KR20170006439A - 잉곳 성장장치 및 그 성장방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시드 케이블의 흔들림이 발생되더라도 시드 케이블의 변위 측정값에 따라 시드 케이블이 감긴 드럼의 수평 방향 위치를 보정할 수 있는 잉곳 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치 및 그 성장방법은 변위측정센서들이 시드 케이블 둘레에 서로 다른 방향에서 변위를 측정한 다음, 변위 측정값을 고려하여 드럼 이동수단은 시드 케이블이 감긴 드럼의 위치를 수평 방향으로 이동시킬 수 있다.

Description

잉곳 성장장치 및 그 성장방법 {INGOT GROWING APPARATUS AND GROWING METHOD BY IT}
본 발명은 시드 케이블의 흔들림이 발생되더라도 시드 케이블의 변위 측정값에 따라 시드 케이블이 감긴 드럼의 수평 방향 위치를 보정할 수 있는 잉곳 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것이다.
일반적으로 웨이퍼를 제조하기 위하여 단결정 실리콘을 잉곳 형태로 성장시키는 초크랄스키(CZ)법이 많이 사용되고 있다.
초크랄스키법에 의한 잉곳 성장 공정을 살펴보면, 챔버 내부에 불활성 기체를 유동시키고, 챔버 내부에 구비된 도가니를 가열하여 실리콘 융액을 만든 다음, 시드 케이블의 끝단에 매달린 종자결정인 시드(seed)를 실리콘 융액에 넣어 단결정 실리콘을 직경 방향으로 성장시키고, 타겟 직경까지 잉곳의 직경이 성장하면, 시드 케이블을 감아 올리면서 시드 케이블에 매달린 잉곳을 타겟 직경을 유지하면서 길이 방향으로 성장시킨다.
이때, 잉곳의 직경을 제어하기 위하여 직경측정센서에 의해 잉곳의 직경을 측정하고, 그 측정값에 따라 시드 케이블의 인상속도를 제어한다.
또한, 잉곳의 직경 제어가 용이할 뿐 아니라 품질을 균일하게 유지하기 위하여 잉곳 성장 공정 시 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치를 도가니 중심에 맞추도록 제어한다.
도 1은 일반적인 잉곳 성장장치에 적용된 직경측정센서가 잉곳의 직경을 감지하는 일예가 도시된 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 직경측정센서(1)는 실리콘 융액면과 잉곳 사이에 형성된 메니스커스(maniscus)를 감지하는데, 상기 직경측정센서(1)의 중심부(c)를 통하여 메니스커스로부터 빛의 세기를 감지하게 된다.
물론, 상기 직경측정센서(1)는 수평 방향으로 이동 가능하다.
따라서, 직경이 작아짐에 따라 메니스커스의 위치가 P1에서 P3로 이동하면, 상기 직경측정센서(1)가 이동함에 따라 상기 직경측정센서(1)의 중심부(c)가 메니스커스로부터 빛의 세기를 인식하게 되고, 상기 직경측정센서(1)의 이동 거리에 따라 잉곳의 직경을 측정할 수 있다.
그런데, 시드 케이블에 중량이 큰 잉곳이 매달린 형태로 바디 성장 공정이 진행되기 때문에 여러 가지 요인으로 시드 케이블의 흔들림이 발생될 수 있으며, 이로 인하여 직경측정센서를 이용하여 잉곳의 직경을 정확하게 측정하는데 한계가 있으며, 나아가 잉곳의 직경을 제어하거나, 잉곳의 위치를 도가니의 중심에 맞추도록 제어하기 어려운 문제점이 있다.
일본공개특허 제2004-256340호에는 시드 케이블의 흔들림을 방지하기 위하여 시드 케이블의 양측에 배치된 한 쌍의 진동방지수단이 개시되고 있으며, 상기 진동방지수단은 상기 시드 케이블을 측면 방향에서 기계적으로 밀어주는 형태로 구성된다.
그러나, 종래 기술에 따르면, 시드 케이블과 진동방지수단이 직접적으로 마찰되기 때문에 시드 케이블 또는 진동방지수단에서 떨어져 나온 메탈 이물질이 실리콘 융액을 오염시킬 수 있고, 나아가 공정 중에 시드 케이블의 파단 가능성이 높아지는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에서, 진동방지수단을 이동시켜 그 지점에서 시드 케이블의 흔들림을 방지할 수 있지만, 실제 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치가 시드 케이블만큼 이동한 것으로 보기 어렵다.
