KR102060422B1 - 단결정 실리콘의 제조 방법 - Google Patents

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KR102060422B1
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토시유키 후지와라
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가부시키가이샤 사무코
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Abstract

결정 인상 방향의 산소 농도의 변동을 억제할 수 있는 단결정 실리콘의 제조 방법을 제안한다. 도가니(12)에 충전된 실리콘 융액(13)에 종결정(17)을 침지하고, 당해 종결정(17)의 인상 방향에 수직인 방향으로 자장(磁場)을 인가한 상태하에서, 도가니(12)를 회전시킴과 함께, 종결정(17)을 회전시키면서 인상하고, 종결정(17) 상(上)에 단결정 실리콘(16)을 성장시키는 단결정 실리콘의 제조 방법에 있어서, 종결정(17)의 인상은, 실리콘 융액(13)이, 적어도 고액계면하에서, 종결정(17)의 인상축을 포함하고 또한 자장의 인가 방향에 평행한 면에 대해서 한쪽측으로부터 다른 한쪽측으로 유동하는 상태하에서 종결정의 인상을 행하는 것을 특징으로 한다.

Description

단결정 실리콘의 제조 방법
본 발명은, 단결정 실리콘의 제조 방법 및 단결정 실리콘에 관한 것으로, 특히, 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동을 억제할 수 있는 단결정 실리콘의 제조 방법 및 단결정 실리콘에 관한 것이다.
최근, 반도체 디바이스를 제작할 때에는, 초크랄스키(Czochralski, CZ)법에 의해 육성된 단결정 실리콘을 슬라이스하여, 얻어진 실리콘 웨이퍼를 기판으로서 사용하는 것이 일반적이다.
CZ법에 의해 단결정 실리콘을 제조할 때, 도가니에 수용된 실리콘 융액은, 열대류(熱對流)에 의해 격렬하게 유동하고, 도가니에 포함되는 산소가 제조되는 단결정 실리콘에 고농도로 취입된다. 그래서, 도가니 내의 실리콘 융액에 횡자장(磁場)(수평 자장)을 인가하면서 단결정 실리콘을 인상함으로써, 실리콘 융액의 유동을 억제하여 단결정 실리콘의 산소 농도를 제어하는 것이 행해지고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
도 1은, 횡자장 인가식의 단결정 실리콘 제조 장치의 일 예를 나타내고 있다. 이 도면에 나타낸 단결정 실리콘 제조 장치(10)는, 챔버(11) 내에, 단결정 실리콘(16)의 원료인 다결정 실리콘을 수용하는 도가니(12)와, 당해 도가니(12) 내의 원료를 가열하여 실리콘 융액(13)으로 하는 히터(14)와, 도가니(12)의 하부에 형성되어, 도가니(12)를 원주 방향으로 회전시키는 도가니 회전 기구(15)와, 단결정 실리콘(16)을 육성하기 위한 종결정(17)을 보존유지하는 종결정 보존유지기(18)와, 당해 종결정 보존유지기(18)가 선단에 부착되어 있는 와이어 로프(19)와, 당해 와이어 로프(19)를 회전시키면서 단결정 실리콘(16), 종결정(17) 및 종결정 보존유지기(18)를 회전시키면서 인상하는 권취 기구(20)를 구비한다.
또한, 챔버(11)의 하부 외측에는, 도가니(12) 중의 실리콘 융액(13)에 횡자장(수평 자장)을 인가하는 자장 인가기(21)가 도가니(12)를 사이에 두고 대향 배치되어 있다.
이러한 단결정 실리콘 제조 장치(10)를 이용하여, 이하와 같이 단결정 실리콘(16)을 제조할 수 있다. 즉, 우선, 도가니(12) 중에 소정량의 다결정 실리콘을 수용하고, 히터(14)로 가열하여 실리콘 융액(13)으로 함과 함께, 자장 인가기(21)에 의해, 실리콘 융액(13)에 대하여 소정의 횡자장을 인가한다.
다음으로, 실리콘 융액(13)에 대하여 횡자장을 인가한 상태로, 종결정 보존유지기(18)에 보존유지된 종결정(17)을 실리콘 융액(13)에 침지한다. 그리고, 도가니 회전 기구(15)에 의해 도가니(12)를 소정의 회전 속도로 회전시킴과 함께, 종결정(17)(즉 단결정 실리콘(16))을 소정의 회전 속도로 회전시키면서 권취 기구(20)로 권취하여, 종결정(17) 및 당해 종결정(17) 상(上)에 성장시킨 단결정 실리콘(16)을 인상한다. 이렇게 하여, 소정의 직경을 갖는 단결정 실리콘을 제조할 수 있다.
