KR101379800B1 - 실리콘 단결정 성장 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 실리콘 융액이 수용된 도가니, 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 실리콘 단결정을 둘러싸는 열실드, 숄더링 공정에 의하여 성장하는 숄더를 촬영하고, 촬영된 결과에 따른 화상 데이터를 취득하는 화상 촬영부 및 상기 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 무게를 산출하고, 산출된 상기 숄더의 무게에 기초하여 상기 도가니의 승강을 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

실리콘 단결정 성장 장치 및 그 제조 방법{AN APPARATUS FOR GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL AND A METHOD OF GROWING THE SAME}
실시 예는 실리콘 단결정 성장 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 재료로서 사용되는 실리콘 단결정 웨이퍼는 일반적으로 쵸크랄스키(Czochralski, CZ) 법에 의해 제조된 실리콘 단결정 잉곳을 슬라이싱 공정에 의해 절단하여 제작될 수 있다.
쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법은 실리콘 융액 형성 공정, 넥킹(necking) 공정, 숄더링(sholdering) 공정, 바디 그로잉(body growing) 공정, 및 테일링(tailing) 공정을 포함할 수 있다.
실리콘 융액 형성 공정은 석영 도가니에 다결정 실리콘과 도펀트를 적층시키고 석영 도가니의 측벽 주위에 설치된 히터에서 복사되는 열을 이용하여 다결정 실리콘과 도펀트를 용융시켜 실리콘 융액(Silicon Melt, SM)을 형성하는 것을 말한다.
넥킹 공정은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 소스인 종자 결정(seed crystal)을 실리콘 융액의 표면에 침지시키고, 종자 결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키것을 말한다.
숄더링 공정은 실리콘 단결정 잉곳의 직경이 점차 증가하도록 결정을 성장시켜 최종적으로 목표 직경까지 만드는 것을 말한다.
바디 그로잉 공정은 일정한 목표 직경을 갖는 실리콘 단결정 잉곳을 원하는 길이로 성장시키는 것을 말한다.
테일링 공정은 석영 도가니의 회전을 빠르게 하여 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 점점 줄여나가 실리콘 융액과 잉곳을 분리시켜 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 완료시키는 것을 말한다.
실시 예는 숄더링 공정에 기인하는 멜트 갭 오차를 보상하여 균일한 품질 재현성 및 안정성을 확보할 수 있는 실리콘 단결정 성장 장치 및 그 제조 방법을 제공한다.
실시 예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치는 실리콘 융액이 수용된 도가니; 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 실리콘 단결정을 둘러싸는 열실드; 숄더링 공정에 의하여 성장하는 숄더(shoulder)를 촬영하고, 촬영된 결과에 따른 화상 데이터를 취득하는 화상 촬영부; 및 상기 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 무게를 산출하고, 산출된 상기 숄더의 무게에 기초하여 상기 도가니의 승강을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 단결정 실리콘 성장 장치는 상기 성장하는 숄더의 길이를 측정하고, 측정된 숄더의 길이를 상기 제어부에 제공하는 길이 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 직경을 산출하고, 산출된 숄더의 직경, 상기 길이 측정부로부터 제공되는 숄더의 길이, 및 상기 숄더의 밀도를 이용하여 상기 숄더의 무게를 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 숄더의 길이가 기설정된 증가분씩 증가할 때마다 상기 화상 촬영부로부터 제공되는 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 직경을 산출할 수 있다.
상기 제어부는 상기 숄더링 공정 종료 후 바디 그로잉 공정 전에 상기 도가니의 승강 조절을 완료할 수 있다. 상기 제어부는 상기 산출된 상기 숄더의 무게에 따라 보정 시간 및 제1 속도를 설정하고, 바디 그로잉 공정이 시작되면 상기 보정 시간 동안에는 상기 제1 속도로 상기 도가니를 상승시킬 수 있다.
실시 예에 따른 실리콘 단결정 제조 방법은 실리콘 융액을 수용하는 도가니와 열을 차폐하는 열실드가 설치된 챔버 내의 상기 실리콘 융액으로부터 숄더링 공정에 의하여 성장되는 실리콘 단결정인 숄더를 촬영하고, 촬영된 결과에 따른 화상 데이터를 취득하는 단계; 상기 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 무게를 산출하는 단계; 및 산출된 상기 숄더의 무게에 기초하여 상기 실리콘 융액의 표면과 상기 열실드 사이의 간격인 멜트 갭을 보상하는 단계를 포함한다.
상기 실리콘 단결정 제조 방법은 상기 성장하는 숄더의 길이를 측정하고, 측정된 숄더의 길이를 상기 제어부에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 숄더의 무게를 산출하는 단계는 상기 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 직경을 산출하고, 산출된 숄더의 직경, 상기 측정된 숄더의 길이, 및 숄더의 밀도를 이용하여 상기 숄더의 무게를 산출할 수 있다.
