KR20150017502A - 잉곳성장장치 및 잉곳성장방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상측 열차폐 수단을 구비하고 잉곳의 인상경로가 되는 상부 챔버를 포함하는 잉곳성장장치로서, 실리콘 융액이 수용되는 도가니; 상기 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키기 위한 종자결정; 상기 종자결정을 고정하기 위한 종자결정 척; 및 상기 도가니 상측에 배치되는 단열 수단으로서, 상기 종자결정 및 종자결정 척이 통과할 수 있는 홀을 갖는 상측 열차폐 수단;을 포함하고, 상기 상측 열차폐 수단은 상기 종자결정 및 종자결정 척이 통과할 수 있는 홀을 갖는 제 1 열차폐부와, 상기 제 1 열차폐부를 지지하기 위한 지지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명에 따르면, 상측 열차폐 수단을 사용하여 종자결정과 실리콘 융액의 열 충격을 최소화 하여 네크부의 직경을 향상시킬 수 있고, 본 실시예에 따르면, 네크부의 직경 향상으로 대구경의 단결정 실리콘 잉곳을 생산할 수 있는 장점이 있다.

Description

잉곳성장장치 및 잉곳성장방법{Apparatus and method for growing ingot}

본 발명은 단결정 실리콘 잉곳을 생산하는 잉곳성장장치에 관한 것으로, 좀더 상세히 쵸크랄스키 공정으로 고품질의 단결정 실리콘 잉곳을 생산하기 위하여 도가니의 상측에 상측 열차폐 수단을 구비한 잉곳성장장치에 관한 것이다.

반도체 소자의 재료로 사용되는 실리콘 단결정 웨이퍼는 일반적으로 쵸크랄스키법에 의하여 제조된 단결정 잉곳을 슬라이싱 공정에 의하여 제조된다.

쵸크랄스키법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법은, 석영 도가니에 다결정 실리콘을 용융시킨 후, 종자결정을 융액 표면에 침지시키고, 종자결정을 인상시켜서 가늘고 긴 결정을 성장시키는 넥킹 공정과, 결정을 직경 방향으로 성장시켜 목표 직경으로 만드는 솔더링(shouldering) 공정을 거치게 된다. 이후에는 일정한 직경을 갖는 실리콘 단결정 잉곳을 원하는 길이로 성장시키는 바디 그로잉(body growing) 공정을 거치고, 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 점점 줄여나가 실리콘 융액과 잉곳을 분리하는 테일링(tailing) 공정을 거침으로써 실리콘 단결정 잉곳의 성장이 완료된다.

그런데, 네크부를 형성하는 공정에서 종자결정이 실리콘 융액에 접촉할 때, 접촉된 종자결정하단부의 온도는 실리콘 융액의 표면온도로 급격히 상승함으로써 종자결정 하단부에 열 충격(thermal shock)이 가해진다. 그 결과, 종자결정에 전단 응력(shear stress)이 유발되어 멜트 접촉 부위에 전위(dislocation)가 발생한다.

따라서, 종래에는 전위가 단결정으로 전파되는 것을 막기 위해 단결정 제조 공정의 초반에 데쉬 네킹(dash necking) 공정을 진행하였다.

상기 데쉬 네킹 공정은 네킹부를 빠른 속도로 가늘고 길게 뽑아내어 전위를 제거하는 기술이다. 이때, 데쉬 네킹 공정에서 성장되는 네킹부의 최소 직경은 3 ~ 5mm이다.

만약, 상기 네킹부의 직경이 5mm를 넘으면 네킹부 내/외부의 온도차에 의해 발생하는 전단 응력이 크기가 증가하여 전위의 전파 속도가 네킹부의 단결정 인상속도보다 커지게 됨으로 인해 종자결정 하단부에 발생된 전위가 제거되지 않는 문제가 생긴다.

그런데, 이러한 데쉬 네킹 공정은 전위의 제거라는 긍정적 효과도 있지만, 가늘고 긴 네킹부는 고중량의 단결정을 지탱하는 데는 부정적 영향을 미친다. 단결정의 하중이 가늘고 긴 네킹부를 통해 종자결정에 인가되므로 네킹부의 파손으로 인한 단결정의 추락 사고 가능성이 있기 때문이다. 그리고, 최근에는 반도체 기술이 발전함에 따라서 단결정 실리콘 잉곳이 고중량 대구경화되고 있으며 현재 450mm의 직경을 갖는 단결정은 공정 후반으로 가면 그 무게가 1톤에 달할 것으로 예상되는데, 3-5mm의 가는 네킹부로는 1톤에 달하는 단결정의 무게를 지지할 수 없다. 따라서 네킹 공정을 진행하지 않고 대구경의 단결정을 성장시킬 수 있는 기술들이 연구 개발되고 있다.

