장치 및 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법
본 발명은, 열 차폐 부재, 단결정 인상 장치 및 그 단결정 인상 장치를 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 디바이스의 기판으로는, 초크랄스키(Czochralski, CZ)법에 의해 육성한 단결정 실리콘 잉곳에 대하여 웨이퍼 가공 처리를 실시하여 얻어진 실리콘 웨이퍼가 사용되고 있다.
도 1은, CZ법에 의해 단결정 실리콘 잉곳을 육성하는 일반적인 단결정 인상 장치의 일례를 나타내고 있다. 이 도면에 나타낸 단결정 인상 장치(100)는, 챔버(51) 내에 단결정 실리콘 잉곳(I)의 원료 물질을 수용하기 위한 도가니(52)가 마련되어 있고, 이 도면에 나타낸 도가니(52)는, 석영 도가니(52a)와 흑연 도가니(52b)로 구성되어 있다. 이 도가니(52)의 하부에는, 도가니(52)를 원주 방향으로 회전시킴과 함께 도가니(52)를 연직 방향으로 승하강시키는 도가니 회전 승하강축(53)이 부착되어 있다. 또한, 도가니(52)의 주위에는 히터(54)가 배치되어 있어, 도가니(52) 내에 수용된 원료 물질을 가열하여 실리콘 융액(M)으로 만든다.
챔버(51)의 상부에는 단결정 실리콘 잉곳(I)을 인상하기 위한 인상축(55)이 마련되어 있고, 이 선단에 고정된 종결정(種結晶) 유지기(56)에 종결정(S)이 유지되어 있다. 또한, 챔버(51)의 상부 및 하부에는 가스 도입구(57) 및 가스 배출구(58)가 각각 마련되어 있어, 단결정 실리콘 잉곳(I)의 육성 중에 가스 도입구(57)로부터 챔버(51) 내로 불활성 가스를 공급하고, 잉곳(I)의 외주면을 따라 통과시켜 가스 배출구(58)로부터 배출하도록 구성되어 있다.
나아가, 챔버(51) 내에는 육성 중인 잉곳(I)의 외주면을 포위하는 원통형의 열 차폐 부재(60)가 마련되어 있다. 도 2는, 종래의 열 차폐 부재(60)의 구성의 일례를 나타내고 있다. 이 도면에 나타낸 열 차폐 부재(60)는, 단결정 실리콘 잉곳(I)의 외주면을 포위하는 원통 형상의 통부(61)와, 통부(61)의 하부에서 팽출부(膨出部)(62)를 구비한다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 여기서, 통부(61)는 내벽(61a)과 외벽(61b)을 가지고 있다. 또한, 팽출부(62)는 윗벽(62a)과 바닥벽(62b)과 두 개의 세로벽(62c, 62d)을 가지고 있다. 그리고, 이들 벽에 의해 에워싸인 공간에 단열재(축열 부재)(H)가 마련되어 있다.
이러한 열 차폐 부재(60)는, 히터(54)나 실리콘 융액(M), 도가니(52)의 측벽으로부터의 복사 열을 차폐하여, 인상하는 단결정 실리콘 잉곳(I)의 냉각을 촉진하는 한편, 히터(54)나 실리콘 융액(M)에 의해 가열된 팽출부(62)의 단열재(H)에 의해 잉곳(I)의 외주면을 보온하고, 단결정 실리콘 잉곳(I)의 중심부와 외주부에 있어서의 결정축 방향의 온도 구배(句配)의 차가 커지는 것을 억제한다.
상기 장치(100)를 이용하여, 단결정 실리콘 잉곳(I)의 육성은 이하와 같이 행한다. 먼저, 챔버(51) 내를 감압 하의 Ar 가스 등의 불활성 가스 분위기로 유지한 상태에서, 히터(54)에 의해 도가니(52) 내에 수용된 다결정 실리콘 등의 원료 물질을 가열하여 용융하고, 실리콘 융액(M)으로 만든다. 이어서, 인상축(55)을 하강시켜 종결정(S)을 실리콘 융액(M)에 침지하고, 도가니(52) 및 인상축(55)을 소정의 방향으로 회전시키면서 인상축(55)을 상방으로 인상한다. 이와 같이 하여, 종결정(S)의 하방에 단결정 실리콘 잉곳(I)을 육성할 수 있다.
상기 장치(100)를 이용하여 육성된 단결정 실리콘 잉곳(I)에는, 디바이스 형성 공정에서 문제가 되는 다양한 종류의 Grown-in 결함이 형성된다. 이 Grown-in 결함의 잉곳(I)의 지름 방향 면 내의 분포는, 두 개의 요인, 즉, 결정의 인상 속도(V) 및 고액 계면(固液界面)에 있어서의 단결정 내의 인상 방향의 온도 구배(G)에 의존하는 것이 알려져 있다(예를 들면, 비 특허문헌 1 참조).
