KR20210102908A - 고체 도펀트를 승화시키기 위한 다공성 파티션 부재와 함께 도핑 도관을 포함하는 잉곳 풀러 장치 - Google Patents

고체 도펀트를 승화시키기 위한 다공성 파티션 부재와 함께 도핑 도관을 포함하는 잉곳 풀러 장치 Download PDF

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Abstract

도펀트 피드 시스템을 포함하는 실리콘 잉곳들을 준비하기 위한 잉곳 풀러 장치가 개시된다. 도펀트 피드 시스템은 도펀트 도관을 가로질러 배치되는 다공성 파티션 부재를 갖는 도펀트 도관을 포함한다. 고체 도펀트가 그것이 승화되는 파티션 부재 안으로 낙하한다. 승화된 도펀트는 불활성 가스에 의해 파티션 부재를 통해 운반되어 실리콘 용융물과 접촉하고 도핑시킨다.

Description

고체 도펀트를 승화시키기 위한 다공성 파티션 부재와 함께 도핑 도관을 포함하는 잉곳 풀러 장치
관련 출원들에 대한 교차 참조
본 출원은 2018년 12월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/220,060호와 2018년 12월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 제16/220,058호를 우선권 주장하며, 그것들의 둘 다는 그 전부가 참조로 본 개시에 포함된다.
본 개시의 분야는 도핑된 실리콘 잉곳을 준비하기 위한 도펀트 피드 시스템, 특히, 다공성 파티션 부재가 도펀트 도관을 가로질러 배치되는 도펀트 도관을 갖는 도펀트 피드 시스템들을 포함하는 잉곳 풀러 장치에 관한 것이다.
반도체 전자 컴포넌트들의 제작을 위한 대부분의 공정들에 대한 출발 물질인 단결정 실리콘이 이른바 초크랄스키(Czochralski)("Cz") 방법에 의해 준비된다. 이 방법에서, 다결정 실리콘("폴리실리콘")은 도가니에 충전되고 용융되며, 시드 결정이 용융된 실리콘과 접촉되고 단결정이 느린 추출에 의해 성장된다.
일부 응용들에서, 어떤 양의 도펀트가 실리콘 결정에서 원하는 저항률을 성취하기 위해 용융물에 추가된다. 기존에는, 도펀트가 실리콘 용융물 레벨보다 수 피트 위에 위치된 피드 호퍼(feed hopper)로부터 용융물 안으로 피딩된다. 그러나, 이 접근법은 휘발성 도펀트들에 유리하지 않은데, 이러한 도펀트들이 제어되지 않은 상태로 주위 환경 안으로 기화되는 경향이 있고 결과적으로 용융물 안으로 떨어지고 성장 결정에 통합될 수 있는 산화물 입자들 (즉, 아-산화물들)의 생성을 초래하기 때문이다. 이들 입자들은 이종 핵생성 부위들로서 역할을 하고, 궁극적으로 결정 풀링 공정의 실패를 초래한다.
알려진 일부 도펀트 시스템들은 휘발성 도펀트들을 성장 챔버 안으로 가스로서 도입한다. 그러나, 이러한 시스템들은 도핑 절차가 수행될 때마다 수동으로 다시 채워져야만 한다. 덧붙여, 이러한 시스템들은 사용 중에 다시 채워질 수 없다. 그 결과, 이러한 시스템들은 단일 성장 공정에 대해 제한된 도펀트 페이로드 용량을 갖는다. 이러한 시스템들은 그러므로 성장될 수 있는 실리콘 잉곳들의 사이즈를 제한한다. 더욱이, 이러한 시스템들은 성장 공정 동안 불균일하게 도펀트를 공급함으로써, 성장된 잉곳의 길이방향 축을 따라 도펀트 농도에서의 변동을 증가시키는 경향이 있다.
다른 알려진 시스템들은 도펀트를 기화시키기 위해 도펀트를 용융물 근처의 증발 리셉터클 안으로 도입한다. 휘발성 도펀트들이 사용될 때, 고체 도펀트 과립들은 힘차게 이동하고 증발 리셉터클로부터 방출되어 그들 과립들이 용융물 안으로 떨어지게 함으로써, 도펀트 공정의 일관성을 감소시킬 수 있다.
초크랄스키 방법에 의해 도핑된 실리콘 잉곳을 생성하기 위해 실리콘 용융물을 도핑하기 위한 개선된 도펀트 피드 시스템들이 필요하다.
이 섹션은 아래에서 설명 및/또는 청구되는 본 개시의 다양한 양태들에 관련될 수 있는 다양한 기술 양태들을 독자에게 소개하도록 의도된다. 이 논의는 본 개시의 다양한 양태들의 더 나은 이해를 용이하게 하기 위한 배경 정보를 독자에게 제공함에 있어서 도움이 될 것이라 생각된다. 따라서, 이들 서술들은 이러한 관점에서 읽혀져야 하고, 선행 기술의 인정이라는 관점에서 읽혀지지 않아야 한다는 것이 이해되어야 한다.
