KR102276131B1 - 연속 잉곳 성장 장치 - Google Patents

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이경석
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Abstract

본 발명은 연속 잉곳 성장 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유도 가열 방식으로 고형 상태의 실리콘 재료를 용융시켜서 주 도가니에 공급할 수 있는 연속 잉곳 성장 장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 일 측면에 따른 연속 잉곳 성장 장치는, 잉곳을 형성하기 위하여 용융 상태의 실리콘이 수용되는 주 도가니가 내부에 위치되는 성장로; 상기 용융 상태의 실리콘이 용융되기 전의 고형 상태의 실리콘 재료를 공급하는 재료 공급부; 상기 재료 공급부로부터 공급된 상기 고형 상태의 실리콘 재료를 용융시키는 예비 도가니와, 상기 예비 도가니가 가열될 수 있는 가열 공간 및 유도 가열 방식으로 상기 예비 도가니를 가열하는 예비 도가니 가열 모듈을 포함하는 예비 용융부를 포함하고, 상기 예비 도가니에서 상기 용융 상태의 실리콘이 직접 상기 주 도가니에 공급될 수 있다.

Description

연속 잉곳 성장 장치{CONTINUOUS INGOT GROWING APPARATUS}
본 발명은 연속 잉곳 성장 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 유도 가열 방식으로 고형 상태의 실리콘 재료를 용융시켜서 주 도가니에 공급할 수 있는 연속 잉곳 성장 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체용 단결정 실리콘 웨이퍼를 제조하기 위한 잉곳의 제작방법으로 초크랄스키(Czochralski) 결정 성장법을 주로 사용하고 있다.
초크랄스키 결정 성장법은 도가니에 실리콘을 넣고, 이러한 도가니를 가열하여 실리콘을 용융시킨다. 그리고, 단결정 시드(single crystal seed)가 이러한 용융된 실리콘은 접촉된 상태에서, 회전과 동시에 상측 방향으로 인상되면, 소정의 지름을 갖는 잉곳(ingot)이 성장된다. 이러한 쵸크랄스키법 중 도가니 내부로 고형 상태의 실리콘 재료(폴리실리콘)를 계속적으로 주입함으로써 소모된 용융 상태의 실리콘을 보충하면서 잉곳을 지속적으로 성장시키는 방법이 연속성장형 쵸크랄스키법(CCz)이다.
종래의 연속 성장 쵸크랄스키법은 고형 상태의 실리콘 재료를 도가니에서 직접 용융시키기 위해 이중 형태의 도가니를 사용했으나, 이러한 이중 형태의 도가니는 잉곳 성형 장치의 제조 원가 상승을 초래하게 되는 문제가 있다.
또한, 도가니에 고형 상태의 실리콘 재료를 직접 정량 투입하는 방식으로 실리콘을 공급하였으나, 이와 같은 방식으로 고형 상태의 실리콘 재료를 공급할 경우 주 도가니 내에서 용융 상태의 실리콘이 튀는 문제가 있다.
본 발명에 따르면 유도 가열 방식으로 고형 상태의 실리콘 재료를 용융시켜서 주 도가니에 공급할 수 있는 연속 잉곳 성장 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 연속 잉곳 성장 장치는, 잉곳을 형성하기 위하여 용융 상태의 실리콘이 수용되는 주 도가니가 내부에 위치되는 성장로; 상기 용융 상태의 실리콘이 용융되기 전의 고형 상태의 실리콘 재료를 공급하는 재료 공급부; 상기 재료 공급부로부터 공급된 상기 고형 상태의 실리콘 재료를 용융시키는 예비 도가니와, 상기 예비 도가니가 가열될 수 있는 가열 공간 및 유도 가열 방식으로 상기 예비 도가니를 가열하는 예비 도가니 가열 모듈을 포함하는 예비 용융부를 포함하고, 상기 예비 도가니에서 상기 용융 상태의 실리콘이 직접 상기 주 도가니에 공급될 수 있다.
이때, 상기 예비 도가니 가열 모듈은 상기 가열 공간을 감싸도록 배치되며 유도 전류를 이용해서 상기 예비 도가니를 가열하는 유도 코일을 포함할 수 있다.
이때, 상기 예비 도가니는 상기 가열 공간의 내부에 배치되어 상기 고형 상태의 실리콘 재료가 수용되도록 상측 방향으로 개방된 용기 형태의 바디와, 상기 용융 상태의 실리콘이 상기 주 도가니로 공급되도록 상기 가열 공간의 타측 외부에 배치되는 비크를 포함할 수 있다.
이때, 상기 유도 코일은 상기 가열 공간의 둘레를 따라 권취되되, 상기 가열 공간의 일측에서 타측을 향하는 방향을 따라 상호 인접하게 배치되는 상기 유도 코일 사이의 간격이 감소하도록 조밀하게 권취될 수 있다.
이때, 상기 유도 코일은 상기 가열 공간의 둘레를 따라 권취되되, 상기 가열 공간의 일측에 배치되는 상기 유도 코일의 내경보다 상기 가열 공간의 타측에 배치되는 상기 유도 코일의 내경이 작게 형성되도록 권취될 수 있다.
