KR101275377B1

KR101275377B1 - 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치

Info

Publication number: KR101275377B1
Application number: KR1020100018545A
Authority: KR
Inventors: 김윤구; 왕학의
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2013-06-14
Also published as: KR20110099488A

Abstract

실시예는 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템은 챔버에 구비된 레이저 변위 측정센서를 포함하여 잉곳 성장속도 또는 잉곳의 길이를 직접 측정할 수 있다.

Description

잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치{A controlling system of Ingot Growing and an Ingot Grower including the same}

실시예는 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치에 관한 것이다.

웨이퍼의 제조를 위해서는 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시킨다.

웨이퍼의 품질은 실리콘 잉곳의 품질에 직접적인 영향을 받으므로 단결정 잉곳을 성장시킬 때부터 고도의 공정제어 기술이 필요하게 된다.

실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때 Czochralski 결정 성장 방식을 주로 사용하는데, 이 방식을 사용하여 성장된 단결정의 품질에 가장 직접적인 영향을 미치는 중요한 인자는 결정의 성장속도(V)와 고액계면에서의 온도구배(G)의 비인 V/G로 알려져 있으며, 따라서 V/G를 결정성장의 전구간에 걸쳐 설정된 목표 궤적 값으로 제어하는 것이 중요하다.

한편, 종래의 잉곳 성장장치에서 인상속도가 목표 설정값을 따라가게 해주는 역할은 AGC(Automatic Growth Control)가 맡고 있다.

AGC는 현재의 인상속도 정보를 입력받아 설정된 인상속도 목표치와 비교하여 적절한 제어 로직에 의하여 피드백 제어동작을 내보내며 이 신호는 피드포워드 제어기 역할을 하는 목표온도 궤적 신호와 합쳐져서 ATC(Automatic Temperature Control)로 가는 설정점 값을 조절해 줌으로써 설정된 목표궤적을 쫓아갈 수 있도록 한다. 동시에 인상속도는 잉곳의 직경을 제어하는 ADC(Automatic Diameter Control)의 조작변수로서 할당되어 있기 때문에 ADC 제어 동작에 의하여 단주기적 변동을 보이면서 장주기적으로는 AGC 의 동작에 의하여 조정되게 된다.

결국, 이러한 인상속도가 결정 성장 전과정에 걸쳐서 얼마나 근접하게 설정된 목표궤적을 잘 따라갈 수 있느냐 하는 것은 AGC의 제어성능과 직접적으로 연관되어 있으며, 특히 잉곳의 인상속도를 정확히 파악하는 것이 매우 중요하다.

한편, 종래기술에 의하면 잉곳 인상속도와 잉곳의 길이를 측정하기 위해서 인코더(Encoder)를 이용하여 새프트(Shaft) 회전각도를 검출하는 방식에 의한 간접 측정방법으로 인상속도 및 잉곳의 길이를 측정하고 있다.

그런데, 종래기술에 의하면 잉곳 인상속도와 잉곳의 길이를 간접측정 방식에 의해 측정함에 따라 챔버 온도 및 잉곳 부하에 의해 시드 케이블(Seed Cable)이 늘어남에 따른 잉곳 인상속도 및 잉곳의 길이의 오차가 발생하는 문제가 있다.

이러한, 잉곳 인상속도와 잉곳의 길이 측정의 오차는 잉곳 및 웨이퍼의 품질 변동의 중요 인자로 작용하고 있으며, 생산성에도 악영향을 끼치고 있다.

특히, 잉곳의 인상속도 제어는 공정이 대구경-무결점화 될수록 더욱 중요해 지는데 인상속도가 결정 성장 전 과정을 통하여 주어진 목표궤적을 정확하게 따라갈 수 있느냐 하는 것이 대구경-무결점 결정 생산공정에서의 제품 품질에 중요한 관건이 된다.

