KR20010113750A - 성장 공정 중에 실리콘 결정의 직경을 제어하는 방법 및장치 - Google Patents

성장 공정 중에 실리콘 결정의 직경을 제어하는 방법 및장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20010113750A
KR20010113750A KR1020017011729A KR20017011729A KR20010113750A KR 20010113750 A KR20010113750 A KR 20010113750A KR 1020017011729 A KR1020017011729 A KR 1020017011729A KR 20017011729 A KR20017011729 A KR 20017011729A KR 20010113750 A KR20010113750 A KR 20010113750A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
temperature
melt
ingot
set point
power
Prior art date
Application number
KR1020017011729A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100690218B1 (ko
Inventor
퓨어호프로버트에이치
킴벨스티븐엘
Original Assignee
헨넬리 헬렌 에프
엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼즈 인코포레이티드
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 헨넬리 헬렌 에프, 엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼즈 인코포레이티드 filed Critical 헨넬리 헬렌 에프
Publication of KR20010113750A publication Critical patent/KR20010113750A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100690218B1 publication Critical patent/KR100690218B1/ko

Links

Classifications

    • 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
    • C30B15/22—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)

Abstract

단결정 잉곳(monocrystalline ingot)이 용융체(melt)로부터 인상(pull)될 때 이 단결정 잉곳의 직경을 용융체의 온도를 변화시킴으로써 제어하기 위한 방법 및 장치. 잉곳은 실질적으로 소정의 속도 프로파일을 따르는 목표 속도로 용융체로부터 인상된다. 온도 모델은 용융체를 가열하기 위한 히터에 공급되는 전력의 변동에 따른 용융체 온도의 변동을 나타낸다. 목표 용융체 온도를 나타내는 온도 설정점(temperature set point)의 발생에 있어서, 잉곳의 목표 직경과 측정된 직경간의 오차가 결정되고, 오차 신호에 대해 비례-적분-미분(PID) 제어가 수행된다. PID 제어는 오차 신호의 함수로서 온도 설정점을 발생한다. 이어서, 온도 모델은 PID 제어에 의해 발생된 온도 설정점의 함수로서 히터에 공급되는 전력에 대한 전력 설정점을 결정하고, 히터에 공급되는 전력은 전력 설정점에 따라 조절된다.

