KR101942320B1 - 단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳의 성장 방법 - Google Patents

Abstract

실시 예는 자기장의 MGP가 용융액의 표면의 상측에 위치한 상태에서 바디를 성장시키는 바디 성장 단계; 및 바디 성장 단계 완료 후 테일을 성장시키는 테일 성장 단계를 포함하고, 상기 테일 성장 단계에서는 상기 테일 성장 단계 진입과 동시에 용융액 표면이 하강하는 제1 속도에 기초하여 MGP의 위치를 제2 속도로 하강시키고, 테일 성장 단계 동안 MGP는 용융액에 상측에 위치한다.

Description

단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳의 성장 방법{An apparatus for growing a crystal ingot and a method for growing a crystal ingot using the same}

실시 예는 단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳의 성장 방법에 관한 것이다.

단결을 성장시키는 방법인 초크랄스키(CZ:CZochralski)법에 따르면, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 투입하고, 흑연 발열체를 가열하여 다결정 실리콘을 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 씨드(seed) 결정을 침지시킨다. 그리고 씨드 결정을 회전시키면서 인상시킴으로써 용융액 계면에서 결정화가 일어나도록 함으로써, 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있다. 이후, 성장된 단결정 실리콘 잉곳에 대하여 슬라이싱(slicing) 공정, 에칭(etching) 공정 및 연마(polishing) 공정을 수행하여 웨이퍼 형태로 만들 수 있다.

실시 예는 안정적인 테일 성장 및 수율을 향상시킬 수 있는 단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용하는 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공한다.

실시 예에 따른 단결정 잉곳의 성장 방법은 자기장의 MGP(Maximum Gauss Position)가 용융액의 표면의 상측에 위치한 상태에서 바디(body)를 성장시키는 바디 성장 단계; 및 상기 바디 성장 단계 완료 후 테일을 성장시키는 테일 성장 단계를 포함하고, 상기 테일 성장 단계에서는 상기 테일 성장 단계 진입과 동시에 상기 용융액 표면이 하강하는 제1 속도에 기초하여 상기 MGP의 위치를 제2 속도로 하강시키고, 상기 테일 성장 단계 동안 상기 MGP는 상기 용융액에 상측에 위치한다.

상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리가 기설정된 범위 이내가 되도록 상기 제1 속도에 기초하여 상기 제2 속도를 제어할 수 있다.

상기 테일 성장 단계는 상기 테일의 성장 길이에 기초하여, 복수의 성장 길이 구간들로 구분되고, 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율이 각 성장 길이 구간에 대하여 기설정된 범위 이내가 되도록 상기 제2 속도를 제어하고, 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 상기 제1 속도를 제2 속도로 나눈 값일 수 있다.

상기 성장 길이 구간들 중 적어도 하나에서의 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 상기 성장 길이 구간들 중 다른 어느 하나에서의 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율과 서로 다를 수 있다.

상기 테일 성장 단계는 복수의 성장 길이 구간들을 포함하고, 상기 테일의 성장 길이 구간별 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율이 기설정된 범위 이내가 되도록 상기 제1 속도에 기초하여 상기 제2 속도를 제어하고, 상기 제1 이격 거리는 상기 성장 길이 구간별 시작 시점에서의 상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리이고, 상기 제2 이격 거리는 상기 성장 길이 구간별 종료 시점에서의 상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리일 수 있다.

상기 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율은 상기 제2 이격 거리를 상기 제1 이격 거리로 나눈 값이고, 상기 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율은 상기 테일의 성장 길이 구간별로 서로 다를 수 있다.

상기 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율의 범위는 상기 테일의 성장 길이가 증가할수록 증가할 수 있다.

상기 테일의 길이가 0 ~ 100[mm]이하인 구간에서, 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 0.9 ~ 1.1이고, 상기 테일의 길이가 100[mm]초과 ~ 200[mm]이하인 구간에서, 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 0.8 ~ 1.2이고, 상기 테일의 길이가 200[mm]초과 ~ 250[mm]이하 구간에서, 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 0.7 ~ 1.3일 수 있다.

상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리는 수학식 1을 만족하고,

[수학식 1]

, D는 상기 용융액 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리이고, L은 상기 테일의 성장 길이이고, 0≤L≤250일 수 있다.

실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치는 용융액을 담기 위한 도가니; 상기 도가니를 지지하고 회전시키기 위한 지지 회전축; 및 상기 도가니에 담긴 용융액에 자기장을 발생시키고, 발생된 자기장의 MGP(Maximum Gauss Position)의 위치와 상기 MGP의 이동 속도를 조절하는 자기장 발생부를 포함하고, 상기 자기장 발생부는 바디를 성장시키는 바디 성장 단계 완료 후에 테일(tail)을 성장시키는 테일 성장 단계 진입과 동시에, 상기 용융액 표면이 하강하는 제1 속도에 기초하여 상기 MGP의 위치를 제2 속도로 하강시키고, 상기 테일 성장 단계 동안 상기 MGP는 상기 용융액에 상측에 위치하도록 제어할 수 있다.

