KR102011210B1 - 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치 및 이에 적용된 인상제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시드 회전수(seed rotation)를 실시간 가변시켜 단결정 잉곳의 편심을 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치 및 이에 적용된 인상제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치 및 이를 적용한 인상제어방법은 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 입력됨에 따라 잉곳의 길이별 회전 형태에 맞게 실시간 가변되는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 제공하여 시드 케이블의 회전수(f)를 제어함으로써, 시드 회전수(f)가 융액의 공진 현상을 일으키는 특정 회전수(fo)로 설정되는 것을 최소화할 수 있고, 융액의 출렁거림을 방지하는 동시에 잉곳의 편심 현상을 억제할 수 있다.

Description

단결정 잉곳 성장용 인상제어장치 및 이에 적용된 인상제어방법 {Pulling control device for single crystal ingot growth and pulling control method applied to it}
본 발명은 시드 회전수(seed rotation)를 실시간 가변시켜 단결정 잉곳의 편심을 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치 및 이에 적용된 인상제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 단결정 잉곳은 쵸크랄스키(Czochralski, 이하 CZ라 함) 법에 의해 제조된다.
CZ 법을 이용하여 단결정 잉곳을 제조하는 방법은, 석영 도가니에 다결정 실리콘(poly silicon) 등의 고체 원료를 충전하고 히터로 가열하여 용융시켜 실리콘 융액(melt)을 형성하고, 안정화(stabilization) 공정을 거쳐 실리콘 융액 내의 기포를 제거한 다음, 시드(seed)를 실리콘 융액에 디핑(dipping)시키고, 네킹(necking)을 형성하면서 융액 위쪽으로 시드를 서서히 인상함으로써, 네킹(necking) 공정과, 숄더링(shouldering) 공정과, 바디 성장(body growth) 공정 및 테일링(tailing) 공정을 순차적으로 진행한다.
그런데, 도가니 내부에 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳을 성장시키는 동안, 실리콘 융액의 출렁거림 원인이 공진에 의한 것임을 알아냈다.
또한, 융액의 공진 현상은 단결정 융액이 감소함에 따라 커지고, 시드의 회전수에 대한 정수배에 가까울 때에 액면 파동이 현저하게 발생되는 경향이 있지만, 단결정 잉곳 성장이 진행됨에 따라 융액량이 다시 감소함에 따라 융액의 파동이 점차 가라앉는다.
한국공개특허 제2003-0035940호에는 도가니의 회전수와 결정의 회전수에 의해 정해지는 융액을 구동하는 진동수가 융액의 공진 진동수의 95% ~ 105% 범위에 들지 않도록 도가니 회전수 및 시드 회전수 중 하나를 제어하는 단결정의 제조방법이 개시되어 있다.
따라서, 결정 성장 중 도가니 내의 액면의 흔들림을 방지하고, 결정 성장 중 도가니 내의 액면의 흔들림을 방지하여 결정 전위화 및 다결정화를 방지할 수 있다.
보통, 단결정 잉곳 성장 공정이 1회 진행되는 동안, 시드 회전수(seed rotation)가 일정하게 설정되거나, 일정한 기울기로 하강하는데, 시드 회전수는 단결정 잉곳 내에서 반경 방향의 산소 농도(radial Oi) 뿐 아니라 축 방향의 산소 농도(axial Oi)를 좌우하고, 결정 영역의 무결함 영역 범위가 달라지게도 한다.
물론, 단결정 잉곳의 축 방향 산소 농도(axial Oi)는 도가니의 회전수로도 제어할 수 있지만, 단결정 잉곳의 반경 방향 산소 농도(radial Oi) 및 결정 영역의 무결함 영역 범위는 시드 회전수로만 제어할 수 있다.