Description

성장 공정 중에 실리콘 결정의 직경을 제어하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONTROLLING DIAMETER OF A SILICON CRYSTAL IN A GROWTH PROCESS}
단결정 실리콘, 또는 단일 결정 실리콘은 반도체 전자 부품을 제조하기 위한 대부분의 공정에 있어서 출발 물질이다. 초크랄스키 결정 성장 공정을 채용하는 결정 인상 기계가 대부분의 단결정 실리콘을 생산한다. 간략히 설명하면, 초크랄스키 공정은 특별히 설계된 노(furnace)안에 위치한 수정 도가니내의 고순도 다결정 실리콘의 차지(charge)를 용융시키는 단계를 포함하고 있다. 피가열 도가니가 실리콘 차지를 용융시킨 후에, 결정 리프트 메카니즘(crystal lifting mechanism)은 시드 결정(seed crystal)을 하강시켜 용융된 실리콘과 접촉하게 한다. 이 메카니즘은 그 다음에 실리콘 용융체로부터 성장 중의 결정을 인상하기 위해 이 시드를 후퇴시킨다. 통상의 결정 리프트 메카니즘은 시드 결정을 케이블의 한쪽 단부에 매달고 있으며, 케이블의 다른쪽 단부는 드럼에 감겨져 있다.드럼이 회전하게 되면, 시드 결정은 드럼이 회전하고 있는 방향에 따라 상하로 이동한다.
결정 네크(crystal neck)의 형성 이후에, 성장 공정은 인상 속도 및/또는 용융체 온도를 저감시킴으로써 성장 중인 결정의 직경을 소망의 직경에 도달할 때까지 증대시킨다. 저하되는 용융체 레벨을 보상하면서 인상 속도 및 용융체 온도를 제어함으로써, 결정의 메인 보디(main body)는 성장하여 거의 일정한 직경을 가지게 된다(즉, 일반적으로 원주상으로 된다). 성장 공정의 종료에 가까와져 도가니에 용융된 실리콘이 없어지기 전까지는, 공정은 점차적으로 결정 직경을 감소시켜 원추형 단부(end cone)를 형성하게 된다. 일반적으로는, 이 원추형 단부는 결정 인상 속도와 도가니에 공급되는 열을 증가시킴으로써 형성된다. 직경이 충분히 작아지게 되면, 결정은 용융체로부터 분리된다. 성장 공정 동안에, 도가니는 한쪽 방향으로 용융체를 회전시키고, 결정 리프트 메카니즘은 그의 인상 케이블, 또는 인상 축(shaft)을 시드 및 결정과 함께 반대쪽 방향으로 회전시킨다.
현재 이용가능한 초크랄스키 성장 공정이 각종의 응용 분야에 유용한 단결정 실리콘을 성장시키는데 만족스럽기는 하지만, 추가의 개선이 여전히 요망되고 있다. 예를 들면, 단결정 실리콘내의 수많은 결함들은 고체화 이후 결정 잉곳이 냉각될 때 결정 성장 챔버내에서 형성된다. 이러한 결함들은 부분적으로는 공위(vacancy) 및 자기-틈새(self-interstitial)라고 하는 내재적 점 결함(intrinsic point defect)이 과도하게 (즉, 농도가 용해 한도를 초과함) 존재하기 때문에 생긴다. 실리콘내의 이들 점 결함의 유형 및 초기 농도가 최종 제품에서의 응집 결함(agglomerated defect)의 유형 및 존재에 영향을 줄 수도 있다고 알려져 있다. 이들 농도가 시스템에서의 임계 과포화 레벨에 이르러 점 결함의 이동성이 충분히 높게 되면, 반응, 즉 응집 작용(agglomeration event)이 일어날 수도 있게 된다. 실리콘내의 응집된 내재적 점 결함은 복잡한 집적 회로의 제조에 있어서 재료의 수율에 심각한 영향을 줄 수 있다.
결정 "지침서"에 규정된 소정의 속도 프로파일, 또는 목표에 따라 용융체로부터 단결정 실리콘 잉곳을 정확하게 인상하는 것이 결함의 형성을 억제하기 위한 공정 조건(process needs)를 충족시키는데 도움이 된다. 예를 들어, 이러한 형태의 제어(이하, "고정된 시드 상승(locked seed lift)" 공정이라 함)는 잉곳내의 내재적 점 결함의 개수 및 농도를 저감시킨다. 또한, 고정된 시드 상승 공정은 잉곳이 고체화 온도로부터 냉각될 때 잉곳내의 내재적 점 결함의 응집을 방지하기 위해 공위 및 자기-틈새의 농도를 제어하는데도 도움이 된다. 그러나, 종래의 초크랄스키 실리콘 성장 공정에서는 성장 중의 결정의 직경을 제어하기 위해 인상 속도, 또는 시드 상승(seed lift)을 가변시킨다. 당업자라면 인상 속도를 증가시키게 되면 결정 직경이 감소하게 되고, 인상 속도를 저하시키면 직경이 증가하게 된다는 것을 잘 알 것이다. 또한, 실리콘 소스 용융체의 온도를 증가시키게 되면 결정 직경이 감소하게 되고, 용융체 온도를 저하시키면 직경이 증가된다는 것도 잘 알려져 있다. 이러한 이유로, 목표 프로파일에 따라 인상 속도를 제어하는 것은 용융체 온도가 인상 동안에 정확하게 조절되지 않는다면 직경 오차를 유발할 수가 있다.
불행히도, 결정 직경을 제어하기 위해 인상 속도를 사용하는 것이 종래의 성장 공정에서는 일반적으로 선호되었는데, 그 이유는 용융체 온도를 변화시키는 데 있어서의 지연이 보통은 적절하지 않았기 때문이다. 바꾸어 말하면, 직경을 제어하기 위해 온도 대신에 인상 속도를 선택하는 것은 응답 시간의 차이에 기초하는데, 온도 변화에 대한 응답 시간은 인상 속도 변화에 대한 응답 시간보다 훨씬 느리다. 예를 들면, 인상 속도의 계단 변화(step change)는 수초의 직경 응답을 달성하는데 반해, 히터 전력 또는 용융체 온도의 계단 변화는 훨씬 더 느린 응답을 가져오며, 등가의 효과를 달성하는데 수십초나 걸리게 된다.
이들 이유로, 단지 히터 전력만을 사용하여 실리콘 결정의 직경을 제어하기 위해, 또한 직경을 제어하는데 일반적으로 요청되던 인상 속도 가변이 필요없도록 하기 위해, 용융체로부터 단결정 실리콘 잉곳을 인상하기 위한 정확하고 신뢰할만한 장치 및 방법이 요망된다.
본 발명은 일반적으로 전자 부품의 제조에 사용하기 위한 단결정 반도체의 성장 공정의 제어를 개선하는 것에 관한 것으로서, 특히 소정의 속도 프로파일에 따라 반도체 소스 용융체(source melt)로부터 인상되고 있는 단결정 실리콘 잉곳의 직경을 정확하게 제어하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
도 1은 결정 성장 장치 및 본 발명에 따라 이 결정 성장 장치를 제어하기 위한 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 프로그램가능 논리 제어기(programmable logic controller, PLC)를 갖는 제어 유닛을 포함한 도 1의 장치의 블록도이다.
도 3은 도 1의 장치를 캘리브레이션하기 위한 제어 유닛의 동작을 설명한 플로우챠트이다.
도 4는 도 1의 장치로 내재적 점 결함의 개수 및 농도가 감소된 결정 잉곳을 인상하기 위한 속도 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 5는 수정된 설정점을 산출하는 동작을 하는 도 1의 장치의 블록도이다.
도 6A 및 도 6B는 보정 인자를 산출하기 위한 도 2의 PLC의 동작을 설명하는 플로우챠트이다.
도 7, 8 및 9는 종래 기술에 따른 결정 성장 공정의 제어를 설명하는 블록도이다.
도 10은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 결정 성장 공정의 제어를 설명하는 블록도이다.
도 11은 도 7-9의 제어를 위한 온도 응답 모델의 일례도이다.
도 12는 도 10의 제어를 위한 온도 응답 모델의 일례도이다.
도 13은 능동적 및 고정된 인상 속도(active and locked pull rate)의 경우 도 1의 장치에 따른 직경 성능을 설명한 예시도이다.
대응하는 도면 부호는 첨부 도면 중 여러 도면에 걸쳐 대응하는 구성 요소를 가리킨다.
본 발명은 고정된 시드 상승 공정에서 결정 직경의 적절한 제어를 유지하기 위해 전력을 조절하기 위한 방법 및 장치를 제공함으로써 상기한 조건를 충족시키고 종래 기술의 단점을 극복하고 있다. 본 발명의 몇가지 목적 중 주목할만한 것으로는, 정확한 직경 제어를 제공하는 방법 및 장치의 제공; 용융체 온도를 변화시킴으로써 결정 직경을 조절하는 방법 및 장치의 제공; 비교적 고속의 용융체 온도 변화를 제공하는 방법 및 장치의 제공; 용융체의 온도 응답을 모델링할 수 있는 방법 및 장치의 제공; 히터 전력의 함수로서 결정 직경을 변화시킬 수 있는 방법및 장치의 제공; 기존의 결정 인상 장치에 내장시킬 수도 있는 방법 및 장치의 제공; 및 경제적인 실시가 가능하고 상용 가능성이 있는 방법 및 장치의 제공 등이 있다.
간략히 설명하면, 본 발명의 여러 측면들을 구현하는 방법은 초크랄스키 공정에 따라 단결정 잉곳을 성장시키는 장치와 결합하여 사용하기 위한 것이다. 이 장치는 반도체 용융체가 들어 있는 피가열 도가니를 가지고 있으며, 잉곳이 용융체로부터 인상되는 시드 결정 상에 용융체로부터 성장하게 된다. 본 방법은 실질적으로 소정의 속도 프로파일에 따르는 목표 속도로 잉곳을 용융체로부터 인상하는 단계를 포함한다. 본 방법은 또한 용융체를 가열하기 위해 히터에 공급되는 전력의 변동에 따른 용융체의 온도의 변동을 나타내는 온도 모델을 정의하는 단계도 포함한다. 목표 용융체 온도를 나타내는 온도 설정점의 발생에 있어서, 본 발명은 그 다음으로 잉곳의 목표 직경과 측정된 직경간의 오차를 나타내는 신호를 발생하는 단계, 오차 신호에 대해 비례-적분-미분(PID) 제어를 수행하는 단계, 및 오차 신호의 함수로서 온도 설정점을 발생하는 단계를 포함하고 있다. 본 방법은 PID 제어에 의해 생성된 온도 설정점의 함수로서 온도 모델로부터 히터에 공급되는 전력에 대한 전력 설정점을 결정하는 단계 및 전력 설정점에 따라 히터에 공급되는 전력을 조절하는 단계를 더 포함하고 있다. 이러한 방식으로, 용융체의 온도를 변화시켜 잉곳의 직경을 제어하게 된다.
본 발명의 다른 실시예는 초크랄스키 공정에 따라 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 장치와 결합하여 사용하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 반도체용융체가 들어 있는 피가열 도가니를 가지고 있으며, 용융체로부터 인상되는 시드 결정 상에 잉곳이 용융체로부터 성장된다. 본 장치는 소정의 속도 프로파일을 포함하고 있으며, 잉곳은 실질적으로 속도 프로파일에 따르는 목표 속도로 용융체로부터 인상된다. 본 장치는 또한 잉곳의 목표 직경과 측정된 직경 간의 오차의 함수로서 온도 설정점을 발생하는 PID 제어를 포함한다. 온도 설정점은 용융체의 목표 온도를 나타낸다. 온도 모델은 용융체를 가열하기 위해 히터에 공급되는 전력의 변동에 따른 용융체의 온도의 변동을 나타낸다. 온도 모델은 PID 제어에 의해 생성된 온도 설정점의 함수로서 히터에 공급되는 전력에 대한 전력 설정점을 결정한다. 본 장치는 용융체를 가열하기 위한 히터와 전력 설정점에 응답하여 히터에 인가되는 전력을 조절하기 위한 전원을 더 포함하고 있다. 이러한 방식으로, 본 장치는 용융체의 온도를 변화시켜 잉곳의 직경을 제어한다.
이들 대신에, 본 발명은 다른 각종의 방법 및 장치들을 포함할 수도 있다.
다른 목적 및 특징들은 일부는 자명한 것이고, 일부에 대해서는 이하에 설명하고 있다.
이제, 도 1을 참조하면, 그 전체에 도면 부호 13을 부기한 초크랄스키 결정 성장 장치와 함께 사용하기 위한 장치(그 전체에 도면 부호 11을 부기함)가 도시되어 있다. 결정 성장 장치 (13) 의 구성의 상세는 당업자에게는 잘 알려져 있다. 일반적으로, 결정 성장 장치 (13) 는 도가니(crucible) (19) 를 둘러싸고 있는 진공 챔버 (15) 를 포함하고 있다. 저항 히터 (21) 등의 가열 수단은 도가니 (19) 를 둘러싸고 있다. 일 실시예에서, 절연재 (23) 가 진공 챔버 (15) 의 내측벽에 덧대어져(lined) 있고, 물이 급수되는 챔버 냉각 재킷 (도시안됨) 이 이를 둘러싸고 있다. 진공 펌프 (도시안됨) 는 일반적으로 불활성의 아르곤 가스 분위기가 진공 챔버 (15) 내에 공급될 때 진공 챔버 (15) 내로부터 가스를 제거하게 된다.
