KR20240004605A - 수평 자기장 초크랄스키에 의해 실리콘 잉곳들을 생산하는 방법들 - Google Patents
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Abstract
수평 자기장이 생성되는 실리콘 잉곳을 생산하는 방법이 개시된다. 도가니의 벽 온도, 도가니에서부터 단결정으로의 일산화규소(SiO)의 이동, 및 용융물로부터의 SiO의 증발 속도를 포함하는 복수의 공정 파라미터들이 잉곳 성장 동안 조절된다. 복수의 공정 파라미터들을 조절하는 것은 수평 자기장의 최대 가우스 평면의 위치를 제어는 것, 수평 자기장의 세기를 제어하는 것, 및 도가니 회전 속도를 제어하는 것을 포함할 수 있다.
Description
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 2021년 4월 28일자로 출원된 미국 특허 가출원 제63/180,993호를 우선권 주장하며, 이는 그 전부가 참조로 본 개시에 포함된다.
본 개시의 분야는 수평 자기장 초크랄스키(Czochralski) 공정에서 단결정 실리콘 잉곳들을 생산하는 방법들, 특히, 감소된 산소 함유량을 갖는 단결정 실리콘 잉곳들을 생산하는 방법에 관한 것이다.
단결정 실리콘이 반도체 전자 부품들 및 태양광 재료들을 제작하는 많은 공정들에서의 출발 물질이다. 예를 들어, 실리콘 잉곳들로부터 생산된 반도체 웨이퍼들은 회로부가 인쇄되는 집적 회로 칩들의 생산에서 흔히 사용된다. 태양광 산업에서, 단결정 실리콘은 결정입자 경계들 및 전위들이 없기 때문에 다결정 실리콘 대신 사용될 수 있다.
반도체 또는 태양광 웨이퍼들을 생산하기 위해, 단결정 실리콘 잉곳은 시드 결정을 도가니 내에 보유되는 용융된 실리콘을 담금으로써 초크랄스키 공정에서 생산될 수 있다. 시드 결정은 잉곳에 대한 원하는 직경을 성취하기에 충분한 방식으로 인상(withdraw)되고, 잉곳을 해당 직경에서 성장시킨다. 연속 단결정 실리콘 공정의 경우, 방법은, 폴리실리콘이 공급되고 결정 성장과 동시에 용융된다는 것을 제외하면, 뱃치(batch) 공정의 것과 유사하다. 실리콘 잉곳은 그 다음에 반도체 또는 태양광 웨이퍼들이 생산될 수 있는 원하는 형상으로 가공된다.
공정 동안, 산소(Oi)는 용융물-결정 계면을 통해 실리콘 결정 잉곳들에 도입된다. 산소는 잉곳들로부터 생산된 웨이퍼들에서 다양한 결함들을 야기하여, 잉곳들을 사용하여 제작되는 반도체 디바이스들의 수율을 줄일 수 있다. 예를 들어, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터들(insulated-gate bipolar transistors)(IGBT들), 고품질 무선 주파수(radio-frequency)(RF), 고저항률 실리콘 온 절연체(high resistivity silicon on insulator)(HR-SOI), 및 전하 트랩 층 SOI(charge trap layer SOI)(CTL-SOI) 애플리케이션들은 고저항률을 성취하고 P-N 접합부들의 형성을 피하기 위하여 비교적 낮은 산소 농도를 전형적으로 요구한다.
적어도 일부 공지된 방법들은 낮은 산소 농도 및 고저항률을 성취하기 위해 플로트 존(float zone) 재료들을 사용한다. 그러나, 플로트 존 재료들은 비교적 비싸고 약 200 mm 미만의 직경을 갖는 잉곳들을 생산함에 있어서 사용이 제한된다. 따라서, 이들 공지된 방법들은 상대적으로 낮은 산소 농도를 갖는 더 큰 직경의 실리콘 결정 잉곳들을 생산할 수 없다.
상대적으로 낮은 산소 농도를 갖는 단결정 실리콘 잉곳들을 생산하는 방법들에 대한 필요성이 존재한다.
이 섹션은 아래에서 설명 및/또는 청구되는 본 개시의 다양한 양태들에 관련될 수 있는 다양한 기술 양태들을 독자에게 소개하도록 의도된다. 이 논의는 본 개시의 다양한 양태들의 더 나은 이해를 용이하게 하기 위한 배경 정보를 독자에게 제공함에 있어서 도움이 될 것이라 생각된다. 따라서, 이들 서술들은 이러한 관점에서 읽혀져야 하고, 선행 기술의 인정이라는 관점에서 읽히지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다.
본 개시의 하나의 양태는 실리콘 잉곳을 생산하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 용융물을 형성하기 위해 진공 챔버에 에워싸인 도가니에서 다결정 실리콘을 용융하는 단계를 포함한다. 용융물은 용융물 없는 표면(melt free surface)을 가진다. 수평 자기장이 진공 챔버 내에서 생성된다. 시드 결정이 용융물에 담그진다. 시드 결정은 실리콘 잉곳을 형성하도록 용융물로부터 인상된다. 복수의 공정 파라미터들이 실리콘 잉곳에서 산소 농도를 줄이기 위해 동시에 조절된다. 복수의 공정 파라미터들은 도가니의 벽 온도, 도가니에서부터 실리콘 잉곳으로의 일산화규소(SiO)의 이동, 및 용융물로부터의 SiO의 증발 속도를 포함한다.