그리고, 최근에는 반도체 기술이 발전함에 따라서 단결정 실리콘 잉곳이 고중량 대구경화 됨에 따라서 실리콘 원료의 사이즈가 커지고 도가니내의 더 많은 다결정 실리콘을 적층해야 된다. 이 때문에 다결정 실리콘을 가열하기 위한 히터 파워가 증가하게 되었고, 히터 파워 증가에 따른 잉곳의 단가 상승은 물론 단결정 성장 과정에서 단결정의 유전위화 향상 및 제품 수율이 저하되는 문제가 발생하였다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 상측 열차폐 수단을 이용하여 대구경 단결정 실리콘 잉곳성장장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 실시예의 상측 열차폐 수단을 구비한 잉곳성장장치는, 잉곳의 인상경로가 되는 상부 챔버를 포함하는 잉곳성장장치로서, 실리콘 융액이 수용되는 도가니; 상기 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키기 위한 종자결정; 상기 종자결정을 고정하기 위한 종자결정 척; 및 상기 도가니 상측에 배치되는 단열 수단으로서, 상기 종자결정 및 종자결정 척이 통과할 수 있는 홀을 갖는 상측 열차폐 수단;을 포함하고, 상기 상측 열차폐 수단은 상기 종자결정 및 종자결정 척이 통과할 수 있는 홀을 갖는 제 1 열차폐부와, 상기 제 1 열차폐부를 지지하기 위한 지지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 실시예의 상측 열차폐 수단을 이용한 잉곳생산방법은, 도가니에 다결정 실리콘이 수용되는 단계; 상기 도가니 상측에 마련된 상측 열차폐 수단이 하강하여 상기 도가니로부터 소정 높이에 고정되는 단계; 상기 도가니의 가열을 통한 실리콘 융액을 형성하는 단계; 상기 종자결정을 이용한 디핑 공정과 네크부를 형성하는 네킹 공정이 완료된 다음에는, 상기 네크부의 직경을 확장하는 숄더링 공정을 실시하면서 상기 상측 열차폐 수단을 상부 챔버 상측으로 이동시키는 단계; 및 상기 종자결정을 이용하여 잉곳을 성장시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

제안되는 본 실시예에 따르면, 상측 열차폐 수단을 사용하여 종자결정과이 융액에 침지될 때 발생하는 열 충격을 최소화하여 네크부를 대직경으로 성장시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 네크부의 안정적인 대직경 형성을 통하여, 대구경의 단결정 실리콘 잉곳을 생산할 수 있는 장점이 있다.

그리고 본 실시예에 따르면, 실리콘 용융액 가열시 히터파워를 감소시켜 단결정 실리콘 잉곳의 품질 향상 및 단가를 낮추는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상측 열차폐 수단을 구비한 잉곳성장장치의 개략적인 단면을 나타낸다.
도 2는 상측 열차폐 수단의 고정부가 냉각부상측에 고정되는 일 실시예를 나타낸다.
도 3은 상측 열차폐 수단의 고정부가 별도로 구비된 걸림부에 의해 고정되는 일 실시예를 나타낸다.
도 4는 상측 열차폐 수단의 고정부가 링형으로 구성된 일 실시예를 나타낸다.
도 5는 상측 열차폐 수단의 고정부가 원반형으로 구성된 일 실시예를 나타낸다.
도 6은 상측 열차폐 수단의 지지부가 길이 조절이 가능하게 구성된 일 실시예를 나타낸다.
도 7은 상측 열차폐 수단을 고정부와 지지부및 지지부와 제 1 열 차폐부의 결합구조의 일 실시예를 나타낸다.
도 8은 상측 열차폐 수단을 구비한 잉곳성장장치를 이용하여 잉곳을 성장시키는 방법에 관한 흐름도를 나타낸다.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상측 열차폐 수단(100)을 구비한 잉곳성장장치의 개략적인 단면을 나타낸다

