WO2019143175A1 - 실리콘 단결정 성장 방법 및 장치 - Google Patents

실리콘 단결정 성장 방법 및 장치 Download PDF

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WO2019143175A1
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shoulder
height
single crystal
section
growth
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PCT/KR2019/000753
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강종민
최일수
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에스케이실트론 주식회사
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    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C30B15/203—Controlling or regulating the relationship of pull rate (v) to axial thermal gradient (G)
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    • C30B15/20—Controlling or regulating
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    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B15/36—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method characterised by the seed, e.g. its crystallographic orientation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Definitions

  • the embodiment relates to a method and apparatus for growing a silicon single crystal capable of controlling a stable oxygen concentration of a single crystal ingot.
  • a Floating Zone (FZ) method or a CZ (CZochralski) method is widely used as a method of producing monocrystalline silicon.
  • FZ Floating Zone
  • CZochralski CZochralski
  • polysilicon is charged in a quartz crucible, the graphite heater is heated to melt the crystal, seed crystals are immersed in the silicon melt formed as a result of melting, and crystallization And the seed crystal is raised while rotating so that the single crystal ingot is grown.
  • Fig. 1 is a diagram showing the relationship between the shoulder diameter and the oxygen concentration according to the prior art.
  • the oxygen concentration is reduced while volatilizing out of the silicon melt surface.
  • the increasing diameter of the shoulder covers the surface of the silicon melt and reduces the area over which the oxygen can volatize, so that the volatilized oxygen flows into the shoulder as the shoulder grows, .
  • the silicon single crystal growth method and apparatus according to the prior art do not consider the oxygen volatilization of the silicon melt due to the increase of the diameter of the shoulder so that the initial oxygen concentration in the diameter portion of the silicon ingot is controllable, There is a problem.
  • the embodiment is characterized in that during the growth of the single crystal, in order to control the stable oxygen concentration, the final diameter of the single crystal shoulder and the height of the start of horizontal growth of the shoulder and the height of the completion of growth of the shoulder, To a silicon single crystal growth method for controlling the growth rate.
  • a method for growing a silicon single crystal includes: (a) growing a shoulder of a single crystal in a vertical direction; (B) after the vertical growth, the shoulder grows horizontally; (C) after the shoulder has grown horizontally, the shoulder has a convexly downward shape, the shoulder having a final diameter of the shoulder and a shoulder growth height according to steps (b) and (c) , It can grow at a predetermined ratio.
  • the step (a) may grow at a first pulling rate, and the steps (b) and (c) may grow at a second pulling rate.
  • the first pulling rate may grow at an average pulling rate that reaches up to 70% of the final height of the shoulder.
  • the second pulling rate may be 1.125 to 1.375 times the first pulling rate.
  • the height of the shoulder of the section (b) may be higher than the height of the shoulder of the section (c).
  • the ratio between the final diameter of the shoulder and the height of the shoulder of the (b) section may be 0.3 or more.
  • the height of the section (b) may be 90 mm or more.
  • a silicon single crystal growth apparatus includes: a crucible for containing a silicon melt; A lifting means for lifting the single crystal from the silicon melt contained in the crucible; Wherein the shoulder of the single crystal grows in a vertical direction, and after the vertical growth, the shoulder grows horizontally, and after the shoulder grows horizontally, the shoulder of the single crystal grows horizontally, The lifting means can be controlled to grow in a convex shape.
  • control unit may control the lifting speed of the lifting means such that the final diameter of the shoulder and the height of the shoulder starting to grow and the height of the shoulder until the completion of growth are a predetermined ratio.
  • the oxygen concentration level at the start of the body of the single crystal ingot is determined and the radial gradient of the oxygen concentration at the start of the body is determined, thereby realizing the quality of good products.
  • Fig. 1 is a diagram showing the relationship between the shoulder diameter and the oxygen concentration according to the prior art.
  • FIG. 2 is a view showing a silicon single crystal growing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view showing a shoulder of a single crystal according to an embodiment of the present invention.
  • 4A to 4C are views showing the shapes of first to third shoulders according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the height of the section (b) and the height of the section (c) in the silicon single crystal growth method according to the embodiment shown in FIGS. 4A to 4C.
  • FIG. 6 is a view showing the relationship of the oxygen gradient according to the height of the section (b) of the shoulder according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the height, the final diameter, and the oxygen gradient of the section (b) according to an embodiment of the present invention.
  • a method of growing a silicon single crystal includes: (a) growing a shoulder of a single crystal in a vertical direction; (B) after the vertical growth, the shoulder grows horizontally; And (c) after the shoulder has grown horizontally, the shoulder is raised in a downward convex shape, the shoulder having a final diameter of the shoulder and a shoulder growth according to steps (b) and (c) And may grow at a predetermined ratio based on the height.
