KR20190084684A - 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치 및 이에 적용된 온도제어방법 - Google Patents

단결정 잉곳 성장용 온도제어장치 및 이에 적용된 온도제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 잉곳 성장 공정 중 실리콘 융액 온도를 정확하게 측정하여 목표 온도로 신속하게 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치 및 이에 적용된 온도제어방법에 관한 것이다.
본 발명은, 실리콘 융액이 담긴 도가니를 가열하는 히터의 작동을 제어하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치에 있어서, 상기 도가니에 담긴 실리콘 융액의 온도를 측정하고, 측정된 실리콘 융액의 온도를 가공하는 입력부; 상기 입력부의 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나와 설정된 목표 온도(T0)를 PID 연산하여 상기 히터의 출력으로 산출하는 제어부; 및 상기 제어부에서 산출된 히터의 출력을 상기 히터로 입력하는 출력부;를 포함하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치를 제공한다.

Description

단결정 잉곳 성장용 온도제어장치 및 이에 적용된 온도제어방법 {Temperature control device for single crystal ingot growth and temperature control method applied thereto}
본 발명은 잉곳 성장 공정 중 실리콘 융액 온도를 정확하게 측정하여 목표 온도로 신속하게 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치 및 이에 적용된 온도제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 단결정 잉곳은 쵸크랄스키(Czochralski, 이하 CZ라 함) 법에 의해 제조된다.
CZ 법을 이용하여 단결정 잉곳을 제조하는 방법은, 석영 도가니에 다결정 실리콘(poly silicon) 등의 고체 원료를 충전하고 히터로 가열하여 용융시켜 실리콘 융액(melt)을 형성하고, 안정화(stabilization) 공정을 거쳐 실리콘 융액 내의 기포를 제거한 다음, 시드(seed)를 실리콘 융액에 디핑(dipping)시키고, 네킹(necking)을 형성하면서 융액 위쪽으로 시드를 서서히 인상함으로써, 네킹(necking) 공정과, 숄더링(shouldering) 공정과, 바디 성장(body growth) 공정 및 테일링(tailing) 공정을 순차적으로 진행한다.
물론, CZ 법에서는 도가니 측면에 설치된 히터를 이용하여 실리콘 융액을 가열하기 때문에 실리콘 융액 내에는 자연대류가 발생한다.
이때, 네킹 공정은 숄더링 공정과 바디 공정의 품질을 좌우할 수 있기 때문에 네킹 공정을 위하여 용융된 실리콘 융액의 표면 온도가 안정적으로 유지되어야 할 뿐 아니라 목표 온도에 수렴되어야 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 단결정 성장장치가 개략적으로 도시된 측단면도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 단결정 성장장치의 네킹 공정 시 온도 변화가 도시된 그래프이다.
종래 기술에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 챔버(1) 상단에 하나의 고온계(pyrometer : 2)가 설치되고, 고온계(2)에 의해 도가니(3) 내부에서 자연대류하고 있는 실리콘 융액의 표면 중 하나의 포인트를 측정한다.
그런데, 단결정 잉곳을 하나씩 제조하는 배치(batch) 별로 hot-zone set up, lifetime 등으로 인하여 실리콘 융액의 표면 온도가 수시로 변하고, 장비별로 다를 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이 단결정 잉곳 성장 공정 중 네킹 공정이 시작되면, 시드 척의 영향으로 실리콘 융액의 온도가 상승하는 경향이 있다.
따라서, 작업자가 최적의 잉곳 생산 조건을 제공하기 위하여 실리콘 융액의 목표 온도(T0)를 직접 변경하고, 측정 온도(T1)와 목표 온도(T0)의 차이값에 따라 히터(4)의 작동을 제어한다.
