KR102443805B1 - 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법 - Google Patents
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Abstract
고형의 반도체 재료가 수용된 원재료 공급부; 상기 원재료 공급부로부터 반도체 재료가 장입되는 용융틀부재와, 상기 용융틀부재의 외측에 위치하며 열을 가하여 반도체 용융액을 형성하는 용융가열부재와, 상기 용융틀을 승하강시키는 승강부재를 포함하는 용융부; 상기 용융틀부재와 연통되어 상기 반도체 용융액을 이송시키는 이송부; 및 상기 이송부로부터 반도체 용융액을 제공받는 링형의 성형틀부재와, 상기 성형틀부재 외부에 위치하여 반도체 용융액의 온도 하강비율을 조절하는 성형가열부재를 포함하며, 링형으로 반도체를 성장시키는 성형부;를 포함하고, 복수 개의 성형부는 하나의 배치(Batch)를 이루고, 상기 배치는 소정의 간격으로 회전하며 상기 이송부로부터 반도체 용융액이 상기 성형부에 순차적으로 공급되고, 연속적으로 반도체 링을 제조하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법에 대한 것으로, 고형의 반도체 재료의 용융부터 반도체 링의 제조까지 연속적으로 수행할 수 있으며, 링형의 성형틀을 이용하여 반도체 용융액을 결정화함으로써 반도체 제품 형상 가공 공정을 간소화하고, 제품의 제조과정 중 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 공정에 사용되는 실리콘 기반의 반도체 재료는 다결정 실리콘을 도가니에 장입하고 가열하여 용융시키면서 이를 환봉 형태로 된 실리콘 단결정 잉곳 또는 다결정 궤를 형성한 후 이를 코어링 및 절단 공정을 거쳐서 가공하게 된다. 반도체 재료는 입계(grain boundary)와 다른 결정 결함이 디바이스 성능을 저하시키기 때문에 직경이 크고(약 10~30 ㎝), 완벽에 가까운 단결정으로 형성되어야 반도체 전자 부품의 제조에 유용하다. 고품질의 반도체 단결정을 얻기 위해서는 고도의 기술이 필요하며, 예를 들어 단결정 또는 다결정의 실리콘은 일반적으로 쵸크랄스키(CZ)기술 또는 플로트-존(FZ)법으로 성장시킬 수 있다. 종래의 CZ법은 용융 실리콘의 고온 충전물(charge)이 도가니 주위에 배치된 가열부재에 의해 도가니 내에서 가열될 때 가열부재는 도가니 벽을 통해 가열하는 것으로 이는 도가니에 응력을 생성시킬 수 있으며 이는 도가니의 유효수명을 단축시킬 수 있다. 따라서 각 성장 사이클 후에, 도가니의 저부에 잔류하는 용융 실리콘은 고화되며, 도가니를 파괴시킬 수 있는 정도로 팽창을 일으키는 문제가 발생하여 종래의 CZ법에 있어서 도가니는 일반적으로 1회용으로 사용된다. 또한, 실리콘 용탕과 결정화되고 있는 결정의 계면 사이인 응고구역을 가로질러 큰 방사상 온도구배 및 대류 속도구배(convection velocity gradient)가 존재하게 되어 결정화를 위한 균일한 온도분포의 제공이 어려울 수 있다.
최근에는 반도체 웨이퍼의 대형화로 인하여 반도체 제조공정 중 웨이퍼 식각 혹은 증착 공정 등에 사용되어지는 실리콘 소재에 대한 대형화를 요구하고 있으며, CZ법을 통한 단결정봉의 제작은 직경 500mm의 한계성을 가지고 있다. 또한, 다결정 공법을 통해서 생산되는 제품의 경우는 대형화는 가능하지만, 필요한 제품의 형상을 만들기 위한 코어링 및 Sawing 공정 및 연마 공정을 수행함으로써 부수적인 재료 손실 등이 많이 발생하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 고형의 반도체 재료를 용융부터 반도체 링의 제조까지 연속적으로 수행할 수 있는 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 링형의 성형틀을 이용하여 반도체 용융액을 결정화함으로써 반도체 제품 형상 가공 공정을 간소화하고, 제품의 제조과정 중 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 또다른 기술적 과제는, 균열이 발생하지 않도록 결정질 반도체로 제조함으로써 대형화되는 반도체 제품을 제조할 수 있는 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 고형의 반도체 재료가 수용된 원재료 공급부; 상기 원재료 공급부로부터 반도체 재료가 장입되는 용융틀부재와, 상기 용융틀부재의 외측에 위치하며 열을 가하여 반도체 용융액을 형성하는 용융가열부재와, 상기 용융틀부재를 승하강시키는 승강부재를 포함하는 용융부; 상기 용융틀부재와 연통되어 상기 반도체 용융액을 이송시키는 이송부; 및 상기 이송부로부터 반도체 용융액을 제공받는 링형의 성형틀부재와, 상기 성형틀부재 외부에 위치하여 반도체 용융액의 온도 하강비율을 조절하는 성형가열부재를 포함하며, 링형으로 반도체를 성장시키는 성형부;를 포함하고, 복수 개의 성형부는 하나의 배치(Batch)를 이루고, 상기 배치는 소정의 간격으로 회전하며 상기 이송부로부터 반도체 용융액이 상기 성형부에 순차적으로 공급되고, 연속적으로 반도체 링을 제조하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치를 제공할 수 있다.
