KR101618481B1

KR101618481B1 - 단결정 실리콘의 제조 방법

Info

Publication number: KR101618481B1
Application number: KR1020147013317A
Authority: KR
Inventors: 히데오 가토; 신이치 규후; 마사미치 오쿠보
Original assignee: 실트로닉 아게
Priority date: 2011-12-26
Filing date: 2012-05-15
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2032-05-15
Also published as: SG11201403596PA; US20140326173A1; CN104024491B; EP2798101B1; JP2013133244A; WO2013097951A1; CN104024491A; KR20140084210A; EP2798101A1; JP5509189B2; US9611566B2

Abstract

과제: 동일한 도가니 중의 원료 융액으로부터 복수개의 단결정 실리콘을 인상(pulling up)하는 멀티 풀링법(multi-pulling method)을 이용하여 단결정 실리콘을 육성하는 경우에, 단결정 실리콘의 전위(dislocation)의 발생을 저감하는 것이 가능한 단결정 실리콘의 제조 방법을 제공한다.
해결 수단: 단결정 실리콘의 제조 방법은, 초크랄스키법(Czochralski method)에 의해 챔버 내에서 동일한 도가니(8) 중의 원료 융액(7)으로부터 복수개의 단결정 실리콘(1)을 인상하는 멀티 풀링법을 이용하는 단결정 실리콘(1)의 제조 방법으로서, 자기장에서 단결정 실리콘(1)을 육성하는 단계를 포함하며, 대구경(large-diameter) 도가니(8)의 내벽에 형성되는 바륨의 첨가량을 일정 범위 내로 제어하는 것인 제조 방법을 가리킨다.

Description

단결정 실리콘의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING SINGLE-CRYSTAL SILICON}

본 발명은 단결정 실리콘의 제조 방법, 및 특히 초크랄스키법(Czochralski method)으로 제조하는 단결정 실리콘의 제조 방법에 관한 것이다.

초크랄스키법은 단결정 실리콘의 제조에서 널리 이용되고 있다. 초크랄스키법에서는, 다결정 원료를 석영 도가니에 용융하고, 종결정(seed crystal)을 원료 융액에 접촉시키고 인상(pulling up)함으로써, 단결정 실리콘을 육성한다.

단결정 실리콘의 육성시에는, 단결정 실리콘의 전위(dislocation)가 발생하는 경우가 있다. 단결정 실리콘의 전위의 원인 중 하나로는, 석영 유리로 이루어진 도가니의 내표면에 석출된 크리스토발라이트가 실리콘 융액에 방출되고, 실리콘이 인상될 때 크리스토발라이트가 실리콘 잉곳(ingot)으로 인입된다는 것이 지적되고 있다.

일본 특허 공개 제9-110590호에는, 석영 도가니의 내표면에 바륨과 같은 알칼리 토금속을 함유하는 실투 촉진제를 부착시킴으로써 석영의 결정화를 촉진하고 크리스토발라이트의 방출을 방지하는 방법이 기재되어 있다.

일본 특허 공개 제2003-160393호에는, 석영 도가니의 내표면에 부착되는 실투 촉진제의 농도를 단결정 실리콘의 인상 도중의 온도가 높은 부분에서는 감소시키고, 상기 실투 촉진제의 농도를 상기 온도가 낮은 부분에서는 증가시킴으로써, 단결정 실리콘의 성장시의 전위의 발생을 저감하는 방법이 기재되어 있다.

근래, 단결정 실리콘은, 동일한 도가니 중의 원료 융액으로부터 복수개의 단결정 실리콘을 인상하는 멀티 풀링법(multi-pulling method)을 이용하여 제조되고 있다. 이 방법에 따르면, 원료 융액으로부터 단결정을 인상한 다음, 가열기를 끄지 않고 잔존하는 원료 융액에 다결정 원료를 추가 투입하고 융해한 후, 다음 단결정을 인상한다. 상기 원료 융액에 다결정 원료를 추가 투입하고 이 원료 융액에서 상기 다결정 원료를 융해한 후, 다음 단결정을 인상하는 단계들을 반복함으로써, 동일한 도가니를 이용하여 복수개의 단결정 실리콘을 인상한다.

전술한 멀티 풀링법을 이용하여 동일한 도가니에서 복수의 실리콘 단결정을 인상하는 경우, 작업에 오랜 시간이 걸리기 때문에 도가니도 고온에 장시간 노출된다. 멀티 풀링법에 의한 단결정 실리콘의 제조에, 바륨을 함유하는 실투 촉진제가 부착된 도가니를 이용하는 경우에도, 단결정 실리콘을 원료 융액으로부터 분리할 때에 전위가 발생하는 경우가 있다.

