KR20030050334A - 실리콘 잉곳 성장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 페데스탈을 통한 열전달을 최소화시켜 실리콘 잉곳의 성장 도중 실리콘 융액이 안정적인 온도구배를 얻도록 하여 고품질의 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있는 실리콘 잉곳 성장장치에 관한 것으로서, 이를 성장 챔버 내부에 실리콘 융액이 담겨지는 석영 도가니 및 석영 도가니를 감싸는 흑연 도가니가 형성되고, 흑연 도가니의 하부에는 지지대가 외부의 회전구동장치와 결합된 페데스탈에 축합되어 놓여지고, 흑연 도가니의 측면으로 열을 방사하는 히터가 설치되고, 히터의 외측면과 하측면으로 각각 열차폐 구조를 형성하여 실리콘 잉곳 성장장치를 구성하되, 지지대에는 흑연 도가니와 접촉되는 면에 공간부가 형성되도록 한다.

Description

실리콘 잉곳 성장장치{Apparatus of growing a single silicon ingot}

본 발명은 실리콘 잉곳 성장장치에 관한 것으로서, 특히 성장 챔버 내부 핫존이 외부 온도변화에 영향을 받지 않도록 하여 석영 도가니에 담겨진 실리콘 융액의 온도 구배가 안정적으로 유지되도록 하는 실리콘 잉곳 성장장치에 관한 것이다.

일반적으로 실리콘 잉곳의 성장은 쵸크랄스키법에 의한 단결정 성장이 널리 사용되고 있다.

쵸크랄스키법에 의한 단결정 성장은 폴리실리콘(poly silicon)과 불순물(dopant)이 용융되어 형성된 실리콘 융액(melt)이 담겨진 석영 도가니에 종자 결정(seed crystal)을 디핑(dipping)시키고, 종자 결정과 석영 도가니를 각각 반대 방향으로 회전시키면서 서서히 종자 결정이 실리콘 융액에서 인상(pulling up)되도록 하여 제조된다.

도 1 은 이러한 실리콘 잉곳의 성장이 이루어지는 실리콘 잉곳 성장장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도시된 바와 같이, 실리콘 잉곳 성장장치는 성장 챔버(10) 내부에 실리콘 융액(M)이 담겨지는 석영 도가니(11, Quartz Crucible)및 석영 도가니를 감싸는 흑연 도가니(12,Graphite Crucible)가 형성된다.

그리고, 흑연 도가니(12)의 하부에는 실리콘 융액(M), 석영 도가니 및 흑연 도가니의 하중을 지지하는 흑연 지지대(13)가 외부의 회전구동장치와 결합된 페데스탈(14,pedestal)에 축합되어 놓여진다.

그리고, 흑연 도가니(12)의 측면으로 도가니의 주변을 포위하도록 설치되어 열을 방사하는 히터(15)가 설치되고, 히터의 외측면과 하측면으로 각각 히터의 열이 외부로 방출되는 열의 흐름을 차단하는 열차폐 구조(16,radiation shield)가 형성된다.

이러한 구성으로 된 종래 실리콘 잉곳 성장장치는 성장 챔버(10)내부에 석영 도가니(11), 흑연 도가니(12) 및 지지대(13), 페데스탈(14) 등을 장착한 다음, 석영도가니(11)에 폴리실리콘(poly silicon)과 불순물(dopant)을 적층하고, 히터(15)에서 전달되는 열로 폴리 실리콘과 불순물을 가열하여 실리콘 융액을 형성한다.

그리고, 종자 결정(S.C)을 성장 챔버(10)외부에 장착된 인상 구동장치와 연결된 케이블(17)에 매달아 실리콘 융액(M)에 디핑시키고, 종자 결정의 회전 방향과 페데스탈(14)의 회전 방향을 서로 다르게 하면서 종자 결정을 서서히 상측으로 인상시키면서 실리콘 잉곳(I.G)을 성장시키게 된다.

이때, 실리콘 융액(M)은 히터(15)에서 열을 계속적으로 전달받고, 열차폐 구조(16)에 의해 열 손실이 차단되어 일정한 온도구배를 유지하게 된다.

그러나, 이러한 종래 실리콘 잉곳 성장장치는 성장 챔버가 열차폐 구조에 의해 외부의 온도 변화에 영향을 받지 않도록 하여 실리콘 융액이 일정 온도 구배를 유지하도록 하고 있으나, 실제 실리콘 융액은 실리콘 잉곳 성장 도중 외부의 온도변화에 영향을 받아 불안정한 온도 구배를 가지게 되는 문제점이 있다.

