KR101156482B1 - 실리카 도가니 제조용 몰드 - Google Patents

실리카 도가니 제조용 몰드 Download PDF

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Abstract

실리카 또는 석영 분말이 회전 몰드의 내벽 상에 부착된 상태에서 가열-용융됨으로써 제조되는 실리카 도가니 제조용 몰드로서, 특정 내경을 갖는 고리 형상의 단열성 배리어재가, 실리카 도가니의 상부 영역에 대응하는 몰드 상부 개구부의 내주벽 상에 설치된다.
실리카 도가니, 회전 몰드, 배리어재,

Description

실리카 도가니 제조용 몰드 {MOLD FOR PRODUCING A SILICA CRUCIBLE}
본 발명은 실리카 도가니 제조용 몰드에 관한 것으로서, 특히, 몰드 개구부의 상부 내벽 형태를 안출함으로써 원료 비용의 유리한 저감을 도모하려고 하는 것이다.
최근에는 반도체 디바이스의 기판으로서 실리콘 웨이퍼의 사용이 급속히 증가하고 있다. 이러한 실리콘 웨이퍼는, 통상 실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 제작한 후 이를 슬라이스함으로써 제조된다.
이러한 실리콘 단결정 잉곳은 일반적으로, 예를 들면, CZ 방법 등과 같은 인상법에 의해 제조된다. 또한, 실리콘 단결정을 인상하는데는 실리카 도가니가 사용된다.
실리카 도가니의 대표적인 제조 방법으로서 회전 몰드법이 알려져 있다. 이 회전 몰드법은, 회전하는 몰드의 내벽, 즉 몰드의 저면 및 측면 상에 실리카 또는 석영 분말을 부착시키고, 그 후 아크를 통해 가열하여 용융시킴으로써 실리카 도가니를 제조하는 방법이다.
최근에, 실리콘 웨이퍼 수요의 급속한 증가에 따라, 실리콘 단결정 잉곳에 대해서도 대구경(大口徑)의 실리콘 단결정 잉곳이 요구되고 있다.
이러한 대구경의 실리콘 단결정 잉곳을 인상법으로 제조하는 경우, 사용되는 실리카 도가니 또한 대구경을 갖는 것이 요구된다.
통상, 실리콘 단결정 잉곳을 인상법에 의해 제조하기 위해서는, 잉곳 직경의 약 3배에 해당하는 직경의 실리카 도가니를 사용하는 것이 필요하게 된다.
상술한 회전 몰드법에 의해 실리카 도가니를 제조하는 경우, 실리카 도가니의 상부에는 외경이 작고 두께가 얇은 부분(이하에서는, 작은 직경의 얇은 부분이라고 칭함)이 발생하기 때문에, 이 작은 직경의 얇은 부분을 절단하여 제거하는 것이 필요하게 된다.
그 이유는, 실리카 도가니에 Si를 충전 및 용융시켜 Si 단결정을 인상하는 단계에서, 실리카 도가니가 고온으로 가열되는 경우, 온도가 올라감에 따라 실리카의 점도가 작아져, 실리카 도가니가 쉽게 변형되기 때문이다. 특히, 실리카 도가니의 상부 부분이 작은 직경의 얇은 부분인 경우, 내측으로 무너져 쉽게 변형되는 경향이 있다.
이와 같이 작은 직경의 얇은 부분이 발생하는 원인은, 몰드의 개구부에서는 열이 쉽게 방열되기 때문에, 아크 가열에 의해서도 실리카 또는 석영 분말이 거의 용융되지 않고, 따라서 실리카 도가니의 상부 외경이 작게 되고 그 두께가 얇게 되기 때문이다. 이러한 작은 직경의 얇은 부분이 발생되는 것은 제조 공정에 있어서 피할 수 없다.
따라서, 회전 몰드법에 의해 실리카 도가니를 제조하는 경우, 작은 직경의 얇은 부분이 발생되는 것을 예상하여, 도가니 높이가 제품 사양 높이보다도 상기 작은 직경의 얇은 부분만큼 더 높은 실리카 도가니를 제조하고, 그 후 상기 작은 직경의 얇은 부분을 절단하여 제거함으로써 제품을 얻고 있다.
또한, 동일한 몰드로 높이가 다른 실리카 도가니를 제조할 수도 있다. 높이가 높은 실리카 도가니를 제조하는 경우에는 문제가 없지만, 높이가 낮은 실리카 도가니를 제조하는 경우에는 절단하여 제거되는 부분이 많아져 버리게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 높이가 낮은 제품에만 전용으로 사용하는 몰드가 제공될 수 있지만, 실리카 도가니의 제조 개수가 작거나 하는 경우에는, 새로운 몰드의 제조 비용 및 관리가 곤란해지는 단점이 있다.
상술한 것처럼, 회전 몰드법에 의해 실리카 도가니를 제조하는 경우, 작은 직경의 얇은 부분이 발생하는 것은 피할 수 없기 때문에, 도가니 높이가 제품 사양 높이보다 상기 작은 직경의 얇은 부분만큼 더 높은 실리카 도가니를 제조하고, 그 후 상기 작은 직경의 얇은 부분을 절단하여 제거함으로써 제품을 얻는다.
