KR101546679B1 - 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법 - Google Patents

Abstract

잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법이 제공된다. 본 발명은 성장챔버에서 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 잉곳성장장치와 연결된 배기관을 청소하기 위한 방법에 있어서, 성장챔버와 배기챔버를 서로 연결하는 상기 배기관 상에 구비되는 제1밸브를 작동시켜 상기 성장챔버 및 배기챔버의 연결을 차단한 상태에서 상기 성장챔버 내부로 불활성가스를 주입하여 상기 성장챔버 내부의 압력을 가압하는 단계; 상기 배기챔버의 후단에 구비되는 제2밸브를 작동시켜 상기 배기챔버 내의 가스가 외부로 배출되는 것을 차단한 상태에서 진공펌프를 통하여 상기 배기챔버의 내부에 부압을 제공하는 단계; 및 상기 제1밸브를 개방하여 상기 성장챔버와 배기챔버의 상대적인 압력차에 의한 배기가스의 흐름을 통하여 상기 배기관 내에 존재하는 이물질을 제거하는 단계;를 포함한다.

Description

압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법{The method of cleaning exhaust pipe for ingot grower}

본 발명은 잉곳성장장치의 배기관을 청소하기 위한 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 압력차를 이용하여 배기관에 존재하는 이물질을 간편하게 제거할 수 있는 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 디바이스 제조용 기판으로 이용되는 실리콘 단결정은 초크랄스키법(Czochralski method, Cz)으로 제조된다. 초크랄스키법은 석영도가니에 실리콘을 넣고 도가니를 가열하여 실리콘을 용융시키고, 종자단결정(seed crystal)을 실리콘 용융액에 접촉시킨 상태에서 회전하면서 서서히 끌어올리면서 종자 단결정 표면에서 용융액을 고체로 응고시킴에 따라 소정의 지름을 갖는 잉곳(ingot)을 성장시키는 방법이다.

초크랄스키법을 이용한 실리콘 단결정 잉곳 제조장치는 성장챔버와 실리콘 잉곳을 인상하면서 성장시키는 인상로부로 이루어지고, 성장챔버 내부에는 실리콘을 용융시키고 용융액을 수용하는 도가니, 히터, 단열부재, 도가니 지지축 등의 구조물이 구비되는데, 이러한 구조물들을 핫존 파트(Hotzone parts, H/Z parts)라 한다. 핫존 파트들은 대부분 흑연(graphite)으로 제조되고, 핫존 파트의 구성성분은 특성 및 제조사에 따라 다르게 나타난다.

한편, 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 완료되면 잉곳을 분리 인출하고, 성장챔버와 핫존 파트를 클리닝하게 된다. 여기서, 일반적으로 석영 도가니는 실리콘을 용융시키기 위해서 실리콘의 녹는점인 1420℃ 이상 고온으로 가열된다. 즉, 잉곳의 성장이 완료된 후 히터에 인가된 전원을 해제하더라도 성장챔버 내부, 특히, 중심부의 온도는 1000℃ 이상의 고온이 유지된다. 그리고, 고온인 상태에서 바로 성장챔버를 개방하게 되면 성장챔버 내외부의 온도차로 인해 핫존 파트가 손상될 우려가 있으므로, 성장챔버의 온도를 일정 온도(예를 들어, 350~400℃) 이하로 냉각시킨 후 성장챔버를 개방하고 히터를 제외한 핫존 파트들을 분리하게 된다. 그리고 분리된 핫존 파트와 히터 및 성장챔버를 클리닝하게 된다.

그런데, 핫존 파트가 분리된 후 히터의 온도가 350~400℃인데, 히터를 클리닝하고 성장챔버 내부와 배기라인에 잔존하는 오염물질들이 활성화되는 것을 방지하기 위해서 히터의 온도가 35~40℃ 정도로 냉각되어야 한다. 기존에는 핫존 파트를 분리한 후 별다른 조치 없이 자연냉각으로 히터를 냉각시키므로 히터의 냉각에 장시간(평균 4.8시간 이상)이 소요되었다. 히터가 냉각되는 동안 분리된 핫존 파트의 클리닝을 수행하게 되는데, 분리된 핫존파트를 클리닝하는 데는 1 내지 2시간 정도가 소요되므로 히터 냉각 시간 중 핫존 파트의 클리닝에 소요되는 1 내지 2 시간을 제외한 나머지 2.8 내지 3.8 시간은 무가치한 공정이다.