상기 용융부는, 상기 반도체 재료가 장입되는 경우 상기 용융틀부재를 회전시켜 상기 반도체 재료를 상기 용융틀부재 내부에 고르게 투입시키는 용융틀회전부재를 포함할 수 있다.
상기 승강부재는, 상기 용융틀부재에 장입된 상기 반도체 재료의 중량을 측정하는 로드셀과, 상기 용융틀부재와 결합되어 상기 용융틀부재를 승하강시키는 승강샤프트와, 상기 승강샤프트의 구동력을 제공하는 승강구동원을 포함할 수 있다.
상기 용융틀부재는 상부가 개방된 링형의 용융틀과, 상기 용융틀의 변형을 방지하는 용융틀받침을 포함할 수 있다.
상기 성형틀부재는 상부가 개방된 링형 트렌치를 구비하는 성형틀받침과, 상기 성형틀받침의 트렌치에 착탈 가능하도록 결합되고 상기 반도체 재료가 장입되는 성형틀을 포함할 수 있다.
상기 반도체 링 제조장치는, 차단밸브를 구비하여 상기 이송부로부터 상기 성형부로 반도체 용융액의 이송 또는 차단을 조절할 수 있다.
상기 배치는, 복수 개의 챔버 내에 각각 구비되되, 평면상 90도 간격으로 위치하는 4개의 성형부와, 상기 성형부를 90도로 수평 회전시키며 상기 반도체 용융액을 상기 성형부로 유입되도록 하는 배치회전부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 원재료 공급부에 고형의 반도체 재료를 수용하는 단계; 용융부의 승강샤프트를 상승시켜 상기 원재료 공급부로부터 상기 반도체 재료를 용융틀부재로 장입시키는 단계; 용융가열부재에 상기 용융틀부재가 인접하도록 승강샤프트를 하강시키킨 후 상기 반도체 재료에 열을 가하여 반도체 용융액을 형성하는 단계; 상기 반도체 용융액을 이송부를 통하여 성형부의 성형틀부재로 제공하는단계; 및 성형가열부재가 반도체 용융액의 온도 하강비율을 조절하며 상기 반도체 용융액의 온도를 낮추며 결정화하여 반도체 링을 제조하는 단계를 포함하고, 상기 성형부를 복수 개로 구비하는 하나의 배치는 소정의 간격으로 회전하며 상기 이송부로부터 반도체 용융액이 성형부에 순차적으로 공급되고, 연속적으로 반도체 링을 제조하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조방법을 제공할 수 있다.
상기 반도체 재료를 용융틀부재로 장입시키는 것은, 용융틀회전부재가 상기 용융틀을 회전시켜 상기 반도체 재료를 상기 용융틀 내부에 고르게 투입시키는 것일 수 있다.
상기 반도체 재료를 용융틀부재로 장입시키는 것은, 상기 승강샤프트에 구비된 무게측정부재가 상기 용융틀부재에 장입된 상기 반도체 재료의 중량을 측정하여 정량을 장입시키는 것일 수 있다.
상기 반도체 용융액을 이송부를 통하여 성형부의 성형틀부재로 제공하는 것은, 차단밸브를 구비하여 상기 이송부로부터 상기 성형부로 반도체 용융액의 이송 또는 차단을 조절하며 제공하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법은 고형의 반도체 재료를 용융부터 반도체 링의 제조까지 연속적으로 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 링형의 성형틀을 이용하여 반도체 용융액을 결정화함으로써 반도체 제품 형상 가공 공정을 간소화하고, 제품의 제조과정 중 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있으며, 나아가서 균열이 발생하지 않도록 결정질 반도체로 제조함으로써 대형화되는 반도체 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치의 하나의 배치를 나타낸 상면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치의 일부를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치의 일부를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치의 하나의 배치를 나타낸 상면도, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치를 나타낸 단면도, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치의 일부를 나타낸 단면도, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조방법을 나타낸 공정흐름도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치는 고형의 반도체 재료가 수용된 원재료 공급부(100); 상기 원재료 공급부(100)로부터 반도체 재료가 장입되는 용융틀부재(210)와, 상기 용융틀부재(210)의 외측에 위치하며 열을 가하여 반도체 용융액(S)을 형성하는 용융가열부재(220)와, 상기 용융틀부재(210)를 승하강시키는 승강부재(230)를 포함하는 용융부(200); 상기 용융틀부재(210)와 연통되어 상기 반도체 용융액을 이송시키는 이송부(300); 및 상기 이송부(300)로부터 반도체 용융액(S)을 제공받는 링형의 성형틀부재(410)과, 상기 성형틀부재(410) 외부에 위치하여 반도체 용융액의 온도 하강비율을 조절하는 성형가열부재(420)를 포함하며, 링형으로 반도체를 성장시키는 성형부(400);를 포함하고, 복수 개의 성형부(400)는 하나의 배치(Batch; 40)를 이루고, 상기 배치(40)는 소정의 간격으로 회전하며 상기 이송부(300)로부터 반도체 용융액(S)이 상기 성형부(400)에 순차적으로 공급되고, 연속적으로 반도체 링을 제조하는 것일 수 있다.
