KR20170057413A - 실리콘 단결정의 제조 방법 및 제조 시스템 - Google Patents

실리콘 단결정의 제조 방법 및 제조 시스템 Download PDF

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KR20170057413A
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토시아키 스도
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Abstract

각각의 실리카 유리 도가니의 용적을 정확하게 파악하여 실리카 유리 도가니내의 실리콘 융액의 초기 액면 레벨을 사전에 예측함으로써, 종결정의 착액 공정을 확실하게 한다.
실리카 유리 도가니 내에 원료를 충전하기 전에 실리카 유리 도가니의 내표면 상의 다수점의 공간좌표를 측정하고, 각 측정점을 정점좌표로 하는 폴리곤의 조합으로부터 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 특정하고(S11), 실리카 유리 도가니 내의 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측값을 미리 설정하고(S12), 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상에 기초하여, 초기 액면 레벨의 예측값을 만족시키는 실리콘 융액의 체적을 구하고(S13), 상기 체적을 가지는 실리콘 융액의 중량을 구하고(S14), 상기 중량을 가지는 원료를 실리카 유리 도가니에 충전하고(S15), 초기 액면 레벨의 예측값에 근거하여 종결정의 착액 제어를 행한다 (S17).

Description

실리콘 단결정의 제조 방법 및 제조 시스템{Manufacturing method and manufacturing system for silicon single crystal}
본 발명은, 실리콘 단결정의 제조 방법 및 실리콘 단결정의 제조 시스템에 관한 것이고, 특히, 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 인상에 이용되는 실리카 유리 도가니에 원료를 충전하는 방법에 관한 것이다.
실리콘 단결정의 육성 방법의 하나로서 쵸크랄스키법(CZ법)이 알려져 있다. CZ법에서는 실리콘 원료를 실리카 유리 도가니 내에서 용융하여 얻은 실리콘 융액에 종결정(種結晶)을 침지시키고, 도가니를 회전시키면서 종결정을 서서히 인상하는 것으로써 단결정을 성장시킨다. 단결정의 제조 수율을 높이기 위하여, 일회의 인상 공정에서 될수 있는 한 큰 잉곳을 얻을 필요가 있고, 또한 그것을 위하여 최초에 될 수 있는 한 다량의 원료를 도가니에 충전할 필요가 있다. 예를 들면 직경이 32인치(약810mm)인 도가니에는 약 500kg의 원료를 충전할 수 있고, 직경이 약300mm인 단결정 잉곳을 인상할 수 있다. 또 직경이 40인치(약1000mm)인 도가니에는 약 1톤의 원료를 충전할 수 있고, 직경이 약 450mm인 단결정 잉곳을 인상할 수 있다.
실리카 유리 도가니의 대부분은 소위 회전몰드법에 의해 제조되고 있다(예를 들면 특허문헌 1을 참조). 회전몰드법에서는, 도가니의 외형에 알맞는 내표면 형상을 가지는 카본몰드를 채용하고, 회전하는 몰드 내에 석영분말을 투입하고, 몰드 내표면에 석영분말을 일정한 두께로 퇴적(堆積)시킨다. 이때, 석영분말의 퇴적량은 도가니 두께가 부위마다 설계값대로 되게 끔 조정한다. 석영분말은 원심력에 의해 도가니의 내표면에 부착되어 도가니의 형상을 유지하기 때문에, 이 석영분말을 아크 용융하는 것으로써 실리카 유리 도가니가 제조된다. 회전몰드법에 의하면 설계된 형상에 매우 가까운 고품질 도가니를 제조할 수 있다.
그러나 엄밀하게는, 상기 방법에 의해 제조된 도가니의 형상은 제조 오차에 의해 설계의 원래대로는 아니고, 각각의 도가니 형상은 설계상의 형상과 미묘하게 다르고, 도가니의 용적에도 차이가 생긴다. 한편, 실리카 유리 도가니는, 설계값에 대하여 허용 범위가 크고, 실제로 제조된 실리카 유리 도가니는, 금속 등의 제품에 비하여, 형상에서 차이가 크다. 직동부(直胴部)의 내경은, 설계값에 대하여 약 ±3mm의 허용 범위에서 제조되면 좋고, 완곡부는 설계값에 대하여 약 ±6mm, 저부는 설계값에 대하여 약 ±3mm이다.
또한, 도가니의 용적 차이는 도가니의 사이즈가 클수록 현저하다. 예를 들면, 20인치 도가니(내경이 약510mm)의 내용적은 약 0.06m3(60L)이고, 300mm인 웨이퍼용으로서 주류인 32인치 도가니(내경이 약810mm)의 내용적은 약 0.2m3(200L)이고, 직경이 40인치 도가니(내경이 약1000mm)의 내용적은 약 0.4m3 (400L)이다. 그리고, 두께가 전주(全周)에서 1mm 두꺼워지면 (내표면의 직동부 직경이 1mm 작아지면), 20인치 도가니의 내용적은 약 0.00044 m3(0.44L) 감소되고, 32인치 도가니의 내용적은 약 0.00144m3(1.44L) 감소되고, 40인치 도가니의 내용적은 약 0.00211m3(2.11L) 감소된다.
이러한 용적이 다른 도가니에 대하여 일정량의 실리콘 원료를 일률적으로 투입할 경우, 실리콘 융액의 초기 액면 레벨에도 차이가 생기고, 용적이 큰 도가니에서는 초기 액면 레벨이 낮아지고, 반대로 용적이 작은 도가니에서는 초기 액면 레벨이 높아진다.
예를 들면, 32인치 도가니(내경이 810mm)에서는, 설계값보다 두께가 전주(全周)에 걸쳐서 1mm 두꺼워지면(내표면의 직동부 직경이 1mm 작아지면) 일정량의 실리콘 원료를 투입할 경우, 초기 액면 레벨이 설계값보다 약 2.5mm 상승된다. 2.5mm의 액면 레벨의 상승은, 약 3.3kg의 실리콘 원료에 상당하고, 실리콘 원료의 전체 충전량이 약 500kg중 약 1%의 변동이 생긴다. CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상은, 시드(seed)를 1시간에 0.5~1mm 정도의 속도로 인상한다. 최근, 인상 시간이 400시간, 500시간이란 긴 시간으로 되어 있다.
실제의 초기 액면 레벨이 너무 낮으면 종결정을 액면에 도달시킬 수 없고, 또한 초기 액면 레벨이 너무 높으면 종결정을 너무 강하시켜서 융액(融液)에 침몰되고, 종결정이 과도하게 용손(溶損)될 우려가 있다. 더욱이, 액면 위치의 변동에 따라 도가니의 위치가 변하기 때문에 실리콘을 가열하기 위한 히터와 액면의 위치 관계가 어긋나서 다시 조정할 필요가 있게 된다.
단결정의 인상로(CZ로)에는 그 내부를 관찰하기 위한 가시창이 설치되어 있고, 인상로의 내부는 이 가시창으로만 볼 수 있다. 인상로 내는 약 1500℃인 고진공상태이고, 도가니 내의 실리콘 융액은 하얗게 빛나기 때문에, 가시창으로부터 보이는 실리콘 융액의 액면 레벨을 고정밀도로 측정하여 착액(着液) 제어를 실시하는 것은 곤란하다.