전술한 바와 같이, 실리콘 융액에 횡자장을 인가함으로써, 제조한 단결정 실리콘에 포함되는 산소 농도를 크게 저감할 수 있다. 그러나, 결정 인상 방향의 산소 농도가 변동하는 문제가 있다. 그래서, 특허문헌 2에는, 횡자장을 인가하는 CZ법에 있어서, 도가니 내의 실리콘 융액 표면에 발생하는 고온부와 저온부 중, 어느 한쪽이 항상 결정 성장의 고액계면(固液界面)에 위치하도록 하여 결정 성장을 행함으로써, 결정 인상 방향의 산소 농도의 균일성을 향상시키는 기술에 대해서 기재되어 있다.
일본특허공고공보 소58-50953호 일본공개특허공보 2000-264784호
특허문헌 2에 기재된 방법에 의해, 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동은 어느 정도 억제할 수 있기는 하지만 불충분하고, 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동을 더욱 억제할 수 있는 기술의 제안이 요구되고 있었다.
그래서, 본 발명의 목적은, 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동을 억제할 수 있는 단결정 실리콘의 제조 방법 및 단결정 실리콘을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하는 본 발명의 요지 구성은 이하와 같다.
<1> 도가니에 충전된 실리콘 융액에 종결정을 침지하고, 당해 종결정의 인상 방향에 수직인 방향으로 자장을 인가한 상태하에서, 상기 도가니를 회전시킴과 함께, 상기 종결정을 회전시키면서 인상하고, 상기 종결정 상에 단결정 실리콘을 성장시키는 단결정 실리콘의 제조 방법에 있어서, 상기 종결정의 인상은, 상기 실리콘 융액이, 적어도 고액계면하에서, 상기 종결정의 인상축을 포함하고 또한 상기 자장의 인가 방향에 평행한 면에 대해서 한쪽측으로부터 다른 한쪽측으로 유동하는 상태하에서 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘의 제조 방법.
<2> 상기 자장의 강도를 B(T), 상기 단결정 실리콘의 회전 속도를 A(rpm), 상기 단결정 실리콘의 반경을 R1(㎜), 상기 도가니의 반경을 R2(㎜), 상기 융액의 상기 도가니 내의 액면 높이를 h(㎜)로 한 경우에, 이하의 식 (1)∼식 (3)의 조건을 만족하는, 상기 <1>에 기재된 단결정 실리콘의 제조 방법.
AB2≥0.275 (1)
2R1≤R2≤3R1 (2)
R1≤h≤2R1 (3)
<3> 상기 도가니에 충전된 소정량의 상기 실리콘 융액을 이용한 상기 단결정 실리콘의 제조를, 복수 회의 상기 종결정의 인상으로 나누어 행하는, 상기 <1> 또는 <2>에 기재된 단결정 실리콘의 제조 방법.
<4> 직경 300㎜ 이상, 또한 단결정의 인상축 방향의 임의의 50㎜의 범위 내에 있어서의 산소 농도의 변동이, 상기 범위에 있어서의 산소 농도의 평균값을 기준으로 하여 ±5％ 이내인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘.
본 발명에 의하면, 제조한 단결정 실리콘에 있어서의 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동을 억제할 수 있다.
도 1은 횡자장 인가식의 단결정 실리콘 제조 장치의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 도가니 내의 실리콘 융액의 유동 상태를 설명하는 개략도이다.
도 3은 3차원 유동 해석에 의해 얻어진 도가니 중의 실리콘 융액의 유동 상태를 나타내는 도면으로서, 도 3(a)는 단결정 실리콘의 회전 속도가 0rpm인 경우, 도 3(b)는 9rpm인 경우에 대한 결과를 각각 나타내고 있다.
도 4는 자장 강도 및 단결정 실리콘의 회전 속도와, 도가니 내의 실리콘 융액의 와류의 수의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 도가니 내의 실리콘 융액의 온도의 실측값 및 계산값을 나타내는 도면이다.
도 6은 실리콘 융액에 투입된 실리콘편(片)의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 7은 제조된 단결정 실리콘에 있어서의 결정 인상 방향의 규격화된 산소 농도를 나타내는 도면으로서, 도 7(a)는 2개의 와류가 형성되는 경우, 도 7(b)는 1개의 와류가 형성되는 경우에 대한 결과를 각각 나타내고 있다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
(단결정 실리콘의 제조 방법)
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다. 본 발명에 의한 단결정 실리콘의 제조 방법은, 도가니에 충전된 실리콘 융액에 종결정을 침지하고, 당해 종결정의 인상 방향에 수직인 방향으로 자장을 인가한 상태하에서, 도가니를 회전시킴과 함께, 종결정(즉, 단결정 실리콘)을 회전시키면서 인상하고, 종결정 상에 단결정 실리콘을 성장시키는 단결정 실리콘의 제조 방법이다. 여기에서, 종결정의 인상은, 당해 종결정의 인상 과정 중 적어도 일부에 있어서, 실리콘 융액이 도가니 내에 있어서 1개의 와류를 형성하고 있는 상태하에서 행하는 것이다.
