KR101266643B1

KR101266643B1 - 단결정 성장 온도측정 시스템 및 단결정성장 온도제어방법

Info

Publication number: KR101266643B1
Application number: KR1020100106766A
Authority: KR
Inventors: 안성철; 나광하; 안윤하
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2013-05-22
Also published as: KR20120045307A

Abstract

실시예는 단결정 성장 온도측정 시스템 및 단결정성장 온도제어방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 단결정 성장 온도측정 시스템은 단결정 성장 챔버 상측에 구비되어 상기 단결정 성장 챔버 내의 멜트의 온도를 측정하는 제1 온도측정장치; 및 상기 단결정 성장 챔버 측면에 구비되어 상기 멜트의 온도를 측정하는 제2 온도측정장치;를 구비할 수 있다.

Description

단결정 성장 온도측정 시스템 및 단결정성장 온도제어방법{Temperature Detecting System and Temperature Control Method for Single Crystal Growing}

실시예는 단결정 성장 온도측정 시스템 및 단결정성장 온도제어방법에 관한 것이다.

반도체를 제조하기 위해서는 웨이퍼를 제조해야하고, 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 이를 위해 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.

반도체소자용 실리콘 단결정성장은 시드(Seed)를 실리콘 융액(Silicon Melt)에 디핑(Dipping)시키고, 네킹(necking)을 형성하면서 융액 위쪽으로 시드를 서서히 인상함으로써, 시드 아래쪽으로 실리콘 단결정 성장을 진행한다.

종래기술에 의하면 시드를 실리콘 융액에 디핑시 실리콘 융액 계면과 접촉할 시드의 열 충격을 최소화하고 이후 네킹 공정에서의 안정적인 열 조건을 형성하기 위해 굿딥(Good Dip)이란 공정 상태를 조성하게 된다.

굿딥(Good Dip)이란 네킹공정을 진행하기 적정한 융액의 온도상태로서, 만약, 융액의 온도가 높거나 낮을 경우 이후 공정에서 로스(Loss)가 발생할 확률이 높아지기 때문에 온도 조건을 일정하고 적절하게 유지하는 것이 중요하다. 이와 같이 융액 온도는 잉곳(Ingot)의 품질을 좌우하는 중요한 인자로서 정확하고 정밀한 제어가 요구된다.

종래기술에 의하면 실리콘 융액 온도는 2색 파이로미터(Two Color Pyrometer)를 이용하여 측정하고 있다. 2색 파이로미터는 단결정 성장장치의 챔버 상단에 위치하고, 한 포인트(one point)에 대한 온도만을 측정한다. 이렇게 측정된 값은 아날로그(analog) 값으로 제어장치로 전달되고 융액 온도를 제어하게 된다.

또한, 온도 측정값은 작업자가 수동으로 굿딥(Good Dip) 인지 판단하는 기준으로 사용된다.

그런데, 종래기술에 의하면 융액 표면의 온도 분포는 위치에 따라 매우 상이하게 나타난다. 하지만 하나의 포인트(Point)만을 측정하는 2색 파이로미터는 챔버 상단에서 장비마다 다른 융액 지점을 측정하고 있다. 그 결과 융액 표면 측정 온도가 부정확하고 장비간 오차가 발생하는 문제가 있다.

또한, 종래기술에 의하면 작업자는 2색 파이로미터에서 측정한 값을 기준하여 굿딥(Good Dip) 여부인지 판단을 수동(Manual)으로 판단하여 융액 온도를 제어하고 있다. 이는 작업자간 경험 및 숙련도 차이로 인해 공정 효율성 및 반복성이 떨어지는 문제가 있다. 이에 따라 종래기술에 의하면 작업자간 차이가 발생될 가능성이 있으며 실시간으로 작업자가 관측할 수 없으므로 작업 효율도 떨어질 수 있는 문제가 있다.

실시예는 융액(Melt) 온도제어의 정확도를 향상시킬 수 있는 단결정 성장 온도측정 시스템 및 단결정성장 온도제어방법을 제공하고자 한다.

