KR20140094831A - 단결정 잉곳, 그 잉곳의 제조 장치 및 방법 - Google Patents

단결정 잉곳, 그 잉곳의 제조 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

실시예의 단결정 잉곳 제조 장치는, 용융액을 수용하는 도가니와, 도가니를 가열하는 히터 및 도가니의 상부에서 종결정을 포위하는 넥 커버를 포함하고, 넥 커버는 적어도 하나의 내벽층 및 적어도 하나의 내벽층 위에 배치되며 넥 커버의 내부로부터 방출된 열의 투과를 차단하는 적어도 하나의 외벽층을 포함한다.

Description

단결정 잉곳, 그 잉곳의 제조 장치 및 방법{Ingot having single crystal, apparatus and method for manufacturing the ingot}
실시예는 단결정 잉곳, 그 잉곳의 제조 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 기존의 단결정 잉곳 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 1의 단결정 잉곳 제조 장치는 도가니(10), 종결정(30), 열 차폐부(42, 44), 히터(heater)(50), 와이어(wire)(62) 및 인상 모터(motor)(64)로 구성된다.
쵸크랄스키(Czochralski)법에 의한 실리콘(silicon) 단결정의 제조 방법에 의하면, 도가니(10) 내에 폴리 실리콘을 채운 후, 히터(50)에 의해 도가니(10)를 가열하여 폴리 실리콘을 용융하여 실리콘 용융액(20)을 생성한다. 이후, 종결정(30)을 실리콘 용융액(20)에 접촉시킨 후, 종결정(30)에 연결된 와이어(62)를 인상 모터(64)에 의해 회전시키면서 끌어올려 넥(neck)부를 형성하고, 이후 종결정(30)을 더 인상하여 숄더(shoulder)부 및 정 지름의 직경부(또는, 직동부)를 순차적으로 형성하여 단결정 잉곳의 육성을 완성한다. 이때, 열 차폐부(42, 44)는 용융액(20)과, 도가니(10)와, 히터(50)로부터 발생하는 복사열을 차단하는 역할을 한다.
종결정(30)을 용융액(20)에 접촉하는 순간에 급격한 온도차에 의한 열 충격으로 종결정(30)에 고밀도로 슬립 전위가 도입된다. 이러한 슬립 전위로 인해 넥부가 파손되어 단결정 잉곳이 낙하하는 등의 중대한 사고가 유발될 수 있다. 특히, 단결정 잉곳이 대구경과 및 고 중량화됨에 따라 이러한 넥부의 파손 문제가 더욱 심각해지고 있다.
실시예는 두꺼운 직경의 무전위화된 넥부를 갖는 단결정 잉곳을 제공한다.
다른 실시예는 상기 단결정 잉곳을 제조하는 단결정 잉곳 제조 장치 및 방법을 제공한다.
실시예의 단결정 잉곳 제조 장치는, 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니를 가열하는 히터; 및 상기 도가니의 상부에서 종결정을 포위하는 넥 커버를 포함하고, 상기 넥 커버는 적어도 하나의 내벽층; 및 상기 적어도 하나의 내벽층 위에 배치되며 상기 넥 커버의 내부로부터 방출된 열의 투과를 차단하는 적어도 하나의 외벽층을 포함한다.
상기 적어도 하나의 외벽층의 공극률은 상기 적어도 하나의 내벽층의 공극률보다 높다. 상기 적어도 하나의 외벽층은 버블을 포함하고, 상기 적어도 하나의 내벽층은 버블을 포함하지 않는다.
상기 넥 커버는 상기 적어도 하나의 외벽층의 위에 코팅된 적어도 하나의 코팅층을 더 포함할 수 있다. 상기 코팅층의 외부 표면은 러프니스를 가질 수 있다.
상기 적어도 하나의 내벽층과 상기 적어도 하나의 외벽층 각각의 재질은 SiO2를 포함하고, 상기 코팅층의 재질은 SiC를 포함할 수 있다.
