KR20160025821A - 잉곳 성장장치의 온도제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents

잉곳 성장장치의 온도제어장치 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이전 잉곳 성장 공정의 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)과 현재 잉곳 성장 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 정량적으로 고려하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 제공할 수 있는 잉곳 성장장치의 온도제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치의 온도제어장치 및 그 제어방법은 자동 온도 설계기에서 이전 잉곳 성장 공정의 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)과 현재 잉곳 성장 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 정량적으로 고려하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 자동으로 설계하면, 고해상도 제어기에서 현재 인상속도 오차(ΔP/S1)와 타겟 온도 프로파일(Target ATC)에 따라 산출된 파워를 히터에 제공할 수 있다.

Description

잉곳 성장장치의 온도제어장치 및 그 제어방법 {Temperature control module of the ingot growth apparatus and a control method for it}
본 발명은 이전 잉곳 성장 공정의 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)과 현재 잉곳 성장 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 정량적으로 고려하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 제공할 수 있는 잉곳 성장장치의 온도제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
반도체 소자의 제조 시 기판으로 주로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는 일반적으로 고순도 다결정 실리콘을 제조한 후, 쵸크랄스키(Czochralski: CZ) 결정성장법에 따라 다결정 실리콘으로부터 단결정을 성장시켜 단결정 실리콘 봉을 생산하고 이를 얇게 절단하여 실리콘 웨이퍼를 생산하며, 웨이퍼의 일면을 경면 연마(polishing)하고 세정한 후 최종 검사하여 제조한다.
예를 들어, 종래기술에 의한 단결정 잉곳성장방법은 다결정 실리콘을 용융한 용융액에 시드를 침지한 후, 종결정을 빠른 인상속도로 성장하여 네킹 공정을 진행한다. 그리고, 단결정을 시드와 직경방향으로 서서히 성장시키며 소정크기의 직경을 가지면 숄더링 단계를 진행한다. 숄더링 단계 이후에 바디 성장을 진행하며 소정길이 만큼 바디공정 진행후에 바디의 직경을 감소시키고 융액으로부터 분리하는 테일링 공정을 거쳐 단결정 잉곳성장을 완료한다.
이러한 쵸그랄스키 공정에서 단결정 성장시 주된 관심은 전위, 보이드 또는 결정 격자 구조 내의 다른 결함들이 형성되는 것을 방지하는 것에 있다. 만약, 단결정 내에 국부적인 결함 또는 전위가 전파된다면, 단결정 전체를 모두 사용할 수 없기 때문이다.
특히, 쵸크랄스키 공정에 의한 단결정 잉곳의 성장 시에는 베이컨시(vacancy)와 격자간 실리콘(interstitial silicon)이 고액계면을 통해 단결정 내로 유입되며, 이러한 유입된 베이컨시와 격자간 실리콘의 농도가 과포화 상태에 이르면 베이컨시와 격자간 실리콘이 확산 및 응집하여 베이컨시 결함(이하, V 결함이라 함)과 인터스티셜 결함(I 결함이라 함)을 형성하는 것이 문제된다.
V 결함과 I 결함의 발생을 억제하기 위해서, 단결정의 인상속도 V와 고액 계면에서의 온도 구배 G의 비인 V/G를 특정 범위 안에서 제어하는 방법을 사용한다. 그리고, 이러한 단결정의 인상속도와 고액 계면에서의 온도는 단결정의 잉곳의 직경을 결정짓는 요소에도 해당된다.
그러므로, 잉곳의 결함발생을 억제하고 직경을 균일하게 유지하기 위해, 인상속도와 함께 실리콘 융액 온도를 적절하게 제어할 필요가 있다.
종래에는 융액의 온도를 적절하게 제어하기 위하여, 과거 공정에서 사용한 목표 온도 프로파일과 Hot zone 변경, 공정 조건 변경 등의 여러 요소를 감안하여 설계자의 경험치에 따라 수동적으로 현재 공정에서 온도 프로파일을 재설계하고 있다.
따라서, 설계자마다 온도 설계 방식이 상이하고, 설계자의 경험에 의존할 뿐 아니라 온도 설계 및 보정할 때에 정량적인 기준이 없기 때문에 재설계된 온도 프로파일을 적용하더라도 실제 온도를 목표 온도에 맞추는 온도 적중률이 저조한 편이다.
또한, 설계자가 설계한 온도 프로파일로 진행하더라도 실제 온도 조건과 상이할 경우에 온도 보정이 진행되는데, 온도 편차가 발생한 이후 목표 온도를 보정하는 피드 백(feedback)제어를 통해 목표 온도와 실제온도의 정합률을 높였으나, 이미 편차가 발생된 이후의 보정이므로 온도 적중률을 높이는데 한계가 있었다.
