KR20050062128A - A method of producing silicon ingot by moving magnet - Google Patents
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Abstract
쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 때 잉곳의 길이 방향에 따른 결정 품질의 균질성을 보다 더 향상시키고자 한다. 이를 위해 본 발명에서는 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조함에 있어서, 실리콘 단결정 잉곳 성장장치 주위에 설치된 자석의 위치를 성장하는 결정 길이에 따라 이동시킴으로써 잉곳 길이 방향의 품질 변화를 제어하고 결정 길이 방향으로의 품질 균질성을 향상시킨다.When the silicon single crystal ingot is manufactured by the Czochralski method, it is intended to further improve the homogeneity of the crystal quality along the longitudinal direction of the ingot. To this end, in the present invention, in manufacturing a silicon single crystal ingot by the Czochralski method, the quality of the ingot length direction is controlled by moving the position of a magnet installed around the silicon single crystal ingot growth apparatus according to the growing crystal length and controlling the crystal length. Improves quality homogeneity in the direction.
Description
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인가하는 자기장의 위치를 변화시키면서 잉곳을 성장하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a silicon single crystal ingot, and more particularly, to a method for manufacturing a silicon single crystal ingot growing an ingot while changing the position of an applied magnetic field.
반도체 제조에 이용되는 실리콘 단결정의 제조방법으로서, 석영도가니 내에 함유된 실리콘 융액으로부터 결정을 성장시키면서 인상하는 쵸크랄스키법(CZ법)이 널리 이용되고 있다. As a method for producing a silicon single crystal used in semiconductor manufacturing, the Czochralski method (CZ method) which pulls up while growing a crystal from a silicon melt contained in a quartz crucible is widely used.
쵸크랄스키법에서는, 발열체의 가열에 의한 융액의 자연대류와 결정 및 도가니 회전에 의한 융액의 강제 대류가 발생하며 이러한 자연대류와 강제대류가 서로 작용하여 실리콘 융액 내에는 복잡한 대류패턴이 형성된다. In the Czochralski method, the natural convection of the melt due to heating of the heating element and the forced convection of the melt due to crystal and crucible rotation occur, and the natural convection and the forced convection interact with each other to form a complex convection pattern in the silicon melt.
특히 잉곳이 성장하면서 결정의 수직 방향의 온도 구배가 변화하며 용융 실리콘의 체적 감소로 인해 용융 실리콘의 대류 형태도 변화하게 된다. 이러한 변화는 결정의 품질에 영향을 미쳐 결정의 품질이 결정 길이에 따라 변화하는 원인이 된다. In particular, as the ingot grows, the temperature gradient in the vertical direction of the crystal changes, and the convex shape of the molten silicon changes due to the decrease in the volume of the molten silicon. This change affects the quality of the crystal, causing the quality of the crystal to change with the length of the crystal.
융액의 대류 형태는 결정의 품질과 밀접한 관련이 있으며 융액의 대류를 제어하기 위해 실리콘 융액에 자기장을 인가하는 방법이 유효한 것으로 알려져 있다. The convective form of the melt is closely related to the quality of the crystals, and it is known that a method of applying a magnetic field to the silicon melt to control the convection of the melt is effective.
이와 같이 자기장을 인가하여 실리콘 단결정을 제조할 경우 최초 설정된 자기장의 위치는 성장 공정이 완료될 때까지 고정되며 목적에 따라 성장하는 결정의 길이에 따라 자기장의 세기를 조정하는 경우도 있다.When the silicon single crystal is manufactured by applying a magnetic field as described above, the position of the initially set magnetic field is fixed until the growth process is completed, and the strength of the magnetic field may be adjusted depending on the length of the growing crystal depending on the purpose.
그러나, 이러한 자기장의 인가 및 자기장 세기의 조절만으로는 결정 품질의 균일성이 확보되지 않으므로, 보다 더 결정 품질의 균질성을 향상시키기 위한 새로운 방법이 절실히 요청되고 있는 실정이다.However, since the uniformity of the crystal quality is not secured only by the application of the magnetic field and the adjustment of the magnetic field strength, a new method for further improving the homogeneity of the crystal quality is urgently required.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 때 잉곳의 길이 방향에 따른 결정 품질의 균질성을 보다 더 향상시키는 것이다. The present invention has been made to solve the problems described above, and its object is to further improve the homogeneity of the crystal quality along the longitudinal direction of the ingot when producing a silicon single crystal ingot by the Czochralski method.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조함에 있어서, 결정 성장 중에 실리콘 융액에 자기장을 인가하고, 결정의 길이 변화에 따라 자기장의 위치를 변화시키면서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다. In order to achieve the above object, in the present invention, in producing a silicon single crystal ingot by the Czochralski method, a silicon single crystal ingot is applied while applying a magnetic field to the silicon melt during crystal growth and changing the position of the magnetic field according to the change in the length of the crystal. To grow.
