KR100942185B1 - 실리콘 잉곳 성장방법 - Google Patents

실리콘 잉곳 성장방법 Download PDF

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Abstract

실리콘 잉곳(ingot) 성장방법이 개시된다. 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법은 석영 도가니에 실리콘을 장입한 후, 석영 도가니를 가열하고 석영 도가니의 내부에 500 가우스(gauss) 이상의 자기장을 인가하여, 장입된 실리콘을 융해시킨다. 그리고 석영 도가니의 내부에 500 가우스 미만의 자기장을 인가하고, 융해된 실리콘으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계를 갖는다. 본 발명에 따른 다른 실리콘 잉곳 성장방법은 석영 도가니에 실리콘을 장입한 후, 석영 도가니의 압력을 50 내지 400 Torr의 범위에서 제1압력으로 유지하고 상기 석영 도가니를 가열하여 장입된 실리콘을 융해시킨다. 그리고 석영 도가니의 압력을 50 내지 400 Torr의 범위에서 제2압력으로 유지하고, 융해된 실리콘으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킨다. 본 발명에 따르면, 공정의 추가 없이 석영 도가니 내부의 압력을 변화시키거나 자기장의 인가 시점과 크기를 조절하여 손쉽게 석영 도가니 내표면의 결정화를 촉진시켜 박리를 방지할 수 있어, 우수한 물성을 가지는 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있게 된다.
잉곳, 종결정, 커스프, 쵸크랄스키, 석영 도가니

Description

실리콘 잉곳 성장방법{Growing method for silicon ingot}
본 발명은 반도체 제조공정에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 반도체 웨이퍼 제조공정에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼 제조공정은 일반적으로 쵸크랄스키(czochralski, CZ)법에 의해 실리콘 단결정을 성장시켜 이루어진다. 쵸크랄스키법은 폴리 실리콘을 석영 도가니 내부에 장입하고 고온을 가하여 실리콘 융액을 만든 후, 실리콘 종결정(seed)을 이 실리콘 융액에 접촉시키고 천천히 회전시키면서 실리콘 단결정을 성장시키는 방법이다. 이와 같이 성장한 실리콘 단결정 덩어리를 잉곳(ingot)이라고 칭한다. 실리콘 웨이퍼는 이러한 잉곳을 결정 성장 방향에 수직하게 절단하는 슬라이싱(slicing), 슬라이싱 중에 가해진 손상을 완화시키기 위한 래핑(lapping), 거친 웨이퍼 표면을 고도의 평탄도를 갖도록 하는 폴리싱(polishing) 등의 공정을 거쳐서 제조된다. 따라서 우수한 품질의 웨이퍼가 생산되기 위해서는 우선적으로 우수한 품질을 갖는 잉곳 성장이 중요하다.
상술한 바와 같이 쵸크랄스키법에 의해 잉곳을 성장하기 위해서는 폴리 실리콘을 석영 도가니 내부에서 녹여 융액을 형성해야 하므로 석영 도가니를 고온으로 가열하여야 한다. 원래 석영 도가니의 상(phase)은 비정질인 글래스(glass)상이지만, 열역학적으로 실리콘 단결정을 성장시키는 온도에서는 글래스(glass)상이 결정상인 크리스토발라이트(cristobalite)상으로 상전이가 용이하게 된다. 즉, 실리콘 단결정 잉곳 제조 과정에서 석영 도가니가 부분적으로 결정화된다. 석영 도가니 결정화는 석영 도가니 내부보다 계면 에너지가 크고 물질 확산이 용이한 표면 즉, 실리콘 융액과 접촉되는 부분인 석영 도가니 내표면에서 발생하기 쉽다.
이러한 석영 도가니 내표면의 결정화는 실리콘이 녹는 시기 중 어느 한 시기에 결정핵이 생성되고 이것이 성장하여 이루어지게 된다. 결정핵은 한 시기에 생성된 이후에 더 발생하지 않고, 결정핵의 성장만으로 석영 도가니 내표면의 결정화가 이루어진다. 따라서 석영 도가니 내표면의 결정화가 전체에서 균일하게 이루어지지 않기 때문에 아직 결정화가 이루어지지 않은 부분과 결정화된 부분의 구조적인 차이로 인해 박리(flake out)가 발생하게 된다. 박리된 결정은 난용성이어서 실리콘 융액에 융해되지 않고 실리콘 융액 내부에서 대류에 의해 이동하게 되어 다결정화를 일으키는 원인이 되어 실리콘 잉곳의 수율을 떨어뜨리게 된다.
