KR20120050672A - 잉곳 성장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장장치는 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니; 상기 석영 도가니를 둘러싸서 지지하는 도가니 지지대; 상기 도가니 지지대의 바깥에 배치되어 상기 석영 도가니를 가열하는 히터(Heater); 및 상기 석영 도가니, 상기 도가니 지지대 및 상기 히터를 수용하는 챔버;를 포함하며, 상기 석영 도가니는 상부의 직경이 하부의 직경보다 크게 형성된다.

Description

잉곳 성장장치{Ingot grower}
본 발명은 잉곳(Ingot) 성장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 잉곳의 제조를 위한 장시간의 고온 성장(Growing) 공정에서도 석영 도가니가 물리적으로 변형되지 않도록 석영 도가니를 보호하는 구조를 가진 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 잉곳 성장법에서는 석영 도가니에 수용된 실리콘 멜트(Melt)에 시드(Seed)를 담근 후 시드 케이블을 회전시키면서 상부로 서서히 인상함으로써 고액계면을 통해 결정 잉곳을 성장시킨다.
도 1 및 도 2에는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하기 위한 일반적인 잉곳 성장장치의 주요 구성과 동작이 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 잉곳 성장장치는 멜팅(Melting) 공정 이후 내부공간에 실리콘 멜트(SM)가 담기는 석영 도가니(10)와, 석영 도가니(10)를 둘러싸서 지지하는 흑연 도가니(11)와, 흑연 도가니(11)의 바깥에 배치되어 석영 도가니(10)에 복사열을 제공하는 히터(12)와, 성장되는 결정 잉곳(1)과 석영 도가니(10) 사이에서 결정잉곳(1)을 에워싸도록 설치되어 실리콘 멜트(SM)로부터 상부로 방사되는 열흐름을 차단하는 열실드(13)와, 흑연 도가니(11)의 하부를 지지하는 서포터(Supporter) (14)를 포함한다.
잉곳 성장장치에 있어서 열실드(13)는 실리콘 멜트(SM)에서 방출되는 고온의 복사열이 본체 챔버(미도시)의 상부와 결정 잉곳(1) 쪽으로 전달되는 것을 방지하여 잉곳의 성장 속도를 높이는 작용을 하게 된다. 복사열을 효율적으로 차단하기 위해서는 열실드(13)의 하단 너비가 가능한 한 클 것이 요구된다. 이에 따라 석영 도가니(10)의 내경과 열실드(13)의 외경 간에는 매우 좁은 간격이 유지된다. 석영 도가니(10)의 내경과 열실드(13)의 외경 사이의 간격이 좁을수록 결정 성장 속도를 높여서 생산성을 향상시킬 수 있다.
멜팅 공정 전에 석영 도가니(10)는 그 내부에 다결정 실리콘이 담긴 상태로 잉곳 성장장치 내로 공급된다. 이때, 석영 도가니(10)의 이동 등 취급을 원활히 하기 위해 석영 도가니(10)의 상부에는 도가니 커버(미도시)가 장착되는 것이 바람직하다. 이를 위해 석영 도가니(10)의 상단은 흑연 도가니(11)의 상단에 비해 상대적으로 높은 구조로 제공되는 것이 일반적이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 인상 공정 시에는 서포터(14)가 구동되어 흑연 도가니(11)를 일정한 방향으로 회전시키면서 실리콘 멜트(SM)의 잔량과는 무관하게 고액계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 흑연 도가니(11)를 서서히 상승시키는 동작을 수행하게 된다. 이때, 석영 도가니(10)와 열실드(13)는 미세 간격을 두고 상하로 교차하게 되므로 상호 마찰을 피하기 위해서는 석영 도가니(10)의 형상 유지가 매우 중요하다.
한편, 최근에는 실리콘 단결정 성장을 위한 쵸크랄스키(Cz) 공정에서 생산성을 향상시키기 위해 300㎜ 직경 잉곳의 인출 시 실리콘 멜트를 400kg 이상으로 대용량화 하거나, 하나의 석영 도가니로 여러 개의 잉곳을 인출하는 멀티 풀링(Multi-Pulling) 등을 수행하는 방법이 사용되고 있는데, 이 경우 장시간의 공정에 의해 석영 도가니가 식각되거나 열화되어 단결정 수율을 저하시키는 문제가 발생하게 된다.
