KR920009562B1 - 실리콘 단결정의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

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Description

실리콘 단결정의 제조방법 및 제조장치

제1도는 본 실시예에 관한 실리콘 단결정의 인양장치의 종단면도.

제2도는 도우프제완충용벽의 효과를 설명하는 그래프도.

제3도는 도가니의 중심부와 주변부에 있어서의 실리콘 용융액 농도의 시간경과를 나타낸 그래프도.

제4도는 실리콘 단결정의 길이방향의 결정 저항율의 변화를 나타낸 도면.

제5도는 도가니안의 용융농도를 나타낸 도면,

제6도는 용융액의 초기농도를 낮게하였을 경우의 결정 저항율의 변화를 나타낸 그래프도.

제7도는 실시예와 종래법의 결정인 길이방향의 결정 저항율 분포를 나타낸 도면.

제8도는 도우프제공급장치의 구성개념도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 실리콘 단결정(單結晶) 2 : 실리콘 용융액

3 : 도가니 4 : 완충용벽(緩衝用壁)

5 : 소공(小孔) 6 : 실리콘 원료

7 : 실리콘 원료 공급장치 8 : 도우프제(dope 劑)공급판

9 : 도우프제 공급장치 10 : 도우프제칩(chip)

11 : 실리콘 단결정 인양장치 12 : 계산기

19 :실린더 92 : 피스톤

A : 중심부 B : 주변부(周邊部)

본 발명은 쵸크라르스키법(이하 CZ법이라 한다)에 의한 실리콘 단결정의 제조법에 관한 것으로, 특히 연속 인양할 경우의 도우프제의 결정의 도우프제농도의 조정법에 관한 것이다.

CZ법에 의한 배치 (batch)형 실리콘 단결정의 제조방법은, 종래로부터 이루어지고 있으며, 대략 완성된 기술이다. 그러나 동 배치형 실리콘 단결정의 제조에 있어서는, 그 제조방법의 특성으로부터 실리콘 단결정이 인양되어 성장함에 따라 도가니속의 용융액량이 감소함과 동시에 도우프제의 편석계수가 1보다 작기 때문에, 잔여융용액속의 도우프제농도가 증가하여, 인양되어서 성장하는 실리콘 단결정속에 혼합되는 도우프제농도로 길이방향으로 점차 증가한다. 이 때문에 제조된 실리콘 단결정체의 품질이 길이방향으로 잇따라서 변동한다고 하는 문제가 있었다. 즉, 상기한바 도우프제의 편석(偏析)때문에, 실리콘 단결정의 전기저항률은 응고가 끝남에 따라서 점차로 저하하여, 예컨대 가장 설명서가 엄격한 C-MOS형 IC용인 경우, 동 설명서를 만족하는 실리콘 박판의 원료의 분량이 줄지않고 남는 분량은 실리콘 단결정체의 길이의 약 40%이하이였다.

이와 같은 문제를 해결하는 방법으로서, 실리콘 원료 및 도우프제를 도가니에 연속적으로 또는 간헐적으로 공급하여, 용해함에 따라, 인장되는 실리콘 단결정의 길이방향의 도우프제농도를 일정하게 하는 연구가 옛부터 알려져 있다. 실리콘 원료 및 도우프제를 도가니에 연속적으로 공급하면서 실리콘 단결정을 인양장치로서, 일본국 특개소 58-130195호 공보가 있다. 본 발명은 석영도가니를 2중구조롤 함과 동시에, 안쪽의 도가니의 필요한 개소에 슬릿형상의 구멍을 천설하고, 또한 바깥쪽도가니와 안쪽도가니 사이에 실리콘 원료공급관 및 도우프제공급관을 용융액면에 수몰하도록 삽입설치하여 실리콘 단결정을 인양함에 따라서 연속적으로 실리콘 원료 및 도우프제를 공급하다 . 또, 도우프제공급장치의 한 예로서, 일본국 특개소 61-132585호, 특개소 61-163188호 공보에 게재된 발명이다. 전자의 발명은, 가열로의 상부에 설치된 도우프제입장치에 미리 소정중량의 도우프제를 설정하여 두어, 도가니안의 실리콘 원료가 용해한 다음, 동 도우프제를 투입하도록 한 것이다.