따라서, 종래에는 설계자의 경험치에 의한 온도 보정이 진행되거나, 온도 편차가 발생한 이후에 목표 온도를 피드 백 제어하기 때문에 목표 온도와 실제온도의 편차로 인하여 온도를 원하는 값으로 제어하지 못하게 되고, 인상속도 에러 및 인상속도 변동을 유발하여 잉곳의 직경 제어와 결정 품질에 결함이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이전 잉곳 성장 공정의 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)과 현재 잉곳 성장 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 정량적으로 고려하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 자동 설계할 수 있는 잉곳 성장장치의 온도제어장치 및 그 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 챔버 내부에서 도가니에 담긴 융액으로부터 잉곳을 타겟 직경으로 성장시키는 동시에 타겟 인상속도로 인상시키기 위하여, 상기 도가니를 가열하는 히터의 파워를 제어하는 잉곳 성장장치의 온도제어장치에 있어서, 상기 잉곳의 실제 직경(d)과 타겟 직경(d0)의 오차(Δd)에 따라 실제 인상속도(Actual P/S) 및 평균 인상속도(Avg P/S)를 산출하는 직경 제어기; 상기 직경 제어기에서 제공되는 실제 인상속도(Actual P/S)를 타겟 인상속도(Target P/S)에 맞추도록 상기 잉곳의 인상속도(P/S)를 제어하는 인상 제어기; 이전 공정의 인상속도 데이터와 현재 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 가공하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)로 산출하는 온도 자동 설계 제어기; 상기 직경 제어기에서 제공되는 평균 인상속도(Avg P/S)와 타겟 인상속도(Target P/S)의 오차값인 현재 인상속도 오차(ΔP/S1)와 상기 온도 자동 설계 제어기에서 제공되는 타겟 온도 프로파일(Target ATC)에 따라 상기 히터에 제공되는 파워를 산출하고, 상기 히터 파워를 펄스 신호로 상기 히터에 전송하는 고해상도 제어기;를 포함하는 잉곳 성장장치의 온도제어장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 챔버 내부에서 도가니에 담긴 융액으로부터 잉곳을 타겟 직경으로 성장시키는 동시에 타겟 인상속도로 인상시키기 위하여, 상기 도가니를 가열하는 히터의 파워를 제어하는 잉곳 성장장치의 온도제어방법에 있어서, 상기 잉곳의 실제 직경(d)과 타겟 직경(d0)의 오차(Δd)에 따라 실제 인상속도(Actual P/S) 및 평균 인상속도(Avg P/S)를 산출하는 제1단계; 상기 제1단계에서 제공되는 실제 인상속도(Actual P/S)를 타겟 인상속도(Target P/S)에 맞추도록 상기 잉곳의 인상속도(P/S)를 제어하는 제2단계; 이전 공정의 데이터와 현재 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 가공하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)로 산출하는 제3단계; 상기 제1단계에서 제공되는 평균 인상속도(Avg P/S)와 타겟 인상속도(Target P/S)의 오차값인 현재 인상속도 오차(ΔP/S1)와 상기 제3단계에서 제공되는 타겟 온도 프로파일(Target ATC)에 따라 상기 히터에 제공되는 파워를 산출하여 상기 히터로 전송하는 제4단계를 포함하는 잉곳 성장장치의 온도제어방법을 제공한다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치의 온도제어장치 및 그 제어방법은 자동 온도 설계기에서 이전 잉곳 성장 공정의 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)과 현재 잉곳 성장 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 정량적으로 고려하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 자동으로 설계하면, 고해상도 제어기에서 현재 인상속도 오차(ΔP/S1)와 타겟 온도 프로파일(Target ATC)에 따라 산출된 파워를 히터에 제공할 수 있다.
따라서, 이전 공정의 데이터 및 현재 공정의 데이터를 정량적으로 반영함으로써, 현재 공정의 타겟 온도 프로파일을 자동 설계가 가능하며, 온도 적중률을 높일 수 있는 이점이 있다.
나아가, 실시간으로 타겟 온도 프로파일을 보정함으로써, 공정 중에 외란이 발생되더라도 실시간으로 인상속도 에러를 개선하여 잉곳의 직경을 균일하게 제어할 수 있고, 잉곳의 결정 품질을 균일하게 유지할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 온도제어장치가 적용된 잉곳 성장장치가 도시된 개념도.
