KR20130020162A - 관형 용융 도가니 장치 - Google Patents

관형 용융 도가니 장치 Download PDF

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KR20130020162A
KR20130020162A KR1020110082603A KR20110082603A KR20130020162A KR 20130020162 A KR20130020162 A KR 20130020162A KR 1020110082603 A KR1020110082603 A KR 1020110082603A KR 20110082603 A KR20110082603 A KR 20110082603A KR 20130020162 A KR20130020162 A KR 20130020162A
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Abstract

폴리실리콘이나 알루미나와 같은 재료의 용융을 연속적으로 할 수 있으며, 파우더나 그래뉼과 같은 미세 입자 형태의 재생 재료에 대한 용융효율을 높이는 것은 물론, 설비의 규모에 관계없이 대용량의 잉곳 생산을 위한 용융물 공급하는 것이 가능하도록, 투입구 및 배출구가 형성된 직선 또는 굴절형 관로 형태로, 외부 둘레를 내화물로 감싼 유전특성 소재의 용융로와, 상기 용융로의 투입구 쪽에 구비되어 용융재료의 공급을 주관하는 재료공급수단 및 상기 용융로의 내화물 외면상에 구비되어 별도의 발열체 없이 상기 용융로에 직접 열을 가하는 가열기를 포함하여 이루어지는 관형 용융 도가니 장치을 제공한다.

Description

관형 용융 도가니 장치{Equipment of Tubular Melting Crucible}
본 발명은 관형 용융 도가니 장치에 관한 것으로 좀 더 상세하게는 폴리실리콘이나 알루미나와 같은 재료의 용융을 연속적으로 할 수 있으며, 파우더나 그래뉼과 같은 미세 입자 형태의 재생 재료에 대한 용융효율을 높일 수 있는 관형 용융 도가니 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체나 태양광 웨이퍼의 원재료인 폴리실리콘이나 엘이디(LED) 사파이어 웨이퍼의 원재료인 알루미나(Al203)와 같은 경우, 소정 형태의 용융 도가니를 통해 다양한 방법으로 제조되어 왔다.
폴리실리콘이나 알루미나(Al203)는 용융 제조공정 및 그 이후 반도체나 태양광 전지, 각종 웨이퍼와 같은 제품화 과정에서 상당량의 폐자재가 발생한다.
오랫동안 많은 기업에서 폴리실리콘의 제조공법으로 적용해 온 지멘스 공법의 경우, 막대형 폴리실리콘을 적정 크기로 자르는 과정에서 상당량의 분말이 발생하며, 이때 발생하는 폴리실리콘 분말의 순도 또한 매우 높은 수준을 유지하게 된다.
또한, 폴리실리콘의 경우에는 단결정 및 다결정 잉곳으로 제조한 후 웨이퍼로 절단, 가공하는 과정에서 각종 스크랩 예컨데, 불량잉곳, Top, Tail, Pot, Cropping, 연마공정의 슬러지, 부서진 웨이퍼 조각 등과 같은 폐자재가 발생 된다.
이러한 분말 및 스크랩 형태의 재료를 폴리실리콘이나 알루미나(Al203)와 같은 원재료 또는 잉곳 형태로 재생산하기 위한 기술상에는 먼저 해결해야 할 과제들이 있다.
예를 들면, 분말의 입자가 너무 작아서 기존의 잉곳 설비로는 용융에 소요되는 시간이 많아 생산성이 떨어지는 점, 용융 중 분말의 비산으로 인해 가열장치나 진공시스템, 도가니 등의 오염과 이로 인한 설비의 소모를 방지하기 어려운 점, 그리고, 분말 형태의 용융재료의 경우, 전기적인 특성 값을 특정할 수 없어 용융조건을 설정하는 것이 어렵다는 점 등을 들 수 있다.
이와 같은 문제점 해결을 위해 개시된 기술로 국내 공개특허공보 제2006-0128033호(2006.12.13, 이하 '종래기술'이라 함)가 있다.