초크랄스키 단결정 성장 공정에 따르면, 일정량의 다결정 실리콘, 또는 폴리실리콘이 도가니 (19) 에 채워진다. 히터 전원 (27) 은 저항 히터 (21) 에 전류를 공급하여 차지(charge)를 용융시키고, 이에 의해 단결정 (31) 이 인상되는 실리콘 용융체 (29) 를 형성하게 된다. 바람직하게는, 포토 셀(photo cell) 또는 피로미터(pyrometer) 등의 온도 센서 (33) 를 사용하여 용융체 표면 온도를 측정하게 된다. 단결정 (31) 은 인상 축(pull shaft) 또는 케이블 (37) 에 부착된 시드 결정 (35) 에서 시작된다. 도 1에 도시한 바와 같이, 단결정 (31) 및 도가니 (19) 는 일반적으로 공통의 대칭축 (39) 을 가지고 있다. 케이블 (37) 의 한쪽 단부는 풀리 (41)(도 2 참조) 를 거쳐 드럼 (43)(도 2 참조) 에 연결되어 있고, 다른쪽 단부는 시드 결정 (35) 및 시드 결정으로부터 성장된 결정 (31) 을 붙잡고 있는 척(chuck) (도시안됨) 에 연결되어 있다.
가열 및 결정 인상 동안에, 도가니 구동 유닛 (45) 은 도가니 (19) 를 (예를 들면, 시계 방향으로) 회전시킨다. 도가니 구동 유닛 (45) 은 또한 성장 공정동안에 소망에 따라 도가니 (19) 를 상승 및 하강시킨다. 예를 들면, 도가니 구동 유닛 (45) 은 참조 문자 47로 표기한 용융체의 레벨을 소망의 높이로 유지시키기 위해 용융체 (29) 가 소진되어감에 따라 도가니 (19) 를 상승시킨다. 결정 구동 유닛 (49) 도 마찬가지로 도가니 구동 유닛 (45) 이 도가니 (19) 를 회전시키는 방향의 반대 방향으로 케이블 (37) 을 회전시킨다. 게다가, 결정 구동 유닛 (49) 은 성장 공정 동안에 소망에 따라 용융체 레벨 (47) 에 대해 결정 (31) 을 상승 및 하강시킨다.
일 실시예에서, 결정 성장 장치 (13) 는 도가니 (19) 에 들어 있는 용융체 (29) 의 용융된 실리콘에 거의 접촉할 정도로 시드 결정 (35) 을 하강시킴으로써 시드 결정 (35) 를 예열시킨다. 예열 이후에, 결정 구동 유닛 (49) 은 케이블 (37) 을 통해 시드 결정 (35) 을 계속 하강시켜 그의 용융체 레벨 (47) 에서 용융체 (29)와 접촉시키게 된다. 시드 결정 (35) 이 용융하게 될 때, 결정 구동 유닛 (49) 은 서서히 결정 유닛 (35) 을 용융체 (29) 로부터 후퇴시킨다, 즉 인상한다. 시드 결정 (35) 이 후퇴함에 따라 실리콘 단결정 (31) 의 성장이 일어나도록 시드 결정 (35) 은 용융체 (29) 로부터 실리콘을 끌어당기게 된다. 결정 구동 유닛 (45) 은 결정 (31) 을 용융체 (29) 로부터 인상할 때 이 결정 (31) 을 기준 속도로 회전시킨다. 도가니 구동 유닛 (45) 도 마찬가지로 다른 기준 속도로 도가니 (19) 를 회전시키고 있지만, 보통은 결정 (31) 에 대해 반대의 방향으로 회전시킨다.
제어 유닛 (51) 은 우선 결정 (31) 의 하부에 네크(neck)가 생기도록 후퇴또는 인상 속도, 및 전원 (27) 이 히터 (21) 에 공급하는 전력을 제어한다. 바람직하게는, 결정 성장 장치 (13) 는 시드 결정 (35) 이 용융체 (29) 로부터 끌어당겨질 때 실질적으로 일정한 직경으로 결정 네크를 성장시킨다. 예를 들면, 제어 유닛 (51) 은 소망의 보디 직경의 약 5 %인 실질적으로 일정한 네크 직경을 유지시킨다. 종래의 제어 방식 하에서는, 제어 유닛 (51) 은 네크가 소망의 길이에 도달한 후에 회전, 인상 및/또는 가열 파라메타를 조절하여 결정 (31) 의 직경이 소망의 결정 보디 직경에 도달할 때까지 원추형 모양으로 증가하도록 한다. 예를 들면, 제어 유닛 (51) 은 일반적으로 결정의 테이퍼(the taper of the crystal) 라고 칭하는 바깥쪽으로 벌어진 영역을 만들도록 인상 속도를 감소시킨다.
일단 소망의 결정 직경에 도달하게 되면, 제어 유닛 (51) 은 공정의 종료에 가까와질 때까지 장치 (11) 에 의해 측정된 비교적 일정한 직경을 유지하도록 성장 파라메타를 제어한다. 이 때, 단결정 (31) 의 단부에 테이퍼 형상 부분을 형성하도록 직경을 감소시키기 위해 인상 속도 및 가열이 증가되는 것이 보통이다. 본 명세서에 참고 문헌으로서 그 개시 내용 전부가 포함되는 공동 양도된 미국 특허 제 5,178,720 호에는, 결정 및 도가니 회전 속도를 결정 직경의 함수로서 제어하기 위한 한가지 바람직한 방법에 대해 개시되어 있다. 본 명세서에 참고 문헌으로서 그 개시 내용 전부가 포함되는 공동 양도된 미국 특허 제 5,882,402 호, 미국 특허 제 5,846,318 호, 미국 특허 제 5,665,159 호, 및 미국 특허 제 5,653,799 호는 결정 직경을 포함한 다수의 결정 성장 파라메타의 정확하고 신뢰성있는 측정값을 제공한다. 이들 특허에서, 영상 처리기는 이 직경을 결정하기 위해 결정-용융체 경계면의 영상을 처리한다.
당업자라면 도가니 (19) 는 결정 인상 동안에 상승되어야만 한다는 것을 잘 알 것이다. 일반적인 인상 동안에 도가니 (19) 가 이동하는 거리가 비교적 짧은 거리인 경우에는, 도가니의 상승은 결함을 감소시키기 위해 결정 인상 보다는 훨씬 덜 중요하다는 것을 잘 알 것이다. 결정 (31) 을 인상하면서 도가니 (19) 를 상승시키기 위한 적당한 수식에는 '결정 인상 속도 × 도가니의 단면적(용융체 레벨에서 측정)에 대한 잉곳의 단면적의 비 × 용융체내의 실리콘의 밀도에 대한 잉곳내의 실리콘의 밀도의 비' 가 포함되어 있다. 다른 도가니 상승 수식도 본 발명의 범위에서 사용될 수 있다.
도 2는 그 중에서도 특히 결정 구동 유닛 (49) 을 제어하기 위한 제어 유닛 (51) 을 구현하는 전기 회로를 나타낸 도면이다. 결정 구동 유닛 (49) 의 구성의 상세는 당업자에게 잘 알려져 있다. 일반적으로, 구동 유닛 (49) 은 드럼 (43) 에 결합된 모터 (53) 를 포함하고 있다. 점선 (55) 은 모터 (53) 의 축 (59) 과 드럼 (43) 간의 기계적 커플링을 가리킨다. 이 기계적 커플링은 축 (59) 와 드럼 (43) 간의 직접 연결을 포함할 수도 있지만, 바람직한 배치에서는 보다 바람직한 제어 및 보다 원활한 동작을 위해 축 (59) 과 드럼 (43) 사이에 한 세트의 감속 기어 (도시안됨)를 위치시킨다. 모터 (53) 는 이와 같이 시드 결정 (35) 을 용융체 (29) 내로 하강시키고 또한 잉곳 (31) 을 용융체 (29) 로부터 인상하기 위해 드럼 (43) 을 통해 케이블 (37) 을 풀거나 감거나(let out and reel in) 하는동작을 한다.
도 2에서 점선 (61) 은 드럼 (43)의 개구부 (65) 에 축 (63) 을 끼워서 드럼 (43) 을 탑재하는 것을 가리키고 있다. 본 명세서에 참고 문헌으로서 그 개시 내용 전부가 포함되는 공동 양도된 미국 특허 제 5,935,328 호에는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 드럼 및 케이블 배치에 대해 개시되어 있다.
또한, 도 2를 참조하면, 제어 회로 (51) 는 중앙 처리 장치 (CPU) (71) 와 메모리 (73) 를 갖는 프로그램가능 논리 제어기 (PLC) (69)를 포함하고 있다. PLC (69) 는 라인 (79 및 81) 을 거쳐 500 ppr (pulse per revolution) 인코더 (77) 로부터 입력 신호를 수신한다. 인코더 (77) 는 위치 신호를 발생하기 위해 축 (63) 에 결합되어 있다. 이 경우에, 위치 신호는 드럼 (43) 의 회전 운동의 함수로서 변하는 라인 (79 및 81) 상의 펄스들로 이루어져 있다. PLC (69) 는 이와 같이 라인 (79 및 81) 상의 펄스를 카운트하여 관심의 대상인 임의의 주어진 기간 동안에 드럼 (43) 이 정확히 얼마만큼 회전하였는지를 결정하게 된다. 인코더 (77) 는 바람직하게는 2X 모드로 동작하여 인코더는 드럼 (43) 의 360도의 매 1 회전마다 1000개의 불연속 펄스를 발생하게 된다. 따라서, PLC (69) 가 라인 (79 및 81) 상에서 5500개의 펄스를 카운트하였다면, 드럼 (43) 이 펄스가 발생되었던 기간 동안에 정확히 5½회전을 하였다는 것을 알 수 있다. 그 대신에, 연동 기구(gearing mechanism) (도시안됨)가 드럼 (43) 을 구동하고, 인코더 (77) 는 연동 기구내의 회전 기어들 중 하나에 결합될 수 있다. 감속비(gear ratio)를 이미 알고 있는 경우에는, 드럼 (43) 의 회전수는 전술한 바와 마찬가지의 방법으로 산출할 수 있다.
예시된 실시예에서, PLC (69) 는 또한 라인 (87 및 89) 을 거쳐 60 ppr 인코더 (85) 에도 연결되어 있다. 인코더 (85) 는 모터 (53) 의 축 (59) 에 결합되어 라인 (87 및 89) 상에 축의 회전 운동의 함수로서 펄스를 발생한다. PLC (69) 는 이와 같이 라인 (87 및 89) 상의 펄스를 카운트하여 관심의 대상인 임의의 주어진 기간 동안에 축 (59) 이 정확히 얼마만큼 회전하였는지를 결정하게 된다. 인코더 (85) 는 바람직하게는 4X 모드로 동작하여 인코더는 축의 360도의 매 1 회전마다 240개의 펄스를 발생하게 된다. 따라서, PLC (69) 가 라인 (87 및 89) 상에서 480개의 펄스를 카운트하였다면, 모터 (53) 의 축 (59) 이 펄스가 발생되었던 기간 동안에 정확히 2 회전을 하였다는 것을 알 수 있다.
PLC (69) 는 또한 종래의 수단에 의해 드럼 (43) 의 크기 및 모터 (53) 의 축 (59) 과 드럼 (43) 을 회전시키는 축 (63) 에 연결시키는 감속비로 프로그래밍되어 있다. 축 (59)의 회전수를 라인 (87 및 89) 상의 펄스의 수로부터 알고 있고, 축 (59) 을 드럼 (43) 에 결합시키는 감속비를 알고 있으며, 또한 드럼 (43) 의 직경을 알고 있는 경우에는, 곧바로 종래의 수단에 의해 PLC (69) 를 프로그래밍하여 인코더 (85) 로부터 수신된 펄스의 수를 케이블 (37) 의 직선 운동을 나타내는 숫자값으로 실시간으로 변환하도록 한다. 바꾸어 말하면, 라인 (87 및 89) 상의 펄스를 카운트함으로써, PLC (69) 는 케이블 (37) 의 인상 속도를 즉시 산출하게 된다. 바람직하게는, 디스플레이 모니터 (91) 는 이 케이블 속도를 실시간으로 표시한다.
서보 증폭기 (93) 는 종래의 폐루프 피드백 구성에서는 라인 (95 및 97) 을 거쳐 모터 (53) 에 연결되고 라인 (103 및 105) 을 거쳐 타코미터 (101) 에 연결되어 있다. 타코미터 (101) 는 모터 (53) 의 축 (59) 의 회전 속도의 함수로서 전압이 변하는 아날로그 신호를 라인 (103 및 105) 상에 발생한다. 서보 증폭기 (93) 는 라인 (103 및 105) 상으로 아날로그 전압 신호를 수신한다. 서보 증폭기 (93) 는 또한 설정점 조절 회로(set point adjusting circuit) (109) 로부터 라인 (111 및 113) 을 거쳐 설정점 신호(set point signal)를 수신하기도 한다. 예를 들어, 설정점 조절 회로 (109) 는 DC-DC 컨버터를 포함하고 있다. PLC (69) 는, 이하에서 보다 자세히 설명하는 바와 같이, 라인 (117 및 119) 을 통해 설정점 조절 회로 (109)를 제어하고, 따라서 설정점 신호를 제어하게 된다. 이러한 방식으로, PLC (69) 는 모터 (53) 의 속도를 제어한다.
보다 상세히 설명하면, 서보 증폭기 (93) 는 라인 (111 및 113) 상의 설정점 신호에 응답하여 라인 (95 및 97) 을 거쳐 모터 (53) 에 공급되는 전류 신호를 발생하게 된다. 이 전류 신호는 모터에 에너지를 공급하여 그의 속도를 결정하게 된다. 서보 증폭기 (93) 는 그 다음에 타코미터 (101) 로부터 수신한 아날로그 전압 신호를 사용하여 모터 (53) 가 설정점 신호에 대응하는 속도로 동작하고 있는지 여부를 판정하게 된다. 그렇지 않은 경우에는, 서보 증폭기 (93) 는, 모터 (53) 가 설정점 신호에 의해 설정된 속도로 동작하고 있다는 것을 타코미터 (101) 로부터의 아날로그 전압 신호가 나타내고 있을 때까지, 전류 신호를 경우에 따라 상하로 조절하게 된다. 다시 말하면, PLC (69) 가 라인 (117 및 119) 을 통해설정점 신호를 제어하기 때문에, PLC (69) 는 모터 (53) 의 속도를 제어하게 되는 것이다.