그러나, 종래 기술에 따르면, 고온계(2)가 챔버(1) 상단에 하나만 실리콘 융액 면에 대해 수직한 방향으로 설치되기 때문에 네킹 공정에서만 온도 측정이 가능하고, 이후의 바디 공정에서 고온계(2)를 수평 이동시키더라도 잉곳 또는 열차폐체(5)에 가려 실리콘 융액의 표면 온도를 측정할 수 없거나, 고온계(2)와 실리콘 융액 사이의 거리가 멀어서 실리콘 융액의 표면 온도를 노이즈성 데이터로 측정하게 되는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따르면, 도가니(3)가 회전됨에 따라 이에 담긴 실리콘 융액 내부의 자연대류가 변화하게 되고, 도가니(3)의 회전수가 낮은 경우에 실리콘 융액의 좌/우측에서 온도 편차가 크게 나타나는데, 네킹 공정 중 고온계(2)가 실리콘 융액 표면의 특정 위치만 측정하기 때문에 실리콘 융액의 측정 온도를 정확하게 측정할 수 없고, 장비별로 실리콘 융액의 온도를 측정하는 위치가 모두 다르기 때문에 제어의 반복성이 떨어질 뿐 아니라 제어의 정량화가 불가능한 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따르면, 네킹 공정 중 실리콘 융액의 측정 온도를 획득하더라도 측정 온도가 목표 온도에서 벗어난 정도에 따라 그 값을 가감하는 P 제어를 통하여 히터(4)의 작동을 제어하기 때문에 실리콘 융액의 온도를 목표 온도로 수렴시키는데 많은 시간이 소요될 뿐 아니라 단결정 잉곳 성장 중 지속적으로 균일한 온도 환경을 제공하기 어렵고, 그 결과 단결정 잉곳의 품질을 신속하고 정확하게 제어하는데 한계가 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 잉곳 성장 공정 중 실리콘 융액 온도를 정확하게 측정하여 목표 온도로 신속하게 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치 및 이에 적용된 온도제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은, 실리콘 융액이 담긴 도가니를 가열하는 히터의 작동을 제어하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치에 있어서, 상기 도가니에 담긴 실리콘 융액의 온도를 측정하고, 측정된 실리콘 융액의 온도를 가공하는 입력부; 상기 입력부의 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나와 설정된 목표 온도(T0)를 PID 연산하여 상기 히터의 출력으로 산출하는 제어부; 및 상기 제어부에서 산출된 히터의 출력을 상기 히터로 입력하는 출력부;를 포함하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 실리콘 융액이 담긴 도가니를 가열하는 히터의 작동을 제어하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법에 있어서, 상기 도가니에 담긴 실리콘 융액의 온도를 측정하고, 측정된 실리콘 융액의 온도를 가공하는 입력 단계; 상기 입력 단계의 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나와 설정된 목표 온도(T0)를 PID 연산하여 상기 히터의 출력으로 산출하는 제어 단계; 및 상기 제어 단계에서 산출된 히터의 출력을 상기 히터로 입력하는 출력 단계;를 포함하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법을 제공한다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치 및 이에 적용된 온도제어방법은 실리콘 융액의 표면 온도를 측정하고, 측정 온도를 노이즈 제거 및 산술평균하는 필터링 과정을 통하여 가공한 다음, 작업자의 판단 여부에 따라 측정 온도와 가공 온도 중 하나와 목표 온도를 PID 연산을 통하여 히터 출력을 산출하고, 그에 따라 히터의 작동을 제어한다.
따라서, 실리콘 융액의 표면과 온도센서 사이의 거리가 멀거나, 도가니의 회전 속도에 따라 실리콘 융액 내부에 자연 대류가 변화하더라도 측정 온도를 적절하게 필터링함으로써, 실리콘 융액의 온도를 정확하게 감지할 수 있고, 제어의 반복성을 높일 수 있을 뿐 아니라 제어의 정량화가 가능한 이점이 있다.
또한, 필터링 과정을 통하여 정확하게 획득한 실리콘 융액의 측정 온도를 PID 연산하여 그 결과에 따라 히터의 작동을 제어함으로써, 실리콘 융액의 온도를 목표 온도로 신속하게 수렴시킬 수 있을 뿐 아니라 단결정 잉곳 성장 중 지속적으로 균일한 온도 환경을 제공할 수 있고, 결과적으로 단결정 잉곳의 품질을 신속하고 정확하게 제어하여 단결정 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 단결정 성장장치가 개략적으로 도시된 측단면도.
도 2는 종래 기술에 따른 단결정 성장장치의 네킹 공정 시 온도 변화가 도시된 그래프.
도 3은 본 발명에 따른 단결정 성장장치가 개략적으로 도시된 측단면도.
도 4는 도 3에 적용된 온도제어장치가 도시된 구성도.