도 3은, 고액 계면에 있어서의 온도 구배(G)에 대한 인상 속도(V)의 비(V/G)와 단결정 실리콘 잉곳(I)을 구성하는 결정 영역 간의 관계를 나타낸 도면이다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, 단결정 실리콘 잉곳은, V/G의 값이 큰 경우에는, 공공(空孔)이 형성되어 결정에 기인한 파티클(Crystal Originated Particles, COP)이 검출되는 결정 영역인 COP 발생 영역(71)에 지배된다.
V/G의 값을 작게 하면, 특정 산화 열처리를 실시하면, 산화 유기 적층 결함(OSF:Oxidation Induced Stacking Fault)이라 불리는 링형으로 분포하는 OSF 잠재 핵 영역(72)이 형성되고, 이 OSF 영역(72)에는 COP는 검출되지 않는다.
나아가 V/G의 값을 작게 하면, 산소 석출물이 존재하고 COP가 검출되지 않는 결정 영역인 산소 석출 촉진 영역(이하, "Pv 영역"이라고도 함)(73)이, 이어서 산소의 석출이 잘 일어나지 않고 COP가 검출되지 않는 결정 영역인 산소 석출 억제 영역(이하, "Pi 영역"이라고도 함)(74)이 형성되고, 전위(轉位) 클러스터가 검출되는 결정 영역인 전위 클러스터 영역(75)이 형성된다.
V/G에 따라 이러한 결함 분포를 나타내는 단결정 실리콘 잉곳(I)으로부터 채취되는 실리콘 웨이퍼에 있어서, COP 발생 영역(71) 및 전위 클러스터 영역(75) 이외의 결정 영역은, 일반적으로는 결함이 없는 무결함 영역으로 간주되는 결정 영역이고, 일반적으로, 이들 결정 영역으로부터 채취되는 실리콘 웨이퍼는 무결함의 실리콘 웨이퍼로 여겨진다.
일본 특허 공개 2004-107132호 공보
(비 특허문헌 1) "The Mechanism of Swirl Defects Formation in Silicon", Journal of Crystal Growth, Vol. 59, 1982, pp.625-643
상기 COP 발생 영역(71)에 대한 V/G의 값과, 전위 클러스터 영역(75)에 대한 V/G의 값의 차는 매우 작기 때문에, 무결함의 단결정 실리콘 잉곳(I)을 육성하기 위해서는 인상 속도(V)의 엄밀한 관리가 필요해진다. 그러나, 이러한 인상 속도(V)의 관리는 매우 어려워, 무결함의 단결정 실리콘 잉곳(I)이 얻어지는 결정의 인상 속도(V)의 범위(마진)를 확대할 수 있는 방도의 제안이 요망되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 무결함의 단결정 실리콘이 얻어지는 결정의 인상 속도의 마진을 확대할 수 있는 열 차폐 부재, 단결정 인상 장치 및 그 단결정 인상 장치를 이용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 제안하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 요지 구성은 이하와 같다.
[1] 석영 도가니의 주위에 배치된 히터에 의해 가열되어 상기 석영 도가니에 저장된 실리콘 융액(融液)으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 인상하는 단결정 인상 장치에 마련되는 열 차폐 부재로서, 그 열 차폐 부재는, 상기 단결정 실리콘 잉곳의 외주면을 포위하는 원통 형상의 통부와, 상기 통부의 하부에서 환 형상의 팽출부를 구비하는, 열 차폐 부재에 있어서,
상기 팽출부는, 윗벽과 바닥벽과 두 개의 세로벽을 갖고, 그들 벽에 의해 에워싸인 공간에 환 형상의 단열재를 가지며,
상기 단결정 실리콘 잉곳에 인접하는 측의 세로벽과 상기 단열재 사이에 공극(空隙)을 갖는 것을 특징으로 하는 열 차폐 부재.
[2] 석영 도가니의 주위에 배치된 히터에 의해 가열되어 상기 석영 도가니에 저장된 실리콘 융액으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 인상하는 단결정 인상 장치에 마련되는 열 차폐 부재로서, 그 열 차폐 부재는, 상기 단결정 실리콘 잉곳의 외주면을 포위하는 원통 형상의 통부와, 상기 통부의 하부에서 환 형상의 팽출부를 구비하는, 열 차폐 부재에 있어서,
상기 팽출부는, 윗벽과 바닥벽과 두 개의 세로벽을 갖고, 그들 벽에 의해 에워싸인 공간에 환 형상의 단열재를 가지며,
상기 단결정 실리콘 잉곳에 인접하는 측의 세로벽의 상기 단열재측의 표면과 상기 단열재가 접촉해 있고,
상기 열 차폐 부재의 개구 지름과 상기 단열재의 개구 지름의 차가 5 mm 초과인 것을 특징으로 하는 열 차폐 부재.
