KR20130098903A - 석영 도가니, 석영 도가니의 제조 방법 및 주조 장치 - Google Patents

석영 도가니, 석영 도가니의 제조 방법 및 주조 장치 Download PDF

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KR20130098903A
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crucible
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quartz
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KR1020130011699A
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노부야스 니타
요시노부 나카다
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미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 관련된 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 석영 도가니 (20) 는, 저부 (21) 와 저부 (21) 의 외주부로부터 기립하는 측벽부 (22) 를 구비함과 함께, 상방이 개구되어 구성되고, 저부 (21) 와 측벽부 (22) 가 교차하는 교차 부분 (23) 의 내측이 석영 도가니 (20) 의 내방으로 돌출되어, 저부 (21), 측벽부 (22) 보다 두께가 두꺼운 육후부 (24) 가 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.

Description

석영 도가니, 석영 도가니의 제조 방법 및 주조 장치{QUARTZ CRUCIBLE, PRODUCTION METHOD OF THE SAME, AND CASTING APPARATUS}
본 발명은 다결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 석영 도가니, 석영 도가니의 제조 방법 및 주조 장치에 관한 것이다.
본원은 2012 년 2 월 28 일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2012-041801호에 근거하여 우선권을 주장하며, 그 내용을 여기에 원용한다.
다결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 석영 도가니는 통상적으로 수평 단면이 4 각형상으로 되어 있다. 그 구성 부재인 저부 및 측벽부는 재료인 석영의 열전도율이 낮다는 이유도 있어, 용기로서의 강도가 얻어지는 범위 내에서 가능한 한 판두께가 얇아지도록 제조되고 있다.
이 종류의 석영 도가니로서, 하기 특허문헌 1 에는 실리콘의 냉각 속도를 빠르게 하기 위해서, 저부 및 측벽부를 각각 투명한 석영 유리로 구성한 도가니가 기재되어 있다.
또한, 하기 특허문헌 2 에는 저부나 측벽부로부터의 방열량을 적정하게 하기 위해서, 그러한 저부나 측벽부를 서로 상이한 재료나 이방 열전도 특성을 갖는 재료로 구성한 도가니가 기재되어 있다.
또한, 하기 비특허문헌 1 에는 석영 도가니에 의해 다결정 실리콘 잉곳을 저부로부터의 일방향 응고에 의해 제조하는 경우, 응고 계면 형상 (고체/액체 계면 형상) 으로는 중앙 부분이 상향으로 부풀어오른, 이른바 상철 (上凸) 형상이 되는 것이 바람직하다는 것이 기재되어 있다.
일본 공개특허공보 2011-93747호 일본 공표특허공보 2006-526751호
Proceeding of PVSEC-18 conference Jan 19-23 2009 CRYSALLINE FRONT CONTROL OF GROWING MULTICRYSTALLINE SI INGOTS DURING THE DIRECTIONAL SOLIDIFICATION PROCESS Y.Y. Teng
상기 종래의 기술에 있어서는, 이하의 과제가 있다.
전자의 특허문헌 1 에 기재된 기술에서는, 실리콘 냉각의 점에 있어서 우수하기는 하지만, 실리콘 잉곳을 제조할 때에 적절한 응고 계면 형상을 얻는 것에 대해서는 아무런 고려가 되어 있지 않다.
또한, 후자의 특허문헌 2 에 기재된 기술에서는, 석영 도가니의 실리콘 용탕의 온도 구배에 대하여 연구가 되어 있기는 하지만, 실리콘 잉곳을 제조할 때에 적절한 응고 계면 형상을 얻기 어려운 경우가 있다.
본 발명은 상기 서술한 상황을 감안하여 이루어진 것으로, 실리콘 잉곳을 제조할 때에, 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상을 이상적인 상철 형상으로 할 수 있는, 또는 이상적인 상철 형상에 근접시킬 수 있는 석영 도가니, 석영 도가니의 제조 방법 및 주조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이와 같은 과제를 해결하여 상기 목적을 달성하기 위해서, 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 본 발명에 관련된 석영 도가니는, 저부와 상기 저부의 외주부로부터 기립하는 측벽부를 구비함과 함께, 상방이 개구되어 구성되고, 상기 저부와 상기 측벽부가 교차하는 교차 부분의 내측이 상기 석영 도가니의 내방으로 돌출되어, 상기 저부, 상기 측벽부보다 두께가 두꺼운 육후부 (肉厚部) 가 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명의 주조 장치는 상기 석영 도가니의 상방 및 하방에, 각각 상기 석영 도가니를 가열하기 위한 히터가 배치되어 있는 것을 특징으로 하고 있다.
