KR101339149B1 - 잉곳 성장 장치의 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

잉곳 성장 장치의 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 잉곳 길이에 따른 목표 온도값, 목표 인상 속도값, 및 목표 직경값을 설정하는 목표값 설정부와, 목표 직경값과 잉곳 성장 장치에서 성장되는 잉곳의 실제 직경값을 비교 연산하여 보정 인상 속도값을 생성하고, 보정 인상 속도값에 따라, 잉곳 성장 장치의 인상 속도를 제어하는 인상 속도 제어부와, 목표값 설정부로부터 설정된 목표 인상 속도값을 제 1 시간 동안 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정하는 목표 인상 속도값 재설정부와, 인상 속도 제어부로부터 생성된 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균하여 평균 제어 인상 속도값을 생성하고, 재설정된 목표 인상 속도값과 평균 제어 인상 속도값을 비교 연산하여 보상 신호를 생성하는 보상 신호 생성부와, 보상 신호와 목표 온도값 및 실제 온도값을 비교 연산하여 보상 온도값을 생성하고, 보상 온도값에 따라 잉곳 성장 장치의 온도를 제어하는 온도 제어부를 포함할 수 있다.

Description

잉곳 성장 장치의 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTRLLING INGOT GROWTH APPARATUS}
본 발명은 잉곳 성장 장치의 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 쵸크랄스키(Czochalski)법에 의한 제어 시스템은, 단결정의 현재 직경을 모니터링하는 시스템과, 단결정의 직경 변화량에 따른 제어 인상 속도를 연산하는 연산 시스템 및, 제어 인상 속도를 통해, 실제 인상 속도를 타겟 인상 속도로 맞추도록 변화시키는 모터 구동 시스템으로 이루어질 수 있다.
즉, CCD 카메라 또는 ADC(Auto Diameter Controller) 센서를 이용하여, 단결정의 직경을 측정한 후, 현재 직경값(Present Value; PV)과 목표 설정값 (Set Value; SV)을 비교하여, 차이(error)가 있을 경우, 그 차이에 해당하는 변경값(Manipulated Value; MV)에 따라, 직경 및 인상 속도를 기준값에 접근하게 하는 것이 기본 원리이다.
이때, 목표 인상 속도는 동일 장비에서 기 성장된 단결정의 품질을 분석하여 단결정 종축 방향으로 목표값이 결정되지만, 보통 목표 인상 속도는 단결정 종축 방향으로 일정하지 않으며, 그로우어(grower)나 핫 존(Hot zone)의 종류나 형태에 따라 특정한 고유의 값을 가질 수 있다.
그리고, 무결함 또는 극저결함과 같은 고품질의 실리콘 단결정 성장을 위해서는, 인상 속도(V)와 단결정 종축 방향 온도 구배(G)의 비인 V/G에 의해 선정된 목표 인상 속도에 대하여, 실제(actual) 인상 속도의 정밀 제어가 필수적이다.
만일, 인상 속도가 정확하게 제어되지 않을 경우, 즉, 인상 속도가 목표 인상 속도보다 높은 경우, FPD(Flow Pattern Defect)와 같은 베이컨시(vacancy)성 결함이 나타나고, 반대로 인상 속도가 목표 인상 속도보다 더 낮을 경우, LDP(Large Dislocation Pit)와 같은 인터스티셜(interstitial)성 결함이 나타날 수 있다.
근래에 디자인룰 축소에 따른 디램(DRAM) 및 플래쉬 메모리(Flash memory) 제조를 위해 사용되는 고품질의 웨이퍼 제조 시, OISF(Oxidation Induced Stacking Fault)와 같은 결함은 치명적인 디바이스 페일(device fail)을 유발할 수 있기 때문에 고품질의 단결정 성장을 위해서는 목표 인상 속도의 정밀 제어가 반드시 필요하다.
하지만, 단결정 성장 중, 단결정의 직경을 감지할 때, 잉곳(Ingot)의 회전과 노이즈 등에 의해, 짧은 시간 동안의 데이터로만 직경을 정확히 알아내기에는 어려움이 있다.
따라서, 단결정 성장 제어 시에는 평균 제어 인상 속도를 기준으로 단결정을 성장시키기도 하지만, 평균 제어 인상 속도에 따른 오차가 발생하고, 목표 인상 속도의 기울기가 커질수록, 그 오차도 커지는 문제가 발생할 수 있다.
이러한 오차들은 단결정의 품질을 변화시키는 주요한 원인이 될 수 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 목표 인상 속도와 평균 제어 인상 속도의 오차를 제거함으로써, 무결점 단결정을 얻을 수 있는 잉곳 성장 장치의 제어 시스템 및 방법를 제공하고자 한다.