본 개시의 하나의 양태는 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 잉곳 풀러 장치에 관한 것이다. 잉곳 풀러 장치는 실리콘의 용융물을 유지하기 위한 도가니와 용융물로부터 실리콘 잉곳을 풀링하기 위한 성장 챔버를 포함한다. 잉곳 풀러 장치는 도펀트를 용융물 안으로 도입하기 위한 도펀트 도관을 포함한다. 도펀트 도관은 하나 이상의 측벽을 포함한다. 하나 이상의 측벽은 도펀트가 통과하는 도관 챔버를 형성한다. 도관 챔버는 폭을 갖는다. 도펀트 도관은 고체 도펀트가 도펀트 도관 안으로 도입되는 입구를 포함한다. 도관 챔버는 도펀트 도관을 통해 기체 도펀트가 배출되는 출구를 포함한다. 도펀트 도관은 입구를 통해 도입된 고체 도펀트를 지지하는 도펀트 도관의 입구와 출구 사이에 배치된 파티션 부재를 포함한다. 파티션 부재는 도관 챔버의 폭을 가로질러 연장된다.
본 개시의 다른 양태는 도핑된 잉곳을 준비하는 방법에 관한 것이다. 실리콘의 용융물이 도가니에서 준비된다. 고체 도펀트는 도펀트 도관의 입구 안으로 피딩된다. 도펀트 도관은 잉곳이 용융물로부터 풀링되는 성장 챔버 안으로 연장된다. 고체 도펀트는 도펀트 도관에 의해 정의된 도관 챔버를 통해 그리고 도관 챔버의 폭을 가로질러 연장되는 도펀트 도관 내에 배치된 파티션 부재 상으로 통과한다. 파티션 부재에 의해 지지된 고체 도펀트는 고체 도펀트를 승화시키기 위해 가열된다. 불활성 가스가 도펀트 도관 안으로 도입된다. 불활성 가스는 승화된 도펀트와 혼합된다. 승화된 도펀트가 내부에 혼합되는 불활성 가스는 파티션 부재를 통과하고 도펀트 도관의 출구를 통해 배출된다. 불활성 가스의 압력이 파티션 부재를 통과할 시 감소된다. 승화된 도펀트가 내부에 혼합되는 불활성 가스는 불활성 가스로부터의 도펀트를 용융물 안으로 흡수하기 위해 용융물과 접촉된다. 실리콘 잉곳이 실리콘의 용융물로부터 풀링된다.
본 개시의 다른 추가의 양태는 잉곳 풀러 장치에서 도핑된 잉곳을 준비하는 방법에 관한 것이다. 그 장치는 실리콘의 용융물을 유지하기 위한 도가니, 용융물로부터 실리콘 잉곳을 풀링하기 위한 성장 챔버, 및 도펀트를 용융물 안으로 도입하기 위한 도펀트 도관을 포함한다. 도펀트 도관은 도펀트가 통과하는 도관 챔버를 형성하는 하나 이상의 측벽을 포함한다. 도관 챔버는 폭을 갖는다. 도펀트 도관은 고체 도펀트가 도펀트 도관 안으로 도입되는 입구, 도펀트 도관을 통해 기체 도펀트가 배출되는 출구, 및 입구와 출구 사이에 배치되고 입구를 통해 도입된 고체 도펀트를 지지하는 파티션 부재를 더 포함한다. 파티션 부재는 도관 챔버의 폭을 가로질러 연장된다. 실리콘의 용융물이 도가니에 형성된다. 고체 도펀트는 파티션 부재 상으로 적재된다. 불활성 가스는 도관 챔버 안으로 도입된다. 불활성 가스는 도핑된 불활성 가스를 형성하기 위해 승화된 도펀트와 혼합된다. 도핑된 불활성 가스는 도펀트가 용융물과 접촉하고 그 안으로 들어가게 하기 위해 파티션 부재를 통과한다. 도핑된 잉곳이 실리콘의 용융물으로부터 풀링된다.
본 개시의 위에서 언급된 양태들에 관하여 논의된 특징들의 다양한 리파인먼트들이 존재한다. 추가의 특징들은 본 개시의 위에서 언급된 양태들에도 또한 통합될 수 있다. 이들 리파인먼트들 및 추가의 특징들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들면, 본 개시의 예시된 실시예들 중 임의의 것에 관하여 아래에서 논의되는 다양한 특징들은 본 개시의 위에서 설명된 양태들 중 임의의 것에, 단독으로 또는 임의의 조합으로 포함될 수 있다.
도 1은 도펀트 피드 시스템을 갖는 잉곳 풀러 장치의 단면도이며;
도 2는 도펀트 피드 시스템의 도펀트 도관의 단면 정면도이며;
도 3은 도 2의 위치로부터 회전된 도펀트 도관의 측면도이며;
도 4는 예 1에서 설명된 바와 같은 세 개의 도펀트 양들에 대한 시드 단부 저항률의 상자 그림이다.
대응하는 참조 부호들이 도면들의 전체에 걸쳐 대응하는 부분들을 나타낸다.
잉곳 풀러 장치(또는 더 간단히 "잉곳 풀러")가 도 1에서 "100"으로 일반적으로 표시된다. 잉곳 풀러 장치(100)는 서셉터(106)에 의해 둘러싸인 반도체 또는 태양 등급(solar-grade) 재료, 이를테면 실리콘의 용융물(104)을 유지하기 위한 도가니(102)를 포함한다. 잉곳 풀러 장치(100)는 성장 챔버(126)를 정의하는 결정 풀러 하우징(108)을 포함한다. 반도체 또는 태양 등급 재료는 단열재(112)에 의해 둘러싸인 하나 이상의 가열 엘리먼트(110)로부터 제공되는 열에 의해 용융된다.
풀링 메커니즘(114)은 용융물(104) 밖으로 잉곳들(116)을 성장시키고 풀링하기 위해 잉곳 풀러 장치(100) 내에 제공된다. 풀링 메커니즘(114)은 풀링 케이블(118), 풀링 케이블(118)의 하나의 단부에 커플링되는 시드 홀더 또는 척(120), 및 시드 홀더 또는 척(120)에 커플링되어 결정 성장을 개시하기 위한 시드 결정(122)을 포함한다.
