KR20090008969A - 실리콘 단결정 성장 장치 및 실리콘 단결정 성장 방법 - Google Patents

실리콘 단결정 성장 장치 및 실리콘 단결정 성장 방법

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KR20090008969A KR1020070072354A KR20070072354A KR20090008969A KR 20090008969 A KR20090008969 A KR 20090008969A KR 1020070072354 A KR1020070072354 A KR 1020070072354A KR 20070072354 A KR20070072354 A KR 20070072354A KR 20090008969 A KR20090008969 A KR 20090008969A
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최일수
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Abstract

본 발명은 쵸크랄스키 방식에 의하여 실리콘 단결정을 성장시키는 실리콘 단결정 성장 장치에 관한 것으로서, 상기 실리콘 단결정 성장 장치는 실리콘 융액이 담기는 도가니, 상기 도가니의 외측을 감싸도록 형성되고, 최대 발열 부위가 상기 도가니의 상부로부터 25 내지 40% 아래에 위치하며 상기 도가니 내에 열을 가하는 발열체 및 상기 도가니와 이격되도록 상기 도가니의 아래에 배치되는 하부 단열재를 포함하며, 상기 실리콘 단결정 성장 장치로 제조된 실리콘 단결정의 바디 상부로부터 상기 바디 길이의 10 내지 15%에 해당하는 위치의 산소 농도는 10ppma 이하인 것을 특징으로 한다. 한편, 본 발명은 또한 다결정 실리콘을 도가니 내에 담고 용융시켜 실리콘 융액을 준비하고, 상기 실리콘 융액의 융액면으로터 20 내지 40 mm 아래 영역을 선택적으로 다른 영역보다 고온이 되도록 가열하는 실리콘 단결정 성장 방법을 제공한다. 본 발명에 의한 실리콘 단결정 성장 장치 및 실리콘 단결정 성장 방법은 실리콘 융액의 대류를 제어하여 저산소 농도의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.
실리콘 단결정, 쵸크랄스키

Description

실리콘 단결정 성장 장치 및 실리콘 단결정 성장 방법{Growing apparatus for silicon single crystal and manufacturing method for the same}
본 발명은 실리콘 단결정 성장 장치 및 실리콘 단결정 성장 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 쵸크랄스키 법으로 실리콘 단결정을 성장시킴에 있어서, 자기장을 가하지 않고 실리콘 융액 내의 산소 농도를 제어할 수 있는 실리콘 단결정 성장 장치 및 실리콘 단결정 성장 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조용 실리콘 웨이퍼의 대구경화가 진행됨에 따라, 실리콘 웨이퍼의 대부분은 쵸크랄스키 법에 의해 성장시킨 실리콘 단결정을 웨이퍼 형태로 가공하여 생산되고 있다.
8인치 이상의 실리콘 단결정에 대한 생산 장비에서는 마그넷의 설치를 통해 저산소 농도를 구현하는 방식을 사용하여 실리콘 단결정 바디에서 격자간 산소의 농도가 10ppma 이하도 가능하게 되었다. 그러나, 사양화되고 있는 6인치 단결정의 생산 장비에 대한 추가적인 투자에 대해서는 경제적 이점이 적어 마그넷을 설치하지 않고 자기장 없이 실리콘 단결정을 생산하는 것이 일반적이며, 이러한 경우 실리콘 단결정 바디에서 격자간 산소의 농도를 10ppma 이하로 제어하는 것이 불가능 하다고 여겨져 왔다.
따라서, MEMS용이나 고객의 저산소 요구에 대응하기 위한 6인치 웨이퍼에의 경우, 저산소 농도의 실리콘 단결정을 제조하기 위해서는 마그넷 설치 등에 의한 경제적인 손실을 감수해야만 하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안한 것으로서, 기존의 실리콘 단결정 성장 장치를 변형하여 자기장을 이용하지 않고 저산소 농도의 실리콘 단결정을 제조할 수 있는 실리콘 단결정 성장 장치를 제공함을 목적으로 한다.
