KR20110086985A - 융액온도 제어시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

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안성철
나광하
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주식회사 엘지실트론
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Abstract

실시예는 융액온도 제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
실시예에 따른 융액온도 제어시스템은 시드(seed)가 디핑(dipping)되는 융액(melt)의 면(surface) 평균온도를 측정하는 온도측정장치; 및 상기 융액의 면 평균온도를 통해 단결정 성장공정을 제어하는 제어장치;를 포함할 수 있다.

Description

융액온도 제어시스템 및 그 제어방법{Melt Temperature Controlling System and the control method of the same}
실시예는 융액온도 제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조용 실리콘 단결정 성장은 시드(Seed)를 실리콘 융액(Silicon Melt)에 디핑(Dipping)시키고, 네킹(necking)을 형성하면서 융액 위쪽으로 시드를 서서히 인상함으로써, 시드 아래쪽으로 실리콘 단결정 성장을 진행한다.
종래기술에 의하면 시드를 실리콘 융액에 디핑시 실리콘 융액 계면과 접촉할 시드의 열 충격을 최소화하고 이후 네킹 공정에서의 안정적인 열 조건을 형성하기 위해 굿딥(Good Dip)이란 공정 상태를 조성하게 된다.
굿딥(Good Dip)이란 네킹공정을 진행하기 적정한 융액의 온도상태로서, 만약, 융액의 온도가 높거나 낮을 경우 이후 공정에서 로스(Loss)가 발생할 확률이 높아지기 때문에 온도 조건을 일정하고 적절하게 유지하는 것이 중요하다. 이와 같이 융액 온도는 잉곳(Ingot)의 품질을 좌우하는 중요한 인자로서 정확하고 정밀한 제어가 요구된다.
종래기술에 의하면 실리콘 융액 온도는 2색 파이로미터(Two Color Pyrometer)를 이용하여 측정하고 있다. 2색 파이로미터는 단결정 성장장치의 챔버 상단에 위치하고, 한 포인트(one point)에 대한 온도만을 측정한다. 이렇게 측정된 값은 아날로그(analog) 값으로 제어장치로 전달되고 융액 온도를 제어하게 된다.
또한, 온도 측정값은 작업자가 수동으로 굿딥(Good Dip) 인지 판단하는 기준으로 사용된다.
그런데, 종래기술에 의하면 융액 표면의 온도 분포는 위치에 따라 매우 상이하게 나타난다. 하지만 하나의 포인트(Point)만을 측정하는 2색 파이로미터는 챔버 상단에서 장비마다 다른 융액 지점을 측정하고 있다. 그 결과 융액 표면 측정 온도가 부정확하고 장비간 오차가 발생하는 문제가 있다.
또한, 종래기술에 의하면 작업자는 2색 파이로미터에서 측정한 값을 기준하여 굿딥(Good Dip) 여부인지 판단을 수동(Manual)으로 판단하여 융액 온도를 제어하고 있다. 이는 작업자간 경험 및 숙련도 차이로 인해 공정 효율성 및 반복성이 떨어지는 문제가 있다. 이에 따라 종래기술에 의하면 작업자간 차이가 발생될 가능성이 있으며 실시간으로 작업자가 관측할 수 없으므로 작업 효율도 떨어질 수 있는 문제가 있다.
실시예는 포인트(Point) 영역의 온도만을 측정하던 기존 2색 파이로미터(Two Color Pyrometer)의 문제점을 해결할 수 있도록 융액(Melt) 온도제어의 정확도를 향상시킬 수 있는 융액온도 제어시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 작업자가 굿딥(Good Dip) 판단함에 있어 수동(Manual)으로 온도를 제어하던 것을 자동(Auto) 공정으로 진행될 수 있도록 할 수 있는 융액온도 제어시스템 및 그 제어방법을 제공하고자 한다.
실시예에 따른 융액온도 제어시스템은 시드(seed)가 디핑(dipping)되는 융액(melt)의 면(surface) 평균온도를 측정하는 온도측정장치; 및 상기 융액의 면 평균온도를 통해 단결정 성장공정을 제어하는 제어장치;를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 융액온도 제어방법은 시드(Seed)를 융액(melt) 계면에 접촉시키는 디핑(dipping) 단계; 상기 디핑 진행되는 융액(melt)의 면(surface) 평균온도를 측정하는 단계; 및 상기 융액의 면 평균온도를 통해 단결정 성장공정을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
종래의 2색 파이로미터(Two Color Pyrometer)가 포인트(Point) 영역만을 측정함에 따라 실제 디핑(Dipping) 공정에 필요한 융액(Melt) 영역 온도를 정확하게 측정할 수 없었는데, 실시예에 따른 융액온도 제어시스템 및 그 제어방법에 의하면 온도측정장치를 이용하여 필요한 영역의 면(surface) 평균온도를 측정함으로써 보다 정확하고 정밀한 융액(Melt) 온도 제어가 가능하다.