상기 숄더의 무게를 산출하는 단계는 상기 숄더의 길이가 기설정된 증가분씩 증가할 때마다 상기 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 직경을 산출하는 단계; 및 상기 기설정된 증가분에 대응하여 산출되는 숄더의 무게를 누적하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 단결정 제조 방법은 상기 숄더링 공정 종료 후에 바디 그로잉 공정에 의하여 실리콘 단결정의 바디를 성장시키는 단계를 더 포함하며, 상기 멜트 갭을 보상하는 단계는 상기 숄더링 공정 종료 후 바디 그로잉 공정 전에 수행되거나, 또는 상기 멜트 갭을 보상하는 단계는 상기 바디 그로잉 공정 중에 수행될 수 있다.
상기 바디 그로잉 공정 중에 수행되는 상기 멜트 갭을 보상하는 단계는 상기 산출된 상기 숄더의 무게에 따라 보정 시간 및 제1 속도를 설정하는 단계; 상기 바디 그로잉 공정이 시작되면 상기 보정 시간 동안에 상기 제1 속도로 상기 도가니를 상승시켜 상기 멜트 갭을 보상하는 단계; 및 상기 보정 시간이 경과하면 제2 속도로 상기 도가니를 상승시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 속도는 상기 제2 속도 및 제3 속도를 합한 값이고, 상기 제2 속도는 0.4 ~ 0.7mm/min이고, 상기 제3 속도는 0.01mm/min ~ 0.1mm/min일 수 있다.
실시 예는 실리콘 단결정의 균일한 품질 재현성 및 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 숄더의 확대도를 나타낸다.
도 3A는 숄더링 공정 전의 멜트 갭을 나타낸다.
도 3B는 숄더링 공정 후의 멜트 갭을 나타낸다.
도 4는 도 1에 도시된 숄더의 길이가 기설정된 증가분씩 증가할 때마다 측정되는 숄더의 직경을 나타낸다.
도 5는 화상 촬영부에 의해 제공되는 화상 데이터를 이용하여 숄더의 무게를 산출하는 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 6은 실시 예에 따른 단결정 실리콘 제조 공정시 멜트 갭 보상 방법의 플로챠트를 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 숄더의 무게 산출 방법의 일 실시 예를 나타내는 플로챠트이다.
도 8은 도 7에 도시된 숄더의 직경을 산출하는 일 실시 예를 나타낸다.
도 9는 도 6에 도시된 숄더의 무게 산출 방법의 실시 예를 나타내는 플로챠트이다.
도 10은 도 6에 도시된 숄더의 무게 산출 방법의 다른 실시 예를 나타내는 플로챠트이다.
도 11은 도 6에 도시된 멜트 갭 보상의 일 실시 예를 나타낸다.
도 12는 도 6에 도시된 멜트 갭 보상의 다른 실시 예를 나타낸다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치 및 그 제조 방법을 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 실리콘 단결정 성장 장치(100)의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 실리콘 단결정 성장 장치(100)는 챔버(chamber, 110), 도가니(crucible, 120), 도가니 지지대(125), 리프팅 유닛(127), 히터(130), 단열 수단(140), 인상 수단(150), 케이블(152), 열실드(160), 및 멜트 갭 제어 시스템(101)을 포함한다. 그리고 멜트 갭 제어 시스템(101)은 길이 측정부(165), 화상 촬영부(170), 및 제어부(180)를 포함할 수 있다.
챔버(110)는 반도체 등의 전자 부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼용 단결정(single crystal) 잉곳(ingot)의 성장이 이루어지는 공간으로, 화상 촬영부(170)가 챔버(110) 내부를 촬영하기 위한 적어도 하나의 창(window, 115)을 구비할 수 있다.
도가니(120)는 챔버(110)의 내부에 설치되며, 고온으로 용융된 실리콘 융액(SM)을 수용할 수 있고, 그 재질은 석영일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 도가니 지지대(125)는 도가니(120)의 외주면을 감싸며 도가니(120)를 지지할 수 있으며, 그 재질은 흑연일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
리프팅 유닛(127)은 도가니 지지대(125)의 하단에 위치하여 도가니(120)와 도가니 지지대(125)를 회전시키고, 도가니(120)를 상승 또는 하강시킬 수 있다.
히터(130)는 도가니(120)의 측벽 주위를 둘러싸도록 챔버(110) 내부에 설치될 수 있고, 도가니(120)를 가열할 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들 수 있다.
단열 수단(140)은 히터(130)의 외곽의 챔버(110) 내에 설치되고, 히터(130)로부터 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
인상 수단(150)은 케이블(152)을 인상(引上)할 수 있도록 도가니(120) 상부에 설치될 수 있다. 케이블(152)의 일단에는 시드 척(seed chuck, 15)이 연결되고, 시드 척(15)에는 종자 결정(20)이 결합되고, 종자 결정(20)은 도가니(120) 내의 실리콘 융액(SM)에 디핑(dipping)될 수 있다.
리프팅 유닛(127)에 의하여 도가니 지지대(125)와 함께 도가니(120)가 회전 운동을 하고, 인상 수단(150)은 케이블(152)을 인상시키고, 케이블(152)이 인상됨에 따라 도가니(120)에 수용된 실리콘 융액(SM)으로부터 실리콘 단결정이 성장될 수 있다.
