KR20120030028A

KR20120030028A - 단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법

Info

Publication number: KR20120030028A
Application number: KR1020110093673A
Authority: KR
Inventors: 히로노리 반바; 히로미치 이소가이; 요시아키 아베; 타카시 이시카와; 신고 나리마쯔; 준 나카오; 히로유키 아비코; 미치히로 오와
Original assignee: 코바렌트 마테리얼 가부시키가이샤
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2012-03-27
Also published as: JP2012062216A; JP5562776B2; KR101391514B1; US20120067272A1; US8936679B2

Abstract

<과제>
목부에 확경부와 축경부를 교대로 형성하여, 품질이 안정된 단결정을 인상 가능하게 하고, 또한, 시드 결정에서 직선 몸체 부분으로의 전위화를 방지한다.
<해결 수단>
성장되는 목부(P1)의 지름을 측정하는 목지름 측정 수단(14)과; 상기 목지름 측정 수단으로부터 얻어진 목부의 측정값과, 기억 수단에 미리 기억된 목부 지름의 목표값의 차분에 근거하여, 시드 결정(P)의 보정된 제 1 인상 속도를 출력하는 제 1 인상 속도 보정 수단(21, 22)과; 상기 제 1 인상 속도의 상한을 제 1 제한값으로 제한한, 제 2 인상 속도를 출력하는 제 2 인상 속도 보정 수단(23)과; 적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 도가니(3)의 회전수를 저하시키는 도가니 회전수 보정 수단(24, 25)과; 를 구비한다.

Description

단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법{SINGLE CRYSTAL PULLING-UP APPARATUS AND SINGLE CRYSTAL PULLING-UP METHOD}

본 발명은, 쵸크랄스키법(이하, "CZ법(CZochralski method)"이라 한다)에 의해 단결정을 성장시키면서 인상하는 단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법에 관한 것이다.

실리콘 단결정의 성장에 관하여, CZ법이 널리 사용되고 있다. 이 방법은, 도가니 내에 수용된 실리콘 용융액의 표면에 시드 결정을 접촉시켜, 도가니를 회전시킴과 함께, 이 시드 결정을 반대 방향으로 회전시키면서 상방으로 인상하는 것에 의해, 시드 결정의 하단에 단결정을 형성해 나가는 것이다.

도 10에 나타내는 바와 같이, 종래의 CZ법을 이용한 인상법은, 석영 유리 도가니(51a)와 흑연 도가니(51b)의 이중 구조로 구성되는 도가니(51)에 원료 폴리실리콘을 충전하고, 히터(52)에 의해 가열하여 실리콘 용융액(M)으로 한다. 그 후, 인상용 와이어(50)에 장착된 시드 결정(P)을 실리콘 용융액(M)에 접촉시켜 실리콘 단결정(C)을 인상한다.

일반적으로, 인상 시작에 앞서, 실리콘 용융액(M)의 온도가 안정된 후, 시드 결정(P)을 실리콘 용융액(M)에 접촉시켜 시드 결정(P)의 선단부를 용해하는 네킹(necking)을 진행한다. 네킹이란, 시드 결정(P)과 실리콘 용융액(M)의 접촉으로 발생하는 열충격에 의해 실리콘 단결정에 생기는 전위를 제거하기 위한 불가결한 공정이다. 이 네킹에 의해, 도 11에 나타내는 바와 같이 목부(neck part)(P1)가 형성된다.

또, 목부(P1) 아래에 형성되는 단결정(C)의 무전위화를 위해서는, 이 목부(P1)는, 통상, 최소 지름이 3?4㎜이고, 그 길이가 15㎜ 정도 필요로 하고 있다. 또한, 인상 시작 후의 공정으로서는, 네킹 종료 후, 직선 몸체 부분의 지름만큼 결정의 지름을 확장하는 크라운 공정; 어깨 부분(shoulder portion)(C1)을 형성한 후, 일정 지름 부분(C2)을 성장시키는 직선 몸체 부분 형성 공정; 직선 몸체 부분 형성 공정 후의 단결정 지름을 서서히 작게 하는 테일 공정(tail process)이 진행된다.

하지만, 최근에 있어서는, 성장시키는 단결정의 대구경화에 따라, 인상하는 단결정 중량이 증가하고 있다. 이 때문에, 인상시에 있어서의 목부(P1)의 파손 방지가 하나의 큰 과제로 되고 있다. 이와 같은 과제에 대해 특허문헌 1에는, 목부의 강도 향상을 위하여, 도 12에 나타내는 바와 같이 확경부(P1a)와 축경부(P1b)를 교대로 형성하여 요철 형상의 목부(P1)로 하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에 의하면, 목부(P1)의 강도가 향상되어, 단순히 가는 목부(P1)를 형성하는 것에 비해 그 파단(破斷)의 우려를 대폭 줄일 수 있다.

또, 그러한, 요철 형상의 목부(P1)의 형성은, 종래, 시드 결정(P)의 인상 속도와, 실리콘 용융액(M)의 온도를 제어하는 것에 의해 이루어지지만, 실리콘 용융액(M)의 온도 변경은 응답 특성이 떨어지기 때문에, 주로 시드 결정(P)의 인상 속도 제어에 의존하고 있다. 구체적으로는, 목부(P1)를 가늘게 하고자 하는 경우에는 시드 결정(P)의 인상 속도를 올리고, 목부(P1)를 굵게 하고자 하는 경우에는 시드 결정(P)의 인상 속도를 내리는 제어가 이루어진다.

