KR20100084137A - 석영 도가니 제조용 몰드 - Google Patents

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KR20100084137A
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쟈판 스파 쿼츠 가부시키가이샤
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Abstract

(과제) 소경 박육화(thin-walled)로 인해 절단 제거를 부득이하게 하게 되는 부분을 감소시켜, 원료 비용을 저감할 수 있는 석영 도가니 제조용 몰드를 제공한다.
(해결 수단) 회전하고 있는 몰드 내벽에 석영분을 붙인 상태에서 가열 용융하여 석영 도가니를 제조할 때에 이용하는 몰드에 있어서, 석영 도가니의 상부 영역에 대응하는 몰드의 상부 개구부의 내측을 연삭하여 단차(段差)를 형성하고, 이 단차부에, 내경이 몰드 내경보다도 작은 링 형상의 단열성 배리어재를, 내경이 당해 단열성 배리어재와 동일하거나 또는 약간 큰 중공 원판 형상의 지지 부재를 통하여 설치한다.

Description

석영 도가니 제조용 몰드{MOLD FOR PRODUCING SILICA CRUCIBLE}
본 발명은, CZ법 등의 인상법에 의해 실리콘 단결정 잉곳(ingot)을 제조할 때에 사용하는 석영 도가니의 제조에 이용하기에 매우 적합한 석영 도가니 제조용 몰드에 관한 것이다.
특히, 본 발명은, 몰드 개구부의 상부 내벽 형상에 고려를 추가함으로써, 원재료비의 유리한 저감을 도모하고자 하는 것이다.
최근, 반도체 디바이스의 기판으로서 실리콘 웨이퍼의 사용이 급증하고 있다. 이러한 실리콘 웨이퍼는, 통상, 실리콘 단결정 잉곳을 제작 후, 그것을 슬라이스함으로써 제조된다.
이러한 실리콘 단결정 잉곳은, 예를 들면 CZ법 등의 인상법에 의해 제조되는 것이 일반적이다. 또한, 실리콘 단결정의 인상에는, 석영 도가니가 사용된다.
석영 도가니의 대표적인 제조 방법으로서 회전 몰드법이 알려져 있다. 이 회전 몰드법은, 회전하는 몰드의 내벽 즉 몰드의 저면과 측면에 석영분을 붙여, 아크로 가열 용융하여 석영 도가니를 제조하는 방법이다.
그런데, 최근에는 실리콘 웨이퍼의 수요의 급증에 수반하여, 실리콘 단결정 잉곳에 대해서도 대(大)구경인 것이 요구되고 있다.
이러한 대구경의 실리콘 단결정 잉곳을 인상법에 의해 제조할 경우, 그것에 이용하는 석영 도가니도 동일하게 대구경인 것이 필요하게 된다.
통상, 실리콘 단결정 잉곳을 인상법에 의해 제조하려면, 잉곳 지름의 약 3배크기 구경의 석영 도가니가 필요하게 된다.
그런데, 전술한 회전 몰드법에 의해 석영 도가니를 제조하는 경우, 석영 도가니의 상부에는 외경이 작고, 두께가 얇은 부분(이하, 소경 박육 부분(thin-walled portion)이라고 함)이 생기기 때문에, 이 소경 박육 부분은 절단 제거할 필요가 있다.
그 이유는, 석영 도가니에 Si를 충전하여 녹여서 Si 단결정을 인상하는 공정에서, 고온으로 가열하지만, 고온이 되면 석영의 점도가 작아져, 석영 도가니가 변형되기 쉬워지기 때문이다. 특히, 석영 도가니 상부가 소경 박육인 경우, 석영 도가니 상부가 내측으로 쓰러지기 쉬워, 용이하게 변형되어 버린다.
이러한 소경 박육 부분이 발생하는 원인은, 몰드 개구부는 열이 달아나기 쉬워, 아크 가열에 의해서도 석영분이 녹기 어렵기 때문에, 석영 도가니의 상부 외경이 작아져, 두께가 얇아지기 때문이다. 이러한 소경 박육 부분의 발생은, 제조상, 부득이한 것으로 여겨진다.
또한, 상기한 소경 박육 부분의 도가니 내측으로의 무너짐을 방지하는 기술로서, 특허문헌 1에, 도가니의 상부영역 내에, 바람직하게는 카본질(carboneous)로 이루어지는 링 형상 부재를 매설한 실리카 유리 도가니가 제안되어 있다. 이 실리카 유리 도가니의 개발에 의해, 소경 박육 부분의 도가니 내측으로의 무너짐은 경감되었다고는 해도, 이 기술로는, 역시 소경 박육 부분의 발생을 완전히 방지할 수는 없다. 따라서, 이 실리카 유리 도가니를 이용해도 여전히, 인상법에 의해 건전한 실리콘 단결정 잉곳을 제조하는 것은 어려웠다.