또 후자의 발명은, 가열로안에 고농도로 두우프된 실리콘 가는 막대를 배설하여, 실리콘 가는 막대(細棒)→실리콘용액→실리콘 단결정→전원→실리콘 가는 막대의 전기루우프를 형성한다. 그리고, 동 전기루우프에 따라서 실리콘 가는 막대와 실리콘용액의 액면과의 접촉을 검출하면서 실리콘 가는 막대를 실리콘액속에 침지시켜, 실리콘용액의 도우프제농도를 조정하도록 한 것이다.

그러나, 전술한 발명(일본국 특개소 58-1309195호 공보)에서는, 다음과 같은 문제가 있었다. 즉, (1) 실리콘 원료 및 도우프제가 안쪽도가니의 바깥쪽으로 공급되기 때문에 안쪽도가니안의 용융액의 대류를 흩뜨리리는 일은 없다고 하지만, 안쪽도가니에 천설된 비교적 큰 슬릿형상의 구멍을 통하여 안쪽의 용융액과 바깥쪽의 용융액은 항상 왕래하여, 안쪽도가니의 용융액온도는 안쪽도가니의 바깥쪽의 고온의 용융액 온도와 마찬가지 용용액 온도로 되어, 실리콘 단결정을 인양하기 어렵게 됨과 동시에, 도우프제 농도도 안쪽도가니의 내외에서 동일농도로 되기 때문에, 도우프제의 공급이 간헐적으로 되면 될수록, 실리콘 단결정의 길이방향의 온도변동은 커진다. 이것을 방지하기 위하여는 도가니안 용융액의 도우프제농도를 일정하게 유지하도록 연속적으로 도우프제를 계속 공급하지 않으면 아니된다. 이것에는 상당히 저농도의 도우프제를 다량으로 필요로 하여, 도우프제의 제조는 현실적은 아니다.

(2) 도우프제공급관의 출구가 안쪽도가니의 바깥쪽에 수몰한 상태로 되어 있기때문에, 공급한 도우프제는 용융액에 수몰한 부분의 공급관내에 일단용융 축적되어 있다. 공급한 도우프제의 량에 대응한 분만큼 공급관 출구로부터 도우프제용융액이 유출하는 것이라면 문제없으나, 열대류, 강제대류등으로 공급관내의 도우프제 용융액의 그바깥쪽의 용융액과 교체하는 것과 같은 현상이 일어나면 실리콘 단결정의 도우프제 농도의 균일성을 저해한다고 하는 문제가 있었다.

이상과 같은 이유에 따라, 상기한 발명은 아직 실용화되어 있지 않다.

일본국 특개소 61-132585호 공보에 게재된 발명은, 미리 도우프제의 중량을 측정하여 투입장치에 설정하고, 이것을 실리콘 용융액에 투입하도록 한것이며, 1회만의 도우프제의 투입은 가능하다. 그러나, 전술한 바와 같이 실리콘 원료를 공급하면서 실리콘 단결정을 연속적으로 끌어올리는 방식의 장치에 있어서, 도우프제를 정기적, 정량적으로 투하하는 경우에는, 그 구조상, 도우프제의 공급을 단속하는 경우에 정량성에 결어되기 때문에 상기한 방식의 장치에 적용하는 것은 곤란하다.

또, 일본국 특개소 61-163188호 공보에 게재된 발명은, 실리콘 가는 막대를 실리콘 용융액에 침지하여 융해하는 경우, 실리콘 용융액의 액면에 물결이 이는 경우가 있기 때문에 실리콘 가는 막대에 융해량에 불균형이 발생한다고 하는 문제가 있었다. 이러한 불균형을 흡수하기 위하여는, 실리콘 가는 막대의 도우프제농도를 낮게하여, 침지량을 많게 하는 것도 생각할 수 있으나, 전술한 장치에 적용하는 경우는, 상당량의 실리콘 가는 막대를 연속적으로 융해시킬 필요가 있으며, 실리콘 가는 막대의 채워 넣음(裝塡), 융해면에서 예상되는 실리콘 용융액의 응고등, 기술적으로 곤란한 문제가 많다.

본 발명은 그와 같은 사정에 비추어 이루어진 것으로, 원료를 연속적으로 삽입하는 실리콘 단결정 인양방법에 있어서, 단 결정의 육성을 저해하지 않고, 실리콘 원료를 확실하게 용해시켜, 인양방향의 도우프제농도가 대략 일정한 실리콘 단결정을 제조할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한 것이다.