다른 실시예에 의하면, 용융액을 수용하는 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터 및 상기 도가니의 상부에서 종결정을 포위하며, 적어도 하나의 내벽층 및 상기 적어도 하나의 내벽층 위에 배치되며 상기 넥 커버의 내부로부터 방출된 열의 투과를 차단하는 적어도 하나의 외벽층을 갖는 넥 커버를 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치에 의해 수행되는 단결정 잉곳 제조 방법은, 상기 용융액을 생성하는 단계; 상기 종결정과 상기 넥 커버를 함께 하강시키는 단계; 상기 종결정을 상기 용융액에 디핑시킨 후 상기 종결정을 인상하여 넥부를 육성하는 단계; 및 상기 넥부를 육성한 후에, 상기 종결정과 상기 넥 커버를 함께 인상하는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 의하면, 용융액을 수용하는 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터 및 상기 도가니의 상부에서 종결정을 포위하며, 적어도 하나의 내벽층 및 상기 적어도 하나의 내벽층 위에 배치되며 상기 넥 커버의 내부로부터 방출된 열의 투과를 차단하는 적어도 하나의 외벽층을 갖는 넥 커버를 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치에 의해 제조된 단결정 잉곳은, 상기 넥 커버에 의해 포위된 상기 종결정이 상기 용융액에 디핑되어 육성되며, 5.5 ㎜ 이상의 직경을 갖고 무전위인 넥부를 포함할 수 있다.
상기 단결정 잉곳은 상기 넥부에 아래에 육성된 숄더부; 및 상기 숄더부의 아래에 육성되며, 300 ㎜ 이상의 직경을 갖는 직경부를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따른 단결정 잉곳, 그 잉곳의 제조 장치 및 방법은 열 차폐 부재의 오프닝으로 인입된 넥 커버에 의해 포위된 종결정의 온도가 보온된 상태에서 종결정을 용융액에 디핑함으로써 무전위이며 5.5 ㎜ 이상의 큰 직경을 갖는 넥부와 300 ㎜ 이상의 큰 직경을 갖는 직경부를 포함하는 단결정 잉곳을 육성할 수 있으며, 복수의 층으로 넥 커버를 구현함으로써 넥부를 형성할 때 종결정이 더욱 보온되도록 하여 보다 두껍고 무전위화된 넥부를 육성할 수 있다.
도 1은 기존의 단결정 잉곳 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 실시예에 의한 도 2의 넥 커버 및 가이드부를 확대 도시한 단면도를 나타낸다.
도 4 (a)는 도 3에 예시된 탑부의 평면도를 나타내고, 도 4 (b)는 도 3에 도시된 'A' 부분을 확대 도시한 단면도를 나타낸다.
도 5는 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 6a 내지 도 6h는 도 5에 예시된 방법이 수행됨에 따라 넥 커버가 이동함을 보이는 도 2에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치의 도면이다.
도 7은 실시예에 의한 단결정 잉곳의 단면도를 나타낸다.
도 8은 다른 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 장치를 나타내는 도면이다.
도 9a 내지 도 9c는 실시예에 의한 넥 커버의 단면도를 나타낸다.
도 10은 단일층으로 구현된 넥 커버의 단면도를 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
도 2는 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 장치(100A)를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 단결정 잉곳 제조 장치(100A)는 도가니(110), 지지 회전축(132), 히터(134), 단열부(136), 반응 챔버(138), 열 차폐 부재(140), 넥 커버(neck cover)(150A), 가이드부(160), 종결정(seed)부(170), 와이어(180), 인상 구동부(182) 및 제어부(184)를 포함한다.
실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 장치(100A)는 쵸크랄스키(Czochralski)법에 의해 단결정 잉곳을 육성한다.
반응 챔버(138)는 도가니(110), 지지 회전축(132), 히터(134), 단열부(136), 열 차폐 부재(140), 넥 커버(150A), 가이드부(160), 종결정부(170) 및 와이어(180)를 수용하는 역할을 한다.
도가니(110)는 단결정 잉곳을 육성시키기 위한 용융액을 수용하는 역할을 한다. 실리콘 용융액(130)을 담는 도가니(110)는 안쪽(112)은 석영으로 되어 있고, 바깥쪽(114)은 흑연 또는 탄소로 된 이중 구조를 가질 수 있다. 제어부(184)의 제어 하에, 히터(134)는 도가니(110)를 가열하는 역할을 한다.
종결정부(170)는 종결정(seed) 웨이트(weight)(172), 종결정 척(chuck)(174) 및 종결정(176)을 포함할 수 있지만, 실시예는 이에 한정되는 것은 아니며, 통상의 지식을 가진 자에 의해 여러 가지의 변형과 응용이 가능함은 물론이다.
종결정(176)을 실리콘 용융액(130)에 접촉 또는 침지시킬 때, 인상 구동부(182)에 의해 종결정(176)을 회전시 발생하는 진동 등에 의한 흔들림이 있다. 이러한 흔들림으로 인해 인상 구동부(182)의 회전 중심축과 종결정(176)의 회전 중심축이 서로 어긋날 수 있다. 이를 방지하기 위해, 종결정 웨이트(172)는 와이어(180)의 끝단에 고정 결합되어 무게를 주는 역할을 한다. 종결정 척(174)은 종결정 웨이트(172)의 하부에 결합되고 종결정(176)을 일부 수용하여 결합시키는 역할을 한다. 종결정(176)은 종결정 척(174)에 일단이 착탈 가능하게 결합되고 실리콘 용융액(130)에 그(176)의 하단부가 디핑(deeping)된다.