상세히 설명하면, 고형의 반도체 재료가 수용된 원재료 공급부(100)는 원재료 공급관(110)을 통하여 용융부(200)로 반도체 재료를 공급할 수 있다. 예를 들어 상기 고형의 반도체 재료는 폴리실리콘 칩 또는 화합물 반도체 재료일 수 있으며, 폴리실리콘 칩의 경우 기제작된 폴리실리콘을 칩형태로 형성하거나, 폴리실리콘 제조 시 생산된 부산물을 이용하여 장입할 수 있고, 화합물 반도체 재료의 경우 세라믹과 같은 물질을 장입할 수 있으며, 상기 고형의 반도체 재료는 이에 한정된 것은 아니다. 예로써, 원재료 공급관(110)은 반도체 재료의 공급 중량을 일정하게 조절할 수 있도록 진동장치(vibrator)와 같은 공급부재(미도시)를 구비하여 소량씩 반도체 재료를 공급할 수 있다.
원재료 공급부(100)로부터 용융부(200)가 반도체 재료를 제공받는 경우, 승강부재(230)는 용융틀부재(210)를 상승시켜 원재료 공급관(110)의 하부에 위치하도록 할 수 있다.
고형의 반도체 재료에 열을 가하여 반도체 용융액(S)을 형성 및 수용하는 용융부(200)는 반도체 재료가 장입되는 용융틀부재(210)와 상기 용융틀부재(210)의 외측에 위치하며 열을 가하여 반도체 용융액(S)을 형성하는 용융가열부재(220)와, 상기 용융틀부재(210)를 승하강시키는 승강부재(230)를 포함할 수 있다. 상기 용융틀부재(210)는 상부가 개방된 링형의 용융틀(211)과, 상기 용융틀(211)을 지지하며 변형을 방지하는 용융틀받침(213)이 결합된 형태로 구비될 수 있다. 따라서, 반도체 용융액(S) 또는 용융가열부재(220)로 인한 용융틀(211)의 변형 발생 시 용융틀만 교체할 수 있으므로 유지보수 비용이 감소될 수 있는 장점이 있다.
상기 용융부(200)는 석영(quartz)으로 구비되는 것일 수 있으며, 용융틀받침(213)은 Graphite 혹은 Ceramic 류가 될 수 있다. 나아가서, 승강부재(230)는 용융틀(211)과 용융틀받침(213)의 하부를 지지하는 형태를 구비할 수 있다.
또한, 용융부(200)는 상기 반도체 재료가 장입되는 경우, 승강부재(230)로 인해 승강된 상기 용융틀부재(210)를 회전시켜 상기 반도체 재료를 상기 용융틀부재(210)의 용융틀(211) 내부에 고르게 투입시키는 용융틀회전부재(미도시)를 포함할 수 있다. 예로써 원재료공급관(110)이 반도체 재료를 공급하면, 용융틀회전부재가 회전하여 용융틀부재(210)가 일정한 속도로 회전됨에 따라 용융틀(211) 내에 균일하게 반도체 재료가 장입될 수 있다. 따라서 용융가열부재(220)로 반도체 용융액(S)을 제조할 경우 용융틀(211) 내에 균일하게 위치하는 반도체 재료에 고른 열이 가해질 수 있다. 용융틀부재(210)에 반도체 재료의 장입이 완료되면, 승강부재(230)는 용융틀부재(210)를 하강시켜 용융가열부재(220) 사이에 용융틀부재(210)가 위치할 수 있다.
상기 용융틀부재(210)의 외측에 위치하며 열을 가하여 반도체 용융액(S)을 형성하는 용융가열부재(220)는 고주파 유도코일 또는 흑연히터를 포함하여 용융틀(211) 내부에 장입된 고형의 반도체 재료를 용융시킬 수 있다. 나아가서, 용융틀가열부재(220)는 적외선 온도계를 구비하여 가열되는 온도를 측정할 수 있으며, 액상 온도계를 구비하여 반도체 용융액 표면의 온도를 측정하여 반도체 재료의 용탕 상태를 제어할 수 있으며, 그로 인해 균일한 물성의 반도체 용융액을 형성할 수 있다.
상기 승강부재(230)는, 상기 용융틀부재(210)에 장입된 상기 반도체 재료의 중량을 측정하는 로드셀과, 상기 용융틀부재(210)와 결합되어 상기 용융틀부재(210)를 승하강시키는 승강샤프트(234)와, 상기 승강샤프트(234)의 구동력을 제공하는 승강구동원(232)을 포함할 수 있다. 로드셀은 용융틀(211) 내에 장입된 반도체 재료의 중량을 측정하고, 소정의 중량이 투입되면 원재료 공급관(110)의 용융틀부재(210)로의 투입을 중단시킬 수 있다. 이 경우, 투입된 반도체 재료의 고른 분포를 위해 반도체 재료의 투입 중단 후에도 용융틀회전부재는 소정의 시간동안 용융틀부재(210)를 회전시킬 수 있다.
