KR101238843B1 - 잉곳 절단 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 잉곳을 절단하기 위한 잉곳 절단 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 잉곳 절단 장치는, 회전 가능한 복수의 롤러; 상기 복수의 롤러에 권취되어 폐루프로 회전하는 와이어; 잉곳이 부착되는 부착대를 갖는 잉곳 지지 유닛; 상기 롤러에 연결되어 상기 롤러로부터 전달되는 진동수를 측정하는 센서; 상기 센서로부터 전달되는 진동수의 변화에 기초하여 상기 잉곳의 절단 완료 시점을 결정하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 잉곳 절단 장치에 의해 잉곳을 절단할 때, 잉곳의 절단 완료 시점을 정확하게 결정하여 잉곳 절단 작업에 걸리는 시간과 비용을 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있는 잉곳 절단 장치 및 방법을 제공할 수 있다.

Description

잉곳 절단 장치 및 방법{Apparatus and method for cutting ingot}
본 발명은 잉곳을 절단하기 위한 잉곳 절단 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 제조용 재료로서 광범위하게 사용되고 있는 웨이퍼는 단결정 실리콘 박판을 지칭한다. 이러한 웨이퍼(wafer)는, 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 웨이퍼 형태로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정, 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼 내부의 손상층 제거를 위한 식각 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 폴리싱 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 웨이퍼로 생산된다.
단결정 실리콘 잉곳은 일반적으로 쵸크랄스키법(Czochralski method)에 따라 성장되어 제조된다. 이 방법은 챔버 내의 도가니에서 다결정 실리콘을 용융시키고, 용융된 실리콘에 단결정인 종자 결정(seed crystal)을 담근 후, 이를 서서히 상승시키면서 원하는 지름의 실리콘 단결정 잉곳으로 성장시키는 방법이다.
잉곳의 성장이 완료된 후에는, 잉곳을 웨이퍼 단위로 절단하는 슬라이싱 공정(slicing process)이 진행된다.
이러한 슬라이싱 공정은 여러 가지 방식이 있는데, 그 대표적인 것은 박판 외주 부분에 다이아몬드 입자를 고착시켜 잉곳을 절단하는 O.D.S(Out Diameter Saw) 방식, 도넛(doughnut)형의 박판 내주에 다이아몬드 입자를 고착시켜 잉곳을 절단하는 I.D.S(Inner Diameter Saw) 방식, 그 외 와이어를 빠른 속도로 주행시키면서 그 위에 슬러리(slurry) 용액을 분사시켜 와이어에 묻은 슬러리와 잉곳의 마찰에 의해 절단하는 와이어 쏘잉(Wire Saw) 방식 등이 있다.
이 중에서 와이어 쏘잉(W.S)은 잉곳을 동시에 여러 개의 웨이퍼로 절단할 수 있어 단위 시간당 생산수율을 향상시킬 수 있기 때문에 현재 널리 쓰이고 있는 절단 방법이다.
와이어 쏘잉 방식에서는, 잉곳을 절단하기 전 준비공정으로 잉곳 마운팅 공정이 진행된다. 잉곳 마운팅 공정은 잉곳을 고정하기 위한 고정빔을 접착제를 이용하여 잉곳에 부착한 다음, 잉곳이 부착된 고정빔을 받침 플레이트에 부착하는 공정이다.
고정빔에 부착된 잉곳은 잉곳 절단 장치에 의해 와이어 또는 잉곳이 이송되면서 웨이퍼 단위로 절단된다. 잉곳의 절단이 완료되는 시점은 와이어가 잉곳을 절단하고 잉곳이 부착된 고정빔을 절단하기 직전의 상태가 된다.
종래에 잉곳이 고정되고 와이어가 하강하면서 잉곳을 절단하는 경우, 잉곳의 절단 완료 시점은 와이어의 하강 위치를 통해 판단하게 된다.