그러나, 상술한 것처럼, 최근에는, 실리콘 단결정 잉곳의 직경 증가와 더불어, 실리카 도가니도 대구경을 갖는 것이 요구되고 있다. 도가니를 대구경으로 한 경우, 그것에 수반하여 작은 직경의 얇은 부분이 발생됨으로 인해서 절단을 통해 불가피하게 제거되는 부분 또한 증가하게 되기 때문에, 원료 비용 및 이로 인한 제품 비용 측면에서 중대한 문제를 야기시킨다.
예컨대, 외경이 18인치이고 두께가 8mm인 도가니를 제조하는 경우, 절단-제거 높이(cutting-removing height) 10mm당 절대량으로서 약 0.3kg 의 실리카 또는 석영 분말이 여분으로 사용된다.
이에 대해, 외경이 32인치인 대구경의 실리카 도가니를 제조하려고 하는 경우, 두께는 약 15mm 로 증가하고, 따라서 절단-제거 높이 10mm당 절대량으로서 약 1.0kg의 실리카 또는 석영 분말이 여분으로 사용된다.
따라서, 대구경의 실리카 도가니를 제조하는 경우, 작은 사이즈의 실리카 도가니를 제조하는 경우에 비해, 도가니 1개의 절단-제거 높이당 제조에 사용되는 실리카 또는 석영 분말의 낭비되는 양이, 3배 ～ 4배로 급증하게 된다.
본 발명은 상술한 사정을 감안하여 개발된 것으로, 실리카 도가니의 상부에 작은 직경의 얇은 부분이 발생됨으로 인해 불가피하게 절단을 통해 제거되는 부분을 감소시켜, 원료 비용을 효과적으로 저감시킬수 있는 실리카 도가니 제조용 몰드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명의 개요 및 구성은 다음과 같다:
1. 회전 몰드의 내벽 상에 실리카 또는 석영 분말을 부착한 상태에서 가열-용융하여 실리카 도가니를 제조할 때에 사용되는 실리카 도가니 제조용 몰드로서, 실리카 도가니의 상부 영역에 대응하는 몰드의 상부 개구부의 내주벽(inner peripheral wall) 상에, 내경이 몰드의 내경보다 작고 또한 실리카 도가니의 내경보다 큰 고리 형상의 단열성 배리어재(barrier material)를 설치한 것을 특징으로 하는 실리카 도가니 제조용 몰드.
2. 상기 1항에 있어서, 상기 배리어재는 석영, 카본, 탄화규소, 또는 질화규소인 것을 특징으로 하는 실리카 도가니 제조용 몰드.
3. 상기 1항에 있어서, 하기 식으로 나타내는, 고리 형상 배리어재 내면의 상기 몰드 내주벽으로부터의 돌출 두께 t1가 실리카 또는 석영 분말의 부착 두께 t2의 20 ～ 80%인 것을 특징으로 하는 실리카 도가니 제조용 몰드.
(식)
t1 = (몰드 내경-배리어재 내경)/2
4. 상기 1항에 있어서, 상기 배리어재의 내면의 표면 거칠기가 산술 평균 거칠기 Ra 로 6.3 ～ 25㎛인 것을 특징으로 하는 실리카 도가니 제조용 몰드.
본 발명에 따르면, 종래 기술과 비교할 때, 작은 직경의 얇은 부분이 발생됨으로 인해 절단을 통해 제거되는 부분을 감소시킬 수 있고, 그 결과 제품 비용뿐만 아니라 원료 비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 1에는, 회전 몰드법에 의한 실리카 도가니의 일반적인 제조 요령이 모식적으로(schematically) 도시되어 있다. 도면에 있어서, 부호(1)는 몰드, 부호(2)는 통기 배관, 부호(3)는 아크 전극, 그리고 부호(4)는 몰드의 내벽 상에 부착되는 실리카 또는 석영 분말이다.
회전 몰드법에서는, 회전 몰드(1)의 내벽 상에 부착된 실리카 또는 석영 분말(4)을 아크를 통해 가열-용융함으로써 유리화하여, 도가니 형상의 모양으로 성형할 수 있다.
도 2에는, 종래의 일반적인 몰드를 이용하여 제조된 유리질 실리카 도가니(5)의 단면 형상이 도시되어 있다.
도 2에 도시된 것처럼, 유리질 실리카 도가니(5)의 상부 외경은 작아지고 두께도 얇아져서, 작은 직경의 얇은 부분(6)이 발생한다.
본 발명은 도 3에 도시된 몰드를 사용함으로써 상기 문제를 해결한다.
본 발명은, 도가니의 제조시에 실리카 도가니의 상부의 외경이 불가피하게 작아지고 또한 상부의 두께가 얇아진다면, 이러한 부분에 배리어재를 사용하여, 몰드 형상을 미리 도가니 상부 형상에 대응하는 형상으로 함으로써, 낭비되는 실리카 또는 석영 분말의 양이 감소될 수 있다는 기술적 사상에 기초하고 있다.