PLC (69) 는 또한 신호 조건 부여 회로(signal conditioning circuit) (123) 에도 연결되어 있다. 신호 조건 부여 회로 (123) 는 타코미터 (101) 에 의해 발생된 아날로그 전압 신호를 수신하여 조건 부여를 하기 위해 서보 증폭기 (93) 에 연결되어 있다. PLC (69) 는 회로 (123) 로부터 조건 부여된 아날로그 전압 신호를 수신하여 케이블 (37) 의 인상 속도에 대응하는 숫자 값으로 변환한다. PLC (69) 는 이 숫자값을 디스플레이 (125) 를 통해 표시한다.
케이블 (37) 의 실제의 인상 속도가 용장성있게 디스플레이 (91 및 125) 상에 표시된다는 것을 알 수 있지만, 당업자라면 디스플레이 (91) 가 디스플레이 (125) 보다 훨씬 높은 정확도로 보고된 속도를 표시할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 이것은 디스플레이 (91) 상에 보고된 속도의 기초로 되는 데이터 소스가 4X 모드로 동작하는 고정밀도 및 고정확도의 인코더 (85) 이기 때문이다. 이와 반대로, 디스플레이 (125) 상에 보고된 속도에 대한 기초 데이터는 타코미터 (101) 에 의해 발생된 아날로그 신호이다. 이러한 신호는 본질적으로 정확도가 더 낮으며, 특히 온도 변동에 상당히 영향을 받는다. 요약하면, 본 발명은 디스플레이 (125) 없이도 용이하게 실시할 수 있다.
냉각 시간이 충분히 주어지는 경우에는, 성장율 또는 성장 속도, v와 평균 축방향 온도 기울기(average axial temperature gradient), G 의 비가 임계값, (v/G)cr 의 어떤 허용 오차, T 내에 들기만 한다면, 완벽한 실리콘을 제조할 수 있다. 이 허용 오차는 다음과 같이 정의된다:
여기서,는 완벽한 실리콘을 제조할 수 있는값의 범위이다.
이 허용 오차는 주어진 핫 존(hot zone)에 의해 제공되는 냉각 조건에 크게 의존하고 있다. 상세하게는, T는 핵형성 이전의 냉각 시간이 증가함에 따라 증가하게 된다. 각종의 핫 존에 대해 수집한 데이터에 의하면, 바람직한 허용 오차로서 T=0.055의 값을 제시하고 있다. 다시 표현하면:
로 된다. 그러나, G는 일반적으로 제어하기 어렵다. G가 변하지 않는 경우, 완벽한 실리콘 성장을 보장하기 위한 v의 최대 오차는 |T|가 될 것이다. 안정된 공정을 위해서는, v의 변동이 훨씬 더 작을 것이 요구된다(예를 들면, |T|의 10%).
도 3은 도 2의 장치 (11) 를 캘리브레이션하기 위한 플로우챠트로서, 그 전체에 도면 부호 127을 부기하고 있다. 단계 (131) 에서 시작하는 플로우챠트 (127) 는 곧바로 단계 (133) 로 진행하여 오퍼레이터는 0.1 mm/min의 공칭 케이블 속도에 대해 PLC (69) 에 대한 외부 제어(도시안됨)를 조절한다. 단계 (135)에서, 오퍼레이터는 디스플레이 (91) 상에 보고된 케이블 속도를 관찰한다. 보고된 속도가 0.1 mm/min 로부터 0.002 mm/min 이내(즉, 0.1 ±0.002 mm/min)에 들지 않는 경우에는, 오퍼레이터는 단계 (139) 로 진행한다. 오퍼레이터는 단계 (139) 에서 설정점 조절 회로 (109) 에 대한 옵셋 파라메타를 "수정"(tweak)한 다음에 단계 (135) 로 복귀한다. 표시된 케이블 속도가 아직도 0.1 ±0.002 mm/min에 들지 않는 경우에는, 오퍼레이터는 디스플레이 (91) 상에 보고된 케이블 속도가 0.1 ±0.002 mm/min와 같게 될 때까지 회로 (109) 에 대한 옵셋 파라메타를 계속하여 수정해간다. 같게 되는 시점에서, 오퍼레이터는 단계 (141) 로 진행하여, 변수 x에 값 "1"을 할당함으로써 단계 (135) 가 성공적으로 완수되었음을 나타낸다.
플로우챠트 (127) 는 계속하여 단계 (143) 로 가서 장치 (11) 의 오퍼레이터는 3.0 mm/min의 공칭 케이블 속도에 대해 PLC (69) 에 대한 외부 제어를 조절한다. 단계 (147) 에서, 오퍼레이터는 또다시 디스플레이 (91) 상에 보고된 케이블 속도를 관찰한다. 보고된 속도가 3.0 ±0.002 mm/min 과 같지 않을 경우에는, 오퍼레이터는 단계 (149) 로 진행하여 설정점 조절 회로 (109) 의 이득 파라메타를 수정한다. 이 경우에는, 단계 (151) 에서 변수 x 를 0 으로 설정한 다음에, 오퍼레이터는 단계 (147) 로 복귀한다. 단계 (147) 에서, 오퍼레이터는 디스플레이 (91) 가 현재 3.0 ±0.002 mm/min 의 케이블 속도를 보고하고 있는지를 알아보기 위해 디스플레이 (91) 를 또다시 판독한다. 그렇지 않은 경우에는, 오퍼레이터는, 디스플레이 (91) 상에 보고된 케이블 속도가 3.0 ±0.002 mm/min와같게 될 때까지, 단계 (149) 에서 회로 (109) 에 대한 이득 파라메타를 계속하여 수정해간다. 같게 되는 시점에서, 오퍼레이터는 단계 (155) 로 진행한다. 플로우챠트 (127) 는 변수 x 가 1 이 아닌 0 이기 때문에 단계 (133) 로 복귀한다. 이러한 방식으로, 오퍼레이터는 계속하여 회로에 대해 미세 캘리브레이션을 행한다. 이 캘리브레이션은 PLC (69) 가 공칭 설정 0.1 과 3.0 mm/min 간에 전환될 수 있을 때까지 계속됨으로써, 그 결과로 실제의 케이블 속도는 이들 공칭 설정 ±0.002 mm/min 와 같게 된다 (회로 (109) 에 대한 어떤 추가의 수정도 없음). 이 시점에서, 변수 x 는 값 1 을 유지하고 있으며, 따라서 오퍼레이터는 단계 (157) 로 진행하여 캘리브레이션이 성공적으로 완료할 수 있게 된다.
도 4는 단결정 실리콘 잉곳 (31) 을 인상하기 위한 속도 프로파일의 일례를 나타낸 도면으로서, 그 전체에 도면 부호 159를 부기하고 있다. 결정 "지침서"에 규정된 소정의 속도 프로파일, 또는 목표에 따라 용융체 (29) 로부터 결정 (31) 을 정확하게 인상하는 것이 결함의 형성을 억제하기 위한 공정 조건(process needs)를 충족시키는데 도움이 된다. 예를 들어, 이러한 형태의 "고정된 시드 상승(locked seed lift)" 제어는 잉곳내의 내재적 점 결함의 개수 및 농도를 저감시킨다. 또한, 고정된 시드 상승 공정은 잉곳이 고체화 온도로부터 냉각될 때 결정 (31) 내의 내재적 점 결함의 응집을 방지하기 위해 공위(vacancy) 및 자기-틈새(self-interstitial)의 농도를 제어하는데도 도움이 된다. 당업자라면 본 발명이 임의의 적당한 속도 프로파일로도 실시될 수 있다는 것을 잘 알고 있다는 것을 알아야 한다.
속도 프로파일 (159) 은 목표 인상 속도를 인상 동안의 결정 (31) 의 길이의 함수로서 정의한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 속도 프로파일 (159) 에 따라 결정 (31) 을 인상하게 되면 거의 완벽한 결정 구조를 가지며 내재적 점 결함이 거의 없는 실리콘이 제조된다. 고체화시에 이러한 실리콘내의 내재적 점 결함의 농도는 임계 과포화 레벨(level of critical supersaturation)보다 훨씬 낮게 되어 응집 작용(agglomeration event)이 일어날 가능성이 거의 없게 된다. 잉곳이 고체화 온도로부터 냉각될 때 잉곳내에서의 내재적 점 결함의 응집을 방지하기 위하여 이와 같이 공위 및 자기-틈새의 농도를 제어하는 것이 아주 바람직하다. 본 명세서에 참고 문헌으로서 그 개시 내용 전부가 포함되는 공동 양도된 미국 특허 제 5,919,302 호는 도 4의 속도 프로파일 및 거의 완벽한 결정 구조를 갖는 실리콘의 제조에 관한 추가적인 정보를 제공하고 있다.
사용에 있어서, 도 4의 속도 프로파일 (159) 은 PLC (69) 의 메모리 (73) 에 저장되어 있다. 프로파일 (159) 은 또한 본 발명의 범위내에서 CPU (71) 의 레지스터 또는 관련 메모리 회로에 저장될 수도 있다. 당업자라면 도 4의 속도 프로파일 (159) 은 여기에서는 예시의 목적으로 도시한 것이며 또한 본 발명은 임의의 적당한 속도 프로파일로도 실시될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.
도 4의 프로파일 (159) 등의 속도 프로파일을 가지고 실시하는 중에, 결정 (31) 의 인상 속도가 인상 동안의 모든 결정 길이(crystal length)에서 아주 정확하게 속도 프로파일을 따라야 하는 것이 중요하다는 것을 알게 되었다. 바람직하게는, 결정 (31) 의 인상 속도가 대부분의 결정 길이에 대해 약 0.008 mm/min 또는 그 이하 내에서 속도 프로파일 (159) 을 따르도록, 장치 (11) 는 결정 (31) 의 인상 속도를 제어하게 된다. 바꾸어 말하면, 인상 속도는 목표 속도와 거의 같다. 본 발명은 결정 (31) 의 인상 속도가 속도 프로파일을 ±0.008 mm/min, ±0.006 mm/min 또는 ±0.004 mm/min 내에서, 또는 심지어 ±0.002 mm/min 내에서 정확하게 따르는 경우에도 실시할 수 있지만, 최상의 결과는 ±0.002 mm/min 또는 그 이상의 정확도에서 얻어지며, 또한 ±0.002 mm/min 보다 훨씬 바람직한 정확도도 본 발명의 범위내에 포함된다는 것을 알아야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, PLC (69) 는 12비트 디지털-아날로그 카드를 사용하여 설정점 조절 회로(즉, 도 2의 회로 (109))에 대한 제어 신호를 발생한다. 당업자라면 본 실시예의 정확도를 향상시키기 위해 본 발명의 범위내에서 변경을 할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 예를 들면, 12 비트 대신에 14 비트 카드를 사용하게 되면 정확도가 향상될 것이다.
도 5는 일단 프로파일 (159) 이 로딩되고 나서 PLC (69) 가 어떻게 결정 인상의 속도를 인상 동안 내내 프로파일 (159) 의 ±0.002 mm/min 내에 들도록 정확하게 제어하는지를 도시한 블록도이다. 바람직하게는, PLC (69) 는 점선 (165) 내의 기능들을 수행한다. 보다 상세하게는, PLC (69) 는 인코더 (77) 의 출력으로부터 실제의 인상 속도를 산출하고, 이것을 예상치, 즉 메모리 (73) 내에 저장된 속도 프로파일 (159) 에 의해 정의된 목표 속도와 비교한다. PLC (69) 는 그 다음에 예상 결과와 실제 결과 간의 차이를 사용하여 보정 인자 (169) 를 산출한다. PLC (69) 는 그 다음에 인상이 행해지게 될 속도 프로파일 (159) 상의점을 결정함으로써 설정점 (173) 을 산출한다. 보정 인자 (169) 와 설정점 (173) 을 승산함으로써, PLC (69) 는 수정된 설정점 (175) 을 산출한다. PLC (69) 는 수정된 설정점 (175) 을 설정점 조절 회로 (109) 에 출력하여 결정 인상의 속도를 제어하게 된다. 이상 설명한 바와 같이, 이러한 방식으로 설정점을 조절하게 되면, 인상 동안 내내 결정 인상 속도가 프로파일 (159) 의 ±0.002 mm/min 내로 유지된다.
도 6A 및 도 6B는 PLC (69) 의 동작을 보다 상세히 설명하는 플로우챠트로서, 그 전체에 도면 부호 177을 부기하였다. 특히, 플로우챠트 (177) 는 PLC (69) 가 도 5의 보정 인자 (169) 를 어떻게 산출하는지에 대해 설명하고 있다. 플로우챠트 (177) 는 단계 (181) 에서 시작하여 곧바로 단계 (183) 로 진행한다. 단계 (183) 에서, PLC (69) 는 지난 번 "예상 이동 거리 합계(expected sum distance traveled)"(E.S.D.T.) 변수가 갱신된 이후로 소정의 시간 기간(예를 들면, 15초)이 경과하였는지 여부를 검사한다. 15초 기간이 경과하지 않았을 경우에는, PLC (69) 는 경과할 때까지 단계 (183) 를 반복한다. 15초가 경과한 후에, PLC (69) 는 단계 (185) 로 진행한다.