열실드(160)는 실리콘 융액(SM)으로부터 성장되는 실리콘 단결정으로 복사되는 열을 차단하고, 히터(130)로부터 발생하는 불순물(예컨대, CO gas)이 성장하는 실리콘 단결정으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 숄더(34)의 확대도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 숄더링 공정 이전에 실리콘 단결정 잉곳은 넥킹(necking) 공정에 의하여 종자 결정(20)으로부터 가늘고 길게 성장될 수 있다. 이하 넥킹 공정에 의하여 성장된 실리콘 단결정 부분을 "넥(neck, 32)"이라 한다.
그리고 숄더링(sholdering) 공정에 의하여 타겟(target) 직경까지 실리콘 단결정의 직경이 점차 증가하도록 성장될 수 있으며, 이와 같이 직경이 점차 증가하는 실리콘 단결정 부분을 "숄더(shoulder, 34)"라 한다.
열실드(160)의 하단부와 실리콘 융액(SM)의 표면 사이의 간격을 "멜트 갭(melt gap, Dg)이라 하는데, 멜트 갭은 실리콘 단결정 잉곳의 품질과 생산성 향상을 위하여 실리콘 단결정 성장 동안 일정하게 유지되어야 한다. 숄더링 공정에 의하여 실리콘 융액(SM)이 숄더(34)로 고체화되기 때문에 숄더링 공정 전의 멜트 갭과 숄더링 공정 후의 멜트 갭 사이에는 오차가 존재할 수 있다.
도 3A는 숄더링 공정 전의 멜트 갭(D1)을 나타내고, 도 3B는 숄더링 공정 후의 멜트 갭(D2)을 나타낸다. 도 3A 및 도 3B를 참조하면, 숄더링 공정 전의 멜트 갭(D1)과 숄더링 공정 후의 멜트 갭(D2) 사이에는 오차(예컨대, 2mm~4mm)가 존재할 수 있다.
멜트 갭 제어 시스템(101)은 숄더링 공정에 의하여 발생하는 숄더링 공정 전 후의 멜트 갭 오차를 보정하여 숄더링 공정 전과 후의 멜트 갭을 일정하게 유지함으로써 실리콘 단결정의 균일한 품질 재현성 및 안정성을 확보할 수 있다.
길이 측정부(165)는 챔버(110)의 외부, 내부, 및 챔버 외벽 표면 중 어느 한 곳 이상에 설치될 수 있으며, 숄더링 공정에 의하여 성장하는 숄더(34)의 길이(SHn)를 측정할 수 있다. 길이 측정부(165)에 의해 측정되는 숄더(34)의 길이(SHn)는 제어부(180)로 제공될 수 있다.
예컨대, 길이 측정부(165)는 인코더(Encoder)를 이용하여 새프트(shaft) 회전 각도를 검출하는 방식에 의한 간접 측정 방법으로 잉곳의 길이를 측정할 수 있다.
또는 길이 측정부(165)는 레이저 변위 측정 센서를 이용하여 종자 결정(20)이 장착되는 시드척(seed chuck, 미도시)의 상면과의 거리를 측정하여 숄더(34)의 길이(SHn)를 측정할 수 있다.
화상 촬영부(170)는 창(115)을 통하여 챔버(110) 내부에서 성장하는 실리콘 단결정을 촬영할 수 있다. 화상 촬영부(170)는 하나 이상의 광전변환을 하기 위한 CCD(Charged Coupled Device) 촬상 소자(image pickup device) 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 촬상 소자를 포함할 수 있다. 도 1에는 하나의 촬상 소자를 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수 개의 촬상 소자가 챔버(110) 내부에서 성장하는 실리콘 단결정의 촬영할 수 있다.
화상 촬영부(170)는 숄더링 공정에 의하여 성장하는 숄더(34)와 도가니(120) 내의 실리콘 융액(SM)이 접하는 계면(40) 부위를 촬영하고, 촬영된 결과에 따른 화상 데이터(Image Data, ID)를 취득할 수 있다. 이때 취득되는 화상 데이터(ID)에 따른 계면(40)의 화상(image)은 메니스커스(meniscus)일 수 있으며, 화상 촬영부(170)에 의하여 취득되는 숄더(34)의 메니스커스는 밝은 링(bright ring)으로 나타날 수 있다.
화상 촬영부(170)는 숄더링 공정이 시작되면 촬영을 시작하여 실시간으로 계속 또는 주기적으로 숄더(34)와 도가니(120) 내의 실리콘 융액(SM)이 접하는 계면(40) 부위를 촬영할 수 있다.
화상 촬영부(170)는 실시간으로 촬영하고, 성장하는 숄더(34)의 길이(SHn)가 기설정된 증가분(△h=SHn-SHn -1)씩 증가할 때(도 4 참조)의 화상 데이터(ID)를 제어부(180)에 제공할 수 있다. 예컨대, 화상 촬영부(170)는 숄더(34)의 길이(SHn)가 1mm 씩 증가할 때의 화상 데이터(ID)를 제어부(180)에 제공할 수 있다.