종래부터 알려져 있는 저부 및 측벽부가 각각 일정한 두께로 이루어진 석영 도가니에서는, 이들 저부 및 측벽부를 개재하여 도가니 안에서 외방을 향하는 방열량이 거의 일정한 것으로 여겨진다. 그러나, 저부와 측벽부가 교차하는 교차 부분에서는, 도가니 내의 용탕에 대한 방열 면적이 넓어지기 때문에, 그만큼 방열량이 늘어나, 이 교차 부분 근방의 용탕 온도는 낮아질 가능성이 있다. 이 경우, 실리콘 잉곳을 제조할 때의 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상으로는, 중앙이 주변보다 오목해지는 하철 (下凸) 형상으로 되어 있어, 전술한 적절한 응고 계면 형상인 상철 형상과는 상이하다.
한편, 본 발명의 석영 도가니에서는, 상기 저부와 상기 측벽부가 교차하는 교차 부분의 내측이 석영 도가니의 내방으로 돌출됨으로써, 상기 저부 및 상기 측벽부보다 두께가 두꺼운 육후부가 형성되어 있기 때문에, 육후부의 두께를 두껍게 한 만큼 교차 부분으로부터의 방열량을 억제할 수 있다.
또한, 교차 부분의 내측이 돌출되어 있기 때문에, 교차 부분의 외측의 형상은 종래와 전혀 변하지 않아, 교차 부분의 방열 면적은 늘어나지 않는다. 이 때문에, 교차 부분의 외측이 돌출된 경우에 비하여 방열량을 보다 억제할 수 있다.
이들의 결과, 석영 도가니의 저부 중앙 부분으로부터의 방열량은 종래대로 하고, 저부 주변 부분으로부터의 방열량을 감소시킬 수 있기 때문에, 석영 도가니 내의 용탕의 온도는 중앙이 낮고 주변을 향함에 따라 높아지는 경향이 된다. 요컨대, 실리콘 잉곳을 저부측으로부터 일방향 응고에 의해 제조할 때에, 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상을 이상적인 상철 형상에 근접시킬 수 있다.
본 발명의 석영 도가니에 있어서, 상기 육후부는 상기 저부 및 상기 측벽부에 매끄럽게 연결되도록 상기 교차 부분의 중앙으로부터 상기 저부의 중앙측과 상기 측벽부의 상단측 각각을 향함에 따라 점차 두께가 얇아지도록 형성되어 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 육후부가 저부 및 측벽부에 매끄럽게 연결되기 때문에, 이들 부분에 접하는 용탕의 온도 변화도 연속적이 되어, 제품인 실리콘 잉곳의 외표면을 매끄럽게 마무리할 수 있다.
또한, 본 발명의 석영 도가니에 있어서, 상기 육후부에 있어서의 내면 형상이 R 상 (도가니 외방을 향하여 볼록해지는 곡면상) 으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
교차 부분의 내면 형상이 R 상으로 형성되어 있기 때문에, 도가니 내의 용탕으로부터 보면, 이 용탕과 교차 부분의 접촉 면적이 보다 작아져 있다. 따라서, 이 점에서도 용탕의 교차 부분으로부터의 방열량을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 석영 도가니에 있어서, 상기 R 상으로 형성된 내면 형상 부분의 곡률 반경은 50 ㎜ 이상인 것이 바람직하다.
R 상으로 형성된 내면 형상 부분의 곡률 반경이 50 ㎜ 미만이면, 실리콘 잉곳을 제조할 때에, 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상을 적절한 상철 형상에 근접시키는 것이 가능하지만, 이상적인 상철 형상으로 하는 것은 어렵다. 그러나, R 상으로 형성된 내면 형상 부분의 곡률 반경이 50 ㎜ 이상이면, 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상을 이상적인 상철 형상으로 하는 것이 용이해진다.