[3] 상기 [1] 또는 [2]에 있어서,
상기 단결정 실리콘 잉곳에 인접하는 측의 세로벽과 상기 바닥벽이 일체로 형성되어 있는, 열 차폐 부재.
[4] 상기 [1] 내지 [3] 중 어느 한 항에 있어서,
상기 단결정 실리콘 잉곳에 인접하는 측의 세로벽이 탄소 재료를 갖는, 열 차폐 부재.
[5] 상기 [1] 내지 [4] 중 어느 하나에 기재된 열 차폐 부재를 구비하는 단결정 인상 장치.
[6] 상기 [5]에 기재된 단결정 인상 장치를 이용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
본 발명에 따르면, 무결함의 단결정 실리콘 잉곳이 얻어지는 결정의 인상 속도의 마진을 확대할 수 있다.
도 1은 일반적인 단결정 인상 장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 2는 열 차폐 부재의 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 고액 계면에 있어서의 온도 구배에 대한 인상 속도의 비와 단결정 실리콘 잉곳을 구성하는 결정 영역 간의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4(a)는 단결정 실리콘 잉곳 내의 응력 분포의 일례를 나타내는 도면이고, (b)는 이상(理想) 온도 구배(Gideal)의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 열 차폐 부재의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 열 차폐 부재의 다른 예를 나타내는 도면이다.
도 7은 세로벽과 바닥벽이 일체로 형성된 열 차폐 부재를 나타내는 도면이다.
도 8은 도 5에 나타낸 열 차폐 부재를 구비하는 단결정 인상 장치를 이용하여 육성한 경우의 단결정 실리콘 잉곳의 온도 구배를 나타내는 도면이다.
도 9는 도 6에 나타낸 열 차폐 부재를 구비하는 단결정 인상 장치를 이용하여 육성한 경우의 단결정 실리콘 잉곳의 온도 구배를 나타내는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 열 차폐 부재는, 석영 도가니의 주위에 배치된 히터에 의해 가열되어 상기 석영 도가니에 저장된 실리콘 융액으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 인상하는 단결정 인상 장치에 마련되는 열 차폐 부재로서, 그 열 차폐 부재는, 단결정 실리콘 잉곳의 외주면을 포위하는 원통 형상의 통부와, 통부의 하부에서 환 형상의 팽출부를 구비한다. 여기서, 상기 팽출부는, 윗벽과 바닥벽과 두 개의 세로벽을 가지며, 그들 벽에 의해 에워싸인 공간에 환 형상의 단열재를 갖는다.
전술한 바와 같이, 단결정 실리콘 잉곳(I) 내의 결정 결함의 지름 방향 분포는 온도 구배(G)에 대한 인상 속도(V)의 비(V/G)에 의존한다. 여기서, 인상 속도(V)는 잉곳(I)으로의 격자간 실리콘과 공공의 도입량을 결정한다. 이에 대해, 온도 구배(G)는 격자간 실리콘과 공공의 확산 속도를 결정한다.
무결함의 단결정 실리콘 잉곳(I)이 얻어지는 결정의 인상 속도(V)의 마진(이하, 단순히 "인상 속도 마진"이라고도 함.)은, 잉곳(I) 내의 결정 결함의 지름 방향 분포를 플랫(평탄)하게 함으로써 확대할 수 있다. 이 결정 결함의 지름 방향 분포의 평탄화를 구현하는 임계(V/G)cri는, 공공의 농도와 격자간 실리콘의 농도가 같아지는 조건으로부터 이론적으로 구할 수 있고, 이하의 식(1)으로 주어진다(예를 들면, K. Nakamura, R. Suewaka and B. Ko, ECS Solid State Letters, 3 (3) N5-N7 (2014) 참조).
Figure pct00001
여기서, σmean은 결정 내의 임의의 위치의 응력이다.
식 (1)로부터 자명한 바와 같이, 격자간 실리콘 농도와 공공 농도가 같아지는 (V/G)cri는 결정 내의 응력에 의존한다. 상기 (V/G)cri는 전열(傳熱) 계산 등에 의해 결정 내의 응력 분포를 구하여 얻을 수 있다. 또한, 결정 결함의 지름 방향 분포의 평탄화를 구현하는 이상적인 온도 구배(이하, "이상 온도 구배(Gideal)"라고도 함.)에 대해서도, 인상 속도(V)는 잉곳(I)의 지름 방향에서 일정하기 때문에, 상기 식 (1)로부터,
Figure pct00002
로 구할 수 있다.
