KR20030034357A - 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치 및 잉곳직경 조절 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단결정 잉곳의 회전 중심축이 외부의 요인에 의해 임의의 회전 궤도를 형성하더라도 단결정 잉곳의 직경을 정확하게 측정함으로써 목적하는 직경을 가지는 단결정 잉곳의 성장이 이루어지도록 하는 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치 및 잉곳 직경 조절방법에 관한 것으로서, 석영 도가니의 폴리 실리콘 융액과 성장중인 단결정 잉곳의 접촉면인 응고 계면 두 곳의 온도를 동시에 감지하는 응고계면 온도 감지수단과, 응고계면 온도 감지수단에서 감지된 응고 계면 두 곳의 평균 온도값과 목적으로 하는 실리콘 잉곳의 직경에 따른 기준 온도값을 서로 비교하여 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출하는 잉곳 직경 검출수단과, 잉곳 직경 검출수단에서 검출된 단결정 잉곳의 실제 직경에 의해 실리콘 잉곳의 인상속도를 증감시키는 인상 구동수단과, 인상 구동수단에 의한 실리콘 잉곳의 인상속도 증감에 따라 폴리 실리콘 융액의 온도를 증감시키는 히팅 수단을 포함하여 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치를 구성한다.
또한, 석영 도가니의 폴리 실리콘 융액과 성장중인 단결정 잉곳의 접촉면인 응고 계면 두 곳의 온도를 동시에 감지하는 응고계면 온도 감지단계와, 감지된 응고 계면 두 곳의 평균 온도값과 목적으로 하는 실리콘 잉곳의 직경에 따른 기준 온도값을 서로 비교하여 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출하는 잉곳 직경 검출단계와, 검출된 단결정 잉곳의 실제 직경이 기준 직경에 도달되도록 잉곳 인상속도를 증감시키거나 폴리 실리콘 융액의 온도를 증감시키는 잉곳 직경 조절단계를 포함하여 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절방법을 구현한다.
Description
본 발명은 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 단결정 잉곳의 종자(seed)중심인 회전 중심축이 편심되어 발생된 회전 궤도(seed orbit)에 관계없이 단결정 잉곳의 직경을 항상 정확하게 실제 직경을 조절할 수 있는 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치 및 잉곳 직경 조절방법에 관한 것이다.
일반적으로 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 공정을 크게 구분하여 보면 먼저, 단결정 잉곳 성장 장치의 챔버 내부에 놓여지는 석영 도가니(quartz crucible)에 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 원,부재료인 폴리 실리콘(poly silicon)과 불순물(dopant)를 적층(stacking)하는 충진공정(preparation of charge)과, 석영도가니를 회전시킨 상태에서 전기 히터(electrical heater)로 고온 가열하여 적층된 폴리 실리콘이 용융되도록 하는 용융공정(melting)과, 폴리 실리콘 융액에 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 종자(seed)를 접촉시키는 디핑 공정(dipping)과, 종자를 따라 성장하는 단결정 잉곳의 직경을 최대한 줄이면서 열에 의한 초기 손실을 줄여 주기 위한 잉곳 인상(pull up)구동부에 의해 단결정 잉곳을 인상시켜 성장시키는넥킹 공정(necking)과, 잉곳 인상구동부에 의해 단결정 잉곳을 목적하는 결정 직경(diameter)까지 확장시키도록 넥킹 공정의 인상속도에 비해 상대적으로 느린 속도로 잉곳을 인상하여 성장시키는 숄더링 공정(shouldering)과, 잉곳의 직경이 결정 직경만큼 커졌을 때 목적하는 잉곳 길이까지 성장시키는 바디 그로잉공정(body growing)과, 잉곳의 길이가 목적 길이만큼 길어졌을 때 잉곳의 직경을 줄여 성장시켜 폴리 실리콘 융액에서 잉곳을 분리시키는 테일링 공정(tailing와, 분리된 잉곳과 석영도가니를 냉각시키는 냉각공정(cool -down)과, 냉각이 완료된 잉곳을 챔버에서 제거하는 잉곳 제거공정(ingot removal)과, 제거된 잉곳의 산소, 비저항, 탄소 농도 등을 측정하여 평가하는 측정공정(evaluation)으로 세분된다.
이러한 단결정 실리콘 잉곳의 성장 공정 중에서 넥킹, 숄더링, 바디 그로잉, 테일링 공정은 종자를 폴리 실리콘 융액과 접촉시킨 상태에서 목적하는 단결정 잉곳의 직경 및 길이까지 성장을 시키는 공정이므로 공정 진행 중 여러 가지 공정변수를 고려해야 한다.
