KR19990045047A - 실리콘 단결정 성장 방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
융해 실리콘에 커스프 자장이 인가되는 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 방법으로서, 커스프 자장의 중심 (6) 이 융해 실리콘 (2) 의 전체 깊이 (H) 의 1/3 이상의 깊이에 위치하도록 융해 실리콘 (2) 에 커스프 자장을 인가시키는 단계를 특징으로 하는 방법이 제공되며, 상기 깊이는 융해 실리콘 (2) 의 표면 레벨 (4) 로부터의 거리로서 정의된다. 상기 방법은 성장된 실리콘 단결정의 성장 방향으로 모든 영역에서 성장 슬릿들을 제거하는 것을 가능하게 하고, 덧붙여서, 결정의 직경 방향으로 산소 농도의 차이가 5 % 이하인 균일 산소 농도 분포를 달성가능하게 한다. 또한, 상기 방법은 대구경, 예를 들면 40 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정에서 성장 방향으로 모든 영역에서 성장 슬릿들을 제거하는 것을 가능하게 한다.
Description
본 발명은 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 특히 커스프 자장을 융해 실리콘에 인가함으로써 실리콘 단결정을 성장시키는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 종래 방법에서는, 표면에 초미세, 초고집적 장치가 형성되는 기판에 사용되는 실리콘 단결정 웨이퍼를 성장될 때, 웨이퍼가 불균일 산소 농도 분포를 가지면, 웨이퍼가 열처리시 심하게 구부러진다는 문제가 있다.
또다른 문제점은, 웨이퍼에 미소한 산소 농도의 변동이 있으면, 장치 제조 공정 동안에 산소 침전의 불균등성이 발생되어, 차례로 장치의 제조수율이 감소된다.
상기 언급된 적은 산소 농도의 변동이 결정에 패턴을 형성한다. 상기 패턴은 성장 슬릿으로 불리고, 예를 들면, X 선 토포그래프로 관찰될 수 있다.
성장 슬릿은 성장중인 결정에서 고체상과 액체상 사이의 계면에서의 온도 변동에 의해 발생된다. 성장 슬릿은 융해 실리콘이 인상되는 방향으로 고체상과 액체상 사이의 계면의 형상을 반영하는 형상을 가지고, 결정면에서는 동심원의 형상을 갖는다.
산소 농도는 성장 슬릿의 분포에 따라 변화한다. 실리콘 단결정 웨이퍼내에 함유된 산소는 실리콘 단결정이 성장되는 동안 내부에 융해 실리콘을 수용하는 석영 도가니의 용해에 의해 실리콘 내부로 바람직하지 못하게 혼합된다.
그 때문에, 실리콘 단결정 성장에서는, 결정중의 산소 농도 분포의 균일성을 확보하는 것과, 미소한 산소 농도 변동을 억제하는 것, 즉 성장 슬릿의 발생을 억제하는 것이 매우 중요하다.
이 때문에, 일본 특개소 62-83348 및 특개평 1-282185 호에서는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장법을 제안하고 있다. 상기 방법에서는, 커스프 자장을 융해 실리콘에 인가하고, 도가니와 도가니 내에 수용된 융해 실리콘의 분당 회전수를 특정 회전수로 설정하여, 실리콘 단결정내의 산소 농도 분포를 균일하게 한다.
상기 방법의 원리는 Journal of Crystal Growth, Vol. 96, 1989, pp. 747 및 Vol. 98, 1989, pp. 777 에 기재되어 있다.
일본 특개평 8-231294 호는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장 장치를 제안하고 있다. 도 1 은 상기 제안된 장치를 도시하고 있다.
석영 도가니 (104) 는 융해 실리콘 (101) 을 내부에 수용하고 있다. 석영 도가니 (104) 는 석영 도가니 (104) 를 상하로 움직이는 축 (105) 에 그 저부가 고정되어 있다. 한쌍의 초전도 코일 자석 (103) 이 석영 도가니 (104) 주변에 위치하고 있다. 상기 코일 자석 (103) 에 의해 발생된 자속의 중심선 (102) 은 수평방향으로 뻗어 있다. 융해 실리콘 (101) 의 표면과 수평 자속의 중심선 (102) 사이의 수직 갭 "h" 은 실리콘 단결정이 성장되는 동안 5 cm 이하로 유지된다.
일본 특개평 8-333191 호는 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 장치를 제안하고 있다. 도 2 는 상기 제안된 장치를 도시하고 있다.