본 개시의 위에서 언급된 양태들에 관하여 논의된 특징들의 다양한 리파인먼트들이 존재한다. 추가의 특징들은 본 개시의 위에서 언급된 양태들에도 또한 통합될 수 있다. 이들 리파인먼트들 및 추가의 특징들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 예시된 실시예들 중 임의의 것에 관하여 아래에서 논의되는 다양한 특징들은 본 개시의 위에서 설명된 양태들 중 임의의 것에, 단독으로 또는 임의의 조합으로 포함될 수 있다.
도 1은 도가니의 일 실시예 및 원주 좌표계의 상면도이며;
도 2는 도가니 및 원주 좌표계의 측면도이며;
도 3은 결정 성장 장치에서 용융물을 포함하는 도가니에 인가되는 커스프(cusped) 자기장을 예시하는 개략도이며;
도 4는 결정 성장 시스템의 일 실시예의 블록도이며;
도 5는 최대 가우스 평면(maximum gauss plane)(MGP)을 보여주는 용융물 및 결정 도메인들에서 수평 자기장의 수평 및 수직 성분들의 크기의 도면이며;
도 6은 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm)의 MGP 및 용융물 없는 표면 80 mm 아래(-80 mm)의 MGP의 경우에 대해, X=0(중심 평면), X=-32m, X=+32m인 수평 자기장에 수직인 평면들을 따르는 평면내 스트림 흔적들(in-plane stream traces)을 보여주는 흐름장(flow field) 도면들을 예시하며;
도 7은 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm)의 MGP 및 용융물 없는 표면 80 mm 아래(-80 mm)의 MGP의 경우와의 사이의 평행한 중심 평면에서 용융물 없는 표면을 따르는 방사상 속도들을 비교하는 그래프이며;
도 8은 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm)의 MGP 및 용융물 없는 표면 80 mm 아래(-80 mm)의 MGP의 경우에 대해, Y=0(중심 평면), Y=-32m, Y=+32m인 수평 자기장에 평행한 평면들을 따르는 평면내 스트림 흔적들을 보여주는 흐름장 도면들을 예시하며;
도 9은 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm)의 MGP 및 용융물 없는 표면 80 mm 아래(-80 mm)의 MGP의 경우와의 사이의 수직인 중심 평면에서 용융물 없는 표면을 따르는 방사상 속도들을 비교하는 그래프이며;
도 10은 용융물 없는 표면 80 mm 아래의 MGP(상단 페인) 및 용융물 없는 표면 80 mm 위의 MGP(하단 페인)의 경우에 대해 용융물 없는 표면으로부터의 SiO 가스의 증발 속도의 그래프이며;
도 11은 용융물 없는 표면 80 mm 아래(-80 mm)의 MGP 및 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm)의 MGP의 경우에 대해 단결정 실리콘 잉곳들에서의 Oi 방사상 프로파일을 예시하며;
도 12는 HMCZ(horizontal magnetic field Czochralski)에서의 Oi 대 MGP 위치와 실험 데이터와의 비교의 그래프이며;
도 13은 용융물 없는 표면 80 mm 아래의 MGP 위치에서의 -0.6 RPM의 도가니 카운터 회전(좌측 페인) 및 용융물 없는 표면 80 mm 위의 MGP 위치에서의 -1.6 RPM의 도가니 카운터 회전(우측 페인)의 경우에 대해, X=0(중심 평면), X=-32m, X=+32m인 수평 자기장에 수직인 평면들을 따르는 평면내 스트림 흔적들을 보여주는 흐름장 도면들을 예시하며;
도 14는 -0.6 RPM의 도가니 카운터 회전 및 -1.6 RPM의 도가니 카운터 회전의 경우에 대한 단결정 실리콘 잉곳들에서의 Oi 방사상 프로파일의 그래프이며; 및
도 15는 0.22T의 자기장 세기 및 0.44T의 자기장 세기의 경우에 대한 단결정 실리콘 잉곳들에서의 Oi 방사상 프로파일의 그래프이다.
해당 참조 부호들이 도면들의 전체에 걸쳐 해당 부분들을 나타낸다.
도 2는 도가니 및 원주 좌표계의 측면도이며;
도 3은 결정 성장 장치에서 용융물을 포함하는 도가니에 인가되는 커스프(cusped) 자기장을 예시하는 개략도이며;
도 4는 결정 성장 시스템의 일 실시예의 블록도이며;
도 5는 최대 가우스 평면(maximum gauss plane)(MGP)을 보여주는 용융물 및 결정 도메인들에서 수평 자기장의 수평 및 수직 성분들의 크기의 도면이며;
도 6은 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm)의 MGP 및 용융물 없는 표면 80 mm 아래(-80 mm)의 MGP의 경우에 대해, X=0(중심 평면), X=-32m, X=+32m인 수평 자기장에 수직인 평면들을 따르는 평면내 스트림 흔적들(in-plane stream traces)을 보여주는 흐름장(flow field) 도면들을 예시하며;
도 7은 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm)의 MGP 및 용융물 없는 표면 80 mm 아래(-80 mm)의 MGP의 경우와의 사이의 평행한 중심 평면에서 용융물 없는 표면을 따르는 방사상 속도들을 비교하는 그래프이며;
도 8은 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm)의 MGP 및 용융물 없는 표면 80 mm 아래(-80 mm)의 MGP의 경우에 대해, Y=0(중심 평면), Y=-32m, Y=+32m인 수평 자기장에 평행한 평면들을 따르는 평면내 스트림 흔적들을 보여주는 흐름장 도면들을 예시하며;
도 9은 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm)의 MGP 및 용융물 없는 표면 80 mm 아래(-80 mm)의 MGP의 경우와의 사이의 수직인 중심 평면에서 용융물 없는 표면을 따르는 방사상 속도들을 비교하는 그래프이며;
도 10은 용융물 없는 표면 80 mm 아래의 MGP(상단 페인) 및 용융물 없는 표면 80 mm 위의 MGP(하단 페인)의 경우에 대해 용융물 없는 표면으로부터의 SiO 가스의 증발 속도의 그래프이며;
도 11은 용융물 없는 표면 80 mm 아래(-80 mm)의 MGP 및 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm)의 MGP의 경우에 대해 단결정 실리콘 잉곳들에서의 Oi 방사상 프로파일을 예시하며;
도 12는 HMCZ(horizontal magnetic field Czochralski)에서의 Oi 대 MGP 위치와 실험 데이터와의 비교의 그래프이며;
도 13은 용융물 없는 표면 80 mm 아래의 MGP 위치에서의 -0.6 RPM의 도가니 카운터 회전(좌측 페인) 및 용융물 없는 표면 80 mm 위의 MGP 위치에서의 -1.6 RPM의 도가니 카운터 회전(우측 페인)의 경우에 대해, X=0(중심 평면), X=-32m, X=+32m인 수평 자기장에 수직인 평면들을 따르는 평면내 스트림 흔적들을 보여주는 흐름장 도면들을 예시하며;
도 14는 -0.6 RPM의 도가니 카운터 회전 및 -1.6 RPM의 도가니 카운터 회전의 경우에 대한 단결정 실리콘 잉곳들에서의 Oi 방사상 프로파일의 그래프이며; 및
도 15는 0.22T의 자기장 세기 및 0.44T의 자기장 세기의 경우에 대한 단결정 실리콘 잉곳들에서의 Oi 방사상 프로파일의 그래프이다.