도 4(a)는, 결정 내의 응력 분포의 일례를 나타내고 있고, 도 4(b)는, 이상 온도 구배의 일례를 나타내고 있다. 도 4(b)에 나타낸 바와 같은 이상 온도 구배(Gideal)를 구현할 수 있다면, 대응하는 인상 속도(V)로 단결정 실리콘 잉곳(I)을 인상함으로써, 잉곳(I) 내의 결정 결함의 지름 방향 분포를 플랫하게 하여, 인상 속도 마진을 최대화할 수 있다.
단결정 실리콘 잉곳(I)의 온도 구배(G)는, 열 차폐 부재(60)의 구성에 의존한다. 본 발명자들은, 상기 이상적인 온도 구배(Gideal)를 구현하기 위하여, 열 차폐 부재(60)의 구성과 온도 구배(G) 간의 관계를 상세하게 조사하였다. 그 결과, 열 차폐 부재(60)에 있어서의, 잉곳(I)이 삽입 통과되고 있는 개구부(O)의 지름(이하, "개구 지름"이라고도 함.)(Rs)을 크게 함으로써, 온도 구배(G)는 Gideal에 근접하는 것이 밝혀졌다. 덧붙여, 상기 개구 지름(Rs)은, 팽출부(62)에서의 개구 지름이다.
그리고, 개구 지름(Rs)이 종래의 것보다 큰 열 차폐 부재를 이용하여 단결정 실리콘 잉곳(I)을 육성하면, 결정 결함의 지름 방향 분포가 보다 플랫해져 인상 속도 마진이 확대되는 것을 찾아낸 것이다.
이와 같이 하여, 개구 지름(Rs)을 크게 함으로써, 인상 속도 마진을 확대할 수는 있었지만, 이번에는 결정의 휨(구부러짐)이나 결정 변형 등의 문제가 새로 발생하였다. 이는, 개구 지름(Rs)을 크게 하면, 실리콘 융액(M)에서 보이는 단결정 인상 장치(100) 내의 냉온 부분이 많아져, 실리콘 융액(M)이 냉각되어 실리콘 융액(M)의 온도가 불안정해졌기 때문이라고 생각된다. 이러한 실리콘 융액(M)의 온도의 안정화에는, 개구 지름(Rs)을 작게 하는 것이 유효하다.
이와 같이, 인상 속도 마진을 확대하기 위해서는, 열 차폐 부재(60)의 팽출부(62)에서의 개구 지름(Rs)을 크게 하는 것이 유효한 데 대해, 결정의 휨(구부러짐)이나 결정의 변형을 억제하는 점에서는, 개구 지름(Rs)을 작게 하는 것이 유효하며, 인상 속도 마진의 확대와 결정의 휨(구부러짐)이나 결정 변형의 억제는 트레이드 오프(trade off)의 관계에 있는 것이 밝혀진 것이다.
따라서, 본 발명자들은, 결정의 휨(구부러짐)이나 결정 변형을 발생시키지 않고, 인상 속도 마진을 확대하는 방도에 대하여 예의 검토하였다. 그 결과, 열 차폐 부재(60)의 개구 지름(Rs)은 변경하지 않고, 단열재(H)의 개구 지름(Rh)을 크게 하는 것을 생각해낸 것이다.
전술한 바와 같이, 단결정 실리콘 잉곳(I)의 온도 구배(G)는 열 차폐 부재(60)의 구성에 의존하는데, 온도 구배(G)를 결정하는 것은 단결정 실리콘 잉곳(I) 표면으로의 입열(入熱)을 제어하는 단열재(H)이다. 이에 대해, 실리콘 융액(M)의 온도의 안정화를 위해서는, 단결정 실리콘 잉곳(I)과 열 차폐 부재(60) 사이를 흐르는 Ar 가스 등의 불활성 가스의 유속이 높이는 것이 유효하며, 불활성 가스의 유속은 열 차폐 부재(60)의 외형에 의존한다.
이러한 사실에서, 본 발명자들은, 열 차폐 부재(60)의 개구 지름(RS)을 변경하지 않고, 단열재(H)의 개구 지름(Rh)을 크게 함으로써, 결정의 휨(구부러짐)이나 결정 변형의 억제하면서, 온도 구배(G)를 이상 온도 구배(Gideal)에 근접시켜 인상 속도 마진을 확대할 수 있음을 찾아내고, 본 발명을 완성시킨 것이다.
도 5는, 본 발명에 따른 열 차폐 부재의 일례를 나타내고 있다. 이 도면에 나타낸 열 차폐 부재(1)는, 단결정 실리콘 잉곳(I)의 외주면을 포위하는 원통 형상의 통부(2)와, 통부(2)의 하부에서 팽출부(3)를 구비한다. 여기서, 통부(2)는, 내벽(2a)과 외벽(2b)을 가지며, 이들 사이에는 단열재(H)가 마련되어 있다. 또한, 팽출부(3)는 윗벽(3a)과 바닥벽(3b)과 두 개의 세로벽(3c, 3d)을 가지고 있으며, 그들 벽으로 에워싸인 공간에 환 형상의 단열재(H)가 마련되어 있다. 덧붙여, 상기 열 차폐 부재(1)는 세로벽(3c)이 잉곳(I)에 인접하도록 구성되어 있다.
