KR20010041496A - 반도체 결정의 성장을 제어하기 위한 개방 루프 방법 및시스템 - Google Patents

반도체 결정의 성장을 제어하기 위한 개방 루프 방법 및시스템 Download PDF

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KR20010041496A
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헨넬리 헬렌 에프
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Abstract

초크랄스키 공정에 따라서 제로 전위 상태, 개선된 직경 및 일정한 성장율을 갖는 실리콘 단결정을 성장시키기 위한 장치를 사용한 개방 루프 제어 방법이다. 본 발명에 따르면, 도가니에 충전된 실리콘에 기초한 열 및 질량 이송 모델을 하나 이상의 기준 변수들의 함수로서 결정한다. 기준 실리콘 단결정의 성장으로부터 이 기준 변수들을 결정한다. 그 후, 주어진 인상 속도 프로파일 및 모델 직경 프로파일에 대한 열 및 질량 이송 모델의 함수로서 전력 프로파일을 결정한다. 생성된 전력 프로파일은, 용융체와 결정 사이의 계면에 실질적으로 열평형을 유지하기 위해 열에너지를 도가니에 제공하는 히터에 공급된 전력을 나타낸다. 마지막으로, 이 전력 프로파일에 따라서 히터에 의해 도가니에 제공된 열에너지를 조정하여 실리콘 단결정의 적어도 일부분의 성장중에 결정 성장 장치를 제어한다.

Description

반도체 결정의 성장을 제어하기 위한 개방 루프 방법 및 시스템{OPEN-LOOP METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING GROWTH OF SEMICONDUCTOR CRYSTAL}
반도체 전자 소자의 제조를 위한 대부분의 공정의 개시 재료인 단결정 실리콘은, 주로 초크랄스키 공정에 의해 제조되고 있다. 이 공정에서는, 도가니에 다결정 실리콘을 충진하여 용융시키고, 그 용융된 실리콘과 시드 결정은 접촉시키고, 저속 인상에 의해 단결정 실리콘을 성장시킨다. 넥 (neck) 의 형성을 완료한 후, 테이퍼, 또는 크라운 (crown) 결정 부분을 형성하는데 요하는 또는 목적 직경에 도달할 때까지 인상 속도 및/ 또는 용융 온도를 감소시켜, 결정의 직경을 증대시킨다. 그 후, 감소하는 용융 높이를 보충하면서 인상 속도 및 용융 온도를 제어하여 거의 일정한 직경을 가진 결정의 원통형 본체를 성장시킨다. 성장 공정의 말기 근처, 도가니에 용융된 실리콘이 비워지기 전에 엔드콘을 형성하기 위해서 결정 직경을 점차 감소시켜야 한다. 그 후, 결정 직경이 충분히 작아지면, 용융체로부터 결정은 분리한다. 이 실리콘 용융체로부터 결정을 분리하는 공정은 소정 조건하에서 결정의 품질에 악영향을 미칠 수 있다. 용융체로부터의 분리가 일어날 때, 결정의 직경을 충분히 감소시키지 않거나 또는 결정의 직경을 너무 급속히 또는 불규칙적으로 감소시키는 경우, 이 결정이 열충격을 받게 된다. 이러한 열충격은 엔드콘에 슬립 전위 (slip dislocation) 를 발생시켜 결정의 본체 내부로 전파시킬 수 있다.
또한, 일반적으로 결정의 엔드콘은 폐기하기 때문에, 결정상에 성장한 엔드콘의 축방향 길이를 최소화하는 것이 바람직하다. 그러나, 여전히 이 엔드콘의 길이는 용융된 실리콘으로부터의 분리가 일어날 때 열충격을 최소화하기에 충분해야 한다. 따라서, 엔드콘의 성장 공정은, 엔드콘의 낭비를 최소화하고 용융체로부터 분리된 결정에서 전위의 발생을 피하고 결정에 만족할 만한 열이력을 유지해야 하는 상반된 목적을 만족시키기 위해, 주의깊게 제어되어야 한다.
종래, 결정 성장 공정을 제어하는데 사용하고 있는 공정은, 숙련된 결정 인상기 조작자 또는 정교한 폐루프 제어 기술, 또는 양자에 의해 정밀한 공정 제어에 의존한다. 예를 들면, 여기서 참조한, Maeda 등의 미국 특허 제 5,223,078 호는, 시드 결정 (테이퍼) 에 인접한 결정의 원뿔형 부분의 성장을 제어하기 위한 폐루프 방법을 개시하고 있으며, 테이퍼의 성장 동안에 능동적인 공정 변수들의 조정과 측정을 요한다. Maeda 방법에서는, 성장되고 있는 결정의 테이퍼의 직경 및 용융 온도를 측정한다. 그 직경의 변화율을 계산한 후, 측정한 온도와 함께 이 변화율을 미리 조정한 목표 온도 및 변화율 값과 비교하게 된다. 그 후, 목표 온도 데이터 파일 및 목표 직경 변화율 데이터 파일로 부터, 기존 데이터에 기초하여, 목표 온도를 재결정한다. 그 후, 바람직하게는 제어기의 PID 작동에 의해 제어하여, 히터에 공급되는 전력양을 제어하여, 보정된 목표 온도를 구한다.
여기서 참조한, Katsuoka 등의 미국 특허 제 4,973,377 호는 도가니의 회전 속도와 용융 온도를 제어하여 테이퍼의 직경을 제어하는 폐루프 방법을 개시하고 있다.
여기서 참조한, Watanabe 등의 미국 특허 제 4,876,438 호는 히터에 공급된 전력과 인상 속도를 제어하여 결정의 직경을 제어하는 장치를 개시하고 있다. 이 장치는, 결정의 성장 동안에 결정 직경에 관한 2 개의 공정 변수들을 측정하고 원하는 직경을 유지하기 위해 적당한 제어 동작을 행하는 폐루프 피드백 과정으로 동작한다.
여기서 참조한 Araki 의 미국 특허 제 5,288,363 호는 테이퍼 성장을 제어하는 폐루프 방법을 개시하고 있다. Araki 방법에서는, 원하는 결정 직경으로부터의 결정 직경의 편차를 모니터한다. 이 편차를 최소화하기 위해 이 인상 속도를 조정한다. 또한, 용융 히터에 공급된 전력양에 대한 보정값을 퍼지 간섭에 기초하여 계산한다. 그 후, 보정된 값에 따라서 히터 전력을 조정한다.
그러나, 이 접근법들은 완전히 만족스러운 것은 아니다. 첫째, 이들은 비싸고 복잡한 공정 제어 장치 및 기술 뿐만 아니라 상당한 유지비를 요한다. 둘째, 이들은 종종 부가적으로, 정밀한 동작을 위한 조작자 제어 능력에 의존한다. 셋째, 이들은 이 공정에 따라 성장시킨 결정의 수율을 감소시킨다. 넷째, 공정 변수들을 폐루프 시스템의 일부로써 측정하는 경우, 측정 장비에 의한 실리콘 용융체과 결정의 오염을 피할 수 있도록 주의해야 한다. 다섯째, 제어 에러는 부정확한 인상 속도 및 전력 속도의 조정을 일으켜, 결정 성장의 연속성에 악영향을 줄 수 있다.
따라서, 공정 제어 장치 및 동작 조건들을 최소화 및 간단하게 하고, 조작자의 제어에 대한 의존성을 최소화하고, 엔드콘의 낭비를 최소화하며, 결정의 열이력의 균일성을 개선하고, 및/또는 직경 제어를 타협지 않고 공정을 향상시키는, 실리콘 단결정의 성장을 제어하는 공정이 요청되고 있다.