본 발명의 석영 도가니의 제조 방법은 상기 서술한 본 발명의 석영 도가니를 제조하는 방법으로서, 상기 저부와 상기 측벽부의 교차 부분의 내측에 석영의 코팅막을 형성함으로써 상기 육후부를 형성하는 코팅막 형성 공정을 구비하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 석영 도가니의 제조 방법에 의하면, 단순히 코팅막 형성 공정을 구비할 뿐이기 때문에, 석영 도가니를 새롭게 제조하는 경우뿐만 아니라, 기존의 석영 도가니라도 이 석영 도가니를 원하는 형상으로 형성하는 것이 가능하다. 즉, 저부 및 측벽부가 각각 일정한 두께로 이루어진 종래의 석영 도가니를, 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상을 이상적인 상철 형상으로 하기 위해서 적합한 형상으로 용이하게 변경할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실리콘 잉곳을 제조할 때에 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상을 이상적인 상철 형상으로 할 수 있거나, 또는 이상적인 상철 형상에 근접시킬 수 있다.
도 1 은 본 발명의 주조 장치의 실시형태의 개략 단면 설명도이다.
도 2 는 도 1 에 나타내는 주조 장치에 사용되는 본 발명에 관련된 석영 도가니의 주요부를 나타내는 단면도이다.
도 3 은 육후부에 있어서의 R 상으로 형성된 내면 형상 부분의 곡률 반경과 실리콘 잉곳을 제조할 때의 도가니 중앙 위치 및 도가니 주변 위치의 응고 계면 높이의 차의 관계를 나타내는 표이다.
도 4A 는 본 발명에 관련된 석영 도가니를 이용하여 실리콘을 용융시켰을 때의 용탕의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도 4B 는 용탕의 온도 분포도에 사용되는 망점과 온도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5 는 종래의 석영 도가니를 이용하여 실리콘을 용융시켰을 때의 용탕의 온도 분포를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태인 주조 장치, 석영 도가니에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1 은 본 발명에 관련된 주조 장치의 실시형태를 나타낸다. 본 실시형태인 주조 장치 (10) 는 내부를 기밀 상태로 유지하는 챔버 (11) 와, 실리콘 융액 (3) 이 저류되는 바닥이 있는 각통상 (角筒狀) 의 석영 도가니 (20) 와, 이 석영 도가니 (20) 가 재치 (載置) 되는 사각형 판상의 칠 플레이트 (31) 와, 이 칠 플레이트 (31) 의 하방에 위치하는 하부 히터 (33) 와, 석영 도가니 (20) 의 상방에 위치하는 상부 히터 (43) 와, 석영 도가니 (20) 의 상단에 재치된 사각형 판상의 뚜껑부 (50) 와, 석영 도가니 (20) 와 뚜껑부 (50) 사이의 공간에 불활성 가스 (예를 들어 아르곤 가스) 를 도입하는 연직 방향으로 연장된 가스 공급관 (42) 을 구비하고 있다.
또한, 석영 도가니 (20) 의 외주측 (수평 방향 외측) 에는 각통상의 단열벽 (12) 이 배치 형성되어 있고, 상부 히터 (43) 의 상방에 단열 천정 (13) 이 배치 형성되고, 하부 히터 (33) 의 하방에 단열 플로어 (14) 가 배치 형성되어 있다. 즉, 본 실시형태인 주조 장치 (10) 는 석영 도가니 (20), 상부 히터 (43), 하부 히터 (33) 등을 둘러싸도록 단열재 (단열벽 (12), 단열 천정 (13), 단열 플로어 (14)) 가 배치 형성되어 있다. 또한, 단열 플로어 (14) 에는 배기공 (15) 이 형성되어 있다.
상부 히터 (43) 및 하부 히터 (33) 는 각각 전극봉 (44, 34) 에 접속되어 있다. 상부 히터 (43) 에 접속되는 전극봉 (44) 은 단열 천정 (13) 을 관통하여 석영 도가니 (20) 의 상부 근방까지 연장되어 있다. 하부 히터 (33) 에 접속되는 전극봉 (34) 은 단열 플로어 (14) 를 관통하여 석영 도가니 (20) 의 저부 근방까지 연장되어 있다.