따라서, 종래의 진동방지수단이 이동한 거리를 이용하여 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치를 정확하게 파악하기 어렵고, 이로 인하여 잉곳의 위치를 도가니의 중심에 맞추도록 제어하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 시드 케이블의 흔들림이 발생되더라도 시드 케이블의 변위 측정값에 따라 시드 케이블이 감긴 드럼의 수평 방향 위치를 보정할 수 있는 잉곳 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 실리콘 융액이 담기는 도가니; 상기 도가니 상측에 수평하게 구비되고, 정/역방향으로 회전 가능한 드럼; 상기 드럼에 감기도록 구비되고, 상기 드럼이 회전함에 따라 상기 실리콘 융액에 잠긴 시드를 인상시켜 잉곳을 성장시키는 시드 케이블; 상기 시드 케이블 둘레에 서로 다른 방향에 구비되고, 상기 시드 케이블의 수평 방향 변위를 측정하는 적어도 두 개 이상의 변위측정센서; 및 상기 드럼과 연결되고, 상기 변위측정센서의 변위 측정값에 따라 상기 드럼의 위치를 수평 방향으로 이동시키는 드럼 이동수단;을 포함하는 잉곳 성장장치를 제공한다.
한편, 본 발명은시드 케이블의 끝단에 구비된 시드가 도가니에 담긴 실리콘 융액에 잠긴 다음, 상기 시드 케이블이 감긴 드럼이 회전함에 따라 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키는 제1단계; 상기 제1단계에서 잉곳 성장 공정 중에 상기 시드 케이블 둘레에 서로 다른 방향에서 상기 시드 케이블의 수평 방향 변위를 측정하는 제2단계; 및 상기 제2단계에서 측정된 변위 측정값에 따라 상기 드럼의 위치를 수평 방향으로 이동시키는 제3단계;를 포함하는 잉곳 성장방법을 제공한다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치 및 그 성장방법은 변위측정센서들이 시드 케이블 둘레에 서로 다른 방향에서 변위를 측정한 다음, 변위 측정값을 고려하여 드럼 이동수단은 시드 케이블이 감긴 드럼의 위치를 수평 방향으로 이동시킬 수 있다.
따라서, 시드 케이블의 흔들림이 발생되더라도 시드 케이블의 변위 측정값에 따라 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치를 도가니의 중심에 정확하게 맞추도록 제어할 수 있고, 이러한 공정 조건에서 성장한 잉곳의 반경 방향 또는 길이 방향으로 웨이퍼의 품질을 균일하게 유지시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 일반적인 잉곳 성장장치에 적용된 직경측정센서가 잉곳의 직경을 감지하는 일예가 도시된 도면.
도 2는 본 발명에 따른 잉곳 성장장치 일예가 도시된 도면.
도 3은 도 2에 적용된 시드 케이블의 변위에 따라 잉곳의 변위 및 드럼의 이동 거리가 개략적으로 도시된 도면.
도 4는 본 발명에 직경제어장치 일예가 도시된 블럭도.
도 5는 본 발명에 따른 잉곳 성장방법 일예가 도시된 순서도.
이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 잉곳 성장장치 일예가 도시된 도면이고,도 3은 도 2에 적용된 시드 케이블의 변위에 따라 잉곳의 변위 및 드럼의 이동 거리가 개략적으로 도시된 도면이다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치는 도 2에 도시된 바와 같이 챔버(110) 내측에 잉곳을 성장시키기 위하여 도가니(120)와 히터(130) 및 냉각부재(140)가 구비되고, 상기 도가니(120) 상측에 잉곳을 끌어올리기 위하여 시드 케이블(160) 및 드럼(170)이 구비되며, 상기 시드 케이블(160)의 변위를 측정하는 변위측정센서(180) 및 상기 드럼(170)을 수평 방향으로 이동시키는 드럼 이동수단(190)이 구비된다.
상기 챔버(110)는 잉곳(IG)이 성장되는 소정의 밀폐 공간을 제공하며, 상측에서 하측 방향으로 Ar 등과 같은 불활성 기체가 유동시키기 위하여 상부 일측에 흡입구(150)가 구비되고, 각종 구성 요소가 내/외측에 장착된다.
실시예에서, 상기 챔버(110)의 양측 상부에는 내부를 관찰할 수 있는 뷰 포트(W)가 구비되고, 상기 뷰 포트(W) 외측에 메니스커스의 밝기를 측정하는 직경측정센서(210)가 구비된다.