상기 자기장 발생부는 상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리가 기설정된 범위 이내가 되도록 상기 제1 속도에 기초하여 상기 제2 속도를 제어할 수 있다.

상기 테일의 성장 길이는 복수의 성장 길이 구간들을 포함하고, 상기 테일의 성장 길이 구간별 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율이 기설정된 범위 이내가 되도록 상기 용융액 표면이 하강하는 상기 제1 속도에 기초하여 상기 MGP의 위치가 하강하는 제2 속도를 제어하고, 상기 제1 이격 거리는 상기 성장 길이 구간별 시작 시점에서의 상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리이고, 상기 제2 이격 거리는 상기 성장 길이 구간별 종료 시점에서의 상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리일 수 있다.

상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리는 수학식 1을 만족하고,

[수학식 1]

,

D는 상기 용융액 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리이고, L은 상기 테일의 성장 길이이고, 0≤L≤250일 수 있다.

실시 예는 안정적인 테일 성장 및 수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 나타낸다.
도 2는 단결정 잉곳 성장 장치에 의한 단결정 잉곳의 테일 성장을 나타낸다.
도 3은 실시 예에 따른 테일 성장 단계의 플로차트이다.
도 4는 실험 결과에 따른 테일의 성장 길이 구간별 용융액의 표면의 속도를 나타낸다.
도 5는 테일의 성장 구간별 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율에 따른 테일의 성장 상태를 나타내는 실험 결과이다.
도 6은 도 5의 실험 결과에 따른 정상적으로 성장된 테일을 얻기 위한 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율을 나타낸다
도 7은 바디 성장 단계 및 테일 성장 단계 진입 후의 용융액의 대류 패턴을 나타낸다.
도 8a는 실시 예에 따른 정상 성장된 테일을 나타낸다.
도 8b는 테일의 이상 성장인 아이싱을 나타낸다.
도 8c는 테일의 이상 성장인 팝 아웃을 나타낸다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 개의 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

또한, 이하에서 이용되는 “제1” 및 “제2”, “상/상부/위” 및 “하/하부/아래” 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. 또한 동일한 참조 번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한 이상에서 기재된 "대응하는" 등의 용어는 "대향하는" 또는 "중첩되는" 의미들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치(100)를 나타낸다.

도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 도가니(10), 지지 회전축(18), 인상 수단(40), 와이어(42), 열차폐부재(50), 히터(60), 단열재(70), 자기장 발생부(80), 및 제어부(130)를 포함한다. 예컨대, 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 CZ 법에 의한 단결정 잉곳(30)을 성장시킬 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1에는 도시되지 않았지만, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 공간으로, 도가니(10), 도가니 지지부(18), 승강부(40), 와이어(42), 열차폐부재(50), 히터(60), 및 단열재(70)를 수용하는 챔버(chamber)를 더 포함할 수 있다.

도가니(10)는 챔버 내부에 배치될 수 있고, 단결정 잉곳(30)을 성장시키기 위한 원료 물질을 수용할 수 있다. 예컨대, 도가니(10)는 안쪽에 위치하는 석영 도가니(12) 및 바깥쪽에 위치하는 흑연 도가니(14)를 포함할 수 있다.

도가니 지지부(18)는 도가니(10) 하부에 위치하고, 도가니(10)를 지지할 수 있다. 도가니 지지부(18)는 단결정 잉곳 성장을 위하여 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 도가니(10)를 회전시킬 수 있다.

히터(60)는 도가니(10)의 외주면과 이격되도록 챔버 내에 배치될 수 있고, 도가니(10)를 가열할 수 있다. 히터(60)에 의하여 발생하는 열에 의하여 도가니(10)가 가열될 수 있고, 도가니(10)의 온도가 올라갈 수 있다. 그리고 도가니(10)의 온도가 올라감에 따라 도가니(10) 내에 수용된 다결정 덩어리인 원료 물질(예컨대, 다결정 실리콘)은 용융액(20)이 될 수 있다.

열 차폐 부재(50)는 도가니(10) 내의 용융액(20)으로부터 성장되는 실리콘 단결정으로 복사되는 열을 차단하고, 히터(60)로부터 발생하는 불순물(예컨대, CO gas)이 성장하는 실리콘 단결정으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.

단열재(70)는 챔버의 내벽과 히터(60) 사이에 위치할 수 있고, 챔버 내부의 열이 챔버 외부로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다.

와이어(42)의 일단은 시드 척(seed chuck, 미도시)에 연결될 수 있고, 시드 척에는 종자 결정(32)이 결합될 수 있고, 종자 결정(32)은 도가니(10) 내의 용융액(20)에 담가(dipped)질 수 있다.