본 발명은 또한 자기장 없이 실리콘 융액의 대류를 조절하여 저산소 농도의 실리콘 단결정을 제조할 수 있는 실리콘 단결정 성장 방법을 제공함을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 특징에 따른 실리콘 단결정 성장 장치는 쵸크랄스키 방식에 의하여 실리콘 단결정을 성장시키는 실리콘 단결정 성장 장치로서, 실리콘 융액이 담기는 도가니, 상기 도가니의 외측을 감싸도록 형성되고, 최대 발열 부위가 상기 도가니의 상부로부터 25 내지 40% 아래에 위치하며 상기 도가니 내에 열을 가하는 발열체 및 상기 도가니와 이격되도록 상기 도가니의 아래에 배치되는 하부 단열재를 포함한다.
상기 최대 발열 부위는 상기 발열체의 두께가 얇아지는 영역인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 최대 발열 부위는 상기 발열체의 내측면 또는 외측면에 홈이 형성되어 있는 영역일 수 있다.
상기 홈은 상기 실리콘 융액의 융액면으로부터 20 내지 40mm 아래에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 발열체는 흑연을 포함할 수 있다.
상기 하부 단열재는, 융액 유출을 방지하기 위한 제1 하부 단열재 및 상기 발열체의 측벽을 감싸도록 형성된 측면 단열재를 지지하기 위한 제2 하부 단열재로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따른 실리콘 단결정 성장 방법은 쵸크랄스키 방식에 의한 실리콘 단결정을 성장 방법으로서, 다결정 실리콘을 도가니 내에 담고 용융시켜 실리콘 융액을 준비하는 단계 및 상기 실리콘 융액의 융액면으로터 20 내지 40 mm 아래 영역을 선택적으로 다른 영역보다 고온이 되도록 가열하면서 상기 실리콘 융액을 단결정 성장시키는 단계를 포함한다.
상기 도가니 내부로 아르곤 기체를 분당 40 내지 50L씩 공급해 주면서, 상기 도가니 내의 압력이 20 내지 30 torr인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 실리콘 융액에 열을 공급하는 발열체의 파워는 50 내지 70kW인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 의한 실리콘 단결정 성장 방법에 의해 제조된 실리콘 단결정은 상기 실리콘 단결정의 바디 상부로부터 상기 바디 길이의 10 내지 15%에 해당하는 위치의 산소 농도가 10ppma 이하인 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 실리콘 단결정 성장 장치 및 실리콘 단결정 성장 방법은 실리콘 융액의 대류를 제어하고, 석영 도가니로부터의 산소 발생을 감소시켜 자기장 없이도 저산소 농도의 실리콘 단결정을 제조할 수 있다. 특히, 기존의 성장 장치에서 발열체의 최대 발열 부위 및 도가니의 위치 등을 조절하는 것이므로 바로 현장에서 양산 적용이 가능한 장점을 가진다. 또한 본 발명에 의하면, 저산소가 요구되는 MEMS용 웨이퍼의 경우 자기장 없이 획기적으로 산소 농도를 실리콘 단결정의 바디 상부로부터 상기 바디 길이의 10 내지 15%에 해당하는 위치에서 10ppma 이하로 낮춤으로써 제품군 다양화와 시장성 확보 측면에서 우위에 설 수 있다.
본 발명에 의한 실리콘 단결정 성장 장치 및 실리콘 단결정 성장 방법을 설명하기에 앞서, 먼저 쵸크랄스키 방법에 의한 실리콘 단결정 성장 방법에 대해 간략히 설명하도록 한다.
일반적으로, 쵸크랄스키 법을 이용한 실리콘 단결정의 성장에서는 도 3에 도시한 형상의 종결정(400)을 실리콘 융액에 접촉시키고, 종결정(400)의 온도가 안정하게 될 때에 상기 종결정(400)을 융액 위쪽으로 서서히 인상함으로써, 종결정의 아래쪽으로 실리콘 단결정의 성장을 도모한다. 실리콘 융액은 실리콘의 융점인 1420℃ 이상으로 가열되어 형성된다.
이 때, 종결정을 고온의 실리콘 융액에 접촉할 때에 열충격이 초래되기 때문 에 종결정에는 무수한 슬립 전위(slip dislocation)가 발생한다. 이러한 슬립 전위를 제거할 목적으로 종결정 아래 쪽으로 성장되는 실리콘 단결정의 직경을 종결정의 직경보다 작게 하여 단면 감소부, 이른바 네킹(necking)(도 1의 74)을 형성한다. 이러한 네킹은 3 내지 5 mm의 직경을 가지게 될 때까지 서서히 가늘어진다.
