KR101340082B1 - 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 - Google Patents

단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 Download PDF

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Abstract

실시예의 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는 도가니와, 도가니의 측부에 배치되어 도가니를 가열하는 측부 히터와, 도가니의 하부에 배치되어 도가니를 가열하는 하부 히터 및 측부 히터의 측부 발열량을 결정하고, 하부 히터의 하부 발열량을 단결정 실리콘 잉곳의 성장되는 길이별로 달리 결정하고, 측부 히터 및 하부 히터를 각각 제어하여 측부 및 하부 발열량으로 발열시키는 발열량 제어부를 포함한다.

Description

단결정 실리콘 잉곳 제조 장치{Apparatus for growing single crystal silicon ingots}
실시예는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 웨이퍼를 제조하는 방법으로서, 플로우팅존(FZ:Floating Zone)법 또는 초크랄스키(CZ:CZochralski)법이 많이 이용되고 있다. FZ 법을 적용하여 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 경우, 대구경의 실리콘 웨이퍼를 제조하기 어려울 뿐만 아니라 공정 비용이 매우 비싼 문제가 있기 때문에, CZ 법에 의거하여 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 것이 일반화되어 있다.
CZ 법에 의하면, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고, 도가니의 측부에 배치된 측부 히터(heater)에 의해 흑연 발열체를 가열하여 이를 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 씨드(seed) 결정을 침지시키고, 용융액 계면에서 결정화가 일어나도록 하여 씨드 결정을 회전하면서 인상시킴으로서 단결정 실리콘 잉곳이 육성된다. 이후, 육성된 단결정 실리콘 잉곳을 슬라이싱(slicing), 에칭(etching) 및 연마(polishing)하여 웨이퍼 형태로 만든다.
기존의 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법에 의하면, 단지 측부 히터만 사용되기 때문에 실리콘 용융액의 량의 변화함에 따라 적합한 열원의 이동이 불가하여 온도 제어 분포를 조절할 수 없다. 즉, 도가니 내부의 실리콘 용융액의 열적 균형을 조절할 수 없어, 고품질의 단결정 실리콘 잉곳을 성장하기 어렵다.
실시예는 고품질의 단결정 실리콘 잉곳을 제조하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법을 제공한다.
실시예의 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는, 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는 도가니; 상기 도가니의 측부에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 측부 히터; 상기 도가니의 하부에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 하부 히터; 및 상기 측부 히터의 측부 발열량을 결정하고, 상기 하부 히터의 하부 발열량을 상기 단결정 실리콘 잉곳의 성장되는 길이별로 달리 결정하고, 상기 측부 히터 및 상기 하부 히터를 각각 제어하여 상기 측부 및 하부 발열량으로 발열시키는 발열량 제어부를 포함한다.
상기 발열량 제어부는 상기 단결정 실리콘 잉곳의 인상 속도와 상기 도가니의 온도에 따라 상기 측부 발열량을 결정하는 측부 발열량 제어부; 및 상기 단결정 실리콘 잉곳의 길이별 열량비에 상응하여 상기 측부 발열량으로부터 상기 하부 발열량을 결정하는 하부 발열량 제어부를 포함할 수 있다.
상기 측부 발열량 제어부는 상기 단결정 실리콘 잉곳의 직경을 센싱하는 직경 센싱부; 상기 센싱된 직경값에 상응하여 상기 잉곳의 인상 속도를 결정하는 인상 속도 결정부; 상기 잉곳의 평균 인상 속도를 인상 속도 목표치와 비교하고, 비교한 결과에 상응하는 설정 온도 궤적 신호를 생성하는 온도 보상부; 상기 설정 온도 궤적 신호와 목표 온도 궤적 신호를 가산하여 온도 설정값을생성하는 가산부; 상기 도가니의 온도를 센싱하는 온도 센싱부; 상기 온도 설정값과 상기 센싱된 온도를 이용하여 측부 발열량을 결정하는 온도 제어부; 및 상기 측부 발열량에 상응하는 전원을 상기 측부 히터에 공급하는 측부 전력 공급부를 포함할 수 있다.
