KR100832906B1 - 실리콘 분말 공급장치 및 공급방법 - Google Patents

실리콘 분말 공급장치 및 공급방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전술한 바와 같이 크기가 상이한 실리콘 분말을 사용하는 경우에도 실리콘 용융이 소요되는 비용 및 시간을 절감할 수 있는 실리콘 분말 공급장치 및 공급방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해 단결정 잉곳 제조장치에 크기가 서로 상이한 실리콘 분말을 공급하는 공급장치로서, 실리콘 분말로 충전되는 공급튜브와, 상기 공급튜브의 상부에 설치되며 제어가능한 액추에이터와, 상기 공급튜브의 하부에 설치되며 상기 액추에이터에 연결되어 상하로 수직이동가능한 원추대 형상 밸브체를 구비하며, 상기 밸브체의 원추대 사면은 폐쇄시에 상기 공급 튜브의 하단부와 접촉하고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

실리콘 분말 공급장치 및 공급방법{SILICON POWDER FEEDING APPARATUS AND FEEDING METHOD USING THEREOF}
도 1 은 종래기술에서의 실리콘 분말 공급 장치를 도시하는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 실리콘 분말 공급장치의 전체 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 공급튜브의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 밸브체의 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 밸브체에 로드가 체결된 상태를 도시하는 도면이다.
도 6 은 본 발명의 실리콘 분말 공급장치의 작동을 도시하는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10:실리콘 분말 공급장치 20:공급 튜브
30:액추에이터 40:밸브체
100:실리콘 단결정 잉곳 제조장치
본 발명은 단결정 잉곳 제조장치에 대한 것으로서 석영 도가니에 실리콘 분말을 공급하기 위한 공급장치로서, 보다 구체적으로는 불균일한 크기를 가지는 실 리콘 분말을 공급하기 위한 실리콘 분말 공급장치에 대한 것이다.
반도체 소자 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 초크랄스키법에 의해 성장된 실리콘 단결정을 가공함으로써 제조된다. 초크랄스키법에 의한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치 (100) 에서는 도 1 에 도시된 바와 같이 공급 튜브 (200) 를 통해 다결정 실리콘 분말을 석영 도가니 (120) 에 장입하고, 석영 도가니 (120) 를 둘러싸는 흑연 도가니 (130) 가 흑연 발열체 (140) 에 의해 가열됨으로써 실리콘 분말이 용융된다. 용융된 실리콘 용융액에 종자 결정을 담근 다음, 이를 회전하면서 인상시킴으로써 실리콘 단결정 잉곳이 형성된다.
그런데, 최근 미세 실리콘 분말의 공급이 원활하지 않아 실리콘 분말 입자의 크기가 비교적 큰 분말도 미세 실리콘 분말과 함께 혼합하여 사용되어야 할 필요성이 증대되고 있다.
종래의 공급튜브 (200) 의 경우 상이한 크기의 실리콘 분말이 그대로 석영 도가니 (120) 에 공급되는 바, 석영 도가니 (120) 내부에는 크기가 상이한 실리콘 분말이 서로 무질서하게 상태로 혼재하게 된다.
따라서, 흑연 발열체 (140) 에 의한 가열시 석영 도가니 (120) 의 외주 둘레부는 물론 중앙부 내부에 있는 크기가 비교적 큰 실리콘 분말도 모두 용융시켜야 하므로 전체적으로 실리콘 분말의 완전 용융시키기 위해서는 오랜 시간의 가열이 요구되어 실리콘 분말 용융에 많은 비용 및 시간이 소모되어야 하는 문제점이 있었다.