또한, 실시예에 의하면 정확도가 낮은 2색 파이로미터의 측정값을 기준하여 작업자가 수동(Manual)으로 굿딥(Good Dip) 상태가 되도록 온도를 조정하던 것을 온도측정장치를 이용하여 자동(Auto)으로 굿딥이 되도록 온도를 제어하고 검출할 수 있다. 이에 따라, 작업자 각각의 경험에 의존하는 수동(mannual) 공정 진행을 탈피하고, 장비를 통한 자동시스템 구축으로 단결정 성장공정의 판단 기준의 명확화 및 일정한 수준의 작업시간을 기대할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 융액온도 제어시스템이 적용되는 단결정 성장장치의 예시도.
도 2는 실시예에 따른 융액온도 제어시스템의 구성 예시도.
도 3은 실시예에 따른 융액온도 제어방법의 순서도.
도 4는 실시예에 따른 융액온도 제어시스템을 이용하여 융액의 온도를 측정한 도표.
이하, 실시예에 따른 융액온도 제어시스템 및 그 제어방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on/over)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on/over)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 융액온도 제어시스템이 적용되는 단결정 성장장치의 예시도이다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 히터(130), 인상수단(150) 등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 실리콘 융액을 수용하는 도가니(120)와, 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(130) 및 종자결정(152)이 일단에 결합된 인상수단(150)을 포함할 수 있다.
상기 챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.
상기 챔버(110)의 내벽에는 히터(130)의 열이 상기 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 복사 단열체(140)가 설치될 수 있다.
실시예는 실리콘 단결정 성장 시의 산소 농도를 제어하기 위하여 석영 도가니(120)의 회전 내부의 압력 조건 등 다양한 인자들을 조절할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 산소 농도를 제어하기 위하여 실리콘 단결정 성장 장치의 챔버(110) 내부에 아르곤 가스 등을 주입하여 하부로 배출할 수 있다.
상기 도가니(120)는 실리콘 융액(SM)을 담을 수 있도록 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 석영 재질로 이루어질 수 있다. 상기 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 흑연으로 이루어지는 도가니 지지대(125)가 구비될 수 있다. 상기 도가니 지지대(125)는 회전축(127) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(127)은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 할 수 있다.
상기 히터(130)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 히터(130)는 도가니 지지대(125)를 에워싸는 원통형으로 이루어질 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 융액(SM)으로 만들게 된다.
실시예는 온도측정장치(310)를 이용하여 융액온도 제어시스템을 구현하고자 한다.
이를 위해, 실시예는 챔버의 일측에 온도측정 카메라(312)를 설치할 수 있다. 상기 온도측정 카메라(312)는 상기 챔버의 글래스(glass) 영역을 통해 융액의 온도를 측정할 수 있다.
상기 온도측정 카메라(312)는 면(surface), 선(line), 점(point) 영역의 온도를 측정할 수 있는 카메라(Camera)로서 면, 선 영역을 측정할 시엔 온도의 최고, 최저, 평균, 표준편차 값을 얻을 수 있다.
실시예는 도 1과 같이 온도측정 카메라(312)를 단결결성장장치의 일 측면에 장착하여 융액(Melt)의 전체적인 면을 볼 수 있도록 위치시킬 수 있다. 이에 따라 측정 시야각이 확보될 뿐만 아니라, 챔버에 상측에 위치한 종래의 2색 파이로미터에 비해 측정 거리가 짧아 외부 환경으로부터 간섭이 적어 정밀도를 향상시킬 수 있다.
실시예는 실리콘 단결정 잉곳(Ingot) 성장을 위한 제조방법으로는 단결정인 종자결정(seed crystal)(152)을 실리콘 융액(SM)에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.
이 방법에 따르면, 먼저, 종자결정(152)으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 숄더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 용융 실리콘과 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.
한편, 상기 단결정 성장 공정에 앞서 시드(152)를 실리콘 융액(SM)에 디핑(dipping)시 실리콘 융액 계면과 접촉할 시드의 열 충격을 최소화하고 이후 네킹 공정에서의 안정적인 열 조건을 형성하기 위해 네킹공정을 진행하기 적정한 융액의 온도상태인 "굿딥(Good Dip)" 이란 공정 상태를 조성하게 된다.
도 2는 실시예에 따른 융액온도 제어시스템(300)의 구성 예시도이다.