석영 도가니 (20) 가 재치되는 칠 플레이트 (31) 는 하부 히터 (33) 에 삽입 통과된 지지부 (32) 의 상단에 설치되어 있다. 이 칠 플레이트 (31) 는 중공 구조로 되어 있어, 지지부 (32) 의 내부에 형성된 공급로 (도시 생략) 를 통해서 내부에 아르곤 가스가 공급되는 구성으로 되어 있다.
뚜껑부 (50) 는 석영 도가니 (20) 의 측벽부 (22) 의 상단에 재치되는 재치부 (51) 와, 석영 도가니 (20) 의 측벽부 (22) 의 외연으로부터 외측 (수평 방향 외측) 에, 석영 도가니 (20) 의 전체 둘레에 걸쳐 일정폭으로 돌출된 차양부 (52) 와, 전술한 가스 공급관 (42) 이 삽입되는 원형의 삽입공 (53) 과, 두께 방향으로 관통하여 석영 도가니 (20) 내의 가스를 배출하는 도시하지 않은 개구부를 구비하고 있다.
또한, 뚜껑부 (50) 에 가스 배출용 개구부를 형성하는 대신에, 뚜껑부 (50) 자체를 석영 도가니 (20) 의 측벽부 (22) 로부터 간극 (예를 들어 연직 방향으로 일정한 간극) 을 형성하여 배치하고, 이 간극을 석영 도가니 (20) 내의 가스 배출용으로 이용해도 된다. 또한, 가스 공급관 (42) 의 외주면과 삽입공 (53) 의 내주면 사이에, 전체 둘레에 걸쳐 일정한 간극을 형성하고, 이 간극을 석영 도가니 (20) 내의 가스를 배출하는 개구부로서 이용해도 된다.
이 뚜껑부 (50) 는 탄소계 재료로 구성되는 것이 바람직하며, 본 실시형태에서는 탄화규소로 구성되어 있다.
가스 공급관 (42) 은 예를 들어 몰리브덴제 또는 카본제의 원관상 부재이며, 그 기단측 (도 1 에 있어서 상단측) 에는 도시하지 않은 가스 공급부가 접속되어 있다. 가스 공급관 (42) 은 연직 방향으로 연장되도록 배치되어 있고, 챔버 (11) 의 천정부를 관통하고 나아가 뚜껑부 (50) 의 삽입공 (53) 을 통과하여, 그 선단 (도 1 에 있어서 하단측) 이 석영 도가니 내의 상부, 요컨대 석영 도가니 (20) 내에 저류되는 실리콘 융액 (3) 의 액면 근방까지 연장되도록 배치되어 있다. 또한, 가스 공급관 (42) 은 그 선단이 석영 도가니 (20) 의 수평 방향에서의 중심에 위치하도록 배치되어 있다. 가스 공급관 (42) 의 선단으로부터는, 상기 가스 공급부로부터 도입되는 불활성 가스가 실리콘 융액 (3) 의 상방 공간을 향하여 공급된다.
석영 도가니 (20) 는 수평 단면 형상이 각형으로 되어 있고, 본 실시형태에서는 수평 단면 형상이 정방형을 이루고 있다. 즉, 석영 도가니 (20) 는 바닥이 있는 각통상으로 형성되어 있고, 그 하부에서 상부를 향함에 따라 수평 방향에서의 폭이 점차 커지도록 형성되어 있다. 또한, 석영 도가니 (20) 의 수평 방향에서의 폭이 연직 방향에 있어서 일정하게 되어 있어도 된다. 이 석영 도가니 (20) 는 석영으로 구성되어 있고, 칠 플레이트 (31) 에 접촉하는 정방형 판상의 저부 (21) 와 이 저부 (21) 의 외주부로부터 상방을 향하여 기립하는 사각형 판상의 측벽부 (22) 를 구비한다. 석영 도가니 (20) 는 저부 (21) 의 상방에서 개구되도록 형성되어 있다. 또한, 측벽부 (22) 는 수평 단면이 사각형 환상으로 되어 있다.