도 5는 종래 기술과 본 발명의 고온계에 의해 측정된 실리콘 융액의 온도 변화가 도시된 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법이 도시된 순서도.
도 7은 종래 기술과 본 발명에 따라 단결정 잉곳 성장 중 온도 제어한 결과가 실리콘 융액의 온도 변화가 도시된 그래프.
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 3은 본 발명에 따른 단결정 성장장치가 개략적으로 도시된 측단면도이고, 도 4는 도 3에 적용된 온도제어장치가 도시된 구성도이다.
본 발명에 따른 단결정 성장장치는 도 3에 도시된 바와 같이 밀폐공간인 챔버(110) 내부에 실리콘 융액이 수용되는 도가니(120)와, 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(130)와, 상기 도가니(120)에서 인상되는 잉곳을 냉각시키는 열차폐 부재(140)가 구비되는데, 상기 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액의 온도를 두 지점에서 측정한 결과를 가공한 다음, PID 연산하여 그 결과에 따라 히터의 작동을 제어하는 온도제어장치(미도시)가 구비된다.
상기 챔버(110)는 상기 도가니(120)와 히터(130)가 내장되는 원통 형상의 본체부와, 상기 본체부의 상측에 결합되어 잉곳 성장 공정을 관찰할 수 있는 뷰 포트가 구비된 돔 형상의 커버부와, 상기 커버부의 상측에 결합되어 잉곳이 인상될 수 있는 공간을 제공하는 원통 형상의 인상부로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
또한, 상기 챔버(110) 상측에는 종자결정이 매달리는 시드 척(seed chuck) 및 이와 연결된 시드 케이블(seed wire) 및 상기 시드 케이블이 감긴 드럼(drum)이 구비되고, 별도의 제어부(미도시)에 의해 상기 드럼의 작동을 조절하여 인상속도를 제어할 수 있다.
실시예에 따르면, 상기 커버부의 양측 상부에 한 쌍의 뷰 포트가 구비되고, 상기 뷰 포트 외측에 제1,2온도센서(151,152)가 구비되는데, 상기 제1,2온도 센서(151,152)는 상기 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액 표면의 두 지점에서 온도를 비접촉 방식으로 측정할 수 있는 고온계가 적용된다.
따라서, 상기 제1,2온도 센서(151,152)는 상기 커버부의 상부 양측에 구비되기 때문에 종래에 온도센서가 인상부 상측에 구비된 것보다 측정 거리가 짧아지고, 상기 열차폐 부재(140) 또는 시드 척과 같은 주위 물체에 영향을 받지 않으며, 그 결과 실리콘 융액의 표면 온도를 보다 정확하게 측정할 수 있다.
이때, 상기 제1,2온도 센서(151,152)는 1색 고온계(1-color pyrometer) 또는 2색 고온계(2-color pyrometer)으로 구성될 수 있는데, 2색 고온계가 1색 고온계보다 노이즈가 적지만, 하기에서 설명될 필터링부(153 : 도 4에 도시)에 의해 측정 온도가 가공됨에 따라 어느 것을 사용되더라도 무방하다.
또한, 숄더링 공정을 비롯하여 바디 공정 중에도 잉곳의 간섭 없이 실리콘 융액 표면의 온도를 정확하게 측정하기 위하여 상기 제1,2온도 센서(151,152)는 상기 도가니(120)의 실리콘 융액으로부터 성장하는 잉곳의 직경으로부터 10cm 범위 이내에서 온도를 측정하도록 구성되는 것이 바람직하다.
물론, 잉곳의 직경으로부터 10cm 이내에서 실리콘 융액의 표면 온도를 측정하더라도 측정 온도가 종래와 비교하더라도 크게 변하지 않고, 잉곳 성장 공정 전체에 걸쳐 실리콘 융액의 표면 온도를 측정하여 하기에서 설명될 온도 제어가 가능하다.
상기 도가니(120)는 실리콘 융액이 담기는 용기로써, 잉곳 성장 공정 중 회전 및 승강될 수 있도록 구동된다. 물론, 상기 도가니(120)는 불순물의 유입을 차단하는 동시에 고온 하에서도 견딜 수 있도록 구성되는데, 석영 도가니와 흑연 도가니가 겹쳐진 형태로 구성될 수 있다.
