KR20220110557A - 반도체 단결정 성장 용 온도 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체 단결정 성장 용 온도 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 상기 시스템은, 고체-액체 경계면에 성장하는 결정봉의 에지 라인의 이미지를 캡쳐하여 상기 경계면의 상기 에지 라인의 폭을 결정하는 이미지 수집 장치; 도가니를 가열하는 가열 장치; 및 상기 가열 장치의 가열 전력을 제어하는 온도 제어 장치; 를 포함하며, 상기 온도 제어 장치는 상기 에지 라인의 폭에 따라 상기 가열 장치에 대해 전력 제어를 진행한다. 본 발명의 온도 제어 시스템 및 방법에 따르면, 성장한 반도체 단결정의 결함을 현저히 감소시키고, 생산 비용을 낮추며, 생산 효율 등을 향상시킬 수 있다.

Description

반도체 단결정 성장 용 온도 제어 시스템 및 방법
본 출원은 반도체 단결정 성장 기술에 관한 것으로, 특히 반도체 단결정 성장 용 온도 제어의 시스템 및 방법에 관한 것이다.
쵸크랄스키 방법은 반도체 단결정을 성장시키는 주요 방법이다. 도1은 전형적인 쵸크랄스키 단결정로의 예시도이며, 주로 도가니, 가열 어셈블리, 리프팅 로프, 관찰창 및 결정 용융액 등을 포함한다. 단결정 실리콘을 예로 들면, 단결정 실리콘봉의 성장 과정은 다음과 같다. 도1에서 도시된 바와 같은 쵸크랄스키 단결정로에서, 먼저 실리콘 용액이 담긴 도가니에 비균일 결정핵으로서 시드 결정을 투입하고, 그 다음 가열 어샘블리로 온도장을 제어하며, 리프팅 로프로 시드 결정을 회전시키면서 천천히 들어올림으로써, 결정 방향이 시드 결정과 일치한 반도체 단결정봉을 성장시킨다. 여기서, 결정 방향은 일반적으로 <100>, <110>, <111> 방향이고, 온도장에 대한 제어는 반도체 단결정의 성장에 아주 중요하다.
반도체 소자가 점점 소형화됨에 따라, 반도체 웨이퍼에 대한 품질 요구도 점점 높아가고 있으며, 특히 웨이퍼의 표면 결함, 평탄도 및 표면체 금속 불순물에 대한 요구도 계속 높아가고 있다. 따라서, 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도를 적합한 범위내로 제어하는 것이 결정봉의 성장 질량에 밀접하게 관련되므로 점점 더 중요해지고 있다. 최근, 쵸크랄스키 방법으로 반도체 단결정을 성장시키는 과정에서, 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도가 성장 단결정봉의 에지 라인의 폭과 관련됨을 연구해냈다. 예시로, 도2는 <100> 결정 방향의 결정봉의 단면도를 도시하고 있다. 도2에서, 4개의 에지 라인이 결정체의 <110>방향에 놓임을 관찰할 수 있으며, 또한 스톡마이어(stockmeier) 등은 <100> 결정 방향의 성장 결정봉의 에지 라인의 폭과 고체-액체 경계면의 축방향 온도의 경사도 사이의 관계[1]를 제시하였다. 이외, 기타 결정 방향으로 성장된 결정봉의 에지 라인의 경우, 성장 결정봉의 에지 라인이 서로 다른 위치 및 방향에 놓이지만, 에지 라인 폭과 고체-액체 경계면의 축방향 온도의 경사도 사이에 여전히 대응 관계가 존재한다. 하지만, 아직 고체-액체 경계면의 축방향 온도의 경사도를 정확하게 판단하고 효과적으로 제어하지 못하고 있다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 반도체 단결정 성장 용 온도 제어 시스템 및 방법을 제공한다. 이에, 본 발명은 다음과 같은 기술방안을 적용한다.
본 발명은, 고체-액체 경계면에 성장하는 결정봉의 에지 라인의 이미지를 캡쳐하여 상기 경계면의 상기 에지 라인의 폭을 결정하는 이미지 수집 장치; 도가니를 가열하는 가열 장치; 및 상기 가열 장치의 가열 전력에 대해 제어하는 온도 제어 장치; 를 포함하며, 상기 온도 제어 장치는 상기 에지 라인의 폭에 따라 상기 가열 장치를 제어하는 반도체 단결정 성장 용 온도 제어 시스템을 제공한다.