도 2 는 석영 도가니 (20) 의 저부 (21) 와 측벽부 (22) 가 교차하는 교차 부분 (23) 의 확대 단면도이다. 또한, 도 2 는 교차 부분 (23) 이 연장되는 방향 (도 2 지면 수직 방향, 즉 저부 (21) 와 측벽부 (22) 에 의해 형성되는 저변이 연장되는 방향) 과 직교하는 방향에서의 단면도이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 저부 (21) 와 측벽부 (22) 가 교차하는 교차 부분 (23) 의 내측이 돌출되어, 저부 (21), 측벽부 (22) 의 두께 (21a, 22a) 보다 두꺼운 두께 (24a) 를 갖는 육후부 (24) 가 형성되어 있다. 또한, 도 2 에 있어서 저부 (21) 와 측벽부 (22) 에 의해 형성되고, 석영 도가니 (20) 의 내방측에 위치하는 각도는 둔각 (90°보다 크다) 으로 되어 있다.
육후부 (24) 의 돌출이란, 저부 (21) 상면의 연장 부분 그리고 측벽부 (22) 내면의 연장 부분보다 도가니 내방으로 돌출되는 돌출 부분을 말한다. 즉, 교차 부분 (23) 의 내측이 석영 도가니 (20) 의 내방으로 돌출됨으로써, 교차 부분 (23) 의 위치에 육후부 (24) 가 형성되어 있다.
이 실시형태에 있어서, 육후부 (24) 는 저부 (21) 및 측벽부 (22) 에 매끄럽게 연결되도록 교차 부분 (23) 의 중앙 (도 2 에 있어서의 교차 부분 (23) 의 중앙 부분) 으로부터 저부 (21) 의 중앙측 (도 2 의 우측) 과 측벽부 (22) 의 상단측 (도 2 의 상측) 의 각각을 향함에 따라 점차 두께가 얇아지는 R 상을 이루는 내면 형상 (둥그스름한 것) 으로 형성되어 있다. 또한, R 상의 내면 형상이란, 저부 (21) 와 측벽부 (22) 가 교차하는 교차 부분 (23) 이 연장되는 방향 (지면 수직 방향) 과 직교하는 방향에서의, 육후부 (24) 에 있어서의 내면의 단면 형상이 도가니 외방을 향하여 볼록해지는 원호상으로 형성되어 있는 것을 말한다. R 상으로 형성된 내면 형상 부분의 곡률 반경은 50 ㎜ 이상인 것이 바람직하다.
또한, 육후부 (24) 의 내면 형상으로는 반드시 R 상으로 형성될 필요는 없고, 예를 들어, 계단상으로서 그들의 각 정점 (頂点) 부분을 잇는 형상이 R 상을 이루고 있어도 되고, 혹은 도가니의 내면이 플랫한 경사면을 이루고 있어도 된다. 즉, 육후부 (24) 는 저부 (21) 및 측벽부 (22) 에 매끄럽게 연결되도록 교차 부분 (23) 의 중앙으로부터 저부 (21) 의 중앙측과 측벽부 (22) 의 상단측 각각을 향함에 따라 점차 두께가 얇아지도록 형성되어 있으면 된다.
또한, 육후부 (24) 의 내면 형상의 R 상으로는 단면 형상이 원의 일부를 이루는 형상에 한정되는 것이 아니고, 단면 형상이 타원상의 일부를 이루는 형상이어도 된다.
상기 구성의 도가니 (20) 의 제조 방법으로는, 전술한 석영 도가니 (20) 의 외형을 따른 내면 (주형면) 을 갖는 주형을 이용하여, 이 주형에 재료인 석영을 녹여서 부어 넣음으로써 제조하는 방법이 있다. 또한, 종래에 알려져 있는 저부와 측벽부가 교차하는 교차 부분에 육후부가 형성되어 있지 않은 석영 도가니의 형상을 변경하는 경우에는, 종래의 석영 도가니의 성형 후에 실시하는 코팅막 형성 공정에 의해, 저부 (21) 와 측벽부 (22) 의 교차 부분 (23) 의 내측에 석영의 코팅막을 형성하고, 이로써 교차 부분 (23) 에 육후부 (24) 를 형성하는 제조 방법도 있다.
다음으로, 상기 서술한 주조 장치 (10) 를 사용한 실리콘 잉곳의 제조 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 석영 도가니 (20) 내에 실리콘 원료를 공급한다. 실리콘 원료로는, 11 N (순도 99.999999999) 의 고순도 실리콘을 분쇄하여 얻어진 「청크」 라고 불리는 괴상의 것이 사용된다. 이 괴상 실리콘 원료의 입경은 예를 들어 30 ㎜ 내지 100 ㎜ 로 되어 있다.