(1) 본 발명의 실리콘 단결정의 제조방법은, 실리콘 원료 및 도우프제를 연속공급하면서, 실리콘 단결정을 육성하는 쵸크라르스키법에 있어서, 실리콘 용융액을 보전하는 도가니안에 완충용벽을 지녔으며, 동 완충용벽에 의하여 용융액을 실리콘결정을 육성하는 영역인 중심부와, 실리콘 원료 및 도우프제를 공급하는 영역인 주변부로 나누어져, 동 주변부의 용융액면상에 실리콘 원료 및 도우프제를 공급하여, 전술한 완충용벽에 설치한 미소한 소공을 통하여 주변부로부터 중심부에 한방향으로 실리콘 용융액의 흐르도록하여, 육성되는 실리콘 단결정 중량 또는 공급된 실리콘 원료의 중량으로부터 중심부의 용융액의 도우프액 농도를 측정하여, 주변부의 용융액으로의 도우프제첨가시작 및 도우프제첨가량을 예측하고, 반복 첨가함에 따라서, 안쪽 용유액의 도우프액 농도를 미리 설정된 범위내에 유지하는 것을 특징으로 한다.

또, 인양된 실리콘 단결정의 길이방향의 저항율의 변동범위가 1% 이하이고, 또한 동 실리콘 단결정의 길이방향의 산소농도의 변동범위가 3% 이하임을 특징으로하고 있다.

나아가서, 도가니안의 실리콘 용융액의 도우프제초기농도를 실리콘 단결정의 목표농도보다 낮게 하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 도우프제농도가 이미 알려져 있는 실리콘 박판 칩을 정형(定形)으로 절단하여, 도우프제로서 사용하는 것을 특징으로 한다.

(2) 그리고 실리콘 단결정의 제조장치는, 실리콘 원료 및 도우프제를 연속공급하면서, 실리콘 단결정을 육성하는 쵸크라르스키법에 있어서, 실리콘 용융액을 유지하는 도가니와 이 도가니내의 실리콘 용유액을 실리콘 단결정을 함유하는 중심부와 그 외부의 주변부로 나누어, 하부에 미소한 소공을 지닌 완충용벽과, 용융액 농도의 편력 및 미래를 모의하는 계산기와, 실리콘 단결정의 인양, 실리콘 단결정의 인양중량을 측정하고, 동 인산중량의 신호를 계산기에 보내는 실리콘 단결정 인양장치와, 실리콘 원료를 전술한 도가니 주변부의 용융액면상에 공급하여, 그 공급량을 측정하여 그 신호를 계산기에 보내는 실리콘 원료 공급장치와, 계산기로부터 지령에 의하여, 도우프제를 도가니 주변부에 공급하는 도우프제공급장치등으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또, 도우프제공급장치는, 일단이 개구하여 내부에 여러개의 동일농도, 동일중량으로 정량성이 극히 높은 도우프제칩이 삽입되어 가열로의 바깥쪽으로 개구부를 상방으로 하여 경사지게 배치된 실린더와, 동 실린더의 피스톤 및 피스톤의 구동장치와, 일단이 실린더의 개구부에 근접하고 타단이 도가니의 분할의 바깥쪽의 실리콘 용융액의 액면에 근접하여 배설된 투입관등을 구비한 것을 특징으로 하고 있다.

도가니안을 완충용액으로 분할하고, 동 벽의 바깥쪽의 용융액면상에 도우프제를 공급하므로 동 벽의 바깥쪽의 용융액전체를 사용하여 도우프제를 신속하게 용해, 확산할 수 있고, 또한 공급한 도우프제를 함유한 동 용융액은 상기한 벽에 설치되어 있는 미소한 소공을 통하여서만 바깥쪽에서 안쪽으로 실질적으로 한방향으로 서서히 인양되는 실리콘 단결정량만큼 이동하므로 동 벽의 안쪽의 용융액의 도우프제농도변동은, 바깥쪽에서 일단 희석되어 있으므로, 대단히 완화된다.

또, 육성된 실리콘 단결정중량, 원료실리콘 공급량 및 도우프제공급량으로부터, 안쪽 용융액의 도우프제농도를 계산추정하면서 도우프제첨가시각 및 도우프제첨가량을 예측하여, 안쪽용융액의 도우프제농도를 미리 설정된 범위로 유지하므로, 초기에서 정상상태에 이르기까지의 실리콘 단결정의 직경변동, 인양속도 변동에도 충분히 좋은 정밀도로 추적할 수 있고, 실리콘 단결정의 길이 방향의 도우프제농도변동을 감소하여, 고품질의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.