상기 히터(130)는 상기 도가니(120) 둘레에 구비되고, 상기 도가니(120)를 가열함에 따라 상기 도가니(120)에 담긴 다결정 실리콘 원료를 실리콘 융액으로 액화시키는데, 상기 온도제어장치가 상기 히터(130)의 작동을 제어하여 품질을 좌우할 수 있는 실리콘 융액의 온도를 제어할 수 있다.
상기 열차폐 부재(140)는 고온의 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳을 바로 냉각시키기 위하여 구비되는데, 상기 도가니(120) 상측에 매달리도록 설치되고, 고온 하에서도 견딜 수 있는 그라파이트(graphite) 재질로 구성된다.
이때, 상기 열차폐 부재(140)의 하부가 상기 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액 표면 상측에 위치하는데, 상기 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳을 소정 간격을 유지하면서 감싸도록 위치된다.
물론, 상기 제1,2온도 센서(151,152)는 상기 열차폐 부재(140)에 의해 간섭되지 않는 실리콘 융액의 각 지점에서 온도를 측정할 수 있도록 설치된다.
상기 온도제어장치는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 도가니(120 : 도 3에 도시)에 담긴 실리콘 융액의 온도를 측정 및 가공하는 입력부(150)와, 상기 입력부(150)의 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나를 선택하여 설정된 목표 온도(T0)와 PID 연산하여 히터 출력으로 산출하는 제어부(160)와, 상기 제어부(160)에서 산출된 히터 출력을 상기 히터(130)로 입력하는 출력부(170)로 구성된다.
상기 입력부(150)는 상기에서 설명한 제1,2온도 센서(151,152)를 포함하고, 상기 제1,2온도센서(151,152)에서 측정된 두 개의 측정 온도(T11,T12)를 노이즈 제거한 다음, 산술평균하여 가공 온도(T2)로 가공하는 필터링부를 포함한다.
실시예에 따르면, 상기 제1,2온도 센서(151,152)에 의해 실리콘 융액의 두 지점에서 온도를 측정함으로써, 상기 도가니(120 : 도 3에 도시)의 회전에 의해 실리콘 융액의 표면 특정 구간에 온도가 불균일하게 측정되더라도 그 노이즈를 줄일 수 있다.
그런데, 상기 도가니(120 : 도 3에 도시)에 담긴 실리콘 융액이 자연 대류되기 때문에 실리콘 융액의 온도가 sin 파 형태로 변하는 것을 볼 수 있는데, 이를 고려하여 측정 온도를 sin 파 형태의 가공 온도로 가공하는 것이 바람직하다.
상세하게, 상기 필터링부(153)는 샘플링 시간(Δt) 동안 측정된 상기 측정 온도(T1=T11,T12)를 적용하여 하기의 [수학식 1]에 기재된 sin파 함수로 모델링하고, 진폭이 가장 작은 최적의 sin파 함수로 산출한 다음, 상기 최적의 sin파 함수에 시간을 실시간 입력하여 노이즈 제거 필터링한다.
[수학식 1]
Figure pat00001
이때, a,b,c,d는 최적화를 통해 구한 모델 파라미터, T(t)는 측정 온도, Δt는 샘플링 시간, NpΔt는 주기, ω=2π/(NpΔt)는 주파수, t는 현재 시간으로 표시된다.
이와 같이, 상기 필터링부(153)는 두 지점의 측정 온도(T11,T12)를 진폭이 가장 작은 최적의 sin 파 함수로 가공하고, 진폭이 가장 작은 최적의 sin 함수로부터 미래의 시간을 입력하여 노이즈를 줄인 최종 측정 온도(T21,T22)가 산출되고, 노이즈가 완전히 제거된 두 지점의 최종 측정 온도(T21,T22)를 산술평균하여 하나의 가공 온도(T2)로 산출함으로써, 전반적인 실리콘 융액의 표면 온도를 정확하게 획득할 수 있다.
상기 제어부(160)는 외부의 입력 신호에 따라 상기 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나를 선택하는 판단부(161)와, 상기 판단부(161)에서 선택된 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나와 목표 온도(T0)를 PID 연산하는 PID 연산부(162)로 구성된다.
