KR20200109008A - 단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장 방법 - Google Patents

단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장 방법 Download PDF

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홍영호
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Abstract

실시 예는 단결정 잉곳의 성장을 위한 용융액을 수용하기 위한 도가니, 단결정 잉곳의 직경을 측정하기 위한 직경 측정부, 도가니를 가열하기 위한 히터, 단결정 잉곳을 인상시키기 위한 승강부, 및 히터의 온도, 및 승강부가 단결정 잉곳을 인상시키는 인상 속도를 제어하기 위한 제어부를 포함하고, 제어부는 기설정된 범위 내에서 인상 속도를 제어하고, 기설정된 범위는 타겟 인상 속도에서 기준 값을 뺀 것보다가 크거나 같고, 타겟 인상 속도에서 기준 값을 더한 것보다 작거나 같고, 기준 값은 0.003[mm/min]보다 크고 0.005[mm/min]보다 작거나 같다.

Description

단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장 방법{An apparatus for growing a crystal ingot and a method for growing the crystal ingot using the same}
실시 예는 단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장 방법에 관한 것이다.
단결을 성장시키는 방법인 초크랄스키(CZ:CZochralski)법에 따르면, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 투입하고, 흑연 발열체를 가열하여 다결정 실리콘을 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 씨드(seed) 결정을 침지시킨다. 그리고 씨드 결정을 회전시키면서 인상시킴으로써 용융액 계면에서 결정화가 일어나도록 함으로써, 단결정 실리콘 잉곳을 육성시킬 수 있다. 이후, 육성된 단결정 실리콘 잉곳에 대하여 슬라이싱(slicing) 공정, 에칭(etching) 공정 및 연마(polishing) 공정을 수행하여 웨이퍼 형태로 만들 수 있다.
일반적으로 산소는 용융액의 고액 계면을 통하여 성장하는 단결정 잉곳으로 유입될 수 있고, 자기장, 도가니의 회전 속도, 가스의 압력, 핫 존(HOT ZONE) 중 적어도 하나의 제어를 통하여 웨이퍼의 반경 방향의 산소 농도가 제어될 수 있다.
용융액은 고체보다 자유도가 높아, 파라미터 및 주위 환경에 민감하게 영향을 받을 수 있고, 이러한 영향에 기인하여 용융액에 용해된 산소 농도 구배가 달라질 수 있고, 단결정 잉곳으로 유입되는 산소 농도의 차이가 발생될 수 있다. 단결정 잉곳으로 유입되는 산소 농도의 차이로 인하여 단결정 잉곳의 바디(body)의 성장 길이에 따른 단결정 잉곳의 반경 방향으로의 산소 농도 분포가 달라질 수 있다. 예컨대, 반경 방향으로의 산소 농도의 분포의 균일도는 바디의 후반부로 갈수록 나빠질 수 있다.
실시 예는 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 균일도를 향상시킬 수 있는 단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장 방법을 제공한다.
실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치는 단결정 잉곳의 성장을 위한 용융액을 수용하기 위한 도가니; 상기 단결정 잉곳의 직경을 측정하기 위한 직경 측정부; 상기 도가니를 가열하기 위한 히터; 상기 단결정 잉곳을 인상시키기 위한 승강부; 및 상기 히터의 온도, 및 상기 승강부가 상기 단결정 잉곳을 인상시키는 인상 속도를 제어하기 위한 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 기설정된 범위 내에서 상기 인상 속도를 제어하고, 상기 기설정된 범위는 타겟 인상 속도에서 기준 값을 뺀 것보다가 크거나 같고, 상기 타겟 인상 속도에서 상기 기준 값을 더한 것보다 작거나 같고, 상기 기준 값은 0.003[mm/min]보다 크고 0.005[mm/min]보다 작거나 같다.
상기 제어부는 상기 단결정 잉곳의 성장시 상기 히터의 온도의 변화량이 0 보다 크고 1 [℃/min]보다 작거나 같도록 상기 히터를 제어할 수 있다.
상기 직경 측정부는 상기 단결정 잉곳의 이미지를 센싱한 결과에 따른 제1 신호를 출력하는 이미지 센서; 상기 제1 신호에 포함된 노이즈를 제거하고, 제2 신호를 출력하는 필터부; 및 상기 제2 신호를 디지털 값으로 변환하고 변환된 디지털 값을 상기 제어부로 제공하는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 디지털 값에 기초하여 상기 단결정 잉곳의 직경을 산출하고, 상기 단결정 잉곳의 상기 산출된 직경과 타겟 직경 값을 비교한 결과에 기초하여, 상기 히터의 온도를 자동적으로 제어할 수 있다.
상기 기준 값은 0.005[mm/min]이고, 상기 히터의 온도의 변화량은 0.1(℃/min) ~ 0.3(℃/min)일 수 있다.
실시 예는 도가니에 담긴 용융액으로부터 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 단결정 잉곳성장 방법에 관한 것으로, 상기 용융액의 온도를 제어하기 위한 히터의 온도를 제어하는 온도 제어 단계; 성장되는 상기 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 직경 측정 단계; 및 상기 단결정 잉곳을 인상시키기 위한 인상 속도를 제어하는 인상 속도 제어 단계를 포함하고, 상기 인상 속도 제어 단계에서는 기설정된 범위 내에서 상기 인상 속도를 제어하고, 상기 기설정된 범위는 타겟 인상 속도에서 기준 값을 뺀 것보다가 크거나 같고, 상기 타겟 인상 속도에서 상기 기준 값을 더한 것보다 작거나 같고, 상기 기준 값은 0.003[mm/min]보다 크고 0.005[mm/min]보다 작거나 같을 수 있다.