이때, 상기 유도 코일에 전류가 공급되도록 전기적으로 연결되는 전원 연결부를 더 포함하고, 상기 유도 코일에는 상기 전원 연결부에 삽입 고정되는 체결 브라켓이 구비될 수 있다.
이때, 상기 예비 도가니는 상기 고형 상태의 실리콘 재료를 수용하는 제1 위치 및 상기 용융 상태의 실리콘이 상기 주 도가니로 공급되는 제2 위치 사이에서 이동 가능하며, 상기 제1 위치에서 상기 예비 도가니에는 상측 방향으로 제1 경사가 형성될 수 있다.
이때, 상기 유도 코일에는 권취 방향을 따라 제2 경사가 형성되고, 상기 예비 도가니가 상기 제1 위치에 위치할 때 상기 제1 경사와 상기 제2 경사는 상호 동일하게 형성될 수 있다.
이때, 상기 제2 위치에서 상기 예비 도가니 내의 상기 용융 상태의 실리콘이 상기 주 도가니 측으로 흘러 나가도록 상기 예비 도가니에는 하측 방향으로 경사가 형성될 수 있다.
이때, 상기 예비 도가니에는 일측과 타측을 각각 지지하는 전방 지지바와 후방 지지바가 구비되고, 상기 예비 도가니가 상기 제1 위치에서 상기 제2 위치로 이동 시에 상기 전방 지지바의 높이가 고정된 상태에서 상기 후방 지지바가 상향 이동하도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 예비 도가니 가열 모듈은 상기 유도 코일의 외주면을 감싸는 쉴드와, 상기 예비 도가니와 상기 유도 코일 사이의 열교환을 차단하는 단열재를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 예비 도가니 가열 모듈은 상기 예비 도가니를 감싸도록 배치되되, 상기 유도 코일의 권취 방향을 따라 연장 형성되는 가열 튜브를 더 포함하고, 상기 단열재는 상기 가열 튜브와 상기 유도 코일 사이에 배치될 수 있다.
이때, 상기 단열재의 두께는 13mm 이상, 40mm 이하의 범위로 형성될 수 있다.
상기의 구성에 따라, 본 발명의 일 측면에 따른 연속 잉곳 성장 장치는 예비 용융부에서 고형 상태의 실리콘 재료를 용융시켜서 용융 상태의 실리콘을 주 도가니에 공급하므로 주 도가니의 구성이 단순화되고, 용융 상태의 실리콘 튐 현상을 방지할 수 있으며, 특히, 예비 용융부는 유도 가열 방식으로 예비 도가니를 가열하므로 전체 장치의 구성이 단순화될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 연속 잉곳 성장 장치는 유도 코일이 가열 공간을 감싸도록 권취되되, 유도 코일의 간격이 조밀하게 권취되거나, 내경이 감소하도록 권취되므로 예비 도가니의 모든 부분을 효과적으로 가열할 수 있게 된다.
아울러 본 발명의 일 측면에 따른 연속 잉곳 성장 장치는 유도 코일과 예비 도가니 사이에 단열재가 구비되되, 이러한 단열재의 두께를 일정 범위 내로 형성하여 예비 도가니의 열손실 최소화 및 가열 효율 극대화가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 잉곳 성장 장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 도가니와 유도 코일을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 도가니의 온도 분포를 도시한 도면으로, (a)는 등간격으로 배치된 유도 코일에 의해 가열된 예비 도가니의 온도 분포를 도시한 도면이고, (b)는 비등간격으로 배치된 유도 코일에 의해 가열된 예비 도가니의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 따른 예비 도가니의 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 연결부를 도시한 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 단면도로서, (a)는 예비 도가니가 제1 위치에 위치한 상태를 도시한 도면이고, (b)는 예비 도가니가 제2 위치에 위치한 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 단면도이다.
도 12는 도 11의 Ⅰ-Ⅰ 부분의 단면도로서, 가열 튜브 및 쉴드의 온도 분포를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 예비 용융부의 가열 효율을 나타낸 그래프이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 단어와 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 않고, 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 발명자가 용어와 개념을 정의할 수 있는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
그러므로 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 해당하고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로 해당 구성은 본 발명의 출원시점에서 이를 대체할 다양한 균등물과 변형예가 있을 수 있다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 설명하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 다른 구성 요소와 바로 접하여 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 배치되는 것뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성 요소가 배치되는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결"되어 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 서로 직접 연결되는 것뿐만 아니라 간접적으로 서로 연결되는 경우도 포함한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 연속 잉곳 성장 장치를 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 잉곳 성장 장치를 도시한 단면도이다. 본 명세서에서는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 설명함에 있어 발명의 내용과 관련이 없는 구성은 도면의 간략화를 위하여 상세하게 도시하지 않거나 도시를 생략하도록 하고 발명의 사상과 관련된 내용을 중심으로 본 발명에 따른 잉곳 성장 장치를 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 잉곳 성장 장치는, 잉곳(30)을 형성하기 위하여 용융 상태의 실리콘(12)이 수용되는 주 도가니(11)가 내부에 위치되는 성장로(10)를 포함할 수 있다.
