KR20120116133A - 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치 - Google Patents

실리콘 단결정 잉곳의 제조장치 Download PDF

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Abstract

실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘이 수용되는 도가니; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘을 가열하는 가열부; 상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 실리콘으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 향하는 상기 가열부의 열을 차폐하는 상방 단열부; 및 상기 가열부의 외곽에 배치되는 반사부를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치를 제공한다.

Description

실리콘 단결정 잉곳의 제조장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT}
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼는 원료물질을 다결정 실리콘으로 형성시킨 후, 쵸크랄스키(Czochralski)법 등으로 단결정 잉곳(Ingot)으로 결정 성장시킨다. 그리고, 성장된 실리콘 단결정 잉곳은 슬라이싱(Slicing), 래핑(Lapping), 폴리싱(Polishing), 클리닝(Cleaning) 등의 가공 공정을 거쳐서 실리콘 단결정 웨이퍼가 되어 반도체 디바이스 기판으로 사용하게 된다.
상술한 공정 중 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치는, 내부에 실리콘 단결정 잉곳의 생성을 위한 공간이 형성되는 챔버와, 실리콘 단결정 잉곳의 생성을 위한 기본 재료가 되는 실리콘 용융액이 수용되기 위하여 상기 챔버 내부에 구비되는 도가니를 포함한다.
그리고, 상기 도가니의 측방에는 상기 도가니를 가열하기 위한 가열부가 구비되고, 상기 도가니의 상방에는 상기 실리콘 용융액으로부터 생성된 상기 실리콘 단결정 잉곳을 향한 상기 가열부의 열을 차단하기 위한 단열부가 구비될 수 있다.
상기 단열부는 상기 단결정 잉곳의 상승에 지장이 없는 정도까지 연장되고, 상기 단열부의 중심에는 상기 단결정 잉곳이 상승할 때 관통하기 위한 개구부가 형성된다.
상술한 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치에서, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 원재료가 상기 도가니에 수용되고, 상기 가열부가 작동하여 상기 도가니 및 실리콘을 가열하여 상기 도가니 내부의 실리콘 재료가 용융된다.
여기서, 상술한 실리콘 원재료의 멜팅(melting) 과정에서, 상기 단열부의 내측에 해당하는 상기 도가니의 상방은 개방되어 개구부가 형성되고, 상기 가열부의 열이 상기 개구부를 통하여 상방으로 확산된다. 이때, 상기 가열부의 열이 도가니 방향 외에 다른 방향으로 확산되어 멜팅 과정을 수행하는 데 걸리는 시간이 길어질 수 있다.
실시예는 실리콘 태양 전지용 실리콘 결정 성장이나 반도체용 실리콘 결정성장에서, 실리콘 잉곳의 제조장치 내에서의 열효율을 개선하고자 한다.
실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘이 수용되는 도가니; 상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘을 가열하는 가열부; 상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 실리콘으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 향하는 상기 가열부의 열을 차폐하는 상방 단열부; 및 상기 가열부의 외곽에 배치되는 반사부를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치를 제공한다.
상기 반사부는 열흡수율이 0.4 이하일 수 있다.
상기 반사부는 텅스텐 또는 몰리브덴을 포함할 수 있다.
상기 반사부는 복수 개의 반사층을 포함할 수 있다.
상기 반사부는 상기 가열부를 감싸고 구비될 수 있다.
상기 반사부는 상기 가열부의 상부에 배치되는 제1 반사판과, 상기 가열부의 바깥쪽에 배치되는 제2 반사판과, 상기 가열부의 하부에 배치되는 제3 반사판을 포함할 수 있다.
상기 제2 반사판은 상기 가열부와 나란하게 배치될 수 있다.
