KR20110109601A - 잉곳 성장 장치 및 멜트갭 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

잉곳 성장 장치가 개시된다. 잉곳 성장 장치는 멜트를 수용하는 도가니; 상기 도가니 상에 배치되는 열실드; 상기 멜트의 표면 및 상기 열실드 사이의 멜트갭을 측정하기 위한 맬트갭 측정부; 상기 멜트의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부; 상기 멜트의 온도를 변화시키기 위한 히팅부; 상기 열실드 및 상기 도가니를 상대 이동시키기 위한 구동부; 및 상기 멜트의 온도를 입력받아 상기 구동부를 제어하는 멜트갭 제어부를 포함한다.

Description

잉곳 성장 장치 및 멜트갭 제어 방법{INGOT GROWING APPARATUS AND METHOD FOR CONTROLING MELT GAP}
실시예는 잉곳 성장 장치 및 멜트갭 제어 방법에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼의 제조를 위해서는 먼저 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시켜야 하는데, 초크랄스키(czochralski, CZ) 법이 적용될 수 있다.
종래의 실리콘 단결정 성장 장치는 실리콘 멜트의 표면과 히터로부터 복사되는 열이 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 전달되지 못하도록 열실드를 포함한다.
한편, 종래기술에 의하면 열실드의 설치시, 열실드의 하단부와 실리콘 멜트의 자유표면 간에 일정한 간격을 유지하며 설치하며, 이 간격을 멜트 갭(Melt Gap)이라 하고, 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 품질 향상과 생산성 증가를 위하여 멜트 갭을 일정하게 유지하여야 한다.
그런데, 종래기술에 의하면 단결정 성장장치의 설계 도면을 참고하여 도면 상의 위치를 추정하고, 그 후 일정한 높이로 열실드를 지지하여 설치한다.
그러나, 이러한 종래의 방법으로 열실드를 설치하는 경우 멜트 갭이 정확하게 제어되기는 어려운 문제가 있다.
이에 종래기술은 실리콘 멜트의 멜팅공정이 완료 후 멜트갭을 설정 또는 맬트갭 측정을 위해 열실드 하단과 실리콘 멜트의 표면을 접촉시킴으로써 열실드와 멜트 사이의 멜트갭을 측정한다.
즉, 종래기술에 의하면 실리콘 잉곳 성장장치의 작업자가 외부 관측경를 통하여 멜트 표면과 열실드 하단부를 육안으로 관찰하면서, 석영 도가니를 일정 거리 상승시켜, 실리콘 멜트의 표면과 열실드 하단부를 접촉시킨다.
그리고, 미리 설정된 멜트 갭 거리만큼 석영 도가니를 하강시킴으로써, 열실드와 실리콘 멜트의 표면간의 간격을 미리 설정된 멜트갭과 일치되도록 한다.
실시예는 멜트 갭을 일정하게 유지하는 잉곳 성장 장치 및 멜트갭을 제어하는 방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는 멜트를 수용하는 도가니; 상기 도가니 상에 배치되는 열실드; 상기 멜트의 표면 및 상기 열실드 사이의 현재 멜트갭을 측정하기 위한 맬트갭 측정부; 상기 멜트의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부; 상기 멜트의 온도를 변화시키기 위한 히팅부; 상기 열실드 및 상기 도가니를 상대 이동시키기 위한 구동부; 및 상기 멜트의 온도를 입력받아 상기 구동부를 제어하는 멜트갭 제어부를 포함한다.
일 실시예에 따른 멜트갭을 제어하는 방법은 멜트를 수용하는 도가니 상에 열실드를 배치시키는 단계; 상기 멜트의 현재 온도를 측정하는 단계; 상기 현재 온도와 다른 목표 온도로 상기 멜트를 가열 또는 냉각시키는 단계; 및 상기 현재 온도 및 상기 목표 온도를 기초로 상기 열실드를 이동시키는 단계를 포함한다.
실시예에 따른 잉곳 성장 장치는 온도 측정부 및 구동부를 제어하는 멜트갭 제어부를 포함한다. 이에 따라서, 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는 멜트를 목표 온도로 가열 또는 냉각시킬 때, 멜트의 부피 변화에 따른 멜트갭의 편차를 선제적으로 보상할 수 있다.
즉, 실시에에 따른 잉곳 성장 장치는 멜트가 가열 또는 냉각됨과 동시에, 도가니 또는 열실드를 구동하여, 멜트의 부피 변화에 따른 멜트갭의 변화를 최소화할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는 온도 변화에 따른 멜트의 수면의 이동을 미리 예상하여, 멜트갭을 일정하게 유지할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는 멜트갭을 일정하게 유지하여, 향상된 품질의 잉곳을 생산할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 온도 측정부, 멜트갭 제어부, 히팅부 및 구동부를 도시한 블럭도이다.
