KR102656097B1 - 잉곳 성장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기유로 내벽에 적층된 산화물을 효과적으로 제거하여 불활성 기체의 배기 능력을 충분히 확보할 수 있는 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
본 발명은 불활성 기체가 상측에서 하측으로 유동되는 챔버; 상기 챔버 내부에 구비되고, 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳이 성장되는 도가니; 상기 도가니 하측에 구비되고, 상기 도가니를 회전 및 승강시키는 도가니 구동축; 상기 챔버 하부에 구비되고, 불활성 기체가 빠져나가는 복수개의 배기유로; 및 상기 도가니 구동축에 설치되고, 상기 도가니 구동축이 승강됨에 따라 상기 배기유로들 내벽에 적층된 산화물을 제거하는 산화물 청소수단;을 포함하는 잉곳 성장장치를 제공한다.

Description

잉곳 성장장치 {Ingot growing apparatus}
본 발명은 배기유로 내벽에 적층된 산화물을 효과적으로 제거하여 불활성 기체의 배기 능력을 충분히 확보할 수 있는 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
일반적으로 단결정 성장장치는 고체 상태의 다결정 실리콘을 도가니 내부로 공급한 다음, 도가니를 가열하여 액체 상태의 실리콘 융액을 만들고, 종자 결정을 응집시키는 시드(Seed)를 실리콘 융액에 넣어 회전시키는 동시에 인상시킴으로써, 원하는 직경을 가진 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시킨다.
보통, 쵸크랄스키법을 이용한 단결정 잉곳의 제조 시에는 히터에 의해 용융된 실리콘 융액을 담기 위해 석영 도가니가 필수적으로 사용된다.
따라서, 석영 도가니와 실리콘 융액 접촉면에서는 고열에 의해 석영 도가니로부터 산소가 용해되는데, 산소의 일부가 실리콘 융액에 포함되고, 산소의 대부분은 실리콘 융액(SM)의 표면에서 증발된다.
이때, 실리콘 융액(SM) 표면으로부터 증발하는 산소는 SiOx 형태의 기체로서, 이 SiOx 기체는 챔버 내부로 주입되는 아르곤 등의 불활성 기체와 같은 경로를 이동하게 된다. 즉, 챔버의 상부에서 주입되는 아르곤 등의 불활성 기체는 실리콘 융액 표면에서 발생하는 SiOx 기체를 포함하여 챔버의 하부로 배출된다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 단결정 성장장치의 공정 전/후 배기관 상태가 도시된 도면이다.
일반적인 단결정 성장장치는 챔버 하부에 배기관이 구비되고, 배기관 내부의 압력을 감압함으로써, 챔버 내부로부터 SiOx 기체와 불활성 기체가 함께 배기관을 통하여 배기될 수 있도록 한다.
물론, 공정 전에는 도 1a에 도시된 바와 같이 배기관 내부에 깨끗한 반면, 공정 후에는 도 1b에 도시된 바와 같이 배기관 내벽에 SiO 등과 같은 산화물이 적층된다.
일본등록특허 제4423805호에는, 배기관에 연통하는 배기가스연장 부품을 챔버 내측에 설치하고, 배기가스연장 부품을 둘러싸도록 보호 가스관을 설치함으로써, 온도 변화를 완화시켜 배기구 주변의 산화물이 퇴적되는 것을 억제하는 동시에 불활성 기체의 안정된 배기 능력을 확보할 수 있는 실리콘 단결정의 제조 장치 및 제조 방법이 개시되어 있다.
그러나, 종래 기술에 따르면, 구동(run) 시간이 길어지거나, 여러 번의 잉곳 성장 공정(multi growing)을 진행하는 경우, 배기관에 증착되는 산화물의 양이 증가하여 배기관이 막힐 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 배기유로 내벽에 적층된 산화물을 효과적으로 제거하여 불활성 기체의 배기 능력을 충분히 확보할 수 있는 잉곳 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 불활성 기체가 상측에서 하측으로 유동되는 챔버; 상기 챔버 내부에 구비되고, 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳이 성장되는 도가니; 상기 도가니 하측에 구비되고, 상기 도가니를 회전 및 승강시키는 도가니 구동축; 상기 챔버 하부에 구비되고, 불활성 기체가 빠져나가는 복수개의 배기유로; 및 상기 도가니 구동축에 설치되고, 상기 도가니 구동축이 승강됨에 따라 상기 배기유로들 내벽에 적층된 산화물을 제거하는 산화물 청소수단;을 포함하는 잉곳 성장장치를 제공한다.