도 2는 도 1에 적용된 온도제어장치의 일예가 도시된 구성도.
도 3은 도 1에 적용된 온도제어장치의 제어 흐름이 보다 상세히 도시된 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 잉곳 성장장치의 온도제어방법이 도시된 순서도.
도 5는 도 4에 적용된 타겟 온도 프로파일의 산출 과정이 도시된 순서도.
도 6은 본 발명에 따른 잉곳 성장장치의 온도제어방법으로 최종 온도 설계가 이루어지는 일예가 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 1은 본 발명에 따른 온도제어장치가 적용된 잉곳 성장장치가 도시된 개념도이다.
본 발명의 잉곳 성장장치는 도 1에 도시된 바와 같이 챔버(100) 내에 단결정 실리콘 잉곳(IG)을 성장시키기 위해 용융실리콘(SM)을 담고 있는 도가니(110)와, 상기 도가니(110)를 가열하는 히터(120)와, 단결정 잉곳(IG)을 회전시키면서 인상하기 위한 인상 제어기(130)와, 단결정 잉곳(IG)의 직경을 측정하는 직경측정센서(140)와, 상기 도가니(110)의 회전 또는 승강을 제어하는 도가니 승강장치(150)와, 상기 히터(120) 및 인상 제어기(130)의 작동을 제어하는 온도제어장치(200)를 포함한다.
이때, 상기 온도제어장치(200)는 상기 인상 제어기(130)에 인상속도(PS)를 제공하는데, 상기 직경측정센서(140)에 의해 측정된 직경의 평균값을 타겟 직경과 비교한 값을 이용하여 상기 인상속도(PS)를 제공할 수 있다.
또한, 상기 온도제어장치(200)는 상기 히터(120)로 공급되는 전력인 히터 파워(Heater power)를 직접 제공하도록 구성된다.
보다 상세하게, 상기 온도제어장치(200)는 이전 잉곳 성장 공정의 인상속도(P/S) 데이터와 현재 잉곳 성장 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC)을 정량적으로 반영하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 자동으로 설계한 다음, 현재 인상속도 오차(ΔP/S1)와 타겟 온도 프로파일(Target ATC)에 따라 산출된 파워를 상기 히터에 제공하며, 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
따라서, 이전 공정의 데이터 및 현재 공정의 데이터를 정량적으로 반영하여 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 설정함으로써, 온도 적중률을 높일 수 있고, 실시간으로 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 보정함으로써, 외란이 발생되더라도 실시간으로 잉곳의 직경을 균일하게 제어할 수 있다.
도 2는 도 1에 적용된 온도제어장치의 일예가 도시된 구성도이다.
상기 온도제어장치는 도 2에 도시된 바와 같이 직경 제어기(Auto Diameter Controller : 210)와, 고해상도 제어기(A : 220,230)와, 히터 제어기(240)와, 온도 자동 설계 제어기(B : 250,260)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 직경 제어기(210)는 잉곳의 직경(Dia)을 타겟 직경(Target Dia)으로 균일하게 성장시키기 위하여 상기 인상 제어기(130)로 실제 인상속도(Actual P/S)를 제공할 수 있다.
이때, 상기 직경 제어기(210)는 잉곳의 측정 직경(Dia)과 타겟 직경(Target Dia)의 비교를 통하여 상기 실제 인상속도(Actual P/S)를 산출할 수 있으며, 상기 직경측정센서(140)를 비롯하여 타겟 직경 스케줄러(Dia. Target Scheduler : 201)와 직경 신호 비교부(202)로부터 신호를 전달받도록 구성될 수 있다.
따라서, 상기 직경 신호 비교부(202)는 상기 직경측정센서(140)에 의해 감지된 잉곳의 측정 직경(Dia)을 입력받고, 상기 타겟 직경 스케줄러(201)로부터 잉곳의 타겟 직경(Target Dia)을 입력받은 다음, 서로 비교하여 상기 직경 제어기(210)로 전송한다.
이후, 상기 직경 제어기(210)는 상기 잉곳의 측정 직경(Dia)과 타겟 직경(Target Dia)의 비교값(ΔDia)에 따라 실제 인상속도(Actual P/S)를 산출하고, 산출된 실제 인상속도(Actual P/S)를 상기 인상 제어기(130)에 제공함으로써, 잉곳의 인상속도(P/S)를 타겟 인상속도(Target PS)에 맞추도록 제어할 수 있다.
상기 고해상도 제어기(A)는 일종의 PLC와 PC가 결합한 형태로 구성될 수 있으며, 온도 보정량(ΔT)을 비롯하여 히터 파워(P)를 실수로 산출할 수 있다.