도 3 및 도 4는 실리콘 멜트의 온도가 상승될 때, 멜트갭이 제어되는 과정을 도시한 도면이다.
도 5 및 도 6은 실리콘 멜트의 온도가 하강될 때, 멜트갭이 제어되는 과정을 도시한 도면이다.
실시 예의 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.
도 1은 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치를 도시한 도면이다. 도 2는 온도 측정부, 멜트갭 제어부, 히팅부 및 구동부를 도시한 블럭도이다. 도 3 및 도 4는 실리콘 멜트의 온도가 상승될 때, 멜트갭이 제어되는 과정을 도시한 도면이다. 도 5 및 도 6은 실리콘 멜트의 온도가 하강될 때, 멜트갭이 제어되는 과정을 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는 챔버(110), 도가니(120), 구동부(130), 히팅부(140), 열실드(150), 맬트갭 측정부(160), 인상 수단(170), 온도 측정부(180) 및 멜트갭 제어부(190)를 포함한다.
상기 챔버(110)는 상기 도가니(120), 상기 히팅부(140), 상기 구동부(130) 및 상기 열실드(150)를 수용한다. 상기 챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 실리콘 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.
또한, 상기 챔버(110)의 내벽에는 히팅부(140)의 열이 상기 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 복사 단열체(142)가 설치될 수 있다.
상기 도가니(120)는 상기 챔버(110) 내측에 배치된다. 상기 도가니(120)는 실리콘 멜트(SM)를 수용한다. 상기 도가니(120)는 높은 내열성을 가지며, 상기 도가니(120)로 사용될 수 있는 물질의 예로서는 석영 등을 들 수 있다.
상기 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 흑연으로 이루어지는 도가니(120) 지지대(122)가 구비될 수 있다.
상기 도가니(120) 지지대(122)는 회전축(121) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(140)은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 단결정과 멜트의 계면이 동일한 높이를 유지하도록 할 수 있다.
또한, 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, 상기 챔버(110) 내부에는 실리콘 멜트(SM)의 산소 농도를 제어하기 위하여, 아르곤 가스 등과 같은 불활성 기체가 주입되고, 하부로 배출될 수 있다.
상기 히팅부(140)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 히팅부(140)는 도가니(120) 지지대(122)를 에워싸는 원통형으로 이루어질 수 있다. 이러한 히팅부(140)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 멜트(SM)로 만들게 된다.
상기 열실드(150)는 상기 도가니(120) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 열실드(150)는 상기 도가니(120) 상에 설치되어 상기 도가니(120)에 담긴 실리콘 멜트(SM)의 계면에서 방출되는 열을 단열한다. 즉, 상기 열실드(150)는 상기 실리콘 멜트(SM)로부터 상방으로 방사되는 열 흐름을 차단함으로써 열을 보존한다.
또한, 상기 열실드(150)는 실리콘 멜트(SM)의 온도 분포와 성장되는 실리콘 잉곳의 고온부의 온도 분포를 적정하게 제어한다.
상기 열실드(150)로 사용되는 물질의 예로서는 카본 펠트, 그라파이트, SiC 코팅된 그라파이트 또는 몰리브덴 등을 들 수 있다.
상기 맬트갭 측정부(160)는 상기 열실드(150)에 설치된다. 더 자세하게, 상기 맬트갭 측정부(160)는 상기 열실드(150)에 구비되고, 상기 실리콘 멜트(SM)의 표면을 향하여 연장되는 측정봉을 포함할 수 있다.
상기 측정봉이 상기 실리콘 멜트(SM)의 표면에 접촉되었는지 여부가 육안 또는 전기적인 신호 등에 의해서, 측정될 수 있고, 이에 따라서, 상기 실리콘 멜트(SM)의 계면 및 상기 열실드(150) 사이의 멜트갭(G)이 측정될 수 있다. 즉, 상기 멜트갭(G)은 수동 또는 자동으로 측정될 수 있다.
상기 인상 수단(170)은 케이블을 감아 인상(引上)할 수 있도록 챔버(110)의 상부에 설치될 수 있다. 이 케이블의 하부에는 종자결정(S)이 설치될 수 있다. 상기 인상 수단(170)은 상기 실리콘 단결정 잉곳이 성장함에 따라서, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 인상할 수 있다.
상기 온도 측정부(180)는 상기 실리콘 멜트(SM) 상에 배치된다. 더 자세하게, 상기 온도 측정부(180)는 상기 인상 수단(170)에 인접하여 배치될 수 있다.