일본국 특허출원공개 2008-189524호 공보

여기서, 시드 결정(P)의 인상 속도가 소정 속도 이하(예를 들면 2.5㎜/min 이하)인 경우에는, 도 13(a)에 나타내는 바와 같이 목부(P1)의 하단과 실리콘 용융액(M)과의 계면(M1)이 요상(凹狀)으로 되고, 인상 속도가 상기 소정 속도보다 커지면, 도 13(b)에 나타내는 바와 같이 계면(M1)이 철상(凸狀)으로 되는 것이 알려져 있다. 하지만, 목부(P1)를 가늘게 하는 축경부(P1b)를 형성하기 위하여, 인상 속도를 상승시키면, 도 13(b)에 나타내는 바와 같이 계면(M1)이 철상으로 되고, 그렇게 계면(M1)이 철상으로 되면, 전위화가 발생하기 쉬운 과제를 안고 있었다.

상기 과제에 대해, 본원의 출원인은, 상기 계면(M1)이 철상으로 되지 않도록 시드 결정(P)의 인상 속도의 상한을 제한해도, 도가니 회전수를 저하시키면, 가는 목부(P1)(축경부(P1b))를 형성 가능한 것을 알아냈다. 그 때문에, 시드 결정(P)의 인상 속도를 제한하고, 상한값이 제한되었을 때의 도가니 회전수를 저하시키는 제어를 인적인 작업에 의해 행하여도 좋지만, 경험 있는 작업자를 필요로 하고, 제조 비용이 상승할 뿐만 아니라, 품질이 안정되지 않는 과제가 있었다.

본 발명은, 상술한 과제를 해결하기 위한 것으로서, 쵸크랄스키법에 의해 도가니로부터 실리콘 단결정을 인상하는 단결정 인상 장치에 있어서, 목부에 확경부와 축경부를 교대로 형성하여, 품질이 안정된 단결정을 인상 가능하게 하고, 또한, 시드 결정에서 직선 몸체 부분으로의 전위화를 방지할 수 있는 단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 단결정 인상 장치는, 시드 결정을 도가니 내의 실리콘 용융액에 접촉시켜, 확경부와 축경부가 교대로 형성되는 목부를 성장시켜 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 인상하는 단결정 인상 장치이고, 상기 성장되는 목부의 지름을 측정하는 목지름 측정 수단과; 상기 목지름 측정 수단으로부터 얻어진 목부의 측정값과, 기억 수단에 미리 기억된 목부 지름의 목표값의 차분에 근거하여, 상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도를 출력하는 제 1 인상 속도 보정 수단과; 상기 제 1 인상 속도의 상한을 제 1 제한값으로 제한한, 제 2 인상 속도를 출력하는 제 2 인상 속도 보정 수단과; 적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 도가니 회전수 보정 수단; 을 구비하는 것을 특징으로 한다. 또, 상기 도가니 회전수 보정 수단은, 미리 기억된 시드 결정의 인상 속도의 목표값과, 상기 제 2 인상 속도 보정 수단으로부터 출력된 제 2 인상 속도의 차분에 근거하여, 상기 제 1 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되는 기간을 검출하고, 상기 기간에 있어서 상기 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하는 것이 바람직하다.

이와 같은 구성에 의하면, 목부의 형성 공정에 있어서, 시드 결정의 인상 속도를 제어하는 것에 의해 확경부와 축경부가 교대로 형성되고, 축경부의 형성시에 있어서는, 인상 속도의 상한값이 제한되는 한편, 도가니 회전 속도(도가니 회전수)를 저하시키는 제어가 이루어진다. 이에 의해 시드 결정의 인상 속도에 기인하는 전위화의 위험성을 회피할 수 있고, 또한, 확경부와 축경부로 이루어지는 목부의 지름을 목표값과 일치하게 하고, 품질이 안정된 단결정을 성장시킬 수 있다.

또는, 상기 도가니 회전수 보정 수단은, 상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도와, 상기 제 1 제한값보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값을 비교하여, 상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 큰 경우에, 그 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하여도 좋다. 이 구성에 의하면, 보정된 제 1 인상 속도가, 제 1 제한값보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값을 넘으면, 도가니 회전수의 저하 제어가 개시된다. 즉, 인상 속도가, 제 1 제한값에 도달하기 전에, 도가니 회전수의 저하 제어를 개시하기 때문에, 도가니 회전수를 변경했을 때의, 도가니 회전 동작의 응답 시간의 지연에 대응할 수 있다.

또는, 상기 도가니 회전수 보정 수단은, 상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도와, 상기 제 1 제한값보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값을 비교하여, 상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 작은 경우에는, 기억 수단에 미리 기억된 도가니 회전수의 목표값을 출력하고, 상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 큰 경우에는, 그 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하여도 좋다. 이와 같은 구성에 의해, 인상 속도가 제 2 제한값을 넘은 경우뿐만 아니라, 하회하는 상태로 변화된 경우에도, 신속히 도가니 회전수의 값을 변화시킬 수 있다.