  • first and “second”, “upper” and “lower”, etc. do not necessarily imply or imply any physical or logical relationship or order between such entities or elements And may be used only to distinguish one entity or element from another entity or element.
  • FIG. 2 is a view showing a silicon single crystal growing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the single crystal ingot growing apparatus 100 includes a chamber 110, a crucible 120, a crucible supporting portion 130, a heater 140, a heat shield 150, a heat insulating material 160, a lifting means 170 ), And a control unit 180.
  • the chamber 110 may include a body chamber 111, a dome chamber 112, and a pull chamber 113 depending on the position to which the chamber 110 is coupled.
  • the crucible 120 may be installed in the body chamber 111 and the dome chamber 112 may form the lid at the upper end of the body chamber 111.
  • the body chamber 111 and the dome chamber 112 provide an environment for growing polycrystalline silicon into a silicon monocrystalline ingot, and may be a cylinder having a receiving space therein.
  • the pull chamber 113 is located at the upper end of the dome chamber 112 and may be a space for pulling up the grown silicon monocrystalline ingot.
  • the crucible 120 may be disposed inside the body chamber 111, and may be made of quartz.
  • the crucible supporting part 130 is located below the crucible 120 and can support the crucible 120 and can rotate the crucible 120 and can be made of graphite.
  • the heater 140 may be disposed in the body chamber 111 to separate the crucible 120 from the outer circumferential surface of the crucible 120 and may heat the crucible 120.
  • the heat shield 150 is disposed on the crucible 120 to block heat radiated from the silicon melt 5 to the silicon single crystal 70 and prevent impurities generated from the heater 140 from penetrating into the silicon single crystal 70 Can be prevented.
  • the heat insulator 160 may be installed between the heater 140 and the inner wall of the body chamber 111.
  • the heat insulating material 160 may block the heat of the heater 140 from leaking out of the body chamber 111.
  • Insulation 160 may include side insulation, and bottom insulation.
  • the lifting means 170 may include a fixing portion 172 for fixing the object and a lifting portion 174 for lifting or lowering the object.
  • the fixing portion 172 may be a cable type or a shaft type.
  • the lifting portion 174 can raise or lower the fixing portion 172 using a motor or the like and rotate the fixing portion 172 in a predetermined direction. In other words, the lifting means 170 can rotate the growing monocrystalline ingot 70.
  • the shoulder 200 of the single crystal grows in the vertical direction and after the vertical growth the shoulder 200 grows horizontally and after the shoulder 200 grows horizontally,
  • the lifting means 170 can be controlled to grow in a convex shape.
  • the controller 180 controls the lifting speed of the lifting means so that the final diameter of the shoulder 200 and the horizontal growth start portion of the shoulder 200 and the height of the shoulder 200 until the completion of growth of the shoulder 200 have a predetermined ratio can do.
  • the controller 180 can control the ratio between the final diameter of the single crystal shoulder 200 and the height of the horizontal growth start portion of the shoulder to be 0.3.
  • control unit 180 may control the height of the upper portion of the horizontal shoulder to be 90 mm or more.
  • the control unit 180 may control the pulling rate of the single crystal for growing the shoulder to be 1.125 to 1.375 times the average pulling rate of the single crystal for vertical growth of the single crystal.
  • the average abnormal velocity may be an average of the rate of growth to 70% of the final height of the shoulder.
  • FIG. 3 is a view showing a shoulder of a single crystal according to an embodiment of the present invention.
  • a single crystal growth process includes growing a single crystal shoulder in a vertical direction (a). (B) after the vertical growth, the shoulder grows horizontally; And (c) after the shoulder has grown horizontally, the shoulder is raised in a downward convex shape.
  • the pulling speed can be adjusted to increase the diameter of the growth crystal until the shoulder of the single crystal reaches the desired diameter.
  • the increasing portion of the diameter along the shoulder horizontal growth is referred to as taper or crown. As the taper is increased to the desired diameter, the crystal can form the top of the shoulder.
  • the diameter of the shoulder of the single crystal gradually decreases and can be a convex cone in the growth direction of the shoulder.
  • the height from the start of the horizontal growth portion to the completion of the shoulder growth after the boundary between the vertical growth and the horizontal growth in the shoulder 200 may be the sum of the period (b) and the period (c).
  • 4A to 4C are views showing the shapes of first to third shoulders according to an embodiment of the present invention.
  • the first embodiment has a shape in which the (b) section of the first shoulder 210 is convex upward.
  • the length of the (b) section of the first shoulder 210 may be longer than the height of the (c) section of the first shoulder 210.
  • the second embodiment may have a lower height of the (b) section of the second shoulder 220 than the first embodiment.