자기장의 위치 변화에 의해 실리콘 융액의 대류 형태가 바뀌게 되고 따라서 결정 길이에 따른 품질 변화를 최소화 할 수 있는 대류 형태를 형성시키면서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다.Due to the change in the position of the magnetic field, the convection shape of the silicon melt is changed, and thus, the silicon single crystal ingot can be grown while forming the convection shape to minimize the quality change according to the crystal length.
이 때 자기장은 잉곳의 길이 방향에 대해 수직 방향 또는 수평 방향, 그리고 상하 방향이 반대인 두개의 수직방향 자기장으로 구성된 커스프(CUSP) 형태의 자기장을 인가할 수 있다.In this case, the magnetic field may apply a CUSP type magnetic field composed of two vertical magnetic fields opposite to the vertical direction or the horizontal direction and the vertical direction to the longitudinal direction of the ingot.
이하, 본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings for the present invention will be described in detail.
쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 때 결정 성장 시스템은 동적인(dynamic) 시스템으로서, 결정 길이의 증가에 따라 성장 환경이 변화하며 제어 인자들이 복잡하게 상호 연관된 시스템이다. 이로 인해 결정 길이 방향 품질의 균질성을 확보하기 어려우며 이는 결정 성장 기술에서 하나의 난제가 되어 왔다. When producing a silicon single crystal ingot by the Czochralski method, the crystal growth system is a dynamic system in which the growth environment changes with increasing crystal length and the control factors are complicatedly interrelated. This makes it difficult to ensure homogeneity of crystal longitudinal quality, which has been a challenge in crystal growth technology.
성장되는 잉곳의 품질을 균질하게 하기 위해서는 결정 성장 중에 성장 환경을 동일하게 유지시켜 주어야 하며 특히 실리콘 융액의 대류 패턴을 제어하는 것이 중요함을 발견하였다.In order to homogenize the quality of the growing ingot, it has been found that it is important to keep the growth environment the same during crystal growth, and in particular, to control the convection pattern of the silicon melt.
특히, 대구경 웨이퍼 제조를 위한 잉곳을 성장시키는 경우 실리콘 융액이 대용량화되면서 실리콘 융액의 대류가 보다 더 난류화되며, 이 경우 난류화된 대류 패턴을 제어하기 위해서는 실리콘 융액에 자기장을 인가하는 방법이 거의 필수적으로 적용되고 있다.In particular, when ingots for large-diameter wafers are grown, the convection of the silicon melt becomes more turbulent as the silicon melt becomes larger, and in this case, a method of applying a magnetic field to the silicon melt is almost essential to control the turbulent convection pattern. Is being applied.
실리콘 융액에 자기장을 인가하면, 자기장에 수직한 방향의 융액 대류가 억제되는 경향이 있으며 잉곳의 반경방향과 평행한 수평 자기장을 인가할 경우 결정내 산소농도가 낮은 저산소 잉곳의 제조가 가능한 것으로 알려져 있다.Applying a magnetic field to the silicon melt tends to suppress melt convection in a direction perpendicular to the magnetic field, and it is known that a low oxygen ingot with low oxygen concentration in the crystal can be produced by applying a horizontal magnetic field parallel to the radial direction of the ingot. .
이와 같이 결정의 품질과 실리콘 융액의 대류 제어를 위해 실리콘 융액의 주위에 자기장을 인가하는 방법이 널리 사용되고 있으며 지금까지는 자석의 위치를 고정한 상태에서 일정한 세기의 자기장을 인가하거나 결정 길이에 따라 자기장의 세기를 변화시키는 방식으로 운영되어 왔다. In order to control the quality of the crystal and the convection of the silicon melt, a method of applying a magnetic field around the silicon melt is widely used. Until now, a magnetic field having a constant intensity is applied while the magnet is fixed, or the strength of the magnetic field depends on the crystal length. Has been operated in a way that changes the
그러나 본 발명에서는 자기장의 세기 뿐만 아니라 실리콘 융액과 자기장과의 상대적 위치에 의해서도 실리콘 융액의 대류가 변화함을 발견하였다.However, in the present invention, it was found that the convection of the silicon melt is changed not only by the strength of the magnetic field but also by the relative position between the silicon melt and the magnetic field.