또한, 실시예는 굿딥(Good Dip) 판단함에 있어 수동(Manual)으로 온도를 제어하던 것을 자동(Auto) 공정으로 진행될 수 있도록 할 수 있는 단결정 성장 온도측정 시스템 및 단결정성장 온도제어방법을 제공하고자 한다.

실시예에 따른 단결정 성장 온도측정 시스템은 단결정 성장 챔버 상측에 구비되어 상기 단결정 성장 챔버 내의 멜트의 온도를 측정하는 제1 온도측정장치; 및 상기 단결정 성장 챔버 측면에 구비되어 상기 멜트의 온도를 측정하는 제2 온도측정장치;를 구비할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 단결정성장 온도제어방법은 단결정 성장 챔버 상측에 구비된 제1 온도측정장치와, 상기 단결정 성장 챔버 측면에 구비된 제2 온도측정장치를 구비하며, 상기 제1, 제2 온도측정장치로부터 상기 단결정 성장 챔버 내의 멜트의 온도를 측정하여 단결정 성장 챔버의 온도를 제어할 수 있다.

실시예에 따른 단결정 성장 온도측정 시스템 및 단결정성장 온도제어방법에 의하면, 2색 파이로미터(Two Color Pyrometer)를 추가 장착하여 두 측정값의 비율을 이용한 Q값을 통해 융액(Melt) 상태를 정확히 판단함으로써 융액(Melt) 온도제어의 정확도를 향상시킬 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 작업자가 수동(Manual)으로 굿딥(Good Dip) 상태가 되도록 온도를 조정하던 것을 자동 온도측정 시스템를 이용하여 자동(Auto)으로 굿딥이 되도록 온도를 제어하고 검출할 수 있다. 이에 따라, 작업자 각각의 경험에 의존하는 수동(mannual) 공정 진행을 탈피하고, 장비를 통한 자동시스템 구축으로 단결정 성장공정의 판단 기준의 명확화 및 일정한 수준의 작업시간을 기대할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 단결정 성장 온도측정 시스템이 적용되는 단결정 성장장치 예시도.
도 2는 실시예에 따른 단결정 성장 온도측정 시스템의 구성 예시도.
도 3은 실시예에 따른 단결정성장 온도제어방법의 순서 예시도.

실시 예의 설명에 있어서, 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면 등이 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 "상" 또는 "아래"에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

(실시예)

도 1은 실시예에 따른 단결정 성장 온도측정 시스템이 적용되는 단결정 성장장치 예시도다.

실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 히터(130), 인상수단(150) 등을 포함할 수 있다.

예를 들어, 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 실리콘 융액을 수용하는 도가니(120)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(130) 및 종자결정(152)이 일단에 결합된 인상수단(150)을 포함할 수 있다.

상기 챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.

상기 챔버(110)의 내벽에는 히터(130)의 열이 상기 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 복사 단열체(140)가 설치될 수 있다.

상기 챔버(110)의 측면에는 뷰포트(view port)(115)가 구비될 수 있다.

실시예는 실리콘 단결정 성장 시의 산소 농도를 제어하기 위하여 석영 도가니(120)의 회전 내부의 압력 조건 등 다양한 인자들을 조절할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 산소 농도를 제어하기 위하여 실리콘 단결정 성장 장치의 챔버(110) 내부에 아르곤 가스 등을 주입하여 하부로 배출할 수 있다.

상기 도가니(120)는 실리콘 융액(SM)을 담을 수 있도록 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 석영 재질로 이루어질 수 있다. 상기 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 흑연으로 이루어지는 도가니 지지대(125)가 구비될 수 있다. 상기 도가니 지지대(125)는 회전축(127) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(127)은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 할 수 있다.

상기 히터(130)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 히터(130)는 도가니 지지대(125)를 에워싸는 원통형으로 이루어질 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들게 된다.