상기 고해상도 제어기(A)는 인상속도의 오차(ΔP/S1)를 온도 보정량(ΔT)으로 산출하는 인상상속도 제어부(Auto Growing Controller : 220)와, 온도 보정량(ΔT)을 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation : PWM) 방법에 의해 히터 파워(P)로 산출하는 온도 제어부(Auto Temperature Controller : 230)를 포함하도록 구성될 수 있다.
상기 인상속도 제어부(220)는 인상속도(PS)를 평균값(Avg PS)과의 편차(ΔP/S1)를 통하여 온도 보정량(ΔT)을 산출할 수 있다. 이때, 상기 인상속도 제어부(220)는 하기에서 설명될 타겟 인상속도 스케줄러(PS Target Scheduler : 211)와 인상속도 신호 비교부(212)로부터 신호를 전달받도록 구성될 수 있다.
따라서, 상기 인상속도 신호 비교부(212)는 상기 직경 제어기(210)로부터 전송된 실제 인상속도(Actual P/S)를 입력받고, 상기 타겟 인상속도 스케줄러(211)로부터 잉곳의 타겟 인상속도(Target PS)를 입력받은 다음, 서로 비교하여 상기 인상속도 제어부(220)로 전송한다.
이후, 상기 인상속도 제어부(220)는 상기 인상속도(PS)를 설정시간 동안에 평균값(Avg PS)을 구한 다음, 상기 인상속도(PS)를 평균값(Avg PS)과 오차(ΔPS)로부터 온도 보정량(ΔT)을 산출할 수 있다. 이때, 상기 인상속도 제어부(220)는 인상속도의 편차(ΔP/S1)에 대해 비례-적분-미분(PID) 제어를 수행하여 온도 보정량(ΔT)으로 산출할 수 있다.
상기 온도 제어부(230)는 잉곳이 성장하는 도가니 내부의 온도를 기준으로 제어할 수 있는데, 온도 보정량(ΔT)과 타겟 온도(T0) 및 측정 온도(T)의 비교를 통하여 히터 파워(P)를 산출할 수 있다. 이때, 상기 온도 제어부(230)는 하기에서 설명될 온도 스케줄러(Temperature Scheduler : 260)와 제1,2온도 신호 비교부(221,222)로부터 신호를 전달받도록 구성될 수 있다.
따라서, 상기 제1온도 신호 비교부(221)는 상기 인상속도 제어부(220)로부터 전송된 온도 보정량(ΔT)을 입력받는 동시에 상기 온도 스케줄러(260)로부터 잉곳이 성장되는 도가니 내부의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 입력받아 보정 온도(T1)를 산출하고, 상기 제2온도 신호 비교부(222)는 실제 도가니 내부의 온도를 감지한 측정 온도(T)를 입력받은 다음, 보정 온도(T1)와 측정 온도(T)의 비교값을 상기 온도 제어부(230)로 전송한다.
이후, 상기 온도 제어부(230)는 상기 보정 온도(T1)와 측정 온도(T)의 비교값로부터 제어 온도(T2)를 산출하고, 제어 온도(T2)를 구현하기 위하여 비례-적분-미분(PID) 제어를 수행하여 히터 파워(P)를 산출할 수 있다.
이때, 상기 온도 제어부(230)는 세분화된 히터 파워(P)를 펄스폭 변조(PWM) 방법에 의해 정밀하게 구현함으로써, 히터 파워(P)를 신속하게 세분화하여 제공할 수 있다.
상기 히터 제어기(240)는 상기 온도 제어부(230)로부터 제공된 히터 파워(P)를 직접 상기 히터(120)로 공급하도록 제어한다. 이때, 상기 히터 제어기(240)의 해상도가 떨어지더라도 상기 온도 제어부(230)를 통하여 히터 파워(P)가 신속하게 세분화하여 제공할 수 있으며, 실제 도가니 내부의 온도 환경을 민감하게 조절할 수 있다.
상기 온도 자동 설계 제어기(B)는 연산부(250)와, 온도 스케줄러(260)로 구성될 수 있다.
상기 연산부(250)는 상기 고해상도 제어기(A)로부터 입력받은 이전 공정의 인상속도 데이터와 현재 공정의 실제 온도 프로파일(Actual ATC1)을 Raw data로 가공하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 산출할 수 있는데, 상기 고해상도 제어기(A)로부터 입력받을 수 있는 데이터로는 인상속도 오차(ΔP/S)와, 실제 온도 프로파일(Actual ATC)과, 멜트 갭(Melt gap) 등이 포함될 수 있다.