실시예에 따른 융액온도 제어시스템(300)은 시드(seed)가 디핑(dipping)되는 융액(melt)의 면(surface) 평균온도를 측정하는 온도측정장치(310) 및 상기 융액(SM)의 면 평균온도를 통해 단결정 성장공정을 제어하는 제어장치(320)를 포함할 수 있다.
상기 온도측정장치(310)는 온도측정 카메라(312)를 단결결성장장치의 일 측면에 장착하여 융액(Melt)의 전체적인 면을 볼 수 있도록 위치시킬 수 있다. 이에 따라 측정 시야각이 확보될 뿐만 아니라, 챔버에 상측에 위치한 종래의 2색 파이로미터에 비해 측정 거리가 짧아 외부 환경으로부터 간섭이 적어 정밀도를 향상시킬 수 있다.
상기 온도측정 카메라(312)는 면(surface), 선(line), 점(point) 영역의 온도를 측정할 수 있는 카메라(Camera)로서 면, 선 영역을 측정할 시엔 온도의 최고, 최저, 평균, 표준편차 값을 얻을 수 있다. 상기 온도측정 카메라(312)는 CCD 카메라일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 온도측정 카메라(312)는 CCD 카메라에서 디핑 영역의 융액에 대한 휘도를 온도 변환함으로써 융액 표면에 대한 온도를 얻을 수 있다. 예를 들어, CCD가 가진 적외영역의 감도 특성에 특수 필터를 사용하여 0.9∼1.1㎛의 파장으로 하여 방사온도계와 같이 휘도를 온도로 변환할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 상기 온도측정 카메라(312)는 열화상 장치와의 조합할 수 있으며, 이에 따라 컬러로 온도를 표시할 수 있을 뿐 아니라, 희망하는 위치와 크기의 영역을 설정하여 온도를 측정할 수도 있다.
실시예에서 상기 온도측정 카메라(312)는 시드의 디핑 영역의 융액에 대한 면 평균온도를 측정할 수 있다.
또한, 상기 온도측정 카메라(312)는 상기 시드의 응고계면(Meniscus)에 대한 면 평균온도를 측정할 수 있다.
종래의 2색 파이로미터(Two Color Pyrometer)가 포인트(Point) 영역만을 측정함에 따라 실제 디핑(Dipping) 공정에 필요한 융액(Melt) 영역 온도를 정확하게 측정할 수 없었는데, 실시예에 따른 융액온도 제어시스템 및 그 제어방법에 의하면 온도측정장치를 이용하여 필요한 영역의 면(surface) 평균온도를 측정함으로써 보다 정확하고 정밀한 융액(Melt) 온도 제어가 가능하다.
실시예에서 상기 온도측정장치(310)는 융액 면 평균온도 연산에 의해 생성된 디지털 정보값을 디지털아날로그 변환장치(314)를 이용하여 측정 영역별로 아날로그(Analog) 측정값을 출력한다.
이후, 도 2와 같이 온도측정장치(310)에서 출력된 딥(Dip) 영역의 면 평균 온도 아날로그(Analog)값은 제어장치(320)에 입력된다. 제어장치(PLC:Programmable Logic Controller)(320)는 입력된 딥 영역의 면 평균 온도 측정값을 입력받고, 이를 이용하여 굿 딥인지 여부를 판단하고, 굿 딥이면 네킹공정을 진행하나, 굿 딥이 아닌 경우 히터(Heater) 제어시스템(300)을 제어하고 융액(Melt)이 목표 온도에 도달 및 유지될 수 있도록 한다. 상기 제어장치(320)는 아날로그 디지털 변환카드(322), 디지털-아날로그 변환카드(326) 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 정확도가 낮은 2색 파이로미터의 측정값을 기준하여 작업자가 수동(Manual)으로 굿딥(Good Dip) 상태가 되도록 온도를 조정하던 것을 온도측정장치를 이용하여 자동(Auto)으로 굿딥이 되도록 온도를 제어하고 검출할 수 있다. 이에 따라, 작업자 각각의 경험에 의존하는 수동(mannual) 공정 진행을 탈피하고, 장비를 통한 자동시스템 구축으로 단결정 성장공정의 판단 기준의 명확화 및 일정한 수준의 작업시간을 기대할 수 있다.
도 3은 실시예에 따른 융액온도 제어방법의 순서도이다.
실시예에 따른 융액온도 제어방법을 도 3을 참조하여 설명한다.
우선, 시드(Seed)(152)를 융액(melt)(SM) 계면에 접촉시키는 디핑(dipping) 단계를 진행한다.
이후, 상기 디핑 진행되는 융액(melt)(SM)의 면(surface) 평균온도를 측정하는 단계(S110)를 진행한다.
이후, 상기 융액의 면 평균온도를 통해 제어장치(320)에서 샘플링 및 데이터 분석을 진행할 수 있다.