또한, 상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 단결정 인상 방법은, 시드 결정을 도가니 내의 실리콘 용융액에 접촉시켜, 확경부와 축경부가 교대로 형성되는 목부를 성장시켜 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 인상하는 단결정 인상 방법이고, 상기 성장되는 목부의 지름을 측정하는 스텝과; 상기 목부의 측정값과, 기억 수단에 미리 기억된 목부 지름의 목표값의 차분에 근거하여, 상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도를 출력하는 스텝과; 상기 제 1 인상 속도의 상한을 제 1 제한값으로 제한한, 제 2 인상 속도를 출력하는 스텝과; 적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 스텝; 을 포함하는 것을 특징으로 한다. 또, 적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 스텝에 있어서, 미리 기억된 시드 결정의 인상 속도의 목표값과, 상기 제 2 인상 속도 보정 수단으로부터 출력된 제 2 인상 속도의 차분에 근거하여, 상기 제 1 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되는 기간을 검출하고, 상기 기간에 있어서 상기 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하는 것이 바람직하다.

이와 같은 스텝을 거치는 것에 의해, 목부의 형성 공정에 있어서, 시드 결정의 인상 속도를 제어하는 것에 의해 확경부와 축경부가 교대로 형성되고, 축경부의 형성시에 있어서는, 인상 속도의 상한값이 제한되는 한편, 도가니 회전 속도(도가니 회전수)를 저하시키는 제어가 이루어진다. 이에 의해 시드 결정의 인상 속도에 기인하는 전위화의 위험성을 회피할 수 있고, 또한, 확경부와 축경부로 이루어지는 목부의 지름을 목표값과 일치하게 하고, 품질이 안정된 단결정을 성장시킬 수 있다.

또는, 적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 스텝에 있어서, 상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도와, 상기 제 1 제한값보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값을 비교하여, 상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 큰 경우에, 그 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하여도 좋다. 이 방법에 의하면, 보정된 제 1 인상 속도가, 제 1 제한값보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값을 넘으면, 도가니 회전수의 저하 제어가 개시된다. 즉, 인상 속도가, 제 1 제한값에 도달하기 전에, 도가니 회전수의 저하 제어를 개시하기 때문에, 도가니 회전수를 변경했을 때의, 도가니 회전 동작의 응답 시간의 지연에 대응할 수 있다.

또는, 적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 스텝에 있어서, 상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도와, 상기 제 1 제한값보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값을 비교하여, 상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 작은 경우에는, 기억 수단에 미리 기억된 도가니 회전수의 목표값을 출력하고, 상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 큰 경우에는, 그 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하여도 좋다. 이와 같은 방법에 의하면, 인상 속도가 제 2 제한값을 넘은 경우뿐만 아니라, 하회하는 상태로 변화된 경우에도, 신속히 도가니 회전수의 값을 변화시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 쵸크랄스키법에 의해 도가니로부터 실리콘 단결정을 인상하는 단결정 인상 장치에 있어서, 목부에 확경부와 축경부를 교대로 형성하여, 품질이 안정된 단결정을 인상 가능하게 하고, 또한, 시드 결정에서 직선 몸체 부분으로의 전위화를 방지할 수 있는 단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단결정 인상 장치의 전체 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 도 1의 단결정 인상 장치가 구비하는 목부 형성 제어 회로의 제 1 실시형태에 따른 구성을 나타내는 블록도.
도 3은 도 2의 목부 형성 제어 회로를 구비하는 단결정 인상 장치에 의한 단결정 인상 공정의 흐름을 나타내는 플로차트.
도 4는 도 2의 목부 형성 제어 회로에서 사용되는 각 신호의 타이밍차트.
도 5는 도 1의 단결정 인상 장치가 구비하는 목부 형성 제어 회로의 제 2 실시형태에 따른 구성을 나타내는 블록도.
도 6은 도 5의 목부 형성 제어 회로를 구비하는 단결정 인상 장치에 의한 목부 형성 공정의 흐름을 나타내는 플로차트.
도 7은 도 5의 목부 형성 제어 회로에서 사용되는 각 신호의 타이밍차트.
도 8은 도 1의 단결정 인상 장치가 구비하는 목부 형성 제어 회로의 제 3 실시형태에 따른 구성을 나타내는 블록도.
도 9는 도 8의 목부 형성 제어 회로에서 사용되는 각 신호의 타이밍차트.
도 10은 종래의 단결정 인상 장치의 개략적인 구성을 나타내는 블록도.
도 11은 성장되는 단결정의 각 부분을 설명하기 위한 도 10의 일부 확대 정면도.
도 12는 목부에 확경부와 축경부를 교대로 형성한 상태를 나타내는 단결정의 일부 확대 정면도.
도 13은 시드 결정과 실리콘 용융액과의 계면의 상태를 설명하기 위한 시드 결정의 일부 확대 정면도.

