KR101554411B1 - 잉곳성장장치 및 잉곳성장방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 잉곳성장장치는, 잉곳성장공정이 수행되는 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되는 내열성 용기인 석영도가니; 상기 석영도가니에 열을 가하는 히터; 및 상기 실리콘 융액에 시드를 침지하고 회전 및 인상하여 잉곳을 성장시키는 시드 인상수단; 를 포함하고, 상기 시드 인상수단은 상기 시드가 장착된 시드 척과 연결되는 케이블과, 상기 케이블과 연결된 샤프트와, 상기 챔버 상측에 설치되어 상기 샤프트와 케이블을 통해 시드 척을 회전 및 승강시키는 구동부로 구성된 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명은 케이블 타입 인상수단의 장점과 샤프트 타입 인상수단의 장점을 결합한 것으로, 시드 인상수단의 부피를 최소화하고 구조를 단순화할 수 있는 장점이 있고, 그리고, 본 발명의 시드 인상수단은 가용 분당 회전수 범위를 넓히면서 오비트 현상을 방지하여 잉곳의 이상성장을 억제함으로써, 직경이 균일하고 무결점의 잉곳을 생산할 수 있는 장점이 있다.

Description

잉곳성장장치 및 잉곳성장방법 {Apparatus and method for growing ingot}

본 발명은 고품질의 단결정 잉곳을 생산하기 위한 잉곳성장장치 및 잉곳성장방법에 관한 것이다.

반도체 소자의 제조 시 기판으로 주로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는 일반적으로 고순도 다결정 실리콘을 제조한 후, 쵸크랄스키(Czochralski: CZ) 결정성장법에 따라 다결정 실리콘으로부터 단결정을 성장시켜 단결정 실리콘 봉을 생산하고 이를 얇게 절단하여 실리콘 웨이퍼를 생산하며, 웨이퍼의 일면을 경면 연마(polishing)하고 세정한 후 최종 검사하여 제조한다.

그리고, 단결정 잉곳성장방법인 쵸크랄스키 법은, 다결정 실리콘을 용융한 실리콘 융액에 시드를 침지한 후, 시드(seed crystal)를 빠른 인상속도로 인상하여 네킹 공정을 진행한다. 그리고, 단결정을 시드와 직경방향으로 서서히 성장시키며 소정크기의 직경을 갖도록 하는 숄더링 단계를 진행한다. 숄더링 단계 이후에 바디 성장을 진행하며 소정길이만큼 바디공정 진행후에 바디의 직경을 감소시키고 실리콘 융액으로부터 분리하는 테일링 공정을 거쳐 단결정 잉곳성장을 완료한다.

이를 위해, 종래에는 실리콘 융액에 시드를 침지하여 회전과 동시에 인상하기 위한 인상수단으로 샤프트 타입(shaft type) 또는 케이블 타입(cable type)의 인상수단을 사용하였다.

먼저, 샤프트 타입은 막대의 단부에 시드를 고정시키고 막대를 회전 및 인상시킴으로써 잉곳을 인상하는 방법으로, 구성이 간단하고 단결정 잉곳을 안전하게 인상시켜준다는 점에서 소구경(200mm 이하)의 잉곳 생산시 많이 사용되었다.

그러나, 기술의 발전으로 잉곳의 대구경(200mm 이상)화 및 대용량화가 요구됨에 따라서 단결정 잉곳의 길이 및 크기가 증가하여, 샤프트 타입의 인상수단은 공간적 한계에 도달하게 되었다.

즉, 단결정의 길이가 길어지고 무거워짐에 따라서, 이를 안정적으로 지지하면서 인상하기 위해 샤프트의 길이도 길어지고 크기도 증가해야 하기 때문에, 샤프트 타입의 인상수단은 공간을 너무 많이 차지했고 이를 동작시키기 위한 구조도 복잡해지는 문제점이 있었다.

이에 따라서, 케이블 타입이라는 새로운 잉곳 인상수단이 제안되었다. 케이블 타입 인상수단은 케이블의 하단에 시드를 연결하고 회전 및 인상하는 방법으로, 케이블을 이용하기 때문에 자체부피가 작고 권취가 가능하여, 샤프트 타입의 인상수단에 비해 공간을 적게 차지하고 구조가 단순한 장점이 있어서, 잉곳의 대용량화 추세에 따라 샤프트 타입의 인상수단을 대체하였다.

그런데, 최근 잉곳의 대구경화(400mm) 대용량화가 더욱 요구되고 잉곳의 품질판단도 점점 더 까다로워 짐에 따라서, 케이블 타입 인상수단의 문제점이 인식되기 시작하였다.

케이블 타입 인상수단의 대표적인 문제점으로는 잉곳을 성장시키기 위하여 시드를 회전시킬때 잉곳의 회전축에 편심이 발생하는 것(오비트 현상)이며, 이러한 편심에 의해 잉곳의 결정품질이 저하되고 직경을 균일하게 성장되지 않을 수 있다.