그 때문에, 회전 몰드법에 의해 석영 도가니를 제조할 경우에는, 이러한 소경 박육 부분의 발생을 예측하여, 도가니 높이가 제품 사양 높이보다도 소경 박육 부분의 분만큼 높은 석영 도가니를 제조하여, 소경 박육 부분에 대해서는 절단 제거하여 제품으로 하고 있었다. 또한, 동일한 몰드에서 높이가 다른 석영 도가니를 제조할 때가 있다. 높이가 높은 석영 도가니를 제조할 때는 문제가 없지만, 높이가 낮은 석영 도가니를 제조할 때에는 절단 제거하는 부분이 많아져 버린다. 이를 해결하려면, 높이가 낮은 제품 전용의 몰드를 준비하면 되지만, 석영 도가니의 제조수가 적을 때 등은, 신규 몰드 제작 비용이나 관리가 번잡해져 버리는 불리함이 있다.
일본공개특허공보 2006-96616호
전술한 대로, 회전 몰드법에 의해 석영 도가니를 제조하는 경우에는, 소경 박육 부분의 발생을 피할 수 없기 때문에, 도가니 높이가 제품 사양 높이보다도 소경 박육 부분의 분만큼 높은 석영 도가니를 제조하여, 소경 박육 부분에 대해서는 절단 제거한 후, 통상의 공정을 거쳐 제품(석영 도가니)으로 하고 있었다.
그러나, 전술한 대로, 최근에는, 실리콘 단결정 잉곳의 대구경에 수반하여, 석영 도가니도 대구경의 것이 필요하게 되었지만, 도가니를 대구경화한 경우, 그에 수반하여 소경 박육화에 의해 절단 제거를 부득이하게 하게 되는 부분도 증대되기 때문에, 원료 비용 나아가서는 제품 비용면에서 중대한 문제가 되고 있다.
예를 들면, 외경이 약 457mm(18 인치)이고 두께가 8mm인 도가니를 제조하는 경우, 절단 제거 높이 10mm당, 절대량으로 약 0.3㎏의 석영분이 여분으로 사용되게 된다.
이에 대하여, 외경이 약 813mm(32 인치)가 되는 대구경의 석영 도가니를 제조하려고 하는 경우, 두께는 대략 15mm로 증대되고, 절단 제거 높이 10mm당, 절대량으로 약 1.0㎏이나 석영분이 여분으로 사용되게 된다.
따라서, 대구경의 석영 도가니를 제조하는 경우, 소구경의 석영 도가니를 제조하는 경우에 비하면, 도가니 1개의 절단 제거 높이당 제조에 사용되는 헛되이 쓰이는 석영분량은 3∼4배나 불어난다.
본 발명은, 상기의 현상을 감안하여 개발된 것으로, 석영 도가니 상부의 소경 박육화에 의해 절단 제거를 부득이하게 하게 되는 부분을 감소하여, 원료 비용을 효과적으로 저감할 수 있는 석영 도가니 제조용 몰드를 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 요지 구성은 다음과 같다.
1. 회전하고 있는 몰드 내벽에 석영분을 붙인 상태에서 가열 용융하여 석영 도가니를 제조할 때에 이용하는 몰드로서, 석영 도가니의 상부 영역(소경 박육 부분에 상당)에 대응하는 몰드의 상부 개구부의 내측을 연삭하여 단차(段差)를 형성하고, 이 단차부에, 내경이 몰드 내경보다도 작은 링 형상의 단열성 배리어재를, 내경이 당해 단열성 배리어재와 동일하거나 또는 약간 큰 중공(hollow) 원판 형상의 지지 부재를 개재하여 설치한 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
2. 상기 1에 있어서, 상기 배리어재가 석영으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
3. 상기 1에 있어서, 상기 지지 부재가, 카본 또는 카본과 세라믹의 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
4. 상기 1에 있어서, 다음 식
t1=(몰드 내경-배리어재 내경)/2
으로 표현되는 링 형상 배리어재 내면의 몰드 내주벽으로부터의 돌출 두께(t1)가, 석영분의 붙임 두께(t2)의 20∼80%인 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
5. 상기 1에 있어서, 상기 배리어재 내면의 표면 거칠기가 산술 평균 거칠기(Ra)로 6.3∼25㎛인 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
6. 상기 1에 있어서, 상기 지지 부재가, 일체형 또는 분할형인 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
7. 상기 1에 있어서, 상기 몰드의 상기 단차부가 상기 석영 도가니의 상부 영역에 대응하는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
8. 상기 1에 있어서, 상기 몰드가 회전 몰드법에 이용되는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
본 발명에 의하면, 종래에 비하여, 소경 박육화에 의해 절단 제거되는 부분을 감소시킬 수 있어, 그 결과 원료 비용 나아가서는 제품 비용을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 배리어재의 외경이 몰드 내경보다도 작아도 지지 부재에 올려서 사용할 수 있기 때문에 두께가 두꺼운 배리어재를 준비하지 않아도 된다. 이와 같이, 배리어재로서 여러 가지 내경의 것을 사용할 수 있기 때문에 배리어재 내경의 자유도가 크다.
