KR101781463B1 - 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법 - Google Patents

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101781463B1
KR101781463B1 KR1020150184721A KR20150184721A KR101781463B1 KR 101781463 B1 KR101781463 B1 KR 101781463B1 KR 1020150184721 A KR1020150184721 A KR 1020150184721A KR 20150184721 A KR20150184721 A KR 20150184721A KR 101781463 B1 KR101781463 B1 KR 101781463B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
single crystal
crystal ingot
silicon melt
diameter
temperature
Prior art date
Application number
KR1020150184721A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20170075278A (ko
Inventor
방인식
김세훈
김윤구
강인구
Original Assignee
에스케이실트론 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스케이실트론 주식회사 filed Critical 에스케이실트론 주식회사
Priority to KR1020150184721A priority Critical patent/KR101781463B1/ko
Publication of KR20170075278A publication Critical patent/KR20170075278A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101781463B1 publication Critical patent/KR101781463B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02002—Preparing wafers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/02104—Forming layers
    • H01L21/02365—Forming inorganic semiconducting materials on a substrate
    • H01L21/02518—Deposited layers
    • H01L21/02587—Structure
    • H01L21/0259—Microstructure
    • H01L21/02598—Microstructure monocrystalline
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/22—Diffusion of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, into or out of a semiconductor body, or between semiconductor regions; Interactions between two or more impurities; Redistribution of impurities
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67098—Apparatus for thermal treatment
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/10—Measuring as part of the manufacturing process
    • H01L22/12—Measuring as part of the manufacturing process for structural parameters, e.g. thickness, line width, refractive index, temperature, warp, bond strength, defects, optical inspection, electrical measurement of structural dimensions, metallurgic measurement of diffusions

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

실시예는 도가니의 표면에서 제1 방향으로, 실리콘 용융액으로부터 성장 중인 단결정 잉곳의 크기를 감지하는 (a) 단계; 및 상기 제1 방향과 반대의 제2 방향으로, 상기 단결정 잉곳의 크기를 감지하는 (b) 단계를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공한다.

Description

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GROWING SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT}
실시예는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 성장되는 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 정확하게 측정하여 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼는, 단결정 잉곳(Ingot)을 만들기 위한 단결정 성장 공정과, 단결정 잉곳을 슬라이싱(Slicing)하여 얇은 원판 모양의 웨이퍼를 얻는 슬라이싱 공정과, 상기 슬라이싱 공정에 의해 얻어진 웨이퍼의 깨짐, 일그러짐을 방지하기 위해 그 외주부를 가공하는 그라인딩(Grinding) 공정과, 상기 웨이퍼에 잔존하는 기계적 가공에 의한 손상(Damage)을 제거하는 랩핑(Lapping) 공정과, 상기 웨이퍼를 경면화하는 연마(Polishing) 공정과, 연마된 웨이퍼를 연마하고 웨이퍼에 부착된 연마제나 이물질을 제거하는 세정 공정을 포함하여 이루어진다.
실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때에는 도가니를 지지하는 축을 회전시키면서 도가니를 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 하고, 실리콘 단결정 잉곳은 도가니의 회전축과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어올린다.
이렇게 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 상술한 공정을 거쳐서, 반도체 디바이스의 기판으로 사용하게 된다.
이러한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 공정 중에서 넥킹, 숄더링, 바디 그로잉, 테일링 공정은 종자를 폴리 실리콘 용융액과 접촉시킨 상태에서 목적하는 단결정 잉곳의 직경 및 길이까지 성장을 시키는 공정이므로 공정 진행 중 여러 가지 공정변수를 고려해야 한다.
도 1은 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 실리콘 단결정 잉곳과 실리콘 용융액의 직경 조절을 나타내고, 도 3은 도 2의 확대도이다.
종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는 직경 감지용 센서와, 콘트롤러와, 입력부와, 인상 구동부 및 전기히터로 구성된다.
직경 감지용 센서(auto diameter control sensor)는 액체 상태인 석영 도가니의 폴리 실리콘 용융액과 고체 상태인 단결정 잉곳의 접촉면으로 가장 밝기가 강한 빛을 발생시키는 응고 계면(meniscus)의 한 지점을 감지하는 것으로, 응고 계면의 위치가 센서 감지 영역(A)에서 변화되면 변화되는 응고 계면의 위치에 따른 밝기를 토대로 온도를 검출하여 아날로그 신호(analog signal)로 변환하여 콘트롤러에 전달한다.
