KR101793238B1 - 잉곳 원료 연속공급장치 - Google Patents

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KR101793238B1
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ingot
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hopper
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박진섭
김진노
이경석
이성호
전한웅
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(주)에스테크
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Abstract

잉곳 원료 연속공급장치가 제공된다. 잉곳 원료 연속공급장치는 잉곳 성장용 원료가 투입되는 호퍼; 상기 호퍼의 하부측에 설치되어 상기 원료를 공급관으로 이송시키는 이송수단; 상기 이송수단의 하부측에 설치되 상기 원료의 공급속도를 조절하도록 상기 이송수단을 진동시키는 진동수단; 및 상기 원료에 포함된 불순물을 제거하는 불순물 제거수단;을 포함할 수 있다.

Description

잉곳 원료 연속공급장치{Continuous supply apparatus of ingot raw material}
본 발명은 잉곳 원료 연속공급장치에 관한 것이다.
일반적으로 초크랄스키(Czochralski) 결정 성장법에 의한 잉곳(Ingot) 성장장치는 핫죤(Hot Zone) 영역에 설치되는 도가니(Crucible)에 폴리 실리콘(또는 갈륨비소 등)과 불순물 등의 고체 원료를 투입하고 전열히터로 가열 및 용융시켜 실리콘 융액(Hot Melt)을 만든 다음, 단결정 시드(seed)를 실리콘 융액에 접촉시켜 서서히 회전 및 인상시키면, 소정 길이와 소정 직경의 단결정 잉곳(Ingot)이 얻어진다.
잉곳 성장 원료인 폴리 실리콘(Poly Silicon)은 덩어리(Chunk Poly)와 알갱이(Granule Poly)가 사용되며, 불순물(Dopant)로는 소정량의 붕소(Boron) 또는 인(Phosphorus)이 주로 사용된다. 상기 붕소(Boron)는 P형 잉곳 성장에 사용되고, 인(Phosphorus)은 N형 잉곳 성장에 사용된다.
상기 원료들은 고체 상태이므로 이를 용융시켜 실리콘 융액(Hot Melt)으로 형성하기 위해서는 도가니에 불순물을 넣고 폴리 실리콘 덩어리를 돔(Dome) 형태로 쌓아올려 적층(Stacking)하게 되며, 폴리 실리콘 덩어리와 알갱이 및 불순물을 도가니 내부에 채워 넣어 용해하더라도 실리콘 덩어리와 덩어리 사이에 형성되는 공극만큼의 부피가 줄어들게 된다.
이에 따라, 성장 잉곳(Ingot)의 품질을 균일하게 유지하면서 원하는 직경과 원하는 길이로 성장시키기 위해서는 잉곳의 성장에 따라 줄어드는 부피만큼(또는 필요한 부피만큼)의 잉곳 원료(폴리 실리콘 및 불순물)를 정량적으로 계속 보충해주는 연속공급장치가 사용된다.
그러나, 잉곳 성장에 사용되는 실리콘은 내부에 수소가 포함되며, 실리콘 내부에 포함된 수소는 수율 또는 공정 안정성 측면에서 문제를 발생시킨다.
특히, 도가니 내에 실리콘이 용융되어 있는 상태에서, 도가니 측으로 폴리 실리콘을 추가 투입하는 경우, 폴리 실리콘에 포함된 수소가 고온의 실리콘 용융액 표면에 접촉하면서 급작스러운 부피 팽창을 한다.
그렇게 되면, 수소의 부피 팽창으로 인하여 실리콘 용융액 표면에서 폴리 실리콘이 튀는 현상이 발생하며, 이로 인하여 잉곳 성장 장치 내부 구조물에 폴리 실리콘이 증착되거나, 단결정 성장 영역에 영향을 주게 된다. 이는 수율 및 공정 안정성에 나쁜 영향을 미치는 요인이 된다.