물론, 상기 판단부(161)는 작업자가 입력할 수 있는 버튼 또는 신호가 될 수 있으나, 제어 환경에 따라 달라질 수 있으므로 한정되지 아니한다.
또한, 상기 PID 연산부(162)는 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나를 목표 온도(T0)와 비교하고, 그 차이값에 따라 일반화된 PID 수식을 사용하여 P, I, D 값을 각각 계산하여 히터 출력을 산출함으로써, 실시간 대응이 가능하다.
상기 출력부(170)는 상기 PID 연산부(162)에서 실시간 신속하게 출력된 히터 출력을 상기 히터(130)로 입력하여 그 작동을 제어함으로써, 실리콘 융액의 표면 온도를 목표 온도(T0)에 수렴하는 시간을 단축시킬 수 있다.
도 5는 종래 기술과 본 발명의 고온계에 의해 측정된 실리콘 융액의 온도 변화가 도시된 그래프이다.
종래 기술은 고온계가 챔버의 인상부 상측에 위치되는 반면, 본 발명은 고온계가 챔버의 커버부 상부 양측에 위치되는데, 도 5에 도시된 바와 같이 종래 기술의 top 고온계와 본 발명의 side 고온계가 각각 실리콘 융액의 표면 온도를 측정한 결과 거의 유사하여 그 측정 온도를 신뢰할 수 있고, 오히려 종래 기술의 top 고온계보다 본 발명의 side 고온계가 더욱 민감하게 온도 측정한 것을 볼 수 있다.
따라서, 본 발명은 side 고온계를 두 개 적용한 온도제어장치의 제1실시예를 제공할 수도 있지만, side 고온계와 top 고온계를 하나씩 적용한 온도제어장치의 제2실시예도 제공할 수도 있다.
도 6은 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법이 도시된 순서도이다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법을 도 6을 참조하여 살펴보면, 다음과 같다.
먼저, 실리콘 융액 표면의 두 지점에서 온도를 측정한다.(S1 참조)
잉곳 성장 공정이 진행되는 동안, 도가니가 회전함에 따라 그 속에 담긴 실리콘 융액 내부에 자연 대류가 변화하게 되고, 실리콘 융액의 표면 특정 구간에 온도가 불균일하게 측정될 수 있다.
하지만, 실리콘 융액의 표면 온도를 비접촉식으로 두 지점에서 측정함으로써, 전반적인 실리콘 융액의 표면 온도를 사용하여 노이즈를 줄일 수 있다.
또한, 온도가 측정될 실리콘 융액 표면의 두 지점은 자유롭게 지정될 수 있는데, 실리콘 융액으로부터 잉곳이 성장되는 바디 공정에서도 잉곳 또는 다른 구성요소와 간섭되지 않도록 실리콘 융액의 표면 중 잉곳의 직경으로부터 10cm 이내에서 온도 측정이 이뤄지도록 한다.
따라서, 잉곳 성장 공정 전체에 걸쳐 실리콘 융액의 표면 온도를 측정할 수 있고, 하기와 같이 측정 온도를 가공하여 반영함으로써, 잉곳 성장 공정 전체에 걸쳐 온도 조건을 제어할 수 있다.
다음, 측정 온도(T1=T1,T2)를 최적의 sin 함수로 노이즈 제거하고, 노이즈 제거된 측정 온도(T21,T22)를 산술평균하여 가공 온도(T2)를 산출한다.(S2,S3 참조)
도가니에 담긴 실리콘 융액이 히터에 의해 가열되면, 실리콘 융액 내부에 자연대류 현상이 일어나게 되고, 자연대류하는 실리콘 융액의 표면 온도가 높아졌다가 낮아지는 sin파 형태의 온도 변화가 나타난다.
따라서, 샘플링 시간(Δt) 동안 측정된 측정 온도(T1=T11,T12)를 적용하여 상기에서 설명한 [수학식 1]에 기재된 바와 같이 측정 온도(T(t)), 샘플링 시간(Δt), 주기(NpΔt), 주파수(ω=2π/(NpΔt)), 현재 시간(t)을 변수로하는 sin파 함수를 구한다.