인상 수단(40)은 챔버 상부에 위치할 수 있고, 챔버 내부에서 도가니(10) 위로 잉곳(30)에 연결된 와이어(42)를 인상시킬 수 있다.

자기장 발생부(80)는 자기장을 발생시킬 수 있으며, 발생된 자기장은 챔버 내부에 위치하는 도가니(10) 내의 용융액(20)에 제공될 수 있다.

예컨대, 자기장 발생부(80)는 도가니 내의 용융액(20)에 수평 자기장(Horizontal Magnetic Field)을 인가할 수 있다. 예컨대, HMCZ(Horizontal Magnetic Field CZochralski)법에 의하여 수평 자기장을 발생시킬 수 있다.

실시 예에 따르면, 자기장 발생부(80)는 단결정 잉곳의 바디 성장 공정에서는 MGP(Maximum Gauss Position)가 실리콘 용융액(20)의 표면(21)의 상부에 위치하도록 자기장을 형성할 수 있다.

예컨대, MGP는 용융액(20)의 표면(21)으로부터 기설정된 이격 거리(D1)만큼 이격하여 용융액(20)의 표면(21)의 상측에 위치할 수 있다.

MPG의 위치가 용융액(20)의 표면(21)의 상측에 위치할 때, 이격 거리(D1)는 양수(+)로 표현될 수 있으며, MGP의 위치는 양수 값을 가질 수 있다.

반면에, MPG의 위치가 용융액(20)의 표면(21)의 하측에 위치할 때, 이격 거리(D1)는 음수(-)로 표현될 수 있으며, MGP의 위치는 음수 값을 가질 수 있다.

여기서 MGP란 자기장의 수직 성분이 실질적으로 0에 가깝고 수직 방향을 기준으로 자기장의 집속 밀도(flux density)가 최대인 지점 또는 위치일 수 있다.

예컨대, MGP란, 자기장 발생부(80)로부터 발생되는 자기장의 수평 성분이 최대가 되는 위치를 의미할 수 있다.

자기장 발생부(80)는 상술한 MGP의 위치,예컨대, 양수 값을 갖는 MGP 위치에 기초하여, 단결정 잉곳의 넥킹 공정, 숄더 공정, 및 바디 성장 단계을 수행할 수 있다.

자기장 발생부(80)는 자기장의 MGP(Maximum Gauss Position)의 위치와 MGP의 이동 속도를 조절할 수 있다.

바디를 성장시키는 바디 성장 단계 완료 후에 테일(tail)을 성장시키는 테일 성장 단계 진입과 동시에, 용융액(20)의 표면(21a)이 하강하는 제1 속도(V1)에 기초하여 MGP의 위치를 제2 속도(V2)로 하강시킬 수 있다.

제어부(130)는 자기장 발생부(80)로부터 발생되는 자기장의 세기 및/또는 수평 자기장의 MGP의 위치를 조절하기 위하여 자기장 발생부(80)를 제어할 수 있다.

예컨대, 제어부(130)는 자기장 발생부(80)로부터 용융액(20)에 인가되는 자기장의 세기를 조절할 수 있고, 자기장 발생부(80)의 위치를 상하로 이동시킴으로써 MGP의 위치를 제어할 수 있다.

또한 예컨대, 자기장 발생부(80)가 테일 성장 단계에서 MGP의 위치를 조절하는 것은 후술한다.

실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 이용하여 단결정 잉곳을 성장하는 방법은 다음과 같다.

넥을 성장시키는 넥킹(necking) 단계, 숄더(shoulder)를 성장시키는 숄더 성장 단계, 및 바디(body)를 성장시키는 바디 성장 단계를 수행한 후에, 테일(tail)을 성장시키는 테일 성장 단계를 수행한다.

넥킹 공정 이전에 도가니에 원료 물질, 예컨대, 실리콘을 투입하고, 투입된 원료 물질을 녹이는 용융 공정을 수행할 수 있다.

예컨대, 상술한 넥킹 공정, 숄더 공정, 및 바디 성장 단계 중 적어도 하나의 공정에서 MGP는 용융액(20)의 표면(21)의 상측에 위치할 수 있다. 예컨대, 넥킹 공정, 숄더 공정, 및 바디 성장 단계에서 MGP는 양수 값을 가질 수 있다.

바디 성장 단계에서는 도가니(20)가 기설정된 속도로 인상되지만, 테일 성장 단계 진입과 동시에 도가니(20)는 인상되지 않고, 테일 성장 단계 동안 도가니(20)의 위치는 고정될 수 있다.

테일 성장 단계 동안 도가니(20)의 위치는 고정되기 때문에, 테일(tail)이 성장함에 따라 용융액(20) 표면(21a)의 위치가 점차 낮아지고 이로 인하여 용융액의 대류 패턴에 변동이 발생될 수 있다.