이때, 상기 연산부(250)에 의해 이전 공정의 인상속도 데이터과 현재 공정의 실제 온도 프로파일(Actual ATC1)을 가공하여 현재 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 자동 설계함으로써, 현재 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)은 이전 공정에서 인상속도 에러와 멜트 갭에 따라 변동된 온도 경향을 반영하는 동시에 현재 공정 조건 하에서 실제 온도 변화를 반영할 수 있고, 이로 인하여 공정 조건 또는 품질을 만족시킬 수 있는 온도 적중률을 높일 수 있다.
상기 온도 스케줄러(260)는 공정 초기에 최초 온도 프로파일 또는 타겟 온도를 제공하도록 구비되는데, 상기 연산부(250)에서 자동 설계된 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 상기 고해상도 제어기(A)의 제1온도 신호 비교부(221)에 제공하도록 구성될 수도 있다.
이와 같이, 상기 온도제어장치(200)는 인상속도를 타겟 인상속도로 수렴되는 동안 인터벌 타임(Interval time)을 두고 제어하게 되는데, 설정된 평균시간(Avg time) 동안 인상속도 평균값(Avg PS)을 구하고, 인상속도(PS)를 평균값(Avg PS)과의 오차를 온도 보정량(ΔT)으로 산출한 다음, 온도 보정량(ΔT)을 이전 공정의 데이터를 반영하여 자동 설계된 타겟 온도 프로파일(Target ATC)과 실제 측정 온도(T)를 고려하여 세분화된 히터 파워(P)로 산출하고, 히터 파워(P)를 펄스폭 변조(PWM) 방법에 의해 정밀하게 구현할 수 있어 히터의 제어 온도(T2)를 민감하게 제어할 수 있다.
따라서, 이전 공정 조건을 현재 공정 조건에 정량적으로 반영함으로써, 현재 공정 진행 중에서 공정 조건에 변화됨에 따라 실제 온도가 변경되더라도 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 실시간으로 변경하기 때문에 공정 간에 품질 재현성을 확보할 수 있고, 외란에 빠른 대응을 하여 안전성을 확보할 수 있다.
도 3은 도 1에 적용된 온도제어장치의 제어 흐름이 보다 상세히 도시된 구성도이다.
상기 온도제어장치에서 데이터의 흐름을 기준으로 고해상도 제어기와 온도 자동 설계기의 구성을 살펴보면, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 고해상도 제어기(A)는 제1메모리부(231) 및 온도 제어부(232)로 이루어진 PLC와, 제2메모리부(233)와 연산부(234)와 제3메모리부(235) 및 인터페이스(236)로 이루어진 PC로 이루어질 수 있으며, 상기 온도 자동 설계기(B)는 연산부(250)와, 온도 스케줄러(260)를 포함할 수 있다.
먼저, 상기 인상 제어기(130)는 실제 인상속도(P/S)를 제공하고, 상기 온도 제어부(232)는 상기 제1메모리부(231)에 저장된 타겟 온도(T0)를 제공하면, 상기 제2메모리부(233)는 실제 인상속도(P/S)와 타겟 온도(T0)를 저장한다.
다음, 상기 온도 자동 설계기(B)의 연산부(250)는 상기 제2메모리부(233)에 저장된 실제 인상속도(P/S)와 타겟 온도(T0)로부터 보정 온도를 산출한다.
물론, 공정 초기에는 상기 온도 스케줄러(260)에서 타겟 온도(T0)가 제공되지만, 공정 진행 중에는 상기와 같은 과정을 통하여 인상속도(P/S)를 고려한 보정 온도(T1)가 제공된다.
다음, 상기 온도 자동 설계기(B)의 연산부(250)는 이전 공정의 데이터와 현재 공정의 데이터를 반영하여 다시 타겟 온도 프로파일(Targrt ATC)을 설계함으로써, 공정 진행 중에 이전 데이터를 고려하여 재설계된 타겟 온도 프로파일(Targrt ATC)이 제공된다.
다음, 상기 제3메모리부(235)는 보정 온도(T1)와 타겟 온도 프로파일을 저장하고, 상기 제1메모리부(231)는 상기 인터페이스(236)를 통하여 상기 제3메모리부(235)에 저장된 보정 온도(T1)와 타겟 온도 프로파일(Targrt ATC)을 전송받아 저장한다.