도 2 에서, 도가니 (125) 는 내부에 융해 실리콘 (121) 을 수용하고 있고, 그 저부가 지지축 (122) 과 연결되어 있다. 한쌍의 초전도 전자석 (124a 및 124b) 이 도가니 (125) 주변에 위치하고 있다. 상기 전자석 (124a 및 124b) 은 공통의 수평 중심선 (123) 을 갖는다. 상기 지지샤프트 (122) 는 직으로 이동가능하도록 설계되어 있고, 전자석 (124a 및 124b) 의 중심선 (123) 이 융해 실리콘 (121) 의 깊이 중심을 통과하거나 아래로 지나도록 도가니 (125) 를 승강시킨다. 동일 강도 곡선 (E) 은 도 2 에 도시된 분포를 갖는다.
쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 상기 언급된 장치에서는, 도가니 및 융해 실리콘이 회전되는 분당 회전수가 결정 성장의 조건에 따라 정의되어 있다. 그래서, 결정 성장의 조건이 변하면, 이에 따라 상기 분당 회전수를 변경함이 필요하다.
30 cm 이상의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시키는 경우에는, 큰 중량의 융해 실리콘을 수용한 도가니를 지지하는 것이 필요하며, 또한 고속으로 도가니를 회전시키는 것이 필요하다. 이것은 장치의 대규모화를 초래한다.
이러한 이유들 때문에, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 종래 장치에서는, 산소 농도를 균일하게 하고, 미소한 산소 농도의 변동을 억제하여 내부에 성장 슬릿이 없는 결정을 인상하는 것이 매우 곤란하다.
따라서, 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 상기 종래 방법들에 따르는 경우에, 성장된 실리콘 단결정내의 산소 농도의 균일 분포와 미소한 산소 농도의 변동의 방지, 즉 성장 슬릿의 생성 방지를 동시에 이루기 위해서는, 도가니 및 융해 실리콘의 회전수를 성장 조건들에 따라 결정되는 분당 회전수 이상으로 설정하는 것이 필요하다. 결과적으로, 30 cm 이상의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 성장시키는 것은 매우 어렵거나 거의 불가능하다.
쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 종래 장치들의 상기 언급된 문제점들을 감안하여, 본 발명의 목적은, 도가니 및 융해 실리콘의 분당 회전수를 특정함이 없이, 실리콘 단결정내의 산소 농도 분포를 균일화할 수 있고, 미소한 산소 농도 변동을 억제하여, 성장 슬릿의 발생을 방지할 수 있는, 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은, 성장되는 실리콘 단결정이 30 cm 이상의 대구경을 갖는 경우에도, 고품질의 실리콘 단결정을 용이하게 제공할 수 있는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은, 상기 언급된 방법과 동일 특성을 갖는 장치로서, 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장 장치를 제공하는 것이다.
도 1 은 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 종래 장치의 단면도.
도 2 는 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 성장시키는 또다른 종래 장치의 단면도.
도 3a ∼ 3c 는 커스프 자장의 중심과 융해 실리콘 표면 사이의 위치 관계를 각각 도시하는, 도가니와 도가니 내에 수용된 융해 실리콘의 단면도.
도 4 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 방법에 있어서 커스프 자장의 중심과 융해 실리콘의 표면 사이의 위치 관계를 도시하는, 도가니와 도가니 내에 수용된 융해 실리콘의 단면도.
도 5a ∼ 5d 는 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 4 에 따른 방법들의 수행 결과를 도시하는 그래프.
도 6 은 실시예 1 및 비교예 1 에 따른 방법들의 수행 결과를 도시하는 그래프.
도 7 은 실시예 2 및 비교예 2 에 따른 방법들의 수행 결과를 도시하는 그래프.
도 8 은 실시예 3 및 비교예 3 에 따른 방법들의 수행 결과를 도시하는 그래프.
도 9 는 실시예 4 및 비교예 4 에 따른 방법들의 수행 결과를 도시하는 그래프.
도 10 은 실시예 5 및 비교예 9 에 따른 방법들의 수행 결과를 도시하는 그래프.
도 11 은 실시예 6 및 비교예 10 에 따른 방법들의 수행 결과를 도시하는 그래프.
도 12 는 실시예 7 및 비교예 11 에 따른 방법들의 수행 결과를 도시하는 그래프.
도 13 은 본 발명의 실시예에 따라 실리콘 단결정을 성장시키는 장치의 측면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1 : 실리콘 단결정 2 : 융해 실리콘
3 : 석영 도가니 4 : 고체상과 액체상 사이의 계면
5 : 커스프 자장의 자계 분포 6 : 커스프 자장의 중심
본 발명의 일태양에 있어서는, 커스프(cusp) 자장이 융해 실리콘에 인가되는 쵸크랄스키법에 의하여 실리콘 단결정을 성장시키는 방법에 있어서, 커스프 자장의 중심이 융해 실리콘의 전체 깊이의 1/3 이상의 깊이에 위치하도록 커스프 자장을 융해 실리콘에 인가하는 단계를 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법을 제공하며, 상기 깊이는 융해 실리콘의 표면 레벨로부터의 거리로 정의된다.