도 7은 바디 성장 단계에서의 용융액의 대류 패턴과 테일 성장 단계 진입 후의 용융액의 대류 패턴을 나타낸다.

도 7의 (a)는 바디 성장 단계에서의 용융액의 대류 패턴을 나타내고, 도 7의 (b)는 테일 성장 단계 진입 후의 용융액의 대류 패턴을 나타낸다.

도 7을 참조하면, 바디 성장 단계에서와 같이, MGP와 용융액의 표면 간의 이격 거리가 일정할 경우에는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 시드 셀(S-ceed)과 크루서블 셀(C-seed)이 활성화되어 용융액 내에서 열 교반이 안정적으로 이루어질 수 있다.

테일 성장 단계 진입 이후 MGP의 위치가 고정되어 있는 경우에는 테일이 성장함에 따라 용융액(20)의 표면(20a)의 위치가 MGP로부터 점차 멀어지게 되고, 이로 인하여 시드 셀(S-ceed)이 비정상적으로 강화되어 용융액의 열 교반이 안정적으로 이루어지지 못하고 이로 인하여 테일의 이상 성장이 발생될 수 있다.

즉 도 7의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 바디 성장 단계과 테일 성장 단계 진입 이후의 대류 패턴에 변동에 기인하여 테일의 이상 성장이 발생될 수 있다.

실시 예에는 테일 성장 단계 중에 용융액의 표면의 위치 이동에 따라 MGP의 위치를 동시에 이동시켜 용융액의 시드 셀과 크루서블 셀 간의 열 교반이 활성화될 수 있도록 하여, 용융액의 표면의 위치가 MGP로부터 점차 멀어짐으로써 발생될 수 있는 테일의 이상 성장을 억제할 수 있다.

실시 예에서는 상술한 테일의 이상 성장을 방지하기 위하여, 테일 성장 단계 진입과 동시에, 용융액(20) 표면(21a)의 위치(예컨대, 용융액(20) 표면(21a)의 수평 레벨)가 하강하는 제1 속도(V1)에 기초하여, MGP의 위치를 제2 속도(V2)로 하강시킨다.

예컨대, 용융액(20)의 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리가 기설정된 범위에 속하거나 또는 기설정된 값을 갖도록 제1 속도(V1)에 기초하여 제2 속도(V2)를 제어할 수 있다.

예컨대, 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)이 기설정된 범위 이내가 되도록 제2 속도(V2)를 제어할 수 있다. 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)은 제1 속도(V1)를 제2 속도(V2)로 나눈 값일 수 있다.

도 2은 단결정 잉곳 성장 장치(100)에 의한 단결정 잉곳(20)의 테일(Tail) 성장을 나타내며, 도 3은 실시 예에 따른 테일 성장 단계의 플로차트이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 테일 성장 단계 동안 제1 속도(V1)에 관한 데이터를 획득하거나 또는 설정한다(S110).

제1 속도는 테일 성장 단계에서 용융액(20)의 표면(21a)의 하강 속도일 수 있다. 용융액(20)의 표면(21a)은 단결정 잉곳(30), 예컨대, 성장되는 테일과 용융액(20)의 경계면(34)과 용융액(20)이 담긴 도가니(10)의 내측면 사이에 위치하는 용융액(20)의 상면일 수 있다.

예컨대, 테일 성장 단계는 테일의 성장 길이에 기초하여 복수의 성장 길이 구간들을 포함할 수 있고, 테일의 성장 길이 구간별 또는 성장 길이 구간들 각각에 대응하는 용융액(20)의 표면(21a)의 제1 속도(V1)에 관한 데이터를 획득할 수 있다.

도 4는 실험 결과에 따른 테일의 성장 길이 구간별 용융액(20)의 표면(21a)의 제1 속도(V1)를 나타낸다.

L은 테일의 성장 길이를 나타낸다.

S/L(%)는 바디 성장 단계의 종료 시점의 단결정 잉곳의 인상 속도(이하 "제1 인상 속도"라 함) 대비 테일 성장 단계에서의 단결정 잉곳의 인상 속도(이하 "제2 인상 속도"라 함)를 나타낸다. 예컨대, 테일 성장 단계 진입시 제2 인상 속도는 제1 인상 속도보다 느릴 수 있고, 테일 성장 단계가 진행됨에 따라 제2 인상 속도는 점차 증가하여 제1 인상 속도를 초과할 수 있다.

성장 길이 구간들 각각은 기설정된 길이(예컨대, 25mm)를 갖도록 설정될 수 있다.