또한, 종래기술에서는 잉곳 생산하기 직전의 목표(Target) 길이 대비 실제(Actual)길이를 비교해 보고, 오차가 크게 발생하였을 경우 제어부(PLC)의 팩터(Factor)를 수정하는 방식이어서, 허용오차범위의 팩터(Factor)값을 찾기 위해서 시행착오를 겪고 있다.

실시예는 잉곳의 성장 과정 중에 잉곳의 성장 속도 및 잉곳의 길이를 정밀하게 측정 및 제어할 수 있는 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치를 제공하고자 한다.

실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템은 챔버에 구비된 레이저 변위 측정센서를 포함하여 잉곳 성장속도 또는 잉곳의 길이를 직접 측정할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 잉곳 성장장치는 도가니를 포함하는 챔버; 시드가 장착되는 시드척을 포함하며, 상기 도가니에서 성장하는 잉곳을 인상하는 인상수단; 상기 챔버에 구비된 레이저 변위 측정센서를 포함하여 잉곳 성장속도 또는 잉곳의 길이를 직접 측정할 수 있는 곳 성장 제어시스템;을 포함할 수 있다.

실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치에 의하면, 레이저 변위센서를 이용하여 잉곳 인상속도와 잉곳 길이를 직접 측정하여 오차를 최소화할 수 있고, 이에 따라 제품의 품질을 높일 수 있다.

또한, 실시예에 의하면 레이저 변위센서를 이용함에 따라 하여 시드 인상속도에 대한 피드백(Feedback) 제어가 가능하다.

또한, 실시예에 의하면 잉곳 인상속도와 잉곳 길이에 대한 직접적인 측정 데이터를 사용하기 때문에 제어부(PLC) 팩터(Factor)값을 찾기 위한 시행착오를 겪을 필요가 없으며, 잉곳 길이를 직접 측정하여 오차를 줄일 수 있어 생산성을 높일 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 잉곳 성장장치의 단면도.
도 2는 실시예에 따른 잉곳 성장장치의 부분 확대도.
도 3은 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템의 개념 예시도.

이하, 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치를 설명한다.

실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.

(실시예)

도 1은 실시예에 따른 잉곳 성장장치의 단면도이다.

실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치(1000)는, 내부에 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(110)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 원재료에 해당하는 실리콘 융액이 수용되기 위한 도가니(122)와, 상기 도가니(122)를 가열하기 위한 히터(130)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장을 위한 시드(S)를 고정하기 위한 시드척(152)과, 상기 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 상방으로 인상시키기 위한 인상수단(150)을 포함한다.

상기 챔버(110)는 잉곳(IG)이 성장되는 성장 챔버(Growing Chamber)(112)와 잉곳(IG)이 인상되는 풀 챔버(Pulling Chamber)(124)를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는, 상기 도가니(122)를 지지하고 회전 및 상승시키기 위한 지지수단(150)을 포함할 수 있다.

상기 챔버(110)는 전체적으로 내부가 빈 원통 형상일 수 있고, 상기 챔버(110)의 중앙부에 상기 도가니(122)가 위치된다. 상기 도가니(122)는, 상기 실리콘 융액이 수용될 수 있도록 전체적으로 오목한 그릇의 형상일 수 있고, 석영으로 형성될 수 있다. 실시예는 상기 도가니(122)의 외면을 둘러싸면서 도가니(122)를 지지하는 흑연 도가니(124)를 포함할 수 있다.

상기 도가니(122)의 측방에는 상기 도가니(122)를 향하여 열을 방출하기 위한 히터(130)가 위치된다.

실시예는 상기 히터(130)와 상기 성장 챔버(110) 내벽 사이에 구비되는 단열부(140)를 구비할 수 있다.

상기 시드척(152)의 하단에는 시드(S)가 고정되고, 상기 단결정 잉곳(IG)은 상기 시드(S)로부터 연속적으로 성장한다. 상기 시드척(152)이 상기 케이블(153)에 의하여 상방으로 인상됨으로써, 상기 시드(S) 및 단결정 잉곳(IG)이 함께 상방으로 인상될 수 있다.