본 발명에 따른 잉곳 성장 장치의 제어 시스템은, 잉곳 길이에 따른 목표 온도값, 목표 인상 속도값, 및 목표 직경값을 설정하는 목표값 설정부와, 목표 직경값과 잉곳 성장 장치에서 성장되는 잉곳의 실제 직경값을 비교 연산하여 보정 인상 속도값을 생성하고, 보정 인상 속도값에 따라, 잉곳 성장 장치의 인상 속도를 제어하는 인상 속도 제어부와, 목표값 설정부로부터 설정된 목표 인상 속도값을 제 1 시간 동안 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정하는 목표 인상 속도값 재설정부와, 인상 속도 제어부로부터 생성된 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균하여 평균 제어 인상 속도값을 생성하고, 재설정된 목표 인상 속도값과 평균 제어 인상 속도값을 비교 연산하여 보상 신호를 생성하는 보상 신호 생성부와, 보상 신호와 목표 온도값 및 실제 온도값을 비교 연산하여 보상 온도값을 생성하고, 보상 온도값에 따라 잉곳 성장 장치의 온도를 제어하는 온도 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 인상 속도 제어부는, 목표 직경값과 잉곳 성장 장치에서 성장되는 잉곳의 실제 직경값을 비교 연산하는 직경 비교기와, 직경 비교기에 의해 연산된 오차값에 따라, 보정 인상 속도값을 생성하여 잉곳 성장 장치의 인상 속도를 제어하는 직경 제어기를 포함할 수 있다.
그리고, 목표 인상 속도값 재설정부는, 일정 시간 동안에 목표 인상 속도값이 입력되는 특정 시간들의 평균 시간을 설정하는 제 1 설정부와, 설정된 평균 시간 동안, 목표 인상 속도값을 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정하는 제 2 설정부를 포함할 수 있다.
이때, 평균 시간은 약 1 - 60분일 수 있고, 오차가 제거된 목표 인상 속도값은 하기 수식 1에 의해 결정될 수 있다.
수식 1
Figure 112012001330486-pat00001
이어, 목표 인상 속도값 재설정부의 제 1 시간과 보상 신호 생성부의 제 2 시간은 서로 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다.
다음, 보상 신호 생성부는, 인상 속도 제어부로부터 생성된 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균하여 평균 제어 인상 속도값을 생성하는 제 1 생성부와, 재설정된 목표 인상 속도값과 평균 제어 인상 속도값을 비교 연산하는 인상 속도 오차 비교기와, 인상 속도 오차 비교기에 의해 연산된 오차값에 따라, 보상 신호를 생성하는 제 2 생성부를 포함할 수 있다.
여기서, 제 2 생성부는 PID 제어기일 수 있다.
그리고, 온도 제어부는, 보상 신호와 상기 목표 온도값을 비교 연산하는 제 1 비교기와, 제 1 비교기에 의해 연산된 연산값과 잉곳 성장 장치의 실제 온도값을 비교 연산하는 제 2 비교기와, 제 2 비교기에 의해 연산된 오차값에 따라, 보상 온도값을 생성하여 잉곳 성장 장치의 온도를 제어하는 온도 제어기를 포함할 수 있다.
이때, 온도 제어기의 제어 신호에 따라, 잉곳 성장 장치에 전류를 인가하는 실리콘 제어 정류기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 잉곳 성장 장치의 제어 방법은, 잉곳 길이에 따른 목표 온도값, 목표 인상 속도값, 및 목표 직경값을 설정하는 단계와, 목표 직경값과 잉곳 성장 장치에서 성장되는 잉곳의 실제 직경값을 비교 연산하여 보정 인상 속도값을 생성하고, 보정 인상 속도값에 따라, 잉곳 성장 장치의 인상 속도를 제어하는 단계와, 목표 인상 속도값을 제 1 시간 동안 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정하고, 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균하여 평균 제어 인상 속도값을 생성하는 단계와, 재설정된 목표 인상 속도값과 평균 제어 인상 속도값을 비교 연산하여 보상 신호를 생성하는 단계와, 보상 신호와 목표 온도값 및 실제 온도값을 비교 연산하여 보상 온도값을 생성하고, 보상 온도값에 따라 잉곳 성장 장치의 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 목표 인상 속도값을 재설정부하는 단계는, 일정 시간 동안에 목표 인상 속도값이 입력되는 특정 시간들의 평균 시간을 설정하는 단계와, 설정된 평균 시간 동안, 목표 인상 속도값을 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 온도를 제어하는 단계는, 보상 신호와 상기 목표 온도값을 비교 연산하는 단계와, 연산된 연산값과 잉곳 성장 장치의 실제 온도값을 비교 연산하여 오차값을 생성하는 단계와, 오차값에 따라, 보상 온도값을 생성하여 잉곳 성장 장치의 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 목표 인상 속도와 평균 제어 인상 속도의 오차를 제거함으로써, 복잡하고 비싼 하드웨어(hardware)의 추가 없이도 정확하고 효율적으로 잉곳 성장치를 제어할 수 있다.