도 2는 실시예에 따른 단결정 성장 온도측정 시스템의 구성 예시도다.

실시예에 따른 단결정 성장 온도측정 시스템(200)은 단결정 성장 챔버버(110) 상측에 구비되어 상기 단결정 성장 챔버(110) 내의 멜트(SM)의 온도를 측정하는 제1 온도측정장치(210) 및 상기 단결정 성장 챔버(110) 측면에 구비되어 상기 멜트(SM)의 온도를 측정하는 제2 온도측정장치(220)를 구비할 수 있다.

상기 제1, 제2 온도측정장치(210, 220)는 적외선방사온도계를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 제2 온도측정장치(220)는 상기 챔버(110)의 뷰포트(View Port)(115)를 통해 융액(Melt)의 표면 온도를 측정할 수 있다.

또한, 상기 제2 온도측정장치(220)는 융액(Melt) 표면온도 측정 위치가 메니스커스(Meniscus) 바로 옆 지점이 될 수 있도록 온도측정 위치를 조정할 수 있다.

실시예에 의하면 제1 온도측정 장치(210)와 제2 온도측정 장치(220)로 부터 두개의 온도 데이터를 받는다. 그리고 두 데이터를 아래 수학식 1에 대입하여 특정한 값(Q)을 구한다.

S1은 상기 제1 온도측정장치(210)의 온도측정값, S2는 상기 제2 온도측정장치(220)의 온도 측정값, A와 B는 온도 측정 시 결정되는 상수(Constants)이다. A는 ADC(자동 직경 제어장치)에서의 융약(melt)의 온도로서 약 2000℃±200℃이며, B값은 ATC(자동 온도 제어장치)에서 측정되는 히터(Heater)의 온도 값이다.

실시예에서 상기 수학식 1은 제1, 제2 온도측정장치(210, 220)에서 측정된 값들의 비율을 이용하여 현재 융액(Melt) 상태를 파악하고 굿 딥(Good Dip) 여부를 판단할 수 있다.

실리콘 융액(Melt)은 대류를 하기 때문에 표면 온도가 계속 바뀌고 위치별로 온도가 매우 상이하다. 하지만 융액(Melt)의 두 지점에서 측정된 값의 비율을 통해 값을 구한다면 1개로 측정된 값보다 융액 변화에 따른 변동성이 적고 융액의 상태를 더욱 정확하게 파악할 수 있게 된다.

실시예에서 융액(Melt)에 변화가 생기면 두 측정값 S1, S2도 함께 비슷한 비율로 변화게 되므로 Q값은 융액(Melt) 상태에 따라 항시 특정 값을 유지하게 된다.

그러므로 융액(Melt) 상태가 안정적이고 굿 딥(Good Dip) 상태를 유지할 때의 Q값을 찾아 매 런(Run)마다 그 값에서 네킹(Necking)을 진행할 수 있다.

실시예에 의하면 테스트(Test) 및 데이터(Data) 수집 결과 Q값이 약 1,300 내지 약 2,000일때 굿 딥(Good Dip) 상태가 조성되고 네킹공정을 시작했을 때 풀 스트력쳐(Full Structure)로 단결정이 성장하였다. 한편, 핫 존(Hot Zone) 및 제품 그리고 장비에 따라 Q값은 변동될 수 있다.

도 3은 실시예에 따른 단결정성장 온도제어방법의 순서 예시도다.

실시예에 따른 단결정성장 온도제어방법을 도 3을 참조하여 설명한다.

우선, 시드(Seed)(152)를 융액(melt)(SM) 계면에 접촉시키는 디핑(dipping) 단계를 진행한다.

이후, 상기 제1, 제2 온도측정장치(210, 220)로부터 상기 디핑 진행되는 융액(melt)(SM)의 온도를 측정하여 제어부(230)에서 단결정 성장챔버의 온도를 제어하는 단계(S110)를 진행한다.

