KR101565674B1 - 실리콘 단결정 잉곳 성장 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장 방법은, 쵸크랄스키법으로 공정 챔버 내에서 시드를 회전시키면서 인상하여 (111)결정 방향의 잉곳을 성장시키는 방법으로서, 성장시키기 위한 실리콘 잉곳의 타겟 직경을 설정하는 단계, 잉곳의 일정 부분을 비추는 ADC 센서를 사용하여 일정한 주기로 시드 로테이션에 따른 잉곳의 직경을 측정하는 단계, (111)결정 방향에 따른 실리콘 잉곳의 길이방향으로 발생하며, 실리콘 잉곳의 직경이 감소하는 패시트 면의 발생영역을 도출하는 단계 및 상기 패시트 면이 상기 ADC 센서의 측정 지점에 위치할 시에 상기 타겟 직경을 소정의 값만큼 감소시키는 단계를 포함한다. 따라서, (111) 결정에서 발생하는 패시트 면에서 타겟 직경을 감소시킴으로써, 실리콘 멜트를 확보하여 성장되는 잉곳의 바디 영역을 증가시킬 수 있다.

Description

실리콘 단결정 잉곳 성장 방법{Method for Silicon Single Crystal Ingot}

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법으로, 보다 상세하게는 (111) 결정의 성장시 발생하는 패시트(facet) 면의 직경과 성장 목표 직경과의 차이로 인해 (111) 결정 성장 제어에 문제가 생기는 것을 방지하기 위한 것이다.

웨이퍼의 제조를 위해서는 쵸크랄스키법을 사용하여 단결정 실리콘을 잉곳 형태로 성장시키며, 이 방식을 사용하여 성장된 단결정 품질에 가장 직접적인 영향을 미치는 인자는 결정의 성장 속도(V)와 고액계면에서의 온도구배(G)의 비인 V/G로 알려져 있으며, 이 V/G를 결정 성장의 전구간에 걸쳐 설정된 목표궤적으로 제어하는 것이 중요하다.

종래 잉곳 성장장치에서 인상속도가 목표 설정값을 따라가게 해주는 역할은 AGC(Automatic Growth Controller)를 사용한다. 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 Controller)로 가는 설정점 값을 조절해 줌으로써 설정된 목표궤적을 쫓아갈 수 있도록 한다. 동시에 인상속도는 잉곳의 직경을 제어하는 ADC(Automatic Diameter Controller)의 조작변수로서 할당되어 있기 때문에 ADC 제어 동작에 의하여 단주기적 변동을 보이면서 장주기적으로는 AGC 의 동작에 의하여 조정되게 된다.

도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 결정방향에 따른 형상을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, (100) 결정의 경우 바디 표면에 노드 4개가 형성되며, (110) 결정은 노드 2개, 미세한 패시트(Facet) 면 4개가 형성되고, (111) 결정에 있어서는 패시트 면이 3개가 형성된다. 그러나, (110) 결정에 형성되는 패시트 면에 비해, (111) 결정에 형성되는 패시트 면은 크기가 50㎜ 이상이 형성된다.

도 2는 패시트 면에 의해 (111) 결정 성장시 로스가 발생하는 것을 나타낸 도면이다. 종래의 (111) 결정을 성장시킴에 있어서는, 패시트 면이 발생함에 따라 직경 감소를 보상하기 위해 목표로 하는 타겟 직경을 증가시켜 잉곳을 성장시켰다.

도 2를 참조하면, 패시트 면이 발생하지 않은 (100) 결정은 목표로 하는 직경으로 잉곳 성장이 가능하지만, (111) 결정은 패시트 면이 발생하여 목표로 하는 직경을 확보하기 위해 추가적으로 목표 직경을 확대하여 잉곳을 성장시켜야 한다. 즉, (111) 결정은 (100) 결정과 같은 직경의 잉곳을 제조하기 위하여, 잉곳의 제조 후에 그라인딩되어야 하는 로스 영역이 증가하게 된다.

따라서, (111) 결정에 성장에 있어서는 이러한 패시트 면이 발생하게 되고, 잉곳의 직경을 제어하는 ADC(Automatic Diameter Controller)가 비추는 면에 상기 패시트 면이 진입하게 되면 순간적으로 잉곳의 직경이 작아진 것으로 판단하여 AGC, ATC 로직에 상기의 데이터를 전송하게 된다. 이는 잉곳 직경의 조작변수로서 할당된 인상속도의 값에 에러를 발생시킨다.