도가니안의 실리콘 용융액의 도우프제의 초기농도를 인양실리콘 단결정의 목표농도보다 낮게 하였으므로 실리콘 단결정의 정형부에 들어가고 나서 보다 단시간에 정상농도에 도달할 수 있다.

도우프제공급장치는, 구동장치에 따라 피수톤을 일정한 스트로우크 전진시킴에 따라, 실링콘 박막을 정밀하게 절단한 정량성이 극히 높은 도우프제칩을 1개 또는 2개이상 실린더로부터 압출하여, 투입관으로부터 실리콘 용융액속에 낙하시킨다. 피스톤을 정지시키면 도우프제칩의 투입은 끝난다.

이와 같이, 도우프제로서 실리콘 박판 칩을 사용하였으므로, 그 낮은 효율 즉, 도우프제농도 및 도우프제중량을 정확히 파악할 수 있고, 정량성도 극히 양호하게 된다.

본 실시예를 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 제1도는 본 실시예에 관한 실리콘 단결정 인양장치의 종단면도이다.

본 도면에서 (1)은 인양되는 실리콘 단결정, (3)은 실리콘 용융액(2)을 보존하는 석영으로된 도가니, (4)는 도가니(3)안의 용융액을 안쪽으로 가르는 석영으로된 완충용벽으로서, 실리콘 단결정(1)을 둘러싸서 설치되었으며, 하부에 미소한 소공(5)을 지니고 있다. (6)은 입상의 실리콘 원료로서, 동 실리콘 원료를 실리콘 원료공급장치(7)에 따라, 도가니(3)안 용융액면상으로 공급된다. (10)은 도우프제로서 도우프제 공급관(8)및 도우프제공급장치(9)에 따라 도가니(3)내에 공급된다. 또, (11)은 실리콘 단결정 인양장치로서, 실리콘 단결정(1)의 인양, 회전 및 중량측정의 기능을 지니고 있다. (12)는 실리콘 원료 공급장치(7), 도우프제 공급장치(9) 및 단결정 인양장치(11)로부터 신호를 받아서, 단결정 인양중에 계산을 하여, 도우프제투입의 제어를 하는 계산기이다. 또, (13)은 실리콘 용융액의 온도측정기, (14)는 도가니를 가열하는 히이터, (15)는 챔버이다.

이상과 같이 구성된 실리콘 단결정 인양장치의 작용에 대하여 설명한다. 동 장치는 실리콘 원료를 연속적으로 삽입하면서, 실리콘 단결정을 연속적으로 인양하는 방법에 사용된다.

도가니(3)에 설치된 완충용벽(4)에 따라, 실리콘 용융액(2)은 실리콘 단결정을 함유하는 중심부(A)와 바깥쪽의 주변부(B)로 나누어진다. 실리콘 원료(6) 및 도우프제(10)는 주변부(B)의 용융액면위에 각기 실리콘 공급장치(7), 도우프제공급장치(9)에 의하여 실리콘 단결정(1)의 인양속도에 상응한 량이 공급된다. 공급된 실리콘 원료(6) 및 도우프제(10)는 도가니(3)의 옆쪽에 배치된 히이터(14)에 따라 고온화된 주변부(B) 영역의 용융액으로 용해되어, 완충용벽(4)에 설치된 미소한 소공(5)을 통하여 실리콘 용융액(2)은 주변부(B)로 부터 중심부(A)에 조용히 흘러, 양자의 액면은 항상 동일레벨로 된다. 더우기, 본 실시예에서는 미소한 소공의 직경과 수는 5mm와 2개로 하였다. 완충용액(A)의 두께는 8mm이 있다.

실리콘 공급장치(7) 및 도우프제공급장치(8)는 각기 실리콘 원료(6), 도우프제(10)를 도가니(3)의 주변부(B)의 용융액면상에 공급한다. 본 실시예에서는 제1도에 나타낸 바와 같이, 실리콘 원료와 다른 경로에서 도우프제를 투입하고 있으나, 동일경로에서 투입할 수 있다. 이렇게하는 것이 고순도의 실리콘 원료와 도우프제가 대략 같은 위치에서 용해하므로, 주변부(B)의 도우프제 농도편성을 보다 작게 억제할 수 있다.

