KR101165984B1 - 석영 도가니 제조용 몰드 - Google Patents

석영 도가니 제조용 몰드 Download PDF

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KR101165984B1
KR101165984B1 KR1020100003955A KR20100003955A KR101165984B1 KR 101165984 B1 KR101165984 B1 KR 101165984B1 KR 1020100003955 A KR1020100003955 A KR 1020100003955A KR 20100003955 A KR20100003955 A KR 20100003955A KR 101165984 B1 KR101165984 B1 KR 101165984B1
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타쿠마 요시오카
마사키 모리카와
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쟈판 스파 쿼츠 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 소경 박육화(thin-walled)로 인해 절단 제거를 부득이하게 하게 되는 부분을 감소시켜, 원료 비용을 저감할 수 있는 석영 도가니 제조용 몰드를 제공한다.
(해결 수단) 회전하고 있는 몰드 내벽에 석영분을 붙인 상태에서 아크에 의해 가열 용융하여 석영 도가니를 제조할 때에 이용하는 몰드를, 석영 도가니의 상부 영역에 대응하는 몰드의 상부 개구부의 내측에, 후크를 개재하여, 원통 형상의 림편(rim piece)을 걸어맞춰 지지한 구조로 하고, 추가로 상기 림편의 외경을, 상기 몰드의 내경보다도 작게, 그리고 석영 도가니의 내경보다도 크게 한다.