  • the height of the section (c) of the second shoulder 220 may be higher than the height of the section (c) of the first shoulder 210 of the first embodiment.
  • the third embodiment may have a lower height of the (b) section of the third shoulder 230 than the second embodiment.
  • the height of the third shoulder 230 (c) may be higher than the height of the second shoulder 220 of the second embodiment (c).
  • the height of the section (c) can be increased as the height of the section of the shoulder 200 is decreased.
  • the decrease in the height of the (b) section of the shoulder 200 may indicate that the horizontal growth of the shoulder 200 is very fast.
  • the flattening of the section improves the heat release.
  • the section may be more convex downward.
  • Table 1 below shows the oxygen gradient according to the first to third embodiments.
  • Case 1 Case 2 Case 3 (b) Height 90mm 80mm 50mm (c) height 50mm 60mm 80mm Oxygen gradient 0.3 0.5 0.9
  • the height of the section (b) of the first embodiment may be 90 mm.
  • the height of the section (c) may be 50 mm.
  • the oxygen gradient may be 0.3 days.
  • the oxygen gradient may be a difference between Oi.c and Oi.c.
  • the Oi. and c may be the oxygen concentration at the center of the wafer.
  • the Oi.e may be the oxygen concentration at the edge of the wafer.
  • the oxygen gradient may be the difference between the oxygen concentration at the center of the wafer and the oxygen concentration at the edge of the wafer.
  • the height of the section (b) may be 80 mm.
  • the height of the section may be 60 mm.
  • the oxygen gradient may be 0.5.
  • the height of the section (b) may be 50 mm.
  • the height of the section may be 80 mm.
  • the oxygen gradient may be 0.9.
  • FIG. 5 shows the relationship between the height of the section (b) and the height of the section (c) described above in the silicon single crystal growth method according to the embodiment shown in FIGS. 4A to 4C.
  • the x-axis of the graph shown in Fig. 5 is the height of the section (b), and the y-axis represents the height of the section (c).
  • FIG. 6 is a view showing the relationship of the oxygen gradient according to the height of the section (b) of the shoulder according to the embodiment of the present invention.
  • the X-axis of the graph shown in Fig. 6 is the height of the section (b), and the y-axis represents the oxygen gradient.
  • the oxygen gradient can be lowered.
  • the oxygen gradient shows a stable level
  • the value of the oxygen gradient may rapidly increase. The larger the value of the oxygen gradient is, the worse the oxygen concentration in the in-plane direction of the wafer is, and the lower the oxygen gradient value is, the better the quality can be obtained.
  • FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the height, the final diameter, and the oxygen gradient of the section (b) according to an embodiment of the present invention.
  • the x-axis of the graph of Fig. 7 is the height of the section (b) divided by the final diameter of the shoulder, and the y-axis of the graph represents the oxygen gradient.
  • the oxygen gradient may be 0.3 when the height (b) of the shoulder 200 described above / the value of the final diameter is 0.29. (b) If the height / final diameter of the section is 0.26, the oxygen gradient may be 0.5. (b) If the height / final diameter of the section is 0.17, the oxygen gradient may be 0.9. (b) the height / final diameter of the section is 0.32, the oxygen gradient may be 0.28. (b) If the height / final diameter of the section is 0.22, the oxygen gradient may be 0.85.
  • the silicon single crystal growth method according to an embodiment of the present invention can reduce the final diameter of the shoulder of the single crystal and the ratio of the final diameter of the (b) section to the The shoulder 200 can be grown at a ratio of height to height of 0.3 or more. Therefore, the oxygen concentration in the surface of the wafer according to the silicon single crystal growth method can be stably controlled.
  • an average lifting speed up to 70% from the height of the shoulder 200 according to the vertical growth step can be calculated.
  • the average abnormal speed may be a first pulling rate.
  • the silicon single crystal growth method can grow the shoulder 200 at a second pulling speed corresponding to the first abnormal speed in a shoulder growth period.
  • controller 180 may control the second pulling rate to maintain the height of the section (b) at 90 mm or more.
  • the first pulling rate, the second pulling rate, and the height relationship of the section (b) according to the silicon single crystal growth method of the embodiment can be shown in Table 3 below.
  • the first P / S The second P / S Magnification (second P / S / first P / S) (b) Height of section 0.8 0.7 0.875 52 0.8 0.75 0.9375 54 0.8 0.8 One 69 0.8 0.85 1.0625 82 0.8 0.9 1.125 91 0.8 One 1.25 99 0.8 1.1 1.375 118
  • the second pulling rate is increased by 1.125 times the first pulling rate, , and the height of the section (b) may be 91 mm.