용융부(200)는 용융챔버(240) 내부에 용융틀부재(210)와 승강샤프트(234)를 구비함으로써 외부로부터 이물유입을 차단하여 반도체 용융액(S)을 보호할 수 있으며, 반도체용융액(S)으로 인한 고온의 열이 외부로 방출되는 것을 방지하고, 반도체 용융액(S)의 온도를 유지함으로써 반도체 용융액(S)의 온도에 따른 물성 또한 유지될 수 있다.
이송부(300)는 상기 용융틀부재(210)와 연통되어 상기 반도체 용융액을 성형부(400)로 이송시킬 수 있다. 이 경우, 상기 반도체 링 제조장치는 차단밸브(500)를 구비하여 상기 이송부(300)로부터 상기 성형부(400)로 반도체 용융액(S)의 이송 또는 차단을 조절할 수 있다. 예로써, 차단밸브(500)는 차단 셔터와 같은 분리 게이트 형태로 구비될 수 있다.
성형부(400)는 상기 이송부로(300)부터 반도체 용융액(S)을 제공받는 링형의 성형틀부재(410)와, 상기 성형틀(410)부재 외부에 위치하여 반도체 용융액(S)의 온도 하강비율을 조절하는 성형가열부재(420)를 포함하며, 링형으로 반도체를 성장시킬 수 있다.
링형의 성형틀부재(410)는 상부가 개방되어 반도체 용융액(S)의 장입 및 결정화가 진행되는 것일 수 있다. 또한, 요구되는 반도체 재료의 크기 또는 두께에 따라 상기 성형틀부재(410)는 교체될 수 있으며 이로 인해 다양한 크기의 반도체 링을 제조할 수 있다. 따라서, 교체 가능한 링형의 성형틀부재(410)를 구비하고, 용융부(200)로부터 공급받은 반도체 용융액(S)을 원하는 두께 및 형상으로 결정화를 수행할 수 있다. 이로 인해 단결정 또는 다결정의 반도체 재료의 가공공정 단계와 공정 시간을 단축시킬 수 있으며, 가공을 최소화하여 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
상기 성형틀부재(410)는 상부가 개방된 링형 트렌치를 구비하는 성형틀받침(413)과, 상기 성형틀받침(413)의 트렌치에 착탈 가능하도록 결합되고 상기 반도체 재료가 장입되는 성형틀(411)을 포함할 수 있다. 따라서 반도체 용융액(S)의 열에 의해 성형틀(411)에 손상이 발생하더라도 성형틀(411)만 교체할 수 있으므로 공정자재비용이 절감될 수 있으며, 성형틀받침(413)의 트렌치에 착탈 가능하도록 성형틀부재(411)가 결합됨으로써 성형틀(411)의 수용공간 형태에 따라 다양한 크기와 형태의 반도체 링을 제조할 수 있는 장점이 있다. 상기 성형틀부재(410)는 석영(quartz)으로 구비되는 것일 수 있으며, 성형틀받침(413)과 성형틀(411)은 Graphite 혹은 Ceramic 류로 구비될 수 있다.
상기 성형틀(411)의 반도체 용융액(S)이 장입되는 영역, 즉, 성형틀(411)의 수용공간 내측면은 폴리실라잔이 코팅된 것일 수 있다.
예를 들어, 반도체 용융액(S)이 실리콘을 포함하는 반도체 용융액인 경우, 석영으로 구비된 성형틀(411)은 실리콘 단결정 수율 저하의 원인이 되는 브라운 몰드 발생을 유도할 수 있으며, 그로 인해 실리콘 결정화를 억제하는 문제가 발생할 수 있다.
이를 해결하기 위해 본 발명은 성형틀(411)의 수용공간 내측면을 폴리실라잔을 코팅하여 희생층으로써 최내층인 실리카유리막을 형성시킨 것으로, 이로 인해 성형틀(411) 표면의 석영으로부터 발생한 크리스토발라이트의 결정핵 발생을 억제할 수 있으며, 그로부터 브라운 몰드의 발생을 억제할 수 있다.
즉, 반도체 용융액(S)이 결정화되기 전에 최내층인 실리카유리막 표면에 크리스토발라이트의 결정핵이 형성되었다 하더라도, 그 부근에서 결정화가 진행하는 속도보다 실리카유리막의 융해가 더 빠르므로 실리카유리막의 용해 후에 노출되는 성형틀(411) 내층 표면에서의 크리스토발라이트의 결정핵 생성이 억제될 수 있으며, 실리콘 단결정 인상의 수율 저하의 원인이 되는 브라운 몰드 발생 및 성장 또한 억제할 수 있다. 다시 말하면, 성형틀(411) 내층 표면에 크리스토발라이트의 결정핵이 형성되기 전에, 크리스토발라이트의 결정핵이 형성되어버린 성형틀(411) 최내층(실리카유리막)을 용손시키면, 브라운 몰드 발생 기점이 없어질 수 있다.
