KR101758980B1 - 잉곳 성장장치 및 그 성장방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 시드 케이블의 흔들림이 발생되더라도 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 직경 및 위치를 정확하게 측정할 수 있는 잉곳 성장장치 및 그 성장방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치 및 그 성장방법은 잉곳측정센서와 다른 방향에 이미지 센서를 구비함으로써, 직경측정센서에서 측정된 잉곳의 직경을 이미지 센서에서 측정된 기준 위치의 변화에 따라 보정하여 정확한 잉곳의 직경을 산출할 수 있다.

Description

잉곳 성장장치 및 그 성장방법 {INGOT GROWING APPARATUS AND GROWING METHOD BY IT}
본 발명은 시드 케이블의 흔들림이 발생되더라도 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 직경 및 위치를 정확하게 측정할 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 직경 및 위치를 정확하게 파악하기 어렵고, 이로 인하여 잉곳의 직경을 제어하거나, 잉곳의 위치를 도가니의 중심에 맞추도록 제어하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 시드 케이블의 흔들림이 발생되더라도 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 직경 및 위치를 정확하게 측정할 수 있는 잉곳 성장장치 및 그 성장방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 실리콘 융액이 담기는 도가니; 상기 도가니 상측에 구비되고, 상기 실리콘 융액에 잠긴 시드를 인상함에 따라 잉곳을 성장시키는 시드 케이블; 상기 실리콘 융액과 잉곳 사이의 경계선에서 빛의 밝기를 측정하여 잉곳의 직경을 측정하는 직경측정센서; 상기 직경측정센서와 다른 방향에 구비되고, 상기 실리콘 융액 상면에서 소정의 기준 위치를 측정하는 이미지 센서; 및 상기 직경측정센서에서 측정된 잉곳의 직경을 상기 이미지 센서에서 측정된 기준 위치의 변화에 따라 보정하는 제어부;를 포함하는 잉곳 성장장치를 제공한다.
한편, 본 발명은 실리콘 융액과 잉곳 사이의 경계선에서 빛의 밝기를 측정하여 잉곳의 직경을 측정하는 제1단계; 상기 제1단계에서 측정 위치와 다른 방향에서 상기 실리콘 융액 상면에서 소정의 기준 위치를 측정하는 제2단계; 및 상기 제1단계에서 측정된 잉곳의 직경을 상기 제2단계에서 측정된 기준 위치의 변화에 따라 보정하는 제3단계;를 포함하는 잉곳 성장방법을 제공한다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치 및 그 성장방법은 잉곳측정센서와 다른 방향에 이미지 센서를 구비함으로써, 직경측정센서에서 측정된 잉곳의 직경을 이미지 센서에서 측정된 기준 위치의 변화에 따라 보정하여 정확한 잉곳의 직경을 산출할 수 있다.
따라서, 시드 케이블의 흔들림이 발생되더라도 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 직경 및 위치를 정확하게 산출할 수 있다.
나아가, 잉곳의 직경을 정밀하게 타겟 직경에 맞추어 제어함으로써, 웨이퍼의 직경 편차를 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한, 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치를 도가니의 중심에 맞추어 제어함으로써, 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 본 발명에 적용된 이미지 센서에서 촬영된 기준 위치가 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 본 발명에 적용된 이미지 센서에서 촬영된 기준 위치가 도시된 도면이다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치는 도 2 및 도 3에 도시된 비와 같이 챔버(110) 내측에 잉곳(IG)을 성장시키기 위하여 도가니(120)와 히터(130)와 냉각부재(140)와 시드 케이블(160) 및 인상속도 제어기(170)가 구비되고, 상기 챔버(110) 외측에 잉곳(IG)의 직경을 정확하게 측정하기 위하여 직경측정센서(210)와 이미지센서(220)와 제어부(230)가 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 제1,2뷰 포트(W1,W2)가 구비되고, 하기에서 설명될 직경측정센서(210) 및 이미지 센서(220)가 상기 제1,2뷰 포트(W1,W2) 외측에 구비된다.
