KR102064670B1

KR102064670B1 - 단결정 성장장치

Info

Publication number: KR102064670B1
Application number: KR1020180055346A
Authority: KR
Inventors: 김윤구; 방인식
Original assignee: 에스케이실트론 주식회사
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2018-05-15
Publication date: 2020-01-09
Also published as: KR20190130793A

Abstract

본 발명은 공정 전체에 걸쳐 연속하여 단결정의 직경을 측정하고, 연속 측정된 단결정의 직경 측정값을 보정하여 실시간 반영함으로써, 정확하게 제어할 수 있는 단결정 성장장치에 관한 것이다.
본 발명은 실리콘 융액이 담겨진 도가니; 상기 도가니 둘레에 구비되고, 상기 도가니를 가열하는 히터부; 상기 도가니에 담긴 실리콘 융액에 종자 결정을 담근 다음, 상기 종자 결정 주변에 단결정이 성장함에 따라 상기 종자 결정을 인상시키는 인상부; 상기 도가니 상측에 설치되고, 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 단결정을 향하는 열을 차폐시키는 열차폐 부재; 공정 중 연속하여 상기 실리콘 융액으로부터 성장 중인 단결정의 직경을 측정하는 복수개의 직경 측정센서 및 상기 직경 측정센서들을 이동시키는 복수개의 센서 이동부를 포함하는 직경 측정수단; 및 상기 직경 측정수단에서 공정 중 연속하여 측정된 단결정의 직경 측정값을 보정하여 실시간 반영하는 제어부;를 포함하는 단결정 성장장치를 제공한다.

Description

단결정 성장장치 {Single crystal growth apparatus}

본 발명은 공정 전체에 걸쳐 연속하여 단결정의 직경을 측정하고, 연속 측정된 단결정의 직경 측정값을 보정하여 실시간 반영함으로써, 정확하게 제어할 수 있는 단결정 성장장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자로 많이 사용되는 웨이퍼는 실리콘 단결정 잉곳을 얇게 절단하여 만들어지는데, 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 대표적인 방법으로 쵸크랄스키(Czochralski, CZ)법이 많이 적용되고 있다.

Cz 법에 의하면, 단결정인 종자결정을 용융 실리콘에 담근 다음, 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 방법으로 단결정 잉곳이 많이 제조되고 있다.

상세히 살펴보면, 실리콘 융액으로부터 인상되는 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking) 공정과, 단결정을 반경 방향으로 성장시켜 목표 직경으로 만드는 숄더링(shouldering) 공정과, 일정한 직경을 갖는 원기둥 모양의 단결정을 일정한 길이만큼 성장시키는 바디 그로잉(body growing) 공정과, 단결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 실리콘 융액과 분리하는 테일링(tailing) 공정을 거치면서 단결정 잉곳이 만들어진다.

물론, 단결정 잉곳은 바디 그로잉 공정 중 일정한 직경으로 성장된 부분이 얇게 절단되어 웨이퍼로 만들어진다.

이러한 단결정 잉곳 성장공정은 핫존(Hot Zone)이라는 공간에서 이루어지게 되는데, 핫존은 성장장치(Grower)에서 용융 실리콘이 단결정 잉곳으로 성장되는 주위의 공간을 의미하며, 성장장치는 도가니, 히터, 단열재, 인상부 등 여러 부품들로 이루어져 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 단결정 성장장치의 직경 측정센서가 개략적으로 도시된 측면도이다.

종래 기술에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 단결정 성장 공정 중 단결정의 직경(D)을 하나의 직경 측정센서(10)에 의해 측정하는데, 상기 직경 측정센서(10)가 핫존 외부의 챔버(미도시) 상측에 위치된다.

한편, 실리콘 융액으로부터 단결정을 인상하면, 단결정 주변에 위치된 열차폐 부재가 히터 등의 열을 차단하여 단결정을 냉각시키고, 열차폐 효과를 높이기 위하여 상기 열차폐 부재와 단결정 잉곳(IG) 사이의 공간을 최소화시키는 것이 바람직하다.

