KR101316689B1 - 불순물 유입 방지 효과가 우수한 실리콘 용융 반응기 및 이를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치 - Google Patents

불순물 유입 방지 효과가 우수한 실리콘 용융 반응기 및 이를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치 Download PDF

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Abstract

금속 또는 비금속에 대한 오염 문제를 해결함과 동시에 도핑량을 재현성 있게 제어할 수 있는 실리콘 용융 반응기 및 이를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 실리콘 용융 반응기는 상측이 개방되는 용기 형태를 갖는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니의 내측에 결합되며 내부에 실리콘 원료가 장입되는 쿼츠 도가니를 갖는 이중 도가니; 및 상기 이중 도가니의 상측을 덮도록 장착하되, 단수 또는 복수의 관통 홀이 형성된 불순물 유입 방지 캡;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

불순물 유입 방지 효과가 우수한 실리콘 용융 반응기 및 이를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치{SILICON MELTING REACTOR WITH EXCELLENT PREVENTION EFFECT OF IMPURITIES INFLOW AND MANUFACTURING APPARATUS OF SILICON SUBSTRATE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 실리콘 용융 반응기 및 이를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연속주조법을 이용하여 제조되는 태양전지용 실리콘 기판의 제조시 금속 또는 비금속에 대한 오염 문제를 해결함과 동시에 도핑량을 재현성 있게 제어할 수 있는 실리콘 용융 반응기 및 이를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치에 관한 것이다.
태양전지용 실리콘 웨이퍼를 제조하는 장치에는 필수적으로 고온의 실리콘 가열부가 존재한다. 일반적으로, 실리콘의 용융시 에너지의 효율을 높이기 위해 다량의 저순도 내화물이 사용된다. 그러나, 실리콘이 용융되는 고온에서 내화물로부터 발생한 기체 상들이 실리콘 용탕으로 유입되어 오염을 일으키는 문제가 있다.
이러한 실리콘 용탕의 오염 문제를 방지하기 위한 목적으로, 내화물을 제거할 경우에는 보다 많은 전력을 사용해야 되며, 고순도의 내화물을 사용할 경우에는 설비의 단가가 높아지는 문제가 있다.
따라서, 고융점인 실리콘을 용융할 때 손실되는 열을 억제하기 위해 저순도 내화물이 사용되고 있다. 이러한 저순도 내화물은 Al2O3, CaO, MgO, Fe2O3, C 계 복합 내화물이 사용된다. 또한, 내화물의 성형을 위해 다량의 무기결합재인 AlPO4, B2O3 등이 첨가되고 있다.
이 경우, 고온이 되면 내화물 내의 무기물들과 탄소가 MxOy (여기서, M은 Al, Ca, Mg, Fe, P, B 등) 및 CO 형태의 기체상이 쉽게 형성되며, 실리콘 용탕으로의 용해도가 높아 쉽게 침투하여 실리콘을 오염시키는 문제를 유발한다.
특히, P-타입(Boron-doped) 실리콘 기판을 제조하기 위해 일정량의 보론(B)을 실리콘 용탕에 첨가하게 되는 데, 이 경우 내화물로부터의 보론(B) 또는 인(P)의 오염으로 도핑량을 제어할 수 없는 문제가 있다. 심각할 경우에는 다량의 P 오염으로 의도하는 P-타입 웨이퍼 대신 N-타입 웨이퍼가 제조되는 문제를 야기할 수 있다.
이러한 오염을 방지하기 위해 내화물을 제거하면, 투입 에너지 대비 사용하는 에너지가 낮아 에너지 손실이 많으며 목표로 하는 온도를 유지하기 위해 내화물의 제거 전의 경우보다 많은 전력을 사용해야 하기 때문에 비경제적인 문제가 있다.