단계 (185) 에서, PLC (69) 는 지난 번 갱신 이후로 결정 (31) 이 인상되었을 것으로 예상한 증분 거리를 기존의 E.S.D.T. 값에 가산함으로써 E.S.D.T. 를 갱신한다. "설정점 프로파일" 이라는 것은 결정 길이의 함수로서의 속도 프로파일 (159) 로부터 결정된 예상된 결정 인상 순간 속도(instantaneous expected crystal pull rate)이라는 것에 유의한다. 또한, 단계 (185) 에서 확인되는 "인자"라는 것은, 셋업에 따라, 인상에 대해 용융체 레벨 (47) 을 약간 이동하도록 조절하거나 또는 결정 (31) 의 인상을 용융체 레벨 (47) 에 대해 실질적으로 일정하게 유지하도록 조절될 수 있는 인자인 것에도 유의한다. 본 명세서에 참고 문헌으로서 그 개시 내용 전부가 포함되는 공동 양도된 출원으로서 1998년 10월 14일자로 출원된 제 09/172,546 호에는 이들 사항들에 대해 보다 상세히 개시하고 있다. 단계 (185) 의 인자는 또한 용융체 (29) 가 도가니 (19) 로부터 소진되어감에 따라 결정 인상의 종료에 임박하여 조절될 수도 있다. 대부분의 결정 인상 동안 내내 용융체 레벨 (47) 이 거의 일정하게 된 경우에는, 단계 (185) 의 인자는 바람직하게는 숫자값 "1" 을 갖는다. 마지막으로, 관련 시간 기간이 15 초 또는 0.25 분이기 때문에, 단계 (185) 에서 승수 0.25 가 사용된다.
E.S.D.T. 값을 갱신한 후에, PLC (69) 는 단계 (187) 에서 타이머 A를 리셋시키고 단계 (189) 로 진행하여 지난 번에 보정 인자 A (Correction Factor A) (C.F.A.) 가 갱신된 이후로 또다른 소정의 시간 기간 (예를 들면, 1 분)이 경과하였는지 여부를 결정한다. 1 분의 기간이 경과하지 않은 경우에는, 프로세스는 시작으로 되돌아가서 15 초의 기간을 대기하고 나서 또다시 E.S.D.T. 를 갱신하게 된다. 1 분이 최종적으로 경과하게 되면, PLC (69) 는 단계 (191)에서 타이머 B를 0 으로 리셋시킨 다음에 단계 (193) 로 진행한다. 단계 (193) 에서, PLC (69) 는 마지막 갱신 이후로 인코더 (77) 가 몇개의 펄스를 발생했는지를 결정한다. PLC (69) 가 드럼 (43) 의 직경을 알게 되면 이상에서 설명한 바와 같이 증분 펄스 카운트를 결정 (31) 이 인상된 증분 거리로 변환한다. 이 증분 값이"실제 Δ(n)" 값과 같게 되는 단계 (193) 에 이르게 된다.
단계 (197) 로 진행하여, PLC (69) 는 결정 (31) 이 인상된 거리를 산출하여 "실제 이동 거리 합계(sum distance travel actual)" 라고 하는 변수 (S.D.T.A.)에 제공한다. PLC (69) 는 S.D.T.A.의 이전값을 바로 전 단계 (193) 에서 산출된 "실제 Δ(n)" 값에 단순히 가산함으로써 S.D.T.A. 값을 갱신하게 된다.
이제 도 6B를 참조하면, 플로우챠트 (177) 는 단계 (199) 에서 계속된다. 단계 (199) 에서, PLC (69) 는 현재의 E.S.D.T. 를 현재의 S.D.T.A. 로 나누어 제 1 보정 인자, 보정 인자 A (C.F.A.) 를 산출한다. PLC (69) 는 단계 (201) 로 진행하여 지난 번에 제 2 보정 인자, 보정 인자 B (C.F.B.) 가 갱신된 이후로 제 3 소정의 시간 기간 (예를 들면, 10분) 이 경과하였는지를 판정하게 된다. 10 분의 기간이 경과하지 않은 경우에는, 프로세스는 단계 (183) 로 되돌아와서 15 초 기간 동안 대기하고 나서 E.S.D.T. 값을 다시 갱신하게 된다. 10 분이 최종적으로 경과한 경우에는, PLC (69) 는 단계 (203) 에서 현재의 C.F.A. 에서 1 을 감산한 다음에 그 결과를 10 으로 나누고 이것을 이전의 C.F.B. 에 가산함으로써 C.F.B. 를 갱신한다. PLC (69) 는 그 다음에 단계 (205) 로 진행하여 타이머 C, E.S.D.T. 및 S.D.T.A. 를 0 으로 리셋시킨다.
바람직하게는, C.F.B. 값은 비교적 1 에 가깝다. 이 때문에, PLC (69) 는 단계 (209) 에서 현재의 C.F.B. 가 0.75 이상 1.25 이하 인지를 검사한다. C.F.B. 가 이 범위내에 있을 경우에는, PLC (69) 는 플로우챠트 (177) 의 시작으로 되돌아가기 전에 단계 (211) 에서 보정 인자 (169) 로서 현재의 C.F.B. 를 출력한다. 그렇지만, C.F.B. 가 이 범위를 벗어난 경우에는, PLC (69) 는 현재의 값이 너무 높은지 또는 너무 낮은지에 따라 단계 (213) 에서 C.F.B. 를 설정한다. 현재의 C.F.B. 가 너무 낮을 경우에는, PLC (69) 는 보정 인자 (169) 로서 0.75 를 출력하지만, 현재의 C.F.B. 가 너무 높을 경우에는, PLC (69) 는 보정 인자 (169) 로서 1.25 를 출력한다. PLC (69) 는 그 다음에 플로우챠트 (177) 의 시작으로 되돌아간다.
이상에서 기술한 바와 같이, 결정 "지침서"에 규정된 소정의 속도 프로파일, 또는 목표에 따라 용융체 (29) 로부터 단결정 실리콘 잉곳 (31) 을 정확하게 인상하는 것이 결함의 형성을 억제하기 위한 공정 조건(process needs)를 충족시키는데 도움이 된다. 그러나, 종래의 초크랄스키 실리콘 성장 공정은 성장 중의 결정 (31) 의 직경을 제어하기 위해 인상 속도, 또는 시드 상승을 가변시키고, 이것이 "고정된 시드 상승" 공정에서 문제를 야기하게 된다. 당업자라면 인상 속도를 증가시키게 되면 결정 직경이 감소하게 되고, 인상 속도를 저하시키면 직경이 증가하게 된다는 것을 잘 알 것이다. 또한, 실리콘 소스 용융체 (29) 의 온도를 증가시키게 되면 결정 직경이 감소하게 되고, 용융체 온도를 저하시키면 직경이 증가된다는 것도 잘 알려져 있다. 이러한 이유로, 목표 프로파일에 따라 인상 속도를 제어하는 것은 용융체 온도가 인상 동안에 정확하게 조절되지 않는다면 큰 직경 오차 또는 직경 제어의 부재(lack of diameter control)를 유발할 수가 있다.
도 7은 종래 기술에 따른 직경 제어 루프를 도시한 것으로서, 그 전체에 도면 부호 217을 부기하고 있다. 도 7에 도시한 바와 같이, 비례-적분-미분(PID) 제어 루프 (219) 는 라인 (221) 에서 오차 신호를 수신한다. 오차 신호는 소망의, 또는 목표 결정 직경 (즉, 설정점)과 실제의 결정 직경 (즉, 공정 변수) 간의 차이를 나타낸다. PID 루프 (219) 는 특정의 결정 성장 지침서로부터 얻은 예상 인상 속도를 조절하기 위해 라인 (225) 에 인상 속도 보정을 출력한다. 제어 루프 (217) 는 인상 속도를 조절하여 결정 직경을 변경시키기 위해 라인 (227) 에 시드 상승 설정점을 출력한다. 도 7에서, 제어 루프 (217) 는 또한 시드 상승 설정점이 너무 많은 양만큼 변경되는 것을 방지하기 위한 리미터(limiter) (229) 도 포함하고 있다. 도시한 바와 같이, 도 7의 제어 루프 (217) 는 잉곳 (31) 의 직경을 변경시키기 위해 시드 상승의 변경을 필요로 하게 된다.
도 8은 결정 성장 장치 (13) 에 대한 종래의 종속 접속 온도 제어를 도시한 것으로서, 그 전체에 도면 부호 233을 부기하였다. 직경을 제어하기 위해 제어기가 인상 속도를 가변시키는 능동적 시드 상승 응용(active seed lift application)에 있어서는, 설정점은 보통 목표 시드 상승(target seed lift)이 되고, 공정 변수는 보통 실제의 시드 상승(actual seed lift)이 된다. 도 8에 도시한 바와 같이, 1차 PID 제어 루프 (235) 는 라인 (237) 으로 결정 직경 설정점과 결정 직경 공정 변수 간의 차이를 나타내는 오차 신호를 수신한다. PID 루프 (235) 는 라인 (241) 에 온도 설정점을 출력한다. 이어서, 2차 PID 제어 루프 (243) 는 라인 (245) 에서 오차 신호를 수신한다. 라인 (245) 의 오차 신호는 온도 설정점과 실제의 온도 (즉, 공정 변수) 간의 차이를 나타낸다. 그렇지만,이 경우에는, 2차 PID 루프 (243) 는 결정 성장 장치 (13) 의 절연재 패키지 근방의 피로미터 (33) 또는 열전쌍(thermocouple) (도시안됨) 로부터의 히터 온도 피드백을 수신한다. 바꾸어 말하면, 종래의 결정 풀러(crystal puller)는 실리콘 용융체 (29) 의 실제 온도를 검사하지 않는 경우가 많으며, 따라서 제어 (233) 에 오차가 유입된다. PID 루프 (243) 는 결정 직경을 변경시키기 위해 라인 (249) 에 히터 전원 설정점을 출력한다. 종속 접속된 방식의 제어 루프 (233) 의 잇점은 PID (243) 를 포함하는 2차 루프가 히터 온도 설정점의 변화에 비교적 빠르게 응답하도록 조정되어 전력이 그의 최종 안정 상태값을 일반적으로 오버슈트하도록 할 수 있다는 점이다. 히터 전력 및 온도에 있어서의 이러한 비교적 빠른 변화는 시스템의 전체 응답을 개선시킨다. 그렇지만, 이것이 전력 변화에 대한 직경 응답을 꼭 개선시키는 것은 아닌데, 그 이유는 용융체 덩어리(melt mass)에 우세 지상(dominant lag)이 잔존하기 때문이다. 게다가, 실제로는, 피로미터 윈도우가 종종 더럽혀지거나 차단되고 또는 열전쌍이 절연체 패키지의 서로 다른 부분을 측정하거나 하게 된다. 이로 인해, 매 운전때마다 또한 풀러(puller)마다 이득 및 옵셋 변동이 상당하게 될 수 있다. 그 결과, 소정의 온도 프로파일은 결정 품질 및 처리 능력에 있어서 변동을 야기하게 된다. 게다가, 느린 응답 속도 및 용융체 표면-히터 온도간의 관계의 변동으로 인해, 직경 제어는 종래의 제어 루프 (233) 로는 일반적으로 부적당하다.
도 9는 또다른 종래의 전력 제어 루프를 도시한 것으로서, 그 전체에 도면 부호 251을 부기하였다. 이 경우에는, 루프 (251) 의 제어 방식은 제어 루프(233) 의 종속 접속 방식 보다 얼마간 더 느리지만, 히터 온도를 위해 PID (235) 등의 2차 PID 루프를 필요로 하지는 않는다. PID 제어 루프 (253) 는 라인 (257) 에서 오차 신호를 수신한다. 오차 신호는 결정 직경 설정점과 공정 변수 간의 차이를 나타낸다. PID 루프 (251) 는 용융체 온도를 조절하여 직경을 제어하기 위하여 라인 (259) 에 히터 전원 설정점을 출력한다. 제어 루프 (251) 에서는, 히터 전력이 운전때마다 또한 정도가 덜하기는 하지만 풀러(puller)마다 자주 반복되는 경향이 있다. 도 7 및 도 8의 제어 방식과 비교하면, 제어 루프 (251) 는 개선된 결정 품질 및 처리 능력을 제공하며, 피로미터 및 열전쌍 측정 오류로 인한 운전 고장이 없도록 하였다. 그렇지만, 전력 제어 루프 (251) 는 이 방식이 직경 제어에는 부적당할 정도로 느린 응답 시간을 갖는다. 당업자라면 PID 이득과 공정의 변동 과정(dynamics)이 제어 루프의 출력(즉, 인상 속도 보정, 온도 설정점 또는 전원 설정점)을 결정한다는 것을 잘 알 것이다.
이제 도 10을 참조하면, 그 전체에 도면 부호 261이 부기되어 있는 전원 제어 루프는 고정된 시드 상승 공정에서 결정 직경을 제어하기 위한 본 발명의 측면들을 구현하고 있다. PID 제어 루프 (265) 는 라인 (267) 에서 결정 직경 설정점과 결정 직경 공정 변수 간의 차이를 나타내는 오차 신호를 수신한다. 이어서, PID 루프 (265) 는 라인 (269) 에 온도 설정점을 출력한다. 본 발명에 따르면, 제어 루프 (261) 는 결정 직경에 소망의 변경을 주기 위해 온도 설정점을 수신하고 라인 (275) 에 히터 전원 설정점을 출력하는 온도 모델 (273) 을 포함하고 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 온도 모델 (273) 은 히터 전력과 실리콘 용융체 (29) 의 표면의 온도간의 관계를 추정한다. 온도 모델 (273) 은 직경 기울기(diameter slope), 즉 직경 변화율의 모델을 제공하는데 사용될 수도 있다는 것을 염두에 두어야 한다. 일반적으로, 용융체 표면 온도의 피로미터 측정값은 온도 모델 (273) 을 생성하기 위한 데이터를 제공한다. 용융체 온도를 제어함으로써 결정 직경을 제어하는 것은 일반적으로 인상 속도에 의한 제어만큼 안정되지는 않지만, 제어 루프 (261) 가 보다 고속이며 정확한 직경 제어를 갖는 고정된 시드 상승 공정의 잇점을 제공하므로 유리한 면이 있다.