도 1을 참조하면, 본 실시예의 잉곳성장장치는 실리콘 융액을 담는 석영도가니(200)와, 실리콘 융액에서 잉곳을 인상하기 위한 종자결정(400)(seed)와, 상기 종자결정(400)를 고정하기 위한 종자결정 척(410)과, 상기 종자결정 척(410)과 연결되어 종자결정 척(410)을 상승시키는 인상 케이블(430)의 이동경로가 되면서 단결정 실리콘 잉곳이 성장되는 공간을 제공하는 상부 챔버(300)와, 성장되는 잉곳을 냉각하는 수냉관(500)와, 상기 도가니(200)의 상측에 마련되는 제 2 열차폐부(600)와, 상기 도가니(200)의 측면에서 도가니(200)의 열을 외부와 차단하는 측면 열차폐부(700)를 포함한다.

또한, 도면에는 도시되지 않았지만, 잉곳성장장치는 후술하는 승강장치(150) 및 상기 성장장치를 독립적으로 제어할 수 있는 제어장치와, 불활성 가스를 주입하는 가스 주입구를 더 포함할 수 있다.

상기 잉곳성장장치는 챔버 내부에 핫존 구조물로서,이하에서는, 상기 챔버를 위치에 따라서, 도가니(200)등이 수용되고 잉곳이 실리콘 융액에서 인상되는 챔버이 하측 부분을 하부 챔버로, 성장된 잉곳이 냉각되는 챔버의 상측 부분을 상부 챔버(300)로 구분하여 설명한다.

특히, 본 실시예의 잉곳성장장치는 도가니(200)의 상측에서 실리콘 융액의 열을 외부와 차단하는 상측 열차폐 수단(100)을 더 포함하며, 상기 상측 열차폐 수단(100)은 상기 도가니(200) 상측에 상하방향으로 이동이 가능하다. 이것은 성장에 따라 길이가 길어지는 잉곳과 함께 상측 열차폐 수단(100)이 함께 상측으로 이동하게 됨으로써, 잉곳에 대한 열차폐 효과를 더욱 증가시킬 수 있다.

그리고, 상기 상측 열차폐 수단(100)은 도가니(200)의 상측에서 도가니(200)의 열을 외부와 차폐하기 위한 제 1 열 차폐부(110)와, 상기 제 1 열 차폐부(110)를 흔들림 없이 고정하기 위한 고정부(130)와, 상기 고정부(130)와 제 1 열 차폐부(110)를 연결하는 지지부(120)와, 상기 상측 열차폐 수단(100)을 수직방향으로 이동시키기 위한 승강 케이블(140)과 승강장치(150)를 포함한다.

상기 열 차폐수단은 다결정 실리콘에 열을 가하는 시점부터 융해된 실리콘 융액에 종자결정(400)가 디핑되어 네크부를 형성할 때까지 열을 차폐하는 것이 바람직하다.

그러므로, 상기 상측 열차폐 수단(100)은 폴리 실리콘 용융 공정에서부터 잉곳의 네킹 공정이 끝나는 시점까지 단열 위치에 위치하고, 네킹 공정의 완료 후 숄더 공정이 진행 될 때 대피위치로 이동될 수 있다.

여기서, 단열위치란 잉곳의 네킹 공정시에 제 1 열 차폐부(110)에 의하여 도가니의 열이 단열이 되도록 하는 위치이다. 즉, 제 1 열 차폐부(100)는 실리콘 융액 표면의 상부를 의미하며, 바람직하게는 제 2 열 차폐부(600)의 하단부와 동일한 위치에 있을 때 상기 융액의 열을 더욱 효과적으로 차단할 수 있을 것이다.

그리고 후술하겠지만, 상기 종자결정(400)와 종자결정 척(410)은 제 1 열 차폐부(110)가 단열위치에 있을 때, 상기 제 1 열 차폐부에 형성된 홀을 관통하여 이동될 수 있다.

그리고, 상기 단열위치는 실리콘 용융액 표면으로부터 수직방향으로 80mm~ 800mm 범위의 높이에 위치할 수 있다. 80mm 보다 낮은 경우 종자결정(400)의 효율적인 가열이 힘들 수 있고 실리콘 융액과 제 1 열 차폐부(110)가 충돌할 위험이 있으며, 800mm 이상인 경우에는 제 1 열 차폐부(110)의 단열 효과가 떨어질 수 있기 때문이다.