이와 같이, 종결정의 실리콘 융액에의 착액은 곤란하다. 또한, 실리콘 원료를 융해한 후에 실리콘 융액 표면이 진동할 수 있고(탕면진동), 종결정을 실리콘 융액 표면에 착액 할 때, 융액 표면이 진동되면, 착액 작업을 할 수 없다. 여기에서 특허문헌 1에는 실리카 유리 도가니 내표면의 OH농도 등을 조정하고, 실리콘 융액과 실리카 유리 도가니의 젖음성을 향상시키는 것으로, 탕면진동을 억제하는 기술도 알려져 있다.
또한, 종결정의 착액을 확실하게 실시하는 방법으로서, 예를 들면 특허문헌 2에는, 도가니측을 마이너스 극, 인상축측을 플러스 극으로 하는 전압을 인가하면서 그 전압의 변화를 감시하는 것으로 종결정의 착액을 검출하는 방법이 알려져 있다. 이 방법에서는, 실리콘 융액의 초기 액면 레벨을 몰라도 종결정의 착액을 행할 수 있다.
또 특허문헌 3에는, CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상에 있어서, 갭의 제어와 함께 실리콘 단결정의 육성 속도를 더 고정밀도로 제어하는 방법이 기재되어 있다. 이 방법에서는, 실리콘 원료를 충전하기 전에 실측(實測)된 석영 도가니의 내경 데이터 R1과 열차폐판의 하단과 실리콘 융액의 액면의 사이의 갭의 소정값을 입력한다. 다음에, 단위시간당 인상되는 단결정의 체적을 산출하고, 석영 도가니의 내경 데이터 R1과 단위시간당 인상되는 단결정의 체적에 상당되는 실리콘 융액의 감소량 ΔMw로부터 석영 도가니의 상승량 ΔC을 산출한다. 그리고, 석영 도가니를 상승시킨 후의 갭을 측정하고, 갭의 소정값과 일치하지 않을 때 석영 도가니의 상승량을 보정하고, 이 보정량으로 석영 도가니의 내경 데이터 R2를 산출하고, 내경 데이터 R2를 이용하여 내경 데이터 R1를 보정한다.
또 특허문헌 4에는, 실리콘 단결정의 육성 프로세스에서의 융액의 액면 위치 모니터가 기재되어 있다. 이 장치는, 인상 도중의 실리콘 단결정 형상을 기억하고, 체적을 산출할 수 있다. 때문에, 인상된 실리콘 단결정을 다시 융해할 때, 융액의 액면 위치의 이동량을 높은 정밀도로 계산하고, 도가니의 이동량을 정확하게 제어한다. 또 융액의 상정 액면 위치가 상한의 바로 전의 위치를 초과할 경우에는 경보를 발생하고, 상한위치를 초과할 경우에는 도가니의 상승을 강제적으로 정지시킨다.
또한, 특허문헌 5에는, 실리콘 단결정의 인상 방법에 있어서, 종결정을 실리콘 융액에 착액 시켰을 때의 열충격에 의해 발생되는 전위(dislocation)를 없애기 위하여, 종결정을 착액시킨 후에 직경이 3~4mm인 가늘고 긴 결정을 인상하여 전위를 결정표면으로부터 내보내며(네킹 공정), 그 후 결정 직경을 넓혀서 제품 부분으로 되는 직동부를 성장시키는 방법(대시넥법)이 알려져 있다. 하지만, 인상된 실리콘 단결정의 직동부 직경이 커지면, 그 단결정의 중량도 많아지기 때문에, 전위를 내보기 위하여 결정 직경을 좁게 하는 부분(넥부)이 견디지 못하는 우려가 있어, 좁게 하는 것도 한계가 있다.
또 특허문헌 6에는 실리콘 단결정의 제조 방법에 있어서, 종결정을 실리콘 융액에 접촉시키기 전의 실리콘 융액의 액면을, 다결정 실리콘의 질량과 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상에 기초하여 결정하는 방법이 기재되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 동일한 도가니로부터 복수의 실리콘 단결정을 제조하는 멀티 인상법도 알려져 있다. 멀티 인상법은, 실리콘 단결정의 인상 종료 후, 단결정을 로 내부로부터 취출하고, 인상에 사용되는 것과 동일한 도가니에 실리콘 원료를 추가하여 융해하고, 실리콘 융액의 액면에 다른 종결정을 착액하여 후속의 실리콘 단결정을 인상하는 것이다.
멀티 인상법 및 싱글 인상법의 어느 한쪽일 경우여도, 실리카 유리 도가니는 한번만 사용할 수 있고, 일련의 단결정 인상 공정이 종료하여 냉각된 것을 다시 사용할 수는 없다. 이렇게 사용된 도가니는 단결정 인상중의 도가니의 균열, 단결정의 불순물 오염, 결정 결함이 증대되는 등 문제가 커지기 때문이다. 사용된 도가니는 재활용 자원으로서 회수되지만, 냉각과정에서 도가니의 균열을 최소한으로 억제하여 회수를 쉽게 하기 위하여, 모든 단결정의 인상 공정이 종료된 후의 도가니 내에 실리콘 잔액을 될 수 있는 한 남기지 않는 인상 제어가 행하여지고 있다.
[특허문헌 1] 일본공개특허 2001-348240호 공보 [특허문헌 2] 일본공개특허 2010-275139호 공보 [특허문헌 3] 일본등록특허 제5333146호 공보 [특허문헌 4] 일본등록특허 제4784401호 공보 [특허문헌 5] 일본공개특허 2001-158688호 공보 [특허문헌 6] 일본공개특허 2013-133229호 공보
그러나, 상기 특허문헌 2의 착액 제어 방법에 의해 초기 액면 레벨을 모르고 착액을 실시하여도, 초기 액면 레벨을 미리 정확하게 알 수 있으면 착액 제어에 유리하다. 예를 들면, 실리콘 단결정의 CZ인상이면, 폴리 실리콘 원료의 충전량으로 실리카 유리 도가니의 내표면 액면 레벨 위치를 미리 정확하게 알고, 실리카 유리 도가니의 CZ로에서의 세트 위치와 히터 위치를 사전에 조정할 수 있다. 결정 잉곳과 실리콘 융액의 고액계면 부근의 온도 구배를 엄밀하게 조정할 필요가 있을 경우에는, 실리콘 융액면과 히터 위치를 조정하는 것이 중요하다. 또한, 네킹시에 실패하면, 여러번 착액 하지 않으면 안된다. 그 경우, 착액 작업에 의해 종결정에 전위가 많이 늘어나지만, 대시넥법에 의해 형성되는 결정 직경이 가는 부분에는, 직경을 가늘게 하는 것도 한계가 있기 때문에, 종결정의 착액 제어를 하지 않으면, 대시넥법에 의하여도 전위를 제거할 수 없는 우려가 있다.