이러한 에러로 인해 목표로 하는 잉곳 직경에 편차가 발생하며, 편차가 급격하게 커짐으로 인해 지속적인 데미지가 성장하는 잉곳에 가해진다. 결국, 성장되는 잉곳의 바디 영역이 축소되고, 성장된 잉곳의 로스 영역이 증가함에 따라 실제 웨이퍼로 제조 수율이 감소되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, (111) 결정 성장에 있어 바디 공정 중 발생하는 패시트 면에 의해 감소된 직경 측정값을 에러로 인식하지 않고, 감소되는 직경을 목표 직경 설정값으로 변환하는 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장 방법은, 쵸크랄스키법으로 공정 챔버 내에서 시드를 회전시키면서 인상하여 (111)결정 방향의 잉곳을 성장시키는 방법으로서, 성장시키기 위한 실리콘 잉곳의 타겟 직경을 설정하는 단계; 잉곳의 일정 부분을 비추는 ADC 센서를 사용하여 일정한 주기로 시드 로테이션에 따른 잉곳의 직경을 측정하는 단계; (111)결정 방향에 따른 실리콘 잉곳의 길이방향으로 발생하며, 실리콘 잉곳의 직경이 감소하는 패시트 면의 발생영역을 도출하는 단계; 및 상기 패시트 면이 상기 ADC 센서의 측정 지점에 위치할 시에 상기 타겟 직경을 소정의 값만큼 감소시키는 단계;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 의하면, (111) 결정에서 발생하는 패시트 면에서 타겟 직경을 감소시킴으로써 실리콘 멜트를 확보하여 성장되는 잉곳의 바디 영역을 증가시킬 수 있다.

또한, (111) 결정에서 패시트 면의 호의 길이 및 각도를 도출함으로써, 상기 패시트 면에서 발생하는 직경 편차로 인한 공정 조건의 변화가 일어나지 않도록 하여, 성장되는 잉곳의 직경이 목표 직경보다 감소되는 것을 방지할 수 있다.

따라서, 성장된 잉곳에서 그라인딩을 통한 로스 영역을 감소시킬 수 있으며, 실리콘 잉곳 및 실리콘 웨이퍼의 생산 수율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 결정방향에 따른 형상을 나타낸 도면
도 2는 패시트 면에 의해 (111) 결정 성장시 로스가 발생하는 것을 나타낸 도면
도 3은 잉곳의 바디 성장에 따라 패시트 면의 발생 구간을 나타낸 도면
도 4는 (100) 및 (111) 결정에서 패시트 면에 대해 타겟 직경을 나타낸 도면
도 5는 (100) 및 (111) 결정에서 실리콘 잉곳의 직경 제어를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 (111) 결정에 있어서 직경 제어 시스템을 나타낸 블록도

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.

본 발명은 (111) 결정의 잉곳을 성장시키는 공정 중 바디 공정에 관한 것으로, 직경 제어 시스템의 로직을 변경하는 것이다.

실리콘 단결정 잉곳은 종자 결정인 시드를 실리콘 용융액에 디핑하여 이를 회전하면서 서서히 인상하여 제조되며, 실리콘 잉곳을 지지하는 네킹 공정 및 숄더 공정 후에 실제 반도체 웨이퍼로 사용되는 구간인 바디 공정을 실시한다.

상기 바디 공정이 시작되면, 실리콘 잉곳 바디의 임의의 지점을 비추는 ADC(Automatic Diameter Controller) 센서가 마련되고, ADC 센서는 시드가 소정의 속도로 회전함에 따라 일정한 주기로 잉곳의 직경을 측정하여 이의 정보를 AGC(Automatic Growth Controller) 및 ATC(Automatic Temperature Controller)에 전송하고, 설정된 목표 직경보다 현재의 직경이 작거나 크게 측정되는 경우 실리콘 용융액의 온도를 변화시키거나 인상 속도를 변경시켜 실리콘 잉곳의 직경을 제어한다.

한편, (111) 결정은 결정 방위의 특성상 3개의 패시트(Facet) 면이 형성되며, 이러한 패시트 면은 바디 공정이 시작된 후 소정의 길이에서부터 발생된다.

통상적으로 이러한 패시트 면은 잉곳 성장 과정에서 하나의 면으로 나타나며, 2개 이상이 나타나는 경우는 실리콘 단결정 잉곳의 품질상 배제하며, 본발명에서는 이러한 패시트 면이 하나의 단면에 대해 한 개가 형성되는 경우를 가정하기로 한다.