이러한 주 도가니(11)에 수용된 용융 상태의 실리콘(12)의 적정한 온도를 유지하기 위한 저면 히터(20)가 구비될 수 있으며, 이러한 저면 히터(20)는 별도로 자기장을 제공하여 용융 상태의 실리콘(12)에 순환 대류가 발생하도록 함으로써 산소 농도를 조절하도록 구성될 수 있으며, 이러한 저면 히터(20)의 온도와 자기장은 잉곳(30)의 성장 시 결정된 온도 및 자기장 프로파일에 따라 일정하게 유지된다.
이와 같은 상태에서 별도의 인상 장치부(미도시)는 인상 와이어(40) 하단의 시드(41)가 용융 상태의 실리콘(12)에 접촉되도록 인상 와이어(40)를 하강시킨 상태에서 회전 및 인상하게 된다.
이때, 인상 와이어(40)의 회전 속도와 인상 속도는 전체 공정에서 이미 결정된 회전 및 인상 속도 프로파일에 따라 균일하게 유지된다.
이러한 인상 와이어(40)를 상향 이동시키면 시드(41)에서부터 하향으로 경사진 잉곳(30)의 상부측이 결정화되고, 상향 이동이 지속되면서 통상 어깨부(31)로 지칭되는 잉곳(30)의 상부측이 형성된 후에 결정화된 잉곳(30)의 높이가 점차 높아지면서 잉곳(30)이 성장하게 된다.
상기 용융 상태의 실리콘(12)이 용융되기 전의 고형 상태의 실리콘 재료를 공급하는 재료 공급부(110)가 구비될 수 있으며, 이러한 재료 공급부(110)는 고형 상태의 실리콘 재료의 양을 계량하여 정량으로 공급하게 된다.
이러한 재료 공급부(110)는 고형 상태의 실리콘 재료가 저장되는 저장부(미도시)와, 저장부로부터 고형 상태의 실리콘 재료를 이송하기 위한 이송 모듈(미도시) 및 이송 모듈로부터 이송된 고형 상태의 실리콘 재료가 수용되도록 상측으로 개방된 용기 형태의 버켓(111)을 포함할 수 있으며, 버켓(111)은 예비 용융부(100)의 내부에서 수평한 축을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다.
또한, 재료 공급부(110)는 예비 용융부(100)의 일측에 공간적으로 연결될 수 있으며, 재료 공급부(110)에는 버켓(111)이 재료 공급부(110)와 예비 용융부(100) 사이를 이동할 수 있도록 별도의 버켓 이송 모듈(미도시)이 구비될 수 있다.
아울러 재료 공급부(110)와 예비 용융부(100) 사이에는 열손실 방지를 위해 고형 상태의 실리콘 재료 공급을 위해 개폐 가능한 차단판(미도시)이 구비될 수 있다.
전술한 예비 용융부(100)는 재료 공급부(110)로부터 공급된 고형 상태의 실리콘 재료를 용융시키는 예비 도가니(122)와, 예비 도가니(122)가 가열될 수 있는 가열 공간(120a) 및 유도 가열 방식으로 예비 도가니(122)를 가열하는 예비 도가니 가열 모듈(120)을 포함하는 예비 용융부(100)를 포함할 수 있고, 예비 도가니(122)에서 용융 상태의 실리콘(12)이 직접 주 도가니(11)에 공급될 수 있다.
이와 같이 예비 용융부(100)에서 고형 상태의 실리콘 재료를 용융시켜서 용융 상태의 실리콘을 주 도가니(11)에 공급하게 되면 주 도가니(11)의 구성이 단순화되고, 용융 상태의 실리콘 튐 현상을 방지할 수 있게 된다. 더 나아가 예비 용융부(100)는 유도 가열 방식으로 예비 도가니(122)를 가열하므로 전체 장치의 구성이 단순화될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 도가니와 유도 코일을 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 예비 도가니 가열 모듈(120)은 가열 공간(120a)을 감싸도록 횡 방향으로 연장된 축을 중심으로 권취되며 유도 전류를 이용해서 예비 도가니(122)를 가열하는 유도 코일(121)을 포함할 수 있다. 이때, 차단판이 개방된 상태에서 재료 공급부(110)로부터 고형 상태의 실리콘 재료가 예비 도가니(122) 방향으로 이동되어 가열 공간(120a)의 일측으로 투입됨으로써 예비 도가니(122)에 공급되고, 예비 도가니(122)에 수용된 고형 상태의 실리콘 재료가 용융된 후, 용융 상태의 실리콘이 주 도가니(11) 방향으로 이동되면서 가열 공간(120a)의 타측으로 배출되어 직접 상기 주 도가니(11)에 공급된다.
이러한 유도 코일(121)에 전류가 공급되면 자기장이 발생하게 된다. 유도 코일(121)에서 발생한 자기장은 전자기 유도를 통해 예비 도가니(122) 또는 가열 튜브(125)에 전류를 발생시키고, 예비 도가니(122) 또는 가열 튜브(125)에서 발생된 유도 전류는 열 에너지로 전환된다. 이를 위해 예비 도가니(122) 또는 가열 튜브(125)는 유도 전류 발생이 가능한 소재로 구성될 수 있다.