따라서, 성형틀(411)은 실리콘 결정화 전에 실리콘 반도체의 용융액에 접촉하고 있는 성형틀(411) 표면의 용해 속도를 크게 하는 관점에서, 최내층은 두께 0.02~0.2 mm의 폴리실라잔 코팅에 의한 실리카유리막으로 구비될 수 있다.
폴리실라잔은 -(SiH2NH)-를 기본 유닛으로 하는 유기 용제에 용해 가능한 무기 고분자 화합물이며 일반적으로 모든 곁사슬이 수소인 파 하이드로폴리실라잔이 이용된다. 상기 폴리실라잔은 대기 중 또는 수증기 함유 분위기 하에서 가열함으로써, 수분이나 산소와 반응하고 치밀한 실리카유리막을 생성할 수 있는데, 이로 인해 실리카 코팅재로서 이용되고 있다. 상기 폴리실라잔 코팅은 폴리실라잔을 유기 용제에 용해시킨 용액을 도포한 후, 산화 분위기 중에서 200~400℃로 열처리함으로써 수행하여 치밀한 실리카유리막을 형성할 수 있다. 나아가서, 폴리실라잔은 가수분해되기 쉬우므로 용액 조제에는 크실렌 등의 소수성 용제를 이용할 수 있다. 이러한 방법에 의하면 실리콘 용융액에 용해하기 쉽고 석영으로 구비될 수 있는 성형틀(411)에 치밀한 최내층을 간편하게 형성할 수 있다. 또한, 상기와 같이 형성된 실리카유리막은 알칼리금속 등의 실리콘 단결정에 대한 불순물 원소 등을 포함하지 않으므로 실리콘 용융액 중에 용해해도, 실리콘 단결정에 대해서 순도 저하 등의 악영향을 미치지 않는다.
상기 폴리실라잔 코팅에 의한 실리카유리막으로 구성되는 최내층의 두께는 0.02~0.2 mm일 수 있다. 상기 두께가 0.02 mm미만일 경우, 너무 얇아서, 성형틀부재(410) 내의 폴리실리콘이 완전하게 융해하기 전에 최내층(실리카유리막)이 용해되어, 최내층에 의한 크리스토발라이트의 결정핵 형성의 저해 효과를 얻을 수 없다. 상기 두께가 0.2 mm를 초과할 경우, 폴리실리콘이 모두 용융된 후에도 최내층(실리카유리막)이 잔존하기 때문에, 최내층의 융해가 계속됨으로써, 실리콘 단결정의 산소 농도로 영향을 미칠 수 있다. 또한, 실리카유리막은 점성이 낮으므로 성형틀(411) 내부 표면에 폴리실리콘이 닿아서 형성된 캐비티 내에 Ar이 들어가, 실리콘 용융액과의 접촉 초기에 녹지 못하고 남은 최내층에 잔존할 수 있으며, 상기 캐비티를 기점으로서 기포가 발생해 실리콘 단결정의 에어 포켓 발생을 초래할 수 있다.
상기 성형틀부재(410) 외부에 위치하여 반도체 용융액(S)의 온도 하강비율을 조절하는 성형가열부재(420)는 반도체 용융액(S)의 급냉을 방지하며 온도를 제어할 수 있다. 즉, 반도체 용융액(S)의 결정화를 위한 어닐링을 수행하는 것일 수 있다. 예로써 성형가열부재(420)는 성형틀부재(410) 내측면에 대응하는 링형으로 구비되는 것일 수 있다. 또한, 성형틀부재(410)의 하부에 헬륨가스 또는 냉각수의 열교환 매질을 포함하는 열교환부재(미도시)가 위치하여 결정화를 위한 온도제어에 더욱 도움을 줄 수 있다.
반도체 용융액(S)의 결정 성장속도는 온도의 변화를 유발시킬 수 있으며, 고상으로 결정화(P) 시 바람직한 결정 계면을 위해 시간에 대한 급격한 온도변화율을 가지지 않도록 하여야 한다. 따라서 실제 결정화 속도는 성장 중인 결정의 응고 계면 상하의 온도 상황에 종속되므로 용융된 반도체 재료, 즉 주변 기체와 접하는 반도체 용융액(S) 상부의 응고 구동력과 반도체 용융액(S) 내부의 온도 분포는 결정화 속도 제어와 밀접한 관련이 있다고 할 수 있다. 따라서 반도체 용융액(S)의 결정화 속도 제어를 위한 적정 온도분포를 위하여 성형가열부재(420)와 열교환부재를 구비할 수 있다.