종래 기술에 따르면, 하나의 직경 측정센서(10)를 이용하여 열차폐 부재와 단결정 사이의 공간을 통하여 측정하기 때문에 숄더링 공정 후반부와 바디 그로잉 공정에서만 단결정의 직경(D)을 측정할 수 있다.

따라서, 공정 중 일부에서만 단결정의 직경(D)을 측정한 결과를 이용하여 시간별 단결정 직경에 따른 제어요소가 입력된 테이블(table)을 경험치로 만들고, 이러한 경험치 테이블을 적용하여 실제 공정에서 인상속도(pulling speed : P/S) 또는 멜트 온도(melt temperature : Temp)를 제어하기 때문에 노이즈 등과 같은 여러 요소가 발생한 경우 제어 반복성이 떨어지고, 멜트 온도(Temp) 변화에 따라 신속한 대응이 어려워 전체 공정 시간의 편차가 발생되는 문제점이 있다.

물론, 종래 기술에 따르면, 하나의 직경 측정센서(10)에 의해 공정 전체에 걸쳐 단결정의 직경(D)을 측정하기 위하여 열차폐 부재에 길이 방향으로 길게 절개한 홈이 구비될 수도 있지만, 열차폐 효과가 떨어짐에 따라 단결정 잉곳(IG)에 히터 또는 실리콘 융액으로부터 열의 영향이 많이 미치게 되고, 그 결과 단결정 잉곳(IG)의 그 품질이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 공정 전체에 걸쳐 연속하여 단결정의 직경을 측정하고, 연속 측정된 단결정의 직경 측정값을 보정하여 실시간 반영함으로써, 정확하게 제어할 수 있는 단결정 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 실리콘 융액이 담겨진 도가니; 상기 도가니 둘레에 구비되고, 상기 도가니를 가열하는 히터부; 상기 도가니에 담긴 실리콘 융액에 종자 결정을 담근 다음, 상기 종자 결정 주변에 단결정이 성장함에 따라 상기 종자 결정을 인상시키는 인상부; 상기 도가니 상측에 설치되고, 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 단결정을 향하는 열을 차폐시키는 열차폐 부재; 공정 중 연속하여 상기 실리콘 융액으로부터 성장 중인 단결정의 직경을 측정하는 복수개의 직경 측정센서 및 상기 직경 측정센서들을 이동시키는 복수개의 센서 이동부를 포함하는 직경 측정수단; 및 상기 직경 측정수단에서 공정 중 연속하여 측정된 단결정의 직경 측정값을 보정하여 실시간 반영하는 제어부;를 포함하는 단결정 성장장치를 제공한다.

본 발명에 따른 단결정 성장장치는 열차폐 부재와 단결정 사이의 공간이 협소하더라도 복수개의 직경 측정센서를 복수개의 센서 이동부에 의해 이동시킴으로써, 공정 전체에 걸쳐 연속하여 단결정의 직경을 측정할 수 있고, 연속 측정된 단결정의 직경 측정값을 보정하여 실시간 반영함으로써, 정확하게 제어할 수 있다.

따라서, 공정 전체에 걸쳐 실시간 직경 측정값을 반영하여 인상속도 또는 멜트 온도를 제어하기 때문에 노이즈 등과 같은 여러 요소가 발생하더라도 제어 반복성을 높일 수 있고, 멜트 온도 변화가 발생하더라도 신속하게 대응하여 전체 공정 시간의 편차를 줄일 수 있는 이점이 있다.

또한, 공정 전체에 걸쳐 단결정의 직경을 측정하기 위하여 열차폐 부재의 최소한의 홈만 구비하기 때문에 열차폐 효과를 높일 수 있어 단결정 잉곳에 히터 또는 실리콘 융액으로부터 열의 영향을 최소화하고, 그 결과 단결정 잉곳의 그 품질을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 단결정 성장장치의 직경 측정센서가 개략적으로 도시된 측면도.
도 2는 본 발명에 따른 단결정 성장장치 일예가 개략적으로 도시된 측단면도.
도 3은 도 2에 적용된 직경 측정수단의 실시예가 개략적으로 도시된 측면도.
도 4는 도 2에 적용된 직경 측정수단의 작동/제어 관계가 도시된 구성도.
도 5는 종래 기술과 본 발명에 따른 공정 완료 후 단결정 잉곳의 길이 편차 및 공정 시간 편차가 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 2는 본 발명에 따른 단결정 성장장치 일예가 개략적으로 도시된 측단면도이다.