네킹을 형성한 다음에는, 슬립 전위가 실리콘 단결정으로부터 제거 가능한 시점에서 원하는 직경까지 단결정의 직경을 확대한다. 네킹에 비하여 직경이 확대되는 부위를 숄더(도 1의 76)라고 한다. 숄더가 형성된 후, 일정 직경을 유지하면서 대략 원기둥 형상의 바디(도 1의 78)를 가진 실리콘 단결정을 인상한다. 이와 같이 결정의 단면 직경을 가늘게 감소시킴으로써 슬립 전위를 제거하는 방법은 대쉬 네킹법으로 불리고, 쵸크랄스키 법을 이용한 실리콘 단결정의 성장에서 널리 이용되고 있다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 실리콘 단결정 성장 장치 및 실리콘 단결정 성장 방법을 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면 실리콘 단결정 성장 장치(100)는 발열체(110), 상부 단열재(120), 측면 단열재(130), 하부 단열재(140), 도가니(160), 성장로(150) 등을 포함한다.
실리콘 단결정 성장 장치(100)는 실리콘 단결정이 성장되는 성장로(150) 안의 실리콘 융액(50)을 인상로에 끌어올리는 방식으로 구성되어 있다. 인상로의 상 부에는 실리콘 단결정을 성장시킬 때 종결정(72)을 회전시키기 위한 상부 회전부에 연결된 케이블 선단에 종결정 홀더가 있다. 또한, 상기 인상로에는 성장된 단결정의 직경을 측정하는 직경 감지 센서가 구비될 수도 있다.
성장로(150)의 내부에는 실리콘 융액(50)이 담긴 석영 도가니(162)가 있고, 상기 석영 도가니(162)의 둘레에는 흑연 도가니(164)가 외부에 있어, 실리콘 융액이 담기는 도가니(160)는 이중의 구조를 가진다. 이는 석영 도가니(162)가 고온의 실리콘 융액(50)에 의해 형태가 변할 가능성이 있기 때문에, 이를 지지하기 위해 외부에 흑연 도가니(164)를 배치한 것이다. 상기 흑연 도가니(164)의 하부에는 이를 지지하는 흑연 도가니 지지축(170)이 있으며, 상기 지지축(170)을 승하강 및 회전시킬 수 있도록 하부 구동부(175) 및 하부 회전부(190)가 있다. 상기 도가니(160)의 둘레에는 실리콘을 녹이고 공정 중에 실리콘 융액(50)에 열을 공급하기 위한 발열체(110)가 설치되어 있다. 성장로(150) 내의 단열을 위해 상기 발열체(110)의 바깥 쪽에는 상부 단열재(120), 측면 단열재(130) 및 하부 단열재(140)가 배치되어 있다.
또한, 상기 실리콘 단결정 성장 장치(100)는 고온에서 상온으로 될 때까지 상기 성장로(150) 내의 구조물의 산화를 방지할 목적으로 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체를 흘려 보내기 위해 인상로에 불활성 기체의 유량을 조절할 수 있는 불활성 기체 유입 조절 장치를 포함할 수 있다. 그리고, 성장로(150) 내부의 압력을 조절하기 위한 압력 조절 장치(108)가 하부 단열재(140)의 아래에 배치될 수 있다.
상기 하부 단열재(140)는 제1 하부 단열재(142), 제2 하부 단열재(144) 및 제3 하부 단열재(146)으로 구분할 수 있다. 제1 하부 단열재(142)는 실리콘 융액의 유출에 대한 방지 역할이 가장 크므로 상기 세 종류의 하부 단열재 중 가장 두께가 크며, 제2 하부 단열재(144)는 주로 측면 단열재(130)를 지지해주는 역할을 하며, 제3 하부 단열재(146)는 두께는 가장 얇지만, 석영 도가니(162)와 가장 가까운 지점에 위치하여 실리콘 융액의 대류에 직접적인 영향을 주어, 성장 중인 단결정 내부로 산소가 유입되는 경로에 가장 많은 영향을 주게 된다.
상기 단결정 성장 장치(100)을 이용하여 실리콘 단결정을 성장하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
우선, 원료인 다결정 실리콘을 석영 도가니(162)에 넣은 다음, 발열체(110)을 발열시켜 다결정 실리콘을 용융하여 실리콘 융액(50)을 만든다. 다결정 실리콘이 융해되어 실리콘 융액(50)으로 될 때, 실리콘 융액을 실리콘 단결정 성장이 가능한 온도로 낮추어 일정 시간 동안 온도 안정화를 실시한다.