상기 온도 제어 단계는 상기 히터의 온도의 변화량이 0 보다 크고 1 [℃/min]보다 작거나 같도록 상기 히터를 제어할 수 있다.
상기 직경 측정 단계는 상기 단결정 잉곳의 이미지를 센싱한 결과에 따른 제1 신호를 생성하고, 상기 제1 신호에 포함된 노이즈를 제거하여 제2 신호를 출력하고, 상기 제2 신호를 디지털 값으로 변환하여, 상기 단결정 잉곳의 직경을 산출하고, 상기 온도를 제어하는 단계는 상기 단결정 잉곳의 상기 산출된 직경과 타겟 직경 값을 비교한 결과에 기초하여 상기 히터의 온도를 자동적으로 제어할 수 있다.
실시 예는 단결정 잉곳 또는 이로부터 제조된 웨이퍼의 반경 방향의 산소 농도의 균일성을 향상시키고 및 산소 농도의 산포를 개선할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 나타낸다.
도 2는 도 1의 직경 측정부의 일 실시 예를 나타낸다.
도 3a는 바디 공정 중에서 제1 구간에 대한 제1 경우와 제2 구간에 대한 제2 경우의 히터의 파워 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 3b는 바디 공정에 대한 제3 경우와 바디 공정에 대한 제4 경우의 히터의 파워의 분포를 나타낸다.
도 4는 제5 경우와 제6 경우에 대한 단결정 잉곳의 직경에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 5는 실시 예에 따른 타겟 인상 속도를 나타낸다.
도 6은 평균 인상 속도에 따른 각 경우의 합격률을 나타낸다.
도 7은 제7 경우와 제8 경우의 단결정 잉곳의 인상 속도의 산포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 8은 일반적인 단결정 잉곳의 반경 방향의 산소 농도를 측정한 결과이다.
도 9a는 실시 예에 따른 바디의 제1 부분에 대한 반경 방향으로의 산소 농도의 편차에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 9b는 실시 예에 따른 바디의 제2 부분에 대한 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 나타낸다.
도 9c는 실시 예에 따른 바디의 제3 부분에 대한 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 나타낸다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 개의 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
또한, 이하에서 이용되는 “제1” 및 “제2”, “상/상부/위” 및 “하/하부/아래” 등과 같은 관계적 용어들은 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다. 또한 동일한 참조 번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다.
또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다", 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치(100)를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 도가니(crucible, 120), 히터(130), 승강부(140), 직경 측정부(170), 및 제어부(160)를 포함할 수 있다.
단결정 잉곳 성장 장치(100)는 챔버(chamber, 110), 도가니 지지부(121), 케이블(152), 열 차폐부(150) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
챔버(110)는 반도체 등의 전자 부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼용 단결정(single crystal) 잉곳(ingot, 18)의 성장이 이루어지는 공간으로, 직경 측정부(170)가 챔버(110) 내부에 위치하는 단결정 잉곳(18)의 직경을 측정하기 위한 적어도 하나의 창(window, 115) 또는 뷰 포트(view port)를 구비할 수 있다.
도가니(120)는 챔버(110)의 내부에 설치되며, 고온으로 용융된 실리콘 용융액(19, melt)(또는 멜트)을 수용할 수 있고, 그 재질은 석영일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 흑연 도가니 내측에 석영 도가니가 배치된 형태로 구현될 수 있다.
도가니 지지부(121)는 도가니(120) 아래에 배치되며, 도가니(120)를 지지할 수 있다.
도 1에는 도시되지 않았지만, 도가니 지지부(121)는 도가니(120)의 외주면을 감싸며 도가니(120)를 지지할 수 있는 도가니 지지대를 포함할 수 있고, 도가니 지지대의 재질은 흑연일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도가니 지지부(121)는 도가니(120)를 회전시킬 수 있고, 도가니(120)를 상승 또는 하강시킬 수 있다.
히터(130)는 도가니(120)의 외측면 주위를 둘러싸도록 챔버(110) 내부에 설치될 수 있고, 도가니(120)를 가열할 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 용융액(19)으로 만들 수 있다. 제어부(160)는 히터(130)의 작동을 제어하여 용융액(melt)의 온도를 제어할 수 있다.
제어부(160)는 히터 제어 신호(HP)에 의하여 히터(130)를 제어함으로써, 도가니(120) 내의 용융액(19)의 온도를 제어할 수 있다.
도 1에는 도시되지 않았지만, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 히터(130)의 외곽의 챔버(110) 내에 설치되고, 히터(130)로부터 발생하는 열이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있는 단열 수단 또는 단열 부재를 더 포함할 수 있다.
승강부(140)은 케이블(152)을 상승(또는 인상(引上)) 또는 하강할 수 있도록 도가니(120) 상부에 설치될 수 있다. 케이블(152)의 일단에는 시드 척(seed chuck, 미도시)이 연결될 수 있고, 시드 척에는 씨드(25) 또는 종자 결정이 결합될 수 있다.
제어부(160)는 디핑 공정에서, 승강부(140)의 작동을 제어하여 씨드(25)가 용융액(19) 표면(타겟 영역)을 향하여 이동(예컨대, 하강)하는 것을 제어할 수 있다. 씨드(25)는 넥킹 공정을 위하여 도가니(120) 내의 실리콘 용융액(19)을 향하여 이동(예컨대, 하강)될 수 있고, 용융액(19)에 디핑(dipping)될 수 있다.