본 발명에 따른 단결정 성장장치는 도 2에 도시된 바와 같이 챔버(110) 내측에 실리콘 융액(melt)으로부터 단결정 잉곳(IG)을 성장시키기 위한 도가니(120)와 히터(130)와 열차폐 부재(150)가 구비되고, 상기 챔버(110) 외측에 단결정을 인상시키는 인상부(140)와 공정 전체에 걸쳐 연속하여 단결정의 직경(D)을 측정하는 복수개의 직경 측정센서(171,172,173)가 구비되며, 별도의 제어부(160)가 상기 직경 측정센서들(171,172,173)로부터 입력받은 단결정의 직경 측정값(D)을 공정 전체에 걸쳐 실시간 반영하여 인상속도(P/S) 또는 멜트 온도(Temp)를 제어한다.

상기 챔버(110)는 잉곳(IG)이 성장되는 소정의 밀폐 공간을 제공하며, 각종 구성 요소가 내/외측에 장착된다.

실시예에서, 상기 챔버(110)는 상기 도가니(120)와 히터(130) 및 열차폐 부재(140)가 내장되는 원통 형상의 본체와, 상기 본체 상측에 결합되어 잉곳 성장 공정을 관찰할 수 있는 제1,2뷰 포트(View port : V1,V2)가 구비된 돔 형상의 커버와, 상기 커버의 상측에 결합되고 잉곳이 인상될 수 있는 공간을 제공하는 원통 형상의 인상 경로로 구성될 수 있다.

물론, 상기 챔버(110)는 다양하게 구성될 수 있으나, 상기 제1,2뷰 포트(V1,V2)는 잉곳 성장 공정을 서로 반대 방향에서 관찰할 수 있도록 상기 챔버(110)의 양측에 구비되어야 한다.

상기 도가니(120)는 고온의 실리콘 융액이 담기는 용기로써, 상기 챔버(110) 내측에 회전 가능하게 설치된다.

실시예에 따르면, 고온 하에서도 견딜 수 있는 흑연 도가니 내측에 석영 도가니가 겹쳐진 형태로 구성되고, 고온 하에서 석영 도가니가 일부 녹으면서 Ox 성분이 실리콘 융액에 포함된다.

또한, 상기 도가니(120)의 하측에는 상기 도가니(120)를 회전 및 승강시키는 도가니 구동부(121)가 구비되며, 상기 제어부(160)가 상기 도가니 구동부(121)의 작동을 조절하여 상기 도가니(120)의 회전속도 및 승강속도를 제어할 수 있다.

상기 히터(130)는 상기 도가니(120) 둘레에 구비되고, 상기 도가니(120)를 가열함에 따라 상기 도가니(120)에 담긴 폴리 형태의 원료를 실리콘 융액으로 액화시키며, 마찬가지로 상기 제어부(160)가 상기 히터(130)의 작동을 조절하여 멜트 온도(Temp)를 제어할 수 있다.

상기 인상부(140)는 상기 챔버(110)의 상측에 구비되는데, 종자결정이 매달리는 시드 케이블(W) 및 상기 시드 케이블(W)이 감긴 드럼(미도시)으로 구성될 수 있으며, 마찬가지로 상기 제어부(160)가 상기 인상부(150)의 작동을 조절하여 인상속도(P/S)를 제어할 수 있다.

상기 열차폐 부재(150)는 고온의 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳(IG)을 바로 냉각시키기 위하여 구비되는데, 상기 도가니(120) 상측에 매달리도록 설치되고, 고온 하에서도 견딜 수 있는 그라파이트(Graphite) 재질로 구성된다.

이때, 상기 열차폐 부재(150)의 하부가 상기 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳(IG) 둘레에 소정 간격을 두고 감싸도록 설치되는 동시에 실리콘 융액 면과 소정 간격을 유지하도록 설치된다.

