KR20220132063A - 잔류 응력 및 전위가 없는 aiii-bv-결정 및 그것들로 제조된 기판 웨이퍼를 제조하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

잔류 응력 및 전위가 없는 aiii-bv-결정 및 그것들로 제조된 기판 웨이퍼를 제조하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

격자 경화 도펀트가 선택적으로 보충된 원료의 용융물(16)로부터, 잔류 응력 및 전위가 없는 III-V-결정 및 그로부터 제조된 웨이퍼(14)를 제조하기 위한 장치(1', 1'', 1''')는, 제1 단면 영역을 포함하는 제1 섹션(4', 4''), 및 제2 단면 영역을 포함하고 시드 결정(12)을 수용하기 위한 제2 섹션(6')을 갖는, 용융물(16)을 수용하기 위한 도가니(2', 2'', 2''')를 포함하며, 상기 제2 단면 영역은 상기 제1 단면 영역보다 작고, 상기 제1 및 제2 섹션은 서로 직접적으로 또는 상기 제1 섹션으로부터 상기 제2 섹션을 향해 테이퍼지는 제3 섹션(8, 8')을 통하여 서로 연결되어, 유향 온도장(T) 내에서 상기 시드 결정(12)으로부터 고화 용융물로 결정화되게 하고, 상기 도가니(2', 2'', 2''')의 상기 제1 섹션(4', 4'')은 중심 축선(M)을 갖고, 상기 제2 섹션(6')은 상기 제1 섹션(4', 4'')의 중심 축선(M)으로부터 측방으로 오프셋(v)되게 배치되어 있다.

Description

잔류 응력 및 전위가 없는 AIII-BV-결정 및 그것들로 제조된 기판 웨이퍼를 제조하기 위한 장치 및 방법{Device and Method of Manufacturing AIII-BV-crystals and Substrate Wafers Manufactured Thereof Free of Residual Stress and Dislocations}
본 발명은, AIII-BV-단결정, 특히 잔류 응력 및 전위가 없는 갈륨 비소 또는 인화 인듐 단결정을 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이며, 또한, 제조할 반도체 단결정과 동일한 반도체 재료로부터 형성된 시드 결정을 사용하여 반도체 재료의 용융물을 동결 또는 고화함으로써 제조되는 웨이퍼에 관한 것이다.
출력 밀도가 증가된 발광 부품, 예를 들어 에지 발광 반도체 레이저(edge emitting semiconductor laser) 또는 수직 공진기형 면 발광 반도체 레이저(vertical cavity surface emitting semiconductor laser) 등을 제조하기 위한 갈륨 비소 또는 인화 인듐 기판 웨이퍼의 용도에 있어서, 전위(dislocation)는 비발광 재결합 중심으로서 기능하고, 수율과 수명에 각각 영향을 미치는 결점으로 작용한다. 따라서, 오늘날 이와 같은 용도에는 전위가 적은 AIII-BV 기판 웨이퍼가 사용되고 있다. 본 명세서에 기술된 AIII-BV-단결정 또는 웨이퍼는, 원소 주기율표의 III족 및 V족으로부터 선택되는 화합물로 이루어지는 결정을 가리킨다. 전위는, 재료의 탄성 및 소성 특성 및 온도장(temperature field, 溫度場)의 만곡(curvature)의 존재에 기초하여 발생되어, (고화 후) 결정의 냉각 중에 응력으로 귀결된다. 성장 방법으로서, 실질적으로는 온도장의 만곡이 비교적 작은 수직 브릿지만(Vertical Bridgeman, VB)법 또는 수직 구배 동결(Vertical Gradient Freeze, VGF)법만이 고려되거나, 또는 열적으로 행해지는 방법(예를 들어, M. Jurisch et al., Handbook of Crystal Growth - Bulk Crystal Growth: Basic Techniques VOLUME II, Part A, Second Edition, Chapter 9 "Vertical Bridgman Growth of Binary Compound Semiconductors", 2015 참조)이 유사하게 실시되고 있다.
DE 199 12 486 A1은 갈륨 비소 결정을 성장시키기 위한 장치를 기재하고 있다. 상기 장치는, 로(furnace) 내에 배치되어 원료 용융물을 수용하도록 되어 있고, 최종적으로 제조된 단결정의 직경에 거의 대응하는 보다 큰 직경을 갖는 제1 단면 영역을 구비하는 제1 섹션, 및 구체적으로 용융물의 결정화의 개시점으로서 기능하는 시드 결정을 수용하고 비교적 작은 직경을 갖고 있으며 시드 채널이라고도 표현되는 제2 섹션을 포함하는 도가니를 포함한다. 시드 결정 자체는 약 40 mm의 길이를 가지며, 시드 채널의 직경에 대응하는 약 8 mm의 직경을 갖는다. 이 문헌에 개시되어 있는 방안에 의해, - 시드 결정은 시드 채널 내에 자립(freely stand)하고 있으며, 시드 채널 섹션 내에서 시드 결정과 도가니 사이의 공간은 액체 붕소 산화물(B2O3)로 채워져 있어서 - 성장 결정의 단면 영역 내에서 1,000 내지 10,000 cm-2의 범위의 전위 밀도가 달성되어 있다.
전위의 형성은, 소위 격자 경화 도펀트(예를 들어 붕소, 실리콘, 아연, 유황)를 첨가함으로써 방해를 받을 수 있으며, 그 예로는, A.G. Elliot et al., Journal of Crystal Growth 70 (1984) 169-178 또는 B. Pichaud et　al., Journal of Crystal Growth 71 (1985) 648-654를 참조하기 바란다. 예를 들어, US 2006/0081306 A1 또는 US 7,214,269 B2는 수직 브릿지만(VB) - 또는 수직 구배 동결(VGF) - 법에 준거한, 실리콘 도핑된 갈륨 비소 단결정의 제조에 대해 설명하고 있다. 이에 사용되는 도가니는 pBN (pyrolytic boron nitride, 열분해 질화 붕소)로부터 형성되고, 직경은 80 mm, 길이는 300 mm이며, 시드 채널의 직경은 10 mm이다. 실리콘을 추가하게 되면, 결정의 단면 영역 내에서의 평균 전위 밀도는 5,000 cm-2　가 된다.
오늘날, 실리콘 도핑된 GaAs의 제조에 있어서, 통상, 100 mm 또는 150 mm의 직경을 갖는 웨이퍼에는 100 cm-2　미만의 평균 전위 밀도, 또는 200 mm의 직경을 갖는 웨이퍼에는 5,000 cm-2　미만의 평균 전위 밀도가 달성된다(예를 들어, M. Morishita et al. "Development of Si-doped 8-inch GaAs substrates", Conference Proceedings CS MANTECH 2018 (http://csmantech2018.conferencespot.org/65967-qmi-1.4165182/t0017-1.4165620/f0017-1.4165621/0128-0199-000053-1.4165656/ap074-1.4165657에서 다운로드); 또는 일본 도쿄 소재의 DOWA Electronic Materials Co., Ltd.,의 제품 카탈로그(http://www.dowa-electronics.co.jp/semicon/e/aaas/aaas.html#semi에서 다운로드); 미국 캘리포니아주 프리몬트 소재의 AXT, Inc., 또는 일본 오사카 소재의 스미토모 덴끼 고교의 제품 카탈로그 참조). 격자 경화 도펀트를 첨가하지 않는 경우, 직경 100 mm 및 150 mm의 웨이퍼에서는 1,500 내지 10,000 cm-2　범위의 평균 전위 밀도를, 직경 200 mm의 웨이퍼에서는 12,000 cm-2 미만의 범위의 평균 전위 밀도를 달성할 수 있다(상기 참고 문헌 참조).
전위 밀도의 측정에는, 표준 측정 방법이 존재한다(SEMI M83: III-V족 화합물 반도체의 단결정 중의 전위 에치 핏 밀도(etch pit density)를 측정하기 위한 시험 방법, SEMI M36 - 저 전위 밀도 갈륨 비소 웨이퍼에서의 에치 핏 밀도(EPD)를 측정하기 위한 시험 방법). 표면 배향과 결정 배향{100}의 차이가 15°를 초과하지 않는 웨이퍼에 관해서는, 선택적 에칭에 의해 전위가 시인 가능하게 된다. 이에 따라, 약 30 내지 60 ㎛의 길이를 갖는 에치 핏이 발생하고, 이는 광학 현미경을 사용하여 카운트할 수 있다(배율은 약 50배 내지 200배). 전위 밀도가 낮은 재료의 경우, 통상, 0.25 ㎟ 내지 1 ㎟ 범위의 면적을 갖는 측정 필드가 적용되는데, 이로써 예를 들어 1 mm의 에지 배제를 고려한 웨이퍼 표면 전체가 분석된다. 각각의 측정 필드에서 측정된 양으로서, 각각의 로컬 에치 핏 밀도 EPD L 이 얻어진다. 로컬 에치 핏 밀도의 산술 평균은, 웨이퍼의 평균 에치 핏 밀도 EPD av 를 산출한다. 게다가, 측정 필드의 총 수와 비교하여, 소정 한계치 이하인 EPD L 의 값을 갖는 측정 필드의 수의 상대량, 예를 들어 국소적인 로컬 에치 핏 밀도가 0 cm-2　인 측정 필드(전위가 없는 측정 필드)의 상대량을, P(EPD L 　= 0 cm -2 )로서 지정할 수 있다. 전위가 매우 적은 재료에 대해서는, 측정 필드에 포함되는 전위 에치 핏의 총 수를 EPC(에치 핏 카운트)로서 지정하는 것도 의미가 있다. 측정 필드가 웨이퍼 표면 전체를 커버하는 경우, 웨이퍼에 포함된 전위의 총 수 EPC total (에치 핏 카운트 합계)가 얻어질 수 있다. 단결정의 전위 밀도를 결정하기 위해, 복수의 웨이퍼, 즉 적어도 하나의 웨이퍼가 최초(최초로 동결 또는 고화된 결정의 영역) 및 최후(최후로 동결 또는 고화된 영역)에서 측정된다.