제어부(160)는 디핑 공정 이후의 단결정 잉곳의 성장 공정, 예컨대, 쇼울더링, 바디, 또는 테일 공정에서 승강부(140)의 작동을 제어하여 케이블(152)에 연결된 성장하는 단결정 잉곳의 인상 속도를 제어할 수 있다.
디핑 공정 이후의 공정들에서 도가니 지지부(121)에 의하여 도가니(120)가 회전 운동을 하고, 승강부(140)에 의하여 케이블(152)이 상승될 수 있고, 케이블(152)이 상승됨에 따라 도가니(120)에 수용된 실리콘 용융액(19)으로부터 실리콘 단결정이 성장될 수 있다.
열 차폐부(150)는 실리콘 용융액(19)으로부터 성장되는 실리콘 단결정 잉곳으로 복사되는 열을 차단하여 단결정 잉곳을 냉각시키고, 히터(130)로부터 발생하는 불순물(예컨대, CO gas)이 성장하는 실리콘 단결정 잉곳으로 침투하는 것을 방지하기 위하여 도가니 상부에 배치될 수 있다.
제어부(160)는 승강부(140)의 동작을 제어하기 위한 승강 제어 신호(PC)를 승강부(140)에 제공할 수 있다. 승강 제어 신호(PC)에 기초하여 승강부(140)의 인상 속도(pulling speed, P/S)가 제어될 수 있다.
또한 제어부(160)는 히터(130)의 동작을 제어하기 위한 히터 제어 신호(HP)를 히터(130)에 제공할 수 있다. 히터 제어 신호(HP)에 의하여 히터(130)가 발생하는 열량 또는 히터(130)의 온도가 제어될 수 있다. 예컨대, HP는 히터(130)에 제공되는 파워(power)일 수 있다. 히터(130)에 의하여 발생되는 열에 의하여 도가니(120) 내의 용융액(19)의 온도가 상승 또는 하강하도록 제어될 수 있다.
제어부(160)는 도가니 지지부(121)의 구동 또는 동작을 제어하여 도가니(120)의 회전 및 도가니(120)의 상승 또는 하강을 제어할 수 있다.
직경 측정부(170)는 챔버(110) 밖에 배치되고, 창(115)을 통하여 챔버(110) 내부에 위치하는 단결정 잉곳(18)의 직경을 측정할 수 있고, 측정된 결과에 따른 단결정 잉곳(18)의 직경에 대한 정보(SD)를 제어부(160)에 전송할 수 있다.
예컨대, 제어부(160)는 직경 측정부(170)로부터 제공되는 단결정 잉곳(180)의 직경에 대한 정보(SD)에 기초하여 단결정 잉곳의 직경을 산출 또는 획득할 수 있다.
직경 측정부(170)는 고온계(pyrometer)의 센서를 포함할 수 있다.
예컨대, 직경 측정부(170)는 광전변환을 하기 위한 CCD(Charged Coupled Device) 촬상 소자(image pickup device), CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 촬상 소자, 영상 카메라, 또는 열 화상 카메라를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 도 1의 직경 측정부(170)의 일 실시 예를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 직경 측정부(170)는 이미지 센싱부(210), 필터부(220), 및 아날로그-디지털 변환기(ADC, 230)를 포함할 수 있다.
이미지 센싱부(210)는 이미지를 센싱하기 위한 이미지 센서를 포함하며, 이미지 센싱한 결과에 따른 아날로그 신호인 제1 신호(IG)를 출력한다.
필터부(220)는 제1 신호(IG)에 포함된 노이즈를 제거하는 필터를 포함하며, 노이즈가 제거된 아날로그 신호인 제2 신호(FG)를 출력한다.
예컨대, 필터부(220)는 저역 통과 필터(Low pass filter)를 포함할 수 있으며, 센싱 신호(IG)에 포함된 높은 대역의 노이즈를 선별적으로 제거할 수 있다.
이때 높은 대역의 노이즈는 단결정 특성에 기인하는 스파이크 피크(spike peak)를 갖는 신호일 수 있다.
아날로그-디지털 변환기(230)는 필터부(220)로부터 출력되는 제2 신호(FG)를 디지털 값(SD)으로 변환하고, 변환된 디지털 값(SD, 또는 디지털 값에 기초하여 생성되는 디지털 코드)을 제어부(160)로 전송할 수 있다.
필터부(220)에 의하여 제1 신호(IG)에 포함된 노이즈가 제거되기 때문에, 아날로그-디지털 변환기(230)는 단결정 잉곳의 직경에 대한 보다 정밀하고 정확한 디지털 값(SD, 또는 디지털 코드)를 생성할 수 있다.
제어부(160)는 단결정 잉곳의 직경에 대한 정확한 디지털 값을 이용하여 히터(130)의 온도(또는 용융액(19))의 온도 보정을 수행할 수 있고, 이로 인하여 실시 예는 후술하는 바와 같이 용융액(19)의 고액 계면을 안정화시킬 수 있어, 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 감소시킬 수 있다.
실시 예에 따른 단결정 성장 공정 단계는 넥(neck)을 성장시키는 넥킹 공정, 쇼울더(shoulder)를 성장시키는 쇼울더링 공정, 바디(body)를 성장시키는 바디 공정, 및 테일(tail)을 성장시키는 테일링 공정을 수행한다.
