WO2020153689A1 - 단결정 잉곳 성장 제어장치 - Google Patents

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WO2020153689A1
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single crystal
ingot
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박현우
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에스케이실트론 주식회사
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C30B15/22—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B6/00—Internal feedback arrangements for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral or differential
    • G05B6/02—Internal feedback arrangements for obtaining particular characteristics, e.g. proportional, integral or differential electric

Definitions

  • the present invention relates to a single crystal ingot growth control device capable of accurately controlling the diameter of an ingot even when switching from a shouldering process to a body process.
  • a single crystal ingot used as a material for producing electronic components such as semiconductors is manufactured by a Czochralski (hereinafter referred to as CZ) method.
  • the process of growing a single crystal ingot by using the CZ method is a necking process in which the seed crystal is grown at a rapid pulling rate after immersing the seed in a melt in which polycrystalline silicon is melted, and the single crystal is gradually grown in the radial direction with the seed. It includes a shouldering process of mounting to have a diameter of a size, a body process of growing by a predetermined length to maintain a body diameter of a predetermined size, and a tailing process of separating from the melt while reducing the diameter of the body.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2010-195610 discloses a method of manufacturing a single crystal for controlling the diameter of a single crystal. During the process of pulling up the single crystal, the upper/lower limit value of the manipulated speed of the pulling rate of the single crystal is calculated, The diameter of the single crystal is controlled by repeating the process of controlling the moving average value of the pulling speed of the single crystal by comparing it with a set value.
  • the longitudinal growth of the single crystal is performed in the body process, so in the early stage of the body process, the property to grow in the lateral direction of the single crystal in the shouldering process is strong, so even if it is controlled as in the prior art There is a limit to controlling the diameter.
  • FIGS. 1A to 1B are diagrams showing a growth state of a single crystal ingot at the beginning of a body process according to the prior art.
  • the target diameter (D 0 ) can be controlled by changing the pulling speed (P/S) of the ingot according to the diameter error ( ⁇ D) of the ingot at the beginning of the body process.
  • Diameter error ( ⁇ D, mm) Time(t, sec) Pulling speed (P/S, mm/min) 3 60 2.5 2 30 1.5 One 10 1.0 -One 10 0.7 -2 30 0.5 -3 60 0.3
  • the pulling rate (P/S) of the ingot is controlled at the beginning of the body process, it is grown as a single crystal having a diameter (D 1 ) larger than the target diameter (D 0 ) as shown in FIG. 1A.
  • the pulling speed P/S of is rapidly controlled, as shown in FIG. 1B, a single crystal having a diameter D 2 smaller than the target diameter D 0 is grown.
  • FIG. 2 is a flowchart illustrating an example of a method of manufacturing a single crystal ingot according to the prior art
  • FIG. 3 is a graph showing a diameter error for each length of the single crystal ingot according to the prior art.
  • the ingot's pulling speed (P) to reduce the diameter (D) of the ingot /S) is strongly controlled to rise, and when the ingot pulling speed (P/S) increases strongly, the diameter of the ingot (D) decreases rapidly (see S1, S2, S3).
  • the pulling speed (P/S) of the ingot is controlled to descend strongly to increase the diameter (D) of the ingot, and the pulling speed (P/S) of the ingot When is strongly lowered, the diameter (D) of the ingot increases rapidly (see S3, S4, S1).
  • the pulling speed (P/S) is controlled in proportion to the diameter error ( ⁇ D) and the temperature T is controlled according to the pulling speed error ( ⁇ P/S), compared to the pulling speed (P/S). Because it fluctuates slowly, excessive temperature correction may be performed, and the quality of the ingot may deteriorate.
  • the diameter error is not only large, but also the quality is not repeatable, and the melt gap fluctuations due to the difference in the residual amount of the melt are mutually complex factors. There is a problem that the quality is deteriorated.
  • the present invention has been devised to solve the problems of the prior art described above, and the object thereof is to provide a single crystal ingot growth control device capable of accurately controlling the diameter of the ingot even when switching from the shouldering process to the body process.
  • a diameter error ( ⁇ D) that is a difference between a measured diameter (D) of the ingot and a target diameter (D_ T ) is input.
  • a receiving input unit Integrating the error calculated diameter ( ⁇ D) received in the input unit in real-time time unit, and wherein the diameter error integration value ( ⁇ D) final stages of pulling rate (P / S_ F) by increasing the set time (t) to reflect the A calculation unit for calculating; It provides a single crystal ingot growth control apparatus including; and an output unit for outputting to the controller over the final impression pulling rate (P / S_ F) Setting time (t) the output from the arithmetic unit.
  • the calculation unit may select to increase the set time t in stages in proportion to the number of times the diameter error integral value ( ⁇ D) fluctuates.
  • the operation unit selects the first set time t1 which is increased stepwise, and when the negative diameter error ( ⁇ D) is continuously decreased, it is increased stepwise.
  • the selected second set time t2 may be selected, and the second set time t2 may be configured to be longer than the first set time t1.
  • the calculating unit calculates the first impression speed error ( ⁇ P/S_1) of the ingot according to the integral value of the diameter error ( ⁇ D) and the selected set time t, and calculates the first impression speed error ( ⁇ P/S_1).
  • the final pulling speed (P/S_ F ) may be calculated by reflecting the target ingot pulling speed (P/S_ T ) of the ingot.
  • the calculation unit in response to the first impression speed error ( ⁇ P / S_1) in a range of 0 ⁇ 100% arbitrarily set in the target impression speed (P / S_ T ) of the ingot reflected inversely corrected impression speed of the ingot (P /S_ A ), and the output unit may continuously output the final pulling speed P/S_ F and the corrected pulling speed P/S_ A calculated by the calculating unit to the impression controller.
  • the calculating unit calculates the corrected pulling speed (P/S_ A ) of the ingot by reflecting the target pulling speed (P/S_ T ) of the ingot by a ratio of 40% with respect to the first impression speed error ( ⁇ P/S_1). It is preferred.
  • the output unit may output the final pulling speed P/S_ F for a set time t, and continuously output the corrected pulling speed P/S_ A for a set time t.
  • the calculation unit may calculate a temperature correction amount ⁇ T by reflecting the diameter error ⁇ D received from the input unit, and the output unit may output the temperature correction amount ⁇ T calculated by the calculation unit to the heater.
  • the calculating unit calculates the second impression speed error ( ⁇ P/S_2) of the ingot by calculating the diameter error ( ⁇ D) as a proportional integral derivative (PID), and calculates the second impression speed error ( ⁇ P/ S_2), the temperature correction amount ⁇ T can be calculated.
