KR102429973B1 - 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치 - Google Patents

단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치 Download PDF

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Abstract

단결정 실리콘 잉곳의 성장이 일어나는 메인 챔버 내에서 도가니를 받치는 석영 도가니 받침대(Quartz Crucible Pedestal)를 구비하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치가 개시된다. 도가니 승강장치 주름관 냉각장치는, 주름관; 상기 주름관의 온도를 감지하기 위한 온도 감지부; 냉매를 저장하는 냉매 저장부; 상기 냉매를 공급하는 냉매 공급관; 상기 온도 감지부에서 감지되는 상기 주름관의 온도기 기준온도 이상이 되면, 상기 냉매 공급관의 밸브를 열어 냉매를 공급하도록 제어하는 제어부를 포함한다. 본 발명의 실시 예에서는, 냉각 유닛을 설치하여 주름관이 열로 인해 받는 손상을 최소화할 수 있다.

Description

단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치 {Crucible lift bellows chiller for single crystal ingot grower}
본 발명은 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것으로 특히, 도가니 승강장치 주변에 온도를 감지하는 온도 감지부를 구비하여 주름관의 온도가 일정 온도 이상이 되면, 주름관을 냉각하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 소자의 제조시에 기판으로 사용되는 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 고순도 다결정 실리콘 잉곳을 제조한후, 쵸크랄스키(Czochralski) 결정성장법 등의 방법을 통해 다결정 실리콘으로부터 단결정을 성장시켜 단결정 실리콘 잉곳을 생산한 다음, 이를 얇게 절단하는 방식으로 만들어진다.
단결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위한 상기한 쵸크랄스키 결정성장법은, 히터를 사용하여 석영 도가니 속의 다결정 실리콘을 융점인 1414℃까지 가열하는 과정을 포함한다.
결정성장 도중에는 석영 도가니를 회전시켜 온도가 부위에 관계없이 일정하게 유지되도록 한다. 용융된 실리콘의 온도가 안정되면 실리콘 종자결정(seed crystal)이 부착된 암(arm) 혹은 케이블이 천천히 하강하여 용융실리콘의 표면에 닿도록 하며, 이 실리콘 종자결정은 차후에 보다 큰 결정을 성장시키기 위한 출발원료가 된다. 그리고, 종자결정의 아랫부분이 용융실리콘 속에서 녹기 시작하여 안정되면 종자결정이 부착된 암(arm) 혹은 케이블을 상향운동으로 상승시킨다. 이때 종자결정을 용융실리콘으로부터 천천히 끌어올리면 종자결정에 붙은 용융실리콘이 응고되면서 종자결정과 동일한 결정구조를 가지게 된다. 한편 암 또는 케이블은 상향운동을 계속하여 보다 큰 결정을 성장시키는데 결정성장은 석영 도가니 속의 실리콘이 일정량 남아 있을 때까지 계속된다. 이런 과정에서 석영 도가니와 종자결정의 회전속도 및 석영 도가니의 온도를 적절히 조절하면 균일한 직경의 단결정을 얻을 수 있다.
한편, 결정을 성자시키는 공정 중 발생하는 고온의 공정부산물 낙하 시에 주름관이 파손되는 경우가 발생한다. 즉, 공정 중 고온의 공정 부산물(melt)가 도가니를 넘어 외부로 유출되는 경우가 종종 발생한다.
특히, 부산물이 도가니 하부의 승강장치 중심구로 떨어지면 주름관에 접촉하게 되고 주름관이 가열된다.
이와 같이 종래에는 석영 도가니 받침대(Quartz Crucible Pedestal)가 설치되는 구멍으로 부산물(Melt)이 유출되거나 혹은 고온의 공정 부산물이 들어가는 경우, 용접 Bellows에 손상을 입히는 경우가 종종 발생한다.
주름관은 얇은 막(thin diaphragm, 통상 0.5~1mm 이내)가 겹겹이 용접된 구조이며, 막(diaphragm)내부에 고온의 물질(공정 부산물, melt류 등)이 닿으면 공정 중 수축/인장을 반복하는 막(diaphragm)에 손상을 주어 주름관의 파손으로 성장 공정을 중단해야 한다.
*따라서 종래에는 이런 상황이 벌어질 때마다 작업 인원이 직접 압축 공기 등을 외부에서 공급하여 주름관의 외벽을 냉각시켰다.