그 중 대표적인 공정변수는 고체인 종자 또는 잉곳과 액체 상태인 폴리 실리콘 융액이 접촉되는 응고 계면(meniscus)주위의 폴리 실리콘 융액의 온도장 및 균일한 불순물의 농도를 향상시키기 위한 잉곳의 회전 및 전체 폴리 실리콘 융액의 균일한 온도장을 유지하기 위한 석영 도가니의 회전, 석출 결합과 관련된 잉곳 인상 구동부의 잉곳 인상 속도, 미소 석출 결함과 디스로케이션(dislocation)의 발생 확률에 영향을 미치는 잉곳의 직경변화, 전기히터로부터 전달되는 열의 감소에 따른 폴리실리콘 융액의 온도 등이 있다.
특히 공정 변수 중 잉곳 직경변화에 관련된 공정 변수는 잉곳 인상 속도 및 폴리 실리콘 융액의 온도이고, 이 공정변수에 의해 단결정 잉곳의 직경은 직접적인 영향을 받게 되므로 공정 도중 잉곳 직경 변화를 계속적으로 측정하여 잉곳 인상속도 및 폴리 실리콘 융액의 온도 등 다른 공정 변수들을 조절하여야 한다.
따라서, 대개 단결정 실리콘 잉곳 성장장치에는 각각의 공정 변수들을 원하는 조건으로 충족시켜 목적하는 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키기 위해 각종 공정 변수 조절 수단들이 구비된다.
도 1 은 종래 단결정 실리콘 잉곳 성장장치에서 바디 그로잉(body growing)공정 중 단결정 잉곳의 직경변화를 측정하여 목적하는 직경으로 단결정 실리콘 잉곳을 계속적으로 성장시키기 위한 잉곳 직경 조절장치의 구성도이고, 도 2 는 종래 단결정 잉곳 직경 조절장치에서의 잉고 계면 감지 위치를 설명하기 위한 도면이고, 도 3 은 도 2의 감지영역 확대도이다.
도시된 바와 같이, 종래 잉곳 직경 조절장치는 직경 감지용 센서(40)와, 콘트롤러(20)와, 입력부(30)및 인상 구동부(50), 전기히터(60)로 구성된다.
상기 직경 감지용 센서(40, auto diameter control sensor)는 액체 상태인 석영 도가니(10)의 폴리 실리콘 융액과 고체 상태인 단결정 잉곳(12)의 접촉면으로 가장 밝기가 강한 빛을 발생시키는 응고 계면(meniscus)의 한 지점을 감지하는 것으로, 응고 계면의 위치가 센서 감지 영역(A)에서 변화되면 변화되는 응고 계면의 위치에 따른 밝기를 토대로 온도를 검출하여 아날로그 신호(analog signal)로 변환하여 콘트롤러(20)에 전달한다.
상기 콘트롤러(20)는 직경 감지용 센서(40)에서 감지된 응고 계면의 온도를 토대로 성장중인 단결정 실리콘 잉곳(12)의 실질적인 직경을 산출하고, 인상 구동부(50) 및 전기히터(60)의 동작을 제어하는 콘트롤러(Controller)로서, 입력부(30)에서 입력되는 단결정 잉곳의 기준 직경에 해당하는 온도 값과 아날로그 신호로 변환되어 전달된 응고 계면의 온도값을 서로 비교하여 단결정 잉곳의 직경을 검출하는 비교 판단 알고리즘이 내장된다.
또한, 콘트롤러(20)에는 검출된 단결정 잉곳(12)의 직경이 목적으로 하는 기준 직경에 도달하도록 인상 구동부(50)와 전기히터(60)의 제어신호를 발생시키는 제어 알고리즘이 내장된다.
상기 입력부(30)는 목적으로 하는 단결정 잉곳의 기준 직경에 해당하는 온도 값을 입력하여 콘트롤러(20)에 설정하는 조작 패널로서, 바디 그로잉 공정의 잉곳 기준 직경에 해당하는 온도값을 입력한다.
상기 인상 구동부(50)는 콘트롤러(20)에 의해 제어되어 바디 그로잉 성장 중인 단결정 잉곳의 인상 속도(pull up speed)를 조절하는 것으로, 단결정 잉곳(12)과 케이블(도면 부호 미도시)로 연결되어 케이블을 감아 올림으로써 인상 속도를 조절한다.
