KR20110064223A - 수직성장 타입 퍼니스의 온도제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정 잉곳 성장을 위한 퍼니스의 온도제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 퍼니스 내부에 구비된 히터의 예열 테스트를 통하여 각 히터의 온도분포를 바탕으로 단결정 성장시 원하는 열 환경으로 형성함으로써, 단결정 잉곳의 길이가 증가해도 잉곳의 품질을 유지시킬 수 있는 퍼니스의 온도 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 수직성장 타입 퍼니스의 온도제어 방법은 석영로가 위치한 퍼니스 내부를 복수의 영역으로 구분하고, 각 영역에 구비된 히터를 작동시켜 온도를 측정하고 온도 데이터를 저장하는 단계; 상기 온도 데이터를 컴퓨터에 저장하는 단계; 상기 컴퓨터에 기준값을 입력하고 히터를 작동시키는 단계; 상기 온도감지기를 이용하여 퍼니스 내부의 현재 온도구배를 측정하여 기준값과 비교하는 단계; 상기 퍼니스의 현재 온도구배를 기준값으로 보정하기 위하여 온도 데이터를 이용하여 보정할 온도를 계산하는 단계; 및 상기 보정온도에 따라 각 영역에 구비된 히터를 작동시키는 단계를 포함함에 기술적 특징이 있다.
단결정, 잉곳, 퍼니스, 석영로, 히터

Description

수직성장 타입 퍼니스의 온도제어 방법{Control method for temperature in VFG furnace}
본 발명은 단결정 잉곳 성장을 위한 퍼니스의 온도제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 퍼니스 내부에 구비된 히터의 예열 테스트를 통하여 각 히터의 온도분포를 바탕으로 단결정 성장시 원하는 열 환경으로 형성함으로써, 단결정 잉곳의 길이가 증가해도 잉곳의 품질을 유지시킬 수 있는 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서, 실리콘 단결정 잉곳(ingot, 이하, '잉곳'이라 한다)은 도가니에 폴리실리콘(poly silicon)과 불순물(dopant)을 용융하여 형성된 용융 실리콘에, 인상구동장치를 사용하여 종자결정을 디핑(dipping)시키고 이 종자결정과 도가니를 서로 반대 방향으로 회전시키면서 서서히 종자결정을 인상함으로써(pulling up) 성장 제조된다.
이 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는 상기 인상구동장치, 챔버, 인상구동장치 에 연결되어 챔버 내부에 위치하는 종자결정척, 챔버 내부의 핫 존(hot zone)에 용융 실리콘이 담겨지는 도가니, 이 도가니를 회전시키는 회전구동장치, 이 도가니의
주변을 포위하면서 열을 방사하는 히터, 및 이 히터에서 발생된 열이 외부로 방사되는 것과 용융 실리콘의 온도가 저하되는 것을 차폐하는 열차폐체를 포함한다.
쵸크랄스키법에서, 잉곳의 성장에 따라 용융 실리콘의 레벨이 낮아지는데, 이 용용 실리콘의 레벨 저하만큼 도가니 높이를 상승시켜 히터에 대한 용융 실리콘의 레벨을 일정하게 유지시킨다.
그러나, 히터는 도가니의 주위에 일체로 형성되어 고정 상태를 유지하므로 잉곳의 길이가 길어짐에 따라 히터 내에서 상승작동하는 도가니와의 사이에 상대적인 위치 차이를 발생시킨다. 이 위치 차이는 잉곳의 성장이 진행됨에 따라 잉곳 계면 주위의 열 환경 변화를 초래한다.
이 잉곳 계면 주위의 열 환경 변화는 잉곳의 균일한 품질 구현을 어렵게 한다. 또한, 잉곳 성장 말기에는 히터에서 방사되는 열 중 대부분이 도가니의 가열에 작용하지 못하고 일부만이 도가니의 아래부분을 가열하므로 잉곳의 인상속도 제어를 어렵게 하고, 잉곳 계면 주위에서 열 환경 변화가 심화되어 잉곳의 인상 속도를 저하시키게 된다.
히터에서 발생되는 열의 대부분이 도가니의 가열에 작용하지 못하고, 이로 인하여 잉곳의 인상 속도가 저하되므로 잉곳 성장 시간이 지연된다. 이로 인하여 불필요한 전력이 낭비된다.
또한, 실리콘 웨이퍼의 대구경화 및 대용량화 될수록 대구경 잉곳의 인상에 따른 잉곳 계면 주위의 급격한 열 환경 변화를 제어할 필요성이 요구된다.