예컨대, 제1 성장 길이 구간은 테일의 길이가 0[mm] 이상이고 25[mm] 이하인 구간일 수 있고, 제2 성장 길이 구간은 테일의 길이가 25[mm] 이상이고 50[mm] 미만인 구간일 수 있고, 마지막 성장 길이 구간은 테일의 길이가 225[mm] 이상이고 250[mm]이하인 구간일 수 있으며, 이와 같이 형식으로 나머지 성장 길이 구간들과 동일하게 설정할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

테일의 성장 길이에 따른 용융액(20)의 표면(21a)의 위치 값(MP)을 검출하고, 검출된 용융액(20)의 표면(21a)의 위치 값(MP)에 기초하여, 각 구간에 대응하는 용융액(20)의 표면(21a)의 이동 거리(d)를 획득한다.

여기서 용융액(20)의 표면(21a)의 위치 값(MP)은 기준 위치를 기준으로 이격된 거리일 수 있다. 예컨대, 기준 위치는 바디 성장 단계가 종료되고, 테일 성장 단계가 시작되는 시점에서의 용융액(20)의 표면(21a)의 최초 위치일 수 있다.

도 4에서는 테일 성장 단계가 시작되면 용융액(20)의 표면(20a)의 위치는 기준 위치 아래 방향으로 이동한다는 점에서 위치 값(MP)은 음수(-)로 표현될 수 있다.

예컨대, 각 구간에 대응하는 용융액(20)의 표면(21a)의 이동 거리(d)는 각 구간의 경계값들에 대응하는 용융액(20)의 표면(20a)의 위치 값들의 편차일 수 있다.

다음으로 성장 길이 구간별 테일의 성장 시간(t)을 획득한다.

다음으로 이동 거리(d)와 성장 시간(t)을 이용하여 테일의 각 성장 길이 구간에 대응하는 용융액(20) 표면(21a)의 제1 속도(V1)를 산출한다.

예컨대, 제1 속도(V1)는 이동 거리(d)를 성장 시간(t)으로 나눈 값일 수 있다(V1=d/t).

제1 속도(V1)는 각 성장 길이 구간에서 용융액(20)의 표면의 이동 속도일 수 있다. 예컨대, 제1 속도(V1)는 평균 이동 속도일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

테일의 성장 길이(L)에 따른 용융액(20) 표면(21a)의 제1 속도(V1)에 관한 데이터는 단결정 잉곳(20)의 인상 속도(S/L(%))와 도가니(10)의 형상, 예컨대, 석영 도가니(12)의 내면 하부의 곡률에 기초하여 설정되거나, 또는 획득될 수 있다.

예컨대, 테일의 성장 길이 구간들 중 적어도 하나의 구간에서의 용융액(20) 표면(21a)의 속도는 나머지 성장 길이 구간에서의 용융액(20) 표면(21a)의 속도와 다를 수 있다.

다음으로 용융액(20)의 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리가 기설정된 값을 갖거나, 또는 기설정된 범위 이내가 되도록 하기 위하여, 각 성장 길이 구간에 대응하는 용융액(20)의 표면(20a)의 제1 속도(V1)에 기초하여, 각 구간에 대응하는 MGP의 제2 속도(V2)를 제어한다.

예컨대, 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)이 각 성장 길이 구간의 기설정된 범위 이내가 되도록 테일을 성장시킬 수 있다(S120).

D는 테일 성장 단계에서 용융액(20)의 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리일 수 있다. 도 4에서 성장 길이 구간별 용융액(20)의 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리(D)는 기설정된 일정한 값(예컨대, 221.5)을 갖도록 설정될 수 있다.

테일 성장 단계에서 MGP는 양수 값을 가질 수 있다. 즉 전체 테일 성장 단계 동안 MGP는 용융액(20)의 표면(21a)의 상측에 위치할 수 있다.

용융액(20)의 표면(21a)의 제1 속도(V1)와 MGP의 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)이 기설정된 범위 이내가 되도록 함으로써, 실시 예는 테일의 이상 성장을 방지할 수 있다.

예컨대, 각 성장 길이 구간에 대한 용융액(20)의 표면(21a)의 제1 속도(V1)와 MGP의 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)은 각 성장 길이 구간에 대한 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율(FD/ID)로 표현될 수도 있다. 예컨대, 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율(FD/ID)은 제2 이격 거리(FD)를 제1 이격 거리(ID)로 나눈 값일 수 있다.

예컨대, 테일의 성장 길이 구간별 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율(FD/ID)이 기설정된 범위 이내가 되도록 용융액(20)의 표면(21a)의 제1 속도(V1)에 기초하여 MGP의 제2 속도(V2)를 제어할 수 있다.

제1 이격 거리(ID)는 테일의 성장 길이 구간의 시작 지점 또는 시작 시점에서의 용융액(20)의 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리일 수 있다. 제2 이격 거리(FD)는 테일의 성장 길이 구간의 마지막 지점 또는 종료 시점에서의 용융액(20)의 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리일 수 있다.