  • the single crystal ingot growth control apparatus calculates the integral of the input diameter error ( ⁇ D) in real time units, and reflects the integral value of the diameter error ( ⁇ D) to increase the final impression speed for each set time t incrementally increased. After calculating (P/S_ F ) and outputting the final pulling speed for a set time, excessive diameter correction can be prevented, and the target diameter D_ T can be quickly implemented.
  • the target is set in consideration of the quality of the ingot by calculating the impression speed error ( ⁇ P/S) according to the integral value of the diameter error ( ⁇ D) and the set time t selected in stages.
  • ⁇ P/S impression speed error
  • ⁇ D integral value of the diameter error
  • P/S_ F final pulling speed
  • the temperature correction is performed by considering that the temperature (T) fluctuates slowly compared to the pulling speed (P/S). Temperature correction can be prevented.
  • FIGS. 1A to 1B are views showing a growth state of a single crystal ingot at the beginning of a body process according to the prior art.
  • Figure 2 is a flow chart showing an example of a single crystal ingot manufacturing method according to the prior art.
  • Figure 3 is a graph showing the diameter error of each single crystal ingot according to the prior art.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an embodiment of a single crystal ingot growth apparatus according to the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram showing an embodiment of a single crystal ingot growth control apparatus according to the present invention.
  • Figure 6 is a graph showing an example of the pulling speed control according to the diameter error for the diameter control applied to the present invention.
  • FIG. 7 is a flow chart showing an example of the diameter control applied to the present invention.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of temperature control applied to the present invention.
  • FIG 9 is a graph showing a diameter error for each length of a single crystal ingot according to the present invention.
  • FIG. 4 is a block diagram showing an embodiment of a single crystal ingot growth apparatus according to the present invention.
  • the single crystal ingot growth apparatus of the present invention as shown in Figure 4, the chamber 110 containing the crucible containing the silicon melt and the impression machine 120 for growing the single crystal ingot while dipping and pulling the seed to the silicon melt ), a heater 130 for heating the crucible, a diameter measuring sensor 140 for measuring the diameter of a single crystal, and a puller 120 and a control device 200 for controlling the operation of the heater 130. do.
  • the diameter measurement sensor 140 measures the diameter of the ingot grown at the melt interface, and the diameter comparator 141 measures the target diameter D_ T input separately from the measurement diameter D received from the diameter measurement sensor 140. Compare and calculate the diameter error ( ⁇ D).
  • the control device 200 compares the result of the integral calculation of the diameter error ( ⁇ D) received from the comparator 141 in real time units with the target impression speed (P/S_ T ) input separately, and compares the final impression speed (P/S_). F ) and the corrected pulling speed (P/S_ A ) may be calculated, and the operation of the raiser 120 may be adjusted according to the final pulling speed (P/S_ F ) and the corrected pulling speed (P/S_ A ).
  • the controller 200 calculates the temperature correction amount ⁇ T according to the result of calculating the proportional error ( ⁇ P) of the diameter error ( ⁇ D) received from the comparator 141, and the automatic impression controller (Auto Growth Controller: 131 may output the heater power according to the temperature correction amount ( ⁇ T) to control the operation of the heater 130.
  • FIG. 5 is a configuration diagram showing an embodiment of a single crystal ingot growth control apparatus according to the present invention
  • FIG. 6 is a graph showing an example of pulling speed control according to a diameter error for diameter control applied to the present invention.
  • the control device 200 applied to the present invention, as shown in Figure 5, the diameter error ( ⁇ D) and the target diameter (D_ T ) and the target pulling speed (P / S_ T ) input unit 210 for receiving data,
  • the calculation unit 220 and the calculation unit 220 to calculate the final pulling speed (P/S_ F ), the corrected pulling speed (P/S_ A ), and the temperature correction amount ( ⁇ T) by calculating the data received from the input unit 210.
  • It includes an output unit 230 for outputting the calculated final pulling speed (P/S_ F ), the corrected pulling speed (P/S_ A ) and the temperature correction amount ( ⁇ T).
  • Input unit 210 has a diameter comparator: receives the target pull rate (P / S_ T) at the same time receiving a diameter error ( ⁇ D) is set separately from the (141 shown in FIG. 4), the diameter tolerance ( ⁇ D) and the target pull rate ( P/S_ T ) may be provided to the calculation unit 220.
  • the input unit 210 may be a concept including the diameter comparator 141 (shown in FIG. 4) described above, and is not limited.
  • the calculation unit 220 includes an integral calculation unit 221 for calculating the integral of the diameter error ⁇ D in real time units, a PID calculation unit 222 for calculating the proportional integral differential in real time for the diameter error ⁇ D, and an integral calculation unit.
  • the main operation unit 223 calculates the maximum pulling speed P/S_ F for each set time t incrementally increased by reflecting the integral value ⁇ D of the diameter error, which is the result of the calculation of the integration calculation unit 221, As shown in [Table 2] below, the set time t can be selected to be increased in stages in proportion to the number of variations of the diameter error integral value ( ⁇ D).
  • Integral diameter error integral value increase Decrease the integral value of the negative diameter error ( ⁇ D) step First set time (t1, sec) step Second setting time (t2, sec) 6 35 6 60 5 30 5 50 4 25 4 40 3 20 3 30 2 15 2 20 One 10
  • First set time t1, sec
  • Second setting time t2, sec
  • the first set time (t1) increased in 5 second intervals step by step in proportion to the number of times the diameter error integral value ( ⁇ D) calculated in real time increases
  • the first impression speed error ( ⁇ P/S_ 1 ) of the ingot can be calculated according to the positive (+) diameter error integral value ( ⁇ D) and the selected first set time (t1).
  • the second set time (t2) increased in 10 second intervals step by step in proportion to the number of times the diameter error integral value ( ⁇ D) calculated in real time decreases, and a negative number
  • the first impression speed error ( ⁇ P/S_ 1 ) of the ingot may be calculated according to the integral value of the diameter error (-), which is (-), and the selected second set time t2.
  • the pulling rate (P / S) are both positive, the pulling rate (P / S) the target pull rate ( ⁇ P / S_ T) than the range of the target pull rate ( ⁇ P / S_ T) at low Because it is relatively small, there is a limit to lowering the pulling speed (P/S).
  • the second set time t2 selected according to the diameter error integral value ( ⁇ D) which is negative (-) is the first set time t1 selected according to the diameter error integral value ( ⁇ D) which is positive (+). ).