US 2006/0081306 A1 또는 US 7,214,269 B2에서, 결정으로부터 제조된 기판 웨이퍼의 개시된 특성에는, 5,000 cm-2　이하의 전위 밀도에서의 (0.1 내지 5.0)×1018　cm-3의 전하 캐리어 농도가 포함된다. 그러나 전기적 및 광학적 파워 밀도가 높은 전기적 및 또는 광학적 부품의 경우에는, 훨씬 더 낮은 전위 밀도가 요구된다.
반도체 결정의 전위 밀도는, 결정 격자의 경화에 영향을 주는 도펀트를 첨가함으로써 저감시킬 수 있다. JP 2000-086398 A에는, 실리콘 및 붕소를 추가로 도핑함으로써 p-도전성의 아연 도핑된 갈륨 비소 결정의 전위 밀도를 500 cm-2 미만의 값으로 저감시키는 방법이 개시되어 있다.
전위 밀도를 더욱 저감시키는 방법은 US 2004/0187768 A1에 기재되어 있다. 갈륨 비소의 결정 격자에 등전자적(iso-electronical) 방법으로 원소를 도입하여 결정을 추가적으로 도핑하는 것, 예를 들어 실리콘(Si), 아연(Zn), 및 붕소(B)에 추가로 인듐을 가하는 것에 의하여, p-도전성 갈륨 비소 결정의 전위 밀도는, 구체적으로 상호 조정된 도펀트 원자의 농도에 준거한 경우, 100 cm-2 미만의 값까지 감소될 수도 있다. 이렇게 하여 얻어진 단결정의 전하 캐리어 농도는 1.0×1017　내지 6.0×1018　cm-3이다.
US 2004/0187768 A1에 개시된 VB법(문헌 중의 도 4 참조)의 일 실시 형태에 따라서 제조된 단결정은, 직경이 약 3인치(75 mm), 길이가 180 mm이다(원통부 기준). 로컬 전위 밀도를 측정하기 위해, 웨이퍼를 GaAs 단결정으로부터 분리시켜 그 표면에 KOH 에칭 용액을 묻혔다. 표면은, 에칭 중에 형성된 에치 핏의 수에 대해, 그리드 폭이 5 mm인 직사각형 측정 그리드에 배치된 1×1 ㎟ 사이즈의 측정 필드 마다 측정하였다. 1×1 ㎟ 사이즈의 177개의 측정 필드 중 134개에서 전위가 검출되지 않았다. 평균 전위 밀도는 28 cm-2였다. 도펀트로서 인듐을 첨가하지 않은 비교예에서는, (문헌의 도 5 참조) 1×1 ㎟ 사이즈의 177개의 측정 필드 중 58개에서만 전위가 없는 측정 필드가 검출되었다. 그에 의해, 평균 전위 밀도는 428 cm-2였다.
그러나, 문헌에 기재되어 있는 값을 반영하는 이들 결정 및 그로부터 제조된 웨이퍼는, 이하에 개시하는 바와 같이, 전위를 야기할 가능성이 있고 원래의 또는 고유의 결함과도 상호 작용할 가능성이 있는 지각 가능한 양의 잔류 응력을 여전히 갖고 있어서, 결국, 제조된 각각의 전기적 및/또는 광학적 구성 요소의 특성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 잔류 응력의 양도 대폭 줄이는 것이 바람직하다. 반도체 결정으로부터 형성된 웨이퍼의 잔류 응력의 양을 정량화하기 위한 감도 높고 효율적인 방법은, 예를 들어 Geiler, H.D. et al., "Photoelastic characterization of residual stress in GaAs-wafers" Materials Science in Semiconductor Processing 9 (2006) S. 345-350에 기재되어 있으며, 일반적으로 SIRD법(SIRD: rapid scanning infrared transmission polarimeter, 고속 주사 적외선 투과 편광계)이라고 불린다.
SIRD법을 이용하면, 결정 또는 웨이퍼 각각에 대해 일반적인 횡방향 분해능이 100 ㎛인 전 표면 전단 응력 화상을 얻을 수 있다. 적외선 파장 범위(1.3 ㎛)의 직선 편광 레이저 빔은, 표면에 수직이며 결정/웨이퍼를 통과하는 방향을 가진다. 결정/웨이퍼의 응력 유발성 복굴절에 의해 전계 벡터는 서로 직교하는 두가지 요소인 보통 광선과 이상 광선으로 분할된다. 두 광선 요소 사이에서 결정/웨이퍼를 통과한 후 존재하는, 재료 및 두께 의존성 위상 시프트(phase shift)가 측정된다. 측정된 위상 시프트는, 표면에 대해 주어진 물리적 관계를 이용하여 전단 응력을 평가하기 위해 사용될 수 있다. 적당한 장치에 의해, 레이저 빔을 결정/웨이퍼 표면 상의 필요한 만큼 많은 수의 포인트에 쏘아, 각 위치에서 전단 응력이 결정될 수 있다.
본 발명의 일 목적은, 단결정, 바람직하게는 GaAs 단결정을 제조하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이며, 그에 의해, - 예를 들어 붕소, 실리콘, 아연, 유황, 인듐 등의 격자 경화 도펀트를 사용하든 사용하지 않든 - 단결정 및 그로부터 제조된 웨이퍼의 품질의 더욱 대폭적인 개선을 달성할 수 있게 하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은, 개선된 전기적 및/또는 광 파워 밀도를 갖는 구성 요소를 제조하기 위한 기초를 형성하는 단결정, 바람직하게는 AIII-BV-단결정, 보다 바람직하게는 GaAs 단결정을 제공하는 것이다.
본 발명은, 결정 또는 웨이퍼의 외연(outer edge) 부근에 국소적으로 배치된 전위와, 그 중심(대칭 축선 둘레)에 배치된 전위가 두가지의 다른 효과에 기인할 가능성이 있다는 인식에 기초하고 있다. 결정의 에지에서는, 도가니와의 접촉 시에 열 및 접촉 응력이 야기되기 때문에, 결정학적으로 바람직한 평면 상에서의 미끄럼에 의해 전위가 발생된다. 통상적으로, 이들 전위는 결정 내에 수 밀리미터 연장되게 된다(이 점에서, 도 7에 개시되어 있는 단결정(14a)의 단면 영역과 비교하기 바람). 중심의 전위는 시드 위치에서 발원하며, 여기에서 시드 결정과 용융물의 접촉시에 열 쇼크가 발생하여 전위의 형성으로 이어진다(이 점은 도 8에 개시되어 있는 단결정(14b)의 단면 영역을 비교하기 바람). 이들 전위 중 일부는 결정화 또는 고형화 전선의 진행에 따라, 원추 영역으로, 이어서 결정의 인접하는 원통 영역으로 각각 확장되도록 배향되어 있다.
본 발명의 제1 실시 형태에 따르면, 원료의 용융물로부터 결정을 제조하기 위한 장치는, 제1 단면 영역을 갖는 제1 섹션, 및 시드 결정을 수용하도록 구성되고 제2 단면 영역을 갖는 제2 섹션을 구비하는, 용융물을 수용하도록 구성된 도가니를 포함하고, 상기 제2 단면 영역은 상기 제1 단면 영역보다 작으며, 상기 제1 및 제2 섹션은 서로 직접적으로 또는 상기 제1 섹션으로부터 상기 제2 섹션을 향해 테이퍼지는 제3 섹션을 거쳐 서로 연결되어, 유향(有向) 온도장 내에서 상기 시드 결정으로부터 동결 또는 고화 용융물로 결정화되게 한다. 상기 제2 섹션은 시드 채널이라고도 한다. 상기 도가니의 상기 제1 섹션은 중심 축선을 갖고, 상기 제2 섹션은 상기 제1 섹션의 중심 축선으로부터 측방으로 오프셋(offset)되게 배치되어 있다.