잉곳 풀러 장치(100)는 기체 도펀트를 용융물(104) 안으로 도입하기 위한 도펀트 피드 시스템(130)을 또한 포함한다. 도펀트 피드 시스템(130)은 도펀트 도관(134)과 파티션 부재(138)를 포함한다. 예시된 실시예에서, 도펀트 피드 시스템(130)은 도펀트 피딩 디바이스(140), 포지셔닝 시스템(142), 및 불활성 가스 소스(144)를 또한 포함한다. 일반적으로, 도펀트 피드 시스템(130)은 고체 도펀트(예컨대, 도펀트 과립들)를 승화시키고 기체 도펀트가 용융 표면(146)을 가로질러 흐르게 하도록 구성된다. 기체 도펀트는, 도 1에 도시된 바와 같이, 결정 성장이 시작되기 전에 그리고/또는 결정 성장 동안, 잉곳 풀러(100) 안으로 도입될 수 있다.
동작 시, 도펀트 피드 시스템이 본 개시에서 설명된 바와 같이 기능을 하게 하는 적절히 낮은 승화 또는 증발 온도를 갖는 고체 도펀트(148), 이를테면 비소, 인, 또는 임의의 다른 원소 또는 화합물이 도관(134)의 제1 단부(150)를 향해 위치된 입구(124)를 통해 도펀트 도관(134) 안으로 도입된다. 고체 도펀트(148)는 도펀트 도관(134)을 통해 아래로 떨어지며, 도관 챔버(164)를 통과하고, 다공성 파티션 부재(138) 상에 안착한다. 도관(134)에 공급된 열은 파티션 부재(138) 상에 놓인 고체 도펀트(148)가 기체 도펀트로 기화되게 한다. 기체 도펀트는 불활성 가스 소스(144)에 의해 공급된 불활성 가스(152)와 혼합되며, 이는 도펀트 도관(134)을 통과하고 다공성 파티션 부재(138)를 통과한다. 도펀트가 그 안에 혼합된 불활성 가스 또는 "도핑된 불활성 가스"(198)는 출구(190)를 통해 도펀트 도관(134) 밖으로 그리고 용융물 표면(146)을 가로질러 흐른다.
고체 도펀트(148)가 기화에 의해 소모됨에 따라, 더 많은 고체 도펀트(148)가 피딩 디바이스(140)에 의해 도펀트 도관(134) 안으로 피딩될 수 있다. 고체 도펀트(148)를 도펀트 도관(134)에 지속적으로 또는 간헐적으로 공급함으로써, 비교적 일정한 농도의 기체 도펀트가 도핑 공정 및/또는 결정 성장 공정 동안 용융물 표면(146) 위에서 유지될 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 도펀트 도관(134)은 도펀트 도관 측벽(154)을 포함하고 고체 도펀트(148)가 도입되는 측벽(154)의 제1 단부(150) 근처에 입구(124)를 포함한다. 도관(134)은 기체 도펀트가 도관(134)으로부터 배출되는 측벽(154)의 제2 단부(136) 근처에 출구(190)를 포함한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 도펀트 도관(134)은 단일 도펀트 도관 측벽(154)에 의해 정의된 일반적으로 실린더형 형상을 갖는다. 일반적으로, 도펀트 도관(134)은 도펀트 피드 시스템(130)이 본 개시에서 설명된 바와 같이 기능을 하게 하는 임의의 적합한 형상 및/또는 임의의 수의 도펀트 도관 측벽들을 가질 수 있다(예컨대, 단면이 원형, 계란형, 삼각형, 정사각형, 또는 직사각형일 수 있다). 일부 실시예들에서, 측벽(154)은 석영으로 이루어진다.
도펀트 도관(134)은 폭(W134)을 가지고 파티션 부재(138)는 도관(134)의 폭(W134)을 가로질러 연장되어 도관 챔버(164)를 통해 떨어지는 모든 고체 도펀트들을 포획한다(즉, 파티션 부재(138)는 챔버(164)를 폐색하도록 도관(134)을 가로질러 완전히 연장된다). 도관(134)이 실린더형인 실시예들에서, 파티션 부재(138)는 적어도 도관 챔버(164)의 직경과 동일한 직경을 갖는 디스크이다. 파티션 부재(138)는 도관 입구(124)와 출구(190) 사이에 배치되고 출구(190)에 더 가까울 (예컨대, 도관의 길이의 마지막 약 25% 또는 도관의 길이의 마지막 약 10% 또는 마지막 약 5% 내일) 수 있다. 파티션 부재(138)는 도핑된 불활성 가스가 파티션 부재(138)를 통과하는 것을 허용하면서 파티션 부재(138)가 도펀트를 지지하는 것을 허용하는 임의의 적합한 두께를 가질 수 있다.
파티션 부재(138)는 승화된 도펀트가 파티션 부재(138)를 통과하여 용융물(104)을 향하도록 하는 것을 가능하게 하도록 구성될(예컨대, 다공성일) 수 있다. 일부 실시예들에서, 파티션 부재(138)는 약 1 ㎜ 미만, 약 750 ㎛ 미만, 약 675 ㎛ 미만, 약 600 ㎛ 미만, 약 500 ㎛ 미만 또는 약 400 ㎛ 미만, 약 10 ㎛ 내지 약 1 ㎜, 약 10 ㎛ 내지 약 750 ㎛ 또는 약 10 ㎛ 내지 약 750 ㎛의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는다. 일부 실시예들에서, 파티션 부재(138)는 석영(예컨대, 유형 00, 유형 0, 유형 1, 유형 2 등)으로 이루어진다. 파티션 부재(138)와 도펀트 도관(134)은 파티션 부재(138)가 용접되거나 또는 아니면 도펀트 도관(134)의 측벽(들)에 연결되는 별개의 컴포넌트들로 만들어질 수 있다.
