KR101366726B1 - 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

실시예의 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는 도가니와, 단결정 실리콘 잉곳을 인상시키는 인상부와, 도가니를 가열하는 히터와, 잉곳의 직경을 선형적으로 제어하는 직경 선형 제어부와, 도가니의 온도를 선형적으로 제어하는 온도 선형 제어부 및 직경 선형 제어부 및 온도 선형 제어부와 연계하여, 잉곳의 직경 및 도가니의 온도 중 적어도 하나를 비선형적으로 제어하는 비선형 주 제어부를 포함한다.

Description

단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법{Apparatus and method for growing monocrystalline silicon ingots}
실시예는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법에 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 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.
도 1은 히터의 전력에 대한 챔버 내부 온도의 비선형성(또는, 비대칭성)을 설명하기 위한 그래프로서, 내부 온도는 챔버의 내부 온도를 의미한다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장 챔버의 단열 성능이 향상됨에 따라 챔버 내부의 온도의 증가 및 감소는 비선형적인 특성을 갖는다. 즉, 챔버의 고단열성으로 인해 히터의 전력이 증가할 경우 챔버 내부의 온도의 증가 속도는 빠른 반면, 히터의 전력이 감소할 경우 챔버 내부의 온도의 감소 속도는 느려진다.
온도 변화의 이러한 비선형적인 특성에도 불구하고, 선형적으로 단결정 실리콘 잉곳의 인상 속도를 제어할 경우, 인상 속도의 변동(fluctuation)이 유발되고 오프셋(offset)이 발생할 수 있다.
또한, 챔버의 고단열성은 잉곳 직경의 증가 및 감소와 관계가 있다. 즉, 챔버 내부가 핫 존(hot zone)으로 둘러싸여 있어, 온도가 빨리 상승시킬 수 있어 잉곳의 직경은 급속히 변동할 가능성이 있다. 반대로, 챔버 내부의 온도를 낮추기 위해서는 많은 열원의 제거가 필요하기 때문에, 잉곳의 직경은 급속히 변동할 가능성이 없다. 이와 같이, 온도의 비선형성으로 인해, 잉곳 직경의 변동이 유발되고 잉곳의 직경을 정밀하게 제어하는데 한계가 있다.
실시예는 잉곳의 직경 및 도가니의 온도 중 적어도 하나를 정밀하게 제어할 수 있는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법을 제공한다.
실시예의 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는, 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는 도가니; 상기 단결정 실리콘 잉곳을 인상시키는 인상부; 상기 도가니를 가열하는 히터; 상기 잉곳의 직경을 선형적으로 제어하는 직경 선형 제어부; 상기 도가니의 온도를 선형적으로 제어하는 온도 선형 제어부; 및 상기 직경 선형 제어부 및 온도 선형 제어부와 연계하여, 상기 잉곳의 직경 및 상기 도가니의 온도 중 적어도 하나를 비선형적으로 제어하는 비선형 주 제어부를 포함한다.
상기 직경 선형 제어부는 상기 잉곳의 직경을 센싱하는 직경 센서; 상기 센싱된 직경치와 잉곳 직경 궤적 목표치 간의 직경 오차를 산출하는 직경 오차 산출부; 및 상기 직경 오차를 이용하여 현재 인상 속도 보정치를 생성하는 속도 보정치 생성부를 포함한다.
상기 비선형 주 제어부는 상기 현재 인상 속도 보정치의 크기 및 상기 현재 인상 속도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 속도 인자를 이용하여 상기 현재 인상 속도 보정치의 비대칭 인상 속도 보정치를 생성하는 제1 비선형 서브 제어부를 포함하고, 상기 인상부는 상기 비대칭 인상 속도 보정치에 상응하는 인상 속도로 상기 단결정 잉곳을 인상시킨다.
상기 제1 비선형 서브 제어부는 이전 인상 속도 보정치를 저장하는 제1 저장부; 상기 이전 인상 속도 보정치와 상기 현재 인상 속도 보정치를 비교하여, 상기 현재 인상 속도 보정치가 상기 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 검사하는 속도 변동 검사부; 상기 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상인가를 검사하는 속도 보정치 검사부; 상기 속도 변동 검사부 및 상기 속도 보정치 검사부의 검사된 결과에 따라 해당하는 상기 비대칭 속도 인자를 결정하는 비대칭 속도 인자 결정부; 및 상기 비대칭 속도 인자와 상기 현재 인상 속도 보정치를 승산하고, 승산된 결과를 상기 비대칭 인상 속도 보정치로서 출력하는 제1 승산부를 포함한다.
상기 비대칭 속도 인자 결정부는 상기 현재 인상 속도 보정치가 증가했고, 상기 현재 인상 속도 보정치가 상기 속도 임계치 이상일 때, 상기 비대칭 속도 인자를 1보다 크고 6보다 작은 값으로 결정한다. 또한, 상기 비대칭 속도 인자 결정부는 상기 현재 인상 속도 보정치가 감소했고, 상기 현재 인상 속도 보정치가 상기 속도 임계치 이상일 때, 상기 비대칭 속도 인자를 0.6 이상이고 1 보다 적은 값으로 결정한다.
상기 온도 선형 제어부는 인상 속도 궤적 목표치를 이용하여 인상 속도 오차를 생성하는 속도 오차 산출부; 및 상기 인상 속도 오차를 이용하여 현재 온도 보정치를 생성하는 온도 보정치 생성부를 포함한다. 여기서, 상기 속도 오차 산출부는 상기 현재 인상 속도 보정치와 상기 인상 속도 궤적 목표치를 비교하여 상기 인상 속도 오차를 산출하거나 상기 비대칭 인상 속도 보정치와 상기 인상 속도 궤적 목표치를 비교하여 상기 인상 속도 오차를 산출한다.
상기 비선형 주 제어부는 상기 현재 온도 보정치의 크기 및 상기 현재 온도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 온도 인자를 이용하여 상기 현재 온도 보정치의 비대칭 온도 보정치를 생성하는 제2 비선형 서브 제어부를 포함하고, 상기 히터는 상기 비대칭 온도 보정치에 상응하는 온도로 상기 도가니를 가열한다.
상기 제2 비선형 서브 제어부는 이전 온도 보정치를 저장하는 제2 저장부; 상기 이전 온도 보정치와 상기 현재 온도 보정치를 비교하여, 상기 현재 온도 보정치가 상기 이전 온도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 검사하는 온도 변동 검사부; 상기 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상인가를 검사하는 온도 보정치 검사부; 상기 온도 변동 검사부 및 상기 온도 보정치 검사부의 검사된 결과에 따라 해당하는 상기 비대칭 온도 인자를 결정하는 비대칭 온도 인자 결정부; 및 상기 비대칭 온도 인자와 상기 현재 온도 보정치를 승산하고, 승산된 결과를 상기 비대칭 온도 보정치로서 출력하는 제2 승산부를 포함한다.