상기 온도 측정부(180)는 상기 실리콘 멜트(SM)의 온도를 측정한다. 또한, 상기 온도 측정부(180)는 상기 실리콘 멜트(SM)의 온도를 상기 멜트갭 제어부(190)에 전달한다. 상기 온도 측정부(180)는 고온계, 예를 들어, 2색 고온계(two color pyrometer)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 온도 측정부(180)로부터 상기 실리콘 멜트(SM)의 현재 온도를 입력받는다. 또한, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 히팅부(140) 및 상기 구동부(130)를 제어할 수 있다.
더 자세하게, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 히팅부(140)를 제어하여, 상기 실리콘 멜트(SM)의 온도를 제어할 수 있다. 동시에, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 구동부(130)를 제어하여, 상기 도가니(120)를 상하 방향으로 이동시키고, 상기 멜트갭(G)을 제어할 수 있다. 더 자세하게, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 실리콘 멜트(SM)를 가열 또는 냉각하는 동시에, 상기 도가니(120)를 상하 방향으로 이동시킬 수 있다.
상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 실리콘 멜트(SM)를 가열 또는 냉각함과 동시에, 실리콘 멜트(SM)의 온도 상승 및 하강을 예상하여, 미리 상기 도가니(120)를 상승 및 하강시킨다. 즉, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 실리콘 멜트(SM)의 온도 상승 및 하강에 따른 상기 실리콘 멜트(SM)의 부피 변화 및 표면의 상승 및 하강을 계산하여, 상기 도가니(120)의 상승 및 하강을 제어한다.
예를 들어, 상기 멜트갭 제어부(190)는 다음과 같은 수식에 의해서, 상기 실리콘 멜트(SM)의 부피 변화를 예상할 수 있다.
V=V0(1+βΔT)
여기서, V는 온도 변화에 따른 부피이고, V0는 온도가 변화하기 전의 부피이고, β는 온도 변화에 따른 체적 변화률이고, ΔT는 온도 변화이다. β는 약 21.675㎤/℃일 수 있다. 또한, ΔT=목표 온도-현재 온도 이다.
또한, 다음의 수식에 의해서, 온도 변화에 따른 상기 실리콘 멜트(SM)의 표면의 높이 변화가 측정될 수 있다.
δh/δT=V0β/S
예를 들어, 상기 도가니(120)의 반경이 39㎝인 경우, 상기 온도 변화에 따른 상기 실리콘 멜트(SM)의 표면 높이의 변화는 0.046㎜/℃일 수 있다.
또한, 상기 멜트갭 제어부(190)는 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 제어하는 시스템에 포함될 수 있다.
이에 따라서, 상기 멜트갭 제어부(190)은 입력받은 현재 온도 및 변화시키고자하는 목표 온도의 차이를 계산하고, 이를 바탕으로 변화될 실리콘 멜트(SM)의 표면 높이 변화를 예상할 수 있다.
이렇게 예상된 실리콘 멜트(SM)의 표면 높이 변화를 바탕으로, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 구동부(140)를 통하여, 상기 도가니(120)를 미리 이동시킬 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는 단결정인 종자결정(seed crystal)(S)을 실리콘 멜트(SM)에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용하여, 실리콘 단결정 잉곳을 생산할 수 있다.
일단, 폴리실리콘을 도가니(120)에 적재하고 가열하여 실리콘 멜트(SM)을 만드는 멜팅공정 및 멜트의 안정화 공정이 진행된다.
이후, 상기 열실드(150)를 상기 도가니(120) 상에 배치시킨다. 상기 멜트갭(G)의 설정 또는 상기 맬트갭의 측정을 위해 열실드(150) 하단과 실리콘 멜트(SM)의 표면을 접촉시키는 공정을 진행한다.
이후, 종자결정(S)으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 솔더링(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.
이와 같은 공정들에서, 상기 멜트갭(G)은 상기 구동부(130)에 의해서 일정하게 유지될 수 있다. 즉, 상기 구동부(130)는 상기 실리콘 단결정 잉곳이 성장됨에 따라서 줄어드는 실리콘 멜트(SM)를 기준으로 상기 도가니(120)를 상승시킬 수 있다.
또한, 상기 실리콘 멜트(SM)의 온도가 변화될 때에도, 상기 온도 측정부(180), 상기 히터부, 상기 구동부(130) 및 상기 멜트갭 제어부(190)에 의해서, 상기 멜트갭(G)은 일정하게 유지될 수 있다.
예를 들어, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 멜트(SM)가 가열되어, 상기 실리콘 멜트(SM)의 표면은 상승될 수 있다(LS1->LS2).
더 자세하게, 상기 온도 측정부(180)는 상기 실리콘 멜트(SM)의 현재 온도를 측정한다(S11). 이후, 상기 온도 측정부(180)는 상기 현재 온도를 상기 멜트갭 제어부(190)에 입력한다.
상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 현재 온도 및 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기에 최적의 온도인 목표 온도와 비교한다(S12).