이 실시 형태에서는, 제2 섹션 또는 시드 채널에 배치된 시드 결정과 용융물 사이의 각 접촉 구역, 즉 시드 위치는, 도가니의 중심 축선 둘레의 중심 위치로부터 에지 영역, 바람직하게는 도가니의 단면의 가장 외측의 에지 영역을 향해 오프셋(offset)된다. 그 결과, 단결정으로 동결 또는 고화되는 용융물의 비교적 광범위한 양의 단면 영역이 실질적으로 전위가 없는 상태로 유지된다. 전위로부터의 영향을 비교적 강하게 받을 수도 있는 에지 영역은, 예를 들면 연삭, 연마, 절단 또는 재료를 제거하는 다른 방법에 의해 제거될 수 있다. 요약하면, 상기 장치에 의해 거의 또는 전혀 전위가 없는 단결정을 얻을 수 있다. 상기 대책에 추가로, 예를 들면 붕소, 실리콘, 아연, 유황, 인듐(갈륨 비소의 경우), 갈륨(인화 인듐의 경우) 등의 격자 경화성 도펀트를 개별적으로 또는 조합하여 용융물에 추가한다면, 바람직한 효과를 더 높일 수 있게 된다.
본 발명의 제2 실시 형태에 따르면, 원료의 용융물로부터 결정을 제조하기 위한 장치는, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지로, 제1 단면 영역을 갖는 제1 섹션, 및 시드 결정을 수용하도록 구성되고 제2 단면 영역을 갖는 제2 섹션을 구비하는, 용융물을 수용하도록 구성된 도가니를 포함하고, 상기 제2 단면 영역은 상기 제1 단면 영역보다 작고, 상기 제1 및 제2 섹션은 서로 직접적으로 또는 상기 제1 섹션으로부터 상기 제2 섹션을 향해 테이퍼지는 제3 섹션을 거쳐 서로 연결되어, 유향 온도장 내에서 상기 시드 결정으로부터 상기 동결 또는 고화 용융물로 결정화되게 한다.
여기에서 이 장치는 - 반도체 제조에서 일반적인 바와 같이 - 공칭 직경(nominal diameter)을 갖는 단결정을 제조하도록 구성되고, 이는 일반적인 성장 프로세스가 종료된 후의 후처리(post-processing)에서 달성된다. 이제, 이 실시 형태에서, 상기 제1 섹션은 중심 축선에 수직인 단면 영역에 대한 내경을 갖고, 이는 공칭 직경 보다 2 mm 이상, 바람직하게는 3 mm 이상, 더욱 바람직하게는 5 mm 이상 크다. 동시에, 이 내경은, 공칭 직경보다 최대 10 mm, 또는 최대 20 mm 클 수도 있다.
이 실시 형태의 하나의 이점은, 제조할 단결정의 주어진 공칭 직경에 있어서, 이와 같이 성장된 결정이, 초기에 예를 들어 2 내지 10 mm, 3 내지 10 mm, 또는 5 내지 10 mm의 오버사이즈로 형성된다는 점이다. 이러한 오버사이즈는, 공칭 직경을 얻기 위해, 천공, 연마, 연삭, 랩핑, 또는 그와 유사한 방법의 단계 등의, 적절한 성장 단계 이후의 프로세스에서 제거할 수 있다.
상기한 바와 같이 전위의 대부분은 단결정의 그 후 제거된 에지 영역 내에 배치되므로, 공칭 직경을 갖고, 전위가 거의 또는 전혀 없는 잔류 단결정을 얻을 수 있다. 종래 기술에서는, 후처리 전의 1 mm 까지의 오버사이즈가 알려진 경우가 있으나, 어쨌든 명백히 2 mm 미만이다. 물론, 직경이 크기 때문에 후처리의 노력이 대폭 증가되기는 한다. 그럼에도 불구하고, 공칭 직경에 달했을 때 전위가 거의 또는 전혀 없는 단결정은, 그와 같은 증가된 노력과 그에 기인하는 코스트를 정당화해준다.
본 발명의 특히 유리한 실시 형태는, 최초의 두 실시 형태의 조합에 관한 것이다. 그에 의해, 도가니 벽과 결정화 용융물 사이의 상호 작용에 기인하는 전위 및 시드 위치에 기인하는 전위가 성장한 단결정의 에지 영역에 발생하게 되고, 이는 오버사이즈라는 점에서 후처리 프로세스에서 제거되어 공칭 직경에 이를 수 있다.
본 발명의 제3 실시 형태에 따르면, 선행 실시 형태들과 마찬가지로, 원료의 용융물로부터 결정을 제조하기 위한 장치는, 제1 단면 영역을 갖는 제1 섹션, 및 시드 결정을 수용하도록 구성되고 제2 단면 영역을 갖는 제2 섹션을 구비하는, 용융물을 수용하도록 구성된 도가니를 포함하고, 상기 제2 단면 영역은 상기 제1 단면 영역보다 작고, 상기 제1 및 제2 섹션은 서로 직접적으로 또는 상기 제1 섹션으로부터 상기 제2 섹션을 향해 테이퍼지는 제3 섹션을 거쳐 서로 연결되어, 유향 온도장 내에서 상기 시드 결정으로부터 상기 고화 용융물로 결정화되게 한다.
본 실시 형태에서, 상기 제2 섹션은, 중심 축선의 방향에 따르거나 이에 평행하는 길이를 가지며, 상기 길이는, 10 mm와 100 mm 사이, 바람직하게는 20 mm와 75 mm 사이, 보다 바람직하게는 30 mm와 50 mm 사이이고, 각 범위는 그 경계값을 포함한다.
본 실시 형태의 이점은, 제2 섹션 또는 시드 채널이 종래 기술에 알려져 있는 시드 채널에 비해 상당히 긴 길이를 포함한다는 점에 있다. 따라서, 그 속에 배치된 시드 결정은, 시드 채널 내에 - 동등 사이즈 또는 범위를 고려하여 - 보다 깊게, 즉 도가니의 제1 섹션으로부터 더 멀리 배치되어, 공칭 직경에 임의의 오버사이즈를 추가로 갖는 단결정의 경제적으로 사용 가능한 부분이 성장 중에 얻어진다.
이는, 결정 내의 전위가 시드 위치로부터 시작하는 중심 축선에 대해 일정 각도로 확장된다는 것이 밝혀졌기 때문이다. 시드 채널의 길이가 확장되었기 때문에, 중심 축선(여기서는 시드 채널의 중심 축선)에 대해서 증가된 각도를 갖는 전위의 적어도 대부분은, 아직 시드 채널 내에 있는 도가니 벽에서 종결되고, 따라서, 성장한 단결정의 경제적으로 사용 가능한 부분을 나타내는 도가니의 제1 섹션을 향하는 방향으로 더 연장되는 일은 없다.
더 유리한 실시 형태는, 상기 단결정을 제조하기 위한 장치 중 하나에 각각 관련되는 방법으로부터 기인한다.
이 장치는 또, 하나 또는 복수의 가열 장치를 포함할 수 있고, 그에 의해 유향 온도장이 형성되며, 그 속에 도가니가 배치되어, 그에 의해 시드 결정으로부터 시작하는 용융물의 후속 결정화가 가능해진다. 본 발명은 상기 가열 장치의 특정 구조에 한정되지 않는다. 가열 장치는, 예를 들면 열 복사에 기초한 가열 요소, 고주파 발생기, 자장 히터 등을 포함할 수 있다. 그러나, 온도장은 결정 성장 중에 실질적으로 평면형의 (또는 약간 만곡된) 상 경계(phase boundary)가 형성되도록 배열되어야 한다.
상기 서술한 장치는, 가동(movable) 도가니 또는 로를 사용하는 수직 브릿지만(VB)법을 적용하거나, 또는 수직 구배 동결(VGF)법을 적용한 성장을 수행하도록 구성될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 이러한 특정 방법에 제한되지 않는다. 예를 들어, 본 발명은 플로트 존 기술(Float Zone-techniques) 등의 경우에도 적용될 수 있다.
도가니는, 그라파이트, 질화 붕소, 또는 열분해성 증착 질화 붕소(pyrolytically deposited boron nitride), 또는 용융물의 종류 및 대응하는 용융 온도에 각각 선택 및 적합화된 다른 일반적으로 적용되는 재료로 형성될 수 있다. 도가니 및/또는 가열 장치는, 추가로, 예를 들면 석영 유리로 만들어진 라이너(liner), 시스(sheath) 또는 엔빌로프(envelope)를 포함할 수 있다.
또한, 실시 형태는 갈륨 비소 또는 인듐 단결정의 제조에 한정되지 않는다. 예를 들면, (GaP-, GaSb-, InSb-, InAs- 등의) 단결정 역시 포함된다. 장치의 실시 형태는 일반적으로 AIII-BV-단결정을 제조하는 능력에 관한 것이다.
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 도가니의 제1 섹션을 향하는 방향으로 전파하지 않거나 거의 전파하지 않고, 이에 따라 성장한 단결정의 경제적으로 사용 가능한 부분에 전파하지 않거나 거의 전파하지 않는 전위를 갖는 시드 결정의 사용이 제공된다.