상기 비대칭 온도 인자 결정부는 상기 현재 온도 보정치가 증가했고, 상기 현재 온도 보정치가 상기 온도 임계치 이상일 때, 상기 비대칭 온도 인자를 1보다 크고 6보다 작은 값으로 결정한다. 또는, 상기 비대칭 온도 인자 결정부는 상기 현재 온도 보정치가 감소했고, 상기 현재 온도 보정치가 상기 온도 임계치 이상일 때, 상기 비대칭 온도 인자를 0.6 이상이고 1 보다 적은 값으로 결정한다.
실시예에 의하면, 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는 도가니와, 상기 단결정 실리콘 잉곳을 인상시키는 인상부 및 상기 도가니를 가열하는 히터를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에서 수행되는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법은, 상기 잉곳의 직경을 선형적으로 제어하여 현재 인상 속도 보정치를 생성하는 단계; 상기 도가니의 온도를 선형적으로 제어하여 현재 온도 보정치를 생성하는 단계; 및 상기 현재 인상 속도 보정치 및 상기 현재 온도 보정치 중 적어도 하나를 이용하여 상기 잉곳의 직경 및 상기 도가니의 온도 중 적어도 하나를 비선형적으로 제어하는 단계를 포함한다.
상기 현재 인상 속도 보정치를 생성하는 단계는 상기 잉곳의 직경을 센싱하는 단계; 상기 센싱된 직경치와 잉곳 직경 궤적 목표치 간의 직경 오차를 산출하는 단계; 상기 직경 오차를 이용하여 상기 현재 인상 속도 보정치를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 잉곳의 직경을 비선형으로 제어하는 단계는 상기 현재 인상 속도 보정치의 크기 및 상기 현재 인상 속도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 속도 인자를 이용하여 상기 현재 인상 속도 보정치의 비대칭 인상 속도 보정치를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 인상부는 상기 비대칭 인상 속도 보정치에 상응하는 인상 속도로 상기 단결정 잉곳을 인상한다.
상기 비대칭 인상 속도 보정치를 생성하는 단계는 상기 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상인가를 판단하는 단계; 상기 현재 인상 속도 보정치가 상기 속도 임계치 이상일 때, 상기 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 판단하는 단계; 상기 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했을 때, 상기 비대칭 속도 인자를 제1 값으로 결정하는 단계; 상기 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했을 때, 상기 비대칭 속도 인자를 상기 제1 값과 다른 제2 값으로 결정하는 단계; 및 상기 비대칭 속도 인자와 상기 현재 인상 속도 보정치를 승산하여 상기 비대칭 인상 속도 보정치를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 현재 온도 보정치를 생성하는 단계는 인상 속도 궤적 목표치를 이용하여 인상 속도 오차를 생성하는 단계; 상기 인상 속도 오차를 이용하여 상기 현재 온도 보정치를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 인상 속도 오차를 생성하는 단계는 상기 현재 인상 속도 보정치와 상기 인상 속도 궤적 목표치를 비교하여 상기 상기 인상 속도 오차를 산출하거나, 상기 비대칭 인상 속도 보정치와 상기 인상 속도 궤적 목표치를 비교하여 상기 인상 속도 오차를 산출한다.
상기 도가니의 온도를 비선형으로 제어하는 단계는 상기 현재 온도 보정치의 크기 및 상기 현재 온도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 온도 인자를 이용하여 상기 현재 온도 보정치의 비대칭 온도 보정치를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 히터는 상기 비대칭 온도 보정치에 상응하는 온도로 상기 도가니를 가열한다.
상기 비대칭 온도 보정치를 생성하는 단계는 상기 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상인가를 판단하는 단계; 상기 현재 온도 보정치가 상기 온도 임계치 이상일 때, 상기 현재 온도 보정치가 이전 온도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 판단하는 단계; 상기 현재 온도 보정치가 상기 이전 온도 보정치로부터 증가했을 때, 상기 비대칭 온도 인자를 제3 값으로 결정하는 단계; 상기 현재 온도 보정치가 상기 이전 온도 보정치로부터 감소했을 때, 상기 비대칭 온도 인자를 상기 제3 값과 다른 제4 값으로 결정하는 단계; 및 상기 비대칭 온도 인자와 상기 현재 온도 보정치를 승산하여 상기 비대칭 온도 보정치를 생성하는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법은 비선형 주 제어부 특히, 제1 비선형 서브 제어부 및 제2 비선형 서브 제어부 중 적어도 하나를 이용하여 잉곳의 직경의 변화와 도가니의 온도의 변화의 비선형적인 특성에 맞추어 직경과 도가니의 온도를 비선형적으로 제어함으로써, 잉곳의 인상 속도와 직경의 오프셋을 제어할 수 있을 뿐만 아니라 인상 속도와 직경의 변동을 감소시키는 등, 직경과 인상 속도를 정밀하게 제어하여 고품질의 단결정 잉곳을 제조할 수 있다.
도 1은 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 단면도를 나타낸다.
도 2는 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 단면도를 나타낸다.
도 3은 비선형 주 제어부의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 4는 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 5는 도 4에 예시된 제400 단계의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 6은 도 4에 예시된 제500 단계의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 7은 도 4에 예시된 제600 단계의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 8은 도 4에 예시된 제700 단계의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 9는 잉곳의 직경 변경 또는 도가니의 온도 변화를 보이는 도면이다.
도 10은 잉곳의 길이에 대한 잉곳 직경의 편차를 나타내는 도면이다.
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 2는 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 단면도를 나타낸다.
도 2에 예시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 도가니(110), 히터(120), 히터 단열 부재(130), 인상부(140), 도가니 지지 샤프트(150), 열 차폐 부재(152), 서보(servo) 모터(motor)(154), 직경 선형 제어부(160), 온도 선형 제어부(170) 및 비선형 주 제어부(200)를 포함한다.
도가니(110)는 단결정 실리콘 잉곳(IG)을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는다. 도가니(110) 내에서 실리콘의 고순도 다결정 원료를 융점 온도 이상으로 히터(120)에 의해 가열하여, 실리콘 용융액(SM)으로 변화시킨다.
이를 위해, 도가니(110)는 석영 도가니(112)와 흑연 도가니(또는, 카본(carbon))(114)를 포함할 수 있다. 석영 도가니(112)는 원료 실리콘이 융해된 실리콘 용융액(SM)을 담는다. 흑연 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 도가니(114)가 외부에 배치될 수 있다.