또한, 케이블 타입 인상수단은 모터에 의하여 케이블을 감아 올리고 내리는 방식이기 때문에 케이블의 꼬임이나 응력에 의한 뒤틀림 현상이 발생하여 실리콘 단결정의 이상성장이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 샤프트 타입과 케이블 타입을 결합한 인상수단을 이용하여, 고품질의 잉곳을 효율적으로 생산하려는 것이다.

본 발명에 따른 잉곳성장장치는, 잉곳성장공정이 수행되는 공간을 제공하는 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되는 내열성 용기인 석영도가니; 상기 석영도가니에 열을 가하는 히터; 및 상기 실리콘 융액에 시드를 침지하고 회전 및 인상하여 잉곳을 성장시키는 시드 인상수단; 를 포함하고, 상기 시드 인상수단은 상기 시드가 장착된 시드 척과 연결되는 케이블과, 상기 케이블과 연결된 샤프트와, 상기 챔버 상측에 설치되어 상기 샤프트와 케이블을 통해 시드 척을 회전 및 승강시키는 구동부로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 잉곳성장방법은, 석영도가니에 담긴 실리콘 융액에 시드를 침지하고 회전 및 인상하여 잉곳을 성장시키는 잉곳성장방법으로서, 상기 시드를 회전 및 인상하는 시드 인상수단의 샤프트와 케이블의 길이 비를 산출하는 단계; 상기 길이 비로부터 가용 분당 회전수 범위를 산출하는 단계; 및 상기 가용 분당 회전수 범위 내에서 잉곳을 성장시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

다른 측면에서 본 발명에 따른 잉곳성장방법은, 석영도가니에 담긴 실리콘 융액에 시드를 침지하고 회전 및 인상하여 잉곳을 성장시키는 잉곳성장방법으로서, 상기 시드를 회전 및 인상하는 시드 인상수단의 샤프트와 케이블의 길이 비를 산출하는 단계; 상기 길이 비로부터 가용 분당 회전수 범위를 산출하는 단계; 상기 가용 분당 회전수 범위를 초과할 필요가 있는지 판단하는 단계; 상기 가용 분당 회전수 범위를 초과할 필요가 있는 경우, 공진을 억제하기 위한 힘을 산출하여 불활성 가스 분사를 통해 상기 잉곳에 상기 산출된 힘을 가하는 단계; 및 상기 가용 분당 회전수 범위를 초과할 필요가 없는 경우, 상기 가용 분당 회전수 범위 내에서 상기 잉곳을 성장시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 케이블 타입 인상수단의 장점과 샤프트 타입 인상수단의 장점을 결합한 것으로, 시드 인상수단의 부피를 최소화하고 구조를 단순화할 수 있는 장점이 있다.

그리고, 본 발명의 시드 인상수단은 가용 분당 회전수 범위를 넓히면서 오비트 현상을 방지하여 잉곳의 이상성장을 억제함으로써, 직경이 균일하고 무결점의 잉곳을 생산할 수 있는 장점이 있다.

또한, 부수적인 장점으로, 성장하는 잉곳의 사방에 불활성 가스를 분사하여, 잉곳의 흔들림을 억제함과 동시에, 잉곳의 냉각을 균등하게 해줄 수 있고, 챔버의 압력을 수월하게 제어할 수 있다.

도 1은 케이블 타입 인상수단에 의하여 잉곳이 성장하는 모습을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 개선된 시드 인상수단이 장착된 잉곳성장장치의 개략적인 단면을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 잉곳성장방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 불활성 가스 공급부가 설치된 상부 챔버의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 불활성 공급부를 이용한 잉곳성장방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른, 시드 인상장치의 단면도를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른, 샤프트와 케이블의 길이비가 변경될 때의 잉곳성장방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른, 시드 인상수단의 단면을 나타낸다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 케이블 타입 인상수단에 의하여 잉곳이 성장하는 모습을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 케이블 타입의 시드 인상수단이 회전과 동시에 잉곳을 인상할 때, 일정 분당 회전수(S/R rpm)를 초과하여 시드를 회전시키면 잉곳의 회전축에 편심이 발생하게 된다.

즉, 공진이 일어나는 분당 회전수를 초과하면 잉곳의 회전축이 원형 궤적의 형태로 거동하게 되며, 이를 오비트(orbit) 현상이라고도 한다.

이러한 오비트 현상은 성장되는 잉곳의 품질에 악영향을 미치게 된다. 예를 들어, 성장되는 잉곳의 직경이 균일하게 유지되지 않을 수 있으며, 결정품질도 저하될 수 있다.