본 발명자들은, 제조된 단결정 실리콘에 있어서의 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동을 억제하는 방도에 대해서 예의 검토했다. 이 산소 농도의 변동은, 실리콘 융액의 유동 상태에 크게 영향을 받고 있다고 생각된다. 그래서, 본 발명자들은, 3차원 유동 해석 모델을 이용한 해석에 의해, 여러 가지 제조 조건에 대해서, 단결정 실리콘 제조시의 도가니 내에 있어서의 실리콘 융액의 유동 상태에 대해서 상세하게 조사했다. 그 결과, 특정의 제조 조건에 있어서는, 도가니 내의 실리콘 융액이, 1개의 와류를 형성하여 유동하는 것이 판명되었다.
즉, 종래, 단결정 실리콘 제조시의 도가니 내에 있어서의 실리콘 융액은, 도 2(a)에 개략적으로 나타내는 바와 같이, 인가하는 횡자장에 평행한 축을 중심으로 하는 2개의 와류를 형성하여 유동하는 것이라고 생각되어 왔다. 본 발명자들의 상기 3차원 유동 해석에 있어서도, 대부분의 제조 조건하에 있어서, 실리콘 융액은 2개의 와류를 형성하여 유동했다. 그러나, 특정의 제조 조건하에서는, 실리콘 융액은, 도 2(b)에 개략적으로 나타내는 바와 같이, 1개의 와류를 형성하여 유동하는 것이 판명된 것이다.
실리콘 융액이 이러한 1개의 와류를 형성하여 유동하는 원인은 반드시 분명하지는 않지만, 본 발명자들은, 인상되는 단결정 실리콘 바로 아래에 발생하는 로렌츠력에 의한 것은 아닐까라고 추찰하고 있다. 즉, 일반적으로, 자장의 인가에 의해 실리콘 융액의 유동은 억제되지만, 한편으로, 인상 결정 바로 아래에서는, 고액계면을 통과하여 결정과 실리콘 융액의 사이를 출입하는 전류에 기인한 로렌츠력이 발생하여, 유동이 가속된다. 본 발명자들은, 로렌츠력이 소정의 크기를 초과하면, 2개의 와류를 형성하여 유동하고 있던 실리콘 융액의 유동의 대칭성이 무너져, 전체적으로 1개의 와류를 형성하여 유동하도록 변화하는 것은 아닐까라고 생각하고 있다.
본 발명자들은, 상기 1개의 와류를 형성하면서 유동하는 실리콘 융액이, 인상 결정 바로 아래의 고액계면 부근에 있어서 안정적으로 유동하고 있는 점에서, 실리콘 융액이 1개의 와류를 형성하여 유동하는 조건하에서 단결정 실리콘을 실제로 제조하여, 얻어진 단결정 실리콘에 있어서 결정 인상 방향의 산소 농도를 조사했다. 그 결과, 실리콘 융액이 2개의 와류를 형성하여 유동하는 조건하에서 제조된 단결정 실리콘에 비해, 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동이 현저하게 억제되고 있는 것이 판명되었다.
본 발명자들은 추가로, 실리콘 융액이 1개의 와류를 형성하여 유동하는 조건에 대해서 예의 검토했다. 그 결과, 적어도 이하의 식 (1)∼식 (3)의 조건 모두를 만족하는 경우에는, 도가니 내의 실리콘 융액이 1개의 와류를 형성하여 유동하는 것이 판명되었다.
AB2≥0.275 (1)
2R1≤R2≤3R1 (2)
R1≤h≤2R1 (3)
이하, 상기 식 (1)∼식 (3)에 기재된 각 조건에 대해서 설명한다. 전술한 바와 같이, 1개의 와류가 형성되는 원인은, 인상 결정의 고액계면 바로 아래에 형성되는 로렌츠력에 의한 것이라고 추찰되지만, 이 로렌츠력은, 인가하는 자장의 강도를 B(T), 인상 결정의 회전 속도를 A(rpm)로 하면, AB2에 비례한다고 근사할 수 있다. 그래서, 인가 자장 강도 B 및 결정의 회전 속도 A 이외에는 동일한 조건하에서, 실리콘 융액이 1개의 와류를 형성하여 유동하는 인가 자장 강도 B 및 회전 속도 A와의 관계에 대해서 상세하게 조사했다. 그 결과, 상기의 AB2≥0.275의 조건을 만족하는 경우에, 실리콘 융액은 1개의 와류를 형성하여 유동하는 것을 알 수가 있었다.