히터(120)는 도가니(110)의 측부에 배치되어 도가니(110)를 가열하며, 도시되지는 않았지만 도가니(110)의 하부에도 추가적으로 배치될 수 있다. 히터(120)의 발열량을 늘려 도가니(110)의 온도를 높게 가열하면 실리콘 용융액(SM)의 온도가 높아져서 잉곳(IG)의 직경이 작아질 수 있고, 히터(120)의 발열량을 낮추거나 그 밖의 다른 방법에 의해 도가니(110)의 온도를 낮추면 실리콘 용융액(SM)의 온도가 낮아져서 잉곳(IG)의 직경이 커질 수 있다.
히터 단열 부재(130)는 히터(120)로부터의 열이 외부로 빠져나가는 것을 차단하는 성장로 내의 단열 역할을 한다.
인상부(140)는 인상 와이어(142)를 풀어 실리콘 용융액(SM)의 표면의 대략 중심부에 종결정(144) 선단을 접촉 또는 침지시킨다. 이때, 시드 척(seed chuck)(미도시)을 이용하여 실리콘 종결정(144)을 유지시킬 수 있다. 또한, 인상부(140)는 인상 와이어(142)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. 만일, 인상부(140)에서 잉곳(IG)을 인상하는 속도가 느리면 잉곳(IG)의 직경은 커질 수 있고, 인상하는 속도가 빠르면 잉곳(IG)의 직경은 작아질 수 있다.
지지축 구동부(미도시)는 도가니 지지 샤프트(150)을 화살표와 같은 방향으로 회전시킴과 동시에 상/하로 운동시킬 수 있다. 즉, 도가니 지지 샤프트(150)의 운동에 따라 도가니(110)는 회전 및 상/하 수직 운동할 수 있다.
열차폐 부재(152)는 히터(120)와 실리콘 용융액(SM)으로부터의 복사열이 인상되는 단결정 실리콘 잉곳(IG)으로 전달되는 것을 차단한다. 즉, 열 차폐 부재(152)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(152)는 잉곳(IG)의 냉각 열 이력에 큰 영향을 미친다. 게다가, 열 차폐 부재(152)는 실리콘 용융액(SM)의 온도 변동을 억제하는 역할도 수행한다.
직경 선형 제어부(160)는 단결정 실리콘 잉곳(IG)의 직경을 선형적으로 제어하는 역할을 한다. 이를 위해, 직경 선형 제어부(160)는 직경 센서(162), 직경 오차 산출부(164) 및 속도 보정치 생성부(166)를 포함할 수 있다.
직경 센서(162)는 잉곳(IG)의 직경을 센싱하며, 센싱된 잉곳(IG)의 직경치를 직경 오차 산출부(164)로 출력한다. 예를 들어, 직경 센서(162)는 잉곳(IG)과 실리콘 용융액(SM) 사이의 머니스커스(Meniscus)의 빛을 관측하여 잉곳(IG)의 직경을 센싱할 수 있다.
직경 오차 산출부(164)는 직경 센서(162)에서 센싱된 직경치와 잉곳 직경 궤적 목표치 간의 직경 오차를 산출하고, 산출된 직경 오차를 속도 보정치 생성부(166)로 출력한다. 예를 들어, 직경 오차 산출부(164)는 센싱된 직경치로부터 잉곳 직경 궤적 목표치를 감산하고, 감산된 결과를 직경 오차로서 출력할 수 있다.
속도 보정치 생성부(166)는 직경 오차 산출부(164)로부터 받은 직경 오차를 이용하여 현재 인상 속도 보정치를 생성하고, 생성된 현재 인상 속도 보정치를 비선형 주 제어부(200)로 출력한다. 예를 들어, 속도 보정치 생성부(166)는 이러한 역할을 비례 적분 미분(PID:Proportional-Integral-Derivative) 제어 방식 또는 비례 미분(PD:Proportional-Derivative) 제어 방식으로 수행할 수 있다. 만일, 속도 보정치 생성부(166)가 PID 제어 방식으로 동작할 경우, 적분값을 사용되지 않을 수도 있다.
한편, 온도 선형 제어부(170)는 도가니(110)의 온도를 선형적으로 제어한다. 이를 위해, 온도 선형 제어부(170)는 전력 공급부(172), 자동 온도 제어부(ATC:Automatic Temparature Controller)(174), 비교부들(175, 176), 온도 보정치 생성부(178) 및 속도 오차 산출부(179)를 포함할 수 있다.
속도 오차 산출부(179)는 후술되는 비선형 주 제어부(200)로부터 받은 비대칭 인상 속도 보정치(또는, 비대칭 인상 속도 보정치의 평균값)과 인상 속도 궤적 목표치를 비교하고, 비교된 결과를 인상 속도 오차로서 온도 보정치 생성부(178)로 출력한다. 예를 들어, 속도 오차 산출부(179)는 비대칭 인상 속도 보정치의 평균값으로부터 인상 속도 궤적 목표치를 감산하고, 감산된 결과를 인상 속도 오차로서 출력할 수 있다.
온도 보정치 생성부(178)는 속도 오차 산출부(179)로부터 받은 인상 속도 오차를 이용하여 현재 온도 보정치를 생성하고, 생성된 현재 온도 보정치를 비선형 주 제어부(200)로 출력한다. 예를 들어, 온도 보정치 생성부(178)는 비례 적분 미분(PID) 제어 방식에 의해 현재 온도 보정치를 생성할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
비교부(176)는 후술한 바와 같이 비선형 주 제어부(200)로부터 받은 비대칭 온도 보정치와 온도 궤적 목표치를 비교하고, 비교된 결과를 비교부(175)로 출력한다. 예를 들어, 비교부(176)는 비대칭 온도 보정치로부터 온도 궤적 목표치를 감산하고, 감산된 결과를 비교부(175)로 출력할 수 있다.
비교부(175)는 비교부(176)에서 비교된 결과와 온도 센서(177)에서 센싱된 도가니(110)의 온도를 비교하고, 비교된 결과를 ATC(174)로 출력한다. 예를 들어, 비교부(175)는 비교부(176)에서 비교된 결과로부터 센싱된 도가니(110)의 온도를 감산하고, 감산된 결과를 ATC(174)로 출력할 수 있다.
온도 센서(177)는 도가니(110)의 온도를 센싱하고, 센싱된 결과를 비교부(175)로 출력한다. 이때 ,도가니(110)의 온도를 직접 측정하는 것은 어려울 수 있다. 따라서, 도가니(110)의 온도는 히터 단열 부재(152)를 이용하여 간접적으로 측정될 수 있다. 즉, 도가니(110)의 온도는 히터 단열 부재(152)의 온도를 감지한 결과로부터 간접적으로 측정될 수도 있다. 이 경우, 온도 궤적 목표치는 히터 단열 부재(152)의 온도 궤적 목표치에 해당한다.