도펀트 도관(134)은 결정 풀러 하우징(108)(도 1) 내에 위치되고, 밸브 어셈블리(158)를 통해 그리고 하우징(108) 밖으로 연장된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 도펀트 도관(134)은 포지셔닝 시스템(142)에 미끄럼식으로 커플링된다. 포지셔닝 시스템(142)은 도펀트 도관(134)을 상승 및/또는 하강시키도록 구성된다. 포지셔닝 시스템(142)은 레일(160), 커플링 부재(162), 및 레일(160)을 따라 커플링 부재(162)를 이동시키도록 구성되는 모터(도시되지 않음)를 포함한다. 레일(160)은 도펀트 도관(134)의 길이방향 축(A)(도 2)에 실질적으로 평행한 방향으로 연장된다. 커플링 부재(162)는 레일(160)에 미끄럼식으로 커플링되고 도펀트 도관(134)에 부착된다. 도펀트 도관(134)은 도펀트 도관(134)의 입구(124) 안으로 연장되는 피드 도관(196)을 기준으로 이동할 수 있다. 포지셔닝 시스템(142)을 사용하여, 도펀트 도관(134)은 잉곳 풀러 장치(100) 안팎으로 상승 및 하강될 수 있다. 다른 실시예들에서, 도펀트 도관(134)은 하우징 내에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도펀트 도관(134)은 잉곳 풀러 장치(100)에 (예컨대, 튜브 하우징을 풀러 하우징(108)에 연결함으로써) 영구적으로 부착된다. 또 다른 실시예들에서, 도펀트 도관(134)은 도펀트 피드 시스템(130)이 본 개시에서 설명되는 기능을 하는 것을 가능하게 하는 임의의 방식으로 하우징(108) 내에 위치되며 그리고/또는 그 하우징 내 또는 외에서 고정될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시예에서, 도펀트 도관(134)은 용융물 표면(146)을 가로질러 기체 도펀트의 분포를 용이하게 하기 위해 용융물 표면(146)에 대해 각을 이룬다. 도펀트 도관(134)의 길이방향 축(A)(도 2)이 용융물 표면(146)에 대해 그리고/또는 도가니(102)의 상단을 가로질러 연장되는 수평면(P)에 대해 약 45도 내지 약 90도의 각도(즉, 예각)를 형성하도록 도펀트 도관(134)은 각을 이룬다. 다른 실시예들에서, 도펀트 도관(134)의 길이방향 축(A)과 용융물 표면(146) 및/또는 수평면(P) 사이에 형성된 각도는 약 45도 내지 약 75도이다.
파티션 부재(138)는 도펀트 도관(134)의 길이방향 축(A)에 대해 각을 이룰 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 파티션 부재(138)는 지지 표면(192)을 갖는다. 지지 표면(192)은 길이방향 축(A)을 기준으로 최고점(PH)과 최저점(PL)을 갖는다. 최고점 및 최저점(PH, PL)은 최고점 및 최저점(PH, PL)을 통해 연장되는 평면(P138)을 정의한다. 도관(134)의 길이방향 축(A)과 평면(P138)은 약 45도 내지 약 90도(예컨대, 45도 내지 90도)의 각도를 형성한다. 일부 실시예들에서, 이 각도는 파티션 부재(138)가 용융물 표면(146)(과 도가니(102)의 상단을 가로질러 그리고 도관(134)의 출구(190)까지 연장되는 수평면(P))에 실질적으로 평행하게 되는 것을 허용하기 위해 도펀트 도관(134)과 용융물 표면(146) 사이에 형성된 각도와 동일하다.
도펀트 도관(134)의 출구(190)는 용융 표면(146)을 가로지르는 기체 도펀트의 분포를 용이하게 하기 위해 도관(134)의 길이방향 축(A)에 대해 또한 각을 이룰 수 있다. 예를 들어, 출구(190)는 출구(190)가 용융물 표면(146)에 실질적으로 평행하도록 각을 이룰 수 있고, 도펀트 도관(134)의 길이방향 축(A)에 대해 약 45도 내지 약 75도의 각도로 각을 이룰 수 있다. 다른 실시예들에서, 도펀트 도관(134)은 도펀트 도관(134)의 길이방향 축(A)이 용융물 표면(146) 및/또는 도가니(102)의 상단을 가로질러 연장되는 수평면(P)에 대해 약 90도의 각도를 형성하도록 용융물 표면(146)에 실질적으로 수직으로 위치된다. 예시된 실시예에서 도시된 도펀트 도관(134), 출구(190), 및 파티션 부재(138)의 배열은 예시적이고, 도펀트 도관(134), 출구(190), 및 파티션 부재(138)는 도펀트 피드 시스템(130)이 본 개시에서 설명된 바와 같이 기능을 하는 것을 가능하게 하는 임의의 적합한 구성 또는 배향을 가질 수 있다.