본 발명은, 이미지 수집 장치로 고체-액체 경계면에 성장하는 결정봉의 에지 라인의 이미지를 캡쳐하는 단계; 캡쳐한 이미지에 따라 상기 에지 라인의 폭을 결정하는 단계; 를 포함하며, 상기 에지 라인의 폭에 따라 도가니를 가열하는 반도체 단결정 성장 용 온도 제어 방법을 제공한다.
도1은 전형적인 쵸크랄스키 단결정로의 예시도이다.
도2는 <100> 결정 방향의 결정봉의 단면도를 도시한다.
도3(a)는 성장 중의 반도체 단결정의 2D 이미지이고, 도3(b)는 도3(a)의 이미지로부터 추출한 고체-액체 경계면의 2D 이미지이다.
도4는 본 발명의 실시예에 따른 고체-액체 경계면의 2D 이미지를 처리하여 에지 라인의 대응 위치와 폭을 예측하는 원리도를 도시한다.
도5는 본 발명의 실시예에 따른 <100> 결정 방향의 에지 라인의 폭과 경계면의 축방향 온도의 경사도 사이의 관계를 나타내는 곡선도이다.
도6은 본 발명의 실시예에 따른 고체-액체 경계면의 축방향 온도의 경사도를 제어하는 가열 장치의 예시도를 도시한다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 계단식 선행 간극 가열법에 사용되는 가열기에 인가되는 계단식 가열 전력을 도시한다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명하며, 도면과 실시예는 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 한정적인 의미로 해석해서는 안된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 성장 중의 결정체 에지 라인의 폭을 판단하기 위해, 우선 이에 대해 촬영을 진행해야 한다. 카메라의 이미지 획득은 외부에 의해 트리거하는 것으로 설정할 수 있다. 휘도가 너무 높은 것과 외부 광원의 간섭을 방지하기 위해, 카메라 렌즈 외부에 IR 대역통과 필터를 설치할 수 있다. 도3(a)는 카메라를 이용하여 촬영한 성장 중의 반도체 단결정의 2D 이미지이다. 바람직하게는, 상기 카메라는 관찰창에 놓고 성장 중의 결정봉에 대해 촬영을 진행할 수 있다. 일 실시예에서, 카메라는 듀얼 라인 스캔 카메라 또는 기타 임의의 고해상도 카메라를 사용할 수 있다. 다른 일 실시예에 따르면, 성장 결정봉의 직경을 획득할 수 있는 경우, 단일 라인 스캔 카메라를 사용할 수 있으며, 이는 성장 결정봉의 직경 및 결정봉의 실시간 회전속도를 결합하여 에지 라인의 폭을 판단할 수 있기 때문이다. 도3(a)에서와 같이, 시드 결정이 끊임없이 회전되어 위로 당겨지는 동시에, 용융체 표면으로부터 반도체 결정봉이 성장하는데, 여기서 화살표가 가리키는 위치는 에지 라인에 대응하는 위치이다. 도3(b)는 도3(a)의 이미지로 부터 추출한 고체-액체 경계면의 대응되는 2D 이미지이다. 도3(b)에서와 같이, 바닥의 하얀색 부분은 고체-액체 경계면의 이미지이고, 이는 촬영 각도에 의해 대체적으로 호형으로 보이며, 또한, 에지 라인 위치의 고체-액체 경계면의 곡율은 다소 다름을 보아낼 수 있다. 여기서, 도3(b)에 도시되는 고체-액체 경계면의 2D 이미지는 더 절단되어 처리와 계산을 간략화할 수 있지만, 적어도 에지 라인 위치와 그 부근의 영역을 포함해야 한다.