상기 콘트롤러는 직경 감지용 센서에서 감지된 응고 계면의 온도를 토대로 성장중인 실리콘 단결정 잉곳의 실질적인 직경을 산출하고, 인상 구동부 및 전기히터의 동작을 제어하는 콘트롤러(Controller)로서, 입력부에서 입력되는 단결정 잉곳의 기준 직경에 해당하는 온도 값과 아날로그 신호로 변환되어 전달된 응고 계면의 온도값을 서로 비교하여 단결정 잉곳의 직경을 검출하는 비교 판단 알고리즘이 내장된다.
콘트롤러에는 검출된 단결정 잉곳의 직경이 목적으로 하는 기준 직경에 도달하도록 인상 구동부와 전기히터의 제어신호를 발생시키는 제어 알고리즘이 내장될 수 있다.
입력부는 목적으로 하는 단결정 잉곳의 기준 직경에 해당하는 온도 값을 입력하여 콘트롤러에 설정하는 조작 패널로서, 바디 그로잉 공정의 잉곳 기준 직경에 해당하는 온도값을 입력한다.
인상 구동부는 콘트롤러(20)에 의해 제어되어 바디 그로잉 성장 중인 단결정 잉곳의 인상 속도(pull up speed)를 조절하는 것으로, 단결정 잉곳과 케이블로 연결되어 케이블을 감아 올림으로써 인상 속도를 조절한다.
전기 히터는 콘트롤러에 의해 제어되어 잉곳의 인상 속도가 변화됨에 따라 응고 계면의 온도 변화를 조절하여 목적으로 하는 단결정 잉곳의 직경으로 성장되도록 석영 도가니를 가열한다.
단결정 잉곳의 성장을 위한 바디 그로잉 공정 중 직경 감지용 센서가 폴리 실리콘 용융액과 단결정 잉곳의 접촉면인 응고 계면의 한 지점을 감지하여 응고 계면의 밝기에 따른 온도를 검출하여 그 결과를 콘트롤러에 전달한다. 그리고, 콘트롤러는 직경 감지용 센서에서 전달된 온도 값과 입력부에서 입력된 기준 온도값과 비교하여 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출한다.
비교 결과, 실제 잉곳의 직경이 목적으로 하는 기준 직경보다 크면 콘트롤러는 인상 구동부의 인상 속도를 증가시켜 잉곳의 성장 속도를 빠르게 함으로써 성장되는 단결정량을 감소시켜 직경이 줄어들도록 하여 기준 직경에 도달하도록 제어할 수 있다. 또한, 콘트롤러는 인상 구동부의 속도가 증가하면 석영 도가니의 폴리 실리콘 용융액 소모가 빠르게 증가되므로 폴리 실리콘 용융액이 단위 체적당 전기히터로부터 전달되는 열량이 적어지는 것을 방지하도록 전기 히터의 가열 온도를 증가시켜 폴리 실리콘 용융액의 온도 저하를 방지한다.
반대로 실제 잉곳의 직경이 목적으로 하는 기준 직경보다 작으면 콘트롤러는 인상 구동부의 인상 속도를 감소시켜 잉곳의 성장 속도를 감소시킴으로써 직경이 증가되어 기준 직경에 도달하도록 제어한다.
또한, 콘트롤러는 인상 구동부의 속도가 감소되면 폴리 실리콘 용융액의 소모가 감소되어 폴리 실리콘 용융액이 단위 체적당 전기히터로부터 전달되는 열량이 많아지므로 전기 히터의 가열 온도를 감소시켜 폴리 실리콘 용융액의 온도 상승을 방지한다.
따라서, 종래의 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치는 직경 감지용 센서가 응고 계면 한 곳의 온도를 감지하여 단결정 잉곳이 목적으로 하는 직경으로 계속 성장되도록 한다.
그러나, 이러한 종래의 잉곳 직경 조절장치는 목적으로 하는 단결정 잉곳의 직경이 성장되도록 조절함에 있어 정확한 단결정 잉곳의 직경 측정이 불가능한 문제점이 있다. 직경 감지용 센서가 응고 계면(meniscus) 한 곳의 밝기에 따른 온도를 감지하여 이를 토대로 콘트롤러가 성장중인 단결정 잉곳의 실질적인 직경을 산출하여 단결정 잉곳의 직경을 조절하고 있으나, 단결정 잉곳은 인상 구동부에 의한 인상뿐만 아니라 별도의 회전 수단에 의한 회전도 동시에 이루어지고 있어 단결정 잉곳의 회전 중심축(종자의 회전 중심축)이 편심되는 경우가 있다.