본 발명은 전술한 과제들을 감안하여 이루어진 것이며, 본 발명의 목적은, 동일한 도가니 중의 원료 융액으로부터 복수개의 단결정 실리콘을 인상하는 멀티 풀링법을 이용하여 단결정 실리콘을 육성하는 경우에, 단결정 실리콘의 전위의 발생을 저감하는 것이 가능한 단결정 실리콘의 제조 방법을 제공하는 것이다.

예의 연구의 결과, 본 발명의 발명자들은, 단결정 실리콘의 전위의 발생이 도가니의 내벽 표면에 첨가된 바륨의 양(투입량)의 영향을 받는 것을 발견하였다. 바륨의 첨가량(투입량)이 많은 경우에는, 단결정 실리콘의 전위의 발생률이 높다. 반면, 바륨의 첨가량(투입량)이 적은 경우에는, 단결정 실리콘의 전위의 발생률이 낮다. 바륨의 첨가량(투입량)이 일정량(투입량)보다 적어지는 경우에는, 단결정 실리콘의 전위의 발생률이 높아진다.

바륨의 첨가량(투입량)이 많은 경우에 단결정 실리콘의 전위의 발생률이 높은 원인은 다음과 같이 생각된다. 우선, 도가니의 표면에 부착된 실투 촉진제 등으로부터 바륨이 실리콘 융액으로 용융된다. 바륨이 용융된 실리콘 융액으로부터 단결정 실리콘을 일정 길이까지 인상한 후, 그 단결정 실리콘을 분리할 때에, 실리콘 융액으로 방출된 크리스토발라이트가 테일부(tail part)로부터 실리콘 융액으로 흘러 내리기 전에 실리콘이 고화되고, 크리스토발라이트가 불순물로서 실리콘에 인입된다. 결과적으로, 단결정 실리콘에 전위가 발생하고, 실리콘이 전위화된다.

반면, 바륨의 첨가량(투입량)이 극히 적을 경우, 단결정 실리콘의 전위의 발생률이 높다. 이의 원인 중 하나는 다음과 같이 생각된다. 바륨의 첨가량(투입량)이 적을 경우, 도가니의 내벽 상의 석영의 균일한 결정화가 이루어지지 않기 때문에, 크리스토발라이트가 실리콘 융액으로 방출되어 단결정 실리콘으로 인입된다.

도가니의 크기가 큰 경우, 단결정 실리콘의 육성 중의 도가니의 온도가 높다. 도가니의 높은 온도에 의해 결정화가 촉진된다. 따라서, 실리콘 융액에 용융되는 바륨의 양은 도가니의 크기에 따라 달라진다. 또한, 동일한 크기의 도가니에서도, 도가니에 자기장을 인가하여 단결정 실리콘을 인상하는 경우, 도가니에 자기장을 인가하지 않는 경우보다 단결정 실리콘의 성장 중의 도가니의 온도가 높다. 실리콘 융액에 자기장을 인가하면 실리콘 융액의 대류가 억제된다. 따라서, 실리콘 융액에 자기장을 인가하지 않았을 때와 유사하게 조건을 유지하기 위해서는, 도가니의 온도를 높여야 한다.

본 발명은 전술한 발견에 기초하여 이루어졌다. 본 발명에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법은, 초크랄스키법에 의해 챔버 내에서 동일한 도가니 중의 원료 융액으로부터 복수개의 단결정 실리콘을 인상하는 멀티 풀링법을 이용하는 단결정 실리콘의 제조 방법을 가리키는 것이며, 이 방법은 하기의 단계를 갖는다. 직경이 24 인치인 도가니에서 원료 융액을 제조한다. 원료 융액으로부터 단결정 실리콘을 인상한다. 원료 융액의 가열을 지속하면서, 잔존하는 원료 융액에 다결정 원료를 추가 투입하고 융해한다. 다결정 원료를 추가 투입하고 융해한 원료 융액으로부터 다음 단결정 실리콘을 인상한다. 다결정 원료를 추가 투입하고 융해하는 단계와 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계를 1회 이상 반복한다. 단결정 실리콘을 인상하는 단계, 및 1회 이상 반복되는 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계 중 하나 이상의 단계에서는, 자기장에서 단결정 실리콘을 육성한다. 도가니의 내벽에는 바륨을 함유하는 층이 형성되어 있으며, 바륨의 첨가량은 2.2×10¹⁴ atomsㆍcm^-2 이상, 1.1×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이하이다.

여기서 바륨의 첨가량은, 도가니의 내표면의 단위 면적당 첨가된 바륨의 양을 지칭한다. 바륨을 함유하는 층은 바륨 단독의 층이거나, 탄산바륨 또는 수산화바륨과 같은 바륨 화합물의 층일 수 있다. 또한, 바륨을 함유하는 층은 도가니의 표면에 바륨을 주입하여 얻는 바륨이 풍부한 층일 수 있다.