실리콘 단결정 성장 중에는 미세입자(Particle), 온도편차 등으로 단결정이 다결정으로 변하는 경우가 있는데, 이 경우에는 성장시켰던 단결정을 멜트 형태로 다시 녹이는 멜트 백(Melt Back) 공정을 실시하게 된다. 단일 풀링(Single Pulling) 공정에서 멜트 백 공정이 많아지게 되면 고온 공정 시간이 늘어나서 멜트를 담고 있는 석영 도가니의 손상(Damage)이 커지게 된다. 또한, 멀티 풀링 공정에서는 평균 160시간 이상동안 고온공정이 진행되고 여러 개의 잉곳을 인출함으로 인해 석영 도가니가 변형되는 문제가 발생할 수 있다.
특히, 다결정 실리콘을 고온에서 융해시키는 멜팅 공정(도 3 참조)이나 멜트 백 공정(도 4 참조)에서는 히터(12)에서 방출되는 고온의 복사열에 의해 석영 도가니(10)가 직접적으로 가열됨으로 인해 도 5에 도시된 바와 같이 석영 도가니(10)의 상부가 변형되는 현상(점선표시 참조)이 종종 발생한다.
이와 관련하여 도 6에는 석영 도가니(10)의 상부가 변형된 실제 모습이 나타나 있다. 석영 도가니(10)가 휘는 등 변형이 발생하게 되면 전술한 바와 같이 석영 도가니(10)와 열실드(13)가 상호 마찰될 뿐만 아니라 공정조건이 변하게 되어 공정 진행 자체가 불가능하므로 석영 도가니(10) 내에 있는 실리콘 멜트(SM)를 전부 버려야 한다. 이때, 실리콘 멜트(SM) 전체를 응고시켜서 성장장치 외부로 들어내는 것은 실리콘 고체의 부피 팽창으로 인해 석영 도가니(10)를 둘러싸고 있는 부품들이 파손되기 때문에 불가능하다. 따라서, 아주 작은 길이의 잉곳을 여러번 성장시켜서 조금씩 실리콘 멜트량을 줄인 후 석영 도가니(10)에 잔존하는 잔류 멜트를 응고시켜서 성장장치 외부로 들어내는 방법이 사용된다. 이러한 작업들은 공정시간이 많이 소요되고 경제적 손실이 매우 클 뿐만 아니라, 작업이 위험하여 안전사고의 발생 우려도 있다.
본 발명은 석영도가니가 공정 중 내측으로 휘는 현상을 최소화하여 공정 진행 불가 상황을 미연에 방지할 수 있는 잉곳 성장장치를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 석영도가니의 용적에 변화가 없도록 하여 공정 조건 변경이 발생하지 않도록 할 수 있는 잉곳 성장장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장장치는 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니; 상기 석영 도가니를 둘러싸서 지지하는 도가니 지지대; 상기 도가니 지지대의 바깥에 배치되어 상기 석영 도가니를 가열하는 히터(Heater); 및 상기 석영 도가니, 상기 도가니 지지대 및 상기 히터를 수용하는 챔버;를 포함하며, 상기 석영 도가니는 상부의 직경이 하부의 직경보다 크게 형성된다.
본 발명에 의하면 석영 도가니의 상부 외경을 하부 직경보다 크도록 하여 실리콘 융액에 의해 발생하는 석영도가니 벽면이 내측으로 휘는 현상을 최소화함으로써 석영 도가니 휨에 의해 열실드와 접촉되어 공정 진행이 불가로 손실 처리되는 사고를 미연에 방지 가능하다.
또한, 본 발명은 멜트라인(Melt Line) 윗부분이 외측으로 휘도록 디자인함으로써 석영 도가니의 형상 변경으로 유발되는 석영 도가니의 내부 용적의 변화와 이에 따른 공정 조건의 변경이 없도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명을 쵸크랄스키(Cz)법에 따른 잉곳 성장공정에 적용할 경우 단결정이나 다결정 수율을 향상시킬 수 있으며, 석영 도가니와 열실드 간의 마찰을 방지함으로써 안전사고를 예방할 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래기술에 따른 잉곳 성장장치의 구성 및 동작을 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4는 종래기술에 따른 멜팅 공정과 멜트 백 공정의 진행 시 잉곳 성장장치의 열 분포를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 도 3의 열 분포에 의해 석영 도가니의 상부에 발생한 변형을 도시한 단면도이다.