또한, 특허문헌 3의 방법은, 석영 도가니의 직동부 설계상의 내경 데이터 R1과 단위시간당 인상되는 실리콘 단결정의 체적으로부터 실리콘 융액의 액면 위치를 구할 수 있지만, 도가니의 설계상의 내경 데이터 R1를 이용하여 계산하기 때문에 액면 위치의 예측 정밀도가 충분하다고는 말할 수 없다. 즉, 회전몰드법에 의해 제조되는 석영 도가니는, 석영분말을 아크 용융에서 유리화시킨 것이기 때문에, 제조된 석영 도가니 내표면은 원형으로 되지 않고, 설계상의 내경 데이터 R1를 이용하여 계산하여도, 액면 위치의 예측 정밀도는 충분하지 않다. 특허문헌 4도 용액표면의 직경, 즉 도가니의 내경을 이용하여 실리콘 융액의 액면 위치의 이동량을 산출하기 때문에, 특허문헌 3과 동일하게 액면 위치의 예측 정밀도가 충분하다고는 말할 수 없다.
또한, 특허문헌 3의 방법은, 석영 도가니의 내경이 거의 일정한 영역인 도가니 측벽부에 실리콘 융액의 액면이 있을 경우, 실리콘 단결정의 육성 속도를 일정하게 하기 위한 방법이고, 석영 도가니 완곡부나 석영 도가니 저부 등 내경이 변화되는 영역에서는, 액면 위치를 예측할 수 없다. 더욱이, 실리콘 원료를 석영 도가니에 충전하기 전부터 실리콘 융액의 초기 액면 레벨을 미리 정확하게 알 수는 없기 때문에, 예측된 초기 액면 레벨을 이용하여 착액 제어를 할 수도 없다.
또한, 특허문헌 6의 방법은, 종결정을 실리콘 융액에 접촉시키기 전의 실리콘 융액 액면을 구하는 것만이고, 종결정을 어떻게 착액 제어할지는 고려하지 않는다. 또한, 실리콘 단결정을 1회 인상한 후에, 실리콘 원료를 추가하여 2번째 실리콘 단결정을 인상하는 멀티인상에 있어서, 액면 레벨을 예측하여, 종결정의 착액 제어를 하는 방법도 고려되지 않는다.
따라서, 본 발명의 목적은, 각각의 실리카 유리 도가니 용적을 정확하게 파악하여 실리카 유리 도가니 내의 실리콘 융액의 초기 액면 레벨을 사전에 예측하고, 따라서 종결정의 착액 공정을 확실하게 할 수 있는 실리콘 단결정의 제조 방법 및 제조 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법은, 실리카 유리 도가니 내에 충전된 원료를 가열하여 실리콘 융액을 생성하고, 상기 실리콘 융액에 착액시킨 종결정이 인상된 실리콘 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법에 있어서, 실리카 유리 도가니 내에 원료를 충전하기 전에 상기 실리카 유리 도가니의 내표면 상의 다수점의 공간좌표를 측정하고, 각 측정점을 정점좌표로 하는 폴리곤(polygon)의 조합으로부터 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 특정하고, 상기 실리카 유리 도가니 내의 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측값을 미리 설정하고, 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상에 근거하여, 상기 초기 액면 레벨의 예측값을 만족시키는 상기 실리콘 융액의 체적을 구하고, 상기 실리콘 융액의 체적에 근거하여, 상기 실리카 유리 도가니 내에 충전되는 원료의 중량을 구하고, 상기 중량을 가지는 상기 원료를 상기 실리카 유리 도가니에 충전하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 실리콘 단결정의 제조 시스템은, 실리카 유리 도가니내에 충전된 원료를 가열하여 실리콘 융액을 생성하고, 상기 실리콘 융액에 착액시킨 종결정이 인상된 실리콘 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조 시스템에 있어서, 실리카 유리 도가니 내에 원료를 충전하기 전에 상기 실리카 유리 도가니의 내표면 상의 다수점의 공간좌표를 측정하고, 각 측정점을 정점좌표로 하는 폴리곤의 조합으로부터 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 특정하는 측정 시스템과, 상기 실리카 유리 도가니 내에 충전되는 원료의 중량을 측정하는 실리콘 원료 측정부와, 실리콘 단결정 인상로와, 상기 실리콘 단결정 인상로의 인상 조건을 제어하는 인상로 제어부를 가지고, 상기 측정 시스템에는, 상기 실리카 유리 도가니 내의 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측값을 미리 설정하고, 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상에 근거하여, 상기 초기 액면 레벨의 예측값을 만족시키는 상기 실리콘 융액의 체적을 구하고, 상기 실리콘 융액의 체적에 근거하여, 상기 실리카 유리 도가니 내에 충전되는 원료의 중량을 구하는 해석·연산부가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법은, 실리카 유리 도가니 내에 충전된 원료를 가열하여 실리콘 융액을 생성하고, 상기 실리콘 융액에 착액시킨 종결정을 인상하여 실리콘 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법에 있어서, 실리카 유리 도가니 내에 원료를 충전하기 전에 상기 실리카 유리 도가니의 내표면 상의 다수점의 공간좌표를 측정하고, 각 측정점을 정점좌표로 하는 폴리곤의 조합으로부터 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 특정하고, 상기 실리카 유리 도가니 내에 충전되는 원료의 중량을 구하고, 상기 중량을 가지는 상기 원료를 용융하여 얻은 실리콘 융액의 체적을 구하고, 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상 및 상기 실리콘 융액의 체적에 근거하여, 상기 원료를 상기 실리카 유리 도가니 내에서 용융하여 얻은 상기 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측값을 구하고, 상기 초기 액면 레벨의 예측값에 근거하여 종결정의 착액 제어를 하는 것을 특징으로 한다.
여기에서 초기 액면 레벨이란, 종결정을 착액 하기 전의 실리카 유리 도가니내의 실리콘 융액의 액면 높이이고, 멀티인상 공정에 있어서의 후속의 실리콘 단결정 인상에 이용되는 실리콘 융액의 액면 높이도 포함된다. 멀티인상이란, 실리콘 단결정을 인상한 후, 실리카 유리 도가니를 교환하지 않고 동일한 도가니 내에 실리콘 원료를 추가 공급하여 융해하고, 얻은 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정의 인상을 행하고, 이러한 원료공급 공정과 단결정 인상 공정을 반복하는 것으로써, 하나의 도가니로부터 복수개의 실리콘 단결정을 제조하는 방법인 것을 말한다.
본 발명에 있어서, 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상의 측정은, 암 로봇의 암 끝단에 설치된 거리 측정 장치가 실리카 유리 도가니의 내표면을 주사하는 것으로 하는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상의 측정은, 상기 암 로봇을 이용하여 상기 3차원 형상과는 다른 측정 항목의 측정과 동시에 행하여지는 것이 바람직하다.
실리카 유리 도가니의 실측 데이터를 이용하여 그 용적을 정확하게 구하는 것으로써, 몇kg의 원료를 첨가하였을 때에 초기 액면 레벨이 어느 높이에 도달하는지를 구하고, 초기 액면 레벨이 소정의 레벨로 되기 위해 필요한 원료의 중량을 산출할 수 있다. 그 후, 산출된 중량을 가지는 원료를 실리카 유리 도가니 내에 충전하고, 실리콘 단결정의 인상을 행한다. 실리콘 융액의 초기 액면 레벨은, 다소 오차가 존재하지만 거의 소정의 위치에 도달하기 때문에, 탕면진동을 억제하기 위하여 실리카 유리 도가니 내주면에 형성되는 탕면진동 억제 영역의 폭을 좁게 할 수 있다. 또한, 초기 액면 위치를 정확하게 알기 때문에 종결정의 착액을 정확하게 제어할 수 있고, 신뢰성이 높은 CZ인상을 실현할 수 있다.