상기와 같은 과정을 반복하면, 공정 초기에 타겟 온도(T0)로 히터의 작동이 제어되지만, 공정이 진행될수록 인상속도에 따른 보정 온도(T1) 및 이전 공정의 데이터를 정량적으로 고려하여 재설계된 타겟 온도 프로파일(Targrt ATC)로 히터의 작동이 제어될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 잉곳 성장장치의 온도제어방법이 도시된 순서도이다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치의 온도제어방법은 실리콘 융액으로부터 잉곳을 인상시키는 공정이 진행되는 동안 적합한 온도 환경을 제공하기 위하여 히터의 파워를 조절하게 되는데, 도 4를 참조하여 살펴보기로 한다.
먼저, 잉곳의 직경 오차(Δd)를 산출하고, 실제 인상속도(Actual P/S) 및 평균 인상속도(Avg P/S)를 산출한다.(S1,S2 참조)
잉곳의 측정 직경(d)과 타겟 직경(d0)을 비교하면, 잉곳의 직경 오차(Δd)를 산출하는 동시에 잉곳의 직경 오차(Δd)로부터 실제 인상속도도(Actual P/S)를 같이 산출할 수 있다.
이때, 인상속도(P/S)를 설정시간 동안에 평균값으로 구하면, 평균 인상속도(Avg P/S)를 산출할 수 있다.
다음, 실제 인상속도(Actual P/S)를 타겟 인상속도(Target P/S)로 제어함으로써, 잉곳의 직경을 균일하게 조절할 수 있다.(S3 참조)
다음, 이전 공정의 인상속도 데이터를 가공하고, 현재 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 가공한 다음, 가공된 데이터를 정량적으로 반영하여 현재 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 자동 설계한다.(S4,S5,S6 참조)
이전 공정의 인상속도 데이터인 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)을 Raw data로 가공하고, 이와 같이 가공된 데이터를 현재 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 고려한 적응 제어를 통하여 현재 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 자동으로 산출할 수 있으며, 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
다음, 현재 인상속도 오차(ΔP/S1)와 타겟 온도 프로파일(Target ATC)에 따라 히터 파워를 산출하고, 히터 파워를 제공한다.(S7,S8 참조)
현재 공정에서 인상속도 평균값(Avg P/S)과 인상속도 오차(ΔP/S1)로부터 온도 보정량(ΔT)을 산출할 수 있는데, 인상속도 오차(ΔP/S1)에 대해 비례-적분-미분(PID) 제어를 수행하여 온도 보정량(ΔT)을 산출할 수 있다.
공정 초기에 온도 보정량(ΔT)은 최초 입력된 타겟 온도(T0)와 측정 온도(T)의 비교를 통하여 제어 온도(T2)를 산출한 다음, 제어 온도를 구현하기 위하여 비례-적분-미분(PID) 제어를 수행하여 히터 파워(P)를 산출할 수 있다.
그런데, 공정이 진행될수록 온도 보정량(ΔT)은 자동으로 재설계된 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 입력받아 보정 온도(T1)로 보정되고, 이러한 보정 온도(T1)와 실제 측정 온도(T)의 비교를 통하여 제어 온도(T2)를 산출한 다음, 제어 온도(T2)를 구현하기 위하여 비례-적분-미분(PID) 제어를 수행하여 히터 파워(P)를 산출할 수 있다.
물론, 히터 파워(P)를 펄스폭 변조(PWM) 방법에 의해 정밀하게 구현함으로써, 히터 파워(P)를 신속하게 세분화하여 제공할 수 있다.
도 5는 도 4에 적용된 타겟 온도 프로파일의 산출 과정이 도시된 순서도이다.
보다 상세하게, 타겟 온도 프로파일(Target ATC)이 산출되는 과정을 도 5를 참조하여 살펴보면, 이전 공정 데이터인 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Actual ATC0)과 현재 공정 데이터인 현재 온도 프로파일(Actual ATC1)을 입력받은 다음, 하기의 단계를 거치면서 노이즈를 줄일 수 있도록 가공한다.(S11,S12 참조)
먼저, 이전 공정 중에 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Actual ATC0)을 보간법(Interpolation)을 이용한 다항식 필터(Polynominal filter)로 가공한다.(S13 참조)
다음, 다항식 필터로 가공된 데이터를 설정 간격으로 PID 계산(Proportional Integral Differential calculate)한다.(S14 참조)
다음, PID 계산된 데이터를 보외법(Extrapolation)을 이용한 다항식 필터(Polynominal filter)와 저역 통과 필터(Low pass filter : LPF)로 가공한다.(S15 참조)
상기와 같이 가공된 데이터를 반영하여 최종 설계된 온도 프로파일이 산출되면, 현재 공정 조건인 현재 온도 프로파일(Actual ATC1)을 고려한 적응 제어(Adaptive control)에 의해 타겟 온도 프로파일(Target ATC)이 자동 설계된다.(S16,S17 참조)
이때, 적응 제어(Adaptive control)는 기존의 고정 PID 값이 아니라 실시간으로 공정 변동에 최적인 PID 값으로 변경 및 제어하는 방식이다.
