KR20100086134A

KR20100086134A - 단결정 멜트 레벨 조절 장치, 이를 구비하는 단결정 성장 장치 및 단결정 멜트 레벨 조절 방법

Info

Publication number: KR20100086134A
Application number: KR1020090005329A
Authority: KR
Inventors: 하세근; 안윤하
Original assignee: 주식회사 실트론
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2010-07-30
Also published as: KR101028933B1

Abstract

단결정 멜트 레벨 조절 장치, 이를 구비하는 단결정 성장 장치 및 단결정 멜트 레벨 조절 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 단결정 성장 장치는 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 성장 챔버 및 단결정 성장 챔버 내에서 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 열실드의 온도를 감지하고, 열실드의 온도에 기초하여 단결정 멜트 레벨을 조절하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치를 포함한다. 그리고 본 발명에 따른 단결정 멜트 레벨 조절 장치는 단결정 성장 챔버 내에서 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 열실드의 온도를 감지하는 온도 감지 수단, 열실드의 온도에 기초하여 열실드의 하단부와 실리콘 융액의 표면 간의 간격인 멜트 갭 값을 산출하는 멜트 갭 산출 수단, 및 멜트 갭 산출 수단으로부터 멜트 갭 값을 제공받으면 멜트 갭 값에 따라 실리콘 융액을 수용하는 도가니의 승강을 제어하는 제어 수단을 포함한다. 상기와 같은 본 발명에 따르면, 단결정 성장 장치에서 융액의 표면과 열실드 간의 간격을 정확히 구하여 단결정 성장 장치를 제어하므로, 안정된 결정 성장을 가능하게 하며, 운영자가 수동으로 단결정 성장 장치를 제어할 필요가 없어진다.

단결정, 열실드, 멜트 레벨, 2색 온도계(2 color pyrometer)

Description

단결정 멜트 레벨 조절 장치, 이를 구비하는 단결정 성장 장치 및 단결정 멜트 레벨 조절 방법{Single crystal melt level regulation apparatus, single crystal growth apparatus including the regulation apparatus, and single crystal melt level regulation method}

본 발명은 단결정 성장 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단결정 멜트 레벨 조절 장치, 이를 구비하는 단결정 성장 장치 및 단결정 멜트 레벨 조절 방법에 관한 것이다.

일반적으로 쵸크랄스키 법(CZ법)에 따라 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법에서는 석영 도가니의 내부에 다결정 실리콘을 적재하고 히터로부터 복사되는 열로 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만든 다음, 실리콘 융액의 표면으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.

쵸크랄스키법(CZ법)에서, 결정 성장을 양호하게 행하기 위해서는 원료 융액의 액면 레벨(이하, 멜트 레벨)을 확실하게 검출하여, 그것을 조정할 필요가 있다.

CZ형 단결정 성장 장치에 있어서 멜트 레벨이 확실한 검출 및 조정을 행하는 것은 열실드와 멜트 레벨의 상대적 위치,또는 히터와 멜트 레벨의 상대적 위치를 제어하고, 안정된 결정 성장을 촉진하는 데에도 유용하다.

그런데, 기존 CZ형 실리콘 단결정 성장 장치에서는, 육안으로 멜트 레벨을 확인하였다. 따라서, 멜트 레벨의 정확한 측정이 어려웠다. 기존에 레이저 기술, CCD 비젼(vision) 기술 등을 이용하여 직접적으로 멜트 레벨을 측정하는 방법이 있다. 그러나, 이 종래 방법은 멜트의 진동(vibration)에 민감하게 반응하고, 외부 노이즈에 약한 단점이 있다.

따라서, 멜트의 진동에 민감하게 반응하지 않게 멜트 레벨을 측정하고 멜트 레벨을 조정할 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 단결정 성장 챔버 내에서 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 열실드의 온도를 감지하고, 열실드의 온도에 기초하여 단결정 멜트 레벨을 조절하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 단결정 멜트 레벨 조절 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 단결정 성장 장치에서 단결정 멜트 레벨 조절 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 단결정 멜트 레벨 조절 장치는 단결정 성장 챔버 내에서 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하 는 열실드의 온도를 감지하는 온도 감지 수단; 상기 열실드의 온도에 기초하여 상기 열실드의 하단부와 실리콘 융액의 표면 간의 간격인 멜트 갭 값을 산출하는 멜트 갭 산출 수단; 및 상기 멜트 갭 산출 수단으로부터 상기 멜트 갭 값을 제공받으면 상기 멜트 갭 값에 따라 상기 실리콘 융액을 수용하는 도가니의 승강을 제어하는 제어 수단을 포함한다.

