KR101679071B1 - 멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장방법 - Google Patents

멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장장치와 단결정 성장방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 멜트갭 제어 시스템은 융액을 수용하는 도가니와 열실드를 포함하는 단결정 성장장치의 멜트갭 제어시스템에 있어서, 상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 접촉시 전류를 흐름 여부에 의해 멜트갭을 제어할 수 있다.

Description

멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장방법{Melt Gap Controlling System, Method of Manufacturing Single Crystal including the Melt Gap Controlling System}
실시예는 멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장방법에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.
종래의 실리콘 단결정 성장 장치는 실리콘 융액(SM)의 표면과 히터로부터 복사되는 열이 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 전달되지 못하도록 열실드를 포함한다.
한편, 종래기술에 의하면 열실드의 설치시, 열실드의 하단부와 실리콘 융액(SM)의 자유표면 간에 일정한 간격을 유지하며 설치하며, 이 간격을 멜트 갭(Melt Gap)이라 하고, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 품질 향상과 생산성 증가를 위하여 멜트 갭을 일정하게 유지하여야 한다.
그런데, 종래기술에 의하면 단결정 성장장치의 설계 도면을 참고하여 도면 상의 위치를 추정하고, 그 후 일정한 높이로 열실드를 지지하여 설치한다.
그러나, 이러한 종래의 방법으로 열실드를 설치하는 경우 멜트 갭이 정확하게 제어되기는 어려운 문제가 있다.
이에 종래기술은 실리콘 융액의 멜팅공정이 완료 후 멜트갭을 설정 또는 맬트갭 측정을 위해 열실드 하단과 실리콘 융액의 표면을 접촉시킴으로써 열실드와 융액 사이의 멜트갭을 측정한다.
즉, 종래기술에 의하면 실리콘 단결정 성장장치의 작업자가 외부 관측경를 통하여 멜트 표면과 열실드 하단부를 육안으로 관찰하면서, 석영 도가니를 일정 거리 상승시켜, 실리콘 융액의 표면과 열실드 하단부를 접촉시킨다.
그리고, 미리 설정된 멜트 갭 거리만큼 석영 도가니를 하강시킴으로써, 열실드와 실리콘 융액(SM)의 표면간의 간격을 미리 설정된 멜트갭과 일치되도록 한다.
그런데, 종래기술에 의하면 실리콘 융액의 표면과 열실드 하단부를 접촉을 작업자의 육안 확인을 통한 접촉(Touch) 유무를 파악함에 따라 접촉여부에 대한 정확한 판단에 오류가 발생할 수 있어 멜트갭을 정밀하게 제어하기 어려운 점이 있고, 작업자가 매 공정마다 수작업으로 공정에 관여해야하므로 자동으로 멜트갭을 제어하는 데 한계가 있다.
실시예는 멜트갭 제어의 정확성을 높이고, 멜트갭 제어의 자동화가 가능한 멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 멜트갭 제어 시스템은 융액을 수용하는 도가니와 열실드를 포함하는 단결정 성장장치의 멜트갭 제어시스템에 있어서, 상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 접촉시 전류를 흐름 여부에 의해 멜트갭을 제어할 수 있다.
삭제
또한, 실시예에 따른 단결정 성장방법은 도가니와 열실드를 포함하는 단결정 성장장치에 있어서, 상기 도가니에 폴리실리콘을 적재하고, 가열하여 융액을 형성하는 단계; 상기 융액의 표면과 상기 열실드의 하단을 접촉시키는 단계; 및 상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 접촉시 전류를 흐름 여부를 판단하는 단계;를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장방법에 의하면, 전류인가를 통해 멜트표면과 열실드의 접촉여부를 판단함으로써 멜트갭 제어의 정확성을 높이고, 멜트갭 제어의 자동화가 가능할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 멜트갭 측정오차를 최소화함으로써 단결정 품질 변화를 최소화하여 불량률을 감소시킬 수 있으며, 공정 중 멜트갭 변화에 따른 공정사고를 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치의 개략도.
도 2 내지 도 3은 실시예에 따른 단결정 성장장치에서의 멜트갭 제어 공정도.
도 4는 실시예에 따른 멜트갭 제어시스템에서의 전류측정 예시도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/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.
이하, 실시예에 따른 멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장장치와 단결정 성장방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)의 개략도이다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 히터(130), 인상수단(140) 및 열실드(150) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 실리콘 용액을 수용하는 도가니(120)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(130) 및 열실드(150)를 포함할 수 있다.
상기 챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.
상기 챔버(110)의 내벽에는 히터(130)의 열이 상기 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 복사 단열체(132)가 설치될 수 있다.
실시예는 실리콘 단결정 성장 시의 산소 농도를 제어하기 위하여 석영 도가니(120)의 회전 내부의 압력 조건 등 다양한 인자들을 조절할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 산소 농도를 제어하기 위하여 실리콘 단결정 성장 장치의 챔버(110) 내부에 아르곤 가스를 주입하여 하부로 배출할 수 있다.