즉, 현재 온도 프로파일(Actual ATC1)은 멜트 갭의 변동에 따라 달라지게 되는데, 적응 제어를 통하여 멜트 갭 등과 같은 공정 조건이 변동되더라도 실시간으로 보정된 타겟 온도 프로파일을 제공할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 잉곳 성장장치의 온도제어방법으로 최종 온도 설계가 이루어지는 일예가 도시된 그래프이다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치의 온도제어방법은 이전 공정의 데이터를 가공하여 현재 공정의 최종 온도 설계가 이루어지는데, 도 6에 도시된 바와 같이 최종 설계 온도는 이전 공정에서 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)을 정량적으로 반영하여 산출된다.
이때, 이전 공정에서 인상속도 오차(ΔP/S0)를 제거하는 동시에 실제 온도 변화를 반영하기 위하여 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0) 각각의 비율을 설정하도록 구성할 수 있다.
예를 들어, 이전 공정에서 반복적으로 인상속도 오차(ΔP/S0)가 발생하면, 자동 설계 시에 인상속도 오차(ΔP/S0)의 비율을 낮추는 동시에 실제 온도 프로파일(Act ATC0)의 비율을 높게 제어하는 것이 바람직하지만, 공정 중간에 이상한 온도 반응이 발생하면, 인상속도 오차(ΔP/S0)의 비율을 높이는 동시에 실제 온도 프로파일(Act ATC0)의 비율을 낮게 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 이전 공정들의 데이터를 반영하더라도 최근 진행된 공정에서 데이터의 비율을 높게 제어하는 것이 바람직하다.
물론, 최종 설계된 온도는 상기에서 설명한 여러가지 가공을 통하여 제어 불가능한 헌팅을 최소화할 수 있으며, 추가적으로 현재 공정 조건을 반영하는 현재 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 반영하도록 보정될 수 있다.
100 : 챔버 110 : 도가니
120 : 히터 130 : 인상장치
140 : 직경측정센서 150 : 승강장치
200 : 온도제어장치 210 : 직경 제어기
A : 고해상도 제어기 B : 온도 자동 설계 제어기
220 : 인상 제어부 230 : 온도 제어부
240 : 히터 제어기 250 : 연산부
260 : 온도 스케줄러

Claims (12)

  1. 챔버 내부에서 도가니에 담긴 융액으로부터 잉곳을 타겟 직경으로 성장시키는 동시에 타겟 인상속도로 인상시키기 위하여, 상기 도가니를 가열하는 히터의 파워를 제어하는 잉곳 성장장치의 온도제어장치에 있어서,
    상기 잉곳의 실제 직경(d)과 타겟 직경(d0)의 오차(Δd)에 따라 실제 인상속도(Actual P/S) 및 평균 인상속도(Avg P/S)를 산출하는 직경 제어기;
    상기 직경 제어기에서 제공되는 실제 인상속도(Actual P/S)를 타겟 인상속도(Target P/S)에 맞추도록 상기 잉곳의 인상속도(P/S)를 제어하는 인상 제어기;
    이전 공정의 인상속도 데이터와 현재 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 가공하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)로 산출하는 온도 자동 설계 제어기;
    상기 직경 제어기에서 제공되는 평균 인상속도(Avg P/S)와 타겟 인상속도(Target P/S)의 오차값인 현재 인상속도 오차(ΔP/S1)와 상기 온도 자동 설계 제어기에서 제공되는 타겟 온도 프로파일(Target ATC)에 따라 상기 히터에 제공되는 파워를 산출하고, 상기 히터 파워를 펄스 신호로 상기 히터에 전송하는 고해상도 제어기;를 포함하는 잉곳 성장장치의 온도제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도 자동 설계 제어기는,
    이전 공정 중에 타겟 인상속도와 실제 인상속도의 오차값인 인상속도 오차(ΔP/S0)와 이전 공정 중에 실제 온도 프로파일(Act ATC0)을 설정 비율로 합산하여 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 산출하는 연산부와,
    상기 연산부에서 산출된 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 상기 고해상도 제어기에 제공하는 온도 스케줄러를 포함하는 잉곳 성장장치의 온도제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 연산부는,
    이전 공정 중에 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)을 보간법(Interpolation)을 이용한 다항식 필터(Polynominal filter)로 가공하는 잉곳 성장장치의 온도제어장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 연산부는,
    이전 공정 중에 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)을 보외법(Extrapolation)을 이용한 다항식 필터(Polynominal filter)와 저역 통과 필터(Low pass filter : LPF)로 가공하는 잉곳 성장장치의 온도제어장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 연산부는,
    이전 공정 중에 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)을 설정 간격으로 PID 계산(Proportional Integral Differential calculate)하는 잉곳 성장장치의 온도제어장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 연산부는,
    현재 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)에 따라 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 추가 보정하는 잉곳 성장장치의 온도제어장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고해상도 제어기는,
    상기 현재 인상속도 오차(ΔP/S1)에 따라 보정 온도(T1)를 산출하는 인상속도 제어부와,
    상기 인상속도 제어부에서 제공되는 보정 온도(T1)와 상기 온도 자동 설계 제어기에서 제공되는 타겟 온도 프로파일(Target ATC) 및 실제 챔버 내부의 측정 온도(T2)에 따라 최종 온도 프로파일(Final ATC)을 실시간으로 산출하고, 최종 온도 프로파일(Final ATC)에 따라 상기 히터에 제공되는 파워를 제공하는 온도 제어부를 포함하는 잉곳 성장장치의 온도제어장치.