상기 도가니(120)는 실리콘 융액이 담기는 용기로써, 상기 챔버(110) 내측에 회전 가능하게 설치된다. 이때, 상기 도가니(120)는 불순물의 유입을 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 인상속도 제어기(170)는 상기 시드 케이블(160)의 인상 속도를 제어하도록 구성되는데, 실시예에서 상기 시드 케이블(160)이 감겼다가 풀릴 수 있는 원통형 드럼과, 상기 드럼을 회전시키는 모터를 포함하며, 하기에서 설명될 제어부(230)와 연동되어 잉곳의 직경 보정값에 따라 인상속도를 조절하는 ADC 센서부가 될 수 있으며, 한정되지 아니한다.
상기 직경측정센서(210)는 상기 제1뷰 포트(W1) 외측에 수평 방향으로 이동 가능하게 설치되며, 메니스커스에서 빛의 밝기를 측정하도록 구성된다.
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 이미지 센서(220)는 상기 제2뷰 포트(W2) 외측에 고정된 형태로 설치되며, 소정의 기준 위치를 촬영할 수 있는 카메라 형태로 구성된다.
이때, 상기 이미지 센서(220)는 상기 직경측정센서(210)와 다른 방향에 구비되며, 실시예에서 서로 반대 방향에 구비된 것을 기준으로 한정한다.
실시예에서, 상기 이미지 센서(220)에 의해 측정되는 기준 위치는 도 3에 도시된 바와 같이 실리콘 융액 상면에서 잉곳의 원주 일부 구간을 촬영한 이미지로부터 특정 길이의 호(A)를 기준으로 직선의 중심 좌표(X,Y)로 나타낼 수 있다.
따라서, 상기 이미지 센서(220)는 기준 위치를 측정하여 상기 시드 케이블(160)의 흔들림에 의해 잉곳의 위치가 가변된 것을 감지할 수 있으며, 하기에서 잉곳의 직경 보정값(D1)을 산출하는데 적용할 수 있다.
상기 제어부(230)는 잉곳 성장 공정에 영향을 미치는 요인을 제어하기 위하여 구비되는데, 실시예에서 잉곳의 직경 측정값(D0)을 기준 위치의 변화(R)에 따라 보정하고, 잉곳의 직경 보정값(D1)에 따라 인상속도(P/S)를 제어하는 것에 한정하며, 하기에서 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명에 따른 잉곳 성장장치에 적용된 직경제어장치 일예가 도시된 블럭도이다.
본 발명에 적용된 직경제어장치는 도 3에 도시된 바와 같이 직경측정센서(210)와, 이미지 센서(220)와, 입력부(231) 및 연산부(232)를 포함하는 제어부(230)와, 인상속도 제어기(170)를 포함하도록 구성된다.
먼저, 사용자는 상기 입력부(231)를 통하여 기준값(X0,Y0)을 입력하는데, 잉곳이 타겟 직경이 되는 시점에 실리콘 융액 상면에서 상기 잉곳의 원주 일부 구간인 특정 길이의 호를 기준으로 직선의 중심 좌표를 기준값(X0,Y0)으로 설정한다.
또한, 상기 직경측정센서(210)과 이미지 센서(220)는 서로 반대 방향에서 각각 잉곳의 직경(D0)과 잉곳의 기준 위치(X1,Y1)를 측정한다.
이후, 상기 연산부는 기준값(X0,Y0)과 측정된 기준 위치(X1,Y1)를 비교하여 기준 위치의 이동거리(R)를 산출한 다음, 하기의 [수학식 1]에 의해 잉곳의 직경 보정값(D1)을 산출할 수 있으며, 공정 조건에 따라 보정 인자가 추가될 수 있다.
Figure 112015058258064-pat00001
이때, D0는 상기 직경측정센서(210)에서 측정된 잉곳의 직경이고, R은 상기 이미지 센서(220)에서 측정된 기준 위치의 이동거리이며, θ는 상기 잉곳의 중심을 기준으로 상기 직경측정센서(210)로부터 상기 이미지 센서(220)가 위치한 각도이다.