본 발명의 목적은 저순도의 저가 내화물을 사용하면서도 실리콘 용탕의 불순물 오염을 원천적으로 방지하는 것을 통해 설비 단가를 절감할 수 있는 실리콘 용융 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 실리콘 용융 반응기를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치를 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 불순물 유입 방지 효과가 우수한 실리콘 용융 반응기는 상측이 개방되는 용기 형태를 갖는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니의 내측에 결합되며 내부에 실리콘 원료가 장입되는 쿼츠 도가니를 갖는 이중 도가니; 및 상기 이중 도가니의 상측을 덮도록 장착하되, 단수 또는 복수의 관통 홀이 형성된 불순물 유입 방지 캡;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 불순물 유입 방지 효과가 우수한 실리콘 용융 반응기를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치는 상측이 개방되는 용기 형태를 갖는 흑연 도가니와 상기 흑연 도가니의 내측에 결합되는 쿼츠 도가니를 갖는 이중 도가니와, 상기 이중 도가니의 상측을 덮도록 장착하되 단수 또는 복수의 관통 홀이 형성된 불순물 유입 방지 캡을 갖는 실리콘 용융 반응기; 상기 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕이 형성되도록 상기 실리콘 용융 반응기를 가열하는 실리콘 가열부; 상기 실리콘 용융 반응기로부터의 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 출탕시키는 실리콘 용탕 저장부; 상기 실리콘 용탕 저장부의 일측에 배치되며, 상기 출탕되는 실리콘 용융물을 이송하는 이송 기판; 및 상기 이송 기판으로 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 실리콘 기판을 형성하는 실리콘 기판 형성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 단수 또는 복수의 관통 홀을 구비하는 불순물 유입 방지 캡을 이중 도가니의 상부에 장착시키는 것을 통해, 이중 도가니 내의 압력을 적절히 유지시키는 것이 가능하므로, 증기 상의 오염 물질의 유입을 원천적으로 차단할 수 있다.
또한, 본 발명은 내화물에서 발생하는 증기상의 금속 또는 비금속의 오염물이 실리콘 용탕으로 유입되는 경로를 차단하는 것을 통해 실리콘의 오염을 방지할 수 있으며, 이를 통해 원하는 도핑량을 재현성 있게 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 용융 반응기를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 실리콘 용융 반응기를 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 실리콘 용융 반응기의 불순물 유입 방지 캡을 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 5는 불순물 유입 방지 캡의 직경을 쿼츠 도가니의 내경과 외경 사이에 배치되도록 장착했을 경우에 대한 기체 상의 오염원의 방출 모식도이다.
도 6은 불순물 유입 방지 캡의 직경을 쿼츠 도가니의 외경을 초과하여 장착했을 경우에 대한 기체 상의 오염원의 방출 모식도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 불순물 유입 방지 효과가 우수한 실리콘 용융 반응기 및 이를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 용융 반응기를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 도시된 실리콘 용융 반응기를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치(100)는 실리콘 용융 반응기(110), 실리콘 가열부(120), 실리콘 용탕 저장부(130), 이송 기판(140) 및 실리콘 기판 형성부(150)를 포함한다.
실리콘 용융 반응기(110)는 실리콘 원료 투입부(105)로부터 정해진 양의 실리콘 원료를 공급받는다.
상기 실리콘 용융 반응기(110)는 이중 도가니(112), 불순물 유입 방지 캡(114), 토출구(116) 및 게이트(118)를 포함한다.
상기 이중 도가니(112)는 상측이 개방되는 용기 형태를 갖는 흑연 도가니(112a)와 상기 흑연 도가니(112a)의 내측에 결합되는 쿼츠 도가니(112b)를 포함한다.
상기 불순물 유입 방지 캡(114)은 이중 도가니(112)의 상측을 덮도록 장착하되, 일부가 개방되는 단수 또는 복수의 관통 홀(TH)을 구비한다. 이러한 불순물 유입 방지 캡(114)은 상하 및 좌우 방향으로의 위치 운동이 가능하도록 설계될 수 있다. 이때, 이중 도가니(112)의 내부로 원하는 수준으로 실리콘 원료의 장입이 완료되면, 이중 도가니(112)의 상측 일부가 가려지도록 불순물 유입 방지 캡(114)을 하강시켜 이중 도가니(112)의 상측에 불순물 유입 방지 캡(114)을 안착시키게 된다.
상기 토출구(116)는 이중 도가니(112)의 내부 바닥면을 관통하도록 형성된다.
상기 게이트(118)는 위치 운동이 가능하도록 설계되어 이중 도가니(112)의 토출구(116)를 개폐하는 역할을 한다. 이러한 게이트(118)는 상하 및 좌우 방향으로의 위치 운동이 가능하도록 설계될 수 있다.
실리콘 가열부(120)는 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕이 형성되도록 실리콘 용융 반응기(110)의 이중 도가니(112)를 가열한다. 상기 실리콘 가열부(120)는 내화물(122) 및 코일(124)을 포함할 수 있다.