즉, 단결정 잉곳과 인상 구동부는 서로 케이블에 의해 연결되어 있으므로 단결정 잉곳의 회전시 발생되는 진동과 잉곳의 무게에 의해 단결정 잉곳의 중심축이 좌우로 흔들리는 임의의 회전궤도를 형성하고, 이에 따라 응고 계면(meniscus)의 위치가 계속적으로 변화된다. 이에 응고 계면의 위치가 변화됨에 따라 직경 감지용 센서에서 감지되는 응고 계면의 온도값이 계속적으로 변화되고, 이에 따라 콘트롤러는 잉곳의 직경이 변화된 것 으로 판단하여 인상 구동부의 인상 속도를 증감시키게 된다. 따라서, 잉곳이 목적으로 하는 직경으로 성장하고 있는 경우에도 직경에 관련된 요소인 인상 속도를 변화시켜 오히려 목적으로 하는 직경으로의 성장을 방해하는 문제점을 초래하게 된다.
또한, 상술한 문제점을 해결하기 위해 목적으로 하는 직경보다 약간 큰 직경으로 단결정 잉곳을 성장시키는 방법이 있으나, 이러한 방법은 단결정 잉곳의 직경이 커짐에 따라 폴리 실리콘 용융액의 소모가 많고 단결정 잉곳의 하중도 증가하게 되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 냉각공정에 소요되는 시간이 증가되고, 목표한 단결정 잉곳 품질로의 성장을 저해한다.
또한, 실리콘 단결정 잉곳의 숄더링 공정 중에 직경이 증가하다가 일시적으로 감소하는 영역이 존재할 수도 있는데, 직경 감지용 센서가 한 방향으로 이동하면, 상술한 직경의 감소를 감지하지 못할 수도 있다.
실시예는, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 공정 중 특히 숄더링 공정에서 잉곳의 직경을 정확하게 파악하여 바디 그로잉 시점을 정확하게 파악하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
실시예는 도가니의 표면에서 제1 방향으로, 실리콘 용융액으로부터 성장 중인 단결정 잉곳의 크기를 감지하는 (a) 단계; 및 상기 제1 방향과 반대의 제2 방향으로, 상기 단결정 잉곳의 크기를 감지하는 (b) 단계를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공한다.
잉곳의 크기의 감지는, 상기 실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 경계면을 감지하여 이루어질 수 있다.
실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 경계면을 감지는, 상기 실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 온도의 온도 차이에 의하여 판단할 수 있다.
실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 온도의 감지는, 상기 실리콘 용융액의 표면의 기설정된 영역의 기설정된 영역의 온도를 연속적으로 측정하여 이루어질 수 있다.
측정된 온도가 상대적으로 낮은 영역을 상기 단결정 잉곳의 가장 자리로 판단할 수 있다.
판단된 단결정 잉곳의 상기 경계면에서의 크기가 기설정된 크기와 동일할 때, 상기 도가니의 온도를 내리는 단계를 더 포함할 수 있다.
(a) 단계와 (b) 단계에서 판단된 단결정 잉곳의 상기 경계면에서의 크기의 평균값이 기설정된 크기와 동일할 때, 상기 도가니의 온도를 내리는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘 용융액이 수용되는 도가니; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘 용융액을 가열하는 가열부; 상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 실리콘 용융액으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 향하는 상기 가열부의 열을 차폐하는 상방 단열부재; 상기 실리콘 용융액으로부터 성장 중인 단결정 잉곳의 크기를 감지하는 화상 촬영부; 상기 화상 촬영부를 제1 방향 및 상기 제1 방향과 반대의 제2 방향으로 이동시키는 이동 유닛; 및 상기 감지된 단결정 잉곳의 크기에 따라 상기 가열부의 온도를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 단결정 잉곳의 크기를 감지하고, 상기 감지된 단결정 잉곳의 크기가 기설정된 크기와 동일할 때 상기 가열부의 온도를 내리는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.
화상 촬영부는 상기 실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 경계면의 온도 분포를 측정할 수 있다.