또는 화상 촬영부(170)는 성장하는 숄더(34)의 길이(SHn)가 기설정된 증가분(△h=SHn-SHn -1)씩 증가할 때마다 계면(40) 부위를 촬영하여 숄더(34)의 화상 데이터(ID)를 취득하고, 취득된 화상 데이터(ID)를 제어부(180)에 제공할 수도 있다.
예컨대, 화상 촬영부(170)는 숄더(34)의 길이(SHn)가 1mm 씩 증가할 때마다, 계면(40) 부위를 촬영하여 숄더(34)의 화상 데이터(ID)를 취득하고, 취득된 화상 데이터(ID)를 제어부(180)에 제공할 수도 있다.
제어부(180)는 화상 촬영부(170)로부터 제공되는 화상 데이터(ID) 및 길이 측정부(165)로부터 제공되는 숄더(34)의 길이(SHn)를 이용하여 숄더(34)의 직경(dn)을 산출할 수 있다.
예컨대, 제어부(180)는 화상 데이터(ID)를 처리 및 분석하여 숄더(34)의 직경(dn)을 산출할 수 있다. 제어부(180)는 소정의 임계치를 기준으로 화상 촬영부(170)로부터 제공되는 화상 데이터(ID)에 대하여 화상 이진화(Binarization)를 수행하여 이진화된 화상 데이터를 생성할 수 있다. 이때 소정의 임계치는 8비트, 즉 256 레벨의 밝기 정보를 가질 수 있는 회색 음영 이미지에서 1 ~ 255 범위에 속하는 특정 값이거나, 일정 수치 범위일 수 있다. 이러한 이진화된 화상 데이터에 따르면, 계면(40)에 대한 화상만이 나타낼 수 있다.
이때 사용되는 화상 이진화 기법은 전역적 방법과 지역적 방법으로 나뉠 수 있다. 전역적 방법은 클래스 간 분산을 이용한 방법, 엔트로피(Entropy)를 이용한 방법, 히스토그램 변형을 이용한 방법, 및 모멘트(Moment)를 유지하는 방법 등을 포함할 수 있다. 지역적 방법은 윈도우(window) 영역을 이용한 방법(임계치(Threshold value) 방법, 또는 비교 방법), 지역 대비 기법(Local Contrast Technique), 논리 레벨 기법(Logical Level Technique), OAT(Object Attribute Thresholding) 방법, 지역 밝기 경사 방법(Local Intensity Gradient Technique), 동적 임계치 방법(Dynamic Threshold Algorithm) 등을 포함할 수 있다.
제어부(180)는 이진화된 화상 데이터로부터 계면(40)에 대한 좌표 샘플(예컨대, 화상의 픽셀 좌표 샘플)을 추출할 수 있고, 추출된 좌표 샘플로부터 숄더(34)의 직경(dn)을 산출할 수 있다.
다른 실시 예에 따른 제어부(180)는 성장하는 숄더(34)의 길이(SHn)가 기설정된 증가분씩 증가할 때마다, 숄더(34)의 직경(dn, n≥1)을 산출할 수 있다.
도 4는 도 1에 도시된 숄더(34)의 길이가 기설정된 증가분(△h=SHn - SHn-1)씩 증가할 때마다 측정되는 숄더의 직경(dn)을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 제어부(180)는 길이 측정부(165)로부터 제공되는 숄더(34)의 길이(SHn)에 기초하여 숄더(34)의 길이(SHn)가 기설정된 증가분(△h)씩 증가하는지를 판단할 수 있다. 이때 기설정된 증가분(△h)은 일정한 값(예컨대, 1mm)일 수 있으나, 일정하지 않을 수도 있다.
제어부(180)는 숄더(34)의 길이가 기설정된 증가분(△h)씩 증가할 때마다, 화상 촬영부(170)에 의하여 제공되는 화상 데이터(ID)를 이용하여 상술한 바와 같이 숄더(34) 하부면의 직경(dn)을 측정할 수 있다.
제어부(180)는 숄더(34)의 길이(SHn), 숄더(34)의 밀도, 및 산출된 숄더(34)의 직경(dn)을 이용하여 숄더링 공정에 의하여 성장된 숄더(34)의 전체 무게를 산출할 수 있다. 예컨대, 제어부(180)는 숄더(34)의 길이(SHn), 및 숄더(34)의 직경(dn)을 이용하여 숄더(34)의 부피를 산출하고, 산출된 부피 및 숄더(34)의 밀도를 이용하여 숄더(34)의 무게를 산출할 수 있다. 이때 숄더(34)의 밀도는 실리콘의 밀도로서 이미 알고 있는 값, 예컨대, 2.33g/cm3일 수 있다.
또는 제어부(180)는 숄더(34)의 길이(SHn)가 기설정된 증가분(△h)씩 증가할 때마다, 숄더(34)의 직경(dn)을 산출하고, 산출된 숄더의 직경(dn, n≥1인 자연수), 기설정된 증가분(△h), 및 숄더(34)의 밀도를 이용하여 증가된 숄더(34) 부분의 무게를 산출할 수 있다. 그리고 제어부(180)는 증가된 숄더(34) 부분들 모두를 누적하여 숄더링 공정에 의해 성장된 숄더(34) 전체 무게를 산출할 수도 있다.