그런데, 특정 공정 개발 조건에서는 시드 회전수(f)가 특정 회전수(fo)로 설정됨에 따라 실리콘 융액의 공진 현상이 더욱 자주 발생하게 되는데, 이러한 실리콘 융액의 공진 현상으로 액면의 흔들림이 발생되고, 시드 케이블이 도가니의 편심된 위치에서 회전됨에 따라 결정이 편심된 상태로 성장되는 편심(orbit) 현상이 발생되며, 편심 현상으로 인하여 단결정 잉곳이 한쪽으로 치우쳐 지그재그 형태로 만들어진다.
따라서, 단결정 잉곳의 표면을 그라인딩하는 공정을 거치게 되는데, 단결정 잉곳 중 편심이 발생된 부분을 많이 그라인딩해야 하기 때문에 단결정 잉곳의 직경을 균일하게 가공하기 어렵고, 편심이 심한 경우 단결정 잉곳을 축 방향으로 자른 다음, 그라인딩 공정을 진행해야 하기 때문에 작업 시간이 많이 소요되는 문제점이 있다.
또한, 단결정 잉곳의 반경 방향 산소 농도 및 결정 영역의 무결함 영역에서 품질을 보장하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 시드 회전수(seed rotation)를 실시간 가변시켜 단결정 잉곳의 편심을 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치 및 이에 적용된 인상제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 실리콘 융액에 잠긴 시드와 연결된 시드 케이블을 회전 및 인상시키는 인상 구동부; 및 기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 입력됨에 따라 잉곳의 길이별 회전 형태에 맞게 실시간 가변되는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 출력하고, 상기 목표 시드 출력 회전수(T_fout)에 따라 상기 인상 구동부의 회전수(f)를 제어하는 인상 제어부;를 포함하는 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치를 제공한다.
또한, 본 발명에서, 상기 인상 제어부는, 기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 입력됨에 따라 잉곳의 길이별 회전 형태가 일정한지 여부를 판단하는 판단부와, 상기 판단부의 판단 결과에 따라 sin 함수 또는 linear 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출하는 연산부와, 상기 연산부의 산출 결과에 따라 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 상기 인상 구동부로 출력하는 출력부를 포함한다.
또한, 본 발명에서, 상기 연산부는, 상기 판단부의 판단 결과 잉곳의 길이별 회전 형태가 일정하면, 평균값이 상기 목표 시드 입력 회전수(T_fin)와 일치하는 sin 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출하거나, 상기 판단부의 판단 결과 잉곳의 길이별 회전 형태가 변화하면, 상기 목표 시드 입력 회전수(T_fin) 중 최대값(max)에서 최저값(min)으로 일정한 기울기로 감소하는 linear 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출한다.
한편, 본 발명은 실리콘 융액에 잠긴 시드와 연결된 시드 케이블을 회전 및 인상시키는 인상 구동 단계; 기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 입력됨에 따라 잉곳의 길이별 회전 형태에 맞게 실시간 가변되는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 출력하고, 상기 목표 시드 출력 회전수(T_fout)에 따라 상기 시드 케이블의 회전수(f)를 제어하는 인상 제어 단계;를 포함하는 단결정 잉곳 성장용 인상제어방법을 제공한다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치 및 이를 적용한 인상제어방법은 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 입력됨에 따라 잉곳의 길이별 회전 형태에 맞게 실시간 가변되는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 제공하여 시드 케이블의 회전수(f)를 제어함으로써, 시드 회전수(f)가 융액의 공진 현상을 일으키는 특정 회전수(fo)로 설정되는 것을 최소화할 수 있고, 융액의 출렁거림을 방지하는 동시에 잉곳의 편심 현상을 억제할 수 있다.
따라서, 단결정 잉곳을 축 방향으로 곧게 성장시킬 수 있어 간단한 그라인딩 공정만으로도 단결정 잉곳의 직경을 균일하게 형성시킬 있고, 작업 시간을 단축시킬 수 있다.
나아가, 목표 시드 입력 회전수(T_fin)의 수준에 맞추어 시드 회전수(f)를 sin 함수 또는 linear 함수로 나타나는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)로 가변시키기 때문에 단결정 잉곳의 반경 방향 산소 농도(radial Oi) 및 축 방향 산소 농도(axial Oi)와 결정 영역의 무결함 영역에서 품질을 보장할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치가 도시된 구성도.