제어부는, 상기 측정된 온도가 상대적으로 낮은 영역을 상기 단결정 잉곳의 가장 자리로 판단할 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법은 실리콘 용융액과 숄더 부분의 계면의 온도를 연속하여 서로 반대 방향으로 측정하고, 온도의 계면을 숄더의 직경으로 추정하고 제1 방향과 제2 방향에서 추정된 숄더의 직경을 평균함으로써, 숄더의 직경이 일시적으로 감소하더라도 이를 반영하여 숄더의 성장 완료 여부를 확인할 수 있어서 실리콘 단결정 잉곳의 특히 바디 인상 시점을 판단할 수 있다.
도 1은 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 실리콘 단결정 잉곳과 실리콘 용융액의 직경 조절을 나타내고,
도 3은 도 2의 확대도이고,
도 4는 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이고,
도 5는 실리콘 단결정 잉곳의 숄더의 성장을 나타낸 도면이고,
도 6 및 도 7은 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법의 흐름도이고,
도 8은 화상 촬영부의 이동에 따라 실리콘 단결정 잉곳의 숄더를 감지한 도면이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 4는 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치(100)는 챔버(chamber, 110), 도가니(crucible, 120), 도가니 지지대(125), 리프팅 유닛(127), 가열부(130), 단열 수단(140), 인상 수단(150), 케이블(152), 상방 단열 부재(160), 화상 촬영부(170), 제어부(180), 및 이동 유닛(190)을 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 용융액(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 도기나 지지대(125)를 회전시키고, 도가니(120)를 상승 또는 하강시킬 수 있다.
가열부130)는 도가니(120)의 측벽 주위를 둘러싸도록 챔버(110) 내부에 설치될 수 있고, 도가니(120)를 가열할 수 있다. 이러한 가열부(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 용융액(SM)으로 만들 수 있다.
단열 수단(140)은 가열부(130)의 외곽의 챔버(110) 내에 설치되고, 가열부(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 용융액(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 용융액(SM)으로부터 실리콘 단결정이 성장될 수 있다.
상방 단열부재(160)는 실리콘 용융액(SM)으로부터 성장되는 실리콘 단결정으로 복사되는 열을 차단하고, 가열부(130)로부터 발생하는 불순물(예컨대, CO gas)이 성장하는 실리콘 단결정으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
도 5는 실리콘 단결정 잉곳의 숄더의 성장을 나타낸 도면이다.
화상 촬영부(170)에서 챔버(110) 내부를 촬영할 때, 숄더링 공정에서는 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)의 직경이 (a)로부터 (b), 그리고 (c)에 도시된 바와 같이 점차 증가할 수 있다. 화상 촬영부(170)에서는 상술한 챔버(110) 내부의 영역을 계속 촬영하고, 제어부(180)에서는 이동 유닛(190)을 통하여 화상 촬영부(170)를 이동하여 촬영되는 영역을 변화시킬 수 있다.
도 6 및 도 7은 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법의 흐름도이다.
실시예에 다른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법은, 상술한 성장 장치(100)를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장 공정 특히 숄더링 공정 중에 잉곳의 직경을 측정할 수 있으며, 이때 제어부(180)에서 이동 유닛(190)을 통하여 화상 감지부(170)를 제1 방향 또는 제1 방향과 반대의 제2 방향으로 이동시킬 수 있다.
먼저, 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다(S110). 도가니(120) 내에 실리콘 용융액(SM)을 채우고, 종자 결정(seed, 20)를 실리콘 용융액(SM)에 접촉하여 탐침하여 디핑(dipping)시킨다.
그리고, 종자 결정(20)이 고온의 실리콘 용융액(SM)에 잠기면서 시드의 일부가 녹을 수 있다. 이때, 실리콘 용융액(SM)의 일부가 고화되어 시드로부터 목부(neck, 32)가 성장될 수 있다.
상술한 목부를 형성하는 과정을 넥킹이라 할 수 있다. 넥킹 공정에서, 시드에 실리콘 용융액(SM)의 일부가 고화되면서 직경이 증가할 수 있다.
그리고, 실리콘 용융액(SM)이 고화되어 목부의 하부로부터 연속하여 단결정이 성장되어 숄더(shoulder, 34)를 이루는데, 본 공정에서 숄더는 반경 및 수직 방향으로 성장하여 단결정의 직경이 증가하고 실리콘 용융액 내부로 잠기면서 성장된다.