본 발명의 또다른 태양에서는, (a) 내부에 융해 실리콘을 수용하는 도가니, (b) 융해 실리콘에 커스프 자장을 인가하기 위한 자장 발생기 및 (c) 상기 도가니 및 자장 발생기 중 적어도 하나를 하강 또는 상승시키기 위한 승강기를 포함하며, 융해 실리콘에 커스프 자장이 인가되는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장 장치에 있어서, (d) 융해 실리콘의 표면 레벨을 검출하여, 그 검출된 표면 레벨을 나타내는 신호를 전송하는 검출기 및 (e) 커스프 자장의 중심이 융해 실리콘의 표면 레벨로부터의 거리로 정의되는 융해 실리콘의 전체 깊이의 1/3 이상의 깊이에 위치하도록 검출기로부터 전송된 신호에 따라 승강기 및 자장 발생기 중 적어도 하나를 제어하기 위한 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치를 제공한다.
본 발명에 의하면, 커스프 자장의 중심이 실리콘 단결정이 성장하는 동안 융해 실리콘의 표면 아래에 위치하도록 유지된다. 커스프 자장의 중심은 융해 실리콘의 전체 깊이의 1/3 이상의 깊이에 위치하도록 유지된다. 여기에서, 깊이는 커스프 자장의 중심과 석영 도가니에 수용된 융해 실리콘의 표면 사이의 거리로 정의된다.
상기 언급된 방식으로 융해 실리콘에 커스프 자장을 인가함으로써, 융해 실리콘의 면에서의 온도 분포가 도가니의 회전축을 중심으로 대칭이 되고, 고체상과 액체상 사이의 계면 바로 아래에 위치하는 영역의 온도 변동이 거의 없다.
덧붙여서, 상기 언급된 방식으로의 커스프 자장 배치에 의해, 대칭성이 양호한 온도장이 형성되므로, 융해 실리콘의 축대칭의 느린 흐름을 확보할 수 있다. 결과적으로, 미소한 산소 농도의 변동이 생성되지 않아, 성장 슬릿의 발생이 없다.
또한, 커스프 자장의 중심이 융해 실리콘 내부에 위치하도록 배치되므로, 서로 수직인 자장 성분들이 도가니의 측벽 및 저부에 인가된다. 따라서, 석영 도가니로부터 융해 실리콘 내부로 용해되는 산소 농도를 균일화하는 것이 가능하고, 차례로 도가니 및 융해 실리콘의 분당 회전수를 특정 회전수로 설정할 필요없이 실리콘 단결정내의 산소 농도 분포를 균일화할 수 있다.
상기 언급된 효과들은 발명자들이 커스프 자장이 인가되는 융해 실리콘의 흐름, 온도 분포 및 성장 조건들에 관하여 행한 다양한 실험들의 결과로서 얻어지는 것이지, 다양한 책들에서 보고된, 커스프 자장이 어떻게 융해 실리콘에 영향을 주는 지에 관한 종래 장치들과 메카니즘에 의해 예상되지 않는다.
도 3a ∼ 3c 는 커스프 자장의 중심과 융해 실리콘 표면 사이의 위치 관계를 도시한다. 석영 도가니 (3) 는 내부에 융해 실리콘 (2) 을 수용한다. 실리콘 단결정 (1) 은 고체상과 액체상 사이의 계면을 통하여 융해 실리콘 (2) 으로부터 인상된다. 자계 분포 (5) 를 갖는 커스프 자장이 융해 실리콘 (2) 에 인가된다.
도 3a 는 커스프 자장의 중심 (6) 이 융해 실리콘 (2) 의 표면 아래에 위치하고 있음을 도시하고, 도 3b 는 커스프 자장의 중심 (6) 이 융해 실리콘 (2) 의 표면에 위치하고 있음을 도시하며, 그리고 도 3c 는 커스프 자장의 중심 (6) 이 융해 실리콘 (2) 의 표면 상부에 위치함을 도시한다.
본 발명에서, 커스프 자장의 중심 (6) 은 도 3a 에 도시된 바와 같이 융해 실리콘 (2) 의 표면 아래에, 특히 융해 실리콘 (2) 의 전체 깊이의 1/3 이상에 위치하도록 설정된다.
도 4 는 본 실시예에서 융해 실리콘 (2) 의 표면과 커스프 자장의 중심 (6) 사이의 위치 관계를 도시한다. 도시된 바와 같이, 중심 (6) 은 융해 실리콘 (2) 의 표면 아래에, 특히 융해 실리콘 (2) 의 전체 깊이 (H) 의 1/3 에 위치하도록 설정된다. 여기에서, 전체 깊이 (H) 는 고체상과 액체상 사이의 계면 (4) 으로부터 석영 도가니 (3) 의 저면까지의 거리로 정의된다.