좀더 구체적으로 설명하면, 종래 실리콘 잉곳 성장장치는 고온의 실리콘 융액이 담겨진 석영 도가니를 흑연 도가니가 지지하고 있고, 흑연 도가니 하부에 페데스탈과의 사이에 흑연 지지대가 놓여져 있는데 이중 페데스탈은 성장 챔버의 외부에서 내부로 관통되게 형성되어 있다.

따라서, 페데스탈을 통해 성장 챔버의 외부에서 발생된 열이 성장 챔버의 내부로 열전도되고, 이에 페데스탈에 결합된 흑연 지지대가 외부 온도 변화에 영향을 받아 실리콘 융액의 온도 구배에 영향을 미치게 된다.

또한, 종래 실리콘 잉곳 성장장치는 페데스탈을 통해 실리콘 융액이 가지고 있는 고온의 열이 열전도에 의해 성장 챔버의 외부로 손실되어 실리콘 융액의 온도 구배가 영향을 받게 된다.

이와 같은 문제점에 의해 실리콘 융액에서 성장되는 실리콘 잉곳이 불안정한 실리콘 융액의 온도 구배에 영향을 받아 품질 저하가 유발되게 된다.

이에 본 발명은 페데스탈을 통한 열전달을 최소화시켜 실리콘 잉곳의 성장 도중 실리콘 융액이 안정적인 온도구배를 얻도록 하여 고품질의 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있는 실리콘 잉곳 성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

따라서, 본 발명은 상기 목적을 이루기 위해, 성장 챔버 내부에 실리콘 융액이 담겨지는 석영 도가니 및 석영 도가니를 감싸는 흑연 도가니가 형성되고, 흑연 도가니의 하부에는 지지대가 외부의 회전구동장치와 결합된 페데스탈에 축합되어 놓여지고, 흑연 도가니의 측면으로 열을 방사하는 히터가 설치되고, 히터의 외측면과 하측면으로 각각 열차폐 구조가 형성된 실리콘 잉곳 성장장치에 있어서, 지지대는 흑연 도가니와 접촉되는 면에 공간부가 형성되도록 실리콘 잉곳 성장장치를 구성한다.

도 1 은 종래 실리콘 잉곳 성장장치의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 2 는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장장치의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 3 은 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장장치의 요부 확대 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 성장 챔버 11 : 석영 도가니

12 : 흑연 도가니 13 : 흑연 지지대

14 : 페데스탈 15 : 히터

16 : 열차폐 구조 17 : 케이블

I.G : 실리콘 잉곳 M : 실리콘 융액

S.C : 종자 결정

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장장치의 바람직한 일실시예를 상세하게 설명한다.

도 2 는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장장치의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2에서 종래의 실리콘 잉곳 성장장치와 동일한 구성요소는 도1과 동일한 도면 부호를 사용하여 도시한다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장장치는 성장 챔버(10) 내부에 실리콘 융액(M)이 담겨지는 석영 도가니(11, Quartz Crucible)및 석영 도가니를 감싸는 흑연 도가니(12,Graphite Crucible)가 형성된다.

그리고, 흑연 도가니의 하부에는 실리콘 융액, 석영 도가니 및 흑연 도가니의 하중을 지지하는 지지대(100)가 외부의 회전구동장치와 결합된 페데스탈(pedestal,14)에 축합되어 놓여진다.

또한, 지지대(100)는 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장장치의 요부를 설명하기 위한 요부 확대 단면도인 도 3을 참조하면, 흑연 도가니(12)의 하부와 접촉되는 접촉면에 공간부(102)가 형성된다.

여기서, 공간부(102)는 흑연 도가니(12) 하면과 지지대(100) 상면의 접촉 면적을 최소화시킴으로써 도가니와 지지대 사이에 열전도가 발생되는 면적을 최소화하고, 또한 흑연 도가니와 페데스탈(14)사이에 보온 단열층을 형성하여 지지대 자체와 공간부에 의한 이중 단열이 이루어지도록 하는 것이다.

이를 위해 지지대(100)는 가운데 부분을 절개하여 가운데에서 흑연 도가니(12)와 접촉되지 않고 가장자리 부분에서 흑연 도가니와 접촉된다.

