KR100894295B1 - 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법 및 이를이용한 실리콘 단결정 잉곳 생산방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 생산방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법은, 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 챔버와, 외부로부터 챔버로 불활성 가스가 유입되는 가스라인과, 가스라인에 설치되어 챔버로 유입되는 불활성 기체의 유량을 제어하는 유량 컨트롤러와, 챔버와 유량 컨트롤러 사이에 설치되어 가스라인을 개폐하는 밸브를 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 과정 중, 챔버로 공급되는 불활성 기체의 유량을 제어하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법에 있어서, 유량 컨트롤러를 통해 불활성 기체가 유입되지 않도록 유량 컨트롤러가 제어되며, 밸브는 개방되는 제1개방단계와, 가스라인에 수용되어있던 불활성 기체가 챔버로 확산되도록 제1개방단계를 기준시간 동안 유지하는 확산단계와, 챔버로 불활성 기체가 기준유량으로 공급되도록 유량 컨트롤러가 제어되는 제2개방단계를 포함한다.

유량제어, 오버-샷(over-shoot), 실리콘

Description

실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 생산방법{Method for controlling mass flow in apparatus of manufacturing silicon single crystal ingot and method of manufacturing silicon single crystal ingot using the same}

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 생산방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 실리콘 단결정 잉곳의 생산과정 중 유량 컨트롤러를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 내부로 공급되는 불활성 기체의 유량을 제어하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 생산방법에 관한 것이다.

실리콘 단결정 잉곳 생산장치를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 과정 중, 챔버 내의 압력을 조절하고, 챔버 내에 존재하는 불순물들을 챔버 외부로 배출하기 위하여, 챔버 내부로 아르곤(Ar)을 유입하게 된다. 이때, 유입되는 아르곤의 유량은 챔버 내의 압력을 결정하는 중요한 요소일 뿐 아니라, 챔버 내의 존재하는 기체의 유동을 변화시킴으로써 챔버 내의 온도분포에도 영향을 미치게 된다. 따라서, 챔버 내로 공급되는 아르곤의 유량은 정밀하게 제어될 필요가 있다.

도 1은 아르곤의 유량을 제어하는 유량제어시스템의 개념도이며, 도 2는 챔버 내부로 유입되는 아르곤의 유량을 측정한 그래프이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 유량제어시스템(9)은 챔버(1)에 설치된 공압밸브(2)와, 아르곤의 유량을 제어하는 유량 컨트롤러(Mass Flow Controller : MFC)(3)와, 공압밸브(2)와 유량 컨트롤러(3)를 연결하는 연결관(4)을 포함한다.

종래의 경우, 실리콘 단결정 잉곳의 성장과정 중 챔버(1) 내부로 아르곤을 공급하기 위하여, 공압밸브(2)를 개방함과 동시에 유량 컨트롤러(3)에서 기준유량, 예를 들어 90slm(Standard Liter per Minute)으로 아르곤이 공급되도록 유량 컨트롤러의 밸브를 개방하였다. 이와 같이, 공압밸브(2) 및 유량 컨트롤러(3)의 밸브가 동시에 개방되면, 유량 컨트롤러(3)에서 새로이 유입되는 아르곤 뿐 아니라 연결관(4)에 수용되어 있던 아르곤이 한꺼번에 챔버(1) 내부로 유입되게 된다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 챔버(1) 내부로 아르곤이 유입되기 시작하는 시점에서는 기준유량보다 훨씬 더 많은 양의 아르곤이 챔버(1) 내로 유입되는 오버-샷(Over-shoot) 현상이 발생하게 된다. 그리고, 이와 같이 오버-샷 현상이 발생하게 되면, 챔버(1) 내부의 압력 및 챔버(1) 내부의 온도분포가 불안정하게 되며, 그 결과 실리콘 단결정 잉곳의 품질이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 챔버 내부로 과도한 양의 불활성 기체가 동시에 유입되는 현상을 방지함으로써 실리콘 단결정 잉곳의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 생산방법에 관한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산방법은 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 챔버와, 외부로부터 상기 챔버로 불활성 가스가 유입되는 가스라인과, 상기 가스라인에 설치되어 상기 챔버로 유입되는 상기 불활성 기체의 유량을 제어하는 유량 컨트롤러(mass flow controller)와, 상기 챔버와 상기 유량 컨트롤러 사이에 설치되어 상기 가스라인을 개폐하는 밸브를 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 과정 중, 상기 챔버로 공급되는 불활성 기체의 유량을 제어하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법에 있어서, 상기 유량 컨트롤러를 통해 상기 불활성 기체가 유입되지 않도록 상기 유량 컨트롤러가 제어되며, 상기 밸브는 개방되는 제1개방단계와, 상기 가스라인에 수용되어있던 상기 불활성 기체가 상기 챔버로 확산되도록 상기 제1개방단계를 기준시간 동안 유지하는 확산단계와, 상기 챔버로 상기 불활성 기체가 기준유량으로 공급되도록 상기 유량 컨트롤러가 제어되는 제2개방단계를 포 함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 확산단계는 4초 이상 6초 이하로 유지되는 것이 바람직하다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 챔버 내로 과도한 양의 불활성 기체가 동시에 공급됨으로 인해 챔버 내의 압력 및 온도분포가 불안정하게 되는 현상을 방지할 수 있으며, 그 결과 생산되는 실리콘 단결정 잉곳의 품질이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법 및 이를 이용한 실리콘 단결정 잉곳 생산방법에 관하여 설명하기로 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