도 3에서, 주요 구성부는 도 1에 도시된 종래의 몰드와 동일하여, 동일한 도면 부호로 표시된다. 부호(7)는 몰드의 상부 개구부에 배치된 배리어재이다.
도 3에 도시된 것처럼, 배리어재는 내경이 몰드의 내경보다 작고 또한 실리카 도가니의 내경보다 큰 고리 형상을 갖는다.
여기서, 배리어재(7)의 개구부의 내주벽으로부터의 돌출 두께 t1은 실리카 또는 석영 분말의 부착 두께 t2의 20 ～ 80%인 것이 바람직하다. 부착 두께 t2에 대한 돌출 두께 t1의 비율이 20% 보다 작은 경우, 사용되는 실리카 또는 석영 분말의 삭감 효과가 작아 비용 절감 효과가 작으며, 80%를 초과하는 경우, 배리어재가 산화에 의해 낭비될 우려가 있다.
또한, 배리어재의 높이 H는 작은 직경의 얇은 부분의 높이와 동일할 수 있다. 덧붙여 말하자면, 32인치의 외경 및 15mm의 두께를 갖는 도가니를 제조하는 경우, 발생하는 작은 직경의 얇은 부분의 높이는 약 30 ～ 100mm 이다.
또한, 본 발명에 있어서, 배리어재의 내면의 표면 거칠기는 산술 평균 거칠기 Ra로 6.3 ～ 25㎛ 의 범위를 갖는 것이 바람직하다. 배리어재 내면의 거칠기가 Ra 로 6.3 보다 작은 경우, 실리카 또는 석영 분말이 부착 또는 가열-용융될 때 실리카 또는 석영 분말이 쉽게 움직이게 되어, 도가니 정밀성의 열화를 일으키고, 반면에 25㎛ 를 초과하는 경우, 배리어재의 표면으로부터 입자들이 떨어져서 실리카 도가니의 불순물이 된다.
본 발명에 있어서, 배리어재는 단열성 및 내열성에서 우수하고, 열팽창 및 시간에 따른 변화가 작은 것이 바람직하며, 그 예는 다음과 같다.
(1) 석영 (열전도율: 5 내지 10 W/mK, 열팽창 계수: 약 5.6×10-7/℃)
(2) 카본 (열전도율: 약 140 W/mK, 열팽창 계수: 약 5.6×10-6/℃)
(3) 탄화규소 (열전도율: 100 ～ 350 W/mK, 열팽창 계수: 약 6.6×10-6/℃)
(4) 질화규소 (열전도율: 200 W/mK, 열팽창 계수: 3.5×10-6/℃)
실시예 1
도 1에 도시된 종래 구조의 몰드를 사용하여 실리카 도가니를 제조하는 경우, 도가니의 상측에 있는 부분을 절단하는데 사용되는 실리카 또는 석영 분말 중량은 다음과 같은 식으로 나타낸다.
(식)
실리카 또는 석영 분말의 사용 중량 = {(몰드의 내측 반경)2-(몰드의 내측 반경-부착 두께)2}×3.14×절단 높이×실리카 또는 석영 분말의 벌크(bulk) 비중 (B 값)
한편, 도 3에 도시된 본 발명에 따른 구조를 갖는 몰드를 사용하여 실리카 도가니를 제조하는 경우, 사용되는 실리카 또는 석영 분말의 양은 다음의 식으로 나타낸 양만큼 감소될 수 있다.
(식)
실리카 또는 석영 분말의 감소량 = {(배리어재의 내측 반경+돌출 두께)2-(배리어재의 내측 반경)2}×3.14×배리어재의 높이×실리카 또는 석영 분말의 벌크 비중 (A 값)
따라서, 본 발명에 따르면, 종래의 경우와 비교할 때, 여분으로 사용되는 실리카 또는 석영 분말의 양을 (A/B)×100(%)로 나타내는 양만큼 감소시킬 수 있다.
실제로, 도 3에 도시된 본 발명에 따른 구조를 갖는 몰드를 사용하여 외경이 810mm이고 두께가 15mm인 실리카 도가니를 제조한 경우, B 값=14.5kg 및 A 값=6.2kg 이고, 따라서 여분으로 사용된 실리카 또는 석영 분말의 양은 종래의 경우와 비교해서 43%만큼 감소될 수 있다. (단, 도가니 상부의 절단 높이는 120mm; 배리어재의 내측 반경은 780mm; 배리어재의 높이 H는 100mm, 배리어재의 돌출 두께 t1은 20mm, 그리고 실리카 또는 석영 분말의 부착 두께 t2는 40mm 로 했음)
도 1은 회전 몰드법에 의한 실리카 도가니의 제조 과정을 예시하는 단면도이다.
도 2는 일반적인 몰드를 사용하여 제조된 실리카 도가니의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 몰드의 상부 개구부에 고리 형상의 배리어재를 설치한 몰드의 단면도이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1: 몰드
2: 통기 배관
3: 아크 전극
4: 실리카 또는 석영 분말
5: 유리질 실리카 도가니
6: 작은 직경의 얇은 부분
7: 배리어재