나아가, 편심은 공진 주파수로 회전할 때 일어나므로 지속된 공진 회전수로 회전하여 잉곳의 회전축이 계속하여 거동하면, 잉곳 인상수단에 부하가 가중될 수 있으며, 잉곳성장장치 내부의 다른 구성들과 문제를 일으켜 잉곳 제조시 사고 발생의 위험이 있다.

특히, 잉곳의 회전축의 공진은 케이블이 길어질수록 공진 주파수가 낮아지게 되어 오비트 현상이 발생할 확률이 증가하며, 최근에 잉곳의 대용량화 추세에 따라서 케이블의 길이가 길어져 가용 가능한 분당 회전수가 감소하는 문제점이 있다.

즉, 이러한 오비트 현상을 일으키는 공진 현상은 아래 수학식 1에 나타나듯 케이블의 길이에 비례한다.

여기서, f 는 공진 주파수를 의미하고, g는 중력 가속도이며, L은 케이블의 길이를 나타낸다.

수학식 1 에서 보듯, L의 크기가 증가하면, f 가 감소하기 때문에, 공진이 일어나는 주파수가 낮아져 가용 가능한 분당회전수가 감소하게 된다.

따라서, 본 발명은 이러한 오비트 현상, 케이블 꼬임현상 등을 방지함과 동시에 인상수단의 구조 및 크기를 최소화할 수 있는 장치 및 방법을 제안하고자 한다.

<제 1 실시예 >

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 개선된 시드 인상수단이 장착된 잉곳성장장치의 개략적인 단면을 나타내고, 도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 잉곳성장방법을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 실시예의 잉곳성장장치는, 공정에 필요한 공간을 제공하는 챔버(10)와, 실리콘 융액(silicon)을 담는 석영도가니(20)와, 상기 석영도가니(20)를 가열하는 히터(30)와, 상기 히터(30)의 측면에 배치된 단열수단인 측면 단열부(80)와, 상기 석영도가니(20) 상측 단열수단으로 실리콘 융액과 멜트 갭을 형성하는 열차페체(40)와, 챔버(10) 내부를 관찰하기 위한 뷰 포트(100)와, 공정상황을 측정하는 각종 센서과, 실리콘 융액에 침지되고 단결정화 하는 시드(seed crystal)을 회전 및 승강시키는 시드 인상수단(300)을 포함하며, 저장부(미도시)와 전술한 구성요소들을 제어하는 제어부(미도시)가 더 포함된다.

각 구성요소에 대하여 좀더 상세히 설명하면, 먼저, 챔버(10)는 웨이퍼용 잉곳을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다. 예를 들어, 상기 챔버(10)는 핫 존(hot zone)이 형성되는 하부 챔버(11)와 인상되는 잉곳의 통로가 되는 상부 챔버(12)로 구분될 수 있으며, 상기 상부 챔버(12)는 하부 챔버(11)의 상부를 개폐할 수 있도록 결합된다.

그리고, 이러한 하부 챔버(11)에는 다결정 실리콘을 용융시켜 실리콘 융액으로 만들기 위한 핫 존(hot zone) 구조물들이 배치되는데, 먼저, 석영 재질의 내열성 용기로 실리콘 융액을 담는 석영도가니(20)가 하부 챔버(11)의 중앙에 마련된다.

그리고, 상기 석영도가니(20)의 외연에는 이를 지지하기 위한 흑연도가니(90)가 배치되며, 상기 흑연도가니(90)의 하부에는 하중을 지지하기 위한 지지수단과 받침대(pedestal)가 결합된다. 그리고, 상기 받침대에는 회전축을 통해 도가니 승강부가 연결되므로, 이러한 구성을 통해 상기 석영도가니(20)는 회전과 동시에 승강될 수 있다.

또한, 상기 석영도가니(20)의 외측에는 석영도가니(20)에 담긴 다결정 실리콘(poly silicon)을 용융시키기 위하여 열 에너지를 공급하는 히터(30)가 배치되고, 상기 히터(30)의 외연에는 단열수단으로 측면 단열부(80)가 마련되며, 측면 단열부(80) 주위에는 온도 센서가 설치될 수 있다.

예를 들어, 상기 히터(30)는 중공 가지는 원통형상으로 석영도가니(20)의 외연으로 일정거리만큼 이격되도록 중공 내에 석영도가니(20)를 배치시켜 둘러싸며, 이와 마찬가지로 상기 측면 열차폐부(80)는 중공을 가지는 원통형상으로 중공 내에 히터(30)를 배치시켜 둘러쌀 수 있다.

그리고, 상기 석영도가니(20)에 담긴 실리콘 융액의 열이 상측으로 발산하여 손실되는 것을 방지하기 위해, 잉곳이 통과하는 중공을 구비한 단열수단인 열차폐체(40)가 석영도가니(20)의 상측에 배치된다.