또한, (111) 결정의 경우에는 패시트 면의 형성으로 인해 축소되는 잉곳의 직경을 보상하기 위해 추가적으로 타겟 직경을 증가시켜 결정을 성장시키는 방식을 적용하고 있다. 하기 표1은 (111) 결정의 잉곳 직경별로 타겟 직경을 나타낸 것이다.

잉곳 직경(㎜)	125	150	200
타겟 직경(㎜)	132.5	159	212
손실 직경(㎜)	1.5	3	6

(100) 결정의 경우에는 성장시키려는 직경+ 6㎜를 기준으로 하여, 잉곳을 성장시킨다. (100) 결정은 패시트 면이 없기 때문에 안정적인 타겟 직경 확보가 수월하며, 성장된 잉곳에 대해 그라인딩을 실시함으로써 사용자가 원하는 직경의 잉곳을 안정적으로 확보할 수 있다.

(111) 결정은 상기와 같이 성장 후 그라인딩에 의해 감소되는 직경을 고려하여, 안정적인 타겟 직경을 확보하기 위해서 손실되는 직경만큼 추가적인 타겟 직경을 설정해야 한다. 예를 들어, 직경이 200㎜의 잉곳을 성장시키기 위해서는 목표 직경을 206㎜으로 설정한 후, 패시트 면에 의해 손실되는 6㎜만큼 목표 직경을 증가시켜 212㎜를 타겟 직경으로 설정하여 바디 공정을 실시한다.

도 3은 잉곳의 바디 성장에 따라 패시트 면의 발생 구간을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 200㎜의 (111) 결정 성장에 따른 잉곳의 실제 측정값을 시간에 따라 나타낸 것이다. 성장시키고자 하는 타겟 직경을 212㎜로 설정하고, 실리콘 잉곳의 시드 로테이션 속도를 10rpm으로 적용한 후, 실리콘 잉곳을 성장시키면서 ADC 센서에 의한 실제 잉곳의 직경을 측정하면 6초 주기로 실제 직경 측정값과 타겟 직경값에 큰 편차가 나타나는 구간이 발생한다.

잉곳 직경에 대한 실제 측정값의 경향을 살펴보면, 설정된 타겟 직경인 212㎜에서 8㎜ 정도의 증감을 갖는 영역은 성장되는 잉곳이 외부 공정 조건의 미세한 변화에 의해 편차를 나타내는 것으로 해석되며, 설정된 타겟 직경인 212㎜에서 20㎜ 정도의 감소가 나타나는 영역은 성장되는 잉곳 자체의 직경이 감소한 것으로 해석할 수 있다. 따라서, 상기 그래프에 의해 성장시키는 잉곳 바디에 패시트 면이 발생하였음을 판별할 수 있고, 시드 로테이션 속도와 발생 주기에 따라 이러한 패시트 면이 어느 정도의 면적을 갖는지 측정할 수 있다.

도 4는 (100) 및 (111) 결정에서 패시트 면에 대한 타겟 직경을 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, (100) 결정은 패시트 면이 존재하지 않으므로 타겟 직경을 206㎜로 설정하여 잉곳을 성장시키며, (111) 결정은 패시트 면에 감소되는 직경을 보상하기 위해 타겟 직경을 212㎜로 설정하여 잉곳을 성장시킨다. 도 3에서와 같이, (111) 결정 잉곳의 시드 로테이션 속도와 패시트 면의 발생 시간을 고려하면, 패시트 면이 존재하는 구간, 즉 잉곳이 회전함에 따라 ADC 센서가 비추는 지점에 패시트 면이 진입하는 시간 및 빠져나가는 시간을 도출할 수 있다.

본 발명에서는 잉곳의 회전에 따라 ADC 센서가 비추는 지점에 패시트 면이 지나가는 시간동안 성장시키고자 하는 타겟 직경을 변경하는 제어 로직을 제안한다. 구체적으로, 타겟 직경은 패시트 면의 진입 시간을 기준으로 패시트 면의 총발생 주기의 반주기동안 206㎜까지 서서히 감소하다가, 반주기동안 서서히 증가하여 212㎜로 설정될 수 있다. 즉, 타겟 직경이 패시트 면에 대응하는 직경이 되도록 변경됨에 따라, ADC 제어부에 의한 목표 설정값과 실제 측정되는 값의 편차가 발생되지 않으므로, AGC 로직에 오류가 나타나는 것을 방지할 수 있다.