물론, 잉곳의 직경이 실제로 가변되거나, 상기 시드 케이블(160)이 흔들려 잉곳이 이동된 경우에 모두 상기 직경측정센서(210)는 잉곳의 직경 측정값을 변화된 것으로 감지한다.
상기 도가니(120)는 실리콘 융액이 담기는 용기로써, 상기 챔버(110) 내측에 회전 가능하게 설치된다. 이때, 상기 도가니(120)는 불순물의 유입을 차단하는 동시에 고온 하에서도 견딜 수 있도록 석영 도가니와 흑연 도가니가 겹쳐진 형태로 구성된다.
상기 히터(130)는 상기 도가니(120) 둘레에 구비되고, 상기 도가니(120)를 가열함에 따라 상기 도가니(120)에 담긴 폴리 형태의 원료를 실리콘 융액으로 액화시킨다.
상기 냉각부재(140)는 고온의 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳(IG)을 바로 냉각시키기 위하여 구비되는데, 상기 도가니(120) 상측에 매달리도록 설치되고, 상기 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳(IG) 둘레에 소정 간격을 두고 감싸도록 설치된다.
상기 시드 케이블(160)은 여러 개의 와이어가 꼬임 형태로 구성되며, 무거운 잉곳을 들어올릴 수 있는 강도와 탄성을 가진다. 물론, 상기 시드 케이블(160)에는 종자 결정인 시드(seed)가 장착되는 시드 척(seed chuck)이 구비될 수 있다.
상기 드럼(170)은 상기 시드 케이블(160)이 감겼다가 풀릴 수 있는 원통 형태로 구성되며, 상기 챔버(110)의 상측에 구비된다.
실시예에서, 상기 드럼(170)의 회전축은 인상 모터(도 4에 도시 : 171)와 연결되며, 상기 드럼(170)이 정/역방향으로 회전함에 따라 상기 시드 케이블(160)을 승/하강시킬 수 있다.
물론, 상기 시드 케이블(160)의 인상 속도를 조절하여 잉곳의 직경을 타겟 직경으로 제어할 수 있다.
상기 변위측정센서(180)는 상기 시드 케이블(160)이 흔들리더라도 그 변위를 정확하게 측정하기 위하여 상기 시드 케이블(160)의 둘레에 서로 다른 방향에 적어도 두 개 이상이 구비되는데, 실시예에서 90°각도를 두고 네 개가 동일한 수평면 상에 구비된다.
상기 드럼 이동수단(190)은 X축과 Y축으로 이루어진 수평면상에서 상기 드럼(170)을 이동시킬 수 있도록 구성되는데, 실시예에서 상기 드럼(170)과 연결된 X축 스크루(181)와, 상기 X축 스크루(181)를 회전시키는 X축 모터(182)와, 상기 X축 모터(182)와 연결된 Y축 스크루(183)와, 상기 Y축 스크루(183)를 회전시키는 Y축 모터(184)로 구성된다.
따라서, 상기 X축 모터(182)가 구동되면, 상기 드럼(170)이 상기 X축 스크루(181)를 따라 X축 방향으로 이동되고, 상기 Y축 모터(184)가 구동되면, 상기 드럼과 X축 모터(182)가 상기 Y축 스크루(183)를 따라 Y축 방향으로 이동된다.
상기와 같이 잉곳 성장 공정에 영향을 미치는 요인을 제어하기 위하여 제어부(230)가 구비되는데, 실시예에서 상기 제어부(230)는 잉곳의 변위를 고려하여 잉곳의 직경 및 위치를 제어하는 것에 한정하여 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 변위측정센서(180)에서 상기 시드 케이블(160)의 변위(ΔR)가 측정되면, 상기 제어부(230)는 상기 드럼(170)과 변위측정위치 사이의 거리(H) 및 상기 드럼(170)과 실리콘 융액 계면 사이의 거리(L)를 고려하여 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 변위(R)를 하기의 [수학식 1]에 의해 산출한다.
Figure pat00001
이와 같이, 상기 제어부(230)는 상기 시드 케이블(160)의 변위(ΔR)를 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 변위(R)로 산출하고, 잉곳의 변위(R)를 고려하여 잉곳의 직경 및 위치를 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 잉곳 성장장치에 적용된 직경제어장치 일예가 도시된 블럭도이다.