예컨대, 제1 구간(0 ~ 25[mm])에서 제1 이격 거리(ID)는 테일의 성장 길이가 0[mm]일 때의 용융액(20)의 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리일 수 있고, 제1 구간(0~ 25[mm])에서의 제2 이격 거리(FD)는 테일의 성장 길이가 25[mm]일 때의 용융액(20)의 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리일 수 있다.

도 5는 테일의 성장 길이 구간별 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율(FD/ID)에 따른 테일의 성장 상태를 나타내는 실험 결과이다.

S110 단계에서 획득된 용융액(20)의 표면(20a)의 제1 속도(V1)를 기준으로, 도 5와 같이 테일의 성장 길이 구간별 제1 및 제2 이격 거리들 간의 비율(FD/ID)에 따른 테일의 성장 상태를 알 수 있는 실험을 수행할 수 있다.

도 5를 참조하면, 'X' 표시는 테일의 이상 성장을 나타내고, '○' 표시는 테일의 정상 성장을 나타낸다. 성장 길이 구간별로 테일의 정상 성장이 가능한 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율(FD/ID)의 기설정된 범위를 알 수 있다.

도 5에서 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율(FD/ID)이 1이라는 것은 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD)가 동일하다는 것을 의미한다. 그리고 이것은 MGP의 제2 속도(V2)와 용융액(20)의 표면(20a)의 제1 속도(V1)와 동일하다는 것을 의미할 수 있고, 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)이 1인 것을 의미할 수 있다.

그리고 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율(FD/ID)이 1보다 작다는 것은 MGP의 제2 속도(V2)가 용융액 표면의 제1 속도(V1)보다 빠르다는 것을 의미할 수 있으며, 이로 인하여 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)은 1보다 작을 수 있다.

그리고, 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율(FD/ID)이 1보다 크다는 것은 MGP의 제2 속도(V2)가 용융액(20)의 표면(20a)의 제1 속도(V1)보다 느리다는 것을 의미할 수 있으며, 이로 인하여 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)은 1보다 클 수 있다.

따라서 테일의 정상 성장을 위한 도 5의 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율의 기설정된 범위는 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)에 동일하게 적용될 수 있다.

결국 각 성장 길이 구간에 대한 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD)의 비율(FD/ID)이 도 5의 색칠된 부분의 범위일 때, 테일의 이상 성장이 발생되지 않을 수 있다.

또한 각 성장 길이 구간에 대한 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)이 도 5의 색칠된 부분의 범위 내일 때, 테일의 이상 성장이 발생되지 않을 수 있다.

도 5에서 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율(FD/ID)의 범위는 테일의 성장 길이가 증가할수록 증가할 수 있다.

도 6은 도 5의 실험 결과에 따른 정상적으로 성장된 테일을 얻기 위한 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율(FD/ID)을 나타낸다. 도 5 및 도 6에서 테일의 최종 성장 길이는 250[mm]일 수 있다.

g1은 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD) 간의 비율(FD/ID)이 1인 경우를 의미한다. g2는 테일의 이상 성장이 발생되지 않을 비율(FD/ID)의 상한 경계를 나타내고, g3는 테일의 이상 성장이 발생되지 않을 비율(FD/ID)의 하한 경계를 나타낼 수 있다.

도 6에서는 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD)의 비율(FD/ID)이 g2와 g3 사이의 기설정된 범위일 때, 테일의 이상 성장이 발생되지 않을 수 있다.도 6의 기설정된 범위는 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2)에도 동일하게 적용될 수 있다.

실시 예는 테일 성장 단계에서, 제1 속도(V1)와 제2 속도(V2) 간의 비율(V1/V2) 또는/및 제1 이격 거리(ID)와 제2 이격 거리(FD)의 비율(FD/ID)이 도 5 및 도 6에서 설명한 기설정된 범위가 되도록 함으로써 테일의 이상 성장을 방지할 수 있다.

예컨대, 테일 성장 단계에서 테일의 이상 성장을 방지하기 위하여 비율(V1/V2) 또는/및 비율(FD/ID)이 0.9 ~ 1.1의 범위 이내가 되도록 제1 속도(V1) 또는 제2 속도(V2) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 비율(FD/ID)이 0.9 ~ 1.1의 범위 이내일 경우, 테일의 성장 길이 전체 구간(0 ~ 250[mm]) 동안 테일의 이상 성장이 발생되지 않을 수 있다.

또한 예컨대, 테일의 이상 성장을 방지하기 위하여, 테일의 길이가 0 ~ 100[mm]이하인 구간에서, 비율(FD/ID) 또는/및 비율(V1/V2)은 0.9 ~ 1.1일 수 있다.