도 5에 나타낸 열 차폐 부재(1)에 있어서는, 세로벽(3c)과 단열재(H) 사이에 공극(공간)(V)이 마련되어 있다. 이에 따라, 단열재(H)의 개구 지름(Rh)을 크게 하여 결정(I)의 온도 구배(G)를 이상 온도 구배(Gideal)에 근접시켜, 인상 속도 마진을 확대할 수 있다. 또한, 열 차폐 부재(1)의 개구 지름(Rs)은 종래의 것과 동일하게 하는 것에 의해, 잉곳(I)과 열 차폐 부재(1) 사이를 흐르는 불활성 가스의 유속을 유지함으로써, 결정의 휨(구부러짐)이나 결정 변형을 억제할 수 있다.
종래의 열 차폐 부재(60)에 있어서는, 단열재(H)를 덮는 벽은 단열재(H)의 일부가 실리콘 융액(M)에 낙하하는 것을 방지하기 위한 단순한 커버 부재이며, 열 차폐 부재(60)의 개구 지름(Rs)은 변경하지 않고, 단열재(H)의 개구 지름(Rh)을 크게 하여 상기 개구 지름에 차를 둔다는 본 발명의 사상은 지금까지 없는 것이다.
단, 도 5에 나타낸 바와 같이, 열 차폐 부재(1)의 개구 지름(Rs)은 잉곳(I)의 중심축(A)(즉, 인상 장치의 인상축)부터 세로벽(3c)의 잉곳(I) 측의 표면까지의 거리이며, 단열재(H)의 개구 지름(Rh)은 잉곳(I)의 중심축(A)부터 단열재(H)의 내벽면까지의 거리이다.
본 발명에 따른 열 차폐 부재(1)에 있어서, 열 차폐 부재(1)의 개구 지름(Rs)과 단열재(H)의 개구 지름(Rh) 간의 차(Rd)는, 종래의 열 차폐 부재(60)보다 크면 좋다. 이는, 도 5에 나타낸 열 차폐 부재(1)에 있어서는, 세로벽(3c)과 단열재(H) 사이에 공극(V)을 마련한 것 자체에 의해 달성할 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 2에 예시한 종래의 열 차폐 부재(60)에 있어서, 벽(62a ∼ 62d)은, 단열재(H)의 일부가 실리콘 융액(M) 속에 낙하하는 것을 방지하기 위한 단순한 커버 부재에 불과하며, 이들 벽으로 에워싸인 공간에는 단열재가 빈틈없이 충전되어 있었다. 그리고, 이들 벽 각각은, 벽(62a ∼ 62d)의 어떤 것인지에 따라서도 다르지만, 대략 5 mm ∼ 10 mm 정도의 두께로 구성되어 있었다.
따라서, 열 차폐 부재(1)의 개구 지름(Rs)과 단열재(H)의 개구 지름(Rh) 간의 차(Rd)는, 세로벽(3c)의 두께에 따르기도 하지만, 예를 들면 5 mm 초과로 할 수 있고, 6 mm 초과로 할 수 있고, 7 mm 초과로 할 수 있고, 8 m 초과로 할 수 있고, 9 mm 초과로 할 수 있고, 10 mm 초과로 할 수 있고, 12 mm 이상으로 할 수 있고, 15 mm 이상으로 할 수 있다.
본 발명에 있어서는, 이러한 종래의 열 차폐 부재(60)에 있어서의 단열재(H)의 개구 지름보다 크게 하여, 결정 결함의 지름 방향 분포를 플랫하게 하여, 인상 속도 마진을 확대한다. 상기 개구 지름의 차(Rd)는, 인상 속도 마진을 보다 확대하는 점에서, 25 mm 이상인 것이 바람직하고, 70 mm 이상인 것이 보다 바람직하다. 또한, 단열재를 빼내는 것에 따른 석영 도가니의 열 부하의 증가, 그에 따른 인상 결정의 유전위화(有轉位化) 방지의 점에서, 개구 지름의 차(Rd)는 200 mm 이하인 것이 바람직하고, 150 mm 이하인 것이 보다 바람직하다.
열 차폐 부재(1)의 외형을 구성하는 벽 중 적어도 세로벽(3c)은, 실리콘 융액(M)으로부터의 복사 열을 단결정 실리콘 잉곳(I)의 외주면에 양호하게 도달시키기 위하여, 열전도율이 높은 재료로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 바닥벽(3b)에 대해서도, 열전도율이 높은 재료로 구성하는 것이 보다 바람직하다.