ATC(174)는 비교부(175)에서 비교된 결과를 이용하여 히터(120)의 발열량을 결정하고, 결정된 히터(120)의 발열량을 전력 공급부(172)로 출력한다. 예를 들어, ATC(174)는 비례 적분 미분(PID) 제어 방식에 의해 히터(120)의 발열량을 결정할 수 있으나 이에 국한되지 않는다
전력 공급부(172)는 ATC(174)에서 결정된 발열량으로 히터(120)가 발열하도록 제어한다. 이를 위해, 전력 공급부(172)는 사이리스터(SCR:thyristor)로 구현될 수 있으나, 이에 국한되지 않는다. 만일, 전력 공급부(172)가 SCR로 구현될 경우, ATC(174)에서 결정된 발열량은 온도의 형태로서 SCR(172)로 제공된다. 이때, SCR(172)은 온도에 따라 히터(120)의 전력을 공급한다.
비선형 주 제어부(200)는 전술한 직경 선형 제어부(160) 및 온도 선형 제어부(170)와 연계하여, 잉곳(IG)의 직경 및 도가니(110)의 온도 중 적어도 하나를 비선형적으로 제어한다. 즉, 비선형 주 제어부(200)는 직경 선형 제어부(160)의 속도 보정치 생성부(166)로부터 받은 현재 인상 속도 보정치에 비대칭 속도 인자를 이용하여 비선형성을 부여하여 비대칭 인상 속도 보정치로 변환하고, 온도 선형 제어부(170)의 온도 보정치 생성부(178)로부터 받은 현재 온도 보정치에 비대칭 온도 인자를 이용하여 비선형성을 부여하여 비대칭 온도 보정치로 변환한다.
이를 위해, 비선형 주 제어부(200)는 제1 및 제2 비선형 서브 제어부(210, 220)를 포함할 수 있다.
제1 비선형 서브 제어부(210)는 속도 보정치 생성부(166)로부터 받은 현재 인상 속도 보정치의 크기 및 그 현재 인상 속도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 속도 인자를 이용하여 현재 인상 속도 보정치의 비대칭 인상 속도 보정치를 생성하고, 생성된 비대칭 인상 속도 보정치를 서보 모터(154) 및 온도 선형 제어부(170)으로 각각 출력한다. 서보 모터(154)는 인상부(140)를 제어하여, 비대칭 인상 속도 보정치에 상응하는 인상 속도로 단결정 잉곳(IG)이 인상되도록 제어한다.
실시예에 의하면, 제1 비선형 서브 제어부(210)는 제1 저장부(212), 속도 변동 검사부(214), 속도 보정치 검사부(216), 비대칭 속도 인자 결정부(218) 및 제1 승산부(219)를 포함할 수 있다.
제1 저장부(212)는 이전 인상 속도 보정치를 저장한다. 여기서, 이전 인상 속도 보정치란, 현재 인상 속도 보정치의 바로 이전의 인상 속도 보정치를 의미할 수 있다.
속도 변동 검사부(214)는 저장부(212)로부터 독출한 이전 인상 속도 보정치와 직경 선형 제어부(160)로부터 받은 현재 인상 속도 보정치를 비교하여, 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 검사하고, 검사된 결과를 비대칭 속도 인자 결정부(218)로 출력한다. 즉, 속도 변동 검사부(214)는 인상 속도 보정치가 증가하고 있는가 감소하고 있는가를 검사한다.
속도 보정치 검사부(216)는 속도 보정치 생성부(166)로부터 받은 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상인가를 검사하고, 검사된 결과를 비대칭 속도 인자 결정부(218)로 출력한다.
비대칭 속도 인자 결정부(218)는 속도 변동 검사부(214) 및 속도 보정치 검사부(216)의 검사된 결과에 따라 해당하는 비대칭 속도 인자를 결정하고, 결정된 비대칭 속도 인자를 제1 승산부(219)로 출력한다.
비대칭 속도 인자 결정부(218)에서 결정될 비대칭 속도 인자는 사전에 비대칭 속도 인자 대비 잉곳(IG) 직경의 변화를 테스팅함으로써 구할 수 있다. 예를 들어, 복수의 현재 인상 속도 보정치를 제1 비선형 서브 제어부(210)에 투입하고, 투입된 량에 따라 잉곳 직경의 변화를 관측하고, 관측된 결과를 통해 현재 인상 속도 보정치 대비 비대칭 속도 인자의 관계를 테이블화하여 만들 수 있다.
예를 들어, 비대칭 속도 인자 결정부(218)는 속도 변동 검사부(214)에서 검사된 결과를 통해 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했고, 속도 보정치 검사부(216)에서 검사된 결과를 통해 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상이라고 판단될 때, 비대칭 속도 인자를 1보다 크고 6보다 작은 값으로 결정할 수 있다. 또는, 비대칭 속도 인자 결정부(218)는 현재 인상 속도 보정치가 감소했고, 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상이라고 판단될 때, 비대칭 속도 인자를 0.6 이상이고 1 보다 적은 값으로 결정할 수도 있다. 이와 같이, 인상 속도 보정치의 증가시에 비대칭 속도 인자를 1보다 적은 값으로 부여하고, 인상 속도 보정치의 감소시에 비대칭 속도 인자를 1보다 큰 값으로 부여하는 이유 중 하나는, 도가니(110)를 수용하는 챔버의 온도는 빨리 증가시킬 수 있으나, 챔버의 온도는 천천히 냉각되기 때문이다. 즉, 비대칭 속도 인자를 1보다 적게 설정하여 챔버의 온도가 천천히 증가하도록 하고, 비대칭 속도 인자를 1보다 크게 설정하여 챔버의 온도가 빨리 냉각되도록 하기 위함이다. 그러나, 실시예는 이에 국한되지 않으면 다른 상황에서, 전술한 바와 반대로, 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했고 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상이라고 판단될 때 비대칭 속도 인자를 0.6 이상이고 1 보다 적은 값으로 결정하고, 현재 인상 속도 보정치가 감소했고 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상이라고 판단될 때 비대칭 속도 인자를 1보다 크고 6보다 작은 값으로 결정할 수도 있다.
제1 승산부(219)는 비대칭 속도 인자 결정부(218)로부터 받은 비대칭 속도 인자와 직경 선형 제어부(160)로부터 받은 현재 인상 속도 보정치를 승산하고, 승산된 결과를 비대칭 인상 속도 보정치로서 온도 선형 제어부(170) 및 서보 모터(154)로 각각 출력한다.
도 3은 비선형 주 제어부(200)의 동작을 설명하기 위한 그래프로서, 참조부호 300은 기존의 단결정 실리콘 제조 장치의 경우의 특성을 나타내고 참조부호 302는 본 실시예의 특성을 나타낸다.
기존의 단결정 실리콘 제조 장치(300)의 경우, 도 3에 예시된 그래프의 횡축은 직경 오차를 나타내고 종축은 현재 인상 속도 보정치를 나타낸다.
또는, 기존의 단결정 실리콘 제조 장치(300)의 경우, 도 3에 예시된 그래프의 횡축은 인상 속도 오차를 나타내고 종축은 현재 온도 보상치를 나타낸다.