도 3은 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법의 흐름도이며, 도 5는 도 4에 도시된 유량제어방법에 의해 챔버 내부로 공급되는 불활성 기체의 유량을 측정한 그래프이다.

도 3을 참조하여, 실리콘 단결정 잉곳 생산장치 및 이 장치를 사용하여 실리 콘 단결정 잉곳을 생산하는 방법에 관하여 설명한다.

실리콘 단결정 잉곳 생산장치(100)는 불활성기체 유입구(11)가 마련되어 있는 챔버(10)와, 챔버(10) 내부에 설치되며 실리콘 융액이 수용되는 도가니(20)와, 도가니(20)를 가열하는 히터(30)와, 도가니(20)의 상측에 승강 가능하게 배치되는 케이블(40) 및 케이블의 단부에 결합된 시드(41)를 포함한다. 또한, 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(100)에는, 불활성 기체 주입구(11)에 결합되며 외부로부터 불활성 가스가 유입되는 가스라인(53)과, 가스라인(53)에 설치되어 챔버로 유입되는 불활성 기체의 유량을 제어하는 유량 컨트롤러(mass flow controller)(52)와, 챔버(10)와 유량 컨트롤러(52) 사이에 설치되어 가스라인을 개폐하는 밸브(51)가 설치되어 있다. 특히, 본 실시예에서 유량 컨트롤러(52)는 아르곤의 유량을 제어하며, 유량 컨트롤러(52)를 통해 공급되는 아르곤은 가스라인(53) 및 밸브(51)를 통하여 챔버(10) 내부로 공급된다.

상술한 바와 같이 구성된 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(10)를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 방법은, 장입단계와, 융해단계와, 인상단계로 이루어진다. 장입단계에서는 도가니(20) 내에 다결정 실리콘 및 안티몬(Sb) 등과 같은 도펀트(dopant)를 장입한다. 융해단계에서는 히터(30)로 도가니(20)를 가열하여 다결정 실리콘을 융해시켜 실리콘 융액을 형성하며, 형성된 실리콘 융액을 지속적으로 가열한다. 인상단계에서는 실리콘 융액에 시드(41)를 접촉한 후, 도가니(20)와 시드(41)를 반대방향으로 회전시켜가면서 시드(41)를 서서히 인상하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다.

그리고 상술한 과정 중, 챔버(10) 내의 압력을 유지하고, 실리콘 단결정 잉곳의 생산과정 중에 발생되는 산화 안티몬(SbO_X) 등과 같은 불순물을 챔버(10) 외부로 배출하기 위하여, 챔버(10) 내부로 아르곤을 공급한다. 이때 아르곤의 유량은 챔버 내의 압력 및 온도분포와 밀접한 관계를 가지므로, 아르곤의 유량을 정밀하게 제어하는 것은 매우 중요한 문제이다. 그리고, 본 발명의 특징은 챔버(10) 내부로 공급되는 아르곤의 유량을 제어하는 유량제어방법에 있다. 이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법(M100)에 관해 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법(M100)은, 제1개방단계(M10)와, 확산단계(M20)와, 제2개방단계(M30)를 포함한다.

제1개방단계(M10)에서는 밸브(51)를 개방한다. 이때, 유량 컨트롤러(52)를 통해 아르곤이 챔버(10) 내부로 공급되지 않도록 유량 컨트롤러(52)를 제어한다.