단, 상기 식 (1)의 조건을 만족한 경우라도, 1개의 와류의 형성은, 융액의 형상, 즉, 도가니의 형상이나 도가니 내의 융액의 액면 높이에도 의존한다. 즉, 실리콘 융액의 유동의 구동력은, 상기 로렌츠력 및 열대류이다. 여기에서, 도가니의 반경이 인상 결정의 반경에 비해 지나치게 큰 경우에는, 실리콘 융액의 유동 전체에 대하여 상기 로렌츠력의 기여가 작아져, 1개의 와류를 실현할 수 없다.
반대로, 도가니의 지름이 인상 결정의 지름에 가까운 경우에는, 반드시 분명하지 않지만, 상기 로렌츠력의 기여가 지나치게 크기 때문에 유동 분포는 시간과 함께 무질서하게 계속 변동하는 난류 상태가 되고, 이 경우에도 1개의 와류를 실현할 수 없게 된다. 이러한 도가니의 반경 R2와 인상 결정의 반경 R1의 관계를 조사한 결과, 2R1≤R2≤3R1의 조건을 만족하는 경우에는, 실리콘 융액이 1개의 와류를 형성하여 유동할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 도가니 내에 있어서의 실리콘 융액의 액면 높이에 대해서는, 액면 높이가 지나치게 큰 경우에는, 열대류의 효과가 커지고, 로렌츠력의 기여가 작아진다. 그 결과, 실리콘 융액은 1개의 와류를 형성하여 유동할 수 없게 된다. 한편, 융액의 높이가 지나치게 낮은 경우에는, 도가니 저부로부터의 입열(入熱)이 커져, 중심부로부터의 상승 대류가 발생된다. 이 경우에 대해서도, 실리콘 융액은 1개의 와류를 형성하여 유동할 수가 없게 된다. 이러한 도가니 내에 있어서의 실리콘 융액의 액면 높이 h와 인상 결정의 반경 R1의 관계를 조사한 결과, R1≤h≤2R2의 조건을 만족하는 경우에는, 실리콘 융액은 1개의 와류를 형성하여 유동할 수 있는 것이 판명된 것이다.
이와 같이, 적어도 상기 식 (1)∼식 (3)의 조건을 만족하는 경우에는, 단결정 실리콘의 제조시에, 도가니 내의 실리콘 융액이 1개의 와류를 형성하여 유동하는 것을 발견하여, 이러한 1개의 와류를 형성하고 있는 조건하에서 단결정 실리콘을 제조함으로써, 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동을 현저하게 저감할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명자들의 검토에 의하면, 도가니의 회전 속도는, 적어도 통상의 회전 속도(예를 들면, 0∼10rpm 정도)에 있어서는, 실리콘 융액의 1개의 와류의 형성에 영향을 미치지 않았다.
소정량의 용융 실리콘을 도가니에 충전한 상태로, 종결정의 인상을 개시하여 소정의 길이의 단결정 실리콘을 제조할 때에, 인상의 개시에서 종료까지의 모든 과정에 있어서, 상기 식 (1)∼(3)을 만족한다고는 한정되지 않는다.
즉, 도가니 내의 실리콘 융액의 액면 높이 h는, 결정의 인상이 진행됨에 따라 저하한다. 그래서, 인상의 어느 시점에서 상기 식 (3)을 만족하는 경우라도, 인상이 진행됨에 따라, 실리콘 융액의 액면 높이 h가, 식 (3)에서 규정한 액면 높이의 하한을 하회하여, 2개의 와류로 변화할 수 있다.
또한, 인상 개시 시점에서는, 실리콘 융액의 액면 높이 h가, 식 (3)에 있어서 규정된 상한을 상회하는 경우라도, 인상이 진행됨에 따라, 식 (3)의 조건을 만족하게 되는 경우도 있을 수 있다.
이러한 경우에 있어서도, 제조한 단결정 실리콘에 있어서, 상기 식 (1)∼식 (3)을 만족하는 조건하에서 제조된 부분은, 실리콘 융액이 1개의 와류를 형성하여 유동하는 상태로 제조된 부분이기 때문에, 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동은 억제되어 있다. 따라서, 1회의 인상에 의해 제조된 단결정 실리콘 중, 상기 식 (1)∼식 (3)의 조건을 만족하는 조건하에서 제조된 부분을 채취하여 사용할 수 있다.