이러한 냉각 작업은 운영 인원이 직접 주름관의 냉각 필요 상태를 확인하고. 조치까지 취해야 하므로 소요 시간이 길고, 비용이 많이 발생하였다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 냉각 유닛을 설치하여 주름관이 열로 인해 받는 손상을 최소화하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 주름관의 온도가 일정온도 이상이 되면, 신속하게 냉각을 하여 부품 손상을 최소화하고, 대응시간을 최소화하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 종래의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 베이스 플랜지(Base Flange) 하부의 용접 주름관 상부 지점에 온도 센서를 설치하여 신속하게 주름관의 온도를 감지하고, 냉각을 하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치를 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 특징에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치는,
단결정 실리콘 잉곳의 성장이 일어나는 메인 챔버 내에서 도가니를 받치는 석영 도가니 받침대(Quartz Crucible Pedestal)를 구비하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치로서,
주름관;
상기 주름관의 온도를 감지하기 위한 온도 감지부;
냉매를 저장하는 냉매 저장부;
상기 냉매를 공급하는 냉매 공급관;
상기 온도 감지부에서 감지되는 상기 주름관의 온도기 기준온도 이상이 되면, 상기 냉매 공급관의 밸브를 열어 냉매를 공급하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 온도 감지부는,
상기 주름관의 상부 온도를 감지하는 제1 센서;
상기 주름관의 중앙부 온도를 감지하는 제2 센서;
상기 주름관의 하부 온도를 감지하는 제3 센서를 포함한다.
상기 냉매공급관은 상기 주름관의 사방향에 각각 수직으로 설치되는 제1 내지 제4 냉매 공급관으로 구성되며, 상기 제1 내지 제4 냉매 공급관 각각은 여러개의 서브 밸브를 가지고, 상기 주름관 외벽의 상부, 중부, 하부에 선택적으로 냉매를 분사하는 것이 가능하다.
상기 온도 감지부의 제1 센서, 제2센서, 제3 센서는 상기 냉매 공급관과 상기 주름관 사이에 설치된다.
상기 제1 센서에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부는 상기 주름관의 상부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 센서에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부는 상기 주름관의 중앙부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 센서에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부는 상기 주름관의 하부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에서는, 냉각 유닛을 설치하여 주름관이 열로 인해 받는 손상을 최소화하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는, 주름관의 온도가 일정온도 이상이 되면, 신속하게 냉각을 하여 부품 손상을 최소화하고, 대응시간을 최소화하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는, 베이스 플랜지(Base Flange) 하부의 용접 주름관 상부 지점에 온도 센서를 설치하여 신속하게 주름관의 온도를 감지하고, 냉각을 하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 전체적인 구성을 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치의 구성도이다.
도 3은 도 2의 주름관의 일부를 확대한 상세도이다.
도 4는 주름관 막의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 A 부분을 나타낸 도면이다.
도 6은 냉매공급관의 설치 위치를 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치의 블록 구성도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 전체적인 구성을 보인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치의 구성도이다.
도 3은 도 2의 주름관의 일부를 확대한 상세도이다.
도 4는 주름관 막의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2의 A 부분을 나타낸 도면이다.
도 6은 냉매공급관의 설치 위치를 나타낸 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치의 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳제조장치는 챔버 내측에 도가니가 구비되고, 상기 도가니에 담긴 융액(Melt)으로부터 잉곳(Ingot : IG)을 성장시키게 된다.
이때, 상기 융액(Melt)으로부터 잉곳(IG)을 인상시키기 위하여 내부에 케이블이 구비되고, 상기 케이블의 하단에 종자 결정을 매달기 위하여 시드척이 구비된다.
물론, 상기 케이블을 감아올리도록 구성되는 드럼 및 모터 등으로 구성되는 인상 구동부가 상기 챔버(110)의 상측에 구비된다.
여기서 상기와 같은 단결정 잉곳제조장치의 동작을 살펴보면, 다음과 같다.
먼저, 상기 인상 구동부(120)가 상기 케이블을 하강시키면, 상기 시드척에 매달린 종자결정(Seed)이 상기 융액(Melt)에 담그고, 상기 케이블이 서서히 회전함에 따라 상기 종자결정(Seed)으로부터 직경이 작은 넥(Neak)을 형성시킨 다음, 상기 넥(Neak)으로부터 반경 방향으로 잉곳(IG)의 직경만큼 결정을 성장시킨다.