만일 가열 튜브(125)를 사용할 경우 흑연(graphite) 재질을 포함할 수 있다. 이때, 카본(carbon) 오염을 방지하기 위해 흑연 표면에 탄화규소(SiC) 코팅을 추가하거나, 유도 전류 발생이 가능한 저항대의 탄화규소(SiC) 재료를 사용할 수 있다.
또한, 예비 도가니(122)는 흑연 재질로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 내열성이 강하면서 도체 성질을 가진 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이, 유도 코일(121)은 유도 가열 방식으로 예비 도가니(122)나 가열 튜브(125)를 가열할 수 있으며, 특히, 이러한 유도 코일(121)이 가열 공간(120a)을 감싸도록 배치되므로 가열 효율이 극대화될 수 있게 된다.
이때, 도 2에 도시된 바와 같이, 예비 도가니(122)는 가열 공간(120a)의 내부에 배치되어 고형 상태의 실리콘 재료가 수용되도록 상측 방향으로 개방된 용기 형태의 바디(122a)와, 용융 상태의 실리콘(12)이 주 도가니(11)로 공급되도록 가열 공간(120a)의 타측 외부에 배치되는 비크(122b)를 포함할 수 있다.
즉, 전술한 재료 공급부(110)를 통해 바디(122a)의 내부에 고형 상태의 실리콘 재료가 수용된 상태에서 유도 코일(121)에 전류가 흐르게 됨에 따라 발생하는 유도 전류에 의해 가열 튜브(125) 또는 예비 도가니(122)의 바디(122a)가 가열되면서 고형 상태의 실리콘이 용융되고, 이와 같이 용융 상태의 실리콘(12)은 비크(122b)를 통해 주 도가니(11)로 공급되는 것이다. 이때, 이러한 비크(122b)는 가열 공간(120a)의 타측 외부에 배치됨으로써 용융 상태의 실리콘(12)이 주 도가니(11)에 안정적으로 공급되도록 구성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 단면도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 도가니의 온도 분포를 도시한 도면으로, (a)는 등간격으로 배치된 유도 코일에 의해 가열된 예비 도가니의 온도 분포를 도시한 도면이고, (b)는 비등간격으로 배치된 유도 코일에 의해 가열된 예비 도가니의 온도 분포를 도시한 도면이며, 도 7은 도 6에 따른 예비 도가니의 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 유도 코일(121)은 가열 공간(120a)의 둘레를 따라 등간격으로 권취될 수 있다. 즉, 가열 공간(120a)의 타측에 배치되는 유도 코일(121) 상호 간의 간격(a)과 가열 공간(120a)의 일측에 배치되는 유도 코일(121) 상호 간의 간격(b)이 동일하게 형성되도록 권취되는 것이며, 이와 같이 구성되면 가열 공간(120a) 내에 형성되는 복수 개의 단위 구역(L) 당 유도 코일(121)의 권취 횟수(턴 수)가 동일하게 되고, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 가열 공간(120a)의 일측에서 타측까지 바디(122a)를 균일하게 가열할 수 있게 된다.
이때, 전술한 바와 같이, 비크(122b)는 용융 상태의 실리콘(12)이 주 도가니(11)에 안정적으로 공급되도록 가열 공간(120a)의 타측 외부에 배치될 수 있는데, 다만, 이와 같이 비크(122b)가 가열 공간(120a)의 타측 외부에 배치됨에 따라 가열되는 정도가 가열 공간(120a) 내부에 배치되는 바디(122a)에 비해 상대적으로 낮을 수 있으며, 용융 상태의 실리콘(12)이 이러한 비크(122b)를 통해 이동하는 과정에서 다시 고형화되면서 용융 상태의 실리콘(12)이 원활하게 공급되지 않는 문제가 있을 수도 있다.
이를 위해 도 5에 도시된 바와 같이, 가열 공간(120a)의 일측에서 타측을 향하는 방향을 따라 상호 인접하게 배치되는 유도 코일(121) 사이의 간격이 감소하도록 조밀하게 권취될 수도 있다.
즉, 가열 공간(120a)의 타측에 배치되는 유도 코일(121) 상호 간의 간격(a)이 가열 공간(120a)의 일측에 배치되는 유도 코일(121) 상호 간의 간격(b)보다 작게 형성되도록 권취되는 것이며, 이와 같이 구성되면 가열 공간(120a) 내에 형성되는 복수 개의 단위 구역(L) 당 유도 코일(121)의 권취 횟수(턴 수)는 가열 공간(120a)의 타측에 형성되는 단위 구역(L)에 배치되는 유도 코일(121)의 권취 횟수가 가열 공간(120a)의 일측에 형성되는 단위 구역(L)에 배치되는 유도 코일(121)의 권취 횟수보다 크게 형성되도록 구성하는 것이다.
이와 같이 구성하면 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 비크(122b)가 가열 공간(120a)의 타측 외부에 배치되더라도 이러한 비크(122b)를 효과적으로 가열할 수 있게 되어 주 도가니(11)로 공급되는 용융 상태의 실리콘(12)이 고형화되지 않고 효과적으로 공급될 수 있다.