상기 전기 히터(60)는 콘트롤러(20)에 의해 제어되어 잉곳의 인상 속도가 변화됨에 따라 응고 계면의 온도 변화를 조절하여 목적으로 하는 단결정 잉곳의 직경으로 성장되도록 석영 도가니(10)를 가열한다.
이와 같은 구성으로 된 종래 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치 동작을 도 1,2,3을 참조하여 설명한다.
단결정 잉곳의 성장을 위한 바디 그로잉 공정 중 직경 감지용 센서(40)가 폴리 실리콘 융액과 단결정 잉곳의 접촉면인 응고 계면의 한 지점을 감지하여 응고 계면의 밝기에 따른 온도를 검출하여 그 결과를 콘트롤러(20)에 전달한다.
콘트롤러(20)는 직경 감지용 센서(40)에서 전달된 온도 값과 입력부(30)에서 입력된 기준 온도값과 비교하여 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출한다.
비교 결과, 실제 잉곳의 직경이 목적으로 하는 기준 직경보다 크면 콘트롤러(20)는 인상 구동부(50)의 인상 속도를 증가시켜 잉곳의 성장 속도를 빠르게 함으로써 성장되는 단결정량을 감소시켜 직경이 줄어들도록 하여 기준 직경에 도달하도록 제어한다.
또한, 콘트롤러(20)는 인상 구동부(50)의 속도가 증가하면 석영 도가니(10)의 폴리 실리콘 융액 소모가 빠르게 증가되므로 폴리 실리콘 융액이 단위 체적당 전기히터로부터 전달되는 열량이 적어지는 것을 방지하도록 전기 히터(60)의 가열 온도를 증가시켜 폴리 실리콘 융액의 온도 저하를 방지한다.
반대로 실제 잉곳의 직경이 목적으로 하는 기준 직경보다 작으면 콘트롤러(20)는 인상 구동부(50)의 인상 속도를 감소시켜 잉곳의 성장 속도를 감소시킴으로써 직경이 증가되어 기준 직경에 도달하도록 제어한다.
또한, 콘트롤러(20)는 인상 구동부(50)의 속도가 감소되면 폴리 실리콘 융액의 소모가 감소되어 폴리 실리콘 융액이 단위 체적당 전기히터로부터 전달되는 열량이많아지므로 전기 히터(60)의 가열 온도를 감소시켜 폴리 실리콘 융액의 온도 상승을 방지한다.
따라서, 종래의 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치는 직경 감지용 센서(40)가 응고 계면 한 곳의 온도를 감지하여 단결정 잉곳이 목적으로 하는 직경으로 계속 성장되도록 한다.
그러나, 이러한 종래의 잉곳 직경 조절장치는 목적으로 하는 단결정 잉곳의 직경이 성장되도록 조절함에 있어 정확한 단결정 잉곳의 직경 측정이 불가능한 문제점이 있어왔다.
좀더 구체적으로 그 문제점을 살펴보면, 종래의 장치는 직경 감지용 센서가 응고 계면(meniscus) 한 곳의 밝기에 따른 온도를 감지하여 이를 토대로 콘트롤러가 성장중인 단결정 잉곳의 실질적인 직경을 산출하여 단결정 잉곳의 직경을 조절하고 있으나, 단결정 잉곳은 인상 구동부에 의한 인상뿐만 아니라 별도의 회전 수단에 의한 회전도 동시에 이루어지고 있어 단결정 잉곳의 회전 중심축(종자의 회전 중심축)이 편심되는 경우가 있다.
즉, 단결정 잉곳과 인상 구동부는 서로 케이블에 의해 연결되어 있으므로 단결정 잉곳의 회전시 발생되는 진동과 잉곳의 무게에 의해 단결정 잉곳의 중심축이 좌우로 흔들리는 임의의 회전궤도를 형성하고, 이에 따라 응고 계면(meniscus)의 위치가 계속적으로 변화된다.
이에 응고 계면의 위치가 변화됨에 따라 직경 감지용 센서에서 감지되는 응고 계면의 온도값이 계속적으로 변화되고, 이에 따라 콘트롤러는 잉곳의 직경이 변화된 것으로 판단하여 인상 구동부의 인상 속도를 증감시키게 된다.
따라서, 잉곳이 목적으로 하는 직경으로 성장하고 있는 경우에도 직경에 관련된 요소인 인상 속도를 변화시켜 오히려 목적으로 하는 직경으로의 성장을 방해하는 문제점을 초래하게 된다.