  • the final impression speed (P/S_ F ) is reflected by reflecting the first impression speed error ( ⁇ P/S_ 1 ) calculated in consideration of the set times (t1, t2) in the target inspiration speed (P/S_ T ) of the ingot. Can be calculated.
  • the corrected impression speed P/S_ A may be calculated by reflecting the first impression speed error ⁇ P/S_ 1 by a set ratio within the range of 0 to 100%, and the target impression speed P/S_ T The value obtained by subtracting (B) by a ratio of 40% of the first impression speed error ( ⁇ P/S_ 1 ) can be calculated as the corrected impression speed (P/S_ A ).
  • the final impression speed (P/S_ F ) is calculated to be greater than the target impression speed (P/S_ T ), and the corrected impression speed (P/ S_ A ) is calculated smaller than the target pulling speed (P/S_ T ).
  • the final impression speed (P/S_ F ) is calculated smaller than the target impression speed (P/S_ T ), and the corrected impression speed (P/ S_ A ) is calculated to be larger than the target pulling speed (P/S_ T ).
  • the main calculation unit 223 calculates the second impression speed error ⁇ P/S_ 2 according to the proportional integral differential value of the diameter error ⁇ D, which is the calculation result of the PID calculation unit 222, and calculates the second impression speed error ⁇ P. /S_ 2 ) It is possible to calculate the temperature correction amount ( ⁇ T).
  • the pulling speed output unit 231 outputs the final pulling speed P/S_ F and the corrected pulling speed P/S_ A calculated by the calculating unit 220 to the pulling machine 120 (shown in FIG. 4), 220) may output the corrected pulling rate (P / S_ a) by as much as the final pull rate (P / S_ F) setting time (t selected to output, and continuously), the set time (t) selected from.
  • the final pulling speed (P/S_ F ) reflects the target pulling speed (P/S_ T ), and the quality of the ingot can be stably and uniformly maintained.
  • the temperature output unit 232 may convert the temperature correction amount ( ⁇ T) calculated by the calculation unit 220 into heater power and output it to the heater 130 (shown in FIG. 4), the automatic impression controller 131 described above. 4).
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of diameter control applied to the present invention
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating an example of temperature control applied to the present invention.
  • the method for controlling the diameter of the ingot applied to the present invention receives the diameter error ( ⁇ D) as shown in FIG. 7 and integrates the diameter error ( ⁇ D) in real time units (see S10 and S20).
  • the first impression speed error ( ⁇ P/S_ 1 ) is calculated according to the diameter error integral value ( ⁇ D) and the first set time t1 of the selected increment step (N1), and the target impression speed (P/S_ T ) and The final impression speed (P/S_ F ), which is the sum of the first impression speed error ( ⁇ P/S_ 1 ), is calculated, and then the final impression speed (P/S_ F ) is output during the first set time (t1).
  • the step by step increase the first predetermined time (t1) the calculated according to the by sequentially output, it is possible to prevent an excessive diameter of the correction, the target diameter (D_ T ) can be implemented quickly.
  • the final pulling speed P/S_ F reflects the target pulling speed P/S_ T , and the quality of the ingot can be stably and uniformly maintained.
  • the corrected impression speed P/S_ A which is a value obtained by subtracting the target impression speed P/S_ T from the first impression speed error ⁇ P/S_ 1 by a set ratio
  • the first set time t1 the corrected pulling speed (P/S_ A ) is output (see S65, S66).
  • the reduction step (N2) is selected by counting the number of times the diameter error integral value ( ⁇ D) has continuously decreased (N2) (see S70, S71).
  • the first impression speed error ( ⁇ P/S_ 1 ) is calculated according to the integral value of the diameter error ( ⁇ D) and the second set time t2 of the selected reduction step (N2), and the target pulling speed (P/S_ T ) and The final impression speed (P/S_ F ), which is the value obtained by subtracting the first impression speed error ( ⁇ P/S_ 1 ), is calculated, and then the final impression speed (P/S_ F ) is output during the second set time t2.
  • End pull rate (P / S_ F) step by step of the second set time (t2) increases as the calculated according to, it is possible to prevent an excessive diameter of the correction, the target diameter (D_ T ) can be implemented quickly.
  • the final pulling speed (P / S_ F) ' is the reflection of the target pull rate (P / T S_), it is possible to maintain a uniform quality of the ingot in a stable manner.
  • the second set time t1 the corrected pulling speed (P/S_ A ) is output (see S75, S76).
  • the diameter error ( ⁇ D) is largely generated at the beginning of the body process while repeating the above process, the diameter error ( ⁇ D) is maintained by maintaining the pulling rate (P/S) sufficiently changed during the stepwise increased time t. ) Can be reduced quickly and accurately.
  • the temperature control method applied to the present invention receives the diameter error ⁇ D as shown in FIG. 8, and calculates the second impression speed error ⁇ P/S_ 2 by calculating the PID of the diameter error ⁇ D. (See S10, S80)
  • the second impression speed error ( ⁇ P/S_ 2 ) calculated with PID of the diameter error ( ⁇ D) is relatively smaller than the first impression speed error ( ⁇ P/S_ 1 ) with integral calculation of the diameter error ( ⁇ D).
  • the temperature correction amount ⁇ T is calculated according to the second impression speed error ⁇ P/S_ 2 , and then the temperature correction amount ⁇ T is output. (See S90 and S100)
  • Temperature (T) is a pulling rate (P / S), considering that the slow change in comparison to the first impression of the speed error ( ⁇ P / S_ 1) relatively small second pulling rate error ( ⁇ P / S_ 2) greater than the Accordingly, by correcting the temperature T, excessive temperature correction can be prevented.
  • FIG. 9 is a graph showing the diameter error of each single crystal ingot according to the present invention
  • FIG. 10 is a graph showing the deviation of the diameter error at the beginning of the body process according to the prior art and the present invention.
  • the present invention selects a set time (t) which is gradually increased in accordance with the diameter error integral value ( ⁇ D) in units of time at the beginning of the body process, calculates the impression speed error ( ⁇ P/S), and the impression speed error ( ⁇ P) /S) is output to the target impression speed (P/S_ T ) and the final impression speed (P/S_ F ) is output over a set time (t), and then the target impression is increased by the set ratio of the impression speed error ( ⁇ P/S).
  • the corrected pulling speed P/S_ A reflected opposite to the speed P/S_ T is output over a set time t.