Description

석영 도가니 제조용 몰드{MOLD FOR PRODUCING SILICA CRUCIBLE}
본 발명은, CZ법 등의 인상법에 의해 실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 제조할 때에 사용하는 석영 도가니의 제조에 이용하기에 매우 적합한 석영 도가니 제조용 몰드에 관한 것이다.
특히, 본 발명은, 회전 몰드법에 의해 석영 도가니를 제조하는 경우에, 사용 석영분의 유리한 저감을 도모하고자 하는 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 기판으로서 실리콘 웨이퍼의 사용이 급증하고 있다. 이러한 실리콘 웨이퍼는, 통상, 실리콘 단결정 잉곳을 제작 후, 그것을 슬라이스함으로써 제조된다.
이러한 실리콘 단결정 잉곳은, 예를 들면 CZ법 등의 인상법에 의해 제조되는 것이 일반적이다. 또한, 실리콘 단결정의 인상에는, 석영 도가니가 사용된다.
석영 도가니의 대표적인 제조 방법으로서 회전 몰드법이 알려져 있다. 이 회전 몰드법은, 회전하는 몰드의 내벽 즉 몰드의 저면과 측면에 석영분을 붙여, 아크로 가열 용융하여 석영 도가니를 제조하는 방법이다.
그런데, 최근에는 실리콘 웨이퍼의 수요 급증에 수반하여, 실리콘 단결정 잉곳에 대해서도 대(大)구경인 것이 요구되고 있다.
이러한 대구경의 실리콘 단결정 잉곳을 인상법에 의해 제조하는 경우, 그것에 이용하는 석영 도가니도 동일하게 대구경인 것이 필요하게 된다.
통상, 실리콘 단결정 잉곳을 인상법에 의해 제조하려면, 잉곳 지름의 약 3배크기 구경의 석영 도가니가 필요하게 된다.
그런데, 전술한 회전 몰드법에 의해 석영 도가니를 제조하는 경우, 석영 도가니의 상부에는 외경이 작고, 두께가 얇은 부분(이하, 소경 박육부분(thin-walled portion)이라고 함)이 생기기 때문에, 이 소경 박육부분은 절단 제거할 필요가 있다.
그 이유는, 석영 도가니에 Si를 충전하여 녹여서 Si 단결정을 인상하는 공정에서, 고온으로 가열하지만, 고온이 되면 석영의 점도가 작아져, 석영 도가니가 변형되기 쉬워지기 때문이다. 특히, 석영 도가니 상부가 소경 박육인 경우, 석영 도가니 상부가 내측으로 쓰러지기 쉬워, 용이하게 변형되어 버린다.
이러한 소경 박육부분이 발생하는 원인은, 몰드 개구부는 열이 달아나기 쉬워, 아크 가열에 의해서도 석영분이 녹기 어렵기 때문에, 석영 도가니의 상부 외경이 작아져, 두께가 얇아지기 때문이다. 이러한 소경 박육부분의 발생은, 제조상, 부득이한 것으로 여겨진다.
또한, 상기한 소경 박육부분의 도가니 내측으로의 무너짐을 방지하는 기술로서, 특허문헌 1에, 도가니의 상부영역 내에, 바람직하게는 카본질(carboneous)로 이루어지는 링 형상 부재를 매설한 실리카 유리 도가니가 제안되어 있다. 이 실리카 유리 도가니의 개발에 의해, 소경 박육부분의 도가니 내측으로의 무너짐은 경감되었다고는 해도, 이 기술로는, 역시 소경 박육부분의 발생을 완전히 방지할 수는 없다. 따라서, 이 실리카 유리 도가니를 이용해도 여전히, 인상법에 의해 건전한 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 것은 어려웠다.
또한, 이 기술은, 도가니 내에 이종재(異種材)의 링 형상 부재를 매설한 구조가 되기 때문에, 실리카 유리 중에 카본제 링을 매설한 경우, 양자의 열팽창률의 차이로부터 변형이 생기는 것이 염려된다.
그 때문에, 회전 몰드법에 의해 석영 도가니를 제조할 때에는, 이러한 소경 박육부분의 발생을 예측하여, 도가니 높이가 제품 사양 높이보다도 소경 박육부분의 분만큼 높은 석영 도가니를 제조하여, 소경 박육부분에 대해서는 절단 제거하여 제품으로 하고 있었다.
또한, 동일한 몰드에서 높이가 다른 석영 도가니를 제조할 때가 있다. 높이가 높은 석영 도가니를 제조할 때는 문제가 없지만, 높이가 낮은 석영 도가니를 제조할 때에는 절단 제거하는 부분이 많아져 버린다. 이를 해결하려면, 높이가 낮은 제품 전용의 몰드를 준비하면 되지만, 석영 도가니의 제조수가 적을 때 등은, 신규 몰드 제작 비용이나 관리가 번잡해져 버리는 불리함이 있다.
일본공개특허공보 2006-96616호
전술한 대로, 회전 몰드법에 의해 석영 도가니를 제조하는 경우에는, 소경 박육부분의 발생을 피할 수 없기 때문에, 도가니 높이가 제품 사양 높이보다도 소경 박육부분의 분만큼 높은 석영 도가니를 제조하여, 소경 박육부분에 대해서는 절단 제거한 후, 통상의 공정을 거쳐 제품(석영 도가니)으로 하고 있었다.
그러나, 전술한 대로, 최근에는, 실리콘 단결정 잉곳의 대구경에 수반하여, 석영 도가니도 대구경의 것이 필요하게 되었지만, 도가니를 대구경화한 경우, 그에 수반하여 소경 박육화에 의해 절단 제거를 부득이하게 하게 되는 부분도 증대되기 때문에, 원료 비용 나아가서는 제품 비용면에서 중대한 문제가 되고 있다.
예를 들면, 외경이 약 457mm(18 인치)이고 두께가 8mm인 도가니를 제조하는 경우, 절단 제거 높이 10mm당, 절대량으로 약 0.3㎏의 석영분이 여분으로 사용되게 된다.
이에 대하여, 외경이 약 813mm(32 인치)가 되는 대구경의 석영 도가니를 제조하려고 하는 경우, 두께는 대략 15mm로 증대되고, 절단 제거 높이 10mm당, 절대량으로 약 1.0㎏이나 석영분이 여분으로 사용되게 된다.
따라서, 대구경의 석영 도가니를 제조하는 경우, 소구경의 석영 도가니를 제조하는 경우에 비하면, 도가니 1개의 절단 제거 높이당 제조에 사용되는 헛되이 쓰이는 석영분량은 3～4배나 불어난다.