본 발명은 전술한 바와 같이 크기가 상이한 실리콘 분말을 사용하는 경우에도 실리콘 용융에 소요되는 비용 및 시간을 절감할 수 있는 실리콘 분말 공급장치 및 공급방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명의 실리콘 분말 공급장치는 전술한 과제를 달성하기 위해, 단결정 잉곳 제조장치에 크기가 서로 상이한 실리콘 분말을 공급하는 공급장치로서, 실리콘 분말로 충전되는 공급튜브와, 상기 공급튜브의 상부에 설치되며 제어가능한 액추에이터와, 상기 공급튜브의 하부에 설치되며 상기 액추에이터에 연결되어 상하로 수직이동가능한 원추대 형상 밸브체를 구비하며, 상기 밸브체의 원추대 사면은 폐쇄시에 상기 공급 튜브의 하단부와 접촉하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실리콘 분말 공급장치는, 상기 공급튜브의 하단부에는 하측으로 갈수록 직경이 커지는 테이퍼부가 형성되며, 상기 밸브체의 원추대 사면은 폐쇄시에 상기 공급 튜브의 테이퍼부와 접촉하고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실리콘 분말 공급장치는, 상기 밸브체의 하단부는 중공부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실리콘 분말 공급장치는, 상기 공급튜브와 밸브체는 석영 도가니의 중앙부에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실리콘 분말 공급장치는, 상기 공급튜브와 밸브체 중 어느 일방이나 양방은 석영소재로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실리콘 분말 공급장치는, 상기 액추에이터는 솔레노이드에 의해 구동되며 단부에 나사부가 형성된 로드부를 구비하며, 상기 밸브체의 상부에는 상기 로드부의 나사부가 관통하여 설치되는 관통홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실리콘 분말 공급방법은, 전술한 실리콘 분말 공급장치를 이용하여 실리콘 분말을 공급하는 방법으로서, 공급 튜브의 내부에 실리콘 분말을 충진하는 단계; 및 액추에이터를 작동하여 밸브체를 개방함으로써 실리콘 분말을 밸브체 사면을 따라 원형 형태로 석영 도가니에 장입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하여 설명한다. 도 2 는 본 발명의 실리콘 분말 공급장치의 전체 단면도이다.
본 발명의 실리콘 분말 공급장치 (10) 는 실리콘 단결정 잉곳 제조장치 (100) 에 설치된다.
실리콘 단결정 잉곳 제조장치 (100) 는 공지된 구성으로서 챔버 (110) 와, 챔버 (110) 내에 설치된 석영 도가니 (120) 와, 석영 도가니 (120) 의 외부를 둘러싸도록 설치되는 흑연 도가니 (130) 와, 흑연 도가니 (130) 의 외측에 형성된 흑연 발열체 (140) 와, 흑연 발열체 (140) 의 외측에 설치된 단열재 (150) 와, 석영 도가니 (120) 를 회전시키기 위한 회전축 (160) 을 구비하도록 이루어진다.
실리콘 분말 공급장치 (10) 는, 공급 튜브 (20) 와, 이 공급 튜브 (20) 의 상부에 설치되는 액추에이터 (30) 와, 이 액추에이터 (30) 에 연동되며 공급 튜브 (20) 의 하부에 설치되는 밸브체 (40) 로 이루어진다.
도 3 은 본 발명의 공급튜브의 단면도이다.
공급 튜브 (20) 는 석영 소재로서 전체적으로 상,하단부가 개방된 원통 형상을 가지며 석영 도가니 (120) 의 중앙부에서 수직하게 위치한다.
공급 튜브 (20) 의 상측에는 액추에이터 (30) 를 지지하기 위한 플랜지부 (21) 가 환형 디스크 형상으로 형성되어 있으며, 하측에는 하방으로 갈수록 직경이 커지도록 형성된 테이퍼부 (22) 가 형성되어 있다.
액추에이터 (30) 는 공지된 구성의 솔레노이드 타입으로서, 원형하우징 (31) 과 이 하우징 (31) 의 내부에 형성되며 제어부 (35) 에 의해 제어되는 솔레노이드부 (32) 와 솔레노이드부 (32) 의 내측에서 설치된 로드부 (33) 를 포함한다.
로드부 (33) 의 솔레노이드 측에는 플런저부 (33a) 가 형성되어 있으며 플런저부 (33a) 의 단부에는 하우징 (31) 의 전단부에 형성된 관통홀 (31a) 을 관통하여 돌출되는 로드 (33b) 가 고정되어 있다. 한편, 로드 (33b) 의 단부에는 나사부 (33c) 가 형성되어 있다.
플런저 (33a) 는 로드 (33b) 보다 더 큰 직경을 가지며 플런저부 (33a) 의 하단부와 하우징 (31) 의 내측부 사이에는 스프링 (34) 이 탄성 지지 되도록 설치되어 있다.
도 4 는 본 발명의 밸브체의 단면도이다. 도 5 는 본 발명의 밸브체에 로드가 체결된 상태를 도시하는 도면이다.