그리고 대피위치란 잉곳의 네킹 공정이 완료된 다음 제 1 열 차폐부(110)가 상측으로 이동되어야 할 위치를 가리키며, 네킹 공정 완료 후 잉곳의 성장시에 방해되지 않도록 이동되어야 할 위치를 의미한다고 볼 수 있다.

그런데 이때 만약, 상기 상측 열차폐 수단(100)이 수직방향으로 이동할 때 흔들린다면, 상기 고정부(130) 또는 제 1 열 차폐부(110)가 챔버(300) 내지 기타 잉곳성장장치의 내부 구조물과 충돌 위험이 있을 수 있다.

특히, 상기 제 1 열 차폐부(110)가 단열위치에 있을 때에는 멜팅공정 및 네킹공정이 진행되는데, 상기 공정 중 에는 불활성 기체(Ar gas)가 지속적으로 흘러 제 1 열 차폐부(110)가 흔들릴 수 있다.

그리고, 상기 단열위치에서 제 1 열 차폐부(110)가 흔들릴 경우, 제 1 열 차폐부가 실리콘 융액 및 종자결정(400)의 열을 제어하는데 어려움이 있을 수 있고, 또한, 제 1 열 차폐부가 제 2 열 차폐부에 충돌할 가능성이 높아진다.

그러므로, 상기 상측 열차폐 수단(100)의 고정부(130)는 상측 열차폐 수단(100)이 승강할 때 흔들림 없이 지지해야 하고, 상기 제 1 열 차폐부(110)가 단열위치에 있을 때, 제 1 열 차폐부(110)를 흔들림 없이 고정할 필요가 있다.

이하에서는, 상기 제 1 열 차폐부(110)가 단열위치에 있을 때, 고정부(130)가 잉곳성장장치에 흔들림 없이 고정되어 있기 위한 실시예를 도 2와 도 3을 참조하여 설명하여 본다.

도 2는 상측 열차폐 수단(100)의 고정부(130)가 돌출된 냉각부(500) 상측에 고정되는 일 실시예를 나타낸다.

도 3은 상측 열차폐 수단(100)의 고정부(130)가 별도로 구비된 걸림부에 의해 고정되는 일 실시예를 나타낸다.

본 발명의 실시예에서 고정부(130)는 제 1 열 차폐부(110)가 단열위치에 있을 때 잉곳성장장치의 내부 구조물에 의하여 된다.

도 2를 참조하면, 상기 냉각부(500)는 상부 챔버(300)의 내부 직경 보다 작은 직경으로 형성되어, 상기 상부 챔버(300)의 하측 영역에 배치된다.

그리고, 상기 고정부(130) 역시 상기 상부 챔버(300) 내에 배치되면서 상기 냉각부(500)의 직경 보다는 크게 형성된다. 따라서, 상기 고정부(130)는 상부 챔버(300) 내에서 승강 되더라도, 상기 냉각부(500)에 의하여 하강 위치가 단속될 수 있다. 도 2에는, 상기 고정부(130)가 냉각부(500) 상부면에 걸리는 구조가 도시되어 있다.

도 2에서는 고정부(130)의 하강 위치의 단속이 냉각부(500) 상부면이 되었다면, 상기 냉각부(500)에 별도의 걸림부를 구성하는 것 역시 가능하다.

도 3을 참조하여 보면, 상기 냉각부(500)의 내부에는 소정 두께 돌출되도록 형성된 걸림부(160)가 마련된다. 참고로, 이와 같이, 상기 냉각부(500)에 별도의 걸림부(160)를 구성하는 경우라면, 도 2의 경우와 비교하여, 냉각부의 직경이나 냉각부에 형성된 홀의 사이즈가 변경될 수 있다.

이때, 상기 걸림부(160)는 잉곳의 성장을 방해하지 않도록 잉곳의 직경보다 넓은 폭을 갖고 구성되어야 하고, 상기 고정부(130)의 사이즈는 상기 냉각부(500) 사이의 홀보다는 작으면서, 상기 걸림부(160) 상부면에 의하여 하강이 단속될 수 있는 크기를 가져야 한다.

따라서, 상기 상측 열차폐 수단(100)이 수직방향으로 하강되어 상기 고정부(130)가 걸림부(160)까지 하강되면, 고정부(130)는 걸림부(160) 상부면에 의하여 그 위치가 고정될 수 있다.