열 차폐 부재(140)는 히터(134)와 실리콘 용융액(130)으로부터의 복사열이 단결정 잉곳으로 전달되는 것을 차단한다. 즉, 열 차폐 부재(140)는 열이 단결정 잉곳으로 전달되는 경로를 차단하여, 복사열에 의한 단결정 잉곳의 가열을 방지할 수 있다. 이와 같이, 열 차폐 부재(140)는 단결정 잉곳의 냉각 열 이력에 큰 영향을 미친다. 게다가, 열 차폐 부재(140)는 용융액(130)의 온도 변동을 억제하는 역할도 수행한다. 이러한 역할을 수행하기 위해, 열 차폐 부재(140)는 단결정 잉곳과 도가니(110) 사이에서 단결정 잉곳을 에워싸도록 배치될 수 있다.
단열부(136)는 히터(134)로부터의 열이 반응 챔버(138)의 외부로 진행하는 것을 차단하는 역할을 한다. 예를 들어, 단열부(136)는 펠트(felt) 소재로 구현될 수 있다.
제어부(184)의 제어 하에, 인상 구동부(182)는 와이어(180)를 풀어 용융액(130)의 표면의 대략 중심부에 종결정(176)의 선단을 접촉 또는 침지시킨다. 지지축 구동부(미도시)는 도가니(110)의 지지 회전축(132)을 화살표와 같은 방향으로 회전시킨다. 동시에, 인상 구동부(182)는 와이어(180)에 의해 종결정(176)을 화살표 방향으로 회전시키면서 인상하여 단결정 잉곳이 육성되도록 한다. 이때, 단결정 잉곳을 인상하는 속도(V)와 온도 구배(G, △G)를 조절하여 원주 형상의 단결정 잉곳이 완성될 수 있다.
도 3은 실시예에 의한 도 2의 넥 커버(150A) 및 가이드부(160)를 확대 도시한 단면도를 나타낸다.
실시예에 의하면, 넥 커버(150A)는 도가니(110)의 상부에서 종결정부(170)를 포위하며, 소정 구간에서 종결정부(170)의 승강과 연동하여 승강한다. 가이드부(160)는 소정 구간 내에서 넥 커버(150A)의 승강 경로를 가이드하는 역할을 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 가이드부(160)는 몸체(162) 및 스토퍼(stopper)(164)를 포함한다. 몸체(162)의 양단부(160A, 160B)는 소정 구간(L)을 정의한다. 스토퍼(164)는 소정 구간(L)을 정의하는 양단부(160A, 160B) 중 도가니(110)에 가까운 단부(160B)에서 내측으로 돌출되어 형성되어 있으며, 넥 커버(150A)의 승강 경로를 제한한다. 가이드부(160)는 도 2에 예시된 바와 같이 반응 챔버(138)와 일체로 형성될 수 있지만, 이에 국한되지 않는다. 즉, 가이드부(160)는 반응 챔버(138)와 별개로 형성될 수도 있다.
넥 커버(150A)는 탑(top)부(152), 측부(154) 및 버텀(bottom)부(156)를 포함한다. 탑부(152)는 제1 및 제2 영역(152A, 152B)로 구분될 수 있다. 제1 영역(152A)은 종결정부(170)에 의해 받쳐지며, 종결정부(170)와 연결된 와이어(180)가 관통하는 관통 홀(158)을 갖는다. 제1 영역(152A)이 종결정부(170)에 의해 받쳐지기 위해서, 관통 홀(158)의 폭(W)은 종결정 웨이트(172)의 상단의 폭(W2)보다 더 작다. 제2 영역(152B)은 탑부(152)의 가장 자리로부터 외측으로 돌출되어 하강시에 스토퍼(160B)에 걸리는 돌출부를 갖는다.
전술한 바와 같이, 가이드부(160)의 돌출된 스토퍼(164)에 탑부(152)의 제2 영역(152B)의 돌출부가 걸리기 때문에, 넥 커버(150A)가 소정 구간(L)보다 더 하강됨이 저지될 수 있다. 그러나, 스토퍼(164) 및 제2 영역(152B)의 돌출부 각각은 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같은 형상에 국한되지 않고, 넥 커버(150A)이 하강을 저지하기 위해 다양한 형상으로 구현될 수도 있다.