본 발명에 따른 잉곳 성장장치는 산화물 청소수단이 도가니를 승강시키는 도가니 구동축에 장착됨으로써, 도가니 구동축과 같이 산화물 청소수단이 승강됨에 따라 배기유로들 내벽에 적층된 산화물을 제거할 수 있다.
따라서, 산화물 청소수단을 구동하기 위한 별도의 구동장치를 생략할 수 있어 구조가 간단하고, 구동(run) 시간이 길어지거나, 여러 번의 잉곳 성장 공정(multi growing)을 진행하더라도 배기유로의 내벽에 적층된 산화물을 깨끗하게 청소할 수 있으며, 나아가 불활성 기체의 배기 능력을 충분히 확보할 수 있어 안정적으로 잉곳 성장 공정을 운영할 수 있는 이점이 있다.
도 1a 및 도 1b는 일반적인 단결정 성장장치의 공정 전/후 배기관 상태가 도시된 도면.
도 2는 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 일예가 도시된 측단면도.
도 3은 본 발명에 적용된 산화물 청소수단의 일예가 도시된 사시도.
도 4는 본 발명에 적용된 산화물 청소수단의 장착구조가 도시된 측단면도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 적용된 산화물 청소수단의 작동 상태가 도시된 단면도.
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 2는 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 일예가 도시된 측단면도이다.
본 발명의 단결정 성장장치는 도 2에 도시된 바와 같이 챔버(110) 내측에 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳을 성장시키기 위하여 도가니(120)와 히터(130)와 열차폐 부재(140)가 구비되고, 상기 챔버(110) 하부의 배기유로(114)에 적층된 산화물을 청소하기 위하여 산화물 청소수단(150)이 구비되는데, 상기 도가니(120)를 회전 및 승강시키는 도가니 구동축(121)에 상기 산화물 청소수단(150)이 장착된다.
물론, 별도의 제어부(미도시)에 의해 상기의 구성 부품의 작동이 제어된다.
상기 챔버(110)는 잉곳(IG)이 성장되는 소정의 밀폐 공간을 제공하며, 각종 구성 요소가 내/외측에 장착된다.
실시예에서, 상기 챔버(110)는 상기 도가니(120)와 히터(130) 및 열차폐 부재(140)가 내장되는 원통 형상의 본체부(111)와, 상기 본체부(111)의 상측에 결합되고 잉곳 성장 공정을 관찰할 수 있는 뷰 포트(View port : V/P)가 구비된 돔 형상의 커버부(112)와, 상기 커버부(112)의 상측에 결합되고 잉곳이 인상될 수 있는 공간을 제공하는 원통 형상의 인상부(113)와, 상기 본체부(111)의 하측에 구비된 배기유로(114)로 구성될 수 있다.
이때, 상기 챔버(110)의 상측에서 하측 방향으로 아르곤(Ar) 등과 같은 불활성 기체가 유동시키도록 구성되고, 상기 제어부(미도시)가 불활성 기체의 유량 및 유속을 제어할 수 있다.
또한, 상기 챔버(110) 상측에는 종자결정이 매달리는 시드 케이블(W) 및 상기 시드 케이블(W)이 감긴 드럼(미도시)이 구비되고, 상기 제어부(미도시)가 상기 드럼(미도시)의 작동을 조절하여 인상속도를 제어할 수 있다.
상기 도가니(120)는 고체 실리콘 융액이 담기는 용기로써, 상기 챔버(110) 내측에 회전 가능하게 설치된다. 물론, 상기 도가니(120)는 불순물의 유입을 차단하는 동시에 고온 하에서도 견딜 수 있도록 구성되는데, 실시예에서 석영 도가니와 흑연 도가니가 겹쳐진 형태로 구성될 수 있으며, 고온 하에서 석영 도가니가 일부 녹으면서 Ox 성분이 실리콘 융액에 포함된다.
또한, 상기 도가니(120)의 하측에는 상기 도가니(120)를 회전 및 승강시키는 도가니 구동축(121)이 구비되며, 상기 제어부(미도시)가 상기 도가니 구동축(121)의 작동을 조절하여 상기 도가니(120)의 회전속도 및 승강속도를 제어할 수 있다.
