KR20100042506A - 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치 - Google Patents

정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치 Download PDF

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Abstract

실리콘 금속의 정제작업, 그리고 실리콘 잉곳(ingot)제조 작업을 하나의 장비에서 병행 실시할 수 있는 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치가 개시되어 있다. 본 발명에 따른 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치는 진공챔버, 진공챔버 내부에 배치되는 도가니, 도가니 내의 원재료를 용융시켜 정제하는 제 1 가열부, 및 도가니 내부의 용융된 실리콘이 담겨진 도가니와 주변의 온도를 유지시키는 제 2 가열부, 도가니를 지지하며, 원재료를 정제할 때는 제 1 가열부 및 제 2 가열부 측으로 상기 도가니를 상승시키고, 잉곳 결정 성장 시 제 1 가열부 및 제 2 가열부의 하측으로 도가니를 하강시키는 받침이동부, 및 잉곳 결정 성장을 위해 받침이동부 측으로 상승하였다가 받침이동부를 따라 하강하면서 도가니를 냉각시켜 잉곳 결정이 성장되게 하는 냉각이동부,로 이루어진다.

Description

정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치{MANUFACTURING DEVICE FOR SILICON INGOT HAVING REFINING FUNCTION}
본 발명은 실리콘 금속의 정제작업, 그리고 실리콘 잉곳(ingot)제조 작업을 하나의 장비에서 병행 실시할 수 있는 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로, 집적회로(IC; Integrated Circuit) 제작을 위한 웨이퍼(wafer)를 가공하는 공정은, 웨이퍼를 만들기 위한 원재료로 쓰이는 모래 형태의 물질인 석영암 또는 규암(Quartzite)을 폴리실리콘(ploy silicon)으로 만들기 위해 복잡한 정제 공정을 거친 후, 폴리실리콘을 초 순수 실리콘 잉곳(ingot)을 만들기 위해 쵸크랄스키(Czochralski; CZ), 또는 플로트 존(Float Zone; FZ) 방법으로 단결정 잉곳(ingot)을 성장시키게 된다. 이렇게 성장된 단결정 잉곳은 절단, 연마 등의 과장을 거쳐 웨이퍼로 만들어 진다.
한편, 잉곳은 다결정 잉곳과 단결정 잉곳으로 구분되며, 다결정 잉곳은 규석으로부터 금속급 규소(metallurgical grade silicon)를 만드는 금속급 규소 제조 공정, 금속급 규소를 정제하는 가스화 공정, 고순도 가스를 다결정 실리콘 봉으로 만드는 CVD(chemical vapor deposition)공정과 다결정 실리콘 봉을 사용 목적에 적합한 형태 및 크기로 만드는 다결정 실리콘 봉 가공 공정을 통해 제조된다.
그리고 단결정 잉곳은 쵸크랄스키(CZ) 결정 성장법을 주로 사용한다. 쵸크랄스키(CZ) 결정 성장법을 살펴보면, 다결정 잉곳을 적층한 후, 결정 성장 챔버 내의 가스를 모두 배출하고, 결정 성장 중에 성장로에 활성 가스를 주입하여 대기중의 공기가 유입되지 않도록 한다. 그리고 규소의 녹는점 1,430℃로 가열하여 실리카(silica)를 녹인 후, 얇은 종결정(seed)을 액체 상태의 실리콘에 집어넣고, 종결정(seed)을 일정 속도로 회전시킨다. 이러한 종결정(seed)이 일정 속도로 회전되면, 서서히 끌어 올려지면서 단결정 잉곳이 성장된다.
그런데, 종래에는 정제 공정을 통해 정제된 폴리실리콘을 사용처에 따라 조각화 시킨 후, 잉곳제작 장비로 옮겨서 잉곳을 제작해야 하므로 두 공정에 따른 설비가 각각 요구되고, 자재 이동 및 제조시간이 추가로 필요하여 생산효율이 낮으며, 실리콘 자재 이동에 따른 오염 증가 및 이를 막기 위한 비용증가 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 실리콘 금속의 정제작업, 그리고 실리콘 잉곳(ingot)제조 작업을 하나의 장비에서 병행 실시할 수 있는 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치를 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은,
진공챔버;
진공챔버 내부에 배치되는 도가니;