그러나, 잉곳의 크기에 따라 절단되는 속도에 차이를 갖게 되어 잉곳의 절단 완료 시점을 결정하기 어렵고, 잉곳이 완전히 절단되지 않아서 재동작에 의해 잉곳을 절단할 경우 절단된 잉곳의 표면 품질에 영향을 미치게 된다. 또한, 이러한 현상은 와이어의 사용 회수가 증가함에 따라 와이어의 장력이 감소하는 경우에도 동일하게 나타난다.
따라서, 잉곳 절단 장치에 의해 잉곳을 절단할 때, 잉곳의 절단 완료 시점을 정확하게 결정할 수 있는 시스템이 요구된다.
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 잉곳 절단 장치에 의해 잉곳을 절단할 때, 잉곳의 절단 완료 시점을 정확하게 결정할 수 있는 잉곳 절단 장치 및 방법을 제공하고자 함에 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 잉곳 절단 장치는, 회전 가능한 복수의 롤러; 상기 복수의 롤러에 권취되어 폐루프로 회전하는 와이어; 잉곳이 부착되는 부착대를 갖는 잉곳 지지 유닛; 상기 롤러에 연결되어 상기 롤러로부터 전달되는 진동수를 측정하는 센서; 상기 센서로부터 전달되는 진동수의 변화에 기초하여 상기 잉곳의 절단 완료 시점을 결정하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부착대는 상기 잉곳보다 경도가 낮은 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부착대는 석고로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 롤러가 상기 잉곳을 향해 이동하면서 상기 잉곳의 절단이 이루어지고, 상기 제어부는 상기 잉곳의 절단 완료를 결정하면, 상기 롤러의 이동을 중지시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 센서는 2 이상의 상기 롤러에 각각 연결되고, 상기 제어부는 상기 센서들로부터 전달되는 신호에 기초하여 상기 잉곳의 절단 완료 시점을 결정하는 것을 특징으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 의하면, 잉곳 절단 방법은, 잉곳을 부착대에 부착하는 단계; 복수의 롤러에 권취되어 회전하는 와이어를 상기 잉곳을 향해 하강하면서 상기 잉곳을 절단하는 단계; 상기 와이어가 상기 부착대에 부착된 잉곳을 절단할 때 상기 롤러의 진동수의 변화에 기초하여 상기 잉곳의 절단 완료 시점을 결정하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 부착대는 상기 잉곳보다 경도가 낮은 재질로 이루어지고, 상기 롤러의 진동수의 변화는 상기 와이어가 상기 잉곳을 절단할 때와 상기 부착대를 절단할 때에 상기 롤러에 전달되는 힘의 차이에 기인하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 잉곳 절단 장치에 의해 잉곳을 절단할 때, 잉곳의 절단 완료 시점을 정확하게 결정하여 잉곳 절단 작업에 걸리는 시간과 비용을 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있는 잉곳 절단 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 절단 장치를 도시하는 도면이다.
도 2a는 도 1의 잉곳 절단 장치에 의해 잉곳을 절단하는 상태를 도시하는 도면이다.
도 2b는 도 1의 잉곳 절단 장치에서 절단이 완료되는 시점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 잉곳 절단 장치에 의한 잉곳의 절단 작업 동안에 롤러로부터 전달되는 진동수의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 절단 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 절단 장치를 도시하는 도면이다. 도 2a는 도 1의 잉곳 절단 장치에 의해 잉곳을 절단하는 상태를 도시하는 도면이다. 도 2b는 도 1의 잉곳 절단 장치에서 절단이 완료되는 시점을 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 도 1의 잉곳 절단 장치에 의한 잉곳 절단 작업 동안에 롤러로부터 전달되는 진동수의 변화를 나타내는 그래프이다.
잉곳 절단 장치(100)는 롤러(110), 와이어(120), 센서(130), 잉곳 지지 유닛(140), 제어부(150)를 포함한다.
롤러(110)는 축을 중심으로 회전 가능하게 구성된다. 롤러(110)에는 와이어(120)를 안내하기 위한 안내홈(도시안됨)이 형성될 수 있다. 롤러(110)는 복수개, 예를 들어 4개로 구성될 수 있다.