여기에서, 상기 온도 감지 수단은 2색 온도계(2 color pyrometer)일 수 있다.

여기에서, 상기 제어 수단은 상기 멜트 갭 값이 미리 정해진 임계 범위 이내 인지를 판단하고, 상기 임계 범위 이내이면 현재의 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 유지할 수 있다.

여기에서, 상기 제어 수단은 상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위를 벗어나면, 상기 산출된 멜트 갭 값에 따라 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 결정하고, 상기 시드 승강에 대한 도가니 승강 비율에 따라 상기 도가니의 승강을 제어할 수 있다.

여기에서, 상기 제어 수단은 상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위의 최소값보다 작으면 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 감소시키도록 상기 도가니의 승강을 제어할 수 있다.

여기에서, 상기 제어 수단은 상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위의 최대값보다 크면 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 증가시키도록 상기 도가니의 승강을 제어할 수 있다.

여기에서, 상기 2색 온도계는 하기의 수학식에 따라 상기 열실드의 온도를 측정할 수 있다.

T = B/[ A + ln(ε1/ε2)- ln(S1/S2)]

S1 및 S2는 상기 2색 온도계에 포함된 2개의 감지기에 의해 수집되는 적외선 신호이고, ε1 및 ε2는 상기 2개의 감지기의 두 반응 파장대에 따른 방사율값이며, A 및 B 는 측정시 결정되는 상수이며, T는 측정 온도값이다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따른 단결정 성장 장치는 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 성장 챔버; 및 상기 단결정 성장 챔버 내에서 상기 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 열실드의 온도를 감지하고, 상기 열실드의 온도에 기초하여 단결정 멜트 레벨을 조절하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치를 포함한다.

여기에서, 상기 단결정 멜트 레벨 조절 장치는 상기 단결정 성장 챔버 내에서 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 상기 열실드의 온도를 감지하는 온도 감지 수단; 상기 열실드의 온도에 기초하여 상기 열실드의 하단부와 실리콘 융액의 표면 간의 간격인 멜트 갭 값을 산출하는 멜트 갭 산출 수단; 및 상기 멜트 갭 산출 수단으로부터 상기 멜트 갭 값을 제공받으면 상기 멜트 갭 값에 따라 상기 실리콘 융액을 수용하는 도가니의 승강을 제어하는 제어 수단을 포함한다.

여기에서, 상기 열실드에는 상기 2색 온도계가 상기 실리콘 융액으로부터의 적외선 신호를 수신할 수 있도록 구멍이 형성되어 있으며, 상기 온도 감지 수단은 상기 구멍을 통해 발산되는 상기 적외선 신호를 상기 2색 온도계로 반사시키기 위한 반사판을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 측면에 따른 단결정 멜트 레벨 조절 방법은 단결정 성장 챔버 내에서 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 열실드의 온도를 감지하는 단계; 상기 열실드의 온도에 기초하여, 상기 열실드의 하단부와 실리콘 융액의 표면 간의 간격인 멜트 갭 값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 멜트 갭 값에 따라 상기 융액을 수용하는 도가니의 승강을 제어하는 단계를 포함한다.

여기에서, 상기 도가니의 승강을 제어하는 단계는 상기 멜트 갭 값이 미리 정해진 임계 범위 이내 인지를 판단하는 단계; 및 상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위 이내이면 현재의 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 유지하는 단계를 포함할 수 있다.

여기에서, 상기 도가니의 승강을 제어하는 단계는, 상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위를 벗어나면, 상기 산출된 멜트 갭 값에 따라 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 결정하는 단계; 및 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율에 따라 상기 도가니 승강을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

여기에서, 상기 승강 비율을 결정하는 단계는, 상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위의 최소값보다 작으면 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 감소시키는 단계를 포함할 수 있다.