실시 예에 따른 단결정 성장 공정 단계는 넥킹 공정 이전에 도가니에 원료 물질, 예컨대, 실리콘을 투입하고, 투입된 원료 물질을 녹이는 용융 공정을 포함할 수 있다.
예컨대, 다결정 실리콘을 도가니(120)에 충전시킨 후 히터(130)에 의하여 다결정 실리콘의 융점(예컨대, 약 1420℃) 이상으로 도가니(120)를 가열하여 도가니(120) 내에 용융액(19)을 형성할 수 있다.
넥킹 공정에서는, 용융액(19)의 표면 중심부에 종자 결정(25)을 접촉 및 침지(dipped)시키고, 도가니 지지부(121)를 회전시킴과 동시에 종자 결정(25)을 인상함으로써, 넥(neck)을 형성할 수 있다.
예컨대, 실리콘 용융액(19)의 일부가 고화되면서 종자 결정(25)이 인상됨에 따라 종자 결정(25)보다 큰 직경을 갖는 연속적인 굵은 마디들이 형성될 수 있는데, 이를 넥(neck)이라 할 수 있다.
쇼울더링 공정에서는, 넥 성장 이후에 단결정의 직경을 점차 증가시켜 목표 직경까지 단결정을 성장시킬 수 있다. 이렇게 성장된 부분을 쇼울더(shoulder)라 할 수 있다.
바디 공정에서는, 원하는 목표 직경을 갖는 쇼울더의 성장이 완료된 후에 목표 직경을 갖도록 길이 방향으로 단결정을 성장시킬 수 있으며, 이렇게 성장시킨 부분을 바디(body)라 할 수 있다. 바디 공정에서는 도펀트, 예컨대, 보론(boron) 등이 첨가될 수 있다.
테일링 공정에서는, 원하는 길이만큼 바디를 성장한 이후에 도가니(120) 내의 용융액(19)으로부터 성장된 단결정을 분리할 수 있다.
실시 예에 따른 단결정 성장 장치 및 성장 방법은 온도 세분화 동작(또는 단계), 필터부(220)를 포함한 직경 측정부에 의한 직경 측정 동작(또는 단계), 직경 측정에 의한 자동 온도 보정 동작(또는 단계), 및 기설정된 범위 내에서의 인상 속도의 제어 동작(또는 단계)를 통하여, 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 감소시킬 수 있다.
먼저 실시 예에 따른 온도 세분화 동작(또는 단계)에 대하여 설명한다.
제어부(160)는 상술한 단결정 성장 공정 단계(예컨대, 쇼율더링 공정 또는/및 바디 공정)에서 히터 제어 신호(HP)에 의하여 히터(130)의 온도(또는 용융액(19)의 온도)를 변화시킬 수 있으며, 이때 히터(130)의 온도(또는 용융액(19)의 온도)의 변화량(℃/min)은 0보다 크고 1보다 작을 수 있다. 이때 min은 분(minute)일 수 있다.
예컨대, 히터(130)의 온도(또는 용융액(19)의 온도)의 변화량(℃/min)은 0.1(℃/min) ~ 0.3(℃/min)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 제어부(160)는 히터(130)의 온도(용융액(19)의 온도)가 제1 온도에서 제2 온도로 변화되도록 히터(130)를 제어할 수 있으며, 제1 온도와 제2 온도의 1분당 변화량은 0보다 크고 1보다 작을 수 있다.
만약 정수 단위로 히터(130)의 온도(또는 용융액(19)의 온도)를 변화시킬 경우에는 융융액(19)의 온도 변화량이 커서, 용융액(19)이 급격하여 가열되거나 또는 냉각될 수 있다. 이로 인하여 용융액(19)의 고액 계면이 불안정화되어, 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차가 증가될 수 있다.
실시 예에서는 히터(130)의 온도(또는 용융액(19)의 온도)를 소수 단위로 변화시킴으로써, 용융액(19)의 고액 계면을 안정화시키고, 이로 인하여 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 줄일 수 있다.
또한 히터(130)의 파워에 노이즈의 포함여부에 따라서 용융액(19)이 급격하여 가열되거나 또는 냉각될 수 있고, 이로 인하여 용융액(19)의 고액 계면이 불안정화되어, 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차가 증가될 수 있다.
도 3a는 바디 공정 중에서 제1 구간(A1)에 대한 제1 경우(CASE1)와 제2 구간(A2)에 대한 제2 경우(CASE2)의 히터(130)의 파워 분포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 3a에서 X축은 바디의 길이를 나타내고, Y축은 히터(130)에 제공되는 파워를 나타낸다.
제1 경우(CASE1)는 히터(130)의 파워의 노이즈를 제거하지 않았을 때, 바디 공정의 제1 구간(A1)에서의 히터(130)의 파워 분포를 나타낸다.
제2 경우(CASE2)는 히터(130)의 파워의 노이즈를 제거했을 때, 바디 공정의 제2 구간(A2)에서의 히터(130)의 파워 분포를 나타낸다.
제1 구간(A1)은 바디 공정의 시작에서 바디의 길이가 제1 길이(L1)일 때까지의 구간일 수 있고, 제2 구간(A2)은 바디의 길이가 제1 길이(L1)에서 바디 공정 완료시까지의 구간일 수 있다.
제2 구간(A2)에서의 히터(130)의 파워의 산포는 제1 구간(A1)에서 히터(130)의 파워의 산포보다 작다. 히터(130)의 파워의 산포가 크다는 것은 용융액의 온도 변화가 심하다는 것을 의미할 수 있다.