상기 열전도율이 높은 재료로는, 그래파이트 등의 탄소 재료나 몰리브데넘(몰리브덴)(Mo) 등의 금속을 예로 들 수 있다. 이들 중에서도, 오염이 적은 것에서, 상기 탄소 재료로 벽을 구성하는 것이 바람직하다.
열 차폐 부재(1)의 팽출부에서의 개구 지름은, 340 mm 이상 460 mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 단결정 실리콘 잉곳(I)과 열 차폐 부재 사이를 흐르는 Ar 가스 등의 불활성 가스의 유속을 높여, 실리콘 융액(M)의 온도의 안정성을 높일 수 있다. 보다 바람직하게는 350 mm 이상 450 mm 이하이다.
또한, 단열재(H)의 개구 지름은, 355 mm 이상 475 mm 이하로 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 단결정 실리콘 잉곳(I)과 열 차폐 부재 사이를 흐르는 Ar 가스 등의 불활성 가스의 유속을 높여, 실리콘 융액(M)의 온도의 안정성을 높일 수 있다. 보다 바람직하게는 365 mm 이상 465 mm 이하이다.
도 6은, 본 발명에 따른 열 차폐 부재의 다른 예를 나타내고 있다. 덧붙여, 도 5에 나타낸 열 차폐 부재(1)와 동일한 구성에는 동일한 부호가 붙어 있다. 이 도면에 나타낸 열 차폐 부재(10)에 있어서는, 도 5에 나타낸 열 차폐 부재(1)와 달리, 세로벽(3c)과 단열재(H) 사이에 공극(공간)(V)이 마련되어 있지 않다. 그 대신, 세로벽(3c)의 두께를 종래의 것보다 크게 구성되어 있으며, 세로벽(3c)과 단열재(H)가 접촉하도록 구성되어 있다. 이에 따라, 열 차폐 부재(1)와 동일하게, 단열재(H)의 개구 지름(Rh)을 종래보다 크게 하여, 결정의 휨(구부러짐)이나 결정 결함을 억제하면서 무결함의 결정 실리콘이 얻어지는 인상 속도의 마진을 확대할 수 있다.
단, 도 7에 나타낸 열 차폐 부재(20)와 같이, 단결정 실리콘 잉곳(I)에 인접하는 측의 세로벽(3c)과 바닥벽(3b)이 일체로 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이에 따라, 바닥벽(3b)으로부터의 복사 열을 잉곳(I)에 더 전달하기 쉽게 할 수 있고, 온도 구배(G)를 이상 온도 구배(Gideal)에 보다 근접시킬 수 있다. 이는, 도 5에 나타낸 열 차폐 부재(1)에 대해서도 동일하다.
또한, 도 5 내지 7에 나타낸 열 차폐 부재(1, 10 및 20)에 있어서는, 팽출부(3)는 통 안으로 팽출(부풀어나옴)되어 있으나, 팽출부(3)가 통 바깥으로 팽출되는 열 차폐 부재도 본 발명에 포함된다.
(단결정 인상 장치)
본 발명에 따른 단결정 인상 장치는, 전술한 본 발명에 따른 열 차폐 부재를 구비하는 것을 특징으로 하고 있다. 따라서, 열 차폐 부재 이외의 구성에 대해서는 한정되지 않고, 원하는 단결정 실리콘 잉곳을 육성할 수 있도록 적절하게 구성할 수 있다.
예를 들면, 도 1에 나타낸 단결정 인상 장치(100)에 있어서, 열 차폐 부재(60) 대신 도 5 내지 도 7에 예시한 본 발명에 따른 열 차폐 부재(1, 10 및 20)를 적용함으로써, 본 발명에 따른 단결정 인상 장치로 할 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 단결정 인상 장치를 사용함으로써, 결정의 변형을 억제하면서 무결함의 단결정 실리콘 잉곳을 육성할 수 있다.
(단결정 실리콘 제조 방법)
또한, 본 발명에 따른 단결정 실리콘 제조 방법은, 전술한 본 발명에 따른 단결정 인상 장치를 이용하여 실리콘 결정을 제조하는 것을 특징으로 하고 있다. 따라서, 전술한 본 발명에 따른 단결정 인상 장치를 사용하는 것 이외에 대해서는 한정되지 않고, 원하는 단결정 실리콘 잉곳을 육성할 수 있도록 적절하게 구성할 수 있다.