따라서, 품질의 손실 없이 생산성이 높은 무결점 단결정을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 잉곳 성장 장치의 제어 시스템을 보여주는 블록 구성도
도 2는 잉곳 위치에 따른 목표 인상 속도값을 보여주는 그래프
도 3a 및 도 3b는 목표 인상 속도와 평균 제어 인상 속도의 오차를 보여주는 그래프
도 4는 도 3a의 그래프를 상세히 보여주는 그래프
도 5는 목표 인상 속도와 평균 제어 인상 속도의 오차 제거를 보여주는 그래프
도 6은 본 발명에 따른 잉곳 성장 장치의 제어 방법을 보여주는 흐름도
도 7은 도 6의 목표 인상 속도값 재설정 단계를 상세히 보여주는 흐름도
도 8은 도 6의 온도 제어 단계를 상세히 보여주는 흐름도
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 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.
도 1은 본 발명에 따른 잉곳 성장 장치의 제어 시스템을 보여주는 블록 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 잉곳 성장 장치(100)는 상세히 도시하지는 않았지만, 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해 용융 실리콘을 담고 있는 도가니, 도가니 내의 실리콘에 열을 가하는 발열장치, 단결정 실리콘 잉곳을 회전시키면서 인상시키기 위한 인상장치를 포함할 수 있다.
그리고, 잉곳 성장 장치(100)를 제어하는 제어 시스템은, 목표값 설정부(200), 인상 속도 제어부(300), 목표 인상 속도값 재설정부(400), 보상 신호 생성부(500), 및 온도 제어부(600)를 포함할 수 있다.
여기서, 목표값 설정부(200)는 잉곳 길이에 따른 목표 온도값, 목표 인상 속도값, 및 목표 직경값을 설정하는 역할을 수행할 수 있다.
목표값 설정부(200)는 잉곳 길이 설정부(210), 목표 온도값 설정부(240), 목표 인상 속도값 설정부(230), 및 목표 직경값 설정부(220)를 더 포함할 수 있다.
따라서, 목표값 설정부(200)는 잉곳 길이 설정부(210)에 의해, 성장하고자 하는 잉곳의 길이가 설정되면, 목표 온도값 설정부(240)는 잉곳 길이에 따른 목표 온도값을 설정하고, 목표 인상 속도값 설정부(230)는 잉곳 길이에 따른 목표 인상 속도값을 설정하며, 목표 직경값 설정부(220)는 잉곳 길이에 따른 목표 직경값을 설정할 수 있다.
이어, 인상 속도 제어부(300)는 목표 직경값과 잉곳 성장 장치(100)에서 성장되는 잉곳의 실제 직경값을 비교 연산하여 보정 인상 속도값을 생성하고, 보정 인상 속도값에 따라, 잉곳 성장 장치(100)의 인상 속도를 제어할 수 있다.
여기서, 인상 속도 제어부(300)는, 직경 비교기(310)와 직경 제어기(320)를 포함할 수 있다.
직경 비교기(310)은 목표값 설정부(200)의 목표 직경값 설정부(220)로부터 목표 직경값을 입력 받고, 잉곳 성장 장치(100)에 부착된 카메라 장치(도시하지 않음)로부터 잉곳의 실제 직경값을 입력 받을 수 있다.
이때, 카메라 장치는 잉곳 성장 장치(100)의 핫 존(hot zone)을 촬영하여 인상되는 잉곳의 실제 직경값을 검출할 수 있다.
그리고, 직경 비교기(310)는 입력 받은 목표 직경값과 실제 직경값을 비교 연산하여, 오차값을 구할 수 있다.
다음, 직경 제어기(320)는 직경 비교기(310)에 의해 연산된 오차값에 따라, 보정 인상 속도값을 생성하여 잉곳 성장 장치(100)의 인상 속도를 제어할 수 있다.
여기서, 직경 제어기(320)는 PD 제어기(proportional-derivative controller)일 수 있다.
이어, 목표 인상 속도값 재설정부(400)는 목표값 설정부(200)로부터 설정된 목표 인상 속도값을 제 1 시간 동안 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 목표 인상 속도값 재설정부(400)는 제 1 설정부(410)와 제 2 설정부(420)를 더 포함할 수 있다.
제 1 설정부(410)는 일정 시간 동안에 목표 인상 속도값이 입력되는 특정 시간들의 평균 시간을 설정할 수 있다.