이하, 본 발명에 따른 단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법의 제 1 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 단결정 인상 장치(1)의 전체 구성을 나타내는 블록도이다. 이 단결정 인상 장치(1)는, 원통 형상의 주 챔버(2a) 상에 인상 챔버(pull chamber)(2b)를 겹쳐서 형성된 노체(furnace body)(2)와, 노체(2) 내에 마련된 도가니(3)와, 도가니(3)에 충전된 반도체 원료(원료 폴리실리콘)(M)를 용융하는 히터(4)와, 성장되는 단결정(C)을 인상하는 인상 기구(5)를 구비하고 있다. 또, 도가니(3)는, 이중 구조로서, 내측이 석영 유리 도가니이고, 외측이 흑연 도가니로 구성되어 있다. 또한, 인상 기구(5)는, 모터 구동되는 권취 기구(5a)와, 이 권취 기구(5a)에 권취되는 인상 와이어(5b)를 구비하고, 이 와이어(5b)의 선단에 시드 결정(P)이 장착되어 있다.

또한, 인상 챔버(2b)의 상부에는, 노체(2) 내에 소정의 가스(예를 들면 Ar 가스)를 도입하기 위한 가스 도입구(18)가 마련되고, 주 챔버(2a)의 저부에는 노체(2) 내에 도입된 가스를 배출하는 가스 배출구(19)가 마련되어 있다. 이 때문에, 노체(2) 내에는, 상방에서 하방을 향해 소정 유량의 가스류(gas flow)가 형성되어 있다.

또한, 주 챔버(2a) 내에 있어서, 도가니(3)의 상방이면서 근방에는, 화로 내의 가스류를 정류(整流)하기 위한 복사 차폐 부재(6)가 마련되어 있다. 이 복사 차폐 부재(6)는, 단결정(C)의 주위를 포위하도록 상부와 하부가 개구되어 형성되고, 성장 중의 단결정(C)에 히터(4) 등으로부터의 불필요한 복사열을 차폐한다. 또, 복사 차폐 부재(6)의 하단과 용융액 액면 사이의 거리 치수(gap)는, 성장시키는 단결정의 목적으로 하는 특성에 따라 소정의 거리를 유지하도록 제어된다.

또한, 노체(2)의 외측에는, 실리콘 용융액(M)의 액면(M1) 부근에서 성장되는 목부(P1)의 지름 치수를 검출하는 목지름 검출 장치(14)(목지름 측정 수단)가 마련되어 있다. 이 목지름 검출 장치(14)는, 주 챔버(2a)의 상부에 마련되고 투광성 내열 유리로 구성되는 카메라 포트(Camera Port)(15)와, 이 카메라 포트(15)를 통해 용융액 액면 상의 소정 영역을 촬상하는 CCD 카메라(16)와, CCD 카메라(16)에 의해 촬상된 화상 신호를 연산 처리하는 화상 처리 장치(17)를 구비한다.

CCD 카메라(16)의 광축은, 카메라 포트(15)를 통해, 용융액 액면 상의 소정 스폿을 향해 있고, CCD 카메라(16)는 당해 소정 스폿의 화상를 촬상하고, 촬상한 화상를 화상 처리 장치(17)에 출력하도록 되어 있다. 또한, 화상 처리 장치(17)는, CCD 카메라(16)로부터 입력된 화상 신호를 처리하고, 실리콘 용융액 액면으로부터 인상되는 결정의 목지름 치수를 검출하여, 컴퓨터(8)의 연산 제어 장치(8b)에 출력하도록 되어 있다.

또한, 도 1에 나타내는 바와 같이 단결정 인상 장치(1)는, 실리콘 용융액(M)의 온도를 제어하는 히터(4)의 공급 전력량을 제어하는 히터 제어부(9)와, 도가니(3)를 회전시키는 모터(10)와, 모터(10)의 회전수를 제어하는 모터 제어부(10a)를 구비하고 있다. 또한, 도가니(3)의 높이를 제어하는 승강 장치(11)와, 승강 장치(11)를 제어하는 승강 장치 제어부(11a)와, 성장 결정의 인상 속도와 회전수를 제어하는 와이어 릴 회전 장치 제어부(12)를 구비하고 있다. 이와 같은 각 제어부(9, 10a, 11a, 12)는 컴퓨터(8)의 연산 제어 장치(8b)에 접속되어 있다.

또한, 컴퓨터(8)의 기억 장치(8a)(기억 수단)에는, 단결정 성장의 각 공정을 실행시키기 위한 단결정 성장 프로그램이 기억되고, 연산 제어 장치(8b)에는, 목부 형성시의 시드 결정(P)의 인상 속도, 및 도가니 회전수의 값을 제어하기 위한 목부 형성 제어 회로가 마련되어 있다.

도 2에 연산 제어 장치(8b)가 구비하는 목부 형성 제어 회로(20)의 구성을 나타낸다. 도 2의 목부 형성 제어 회로(20)는, 비교기(21)를 구비하고, 이 비교기(21)에는, 예를 들면 기억 장치(8a)에 미리 배열 데이터로서 기억된 목지름의 목표값(Dia-Tag)과, 화상 처리 장치(17)가 검출한 목지름의 측정값(Dia)이 입력되고, 그 차분을 출력하도록 기능 한다.

