KR20150035281A - 홈이 형성된 석영유리 잉곳 제조용 성장판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 버너와 노 및 성장판이 구비된 홈이 형성된 석영유리 잉곳 제조용 성장판에서, 상기 성장판 상부에 돌기와 홈이 형이 형성되고, 상기 홈이 이형 경계층 분말이 구비되므로서, 성장판에서의 표면 용융이 쉽고 이형 경계층 분말의 소실이 방지되게 되어 재 이용이 가능하게 되고, 또한 성장 잉곳과 하부층의 분리가 더 용이하게 되어 균일한 품질의 잉곳 제조가 가능하게 된다.

Description

홈이 형성된 석영유리 잉곳 제조용 성장판{Growth target plates for manufacturing quartz glass ingot with hole}

본 발명은 홈이 형성된 석영유리 잉곳 제조용 성장판에 관한 것으로 보다 상세하게는, 상기 성장판에 홈을 형성하여 잉곳 성장시 성장판 위에 구비되는 분말 입자인 분말 경제층이 잘 위치하도록 하여, 잉곳 성장 과정에서 분말 경게층이 소실되는 것을 방지할 수 있도록 하는 석영유리 잉곳 제조용 성장판 제조방법이다.

석영 유리 버너가 사용되는 곳 중에서 종래에는, 버너 화염 중에서 생성된 용융된 석영유리 미립자를 회전하는 출발 부재 상에 부착 퇴적시켜 다공질 모재를 합성하고, 이것을 전기로 내에서 탈수, 소결하는 외부 부착법(OVD： Outside Vapor PhaseDeposition법)은 비교적 임의의 굴절률 분포의 것이 얻어지고, 또한 대구경의 광섬유 모재를 양산할 수 있기 때문에 범용되고 있다.

이때, 석영유리는 2종류 이상의 금속원소를 합해서 0.1~20중량% 함유하는 석영유리로서, 상기 금속원소가 주기율표 제 3B족에서 선택된 적어도 1종류인 제 1의 금속원소와, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, 란타노이드 및 악티노이드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종류인 제 2의 금속원소로 이루어 진다.

그리고, 제 1의 금속원소인 Al과 함께 제 2의 금속원소를 같이 함유하면 Al은 석영 네트워크에 넣어져 음전하를 발생시켜, 정전하를 보지한 제 2의 금속원소와 서로 끌어당겨 서로의 전하를 완화하여 금속원소가 산화물로 되어 굳는 것이 억제된다. Al과 동일하게 음전하를 가지기 쉬운 제 1의 금속원소로서, 주기율표 3B족의 금속원소가 선택 가능하지만, Al은 반도체 제조공정에 있어서 특히 문제가 없는 원소이므로 제 1의 금속원소로서 가장 바람직하다. 또한, 제 2의 금속원소로는 Y, La, Ce, Nd, Sm, Gd가 상기 효과가 높으며 취급이 쉽고, 또한 값이 싸고 입수가 용이하여 바람직하다.

한편, 실리콘 등의 웨이퍼 상에 집적 회로의 미세 패턴을 노광, 전사하는 축소 노광 장치의 조명 광학계 또는 투영 광학계의 렌즈로서 이용되는 유리로서, 종래의 광학 유리를 대신하여 합성 석영 유리나 형석 등의 플루오르화물 단결정을 이용하는 것이 제안되어 있다. 이러한 축소 노광 장치의 광학계 등에 사용되는 석영 유리에는 자외선 광의 고투과성과 굴절률의 고균질화가 요구되고 있다. 예를 들면, 포토리소그래피 공정에 사용되는 투영 렌즈 재료로서의 석영 유리는, 3방향으로 맥리(脈理, striae)가 없고, 광축 방향의 굴절률 균질성 △n이 4 x 10-6 이하이고, 렌즈의 광축 방향의 굴절률 분포가 중앙 대칭성을 가지며, 비회전 대칭 성분의 RMS(Root Mean Square)값이 0.0050λ이하이고, 회전 대칭 성분을 2·4차로 커브 피팅(curve fitting)한 후의 나머지 차이 성분의 RMS값이 0.0050λ 이하일 것이 요구되고 있다. 한편, 자외선 광의 고투과성을 실현하기 위해, 석영 유리 내의 불순물의 농도를 제어할 필요가 있다. 이러한 제어를 실시하기 위해, 저부에 개구부를 갖는 노와, 그 개구부에 대향하는 타겟 및 석영 유리 합성용 버너를 구비하고, 석영 유리의 원료가 되는 Si 화합물 가스와 가열을 위한 연소 가스를 버너로부터 유출시키고, 화염내에서 석영 유리를 퇴적시키는 화염 가수 분해법에 의하여 석영 유리를 제조하는 장치가 제안되어 있다. 이러한 화염 가수 분해법에 의하면, 불순물의 혼입을 용이하게 억제할 수 있기 때문에, 고순도의 석영 유리를 얻을 수 있다.