그리고, 제 2 설정부(420)는 설정된 평균 시간 동안, 목표 인상 속도값을 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정할 수 있다.
여기서, 평균 시간은 1 - 60분일 수 있다.
또한, 오차가 제거된 목표 인상 속도값은 하기 수식 1에 의해 결정될 수 있다.
수식 1
Figure 112012001330486-pat00002
이와 같이, 목표 인상 속도값 재설정부(400)가 목표값 설정부(200)로부터 설정된 목표 인상 속도값을 재설정하는 이유는, 제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 오차가 발생하기 때문이다.
이러한 오차가 발생하는 이유는, 평균 제어 인상 속도값은 일정 시간 동안의 평균값을 사용하고, 목표 인상 속도값은 특정 시점의 값이기 때문이다.
따라서, 목표 인상 속도값 재설정부(400)는 목표 인상 속도값을 일정 시간 동안 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정함으로써, 제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 발생하는 오차를 제거할 수 있다.
제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 발생하는 오차에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
다음, 보상 신호 생성부(500)는, 인상 속도 제어부(300)로부터 생성된 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균하여 평균 제어 인상 속도값을 생성하고, 재설정된 목표 인상 속도값과 평균 제어 인상 속도값을 비교 연산하여 보상 신호를 생성할 수 있다.
여기서, 보상 신호 생성부(500)는 제 1 생성부(510), 인상 속도 오차 비교기(520), 제 2 생성부(530)를 더 포함할 수 있다.
보상 신호 생성부(500)의 제 1 생성부(510)는, 인상 속도 제어부(300)로부터 생성된 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균하여 평균 제어 인상 속도값을 생성할 수 있다.
그리고, 인상 속도 오차 비교기(520)는 목표 인상 속도값 재설정부(400)로부터 재설정된 목표 인상 속도값을 입력 받고, 제 1 생성부(510)로부터 생성된 평균 제어 인상 속도값을 입력 받은 후, 이들을 비교 연산하여 오차값을 구할 수 있다.
이어, 제 2 생성부(530)는 인상 속도 오차 비교기(520)에 의해 연산된 오차값에 따라, 보상 신호를 생성할 수 있다.
여기서, 제 2 생성부(530)는 PID 제어기(proportional integral derivative controller)일 수 있다.
또한, 보상 신호 생성부(500)의 제 1 생성부(510)에서, 인상 속도 제어부(300)로부터 생성된 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균할 때, 제 2 시간은 목표 인상 속도값 재설정부(400)에서, 목표값 설정부(200)로부터 설정된 목표 인상 속도값을 제 1 시간 동안 평균할 때의 제 1 시간과 서로 동일할 수 있다.
경우에 따라서는, 보상 신호 생성부(500)의 제 1 생성부(510)에서, 인상 속도 제어부(300)로부터 생성된 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균할 때의, 제 2 시간은 목표 인상 속도값 재설정부(400)에서, 목표값 설정부(200)로부터 설정된 목표 인상 속도값을 제 1 시간 동안 평균할 때의 제 1 시간과 서로 다를 수도 있다.
다음, 온도 제어부(600)는 보상 신호와 목표 온도값 및 실제 온도값을 비교 연산하여 보상 온도값을 생성하고, 보상 온도값에 따라 잉곳 성장 장치(100)의 온도를 제어하는 역할을 수행할 수 있다.
여기서, 온도 제어부(600)는 제 1 비교기(610), 제 2 비교기(620), 온도 제어기(630)를 포함할 수 있다.
온도 제어부(600)의 제 1 비교기(610)는 보상 신호와 목표 온도값을 비교 연산하고, 제 2 비교기(620)는 제 1 비교기(610)에 의해 연산된 연산값과 잉곳 성장 장치(100)의 실제 온도값을 비교 연산할 수 있다.
그리고, 온도 제어기(630)는 제 2 비교기(620)에 의해 연산된 오차값에 따라, 보상 온도값을 생성하여 잉곳 성장 장치(100)의 온도를 제어할 수 있다.
여기서, 온도 제어기(630)는 PID 제어기(proportional integral derivative controller)일 수 있다.
또한, 온도 제어부(600)는 실리콘 제어 정류기(640)를 더 추가로 포함할 수 있는데, 실리콘 제어 정류기(640)는 온도 제어기(630)의 제어 신호에 따라, 잉곳 성장 장치(100)에 전류를 인가할 수 있다.
이와 같이, 구성되는 본 발명은 단결정 실리콘 잉곳의 직경을 일정하게 유지함과 동시에 목표 인상 속도 대비 실제 인상 속도를 오차 없이 정밀하게 제어함으로써, 무결함 또는 극저결함의 단결정 실리콘 잉곳을 제작할 수 있다.