  • the first pulling rate of the vertical growth section is fixed at 0.8 and the personnel growth rate of the horizontal growth section is 1, the second pulling rate is 1.25 times The shoulder is grown, and (b) the height of the section may be 99mm.
  • the height may be 118 mm.
  • the second pulling rate according to an embodiment of the present invention may be 1.125 to 1.375 times the first pulling rate.
  • the method of growing a silicon single crystal according to an embodiment of the present invention can increase the planar oxygen concentration gradient of the single crystal to 0.3 or less based on the first growth rate of the vertical growth section of the single crystal and the second growth rate of the horizontal growth section of the single crystal Can grow.
  • the silicon single crystal growth method and apparatus of the embodiment can be used for manufacturing a silicon single crystal or the like.

Abstract

실시예는 단결정의 숄더가 수직방향으로 성장하는 (a) 단계; 상기 수직 성장 이후, 상기 숄더가 수평 성장하는 (b) 단계; 상기 숄더가 수평 성장 이후, 상기 숄더가 하부로 볼록한 형태로 성장하는 (c)단계;를 포함하고, 상기 숄더는 상기 숄더의 최종 직경 및 상기 (b)와(c) 단계에 따른 숄더성장 높이에 기초하여, 기 설정된 비율로 성장하는 실리콘 단결정 성장 방법을 제공한다.

Description

실리콘 단결정 성장 방법 및 장치
실시예는 단결정 잉곳의 안정한 산소농도를 제어할 수 있는 실리콘 단결정 성장 방법 및 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
일반적으로 단결정실리콘을 제조하는 방법으로서, 플로우팅존(FZ: Floating Zone)법 또는 초크랄스키(CZ:CZochralski)법이 많이 이용되고 있다. FZ 법을 적용하여 단결정 잉곳을 성장시키는 경우, 대구경의 실리콘 웨이퍼를 제조하기 어려울 뿐만 아니라 공정 비용이 매우 비싼 문제가 있기 때문에, CZ 법에 의하여 단결정 잉곳을 성장시키는 것이 일반화되어 있다.
CZ 법에 의하면, 석영 도가니에 폴리실리콘(poly silicon)을 장입하고, 흑연 히터를 가열하여 이를 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 융액에 시드 결정(Seed Crystal)을 침지시키고, 실리콘 융액 계면에서 결정화가 일어나도록 하여 시드 결정을 회전하면서 인상시킴으로써 단결정 잉곳이 성장된다.
도 1은 종래 발명에 따른 숄더 직경과 산소 농도의 관계를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 상기 산소농도는 실리콘 융액 표면에서 밖으로 휘발하면서 감소된다. 그러나, 숄더가 성장할수록, 증가하는 숄더의 직경은 실리콘 융액 표면을 덮어 주어 산소가 휘발할 수 있는 면적을 감소시키기 때문에 휘발되지 않은 산소는 숄더가 성장할수록 숄더에 유입되어 숄더 성장 시, 산소 농도가 증가할 수 있다.
종래의 기술에 따른 실리콘 단결정 성장 방법 및 장치는 숄더의 직경 증가에 따른 실리콘 융액의 산소 휘발이 고려되지 않아, 실리콘 잉곳의 직경부의 초기 산소농도는 제어 가능하여도 면내방향 산소농도 제어가 고려되지 않은 문제점이 있다.
실시예는 단결정 성장 시, 안정한 산소농도를 제어할 수 있도록, 단결정 숄더의 최종 직경 및 상기 숄더의 수평 성장 시작 부분과 상기 숄더의 성장 완료 시점까지의 높이가 기 설정된 비율이 되도록 상기 인상수단의 인상속도를 제어하는 실리콘 단결정 성장 방법에 관한 것이다.
실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 실시예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 방법은 단결정의 숄더가 수직방향으로 성장하는 (a) 단계; 상기 수직 성장 이후, 상기 숄더가 수평 성장하는 (b) 단계; 상기 숄더가 수평 성장 이후, 상기 숄더가 하부로 볼록한 형태로 성장하는 (c)단계;를 포함하고, 상기 숄더는 상기 숄더의 최종 직경 및 상기 (b)와(c) 단계에 따른 숄더의 성장 높이에 기초하여, 기 설정된 비율로 성장할 수 있다.
실시예에 따라 상기 (a) 단계는 제1 인상속도로 성장하고, 상기 (b)와 (c)단계는 제2 인상속도로 성장할 수 있다.
실시예에 따라 상기 제1 인상속도는 상기 숄더의 최종 높이의 70%까지 도달하는 평균 인상 속도로 성장할 수 있다.
실시예에 따라 상기 제2 인상속도는 상기 제1 인상 속도의 1.125~1.375배 일 수 있다.