따라서 실리콘 잉곳의 생산성을 높이기 위해서는 석영 도가니의 내표면이 박리되지 않도록 해야 한다. 이를 위해 석영 도가니 내표면의 결정화를 억제하거나 반대로 석영 도가니 내표면의 결정화를 촉진시키는 방법이 연구되고 있다. 두 가지 방법 모두 글래스상과 결정상의 구조적인 차이에 의해 발생되는 박리를 방지하고자 하는 것이다. 그러나 이 두 가지 방법 대부분은 석영 도가니를 제작하는 과정에서부터 적용된다. 즉 석영 도가니를 제작할 때, 석영 도가니 표면이 특정한 내표면을 가지도록 하기 위한 처리공정의 단계가 추가된다. 이로 인해 제조단가가 증가됨은 물론이고, 설령 목적하고자 하는 특정한 내표면을 가진 석영 도가니를 제조하였다고 하더라도 단결정을 성장시키는 공정 변화에 따라 특정한 내표면이 역할을 다하지 못한다는 문제점이 존재한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 추가 공정 없이 손쉽게 석영 도가니 내표면의 박리를 방지하는 실리콘 잉곳 성장방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법은 석영 도가니에 실리콘을 장입하는 단계; 상기 석영 도가니를 가열하고 상기 석영 도가니의 내부에 500 가우스(gauss) 이상의 자기장을 인가하여, 상기 장입된 실리콘을 융해시키는 단계; 및 상기 석영 도가니의 내부에 500 가우스 미만의 자기장을 인가하고, 상기 융해된 실리콘으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계;를 갖는다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 다른 실리콘 잉곳 성장방법은 석영 도가니에 실리콘을 장입하는 단계; 상기 석영 도가니를 가열하여 상기 장입된 실리콘을 융해시키되, 상기 장입된 실리콘이 80% 미만 융해되었을 때는 500 가우스 미만의 자기장을 인가하고 상기 장입된 실리콘이 80% 이상 융해되었을 때 500 가우스 이상의 자기장을 인가하는 단계; 및 상기 석영 도가니의 내부에 500 가우스 미만의 자기장을 인가하고, 상기 융해된 실리콘으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계;를 갖는다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 또 다른 실리콘 잉곳 성장방법은 석영 도가니에 실리콘을 장입하는 단계; 상기 석영 도가니의 압력을 50 내지 400 Torr의 범위에서 제1압력으로 유지하고 상기 석영 도가니를 가열하여 상기 장입된 실리콘을 융해시키는 단계; 및 상기 석영 도가니의 압력을 50 내지 400 Torr의 범위에서 제2압력으로 유지하고, 상기 융해된 실리콘으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계;를 갖는다.
본 발명에 따르면, 석영 도가니 제조시 공정을 추가할 필요 없이 실리콘 융해 및 실리콘 잉곳을 성장시킬 때 석영 도가니 내부의 압력을 변화시키거나 자기장의 인가 시점과 크기를 조절하여 손쉽게 석영 도가니 내표면의 결정화를 촉진시킬 수 있다. 석영 도가니 내표면의 결정화가 촉진됨에 따라 석영 도가니의 박리를 방지할 수 있어, 우수한 물성을 가지는 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있고 실리콘 잉곳의 수율을 증가시킬 수 있다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법에 이용되는 잉곳 성장장치 구성의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법에 이용되는 실리콘 잉곳 성장장치(100)는 본체(110), 석영 도가니(120), 석영 도가니 지지대(125), 상부 전자석(130), 하부 전자석(140), 히터(150), 보온벽(160) 및 케이블(170)을 구비한다.