본 발명은 일반적으로 결정을 성장시키기 위해 초크랄스키 방법을 채용한 방법 및 장치를 제어하기 위한 개선된 방법 및 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반도체 단결정 성장 공정을 자동적으로 제어하기 위한 개방 루프 방법 및 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 실리콘 단결정의 엔드콘 (endcone) 의 성장을 자동적으로 제어하여 결정의 제로 전위 상태를 유지하는데 사용할 수 있는 개방 루프 방법 및 시스템에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 결정 성장 장치를 제어하기 위한 시스템 및 결정 성장 장치들을 도시한 것이다.
도 2 는 도 1 의 결정 성장 장치의 동작의 일 실시예의 플로우 다이아그램이다.
도 3 은 예 1 의 기준 결정의 엔드콘의 성장 (i) 및 예 3 의 결정의 엔드콘의 성장 (ii) 에 대한 인상 속도 증가 프로파일을 나타낸 그래프이다
도 4 는 예 1 의 기준 결정의 엔드콘의 성장 (i) 및 예 3 의 결정의 엔드콘의 성장 (ii) 에 대한 히터 전력 증가 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 5 는 예 1 의 기준 결정의 엔드콘의 성장 (i) 및 예 3 의 결정의 엔드콘의 성장 (ii) 에 대한 결정 회전 속도 증가 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 6 은 예 1 의 기준 결정의 엔드콘의 성장 (i) 및 예 3 의 결정의 엔드콘의 성장 (ii) 에 대한 도가니 회전 속도 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 7 (a) 는 예 1 의 기준 결정 상에 성장한 엔드콘의 이미지, 및 도 7 (b) 은 예 3 의 결정상에 성장한 엔드콘의 이미지이다.
도 8 은 예 1 의 기준 결정 상에 성장한 엔드콘 (i) 및 예 3 의 결정 상에 성장한 엔드콘 (ii) 에 대한 도 7 (a) 및 도 7 (b) 의 이미지으로 부터 결정된 직경 프로파일을 나타낸 그래프이며, 도 8 은 또한 예 2 에서 계산한 전력 프로파일에 기초하여 결정된 모델 직경 프로파일을 나타낸 것이다.
전체 도면에서, 각각 대응하는 부분은 대응하는 도면 부호를 나타낸다.
따라서, 본 발명의 여러 목적들로는, 상술한 불리한 조건을 극복한 개선된 제어 및 동작의 시스템과 방법을 제공하고; 초크랄스키 공정에 따라 동작하는 결정 성장 장치를 사용하는 시스템 및 방법을 제공하며; 개방 루프 동작에서 실리콘 단결정의 적어도 일부분의 성장을 자동적으로 제어하는 시스템 및 방법을 제공하고; 이 시스템에 대한 적당한 열 및 질량 이송 모델에 기초한 전력 프로파일에 따라서, 히터에 의해 고체 실리콘으로 충전된 도가니로 공급되는 열을 제어하는 시스템 및 방법을 제공하며; 열 플럭스 (flux) 를 조정함으로써, 용융체와 결정 사이의 계면에서 실질적으로 열평형을 유지하는 시스템 및 방법을 제공하고; 결정 성장 공정에서 조작자 관련성을 최소화하거나 제거하는 시스템 및 방법을 제공하며; 결정의 엔드콘의 성장 및/또는 형상을 제어하는 시스템 및 방법을 제공하고; 실리콘 용융체으로부터 결정을 분리할 때 결정에 열충격을 최소화 (또는 실질적으로 제거) 하는 시스템 및 방법을 제공하며; 전위가 없이 결정의 일부분을 재현가능하게 성장시키고 원하는 직경 프로파일을 갖는 시스템 및 방법을 제공하고; 공정에 따라 결정을 성장시키는 공정 시간을 단축하고 최소 수율을 유지하는 시스템 및 방법을 제공하며; 효율적이고도 경제적으로 행할 수 있는 방법과, 경제적으로 용이하게 행할 수 있으며 상업적으로 실용적인 시스템 및 방법을 제공하며; 및 재현 가능하며, 매회 동일한 수준의 품질의 결정을 생산할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.
간단하게 설명하면, 본 발명의 일 실시예는, 초크랄스키 방법에 따라 실리콘 용융체로부터 실리콘 단결정을 성장하는 장치와 결합하여 사용하기 위한 개방 루프 방법에 관한 것이다. 결정 성장 장치는 실리콘을 담은 도가니를 가진다. 또한, 도가니에 있는 실리콘을 용융하여 단결정을 인상시킬 용융체를 형성하기 위해 히터도 가진다. 단결정은 용융체와 계면을 형성한다. 이 방법에 따르면, 먼저, 초기에 도가니에 충전된 실리콘을 기초로 하여 열 및 질량 이송 모델을 결정한다. 이 모델은 기준 실리콘 단결정의 성장으로부터 결정되는 하나 이상의 기준 변수들의 함수이다. 그 후, 전력 프로파일을 생성한다. 이 전력 프로파일은 용융체와 결정 사이의 계면에서 열평형을 실질적으로 유지하기에 충분한 열에너지의 양을 도가니에 공급하기 위해, 히터에 의해 요하는 전력양을 나타낸다. 이 전력 프로파일은 열 및 질량 이송 모델의 함수이다. 마지막으로, 실리콘 단결정의 적어도 일부분의 성장 중에 이 전력 프로파일에 따라서 히터에 공급되는 전력을 조정하여 결정 성장 장치를 제어한다.
본 발명의 또 다른 형태는 초크랄스키 공정에 따라서 실리콘 용융체로 부터 실리콘 단결정을 성장시키는 장치와 함께 사용하기 위한 시스템이다. 이 시스템은 실리콘을 충전하는 도가니, 용융체를 형성하기 위해 충분한 열에너지를 공급하는 히터, 도가니내의 용융체로 부터 결정을 인상시키는 결정 인상 장치, 전력 프로파일을 결정하고 그 전력 프로파일에 따라 히터를 제어하는 제어 회로를 구비한, 초크랄스키 공정에 따라서 실리콘 단결정을 성장시키는 장치를 포함한다. 전력 프로파일은 용융체 및 결정사이의 계면에 열평형을 실질적으로 유지하기에 충분한 열에너지의 양을 도가니에 공급하기 위해 히터에 의해 요하는 전력양을 나타낸다. 이 전력 프로파일은 열 및 질량 이송 모델의 함수이다. 이 열 및 질량 이송 모델은 그 자체로, 기준 실리콘 단결정의 성장으로 부터 결정되는 하나 이상의 기준 변수들의 함수이다. 히터는 제어 회로에 응답하여 전력 프로파일에 따라서 용융체에 열에너지를 공급한다.
다른 목적과 특징은 이하의 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이다. 이 방법 및 시스템은 특히 실리콘 및 다른 반도체들로부터 단결정을 성장시키는데 사용할 수 있으며 일반적으로는 다른 재료들로부터 단결정을 성장시키는 데에도 사용할 수 있다. 그러나, 설명의 단순화를 위해서 실리콘 단결정의 상황에 대해서만 본 발명은 설명하기로 한다.
도 1 을 참조하면, 본 발명에 따라서 초크랄스키 방법에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 결정 성장 장치 (23) 를 사용한 시스템 (21) 이 도시되어 있다. 나타낸 실시예에서는, 결정 성장 장치 (23) 는, 저항 히터 (29) 또는 다른 가열 장치에 의해 둘러 쌓인 용융 실리카를 담은 도가니 (27) 를 포위하는 진공 챔버 (25) 를 포함한다. 도가니 (27) 는 다결정 실리콘 용융체 (31) 를 유지한다. 용융체 (31) 는 고상 다결정 실리콘 (미도시) 를 도가니 (27) 에 첨가하여 제공된다. 히터 전원 (33) 은 저항 히터 (29) 를 통하여 전류를 제공하여 고체 실리콘을 용융시켜 용융체 (31) 를 형성한다. 일반적으로 저항 히터 (29) 는 도가니 (27) 내에 열을 유지하도록 절연체 (35) 에 의해 포위되어 있다. 일 실시예에서, 냉각수를 제공하는 챔버 냉각 재킷 (chamber cooling jacket) (미도시) 은 진공 챔버 (25) 를 포위할 수 있다.
단결정 실리콘 시드 (39) 의 하단부에 단결정 실리콘 시드 (39) 를 지지하는 결정 인상 축 또는 와이어 (37) 는 용융체 (31) 상에 위치된다. 시드 (39) 가 용융체 내부로 하강함에 따라, 용융하기 시작한다. 열평형후, 인상 와이어 (37) 가 후퇴되어 용융체 (31) 로부터 인상하는 시드 (39) 가 후퇴하게 된다. 시드 (39) 가 후퇴함에 따라, 시드 (39) 상에 거의 원통형인 실리콘 단결정 (41) 이 성장하여, 용융체 (31) 로 부터 실리콘을 추출한다. 결정 드라이브 유닛 (43) 은 용융체 (31) 로 부터 인상 와이어 (37) 를 계속 후퇴시켜, 종래의 초크랄스키 공정에서와 같이 결정 (41) 을 형성한다. 또한, 결정 드라이브 유닛 (43) 은 인상 와이어 (37) 을 연속적으로 회전시킨다. 결정의 넥 (neck) 영역이 형성된 후, 이 인상 속도를 감소시켜 통상적으로 결정의 테이퍼 (taper) 라고 칭하는 플레어링 (flaring) 영역을 생성한다. 원하는 직경이 될때, 인상 속도 및 다른 성장 조건을 제어하여, 결정의 엔트콘 (endcone) 및 테이퍼 사이의 본체에 실질적으로 연속적인 직경을 제공한다.
인상 와이어 (37) 가 용융체 (31) 로부터 결정 (41) 을 인상할 때, 도가니 드라이브 유닛 (45) 은, 결정 (41) 의 회전 방향과 반대 방향으로 도가니 (27) 를 회전시킨다. 또한, 결정 (41) 이 성장할 때, 도가니 드라이브 유닛 (45) 은, 용융체 (31) 의 감소를 보충하기 위해 진공 챔버 (25) 내부로 도가니 (27) 를 끌어 올린다. 용융체 (31) 가 감소할 때, 결정 (41) 의 원뿔형 엔드콘 형상이 되게 결정 직경이 점차적으로 감소된다. 일반적으로 2 ㎜ 내지 4 ㎜ 로, 엔드콘의 결정 직경이 충분히 작아지면, 전위가 결정 (41) 의 본체에 퍼지지 않게 하면서 용융체 (31) 로부터 결정 (41) 의 분리를 이룰 수 있다. 그 후, 진공 챔버 (25) 로부터 이 결정 (41) 을 제거하여 실리콘 웨이퍼를 형성하도록 처리될 수 있다.
일 실시예에서는, 결정 드라이브 유닛 (43) 은 소정의 인상 속도 프로파일에 따라서 용융체 (31) 로부터 결정 (41) 을 인상시키는 것과 같이, 소정의 결정 회전 속도 프로파일에 따라서 결정 (41) 을 회전시킨다. 또한, 도가니 드라이브 유닛 (45) 은 일반적으로 결정 (41) 의 회전 방향과 반대 방향으로 소정의 도가니 회전 속도 프로파일에 따라서 도가니 (27) 를 회전시킨다. 일반적으로, 프로그램밍된 디지털 또는 아날로그 컴퓨터를 포함하는 제어 유닛 (47) 은 다른 것들 중에서, 히터 전원 (33), 도가니 드라이브 유닛 (43), 및 결정 드라이브 유닛 (43) 을 제어한다. 예를 들면, 이 제어 유닛 (47) 은 소정의 전력 프로파일에 따라서 히터 전원 (33) 에 의해 저항 히터 (29) 에 제공되는 전력을 제어할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 열 및 질량 이송 모델을 채용하여 특정의 인상 속도 프로파일 및 모델 직경 프로파일에 대한 기준 결정의 성장으로부터 결정된 기준 변수의 함수로서 전력 프로파일을 유도한다. 전력 프로파일은 도가니에 필요한 열 에너지의 양을 제공하여 용융체 (31) 와 결정 (41) 사이의 계면에 실질적으로 열평형을 유지하는 히터 (29) 에 제공된 전력을 나타낸다. 제어 유닛 (47) 은 결정 드라이브 유닛 (43) 및 도가니 드라이브 유닛 (45) 과, 또한, 결정 및 도가니 회전 속도 및 결정 인상 속도를 제어한다. 본 발명에 따르면, 제어 유닛 (47) 은 결정 (41) 의 적어도 일부분의 성장을 위해 개방 루프 기반의 결정 성장 장치 (23) 의 동작을 자동적으로 제어한다.
결정 (41) 의 본체의 나머지 절반이 성장될 때와 결정의 엔드콘이 성장될 때를 포함하는 결정 성장 공정 동안에 정확하고 신뢰성 있는 제어가 요구된다. 바람직하게는 엔드콘은 실질적으로 일정한 기울기를 가지며 거의 원뿔형상으로 성장되는 반면에 본체는 실질적으로 일정한 직경으로 성장된다. 적어도 결정 (41) 의 일부분이 성장하는 중에 주어진 인상 속도 프로파일 및 모델 직경 프로파일에 대한 전력 프로파일에 따라서 결정 성장 장치 (23) 를 제어 유닛 (47) 이 동작시킬 때, 이러한 목적들을 달성할 수 있다. 본 발명의 방법 및 장치들은 용융체 (31) 로부터 결정 (41) 의 엔드콘의 성장을 통하여 결정 (41) 의 바디의 적어도 나머지 절반의 성장을 제어하는데 또한 대응하는 축경계 내부로 결정 (41) 의 임의의 분리 부분의 성장을 제어하는데 효과적으로 사용될 수 있다.
인상 속도 프로파일 및 모델 직경 프로파일은 전력 속도 프로파일을 채용한 결정 성장 공정에 대한 특정된 목표 프로파일이다. 인상 속도 프로파일 및 모델 직경 프로파일은 독립적으로, 결정 (41) 의 성장 동안에 일정하거나 변화할 수 있다. 또한, 결정 (41) 의 성장 동안에 채용된 결정 및 도가니 회전 속도는 독립적으로, 결정의 원하는 부분이 성장됨에 따라, 거의 일정하거나 점차 하측으로 경사지게 할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서는 용융체 (31) 및 결정 (41) 사이의 계면에서 조건을 분석하고, 그 계면에서 열평형을 결정하고 특성지우는데 효율적인 전력 프로파일을 유도하기 위해서 열 및 질량 이송 모델이 사용된다. 대표적인 모델은 주어진 결정 인상기, 인상 속도 프로파일, 및 모델 직경 프로파일에 대한 계면에서 열평형을 유지하기에 충분한 열에너지의 양을 도가니 (29) 에 공급하는 히터에 의해 요하는 전력의 프로파일을 주어진 기준 변수의 집합의 함수로서 전개하는 것이 가능하다. 기준 단 실리콘 결정의 성장으로부터 얻은 공정 변수 데이타 (예를 들면, 인상 속도, 전력 속도, 결정 직경, 결정 회전 속도 및 도가니 회전 속도) 에 기초한 열 및 질량 이송 모델에 대해, 이들 기준 변수들이 계산된다.
본 실시예의 열 및 질량 이송 모델은 도가니에 담겨있는 실리콘의 전체 질량 평형 (즉, 처음에 도가니에 충전된 실리콘) 을 채용하며, 이것은 다음과 같은 수학식 1,
으로 주어지며,
여기서, MR은 도가니에 잔존하는 실리콘의 질량이며,
MI는 처음에 도가니에 채워진 실리콘의 질량이고,
MC는 결정 넥, 테이퍼 및 바디 (body) 에 포함된 실리콘의 질량이며, 수학식 2 는,
으로 주어지고, 이는 엔드콘에 포함된 실리콘의 질량을 나타낸 것으로,
여기서,는 실리콘의 밀도이고,
vp는 순간 인상 속도이며,
는 계면에서 결정의 직경이고,
t 는 순간 시간이며,
t0 는 결정의 성장이 시작되는 시간이고,
dt 는 시간 미분이다.
이 모델은 공정에서 사용된 실리콘의 전체 열평형을 채용하면 다음의 수학식 3,
이 얻어지며,
여기서, HI는 도가니에 있는 실리콘과 성장 공정 중에 결정 넥, 테이퍼, 바디 및 엔드콘에 공급된 열이다. 이는 히터 (29) 에 의해 시스템 (21) 에 제공된 열을 나타내며, 그 자체로 전력 프로파일에 대응한다.
HF는 실리콘에 대한 용융열로서 다음의 수학식 4,
으로 표현할 수 있으며,
여기서, hf는 특정 용융열이고,
vp는 순간 인상 속도이며,
는 계면에서 결정의 직경이고,
HL은 성장 공정중 결정 넥, 테이퍼, 바디 및 엔드콘과 도가니에 있는 실리콘으로부터의 열손실이다.
주로 대류 및 방사를 통한 열손실인, 시스템에 대한 열손실 HL을 실험적으로 밝혀져 왔으며, 수학식 5 에 의해 실제 정확도에 가깝게 될 수 있고, 수학식 (5),
으로 주어지며,
여기서, k 는 실험적으로 얻은 상수이다.
수학식 4 및 5 를 수학식 3 에 대입하면, 수학식 6,
을 얻고,
수학식 6 의 결과를 간단히 하면 수학식 7,
으로 주어지고,
여기서, 계수 a,b,c,d 및 e 는 실험적으로 얻은 기준 변수이며,
L 은 결정의 순간 길이이고, 및
은 결정의 순간 직경이다.
본 발명의 이 실시예에 따르면, 제어 유닛 (47) 의 프로그램밍된 디지털 또는 아날로그 컴퓨터는, 다른 것들 중에서, 열 및 질량 이송 모델의 함수인 결정 드라이브 유닛 (47) 및 히터 전원 (33) 을 제어한다. 제어 유닛 (47) 은 결정 성장 공정 자동화를 프로그래밍하는데 사용하고, 성장시킬 특정한 결정에 대해 요하는 기준 변수, 인상 속도 프로파일, 모델 직경 프로파일 및 다른 공정 정보를 결정 성장 장치 조작자가 입력할 수 있도록 조작자 인터페이스를 제공한다.
예를 들면, 조작자는 요하는 기준 변수, 인상 속도 프로파일, 및 모델 직경 프로파일을 제어 유닛 (47) 에 입력한다. 그 후, 제어 유닛 (47) 은 메모리에 기억된 기준 변수, 인상 속도 프로파일 및 모델 직경 프로파일에 응답하여 프로그램을 실행한다. 이들 프로그램들은 결정 (41) 의 성장 중에, 결정 (41) 과 용융체 (31) 사이의 계면에서 실질적으로 열평형을 유지하기 위해 저항 히터 (29) 에 공급되는 전력을 나타낸 전력 프로파일 (또는 열램프 (heat ramp)) 을 결정한다. 본질적으로, 제어 유닛은 (47) 은 주어진 인상 속도 프로파일 및 모델 직경 프로파일에 대한 기준 변수의 함수인 열 및 질량 이송 모델을 사용한 알고리즘을 실행하여, 결정 성장 공정에 대한 전력 프로파일을 결정한다. 그 후, 제어신호는 히터 (29) 에 공급된 전력 (따라서 용융체에 공급된 열에너지)을 제어하고, 실질적으로 용융체 계면에서 열평형을 유지하기 위해서, 제어 유닛 (47) 으로부터 히터 전원 (33) 으로 제어 신호를 출력함으로써, 성장 공정을 제어한다.
기준 실리콘 단결정의 성장 중에 또는 성장 이후에, 공정 변수 데이타 (예를 들면, 인상 속도, 히터에 공급된 전력 및 직경) 로부터 열 및 질량 이송 모델에 대한 기준 변수들을 결정하고 측정한다. 예를 들면, 기준 결정 변수들은 기준 결정의 성장으로부터 수집된 측정 공정 변수 데이타를 기초로 표준 회귀 분석을 이용한 모델을 위해 얻어질 수 있다. 회귀 분석 계산을 수동으로 계산할 수 있지만, 마이크로소프트 엑셀 5.0 회귀 분석 툴-팩 (Tool-Pack) 과 같은 회귀 분석 소프트웨어 프로그램을 사용하는 것이 바람직하다. 회귀 분석들 사용하여 유도된 기준 변수들은 결정의 나머지 절반 및 그것의 엔드콘의 성장 중에, 이 시스템을 모델링하는데 있어서 더 정확하고, 또한 훨씬 효율적인 열 및 질량 이송 모델을 준다.
산업분야에서 널리 알려진 다양한 기술에 따라서, 다음의 성장 공정 중에 기준 결정의 직경을 측정할 수 있다. 예를 들면, 엔드콘의 포토그래피 또는 이미지와 기준 결정 엔드콘 직경의 적어도 하나의 물리적 측정은 이미지 분석 방법을 통하여 기준 결정의 직경 프로파일 평가들을 제공한다. 이미지를 분석하기 위하여, 이미지 분석 소프트웨어 (예를 들면, 맷랩 이미지 툴박스 소프트웨어 (Matlap Image Toolbox Software)) 가 통상적으로 이용될 수 있고 사용될 수 있다. 또한, 특히 원통형 바디 성장 동안에 산업분야에 널리 알려진 다양한 기술에 따라서 성장 공정 동안에 실시간 방법에 의해 기준 결정의 직경을 측정할 수 있다. 또한, 기준 결정의 성장 동안에 통상적인 다양한 기술에 따라서 결정 인상 속도 및 히터 전력을 측정할 수 있다. 동일한 결정 인상 장치를 사용한 하나의 기준 결정의 성장으로부터 인상 속도, 직경, 및 히터 전력 데이터를 적당히 사용하여 기준 변수를 결정할 수 있지만, 이들 변수들은 동일한 결정 인상기에서 2 이상의 기준 결정의 성장으로부터 측정된 데이터를 사용함으로써 더 정확하게 할 수 있다. 그러나, 이러한 방법으로 결정된 기준 변수 값은 초기의 기준 결정의 성장의 데이터를 사용하여 결정된 기준 변수로부터 통상적으로 겨우 약 5% 정도 변한다.
이 방법 및 장치들은 일련의 특정 공정 조건에 대해서도 일반적으로 효과적이다.
예를 들면, 엔드콘의 성장 중에 인상 속도는 약 0.05 ㎜/minute 으로부터 약 2.5 ㎜/minute 까지의 범위이고, 결정 회전 속도는 약 5 revolution/minute 으로부터 약 25 revolution/minute 까지의 범위이며, 도가니 회전 속도는 약 1 revolution/minute 으로부터 약 15 revolution/minute 까지의 범위이고, 및 전력은 약 90 KW 내지 약 300 KW 범위인 동작에 대해 이 공정을 사용한다. 이들은 페로플루이딕 (Ferrofluidics) 에 의해 제조된 모델 CZ150 결정 인상기에 대한 대표적인 범위들이다.
인상 속도는 약 0.2 ㎜/minute 으로부터 약 2.5 ㎜/minute 까지의 범위이고, 결정 회전 속도는 약 6 revolution/minute 으로부터 약 20 revolution/minute 까지 이며, 도가니 회전 속도는 약 6 revolution/minute 으로부터 약 15 revolution/minute 까지 이고, 및 전력은 약 160 KW 으로부터 약 220 KW 범위인 것이 바람직하다. 결정의 본체의 일부의 성장을 위해 이 공정을 사용할 때도 실질적으로 동일한 인상 속도, 히터 전력, 도가니 회전 속도 및 결정 회전 속도들을 사용한다. 바람직한 인상 속도 및 전력 속도는 엔드콘의 성장에 사용된 인상 속도 및 전력 속도 보다 낮을 수 있고, 바람직한 결정 회전 속도는 엔드콘의 성장에 사용된 결정 회전 속도보다 높을 수 있다.
또한, 이 공정은 임의의 직경의 결정에 일반적으로 적용할 수 있으며, 적어도 150 ㎜ 의 직경의 결정에 적용되는 것이 바람직하며, 적어도 200 ㎜ 의 직경을 갖는 결정에 적용되는 것은 더 바람직하다. 또한, 이 공정은 실리콘 이외의 준비된 반도체 재료로부터 결정을 성장시키기에 효율적이다.
또한, 신규한 공정에 따라서 결정 (41) 이 성장하는 동안에 측정된 인상 속도, 직경, 히터 전력, 결정 회전 속도 및 도가니 회전 속도 프로파일은 대응하는 인상 속도, 직경, 히터 전력, 결정 회전 속도 및 도가니 회전 속도 프로파일 (일정하든지 일정하지 않은 프로파일) 로부터 약 15 % 보다 작게 변화하도록, 기준 결정의 성장률을 제어하는 것이 바람직하다. 이 변화가 약 10% 보다 작은 것이 바람직하고 약 5 % 보다 적은 것이 더 바람직하다.
또한, 결정의 본체 상에 성장된 엔드콘의 축방향 길이는 약 450 ㎜ 초과하지 않는 것이 바람직하다. 부가적으로 또는 대안적으로 결정의 본체 상에 성장된 엔드콘의 무게는 본체의 동일한 축방향 길이의 무게의 약 40 % 보다 작은 것이 바람직하고, 약 35% 보다 작은 것이 더 바람직하다. 예를 들면, 200 ㎜ 의 축방향 길이를 갖는 엔드콘의 무게는 축방향 길이가 200 ㎜ 로 동일한 본체의 무게의 약 40 % 보다 작은 것이 바람직하다.
도 2 를 참조하면, 이 시스템 (21) 은 일 실시예에서 결정 성장 장치 (23) 의 개방 루프 제어를 제공하기 위한 플로우 다이어그램에 따라 동작한다.
단계 (61) 부터 시작하며, 기준 결정 실행으로 부터 결정 인상 속도, 히터 (29) 에 공급된 전력, 및 결정 직경에 대한 데이터를 얻는다. 단계 (62) 에서, 기준 결정 성장으로부터 수집한 결정 인상 속도, 히터 (29) 에 공급된 전력, 및 결정 직경에 대한 데이터를 이용하여 회귀 분석하여, 채용된 열 및 질량 이송 모델에 대한 기준 변수를 생성한다. 단계 (63) 에서, 결정 성장 장치 (23) 를 제어하기 위한 기준 변수를 메모리에 기억시킨다. 단계 (64) 에서, 결정 (41) 의 성장에 대한 인상 속도 프로파일 및 모델 직경 프로파일 (뿐만 아니라 결정 회전 속도 및 도가니 회전 속도과 같은 다른 요하는 공정 제어 정보) 을 메모리에 기억시킨다. 단계 (65) 에서, 메모리에 기억된 정보에 응답하여 프로그램을 실행하여, 결정 (41) 의 성장 중에, 결정 (41) 과 용융체 (31) 사이의 계면에서 실질적으로 열평형을 유지하도록 저항 히터 (29) 에 공급된 전력을 나타내는 전력 프로파일을 결정한다. 본질적으로, 제어 유닛 (47) 은 기준 변수의 함수인 열 및 질량 전송모델을 사용하여 알고리즘을 실행하여, 특정한 인상 속도 프로파일 및 모델 직경 프로파일을 기초로 결정 성장 공정에 대한 전력 프로파일을 결정한다. 단계 (66) 에서, 메모리에 전력 프로파일을 기억시킨다. 단계 (67) 에서, 이 전력 프로파일을 사용한 제어 유닛 (47) 은, 히터 전원 (33) 을 조정함으로써 전력을 조종하고, 저항 히터 (29) 에 의해 용융체 (31) 에 공급된 열에너지를 조종하여 요하는 열평형 상태를 얻는다. 단계 (68) 에서, 제어 유닛 (47) 은 전력 프로파일에 따라서 히터 (29) 에 전력을 공급하는 히터 전원 (33) 을 조종하고, 인상 속도 프로파일에 따라서 결정 드라이브 유닛 (43) 을 조정하여 결정 (41) 을 성장시킨다.
일단 단계 (68) 이 끝나면, 결정 성장 공정이 완료된다. 메모리에 미리 기억된 기준 변수를 사용하여 고상 결정이 더 성장되도록, 다시 단계 (64) 내지 단계 (68) 를 뒤이어 진행할 수 있다. 선택적으로 사용된 기준 매개 변수들을 더 정련시키기 위해서 부과 단계 (69, 70 및 71) 를 행할 수 있다. 단계 (69) 에서, 단계 (68) 의 결정 성장 실행으로 부터 결정 인상 속도, 히터 (29) 에 공급된 전력, 및 결정 직경 데이터를 측정하여 수집한다. 단계 (70) 에서, 단계 (69) 의 데이터와 초기의 결정 성장 실행에 대해 수집된 일부 또는 모든 대응하는 데이터를 사용하여 회귀 분석하여, 열 및 질량 이송 모델에 대한 수정된 기준 변수를 생성한다. 단계 (71) 에서, 결정 성장 장치 (23) 를 제어하기 위해 수정된 기준 변수가 메모리에 기억되고, 이 수정된 기준 변수를 사용하여 단계 (64 내지 68) 가 반복된다.
동작시, 시스템 (21) 은 결정 성장 장치 (23) 를 사용한 실리콘 단결정의 성장을 자동적으로 제어하기 위한 개방 루프 제어 시스템을 제공한다. 이 시스템은, 폐루프 공정 제어 기술 또는 조작자 광범위한 개입 없이 제로 전위 상태, 개선된 직경, 및 일정한 성장율을 갖는 단결정 실리콘을 편리하게 제공한다. 주어진 특정 인상 속도 프로파일 및 모델 직경 프로파일, 열 및 질량 전속 모델은 결정 (41) 과 용융체 (31) 사이의 계면에서 열평형을 유지하는데 필요한 열에너지를 결정하는데 사용될 수 있다. 이 열 및 질량 전속 모델에 기초하여, 계면에서 열평형을 유지하기에 충분한 열에너지의 양을 도가니 (27) 에 공급하기 위해서, 히터 (29) 에 의해 요하는 전력에 대응하는 전력 프로파일을 생성할 수 있다. 제어 유닛 (47) 은 전력 프로파일에 따라서 저항 히터 (29) 에 전력을 제공하기 위해 히터 전원 (33) 을 제어하여, 계면에 열평형을 유지하기 위해서 용융체 (31) 에 공급하는 열에너지를 제어한다.
또 다른 실시예에서는 열 프로파일에 따라서 결정 성장 장치가 제어된다. 이 열 프로파일은 용융체 (31) 와 결정 (41) 사이의 계면에 열평형을 유지하기에 충분한 열에너지 (또는 열의 흐름) 가 도가니 (27) 에 공급된 양을 나타낸 것이다. 이 열 프로파일은 사용한 열 및 질량 이송 모델의 함수이다. 예를 들면, 이 열 및 질량 이송 모델은 상세하게 미리 설명된 모델일 수 있다. 또한, 이 모델은 상술한 바와 같이 기준 실리콘 단결정의 성장으로부터 결정된 하나 이상의 기준 변수의 함수이다. 이 실시예에서, 가열 장치는 진행된 결정 성장 중에 소정의 열 프로파일에 따라서 도가니 (27) 에 열을 공급하도록, 제어 유닛 (47) 에 의해 제어된다. 가열 장치가 히터 (29) 인 열 프로파일은 상술한 바와 같이 전력 프로파일로 채용되거나 변환되어질 수 있다. 가열 장치가 히터 (29) 인 열 프로파일 대신에 전력 프로파일의 사용은 도가니 (27) 에 공급된 열에너지를 제어하는 간편하고 더 편리한 방법이다.
여기서 개시된 본 발명은, 특히 여기서 개시된 열 및 질량 이송 모델에 한정되지 않는다. 열 및 질량 이송 모델이 시스템 (21) 의 열평형에 적당한 근사값 또는 시스템 (21) 의 요하는 부분을 제공하는 경우, 다른 열 및 질량 이송 모델이 채용될 수 있다. 기준 결정의 성장 중에 측정되고 회귀 분석 계산에 사용된 공정 변수들은 사용된 열 및 질량 이송 모델에 의존한다. 이들 공정 변수들은 결정 회전 속도 및 도가니 회전 속도 뿐만 아니라 결정 인상 속도, 히터 전력 및 결정 직경을 포함할 수 있지만 포함하지 않을 수도 있다.
이하 설명된 예들과 같이, 본 발명은 결정의 엔드콘의 성장을 위한 개방 루프 공정을 제공한다. 다른 이점들 중에서, 이 공정은 결정 처리량을 증가시키고, 제어 장치 및 결정 인상기 조작자의 요구를 줄이며, 일정한 인상 속도를 위해 결정의 열이력의 균일성을 향상시키기 위해 사용될 수 있다.
예1
특정한 핫-존 (HOT-ZONE) 설계를 갖는 결정 인상기에서 성장된 기준 결정에 대한 공정 변수들의 측정
페로플루이딕 모델 CZ150 결정 인상기를 사용하여 100 kg 의 폴리실리콘을 담고있는 직경 22 inch 의 도가니로부터 단실리콘 결정 (158 ㎜ 공칭 직경 및 1575 ㎜ 공칭 길이) 을 인상시켰다. 결정 바디의 성장 중에 약 0.40 ㎜/minute 내지 약 1.50 ㎜/minute 사이에 결정 인상 속도를 유지시켰다. 결정 바디의 성장 중에, 결정 및 도가니의 회전 속도를 각각, 약 10 rpm 내지 약 18 rpm 사이에, 및 1 rpm 내지 약 10 rpm 사이에 유지시켰다. 결정 바디의 성장 중에, 약 150 KW 내지 200 KW 사이에 히터에 공급된 전력을 유지시켰다. 결정 성장 공정 중에 종래 방법으로 인상 속도, 히터 전력, 결정 회전 속도 및 도가니 회전 속도를 연속적으로 측정하였고, 이 데이터를 수집하였다.
주괴의 길이가 약 1575 ㎜ 가 되는 경우, 엔드콘의 성장은 시작하였다. 엔드콘의 성장 중에, 결정 인상 속도를 약 0.5 ㎜/minute 내지 약 2.5 ㎜/minute 사이에 유지시켰고, 결정 및 도가니의 회전 속도를 각각 약 15 rpm 및 약 5.8 rpm 에 유지시켰으며, 히터에 공급된 전력을 약 160 KW 내지 220 KW 사이에 유지시켰다. 엔드콘을 성공적으로 성장시켜 엔드콘의 길이가 약 170 ㎜ 에 이를 때 용융된 실리콘으로부터 분리시킨다. 결정의 성장 중에 인상 속도, 히터에 공급되는 전력, 결정 및 도가니 회전 속도를 연속적으로 모니터하였다. 도 3 내지 도 6 은 각각 엔드콘의 성장중에 측정한 결정 인상 속도 증가 프로파일, 히터 전력 증가 프로파일, 결정 회전 속도 프로파일, 및 도가니 회전 속도 프로파일을 나타낸 것이다. 도 7 (a) 에 생성된 엔드콘의 이미지가 나타나 있다. 도 7 (a) 의 이미지의 이미지 분석을 사용하여, 엔드콘의 직경 프로파일을 결정하였다. 직경 프로파일을 도 8 에 나타내었다.
예 2
결정 인상기에 대한 전력 프로파일의 결정
이 응용에서는 마이크로소프트 엑셀 5.0 회귀 분석 툴-팩을 사용하여 앞에서 미리 설정한 열 및 질량 이송 모델의 식을 풀며, 이 식은 상기 수학식 7,
으로 주어지며,
여기서, 변수들의 값 a, b, c, d 및 e 는 예 1 의 공정에 따라서 기준 결정의 성장으로부터 측정된 인상 속도, 히터에 공급된 전력, 및 결정 직경 값들을 기초하여 다음과 같이 계산하였다.
a = 211.1
b = -4.791 ×10-6
c = 3.886 ×10-4
d = 7.118 ×10-4
e = 0.1388
이들 기준 변수들, 도 3 의 인상 속도 증가 프로파일 및 도 8 에 나타낸 모델직경 프로파일에 기초하여, 수학식 (7) 을 풀어서 도 4 의 히터 전력 증가 프로파일을 생성하였다.
예 3
결정 인상기에 의해 결정된 전력 프로파일을 사용한 엔드콘의 성장
예 1 에서 사용된 페로플로이딕 모델 CZ150 호의 결정 인상기를 사용하여 100 kg 의 폴리실리콘 충전을 담은 직경 22 inch 의 도가니로부터 단실리콘 결정 (158 ㎜ 공칭 직경 및 1575 ㎜ 공칭 길이) 을 인상시켰다. 결정 바디의 성장 동안에, 약 0.4 ㎜/minute 와 약 1.50 ㎜/minute 사이에 결정 인상 속도를 유지시켰다. 결정 및 엔드콘의 성장 중에, 결정 및 도가니의 회전 속도를전력 속도 rpm 내지 약 18 rpm 사이에, 및 1 rpm 내지 약 10 rpm 사이에 유지시켰다. 결정 바디의 성장 중에, 약 150 KW 및 약 200 KW 사이에 히터에 공급된 전력을 유지시켰다.
결정 길이가 약 1575 ㎜ 에서, 엔드콘의 성장은 시작하였다. 결정 엔드콘의 성장 중에 (도 4 에 나타낸 히터 전력 증가 프로파일과 함께) 예 2 에서 계산된 히터 전력 프로파일에 따라서 히터에 공급된 전력을 제어하였으며, 도 3 에 나타낸 인상 속도 증가 프로파일에 따라서 인상 속도를 제어하였다. 엔드콘을 성공적으로 성장시켜 엔드콘의 길이가 약 170 ㎜ 에 이를 때 실리콘 용융체로부터 분리하였다. 도 3 내지 도 6 은 각각 엔드콘의 성장에 대한 결정 인상 속도 증가 프로파일, 히터 전력 증가 프로파일, 결정 회전 속도 프로파일, 및 도가니 회전 속도 프로파일을 나타낸다. 생성된 엔드콘의 이미지를 도 7 (b) 에 도시되어 있다. 도 7 (b) 의 이미지의 이미지 분석을 사용하여, 엔드콘의 직경 프로파일이 결정하였다. 직경 프로파일을 도 8 에 나타내었다.
본 발명의 특정 예들과 응용을 설명하였지만, 그것이 본 발명의 전부를 기술하거나 또는 본 발명에 한정하려는 것이 아니다. 도시 및 설명한 예들은 다른 당업자에게 본 발명과 그것의 원리 및 실질적 응용을 알려서 다른 당업자들이 특정한 사용 조건에 따라 다양한 형태로 최적화 시키면서 본 발명을 변경하고 적용할 수 있도록 한 것이다. 이상과 같이, 본 발명의 여러 목적을 달성하고 다른 우수한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고 상술한 구성 및 공정은 다양하게 변경할 수 있기 때문에, 상술한 설명 또는 첨부한 도면에 도시된 모든 내용을 예시한 것으로 한정하려는 것이 아니다.

Claims (20)

  1. 실리콘을 충전하는 도가니, 그 도가니 내에서 실리콘을 용융시켜 용융체를 형성하고 그로부터 단결정을 인상하는 히터를 가지며 상기 단결정은 용융체와 계면을 형성하는, 실리콘 단결정을 성장하는 장치와 함께 사용하기 위한 개방 루프 제어 방법으로서,
    도가니에 충전된 실리콘 양에 기초하여 용융체와 결정 사이의 계면에서 열평형에 근접한 열 및 질량 이송 모델을 결정하는 단계;
    용융체와 결정체 사이의 계면에 열 평형을 실질적으로 유지하기에 충분한 열에너지의 양을 도가니에 공급하기 위해 히터에 의해 요하는 전력의 양을 나타내는 전력 프로파일을 생성하는 단계; 및
    상기 전력 프로파일에 따라서 히터에 공급되는 전력을 조정함으로써, 실리콘 단결정의 적어도 일부분의 성장 동안에 결정 성장 장치들을 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 모델은 기준 실리콘 단결정의 성장으로부터 구한 공정 변수 데이타로부터 결정되는 하나 이상의 기준 변수들의 함수이며,
    상기 전력 프로파일은 시간에 대한 열 및 질량 이송 모델의 함수인 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단결정 실리콘의 일부분의 성장은 자동적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    메모리로부터 기준 변수들을 복구하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    초프랄스키 방법에 따라서 기준 실리콘 단결정을 성장시키는 단계;
    상기 기준 실리콘 단결정의 성장으로부터 하나 이상의 공정 변수들을 측정하는 단계; 및
    측정된 공정 변수들의 함수로서 기준 변수들을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 측정된 공정 변수들은 결정 인상 속도, 히터에 공급된 전력 및 결정 직경으로 이루어지는 군중에서 하나 이상의 구성 인자를 포함하는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    기준 실리콘 단결정의 엔드콘에 대한 결정 직경 프로파일은 이미지 분석에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 및 질량 이송 모델은 다음의 수학식,
    을 포함하며,
    여기서, HI는 히터에 의해 도가니에 공급된 열에너지,
    a,b,c,d, 및 e 는 독립적인 기준 변수들,
    vp는 순간 결정 인상 속도,
    L 은 결정의 순간 길이,
    Φ는 계면에서 결정의 직경,
    t 는 순간 시간,
    t0 는 결정의 성장이 시작되는 시간, 및
    dt 는 시간 미분이며, 그리고
    상기 전력 프로파일은 시간에 대한 HI의 함수인 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    계수 a,b,c,d, 및 e 는 기준 변수들을 포함하고, 기준 실리콘 단결정의 일부분의 성장으로부터 측정한 하나 이상의 공정 변수들을 기초하여 회귀 분석을 통하여 결정되는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 공정 변수들은 결정 인상 속도, 히터에 공급된 전력 및 결정 직경으로 이루어지는 군중에서 하나 이상의 구성 인자를 포함하는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 기준 실리콘 단결정의 적어도 일부분에 대한 결정 직경 프로파일은 이미지 분석에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 기준 실리콘 단결정은 제 1 결정 회전 속도 프로파일 및 제 1 도가니 회전 속도 프로파일에 따라서 성장되고,
    상기 실리콘 단결정은 전력 프로파일, 제 2 결정 회전 속도 프로파일, 및 제 2 도가니 회전 속도 프로파일에 따라서 성장되며,
    상기 제 1 결정 회전 속도 프로파일은 대응하는 제 2 결정 회전 속도 프로파일로부터 약 15 % 보다 작게 변화하고, 및
    상기 제 1 도가니 회전 속도 프로파일은 대응하는 제 2 도가니 회전 속도 프로파일로부터 약 15 % 보다 작게 변화하는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  12. 제 1 항에 있어서,
    인상 속도 프로파일에 따라서 용융체로부터 결정을 인상하는 속도를 조정함으로써 실리콘 단결정의 적어도 일부분의 성장 동안에 결정 성장 장치를 제어하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정 성장 장치는 실리콘 단결정의 본체상의 엔드콘의 성장 동안에 전력 프로파일에 따라서 히터에 공급되는 전력을 조정함으로써 제어되는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 결정상에 성장된 엔드콘은 약 450 ㎜ 보다 작은 축방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 결정의 본체상에 성장된 엔드콘의 중량은 동일한 축방향 길이의 본체의 중량의 약 40 % 보다 작은 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 결정은 약 200 ㎜ 보다 큰 평균 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
  17. 초크랄스키 방법에 따라서 반도체 결정을 성장시키는 장치로서,
    반도체를 담은 도가니;
    반도체를 용융하여 용융체를 형성하는 히터;
    도가니에 있는 용융체로부터 반도체 결정을 인상하는 결정 인상기 장치; 및
    시간에 대한 열 및 질량 이송 모델의 함수로서 전력 프로파일을 결정하는 제어 회로를 구비하되,
    상기 열 및 질량 이송 모델은 도가니에 충전된 반도체 양에 기초하여, 용융체와 결정 사이의 계면에서 열평형에 근접하고,
    상기 열 및 질량 이송 모델은 기준 반도체 단결정의 성장으로부터 결정된 하나 이상의 기준 변수들의 함수이며,
    상기 전력 프로파일은 용융체와 결정 사이의 계면에서 열평형을 실질적으로 유지하기에 충분한 열에너지의 양을 도가니에 공급하기 위해 히터에 의해 요하는 전력양을 나타내고, 및
    상기 히터는 상기 전력 프로파일에 따라서 용융체에 열 에너지를 제공하기 위해 제어 회로에 응답하는 것을 특징으로 하는 반도체 결정 성장 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 기준 변수는 기준 반도체 결정의 성장으로부터 측정한 하나 이상의 공정 변수의 함수로서 결정되는 것을 특징으로 하는 반도체 결정 성장 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 반도체는 실리콘인 것을 특징으로 하는 반도체 결정 성장 장치.