본 실시예에서 상기 걸림부(160)는 냉각부(500)의 내주면으로부터 돌출형성되는 것으로 구성되어 있지만, 상부 챔버(300)나 기타 잉곳의 성장을 방해하지 않는 잉곳성장장치의 구조물에 형성되거나 부가될 수 있음은 당연하다.

잉곳성장장치의 상부 챔버(300) 내에서 선택적으로 승강할 수 있는 고정부에 대해서 좀 더 자세히 살펴본다.

도 4는 상측 열차폐 수단(100)의 고정부(130)가 링형으로 구성된 실시예를 나타낸다.

도 5는 상측 열차폐 수단(100)의 고정부(130)가 원반형으로 구성된 실시예를 나타낸다.

상기 고정부(130)는 단열위치에서뿐만 아니라 수직방향으로 이동시에도 제 1 열 차폐부(110)를 흔들림 없이 지지해야 하고, 챔버의 압력을 조절하기 위하여 공급되는 불활성 기체(주로 Ar gas)의 흐름을 방해하지 않는 것이 필요하다.

따라서, 본 실시예의 고정부(130)는 가스의 이동경로를 제공하는 홀을 구비하면서, 제 1 열차폐부의 견고한 지지가 이루어지도록 한다. 도 4에는 잉곳 성장시에 사용되는 가스의 이동경로를 최대한 확보하기 위한 실시예로서, 대직경의 홀이 형성된 고정부가 도시되어 있고, 도 5에는 단열을 위한 제 1 열차폐부재의 보다 견고한 지지를 위하여 홀의 크기가 감소된 고정부가 도시되어 있다. 이외에 보다 다양한 실시예의 변경이 가능할 것이지만, 고정부의 형상에 따른 홀의 사이즈가 서로 상이한 두 가지 경우를 설명하여 본다.

한편, 상기 고정부(130)는 재질은 몰리(Moly), 스테인리스강(SUS), 흑연(Graphite), 탄소 복합소재(Carbon composite material)일 수 있다. 도 4를 참조하면, 상기 고정부(130)는 링형 또는 도넛 형상으로 이루어지되, 고정부(130) 내측면의 홀의 사이즈가 최대인 경우가 도시되어 있다.

상기 고정부(130)의 두께 또는 폭은, 상기 걸림부에 의하여 하강 위치가 단속될 정도의 최소한의 크기로 이루어지고, 내측의 홀의 크기가 최대가 되도록 형성될 수 있다.

예를 들어, 450mm 대구경 잉곳을 생산하는 경우, 고정부(130)의 외부 직경은 450mmm 이상의 크기가 될 수 있다.

그리고, 상기 고정부(130)에는 상기 제 1 열차폐부(110)를 지지 및 고정하기 위한 지지부(120)가 적어도 하나 이상 결합된다.

예를 들어, 링형상의 고정부(130) 내주면과, 막대 형상의 지지부(120) 외주면을 연결하는 와이어(135)에 의하여, 상기 지지부(120)와 제 1 열차폐부(110)가 결합될 수 있다. 상기 지지부(120)가 복수개 마련되는 경우에는, 지지부들이 상기 고정부(130) 내측에서 대칭되도록 배치될 수 있으며, 각각의 지지부들을 고정하기 위한 와이어들(135)이 고정부(130) 내주면과 연결된다.

또한, 링형 고정부(130)의 내주면으로부터 돌출형성된 돌출부를 구성시키고, 이러한 돌출부와 지지부(120)를 용접이나 나사체결 등을 이용하여 결합하는 것도 가능하다

도 5에는 상기 고정부(130)가 가스의 이동경로를 제공하기 위한 홀을 포함하되, 지지부(120)의 보다 견고한 고정을 위한 구조에 대해서 살펴본다.

상기 고정부(130)는 소정 크기의 폭을 갖고 있으며, 상기 지지부(120)는 상기 고정부(130)의 하부면에 고정되는 구조로도 이루어질 수 있다. 즉, 상기 고정부(130)의 폭이 상기 지지부(120)의 일측단부 보다 큰 경우에, 상기 지지부(120)의 일측 단부가 용접 또는 나사 체결 등으로 상기 고정부(130)의 하측면에 직접 고정되는 것도 가능하다.