해당 참조 부호들이 도면들의 전체에 걸쳐 해당 부분들을 나타낸다.
본 개시의 준비(provision)들은 수평 자기장 초크랄스키(HMCZ) 공정에 의해 상대적으로 낮은 산소 단결정 실리콘 잉곳들을 제공하는 방법들에 관한 것이다. 먼저 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 개시의 방법들과 함께 사용하기 위한 예시적인 도가니가 전체적으로 10으로 표시된다. 도가니(10)에 대한 원주 좌표계가 방사 방향(R)(12), 각도 방향(θ)(14), 및 축 방향(Z)(16)을 포함한다. 도가니(10)는 용융물 표면(36)을 갖는 용융물(25)을 포함한다. 결정(27)이 용융물(25)로부터 성장된다. 용융물(25)은 도가니(10)의 가열과 각도 방향(θ)(14)으로의 도가니(10) 및/또는 결정(27)의 회전에 의해 유도되는 하나 이상의 대류 흐름 셀(17, 18)을 포함할 수 있다. 이들 하나 이상의 대류 흐름 셀들(17, 18)의 구조 및 상호작용은 아래 본 명세서에서 상세히 설명되는 바와 같이 더 많은 공정 파라미터들 중 하나의 것의 조절 및/또는 자기장의 인가를 통해 변조된다.
도 3은 결정 성장 장치에서 용융물(25)을 포함하는 도가니(10)에 인가되는 수평 자기장을 예시하는 도면이다. 도시된 바와 같이, 도가니(10)는 결정(27)이 성장되는 실리콘 용융물(25)을 포함한다. 용융물과 결정 사이의 전이는 일반적으로 결정-용융물 계면(대안적으로 용융물-결정, 고체-용융물 또는 용융물-고체 계면)이라고 지칭되고 용융물 표면을 기준으로 전형적으로 비선형, 예를 들어 오목, 볼록 또는 갈매기-날개형(gull-winged)이다. 두 개의 자극들(magnetic poles)(29)이 결정-성장 방향에 대체로 수직이고 용융물 표면(36)에 대체로 평행한 자기장을 생성하도록 대향 배치된다. 자극들(29)은 기존의 전자석, 초전도체 전자석, 또는 원하는 세기의 수평 자기장을 생성하기 위한 임의의 다른 적합한 자석일 수 있다. 수평 자기장의 인가는 유체 운동의 반대 방향으로, 축 방향을 따라 로렌츠 힘(Lorentz force)을 발생시켜, 대향하는 힘들이 용융물 대류를 만들어낸다. 용융물에서의 대류는 따라서 억제되고, 계면 근처에서 결정의 축 온도 경사도는 증가한다. 용융물-결정 계면은 그러면 계면 근처에서 결정의 증가된 축방향 온도 경사도를 수용하도록 결정 쪽으로 상향 이동하고 도가니에서 용융물 대류로부터의 기여분이 감소한다. 수평 구성은 용융물 표면(36)에서의 대류 흐름을 감쇠시킴에 있어서 효율이라는 이점이 있다.
도 4는 결정 성장 시스템(100)의 블록도이다. 시스템(100)은 반도체 잉곳을 생산하기 위해 초크랄스키 결정 성장 방법을 채용한다. 이 실시예에서, 시스템(100)은 잉곳 직경이 150 mm, 150 mm 초과, 더 구체적으로는 대략 150 mm 내지 460 mm 범위, 그리고 심지어 더 구체적으로는, 대략 300 mm의 직경을 가지는 원통형 반도체 잉곳을 생산하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 시스템(100)은 200 mm 잉곳 직경 또는 450 mm 잉곳 직경을 갖는 반도체 잉곳을 생산하도록 구성된다. 추가적으로, 하나의 실시예에서, 시스템(100)은 적어도 900 mm의 총 잉곳 길이를 갖는 반도체 잉곳을 생산하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 시스템은 길이가 1950 mm, 2250 mm, 2350 mm이거나, 또는 2350 mm보다 긴 반도체 잉곳을 생산하도록 구성된다. 다른 실시예들에서, 시스템(100)은 대략 900 mm 내지 1200 mm, 대략 900mm와 대략 2000 mm 사이, 또는 대략 900 mm와 대략 2500 mm 사이 범위의 총 잉곳 길이를 갖는 반도체 잉곳을 생산하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 시스템은 2000 mm보다 긴 총 잉곳 길이를 갖는 반도체 잉곳을 생산하도록 구성된다.