전위 밀도는, 도펀트 농도를 포함하는 불순물 농도와 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 이들 재료를 첨가하지 않으면, 본 발명의 방법에서 설명한 다른 가능성에 관련하여 조건부 범위까지만 저감될 수 있다. 그러나, 도펀트 농도 ≤ 5×1016　원자/㎤　인 경우에는, 전위 밀도 ≤ 500 cm-2를 달성할 수 있음을 알게 되었다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 단결정, 구체적으로 AIII-BV-단결정, 더 구체적으로는 격자 경화 도펀트를 포함하는 갈륨 비소(GaAs) 또는 인화 인듐(InP) 단결정으로서, 중심 축선에 수직인 단결정의 단면 영역 내에서 평균 에치 핏 밀도 EPD av 로부터 결정된 전위의 평균 밀도가 10 cm-2　이하, 바람직하게는 5 cm-2　이하, 더 바람직하게는 3 cm-2　이하, 보다 더 바람직하게는 1 cm-2　이하, 이보다 더 바람직하게는 전위가 전혀 없는 단결정이 제공된다. 직경 150 mm의 웨이퍼의 경우, 에치 핏의 총 수 EPC total 은 2,000 미만이거나, 바람직하게는 900 미만, 보다 바람직하게는 360 미만, 또는 심지어 제로(zero)일 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 단결정, 구체적으로 Alll-BV-단결정, 보다 구체적으로는 격자 경화 도펀트를 포함하지 않는 갈륨 비소(GaAs) 또는 인화 인듐(InP)을 포함하는 단결정으로서, 중심 축선에 수직인 단결정의 단면 영역 내에서 평균 에치 핏 밀도 EPD av 로 결정된 결정의 원자 격자에서의 전위의 평균 밀도가 700 cm-2　이하, 바람직하게는 500 cm-2　이하, 보다 바람직하게는 200 cm-2　이하인 단결정이 제공된다.
단결정의 전위 밀도가 특히 낮은 경우, 단결정의 중심 축선에 수직인 단면 영역의 일부는 전위가 전혀 없는 상태 그대로 남는다. 이러한 부분은 SEMI M83에 준거한 표준 측정 방법에 따라서 결정될 수 있고, 단결정의 단면 영역을 완전히 커버하는 측정 그리드 내에서 전위가 전혀 없는 0.25 ㎟　사이즈의 측정 필드의 비율(fraction) P(EPD L 　= 0 cm -2 )은, 단면 영역의 총 면적에 대해 95% 이상이다. 97% 이상이 바람직하지만, 특히 바람직하게는 99% 이상이다.
결과적으로, 에지 발광 반도체 레이저 또는 수직 공진기 면발광 반도체 레이저 등의 전기적 및/또는 광 파워 밀도가 증가된 컴포넌트의 제조 시의 수율은 대폭 증가되고, 따라서 컴포넌트 제조의 경제적 효율이 개선된다.
단결정은, 필수적인 것은 아니지만, 격자 경화 도펀트를 포함할 수 있다. 갈륨 비소(GaAs)의 경우, 소정량의 실리콘(Si), 유황(S), 텔루륨(Te), 주석(Sn), 셀레늄(Se), 아연(Zn), 탄소(C), 베릴륨(Be), 카드뮴(Cd), 리튬(Li), 게르마늄(Ge), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 붕소(B), 알루미늄(Al), 안티몬(Sb), 인(P) 및 인듐(In) 등의 도펀트가, 예를 들어 US 2004/0187768 A1 (단락 10 및 11 참조) 에 기재되어 있는 바와 같이, 개별적으로, 또는 서브콤비네이션 등으로 미가공 용융물에 첨가된다고 간주할 수 있다.
또 다른 특징, 이점 및 목적에 맞는 실시 형태는, 이하에 첨부 도면에 개시된 바람직한 실시 형태들에 속하는 비제한적 실시 형태의 설명을 참고하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은, 본 발명에 따른 미가공 용융물로부터 단결정을 제조하기 위한 장치에 있어서, 도가니의 시드 채널이 확장 또는 신장된 제1 실시 형태의 개략도다(윗 부분은 횡단면도, 아랫 부분은 평면도).
도 2는, 본 발명에 따른 미가공 용융물로부터 단결정을 제조하기 위한 장치에 있어서, 시드 채널이 직경 외연(outer edge)을 향해 오프셋(offset)되어 있는 제2 실시 형태의 개략도다(윗 부분은 횡단면도, 아랫 부분은 평면도).
도 3은, 본 발명에 따른 미가공 용융물로부터 단결정을 제조하기 위한 장치에 있어서, - (짧은 시드 채널을 갖는) 제2 실시 형태로부터 - 공칭 직경을 향해 오버사이즈를 비대칭 축소하여 도시한 제3 실시 형태의 개략도다(윗 부분은 횡단면도, 아랫 부분은 평면도).
도 4는, 본 발명에 따른 미가공 용융물로부터 단결정을 제조하기 위한 장치에 있어서 - 제3 실시 형태로부터 - 시드 채널이 제1 실시 형태와 마찬가지로 확장 또는 신장된 제4 실시 형태의 개략도다(윗 부분은 횡단면도, 아랫 부분은 평면도).
도 5는, 도 3에 도시되는 장치 셋으로 구성되고, 공통의 중심 축선(Z)의 방향을 향해 오프셋된 시드 채널을 갖는, 복수의 도가니 배치의 실시 형태의 개략도다.
도 6은, 도 5와 유사하지만, 도 3에 도시되는 장치 다섯으로 구성되는 복수의 도가니 배치의 실시 형태의 개략도다.
도 7은, 에지 전위를 드러낸 단결정의 단면 영역을 도시한 개략도다.
도 8은, 도가니의 중심 축선 상에 배치된 시드 채널로부터 확장 또는 전파되는 전위를 드러낸 단결정의 단면 영역의 개략도다.
도 9는, 종래의 방법으로 성장시킨 직경 150 mm의 단결정 또는 웨이퍼 각각의 비교예로서, 웨이퍼의 중심 축선(M)에 수직인 단면 영역 내의 공간 분해 측정(spatially resolved measurement)으로부터 결정된 결정의 원자 격자 내 전위의 밀도 값의 분포를 그레이 스케일 화상으로 나타낸 도면이다.
도 10은, 도 9의 비교예의 공간 분해 측정으로부터 결정된, 각각의 전단 응력의 값의 분포를 그레이 스케일 화상으로 도시한 도면이다.
도 11은, 본 발명의 대응 실시 형태에 대하여, 공간 분해 측정으로부터 결정된 결정의 원자 격자에 있어서의 전위의 밀도 값의 분포를, 도 9와 마찬가지로 그레이 스케일 화상으로 도시한 도면이다.
도 12는 도 11에서의 본 발명의 대응 실시 형태에 대하여, 공간 분해 측정으로부터 결정된 각각의 전단 응력 값의 분포를 도 10과 같은 그레이 스케일 화상으로 도시한 도면이다.
도 13은, Materials Science in Semi-conductor Processing 9(2006), S. 345-350의 Geiler, H.D.; Karge, H.; Wagner, M.; Eichler, St.; Jurisch, M.; Kretzer U. Scheffer-Czygan, M.: "Photoelastic characterization of residual stress in GaAs-wafers"에 기재된 종래 기술에 따라 세 비교예(웨이퍼(22), 웨이퍼 (27), 웨이퍼(37))에 대해 SIRD법을 기초로 하여 각각 측정된 전단 응력의 분포예(웨이퍼마다 발생한 전단 응력(T)의 값의 간격당 주파수(Pw))를 개략적으로 도시한 그래프다.
도 14는, 도 13과 유사한 그래프지만, 본 발명에 따라 성장시킨 단결정 또는 그로부터 분리된 웨이퍼의 도 12 및 도 13에 도시한 실시 형태에 대한 것이다.
본 발명에 따라서, 미가공 용융물로부터 단결정을 제조하기 위한 장치의 제1 실시 형태를 도 1에 도시한다. 장치(1)는, 도가니(2)와, 도가니를 둘러싸는 환형으로 배치된 가열 요소를 갖는 가열 장치(10)를 포함한다. 도 1의 상부에는 단면도가 도시되어 있으며, 하부에는 가열 장치(10)를 생략한 도가니(2)의 평면도가 도시되어 있다. 도가니는 석영 유리 용기(미도시)에 수용되어, 외부 환경에 대해서는 차단되어 있다. 이 배치는, 수직 구배 동결(VGF)법에 따라서 결정을 성장시키기 위한 장치에 대응할 수 있다.