본체(110)에는 내부에 수용부가 형성되어 있으며, 본체(110)의 상부에는 성장된 실리콘 잉곳(180)이 배출되기 위한 배출구(111)가 형성되어 있다. 그리고 본체(110)에는 실리콘 융액(190)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N2) 등의 불활성 가스를 공급하기 위한 가스 공급구(도면 미도시)와 본체(110) 내부의 기체를 배기하기 위한 배기구(112)가 형성되어 있다.
석영 도가니(120)는 석영으로 이루어진 내부에 수용부가 형성되어 있는 용기로, 본체(110)의 내부에 설치된다. 그리고 석영 도가니(120)의 수용부에는 폴리 실리콘이 장입되며, 후술할 히터(150)에 의해 석영 도가니(120)가 가열되면 폴리 실리콘이 융해되어 형성되는 실리콘 융액(190)이 담기게 된다.
석영 도가니 지지대(125)는 흑연으로 이루어져 석영 도가니(120)를 감싸도록 설치된다. 석영 도가니 지지대(125)는 회전축(126) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(126)은 구동 수단(미도시)에 의해 회전 및 승강되어 석영 도가니(120)를 회전시키면서 상승시켜 단결정 실리콘 잉곳(180)과 실리콘 융액(190) 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다.
상부 전자석(130)은 본체(110)의 외부 상측에 설치되고, 하부 전자석(140)은 본체(110)의 외부 하측에 설치되어 석영 도가니(120) 내부에 자기장이 인가되도록 한다. 이와 같이 상부 전자석(130)과 하부 전자석(140)을 구성하고 여기에 전류 또는 전압을 인가하게 되면 석영 도가니(120) 내부에 화살표와 같은 커스프(cusp) 자기장이 형성된다.
히터(150)는 원통형으로 형성되어 석영 도가니 지지대(125)와 소정 간격을 두고 석영 도가니 지지대(125)의 측방을 감싸도록 설치된다. 히터(150)는 석영 도가니(120) 내부를 가열하여 석영 도가니(120) 내부에 존재하는 폴리 실리콘을 융해시키기 위한 것으로, 석영 도가니(120) 내부를 1500℃ 이상으로 가열시킬 수 있어야 한다.
보온벽(160)은 히터(150)와 석영 도가니 지지대(125) 전체를 감싸도록 설치되어, 히터(150)에서 발산되는 열이 본체(110)의 외벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열효율을 향상시키며, 고온 복사열로부터 본체(110)의 외벽 보호, 내부의 보온 및 실리콘 융액(190)을 유지하는 역할을 한다.
케이블(170)은 본체(110)의 상부에 잉곳(180)이 배출되기 위한 배출구(111)에 배치되고, 케이블(170)의 상단은 케이블(170)이 회전 및 승강 가능하도록 하는 구동수단(도면 미도시)과 연결된다. 그리고 케이블(170)의 하단에는 석영 도가니(120) 내의 실리콘 융액(190)에 접촉되어 잉곳(180)을 성장시키는 실리콘 종결정(seed)이 설치된다. 케이블(170)을 회전 및 승강 가능하도록 하는 구동수단(도면 미도시)은 잉곳(180) 성장시 케이블(170)을 감아 인상하면서 회전 운동하도록 한다. 이때 회전 방향은 석영 도가니 지지대(120)의 회전 방향과 반대가 되도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법의 바람직한 일 실시예에 대한 수행과정을 나타내는 흐름도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 잉곳 성장방법은 우선, 석영 도가니(120)에 실리콘을 장입한다(S210). 장입되는 실리콘은 일반적으로 폴리 실리콘 덩어리(chuck poly)나 알갱이(granule poly)이다. 이때 도펀트를 함께 장입할 수 있다. 도펀트는 n형과 p형을 결정짓는 것으로서, n형에는 인(P)이나 안티모니(Sb)가 사용되고, p형에는 붕소(B)가 사용된다.
다음으로, 석영 도가니(120) 내부의 압력을 50 내지 400 Torr, 바람직하게는 50 내지 100 Torr가 되도록 조절한다(S220). 석영 도가니(120) 내부의 압력은 아르곤, 네온, 질소 등과 같은 불활성 기체를 가스 공급구(도면 미도시)를 통해 공급하여 조절한다.
그리고 장입된 실리콘을 융해시키기 위하여 히터(150)를 이용하여 석영 도가니(120)를 가열한다(S230).