여기에서, 상기 승강 비율을 결정하는 단계는, 상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위의 최대값보다 크면 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 증가시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기와 같은 단결정 멜트 레벨 조절 장치, 이를 구비하는 단결정 성장 장치 및 단결정 멜트 레벨 조절 방법에 따르면, 단결정 성장 장치에서 실리콘 융액의 표면과 열실드 간의 간격을 정확히 구하여 단결정 성장 장치를 제어하므로, 안정된 결정 성장을 가능하게 하며, 운영자가 수동으로 단결정 성장 장치를 제어할 필요가 없어진다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 참고로 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 멜트 레벨 조절 장치 및 이를 구 비한 단결정 성장 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치는 챔버(10) 및 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101) 등을 포함하며, 챔버(10)의 내부에서 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 이루어진다.

챔버(10) 내에는 실리콘 융액(SM)을 담는 석영 도가니(30)가 설치되며, 이 석영 도가니(30)의 외부에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(40)가 석영 도가니(30)를 에워싸도록 설치된다.

도가니 지지대(40)는 축받이(pedestal)(50) 상에 고정 설치되고, 이 축받이(50)는 구동 수단(90)에 의해 회전되어 석영 도가니(30)를 회전시키면서 상승시켜 멜트 레벨이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대(40)는 소정 간격을 두고 원통형의 히터(60)에 에워싸여지며, 이 히터(60)는 복사 단열체(70)에 의해 에워싸여진다.

즉, 히터(60)는 석영 도가니(30)의 측방에 설치되어 석영 도가니(30) 내에 적재된 고순도의 다결정실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들며, 복사 단열체(70)은 히터(60)에서 발산되는 열이 챔버(10)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다.

챔버(10)의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(80)이 설치되며, 이 케이블의 하부에 시드(seed)가 설치된다. 인상 수단(80)은 시드를 석영 도가니(30) 내의 실리콘 융액(SM)에 담근 후 인상하면서 단결정 잉곳(IG)을 성장시킨다. 인상 수단(80)은 단결정 잉곳(IG) 성장 시 시드를 인상하면서 회전시킨다. 또 한, 구동 수단(90)이 석영 도가니(30)의 축받이(50)와 동일한 축을 중심으로 하여 석영 도가니(30)를 단결정 잉곳의 회전 방향과 반대방향으로 회전시키면서 도가니를 승강시킨다.

챔버(10)의 상부로는, 성장되는 단결정 잉곳(IG)과 실리콘 융액(SM)에 아르곤(Ar)의 불활성 가스를 공급하고, 사용된 불활성 가스는 챔버(10)의 하부를 통해 배출시킨다.

실리콘 단결정 잉곳(IG)과 석영 도가니(30) 사이에는 잉곳(IG)을 에워싸도록 열실드(20)를 설치하여 잉곳으로부터 방사되는 열을 차단할 수 있으며, 열실드(20)에서 잉곳(IG)과의 최인접부에는 원통형의 열차폐 부재(도시 생략)를 부착 설치하여 열 흐름을 더욱 차단하여 열을 보존할 수도 있다.

이러한 열실드(20)는 실리콘 융액(SM)의 표면과 히터(60)로부터 복사되는 열이 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 전달되지 못하도록 설치되는 것이 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 생산성과 품질 향상을 위하여 최근에 필수적으로 설치한다. 그리고, 열실드(20)의 설치 시, 열실드(20)의 하단부와 실리콘 융액(SM)의 표면(Melt Level : ML) 간에 일정한 간격(D)을 유지하며 설치하며, 이 간격(D)을 멜트 갭(Melt Gap : D)이라 한다.

멜트 갭(D)은 실리콘 단결정 성장 시, 실리콘 단결정 성장로의 상부에서 주입하여 하부로 배출하는 아르곤(Ar) 가스의 흐름 경로가 되고, 또한, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 열이력에 영향을 주게된다. 따라서, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 시, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 품질 향상과 생산성 증가를 위하여 멜트 갭(D)을 일 정하게 유지하여야 한다.

이러한 멜트 갭을 일정하게 유지하기 위해 운영자에 의해 챔버(10)의 상부에 단결정 성장 장치의 내부를 관찰할 수 있도록 관찰 개구(4)가 형성되어 있다.

본 발명은 열실드(20)의 온도를 감지하고 열실드의 온도에 기초하여 멜트 레벨을 조절하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)를 구비하는데, 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 열실드(20)의 온도를 감지하는 온도 감지 수단(100), 열실드(20)의 온도에 대응하는 멜트 갭을 산출하는 멜트 갭 산출 수단(110) 및 멜트 갭(D)에 따라 멜트 레벨을 조절할 수 있도록 시드 승강에 대한 도가니 승강을 제어하는 제어 수단(120)을 포함한다.