한편, 소정량의 실리콘 융액으로부터 단결정 실리콘을 제조할 때에, 단결정 실리콘의 모든 부분을, 상기 식 (1)∼식 (3)의 조건을 만족하는 상태하에서 제조하기 위해, 단결정 실리콘의 제조를, 복수 회의 인상으로 나누어 행할 수도 있다.
즉, 인상 개시시에는, 도가니 내에 있어서의 실리콘 융액의 액면 높이 h가 상기 식 (3)에 규정된 상한을 상회하고, 제조 과정의 도중으로부터 식 (3)의 조건을 만족하게 되는 경우에 있어서, 단결정 실리콘의 제조를, 예를 들면 2회의 인상으로 나누어 행하도록 하고, 인상 개시시에 도가니에 충전하는 실리콘 융액의 양을 V/2로 하면, 인상 개시시에서 종료에 이르기까지, 식 (3)의 조건을 만족하도록 구성할 수 있다.
이와 같이, 단결정 실리콘을 제조할 때에, 목표로 하는 반경 및 길이에 따라서는, 도가니에 충전하는 실리콘 융액의 양이 상기 식 (3)에 규정된 조건을 만족하지 않는 경우가 있을 수 있지만, 이러한 경우에는, 단결정 실리콘의 제조를, 복수 회의 인상으로 나누어 행함으로써, 인상 과정의 전체에 있어서, 실리콘 융액이 1개의 와류를 형성하여 유동한 상태하에서 단결정 실리콘을 제조할 수 있고, 제조한 단결정 실리콘의 모든 부분에 있어서, 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동이 억제된 것으로 할 수 있다.
이상, 실리콘 융액이 도가니 내에 있어서 1개의 와류를 형성하고 있는 상태하에서, 실리콘 융액에 침지한 종결정을 인상함으로써, 얻어진 단결정 실리콘에 있어서의 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동이 억제되는 것을 설명했다. 그러나, 본 발명자들이 추가로 검토를 진행한 결과, 상기 산소 농도의 변동의 억제는, 실리콘 융액이 도가니 내에 있어서 1개의 와류를 형성하여 유동하는 것 자체에 의한 것은 아닌 것이 판명되었다.
즉, 본 발명자들에 의한 더 한층의 검토의 결과, 실리콘 융액의 유동 상태는, 단결정 실리콘의 인상 개시에서 종료까지의 사이에 일정하지 않고, 시간과 함께 복잡하게 변동하는 것이 판명되었다. 예를 들면, 실리콘 융액의 와류의 수는, 단결정 실리콘의 인상 개시 직후에는 1개였지만, 시간의 경과와 함께 복수(예를 들면, 3개)가 되고, 추가로 시간이 경과하면 1개로 되돌아가도록 변동하는 것이다.
이러한 실리콘 융액의 유동 상태의 시간 변동은, 상기 식 (1)∼(3)을 충족하는 경우에도 동일하게 발생하는 경우가 있고, 실리콘 융액은, 소정의 기간(예를 들면, 600초)의 평균으로서는 1개의 와류를 형성하여 유동하기는 하지만, 복수의 와류를 형성하여 유동하는 경우가 있는 것도 판명되었다. 그러나, 실리콘 융액이 복수의 와류를 형성하여 유동하는 기간이 있는 경우에도, 얻어진 단결정 실리콘에 있어서의 인상 방향의 산소 농도의 변동이 억제되는 것을 알 수 있었다.
그래서 본 발명자들은, 단결정 실리콘에 있어서의 인상 방향의 산소 농도의 변동을 억제하는 요건을 재검토한 결과, 실리콘 융액에 침지한 종결정의 인상을, 실리콘 융액이, 적어도 고액계면하에서, 종결정의 인상축을 포함하고 또한 자장의 인가 방향에 평행한 면에 대해서, 한쪽측으로부터 다른 한쪽측으로 유동하는 상태하에서 행하면 좋은 것을 발견했다.
상술하면, 고액계면 바로 아래(계면으로부터 융액 깊이 방향으로 15㎜의 깊이 영역)에 있어서의 실리콘 융액의 유동은, 단결정 실리콘의 회전에 의해 끌려가는 힘과, 고액계면을 통과하여 단결정 실리콘과 실리콘 융액의 사이를 출입하는 전류에 기인한 로렌츠력에 의해, 고액계면으로 감겨올라가는 실리콘 융액의 유동이 존재한다. 이 고액계면 바로 아래에 산소를 수송하는 실리콘 융액의 유동이 단결정 실리콘 중의 산소 농도를 결정하게 된다.