다음으로, 석영 도가니 (20) 내에 공급된 실리콘 원료를 상부 히터 (43) 및 하부 히터 (33) 에 통전시킴으로써 가열하고, 실리콘 원료를 용융시켜 실리콘 융액 (3) 을 생성한다. 이 때, 석영 도가니 (20) 내의 실리콘 융액 (3) 의 탕면은 석영 도가니 (20) 의 측벽부 (22) 의 상단보다 낮은 위치로 설정된다.
다음으로, 석영 도가니 (20) 내의 실리콘 융액 (3) 을 응고시킨다. 먼저, 하부 히터 (33) 에 대한 통전을 정지하고, 칠 플레이트 (31) 의 내부에 지지부 (32) 의 공급로를 통해서 아르곤 가스를 공급한다. 이로써, 칠 플레이트 (31) 의 온도를 저하시켜 석영 도가니 (20) 의 저부 (21) 를 냉각시킨다. 이 때, 상부 히터 (43) 의 통전을 계속함으로써, 석영 도가니 (20) 내에는 저부 (21) 에서 상방을 향하여 온도 구배가 발생하고, 이 온도 구배에 의해 실리콘 융액 (3) 이 상방을 향하여 일방향 응고되기 시작한다. 또한 상부 히터 (43) 에 대한 통전을 서서히 감소시킴으로써, 석영 도가니 (20) 내의 실리콘 융액 (3) 이 상방을 향하여 응고되어 실리콘 잉곳이 생성된다.
이 응고 공정에 있어서는, 가스 공급관 (42) 및 삽입공 (53) 을 통하여, 석영 도가니 (20) 내의 실리콘 융액 (3) 의 탕면과 뚜껑부 (50) 사이의 공간에 불활성 가스로서 예를 들어 아르곤 가스가 공급된다.
뚜껑부 (50) 의 평면 중심의 삽입공 (53) 에 삽입되는 가스 공급관 (42) 의 선단부로부터 공급된 아르곤 가스는, 방사상으로 퍼지면서 석영 도가니 (20) 내의 실리콘 융액 (3) 상을 통과하여, 뚜껑부 (50) 의 개구부 (도시 생략) 혹은 뚜껑부 (50) 와 측벽부 (22) 사이의 간극으로부터 석영 도가니 (20) 의 외부로 배출되고, 그곳에서부터 다시 단열 플로어 (14) 에 형성된 배기공 (15) 을 통하여 챔버 (11) 의 외측으로 배기된다.
이와 같이 하여, 일방향 응고법에 의해 실리콘 잉곳이 제조된다. 이 실리콘 잉곳은 예를 들어 태양 전지용 기판으로서 사용되는 실리콘 웨이퍼나 그 외의 실리콘 부품의 소재가 된다.
이상과 같이 본 실시형태인 석영 도가니 (20) 에 의하면, 석영 도가니 (20) 의 저부 (21) 와 측벽부 (22) 가 교차하는 교차 부분 (23) 의 내측이 돌출되어 육후부 (24) 를 형성하고 있기 때문에, 육후부 (24) 의 두께를 두껍게 한 만큼, 교차 부분 (23) 으로부터의 방열량을 억제할 수 있다.
또한, 교차 부분 (23) 의 내측이 돌출되어 있는 한편으로, 교차 부분 (23) 의 외측의 형상은 종래의 석영 도가니와 아무런 변화가 없어, 교차 부분 (23) 의 방열 면적이 늘어나지는 않는다. 이로써, 교차 부분의 외측을 돌출시킴으로써 교차 부분 (육후부) 의 두께를 증가시키는 경우에 비하여 방열량을 보다 억제할 수 있다.