측부(154)는 탑부(152)의 제1 영역(152A)의 단부로부터 연장된다. 버텀부(156)는 측부(154)로부터 내측으로 돌출되어 종결정부(170)를 에워싸며 종결정부(170)가 출입하는 개구(156A)를 형성한다. 이때, 버텀부(156)의 두께는 측부(154)로부터 내측으로 갈수록 감소할 수 있다. 넥 커버(150A)는 열 차폐 부재(140)에 의해 정의되는 오프닝(144)에 인입 가능하다. 이를 위해, 버텀부(156)의 폭은 오프닝(144)의 폭 이하일 수 있다.
도 4 (a)는 도 3에 예시된 탑부(152)의 평면도를 나타내고, 도 4 (b)는 도 3에 도시된 'A' 부분을 확대 도시한 단면도를 나타낸다.
도 3, 도 4 (a) 및 도 4 (b)를 참조하면, 탑부(152)의 제1 영역(152A)은 와이어(160)가 관통되는 와이어 홀(158)을 갖는다. 또한, 탑부(152)는 지지판(152-1), 베어링(152-2) 및 부싱(152-4)을 포함한다.
베어링(152-2)은 부싱(152-4)의 외주에 배치되며, 베어링 볼(152-2A), 내륜(152-2B) 및 외륜(152-2C)을 포함한다.
부싱(152-4)은 와이어 홀(158)을 형성하며 와이어(180)와 서로 격리되어 있다. 이로 인해, 종결정 웨이트(172)가 부싱(152-4)으로 인입되기 이전까지, 와이어(180)가 회전 운동한다고 하더라도 부싱(152-4)은 회전 운동을 하지 않는다.
이후, 종결정 웨이트(172)가 도 4 (b)에 예시된 바와 같이 부싱(152-4)으로 인입된 후, 부싱(152-4)은 종결정 웨이트(172)와 일체로 베어링(152-2)의 내륜(152-2B)과 함께 회전 운동을 하면서 종결정 웨이트(172)와 일체로 함께 수직 상방으로 이동할 수 있. 즉, 넥 커버(150A)가 수직 상방으로 종결정부(170)과 함께 이동할 수 있다.
전술한 동작을 위해, 부싱(152-4)은 제1 세그먼트(152-4A) 및 제2 세그먼트(152-4B)를 포함할 수 있다. 제1 세그먼트(152-4A)는 종결정 웨이트(172)의 상부가 인입되는 부분이고, 제2 세그먼트(152-4B)는 제1 세그먼트(152-4A)의 위에 제1 세그먼트(152-4A)와 일체로 연장 배치되어, 와이어 홀(158)을 형성하는 부분이다.
이때, 제1 세그먼트(152-4A)의 내벽(153)은 경사지게 형성되어, 종결정 웨이트(172)의 상부가 부싱(152-4)으로 인입되는 것을 유도하여 안착시킬 수 있다. 즉, 제1 세그먼트(152-4A)의 내벽(153)이 경사짐으로써, 종결정 웨이트(172)의 상단과 탑부(152)의 부싱(152-4)이 결합할 때 진동이 억제되고 정확한 포지셔닝(positioning) 즉, 정확한 결합이 가능하게 된다.
탑부(152)는 도 4 (b)에 예시된 바와 같이 베어링 커버(152-3)를 더 포함할 수 있다. 베어링 커버(152-3)는 지지판(152-1)의 상부와 베어링(152-2)의 상부에 걸쳐서 배치될 수 있다.
일반적으로 실리콘 단결정 웨이퍼의 주요 품질 항목으로서 산소 농도가 큰 부분을 차지하고 있으며, 이러한 실리콘 단결정 성장 시의 산소 농도를 제어하기 위하여 도가니(110)의 회전, 챔버(138) 내부의 압력 조건 등 다양한 인자들을 조절할 수 있다. 특히, 산소 농도를 제어하기 위하여 단결정 잉곳 제조 장치(100A)의 챔버(138)의 상측에서 그(138)의 내부로 아르곤 가스 같은 캐리어 가스를 주입하여 하부로 배출한다. 이때, 도 4 (a)에 예시된 바와 같이 지지판(152-1)은 캐리어 가스의 흐름을 허용하는 복수의 가스 홀(157-1 ~ 157-4)을 포함할 수 있다.
전술한 구성을 갖는 넥 커버(150A)에서 탑부(152)의 제2 영역(152B)의 돌출된 부분이 스토퍼(164)에 걸릴 때, 넥 커버(150A)의 버텀부(156)와 열 차폐 부재(140)는 열 차폐막(142)을 형성할 수 있다.