이하에서는, 실시예 1 내지 11 이 도 5a ∼ 12 및 표 1 ∼ 4 를 참조하여 설명된다.
표 1 은 실시예 1 내지 4 에서의 실리콘 단결정 성장 조건을 나타낸다.
| A | B | C | D | E | F | G | H | |
| 실시예1 | 500 | 500 | 0 ∼ 20 | -0.1∼-10 | 4.0 | 1.33 | 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 | Yes |
| 실시예2 | 1000 | 1000 | 0 ∼ 20 | -0.1∼-10 | 4.0 | 1.33 | 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 | Yes |
| 실시예3 | 1500 | 1500 | 0 ∼ 20 | -0.1∼-10 | 4.0 | 1.33 | 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 | Yes |
| 실시예4 | 2000 | 2000 | 0 ∼ 20 | -0.1∼-10 | 4.0 | 1.33 | 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5 | Yes |
표 1 에서, A 내지 H 는 다음을 의미한다.
A : 도가니 저면에서의 자장의 강도 [gauss]
B : 도가니 측벽에서의 자장의 강도 [gauss]
C : 실리콘 단결정의 분당 회전수 [rpm]
D : 도가니의 분당 회전수 [rpm]
E : 융해 실리콘의 전체 깊이 (H) [cm]
F : H/3 [cm]
G : 실리콘 단결정이 성장되기 시작할 때의 융해 실리콘의 표면으로부터 커스프 자장의 중심의 깊이 [cm]
H : 커스프 자장 인가 위치가 제어되는가의 여부
표 1 에 도시된 것처럼, 도가니 저면에 수직으로 인가되는 자장의 강도와, 도가니의 측벽에 수직으로 인가되는 자장의 강도를 계측함으로써, 융해 실리콘에 인가되었던 자장의 강도를 측정할 수 있다.
실시예 1 내지 4 에서는, 35 mm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정이 석영 도가니에 투입되어, 전체 깊이 4.0 cm 의 융해 실리콘이 얻어졌다.
커스프 자장은 융해 실리콘 표면에서 1.5 cm, 2.0 cm, 2.5 cm, 3.0 cm 및 3.5 cm 의 깊이로 융해 실리콘에 인가되었다.
도가니는 시계 방향으로 0.1 내지 10 의 분당 회전수로 회전되었고, 결정은 반시계 방향으로 0 내지 200 의 분당 회전수로 회전되었다.
또한, 본 발명에 의해 얻어지는 효과를 확인하기 위하여, 비교예 1 내지 4 로 표 2 에 도시된 조건에서 실험이 수행되었다. 비교예 1 내지 4 에서, 커스프 자장은 융해 실리콘의 전체 깊이의 1/3 미만의 깊이에서 융해 실리콘에 인가되었다. 상기 비교예 1 내지 4 를 수행하기 위한 조건들은 커스프 자장이 융해 실리콘에 인가되는 깊이를 제외하고는 상기 실시예 1 내지 4 를 수행하기 위한 조건들과 동일하다.
비교예 1 내지 4 에서의 실리콘 단결정 성장 조건들이 표 2 에 도시되어 있다.
| A | B | C | D | E | F | G | H | |
| 비교예1 | 500 | 500 | 0 ∼ 20 | -0.1∼-10 | 4.0 | 1.33 | 1.0, 0.0, -1.0, -2.0, -2.5, -3.0, -4.0, -5.0 | Yes |
| 비교예2 | 1000 | 1000 | 0 ∼ 20 | -0.1∼-10 | 4.0 | 1.33 | 1.0, 0.0, -1.0, -2.0, -2.5, -3.0, -4.0, -5.0 | Yes |
| 비교예3 | 1500 | 1500 | 0 ∼ 20 | -0.1∼-10 | 4.0 | 1.33 | 1.0, 0.0, -1.0, -2.0, -2.5, -3.0, -4.0, -5.0 | Yes |
| 비교예4 | 2000 | 2000 | 0 ∼ 20 | -0.1∼-10 | 4.0 | 1.33 | 1.0, 0.0, -1.0, -2.0, -2.5, -3.0, -4.0, -5.0 | Yes |
표 2 에서, A 내지 H 는 다음을 의미한다.