다른 실시 예에 따른 제어부(180)는 화상 촬영부(170)에 의하여 취득된 화상 데이터(ID)로부터 직접 숄더(34)의 무게를 산출할 수 있다.
도 5는 화상 촬영부(170)에 의해 제공되는 화상 데이터(ID)를 이용하여 숄더(34)의 무게를 산출하는 시뮬레이션 결과를 나타낸다. x축은 숄더(34)의 길이를 나타내고, y축은 숄더(34)의 무게를 나타낸다.
도 5를 참조하면, g1은 숄더(34)의 실제 무게를 나타낸다. g2는 수학식 1에 의하여 계산된 숄더(34)의 무게(W1)를 나타내고, g3는 수학식 2에 의하여 계산된 숄더(34)의 무게(W2)를 나타내고, g4는 수학식 3에 의하여 계산된 숄더(34)의 무게(W3)를 나타낸다.
Figure 112012057354416-pat00001
Figure 112012057354416-pat00002
Figure 112012057354416-pat00003
여기서 ID는 숄더(34)의 길이(SHn)가 기설정된 증가분(△h=1mm)씩 증가할 때마다 화상 촬영부(170)로부터 제어부(180)에 제공되는 화상 데이터(ID)를 나타낸다.
수학식 2에 의하여 산출되는 숄더(34)의 무게(g3)가 실제 숄더(34)의 무게(g1)에 근접하는 것을 알 수 있다. 따라서 실시 예는 숄더(34)의 길이(SHn)가 기설정된 증가분(△h=1mm)씩 증가할 때마다, 화상 촬영부(170)에 의하여 제공되는 화상 데이터(ID) 및 수학식 2를 이용하여 숄더(34)의 무게를 산출할 수 있다.
여기서 기설정된 증가분(△h)은 0.5mm ~ 1.5mm일 수 있으며, 바람직하게는 1mm일 수 있다. 기설정된 증가분(△h)이 0.5mm보다 작을 경우에는 계산량이 많아 제어부(180)에 로드(laod)가 되거나 시간이 오래 걸릴 수 있는 문제점이 있고, 기설정된 증가분(△h)이 1.5mm를 초과할 경우에는 숄더(34)의 실제 무게와 계산된 무게 사이의 오차가 크게 발생할 수 있다.
제어부(180)는 산출된 숄더(34)의 무게에 기초하여 숄더링 공정 동안 실리콘 융액(SM)의 고화된 멜트 량을 산출할 수 있다.
그리고 제어부(180)는 산출된 고화된 멜트 량을 이용하여 숄더링 공정 후의 멜트 갭(D2) 또는 숄더링 공정 전과 후의 멜트 갭 변화 값(△D = D2-D1)을 산출할 수 있다.
제어부(180)는 산출된 고화된 멜트 량에 기초하여 도가니(120)의 위치를 제어하도록 리프팅 유닛(127)을 제어할 수 있다. 그리고 제어부(180)에 의하여 제어된 리프팅 유닛(127)은 도가니(120)를 상승 또는 하강시켜 숄더링 공정 후에 발생하는 멜트 갭의 오차를 보상할 수 있다.
또는 제어부(180)는 산출된 숄더링 공정 후의 멜트 갭 또는 숄더링 공정 전과 후의 멜트 갭 변화 값(△D = D2-D1)에 기초하여 숄더링 공정 후에 발생하는 멜트 갭의 오차를 보상하도록 리프팅 유닛(127)을 제어할 수 있다.
제어부(180)는 숄더링 공정 후 바디 그로잉 공정 이전에 숄더링 공정에 기인한 멜트 갭의 오차에 대한 보상을 완료할 수 있다. 예컨대, 제어부(180)는 바디 그로잉 공정 이전에 숄더링 공정 전과 후의 멜트 갭 변화 값(△D)만큼 도가니(120)가 상승하도록 리프팅 유닛(127)을 상승시킬 수 있다.
다른 실시 예에 따른 제어부(180)는 바디 그로잉 공정 동안 숄더링 공정에 기인한 멜트 갭의 오차에 대한 보상을 하도록 리프팅 유닛(127)을 제어할 수 있다.
예컨대, 제어부(180)는 산출된 숄더(34)의 무게에 따라 오차 보정 시간(T)을 설정하고, 바디 그로잉 공정 중에 설정된 오차 보정 시간(T) 동안 제1 속도(v1)로 도가니를 상승시킴으로써 숄더링 공정에 기인한 멜트 갭의 오차를 보상할 수 있다.
이때 제1 속도(v1)는 제2 속도(v2)에 제3 속도(v3)를 합한 값일 수 있다. 여기서 제2 속도(v2)는 바디 그로잉 공정 동안 발생하는 멜트 갭 오차를 보정하기 위하여 바디 그로잉 공정시 도가니(120)를 상승시키는 속도일 수 있다. 예컨대, 제2 속도(v2)는 0.4mm/min ~ 0.7mm/min일 수 있다.