고체-액체 경계면의 2D 이미지를 획득한 후, 다음과 같은 방법을 이용하여 이미지를 처리함으로써, 에지 라인의 위치와 폭을 결정한다. 구체적으로, 이미지로부터 에지 라인의 위치와 폭을 결정하는 것은, 경계면 에지 곡선 추출 단계, 곡율 계산 단계 및 곡율 변화와 임계값을 비교하는 단계를 포함한다. 도4는 본 발명의 실시예에 따른 고체-액체 경계면의 2D 이미지를 처리하여 에지 라인의 대응 위치와 폭을 예측하는 원리도를 도시한다. 설명의 편의를 위해, 도4의 상부는 도3(b)의 고체-액체 경계면의 2D 이미지를 도시한다. 상기 2D 이미지에 대해, 여러가지 검색 방법을 이용하여 경계면 에지 곡선을 찾으며, 찾아낸 경계면 에지 곡선에 대해 곡율을 계산할 수 있다. 비한정적인 예시로서, 도4에 따르면, 다항식을 통해 오리지널 에지 곡선을 피팅하고, 피팅된 곡선에 대해 1차 도함수를 구하여 에지 곡선의 곡율을 얻을 수 있다. 여기서, 다항식으로 피팅된 곡선과 오리지널 곡선이 훌륭하게 일치되므로, 도면에서 기본적으로 하나의 선으로 겹쳐진다. 이외, 도4에서와 같이, 상기 에지 곡선의 곡율은 비 에지 라인 위치에서 그 값이 상대적으로 작고, 에지 라인의 대응 위치에서는 그 값이 상대적으로 큰데, 그것은 에지 라인 부분의 곡율이 상대적으로 크기 때문이다. 이어서 곡율의 변화를 결정하는데, 도4에서와 같이, 에지 곡선에 대해 2차 도함수를 구하여 에지 곡선의 곡율 변화 곡선을 얻는다. 그 다음, 에지 곡선의 곡율 변화에 따라 임계값 라인을 정의하여, 곡율 변화 곡선의 피크 위치와 상기 임계값 라인과의 교차점 위치를 결정한다. 여기서, 곡율 변화 곡선의 피크 위치는 결정된 에지 라인 위치이고, 이와 상기 임계값 라인의 두 교차점 위치 사이의 거리가 바로 결정된 에지 라인 폭(W)이다.
에지 라인의 폭은 변화되는 것으로, 결정봉의 성장에 따라, 방열 영역이 점점 커지며, 고체-액체 경계면의 온도 경사도가 점점 커짐으로써, 에지 라인의 폭이 점점 작아지게 된다. 따라서, 상술한 내용에 따라 에지 라인의 폭을 결정한 후, 에지 라인의 폭이 적합한 범위를 유지하도록 하기 위해서는, 사전 설정된 에지 라인의 폭에 근거하여 이론적으로 이미 구축된 관계를 이용하여 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도를 제어해야 한다. 예시로서, 도5는 <100> 결정 방향의 에지 라인의 폭과 경계면의 축방향 온도 경사도 사이의 관계를 나타내는 곡선도이다. 도5로부터 알 수 있듯이, 에지 라인의 폭을 2~6mm의 범위로 안정적으로 유지하기 위해서는 고체-액체 경계면의 온도 경사도를 60~90K/cm로 유지해야 한다. 이하, 본 발명의 실시예에 따른 온도 제어 장치 및 방법을 설명한다.
기존의 가열 장치에는 메인 가열기와 바닥 가열기를 포함할 수 있으며, 상기 메인 가열기는 도가니의 측벽에 설치되어 측벽으로부터 도가니를 가열하며, 고체-액체 경계면을 넘어서 가열을 진행하여, 액면이 응결되는 것을 방지할 수 있다. 기존의 가열 장치는 메인 가열기와 바닥 가열기의 가열에 대해 단독으로 제어하지는 않는다. 본 발명은, 메인 가열기가 고체-액체 경계면을 넘어서 경계면 양측에 대해 동시에 가열을 진행함으로써, 경계면의 축방향 온도 경사도를 뚜렷하게 변화시키지 않고, 바닥 가열기가 경계면으로부터 비교적 멀리 떨어져, 경계면의 축방향 온도 경사도를 더 뚜렷하게 변화시키는 사실을 고려한다. 도6은 본 발명의 실시예에 따른 고체-액체 경계면의 온도 경사도를 제어하는 가열 장치의 예시도를 도시한다. 여기서, 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도를 효과적으로 제어하기 위해, 필요에 따라 메인 가열기와 바닥 가열기에 대해 단독으로 서로 다르게 제어할 수 있다. 바람직하게는, 열량은 저항식 가열을 통해 발생되는 것이고, 방사의 방식으로 도가니에 방사하며, 또한 도가니로부터 용융 재료에 전달하여 용융 재료를 가열한다. 그 이유는 바닥측의 가열기가 액면과 멀리 떨어져 있어 전력이 조금 높아도 되기 때문이며, 또한, 용융 재료 전력의 20~25%가 바람직하며, 메인 가열기는 액면과 상대적으로 가깝게 있어, 전력이 과도하게 높거나 또는 과도하게 낮을 경우 액면에 대한 영향이 매우 커서 그 전력을 3~10%로 제어하는 것이 바람직하다.