전술한 역할을 수행하기 위해, 넥 커버(150A)의 탑부(152)와 측부(154)의 재질은 스테인레스강(stainless steel)과 같이 고온에서 안정성을 갖는 금속을 포함할 수도 있고 금속 산화물을 포함할 수도 있다. 또한, 넥 커버(150A)의 버텀부(156)의 재질은 높은 열 반사율을 갖고 고온 안정성을 가지며 높은 순도를 갖는 물질일 수 있다. 버텀부(156)는 M/I(단량체 대 개시제) 1.0 ppma이하인 물질 예를 들어, PBNCG(Pyrolytic Boron Nitride Coated Graphite)을 포함할 수 있다.
도 5는 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 방법을 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 5에 예시된 단결정 잉곳 제조 방법은 도 2에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치(100A)에서 수행될 수 있다.
도 6a 내지 도 6h는 도 5에 예시된 방법이 수행됨에 따라 넥 커버(150A)가 이동함을 보이는 도 2에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치(100A)의 도면이다.
도 6a에 예시된 바와 같이, 도가니(110) 내에 실리콘의 고순도 다결정 원료(130A)를 투입하고, 히터(134)에 의해 융점 온도 이상으로 도가니(110)를 가열하여, 도 6b에 예시된 바와 같이 다결정 원료(130A)를 실리콘 용융액(130)으로 변화시킨다(제202 단계). 이와 같이, 용융액(130)이 생성되는 동안, 도 6a 및 도 6b에 예시된 넥 커버(150A)는 용융액(130)의 계면(130B)으로부터 최소 100 ㎝ 상부 지점의 풀링 챔버(미도시)에 위치될 수 있다.
제202 단계 후에, 도 6c에 예시된 바와 같이 종결정부(170)와 넥 커버(150A)를 함께 소정 구간(L)만큼 하강시켜 넥 커버(150A)의 위치를 넥킹 공정을 위해 세팅시킨다(제204 단계). 도 6a 및 도 6b에 예시된 바와 같이 종결정부(170)가 하강하기 이전에, 넥 커버(150A)의 탑부(152)의 저면은 종결정부(170)에 의해 받쳐져서 고정된다. 그러나, 종결정부(170)를 하강시킬 때, 도 6c에 예시된 바와 같이 넥 커버(150A)는 종결정부(170)와 연동되어 소정 거리(L)만큼 동시에 하강한다.
제204 단계 후에, 도 2에 예시된 바와 같은 열 차폐막(142)이 형성된 상태에서, 제어부(184)의 제어 하에, 인상 구동부(182)는 와이어(180)를 이용하여 종결정(176)을 도 6d에 예시된 바와 같이 더 하강시켜 용융액(130)에 디핑시킨 후 도 6e에 예시된 바와 같이 종결정부(170)를 인상하여 넥부를 육성한다(제206 단계). 제206 단계가 수행되는 동안, 넥 커버(150A)는 스토퍼(164)에 의해 고정되어 있다. 넥부를 육성할 때, 넥 커버(150A)의 버텀부(156)와 용융액(130) 사이의 온도가 1000 ℃ 이상 예를 들어 1200 ℃ 이상으로 되도록, 제어부(184)는 히터(134)의 발열을 제어할 수 있다. 또한, 넥부를 육성할 때, 넥 커버(150A)의 버텀부(156)와 용융액(130) 사이의 온도 분포에 의한 열 스트레스가 2 Mpa 이하 예를 들어 1.5 MPa 이하로 되도록, 제어부(184)는 히터(134)의 발열량을 조절할 수 있다. 또한, 넥부를 육성할 때, 종결정부(170)가 도 6e에 예시된 바와 같이 인상되는 속도는 4.0 ㎜/min 이하 예를 들어, 2.0 ㎜/min 이하일 수 있다.
제206 단계에서 넥부를 육성한 후에, 도 6f 내지 도 6h에 예시된 바와 같이, 제어부(184)는 인상 구동부(182)를 제어하여 와이어(180)를 통해 종결정부(170)와 넥 커버(150A)를 함께 인상시켜 단결정 잉곳의 숄더부를 육성한다(제208 단계).
즉, 넥부를 도 6e에 예시된 바와 같이 육성한 후에, 도 6f에 예시된 바와 같이 숄더부를 육성하기 시작한다. 이때, 종결정 웨이트(172)의 상부면은 탑부(152)의 저면에 접촉된다.