도 2 내지 도 3은 도 1에 적용된 인상 제어부에 입/출력되는 시드 회전수가 도시된 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 인상제어방법이 도시된 순서도.
도 5는 종래 기술과 본 발명에 따라 각각 제작된 단결정 잉곳의 편심 상태 및 직경 상태가 도시된 그래프.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치가 도시된 구성도이고, 도 2 내지 도 3은 도 1에 적용된 인상 제어부에 입/출력되는 시드 회전수가 도시된 그래프이다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치는 도 1에 도시된 바와 같이 종자결정이 매달리는 시드 척(seed chuck)과 연결된 시드 케이블(111)을 회전 및 인상시키는 인상 구동부(110)와, 상기 인상 구동부(110)의 회전수(f)를 실시간 가변되도록 제어하는 인상 제어부(120)로 구성되는데, 상기 인상 제어부(120)는 기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 입력됨에 따라 잉곳의 길이별 회전 형태에 맞는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 출력하여 상기 인상 구동부(110)의 회전수(f)를 제어한다.
보통, 단결정 성장장치(100)는 상기 시드 케이블(111)에 매달린 종자결정을 도가니(미도시)에 수용된 실리콘 융액에 담그고, 상기 시드 케이블(111)을 회전 및 인상시키면서 단결정 잉곳을 성장시키도록 구성된다.
상기 인상 구동부(110)는 상기 시드 케이블(111)이 감긴 드럼(미도시)을 구동시키는 장치로써, 상기 시드 케이블(111)의 회전수(f) 및 인상속도(pulling speed : P/S)를 제어할 수 있다.
물론, 상기 인상 구동부(110)는 공지된 기술이며, 다양하게 구성될 수 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 인상 제어부(120)는 기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)에 따라 잉곳의 길이별 회전 형태를 판단하는 판단부(121)와, 상기 판단부(121)의 판단 결과에 따라 별도의 함에 의해 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 실시간 가변시키도록 산출하는 연산부(122)와, 상기 연산부(122)의 산출 결과에 따라 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 상기 인상 구동부(110)로 출력하는 출력부(123)로 구성된다.
상기 판단부(121)는 기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)를 입력받는데, 단결정 잉곳 성장 공정의 특성상 목표 시드 입력 회전수(T_fin)를 일정한 값으로 입력받거나, 일정한 값을 유지하다가 일정한 기울기로 감소하는 형태로 입력받게 된다.
실시예에 따르면, 상기 판단부(121)는 도 2에 도시된 바와 같이 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 일정한 값을 유지하면, 잉곳의 길이별 회전 형태가 일정한 것으로 판단하지만, 도 3에 도시된 바와 같이 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 일정한 값을 유지하다가 일정한 기울기로 감소하면, 잉곳의 길이별 회전 형태가 변화한 것으로 판단한다.
상기 연산부(122)는 상기 판단부(121)의 판단 결과 잉곳의 길이별 회전 형태에 따라 sin 함수 또는 linear 함수 형태로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 실시간 가변시키도록 산출한다.
실시예에 따르면, 상기 연산부(122)는 상기 판단부(121)의 판단 결과 잉곳의 길이별 회전 형태가 일정하면, 도 2에 도시된 바와 같이 평균값이 상기 목표 시드 입력 회전수(T_fin)와 일치하는 sin 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출하지만, 상기 판단부(121)의 판단 결과 잉곳의 길이별 회전 형태가 변화하면, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 목표 시드 입력 회전수(T_fin) 중 최대값(max)에서 최저값(min)으로 일정한 기울기로 감소하는 linear 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출한다.
이와 같이, 실시간 가변되는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)는 상기 출력부(123)에 의해 상기 인상 구동부(110)에 제공되고, 상기 시드 케이블(111)의 회전수(f)를 실시간 가변시킴으로써, 시드 회전수(f)가 융액의 공진 현상을 일으키는 특정 회전수(fo)가 되는 것을 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 인상제어방법이 도시된 순서도이다.
