KR20030049366A - 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 있어서, 잉곳에 존재할 점결함 분포를 미리 예상하고, 그에 따른 잉곳의 최적 온도 분포를 소정의 해석 프로그램으로 예측한 것에 의하여, 결정성장장치의 핫 존 구조와 제조 공정 조건을 제시할 수 있도록 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방법은, 소정의 온도 분포 모델링을 통하여 잉곳의 점결함 거동을 예측하고, 소정의 민감도를 갖도록, 점결함농도차는, 수학식에 의하여 정해지는 최소값 ²min을 선정하는 단계; ²min일 때에 잉곳의와

Description

단결정 실리콘 잉곳 제조 방법{Manufacturing method of single crystal silicon ingot }

본 발명은 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 있어서, 잉곳을 성장시키는 실험을 토대로 주어진 핫 존의 구조에 대한 온도 분포와 점결함 분포 해석을 행하는 종래의 방법과는 완전히 반대로, 잉곳에 존재할 점결함 분포를 미리 예상하고, 그에 따른 잉곳의 최적 온도 분포를 소정의 해석 프로그램으로 예측한 것에 의하여, 결정성장장치의 핫 존 구조와 제조 공정 조건을 제시할 수 있도록 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 관한 것이다.

쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳의 제조는, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking) 공정, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering) 공정을 거치며, 이 이후에는 일정한 직경을 갖는결정이 성장된다. 이 공정을 바디 그로잉(body growing) 공정이라 부르는데 이때 성장된 부분이 웨이퍼로 만들어지는 부분이 된다. 일정한 길이 만큼 바디 그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing) 공정단계를 거쳐 결정성장단계가 마무리된다.

여기서, 결정성장공정은 핫존(Hot Zone)이라는 공간에서 이루어지게 되는데, 핫존은 결정성장장치(Grower)에서 용융실리콘이 단결정 잉곳으로 성장될 때의 용융실리콘과 잉곳 접촉 주위의 공간을 구성하는 총체적인 환경을 의미한다. 결정성장장치는 용융실리콘 도가니, 가열장치, 열실드, 페데스탈, 씨드척, 잉곳인상장치 등 여러 부품들로 이루어져 있다.

한편, 이와 같이 성장되는 단결정 내부의 결함특성은 결정의 성장 및 냉각 조건에 매우 민감하게 의존하기 때문에 성장계면 근처의 열적 환경을 조절함으로써 성장결함의 종류 및 분포를 제어하고자 하는 많은 노력이 진행되어 오고 있다.

성장결함은 크게 베이컨시-타입(vacancy-type)과 인터스티셜-타입 (interstitial-type)으로 나누어지며, 베이컨시 점결함이나 인터스티셜 점결함이 평형농도 이상으로 존재하면 응집이 일어나서 입체적인 결함으로 발전되는 것으로 알려져 있다. 보론코프에 의하면 (V.V. Voronkov, The Mechanism of Swirl Defects Formation in Silicon , Journal of Crystal Growth 59 (1982) 625) 이러한 결함들의 형성은 V/G 비와 밀접한 관계를 갖는다고 알려져 있다. 여기서 V는 성장속도이며 G는 성장계면 근처(핫존)의 결정 내 수직온도구배이다. 즉, V/G의 값이 어떤 임계치를 초과하면 베이컨시타입(vacancy type)이, 그리고 그 이하의 조건에서는 인터스티셜타입(interstitial type)의 결함이 형성되는 것이며, 따라서, 주어진 핫존에서 결정을 성장시킬 때는 인상속도에 의하여 결정 내에 존재하는 결함의 종류, 크기, 밀도 등이 영향을 받게 된다는 것이다.

또한, 최근에는 성장결함이 적은 고순도 잉곳을 성장시키기 위한 노력의 일환으로 수직온도구배인 G의 반경방향에 대한 불균일성을 개선하려는 시도가 이루어지고 있고, 이와 같이 많은 사람들의 이론적인 연구나 경험적인 연구에도 불구하고 단결정 실리콘 잉곳의 결함밀도를 줄이는 것은 계속적으로 필요한 실정이다.

위와 같이, 종래의 저결함 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 결정성장장치의 핫존 구조에 관한 연구는, 핫존 구조를 설계하는 기준 없이, 결정성장장치의 핫존 구조를 결정한 다음, 결정 성장 실험을 통해 그 핫존 구조가 저결함 실리콘 단결정 성장에 적합한가를 판단하고, 불만족일 때에는 반복적으로 다시 실험을 행하는 시행착오를 거쳐 핫존 구조와 공정 조건을 결정하는 방법으로서, 실패 비용이 많이 들고 비효율적인 면이 있다. 또한, 종래에는 대부분 핫존 구조에 관한 온도장 분포 해석을 통해 얻어진 수직온도구배 G를 해석하여 결정의 결함 분포 등을 간접적으로 예측하는 방법이므로, 그 예측한 결정의 품질이 실제와는 다르게 나타날 수 있는 문제도 있다.