상기 하부 발열량 제어부는 상기 잉곳의 길이에 상응하는 상기 열량비를 결정하는 열량비 결정부; 상기 열량비와 상기 측부 발열량을 이용하여 상기 하부 발열량을 결정하는 하부 발열량 계산부; 및 상기 하부 발열량에 상응하는 전원을 상기 하부 히터에 공급하는 하부 전력 공급부를 포함할 수 있다.
상기 측부 히터 및 상기 하부 히터로부터의 열이 외부로빠져나가는 것을 차단하는 히터 단열 부재를 더 포함하고, 상기 도가니의 온도는 상기 히터 단열 부재의 온도로부터 결정될 수 있다.
상기 열량비 결정부는 상기 용융 실리콘의 량에 따른 상기 단결정 실리콘 잉곳의 온도 구배를 설정하고, 상기 잉곳의 결함의 결과에 따라 상기 단결정 실리콘 잉곳의 길이로부터 상기 열량비를 아래와 같이 결정할 수 있다.
Figure 112012057306356-pat00001
여기서, L은 잉곳(IG)의 길이를 나타낸다.
상기 측부 히터는 수직 방향으로 복수 개로 분할될 수 있고, 상기 하부 히터는 수평 방향으로 복수 개로 분할될 수 있다.
상기 측부 히터는 상기 도가니의 측부 주위에 원통 형상으로 배치될 수 있다.
상기 하부 히터는 상기 도가니의 하부에 도넛 모양으로 배치될 수 있다.
또한, 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는 도가니; 상기 도가니의 측부에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 측부 히터; 및 상기 도가니의 하부에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 하부 히터를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에서 수행되는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 방법은, 상기 측부 히터의 측부 발열량을 결정하는 단계; 상기 하부 히터의 하부 발열량을 상기 단결정 실리콘 잉곳의 성장되는 길이별로 달리 결정하는 단계; 및 상기 측부 히터 및 상기 하부 히터를 상기 측부 및 하부 발열량으로 각각 발열시키는 단계를 포함한다.
상기 측부 발열량을 결정하는 단계는 상기 도가니의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 단결정 실리콘 잉곳의 인상 속도와 상기 도가니의 온도에 따라 상기 측부 발열량을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 하부 발열량을 결정하는 단계는 상기 단결정 실리콘 잉곳의 현재 길이에 상응하는 열량비를 결정하는 단계; 및 상기 열량비와 상기 측부 발열량을 승산하여 상기 하부 발열량을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법은 측부 히터 뿐만 아니라 하부 히터도 사용하여 도가니를 가열하기 때문에, 실리콘 용융액 하부의 열 균형 조정에 의해 온도 제어 분포를 용이하게 조절할 수 있고, 특히, 단결정 실리콘 잉곳의 길이별로 결정된 열량비에 의거하여 하부 히터의 발열량을 측부 히터의 발열량에 비례하여 조절할 수 있기 때문에 단결정 실리콘 잉곳에서 인터스티셜 (interstitial)이 우세한 무결함 영역인 IDP 영역의 마진을 증가시켜 고품질 단결정 실리콘 잉곳을 제조할 수 있다.
도 1은 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 개념도를 나타낸다.
도 2는 다른 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 개념도를 나타낸다.
도 3은 또 다른 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 개념도를 나타낸다.
도 4는 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 평면도를 나타낸다.
도 5a 및 도 5b는 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 배면도를 나타낸다.
도 6은 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 7은 도 6에 예시된 제400 단계의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 8은 도 6에 예시된 제410 단계의 실시예에 대한 플로우차트이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 1은 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 개념도를 나타낸다.
