대직경·무결점 실리콘 wafer 생산을 위한 Power Control Mode 개발

김재훈, 정재학, 이문용, 박진국*, 손지권*

영남대학교 응용화학공학과, (주)LG실트론*

Development of Power Control Mode for Large Diameter/No defection Silicon Wafer Production

Jae Hoon Kim, Jae Hak Jung, Moonyong Lee, Jinguk Park*, Jikwon Sohn*

School of Chemical Engineering & Technology, Yeungnam University.,

LG Siltron Inc.*

서론

Czochralski 반응을 이용한 결정성장로 공정은 반도체의 재료가 되는 wafer를 생산하는 공정이다. 현재 반도체 업계에서는 대용량의 반도체 칩을 생산하기 위하여 보다 더 큰 직경과 고품질의 wafer를 요구하는 실정이며 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 보다 강건하고 정교한 제어가 뒷받침되어야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위해서 본 연구에서는 Czochralski 결정성장로 공정에 있어서 우수한 품질의 제품을 생산함과 동시에 요구되는 pulling speed 목표 궤적을 만족할 만한 수준으로 유지시키기 위해서 기존 시스템의 제어 구조를 대체할 power control mode를 개발, 적용시켰다.

Czochralski 결정성장로 공정에 대한 소개

본 연구는 실제로 현장에서 운전되는 공정에 기초하여 시도되었는데 현장에서의 결정성장로 제어시스템의 개략도를 그림 1에 나타내었다. CCD 카메라에서 측정된 결정의 직경은 moving average filter를 거쳐 잡음이 제거된 후 ADC로 입력된다. 직경 설정점은 diameter target scheduler를 거쳐 ADC로 입력되는데 이때 diameter target scheduler는 직경 측정 센서가 ingot길이에 따라 bias를 가지며 측정되는 것을 보상해 주기 위해서 ingot길이를 몇 개 구간으로 나누어 직경의 설정점을 달리 설정해 줌으로서 결과적으로 실제 직경을 주어진 설정점과 같게 해주는 역할을 한다. ADC는 filtering된 실제 직경 값과 diameter target scheduler를 거친 직경 설정점 정보를 비교하여 PID 제어 logic에 의거하여 적절한 제어 동작을 계산하여 pull speed 설정점을 내어 주고 이에 따라 motor의 pull speed가 조절된다. ADC는 현재 30초의 샘플링 주기로 동작하도록 설정되어 있다. 한편 ADC에서 계산된 pull speed 설정점 신호는 filter를 거쳐 AGC로 입력된다. Pull speed target scheduler에서는 ingot length에 따른 가장 적절한 pull speed target 값들이 미리 선정, 저장되어 출력된다. AGC는 actual pull speed가 target pull speed에서 벗어난 정도를 몇 개 구간으로 나누어 각 구간에 따라 미리 정해진 temperature 설정점 보상치를 내보내 줌으로서 actual pull speed가 target pull speed를 근접하게 따라가도록 해준다.

AGC에서 나온 temperature 설정점 보상치는 temperature target scheduler에서 나온 설정치 값과 더해져서 ATC의 최종 설정 값으로 입력된다. Temperature target scheduler에서는 ingot length에 따른 적절한 temperature 설정치 target을 저장하여 출력하는데 ingot length가 클수록 결정의 열 방출량이 커져 열 요구량이 증가하게 되므로 temperature 설정치가 커지게 된다. ATC에서는 heater의 온도 센서에서 측정된 온도 값이 exponential type filter를 거쳐 입력되어 temperature 설정치와 비교된 후 표준PID logic에 의하여 heater power 양을 제어동작으로 내보낸다. 현재 샘플링 주기는 3.5초로 설정되어 있다.

결국 현재 제어시스템에서의 주 제어변수는 결정의 직경이 되고 이를 pull speed로 조절하는데 이때 pull speed가 적절 target profile을 최대한 따라 가도록 하기 위해 AGC에서 temperature 설정치 보상을 계산해주며 이 값은 ingot length에 따른 변동을 feedforward적으로 보상해 주기 위한 temperature target scheduler에서의 보상치와 더해져서 ATC의 설정 값으로 들어간다.

본 연구의 목표는 pull speed 변동폭을 대직경·무결점 단결정에서 요구하는 □0.01mm/min 이내로 유지하면서 결정 직경 변동폭을 최소로 유지해 주도록 하는 제어전략을 개발해서 이를 현장에 직접 적용하는 것이다.