또한, 상술한 문제점을 해결하기 위해 목적으로 하는 직경보다 약간 큰 직경으로 단결정 잉곳을 성장시키는 방법이 있으나, 이러한 방법은 단결정 잉곳의 직경이 커짐에 따라 폴리 실리콘 융액의 소모가 많고 단결정 잉곳의 하중도 증가하게 되는 문제점이 있을 뿐만 아니라 냉각공정에 소요되는 시간이 증가되고, 목표한 단결정 잉곳 품질로의 성장을 저해한다.
이에 본 발명은 단결정 잉곳의 회전 중심축이 편심되어 임의의 회전 궤도를 형성하더라도 단결정 잉곳의 직경을 정확하게 측정함으로써 목적하는 직경으로 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치 및 잉곳 직경 조절방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 목적을 해결하기 위해, 석영 도가니의 폴리 실리콘 융액과 성장중인 단결정 잉곳의 접촉면인 응고 계면 두 곳의 온도를 동시에 감지하는 응고계면 온도 감지수단과, 응고계면 온도 감지수단에서 감지된 응고 계면 두 곳의 평균 온도값과 목적으로 하는 실리콘 잉곳의 직경에 따른 기준 온도값을 서로 비교하여 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출하는 잉곳 직경 검출수단과, 잉곳 직경 검출수단에서 검출된 단결정 잉곳의 실제 직경에 의해 실리콘 잉곳의 인상속도를 증감시키는 인상 구동수단과, 인상 구동수단에 의한 실리콘 잉곳의 인상속도 증감에 따라 폴리 실리콘 융액의 온도를 증감시키는 히팅 수단을 포함하여 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치를 구성한다.
또한, 본 발명은 상기 목적을 해결하기 위해, 석영 도가니의 폴리 실리콘 융액과 성장중인 단결정 잉곳의 접촉면인 응고 계면 두 곳의 온도를 동시에 감지하는 응고계면 온도 감지단계와, 감지된 응고 계면 두 곳의 평균 온도값과 목적으로 하는 실리콘 잉곳의 직경에 따른 기준 온도값을 서로 비교하여 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출하는 잉곳 직경 검출단계와, 검출된 단결정 잉곳의 실제 직경이 기준 직경에 도달되도록 잉곳 인상속도를 증감시키거나 폴리 실리콘 융액의 온도를 증감시키는 잉곳 직경 조절단계를 포함하여 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절방법을 구현한다.
도 1 은 종래 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치를 설명하기 위한 구성도.
도 2 는 종래 단결정 잉곳 직경 조절장치에서의 잉고 계면 감지 위치를 설명하기 위한 도면.
도 3 은 도 2의 감지영역 확대도.
도 4 는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치를 설명하기 위한 구성도.
도 5 는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 직경 조절장치에서의 잉고 계면 감지 위치를 설명하기 위한 도면.
도 6 내지 8 는 도 5 의 감지 영역 확대도.
도 9 은 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치에서의 단결정 잉곳 직경 조절방법의 흐름도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 석영 도가니 12 : 단결정 잉곳
20,120 : 콘트롤러 30,130 : 입력부
40,140 : 직경 감지센서 50,150 : 인상 구동부
60,160 : 전기 히터
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치 및 그 조절방법에 대한 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치를 설명하기 위한 구성도이고, 도 5 는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 직경 조절장치에서의 잉고 계면 감지 위치를 설명하기 위한 도면이고, 도 6 내지 8 는 도 5 의 감지 영역 확대도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명인 잉곳 직경 조절장치는 석영 도가니(10)의 폴리 실리콘 융액과 성장중인 단결정 잉곳(12)의 접촉면인 응고 계면 두 곳의 온도를 동시에감지하는 응고계면 온도 감지수단과, 응고계면 온도 감지수단에서 감지된 응고 계면 두 곳의 평균 온도값과 목적으로 하는 실리콘 잉곳의 직경에 따른 기준 온도값을 서로 비교하여 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출하는 잉곳 직경 검출수단과, 잉곳 직경 검출수단에서 검출된 단결정 잉곳의 실제 직경에 의해 실리콘 잉곳의 인상속도를 증감시키는 인상 구동수단과, 인상 구동수단에 의한 단결정 잉곳의 인상속도 증감에 따라 폴리 실리콘 융액의 온도를 증감시키는 히팅 수단을 포함하여 구성된다.