이후, 상기 융액의 면 평균온도가 소정의 기준에 적합한 경우인지(Good dip) 판단하는 단계(S130)를 통해 디핑을 종료하고, 단결정을 성장, 예를 들어 네킹공정을 진행할 수 있다(S150).
만약, 상기 융액의 면 평균온도가 소정의 기준에 적합하지 않은 경우(Good Dip이 아닌 경우) 상기 융액의 온도를 올리거나 내리게 할 수 있다.
실시예에서 상기 융액의 면 평균온도를 측정하는 단계에서 상기 시드의 디핑 영역의 융액에 대한 면 평균온도를 측정할 수 있다.
또한, 상기 융액의 면 평균온도를 측정하는 단계는, 상기 시드의 응고계면(Meniscus)에 대한 면 평균온도를 측정할 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 융액온도 제어시스템을 이용하여 융액의 온도를 측정한 도표이다.
A 선은 시드의 응고계면인 메니스커스에 대한 온도를 소정의 시간 간격을 통해 측정한 것이며,나머지 B 내지 E는 융액의 면 중 4곳을 임의로 지정하여 온도를 측정한 것이다.
실시예에 의하면 A 그래프에서 융액과 시드가 접촉된 상태(Dipping)(td 이후의 시간)에서 온도 값이 상승하는 것을 볼 수 있습니다.
종래의 2색 파이로미터(Two Color Pyrometer)가 포인트(Point) 영역만을 측정함에 따라 실제 디핑(Dipping) 공정에 필요한 융액(Melt) 영역 온도를 정확하게 측정할 수 없었는데, 실시예에 따른 융액온도 제어시스템 및 그 제어방법에 의하면 온도측정장치를 이용하여 필요한 영역의 면(surface) 평균온도를 측정함으로써 보다 정확하고 정밀한 융액(Melt) 온도 제어가 가능하다.
또한, 실시예에 의하면 정확도가 낮은 2색 파이로미터의 측정값을 기준하여 작업자가 수동(Manual)으로 굿딥(Good Dip) 상태가 되도록 온도를 조정하던 것을 온도측정장치를 이용하여 자동(Auto)으로 굿딥이 되도록 온도를 제어하고 검출할 수 있다. 이에 따라, 작업자 각각의 경험에 의존하는 수동(mannual) 공정 진행을 탈피하고, 장비를 통한 자동시스템 구축으로 단결정 성장공정의 판단 기준의 명확화 및 일정한 수준의 작업시간을 기대할 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 시드(seed)가 디핑(dipping)되는 융액(melt)의 면(surface) 평균온도를 측정하는 온도측정장치; 및
    상기 융액의 면 평균온도를 통해 단결정 성장공정을 제어하는 제어장치;를 포함하는 융액온도 제어시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    상기 융액의 면 평균온도가 소정의 기준에 적합한 경우 상기 디핑 종료하고, 단결정을 성장을 진행하도록 하는 융액온도 제어시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 융액의 가열(heating)을 제어하는 히터 제어시스템을 더 포함하는 융액온도 제어시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 융액의 면 평균온도가 소정의 기준에 적합하지 않은 경우 상기 히터 제어시스템에 의해 융액의 온도를 올리거나 내리게 하는 융액온도 제어시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 온도측정장치는,
    상기 시드의 디핑 영역의 융액에 대한 면 평균온도를 측정하는 융액온도 제어시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 온도측정장치는,
    상기 시드의 응고계면(Meniscus)에 대한 면 평균온도를 측정하는 융액온도 제어시스템.
  7. 시드(Seed)를 융액(melt) 계면에 접촉시키는 디핑(dipping) 단계;
    상기 디핑 진행되는 융액(melt)의 면(surface) 평균온도를 측정하는 단계; 및
    상기 융액의 면 평균온도를 통해 단결정 성장공정을 제어하는 단계;를 포함하는 융액온도 제어방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 단결정 성장공정을 제어하는 단계는,
    상기 융액의 면 평균온도가 소정의 기준에 적합한 경우 상기 디핑 종료하고, 단결정을 성장을 진행하도록 하는 융액온도 제어방법.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 단결정 성장공정을 제어하는 단계
    상기 융액의 면 평균온도가 소정의 기준에 적합하지 않은 경우 상기 융액의 온도를 올리거나 내리게 하는 융액온도 제어방법.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 융액의 면 평균온도를 측정하는 단계는,
    상기 시드의 디핑 영역의 융액에 대한 면 평균온도를 측정하는 융액온도 제어방법.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 융액의 면 평균온도를 측정하는 단계는,
    상기 시드의 응고계면(Meniscus)에 대한 면 평균온도를 측정하는 융액온도 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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