  • the diameter error deviation ( ⁇ D St.dev) of the single crystal ingot manufactured by the prior art is 1.73
  • the diameter error deviation ( ⁇ D St.dev) of the single crystal ingot produced by the present invention Is 0.61, which is about 65% improvement over the prior art.
  • This embodiment can be applied to a single crystal ingot growth control device for manufacturing a single crystal ingot.

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Abstract

본 발명은 잉곳의 직경을 타겟 직경으로 성장시키는 바디 공정에 적용되는 단결정 잉곳 성장 제어장치에 있어서, 잉곳의 측정 직경(D)과 타겟 직경(D_ T)의 차이값인 직경 오차(ΔD)을 입력받는 입력부; 상기 입력부에서 입력 받은 직경 오차(ΔD)를 실시간으로 적분 계산하고, 상기 직경 오차 적분값(∫ΔD)을 반영하여 단계적으로 증가된 설정시간(t) 별로 최종 인상속도(P/S_ F)를 산출하는 연산부; 및 상기 연산부에서 산출된 최종 인상속도(P/S_ F)를 설정시간(t)에 걸쳐 인상 제어기로 출력하는 출력부;를 포함하는 단결정 잉곳 성장 제어장치를 제공한다.

Description

단결정 잉곳 성장 제어장치
본 발명은 숄더링 공정에서 바디 공정으로 전환하더라도 잉곳의 직경을 정확하게 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장 제어장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 등의 전자부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 단결정 잉곳은 쵸크랄스키(Czochralski, 이하 CZ라 함) 법에 의해 제조된다.
CZ법을 이용하여 단결정 잉곳을 성장시키는 과정은, 다결정 실리콘을 용융한 용융액에 시드를 침지한 후, 종결정을 빠른 인상속도로 성장시키는 네킹 공정과, 단결정을 시드와 직경방향으로 서서히 성장시키며 소정 크기의 직경을 가지도록 설장시키는 숄더링 공정과, 소정 크기의 바디 직경을 유지하도록 소정 길이만큼 성장시키는 바디 공정과, 바디의 직경을 감소시키면서 융액으로부터 분리하는 테일링 공정을 포함한다.
일본공개특허 제2010-195610호(2009.02.23.출원)에는 단결정의 직경을 제어하는 단결정의 제조방법이 개시되는데, 단결정을 끌어올리는 과정에 단결정의 인상속도의 조작량의 상/하한값을 산출하고, 이를 설정치와 비교하여 단결정의 인상속도의 이동 평균치를 제어하는 과정을 반복함으로서, 단결정의 직경을 제어한다.
상기와 같은 기술에 따르면, 바디 공정을 진행하는 동안 단결정의 직경을 균일하게 제어할 수 있다.
그런데, 숄더링 공정에서 단결정의 횡성장이 이루어지는 반면, 바디 공정에서 단결정의 종성장이 이루어지기 때문에 바디 공정 초반에는 숄더링 공정에서 단결정의 횡방향으로 성장하고자 하는 성질이 강하여 종래 기술과 같이 제어하더라도 정확하게 직경을 제어하는데 한계가 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래 기술에 따라 바디 공정 초반에 단결정 잉곳의 성장 상태가 도시된 도면이다.
종래 기술에 따르면, [표 1]에 도시된 바와 같이 바디 공정 초반에 잉곳의 직경 오차(ΔD)에 따라 잉곳의 인상속도(P/S)를 변경함으로서, 목표 직경(D 0)을 제어할 수 있다.
직경 오차(ΔD, mm) 시간(t, sec) 인상속도(P/S, mm/min)
3 60 2.5
2 30 1.5
1 10 1.0
-1 10 0.7
-2 30 0.5
-3 60 0.3
바디 공정 초반에 잉곳의 인상속도(P/S)를 그대로 제어하면, 도 1a에 도시된 바와 같이 목표 직경(D 0) 보다 큰 직경(D 1)을 가진 단결정으로 성장된다.바디 공정 초반에 잉곳의 인상속도(P/S)를 빠르게 제어하면, 도 1b에 도시된 바와 같이 목표 직경(D 0) 보다 작은 직경(D 2)을 가진 단결정으로 성장된다.
도 2는 종래 기술에 따른 단결정 잉곳 제조방법 일예가 도시된 순서도이고, 도 3은 종래 기술에 따른 단결정 잉곳의 길이별 직경 오차가 도시된 그래프이다.
종래 기술에 따른 단결정 잉곳 제조방법에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이 바디 공정 초반에 잉곳의 직경(D)이 급격하게 성장하면, 잉곳의 직경(D)을 감소시키기 위하여 잉곳의 인상속도(P/S)를 강하게 상승하도록 제어하고, 잉곳의 인상속도(P/S)가 강하게 상승하면, 잉곳의 직경(D)이 급격하게 감소하게 된다.(S1,S2,S3 참조)
또한, 잉곳의 직경(D)이 급격하게 감소하면, 잉곳의 직경(D)을 증가시키기 위하여 잉곳의 인상속도(P/S)를 강하게 하강시키도록 제어하고, 잉곳의 인상속도(P/S)가 강하게 하강하면, 잉곳의 직경(D)이 급격하게 증가하게 된다.(S3,S4,S1 참조)
이와 같은 과정을 반복함으로서, 바디 공정의 초반에 직경(D)을 균일하게 목표 직경(D 0)으로 정확하게 제어하기 어렵고, 도 3에 도시된 바와 같이, 바디 공정 c초반에 잉곳의 길이가 성장할수록 직경 오차(ΔD)가 1mm 에서 4mm 이상까지 커지는 것을 확인할 수 있다.
또한, 직경 오차(ΔD)에 비례하여 인상속도(P/S)가 제어되는 동시에 인상속도 오차(ΔP/S)에 따라 온도(T) 제어가 이뤄지는데, 인상속도(P/S)에 비해 온도는 느리게 변동되기 때문에 과도한 온도 보정이 이루어질 수 있고, 잉곳의 품질이 저하될 수 있다.