이 때문에, 고액계면 위치로부터 적어도 융액 깊이 방향으로 20㎜ 떨어진 깊이 위치에 있어서, 실리콘 융액이 수평 방향으로 유동하도록 구성하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 고액계면 바로 아래의 영역에는, 동일한 정도의 산소 농도의 실리콘 융액이 안정적으로 계속 공급되어, 얻어진 단결정 실리콘의 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동을 억제할 수 있다.
(단결정 실리콘)
또한, 본 발명에 의한 단결정 실리콘은, 직경 300㎜ 이상, 또한 단결정의 인상축 방향의 임의의 50㎜의 범위 내에 있어서의 산소 농도의 변동이, 상기 범위에 있어서의 산소 농도의 평균값을 기준으로 하여 ±5％ 이내인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘이다. 이 본 발명에 의한 단결정 실리콘은, 실리콘 융액이 2개의 와류를 형성하여 유동하는 조건하에서 제조된 것에 비해, 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동이 억제되어 있다.
실시예
이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이하의 실시예에 하등 한정되는 것은 아니다.
3차원 유동 해석 모델을 이용하여, 실리콘 융액의 온도 및 유동 분포를 해석했다. 상기 3차원 유동 해석 모델은, 수치 유체 역학에 기초하여 구축된 시뮬레이션 모델이다. 실재의 로(爐) 구조를 모의한 계산 영역에서, 물질에 따라서 물성값을 부여한 후에, 온도 분포, 유동 분포, 전류 분포, 로렌츠력 분포를 수치 계산으로 푼다. 일반적으로, 횡자장 중에서는, 실리콘 융액은 비축대칭인 유동 분포가 되는 것이 알려져 있는 점에서, 계산은 3차원으로 취급할 필요가 있다.
계산 조건으로서는, 인상 결정의 반경을 150㎜(직경 300㎜), 도가니의 반경을 400㎜(직경 800㎜), 도가니 내에 있어서의 실리콘 융액의 액면 높이를 230㎜로 했다. 또한, 결정 인상 방향과 수직인 방향으로 0.3T의 횡자장을 인가하고, 인상 결정의 회전 속도를 0.0rpm 및 9.0rpm의 2개의 경우에 대해서 계산했다. 또한, 도가니는, 인상 결정의 회전 방향과 반대 방향으로 0.5rpm의 회전 속도로 회전시켰다. 그 외의 프로세스 조건은, 일반적인 인상 조건으로 한 상태하에서 해석했다.
도 3에, 각각의 자장과 수직인 면의 유동 분포를 나타낸다. 유동 분포는 표시면으로 한정한 유선 표시로 나타내고 있다. 도 3(a)를 살펴보면, 인상 결정의 회전 속도가 0.0rpm인 경우에는, 2개의 와류가 도가니의 중심을 포함하는 면에 대하여 대칭으로 존재하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 인상 결정의 바로 아래에서는, 2개의 와류로부터 실리콘 융액이 유입되고, 그들이 충돌하여 서로 섞이기 때문에 고액계면 근방의 실리콘 융액의 유동이 불안정적으로 되고, 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동으로 이어지는 것이라고 생각된다.
이에 대하여, 도 3(b)를 살펴보면, 인상 결정의 회전 속도가 9.0rpm인 경우에는, 실리콘 융액은, 전체로 1개의 와류를 형성하여 유동하고 있는 것을 알 수 있다. 또한, 인상 결정의 바로 아래에 있어서의 실리콘 융액의 흐름은 일방향으로 정류되어 있고, 이러한 안정된 실리콘 융액의 유동이 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동의 억제로 이어진 것이라고 생각된다.
도 4는, 자장 강도 및 단결정 실리콘의 회전 속도와, 도가니 내의 실리콘 융액의 와류의 수의 관계를 나타내는 도면이다. 이 도면에 있어서의 파선은, AB2 ＝0.275를 만족하는 점을 플롯한 것이다. 이 도면에서 분명한 바와 같이, AB2≥0.275를 충족하는 영역에 있어서는, 실리콘 융액은, 1개의 와류를 형성하여 유동하는 것이 나타났다.
다음으로, 상기한 식 (1)∼식 (3)에 있어서 규정한 조건을 만족함으로써, 도가니 내의 용융 실리콘이 실제로 1개의 와류를 형성하고 있는 것을 실험에 의해 확인했다. 그 때문에, 우선, 인상 중의 실리콘 융액의 온도를 열전대를 이용하여 직접 측정했다, 그때, 단결정 실리콘의 제조 조건은, 도 3에 결과를 나타낸 상기 3차원 유동 해석에 있어서, 인상 결정의 회전 속도를 9.0rpm으로 한 경우와 동일하다.