본 발명에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법은, 먼저 행하여진 실리콘 단결정 인상이 종료된 후, 실리카 유리 도가니 내에 원료를 추가하여 후속의 실리콘 단결정 인상을 행하는 멀티인상 공정을 포함하고, 먼저 인상된 실리콘 단결정의 중량으로부터 상기 실리카 유리 도가니 내에 잔류된 실리콘 융액의 잔량을 구하고, 상기 실리카 유리 도가니 내표면의 3차원 형상 및 상기 실리콘 융액의 잔량에 근거하여, 후속의 실리콘 단결정 인상에 이용되는 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측값을 만족시키는 상기 원료의 추가 충전량을 구하는 것이 바람직하다. 이 경우, 후속의 실리콘 단결정 인상시에 있어서의 초기 액면 레벨이 먼저 행하여진 실리콘 단결정 인상시에 있어서의 초기 액면 레벨보다 낮아지게 끔 상기 원료의 추가 충전량을 조정하는 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 멀티인상에서 초기 액면 레벨을 정확하게 제어할 수 있다.
본 발명에 의한 실리콘 단결정의 제조 시스템은, 실리카 유리 도가니 내에 충전된 원료를 가열하여 실리콘 융액을 생성하고, 상기 실리콘 융액에 착액시킨 종결정을 인상하여 실리콘 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조 시스템에 있어서, 실리카 유리 도가니 내에 원료를 충전하기 전에 상기 실리카 유리 도가니의 내표면 상의 다수점의 공간좌표를 측정하고, 각 측정점을 정점좌표로 하는 폴리곤의 조합으로부터 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 특정하는 측정 시스템과, 상기 실리카 유리 도가니 내에 충전되는 원료의 중량을 측정하는 실리콘 원료 측정부와, 실리콘 단결정 인상로와, 상기 실리콘 단결정 인상로의 인상 조건을 제어하는 인상로 제어부를 가지고, 상기 측정 시스템에는, 상기 실리카 유리 도가니 내의 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측값을 미리 설정하고, 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상에 근거하여, 상기 초기 액면 레벨의 예측값을 만족시키는 상기 실리콘 융액의 체적을 구하고, 상기 실리콘 융액의 체적에 근거하여, 상기 실리카 유리 도가니 내에 충전되는 원료의 중량을 구하는 해석·연산부가 설치되는 구성으로 하는 것이 바람직하다. 이것에 의하면, 초기 액면 레벨을 정확하게 제어할 수 있기 때문에, 종결정의 착액 제어가 확실하게 행하여지게 된다. 또한, 멀티인상에 있어서 초기 액면 레벨을 정확하게 제어할 수 있기 때문에, 2번째 이후의 실리콘 단결정 인상에 있어서도, 종결정의 착액 제어가 확실하게 행하여지고, 인상된 실리콘 단결정의 품질이 향상된다.
본 발명에 의하면, 각각의 실리카 유리 도가니 용적을 정확하게 파악하여 실리카 유리 도가니 내의 실리콘 융액의 초기 액면 레벨을 사전에 예측하고, 따라서 종결정의 착액 공정을 확실하게 할 수 있는 실리콘 단결정의 제조 방법, 또한 실리콘 단결정의 제조 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 2는, 실리콘 단결정의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은, 원료의 용융으로부터 인상까지 사이의 로 내 온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 1회째의 실리콘 단결정 인상시의 착액으로 네킹 공정에서 생긴 실리카 유리 도가니 내표면의 원주위에 생긴 용손(溶損)을 나타내는 사진이다.
도 5는, 본 발명의 실리콘 단결정 제조 시스템에 일예를 제시하는 모식도다.
도 6은, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상을 측정하는 측정 시스템의 일예를 제시하는 모식도이다.
도 7은, 실측값에 의해 특정되는 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 나타내는 생략사시도이다.
도 8은, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상을 측정하는 측정 시스템의 다른 예를 제시하는 모식도이다.
도 9는, 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법을 나타내는 플로우차트이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 제1실시 형태에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다. 또한, 도 2는, 실리콘 단결정의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 실리콘 단결정의 제조에서는, 먼저 실리카 유리 도가니(1)를 준비하고, 그 내표면의 3차원 형상을 측정한다(스텝S11). 여기에서, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상은, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 다수점의 공간좌표를 구하는 것에 의해 특정된다. 실리카 유리 도가니(1)는 CZ법에 있어서 실리콘 융액을 지지하는 실리카 유리로 제조된 용기이고, 완곡된 저부와 원통 형상의 측벽부와 저부와 측벽부를 연결하는 저부보다도 곡율이 큰 완곡부를 가진다. 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상의 측정방법을 하기에서 상세히 설명한다.
실리카 유리 도가니(1)의 사이즈는 특히 한정되지 않지만, 대형 도가니일수록 대용량이기 때문에, 다량의 원료를 충전할 수 있다. 예를 들면 32인치 도가니의 내용적은 211470cm3이고, 약 529kg의 실리콘 원료를 보지(保持)할 수 있다. 36인치 도가니의 내용적은 268065cm3이고, 약 670kg의 실리콘 원료를 보지할 수 있다. 40인치 도가니의 내용적은 375352cm3이고, 약 938kg의 실리콘 원료를 각각 보지할 수 있다. 이러한 대용량의 도가니 정도로 초기 액면 레벨의 차이의 영향이 크고, 본 발명의 효과도 크다. 따라서, 본 발명은 구경이 32인치(800mm)이상의 실리카 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정의 제조 방법에 호적하다.
다음에, 실리콘 융액(3)의 액면(3a)의 초기 액면 레벨 H1의 예측값을 설정하고(스텝S12), 얻은 3차원 형상의 데이터와 도가니 내의 실리콘 융액의 잔량에 근거하여, 초기 액면 레벨 H1의 예측값까지의 도가니 내의 용적 V를 구한다(스텝S13). 이 용적 V는, 초기 액면 레벨 H1의 예측값을 만족시키기 위하여 필요한 실리콘 융액의 체적에 상당하는 것이다. 이 경우, 먼저 인상된 실리콘 단결정이 없을 경우에는, 실리카 유리 도가니 내에는 실리콘 융액이 없기 때문에, 잔량도 존재하지 않는다. 실리카 유리 도가니의 높이를 H0(도2를 참조)으로 할 때, 초기 액면 레벨 H1의 예측값은 0.7H0이상 0.9H0이하인 것이 바람직하다.
다음에, 구한 용적 V를 만족시키는 실리콘 융액의 중량 M를 구한다(스텝S14). 실리콘 융액의 용점 부근(약 1413℃)의 비중은 2.6×106(g/m3)이고, 체적 V(m3)과 실리콘 원료의 중량 M(g)의 관계식은, M=2.6×106×V로 된다. 실리콘의 상온에서의 비중은 2.3×106(g/m3)이고, 동일한 실리콘의 중량이면, 실리콘 융액의 체적은, 상온에서의 실리콘의 체적보다도 작다.