이하 도 7을 참조하여 유도 코일(121)의 배치에 따른 예비 도가니(122)의 온도 분포를 설명한다.
먼저, 예비 도가니(122)의 전체 길이는 대략 150mm 정도이고, 예비 도가니(122)의 타측 프론트(Front) 위치를 시작으로 일측 리어(Rear)가 위치한 150mm 정도까지의 온도 분포가 예비 도가니(122)의 온도 분포이며, 예비 도가니(122)의 타측에는 비크(122b)가 형성되고, 비크(122b)에는 예비 도가니(122)의 일측을 향하는 방향으로 바디(122a)가 연장 형성된다.
전술한 바와 같이, 유도 코일(121)이 등간격으로 권취되는 경우 바디(122a)의 온도 분포가 대략 1800 ℃ 이상으로 균일하게 가열되는 것을 확인할 수 있다.
반면, 유도 코일(121)이 비등간격으로 권취되는 경우에는 바디(122a)의 타단으로 갈수록 온도가 낮아지게 되나, 대략 1800 ℃ 이상의 온도가 유지되므로 고형 상태의 실리콘이 원활하게 용융될 수 있다.
한편, 유도 코일(121)이 등간격으로 권취되는 경우 비크(122b)의 온도 분포는 비크(122b)의 타측을 향하는 방향으로 급격하게 감소하며, 비크(122b) 일단의 온도는 대략 1400 ℃ 정도인 것을 확인할 수 있다.
반면, 유도 코일(121)이 비등간격으로 권취되는 경우 비크(122b)에 인접한 위치에서 최고 온도가 대략 2100 ℃ 정도로 형성되며, 이에 따라 비크(122b)의 타측을 향하는 방향으로 온도가 일부 감소하긴 하나, 비크(122b) 일단의 온도가 대략 1800 ℃ 정도를 유지하게 되므로 용융 상태의 실리콘(12)이 주 도가니(11)로 공급되는 과정에서 냉각되면서 고형화되는 것을 효과적으로 방지함으로써 원활한 공급이 가능하게 된다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 단면도이다.
한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 유도 코일(121)은 가열 공간(120a)의 둘레를 따라 권취되되, 가열 공간(120a)의 일측에 배치되는 유도 코일(121)의 내경(d2)보다 가열 공간(120a)의 타측에 배치되는 유도 코일(121)의 내경(d1)이 작게 형성되도록 권취될 수 있다.
즉, 비크(122b)가 형성되어 있는 방향을 향해 유도 코일(121)의 내경이 감소하도록 권취되는 것이며, 이와 같이 구성하면 비크(122b)가 형성된 위치에서 유도 코일(121)을 통과하는 자기장의 밀도가 증가하게 되어 비크(122b)가 더욱 효과적으로 가열됨으로써 용융 상태의 실리콘(12)이 주 도가니(11)로 공급되는 과정에서 냉각되면서 고형화되는 것을 효과적으로 방지하여 원활한 공급이 가능하게 된다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 전원 연결부를 도시한 사시도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 유도 코일(121)에 전류가 공급되도록 전기적으로 연결되는 전원 연결부(50)를 더 포함하고, 유도 코일(121)에는 전원 연결부(50)에 삽입 고정되는 체결 브라켓(121a)이 구비될 수 있다.
유도 코일(121)의 경우 예비 도가니(122)의 유도 가열을 위해 높은 전류가 연속적으로 흐르게 되는데, 이와 같은 상태에서 유도 코일(121)을 장기간 사용하게 되면 유도 코일(121)의 내구성이 저하됨에 따라 교체할 필요가 있게 된다.
이를 위해 전술한 바와 같이, 체결 브라켓(121a)을 이용해서 유도 코일(121)을 전원 연결부(50)에 간단하게 체결할 수 있도록 구성하면 유도 코일(121)의 교체 작업이 용이해지고, 교체 시 작업자의 수고를 덜 수 있게 된다.
체결 브라켓(121a)의 외주면는 별도의 나사산이 형성되어 너트를 이용해서 간단하게 고정할 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 단면도로서, (a)는 예비 도가니가 제1 위치에 위치한 상태를 도시한 도면이고, (b)는 예비 도가니가 제2 위치에 위치한 상태를 도시한 도면이다.
예비 도가니(122)는 도 10의 (a)에 도시된 바와 같이, 고형 상태의 실리콘 재료가 용융되는 제1 위치(A) 및 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 용융 상태의 실리콘(12)이 주 도가니(11)로 공급되는 제2 위치(B) 사이에서 이동 가능하다.
이때, 제1 위치(A)에서 예비 도가니(122)에는 도 4에 도시된 바와 같이, 상측 방향으로 제1 경사(θ1)가 형성될 수 있다. 즉, 예비 도가니(122)의 하면에 제1 경사(θ1)가 형성됨에 따라 용융 상태의 실리콘(12)이 안정적으로 수용됨에 따라 주 도가니(11)에 임의로 공급되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 유도 코일(121)에는 권취 방향을 따라 제2 경사(θ2)가 형성되고, 예비 도가니(122)가 제1 위치(A)에 위치할 때 제1 경사(θ1)와 제2 경사(θ2)는 상호 동일하게 형성될 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이, 예비 도가니(122)가 제1 위치(A)에 위치할 때 고형 상태의 실리콘이 용융되므로 이러한 상태에서 예비 도가니(122)를 효율적으로 가열할 수 있도록 구성하는 것이 중요하다.