본 발명에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법은, 초크랄스키법에 의해 챔버 내에서 동일한 도가니 중의 원료 융액으로부터 복수개의 단결정 실리콘을 인상하는 멀티 풀링법을 이용하는 단결정 실리콘의 제조 방법을 가리키는 것이며, 이 방법은 하기의 단계를 갖는다. 직경이 32 인치인 도가니에서 원료 융액을 제조한다. 원료 융액으로부터 단결정 실리콘을 인상한다. 원료 융액의 가열을 지속하면서, 잔존하는 원료 융액에 다결정 원료를 추가 투입하고 융해한다. 다결정 원료를 추가 투입하고 융해한 원료 융액으로부터 다음 단결정 실리콘을 인상한다. 다결정 원료를 추가 투입하고 융해하는 단계와 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계를 1회 이상 반복한다. 단결정 실리콘을 인상하는 단계, 및 1회 이상 반복되는 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계 중 하나 이상의 단계에서는, 자기장에서 단결정 실리콘을 육성한다. 도가니의 내벽에는 바륨을 함유하는 층이 형성되어 있으며, 바륨의 첨가량은 5.4×10¹³ atomsㆍcm^-2 이상, 2.2×10¹⁴ atomsㆍcm^-2 이하이다.

본 발명에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법은, 초크랄스키법에 의해 챔버 내에서 동일한 도가니 중의 원료 융액으로부터 복수개의 단결정 실리콘을 인상하는 멀티 풀링법을 이용하는 단결정 실리콘의 제조 방법을 가리키는 것이며, 이 방법은 하기의 단계를 갖는다. 직경이 40 인치인 도가니에서 원료 융액을 제조한다. 원료 융액으로부터 단결정 실리콘을 인상한다. 원료 융액의 가열을 지속하면서, 잔존하는 원료 융액에 다결정 원료를 추가 투입하고 융해한다. 다결정 원료를 추가 투입하고 융해한 원료 융액으로부터 다음 단결정 실리콘을 인상한다. 다결정 원료를 추가 투입하고 융해하는 단계와 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계를 1회 이상 반복한다. 단결정 실리콘을 인상하는 단계, 및 1회 이상 반복되는 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계 중 하나 이상의 단계에서는, 자기장에서 단결정 실리콘을 육성한다. 도가니의 내벽에는 바륨을 함유하는 층이 형성되어 있으며, 바륨의 첨가량은 1.1×10¹³ atomsㆍcm^-2 이상, 5.4×10¹³ atomsㆍcm^-2 이하이다.

바람직하게는, 전술한 단결정 실리콘의 제조 방법에서, 단결정 실리콘을 인상하는 단계, 및 1회 이상 반복되는 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계 중 하나 이상의 단계는, 단결정 실리콘의 테일부의 형성의 적어도 일부를 생략하고 단결정 실리콘을 상기 원료 융액으로부터 분리하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법에서는, 동일한 도가니 중의 원료 융액으로부터 복수개의 단결정 실리콘을 인상하는 멀티 풀링법을 이용하여 단결정 실리콘을 육성하는 경우에, 단결정 실리콘의 전위의 발생을 저감할 수 있다.

도 1은 본 실시형태에 따른 단결정 실리콘 제조 장치를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 실시형태에 따른 단결정 실리콘 제조 장치의 작동 상태의 일례를 도시하는 개략도이다.
도 3은 본 실시형태에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법을 도시하는 흐름도(flowchart)이다.
도 4의 (a) ∼ (d)는 단결정 실리콘의 성장면의 형상 변화의 과정을 도시하는 설명도이다.
도 5는 자유 스팬(free span) 성공률과 바륨의 투입량 간의 관계를 도시한다.
도 6은 재용융 횟수와 인상된 실리콘 잉곳의 개수의 관계를 도시한다.
도 7은 도가니의 온도와 도가니의 크기의 관계와 더불어, 바륨의 투입량과 도가니의 크기의 관계를 도시한다.
도 8은 도가니의 온도와 자기장의 유무의 관계와 더불어, 바륨의 투입량과 자기장의 유무의 관계를 도시한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명할 것이며, 도면에서는 동일하거나 상응하는 부분을 동일한 참조 부호로 나타내고 그의 설명은 반복하지 않을 것이다.