상기 종래기술은 단결정 실리콘 연속 성장 시스템 및 방법에 관한 것으로 쵸크랄스키법을 기반으로 하는 실리콘 연속 성장 시스템 및 방법에 관한 것이다.
대직경의 낮은 가로세로비, 실질적으로 평탄한 도가니를 통해 대류 유동을 없애고, 복수의 가열기로 용탕을 가로지르는 대응 열구역을 형성함으로써, 최종 단결정 실리콘 잉곳의 품질향상을 도모하며, 복수의 가열기를 개별적으로 제어할 수 있도록 하여 최적 열분배를 제공하는 동시에 연속처리 및 고효율을 위해 복수의 인상 챔버를 적용하는 등의 기술적 특징을 포함하고 있다.
그러나, 상기의 종래기술은 연속처리를 위해 복수의 인상 챔버와 함께 대직경, 낮은 가로세로비의 평탄한 도가니를 개시하고 있지만, 용기 형태의 도가니 구조 자체가 기존의 형태와 다르지 않으므로 생산량에 따라 도가니의 규모를 바꿔야 하는 구조적인 문제점을 해결하지 못하는 한계를 안고 있다.
이와 같은 구조적인 문제점은 한 사이클의 생산 규모에 따라 일정 이상의 설비공간을 확보하기 위한 초기 투자비용에 대한 부담을 야기하는 등 또 다른 문제점으로 이어지는 요인이 된다.
무엇보다도 상기의 종래기술은 웨이퍼의 백래핑 공정에서 발생하는 슬러지와 같은 분말 또는 미세 입자 형태의 재료를 재생에 필요한 탈수 및 건조 장치에 대한 기재를 찾아 볼 수 없는 것으로 일반적인 단결정 실리콘의 연속 성장 시스템에 지나지 않는 한계를 안고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점에 착안하여 이루어진 것으로서, 파우더나 그래뉼과 같은 미세 입자 형태의 폴리실리콘이나 알루미나에 대해 용융, 재생을 연속적으로 실시할 수 있는 관형 용융 도가니 장치를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명은 용융로와 가열기 간의 구조 개선을 통해 열효율을 향상시키는 것은 물론, 불필요한 에너지의 낭비를 없애고, 무엇보다도 용융시간을 단축함으로써, 용융재료에 의한 도가니의 오염을 방지하는 등 설비의 고장이나 폐기를 방지할 수 있는 관형 용융 도가니 장치를 제공하기 위한 것이다.
나아가 본 발명은 설비의 규모에 관계없이 짧은 시간에 대용량의 용융물을 공급할 수 있도록 함으로써, 상대적으로 설비 규모에 따른 초기 투자비용의 부담을 덜어 줄 수 있는 관형 용융 도가니 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 제안하는 관형 용융 도가니 장치는 투입구 및 배출구가 형성된 직선 또는 굴절형 관로 형태로, 외부 둘레를 내화물로 감싼 유전특성 소재의 용융로와, 상기 용융로의 투입구 쪽에 구비되어 용융재료의 공급을 주관하는 재료공급수단 및 상기 용융로의 내화물 외면상에 구비되어 별도의 발열체 없이 상기 용융로에 직접 열을 가하는 가열기를 포함하여 구성된다.
상기 가열기는 상기 용융로의 구간별 가열 정도를 다르게 조절할 수 있도록 각기 독립적으로 제어할 수 있는 복수로 구성될 수 있다.
상기 용융로 및 내화물 간에는 각 구간별 온도센서가 구비되어 상기 가열기의 작동을 자동으로 제어할 수 있는 형태로도 실시될 수 있다.
상기 재료공급수단은 분말 또는 미세 입자의 용융재료를 예비할 수 있는 용기형 수납함과, 상기 수납함의 토출단에 구비되어 용융재료의 투입 여부를 제어하는 개폐밸브, 그리고 상기 토출단 및 용융로의 투입구 간에 구비되는 이송펌프를 포함하는 형태로 실시될 수 있다.
여기서, 상기 수납함은 마이크로파 가열 방식의 탈수건조수단이 구비된 형태로도 실시가능하다.