본 발명의 일 실시예는 도가니로 원료 공급 시 원료 내에 불필요한 불순물을 용이하게 제거할 수 있는 잉곳 원료 연속공급장치를 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 잉곳 성장용 원료가 투입되는 호퍼; 상기 호퍼의 하부측에 설치되어 상기 원료를 공급관으로 이송시키는 이송수단; 상기 이송수단의 하부측에 설치되 상기 원료의 공급속도를 조절하도록 상기 이송수단을 진동시키는 진동수단; 및 상기 원료에 포함된 불순물을 제거하는 불순물 제거수단;을 포함하는 잉곳 원료 연속공급장치를 제공한다.
이 때, 상기 불순물 제거수단은 상기 이송수단의 일측에 설치될 수 있다.
상기 불순물 제거수단은 상기 불순물 제거를 위한 마이크로웨이브를 발생시키는 발생부; 및 상기 발생부로부터 발생된 상기 마이크로웨이브를 상기 이송수단으로 이동시키는 도파관;을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 불순물은 수소를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이송수단은 상기 원료가 유입 및 배출되는 유입구 및 배출구가 형성되는 진동케이스; 상기 배출구와 연결되어 상기 배출구로 배출된 상기 원료가 수집되는 수용실; 및 상기 수용실의 일측에서 상기 공급관측으로 경사지게 구비되어 상기 원료를 상기 공급관으로 이동시키는 경사이동관;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 이송수단, 상기 진동수단 및 상기 불순물 제거수단은 상기 호퍼의 하부측에 설치되는 함체의 내부에 설치될 수 있다.
또한, 상기 함체의 하부측에 설치되어 상기 이송수단으로 이동된 상기 원료의 무게를 감지하는 무게감지수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 무게감지수단에서 감지한 상기 원료의 무게값과 기설정된 값을 비교 판단하여 상기 진동수단의 진동세기를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 원료가 이동하는 이송수단의 일 측에 불순물을 제거하는 불순물 제거수단을 설치함으로써, 원료 내에 불순물을 제거하여 도가니 측으로 원료가 제공될 수 있으므로, 고온에 의해 원료가 튀는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 원료가 튀는 현상을 방지함으로써 잉곳 성장 장치의 구조물에 원료가 증착되거나 단결정 성장 영역에 영향을 주는 것을 방지할 수 있어 수율 및 공정 안정성을 확보할 수 있다.
또한, 불순물 제거를 위해 마이크로웨이브를 사용하고, 불순물로 마이크로웨이브를 조사하면, 마이크로웨이브를 조사받은 불순물이 진동될 수 있으며, 불순물의 진동에 의하여 원료가 가열됨으로써, 원료에 섞여 있는 수소가 보다 효과적으로 용이하게 제거될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 원료 연속공급장치가 설치된 잉곳 성장 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 원료 연속공급장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 원료 연속공급장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 원료 연속공급장치에서 호퍼 및 이송수단을 확대한 확대도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 원료 연속공급장치(100)는 잉곳 성장 장치(10)의 일 측에 설치되어 잉곳 성장 장치(10)의 내부에 원료가 용융되는 도가니(11) 측으로 원료를 추가 공급한다.
이를 위해, 상기 잉곳 원료 연속공급장치(100)는 호퍼(110), 이송수단(120), 진동수단(130) 및 불순물 제거수단(140)을 포함할 수 있다.
상기 호퍼(110)는 상부가 넓고 하부측으로 갈수록 단면적이 감소하는 깔대기 형상의 몸체(111)와, 상기 몸체(111) 내부에 형성되어 원료가 투입될 수 있는 소정의 수용공간(112)을 포함할 수 있다.
또한, 몸체(111)의 상부에는 도 2에서와 같이 상기 수용공간(112)을 개폐시키는 도어(113)가 설치될 수 있으며, 상기 도어(113)의 일면에는 잠금수단(114)과 파지부(115)가 구비될 수 있다.
그리고, 상기 몸체(111)의 하부에는 수용공간(112)에 투입된 원료를 상기 이송수단(120)으로 배출시키는 배출관(116)이 형성될 수 있다. 상기 배출관(116)은 상기 몸체(111)의 하부에서 상기 이송수단(120)의 상부측으로 연장되며, 상기 배출관(116)의 일단은 상기 이송수단(120)의 유입구(121a) 측으로 삽입된다(도 4 참조).