이때, 상기 열차폐체(40)와 실리콘 융액 표면 사이의 최단 거리를 멜트 갭(melt gap)이라고 정의하며, 상기 멜트 갭을 통해 실리콘 융액에서 손실되는 열 에너지를 유추할 수 있다.

그리고, 이와 같이 핫 존이 구성되는 챔버(10)는 진공상태를 유지하기 위하여 밀폐되어 있으므로, 밀폐된 챔버(10) 내부를 관찰하기 위해 챔버(10) 내부의 빛을 투과하는 뷰 포트(100)가 일측에 마련된다.

또한, 상기 챔버(10) 외부에는 뷰 포트(100)를 통해 공정 진행상황을 측정하는 광학 센서(200)들이 배치된다.

상기 광학 센서(200)로는 성장되는 잉곳의 메니스커스(meniscus)의 밝기를 측정하여 잉곳의 직경을 ADC 값으로 출력하는 ADC 센서나 멜트갭을 측정하는 멜트갭 센서 등이 해당될 수 있다.

한편, 상기 석영도가니(20)에 수용된 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키기 위한 시드가 장착된 시드 척(70)은 시드 인상수단(300)에 의하여 회전과 동시에 승강된다.

이러한 시드 인상수단(300)은 상기 시드 척(70)과 연결되어 이를 지지하는 케이블(310)과, 상기 케이블(310)과 연결되어 이를 지지하는 샤프트(320)와, 상기 샤프트(320)를 회전과 동시에 승강시키는 구동부(330)로 구성된다.

좀더 상세히, 상부 챔버(12)의 상측에는 구동부(330)가 설치되어 상기 샤프트(320)의 상단을 지지하고 있으며, 샤프트(320)는 하단이 하부 챔버(11)를 향하도록 상부 챔버(12)에 배치된다.

그리고, 상기 샤프트(320)의 하단에는 케이블(310)이 연결되며, 케이블(310)의 하단에는 시드 척(70)이 연결된다.

이와 같은 구성을 통해, 상기 구동부(330)는 샤프트(320)를 회전과 동시에 인상 또는 하강하여 시드 척(70)을 수직방향으로 이동시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 구동부(330)는 유압 실린더로 구성되어, 상기 샤프트(320)를 잡아당기거나 밀어 상승 또는 하강시킬 수 있다. 또는, 상기 구동부(330)는 리드 스크류(lead screw)와 서보 모터로 구성되어 상기 샤프트(320)를 나사 회전 시킴으로써 회전과 동시에 승강시키는 것도 가능하다.

이러한 시드 인상수단(300)에 의하여, 상기 시드 척(70)은 상부 챔버(12)에서 하부 챔버(11)로 하강하여 실리콘 융액에 침지될 수 있으며, 침지된 후 회전과 동시에 인상됨으로써, 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시킬 수 있다.

즉, 본 실시예는 시드 인상수단(300)을 일부는 샤프트로 일부는 케이블로 구성함으로써, 샤프트 타입의 인상장치와 케이블 타입의 인상장치를 융합하려는 것이다.

이를 통해, 샤프트(320)를 잉곳 성장을 위해 필요한 높이만큼만 구성하여 시드 인상수단(300)의 부피를 줄이고 구조를 단순화할 수 있으며, 케이블(310)의 길이를 줄임으로써 공진이 일어나는 주파수를 감소시켜 오비트 발생을 최소화하고, 케이블 꼬임 및 응력이 발생하는 문제를 해결할 수 있다.

다만, 케이블(310)의 길이가 짧아졌다 하더라도 분당 회전수가 높아지면 공진이 발생하여 오비트 현상이 일어날 수 있으므로, 공진이 발생하는 분당 회전수(최대 분당 회전수)를 산출한 후 상기 분당 회전수 이하로 구동부(330)를 제어해야 한다.

이를 위하여, 상기 제어부는 구동부(330)에 연결되어 공진이 발생하는 분당 회전수를 산출한 후 가용 가능한 분당 회전수 범위를 정하여, 상기 범위 내에서 구동부(330)를 제어한다.

좀더 상세히 설명하기 위하여 도 3을 참조하면, 먼저, 상기 제어부는 샤프트의 길이와 케이블의 길이의 비를 구한다. (S101)

표 1은 실험에 따라서 샤프트와 케이블의 길이 비(ratio)에 따른 최대 분당 회전수를 크기에 따라 상, 중, 하로 나타낸 것이다. 예를 들어, 상으로 표현된 분당 회전수는 20rpm 이상을, 중은 20~10 rpm을, 하는 10rpm 이하를 의미할 수 있다.

즉, 전체가 케이블로 이루어졌을 때(ratio 0%) 분당 회전수가 10rpm 이상이면 공진이 일어나 오비트 현상이 일어나고, 샤프트의 길이가 길 때(ratio 70%)는 분당 회전수가 20rpm 이상이 되어도 오비트 현상이 발생하지 않는다.