먼저, 본 실시형태에 따른 단결정 실리콘을 제조하기 위한 제조 장치를 도 1을 참조하여 설명할 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 단결정 실리콘 제조 장치(10)는 주로, 챔버(2), 가열기(6), 도가니(8), 도가니 지지축(13), 인상 와이어(14) 및 자기장 발생 코일(18)을 갖는다. 챔버(2)의 내벽에는 단열재(3)가 제공되어 있다. 챔버(2)의 상부에는 아르곤(Ar)과 같은 불활성 기체가 도입되는 주입구(4)가 구비되고, 챔버(2)의 저부에는 챔버(2) 내의 기체가 배출되는 배출구(5)가 구비된다. 도가니(8)는 실리콘 융액(7)을 형성하기 위해 고형 실리콘 재료로 채워진다. 가열기(6)는 도가니(8)의 주변에 구비되어 상기 고형 실리콘 재료를 용융시킴으로써, 실리콘 융액(7)이 제조될 수 있다. 도가니 지지축(13)은, 도가니(8)의 하단부에서부터 챔버의 저부 방향으로 연장되어 있고, 도가니 지지축 구동 장치(12)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 도가니(8)는 도가니 지지축 구동 장치(12)에 의해 상하 이동될 수 있다. 인상 와이어(14)는 단결정 실리콘(1)을 인상하기 위한 것이며, 인상 와이어 구동 장치(15)에 의해 상하 이동될 수 있다. 도가니 지지축 구동 장치(12) 및 인상 와이어 구동 장치(15)는 제어 장치(19)에 의해 제어된다. 자기장 발생 코일(18)에 전류를 통과시킴으로써, 실리콘 융액에 자기장이 인가될 수 있다. 도가니(8)의 내벽에는 바륨을 함유하는 층이 형성되어 있다. 바륨을 함유하는 층은 바륨 단독의 층이거나 탄산바륨 또는 수산화바륨과 같은 바륨 화합물의 층일 수 있다.

다음으로, 본 실시형태에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법을 도 1 ∼ 도 3을 참조하여 설명할 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 따른 단결정 실리콘의 제조 방법은, 초크랄스키법에 의해 챔버 내에서 동일한 도가니 중의 원료 융액으로부터 복수개의 단결정 실리콘을 인상하는 멀티 풀링법을 이용하는 단결정 실리콘의 제조 방법을 가리키며, 주로, 실리콘 융액 제조 단계(S1), 단결정 실리콘 육성 단계(S2), 단결정 실리콘 분리 단계(S3), 다결정 원료 투입 단계(S4) 및 단결정 실리콘 육성 단계(S5)를 갖는다.

실리콘 융액 제조 단계(S1)에서, 도가니(8)를 고형 실리콘 재료로 채우고, 이를 가열기(6)로 가열하여 상기 고형 실리콘 재료를 융해한다. 도가니(8)는 직경이, 예를 들어 18 인치, 24 인치, 32 인치, 40 인치 등이다. 도가니(8)의 내벽에는 바륨을 함유하는 층이 형성되어 있다. 바륨의 첨가량(투입량)은 도가니(8)의 크기에 따라 달라진다.

도가니의 직경이 18 인치이고, 단결정 실리콘의 육성시에 자기장을 인가하지 않은 경우에 바륨의 첨가량은 1.4×10¹⁶ atomsㆍcm^-2 이상, 5.4×10¹⁶ atomsㆍcm^-2 이하이다. 도가니의 직경이 24 인치이고 단결정 실리콘의 육성시에 자기장을 인가하지 않은 경우에 바륨의 첨가량은 5.4×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이상, 2.7×10¹⁶ atomsㆍcm^-2 이하이다. 도가니의 직경이 32 인치이고 단결정 실리콘의 육성시에 자기장을 인가하지 않은 경우에 바륨의 첨가량은 1.4×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이상, 5.4×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이하이다.

후술하는 바와 같이, 도가니의 직경이 24 인치이고 자기장을 인가한 경우에 바륨의 첨가량은 2.2×10¹⁴ atomsㆍcm^-2 이상, 1.1×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이하이다. 도가니의 직경이 32 인치이고 자기장을 인가한 경우에 바륨의 첨가량은 5.4×10¹³ atomsㆍcm^-2 이상, 2.2×10¹⁴ atomsㆍcm^-2 이하이다. 도가니의 직경이 40 인치이고 자기장을 인가한 경우에 바륨의 첨가량은 1.1×10¹³ atomsㆍcm^-2 이상, 5.4×10¹³ atomsㆍcm^-2 이하이다.

단결정 실리콘 육성 단계(S2)에서는, 우선, 시드 척(seed chuck)(16)에 부착된 종결정(17)을 실리콘 융액(7)의 표면으로 강하시켜 실리콘 융액(7)에 침지시킨다. 그 후, 인상 와이어(14)를 인상 와이어 구동 장치(15)에 의해 감아올려 단결정 실리콘(1)을 인상한다. 단결정 실리콘(1)이 콘 부(cone part)(확장부)의 성장을 통해 목표 직경을 성취한 후, 직동부(直胴部)(11)를 소정의 길이를 갖도록 성장시킨다.