또한, 도 3에서와 같이 상기 도어(113)가 개폐되는 부분에는 밀폐부재(117)가 설치될 수 있으며, 상기 밀폐부재(117)에 의해 수용공간(112)의 기밀이 유지될 수 있다.
상기 호퍼(110)의 하부측에는 내부 공간이 형성되는 함체(150)가 설치될 수 있으며, 상기 함체(150)는 직사각형 박스 형태로 내부에 상기 이송수단(120), 진동수단(130) 및 불순물 제거수단(140)이 설치될 수 있다.
상기 이송수단(120)은 함체(150)의 내부에 설치되어 호퍼(110)에서 배출된 원료들이 이동하며, 이를 위해 이송수단(120)은 진동케이스(121), 수용실(122) 및 경사이동관(123)을 포함할 수 있다.
상기 진동케이스(121)는 상기 함체(150)의 길이 방향으로 연장된다. 즉, 수평 방향으로 연장되는 직사각형 형상을 갖는다.
또한, 상기 진동케이스(121)의 상부측에는 상기 배출관(116)과 연결되어 원료가 유입되는 유입구(도 4의 121a)가 형성되며, 상기 진동케이스(121)의 하부측에는 상기 수용실(122)과 연결되어 원료가 배출되는 배출구(도 4의 121b)가 형성된다.
이때, 상기 유입구(121a)와 배출구(121b)는 상기 진동케이스(121)에서 서로 어긋나게 배치된다. 즉, 상기 유입구(121a)는 진동케이스(121)의 상부 일측에 구비되며, 상기 배출구(121b)는 진동케이스(121)의 하부 타측에 구비된다.
이러한 상기 진동케이스(121)는 내부에 수용되는 원료를 수용실(122)측으로 이동시켜야 하므로 수평 방향으로 진동된다. 즉, 수용실(122)과 연결되는 배출구(121b) 측을 전방으로 하고, 유입구(121a)측을 후방으로 하면, 상기 진동케이스(121)는 전/후방으로 움직일 수 있다.
그리고, 상기 진동케이스(121)의 전/후방 이동은 후술되는 진동수단(130)에 의해 이루어진다. 이에 따라, 상기 진동케이스(121) 내의 원료는 배출구(121b) 측으로 이동하여 수용실(122)로 이동된다.
여기서, 상기 수용실(122)은 배출구(121b)와 연결되어 배출구(121b)로 배출되는 원료들이 수집될 수 있다. 그리고 수용실(122)에 수집된 원료들은 경사이동관(123)을 통하여 잉곳성장장치(10)의 도가니(11)와 연결되는 공급관으로 이동된다.
상기 경사이동관(123)은 수용실(122)의 일측에서 잉곳 성장 장치(10)의 공급관(12) 측으로 일정각도 기울어지도록 구비된다.
상기와 같은 구성을 갖는 이송수단(120)은 진동수단(130)에 의해 진동하여 원료들을 일정량으로 배출시킨다. 즉, 상기 진동케이스(121)는 상기 진동수단(130)에 의해 진동하여 원료들을 일정량으로 수용실(122)로 이동시킨다.
상기 진동수단(130)은 진동케이스(121)의 하부측에 설치되어 기설정된 진동수로 진동케이스(121)에 진동을 인가한다. 즉, 상기 진동케이스(121)는 상술한 바와 같이 진동수단(130)에 의해 전/후 방으로 이동될 수 있다.
구체적으로, 원료들은 배출관(116)으로 유입되어 진동케이스(121) 내부에 적재될 수 있으며, 진동수단(130)이 상기 진동케이스(121)를 진동시키면, 상기 진동케이스(121)는 전/후방으로 이동하며, 진동케이스(121) 내의 원료들은 진동에 의해 배출구(121b)로 이동할 수 있다.
이때, 원료들이 이동하는 원리는 확산 현상으로 설명될 수 있다. 즉, 진동케이스(121) 내에서 배출관(116) 및 유입구(121a)의 하부에 집중되어 있는 원료들은 진동케이스(121)의 진동에 의해 다른 공간으로 확산될 수 있으며, 이로 인해 배출구(121b)를 향해 이동할 수 있다.