도가니 내의 원재료를 용융시켜 정제하는 제 1 가열부; 및 용융된 실리콘이 담겨진 도가니와 주변의 온도를 유지시키는 제 2 가열부;
도가니를 지지하며, 원재료를 정제할 때는 제 1 가열부 및 제 2 가열부 측으로 상기 도가니를 상승시키고, 잉곳 결정 성장 시 제 1 가열부 및 제 2 가열부의 하측으로 도가니를 하강시키는 받침이동부; 및
잉곳 결정 성장을 위해 받침이동부 측으로 상승하였다가 받침이동부를 따라 하강하면서 도가니를 냉각시켜 잉곳 결정이 성장되게 하는 냉각이동부;로 이루어진 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 실리콘 정제공정과 정제된 실리콘을 이용하여 단결정 또는 다결정 잉곳을 제작하는 두 공정을 하나의 장비에서 병행하여 실시할 수 있기 때문에, 잉곳제작에 소요되는 시간을 단축할 수 있고, 하나의 장비 내에서 진행이 되므로 오염의 가능성을 최소화할 수 있으며, 용융된 실리콘 소재를 바로 잉곳 제작에 사용함으로써 생산효율을 높일 수 있는 이점이 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치(100)는, 진공챔버(110)와, 진공챔버(110) 내부에 배치되는 도가니(120)와, 정제 시 도가니(120) 내의 천연규소, 또는 메탈실리콘 조각(이하; "원재료"라 함)을 용융시켜 정제하는 제 1 가열부(130), 및 용융된 실리콘이 담긴 도가니(120)와 주변의 온도를 유지시키는 제 2 가열부(140)와, 도가니(110)를 지지하며, 원재료를 정제할 때는 제 1 가열부(130) 및 제 2 가열부(140) 측으로 도가니(110)를 상승시키고, 잉곳(ingot)을 제작할 때는 제 1 가열부(130) 및 제 2 가열부(140)의 하측으로 도가니(110)를 하강하는 받침이동부(150)와, 잉곳 결정 성장을 위해 받침이동부(150) 측으로 상승하였다가 받침이동부(150)를 따라 하강하면서 도가니(110)를 냉각시켜 잉곳 결정이 성장되게 하는 냉각이동부(160)로 이루어진다.
먼저, 진공챔버(110)는 본 발명에 따른 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치(100)의 본체를 형성한다. 진공챔버(110)의 일측에는 진공챔버(110)의 내부와 연통하는 제 1 배출구(112)가 형성된다. 제 1 배출구(112)는 진공챔버(110) 내부를 진공상태로 만들거나 진동챔버(110)의 내부에 잔류하는 분진이 배출된다. 그리고 도가니(110)는 누구나 알 수 있듯이 실리콘과 반응하지 않거나 반응성이 떨어지는 석영도가니, 또는 석영도가니와 석영도가니를 감싸는 흑연도가니의 2중 구조 로 제작된다.
제 1 가열부(130)는 도가니(110) 내에 담겨진 원재료를 정제할 수 있도록 1500℃ 이상으로 가열하여 용융시킬 수 있는 통상의 열플라즈마 발생기, 또는 전자빔 발생기 중 어느 하나를 채택한다. 이러한 제 1 가열부(130)는 진공챔버(110)의 상부에서 도가니(120) 측으로 연장되게 장착된다.
제 2 가열부(140)는 진공챔버(110) 내에 배치됨과 아울러 도가니(120)의 측면을 감싸도록 배치된다. 이러한 제 2 가열부(140)는 통상의 히터를 채택한다. 제 2 가열부(140)는 제 2 가열부(140)의 외곽을 에워싸고 제 1 가열부(130)가 관통되는 열차폐체(142)가 배치된다. 열차폐체(142)는 제 1 가열부(130) 및 제 2 가열부(140)에서 발생된 고온의 열이 진공챔버(110) 외부로 방사되는 것을 차단하여 도가니(120) 내의 융용된 실리콘의 온도가 저하되는 것을 방지한다. 한편, 제 2 가열부(140)의 내측으로는 제 2 가열부(140)를 에워싸지는 차단막(144)이 형성되는데, 차단막(144)은 제 1 가열부(130)와 제 2 가열부(140)를 구획한다. 한편, 제 2 가열부(140)의 일측에는 열차폐체(142) 및 진공챔버(110)를 관통하는 제 2 배출구(146)가 형성된다. 제 2 배출구(146)는 융융 또는 정제 시에 발생하는 가스, 분진 등을 외부로 배출한다.
받침이동부(150)는 진공챔버(110)의 하부 외측에서 진공챔버(110) 및 열차폐체(142)의 내부로 연장되어 승강 및 하강되는 제 1 이동축(152)과, 제 1 이동축(152)의 선단에 장착되고 상부에 도가니(120)가 안치되는 받침대(154)를 구비한다. 누구나 알 수 있듯이 제 1 이동축(152)은 통상의 모터구동, 또는 통상의 벨트 구동, 또는 기어구동 중 어느 하나의 구동방식으로 승강 및 하강하게 된다.