더욱 상세히, 상기 시드척(152)은, 시드케이블(153)이 고정되기 위한 상부 시드척(미도시)과 상기 시드(S)가 고정되기 위한 하부 시드척(미도시)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 하부 시드척의 상면에는 상기 상부 시드척이 수용되기 위한 결합홈(미도시)이 형성되고, 상기 상부 시드척의 하단에는 상기 결합홈에 수용되기 위한 결합부(미도시)가 형성될 수 있다.

그리고, 상기 인상수단(150)은, 상기 시드척(152)에 연결되는 시드케이블(153)과, 상기 단결정 잉곳(IG)이 인상되기 위한 동력을 제공하는 구동모터(154)를 포함한다. 상기 구동모터(154)에 의하여 상기 시드케이블(153)이 당겨짐으로써, 상기 시드척(152), 시드(S) 및 단결정 잉곳(IG)이 함께 상방으로 인상될 수 있다.

또한, 상기 지지수단(150)은, 상기 도가니(122)를 지지하는 지지부와, 상기 도가니(122)를 회전 및 승강시키기 위한 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함한다. 상기 지지부는 상기 도가니(122)의 하방에서 상기 도가니(122)의 저면을 지지하고, 상기 구동모터는 상기 지지부를 회전 및 승강시킴으로써 상기 도가니(122)가 회전 및 승강 되도록 한다.

이를 위해, 실시예에 따른 잉곳 성장장치(1000)는 도가니(122)를 포함하는 챔버(110)와, 시드(S)가 장착되는 시드척(152)을 포함하며, 상기 도가니(122)에서 성장하는 잉곳(IG)을 인상하는 인상수단(150) 및 잉곳 성장 제어시스템을 포함할 수 있다.

도 2는 실시예에 따른 잉곳 성장장치의 부분(A) 확대도이다.

실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치는 챔버(110)에 구비된 레이저 변위 측정센서(160)를 포함하여 잉곳 성장속도 또는 잉곳의 길이를 직접 측정할 수 있다.

예를 들어, 도 1과 같이 제1 시점(t1)에서 챔버(110)에 구비된 레이저 변위 측정센서(160)를 이용하여 시드척(152)과 레이저 변위 측정센서(160)와의 제1 거리(D1)를 측정하고, 제2 시점(t2)에서 시드척(152)과 레이저 변위 측정센서(160)와의 제2 거리(D2)를 측정함으로써 소정의 시간(t3=t2-t1) 동안 성장된 잉곳(IG)의 실제길이(D3=D1-D2)를 직접 측정할 수 있고, 이를 통해 잉곳 성장속도(V=D3/t3)를 직접 정밀하게 측정할 수 있게 된다.

실시예에 의하면 시드 인상속도와 잉곳 길이를 직접 측정함에 따라 시드 케이블(seed cable)(153) 길이가 늘어나서 발생하는 오차와 감속기구의 오차를 고려하지 않아도 됨으로써 시드 인상속도의 피드백(Feedback) 제어가 가능하다.

실시예에서 상기 레이저 변위 측정센서(160)는 레이저 다이오드 등을 이용하여 빛을 발광할 수 있으며, 빛은 적외선(IR) 또는 레드(red)일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예는 레이저 변위 측정센서(160)를 통해 잉곳 인상속도와 잉곳 길이를 직접 측정할 수 있고, 측정 오차를 약 ±3mm 이하로 제어할 수 있으므로 제품의 품질을 높일 수 있다.