상기 직경 측정센서들(171,172,173)은 상기 제1,2뷰 포트(V1,V2) 외측에 나뉘어서 위치되고, 상기 열차폐 부재(150)와 단결정 잉곳(IG) 사이의 공간을 통해 단결정의 직경(Dn)을 측정하는데, 각각의 센서 이동부(미도시)에 의해 수평 방향으로 이동 가능할 뿐 아니라 틸팅(tilting) 가능하도록 설치되며, 하기에서 자세한 구성을 살펴보기로 한다.

따라서, 상기 열차폐 부재(150)와 단결정 잉곳(IG) 사이의 공간이 협소하더라도 상기 직경 측정센서들(171,172,173)이 이동되면서 공정 전체에 걸쳐 연속하여 단결정의 직경(Dn)을 측정할 수 있다.

상기 제어부(160)는 상기 직경 측정센서들(171,172,173)로부터 단결정의 직경 측정값(Dn)을 실시간으로 입력받은 다음, 공정 전체에 걸쳐 연속적으로 단결정의 직경 측정값(Dn)을 반영하여 인상속도(P/S) 또는 멜트 온도(Temp)를 제어하는데, 하기에서 자세한 구성을 살펴보기로 한다.

도 3은 도 2에 적용된 직경 측정수단의 실시예가 개략적으로 도시된 측면도이고, 도 4는 도 2에 적용된 직경 측정수단의 작동/제어 관계가 도시된 구성도이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 제1,2직경 측정센서(171,172)가 제1센서 이동부(181)에 의해 이동 가능하게 설치되고, 제3직경 측정센서(173)가 제2센서 이동부(182)에 의해 이동 가능하게 설치된다.

상기 제1직경 측정센서(171)는 상기 제1뷰 포인트(V1 : 도 2에 도시) 외측에 위치한 CCD 센서로써, 넥 공정과 초반 숄더링 공정 중 단결정의 직경(D1)을 측정하도록 구성된다.

실시예에 따르면, 상기 제1직경 측정센서(171)는 상기 제1센서 이동부(181)에 의해 그 위치가 자동으로 조정되면, 넥 공정과 초반 숄더링 공정 중 6 ~ 45mm 에 해당하는 제1설정 범위(a) 내에서 단결정의 직경(D1)을 측정할 수 있도록 구성된다.

상기 제2직경 측정센서(172)는 상기 제1직경 측정센서(171)와 같은 방향 즉, 상기 제1뷰 포인트(V1 : 도 2에 도시) 외측에 위치한 고온계(pyrometer)로써, 숄더링 공정 중 단결정의 직경(D2)을 측정하도록 구성된다.

실시예에 따르면, 상기 제2직경 측정센서(172)는 상기 제1센서 이동부(181)에 의해 그 위치가 자동으로 조정되면, 숄더링 공정 중 45 ~ 190mm 에 해당하는 제2설정 범위(b) 내에서 단결정의 직경(D2)을 측정할 수 있도록 구성된다.

물론, 상기 제2직경 측정센서(172)는 별도의 센서 이동부에 의해 그 위치가 조정될 수도 있다.

하지만, 상기 제2직경 측정센서(172)가 상기 제1센서 이동부(181)에 의해 상기 제1직경 측정센서(171)와 같이 이동하도록 구성하면, 시스템을 구성하는 비용을 절감시킬 수 있고, 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)가 다른 종류로 구성하더라도 그 측정 오차를 줄일 수 있을 뿐 아니라 제어 인자가 줄어듦에 따라 제어하기가 용이하다.

상기 제3직경 측정센서(173)는 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)와 반대 방향 즉, 상기 제2뷰 포인트(V2 : 도 2에 도시) 외측에 위치한 고온계로써, 후반 숄더링 공정과 바디 그로잉 공정 중 단결정의 직경(D3)을 측정하도록 구성된다.