이들 결과, 석영 도가니 (20) 의 저부 중앙 부분으로부터의 방열량은 종래대로 하고, 저부 주변 부분으로부터의 방열량을 감소시킬 수 있기 때문에, 석영 도가니 내의 용탕의 온도는 중앙이 낮고 주변을 향함에 따라 높아지는 경향이 된다. 요컨대, 실리콘 잉곳을 제조할 때에, 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상을 이상적인 상철 형상에 근접시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태의 석영 도가니 (20) 에서는, 육후부 (24) 를, 저부 (21) 및 측벽부 (22) 에 매끄럽게 연결되도록 교차 부분 (23) 의 중앙으로부터 저부 (21) 의 중앙측과 측벽부 (22) 의 상단측 각각을 향함에 따라 점차 두께가 얇아지는 R 상을 이루는 내면 형상으로 형성하고 있다. 이 때문에, 석영 도가니 (20) 내의 용탕에서 보면, 이 용탕과 교차 부분 (23) 의 접촉 면적이 보다 작아져 있다. 따라서, 이 점에서도, 용탕의 교차 부분 (23) 으로부터의 방열량을 감소시킬 수 있다.
또한, 육후부 (24) 가 저부 (21) 및 측벽부 (22) 에 매끄럽게 연결되기 때문에, 이들 부분에 접하는 용탕의 온도 변화도 연속적이 되어, 제품인 실리콘 잉곳의 외표면을 매끄럽게 마무리할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시형태인 석영 도가니, 석영 도가니의 제조 방법, 및 주조 장치에 대하여 설명했지만, 이것에 한정되는 것은 아니고, 적절히 설계 변경할 수 있다.
예를 들어, 상기 실시형태에서는 석영 도가니 (20) 의 수평 단면이 각형인 것을 예로 들어 설명하였지만, 이것에 한정되는 것이 아니고, 예를 들어 수평 단면이 원상인 석영 도가니에도 본 발명은 적용 가능하다. 이 경우, 저부는 원형 판상으로 형성되고, 측벽부는 원통상으로 형성된다.
또한, 상기 실시형태에서는 저부 (21) 와 측벽부 (22) 의 두께 (21a, 22a) 가 거의 동일한 정도로 설정되어 있지만, 이것에 한정되지 않고, 이들 저부 (21) 와 측벽부 (22) 의 두께가 상이한 석영 도가니에도 본 발명은 적용 가능하다.
(실시예)
본 발명의 효과를 확인하기 위하여 시뮬레이션을 실시하였다.
이 시뮬레이션에서는 도 2 에 나타내는 실시형태에서 설명한, 육후부 (24) 를 교차 부분 (23) 의 중앙으로부터 저부 (21) 의 중앙측과 측벽부 (22) 의 상단측 각각을 향함에 따라 점차 두께가 얇아지는 R 상을 이루는 내면 형상으로 형성한 석영 도가니 (20) 와 동일한 도가니를 사용하였다. R 상의 곡률 반경 (R (㎜)) 을 여러 가지로 바꾼 석영 도가니를 복수 준비하고, 이들 석영 도가니를 이용하여 실리콘 잉곳을 제조할 때의, 도가니 중앙 위치 및 석영 도가니 주변 위치의 응고 계면 높이의 차 (ΔZ (㎜)) 를 조사하였다. 그 결과를 도 3 에 나타낸다.
또한, ΔZ 가 마이너스일 때는 도가니 중앙 위치의 응고 계면 높이가 도가니 주변 위치의 응고 계면 높이보다 낮을 때의 값을 나타내고, ΔZ 가 플러스일 때는 도가니 중앙 위치의 응고 계면 높이가 도가니 주변 위치의 응고 계면 높이보다 높을 때의 값을 나타낸다.
또한, 시뮬레이션을 실시했을 때의 조건은, 석영 도가니 (20) 의 저부 (21) 와 측벽부 (22) 의 두께가 모두 20 ㎜, 석영 도가니 (20) 의 내경이 700 ㎜, 실온은 20 ℃ 로 하였다.
이 표에서 알 수 있는 바와 같이, R 상의 곡률 반경이 0 ㎜, 15 ㎜, 30 ㎜ 이면, 각각 ΔZ 가 마이너스의 값이 되어, 도가니 중앙 위치의 응고 계면 높이가 도가니 주변 위치의 응고 계면 높이보다 낮아져 있다. R 상의 곡률 반경이 50 ㎜ 이면, ΔZ 가 0 의 값이 되어, 도가니 중앙 위치의 응고 계면 높이가 도가니 주변 위치의 응고 계면 높이와 동일한 값이 되어 있다. 또한, R 상의 곡률 반경이 100 ㎜, 150 ㎜ 이면, ΔZ 가 플러스의 값이 되어, 도가니 중앙 위치의 응고 계면 높이가 도가니 주변 위치의 응고 계면 높이보다 높아져 있다.