특히, 본 발명은 목표 인상 속도값 재설정부(400)가 목표값 설정부(200)로부터 설정된 목표 인상 속도값을 재설정함으로써, 제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 발생하는 오차를 제거할 수 있다.
따라서, 제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 발생하는 오차는 단결정 실리콘의 품질에 큰 영향을 미치므로, 반드시 제거하는 것이 필요하다.
본 발명의 이해를 위하여, 제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 발생하는 오차에 대해 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 잉곳 위치에 따른 목표 인상 속도값을 보여주는 그래프이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 목표 인상 속도는 기 성장된 단결정 실리콘의 품질을 분석하여 단결정 종축 방향으로 목표값이 결정될 수 있다.
일반적으로, 목표 인상 속도는 단결정 종축 방향으로 일정하지 않고, 잉곳 성장 장치의 그로우어(grower)나 핫 존(Hot zone)의 종류나 형태에 따라 특정한 고유의 값을 가질 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 목표 인상 속도와 평균 제어 인상 속도의 오차를 보여주는 그래프로서, 목표 인상 속도의 기울기가 0이 아닌 경우, 평균 제어 인상 속도와 목표 인상 속도의 차이를 설명하는 그래프이다.
도 3a에 도시된 바와 같이, 목표 인상 속도가 단결정 종축 방향에서, 음의 기울기로 변화하는 경우, 제어 시 사용하는 평균 제어 인상 속도값이 목표 인상 속도값보다 더 높아서 ＋오차를 보일 수 있다.
여기서, 오차는 30분 평균 제어 인상 속도값보다 60분 평균 제어 인상 속도값이 더 클 수 있다.
또한, 도 3b에 도시된 바와 같이, 목표 인상 속도가 단결정 종축 방향에서, 양의 기울기로 변화하는 경우, 제어 시 사용하는 평균 제어 인상 속도값이 목표 인상 속도값보다 더 낮아서 -오차를 보일 수 있다.
여기서, 오차는 30분 평균 제어 인상 속도값보다 60분 평균 제어 인상 속도값이 더 클 수 있다.
이러한 오차가 발생하는 이유는, 평균 제어 인상 속도값은 일정 시간 동안의 평균값을 사용하고, 목표 인상 속도값은 특정 시점의 값을 사용하기 때문이다.
도 4는 도 3a의 그래프를 상세히 보여주는 그래프로서, 실제 인상 속도값이 목표 인상 속도값과 동일하게 진행하는 경우에 발생되는 목표 인상 속도와 평균 제어 인상 속도와의 오차를 보여주는 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 잉곳 성장 장치에서, 단결정 실리콘이 성장하면서 변하는 실제 인상 속도값을 측정하였을 때, 실제 인상 속도값이 목표 인상 속도값과 동일하게 진행한다 할지라도, 목표 인상 속도와 평균 제어 인상 속도는 오차가 발생할 수 있다.
따라서, 이러한 오차로 인하여, 보상 신호 생성부는 실제 인상 속도가 높다고 판단하고, 그에 상응하는 보상 신호를 생성하면, 온도 제어부는 그 보상 신호에 따라, 잉곳 성장 장치의 실제 인상 속도가 내려갈 수 있도록, 온도를 더 높이는 동작을 수행할 것이다.
결국, 실제 인상 속도는 목표 인상 속도보다 더 낮게 제어함으로써, 단결정 실리콘의 품질에 악영향을 미치칠 수 있다.
이러한 오차가 발생하는 이유는, 평균 제어 인상 속도값은 일정 시간 동안의 평균값을 사용하고, 목표 인상 속도값은 특정 시점의 값이기 때문이다.
특히, 평균값을 연산하기 위한 데이터가 많을수록, 제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 발생하는 오차는 더 클 수 있다.
예를 들면, 30분 평균 제어 인상 속도값은 30분 동안의 데이터를 평균한 평균값이고, 60분 평균 제어 인상 속도값은 60분 동안의 데이터를 평균한 평균값이므로, 30분 평균 제어 인상 속도값과 목표 인상 속도값과의 오차보다 60분 평균 제어 인상 속도값과 목표 인상 속도값과의 오차가 더 클 수 있다.
따라서, 본 발명은 목표 인상 속도값 재설정부를 사용하여, 평균 제어 인상 속도값의 평균 연산처럼, 목표 인상 속도값을 일정 시간 동안 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정함으로써, 제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 발생하는 오차를 제거할 수 있다.
도 5는 목표 인상 속도와 평균 제어 인상 속도의 오차 제거를 보여주는 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 목표 인상 속도값을 재설정하지 않은 경우에는, 인상 속도값의 기울기 크기에 따라, 오차값의 크기가 변할 수 있다.