도가니(2)는, 질화 붕소 또는 열분해성 증착 질화 붕소(pBN)로부터 형성되고, - 여기서는 갈륨 비소(GaAs)로 구성되는 - 미가공 용융물(16)을 수용하는 제1 원통형 섹션(4), 및 시드 채널로서 형성된 제2 섹션(6), 및 제1 섹션(4)과 제2 섹션(6) 사이의 천이부를 형성하면서 이들 섹션을 접속하는 제3 섹션(8)을 포함한다. 이 제2 섹션 영역에 있어서, 도가니(2)는 적어도 152 mm의 내경을 갖는데, 이는 최종 단결정을 위해 미세하게 수득 또는 달성될 150 mm의 공칭 내경(d), 및 종래부터 성장 프로세스에 추가되던 2 mm 까지의 오버사이즈를 포함하고, 제조될 단결정의 외통(outer cylinder) 셸 부분에 추후에 적용될 연삭 단계 (및 그 단계 중에 깎여 나가는 것)을 감안한 것이다. 이러한 연삭 단계는, 추후에 분리되는 웨이퍼와 관련하여 후속 정렬 단계에 필요한, 결정의 위치적으로 정밀한 고품질의 원통면을 제공하는 데 도움이 된다.
이 특정 실시 형태에서는, 시드 채널, 또는 제2 섹션(6)도 각각 원통형이며, 예를 들어 10 mm의 직경 및 100 mm의 길이(k')를 갖는다. 본 발명에 따른 시드 채널은 원통형과는 다른 공간적 형상을 요할 수도 있으며, 본 발명은 특정 형상에 한정되는 것은 아니다. 시드 채널은, 직방체 형상일 수도 있고, 혹은 단면이 다각형 또는 타원형 등일 수도 있다.
시드 채널 내에서 도가니 벽으로부터의 거리가 존재하도록 하기 위해, 길이가 20 mm이고 직경이 10 mm 보다 약간 작은(예를 들어 8 또는 9 mm) 시드 결정(12)(여기서는 GaAs로 형성됨)이 제2 섹션(6)에 도입된다. 시드 채널 내의 갭은, 결정화 중에 용융물과 결정이 액체 중에 부유하도록, 액체 산화 붕소(B203) 로 채워져 있어도 된다. 시드 결정(12)의 길이와 시드 채널의 길이(k') 사이에는 상당한 차이가 있기 때문에, 시드 결정(12)은 제2 섹션(6)의 저부에 깊게 배치되어 있다. 따라서, 시드 결정의 상면 또는 시드 면은, 제2 섹션(6)의 상단, 또는 시드 채널로부터 80 mm 떨어져 있다. 따라서, 시드 결정이 차지하고 있지 않은 자유 공간 부분의 길이와 내경의 비율은 8:1이 된다.
도 1에 도시한 상태에서는, 갈륨 비소로 이루어지는 미가공 용융물(16)이 도가니(2)에 공급되어 있고, 이는 원추형 천이부 또는 제3 섹션(8)을 각각 넘어, 각각 원통형의 제2 섹션(6)에 들어가면서, 시드 채널 내에서 시드 결정(12)의 시드 면 또는 시드 위치로부터, 도핑된 GaAs 단결정(14)으로 이미 결정화되어 있다. 또, 예를 들어 실리콘, 붕소, 인듐, 아연, 유황 등의 격자 경화 도펀트가 용융물에 첨가되어 있다.
해당 방법(VGF)에서는, 소정량의 실리콘이, 예를 들어 용융물을 가열하기 전 또는 후에 용융물에 (또는 그 콤팩트상 또는 입상 전구체에) 첨가된다. 미가공 용융물(16) 위 및 결정과 도가니 벽의 사이에는, 낮은 밀도로 인하여 액체(용융) 산화 붕소(B203) 층(18)이 존재하는데, 이는, 상술한 바와 같이 아래의 GaAs 용융물을 보호하는 데 도움이 된다. 가열 장치에 의해, 도시되지 않은 제어 장치를 사용하여 유향 온도장(T)이 발생된다(도 1의 화살표는 시드 결정(12)으로부터 보다 높은 온도를 향해 상향으로 되어 있다). 시드 결정(12)이 용융되기 시작하면, 온도 구배를 유지하며 (가열 장치(10)를 더욱 제어함으로써) 미가공 용융물(16)의 냉각이 개시되고, 그 결과, 최초에는 아직 각각 제2 섹션(6) 또는 시드 채널 내에 있던 단결정(14)은, 시드 결정(12)의 시드 면으로부터 시작하여 상향으로 성장하기 시작한다.
결정화에 노출되는 자유 길이 및 좁은 시드 채널의 내경 간의 비율이 크기 때문에, 도 8에 도시한 바와 같은 중앙 전위(101)는, 시드 프로세스 자체로 인해 결정화 과정에서 도가니의 중심 축선(M)에 대해 예각으로 진행되는 것을 피할 수 없으며, 이는 본 실시 형태에서 시드 채널의 중심 축선과도 일치하고, 이에 따라 단결정(14)과 미가공 용융물(16) 사이의 결정화 전선이 시드 채널(제2 섹션(6))의 상단에 도달하기 전에 도가니의 벽에 충돌하도록 되어 있다. 결과적으로, 이와 같이 생성된 전위는, 그 이상의 성장에 더 이상의 영향을 끼치지 않는다. 일반적으로, 전위는 자체적으로는 약간 만곡되어 있는 상 경계에 대해 수직으로 전파된다.
도가니(2)의 제2 섹션(6)(시드 채널) 내에 있던 단결정의 단면 영역에서 전위(101)가 소실된 후, 단결정(14)은, 에지 영역(80 cm2)의 소실을 고려하면 실질적으로 전위가 없는 결정화 전선이 더욱 전파되어 성장하게 된다. 몇몇 샘플의 관련 파라미터의 리스트를 표 1에 나타내었다. 표 1에서, 샘플 1a는 종래의 시드 채널을 구비한 도가니를 사용하여 제조된 GaAs 단결정이며, 이는 비교예로서 기능하고, 샘플 2 내지 샘플 5는 도 1에 도시한 바와 같은 도가니 내에서 본 발명의 방법에 따라서 제조된 것(GaAs도 포함)이다. 표 1에 기재되어 있는 파라미터 EPD av 　및 EPC total 의 값은, 성장한 단결정으로부터 분리한 후의 웨이퍼로부터 얻어진 것이다. 샘플의 직경은 150 mm이다.
샘플 1a
(비교예)		 샘플 2 샘플 3 샘플 4 샘플 5
EPD av 235 cm-2　 12 cm-2　 4 cm-2　 0 cm-2　 2 cm-2　
EPC total 18,000 960 320 0 640
본 발명에 따른 장치(1')의 제2 실시 형태를 도 2에 도시한다. 반복을 회피하기 위해, 도 1과 같은 참조 부호는 같거나 또는 유사한 특징을 나타내며, 이하에는 제1 실시 형태에 대한 장치의 변경된 사항만을 설명한다. 제1 실시 형태에 관해 기재된 다른 특성은, 제2 실시 형태 및 그 후의 실시 형태에 관해서도 유효하다.제2 실시 형태의 도가니(2')는, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 미가공 용융물(16)을 수취하기 위한 제1 섹션(4'), 시드 채널로서의 기능을 하는 제2 섹션(6'), 및 상기 시드 채널과 상기 제1 섹션(4') 사이의 천이부 영역으로서 기능하는 제3 섹션(8')을 포함한다. 제2 섹션(6')은 제1 실시 형태와 마찬가지로 10 mm의 직경을 갖지만, 그 길이(k)는 종래의 결정 성장 장치와 마찬가지로, 예를 들어 30 mm에 달하여, 시드 채널에 삽입되고 길이가 20 mm인 시드 결정(12)의 시드 면은 시드 채널(12)의 상단으로부터 겨우 10 mm의 거리를 갖는다. 일반적인 제한 없이, 단지 예시로서, 이 실시 형태의 시드 채널도 원통형으로 형성된다. 제3 섹션은, 제1 섹션(4')에 대한 제2 섹션(6')의 오프셋(v)을 고려하여 회전 대칭성을 구비하고 있지 않으며, 오히려 큰 내경을 갖는 원통형 제1 섹션(4')으로부터 작은 직경을 갖는 제2 섹션(6')을 향해 보았을 때 비대칭적으로 횡방향 외향으로 테이퍼져 있다.
대신, 제2 섹션(6')은 제1 섹션의 중심 축선(M)에 대해 횡방향으로 오프셋하여 배치되어 있다. 즉, 제2 섹션의 중심 축선(M')은, 양 축선 간의 상호 오프셋(v)에 기초하여, 제1 섹션(4')의 중심 축선(M)에 평행이다. 본 실시 형태에서는, 오프셋(v)은 충분한 차원(dimension)을 가져, 제2 섹션(6') 또는 시드 채널 각각의 중심 축선(M')이 제1 섹션(4')까지 연장될 때, 제1 섹션(4')의 단면 영역의 에지 제외 영역을 통과하면서 연장된다.