한편, 기존의 히터 및 성장챔버 클리닝 공정을 살펴보면, 히터를 브러시로 클리닝하고 성장챔버의 배기라인 입구를 브러시로 클리닝한다. 그런데, 기존의 브러시를 이용한 클리닝 방식으로 오염물질을 완전히 제거할 수 없다는 문제점이 있다. 특히, 배기라인 입구에는 배기라인의 배관 사이로 냉각수가 유동하므로 성장챔버의 다른 부분에 비해 오염물질이 더 많이 적층되어 있으며, 기존의 클리닝 방식은 오염물질을 제거할 수 있는 범위에 한계가 있으므로 배기라인의 오염물질들이 제거되지 못하고 많은 양이 잔존하는 문제점이 있다. 그리고 이와 같이 잔존하는 오염물질은 다음 생산 공정에서 파티클로 작용하여 잉곳 품질에 악영향을 미치게 된다.

더불어, 클리닝 작업이 끝난 후 다시 잉곳을 성장시키기 위해서는 핫존 파트를 다시 성장챔버 내에 결합시킨 후 잉곳을 성장시키기 위하여 재가열해야하므로 히터 및 제반 부품을 가동시키기 위한 막대한 양의 전기를 사용하게 된다. 이는 잉곳의 생산단가를 높이는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 배기관의 후단 측에 진공펌프가 연결된 배기챔버를 마련하고, 성장챔버 측으로 불활성가스를 주입하여 압력을 높이고 진공펌프를 통하여 배기챔버의 압력을 낮춤으로써 압력차를 통한 배기가스의 흐름을 통해 배기관에 잔존하는 이물질을 간편하게 제거할 수 있는 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 성장챔버에서 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 잉곳성장장치와 연결된 배기관을 청소하기 위한 방법에 있어서, 성장챔버와 배기챔버를 서로 연결하는 상기 배기관 상에 구비되는 제1밸브를 작동시켜 상기 성장챔버 및 배기챔버의 연결을 차단한 상태에서 상기 성장챔버 내부로 불활성가스를 주입하여 상기 성장챔버 내부의 압력을 가압하는 단계; 상기 배기챔버의 후단에 구비되는 제2밸브를 작동시켜 상기 배기챔버 내의 가스가 외부로 배출되는 것을 차단한 상태에서 진공펌프를 통하여 상기 배기챔버의 내부에 부압을 제공하는 단계; 및 상기 제1밸브를 개방하여 상기 성장챔버와 배기챔버의 상대적인 압력차에 의한 배기가스의 흐름을 통하여 상기 배기관 내에 존재하는 이물질을 제거하는 단계;를 포함하는 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 배기챔버의 내부는 배기챔버와 연결된 진공펌프를 통하여 부압이 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 불활성가스는 아르곤 또는 질소일 수 있다.

바람직하게는, 상기 배기챔버에는 적어도 하나의 필터가 배치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 배기챔버는 제2밸브를 갖는 배출구가 구비되고, 상기 성장챔버에서 잉곳의 성장시 상기 제1밸브 및 제2밸브는 개방된 상태를 유지할 수 있다.

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본 발명에 의하면, 핫존 파트를 분리하고 냉각할 필요없이 압력차를 이용하여 배기관에 존재하는 이물질을 간편하게 제거할 수 있음으로써 클리닝 시간을 획기적으로 줄여 작업생산성을 높이고 생산단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 시스템을 나타낸 개략도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

이하에서, 발명의 이해를 돕기 위해 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.

통상적으로 초크랄스키법을 통한 잉곳의 성장시 아르곤 가스는 퍼지 가스로써 성장챔버(110)의 상부 부근에서 지속적으로 공급되어 하부측으로 이동하면서 고온의 배출 가스와 함께 배기관(170)을 통해 외부로 배출된다.

즉, 아르곤 가스는 잉곳성장장치(100)를 통하여 층류흐름패턴을 형성하여 지속적으로 성장되는 잉곳을 냉각하고, 결정 성장시 핫존파트에서 만들어진 하이포스트이키오메트릭 이산화실리콘과 기체성 실산화실리콘 및 실리콘기화가스를 제거하는 작용을 한다.

이러한 실리콘 기화가스는 고온에서 반응성이 크기 때문에 핫존의 히트쉴드(미도시)를 구성하는 카본과 반응하여 SiC를 형성한다. 여기서, SiC는 실리콘 함유 화합물의 일례이다. 이러한 실리콘 함유 화합물은 배기관(170)을 경유하면서 배기관(170)의 내벽에 증착된다.

본 발명에서는 상기와 같이 잉곳의 성장시 필연적으로 발생되어 배기관(170)의 내벽에 증착되는 이물질인 실리콘 함유 화합물을 간편하게 제거하기 위하여 압력차를 통한 순간적인 가스의 흐름을 이용한다.