이와 같이, 상기 제어부는 샤프트와 케이블의 길이비(ratio)를 구한 후 실험예 등을 통해 최대 분당 회전수를 구하여 가용 분당 회전수 범위를 산출할 수 있다. (S102)

예를 들어, 상기 제어부는 샤프트와 케이블의 비가 50%으로 산출된 경우, 가용 분당 회전수 범위를 0~15rpm 으로 지정할 수 있다.

가용 분당 회전수 범위가 지정되면, 상기 제어부는 지정된 범위를 벗어나지 않도록 구동부(330)를 제어하여 잉곳을 성장시킨다. (S103)

이를 통해, 오비트 현상을 억제함으로써 잉곳의 이상 성장을 방지하여 고품질의 잉곳을 생산할 수 있다.

그런데, 상기 제어부는 오비트 현상뿐만 아니라, 타요소들도 고려하여 구동부(330)를 제어할 필요성이 있다.

예를 들어, ADC 센서로부터 성장하는 잉곳의 직경 값을 전송 받아서 구동부(330)를 제어할 수 있고, 저장부의 타겟 인상속도 프로파일(target pulling speed profile) 등 기 설정된 가이드 라인을 고려하여 구동부(330)를 제어할 수 있다.

이 과정에서, 상기 제어부는 가용 분당 회전수 범위를 벗어나야 할 경우가 있을 수 있으므로, 상황에 따라 가용 분당 회전수 범위를 넓힐 필요가 있다.

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 불활성 가스 공급부가 설치된 상부 챔버의 평면도이고, 도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른, 불활성 공급부를 이용한 잉곳성장방법을 나타내는 흐름도이다.

도 2와 도 4를 참조하면, 상기 불활성 가스 공급부(400)는 복수개로 상부 챔버(12)의 일정 높이에 해당하는 수평면상에 등 간격으로 이격되어 배치된다.

예를 들어, 상기 불활성 가스 공급부(400)는 4개로, 상부 챔버(12)의 일정 수평면상에서 사방에 배치될 수 있다.

이러한 불활성 가스 공급부(400)는 잉곳 성장에 영향을 주지 않는 불활성 가스를 분사하여 챔버(10)의 내부 분위기를 제어할 수 있다. 예를 들어, 상기 불활성 가스 공급부(400)는 아르곤(Ar) 가스를 분사하여 챔버(10) 하부에 설치된 가스 배출관으로 흐르게 함으로써, 잉곳성장공정 과정에서 발생한 이물질들을 배출할 수 있다.

또한, 본 실시예의 불활성 가스 공급부(400)는 성장하는 잉곳에 불활성 가스를 분사하여 오비트 현상을 억제할 수 있다.

즉, 일정 궤적으로 회전하려는 잉곳에 불활성 가스로 일정 힘을 가하여 이를 억제할 수 있다.

좀더 상세한 오비트 현상 억제 과정을 설명하기 위하여 도 5를 참조하면, 먼저, 상기 제어부는 샤프트와 케이블의 길이비를 구한다. (S201)

그리고, 상기 제어부는 구해진 길이비에 따라서 가용 분당 회전수 범위를 산출한다. (S202)

그 다음, 상기 제어부는 가용 분당 회전수 범위를 벗어나 시드 척(70)을 회전시킬 필요가 있는지 판단한다. (S203)

만약, 가용 범위 내에서 잉곳성장이 가능한 경우, 상기 제어부는 구동부(330)를 제어하여 가용 범위 내에서 시드 척을 회전하고 인상하여 잉곳을 인상한다. (S204)

그러나, 가용 범위를 벗어나 잉곳을 성장시킬 필요성이 있는 경우, 상기 제어부는 공진을 방지하기 위한 힘을 산출한다. (S205)

이후, 상기 제어부는 불활성 가스 공급부(400)를 제어하여 산출된 힘을 불활성 가스를 분사로 잉곳에 가함으로써, 가용 분당 회전수 범위를 넓힐 수 있다. (S206)

이를 통해, 가용 분당 회전수 범위를 넓히면서도 잉곳의 흔들림 현상을 방지하여 잉곳의 이상성장을 억제할 수 있고, 사방에 설치된 불활성 가스 공급부(400)가 균등하게 불활성 가스를 주입시킴으로써 잉곳의 냉각도 균등하게 해주어 냉각이력을 동일하게 할 수 있으며, 챔버(10) 내의 압력을 급격하게 변동시켜야 하는 경우에도 유용하게 사용할 수 있다.

<제 2 실시예 >

본 실시에는 제 1 실시예와 달리, 케이블을 승강하여 잉곳을 성장시키는 장치 및 방법에 대해 설명한다.