제3 속도(v3)는 숄더링 공정에 기인한 멜트 갭의 오차를 보상하기 위하여 추가되는 속도일 수 있다. 제3 속도(v3)는 0.01mm/min ~ 0.1mm/min일 수 있으며, 바람직하게는 0.05mm/min일 수 있다.
따라서 실시 예에 따른 제어부(180)은 바디 그로잉 공정이 시작된 후에 오차 보정 시간(T) 동안에는 제1 속도(v1)로 도가니(120)를 상승시켜, 숄더링 공정에 기인한 멜트 갭 오차 및 바디 그로잉 공정에 기인한 멜트 갭 오차를 동시에 보정하고, 오차 보정 시간(T)이 경과한 후 바디 그로잉 공정 동안에는 제2 속도(v2)로 도가니(120)를 상승시켜 바디 그로잉 공정에 기인하는 멜트 갭 오차만을 보정할 수 있다.
실시 예는 상술한 바와 같이, 숄더링 공정에 기인하여 발생하는 멜트 갭의 오차를 바디 그로잉 공정 전 또는 바디 그로잉 공정 중에 미리 보정함으로써 실리콘 단결정 잉곳의 균일한 품질 재현성 및 안정성을 확보할 수 있다.
도 6은 실시 예에 따른 단결정 실리콘 제조 공정시 멜트 갭 보상 방법의 플로챠트(flow-chart)를 나타낸다. 이하, 멜트 갭 보상 방법을 설명하기 위하여 도 1 및 도 2에 도시된 단결정 실리콘 제조 장치를 참조한다.
도 6을 참조하면, 먼저 숄더링 공정이 시작됨과 동시에 CCD 카메라 등을 이용하여 숄더(34)와 도가니(120) 내의 실리콘 융액(SM)이 접하는 계면(40) 부위를 촬영하고, 촬영된 결과에 따른 화상 데이터(Image Data, ID)를 취득한다(S610).
다음으로 화상 데이터(ID)를 이용하여 숄더링 공정에서 성장하는 숄더(34)의 무게를 산출한다(S620)
다음으로 산출된 숄더(34) 무게에 기초하여 숄더링 공정에 기인하여 발생하는 멜트 갭 오차를 보상한다(S630).
도 7은 도 6에 도시된 숄더(34)의 무게 산출 방법(S620)의 일 실시 예를 나타내는 플로챠트이다.
도 7을 참조하면, 화상 데이터(ID)를 이용하여 숄더(34)의 직경(dn)을 산출한다(S710). 다음으로 길이 측정부(165)에 의하여 성장하는 숄더(34)의 길이(SHn)를 측정한다(S720).
예컨대, 화상 데이터(ID)는 숄더(34)의 길이(SHn)가 기설정된 증가분(△h=SHn-SHn-1)씩 증가할 때마다 제공되는 것일 수 있다.
다음으로 산출된 숄더(34)의 직경(dn)과 측정된 숄더(34)의 길이(SHn)를 이용하여 숄더의 부피를 산출한다(S730), 다음으로 산출된 숄더(34)의 부피와 숄더(34)의 밀도(예컨대, 실리콘의 밀도)를 이용하여 숄더링 공정에 의하여 성장된 숄더(34)의 전체 무게를 산출한다(S740).
숄더(34)의 길이(SHn)가 기설정된 증가분(△h=SHn-SHn-1)씩 증가할 때마다 화상 데이터(ID)가 제공될 경우에는, 증가된 숄더 부분들 각각의 무게를 산출한 후에 이를 누적하여 숄더(34) 전체의 무게를 산출할 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 숄더(34)의 직경(dn)을 산출하는 일 실시 예를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 화상 이진화에 의하여 화상 데이터(ID)를 변환하여 이진화된 화상 데이터를 생성한다(S810). 화상 이진화는 상술한 바와 동일할 수 있다.
다음으로 이진화된 화상 데이터로부터 계면(40)에 대한 좌표 샘플(예컨대, 화상의 픽셀 좌표 샘플)을 추출한다(S820). 다음으로 추출된 좌표 샘플로부터 숄더(34)의 직경(dn)을 산출한다(S830).
도 9는 도 6에 도시된 숄더(34)의 무게 산출 방법의 실시 예를 나타내는 플로챠트이다. 도 9를 참조하면, 길이 측정부(165)에 의하여 성장하는 숄더(34)의 길이(SHn)를 측정한다(S910). 이때 n의 초기값은 1로 설정될 수 있으며, SH0는 숄더의 길이가 0인 경우이다.
다음으로 측정되는 숄더의 길이(SHn)가 기설정된 증가분(△h=SHn-SHn -1)에 n을 곱한 값과 동일한지를 판단한다(S920). SHn ≠ △h×n인 경우에는, 숄더링 공정에 의하여 성장되는 숄더(34)의 길이를 계속 측정한다. SHn = △h×n인 경우에는, 화상 촬영부(170)로부터 제공되는 화상 데이터(ID)를 이용하여 숄더(34)의 직경(dn)을 산출한다(S930).