이를 위해 유도 코일(121)에도 제2 경사(θ2)가 형성되도록 구성하되, 이러한 제2 경사(θ2)는 예비 도가니(122)에 형성된 제1 경사(θ1)와 동일하게 형성됨으로써 예비 도가니(122)를 효율적으로 가열할 수 있게 된다.
아울러 도 10의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 위치(B)에서 예비 도가니(122) 내의 용융 상태의 실리콘(12)이 주 도가니(11) 측으로 흘러 나가도록 예비 도가니(122)에는 하측 방향으로 경사가 형성될 수 있다.
즉, 예비 도가니(122)의 하면에 하측 방향으로 경사가 형성됨에 따라 용융 상태의 실리콘(12)이 중력에 의해 하향 이동하면서 주 도가니(11)로 원활하게 공급될 수 있게 된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 예비 도가니(122)에는 일측과 타측을 각각 지지하는 전방 지지바(122c)와 후방 지지바(122d)가 구비되고, 이러한 예비 도가니(122)가 도 10의 (a)에 도시된 제1 위치(A)에서 도 10의 (b)에 도시된 제2 위치(B)로 이동 시에 전방 지지바(122c)의 높이가 고정된 상태에서 후방 지지바(122d)가 상향 이동하도록 형성될 수 있다.
즉, 예비 도가니(122)는 일측을 중심으로 타측이 회전하도록 구성함으로써 간단한 방식으로 용융 상태의 실리콘(12)을 공급할 수 있게 되며, 후방 지지바(122d)가 상향 이동할 수 있도록 후방 지지바(122d)는 별도의 리프팅 모듈(미도시)에 연결될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 예비 용융부를 도시한 단면도이고, 도 12는 도 11의 Ⅰ-Ⅰ 부분의 단면도로서, 가열 튜브 및 쉴드의 온도 분포를 도시한 도면이며, 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 예비 용융부의 가열 효율을 나타낸 그래프이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 예비 도가니 가열 모듈(120)은 유도 코일(121)의 외주면을 감싸는 쉴드(123)와, 예비 도가니(122)와 유도 코일(121) 사이의 열교환을 차단하는 단열재(124)를 더 포함할 수 있다.
이러한 쉴드(123)는 유도 코일(121)의 외주면을 감싸도록 형성되되, 유도 코일(121)이 나선 형태를 유지하도록 지지할 수 있다. 또한, 쉴드(123)는 유도 코일(121)이 외부 뿐만 아니라 가열 공간(120a)을 향해 노출되는 것을 차단할 수 있다.
이에 따라, 쉴드(123)는 유도 코일(121)이 가열 공간(120a)을 향해 노출되는 것을 차단함으로써 유도 코일(121)에 전류가 흐르면서 자기장이 형성될 경우, 진공 상태에서 플라즈마 현상에 의한 아크 방전(arc discharge)이 발생되거나 유도 코일(121)이 가열 공간(120a)의 내부에 존재하는 아르곤과 같은 비활성기체와 접촉하여 아크 방전이 발생되는 것을 방지할 수 있다.
이러한 쉴드(123)는 내열성이 강한 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들면, 상기 세라믹 재질은, 산화 알루미늄(Al2O3), 이산화규소(SiO2), 이산화지르코늄(ZrO2) 및 질화실리콘(Si3N4) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 유도 코일(121)의 내부에는 유도 코일(121)을 흐르는 전류에 의해 유도 코일(121) 자체가 가열되는 것을 방지하기 위한 냉각 유체가 흐르게 되는데, 이러한 냉각 유체로 인해 예비 도가니(122)가 냉각되는 것을 방지하기 위해 전술한 바와 같이, 예비 도가니(122)와 유도 코일(121) 사이에는 단열재(124)가 구비되어 이들 사이의 열교환을 차단하게 된다.
이러한 단열재(124)는 카본(carbon) 재질의 소프트 팰트(soft felt), 이산화규소(SiO2), 산화 알루미늄(Al2O3) 및 이산화지르코늄(ZrO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 내부에 일정 비율의 공극을 포함하거나 상기 소재를 사용한 화이버(fiber) 결합체를 사용할 수 있다.
이때, 도 11에 도시된 바와 같이, 예비 도가니 가열 모듈(120)은 예비 도가니(122)를 감싸도록 배치되되, 유도 코일(121)의 권취 방향을 따라 연장 형성되는 가열 튜브(125)를 더 포함할 수 있다.
즉, 전술한 바와 같이, 유도 코일(121)은 가열 공간(120a)을 감싸도록 원형으로 배치되므로 이에 대응되도록 원통형 단면을 갖는 가열 튜브(125)를 이용해서 예비 도가니(122)를 감싸도록 배치할 수 있다.