도 1에 예시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 챔버(chamber)(100), 도가니(110), 측부 히터(hearter)(122, 124), 하부 히터(132, 134), 히터 단열 부재(142, 144), 도가니 지지 샤프트(shaft)(150), 인상부(160), 열차폐 부재(172, 174), 측부 발열량 제어부(200) 및 하부 발열량 제어부(300)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 도가니(110)는 단결정 실리콘 잉곳(IG)을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는다. 도가니(110) 내에서 실리콘의 고순도 다결정 원료를 융점 온도 이상으로 측부 및 하부 히터(122, 124, 132, 134)에 의해 가열하여, 실리콘 용융액(SM)으로 변화시킨다.
이를 위해, 도가니(110)는 석영 도가니(112)와 흑연 또는 카본(carbon) 도가니(114)를 포함할 수 있다. 석영 도가니(112)는 원료 실리콘이 융해된 실리콘 용융액(SM)을 담는다. 흑연 또는 카본 도가니(114)는 석영 도가니(112)를 그의 내부에 수용하고, 석영 도가니(112)가 파손되는 경우 실리콘의 누출을 방지하는 역할을 한다. 즉, 석영 도가니(112)는 고온의 실리콘 용융액(SM)에 의해 형태가 변할 수 있기 때문에, 이를 지지하기 위해 흑연 또는 카본 도가니(114)가 외부에 배치될 수 있다.
인상부(160)는 인상 와이어(162)를 풀어 실리콘 용융액(SM)의 표면의 대략 중심부에 종결정(164) 선단을 접촉 또는 침지시킨다. 이때, 시드 척(seed chuck)(미도시)을 이용하여 실리콘 종결정(164)을 유지시킬 수 있다. 또한, 인상부(160)는 인상 와이어(162)에 의해 잉곳(IG)을 화살표 방향으로 회전시키면서 인상하여 육성한다. 이때, 잉곳(IG)을 인상하는 속도(V)와 온도 구배(G, △G)를 조절하여 원주 형상의 단결정 실리콘 잉곳(IG)을 완성할 수 있다.
이를 위해, 지지축 구동부(미도시)는 도가니(110)의 도가니 지지 샤프트(150)을 화살표와 같은 방향으로 회전시킴과 동시에 상/하로 운동시킬 수 있다. 즉, 도가니 지지 샤프트(150)가 상/하로 구동됨에 따라 도가니(110)는 상/하 수직 운동할 수 있다.
열차폐 부재(172, 174)는 측부 히터(122, 124) 및 하부 히터(132, 134)와 실리콘 용융액(SM)으로부터의 복사열이 인상되는 단결정 실리콘 잉곳(IG)으로 전달되는 것을 차단한다. 즉, 열 차폐 부재(172, 174)는 열이 단결정 실리콘 잉곳(IG)으로 전달되는 경로를 차단하여, 복사열에 의한 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 가열을 방지할 수 있다. 이와 같이, 열 차폐 부재(172, 174)는 잉곳(IG)의 냉각 열 이력에 큰 영향을 미친다. 게다가, 열 차폐 부재(172, 174)는 실리콘 용융액(SM)의 온도 변동을 억제하는 역할도 수행한다.
히터 단열 부재(142, 144)는 측부 히터(122, 124) 및 하부 히터(132, 134)로부터의 열이 외부로 빠져나가는 것을 차단하는 성장로 내의 단열 역할을 한다.
측부 히터(122, 124)는 도가니(110)의 측부에 배치되어 도가니(110)를 가열하고, 하부 히터(132, 134)는 도가니(110)의 하부에 배치되어 도가니(110)를 가열한다.
도 2는 다른 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 개념도를 나타낸다.
도 1에 예시된 측부 히터(122, 124)는 수직 방향으로 복수 개로 분할될 수도 있다. 예를 들어, 도 2에 예시된 바와 같이 측부 히터(122)는 수직 방향으로 2 분할(122A, 122B)될 수 있고, 측부 히터(124)는 수직 방향으로 2 분할(124A, 124B)될 수 있다. 이를 제외하면, 도 2에 예시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 도 1에 예시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치와 동일하므로, 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하며, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 또 다른 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 개념도를 나타낸다.