본 발명에 적용된 직경제어장치는 도 4에 도시된 바와 같이 직경측정센서(210)와, 변위측정센서(180)와, 제어부(230)와, 드럼(170) 및 인상 모터(171)와, 드럼 이동수단(180)을 포함하도록 구성된다.
먼저, 상기 드럼(170)에 감긴 시드 케이블이 소정의 인상 속도(P/S)로 인상되면, 실리콘 융액으로부터 잉곳이 성장한다.
상기와 같이 잉곳 성장 공정이 진행되는 동안, 상기 직경측정센서(210)를 통하여 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 직경이 측정되고, 상기 변위측정센서(180)를 통하여 시드 케이블의 변위(ΔR)가 측정된다.
이때, 상기 제어부(230)는 상기 시드 케이블의 변위 측정값(ΔR)에 따라 상기 드럼 이동수단(190)의 작동을 제어함으로써, 잉곳의 위치를 보정하여 잉곳을 도가니의 중심에서 성장시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(230)는 상기에서 언급한 바와 같이 [수학식 1]을 이용하여 시드 케이블의 변위(ΔR)를 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 변위(R)로 산출하고, 상기 잉곳의 변위(R)와 반대 방향으로 상기 X축 모터(192)와 Y축 모터(194)에 제어 신호를 전달하면, 상기 드럼(170)의 위치가 이동됨에 따라 상기 시드 케이블에 매달린 잉곳의 위치를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(230)는 잉곳의 직경 측정값(D0)에 따라 상기 인상 모터(171)의 작동을 제어함으로써, 인상속도(P/S)를 조절하여 잉곳의 직경(D)을 제어할 수 있다.
물론, 상기 제어부(230)는 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치(R)을 고려하여 잉곳의 직경 측정값(D0)을 보정하고, 잉곳의 직경 보정값(D1)을 반영하여 인상속도(P/S)를 제어함으로써, 잉곳의 직경(D)을 보다 정확하게 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 잉곳 성장방법 일예가 도시된 순서도이다.
본 발명의 잉곳 성장방법은 도 5에 도시된 바와 같이 설정된 인상속도(P/S)로 잉곳 성장 공정을 진행하는 동안 서로 다른 방향에서 시드 케이블의 수평 방향 변위(ΔR)를 측정한다.(S1,S2 참조)
상기 드럼이 정방향으로 회전하면, 상기 시드 케이블이 하강하여 상기 시드 케이블에 매달린 시드가 실리콘 융액에 담긴 다음, 소정의 직경으로 잉곳을 성장시키고, 상기 드럼이 역방향으로 회전하면, 상기 시드 케이블이 소정의 인상 속도(P/S)로 상승함에 따라 일정한 직경의 잉곳을 인상시킨다.
상기와 같은 잉곳 성장 공정이 진행되는 동안, 여러 가지 요인에 의해 상기 시드 케이블이 흔들리거나, 소정 궤적의 원운동 또는 타원운동을 하게 되며, 이로 인하여 상기 시드 케이블의 수평 방향 위치가 변경될 뿐 아니라 상기 시드 케이블에 매달린 잉곳도 실리콘 융액 계면에서 위치가 변경된다.
따라서, 상기 시드 케이블 둘레에 서로 다른 각도에 위치한 변위측정센서들이 상기 시드 케이블의 변위(ΔR)를 측정한다.
다음, 잉곳의 변위(R)를 비롯하여 X축 이동거리(x) 및 Y축 이동 거리(y)를 산출한다.(S3,S4 참조)
상기 제어부는 상기 시드 케이블의 변위 측정값(ΔR)을 상기에서 설명한 [수학식 1]에 적용하여 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 변위(R)로 산출하며, 상기 잉곳의 변위를 X축과 Y축으로 이루어진 수평면을 기준으로 X축 이동거리(x) 및 Y축 이동 거리(y)로 나타낼 수 있다.
다음, 상기 드럼의 위치를 X축 이동거리(x) 및 Y축 이동 거리(y)와 반대 방향으로 보정한다.(S5 참조)
상기 제어부가 상기 X축 모터와 Y축 모터로 제어 신호를 전달하면, 상기 X축 모터와 Y축 모터가 구동됨에 따라 상기 드럼과 시드 케이블을 X축 이동거리(x) 및 Y축 이동 거리(y)와 반대 방향으로 이동시킨다.