실리콘 단결정 잉곳의 성장 중에 시드와 도가니는 각각 회전을 하는데, 각각각 시드 회전(seed rotation)과 도가니 회전(crucible rotation)이라 하고, 시드 회전과 도가니 회전의 방향은 서로 다른 방향일 수 있다.
이때, 화상 감지부(170)에서 단결정 잉곳의 직경을 측정하는데, 숄더의 직경을 측정할 수 있다(S120).
그리고, 실리콘 단결정 잉곳의 크기가 기설정된 크기 이상인지를 판단할 수 있다(S130). 여기서, 기설정된 크기는, 성장되는 실리콘 단결정 잉곳의 크기를 고려하여 미리 설정될 수 있으며, 숄더가 완전히 성장되어 바디(body)의 성장을 시작할 때의 직경일 수 있다.
만약, 실리콘 단결정 잉곳의 직경의 성장이 아직 완료되지 않았으면(No), 숄더링과 직경 측정을 반복할 수 있다.
숄더링 공정이 완료되었으면(Yes), 가열부(130)를 조절하여 온도를 내리며(S140) 실리콘 단결정 잉곳의 바디를 성장시킬 수 있다(S150). 이때 가열부(130)의 온도 조절과 이동 유닛(190)을 통한 화상 촬영부(170)의 이동 조절은 제어부(180)에서 이루어질 수 있다.
상술한 숄더링 공정의 완료 여부 확인을 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.
숄더링 공정 중, 실리콘 단결정 잉곳의 숄더 영역의 직경은 점차 증가하나 일부 영역에서 잠시 감소할 수도 있으며, 실시예에서는 화상 촬영부(170)를 제1 방향 및 그와 반대의 제2 방향으로 연속하여 촬영하여 숄더링이 완료되었는지 확인할 수 있다.
먼저, 실리콘 용융액의 표면 온도를 제1 방향으로 측정할 수 있다(S121). 실리콘 용융액의 표면 온도를 측정하는 이유는, 실리콘 용융액(SM)의 온도와 고화가 진행된 숄더 영역의 온도가 다르므로 온도 계면을 감지하고, 고화가 진행되어 상대적으로 온도가 낮은 영역을 실리콘 단결정 잉곳 특히 숄더의 가장 자리 영역으로 판단하여, 숄더의 직경을 추정(S122)할 수 있기 때문이다.
이때, 추정된 숄더의 직경이, 상술한 숄더링 공정의 완료시의 숄더의 직경과 동일할 때, 제1 직경에 도달하였다고 판단할 수 있다.
표면 온도를 측정하고 숄더의 직경을 추정하여 제1 경계에 이르렀다고 판단되면, 실리콘 용융액의 표면 온도를 제2 방향으로 다시 측정할 수 있다(S123).
즉, 상술한 공정에서 실리콘 용융액의 직경이 제1 경계에 이르렀더라도, 순간적으로 숄더의 직경이 감소할 경우 아직 숄더링 공정이 완료되지 않았기 때문에, 제1 방향과 반대의 제2 방향으로 숄더의 크기를 다시 측정한다. 예를 들어, 제1 방향이 잉곳의 내부로부터 바깥쪽의 실리콘 용융액(SM)을 향하는 방향이라고 하면, 제2 방향은 실리콘 용융액(SM)으로부터 성장 중인 잉곳의 내부를 향하는 방향이라고 할 수 있다.
상술한 제2 방향으로 표면 온도를 측정하여 표면 온도의 계면이 다시 확인(S124)되면 이때의 계면을 제2 경계라고 할 수 있다.
만약, 제2 경계가 확인되지 않으면(No), 숄더의 직경이 일시적으로 감소한 것으로 판단될 수 있으며, 제2 방향으로 연속하여 온도 계면을 확인할 수 있다.
제2 경계가 확인되면(Yes), 상술한 제1 경계와 제2 경계의 평균 값을 제어부(180)에서 계산하여 계산된 평균 값을 실리콘 단결정 잉곳의 현재의 평균 직경이라고 추정할 수 있다.
계산된 평균 직경이 기설정된 값보다 크면, 숄더링 공정이 완료되었다고 판단할 수 있으며, 실리콘 단결정 잉곳의 바디(S150)를 성장킬 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법은 실리콘 용융액과 숄더 부분의 계면의 온도를 연속하여 서로 반대 방향으로 측정하고, 온도의 계면을 숄더의 직경으로 추정하고 제1 방향과 제2 방향에서 추정된 숄더의 직경을 평균함으로써, 숄더의 직경이 일시적으로 감소하더라도 이를 반영하여 숄더의 성장 완료 여부를 확인할 수 있어서 실리콘 단결정 잉곳의 특히 바디 인상 시점을 판단할 수 있다.