실시예에 따라 상기 (b) 구간의 숄더의 높이는 상기 (c) 구간의 숄더의 높이 보다 높을 수 있다.
실시예에 따라 상기 숄더 최종 직경과 상기 (b) 구간의 숄더의 높이 간의 비율은 0.3 이상일 수 있다.
실시예에 따라 상기 (b)구간의 높이는 90mm 이상일 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치는 실리콘 융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 단결정을 인상하는 인상수단; 상기 단결정의 인상속도를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 단결정의 숄더가 수직방향으로 성장하고, 상기 수직 성장 이후, 상기 숄더가 수평 성장하고, 상기 숄더가 수평 성장 이후, 상기 숄더가 하부로 볼록한 형태로 성장하도록 상기 인상수단을 제어할 수 있다.
실시예에 따라 상기 제어부는 상기 숄더의 최종 직경 및 상기 숄더의 수평 성장 시작 부분과 상기 숄더의 성장 완료 시점까지의 높이가 기 설정된 비율이 되도록 상기 인상수단의 인상속도를 제어할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명에 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 방법에 대한 효과를 설명하면 다음과 같다.
실시예의 실리콘 단결정 성장 방법에 따르면, 단결정 잉곳의 바디 시작부의 산소농도 수준을 결정하고, 바디 시작부의 산소농도의 방사 구배를 결정하여 양품의 품질을 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도 1은 종래 발명에 따른 숄더 직경과 산소 농도의 관계를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치를 도시한 도면이다
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정의 숄더를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 따른 일 실시예 따른 제1 내지 제3 숄더의 형태 도시한 도면이다.
도 5는 상기 도 4a 내지 도 4c에 도시된 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 방법에서 상술한 (b) 구간 및 (c)구간의 높이의 관계를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 숄더의 (b)구간의 높이에 따른 산소구배의 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 (b) 구간의 높이, 최종 직경 및 산소구배의 관계를 도시한 도면이다.
일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 방법은, 단결정의 숄더가 수직방향으로 성장하는 (a) 단계; 상기 수직 성장 이후, 상기 숄더가 수평 성장하는 (b) 단계; 및 상기 숄더가 수평 성장 이후, 상기 숄더가 하부로 볼록한 형태로 성장하는 (c)단계;를 포함하고, 상기 숄더는 상기 숄더의 최종 직경 및 상기 (b)와(c) 단계에 따른 숄더의 성장 높이에 기초하여, 기 설정된 비율로 성장할 수 있다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
그러나, 본 발명에 일 실시예에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 도가니 지지부(130), 히터(140), 열실드(150), 단열재(160), 인상 수단(170), 및 제어부(180)를 포함할 수 있다.
챔버(110)는 결합하는 위치에 따라 몸체 챔버(body chamber, 111), 돔 챔버(dome chamber, 112), 및 풀 챔버(pull chamber, 113)를 포함할 수 있다.
몸체 챔버(111) 내에는 도가니(120)가 설치될 수 있고, 돔 챔버(112)는 몸체 챔버(111)의 상단에서 덮개부를 형성할 수 있다. 몸체 챔버(111)와 돔 챔버(112)는 다결정 실리콘을 실리콘 단결정 잉곳으로 성장시키기 위한 환경을 제공하는 곳으로, 내부에 수용 공간을 갖는 원통일 수 있다. 풀 챔버(113)는 돔 챔버(112) 상단에 위치하고, 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 인상하기 위한 공간일 수 있다.
도가니(120)는 몸체 챔버(111) 내부에 배치될 수 있고, 석영으로 이루어질 수 있다. 도가니 지지부(130)는 도가니(120) 하부에 위치하고, 도가니(120)를 지지할 수 있고, 도가니(120)를 회전시킬 수 있으며, 흑연으로 이루어질 수 있다.
히터(140)는 도가니(120)의 외주면과 이격되도록 몸체 챔버(111) 내에 배치될 수 있으며, 도가니(120)를 가열할 수 있다.
열실드(150)는 도가니(120) 상부에 배치되며, 실리콘 융액(5)으로부터 실리콘 단결정(70)으로 복사되는 열을 차단하고, 히터(140)로부터 발생하는 불순물이 실리콘 단결정(70)으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
단열재(160)는 히터(140)와 몸체 챔버(111)의 내벽 사이에 설치될 수 있다. 단열재(160)는 히터(140)의 열이 몸체 챔버(111) 외부로 누출되는 것을 차단할 수 있다. 단열재(160)는 측부 단열재, 및 하부 단열재를 포함할 수 있다.
