KR20120138035A - 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치 - Google Patents

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Abstract

실시예는 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템은 도가니에 구비된 융액으로부터 성장되는 단결정 잉곳의 인상속도를 제어하는 인상속도 제어부;를 포함하고, 상기 인상속도 제어부는 펄스(Pulse)를 이용한 온도 세분화 제어부를 포함할 수 있다.

Description

잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치{A Ingot Growing Controlling System, and Ingot Grower including the same}
실시예는 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
웨이퍼의 제조를 위해서는 단결정 실리콘을 잉곳(ingot) 형태로 성장시키는데, 웨이퍼의 품질은 실리콘 잉곳의 품질에 직접적인 영향을 받으므로 단결정 잉곳을 성장시킬 때부터 고도의 공정제어 기술이 필요하게 된다.
실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때 Czochralski(CZ) 결정 성장 방식을 주로 사용하는데, 이 방식을 사용하여 성장된 단결정의 품질에 가장 직접적인 영향을 미치는 중요한 인자는 결정의 성장속도(V)와 고액계면에서의 온도구배(G)의 비인 V/G로 알려져 있으며, 따라서 이 V/G를 결정성장의 전구간에 걸쳐 설정된 목표 궤적 값으로 제어하는 것이 중요하다.
CZ법에 의한 제어 시스템은 기본적으로 현재 직경 모니터링 시스템에서 읽은 변화량과 PID 제어부(controller)를 통한 연산으로 타겟 인상 속도를 맞추기 위한 실제(actual) 인상속도를 변화시키는 모터 작동부로 이뤄진다.
CCD 카메라 또는 ADC(Automatic Diameter Controller) 센서를 이용하여 단결정의 직경을 측정한 후 측정 직경(Present Value; PV)이 원하는 값(Set Value; SV)과 차이(error)가 있을 경우 인상속도를 변경(Manipulated Value; MV)에 출력을 통하여 직경 및 인상 속도를 기준치에 접근하게 하는 것이 기본 원리이다. 따라서 직경 변화에 따른 인상속도 제어로 표현될 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 P(Proportional), I(Intergral), D(Derivative) 성분에 의한 출력 기어 모식도이다.
한편, 무엇보다 무결함 또는 극저결함과 같은 고품질의 실리콘 단결정 성장을 위해서는 V/G에 의해 선정된 타겟 인상속도에 대하여 실제(actual) 인상속도(실제값_PV)의 정밀 제어가 필수적이며, 인상 속도가 정확히 되지 않을 경우 즉, 타겟 인상속도(목표값_SV) 대비 높은 경우 FPD와 같은 베이컨시(vacancy)성 결함이 발생하며, 반대의 경우 LDP와 같은 침입형(interstitial)성 결함이 나타나며, 근래에 디자인룰 축소에 따른 DRAM 및 플래시 메모리(Flash memory) 제조를 위해 사용되는 RTP 웨이퍼와 같은 고품질의 웨이퍼 제조 시 O-band는 치명적인 디바이스 결함(device fail)을 유발할 수 있기 때문에 O-band(OISF)와 같은 결함 없이 Pv/Pi 만이 함유된 고품질의 단결정 성장을 위해서는 타겟 인상속도의 정밀 제어가 반드시 필요하다. 상기 O-band는 50nm이하의 Grow-in 결함을 포함하는 영역이다. 바람직하게는 20nm이하의 Grow-in 결함을 포함하는 영역이다.
도 2는 종래기술에서 온도보정에 따른 성장속도 반응 예시도이다.
종래 기술에 의하면 설계한 온도 궤적(Temperature trajectory)이 단결정이 성장되기 위한 온도에서 크게 벗어나게 되면, 고품질 실리콘을 성장시키기 위한 성장속도를 유지하기가 어렵게 된다. 이때 단결정의 직경과 성장속도를 일정하게 유지시키면서 성장시키기 위해 온도보정을 하기 위한 AGC(Automatic Growth Controller)가 작동하게 된다.