도6에서, 측벽측의 가열기는 화살표A의 방향으로 열전달하여 측벽으로부터 도가니 내의 용융 재료를 가열하며, 바닥측의 가열기는 화살표B의 방향으로 열전달하여 바닥으로부터 도가니 내의 용융 재료를 가열한다. 그 다음, 일부 열량은 용융 재료의 대류 및 확산을 거쳐 용융 재료 표면에 전달되며, 표면의 아르곤 기체에 의해 뺏어가게 되고(C), 또한 일부 열량은 고체-액체 경계면의 상변태 흡수를 거친 후 결정체에 전달된 다음(D), 결정체 표면에 의해 아르곤 기체에 방사된다(E). 따라서, 바닥측의 가열기는 고체-액체 경계면의 용융체측에 위치하므로, 고체-액체 경계면의 온도 경사도를 더 효과적으로 변화시킬 수 있다. 예를 들면, 에지 라인의 폭이 커질 경우, 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도가 작아짐을 의미하며, 이때 하부 가열기의 전력을 증가시키고, 측부 가열기의 전력을 감소시켜, 용융 재료 중 도가니의 최고 온도를 아래로 이동시켜, 부력 와류의 경로를 길게 하여 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도를 크게 해야 한다. 반대로, 에지 라인의 폭이 작아질 경우, 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도가 커짐, 즉 방열 효과가 좋아짐을 의미하며, 이때 하부 가열기의 전력을 감소시키고, 측부 가열기의 전력을 증가시켜 용융 재료 중 도가니벽의 최고 온도를 위로 이동시켜, 부력 와류의 경로를 짧게 하여 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도를 작게 해야 한다.
이외, 기존의 가열기에는 일반적으로 일정하게 변화하는 전력을 부가하는데, 이는 열량을 고체-액체 경계면에 전달하는데 비교적 긴 시간이 필요하다. 열균형 속도를 빠르게 하고 단결정 구조를 잃지 않기 위해, 본 발명은 기존의 가열 방법과 달리 계단식 선행 간극 가열법을 이용하여 더 빠르게 열균형을 이룬다. 상기 계단식 선행 간극 가열법은 가열 전력의 증가 속도에 따라 증가-감소-증가의 교대식 가열 전력의 점진적 증가를 이용하거나 또는 가열 전력의 감소 속도에 따라 감소-증가-감소의 교대식 가열 전력의 점진적 감소를 이용한다.
이하, 도7을 참조하여 본 발명에 따른 계단식 선행 간극 가열법을 구체적으로 설명한다. 도7은 계단식 선행 간극 가열법을 적용할 경우 가열 전력의 계단식 상승 및 가열 전력의 계단식 하강을 도시한다. 이하에서는 도7의 계단식 온도 하강을 예시로 하여 설명한다. 가열기의 전력을 84KW에서 72KW로 낮출 경우, 우선 전력의 변화 속도와 단계의 개수를 결정해야 하는데, 전력의 변화가 너무 빠르거나 또는 너무 늦을 경우 모두 결정체의 성장에 불리하며, 단계의 개수도 적합하게 선택해야 한다. 예시로서, 도7에서 전력의 변화 속도를 1KW/MIN으로 결정하고, 가열 전력의 계단식 하강을 24개 단계로 나누며, 여기서 도7의 횡좌표는 단계의 개수이고 종좌표는 가열 전력이다. 그 다음, 전력 변화 속도의 사선을 기준 라인으로 하여 예를 들어 제10번째 단계의 전력값을 추정하여, 이 값을 제1번째 단계 내지 제3번째 단계의 고정값으로 한다. 그 다음, 제6번째 단계의 기준 라인의 값을 제4번째 단계 내지 제6번째 단계의 고정값으로 한다. 이어서, 기준 라인을 이용하여 제16번째 단계의 값을 추정하여 제6번째 단계 내지 제9번째 단계의 고정값으로 한다. 이와 같이, 각 후속적인 단계의 값을 결정함으로써, 총 24개 단계의 가열 전력의 계단식 하강을 실현한다. 가열 전력의 계단식 상승의 경우, 각 단계의 전력값의 결정은 계단식 하강과 유사하므로, 여기서 설명을 생략한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 주로 성장 반도체 단결정의 에지 라인 폭을 실시간으로 관찰하여 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도를 결정하고 제어함으로써, 무결함 반도체 단결정을 생산하는 목적을 달성한다. 본 발명의 시스템 및 방법에 따라 생산한 반도체 단결정은 결정 결함이 존재하지 않으며, 이는 반도체 칩 제조업체에서 소자의 제조 과정에서 실리콘 웨이퍼 표면의 결정 결함으로 인해 양품율에 손실 주는 상황이 없다. 이외, 본 발명의 시스템 및 방법에 따라 생산율을 향상시킬 수 있고 생산 비용을 낮출 수 있다.