도 1에 예시된 하부 히터(132, 134)는 수평 방향으로 복수 개로 분할될 수도 있다. 예를 들어, 도 3에 예시된 바와 같이 하부 히터(132)는 수평 방향으로 2 분할(132A, 132B)될 수 있고, 하부 히터(134)는 수평 방향으로 2 분할(134A, 134B)될 수 있다. 이를 제외하면, 도 3에 예시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 도 2에 예시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치와 동일하므로 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하며, 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
이하, 도 1에 예시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에 대해서만 설명하지만, 이러한 설명은 도 2 및 도 3에 예시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 4는 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 평면도를 나타낸다. 여기서, 측부 히터(122, 124)의 형상을 설명하기 위해 편의상 도가니(110) 및 측부 히터(122, 124)만을 도시한다.
도 4를 참조하면, 도 1의 측부 히터(122, 124)는 도가니(110)의 측부 주위에 원통 형상으로 배치될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 배면도를 나타낸다. 여기서, 하부 히터(132, 134)의 형상을 설명하기 위해 편의상 도가니(110), 하부 히터(132, 134) 및 도가니 지지 샤프트(150)만을 도시한다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 도 1의 하부 히터(132, 134)는 도가니(110)의 하부에서 도가니 지지 샤프트(150)를 에워싸는 도넛 모양으로 배치될 수도 있다. 이때, 하부 히터(132, 134)는 도가니(110)의 직경보다 도 5a에 예시된 바와 같이 작을 수도 있고, 도 5b에 예시된 바와 같이 클 수도 있다.
한편, 발열량 제어부는 측부 히터(122, 124)에서 발열될 측부 발열량 및 하부 히터(132, 134)에서 발열될 하부 발열량을 결정하고, 측부 히터(122, 124) 및 하부 히터(132, 134)를 제어하여 측부 및 하부 발열량으로 각각 발열시킨다. 이때, 발열량 제어부는 하부 히터(132, 134)의 하부 발열량을 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 성장되는 길이별로 달리 결정한다.
이를 위해, 실시예에 의하면, 발열량 제어부는 측부 발열량 제어부(200) 및 하부 발열량 제어부(300)를 포함한다.
측부 발열량 제어부(200)는 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 인상 속도와 도가니(110)의 온도에 따라 측부 발열량을 결정하고, 결정된 측부 발열량을 측부 히터(122, 124)로 출력한다. 따라서, 측부 히터(122, 124)는 측부 발열량 제어부(200)에서 결정된 측부 발열량으로 발열할 수 있다.
이를 위해, 측부 발열량 제어부(200)는 직경 센싱부(210), 인상 속도 결정부(220, 230), 서보 모터(Servo motor)(240), 온도 보상부(250), 가산부(260), 온도 제어부(270), 측부 전력 공급부(280) 및 온도 센싱부(290)를 포함한다. 측부 발열량 제어부(200)에서, 직경 센싱부(210), 인상 속도 결정부(220, 230), 서보 모터(240)는 잉곳(IG)의 인상 속도를 제어하는 주된 역할을 한다. 그러나, 이러한 부분들(210, 220, 230, 240)에 의해 제어되는 잉곳(IG)의 인상 속도에 의해 측부 발열량이 결정되므로, 이들을 편의상 측부 발열량 제어부(210)에 속하는 것으로 정하지만, 이들(210, 220, 230, 240)의 역할은 측부 열량 제어에만 국한되지 않는다.
직경 센싱부(210)는 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 직경을 센싱하고, 센싱된 직경을 인상 속도 결정부(220, 230)로 출력한다. 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 직경은 다양한 방법으로 측정할 수 있으며, 카메라 장치(210)를 이용하여 측정될 수 있다.
인상 속도 결정부(220, 230)는 직경 센싱부(210)에서 센싱된 직경값에 상응하여 잉곳(IG)의 인상 속도를 결정하고, 결정된 인상 속도를 서보 모터(240)로 출력한다. 즉, 인상 속도 결정부(220)는 잉곳(IG)의 직경을 센싱한 결과와 잉곳 직경 궤적 목표값을 받아서, 잉곳 직경 궤적 목표값의 일정한 범위 내에서만 잉곳(IG)을 인상하도록 인상 속도를 결정하여 서보 모터(240)로 출력한다.