도 6은 종래기술에 따른 멜트 백 공정에 의해 발생한 석영 도가니 상부의 실제 변형을 도시한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장장치의 주요 구성을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉곳 성장장치의 주요 구성을 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 석영 도가니의 휘어짐을 도시한 단면도이다.
실시예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조층들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "위(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "위(on)"와 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 위 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 구성요소의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 잉곳 성장장치의 주요 구성을 도시한 단면도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 석영 도가니의 휘어짐을 도시한 단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉곳 성장장치는 석영 도가니(100)와, 석영 도가니(100)를 둘러싸도록 형성되는 도가니 지지대(101)와, 도가니 지지대(101)의 바깥에 배치되어 석영 도가니(100)를 가열하는 히터(103)와, 성장되는 결정 잉곳(1)과 석영 도가니(100) 사이에 배치되는 열 실드(104)와, 도가니 지지대(101)의 하부를 지지하는 서포터(105)를 포함한다. 비록 도면에는 미도시되었으나 상기 구성요소들은 잉곳 성장장치의 돔(Dome)형 챔버 내에 수용된다.
석영 도가니(100)의 내부공간에는 잉곳 원료로서 다결정 실리콘이 적재되고, 이 다결정 실리콘은 히터(103)의 복사열에 의해 용융되어 실리콘 멜트(SM)로 전환된다.
실리콘 단결정 잉곳의 제조 공정은 1400℃ 이상의 고온에서 진행된다. 따라서, 실리콘 융액을 담고 있는 석영 도가니(100)가 팽창하면서 모양이 변형될 수 있는데 도가니 지지대(101)는 상기 석영 도가니(100)를 둘러싸도록 형성되어, 상기 석영 도가니(100)의 변형을 방지한다.
상기 도가니 지지대(101)는 녹는점이 높은 흑연, 그래파이트(Graphite) 또는 CCM(Cabon Composite Material) 재질의 도가니를 사용할 수도 있다.
히터(103)는 도가니 지지대(101)의 측벽으로부터 소정 거리 이격되어 원통형으로 둘러싸도록 설치되어 석영 도가니(100)를 가열함으로써 도가니 내부에 복사열을 제공한다.
도시된 바와 같이, 상기 석영 도가니(100)는 상부의 직경이 하부의 직경보다 크게 형성되도록 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상부로 갈수록 석영 도가니(100)가 바깥쪽으로 휘어지면서 형성될 수 있다.
휘어짐이 시작되는 부분은 한정되지 않으나, 멜트 위치의 변경으로 인한 공정 조건의 변화를 방지하고자, 석영 도가니(100)의 내부 용적의 변화가 없도록 실리콘 융액의 상면인 멜트 라인(102) 지점에서부터 상부로 갈수록 외측으로 휘어지도록 형성하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 석영 도가니(100) 상부에서 1/2 내지 1/5 지점에서부터 상부로 갈수록 직경이 넓어지도록 형성될 수 있다.
상기 석영 도가니(100)는 상기 히터(103)와 이격되어 형성될 수 있다. 자세하게, 상기 석영 도가니(100)의 상부가 상기 히터(103)와 이격되어 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉곳 성장장치의 주요 구성을 도시한 단면도이다.
도 8을 참조하면, 상기 석영 도가니(100)를 둘러싸도록 형성되는 도가니 지지대(103)도 상기 석영 도가니(100)의 상부의 휘어짐에 대응하여 상부로 갈수록 직경이 증가하도록 형성될 수 있다. 도 7의 실시예와 비교하여, 상기 도가니 지지대(103)가 상부로 갈수록 직경이 증가하도록 형성되는 점에서 상이하다.