제8도는 도우프제공급장치의 실시예의 모식도이다. (9)는 본 발명에 있어서의 도우프제공급장치로서, (91)은 경사지게 배치되어 선단부가 개구한 실린더, (92)는 피스톤, (93)은 로드(94)를 개재하여 피스톤(92)에 연결된, 예컨대 솔레노이드와 같은 피스톤(92)의 구동장치이다.

(8)은 도우프제의 투입관으로서, 일단은 실린더(91)의 개구부에 근접하였고, 타단은 실리콘 용융액의 액면에 근접하여 배치되어 있다. (10)은 실린더(91)내에 장착하여 넣은 동일형상, 동일중량, 동일농도의 도우프제칩이다.

이거시은 단결정 실리콘 마갯로부터 잘라낸 박판형상의 판재를 소재로 하여 사용하였으며, 이때문에 낮은 효율 및 두께는 고정밀도로 이미 알려지게 된다. 그리고 동 박판을 데바이스공정에서 사용되는 다이서로 각판상(角板狀)으로 칩화하기 위하여 고정밀도로 정형화할 수 있다.

실린더(91) 및 투입관(8)은, 도우프제칩(10)와의 마찰이 적고, 또한 불필요한 불순물이 발행하지 않는 재료(예컨대 실린더는 순수한 다결정실리콘, 투입관은 석영유리)로 구성되어 있다.

다음에, 상기와 같이 구성한 도우프제의 공급장치(9)의 작용을 설명한다. 먼저, 피스톤(92)을 후퇴시켜서, 실린더(91)내에 도우프제칩(10)을 충전하다. 도우프제칩(10)을 투입할때는, 구동장치(93)를 작동시켜서 피스톤(92)을 서서히 전진시킨다. 이에 따라, 도우프제칩(10)전체가 밀어올려져서, 최선단의 도우프제칩(10)이 실린더(91)로부터 떨어져 넘쳐 흘러서, 투입관(8)을 거쳐서 도가니안으로 낙하한다. 더우기, 도우프제칩(8)의 형상, 실린더(91)의 경사각도등은 도우프제칩(8)이 1개씩 분리하여 낙하할 수 있도록 조정한다.

필요한 수만큼 투하하였을때는, 피스톤(92)의 전진을 정지시키거나 약간 후퇴시킴에 따라, 투하를 중지할 수 있다. 이것들 피스톤(92)의 전진후퇴의 스트로우크, 작동시간등은 이송량제어장치에의하여 제어된다.

또, 도우프제의 공급은, 계산기(12)가 실리콘 공급장치(7) 및 단결정 인양장치(11)로 부터의 신호를 받아서, 축차 도우프제의 공급량, 도우프제의 공급시각을 계산하여, 동 신호를 받아서 도우프제공급장치에 따라 도우프제공급관(8)을 통하여 실행할 수 있다.

다음에 완충용벽에 대하여 설명한다.

제2도는 도우프제완충용벽의 비교를 나타낸 그래프도이다. 종래의 내외용융액이 혼합하는 타입의 벽을 사용하였을 경우와, 벽의 내외용융액이 극단으로 혼합하기 어려운 본 발명의 도우프제완충용벽을 사용한 경우이다. 10¹⁹atom/g의 농도를 지닌 도우프제칩을 일정시간마다에 일정량씩 용융액면에 공급하는 경우(제2a도 및 제2c도), 종래의 타입에서는, 벽내외의 용융액은 용이하게 혼합하기 때문에, 실리콘 단결정 인양부의 용융액의 도우프제농도는 벽의 바깥쪽의 도우트제 칩을 공급하는 용융액부의 도우프제농도와 대략 같으며, 제2도 에 나타낸 바와 같이

7.0×10¹⁴∼7.5×10¹⁴atom/g

만큼 크게 변동한다. 동 변동폭은 약 7%이다. 한편, 본 발명과 같이 완충용벽의 내외에서 용융액기의 혼합이 없는 경우에는, 충격용벽의 바깥쪽의 용융액에서는 제2a도 에 나타낸 바와 같이,