상기 용융로 및 내화물 상에는 적어도 어느 한 곳에 통기공이 형성되어 외부나 내부로부터 가스를 공급하거나 배출하는 것이 가능하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 관형 용융 도가니 장치에 의하면, 투입구 및 배출구가 형성된 직선 또는 굴절형의 긴 관로 형태로 이루어지므로 설비의 규모에 관계없이 대용량의 용융물을 공급할 수 있다.
이것은 설비 및 공간 규모에 따른 생산량의 한계를 탈피할 수 있는 기술적인 효과는 물론, 잉곳의 대형화와 직결되는 구조적인 문제점을 근본적으로 해소하는 효과를 얻는다.
또, 직선 또는 굴절형의 긴 관로 구조의 관형 용융 도가니 장치는 배치(Batch) 생산이 아닌 하나의 시스템 즉, 용융로의 배출구 쪽에 냉각 전용 도가니들을 순차적으로 연결하는 경우, 결정 성장까지 연속 생산이 가능하다.
특히, 용융재료가 도가니 내에서 머물러 있는 시간을 최소화하여 도가니의 내벽으로부터 용융물이 오염될 수 있는 가능성을 최소화하는 등 용융물의 품질향상을 도모할 수 있게 된다.
본 발명의 실시형태에 따른 관형 용융 도가니 장치에 의하면, 마이크로 가열 방식의 탈수건조수단 및 이송펌프로부터 급속한 가열에 따른 분말 속 수분과 분말의 열팽창으로 인한 비산을 방지할 수 있고, 이것은 용융재료의 손실은 물론, 도가니의 내부 오염 및 그로 인한 내구성의 저하를 방지할 수 있다.
본 발명의 실시형태에 따른 관형 용융 도가니 장치에 의하면, 발열성 도가니를 적용함으로써, 도가니와 발열체와의 구분없이 일체화를 통해 에너지의 소비효율을 획기적으로 향상시킨다.
나아가, 본 발명은 도가니를 설계할 때 직경을 작게 함으로써, 발열체와 용융재료의 중심까지 거리를 단축하는 것이 가능하고, 이는 용융재료의 중심부까지 신속히 가열, 용융하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 열전도 거리를 줄임으로써, 궁극적으로는 에너지의 소비효율을 높이는 효과를 얻는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 관형 용융 도가니 장치를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태에 따른 관형 용융 도가니 장치를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시형태에 따른 관형 용융 도가니 장치를 평면상에서 바라본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 관형 용융 도가니 장치를 정면에서 바라본 단면도이다.
다음으로 본 발명의 실시형태에 따른 관형 용융 도가니 장치의 기술구성을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명이 제안하는 관형 용융 도가니 장치는 도 1 내지 4에서 나타내는 바와 같이, 크게는 용융로(10)와 재료공급수단(20) 및 가열기(30)로 나눠 볼 수 있고, 우선적인 특징은 직선 또는 굴절 관로 형태의 용융로(10)라 할 수 있다.
상기 용융로(10)는 도 1에서처럼 직선 형태의 관로 구조 또는 도 2에서처럼 소정 형태로 굴절된 관로 구조로 구성 가능하며, 후자의 경우에는 설치공간의 효율성을 높이는 효과를 얻는다.
상기 용융로(10)의 양쪽 끝단은 각각 투입구(11)와 배출구(12)로 구비되고, 상기 투입구(11)와 배출구(12) 간의 단면은 원형이나 타원형 외에도 다각형 등 다양하게 구성할 수 있다.
그리고 상기 투입구(11)와 배출구(12) 간의 중간부위에는 소정의 직경을 다르게 구성하여 용융재료의 이송속도를 조절할 수 있는 형태로도 실시할 수 있다.
상기 용융로(10)의 외부 둘레에는 소정의 내화물(13)로 감싸여진 형태로 이루어진다.