와이어(120)는 복수의 롤러(110)에 폐루프를 형성하도록 권취된다. 와이어(120)는 피아노선 또는 고장력 와이어로 구성될 수 있다. 와이어(120)가 권취된 상태로 롤러(110)가 회전하면, 와이어(120)도 폐루프를 형성하면서 고속으로 회전하게 된다. 고속으로 회전하는 와이어(120)는 잉곳(I)과 접촉되면서 잉곳(I)을 절단한다. 잉곳(I)을 절단할 때는, 롤러(110)가 잉곳(I)이 있는 쪽으로 구동장치(도시안됨)에 의해 하강할 수도 있고, 잉곳(I)이 롤러(110)가 있는 쪽으로 이동할 수도 있다. 본 실시예에서는, 롤러(110)가 하강하고, 롤러(110)에 의해 회전하는 와이어(120)가 잉곳(I)과 마찰되면서 잉곳(I)이 절단된다.
센서(130)는 롤러(110)에 연결되어 롤러(110)로부터 전달되는 진동수를 측정한다. 센서(130)는 예를 들어, 롤러(110)의 축에 부착될 수 있다. 센서(130)는 복수의 롤러(110)에 각각 연결될 수 있다.
잉곳 지지 유닛(140)은 잉곳(I)을 부착하여 절단할 수 있도록 지지하기 위한 부재로서, 부착대(141)와 받침 플레이트(142)를 포함할 수 있다.
잉곳(I)은 다결정 실리콘을 쵸크랄스키 방법 등으로 봉 형상의 단결정 바디를 형성한 후에, 이 단결정 바디를 일정한 길이로 절단하여 형성된다. 잉곳(I)은 접착제에 의해 부착대(141)에 부착된다. 부착대(141)는 잉곳(I)과 대응되는 길이의 판형으로 형성될 수 있다. 부착대(141)는 잉곳(I)보다 경도가 낮은 재질, 예를 들어, 석고로 형성될 수 있다. 잉곳(I)이 부착된 부착대(141)는 다시 접착제 등으로 받침 플레이트(142)에 부착된다. 받침 플레이트(142)는 이송장치(도시안됨)와 연결되어, 잉곳(I)을 상하로 이동시킬 수 있다.
잉곳(I)의 절단 작업이 진행될 때는, 롤러(110)가 잉곳(I)이 있는 쪽으로 하강한다. 고속으로 회전하는 와이어(120)에 의해 잉곳(I)이 절단될 때는 용수 공급 장치(160)를 통해 절단 부분으로 용수가 공급될 수 있다. 공급된 용수는 잉곳(I)의 절단 과정에서 발생되는 열을 제어하고, 절단시 생성되는 잔류물을 제거하여 잉곳(I)의 절단면에 가해지는 충격을 최소화한다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 잉곳(I)이 절단되는 동안에는 와이어(120)가 잉곳(I) 내부를 통과하게 된다. 잉곳(I)을 절단하는 동안, 롤러(110)가 하강하면, 와이어(120)도 잉곳(I)을 절단하면서 하강하게 된다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 와이어(120)가 잉곳(I)의 절단을 완료하는 지점까지 하강하면, 그 다음에 와이어(120)는 잉곳(I)이 부착된 부착대(141)를 통과하게 된다. 잉곳(I)의 절단 작업시, 정확하게 잉곳(I)과 부착대(141) 사이의 경계면에서 잉곳(I)의 절단 작업을 중지하기는 어려우므로, 와이어(120)가 잉곳(I)을 지나 부착대(141)를 통과하는 시점이 잉곳(I)의 절단을 완료하는 시점이 된다.
부착대(141)는 잉곳(I)보다 경도가 낮은 재질로 만들어져, 와이어(120)의 절단 또는 손상을 방지할 수 있도록 한다. 잉곳(I)의 절단이 완료되면, 롤러(110)는 더이상 하강하지 않고, 롤러(110)의 회전도 정지하게 된다.