4.24×10¹⁴∼7.07×10¹⁴atom/g

만큼 도우프제 농도는 크게 변동한다지만, 실리콘 단결정부의 용융액의 도우프제농도는 제2e도 에 나타낸 바와 같이,

7.20×10¹⁴∼7.28×10¹⁴atom/g

만큼 변동폭이 억제된다. 동 변동폭은 약 1%이다. 이것은 완충용벽의 바깥쪽의 용융액에 따라 고농도의 도우프제칩이 일단회석되어, 이렇게 희석된 용융액이 미소한 소공으로부터 서서히 tlf리콘 단결정이 인양부에 이동하기 때문이며, 미소한 소공으로부터 이동하는 이러한 회석용융액은, 마치 종래파이프의 경우의 저농도 도우프제칩을 상당히 연속하여 공급하였을 경우에 상당하고 있다

더우기, 종래 타입으로 실리콘 단결정 인양부의 도우프제농도변동을 본 실시예와 같은 정도로 억제하려 하면, 극히 저농도의 도우프제칩을 상당히 연속적으로 공급을 계속하지 않으면 얻을 수 없다.

이와 같은 극히 저농도의 도우프제칩을 다량으로 준비하는 것은 현실적은 아니다.

다음에, 실리콘 단결정의 도우프제농도의 조정방법에 대하여 설명한다.

제1도에 나타낸 실리콘 단결정 제조장치에 관한 시뮬레이션 모델 (simulation model))을 계산기(2)에서 작성한다. 조업초기에 시뮬레이션 모델에는, 전체 실리콘 용융액량, 중심부(A)와 주변부(B)의 용융액량의 비가 입력된다.

조업중, 계산기(12)는 실제의 결정인양량, 원료실리콘 공급량 및 도우프제의 첨가량을 항상입력해 두어 이러한 량에 기초하여 시뮬레이션모델에서, 현재의 결정인양영역(중심부 A)의 용융액의 농도 및 미래의 용융액의 온도변화를 예측한다. 그위에서 용융액 농도가 목표범위에 수납되도록, 다음회의 도우프제최적량과 시각이 결정되어, 첨가후에는 마찬가지 동작이 반복된다. 이상의 동작을 조업초기로 부터 1-5회 정도 반복함으로서 조업은 정상사태로 이행한다.

정상상태 함은 결정이 일정한 지름, 일정한 속도로 인양되면서, 원료실리콘의 연속공급과 도우프제의 첨가에 따라서 주변부(B)의 농도의 평균의 결정의 도우프제 농도(Cs)와 마찬가지로되어, 중심부(A)의 농도가 Cs의 1/K배(K는 도우프제의 평균분배계수 : 예컨대 붕소(B)에서는 K=0.8로서 안정한 상태를 말한다.

더우기, 이상의 동작은 필연적으로, 육성된 결정의 중량과 목표저항률을 유지함에 필요한 도우프제와의 수지가 합치하는 작용도 포함되어 있다.

그런데, 단결정의 인양과 실리콘 원료의 공급은 본 발명과는 다른 계산법(algorthm)으로 제어되어 있으며, 계산기(12)는 이에 대하여는, 그 결과를 입력으로서 받아들이는 것 뿐이다.

도우프제(10)가 투입된 직후는, 주변부(0의 실리콘 용융액92)의 도우프제농도가 상승하고, 이어서 시간가 함께 하강하여, 이것이 도우프제투입할때마다 반복된다.

이러한 모습을 나타낸 것이 제3도의 그래프(b)이다.

실리콘 단결정의 인양되는 중심부(A)에는 농도완충벽(4)에 설치된 미소한 소공(5)을 통하여 주변부의 실리콘용 용액(2)이 한방향으로 조용히 유입하므로, 제3도의 그래프(a)에 나타내고 있는 바와 같이 중심부(B)의 용융액 농도의 변동은 거의 볼 수 없었다.

제4도에 종래법과 본 실시예에 의한 결정의 저항률의 분포의 상이한 비교를 나타내고 있다.

결정농도가 낮은 편이 결정저항률이 높은 관계에 있다.

제4도의 그래프(C)는 본 실시예로서, d는 종래법이며, 각기 완충용벽의 유무에 대응한 것으로서, 동 제4도로부터 양자의 정상상태에 있어서의 결정저항률의 변화를 비교함에 따라, 완충용벽의 효과가 명확히 이해된다.

다음에, 실리콘 단결정(1)의 인양초기의 교배(mating)로부터, 비정상부를 거쳐 정상부에 이행하기까지의 과도기에 있어서의 도우프제농도의 변화에 대하여 설명한다.