실시예에 따르면, 상기 제3직경 측정센서(173)는 상기 제2센서 이동부(182)에 의해 그 위치가 자동으로 조정되면, 후반 숄더링 공정과 바디 그로잉 공정 중 190 ~ 308mm 에 해당하는 제3설정 범위(c) 내에서 단결정의 직경(D3)을 측정할 수 있도록 구성된다.

이때, 상기 제3직경 측정센서(173)는 상기 제2직경 측정센서(172)와 같은 종류로 구성하여 그 측정 오차를 줄일 수 있다.

하지만, 상기 제3직경 측정센서(173)가 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)와 다른 방향에 위치되기 때문에 위치 변화 오차가 발생하게 되는데, 하기에서 설명될 제어부(160)의 연산부(161)에 의해 그 위치 변화 오차를 반영하여 단결정의 직경 측정값(Dn)을 보정한다.

상기와 같은 제1,2,3직경 측정센서는 모두 같은 종류로 구성되거나, 다양한 종류로 구성될 수 있으며, 한정되지 아니한다.

상기 제1센서 이동부(181)는 상기 제1뷰 포인트(V1 : 도 2에 도시) 외측에 위치되는데, 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)가 제1리드 스크루(181a) 상에 장착되고, 상기 제1리드 스크루(181a)를 정/역방향으로 회전시키는 제1모터(181b)가 연결되며, 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)는 작업자에 의해 수동으로 상기 제1리드 스크루(181a) 상에 틸팅(tilting) 각도가 조정 가능하게 설치될 수 있다.

따라서, 상기 제1모터(181b)가 작동되면, 상기 제1리드 스크루(181a)가 회전됨에 따라 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)가 상대적인 위치를 유지하면서 수평 방향으로 같이 이동된다.

또한, 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)는 상기 제1리드 스크루(181a) 상에 틸팅 가능하게 설치될 수 있는데, 공정 시작 전에 틸팅 각도를 작업자에 의해 수동으로 조절할 수 있도록 구성된다.

상기 제2센서 이동부(182)는 상기 제2뷰 포인트(V2 : 도 2에 도시) 외측에 위치되는데, 상기 제3직경 측정센서(173)가 제2리드 스크루(182a)에 장착되고, 상기 제2리드 스크루(182a)를 정/역방향으로 회전시키는 제2모터(182b)가 연결되며, 상기 제3직경 측정센서(173)는 작업자에 의해 수동으로 상기 제2리드 스크루(182a) 상에 틸팅(tilting) 각도가 조정 가능하게 설치될 수 있다.

마찬가지로, 상기 제2모터(182b)가 작동되면, 상기 제2리드 스크루(182a)가 회전됨에 따라 상기 제3직경 측정센서(173)가 수평 방향으로 이동된다.

물론, 상기 제1,2센서 이동부(181,182)는 상기 제1,2,3직경 측정센서(171,172,173)를 이동시키는데, 상기 제1,2,3직경 측정센서(171,172,173)가 상기에서 설명한 바와 같이 연속하는 제1,2,3설정 범위(a,b,c)에 속하는 단결정의 직경(Dn)을 측정할 수 있도록 구성되어야 한다.

상기 제어부(160)는 상기 제1직경 측정센서(171)의 직경 측정값을 그대로 적용하는 반면, 상기 제2,3직경 측정센서(172,173)로부터 입력받은 실시간 직경 측정값을 위치 변화에 따른 오차를 반영하여 보정해 주는 연산부(161)를 포함한다.

실시예에 따르면, 상기 연산부(161)는 상기 제2,3직경 측정센서(172,173)의 직경 측정값을 하기의 [수학식 1], [수학식 2]에 따른 보정값(Bias1,Bias2)을 반영하여 보정한다.

[수학식 1]

[수학식 2]

즉, 상기 제2직경 측정센서(172)의 실시간 직경 측정값(D2)에 설정 시간(ㅿT) 동안 상기 제1,2직경 측정센서의 측정값 평균 오차(∑D2/ㅿT-∑D1/ㅿT=Bias1)를 반영하여 그 직경 측정값(D2')으로 보정하고, 상기 제3직경 측정센서(173)의 실시간 직경 측정값(D3) 역시 같은 방식으로 오차(Bias2)를 반영하여 그 직경 측정값(D3')으로 보정한다.