다음에, 구한 중량 M의 실리콘 원료를 측정하고, 이 실리카 유리 도가니(1)에 충전하고(스텝S15), 실리콘 단결정의 제조를 시작한다. 중량의 측정방법은 어느 정도로 측정정밀도를 확보할 수 있는 한 특히 한정되지 않는다. 실리콘 단결정의 제조에서는, 먼저 실리카 유리 도가니(1)내의 원료(2)를 로 내에서 가열하여 실리콘 융액(3)을 생성한다(스텝S16). 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 융액(3)은, 예를 들면 로 내를 제어하면서 히터로 가열하여 상온으로부터 1580℃까지 약 5시간 승온시킨 후, 1580℃에서 약 25시간 보지(유지)하는 것으로써 생성된다. 다음에, 로 내 온도를 1500℃까지 온도를 낮게 하여 종결정의 강하 속도나 실리카 유리 도가니의 상하 이동을 제어하면서, 실리콘 융액에 종결정을 착액시키는 착액 공정을 실시한다(스텝S17). 그 후, 착액 시킨 종결정을 약 100시간에 걸쳐서 인상 속도나 실리카 유리 도가니의 상하 이동을 제어하면서, 실리콘 융액의 강하 속도도 제어하면서 천천히 끌어 올려 실리콘 단결정의 인상 공정을 실시한다(스텝S18).
실리콘 단결정의 인상이 종료되면, 실리콘 단결정을 인상로(CZ로)로부터 취출한다(스텝S19). 여기에서 멀티인상법에 의해 후속의 실리콘 단결정 인상을 행할것인가 행하지 않을 것인가를 판단하고(스텝S20), 인상을 할 경우에는 취출된 실리콘 단결정의 중량을 측정한다(스텝S21). 그리고 취출된 실리콘 단결정의 중량으로부터 실리카 유리 도가니 내의 융액의 잔량을 계산하고(스텝S22), 후속의 실리콘 단결정을 인상하기 위한 초기 액면 레벨 H2을 설정하고(스텝S23), 그 초기 액면 레벨 H2을 다음의 초기 액면 레벨 H1의 예측값으로 설정한다(스텝12에 되돌아간다). 그때, 먼저 행하여진 실리콘 단결정 인상을 위한 초기 액면 레벨 H1보다도 낮게 설정하는 것이 중요하다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법은, 실리카 유리 도가니에 3차원 형상으로부터 소정의 초기 액면 레벨을 만족시키는 실리콘 융액의 체적을 구하고, 상기 체적을 가지는 실리콘 융액의 중량을 구하고, 이 중량의 원료를 실리카 유리 도가니 내에 충전하기 때문에, 실제의 초기 액면 레벨을 정확하게 예측값에 맞출 수 있다. 때문에, 착액 제어를 매우 용이하게 할 수 있다. 즉, 종결정을 확실하게 착액 시킬 수 있고, 또 종결정이 초기 액면 레벨보다도 아래쪽으로 지나치게 강하하여 용손되지도 않는다. 특히, 또한 액면의 빠듯한 곳까지 종결정을 고속으로 강하시킬 수 있으므로, 종결정을 착액시킬 때까지 걸리는 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 멀티인상법에 있어서의 2회째 이후의 인상에서도, 1회째와 동일하게, 실제 초기 액면 레벨을 정확하게 예측값에 맞출 수 있다.
도 4는, 1회째의 실리콘 단결정 인상시의 착액으로부터 네킹 공정에서 생긴 실리카 유리 도가니 내표면의 원주위에 생긴 용손을 나타내는 사진이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 1회째의 실리콘 단결정을 인상한 후의 실리카 유리 도가니 내표면에는, 원주에서, 벽방향으로 오목하게 들어간 띠 형상의 홈이 형성된다. 실리콘 단결정 인상 시작시의 초기 액면 레벨에서는, 종결정의 착액으로부터 네킹 공정을 위하여, 동일한 액면 레벨에서의 작업을 몇시간에 걸쳐 행한다. 이 때의 초기 액면 레벨에서의 실리카 유리 도가니 내표면에서는, 실리카 유리 도가니 내표면에 실리콘 융액, 실리카 유리, 인상로 내의 분위기 가스의 3개 상(phase)이 접촉한다. 그 부분에서는, 실리카 유리와 실리콘 융액의 반응이 빠르고, 실리카 유리 도가니의 내표면이 용손되어 홈을 형성하고, 실리카 유리 도가니의 내표면에 미세한 실리카 결정이 석출된다.
멀티인상에 있어서, 1회째의 실리콘 단결정의 인상이 끝나고, 실리카 유리 도가니를 교환하지 않고, 1회째의 실리콘 단결정 인상에서 사용되는 실리카 유리 도가니에 다시 다결정 실리콘을 충전하여 용해시키고, 동일한 실리카 유리 도가니에서의 2회째 이후의 실리콘 단결정의 인상을 행한다. 이때 실리콘 융액의 액면이 첫번째의 인상시에 형성된, 실리카 결정이 석출된 띠 형상의 홈부를 통과하면, 실리카 유리 도가니의 홈부에 부착된 실리카 결정이 박리되고, 실리콘 융액 중에 들어가기 때문에 결정 결함의 원인으로 된다. 또한, 실리카 유리 도가니는 내측표면에 고순도 영역이 설치되어 있기 때문에, 홈이 깊어지면 고순도 영역이 상실되고, 실리카 유리 도가니의 순도가 낮은 영역으로부터 금속 불순물이 용출하여 실리콘 단결정의 순도에 악영향을 준다.
이 때문에, 2회째 이후의 CZ인상에서는, 1회째의 인상시에 실리카 유리 도가니 내표면의 원주위에 생긴 벽방향으로 수밀리로 오목하게 들어간 용손 위치를 피하는 것이 필요하다. 실리카 유리 도가니 내표면의 용손이 크면, 최내표면의 투명한 실리카 유리 부분이 없어지고, 네킹 공정(시드의 전위 소멸)이 잘 행하여지지 않는다. 따라서, 1회째의 CZ인상시에 생긴 실리카 유리 도가니 내표면의 원주상의 용손 위치를 피한 액면 레벨이 되게 끔, 추가로 투입되는 실리콘 원료의 충전량을 결정할 수 있다. 2회째의 CZ인상시의 액면 레벨은, 1회째의 액면 레벨보다 10mm 정도, 실리카 유리 도가니의 깊이 방향으로 하강된다. 이후, 3회째, 4회째에도, 상기 와 같은 조작을 할 수 있다.
도 5는, 본 실시 형태의 실리콘 단결정 제조 시스템의 전체 구성의 일 예를 제시하는 모식도이다. 이 실리콘 단결정 제조 시스템(1000)은, 실리콘 단결정을 인상하는 인상로(20)와, 인상로(20)의 인상 조건을 제어하는 인상로 제어부(30)와, 인상로(20)에 설치되는 실리카 유리 도가니에 충전되는 실리콘 원료의 중량을 측정하는 실리콘 원료 측정부(40)와, 인상로에 설치되는 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 측정하고, 초기 액면 레벨의 예측값을 구하는 측정 시스템부(100)가 설치된다. 또한 각 부는, 얻은 정보를 수신하기 위하여 통신 네트워크에 접속된다.