이하에서는, 본 실시예는 시드 인상수단을 제외하고 잉곳성장장치의 나머지 구성요소들은 본 발명이 제 1 실시예와 동일하므로 중복되는 설명에 대해서는 기재를 생략한다.

본 실시예의 잉곳성장장치는, 공정에 필요한 공간을 제공하는 챔버(10)와, 실리콘 융액(silicon)을 담는 석영도가니(20)와, 상기 석영도가니(20)를 가열하는 히터(30)와, 상기 히터(30)의 측면에 배치된 단열수단인 측면 단열부(80)와, 상기 석영도가니(20) 상측 단열수단으로 실리콘 융액과 멜트 갭을 형성하는 열차페체(40)와, 챔버(10) 내부를 관찰하기 위한 뷰 포트(100)와, 공정상황을 측정하는 각종 센서과, 실리콘 융액에 침지되고 단결정화 하는 시드(seed crystal)을 회전 및 승강시키는 시드 인상수단(300)을 포함하며, 저장부(미도시)와 전술한 구성요소들을 제어하는 제어부(미도시)가 더 포함된다.

그리고, 상기 시드 인상수단(300)은 상기 시드 척(70)과 연결되는 케이블(310)과, 상기 케이블(310)과 연결되고 이를 지지하는 샤프트(320)와, 상기 케이블(310)을 회전과 동시에 승강시키는 구동부(330)로 구성된다

좀더 상세히, 상기 구동부(330)는 상부 챔버(12)의 상측에 배치되며, 케이블(310)이 권취되어 있고, 샤프트(320)의 상단이 결합되어 이를 지지하고 있다.

상기 샤프트(320)의 하단은 하부 챔버(11)를 향하도록 배치되고, 내부는 케이블(310)이 통과할 수 있는 공간이 구비된다

상기 케이블(310)은 샤프트(320)의 내부 공간을 통해 연장되어, 상기 샤프트(320)의 하단에 마련된 도르레(340)에 지지된 후, 상기 샤프트(320)의 하단을 통과해 하부 챔버(11)를 향하도록 더 연장된다.

즉, 상기 케이블(310)은 구동부(330)에 권취되어 샤프트(320) 내의 빈 공간에서 연장된 제 2 케이블(312)과, 샤프트(320) 하단에 마련된 도르레(340)에 지지된 후 샤프트(320)의 하단을 통과하여 연장된 제 1 케이블(311)로 구분할 수 있다.

그리고, 제 1 케이블(311)의 하단에는 시드 척(70)이 연결된다.

이를 통해, 상기 구동부(330)는 케이블(310)을 감아 올리거나 내림으로써 상기 케이블(310) 하단에 연결된 시드 척(70)을 승강시킬 수 있으며, 공진에 영향을 주는 케이블(310)의 길이는 제 1 케이블(311)만 해당 되므로 최대 분당 회전수를 증가시킬 수 있다.

다만, 본 실시예의 경우, 공정에 따라서 케이블(310)의 길이가 변화하게 되므로, 가용 분당 회전수의 범위도 변경된다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른, 샤프트와 케이블의 길이비가 변경될 때의 잉곳성장방법을 나타내는 흐름도이다.

먼저, 상기 구동부(330)는 케이블(310)을 감아 올려 시드 척(70)을 인상한다 (S301)

상기 케이블(310)이 감겨진 양에 따라서 제 1 케이블(311)의 길이가 변경되므로, 제어부는 주기적으로 샤프트의 길이와 케이블의 길이비(ratio)를 구한다. (S302)

그 다음, 상기 제어부는 샤프트와 케이블의 길이비(ration)에 대한 최대 분당 회전수를 구하여 가용 분당 회전수 범위를 주기적으로 산출한다. (S303)

가용 분당 회전수 범위가 지정되면, 상기 제어부는 주기에 따라서 지정된 가용 분당 회전수 범위를 벗어나지 않도록 구동부(330)를 제어하여, 잉곳을 성장시킨다. (S304)

전술한 본 실시예를 통해, 주기마다 공진이 일어나지 않는 가용 분당 회전수 범위 내에서 잉곳을 성장시킴으로써, 잉곳의 이상성장을 억제하여 고품질의 잉곳을 생산할 수 있다.

<제 3 실시예 >

본 실시에는 제 1 실시예와 달리, 샤프트의 길이를 변화시키며 승강하여 잉곳을 성장시키는 장치 및 방법에 대해 설명한다.

이하에서는, 본 실시예는 시드 인상수단을 제외하고 잉곳성장장치의 나머지 구성요소들은 본 발명이 제 1 실시예와 동일하므로, 중복되는 설명에 대해서는 기재를 생략한다.