좀더 구체적으로 본 발명을 설명하면, 상기 응고 계면 감지수단은 응고 계면을 두 곳에서 동시에 감지하기 위해 응고 계면의 위치가 센서 감지 영역(A1,A2)에서 변화되면 변화되는 응고 계면의 위치에 따른 밝기를 토대로 온도를 검출하여 아날로그 신호(analog signal)로 각각 변환하여 콘트롤러(120)에 전달하는 제1및 제2 직경 감지용 센서(140a,140b,Auto Diameter Control sensor )로 구성한다.
또한, 제1및 제2 직경 감지용 센서(140a,140b)는 서로 동일 선상으로 대칭되게 위치시켜 동일 선상에서 응고 계면에 두 곳의 감지영역(A1,A2)이 형성되도록 한다.
여기서, 제1및 제2 직경 감지용 센서를 서로 동일 선상으로 대칭되게 위치시킨 것은 성장하는 단결정 잉곳의 회전 중심축(C)이 편심되어 임의의 회전 궤도를 형성하는 경우, 회전 중심축의 편심에 의한 응고계면의 위치 변화를 감지하여 단결정 잉곳의 직경 감지 오차를 보정하기 위한 것이다.
상기 잉곳 직경 비교수단은 단결정 잉곳의 바디 그로잉 성장공정에서 목적으로 하는 기준 직경에 해당하는 기준 온도 값을 입력하여 설정하는 입력부(130)와, 제1및제2 직경 감지용 센서(140a,140b)에서 전달된 응고 계면 두 곳의 온도값과 기준 온도값과 서로 비교하여 성장중인 단결정 잉곳의 실제 직경을 산출하고, 산출된 실제 직경에 의해 인상 구동수단과 히팅 수단의 동작을 제어하는 콘트롤러(120)로 구성된다.
여기서, 입력부(130)는 목적으로 하는 단결정 잉곳의 기준 직경에 해당하는 기준 온도값을 입력하여 설정하는 조작 패널로 형성하고, 입력부에는 제1및 제2 직경 감지용 센서(140a,140b)가 동시에 작동하거나 어느 하나의 센서만이 선택적으로 동작되도록 하기 위한 동작 선택부를 부가한다.
콘트롤러(120)는 제1및 제2 직경 감지용 센서(140a,140b)에서 감지된 응고 계면 두 곳의 온도를 합산하여 평균 온도값을 산출하고, 기준 온도값과 비교하여 성장중인 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출하는 비교 판단 알고리즘 및 검출된 실제 직경을 토대로 단결정 잉곳의 직경 변화에 직접적인 영향을 미치는 공정 변수인 잉곳의 인상 속도 및 폴리 실리콘 융액의 온도를 제어하는 제어신호를 발생시키는 제어 신호 발생 알고리즘을 포함하는 콘트롤러(Controller)로 구성한다.
여기서, 제어 신호 발생 알고리즘은 비교 판단 알고리즘에 의한 비교 결과, 실제 잉곳의 직경이 기준 직경보다 크면 콘트롤러(120)에서 인상 구동수단에 의한 잉곳 인상 속도를 증가시켜 잉곳의 성장 속도를 빠르게 함으로써 잉곳의 직경이 기준 직경에 도달하도록 제어한다.
또한, 잉곳 인상 속도가 증가하면 폴리 실리콘 융액의 소모가 빠르게 증가되어 폴리 실리콘 융액이 단위 체적당 히팅 수단으로부터 전달되는 열량이 적어지므로 가열 온도를 증가시켜 폴리 실리콘 융액의 온도 저하를 방지한다.
반대로 제어 신호 발생 알고리즘은 실제 잉곳의 직경이 기준 직경보다 작으면 콘트롤러(120)에서 인상 구동수단에 의한 잉곳 인상 속도를 감소시켜 잉곳의 성장 속도를 느리게 함으로써 잉곳의 직경이 기준 직경에 도달하도록 제어한다.
또한, 잉곳 인상속도가 감소되면 폴리 실리콘 융액의 소모가 감소되어 폴리 실리콘 융액이 단위 체적당 히팅 수단으로부터 전달되는 열량이 많아지므로 가열 온도를 감소시켜 폴리 실리콘 융액의 온도 상승을 방지한다.
상기 인상 구동수단은 콘트롤러(120)에서 전달되는 제어신호에 의해 제어되어 성장 중인 단결정 잉곳의 인상 속도를 조절하는 인상 구동부(150)로서, 단결정 잉곳(12)과 케이블(도면에 미도시됨)로 연결되어 케이블을 감아 올림으로써 인상 속도를 조절한다.