또한, 목표 인상 속도값이 음의 기울기로 변할 경우에는, 오차값이 양의 오차를 가질 수 있고, 목표 인상 속도값이 양의 기울기로 변할 경우에는, 오차값이 음의 오차를 가질 수 있다.
이러한 오차는 단결정 실리콘의 품질에 악영향을 미치칠 수 있다.
이에 반해, 목표 인상 속도값을 재설정한 경우에는, 목표 인상 속도값과 평균 제어 인상 속도값 사이의 오차가 제거됨으로써, 무결점 또는 극저결점의 단결정 실리콘을 얻을 수 있으므로 단결정 실리콘의 품질이 크게 향상될 수 있다.
특히, 인상 속도의 기울기가 큰 시스템일수록, 즉, 인상 속도의 변화가 큰 시스템일수록, 그 효과가 더 클 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 잉곳 성장 장치의 제어 방법을 보여주는 흐름도로서, 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6에 도시된 바와 같이, 먼저, 목표값 설정부(200)로부터 잉곳 길이에 따른 목표 온도값, 목표 인상 속도값, 및 목표 직경값을 설정할 수 있다.(S10)
즉, 목표값 설정부(200)에서, 잉곳 길이 설정부(210)에 의해, 성장하고자 하는 잉곳의 길이가 설정되면, 목표 온도값 설정부(240)는 잉곳 길이에 따른 목표 온도값을 설정하고, 목표 인상 속도값 설정부(230)는 잉곳 길이에 따른 목표 인상 속도값을 설정하며, 목표 직경값 설정부(220)는 잉곳 길이에 따른 목표 직경값을 설정할 수 있다.
다음, 인상 속도 제어부(300)는 목표 직경값과 잉곳 성장 장치(100)에서 성장되는 잉곳의 실제 직경값을 비교 연산하여 보정 인상 속도값을 생성하고, 보정 인상 속도값에 따라, 잉곳 성장 장치(100)의 인상 속도를 제어할 수 있다.(S20)
즉, 직경 비교기(310)은 목표값 설정부(200)의 목표 직경값 설정부(220)로부터 목표 직경값을 입력 받고, 잉곳 성장 장치(100)에 부착된 카메라 장치(도시하지 않음)로부터 잉곳의 실제 직경값을 입력 받을 수 있다.
그리고, 직경 비교기(310)는 입력 받은 목표 직경값과 실제 직경값을 비교 연산하여, 오차값을 구할 수 있다.
이어, 직경 제어기(320)는 직경 비교기(310)에 의해 연산된 오차값에 따라, 보정 인상 속도값을 생성하여 잉곳 성장 장치(100)의 인상 속도를 제어할 수 있다.
그 다음으로, 목표 인상 속도값 재설정부(400)는 목표값 설정부(200)로부터 설정된 목표 인상 속도값을 제 1 시간 동안 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정하고, 동시에 보상 신호 생성부(500)의 제 1 생성부(510)는 인상 속도 제어부(300)로부터 생성된 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균하여 평균 제어 인상 속도값을 생성할 수 있다.(S30)
여기서, 목표 인상 속도값 재설정부(400)의 제 1 시간과, 보상 신호 생성부(500)의 제 2 시간은, 서로 동일할 수도 있고, 경우에 따라 서로 다를 수도 있다.
이어, 보상 신호 생성부(500)는 재설정된 목표 인상 속도값과 평균 제어 인상 속도값을 비교 연산하여 보상 신호를 생성할 수 있다.(S40)
즉, 인상 속도 오차 비교기(520)는 목표 인상 속도값 재설정부(400)로부터 재설정된 목표 인상 속도값을 입력 받고, 제 1 생성부(510)로부터 생성된 평균 제어 인상 속도값을 입력 받은 후, 이들을 비교 연산하여 오차값을 구할 수 있다.
그리고, 제 2 생성부(530)는 인상 속도 오차 비교기(520)에 의해 연산된 오차값에 따라, 보상 신호를 생성할 수 있다.
다음으로, 온도 제어부(600)는 보상 신호와 목표 온도값 및 실제 온도값을 비교 연산하여 보상 온도값을 생성하고, 보상 온도값에 따라 잉곳 성장 장치(100)의 온도를 제어할 수 있다.(S50)
도 7은 도 6의 목표 인상 속도값 재설정 단계를 상세히 보여주는 흐름도로서, 도 1을 참조하여 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 먼저, 목표 인상 속도값 재설정부(400)의 제 1 설정부(410)는 일정 시간 동안에 목표 인상 속도값이 입력되는 특정 시간들의 평균 시간을 설정할 수 있다.(S31)
여기서, 평균 시간은 1 - 60분일 수 있다.