온도 감지 수단(100)은 관찰 개구(4)를 통해 열실드(20)의 온도를 감지한다. 열실드(20)의 온도는 실리콘 융액이 열실드(20)에 얼마나 근접한 지를 나타내기 때문이다. 열실드(20)가 융액에 근접해 있으면, 열실드(20)는 융액으로부터의 열을 전달받아 그 온도가 상승한다. 또한, 열실드(20)가 융액과 떨어져 있으면, 열실드(20)는 융액으로부터의 열을 적게 전달받으며, 그에 따라 그 온도가 떨어진다.

이와 같이, 멜트 레벨은 실리콘 단결정 잉곳(IG)과 석영 도가니(30) 사이에 잉곳(IG)을 에워싸도록 설치된 열실드(20)의 온도를 측정함으로써 획득될 수 있다. 즉, 열실드(20)의 온도를 측정하면, 열실드(20)의 온도에 따른 멜트 레벨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 온도 감지 수단(100)은 열실드(20)의 온도를 감지한다. 이 온도 감지 수단(100)은 2색 온도계(2 color pyrometer)(이하, 참조 부호 '100'으로 설명됨)인 것이 바람직하다.

2색 온도계(100)는 비접촉식 적외선 온도계이다. 비접촉식 적외선 온도계는 대상 물체와 물리적인 접촉을 하지 않고 온도를 측정한다. 이러한 비접촉식 적외선 온도계는 모든 물체는 IR 에너지를 방출하며, 복사선의 밀도는 온도와 함수 관계에 있다는 사실에 기초를 둔 것이다. 특히, 적외선 이색 온도계는 비접촉식 적외선 온도계 중 일반적인 센서들과는 여러면에서 현저하게 다른 기능적인 차이와 뛰어난 정확도를 갖고 있다.

2색 온도계(100)는 한 패키지(Package) 내에 두 개의 밝기 비례 고온계(Brightness Pyrometer)가 내장되어 구성된다. 두 개의 감지기(detector)는 두 개의 서로 다른 파장에서 작동하지만, 하나의 대상(Target)으로부터 나오는 에너지를 측정한다. 즉, 2색 온도계(100)는 각기 다른 파장 영역대를 가진 두개의 감지기에 의해 측정된 두 시그날값을 비교하여, 측정 온도값을 산출한다. 그에 따라, 2색 온도계(100)는 예컨대, 1색 온도계(one color sensor)에 비해 대상 물체의 방사율 변화에 대하여 훨씬 정확한 장점이 있다. 2색 온도계(100)의 각각의 두 감지기가 받아들이는 시그널을 S1, S2라고 하고 각 감지기의 두 반응 파장대에 따른 두 방사율값을 ε1, ε2 라고 하면 2색 온도계가 측정하는 온도값은 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

T = B/[ A + ln(ε1/ε1)- ln(S1/S2)]

A, B : 측정시 결정되는 상수, T : 측정 온도값

측정 온도값은 두 시그널의 비(S1/S2)와 두 방사율의 비(ε1/ε2)에 의해 결정되도록 측정 온도 값은 실제 방사율 값 변화(예, 표면 분포에 따라서 합금 성분이 다른 금속, 반사가 심한 금속 등)에 대해 덜 민감하다.

이런 측정원리로 인해 2색 온도계(100)는 다음과 같은 장점이 있다. 구체적으로 2색 온도계(100)는 만일 대상 물체가 장애물에 의해 측정할 부분이 부분적으로 가려져도(간헐적, 또는 영구적으로 가려 질때) 정확하게 온도를 측정한다. 이는 측정부분이 가려질때 2색 온도계(100)의 2개의 감지기가 받는 시그널 S1, S2는 같은 비율로 감소하기 때문이다. 또한, 2색 온도계(100)는 대기중의 연기, 분진, 입자가 큰 먼지 등에 의해 대상 물체가 가려져도 대상 물체의 온도를 정확하게 측정한다. 또한, 2색 온도계(100)는 감지기의 렌즈에 이물질이 쌓여도 대상 물체의 온도를 정확한 측정을 행한다. 또한, 2색 온도계(100)는 센서의 측정 사이즈 보다 측정할 물체가 작아도(예, wire) 정확한 온도를 측정하는데, 즉 대상 물체의 주변의 온도를 무시하고 측정 대상 물체만의 온도를 측정할 수 있다. 이 경우 측정 대상체인 열차폐제는 흑연 재질인 것이 바람직한데, 왜냐하면, 흑연 재질이 열흡수력이 뛰어나기 때문이다.