인상 수단(170)은 대상물을 고정하는 고정부(172) 및 대상물을 상승 또는 하강시키는 인상부(174)를 포함할 수 있다. 고정부(172)는 케이블 타입(cable type) 또는 샤프트(shaft type)일 수 있다. 인상부(174)는 모터 등을 이용하여 고정부(172)를 상승 또는 하강시킬 수 있으며, 일정 방향으로 고정부(172)를 회전시킬 수 있다. 즉 인상 수단(170)은 성장하는 단결정 잉곳(70)을 회전시킬 수 있다.
제어부(180) 상기 단결정의 숄더(200)가 수직방향으로 성장하고, 상기 수직 성장 이후, 상기 숄더(200)가 수평 성장하고, 상기 숄더(200)가 수평 성장 이후, 상기 숄더(200)가 하부로 볼록한 형태로 성장하도록 상기 인상수단(170)을 제어할 수 있다.
제어부(180)는 숄더(200)의 최종 직경 및 상기 숄더(200)의 수평 성장 시작 부분과 상기 숄더(200)의 성장 완료 시점까지의 높이가 기 설정된 비율이 되도록 상기 인상수단의 인상속도를 제어할 수 있다.
제어부(180)는 단결정의 숄더(200)의 최종 직경과 숄더의 수평 성장 시작 부분의 높이간의 비율이 0.3이 되도록 제어할 수 있다.
예를 들어, 제어부(180)는 상기 수평 숄더의 상부의 높이는 90mm 이상이 되도록 제어할 수 있다.
제어부(180)는 상기 숄더의 성장을 위한 단결정의 인상 속도가 상기 단결정의 수직 성장을 위한 단결정의 평균 인상 속도의 1.125~1.375배가 되도록 제어할 수 있다. 이때 상기 평균 이상 속도는 상기 숄더의 최종 높이의 70% 높이까지 성장하는 속도의 평균일수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정의 숄더를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 공정은 단결정의 숄더가 수직방향으로 성장하는 (a) 단계. 상기 수직 성장 이후, 상기 숄더가 수평 성장하는 (b) 단계; 상기 숄더가 수평 성장 이후, 상기 숄더가 하부로 볼록한 형태로 성장하는 (c)단계;를 포함할 수 있다.
(b) 구간에서는 단결정의 숄더가 원하는 직경에 도달될 때까지 인상 속도를 조절하여 성장 결정의 직경을 확대시킬 수 있다. 숄더 수평 성장에 따른 직경의 증가되는 부분은 이러한 부분은 테이퍼 또는 크라운으로 불린다. 테이퍼가 원하는 직경까지 증가됨에 따라, 결정은 숄더(shoulder)의 상부를 형성할 수 있다.
(c) 구간에서는 단결정의 숄더의 직경이 점차로 감소되어 대체로 숄더의 성장방향으로 볼록한 원추형상일 수 있다.
이때, 상기 숄더(200)에서 수직 성장과 수평 성장의 경계 구간 이후 수평 성장 부분의 시작부에서 숄더 성장이 완료되었을 때까지의 높이는 (b)구간과 (c)구간의 합일 일 수 있다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 따른 일 실시예 따른 제1 내지 제3 숄더의 형태 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 제1 실시예는 제1 숄더(210)의 (b) 구간이 위로 볼록한 형태이다. 또한, 제1 숄더(210)의 (b) 구간은 길이는 제1 숄더(210)의 (c) 구간의 높이보다 길 수 있다.
도 4b를 참조하면, 제2 실시예는 상기 제1 실시예에 비해 제2 숄더(220)의 (b) 구간의 높이가 더 낮은 형태일수 있다. 이때, 상기 제2 숄더(220)의 (c) 구간의 높이는 상기 제1 실시예의 제1 숄더(210)의 (c) 구간의 높이보다 더 높을 수 있다.
도 4c를 참조하면, 제3 실시예는 상기 제2 실시예에 비해 제3 숄더(230)의 (b) 구간의 높이가 더 낮은 형태일수 있다. 이때, 상기 제3 숄더의(230) (c) 구간의 높이는 상기 제2 실시예의 제2 숄더의(220)의 (c) 구간의 높이보다 더 높을 수 있다.
상기 제1 내지 제3 실시예의 숄더(210,220,230)의 모양에 따르면, 숄더(200)의 (b) 구간의 높이가 감소할수록 (c) 구간의 높이는 증가할 수 있다.
숄더(200)의 (b) 구간의 높이가 감소한다는 것은 숄더(200) 의 수평성장이 매우 빨리 진행된 것일 수 있다. 또한 (b) 구간이 평평해 질수록 열의 방출이 잘 되어. (c) 구간은 아래로 더 볼록한 형태가 될 수 있다.
(c) 구간이 아래로 볼록할수록 단결정의 중심부와 가장자리 간의 GAP은 더 커질 수 있다. 이에 따라서, 단결정의 중심부와 가장자리의 산소농도 차이는 증가될 수 있다.
