KR100909934B1 - 단결정 잉곳 절단장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정 잉곳 절단장치에 관한 것이다. 본 발명의 단결정 잉곳 절단장치는, 잉곳의 절단을 위한 와이어와, 상기 와이어를 감아서 구동시키는 복수의 와이어롤러 및 상기 와이어에 슬러리를 공급하는 슬러리노즐을 포함하여 이루어진 와이어 소(Wire Saw)를 장착한 단결정 잉곳 절단장치에 있어서, 상기 슬러리노즐이 비자성재질로 형성된 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 슬러리를 분사하는 슬러리노즐의 막힘현상 없이 균일하게 슬러리를 분사할 수 있다.

잉곳, 와이어, 절단장치, 슬러리노즐

Description

단결정 잉곳 절단장치{Apparatus for cutting single crystal ingot}

본 발명은 단결정 잉곳 절단장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 와이어에 균일한 슬러리를 공급함으로써 정밀하고, 원활히 잉곳을 절단하는 단결정 잉곳 절단장치에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 재료 및 제조 공정에 사용되는 단결정 반도체 재료인 웨이퍼는 원기둥 형태로 제조된 잉곳(Ingot)을 얇은 판 모양의 디스크 형태로써 절단되어 형성된다. 상기 잉곳을 절단시 사용되는 절단기는 내경 톱이지만, 고장력강 와이어 등을 사용하는 와이어 톱(Wire Saw)이 최근에 웨이퍼 사이즈의 확대에 대처하기 위해 사용되어 왔다.

상기 와이어 톱을 이용하여 잉곳을 절단하는 기술이 대한민국특허 공개번호 10-2003-19409 및 공개번호 10-2005-12938호 등에 개시되어 있다. 개시된 기술들은 와이어를 복수의 롤러에 감아 롤러의 회전에 의해 잉곳을 절단하는 기술이다.

보다 구체적으로, 와이어는 릴(reel)로부터 풀려나오고, 한 방향을 따라서 롤러 상에서 일정 피치를 갖도록 감겨져 이동되며, 다른 릴에 감긴다. 와이어는 두 릴 사이에서 왕복으로 이동될 수 있다. 즉, 복수의 롤러 중 어느 하나는 구동모터 에 의해 회전되어 와이어를 회전시킨다. 상기 와이어는 탄소강으로 형성되며, 롤러의 회전에 따라 한 쌍의 릴에 감겨지거나 풀려지도록 연결된다.

이때, 와이어 표면에 슬러리를 공급하는 슬러리노즐이 제공된다. 상기 슬러리노즐에 의해 공급된 슬러리는 잉곳을 절단시 절단이 원활하고, 정밀하도록 와이어를 보강하는 역할을 한다.

상기와 같이 회전되는 와이어로 잉곳이 이동되어 절단시, 와이어의 절삭저항으로 인해, 잉곳은 와이어가 롤러에 감기는 피치와 대략적으로 대등한 두께를 가진 복수의 웨이퍼로 잘려진다.

한편, 상기 잉곳을 절단하는 와이어는 잉곳과의 마찰로 인하여 마모되어 단선되기도 하는데, 상기 와이어의 단선을 감지하기 위하여 릴부위에서 전류를 공급한다. 즉, 전류가 와이어로 공급되어 전류가 끊기면 와이어가 단선되었음을 감지하게 됨으로 절단공정을 중단하도록 하는 것이다.