단결정 실리콘 분리 단계(S3)에서는, 우선, 직동부(11)를 소정의 길이를 갖도록 성장시킨 다음, 인상 와이어(14)의 감아올림을 정지시킨다. 그 후, 도가니(8)를 강하시켜 실리콘 융액(7)으로부터 단결정 실리콘(1)을 분리한다. 단결정 실리콘을 분리하는 방법으로 다양한 방법이 있으나, 수율 향상의 관점에서, 단결정 실리콘의 테일부를 가능한 짧게 하여 분리하는 것이 바람직하다. 짧은 테일부를 얻도록 단결정 실리콘을 분리하는 방법으로서 "자유 스팬법(테일 콘레스 법)"으로 불리우는 방법이 있다. 자유 스팬법에 따르면, 단결정 실리콘(1)의 인상시에 직동부의 길이가 소정의 길이에 도달하면, 도가니 지지축 구동 장치가 도가니(8)를 상승시키기 시작한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 도가니(8)의 상승 속도를 단결정 실리콘(1)의 상승 속도와 동일하게 설정하여, 단결정 실리콘(1)과 도가니(8)를 상승시킨다. 도가니(8)가 소정의 높이에 도달했을 때, 도가니 지지축 구동 장치(12)에 의한 도가니(8)의 감아올림과 인상 와이어(14)의 감아올림을 정지시킨다. 그 후, 도가니 지지축 구동 장치(12)가 도가니(8)를 하강시켜, 단결정 실리콘(1)을 실리콘 융액(7)으로부터 분리한다. 전술한 방법으로, 테일부의 형성을 최소화하면서 단결정 실리콘(1)을 분리할 수 있다. 테일부의 분리는 자유 스팬법 이외의 방법으로 행할 수도 있음을 주지하라.

다음으로, 다결정 원료 투입 단계(S4)가 실시된다. 다결정 원료 투입 단계에서는 단결정 실리콘(1)이 실리콘 융액(7)으로부터 분리된 후, 도가니(8)에 잔존하는 실리콘 융액(7)에, 도시하지 않은 투입구를 통해 다결정 원료를 추가 투입하고, 그 다결정 원료를 융해한다. 다결정 원료를 추가 투입할 때에는, 도가니(8)를 가열하는 가열기(6)를 끄지 않는다. 결과적으로, 도가니(8)의 가열을 지속하면서 다결정 원료가 도가니(8)에 투입된다.

다음으로, 단결정 실리콘 육성 단계(S5)가 실시된다. 이 단계에서는, 다결정 원료를 추가 투입하고 융해한 원료 융액(실리콘 융액(7))으로부터 다음 단결정 실리콘(1)을 인상한다. 직동부(11)가 소정의 길이에 도달하면, 단결정 실리콘(1)이 실리콘 융액(7)으로부터 분리된다.

단결정 실리콘 분리 단계, 다결정 원료를 추가 투입하고 융해하는 단계, 및 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계는 1회 이상 반복된다. 결과적으로, 복수개의 단결정 실리콘(1)이 인상될 수 있다. 복수개의 단결정 실리콘(1)을 인상하는 단계 중 하나 이상의 단계에서는, 자기장에서 단결정 실리콘을 육성한다. 바람직하게는, 복수개의 단결정 실리콘(1)을 인상하는 모든 단계가 자기장에서 실시된다. 복수개의 단결정 실리콘(1)을 인상하는 단계 중 하나 이상의 단계는, 단결정 실리콘(1)의 테일부의 형성의 적어도 일부를 생략하고 단결정 실리콘(1)을 원료 융액(실리콘 융액(7))으로부터 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 테일부의 형성의 적어도 일부의 생략은, 테일부를 부분적으로 형성한 후에 자유 스팬법에 의해 단결정 실리콘를 분리하는 경우도 포함한다.

도 4를 참조하여, 자유 스팬법에 의해 단결정 실리콘(1)이 분리되는 경우에서의, 단결정 실리콘(1)의 성장면(원료 융액과의 계면)의 형상 변화의 과정을 설명할 것이다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 직동부(11)의 육성시의 단결정 실리콘(1)의 성장면은 위쪽으로 볼록한 형상을 갖는다. 도가니(8)가 단결정 실리콘(1)의 인상 속도와 동일한 속도로 상승하기 시작하면, 단결정 실리콘(1)의 인상이 실질적으로 정지된다(도가니(8)와 단결정 실리콘(1)의, 상하 방향으로의 상대 운동이 정지됨). 따라서, 단결정 실리콘(1)의 성장면의 위쪽으로 볼록한 형상이 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 서서히 완화된다. 이 실질적인 정지 상태가 소정 시간 유지된 후, 단결정 실리콘(1)의 성장면의 형상이 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이 아래쪽으로 볼록한 형상으로 변화한다. 단결정 실리콘(1)의 성장면이 아래쪽으로 볼록한 형상인 상태로 단결정 실리콘(1)을 실리콘 융액(7)으로부터 분리함으로써, 실리콘 융액(7)의 발포를 최소화하면서 분리가 이루어진다(도 4의 (d)). 결과적으로, 단결정 실리콘(1)을 무전위 상태로 유지하고 테일의 길이를 최소화하면서 실리콘 융액(7)으로부터 단결정 실리콘(1)을 분리할 수 있다.