결정 성장 시스템(100)은 도가니(10)를 에워싸는 진공 챔버(101)를 포함한다. 측면 히터(105), 예를 들어, 저항 히터가 도가니(10)를 둘러싼다. 하단 히터(106), 예를 들어, 저항 히터가 도가니(10) 아래에 위치된다. 가열 및 결정 인상 동안, 도가니 구동 유닛(107)(예컨대, 모터)이, 예를 들어 화살표(108)에 의해 표시되는 시계방향으로, 도가니(10)를 회전시킨다. 도가니 구동 유닛(107)은 성장 공정 동안 원하는 대로 도가니(10)를 또한 상승 및/또는 하강시킬 수 있다. 도가니(10) 내에는 용융물 레벨 또는 용융물 표면(36)을 갖는 실리콘 용융물(25)이 있다. 작동 시, 시스템(100)은 용융물(25)로부터, 풀 샤프트(pull shaft) 또는 케이블(117)에 부착된 시드 결정(115)으로부터 시작하여, 단결정(27)을 끌어당긴다. 풀 샤프트 또는 케이블(117)의 하나의 단부는 풀리(pulley)(도시되지 않음)를 통해 드럼(도시되지 않음), 또는 임의의 다른 적합한 유형의 승강 기구, 예를 들어, 샤프트에 연결되고, 다른 단부는 시드 결정(115)과 시드 결정(115)으로부터 성장되는 결정(27)을 보유하는 척(도시되지 않음)에 연결된다.
도가니(10)와 단결정(27)은 공통 대칭축(38)을 가진다. 도가니 구동 유닛(107)은 용융물(25)이 고갈됨에 따라 축(38)을 따라 도가니(10)를 상승시켜 용융물 표면(36)을 원하는 높이로 유지할 수 있다. 결정 구동 유닛(121)은 도가니 구동 유닛(107)이 도가니(10)를 회전시키는 방향과 반대인 방향(110)으로 풀 샤프트 또는 케이블(117)을 유사하게 회전(예컨대, 역회전)시킨다. 등속 회전(iso-rotation)을 사용하는 실시예들에서, 결정 구동 유닛(121)은 도가니 구동 유닛(107)이 도가니(10)를 회전시키는 동일한 방향으로(예컨대, 시계 방향으로) 풀 샤프트 또는 케이블(117)를 회전시킬 수 있다. 등속 회전은 또한 공동 회전(co-rotation)이라고 지칭될 수 있다. 추가적으로, 결정 구동 유닛(121)은 성장 공정 동안 용융물 표면(36)을 기준으로 하여 결정(27)을 원하는 대로 상승 및 하강시킨다.
초크랄스키 단결정 성장 공정에 따르면, 다량의 다결정 실리콘, 또는 폴리실리콘이 도가니(10)에 충전된다. 히터 전력 공급부(123)가 저항 히터들(105 및 106)에 동력을 공급하고, 절연체(125)는 진공 챔버(101)의 내벽을 라이닝한다. 진공 펌프(131)가 진공 챔버(101)로부터 가스를 제거할 때 가스 공급부(127)가 아르곤과 같은 불활성 가스를 진공 챔버(101)에 가스 흐름 제어기(129)를 통해 피드한다. 저장소(135)로부터의 냉각수가 피드되는 외부 챔버(133)는 진공 챔버(101)를 둘러싼다.
냉각수는 그 다음에 냉각수 순환(cooling water return) 매니폴드(137)로 배출된다. 전형적으로, 광전셀(photocell)(139)과 같은 온도 센서(또는 고온계)가 용융물(25)의 온도를 그것의 표면에서 측정하고, 직경 트랜스듀서(141)는 실리콘 잉곳(27)의 직경을 측정한다. 이 실시예에서, 시스템(100)은 상부 히터를 포함하지 않는다. 상부 히터의 존재, 또는 상부 히터의 결여는, 결정(27)의 냉각 특성들을 변경시킨다.
자극들(29)은 진공 챔버(101) 외부에 위치되어 수평 자기장을 생성한다. 용융물 표면(36)에 대략적으로 중심을 둔 것으로 예시되지만, 용융물 표면(36)을 기준으로 한 자극들(29)의 위치는 용융물 표면(36)을 기준으로 최대 가우스 평면(MGP)의 위치를 조정하기 위해 가변될 수 있다. 저장소(153)(도 4)가 냉각수를 냉각수 순환 매니폴드(137)를 통해 배출하기 전에 자극들(29)에 제공한다. 철(ferrous) 차폐물(155)이 표유(stray) 자기장들을 감소시키고 생성된 장의 세기를 향상시키기 위해 자극들(29)을 둘러싼다.
제어 유닛(143)이 결정 회전 속도, 도가니 회전 속도, 및 자기장 세기 중 적어도 하나를 포함하지만 이것으로 제한되지 않는 복수의 공정 파라미터들을 조절하는데 사용된다. 다양한 실시예들에서, 제어 유닛(143)은 메모리(173)와, 광전셀(139)과 직경 트랜스듀서(141)를 포함하나 이에 제한되지 않는, 시스템(100)의 다양한 센서들로부터 수신된 신호들을 프로세싱할 뿐만 아니라, 도가니 구동 유닛(107), 결정 구동 유닛(121), 히터 전력 공급부(123), 진공 펌프(131), 가스 흐름 제어기(129)(예컨대, 아르곤 흐름 제어기), 자극들 전력 공급부(149), 및 그것들의 임의의 조합을 포함하나 이에 제한되지 않는, 시스템(100)의 하나 이상의 디바이스들을 제어하는 프로세서(144)를 포함할 수 있다. 메모리(173)는 프로세서(144)에 의해 실행될 때, 프로세서로 하여금 본 개시에서 설명되는 방법들 중 하나 이상을 수행하게 하는 명령어들을 저장할 수 있다. 다시 말하면, 명령어들은 본 개시에서 설명되는 하나 이상의 방법들, 프로세스들, 절차들 등을 수행하도록 제어 유닛(143)을 설정한다.