실리콘이 융액으로 유지되기 위해서 그 주위를 둘러싸고 있는 발열체(110)에 의해 지속적인 열에너지를 받게 되고, 이로 인해 실리콘 융액(50)은 열대류를 가지게 되어 끊임없이 온도가 미묘하게 변화하게 된다. 열대류에 의한 온도 변화가 너무 크면, 실리콘 융액(50)의 온도에 맞추어 종결정(72)을 가온하여 착액시켜도, 종결정(72)의 선단부에 열충격이 가해져 슬립 전위가 발생하게 된다. 또한, 종결정(72)의 선단부를 실리콘 융액(50) 중에 담가 넣어도, 선단부를 담가 넣는 도중에 종결정(72) 근방의 실리콘 융액(50)의 온도가 크게 변화하면, 종결정(72)과 융액(50)의 온도 차이에 의해 종결정(72)에 열적인 변형이 생기고, 슬립 전위가 종결 정(72)에 들어오게 된다. 이러한 경우 무전위에서 실리콘 단결정을 성장시키는 것이 어렵게 된다. 이러한 이유로 이러한 온도 안정화는 네킹에서 슬립 전위를 제거하기 위한 중요한 공정 단계이다.
종결정으로는 도 3에 도시된 것과 같은 형태의 종결정을 이용할 수 있다. 도 3에 도시한 사각 기둥 형태의 종결정(400)은 가공 후 에칭된 것이다. 에칭은 가공에 의해 표면에 존재하는 미세한 스크래치(scratch)를 제거하여, 응력이 집중될 수 있는 부분을 감소시킬 수 있다. 이를 통해 실리콘 융액면에 종결정이 착지될 때 받게 되는 열충격에 의해 응력이 종결정에 집중되는 것을 방지하여, 종결정 자체 내에 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 실리콘 단결정의 성장에서는, 성장하려는 실리콘 단결정과 같은 결정 방위를 가진 종결정을 사용하여 원하는 결정 방위를 가지는 실리콘 단결정을 성장시킨다. 따라서, 결정 방위가 <100>인 실리콘 단결정을 성장시키기 위하여, 종결정으로는 인상축 방향의 결정 방위가 <100>인 종결정을 이용한다.
종결정(72)을 종결정 홀더에 결합한 후에는 상부 회전부에 연결된 케이블을 내려, 종결정(72)을 융액면(55)으로부터 일정 거리에서 일정 시간 동안 예열을 하여 융액 온도와의 차이에 의한 열충격을 최소화한다.
다음으로, 종결정(72) 선단의 일정 길이만큼 융액면(55) 아래로 침지하고, 융액 온도와 비슷해질 시점에 종결정(72)을 석영 도가니(162)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시켜 가며 소정의 속도로 인상하는 것에 의해 슬립 전위 제거를 위한 네킹을 형성한다.
네킹 형성 단계에서는 종결정(72)의 인상 속도를 조정하여 최종적으로 3 내지 5mm 직경의 네킹(74)을 형성하여 슬립 전위를 제거하게 된다.
네킹 형성 단계가 완료되면, 일정한 직경으로 수평 방향 성장을 시켜 숄더(76)를 형성한 후에 균일한 직경으로 수직 성장시켜 특정 결정 방위를 가지는 바디(78)를 만들어 무전위 실리콘 단결정을 성장시키게 된다.
실리콘 융액(50)의 양이 계속하여 바디(78)를 성장시키기에 부족해지면 다시 직경을 감소시켜 뾰족한 형태의 실리콘 단결정을 만들어 융액면(55)과의 접촉면을 작게 하여, 실리콘 단결정이 융액으로부터의 이탈시 발생되는 열충격을 최소화하도록 한 후에 식히는 공정을 거쳐 상기 실리콘 단결정 성장 장치(100)의 외부로 제거하여 실리콘 단결정 성장을 종료하게 된다.
제조된 실리콘 단결정의 결정 방위는 종결정의 결정 방위에 따라 결정되는 것으로, 본 발명은 특정 방향의 결정 방위에 한정되는 것은 아니며, 종결정의 결정 방위는 필요에 따라 변경되어 적용될 수 있다.