본 발명은 퍼니스의 내부에 구비된 복수의 히터를 작동시켜 측정한 온도 데이터를 이용하여 단결정 잉곳을 형성하는 공정에서 원하는 온도환경을 자동으로 형성함으로써, 단결정 잉곳의 길이가 증가해도 잉곳의 품질을 유지시킬 수 있는 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은 석영로가 위치한 퍼니스 내부를 복수의 영역으로 구분하고, 각 영역에 구비된 히터를 작동시켜 온도를 측정하고 온도 데이터를 저장하는 단계; 상기 온도 데이터를 컴퓨터에 저장하는 단계; 상기 컴퓨터에 기준값을 입력하고 히터를 작동시키는 단계; 상기 온도감지기를 이용하여 퍼니스 내부의 현재 온도구배를 측정하여 기준값과 비교하는 단계; 상기 퍼니스의 현재 온도구배를 기준값으로 보정하기 위하여 온도 데이터를 이용하여 보정할 온도를 계산하는 단계; 및 상기 보정온도에 따라 각 영역에 구비된 히터를 작동시키는 단계를 포함하는 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적은 상기 히터의 온도를 측정하는데 있어서, 상기 히터를 작동시켜 20단계로 서서히 상승시켜 측정하는 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적은 상기 영역과 이웃한 영역 및 이웃하지 않은 영역에 구비된 히터를 함께 작동시킨 후, 온도를 측정하고 온도 데이터를 저장하는 단계를 포함하는 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 목적은 상기 히터의 온도를 측정하는데 있어서, 상기 히터를 작동시켜 20단계로 서서히 상승시켜 측정하는 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법에 의해 달성된다.
따라서, 본 발명의 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법은 단결정 잉곳을 형성하는 공정에서 원하는 온도환경을 자동으로 형성함으로써, 단결정 잉곳의 길이가 증가해도 잉곳의 품질을 유지시킬 수 있는 효과가 있다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 퍼니스의 내부도이다.
본 발명에 따른 퍼니스(110)의 내부는 GaAs 단결정이 장입된 석영로(120)의 주위로 복수의 영역, 일예로 8개의 영역으로 나누어 각 영역에 석영로(120)를 가열하기 위한 히터(130) 및 히터(130)에 의하여 가열된 퍼니스(110) 내부의 온도를 측정하기 위한 온도센서(140)가 구비된다.
온도센서(140)는 측정한 온도를 컴퓨터(150)에 전송하고, 작업자는 컴퓨터(150)의 화면을 통하여 각 영역에서 측정된 온도를 확인한다. 작업자는 특정영역의 온도가 컴퓨터(150)에 입력한 온도와 차이가 발생하면 특정 영역의 히터(130)와 연결된 듀얼루프 PID 온도제어기(160)에 온도제어신호를 송신한다.
듀얼루프 PID 온도제어기(160)는 수신한 온도제어신호에 따라 히터(130)를 가열하거나 작동을 중지하여 컴퓨터(150)에 입력된 온도로 유지한다.
퍼니스(110)의 일측에는 퍼니스(110)의 영역별로 온도를 측정하기 위한 온도감지기(170)와 온도감지기(170)의 위치를 조절할 수 있는 위치조절기(180)를 구비한다.
도 2는 본 발명에 따른 단결정 성장을 위한 공정에 앞서 퍼니스의 각 영역에 서의 온도 데이터를 얻기 위한 순서도이다.
본 발명에 따르면, 단결정 잉곳 성장을 위한 공정을 진행함에 앞서 히터(130)의 작동에 따른 퍼니스(110) 내부의 온도 분포를 확인하는데, 먼저, 퍼니스(110)의 상부 첫번째에 위치한 히터(130)와 온도센서(140)가 구비된 영역을 제1영역으로 설정한다.
작업자는 퍼니스(110)의 온도를 제어하기 위한 컴퓨터(150)를 이용하여 듀얼루프 PID 온도제어기(160)에 원하는 온도를 입력한다(S210). 듀얼루프 PID 온도제어기(160)는 컴퓨터(150)로부터 온도제어 신호를 받아 제1영역의 히터를 작동킨다.
이때, 온도감지기(170)를 초기위치인 퍼니스(11)의 상단으로 이동시킨다(S220). 만약 온도감지기(170)가 초기 위치에서 벗어나 있으면 위치조절기(180)를 작동시켜 온도감지기(170)를 다시 초기위치로 이동시킨다(S230).
히터(130)가 가열되어 일정 시간이 지나면, 온도감지기(170)를 제1영역부터 차례로 이동시켜 각 영역의 온도를 측정한다(S250).
듀얼루프 PID 온도제어기(160)는 히터(130)를 작동시켜 작업자가 설정한 온도까지 20단계로 순차적으로 온도를 상승시키고 온도감지기는 단계별로 상승하는 온도를 측정한다.