상기 히팅 수단은 콘트롤러(120)에서 전달되는 제어신호에 의해 제어되어 잉곳의 인상 속도가 변화됨에 따라 폴리 실리콘 융액의 온도를 조절하는 전기히터(160)로서, 석영 도가니의 주변으로 설치되어 석영 도가니를 가열한다.
이와 같은 구성으로 된 종래 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치에 의한 잉곳 직경 조절방법을 도 4 내지 도 9을 참조하여 설명한다.
잉곳 직경 조절방법은 석영 도가니의 폴리 실리콘 융액과 성장중인 단결정 잉곳의 접촉면인 응고 계면 두 곳의 온도를 동시에 감지하는 응고계면 온도 감지단계와, 감지된 응고 계면 두 곳의 평균 온도값과 목적으로 하는 실리콘 잉곳의 직경에 따른 기준 온도값을 서로 비교하여 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출하는 잉곳 직경검출단계와, 검출된 단결정 잉곳의 실제 직경이 기준 직경에 도달되도록 잉곳 인상속도를 증감시키거나 폴리 실리콘 융액의 온도를 증감시키는 잉곳 직경 조절단계를 포함하여 이루어진다.
좀더 구체적으로 설명하면, 상기 응고 계면 온도감지단계는 제1및 제2 직경 감지용 센서(140a,140b)에 의해 응고 계면 두 곳의 온도를 검출하여 이루어진다.
이때, 제1 및 제2 직경 감지용 센서는 동일 선상으로 서로 대칭 형성되어 있으므로 검출되는 응고 계면의 동일 선상 두 곳에서 각각 응고 계면의 위치에 따른 온도가 검출된다.
여기서, 제1 및 제2 직경 감지용 센서에 의해 검출된 두 곳의 응고 계면에서 검출되는 위치를 도 6,7,8을 참조하여 설명한다.
도 6은 성장하는 단결정 잉곳의 회전 중심축이 편심되지 않아 임의의 회전 궤도를 형성하지 않은 경우, 제1 및 제2 직경 감지용 센서의 감지영역(A1,A2)을 도식화한 도면으로, 검출되는 응고 계면 두 곳의 위치는 서로 동일하다.
도 7은 성장하는 단결정 잉곳의 회전 중심축이 우측으로 편심되어 임의의 회전 궤도를 형성하는 경우, 제1 및 제2 직경 감지용 센서의 감지영역(A1,A2)을 도식화한 도면으로 , 검출되는 응고 계면 두 곳의 위치는 도면 상에서 제1 및 제2 직경 감지용 센서의 감지 범위(A1,A2) 우측으로 이동되어 감지된다.
도 8은 성장하는 단결정 잉곳의 회전 중심축이 좌측으로 편심되어 임의의 회전 궤도를 형성하는 경우, 제1 및 제2 직경 감지용 센서의 감지영역(A1,A2)을 도식화한 도면으로, 검출되는 응고 계면 두 곳의 위치는 도면 상에서 제1 및 제2 직경 감지용 센서의 감지범위(A1,A2)좌측으로 이동되어 감지된다.
따라서, 단결정 잉곳의 회전 중심축(C)이 편심되지 않는 경우 제1 및 제2 직경 감지용 센서(140a,140b)에서 검출되는 응고 계면 두 곳의 온도는 항상 동일하게 되고, 편심된 경우 검출되는 응고 계면 두 곳의 온도는 서로 다르게 된다.
상기 잉곳 직경 검출단계는 다시 제1 및 제2 직경 감지용 센서(140a,140b)에서 검출된 응고 계면 두 곳의 위치에 따른 온도가 아날로그 신호로 변환되어 콘트롤러(120)에 전달되면 성장중인 단결정 잉곳의 회전 중심축(C)이 편심되어 있는지를 판단하는 단계와, 전달된 응고 계면 두 곳의 평균 온도값을 산출하고 기준 온도값을 비교하여 그 오차에 의해 성장중인 실리콘 잉곳의 실제 직경(D)을 산출하는 단계로 이루어진다.
여기서, 직경 산출은 콘트롤러(120)에 내장된 비교판단 알고리즘에 의해 제1및 제2 직경 감지용 센서(140a,140b)에서 감지된 응고 계면 두 곳의 온도 평균값을 산출하고, 설정된 기준 온도값과 비교하여 성장중인 단결정 실리콘 잉곳의 실질적인 직경을 검출한다.