본 실시예의 잉곳성장장치는, 공정에 필요한 공간을 제공하는 챔버(10)와, 실리콘 융액(silicon)을 담는 석영도가니(20)와, 상기 석영도가니(20)를 가열하는 히터(30)와, 상기 히터(30)의 측면에 배치된 단열수단인 측면 단열부(80)와, 상기 석영도가니(20) 상측 단열수단으로 실리콘 융액과 멜트 갭을 형성하는 열차페체(40)와, 챔버(10) 내부를 관찰하기 위한 뷰 포트(100)와, 공정상황을 측정하는 각종 센서과, 실리콘 융액에 침지되고 단결정화 하는 시드(seed crystal)을 회전 및 승강시키는 시드 인상수단(300)을 포함하며, 저장부(미도시)와 전술한 구성요소들을 제어하는 제어부(미도시)가 더 포함된다.

도 8은 본 발명의 제 3 실시예에 따른, 시드 인상수단의 단면을 나타낸다.

도 8을 참조하면, 상기 시드 인상수단(300)은 상기 시드 척(70)과 연결되는 케이블(310)과, 상기 케이블(310)과 연결되고 이를 지지하는 샤프트(320)와, 상기 케이블(310)을 회전과 동시에 승강시키는 구동부(330)로 구성된다

좀더 상세히, 본 실시예의 샤프트(320)는 직경이 다른 복수의 프레임들로 구성된다.

즉, 상기 샤프트(320)는 직경이 가장 큰 상단의 제 1 샤프트(321)와, 제 1 샤프트(321)에 비하여 직경이 줄어든 제 2 샤프트(322)와, 제 2 샤프트(322)보다 직경이 더 줄어든 제 3 샤프트(323)로 구성될 수 있으며, 각각은 모두 하단과 상단에 플랜지가 형성된다.

예컨데, 각각의 샤프트(320)는 일단에 하단 플렌지가 마련되고 타단에 상단 플랜지가 마련되어, 서로 인접하는 샤프트(320)들은 어느 하나의 상단 플랜지 및 다른 하나의 하단 플랜지가 서로 맞물리면서 체결될 수 있다.

좀더 상세히, 제 1 샤프트(321)의 하단 플랜지와 제 2 샤프트(322)의 상단 플랜지가 맞물려 체결되며, 제 2 샤프트(322)의 하단 플랜지와 제 3 샤프트(323)의 하단 플랜지가 맞물려 체결된다. 또한, 상기 케이블(310)은 제 3 샤프트(323)의 하단에 결합되어 하부 챔버(11)를 향해 연장되며, 하단에는 시드 척(70)이 결합된다.

그리고, 상기 구동부(330)는 롤러(550)와 와이어(500)와 모터(미도시)로 구성되며, 와이어(500)는 제 1 샤프트(320)의 상측에 배치된 롤러(550)에서 권취되고 샤프트(320) 내부 공간에서 연장되어 제 3 샤프트(323)의 하단에 결합된다.

상기 모터의 구동에 의하여 롤러가 회전하여 와이어(500)가 샤프트(320) 내에서 상승하면, 제 3 샤프트(323)가 제 2 샤프트(322) 내부로 상승하는데, 이때, 제 3 샤프트(323) 하단에 플랜지가 제 2 샤프트(322)의 하단 플랜지에 걸릴 때까지 상승할 수 있다.

제 3 샤프트(323)가 걸리면, 이후 제 2 샤프트(322)가 제 1 샤프트(321) 내에서 상승하며, 마찬가지로, 제 2 샤프트(322)의 하단 플랜지가 제 1 샤프트(321)의 하단 플랜지에 걸릴 때까지 상승된다.

반대로, 모터의 구동에 의하여 롤러가 반대편으로 회전하면, 제 2 샤프트(322)와 제 1 샤프트(321)가 함께 하강하여 제 1 샤프트(321) 외부로 노출되며, 제 2 샤프트(322)는 상단 플랜지가 제 1 샤프트(321)의 하단 플랜지에 걸려 지지될 때까지 하강되며, 제 3 샤프트(323)도 상단 플랜지가 제 2 샤프트(322)의 하단 플랜지에 걸릴 때까지 하강된다.

이러한 구성을 통해, 상기 시드 인상수단(300)은 케이블(310) 하단에 결합된 시드 척(70)을 상승 또는 하강 시킬 수 있다.

이때, 상승 또는 하강시 샤프트(320)의 길이가 변경되므로, 이에 따라서 가용 분당 회전수 범위도 변경된다.

이와 같이 공정에 따라서 샤프트와 케이블 길이비가 변경되는 경우는 제 2 실시예와 동일하므로, 본 실시예의 잉곳성장방법에 대해서는 기재를 생략한다.

즉, 본 실시예의 경우에도 제 2 실시예와 같이 주기에 따라서 길이비와 길이비에 해당하는 가용 분당 회전수 범위를 산출하여, 주기마다 산출된 가용 분당 회전수 범위내에서 잉곳을 성장하여, 잉곳의 흔들림을 억제할 수 있다.