이와 같이 구해진 sin파 함수 중 진폭이 가장 작은 것을 최적의 sin파 함수로 산출한 다음, 상기 최적의 sin파 함수에 시간을 실시간 입력하여 노이즈 제거하여 최종 측정 온도(T21,T22)를 산출하고, 최종 측정 온도(T21,T22)를 산술평균하여 가공 온도(T2)를 획득할 수 있다.
물론, 가공 온도(T2)는 최종 측정 온도(T21,T22)의 산술평균으로 산출되지만, 경우에 따라 최종 측정 온도(T21,T22)의 중간값(median) 등을 적용할 수도 있다.
다음, 작업자가 가공 온도(T2)의 적용 여부를 선택한다.(S4 참조)
작업자가 별도의 버튼을 누르거나, 제어 명령을 입력하여 선택할 수 있으며, 한정하지 아니한다.
이때, 가공 온도(T2)가 선택되면, 가공 온도(T2)와 목표 온도(T0)를 PID 연산하여 히터 출력을 산출하고, 히터 출력을 히터로 입력하도록 제어한다.(S5,S6 참조)
따라서, 필터링 과정을 거친 가공 온도(T2)를 목표 온도(T0)와 비교하고, 그 차이값에 따라 PID 제어함으로써, 신속하고 정확하게 실리콘 융액의 표면 온도를 목표 온도(T0)에 수렴시킬 수 있다.
반면, 가공 온도(T2)가 선택되지 않으면, 측정 온도(T1)와 목표 온도(T0)를 PID 연산하여 히터 출력을 산출하고, 히터 출력을 히터로 입력하도록 제어한다.(S7,S6 참조)
따라서, 두 지점에서 실제로 측정된 측정 온도(T1=T11,T12)를 산술평균하여 목표 온도(T0)와 비교하고, 그 차이값에 따라 PID 제어함으로써, 다소 가공 온도(T2)를 적용한 것보다 정확성이 떨어지더라도 신속하게 실리콘 융액의 표면 온도를 목표 온도(T0)에 수렴시킬 수 있다.
도 7은 종래 기술과 본 발명에 따라 단결정 잉곳 성장 중 온도 제어한 결과가 실리콘 융액의 온도 변화가 도시된 그래프이다.
보통, 잉곳 성장 공정을 살펴보면, 실리콘 융액의 온도가 일정 시간 유지될 경우에 시드를 실리콘 융액에 담그는 딥핑(dipping) 공정을 진행하고, 시드를 인상시키는 네킹(necking) 공정을 진행한다.
따라서, 딥핑 공정을 진행하기 전 실리콘 융액의 온도가 목표 온도에 빠르게 수렴할수록 잉곳 성장 공정의 시간을 단축시킬 수 있다.
종래 기술은, top 고온계에 의한 측정 온도가 목표 온도를 기준으로 관리선을 벗어난 경우, 사전에 입력된 테이블로부터 보정값을 출력하여 히터를 제어하는 반면, 본 발명은, 두 개의 side 고온계에 의한 측정 온도를 노이즈 제거 필터링 및 산술평균하여 보정한 가공 온도를 획득하고, 가공 온도와 목표 온도와 비교하여 PID 제어한 결과에 따라 히터를 제어한다.
도 7에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따라 온도 제어한 결과 목표 온도에 수렴하는 시간이 평균 250분이고, 목표 온도의 관리선 ± 5℃를 유지하는 시간이 50분인 반면, 본 발명에 따라 온도 제어한 결과 목표 온도에 수렴하는 시간이 평균 50분이고, 목표 온도의 관리선 ± 5℃를 유지하는 시간이 250분이다.
결과적으로, 본 발명은 실리콘 융액이 일정 온도를 유지하는데 걸리는 50분 이후부터 딥핑 공정과 네킹 공정을 바로 진행할 수 있기 때문에 종래 기술에 비해 공정 시간을 200분 정도 단축시킬 수 있다.
110 : 챔버 120 : 도가니
130 : 히터 140 : 열차폐 부재
150 : 입력부 151,152 : 제1,2온도 센서
153 : 필터링부 160 : 제어부
161 : 판단부 162 : PID 연산부
170 : 출력부

Claims (15)

  1. 실리콘 융액이 담긴 도가니를 가열하는 히터의 작동을 제어하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치에 있어서,
    상기 도가니에 담긴 실리콘 융액의 온도를 측정하고, 측정된 실리콘 융액의 온도를 가공하는 입력부;
    상기 입력부의 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나와 설정된 목표 온도(T0)를 PID 연산하여 상기 히터의 출력으로 산출하는 제어부; 및
    상기 제어부에서 산출된 히터의 출력을 상기 히터로 입력하는 출력부;를 포함하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치.