그리고, 제 2 설정부(420)는 설정된 평균 시간 동안, 목표 인상 속도값을 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정할 수 있다.(S32)
여기서, 오차가 제거된 목표 인상 속도값은 하기 수식 1에 의해 결정될 수 있다.
수식 1
Figure 112012001330486-pat00003
이와 같이, 목표 인상 속도값 재설정부(400)가 목표값 설정부(200)로부터 설정된 목표 인상 속도값을 재설정하는 이유는, 제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 오차가 발생하기 때문이다.
이러한 오차가 발생하는 이유는, 평균 제어 인상 속도값은 일정 시간 동안의 평균값을 사용하고, 목표 인상 속도값은 특정 시점의 값이기 때문이다.
따라서, 목표 인상 속도값 재설정부(400)는 목표 인상 속도값을 일정 시간 동안 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 재설정함으로써, 제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 발생하는 오차를 제거할 수 있다.
도 8은 도 6의 온도 제어 단계를 상세히 보여주는 흐름도로서, 도 1을 참조하여 설명한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 먼저, 온도 제어부(600)의 제 1 비교기(610)는 보상 신호와 목표 온도값을 비교 연산하여 연산값을 생성할 수 있다.(S51)
이어, 제 2 비교기(620)는 제 1 비교기(610)에 의해 연산된 연산값과 잉곳 성장 장치(100)의 실제 온도값을 비교 연산하여 오차값을 생성할 수 있다.(S52)
그리고, 온도 제어기(630)는 제 2 비교기(620)에 의해 연산된 오차값에 따라, 보상 온도값을 생성하여 잉곳 성장 장치(100)의 온도를 제어할 수 있다.(S53, S54)
이와 같이, 본 발명은 단결정 실리콘 잉곳의 직경을 일정하게 유지함과 동시에 목표 인상 속도 대비 실제 인상 속도를 오차 없이 정밀하게 제어함으로써, 무결함 또는 극저결함의 단결정 실리콘 잉곳을 제작할 수 있다.
특히, 본 발명은 목표 인상 속도값 재설정부가 목표값 설정부로부터 설정된 목표 인상 속도값을 재설정함으로써, 제어시 사용하는 평균 제어 인상 속도값과 기 설정된 목표 인상 속도값 사이에서 발생하는 오차를 제거할 수 있다.
따라서, 본 발명은 목표 인상 속도와 평균 제어 인상 속도의 오차를 제거함으로써, 복잡하고 비싼 하드웨어(hardware)의 추가 없이도 정확하고 효율적으로 잉곳 성장치를 제어할 수 있다.
따라서, 품질의 손실 없이 생산성이 높은 무결점 단결정을 얻을 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 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 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 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 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 잉곳 성장 장치 200: 목표값 설정부
300: 인상 속도 제어부 400: 목표 인상 속도값 재설정부
500: 보상 신호 생성부 600: 온도 제어부

Claims (16)

  1. 잉곳 성장 장치의 제어 시스템에 있어서,
    상기 잉곳 길이에 따른 목표 온도값, 목표 인상 속도값, 및 목표 직경값을 설정하는 목표값 설정부;
    상기 목표 직경값과 상기 잉곳 성장 장치에서 성장되는 잉곳의 실제 직경값을 비교 연산하여 보정 인상 속도값을 생성하고, 상기 보정 인상 속도값에 따라, 상기 잉곳 성장 장치의 인상 속도를 제어하는 인상 속도 제어부;
    일정 시간 동안에 상기 목표값 설정부로부터 설정된 목표 인상 속도값이 입력되는 시간들의 평균 시간을 설정하는 제1설정부와 상기 설정된 평균 시간인 제1 시간 동안, 상기 목표 인상 속도값을 평균하여 오차가 제거된 목표 인상 속도값으로 설정하는 제2설정부를 포함하는 인상 속도값 재설정부;
    상기 인상 속도 제어부로부터 생성된 상기 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균하여 평균 제어 인상 속도값을 생성하고, 상기 재설정된 목표 인상 속도값과 상기 평균 제어 인상 속도값을 비교 연산하여 보상 신호를 생성하는 보상 신호 생성부; 그리고,
    상기 보상 신호와 상기 목표 온도값 및 상기 실제 온도값을 비교 연산하여 보상 온도값을 생성하고, 상기 보상 온도값에 따라 상기 잉곳 성장 장치의 온도를 제어하는 온도 제어부를 포함하는 잉곳 성장 장치의 제어 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 인상 속도 제어부는,
    상기 목표 직경값과 상기 잉곳 성장 장치에서 성장되는 잉곳의 실제 직경값을 비교 연산하는 직경 비교기;
    상기 직경 비교기에 의해 연산된 오차값에 따라, 상기 보정 인상 속도값을 생성하여 상기 잉곳 성장 장치의 인상 속도를 제어하는 직경 제어기를 포함하는 잉곳 성장 장치의 제어 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 시간은 1 - 60분인 잉곳 성장 장치의 제어 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 오차가 제거된 목표 인상 속도값은 하기 수식 1에 의해 결정되는 잉곳 성장 장치의 제어 시스템.