그런데, 상기와 같은 방식으로 잉곳을 절단시, 전류가 흐르는 와이어가 롤러에 감긴 상태에서 고속으로 회전하면 자기장을 발생시키게 된다. 이때 발생된 자기장에 의해 주철 재질의 슬러리노즐이 자석 성질을 갖게 된다. 따라서, 잉곳의 절단시 와이어가 마모되어 발생되는 와이어의 철 성분이 노즐로 이동되어 노즐에 붙게되고, 이들이 모여 노즐의 분사구멍을 막는 현상이 발생하게 된다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 롤러(12)에 감긴 와이어(W)가 마모되어 발생되는 와이어(W)의 철 성분이 슬러리노즐(30)로 이동되어 붙게되면, 즉, 슬러리노즐(30)이 막히게 되면, 와이어(W) 표면에 슬러리(S)의 공급이 일정치 못하게 되고, 슬러리(S)가 공급되지 못한 와이어(W)에 의하여 잉곳 절단시 웨이퍼의 절단표면상에 큰 커프로스(kerf loss)와 깊은 와이어 마크(wire marks)가 발생되어 품질에 문제가 있다. 이에 슬러리노즐 막힘에 의한 품질 문제를 예방하기 위하여, 슬러리노즐을 일정 주기로 세정하고 있으나, 잦은 세정(작업정지시간)으로 인하여 생산성이 저하되고, 작업상 부하의 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 슬러리노즐의 막힘현상 없이 와이어 표면에 균일한 슬러리를 공급함으로써, 품질 향상 및 웨이퍼 절단공정의 정밀도 향상은 물론, 작업 부하를 줄여 생산성 향상을 도모할 수 있는 단결정 잉곳 절단장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 단결정 잉곳 절단장치는, 잉곳의 절단을 위한 와이어와, 상기 와이어를 감아서 구동시키는 복수의 와이어롤러 및 상기 와이어에 슬러리를 공급하는 슬러리노즐을 포함하여 이루어진 와이어 소를 장착한 단결정 잉곳 절단장치에 있어서, 상기 슬러리노즐이 비자성재질로 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 슬러리노즐은, 그 일측에 슬러리가 흘러나오도록 소정 패턴으로 홀이 형성되고, 상기 슬러리가 이동되는 통로인 제1유로관; 상기 홀이 형성된 제1유로관을 일정간격 이격되어 감싸도록 형성된 제2유로관; 및 상기 제2유로관의 일측에 연통되도록 설치되고, 제2유로관으로부터 흘러나온 슬러리를 와이어의 표면에 공급하도록 슬릿이 형성된 분사 프레임;을 구비한다.

한편, 상기 슬러리노즐은 스테인레스스틸(SUS)로 형성된 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단결정 잉곳 절단장치는 비자성강재질인 스테인레스스틸(SUS)을 이용하여 슬러리노즐을 형성함으로써, 잉곳 절단시 발생되는 마모된 와이어의 철 성분이 슬러리노즐에 붙지 못하도록 하여 슬러리를 원활하고 균일하게 와이어 표면에 공급할 수 있게 된다. 따라서, 잉곳의 절단시 품질 불량의 문제를 해소함에 따라 경제적인 손실을 방지함은 물론, 품질 향상을 도모할 수 있다. 아울러, 종래 슬러리노즐은 막힘현상에 의해 빈번한 세정을 필요로 하였으나, 슬러리노즐의 막힘현상을 해소함에 따라 슬러리노즐의 세정 주기를 훨씬 길게 할 수 있어 작업 부하를 감소할 수 있다. 이에, 슬러리노즐의 세정에 의한 작업정지시간(downtime) 발생이 줄어듦으로써 생산성이 향상된다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

한편, 아래에서는 설명의 편의를 위하여 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 절단장치의 구성을 간략히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.

도 2를 참조하면, 상기 절단장치(100)는, 잉곳(10)을 고정하여 이동되는 홀더(110)와, 한 쌍의 릴(121),(122)에 연결되고, 복수의 와이어롤러(112a ~ 112c)에 감겨져 롤러(112a ~ 112c)의 회전에 따라 회전되는 와이어(W)와, 상기 와이어(W)의 표면에 슬러리(S)를 공급하는 슬러리노즐(130)을 포함하여 이루어진 와이어 소(Wire Saw) 및 상기 슬러리노즐(130)로 슬러리를 공급하는 공급수단(140)을 구비한다.

상기 홀더(110)는 잉곳(10)을 고정시켜 와이어(W)의 방향으로 이동된다. 즉, 홀더(110)는 잉곳(10)이 와이어(W)와 맞닿아 절단되도록 와이어(W)로 가압 이동된다.

와이어(W)는 복수의 와이어롤러(112a ~ 112c)에 감겨지고, 와이어(W)가 감겨지거나 풀려지도록 한 쌍의 릴(121),(122)에 연결된다. 상기 복수의 롤러(112a ~ 112c) 중 어느 하나의 롤러(112c)는 구동모터(113)와 연결되어 회전되며, 상기 구동모터(113)에 의해 회전되는 롤러(112c)를 따라 와이어(W)가 두 릴(121),(122) 사이에서 왕복으로 이동된다. 이와 같은 와이어(W)는 롤러(112a ~ 112c)에 일정 피치 간격으로 감겨져 있으며, 잉곳(10)은 회전되는 와이어(W)로 이동되어 상기 피치 간격과 대략 대응되는 두께를 가진 복수의 웨이퍼로 절단된다.