이들 결과로부터, 석영 도가니의 육후부의 R 상의 곡률 반경을 50 ㎜ 이상으로 하면, 실리콘 잉곳을 제조할 때에 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상을 이상적인 상철 형상으로 하거나 혹은 이상적인 상철 형상에 근접시키거나 할 수 있다.
도 4A 는 본 발명에 관련된 석영 도가니를 이용하여 실리콘을 용융시켰을 때의 도가니 중앙의 종단면 위치에 있어서의 용탕의 온도 분포를 나타내는 도면으로서, R 상의 곡률 반경이 100 ㎜ 일 때의 용탕의 온도 분포를 나타내는 도면이다. 도 4B 는 용탕의 온도 분포도에 사용되는 망점과 온도의 관계를 나타내는 도면이다. 도 5 는 종래의 석영 도가니를 이용하여 실리콘을 용융시켰을 때의 도가니 중앙의 종단면 위치에 있어서의 용탕의 온도 분포를 나타내는 도면으로서, R 상의 곡률 반경이 0 ㎜ 일 때의 용탕의 온도 분포를 나타내는 본 발명에 대한 비교예의 도면이다.
도 4A 에서 나타내는 본 발명의 석영 도가니를 이용하여 실리콘을 용융시켰을 때의 도가니 중앙의 종단면 위치에 있어서의 용탕의 온도 분포에 의하면, 중앙 부분의 온도가 낮고, 주변부를 향함에 따라 온도가 높아지고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 실리콘 잉곳을 제조할 때에, 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상이 이상적인 상철 형상이 되어 있는 것을 알 수 있다.
한편, 도 5 에서 나타내는 종래의 석영 도가니를 이용하여 실리콘을 용융시켰을 때의 도가니 중앙의 종단면 위치에 있어서의 용탕의 온도 분포에 의하면, 중앙 부분의 온도가 높고 주변부를 향함에 따라 온도가 낮아지고 있는 것을 알 수 있다. 즉, 실리콘 잉곳을 제조할 때에, 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상이 하철 형상이 되어 있는 것을 알 수 있다.
이상의 점에서, 석영 도가니의 육후부의 R 상의 곡률 반경을 50 ㎜ 이상 (보다 바람직하게는 100 ㎜ 이상) 으로 하면, 실리콘 잉곳을 제조할 때에, 도가니 내의 용탕의 응고 계면 형상을 이상적인 상철 형상으로 할 수 있거나, 또는, 이상적인 상철 형상에 근접시킬 수 있는 것이 확인되었다
3 : 실리콘 융액
10 : 주조 장치
20 : 석영 도가니
21 : 저부
21a : 저부의 두께
22 : 측벽부
22a : 측벽부의 두께
23 : 교차 부분
24 : 육후부
24a : 육후부의 두께
33 : 하부 히터
43 : 상부 히터

Claims (6)

  1. 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 석영 도가니로서,
    저부와 상기 저부의 외주부로부터 기립하는 측벽부를 구비함과 함께, 상방이 개구되어 구성 되고,
    상기 저부와 상기 측벽부가 교차하는 교차 부분의 내측이 상기 석영 도가니의 내방으로 돌출되어, 상기 저부, 상기 측벽부보다 두께가 두꺼운 육후부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 석영 도가니.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 육후부는 상기 저부 및 상기 측벽부에 매끄럽게 연결되도록 상기 교차 부분의 중앙으로부터 상기 저부의 중앙측과 상기 측벽부의 상단측 각각을 향함에 따라 점차 두께가 얇아지도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 석영 도가니.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 육후부에 있어서의 내면 형상이 R 상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 석영 도가니.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 R 상으로 형성된 내면 형상 부분의 곡률 반경은 50 ㎜ 이상인 것을 특징으로 하는 석영 도가니.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 석영 도가니를 제조하는 제조 방법으로서,
    상기 저부와 상기 측벽부의 교차 부분의 내측에 석영 코팅막을 형성함으로써 상기 육후부를 형성하는 코팅막 형성 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 석영 도가니의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 기재된 석영 도가니의 상방 및 하방에, 각각 상기 석영 도가니를 가열하기 위한 히터가 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 주조 장치.
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