따라서, 상기 시드 케이블에 흔들림이 발생됨에 따라 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치(R)가 변경되더라도 상기 시드 케이블과 함께 잉곳을 그 반대 방향으로 이동시킴으로써, 잉곳 성장 공정 중 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치를 도가니의 중심에 맞출 수 있다.
나아가, 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 변위(R)를 고려하여 직경측정센서에서 측정된 잉곳의 직경 측정값(D0)을 보정할 수 있으며, 직경 보정값(D1)을 고려하여 인상 속도를 제어함으로써, 보다 잉곳의 직경(D)을 정확하게 제어할 수 있다.
110 : 챔버 120 : 도가니
130 : 히터 140 : 냉각부재
150 : 흡입구 160 : 시드 케이블
170 : 드럼 180 : 드럼 이동수단
210 : 직경측정센서 230 : 제어부

Claims (10)

  1. 실리콘 융액이 담기는 도가니;
    상기 도가니 상측에 수평하게 구비되고, 정/역방향으로 회전 가능한 드럼;
    상기 드럼에 감기도록 구비되고, 상기 드럼이 회전함에 따라 상기 실리콘 융액에 잠긴 시드를 인상시켜 잉곳을 성장시키는 시드 케이블;
    상기 시드 케이블 둘레에 서로 다른 방향에 구비되고, 상기 시드 케이블의 수평 방향 변위를 측정하는 적어도 두 개 이상의 변위측정센서; 및
    상기 드럼과 연결되고, 상기 변위측정센서의 변위 측정값에 따라 상기 드럼의 위치를 수평 방향으로 이동시키는 드럼 이동수단;을 포함하는 잉곳 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변위측정센서는,
    상기 시드 케이블의 둘레에 90°각도를 두고 네 개가 구비되는 잉곳 성장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 드럼 이동수단은,
    상기 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치가 상기 도가니의 중심에 위치하도록 상기 드럼의 위치를 상기 변위측정센서의 변위와 반대 방향으로 수평 이동시키는 잉곳 성장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 드럼 이동수단은,
    상기 드럼과 연결된 X축 스크루와,
    상기 드럼을 상기 X축 스크루를 따라 이동시키기 위하여 상기 X축 회전시키는 X축 모터와,
    상기 변위측정센서의 변위 측정값에 따라 상기 X축 모터의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는 잉곳 성장장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 드럼 이동수단은,
    상기 X축 모터와 연결된 Y축 스크루와,
    상기 드럼과 X축 모터를 상기 Y축 스크루를 따라 이동시키기 위하여 상기 Y축 회전시키는 Y축 모터를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 변위측정센서의 변위 측정값에 따라 상기 Y축 모터의 작동을 제어하는 잉곳 성장장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 변위측정센서의 변위 측정값을 상기 드럼과 변위측정센서 사이의 거리및 상기 드럼과 실리콘 융액 계면 사이의 거리를 고려하여 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 변위로 산출하고,
    상기 잉곳의 변위에 따라 상기 X축 모터와 Y축 모터의 작동을 제어하는 잉곳 성장장치.
  7. 시드 케이블의 끝단에 구비된 시드가 도가니에 담긴 실리콘 융액에 잠긴 다음, 상기 시드 케이블이 감긴 드럼이 회전함에 따라 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키는 제1단계;
    상기 제1단계에서 잉곳 성장 공정 중에 상기 시드 케이블 둘레에 서로 다른 방향에서 상기 시드 케이블의 수평 방향 변위(ΔR)를 측정하는 제2단계; 및
    상기 제2단계에서 측정된 변위 측정값(ΔR)에 따라 상기 드럼의 위치를 수평 방향으로 이동시키는 제3단계;를 포함하는 잉곳 성장방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2단계는,
    상기 시드 케이블의 수평 방향 변위(ΔR)가 상기 시드 케이블의 둘레에 90°각도를 두고 네 방향에서 측정되는 잉곳 성장방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치가 상기 도가니의 중심에 위치하도록 상기 드럼의 위치를 상기 변위 측정값(ΔR)과 반대 방향으로 수평 이동시키는 잉곳 성장방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 변위 측정값(ΔR)을 상기 드럼과 변위측정위치 사이의 거리(H) 및 상기 드럼과 실리콘 융액 계면 사이의 거리(L)를 고려하여 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 변위(R)로 산출하는 제1과정과,
    상기 제1과정에서 산출된 잉곳의 변위(R)만큼 상기 드럼의 위치를 반대 방향으로 수평 이동시키는 제2과정을 포함하는 잉곳 성장방법.
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