이후, 도 6g에 예시된 바와 같이 계속해서 숄더부를 육성하기 위해 종결정부(170)를 인상하는 동안 넥 커버(150A)는 동시에 인상된다. 여기서, 종결정부(170)와 넥 커버(150A)를 함께 인상하는 속도는 0.3 ㎜/min 내지 1.0 ㎜/min일 수 있다. 또한, 넥부를 육성한 후에, 도 6f에 예시된 바와 같이 종결정부(170)와 넥 커버(150A)를 동시에 인상하는 시점에 발생 가능한 미세한 진동(vibration)을 억제하기 위해 제어부(184)는 자기장 인가부(미도시)를 제어하여, 도가니(110)에 1000 가우스(G) 이상 예를 들어, 2000 G 내지 5000 G의 수평 자기장을 인가할 수 있다.
이후, 도 6h에 예시된 바와 같이 직경부가 육성됨에 따라, 넥 커버(150A)는 종결정부(170)에 의해 도 6a 및 도 6b에 예시된 원래의 위치로 리프트된다.
도 7은 실시예에 의한 단결정 잉곳의 단면도를 나타낸다.
전술한 바와 같이, 도 2에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치에 의해 도 5에 예시된 단결정 잉곳 제조 방법을 수행함으로써, 도 7에 예시된 바와 같은 단결정 잉곳(120)이 육성 제조될 수 있다.
도 7을 참조하면, 단결정 잉곳(120)은 넥부(122), 숄더부(124) 및 직경부(또는, body부 또는 직동부)(126)를 포함할 수 있다. 넥부(122)는 종결정(176)의 아래에 육성되고, 숄더부(124)는 넥부(122)의 아래에 육성되고, 직경부(126)는 숄더부(124)의 아래에 육성될 수 있다.
도 1을 참조하면, 기존의 경우 종결정(30)이 용융액(20)에 디핑되는 동안 종결정(30)과 용융액(20) 사이의 온도차로 인해 열 충격이 발생하고, 이로 인하여 종결정(30)에 슬립 전위가 도입될 수 있다.
반면에, 실시예에 의하면, 열 차폐 부재(140)의 오프닝(144)으로 인입된 넥 커버(150A)에 의해 포위된 종결정(176)의 온도가 보온된 상태에서 종결정(176)이 용융액(130)에 디핑되어 넥부(122)가 육성된다. 따라서, 종결정(176)의 온도가 높아져서 종결정(176) 선단이 용융액(130) 표면에 접촉할 때 열 충격이 현저히 감소하므로, 슬립 전위의 발생이 방지될 수 있다. 따라서, 실시예에 의한 단결정 잉곳(120)의 넥부(122)는 무전위이며 5.5 ㎜ 이상의 직경을 가질 수 있다.
또한, 단결정 잉곳(120)이 대구경 및 고중량이라고 할지라도, 실시예에 의하면 넥부(122)의 직경이 두껍게 형성되기 때문에, 넥부(122)가 파손되어 단결정 잉곳(120)이 낙하될 위험성이 해소될 수 있다. 이로 인해, 실시예의 단결정 잉곳(120)에서 직경부(126)는 예를 들어 300 ㎜의 대구경을 가질 수 있다.
도 8은 다른 실시예에 의한 단결정 잉곳 제조 장치(100B)를 나타내는 도면이다.
도 2에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치(100A)와 달리, 도 8에 예시된 단결정 실리콘 잉곳 제조 장치(100B)에서 넥 커버(150B)는 가이드부(160)에 의해 가이드되지 않는다. 따라서, 도 8에 도시된 가이드부(160)는 스토퍼(164)를 마련하지 않는다. 또한, 도 2에 예시된 바와 달리, 도 8에 예시된 넥 커버(150B)는 종결정 척(174)과 종결정(176)을 포위하되, 종결정 웨이트(172)를 포위하지 않는다. 이를 제외하면, 도 8에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치(100B)는 도 2에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치(100A)와 동일하므로 동일한 부분에 대해서는 동일한 참조 부호를 사용하였으며 이들에 대한 상세한 설명은 생략한다,.
도 8에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치(100B)에서 수행되는 단결정 잉곳 제조 방법을 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치(100A)에서 넥 커버(150A)가 소정 구간만큼 이동된 후 고정되고, 종결정(176)만이 용융액(130)에 디핑되어 넥부(122)가 육성된다(제206 단계). 반면에, 도 8에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치(100B)에서 넥 커버(150B)와 종결정(176)은 용융액(130)에 동시에 디핑되어 넥부(122)가 육성된다(제206 단계). 이를 제외하면, 도 8에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치(100B)는 도 2에 예시된 단결정 잉곳 제조 장치(100A)와 동일하게 단결정 잉곳 제조 방법을 수행한다.