A : 도가니 저면에서의 자장의 강도 [gauss]
B : 도가니 측벽에서의 자장의 강도 [gauss]
C : 실리콘 단결정의 분당 회전수 [rpm]
D : 도가니의 분당 회전수 [rpm]
E : 융해 실리콘의 전체 깊이 (H) [cm]
F : H/3 [cm]
G : 실리콘 단결정이 성장되기 시작할 때의 융해 실리콘의 표면으로부터 커스프 자장의 중심의 깊이 [cm]. 음의 부호 (-) 는 커스프 자장의 중심이 융해 실리콘의 표면 상부에 인가되었음을 나타낸다.
H : 커스프 자장 인가 위치가 제어되는가의 여부
비교예 5 내지 8 에서는, 상기 언급된 실시예 1 내지 4 의 것과 동일한 커스프 자장 강도로 실리콘 단결정이 성장되는데, 다만 실리콘 단결정이 성장되는 동안 커스프 자장의 중심과 융해 실리콘의 표면 사이의 위치 관계가 일정하게 유지되지 못한다.
실리콘 단결정 성장 시작시의 커스프 자장의 중심과 도가니의 분당 회전수는, 실리콘 단결정이 성장되는 동안, 비교예 5 내지 8 중 임의의 예에서 표 3 에 나타난 것처럼, 일정 조건하에서 유지되었다.
표 3 에 나타난 바와 같은 상기 조건들하에서 성장된 실리콘 단결정은 성장축 방향으로 평행하게 조각조각으로 잘라졌다. 그리고 나서는, 성장 슬릿들이 X 선 토포그래프로 관찰되었다. 잘라진 조각들에서의 직경 방향의 산소 농도를 FT-IR 공정에 의해 측정하여, 산소 농도 분포를 결정한다.
비교예 5 내지 8 에서의 실리콘 단결정 성장 조건들을 도 3 에 나타내었다.
| A | B | C | D | E | F | G | H | |
| 비교예5 | 500 | 500 | 15 | 5 | 4.0 | 1.33 | 2.0, 0.0, -2.0 | No |
| 비교예6 | 1000 | 1000 | 15 | 5 | 4.0 | 1.33 | 2.0, 0.0, -2.0 | No |
| 비교예7 | 1500 | 1500 | 15 | 5 | 4.0 | 1.33 | 2.0, 0.0, -2.0 | No |
| 비교예8 | 2000 | 2000 | 15 | -5 | 4.0 | 1.33 | 2.0, 0.0, -2.0 | No |
표 3 에서, A 내지 H 는 다음을 의미한다.
A : 도가니 저면에서의 자장의 강도 [gauss]
B : 도가니 측벽에서의 자장의 강도 [gauss]
C : 실리콘 단결정의 분당 회전수 [rpm]
D : 도가니의 분당 회전수 [rpm]
E : 융해 실리콘의 전체 깊이 (H) [cm]
F : H/3 [cm]
G : 실리콘 단결정이 성장되기 시작할 때의 융해 실리콘의 표면으로부터 커스프 자장의 중심의 깊이 [cm]. 음의 부호 (-) 는 커스프 자장의 중심이 융해 실리콘의 표면 상부에 인가되었음을 나타낸다.
H : 커스프 자장 인가 위치가 제어되는가의 여부
표 3 에 나타난 조건들 이외의, 비교예 5 내지 8 에서의 실리콘 단결정 성장 조건들을 표 4 에 나타내었다.
| G | 성장 슬릿들 | I | |
| J K L | J K L | ||
| 비교예5 | -2.0 | O O O | 25 23 25 |
| 0.0 | O O O | 23 20 22 | |
| 2.0 | X O O | 5 10 15 | |
| 비교예6 | -2.0 | O O O | 25 23 25 |
| 0.0 | O O O | 23 20 22 | |
| 2.0 | X O O | 5 10 15 | |
| 비교예7 | -2.0 | O O O | 25 23 25 |
| 0.0 | O O O | 23 20 22 | |
| 2.0 | X O O | 5 10 15 | |
| 비교예8 | -2.0 | O O O | 25 23 25 |
| 0.0 | O O O | 23 20 22 | |
| 2.0 | X O O | 5 10 15 |
표 4 에서, G, I 내지 L, O 및 X 는 다음을 나타낸다.
G : 실리콘 단결정이 성장되기 시작할 때의 융해 실리콘 표면에서 커스프 자장 중심의 깊이 [cm]. 음의 부호 (-) 는 커스프 자장의 중심이 융해 실리콘의 상부에 인가되었음을 나타낸다.
I : 산소 농도 분포 [%]
J : 고화율 20 %
K : 고화율 50 %
L : 고화율 70 %
O : 성장 슬릿 있음
X : 성장 슬릿 없음
표 4 는, 비교예 5 내지 8 에서 커스프 자장의 중심과 융해 실리콘 표면 사이의 위치 관계를 제어함이 없이 성장된 실리콘 단결정에서의 성장 슬릿들과 산소 농도 분포를 계측한 결과를 나타낸다.