예를 들어, 직경측정센서(210)와 이미지 센서(220)가 서로 반대 방향에 위치하면, 직경 보정값(D1)은 직경 측정값(D0)에서 이동거리를 뺀 값이 되며, 이동거리(R)는 +, 0, - 가 될 수 있다.
이와 같이, 상기 연산부(232)에서 잉곳의 직경 보정값(D1)이 산출되면, 상기 인상속도 제어기(170)는 잉곳의 직경 보정값(D1)에 따라 인상속도(P/S)를 조절하고, 그에 따라 잉곳의 직경을 타겟 직경에 정확하게 맞추도록 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 바디 성장 공정을 진행하고, 작업자가 기준값을 입력한다.(S1,S2 참조)
작업자는 잉곳의 직경(D)이 타겟 직경(DT)이 되는 시점에서 잉곳의 원주 일부 구간인 특정 길이의 호(A)를 기준으로 직선의 중심 좌표를 기준값(X0,Y0)으로 입력하는데, 공정마다 기준이 되는 호의 위치가 달라질 수 있기 때문에 매번 공정마다 작업자가 확인하여 기준값(X0,Y0)을 입력하는 것이 바람직하다.
다음, 일정 방향에서 잉곳의 직경(D0)을 측정하고, 반대 방향에서 잉곳의 기준 위치(X1,Y1)를 측정한다.(S3,S4 참조)
잉곳의 원주를 기준으로 서로 다른 방향에서 잉곳의 직경(D0)과 잉곳의 기준 위치(X1,Y1)가 측정된다.
실시예에서, 직경측정센서가 이동되면서 메니스커스의 특정 밝기를 측정함으로써, 잉곳의 직경(D0)을 측정하는 반면, 이미지 센서가 고정된 상태에서 메니스커스의 특정 지점을 측정함으로써, 잉곳의 기준 위치(X1,Y1)를 측정한다.
물론, 직경측정센서와 이미지 센서의 상대적으로 위치한 각도(θ)도 미리 세팅되는데, 하기에서 잉곳의 직경 보정값(D1)을 산출하기 위하여 적용된다.
다음, 기준값(X0,Y0)과 잉곳의 기준 위치(X1,Y1)로부터 이동거리(R)를 산출한다.(S5 참조)
이동거리(R)가 +,0,-가 될 수 있으며, 이동거리(R)가 +,- 인 경우 상기에서 언급한 바와 같이 시드 케이블이 흔들려서 잉곳의 위치가 변동된 것으로 판단할 수 있다.
다음, 이동거리(R)와 측정 위치(θ)에 따라 잉곳의 직경 보정값(D1)을 산출한다.(S6 참조)
잉곳의 직경 보정값(D1)은 상기에서 설명한 [수학식 1]에 의해 산출될 수 있으며, 이동거리(R)와 측정 위치(θ)를 고려하여 직경 측정값(D0)을 보정한 것이다.
다음, 잉곳의 직경 보정값(D1)에 따라 잉곳의 인상속도(P/S)를 제어한다.(S7 참조)
따라서, 시드 케이블의 흔들림 또는 다른 요인에 의해 잉곳의 위치가 가변되더라도 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 직경과 위치를 정확하게 산출할 수 있다.
나아가, 잉곳의 직경을 정밀하게 타겟 직경에 맞추어 제어함으로써, 웨이퍼의 직경 편차를 줄일 수 있거나, 실리콘 융액 계면에서 잉곳의 위치를 도가니의 중심에 맞추어 제어함으로써, 잉곳의 반경 방향 또는 길이 방향으로 웨이퍼의 품질을 균일하게 유지시킬 수 있다.