확산단계(M20)에서는 밸브(51)가 개방된 상태를 기준시간, 즉 가스라인(53)에 수용되어 있던 아르곤이 챔버(10) 내부로 충분히 확산될 때까지 소요되는 시간 동안 유지한다. 확산단계(M20)는 4~6초 동안 유지되는 것이 바람직한데, 이는 확산단계가 4초 미만인 경우에는 가스라인(53)에 수용된 아르곤이 충분히 확산되지 못하며, 확산단계가 6초보다 더 길게 진행되는 경우에는 아르곤의 주입이 너무 지연되므로 실리콘 단결정 잉곳의 품질이 나빠지게 되며, 실리콘 단결정 잉곳의 생산과정이 불필요하게 지연되기 때문이다. 확산단계가 유지되는 동안, 도 5에 도시된 바와 같이 가스라인(53)에 수용되어 있던 아르곤 가스가 챔버(10) 내부로 확산되며, 시간이 경과함에 따라 확산되는 양이 점차 줄어들어 약 5초가 경과한 후에는 챔버(10) 내부로 확산되는 아르곤 가스의 유량이 거의 0에 가까워 지게 된다.

제2개방단계(M30)는 확산단계(M20)가 완료된 후 진행된다. 제2개방단계(M30)에서는 아르곤이 원하는 양, 즉 기준유량으로 챔버(10) 내부로 공급되도록 유량 컨트롤러(52)를 제어한다. 특히, 본 실시예에서는 아르곤 기체가 90slm으로 공급되도록 유량 컨트롤러(52)를 제어한다. 이와 같이, 유량 컨트롤러(52)를 제어하면, 도 5에 도시된 바와 같이 챔버 내부로 유입되는 아르곤의 유량이 서서히 증가하여 설정된 90slm에 이르게 되며, 이후 90slm의 공급속도를 유지하면서 챔버(10) 내부로 공급되게 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 도 1에 도시된 바와 같이 아르곤의 공급을 시작하는 시점에서 챔버 내부로 유입되는 아르곤의 양이 과도하게 되는 오버-샷 현상을 방지할 수 있다. 따라서, 챔버 내의 압력 및 온도분포가 불안정 해지는 것을 방지할 수 있으며, 그 결과 생산되는 실리콘 단결정 잉곳의 품질이 향상되게 된다.

또한, 본 실시예에 의하면, 오버-샷을 방지하기 위한 추가적인 구성, 예를 들어 밸브 등을 추가적으로 설치하지 않고, 기존의 장치를 그대로 사용하면서 오버-샷을 방지할 수 있으므로, 경제적이며 용이하게 본 발명을 실시할 수 있다는 장점을 가진다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발 명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 아르곤의 유량을 제어하는 유량제어시스템의 개념도이다.

도 2는 챔버 내부로 유입되는 아르곤의 유량을 측정한 그래프이다.

도 3은 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법의 흐름도이다.

도 5는 도 4에 도시된 유량제어방법에 의해 챔버 내부로 공급되는 불활성 기체의 유량을 측정한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

M100...실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법 M10...제1개방단계

M20...확산단계 M30...제2개방단계

100...실리콘 단결정 잉곳 생산장치 10...챔버

20...도가니 30...히터

40...케이블 52...유량 컨트롤러

Claims (2)

1. 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 챔버와, 외부로부터 상기 챔버로 불활성 가스가 유입되는 가스라인과, 상기 가스라인에 설치되어 상기 챔버로 유입되는 상기 불활성 기체의 유량을 제어하는 유량 컨트롤러(mass flow controller)와, 상기 챔버와 상기 유량 컨트롤러 사이에 설치되어 상기 가스라인을 개폐하는 밸브를 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 과정 중, 상기 챔버로 공급되는 불활성 기체의 유량을 제어하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법에 있어서,

   상기 유량 컨트롤러를 통해 상기 불활성 기체가 유입되지 않도록 상기 유량 컨트롤러가 제어되며, 상기 밸브는 개방되는 제1개방단계와,

   상기 가스라인에 수용되어있던 상기 불활성 기체가 상기 챔버로 확산되도록 상기 제1개방단계를 기준시간 동안 유지하는 확산단계와,

   상기 챔버로 상기 불활성 기체가 기준유량으로 공급되도록 상기 유량 컨트롤러가 제어되는 제2개방단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 확산단계는 4초 이상 6초 이하로 유지되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 유량제어방법.

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