상기 히터(130)는 상기 도가니(120) 둘레에 구비되고, 상기 도가니(120)를 가열함에 따라 상기 도가니(120)에 담긴 폴리 형태의 원료를 실리콘 융액으로 액화시키며, 마찬가지로 상기 제어부(미도시)가 상기 히터(130)의 작동을 조절하여 상기 챔버(110) 내부의 온도를 제어할 수 있다.
상기 열차폐 부재(140)는 고온의 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳(IG)을 바로 냉각시키기 위하여 구비되는데, 상기 도가니(120) 상측에 매달리도록 설치되고, 고온 하에서도 견딜 수 있는 그라파이트(Graphite) 재질로 구성된다.
상세하게, 상기 열차폐 부재(150)의 하부가 상기 도가니(120)에 담긴 실리콘 융액으로부터 성장되는 잉곳(IG) 둘레에 소정 간격을 두고 감싸도록 설치되는 동시에 실리콘 융액 면과 소정 간격을 유지하도록 설치된다.
따라서, 상기 챔버(110)의 상측에서 공급되는 불활성 기체는 상기 열차폐 부재(140)의 하부 내주면과 단결정 잉곳(IG) 사이의 공간을 지나 상기 열차폐 부재(140)의 하단과 실리콘 융액 면 사이의 공간을 따라 유동하게 된다.
상기 산화물 청소수단(150)은 상부가 상기 도가니 구동축(121)에 장착되는 동시에 하부가 상기 배기유로의 내벽과 접촉하도록 설치되는데, 공정 중 상기 도가니 구동축(121)과 같이 승강됨에 따라 상기 배기유로(114) 내부에 적층된 산화물을 제거할 수 있다.
물론, 상기 산화물 청소수단(150)은 고온 하에서도 견딜 수 있는 소재로 구성되는데, 실시예에서 탄소 섬유 재질로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
도 3은 본 발명에 적용된 산화물 청소수단의 일예가 도시된 사시도이고, 도 4는 본 발명에 적용된 산화물 청소수단의 장착구조가 도시된 측단면도이다.
본 발명의 산화물 청소수단(150)은 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이 연결 베어링(151)과, 산화물 제거부(152)와, 회전방지부(153)로 구성될 수 있다.
상기 연결 베어링(151)은 상기 도가니 구동축(121)에 고정되는 부분으로써, 내주면에 상기 도가니 구동축(121)과 맞물릴 수 있는 나사산(151a)이 구비될 수 있고, 일종의 볼들이 내장된 볼 베어링 형태로 구성된다.
따라서, 상기 산화물 청소수단(150)은 상기 도가니 구동축(121)이 승강됨에 따라 상기 연결 베어링(151)에 의해 상기 도가니 구동축(121)과 같이 승강되도록 동작한다.
상기 산화물 제거부(152)는 상기 연결 베어링(151)의 둘레에 일정 간격을 두고 복수개가 구비되는데, 상기 연결 베어링(151)의 둘레에 축 방향으로 하향 연장된 축(152a)과, 상기 축(152a)의 하단에 상기 배기유로들(114) 내벽과 접촉되는 스크레이퍼(scraper : 152b)로 구성된다.
물론, 상기 축(152a)과 스크레이퍼(152b)는 상기 배기유로(114) 내부에 삽입될 수 있어야 한다.
또한, 상기 스크레이퍼(152b)는 상기 배기유로(114)의 내벽에 적층된 산화물을 제거할 수 있도록 상기 배기유로(114)의 내벽 일부와 동일한 형상과 크기로 형성되어야 한다. 실시예에서, 상기 배기유로(114)는 원통 형상으로 형성되고, 상기 스크레이퍼(152b)는 반원통 형상으로 구성될 수 있으나, 한정되지 아니한다.
상기 회전방지부(153)는 상기 연결 베어링(151)의 둘레에 적어도 두 개 이상 구비되는데, 일종의 축 형상으로 구성되고, 상기 챔버(110)의 하부에 별도로 구비된 적어도 두 개 이상의 홀(h)에 장착 가능하게 설치된다.
따라서, 상기 산화물 청소수단(150)은 상기 도가니 구동축(121)이 회전되더라도 상기 회전방지부(153)가 상기 홀(h)에 끼워진 상태로 유지됨에 따라 상기 도가니 구동축(121)과 같이 회전되는 것을 방지할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 적용된 산화물 청소수단의 작동 상태가 도시된 단면도이다.