인상로(20)는, 일반적인 CZ법 인상로나, 추가 충전 기구를 구비한 멀티 인상로이고, 3차원 형상이 측정된 실리카 유리 도가니를 설치하기 위한 카본 서셉터 이외, 실리콘 단결정의 중량을 측정하는 단결정 중량 측정기구나, 실리카 유리 도가니를 상하시키는 도가니 승강 기구, 실리콘 원료 및 실리콘 융액을 가열하기 위한 히터가 설치되어 있다. 또한 멀티 인상로일 경우에는, 실리콘 융액에 실리콘 원료를 추가하기 위한 충전 기구도 설치된다.
인상로 제어부(30)에는, 종결정의 상하 이동 속도나 실리콘 단결정의 인상 속도를 제어하는 인상 속도제어부(301), 실리카 유리 도가니의 상하 위치나 상하 이동 속도를 제어하는 도가니 상하 이동 속도 설정부(302), 실리콘 융액의 온도를 히터로 제어하는 가열 온도 설정부(303), 인상된 실리콘 단결정의 중량을 계산하는 단결정 중량 계산부(304) 등이 설치된다.
측정 시스템부(100)에는, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상을 측정하는 측정부(101)와, 측정된 데이터나 초기 액면 레벨의 예측값을 구하기 위하여 해석을 행하는 해석·연산부(102)가 설치되고, 해석·연산부(102)는 화상 처리부(106)를 포함한다. 또한 해석·연산부(102)에는 측정된 데이터를 저장하는 데이터베이스 엔진(103)과, 체적 V 및 초기 액면 레벨 H1, H2의 산출을 행하는 CAE시스템(104)이나 CAD시스템(105)이 설치된다. 측정 시스템부(100)에 대해서는, 후술한다.
도 6은, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상을 측정하는 측정 시스템부(100)의 일 예를 제시하는 모식도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 이 측정 시스템부(100)는, 측정부(101)를 가지고, 측정부(101)는, 개구가 아래로 향하는 실리카 유리 도가니(1)를 지지하는 원통형의 회전대(11)와, 회전대(11)의 내측에서 실리카 유리 도가니(1)의 내측에 설치되는 암 로봇(12)과, 암 로봇(12)의 암(12a)의 끝단에 설치되는 거리 측정 장치(13)를 구비한다. 암 로봇(12)은 원통형의 회전대(11)의 내측에 설치되고, 회전대(11)와 함께 회전하지 않고 고정하여 설치된다.
암 로봇(12)은 거리 측정 장치(13)를 실리카 유리 도가니(1)의 내표면에 따라 이동시킬 수 있다. 특히, 암(12a)은 실리카 유리 도가니(1)의 둘레방향으로 이동하지 않고, 실리카 유리 도가니(1)의 직경 방향 및 높이 방향으로만 이동하고, 따라서 거리 측정 장치(13)는 실리카 유리 도가니(1)의 림으로부터 저부 중심으로 향하는 화살표A방향으로 이동한다. 또한 거리 측정 장치(13)의 실리카 유리 도가니의 둘레방향(화살표B방향)에의 이동은, 암 로봇(12)이 아니고 회전대(11)를 회전시키는 것에 의해 행하여지지만, 암 로봇(12)으로 행하여도 상관없다.
거리 측정 장치(13)는 기준점으로부터 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 한개 점까지의 거리를 광학적으로 측정하고, 실리카 유리 도가니(1)의 저부 중심을 원통 좌표계의 원점으로 하고, 이 원점으로부터 거리 측정 장치(13)의 기준점까지의 거리를 가산하는 것으로써, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면 한개 점의 공간좌표를 산출한다. 이 측정은 실리카 유리 도가니의 내표면의 전면에 대하여 행하여진다. 측정 시스템부(100)는, 적어도 1만점 이상, 바람직하게는 3만점 이상이라는 매우 많은 점을 측정하기 때문에, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상을 고정밀도로 측정할 수 있다.
암 로봇(12)의 위치 제어에 필요한 실리카 유리 도가니의 내표면의 어느 한점의 공간좌표(x, θ0, z)는, 실리카 유리 도가니의 설계 모델의 함수식을 이용하여 구할 수 있다. 함수식을 이용하는 것으로써, 측정 피치를 임의로 변경할 경우에도 암 로봇(12)의 좌표위치를 정확하게 산출하여, 결정할 수 있다. θ0를 고정값으로 할 때, 실리카 유리 도가니 내표면의 어느 한점의 좌표(x, z)는, 실리카 유리 도가니 직경 D, 실리카 유리 도가니의 높이 H, 실리카 유리 도가니 저부의 곡률반경 R, 실리카 유리 도가니 완곡부(R부)의 곡률반경 r, 매개 변수 α, θ, t를 이용하여 하기와 같이 나타낼 수 있다.
<실리카 유리 도가니 측벽부>
x=D/2
z= (H-R+α1 / 2)t+R-α1 /2
<실리카 유리 도가니 완곡부>
x=rcos {-(π/2-θ)t}+D/2-r
z=rsin {-(π/2-θ)t}+R-α1 /2
<실리카 유리 도가니 저부>
x=Rcos(θt-π/2)
z=Rsin(θt-π/2)+R
Θ는 실리카 유리 도가니 완곡부와 교차되는 실리카 유리 도가니 저부의 곡률반경 R의 교점 각도이다. 매개 변수α, θ, t는, 하기의 식으로 나타내다.
α= (R-2r+D/2) (R-D/2)
θ=arctan {(D/2-r)/α1 /2}
t=0~1
이렇게 실리카 유리 도가니 내표면의 어느 한점의 좌표(x, z)를 정의하는 것으로, 실리카 유리 도가니 내표면의 3차원 형상을 연속적인 함수로 표현할 수 있고, 효율적으로 정확하게 측정할 수 있다.
또한 실리카 유리 도가니의 내경이 거의 일정한 영역인 실리카 유리 도가니 측벽부분만 아니라, 실리카 유리 도가니 내경이 변화되는 영역인 실리카 유리 도가니 완곡부나 실리카 유리 도가니 저부에 있어서도 정확하게 측정할 수 있고, 측정된 3차원 형상에 근거하여, 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측이나, 실리콘 단결정 인상시의 액면 위치의 이동 속도(강하 속도)를 예측할 수 있다.
도 7은, 실측값에 의해 특정되는 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 나타내는 생략사시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상은, 다수의 측정점(공간좌표)의 집합에 의해 특정된다. 여기에서, 측정점은 종선과 횡선의 교점이고, 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상은, 다수의 측정점의 각각을 정점좌표로 하는 폴리곤의 조합에 의해 나타낼 수 있다. 폴리곤의 메시(mesh) 사이즈를 미세하게 함으로써 실리카 유리 도가니의 3차원 형상의 측정정밀도를 높일 수 있고, 실리카 유리 도가니의 용적을 정확하게 구할 수 있다.
이렇게 하여 측정된 실리카 유리 도가니(1)의 내표면 공간좌표 데이터는 해석·연산부(102)에 설치된, 컴퓨터(15)의 CAE(Computer Aided Engineering)시스템(104) 또는, 제어CAD시스템(105)에, 실리콘 원료의 중량 데이터와 실리콘 단결정의 중량 데이터와 함께 취입되고, 체적 V 및 초기 액면 레벨 H을 산출할 수 있다.