또는, 본 실시예의 단결정 실리콘 제조 장치(302)의 경우, 도 3에 예시된 그래프의 횡축은 직경 오차를 나타내고 종축은 비대칭 인상 속도 보정치를 나타낸다.
또는, 본 실시예의 단결정 실리콘 제조 장치(302)의 경우, 도 3에 예시된 그래프의 횡축은 인상 속도 오차를 나타내고 종축은 비대칭 온도 보정치를 나타낸다.
기존의 단결정 실리콘 제조 장치(300)의 경우, 제1 비선형 서브 제어부(210)를 사용하지 않고, 직경 선형 제어부(160)로부터 출력되는 현재 인상 속도 보정치가 서보 모터(154)로 직접 인가된다. 즉, 도 2의 속도 보정치 생성부(166)는 도 3에 예시된 바와 같이 직경 오차에 대한 현재 인상 속도 보정치를 선형적으로 변환하여 출력한다. 그러므로, 단열 성능에 따라 잉곳(IG) 직경의 증가 또는 감소가 비선형적인 특성을 가짐에도 불구하고, 속도 보정치 생성부(166)가 선형적인 입/출력 특성을 갖기 때문에, 잉곳(IG)의 직경을 정밀하게 제어할 수 없다.
반면에, 본 실시예의 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치(302)의 경우, 직경 선형 제어부(160)로부터 출력되는 현재 인상 속도 보정치가 서보 모터(154)로 직접 인가되는 대신에, 제1 비선형 서브 제어부(210)를 거쳐서 인가된다. 즉, 도 2의 제1 비선형 서브 제어부(210)에 의해 직경 오차에 대한 현재 인상 속도 보정치가 비대칭 인상 속도 보정치로 비선형적으로 변환되어 출력된다. 따라서, 단열 성능에 따라 잉곳(IG) 직경의 증가 또는 감소가 비선형적인 특성을 가질 때, 이를 제1 비선형 서브 제어부(210)에 의해 반영하기 때문에, 잉곳(IG)의 직경을 정밀하게 제어할 수 있다.
한편, 제2 비선형 서브 제어부(220)는 온도 보정치 생성부(178)로부터 받은 현재 온도 보정치의 크기 및 그 현재 온도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 온도 인자를 이용하여 현재 온도 보정치의 비대칭 온도 보정치를 생성하고, 생성된 비대칭 온도 보정치를 선형 온도 제어부(170)로 출력한다. 히터(120)는 비대칭 온도 보정치에 상응하는 온도로 도가니(110)를 가열한다. 이를 위해, 온도 선형 제어부(170)는 비교부들(175, 176), ATC(174) 및 전력 공급부(172)를 이용하며, 이에 대해서는 전술한 바와 같다.
실시예에 의하면, 제2 비선형 서브 제어부(220)는 제2 저장부(222), 온도 변동 검사부(224), 온도 보정치 검사부(226), 비대칭 온도 인자 결정부(228) 및 제2 승산부(229)를 포함한다.
제2 저장부(222)는 온도 보정치 생성부(178)로부터 이전에 받은 온도 보정치를 이전 온도 보정치로서 저장한다.
온도 변동 검사부(224)는 제2 저장부(222)로부터 독출한 이전 온도 보정치와 온도 보정치 생성부(178)로부터 받은 현재 온도 보정치를 비교하여, 현재 온도 보정치가 이전 온도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 검사하고, 검사된 결과를 비대칭 온도 인자 결정부(228)로 출력한다.
온도 보정치 검사부(226)는 온도 보정치 생성부(178)로부터 받은 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상인가를 검사하고, 검사된 결과를 비대칭 온도 인자 결정부(228)로 출력한다.
비대칭 온도 인자 결정부(228)는 온도 변동 검사부(224) 및 온도 보정치 검사부(226)의 검사된 결과에 따라 해당하는 비대칭 온도 인자를 결정하고, 결정된 비대칭 온도 인자를 제2 승산부(229)로 출력한다.
비대칭 온도 인자 결정부(228)에서 결정될 비대칭 온도 인자는 비대칭 온도 인자 대비 잉곳 직경이나 도가니(110)의 온도 변화를 테스팅함으로써 미리 구해질 수 있다. 즉, 복수의 현재 온도 보정치를 제2 비선형 서브 제어부(220)에 투입하고, 투입된 량에 따라 도가니(110)의 온도나 직경의 변화를 관측하고, 관측된 결과를 통해 현재 온도 보정치 대비 비대칭 온도 인자의 관계를 테이블화하여 만들 수 있다.
예를 들어, 비대칭 온도 인자 결정부(228)는 온도 변동 검사부(224)에서 검사된 결과를 통해 현재 온도 보정치가 이전 온도 보정치로부터 증가했고, 온도 보정치 검사부(226)에서 검사된 결과를 통해 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상이다고 판단될 때, 비대칭 온도 인자를 1보다 크고 6보다 작은 값으로 결정한다. 또는, 비대칭 온도 인자 결정부(228)는 현재 온도 보정치가 이전 온도 보정치로부터 감소했고, 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상이라고 판단될 때, 비대칭 온도 인자를 0.6 이상이고 1 보다 적은 값으로 결정할 수도 있다. 그러나, 실시예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 비대칭 속도 인자 결정부(218)에서 전술한 바와 같이, 현재 온도 보정치가 이전 온도 보정치로부터 증가했고 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상이다고 판단될 때 비대칭 온도 인자를 0.6 이상이고 1 보다 적은 값으로 결정할 수도 있고, 현재 온도 보정치가 이전 온도 보정치로부터 감소했고 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상이라고 판단될 때 비대칭 온도 인자를 1보다 크고 6보다 작은 값으로 결정할 수도 있다.
제2 승산부(229)는 비대칭 온도 인자 결정부(228)에서 결정된 비대칭 온도 인자와 온도 보정치 생성부(178)에서 생성된 현재 온도 보정치를 승산하고, 승산된 결과를 비대칭 온도 보정치로서 온도 선형 제어부(170)의 비교부(176)로 출력한다.
도 3을 참조하면, 기존의 단결정 실리콘 제조 장치(300)의 경우, 제2 비선형 서브 제어부(220)를 사용하지 않고, 온도 선형 제어부(170)의 온도 보정치 생성부(178)로부터 출력되는 현재 온도 보정치가 비교부(176)로 직접 인가된다. 즉, 도 2의 온도 보정치 생성부(178)는 도 3에 예시된 바와 같이 인상 속도 오차에 대한 현재 온도 보정치를 선형적으로 변환시킨다. 따라서, 온도의 비선형성이 존재함에도 불구하고, 도가니(110)의 온도를 선형적인 제어 방식으로만 제어하였다.