실리콘 단결정의 바디 성장 단계에서, 산소는 대부분 석영 도가니에서 발생되어 융액의 표면으로 증발이 되나, 증발되지 않은 산소는 융액의 대류를 따라 성장되는 단결정 내로 유입되게 된다. 저산소 농도의 실리콘 단결정을 성장시키기 위해, 실리콘 융액의 대류를 제어하거나 석영 도가니 자체에서 발생되는 산소를 차단하는 방법 등을 고려할 수 있다.
본 발명은 융액의 대류를 제어하여 산소 농도를 감소시키고자 하는 것으로, 핫 존 설계(Hot Zone Design)을 진행함에 있어서, 새로운 설계를 하지 않고 기존의 틀을 최대한 활용하여 추가적인 설계 변경에 의한 비용을 감소함은 물론, 양산 적용도 용이하도록 한다. 즉, 융액의 대류를 제어하기 위해 상부 및 하부 단열재의 설계를 변경하고, 아르곤 기체의 공급, 도가니 내의 압력, 발열체의 파워 등의 성장 인자들의 제어를 통해 산소 농도를 감소시킬 수 있다. 이에 관하여는 추후에 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 또한, 석영 도가니의 변형 없이 발열체의 최대 발열 부위의 위치만 변경함으로써, 석영 도가니 자체에서 발생되는 산소량을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 도 1과 함께 참조하여 본 발명에 따른 발열체의 최대 발열 부위에 대해 설명하도록 한다.
상기 발열체(110)는 상기 도가니(160) 내에 열을 가하며, 최대 발열 부위가 상기 도가니의 상부로부터 25 내지 40% 아래에 위치한다. 상기 발열체는 흑연을 포함하며, 상기 발열체(110)는 상기 도가니(160)을 외부에서 둘러싸고 있는 형태이다.
종래의 발열체는 상하 방향으로 동일한 형상을 이루며 이에 따라 저항값도 균일하기 때문에, 발열체의 발열량은 발열체의 중앙을 중심으로 가우스 형태의 열분포를 상하 방향으로 가지게 된다. 이러한 경우 방사열은 석영 도가니(162)에 담겨진 실리콘 융액(50)의 중심부까지 충분히 도달하지 못하며 석영 도가니(162)의 외벽 부분이 융액의 중심 부분보다 고온 상태를 유지하게 된다. 이에 따라, 실리콘 융액의 수평 방향으로의 온도 불균일성이 심화하게 되며, 실리콘 단결정의 수율을 악화시키는 요인으로 작용할 수 있다.
따라서, 상기 발열체(110)의 두께를 조절하여 저항값을 다르게 함으로써 특정 부위로 열량 방출이 집중될 수 있도록 하여 실리콘 융액 내의 온도 분포 및 산소 농도를 제어할 수 있게 된다. 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 최대 발열 부위는 발열체(110)의 형상이나 재료 등을 변경시켜 형성될 수도 있다.
최대 발열 부위를 발열체(110)의 두께를 조절하여 형성하는 경우, 상기 발열체(110)에서 두께가 얇아지는 영역인 최대 발열 부위(215, 315)의 위치에 따라 실리콘 융액 내의 온도 분포 및 산소 농도가 달라질 수 있다.
상기 최대 발열 부위는 상기 발열체의 내측면 또는 외측면에 홈이 형성되어 있는 영역일 수 있다. 상기 발열체의 외측면에 홈이 형성되는 경우는 내측면에 홈이 형성되는 경우보다 복사열이 상기 도가니 내부로 전달되는 거리가 짧기 때문에 보다 효율적이다.
도 2는 두 종류의 실리콘 단결정 성장 장치의 비교를 위해 두 장치를 좌우로 접합하여 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 두 종류의 단결정 성장 장치(200, 300)가 각각 좌측의 (a) 및 우측의 (b)로 나타나 있는데, 모두 발열체의 외측면에 홈이 형성됨으로써, 최대 발열 부위(215, 315)가 형성되어 있다. 좌측의 단결정 성장 장치(a)와 우측의 단결정 성장 장치(b)는 발열체의 길이와 최대 발열 부위의 위치가 다르다.
좌측의 단결정 성장 장치(a)의 발열체(210)는 우측의 단결정 성장 장치(b)의 발열체(310)보다 전체 길이가 더 길고, 최대 발열 부위의 높이는 (a)의 최대 발열 부위(215)가 (b)의 최대 발열 부위(315)보다 낮은 곳에 형성되어 있다. (b)의 최 대 발열 부위(315)는 실리콘 융액의 융액면으로부터 20 내지 40mm 아래에 위치한다.