현재 잉곳 성장장치(Grower) 내부의 핫 존(Hot zone)은 단열성이 개선되어 단결정이 성장하기 위한 일정한 조건을 유지하기에는 이점이 있지만, 히터(Heater) 열량변화의 대부분이 단결정성장 계면에 영향을 주기 때문에 동일한 온도 보정에도 단결정직경과 성장속도는 더 민감하게 반응하게 되었다. 이때 시스템에서 사용 가능한 온도 분해능은 한계가 있으며, 최저 단위로 보정을 하더라도 상기 언급한 이유 때문에 직경 및 성장속도제어에 어려움이 있다. 특히 최저 단위로 보정한 경우에도 직경 및 성장속도에서 난조(Hunting)가 발생하여 고품질 실리콘을 성장시키는데 문제점이 있다.
실시예에 의하면, 타겟 인상속도 대비 실제 인상 속도를 재현성 있게 정밀 제어할 수 있는 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치를 제공하고자 한다.
또한, 실시예에 의하면 고 품질의 단결정을 수율이 높게 생산할 수 있는 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템은 도가니에 구비된 융액으로부터 성장되는 단결정 잉곳의 인상속도를 제어하는 인상속도 제어부;를 포함하고, 상기 인상속도 제어부는 펄스(Pulse)를 이용한 온도 세분화 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 잉곳 성장장치는 상기 잉곳 성장 제어시스템을 포함할 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치에 의하면, 고품질 웨이퍼 제조를 위해 요구되는 O-밴드(band)(OISF)가 제어된 실리콘 단결정 제조에 있어서 타겟 인상속도 대비 실제 인상 속도를 재현성 있게 정밀 제어할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 무결함 또는 극저결함의 실리콘 단결정 잉곳을 제조하기 위해 O-band(OiSF)와 같은 결함영역 없이 IDP/VDP로 이루어진 균일한 품질이 결정 길이방향으로 유지되면서 수율을 높일 수 있다.
이를 위해 온도세분화와 평균시간 , 인터벌 타임(interval time) 최적화 등을 통해 온도정밀제어를 개선할 수 있고 복잡하고 비싼 하드웨어(hardware)를 추가하지 않고 정확하고 효율성 있는 제어로직 구현이 가능하다.
또한, 실시예에 의하면 실리콘 단결정 제조 장비 내에 AGC를 사용함에 있어 온도를 세분화하여 빠른 인터벌 타임(Interval time) 내에 성장속도를 제어하여 고품질 실리콘 단결정을 성장시킬 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면, 펄스(Pulse)를 이용한 온도세분화를 통하여 타겟 인상 속도에 대한 실제 인상 속도의 정밀 제어가 가능하다.
도 1은 종래기술에 의한 P, I, D 성분에 의한 출력 기어 모식도.
도 2는 종래기술에서 온도보정에 따른 성장속도 반응 예시도.
도 3은 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템을 포함하는 잉곳 성장장치의 개념도.
도 4는 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템의 로직 예시도.
도 5는 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템에서 펄스(Pulse)를 이용한 온도세분화 예시도
도 6은 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템 적용시 온도보정에 따른 성장속도 반응 예시도.
이하, 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치를 설명한다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면 등이 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 "상" 또는 "아래"에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
(실시예)
도 3은 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템을 포함하는 잉곳 성장장치의 개념도이며, 도 4는 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템의 로직 예시도이다.
이하 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템을 도 3 및 도 4를 함께 참조하여 설명한다.
실시예에 따른 잉곳 성장장치는 챔버(100) 내에 단결정 실리콘 잉곳(IG)을 성장시키기 위해 용융실리콘(SM)을 담고 있는 도가니(110)와, 상기 도가니(110)에 열을 가하는 히터(120), 단결정 잉곳(IG)을 회전시키면서 인상하기 위한 인상장치(150)와, 이들을 제어하는 잉곳 성장 제어시스템을 포함한다.
실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템은 도가니(110)의 온도 궤적 목표값 발생수단(210)과, 상기 인상장치의 잉곳 인상속도 궤적 목표값 발생수단(310)과, 잉곳의 직경 궤적 목표값 발생수단(410)을 포함한다.