먼저, 시드 케이블이 설정 회전수로 회전됨에 따라 단결정 잉곳을 성장시킨다.(S1 참조)
실시예에 따르면, 시드 케이블에 매달린 종자결정이 도가니에 수용된 실리콘 융액에 담그고, 시드 케이블이 서서히 회전되는 동시에 인상됨에 따라 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳이 성장하게 된다.
물론, 시드 케이블의 회전수(f)에 따라 시드 회전수(f)가 결정되는데, 시드 회전수가 느릴수록 단결정 잉곳의 직경을 크게 형성시킬 수 있다.
다음, 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 입력되면, 잉곳의 길이별 회전 형태를 판단한다.(S2,S3 참조)
실시예에 따르면, 바디 공정이 진행되면, 시드 회전수(f)는 일정한 값으로 유지되어야 하기 때문에 목표 시드 입력 회전수(T_fin)도 일정한 값으로 입력된다.
반면, 넥 공정에서 숄더링 공정이 진행되면, 시드 회전수(f)는 일정한 값으로 유지되다가 일정한 기울기로 감소되어야 하기 때문에 목표 시드 입력 회전수(T_fin)도 일정한 값으로 유지되다가 일정한 기울기로 감소되는 형태로 입력된다.
따라서, 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 일정한 값으로 입력되면, 잉곳의 길이별 회전 형태가 일정한 것으로 판단하지만, 목표 시드 입력 회전수(T_fin)도 일정한 값으로 유지되다가 일정한 기울기로 감소되는 형태로 입력되면, 잉곳의 길이별 회전 형태가 변화한 것으로 판단한다.
다음, 잉곳의 길이별 회전 형태가 일정하면, sin 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출하는 반면, 잉곳의 길이별 회전 형태가 변하면, linear 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출한다.(S4,S5 참조)
실시예에 따르면, sin 함수로 나타나는 목표 시드 출력 회전수(T_fout=f(x))는 목표 시드 입력 회전수(T_fin)를 기준으로 소정의 진폭(A)과 주기(wt) 및 변동값(B)으로 설정되는데, 하기의 [수학식 1]에 따라 결정된다.
[수학식 1]
Figure 112018006154021-pat00001
예를 들어, 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 10rpm으로 입력되면, 진폭(A)이 10rpm±0.5rpm이고, 주기(wt)가 100~500mm 로 설정된 sin 함수 형태로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)가 산출될 수 있다.
물론, 주기가 짧을수록 단결정 잉곳의 편심 제어 효과가 높게 나타나지만, 인상속도에 영향을 줄 수 있어 전위 현상을 유발할 수 있기 때문에 적정한 범위 내에서 범위가 설정되는 것이 바람직하다.
실시예에 따르면, linear 함수로 나타나는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)는 목표 시드 입력 회전수(T_fin) 중 최대값(max)과 최소값(min)을 구한 다음, 단결정 잉곳의 길이별로 감소량을 계산하여 적용한다.
상기와 같이 산출된 목표 시드 출력 회전수(T_fout)에 따라 시드 케이블의 회전수(f)를 제어한다.(S6 참조)
따라서, 목표 시드 출력 회전수(T_fout)는 잉곳의 길이별로 실시간 가변되기 때문에 시드 회전수(f)가 실리콘 융액의 공진 현상을 일으키는 특정 회전수(fo)가 되는 방지할 수 있고, 융액의 출렁거림 및 잉곳의 편심 현상을 억제할 수 있다.
또한, 목표 시드 출력 회전수(T_fout)의 평균값이 목표 시드 입력 회전수(T_fin)와 일치하거나, 소정 오차 범위 내로 제어되기 때문에 시드 회전수(f)에 의해 좌우되는 단결정 잉곳의 반경 방향 산소 농도(radial Oi) 및 축 방향 산소 농도(axial Oi)와 결정 영역의 무결함 영역에서 품질을 보장할 수 있다.