제2 실시 형태에서, 제1 섹션은 172 mm의 내경(d''')을 갖는다. 그러나, 본 실시 형태에 있어서도 제조되는 단결정(14)의 공칭 직경(d)은 152 mm에 불과하다. 따라서, 도가니(2')는 제1 실시 형태의 도가니(2)에 비해, 또 주어진 공칭 직경을 갖는 단결정이 제조되는 종래의 도가니에 비해 상당히 큰 직경(d''')을 갖고 있다. 따라서, 이 제2 실시 형태에서, 제2 섹션(6') 또는 시드 채널 각각의 (연장된) 중심 축선(M')은 도 2에 도시하는 바와 같이, 제조될 단결정(14)의 공칭 직경(d) 외측 및 너머로, 단면 영역의 에지 영역을 지나 연장된다(시드 채널은 10 mm의 내경을 가지므로, 중심 축선(M')은 도가니 벽으로부터 5 mm의 거리에 있으며, 중심 축선(M)을 따라 투영하게 되면(도 2의 아랫 부분 참조), 도가니의 단면 영역을 완전히 지나면서 실제 방향으로 방해 없이 성장하게 된다). 이 실시 형태에 있어서의 횡방향 오프셋(v)은 80 mm이다.
단결정을 제조하기 위한 방법은, 선행하는 실시 형태의 방법과 마찬가지이다(예를 들어, 하나 또는 복수의 격자 경화 도펀트를 용융물에 첨가하는 것을 포함함). 그러나, 종래 기술에 의해 선택적으로 도핑된 GaAs 단결정(14)의 원통형 표면을 평탄화 및 마감 처리하기 위한 후처리의 후속 연삭 단계는 보충되거나, 또 다른 단계에 의해 치환되는데, 여기서, 직경 20 mm의 오버사이즈(또는 본 명세서에서는 반경 10 mm라고도 함)는 단결정의 원통형 표면으로부터 재료를 보다 강력히 제거할 수 있는 천공 또는 다른 단계에 의해 저감 또는 제거된다. 이로써 제2 실시 형태에서는, 재료가 단결정의 원통면으로부터 단결정(14)의 중심 축선(도가니(2')의 제1 섹션의 중심 축선(M)과 일치함)에 대해 대칭적으로 제거된다. 유리하게는, 성장 중에 벽에 근접해 있었기 때문에, - 도 7에 도시한 바와 같이 - 비교적 큰 전위 밀도라는 제조 조건에 노출되었던 단결정(14)의 에지 영역이 제거된다. 특히, 그와 관련해서, 개략적으로 그려진 단결정(14b)에 의해 도 7에 도시되는 에지 전위(102)가 제거된다.
또한, 특정 배치, 또는 오프셋(v) 각각에 의해, 에지 영역에 전파된 시드 프로세스에 유래하는 전위(101)(도 8 참조)가 후처리 단계에서 제거되므로, 전위가 없거나, 적어도 실질적으로 전위가 없는 단결정(14)이 얻어진다. 몇몇 샘플의 관련 파라미터 리스트를 표 2에 나타낸다. 여기서, 샘플 1b는 종래의 시드 채널을 갖는 도가니를 사용하여 제조된 GaAs 단결정이며, 비교예로서 기능하고, 샘플 6 내지 샘플 9(GaAs도 포함)는 도 2에 도시하는 도가니를 사용하여 본 발명의 방법에 따라서 제조된 것이다. 표 2에 기재된 파라미터 EPD av 　및 EPC total 의 값은, 성장한 단결정으로부터 분리한 후의 웨이퍼로부터 얻어진 것이다. 샘플의 직경은 150 m이다.
샘플 1b
(비교예)		 샘플 6 샘플 7 샘플 8 샘플 9
EPD av 56 cm-2　 8 cm-2　 1 cm-2　 0 cm-2　 2 cm-2　
EPC total 8,400 1,200 150 0 300
본 발명에 따른 장치(1'')의 제3 실시 형태를 도 3에 도시한다. 장치의 구조 및 단결정의 제조는 제2 실시 형태의 그것과 유사하다. 차이는 단지 도가니(2'')의 제1 섹션(4'')의 직경(d'')에만 존재한다. 도 3의 평면도의 아래 부분으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제3 실시 형태의 기초가 되는 방법에서는, 단결정(14)의 공칭 직경(d)인 152 mm를 얻기 위해, 도가니(2'')에서 적절히 성장시킨 후 후처리 공정에서 오버사이즈의 비대칭 축소가 행해진다. 이 일련의 동작으로, 도 3의 우측 하부에 도시되어 있는 에지 영역만을 실질적으로 제거, 즉 후처리 단계에서 구체적으로는 시드 처리로 인한 전위(101)에 의해 영향을 받게 되는 에지 영역을 제거할 수 있어서, 결국 도가니(2'')의 내경(d'')에 대해서 전체적으로 적은 오버사이즈를 선택할 수 있다. 상기 실시 형태에서 내경(d'')은 162 mm로, 제조 장치(1'')에 설정되어 있는 단결정의 공칭 직경(d)(d=152 mm) 보다 10 mm 크게 되어 있다. 도 3으로부터 명백한 바와 같이, 도가니(2'')의 제1 섹션(4'')의 단면 영역에 투영된 시드 채널이나 제2 섹션(6'') 각각의 단면 영역은 제조된 후 후처리 공정에서 제거될 단결정(14)의 단면 영역의 에지 영역 내에서 완전히 연장된다. 본 실시 형태에서, 제1 섹션(4'')의 중심 축선(M)에 대한 시드 채널의 중심 축선(M')의 오프셋(v)은 75 mm에 불과하다.
이 실시 형태에서, 특히 도 3의 좌측 하부에 위치하는 에지 전위(102)는, 단결정(14)의 후처리 공정 후에도 남아 있을 가능성이 있는데, 이는 성장 중에 내부 도가니 벽과의 접촉에 기인할 수 있다. 그러나, 후처리 공정에서 필요한 제거될 재료의 양은, 제2 실시 형태에 비해 상당히 감소되어, 경제적 관점 및 최적의 비용 편익 비율을 얻을 수 있다. 게다가, SEMI-M83에 준거한 표준 측정 방법에 준거한, 전위가 전혀 없는 측정 필드의 비율 P(EPDL　= 0 cm-2)이 97% 이상, 나아가 99% 이상의 값을 가지고, 평균 전위 밀도가 10 cm-2　이하, 또는 5 cm-2　이하로, 여전히 우수한 값이 달성된다. 두 샘플에 관한 파라미터를 표 3에 리스트한다. 여기서, 샘플 1c는 종래의 시드 채널을 갖는 도가니를 사용하여 제조된 GaAs 단결정이고, 비교예로서 기능하며, 샘플 10은 도 3에 도시한 도가니를 사용하는 본 발명의 방법에 따라서 제조된 것(GaAs도 포함)이다. 표 3에 기재되어 있는 파라미터 EPD av 　및 EPC total 의 값은, 성장한 결정으로부터 분리된 웨이퍼로부터 얻어진 것이다. 샘플의 직경은 150 mm이다.
샘플 1c
(비교예)		 샘플 10
EPD av 56 cm-2　 7 cm-2　
EPC total 8,400 1,000
본 발명에 따른 장치(1''')의 제4 실시 형태를 도 4에 도시한다. 이 실시 형태는, 제1 및 제3 실시 형태의 양쪽의 특징을 포함하고, 이들을 조합한 것이다. 따라서, 장치(1''')는, 공칭 직경(이 실시 형태에서는 10 mm)에 대해 2 mm 이상의 오버사이즈를 갖는 원통형 제1 섹션(4'')을 갖고, 질화 붕소 또는 열분해 질화 붕소로부터 형성된 도가니(2''')를 포함하며, 상기 도가니(2''')는 갈륨 비소로부터 형성된 미가공 용융물(16)을 수용한다. 장치(1''')는 시드 채널로서 형성되고, 100mm의 길이(k')로 연장되는 제2 섹션(6), 및 제1 섹션(4'')과 제2 섹션(6) 사이의 천이부를 형성하고 이들을 서로 연결하는 비대칭의 제3 섹션(8')를 추가로 포함한다.
이점 및 효과는 제1 내지 제3 실시 형태에 관해 상기에서 설명한 바와 같으며, 여기서, 이점이 축적된다. 이 장치를 사용하여 제조된 단결정(14)의 샘플의 관련 파라미터가 표 4에 제공된다. 여기서, 샘플 1d는 종래의 시드 채널을 갖는 도가니를 사용하여 제조된 GaAs 단결정이며, 비교예로서 기능하고, 샘플 11은, 도 4에 도시하는 도가니를 사용하여 제조된 것(GaAs 포함)이다. 표 4에 리스트되어 있는 파라미터 EPD av 　및 EPC total 의 값은, 성장한 결정으로부터 분리한 후의 웨이퍼로부터 얻어진 것이다. 샘플의 직경은 150 mm이다. 샘플 1b 내지 1d는 동일하다는 점에 주의하기 바란다.