이후, 상기 인상 구동부(120)가 상기 케이블(3)을 상승시키면, 상기 케이블에 매달린 잉곳(IG)이 균일한 직경을 가진 원기둥 형상으로 성장한다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 특징에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치는,
단결정 실리콘 잉곳의 성장이 일어나는 메인 챔버 내에서 도가니를 받치는 석영 도가니 받침대(240)를 구비하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치(200)로서,
주름관(230);
상기 주름관(230)의 온도를 감지하기 위한 온도 감지부(220);
냉매를 저장하는 냉매 저장부(250);
상기 냉매를 공급하는 냉매 공급관(210);
상기 온도 감지부에서 감지되는 상기 주름관(230)의 온도기 기준온도 이상이 되면, 상기 냉매 공급관(210)의 밸브를 열어 냉매를 공급하도록 제어하는 제어부(260)를 포함한다.
상기 온도 감지부(220)는,
상기 주름관(230)의 상부 온도를 감지하는 제1 센서(221);
상기 주름관(230)의 중앙부 온도를 감지하는 제2 센서(222);
상기 주름관(230)의 하부 온도를 감지하는 제3 센서(223)를 포함한다.
상기 냉매공급관(210)은 상기 주름관(230)의 사방향에 각각 수직으로 설치되는 제1 내지 제4 냉매 공급관(211, 212, 213, 214)으로 구성되며, 상기 제1 내지 제4 냉매 공급관(211, 212, 213, 214) 각각은 여러개의 서브 밸브를 가지고, 상기 주름관(230) 외벽의 상부, 중부, 하부에 선택적으로 냉매를 분사하는 것이 가능하다.
상기 온도 감지부의 제1 센서(221), 제2센서, 제3 센서(223)는 상기 냉매 공급관(210)과 상기 주름관(230) 사이에 설치된다.
상기 제1 센서(221)에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 상부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 센서(222)에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 중앙부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 센서(223)에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 하부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어하는 것을 특징으로 한다.
도 3 또는 도 4를 참조하면, 주름관(230)은 도가니 승강 장치 주변의 압력을 유지하는 관으로 도가니(crucible)을 승하강 시키는 발판(pedestal) 주변의 압력을 유지하게 된다.
주름관(230)은 얇은 막(diaphragm)으로 겹겹이 용접되어 있다. 고온의 공정 부산물(melt) 유입 시 냉각이 필요하다.
도 5를 참조하면, 냉매 공급관(210) 전단으로 압축공기 또는 장비 냉각수 등의 냉매가 공급되고, 냉매 공급관(210)은 용접 주름관(230) 주위를 길게 내려와 감싸는 형태로 구성되며, 주름관(230) 표면에 냉매를 분사하기 위한 다수의 노즐이 구성되어 주름관 일부 또는 전체를 공냉 또는 수냉시킬 수 있는 구조이다.
도 6을 참조하면, 냉매 공급관(210)은 용접 주름관(230) 주변에 총 4개소 설치되며, 형태와 구성은 장비 상태와 설치 공간에 따라 유동적으로 적용 가능하다.
이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치의 동작은 다음과 같다.
먼저, 제1 센서(221)는 상기 주름관(230)의 상부 온도를 감지하고, 제2 센서(222)는상기 주름관(230)의 중앙부 온도를 감지하고, 제3 센서(223)는 상기 주름관(230)의 하부 온도를 감지하여 출력한다.
필요에 따라서는 제1 센서(221)만을 적용할 수도 있고, 상기 제1 센서(221), 제2 센서(222), 제3 센서(223)는 각각 복수개일 수 있다.
그러면, 제어부(260)는 상기 온도 감지부의 상기 제1 센서(221), 제2 센서(222), 제3 센서(223)에서 각각 출력되는 신호를 수신하고, 상기 제1 센서(221), 제2 센서(222), 제3 센서(223)에서 출력되는 온도가 기준온도 이상인지 판단한다.
그리고 제어부(260)는 상기 제1 센서(221), 제2 센서(222), 제3 센서(223)에서 출력되는 온도가 기준온도 이상이 되면, 상기 냉매 공급관(210)의 밸브를 열어 냉매를 공급하도록 제어한다.