  8. 챔버 내부에서 도가니에 담긴 융액으로부터 잉곳을 타겟 직경으로 성장시키는 동시에 타겟 인상속도로 인상시키기 위하여, 상기 도가니를 가열하는 히터의 파워를 제어하는 잉곳 성장장치의 온도제어방법에 있어서,
    상기 잉곳의 실제 직경(d)과 타겟 직경(d0)의 오차(Δd)에 따라 실제 인상속도(Actual P/S) 및 평균 인상속도(Avg P/S)를 산출하는 제1단계;
    상기 제1단계에서 제공되는 실제 인상속도(Actual P/S)를 타겟 인상속도(Target P/S)에 맞추도록 상기 잉곳의 인상속도(P/S)를 제어하는 제2단계;
    이전 공정의 데이터와 현재 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)을 가공하여 현재 잉곳 성장 공정의 타겟 온도 프로파일(Target ATC)로 산출하는 제3단계;
    상기 제1단계에서 제공되는 평균 인상속도(Avg P/S)와 타겟 인상속도(Target P/S)의 오차값인 현재 인상속도 오차(ΔP/S1)와 상기 제3단계에서 제공되는 타겟 온도 프로파일(Target ATC)에 따라 상기 히터에 제공되는 파워를 산출하여 상기 히터로 전송하는 제4단계를 포함하는 잉곳 성장장치의 온도제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    이전 공정 중에 타겟 인상속도와 실제 인상속도의 오차값인 인상속도 오차(ΔP/S0)와 이전 공정 중에 실제 온도 프로파일(Act ATC0)을 설정 비율로 합산하여 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 산출하는 잉곳 성장장치의 온도제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    상기 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)을 보간법(Interpolation)을 이용한 다항식 필터(Polynominal filter)로 가공하는 제1과정과,
    상기 제1과정에서 가공된 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)을 설정 간격으로 PID 계산(Proportional Integral Differential calculate)하는 제2과정과,
    상기 제2과정에서 계산된 인상속도 오차(ΔP/S0)와 실제 온도 프로파일(Act ATC0)을 보외법(Extrapolation)을 이용한 다항식 필터(Polynominal filter)와 저역 통과 필터(Low pass filter : LPF)로 가공하는 제3과정을 포함하는 잉곳 성장장치의 온도제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제3단계는,
    현재 공정의 실제 온도 프로파일(Act ATC1)에 따라 타겟 온도 프로파일(Target ATC)을 추가 보정하는 과정을 더 포함하는 잉곳 성장장치의 온도제어방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제4단계는,
    상기 현재 인상속도 오차(ΔP/S1)에 따라 보정 온도(T1)를 산출하는 제1과정과,
    상기 제1과정에서 제공되는 보정 온도(T1)와 상기 제3단계에서 제공되는 타겟 온도 프로파일(Target ATC) 및 실제 챔버 내부의 측정 온도(T2)에 따라 최종 온도 프로파일(Final ATC)을 실시간으로 산출하는 제2과정과,
    상기 제2과정에서 제공되는 최종 온도 프로파일(Final ATC)에 따라 상기 히터에 제공되는 파워를 산출하여 제공하는 제3과정을 포함하는 잉곳 성장장치의 온도제어방법.
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