이후, 상기 제1, 제2 온도측정장치로(210, 220)부터 단결정 성장챔버 내의 멜트의 온도를 측정하여 상기 수학식 1에 의해 Q값을 측정하는 단계(S120)를 진행한다.

다음으로, 상기 Q값이 1300 내지 2000 범위에 있는지 판단하여(S130), 해당 범위 안에 Q 값이 있으면, 상기 Q값이 1300 내지 2000 범위에 10분 이상 유지되는지 여부를 판단하여(S140), 유지시간의 조건을 만족하면 네킹(necking) 공정을 시작한다(S160). 상기 유지시간의 조건은 융액의 안정화 상태가 최소한 10 이상 유지되야 최종 굿 딥(Good Dip) 상태로 판정할 수 있기 때문이다.

한편, Q값이나 유지시간의 조건을 만족시키지 못하는 경우(Good Dip이 아닌 경우)에는 히터 시스템을 제어(S150)하여 상기 융액의 온도를 올리거나 내리게 하면서 제1, 제2 온도측정장치(210, 220)로부터 온도 데이터를 수집하여 조건 만족 여부를 판단한다.

이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

단결정 성장 챔버 상측에 구비되어 상기 단결정 성장 챔버 내의 멜트의 온도를 측정하는 제1 온도측정장치; 및
상기 단결정 성장 챔버 측면에 구비되어 상기 멜트의 온도를 측정하는 제2 온도측정장치;를 구비하고,
상기 제1, 제2 온도측정장치로부터 상기 단결정 성장 챔버 내의 멜트의 온도를 측정하여 단결정 성장 챔버의 온도를 제어하며,
수학식 1에 의해 Q값을 측정하는 단결정 성장온도 측정장치.
수학식 1: Q = B/[A + ln(S1-S2) - ln(S1/S2)], 단, S1은 상기 제1 온도측정장치의 온도 측정값, S2는 상기 제2 온도측정장치의 온도 측정값, A: 온도 측정 시 결정되는 상수(Constants)로서, 자동 직경 제어 장치에서의 융액의 온도, B: 온도 측정 시 결정되는 상수로서, 자동 온도 제어장치에서 측정되는 히터의 온도값
제1 항에 있어서,
상기 제1, 제2 온도측정장치는 적외선방사온도계를 포함하는 단결정 성장온도 측정장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 Q값이 1300 내지 2000 범위에 있을 때, 네킹(necking) 공정을 시작하도록 제어하는 단결정 성장온도 측정장치.
단결정 성장 챔버 상측에 구비된 제1 온도측정장치와, 상기 단결정 성장 챔버 측면에 구비된 제2 온도측정장치를 구비하며,
상기 제1, 제2 온도측정장치로부터 상기 단결정 성장 챔버 내의 멜트의 온도를 측정하여 단결정 성장 챔버의 온도를 제어하는 단계를 포함하고,
상기 제1, 제2 온도측정장치로부터 단결정 성장 챔버 내의 멜트의 온도를 측정하여 단결정 성장 챔버의 온도를 제어하는 단계는, 수학식 1에 의해 Q값을 측정하는 단계를 포함하는 단결정 성장온도 제어방법.
수학식 1: Q = B/[A + ln(S1-S2) - ln(S1/S2)], 단, S1은 상기 제1 온도측정장치의 온도 측정값, S2는 상기 제2 온도측정장치의 온도 측정값, A: 온도 측정 시 결정되는 상수(Constants)로서, 자동 직경 제어 장치에서의 융액의 온도, B: 온도 측정 시 결정되는 상수로서, 자동 온도 제어장치에서 측정되는 히터의 온도값
삭제
제5 항에 있어서,
상기 Q값이 1300 내지 2000 범위에 있을 때, 네킹(necking) 공정을 시작하는 단결정 성장온도 제어방법.
제7 항에 있어서,
상기 Q값이 1300 내지 2000 범위에 10분 이상 유지될 때 네킹(necking) 공정을 시작하는 단결정 성장온도 제어방법.