즉 제1 구간(A1)보다 제2 구간(A2)에서 용융액의 온도 변화가 작다는 것을 의미할 수 있으며, 제2 구간(A2)에서 용융액의 온도 변화가 작기 때문에, 제2 구간(A2)에서는 단결정으로 유입되는 산소의 균일도가 향상될 수 있고, 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 균일도가 향상될 수 있다.
도 3b는 바디 공정에 대한 제3 경우(CASE3)와 바디 공정에 대한 제4 경우(CASE4)의 히터(130)의 파워의 분포를 나타낸다. 도 3b에서 X축은 바디의 길이를 나타내고, Y축은 히터(130)에 제공되는 파워를 나타낸다.
제3 경우(CASE3)는 바디 공정시 히터(130)에 제공되는 파워에서 노이즈를 제거하지 않은 경우를 나타내고, 제4 경우(CASE4)는 바디 공정시 히터(130)에 제공되는 파워에서 노이즈를 제거한 경우를 나타낸다.
도 3b를 참조하면, 제4 경우(CASE4)의 히터(130)의 파워의 산포는 제3 경우(CASE3)의 히터(130)의 파워의 산포보다 작다. 제3 경우와 비교할 때, 제4 경우에서는 용융액의 온도 변화가 작기 때문에, 바디로 유입되는 산소의 균일도가 향상될 수 있고, 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 균일도가 향상될 수 있다.
다음으로 필터부(220)를 포함한 직경 측정부에 의한 직경 측정 동작(또는 단계)을 설명한다.
필터부(220)에 의하여 제1 신호(IG)에 포함된 노이즈가 제거되기 때문에 단결정 잉곳의 직경에 대한 보다 정밀하고 정확한 디지털 값(SD, 또는 디지털 코드)이 획득될 수 있다.
그리고 단결정 잉곳의 직경에 대한 정확한 디지털 값을 이용하여 히터(130)의 온도(또는 용융액(19))의 온도 보정이 수행될 수 있고, 이로 인하여 실시 예는 용융액(19)의 고액 계면을 안정화시킬 수 있어, 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 감소시킬 수 있다.
다음으로 실시 예에 따른 직경 측정에 의한 자동 온도 보정 동작(또는 단계)을 설명한다.
쇼울더링 공정 및/또는 바디 공정에서, 제어부(160)는 직경 측정부(170)에 의하여 제공되는 정보(예컨대, 디지털 값 또는 디지털 코드)에 기초하여 산출된 쇼율더(또는/및 바디)의 직경과 타겟 직경 값을 비교하고, 비교한 결과에 기초하여 히터(130)의 온도를 자동적으로 제어할 수 있다. 이때 히터(130)의 온도의 변화량은 온도 세분화 동작(또는 단계)에서 설명한 바에 기초할 수 있다.
예컨대, 제어부(160)는 산출된 쇼율더(또는/및 바디)의 직경과 타겟 직경 값의 차이(또는 직경 편차)를 정량화한 룩-업 테이블(look-up table)을 포함할 수 있다.
예컨대, 룩-업 테이블에는 산출된 쇼율더(또는/및 바디)의 직경과 타겟 직경 값의 차이(또는 직경 편차)에 대응하는 온도 보정 값(또는 온도 보정량)이 저장될 수 있다.
또는 예컨대, 룩-업 테이블에는 산출된 쇼율더(또는/및 바디)의 직경과 타겟 직경 값의 차이(또는 직경 편차)에 대응하는 히터(130)의 히터 제어 신호(HP)의 보정 값이 저장될 수 있다.
일반적으로 작업자가 성장되는 단결정 잉곳의 직경을 육안으로 판단하여 직관에 따라 용융액(19)의 온도를 제어할 경우에는 작업자별 온도 보정 편차가 발생하여 공정의 반복성이 없을 뿐 아니라 온도 가감에 따른 온도의 변동이 발생될 수 있다.
반면에 실시 예는 성장되는 단결정 잉곳의 직경과 타겟 직경 값을 비교 판단한 결과에 기초하여 자동적이고 정량적으로 용융액의 온도를 보정하기 때문에, 온도 보정 공정의 반복성을 확보할 수 있고, 이로 인하여 용융액(19)의 고액 계면을 안정화시킬 수 있어, 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 감소시킬 수 있다.
도 4는 제5 경우(CASE5)와 제6 경우(CASE6)에 대한 단결정 잉곳의 직경에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 4에서 X축은 측정된 직경 값과 타겟 직경 값 간의 편차를 나타내고, Y축은 직경 측정부(170)로 감지되는 빛의 세기(intensity)를 나타낸다. 예컨대, 측정된 직경 값과 타겟 직경 값이 동일할 때, X축의 값은 0일 수 있다.
제5 경우(CASE5)는 필터부(220)를 적용하지 않은 상태에서 측정된 단결정 잉곳의 직경에 대한 산포를 나타내고, 제6 경우(CASE6)는 필터부(220)를 적용한 상태에서 측정된 단결정 잉곳의 직경에 산포를 나타낸다.
직경 측정부(170)는 단결정 잉곳을 촬영한 결과에 따른 광 신호를 감지할 수 있으며, 광 신호에는 단결정 노드(node)에 의한 노이즈가 포함될 수 있고, 이러한 노이즈로 인하여 직경 측정부(170)에 의하여 측정된 직경 값은 타겟 직경 값을 기준으로 일정한 산포를 가질 수 있다.