상기 내화물(122)은 실리콘 용융 반응기(110)의 외측을 둘러싸는 형태로 장착될 수 있다. 이때, 내화물(122)은 이중 도가니(112)의 토출구(116) 부분을 제외한 외측을 둘러싸도록 장착하는 것이 바람직하다. 이는 실리콘 용융 반응기(110) 내에서 용융된 실리콘 용탕이 토출구(116)를 통하여 후술할 실리콘 용탕 저장부(130)로 용이하게 토출되도록 하기 위함이다.
이러한 내화물(122)은 고융점인 실리콘을 용융할 때 손실되는 열을 억제하는 역할을 한다. 내화물(122)은 Al2O3, CaO, MgO, Fe2O3, C 계 복합 내화물이 사용될 수 있다. 또한, 내화물(122)은 성형성을 확보하기 위한 목적으로 AlPO4, B2O3 등의 무기결합재가 더 첨가되어 있을 수 있다.
상기 코일(124)은 유도가열 방식, 저항가열 방식 등 다양한 방식으로 실리콘 용융 반응기(110)를 가열한다. 이러한 코일(124)은 이중 도가니(112)의 외주면을 따라 감기도록 형성될 수 있다. 상기 코일(124)은 내화물(122)에 내장되어 이중 도가니(112)의 외측을 감싸는 형태로 장착될 수 있다. 도면으로 도시하지는 않았지만, 내화물(122)은 코일(124)을 덮을 수도 있고, 코일(124) 안쪽 또는 바깥쪽을 둘러싸는 형태로 장착될 수도 있다.
상기 실리콘 가열부(120)는 이중 도가니(112) 내에 장입된 실리콘을 용융시켜 실리콘 용탕을 형성시킨다.
이때, 실리콘의 경우, 금속과 달리 대략 700℃ 이하의 온도에서는 전기전도도가 낮아 전자기 유도에 의한 직접 가열이 어렵다. 따라서, 실리콘 원료는 이중 도가니의 열에 의한 간접 용융 방식으로 용융될 수 있다. 실리콘 용융용 이중 도가니의 외측에 배치되는 흑연 도가니의 재질이 흑연인 경우, 비금속 재질임에도 전기전도도 및 열전도도가 매우 높아 전자기 유도에 의해 쉽게 가열이 이루어질 수 있다.
이 경우, 실리콘 가열부(120)에 의하여 실리콘 용융 반응기(110)의 이중 도가니(112) 내에서 용융되는 실리콘 용탕의 표면 온도는 1300 ~ 1600℃로 유지하는 것이 바람직하다. 만약, 실리콘 용탕의 표면 온도가 1300℃ 미만일 경우 토출 전에 실리콘 용탕이 굳어 버릴 우려가 있다. 반대로, 실리콘 용탕의 표면 온도가 1600℃를 초과할 경우 토출 후 이송과정에서 실리콘 용탕이 흘러내리는 문제를 야기할 수 있다.
실리콘 용탕 저장부(130)는 실리콘 용융 반응기(110)의 이중 도가니(112) 내에서 용융된 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 출탕시킨다.
실리콘 용탕 저장부(130)는 하부의 일측에 실리콘 용탕이 출탕되는 출탕홈(132)이 형성되어 있다. 출탕홈(132)의 두께는 최종적으로 제조되는 실리콘 기판의 두께를 결정하는 하나의 요소가 될 수 있으며, 대략 0.01 ~ 3 mm 정도로 설계될 수 있다.
또한, 상기 실리콘 용탕 저장부(130)의 출탕홈(132)에 인접하여 냉각 장치(미도시)가 별도로 배치될 수 있으며, 이 경우 실리콘 용탕이 냉각된 상태 또는 과 냉각된 상태로 실리콘 용탕 저장부(130)로부터 출탕될 수 있다.
이송 기판(140)은 실리콘 용탕 저장부(130)의 일측에 배치되며, 상기 실리콘 용탕 저장부(130)로부터 출탕되는 실리콘 용융물을 이송한다. 이송 기판(140)은 실리콘 용융물과의 온도차이를 최소화하기 위하여 예비 가열부(미도시)에 의하여 예열되도록 설정하는 것이 바람직하다.
이송 기판(140)은 실리콘과 열팽창계수가 다른 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 이송 기판(140)의 열팽창계수가 실리콘과 다를 경우, 실리콘 용융물의 냉각 후 제조되는 실리콘 기판이 이송 기판(140)으로부터 쉽게 분리될 수 있다.