따라서, 도 4의 실시예와 도 5의 실시예 모두 상기 지지부(120)의 일측은 와이어 또는 직접 상기 고정부(130)에 고정되고, 상기 지지부(120)의 타측은 상기 제 1 열차폐부(110)와 연결된다.

한편, 단열을 위한 제 1 열차폐부(110)와 연결되는 상기 지지부(120)는, 그 길이가 조절될 수 있는 구조로 이루어지며, 상기 지지부(120)의 길이가 가변되는 것은 필요에 따라 상측 열차폐 수단이 차지하는 공간을 줄일 수 있게 된다. 지지부의 가변 길이에 대해서는, 도 6을 참조하여 본다.

도 6은 상측 열차폐 수단(100)의 지지부(120)가 길이 조절이 가능하게 구성된 일 실시예를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에서 상기 지지부(120)는 복수개의 지지대로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 상기 지지대는 원통 기둥형상으로 제 1 지지대(121, 상측 지지대), 제 2 지지대(122, 중간 지지대), 제 3 지지대(123,하부 지지대)로 구성되며, 하부로 갈수록 내부 직경이 줄어들게 된다.

그리고, 상기 중간 지지대(122)와 하부 지지대(123) 각각이 상부 지지대(121)와 중간 지지대(122)로부터 탈거되지 않도록, 하강 위치가 단속된다. 즉, 상기 중간 지지대(122)가 상기 상부 지지대(121)로부터 탈거되지 않도록, 상기 상부 지지대(121)의 하측 내주면에 내부 돌출부가 형성되고, 상기 중간 지지대(122)의 상측 외주면에 외부 돌출부가 형성된다. 이러한 경우에, 상기 중간 지지대(122)의 외부 돌출부가 상부 지지대(121)의 내주 돌출부가 걸리게 됨으로써, 중간 지지대(122)의 하측 방향 이동이 단속될 수 있다. 이러한 구조는, 상기 중간 지지대(122)와 하부 지지대(123) 사이에서도 동일한 구조의 돌출부들이 형성될 수 있다.

한편, 상기 지지부(120)의 하부, 즉, 상기 하부 지지대의 단부에는 제 1 상측 열차폐 수단(100)이 결합된다.

도 7은 상측 열차폐 수단(100)의 고정부(130)와 지지부(120) 및 지지부(120)와 제 1 열 차폐부(110)의 결합구조의 일 실시예를 나타낸다.

상기 제 1 열 차폐부(110)의 상면에 지지부(120)가 결합된다. 상기 결합은 용접이나 나사(115)체결 등이 가능하나, 결합과 분리가 가능한 나사(115)로 체결되는 것도 가능하다.

도 7을 참조하면, 원통형 지지부(120) 하부면에는 나사(115)에 몸통부가 통과될 수 있을 크기의 홀이 마련된다. 상기 나사(115)는 지지부(120)의 하부 홀을 통과하여 제 1 열 차폐부(110)의 상부면 일부까지 삽입된다.

상기 나사(115)를 조이기 위하여 지지부(120)의 단부 일부가 절개된 형상으로 이루어져, 해당 절개된 영역 내에 나사(115)가 위치할 수 있다.

그리고, 나사(115)의 헤드부는 지지부(120)를 통과한 승강 케이블(140)이 연결되며, 상기 승강 케이블(140)에 의하여 상기 나사(115) 및 나사를 통하여 결합되어 있는 제 1 열차폐부(110) 및 지지부(120)의 승강이 이루어질 수 있다.

제 1 열 차폐부(110)는 다결정 실리콘의 융해 시작부터 네킹시까지 열 차폐 기능을 수행해야 하므로 200~1600℃ 온도 범위에서 4.5?10.8W/m?K의 낮은 열전도율을 갖고, 실리콘 융액의 오염 위험이 낮은 부재를 사용하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 제 1 열 차폐부(110)의 재질은 흑연(Graphite)과, 탄소 복합소재(Carbon composite material)로 구성될 수 있다. 이때 탄소 복합소재로 구성된 경우, 표면은 그래파이트로 코딩하는 것이 단열성 향상 및 실리콘 융액 오염방지를 위하여 바람직하다.