도 5a 내지 5d 는 실시예 1 내지 4 의 결과들과 비교예 1 내지 4 의 결과들을 비교한 그래프들이다. 도 5a 내지 5d 의 결과들은 고화율 20 %, 50 % 및 70 % 로 측정되었다. 상기 평균화된 측정 결과들은 각 위치에서 굵은 원으로 표시되어 있고, 각 위치에서의 측정 결과의 변동은 에러 바아(error bar)로 표시되어 있다.
도 6 은 실시예 1 과 비교예 1 의 실험 결과들을 나타내는 그래프이고, 도 7 은 실시예 2 와 비교예 2 의 실험 결과들을 나타내는 그래프이고, 도 8 은 실시예 3 과 비교예 3 의 실험 결과들을 나타내는 그래프이며, 그리고 도 9 는 실시예 4 와 비교예 4 의 실험 결과들을 나타내는 그래프이다.
도 6 내지 9 에 도시된 각 그래프의 x 축은 커스프 자장 인가 위치를 나타내고, y 축은 결정중의 산소 농도의 직경 방향 분포를 나타낸다. 산소 농도 분포는 다음 관계식으로 정의된다.
상기 식 1 에서, A 는 결정 중심에서의 산소 농도를 나타내고, B 는 결정의 에지에서의 산소 농도를 나타낸다.
본 발명의 방법, 즉 커스프 자장의 중심이 융해 실리콘의 전체 깊이의 1/3 이상에 위치하도록 설정되는 방법에 의하면, 실리콘 단결정에 성장 슬릿들의 발생을 방지할 수 있고, 결정 에지와 결정 중심과의 사이에서 반경 방향의 산소 농도의 차이를 5 % 이하로 감소시킬 수 있는, 즉 산소 농도 분포를 균일화하는 것이 가능하다.
덧붙여서, 본 발명의 방법에 의하면, 커스프 자장의 중심과 융해 실리콘의 표면과의 상대적 위치 관계가 일정하게 유지된다. 결과적으로, 실리콘 단결정에 성장 방향으로 모든 영역에서 성장 슬릿들의 발생을 방지할 수 있고, 직경 방향의 산소 농도 차이를 5 % 이하로 감소시킬 수 있는, 즉 산소 농도 분포를 균일화할 수 있다.
표 5 는 실시예 5 내지 7 에서의 실리콘 단결정 성장 조건들을 나타내고 있다.
20 cm, 30 cm 및 40 cm 의 직경을 갖는 실리콘 단결정이 실시예 5 내지 7 에서 각각 성장되었다.
실시예 5 내지 7 의 각각에서는, 결정 직경보다 2.5 배 이상의 직경을 갖는 석영 도가니가 사용되었다. 융해 실리콘에 인가되었던 자장은 도가니 저면에 수직인 1000 gauss 성분과, 도가니 측벽에 수직인 1000 gauss 성분을 가졌다. 실리콘 단결정 성장 조건들이 표 5 에 나타나 있다.
실시예 5 내지 7 에서 얻어진 결정에 대하여는, 상기 언급된 실시예 1 내지 4 에서와 유사하게, 성장 슬릿의 유무를 관찰하였고, 직경 방향의 산소 농도를 측정하였다.
| N | A | B | C | D | E | F | G | H | |
| 실시예5 | 20 | 1000 | 1000 | 0∼20 | 0.1∼10 | 20.0 | 6.66 | 7.0, 8.0, 9.0, 10.0, 15.0 | Yes |
| 실시예6 | 30 | 1000 | 1000 | 0∼20 | 0.1∼10 | 30.0 | 10.0 | 10.0, 12.0, 15.0, 20.0, 25.0 | Yes |
| 실시예7 | 40 | 1000 | 1000 | 0∼20 | 0.1∼10 | 40.0 | 13.33 | 14.0, 18.0, 25.0, 30.0, 35.0 | Yes |
표 5 에서, N 및 A 내지 H 는 다음을 의미한다.
N : 결정의 직경 [cm]
A : 도가니 저면에서의 자장의 강도 [gauss]
B : 도가니 측벽에서의 자장의 강도 [gauss]
C : 실리콘 단결정의 분당 회전수 [rpm]
D : 도가니의 분당 회전수 [rpm]
E : 융해 실리콘의 전체 깊이 (H) [cm]
F : H/3 [cm]
G : 실리콘 단결정이 성장되기 시작할 때의 융해 실리콘의 표면으로부터 커스프 자장의 중심의 깊이 [cm].