이 실시예에서, 도펀트 도관(134)은 출구(190)를 통해 그리고 용융물(104)을 향해 도관(134) 밖으로 기체 도펀트를 운반하기 위해 불활성 가스 소스(144)와 유체 연통된다. 불활성 가스는 (예컨대, 인화성 인의 축적을 감소시키기 위해) 도펀트 도관(134)의 상부 및 도펀트 피드 시스템(130)의 다른 상류 컴포넌트들에서 승화된 도펀트의 역류를 감소 또는 제거할 수 있다. 불활성 가스(152)가 주어진 흐름 레이트(flow rate)로 불활성 가스 소스(144)로부터 도펀트 도관(134) 안으로 도입될 수 있어서, 불활성 가스(152)는 도관(134)의 출구(190)를 향해 아래로 흐른다. 예를 들어, 분당 약 10 노말 리터(normal-liters) 미만, 분당 약 5 노말 리터 미만, 또는 심지어 분당 약 2 노말 리터 미만의 불활성 가스 흐름 레이트들이 용융물 표면(146)으로의 기체 도펀트의 충분한 공급을 유지하는 동안 사용될 수 있다. 불활성 가스(152)는 아르곤일 수 있지만, 도펀트 피드 시스템(130)이 본 개시에서 설명되는 바와 같이 기능을 하는 것을 가능하게 하기 위해 임의의 다른 적합한 불활성 가스가 사용될 수 있다. 도관 챔버(164) 내의 불활성 가스의 흐름 레이트는 도펀트 도관(134)을 통한 도펀트의 역류를 방지하기 위해 도펀트의 승화 레이트에 적어도 부분적으로 기초하여 제어될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도펀트 도관(134)은 도관(134)에서 불활성 가스(152)의 흐름을 제한하는 흐름 제한기들을 포함하지 않으며 그리고/또는 도관(134)을 추가적인 챔버들 또는 리셉터클들로 분할하기 위해 파티션 부재(138)에 연결된 파티션들과 같은 수직 파티션들을 포함하지 않는다.
도펀트 도관(134)은 고체 도펀트(148)를 도펀트 도관(134) 안으로 피딩하도록 구성되는 도펀트 피딩 디바이스(140)에 연통하게 커플링될 수 있다. 도펀트 피딩 디바이스(140)는 자동화될 수 있거나 또는, 다른 실시예들에서와 같이, 수동으로 작동될 수 있거나, 또는 단지 부분적으로만 자동화될 수 있다. 피딩 디바이스(140)는 하나 이상의 사용자 정의 파라미터, 및/또는 환경 특정 파라미터들에 기초하여, 고체 도펀트(148)를 도펀트 도관(134) 안으로 자동으로 피딩하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 자동화된 피딩 디바이스(140)는, 하기 파라미터들, 즉, 성장 공정 동안의 사전설정 시간(들), 사용자 정의 간격(들), 도펀트 도관(134) 내의 고체 도펀트(148)의 질량, 도관 챔버(164) 내의 기체 도펀트의 농도, 및 기체 도펀트 및/또는 불활성 가스(152)의 체적 또는 질량 흐름 레이트 중 임의의 하나 이상에 기초하여 고체 도펀트(148)를 도펀트 도관(134) 안으로 피딩할 수 있다. 고체 도펀트(148)의 도관(134)으로의 연속적 및/또는 간헐적인 피딩은 결정 성장 공정 동안 성장 챔버(126) 내에 비교적 일정한 기체 도펀트 농도가 유지되는 것을 가능하게 하여 성장된 잉곳들에서 도펀트 농도 프로파일이 더 균일해지게 한다.
피딩 디바이스(140)는 피딩 디바이스(140)에 의해 도펀트 도관(134) 안으로 피딩되는 고체 도펀트(148)의 빈도 및/또는 양을 제어하도록 구성되는 제어기(182)에 커플링될 수 있다. 제어기(182)는 하나 이상의 사용자 정의 파라미터 및/또는 환경 특정 파라미터들에 기초하여 제어기(182) 및/또는 피딩 디바이스(140)에 대해 신호들을 전송하고 수신하도록 구성되는 프로세서(184)를 포함한다. 이 실시예에서, 제어기(182)는 프로세서(184)에 커플링되는 사용자 인터페이스(186)와, 프로세서(184)에 커플링되는 센서(188)를 포함한다. 사용자 인터페이스(186)는 사용자 정의 파라미터들을 수신하고, 사용자 정의 파라미터들을 프로세서(184) 및/또는 제어기(182)에 전달하도록 구성된다. 센서(188)는 환경 특정 파라미터들을 수신 및/또는 측정하고, 이러한 환경 특정 파라미터들을 프로세서(184) 및/또는 제어기(182)에 전달하도록 구성된다.
파티션 부재(138)는 도펀트 도관(134) 내에서 출구(190) 근처에 위치된다. 파티션 부재(138)는 고체 도펀트(148)를 유지하고 기화된 가스가 파티션 부재(138)를 통과하는 것을 허용하면서 열이 용융물(104)로부터 고체 도펀트(148)로 전달되어 도펀트를 기화하는 것을 허용하도록 구성된다. 파티션 부재(138)는 용융물(104)로부터의 복사열이 파티션 부재(138) 상으로 떨어지는 고체 도펀트(148)를 기화시키도록 용융물(104) 근처에 충분히 위치될 수 있다. 예를 들어, 파티션 부재(138)는 용융물 표면(146) 위 약 1 ㎜ 내지 약 15 ㎜에 위치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 도펀트 도관(134)의 출구(190)는 용융물 표면(146) 근처에 파티션 부재(138)를 위치시키도록 용융물(104) 내에 배치된다. 다른 실시예들에서, 별도의 가열 엘리먼트(도시되지 않음)가 내부의 도펀트(148)를 기화하기 위해 열을 공급하는데 사용될 수 있다.