이를 위해 인상 속도 결정부는 예를 들어 직경 비교부(220) 및 직경 제어부(230)를 포함할 수 있다. 직경 비교부(220)는 직경 센싱부(210)에서 센싱된 실제 잉곳(IG)의 직경치를 잉곳 직경 궤적 목표값과 비교하고, 그 크기 차이를 에러 신호로서 직경 제어부(230)로 출력한다. 직경 제어부(230)는 직경 비교부(220)로부터 에러 신호를 받아서 인상 속도 궤적 목표값을 보정하여 인상 속도 보정값을 출력한다. 이때, 인상 속도 결정부는 제한기(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 제한기는 직경 제어부(230)로부터 인상 속도 보정값을 인상 속도 궤적 목표값에 대하여 일정한 범위 내에서만 변동되도록 제한하고, 제한된 결과를 인상 속도 제어 신호로서 서모 모터(240)로 출력할 수 있다. 이때, 서보 모터(240)는 인상 속도 제어 신호에 응답하여 잉곳(IG)의 인상 속도를 조절한다.
온도 보상부(250)는 잉곳(IG)의 평균 인상 속도와 인상 속도 궤적 목표치를 비교하며, 비교한 결과에 상응하는 설정 온도 궤적 신호를 생성하여 가산부(260)로 출력한다. 이를 위해 온도 보상부(250)는 서보 모터(240)로부터 일정 시간 동안 인상 속도를 받아서 평균하여 평균 인상 속도를 구할 수도 있고, 평균 인상 속도는 서보 모터(240)로부터 제공될 수도 있다.
온도 보상부(250)는 잉곳(IG)의 인상 속도가 결정 성장 과정을 통해 주어진 궤적을 따라가게 하는 역할을 한다. 예를 들어, 온도 보상부(250)는 이러한 역할을 비례 적분 미분(PID:Proportional-Integral-Derivative) 제어 방식으로 수행할 수 있다.
가산부(260)는 온도 보상부(250)로부터 받은 설정 온도 궤적 신호와 소정의 목표 온도 궤적 신호(또는, 온도 궤적 목표값)를 가산하고, 가산된 결과를 온도 설정값으로서 온도 제어부(270)로 출력한다.
온도 센싱부(290)는 도가니(110)의 온도를 센싱하고, 센싱된 결과를 온도 제어부(270)로 출력한다. 이때 ,도가니(110)의 온도를 직접 측정하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 도가니(110)의 온도는 히터 단열 부재(142, 144)를 이용하여 간접적으로 측정될 수 있다. 즉, 도가니(110)의 온도는 히터 단열 부재(142, 144)의 온도를 감지한 결과로부터 간접적으로 측정될 수도 있다. 이 경우, 목표 온도 궤적 신호는 히터 단열 부재(142, 144)의 목표 온도 궤적 신호에 해당한다.
온도 제어부(270)는 가산부(260)로부터 받은 온도 설정값과 온도 센싱부(290)에서 센싱된 온도를 이용하여 측부 발열량을 결정하고, 결정된 측부 발열량을 측부 전력 공급부(280)로 출력한다.
예를 들어, 온도 제어부(270)는 비례 적분 미분(PID) 제어 방식에 의해 측부 발열량을 결정할 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 만일, 온도 제어부(270)가 PID 방식으로 측부 발열량을 결정할 경우, 온도 제어부(270)는 다음 수학식 1과 같이 측부 발열량을 결정할 수 있다.