이때, 상기 릴(121),(122)부위에 전류를 공급하여 와이어(W) 상에 전류가 흐르도록 한다. 이는 잉곳(10)과 맞물림 상태로 회전되는 와이어(W)의 마모에 따라 와이어(W)가 끊어지는 것을 파악하기 위함이다. 즉, 전류가 끊어지면 와이어(W)가 단선된 것으로 판단하여 절단공정을 중지시키게 된다.

한편, 릴(121),(122)에 연결되어 롤러(112a ~ 112c)에 감겨진 와이어(W)의 왕복이동 속도는 400 내지 600m/분의 평균속도와, 분당 1 내지 3회의 순환속도로 롤러(112a ~ 112c)의 주위에 감겨진 와이퍼(W)의 길이방향으로 왕복이동시킨다. 여기서, 상기 순환속도 및 평균속도는 일예로 설명한 것으로서, 다른 순환속도 및 평균속도로 변경 가능하다.

상기 슬러리노즐(130)은 와이어(W) 상에 위치되어 와이어(W) 표면에 슬러리(S)를 공급한다. 상기 슬러리(S)는 와이어(W)에 부착되어, 와이어(W)가 잉곳(10)에 끌려 움직이게 되므로, 잉곳(10)의 절단을 보강하는 역할을 한다.

보다 구체적으로 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 슬러리노즐(130)은, 슬러리(S)가 흘러나오도록 복수의 홀(131)이 형성된 제1유로관(132)과, 제1유로관(132)을 감싸도록 형성된 제2유로관(134) 및 상기 제2유로관(134)에 연통되도록 설치되어 슬러리(S)를 와이어(W)에 공급하는 분사 프레임(136)으로 구성된다.

상기 제1유로관(132)은 이송관(도 2의 143)과 연결되어 슬러리(S)가 이동되는 통로 역할을 하며, 비록 도시되지는 않았지만, 제1유로관(132)은 슬러리 저장탱크(도 2의 142)와 연결되어 슬러리(S)가 순환되도록 형성된다. 제1유로관(132)에는 그 일측에, 예컨대 상부측에 일정 간격으로 관통된 홀(131)이 형성된다. 상기 홀(131)은 슬러리(S)가 흘러나올 수 있도록 형성된 것이다.

상기 제2유로관(134)은 제1유로관(132)을 감싸도록 형성된다. 바람직하게, 제2유로관(134)은 제1유로관(132)의 홀(131)이 형성된 부분에 설치되며, 제1유로관(132)과 일정 간격 이격되도록 하여 설치된다. 따라서, 제1유로관(132)의 홀(131)을 통해 흘러나온 슬러리(S)는 제2유로관(134)에 채워지게 된다.

상기 분사 프레임(136)은 제2유로관(134)의 하측과 연통하여 설치된다. 이때, 분사 프레임(136)에는 제2유로관(134)을 통해 흘러들어온 슬러리(S)가 외부로 배출되도록 슬릿(137)이 형성된다. 즉, 상기 슬릿(137)은 와이어(W)의 표면에 슬러리(S)을 공급하도록 와이어(W) 상에 위치되어야 함은 자명하다. 이와 같은 분사 프레임(136)은 제2유로관(134)에 용접등 다양한 방식에 의해 설치될 수 있다.

한편, 상기 분사 프레임(136)에 형성된 슬릿(137)은 슬러리(S)를 배출시키기 위한 통로로서 도시되어 설명되었으나, 이에 한정되지 않으며, 구멍이 형성되어 슬러리(S)를 배출시킬 수 있다면 구멍의 형상 및 갯수는 다양하게 변경할 수 있다.

여기서, 상기 슬러리(S)는 연마재와 절삭유로 제조된다. 슬러리(S)에서 사용된 연마재는 예를 들어, 염산에서 용해가능한 실리콘카바이드(Sic)가 96.0% 이상이고, 원소카본이 0.5% 이하이고, 그리고 철이 0.3%이하인 조성을 갖는 실리콘카바이드로 제조될 수 있다. 이와 같은, 연마재와 절삭유를 혼합하여 사용되는 슬러리(S)는 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로서 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같은 슬러리노즐(130)은 비자성재질로 이루어진다. 예컨대, 슬러리노즐(130)은 스테인레스스틸(SUS)로 이루어짐으로써 전류가 흐르는 와이어(W)가 회전됨에 따라 자기장이 발생되어도 자석의 성질을 갖지 않도록 형성되는 것이다. 따라서, 도 4에 되시된 바와 같이, 롤러(112a ~ 112c)에 감긴 와이어(W)가 마모되어 발 생되는 와이어(W)의 철 성분이 슬러리노즐(130)로 달라붙지 않게 되어 와이어(W) 표면에 균일한 슬러리(S)의 공급이 이루어지게 된다.