상기 제3 반사판은 상기 가열부와 둔각을 이루며 기울어질 수 있다.
실시예는 실리콘 태양 전지용 실리콘 결정 성장이나 반도체용 실리콘 결정성장에서, 실리콘 잉곳의 제조장치 내에서의 열효율을 개선하고자 한다.
도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 'A' 부분을 상세히 나타낸 도면이고,
도 3은 단열 부재가 없는 경우의 열 손실을 나타낸 도면이고,
도 4는 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치 내의 열 분포를 나타낸 도면이고,
도 5a 내지 도 5c는 실시예들에 따른 단결정 잉곳의 제조장치 내의 열 분포를 나타낸 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
상기의 실시예들의 설명에 있어서, 각 층(면), 영역, 패턴 또는 구조물들이 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 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 1은 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 일실시예를 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 1을 참조하여 실리콘 단결절 잉곳의 제조장치의 일실시예를 설명한다.
실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치(100)는, 내부에 실리콘(Si) 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳(45)이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(1)와, 상기 실리콘 용융액이 수용되는 도가니(10)와, 상기 도가니(10)를 가열하는 가열부(20)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)을 향한 상기 가열부(20)의 열을 차단하고 상기 도가니(10)의 상방에 위치되는 상방 단열부(32)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)의 성장을 위한 시드(43)를 고정하는 시드척(41)과, 상기 가열부의 외곽에 배치되는 반사부(80)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치(100)는, 상기 도가니(10)를 지지하고 회전 및 상승시키는 지지수단(50)과, 상기 챔버(1)의 내벽을 향한 상기 가열부(20)의 열을 차단하는 측방 단열부(31)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)의 상태를 감지하는 감지부(미도시)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)을 냉각하는 냉각관(70)을 더 포함한다.
상기 챔버(1)는 원통 형상일 수 있고, 상기 챔버(1)의 중앙 영역에 상기 도가니(10)가 위치된다. 상기 도가니(10)는, 상기 실리콘 용융액이 수용될 수 있도록 전체적으로 오목한 그릇의 형상이다. 그리고, 상기 도가니(10)는, 상기 실리콘 용융액(100)과 직접 접촉되는 석영 도가니(11)와, 상기 석영 도가니(11)의 외면을 둘러싸면서 상기 석영 도가니(11)를 지지하는 흑연 도가니(12)로 이루어질 수 있다.
상기 도가니(10)의 측면에는 상기 도가니(10)를 향하여 열을 방출하기 위한 가열부(20)가 위치하고, 상기 측방 단열부(31)는 상기 가열부(20)와 상기 챔버(1)의 내벽 사이에 구비된다. 그리고, 상기 측방 단열부(31)와 상기 가열부(20)의 사이에는 후술하는 바와 같이 반사부(80)가 구비될 수 있다.
그리고, 상기 상방 단열부(32)는, 상기 챔버(1)의 내벽으로부터 상기 실리콘 용융액과 상기 실리콘 용융액으로부터 성장된 단결정 잉곳(45)의 경계면을 향하여 연장된다. 여기서, 상기 상방 단열부(32)의 단부와 상기 경계면 사이를 통하여 아르곤 등의 가스가 유동할 수 있도록, 상기 상방 단열부(32)의 단부가 상기 경계면과 이격되는 범위 내에서 연장될 수 있다.
상기 상방 단열부(32)는 상기 챔버(1)의 내부 공간을, 상기 실리콘 용융액이 가열되고 상기 실리콘 용융액으로부터 단결정 잉곳(45)이 성장되는 가열 챔버(13)와, 상기 단결정 잉곳(45)이 냉각되는 냉각 챔버(14)로 구획하고 있다.