또한, 몰드와 배리어재 및 지지 부재의 분리를 간편하게 할 수 있기 때문에, 몰드로부터의 석영 도가니의 취출이 용이해진다는 이점도 있다. 또한, 분할형의 지지 부재로 함으로써, 지지 부재의 떼어냄을 간편하게 할 수 있다.
도 1은 회전 몰드법에 의한 석영 도가니의 제조 요령을 나타내는 단면도이다.
도 2는 일반적인 몰드를 이용하여 제조된 석영 도가니의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따르는 몰드의 설명도이며, (a)는 몰드의 분해도, (b)는 배리어재와 지지 부재를 설치한 상태를 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 1에 회전 몰드법에 의한 석영 도가니의 일반적인 제조 요령을 모식적으로(schematically) 나타낸다. 도면 중, 부호(1)는 몰드, 부호(2)는 통기 배관, 부호(3)는 아크 전극, 그리고 부호(4)가 몰드의 내벽에 붙여진 석영분이다. 또한, 몰드(1)는, 도시한 바와 같이, 원통 형상의 직동부(linear body portion;A)와 절구 형상의 저부(bottom portion;B)와 이들을 연접하는 코너부(C)로 이루어져 있다.
회전 몰드법에서는, 회전하는 몰드(1)의 내벽에 붙여진 석영분(4)을 아크에 의해 가열 용융하여 유리화하여, 도가니의 형상으로 성형할 수 있다.
도 2에 종래의 일반적인 몰드를 이용하여 석영 유리 도가니를 제조했을 때의 도가니(5)의 단면 형상을 나타낸다.
동 도면에 나타낸 바와 같이, 석영 유리 도가니(5)의 상부 외경은 작아지고, 또한 두께도 얇아져, 소경 박육 부분(6)이 발생한다.
그래서, 본 발명에서는, 도 3에 나타내는 바와 같은 구조가 되는 몰드를 이용하여, 상기의 문제의 해결을 도모하는 것이다.
본 발명은, 석영 도가니의 제조를 할 때에, 불가피적으로 도가니의 상부 외경이 작아져 두께가 얇아진다고 하면, 그 부분에 배리어재를 사용함으로써, 몰드 형상을 미리 도가니의 상부 형상에 대응하는 형상으로 함으로써, 헛되이 사용되는 석영분의 양을 감소시키는 것이 가능해지고, 또한 지지 부재를 개재시킴으로써, 배리어재의 외경이 몰드 내경보다도 작아도 사용할 수 있기 때문에, 두께가 두꺼운 배리어재를 필요로 하지 않는다는 기술 사상에 입각하고 있다.
또한, 본 발명은, 배리어재를 교체 가능한 구조로 하면, 배리어 내경의 자유도가 커짐과 함께, 몰드로부터의 석영 도가니의 취출이 용이해지고, 특히 지지 부재를 분할형으로 함으로써 석영 도가니의 취출이 더욱 용이해진다는 기술 사상에 입각하고 있다.
도 3에 있어서, 주요 구성은 도 1에 나타낸 종래의 몰드와 공통하기 때문에 동일한 부호를 붙여 나타내며, 부호(7)가 배리어재, 부호(8)가 지지 부재이다.
도 3(a)에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는, 몰드(1)의 상부 개구부의 내측을 연삭하여 단차를 형성한다. 그리고, 이 단차부(9)의 저면(9-1)에, 우선 내경이 배리어재(7)와 동일하거나 또는 약간 큰 중공 원판 형상의 지지 부재(8)를 설치한다. 이 지지 부재(8)는, 일체형 또는 분할형의 어느 쪽이라도 좋다. 또한, 지지 부재를 분할형으로 하는 경우에는, 2분할 내지 3분할 정도로 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 이 지지 부재(8)의 위에, 내경이 몰드(1)의 내경보다도 작은 링 형상의 배리어재(7)를 설치하는 것이다.