도 8은, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상을 측정하는 측정 시스템의 다른 예를 제시하는 모식도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상의 측정은, CCD카메라(14)를 이용한 내표면의 촬영과 동시에 행하여져도 좋다. 이 경우, 암 로봇(12)의 암(12a)의 끝단에 CCD카메라(14)와 거리 측정 장치(13)를 함께 설치하고, CCD카메라(14)로 내표면을 주사하면서, 거리 측정 장치(13)로 내표면의 각 점의 좌표도 측정한다. 실리카 유리 도가니(1)의 품질검사의 하나로서, 실리카 유리 도가니의 내표면의 손상이나 변형, 극표층의 기포, 쓰레기의 부착 등의 유무의 관찰 검사가 존재한다. 상기 관찰 검사는 CCD카메라(14)로 촬영된 이미지에 대한 화상 처리에 의해 자동적으로 해하여지는 동시에, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상도 측정할 수 있기 때문에, 3차원 형상을 단독으로 측정하는 공정을 생략할 수도 있다. 따라서, 암 로봇(12)을 이용한 검사·측정공정의 효율화를 도모할 수 있다.
도 9는, 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 실리콘 단결정의 제조에서는, 먼저 실리카 유리 도가니를 준비하고, 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 측정한다(스텝S31). 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상의 측정방법은 앞에서 설명한 바와 같다.
다음에, 실리카 유리 도가니(1)내에 충전되는 소정량의 실리콘 원료(2)를 준비하고, 이 원료(2)의 중량 M(g)을 측정한다(스텝S32). 원료(2)는 다결정 실리콘 덩어리이고, 그 양은 사용되는 실리카 유리 도가니의 사이즈에 맞춰서 적당한 량을 준비하면 된다. 중량의 측정방법은 어느 정도의 측정정밀도를 확보될 수 있는 한 특히 한정되지 않는다.
다음에, 중량 M인 원료(2)가 용융된 때의 실리콘 융액(3)의 체적 V(m3)을 구하고(스텝S33), 더욱 실리콘 융액(3)의 체적 V 및 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상으로부터, 실리카 유리 도가니(1) 내에 충전되는 실리콘 융액(3)의 초기 액면 레벨 H1(m)의 예측값을 구한다(스텝S34). 다음에, 초기 액면 레벨 H1의 예측값이 적절한가를 판단한다(스텝S35). 여기에서, 초기 액면 레벨의 예측값이, 실리카 유리 도가니의 높이 H0보다 낮은가, 또는 멀티인상의 2회째 이후의 인상의 경우에는 먼저 행하여진 초기 액면 레벨보다도 낮은 범위인가 등을 판단한다. 초기 액면 레벨의 예측값이 적절하지 않을 경우, 다시 원료를 다시 측정한다(스텝S32에 되돌아간다). 한편, 초기 액면 레벨 H1의 예측값의 산출은, 실리카 유리 도가니(1)내에 충전되는 원료(2)의 중량 M이 결정된 후, 종결정의 착액 공정을 실시하기 전이면 언제든지 행할 수 있다. 실리콘 융액의 비중은 2.6×106(g/m3)이고, 체적 V(m3)와 실리콘 원료의 중량 M(g)의 관계식은, V=M/2.6×106이다.
그 후, 준비된 원료(2)를 실리카 유리 도가니(1) 내에 충전하고(스텝S36), 실리콘 단결정의 제조를 시작한다. 실리콘 단결정의 제조에서는, 먼저 실리카 유리 도가니(1) 내의 원료(2)를 로 내에서 가열하여 실리콘 융액(3)을 생성한다(스텝S37). 도 3에 나타내는 바와 같이, 실리콘 융액(3)은, 예를 들면 로 내를 상온으로부터 1580℃까지 약 5시간 승온시킨 후, 1580℃에서 약 25시간 보지시킴으로써 생성된다. 다음에, 로 내 온도를 1500℃까지 하강시켜 실리콘 융액(3)에 종결정을 착액시키는 착액 공정을 실시한다(스텝S38). 그 후, 착액시킨 종결정을 약 100시간 이상 천천히 끌어 올려 실리콘 단결정의 인상 공정을 실시한다(스텝S39). 종결정의 착액 공정으로부터 실리콘 단결정의 인상 공정에 관해서는, 실시 형태 1과 동일하다.
실리콘 단결정의 인상이 종료되면, 실리콘 단결정은 CZ로로부터 취출된다(스텝S40). 멀티인상법에 의해 후속의 실리콘 단결정의 인상을 행할 것인가를 판단하고(스텝S41), 할 경우에는 취출된 실리콘 단결정의 중량을 측정한다(스텝S42). 그리고 취출된 실리콘 단결정의 중량으로부터 실리카 유리 도가니 내의 용액의 잔량을 계산하고(스텝S43), 후속의 실리콘 단결정의 인상을 행하기 위한 초기 액면 레벨 H2의 범위를 설정한다. 그때, 먼저　행하여진 실리콘 단결정의 인상을 위한 초기 액면 레벨 H1보다도 낮은 범위를 설정한다(스텝S44). 그 후, 후속의 실리콘 단결정의 인상을 위하여, 실리카 유리 도가니(1) 내에 충전되는 소정량의 실리콘 원료(2)를 준비하고, 이 원료(2)의 중량 M(g)을 측정한다(스텝S32에 되돌아간다).
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법은, 종결정의 착액 공정을 시작하기 전에 초기 액면 레벨의 예측값을 정확하게 구하기 때문에, 착액 제어를 매우 용이하게 행할 수 있다. 즉, 종결정을 확실하게 착액시킬 수 있고, 또한 종결정이 초기 액면 레벨보다도 아래쪽으로 너무 강하되어 용손되지 않는다. 특히, 또한 액면 빠듯한 곳까지 종결정을 고속으로 강하시킬 수 있으므로, 종결정을 착액시킬 때까지 걸리는 시간을 단축시킬 수 있다. 또한, 멀티인상법도 가능하다.
본 발명은, 이상의 실시 형태에 한정되지 않고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지 변경을 추가할 수 있고, 이것들도 본 발명에 포함되는 것이다.
예를 들면, 상기 실시 형태에서, 실리카 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정의 제조 방법을 예로 들었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 다른 단결정의 제조 방법이여도 좋다. 또한 단결정의 제조에 사용되는 도가니도 실리카 유리 도가니에 한정되지 않는다. 다만, 실리콘 단결정의 제조에서는 매우 대형이고 대용량인 도가니가 사용되는 것으로부터, 본 발명의 효과가 현저하다.
또한, 상기 실시 형태에서, 실리카 유리 도가니(1)의 내표면의 3차원 형상의 측정과 동시에 행하여지는 측정이 CCD카메라에 의한 내표면의 촬영일 경우로 예를 들었지만, 본 발명은 이러한 경우에 한정되지 않고, FT-IR측정 등, 3차원 형상과는 다른 항목이면 어떠한 측정항목이여도 상관없다.