실리콘 융액의 온도의 측정은, 실리콘 융액 표면하 20㎜, 또한 결정 인상축 중심으로부터, 자장 인가 방향에 수직인 방향으로 230㎜, 260㎜인 합계 4점에 있어서 행했다. 얻어진 결과를, 동일 조건으로 행한 시뮬레이션의 결과와 함께 도 5에 나타낸다. 여기에서, 실측값 및 계산값의 쌍방 모두, 600초간의 시간 평균값을 융액 온도로 했다.
도 5로부터, 실측값 및 계산값의 쌍방 모두, 도가니의 중심으로부터 떨어진 한쪽에 있어서는 온도가 낮고, 다른 한쪽에 있어서는 높다는 비대칭인 분포를 나타내고 있고, 거동은 매우 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 실리콘 융액이 도 3(a)에 나타낸 바와 같은 2개의 와류를 형성하여 유동하는 경우에는, 도 5에 나타낸 바와 같은 비대칭인 분포를 나타낸 경우는 없다. 따라서, 상기 조건하에서의 단결정 실리콘의 제조시에는, 실리콘 융액은, 적어도 종래 생각되어 온 바와 같은 2개의 와류를 형성하여 유동하고 있지는 않은 것을 나타내고 있다.
다음으로, 단결정 실리콘 제조시의 실리콘 융액 표면의 유속을 측정했다. 즉, 상기 열전대를 이용한 실리콘 융액의 온도 측정과 동일한 조건으로 결정의 인상을 행했을 때에, 실리콘 결정의 2∼5㎜ 사이즈의 실리콘편을 실리콘 융액 표면으로 낙하시켜, 그 궤도를 CCD 카메라에 의해 기록하고, 실리콘편의 궤적을 해석했다. 그때, 실리콘편을 낙하시키는 목표 위치는, 인상축 중심으로부터 자장에 수직 방향과 평행 방향으로 260㎜의 4개소로서, 각각의 목표 위치에 1개의 실리콘편을 낙하시켰다. 단, 실험 정밀도의 문제에서, 목표 위치와 실제로 착액한 위치의 사이에 다소 어긋남이 발생했다.
도 6은, 얻어진 실리콘편의 궤적을 개략적으로 나타내고 있다. 이 도면으로부터, 낙하시킨 4개의 실리콘편은, 도면 중의 좌방향으로 진행되고 있는 것을 알 수 있다. 이들 실리콘편의 궤적은, 실리콘 융액의 유동 상태를 반영하고 있고, 실리콘 융액의 유동 방향을 나타내고 있다고 생각된다. 따라서, 도 6에 나타낸 실리콘편의 궤적으로부터, 표면의 실리콘 융액은, 도면 중의 좌측으로 흐르고 있고, 실리콘 융액은, 1개의 와류를 형성하여 유동하고 있는 것을 알 수 있다.
도 7은, 단결정 실리콘의 결정 인상 방향의 산소 농도를 나타내고 있고, 도 7(a)는 결정의 회전 속도가 3.0rpm, 도 7(b)는 결정의 회전 속도가 9.0rpm인 경우에 대한 것이다. 여기에서, 인상 결정의 회전 속도가 9.0rpm인 경우에는, 상기한 식 (1)∼식 (3)의 조건을 만족하고 있는 것에 대하여(발명예), 인상 결정의 회전 속도가 3.0rpm인 경우에는, 상기한 식 (1)∼식 (3)의 조건을 만족하지 않는다(비교예). 또한, 도면 중의 산소 농도는, 측정된 산소 농도를 결정 인상 방향 50㎜의 평균의 산소 농도로 규격화한 규격화 산소 농도이다.
도 7(a)를 살펴보면, 인상 결정의 회전 속도가 3.0rpm인 경우(즉, 비교예의 경우)에는, 결정 인상 방향에 있어서, 규격화 산소 농도가 크게 변동하고 있는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 도 7(b)를 살펴보면, 인상 결정의 회전 속도가 9.0rpm인 경우(즉, 발명예의 경우)에는, 도 7(a)에 비해, 규격화 산소 농도의 변동의 변동폭이 현저하게 저감되고 있는 것을 알 수 있다.
도 7(a)에 있어서 산소 농도가 크게 변동한 원인은, 실리콘 융액이 2개의 와류를 형성하여 유동하고, 유동이 불안정한 점에 기인한 것이라고 생각된다. 이에 대하여, 도 7(b)에 있어서 산소 농도의 변동이 현저하게 저감될 수 있었던 것은, 인상 결정의 회전 속도를 크게함으로써, 인상 결정의 바로 아래의 로렌츠력이 커져, 그 때문에, 2개의 와류의 대칭성이 무너져 1개의 와류가 형성되었기 때문이라고 생각된다.