제1영역에서 히터(130)의 작동에 따른 온도를 측정하면, 작업자는 위치조절기(180)를 이용하여 온도감지기(170)를 다음 제2영역으로 위치시키고, 앞서 개시한 바와 같이 동일한 방법으로 제2영역에 구비된 히터(130)와 연결된 듀얼루프 PID 온도제어기(160)를 작동시켜 온도를 측정한다(S270,S280).
이러한 과정을 통하여, 일예로 제8영역까지 각 영역에 구비된 히터(130)를 작동시켜 온도를 단계별로 상승시키면서, 온도감지기(170)를 이용하여 온도를 측정한다.
한편, 퍼니스(110)의 내부는 정해진 기준 온도분포에 따라 석영로(120)를 가열하기 위하여 모든 영역의 히터(130)를 작동시키게 된다. 따라서, 각 영역에서의 히터(130)를 작동시켜 온도를 측정한 경우와 달리, 모든 영역의 히터(130)를 작동시킨 실제 공정에서는 이웃한 히터(130)에 의한 온도간섭에 의하여 각 영역에서는 온도의 차이가 발생하게 된다.
따라서, 본 발명에 따르면, 각 영역별로 히터(130)의 온도를 측정함과 동시에 이웃한 영역 및 그 이상 떨어진 영역에 구비된 히터(130)가 작동한 경우에 따른 각 영역에서의 온도를 측정해야 한다.
이를 위하여 작업자는 위치조절기(180)를 이용하여 온도감지기(170)를 초기 위치로 이동시킨 후, 컴퓨터를 통하여 듀얼루프 PID 온도제어기(160)에 온도를 설정하고(S260) 다시 제1영역에서부터 온도를 측정한다.
이때, 제1영역에서 온도를 측정함에 있어서, 제1영역에 구비된 히터와 제2영역에 구비된 히터를 동시에 작동시켜 측정된 온도를 측정한다(S290).
앞서 각 영역별로 온도를 측정하는 방법과 동일하게 원하는 온도까지 20단계로 순차적으로 가열하여 측정한다.
온도측정이 완료되면 온도감지기의 위치가 제1영역에 고정된 상태에서 제2영역의 히터를 끄고, 제3영역의 히터를 작동시킨다.
앞서 동일한 방법으로 제1영역의 히터와 제3영역의 히터를 작동시킨 후, 제1영역에서의 온도를 순차적으로 측정한다.
이렇게 하여, 제1영역-제4영역, 제1영역-제5영역 및 제1영역-제6영역....순으로 제1영역에서의 온도를 순차적으로 측정한다.
제1영역에서의 온도 측정이 완료되면, 제2온도센서를 제2영역으로 이동시키고 제2영역-제1영역, 제2영역-제3영역 및 제2영역-제4영역의 순서로 온도를 측정한다.
각 영역에서 측정된 온도값은 화면에 표시하고 작업자는 온도 데이터는 컴퓨터에 저장한다.
본 발명의 일실예에 따르면, 제1영역에서 온도를 측정함에 있어서, 제2영역 및 제3영역의 히터를 함께 작동시켜 온도를 측정할 수 있으며, 추가로 제1영역-제2영역-제3영역-제4영역을 함께 작동시켜 온도를 측정할 수 있다.
이러한 방법을 통하여 모든 조건에서 각 영역의 온도를 측정하면 관련 온도 데이터를 저장하고 종료한다.
도 3 내지 도 5는 단결정 잉곳을 성장하는 단계별로의 퍼니스 내부의 온도구배를 나타낸 개념도이다.
일반적으로 석영로 하부에는 단결정 성장을 위한 시드 결정이 있으며 그 상부에 결정성장을 위한 재료가 장입된다. 공정 초기 시드 결정이 있는 영역과 시드 결정이 접하고 있는 재료를 녹이기 위한 영역에서 온도가 높다. 단결정 잉곳이 성장하면서 퍼니스 내부의 온도구배는 점차 석영로 상부로 이동하면서 변화를 보이게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 온도제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 3 내지 도 5에서 도시된 바와 같이 퍼니스 내의 특정 영역에서의 온도가 높은 온도구배를 형성하기 위하여 복수의 히터가 작동한다.
먼저, 작업자는 히터를 작동시켜 퍼니스 내에서 원하는 온도구배를 구현하기 위하여 기준이 되는 온도구배, 즉 기준(온도)값을 컴퓨터에 로딩하고 이를 화면을 통하여 확인한다(S310, S320).