  2. 제1항에 있어서
    상기 입력부는,
    상기 도가니에 담긴 실리콘 융액의 온도를 적어도 두 군데서 측정하는 센서부와,
    상기 센서부에서 측정된 적어도 두 개의 측정 온도(T11,T12)를 노이즈 제거 필터링 및 산술평균하여 가공 온도(T2)로 가공하는 필터링부를 포함하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서부는,
    상기 도가니가 내부 공간에 수용되는 밀폐형 챔버의 상부 양측에 설치된 제1,2온도 센서로 구성되는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1,2온도 센서는,
    1색 고온계(1-color pyrometer) 또는 2색 고온계(2-color pyrometer)로 구성되는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1,2온도 센서는,
    상기 도가니의 실리콘 융액으로부터 성장하는 잉곳의 직경으로부터 10cm 범위 이내에서 온도를 측정하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 필터링부는,
    샘플링 시간(Δt) 동안 측정된 상기 측정 온도(T11,T12)를 적용하여 sin파 함수로 모델링하고, 진폭이 가장 작은 최적의 sin파 함수로 산출한 다음, 상기 최적의 sin파 함수에 시간을 실시간 입력하여 노이즈 제거 필터링하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 필터링부는,
    상기 최적의 sin파 함수를 측정 온도(T(t)), 샘플링 시간(Δt), 주기(NpΔt), 주파수(ω=2π/(NpΔt)), 현재 시간(t)의 변수로 모델링하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    외부의 입력 신호에 따라 상기 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나를 선택하는 판단부와,
    상기 판단부에서 선택된 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나와 목표 온도(T0)를 PID 연산하는 PID 연산부를 포함하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어장치.
  9. 실리콘 융액이 담긴 도가니를 가열하는 히터의 작동을 제어하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법에 있어서,
    상기 도가니에 담긴 실리콘 융액의 온도를 측정하고, 측정된 실리콘 융액의 온도를 가공하는 입력 단계;
    상기 입력 단계의 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나와 설정된 목표 온도(T0)를 PID 연산하여 상기 히터의 출력으로 산출하는 제어 단계; 및
    상기 제어 단계에서 산출된 히터의 출력을 상기 히터로 입력하는 출력 단계;를 포함하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 입력 단계는,
    상기 도가니에 담긴 실리콘 융액의 온도를 적어도 두 군데서 측정하는 온도측정 과정과,
    상기 온도측정 과정에서 측정된 적어도 두 개의 측정 온도(T11,T12)를 노이즈 제거 필터링 및 산술평균하여 가공 온도(T2)로 가공하는 필터링 과정을 포함하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 온도측정 과정은,
    상기 도가니가 내부 공간에 수용되는 밀폐형 챔버의 상부 양측에서 각각 비접촉 방식으로 측정되는 포함하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 온도측정 과정은,
    상기 도가니의 실리콘 융액으로부터 성장하는 잉곳의 직경으로부터 10cm 범위 이내에서 온도를 측정하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 필터링 과정은,
    샘플링 시간(Δt) 동안 측정된 상기 측정 온도(T11,T12)를 적용하여 sin파 함수로 모델링하고, 진폭이 가장 작은 최적의 sin파 함수로 산출한 다음, 상기 최적의 sin파 함수에 시간을 실시간 입력하여 노이즈 제거 필터링하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 필터링 과정은,
    상기 최적의 sin파 함수를 측정 온도(T(t)), 샘플링 시간(Δt), 주기(NpΔt), 주파수(ω=2π/(NpΔt)), 현재 시간(t)의 변수로 모델링하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    외부의 입력 신호에 따라 상기 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나를 선택하는 판단 과정과,
    상기 판단 과정에서 선택된 측정 온도(T1)와 가공 온도(T2) 중 하나와 목표 온도(T0)를 PID 연산하는 PID 연산 과정을 포함하는 단결정 잉곳 성장용 온도제어방법.
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