Ks (dT / dx )s ?? KI (dT / dx ) l = LV / A ---- (식1)
Ks : 실리콘 단결정의 열전도도,
Kl : 용융된 실리콘(실리콘 용탕)의 열전도도,
(dT / dx )s : 실리콘 단결정의 축방향 온도 기울기
(dT / dx ) l : 실리콘 용탕의 축방향 온도 기울기
L : 응고 잠열
V: 인상 속도
A: 응고 계면의 면적
상기의 식(1)과 같이 실제 결정화 속도는 결정화되는 반도체 단결정의 축방향 온도 기울기와 반도체 용융액(S)의 축방향 온도 기울기로 결정된다고 할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치는 도우넛 모양의 성형부(400)에 고형의 반도체 재료를 장입 후 용융부(200)를 이용하여 반도체 재료를 용융하고, 다결정 잉곳 성장법처럼 성형가열부재(420)와 열교환부재를 이용하여 온도구배를 조절하며 어닐링을 통한 결정화를 수행함으로써, 크랙 발생을 방지하며 결정화됨으로써 향상된 품질의 대형화 반도체 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치는 도 1과 같이, 복수 개의 성형부(400; 400-1, 400-2, 400-3. 400-4)는 하나의 배치(Batch; 40)를 이루고, 상기 배치(40)는 소정의 간격으로 회전하며 상기 이송부(300)로부터 반도체 용융액(S)이 상기 성형부(400)에 순차적으로 공급되고, 그로 인해 반도체 링 제조장치는 연속적으로 반도체 링을 제조할 수 있다.
예를 들어, 제1 성형부(400-1)에 이송부(300)로부터 반도체 용융액(S)이 제공되면, 배치(40)는 회전하여 제1 성형부(400-1) 내의 반도체 용융액(S)은 결정화시키고, 회전으로 인해 이송부(300) 하부에 위치한 제2 성형부(400-2)에 반도체 용융액(S)을 주입시킬 수 있다. 상기와 같은 과정의 반복으로 순차적으로 제3 성형부(400-3), 제4 성형부(400-4)는 반도체 용융액(S)을 제공받아 결정화를 수행함으로써 연속적으로 반도체링을 제조할 수 있으므로, 생산성 향상을 더욱 증대시킬 수 있다.
상기 배치(40)는, 복수 개의 챔버(4) 내에 각각 구비되되, 평면상 90도 간격으로 위치하는 4개의 성형부(400-1, 400-2, 400-3, 400-4)와, 상기 성형부를 90도로 수평 회전시키며 상기 반도체 용융액(S)을 상기 성형부로 유입되도록 하는 배치회전부재(미도시)를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조방법은 먼저 원재료 공급부(100)에 고형의 반도체 재료를 수용 또는 저장할 수 있다(S110). 예를 들어 상기 고형의 반도체 재료는 폴리실리콘 칩 또는 화합물 반도체 재료일 수 있으며, 폴리실리콘 칩의 경우 기제작된 폴리실리콘을 칩형태로 형성하거나, 폴리실리콘 제조 시 생산된 부산물을 이용하여 장입할 수 있고, 화합물 반도체 재료의 경우 세라믹과 같은 물질을 장입할 수 있으며, 상기 고형의 반도체 재료는 이에 한정된 것은 아니다.
다음으로, 용융부(200)의 승강샤프트(234)를 상승시켜 상기 원재료 공급부(100)로부터 상기 반도체 재료를 용융틀부재(210)로 장입시킬 수 있다(S120). 예로써, 원재료 공급부(100)는 원재료 공급관(110)을 통하여 용융부(200)로 반도체 재료를 공급할 수 있으며, 원재료 공급관(110)은 반도체 재료의 공급중량 비율을 일정하게 조절할 수 있도록 진동장치(vibrator)와 같은 공급부재(미도시)를 구비하여 소량씩 반도체 재료를 공급할 수 있다.
상기 반도체 재료를 용융틀부재(210)로 장입시키는 것은, 용융틀회전부재가 상기 용융틀부재(210)를 회전시켜 반도체 재료를 용융틀(211) 내부에 고르게 투입시키는 것일 수 있다. 즉, 원재료공급관(110)이 반도체 재료를 공급하면, 용융틀회전부재가 회전하며 용융틀부재(210)가 일정한 속도로 회전함에 따라 용융틀(211) 내에 균일하게 반도체 재료가 장입될 수 있다.
상기 반도체 재료를 용융틀부재(210)로 장입시키는 것은, 상기 승강샤프트(234)에 구비된 무게측정부재가 상기 용융틀부재(210)에 장입된 상기 반도체 재료의 중량을 측정하여 정량을 장입시키는 것일 수 있다. 상기 승강부재(230)는 상기 용융틀부재(210)에 장입된 상기 반도체 재료의 중량을 측정하는 로드셀을 포함하며, 로드셀은 용융틀(211) 내에 장입된 반도체 재료의 중량을 측정하고, 소정의 중량이 투입되면 원재료 공급관(110)의 용융틀부재(210)로의 투입을 중단시킬 수 있다. 이 경우, 투입된 반도체 재료의 고른 위치분포를 위해 반도체 재료의 투입 중단 후에도 용융틀회전부재는 소정의 시간동안 용융틀부재(210)를 회전시킬 수 있다.