히터 전력-용융체 표면 온도간의 관계를 단순화시킨 모델은 데드 시간(dead time), 이득(gain) 및 1차 지상(first-order lag)을 포함한다. 도 11은 도 8 또는 도 9에 도시한 것과 같은 종래의 제어 방식에 대한 온도 응답의 일례를 나타낸 도면이다. 도 11에서, 시간 t=1에서 시작하는 단위 계단 입력(unity step input) (277) 의 결과 지수 함수에 의해 근사화된 출력 (279) 이 얻어진다:
도 11의 예에서, 출력 (279) 은 td= 5 분의 데드 시간에 뒤따라오며, τ=30분의 시상수를 갖는 1차 지연으로 이루어져 있다. 데드 시간, 또는 지연 기간 동안에는, 입력 (277) 에 대한 어떤 응답도 없다. 출력 (279) 의 지연의 결과로서 최종값(예를 들면, 최종 온도)으로의 지수적 변화가 있게 되며, 응답 속도는 그의 시상수, τ에 의해 결정된다.
도 12는 도 10에 도시한 제어 루프 (261) 에 대한 온도 응답의 일례를 도시한 도면이다. "전력 갭(power gap)"은 용융체 온도에서 비교적 큰 변화를 달성하는데 유용하다. 소정의 진폭과 지속 기간을 가지며 안정 상태의 전력 변화가 뒤따르는 전력의 펄스 형태인 입력 (281) 은 이러한 전력 갭을 제공한다. t=1에서 시작하는 입력 (281) 의 결과로서 지수 함수로서 근사화되는 출력 (283) 이 얻어진다:
이전과 마찬가지로, 출력 (283) 은 아무런 응답도 없는 기간인 데드 시간 (td=5분) 다음에 오게 된다. 출력 (283) 은 또한 τ= 30 분의 시상수를 갖는 1차 지상도 갖는다. 승수 k 는 펄스 진폭을 안정 상태의 전력 변화의 함수로서 정의한다. 안정 상태 응답(예를 들면, 단위 응답)과 같은 응답을 달성하기 위해서는, 펄스가 이하의 식으로 정의되는 기간 동안 인가된다:
t = -τ * ln (1 - l/k)
출력 (283) 이 데드 시간의 종료 때까지는 입력 (281) 에 응답하지 않기 때문에, 데드 시간은 포함되어 있지 않다는 것에 유의한다. 그것은 단지 지연된다. 일례로서, τ= 30 분이고, k = 10 으로 하면, 펄스 지속 기간은 3.16 분이 된다. 이와 같이, 데드 시간 후 3.16 분이 되면, 온도는 소망의 레벨에 도달되어 안정 상태의 전력 값에 의해 그 레벨에서 유지되어질 것이다. 도 12의 온도 모델의 결과 결정 직경의 제어가 성공적으로 이루어져 전력 변경을 공정 데드 시간과 거의 같은 간격으로 할 수 있다는 잇점이 있다.
도 11 및 도 12는 계단 응답과 펄스 응답의 비교를 제공한다. 그렇지만, 도 12에서, 출력 (283) 은 입력 (281) 의 전력 펄스로 인해 (지수 함수에 따라) 비교적 고속으로 상승하며, 도 11의 출력 (279) 이 소망의 크기에 도달하는 데 걸리는 시간의 수분의 1 만에 소망의 크기를 달성한다. 성장 중의 잉곳 (31) 의 직경 및 그 변화율도 전력 펄스의 크기를 결정하며 안정 상태 전력이 변한다.
바람직하게는, PLC (69) 는 온도 모델 (273) (도 12의 온도 응답에 의해 개발됨) 을 구현하는 소프트웨어를 실행한다. 직경 제어 루프 (261) 는 PID (265) 를 거쳐 제어 동작을 제공하여 펄스들이 자동적으로 발생되게 하는 온도 설정점을 발생한다. 이 설정점은 히터 전력으로 스케일링된 무차원의 온도 단위로 표현되어 있다(예를 들면, 10#'s/kW). 예를 들면, PID 제어기 (265) 가 모델 (273) 에 5#'s 의 설정점에서의 변화를 보내면, 3.16 분 동안 5kW (즉, 10 * 5#'s * 1kW/10#'s)의 펄스가 결과로서 나타나고, 0.5kW 의 안정 상태 전력 변화가 뒤따르게 된다. 인자 k (k=10) 는 전력이 오버슈트하도록 만들지만, 히터 온도에서가 아니라 온도에서의 소망의 계단 변화를 달성하도록 인자 k 및 펄스 지속 기간이 산출된다. 직경의 변화율 (즉, 기울기)은 이 용융체 표면 변화에 신속하게 응답한다. 데드 시간의 영향을 저감시키기 위해, PID 샘플 레이트는 이 예에서는 5 분으로 되어 있는 데드 시간과 거의 같은 값으로 설정된다. 이렇게 함으로써 제어기의 동작이 이후의 사이클에서는 유효하게 된다. PID 루프 (265) 에 의해 취해지는 반복되는 보정 동작들이 모델에서의 부정확성을 보상하게 된다. 이 결과, 종속 접속 제어 (233) 보다 직경 오차에 대한 응답 시간이 상당히 개선되고, 게다가 피로미터 및 열전쌍 등의 히터 온도 측정 소자에 의해 야기되는 변동성 및 무신뢰성이 제거된다.
일례로서, 결정 성장 장치 (13) 는 본 발명을 실시하기에 적합한 제어 시스템 하드웨어 구성을 제공하는 페로플루딕스 CZ-150 결정 풀러(Ferrofluidics CZ-150 Crystal Puller)이다. 제어 유닛 (51) 의 PLC (69) 에 의해 실행되는 프로그램은 바람직하게는 그의 온도 제어 산출에 있어서 온도 모델 (273) 을 포함하고 있다. 이상에서 설명한 바와 같이, 온도 모델 (273) 은 소망의 용융체 온도 변화를 달성하기 위하여 전력 펄스를 산출한다. 모델 함수는 풀러 모드(puller mode)가 용융체 (29) 를 용융시켜 안정화시키기 위한 전력 제어를 제공하고 있을 때 초기화된다. 일반적으로, 이 모드 동안에는 히터 전력의 직접 제어가 요망된다. 전력 제어 동안에, 온도 설정점 및 공정 변수는 히터 전력이 조작되고 있는 동안에는 중간 범위 (예를 들면, 1000 단위)로 설정된다. 온도 모드가 선택된 이후에, 온도 설정점은 1000 단위로 초기화되고 또한 조작될 수 있다. 그 다음에, 전력 제어 모드에서 선택된 최신값으로 초기화되어 있던 히터 전력을 산출하기 위해 이 온도 설정점이 사용된다.
전력 제어 루프 (261) 가 용융체 온도를 제어하기 위해 사용되고 있을 때, PLC (69) 는 일정 간격으로 (예를 들면, 매 6 초마다, 즉 0.1 분마다) 모델 산출을 실행한다. PLC (69) 가 이 산출을 실행할 때마다, 시프트 레지스터는 현재의 온도 설정점을 기억하고 있다. 시프트 레지스터는 전력 펄스의 프로그램된 지속 기간의 끝에서 이 전력 펄스를 종료시킨다. 본 발명에 따르면, PLC (69) 는전력 출력을 산출하기 위해 이하의 수식을 실행시킨다:
여기서, P1은 현재의 전력이고, P0는 온도 제어 모드의 시작시의 초기 전력이며, G 는 온도 단위에서 kW 로의 변환 (예를 들면, 10#'s/kW) 이고, k 는 펄스 진폭이며, Tn은 시간 t=n 에서의 온도 설정점이고, Tn-m은 시간 t=n-m (여기서, m 은 샘플 단위의 펄스 지속 기간임, 예를 들면 샘플 당 0.1 분일 때 32개 샘플)에서의 온도 설정점이다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 능동적 시드 상승 제어 전략 및 고정된 시드 상승 제어 전략의 결합은 안정된 결정 제어를 제공한다. 전술한 바와 같이, 직경 제어 루프 (217) 는 예상 인상 속도와 PID 루프 (219) 에 의해 라인 (225) 에 출력된 인상 속도 보정을 합산한다. 결정 잉곳 (31) 의 초기 성장 동안에는, 시드 상승을 가변시킴으로써 효과적인 직경 제어를 위해 비례 및 미분 동작이 조정된다. 직경 오차의 누적에 의해 야기되는 시드 상승값들에 의해 직경 오차가 완전히 제거되지 않도록 하기 위해 적분 동작은 사용되지 않는다. 도 7의 능동적 시드 상승 방식의 목적은 결정 (31) 의 숄더(shoulder) 부분상에 종종 발생하는 비교적 큰 직경 불균일(diameter upset)을 시드 상승, 또는 인상 속도를 조절함으로써 제어하는 것이다. 동시에, 용융체 온도는 초기 직경 오차도 감소시키기 위해 고속 PID 조정을 통해 조절될 수도 있다. 결정 잉곳 (31) 의 예를 들어처음 50mm 를 성장시킨 후에는, 용융체 (29) 의 온도 및 결정 직경은 비교적 안정되고 제어 상태에 있게 될 것이다. 이 때, 제어는 바람직하게는 능동적 시드 상승 국면에서 고정된 시드 상승 국면으로 전환된다. 전력 제어 루프 (261) 의 PID 루프 (265) 는 시드 상승을 조절하여 보정되지 않은 직경 오차에 대한 보정을 제공한다. 시드 상승 루프 (217) 에서의 PID 이득 및 전력 제어 루프 (261) 에서의 PID 이득은 잉곳의 나머지 성장을 위해 적절한 값으로 설정된다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 능동적 및 고정된 인상 속도 경우의 직경 성능을 나타낸 도면이다. 이 예시도에서, 제 1 곡선 (287) 은 잉곳의 길이에 대한 결정 직경을 나타내고, 제 2 곡선 (289) 은 대응하는 인상 속도를 나타낸다. 전술한 바와 같이, 이 예는 최적 결과를 달성하기 위해 능동적 및 고정된 인상 속도의 결합을 사용하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 결정 보디 성장을 위한 임펄스 전력만에 의한 직경 제어는 완벽한 실리콘 성장 공정에서 잇점을 제공한다. 즉, 본 발명은 직경 제어의 조정에 의해 안정된 직경 제어와 함께 고정된 시드 상승 제어를 제공한다. 이러한 제어 전략은 보디 성장 단계에서 뿐만 아니라 결정 네크(crystal neck), 크라운(crown), 초기 보디(early body) 및 종기 원추형 단부(late endcone) 단계에서의 직경 제어의 개선을 제공한다. 본 발명은 모델링 오류가 "임펄스"에 존재할 때 더 확실한 피드백을 제공하기 위해 임펄스, 또는 전력 펄스 함수 이후에 PID 제어를 제공한다.
본 발명의 고정된 시드 상승 공정은 또한 운전 동안에 램프 전력 펄스크기(ramped power pulse magnitude) 및/또는 램프 펄스 폭(ramped pulse width)을 결과로서 생성하는 램프 공정 파라메타 추정치(ramped process parameter estimate)의 사용을 포함할 수도 있다는 것을 알아야 한다. 성장의 다른 단계들 동안에 전력 펄스의 파라메타를 변경함으로써, 본 발명은 전체 제어를 개선하기 위하여 공정 조건에 대해 보다 바람직한 제어 매칭(control matching)을 제공한다.
실제에 있어서, (결정 성장 장치 (13) 뿐만 아니라) 장치 (11) 를 구성하는 데 사용되는 부품들은 상당히 엄밀한 공차내에서 제작되는 것이 중요하다. 이하의 부품 리스트는 본 발명에 사용하기에 적합한 예시적인 부품의 일람표를 제공한다:
PLC (69) : 지멘스 모델 TI 575
설정점 조절 회로 (109) : 페로플루딕스 부품 번호 207683
서보 증폭기 (93) : 어드밴스트 모션 콘트롤스 모델 AMC 10A8
타코미터 및 서보 모터 (53) : 맥스--00 모토매틱Ⅱ 부품 번호 284-001-109
인코더 (85) : 아큐-코더 부품 번호 755A-01-00600-PU
인코더 (77) : 페로플루딕스 부품 번호 080010
풀리 (41) : 페로플루딕스 도면 번호 206886A
드럼 (43) : 페로플루딕스 도면 번호 206075D
케이블 (37) : 텅스텐 케이블 직경 0.10 인치
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명의 몇가지 목적이 달성되고 다른 유익한 결과도 얻어짐을 알 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않고 상기의 구성 및 방법에 여러가지 변경을 할 수 있기 때문에, 이상의 상세한 설명에 포함되고 첨부 도면에 도시된 모든 내용은 예시적인 것으로서 해석되어야 하며 한정적인 의미로 해석되어서는 안된다는 것이다.