한편, 본 실시예에서 슬러리노즐(130)는 스테인레스스틸로 이루어지는 것으로 설명되었지만, 이는 일반적으로 슬러리가 윤활성 등을 위해 유성으로 이루어지기 때문이다. 즉, 스테인레스스틸은 자성을 띠지 않으면서 슬러리와 화학적 반응을 일으키지 않는 안정된 재질이다. 따라서, 슬러리의 화학조성에 대해 안정적이라면 다시말해 내화학성이 있는 재질이라면 비자성 재질인 임의의 재료로 슬러리노즐을 제작할 수 있다.

상기 슬러리노즐(130)에 슬러리(S)를 공급하기 위한 공급수단(140)은 슬러리(S)를 저장하는 저장탱크(142), 저장탱크(142)에 저장된 슬러리(S)가 슬러리노즐(130)로 이송되도록 연결된 이송관(143), 슬러리(S)를 회수하여 저장탱크(142)로 저장시키는 팬(141) 및 상기 슬러리(S)를 소정 온도로 유지하기 위한 열교환기(144)로 구성된다. 이와 같은 구성으로 이루어진 공급수단(140)은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것으로서 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이때, 상기 저장탱크(142) 내에 저장된 슬러리(S)의 연마재 및 절삭유를 교반하기 위한 교반기(145)가 더 설치되어 저장탱크(142) 내에 수용된 슬러리(S)를 교반한다. 따라서, 교반된 슬러리(S)는 이송관(143)을 통해 슬러리노즐(130)로 이송되고, 슬러리노즐(130)을 통해 와이어(W) 표면으로 분사된다.

한편, 미설명된 참조부호 '118'은 와이어(W)의 장력을 조절하는 텐셔너(tensioner)이다. 이는 와이어(W)가 긴장된 상태로 유지되도록 한다.

상기와 같은 슬러리노즐(130)은, 일 예로서, 실리콘 잉곳을 절단하는 절단장치에 설치되어 사용되는 것으로 한정하여 설명하였으나, 실리콘 이외의 다른 단결정 잉곳의 절단장치에도 적용가능하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

도 1은 종래의 실리콘 잉곳 절단장치의 문제점을 나타내는 도면.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치를 개략적으로 나타내는 사시도.

도 3은 본 발명의 발람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치의 슬러리노즐을 나타내는 저면도.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 절단장치의 슬러리노즐을 개략적으로 나타내는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 잉곳 100 : 절단장치

W : 와이어 S : 슬러리

112a, 112b, 112c : 롤러 121, 122 : 릴(reel)

130 : 슬러리노즐 140 : 공급수단

Claims (3)

1. 잉곳의 절단을 위한 와이어와, 상기 와이어를 감아서 구동시키는 복수의 와이어롤러 및 상기 와이어에 슬러리를 공급하는 슬러리노즐을 포함하여 이루어진 와이어 소(Wire Saw)를 장착한 단결정 잉곳 절단장치에 있어서,

   와이어가 단선되었는지의 여부를 감지하기 위해 와이어에 전류가 흐르게 하고, 상기 와이어가 고속으로 회전되어 발생하는 자기장에 의해 와이어의 마모된 철 성분이 슬러리노즐에 들러붙지 않도록 슬러리노즐이 비자성재질로 형성되며,

   상기 슬러리노즐은,

   그 일측에 슬러리가 흘러나오도록 소정 패턴으로 홀이 형성되고, 상기 슬러리가 이동되는 통로인 제1유로관;

   상기 홀이 형성된 제1유로관을 일정간격 이격되어 감싸도록 형성된 제2유로관; 및

   상기 제2유로관의 일측에 연통되도록 설치되고, 제2유로관으로부터 흘러나온 슬러리를 와이어의 표면에 공급하도록 슬릿이 형성된 분사 프레임;을 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 절단장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 슬러리노즐은 스테인레스스틸(SUS)로 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 절단장치.
3. 삭제

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