이송 기판(140)의 재질은 금속이나 세라믹이 이용될 수 있으며, 구체적으로는 SiC, Si3N4, 그라파이트(Graphite), Al2O3, 몰리브덴(Mo) 등의 물질 그룹 중에서 선택될 수 있으며, 더 바람직하게는 SiC, Si3N4를 제시할 수 있다.
실리콘 기판 형성부(150)는 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 실리콘 기판을 형성한다. 이때, 실리콘 기판 형성부(150)는 아르곤 가스, 헬륨 가스, 질소 가스 등과 같은 불활성 가스를 블로윙(blowing) 방식으로 주입하여 실리콘 용탕을 냉각한다.
불활성 가스 블로윙의 경우, 실리콘 용탕을 급속 냉각시킴으로써 잔류하는 용탕을 제거하는 데 기여할 수 있으며, 또한 표면 평탄화를 통하여 제조되는 실리콘 기판의 표면 형상 제어가 용이한 이점이 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 용융 반응기를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치는 실리콘 용융 반응기 내에 장입되는 실리콘의 용융시 에너지 효율을 높이기 위해 설치되는 내화물에서 발생하는 증기상의 금속 또는 비금속의 오염물이 실리콘 용탕으로 유입되는 경로를 차단하는 것을 통해 실리콘의 오염을 방지할 수 있으며, 이를 통해 원하는 도핑량을 재현성 있게 구현할 수 있다.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 실리콘 용융 반응기를 확대하여 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 2의 실리콘 용융 반응기의 불순물 유입 방지 캡을 확대하여 나타낸 평면도이고, 도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 절단하여 나타낸 단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 도시된 실리콘 용융 반응기(110)는 이중 도가니(112), 불순물 유입 방지 캡(114), 토출구(116) 및 게이트(도 1의 118)를 포함한다.
이중 도가니(112)는 상측이 개방되는 용기 형태를 갖는 흑연 도가니(112a), 및 상기 흑연 도가니(112a)의 내측에 결합되며, 내부에 실리콘 원료가 장입되는 쿼츠 도가니(112b)를 갖는다. 이때, 쿼츠 도가니(112b)는 흑연 도가니(112a) 내에 끼움 결합 방식으로 결합될 수 있다.
상기 흑연 도가니(112a)는 상측이 개방되며, 내부의 바닥면(B)과 내벽(I)을 연결하는 경사면(S)을 구비한다. 이러한 흑연 도가니(112a)는, 평면상으로 볼 때, 다각형, 원형, 타원형 등 다양한 형태로 설계될 수 있다. 상기 쿼츠 도가니(112b)는 흑연 도가니(112a)의 내측에 결합되며, 내부에 실리콘 원료가 장입된다. 이때, 쿼츠 도가니(112b)는 흑연 도가니(112a)와 유사한 형태로 가공된다. 이러한 쿼츠 도가니(112b)의 재질인 쿼츠는 흑연에 비하여 내열성이 우수하고, 열팽창이 적으며, 화학적으로 안정한 특성을 갖는다.
이와 같이, 이중 도가니(112)는 흑연 도가니(112a)의 내측에 쿼츠 도가니(112b)가 삽입되므로, 실리콘 용융시 흑연 도가니(122)의 내측에 삽입되는 쿼츠 도가니(112b)가 흑연 도가니(112a)로부터의 탄소 및 금속 불순물이 실리콘 용탕으로 유입되는 것을 차단하는 차단막의 역할을 하여 실리콘 용탕이 오염되는 것을 방지할 수 있게 된다.
이때, 경사면(S)은 흑연 도가니(112a)의 내부 바닥면(B)에 대하여 3°이상의 기울기(θ)를 갖도록 설계하는 것이 바람직하다. 이 경우, 기울기(θ)의 상한은 한정될 필요는 없으나, 내부 바닥면(B)과 내벽(I)의 최대 기울기가 90°인 것을 감안할 때 90°미만으로 설계하는 것이 바람직하다.
만일, 경사면(S)의 기울기(θ)가 3°미만으로 설계될 경우에는 실리콘 용탕이 토출구(116)로 이동하는 구동력이 크지 않아 실리콘 용탕의 일부가 이중 도가니(112) 내에 잔류하는 문제를 야기할 수 있다.