지지 부재(8)의 설치를 할 때에는, 단차부(9)에 긴밀하게 삽입하는 것이 바람직하지만, 배리어재(7)에 대해서는 그 외경을 단차부(9)의 측면(9-2)의 내경보다도 약간 작게 하여 탈착을 용이하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 배리어재(7)를 상기와 같이 설치한 경우에는, 단차부(9)에서 배리어재(7)의 외주와 단차부(9)의 측면(9-2)의 사이에 간극(gap)이 발생하기 때문에, 배리어재(7)의 위치 변동을 방지하기 위해서, 상기 간극에 구속 부재(10)를 배치하는 것이 바람직하다.
구속 부재(10)로서는, 그 형상이나 크기에 특별히 제한은 없지만, 배리어재(7)의 위치 변동을 확실하게 방지할 수 있고, 그리고 떼어냄도 용이한 것으로 하는 것이 바람직하다. 도 3(b)에서는, 이러한 구속 부재(10)로서, 배리어재(7)의 외주와 단차부(9)의 측면(9-2)의 간극에 끼워맞추는 구형(球刑)의 부재를 4개 배치한 경우를 나타내고 있다. 또한, 구속 부재(10)로서는, 그 외에도 타원형이나 원기둥형의 부재가 유리하게 적합하다.
본 발명에 있어서, 배리어재는, 그 내경이 몰드 내경보다도 작은 링 형상으로 한다.
여기에서, 배리어재(7)의 개구부의 내주벽으로부터의 돌출 두께(t1)는, 석영분의 붙임 두께(t2)의 20∼80%로 하는 것이 바람직하다.
그 이유는, 붙임 두께(t2)에 대한 돌출 두께(t1)의 비율이 20% 미만에서는, 석영분의 삭감 효과 나아가서는 비용 다운 효과가 작고, 한편 80%를 넘으면 배리어재가 열에 의해 변형될 우려가 발생하기 때문이다.
또한, 배리어재(7)의 높이(H)는, 소경 박육 부분의 높이와 동등한 높이로 하면 좋다. 덧붙여서 말하면, 외경: 약 813mm(32 인치), 두께: 15mm의 도가니를 제조하는 경우에 발생하는 소경 박육 부분의 높이는 30∼100mm 정도이다.
한편, 배리어재(7)의 두께에 대해서는, 7∼15mm 정도로 하면 좋다.
또한, 본 발명에 있어서, 배리어재 내면의 표면 거칠기는, 산술 평균 거칠기(Ra)로 6.3∼25㎛의 범위로 하는 것이 바람직하다.
그 이유는, 배리어재 내면의 거칠기가 Ra로 6.3㎛보다 작으면 석영분의 부착시나 가열 용융시에 석영분이 움직이기 쉬워, 도가니 정밀도의 열화를 초래하고, 한편 25㎛를 넘으면 배리어재의 표면으로부터 입자가 떨어져 석영 도가니의 불순물이 되기 때문이다.
한편, 지지 부재의 내경은, 배리어재와 동일하거나 또는 약간 크게 설정한다. 양자의 내경차는 2mm 이내로 하는 것이 매우 적합하다. 지지 부재의 내경이 너무 작으면, 석영 도가니의 취출시에 배리어재와 석영 도가니의 분리는 용이해지지만, 지지 부재의 아크에 의한 열화, 소모가 커진다. 한편, 지지 부재의 내경이 너무 크면, 지지 부재의 아크에 의한 열화, 소모는 없어지지만, 배리어재와 석영 도가니의 분리가 곤란해진다.
또한, 지지 부재의 두께는 2∼10mm 정도로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 3∼5mm 정도이다. 지지 부재의 두께가 너무 얇으면, 배리어재를 충분히 지지할 수 없고, 한편 지지 부재의 두께가 너무 두꺼우면, 중량이 무거워지고, 그리고 고가가 된다.
본 발명에 있어서, 배리어재로서는, 단열성·내열성이 우수하고, 열팽창이나 시간 경과에 따른 변화가 작은 것이 바람직하며, 대표적인 재료로서는, 이하의 것이 예시된다.
(1) 석영(열전도율: 5∼10W/mK, 열팽창 계수: 약 5.6×10-7/℃)
(2) 카본(열전도율: 약 140W/mK, 열팽창 계수: 약 5×10-6/℃)
또한, 본 발명에 있어서, 지지 부재로서는, 융점이 높고, 내열성이 우수한 것이 바람직하며, 대표적인 재료로서는, 이하의 것이 예시된다.