제6 경우(CASE6)는 필터부(220)에 의하여 단결정 노드에 기인하는 노이즈가 제거되기 때문에, 제5 경우에 비하여 측정된 직경 값의 산포가 향상될 수 있다. 이와 같이 단결정 잉곳의 측정된 직경 값의 산포가 향상된다는 것은 용융액(19)의 고액 계면을 안정화시킬 수 있어, 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 감소시킬 수 있다.
다음으로 실시 예에 따른 인상 속도의 제어 동작(또는 단계)을 설명한다.
제어부(160)는 바디 공정을 위한 타겟 인상 속도(Target Pulling Speed, TPS)를 획득할 수 있다. 이때 타겟 인상 속도(TPS)는 바디 공정에서 성장되는 단결정 잉곳의 길이에 따라서 기설정된 값을 갖도록 설정될 수 있다. 예컨대, 타겟 인상 속도는 바디의 길이에 따라 기설정된 값을 갖는 그래프로 표현될 수 있다.
타겟 인상 속도(TPS)는 제어부(160)에 저장되거나 또는 외부로부터 제공될 수 있다.
제어부(160)는 바디 공정에서 단결정 잉곳의 인상 속도를 기설정된 범위 내로 제어할 수 있다. 예컨대, 기설정된 범위는 타겟 인상 속도에서 기준 값을 뺀 값보다 크거나 같고, 타겟 인상 속도에서 기준 값을 더한 값보다 작거나 같을 수 있다.
예컨대, 기준 값은 0.003[mm/min]보다 크고 0.005[mm/min]보다 작거나 같을 수 있다. 예컨대, 기준 값은 0.005 [mm/min]일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 도 5에서 후술하는 제1 속도 또는 제2 속도에 따라 단결정 잉곳의 인상 속도 범위가 설정될 수도 있다.
도 5는 실시 예에 따른 타겟 인상 속도를 나타낸다.
X축은 단결정 잉곳의 바디의 길이를 나타내고, Y축은 바디의 길이에 따른 단결정 잉곳의 인상 속도(pulling speed)를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 단결정 잉곳의 바디 공정에서, 인상 속도는 기설정된 범위 내에서 제어될 수 있다.
예컨대, 기설정된 범위는 제1 기준 속도(TPS - REF1)보다 크거나 같고 제2 기준 속도(TPS + REF2)보다 작거나 같을 수 있다.
예컨대, 제1 기준 속도는 타겟 인상 속도(TPS)에서 제1 속도(REF1)를 뺀 값일 수 있고, 제2 기준 속도는 타겟 인상 속도(TPS)에서 제2 속도(REF2)를 더한 값일 수 있다.
예컨대, 제1 속도(REF1)는 0.003 [mm/min]보다 크고 0.005 [mm/min]보다 작거나 같을 수 있고, 예컨대, 제2 속도(REF2)는 0.003 [mm/min]보다 크고 0.005보다 작거나 같을 수 있다.
예컨대, 제1 속도(REF1)와 제2 속도(REF2)는 서로 동일할 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 다른 실시 예에서는 양자는 서로 다를 수도 있다. 예컨대, 제1 속도(REF1)와 제2 속도(REF2) 각각은 0.005 [mm/min]일 수 있다.
바디 공정 동안 단결정 잉곳의 인상 속도(PS)를 상기 기설정된 범위(TPS - REF1 ≤ PS ≤ TPS + REF2) 내로 유지함으로써, 성장 계면의 변동에 의한 산소 유입의 변동을 억제할 수 있고, 이로 인하여 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 감소시킬 수 있다.
도 6은 각 경우(REF, f1 내지 f4)의 평균 인상 속도에 대한 합격률을 나타낸다. 도 6에서 평균 인상 속도는 단결정 잉곳의 인상 속도의 기설정된 시간 동안의 평균을 나타낸다.
X축은 단결정 잉곳의 인상 속도의 관리 범위를 설정하기 위한 값을 나타낸다. 예컨대, 인상 속도의 관리 범위는 타겟 인상 속도를 기준으로 ±0.001 ~ ±0.005일 수 있다.
Y축은 각 경우(REF, f1 내지 f4)의 합격률을 나타낸다. 여기서 합격률은 단결정 잉곳의 공정(예컨대, 바디 공정) 중에서 기설정된 시간 동안 단결정 잉곳의 평균 인상 속도가 인상 속도의 관리 범위 내에 속하는 비율을 나타낸다.
예컨대, 기설정된 시간은 기준 시점을 기준으로 전후 100분일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서 기준 시점은 단결정 잉곳(예컨대, 바디 공정) 중의 어느 한 시점일 수 있다.
REF는 실시 예에 따른 온도 세분화 동작, 직경 측정부에 의한 노이즈 제거 동작, 및 자동 온도 보정 동작(또는 단계) 중 어느 것도 적용되지 않은 경우이다.
f1은 실시 예에 따른 직경 측정부(170)에 의한 노이즈 제거가 적용된 경우이다. f2는 실시 예에 따른 온도 세분화 동작을 적용한 경우이다. f3는 실시 예에 따른 온도 세분화 동작 및 히터(120)의 파워에서 노이즈를 제거한 경우이다. f4는 실시 예에 따른 직경 측정에 의한 자동 온도 보정 동작(또는 단계)을 적용한 경우이다.
인상 속도의 관리 범위를 설정하기 위한 값을 0.005[mm/min]으로 설정할 때, REF의 합격률은 약 43.8 %일 수 있고, f1 내지 f4의 합격률은 REF 대비 상승함을 알 수 있다. 또한 f1, f2, f3, f4 순서로 합격률이 향상됨을 알 수 있다. 인상 속도의 관리 범위를 설정하기 위한 값이 작을수록 합격률은 감소할 수 있다.