각각의 단결정 성장 장치로부터 제조된 실리콘 단결정의 격자간 산소 농도([Oi])를 동일 조건에서 측정한 결과는 도 4와 같다. 도 4를 참조하면, (a)보다 (b)의 격자간 산소 농도([Oi])가 낮음을 알 수 있다. 이는 실리콘의 융해시 석영 도가니의 아래면 및 굴곡진 모서리면으로부터 산소가 가장 많이 발생하며, (b)의 경우가 (a)보다 발열체의 최대 발열 부위의 높이가 석영 도가니의 아래 및 굴곡진 모서리 부분보다 높기 때문이다.
그러나, 최대 발열 부위가 지나치게 높아지면 실리콘의 융해시 상부의 다결정 실리콘이 먼저 융해되고, 일정량의 융액이 석영 도가니 내부에 채워지게 되면, 바닥에 녹지 않은 다결정 실리콘 덩어리가 융액 표면으로 갑작스럽게 부유하면서 석영 도가니의 내벽을 치거나 석영 도가니 및 성장 중인 실리콘 단결정 표면에 작은 덩어리로 붙게 되어, 융액의 안정화 및 실리콘 단결정의 성장에 어려움이 있다. 또한, 다결정 실리콘이 존재하지 않는 위치의 석영 도가니 내벽에 지나치게 열을 공급하면, 석영 도가니 자체의 변형을 일으킬 수 있으며, 심할 경우에는 융액 유동이 발생하여 더 이상 실리콘 단결정 성장의 진행이 어려울 수도 있다.
따라서, 본 발명에서는 산소 농도의 감소 효과를 극대화시키고, 석영 도가니에 영향을 주지 않는 최대 발열 부위의 위치를 제시하고자 하는 것이며, 이는 최대 발열 부위가 실리콘 융액의 융액면으로부터 20 내지 40mm 아래에 위치할 경우 또는 최대 발열 부위가 상기 도가니의 상부로부터 25 내지 40% 아래에 위치하는 경우이 다. 최대 발열 부위가 상기 범위보다 높은 곳에 위치할 경우는 석영 도가니를 변형시킬 수 있고, 낮은 곳에 위치할 경우는 실리콘 단결정 내의 산소 농도가 증가하게 된다.
이하에서는 단열재의 유무에 따른 산소 농도의 변화에 대해 살펴본다. 도 5는 DIP power에 따른 실리콘 단결정의 바디 10cm 위치에서의 격자간 산소의 농도([Oi])를 나타내는 그래프로, 그래프 상에서 1로 표시된 점은 상부 단열재(120)가 있는 경우이고, 0으로 표시된 점은 상부 단열재(120)를 제거한 경우를 나타낸다. 그리고, 발열체의 최대 발열 부위가 실리콘 융액면으로부터 아래 쪽으로 20 내지 40mm인 영역에 위치하도록 도가니 시작 위치(Crucible start position, CSP)가 아래쪽으로 조정된 경우는 '●'로 표시하고, 발열체의 최대 발열 부위가 실리콘 융액면에서 40mm를 초과한 아래 영역에 위치하도록 도가니 시작 위치(CSP)가 높은 경우는 '■'로 표시하였다. DIP power는 실리콘 융액이 안정화된 후 다시 굳어지지 않을 정도의 발열량을 나타낸다. 격자간 산소의 농도는 실리콘 단결정의 바디 상부로부터 상기 바디 길이의 10 내지 15%에 해당하는 위치에서 측정한 결과이며, 본 실시예에서는 실리콘 단결정의 바디의 10cm 위치, 즉 숄더가 끝나고 바디가 시작된 지점에서 아래쪽으로 10cm 위치에서 측정한 결과이다. 상기 위치에서 측정한 산소 농도는 일반적으로 실리콘 단결정 내의 산소 농도의 최대값을 나타낸다.
도 5의 결과에 의하면, 우선 CSP가 낮은 경우(●)가 CSP가 높은 경우(■)보다 격자간 산소의 농도([Oi])가 낮은 값을 나타내며, 상부 단열재의 유무는 크게 격자간 산소의 농도가 크게 영향을 주지는 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 상부 단열 설계는 산소 농도의 감소 효과가 작으므로 본 발명에서는 하부 단열 설계를 통하여 산소 농도를 감소시키게 된다.