한편, 냉각이동부(160)는 받침이동부(150)와 마찬가지로 진공챔버(110)의 하부 외측에서 진공챔버(110)의 내부로 연장됨과 아울러 받침대(154)의 하부에 연장되는 제 2 이동축(162)과, 제 2 이동축(162)의 선단에 배치되고 도가니(120)가 안치된 받침대(154)의 하부에 밀착되는 냉각판(164)을 구비한다. 그리고 냉각판(164)의 하부에는 냉각수가 공급되고 내부에서 순환한 후 배출될 수 있도록 냉각수 인입구(166a) 및 냉각수 배출구(166b)가 형성된 냉각수 안내관(168)이 일체로 형성되는데, 냉각수 안내관(168)은 제 2 이동축(162)의 선단에 장착된다. 누구나 알 수 있듯이 제 2 이동축(162)은 통상의 모터구동, 또는 통상의 벨트구동, 또는 기어구동 중 어느 하나의 구동방식으로 승강 및 하강하게 된다.
하기에는 전술한 바와 같이 형성된 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치의 작동상태를 간략하게 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치의 사용상태를 보인 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치(100)는 이용하여 실리콘 잉곳을 제조하기 위해서는,
우선, 도가니(120)에 천연규소 또는 메탈실리콘 조각(이하, "원재료"라고 함)을 담고, 도가니(120)를 받침대(154)의 상부에 올려놓는다. 이때, 도가니(120)의 내측에는 용융된 실리콘과 도가니(120)에 달라붙는 것을 방지할 수 있도록 질소 액을 도가니(120)의 내측면에 도포한다.
이렇게 원재료가 담긴 도가니(120)가 받침대(154)에 올려지면 제 1 이동축(152)을 작동시켜 도가니(120)를 제 1 가열부(130) 및 제 2 가열부(140)에 근접시킨 후, 제 1 배출구(112)를 통해 진공챔버(110) 내부에 진공을 생성하여 저압의 상태로 만들고, 질소(N2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 공정가스를 주입하여 공정 분위기를 조성한다.
진공챔버(110) 내부가 공정 분위기가 조성되면, 제 1 가열부(130)와 도가니(120) 측면의 제 2 가열부(140)를 실리콘의 융용점이 1430℃까지 상승시켜 도가니(120)에 담긴 원재료를 용융시킨다. 이때, 원재료에 포함된 일부 불순물은 융용된 실리콘 표면에서 소각되고, 용융된 실리콘 내부의 불순물들은 분위기 가스와 반응하여 산화된다.
전술한 바와 같이, 실리콘이 완전히 용융되면 도가니(120) 내부의 실리콘을 다결정 또는 단결정 잉곳을 성장시키는데, 이를 위해서 도가니(120)가 안치된 받침대(154)의 하부 측으로 냉각판(164)을 상승시킨다. 이렇게 받침대(154)에 냉각판(164)이 밀착되면, 도가니(120) 내부의 실리콘 용액 중 하단의 중심부부터 냉각이 시작되어 결정이 성장된다. 그리고 도가니(120) 내부의 바닥면이 충분하게 결정화되면, 도가니(120) 바닥쪽의 결정성장이 위로 자랄 수 있도록 받침대(154)와 함께 냉각판(164)을 제 1 가열부(130) 및 제 2 가열부(140)에서 이격되게 진공챔버(110)의 하측으로 이송시킨다. 이때, 도가니(120) 내부의 용융된 실리콘 용액중에 포함된 일부 불순물이 실리콘 고체와 액체 계면에서 액체로 이동하는 현상으로 인해 정제 효과를 얻을 수 있다. 바람직하게는 받침대(152) 및 냉각판(164)의 이동은 도가니(120)에 들어있는 실리콘 용액의 높이만큼 계속되고, 받침대(152) 및 냉각판(164)의 이동이 완료되면 도가니(120) 내부의 실리콘은 모두 성장하여 다결정 또는 단결정 잉곳이 제조된다. 바람직하게는 도가니(120) 내부에 단결정 시드(seed)를 배치하면 단결정 실리콘 잉곳을 성장되고, 방향성 결정성장을 유도하면 다결정 실리콘 잉곳을 성장된다.
한편, 전술한 바와 같이, 잉곳 성장이 완료되면, 진공챔버(110) 작업자가 작업할 수 있을 수준까지 진공챔버(110)를 냉각시킨 후, 도가니(120)를 꺼내어 도가니(120) 내부에 성장된 잉곳을 배출한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치를 개략적으로 나타낸 도면이며, 그리고
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치의 사용상태를 보인 도면이다.
<도면의주요부분에대한부호의설명>
100 : 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치
110 : 진공챔버 120 : 도가니
130 : 제 1 가열부 140 : 제 2 가열부
150 : 받침이동부 160 : 냉각이동부