본 발명은, 상기의 현상을 감안하여 개발된 것으로, 석영 도가니 상부의 소경 박육화에 의해 절단 제거를 부득이하게 하게 되는 부분을 감소시켜, 원료 비용을 효과적으로 저감할 수 있는 석영 도가니 제조용 몰드를 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.
1. 상부 개구부를 갖는 석영 도가니 제조용 몰드로서, 원통 형상의 림편(rim piece)과, 1 이상의 후크를 구비하고, 상기 원통 형상의 림편이, 상기 1 이상의 후크를 통하여, 상기 몰드의 상부 개구부의 내측에 걸어맞춰 지지되어 있고, 상기 림편의 외경이, 상기 몰드의 내경보다도 작고, 그리고 상기 몰드 내에 형성되는 석영 도가니의 내경보다도 큰 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
2. 상기 1에 있어서, 상기 림편으로서, 석영 도가니 제조시에 석영 도가니의 상부에 발생하여, 그 후 절단 제거된 소경 박육부분을 가공하여 재이용하는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
3. 상기 1에 있어서, 상기 1 이상의 후크가, 카본 또는 카본과 세라믹의 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
4. 상기 1에 있어서, 다음 식
t1=(몰드 내경-림편 내경)/2
으로 표현되는 원통 형상의 림편 내면의 몰드 내주벽으로부터의 돌출 두께(t1)가, 석영분의 붙임 두께(t2)의 20～80%인 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
5. 상기 1에 있어서,
상기 몰드가 회전 몰드법에 이용되는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
본 발명에 의하면, 종래에 비하여, 소경 박육화에 의해 절단 제거되는 부분을 감소시킬 수 있어, 그 결과 원료 비용 나아가서는 제품 비용을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 림편으로서, 석영 도가니 제조시에 석영 도가니의 상부에 불가피하게 발생하여, 그 후 절단 제거되어 있었던 소경 박육부분을 재이용할 수 있기 때문에, 림편의 제조에 여분의 비용이 들지 않는다.
또한, 본 발명의 늘어뜨림 지그(jig)로서의 후크는, 반복하여 사용이 가능하다.
도 1은 회전 몰드법에 의한 석영 도가니의 제조 요령을 나타내는 단면도이다.
도 2는 일반적인 몰드를 이용하여 제조된 석영 도가니의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따르는 몰드의 설명도로서, (a)는 몰드의 분해도, (b)는 림편과 몰드 기체(base)를 조합한 상태를 나타내는 도면이며, (c)는 소경 박육부분의 절단 부분을 나타내는 도면이다.
도 4는 후크의 대표적인 형상을 나타내는 도면이다.
도 5는 후크에 의한 림편의 적합한 걸어맞춤 지지 요령을 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 1에 회전 몰드법에 의한 석영 도가니의 일반적인 제조 요령을 모식적으로(schematically) 나타낸다. 도면 중, 부호(1)는 몰드, 부호(2)는 통기 배관, 부호(3)는 아크 전극, 그리고 부호(4)가 몰드의 내벽에 붙여진 석영분이다. 또한, 몰드(1)는, 도시한 바와 같이, 원통 형상의 직동부(linear body portion;A)와 절구 형상의 저부(bottom portion;B)와 이들을 연접하는 코너부(C)로 이루어져 있다.
회전 몰드법에서는, 회전하는 몰드(1)의 내벽에 붙여진 석영분(4)을 아크에 의해 가열 용융하여 유리화하여, 도가니의 형상으로 성형할 수 있다.
도 2에 종래의 일반적인 몰드를 이용하여 석영 유리 도가니를 제조했을 때의 도가니(5)의 단면 형상을 나타낸다.
동 도면에 나타낸 바와 같이, 석영 유리 도가니(5)의 상부 외경은 작아지고, 또한 두께도 얇아져, 소경 박육부분(6)이 발생한다.
그래서, 본 발명에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 몰드의 상부 개구부의 내측에, 후크를 개재하여, 원통 형상의 림편을 걸어맞춰 지지하는 구조로 함으로써, 상기의 문제의 해결을 도모하는 것이다.
본 발명은, 석영 도가니의 제조를 할 때에, 불가피적으로 도가니의 상부 외경이 작아져 두께가 얇아진다고 하면, 그 부분의 몰드 형상을 미리 도가니의 상부 형상에 대응하는 형상으로 함으로써, 헛되이 사용되는 석영분의 양을 감소시키는 것이 가능해진다는 기술 사상에 입각하고 있다.
또한, 본 발명은, 림편으로서, 석영 도가니 제조시에 절단 제거 후, 폐기를 부득이하게 하게 되었던 석영 도가니의 상부에 발생하는 소경 박육부분을 재이용할 수 있기 때문에, 여분의 제조 비용이 불필요하다는 기술 사상에 입각하고 있다.
도 3에 있어서, 부호(7)가 림편, 부호(8)가 림편(7)의 늘어뜨림(suspended) 지그로서의 후크이다.
본 발명에 있어서, 림편(7)으로서는, 별도로 새롭게 제작할 수도 있지만, 통상의 석영 도가니 제조시에 석영 도가니의 상부에 발생하여, 절단 제거 후, 폐기를 부득이하게 하게 되었던 원통 형상의 소경 박육부분을 재이용하는 것이 비용면에서 유리하다.
이러한 소경 박육부분을 재이용하는 경우에는, 원통체의 높이를 소망 높이로 조정할 뿐만 아니라, 원통체의 두께를 균일하게 하기 위해서 연삭 처리를 행하는 것이 바람직하다.