(1) 카본
(2) 카본(탄소)과 세라믹(탄화 규소나 탄화 붕소)의 복합재
(3) 초내열 합금(Fe기 합금, Ni기 합금, Co기 합금 등)
(4) 고융점 금속 및 그 합금(Cr, Nb, Mo, Ta, W, 인코넬(Inconel) 등)
(실시예 1)
도 1에 나타낸 종래의 구조의 몰드를 이용하여 석영 도가니를 제조하는 경우, 도가니 상부의 절단부에 사용되는 석영분의 중량은 다음 식으로 나타난다.
석영분의 사용 중량={(몰드 내반경)2-(몰드 내반경-붙임 두께)2}×3.14×절단 높이×석영분의 부피 비중(B값)
이에 대하여, 도 3에 나타낸 본 발명에 따르는 구조의 몰드를 이용하여 석영 도가니를 제조하는 경우에는, 다음 식에서 나타내는 양만큼 석영분의 사용량을 삭감할 수 있다.
석영분의 삭감량={(배리어재의 내반경+돌출 두께)2-(배리어재의 내반경)2}×3.14×(배리어재 높이+지지 부재 두께)×석영분의 부피 비중(A값)
또한, 배리어재의 내경은, 지지 부재의 내경과 근사하다.
따라서, 본 발명에 의하면, 다음 식
(A/B)×100(%)
로 나타나는 분만큼, 여분으로 사용되고 있었던 석영분의 양을 종래보다도 삭감할 수 있다.
실제, 도 3에 나타낸 본 발명에 따르는 구조의 몰드를 이용하여, 외경이 458mm, 두께가 8mm인 18인치 석영 도가니를 제조한 결과, B값=1.9㎏이었던 것에 대하여, A값=0.8㎏이 되어, 여분으로 사용되고 있었던 석영분의 양을, 종래에 비하여 약 42%, 절대량으로 절단 제거 높이 10mm당 약 0.13㎏이나 삭감 할 수 있었다(단, 도가니 상부의 절단 높이: 60mm, 배리어재의 내경: 448mm, 배리어재의 높이(H): 45mm, 지지 부재 두께: 5mm, 배리어재의 돌출 두께(t1): 9mm, 석영분의 붙임 두께(t2): 18mm, 석영분 부피 비중: 1.23으로 했다).
(실시예 2)
또한, 실시예 1과 동일하게, 도 3에 나타낸 몰드를 이용하여, 외경이 810mm, 두께가 15mm인 32인치 석영 도가니를 제조한 결과, B값=14.5㎏이었던 것에 대하여, A값=6.5㎏이 되어, 여분으로 사용되고 있었던 석영분의 양을, 종래에 비하여 약 45%, 절대량으로 절단 제거 높이 10mm당 약 0.54㎏이나 삭감할 수 있었다(단, 도가니 상부의 절단 높이: 120mm, 배리어재의 내경: 780mm, 배리어재의 높이(H): 100mm, 지지 부재 두께: 5mm, 배리어재의 돌출 두께(t1): 20mm, 석영분의 붙임 두께(t2): 40mm, 석영분 부피 비중: 1.23으로 했다).
이와 같이, 본 발명은, 구경이 큰 석영 도가니의 제조에 적용한 경우에, 보다 큰 석영분 삭감 효과를 얻을 수 있다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 : 몰드
2 : 통기 배관
3 : 아크 전극
4 : 석영분
5 : 도가니
6 : 소경 박육 부분
7 : 배리어재
8 : 지지 부재
9 : 단차부
10 : 구속 부재

Claims (8)

  1. 석영 도가니를 제조할 때에 이용하는 몰드로서, 몰드의 상부 개구부의 내측에 단차부를 갖고, 이 단차부에, 내경이 단열성 배리어재와 동일하거나 또는 큰 중공(hollow) 원판 형상의 지지 부재를 개재하고, 내경이 몰드 내경보다도 작은 링 형상의 단열성 배리어재를 설치한 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배리어재가 석영으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지 부재가 카본 또는 카본과 세라믹의 복합체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  4. 제1항에 있어서,
    다음 식
    t1=(몰드 내경-배리어재 내경)/2
    으로 표현되는 링 형상 배리어재 내면의 몰드 내주벽으로부터의 돌출 두께(t1)가, 석영분의 붙임 두께(t2)의 20∼80%인 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배리어재 내면의 표면 거칠기가 산술 평균 거칠기(Ra)로 6.3∼25㎛인 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 지지 부재가 일체형 또는 분할형인 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 몰드의 상기 단차부가 상기 석영 도가니의 상부 영역에 대응하는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 몰드가 회전 몰드법에 이용되는 것을 특징으로 하는 석영 도가니 제조용 몰드.
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