하기 표1은 상기 제1 내지 제3 실시예에 따른 산소구배를 표시하였다.
Case 1 Case 2 Case 3
(b) 높이 90mm 80mm 50mm
(c) 높이 50mm 60mm 80mm
산소구배 0.3 0.5 0.9
상기 표1에 따르면, 제1 실시예는 (b) 구간의 높이 가 90mm일 수 있다. 이때, (c) 구간의 높이가 50mm일 수 있다. 이때, 산소구배는 0.3 일수 있다. 이때 상기 산소구배는 Oi.c과 Oi.e 차이 일 수 있다. 상기 Oi. c 는 웨이퍼의 중심부에서의 산소 농도 일 수 있다. 상기 Oi.e는 웨이퍼의 가장자리에서의 산소 농도 일 수 있다.상기 산소구배는 웨이퍼의 중심부의 산소농도와 웨이퍼의 가장자리의 산소농도의 차이 일 수 있다.
제 2 실시예는 (b) 구간의 높이가 80mm일 수 있다. (c) 구간의 높이가 60mm일 수 있다. 이때 산소구배는 0.5 일 수 있다.
제 3 실시예는 (b) 구간의 높이가 50mm일 수 있다. (c) 구간 의 높이가 80mm일 수 있다. 이때 산소구배는 0.9 일 수 있다.
도 5는 상기 도 4a 내지 도 4c의 도시된 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 방법에서 상술한 (b) 구간 및 (c)구간의 높이의 관계를 나타낸다. 도 5에 도시된 그래프의 x축은 (b) 구간의 높이이고, y축은 (c) 구간의 높이를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 숄더(200)의 (b) 구간의 높이가 커질수록, (c) 구간의 높이는 작아지는 것을 알 수 있다. 또한, (c) 구간의 높이가 커질수록, (b) 구간의 높이는 작아지는 것을 알 수 있다, 따라서, 상기 (c) 구간의 높이가 증가할수록 산소구배가 증가하므로, 웨이퍼 면내의 산소구배를 감소시키기 위해 (c) 구간의 높이 길이를 감소시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 숄더의 (b)구간의 높이에 따른 산소구배의 관계를 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 그래프의 X축은 (b) 구간의 높이이고, y축은 산소구배를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 숄더(200)의 (b) 구간의 높이가 증가할수록 산소구배는 낮아 질 수 있다. 이때, (b) 구간의 높이가 90mm 이상인 경우, 산소구배가 안정적인 수준을 나타내고, (b) 구간의 높이가 90mm 이하인 경우, 산소구배가 값이 급격하게 커질 수 있다. 산소구배의 값이 클수록 웨이퍼 면내방향 산소농도 악화되고, 산소구배의 값이 낮을 수록 양호한 품질을 얻을 수 있다.
따라서, (b) 구간의 높이는 90 mm이상으로 하는 숄더를 성장시켜 양호한 품질의 단결정을 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 (b) 구간의 높이, 최종 직경 및 산소구배의 관계를 도시한 도면이다.
도 7의 그래프의 x축은 (b) 구간의 높이를 숄더 최종 직경으로 나눈 값이고, 그래프의 y축은 산소구배를 나타낸다.
도 6의 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 방법에 (b) 구간의 높이, 최종 직경 및 산소구배의 관계는 하기 표2에서 나타낼 수 낼 수 있다.
(b) 구간의 높이/최종 직경 산소구배
0.29 0.3
0.26 0.5
0.17 0.9
0.32 0.28
0.22 0.85
0.38 0.2
상기 표2를 참조하면, 상술한 숄더(200)의 (b) 구간의 높이/최종 직경의 값이 0.29인 겨우, 산소구배는 0.3일 수 있다. (b) 구간의 높이/최종 직경의 값이 0.26인 겨우, 산소구배는 0.5일 수 있다. (b) 구간의 높이/최종 직경의 값이 0.17인 겨우, 산소구배는 0.9일 수 있다. (b) 구간의 높이/최종 직경의 값이 0.32인 겨우, 산소구배는 0.28일 수 있다. (b) 구간의 높이/최종 직경의 값이 0.22인 겨우, 산소구배는 0.85일 수 있다. (b) 구간의 높이/최종 직경의 값이 0.38인 겨우, 산소구배는 0.2일 수 있다.따라서, 본원 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 방법은 단결정의 숄더 최종 직경과 (b) 구간의 높이 간의 비율을 0.3 이상으로 숄더(200)를 성장시킬 수 있다. 이에 실리콘 단결정 성장 방법에 따른 웨이퍼의 면내의 산소 농도는 안정적으로 제어될 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 방법은, 단결정의 숄더(200)가 수직 성장할 시, 상기 수직 성장 단계에 따른 숄더(200)의 높이에서 70%까지의 평균 인상속도 계산할 수 있다. 상기 평균 이상속도는 제1 인상속도 일 수 있다.