또한, 비교기(21)로부터의 출력에 근거하여, 비례 제어(P 제어: 현재의 편차에 근거한 보정), 적분 제어(I 제어: 과거의 오차량에 근거한 보정), 미분 제어(D 제어: 차분의 구배로부터 예측하여 보정)을 하고, 인상 속도의 보정값(차분)을 출력하는 PID 제어 회로(22)(제 1 인상 속도 보정 수단)를 구비한다. 또, PID 제어 회로(22)로부터 출력된 보정값은, 인상 속도의 현재값(SL0)에 가산되어, 보정된 제 1 인상 속도(SL1)로서 출력된다.

또한, 목부 형성 제어 회로(20)는, 제 1 인상 속도(SL1)를 상한값(제 1 제한값(SL-hgh1)으로 한다)으로 제한하여, 최종적으로 보정된 제 2 인상 속도(SL)를 출력하는 리미터 회로(23)(제 2 인상 속도 보정 수단)를 구비한다. 리미터 회로(23)의 출력은, 시드 결정(P)의 인상 속도로서 사용된다.

또한, 목부 형성 제어 회로(20)는, 도가니 회전수 보정 수단으로서, 비교기(24)와, CR 제어 회로(25)를 구비한다. 비교기(24)에는, 리미터 회로(23)의 출력(제 2 인상 속도(SL))과, 예를 들면 기억 장치(8a)에 미리 배열 데이터로서 기억된 인상 속도의 목표값(SL-Tag)이 입력되고, 목표값(SL-Tag)이 인상 속도(SL)보다 큰 경우에, 그 차분이 출력된다. CR 제어 회로(25)는, 목표값(SL-Tag)이 인상 속도(SL)보다 큰 경우에, 도가니 회전수를 저감하도록 제어한다. 구체적으로는, 비교기(24)로부터 차분 입력이 있으면, PID 제어(비교 제어, 미분 제어, 및 적분 제어)를 하여, 차분값에 근거하여 도가니 회전수의 보정값(차분)을 출력하고, 그 보정값을 도가니 회전수의 기준값(CR0)에서 감산하여 출력한다. CR 제어 회로(25)로부터의 출력값은, 모터 제어부(10a)의 제어하는 도가니 회전수(CR)으로서 사용된다.

이와 같이 구성된 단결정 인상 장치(1)에 있어서는, 상기 단결정 성장 프로그램이 실행되어, 목부 형성 제어 회로(20)가 작동하는 것에 의해, 다음과 같이 단결정 성장이 진행된다. 우선, 노체(2) 내에는, 가스 도입구(18)로부터 가스 배출구(19)를 향하여, 즉 상방에서 하방을 향하는 Ar 가스 가스류가 형성되고, 소정의 분위기가 형성된다.

그리고, 연산 제어 장치(8b)의 지령에 의해 히터 제어부(9)를 작동시켜 히터(4)를 가열하고, 도가니(3) 내에서 원료 폴리실리콘(M)이 용융된다(도 3의 스텝 S1). 더욱이, 연산 제어 장치(8b)의 지령에 의해 모터 제어부(10a)와 승강 장치 제어부(11a)가 작동하여, 도가니(3)가 소정의 높이 위치에서 소정의 회전수(기준값(CR0))로 회전 동작한다.

또한, 연산 제어 장치(8b)의 지령에 의해, 목지름 검출 장치(14)가 작동하여, CCD 카메라(16)가 용융액 액면 상의 소정 스폿, 구체적으로는 결정 인상 스폿의 촬상을 개시한다(도 3의 스텝 S2). 그리고, CCD 카메라(16)에 의해 촬상된 화상 신호는 화상 처리 장치(17)에 공급된다.

이어서, 연산 제어 장치(8b)의 지령에 의해, 와이어 릴 회전 장치 제어부(12)가 작동하고, 권취 기구(5a)가 작동하여 와이어(5b)가 내려진다. 그리고, 와이어(5b)에 장착된 시드 결정(P)이 실리콘 용융액(M)에 접촉되고, 시드 결정(P)의 선단부를 용해하는 네킹이 진행되어 목부(P1)의 형성이 개시된다(도 3의 스텝 S3).

목부(P1)의 형성에 있어서는, 목지름 검출 장치(14)에 의해 검출된 목부(P1)의 지름 치수(Dia)(측정값)가 목부 형성 제어 회로(20)에 입력되고, 그 출력에 근거하여 인상 제어가 진행된다. 구체적으로는, CCD 카메라(16)에 의해, 성장 중의 목부(P1)가 촬상되면, 화상 처리부(17)에서 목지름이 검출되고, 그 측정값(Dia)이 연산 제어 장치(8b)의 목부 형성 제어 회로(20)에 공급된다(도 3의 스텝 S4).

목부 형성 제어 회로(20)에서는, 비교기(21)에서, 목부 지름의 목표값(Dia-Tag)(도 4(a) 참조)과 측정값(Dia)(도 4(b) 참조)이 비교되고, 그 차분이 PID 제어 회로(22)에 출력된다(도 3의 스텝 S5). PID 제어 회로(22)에서는, 입력된 차분값에 근거하여, PID 제어(비례 제어, 미분 제어, 및 적분 제어)를 하여, 목부 지름이 목표값(Dia-Tag)과 일치해지기 위해 필요한 인상 속도의 보정값을 출력한다. 출력된 보정값은, 인상 속도의 현재값(SL0)에 대해 가산되고, 보정된 제 1 인상 속도(SL1)(도 4(c) 참조)가 출력된다(도 3의 스텝 S6).