이와 같이, 본 발명에 따라 2색 온도계(100)가 열실드(20)의 온도를 감지하는데, 열실드(20)의 실리콘 융액에 가깝게 위치된 하단부의 온도를 감지한다. 이에 대해서 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열실드의 측단면도를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 2색 온도계(100)에 의해 측정되는 열실드(20)의 온도는 열 실드(20)상의 위치 P1에서 측정된다. 열실드(20)상의 위치 P1는 실리콘 융액(SM)에 근접한 위치이기 때문에 융액의 온도를 잘 전달받는다. 또한, 열실드(20)상의 위치 P1는 2색 온도계(100)에 의해 측정가능한 위치이다. 그런데 열실드(20)의 위치 P2는 위치 P1보다 융액의 온도에 더 민감하다.

도 3는 열실드와 실리콘 융액 간의 거리에 따라 열실드의 온도 분포를 나타낸 도면이다. 도 3(a)는 열실드와 실리콘 융액 간의 거리인 멜트 갭이 30인 경우를 나타내며, 도 3(b)는 멜트 갭이 40인 경우를 나타내고, 도 4(d)는 멜트 갭이 50인 경우를 나타낸다. 도 4는 멜트 갭에 따른 열실드의 지점들의 온도를 나타낸 그래프이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 멜트 갭(D)에 따른 열실드(20)의 온도는 열실드(20) 상의 위치 P2가 위치 P1보다 멜트 갭(D)에 민감한 것을 알 수 있다. 즉, 열실드(20) 상의 위치 P2에서의 온도가 위치 P1 보다 멜트 갭(D)이 변화함에 따라 더 많이 변화한다.

따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따라 2색 온도계(100)가 열실드(20)의 위치 P2를 측정할 수 있도록 단결정 성장 장치를 형성한다.

도 5은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 단면도를 나타낸 도면이다.

도 5을 참조하면, 열실드(20)에는 온도 감지 수단(100)이 그 온도를 감지할 수 있도록 구멍(2)이 형성되어 있다.

또한, 온도 감지 수단(100)은 구멍(2)을 통해 융액으로부터 나오는 적외선 에너지를 수집한다. 적외선은 직진성이 있으므로, 단결정 성장 장치는 열실드(20)의 구멍(2)을 통해 직진하는 적외선을 2색 온도계(100)로 반사시키기 위한 반사판(22)를 구비한다. 그에 따라, 2색 온도계(100)는 열실드(20)의 구멍(2)을 통해 융액으로부터 발산되는 적외선을 수집할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 2색 온도계(100)는 대상 물체, 즉, 열실드(20)의 온도를 측정한 후 멜트 갭 산출 수단(110)에 제공한다. 멜트 갭 산출 수단(110)는 측정 온도로부터 열실드(20)의 하단부와 실리콘 융액(SM)의 표면(Melt Level : ML) 간에 간격인 멜트 갭(D)을 산출한다. 이러한 열실드(20)의 온도와 멜트 갭(D) 간의 관계는 미리 멜트 갭 산출 수단(110)에 저장되어 있다. 멜트 갭 산출 수단(110)는 예컨대, 열실드(20)의 온도에 대응하여 멜트 갭(D) 값이 대응된 테이블을 저장할 수 있다. 다른 실시예에서, 멜트 갭 산출 수단(110)는 열실드(20)의 온도를 이용하여 멜트 갭(D) 값을 미리 정해진 수학식에 의해 계산할 수 있다. 이 경우에는 주변 환경에 관련된 변수가 고려될 수 있다.

멜트 갭 산출 수단(110)는 열실드(20)의 온도로부터 멜트 갭 값을 산출하면 산출된 멘트 갭 값을 제어 수단(120)에 제공한다. 제어 수단(120)는 PLC(Programable logic controller)로 구현될 수 있다. 또한, 멜트 갭 산출 수단(110)는 제어 수단(120)에 포함될 수 있다. 제어 수단(120)는 멜트 갭 산출 수단(110)로부터 멜트 갭(D) 값을 수신하면 멜트 갭에 따라 도가니(30)를 승강하는 구동 수단(90)을 제어한다. 제어 수단(120)의 구체적인 동작을 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 단결정 멜트 레벨 조절 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 먼저 단계 301에서 2색 온도계(100)로부터 열실드(20)의 온도값을 수신하였는 지를 판단한다. 열실드(20)의 온도를 수신하였으면 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 단계 303에서 열실드(20)의 온도값에 따른 멜트 갭(D)을 산출한다.