잉곳(I)을 절단하는 동안 롤러(110)와 연결된 센서(130)는 롤러(110)로부터 전달되는 진동수를 측정한다. 또한, 제어부(150)는 센서(130)로부터 진동수에 관한 신호를 수신하여, 진동수의 변화에 따라 잉곳(I)의 절단 완료 시점을 결정하게 된다. 제어부(150)는 복수의 롤러(110)에 각각 연결된 센서(130)들로부터 진동수에 대한 신호를 수신하고, 이를 기초로 잉곳(I)의 절단 완료 시점을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는 복수의 센서(130)들로부터 수신되는 진동수의 평균값에 기초하여 잉곳(I)의 절단 완료 시점을 결정할 수 있다.
도 3에서, 구간 a는 와이어(120)가 잉곳(I)을 절단하기 전에 센서(130)에 의해 측정된 진동수를 나타낸다.
구간 b는 와이어(120)가 잉곳(I)을 절단하는 동안에 센서(130)에 의해 측정된 진동수를 나타낸다. 와이어(120)가 잉곳(I)을 절단하기 시작하면, 와이어(120)와 잉곳(I)의 마찰력에 의해 더 많은 힘 또는 진동이 롤러(110)로 전달되어 진동수는 증가하게 된다. 잉곳(I)을 절단하는 동안 센서(130)에 의해 측정된 진동수는 대체로 일정한 수준을 유지하게 된다.
구간 c는 와이어(120)가 잉곳(I)을 통과하여 부착대(141)를 절단하는 시점에 센서(130)에 의해 측정된 진동수를 나타낸다. 와이어(120)가 잉곳(I)을 지나 부착대(141)를 절단하는 시점에서는 진동수가 낮아지기 시작한다. 이는 부착대(141)의 재질이 잉곳(I)보다 경도가 낮은 석고 등으로 이루어지기 때문이다.
구간 d는 와이어(120)가 부착대(141)를 절단하는 동안에 측정된 진동수를 나타낸다.
이와 같이, 잉곳(I)과 부착대(141)의 경도 차이로 인해 와이어(120)가 잉곳(I)에서 부착대(141)로 넘어가는 순간에는 롤러(110)로부터 전달되는 진동수는 변화를 나타내게 된다. 제어부(150)는 와이어(120)에 의해 잉곳(I)을 절단하는 동안, 센서(130)로부터 전달되는 진동수를 모니터링하면서 진동수의 변화가 감지되는 순간에 절단 완료 명령을 내리게 된다. 이러한 절단 완료 명령에 따라, 롤러(110)의 이동 및 회전은 멈추고, 와이어(120)에 의한 잉곳(I)의 절단은 완료된다.
이러한 잉곳 절단 장치(100)에 따르면, 잉곳(I)을 절단할 때 잉곳(I)의 절단 완료 시점을 정확하게 결정하여 잉곳(I)의 절단 작업에 걸리는 시간과 비용을 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 절단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 먼저, 잉곳(I)을 부착대(141)에 부착한다(S10). 부착대(141)는 받침 플레이트(142)에 부착될 수 있다.
다음으로, 복수의 롤러(110)에 권취되어, 롤러(110)의 회전에 따라 회전하는 와이어(120)를 잉곳(I)이 있는 쪽으로 하강시킨다(S20). 와이어(120)는 롤러(110)의 하강에 따라 같이 하강된다. 와이어(120)는 잉곳(I)을 통과하면서 잉곳(I)을 절단하게 된다.
다음으로, 제어부(150)는 센서(130)로부터 전달되는 롤러(110)의 진동수를 모니터링하면서 진동수의 변화에 기초하여 잉곳(I)의 절단 완료 시점을 결정하게 된다(S30). 이러한 진동수의 변화는 부착대(141)의 재질을 잉곳(I)보다 경도가 낮은 재질로 구성하고, 와이어(120)가 잉곳(I)을 절단할 때와 부착대(141)를 절단할 때에 롤러(110)에 전달되는 힘 또는 진동의 차이에 기인한다. 대체로, 와이어(120)가 잉곳(I)의 절단을 완료하고, 잉곳(I)을 지나 부착대(141)를 절단할 때는 진동수가 낮아지게 된다.