또한, 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)가 서로 같은 지점, 예를 들어 단결정 직경 범위 45mm 지점을 측정하면, 상기 제2직경 측정센서(172)의 직경 측정값(D2)은 상기 제1,직경 측정센서(171)의 직경 측정값(D1)과 동일하도록 보정되어야 한다.

마찬가지로, 상기 제2,3직경 측정센서(172,173)도 서로 같은 지점, 예를 들어 단결정 직경 범위 190mm 지점을 측정하면, 상기 제3직경 측정센서(173)의 직경 측정값(D3)은 상기 제2직경 측정센서(172)의 직경 측정값(D2)과 동일하도록 보정되어야 한다.

상기와 같이 공정 중 연속되는 직경 측정값(Dn)이 보정되면, 상기 제어부(160)는 보정된 직경 측정값(Dn)을 반영하여 공정 전체에 걸쳐 연속하여 PID 제어한다.

실시예에 따르면, 상기 제어부(160)는 상기 연산부(161)에서 산출된 직경 측정값의 변화(ㅿDn)를 반영하여 인상속도(P/S)를 목표 인상속도(P/S_T)에 맞추도록 상기 인상부(140)를 제어하는 인상속도 제어기(162)와, 상기 인상속도 제어기(162)에 의해 제어되는 인상속도 변화(ㅿP/S)를 반영하여 멜트 온도(Temp)를 목표 온도(Temp_T)에 맞추도록 상기 히터(130)를 제어하는 온도 제어기(163)를 더 포함한다.

상기와 같이 구성된 단결정 성장장치의 제어과정을 도 2 내지 도 4를 참조하여 살펴보면, 다음과 같다.

상기 히터(130)가 상기 도가니(120) 및 이에 담긴 실리콘 융액을 가열하는 동안, 종자 결정이 실리콘 융액에 잠기고, 종자 결정 주변에 단결정이 성장되기 시작하면, 상기 인상부(140)가 종자 결정을 서서히 끌어올리면서 단결정 잉곳 성장 공정이 진행된다.

먼저, 종자 결정으로부터 가늘고 긴 단결정을 성장시키는 네킹 공정이 진행되는 동안, 상기 제1직경 측정센서(171)가 상기 제1센서 이동부(181)에 의해 자동으로 움직여지면서 단결정의 직경(D1)을 측정하게 된다.

따라서, 상기 연산부(161)는 네킹 공정 중 상기 제1직경 측정센서(171)에 의해 측정된 단결정의 직경 변화(ΔD1)를 반영하는데, 상기 인상속도 제어기(162)는 단결정의 직경 변화(ΔD1)에 따라 상기 인상부(140)의 작동을 조절하여 인상속도(P/S)를 제어하고, 상기 온도 제어기(163)는 인상속도 변화(ΔP/S)에 따라 상기 히터(130)의 작동을 조절하여 멜트 온도(Temp)를 제어한다.

이후, 단결정을 반경 방향으로 성장시켜 목표 직경을 만드는 숄더링 공정이 진행되는 동안, 상기 제2직경 측정센서(172)가 상기 제1센서 이동부(181)에 의해 자동으로 움직여지면서 단결정의 직경(D2)을 측정하게 된다.

마찬가지로, 상기 연산부(161)는 숄더링 공정 중 측정된 단결정의 직경 변화(ΔD2)를 반영하는데, 상기 인상속도 제어기(162)와 온도 제어기(163)는 단결정의 직경 변화(ΔD2)에 따라 인상속도(P/S) 및 멜트 온도(Temp)를 제어한다.

그런데, 숄더링 공정 초반에는 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)가 상기 제1센서 이동부(181)에 의해 자동으로 움직여지면서 단결정의 직경(D1,D2)을 같이 측정하게 되고, 숄더링 공정 후반에는 상기 제2,3직경 측정센서(172,173)가 상기 제1,2센서 이동부(181,182)에 의해 자동으로 움직여지면서 단결정의 직경(D2,D3)을 같이 측정하게 된다.