반면에, 본 실시예의 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치(302)의 경우, 온도 보정치 생성부(178)로부터 출력되는 현재 온도 보정치가 비교부(176)로 직접 인가되는 대신에, 제2 비선형 서브 제어부(220)를 경유하여 인가된다. 즉, 도 2의 제2 비선형 서브 제어부(220)에 의해 인상 속도 오차에 대한 현재 온도 보정치가 비대칭 온도 보정치로 비선형적으로 변환되어 비교부(176)로 출력된다. 그러므로, 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에 의하면, 온도가 상승하는 구역에서 출력값을 감소시켜 작은 출력에서도 온도 상승이 천천히 이루어지도록 하고, 온도 하강 구역에서는 출력값을 증가시켜 큰 출력으로 온도 하강이 급격이 이루어지도록 할 수 있다.
전술한 도 2에 예시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치의 비선형 주 제어부(200)는 제1 비선형 서브 제어부(210)와 제2 비선형 서브 제어부(220)를 모두 포함한다. 그러나, 실시예는 이에 국한되지 않는다.
즉, 다른 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 제1 비선형 서브 제어부(210)만을 포함하고 제2 비선형 서브 제어부(220)를 포함하지 않을 수도 있다. 이 경우, 온도 보정치 생성부(178)의 출력은 제2 비선형 서브 제어부(220)로 제공되는 대신에 비교부(176)로 직접 인가된다. 이때, 비교부(176)는 온도 궤적 목표치와 온도 보정치 생성부(178)로부터 받은 현재 온도 보정치를 비교하고, 비교된 결과를 비교부(175)로 출력한다.
또 다른 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치는 제1 비선형 서브 제어부(210)를 포함하지 않고 제2 비선형 서브 제어부(220)만을 포함할 수 있다. 이 경우, 속도 보정치 생성부(166)에서 출력되는 현재 인상 속도 보정치는 제1 비선형 서브 제어부(210)로 제공되는 대신에 온도 선형 제어부(170)의 속도 오차 산출부(179) 및 서보 모터(154)로 직접 인가된다. 이때, 속도 오차 산출부(179)는 인상 속도 궤적 목표치와 속도 보정치 생성부(166)로부터 출력되는 현재 인상 속도 정보를 비교하여 인상 속도 오차를 산출하여 온도 보정치 생성부(178)로 출력한다. 예를 들어, 속도 오차 산출부(179)는 속도 보정치 생성부(166)로부터 출력되는 현재 인상 속도 정보로부터 인상 속도 궤적 목표치를 감산하고, 감산된 결과를 인상 속도 오차로서 출력할 수 있다.
이하, 전술한 본 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에서 수행되는 단결정 잉곳 제조 방법에 대해 첨부한 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 4는 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 4를 참조하면, 잉곳(IG)의 직경을 선형적으로 제어하여 현재 인상 속도 보정치를 생성한다(제400 단계). 제400 단계는 직경 선형 제어부(160)에서 수행된다.
도 5는 도 4에 예시된 제400 단계의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 5를 참조하면, 잉곳(IG)의 직경을 센싱한다(제402 단계). 제400 단계 후에, 센싱된 직경치와 잉곳 직경 궤적 목표치 간의 직경 오차를 산출한다(제404 단계). 제404 단계 후에, 직경 오차를 이용하여 현재 인상 속도 보정치를 생성한다(제406 단계). 제402, 제404 및 제406 단계는 도 2에 예시된 직경 센서(162), 직경 오차 산출부(164) 및 속도 보정치 생성부(166)에서 각각 수행될 수 있다.
다시 도 4를 참조하면, 제400 단계 후에, 선형적인 직경 제어 결과인 현재 인상 속도 보정치를 이용하여 잉곳의 직경을 비선형적으로 제어한다(제500 단계). 제500 단계는 제1 비선형 서브 제어부(210)에서 수행될 수 있다. 즉, 현재 인상 속도 보정치의 크기 및 현재 인상 속도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 속도 인자를 이용하여 현재 인상 속도 보정치의 비대칭 인상 속도 보정치를 생성한다. 이후, 비대칭 인상 속도 보정치에 상응하는 인상 속도로 단결정 잉곳을 인상한다.
도 6은 도 4에 예시된 제500 단계의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 6을 참조하면, 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상인가를 판단한다(제502 단계).
만일, 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상이 아닐 때, 비대칭 속도 인자를 '1'로 결정한다(제504 단계). 따라서, 비대칭 인상 속도 보정치 대신에 현재 인상 속도 보정치에 의해 잉곳(IG)의 인상 속도가 제어된다.
그러나, 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상일 때, 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 판단한다(제506 단계).
만일, 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했을 때, 비대칭 속도 인자를 제1 값으로 결정한다(제508 단계). 그러나, 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 감소했을 때, 비대칭 속도 인자를 제1 값과 다른 제2 값으로 결정한다(제510 단계). 여기서, 제1 또는 제2 값은 1보다 크고 6보다 작은 값일 수도 있고, 0.6 이상이고 1 보다 적은 값일 수도 있다.
제504, 제508 또는 제510 단계 후에, 비대칭 속도 인자와 현재 인상 속도 보정치를 승산하여 비대칭 인상 속도 보정치를 생성한다(제512 단계).
제502, 제506 및 제512 단계는 속도 보정치 검사부(216), 속도 변동 검사부(214) 및 제1 승산부(219)에서 각각 수행되고, 제504, 제508 및 제510 단계는 비대칭 속도 인자 결정부(218)에서 수행될 수 있다.
다시, 도 4를 참조하면, 제500 단계 후에, 도가니의 온도를 선형적으로 제어하여 현재 온도 보정치를 생성한다(제600 단계). 제600 단계는 온도 선형 제어부(170)에서 수행될 수 있다.
도 7은 도 4에 예시된 제600 단계의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
제500 단계 후에, 인상 속도 궤적 목표치와 비대칭 인상 속도 보정치를 비교하여 인상 속도 오차를 생성한다(제602 단계). 제602 단계 후에, 인상 속도 오차를 이용하여 현재 온도 보정치를 생성한다(제604 단계). 제602 및 제604 단계는 속도 오차 산출부(179) 및 온도 보정치 생성부(178)에서 각각 수행될 수 있다.
다시, 도 4를 참조하면, 제600 단계 후에, 현재 온도 보정치를 이용하여 도가니(110)의 온도를 비선형적으로 제어한다(제700 단계). 제700 단계는 제2 비선형 서브 제어부(220)에서 수행될 수 있다. 즉, 현재 온도 보정치의 크기 및 현재 온도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 온도 인자를 이용하여 현재 온도 보정치의 비대칭 온도 보정치를 생성한다. 이후, 히터(120)는 비대칭 온도 보정치에 상응하는 온도로 도가니(110)를 가열한다.