전술한 바와 같이, 열실드(20)의 온도와 멜트 갭(D) 간의 관계는 본 실시예에서는 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 미리 저장되어 있을 수 있다.

이어서, 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 단계 305에서 멜트 갭(D) 값이 미리 정해진 임계 범위 이내인지를 판단한다. 이 임계 범위는 최적의 열실드(20)의 바닥면과 실리콘 용융면의 상대적 위치 관계, 즉, 멜트 갭(D)이, 인상 실리콘 단결정의 열이력이나 불순물 농도(산소 농도 등)를 일정하게 하는 범위이다.

만약 멜트 갭(D) 값이 이 임계 범위 이내에 있는 경우에는 석영 시드 승강에 대한 도가니의 승강 비율을 변경할 필요가 없다. 이 임계 범위는 최적의 멜트 갭(D) 값을 포함한다. 만약 석영 도가니(30)를 멜트 갭(D) 값이 최적이 되도록 움직인다면, 시드 승강에 대한 도가니의 승강 비율을 계속적으로 변경하게 될 수도 있다. 따라서, 멜트 갭이 이 임계 범위 이내에 있으면, 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 석영 도가니(30)의 승강 비율을 현재와 같이 유지한다. 즉, 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 현재의 시드 승강에 대한 도가니 승강 비율을 유지하고 현재의 비율에 따라 도가니(30)의 승강을 제어한다.

만약 멜트 갭(D) 값이 임계 범위를 벗어나면, 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 단계 307에서 산출된 멜트 갭에 따라 시드 승강에 대한 도가니(30) 승강 비율을 결정하고, 단계 309에서 시드 승강에 대한 도가니(30) 승강 비율에 따라 도가니 승강을 제어한다.

구체적으로 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 단결정 성장중 멜트 갭(D) 값을 미리 정해진 범위 내에 유지하게 하기 위하여 도가니(30) 승강을 제어한다. 구체적으로 멜트 갭(D) 값이 미리 정해진 임계 범위의 최소값보다 작으면 제 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 시드 승강에 대한 도가니(30) 승강 비율을 감소시키도록 도가니(30)를 승강시키는 구동 수단(90)을 제어한다. 또한, 멜트 갭(D) 값이 미리 정해진 임계 범위의 최대값보다 크면 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 시드 승강에 대한 도가니(30) 승강 비율을 증가시키도록 도가니(30)를 승강시키는 구동 수단(90)을 제어한다.

다른 실시예에서, 단결정 멜트 레벨 조절 장치(101)는 시드 승강에 대한 도가니(30) 승강 비율이 상기 결정된 시드 승강에 대한 도가니(30) 승강 비율이 되도록 석영 도가니(30)를 상승시키는 구동 수단(90) 뿐만 아니라 시드를 승강하는 인상 수단(80)과 제어한다.

이와 같이, 본 발명에 따르면, 단결정 성장 장치의 열실드(20)의 온도를 이용하여 멜트 레벨을 조정할 수 있다.

이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 멜트 레벨 조절 장치를 구비한 단결정 성장 장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 3은 열실드와 열실드 융액 간의 거리에 따라 열실드의 온도 분포를 나타낸 도면이다.

도 4는 멜트 갭에 따른 열실드의 지점들의 온도를 나타낸 그래프이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 성장 장치의 단면도를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 챔버 20: 열실드

30: 석영 도가니 60: 히터

100: 2색 온도계 110: 멜트 갭 산출 수단

120: 제어 수단

Claims

단결정 성장 챔버 내에서 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 열실드의 온도를 감지하는 온도 감지 수단;

상기 열실드의 온도에 기초하여 상기 열실드의 하단부와 실리콘 융액의 표면 간의 간격인 멜트 갭 값을 산출하는 멜트 갭 산출 수단; 및

상기 멜트 갭 산출 수단으로부터 상기 멜트 갭 값을 제공받으면 상기 멜트 갭 값에 따라 상기 실리콘 융액을 수용하는 도가니의 승강을 제어하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치.
제1항에 있어서,