석영 도가니(120)에 장입된 실리콘이 히터(150)의 가열에 의해 융해되는 과정에 대해서 도 3에 나타내었다. 먼저, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 히터(150)에 의해 석영 도가니(120)의 일정 부분이 집중적으로 가열되어 이 부분(310)이 빨리 녹는다. 점차 융해된 실리콘 양이 증가하면 1차 함몰이 발생하고 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 융해된 실리콘 융액은 석영 도가니(120)의 바닥 부분(320)부터 채워지며, 계속해서 융해되지 않은 실리콘이 함몰하여 녹아서 도 3(c)에 도시된 바와 같이 융해된다. 이때 융해되지 않은 실리콘이 실리콘을 감싸는 고온의 융액의 열을 빼앗아 녹는 것이기 때문에, 융액의 온도를 낮추는 역할을 하게 되어 히터(150)에서 일정 이상의 열이 공급되지 않는다면 더 이상 실리콘이 융해되지 않게 된다.
표 1은 석영 도가니(120) 내부의 압력의 변화에 따른 석영 도가니(120) 내표면의 결정화 정도를 나타낸 표이다. 석영 도가니(120) 내표면의 결정화 정도는 후술할 과정을 통해 모든 공정이 끝났을 때 석영 도가니(120)의 하단에서 5cm×5cm의 박리된 면적을 통해 나타내었다. 이때 인가되는 자기장의 크기는 실리콘 융해시부터 실리콘 잉곳 성장시까지 모든 경우에 300 가우스 이하로 하였다.
실리콘 융해시 압력(Torr) 실리콘 잉곳 성장시 압력(Torr) 박리되지 않은 면적율(%)
실험 1 15 이하 40 이하 26
실험 2 15 ~ 50 50 ~100 74
실험 3 50 ~ 100 50 ~ 100 88
실험 4 400 이상 400 이상 -
표 1에 나타낸 바와 같이 실리콘 잉곳 성장시 석영 도가니(120) 내부의 압력이 50 내지 100 Torr일 때(실험 2, 3)는 박리되지 않은 면적율이 74 내지 88%로서 우수하였으나, 40 Torr 이하일 때(실험 1)는 석영 도가니(120) 내표면의 박리되지 않은 면적율이 26% 정도밖에 되지 않았다. 표 1에 나타내지 않았으나 석영 도가니(120) 내부의 압력이 100 내지 400 Torr일 때도 50 내지 100Torr를 인가할 때와 유사한 결과를 얻을 수 있다. 즉, 석영 도가니(120) 내부의 압력이 낮을수록 석영 도가니(120) 내표면의 박리가 많이 발생하였고, 이는 상술한 바와 같이 석영 도가니(120) 내표면의 결정화가 촉진되지 않았음을 의미한다. 석영 도가니(120) 내표면의 결정화는 주변에 산소 농도가 높을수록 촉진된다. 실리콘이 융해될 때 필연적으로 산소가 발생하게 되는데 압력이 높은 경우에는 산소가 실리콘 융액 속에서 방출되는 것을 일정 부분 방지하게 된다.
실리콘 융액 속에 포함된 산소가 석영 도가니(120)의 결정화에 미치는 영향에 관한 도면을 도 4에 나타내었다.
도 4를 참조하면, 실리콘 융액(410) 내부에는 산소 농도가 높은 층(420)이 형성된다. 그리고 석영 도가니의 내표면(440)은 산소 농도가 높은 층과 반응할 때 크리스토발라이트 결정상의 성장이 촉진된다. 따라서 압력이 높을수록 실리콘 융액 속의 산소 농도가 증가하게 되므로 석영 도가니의 내표면(440)의 결정화가 촉진된다.
따라서, 석영 도가니(120) 안의 실리콘 융액(190) 내부에 많은 산소를 포함시키기 위하여 압력을 높이는 것이 좋다. 표 1에 나타낸 바와 같이 50 Torr 이상을 유지하는 것이 바람직하다. 그러나 표 1의 실험 4에 나타낸 바와 같이, 석영 도가니(120) 내부의 압력이 400 Torr 이상이 되면, 잉곳 성장장치(100) 내부에 오염이 심해지게 된다. 따라서 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법에 있어서, 석영 도가니(120) 내부의 압력은 50 내지 400 Torr, 바람직하게는 50 내지 100 Torr를 유지한다.