조업초기에는 중심부(A)와, 주변부(B)의 용융액은 링의 소공을 통하여서의 확산, 혼합에 의하여 같은 농도로되어 있으며, 만일 초기용융액 농도에 통상의 CZ법에서의 값을 이용하면 결정의 도우프제농도는 과잉으로 짙게 변화하여 버려서, 정상상태에의 이행에 시간이 걸린다.

이러한 현상을 제5도에서 설명한다.

제5도는 도가니안의 용융농도를 나타낸 도면으로, (a)는 정상상태에서의 각부의 농도를 나타낸 도면으로서, (b)는 초기상태에서의 각부의 농도를 나타낸 도면이다.

간단하기 때문에 중심부(A)의 용융액 농도를 1.0으로 하고, 각부의 농도를 상대치로 나타내고 있다.

예로소 도우프제의 편석계수(K)를 0.8로 하였다.

연속인양의 정상상태에서 주변부(B)의 농도는 Si결정농도와 같고, 즉, 중심부(A) 보다 (K)배만큼 낮아진다(제5a도 참조), 한편, 초기에는 중심부(A)와 주변부(B)는 같은 농도로 되어 있다(제5b도 참조).

따라서, 초기에 있어서는, 주변부(B)의 농도가 정상상태에 있어서의 농도보다 진하게 되어 있는 만큼, 용융액 전체에서 도우프제량이 과잉으로 되어 있다.

그때문에, 조업초기에 있어서의 중심부(A)의 농도를 통상의 값(1.0의 상대치)으로 하면, 정상상태에 이 행하기까지에, 과잉으로 농화(濃化)하는 영역을 거치기 때문에 결정의 두부에 불필요한 부분이 발생한다(제4도 참조).

따라서, 초기농도를 낮게 설정하므로서, 중심부(A)의 과잉의 농화를 억제하여, 정상상태로의 이행시간을 짧게 할 수 있다.

본 실시예에 있어서는 초기농도를 CZ법 보다 낮게 설정함에 따라 일직 장상상태로 하는 것을 나타내고 있다.

제6도와 제4도의 그래프(C)는 같은 조건에서 초기농도만을 바꾼 것으로, 전자는 초기용융액 농도를 후자의 경우보다 2.5% 낮게 하여, 후자가 통상의 CZ법과 같이 초기농도를 설정한 것으로, 상기 양도면의 비교로부터 후자의 편이 정상상태로 도달하기 까지의 시간이 길다는 것을 나타내고 있다. 더우기, 본 실시예에서는 도우프제로서 실리콘 박판 칩을 사용하였으나, 이것은 그 결정의 저항률, 중량을 측정함으로서 함유한 도우프제량을 정확히 알 수 있으므로, 정량성이 극히 뛰어나 있다.

전술한 실리콘 박판 칩은 1의의 공급량을 적절한 것으로 함에 따라, 도가니(3)의 주변부(B)에 투입하면 신속하게 용해한다.

또, 제1도에 나타낸 실리콘 단결정의 제조장치는, 제4도에 나타낸 바와 같이 완충용벽(4)에 따라, 도가니 주변부(B)에 공급된 도우프제에 의한 용융액의 농도변화는, 도기니 중심부(A)에서 평준화되므로, 도우프제의 공급방법으로서 전술한 방법의 밖에도, 도우프제의 함유된 실리콘 막대를 도가니의 주변부에 침지하여 순차 용해하는 방법을 채용하는 것도 가능하다.

다음에 본 실시예의 구체적인 수치를 들면, 실리콘 단결정(1)은 직경 150mm, 목표저항률 10Ω·cm로서 인양속도는 0.5-1mm/min정도이다.

실리콘원료(6)는 지름이 0.5-3mm의 입상의 순수한 실리콘으로 하였다.

도우프제(10)는 5mm 각(角), 525두께, 저항률 0.01Ω·cm의 실리콘 박판 칩이고, 결정인양속도1mm/min의 정상상태에서는 20-40분에 1의, 7-8개의 칩을 투입하였다.

이에 따라 얻어진 실리콘 단결정의 정상부의 길이방향의 저항률의 변동폭은 목표치의 1% 이하로 충분히 억제할 수 있고, 또, 산소농도의 변동폭도 3% 이하에서 충분히 억제되며, 종래법에 비하여 고품질의 실리콘 단결정을 제조할 수 있었다. 제7도는 본 실시예와 종래법의 결정의 길이방향의 저항률 분포를 나타낸 도면으로 , (a)는 본 실시예에서, (b)는 종래법이다.