자유 스팬법에서는, 실리콘 융액(7)을 함유하는 도가니(8)를 육성시의 단결정 실리콘(1)의 인상 속도와 동일한 속도로 상승시킨다. 결과적으로, 단결정 실리콘(1)의 열 이력의 큰 변화 없이 단결정 실리콘(1)의 인상이 실질적으로 정지되고, 이 상태에서, 실리콘 융액(7)으로부터 단결정 실리콘(1)을 분리한다. 그 결과, 단결정 실리콘(1)의 하단면(즉, 실리콘 융액(7)과의 계면)은 아래쪽으로 볼록한 형상을 가질 수 있고, 단결정 실리콘을 무전위 상태로 유지하면서 단결정 실리콘을 실리콘 융액(7)으로부터 분리할 수 있다.

도 5를 참조하여, 단결정 실리콘(1)을 인상할 때의 자유 스팬 성공률과 18 인치의 도가니(8)의 내벽에 형성된 바륨의 첨가량(투입량) 간의 관계를 설명할 것이다. 도 5에 나타낸 데이터는 자기장의 인가 없이 측정한 결과로 얻은 것이다. 세로축은 자유 스팬 성공률을 나타내고, 가로축은 바륨 코팅의 농도를 나타낸다. 자유 스팬 성공률은 단결정 실리콘(1)의 인상 횟수와, 자유 스팬법에 의해 전위 없이 단결정 실리콘(1)을 인상한 횟수 간의 비율을 지칭한다. 이 데이터를 얻기 위해, 멀티 풀링법에 의한 5개의 단결정 실리콘(1)의 인상을 10회 실시한다. 바륨은, 도가니(8)의 내벽에 수산화바륨 수용액을 분무함으로써 첨가한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 바륨의 첨가량(투입량)이 1.4×10¹⁷ atomsㆍcm^-2 이상인 경우, 자유 스팬 성공률은 40% 이하이다. 반면, 바륨의 첨가량(투입량)이 5.4×10¹⁶ atomsㆍcm^-2 이하인 경우, 자유 스팬 성공률이 대략 90% 이상이다. 바륨의 첨가량(투입량)이 많을 때에 자유 스팬 성공률이 낮은 원인 중 하나는 다음과 같이 생각된다. 바륨이 실리콘 융액(7)에 용해되고, 단결정 실리콘(1)을 인상할 때 실리콘에 인입됨으로써, 실리콘을 전위시킨다.

도 6을 참조하여, 재용융 횟수와 인상된 실리콘 잉곳의 개수 간의 관계를 설명할 것이다. 도 6에 나타낸 데이터는 자기장의 인가 없이 측정한 결과로 얻은 것이다. 세로축은 재용융 횟수를 나타내고, 가로축은 인상된 잉곳의 개수를 나타낸다. 백색 원으로 표시한 데이터는 바륨 코팅의 농도(투입량)가 2.7×10¹⁷ atoms/cm²인 경우의 데이터이다. 백색 삼각형으로 표시한 데이터는 바륨 코팅의 농도(투입량)가 1.4×10¹⁷ atoms/cm²인 경우의 데이터이다. 백색 사각형으로 표시한 데이터는 바륨 코팅의 농도(투입량)가 5.4×10¹⁶ atoms/cm²인 경우의 데이터이다. 흑색 원으로 표시한 데이터는 바륨 코팅의 농도(투입량)가 1.4×10¹⁶ atoms/cm²인 경우의 데이터이다. 흑색 사각형으로 표시한 데이터는 바륨 코팅의 농도(투입량)가 5.4×10¹⁵ atoms/cm²인 경우의 데이터이다. 단결정 실리콘(1)의 인상 중에 단결정 실리콘(1)이 전위된 경우, 전위된 단결정 실리콘(1)을 강하시켜 실리콘 융액(7)에 다시 용융시킨다. 그 후, 단결정 실리콘(1)의 인상을 재시작한다. 재용융 횟수는, 단결정 실리콘(1)이 전위될 때 단결정 실리콘(1)을 실리콘 융액(7)에 재용융시키는 평균 횟수를 가리킨다. 인상된 잉곳의 개수는, 멀티 풀링법을 이용하여 복수개의 단결정 실리콘(1)을 인상하는 경우에 인상된 잉곳의 개수를 가리킨다.