특히 실리콘을 용융하는 단계는 단결정이 성장되는 공정이 아니므로 50 내지 400 Torr, 바람직하게는 50 내지 100 Torr의 범위에서 산화물에 의해 다결정이 생산되거나 결함이 발생할 가능성이 없다. 결국 실리콘을 용융시키는 단계에서의 압력이 후술할 단결정 실리콘을 성장시키는 단계에서의 압력보다 더 높게 하는 것이 바람직하다.
다시 도 2로 돌아가, 실리콘이 80% 이상 융해되면, 석영 도가니(120) 내부에 500 가우스 이상의 자기장을 인가한다(S240). 본 실시예에서는 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 전자석(130, 140)에 전류를 인가하여 발생하는 커스프 자기장을 이용하였다. 그리고 석영 도가니(120)의 내부에 500 가우스 이상의 자기장을 인가하면 실리콘 융액의 대류를 억제하는 효과가 크게 되므로, 본 실시예에서는 석영 도가니(120)의 내부에 500 가우스 이상의 자기장을 인가하였다.
실리콘 융해시에 자기장을 인가하게 되면 융액 내부의 대류가 억제된다. 특히 500 가우스 이상의 자기장을 인가하는 경우에 대류가 현저히 억제되는데, 이를 도 5a 및 도 5b에 나타내었다.
도 5a는 500 가우스 미만의 자기장을 인가하였을 때의 대류 형태를 시뮬레이션(simulation)한 결과를 나타낸 도면이고, 도 5b는 500 가우스 이상의 자기장을 인가하였을 때의 대류 형태를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
석영 도가니(120) 내부의 실리콘 융액(510a, 510b)을 살펴보면, 500 가우스 미만의 자기장을 인가한 경우(도 5a)에는 융액(510a)의 대류가 활발히 일어나고 있으나 500 가우스 이상의 자기장을 인가한 경우(도 5b)에는 융액(510b)의 움직임이 적어짐을 알 수 있다. 즉 500 가우스 이상의 자기장을 인가하면 대류가 억제되어 실리콘 융액 내의 열전달이 억제된다.
이와 같이 500 가우스 이상의 자기장이 인가되면, 도 6에 도시된 바와 같이 자기장(610)에 의해 열전달 궤도(620)에 있는 전자(630)가 이탈되어 열전달이 어렵게 된다. 따라서 500 가우스 이상의 자기장이 인가되면 히터(150)에서 공급되는 열이 석영 도가니 지지대(125)와 석영 도가니(120)를 거쳐 실리콘 융액(510b)으로 전달되는 것이 억제된다. 결국 500 가우스 이상의 자기장이 인가되면 실리콘 융액(510b) 주변부 즉, 석영 도가니(120) 부근의 실리콘 융액(510b)의 온도가 종래에 비해 높게 되어 석영 도가니(120) 내표면이 결정상으로 성장하기 유리한 조건이 된다. 그러나 500 가우스 미만의 자기장을 인가하는 경우에는 이러한 효과가 크지 않으므로, 석영 도가니(120) 내표면 결정화에는 큰 효과가 없다.
다만, 500 가우스 이상의 자기장이 인가되면 실리콘 융액(510b)의 대류가 억제되어 히터(150)에서 공급된 열이 효과적으로 폴리 실리콘과 실리콘 융액(510b)에 전달되지 않아서 융해 시간이 2시간 내지 5시간 정도 더 걸리게 된다. 따라서 실리콘 융해 초기부터 500 가우스 이상의 자기장을 인가하게 되면, 융해 시간을 증가시키게 되어 전체 공정시간을 증가시키게 된다. 또한 융해 초기에는 상온에서 급속히 1500℃ 이상으로 국부적으로 열을 가하게 되므로 융해 시간의 증가는 석영 도가니(120)의 형태를 변형시킬 수 있다. 따라서 융해 초기시부터 500 가우스 이상의 자기장을 인가하는 것보다는 실리콘이 80% 정도 융해되었을 때 500 가우스 이상의 자기장을 인가하는 것이 바람직하다. 실리콘이 80% 정도 융해되면, 융액 표면에 융해되지 않은 실리콘이 부유하게 되어 이때는 500 가우스 이상의 자기장을 인가하더라도 융해 시간이 증가하지 않는다.