즉, 단결정 잉곳의 회전 중심축(C)이 편심되지 않는 경우, 도 6에 도시된 바와 같이 응고 계면의 위치가 모두 변화되지 않아 응고 계면에서 검출되는 온도값이 서로 동일하므로 기준 온도값과 비교하여 실질적인 단결정 실리콘 잉곳의 직경을 판단한다.
또한, 단결정 잉곳의 회전 중심축(C)이 편심되는 경우, 도 7,8에 도시된 바와 같이 응고 계면의 위치가 어느 한쪽으로 치우치게 변화되어 응고 계면에서 검출되는 온도값이 서로 변화되므로 온도값의 평균을 산출한 다음 기준 온도값과 비교하여 성장중인 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출한다.
따라서, 단결정 잉곳의 회전 중심축(C)이 편심되어 회전 궤도가 발생됨에 따라 응고 계면의 위치가 변화되더라도 제1및 제2 직경 감지용 센서에 의해 단결정 잉곳의 실제 직경(D)을 검출할 수 있게 된다.
상기 잉곳 직경 조절단계는 잉곳 직경 검출단계에서 응고 계면 두 곳의 평균 온도값과 기준 온도값이 서로 달라 실리콘 잉곳의 실제 직경(D)과 기준 직경이 서로 다른 경우 콘트롤러(120)에서 전달되는 제어신호에 의해 인상 구동부(150)가 성장 중인 단결정 잉곳(12)의 인상 속도를 조절하는 단계와, 잉곳의 인상 속도가 변화됨에 따라 콘트롤러(120)에서 전달되는 제어신호에 의해 전기 히터(160)가 폴리 실리콘 융액의 온도를 조절하는 단계로 이루어진다.
인상속도를 조절하는 단계에서 잉곳의 실제 직경이 기준 직경보다 크면 콘트롤러(120)는 인상 구동부의 인상 속도를 증가시켜 잉곳의 성장 속도를 빠르게 함으로써 직경이 줄어들어 기준 직경에 도달하도록 제어한다.
또한, 잉곳의 실제 직경이 기준 직경보다 작으면 콘트롤러(120)는 인상 구동부(150)의 인상 속도를 감소시켜 잉곳의 성장 속도를 감소시킴으로써 직경이 증가되어 기준 직경에 도달하도록 제어한다
그리고, 폴리 실리콘 융액의 온도를 조절하는 단계에서 콘트롤러(120)는 인상 구동부의 속도가 증가하면 폴리 실리콘 융액의 소모가 빠르게 증가되어 폴리 실리콘 융액이 단위 체적당 전기히터(160)로부터 전달되는 열량이 적어지므로 전기 히터의가열 온도를 증가시켜 폴리 실리콘 융액의 온도 저하를 방지한다.
또한, 콘트롤러(120)는 인상 구동부(150)의 속도가 감소되면 폴리 실리콘 융액의 소모가 감소되어 폴리 실리콘 융액이 단위 체적당 전기히터(160)로부터 전달되는 열량이 많아지므로 전기 히터의 가열 온도를 감소시켜 폴리 실리콘 융액의 온도 상승을 방지한다.
이와 같은 구성과 방법으로 이루어진 본 발명은 단결정 잉곳의 회전 중심축(C)이 편심되거나 편심되지 않은 경우에 관계없이 제1및 제2 직경 감지용 센서(140a,140b)에서 응고 계면 두 곳의 온도를 감지하고, 콘트롤러(120)에서 감지된 온도의 평균값을 산출하여 기준 온도값을 비교하여 성장중인 단결정 잉곳의 실제 직경을 산출할 수 있게 된다.
그리고, 평균 온도값과 기준 온도값의 차이가 발생되면 단결정 잉곳(12)의 실제 직경과 기준 직경이 오차가 발생된 것으로 판단하여 회전 중심축(C)의 편심여부에 관계없이 잉곳 인상속도 및 폴리 실리콘 융액의 온도를 제어함으로써 단결정 잉곳의 직경을 목적으로 하는 기준 직경으로 성장시킬 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 제1 및 제2 직경 감지용 센서에 의해 단결정 실리콘 잉곳의 회전 중심축이 편심되어 회전 궤도가 발생되더라도 단결정 실리콘 잉곳의 실제 직경을 검출할 수 있다.
따라서, 단결정 실리콘 잉곳의 회전 중심축이 편심되어도 단결정 실리콘 잉곳의 실제 직경에 따른 잉곳 인상 속도와 폴리실리콘 융액의 온도를 정밀하게 제어할 수있게 된다.