제어 유닛(143)은 컴퓨터 시스템일 수 있다. 컴퓨터 시스템들은, 본 개시에서 설명되는 바와 같이, 임의의 공지된 컴퓨팅 디바이스 및 컴퓨터 시스템을 말한다. 본 개시에서 설명되는 바와 같이, 모든 이러한 컴퓨터 시스템들은 프로세서와 메모리를 포함한다. 그러나, 본 개시에서 언급되는 컴퓨터 시스템에서의 임의의 프로세서가 하나 이상의 프로세서들을 또한 지칭할 수 있는데, 그 프로세서는 하나의 컴퓨팅 디바이스 또는 병렬로 동작하는 복수의 컴퓨팅 디바이스들에 있을 수 있다. 추가적으로, 본 개시에서 언급되는 컴퓨터 디바이스에서의 임의의 메모리가 하나 이상의 메모리들을 또한 지칭할 수 있는데 그 메모리들은 하나의 컴퓨팅 디바이스 또는 병렬로 동작하는 복수의 컴퓨팅 디바이스들에 있을 수 있다. 게다가, 컴퓨터 시스템은 시스템(100) 근처에 (예컨대, 동일한 방에, 또는 인접한 방에) 위치될 수 있거나, 또는 원격으로 위치되고 이더넷, 인터넷 등과 같은 네트워크를 통해 시스템의 나머지에 연결될 수 있다.
프로세서라는 용어는, 본 개시에서 사용되는 바와 같이, 중앙 프로세싱 유닛들, 마이크로프로세서들, 마이크로제어기들, 축소 명령어 세트 회로들(reduced instruction set circuits)(RISC), 주문형 집적회로들(application specific integrated circuits)(ASIC), 로직 회로들, 및 본 개시에서 설명되는 기능들을 실행할 수 있는 임의의 다른 회로 또는 프로세서를 지칭한다. 상기한 바는 예들일 뿐이고, 따라서 "프로세서"라는 용어의 정의 및/또는 의미를 임의의 방식으로 제한하려고 의도된 것이 아니다. 메모리는 다이나믹 RAM(DRAM) 또는 스태틱 RAM(SRAM), 판독전용 메모리(read-only memory)(ROM), 소거가능 프로그래밍가능 판독전용 메모리(erasable programmable read-only memory)(EPROM), 전기 소거가능 프로그래밍가능 판독전용 메모리(electrically erasable programmable read-only memory)(EEPROM), 및 비휘발성 RAM(non-volatile)(NVRAM)과 같은 랜덤 액세스 메모리(random access memory)(RAM)를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
하나의 실시예에서, 컴퓨터 프로그램이 제어 유닛(143)을 인에이블시키기 위해 제공되고, 이 프로그램은 컴퓨터 판독가능 매체 상에 수록된다. 컴퓨터 판독가능 매체는 제어 유닛(143)의 메모리(173)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 컴퓨터 시스템은 단일 컴퓨터 시스템 상에서 실행된다. 대안적으로, 컴퓨터 시스템은 서버 컴퓨터, 클라우드 컴퓨팅 환경 등에 접속되는 다수의 컴퓨터 시스템들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 컴퓨터 시스템은 복수의 컴퓨팅 디바이스들 중에 분산되는 다수의 컴포넌트들을 포함한다. 하나 이상의 컴포넌트들은 컴퓨터 판독가능 매체에 수록되는 컴퓨터 실행가능 명령들의 형태일 수 있다.
컴퓨터 시스템들 및 공정들은 본 개시에서 설명되는 특정 실시예들로 제한되지 않는다. 추가적으로, 각각의 컴퓨터 시스템의 컴포넌트들 및 각각의 프로세스는 본 개시에서 설명되는 다른 컴포넌트들 및 프로세스들과는 독립적으로 실행되고 그것들과는 별개일 수 있다. 각각의 컴포넌트 및 프로세스는 또한 다른 어셈블리 패키지들 및 프로세스들과 조합하여 사용될 수 있다.
하나의 실시예에서, 컴퓨터 시스템은 본 개시에서 설명되고 하나의 실시예의 도 4에서 예시되는 바와 같이 온도 센서(139), 직경 트랜스듀서(141), 및 그것들의 임의의 조합을 포함하나 이에 제한되지 않는 하나 이상의 센서로부터의 측정결과를 수신하도록, 뿐만 아니라 도가니 구동 유닛(107), 결정 구동 유닛(121), 히터 전력 공급부(123), 진공 펌프(131), 가스 흐름 제어기(129)(예컨대, 아르곤 흐름 제어기), 자극들 전력 공급부(149), 및 그것들의 임의의 조합을 포함하나 이에 제한되지 않는, 시스템(100)의 하나 이상의 디바이스들을 제어하도록 구성될 수 있다. 컴퓨터 시스템은 본 개시에서 설명되는 바와 같이 시스템(100)의 하나 이상의 디바이스들을 제어하는데 사용되는 단계들의 모두를 수행한다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 진공 챔버(101) 내에서 수평 자기장을 생성하는 동안, 복수의 공정 파라미터들이 실리콘 잉곳(27)에서 산소 농도를 줄이기 위해 동시에 조절된다. 복수의 공정 파라미터들은 도가니의 벽 온도, 도가니에서부터 단결정으로의 일산화규소(SiO)의 이동, 및 용융물로부터의 SiO의 증발 속도를 포함한다.