또한, 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템은 성장되는 잉곳의 직경을 측정한 실제값과 목표 설정값을 입력으로 받아서 설정값의 일정한 범위 내에서만 잉곳을 인상하도록 인상장치에 잉곳 인상 속도 신호를 공급하는 인상속도 제어기(AGC)(320)와 인상속도와 온도측정장치(미도시)에 의한 실제의 용융실리콘 온도, 및 온도궤적 목표값을 입력으로 받아서 잉곳의 직경이 일정한 범위를 벗어나지 않도록 제어하는 온도제어기(ATC)(220)를 포함한다.
상기 인상속도 제어기(320)는 잉곳 직경 궤적 목표값과 실제 잉곳 직경치를 비교하여 그 크기차이를 에러신호로 발생하는 직경비교기(430)와, 직경비교기(430)의 에러신호를 받아서 인상속도 목표값을 보정하여 인상속도 보정값을 발생하는 직경제어기(ADC)(420)와, 상기 직경제어기(420)의 인상속도 보정값을 인상속도 목표값에 대하여 일정한 범위 내에서만 변동되도록 제한하여 인상장치에 공급하는 인상속도 제어신호를 발생하는 제한기(미도시)를 포함한다.
이때 실제 잉곳 직경치는 여러 가지 방법으로 측정할 수가 있지만 실시예에서는 카메라장치(440)를 이용하여 측정하고, 직경제어기(420)는 PID 제어기를 사용하나 이에 한정되는 것은 아니다.
온도제어기(220)는 인상속도 보정값과 인상속도 제어신호를 비교하여 온도보상신호를 발생하는 인상속도 신호비교기(330)와, 온도보상신호, 온도 목표값과 실제온도치를 입력받아서 히터제어기(250)를 제어하는 온도제어신호를 발생하는 직경보상 온도제어기(230)를 포함한다.
실시예에 의하면, 타겟 인상속도 대비 실제 인상 속도를 재현성 있게 정밀 제어할 수 있는 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치를 제공하고자 한다.
또한, 실시예에 의하면 고 품질의 단결정을 수율이 높게 생산할 수 있는 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치를 제공하고자 한다.
CZ(Czochralski)법을 사용한 단결정 생산공정에서 용융되어있는 융액(Melt)에서 단결정을 서서히 냉각시키며 상부로 인상하게 되는데 이때 단결정의 직경을 일정하게 유지함과 동시에 타겟 인상속도 대비 실제 평균 인상 속도가 정밀하게 제어되는 것이 중요하다.
이를 위해 챔버 외주부에 설치된 여러 가지 센서(sensor)로부터 잉곳 주변의 정보를 모니터하며 직경의 변화와 융액(Melt)의 온도를 제어하여 PID 연산에 의한 타겟 인상 속도의 정밀 제어가 중요하다.
이에 실시예는 CZ법 단결정 성장에는 인상속도 정밀 제어를 위한 온도보정 연산에 있어 펄스(pulse)를 통한 온도세분화와, 추가로 온도보정 작동 주기 시간인 인터벌 타임(Interval time)과 평균 인상속도 판정기준이 되는 평균시간(average time)이 중요함을 확인하였다.
실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템은 펄스(Pulse)를 이용한 온도 세분화 제어부(P)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 온도 세분화 제어부(P)는 펄스폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 제어방법에 의한 전력제어를 통해 온도제어를 세분화할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 온도 세분화 제어부(P)는 전력을 On-Off 컨트롤(Control) 하는 방법으로 스위칭을 행할 수 있으며, 예를 들어 전력을 펄스 형태로 공급을 하게 되고, 이때 "On" 구간과 "Off" 구간의 비를 조절하여 한 주기의 공급 전력을 결정할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 온도 세분화 제어부(P)는 공급전력이 일정한 값이라고 할 때, 기준시간을 가변함으로써 출력전력을 변경하여 온도제어를 세분화하거나, 기준시간이 일정한 값이라고 할 때, 공급전력을 가변함으로써 출력전력을 변경할 수도 있고, 이 경우 전원 공급부에 대한 제어장치(미도시)를 통해 공급전력을 가변할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템에서 펄스(Pulse)를 이용한 온도세분화 예시도이다.