즉, 용융액(130)을 전술한 바와 같이 생성한다(제202 단계). 제202 단계 후에, 종결정(176)과 넥 커버(150B)를 함께 하강시킨다(제204 단계). 제204 단계 후에, 종결정(176)을 용융액(130)에 디핑시킨 후 종결정(176)을 인상하여 넥부(122)를 육성한다(제206 단계). 제206 단계 후에, 종결정(176)과 넥 커버(150B)를 함께 인상하여 숄더부(124)와 직경부(126)를 육성한다(제208 단계).
도 9a 내지 도 9c는 실시예에 의한 넥 커버(310A, 310B, 310C)의 단면도를 나타낸다.
도 9a 내지 도 9c에 예시된 넥 커버(310A, 310B, 310C) 각각은 도 2, 도 3 또는 도 8에 예시된 'B' 또는 'C' 부분을 확대 도시한 실시예의 단면도에 해당한다. 즉, 도 2 및 도 8에 예시된 넥 커버(150A, 150B)는 도 9a 내지 도 9c에 예시된 바와 같이 구현될 수 있다.
도 9a 내지 도 9c를 참조하면, 넥 커버(310A, 310B, 310C)는 적어도 하나의 내벽층(312) 및 적어도 하나의 외벽층(314)을 포함할 수 있다. 도 9a 내지 도 9c에서 하나의 내벽층(312)과 하나의 외벽층(314)만이 도시되어 있지만, 실시예는 이에 국한되지 않으며 내벽층(312)과 외벽층(314) 각각은 복수 개로 구현될 수 있음은 물론이다.
적어도 하나의 내벽층(312)은 도 2에 예시된 종결정부(170) 또는, 도 8에 예시된 종결정 척(174)와 종결정(176)을 포위한다. 적어도 하나의 외벽층(314)은 적어도 하나의 내벽층(312) 위에 배치되며 넥 커버(310A, 310B, 310C)의 내부로부터 방출된 열이 넥 커버(310A, 310B, 310C)의 밖으로 투과되는 것을 차단하는 역할을 한다.
또한, 도 9a 내지 도 9c에 예시된 외벽층(314)의 공극률은 내벽층(312)의 공극률보다 높을 수 있다. 또한, 외벽층(314)은 버블(314a)을 포함하는 반면, 내벽층(312)은 버블(314a)을 포함하지 않을 수 있다. 내벽층(312)과 외벽층(314) 각각의 재질은 SiO2를 포함할 수 있다.
도 10은 단일층으로 구현된 넥 커버(300)의 단면도를 나타낸다.
도 2 또는 도 8에 예시된 넥 커버(150A, 150B)가 도 10에 예시된 바와 같이 단일층(300)으로 이루어진다면, 넥 커버(150A, 150B)의 내부로부터 방출된 열(320)이 단일층(300)을 투과(322)하여 외부로 배출되어 열 손실이 야기될 수도 있다.
따라서, 도 2 또는 도 8에 예시된 넥 커버(150A, 150B) 각각을 도 9a 내지 도 9c에 예시된 바와 같이 복수의 층 즉, 외벽층(314)과 내벽층(312)으로 구현할 경우, 넥 커버(310A, 310B, 310C)의 내부로부터 방출된 열(320)은 외벽층(314)을 투과하지 못하고 내부로 반사하여 열 손실이 방지될 수 있다.
일반적으로, 열 차폐 부재(140)와 용융액(130) 사이의 거리인 멜트 갭(melt gap)이 증가함에 따라 종결정(176) 및 넥부(122)로 유입되는 복사 열량이 증가하는 경향이 있다. 따라서, 이러한 복사 열을 넥 커버(150A, 150B)의 내부로 흡수하기 위해, 도 9b 및 도 9c에 각각 도시된 바와 같이 넥 커버(310B, 310C)는 코팅층(316A, 316B)을 더 마련할 수도 있다. 도 9b 및 도 9c에서 하나의 코팅층(316A, 316B)만이 도시되어 있지만, 실시예는 이에 국한되지 않으며 복수의 코팅층(316A, 316B)이 외벽층(314) 위에 배치될 수 있음은 물론이다.