도 5는 (100) 및 (111) 결정에서의 직경 제어를 나타낸 도면이다.

(100) 결정에서는 잉곳의 바디 공정 중, 시드 로테이션에 따라 잉곳이 소정의 인상속도로 인상되며, 잉곳의 응고계면을 비추는 ADC 센서에 의해 성장되는 잉곳의 직경이 주기적인 간격으로 측정된다. 이 때, 성장시키고자 하는 목표 직경, 예를 들면 200㎜의 잉곳을 성장시키고자 한다면, 공정 팩터의 변화에 의한 직경 편차를 고려하여 목표 직경을 206㎜로 설정하고, 206㎜로 성장시키기 위한 실리콘 융액의 온도를 설정하고 이에 따른 인상속도를 결정한다.

(111) 결정에서는 200㎜의 잉곳을 성장시키고자 한다면, (100)결정과 같이 공정 팩터의 변화에 의한 직경 편차를 고려하여 목표 직경을 206㎜로 설정하고, 패시트 면의 발생을 고려하여 최종 목표 직경을 212㎜로 설정한다. 그리고, 잉곳의 바디를 성장시키는 바디 공정에서, 잉곳의 응고계면을 비추는 ADC 센서에 의해 212㎜보다 적어도 8㎜ 이상의 직경 감소가 일어나는 패시트 면의 호의 길이 또는 각도를 계산한다.

상기 패시트 면의 호의 길이(L)와 각도(θ)는 시드 로테이션의 주기와 패시트 면의 발생 시간을 통해 도출할 수 있으며, ADC 센서가 상기 호의 길이에 해당하는 영역에 진입하게 되면, 목표 직경 설정값을 실제 측정값에 대응되도록 변경시키는 로직을 추가한다. 따라서, 최종 목표 직경을 212㎜로 설정한 후, 패시트 면에 의한 로스영역을 제거하면, 206㎜의 잉곳을 성장시킬 수 있으며 (100) 결정에서의 성장과 같이 안정적인 목표 직경을 가지고 잉곳의 성장을 제어할 수 있다. 즉, 본 발명은 타겟 직경이 212㎜로 설정되고, 이와 같은 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 실리콘 융액의 온도 또는 인상 속도를 일정하게 유지함으로써, 안정적으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다.

도 6은 본 발명의 (111) 결정에 있어서 직경 제어 시스템을 나타낸 블록도이다. 도 6을 참조하면, 성장되는 잉곳의 길이에 따라 목표 직경을 설정하고 인상속도를 결정한다. 여기서, 인상속도가 목표 설정값을 따라가게 해주는 역할은 AGC(Automatic Growth Controller)를 사용한다.

AGC는 현재의 인상속도 정보를 입력받아 설정된 인상속도 목표치와 비교하여 적절한 제어 로직에 의하여 피드백 제어동작을 내보내며, 목표온도 신호와 합쳐져서 ATC(Automatic Temperature Controller)로 가는 설정점 값을 조절해 줌으로써 성장중인 잉곳의 직경이 제어된다.

그리고, 인상 속도는 ADC(Automatic Diameter Controller)의 측정값에 의해 단주기적으로 변화하게 되며, 장주기적으로 AGC의 동작에 의해 조정된다.

본 발명에서는 성장되는 잉곳의 길이에 따른 타겟 직경을 설정하기 전에 추가적인 제어를 수행하는데 그 특징이 있으며, 점선 부분의 로직을 추가하여 잉곳의 성장을 제어하는 것이다. 또한, ADC(Automatic Diameter Controller)의 측정값에 의해 단주기적으로 변화하는 인상속도의 변화를 제어하는 데에 특징이 있다.

즉, 시드 로테이션에 따른 회전주기에 따라 패시트 면의 발생지점에 대한 체크를 수행하고, 타겟 직경과 실제 측정되는 직경의 편차가 크게 발생하는 패시트 면의 구간의 면적을 계산한다. 즉, 잉곳의 회전축을 중심으로 잉곳의 둘레 중 패시트 면에 대응되는 호의 길이 또는 잉곳의 중심을 기준으로 패시트 면에 해당하는 각도를 산출한다. 그리고, ADC 센서로 측정되는 타겟 직경을 상기 패시트 면에 진입할 시에 변경해주는 로직을 추가함으로써, 타겟 직경과 실제 측정값에 편차가 발생되지 않게 한다.