이때, 상기 냉매공급관(210)은 상기 주름관(230)의 사방향에 각각 수직으로 설치되는 제1 내지 제4 냉매 공급관(211, 212, 213, 214)으로 구성되며, 상기 제1 내지 제4 냉매 공급관(211, 212, 213, 214) 각각은 여러개의 서브 밸브를 가지고, 상기 주름관(230) 외벽의 상부, 중부, 하부에 선택적으로 냉매를 분사하는 것이 가능하다.
따라서 제어부(260)는 상기 제1 센서(221)에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 상부에 냉매 저장부(250)의 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어한다.
또한, 제2 센서(222)에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 중앙부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어한다.
또한, 제어부(260)는 상기 제3 센서(223)에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 하부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어한다.
여기서 제어부(260)는 제1 센서(221), 제2 센서(222) 및 제3 센서(223)의 출력이 모두 기준 온도 이상인 경우, 상기 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 상부, 중앙부, 및 하부 전체에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어한다.
마찬가지로 제어부(260)는 제1 센서(221), 제2 센서(222)의 출력이 기준 온도 이상인 경우, 상기 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 상부 및 중앙부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어한다.
그리고 제어부(260)는 제1 센서(221) 및 제3 센서(223)의 출력이 기준 온도 이상인 경우, 상기 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 상부 및 하부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어한다.
또한, 제어부(260)는 제2 센서(222) 및 제3 센서(223)의 출력이 기준 온도 이상인 경우, 상기 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 중앙부 및 하부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어한다.
그리고 온도가 기준온도 이하로 내려가는 경우, 제어부(260)는 상기 주름관(230)의 해당 부위에 분사 중지하도록 상기 냉매 공급관(210)을 제어한다.
필요에 따라 온도 제어부(220)는 긴단하게 제1 센서(221)으로 구성할 수도 있고, 냉매의 분사도 주름관(230) 전체에 하도록만 구성할 수도 있다.
본 발명의 실시 예에서는, 냉각 유닛을 설치하여 주름관이 열로 인해 받는 손상을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는, 주름관의 온도가 일정온도 이상이 되면, 신속하게 냉각을 하여 부품 손상을 최소화하고, 대응시간을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는, 베이스 플랜지(Base Flange) 하부의 용접 주름관 상부 지점에 온도 센서를 설치하여 신속하게 주름관의 온도를 감지하고, 냉각을 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 단결정 실리콘 잉곳의 성장이 일어나는 메인 챔버 내에서 도가니를 받치는 석영 도가니 받침대(Quartz Crucible Pedestal)를 구비하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치로서,
    주름관;
    상기 주름관의 온도를 감지하기 위한 온도 감지부;
    냉매를 저장하는 냉매 저장부;
    상기 냉매를 공급하는 냉매 공급관;
    상기 온도 감지부에서 감지되는 상기 주름관의 온도가 기준온도 이상이 되면, 상기 냉매 공급관의 밸브를 열어 냉매를 공급하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 온도 감지부는,
    상기 주름관의 상부 온도를 감지하는 제1 센서;
    상기 주름관의 중앙부 온도를 감지하는 제2 센서;
    상기 주름관의 하부 온도를 감지하는 제3 센서를 포함하고,
    상기 온도 감지부의 제1 센서, 제2센서, 제3 센서는 상기 냉매 공급관과 상기 주름관 사이에 설치되는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치.
  3. 단결정 실리콘 잉곳의 성장이 일어나는 메인 챔버 내에서 도가니를 받치는 석영 도가니 받침대(Quartz Crucible Pedestal)를 구비하는 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치로서,
    주름관;
    상기 주름관의 온도를 감지하기 위한 온도 감지부;
    냉매를 저장하는 냉매 저장부;
    상기 냉매를 공급하는 냉매 공급관;
    상기 온도 감지부에서 감지되는 상기 주름관의 온도가 기준온도 이상이 되면, 상기 냉매 공급관의 밸브를 열어 냉매를 공급하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제1 센서에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부는 상기 주름관의 상부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관을 제어하고,
    상기 제2 센서에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부는 상기 주름관의 중앙부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관을 제어하고,
    상기 제3 센서에서 감지된 온도가 기준온도 이상인 경우, 상기 제어부는 상기 주름관의 하부에 냉매를 분사하도록 상기 냉매 공급관을 제어하는 것을 특징으로 단결정 잉곳 성장장치의 도가니 승강장치 주름관 냉각장치.
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