이를 위해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 시스템(1)은 도 2에 도시된 바와 같이 잉곳성장장치(100), 배기챔버(200), 진공펌프(300) 및 제1밸브(180)를 포함한다.

상기 잉곳성장장치(100)는 잉곳이 성장되는 공간을 제공하는 성장챔버(110), 실리콘 융액이 수용되는 도가니(120), 도가니(120) 주위에 배치되어 실리콘을 용융시키는 열을 제공하는 히터(140), 상기 히터(140)를 지지하는 서셉터(130) 및 상기 도가니(120)를 승하강시키고 회전시키는 지지축(150)을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 성장챔버(110) 내부에 구비된 도가니(120), 히터(140) 및 지지축(150) 등의 구조물들을 핫존파트라 한다.

그리고, 상기 성장챔버(110)의 상부측에는 상기 아르곤가스와 같은 불활성 가스를 성장챔버(110)의 내부로 주입하기 위한 가스주입구(160)가 마련되며, 성장챔버(110)의 하부측에는 실리콘 함유 화합물을 배출하기 위한 배기관(170)이 연결된다.

이러한 잉곳성장장치(100)는 종결정을 실리콘 용액에 침지시킨 상태에서 도가니(120)를 회전시키면서 종결정을 인상시켜 실리콘 잉곳을 성장시키기 위한 것으로 공지의 잉곳성장장치와 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 배기챔버(200)는 상기 배기관(170)을 매개로 성장챔버(110)와 연결되어 잉곳의 성장시 발생되는 실리콘 함유 화합물 및 배기가스를 외부로 배출하기 위한 것이다. 이러한 배기챔버(200)의 내부에는 실리콘 함유 화합물 및 배기가스에 포함된 이물질을 걸러낼 수 있도록 복수 개의 필터(210)가 배치된다. 이에 따라, 상기 배기관(170)을 통해 배기챔버(200)로 이동된 실리콘 함유 화합물 및 배기가스는 상기 필터(210)를 통해 이물질이 걸러진 후 대기 중으로 배출된다. 여기서, 상기 배기챔버(200)의 일측에는 상기 필터(210)를 통해 이물질이 걸러진 배기가스를 외부로 배출하기 위한 배출구(220)가 구비될 수 있다. 더불어, 상기 배출구(220)에는 별도의 제2밸브(230)가 구비되어 배기챔버(200) 내부 및 외부와의 가스흐름을 차단하거나 허용하도록 할 수 있다.

한편, 상기 성장챔버(110)와 배기챔버(200)를 상호 연결하는 배기관(170) 상에는 적어도 하나의 제1밸브(180)가 구비된다. 이러한 제1밸브(180)는 성장챔버(110) 측에서 배기챔버(200) 측으로의 가스의 흐름을 허용하거나 차단하는 역할을 한다. 이러한 제1밸브(180)는 상기 배기관(170)의 내부를 클리닝하는 과정에서 성장챔버(110)의 내부로 불활성가스를 주입하여 성장챔버(110) 내의 압력을 상승시키는 경우에는 닫음 상태로 유지되어 가스의 흐름을 차단하고 잉곳의 성장과정에서는 열림 상태로 유지되어 잉곳 성장시 발생되는 배기가스 및 실리콘 함유 화합물이 상기 배기챔버(200) 측으로 이동될 수 있도록 한다.

상기 진공펌프(300)는 상기 배기관(170) 내에 존재하는 이물질의 제거시 상기 배기챔버(200) 측에 부압을 제공하기 위한 것이다. 이러한 진공펌프(300)는 상기 배기챔버(200)의 일측에 연결관(310)을 매개로 연결되며, 상기 연결관(310) 상에는 연결관(310)을 개폐하는 제3밸브(320)가 구비되어 상기 진공펌프(300)와 상기 배기챔버(200)의 연결을 선택적으로 차단하게 된다.

이와 같이 구성된 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 시스템(1)을 이용하여 상기 배기관(170) 내에 존재하는 이물질을 제거하는 방법은 다음과 같다.

먼저, 통상적인 과정을 거쳐 도가니(120) 내에 수용된 실리콘 융액으로부터 단결정 실리콘 잉곳을 성장시킨 후 성장된 실리콘 잉곳을 성장챔버(110)로부터 취출한다.

이후, 상기 배기관(170) 상에 구비되는 제1밸브(180)를 작동시켜 성장챔버(110) 및 배기챔버(200)의 연결을 차단한다. 그리고, 상기 가스주입구(160)를 통하여 불활성가스를 상기 성장챔버(110) 내로 공급함으로써 성장챔버(110) 내부의 압력을 승압시킨다. 여기서, 상기 불활성가스는 잉곳의 성장시 사용되는 아르곤가스가 사용될 수도 있고 질소가 사용될 수도 있다. 그러나 아르곤가스와 질소가스는 예시적인 것 일뿐 다른 종류의 불활성가스가 모두 사용될 수 있음을 밝혀둔다.