본 발명에 따른 산화물 청소수단의 작동 상태를 살펴보면, 도 5a에 도시된 바와 같이 공정이 진행됨에 따라 불활성 기체가 상기 챔버(110)의 상측에서 주입된 다음, SiOx 기체와 같이 상기 챔버(110)의 하측에 상기 배기유로(114)를 통하여 빠져나간다.
또한, 상기 산화물 청소수단(150)은 상기 도가니 구동축(121)에 장착되는데, 상기 연결 베어링(151)이 상기 도가니 구동축(121)과 맞물리도록 설치되면, 상기 스크레이퍼들(152b : 도 3에 도시)이 상기 배기유로들(114)의 내벽과 접촉하도록 설치되는 동시에 상기 회전방지부들(153)이 상기 홀들(h)에 끼워지도록 설치된다.
따라서, 공정이 진행될수록 상기 도가니(120)를 상승시키기 위하여 상기 도가니 구동축(121)이 상승됨에 따라 상기 산화물 청소수단(150)도 같이 상승하고, 상기 배기유로들(114)의 내벽에 산화물(A)이 적층된다.
물론, 구동(run) 시간이 길어지거나, 여러 번의 잉곳 성장 공정(multi growing)을 진행함에 따라 상기 배기유로들(114)의 내벽에 산화물(A)이 더욱 많이 적층되는데, 일예로 공정 진행 중 잉곳의 손실(loss)로 인하여 다시 잉곳 성장 공정을 진행하기 위하여 상기 도가니(120) 내부에 잉곳을 녹여 실리콘 융액으로 만드는 과정을 거치게 되는 경우가 그러하다.
하지만, 잉곳 성장 공정을 다시 시작하면, 도 5b에 도시된 바와 같이 상기 도가니(120)를 원위치로 복귀시키기 위하여 상기 도가니 구동축(121)이 하강됨에 따라 상기 산화물 청소수단(150)도 같이 하강하고, 별도의 구동 장치 없이도 상기 산화물 청소수단(150)은 공정 중에 상기 배기유로들(114)의 내벽에 적층된 산화물(A)을 제거할 수 있다.
상세하게, 상기 회전방지부(153)에 의해 상기 도가니 구동축(121)과 같이 회전되지 않지만, 상기 연결 베어링(151)에 의해 상기 도가니 구동축(121)과 같이 하강하다.
따라서, 상기 스크레이퍼들(152b : 도 3에 도시)이 상기 배기유로들(114)의 내벽에 적층된 산화물(A)을 긁어주고, 분리된 산화물(A)이 상기 배기유로들(114)을 통하여 빠져나가게 한다.
110 : 챔버 120 : 도가니
121 : 도가니 구동축 130 : 히터
140 : 열차폐 부재 150 : 산화물 청소수단
151 : 연결 베어링 152 : 산화물 제거부
153 : 회전방지부

Claims (7)

  1. 불활성 기체가 상측에서 하측으로 유동되는 챔버;
    상기 챔버 내부에 구비되고, 실리콘 융액으로부터 단결정 잉곳이 성장되는 도가니;
    상기 도가니 하측에 구비되고, 상기 도가니를 회전 및 승강시키는 도가니 구동축;
    상기 챔버 하부에 구비되고, 불활성 기체가 빠져나가는 복수개의 배기유로; 및
    상기 도가니 구동축이 회전 및 승강됨에 따라 승강되면서 상기 배기유로들 내벽에 적층된 산화물을 제거하는 산화물 청소수단;을 포함하고,
    상기 산화물 청소수단은,
    상기 도가니 구동축에 고정되는 연결 베어링과,
    상기 연결 베어링 둘레에 축 방향으로 하향 연장되고, 상기 배기유로들 내벽과 접촉되는 복수개의 산화물 제거부를 포함하는 잉곳 성장장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연결 베어링은,
    상기 도가니 구동축과 연결되는 내주면에 나사산이 형성되는 잉곳 성장장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산화물 제거부는,
    상기 배기유로 내벽 일부와 동일한 형상과 크기로 형성되는 잉곳 성장장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배기유로는 원통 형상이고,
    상기 산화물 제거부는 반원통 형상으로 구성되는 잉곳 성장장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 산화물 청소수단은,
    상기 연결 베어링 둘레에 축 방향으로 하향 연장된 적어도 두 개 이상의 회전방지부를 더 포함하고,
    상기 회전방지부들은 상기 배기유로 일측에 형성된 홀들에 끼워지는 잉곳 성장장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 산화물 청소수단은,
    탄소 섬유 재질로 구성되는 잉곳 성장장치.
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