H : 커스프 자장 인가 위치가 제어되는가의 여부
상기 실시예 5 내지 7 과 비교하여 비교예 9 내지 11 에 대하여 동일 측정들이 수행되었다. 비교예 9 내지 11 에 있어서의 실리콘 단결정 성장 조건들이 표 6 에 나타나 있다.
| N | A | B | C | D | E | F | G | H | |
| 비교예9 | 20 | 1000 | 1000 | 0∼20 | 0.1∼10 | 20.0 | 6.66 | 5.0, 0.0, -5.0, -7.5, -8.0, -9.0, -10.0, -20.0 | No |
| 비교예10 | 30 | 1000 | 1000 | 0∼20 | 0.1∼10 | 30.0 | 10.0 | 5.0, 0.0, -5.0, -10.0, -15.0, -20.0, -25.0, -30.0 | No |
| 비교예11 | 40 | 1000 | 1000 | 0∼20 | 0.1∼10 | 40.0 | 13.33 | 10.0, 5.0, 0.0, -5.0, -10.0, -15.0, -20.0, -25.0, -30.0, -40.0 | No |
표 6 에서, N 및 A 내지 H 는 다음을 의미한다.
N : 결정의 직경 [cm]
A : 도가니 저면에서의 자장의 강도 [gauss]
B : 도가니 측벽에서의 자장의 강도 [gauss]
C : 실리콘 단결정의 분당 회전수 [rpm]
D : 도가니의 분당 회전수 [rpm]
E : 융해 실리콘의 전체 깊이 (H) [cm]
F : H/3 [cm]
G : 실리콘 단결정이 성장되기 시작할 때의 융해 실리콘의 표면으로부터 커스프 자장의 중심의 깊이 [cm]. 음의 부호 (-) 는 커스프 자장의 중심이 융해 실리콘의 표면 상부에 인가되었음을 나타낸다.
H : 커스프 자장 인가 위치가 제어되는가의 여부
비교예 9 내지 11 에 있어서는, 실시예 5 내지 7 에서의 각 결정 직경과 동일한 직경을 갖는 결정들이, 커스프 자장의 중심이 융해 실리콘의 전체 깊이의 1/3 이하의 깊이에 위치되도록 커스프 자장이 융해 실리콘에 인가되었다는 것을 제외하고는, 실시예 5 내지 7 의 것들과 동일 조건들하에서 성장되었다. 또한 비교예 9 내지 11 의 성장하는 결정의 성장 슬릿들 및 산소 농도의 측정 결과들뿐만 아니라 실시예 5 내지 7 의 결과들이 도 10 내지 12 에 도시되었다. 즉, 도 10 은 실시예 5 및 비교예 9 의 실험 결과들을 나타내는 그래프이고, 도 11 은 실시예 6 및 비교예 10 의 실험 결과들을 나타내는 그래프이며, 그리고 도 12 는 실시예 7 및 비교예 11 의 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
실시예 5 내지 7 및 비교예 9 내지 11 의 실험 결과들을 감안하면, 본 발명의 방법에 의하면, 커스프 자장이 융해 실리콘에 인가되는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장 방법에서, 결정 및 도가니의 분당 회전수를 특정함이 없이 성장된 실리콘 단결정에서 성장 슬릿들의 발생을 방지할 수 있다.
도 13 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장 장치를 도시하고 있다.
도시된 장치는 내부에 융해 실리콘 (201) 을 수용하고 있는 도가니 (200), 상기 융해 실리콘 (201) 에 커스프 자장을 인가하기 위한 한쌍의 코일 (202), 상기 도가니 (200) 를 하강 또는 상승시키기 위한 승강기 (203), 상기 융해 실리콘 (201) 의 표면 레벨을 검출하기 위한 검출기 (204), 도가니 (200) 및 상기 도가니 (200) 에 수용된 상기 융해 실리콘 (201) 을 밀폐시키는 밀폐함 (205), 상기 승강기 (203) 를 상승 또는 하강시키기 위한 모터 (206), 및 상기 모터 (206) 를 제어하여 상기 도가니 (200) 를 상승 또는 하강시키는 제어장치 (207) 를 구비한다.
동작시에, X 선 투시 장치와 같은 상기 검출기 (204) 는 상기 융해 실리콘 (201) 의 표면 레벨을 검출하여, 상기 융해 실리콘 (201) 의 상기 검출된 표면 레벨을 나타내는 신호 (S) 를 상기 제어장치 (207) 에 전송한다. 그리고 나서, 상기 제어장치 (207) 는 상기 수신된 신호 (S) 에 따라 상기 모터 (206) 를 제어하여, 커스프 자장의 중심선 (208) 이 상기 융해 실리콘 (201) 의 전체 깊이 (H) 의 1/3 이상의 깊이 (D) 에 위치하도록 한다.
도 13 에 도시된 상기 장치는 상기 언급된 방법에 의해 얻어지는 동일 효과를 제공한다.