밸브체 (40) 는 석영 소재로 이루어지며 대략 절단 원추대 형상을 가진다. 밸브체 (40) 의 상측에는 중실 형태의 고정부 (41) 가 형성되어 있으며 고정부 (41) 의 중심에는 수직방향으로 형성된 고정홀 (42) 이 형성되어 있다.
액추에이터 (30) 의 로드 (33b) 는 도 5 에 도시된 바와 같이 고정부 (41) 를 관통하며 로드 (33b) 에 형성된 나사부(33c) 에 너트 (36) 가 고정부 (41) 의 상부 및 하부에서 체결되어 밸브체 (40) 에 고정된다.
본 실시예에서 액추에이터 (30) 는 솔레노이드 타입을 사용하였으나 이에 한정되는 것은 아니며 유압식이나 공압식 등 다른 형태의 것을 사용하는 것도 가능하다.
밸브체 (40) 의 하측은 내부가 빈 형태의 중공부 (43) 로 형성함으로써 밸브체 (40) 를 중실형으로 제작하는 경우 내부에 형성되는 잔류응력의 발생을 방지하여 밸브체 (40) 의 취성을 최소화함으로써 밸브체 (40) 의 내충격성이 강화되도록 구성되어 있다.
도 6 은 본 발명의 실리콘 분말 공급장치의 작동을 도시하는 도면이다.
다음으로 본 실시예의 작용에 대해 설명한다.
실리콘 분말의 공급필요성이 없는 경우, 도 2 에 도시된 바와 같이 제어부 (35) 에서는 솔레노이드부 (32) 로 아무런 신호를 전송하지 않는 바, 플런저 (33a) 가 스프링 (34) 의 탄성력에 의해 상방으로 밀린 상태를 유지하여 밸브체 (40) 의 경사면이 공급 튜브 (20) 의 테이퍼부 (22) 와 밀착됨으로써 폐쇄상태를 유지한다.
실리콘 분말의 공급이 필요한 경우, 도 5 에 도시된 바와 같이 제어부 (35) 에서 신호를 전송하면 액추에이터 (30) 의 솔레노이드부 (32) 에 전류가 인가되어 플런저 (33a) 가 스프링 (34) 의 탄성력을 이기고 하방으로 이동하게 된다.
플런저 (33a) 의 하방이동에 따라 이에 연결된 밸브체 (40) 가 함께 연동되어 하방으로 이동함으로써 테이퍼부 (22) 의 경사면과 밸브체 (40) 의 경사면 사이에 간극이 형성되고, 이 간극을 통해 공급 튜브 (20) 내에 충진되어 있던 실리콘 분말이 석영 도가니 (120) 로 공급된다.
이때, 실리콘 분말은 밸브체 (40) 의 경사면을 타고 석영 도가니 (120) 로 장입되면서 크기가 작은 분말들은 무게가 작아 석영 도가니 (120) 의 중심부측으로 장입되나, 크기가 큰 분말은 무게가 커서 그 관성으로 인해 석영 도가니 (120) 의 외주 둘레부로 분포하게 된다.
또한, 밸브체 (40) 의 하단면은 원형으로 형성되어 있으며 실리콘 분말을 수용하는 석영 도가니 (120) 도 원형으로 입구부가 형성되어 있는 바, 밸브체 (40) 를 지나는 실리콘 분말의 석영 도가니 (120) 의 외주 둘레부로 장입이 더욱 원활하게 수행된다.
따라서, 석영 도가니 (120) 에서의 실리콘 분말의 분포를 살펴보면 석영 도가니 (120) 의 외주 둘레부에는 크기가 비교적 큰 실리콘 분말이 배치되고 중앙부에는 크기가 비교적 작은 실리콘 분말이 배치되는 형상이 된다.
그런 다음, 석영 도가니 (120) 의 외주 둘레부를 둘러싸도록 형성된 흑연 도가니 (130) 에 흑연 발열체 (140) 에서 발생된 열을 전열시킨다.
석영 도가니 (120) 에서는 흑연 도가니 (130) 와 접촉하는 외부가 온도가 가장 높으며, 이 가장 온도가 높은 부분에 크기가 큰 실리콘 분말이 위치함으로써 동일한 열량을 가한 경우에도 석영 도가니 (120) 전체에서 모두 실리콘 분말이 용융 되는 작용을 하게 된다.