그리고, 실리콘 단결정 잉콧(45)의 이동 수단(미도시)은 시드(43)를 이동시킬 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 이동 수단은 시드척(41)에 연결되는 시드 케이블(42)과, 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)을 상승시키기 위한 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함한다. 상기 구동모터에 의하여 상기 시드 케이블(42)을 상승시키고, 시드척(41)과 시드(43)를 이동시킬 수 있다.
상기 지지수단(50)은, 상기 도가니(10)를 지지하는 지지부와, 상기 도가니(10)를 회전 및 승강시키는 동력을 제공하는 구동모터(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 지지부는 상기 도가니(10)의 하방에서 상기 도가니(10)의 저면을 지지하고, 상기 구동모터는 상기 지지부를 회전 및 승강/하강시킴으로써 상기 도가니(10)가 회전 및 승강/하강되도록 할 수 있다.
그리고, 상기 냉각관(70)은 전체적으로 상하 방향으로 긴 중공형의 원통 형상이고, 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)의 상방에 해당하는 상기 챔버(1)의 상부에 고정될 수 있다.
상기 냉각관(70)의 내부에는, 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)의 냉각을 위한 물이 유동하기 위한 유로가 형성될 수 있다. 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)의 쿨링(cooling) 과정이 수행되는 동안, 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)은 상기 냉각관(70)의 내측에 위치되고 상기 냉각관(70)을 통하여 물이 유동하는 방식으로 상기 실리콘 단결정 잉곳(45)이 냉각될 수 있다.
도 2는 도 1의 'A' 부분을 상세히 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 2를 참조하여 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치(100) 내의 반사부(80)를 상세히 설명한다.
반사부(80)는 가열부(20)의 외곽에 배치된다. 도 2의 단면도에서 도가니(10)의 양측면에 반사부(80)가 배치되어 있으나, 실제로 그릇 형상의 도가니(10)를 둘러싸고 있으므로 속이 빈 원통 형상과 유사하다.
실리콘의 용융 공정에서 가열부(20)로부터 지속적으로 도가니(10) 방향으로 열이 가해지며, 열 중 일부가 도가니(10)의 외부로 방출될 수 있다. 즉, 도 2에서 가열부(20)로부터 방출되는 열의 온도 구배는 도가니(10)를 향하나, 다른 부분으로도 열이 공급될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이 가열부(20)로부터 공급되는 열은 모두 도가니(10)를 가열하는데 사용되지 못하고, 챔버(1)의 측면 방향으로 약 10%, 챔버(1)의 하부 방향으로 약 20%, 지지수단(50) 방향으로 약 10%, 상방 단열부(32) 방향으로 약 15%, 실리콘 단결정 잉곳(45) 방향으로 약 5%, 그리고 도가니(10) 상부의 오픈 영역으로 약 15%가 방출될 수 있다.
특히, 도가니(10)의 외부를 흑연(graphite) 도가니(12)로 이루어질 수 있고, 측방 단열부(31) 역시 흑연으로 이루어질 수 있다. 즉, 공정에서 가열부(20)로부터 발생한 열이 외부로 빠져나가지 않도록, 가열부(20)가 흑연으로 둘러싸이고 있다.
이러한 흑연 도가니(12)와 측방 단열부(31)는, 열을 차단하고 오염을 방지하는 역할을 한다. 흑연(graphite)의 복사율(emissivity)은 0.82로 흑체에 가까운 재질이므로 열흡수율이 높다. 따라서, 가열부(20)로부터 방출된 열의 일부가 흑연으로 흡수되며, 높은 열전도도를 가지는 흑연의 특성으로 인해 외부로 열 손실이 증가할 수 있다.
본 실시예에서는 가열부(20)의 둘레에 반사부(80)를 배치하여, 외부로의 열 유출을 막고 있다. 상기 반사부(80)는 외부로의 열방출을 방지하고 도가니(10) 방향으로 열을 반사할 수 있어야 하며, 열흡수율이 0.4 이하의 물질로 이루어질 수 있으며, 일 예로써 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo)으로 이루어질 수 있다.
그리고, 반사부(80)는 상기 가열부(20)의 상부에 배치되는 제1 반사판(81)과, 상기 가열부(20)의 바깥쪽에 배치되는 제2 반사판(82)과, 상기 가열부(20)의 하부에 배치되는 제3 반사판(83)로 이루어질 수 있다.
즉, 가열부(20)로부터 방출되는 열이 외부로 방출되지 않도록 효과적으로 반사하기 위하여, 제1 내지 제3 반사판(81, 82, 83)이 상기 가열부(20)를 감싸는 구조로 이루어질 수 있다.