여기서, 상기 보정된 제 1 인상 속도(SL1)에 근거하여 시드 결정(P)의 인상 제어를 하면, 인상 속도가 소정 속도 이상(예를 들면 2.5㎜/min 이상)인 경우에는, 도 13(b)에 나타내는 바와 같이 계면(M1)이 철상으로 되어, 전위화가 발생할 우려가 있다. 그 때문에, 인상 속도(SL1)는, 리미터 회로(23)에 의해 상한값이 제 1 제한값(SL-high1)으로 제한되고, 계면(M1)이 철상으로 되지않는 범위인 제 2 인상 속도(SL)(도 4(d) 참조)로 변환되어서 출력된다(도 3의 스텝 S7).

한편, 상기 출력된 인상 속도(SL)를 이용하여 도가니 회전수를 일정하게 제어한 경우, 인상 속도(SL)는 인상 속도(SL1)에 대해 상한값을 제한한 것이기 때문에, 인상 속도(SL)가 상한값인 동안에는, 목지름은 목표값(Dia-Tag)과 크게 상이할 우려가 있다. 그 때문에, 목부 형성 제어 회로(20)에서는, 비교기(24)에서, 인상 속도(SL)와 인상 속도의 목표값(SL-Tag)(도 4(e) 참조)을 비교하여, 목표값(SL-Tag)이 인상 속도(SL)보다 큰 경우에, 그 차분을 CR 제어 회로(25)에 출력한다(도 3의 스텝 S8).

CR 제어 회로(25)에 인상 속도의 차분값이 입력되면, PID 제어(비례 제어, 미분 제어, 및 적분 제어)에 의해, 목부 지름이 목표값(Dia-Tag)과 일치해지기 위해 필요한 도가니 회전수(CR)의 보정값이 출력된다(도 3의 스텝 S10). 또, 이 보정값은 차분값에 비례한 크기이다. 그리고, 얻어진 도가니 회전수(CR)의 보정값은, 도가니 회전수의 기준값(CR0)에서 감산되어, 저감 보정된 도가니 회전수(CR)(도 4(f) 참조)가 출력된다. 이와 같이 인상 속도의 목표값(SL-Tag)이 인상 속도(SL)보다 큰 경우, 즉, 인상 속도(SL)의 상한값이 제 1 제한값으로 제한되는 기간에, 도가니 회전수(CR)가 저하하도록 제어되어, 축경부 형성시에 있어서의 시드 결정(P)의 인상 속도의 부족이 보상된다.

한편, 도 3의 스텝 S8에 있어서, 목표값(SL-Tag)이 인상 속도(SL)보다 작은 경우에는, 도가니 회전수 기준값(CR0)이 유지된다(도 3의 스텝 S9). 이와 같이, 목부(P1)의 형성 공정에 있어서는, 목부 형성 제어 회로(20)에 의해 출력된 인상 속도(SL) 및 도가니 회전수(CR)에 근거하여 시드 결정(P)의 인상 제어가 이루어지고, 목부의 길이가 소정의 길이가 될 때까지 확경부 및 축경부가 교대로 형성된다(도 3의 스텝 S12).

또한, 목부(P1)가 소정의 길이까지 성장되면, 연산 제어 장치(8b)의 지령에 의해 히터(4)로의 공급 전력이나, 인상 속도(통상, 1분에 수㎜의 속도) 등을 파라미터로 하여 인상 조건이 더 조정되고, 제품부분이 되는 단결정(C)의 성장이 진행된다. 즉, 크라운부의 형성 공정(도 3의 스텝 S13), 직선 몸체 부분 형성 공정(도 3의 스텝 S14), 테일 공정(도 3의 스텝 S15)이 차례로 진행되고, 성장된 단결정(C)은 마지막에 노체(2) 내의 상부까지 인상된다.

이상과 같이, 본 발명의 제 1 실시형태에 의하면, 목부(P1)의 형성 공정에 있어서, 시드 결정(P)의 인상 속도를 제어하는 것에 의해 확경부와 축경부가 교대로 형성되고, 축경부의 형성시에 있어서는, 인상 속도(SL)의 상한값이 제한되는 한편, 도가니 회전 속도(도가니 회전수(CR))를 저하시키는 제어가 이루어진다. 이에 의해 시드 결정(P)의 인상 속도에 기인하는 전위화의 위험성을 회피할 수 있고, 또한, 확경부와 축경부로 이루어지는 목부(P1)의 지름을 목표값과 일치하게 하고, 품질이 안정된 단결정을 성장시킬 수 있다.

이어서, 본 발명에 따른 단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법의 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 제 2 실시형태에 있어서는, 상기 제 1 실시형태에 나타낸 구성과, 목부 형성 제어 회로(20)의 구성이 상이하고, 구체적으로는, 도가니 회전수(CR)를 출력하기 위한 회로 구성이 상이하다. 제 2 실시형태에 따른 목부 형성 제어 회로의 구성을 도 5에 나타낸다. 또, 도 5에 있어서, 앞서 도 2를 참조하여 설명한 제 1 실시형태의 구성과 동일 또는 동일한 것으로 볼 수 있는 구성 요소에 대해서는 동일한 부호로 나타내고 있다.