일반적으로, 파티션 부재(138)는 파티션 부재(138)를 통과할 시 불활성 가스의 압력이 감소되도록 파티션 부재에서 가스 상류 및 하류에서의 압력 차이를 야기한다. 일부 실시예들에서, 불활성 가스의 압력은 그 가스가 파티션 부재(138)를 가로질러 통과할 때 적어도 약 5 mbar만큼 감소된다. 일부 사례들에서, 파티션 부재(138) 상에 놓인 고체 도펀트(148)는 파티션 부재(138)를 가로지르는 압력 차이에 기여한다. 이는 압력 차이가 도펀트 도관(134)에서 고체 도펀트(148)의 양에 상관되는 것을 허용한다. 도펀트가 존재하지 않을 때의 압력 차이는 교정을 위해 사용될 수 있다.
본 개시의 실시예들에 따라, 도핑된 잉곳이 위에서 설명된 잉곳 풀러 장치(100)의 일 실시예에 의해 준비될 수 있다. 다결정 실리콘이 도가니(102)에서 실리콘의 용융물을 형성하기 위해 가열 엘리먼트들(110)에 의해 용융된다. 고체 도펀트(148)는 입구(124)를 통해 도펀트 도관(134) 안으로 도입된다. 고체 도펀트(148)는 도관(134)을 통해 고체 도펀트(148)가 안착하는 파티션 부재(138)에 떨어진다. 파티션 부재(138) 상으로 적재된 고체 도펀트(148)는 고체 도펀트(148)가 승화하도록 (예컨대, 용융물(104)로부터의 복사열에 의해) 가열된다.
불활성 가스(152)는 도관 챔버(164) 안으로 도입되고 승화된 도펀트와 혼합되어 도핑된 불활성 가스(198)를 형성한다. 도핑된 불활성 가스(198)는 파티션 부재(138)를 통과하여 도펀트가 용융물 표면(146)과 접촉하고 용융물(104) 안으로 흡수되게 한다. 도핑된 잉곳이 도펀트를 내부에 갖는 실리콘 용융물로부터 풀링된다. 잉곳은 다결정 실리콘의 사전 적재 충전(예컨대, 배치 공정(batch process))으로 또는 연속 초크랄스키(Czochralski) 공정 또는 심지어 반연속 초크랄스키 공정으로 성장될 수 있다.
본 개시의 실시예들의 잉곳 풀러 장치는 이전의 잉곳 풀러들에 비해 여러 장점들을 갖는다. 도펀트 도관의 폭을 가로질러 연장되는 파티션 부재의 사용은 (예컨대, 승화 동안 배기 리셉터클(evacuation receptacle)로부터 점프함으로써) 도펀트 입자들이 용융물 안으로 떨어지는 일 없이 고체 도펀트가 비교적 활발히 승화하는 것을 허용한다. 이는 인과 같이 활발히 승화하는 경향이 있는 도펀트들에 대해 특히 유리하다. 파티션 부재는 또한 용융물로부터 복사열에 노출된 도펀트의 표면 과립들을 증가시켜, 잉곳 풀러 환경과의 더욱 효율적인 열 교환을 허용하여, 잉곳 용융물이 처음 도핑되는 시간을 줄여준다.
예들
본 개시의 공정들은 다음의 예들에 의해 추가로 예시된다. 이들 예들은 제한하는 의미로 보지 않아야 한다.
예 1: 도펀트 피드 시스템의 사용에 의한 안정성 및 반복성
단결정 실리콘 잉곳들이 상이한 양들의 인 도핑(저농도 도핑, 중간 농도 도핑, 고농도 도핑)으로 준비되었다. 실리콘 용융물은 파티션 부재가 내부에 있는 도펀트 도관을 갖는 도 1의 도펀트 피드 시스템에 의한 잉곳 성장 전에 도핑되었다. 도펀트 도관의 출구는 용융물의 표면으로부터 약 5 ㎜였다. 다수의 잉곳들의 시드 단부의 저항률의 분포의 상자 그림이 도 4에 도시된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 세 가지 도펀트 양들 모두에 대해, 시드 단부 저항률의 분포는 비교적 타이트하여 본 개시에서 설명되는 도펀트 피드 시스템의 사용에 의해 도핑의 양호한 안정성 및 반복성을 보여준다.
단결정 잉곳을 성장하기 위한 시도 횟수는 파티션 부재가 내부에 있는 도펀트 도관을 갖는 도 1의 도펀트 피드 시스템을 사용할 때 4%만큼 감소되었다. 이는 시드 단부에서의 반복성의 개선과 저항률의 더 나은 제어를 보여준다.
본 개시에서 사용되는 바와 같이, "약", "실질적으로", "본질적으로" 및 “대략적으로"라는 용어들은 치수들, 농도들, 온도들 또는 다른 물리적 또는 화학적 성질들 또는 특성들의 범위들과 연계하여 사용될 때 예를 들어, 반올림, 측정 수법 또는 다른 통계적 변동으로 인한 변동들을 포함하여 성질들 또는 특성들의 범위들의 상한 및/또는 하한에 존재할 수 있는 변동들을 포함하기 위한 것이다.
본 개시 또는 그 실시예(들)의 엘리먼트들을 도입할 때, "a", "an", "the"의 사용에 해당하는 표현과 "상기"는 하나 이상의 엘리먼트가 존재함을 의미하도록 의도된다. "포함하는", "구비하는", "담고 있는" 및 "갖는"이란 용어들은 열거된 엘리먼트들 외의 추가의 엘리먼트들이 있을 수 있음을 포함하고 의미하도록 의도된다. 특정 배향(예컨대, "상단", "하단", "측면" 등)을 나타내는 용어들의 사용은 설명의 편의를 위한 것이고 설명되는 항목의 임의의 특정 배향을 요구하지는 않는다.