이러한 작용을 위하여, 제1 반사판(81)은 상기 가열부(20)에서 윗 방향으로 방출되는 빛을 반사하고, 제2 반사판(82)은 상기 가열부(20)의 외부로 방출되는 빛을 반사하다.
그리고, 상기 제3 반사판(83)은 상기 가열부(20)와 둔각을 이루며 기울어질 수 있다. 즉, 도가니(10)의 구조를 고려하면, 상기 제3 반사판(83)은 도시된 바와 같이 가열부(20)와 90~180도의 각도를 이룰 수 있다.
그리고, 상기 반사부(80)는 복수 개의 반사층(reflective layer)로 이루어질 수 있다. 즉, 하나의 층보다 복수 개의 층으로 이루어지면, 열반사 효과를 극대화시킬 수 있다.
도 4는 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치 내의 열 분포를 나타낸 도면이고, 도 5a 내지 도 5c는 실시예들에 따른 단결정 잉곳의 제조장치 내의 열 분포를 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이 4에서 종래의 반사부가 구비되지 않은 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치에 비하여, 상술한 반사부가 구비된 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 소비전력을 줄일 수 있다. 특히, 도 5a, 5b 및 5c는 각각 반사부를 몰리브덴(emissivity 0.3)으로 각각 1장, 2장 및 3장으로 증가시킬 때의 소비전력 감소를 나타내고 있다.
반사부를 3장까지 증가시킬대 소비전력이 약 4.1KW 감소되었으며, 복사율(emissivity)이 더 낮은 반사부를 사용하거나, 반사부를 여러 장 사용할 때 더 클 수 있다.
상술한 반사부의 사용으로 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치의 소비전력의 절감 외에, 실리콘 단결정 잉곳의 산소농도 감소와 석영 도가니의 열화 방지를 기대할 수 있다. 특히, 태양 전지용 실리콘 잉곳에서 산소농도의 감소와 대구경의 결정 성장 시의 수율 향상과 핫 존(Hot-zone)의 라이프 타임 증가로 비용절감 및 생산성 향상에 큰 효과를 줄 수 있다.
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.
1 : 챔버 10 : 도가니
11 : 석영 도가니 12 : 흑연 도가니
13 : 가열 챔버 14 : 냉각 챔버
20 : 가열부 31 : 측방 단열부
32 : 상방 단열부 41 : 시드척
42 : 시드 케이블 43 : 시드
45 : 실리콘 단결정 잉곳 50 : 지지 수단
70 : 냉각관 80 : 반사부
81, 82, 83 : 제1,2,3 반사판
100 : 실리콘 단결정 잉곳 제조장치

Claims (8)

  1. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 실리콘이 수용되는 도가니;
    상기 챔버의 내부에 구비되고, 상기 실리콘을 가열하는 가열부;
    상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 실리콘으로부터 성장되는 단결정 잉곳을 향하는 상기 가열부의 열을 차폐하는 상방 단열부; 및
    상기 가열부의 외곽에 배치되는 반사부를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사부는,
    열흡수율이 0.4 이하인 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반사부는,
    텅스텐 또는 몰리브덴을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 반사부는,
    복수 개의 반사층을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  5. 제 1 항에 있어서,상기 반사부는,
    상기 가열부를 감싸고 구비되는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 반사부는,
    상기 가열부의 상부에 배치되는 제1 반사판과, 상기 가열부의 바깥쪽에 배치되는 제2 반사판과, 상기 가열부의 하부에 배치되는 제3 반사판을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 반사판은 상기 가열부와 나란한 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제3 반사판은 상기 가열부와 둔각을 이루며 기울어진 실리콘 단결정 잉곳의 제조장치.
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