예를 들면, 도 1에 나타낸 단결정 인상 장치(100)에 있어서, 열 차폐 부재(60) 대신 도 5에 예시한 본 발명에 따른 열 차폐 부재(1)나, 도 6에 예시한 본 발명에 따른 열 차폐 부재(10)를 적용한 장치를 이용하여, 이하와 같이 단결정 실리콘 잉곳을 제조할 수 있다. 먼저, 챔버(51) 내를 감압 하의 Ar 가스 등의 불활성 가스 분위기로 유지한 상태에서, 히터(54)에 의해 도가니(52) 내에 수용된 다결정 실리콘 등의 원료 물질을 가열하여 용융하고, 실리콘 융액(M)으로 만든다. 이어서, 인상축(55)을 하강시켜 종결정(S)을 실리콘 융액(M)에 침지하고, 도가니(52) 및 인상축(55)을 소정의 방향으로 회전시키면서, 인상축(55)을 상방으로 인상한다. 이와 같이 하여, 결정의 휨(구부러짐)이나 결정 변형을 억제하여 무결함의 단결정 실리콘 잉곳을 육성할 수 있다.
실시 예
이하, 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하는데, 본 발명은 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
<단결정 실리콘 잉곳의 육성>
(발명 예 1)
본 발명에 따른 단결정 실리콘 제조 방법에 의해, 단결정 실리콘의 제조를 행하였다. 구체적으로는, 단결정 인상 장치로서, 도 1에 나타낸 단결정 인상 장치(100)에 있어서, 열 차폐 부재(60) 대신 도 5에 나타낸 열 차폐 부재(1)를 적용한 장치를 사용하였다. 이 열 차폐 부재(1)의 윗벽(3a), 바닥벽(3b) 및 세로벽(3d, 3d)으로서, 표면에 SiC 코팅을 실시한 그래파이트를 사용하였고, 윗벽(3a)의 두께를 7 mm, 바닥벽(3b)의 두께를 5 mm, 세로벽(3c)의 두께를 5 mm, 3d의 두께를 7 mm로 하였다. 또한, 세로벽(3c)과 단열재(H) 사이의 공극의 지름 방향의 폭을 100 mm로 하였다.
(발명 예 2)
발명 예 1과 동일하게, 단결정 실리콘의 제조를 행하였다. 단, 단결정 인상 장치로서, 도 1에 나타낸 단결정 인상 장치(100)에 있어서, 열 차폐 부재(60) 대신 도 6에 나타낸 열 차폐 부재(10)를 적용한 장치를 사용하였다. 그리고, 세로벽(3c)의 두께는 50 mm로 하였다. 그 밖의 조건은, 발명 예 1과 모두 동일하다.
(비교 예)
도 1에 나타낸 단결정 인상 장치(100)를 이용하여 단결정 실리콘을 제조하였다. 그 밖의 조건은, 발명 예와 모두 동일하다.
<온도 구배의 평가>
도 8은, 도 5에 나타낸 열 차폐 부재(1)를 구비하는 단결정 인상 장치를 이용하여 육성한 경우의 단결정 실리콘 잉곳의 온도 구배(G)와 이상 온도 구배(Gideal) 간의 관계를 나타내고 있다. 비교를 위하여, 도 1에 나타낸 장치를 이용하여 육성한 경우에 대해서도 나타내고 있다. 이상 온도 구배(Gideal)로부터의 온도 구배(G)의 어긋남을 평가하기 위하여, 도 8에 나타낸 온도 구배 프로파일의 41의 샘플점에 대하여, 온도 구배(G)와 이상 온도 구배(Gideal) 간의 차를 구하고, 그들의 평균값 및 표준 편차를 구하였다.
수준 샘플점의 수 평균값 표준편차
발명 예 1 41 0.018512 0.019532
발명 예 2 41 0.026151 0.021762
비교 예 41 0.030852 0.024800
도 9는, 도 6에 나타낸 열 차폐 부재(10)를 구비하는 단결정 인상 장치를 이용하여 육성한 경우의 단결정 실리콘 잉곳의 온도 구배(G)와 이상 온도 구배(Gideal) 간의 관계를 나타내고 있다. 비교를 위하여, 도 1에 나타낸 장치를 이용하여 육성한 경우에 대해서도 나타내고 있다. 상기 도 5에 나타낸 열 차폐 부재(1)의 경우와 동일한 평가를 도 6에 나타낸 열 차폐 부재(10)의 경우에 대해서도 행하였다. 얻어진 결과는 표 1에 나타내었다.
표 1로부터 자명한 바와 같이, 도 5에 나타낸 열 차폐 부재(1) 및 도 6에 나타낸 열 차폐 부재(10)의 쌍방에 대하여, 표준 편차의 값이 비교 예보다 작고, 비교 예에 비해 온도 구배(G)가 이상 온도 구배(Gideal)에 가까운 것을 알 수 있다.