도 6은 각 경우(f1 내지 f4)가 적용될 때, 합격률을 나타내며, 단결정 잉곳의 실질적인 인상 속도(actual pulling speed)를 도 5에서 설명한 바와 같이 설정할 때에는 합격률은 각 경우(f1 내지 f4)보다 더 향상될 수 있으며, 이로 인하여 용융액의 온도 변화를 더 줄일 수 있고, 바디로 유입되는 산소의 균일도가 더욱 향상될 수 있고, 용융액(19)의 고액 계면을 안정화시킬 수 있어, 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 더욱 감소시킬 수 있다.
도 7은 제7 경우(CASE7)와 제8 경우(CASE8)의 단결정 잉곳의 인상 속도의 산포에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 7에서 X축은 인상 속도와 타겟 인상 속도 간의 편차를 나타내고, Y축은 직경 측정부(170)로 감지되는 빛의 세기(intensity)를 나타낸다. 예컨대, 단결정 잉곳의 실제 인상 속도와 타겟 인상 속도가 동일할 때, X축의 값은 0일 수 있다.
제7 경우는 직경 측정부(170)에 의한 노이즈 제거와 온도 세분화 동작이 적용되지 않은 경우이고, 제8 경우는 직경 측정부(170)에 의한 노이즈 제거와 온도 세분화 동작이 적용된 경우이다.
제7 경우에 비하여 제8 경우는 인상 속도의 산포가 향상될 수 있고, 이로 인하여 용융액의 온도 변화가 작을 수 있고, 바디로 유입되는 산소의 균일도가 향상될 수 있고, 용융액(19)의 고액 계면을 안정화시킬 수 있어, 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 감소시킬 수 있다.
도 8은 일반적인 단결정 잉곳의 반경 방향의 산소 농도를 측정한 결과이다.
용융액의 고액 계면의 프로파일은 도 8에 도시된 산소 농도의 프로파일과 같은 형태로 나타날 수 있다. 여기서 고액 계면은 고체와 액체의 경계면을 말한다. 즉 고액 계면은 고화 또는 응고시 액체에서 고체로 전환되는 경계면을 의미할 수 있다.
또한 단결정 잉곳이 성장함에 따라 고액 계면의 높이의 차이로 인하여 단결정 잉곳의 중심(center)과 에지(edge) 사이에 산소 농도 유입에 시간적 차이가 발생될 수 있고, 이로 인하여 양자 간의 산소 농도의 차이가 발생될 수 있다.
단결정 잉곳의 산소 농도의 균일화를 위하여 고액 계면의 높이를 낮추게 되면 단결정 잉곳의 결정 결함이 발생되어 생산성이 저하될 수 있다.
고액 계면 높이에 따른 산소 유입의 시간차가 웨이퍼 가공시 균일하게 분포되도록 하기 위해서는 단결정 성장시 성장 계면의 안정화가 중요하다. 단결정 성장시 성장 계면의 떨림은 단결정 잉곳의 인상 속도에 영향을 받을 수 있다. 예컨대, 목표 직경에 맞추기 위하여 순간적인 인상 속도의 변화가 클 때에는 성장 계면의 떨림이 발생될 수 있고 이로 인하여 산소 농도의 차이가 클 수 있다.
상술한 바와 같이, 실시 예는 실제 인상 속도의 변화를 기설정된 범위 내로 제어함으로써, 고액 계면의 떨림을 억제하고 고액 계면의 안정화를 이룰 수 있고, 이로 인하여 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 감소시킬 수 있다.
도 9a는 실시 예에 따른 바디의 제1 부분에 대한 반경 방향으로의 산소 농도의 편차에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내고, 도 9b는 실시 예에 따른 바디의 제2 부분에 대한 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 나타내고, 도 9c는 실시 예에 따른 바디의 제3 부분에 대한 반경 방향으로의 산소 농도의 편차를 나타낸다.
바디의 제1 부분은 길이가 200[mm]인 부분일 수 있고, 바디의 제2 부분은 길이가 1000[mm]인 부분일 수 있고, 바디의 제3 부분은 길이가 2000[mm]인 부분일 수 있다. 또한 예컨대, 바디의 직경은 300[mm]일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 바디의 제1 내지 제3 부분들 각각의 반경 방향으로의 편차는 0.1[ppma] 이내일 수 있다. 예컨대, 반경 방향의 산소 농도의 편차는 바디의 제1 내지 제3 부분들 각각의 가장 자리 영역 내의 산소 농도의 최대값과 최소값의 차이일 수 있다. 예컨대, 가장 자리 영역은 단결정 잉곳의 중앙으로부터 132mm ~ 144mm 범위 내인 구간일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
실시 예에 따른 온도 세분화 동작, 필터부를 포함한 직경 측정부에 의한 직경 측정 동작, 직경 측정에 의한 자동 온도 보정 동작, 및 기설정된 범위 내에서의 인상 속도의 제어 동작을 적용한 결과, 실시 예는 성장된 단결정 잉곳 또는 이로부터 제작된 웨이퍼의 반경 방향으로의 산소 농도의 균일성을 향상시킬 수 있다.