상기와 같이 종래 기술에 따르면, 바디 공정 초반에 잉곳의 직경을 정확하게 제어할 수 없기 때문에 직경 오차가 크게 나타날 뿐 아니라 품질의 반복성이 떨어지고, 멜트의 잔류량 차이에 따른 멜트 갭 변동 등 상호 복합적인 요인으로 품질이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 숄더링 공정에서 바디 공정으로 전환하더라도 잉곳의 직경을 정확하게 제어할 수 있는 단결정 잉곳 성장 제어장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 잉곳의 직경을 타겟 직경으로 성장시키는 바디 공정에 적용되는 단결정 잉곳 성장 제어장치에 있어서, 잉곳의 측정 직경(D)과 타겟 직경(D_ T)의 차이값인 직경 오차(ΔD)을 입력받는 입력부; 상기 입력부에서 입력 받은 직경 오차(ΔD)를 실시간 시간 단위로 적분 계산하고, 상기 직경 오차 적분값(∫ΔD)을 반영하여 단계적으로 증가된 설정시간(t) 별로 최종 인상속도(P/S_ F)를 산출하는 연산부; 및 상기 연산부에서 산출된 최종 인상속도(P/S_ F)를 설정시간(t)에 걸쳐 인상 제어기로 출력하는 출력부;를 포함하는 단결정 잉곳 성장 제어장치를 제공한다.
상기 연산부는, 상기 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 양수 또는 음수이면, 상기 직경 오차 적분값(∫ΔD)의 변동 횟수에 비례하여 설정시간(t)을 단계적으로 증가하도록 선택할 수 있다.
상기 연산부는, 양수인 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 연속적으로 증가하면, 단계적으로 증가된 제1설정시간(t1)을 선택하고, 음수인 직경 오차(ΔD)이 연속적으로 감소하면, 단계적으로 증가된 제2설정시간(t2)을 선택할 수 있으며, 상기 제2설정시간(t2)을 상기 제1설정시간(t1) 보다 더 길게 구성할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 직경 오차 적분값(∫ΔD)과 선택한 설정시간(t)에 따라 잉곳의 제1인상속도 오차(ΔP/S_1)를 산출하고, 상기 제1인상속도 오차(ΔP/S_1)를 잉곳의 타겟 인상속도(P/S_ T)에 반영하여 최종 인상속도(P/S_ F)를 산출할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 제1인상속도 오차(ΔP/S_1)에 대해 0 ~ 100% 범위 내에서 임의로 설정된 비율만큼 잉곳의 타겟 인상속도(P/S_ T)에 반대로 반영하여 잉곳의 보정 인상속도(P/S_ A)를 산출하고, 상기 출력부는, 상기 연산부에서 산출된 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A)를 연속하여 인상 제어기로 출력할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 제1인상속도 오차(ΔP/S_1)에 대해 40% 비율만큼 잉곳의 타겟 인상속도(P/S_ T)에 반대로 반영하여 잉곳의 보정 인상속도(P/S_ A)를 산출하는 것이 바람직하다.
상기 출력부는, 설정시간(t) 만큼 상기 최종 인상속도(P/S_ F)를 출력하고, 연속하여 설정시간(t) 만큼 상기 보정 인상속도(P/S_ A)를 출력할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 입력부에서 입력 받은 직경 오차(ΔD)를 반영하여 온도 보정량(ΔT)을 산출하고, 상기 출력부는, 상기 연산부에서 산출된 온도 보정량(ΔT)을 히터로 출력할 수 있다.
상기 연산부는, 상기 직경 오차(ΔD)를 비례적분미분(Proportional-Integral-Derivative : PID) 계산하여 잉곳의 제2인상속도 오차(ΔP/S_2)를 산출하고, 상기 제2인상속도 오차(ΔP/S_2)에 따라 온도 보정량(ΔT)을 산출할 수 있다.
본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장 제어장치는 입력 받은 직경 오차(ΔD)를 실시간 시간 단위로 적분 계산하고, 직경 오차 적분값(∫ΔD)을 반영하여 단계적으로 증가된 설정시간(t) 별로 최종 인상속도(P/S_ F)를 산출한 다음, 최종 인상속도를 설정시간 동안 출력함으로서, 과도한 직경 보정을 방지할 수 있고, 타겟 직경(D_ T)을 빠르게 구현할 수 있다.
또한, 직경 오차 적분값(∫ΔD)과 단계별로 선택된 설정시간(t)에 따라 인상속도 오차(ΔP/S)를 산출하고, 인상속도 오차(ΔP/S)를 잉곳의 품질을 고려하여 설정된 타겟 인상속도(P/S_ T)에 반영하여 최종 인상속도(P/S_ F)를 출력함으로서, 직경 제어를 하더라도 잉곳의 품질을 안정적으로 균일하게 유지할 수 있다.
또한, 타겟 인상속도(P/S_ T)를 기준으로 증감된 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A)를 연속하여 출력함으로서, 직경이 급격히 증감되는 경향성에 미리 대응할 수 있다.
또한, 직경 오차(ΔD)의 PID 계산 결과에 따라 온도 보정량(ΔT)을 출력함으로서, 인상속도(P/S)에 비해 온도(T)가 느리게 변동되는 것을 고려하여 온도 보정이 이뤄지도록 하여, 과도한 온도 보정을 방지할 수 있다.
도 1a 내지 도 1b는 종래 기술에 따라 바디 공정 초반에 단결정 잉곳의 성장 상태가 도시된 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 단결정 잉곳 제조방법 일예가 도시된 순서도.
도 3은 종래 기술에 따른 단결정 잉곳의 길이별 직경 오차가 도시된 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 일 실시예가 도시된 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장 제어장치의 일 실시예가 도시된 구성도.
도 6은 본 발명에 적용된 직경 제어를 위해 직경 오차에 따른 인상속도 제어의 일예가 도시된 그래프.
도 7은 본 발명에 적용된 직경 제어의 일예가 도시된 순서도.
도 8은 본 발명에 적용된 온도 제어의 일예가 도시된 순서도.
도 9는 본 발명에 따른 단결정 잉곳의 길이별 직경 오차가 도시된 그래프.
도 10은 종래와 본 발명에 따라 바디 공정 초반에 직경 오차 편차가 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 4는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 일 실시예가 도시된 구성도이다.
본 발명의 단결정 잉곳 성장장치는 도 4에 도시된 바와 같이 실리콘 융액이 담겨지는 도가니가 수용된 챔버(110)와, 시드(seed)를 실리콘 융액에 디핑하여 끌어올리면서 단결정 잉곳을 성장시키는 인상기(120)와, 도가니를 가열하는 히터(130)와, 단결정의 직경을 측정하는 직경측정센서(140)를 포함하고, 인상기(120) 및 히터(130)의 작동을 제어하는 제어장치(200)를 구비한다.
직경측정센서(140)는 융액 계면에서 성장되는 잉곳의 직경을 측정하고, 직경 비교기(141)는 직경측정센서(140)로부터 입력받은 측정 직경(D)과 별도로 입력된 타겟 직경(D_ T)을 비교하여 직경 오차(ΔD)를 산출한다.