다양한 변경들이 본 개시의 범위로부터 벗어남 없이 위의 구성들 및 방법들에서 이루어질 수 있으므로, 위의 설명에 포함되고 첨부 도면(들)에서 도시된 모든 사항들은 예시적인 것이지만 제한하는 의미는 아닌 것으로 해석되는 것으로 의도된다.

Claims (40)

  1. 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 잉곳 풀러 장치로서,
    실리콘의 용융물을 유지하기 위한 도가니;
    상기 용융물로부터 실리콘 잉곳을 풀링하기 위한 성장 챔버; 및
    도펀트를 상기 용융물 안으로 도입하기 위한 도펀트 도관
    을 포함하며,
    상기 도펀트 도관은,
    하나 이상의 측벽 ― 상기 하나 이상의 측벽은 도펀트가 통과하는 도관 챔버를 형성하며, 상기 도관 챔버는 폭을 가짐 ―;
    고체 도펀트가 상기 도펀트 도관 안으로 도입되는 입구;
    상기 도펀트 도관을 통해 기체 도펀트가 배출되는 출구; 및
    상기 입구와 상기 출구 사이에 배치되고 상기 입구를 통해 도입된 고체 도펀트를 지지하는 파티션 부재 ― 상기 파티션 부재는 상기 도관 챔버의 폭을 가로질러 연장됨 ―
    를 포함하는, 잉곳 풀러 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파티션 부재는 승화된 도펀트가 상기 파티션 부재를 통해 그리고 상기 용융물을 향하여 통과하는 것을 허용하는 다공성인, 잉곳 풀러 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 1 ㎜ 미만의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 잉곳 풀러 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 750 ㎛ 미만의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 잉곳 풀러 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 500 ㎛ 미만의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 잉곳 풀러 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 400 ㎛ 미만의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 잉곳 풀러 장치.
  7. 제2항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 1 ㎛ 내지 약 1 ㎜의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 잉곳 풀러 장치.
  8. 제2항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 10 ㎛ 내지 약 750 ㎛의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 잉곳 풀러 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도펀트 도관은 실린더형이고 상기 파티션 부재는 디스크인, 잉곳 풀러 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도펀트 도관은 단면이 계란형, 삼각형, 정사각형, 또는 직사각형인, 잉곳 풀러 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도펀트 도관은 길이방향 축을 가지며, 상기 도가니는 상기 도가니의 상단을 가로질러 연장되는 수평면을 가지며, 상기 도펀트 도관의 길이방향 축과 상기 수평면은 약 45도 내지 약 90도의 각도를 형성하는, 잉곳 풀러 장치.
  12. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도펀트 도관은 길이방향 축을 가지며, 상기 도가니는 상기 도가니의 상단을 가로질러 연장되는 수평면을 가지며, 상기 도펀트 도관의 길이방향 축과 상기 수평면은 약 45도 내지 약 75도의 각도를 형성하는, 잉곳 풀러 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 파티션 부재는 최고점 및 최저점을 통해 연장되는 지지 표면 평면을 정의하는 상기 길이방향 축을 기준으로 상기 최고점 및 최저점을 갖는 지지 표면을 가지며, 상기 도펀트 도관의 길이방향 축과 상기 지지 표면 평면은 약 45도 내지 약 90도의 예각을 형성하는, 잉곳 풀러 장치.
  14. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 파티션 부재는 최고점 및 최저점을 통해 연장되는 지지 표면 평면을 정의하는 상기 길이방향 축을 기준으로 상기 최고점 및 최저점을 갖는 지지 표면을 가지며, 상기 도펀트 도관의 길이방향 축과 상기 지지 표면 평면은 약 45도 내지 약 75도의 예각을 형성하는, 잉곳 풀러 장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 지지 표면은 상기 도가니의 상단을 가로질러 연장되는 수평면에 평행한, 잉곳 풀러 장치.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 표면은 상기 도펀트 도관의 출구에 평행한, 잉곳 풀러 장치.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파티션 부재는 석영으로 이루어지는, 잉곳 풀러 장치.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도펀트 도관은 승화된 도펀트와 혼합하여 도핑된 불활성 가스를 형성하기 위해 불활성 가스를 상기 도펀트 도관 안으로 도입하는 불활성 가스 소스와 유체 연통되며, 상기 도핑된 불활성 가스는 상기 도펀트 도관의 출구를 통해 배출되는, 잉곳 풀러 장치.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파티션 부재에 의해 지지되는 고체 도펀트와의 조합에서, 상기 고체 도펀트는 비소를 함유한(arsenic), 잉곳 풀러 장치.
  20. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파티션 부재에 의해 지지되는 고체 도펀트와의 조합에서, 상기 고체 도펀트는 인을 함유한(phosphorous), 잉곳 풀러 장치.