Power Control Mode

현재 반도체 산업에서는 300mm 대직경의 결정을 요구하는 추세이며, 미래의 고부가 가치 제품을 생산하기 위해서는 현재보다 대직경·무결점으로 가는 것이 바람직한 실정이다. 그러나 대직경·무결점의 제품을 생산하기 위해서는 모터의 pull speed가 주어진 목표 궤적에 대하여 □0.01mm/min의 범위 내에서 움직여야 한다. 그러나 현재의 제어 시스템에서는 pull speed가 결정 직경을 제어하는데 연결되어 있으므로 pull speed를 □0.01mm/min 내에서 움직이도록 하는 것이 상당히 어려운 과제이다(그림 2 참고). 따라서 본 연구에서는 300mm 대직경을 생산하기 위해서 현재의 결정성장로 공정의 제어시스템을 변형한 power control mode라는 새로운 방법을 도입하였다. Power control mode의 주요 목표는 pull speed를 목표 궤적치의 □0.01mm/min 내에서 움직이도록 하면서 제품을 생산하도록 하는 것이다. 한편 단결정 생산 공정에서는 직경의 급격한 변화가 일어나는 body 초기 구간에서와 큰 외란의 유입 상황에서는 pull speed mode로 운전하고 normal 시에 power control mode로 운전하는 것이 바람직하게 된다. 따라서 새로운 제어 mode를 개발함에 있어서 유의해야 하는 점은 운전 중에 pull speed mode와 power control mode 간의 전환이 자유로와야 한다는 점이다. 이러한 요구사항을 동시에 만족하면서 기존의 PLC 시스템 configuration 변화를 최소로 하기 위하여 그림 4와 같은 제어 구조를 제안하였다.

Motor의 pull speed는 □0.01mm/min 범위 내에서만 움직이도록 제한하고 ADC에서 나오는 실제 pull speed 동작을 AGC에서 받아서 AGC 동작을 취함으로써 결과적으로 온도에 의해서 결정의 직경을 제어한다는 것이 power control mode의 근본 원리이다. 그림 3이 기존 시스템의 공정도라고 하면, 그림 4가 power control mode의 공정도라고 할 수 있다. 그림 3에서 볼 수 있듯이 기존 시스템은 ADC에서 나온 pull speed 동작으로 결정 직경을 직접적으로 제어하게 되어 있다. 그림 4의 power control mode는 ADC에서 나온 동작, 즉 pull speed가 상한값과 하한값을 벗어나지 못하도록 제한되어 있는데, 즉 최고 0.01mm, 최저 -0.01mm/min 내에서 결정 직경을 제어할 수 있다. 그리고 ADC에서 나오는 실제 pull speed의 동작은 기존 시스템과 같이 AGC로 입력된다. 따라서 ADC와 AGC가 직렬로 연결되는 것과 같은 효과를 보이면서 결과적으로 새로운 형태의 제어기를 이루고 있다.

Pull speed의 역할이 줄어든 상황에서 직경의 변동폭 증가는 피할 수 없는 문제가 된다. 따라서 power control mode에서의 주안점은 긴 시간지연과 lag을 가지는 공정 동특성의 문제를 여하히 최소화 하면서 안정적으로 결정 직경 제어를 수행할 수 있도록 하느냐에 있다. 더욱이 결정성장 공정은 각 구간별로 동특성이 다른 공정이므로 구간별 제어기 파라미터 값을 찾는 것이 어려운 과제이다. 이를 위하여 각 결정 성장 구간별 gain scheduling 제어가 필수적이며 기존 제어 시스템에서 설정된 제어기 조율과는 상이한 조율값으로 ADC, AGC 제어기가 최적 조율 되어야 한다. 공정 test 결과 시스템의 안정성 확보를 위한 조율 범위가 극도로 작음을 확인할 수 있었고 안정성의 최대 확보를 위하여 D action을 최대로 강화하는 방향으로 조율이 이루어 졌다. 제어기 간의 filter에 대한 재조율과 복합된 전체 제어기가 PD mode를 가지도록 조율한 결과 적절한 직경 제어 성능을 확보 할 수 있었다.

제안된 power control 구도는 기존의 pull speed 구도와의 전환이 용이하고 PLC 상의 구현이 쉬우면서도 pull speed 변동폭을 최소로 할 수 있기 때문에 대직경·무결점 실리콘 단결정 산업 생산 공정에 유용하게 적용될 수 있으리라 기대된다.

감사의 글

본 연구는 KOSEF 특정기초 연구과제(98-0505-05-01-3)와 ㏇LG 실트론의 연구비 지원에 의해 수행되었으며 이에 감사 드립니다.

참고문헌

1. Dale E. Seborg, Thomas F. Edgar and Duncan A. Mellichamp, □Process Dynamic And Control□, 1989

2. K. M. Kim, A. Kran, K. Riedling and P. Smetana, □Digital Control of Czochralski Silicon Crystal Growth, Solid State Technology□, January, 1985

3. K. M. Kim, A. Kran, P. Smetana, and G. H. Schwuttke, □Computer Simulation and Controlled Growth of Large Diameter Czochralski Silicon Crystals□, Solid-State Science and Technology, May, 1983

그림 1. 결정성장로 제어시스템의 개략도

그림 2. 현재의 pull speed 제어 모드의 제어 응답 예

그림 3. 기존 결정성장로 제어시스템의 공정도

그림 4. Power Control Mode의 공정도