즉, 자석의 구조에 의해 자기장의 형태가 결정되고 실리콘 융액과 자기장과의 상대적 위치에 의해 실리콘 융액에 영향을 미치는 자기장의 세기와 방향이 변하게 된다. 특히, 자기장의 세기가 동일하더라도 자기장의 방향에 의해 실리콘 융액의 대류 패턴은 크게 변화한다. That is, the shape of the magnetic field is determined by the structure of the magnet, and the strength and direction of the magnetic field affecting the silicon melt are changed by the relative position between the silicon melt and the magnetic field. In particular, even if the magnetic field strength is the same, the convection pattern of the silicon melt varies greatly depending on the direction of the magnetic field.
본 발명에서는 실리콘 융액에 인가된 자기장의 위치를 바꿀 경우 결정의 품질이 변화하는 것을 확인하였으며 이는 실리콘 융액에 인가된 자기장의 위치를 바꿀 경우 도가니에 담겨진 실리콘 융액과 상호작용하는 자기장의 방향과 세기가 변화되면서 융액 대류에 영향을 미쳐 결정의 품질이 변화되기 때문이다. 따라서 결정 품질의 균일성 확보를 위해 자기장의 위치를 하나의 제어 인자로 사용 가능하다.In the present invention, it is confirmed that the quality of the crystal changes when the position of the magnetic field applied to the silicon melt is changed. When the position of the magnetic field applied to the silicon melt is changed, the direction and intensity of the magnetic field interacting with the silicon melt contained in the crucible This is because the change affects melt convection, which changes the quality of the crystal. Therefore, the position of the magnetic field can be used as a control factor to ensure uniformity of crystal quality.
실리콘 단결정 잉곳이 점차 성장해가면서 잉곳 길이의 증가에도 불구하고 실리콘 융액의 표면과 주위 핫존(Hot Zone)과의 상대적 위치는 변화되지 않고 그대로 유지되며 이를 위해 공정 중 실리콘 융액을 담은 도가니가 기계적 장치에 의해 상승한다. As the silicon single crystal ingot grows gradually, the relative position of the surface of the silicon melt and the surrounding hot zone remains unchanged despite the increase of the ingot length.The crucible containing the silicon melt during the process is maintained by a mechanical device. To rise.
만약 자석의 위치가 고정된 상태에서 실리콘 융액에 자기장이 인가된 경우 실리콘 융액의 표면은 공정이 완료될 때까지 동일한 형태의 자기장 영향 하에 놓이게 된다. 한편 잉곳 길이의 증가와 함께 용융 실리콘의 양은 줄어들고 이로 인해 대류 패턴이 변화되나 이를 제어하는 자기장은 동일한 형태를 유지할 뿐이므로 대류 패턴의 변화는 제어되지 않으면서 결정의 품질이 달라지게 된다. If a magnetic field is applied to the silicon melt with the magnet position fixed, the surface of the silicon melt will be under the same type of magnetic field influence until the process is complete. On the other hand, with increasing ingot length, the amount of molten silicon decreases, which results in a change in the convection pattern, but the magnetic field controlling the same keeps the same shape, so that the quality of the crystal is changed without controlling the change in the convection pattern.
따라서 성장로 주위의 자석의 위치를 결정 길이에 따라 변화시켜 용융 실리콘 표면에 인가된 자기장의 세기와 방향을 변화시킴으로써 대류 패턴이 성장 중에 변화하는 것을 억제하고 이를 통해 결정 길이에 따른 품질 변화를 최소화하여 보다 더 균질한 품질을 얻을 수 있다.Therefore, by changing the position of the magnet around the growth furnace according to the crystal length, by changing the strength and direction of the magnetic field applied to the molten silicon surface, the convection pattern is suppressed during the growth, thereby minimizing the quality change along the crystal length. A more homogeneous quality can be obtained.