    수식 1
    Figure 112013082835330-pat00004
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 인상 속도값 재설정부의 제 1 시간과 상기 보상 신호 생성부의 제 2 시간은 서로 동일한 잉곳 성장 장치의 제어 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 목표 인상 속도값 재설정부의 제 1 시간과 상기 보상 신호 생성부의 제 2 시간은 서로 다른 잉곳 성장 장치의 제어 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 보상 신호 생성부는,
    상기 인상 속도 제어부로부터 생성된 상기 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균하여 평균 제어 인상 속도값을 생성하는 제 1 생성부;
    상기 재설정된 목표 인상 속도값과 상기 평균 제어 인상 속도값을 비교 연산하는 인상 속도 오차 비교기;
    상기 인상 속도 오차 비교기에 의해 연산된 오차값에 따라, 상기 보상 신호를 생성하는 제 2 생성부를 포함하는 잉곳 성장 장치의 제어 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 생성부는 PID 제어기인 잉곳 성장 장치의 제어 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 제어부는,
    상기 보상 신호와 상기 목표 온도값을 비교 연산하는 제 1 비교기;
    상기 제 1 비교기에 의해 연산된 연산값과 상기 잉곳 성장 장치의 실제 온도값을 비교 연산하는 제 2 비교기;
    상기 제 2 비교기에 의해 연산된 오차값에 따라, 상기 보상 온도값을 생성하여 상기 잉곳 성장 장치의 온도를 제어하는 온도 제어기를 포함하는 잉곳 성장 장치의 제어 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 온도 제어기의 제어 신호에 따라, 상기 잉곳 성장 장치에 전류를 인가하는 실리콘 제어 정류기를 더 포함하는 잉곳 성장 장치의 제어 시스템.
  12. 잉곳 성장 장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 잉곳 길이에 따른 목표 온도값, 목표 인상 속도값, 및 목표 직경값을 설정하는 단계;
    상기 목표 직경값과 상기 잉곳 성장 장치에서 성장되는 잉곳의 실제 직경값을 비교 연산하여 보정 인상 속도값을 생성하고, 상기 보정 인상 속도값에 따라, 상기 잉곳 성장 장치의 인상 속도를 제어하는 단계;
    상기 목표 인상 속도값이 입력되는 시간들의 평균 시간인 제 1시간을 설정하고, 상기 설정된 평균 시간 동안 상기 목표 인상 속도값을 제1시간 동안 평균하여 오차가 제거된 목표 인상속도값으로 재설정하는 단계;
    상기 보정 인상 속도값을 제 2 시간 동안 평균하여 평균 제어 인상 속도값을 생성하는 단계;
    상기 재설정된 목표 인상 속도값과 상기 평균 제어 인상 속도값을 비교 연산하여 보상 신호를 생성하는 단계; 그리고,
    상기 보상 신호와 상기 목표 온도값 및 상기 실제 온도값을 비교 연산하여 보상 온도값을 생성하고, 상기 보상 온도값에 따라 상기 잉곳 성장 장치의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 잉곳 성장 장치의 제어 방법.
  13. 삭제
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 제1 시간은 1 - 60분으로 설정되고, 상기 오차가 제거된 목표 인상 속도값은 하기 수식 1에 의해 결정되는 잉곳 성장 장치의 제어 방법.
    수식 1
    Figure 112013082835330-pat00005
  15. 제 12 항에 있어서, 상기 평균 제어 인상 속도값을 생성하는 단계에서,
    상기 보정 인상 속도값을 평균하는 상기 제 2 시간은 상기 목표 인상 속도값을 평균하는 상기 제 1 시간과 동일한 잉곳 성장 장치의 제어 방법.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 온도를 제어하는 단계는,
    상기 보상 신호와 상기 목표 온도값을 비교 연산하는 단계;
    상기 연산된 연산값과 상기 잉곳 성장 장치의 실제 온도값을 비교 연산하여 오차값을 생성하는 단계;
    상기 오차값에 따라, 상기 보상 온도값을 생성하여 상기 잉곳 성장 장치의 온도를 제어하는 단계를 포함하는 잉곳 성장 장치의 제어 방법.
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