다음으로, 용융가열부재(220)에 상기 용융틀부재(210)가 인접하도록 승강샤프트(234)를 하강시킨 후 상기 반도체 재료에 열을 가하여 반도체 용융액(S)을 형성할 수 있다(S130). 예로써, 용융가열부재(220)는 고주파 유도코일 또는 흑연히터를 포함하여 용융틀(211) 내부에 장입된 고형의 반도체 재료를 용융시킬 수 있다. 나아가서, 용융틀가열부재(220)는 적외선 온도계를 구비하여 반도체 재료가 가열되는 온도를 측정할 수 있으며, 액상 온도계를 구비하여 반도체 용융액(S) 표면의 온도를 측정하여 반도체 재료의 용탕, 즉 반도체 용융액(S)의 상태를 제어할 수 있으며, 그로 인해 균일한 물성의 반도체 용융액(S)을 형성할 수 있다.
다음으로, 상기 반도체 용융액(S)을 이송부(300)를 통하여 성형부(400)의 성형틀부재(410)로 제공할 수 있다(S140). 이 경우, 상기 반도체 용융액(S)을 이송부(300)를 통하여 성형부(400)의 성형틀부재(410)로 제공하는 것은, 차단밸브(500)를 구비하여 상기 이송부(300)로부터 상기 성형부(400)로 반도체 용융액(S)의 이송 또는 차단을 조절하며 제공하는 것일 수 있다.
다음으로, 성형가열부재(420)가 반도체 용융액(S)의 온도 하강비율을 조절하며 상기 반도체 용융액(S)의 온도를 낮추며 결정화하여 반도체 링을 제조할 수 있다(S150). 성형가열부재(420)는 반도체 용융액(S)의 급냉을 방지하며 온도를 제어할 수 있다. 즉, 성형가열부재(420)는 반도체 용융액(S)의 결정화를 위한 어닐링을 수행하는 것일 수 있다. 예로써 성형가열부재(420)는 성형틀부재(410) 내측면에 대응하는 링형으로 구비되는 것일 수 있다. 또한, 성형틀부재(410)의 하부에 헬륨가스 또는 냉각수의 열교환 매질을 포함하는 열교환부재(미도시)가 위치하여 결정화를 위한 온도제어에 더욱 도움을 줄 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조방법은 도우넛 모양의 성형부(400)에 고형의 반도체 재료를 장입 후 용융부(200)를 이용하여 반도체 재료를 용융하고, 다결정 잉곳 성장법처럼 성형가열부재(420)와 열교환부재를 이용하여 온도구배를 조절하며 어닐링을 통한 결정화를 수행함으로써, 크랙 발생을 방지하며 향상된 품질의 대형화 반도체 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다.
나아가서, 상기 성형부(400)를 복수 개로 구비하는 하나의 배치(40)는 소정의 간격으로 회전하며 상기 이송부(300)로부터 반도체 용융액(S)이 성형부(400)에 순차적으로 공급되고, 연속적으로 반도체 링을 제조할 수 있다. 즉, 도 1과 같이, 복수 개의 성형부(400; 400-1, 400-2, 400-3. 400-4)는 하나의 배치(Batch; 40)를 이루고, 상기 배치(40)는 소정의 간격으로 회전하며 상기 이송부(300)는 반도체 용융액(S)을 상기 성형부(400)에 순차적으로 공급하고, 그로 인해 연속적으로 반도체 링을 제조할 수 있다.
예를 들어, 제1 성형부(400-1)에 이송부(300)로부터 반도체 용융액(S)을 공급받으면, 차단밸브(500)는 이송부(300)를 차단하고, 배치(40)는 회전하여 제1 성형부(400-1) 내의 반도체 용융액(S)은 결정화되고, 회전으로 인해 이송부(300) 하부에는 제2 성형부(400-2)가 위치할 수 있다. 제1 성형부(400-1)가 결정화되기 시작하고, 차단밸브(500)는 다시 이송부(300)를 개방하여 이송부(300) 하부에 위치한 제2 성형부(400-2)는 반도체 용융액(S)을 공급받을 수 있다. 상기와 같은 과정의 반복으로 순차적으로 제3 성형부(400-3), 제4 성형부(400-4)는 반도체 용융액(S)을 제공받아 결정화를 수행함으로써 연속적으로 반도체링을 제조할 수 있으므로, 생산성 향상을 더욱 증대시킬 수 있다.