Figure 112012057306356-pat00002
여기서, EVn은 금회 샘플 시의 편차를 나타내고, EVn -1은 1주기 이전의 편차를 나타내고, SV는 가산부(260)로부터 출력되는 온도 설정값을 나타내고, PVfn은 필터 후 금회 샘플시의 온도 센싱값을 나타내고, PVfn -1은 필터 후 1 주기 이전의 샘플시의 온도 센싱값을 나타내고, PVfn -2는 필터 후 2 주기 이전의 샘플시의 온도 센싱값을 나타내고, △MV는 측부 발열량의 변화량을 나타내고, MV는 측부 발열량의 금회 조작량을 나타내고, Dn은 금회 미분량을 나타내고, TS는 샘플링 주기를 나타내고, Kp는 비례 정수를 나타내고, TI는 적분 정수를 나타내고, TD는 미분 정수를 나타낸다. 특히, PVfn은 온도 센싱부(290)에서 센싱된 온도 센싱값을 다음 수학식 2에 의해 연산한 값이다.
Figure 112012057306356-pat00003
여기서, PVn은 금회 샘플시의 온도 센싱값을 나타내고, α는 필터 계수를 나타내고, PVfn -1은 1주기 이전의 온도 센싱값을 나타낸다. 따라서, 온도 제어부(270)가 온도 센싱부(290)로부터 받은 온도 센싱값의 파일 계수가 설정되어 있지 않을 경우, 입력된 온도 센싱값과 동일한 값이 된다.
즉, 온도 보상부(250)는 현재의 평균 인상 속도 정보를 주어진 인상 속도 궤적 목표치와 비교하여 적절한 제어 로직에 의해 피드백 제어 동작을 하며, 이 신호는 피드 포워드 제어기 역할을 하는 목표 온도 궤적 신호와 가산부(260)에서 가산되어 온도 제어부(270)로 전달되는 설정값을 조절하여 주어진 목표 궤적 신호를 쫓아가도록 한다. 이와 동시에 인상 속도는 잉곳(IG)의 직경을 제어하는 직경 비교부(220)의 조작 변수로서 할당되어 있기 때문에, 직경 비교부(220)의 제어 동작에 의해 단주기적 변동을 보이면서 장주기적으로는 온도 보상부(250)의 동작에 의해 조정되지만 이에 국한되지 않는다.
측부 전력 공급부(280)는 온도 제어부(270)로부터 받은 측부 발열량에 상응하는 전원이 측부 히터(142, 144)로 공급되도록 제어한다.
한편, 하부 발열량 제어부(300)는 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 길이별 열량비(SPR:Second Power Ratio)에 상응하여 측부 발열량으로부터 하부 발열량을 결정하고, 결정된 하부 발열량을 하부 히터(132, 134)로 출력한다. 따라서, 하부 히터(132, 134)는 하부 발열량 제어부(300)에서 결정된 하부 발열량으로 발열할 수 있다.
이를 위해, 하부 발열량 제어부(300)는 열량비 결정부(310), 하부 발열량 계산부(320) 및 하부 전력 공급부(330)를 포함할 수 있다.
열량비 결정부(310)는 잉곳의 길이에 상응하는 열량비(SPR)를 결정하고, 결정된 열량비(SPR)를 하부 발열량 계산부(320)로 출력한다. 열량비 결정부(310)는 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 길이로부터 열량비(SPR)를 다음 수학식 3과 같이 결정할 수 있다.
Figure 112012057306356-pat00004
여기서, L은 잉곳(IG)의 길이를 나타낸다.
하부 발열량 계산부(320)는 열량비 결정부(310)로부터 받은 열량비(SPR)와 온도 제어부(270)로부터 받은 측부 발열량을 이용하여 하부 발열량을 결정하고, 결정된 하부 발열량을 하부 전력 공급부(330)로 출력한다. 예를 들어, 열량비(SPR)가 0.14이고, 측부 발열량이 70 ㎾라고 할 경우, 하부 발열량 계산부(320)는 하부 발열량을 9.8 ㎾로 결정한다. 열량비(SPR)에 의해 측부 발열량 대비 일정한 비율로 하부 발열량이 변동하므로, 열 균형이 항상 일정해질 수 있다.