상기 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐, 본 발명의 기술방안에 대한 한정적인 의미로 해석되어서는 안된다. 창조성적인 노동이 없이 상기 실시예의 기초상에서 구현되는 기술방안은 모두 본 발명 특허의 권리보호범위내에 속하는 것으로 간주해야 한다.
[1] L.Stockmeier,et al.,J.Cryst. Growth, 515, 26(2019).

Claims (14)

  1. 고체-액체 경계면에 성장하는 결정봉의 에지 라인의 이미지를 캡쳐하여, 상기 경계면의 상기 에지 라인의 폭을 결정하는 이미지 수집 장치;
    도가니를 가열하는 가열 장치; 및
    상기 가열 장치의 가열 전력을 제어하는 온도 제어 장치; 를 포함하는 반도체 단결정 성장 용 온도 제어 시스템으로서,
    상기 온도 제어 장치는 상기 에지 라인의 폭에 따라 상기 가열 장치에 대해 전력 제어를 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장 용 온도 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    결정봉의 성장 방향은 100방향, 110방향 또는 111방향인 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열 장치는 도가니의 측벽측 및 바닥측에 각각 설치되는 복수의 가열기를 포함하며, 측벽측의 가열기는 측벽으로부터 도가니를 가열하고, 바닥측의 가열기는 바닥으로부터 도가니를 가열하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 에지 라인의 폭이 사전 설정된 범위보다 작을 경우, 측벽측의 가열기의 가열 전력을 증가시키고, 바닥측의 가열기의 가열 전력을 감소시킴으로써, 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도를 감소시키며,
    상기 에지 라인의 폭이 사전 설정된 범위보다 클 경우, 측벽측의 가열기의 가열 전력을 감소시키고, 바닥측의 가열기의 가열 전력을 증가시킴으로써, 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  5. 중 어느 한항에 있어서,
    계단식 선행 간극 가열법을 이용하여 상기 가열기의 가열 전력을 증가시키거나 감소시키는 것을 특징으로 하는 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 계단식 선행 간극 가열법은 가열 전력의 증가 속도에 따라 증가-감소-증가의 교대식 가열 전력의 점진적 증가를 이용하거나 또는 가열 전력의 감소 속도에 따라 감소-증가-감소의 교대식 가열 전력의 점진적 감소를 이용하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한항에 있어서,
    상기 이미지 수집 장치는 관찰창측의 듀얼 라인 스캔 카메라 또는 단일 라인 스캔 카메라인 것을 특징으로 하는 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    이미지로부터 에지 라인의 폭을 결정하는 것은, 경계면 에지 곡선 추출 단계, 곡율 계산 단계 및 곡율 변화와 임계값을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  9. 이미지 수집 장치로 고체-액체 경계면에 성장하는 결정봉의 에지 라인의 이미지를 캡쳐하는 단계;
    캡쳐한 이미지에 따라 상기 에지 라인의 폭을 결정하는 단계; 를 포함하며,
    상기 에지 라인의 폭에 따라 도가니를 가열하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장을 위한 온도 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 에지 라인의 폭이 사전 설정된 범위보다 작을 경우, 도가니 측벽측의 가열 전력을 증가시키고, 도가니 바닥측의 가열 전력을 감소시킴으로써, 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도를 감소시키며,
    상기 에지 라인의 폭이 사전 설정된 범위보다 클 경우, 도가니 측벽측의 가열 전력을 감소시키고, 도가니 바닥측의 가열 전력을 증가시킴으로써, 고체-액체 경계면의 축방향 온도 경사도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    계단식 선행 간극 가열법을 이용하여 상기 가열 전력을 증가시키거나 감소시키는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 계단식 선행 간극 가열법은 가열 전력의 증가 속도에 따라 증가-감소-증가의 교대식 가열 전력의 점진적 증가를 이용하거나 또는 가열 전력의 감소 속도에 따라 감소-증가-감소의 교대식 가열 전력의 점진적 감소를 이용하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    이미지로부터 에지 라인의 폭을 결정하는 단계는, 경계면 에지 곡선 추출 단계, 곡율 계산 단계 및 곡율 변화와 임계값을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    결정봉의 성장 방향은 100방향, 110방향 또는 111방향인 것을 특징으로 하는 방법.
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