이 실시예에서, 세 가지 공정 파라미터들이 낮은 산소 농도를 갖는 실리콘 결정 잉곳들을 생산하는 것을 용이하게 하기 위해 동시에 조절된다. 구체적으로는, 도가니(10)의 벽 온도, 도가니(10)에서부터 단결정(27)으로의 일산화규소(SiO)의 흐름(즉, 이동), 및 용융물(25)로부터의 SiO의 증발이 제어된다. 도가니(10)의 벽 온도는 도가니(10)의 용해 속도에 대응한다. 구체적으로는, 도가니(10)의 벽 온도가 더 높을수록, 도가니(10)의 부분들이 더 빠르게 용융물(25)과 반응하고 그 용융물에 용해되어, SiO를 생성하고 결정(27)의 산소 농도를 증가시킨다. 따라서, 본 개시에서 사용되는 바와 같이 도가니(10)의 벽 온도를 감소시키는 것은, 도가니(10)의 용해 속도를 감소시키는 것과 동등하다.
도가니(10)의 벽 온도를 낮추고(즉, 도가니(10)의 용해 속도를 낮추고), 도가니(10)에서부터 단결정(27)으로의 SiO의 흐름(즉, 이동)을 감소시키고, 용융물(25)로부터의 SiO의 증발을 증가시킴으로써, 잉곳(27)의 산소 농도는 감소될 수 있다. 세 가지 공정 파라미터들을 조절하기 위해, 복수의 조건들이 제어된다. 각각의 조건은 세 가지 공정 파라미터들 중 적어도 하나에 영향을 미친다. 일부 실시예들에서, 제어된 조건들은 최대 가우스 평면의 위치, 자기장 세기, 및 도가니 회전 속도이다. 각각의 조건은 본 개시에서 상세히 설명된다.
일부 실시예들에서, 복수의 공정 파라미터들을 조절하는 것은 용융물 없는 표면(36) 위의 수평 자기장의 최대 가우스 평면("MGP")의 위치를 유지하는 것을 포함한다. MGP는 자기장의 수평 성분의 최대 크기와 MGP를 따르는 제로 수직 성분에 의해 특징화된다. 용융물 없는 표면(36)을 기준으로 한 자극들(29)의 위치는 용융물 표면(36)을 기준으로 최대 가우스 평면(MGP)의 위치를 조정하기 위해 가변될 수 있다. 일부 실시예들에서, 최대 가우스 평면은 용융물 없는 표면(36) 적어도 20 mm 위 또는 용융물 없는 표면(36) 적어도 40 mm 위, 용융물 없는 표면(36) 적어도 60 mm 위, 용융물 없는 표면(36)에서부터 용융물 없는 표면 150 mm 위까지, 또는 용융물 없는 표면(36)에서부터 용융물 없는 표면 100 mm 위의 위치에서 유지된다. 일부 실시예들에서, 최대 가우스 평면은 전체 잉곳 메인 몸체의 성장 동안 이 위치(즉, 동일한 위치)(즉, 잉곳의 일정한 직경 부분)에서 유지된다.
일부 실시예들에서, 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 것은 0.4 테슬라 미만 또는, 다른 실시예들에서와 같이, 0.35 테슬라 미만, 0.3 테슬라 미만, 0.25 테슬라 미만 또는 약 0.15 테슬라 내지 약 0.4 테슬라의 자속 세기에서 수평 자기장을 생성하는 것을 포함한다. 일반적으로, 자기장의 세기는 최대 가우스 평면(52)(도 5)의 중심에서의 자신의 크기이다.
일부 실시예들에서(예컨대, 더 낮은 Oi 농도의 경우), 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 것은 잉곳이 회전되는 방향과 반대로 도가니를 회전시키는 것을 포함하며 도가니는 0.1 RPM 내지 5.0 RPM(즉, -0.1 RPM 내지 -5.0 RPM) 또는 심지어 0.1 RPM 내지 1.6 RPM(즉, -0.1 RPM 내지 -1.6 RPM) 또는 0.1 RPM 내지 1.2 RPM(즉, -0.1 RPM 내지 -1.2 RPM) 범위의 속도로 회전된다. 다른 실시예들에서, 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 것은 잉곳이 회전되는 동일한 방향으로 도가니를 회전시키는 것을 포함하며 도가니는 0.1 RPM 내지 5.0 RPM, 0.7 RPM 내지 5 RPM, 또는 1.2 RPM 내지 5.0 RPM 범위의 속도로 회전된다.
본 개시의 실시예들에 따르면, 위에서 설명된 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 방법들 중 하나 이상은 실리콘 잉곳들이 상대적으로 낮은 농도의 산소를 내부에 포함하는 결과를 초래할 수 있다. 예를 들어, 결과적인 실리콘 잉곳들은 약 15 ppma 미만, 약 8 ppma 미만, 또는 심지어 약 5 ppma 미만의 산소 농도를 가질 수 있다.
예들
본 개시의 공정들은 다음의 예들에 의해 추가로 예시된다. 이들 예들은 제한하는 의미로 보지 않아야 한다.