종래의 연구 중에는 점결함 거동 해석을 통하여 핫존 구조 결정 방법을 제시하고 있는 것(공개특허:10-2000-0055759)도 있으나, 이도 또한 주어진 핫존 구조에 관한 온도분포해석이며, 사용자가 원하는 점결함 분포를 나타내도록 하는 핫존 구조의 설계 기준이나 최적의 온도 분포를 예측할 수는 없는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하고자하여 제안된 것으로서, 쵸크랄스키 법에 의한 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 있어서, 잉곳에 존재할 점결함 분포를 미리 예상하고, 그에 따른 잉곳의 최적 온도 분포를 소정의 해석 프로그램으로 예측한 것에 의하여, 결정성장장치의 핫 존 구조와 제조 공정 조건을 제시할 수 있도록 하자는 데 있다.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 방법은, (a) 소정의 온도 분포 모델링을 통하여 잉곳의 점결함 거동을 예측하고, 소정의 민감도를 갖도록, 점결함농도차는, 수학식(는 인터스티셜점결함농도,는 베이컨시 점결함농도)에 의하여 정해지는 최소값 ²min을 선정하는 단계; (b) 상기 ²min일 때에 잉곳의와분포로부터 소정의 해석 프로그램을 통하여 잉곳의 온도 분포를 해석하는 단계; (c) 소정의 응용 프로그램을 통하여 상기 온도 분포 해석에 대응한 결정성장장치의 핫존 구조와 제조 공정 조건을 결정하는 단계; 및 (d) 상기 제조 공정 조건에 따라 상기 핫존 구조를 갖는 소정의 결정성장장치 내에서 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하여 이루어진다.

도 1은 본 발명에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조 공정의 흐름도.

도 2는 본 발명에 따른 단결정 실리콘 잉곳의 최적 온도 분포 해석 과정 흐름도.

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 실시예의 도면을 참조하여 설명한다.

도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조 공정의 흐름도가 도시되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 잉곳의 제조에 있어서는, 결정성장장치 내에서 잉곳을 성장시키기 전에, 핫존의 구조와 공정 조건을 결정하기 위한 잉곳의 온도 분포를 해석한다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 잉곳의 온도 분포를 해석하기 위하여, 먼저, 아래에서 기술할 온도 분포 모델링을 통하여 잉곳의 점결함 거동을 예측하고, 소정의 민감도를 갖도록, 점결함농도차는,

[수학식1]

(는 인터스티셜점결함농도,는 베이컨시 점결함농도)

에 의하여 정해지는 최소값 ²min을 선정한다(S101). 이때, 최소값 ²min이 선정되면, 잉곳에 분포하는 점결함 농도와가 결정된다.

다음에, 상기 ²min일 때에 정해지는 잉곳의와분포로부터, IMSL 라이브러리(library)를 갖고있는 'qprog'와 같은 포트란(Fortran) 해석 프로그램을 통하여 잉곳의 온도 분포를 해석하여, 잉곳 성장 시에 요구되는 온도 분포를 추출한다(S102).

이에 따라, 위와 같이 추출된 잉곳의 온도 분포를 만족시키기 위한 결정성장장치의 핫존 구조와 제조 공정 조건을 구하기 위해서는, 열실드의 재질, 멜트갭(열실드 하부 바닥에서부터 용융실리콘 표면까지의 간격), 인상 속도, 수직온도구배, 분위기 가스의 농도 등에 대한 종합적인 고려를 위하여 소정의 응용 프로그램을 통하여 실시한다(S103).

결정 성장 공정을 실시하기 위한 준비가 완료되면, 위에서 구한 인상 속도, 수직온도구배, 분위기 가스의 농도 등 제조 공정 조건에 따라 위와 같이 열실드의 재질, 멜트갭 등의 조건을 만족시키는 핫존 구조를 갖는 소정의 결정성장장치를 설계 제작하여 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키게 되는 것이다(S104).

위에 기술한 바와 같은, 공정 순서에 따라 제조되는 단결정 실리콘 잉곳의 최적 온도 분포 해석 과정(S101)에 대하여 첨부된 실시예의 도면을 참조하여 좀더 상세히 설명한다.

도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳의 최적 온도 분포 해석 과정을 나타내는 흐름도가 도시되어 있다.

도2에 도시된 바와같이, 본 발명에 따른 온도 분포 모델링에 적용하기 위하여, 온도분포가,

[수학식 2]

(은 반경방향거리,는 축방향 거리,은 반경방향제어변수,는 축방향제어변수,는 잉곳의 최고점표면온도,은 실리콘 녹는점,은 잉곳의 길이)

에 의하여 정해지는 온도분포를 초기화한다(S201). 여기서 온도분포는 반경방향제어변수와 축방향제어변수로 정해지는 함수(,)에 의하여 결정된다.