토출구(116)는 이중 도가니(112)의 내부 바닥면(B)을 관통하도록 형성된다. 이러한 토출구(116)는 이중 도가니(112) 내에서 가열되어 용융된 실리콘 용탕의 토출이 용이하도록 적정 크기로 설계하는 것이 바람직하다.
게이트(도 1의 118)는 위치 운동이 가능하도록 설계되어 이중 도가니(112)의 토출구(116)를 개폐하는 역할을 한다. 이러한 게이트는 상하 및 좌우 방향으로의 위치 운동이 가능하도록 설계될 수 있다.
불순물 유입 방지 캡(114)은 캡 몸체(114a) 및 움직임 방지용 지지대(114b)를 포함한다.
캡 몸체(114a)는 이중 도가니(112)의 상측을 덮도록 장착하되, 일부가 개방되도록 단수 또는 복수의 관통 홀(TH)이 형성된다. 이러한 캡 몸체(114a)는, 평면상으로 볼 때, 원형 구조일 수 있으나, 이는 일 예에 불과하며, 사각형, 오각형 등을 포함하는 다각형 형태로 설계될 수 있다. 즉, 상기 캡 몸체(114a)는 이중 도가니(112)의 형상에 따라 다양한 형태로 설계 변경될 수 있다.
상기 단수 또는 복수의 관통 홀(TH)은 캡 몸체(114a)의 중앙 부분을 관통하도록 형성된다. 도 3에서는 관통 홀(TH)이 캡 몸체(114a)의 중앙 부분에 3ⅹ3 행렬 형태로 9개가 설계된 것을 도시하였으나, 이는 일 예에 불과한 것으로 다양한 수로 설계 변경될 수 있다. 즉, 상기 관통 홀(TH)의 수 및 크기는 이중 도가니(112)의 크기와 실리콘 장입량 등에 따라 적정한 수준으로 변경될 수 있다.
이때, 상기 단수 또는 복수의 관통 홀(TH)은 이중 도가니(112) 내의 압력이 상승되는 것을 방지하는 역할을 한다.
만일, 실리콘 용융 반응기(110)에서 단수 또는 복수의 관통 홀(TH)을 설계하지 않을 경우, 내화물(도 1의 122)에서 발생 및 침투되는 오염원을 차단하는 것은 가능하나, 실리콘 용융 반응기(110) 내의 실리콘 용탕에 의한 높은 증기압으로 인해 압력이 높아져 게이트를 열어 실리콘 용탕을 토출시키기 전에 실리콘 용탕이 토출구(116)와 게이트 사이의 틈으로 빠져 나오는 문제가 있다. 이 경우, 토출구(116)와 게이트 사이의 틈으로 빠져 나온 실리콘 용탕은 적정 온도로 용융이 이루어지지 않은 상태이기 때문에 쉽게 고화되는 문제로 인해 게이트의 오작동을 야기하는 문제가 있다.
이와 달리, 본 발명에서와 같이, 캡 몸체(114a)에 단수 또는 복수의 관통 홀(TH)을 형성할 경우, 양압이 크지 않게 걸리게 되므로 토출구(116)와 게이트 사이로 실리콘 용탕이 스며드는 현상을 방지할 수 있다.
움직임 방지용 지지대(114b)는 캡 몸체(114a)의 가장자리에 배치되며, 캡 몸체(114a)를 이중 도가니(112)에 고정시키는 역할을 한다. 이러한 움직임 방지용 지지대(114b)는 캡 몸체(114a) 하면의 내측 가장자리에 상호 대칭적으로 장착될 수 있으나, 이는 일 예에 불과하며, 그 수 및 위치는 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 상기 불순물 유입 방지 캡(114)은 쿼츠 도가니(112b)의 재질과 동일한 쿼츠 재질로 형성하는 것이 가장 바람직하나, 고온에서 안정한 특성을 갖는 C, SiC, Si3N4, BN, Al2O3, 및 Mo 중 어느 하나 이상의 재질로 형성하는 것도 무방하다.
이때, 불순물 유입 방지 캡(114)의 직경은 쿼츠 도가니(112b)의 내경보다 크고 외경 보다 작은 크기를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. 흑연 도가니(112a) 내측에 쿼츠 도가니(112b)를 삽입하여 사용하는 이중 도가니(112)의 구조에 있어서, 흑연과 쿼츠가 물리적으로 접촉하고 있는 계면에서는 SiO, CO, MxOy 등 다량의 불순물 기체상들이 발생하여 실리콘 용탕으로 유입될 경우 실리콘을 오염시킨다.