도 8은 화상 촬영부의 이동에 따라 실리콘 단결정 잉곳의 숄더를 감지한 도면이다.
점선으로 표시된 영역이 상술한 화상 촬영부의 이동을 통하여 측정 및 계산된 온도 계면이고, 실선으로 표시된 영역이 실제의 실리콘 단결정 잉곳의 숄더 영역의 직경이다. 실시예에 따른 성장 장치와 방법으로 측정되어 추정된 온도 계면의 크기와, 실제의 실리콘 단결정 잉곳의 숄더 영역의 직경이 점차 유사해짐을 알 수 있다.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
15: 시드 척 20: 종자 결정
32: 넥 34: 숄더
100: 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치
110: 챔버 120: 도가니
125: 도가니 지지대 127: 리프팅 유닛
130: 가열부 140:단열 수단
150: 인상 수단 152: 케이블
160: 상방 단열 부재 170:화상 촬영부
180: 제어부 190: 이동 유닛

Claims (10)

  1. 도가니의 표면에서 제1 방향으로 화상 촬영부가 이동하여, 실리콘 용융액과 단결정 잉곳의 제1 표면 온도를 측정하는 단계;
    상기 측정된 상기 제1 표면 온도에 기초하여, 상기 실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 표면 온도 차이에 의한 제1 경계를 측정하는 단계;
    상기 제1 방향과 반대의 제2 방향으로 상기 화상 촬영부가 이동하여, 상기 실리콘 용융액 및 상기 단결정 잉곳의 제2 표면 온도를 측정하는 단계;
    상기 제2 표면 온도에 기초하여, 상기 실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 표면 온도 차이에 의한 제2 경계를 측정하는 단계; 및
    상기 제1 경계와 제2 경계에 기초하여, 상기 단결정 잉곳의 평균 직경을 판단하는 단계;
    를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 방향은 상기 단결정 잉곳의 내부로부터 바깥쪽의 상기 실리콘 용융액을 향하는 방향인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 방향은 상기 실리콘 용융액으로부터 성장 중인 상기 단결정 잉곳의 내부를 향하는 방향인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 온도의 측정은, 상기 실리콘 용융액의 표면의 기설정된 영역의 기설정된 영역의 온도를 연속적으로 측정하여 이루어지는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 측정된 표면 온도가 상대적으로 낮은 영역을 상기 단결정 잉곳의 가장 자리로 판단하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 판단된 단결정 잉곳의 평균 직경을 기설정된 값과 비교하는단계를 더 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 판단된 단결정 잉곳의 평균 직경이, 기설정된 값과 동일한 경우, 상기 도가니의 온도를 내리는 단계를 더 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  8. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘 용융액이 수용되는 도가니;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘 용융액을 가열하는 가열부;
    상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 실리콘 용융액으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 향하는 상기 가열부의 열을 차폐하는 상방 단열부재;
    화상 촬영부를 제1 방향 및 상기 제1 방향과 반대의 제2 방향으로 이동시키는 이동 유닛;
    상기 실리콘 용융액으로부터 성장 중인 단결정 잉곳의 직경을 감지하는 화상 촬영부; 및
    상기 감지된 단결정 잉곳의 직경에 따라 상기 가열부의 온도를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 화상 촬영부는
    상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 이동하여, 상기 실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 경계면의 온도 분포를 측정하고,
    상기 제어부는,
    상기 도가니의 표면에서 상기 제1 방향으로 이동하여 상기 화상 촬영부가 측정한 상기 실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 제1 표면 온도를 수신하고,
    상기 측정된 상기 제1 표면 온도에 기초하여, 상기 실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 표면 온도 차이에 의한 제1 경계를 측정하고,
    상기 제1 방향과 반대의 제2 방향으로 이동하여 상기 화상 촬영부가 촬영한 상기 실리콘 용융액 및 상기 단결정 잉곳의 제2 표면 온도를 측정하고.