예 1: MGP 위치의 Oi 농도에 대한 영향
도 6은 최대 가우스 평면이 용융물 표면 80 mm 아래에 있을 때("MGP -80 mm")와 최대 가우스 평면이 용융물 표면 80 mm 위에 있을 때("MGP -80 mm") 인가된 수평 자기장에 수직으로 놓이는 평면들을 따르는 흐름장들을 비교한다. 도 8은 자기장에 평행하게 놓인 평면들을 따르는 흐름장을 비교한다.
두 개의 위치들 사이의 흐름 특징들에는 일부 유사성들이 존재하며 ― 재순환 흐름 셀들은 수직 평면들에서만 성립되고 평행한 평면들에는 없다. 추가적으로, MGP의 양 위치들은 대량의 용융물에서의 부력 셀(buoyancy cell)과 회전하는 결정 밑의 테일러-프라우드맨 셀(Taylor-Proudman cell)을 발달시킨다.
도 7 및 도 9는 각각 수평 및 수직 중심 평면들에서 두 가지 경우들 사이의 용융물 표면을 따르는 방사상 속도들을 비교한다(도 7은 인가된 수평 자기장에 수직으로 놓인 평면들이고 도 9는 인가된 수평 자기장에 평행하게 놓인 평면들이다). 용융물 표면 속도들은, 용융물 표면 아래에 위치된 MGP의 경우에 비해, 양 평면들에서, 용융물 표면 위에 위치된 MGP의 경우가 전체적으로 더 높은 것으로 확인되었다. 더 높은 용융물 표면 속도들은 SiO 가스의 증발 속도들을 향상시켜 비슷한 도가니 용해 속도들에 대해 용융물의 산소 레벨들을 낮춘다.
도 10은 용융물 없는 표면 80 mm 위 MGP의 경우(하단 그래프)에 대한 용융물 표면으로부터의 순수 SiO 가스 증발 속도들이 용융물 없는 표면 80 mm 아래의 MGP의 경우(상단 그래프)에 비해 더 높다는 것을 보여주며, 이는 흐름장과 일치하는데, 더 높은 용융물 표면 속도들이 증발 속도들을 향상시키기 때문이다. 이는, 결정에서의 Oi 방사상 프로파일들이 두 경우들에 대해 비교되는 도 11에서 도시된 바와 같이, 비슷한 도가니 용해 속도들에 대해, 용융물 및 결정에 포함된 Oi에서 더 낮은 산소 레벨을 초래한다.
모델 계산들은 Oi 및 MGP 위치 관계를 드러내 보이기 위해 다양한 다른 MGP 위치들에 대해 반복되었다. 도 12에 도시된 바와 같이, 그 관계는 MGP가 용융물 없는 표면 80 mm 위에 있었던 위치 주위에서 최소 Oi 값을 갖는 비단조적인 것으로 밝혀졌다. 추가적으로, 모델 결과들은 MGP가 용융물 없는 표면 80 mm 아래에 있었던 조건 및 용융물 없는 표면 80 mm 위에 있었던 조건 하에서 성장된 잉곳들로부터의 실험적 Oi 측정결과들과 비교된다(다른 공정 조건들은 모델과 실험들 사이에서 유사하게 유지되었다). 절대 Oi 값들이 상이하지만, 모델은 실험적으로 관찰된 MGP 위치에 관해 Oi에서의 방향 추세를 따랐다.
예 2: 도가니 카운터 회전 속도의 Oi 농도에 대한 영향
도가니 카운터 회전 속도는 0.6 RPM으로부터 1.6 RPM으로 증가되었다. 모델은 수직 중심 평면의 흐름 구조들이 뚜렷한 변화를 겪었음을 예측했다. 도 13에 도시된 바와 같이, 부력 셀은 압착(squeeze)되었고 결정 회전에 의해 구동되는 테일러-프라우드맨 셀은 후자의 경우에 용융물의 대부분을 점유했다. 흐름은 주로 중심에서 위쪽으로 향하여 도가니 바닥에서부터 잉곳으로의 산소의 이동을 향상시킨다. 추가적으로, 부력 셀은 용융물 표면에 노출되지 않아 SiO 증발 속도들의 초킹(choking)을 초래한다. 이들 효과들은, 도 14에 도시된 바와 같이, 후자의 경우에 더 높은 산소 레벨들을 초래하며, 이는 아래에 도시된 실험적 관찰들과 일치한다.
표 1: 모델 및 실험 값들의 비교
예 3: 자기장 세기의 Oi 농도에 대한 영향
이제 도 15를 참조하면, 모델은 자기장 세기가 증가함에 따라 Oi의 비단조적인 동작을 예측한다. 자기장을 증가시키는 것은 도가니/용융물 계면(용해 속도 감소) 및 용융물/가스 계면(증발 속도 감소) 둘 다에서 경계 층 두께에 영향을 미치는 용융물 대류 및 난류를 억제하는 역할을 한다. 최적 장 세기들에서, 결과적인 용융물 흐름은 도가니 용해 속도들을 지연시키는 반면, 상대적으로 증발 속도들에 영향을 주지 않아, 낮은 Oi를 산출한다. 도 15에 도시된 바와 같이, 자기장 세기를 0.22T로 감소시키는 것은 잉곳에서 산소 농도를 감소시켰다.
예 4: MGP 위치 및 도가니 회전 속도의 Oi 농도에 대한 영향
두 개의 300 mm 잉곳들이 약 3000 가우스의 일정한 자기장 세기에서 성장되었다. 도가니 회전 속도는 양 잉곳들에 대해 -2 RPM(즉, 역회전)으로 일정하게 유지되었다. "잉곳 1"은 용융물 없는 표면 130 mm 아래의 MGP(-130 mm MGP)에서 성장되었고 "잉곳 2"는 용융물 없는 표면 80 mm 위(+80 mm MGP)에서 성장되었다. 아래의 표 2에서 도시된 바와 같이, 더 낮은 산소는 +80 mm의 더 높은 MGP로 성취되었다.