그 밖에, 림편으로서는, 아크에 대한 배리어 기능을 갖는 카본(열전도율: 약 140W/mK, 열팽창 계수: 약 5×10-6/℃)을 이용할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 림편 내면의 몰드 내면으로부터의 돌출 두께(t1)는, 석영분의 붙임 두께(t2)의 20～80%로 하는 것이 바람직하다.
그 이유는, 붙임 두께(t2)에 대한 돌출 두께(t1)의 비율이 20% 미만에서는, 석영분의 삭감 효과 나아가서는 비용 다운 효과가 작고, 한편 80%를 넘으면 림편이 석영인 경우는 문제 없지만, 카본제인 경우는 산화 소모되기 쉬워질 우려가 생기기 때문이다.
또한, 석영분의 수축률은 50～65% 정도이기 때문에, 석영 도가니의 두께는 석영분의 붙임 두께의 35～50% 정도가 된다. 따라서, 림편 내면의 몰드 내면으로부터의 돌출 두께(t1)를, 석영분의 붙임 두께(t2)의 20～80%로 한 경우, 림편의 내경은 석영 도가니의 내경보다도 큰 경우, 거의 동일한 경우, 작은 경우 모두가 포함되게 된다. 이와 같이, 본 발명에서는, 림편의 내경에 대해서는 특별히 제한은 없고, 석영 도가니의 내경보다도 큰 경우, 거의 동일한 경우, 작은 경우 모두가 적합하다.
또한, 림편(7)의 높이(H)는, 소경 박육부분의 높이와 동등한 높이로 하면 좋다. 덧붙여서 말하면, 외경: 약 813mm(32 인치), 두께: 15mm인 도가니를 제조하는 경우에 발생하는 소경 박육부분의 높이는 30～100mm 정도이다.
또한, 림편(7)의 두께에 대해서는, 특별히 제한은 없지만, 5～15mm 정도로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서, 림편 내면의 표면 거칠기는, 산술 평균 거칠기(Ra)로 6.3～25㎛ 정도로 하는 것이 바람직하다.
그 이유는, 림편 내면의 거칠기가 Ra로 6.3㎛보다 작으면 석영분의 부착시나 가열 용융시에 석영분이 움직이기 쉬워, 도가니 정밀도의 열화를 초래하고, 한편 25㎛를 넘으면 림편의 표면으로부터 입자가 떨어져 석영 도가니의 불순물이 되기 때문이다.
또한, 이러한 림편으로서, 절단 제거 후의 소경 박육부분을 재이용할 경우, 도가니 제조시에, 새롭게 소경 박육부분이 생성되는 영역에서 용융 일체화되기 때문에, 기본적으로 이 부분은 도가니 제조 후에는 절단 제거되게 되지만, 추가적인 사용에 견딜 수 있다고 판단된 경우에는, 다시 재이용에 제공하는 것은 가능하다.
또한, 림편으로서, 아크에 대한 배리어 기능을 갖는 카본을 사용한 경우, 이 카본제 림편은 1회나 2회의 사용으로는 거의 소모되는 경우가 없기 때문에, 반복하여 사용할 수 있다.
다음으로, 도 4에 림편의 늘어뜨림 지그로서의 후크(8)의 대표 형상을 나타낸다. 또한, 후크(8)의 형상에 대해서는 특별히 한정되는 것은 아니고, 림편을 안정되게 늘어뜨려 지지할 수 있는 형상의 것이라면 어느 것이라도 좋다. 단, 이 후크는, 도가니 제조시에 있어서의 미(未)용융 부분, 즉 용융시에 녹지 않고 남는 몰드 내면과 도가니 외면의 사이에 설치할 필요가 있다는 관점에서, E부의 두께는 이 미용융 부분의 두께 미만으로 하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 외경: 32 인치, 두께: 15mm인 도가니를 제조하는 경우의 미용융 부분의 두께는, 통상 3～15mm 정도이기 때문에, E부의 두께도 이 미용융 부분 두께 상당으로 할 필요가 있다.
따라서, 후크의 소재로서는, 얇아도 내(耐)하중성, 내열성을 갖고, 그리고 복수회의 사용에 견딜 수 있는 것이 바람직하며, 대표적인 재료로서는, 카본(열전도율: 약 140W/mK, 열팽창 계수: 약 5×10-6/℃)이 예시된다.
또한, 림편을 안정되게 늘어뜨려 지지하는 관점에서는, 후크의 개수는 2～5개로 하고, 균등 간격으로 배치하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는 3～4개이다.
다음으로, 도 5를 이용하여, 후크(8)에 의한 림편(7)의 적합한 걸어맞춤 지지 요령에 대해서 설명한다.
동 도면 (a)는 기본형으로, 몰드(1)의 상면에 후크(8)의 상단을 건 후, 림편(7)을 후크(8)의 하단부와 걸어맞추고, 추가로 림편(7)이 메워지도록 석영분을 충전한 경우이다.
동 도면 (b)는 후크(8)의 열화 대책을 강구한 것으로, 몰드(1)의 상면에 후크(8)를 거는 홈(홈 폭 및 홈 깊이는 후크 형상에 일치 또는 약간 크게)을 형성하여, 몰드(1)의 상면과 후크(8)의 상면과 림편(7)의 상면을 소위 하나의 면 또는 후크가 몰드 상면으로 노출되지 않는 경우이다.
동 도면 (c)는 후크(8)의 열화 대책을 한층 더 강구한 것으로, 몰드(1)의 상면에 후크(8)의 상단부보다도 약간 큰 홈을 형성하여, 후크(8)의 상면을 석영분으로 덮은 경우이다.
카본제 후크는, 고온시에 산소와 접촉하면 산화 소모되기 쉽기 때문에, 전술한 바와 같이, 몰드에 홈을 형성하거나, 석영분으로 덮음으로써, 산소와의 접촉을 억제하는 것이 유리하다.
(실시예 1)
본 발명에서는, 림편의 체적에 상당하는 양의 석영분을 삭감할 수 있다. 즉, 석영분의 삭감량은 다음 식으로 근사(近似)할 수 있다.
석영분의 삭감량≒(림편의 중량/림편의 비중)×석영분의 부피 비중
따라서, 사용하는 림편의 중량에 따라서, 표 1에 나타내는 바와 같이, 석영분을 삭감한다고 계산할 수 있다.