    상기 제2 표면 온도에 기초하여, 상기 실리콘 용융액과 상기 단결정 잉곳의 표면 온도 차이에 의한 제2 경계를 측정하고,
    상기 제1 경계와 제2 경계에 기초하여, 상기 단결정 잉곳의 평균 직경을 판단하고,
    상기 판단된 단결정 잉곳의 직경이 기설정된 크기와 동일할 때 상기 가열부의 온도를 내리는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  9. 삭제
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 측정된 온도가 상대적으로 낮은 영역을 상기 단결정 잉곳의 가장 자리로 판단하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치
KR1020150184721A 2015-12-23 2015-12-23 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법 KR101781463B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150184721A KR101781463B1 (ko) 2015-12-23 2015-12-23 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150184721A KR101781463B1 (ko) 2015-12-23 2015-12-23 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170075278A KR20170075278A (ko) 2017-07-03
KR101781463B1 true KR101781463B1 (ko) 2017-10-23

Family

ID=59357845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150184721A KR101781463B1 (ko) 2015-12-23 2015-12-23 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101781463B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112301421B (zh) * 2019-07-31 2024-05-17 内蒙古中环光伏材料有限公司 一种适用于大尺寸单晶硅的感光快速收尾方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011001262A (ja) 2009-06-18 2011-01-06 Sumco Phoenix Corp 単結晶シリコンインゴットの成長プロセスを制御する方法及び装置
JP2013087039A (ja) * 2011-10-21 2013-05-13 Ftb Research Institute Co Ltd 単結晶インゴット直径制御方法
KR101390804B1 (ko) * 2013-01-23 2014-05-02 주식회사 엘지실트론 단결정 잉곳 성장 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011001262A (ja) 2009-06-18 2011-01-06 Sumco Phoenix Corp 単結晶シリコンインゴットの成長プロセスを制御する方法及び装置
JP2013087039A (ja) * 2011-10-21 2013-05-13 Ftb Research Institute Co Ltd 単結晶インゴット直径制御方法
KR101390804B1 (ko) * 2013-01-23 2014-05-02 주식회사 엘지실트론 단결정 잉곳 성장 장치

Also Published As

Publication number Publication date
KR20170075278A (ko) 2017-07-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4929817B2 (ja) 基準反射体と融液面との距離の測定方法、及びこれを用いた融液面位置の制御方法、並びにシリコン単結晶の製造装置
EP2128310B1 (en) Method for measuring distance between lower end surface of heat shielding member and material melt surface, and method for controlling the distance
JP4918897B2 (ja) シリコン単結晶引上方法
KR102157388B1 (ko) 실리콘 단결정 제조 방법 및 장치
TWI588304B (zh) Single crystal manufacturing method
JP5446277B2 (ja) シリコン単結晶の製造方法
US8885915B2 (en) Method for measuring and controlling distance between lower end surface of heat shielding member and surface of raw material melt and method for manufacturing silicon single crystal
JP6477356B2 (ja) 単結晶の製造方法および製造装置
TW202140865A (zh) 單結晶製造裝置及單結晶的製造方法
JP6645406B2 (ja) 単結晶の製造方法
JP3704710B2 (ja) 種結晶着液温度の設定方法及びシリコン単結晶の製造装置
KR101781463B1 (ko) 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 성장 방법
JP2019214486A (ja) 融液面と種結晶の間隔測定方法、種結晶の予熱方法、及び単結晶の製造方法
JP2001019588A (ja) 単結晶直径の制御方法及び結晶成長装置
KR101540863B1 (ko) 잉곳 직경 제어장치 및 이를 포함하는 잉곳성장장치 및 그 방법
JP2015519285A (ja) 単結晶シリコンインゴット及びウエハ、そのインゴット成長装置及び方法
WO2022075061A1 (ja) 単結晶の製造方法
TW201736649A (zh) 提高長晶成功率的自動長晶方法
KR101758983B1 (ko) 잉곳 성장장치 및 그 성장방법
KR101528063B1 (ko) 잉곳의 직경측정장치, 이를 포함하는 잉곳성장장치 및 잉곳성장방법
KR102147462B1 (ko) 단결정 잉곳 성장 장치
KR102147461B1 (ko) 단결정 잉곳 성장 장치
WO2022185789A1 (ja) 原料融液の表面の状態の検出方法、単結晶の製造方法、及びｃｚ単結晶製造装置
KR20130130962A (ko) 단결정 실리콘 잉곳 성장 장치 및 방법
JP2011032136A (ja) 液面高さレベル把握方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant