KR20010105416A - 반도체 결정 성장 공정에서 테이퍼 성장을 제어하는 방법및 시스템 - Google Patents

반도체 결정 성장 공정에서 테이퍼 성장을 제어하는 방법및 시스템 Download PDF

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헨넬리 헬렌 에프
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Abstract

테이퍼의 기울기에 기초하여 반도체 단결정의 테이퍼 부분의 성장을 제어하는 방법 및 시스템.
결정 드라이브 유닛이 테이퍼를 성장시키기 위한 초기 속도 프로파일을 거의 따르는 목표 풀링 속도에서 용융체로부터 결정을 풀링(pulling)한다. 컨트롤러는 결정 길이에서의 변화와 관련된 결정 직경에 관한 함수로서, 테이퍼 기울기 측정치를 계산한다. 그 다음에, 컨트롤러는, 테이퍼 기울기 측정치와 목표 테이퍼 기울기 사이의 차이에 관한 함수로서 에러 신호를 발생하고, 에러 신호 관한 함수로서 결정 드라이브 유닛에 풀링 속도 보정을 제공한다. 이에 응하여, 결정 드라이브 유닛은 풀링 속도 보정에 따라 풀링 속도를 조정하여, 테이퍼 기울기 측정치와 목표 테이퍼 기울기 사이의 차이를 감소시킨다. 목표 테이퍼 기울기는 통상 지수 성분과 통상 선형 성분을 포함하는 함수로 정의된다.

Description

반도체 결정 성장 공정에서 테이퍼 성장을 제어하는 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM OF CONTROLLING TAPER GROWTH IN A SEMICONDUCTOR CRYSTAL GROWTH PROCESS}
본 발명은 일반적으로, 전자 부품의 제조에 사용되는 단결정 반도체들의 성장 공정 제어의 개선에 관한 것으로, 특히 쵸크랄스키 결정 성장 공정에 테이퍼 성장을 정확히 제어하기 위한 폐루프 방법과 시스템에 관한 것이다.
반도체 전자 부품들을 제조하는 대부분의 공정들에 있서 개시재료는 단결정인 실리콘이다. 쵸크랄스키 공정을 이용하는 결정 풀링 장치는 많은 단결정 실리콘을 생산한다. 간단히 설명하면, 쵸크랄스키 공정은 특별히 설계된 용융로의 석영 도가니 안에서 고순도의 다결정 실리콘 충전물을 용융하는 단계를 포함한다. 가열된 도가니가 실리콘 충전물을 용융시킨 후에, 결정 리프팅 기구는 결정핵을 하강시켜 용융 실리콘과 접촉시킨다. 그런 다음, 그 기구는 결정핵을 후퇴시켜, 실리콘 용융체로부터 성장 결정을 풀링한다.
결정의 네크(crystal neck)의 형성 후에, 일반적인 공정은, 바람직한 직경에 도달할 때까지 풀링 속도 및/ 또는 용융체 온도를 감소시킴으로써 성장 결정의 지름을 확장시킨다. 감소하는 용융체 레벨을 보상하면서, 풀링 속도와 용융 온도를 제어함으로써, 거의 일정한 직경(통상 원통형)을 갖도록 결정의 주 몸체를 성장시킨다. 성장 공정의 거의 말기에서 도가니에서 용융 실리콘이 비워지기 전에, 상기 공정은 결정의 지름을 점차 감소시켜 결정의 단부를 원뿔형 단부로 형성한다. 통상, 원뿔형 단부는 결정의 풀링 속도 및 도가니에 공급되는 열을 증가시킴으로써 형성된다. 결정의 직경이 충분히 작아지면, 결정을 용융 실리콘으로부터 분리시킨다. 성장 공정 동안에, 도가니는 용융체를 한 방향으로 회전시키고, 결정 리프팅 기구는 결정핵과 결정과 함께 풀링 케이블 또는 샤프트를 반대방향으로 회전시킨다.
현재 이용되고 있는 쵸크랄스키 성장 공정들은 다양하고 폭넓은 적용에 유용한 단결정 실리콘을 성장시키는 데에 만족스럽게 이용되었지만, 그 이상의 개선점들이 여전히 요청되고 있다. 예를 들면, 재현 가능성 있고, 일관성 있는 결정핵 테이퍼 단부 형상은 최대 열적 스트레스의 일정한 값, 초기 몸체 성장에서의 일정한 열전달 및 직경 측정 시스템의 개선된 신뢰성을 유지하는 것을 촉진시킨다. 이러한 이유로, 테이퍼의 일관성과 재현성을 개선하기 위하여, 테이퍼를 반복가능한 형상으로 성장시키는 테이퍼 성장 제어가 요구된다.
종래의 테이퍼 성장 제어는 종종 용융체로 공급되는 열을 시행착오법에 의해 제어하는 것을 포함한다. 다른 형태로는, 미리 설정된 온도 프로필(즉, 목표 온도에 대한 테이퍼 직경)에 기초하여 주어진 측정 온도를 제어하는 방법과 같은 제어 방법에 의해 열을 제어한다. 여기에 참조한 미국특허 제 5,223,078 호 및 미국특허 제 4,973,377 호는 종래의 테이퍼 성장 제어를 개시하고 있다.
예를 들면, Maeda 등의 미국특허 제 5,223,078 호는 결정핵(즉, 테이퍼)에접해 있는 결정의 원뿔 부분의 성장을 제어하는 방법을 교시한다. 이 방법은 테이퍼의 성장 동안에 빈번한 측정과 공정 변수들의 조정을 요한다. Maeda 방법에서 용융체 온도와 성장중인 결정의 테이퍼 직경을 측정한다. 직경의 변화율을 계산하고, 측정한 온도와 함께 이 변화율을 미리 설정된 목표 온도의 값 및 변화율의 값과 비교한다. 그 후, 목표 온도 데이터 파일과 목표 직경 변화율 데이터 파일로부터 기존의 데이터에 기초하여, 목표 온도를 다시 결정한다. 그 후, 히터에 공급되는 전기량은 비례-적분-미분(PID) 컨트롤러 의해 제어하여, 수정된 목표 온도를 달성한다. Maeda 등은 이러한 방법으로 테이퍼의 길이를 가능한 한 짧게 제조하려고 시도한다.
카추오카 등의 미국특허 제 4,973,377 호는 용융체 온도와 도가니의 회전속도를 제어함으로써 테이퍼의 직경을 제어하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법에서는, 도가니 회전속도의 제어범위는, 테이퍼 부분의 직경이 결정의 몸체 부분의 직경에 가깝게 접근함에 따라 협소해지고, 몸체 부분이 성장하는 동안에는 일정하게 된다.
그러나, 이러한 방법들은 전적으로 만족스러운 것은 아니다. 미국특허 제 5,223,078 호에서는, 용융 온도를 제어하기 위한 부차적인 피드백으로서 방사 온도조절법을 사용함을 알 수 있다. 이 방법은 시도되었으나, 예를 들면 기계장치의 셋업 동안에 간헐적인 고온측정 방해, 방사 시각 경로에서의 SiO 의 축적 및 장치로부터 장치에 이르는 고온 측정 이득에서의 차이 등에 의하여 실패했다. 이 온도 제어 방법에 더하여, 미국특허 제 4,973,377 호는 도가니의 회전속도를 조정하여 용융 온도를 조정하는 방법을 교시하고 있다. 도가니 회전 속도의 조정은 용융체의 방사 방향 흐름의 속도를 변화시킴으로써, 추가적인 제어 역학원리들을 유발시켜 잠재적으로 직경 제어를 불안정하게 한다. 또한, 도가니의 회전의 변경은 도가니 벽의 용융체 내의 산소의 확산층 두께를 변화시키므로, 도가니의 회전 속도를 조정하는 것은 또한 결정에 포함된 산소 함유량을 조정할 것이다. 산소함량의 제어는 통상 소비자의 지시사항이므로, 테이퍼의 형상을 조정하기 위해 산소 함유량을 조정하는 것은 바람직하지 않다. 이와 반대로, 산소 농도의 조정과 무관하게 테이퍼의 형상을 제어하는 것은 바람직하다. 또한, 상기 특허들로부터 알 수 있는 제어 기술들은 적당한 테이퍼 성장의 재현성을 제공하지 못한다.
이러한 이유로, 테이퍼 성장을 제어하는 방법 및 시스템은 풀링 속도의 조정과 결합된 미리 설정된 온도 프로파일을 관련시켜, 테이퍼의 일관성과 재현성을 개선시키기 위해, 테이퍼를 재현 가능한 형상으로 성장시키는 테이퍼 성장 제어를 제공하는 것이 바람직하다.
발명의 개요
본 발명은, 개선된 제어와 조작의 방법 및 시스템을 제공함으로써 상기의 요구들을 만족시키고, 종래 기술의 단점들을 극복한 것이다. 본 발명의 몇가지 목적 및 특징은 성장 결정의 테이퍼 부분을 반복 가능한 형태로 성장시키는 방법 및 시스템, 테이퍼 성장 동안에 최대 열 스트레스의 값을 일정하게 유지시키는 방법 및 시스템, 초기 몸체의 성장에서 일정한 열적 전달을 유지시키는 방법 및 시스템, 및 효율적이고 경제적으로 수행할 수 있는 방법 및 경제적으로는 실시 가능하며 상용 가능한 시스템을 제공하는 것이다.
간략히 설명하면, 본 발명의 특징들을 구현하는 방법은 반도체 단결정을 쵸크랄스키 공정에 따라 성장시키는 장치와 결합하여 사용하기 위한 것이다. 상기의 장치는, 용융체로부터 풀링되는 결정핵에서 결정이 성장하는 반도체 용융체을 수용하는 가열된 도가니를 갖는다. 상기의 방법은 결정의 테이퍼 부분을 성장시키기 위한 초기속도 프로파일을 거의 따르는 목표 풀링 속도에서, 용융체로부터 결정을 풀링하는 단계를 포함한다. 또한, 상기의 방법은 결정의 테이퍼 부분의 기울기를 측정하는 단계 및 목표 테이퍼의 기울기를 정의하는 단계들을 포함한다.
측정된 테이퍼 기울기는, 결정의 테이퍼 부분의 풀링 동안 결정 길이의 변화에 대한 결정 직경의 변화의 함수이다. 또한, 이 방법은 측정된 테이퍼 기울기와 목표 테이퍼 기울기 사이의 차이의 함수로서 에러 신호를 발생시키는 단계, 에러 신호의 함수로서 풀링 속도를 조정하여, 측정된 테이퍼 기울기와 목표 테이퍼 기울기 사이의 차이가 감소되도록 하는 단계 및 조정된 풀링 속도에서 용융체로부터 결정을 풀링하는 단계를 더 포함한다. 이러한 방식으로, 상기의 방법은 결정의 테이퍼 부분의 측정된 기울기를 변화시켜 결정의 성장을 제어한다.
통상, 본 발명의 또 다른 형태는 쵸크랄스키 공정에 따라 반도체 단결정을 성장시키는 장치와 결합하여 사용하기 위한 시스템이다. 상기의 장치는, 결정 드라이브 유닛에 의해 용융체로부터 풀링되는 결정핵에서 결정이 성장되는, 반도체 용융체을 담고 있는 가열된 도가니를 갖는다. 상기의 시스템은 결정의 테이퍼부분을 성장시키기 위한 초기 속도 프로파일을 저장하고, 목표 테이퍼 기울기를 저장하는 기억 장치를 포함한다. 결정 드라이브 유닛은 속도 프로파일을 거의 따르는 목표 풀링 속도에서 용융체로부터 결정을 풀링한다. 또한, 상기 시스템은 결정의 테이퍼 부분의 풀링 동안에 결정의 직경과 결정의 길이를 나타내는 정보를 수신하고 이에 응답하는 컨트롤러를 포함한다. 컨트롤러는 결정 길이의 변화에 따른 결정 직경의 변화의 함수로서 테이퍼 기울기 측정치를 계산한다. 또한, 컨트롤러는 테이퍼 기울기 측정치와 목표 테이퍼 기울기간의 차이의 함수로서 에러 신호를 발생하고, 그 에러 신호의 함수로서, 결정 드라이브 유닛에 풀링 속도의 보정을 제공한다. 결정 드라이브 유닛은 풀링 속도 보정에 따라 풀링 속도를 조정하여, 테이퍼 기울기 측정치와 목표 테이퍼 기울기의 차이를 감소시킨다. 이러한 방법으로, 시스템은 테이퍼의 기울기에 기초하여 결정의 테이퍼 부분의 성장을 제어한다.
본 발명은 상기한 바와 달리 여러 가지 다른 방법들과 시스템들을 포함할 수 있다.
이하 다른 목적들과 특징들을 일부 설명하고, 일부 지적될 것이다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 결정 성장 장치 를 제어하기 위한 결정의 성장 기구와 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2 는 도 1 의 시스템의 제어 유닛의 블록도를 나타내는 도면이다.
도 3 은 도 1 의 결정 성장 장치 에 수용된 용융체로부터 풀링되는 반도체결정의 테이퍼 성장을 나타낸 부분 측면도이다.
도 4 는 테이퍼 기울기를 결정 직경의 함수로서 나타내는 바람직한 테이퍼 기울기 프로파일 θ(D)의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 4의 테이퍼 기울기 프로파일 θ(D)에 따른 결정 성장 공정의 제어를 나타내는 블록도를 나타내는 도면이다.
이하, 도 1을 참조하면, 통상 11 로 지시된 시스템은 13 으로 지시된 쵸크랄스키 결정 성장 장치와 함께 사용하기 위한 것이다. 결정 성장 장치 (13) 의 상세한 구조는 당업자에게 잘 알려져 있다. 통상, 결정 성장 장치 (13) 은 도가니 (19) 를 둘러싸는 진공 챔버 (15) 를 포함한다. 저항 히터 (21) 등의 가열 수단이 도가니 (19) 를 둘러싼다. 일 실시예에서는, 절연체 (23) 가 진공 챔버 (15) 의 내벽에 정렬되고, 물이 공급된 챔버 냉각 잭킷(도면에 미도시)이 절연체를 둘러싼다. 아르곤 가스와 같은 불활성 기체가 진공 챔버에 공급됨에 따라, 진공 펌프(도면에 미도시)는 통상 진공 챔버 (15) 로부터 가스를 제거한다.
쵸크랄스키 단결정 성장 공정에 따르면, 일정 양의 다결정 실리콘은 도가니 (19) 에 충전된다. 히터 전력 공급장치 (27) 는 저항 히터 (21) 를 통해 전류를 공급하여 충전물을 용융시켜, 단결정 (31) 이 풀링되는 용융 실리콘 (29) 을 형성한다. 종래 기술에서 알려진 바와 같이 단결정 (31) 은 풀 샤프트(pull shaft) 또는 케이블 (37) 에 부착된 결정핵 (35) 으로 시작된다. 도 1에서 나타난 바와 같이, 단결정 (31) 과 도가니 (19) 는 통상 공통 대칭축 (39) 을갖는다. 케이블 (37) 의 일 단부는 드럼(도면에 미도시)에 연결되고, 타 단부은, 결정핵 (35) 과 결정핵으로부터 성장된 결정 (31) 을 지지시키는 척(chuck)(도면에 미도시)에 연결된다.
가열과 결정의 풀링 동안, 도가니 드라이브 유닛 (43) 은 도가니 (19) 를 (예를 들면, 시계 방향으로) 회전시킨다. 또한, 도가니 드라이브 유닛 (43) 은 성장 공정 동안 필요한 때에 도가니 (19) 를 상,하강시킨다. 예를 들면, 도가니 드라이브 유닛 (43) 은, 용융체 (29) 이 고갈됨에 따라서, 도면 부호 (45) 로 표시되는 용융체의 레벨을 바람직한 높이로 유지하도록, 도가니 (19) 를 상승시킨다. 결정 드리이브 유닛 (47) 은 마찬가지로 도가니 드라이브 유닛 (43) 이 도가니 (19) 를 회전시키는 방향과 반대 방향으로 케이블 (37) 을 회전시킨다. 또한, 결정 드라이브 유닛 (47) 은 성장 공정 동안 필요에 따라서, 용융체의 레벨 (45) 에 대한 결정 (31) 을 상,하강시킨다.
일 실시예에서, 결정 성장 장치 (13) 는, 도가니 (19) 에 수용되어 있는 용융체 (29) 인 용융 실리콘에 거의 접할 정도로 결정핵을 하강시킴으로써, 결정핵 (35) 을 예열시킨다. 예열 후에, 결정 드라이브 유닛 (47) 은 용융체의 레벨 (45) 에서 용융체과 접하도록 케이블 (37) 을 통하여 결정핵 (35) 을 계속 하강시킨다. 결정핵 (35) 이 용융됨에 따라, 결정 드라이브 유닛 (47) 은 용융체 (29) 로부터 천천히 후퇴시키거나 풀링된다. 결정핵을 후퇴시킴으로써, 결정핵 (35) 이 용융체 (29) 로부터 실리콘을 당겨, 실리콘 단결정 (31) 을 성장시키게 된다. 결정 드라이브 유닛은 (47) 은 결정 (31) 을 용융체 (29) 로부터 풀링할때, 결정 (37) 을 기준 속도로 회전시킨다. 이와 유사하게, 도가니 드라이브 유닛 (43) 은 마찬가지로 도가니 (19) 를 또다른 기준 속도로 회전시키지만, 일반적으로 결정 (31) 과 반대 방향으로 회전시킨다.
제어 유닛 (51) 은 풀링 속도와 전력 공급장치 (27) 가 히터 (21) 에 공급하는 전력을 제어하여, 결정 (31) 의 네크 다운(neck down)이 일어나게 한다. 바람직하게는, 결정핵 (35) 이 용융체 (29) 로부터 풀링됨에 따라, 결정 성장 장치 (13) 는 결정의 네크을 거의 일정한 직경으로 성장시킨다. 예를 들면, 제어 유닛 (51) 은 네크의 직경을 바람직한 몸체 직경의 약 5퍼센트로 거의 일정하게 유지시킨다. 네크가 바람직한 길이에 도달한 후에, 제어 유닛 (51) 이 회전, 풀링 및/또는 가열 변수들을 조정하여, 바람직한 결정 몸체의 직경에 도달할 때까지 결정 (31) 의 직경을 원뿔 모양으로 증가시킨다. 예를 들면, 제어 유닛 (51) 은 풀링 속도를 감소시켜, 일반적으로 결정의 테이퍼라 지칭되는, 외부로 벌어지는 영역을 만든다.
일단 바람직한 결정 직경에 도달하면, 공정이 종료할 때까지, 제어 유닛 (51) 은 성장 변수들을 제어하여 시스템 (11) 에 의해 측정된 직경을 비교적 일정하게 유지한다. 그 때, 직경을 감소시키기 위해 풀링 속도와 가열을 보통 증가시켜, 단결정 (31) 의 단부에 테이퍼 부분을 형성한다. 여기서 참조로 포함된, 공동 양수된 미국특허 제 5,178,720 호는 결정과 도가니의 회전 속도를 결정 직경의 함수로서 제어하는 하나의 바람직한 방법을 개시한다.
바람직하게는, 제어 유닛 (51) 을 하나 이상의 2차원 카메라 (53) 와 결합하여 동작하여, 용융 레벨 (45) 을 포함하는 성장 공정에 관한 복수의 변수를 결정한다. 카메라 (53) 가 챔버 (15) 의 뷰포트(도면에 미도시) 위에 설치되고, 일반적으로 종축 (39) 과 용융체 레벨 (45) (도 3을 참조)의 교차점에 조준된다. 여기에 참조로 포함된, 공동 양수된 미국특허 제 5,882,402 호, 미국특허 제 5,846,318 호, 미국특허 제 5,665,159 호 및 미국특허 제 5,653,799 호는 결정 직경을 포함한 정확하고 신뢰할 수 있는, 다수의 결정 성장 변수들의 측정치들을 제공한다. 이들 특허에서, 직경들을 결정하기 위해, 이미지 프로세서는 카메라 (53) 로부터 용융 결정 인터페이스의 이미지들을 처리한다..
카메라 (53) 로부터의 신호를 처리하는 것에 추가하여, 제어 유닛 (51) 은 다른 센서로부터의 신호들을 처리한다. 예를 들면, 포토 셀 등의 온도 센서 (59) 는 용융체의 표면 온도를 측정하기 위해 사용된다.
도 2는 제어 유닛 (51) 의 바람직한 실시예를 블록도의 형태로 나타낸다. 제어 유닛 (51) 은 특히 도가니 드라이브 유닛 (43), 단결정 드라이브 유닛 (47) 및 히터 전원 공급 기구 (27) 를 카메라 (53) 와 다른 센서로부터의 처리된 신호들의 함수로서 제어하는데 사용하기 위한, 프로그램된 디지탈 또는 아날로그 컴퓨터 (61) 를 포함한다. 도 2에서 나타난 바와 같이, 프로그램 가능한 논리 제어기 (PLC) (63) 은 컴퓨터 (61) 와 라인 (67) (예를 들면, RS-232 케이블)을 통하여 통신하고, 하나 이상의 공정 입/출력 모듈 (69) 과 라인 (71) (예를 들면, RS-485)을 통하여 통신한다. 본 발명에 따르면, 컴퓨터 (61) 는 결정 성장 장치 (13) 의 오퍼레이터가 성장된 특정 결정에 대한 일련의 바람직한 변수들을 입력할 수 있는오퍼레이터 인터페이스를 제공한다.
공정 입/출력 모듈 (69) 은 성장 공정을 제어하는, 결정 성장 장치 (13) 에 이르는 또는 그것으로부터 나오는 경로를 제공한다. 예를 들면, PLC (63) 는 온도 센서 (59) 로부터 용융 온도에 관한 정보들을 수신하고, 용융 온도를 제어하기 위한 공정 입/출력 모듈 (69) 을 통하여 히터 전력 공급장치 (27) 에 제어 신호를 출력하여 성장 공정을 제어한다.
유사하게, PLC (63) 는, 결정 드라이브 유닛 (47) 의 드럼의 회전 운동의 함수로서 변하는 펄스를 발생하는 부호화기 (75) 로부터 입력신호를 수신한다. PLC (63) 는 부호화기 (75) 로부터 수신된 펄스들의 숫자를 케이블 (37) 의 선형 운동을 실시간으로 나타내는 숫자로 변환하도록 종래의 수단들을 통하여 쉽게 프로그램된다. 즉, PLC (63) 은 케이블 (37) 의 속도를 계산하여, 결정 (31) 의 풀링 속도를 계산한다. 결정 드라이브 유닛 (47) 은 바람직하게는 풀링 케이블을 위, 아래로 감는 드럼을 구동하는 모터(도면에 미도시)를 포함한다. 일 실시예에서, 서보 증폭기(servo amplifier)(도면에 미도시)와 모터 회전 속도계(도면에 미도시)는 종래의 폐루프 피드백 배열로 모터와 통신한다. PLC (63) 는 ,바람직하게는, 부호화기 (75) 에 의해 제공된 신호의 함수로서 모터의 속도를 조정하는 결정 드라니브 유닛 (47) 의 서보 증폭기에 설정값 신호를 제공한다.
도 2를 참조하면, 카메라 (53) 는 라인 (77) (예를 들면, RS-170 비디오 케이블)을 통하여 도가니 (19) 의 내부의 영상 이미지를 에지(edge) 감지와 직경 측정치 계산을 제공하는 영상시스템 (79) 에 전송한다. 이에 응하여, 영상 시스템 (79) 은 라인 (83) 을 통하여 PLC (63) 와 통신한다. 바람직한 일 실시예에서, PLC (63) 는 Siemens에 의해 제조된 모델 TI575PLC 또는 Texas Instrument에 의해 제조된 모델 545PLC 이고, 라인 (83) 은 통신 인터페이스(예를 들면, VME 백플레인 인터페이스)를 나타낸다. PLC (63) 를 구현한 특정 컨트롤러에 따라, 예를 들면, 통신 인터페이스 (83) 는 추가적인 통신 보드(예를 들면, RS-422 직렬 양방향성 PLC 포트를 이용하는, 모델 2571 프로그램 포트 확장자 모듈)를 포함하는 종래의 VME랙(VME rack)일 수 있다. 상기에서 영상 시스템 (79) 과 관련하여 설명되었지만, 결정 직경 측정치들이 다른 방법으로 결정될 수도 있다. 예를 들면, 결정 직경 측정치들을 제공하고 브라이트 링 (bright ring) 의 폭을 측정하는 방법을 포함하는 몇몇 기술들이 알려져 있다. 브라이트 링은 결정 (31) 의 고체-유체간 인터페이스에서 형성된 메니스커스에서 도가니 벽의 반사를 특징으로 한다. 종래의 브라이트 링과 메니스커스 센서들은 광학 고온 온도계, 포토셀, 포토셀을 갖는 회전 거울들, 포토셀을 갖는 광원들, 회선주사 카메라들 및 2차원 배연 카메라들을 채용한다.
도 3 은, 결정핵 (35) 의 용융과 딥핑 (dipping) 후에, 결정 성장 공정의 비교적 초기단계를 나타낸다. 결정의 네크 (85) 의 형성 후에, 일반적인 공정을 바람직한 직경에 도달할 때까지, 풀링 속도 및/또는 용융 온도를 감소시킴으로써, 성장 결정 (31) 의 직경을 확대한다. 직경을 증가시키는 이 부분은 테이퍼 또는 크라운 (crown) 이라 한다. 테이퍼 (87) 가 바람직한 직경으로 증가함에 따라, 결정 (31) 은 보통 91 으로 지시된 숄더(shoulder)를 형성하고, 이어서 주 몸체 (도면 3에 미도시) 를 형성한다. 용융체 (29) 이 고갈되어감에 따라, 결정 직경은 점차로 감소되어, 결정 (31) 은 점차로 원뿔 모양(도면 3에 나타나지 않음)을 형성하게 된다. 일단 원뿔 단부의 직경이 충분히 작아지면 (예를 들면, 2mm 내지 4mm), 결정 (31)의 주몸체에 전위(dislocation) 가 확산되지 않고도, 용융체 (29) 로부터 결정 (31) 의 분리가 달성될 수 있다. 그 후, 결정 (31) 은, 웨이퍼로의 처리를 위해 진공 챔버 (15) 로부터 제거된다. 감소되는 용융 레벨을 보상하면서, 풀링 속도와 용융 온도를 제어함에 의해, 결정 (31) 의 몸체는 거의 일정한 직경을 갖도록 성장되어, 보통 원통인 실리콘 결정의 몸체(즉, 잉곳)를 구성하게 된다. 그 모양이 원통형이지만, 보통 성장 결정의 몸체가 완전히 균일한 직경을 갖는 것은 아니다. 또한, 결정 (31) 의 직경은 결정 성장의 다른 단계(즉, 결정핵 (35), 네크 (85), 테이퍼 (87) 몸체 및 원뿔의 단부)에서 변한다.
테이퍼 (87) 가 성장함에 따라, 직경의 정보와 수직 거리에 대한 정보는 PLC (63) 에 입력된다. 직경에서의 변화과 길이에서의 변화을 이용하여 각 θ가 다음 공식을 사용하여 계산될 수 있다. :
θ=tan-1(2ΔL/ΔD)
여기서 ΔL은 길이에서의 변화이고, ΔD는 직경에서의 변화이다.
이하 도 4 를 참조하여 보면, 계산된 각에 기초한 제어는 불규칙인 경향이 있다. 그러나, 그 비의 역수 (즉, 2ΔL/ΔD 대신, ΔD/2ΔL) 가 사용된다면, 제어가 더 원활해 질 수 있다. 또한, 직경 측정치의 변화는 ΔD를 0으로 접근하도록 하여, 계산적으로 정의되지 않은 상태에 이르게 한다. 본 발명에 따르면, PLC (63) 는 제어 루틴을 수행하여, 측정된 테이퍼 기울기를 목표 기울기에 또는 그에 가깝게 유지시킨다. 도 4 에 나타낸 바와 같이, 주어진 직경에서의 목표 기울기가 기울기 함수로부터 계산된다. 이 함수는 지수함수와 선형 성분을 포함하고, 다음 공식으로 표현된다.
θ(D)=(θi-b)e-D/λ+mD+b
여기서, θ=테이퍼 기울기각, D=테이퍼 직경, λ=지수 성분의 감쇠 상수이고, m과 b는 선형 성분에 대한 기울기와 절편이다. 곡선상의 세 점 (Di, θi), (Dmin, θmin) 및 (Df, θf) 와 λ가 주어지면, m과 b를 구할 수 있어, 완전한 방정식을 구할 수 있다. KIM 등의 '컴퓨터 시뮬레이션과 큰 직경의 CZ 실리콘 결정의 제어 성장' J.Electrochem.Soc.: SOLID-STATE SCIENCE AND TECHNOLOGY,페이지 1156-60(1983년 5월)에 나타나듯이, 테이퍼의 형태가 지수 형태로 풀링 속도의 단계적 변화에 응답하기 때문에, 기울기 함수의 지수 성분이 기대된다. 테이퍼 (87) 의 적극적인 제어 동안에 풀링 속도에 대한 조정은 더욱 당연히 지수 형태에 맞추어야 한다. 점 (Di,θi)로부터, 점 (Dmin,θmin)에 이르는 곡선 부분은 대체로 지수 형태이고, 점(Dmin,θmin)으로부터, 점 (Df,θf)에 이르는 곡선 부분은 대체로 선형이다.
종래의 성장 공정의 일례에서, 결정 리프팅(lifting) 유닛 (47) 은 소정의속도 프로파일에 따라 용융체 (29) 로부터 단결정 (31) 의 테이퍼 부분을 풀링한다. 이 속도 프로파일은 결정 레서피(recipe)에서 특정되고, 종종 '잠긴' 또는 '고정된' 결정핵 리프트로 표현된다. 이와 대조적으로, 종래의 쵸크랄스키 실리콘 성장 공정들은 보통 결정핵 리프팅 또는 풀링 속도를 변경시켜, 성장 결정 (31) 의 주 몸체의 직경을 제어한다. 종래 기술에서, 풀링 속도를 증가시키면, 결정 직경이 감소하게 되고, 반면 풀링 속도를 감소시키면 직경이 증가하게된다. 또한, 용융 실리콘 소스 (14) 의 온도를 증가시키면 결정 직경이 감소하게 되고, 반면 온도를 감소시키면, 결정 직경이 증가하게 된다.
유리하게는, 본 발명의 바람직한 실시예는 소정의 온도 프로파일을 포함그러나, 결정 (31) 의 테이퍼 (87) 가 성장되는 동안 풀링 속도를 조정한다. 도 5는 보통 93으로 표시되는 제어 루프의 블록도이며, 도 4에 도시된 테이퍼 기울기 프로파일θ(D)에 따른 결정 성장 공정의 제어를 나타낸다. 상기에 설명된 바와 같이, PLC (63) 는 성장 결정의 길이 뿐만 아니라 직경에 관한 정보를 수신한다. 이 실시예에서, 영상 시스템 (79) 과 케이블 부호화기 (75) 는 결정의 길이와 직경에 관한 정보를 각각 제공한다. 이 정보에 기초하여, PLC (63) 는 상기의 길이와 직경에 변화에 관한 함수(즉, θ=tan-1(2ΔL/ΔD)로서 측정된 테이퍼 기울기θ를 계산한다. 계산된 각에 기초한 제어는 불규칙한 경향이 있기 때문에, 제어 루프 (93) 는 특정 위치에서 테이퍼 (87) 의 기울기에 대응답하는 공정 변수로서 측정된 기울기의 역수를 사용한다.
도 5에서 나타나는바와 같이, 비례-적분-미분(PID)제어 루프 (95) 는 라인 (97)에서 에러신호를 수신한다. 에러 신호는 바람직한 테이퍼 기울기 또는 목표 테이퍼 기울기(즉, 설정값)의 역수와 실제 테이퍼 기울기의 역수(즉, 공정 변수)와의 차이를 나타낸다. 이 경우, 성장하는 테이퍼 (87) 의 기울기가 측정되고, 도 4의 함수로부터 구한 소정의 설정값과 비교된다. 특정 결정 성장 레서피(recipe)로부터 얻은, 풀링 속도를 보정하기 위한 풀링 속도의 보정값을 기울기 PID 루프 (95) 는 라인 (99) 에 출력한다. 따라서, 풀링 속도는 테이퍼 (87) 를 이 함수에 적합하게 하도록, 그리고, 측정된 테이퍼 기울기를 목표 기울기에 근접하게 유지하도록 조정된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러가지 목적들이 달성되고, 다른 유리한 결과들이 얻어짐을 알 수 있다.
발명의 범위를 벗어나지 않고, 상기의 구조들과 방법들이 다양하게 변화될 수 있기 때문에, 상기의 설명에 포함된, 또는 첨부 도면들에 나타나는 모든 것들은 예시적인 의미로 해석되어야 하며, 제한적인 의미로 해석되어서는 안된다.

Claims (10)

  1. 쵸크랄스키 공정에 따라 반도체 결정을 성장시키는 결정 성장 장치와 결합하여 사용되는 제어 방법으로서, 상기 결정 성장 장치는 결정이 성장되는 반도체 용융체을 포함하는 가열된 도가니를 가지며, 상기 결정은, 용융체로부터 풀링 되는 결정핵 위에 성장되는, 제어방법에 있어서,
    결정의 테이퍼 부분의 성장에 대한 초기 속도 프로파일의 거의 다음에 오는 상기 목표 풀링 속도에서 용융체로부터 성장 결정을 풀링하는 단계;
    결정의 테이퍼 부분의 기울기를 측정하는 단계로서, 측정된 기울기는 결정의 테이퍼 부분의 풀링 동안에 결정 길이의 변화에 대한 결정 직경의 변화의 함수인 단계;
    목표 테이퍼 기울기를 정의하는 단계;
    측정된 테이퍼 기울기와 목표 테이퍼 기울기 사이의 차이에 관한 함수로서 에러 신호를 발생하는 단계;
    에러 신호의 함수로서 풀링 속도를 조정하여, 측정된 테이퍼 기울기와 목표 테이퍼 기울기 사이의 차이를 감소시키는 단계; 및
    조정된 목표 풀링 속도에서 용융체로부터 결정을 풀링하여, 결정의 테이퍼 부분의 측정된 기울기를 변화시켜, 결정의 성장을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 에러 신호에 대한 비례-적분-미분(PID)를 수행하는 단계 및 그 함수로서 풀링 속도 보정을 발생하는 단계를 더 구비하고, 상기 풀링 속도를 조정하는 단계는 풀링 속도 보정에 따라 풀링 속도를 조정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, PID제어의 공정 변수들을 측정된 테이퍼 기울기에 관한 함수의 역수로서 정의하는 단계 및 PID제어의 설정값을 목표 테이퍼 기울기의 함수의 역수로서 정의하는 단계들을 더 구비하고, 에러 신호를 발생하는 단계는 공정 변수와 설정값과의 차이의 함수로서 에러 신호를 발생하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 결정 직경과 결정 길이를 측정하는 단계 및 측정된 테이퍼 기울기를 그 함수로서 정의하는 단계들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, θ는 측정된 테이퍼 기울기이고, ΔL은 결정 길이에서의 변화이고, ΔD는 결정 직경에서의 변화일 때, 측정된 테이퍼 기울기는 θ=tan-1(2ΔL/ΔD)로 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 목표 테이퍼 기울기는 일반적인 지수 성분 및 일반적인 선형 성분을 갖는 함수에 의해 정의되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, θi가 초기 테이퍼 기울기 각이고, D는 테이퍼 직경이고, λ는 함수의 지수 성분의 감쇠 상수이고, m과 b는 함수의 선형 성분에 대한 기울기와 절편일 때, 목표 테이퍼 기울기 함수가 θ(D)=(θi-b)e-D/λ+mD+b 인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 소정의 용융체 히터 전력 프로파일에 따라 도가니를 가열하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 소정의 풀링 속도 목표 프로파일로부터 풀링 속도에서의 에러들에 응하여 용융체의 히터 전력을 조정하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 쵸크랄스키 공정에 따라 반도체 결정을 성장시키는 결정 성장 장치와 결합하여 사용되는 제어 시스템으로서, 상기 결정 성장 장치는 결정이 성장되는 반도체 용융체을 포함하는 가열된 도가니를 가지며, 상기 결정은 결정 드라이브 유닛에 의해 용융체로부터 풀링되는 결정핵 위에 성장되는, 제어 시스템에 있어서,
    결정의 테이퍼 부분을 성장시키기 위한 초기 속도 프로파일을 저장하고 목표 테이퍼 기울기를 저장하는 기억장치;
    결정의 테이퍼 부분의 풀링 동안에 결정 직경과 결정 길이를 나타내는 정보를 수신하고, 이에 응답하는 컨트롤러를 구비하고,
    상기 결정 드라이브 유닛은 속도 프로파일을 거의 따르는 목표 풀링 속도에서 용융체로부터 성장하는 결정을 풀링하고,
    상기 컨트롤러는,
    결정 길이의 변화과 관련된 결정 직경의 변화의 함수로서 테이퍼 기울기 측정치를 계산하는 단계;
    테이퍼 기울기 측정치와 목표 테이퍼 기울기 사이에 차이의 함수로서 에러 신호를 발생하는 단계; 및
    결정 드라이브 유닛에 에러 신호에 관한 함수로서 풀링 속도 보정 제공하는 단계를 구비하고, 상기 결정 드리이브 유닛은 풀링 속도 보정에 따라 풀링 속도를 조정하여, 테이퍼 기울기 측정치와 목표 테이퍼 기울기 사이의 차이를 감소시킴으로써, 테이퍼 기울기에 기초하여 결정의 테이퍼 부분의 성장을 제어하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
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