다음으로 산출된 숄더(34)의 직경(dn) 및 측정된 숄더(34)의 길이(SHn)를 이용하여 숄더(34)의 부피를 산출한다(S940). 다음으로 산출된 숄더(34)의 부피 및 숄더(34)의 밀도를 이용하여 숄더(34)의 무게(Wn)를 산출한다(S950).
다음으로 산출된 숄더(34)의 직경(dn)을 이용하여 숄더링 공정의 종료 여부를 판단한다. 즉 산출된 숄더(34)의 직경(dn)이 타겟 직경과 동일한지를 판단한다. 예컨대, 타겟 직경은 원하는 실리콘 단결정 잉곳의 바디 부분의 직경일 수 있다.
산출된 숄더(34)의 직경(dn)이 타겟 직경과 동일하지 않을 경우에는 숄더링 공정이 종료되지 않는다. 이 경우에는 n의 값을 n+1로 업데이트(update)하고(S970), 상술한 단계들(S910 내지 S960)을 다시 수행한다.
산출된 숄더(34)의 직경(dn)이 타겟 직경과 동일한 경우에는 숄더링 공정이 종료된다. 이 경우에는 기설정된 증가분(△h)에 대응하는 숄더(34)의 일부분들의 무게들을 모두 누적하여 숄더링 공정에 의하여 성장되는 숄더 전체 무게(
Figure 112012057354416-pat00004
)를 산출한다(S980).
도 10은 도 6에 도시된 숄더(34)의 무게 산출 방법의 다른 실시 예를 나타내는 플로챠트이다.
도 10를 참조하면, 길이 측정부(165)에 의하여 성장하는 숄더(34)의 길이(SHn)를 측정하고(S110), 측정된 숄더의 길이(SHn)가 기설정된 증가분(△h=SHn-SHn-1)에 n을 곱한 값과 동일한지를 판단한다(S120). 이때 n의 초기값은 1로 설정될 수 있으며, SH0는 숄더의 길이가 0인 경우이다. SHn ≠ △h×n인 경우에는, 숄더링 공정에 의하여 성장되는 숄더(34)의 길이를 계속 측정한다.
SHn = △h×n인 경우에는 숄더(34)의 직경(dn)을 산출하고(S130), 화상 데이터(ID) 및 수학식 2를 이용하여 숄더의 무게(Wn)를 산출한다(S140).
다음으로 산출된 숄더(34)의 직경(dn)을 이용하여 숄더링 공정의 종료 여부를 판단한다(S150). 즉 산출된 숄더(34)의 직경(dn)이 타겟 직경과 동일하지 않을 경우에는 n의 값을 n+1로 업데이트(update)하고(S160), 상술한 단계들(S110 내지 S150)을 다시 수행한다.
다음으로 산출된 숄더(34)의 직경(dn)이 타겟 직경과 동일한 경우에는 기설정된 증가분(△h)에 대응하는 숄더(34)의 일부분들의 무게들을 모두 누적하여 숄더링 공정에 의하여 성장되는 숄더 전체 무게(
Figure 112012057354416-pat00005
)를 산출한다(S170).
도 11은 도 6에 도시된 멜트 갭 보상(S630)의 일 실시 예를 나타낸다.
도 11을 참조하면, 숄더링 공정이 종료되면(S210), 산출된 숄더 무게에 기초하여 멜트 갭을 보상한다(S220). 즉 산출된 숄더(34)의 무게에 기초하여 숄더링 공정 동안 실리콘 융액(SM)의 고화된 멜트 량을 산출하고, 산출된 고화된 멜트 량을 이용하여 숄더링 공정 후의 멜트 갭(D2) 또는 숄더링 공정 전과 후의 멜트 갭 변화 값(△D = D2-D1)을 산출한다. 그리고 숄더링 공정 전과 후의 멜트 갭 변화 값(△D)만큼 멜트 갭의 오차를 보상할 수 있다.
멜트 갭의 오차 보상이 종료되면, 실리콘 단결정 잉곳의 바디 그로잉 공정이 시작된다(S230). 도 11에 도시된 숄더링 공정에 기인한 멜트 갭 오차의 보상은 숄더링 공정 종료 후 바디 그로잉 공정 전에 수행될 수 있다.
도 12는 도 6에 도시된 멜트 갭 보상(S630)의 다른 실시 예를 나타낸다.
도 12를 참조하면, 산출된 숄더 무게에 기초하여 보정 시간(T), 및 제1 속도(v1)를 설정한다(S310).
바디 그로잉 공정의 시작과 동시에 보정 시간(T) 동안 제1 속도(v1)로 도가니(120)를 상승시켜 숄더링 공정에 기인하여 발생한 멜트 갭 오차를 보상한다(S310).
바디 그로잉 공정에 기인해서도 멜트 갭 오차가 발생하는데, 이를 보상하기 위하여 바디 그로잉 공정이 진행되는 동안에 도가니(120)를 제2 속도(v2)로 상승시킴으로써 바디 그로잉 공정에 기인하는 멜트 갭 오차를 보상할 수 있다(S320).