상기 온도 감지 수단은 2색 온도계(2 color pyrometer)인 것을 특징으로 하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치.
제1항에 있어서,

상기 제어 수단은 상기 멜트 갭 값이 미리 정해진 임계 범위 이내 인지를 판단하고, 상기 임계 범위 이내이면 현재의 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 유지하는 것을 특징으로 하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치.
제3항에 있어서,

상기 제어 수단은 상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위를 벗어나면, 상기 산출된 멜트 갭 값에 따라 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 결정하고, 상기 시드 승강에 대한 도가니 승강 비율에 따라 상기 도가니의 승강을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치.
제4항에 있어서,

상기 제어 수단은 상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위의 최소값보다 작으면 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 감소시키도록 상기 도가니의 승강을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치.
제4항에 있어서,

상기 제어 수단은 상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위의 최대값보다 크면 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 증가시키도록 상기 도가니의 승강을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치.
제2항에 있어서,

상기 2색 온도계는 하기의 수학식에 따라 상기 열실드의 온도를 측정하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치.

T = B/[ A + ln(ε1/ε2)- ln(S1/S2)]

S1 및 S2는 상기 2색 온도계에 포함된 2개의 감지기에 의해 수집되는 적외선 신호이고, ε1 및 ε2는 상기 2개의 감지기의 두 반응 파장대에 따른 방사율값이며, A 및 B 는 측정시 결정되는 상수이며, T는 측정 온도값이다.
실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 단결정 성장 챔버; 및

상기 단결정 성장 챔버 내에서 상기 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 열실드의 온도를 감지하고, 상기 열실드의 온도에 기초하여 단결정 멜트 레벨을 조절하는 단결정 멜트 레벨 조절 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.
제8항에 있어서,

상기 단결정 멜트 레벨 조절 장치는,

상기 단결정 성장 챔버 내에서 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 상기 열실드의 온도를 감지하는 온도 감지 수단;

상기 열실드의 온도에 기초하여 상기 열실드의 하단부와 실리콘 융액의 표면 간의 간격인 멜트 갭 값을 산출하는 멜트 갭 산출 수단; 및

상기 멜트 갭 산출 수단으로부터 상기 멜트 갭 값을 제공받으면 상기 멜트 갭 값에 따라 상기 실리콘 융액을 수용하는 도가니의 승강을 제어하는 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.
제9항에 있어서,

상기 온도 감지 수단은 2색 온도계(2 color pyrometer)인 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.
제10항에 있어서,

상기 열실드에는 상기 2색 온도계가 상기 실리콘 융액으로부터의 적외선 신호를 수신할 수 있도록 구멍이 형성되어 있으며,

상기 온도 감지 수단은 상기 구멍을 통해 발산되는 상기 적외선 신호를 상기 2색 온도계로 반사시키기 위한 반사판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치.
단결정 성장 챔버 내에서 실리콘 단결정의 잉곳을 열차폐하는 열실드의 온도를 감지하는 단계;

상기 열실드의 온도에 기초하여, 상기 열실드의 하단부와 실리콘 융액의 표면 간의 간격인 멜트 갭 값을 산출하는 단계; 및

상기 산출된 멜트 갭 값에 따라 상기 융액을 수용하는 도가니의 승강을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 멜트 레벨 조절 방법.
제12항에 있어서,

상기 도가니의 승강을 제어하는 단계는

상기 멜트 갭 값이 미리 정해진 임계 범위 이내 인지를 판단하는 단계; 및

상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위 이내이면 현재의 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트 레벨 조절 방법.
제13항에 있어서,

상기 도가니의 승강을 제어하는 단계는,

상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위를 벗어나면, 상기 산출된 멜트 갭 값에 따라 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 결정하는 단계; 및

상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율에 따라 상기 도가니 승강을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트 레벨 조절 방법.
제14항에 있어서,

상기 승강 비율을 결정하는 단계는,

상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위의 최소값보다 작으면 상기 시드 승강에 대한 상기 도가니 승강 비율을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트 레벨 조절 방법.
제15항에 있어서,

상기 승강 비율을 결정하는 단계는,

상기 멜트 갭 값이 상기 임계 범위의 최대값보다 크면 상기 시드 승강에 대 한 상기 도가니 승강 비율을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 멜트 레벨 조절 방법.