<결정 변형의 평가>
발명 예 1, 2 및 비교 예의 어느 것에 있어서도, 무결함의 단결정 실리콘 잉곳을 육성할 수 있었다. 구체적으로는, 발명 예 및 비교 예에 의해 얻어진 단결정 실리콘 잉곳의 변형의 정도를 나타내는 지표인 변형율을 이용하여 변형에 대하여 평가를 행하였다(예를 들면, 일본 특허 공개 평 09-87083호 공보 참조). 변형율은, 단결정 실리콘 잉곳의 직경에 대하여, ((최대 직경-최소 직경)/최소 직경)×100(%)으로 정의되는 값으로서, 발명 예 1에 대해서는 0.10 ∼ 0.13%, 발명 예 2에 대해서는 0.11 ∼ 0.15%, 비교 예에 대해서는 0.09 ∼ 0.16%가 되어, 품질 기준을 만족시키고 있었다.
<인상 속도 마진의 평가>
발명 예 1, 2 및 비교 예에 대하여, 무결함의 결정 실리콘이 얻어지는 인상 속도(V)의 마진을 측정하였다. 그 결과, 발명 예 1에 대해서는 0.019 mm/분, 발명 예 2에 대해서는 0.018 mm/분, 비교 예에 대해서는 0.016 mm/분이었다. 이와 같이, 본 발명에 의해, 무결함의 결정 실리콘이 얻어지는 인상 속도의 마진을 확대할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, 무결함의 단결정 실리콘이 얻어지는 결정의 인상 속도의 마진을 확대할 수 있기 때문에, 반도체 산업에 있어서 유용하다.
1, 10, 20, 60 열 차폐 부재
2, 61 통부
2a, 61a 내벽
2b, 61b 외벽
3, 62 팽출부
3a, 62a 윗벽
3b, 62b 바닥벽
3c, 3d, 62c, 62d 세로벽
51 챔버
52 도가니
52a 석영 도가니
52b 흑연 도가니
53 도가니 회전 승하강축
54 히터
55 인상축
56 종결정 유지기
57 가스 도입구
58 가스 도출구
71 COP 발생 영역
72 OSF 잠재 핵 영역
73 산소 석출 촉진 영역(Pv 영역)
74 산소 석출 억제 영역(Pi 영역)
75 전위 클러스터 영역
100 단결정 인상 장치
A 잉곳의 중심축
H 단열재
I 단결정 실리콘 잉곳
M 실리콘 융액
O 개구부
Rs 열 차폐 부재의 개구 지름
Rh 단열재의 개구 지름
S 종결정

Claims (6)

  1. 석영 도가니의 주위에 배치된 히터에 의해 가열되어 상기 석영 도가니에 저장된 실리콘 융액으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 인상하는 단결정 인상 장치에 마련되는 열 차폐 부재로서, 그 열 차폐 부재는, 상기 단결정 실리콘 잉곳의 외주면을 포위하는 원통 형상의 통부와, 상기 통부의 하부에서 환 형상의 팽출부를 구비하는, 열 차폐 부재에 있어서,
    상기 팽출부는, 윗벽과 바닥벽과 두 개의 세로벽을 갖고, 그들 벽에 의해 에워싸인 공간에 환 형상의 단열재를 가지며,
    상기 단결정 실리콘 잉곳에 인접하는 측의 세로벽과 상기 단열재 사이에 공극을 갖는 것을 특징으로 하는 열 차폐 부재.
  2. 석영 도가니의 주위에 배치된 히터에 의해 가열되어 상기 석영 도가니에 저장된 실리콘 융액으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 인상하는 단결정 인상 장치에 마련되는 열 차폐 부재로서, 그 열 차폐 부재는, 상기 단결정 실리콘 잉곳의 외주면을 포위하는 원통 형상의 통부와, 상기 통부의 하부에서 환 형상의 팽출부를 구비하는, 열 차폐 부재에 있어서,
    상기 팽출부는, 윗벽과 바닥벽과 두 개의 세로벽을 갖고, 그들 벽에 의해 에워싸인 공간에 환 형상의 단열재를 가지며,
    상기 단결정 실리콘 잉곳에 인접하는 측의 세로벽의 상기 단열재측의 표면과 상기 단열재가 접촉해 있고,
    상기 열 차폐 부재의 개구 지름과 상기 단열재의 개구 지름의 차가 5 mm 초과인 것을 특징으로 하는 열 차폐 부재.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 잉곳에 인접하는 측의 세로벽과 상기 바닥벽이 일체로 형성되어 있는, 열 차폐 부재.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단결정 실리콘 잉곳에 인접하는 측의 세로벽이 탄소 재료를 갖는, 열 차폐 부재.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재된 열 차폐 부재를 구비하는 단결정 인상 장치.
  6. 청구항 5에 기재된 단결정 인상 장치를 이용하여 제조하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
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