종래의 기술에서 최소 단위 온도 보정에 의해서도 인상속도 난조(Hunting)가 발생한다. 이를 극복하기 위해 펄스(Pulse)를 이용하여 온도(Temp)를 세분화하였으며 세분화하는 방법에 대해서는 도 5와 같이 표현할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5(a),도 5(b), 도 5(c), 도 5(d) 및 도 5(e)와 같이 온도에 펄스(Pulse)를 추가하면 이론적으로 무한대로 온도를 세분화할 수 있다. 이러한 온도세분화는 인터벌 타임(Interval time)을 줄일 수 있는 여지를 더 확보할 수 있다. 또한, 보다 짧은 인터벌 타임(Interval time)에 세분화한 온도를 적용하면 인상속도를 더욱 정밀하게 제어가 가능하다.
도 6은 실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템 적용시 온도보정에 따른 성장속도 반응 예시도이다.
실시예에 의하면 온도세분화, 평균시간 제어, 인터벌 타임(Interval time) 최적화에 따른 정밀 제어 효과를 얻을 수 있다.
예를 들어, 평균시간은 5~60분, 인터벌 타임(Interval time)은 1~30분 범위에서 정밀제어 효과를 얻을 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 의하면 온도세분화를 통해서 단결정 인상속도 난조(Hunting)를 방지할 수 있으며, 목표(Target) 인상속도로 수렴시켜 고품질 단결정을 성장시킬 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 성장 제어시스템 및 이를 포함하는 잉곳 성장장치에 의하면, 고품질 웨이퍼 제조를 위해 요구되는 O-밴드(band)(OISF)가 제어된 실리콘 단결정 제조에 있어서 타겟 인상속도 대비 실제 인상 속도를 재현성 있게 정밀 제어할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 무결함 또는 극저결함의 실리콘 단결정 잉곳을 제조하기 위해 O-band(OiSF)와 같은 결함영역 없이 IDP/VDP로 이루어진 균일한 품질이 결정 길이방향으로 유지될 수 있도록 하면서, 수율을 높일 수 있다.
이를 위해 온도세분화와 평균시간(Avg) 개수, 인터벌 타임(interval time) 최적화 등을 통해 온도정밀제어를 개선하였으며 복잡하고 비싼 하드웨어(hardware)를 추가하지 않고 정확하고 효율성 있는 제어로직 구현이 가능하다.
또한, 실시예에 의하면 실리콘 단결정 제조에 사용되는 장비 내에 사용되는 AGC를 사용함에 있어 온도를 세분화하여 빠른 인터벌 타임(Interval time) 내에 성장속도를 제어하여 고품질 실리콘 단결정을 성장시킬 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면, 펄스(Pulse)를 이용한 온도세분화를 통하여 타겟 인상 속도에 대한 실제 인상 속도의 정밀 제어가 가능하다.
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 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 도가니에 구비된 융액으로부터 성장되는 단결정 잉곳의 인상속도를 제어하는 인상속도 제어부;를 포함하고,
    상기 인상속도 제어부는 펄스(Pulse)를 이용한 온도 세분화 제어부를 포함하는 잉곳 성장 제어시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 직경측정센서;
    상기 융액의 온도를 측정하는 온도측정센서; 및
    상기 도가니의 측면에 구비되는 히터의 온도를 제어하는 온도제어부;를 더 포함하는 잉곳 성장 제어시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 온도 세분화 제어부는,
    펄스폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation) 제어방법에 의한 전력제어를 통해 온도제어를 세분화할 수 있는 잉곳 성장 제어시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 잉곳 성장 제어시스템은,
    온도세분화, 평균시간 제어, 및 인터벌 타임(Interval time) 제어에 따른 정밀 제어가 가능한 잉곳 성장 제어시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 평균시간은 5~60분, 상기 인터벌 타임(Interval time)은 1~30분 범위로 제어하는 잉곳 성장 제어시스템.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 하나의 잉곳 성장 제어시스템을 포함하는 잉곳 성장 장치.
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