가열 튜브(125)는 예비 도가니(122)와 같은, 흑연(graphite) 재질을 포함할 수 있으며, 흑연 재질 표면에 탄화규소(SiC) 코팅 및 유도 전류에 의해 가열이 가능한 탄화규소(SiC) 재질이 단독 사용될 수 있다. 이러한 가열 튜브(125)의 내부에 가열 공간(120a)을 형성하고, 이러한 가열 공간(120a)에 예비 도가니(122)를 배치하면 유도 코일(121)에 형성되는 자기장에 의해 가열 튜브(125)가 예비 도가니(122)와 함께 유도 가열되며, 이와 같이 가열된 가열 튜브(125)를 통해 예비 도가니(122)에 복사열이 인가되므로 예비 도가니(122)가 더욱 효과적으로 가열될 수 있게 된다.
다만, 유도 코일(121)을 통해 흐르는 냉각 유체에 의해 가열 튜브(125)가 냉각되는 것을 방지하기 위해 상기한 단열재(124)는 도 12에 도시된 바와 같이, 가열 튜브(125)와 유도 코일(121) 사이에 배치되어 가열 튜브(125)의 열이 유도 코일(121) 내부를 흐르는 냉각 유체로 전달되는 것을 차단하도록 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 단열재(124)의 두께가 증가할수록 가열 튜브(125)와 유도 코일(121)을 흐르는 냉각 유체와의 열교환을 효과적으로 차단할 수 있게 되나, 이와 같이 단열재(124)의 두께가 증가하게 되면 가열 튜브(125)로부터 유도 코일(121)까지의 이격 거리가 증가하게 되어 유도 코일(121)에 형성된 자기장의 밀도가 감소함에 따라 예비 도가니(122) 및 가열 튜브(125)의 가열 정도가 감소하게 된다.
반면, 단열재(124)의 두께가 감소할수록 가열 튜브(125)로부터 유도 코일(121)까지의 이격 거리가 감소하게 되어 유도 코일(121)에 형성된 자기장의 밀도가 증가함에 따라 예비 도가니(122) 및 가열 튜브(125)의 가열 정도가 증가할 수 있으나, 가열 튜브(125)로부터 유도 코일(121)까지의 이격 거리가 감소함에 따라 유도 코일(121)을 통해 흐르는 냉각 유체에 의해 가열 튜브(125)가 냉각되므로 예비 도가니(122) 및 가열 튜브(125)의 가열 정도가 감소하게 된다. 따라서 이러한 단열재(124)는 적정한 두께로 형성될 필요가 있다.
도 13에 도시된 이러한 단열재(124)의 두께에 따른 가열 효율을 살펴보면, 단열재(124)의 두께가 20mm 인 경우에 가열 효율이 약 96% 로 가장 높은 것을 확인할 수 있다.
이때, 단열재(124)의 두께가 20mm 인 경우를 기준으로, 단열재(124)의 두께가 증가할수록 가열 튜브(125)로부터 유도 코일(121)까지의 이격 거리가 증가하게 되어 가열 효율이 감소하게 되며, 단열재(124)의 두께가 40mm를 초과하게 되면 가열 효율이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 단열재(124)의 두께가 감소할수록 유도 코일(121)을 통해 흐르는 냉각 유체에 의해 가열 튜브(125)가 냉각되므로 가열 효율이 감소하게 되며, 단열재(124)의 두께가 13mm 미만으로 형성되면 가열 효율이 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 이러한 단열재(124)의 두께는 13mm 이상, 40mm 이하의 범위에서 형성되는 것이 바람직하다.
앞서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 잉곳 형성 장치는 예비 용융부(100)에서 고형 상태의 실리콘 재료를 용융시켜서 용융 상태의 실리콘(12)을 주 도가니(11)에 공급하므로 주 도가니(11)의 구성이 단순화되고, 용융 상태의 실리콘 튐 현상을 방지할 수 있으며, 특히, 예비 용융부(100)는 유도 가열 방식으로 예비 도가니(122)를 가열하므로 전체 장치의 구성이 단순화될 수 있다.