상기 제어장치 (207) 는 상기 융해 실리콘 (201) 의 전체 깊이 (H) 와 커스프 자장의 상기 중심선 (208) 의 깊이 (D) 사이의 비율이 일정하게 유지되도록 상기 모터 (206) 를 제어하도록 설계될 수도 있다. 예를 들면, 상기 제어장치 (207) 는 상기 모터 (206) 그리하여 상기 승강기 (203) 를 제어하여 상기 언급된 비율이 1/3 이상의 숫자와 동일하도록, 예를 들면 1/2 이 되도록 한다.
내부에 상기 융해 실리콘 (201) 을 수용하는 상기 도가니 (200) 가 상기 언급된 실시예에서 상승 또는 하강되도록 설계되지만, 커스프 자장의 중심선 (208) 이 상기 융해 실리콘 (201) 의 전체 깊이 (H) 의 1/3 이상인 깊이 (D) 에 위치하도록 상기 도가니 (200) 를 대신하여 상기 코일 (202) 이 하강 또는 상승되도록 설계될 수도 있다.
선택적으로는, 상기 도가니 (200) 및 상기 코일 (202) 모두가 하강 또는 상승될 수도 있다.
본 발명의 방법에 의하여, 결정의 직경 방향의 산소 농도 차이가 5 % 이하인 균일 산소 농도 분포를 달성하는 것이 가능하다.
또한, 예를 들면 40 cm 의 직경을 갖는 대구경 실리콘 단결정에 있어서 성장 방향으로 모든 영역들에서 성장 슬릿들의 발생을 방지할 수 있다.
Claims (9)
- 커스프 자장이 융해 실리콘에 인가되는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 성장 방법에 있어서,커스프 자장의 중심 (6) 이 융해 실리콘 (2) 의 전체 깊이 (H) 의 1/3 이상의 깊이에 위치하도록 상기 융해 실리콘 (2) 에 상기 커스프 자장을 인가하는 단계로서, 상기 깊이는 상기 융해 실리콘 (2) 의 표면 레벨 (4) 로부터의 거리로 정의되는, 상기 단계를 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 융해 실리콘 (2) 의 상기 전체 깊이 (H) 와 상기 커스프 자장의 상기 중심 (6) 의 상기 깊이 사이의 비율이 일정하게 유지되도록 상기 융해 실리콘 (2) 을 인상하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 융해 실리콘 (2) 을 인상하는 상기 단계는,(a) 상기 융해 실리콘 (2) 의 표면 레벨 (4) 을 검출하는 단계; 및(b) 상기 실리콘 단결정의 성장 동안 상기 비율을 일정하게 유지하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
- 제 3 항에 있어서,상기 단계 (a) 에서 상기 융해 실리콘 (2) 의 상기 표면 레벨 (4) 은 X 선 투시법에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 융해 실리콘 (2) 을 내부에 수용한 도가니 (3) 를 수직으로 이동시켜 상기 단계 (b) 에서 상기 비율을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
- 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,상기 커스프 자장의 상기 중심 (6) 을 수직으로 이동시켜 상기 단계 (b) 에서 상기 비율을 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
- 커스프 자장이 융해 실리콘에 인가되는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 성장 장치로서,(a) 융해 실리콘 (201) 을 내부에 수용하고 있는 도가니 (200),(b) 상기 융해 실리콘 (201) 에 커스프 자장을 인가하는 자장 발생기 (202) 및(c) 상기 도가니 (200) 와 상기 자장 발생기 (202) 중 하나 이상을 하강시키거나 상승시키는 승강기 (203) 를 구비하는 상기 성장 장치에 있어서,(d) 상기 융해 실리콘 (201) 의 표면 레벨을 검출하여, 상기 검출된 표면 레벨을 나타내는 신호 (S) 를 전송하는 검출기 (204); 및(d) 상기 커스프 자장의 중심 (208) 이 상기 융해 실리콘 (201) 의 상기 표면 레벨로부터의 거리로서 정의되는 상기 융해 실리콘 (201) 의 전체 깊이 (H) 의 1/3 이상의 깊이 (D) 에 위치하도록 상기 검출기 (204) 로부터 전송된 상기 신호 (S) 에 따라 상기 승강기 (203) 와 상기 자장 발생기 (202) 중 하나 이상을 제어하는 제어장치 (207) 를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치
- 제 7 항에 있어서,상기 제어장치 (207) 는 상기 융해 실리콘 (201) 의 상기 전체 깊이 (H) 와 상기 커스프 자장의 상기 중심 (208) 의 상기 깊이 (D) 사이의 비율이 일정하게 유지되도록 상기 승강기 (203) 를 제어하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치.
- 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,상기 검출기 (204) 는 X 선 투시 장치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치.
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