Claims (7)

  1. 진공챔버;
    상기 진공챔버 내부에 배치되는 도가니;
    도가니 내의 원재료를 용융시켜 정제하는 제 1 가열부; 및 상기 도가니 내부의 용융된 실리콘이 담겨진 상기 도가니와 주변의 온도를 유지시키는 제 2 가열부;
    상기 도가니를 지지하며, 상기 원재료를 정제할 때는 상기 제 1 가열부 및 상기 제 2 가열부 측으로 상기 도가니를 상승시키고, 잉곳 결정 성장 시 상기 제 1 가열부 및 상기 제 2 가열부의 하측으로 상기 도가니를 하강시키는 받침이동부; 및
    상기 잉곳 결정 성장을 위해 상기 받침이동부 측으로 상승하였다가 상기 받침이동부를 따라 하강하면서 상기 도가니를 냉각시켜 잉곳 결정이 성장되게 하는 냉각이동부;로 이루어진 것을 특징으로 하는 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 진공챔버의 일측에는 상기 진공챔버의 내부를 진공상태로 만들거나, 내부에 잔류하는 분진이 배출되는 제 1 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가열부는 통상의 열플라즈마 발생기 또는 통상의 전자빔 발생기 중 어느 하나 이며, 상기 제 1 가열부는 상기 진공챔버의 상부에 서 상기 도가니 측으로 연장되게 장착되는 것을 특징으로 하는 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 가열부는 상기 도가니를 측면을 감싸는 통상의 히터이며, 상기 제 2 가열부의 외곽에는 상기 제 2 가열부의 외곽을 에워싸고 상기 제 1 가열부가 관통되는 열차폐체가 배치되며, 상기 제 2 가열부의 내측으로는 상기 제 1 가열부와 상기 제 2 가열부를 구획하는 차단막이 형성되고, 상기 제 2 가열부의 일측에는 상기 열차폐체 및 상기 진공챔버를 관통하는여 용융 또는 정제 시 발생하는 가스, 분진이 배치되는 제 2 배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 정제 기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 받침이동부는 상기 진공챔버의 하부 외측에서 상기 진공챔버 및 상기 열차폐체의 내부로 연장되어 승강 및 하강되는 제 1 이동축과, 상기 제 1 이동축의 선단에 장착되고 상부에는 상기 도가니가 안치되는 받침대를 구비하며, 상기 제 1 이동축은 통상의 이동수단에 의해서 승하강 되는 것을 특징으로 하는 정제기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 냉각이동부는 상기 진공챔버의 하부 외측에서 상기 진공챔버의 내부로 연장됨과 아울러 상기 받침대의 하부에 연장되는 제 2 이동축과, 상기 제 2 이동축의 선단에 배치되고 상기 도가니가 안치된 상기 받침대의 하 부에 밀착되어 상기 도가니를 냉각시키는 냉각판을 구비하며, 상기 제 2 이동축은 통상의 이동수단에 의해서 승하강 되는 것을 특징으로 하는 정제기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 냉각판의 하부에는 냉각수가 공급되고 내부에서 순환한 후 배출될 수 있도록 냉각수 인입구 및 냉각수 배출구가 형성된 냉각수 안내관이 일체로 상기 제 2 이동축의 선단에 장착되는 것을 특징으로 하는 정제기능을 가지는 실리콘 잉곳 제조장치.
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WO2012108618A2 (ko) * 2011-02-09 2012-08-16 주식회사유니드 마이크로 웨이브를 이용한 단결정 성장장치 및 그 성장방법
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