표 2는 석영 도가니(120) 내부에 인가되는 자기장 크기의 변화에 따른 석영 도가니(120) 내표면의 결정화 정도를 나타낸 표이다. 이 경우에도 상술한 바와 마찬가지로, 석영 도가니(120) 내표면의 결정화 정도는 후술할 과정을 통해 모든 공정 끝났을 때 석영 도가니(120)의 하단에서 5cm×5cm의 박리된 면적을 통해 나타내었다. 이때 석영 도가니(120) 내부의 압력은, 모든 경우에 압력은 10 내지 50 Torr로 유지하였다. 그리고 실리콘 잉곳 성장시에는 모두 300 가우스 이하의 자기장을 인가하였다.
실리콘 융해 초기 인가되는 자기장(gauss) 실리콘 80% 융해시 인가되는 자기장(gauss) 박리되지 않은 면적율(%)
실험 5 300 이하 300 이하 26
실험 6 500 미만 500 이상 100
실험 7 500 이상 500 이상 74
표 2에 나타낸 바와 같이 실리콘 융해 초기부터 계속해서 300 가우스 이하의 자기장을 인가하는 경우(실험 5)에는 박리되지 않은 면적율이 26%로 작아서 석영 도가니(120) 내표면의 결정화를 촉진시키지 못한다. 그러나 실리콘이 80% 융해되었을 때 500 가우스 이상의 자기장을 인가하는 경우(실험 6, 7)에는 박리되지 않은 면적율이 실험 5의 경우에 비해 현저하게 증가됨을 알 수 있다. 이는 상술한 바와 같이 500 가우스 이상의 자기장이 대류를 억제하여 석영 도가니(120) 내표면의 결정화를 촉진시켰다는 것을 의미한다.
다만 융해 초기부터 500 가우스 이상을 인가하게 되면, 상술한 바와 같이 전체 공정시간이 오래 소요된다. 따라서 실험 6에서와 같이 실리콘 융해 초기에는 500 가우스 미만의 자기장을 인가하고, 실리콘이 80% 이상 융해시에는 500 가우스 이상의 자기장을 인가하는 것이 더욱 바람직하다. 그리고 인가되는 자기장의 세기는 500 가우스 이상이면 500 가우스나 1000 가우스나 그 효과가 동일하였다. 따라서 인가되는 자기장은 잉곳 성장장치(100)에서 허용되는 범위의 자기장의 크기를 가질 수 있다. 다만 너무 큰 자기장을 인가하기 위해서는 비용이 많이 소요되므로, 석영 도가니(120)가 박리되지 않을 정도의 자기장을 인가하는 것이 바람직하다.
표 2에는 자기장의 효과를 파악하기 위해 종래의 압력 조건인 10 내지 50 Torr에서 실험한 결과를 나타내었다. 그러나 압력을 상술한 바와 같이 50 내지 400 Torr, 바람직하게는 50 내지 100 Torr로 유지하면서 자기장을 인가하는 것이 석영 도가니(120) 내표면의 산소 농도를 높이고 석영 도가니(120) 내표면과 실리콘 융액 중심부의 온도차이를 크게 하여 결정상 성장에 유리하다.
그리고 도 7에는 표 2의 실험 6, 표 1의 실험 3 및 표 2의 실험 5의 5cm×5cm 샘플의 사진을 나타내었다. 표 2의 실험 6의 공정 조건하에서는 도 7(a)에 나타낸 바와 같이 박리된 부분이 전혀 나타나지 않았다. 그리고 표 1의 실험 3의 공정 조건에서는 도 7(b)에 나타낸 바와 같이 대부분의 영역(88%)이 박리되지 않았으나 일부(710)가 박리되었다. 반면에 표 2의 실험 5의 공정 조건에서는 대부분의 영역(720)이 박리되었다.