코팅층(316A, 316B)은 외벽층(314)의 위에 코팅될 수 있다. 이때, 코팅층(316B)의 외부 표면은 외부의 복사열을 더 많이 흡수하기 위해 도 9c에 예시된 바와 같이 러프니스(318)를 가질 수도 있다. 코팅층(316A, 316B)의 재질은 고온에서 내열성을 가지며 오염에 대한 위험이 적은 도료 물질을 사용할 수 있다. 예를 들어, 코팅층(316A, 316B)의 재질은 SiC를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 2 또는 도 8에 예시된 넥 커버(150A, 150B)가 도 9a 내지 도 9c에 예시된 바와 같이 구현될 경우, 넥부(122)가 육성되는 네킹 공정에서 종결정(176)과 용융액(130)의 계면 사이 및 종결정(176)이 더욱 보온될 수 있어, 열 충격이 그 만큼 더 완화되므로, 넥부(122)의 무전위화가 더욱 보장되고, 넥부(122)가 그 만큼 더 두꺼운 직경을 갖도록 육성될 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.
110: 도가니 120: 단결정 잉곳
122: 넥부 124: 숄더부
126: 직경부 130: 용융액
132: 지지 회전축 134: 히터
136: 단열부 138: 반응 챔버
140: 열 차폐 부재 150A, 150B: 넥 커버
152: 탑부 152-1: 지지판
152-2: 베어링 152-3: 베어링 커버
152-4: 부싱 154: 측부
156: 버텀부 160: 가이드부
170: 종결정부 172: 종결정 웨이트
174: 종결정 척 176: 종결정
180: 와이어 182: 인상 구동부
184: 제어부

Claims (10)

  1. 용융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니를 가열하는 히터; 및
    상기 도가니의 상부에서 종결정을 포위하는 넥 커버를 포함하고,
    상기 넥 커버는
    적어도 하나의 내벽층; 및
    상기 적어도 하나의 내벽층 위에 배치되며 상기 넥 커버의 내부로부터 방출된 열의 투과를 차단하는 적어도 하나의 외벽층을 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 외벽층의 공극률은 상기 적어도 하나의 내벽층의 공극률보다 높은 단결정 잉곳 제조 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 외벽층은 버블을 포함하고, 상기 적어도 하나의 내벽층은 버블을 포함하지 않는 단결정 잉곳 제조 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 넥 커버는
    상기 적어도 하나의 외벽층의 위에 코팅된 적어도 하나의 코팅층을 더 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 코팅층의 외부 표면은 러프니스를 갖는 단결정 잉곳 제조 장치.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 내벽층과 상기 적어도 하나의 외벽층 각각의 재질은 SiO2를 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  7. 제4 항에 있어서, 상기 코팅층의 재질은 SiC를 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치.
  8. 용융액을 수용하는 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터 및 상기 도가니의 상부에서 종결정을 포위하며, 적어도 하나의 내벽층 및 상기 적어도 하나의 내벽층 위에 배치되며 상기 넥 커버의 내부로부터 방출된 열의 투과를 차단하는 적어도 하나의 외벽층을 갖는 넥 커버를 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치에 의해 수행되는 단결정 잉곳 제조 방법에 있어서,
    상기 용융액을 생성하는 단계;
    상기 종결정과 상기 넥 커버를 함께 하강시키는 단계;
    상기 종결정을 상기 용융액에 디핑시킨 후 상기 종결정을 인상하여 넥부를 육성하는 단계; 및
    상기 넥부를 육성한 후에, 상기 종결정과 상기 넥 커버를 함께 인상하는 단계를 포함하는 단결정 잉곳 제조 방법.
  9. 용융액을 수용하는 도가니와, 상기 도가니를 가열하는 히터 및 상기 도가니의 상부에서 종결정을 포위하며, 적어도 하나의 내벽층 및 상기 적어도 하나의 내벽층 위에 배치되며 상기 넥 커버의 내부로부터 방출된 열의 투과를 차단하는 적어도 하나의 외벽층을 갖는 넥 커버를 포함하는 단결정 잉곳 제조 장치에 의해 제조된 단결정 잉곳에 있어서,
    상기 넥 커버에 의해 포위된 상기 종결정이 상기 용융액에 디핑되어 육성되며, 5.5 ㎜ 이상의 직경을 갖고 무전위인 넥부를 포함하는 단결정 잉곳.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 단결정 잉곳은
    상기 넥부에 아래에 육성된 숄더부; 및
    상기 숄더부의 아래에 육성되며, 300 ㎜ 이상의 직경을 갖는 직경부를 더 포함하는 단결정 잉곳.
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WO2017073983A1 (ko) * 2015-10-26 2017-05-04 주식회사 엘지화학 실리콘계 용융 조성물 및 이를 이용한 sic 단결정의 제조 방법
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