도 5의 목부 형성 제어 회로(20)에 있어서는, 비교기(24)에 대해, 보정된 제 1 인상 속도(SL1)와, 인상 속도의 제 2 제한값(SL-high2로 한다)이 입력되고, 인상 속도(SL1)가 제 2 제한값(SL-high2)보다 큰 경우에, 그 차분이 출력된다. 또, 제 2 제한값(SL-high2)은, 상기 제 1 제한값(SL-high1)보다 낮게 설정된 소정의 값이다. 또한, 비교기(24)로부터 출력된 차분값은 CR 제어 회로(26)에 입력된다. 이 CR 제어 회로(26)에서는, 입력된 차분값에 근거하여 도가니 회전수(CR)를 제어한다. 또, 제 2 실시형태에 있어서는, 비교기(24)와 CR 제어 회로(26)에 의해 도가니 회전수 보정 수단이 구성된다.

이와 같이 구성된 목부 형성 제어 회로(20)의 제어에 의한 목부(P1)의 형성 공정은, 도 6의 흐름에 따라 진행된다. 즉, 목부(P1)의 형성 공정이 개시되면(도 6의 스텝 St1), CCD 카메라(16)에 의해 촬상된 성장 중의 목부(P1)의 화상에 대해, 화상 처리부(17)에서 형상인식이 이루어지고, 목부 지름의 측정값(Dia)이 검출 결과로서 연산 제어 장치(8b)에 송신된다(도 6의 스텝 St2).

연산 제어 장치(8b)에서는, 목부 형성 제어 회로(20)의 비교기(21)에서, 목부 지름의 목표값(Dia-Tag)(도 7(a) 참조)과 측정값(Dia)(도 7(b) 참조)이 비교되고, 그 차분이 PID 제어 회로(22)에 출력된다(도 6의 스텝 St3). PID 제어 회로(22)에서는, PID 제어(비교 제어, 미분 제어, 및 적분 제어)에 의해, 목부 지름이 목표값(Dia-Tag)과 일치해지기 위해 필요한 인상 속도의 보정값을 출력한다. 출력된 보정값은, 인상 속도의 현재값(SL0)에 대해 가산되고, 보정된 제 1 인상 속도(SL1)(도 7(c) 참조)가 출력된다(도 6의 스텝 St4).

여기서, 상기 인상 속도(SL1)의 값을 그대로 사용하여 시드 결정(P)의 인상 제어를 하면, 인상 속도가 너무 빠른 경우가 있기 때문에, 인상 속도(SL1)는 리미터 회로(23)에 의해 상한값이 제 1 제한값(SL-high1)으로 제한되고, 계면(M1)이 철상으로 되지않는 범위의 속도(SL)(도 7(d) 참조)로서 출력된다(도 6의 스텝 St5).

또한, 비교기(24)에서 상기 인상 속도(SL1)와, 제 2 제한값(SL-high2)이 비교되고, 그 비교 결과가 CR 제어 회로(26)에 입력된다(도 6의 스텝 St6). 여기서, 인상 속도(SL1)가 제 2 제한값(SL-high2)보다 큰 경우(도 7(e) 참조), CR 제어 회로(26)에서는, PID 제어에 의해 차분의 크기에 비례하여 보정값을 출력하고(도 6의 스텝 St7), 도가니 회전수의 현재값(CR0)에서 보정값을 감산하는 것에 의해 도가니 회전수(CR)를 저하시킨다(도 6의 스텝 St9).

한편, 인상 속도(SL1)가 제 2 제한값(SL-high2)보다 작은 경우(도 7(e) 참조), CR 제어 회로(26)에서는, 도가니 회전수(CR)를 기준값으로 유지시키는 제어를 한다(도 6의 스텝 St8). 즉, 도 7(f)에 나타내는 바와 같이, 인상 속도(SL1)가 제 2 제한값(SL-high2)보다 높은 경우에, 도가니 회전수(CR)가 저하하도록 제어되고, 그에 의해 시드 결정(P)의 인상 속도(SL)의 부족이 보상된다(도 6의 스텝 St9). 또한, 이와 같은 인상 속도(SL)와 도가니 회전수(CR)의 제어는, 목부(P1)가 소정의 길이가 될 때까지 이루어진다(도 6의 스텝 St10).

이상과 같이, 본 발명의 제 2 실시형태에 의하면, 보정된 제 1 인상 속도(SL1)가, 제 1 제한값(SL-high1)보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값(SL-high2)을 넘으면, 도가니 회전수(CR)의 저하 제어가 개시된다. 즉, 인상 속도(SL)가, 제 1 제한값(SL-high1)에 도달하기 전에, 도가니 회전수(CR)의 저하 제어를 개시하기 때문에, 도가니 회전수의 설정 변경시에 있어서, 실제의 도가니 회전 동작에 있어서의 회전수의 전환을 지연시키지 않고(신속히) 행할 수 있다.