또한, 상기 진동케이스(121)는 진동수단(130)에 의해 진동이 인가되지 않을 경우, 원료들은 진동케이스(121) 내에서 유입구(121a) 측에 집중적으로 적재된 상태를 유지할 수 있으며, 외력이 인가되는 경우, 원료들은 이동될 수 있다. 이때 원료들이 배출구(121b)를 향하여 이동하는 속도는 진동수단(130)에 의해 인가되는 진동수에 비례할 수 있다.
이에 따라서, 진동수단(130)의 진동수를 조절함으로써 원료들의 이동속도를 조절할 수 있고, 진동수단(130)의 작동을 중단함으로써 공급관(12)으로 원료 공급을 중단할 수 있다.
이때, 공급관(12)으로 원료 공급을 중단하는 경우는, 원료가 도가니 측으로 정해진 정량만큼 공급된 경우일 수 있다. 여기서, 원료가 도가니 측으로 정량으로 공급되는지 여부는 무게감지수단(160)에 의해 실시간으로 감지될 수 있다.
상기 무게감지수단(160)은 함체(150)의 하부면에 설치될 수 있으며, 함체(150)의 하부면에서 원료의 무게를 전달 받는다. 이때, 함체(150) 내에 수용된 원료는 도가니 측으로 공급되므로, 함체(150) 내에 수용되는 원료의 전체 무게는 점점 감소한다. 그리고, 무게감지수단(160)은 함체(150) 내에 수용된 원료의 전체 무게 변화를 실시간으로 감지하여 외부에 설치되는 제어부(미도시)로 입력된다.
여기서, 상기 제어부(미도시)에는 도가니 측으로 유입되어야 하는 원료의 정량이 설정된다. 그러면, 제어부(미도시)는 실시간으로 무게감지수단(160) 측에서 입력되는 원료의 전체 무게 변화에 따른 값을 제어부(미도시)에 설정된 원료의 정량값과 비교한다. 이후, 도가니(11) 측으로 제공되는 원료의 무게값이 제어부(미도시)에 설정된 원료의 정량값에 도달하면 진동수단(130)을 정지시켜 진동케이스(121)의 진동을 중단시킨다. 그러면, 진동케이스(121)의 진동이 멈춤에 따라 배출구(121b) 측으로 원료 이동이 중단된다. 이에 도가니(11) 측으로 원료의 정량 공급이 가능해질 수 있다.
여기서, 상기 제어부(미도시)는 상술한 바와 같이 도가니(11) 측으로 공급되기 위한 원료의 정량이 설정되기도 하지만, 진동수단(130)의 진동을 시작하거나 멈출 수 있으며, 진동케이스(121)에 전달되는 진동수단(130)의 진동의 세기를 제어할 수 있다.
또한, 후술되는 불순물 제거수단(140)의 구동을 제어할 수 있다.
보다 상세히, 상기 불순물 제거수단(140)은 원료들에 섞여 있는 불순물을 제거하기 위한 것으로, 진동케이스(121)의 일 측에 설치될 수 있다.
여기서, 상기 불순물 제거수단(140)이 진동케이스(121)의 일 측에 설치되는 것으로 도시 및 설명하고 있으나, 본 발명이 이로 제한되지 않는다. 불순물 제거수단(140)은 잉곳 성장 장치 내의 도가니 측으로 공급되기 전에 원료의 불순물을 제거할 수 있는 위치라면 어느 위치든 설치될 수 있다.
상기 불순물 제거수단(140) 불순물 제거를 위해 소정의 마이크로웨이브를 발생시키는 발생부(141) 및 상기 발생부(141)로부터 발생된 상기 마이크로웨이브를 상기 진동케이스(121)으로 이동시키는 도파관(142)을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 진동케이스(121)로 이동한 마이크로웨이브는 진동케이스(121) 내부에 있는 원료 내에 섞여 있는 불순물을 제거한다.
또한, 불순물을 제거하기 위하여 불순물로 마이크로웨이브를 조사하면, 마이크로웨이브를 조사받은 불순물이 진동될 수 있으며, 상기 불순물의 진동에 의하여 원료가 가열될 수 있는 효과가 발생된다. 이에 원료에 섞여 있는 수소가 보다 효과적으로 용이하게 제거될 수 있다.