다음으로, 제어부(150)가 잉곳(I)의 절단 완료를 결정하면, 롤러(110)의 하강 및 회전을 중지시키게 된다.
이와 같이, 롤러(110)에 진동수를 측정할 수 있는 센서(130)를 연결하고, 센서(130)로부터 전달되는 진동수의 변화에 따라 제어부(150)가 잉곳(I)의 절단 완료 시점을 결정하므로, 잉곳(I)의 크기 및 와이어(120)의 장력 감소와 같은 외부적인 요인에 관계없이 절단 완료 시점을 정확하게 결정할 수 있다. 따라서, 와이어(120)에 의해 절단되는 웨이퍼의 품질을 향상시키고, 와이어(120)에 의해 부착대(141)가 절단되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 잉곳(I)의 절단 작업에 걸리는 시간 및 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 실시예는 특히, 결정 성장된 잉곳의 품질을 평가하기 위한 웨이퍼 샘플을 얻기 위해 적용될 수 있다. 이러한 웨이퍼 샘플은 다양한 크기로 제작되므로, 정확한 잉곳의 절단 완료 시점을 예측하기가 어렵게 된다. 설정된 완료 시점에서 잉곳의 절단이 완료되지 않은 경우 추가 작업으로 잉곳을 절단하게 되면 웨이퍼의 결정 품질 평가시 정확한 자료를 얻기 어렵게 된다.
따라서, 이러한 경우 본 발명의 실시예에 따라 잉곳의 절단 완료 시점을 정확하게 결정함으로써, 정확한 웨이퍼의 결정 평가가 가능하고, 잉곳의 절단 작업에 걸리는 시간 및 비용을 절감할 수 있게 된다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100 : 잉곳 절단 장치
110 : 롤러
120 : 와이어
130 : 센서
140 : 잉곳 지지 유닛
141 : 부착대
142 : 받침 플레이트
150 : 제어부
160 : 용수 공급 장치
I : 잉곳

Claims (7)

  1. 잉곳 절단 장치에 있어서,
    회전 가능한 복수의 롤러;
    상기 복수의 롤러에 권취되어 폐루프로 회전하는 와이어;
    잉곳이 부착되는 부착대를 갖는 잉곳 지지 유닛;
    상기 롤러에 연결되어 상기 롤러로부터 전달되는 진동수를 측정하는 센서;
    상기 센서로부터 전달되는 진동수의 변화에 기초하여 상기 잉곳의 절단 완료 시점을 결정하는 제어부;를 포함하고,
    상기 부착대는 상기 잉곳보다 경도가 낮은 재질로 이루어지며, 상기 제어부는, 상기 잉곳과 상기 부착대의 경도의 차이에 따른 진동수의 변화에 기초하여 상기 잉곳의 절단 완료 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부착대는 석고로 이루어지는 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 롤러가 상기 잉곳을 향해 이동하면서 상기 잉곳의 절단이 이루어지고,
    상기 제어부는 상기 잉곳의 절단 완료를 결정하면, 상기 롤러의 이동을 중지시키는 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 2 이상의 상기 롤러에 각각 연결되고,
    상기 제어부는 상기 센서들로부터 전달되는 신호에 기초하여 상기 잉곳의 절단 완료 시점을 결정하는 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 장치.
  6. 잉곳 절단 방법에 있어서,
    잉곳을 부착대에 부착하는 단계;
    복수의 롤러에 권취되어 회전하는 와이어를 상기 잉곳을 향해 하강하면서 상기 잉곳을 절단하는 단계;
    상기 와이어가 상기 부착대에 부착된 잉곳을 절단할 때 상기 잉곳과 상기 부착대의 경도의 차이에 의해 발생하는 롤러의 진동수의 변화에 기초하여 상기 잉곳의 절단 완료 시점을 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 부착대는 상기 잉곳보다 경도가 낮은 재질로 이루어지고,
    상기 롤러의 진동수의 변화는 상기 와이어가 상기 잉곳을 절단할 때와 상기 부착대를 절단할 때에 상기 롤러에 전달되는 힘의 차이에 기인하는 것을 특징으로 하는 잉곳 절단 방법.
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