제어장치(200)는 비교기(141)로부터 입력받은 직경 오차(ΔD)를 실시간 시간 단위로 적분 계산한 결과와 별도로 입력된 타겟 인상속도(P/S_ T)를 비교하여 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A)를 산출하고, 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A)에 따라 인상기(120)의 작동을 조절할 수 있다.
제어장치(200)는 비교기(141)로부터 입력받은 직경 오차(ΔD)를 비례적분미분(Proportional-Integral-Derivative : PID) 계산한 결과에 따라 온도 보정량(ΔT)을 산출하고, 자동 인상제어기(Auto Growth Controller : 131)는 온도 보정량(ΔT)에 따라 히터 파워를 출력하여 히터(130)의 작동을 조절할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 성장 제어장치의 일 실시예가 도시된 구성도이고, 도 6은 본 발명에 적용된 직경 제어를 위해 직경 오차에 따른 인상속도 제어의 일예가 도시된 그래프이다.
본 발명에 적용된 제어장치(200)는 도 5에 도시된 바와 같이 직경 오차(ΔD)와 타겟 직경(D_ T) 및 타겟 인상속도(P/S_ T)를 데이터로 입력받는 입력부(210)와, 입력부(210)에서 입력받은 데이터를 연산하여 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A) 및 온도 보정량(ΔT)을 산출하는 연산부(220)와, 연산부(220)에서 산출된 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A) 및 온도 보정량(ΔT)을 출력하는 출력부(230)를 포함한다.
입력부(210)는 직경 비교기(141 : 도 4에 도시)로부터 직경 오차(ΔD)를 입력받는 동시에 별도로 설정된 타겟 인상속도(P/S_ T)를 입력받고, 직경 오차(ΔD)와 타겟 인상속도(P/S_ T)를 연산부(220)에 제공할 수 있다.
물론, 입력부(210)는 상기에서 설명한 직경 비교기(141 : 도 4에 도시)를 포함하는 개념일 수 있고, 한정되지 아니한다.
연산부(220)는 직경 오차(ΔD)를 실시간 시간 단위로 적분 계산하는 적분 계산부(221)와, 직경 오차(ΔD)를 실시간으로 비례적분미분 계산하는 PID 계산부(222)와, 적분 계산부(221)의 계산 결과에 따라 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A)를 산출하고 PID 계산부(222)의 계산 결과에 따라 온도 보정량(ΔT)을 산출하는 메인 연산부(223)를 포함할 수 있다.
메인 연산부(223)는 적분 계산부(221)의 계산 결과인 직경 오차 적분값(∫ΔD)을 반영하여 단계적으로 증가된 설정시간(t) 별로 최총 인상속도(P/S_ F)를 산출하는데, 하기의 [표 2]에 도시된 바와 같이 직경 오차 적분값(∫ΔD)의 변동 횟수에 비례하여 설정시간(t)을 단계적으로 증가하도록 선택할 수 있다.
양수인 직경 오차 적분값(∫ΔD) 증가 음수인 직경 오차 적분값(∫ΔD) 감소
step 제1설정시간(t1, sec) 단계 제2설정시간(t2, sec)
6 35 6 60
5 30 5 50
4 25 4 40
3 20 3 30
2 15 2 20
1 10 1 10
직경 오차 적분값(∫ΔD)이 양수(+)이면, 실시간 산출된 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 증가하는 횟수에 비례하여 단계별로 5초 간격으로 증가된 제1설정시간(t1)이 선택될 수 있고, 양수(+)인 직경 오차 적분값(∫ΔD)과 선택한 제1설정시간(t1)에 따라 잉곳의 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)가 산출될 수 있다.직경 오차 적분값(∫ΔD)이 음수(-)이면, 실시간 산출된 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 감소하는 횟수에 비례하여 단계별로 10초 간격으로 증가된 제2설정시간(t2)이 선택되고, 음수(-)인 직경 오차 적분값(∫ΔD)과 선택한 제2설정시간(t2)에 따라 잉곳의 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)가 산출될 수 있다.
그런데, 인상속도(P/S)는 모두 양수이고, 인상속도(P/S)가 타겟 인상속도(ΔP/S_ T) 보다 낮을 때 범위가 타겟 인상속도(ΔP/S_ T) 보다 높을 때 범위 보다 상대적으로 작기 때문에 인상속도(P/S)를 낮추는데 한계가 있다.
따라서, 음수(-)인 직경 오차 적분값(∫ΔD)에 따라 선택되는 제2설정시간(t2)은 양수(+)인 직경 오차 적분값(∫ΔD)에 따라 선택되는 제1설정시간(t1) 보다 더 길게 설정되는 것이 바람직하다.
이와 같이 설정시간(t1,t2)을 고려하여 산출된 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)를 잉곳의 타겟 인상속도(P/S_ T)에 반영하여 최종 인상속도(P/S_ F)를 산출할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 시간(t)에 따른 직경 오차(ΔD)의 면적만큼 제1설정시간(t1)에 따른 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1=A)의 면적을 동일하게 구현하도록 타겟 인상속도(P/S_ T)에 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1=A)를 더한 값을 최종 인상속도(P/S_ F)로 산출할 수 있다.
또한, 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)에 대해 0 ~ 100 % 범위 내의 설정 비율만큼 반영하여 보정 인상속도(P/S_ A)를 산출할 수 있는데, 타겟 인상속도(P/S_ T)에 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)의 40% 비율만큼(B) 뺀 값을 보정 인상속도(P/S_ A)로 산출할 수 있다.
물론, 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)가 양수(+)이면, 최종 인상속도(P/S_ F)는 타겟 인상속도(P/S_ T)보다 크게 산출되고, 보정 인상속도(P/S_ A)는 타겟 인상속도(P/S_ T)보다 작게 산출된다.
반면, 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)가 음수(-)이면, 최종 인상속도(P/S_ F)는 타겟 인상속도(P/S_ T)보다 작게 산출되고, 보정 인상속도(P/S_ A)는 타겟 인상속도(P/S_ T)보다 크게 산출된다.
메인 연산부(223)는 PID 계산부(222)의 계산 결과인 직경 오차(ΔD)의 비례적분미분값에 따라 제2인상속도 오차(ΔP/S_ 2)를 산출하고, 제2인상속도 오차(ΔP/S_ 2)에 따라 온도 보정량(ΔT)을 산출할 수 있다.
출력부(230)는 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A)를 출력하는 인상속도 출력부(231)와, 온도 보정량(ΔT)을 출력하는 온도 출력부(232)를 포함할 수 있다.