도 6을 참조하면, 바륨의 첨가량(투입량)이 1.4×10¹⁶ atomsㆍcm^-2 이상인 경우는, 인상된 잉곳의 개수가 5개일 때에도 재용융 횟수가 거의 변화하지 않은 채로 남아있다. 그러나, 바륨의 첨가량(투입량)이 5.4×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이하인 경우는, 인상된 잉곳의 개수가 증가하는 만큼 재용융 횟수가 증가한다. 재용융 횟수가 증가함에 따라 작업 시간이 길어져, 생산성이 극히 낮아진다. 또한, 도가니(8)에 장시간 열부하가 걸리기 때문에, 도가니(8)가 파열될 수 있다. 따라서, 생산성과 도가니(8)에 대한 열부하를 고려하면, 바륨의 첨가량은 1.4×10¹⁶ atomsㆍcm^-2 이상인 것이 바람직하다.

도 7을 참조하여, 도가니(8)의 온도와 도가니(8)의 크기의 관계와 더불어, 바륨의 투입량과 도가니(8)의 크기의 관계를 설명할 것이다. 도 7에 나타낸 데이터는 자기장의 인가 없이 측정한 결과로 얻은 것이다. 좌측의 세로축은 도가니(8)의 온도를 나타내고, 우측의 세로축은 바륨의 투입량을 나타낸다. 가로축은 도가니(8)의 직경을 나타낸다. 크기가 큰 도가니(8)를 사용하는 경우, 도가니(8) 중의 실리콘 융액(7)의 상태를 크기가 작은 도가니(8)를 사용할 때와 유사한 조건으로 유지하기 위해, 도가니(8)의 온도를 높여야 한다. 도가니(8)의 높은 온도에 의해, 도가니(8)의 내벽에 부착된 바륨의 결정화가 촉진된다. 바륨의 결정화가 촉진되면, 실리콘 융액(7)에 용해되는 바륨의 양이 감소한다. 따라서, 도가니(8)의 크기에 따라, 최적의 바륨 첨가량(투입량)이 달라진다. 일반적으로, 도가니(8)의 온도의 변화량은 최적의 바륨 첨가량(투입량)의 변화율에 반비례한다. 예를 들어, 도가니(8)의 온도가 20℃ 상승하는 경우, 바륨의 첨가량(투입량)은 10배로 감소해야 한다. 도가니(8)의 온도가 50℃ 상승하는 경우, 바륨의 첨가량(투입량)은 25배로 감소해야 한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 도가니(8)의 직경이 18 인치에서 32 인치로 변경되면, 단결정 실리콘(1)의 인상시 도가니(8)의 온도는 1430℃(18 인치)에서 1450℃(32 인치)로 변화되어야 한다. 도가니(8)의 온도가 20℃ 상승하는 경우, 바륨의 첨가량(투입량)은 10배로 감소해야 한다. 도가니(8)의 직경이 18 인치인 경우에 최적의 바륨 첨가량은 1.4×10¹⁶ atomsㆍcm^-2 이상, 5.4×10¹⁶ atomsㆍcm^-2 이하이다. 따라서, 도가니(8)의 직경이 32 인치인 경우에 최적의 바륨 첨가량은 1.4×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이상, 5.4×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이하이다. 마찬가지로, 도가니(8)의 직경이 24 인치인 경우에 최적의 바륨 첨가량은 5.4×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이상, 2.7×10¹⁶ atomsㆍcm^-2 이하이다.

도 8을 참조하여, 도가니(8)의 온도와 자기장의 유무의 관계와 더불어, 바륨의 투입량과 자기장의 유무의 관계를 설명할 것이다. 도가니(8)의 크기는 32 인치이다. 좌측의 세로축은 도가니(8)의 온도를 나타내고, 우측의 세로축은 바륨의 투입량을 나타낸다. 가로축은 자기장의 유무를 나타낸다. 도 8에 도시된 바와 같이, 동일한 크기의 도가니(8)에서도, 도가니(8)에 자기장을 인가하여 단결정 실리콘을 인가하는 경우에는, 도가니(8)에 자기장을 인가하지 않는 경우에 비해 단결정 실리콘(1)의 성장 중의 도가니(8)의 온도를 높게 해야 한다. 실리콘 융액(7)에 자기장을 인가하면 실리콘 융액(7)의 대류가 억제된다. 따라서, 실리콘 융액(7)에 자기장을 인가하지 않은 경우와 유사하게 조건을 유지하기 위해, 도가니(8)의 온도를 상승시켜야 한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 자기장이 없을 때의 도가니의 온도는 1450℃이나, 자기장이 있을 때의 도가니(8)의 온도는 1500℃이어야 한다.