상기 불활성가스의 공급을 통해 성장챔버(110) 내부의 압력을 승압시킴과 동시에, 상기 배출구(220)의 제2밸브(230)를 작동시켜 배기챔버(200) 내의 가스가 외부로 배출되는 것을 차단한 상태에서 제3밸브(320)를 열어 상기 진공펌프(300)를 통해 배기챔버(200) 내부에 부압을 제공한다. 이에 따라, 상기 제1밸브(180)에 의해 서로 격리된 성장챔버(110)의 내부 및 배기챔버(200)의 내부는 서로 다른 압력을 갖게 된다. 즉, 상기 성장챔버(110) 내부의 압력은 배기챔버(200) 내부의 압력보다 상대적으로 높은 상태가 된다.

여기서, 상기 성장챔버(110)의 내부압력을 승압시키는 과정과 배기챔버(200)의 내부를 부압상태로 만드는 과정은 동시에 수행될 수도 있고 순차적으로 진행될 수도 있음을 밝혀둔다.

이와 같이 상기 성장챔버(110)의 압력을 승압시키고 배기챔버(200)의 압력을 감압시킨 상태에서 상기 제1밸브(180)를 열림상태로 작동시킨다. 이에 따라, 상기 성장챔버(110)의 내부를 채우고 있던 불활성가스는 압력차에 의해 배기관(170)을 통해 배기챔버(200) 측으로 이동된다. 이때, 상기 불활성가스는 성장챔버(110) 및 배기챔버(200)의 압력차에 의해 빠른 속도로 배기챔버(200)로 이동됨으로써 배기관(170) 내에 잔존하는 이물질이 상기 불활성가스에 의해 배기챔버(200) 측으로 이동된다. 이로 인해, 별도의 냉각작업을 수행할 필요없이 압력차에 의해 배기관(170) 내에 잔존하는 이물질을 간편하게 제거할 수 있음으로써 배기관(170)의 클리닝 시간을 획기적으로 줄여 작업생산성을 높이고 생산단가를 절감할 수 있는 효과가 있다.

상기에서 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 도면을 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명을 이와 같은 특정 구조에 한정하는 것은 아니다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않고서도 용이하게 수정 또는 변경할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 단순한 설계변형 또는 수정을 통한 등가물, 변형물 및 교체물은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속함을 미리 밝혀둔다.

1 : 압력차를 이용한 잉곳성장장치 배기관 클리닝 시스템
100 : 잉곳성장장치 110 : 성장챔버
120 : 도가니 130 : 서셉터
140 : 히터 150 : 지지축
160 : 가스주입구 170 : 배기관
180 : 제1밸브 200 : 배기챔버
210 : 필터 220 : 배출구
230 : 제2밸브 300 : 진공펌프
310 : 연결관 320 : 제3밸브

Claims (9)

1. 성장챔버에서 단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 잉곳성장장치와 연결된 배기관을 청소하기 위한 방법에 있어서,
   성장챔버와 배기챔버를 서로 연결하는 상기 배기관 상에 구비되는 제1밸브를 작동시켜 상기 성장챔버 및 배기챔버의 연결을 차단한 상태에서 상기 성장챔버 내부로 불활성가스를 주입하여 상기 성장챔버 내부의 압력을 가압하는 단계;
   상기 배기챔버의 후단에 구비되는 제2밸브를 작동시켜 상기 배기챔버 내의 가스가 외부로 배출되는 것을 차단한 상태에서 진공펌프를 통하여 상기 배기챔버의 내부에 부압을 제공하는 단계; 및
   상기 제1밸브를 개방하여 상기 성장챔버와 배기챔버의 상대적인 압력차에 의한 배기가스의 흐름을 통하여 상기 배기관 내에 존재하는 이물질을 제거하는 단계;를 포함하는 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법.
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3. 제 1항에 있어서,
   상기 불활성가스는 아르곤 또는 질소인 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 배기챔버에는 적어도 하나의 필터가 배치되는 것을 특징으로 하는 압력차를 이용한 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 배기챔버는 제2밸브를 갖는 배출구가 구비되고, 상기 성장챔버에서 잉곳의 성장시 상기 제1밸브 및 제2밸브는 개방된 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 잉곳성장장치의 배기관 클리닝 방법.
6. 삭제
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9. 삭제

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