  21. 도핑된 잉곳을 준비하기 위한 방법으로서,
    도가니에 실리콘의 용융물을 준비하는 단계;
    도펀트 도관의 입구 안으로 고체 도펀트를 피딩하는 단계 ― 상기 도펀트 도관은 잉곳이 상기 용융물로부터 풀링되는 성장 챔버 안으로 연장되며, 상기 고체 도펀트는 상기 도펀트 도관에 의해 정의되는 도관 챔버를 통해 그리고 상기 도관 챔버의 폭을 가로질러 연장되는 상기 도펀트 도관 내에 배치된 파티션 부재 상으로 통과함 ―;
    상기 고체 도펀트를 승화시키기 위해 상기 파티션 부재에 의해 지지되는 고체 도펀트를 가열하는 단계;
    상기 도펀트 도관 안으로 불활성 가스를 도입하는 단계 ― 상기 불활성 가스는 승화된 도펀트와 혼합되며, 승화된 도펀트가 혼합된 상기 불활성 가스는 상기 파티션 부재를 통과하고 상기 도펀트 도관의 출구를 통해 배출되며, 상기 불활성 가스의 압력은 상기 파티션 부재를 통과 시 감소됨 ―;
    상기 불활성 가스로부터 상기 용융물 안으로 도펀트를 흡수시키기 위해 상기 용융물과, 승화된 도펀트가 혼합된 불활성 가스를 접촉시키는 단계; 및
    상기 실리콘의 용융물로부터 실리콘 잉곳을 풀링하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 도펀트는 인을 함유한, 방법.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 파티션 부재는 다공성이고 약 1 ㎜ 미만의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 방법.
  24. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 1 ㎜ 미만의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 방법.
  25. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 750 ㎛ 미만의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 방법.
  26. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 500 ㎛ 미만의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 방법.
  27. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 400 ㎛ 미만의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 방법.
  28. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 1 ㎛ 내지 약 1 ㎜의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 방법.
  29. 제21항 또는 제22항에 있어서, 상기 파티션 부재는 약 10 ㎛ 내지 약 750 ㎛의 명목 최대 공극 사이즈를 갖는, 방법.
  30. 제21항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파티션 부재는 상기 용융물의 표면에 평행한, 방법.
  31. 제21항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파티션 부재는 석영으로 이루어지는, 방법.
  32. 제21항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력은 상기 파티션 부재를 가로질러 적어도 약 5 mbar만큼 감소되는, 방법.
  33. 실리콘의 용융물을 유지하기 위한 도가니, 상기 용융물로부터 실리콘 잉곳을 풀링하기 위한 성장 챔버, 및 도펀트를 상기 용융물 안으로 도입하기 위한 도펀트 도관을 포함하는 잉곳 풀러 장치에서 도핑된 잉곳을 준비하기 위한 방법으로서 ― 상기 도펀트 도관은, 하나 이상의 측벽을 포함하며, 상기 하나 이상의 측벽은 도펀트가 통과하는 도관 챔버를 형성하며, 상기 도관 챔버는 폭을 가지며, 상기 도펀트 도관은 고체 도펀트가 상기 도펀트 도관 안으로 도입되는 입구, 상기 도펀트 도관을 통해 기체 도펀트가 배출되는 출구, 및 상기 입구와 상기 출구 사이에 배치되고 상기 입구를 통해 도입된 고체 도펀트를 지지하는 파티션 부재를 더 포함하며, 상기 파티션 부재는 상기 도관 챔버의 폭을 가로질러 연장됨 ―,
    상기 도가니에 실리콘의 용융물을 형성하는 단계;
    상기 파티션 부재 안으로 고체 도펀트를 적재하는 단계;
    상기 도관 챔버 안으로 불활성 가스를 도입하는 단계 ― 상기 불활성 가스는 도핑된 불활성 가스를 형성하기 위해 승화된 도펀트와 혼합함 ―;
    도펀트가 상기 용융물과 접촉하고 상기 용융물 안으로 들어가도록 하기 위해 상기 파티션 부재를 통해 상기 도핑된 불활성 가스를 통과시키는 단계; 및
    상기 실리콘의 용융물로부터 도핑된 잉곳을 풀링하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  34. 제33항에 있어서, 상기 도펀트 도관은 실린더형이고 상기 파티션 부재는 디스크인, 방법.
  35. 제33항에 있어서, 상기 도펀트 도관은 단면이 계란형, 삼각형, 정사각형, 또는 직사각형인, 방법.
  36. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도펀트 도관은 길이방향 축을 가지며, 상기 도가니는 상기 도가니의 상단을 가로질러 연장되는 수평면을 가지며, 상기 도펀트 도관의 길이방향 축과 상기 수평면은 약 45도 내지 약 90도의 각도를 형성하는, 방법.
  37. 제33항 내지 제35항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도펀트 도관은 길이방향 축을 가지며, 상기 도가니는 상기 도가니의 상단을 가로질러 연장되는 수평면을 가지며, 상기 도펀트 도관의 길이방향 축과 상기 수평면은 약 45도 내지 약 75도의 각도를 형성하는, 방법.
  38. 제36항 또는 제37항에 있어서, 상기 파티션 부재는 최고점 및 최저점을 통해 연장되는 지지 표면 평면을 정의하는 길이방향 축을 기준으로 상기 최고점 및 최저점을 갖는 지지 표면을 가지며, 상기 도펀트 도관의 길이방향 축과 상기 지지 표면 평면은 약 45도 내지 약 90도의 예각을 형성하는, 방법.
  39. 제36항 또는 제37항에 있어서, 상기 파티션 부재는 최고점 및 최저점을 통해 연장되는 지지 표면 평면을 정의하는 길이방향 축을 기준으로 상기 최고점 및 최저점을 갖는 지지 표면을 가지며, 상기 도펀트 도관의 길이방향 축과 상기 지지 표면 평면은 약 45도 내지 약 75도의 예각을 형성하는, 방법.
  40. 제33항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지 표면은 상기 용융물의 표면에 평행한, 방법.
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