상기 용융로(10)는 일회성이 아닌 반복적으로 사용할 수 있는 소재로 구성하는 것이 좋다. 이에 따라, 고순도석영보다는 그 이상의 고온 용융점을 가지는 금속 또는 세라믹 소재 즉, 레늄(Re), 지르코늄(Zr), 백금(Pt), 탄탈륨(Ta), 크롬(Cr), 하프늄(Hf), 바나듐(V), 텅스텐(W), 몰리브텐(Mo) 등의 금속성 소재 외에 흑연(C), 탄화규소(SiC), 알루미나(Al2O3), 산화티탄(TiO2), 세리아(CeO2), 지르코니아(ZrO2) 등의 세라믹 소재나 이들의 산화물나 규화물(Mo5Si3, MoSi2, Ta5Si3, TaSi2, Nb5Si3, NbSi2, CrSi2, Cr3Si, HfSi2, TiSi2, Ti5Si3, ZrSi2, WSi2, VSi2, V3Si 등 ), 질화물이나 탄화물, 또는 이들 중 두 종류나 그 이상의 소재들로 만들어진 화합물을 소재로 이용할 수 있다.
이외의 다른 소재를 이용하는 경우에는 내부 또는 외부 표면을 코팅처리 하는 형태로도 실시할 수 있을 것이다.
여기서, 상기 용융로(10)는 특별히 가열기(30)의 적용 패턴 즉, 마이크로파 가열 방식에 따른 효율적인 측면을 고려하여 유전특성이 좋은 소재로 구성하는 것이 좋다.
유전특성이 좋은 소재로 상기 용융로(10)를 구성하고 상기 가열기(30)를 마이크로파 가열 방식을 채택, 적용하는 경우 용융재료와 가열기(30) 간에 별도의 발열체를 구비할 필요가 없고, 이것은 또 열효율을 극대화하여 에너지의 소비효율을 높이는 동시에 단시간에 용융재료의 융점까지 온도를 상승시키는 것이 가능하게 된다.
즉, 용융로(10)의 소재는 단순히 선택 소재의 가격 이외에 설계된 용융로(10)의 가공성, 용융재료와의 반응성, 기계적인 강도와 같은 물성과 함께 가열방식에 따라서 결정될 수 있다. 일례로 용융재료가 실리콘이라면, 상기 용융로(10)는 기계적인 강도와 높은 용융점, 가공성 등과 함께 유전특성이 좋아 마이크로파 가열장치에 의하여 실리콘의 융점이상으로 가열 가능한 텅스텐 재질로 구성할 수 있다.
상기 재료공급수단(20)은 용융재료의 예비에서부터 공급을 주관하는 것으로, 용융로(10)의 투입구(11) 쪽에 구성된다.
더 구체적으로 상기 재료공급수단(20)은 수납함(21)과 개폐밸브(22) 및 이송펌프(23)를 포함하여 이루어진다.
상기 수납함(21)은 분말 또는 10㎜ 이하의 미세 입자 즉, 그래뉼과 같은 용융재료를 예비할 수 있는 소정의 용기 형태로 구성된다. 일례를 들면, 도 1이나 2에서 나타낸 바와 같이 토출단(21a)이 일체로 형성된 깔때기 형태를 들 수 있다.
이외에도 상기 수납함(21)은 소정의 탈수건조수단(21b)이 구비되어 실리콘과 같은 용융재료의 비산을 방지할 수 있도록 하는 것이 좋다.
이때, 상기 탈수건조수단(21b)은 마이크로파 가열 방식으로 실시한다. 마이크로파 가열 방식은 수분 건조에 탁월하므로 분말 형태의 용융재료가 예비되는 상기 수납함(21)에서 상기 용융로(10)의 투입구(11)로 투입하기 전 짧은 시간 내에 분말 또는 미세 입자 속 잔류 수분을 효과적으로 제거하는 것이 가능하게 된다.
상기 개폐밸브(22)는 상기 수납함(21)의 토출단(21a)에 구비된다. 상기 개폐밸브(22)는 용융재료의 투입 여부를 제어할 수 있는 형태로, 나사식 수동 밸브와 같이 투입량의 조절이 가능한 형태 또는, 전자식 밸브를 이용하여 자동으로 제어할 수 있는 형태 등 다양하게 실시할 수 있다.