상기 배치(40)는, 복수 개의 챔버(4) 내에 각각 구비되되, 평면상 90도 간격으로 위치하는 4개의 성형부(400-1, 400-2, 400-3, 400-4)와, 상기 성형부를 90도로 수평 회전시키며 상기 반도체 용융액(S)을 상기 성형부로 유입되도록 하는 배치회전부재(미도시)를 포함하여 연속적으로 결정화 공정을 수행할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 링 제조장치 및 그를 이용한 반도체 링 제조방법은 고형의 반도체 재료의 용융부터 반도체 링의 제조까지 연속적으로 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 링형의 성형틀을 이용하여 반도체 용융액을 결정화함으로써 반도체 제품 형상 가공 공정을 간소화하고, 제품의 제조과정 중 반도체 재료의 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있으며, 나아가서 결정화 시 온도구배를 조절하여 균열이 발생하지 않도록 결정질 반도체로 제조함으로써 대형화되는 반도체 제품을 제조할 수 있는 장점이 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
4; 챔버
40; 배치
100; 원재료 공급부
110; 원재료 공급관
200; 용융부
210; 용융틀부재
220; 용융가열부재
230; 승강부재
240; 용융챔버
300; 이송부
400; 성형부
410; 성형틀부재
420; 성형가열부재
500; 차단밸브
40; 배치
100; 원재료 공급부
110; 원재료 공급관
200; 용융부
210; 용융틀부재
220; 용융가열부재
230; 승강부재
240; 용융챔버
300; 이송부
400; 성형부
410; 성형틀부재
420; 성형가열부재
500; 차단밸브
Claims (11)
- 고형의 반도체 재료가 수용된 원재료 공급부;
상기 원재료 공급부로부터 반도체 재료가 장입되는 용융틀부재와, 상기 용융틀부재의 외측에 위치하며 열을 가하여 반도체 용융액을 형성하는 용융가열부재와, 상기 용융틀부재를 승하강시키는 승강부재를 포함하는 용융부;
상기 용융틀부재와 연통되어 상기 반도체 용융액을 이송시키는 이송부; 및
상기 이송부로부터 반도체 용융액을 제공받는 링형의 성형틀부재와, 상기 성형틀부재 외부에 위치하여 반도체 용융액의 온도 하강비율을 조절하는 성형가열부재를 포함하며, 링형으로 반도체를 성장시키는 성형부;를 포함하고,
복수 개의 성형부는 하나의 배치(Batch)를 이루고, 상기 배치는 소정의 간격으로 회전하며 상기 이송부로부터 반도체 용융액이 상기 성형부에 순차적으로 공급되고, 연속적으로 반도체 링을 제조하고,
상기 용융부는, 상기 반도체 재료가 장입되는 경우 상기 용융틀부재를 회전시켜 상기 반도체 재료를 상기 용융틀부재 내부에 고르게 투입시키는 용융틀회전부재를 포함하고,
상기 이송부와 상기 성형부 사이에 분리 게이트 형의 차단밸브를 구비하여 상기 이송부로부터 상기 성형부로 반도체 용융액의 이송 또는 차단을 조절하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 승강부재는, 상기 용융틀부재에 장입된 상기 반도체 재료의 중량을 측정하는 로드셀과, 상기 용융틀부재와 결합되어 상기 용융틀부재를 승하강시키는 승강샤프트와, 상기 승강샤프트의 구동력을 제공하는 승강구동원을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 용융틀부재는 상부가 개방된 링형의 용융틀과, 상기 용융틀의 변형을 방지하는 용융틀받침을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체링 제조장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 성형틀부재는 상부가 개방된 링형 트렌치를 구비하는 성형틀받침과, 상기 성형틀받침의 트렌치에 착탈 가능하도록 결합되고 상기 반도체 재료가 장입되는 성형틀을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 배치는, 복수 개의 챔버 내에 각각 구비되되, 평면상 90도 간격으로 위치하는 4개의 성형부와, 상기 성형부를 90도로 수평 회전시키며 상기 반도체 용융액을 상기 성형부로 유입되도록 하는 배치회전부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조장치.
- 원재료 공급부에 고형의 반도체 재료를 수용하는 단계;
용융부의 승강샤프트를 상승시켜 상기 원재료 공급부로부터 상기 반도체 재료를 용융틀부재로 장입시키는 단계;
용융가열부재에 상기 용융틀부재가 인접하도록 승강샤프트를 하강시키킨 후 상기 반도체 재료에 열을 가하여 반도체 용융액을 형성하는 단계;
상기 반도체 용융액을 이송부를 통하여 성형부의 성형틀부재로 제공하는단계; 및
성형가열부재가 반도체 용융액의 온도 하강비율을 조절하며 상기 반도체 용융액의 온도를 낮추며 결정화하여 반도체 링을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 성형부를 복수 개로 구비하는 하나의 배치는 소정의 간격으로 회전하며 상기 이송부로부터 반도체 용융액이 성형부에 순차적으로 공급되고, 연속적으로 반도체 링을 제조하며,
상기 반도체 재료를 용융틀부재로 장입시키는 것은, 용융틀회전부재가 상기 용융틀을 회전시켜 상기 반도체 재료를 상기 용융틀 내부에 고르게 투입시키고,
상기 반도체 용융액을 이송부를 통하여 성형부의 성형틀부재로 제공하는 것은, 상기 이송부와 상기 성형부 사이에 분리 게이트 형의 차단밸브를 구비하여 상기 이송부로부터 상기 성형부로 반도체 용융액의 이송 또는 차단을 조절하며 제공하는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조방법.
- 삭제
- 제 8 항에 있어서,
상기 반도체 재료를 용융틀부재로 장입시키는 것은, 상기 승강샤프트에 구비된 무게측정부재가 상기 용융틀부재에 장입된 상기 반도체 재료의 중량을 측정하여 정량을 장입시키는 것을 특징으로 하는 반도체 링 제조방법.
- 삭제
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| KR20220059639A (ko) | 2022-05-10 |
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