그리고, 제 1 열 차폐부(110)는 단열위치에서 잉곳성장장치의 기타 부재와 충돌위험이 없도록 크기가 제한된다. 예를 들어, 제 1 열 차폐부(110)의 외부 직경은 제 1 열 차폐부(110)가 단열위치에 있을 때 제 2 열 차폐부(600) 사이의 폭으로 제한된다. 그리고, 제 1 열 차폐부(110)의 내부 홀의 직경은 종자결정(400)척이 통과될 수 있을 정도의 크기여야 한다.

제 1 열 차폐부(110)의 두께는 20~250mm로 구성되는 것이 바람직하다. 20mm 보다 얇은 경우 단열성 및 내구성을 만족하기 어렵고, 250mm 보다 두꺼운 경우, 중량이 커지게 되어 수직방향 상승 또는 하강시 어려움이 있기 때문이다.

한편, 상측 열차폐 수단(100)의 수직상승 또는 하강을 위해 잉곳성장장치의 최 상단에는 승강장치(150) 및 승강 케이블(140)이 마련된다.

상기 승강 케이블(140)은 지지부(120)의 내부를 통과하여 제 1 열 차폐부(110) 상단의 나사(115)머리에 연결되어 있다.

그리고, 상기 승강 케이블(140)은 상승 장치에 권취되어 있으며, 상기 승강장치(150)는 상기 승강 케이블(140)의 권취양을 조절하여 상측 열차폐 수단(100)의 상승 및 하강을 조절할 수 있다.

상기 승강장치(150)는 종자결정(400)척과 연결된 성장 케이블(430) 및 성장 장치와 독립하여 제어가 가능하게 하는 것이 바람직하다.

전술한 본 발명의 구성요소들을 이용하여 단결정 실리콘 잉곳을 생산하는 공정을 도 8을 참조하여 설명한다.

도 8은 상측 열차폐 수단(100)을 구비한 잉곳성장장치를 이용하여 잉곳을 성장하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

먼저, 도가니(200)에 다결정 실리콘이 준비되고, 상측 열차폐 수단은 하강하여 단열위치에 고정된다(S101).

이후, 히터는 도가니(200)에 열을 가하여 도가니(200)내의 실리콘을 용융시킨다. 이때 상기 상측 열차폐 수단(100)의 단열로 실리콘 원료를 효율적으로 가열할 수 있다(S102).

네킹 공정을 위하여, 종자결정(400)와 종자결정 척(410)은 성장 장치에 의하여 하강되고, 하강한 종자결정(400)와 종자결정 척(410)은 상측 열차폐 수단을 통과하여 실리콘 융액과 제 1 열 차폐부(110) 사이의 공간에 위치한다. 종자결정(400)가 충분히 가열되어 종자결정(400)와 실리콘 융액의 온도차가 낮아지면 종자결정(400)를 더욱 하강하여 실리콘 융액에 디핑(deeping) 한다. 이때 종자결정(400)와 실리콘 융액의 온도차가 낮을수록 열충격을 줄일 수 있고, 열충격에 따른 전위의 발생 또한 억제할 수 있다 (S103).

이후, 넥킹(necking)이 시작된다. 본 실시예에서 실리콘 잉곳의 네크부(neck)은 최소 직경이 6mm 이상이 되도록 형성할 수 있다. 상기 상측 열차폐 수단(100)으로 인하여 전위 발생이 억제되어 6mm 직경의 네크부를 형성하여도 무전위 잉곳을 생산할 수 있다. (S104)

네킹 공정이 완료된 다음 결정을 직경 방향으로 성장시켜 목표 직경으로 만드는 솔더링(shouldering) 공정이 진행된다. 이때, 상기 상측 열차폐 수단(100)은 잉곳 성장에 방해가 될 수 있으므로, 네킹 공정이 완료된 이후 숄더링 공정 중에 대피위치로 이동된다. (S105)

이후, 바디 그로윙 공정이 진행되는데, 네크부의 직경 향상되어 고중량을 견딜 수 있으므로 대구경 직경에 바디를 형성할 수 있다. 예를 들어, 별도의 장치 없이 직경 450mm 이상의 잉곳을 생산할 수 있다.

마지막으로, 테일링(tailing) 끝으로 대구경 고품질 잉곳이 생산된다 (S106).

전술한 바와 같은 잉곳성장장치에 의해서, 대구경의 잉곳을 성장시키기 위하여 네킹 공정이 수행되는 동안, 상측 열차폐 수단에 의하여 상측방향으로의 단열이 보장되고, 이러한 단열을 통하여 보다 안정적인 대구경의 잉곳을 성장시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 상측 열차폐 수단이 승강하는 구조로 이루어져 있기 때문에, 네킹 공정 이후의 공정에서도 성장되는 잉곳에 방해가 되지 않는다.