샘플 1d
(비교예)		 샘플 11
EPD av 56 cm-2　 0 cm-2　
EPC total 8,400 0
도 5 및 도 6에는, 각각 도 3에 도시되는 바와 같은 도가니(2'')가 복수, 즉 셋 또는 다섯 배치된 장치(1'''' 또는 1''''') 각각의 실시 형태가 도시되어 있다. 하나 또는 복수의 가열 요소, 예를 들면 자장 히터(magnetic field heater)를 갖는 가열 장치(10)는, 도가니의 배치를 둘러싸고 가열한다. 자장 히터에 추가로, 예를 들어 그라파이트 등의, 이방적으로 열을 전도함으로써 온도장(T)의 홈 조직화(home organization)에 특별한 기여를 하는 충전물(미도시)을 도가니(2'')들 사이에 배치할 수 있다. 이와 같은 특히 유리한 배치의 예로는, US 9,368,585 B2에 기재되어 있으며, 그 중 도 1 내지 도 3과, 도 11 내지 도 12에 도시되는 배치의 특징은, 대응하는 설명과 함께 참조로 본 명세서에 원용한다. 이 특허에 기재되어 있는 복수의 도가니의 배치는, 개선된 에치 핏 밀도, 즉, 특히 균일한 전위 밀도의 분포로 인하여 우수하다.이들 두 실시 형태에서는, 도가니 배치는 대칭 축선(Z)을 갖고, 대칭 축선(Z)은 배치의 중심을 지나 도가니(2'')의 대응 중심 축선(M)에 평행하게 연장된다. 각각의 중심 축선으로부터 보면, 오프셋(v)의 방향은 정확히 대칭 축선(Z)을 향하고 있다. 즉, 도가니(2'')의 대응 제2 섹션(6')은, 배치의 중심을 향해 오프셋되어 있다.
이와 같은 복수의 도가니 배치에 의해, 특히 그 중심을 향하는 방향으로, 우수하고 안정되며 균일한 온도장을 생성할 수 있게 된다. 같은 방법으로 시드 채널의 오프셋을 제공하게 되면, 각 도가니에서의 결정화의 조건은 동일하다. 도 3에 도시되는 본 발명에 따른 장치(1'')의 특징(도 1, 도 2 및 도 4에 따른 다른 실시 형태도 마찬가지)과 복수의 도가니 배치를 조합하면, 특히 상승 효과의 이점을 누릴 수 있다.
상술한 실시 형태들은, VGF법을 실행하도록 구성된 장치에 관한 것이다. 그러나, 본 발명은 특정 장치에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 수직 브릿지만법을 기초로 하는 장치도 사용할 만하다.
상술한 도가니들은, 제1 섹션에 원통형을 포함한다. 그러나, 정사각형 또는 직사각형의 단면 영역을 갖는 직방체 형상의 도가니, 또는 대체로 원형인 단면 영역으로부터 원형의 일부가 떨어져 나간 형상(예를 들면 평탄부가 있는 형상) 등의 다른 형상도 사용될 수 있다.
상술한 실시 형태의 변형은, 첨부된 청구 범위 내에서 가능하다. 또한, 제4 실시 형태와 같이, 실시 형태의 단일 요소들을 다른 실시 형태의 단일 요소들과 조합할 수도 있다. 예를 들어, 대칭적으로 배치된 시드 채널을 갖는 제1 실시 형태에서, 후처리 단계(천공, 연마, 랩핑, 및 연삭 등)을 실행하기 위해 본 발명의 양태에 따라 직경이 확장된 제1 도가니 섹션을 배치하여, 즉 증가된 내경(예를 들어 d''' = 172 mm)을 갖게 하여, 단결정(14)의 원통 벽 형상 또는 관형 벽 형상의 에지 영역에서 재료의 대응 제거를 초래하도록 고려하거나 실시하는 것도 가능하다.
후처리 공정으로서, 상기 실시 형태에서는 천공, 연마, 랩핑 또는 연삭을 예로 들고 있다. 그러나, 재료를 제거하기 위한 재료 과학의 기술 분야에서 알려져 있는 다른 방법도 적용할 수 있음은 당업자에게는 당연하다.
놀랍게도, 참고 값에 대하여 기재된 범위 내에서의 전위 밀도의 감소는, 결정 및 그로부터 제조된 웨이퍼의 전단 응력의 양을 더욱 유의미하게 감소시키는 것과 관련되어 있다는 것도 알게 되었다. 이 목적을 위해, 상기 SIRD 측정 방법이 채용된 것이다.
확실한 단결정/웨이퍼의 통일된 파라미터를 얻기 위해, 웨이퍼의 표면의 각 위치에서 얻어진 전단 응력의 값(주파수와 부호를 고려한 전단 응력)이 기록되고(예를 들면, Geiler et al., 도 4 참조), 예를 들어 데이터에 적합한 로렌츠 곡선의 경우, 이 곡선의 반치전폭(full width at half maximal)이 kPa 단위로 결정된다.
도 13은, 세 비교예(웨이퍼(22), 웨이퍼(27), 웨이퍼(37))에 대해 SIRD법에 따라서 측정된 전단 응력을 기초로 한, Geiler et al. (2006)에서 얻어진 분포 함수를 나타낸 그래프이다. 이 도면의 그래프에는, 각각의 전단 응력 간격에서 얻어진 측정 값의 비율 Pw (웨이퍼 당 전단 응력(T)의 발생 값의 간격 당 상대 빈도)가 표시되어 있다. Geiler et al. (2006)에 의하여, 선행 기술에 관한 세 비교예 모두에 대해 약 100 kPa의 반치전폭(FWHM)을 제공한다. 측정된 전단 응력의 최대값(단, 여기서는 절대값)과도 거의 같은 값이 도출되는데, 이는 좌측 및/또는 우측의 곡선을 기초로 해석할 수 있다.
도 14에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따라서 제조된 단결정 또는 웨이퍼 각각의 경우 잔류 응력 또는 전단 응력의 대응 값은, Geiler et al. (2006)에 의거한 세 비교예에 대해서 도 9에 도시한 잔류 응력 또는 전단 응력의 값을 넘어, +/- 40 kPa 이하, 일부는 +/- 30 kPa 이하, 나아가 +/- 25 kPa 이하까지 감소하는 것을 성공하였다. 이렇게 하여 얻어진 로렌츠 곡선은 특히 좁다.
이는, SIRD법에 따르면, 실시 형태에 따라서 기준 결정으로부터 얻어진 웨이퍼에서 실행된 측정이 Geiler et al. (2006)에서 측정된 웨이퍼들에 비해 현저히 감소된 잔류 응력을 나타냈음을 의미하며, 이 점과 관련하여, 표 5에 나타낸 비교예와 실시 형태 사이의 비교 또한 참조하기 바란다.
파라미터 단위 비교예 실시 형태
SEMI M83에 따른 전체 표면 측정으로부터의 EPD av cm-2　 130　 3
SEMI M36에 따른 69 측정 필드의 측정으로부터의 EPD av cm-2　 82 0
SEMI M83에 따른 전체 표면 측정으로부터의 P(EPD L = 0 cm -2 ) % 94.0 99.7
전단 응력의 최댓값 kPa 200 <25
표 5의 비교예는, 직경이 150 mm이며, (Geiler et al. (2006)에 기재된) 대응 GaAs 단결정으로부터 분리된 종래의 방법으로 제조된 GaAs 웨이퍼에 관한 것이다. 도 9는, 측정된 로컬 에치 밀도 EPD L 의 분포를 그레이스케일로 도시한 것이고, 도 10은, 측정된 잔류 응력 또는 전단 응력의 분포를 그레이스케일로 도시한 것이다. 최대 전단 응력의 대응 값은 표 5에, 특히 비교예는 물론, 실시 형태에 대해서도 표시하였다. 도 11 및 도 12에서는, 우측 상부 코너의 그레이스케일의 스케일을 고려할 필요가 있으며, 이는, 본 명세서에 개시되어 있는 값의 범위를 반영하는 것이다.
실제로는, 오늘날까지, 전단 응력의 값의 제거, 즉 약 0 kPa(이 분석 전체를 통해, 아무 표시가 없는 경우에는, 전단 응력의 절대량만 표시하였음)의 전단 응력의 최댓값은 이루어지지 않고 있음에 주의하기 바란다. 이 값 또는 0.1 kPa 이하의 값, 나아가 1 kPa 이하의 값까지도, 선택적으로 제외 혹은 무시되는 경우가 있다.
상기에서 설명한 다양한 양태 및 실시 형태에서는, 제2 섹션은 길이 방향 축선을 포함하는데, 이는 제1 섹션의 영역 내로 연장되는 경우, 제1 섹션 내에서 도가니의 내벽으로부터 15 mm 이하, 바람직하게는 10 mm 이하, 더욱 바람직하게는 5 mm 이하의 거리만큼 연장될 수 있다.
게다가, 그와 같은 양태 및 실시 형태에 관해, 제2 섹션(6')은, 적어도 부분적으로 원통형으로 형성될 수 있고, 15 mm 이하, 특히 10 mm 내지 15 mm의 범위, 또는 5 mm 내지 10 mm의 범위의 내경을 가질 수 있다.