하부 단열재(140)는 도가니(160)와 이격되도록 상기 도가니(160)의 아래에 배치된다. 상기 하부 단열재(140)는 전술한 바와 같이 제1 하부 단열재(142), 제2 하부 단열재(144) 및 제3 하부 단열재(146)로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 하부 단열재(140)에서 제3 하부 단열재(146)를 제외시키고 제1 하부 단열재(142) 및 제2 하부 단열재(144)만으로 구성된 하부 단열재를 사용한다. 도 6은 하부 단열재의 유무에 따른 격자간 산소의 농도를 나타내는 그래프이다. 도 6에서 하부 단열재(140)에 제2 하부 단열재(144)가 포함된 경우(◆)와 제외된 경우(■)를 비교할 때, 두 경우 모두 격자간 산소의 농도([Oi])가 10ppma를 초과하였으나, 제3 하부 단열재(146)가 포함된 경우(◆)와 제외된 경우(■)를 비교할 때, 제3 하부 단열재(146)가 전체 하부 단열재(140)에서 제외된 경우에 격자간 산소의 농도([Oi])가 8.5ppma 이하로 나타난 결과를 알 수 있다. 이러한 조건 하에서 상부 단열 설계를 변경은 추가적으로 1ppma 정도의 산소 농도 감소 효과를 나타낼 수 있다.
도 7은 아르곤 기체의 압력에 따른 격자간 산소의 농도를 나타내는 그래프이다. 기존에는 아르곤 기체의 공급을 일정 범위까지 높게 해주는 것이 일반적이었으나, 발열체의 최대 발열 부위의 위치에 따라 다른 거동을 보이는 것으로 나타났다. 본 발명에서는 도가니 내부로 아르곤 기체를 분당 40 내지 50L씩 공급해 주면서, 상기 도가니 내의 압력이 20 내지 30 torr인 것이 바람직하다.
실리콘 단결정의 성장에 있어서, 아르곤 기체의 공급량과 도가니 내부의 압력의 비율을 적절하게 맞춰주는 것이 중요하다. 도 7에 의하면 도가니 내부로 아르곤 기체를 1분당 75L씩 공급해 주면서 도가니 내부의 압력이 20torr인 경우에 비해, 도가니 내부로 아르곤 기체를 1분당 45L씩 공급해 주면서 도가니 내부의 압력이 20torr인 경우가 실리콘 단결정 내의 격자간 산소의 농도([Oi])가 더 낮게 나타남을 알 수 있다.
이는 열을 공급해주는 발열체가 융액 표면과 가까이에 위치하기 때문에며, 이에 융액 표면에 열전달이 용이해져 기존보다 아르곤 공급량이 낮아도 산소의 증발이 쉽게 이루어지기 때문이다.
도 8은 도가니 시작 위치(CSP)에 따른 발열체(heater)의 파워와 실리콘 단결정 바디 10cm 위치에서의 격자간 산소 농도([Oi])에 대한 결과이다. CSP가 High로 표시된 것은 도가니의 시작 위치가 높아 발열체의 최대 발열 부위가 융액면으로부터 40mm를 초과한 아래 영역에 위치하는 경우이고, Low로 표시된 것은 도가니의 시작 위치가 낮아 발열체의 최대 발열 부위가 융액면으로부터 20 내지 40mm 아래 영역에 위치하는 경우를 나타낸다.
발열체의 파워가 클수록 성장 중인 실리콘 단결정에는 더 많은 열이 공급되고, 이는 도가니의 회전에 의해 발생되는 대류를 활성화시켜 더 많은 산소를 성장 중인 실리콘 단결정 내부로 공급하게 된다. 그러나, 발열체의 최대 발열 부위가 도가니의 상부로 가까워지면, 즉, 도가니의 시작 위치가 낮은 경우(Low)에는 도가니의 회전에 의한 대류보다는 종결정의 회전에 의해 발생되는 대류에 보다 직접적 으로 발열체의 최대 발열 부위가 위치하게 되면서 더 많은 열을 공급하게 되어 융액의 하부에서 도가니의 회전에 의해 발생되는 대류를 따라 상승되어 성장 중인 실리콘 단결정 내로 침투하는 산소를 저지함은 물론 융액의 표면에서의 산소의 증발을 촉진시키는 역할을 한다.