100: 상측 열차폐 수단
200: 도가니
300: 상부 챔버
400: 종자결정
500: 냉각부
600: 제 2 열 차폐부
700: 측면 열 차폐부

Claims (10)

1. 잉곳의 인상경로가 되는 상부 챔버를 포함하는 잉곳성장장치로서,
   실리콘 융액이 수용되는 도가니;
   상기 실리콘 융액으로부터 잉곳을 성장시키기 위한 종자결정;
   상기 종자결정을 고정하기 위한 종자결정 척; 및
   상기 도가니 상측에 배치되는 단열 수단으로서, 상기 종자결정 및 종자결정 척이 통과할 수 있는 홀을 갖는 상측 열차폐 수단; 을 포함하고,
   상기 상측 열차폐 수단은 상기 종자결정 및 종자결정 척이 통과할 수 있는 홀을 갖는 제 1 열차폐부와, 상기 제 1 열차폐부를 지지하기 위한 지지부를 포함하는 잉곳성장장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 열차폐부와 연결되는 승강 케이블과, 상기 상부 챔버 외측에서 상기 승강 케이블의 길이를 조절하여 상기 제 1 열차폐부의 승강이 이루어지도록 하는 승강장치를 더 포함하는 잉곳성장장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 상측 열차폐 수단은 상기 제 1 열차폐부의 위치가 고정되도록 하는 고정부를 더 포함하고,
   상기 고정부는 상기 종자결정 및 종자결정 척이 관통하여 이동되도록 하는 홀을 갖는 잉곳성장장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 상부 챔버의 내주면에는 성장되는 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각부가 마련되고, 상기 고정부의 일부는 상기 냉각부 상부면에 위치하는 잉곳성장장치.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 상부 챔버 내주면에는 성장되는 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각부가 마련되고, 상기 고정부의 일부는 상기 냉각부로부터 소정 길이 돌출형성된 돌출부 상에 위치하는 잉곳성장장치.
   
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 지지부는 상기 고정부의 내주면과 연결되어 있는 와이어에 의하여 상기 고정부에 결합되는 잉곳성장장치.
   
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 고정부는 상기 지지부의 상부면 보다 큰 폭을 갖도록 형성되고,
   상기 지지부의 상부면이 상기 고정부 하부면에 결합되는 잉곳성장장치.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 지지부는 복수개의 지지대로 구성되고,
   상기 지지부를 구성하는 제 1 지지대와 제 2 지지대는 서로 다른 직경으로 이루어져 상기 제 2 지지대의 일부가 상기 제 1 지지대 내에 삽입되고,
   상기 제 2 지지대의 하강 위치는 상기 제 1 지지대 내주면에 형성된 돌출부에 의하여 단속되는 것을 특징으로 하는 잉곳성장장치.
   
9. 제 3 항에 있어서,
   상기 실리콘 융액의 상측에 마련되어 열을 차폐하며, 상기 성장되는 잉곳이 통과할 수 있는 홀을 구비하는 제 2 열차폐부를 더 포함하고,
   상기 고정부가 상기 제 1 열차폐부를 고정하는 위치는 상기 제 2 열차폐부의 홀인 잉곳성장장치.
   
10. 도가니에 다결정 실리콘이 수용되는 단계;
    상기 도가니 상측에 마련된 상측 열차폐 수단이 하강하여 상기 도가니로부터 소정 높이에 고정되는 단계;
    상기 도가니의 가열을 통한 실리콘 융액을 형성하는 단계;
    상기 실리콘 융액에 종자결정을 디핑하기 위하여, 상기 종자결정과 종자결정 척을 상기 상측 열차폐 수단의 홀에 통과시키는 단계;
    상기 종자결정을 이용한 디핑 공정과 네크부를 형성하는 네킹 공정이 완료된 다음에는, 상기 네크부의 직경을 확장하는 숄더링 공정을 실시하면서 상기 상측 열차폐 수단을 상부 챔버 상측으로 이동시키는 단계; 및
    상기 종자결정을 이용하여 잉곳을 성장시키는 단계;를 포함하는 잉곳성장방법.
    
    
    

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