110 : 챔버 120 : 도가니
130 : 히터 140 : 냉각부재
150 : 흡입구 160 : 시드 케이블
170 : 인상속도 제어기 210 : 직경측정센서
220 : 이미지 센서 230 : 제어부

Claims (10)

  1. 실리콘 융액이 담기는 도가니;
    상기 도가니 상측에 구비되고, 상기 실리콘 융액에 잠긴 시드를 인상함에 따라 잉곳을 성장시키는 시드 케이블;
    상기 실리콘 융액과 잉곳 사이의 경계선에서 빛의 밝기를 측정하여 잉곳의 직경을 측정하는 직경측정센서;
    상기 직경측정센서와 다른 방향에 구비되고, 상기 실리콘 융액 상면에서 소정의 기준 위치를 측정하는 이미지 센서; 및
    상기 직경측정센서에서 측정된 잉곳의 직경을 상기 이미지 센서에서 측정된 기준 위치의 변화에 따라 보정하는 제어부;를 포함하고,
    상기 이미지 센서는,
    상기 실리콘 융액 상면에서 상기 잉곳의 원주 일부 구간을 촬영한 이미지로부터 특정 길이의 호를 기준으로 직선의 중심 좌표를 기준 위치로 판단하는 잉곳 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    특정 위치에 고정되어 영상을 촬영하는 카메라로 구성되는 잉곳 성장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    상기 직경측정센서와 반대 방향에 위치되는 잉곳 성장장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 잉곳이 타겟 직경이 되는 시점에 상기 실리콘 융액 상면에서 상기 잉곳의 원주 일부 구간인 특정 길이의 호를 기준으로 직선의 중심 좌표를 기준값을 입력받는 입력부와,
    상기 이미지 센서에서 측정된 기준 위치를 상기 기준값과 비교하여 기준 위치의 이동 거리를 산출하는 연산부를 포함하는 잉곳 성장장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 직경측정센서에서 측정된 잉곳의 직경 D0, 상기 이미지 센서에서 측정된 기준 위치의 이동 거리 R, 상기 잉곳의 중심을 기준으로 상기 직경측정센서로부터 상기 이미지 센서가 위치한 각도 θ 인 경우, 상기 잉곳의 직경 보정값 D1 을 하기의 수학식에 의해 산출하는 연산부를 포함하는 잉곳 성장장치.
    Figure 112017004389804-pat00002
  7. 실리콘 융액과 잉곳 사이의 경계선에서 빛의 밝기를 측정하여 잉곳의 직경을 측정하는 제1단계;
    상기 제1단계에서 측정 위치와 다른 방향에서 상기 실리콘 융액 상면에서 소정의 기준 위치를 측정하는 제2단계; 및
    상기 제1단계에서 측정된 잉곳의 직경을 상기 제2단계에서 측정된 기준 위치의 변화에 따라 보정하는 제3단계;를 포함하고,
    상기 제2단계는,
    상기 실리콘 융액 상면에서 상기 잉곳의 원주 일부 구간을 이미지로 촬영하는 제1과정과,
    상기 제1과정에서 촬영한 이미지로부터 특정 길이의 호를 기준으로 직선의 중심 좌표를 기준 위치로 판단하는 제2과정을 포함하는 잉곳 성장방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 잉곳이 타겟 직경이 되는 시점에 상기 실리콘 융액 상면에서 상기 잉곳의 원주 일부 구간인 특정 길이의 호를 기준으로 직선의 중심 좌표를 기준값을 입력받는 제1과정과,
    상기 제2단계에서 측정된 기준 위치를 상기 기준값과 비교하여 기준 위치의 이동 거리를 산출하는 제2과정을 포함하는 잉곳 성장방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 제1단계에서 측정된 잉곳의 직경 D0, 상기 제2단계에서 측정된 기준 위치의 이동 거리 R, 상기 잉곳의 중심을 기준으로 상기 잉곳의 직경을 측정한 지점과 상기 기준 위치를 측정한 지점 사이의 각도 θ 인 경우, 상기 잉곳의 직경 보정값 D1 을 하기의 수학식에 의해 산출하는 과정을 포함하는 잉곳 성장방법.
    Figure 112017004389804-pat00003

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