Claims (10)

  1. 결정 성장 장치와 결합하여 사용하여 초크랄스키 공정에 따라 단결정 잉곳을 성장시키는 방법으로서, 상기 결정 성장 장치는 잉곳이 성장하는 반도체 용융체가 들어 있는 피가열 도가니를 가지고 있으며, 상기 잉곳은 상기 용융체로부터 인상되는 시드 결정 상에 성장되는 단결정 잉곳 성장 방법에 있어서,
    용융체를 가열하기 위해 히터에 공급되는 전력의 변동에 따른 용융체의 온도 변동을 나타내는 온도 모델을 정의하는 단계;
    소정의 속도 프로파일을 실질적으로 따르고 있는 목표 속도로 잉곳을 용융체로부터 인상하는 단계;
    잉곳의 목표 직경과 잉곳의 측정된 직경 간의 오차를 나타내는 신호를 발생하는 단계;
    오차 신호에 대해 비례-적분-미분(PID) 제어를 수행하여 용융체의 목표 온도를 나타내는 온도 설정점을 오차 신호의 함수로서 발생하는 단계;
    히터에 공급되는 전력에 대한 전력 설정점을 PID 제어에 의해 발생된 온도 설정점의 함수인 온도 모델로부터 결정하는 단계; 및
    전력 설정점에 따라 히터에 공급되는 전력을 조절함으로써 용융체의 온도를 변경하여 잉곳의 직경을 제어하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력을 조절하는 단계는 소정의 지속 기간과 온도 설정점에 직접 대응하는 안정 상태 값보다 큰 진폭을 갖는 전력 펄스를 히터에 인가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 설정점을 결정하는 단계는 이하의 식
    (여기서, P1은 현재의 전력이고, P0는 초기 전력이며, G 는 온도 단위에서 kW로의 변환이고, k 는 전력 펄스의 진폭이며, Tn은 시간 t=n 에서의 온도 설정점이고, Tn-m은 시간 t=n-m 에서의 온도 설정점이며, m 은 전력 펄스의 지속 기간임)
    에 의해 전력 출력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 설정점을 온도 모델로부터 결정하는 단계는 펄스 부분 다음에 안정 상태 부분이 오는 온도 모델로의 입력을 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도 모델로의 입력의 펄스 부분은 온도 설정점에 직접 대응하는 안정상태 값보다 더 큰 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도 모델로의 입력의 펄스 부분은 이하의 식
    t = -τ * ln (1 - l/k)
    (여기서, τ는 온도 모델을 정의하는 지수 함수의 시상수이고, k 는 온도 모델로의 입력의 펄스 부분의 진폭임)
    에 의해 정의되는 지속 기간을 갖는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 모델을 정의하는 단계는 지연 기간, 이득 및 1 차 지상 함수 응답을 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 온도 모델을 정의하는 단계는 이하의 식
    (여기서, td는 1차 지상 함수 응답 이전에 생기는 지연 기간이고, τ는 함수의 시상수이며, k 는 온도 모델로의 전력 입력의 진폭을 나타냄)
    과 같이 시간의 지수 함수에 의해 1차 지상 함수 응답을 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    잉곳의 직경을 제어하기 위해 잉곳이 용융체로부터 인상되는 속도를 가변시키는 단계를 더 포함하되,
    상기 인상 속도를 가변시키는 단계는 잉곳의 제 1 부분의 성장 동안에 행해지고, 상기 소정의 속도 프로파일을 실질적으로 따르는 목표 속도로 잉곳을 인상하는 단계는 잉곳의 제 2 부분의 성장 동안에 행해지는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 방법.
  10. 결정 성장 장치와 결합하여 사용하여 초크랄스키 공정에 따라 단결정 잉곳을 성장시키는 장치로서, 상기 결정 성장 장치는 잉곳이 성장하는 반도체 용융체가 들어 있는 피가열 도가니를 가지고 있으며, 상기 잉곳은 상기 용융체로부터 인상되는 시드 결정 상에 성장되는 단결정 잉곳 성장 장치에 있어서,
    상기 잉곳이 목표 속도로 용융체로부터 인상될 때 실질적으로 따르게 되는 소정의 속도 프로파일;
    잉곳의 목표 직경과 잉곳의 측정된 직경 간의 오차의 함수로서, 용융체의 목표 온도를 나타내는 온도 설정점을 발생하는 비례-적분-미분(PID) 제어;
    용융체를 가열하기 위해 히터에 공급되는 전력 변동에 따른 용융체의 온도 변동을 나타내는 온도 모델로서, PID 제어에 의해 발생된 온도 설정점의 함수로서 히터에 공급되는 전력에 대한 전력 설정점을 결정하는 온도 모델;
    용융체를 가열하기 위한 히터; 및
    상기 전력 설정점에 응답하여 상기 히터에 인가되는 전력을 조절함으로써 용융체의 온도를 변경하여 잉곳의 직경을 제어하는 전원
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장 장치.
KR1020017011729A 1999-03-22 2000-02-17 성장 공정 중에 실리콘 결정의 직경을 제어하는 방법 및장치 KR100690218B1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12545699P 1999-03-22 1999-03-22
US60/125,456 1999-03-22
US09/502,340 US6776840B1 (en) 1999-03-22 2000-02-10 Method and apparatus for controlling diameter of a silicon crystal in a locked seed lift growth process
US09/502,340 2000-02-10