본 도면으로부터 명백한 바와 같이 결정전체에 있어서의 제품으로서의 허용저항률에 대한 수율을 극히 높일 수 있다. 여기에서 허용치리함은 결정저항률로서 약 10Ω·cm이다.

본 발명에 의하면, 도가니안에, 실리콘 원료의 공급량, 인양된 실리콘 단결정의 중량으로부터 시뮬레이션 계산에 따라, 도우프제의 공급량과 도우프제의 공급시각을 구하고, 이에 따라서 동일농도, 동일중량의 도우프제를 농도완충벽의 바깥쪽 용융액면에 공급하므로, 정량성이 극히 높아서 단결정의 육성이 저해되는 일이 없고, 도우프제농도가 일정하여, 성장방향으로 저항률이 균일한 실리콘 단결정을 얻을 수 있어, 실리콘 단결정의 전체에 있어서의 목표저항률에 대한 수율을 높일 수 있다.

Claims (6)

1. 실리콘 원료(6) 및 도우프제를 연속공급하면서, 실리콘 단결정(1)을 육성하는 쵸크라르스키법에 있어서, 실리콘 용융액(2)을 보존하는 도가니(3)안에 완층용벽(4)을 지니고, 동 완층용벽(4)으로 용융액을, 실리콘을 결정육성하는 영역인 중심부(A)와, 실리콘 원료(6) 및 도우프제를 공급하는 영역인 주변부(B)로 나누고, 동 주변부의 용융액면상에 실리콘 원료 및 도우프제를 공급하여, 전술한 완층용벽에 설치한 미소한 소공(5)을 통하여 주변부로부터 중심부에 한 방향으로 실리콘 용융액(2)이 흐르도록하고, 육성되는 실리콘 단결정 중량 또는 공급된 실리콘 원료의 중량으로부터 중심부의 용융액의 도우프액 농도를 추정하여, 주변부의 용융액에의 도우프제첨가시각 및 도우프제첨가량을 예측하고, 반복 첨가함에 따라서, 안쪽 용융액의 도우프액 농도를 미리 설정된 범위내에 유지하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
2. 제1항에 있어서, 인양된 실리콘 단결정(1)의 길이방향의 저항률의 변동범위가 1%이하이고, 또한 실리콘 단결정(1)의 길이방향의 산소농도의 변동범위가 3% 이하임을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
3. 제1항에 있어서, 도가니(3)안의 실리콘 용융액(2)의 도우프제초기농도를 실리콘 단결정(1)의 목표농도보다 낮게 하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
4. 도우프제농도가, 이미 알려져 있는 실리콘 박판 칩을 정형으로 절단하여 만들어진 도우프제.
5. 실리콘 원료(6) 및 도우프제를 연속공급하면서 실리콘 단결정(1)을 육성하는 쵸크라르스키법에 있어사, 실리콘 용융액(2)을 보존하는 도가니(3)와 동 도가니안의 실리콘 용융액(2)을 실리콘 단결정을 함유하는 중심부(A)와 그 외부의 주변부로 나누었으며, 하부에 미소한 소공(5)을 지닌 완층용벽(4)과 용융액 농도의 편력(遍曆) 및 미래를 시뮬레이트하는 계산기(12)와, 실리콘 단결정의 인양, 실리콘 단결정의 인양중량을 측정하고, 동 인양중량의 신호를 계산기에 보내는 실리콘 단결정 인양장치와, 실리콘 원료(6)를 도가니 주변부의 용융액면상에 공급하여 그 공급량을 측정하고, 그 신호를 계산기(12)에 보내는 실리콘 원료 공급장치(7)와, 계산기로부터 지령에 따라서 도우프제를 도가니 주변부에 공급하는 도우프제공급장치(9)로 구성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조방법.
6. 제4항에 있어서, 도우프제를 공급하는 장치가, 일단이 개구하여 내부에 여러개의 도우프제칩(10)이 장착하여 넣어졌으며, 가열로의 바깥쪽에 개구부를 상방으로 하고 경사지게 배치된 실린더(91)와, 동 실린더의 피스톤(92) 및 동 피스톤의 구동장치 (93)와, 일단이 실린더의 개구부에 근접하였고, 타단이 도가니의 완충용벽의 바깥쪽의 실린더 용융액의 액면에 근접하여 배설된 투입관을 지닌 것을 특징으로 하는 도우프제공급장치.

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