하부 전력 공급부(330)는 하부 발열량 계산부(320)에서 계산된 하부 발열량에 상응하는 전원을 하부 히터(132, 134)로 공급한다.
전술한 하부 발열량 제어부(300)는 도 1에 예시된 측부 발열량 제어부(200)의 구성에 국한되지 않는다. 왜냐하면, 측부 발열량 제어부(200)가 도 1에 예시된 바와 다른 어떠한 구성을 가질 경우에도, 하부 발열량 제어부(300)는 측부 발열량와 열량비를 이용하여 하부 발열량을 구할 수 있기 때문이다.
이하, 전술한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에서 수행되는 단결정 실리콘 잉곳의 제조 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 6은 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 6을 참조하면, 측부 히터(122, 124)의 측부 발열량을 결정한다(제400 단계). 제400 단계는 도 1에 예시된 측부 발열량 제어부(200)에서 수행될 수 있지만, 이에 국한되지 않는다.
도 7은 도 6에 예시된 제400 단계의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 7을 참조하면, 측부 발열량을 결정하기 위해, 도가니(110)의 온도를 측정한다(제402 단계). 제402 단계는 도 1에 예시된 온도 센싱부(290)에서 수행될 수 있지만 이에 국한되지 않는다.
제402 단계 후에, 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 인상 속도와 도가니(110)의 온도에 따라 측부 발열량을 결정한다(제404 단계). 제404 단계는 도 1에 예시된 온도 제어부(270)에 의해 수행될 수 있지만 이에 국한되지 않는다.
제400 단계 이후, 하부 히터(132, 134)의 하부 발열량을 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 성장되는 길이별로 달리 결정한다(제410 단계). 제410 단계는 하부 발열량 제어부(300)에서 수행될 수 있지만 이에 국한되지 않는다.
도 8은 도 6에 예시된 제410 단계의 실시예에 대한 플로우차트이다.
도 8을 참조하면, 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 현재 길이에 상응하는 열량비(SPR)를 결정한다(제412 단계). 제412 단계는 도 1에 예시된 열량비 결정부(310)에서 수행될 수 있지만 이에 국한되지 않는다.
제412 단계 이후에, 열량비(SPR)와 측부 발열량을 승산하여 하부 발열량을 결정한다(제414 단계). 제414 단계는 도 1에 예시된 하부 발열량 계산부(320)에서 수행될 수 있지만 이에 국한되지 않는다.
한편, 제410 단계 후에, 측부 히터(122, 124) 및 하부 히터(132, 134)를 측부 및 하부 발열량으로 각각 발열시킨다(제420 단계). 제420 단계는 측부 전력 공급부(280) 및 하부 전력 공급부(330)에서 수행될 수 있지만 이에 국한되지 않는다.
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: 챔버 110: 도가니
112: 석영 도가니 114: 흑연 또는 카본 도가니
122, 124, 122A, 122B, 124A, 124B: 측부 히터
132, 134, 132A, 132B, 134A, 134B: 하부 히터
142, 144: 히터 단열 부재 150: 도가니 지지 샤프트
160: 인상부 172, 174: 열차폐 부재
200: 측부 발열량 제어부 210: 직경 센싱부
220, 230: 인상 속도 결정부 240: 서보 모터
250: 온도 보상부 260: 가산부
270: 온도 제어부 280: 측부 전력 공급부
290: 온도 센싱부 300: 하부 발열량 제어부
310: 열량비 결정부 320: 하부 발열량 계산부
330: 하부 전력 공급부

Claims (13)

  1. 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는 도가니;
    상기 도가니의 측부에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 측부 히터;
    상기 도가니의 하부에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 하부 히터; 및