도 9를 참조하면, 상기 석영 도가니(100)의 상부와 하부의 직경차가 작으면 석영 도가니(100)의 벽면이 내측으로 휘는 현상을 방지하는 효과가 미비하므로, 상기 석영 도가니(100)의 상부와 하부의 반지름의 차이(h)가 1mm 이상 30mm이하의 범위로 형성될 수 있다.
그리고 상기 멜트 라인(102) 하부의 석영 도가니 측면과 상기 멜트 라인(102) 상부의 석영 도가니 측면이 형성하는 각도(θ)는 1°이상 5°이하의 범위로 형성할 수 있다.
또한, 상기 석영 도가니(100)는 일반적으로 히터(103)에 의해 열이 가해지면 상부로 갈수록 내측으로 휘어지는 정도가 증가하므로 멜트 라인(102)에서 상기 석영 도가니(102)의 상부로 향할수록 외측으로 휘어지는 정도가 증가하도록 형성될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 잉곳 성장장치는 멜팅 공정이나 멜트 백 공정을 수행하는 쵸크랄스키(Cz)법의 결정 성장공정에 적용된다. 결정 성장공정에서는 히터(103)로부터 제공되는 복사열에 의해 석영 도가니(100)가 가열된다.
석영 도가니(100)에 복사열이 가해지면 석영 도가니(100)에 적재된 다결정 실리콘 원료는 실리콘 멜트(SM)형태로 용융된다. 이후 실리콘 멜트(SM)에 결정 시드를 담근 상태에서 상기 시드를 회전시키면서 상부로 서서히 인상하여 고액계면을 통해 결정을 성장시키면 단결정이나 다결정 잉곳이 제조된다.
본 발명에 의하면 석영 도가니의 상부 외경을 하부 직경보다 크도록 하여 실리콘 융액에 의해 발생하는 석영도가니 벽면이 내측으로 휘는 현상을 최소화함으로써 석영 도가니 휨에 의해 열실드와 접촉되어 공정 진행이 불가로 손실 처리되는 사고를 미연에 방지 가능하다.
또한, 본 발명은 멜트라인(Melt Line) 윗부분이 외측으로 휘도록 디자인함으로써 석영 도가니의 형상 변경으로 유발되는 석영 도가니의 내부 용적의 변화와 이에 따른 공정 조건의 변경이 없도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명을 쵸크랄스키(Cz)법에 따른 잉곳 성장공정에 적용할 경우 단결정이나 다결정 수율을 향상시킬 수 있으며, 석영 도가니와 열실드 간의 마찰을 방지함으로써 안전사고를 예방할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니;
    상기 석영 도가니를 둘러싸서 지지하는 도가니 지지대;
    상기 도가니 지지대의 바깥에 배치되어 상기 석영 도가니를 가열하는 히터(Heater); 및
    상기 석영 도가니, 도가니 지지대 및 상기 히터를 수용하는 챔버;를 포함하며,
    상기 석영 도가니는 상부의 직경이 하부의 직경보다 큰 잉곳 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 멜트가 상기 석영 도가니와 접하는 멜트 라인 부분에서 상기 석영 도가니의 상부를 향해 직경이 넓어지는 잉곳 성장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 석영 도가니의 상부는 하부에 비해 1mm 이상 30mm이하의 범위로 반지름이 증가된 잉곳 성장장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 멜트 라인 하부의 석영 도가니 측면과 상기 멜트 라인 상부의 석영 도가니 측면이 형성하는 각도는 1°이상 5°이하의 범위로 형성되는 잉곳 성장장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 멜트 라인에서 상기 석영 도가니의 상부를 향할수록 휘어짐의 정도가 증가하는 잉곳 성장장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 석영도가니를 둘러싸도록 형성되는 도가니 지지대를 포함하고, 상기 도가니 지지대는 상부의 직경이 하부의 직경보다 큰 잉곳 성장장치.
  7. 제1항에 있어서,
    석영도가니 상부에서 1/2 내지 1/5 지점에서부터 상부로 갈수록 직경이 넓어지는 잉곳 성장장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 히터는 상기 석영도가니와 이격되어 형성되는 잉곳 성장장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108796602A (zh) * 2018-07-04 2018-11-13 江西中昱新材料科技有限公司 一种单晶炉用内导流筒

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