림편 중량
(㎏)
림편 비중
석영분의 부피 비중
석영분의 삭감량
(㎏)

10
2.2
1.23
5.6

8
2.2
1.23
4.5

6
2.2
1.23
3.4

4
2.2
1.23
2.2

2
2.2
1.23
1.1

1
2.2
1.23
0.6
실제로, 도 3에 나타낸 본 발명에 따르는 구조의 몰드를 이용하여, 외경이 810mm, 두께가 15mm인 32인치 석영 도가니를 제조하는데 있어서, 중량이 8.3㎏인 림편을 도 5(a)에 나타낸 바와 같이 배치하여 석영 도가니를 제조했다.
그 결과, 4.7㎏인 석영분의 삭감을 달성할 수 있었다.
또한, 외경이 457mm, 두께가 8mm인 18인치 석영 도가니를 제조함에 있어서, 중량이 0.9㎏인 림편을 도 5(a)에 나타낸 바와 같이 배치하여 석영 도가니를 제조했다.
그 결과, 0.5㎏인 석영분을 삭감할 수 있었다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 몰드
2 : 통기 배관
3 : 아크 전극
4 : 석영분
5 : 도가니
6 : 소경 박육부분
7 : 림편
8 : 후크

Claims (5)

  1. 상부 개구부를 갖는 석영 도가니 제조용 몰드로서, 원통 형상의 림편(rim piece)과, 1 이상의 후크를 구비하고, 상기 원통 형상의 림편이, 상기 1 이상의 후크를 통하여, 상기 몰드의 상부 개구부의 내측에 걸어맞춰 지지되어 있고, 상기 림편의 외경이, 상기 몰드의 내경보다도 작고, 그리고 상기 몰드 내에 형성되는 석영 도가니의 내경보다도 큰 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 림편으로서, 석영 도가니 제조시에 석영 도가니의 상부에 발생하여, 그 후 절단 제거된 소경 박육부분을 가공하여 재이용하는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 1 이상의 후크가 카본 또는 카본과 세라믹의 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  4. 제1항에 있어서,
    다음 식
    t1=(몰드 내경-림편 내경)/2
    으로 표현되는 원통 형상의 림편 내면의 몰드 내주벽으로부터의 돌출 두께(t1)가, 석영분의 붙임 두께(t2)의 20～80%인 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 몰드가 회전 몰드법에 이용되는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
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