상기 레이저 변위 측정센서(160)는 상기 챔버(110)의 외부 또는 내부, 또는 상기 챔버(110) 외벽 표면 중 어느 한 곳 이상에 설치될 수 있다. 예를 들어, 도 1에서는 상기 레이저 변위 측정센서(160)가 상기 풀 챔버(114)에 설치된 것으로 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예에서 상기 레이저 변위 측정센서(160)는 시드(seed)가 장착되는 시드척(152)의 상면 외주와의 거리를 측정을 통해 상기 잉곳 성장속도 또는 상기 잉곳의 길이를 직접 측정할 수 있다.

예를 들어, 상기 시드척(152)은 상부 표면에 형성된 반사금속층(152a)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시드 케이블(153)이 연결되는 상부 시드척(Weight)은 레이저(Laser)가 반사되는 부분을 고려하여 디자인 변경을 통해 측면으로 일부 확장될 수 있고, 변경된 디자인 부분은 레이저 반사재질을 사용하되 생산에 피해를 끼치지 않는 재질을 사용할 수 있다.

예를 들어, 실시예는 반사금속층(152a)으로 서스(SUS) 또는 실리콘 웨이퍼를 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 반사금속층(152a)으로 실리콘 웨이퍼를 사용하는 경우 잉곳(IG)과 같은 재질이므로 공정 오염의 우려가 없는 장점이 있고, 폴리싱(Polishing)된 웨이퍼의 경우 평탄도가 우수하여 반사도가 우수한 장점이 있다.

한편, 실시예에 의하면 시드척(152)의 측면에 돌출부(미도시)가 형성되고, 상기 레이저 변위 측정센서(160)는 상기 돌출부와의 거리를 측정을 통해 잉곳 성장속도 또는 잉곳의 길이를 직접 측정할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 시드척의 상부 시드척 또는 하부 시드척의 측면에 소정의 링 형상의 돌출부를 시드척에 끼워 형성할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3은 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템의 개념 예시도이다.

실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템은 인상속도 제어부(PLC)(210)를 포함하고, 인상속도 제어부(210)의 중앙처리장치(212)에서 인상속도를 설정(set)하고, 설정된 목표 인상속도를 디지털 아날로그 컨버터(214)를 통해 모터 제어기(220)에 전달하고, 이 정보를 바탕으로 시드 인상모터(230)가 작동하고, 시드 케이블이 구비된 구동부(240)가 구동하여 시드케이블을 인상한다. 이때, 실시예는 레이저 변위센서(250)를 통해 잉곳의 성장속도 또는 잉곳의 길이를 직접 측정할 수 있고, 이러한 데이터는 피드팩 제어를 위해 아날로그 디지털 컨버터(216)를 통해 인상속도 비교부에서 설정된 인상속도와 비교를 통해 오차를 계산하여 피드백 제어가 될 수 있다. 상기 각 단계에서의 정보들은 터치 스트린(260)을 통해 외부에 디스플레이될 수 있다.

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.

또한, 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

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챔버에 구비된 레이저 변위 측정센서를 포함하고
상기 레이저 변위 측정센서는,
시드(seed)가 장착되는 시드척(seed chuck) 상면과의 거리 측정을 통해 잉곳 성장속도 또는 잉곳의 길이를 직접 측정하는 잉곳 성장 제어시스템.
챔버에 구비된 레이저 변위 측정센서를 포함하고
상기 레이저 변위 측정센서는,
시드(seed)가 장착되는 시드척(seed chuck) 측면의 돌출부와의 거리 측정을 통해 잉곳 성장속도 또는 잉곳의 길이를 직접 측정하는 잉곳 성장 제어시스템.
제4 항 또는 5항에 있어서,
상기 시드척은 상부 표면에 형성된 반사금속층을 포함하는 잉곳 성장 제어시스템.
삭제
도가니를 포함하는 챔버;
시드가 장착되는 시드척을 포함하며, 상기 도가니에서 성장하는 잉곳을 인상하는 인상수단;
상기 제4 항 내지 제5 항 중 어느 하나의 잉곳 성장 제어시스템;을 포함하는 잉곳 성장장치.