이어서, 본 발명에 따른 단결정 인상 장치 및 단결정 인상 방법의 제 3 실시형태에 대해 설명한다. 제 3 실시형태에 있어서는, 상술한 제 2 실시형태의 목부 형성 제어 회로(20)의 구성에 있어서, 도 8에 나타내는 바와 같이 CR 제어 회로(26) 대신에 CR 제어 회로(27)가 마련되고, 그에, 예를 들면 기억 장치(8a)에 미리 배열 데이터로서 기억된 도가니 회전수의 목표값(CR-Tag)(도 9(f) 참조)이 더 입력된다.

이와 같이 구성된 목부 형성 제어 회로(20)에 있어서는, CR 제어 회로(27)에서, 인상 속도(SL1)가 제 2 제한값(SL-high2)보다 작은 경우(도 9(e) 참조), 상기 도가니 회전수의 목표값(CR-Tag)(도 9(f) 참조)이 도가니 회전수(CR)로서 출력된다(도 6의 스텝 St8의 동작에 상당).

이와 같은 제어를 행하는 것에 의해, 인상 속도(SL0)가 제 2 제한값(SL-high2)을 넘은 경우뿐만 아니라, 하회하는 상태로 변화된 경우에도, 신속히 도가니 회전수(CR)의 값을 변화시킬 수 있다.

1: 단결정 인상 장치
3: 도가니
14: 목지름 검출 장치(목지름 측정 수단)
21: 비교기(제 1 인상 속도 보정 수단)
22: PID 제어 회로(제 1 인상 속도 보정 수단)
23: 리미터 회로(제 2 인상 속도 보정 수단)
24: 비교기(도가니 회전수 보정 수단)
25: CR 제어 회로(도가니 회전수 보정 수단)
C: 단결정
M: 실리콘 용융액
P: 시드 결정(seed crystal)
P1: 목부(neck portion)

Claims

시드 결정을 도가니 내의 실리콘 용융액에 접촉시켜, 확경부와 축경부가 교대로 형성되는 목부를 성장시켜 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 인상하는 단결정 인상 장치로서,
상기 성장되는 목부의 지름을 측정하는 목지름 측정 수단과,
상기 목지름 측정 수단으로부터 얻어진 목부의 측정값과, 기억 수단에 미리 기억된 목부 지름의 목표값의 차분에 근거하여, 상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도를 출력하는 제 1 인상 속도 보정 수단과,
상기 제 1 인상 속도의 상한을 제 1 제한값으로 제한한, 제 2 인상 속도를 출력하는 제 2 인상 속도 보정 수단과,
적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 도가니 회전수 보정 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제 1항에 있어서,
상기 도가니 회전수 보정 수단은,
미리 기억된 시드 결정의 인상 속도의 목표값과, 상기 제 2 인상 속도 보정 수단으로부터 출력된 제 2 인상 속도의 차분에 근거하여, 상기 제 1 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되는 기간을 검출하고, 상기 기간에 있어서 상기 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제 1항에 있어서,
상기 도가니 회전수 보정 수단은,
상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도와, 상기 제 1 제한값보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값을 비교하여, 상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 큰 경우에, 해당되는 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
제 1항에 있어서,
상기 도가니 회전수 보정 수단은,
상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도와, 상기 제 1 제한값보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값을 비교하여,
상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 작은 경우에는, 기억 수단에 미리 기억된 도가니 회전수의 목표값을 출력하고,
상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 큰 경우에는, 해당되는 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
시드 결정을 도가니 내의 실리콘 용융액에 접촉시켜, 확경부와 축경부가 교대로 형성되는 목부를 성장시켜 쵸크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 인상하는 단결정 인상 방법이고,
상기 성장되는 목부의 지름을 측정하는 스텝과,
상기 목부의 측정값과, 기억 수단에 미리 기억된 목부 지름의 목표값의 차분에 근거하여, 상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도를 출력하는 스텝과,
상기 제 1 인상 속도의 상한을 제 1 제한값으로 제한한, 제 2 인상 속도를 출력하는 스텝과,
적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 방법.
제 5항에 있어서,
적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 스텝에 있어서,
미리 기억된 시드 결정의 인상 속도의 목표값과, 상기 제 2 인상 속도 보정 수단으로부터 출력된 제 2 인상 속도의 차분에 근거하여, 상기 제 1 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되는 기간을 검출하고,
상기 기간에 있어서 상기 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 방법.
제 5항에 있어서,
적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 스텝에 있어서,
상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도와, 상기 제 1 제한값보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값을 비교하여,
상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 큰 경우에, 해당되는 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 방법.
제 5항에 있어서,
적어도 상기 인상 속도의 상한이 상기 제 1 제한값으로 제한되어 있는 동안, 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 스텝에 있어서,
상기 시드 결정의 보정된 제 1 인상 속도와, 상기 제 1 제한값보다 작은 값으로 설정된 제 2 제한값을 비교하여,
상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 작은 경우에는, 기억 수단에 미리 기억된 도가니 회전수의 목표값을 출력하고,
상기 제 1 인상 속도가 상기 제 2 제한값보다 큰 경우에는, 해당되는 차분의 크기에 비례하여 상기 도가니의 회전수를 저하시키는 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 단결정 인상 방법.