Claims (4)

  1. 회전 몰드의 내벽 상에 실리카 또는 석영 분말을 부착한 상태에서 가열-용융하여 실리카 도가니를 제조할 때에 사용되는 실리카 도가니 제조용 몰드로서, 실리카 도가니의 상부 영역에 대응하는 몰드의 상부 개구부의 내주벽(inner peripheral wall) 상에, 내경이 몰드의 내경보다 작고 또한 실리카 도가니의 내경보다 큰 고리 형상의 단열성 배리어재(barrier material)를 설치하여, 몰드의 상부 형상을 실리카 도가니의 상부 형상에 대응하는 형상으로 한 것을 특징으로 하는 실리카 도가니 제조용 몰드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배리어재는 석영, 카본, 탄화규소, 또는 질화규소인 것을 특징으로 하는 실리카 도가니 제조용 몰드.
  3. 제1항에 있어서,
    하기 식으로 나타내는, 고리 형상 배리어재 내면의 상기 몰드 내주벽으로부터의 돌출 두께 t1가 실리카 또는 석영 분말의 부착 두께 t2의 20 ～ 80%인 것을 특징으로 하는 실리카 도가니 제조용 몰드.
    (식)
    t1 = (몰드 내경-배리어재 내경)/2
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배리어재의 내면의 표면 거칠기가 산술 평균 거칠기 Ra 로 6.3 ～ 25㎛인 것을 특징으로 하는 실리카 도가니 제조용 몰드.
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