따라서, 숄더링 공정 초반에는 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)가 단결정의 직경(D1,D2)을 같이 측정하게 되고, 상기 연산부(161)는 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)가 서로 전환되는 시점에 상기 제2직경 측정센서(172)에 의해 측정된 단결정의 직경 측정값(D2)을 상기 제1직경 측정센서(171)에 의해 측정된 단결정의 직경 측정값(D1)으로 보정하여 반영한다.

즉, 상기 제1,2직경 측정센서(171,172)가 상기 제1센서 이동부(181)에 의해 같이 이동되더라도 다른 종류로 구성되기 때문에 그 오차가 발생할 수 있으며, 상기 연산부(161)는 상기 제2직경 측정센서(172)에 의해 측정된 단결정의 직경(D2)을 상기 제1직경 측정센서(171)에 의해 측정된 단결정의 직경(D1)을 고려하여 보정할 수 있으며, 숄더링 공정 초반에 보정된 단결정의 직경(D2’)이 반영된다.

또한, 숄더링 공정 후반에는 상기 제2,3직경 측정센서(172,173)가 단결정의 직경(D2,D3)을 같이 측정하게 되고, 상기 연산부(161)는 상기 제2,3직경 측정센서(172,173)가 서로 전환되는 시점에 상기 제3직경 측정센서(173)에 의해 측정된 단결정의 직경 측정값(D3)을 상기 제2직경 측정센서(172)에 의해 측정된 단결정의 직경 측정값(D2)으로 보정하여 반영한다.

즉, 상기 제2,3직경 측정센서(172,173)가 같은 종류로 구성되더라도 상기 제1,2센서 이동부(181,182)에 의해 다른 방향에 위치되기 때문에 그 오차가 발생할 수 있으며, 상기 연산부(161)는 상기 제3직경 측정센서(173)에 의해 측정된 단결정의 직경(D3)을 상기 제2직경 측정센서(172)에 의해 측정된 단결정의 직경(D2)을 고려하여 보정할 수 있으며, 숄더링 공정 후반에 보정된 단결정의 직경(D3’)이 반영된다.

이후, 일정한 직경을 갖는 원기둥 모양의 단결정을 일정한 길이만큼 성장시키는 바디 그로잉 공정이 진행되는 동안, 상기 제3직경 측정센서(173)가 단결정의 직경(D3)을 측정하게 된다.

마찬가지로, 상기 연산부(161)는 바디 그로잉 공정 중 상기 제3직경 측정센서(173)에 의해 측정된 단결정의 직경 변화(ΔD3)를 반영하는데, 상기 인상속도 제어기(162)와 온도 제어기(163)는 단결정의 직경 변화(ΔD3)에 따라 인상속도(P/S) 및 멜트 온도(Temp)를 제어한다.

따라서, 네킹 공정과 숄더링 공정 및 바디 공정 전체에 걸쳐 단결정의 직경을 연속하여 측정할 수 있고, 이러한 단결정의 직경 측정값을 반영하여 PID 제어를 이용하여 실시간으로 연속하여 인상속도 또는 멜트 온도를 제어할 수 있다.

도 5는 종래 기술과 본 발명에 따른 공정 완료 후 단결정 잉곳의 길이 편차 및 공정 시간 편차가 도시된 그래프이다.

종래 기술에 따라 숄더링 후반 공정과 바디 공정에서만 단결정의 직경을 측정하고, 경험 치에 의한 시간 기준의 테이블에 입력된 단결정의 직경 변화를 반영하여 인상속도 및 멜트 온도를 제어하면, 단결정 잉곳의 길이 편차가 19.76mm, 공정 시간 편차가 26.94min으로 나타난다.

반면, 본 발명에 따라 네킹 공정과 숄더링 공정 및 바디 공정 전체에 걸쳐 단결정의 직경을 측정하고, 공정 전체에 걸쳐 단결정의 직경 변화를 반영하여 인상속도 및 멜트 온도를 제어하면, 단결정 잉곳의 길이 편차가 9.82mm, 공정 시간 편차가 21.16min으로 종래에 비해 낮게 나타난다.