그리고, 지지대(100)는 실리콘 융액(M)의 열이 페데스탈(12)로 열전달되거나 또는 페데스탈을 통해 성장 챔버(10)외부의 열이 실리콘 융액으로 열전달되지 않도록 저열전도율의 재질로 형성한다.

좀더 구체적으로 지지대(100)는 페데스탈(14)의 열전도율보다 낮은 열전도율을 갖는 재질로 형성하고, 카본 섬유를 최소 1g/cc 이상의 밀도를 갖도록 압축시켜 구성하는 것이 바람직하다.

그리고, 흑연 도가니(12)의 측면으로 도가니의 주변을 포위하도록 설치되어 열을 방사하는 히터(15)가 설치되고, 히터의 외측면과 하측면으로 각각 히터의 열이 외부로 방출되는 열의 흐름을 차단하는 열차폐 구조(16)가 형성된다.

이러한 구성으로 된 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장장치는 페데스탈을 통해 이루어지는 열전도를 차단하여 실리콘 잉곳의 성장 도중 실리콘 융액의 온도 구배가 일정하게 유지된다.

먼저, 실리콘 잉곳의 성장 도중 페데스탈(14)을 통해 성장 챔버(10)의 외부 열이 성장 챔버 내부로 전도되는 것이 차단되는 과정을 설명한다.

페데스탈(14)을 통해 전도되는 성장 챔버(10)외부의 열은 페데스탈의 열전도율보다 낮은 열전도율을 갖고 있는 지지대(100)에 일차적으로 차단되고, 열이 지지대에 전도되더라도 공간부(102)에 의해 지지대와 흑연도가니(12) 사이에 간격이 형성되어 있어 직접적으로 흑연도가니에 열이 전달되지 않는다.

또한 지지대(100)는 공간부(102)에 의해 흑연 도가니(12)와 접촉되는 면적이 적어 성장 챔버 외부의 열은 실리콘 융액에 전도되는 것을 감소시키게 된다.

그리고, 실리콘 잉곳(I.G)의 성장 도중 페데스탈(14)을 통해 실리콘 융액(M)의 고온 열이 성장 챔버 외부로 전달되는 것이 차단되는 과정을 설명한다.

실리콘 융액(M)이 가진 고온의 열은 흑연 도가니(12)와 지지대(100)의 접촉 면적이 공간부(102)에 의해 직접적으로 열전도되는 면적이 줄어들어 손실되는 열이 최소화되고, 또한 지지대가 페데스탈보다 낮은 열전도율을 가지고 있어 성장 챔버 외부로 열이 손실되는 것이 감소된다.

따라서, 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장장치는 실리콘 융액(M)의 열 손실을 최소화시킴으로써 성장하는 실리콘 잉곳(I.G)이 열 손실에 영향을 받는 것을 방지하여 고품질의 실리콘 잉곳 성장이 가능하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장장치는 실리콘 융액이 담겨진 석영 도가니를 둘러싼 흑연 도가니와 페데스탈 사이에 공간부를 갖는 지지대가 장착됨으로써 요부에 의해 흑연도가니와 페데스탈의 접촉 면적이 감소되어 페데스탈을 통해 외부에서 열이 실리콘 융액으로 전도되는 것과 실리콘 융액의 열이 페데스탈을 통해 외부로 전도되어 손실되는 것이 차단된다.

따라서, 본 발명에 따른 실리콘 잉곳 성장장치는 실리콘 잉곳의 성장 도중 실리콘 융액이 안정적인 온도구배를 유지하여 고품질의 실리콘 잉곳을 성장시킬 수 있게 되는 효과를 제공한다.

Claims (3)

1. 성장 챔버 내부에 실리콘 융액이 담겨지는 석영 도가니 및 석영 도가니를 감싸는 흑연 도가니가 형성되고, 상기 흑연 도가니의 하부에는 지지대가 외부의 회전구동장치와 결합된 페데스탈에 축합되어 놓여지고, 상기 흑연 도가니의 측면으로 열을 방사하는 히터가 설치되고, 상기 히터의 외측면과 하측면으로 각각 열차폐 구조가 형성된 실리콘 잉곳 성장장치에 있어서,

   상기 지지대는 상기 흑연 도가니와 접촉되는 면에 공간부가 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 지지대는 상기 페데스탈의 열전도율보다 낮은 열전도율을 갖는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 지지대는 고강도 카본 섬유로 압축 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장장치.