1 실리카 유리 도가니
2 실리콘 원료
3 실리콘 융액
10 측정 시스템
11 회전대
12 암 로봇
12a 암
13 거리 측정 장치
14 카메라
15 컴퓨터
20 인상로
30 인상로 제어부
40 실리콘 원료 측정부
100 측정 시스템부
101 측정부
102 해석·연산부
103 데이터베이스 엔진
104 CAE시스템
105 CAD시스템
106 화상 처리부
301 속도 제어부
302 도가니 상하 이동 속도 설정부
303 가열 온도 설정부
304 단결정 중량계산부
1000 실리콘 단결정 제조 시스템

Claims (10)

  1. 실리카 유리 도가니 내에 충전된 원료를 가열하여 실리콘 융액을 생성하고, 상기 실리콘 융액에 착액(着液)시킨 종결정을 인상하여 실리콘 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법에 있어서,
    실리카 유리 도가니 내에 원료를 충전하기 전에 상기 실리카 유리 도가니의 내표면 상의 다수점의 공간좌표를 측정하고, 각 측정점을 정점좌표로 하는 폴리곤의 조합으로부터 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 특정하고,
    상기 실리카 유리 도가니 내의 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측값을 미리 설정하고,
    상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상에 근거하여, 상기 초기 액면 레벨의 예측값을 만족시키는 상기 실리콘 융액의 체적를 구하고,
    상기 체적을 가지는 상기 실리콘 융액의 중량을 구하고,
    상기 중량을 가지는 상기 원료를 상기 실리카 유리 도가니에 충전하고,
    상기 초기 액면 레벨의 예측값에 근거하여 종결정의 착액 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    암 로봇의 암 끝단에 설치된 거리 측정 장치가 실리카 유리 도가니의 내표면을 주사(走査)함으로써 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 측정하는, 실리콘 단결정의 제조 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 암 로봇을 이용하여 상기 3차원 형상과는 다른 측정항목을 상기 3차원 형상과 동시에 측정하는, 실리콘 단결정의 제조 방법.
  4. 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
    상기 암 로봇은, 실리카 유리 도가니의 설계 모델의 함수식을 이용하여 구한 실리카 유리 도가니의 내표면 상의 어느 한점의 공간좌표(x, θ0, z)를 이용하여 위치가 제어되며,
    D를 실리카 유리 도가니 직경, H를 실리카 유리 도가니 높이, R를 실리카 유리 도가니 저부의 곡률반경, r를 실리카 유리 도가니 완곡부의 곡률반경으로 할 때,
    실리카 유리 도가니 측벽부의 내표면 상의 어느 한점의 x좌표 및 z좌표를 나타내는 상기 함수식은,
    x=D/2
    z= (H-R+α1 / 2)t+R-α1 /2
    이고,
    실리카 유리 도가니 완곡부의 내표면 상의 어느 한점의 x좌표 및 z좌표를 나타내는 상기 함수식은,
    x=rcos {-(π/2-θ)t}+D/2-r
    z=rsin {-(π/2-θ)t}+R-α1 /2
    이고,
    실리카 유리 도가니 저부의 내표면 상의 어느 한점의 x좌표 및 z좌표를 나타내는 상기 함수식은,
    x=Rcos(θt-π/2)
    z=Rsin(θt-π/2)+R
    이고,
    상기 함수식에 포함되는 매개 변수 α, θ 및 t는,
    α= (R-2r+D/2) (R-D/2)
    θ=arctan {(D/2-r)/α1 /2}
    t=0~1
    이고,
    상기 θ는 상기 실리카 유리 도가니 완곡부와 교차되는 상기 실리카 유리 도가니 저부의 곡률반경 R의 교점 각도인, 실리콘 단결정의 제조 방법.
  5. 청구항 1 내지 4의 어느 한 항에 있어서,
    먼저　행하여진 실리콘 단결정 인상이 종료된 후, 실리카 유리 도가니 내에 원료를 추가하여 후속의 실리콘 단결정 인상을 행하는 멀티인상 공정을 포함하고,
    먼저 인상된 실리콘 단결정의 중량으로부터 상기 실리카 유리 도가니 내에 잔류되어 있는 실리콘 융액의 잔량을 구하고,
    상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상 및 상기 실리콘 융액의 잔량에 기초하여, 후속의 실리콘 단결정 인상에 이용되는 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측값을 만족시키는 상기 원료의 추가 충전량을 구하는, 실리콘 단결정의 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    후속의 실리콘 단결정 인상시에 있어서의 초기 액면 레벨이 먼저　행하여진 실리콘 단결정 인상시에 있어서의 초기 액면 레벨보다도 낮아지게끔 상기 원료의 추가 충전량을 조정하는, 실리콘 단결정의 제조 방법.
  7. 실리카 유리 도가니 내에 충전된 원료를 가열하여 실리콘 융액을 생성하고, 상기 실리콘 융액에 착액시킨 종결정을 인상하여 실리콘 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법에 있어서,
    실리카 유리 도가니 내에 원료를 충전하기 전에 상기 실리카 유리 도가니의 내표면 상의 다수점의 공간좌표를 측정하고, 각 측정점을 정점좌표로 하는 폴리곤의 조합으로부터 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 특정하고,
    상기 실리카 유리 도가니 내에 충전되는 원료의 중량을 구하고,
    상기 중량을 가지는 상기 원료를 용융하여 얻은 실리콘 융액의 체적을 구하고,
    상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상 및 상기 실리콘 융액의 체적에 근거하여, 상기 원료를 상기 실리카 유리 도가니 내에서 용융하여 얻은 상기 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측값을 구하고,
    상기 초기 액면 레벨의 예측값에 근거하여 종결정의 착액 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    암 로봇의 암 끝단에 설치된 거리 측정 장치가 실리카 유리 도가니의 내표면을 주사함으로써 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 측정하는, 실리콘 단결정의 제조 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 암 로봇을 이용하여 상기 3차원 형상과는 다른 측정항목을 상기 3차원 형상과 동시에 측정하는, 실리콘 단결정의 제조 방법.
  10. 실리카 유리 도가니 내에 충전된 원료를 가열하여 실리콘 융액을 생성하고, 상기 실리콘 융액에 착액시킨 종결정을 인상하여 실리콘 단결정을 성장시키는 쵸크랄스키법에 의한 실리콘 단결정의 제조 시스템에 있어서,
    실리카 유리 도가니 내에 원료를 충전하기 전에 상기 실리카 유리 도가니의 내표면상의 다수점의 공간좌표를 측정하고, 각 측정점을 정점좌표로 하는 폴리곤의 조합으로부터 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상을 특정하는 측정 시스템과,
    상기 실리카 유리 도가니 내에 충전되는 원료의 중량을 측정하는 실리콘 원료 측정부와,
    실리콘 단결정 인상로와,
    상기 실리콘 단결정 인상로의 인상 조건을 제어하는 인상로 제어부를 가지고,
    상기 측정 시스템에는, 상기 실리카 유리 도가니 내의 실리콘 융액의 초기 액면 레벨의 예측값을 미리 설정하고, 상기 실리카 유리 도가니의 내표면의 3차원 형상에 근거하여, 상기 초기 액면 레벨의 예측값을 만족시키는 상기 실리콘 융액의 체적을 구하고, 상기 실리콘 융액의 체적에 근거하여, 상기 실리카 유리 도가니 내에 충전되는 원료의 중량을 구하는 해석·연산부가 설치되고,
    인상로 제어부는, 상기 초기 액면 레벨의 예측값에 근거하여 종결정의 착액제어를 행하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 시스템.
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