이로 인해, 실리콘 잉곳의 직경을 제어하는 AGC(Automatic Growth Controller) 및 ATC(Automatic Temperature Controller)를 포함하는 제어부는, 상기 실리콘 잉곳의 전체 둘레에 대하여 목표로 하는 타겟 직경에 해당하는 실리콘 융액의 온도 또는 인상 속도를 유지할 수 있다. 즉, 패시트 면이 발생되어도, 제어부에서 이를 에러로 인식하여 실리콘 융액의 온도 또는 인상 속도를 변경하는 로직을 수행하지 않아 (111)결정을 안정적으로 성장시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예는 (111) 결정에서 발생하는 패시트 면에서 타겟 직경을 감소시킴으로써 실리콘 멜트를 확보하여 성장되는 잉곳의 바디 영역을 증가시킬 수 있다.

또한, (111) 결정에서 패시트 면의 호의 길이 및 각도를 도출함으로써, 상기 패시트 면에서 발생하는 직경 편차로 인한 공정 조건의 변화가 일어나지 않도록 하여, 성장되는 잉곳의 직경이 목표 직경보다 감소되는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 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.

Claims (8)

1. 쵸크랄스키법으로 공정 챔버 내에서 시드를 회전시키면서 인상하여 (111)결정 방향의 잉곳을 성장시키는 바디 공정으로서,
   성장시키기 위한 실리콘 잉곳의 타겟 직경을 설정하는 단계;
   잉곳의 일정 부분을 비추는 ADC(Automatic Diameter Controller) 센서를 사용하여 일정한 주기로 시드 로테이션에 따른 잉곳의 직경을 측정하는 단계;
   (111)결정 방향에 따른 실리콘 잉곳의 길이방향으로 발생하며, 실리콘 잉곳의 직경이 감소하는 패시트(Facet) 면의 발생영역을 도출하는 단계; 및
   상기 패시트 면이 상기 ADC 센서의 측정 지점에 위치할 시에 상기 타겟 직경을 소정의 값만큼 감소시키는 단계를 포함하고,
   상기 패시트 면의 발생영역은 상기 ADC 센서에 의한 직경 측정 지점이 시드 로테이션 속도에 따라 상기 패시트 면을 이동하는 동안의 시간을 측정하여 도출되는 단결정 잉곳 성장 방법.
2. 제 1항에 있어서,
   성장시키기 위한 실리콘 잉곳의 타겟 직경을 설정하는 단계는,
   상기 타겟 직경에 따른 상기 실리콘 잉곳의 인상 속도 및 실리콘 용융액의 온도를 설정하는 단계를 포함하는 단결정 잉곳 성장 방법.
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 ADC(Automatic Diameter Controller) 센서에 의한 직경 측정 지점이 상기 패시트 면에 위치하는 동안의 시간을 측정하여, 상기 패시트 면에 해당하는 영역의 호의 길이 또는 상기 패시트 면의 잉곳의 중심부에 대한 각도를 도출하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 ADC(Automatic Diameter Controller) 센서가 상기 잉곳의 중심을 기준으로 상기 패시트 면에 해당하는 호의 직경을 측정할 시에 타겟 직경을 감소시키는 단결정 잉곳 성장 방법.
6. 제 4항에 있어서,
   상기 ADC(Automatic Diameter Controller) 센서가 상기 잉곳의 중심을 기준으로 상기 패시트 면에 해당하는 각도의 영역에 위치할시 타겟 직경을 감소시키는 단결정 잉곳 성장 방법.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 패시트 면에 대해 상기 타겟 직경을 소정의 값만큼 감소시키는 단계는,
   시드 로테이션에 따라 상기 ADC(Automatic Diameter Controller) 센서에 잉곳의 패시트 면이 진입하면, 상기 패시트 면에 의해 감소되는 직경만큼 상기 타겟 직경을 감소시키는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
8. 제 7항에 있어서,
   상기 패시트 면에서 상기 타겟 직경이 감소함에 따라,
   실리콘 잉곳의 직경을 제어하는 AGC(Automatic Growth Controller) 및 ATC(Automatic Temperature Controller)를 포함하는 제어부는, 상기 실리콘 잉곳의 전체 둘레에 대하여 목표로 하는 타겟 직경으로 성장시키기 위한 실리콘 융액의 온도 또는 인상속도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
   
   
   
   
   

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