  20. 실리콘을 충전하는 도가니, 그 도가니 내에서 실리콘을 용융시켜 용융체를 형성하고 그로부터 단결정을 인상하는 히터를 가지며 상기 단결정은 용융체와 계면을 형성하는, 실리콘 단결정을 성장하는 장치와 함께 사용하기 위한 개방 루프 제어 방법으로서,
    도가니에 충전된 실리콘 양에 기초하여 용융체와 결정 사이의 계면에서 열평형에 근접한 열 및 질량 이송 모델을 결정하는 단계;
    용융체와 결정 사이의 계면에서 열평형을 실질적으로 유지하기에 충분한 도가니에 공급하는 열에너지의 양을 나타내는 열 프로파일을 생성하는 단계;
    상기 열 프로파일에 따라서 도가니에 공급되는 열을 조정함으로써, 실리콘 단결정의 적어도 일부분의 성장 동안에 결정 성장 장치를 제어하는 단계; 및
    인상 속도 프로파일에 따라서 용융체로 부터 결정을 인상하는 속도를 조정함으로써 실리콘 단결정의 적어도 일부분의 성장 동안에 결정 성장 장치를 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 모델은 기준 실리콘 단결정의 성장으로부터 구한 공정 변수 데이타로부터 결정되는 하나 이상의 기준 변수들의 함수이며,
    상기 열 프로파일은 시간에 대한 열 및 질량 이송 모델의 함수인 것을 특징으로 하는 개방 루프 제어 방법.
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Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6776840B1 (en) * 1999-03-22 2004-08-17 Memc Electronic Materials, Inc. Method and apparatus for controlling diameter of a silicon crystal in a locked seed lift growth process
US6241818B1 (en) * 1999-04-07 2001-06-05 Memc Electronic Materials, Inc. Method and system of controlling taper growth in a semiconductor crystal growth process
US6203611B1 (en) * 1999-10-19 2001-03-20 Memc Electronic Materials, Inc. Method of controlling growth of a semiconductor crystal to automatically transition from taper growth to target diameter growth
US20030033972A1 (en) * 2001-08-15 2003-02-20 Memc Electronic Materials, Inc. Controlled crown growth process for czochralski single crystal silicon
US20060074919A1 (en) * 2004-08-12 2006-04-06 Grover Sunil K Searching industrial component data, building industry networks, and generating and tracking design opportunities
JP5047227B2 (ja) * 2009-05-27 2012-10-10 ジャパンスーパークォーツ株式会社 シリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶引き上げ装置
CN104514030B (zh) * 2013-09-29 2017-01-04 内蒙古恒嘉晶体材料有限公司 晶体生长速度检测方法、控制方法及系统
CN103834991A (zh) * 2014-03-10 2014-06-04 马鞍山明鑫电气科技有限公司 无温度信号处理开环式功率自控晶体生长控制方法
CN104404616B (zh) * 2014-11-26 2017-02-22 元亮科技有限公司 蓝宝石单晶生长plc闭环控制方法
DE102016219605A1 (de) * 2016-10-10 2018-04-12 Siltronic Ag Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Halbleitermaterial aus einer Schmelze, die in einem Tiegel enthalten ist
JP6281884B1 (ja) * 2016-10-28 2018-02-21 株式会社レゾネスト 機械制御装置、機械制御プログラムおよび機械制御方法
JP6604338B2 (ja) * 2017-01-05 2019-11-13 株式会社Ｓｕｍｃｏ シリコン単結晶の引き上げ条件演算プログラム、シリコン単結晶のホットゾーンの改良方法、およびシリコン単結晶の育成方法
CN111033409B (zh) * 2017-10-24 2023-05-02 三菱重工业株式会社 成套设备的状态显示装置以及成套设备的状态显示方法
US11774925B2 (en) * 2018-11-05 2023-10-03 Johnson Controls Tyco IP Holdings LLP Building management system with device twinning, communication connection validation, and block chain
CN112080794B (zh) * 2020-04-20 2022-10-21 徐州鑫晶半导体科技有限公司 用于晶体生长过程中温度控制的方法和系统
CN112323141A (zh) * 2020-11-03 2021-02-05 上海新昇半导体科技有限公司 单晶生长方法及单晶生长设备

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3617392A (en) * 1968-10-29 1971-11-02 Semimetals Inc Power control for crystal growing
US3761692A (en) * 1971-10-01 1973-09-25 Texas Instruments Inc Automated crystal pulling system
GB1434527A (en) * 1972-09-08 1976-05-05 Secr Defence Growth of crystalline material
US4710258A (en) * 1984-11-30 1987-12-01 General Signal Corporation System for controlling the diameter of a crystal in a crystal growing furnace
JPS63242991A (ja) * 1987-03-31 1988-10-07 Shin Etsu Handotai Co Ltd 結晶径制御方法
JPS63307186A (ja) * 1987-06-05 1988-12-14 Shin Etsu Handotai Co Ltd 晶出結晶径制御装置
US4822449A (en) * 1987-06-10 1989-04-18 Massachusetts Institute Of Technology Heat transfer control during crystal growth
US4857278A (en) * 1987-07-13 1989-08-15 Massachusetts Institute Of Technology Control system for the czochralski process
US4971652A (en) * 1989-12-18 1990-11-20 General Electric Company Method and apparatus for crystal growth control
JPH0777996B2 (ja) * 1990-10-12 1995-08-23 信越半導体株式会社 コーン部育成制御方法及び装置
JPH0717475B2 (ja) * 1991-02-14 1995-03-01 信越半導体株式会社 単結晶ネック部育成自動制御方法
US5408952A (en) * 1991-04-26 1995-04-25 Mitsubishi Materials Corporation Single crystal growth method
US5486129A (en) * 1993-08-25 1996-01-23 Micron Technology, Inc. System and method for real-time control of semiconductor a wafer polishing, and a polishing head
US5653799A (en) * 1995-06-02 1997-08-05 Memc Electronic Materials, Inc. Method for controlling growth of a silicon crystal
JP3128795B2 (ja) * 1995-06-09 2001-01-29 信越半導体株式会社 チョクラルスキー法による結晶製造装置および製造方法
US5858086A (en) * 1996-10-17 1999-01-12 Hunter; Charles Eric Growth of bulk single crystals of aluminum nitride
US5846318A (en) * 1997-07-17 1998-12-08 Memc Electric Materials, Inc. Method and system for controlling growth of a silicon crystal

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