단결정 잉곳 성장 장치(100)를 이용한 단결정 잉곳 성장 방법은 도가니(120)에 담긴 용융액(19)으로부터 단결정 잉곳(18)을 성장시키기 위한 단결정 잉곳성장 방법은 용융액(19)의 온도를 제어하기 위한 히터(130)의 온도를 제어하는 온도 제어 단계, 성장되는 단결정 잉곳(18)의 직경을 측정하는 직경 측정 단계, 및 단결정 잉곳을 인상시키기 위한 인상 속도를 제어하는 인상 속도 제어 단계를 포함할 수 있다.
인상 속도 제어 단계에서는 기설정된 범위 내에서 인상 속도를 제어할 수 있고, 기설정된 범위는 타겟 인상 속도(TPS)에서 기준 값을 뺀 것보다가 크거나 같고, 타겟 인상 속도(TPS)에서 기준 값을 더한 것보다 작거나 같을 수 있다.
기준 값은 0.003[mm/min]보다 크고 0.005[mm/min]보다 작거나 같을 수 있다.
또한 온도 제어 단계는 히터(130)의 온도의 변화량이 0 보다 크고 1 [℃/min]보다 작거나 같도록 히터를 제어할 수 있다.
또한 직경 측정 단계는 단결정 잉곳의 이미지를 센싱한 결과에 따른 제1 신호를 생성하고, 제1 신호에 포함된 노이즈를 제거하여 제2 신호를 출력할 수 있고, 제2 신호를 디지털 값으로 변환하여 단결정 잉곳의 직경을 산출할 수 있다.
온도 제어하는 단계는 단결정 잉곳(18)의 산출된 직경과 타겟 직경 값을 비교한 결과에 기초하여 히터의 온도를 자동적으로 제어할 수 있다. 단결정 잉곳 성장 방법은 단결정 잉곳 성장 장치(100)에서 설명한 내용이 적용 또는 유추 적용될 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 단결정 잉곳의 성장을 위한 용융액을 수용하기 위한 도가니;
    상기 단결정 잉곳의 직경을 측정하기 위한 직경 측정부;
    상기 도가니를 가열하기 위한 히터;
    상기 단결정 잉곳을 인상시키기 위한 승강부; 및
    상기 히터의 온도, 및 상기 승강부가 상기 단결정 잉곳을 인상시키는 인상 속도를 제어하기 위한 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    기설정된 범위 내에서 상기 인상 속도를 제어하고, 상기 기설정된 범위는 타겟 인상 속도에서 기준 값을 뺀 것보다가 크거나 같고, 상기 타겟 인상 속도에서 상기 기준 값을 더한 것보다 작거나 같고,
    상기 기준 값은 0.003[mm/min]보다 크고 0.005[mm/min]보다 작거나 같은 단결정 잉곳 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 단결정 잉곳의 성장시 상기 히터의 온도의 변화량이 0 보다 크고 1 [℃/min]보다 작거나 같도록 상기 히터를 제어하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 직경 측정부는,
    상기 단결정 잉곳의 이미지를 센싱한 결과에 따른 제1 신호를 출력하는 이미지 센서;
    상기 제1 신호에 포함된 노이즈를 제거하고, 제2 신호를 출력하는 필터부;
    상기 제2 신호를 디지털 값으로 변환하고 변환된 디지털 값을 상기 제어부로 제공하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 디지털 값에 기초하여 상기 단결정 잉곳의 직경을 산출하고, 상기 단결정 잉곳의 상기 산출된 직경과 타겟 직경 값을 비교한 결과에 기초하여, 상기 히터의 온도를 자동적으로 제어하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 기준 값은 0.005[mm/min]이고,
    상기 히터의 온도의 변화량은 0.1(℃/min) ~ 0.3(℃/min)인 단결정 잉곳 성장 장치.
  6. 도가니에 담긴 용융액으로부터 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 단결정 잉곳성장 방법에 있어서,
    상기 용융액의 온도를 제어하기 위한 히터의 온도를 제어하는 온도 제어 단계;
    성장되는 상기 단결정 잉곳의 직경을 측정하는 직경 측정 단계; 및
    상기 단결정 잉곳을 인상시키기 위한 인상 속도를 제어하는 인상 속도 제어 단계를 포함하고,
    상기 인상 속도 제어 단계에서는 기설정된 범위 내에서 상기 인상 속도를 제어하고, 상기 기설정된 범위는 타겟 인상 속도에서 기준 값을 뺀 것보다가 크거나 같고, 상기 타겟 인상 속도에서 상기 기준 값을 더한 것보다 작거나 같고, 상기 기준 값은 0.003[mm/min]보다 크고 0.005[mm/min]보다 작거나 같은 단결정 잉곳 성장 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 온도 제어 단계는,
    상기 히터의 온도의 변화량이 0 보다 크고 1 [℃/min]보다 작거나 같도록 상기 히터를 제어하는 단결정 잉곳 성장 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 직경 측정 단계는,
    상기 단결정 잉곳의 이미지를 센싱한 결과에 따른 제1 신호를 생성하고, 상기 제1 신호에 포함된 노이즈를 제거하여 제2 신호를 출력하고, 상기 제2 신호를 디지털 값으로 변환하여, 상기 단결정 잉곳의 직경을 산출하고,
    상기 온도를 제어하는 단계는,
    상기 단결정 잉곳의 상기 산출된 직경과 타겟 직경 값을 비교한 결과에 기초하여 상기 히터의 온도를 자동적으로 제어하는 단결정 잉곳 성장 방법.
KR1020190027934A 2019-03-12 2019-03-12 단결정 잉곳 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 잉곳 성장 방법 KR20200109008A (ko)

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