"잉곳 3"은 또한 약 3000 가우스의 일정한 자기장 세기에서 성장된 300 mm 잉곳이었다. 잉곳 3은 +80 mm의 MGP로 성장되었고 도가니 회전 속도는 -0.1 RPM으로 감소되었다. 잉곳 2 및 잉곳 3을 비교할 때 보인 바와 같이, 도가니 회전 속도가 -0.1 RPM으로 낮추어졌을 때 더 낮은 산소가 성취되었다.
표 2: 상이한 MGP 및 도가니 회전을 이용한 Oi의 비교
본 개시에서 사용되는 바와 같이, "약", "실질적으로", "본질적으로" 및 "대략적으로"라는 용어들은 치수들, 농도들, 온도들 또는 다른 물리적 또는 화학적 성질들 또는 특성들의 범위들과 연계하여 사용될 때 예를 들어, 반올림, 측정 수법 또는 다른 통계적 변동으로 인한 변동들을 포함하여 성질들 또는 특성들의 범위들의 상한 및/또는 하한에 존재할 수 있는 변동들을 포함하기 위한 것이다.
본 개시 또는 그 실시예(들)의 엘리먼트들을 도입할 때, 관사들("a", "an", "the")과 "상기"는 하나 이상의 엘리먼트들이 존재함을 의미하도록 의도된다. "포함하는"("comprising", "including", "containing,") 및 "가지는"("having")이란 용어들은 포괄적인 것으로 의도되고 열거된 엘리먼트들 외의 추가의 엘리먼트들이 있을 수 있음을 의미한다. 특정 배향(예컨대, "상단", "하단", "측면" 등)을 나타내는 용어들의 사용은 설명의 편의를 위한 것이고 설명되는 항목의 임의의 특정 배향을 요구하지는 않는다.
다양한 변경들이 본 개시의 범위로부터 벗어남 없이 위의 구성들 및 방법들에서 이루어질 수 있으므로, 위의 설명에 포함되고 첨부 도면(들)에 도시된 모든 사항들은 예시적인 것이며 제한하는 의미는 아닌 것으로 해석되어야 하는 것으로 의도된다.
Claims (11)
- 실리콘 잉곳을 생산하는 방법으로서,
용융물 ― 상기 용융물은 용융물 없는 표면을 가짐 ― 을 형성하기 위해 진공 챔버에 에워싸인 도가니에서 다결정 실리콘을 용융하는 단계;
상기 진공 챔버 내에 수평 자기장을 생성하는 단계;
시드 결정을 상기 용융물에 담그는 단계;
상기 실리콘 잉곳을 형성하기 위해 상기 용융물로부터 상기 시드 결정을 인상하는 단계; 및
상기 실리콘 잉곳에서 산소 농도를 줄이기 위해 복수의 공정 파라미터들 ― 상기 복수의 공정 파라미터들은 상기 도가니의 벽 온도, 상기 도가니에서부터 상기 실리콘 잉곳으로의 일산화규소(SiO)의 이동, 및 상기 용융물로부터의 SiO의 증발 속도를 포함함 ― 을 동시에 조절하는 단계
를 포함하며,
복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 단계는 상기 용융물 없는 표면 위의 상기 수평 자기장의 최대 가우스 평면의 위치를 유지하는 단계를 포함하는,
방법. - 제1항에 있어서, 상기 최대 가우스 평면은 상기 용융물 없는 표면의 적어도 20 mm 위 또는 상기 용융물 없는 표면의 적어도 40 mm 위, 상기 용융물 없는 표면의 적어도 60 mm 위, 또는 상기 용융물 없는 표면에서부터 상기 용융물 없는 표면의 150 mm 위까지의 위치에서 유지되는, 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 단계는 0.4 테슬라 미만, 또는 0.35 테슬라 미만, 0.3 테슬라 미만, 0.25 테슬라 미만 또는 0.15 테슬라 내지 약 0.4 테슬라의 자속 밀도에서 상기 수평 자기장을 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 단계는 상기 잉곳이 회전되는 방향과 반대로 상기 도가니를 회전시키는 단계를 포함하며, 상기 도가니는 0.1 RPM 내지 5.0 RPM 범위의 속도로 회전되는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 단계는 상기 잉곳이 회전되는 방향과 반대로 상기 도가니를 회전시키는 단계를 포함하며, 상기 도가니는 0.1 RPM 내지 1.6 RPM 범위의 속도로 회전되는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 단계는 상기 잉곳이 회전되는 방향과 반대로 상기 도가니를 회전시키는 단계를 포함하며, 상기 도가니는 0.1 RPM 내지 1.2 RPM 범위의 속도로 회전되는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 단계는 상기 잉곳이 회전되는 방향과 동일한 방향으로 상기 도가니를 회전시키는 단계를 포함하며, 상기 도가니는 0.1 RPM 내지 5.0 RPM 범위의 속도로 회전되는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 단계는 상기 잉곳이 회전되는 방향과 동일한 방향으로 상기 도가니를 회전시키는 단계를 포함하며, 상기 도가니는 0.7 RPM 내지 5.0 RPM 범위의 속도로 회전되는, 방법.
- 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 공정 파라미터들을 동시에 조절하는 단계는 상기 잉곳이 회전되는 방향과 동일한 방향으로 상기 도가니를 회전시키는 단계를 포함하며, 상기 도가니는 1.2 RPM 내지 5.0 RPM 범위의 속도로 회전되는, 방법.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 잉곳은 300 mm 이상의 직경을 가지는, 방법.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 실리콘 잉곳은 300 mm의 직경을 가지는, 방법.
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