즉, 본 발명은 종래 기술에 비해 전체 공정에 걸쳐 연속된 단결정의 직경 변화를 측정하고, 그 직경 변화를 반영하여 연속적인 제어가 가능하기 때문에 공정의 반복성을 높일 수 있고, 그 결과 단결정 잉곳의 길이 편차 및 공정 시간 편차를 효과적으로 개선시킬 수 있으며, 안정적인 공정 제어가 가능하다.

110 : 챔버 120 : 도가니
130 : 히터 140 : 인상부
150 : 열차폐부재 160 : 제어부
161 : 연산부 162 : 인상속도 제어기
163 : 온도 제어기 171,172,173 : 제1,2,3직경 측정센서
181,182 : 제1,2센서 이동부

Claims

밀폐 공간을 제공하고, 상면 양측에 제1,2뷰 포인트가 구비되는 챔버;
상기 챔버 내부에 설치되고, 실리콘 융액이 담겨진 도가니;
상기 도가니 둘레에 구비되고, 상기 도가니를 가열하는 히터부;
상 도가니에 담긴 실리콘 융액에 종자 결정을 담근 다음, 상기 종자 결정 주변에 단결정이 성장함에 따라 상기 종자 결정을 인상시키는 인상부;
상기 도가니 상측에 설치되고, 상기 실리콘 융액으로부터 성장되는 단결정을 향하는 열을 차폐시키는 열차폐 부재;
상기 제1뷰 포인트 외측에 설치되고, 상기 단결정의 네킹(necking) 공정과 초반 숄더링(shouldering) 공정 중 단결정의 직경을 측정하는 제1직경 측정센서;
상기 제1직경 측정센서와 근접하도록 상기 제1뷰포트 외측에 설치되고, 숄더링(shouldering) 공정 중 단결정의 직경을 측정하는 제2직경 측정센서;
상기 제2뷰 포인트 외측에 설치되고, 후반 숄더링(shouldering) 공정과 바디 그로잉(body growing) 공정 중 단결정의 직경을 측정하는 제3직경 측정센서;
상기 제1,2직경 측정센서를 동시에 이동시키는 제1센서 이동부;
상기 제3직경 측정센서를 이동시키는 제2센서 이동부; 및
상기 초반 숄더링 공정 중 상기 제1,2직경 측정센서에 의해 측정된 단결정의 직경이 동일하도록 보정하고, 상기 후반 숄더링 공정 중 상기 제2,3직경 측정센서에 의해 측정된 단결정의 직경이 동일하도록 보정하는 제어부;를 포함하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
PID 제어를 이용하여 실시간 보정된 단결정의 직경 측정값에 따라 단결정의 인상속도 또는 멜트 온도 중 적어도 하나 이상을 연속 제어하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 제1,2,3직경 측정센서는 상기 열차폐 부재와 단결정 사이의 공간을 통하여 실리콘 융액과 단결정의 계면에서 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 제1,2직경 측정센서는 다른 종류로 구성되고,
상기 제2,3직경 측정센서는 같은 종류로 구성되는 단결정 성장장치.
제4항에 있어서,
상기 제1직경 측정센서는 CCD 센서이고,
상기 제2,3직경 측정센서는 고온계(pyrometer)인 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 제1,2뷰 포인트는,
상기 챔버의 상면 중심을 기준으로 반대 방향에 위치되는 단결정 성장장치.
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제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제2직경 측정센서의 실시간 직경 측정값(D2)에 설정 시간(ㅿT) 동안 상기 제1,2직경 측정센서의 측정값 평균 오차(∑D2/ㅿT-∑D1/ㅿT=Bias1)를 반영하여 상기 제2직경 측정센서의 직경 측정값(D2')으로 보정하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제3직경 측정센서의 실시간 직경 측정값(D3)에 설정 시간(ㅿT) 동안 상기 제2,3직경 측정센서의 측정값 평균 오차(∑D3/ㅿT-∑D2/ㅿT=Bias2)를 반영하여 상기 제3직경 측정센서의 직경 측정값(D3')으로 보정하는 단결정 성장장치.