인상속도 출력부(231)는 연산부(220)에서 산출된 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A)를 인상기(120 : 도 4에 도시)로 출력하는데, 연산부(220)에서 선택된 설정시간(t) 만큼 상기 최종 인상속도(P/S_ F)를 출력하고, 연속하여 선택된 설정시간(t) 만큼 보정 인상속도(P/S_ A)를 출력할 수 있다.
즉, 최종 인상속도(P/S_ F)를 단계적으로 증가된 설정시간(t)에 맞추어 순차적으로 출력함으로서, 과도한 직경 보정을 방지할 수 있고, 타겟 직경(D_ T)을 빠르게 구현할 수 있다.
또한, 최종 인상속도(P/S_ F)는 타겟 인상속도(P/S_ T)를 반영한 것으로서, 잉곳의 품질을 안정적으로 균일하게 유지할 수 있다.
또한, 타겟 인상속도(P/S_ T)를 기준으로 증감된 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A)를 연속하여 출력함으로서, 직경이 급격히 증감되는 경향성에 미리 대응할 수 있다.
온도 출력부(232)는 연산부(220)에서 산출된 온도 보정량(ΔT)을 히터 파워로 변환하여 히터(130 : 도 4에 도시)로 출력할 수 있는데, 상기에서 설명한 자동 인상제어기(131 : 도 4에 도시)를 포함하는 개념일 수 있다.
온도(T)는 인상속도(P/S)에 비해 느리게 변동되는 것을 고려할 때, 인상속도 보정과 별개로 PID 계산 결과에 따라 온도(T)를 보정함으로서, 과도한 온도 보정을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명에 적용된 직경 제어의 일예가 도시된 순서도이고, 도 8은 본 발명에 적용된 온도 제어의 일예가 도시된 순서도이다.
본 발명에 적용된 잉곳의 직경 제어방법은 도 7에 도시된 바와 같이 직경 오차(ΔD)를 입력받아 실시간 시간 단위로 직경 오차(ΔD)를 적분한다.(S10,S20 참조)
직경 오차 적분값(∫ΔD)의 변동 여부를 판단하고, 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 변동되지 않으면, 인상속도(P/S)를 그대로 유지한다.(S30,S40 참조)
직경 오차 적분값(∫ΔD)이 변동되면, 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 양수인지 판단한다.(S40,S50 참조)
직경 오차 적분값(∫ΔD)이 양수이면, 양수인 직경 오차 적분값(∫ΔD)의 증가 여부를 판단한다.(S50,S60 참조)
양수인 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 증가하지 않으면, 인상속도(P/S)를 그대로 유지한다.(S60,S40 참조)
양수인 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 증가하면, 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 연속하여 증가한 횟수(N1)를 카운트하여 증가 단계(N1)를 선택한다.(S60,S61 참조)
직경 오차 적분값(∫ΔD)과 선택된 증가 단계(N1)의 제1설정시간(t1)에 따라 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)를 산출하고, 타겟 인상속도(P/S_ T)와 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)를 더한 값인 최종 인상속도(P/S_ F)를 산출한 다음, 제1설정시간(t1) 동안 최종 인상속도(P/S_ F)를 출력한다.(S62,S63,S64 참조)
증가 단계(N1)에 맞추어 산출된 최종 인상속도(P/S_ F)를 단계적으로 증가된 제1설정시간(t1)에 맞추어 순차적으로 출력함으로서, 과도한 직경 보정을 방지할 수 있고, 타겟 직경(D_ T)을 빠르게 구현할 수 있다.
그리고, 최종 인상속도(P/S_ F)는 타겟 인상속도(P/S_ T)를 반영한 것으로서, 잉곳의 품질을 안정적으로 균일하게 유지할 수 있다.
이후, 타겟 인상속도(P/S_ T)에서 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)의 설정 비율 만큼 뺀 값인 보정 인상속도(P/S_ A)를 산출한 다음, 제1설정시간(t1) 동안 보정 인상속도(P/S_ A)를 출력한다.(S65,S66 참조)
타겟 인상속도(P/S_ T) 보다 높은 최종 인상속도(P/S_ F)와 타겟 인상속도(P/S_ T) 보다 낮은 보정 인상속도(P/S_ A)를 연속하여 제공함으로서, 직경이 급격히 감소되는 경향성에 미리 대응할 수 있다.
한편, 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 음수이면, 음수인 직경 오차 적분값(∫ΔD)의 감소 여부를 판단한다.(S50,S70 참조)
음수인 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 증가하지 않으면, 인상속도(P/S)를 그대로 유지한다.(S70,S40 참조)
음수인 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 감소하면, 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 연속하여 감소한 횟수(N2)를 카운트하여 감소 단계(N2)를 선택한다.(S70,S71 참조)
직경 오차 적분값(∫ΔD)과 선택된 감소 단계(N2)의 제2설정시간(t2)에 따라 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)를 산출하고, 타겟 인상속도(P/S_ T)와 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)를 뺀 값인 최종 인상속도(P/S_ F)를 산출한 다음, 제2설정시간(t2) 동안 최종 인상속도(P/S_ F)를 출력한다.(S72,S73,S74 참조)
감소 단계(N2)에 맞추어 산출된 최종 인상속도(P/S_ F)를 단계적으로 증가된 제2설정시간(t2)에 맞추어 순차적으로 출력함으로서, 과도한 직경 보정을 방지할 수 있고, 타겟 직경(D_ T)을 빠르게 구현할 수 있다.
마찬가지로, 최종 인상속도(P/S_ F)는 타겟 인상속도(P/S_ T)를 반영한 것으로서, 잉곳의 품질을 안정적으로 균일하게 유지할 수 있다.
이후, 타겟 인상속도(P/S_ T)에서 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)의 설정 비율 만큼 더한 값인 보정 인상속도(P/S_ A)를 산출한 다음, 제2설정시간(t1) 동안 보정 인상속도(P/S_ A)를 출력한다.(S75,S76 참조)
타겟 인상속도(P/S_ T) 보다 낮은 최종 인상속도(P/S_ F)와 타겟 인상속도(P/S_ T) 보다 높은 보정 인상속도(P/S_ A)를 연속하여 제공함으로서, 직경이 급격히 증가하는 경향성에 미리 대응할 수 있다.
상기와 같은 과정을 반복하면서 바디 공정 초반에 직경 오차(ΔD)가 크게 발생하면, 단계적으로 증가된 시간(t)에 동안 충분하게 변동된 인상속도(P/S)를 유지함으로서, 직경 오차(ΔD)를 신속하고 정확하게 줄일 수 있다.