    상기 측부 히터의 측부 발열량을 결정하고, 상기 하부 히터의 하부 발열량을 상기 단결정 실리콘 잉곳의 성장되는 길이별로 달리 결정하고, 상기 측부 히터 및 상기 하부 히터를 각각 제어하여 상기 측부 및 하부 발열량으로 발열시키는 발열량 제어부를 포함하며,
    상기 발열량 제어부는
    상기 단결정 실리콘 잉곳의 인상 속도와 상기 도가니의 온도에 따라 상기 측부 발열량을 결정하는 측부 발열량 제어부; 및
    상기 단결정 실리콘 잉곳의 길이별 열량비에 상응하여 상기 측부 발열량으로부터 상기 하부 발열량을 결정하는 하부 발열량 제어부를 포함하고,
    상기 측부 발열량 제어부는
    상기 단결정 실리콘 잉곳의 직경을 센싱하는 직경 센싱부;
    상기 센싱된 직경값에 상응하여 상기 잉곳의 인상 속도를 결정하는 인상 속도 결정부;
    상기 잉곳의 평균 인상 속도를 인상 속도 목표치와 비교하고, 비교한 결과에 상응하는 설정 온도 궤적 신호를 생성하는 온도 보상부;
    상기 설정 온도 궤적 신호와 목표 온도 궤적 신호를 가산하여 온도 설정값을 생성하는 가산부;
    상기 도가니의 온도를 센싱하는 온도 센싱부;
    상기 온도 설정값과 상기 센싱된 온도를 이용하여 측부 발열량을 결정하는 온도 제어부; 및
    상기 측부 발열량에 상응하는 전원을 상기 측부 히터에 공급하는 측부 전력 공급부를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는 도가니;
    상기 도가니의 측부에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 측부 히터;
    상기 도가니의 하부에 배치되어 상기 도가니를 가열하는 하부 히터; 및
    상기 측부 히터의 측부 발열량을 결정하고, 상기 하부 히터의 하부 발열량을 상기 단결정 실리콘 잉곳의 성장되는 길이별로 달리 결정하고, 상기 측부 히터 및 상기 하부 히터를 각각 제어하여 상기 측부 및 하부 발열량으로 발열시키는 발열량 제어부를 포함하며,
    상기 발열량 제어부는
    상기 단결정 실리콘 잉곳의 인상 속도와 상기 도가니의 온도에 따라 상기 측부 발열량을 결정하는 측부 발열량 제어부; 및
    상기 단결정 실리콘 잉곳의 길이별 열량비에 상응하여 상기 측부 발열량으로부터 상기 하부 발열량을 결정하는 하부 발열량 제어부를 포함하며,
    상기 하부 발열량 제어부는
    상기 잉곳의 길이에 상응하는 상기 열량비를 결정하는 열량비 결정부;
    상기 열량비와 상기 측부 발열량을 이용하여 상기 하부 발열량을 결정하는 하부 발열량 계산부; 및
    상기 하부 발열량에 상응하는 전원을 상기 하부 히터에 공급하는 하부 전력 공급부를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 측부 히터 및 상기 하부 히터로부터의 열이 외부로빠져나가는 것을 차단하는 히터 단열 부재를 더 포함하고,
    상기 도가니의 온도는 상기 히터 단열 부재의 온도로부터 결정되는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 열량비 결정부는
    상기 용융 실리콘의 량에 따른 상기 단결정 실리콘 잉곳의 온도 구배를 설정하고, 상기 잉곳의 결함의 결과에 따라 상기 단결정 실리콘 잉곳의 길이로부터 상기 열량비를 아래와 같이 결정하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
    Figure 112012057306356-pat00005

    (여기서, L은 잉곳(IG)의 길이를 나타낸다.)
  7. 제1 항 또는 제4 항에 있어서, 상기 측부 히터는 수직 방향으로 복수 개로 분할된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  8. 제1 항 또는 제4 항에 있어서, 상기 하부 히터는 수평 방향으로 복수 개로 분할된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  9. 제1 항 또는 제4 항에 있어서, 상기 측부 히터는 상기 도가니의 측부 주위에 원통 형상으로 배치된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  10. 제1 항 또는 제4 항에 있어서, 상기 하부 히터는 상기 도가니의 하부에 도넛 모양으로 배치된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
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