제1 속도(v1)는 제2 속도(v2)보다 빠르다. 예컨대, v1 = v2 + v3일 수 있다. 이때 제2 속도(v2)는 0.4mm/min ~ 0.7mm/min일 수 있다. 그리고 제3 속도(v3)는 숄더링 공정에 기인한 멜트 갭의 오차에 대한 보상하기 위하여 추가되는 속도이다. 예컨대, 제3 속도(v3)는 0.01mm/min ~ 0.1mm/min일 수 있으며, 바람직하게는 0.05mm/min일 수 있다.
보정 시간(T)이 경과한 후에는 제2 속도(v2)로 도가니(120)를 상승시켜, 바디 그로잉 공정에 기인하는 멜트 갭 오차를 보상할 수 있다(S330).
도 12에 도시된 숄더링 공정에 기인한 멜트 갭 오차의 보상은 바디 그로잉 공정 내에서 수행될 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 챔버, 120: 도가니
125: 도가니 지지대 127: 리프팅 유닛
130: 히터 140: 단열 수단
150: 인상 수단 152: 케이블
160: 열실드 165: 길이 측정부
170: 화상 촬영부 180): 제어부.

Claims (14)

  1. 실리콘 융액이 수용된 도가니;
    상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 실리콘 단결정을 둘러싸는 열실드;
    숄더링 공정에 의하여 성장하는 숄더(shoulder)를 촬영하고, 촬영된 결과에 따른 화상 데이터를 취득하는 화상 촬영부; 및
    상기 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 무게를 산출하고, 산출된 상기 숄더의 무게에 기초하여 상기 도가니의 승강을 제어하는 제어부; 및
    상기 성장하는 숄더의 길이를 측정하고, 측정된 숄더의 길이를 상기 제어부에 제공하는 길이 측정부를 포함하는 실리콘 단결정 성장 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 직경을 산출하고, 산출된 숄더의 직경, 상기 길이 측정부로부터 제공되는 숄더의 길이, 및 상기 숄더의 밀도를 이용하여 상기 숄더의 무게를 산출하는 실리콘 단결정 성장 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 숄더의 길이가 기설정된 증가분씩 증가할 때마다 상기 화상 촬영부로부터 제공되는 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 직경을 산출하는 실리콘 단결정 성장 장치.
  5. 제1항, 제3항, 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 숄더링 공정 종료 후 바디 그로잉 공정 전에 상기 도가니의 승강 조절을 완료하는 실리콘 단결정 성장 장치.
  6. 제1항, 제3항, 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 산출된 상기 숄더의 무게에 따라 보정 시간 및 제1 속도를 설정하고, 바디 그로잉 공정이 시작되면 상기 보정 시간 동안에는 상기 제1 속도로 상기 도가니를 상승시키는 실리콘 단결정 성장 장치.
  7. 실리콘 융액을 수용하는 도가니와 열을 차폐하는 열실드가 설치된 챔버 내의 상기 실리콘 융액으로부터 숄더링(shouldering) 공정에 의하여 성장되는 실리콘 단결정인 숄더(shoulder)를 촬영하고, 촬영된 결과에 따른 화상 데이터를 취득하는 단계;
    상기 성장하는 숄더의 길이를 측정하는 단계;
    상기 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 직경을 산출하고, 산출된 숄더의 직경, 상기 측정된 숄더의 길이, 및 숄더의 밀도를 이용하여 상기 숄더의 무게를 산출하는 단계; 및
    산출된 상기 숄더의 무게에 기초하여 상기 실리콘 융액의 표면과 상기 열실드 사이의 간격인 멜트 갭을 보상하는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서, 상기 숄더의 무게를 산출하는 단계는,
    상기 숄더의 길이가 기설정된 증가분씩 증가할 때마다 상기 화상 데이터를 이용하여 상기 숄더의 직경을 산출하는 단계; 및
    상기 기설정된 증가분에 대응하여 산출되는 숄더의 무게를 누적하는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 제조 방법.
  11. 제7항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 숄더링 공정 종료 후에 바디 그로잉 공정에 의하여 실리콘 단결정의 바디를 성장시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 멜트 갭을 보상하는 단계는 상기 숄더링 공정 종료 후 바디 그로잉 공정 전에 수행되는 실리콘 단결정 제조 방법.
  12. 제7항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 숄더링 공정 종료 후에 바디 그로잉 공정에 의하여 실리콘 단결정의 바디를 성장시키는 단계를 더 포함하며,
    상기 멜트 갭을 보상하는 단계는 상기 바디 그로잉 공정 중에 수행되는 실리콘 단결정 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 멜트 갭을 보상하는 단계는,
    상기 산출된 상기 숄더의 무게에 따라 보정 시간 및 제1 속도를 설정하는 단계;
    상기 바디 그로잉 공정이 시작되면 상기 보정 시간 동안에 상기 제1 속도로 상기 도가니를 상승시켜 상기 멜트 갭을 보상하는 단계; 및
    상기 보정 시간이 경과하면 제2 속도로 상기 도가니를 상승시키는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 속도는 상기 제2 속도 및 제3 속도를 합한 값이고, 상기 제2 속도는 0.4 ~ 0.7mm/min이고, 상기 제3 속도는 0.01mm/min ~ 0.1mm/min인 실리콘 단결정 제조 방법.
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