도 1은 본 발명에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장하는 것을 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에서는 쵸크랄스키 법에 의해 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 때, 잉곳(10)의 결정 성장 중에 도가니(15) 내에 담겨져 있는 실리콘 융액(20)에 자기장(30)을 인가하고, 자기장(30)의 위치를 변화시키면서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.1 is a cross-sectional view illustrating growing a silicon single crystal ingot according to the present invention. As shown in FIG. 1, when the silicon single crystal ingot is manufactured by the Czochralski method, the magnetic field 30 is contained in the silicon melt 20 contained in the crucible 15 during crystal growth of the ingot 10. Is applied, and the silicon single crystal ingot is grown while changing the position of the magnetic field 30.
이 때 자석(35)을 히터(40)의 바깥쪽에 설치할 수 있다. At this time, the magnet 35 may be installed outside the heater 40.
이러한 자기장(30)의 위치 변화에 의해 실리콘 융액(20)의 대류 패턴의 변화를 억제하면서 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 것이다.By changing the position of the magnetic field 30, the silicon single crystal ingot is grown while suppressing the change of the convection pattern of the silicon melt 20.
이 때 인가하는 자기장의 방향은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 잉곳의 길이 방향에 대해 수직, 또는 수평 방향, 그리고 CUSP 형태의 자기장일 수 있다. 이 때 CUSP 형태의 자기장이란 상하 방향이 반대인 두개의 수직방향 자기장으로 구성된 형태인 것으로 당업계에서 잘 알려져 있다. 일 예로서 도 1에는 수평 방향의 자기장이 도시되어 있다.At this time, the direction of the magnetic field to be applied is not particularly limited, and may be, for example, a magnetic field in a vertical or horizontal direction with respect to the longitudinal direction of the ingot and a CUSP type. At this time, the magnetic field of the CUSP type is well known in the art consisting of two vertical magnetic fields in the vertical direction is opposite. As an example, FIG. 1 illustrates a horizontal magnetic field.
일반적으로 잉곳의 길이가 길어지면 고-액 계면에서 결정의 수직 온도 기울기(G)가 작아지는 경향이 있다. 또한 수평 형태의 자기장을 적용할 경우 자기장(또는 자석)의 위치를 하강할수록 결정의 수직방향의 온도 기울기인 G값이 커지는 경향이 있다. 따라서 G값의 변화를 최소화하기 위해서는 잉곳의 길이가 길어질수록 수평 자기장을 발생시키는 자석의 위치를 하강하는 것이 바람직하다. In general, longer ingots tend to have smaller vertical temperature gradients (G) of the crystals at the solid-liquid interface. In addition, when the magnetic field of the horizontal type is applied, the lower the position of the magnetic field (or magnet), the larger the G value, which is the temperature gradient in the vertical direction of the crystal, tends to increase. Therefore, in order to minimize the change in the G value, it is preferable to lower the position of the magnet generating the horizontal magnetic field as the length of the ingot becomes longer.
그러나 자기장의 위치를 어떻게 변화시킬 것인지는 상술한 바와 같이 잉곳이 길이가 길어질수록 자기장의 위치를 하강하는 것으로 한정되는 것은 아니고, 목적하는 잉곳의 품질, 핫존 구조, 잉곳의 직경 등의 다양한 성장 조건에 맞게 적절하게 변경할 수 있다.However, as described above, how to change the position of the magnetic field is not limited to lowering the position of the magnetic field as the length of the ingot increases, and according to various growth conditions such as the desired ingot quality, hot zone structure, and ingot diameter, etc. You can change it accordingly.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the claims It belongs to the scope of the present invention.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 인가하는 자기장의 위치를 변화시킴으로써 잉곳의 길이 방향으로의 품질 균일성을 향상시키는 효과가 있다. As described above, according to the present invention, there is an effect of improving the quality uniformity in the longitudinal direction of the ingot by changing the position of the magnetic field to be applied.
도 1은 본 발명에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장하는 것을 도시한 단면도이다. 1 is a cross-sectional view illustrating growing a silicon single crystal ingot according to the present invention.
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| KR100804459B1 (en) * | 2005-07-25 | 2008-02-20 | 가부시키가이샤 사무코 | Method for producing silicon single crystal and silicon single crystal |
| KR100946563B1 (en) * | 2008-02-05 | 2010-03-11 | 주식회사 실트론 | Method of manufacturing semiconductor single crystal by Czochralski technology |
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