이상의 과정으로 실리콘이 모두 융해되면, 불순물 제거와 실리콘 융액(190)의 안정화를 위해 석영 도가니(120) 내부의 온도를 유지시키는 공정을 진행한다(S250).
그리고 나서, 석영 도가니(120) 내부에 500 가우스 미만의 자기장을 인가한다(S260). 실리콘 잉곳 성장 단계에서 500 가우스 이상의 자기장은 실리콘 잉곳 성장 속도와 직경 제어에 큰 영향을 주어 원하는 단결정 성장이 어려워지므로 S250 단계인 실리콘 융액(190)의 온도를 유지시키는 공정이 끝나면 자기장을 500 가우스 미만, 바람직하게는 300 가우스 미만을 인가한다. 그러나 압력의 경우에는 50 내지 400 Torr, 바람직하게는 50 내지 100 Torr를 유지한다.
이상에서 석영 도가니(120) 내부에 커스프 자기장이 인가되는 경우에 대해서 도시하고 설명하였으나, 이에 한정되지 않고 석영도가니(120)의 바닥면과 수평 또는 수직한 자기장이 인가되는 경우도 유사하다.
다음으로, 케이블(170)에 연결된 실리콘 종결정을 실리콘 융액(190)과 접촉시키는 디핑(dipping) 공정과 단결정 실리콘 잉곳(180)을 성장시키는 네킹(necking) 공정, 숄더링(shouldering) 공정, 그리고 성장된 잉곳(180)을 실리콘 융액(190)과 분리시키는 테일링(tailing) 공정을 수행하여 실리콘 잉곳(180)을 제조한다(S260).
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법에 이용되는 잉곳 성장장치 구성의 일 예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법의 바람직한 일 실시예에 대한 수행과정을 나타내는 흐름도이다.
도 3(a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법에 있어서, 석영 도가니에 장입된 실리콘이 융해되는 과정에 대해서 나타낸 도면들이다.
도 4는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법에 있어서, 실리콘 융액 속에 포함된 산소가 석영 도가니의 결정화에 미치는 영향을 나타내는 도면이다.
도 5a는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법에 있어서, 500 가우스 미만의 자기장을 인가하였을 때의 대류 형태를 시뮬레이션(simulation)한 결과를 나타낸 도면이고, 도 5b는 500 가우스 이상의 자기장을 인가하였을 때의 대류 형태를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법에 있어서, 자기장이 인가되었을 때의 열전달 과정을 나타내는 도면이다.
도 7(a) 내지 (c)는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장방법에 있어서, 실리콘 잉곳 성장 공정을 마친 후 석영 도가니의 박리된 정도를 나타내는 사진들이다.

Claims (7)

  1. 석영 도가니에 실리콘을 장입하는 단계;
    상기 석영 도가니를 가열하고 상기 석영 도가니의 내부에 500 가우스(gauss) 이상의 자기장을 인가하여, 상기 장입된 실리콘을 융해시키는 단계; 및
    상기 석영 도가니의 내부에 300 가우스 미만의 자기장을 인가하고, 상기 융해된 실리콘으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계;를 포함하며,
    상기 석영 도가니 내부의 압력을 50 내지 400 Torr의 범위에서 유지하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장방법.
  2. 석영 도가니에 실리콘을 장입하는 단계;
    상기 석영 도가니를 가열하여 상기 장입된 실리콘을 융해시키되, 상기 장입된 실리콘이 80% 미만 융해되었을 때는 500 가우스 미만의 자기장을 인가하고 상기 장입된 실리콘이 80% 이상 융해되었을 때 500 가우스 이상의 자기장을 인가하는 단계; 및
    상기 석영 도가니의 내부에 500 가우스 미만의 자기장을 인가하고, 상기 융해된 실리콘으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계;를 포함하며,
    상기 석영 도가니 내부의 압력을 50 내지 400 Torr의 범위에서 유지하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 실리콘을 융해시키는 단계에서 설정된 상기 석영 도가니의 내부의 압력이 상기 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계에서 설정된 상기 석영 도가니의 내부 압력보다 더 큰 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 인가되는 자기장은 커스프(cusp) 자기장, 상기 석영 도가니의 바닥면과 수평한 자기장 및 상기 석영 도가니의 바닥면과 수직한 자기장 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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