도 5는 종래 기술과 본 발명에 따라 각각 제작된 단결정 잉곳의 편심 상태 및 직경 상태가 도시된 그래프이다.
종래 기술은 시드 회전수를 기설정된 목표 시드 입력 회전수로 제어하면서 단결정 잉곳을 제조한 반면, 본 발명은 시드 회전수를 목표 시드 입력 회전수에 따라 sin 함수 또는 Linear 함수로 산출된 목표 시드 출력 회전수로 제어하면서 단결정 잉곳을 제조한 것이다.
단결정 잉곳의 편심 상태를 살펴보면, 종래 기술의 단결정 잉곳은 좌측으로 치우쳐진 편심 상태로 나타나는 반면, 본 발명의 단결정 잉곳은 거의 중심과 일치하게 나타난다.
단결정 잉곳의 좌/우측 직경 지점에서 목표 직경 대비 편차를 살펴보면, 종래 기술의 단결정 잉곳은 편심된 상태에서 직경 편차가 비교적 크게 나타나지만, 본 발명의 단결정 잉곳은 중심에서 직경 편차가 현저하기 줄어들어 개선된 것을 볼 수 있다.
100 : 단결정 성장장치 110 : 인상 구동부
111 : 시드 케이블 120 : 인상 제어부
121 : 판단부 122 : 연산부
123 : 출력부

Claims (8)

  1. 실리콘 융액에 잠긴 시드와 연결된 시드 케이블을 회전 및 인상시키는 인상 구동부; 및
    기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)에 따라 실시간 가변되는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 출력하고, 상기 목표 시드 출력 회전수(T_fout)에 따라 상기 인상 구동부의 회전수(f)를 제어하는 인상 제어부;를 포함하고,
    상기 인상 제어부는,
    기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 일정한지 여부를 판단하는 판단부와,
    상기 판단부의 판단 결과에 따라 함수 형태로 실시간 가변되는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출하는 연산부를 포함하는 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인상 제어부는,
    상기 연산부의 산출 결과에 따라 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 상기 인상 구동부로 출력하는 출력부를 더 포함하는 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 판단부의 판단 결과 기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 일정하면, 평균값이 상기 목표 시드 입력 회전수(T_fin)와 일치하는 sin 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출하는 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 판단부의 판단 결과 기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 변화하면, 상기 목표 시드 입력 회전수(T_fin) 중 최대값(max)에서 최저값(min)으로 일정한 기울기로 감소하는 linear 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출하는 단결정 잉곳 성장용 인상제어장치.
  5. 실리콘 융액에 잠긴 시드와 연결된 시드 케이블을 회전 및 인상시키는 인상 구동 단계;
    기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)에 따라 실시간 가변되는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 출력하고, 상기 목표 시드 출력 회전수(T_fout)에 따라 상기 시드 케이블의 회전수(f)를 제어하는 인상 제어 단계;를 포함하고,
    상기 인상 제어 단계는,
    기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 일정한지 여부를 판단하는 판단 과정과,
    상기 판단 과정의 판단 결과에 따라 함수 형태로 실시간 가변되는 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출하는 연산 과정을 포함하는 단결정 잉곳 성장용 인상제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 인상 제어 단계는,
    상기 연산 과정의 산출 결과에 따라 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 출력하여 상기 시드 케이블의 회전수(f)를 제어하는 출력 과정을 더 포함하는 단결정 잉곳 성장용 인상제어방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연산 과정은,
    상기 판단 과정의 판단 결과 기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 일정하면, 평균값이 상기 목표 시드 입력 회전수(T_fin)와 일치하는 sin 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출하는 단결정 잉곳 성장용 인상제어방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 연산 과정은,
    상기 판단 과정의 판단 결과 기설정된 목표 시드 입력 회전수(T_fin)가 변화하면, 상기 목표 시드 입력 회전수(T_fin) 중 최대값(max)에서 최저값(min)으로 일정한 기울기로 감소하는 linear 함수로 목표 시드 출력 회전수(T_fout)를 산출하는 단결정 잉곳 성장용 인상제어방법.
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