상기 도가니(120)는 실리콘 융액(SM)을 담을 수 있도록 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 석영 재질로 이루어질 수 있다. 상기 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 흑연으로 이루어지는 도가니 지지대(122)가 구비될 수 있다.
상기 도가니 지지대(122)는 회전축(140) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(140)은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 단결정과 융액의 계면이 동일한 높이를 유지하도록 할 수 있다.
상기 히터(130)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 히터(130)는 도가니 지지대(122)를 에워싸는 원통형으로 이루어질 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들게 된다.
상기 인상수단(160)은 케이블을 감아 인상(引上)할 수 있도록 챔버(110)의 상부에 설치될 수 있다. 이 케이블의 하부에는 종자결정(S)이 설치될 수 있다.
실시예는 단결정인 종자결정(seed crystal)(S)을 실리콘 융액(SM)에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.
이 방법에 따르면, 먼저, 종자결정(S)으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 솔더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.
한편, 상기 단결정 성장공정 중 네킹 공정을 진행하기 전에 폴리실리콘을 도가니에 적재하고 가열하여 실리콘 융액(SM)을 만드는 멜팅공정 및 융액의 안정화 공정이 진행된다.
이후, 멜트갭을 설정 또는 맬트갭 측정을 위해 열실드(150) 하단과 실리콘 융액의 표면을 접촉시키는 공정을 진행한다.
종래기술은 실리콘 융액의 표면과 열실드 하단부를 접촉을 작업자의 육안 확인을 통한 접촉(Touch) 유무를 파악함에 따라 접촉여부에 대한 정확한 판단에 오류가 발생할 수 있어 멜트갭을 정밀하게 제어하기 어려운 점이 있고, 작업자가 매 공정마다 수작업으로 공정에 관여해야하므로 자동으로 멜트갭을 제어하는데 한계가 있었다.
실시예는 멜트갭 제어의 정확성을 높이고, 멜트갭 제어의 자동화가 가능한 멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장장치와 단결정 성장방법을 제공하고자 한다.
이를 위해 단결정 성장장치는, 융액(SM)을 수용하는 도가니(120)와, 상기 도가니(120) 상측에 설치되는 열실드(150) 및 상기 융액(SM)의 표면과 상기 열실드(150) 하단의 거리인 멜트갭을 자동으로 측정할 수 있는 멜트갭 제어시스템을 포함할 수 있다.
실시예에서 멜트갭 제어시스템은 상기 융액(SM)의 표면과 상기 열실드(150) 하단의 접촉시 전류를 흐름 여부에 의해 상기 융액(SM)의 표면과 상기 열실드(150) 하단의 접촉 여부를 판단하여 멜트갭을 정밀 자동 제어할 수 있다.
실시예의 멜트갭 제어시스템은 상기 도가니(120) 또는 상기 열실드(150)에 전류를 인가하는 전원장치(미도시)와, 상기 융액(SM)의 표면과 상기 열실드(150) 하단의 접촉시 전류의 흐름을 측정하는 전류측정센서(미도시) 및 상기 멜트갭 제어시스템을 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
실시예 따른 단결정 성장장치는, 상기 열실드(150) 하단부에는 멜트갭 측정봉(152)이 구비될 수 있다. 상기 멜트갭 측정봉(152)은 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 멜트갭 측정봉(152)에 의한 오염을 방지하고, 고온의 챔버(110) 내부에서 녹지 않은 재질일 수 있으며, 전기가 통하는 전도성 재질일 수 있다.
실시예는 멜트갭 제어의 정밀도를 높이기 위해 상기 융액(SM)의 표면과 상기 멜트갭 측정봉(152)의 접촉시 전류를 흐름 여부에 의해 멜트갭을 제어할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 3을 참조하여 실시예에 따른 단결정 성장장치에서의 멜트갭 제어 공정을 설명한다.
우선, 도가니(120)에 폴리실리콘을 적재하고, 가열하여 융액(SM)을 형성한다. 이후, 상기 융액(SM)에 대한 안정화공정을 진행한다.
이후, 도 2와 같이 상기 융액(SM)의 표면과 상기 열실드(150)의 하단을 접촉시키는 단계를 진행한다. 예를 들어, 도가니(120)를 상승시킴으로써 융액(SM)의 표면과 열실드(150)의 하단이 접촉되도록 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 실시예는 멜트갭 제어의 정밀도를 높이기 위해 열실드 하단에 멜트갭 측정봉(152)을 설치하고, 상기 융액(SM)의 표면과 상기 멜트갭 측정봉(152)의 접촉시 전류를 흐름 여부에 의해 멜트갭을 제어할 수 있다.