또한, 단결정 잉곳의 회전 중심축이 편심되어 발생되는 문제점을 해결하기 위해 기준 직경보다 큰 직경으로 단결정 잉곳을 성장시킬 필요가 없어 폴리 실리콘 융액의 소모 및 단결정 잉곳의 자체 하중을 감소시켜 잉곳의 길이를 훨씬 길게 성장시킬 수 있고, 냉각에 소요되는 시간을 단축시켜 목표한 단결정 잉곳 품질로의 성장을 시킬 수 있게 된다.
이와 같은 작용효과에 의해 본 발명은 단위 시간당 단결정 잉곳의 생산수율을 극대화시킬 수 있게 된다.
Claims (8)
- 석영 도가니의 폴리 실리콘 융액과 성장중인 단결정 잉곳의 접촉면인 응고 계면 두 곳의 온도를 동시에 감지하는 응고계면 온도 감지수단과;상기 응고계면 온도 감지수단에서 감지된 응고 계면 두 곳의 평균 온도값과 목적으로 하는 실리콘 잉곳의 직경에 따른 기준 온도값을 서로 비교하여 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출하는 잉곳 직경 검출수단과;상기 잉곳 직경 검출수단에서 검출된 단결정 잉곳의 실제 직경에 의해 실리콘 잉곳의 인상속도를 증감시키는 인상 구동수단과;상기 인상 구동수단에 의한 실리콘 잉곳의 인상속도 증감에 따라 상기 폴리 실리콘 융액의 온도를 증감시키는 히팅 수단을 포함하여 이루어지는 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치.
- 제1항에 있어서,상기 응고 계면 온도감지수단은 응고 계면을 두 곳에서 동시에 감지하기 위해 응고 계면의 밝기에 따른 온도를 검출하는 제1및 제2 직경 감지용 센서인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치.
- 제1항 또는 제2항에 있어서,상기 응고 계면 감지수단인 제1 및 제2 직경 감지용 센서는 동일 선상으로 서로 대칭되게 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치.
- 제1항에 있어서,상기 잉곳 직경 검출수단은 목적으로 하는 단결정 잉곳의 바디 성장 기준 직경에 해당하는 기준 온도값을 입력하여 설정하는 입력부와;상기 입력부에서 입력된 기준 온도값과 평균 온도값을 비교하여 그 오차에 의해 성장중인 단결정 실리콘 잉곳의 실질적인 직경을 산출하고, 산출된 직경에 의해 상기 인상 구동수단과 히팅 수단의 동작을 제어하는 콘트롤러로 구성된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치.
- 제4항에 있어서,상기 입력부에는 상기 응고 계면 온도 감지수단에 의해 응고 계면 한 곳의 온도만을 검출하거나 응고 계면 두 곳의 온도만을 검출하도록 상기 응고 계면 온도 감지수단의 동작을 선택하는 동작 선택부가 부가 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치.
- 석영 도가니의 폴리 실리콘 융액과 성장중인 단결정 잉곳의 접촉면인 응고 계면 두 곳의 온도를 동시에 감지하는 응고계면 온도 감지단계와;감지된 응고 계면 두 곳의 평균 온도값과 목적으로 하는 실리콘 잉곳의 직경에 따른 기준 온도값을 서로 비교하여 단결정 잉곳의 실제 직경을 검출하는 잉곳 직경 검출단계와;검출된 단결정 잉곳의 실제 직경이 기준 직경에 도달되도록 잉곳 인상속도를 증감시키거나 폴리 실리콘 융액의 온도를 증감시키는 잉곳 직경 조절단계를 포함하여 이루어지는 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절방법.
- 제6항에 있어서,상기 응고 계면 감지단계에서 감지되는 응고 계면 두 곳은 동일 선상으로 서로 대칭된 위치인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절방법.
- 제6항에 있어서,상기 잉곳 직경 검출단계에는 응고 계면 두 곳의 위치를 검출하여 성장중인 실리콘 잉곳의 회전 중심축이 편심되어 있는지를 판단하는 단계와;감지된 응고 계면 두 곳의 평균 온도값과 기준 온도값을 비교하여 그 오차에 의해 성장중인 실리콘 잉곳의 실질적인 직경을 산출하는 단계로 구분되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절방법.
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| KR1020010065187A KR20030034357A (ko) | 2001-10-22 | 2001-10-22 | 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 직경 조절장치 및 잉곳직경 조절 방법 |
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