또한, 유도 코일(121)이 가열 공간을 감싸도록 권취되되, 유도 코일(121)의 간격이 조밀하게 권취되거나, 내경이 감소하도록 권취되므로 예비 도가니(122)의 모든 부분을 효과적으로 가열할 수 있으며, 유도 코일(121)과 예비 도가니(122) 사이에 단열재(124)가 구비되되, 이러한 단열재(124)의 두께를 일정 범위 내로 형성하여 예비 도가니(122)의 열손실 최소화 및 가열 효율 극대화가 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
10 : 성장로 11 : 주 도가니
12 : 용융 상태의 실리콘 20 : 저면 히터
30 : 잉곳 31 : 어깨부
40 : 인상 와이어 41 : 시드
50 : 전원 연결부 100 : 예비 용융부
110 : 재료 공급부 111 : 버켓
120 : 예비 도가니 가열 모듈 120a : 가열 공간
121 : 유도 코일 121a : 체결 브라켓
122 : 예비 도가니 122a : 바디
122b : 비크 122c : 전방 지지바
122d : 후방 지지바 123 : 쉴드
124 : 단열재 125 : 가열 튜브
a : 타측 유도 코일 간격 b : 일측 유도 코일 간격
d1 : 타측 유도 코일 내경 d2 : 일측 유도 코일 내경
θ1 : 제1 경사 θ2 : 제1 경사
A : 제1 위치 B : 제2 위치
L : 단위 구역

Claims (13)

  1. 잉곳을 형성하기 위하여 용융 상태의 실리콘이 수용되는 주 도가니가 내부에 위치되는 성장로;
    상기 용융 상태의 실리콘이 용융되기 전의 고형 상태의 실리콘 재료를 공급하도록 상기 성장로 외측에 위치되는 재료 공급부;
    상기 재료 공급부와 상기 주 도가니 사이에 배치되며, 상기 재료 공급부로부터 공급된 상기 고형 상태의 실리콘 재료를 용융시키는 예비 도가니와, 상기 예비 도가니가 가열될 수 있는 가열 공간 및 상기 가열 공간을 감싸도록 횡 방향으로 연장된 축을 중심으로 권취되며 유도 가열 방식으로 상기 예비 도가니를 가열하는 유도 코일이 구비된 예비 도가니 가열 모듈을 포함하는 예비 용융부;
    상기 재료 공급부와 상기 예비 용융부 사이에 개폐가능하게 설치되어 열손실을 방지하는 차단판;을 포함하고,
    상기 차단판이 개방된 상태에서, 상기 재료 공급부로부터 상기 고형 상태의 실리콘 재료가 상기 예비 도가니의 방향으로 이동되어 상기 가열 공간 일측으로 투입됨으로써 상기 예비 도가니에 공급되고,
    상기 예비 도가니에 수용된 상기 고형 상태의 실리콘 재료가 용융된 후, 상기 예비 도가니에 수용된 상기 용융 상태의 실리콘이 상기 주 도가니 방향으로 이동되면서 상기 가열 공간의 타측으로 배출되어 직접 상기 주 도가니에 공급되는 연속 잉곳 성장 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 예비 도가니는 상기 가열 공간의 내부에 배치되어 상기 고형 상태의 실리콘 재료가 수용되도록 상측 방향으로 개방된 용기 형태의 바디와, 상기 용융 상태의 실리콘이 상기 주 도가니로 공급되도록 상기 가열 공간의 타측 외부에 배치되는 비크를 포함하는 연속 잉곳 성장 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유도 코일은 상기 가열 공간의 둘레를 따라 권취되되, 상기 가열 공간의 일측에서 타측을 향하는 방향을 따라 상호 인접하게 배치되는 상기 유도 코일 사이의 간격이 감소하도록 조밀하게 권취되는 연속 잉곳 성장 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 유도 코일은 상기 가열 공간의 둘레를 따라 권취되되, 상기 가열 공간의 일측에 배치되는 상기 유도 코일의 내경보다 상기 가열 공간의 타측에 배치되는 상기 유도 코일의 내경이 작게 형성되도록 권취되는 연속 잉곳 성장 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 유도 코일에 전류가 공급되도록 전기적으로 연결되는 전원 연결부를 더 포함하고,
    상기 유도 코일에는 상기 전원 연결부에 삽입 고정되는 체결 브라켓이 구비되는 연속 잉곳 성장 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 예비 도가니는 상기 고형 상태의 실리콘 재료를 수용하는 제1 위치 및 상기 용융 상태의 실리콘이 상기 주 도가니로 공급되는 제2 위치 사이에서 이동 가능하며,
    상기 제1 위치에서 상기 예비 도가니에는 상측 방향으로 제1 경사가 형성되는 연속 잉곳 성장 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유도 코일에는 권취 방향을 따라 제2 경사가 형성되고,
    상기 예비 도가니가 상기 제1 위치에 위치할 때 상기 제1 경사와 상기 제2 경사는 상호 동일하게 형성되는 연속 잉곳 성장 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 위치에서 상기 예비 도가니 내의 상기 용융 상태의 실리콘이 상기 주 도가니 측으로 흘러 나가도록 상기 예비 도가니에는 하측 방향으로 경사가 형성되는 연속 잉곳 성장 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 예비 도가니에는 일측과 타측을 각각 지지하는 전방 지지바와 후방 지지바가 구비되고,
    상기 예비 도가니가 상기 제1 위치에서 상기 제2 위치로 이동 시에 상기 전방 지지바의 높이가 고정된 상태에서 상기 후방 지지바가 상향 이동하도록 형성되는 연속 잉곳 성장 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 예비 도가니 가열 모듈은 상기 유도 코일의 외주면을 감싸는 쉴드와, 상기 예비 도가니와 상기 유도 코일 사이의 열교환을 차단하는 단열재를 더 포함하는 연속 잉곳 성장 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 예비 도가니 가열 모듈은 상기 예비 도가니를 감싸도록 배치되되, 상기 유도 코일의 권취 방향을 따라 연장 형성되는 가열 튜브를 더 포함하고,
    상기 단열재는 상기 가열 튜브와 상기 유도 코일 사이에 배치되는 연속 잉곳 성장 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 단열재의 두께는 13mm 이상, 40mm 이하의 범위로 형성되는 연속 잉곳 성장 장치.
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