이후, 도 3과 같이 상기 융액(SM)의 표면과 상기 열실드(150) 하단의 접촉시 전류 흐름 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 상기 융액(SM)의 표면과 상기 열실드(150) 하단의 접촉시 전류 흐름 여부를 판단하는 단계는, 상기 도가니(120) 또는 상기 열실드(150)에 전류를 인가할 수 있다.
이를 위해 실시예는 상기 도가니(120) 또는 상기 열실드(150)에 전류를 인가하는 전원장치(미도시)와, 상기 융액(SM)의 표면과 상기 열실드(150) 하단의 접촉시 전류의 흐름을 측정하는 전류측정센서(미도시) 및 상기 멜트갭 제어시스템을 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
상기 도가니(120) 또는 열실드(150)에 전류를 인가함으로써 열실드(150) 하단이 융액(SM)의 표면과 접촉시 폐회로가 형성되어 전류가 흐를 수 있는 조건이 조성될 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 멜트갭 제어시스템에서의 전류측정 예시도이며, X축은 멜트갭 제어를 위해 소요되는 시간의 흐름으로 단위는 초(sec) 일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, Y축은 전류측정센서에서 측정되는 전류값으로 단위는 암페어일 수 있다.
도 4와 같이 상기 융액(SM)의 표면과 상기 열실드(150) 하단의 접촉시간동안(Δt=t2-t1) 접촉에 따른 전류(It)가 측정될 수 있다. 이후, 상기 도가니(120)는 하강함에 따라 측정되는 전류값은 0 암페어가 된다.
실시예는 전류측정센서에서 접촉에 따른 전류(It)값이 측정되는 경우 도가니의 상승을 멈추고 도가니(120)를 하강함으로써 공정조건에서 설정한 멜트갭(D1)을 설정할 수 있다.
예를 들어, 도 3에서 열실드(150) 하단으로부터의 멜트갭 측정봉(152)의 길이를 L이라고 하는 경우 원하는 공정조건의 멜트갭(D1)을 설정하기 위해 멜트갭(D1)에서 L의 길이를 뺀 D2 만큼 도가니를 하강하여 멜트갭을 정밀 제어할 수 있다.
실시예에 따른 멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장장치와 단결정 성장방법에 의하면, 전류인가를 통해 멜트표면과 열실드의 접촉여부를 판단함으로써 멜트갭 제어의 정확성을 높이고, 멜트갭 제어의 자동화가 가능할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 멜트갭 측정오차를 최소화함으로써 단결정 품질 변화를 최소화하여 불량률을 감소시킬 수 있으며, 공정 중 멜트갭 변화에 따른 공정사고를 미연에 방지할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 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 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 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 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 융액을 수용하는 도가니와, 상기 도가니 상측에 설치되는 열실드를 포함하고, 상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 거리인 멜트갭을 측정하는 단결정 성장장치의 멜트갭 제어시스템에 있어서,
    상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 접촉시 전류가 흐를 수 있도록 상기 도가니와 열실드 및 융액을 따라 폐회로가 구성되고, 상기 폐회로의 전류 흐름 여부에 의해 멜트갭을 제어하는 멜트갭 제어시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 도가니에 전류를 인가하는 전원장치;
    상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 접촉시 상기 폐회로에 흐르는 전류의 흐름을 측정하는 전류측정센서; 및
    상기 전원장치, 상기 전류 측정센서를 제어하는 제어부;를 포함하는 멜트갭 제어시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 열실드에 전류를 인가하는 전원장치;
    상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 접촉시 상기 폐회로에 흐르는 전류의 흐름을 측정하는 전류측정센서; 및
    상기 전원장치, 상기 전류 측정센서를 제어하는 제어부;를 포함하는 멜트갭 제어시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열실드 하단부에 멜트갭 측정봉이 구비되고,
    상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 접촉시 전류가 흐를 수 있도록 상기 도가니와 열실드과 멜트갭 측정봉 및 융액을 따라 폐회로가 구성되는 멜트갭 제어시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 도가니와 열실드를 포함하는 단결정 성장장치에 있어서,
    상기 도가니에 폴리실리콘을 적재하고, 가열하여 융액을 형성하는 단계;
    상기 융액의 표면과 상기 열실드의 하단을 접촉시키면, 상기 도가니와 열실드 및 융액을 따라 전류가 흐를 수 있는 폐회로가 구성되는 단계; 및
    상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 접촉시 상기 폐회로의 전류 흐름 여부를 판단하는 단계;를 포함하는 단결정 성장방법.
  10. 삭제
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 접촉시 전류를 흐름 여부를 판단하는 단계는,
    상기 도가니 또는 상기 열실드에 전류를 인가하는 단계;
    상기 융액의 표면과 상기 열실드 하단의 접촉시 상기 폐회로를 따라 흐르는 전류의 흐름을 측정하는 단계;를 포함하는 단결정 성장방법.
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