퍼니스 내부가 가열되어 퍼니스 내부의 온도가 점차 기준값에 도달하면 작업자는 위치조절기를 작동시켜 온도감지기를 각 영역으로 이동시켜(S330) 온도를 측정하고(S340), 측정이 완료되면(S350) 컴퓨터 화면에 표시한다(S360).
만약, 측정된 온도가 기준값과 동일하면 실제 공정에 적용할 RUN파일에 저장하고(S370), 컴퓨터는 다음 공정에 필요한 기준값 로딩하고(S380) 다음 단계로 넘어간다(S390).
도 7 내지 도 9는 본 발명에 따른 온도조절단계를 나타낸 것이다.
만약, 온도감지기(170)를 통하여 각 영역에서 측정된 온도를 바탕으로 표현된 제1온도구배와 기준값 사이에 차이가 발생하면(도 7), 듀얼루프 PID 온도제어기(160)는 해당 영역에 구비된 히터(130)를 작동시킨다.
이때 듀얼루프 PID 온도제어기(160)는 히터(130)를 작동시켜 퍼니스(110) 내부에 형성된 온도구배를 기준값으로 보정하는 과정에서 필요한 제1차(1st) 보정할 온도구배를 예측하고 각 영역에 구비된 히터(130)가 작동할 온도를 계산한다(도 8, S400).
이때, 듀얼루프 PID 온도제어기(160)는 앞서 예비측정을 통하여 얻은 데이터를 바탕으로 히터(130)의 작동범위를 계산한다.
그리고, 보정된 온도구배로 각 영역의 히터(130)를 작동시켜(S410) 다시 온도 측정을 한다.
만약 1차로 보정된 온도구배에 따라 작동된 히터(130)의 온도구배가 다시 기준값과 차이를 보이면 다시 듀얼루프 PID 온도제어기(160)는 다시 제2차(2nd)온도보정을 위한 온도구배를 계산하여 예측하고, 이를 바탕으로 히터(130)를 가동하여 퍼니스(110)의 내부 온도구배를 기준값과 유사하게 보정한다(도 9).
그리고 지속적으로 듀얼루프 PID 온도제어기(160)은 추가로 계산된 온도구배에 따라 퍼니스(110) 내부의 온도를 앞서 개시한 바와 같이 동일한 방법을 통하여 각 영역의 히터(130)를 작동하여 기준값과 동일하게 보정해 간다.
본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 수직성장 타입 퍼니스의 내부 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 퍼니스의 예비 온도측정 순서도,
도 3 내지 도 5는 수직성장 타입 퍼니스의 단결정 성장 단계,
도 6은 본 발명에 따른 수직성장 타입 퍼니스의 내부 온도 조절 순서도,
도 7 내지 도 8은 본 발명에 따른 수직성장 타입 퍼니스 내부의 온도 보정 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 퍼니스 120: 석영로
130: 히터 140: 온도센서
150: 컴퓨터 160: 듀얼루프 PID 온도제어기
170: 온도감지기 180: 위치조절기

Claims (4)

  1. 석영로가 위치한 퍼니스 내부를 복수의 영역으로 구분하고, 각 영역에 구비된 히터를 작동시켜 온도를 측정하고 온도 데이터를 컴퓨터에 저장하는 단계;
    상기 컴퓨터에 단결정 성장을 위한 온도 기준값을 입력하고 히터를 작동시키는 단계;
    온도감지기를 이용하여 퍼니스 내부의 현재 온도구배를 측정하여 기준값과 비교하는 단계;
    상기 현재 온도구배를 기준값으로 보정하기 위하여 상기 온도 데이터를 이용하여 보정할 온도를 계산하는 단계; 및
    상기 보정할 온도에 따라 각 영역에 구비된 히터를 작동시키는 단계
    를 포함하는 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 히터의 온도를 측정하는데 있어서, 상기 히터를 작동시켜 복수의 단계로 서서히 상승시켜 측정하는 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영역에 구비된 히터와 이웃한 영역의 히터를 함께 작동하여 측정한 온도 데이터를 컴퓨터에 저장하는 단계를 더 포함하는 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 영역에 구비된 히터와 바로 이웃하지 않는 영역에 구비된 히터를 작동하여 측정한 온도 데이터를 컴퓨터에 저장하는 단계를 더 포함하는 수직성장 타입 퍼니스의 온도 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101412307B1 (ko) * 2012-10-31 2014-06-25 현대제철 주식회사 열처리 장치
CN108754599A (zh) * 2018-05-31 2018-11-06 西安理工大学 一种基于有限元数值模拟的硅单晶生长温度控制方法
KR20220149004A (ko) 2021-04-29 2022-11-08 동국대학교 산학협력단 가변 주파수 필터링을 위한 신축성 음향 메타 물질

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