만일, 불순물 유입 방지 캡(114)의 직경이 쿼츠 도가니(112b)의 외경보다 클 경우, 이중 도가니(112)의 계면에서 휘발되는 기체상이 실리콘 용탕으로 유입되어 실리콘 용탕을 오염시키는 문제가 있다.
이에 대해서는 이하 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
도 5는 불순물 유입 방지 캡의 직경을 쿼츠 도가니의 내경과 외경 사이에 배치되도록 장착했을 경우에 대한 기체 상의 오염원의 방출 모식도이고, 도 6은 불순물 유입 방지 캡의 직경을 쿼츠 도가니의 외경을 초과하여 장착했을 경우에 대한 기체 상의 오염원의 방출 모식도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 불순물 유입 방지 캡(114)의 직경을 쿼츠 도가니(112b)의 내경과 외경 사이에 장착할 경우, 고온에서 물리적으로 접촉하고 있는 흑연 도가니(112a)와 쿼츠 도가니(112b)의 계면에서 다량으로 생성되는 CO, SiO, MxOy 등의 기체상이 흑연 도가니(112a)와 쿼츠 도가니(112b)의 계면을 통해 이중 도가니(112)의 상측 외부로 방출되도록 유도할 수 있게 된다.
반면, 도 6에 도시된 바와 같이, 불순물 유입 방지 캡(114)의 직경을 쿼츠 도가니(112b)의 외경을 초과하여 장착할 경우, 흑연 도가니(112a)와 쿼츠 도가니(112b)의 계면에서 발생한 다량의 기체상이 외부로 방출되는 경로가 차단되어 실리콘 용탕이 오염되는 문제를 야기한다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 불순물 유입 방지 캡을 구비하지 않은 종래의 경우, 내화물로부터 발생하는 증기 상의 오염 물질들이 열대류에 의해 이중 도가니 내의 실리콘 용탕으로 쉽게 유입될 수 있었으나, 본 발명의 경우, 단수 또는 복수의 관통 홀을 구비하는 불순물 유입 방지 캡을 이중 도가니의 상부에 장착시키는 것을 통해, 이중 도가니 내의 압력을 적절히 유지시키는 것이 가능하므로, 증기 상의 오염 물질의 유입을 원천적으로 차단할 수 있는 이점이 있다. 이를 통해, 본 발명에서는 내화물에서 발생하는 오염 방지와 더불어, 이중 도가니의 계면에서 발생하는 오염 방지 효과를 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 용융 반응기 및 이를 포함하는 실리콘 기판 제조 장치는 실리콘 용융 반응기 내에 장입되는 실리콘의 용융시 에너지 효율을 높이기 위해 설치되는 내화물에서 발생하는 증기상의 금속 또는 비금속의 오염물이 실리콘 용탕으로 유입되는 경로를 차단하는 것을 통해 실리콘의 오염을 방지할 수 있으며, 이를 통해 원하는 도핑량을 재현성 있게 구현할 수 있다.
표 1은 실시예 1 및 비교예 1에 따른 실리콘 기판의 화학 성분을 검출한 결과를 나타낸 것이다. 이때, 실시예 1은 불순물 유입 방지 캡이 장착된 실리콘 기판 제조 장치를 이용하여 실리콘 기판을 2회 제조한 후, 실리콘 기판 각각의 화학 성분을 ICP-AES(Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer)를 이용하여 검출하였다. 한편, 비교예 1은 불순물 유입 방지 캡이 장착되지 않은 실리콘 기판 제조 장치를 이용하여 실리콘 기판을 2회 제조한 후, 실리콘 기판 각각의 화학 성분을 ICP-AES를 이용하여 검출하였다.
[표 1]
Figure 112011043694732-pat00001
표 1을 참조하면, 불순물 유입 방지 캡을 장착한 실시예 1과 실시예 2의 경우 제조한 실리콘 기판에서 인(P), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg) 등의 불순물이 모두 검출되지 않는 것을 확인하였으며, 탄소(C) 불순물도 검출되지 않거나 소량만이 존재하는 것을 확인하였다.
반면, 불순물 유입 방지 캡을 장착하지 않은 비교예 1과 비교예 2의 경우, 제조한 실리콘 기판에서 검출되는 양에는 차이가 있었으나, 인(P), 알루미늄(Al), 철(Fe), 마그네슘(Mg)이 모두 검출되는 것을 확인하였다. 특히, 비교예 1의 경우, 인(P)이 다량 검출되는 것을 확인하였으며, 실시예 1과 비교시에도 더욱 많은 탄소(C) 불순물이 오염된 것을 확인할 수 있었다.