상기 이송펌프(23)는 상기 토출단(21a)과 상기 용융로(10)의 투입구(11) 간에 구비된다. 즉, 상기 토출단(21a)과 연계되는 동시에 상기 용융로(10)의 투입구(11) 쪽에 결합, 구성되는 것으로, 투입되는 용융재료에 소정의 압력을 가하여 상기 투입구(11) 안쪽으로 밀어 주는 역할을 하며, 피스톤이나 그에 따른 모터펌프 등을 이용하여 구체적으로 실시될 수 있다.
마이크로파 가열 방식의 탈수건조수단(21b)에 의해 내부 잔류 수분이 건조된 용융재료는 상기 이송펌프(23)에 의해 용융로(10)의 투입구(11)에서 배출구(12) 쪽으로 서서히 진행하게 된다. 이로써 급속한 가열로 인한 분말 속 수분과 분말의 열팽창으로 발생하는 비산 현상도 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 실시형태에 따른 가열기(30)는 상기 용융로(10)의 내화물(13) 외면상에 구비되되, 별도의 발열체 없이 상기 용융로(10)에 직접 열을 가할 수 있는 형태로 구성된다. 예를 들면, 마이크로파 가열 또는 고주파 및 저주파 유도 가열 방식을 들 수 있다.
금속 소재 용융로(10)의 경우, 규소화합물이 생겨 저항식으로 전극을 연결하여 전류를 통하면, 국부적으로 과열이 발생하여 지나치게 높은 온도로 올라가 국부적으로 용융되는 등의 문제가 나타나는데, 마이크로파나 유도 가열 방식은 용융로(10)의 외부 표면으로만 전류가 흐르면서 가열되기 때문에 내부 벽에 생성된 규소화합물의 영향은 받지 않는 기술적인 효과를 얻을 수 있다.
또, 상기 가열기(30)는 상기 용융로(10)의 구간별 가열 정도를 다르게 조절할 수 있도록 각기 전원이 독립적으로 제어할 수 있는 복수로도 구성할 수 있다. 도 1과 2에서 ⓐ, ⓑ, ⓒ로 나타낸 것처럼 상기 용융로(10)의 구간을 각각 예열구간, 용융구간 및 유지구간으로 나눈다면, 각 구간별 온도를 각기 다르게 하기 위한 방편으로 해당 구간별로 가열기(30)를 개별적으로 구비하여 제어할 수 있도록 하는 것이다.
상기 가열기(30)는 마이크로파 가열이나 유도 가열 방식 외에 저항 가열 방식으로도 실시가능하다. 이런 경우에는 도 3 및 도 4에서 나타낸 바와 같이 상기 용융로(10)를 스프링 형태로 배치하고, 그 중앙에 흑연과 같은 소정의 발열체(31)를 구비하여 양끝에 전극을 연결, 가열하는 방식으로 이루어진다.
이러한 방식은 설치공간상의 효율을 도모할 수 있고, 긴 관로 구조의 용융로(10) 모아 저항체의 길이를 길게 형성할 수 없는 등의 경우에 유용하다. 발열체(31)를 중심부에 두어 외부로의 열손실을 최소화함으로써, 열효율을 높일 수 있는 형태라 할 수 있다.
한편, 상기 용융로(10)와 내화물(13) 간에는 각각의 구간별로 온도센서(14)를 구비하여 상기 가열기(30)의 작동 및 제어를 자동화하는 형태로도 실시할 수 있다.
상기 온도센서(14)는 용융로(10)의 외부 표면에 배치된 적외선 센서 등의 형태로 구현할 수 있다.
이와 같은 온도센서(14)에 의하면, 용융재료의 중심부와 아주 가까운 거리(약 1~20cm 정도)의 온도를 측정하기 때문에 중심부의 온도와 측정지점의 온도 간의 오차가 거의 발생하지 않고, 발열지점과 중심부와의 거리도 멀지 않아 신속하면서도 정밀하게 온도 제어를 할 수 있는 장점이 발휘된다.