또한 예컨대, 테일의 이상 성장을 방지하기 위하여, 테일의 길이가 100[mm]초과 ~ 200[mm]이하인 구간에서, 비율(FD/ID) 또는/및 비율(V1/V2)은 0.8 ~ 1.2일 수 있다.

또한 테일의 이상 성장을 방지하기 위하여, 테일의 길이가 200[mm]초과 ~ 250[mm]이하 구간에서, 비율(FD/ID) 또는/및 비율(V1/V2)은 0.7 ~ 1.3일 수 있다.

테일의 성장 길이 구간에 따라 비율(FD/ID)이 도 6의 g3가 나타내는 제1 기준 값(또는 하한 경계 값)보다 작은 경우에는, 용융액의 대류의 도가니 셀(C-cell, 도 7 참조)이 과도하게 활성화될 수 있고, 단결정 잉곳 방향으로의 열 이동이 증가하여 "팝 아웃(pop out)"이라는 테일의 이상 성장이 발생될 수 있다.

팝 아웃은 테일 성장 단계 진행 시 온전한 성장을 하지 못한 채 용융액과 잉곳이 분리되는 현상을 말한다.

또한 예컨대, 테일의 성장 길이 구간에 따라 비율(FD/ID)이 도 6의 g2가 나타내는 제2 기준 값(또는 상한 경계 값)보다 큰 경우에는, 용융액의 시드 셀(S-cell, 도 7 참조)이 비정상적으로 강화되어 용융액의 원활한 열 교반이 이루어지지 못하여 "아이싱(Icing)"이라는 테일의 이상 성장이 발생될 수 있다.

아이싱은 테일의 후미 부분에서 타겟 온도보다 낮아 결정 석출이 일어나는 현상을 말한다.

도 8a는 실시 예에 따른 정상 성장된 테일을 나타내고, 도 8b는 테일의 이상 성장인 아이싱을 나타내고, 도 8c는 테일의 이상 성장인 팝 아웃을 나타낸다.

실시 예는 테일의 성장 길이 구간에 따라 비율(FD/ID)이 도 6에 도시된 기설정된 범위(제1 기준 값 ~ 제2 기준 값) 이내가 되도록 제1 속도(V1)에 기초하여 제2 속도(V2)를 제어함으로서, 테일의 이상 성장을 방지할 수 있고, 안정적인 테일 확보가 가능하다.

또한 실시 예는 테일 성장 단계의 초반, 중반, 및 후반으로 갈수록 테일의 이상 성장을 방지할 수 있도록 운용 가능한 MGP의 제2 속도의 범위를 증가시킬 수 있고, 이로 인하여 테일 성장 단계의 후반에 빈번히 발생될 수 있는 팝 아웃 또는 아이싱과 같은 현상을 개선할 수 있다.

도 5 및 도 6에 따른 실험 결과에 기초하여, 실시 예에서는 팝 아웃 또는 아이싱과 같은 테일의 이상 성장 발생을 방지하기 위하여, 용융액 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리가 수학식 1에 따르도록 테일 성장 단계를 진행할 수 있다.

즉 용융액 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리가 수학식 1에 따르도록 용융액 표면(21a)의 제1 속도 및 MGP의 제2 속도를 제어할 수 있다.

여기서 D는 용융액 표면(21a)과 MGP 간의 이격 거리이고, L는 테일의 성장 길이를 나타낸다. L은 0보다 크거나 같고, 250보다 작거나 같을 수 있다(0≤L≤250).

테일 성장 단계 진행 시에 공정 조건(예컨대, 단결정 잉곳의 인상 속도, 성장 온도 등)의 변경이 발생하더라도, 상술한 바와 같이, 비율(V1/V2) 또는/및 비율(FD/ID)을 도 5 및 도 6의 기설정된 범위 내로 조정함으로써, 결정 석출 현상을 저지할 수 있고, 안정적인 테일 성장 및 수율 개선을 이룰 수 있다.

이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 도가니, 18: 지지 회전축
40: 인상 수단 42: 와이어
50: 열차폐부재, 60: 히터
70: 단열재 80: 자기장 발생부
130: 제어부.

Claims (14)