그런데, 바디 공정 초반에 직경 오차(ΔD)를 줄이기 위하여 인상속도(P/S)가 보정되고, 기존과 같이 인상속도(P/S)에 따라 온도(T)를 보정하면, 과도한 온도 보정이 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명에 적용된 온도 제어방법은 도 8에 도시된 바와 같이 직경 오차(ΔD)를 입력받고, 직경 오차(ΔD)를 PID 계산하여 제2인상속도 오차(ΔP/S_ 2)를 산출한다.(S10,S80 참조)
직경 오차(ΔD)를 PID 계산한 제2인상속도 오차(ΔP/S_ 2)가 직경 오차(ΔD)를 적분 계산한 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1)보다 상대적으로 작게 나타난다.
이후, 제2인상속도 오차(ΔP/S_ 2)에 따라 온도 보정량(ΔT)을 산출한 다음, 온도 보정량(ΔT)을 출력한다.(S90,S100 참조)
온도(T)는 인상속도(P/S)에 비해 느리게 변동되는 것을 고려할 때, 제1인상속도 오차(ΔP/S_ 1) 보다 상대적으로 크기가 작은 제2인상속도 오차(ΔP/S_ 2)에 따라 온도(T)를 보정함으로서, 과도한 온도 보정을 방지할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 단결정 잉곳의 길이별 직경 오차가 도시된 그래프이고, 도 10은 종래와 본 발명에 따라 바디 공정 초반에 직경 오차 편차가 도시된 그래프이다.
본 발명은 바디 공정 초반에 시간 단위로 직경 오차 적분값(∫ΔD)에 따라 단계적으로 증가되는 설정시간(t)을 선택하는 동시에 인상속도 오차(ΔP/S)를 산출하고, 인상속도 오차(ΔP/S)를 타겟 인상속도(P/S_ T)에 반영한 최종 인상속도(P/S_ F)를 설정시간(t)에 걸쳐 출력한 다음, 인상속도 오차(ΔP/S)의 설정 비율만큼 타겟 인상속도(P/S_ T)에 반대로 반영한 보정 인상속도(P/S_ A)를 설정시간(t)에 걸쳐 출력한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의해 제조된 단결정 잉곳이 길이 방향으로 성장할수록 직경 오차(ΔD)가 2mm 이내에서 점차 줄어든 것을 확인할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 의해 제조된 단결정 잉곳의 직경 오차 편차(ΔD St.dev)가 1.73으로 나타나나는 반면, 본 발명에 의해 제조된 단결정 잉곳의 직경 오차 편차(ΔD St.dev)가 0.61로 종래에 비해 약 65% 개선된 것을 확인할 수 있다.
본 실시예는 단결정 잉곳을 제조하기 위한 단결정 잉곳 성장 제어장치에 적용될 수 있다.

Claims (10)

  1. 잉곳의 직경을 타겟 직경으로 성장시키는 바디 공정에 적용되는 단결정 잉곳 성장 제어장치에 있어서,
    잉곳의 측정 직경(D)과 타겟 직경(D_ T)의 차이값인 직경 오차(ΔD)을 입력받는 입력부;
    상기 입력부에서 입력 받은 직경 오차(ΔD)를 실시간으로 적분 계산하고, 상기 직경 오차 적분값(∫ΔD)을 반영하여 단계적으로 증가된 설정시간(t) 별로 최종 인상속도(P/S_ F)를 산출하는 연산부; 및
    상기 연산부에서 산출된 최종 인상속도(P/S_ F)를 설정시간(t)에 걸쳐 인상 제어기로 출력하는 출력부;를 포함하는 단결정 잉곳 성장 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 양수 또는 음수이면, 상기 직경 오차 적분값(∫ΔD)의 변동 횟수에 비례하여 설정시간(t)을 단계적으로 증가하도록 선택하는 단결정 잉곳 성장 제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연산부는,
    양수인 직경 오차 적분값(∫ΔD)이 연속적으로 증가하면, 단계적으로 증가된 제1설정시간(t1)을 선택하고,
    음수인 직경 오차(ΔD)이 연속적으로 감소하면, 단계적으로 증가된 제2설정시간(t2)을 선택하는 단결정 잉곳 성장 제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제2설정시간(t2)을 상기 제1설정시간(t1) 보다 더 길게 구성하는 단결정 잉곳 성장 제어장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 직경 오차 적분값(∫ΔD)과 선택한 설정시간(t)에 따라 잉곳의 제1인상속도 오차(ΔP/S_1)를 산출하고, 상기 제1인상속도 오차(ΔP/S_1)를 잉곳의 타겟 인상속도(P/S_ T)에 반영하여 최종 인상속도(P/S_ F)를 산출하는 단결정 잉곳 성장 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제1인상속도 오차(ΔP/S_1)에 대해 0 ~ 100% 범위 내에서 임의로 설정된 비율만큼 잉곳의 타겟 인상속도(P/S_ T)에 반대로 반영하여 잉곳의 보정 인상속도(P/S_ A)를 산출하고,
    상기 출력부는,
    상기 연산부에서 산출된 최종 인상속도(P/S_ F)와 보정 인상속도(P/S_ A)를 연속하여 인상 제어기로 출력하는 단결정 잉곳 성장 제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 제1인상속도 오차(ΔP/S_1)에 대해 40% 비율만큼 잉곳의 타겟 인상속도(P/S_ T)에 반대로 반영하여 잉곳의 보정 인상속도(P/S_ A)를 산출하는 단결정 잉곳 성장 제어장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 출력부는,
    설정시간(t) 만큼 상기 최종 인상속도(P/S_ F)를 출력하고, 연속하여 설정시간(t) 만큼 상기 보정 인상속도(P/S_ A)를 출력하는 단결정 잉곳 성장 제어장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 입력부에서 입력 받은 직경 오차(ΔD)를 반영하여 온도 보정량(ΔT)을 산출하고,
    상기 출력부는,
    상기 연산부에서 산출된 온도 보정량(ΔT)을 히터로 출력하는 단결정 잉곳 성장 제어장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연산부는,
    상기 직경 오차(ΔD)를 비례적분미분(Proportional-Integral-Derivative : PID) 계산하여 잉곳의 제2인상속도 오차(ΔP/S_2)를 산출하고, 상기 제2인상속도 오차(ΔP/S_2)에 따라 온도 보정량(ΔT)을 산출하는 단결정 잉곳 성장 제어장치.
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