한편, 공급 튜브 (20) 의 하단부에 형성된 테이퍼부 (22) 로 인해 동일한 공급 튜브 (20) 의 길이에 대해 더 많은 양의 실리콘 분말이 채워질 수 있는 바, 깨지기 쉬운 석영소재로 공급튜브 (20) 로 길이를 길게 제작하더라도 강도가 취약하게 되는 것을 방지할 수 있는 동시에 요구되는 단결정 잉곳의 높이에 따른 실리콘 분말의 필요 공급용량에 적절하게 대응할 수 있게 된다.
또한, 테이퍼부 (22) 에서 실리콘 분말이 모여 있는 상태를 유지함으로써 자중을 발생시킴으로써 크기가 큰 실리콘 분말에 가해지는 작용력을 크게 하여 밸브체 (40) 개방시 크기가 큰 실리콘 분말이 석영 도가니 (120) 의 외주 둘레부로 공급되는 것을 촉진시키는 작용을 하게 된다.
밸브체 (40) 의 하단부에 형성된 중공부 (43) 로 형성됨으로써 잔류응력의 발생이 감소됨에 따라 취성을 가지는 밸브체 (40) 에 실리콘 분말의 갑작스런 공급이나 운반 중의 충격에도 견딜 수 있게 된다.
더욱이, 공급 튜브 (20) 및 밸브체 (40) 는 석영으로 제조됨으로써 이 부재의 표면 등으로부터의 이물질이 실리콘 분말과 함께 혼합되는 경우에도 불순물이 혼합되지 않고 동일한 성분이 혼합됨으로써 실리콘 잉곳의 순정도가 떨어지는 것을 방지하는 작용을 한다.
본 발명은 전술한 구성에 의해 실리콘 분말의 크기가 서로 상이한 경우에도 실리콘 분말을 많은 시간과 비용을 소모하지 않으면서 효율적으로 용융할 수 있는 효과를 가지게 된다.
공급튜브의 하단부를 테이퍼부로 형성하여 동일크기 경우 실리콘 분말의 충전량을 더욱 크게 하는 동시에 실리콘 분말에 가해지는 힘을 크게 하여 크기가 큰 실리콘 분말이 석영 도가니의 외주 둘레부로 장입하는 것을 더욱 용이하게 한다.
또한, 밸브체의 하단부 내측을 중공부로 함으로써 잔류응력을 제거하여 밸브체의 강도를 개선하는 효과를 가지게 된다.

Claims (7)

  1. 단결정 잉곳 제조장치에 크기가 서로 상이한 실리콘 분말을 공급하는 공급장치로서,
    실리콘 분말로 충전되는 공급튜브와,
    상기 공급튜브의 상부에 설치되며 제어가능한 액추에이터와,
    상기 공급튜브의 하부에 설치되며 상기 액추에이터에 연결되어 상하로 수직이동가능한 원추대 형상 밸브체를 구비하며,
    상기 밸브체의 원추대 사면은 폐쇄시에 상기 공급 튜브의 하단부와 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 분말 공급장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급튜브의 하단부에는 하측으로 갈수록 직경이 커지는 테이퍼부가 형성되며,
    상기 밸브체의 원추대 사면은 폐쇄시에 상기 공급 튜브의 테이퍼부와 접촉하고 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 분말 공급장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 밸브체의 하단부는 중공부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 분말 공급장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공급튜브와 밸브체는 석영 도가니의 중앙부에 위치하는 것을 특징으로 하는 실리콘 분말 공급장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 공급튜브와 밸브체 중 어느 일방이나 양방은 석영소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 실리콘 분말 공급장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 액추에이터는 솔레노이드에 의해 구동되며 단부에 나사부가 형성된 로드부를 구비하며,
    상기 밸브체의 상부에는 상기 로드부의 나사부가 관통하여 설치되는 관통홀이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 실리콘 분말 공급장치.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 실리콘 분말 공급장치를 이용하여 실리콘 분말을 공급하는 방법으로서,
    공급 튜브의 내부에 실리콘 분말을 충진하는 단계; 및
    액추에이터를 작동하여 밸브체를 개방함으로써 실리콘 분말을 밸브체 사면을 따라 원형 형태로 석영 도가니에 장입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실 리콘 분말 공급방법.
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