전술한 본 실시예들을 통해, 시드 인상수단의 부피를 최소화할 수 있으며, 잉곳의 이상성장을 방지하여 고품질의 잉곳을 성장시킬 수 있는 장점이 있다.

10: 챔버
20: 석영도가니
30: 히터
40: 열차폐체
70: 시드 척
100: 뷰 포트
200: 광학 센서
300: 시드 인상수단

Claims (12)

1. 잉곳성장공정이 수행되는 공간을 제공하는 챔버;
   상기 챔버 내부에 배치되는 내열성 용기인 석영도가니;
   상기 석영도가니에 열을 가하는 히터; 및
   상기 석영도가니 내부에 채워진 실리콘 융액에 시드를 침지하고 회전 및 인상하여 잉곳을 성장시키는 시드 인상수단; 를 포함하고,
   상기 시드 인상수단은 상기 시드가 장착된 시드 척과 연결되는 케이블과, 상기 케이블과 연결된 샤프트와, 상기 챔버 상측에 설치되어 상기 샤프트와 케이블을 통해 시드 척을 회전 및 승강시키는 구동부와,
   상기 시드의 회전시 상기 샤프트와 케이블의 길이 비율별로 오비트(orbit) 현상이 발생하지 않는 가용 분당 회전수 범위를 산출하고, 상기 가용 분당 회전수 범위 내에서 상기 구동부가 상기 시드 척을 회전시키도록 제어하는 제어부를 포함하는 잉곳성장장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 챔버의 상부에 설치되어, 상기 시드 인상수단에 의해 성장되는 잉곳에 불활성 가스를 분사하는 복수 개의 불활성 공급부를 더 포함하는 잉곳성장장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 불활성 공급부는 4개로 구성되어, 상기 챔버의 일정 높이의 수평면상에서 사방에 배치된 잉곳성장장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 구동부는 리드 스크류와 서보 모터로 구성되고, 상기 샤프트는 상기 리드 스크류에 나사 체결되는 잉곳성장장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 샤프트에는 내부공간이 형성되고 상기 내부공간의 하단에는 도르레가 마련되며, 상기 케이블은 상기 내부공간에서 연장되어 상기 도르레에 지지된 후 상기 샤프트 하단을 통과하여 연장된 잉곳성장장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 샤프트는 복수개의 프레임으로 직경이 상이하게 분할되고, 각 프레임의 상단과 하단에는 플랜지가 형성되며, 인접한 각 프레임은 각각의 플랜지가 맞물려 체결되는 잉곳성장장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 구동부는 모터, 롤러, 와이어로 구성되고, 상기 와이어는 상기 롤러에 권취되어 상기 샤프트의 내부공간을 통해 연장되며 상기 샤프트의 하단에 연결되는 잉곳성장장치.
9. 석영도가니에 담긴 실리콘 융액에 시드를 침지하고 회전 및 인상하여 잉곳을 성장시키는 잉곳성장방법으로서,
   상기 시드를 회전 및 인상하는 시드 인상수단의 샤프트와 케이블의 길이 비를 산출하는 단계;
   상기 길이 비로부터 상기 시드의 회전시에 오비트(orbit) 현상이 발생되지 않는 가용 분당 회전수 범위를 산출하는 단계; 및
   상기 가용 분당 회전수 범위 내에서 잉곳을 성장시키는 단계; 를 포함하는 잉곳성장방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 길이 비를 산출하는 단계는 공정 진행에 따라서 주기적으로 산출하는 단계인 잉곳성장방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가용 분당 회전수 범위를 산출하는 단계는 상기 주기적으로 산출하는 길이 비에 따라서 주기적으로 가용 분당 회전수 범위를 산출하는 단계인 잉곳성장방법.
12. 석영도가니에 담긴 실리콘 융액에 시드를 침지하고 회전 및 인상하여 잉곳을 성장시키는 잉곳성장방법으로서,
    상기 시드를 회전 및 인상하는 시드 인상수단의 샤프트와 케이블의 길이 비를 산출하는 단계;
    상기 길이 비로부터 상기 시드의 회전시에 오비트(orbit) 현상이 발생되지 않는 가용 분당 회전수 범위를 산출하는 단계;
    상기 가용 분당 회전수 범위를 초과할 필요가 있는지 판단하는 단계;
    상기 가용 분당 회전수 범위를 초과할 필요가 있는 경우, 공진을 억제하기 위한 힘을 산출하여 불활성 가스 분사를 통해 상기 잉곳에 상기 산출된 힘을 가하는 단계; 및
    상기 가용 분당 회전수 범위를 초과할 필요가 없는 경우, 상기 가용 분당 회전수 범위 내에서 상기 잉곳을 성장시키는 단계; 를 포함하는 잉곳성장방법.

Images