도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, 도가니(8)의 온도가 높아지면 최적의 바륨 첨가량(투입량)이 감소해야 한다. 자기장을 인가하는 경우, 도가니(8)의 온도가 50℃ 상승하기 때문에, 바륨의 첨가량(투입량)이 25배로 감소되어야 한다. 따라서, 도가니(8)의 직경이 24 인치이고 자기장을 인가한 경우에 최적의 바륨 첨가량은 2.2×10¹⁴ atomsㆍcm^-2 이상, 1.1×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이하이다. 도가니(8)의 직경이 32 인치이고 자기장을 인가한 경우에 최적의 바륨 첨가량은 5.4×10¹³ atomsㆍcm^-2 이상, 2.2×10¹⁴ atomsㆍcm^-2 이하이다. 도가니(8)의 직경이 40 인치이고 자기장을 인가한 경우에 최적의 바륨 첨가량은 1.1×10¹³ atomsㆍcm^-2 이상, 5.4×10¹³ atomsㆍcm^-2 이하이다.

첨가되는 바륨의 투입량은, 도가니(8)의 내표면에 표면적 1 제곱 센티미터당 부착 또는 함유되는 바륨의 양을 가리키며, 이는 원자수로 나타낸다.

다음으로, 바륨을 함유하는 층을 도가니(8)의 내표면에 형성하는 방법을 설명할 것이다.

우선, 바륨을 함유하는 층(실투 촉진제)으로서, 예를 들어 수산화바륨 수용액을 준비한다. 그 다음, 200℃ ∼ 300℃로 가열된 석영 도가니(8)에 수산화바륨 수용액을 분무한다. 수산화바륨 수용액은, 도가니(8)를 회전시키면서 분무법을 이용하여 도포한다. 바륨을 함유하는 층의 부착량은 분무 시간 등에 의해 조절할 수 있다.

바륨을 함유하는 층은, 도가니(8)의 내표면에 균일한 첨가량으로 형성되거나, 도가니(8)의 내표면 상의 위치에 따라 상이한 첨가량으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 도가니(8)의 저부에는 다량의 바륨이 첨가될 수 있고, 도가니(8)의 측벽부와 저부에는 소량의 바륨이 첨가될 수 있다.

본원에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적이지 않은 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기의 실시형태보다는 특허청구범위에 의해 규정되며, 특허청구범위의 항목과 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변형을 포함하도록 의도한 것이다.

Claims

초크랄스키법(Czochralski method)에 의해 챔버 내에서 동일한 도가니 중의 원료 융액으로부터 복수개의 단결정 실리콘을 인상(pulling up)하는 멀티 풀링법(multi-pulling method)을 이용하는 단결정 실리콘의 제조 방법으로서,
상기 도가니에서 상기 원료 융액을 제조하는 단계로서, 여기서 도가니는 직경이 24 인치, 32 인치 또는 40 인치이고, 도가니의 내벽에 바륨을 함유하는 층이 형성되어 있으며, 상기 바륨의 양은 도가니의 직경이 24 인치인 경우 2.2×10¹⁴ atomsㆍcm^-2 이상, 1.1×10¹⁵ atomsㆍcm^-2 이하이고, 도가니의 직경이 32 인치인 경우 5.4×10¹³ atomsㆍcm^-2 이상, 2.2×10¹⁴ atomsㆍcm^-2 이하이며, 또는 도가니의 직경이 40 인치인 경우 1.1×10¹³ atomsㆍcm^-2 이상, 5.4×10¹³ atomsㆍcm^-2 이하인 단계;
상기 원료 융액으로부터 단결정 실리콘을 인상하는 단계;
상기 원료 융액의 가열을 지속하면서, 단결정 실리콘을 인상한 후에 잔존하는 상기 원료 융액에 다결정 원료를 추가 투입하고 상기 원료 융액에서 다결정 원료를 융해하는 단계; 및
상기 다결정 원료를 추가 투입하고 융해시킨 상기 원료 융액으로부터 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계
를 포함하며,
상기 다결정 원료를 추가 투입하고 융해시키는 단계와 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계는 1회 이상 반복되고,
상기 단결정 실리콘을 인상하는 단계, 및 1회 이상 반복되는 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계 중 하나 이상의 단계에서는 자기장에서 상기 단결정 실리콘이 육성되는 것인, 단결정 실리콘의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 단결정 실리콘을 인상하는 단계, 및 1회 이상 반복되는 다음 단결정 실리콘을 인상하는 단계 중 하나 이상의 단계가, 단결정 실리콘의 테일부(tail part)의 형성의 적어도 일부를 생략하고 단결정 실리콘을 상기 원료 융액으로부터 분리하는 단계를 포함하는 것인, 단결정 실리콘의 제조 방법.