1. 자기장의 MGP(Maximum Gauss Position)가 용융액의 표면으로부터 이격하여 상기 용융액의 표면의 상측에 위치시킨 상태에서 바디(body)를 성장시키는 바디 성장 단계; 및
   상기 바디 성장 단계 완료 후 테일을 성장시키는 테일 성장 단계를 포함하고,
   상기 테일 성장 단계에서는,
   상기 테일 성장 단계 진입과 동시에 상기 용융액 표면이 하강하는 제1 속도에 기초하여 상기 MGP의 위치를 제2 속도로 하강시키고,
   상기 테일 성장 단계 동안 상기 MGP는 상기 용융액의 상측에 위치하도록 계속 유지되는 단결정 잉곳의 성장 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리가 기설정된 범위 이내가 되도록 상기 제1 속도에 기초하여 상기 제2 속도를 제어하는 단결정 잉곳의 성장 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 테일 성장 단계는 상기 테일의 성장 길이에 기초하여, 복수의 성장 길이 구간들로 구분되고,
   상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율이 각 성장 길이 구간에 대하여 기설정된 범위 이내가 되도록 상기 제2 속도를 제어하고, 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 상기 제1 속도를 제2 속도로 나눈 값인 단결정 잉곳의 성장 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 0.9 ~ 1.1인 단결정 잉곳의 성장 방법.
5. 제3항에 있어서,
   상기 성장 길이 구간들 중 적어도 하나에서의 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 상기 성장 길이 구간들 중 다른 어느 하나에서의 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율과 서로 다른 단결정 잉곳의 성장 방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 테일 성장 단계는 복수의 성장 길이 구간들을 포함하고,
   상기 테일의 성장 길이 구간별 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율이 기설정된 범위 이내가 되도록 상기 제1 속도에 기초하여 상기 제2 속도를 제어하고,
   상기 제1 이격 거리는 상기 성장 길이 구간별 시작 시점에서의 상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리이고, 상기 제2 이격 거리는 상기 성장 길이 구간별 종료 시점에서의 상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리인 단결정 잉곳의 성장 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율은 상기 제2 이격 거리를 상기 제1 이격 거리로 나눈 값이고,
   상기 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율은 상기 테일의 성장 길이 구간별로 서로 다른 단결정 잉곳의 성장 방법.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율의 범위는 상기 테일의 성장 길이가 증가할수록 증가하는 단결정 잉곳의 성장 방법.
9. 제3항에 있어서,
   상기 테일의 길이가 0 ~ 100[mm]이하인 구간에서, 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 0.9 ~ 1.1이고,
   상기 테일의 길이가 100[mm]초과 ~ 200[mm]이하인 구간에서, 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 0.8 ~ 1.2이고,
   상기 테일의 길이가 200[mm]초과 ~ 250[mm]이하 구간에서, 상기 제1 속도와 상기 제2 속도 간의 비율은 0.7 ~ 1.3인 단결정 잉곳의 성장 방법.
10. 제2항에 있어서,
    상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리는 수학식 1을 만족하고,
    [수학식 1]
    

    

    ,
    D는 상기 용융액 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리이고, L은 상기 테일의 성장 길이이고, 0≤L≤250인 단결정 잉곳의 성장 방법.
11. 용융액을 담기 위한 도가니;
    상기 도가니를 지지하고 회전시키기 위한 지지 회전축; 및
    상기 도가니에 담긴 용융액에 자기장을 발생시키고, 발생된 자기장의 MGP(Maximum Gauss Position)의 위치와 상기 MGP의 이동 속도를 조절하는 자기장 발생부를 포함하고,
    상기 자기장 발생부는,
    바디를 성장시키는 바디 성장 단계에서는 상기 자기장의 자기장의 MGP가 상기 융융액의 표면으로부터 이격하여 상기 용융액 표면의 상측에 위치시키고,
    상기 바디 성장 단계 완료 후에 테일(tail)을 성장시키는 테일 성장 단계 진입과 동시에, 상기 용융액 표면이 하강하는 제1 속도에 기초하여 상기 MGP의 위치를 제2 속도로 하강시키고,
    상기 테일 성장 단계 동안에 상기 MGP를 상기 용융액에 상측에 계속 위치하도록 상기 MGP의 위치를 제어하는 단결정 잉곳 성장 장치.
12. 제11항에 있어서, 상기 자기장 발생부는,
    상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리가 기설정된 범위 이내가 되도록 상기 제1 속도에 기초하여 상기 제2 속도를 제어하는 단결정 잉곳 성장 장치.
13. 제11항에 있어서,
    상기 테일 성장 단계에서 성장되는 테일의 성장 길이는 복수의 성장 길이 구간들을 포함하고,
    상기 테일의 성장 길이 구간별 제1 이격 거리와 제2 이격 거리 간의 비율이 기설정된 범위 이내가 되도록 상기 용융액 표면이 하강하는 상기 제1 속도에 기초하여 상기 MGP의 위치가 하강하는 제2 속도를 제어하고,
    상기 제1 이격 거리는 상기 성장 길이 구간별 시작 시점에서의 상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리이고, 상기 제2 이격 거리는 상기 성장 길이 구간별 종료 시점에서의 상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리인 단결정 잉곳 성장 장치.
14. 제12항에 있어서,
    상기 용융액의 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리는 수학식 1을 만족하고,
    [수학식 1]
    

    

    ,
    D는 상기 용융액 표면과 상기 MGP 간의 이격 거리이고, L은 상기 테일의 성장 길이이고, 0≤L≤250인 단결정 잉곳 성장 장치.

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