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.
100 : 실리콘 기판 제조 장치 105 : 실리콘 원료 투입부
110 : 실리콘 용융 반응기 112a : 흑연 도가니
112b : 쿼츠 도가니 114 : 불순물 유입 방지 캡
116 : 토출구 118 : 게이트
120 : 실리콘 가열부 122 : 내화물
124 : 코일 130 : 실리콘 용탕 저장부
132 : 출탕홈 140 : 이송 기판
150 : 실리콘 기판 형성부 TH : 관통 홀

Claims (17)

  1. 상측이 개방되는 용기 형태를 갖는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니의 내측에 결합되며 내부에 실리콘 원료가 장입되는 쿼츠 도가니를 갖는 이중 도가니; 및
    상기 이중 도가니의 상측을 덮도록 장착하되, 단수 또는 복수의 관통 홀이 형성되며, 상기 쿼츠 도가니의 내경보다 크고 외경 보다 작은 크기의 직경을 가지는 불순물 유입 방지 캡;을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흑연 도가니는
    내부 바닥면과 내벽을 연결하는 경사면을 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 경사면은
    흑연 도가니의 내부 바닥면에 대하여 3°이상의 기울기를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이중 도가니는
    내부 바닥면을 관통하는 토출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융 반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 불순물 유입 방지 캡은
    상기 이중 도가니의 상측을 커버하되, 상기 단수 또는 복수의 관통 홀이 형성된 캡 몸체와,
    상기 캡 몸체를 상기 이중 도가니에 고정시키는 움직임 방지용 지지대를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융 반응기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 움직임 방지용 지지대는
    상기 캡 몸체의 가장자리에 형성되어 상기 캡 몸체를 상기 이중 도가니에 고정시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 용융 반응기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 불순물 유입 방지 캡은
    쿼츠 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 용융 반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 불순물 유입 방지 캡은
    C, SiC, Si3N4, BN, Al2O3, 및 Mo 중 어느 하나 이상의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 용융 반응기.
  10. 상측이 개방되는 용기 형태를 갖는 흑연 도가니와 상기 흑연 도가니의 내측에 결합되는 쿼츠 도가니를 갖는 이중 도가니와, 상기 이중 도가니의 상측을 덮도록 장착하되 단수 또는 복수의 관통 홀이 형성되며, 상기 쿼츠 도가니의 내경보다 크고 외경 보다 작은 크기의 직경을 가지는 불순물 유입 방지 캡을 갖는 실리콘 용융 반응기;
    상기 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 용탕이 형성되도록 상기 실리콘 용융 반응기를 가열하는 실리콘 가열부;
    상기 실리콘 용융 반응기로부터의 실리콘 용탕을 공급받아 저장한 후, 상기 실리콘 용탕을 일정한 두께의 용융물로 출탕시키는 실리콘 용탕 저장부;
    상기 실리콘 용탕 저장부의 일측에 배치되며, 상기 출탕되는 실리콘 용융물을 이송하는 이송 기판; 및
    상기 이송 기판으로 이송되는 실리콘 용융물을 냉각하여 실리콘 기판을 형성하는 실리콘 기판 형성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘 용융 반응기는
    상기 이중 도가니의 내부 바닥면을 관통하는 토출구와,
    상기 토출구를 개폐하는 게이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 실리콘 가열부는
    상기 실리콘 용융 반응기의 외측을 둘러싸는 내화물과,
    상기 내화물에 장착되는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 불순물 유입 방지 캡은
    상기 이중 도가니의 상측을 커버하되, 상기 단수 또는 복수의 관통 홀이 형성된 캡 몸체와,
    상기 캡 몸체를 상기 이중 도가니에 고정시키는 움직임 방지용 지지대를 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 움직임 방지용 지지대는
    상기 캡 몸체의 가장자리에 형성되어 상기 캡 몸체를 상기 이중 도가니에 고정시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  15. 삭제
  16. 제10항에 있어서,
    상기 불순물 유입 방지 캡은
    쿼츠 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 불순물 유입 방지 캡은
    C, SiC, Si3N4, BN, Al2O3, 및 Mo 중 어느 하나 이상의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 기판 제조 장치.
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