전술한 각종 양태 및 실시 형태에서, 장치(1)는 결정 성장 단계에 이은 후처리 단계에서 달성되는, 공칭 직경을 갖는 결정의 제조를 위해 구성되며, 여기에서 제1 섹션은 중심 축선에 수직인 단면 영역에 대한 내경을 갖는다. 이 내경은 공칭 직경보다 2 mm 이상, 바람직하게는 3 mm 이상, 보다 바람직하게는 5 mm 이상 클 수 있으며, 내경은 공칭 직경보다 최대 10 mm까지 클 수 있다.
전술한 각종 양태 및 실시 형태에서는, 제2 섹션(6, 6')은, 그 중심 축선(M)의 방향에 따라서 길이(k')를 갖고, 상기 길이는 40 mm와 120 mm 사이, 바람직하게는 50 mm와 90 mm 사이, 더욱 바람직하게는 60 mm와 80mm 사이일 수 있고, 각 범위의 경계값을 포함할 수 있다.
전술한 각종 양태 및 실시 형태는, AIII-BV-단결정 또는 그로부터 분리됨으로써 얻어지는 웨이퍼, 특히, 반도체 화합물 재료에 관한 것이다. 구체적으로 이들은, 예를 들어, 갈륨 비소(GaAs) 또는 인화 인듐(InP) 등을 포함할 수 있다.
전술한 각종 양태 및 실시 형태의 몇몇에서는, 격자 경화 도펀트가 제조된 단결정에 포함되어 있다. 그러한 경우, 격자 경화 도펀트는 붕소, 실리콘, 아연, 유황, 인듐으로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 하나일 수 있다. 그러나, 대안적인 적절한 요소들도 포함될 수 있으며, 상기 양태 및 실시 형태는, 상기 열거한 특정 도펀트에 한정되는 것은 아니다.

Claims (32)

  1. 단결정(14)의 중심 축선(M)에 수직인 단면 영역 내에서, 평균 에치 핏 밀도(EPDav)로서 결정된 결정의 격자 내 전위의 평균 밀도를 10 cm-2 이하의 양으로 포함하는, AIII-BV-단결정(14).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단결정의 직경이 150 mm 이상인, AIII-BV-단결정(14).
  3. 제 1 항에 있어서,
    붕소, 실리콘, 아연, 유황 및 인듐으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 격자 경화 도펀트가 단결정 격자에 단독으로 또는 조합하여 도입되는, AIII-BV-단결정(14).
  4. 제 1 항에 있어서,
    단결정(14)의 단면 영역 상에, SIRD 방법에 따른 공간 분해 측정(spatially resolved measurement)에 의해 얻어진, +/- 30 kPa 이하의 최대 잔류 응력 분포를 포함하고, 상기 공간 분해 측정의 횡방향 분해능은 100 ㎛인, AIII-BV-단결정(14).
  5. 제 1 항에 있어서,
    단결정(14)의 단면 영역 상에, SIRD 방법에 따른 공간 분해 측정에 의해 얻어진, +/- 25 kPa 이하의 최대 잔류 응력 분포를 포함하고, 상기 공간 분해 측정의 횡방향 분해능은 100 ㎛인, AIII-BV-단결정(14).
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    단결정의 단면 영역 내에서, 측정 그리드 내 0.25 ㎟　사이즈의 측정 필드의 부분에 있어서, 단면 영역을 완전히 커버하는 모든 측정 필드 중 전위가 전혀 없는 측정 필드 부분의 비율은, 단면 영역의 총 면적의 99% 이상인, AIII-BV-단결정(14).
  7. 단결정(14)의 단면 영역 상에, SIRD 방법에 따른 공간 분해 측정에 의해 얻어진, +/- 30 kPa 이하의 최대 잔류 응력 분포를 포함하는, AIII-BV-단결정(14).
  8. 제 7 항에 있어서,
    단결정(14)의 단면 영역 상에, SIRD 방법에 따른 공간 분해 측정에 의해 얻어진, +/- 25 kPa 이하의 최대 잔류 응력 분포를 포함하는, AIII-BV-단결정(14).
  9. 제 7 항에 있어서,
    공간 분해 측정의 횡방향 분해능이 100 ㎛인, AIII-BV-단결정(14).
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 단결정의 직경이 150 mm 이상인, AIII-BV-단결정(14).
  11. 단결정(14)의 중심 축선(M)에 수직인 단면 영역 내에서 평균 에치 핏 밀도(EPDav)로서 결정된 결정의 격자 내 전위의 평균 밀도가 1,000 cm-2　이하이며, 격자 경화 도펀트를 포함하는 전하 캐리어 농도가 7Х1016　원자/㎤　이하인, AIII-BV-단결정(14).
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전하 캐리어 농도가 붕소, 실리콘, 아연, 유황 및 인듐으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 격자 경화 도펀트를 각각 단독으로 또는 조합하여 포함하고, 1Х1016　원자/㎤　이하인, AIII-BV-단결정(14).
  13. 결정의 원자 격자에서 전위의 평균 밀도가 700 cm-2 이하이며, 총 전하 캐리어 농도가 7Х1016　원자/㎤　이하인, AIII-BV-단결정(14).
  14. 제 13 항에 있어서,
    결정의 원자 격자에서 전위의 평균 밀도가 500 cm-2　이하인, AIII-BV-단결정(14).
  15. 제 13 항에 있어서,
    결정의 원자 격자에서 전위의 평균 밀도가 200 cm-2　이하인, AIII-BV-단결정(14).
  16. 제 13 항에 있어서,
    총 전하 캐리어 농도가 1Х1016　원자/㎤　이하인, AIII-BV-단결정(14).
  17. 단결정(14)의 중심 축선(M)에 수직인 단면 영역 내에서, 평균 에치 핏 밀도(EPDav)로서 결정된 결정의 격자 내 전위의 평균 밀도를 10 cm-2 이하의 양으로 포함하는, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 직경이 150 mm 이상인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  19. 제 17 항에 있어서,
    붕소, 실리콘, 아연, 유황 및 인듐으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 격자 경화 도펀트가 단결정 격자에 단독으로 또는 조합하여 도입되는, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 단면 영역 상에, SIRD 방법에 따른 공간 분해 측정(spatially resolved measurement)에 의해 얻어진, +/- 30 kPa 이하의 최대 잔류 응력 분포를 포함하고, 상기 공간 분해 측정의 횡방향 분해능은 100 ㎛인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  21. 제 17 항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 단면 영역 상에, SIRD 방법에 따른 공간 분해 측정에 의해 얻어진, +/- 25 kPa 이하의 최대 잔류 응력 분포를 포함하고, 상기 공간 분해 측정의 횡방향 분해능은 100 ㎛인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  22. 제 17 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 단면 영역 내에서, 측정 그리드 내 0.25 ㎟　사이즈의 측정 필드의 부분에 있어서, 단면 영역을 완전히 커버하는 모든 측정 필드 중 전위가 전혀 없는 측정 필드 부분의 비율은, 단면 영역의 총 면적의 99% 이상인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  23. 웨이퍼의 단면 영역 상에, SIRD 방법에 따른 공간 분해 측정에 의해 얻어진, +/- 30 kPa 이하의 최대 잔류 응력 분포를 포함하는, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  24. 제 23 항에 있어서,
    웨이퍼의 단면 영역 상에, SIRD 방법에 따른 공간 분해 측정에 의해 얻어진, +/- 25 kPa 이하의 최대 잔류 응력 분포를 포함하는, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  25. 제 23 항에 있어서,
    공간 분해 측정의 횡방향 분해능이 100 ㎛인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  26. 제 23 항 또는 제 24 항에 있어서,
    상기 웨이퍼의 직경이 150 mm 이상인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  27. 단결정(14)의 중심 축선(M)에 수직인 단면 영역 내에서 평균 에치 핏 밀도(EPDav)로서 결정된 결정의 격자 내 전위의 평균 밀도가 1,000 cm-2　이하이며, 격자 경화 도펀트를 포함하는 전하 캐리어 농도가 7Х1016　원자/㎤　이하인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 전하 캐리어 농도가 붕소, 실리콘, 아연, 유황 및 인듐으로 구성된 군에서 선택되는 하나 이상의 격자 경화 도펀트를 각각 단독으로 또는 조합하여 포함하고, 1Х1016　원자/㎤　이하인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  29. 결정의 원자 격자에서 전위의 평균 밀도가 700 cm-2 이하이며, 총 전하 캐리어 농도가 7Х1016　원자/㎤　이하인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  30. 제 29 항에 있어서,
    결정의 원자 격자에서 전위의 평균 밀도가 500 cm-2　이하인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  31. 제 29 항에 있어서,
    결정의 원자 격자에서 전위의 평균 밀도가 200 cm-2　이하인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
  32. 제 29 항에 있어서,
    총 전하 캐리어 농도가 1Х1016　원자/㎤　이하인, AIII-BV-단결정(14)으로부터 분리하여 얻어진 웨이퍼.
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