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20010113750A true KR20010113750A (ko) 2001-12-28
KR100690218B1 KR100690218B1 (ko) 2007-03-12

Family

ID=26823606

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020017011729A KR100690218B1 (ko) 1999-03-22 2000-02-17 성장 공정 중에 실리콘 결정의 직경을 제어하는 방법 및장치

Country Status (8)

Country Link
US (1) US6776840B1 (ko)
EP (1) EP1171652B1 (ko)
JP (1) JP4602561B2 (ko)
KR (1) KR100690218B1 (ko)
CN (1) CN1344335A (ko)
DE (1) DE60001274T2 (ko)
TW (1) TW552324B (ko)
WO (1) WO2000056956A1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101277396B1 (ko) * 2011-06-14 2013-06-20 주식회사 엘지실트론 잉곳 성장 제어장치
KR101354758B1 (ko) * 2011-12-19 2014-01-23 삼성전기주식회사 모터의 다중 센서 고장 진단 장치 및 그 방법
KR20140090810A (ko) * 2013-01-10 2014-07-18 주식회사 엘지실트론 잉곳 성장의 제어 방법
CN104965538A (zh) * 2015-07-06 2015-10-07 王军 一种晶体生长过程的加热电源控制方法

Families Citing this family (32)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030034357A (ko) * 2001-10-22 2003-05-09 주식회사 실트론 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치 및 잉곳직경 조절 방법
US20030209321A1 (en) * 2002-05-13 2003-11-13 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Scanning type etcher design for precision process control
EP1541721B1 (en) * 2002-07-05 2012-03-07 Sumco Corporation Method of producing silicon monocrystal
CN100371507C (zh) * 2005-03-28 2008-02-27 荀建华 晶体等径生长的控制系统及其方法
TW200706711A (en) * 2005-08-12 2007-02-16 Komatsu Denshi Kinzoku Kk Control system and method for time variant system control object having idle time such as single crystal producing device by czochralski method
CN100383295C (zh) * 2006-03-31 2008-04-23 浙江大学 直拉式晶体生长炉自动控制方法
DE102007001348B4 (de) 2007-01-03 2010-05-12 Forschungsverbund Berlin E.V. Verfahren und Anordnung zur Herstellung von kristallinen Formkörpern aus Schmelzen in Czochralski-Anordnungen
US20080274240A1 (en) * 2007-05-03 2008-11-06 Omar Germouni Adaptive controller and expert system food processing
US20100024717A1 (en) * 2008-07-31 2010-02-04 Benno Orschel Reversed action diameter control in a semiconductor crystal growth system
US8012255B2 (en) * 2008-07-31 2011-09-06 Sumco Phoenix Corporation Method and apparatus for controlling diameter of a silicon crystal ingot in a growth process
US8221545B2 (en) 2008-07-31 2012-07-17 Sumco Phoenix Corporation Procedure for in-situ determination of thermal gradients at the crystal growth front
CN101748477B (zh) * 2008-12-19 2013-10-23 北京太克易航科贸有限公司 用于单晶硅生长过程控制的智能pid控制方法及其系统
DE102009056638B4 (de) * 2009-12-02 2013-08-01 Siltronic Ag Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium mit einem Abschnitt mit gleich bleibendem Durchmesser
WO2012031136A2 (en) 2010-09-03 2012-03-08 Gt Advanced Cz Llc Silicon single crystal doped with gallium, indium, or aluminum
KR101379799B1 (ko) 2012-05-23 2014-04-01 주식회사 엘지실트론 단결정 실리콘 잉곳 성장 장치 및 방법
CN102758250A (zh) * 2012-07-20 2012-10-31 西安理工晶体科技有限公司 锗单晶直拉生长法的自动等径控制方法
CN103710745B (zh) * 2013-12-26 2016-01-20 南京晶升能源设备有限公司 85kg至120kg蓝宝石晶体生长自动化控制方法
KR101571958B1 (ko) 2014-01-28 2015-11-25 주식회사 엘지실트론 잉곳성장장치 및 잉곳성장방법
KR101571957B1 (ko) * 2014-01-28 2015-11-25 주식회사 엘지실트론 잉곳성장장치 및 잉곳성장방법
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
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
KR101874712B1 (ko) * 2016-12-07 2018-07-04 에스케이실트론 주식회사 잉곳 성장 제어장치 및 그 제어방법
CN110528067B (zh) * 2018-05-25 2021-10-08 隆基绿能科技股份有限公司 一种直拉硅单晶的温度控制方法
CN111254485B (zh) * 2018-12-03 2021-05-04 隆基绿能科技股份有限公司 单晶硅等径生长的控制方法、设备及存储介质
JP6614380B1 (ja) * 2019-03-20 2019-12-04 信越半導体株式会社 単結晶製造装置
CN109972201B (zh) * 2019-04-07 2020-09-11 浙江晶盛机电股份有限公司 用于直拉法硅单晶生长过程的晶体直径控制方法
DE102019211609A1 (de) 2019-08-01 2021-02-04 Siltronic Ag Verfahren zum Ziehen eines Einkristalls aus Silizium gemäß der Czochralski-Methode aus einer Schmelze
CN111519244B (zh) * 2020-05-28 2021-08-24 璨隆科技发展有限公司 一种应用在单晶生产设备中的电阻式加热器的电源控制方法
CN112853478A (zh) * 2021-01-07 2021-05-28 西安奕斯伟硅片技术有限公司 晶体等径生长控制方法及晶体等径生长控制装置
WO2022147835A1 (zh) * 2021-01-11 2022-07-14 眉山博雅新材料有限公司 一种晶体生长控制方法和系统
CN114351246A (zh) * 2021-11-29 2022-04-15 银川隆基光伏科技有限公司 单晶硅棒的直径调整方法、装置、电子设备及存储介质
CN115198351B (zh) * 2022-08-19 2023-11-24 中国电子科技集团公司第二十六研究所 一种自动生长低温敏感人工晶体材料加热功率控制方法

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3761692A (en) * 1971-10-01 1973-09-25 Texas Instruments Inc Automated crystal pulling system
JPS63307186A (ja) * 1987-06-05 1988-12-14 Shin Etsu Handotai Co Ltd 晶出結晶径制御装置
US4857278A (en) 1987-07-13 1989-08-15 Massachusetts Institute Of Technology Control system for the czochralski process
JPH0774117B2 (ja) * 1989-10-20 1995-08-09 信越半導体株式会社 ヒータの温度パターン作成方法及びこの温度パターンを用いたＳｉ単結晶育成制御装置
JPH06102590B2 (ja) * 1990-02-28 1994-12-14 信越半導体株式会社 Ｃｚ法による単結晶ネック部育成自動制御方法
DE9007553U1 (ko) 1990-03-10 1992-08-06 Christian Senning Verpackungsautomaten Gmbh & Co, 2800 Bremen, De
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
JPH04325487A (ja) 1991-04-25 1992-11-13 Showa Denko Kk 化合物半導体単結晶の製造方法
KR100237848B1 (ko) * 1991-04-26 2000-01-15 후루노 토모스케 단결정의 인상방법
US5178720A (en) 1991-08-14 1993-01-12 Memc Electronic Materials, Inc. Method for controlling oxygen content of silicon crystals using a combination of cusp magnetic field and crystal and crucible rotation rates
US5653799A (en) 1995-06-02 1997-08-05 Memc Electronic Materials, Inc. Method for controlling growth of a silicon crystal
JP2979462B2 (ja) * 1995-09-29 1999-11-15 住友金属工業株式会社 単結晶引き上げ方法
EP0821082B1 (en) 1996-06-27 1999-01-20 Wacker Siltronic Gesellschaft für Halbleitermaterialien Aktiengesellschaft Process and apparatus for controlling the growth of a crystal
US5795381A (en) * 1996-09-09 1998-08-18 Memc Electrical Materials, Inc. SIO probe for real-time monitoring and control of oxygen during czochralski growth of single crystal silicon
US5846318A (en) 1997-07-17 1998-12-08 Memc Electric Materials, Inc. Method and system for controlling growth of a silicon crystal
US5882402A (en) 1997-09-30 1999-03-16 Memc Electronic Materials, Inc. Method for controlling growth of a silicon crystal
US5935328A (en) 1997-11-25 1999-08-10 Memc Electronic Materials, Inc. Apparatus for use in crystal pulling
US5968263A (en) * 1998-04-01 1999-10-19 Memc Electronic Materials, Inc. Open-loop method and system for controlling growth of semiconductor crystal
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

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101277396B1 (ko) * 2011-06-14 2013-06-20 주식회사 엘지실트론 잉곳 성장 제어장치
KR101354758B1 (ko) * 2011-12-19 2014-01-23 삼성전기주식회사 모터의 다중 센서 고장 진단 장치 및 그 방법
KR20140090810A (ko) * 2013-01-10 2014-07-18 주식회사 엘지실트론 잉곳 성장의 제어 방법
CN104965538A (zh) * 2015-07-06 2015-10-07 王军 一种晶体生长过程的加热电源控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
US6776840B1 (en) 2004-08-17
EP1171652A1 (en) 2002-01-16
JP4602561B2 (ja) 2010-12-22
TW552324B (en) 2003-09-11
KR100690218B1 (ko) 2007-03-12
DE60001274T2 (de) 2003-09-25
WO2000056956A8 (en) 2001-03-22
EP1171652B1 (en) 2003-01-22
JP2003528017A (ja) 2003-09-24
DE60001274D1 (de) 2003-02-27
CN1344335A (zh) 2002-04-10
WO2000056956A1 (en) 2000-09-28
WO2000056956A9 (en) 2002-02-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100690218B1 (ko) 성장 공정 중에 실리콘 결정의 직경을 제어하는 방법 및장치
US5183528A (en) Method of automatic control of growing neck portion of a single crystal by the cz method
JP5601801B2 (ja) 単結晶シリコンインゴットの成長方法および成長用装置
EP1169497B1 (en) Method and system of controlling taper growth in a semiconductor crystal growth process
KR20020081287A (ko) 성장 속도 및 직경 편차를 최소화하도록 실리콘 결정의성장을 제어하는 방법
KR20010080084A (ko) 결정을 정확하게 인상하는 방법 및 장치
JPH0438719B2 (ko)
JP2003512282A (ja) 半導体結晶の成長を制御する方法
EP1068375B1 (en) Open-loop method and system for controlling growth of semiconductor crystal
JPS60246294A (ja) 単結晶の育成方法
CN116145240A (zh) 一种晶体生长的控制方法、装置、系统及计算机存储介质
JPH078754B2 (ja) 単結晶の製造方法
JPH06206797A (ja) 単結晶引上げ装置
JP2001220284A (ja) 酸化物単結晶製造装置

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
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130220

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140211

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150209

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160211

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170222

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180221

Year of fee payment: 12

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190213

Year of fee payment: 13