이와같은 초기 온도분포는,

[수학식3]

(t는 시간,는 축방향 거리,는 인터스티셜점결함농도,는 베이컨시점결함농도,,는 확산계수,는 비례상수,,는 평형상태의 점결함농도)에 의한 점결함 거동해석 (point defect dynamics analysis)을 통하여(S202), 잉곳의 점결함농도,,을 구하는 기초가 된다.

이에 따라, 소정의 민감도를 나타내는는,

[수학식4]

(는 현재의 점결함농도차,는 이전의 점결함 농도차,는 현재의 온도,는 이전의 온도)

에 의하여 정해진다.

위와같이 정의되는 온도 분포와 민감도에 따라, 사용자는 소정의 허용기준치를 정하고, 목적함수값를 나타내는 ,

[수학식5]

(는 점결함 농도차,은 계산점의 총수)

에 의한 목적 함수값를 최소로 하기 위한를 정한다(S203).

위에 기술한 바와 같이 정해지는, 모델링된 온도 분포(), 이에 따른, 점결함농도(,), 민감도(), 점결함분포()등에 따라, 사용자는 'qprog'와 같은 포트란 해석 프로그램을 통하여 잉곳의 온도 분포를 해석하여, 잉곳 성장 시에 요구되는 최적의 온도 분포를 추출하고(S204), 이를 새로운 온도 분포로 업데이트하며(S205), 수렴하는지를 확인하여(S206), 수렴하지 않으면 위와 같은 과정을 반복하고, 수렴 시에는 위에서 구한 온도분포를 최종적인 최적의 온도 분포로 한다(S205).

위와 같은 과정을 통하여, 목적 함수값를 최소로 하기 위한 최종의 점결함분포 ()를 구할 수 있으며, 이것을 위에서 최소값min으로 보았고(S101), 이에 대응하여 잉곳 성장 시에 요구되는 최적의 온도 분포가 추출되는 것이다(S102).

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에서는, 소정의 온도 분포 모델링을 통하여 잉곳의 점결함 거동을 예측하고, 소정의 민감도를 갖도록, 점결함농도차는 수학식(는 인터스티셜점결함농도,는 베이컨시점결함농도)에 의하여 정해지는 최소값min을 선정하고, 상기min일 때에 잉곳의와분포로부터, 소정의 해석 프로그램을 통하여 잉곳의 온도 분포를 해석한 다음, 소정의 응용 프로그램을 통하여 상기 온도 분포 해석에 대응한 결정성장장치의 핫존 구조와 제조 공정 조건을 결정한 후에, 상기 제조 공정 조건에 따라 상기 핫존 구조를 갖는 소정의 결정성장장치 내에서 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있도록 하였다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 단결정 실리콘 잉곳의 제조 방법에서는, 반복적인 결정 성장 실험을 통한 시행착오를 거치지 않고도, 잉곳에 존재할 점결함 분포를 미리 예상하고, 그에 따른 잉곳의 최적 온도 분포를 소정의 해석 프로그램으로 예측한 것에 의하여, 결정성장장치의 핫 존 구조와 제조 공정 조건을 제시할 수 있도록 하였으므로, 저결함 또는 무결함 단결정 실리콘 잉곳의 제조에 대한 실패비용이 감소하고, 이에 따라 제조 원가가 감소하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. (a) 소정의 온도 분포 모델링을 통하여 잉곳의 점결함 거동을 예측하고, 소정의 민감도를 갖도록, 점결함농도차는, 수학식

   (는 인터스티셜점결함농도,는 베이컨시 점결함농도)에 의하여 정해지는 최소값 ²min을 선정하는 단계;

   (b) 상기 ²min일 때에 잉곳의와분포로부터 소정의 해석 프로그램을 통하여 잉곳의 온도 분포를 해석하는 단계;

   (c) 소정의 응용 프로그램을 통하여 상기 온도 분포 해석에 대응한 결정성장장치의 핫존 구조와 제조 공정 조건을 결정하는 단계; 및

   (d) 상기 제조 공정 조건에 따라 상기 핫존 구조를 갖는 소정의 결정성장장치 내에서 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 (a)단계에서,

   상기 소정의 온도 분포 모델링은, 온도분포가, 수학식

   (은 반경방향거리,는 축방향 거리,은 반경방향제어변수,는 축방향제어변수,는 잉곳의 최고점표면온도,은 실리콘 녹는점,은 잉곳의 길이) 에 의하여 정해지고, 상기 잉곳의 점결함 농도,,가, 수학식

   (t는 시간,는 축방향 거리,는 인터스티셜점결함농도,는 베이컨시점결함농도,,는 확산계수,는 비례상수,,는 평형상태의 점결함농도)에 의하여 정해지는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기(a)단계에서,

   상기 소정의 민감도는 , 수학식

   (는 현재의 점결함농도차,는 이전의 점결함 농도차,는 현재의 온도,는 이전의 온도)에 의하여 정해지는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 (a) 내지 (d)단계는 저결함 또는 무결함 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킬 때 사용하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.