본 발명의 실시형태에 따른 용융로(10)는 긴 관로 구조이기 때문에 필요에 따라 이동 축선 상의 외부 측면에 다수의 온도센서(14)를 설치할 수 있다. 일반적으로 마이크로파 가열 방식은 균일가열이 어렵고, 일정한 피치를 두고 반복적으로 뜨거운 지점(hot zone)과 상대적으로 덜 뜨거운(cool zone) 지점이 생긴다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 큐알디(QRD)마이크로파 가열 방식을 적용하면 용융로(10)의 수평적인 온도 편차가 거의 없어지고, 내부 중심으로 열전도가 고르게 일어나게 된다.
나아가, 상기 투입구(11)로부터 배출구(12)에 이르는 상기 용융로(10)와 내화물(13) 상에는 적어도 어느 한 곳에 소정의 통기공(15)이 형성된 형태로도 실시가능하다.
상기 통기공(15)은 용융재료의 용융시 상기 용융로(10)의 외부나 내부로부터 불활성가스나 정제가스 등을 공급하거나 배출할 수 있도록 함으로써, 궁극적으로 용융재료의 품질을 향상시키는 등의 기술적 효과를 얻는다.
상기에서는 본 발명에 따른 관형 용융 도가니 장치에 대해 구체적인 실시형태를 들어 설명하였지만, 본 발명의 기술사상이 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명의 범위 안에서 당업자가 여러 가지로 변형 및 변경할 수 있는 정도는 본 발명의 범주에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10 : 용융로 11 : 투입구
12 : 배출구 13 : 내화물
14 : 온도센서 15 : 통기공
20 : 재료공급수단 21 : 수납함
21a: 토출단 21b: 탈수건조수단
22 : 개폐밸브 23 : 이송펌프
30 : 가열기 31 : 발열체

Claims (7)

  1. 투입구(11) 및 배출구(12)가 형성된 직선 또는 굴절 관로 형태로, 외부 둘레를 내화물(13)로 감싼 금속 또는 세라믹 소재의 용융로(10)와;
    상기 용융로(10)의 투입구(11) 쪽에 구비되어 용융재료의 공급을 주관하는 재료공급수단(20); 및
    상기 용융로(10)의 내화물(13) 외면상에 구비되어 별도의 발열체 없이 상기 용융로(10)에 직접 열을 가하는 가열기(30)를 포함하여 구성된 관형 용융 도가니 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가열기(30)는 상기 용융로(10)의 구간별 가열 정도를 다르게 조절할 수 있도록 각기 독립된 복수로 구성된 관형 용융 도가니 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 용융로(10) 및 내화물(13) 간에는 각 구간별 온도센서(14)가 구비되어 상기 가열기(30)의 작동이 자동화되는 관형 용융 도가니 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가열기(30)는 마이크로파 가열이나 유도 가열 방식 또는 전기저항 가열 방식으로 이루어지는 관형 용융 도가니 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 재료공급수단(20)은,
    분말 또는 미세 입자의 용융재료를 예비할 수 있는 용기형 수납함(21)과;
    상기 수납함(21)의 토출단(21a)에 구비되어 용융재료의 투입 여부를 제어하는 개폐밸브(22); 및
    상기 토출단(21a) 및 상기 용융로(10)의 투입구(11) 간에 구비되어 투입되는 상기 용융재료를 상기 용융로(10) 안으로 공급하는 이송펌프(23)를 포함하여 이루어지는 관형 용융 도가니 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 수납함(21)은 마이크로파 가열 방식의 탈수건조수단(21b)이 구비된 관형 용융 도가니 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융로(10) 및 내화물(13) 상에는 적어도 어느 한 곳에 통기공(15)이 형성되어 외부나 내부로부터 가스를 공급하거나 배출하는 것이 가능한 관형 용융 도가니 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101502426B1 (ko) * 2013-10-24 2015-03-13 한국광기술원 비산화계 유리 멀티 챔버 용융로

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