도 7(b)에 있어서도, 산소 농도의 변동은 완전하게는 사라지지 않지만, 이것은, 히터 위치가 중심인 경우, 융액에 미치는 환경은, 횡자장의 영향도 고려하면, 인상 축에 대하여 2회 대칭성을 갖고 있다. 그럼에도 불구하고, 실리콘 융액은, 2회 대칭성이 무너진 상태로 유동하여 안정되어 있지만, 환경이 2회 대칭성을 갖고 있기 때문에, 실리콘 융액의 유동은 2회 대칭의 유동, 즉, 2개의 와류를 형성한 상태에서의 유동에 근접하려 하고, 2회 대칭성의 2개의 와류를 형성한 상태에서의 유동과, 2회 대칭성이 무너진 1개의 와류를 형성한 상태에서의 유동의 사이를 왕래하는 진동이 발생하여, 산소 농도가 변동한 것이라고 생각된다.
표 1에 나타내는 7개의 수준(조건)의 하에서 단결정 실리콘의 제조를 행하고, 단결정 실리콘의 인상 중에, 실리콘 융액이 1개의 와류를 형성하여 유동하고 있는지 아닌지를 확인했다. 이 확인은, 도 6의 경우와 동일하게, 2∼5㎜ 사이즈의 실리콘편을 실리콘 융액 중에 낙하시켜, 실리콘편의 궤적을 CCD 카메라로 계측함으로써 행했다.
Figure 112018041883412-pct00001
표 1에 나타낸 10개의 수준 중, 수준 1, 3, 5 및 7에 대해서는, 상기 식 (1)∼식 (3)의 조건을 만족하고 있다. 이에 대하여, 수준 2는, 식 (1)의 조건을, 수준 4는 식 (3)의 조건을, 수준 6 및 수준 10은 식 (2)의 조건을 각각 만족하지 않는 것으로 되어 있다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 식 (1)∼식 (3)의 조건을 만족하는 수준 1, 3, 5, 7 및 9에 대해서는, 실리콘 융액이 1개의 와류를 형성하여 유동하고 있는 것이 확인되었다. 이에 대하여, 식 (1)∼식 (3) 중 어느 것의 조건을 만족하지 않은 수준 2, 4, 6 및 10에 대해서는, 실리콘 융액은 1개의 와류를 형성하여 유동하고 있지 않는 것이 확인되었다. 또한, 수준 8에 대해서는 식 (1)∼(3)을 충족족하기는 하지만, 인상 중에 유전위화(有轉位化)해 버려, 단결정 실리콘이 얻어지지 않았다.
본 발명에 의하면, 제조된 단결정 실리콘에 있어서의 결정 인상 방향의 산소 농도의 변동을 억제할 수 있기 때문에, 반도체 산업에 있어서 유용하다.
10 : 단결정 실리콘 제조 장치
11 : 챔버
12 : 도가니
13 : 실리콘 융액
14 : 히터
15 : 도가니 회전 기구
16 : 단결정 실리콘
17 : 종결정
18 : 종결정 보존유지기
19 : 와이어 로프
20 : 권취 기구
21 : 자장 인가기

Claims (4)

  1. 도가니에 충전된 실리콘 융액에 종결정을 침지하고, 당해 종결정의 인상 방향에 수직인 방향으로 자장(磁場)을 인가한 상태하에서, 상기 도가니를 회전시킴과 함께, 상기 종결정을 회전시키면서 인상하고, 상기 종결정 상(上)에 직경 300㎜ 이상의 단결정 실리콘을 성장시키는 단결정 실리콘의 제조 방법에 있어서,
    상기 종결정의 인상은, 상기 실리콘 융액이, 적어도 고액계면하에서, 상기 종결정의 인상축을 포함하고 또한 상기 자장의 인가 방향에 평행한 면에 대해서 한쪽측으로부터 다른 한쪽측으로 유동하는 상태하에서 행하고,
    상기 자장의 강도를 B(T), 상기 단결정 실리콘의 회전 속도를 A(rpm), 상기 단결정 실리콘의 반경을 R1(㎜), 상기 도가니의 반경을 R2(㎜), 상기 융액의 상기 도가니 내의 액면 높이를 h(㎜)로 한 경우에, 이하의 식 (1)∼식 (3)의 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘의 제조 방법. 단, 상기 식 (2) 및 식 (3)에 있어서, R1≥150(㎜)이다.
    AB2≥0.275 (1)
    2R1≤R2≤3R1 (2)
    R1≤h≤2R1 (3)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도가니에 충전된 소정량의 상기 실리콘 융액을 이용한 상기 단결정 실리콘의 제조를, 복수 회의 상기 종결정의 인상으로 나누어 행하는, 단결정 실리콘의 제조 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
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