이때, 상기 마이크로웨이브의 주파수는 원료 내에 섞여 있는 불순물을 제거할 수 있는 주파수 대역을 가질 수 있다. 즉, 불순물을 제거할 수 있는 주파수 대역이 제어부(미도시)에 설정될 수 있고, 발생부(141)는 제어부(미도시)에 의해 제어되어 불순물 제거에 필요한 주파수를 갖는 마이크로웨이브를 발생시킬 수 있다.
일례로, 잉곳 성장용 원료로 사용되는 폴리 실리콘 내에는 수소를 포함할 수 있고, 폴리 실리콘 내에 포함된 수소가 제거되지 않고 고온의 도가니로 유입되면, 수소는 부피 팽창되어 잉곳 성장 장치 내부 구조물에 폴리 실리콘이 증착되거나, 단결정 성장 영역에 영향을 주게 된다.
이에 따라서, 도가니 측으로 폴리 실리콘이 유입되기 전에 수소를 제거해야 하므로, 상기 불순물 제거수단(140)은 상기 수소를 제거해야 하며, 이때, 상기 발생부(141)에서 발생되는 마이크로웨이브는 상기 수소를 제거할 수 있는 주파수 대역으로 발생된다.
여기서, 상기 발생부(141)에서 발생하는 마이크로웨이브의 주파수 대역은 상기 제어부(미도시)에서 제어될 수 있다.
따라서, 상기와 같은 구성을 갖는 잉곳 원료 연속공급장치는 이송수단의 일 측에 불순물 제거수단을 설치하여 이송수단 내에 수용된 원료 내에 포함되는 불순물을 제거한 후 도가니 측으로 공급함으로써, 고온에 원료가 튀는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 원료가 튀는 현상을 방지함으로써 잉곳 성장 장치의 구조물에 원료가 증착되거나 단결정 성장 영역에 영향을 주는 것을 방지할 수 있어 수율 및 공정 안정성을 확보할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 잉곳 원료 연속공급장치 110 : 호퍼
120 : 이송수단 121 : 진동케이스
122 : 수용실 123 : 경사이동관
130 : 진동수단 140 : 불순물 제거수단
150 : 함체 160 : 무게감지수단

Claims (8)

  1. 잉곳 성장용 원료가 투입되는 호퍼;
    상기 호퍼의 하부측에 설치되어 상기 원료를 공급관으로 이송시키는 이송수단;
    상기 이송수단의 하부측에 설치되 상기 원료의 공급속도를 조절하도록 상기 이송수단을 진동시키는 진동수단; 및
    상기 원료에 포함된 불순물을 제거하는 불순물 제거수단;을 포함하되,
    상기 불순물 제거수단은 상기 이송 수단의 일측에 설치되며,
    상기 불순물 제거수단은,
    상기 불순물 제거를 위한 마이크로웨이브를 발생시키는 발생부; 및
    상기 발생부로부터 발생된 상기 마이크로웨이브를 상기 이송수단으로 이동시키는 도파관;을 포함하고,
    상기 불순물은 상기 잉곳 성장용 원료에 섞여 있는 수소를 포함하는 잉곳 원료 연속공급장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이송수단은
    상기 원료가 유입 및 배출되는 유입구 및 배출구가 형성되는 진동케이스;
    상기 배출구와 연결되어 상기 배출구로 배출된 상기 원료가 수집되는 수용실; 및
    상기 수용실의 일측에서 상기 공급관측으로 경사지게 구비되어 상기 원료를 상기 공급관으로 이동시키는 경사이동관;을 포함하는 잉곳 원료 연속공급장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 이송수단, 상기 진동 수단 및 상기 불순물 제거수단은 상기 호퍼의 하부측에 설치되는 함체의 내부에 설치되는 잉곳 원료 연속공급장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 함체의 하부측에 설치되어 상기 이송수단으로 이동된 상기 원료의 무게를 감지하는 무게감지수단을 더 포함하는 잉곳 원료 연속공급장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 무게감지수단에서 감지한 상기 원료의 무게값과 기설정된 값을 비교 판단하여 상기 진동수단의 진동세기를 제어하는 제어부를 더 포함하는 잉곳 원료 연속공급장치.
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