이에 따라, 실리콘 단결정 성장 방법은 숄더 성장 구간에서 상기 제1 이상속도에 대응하는 제2 인상속도로 상기 숄더(200)를 성장시킬 수 있다.
예를 들어, 제어부(180)는 (b) 구간의 높이를 90mm 이상으로 유지하도록 상기 제2 인상속도를 제어할 수 있다.
실시예의 실리콘 단결정 성장 방법에 따른 제1 인상속도, 및 제2 이상속도와 (b) 구간의 높이 관계를 하기 표3 나타낼 수 낼 수 있다.
제1P/S 제2 P/S 배율(제2 P/S/제1 P/S) (b) 구간의 높이
0.8 0.7 0.875 52
0.8 0.75 0.9375 54
0.8 0.8 1 69
0.8 0.85 1.0625 82
0.8 0.9 1.125 91
0.8 1 1.25 99
0.8 1.1 1.375 118
상기 표3에 따르면, 수직 성장 구간의 제1 인상속도가 0.8으로 고정이고, 수평 성장구간의 인사속도가 0.9인 경우, 제2 인상속도는 제1 인상속도에 비해 1.125배로 숄더를 성장시키고, 이때, (b) 구간의 높이는 91mm일 수 있다.수직 성장 구간의 제1 인상속도가 0.8으로 고정이고, 수평 성장구간의 인사속도가 1인 경우, 제2 인상속도는 제1 인상속도에 비해 1.25배로 숄더를 성장시키고, 이때, (b) 구간의 높이는 99mm일 수 있다.
수직 성장 구간의 제1 인상속도가 0.8으로 고정이고, 수평 성장구간의 인사속도가 1.1인 경우, 제2 인상속도는 제1 인상속도에 비해 1.375배로 숄더를 성장시키고, 이때, (b) 구간의 높이는 118mm일 수 있다.
즉, 본원 발명의 일 실시예에 따른 상기 제2 인상속도는 상기 제1 인상 속도의 1.125~1.375배일 수 있다.
따라서, 본원 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 방법은 단결정의 수직성장 구간의 제1 성장 속도와 단결정의 수평성장 구간의 제2 성장 속도에 기초하여 단결정의 면 방향 산소농도 구배를 0.3이하로 성장시킬 수 있다.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
실시예의 실리콘 단결정 성장 방법 및 장치는 실리콘 단결정의 제조 공정 등에 사용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 단결정의 숄더가 수직방향으로 성장하는 (a) 단계;
    상기 수직 성장 이후, 상기 숄더가 수평 성장하는 (b) 단계; 및
    상기 숄더가 수평 성장 이후, 상기 숄더가 하부로 볼록한 형태로 성장하는 (c)단계;를 포함하고,
    상기 숄더는 상기 숄더의 최종 직경 및 상기 (b)와(c) 단계에 따른 숄더의 성장 높이에 기초하여, 기 설정된 비율로 성장하는 실리콘 단결정 성장 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 제1 인상속도로 성장하고,
    상기 (b)와 (c)단계는 제2 인상속도로 성장하는 실리콘 단결정 성장 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 인상속도는
    상기 숄더의 최종 높이의 70%까지 도달하는 평균 인상 속도로 성장하는 실리콘 단결정 성장 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제2 인상속도는
    상기 제1 인상 속도의 1.125~1.375배인 실리콘 단결정 성장 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 (b) 구간의 숄더의 높이는
    상기 (c) 구간의 숄더의 높이보다 높은 실리콘 단결정 성장 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 숄더 최종 직경과 상기 (b) 구간의 숄더의 높이 간의 비율은 0.3 이상인 실리콘 단결정 성장 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 (b)구간의 높이는 90mm 이상인 실리콘 단결정 성장 방법.
  8. 실리콘 융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니에 수용된 실리콘 융액으로부터 단결정을 인상하는 인상수단;
    상기 단결정의 인상속도를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 단결정의 숄더가 수직방향으로 성장하고,
    상기 수직 성장 이후, 상기 숄더가 수평 성장하고,
    상기 숄더가 수평 성장 이후, 상기 숄더가 하부로 볼록한 형태로 성장하도록 상기 인상수단을 제어하는 실리콘 단결정 성장 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 숄더의 최종 직경 및 상기 숄더의 수평 성장 시작 부분과 상기 숄더의 성장 완료 시점까지의 높이가 기 설정된 비율이 되도록 상기 인상수단의 인상속도를 제어하는 실리콘 단결정 성장 장치.
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