도 8은 도 4에 예시된 제700 단계의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 8을 참조하면, 제600 단계 후에, 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상인가를 판단한다(제702 단계).
만일, 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상이 아닐 때, 비대칭 온도 인자를 '1'로 결정한다(제704 단계). 따라서, 비대칭 온도 보정치 대신에 현재 온도 보정치에 의해 히터(120)의 발열량이 제어될 수 있다. 그러나, 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상일 때, 현재 온도 보정치가 이전 온도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 판단한다(제706 단계).
만일, 현재 온도 보정치가 이전 온도 보정치로부터 증가했을 때, 비대칭 온도 인자를 제3 값으로 결정한다(제708 단계). 그러나, 현재 온도 보정치가 이전 온도 보정치로부터 감소했을 때, 비대칭 온도 인자를 제3 값과 다른 제4 값으로 결정한다(제710 단계). 여기서, 제3 또는 제4 값은 1보다 크고 6보다 작은 값일 수도 있고, 0.6 이상이고 1 보다 적은 값일 수도 있다.
제704, 제708 또는 제710 단계 후에, 비대칭 온도 인자와 현재 온도 보정치를 승산하여 비대칭 온도 보정치를 생성한다(제712 단계).
제702, 제706 및 제712 단계는 온도 보정치 검사부(226), 온도 변동 검사부(224) 및 제2 승산부(229)에서 각각 수행되고, 제704, 제708 및 제710 단계는 비대칭 온도 인자 결정부(228)에서 수행될 수 있다.
전술한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법의 경우, 잉곳(IG)의 직경과 도가니(110)의 온도를 모두 비선형적으로 제어하지만, 실시예는 이에 국한되지 않는다.
즉, 다른 실시예에 의하면, 잉곳(IG)의 직경을 선형적 및 비선형적으로 모두 제어하고, 도가니(110)의 온도는 선형적으로만 제어하고 비선형적으로 제어하지 않을 수도 있다. 이 경우, 도 4에 예시된 제700 단계는 생략되고, 제600 단계에서 도가니의 온도를 제어하기 위해 비대칭 온도 보정치 대신에 현재 온도 보정치를 이용한다.
또는, 다른 실시예에 의하면, 잉곳(IG)의 직경을 선형적으로 제어하고 비선형적으로 제어하지 않고, 도가니(110)의 온도는 선형적 및 비선형적으로 모두 제어할 수도 있다. 이 경우, 도 4에 예시된 제500 단계는 생략되고, 제600 단계의 제602 단계에서, 인상 속도 오차를 생성할 때, 비대칭 인상 속도 보정치를 이용하는 대신에 현재 인상 속도 보정치를 이용한다.
도 9는 잉곳(IG)의 직경 변경 또는 도가니(110)의 온도 변화를 보이는 도면이다.
도 9를 참조하면, 잉곳(IG)의 직경이나 도가니(110)의 온도가 사인파 형태로 변동(800)할 경우, 기존의 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법(802)에 의하면 선형적으로만 잉곳(IG)의 직경이나 도가니(110)의 온도가 보정되었다. 그러므로, 직경이나 도가니(110) 온도의 변동 및 오프셋을 제거하기 어렵다.
그러나, 실시예에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치 및 방법(804)에 의하면, 잉곳(IG)의 직경이나 도가니(110)의 온도의 변화량에 따라 제어값 즉, 서보 모터(154)의 입력값이나 SCR(172)의 입력값을 비선형적으로 변화시킨다. 그러므로, 직경이나 온도의 오프셋을 제거하고 변동을 사전에 제어하여 방지할 수 있다.
도 10은 잉곳(IG)의 길이에 대한 잉곳 직경의 편차를 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 비대칭 속도 인자 또는 비대칭 온도 인자를 0.6 내지 6의 범위 내에서 임의로 선택한 실시예(△로 표기된 '적용')와 기존(□로 표기된 '기존')을 비교할 때, 직경 편차인 목표 직경 대비 오차가 감소됨을 알 수 있다. 또한, 비대칭 온도 인자 또는 비대칭 속도 인자를 전술한 바와 같은 테스팅을 통해 최적으로 선택한 실시예(○로 표기된 '최적화')와 기존(□로 표기된 '기존')을 비교할 때, 직경 편차인 목표 직경 대비 오차가 더욱 감소됨을 알 수 있다. 따라서, 직경의 정밀 제어가 가능해진다.
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.
110: 도가니 120: 히터
130: 히터 단열 부재 140: 인상부
150: 도가니 지지 샤프트` 152: 열 차폐 부재
154: 서보 모터 160: 직경 선형 제어부
162: 직경 센서 164: 직경 오차 산출부
166: 속도 보정치 생성부 170: 온도 선형 제어부
172: 전력 공급부 174: 자동 온도 제어부(ATC)
175, 176: 비교부 178: 온도 보정치 생성부
179: 속도 오차 산출부 200: 비선형 주 제어부

Claims (22)

  1. 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는 도가니;
    상기 단결정 실리콘 잉곳을 인상시키는 인상부;
    상기 도가니를 가열하는 히터;
    상기 잉곳의 직경을 선형적으로 제어하는 직경 선형 제어부;
    상기 도가니의 온도를 선형적으로 제어하는 온도 선형 제어부; 및
    상기 직경 선형 제어부 및 상기 온도 선형 제어부와 연계하여, 현재 인상 속도 보정치의 크기 및 상기 현재 인상 속도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 속도 인자를 이용하여 상기 현재 인상 속도 보정치의 비대칭 인상 속도 보정치를 생성하는 제1 비선형 서브 제어부 및 현재 온도 보정치의 크기 및 상기 현재 온도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 온도 인자를 이용하여 상기 현재 온도 보정치의 비대칭 온도 보정치를 생성하는 제2 비선형 서브 제어부 중 적어도 하나를 가진 비선형 주 제어부를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 직경 선형 제어부는
    상기 잉곳의 직경을 센싱하는 직경 센서;
    상기 센싱된 직경치와 잉곳 직경 궤적 목표치 간의 직경 오차를 산출하는 직경 오차 산출부; 및
    상기 직경 오차를 이용하여 현재 인상 속도 보정치를 생성하는 속도 보정치 생성부를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 인상부는 상기 비대칭 인상 속도 보정치에 상응하는 인상 속도로 상기 단결정 잉곳을 인상시키는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 제1 비선형 서브 제어부는
    이전 인상 속도 보정치를 저장하는 제1 저장부;
    상기 이전 인상 속도 보정치와 상기 현재 인상 속도 보정치를 비교하여, 상기 현재 인상 속도 보정치가 상기 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 검사하는 속도 변동 검사부;
    상기 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상인가를 검사하는 속도 보정치 검사부;
    상기 속도 변동 검사부 및 상기 속도 보정치 검사부의 검사된 결과에 따라 해당하는 상기 비대칭 속도 인자를 결정하는 비대칭 속도 인자 결정부; 및
    상기 비대칭 속도 인자와 상기 현재 인상 속도 보정치를 승산하고, 승산된 결과를 상기 비대칭 인상 속도 보정치로서 출력하는 제1 승산부를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 비대칭 속도 인자 결정부는