상기 현재 온도가 상기 목표 온도보다 낮은 경우, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 히팅부(140)를 구동하여, 상기 실리콘 멜트(SM)를 가열한다. 동시에, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 도가니(120)를 하강시킨다(S13).
이에 따라서, 상기 멜트갭 제어부(190)에 의해서, 상기 실리콘 멜트(SM)의 온도 상승에 따른 표면의 상승(LS1->LS2)이 미리 반영되어, 상기 멜트갭(G)이 일정하게 유지된다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 실리콘 멜트(SM)가 냉각되어, 상기 실리콘 멜트(SM)의 표면이 하강될 수 있다(LS1->LS3).
더 자세하게, 상기 온도 측정부(180)는 상기 실리콘 멜트(SM)의 현재 온도를 측정한다(S21). 이후, 상기 온도 측정부(180)는 상기 현재 온도를 상기 멜트갭 제어부(190)에 입력한다.
상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 현재 온도 및 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기에 최적의 온도인 목표 온도와 비교한다(S22).
상기 현재 온도가 상기 목표 온도보다 높은 경우, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 히팅부(140)를 구동하여, 상기 실리콘 멜트(SM)를 냉각한다. 동시에, 상기 멜트갭 제어부(190)는 상기 도가니(120)를 상승시킨다(S23).
이에 따라서, 상기 멜트갭 제어부(190)에 의해서, 상기 실리콘 멜트(SM)의 온도 하강에 따른 상기 실리콘 멜트(SM)의 표면의 하강(LS1->LS3)이 미리 반영되어, 상기 멜트갭(G)이 일정하게 유지된다.
이와 같이, 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는 상기 실리콘 멜트(SM)를 목표 온도로 가열 또는 냉각시킬 때, 상기 실리콘 멜트(SM)의 부피 변화에 따른 멜트갭(G)의 편차를 선제적으로 보상할 수 있다.
즉, 실시에에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는 상기 실리콘 멜트(SM)가 가열 또는 냉각됨과 동시에, 상기 도가니(120)를 구동하여, 상기 실리콘 멜트(SM)의 부피 변화에 따른 멜트갭(G)의 변화를 최소화할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는 온도 변화에 따른 상기 실리콘 멜트(SM)의 표면의 이동을 미리 예상하여, 상기 멜트갭(G)을 일정하게 유지할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는 상기 멜트갭(G)을 일정하게 유지하여, 향상된 품질의 잉곳을 생산할 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 (9)

  1. 멜트를 수용하는 도가니;
    상기 도가니 상에 배치되는 열실드;
    상기 멜트의 표면 및 상기 열실드 사이의 멜트갭을 측정하기 위한 맬트갭 측정부;
    상기 멜트의 온도를 측정하기 위한 온도 측정부;
    상기 멜트의 온도를 변화시키기 위한 히팅부;
    상기 열실드 및 상기 도가니를 상대 이동시키기 위한 구동부; 및
    상기 멜트의 온도를 입력받아 상기 구동부를 제어하는 멜트갭 제어부를 포함하는 잉곳 성장 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 맬트갭 측정부는 상기 열실드로부터 연장되어, 상기 멜트의 표면에 접촉하는 잉곳 성장 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 멜트갭 제어부는 상기 히팅부를 제어하는 잉곳 성장 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 히팅부는 상기 멜트의 온도를 증가 또는 감소시키고,
    상기 히팅부가 상기 멜트의 온도를 증가시킬 때, 상기 멜트갭 제어부는 상기 열실드 및 상기 도가니가 서로 멀어지도록 상기 구동부를 제어하는 잉곳 성장 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 히팅부가 멜트의 온도를 감소시킬 때, 상기 멜트갭 제어부는 상기 열실드 및 상기 도가니가 서로 멀어지도록 상기 구동부를 제어하는 잉곳 성장 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 온도 측정부는 2색 고온계를 포함하는 잉곳 성장 장치.
  7. 멜트를 수용하는 도가니 상에 배치되는 열실드를 배치시키는 단계;
    상기 멜트의 현재 온도를 측정하는 단계;
    상기 현재 온도와 다른 목표 온도로 상기 멜트를 가열 또는 냉각시키는 단계; 및
    상기 현재 온도 및 상기 목표 온도를 기초로 상기 열실드를 이동시키는 단계를 포함하는 멜트갭을 제어하는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 멜트를 가열 또는 냉각시키는 단계 및 상기 열실드를 이동시키는 단계는 동시에 진행되는 멜트갭을 제어하는 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 목표 온도가 상기 현재 온도보다 더 높을 때, 상기 열실드를 상승시키고,
    상기 목표 온도가 상기 현재 온도보다 더 낮을 때, 상기 열실드를 하강시키는 멜트갭을 제어하는 방법.
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