따라서, 실리콘 단결정이 저산소 농도이기 위해서는, 발열체의 파워는 50 내지 70kW이고, 최대 발열 부위가 융액면으로부터 20 내지 40mm 아래 영역에 위치하도록 CSP가 Low이어야 한다.
이와 같이, 본 발명에 의한 실리콘 단결정 성장 장치 및 실리콘 단결정 성장 방법은 기존의 성장 장치를 이용하여 발열체에서의 최대 발열 부위의 위치 및 도가니 시작 위치와 아르곤 기체의 공급량, 발열체의 파워 등을 제어하여 최적화된 범위를 제공함으로써, 자기장을 공급하지 않고도 실리콘 단결정의 산소 농도를 감소시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 두 종류의 실리콘 단결정 성장 장치의 비교를 위해 두 장치를 좌우로 접합하여 개념적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정을 키우기 위한 종결정의 형상이다.
도 4는 발열체(heater)의 종류에 따른 격자간 산소(interstitial oxygen)의 농도 차이를 보여주는 그래프이다.
도 5는 DIP power에 따른 실리콘 단결정의 바디 10cm 위치에서의 격자간 산소의 농도를 나타내는 그래프이다.
도 6은 하부 단열재의 유무에 따른 격자간 산소의 농도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 아르곤 기체의 압력에 따른 격자간 산소의 농도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 발열체 파워 및 도가니 시작 위치(CSP)에 따른 격자간 산소의 농도를 나타내는 그래프이다.
[도면의 주요 부호에 대한 설명]
100, 200, 300: 단결정 성장 장치
50: 실리콘 융액 55: 융액면
72, 400: 종결정 74: 네킹
76: 숄더 78: 실리콘 단결정 바디
108: 압력 조절 장치
110, 210, 310: 발열체 120: 상부 단열재
130: 측면 단열재 140: 하부 단열재
150: 성장로 160: 도가니
162: 석영 도가니 164: 흑연 도가니
170: 흑연 도가니 지지축
175: 하부 구동부 190: 하부 회전부
215, 315: 최대 발열 부위

Claims (6)

  1. 쵸크랄스키 방식에 의하여 실리콘 단결정을 성장시키는 실리콘 단결정 성장 장치로서,
    실리콘 융액이 담기는 도가니;
    상기 도가니의 외측을 감싸도록 형성되고, 최대 발열 부위가 상기 도가니의 상부로부터 25 내지 40% 아래에 위치하며 상기 도가니 내에 열을 가하는 발열체; 및
    상기 도가니와 이격되도록 상기 도가니의 아래에 배치되는 하부 단열재를 포함하며,
    상기 실리콘 단결정 성장 장치로부터 제조된 실리콘 단결정의 바디 상부로부터 상기 바디 길이의 10 내지 15%에 해당하는 위치에서 산소 농도가 10ppma 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 최대 발열 부위는 상기 발열체의 내측면 또는 외측면에 홈이 형성되어 있는 영역인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 홈은 상기 실리콘 융액의 융액면으로부터 20 내지 40mm 아래에 위치하 는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 단열재는,
    융액 유출을 방지하기 위한 제1 하부 단열재; 및
    상기 발열체의 측벽을 감싸도록 형성된 측면 단열재를 지지하기 위한 제2 하부 단열재;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 장치.
  5. 쵸크랄스키 방식에 의한 실리콘 단결정을 성장 방법에 있어서,
    다결정 실리콘을 도가니 내에 담고 용융시켜 실리콘 융액을 준비하는 단계; 및
    상기 실리콘 융액의 융액면으로터 20 내지 40 mm 아래 영역을 선택적으로 다른 영역보다 고온이 되도록 가열하면서 상기 실리콘 융액을 단결정 성장시키는 단계를 포함하며,
    성장된 실리콘 단결정의 바디 상부로부터 상기 바디 길이의 10 내지 15%에 해당하는 위치의 산소 농도는 10ppma 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 도가니 내부로 아르곤 기체를 분당 40 내지 50L씩 공급해 주면서 상기 도가니 내의 압력이 20 내지 30 torr이 되도록 하며, 상기 실리콘 융액에 열을 공급하는 발열체의 파워는 50 내지 70kW인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 성장 방법.
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