    상기 현재 인상 속도 보정치가 증가했고, 상기 현재 인상 속도 보정치가 상기 속도 임계치 이상일 때, 상기 비대칭 속도 인자를 1보다 크고 6보다 작은 값으로 결정하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  6. 제4 항에 있어서, 상기 비대칭 속도 인자 결정부는
    상기 현재 인상 속도 보정치가 감소했고, 상기 현재 인상 속도 보정치가 상기 속도 임계치 이상일 때, 상기 비대칭 속도 인자를 0.6 이상이고 1 보다 적은 값으로 결정하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  7. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 온도 선형 제어부는
    인상 속도 궤적 목표치를 이용하여 인상 속도 오차를 생성하는 속도 오차 산출부; 및
    상기 인상 속도 오차를 이용하여 상기 현재 온도 보정치를 생성하는 온도 보정치 생성부를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 속도 오차 산출부는
    상기 현재 인상 속도 보정치와 상기 인상 속도 궤적 목표치를 비교하여 상기 인상 속도 오차를 산출하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  9. 제7 항에 있어서, 상기 속도 오차 산출부는
    상기 비대칭 인상 속도 보정치와 상기 인상 속도 궤적 목표치를 비교하여 상기 인상 속도 오차를 산출하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  10. 제7 항에 있어서, 상기 히터는 상기 비대칭 온도 보정치에 상응하는 온도로 상기 도가니를 가열하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 제2 비선형 서브 제어부는
    이전 온도 보정치를 저장하는 제2 저장부;
    상기 이전 온도 보정치와 상기 현재 온도 보정치를 비교하여, 상기 현재 온도 보정치가 상기 이전 온도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 검사하는 온도 변동 검사부;
    상기 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상인가를 검사하는 온도 보정치 검사부;
    상기 온도 변동 검사부 및 상기 온도 보정치 검사부의 검사된 결과에 따라 해당하는 상기 비대칭 온도 인자를 결정하는 비대칭 온도 인자 결정부; 및
    상기 비대칭 온도 인자와 상기 현재 온도 보정치를 승산하고, 승산된 결과를 상기 비대칭 온도 보정치로서 출력하는 제2 승산부를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 비대칭 온도 인자 결정부는
    상기 현재 온도 보정치가 증가했고, 상기 현재 온도 보정치가 상기 온도 임계치 이상일 때, 상기 비대칭 온도 인자를 1보다 크고 6보다 작은 값으로 결정하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  13. 제11 항에 있어서, 상기 비대칭 온도 인자 결정부는
    상기 현재 온도 보정치가 감소했고, 상기 현재 온도 보정치가 상기 온도 임계치 이상일 때, 상기 비대칭 온도 인자를 0.6 이상이고 1 보다 적은 값으로 결정하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치.
  14. 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 용융 실리콘을 담는 도가니와, 상기 단결정 실리콘 잉곳을 인상시키는 인상부 및 상기 도가니를 가열하는 히터를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치에서 수행되는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 있어서,
    상기 잉곳의 직경을 선형적으로 제어하여 현재 인상 속도 보정치를 생성하는 단계;
    상기 도가니의 온도를 선형적으로 제어하여 현재 온도 보정치를 생성하는 단계; 및
    상기 현재 인상 속도 보정치의 크기 및 상기 현재 인상 속도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 속도 인자를 이용하여 상기 현재 인상 속도 보정치의 비대칭 인상 속도 보정치를 생성하여 상기 잉곳의 직경을 비선형적으로 제어하는 단계 및 상기 현재 온도 보정치의 크기 및 상기 현재 온도 보정치의 증감을 판별하고, 판별된 결과에 상응하는 비대칭 온도 인자를 이용하여 상기 현재 온도 보정치의 비대칭 온도 보정치를 생성하여 상기 도가니의 온도를 비선형적으로 제어하는 단계 중 적어도 하나의 단계를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  15. 제14 항에 있어서, 상기 현재 인상 속도 보정치를 생성하는 단계는
    상기 잉곳의 직경을 센싱하는 단계;
    상기 센싱된 직경치와 잉곳 직경 궤적 목표치 간의 직경 오차를 산출하는 단계;
    상기 직경 오차를 이용하여 상기 현재 인상 속도 보정치를 생성하는 단계를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  16. 제14 항에 있어서, 상기 인상부는 상기 비대칭 인상 속도 보정치에 상응하는 인상 속도로 상기 단결정 잉곳을 인상하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  17. 제16 항에 있어서, 상기 비대칭 인상 속도 보정치를 생성하는 단계는
    상기 현재 인상 속도 보정치가 속도 임계치 이상인가를 판단하는 단계;
    상기 현재 인상 속도 보정치가 상기 속도 임계치 이상일 때, 상기 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 판단하는 단계;
    상기 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했을 때, 상기 비대칭 속도 인자를 제1 값으로 결정하는 단계;
    상기 현재 인상 속도 보정치가 이전 인상 속도 보정치로부터 증가했을 때, 상기 비대칭 속도 인자를 상기 제1 값과 다른 제2 값으로 결정하는 단계; 및
    상기 비대칭 속도 인자와 상기 현재 인상 속도 보정치를 승산하여 상기 비대칭 인상 속도 보정치를 생성하는 단계를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  18. 제14 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 현재 온도 보정치를 생성하는 단계는
    인상 속도 궤적 목표치를 이용하여 인상 속도 오차를 생성하는 단계;
    상기 인상 속도 오차를 이용하여 상기 현재 온도 보정치를 생성하는 단계를 포함하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  19. 제18 항에 있어서, 상기 인상 속도 오차를 생성하는 단계는
    상기 현재 인상 속도 보정치와 상기 인상 속도 궤적 목표치를 비교하여 상기 상기 인상 속도 오차를 산출하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  20. 제18 항에 있어서, 상기 인상 속도 오차를 생성하는 단계는
    상기 비대칭 인상 속도 보정치와 상기 인상 속도 궤적 목표치를 비교하여 상기 인상 속도 오차를 산출하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  21. 제18 항에 있어서, 상기 히터는 상기 비대칭 온도 보정치에 상응하는 온도로 상기 도가니를 가열하는 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
  22. 제21 항에 있어서, 상기 비대칭 온도 보정치를 생성하는 단계는
    상기 현재 온도 보정치가 온도 임계치 이상인가를 판단하는 단계;
    상기 현재 온도 보정치가 상기 온도 임계치 이상일 때, 상기 현재 온도 보정치가 이전 온도 보정치로부터 증가했는가 감소했는가를 판단하는 단계;
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