그리고, 유리 미립자를 용융시켜 출발 부재 상에 수트를 퇴적시키기 위해서, 종래 동심 다중관 버너가 이용되어 왔다. 그러나, 이러한 동심 다중관 구조의 버너는 유리 원료 가스, 가연성 가스 및 조연성 가스의 혼합이 충분히 행해지지 않기 때문에, 유리 미립자의 생성이 충분하지 않았다. 그 결과, 수율이 늘지 못하고 균일한 용융이 곤란하였다.

또한, 석영 유리제 버너는 외관에 연소 가스를 흐르게 하고, 내관 노즐(nozzle)로부터 조연성 가스를 흐르게 하여 연소시킴으로써 고온이 얻어지기 때문에 여러가지 화염 가공에 사용되고 있다. 또한, 외관 내에 복수의 노즐이 되는 세관을 삽입한 버너를 사용하고, 외관에 연소 가스를 흐르게 하고, 노즐로부터 조연성 가스를 흐르게 함과 아울러, 임의의 세관에 유리 원료 가스를 흐르게 하고, 화염 가수분해시킴으로써 석영 유리 미립자의 용융이 행해지고 있다.

아울러, 대한민국 등록 특허 10-0514668(2005년09월06일)에서는, “저부에 개구부를 갖는 노와, 상기 개구부로부터 상기 노 내부에 대향하도록 배치된 잉곳 형성용 타겟과, 첨단부가 상기 타겟을 향하도록 배치된 석영 유리 합성용 버너와, 상기 개구부로부터 상기 노 내부에 유입된 공기를 노 외부로 방출시키는 배기계를 구비하여, 상기 노 내부에서 상기 타겟 상에 석영 유리의 잉곳을 형성하는 석영 유리의 제조 장치에 있어서, 상기 개구부의 개구 면적을 변경시킬 수 있는 변경 기구와; 상기 노 내부의 온도를 측정하는 온도 측정기와; 상기 온도 측정기에 의한 측정 결과에 기초하여, 상기 개구부의 개구 면적을 변경시키도록 상기 변경 기구를 제어하는 제어계와; 그리고 상기 타겟에 형성된 잉곳 헤드부의 지름 방향의 온도 분포에 따라, 상기 타겟을 이동 평면 상에서 상기 버너에 대해 상대적으로 평면 이동시키는 이동 기구를 구비하고, 상기 개구부는 상기 타겟의 이동 범위에 적합한 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 석영 유리 제조 장치.”가 제공되었고,

또한, 대한민국 공개 특허 10-2006-0087405(2006년08월02일)에서는, “기포와 이물의 함유량이 100cm3 당 투영면적에서 100mm2 미만이고, 2종류 이상의 금속원소를 합해서 0.1~20중량% 함유하는 석영유리로서, 상기 금속원소가 주기율표 제 3B족에서 선택된 적어도 1종류인 제 1의 금속원소와, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, Ti, Zr, Hf, 란타노이드 및 악티노이드로 이루어진 군에서 선택된 적어도 1종류인 제 2의 금속원소로 이루어지고, 제 2의 금속원소 각각의 최대농도가 2.0중량% 이하인 것을 특징으로 하는 플라즈마 내식성이 우수한 석영유리”가 제공되었다.

그러나, 잉곳이 성장하는 타켓(성장판)에 이형 경제층으로 분말이 구비되는데 이때 상기 이형 경계층인 분말이 소실되는 경우가 많이 발생하게 된다. 따라서, 이형 경계층 분말이 소실되는 문제를 해결할 필요성이 대두되고 있는 실정이다.

선행기술 1 : 대한민국 등록 특허 10-0514668(2005년09월06일) 선행기술 2 : 대한민국 공개 특허 10-2006-0087405(2006년08월02일)

노 안에서 고속의 기체와 분말이 석영 유리제 버너를 통하여 타켓판에 도달될 때, 이형 경계층인 분말이 소실되는 것이 방지되고, 이형성이 증가되며, 표면 용융이 쉬워지며, 분말 이형 경계층이 재 이용될 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있게 된다.

상기 목적은, 버너와 노 및 성장판이 구비된 홈이 형성된 석영유리 잉곳 제조용 성장판에서, 상기 성장판 상부에 돌기와 홈이 형이 형성되고, 상기 홈이 이형 경계층 분말이 구비되도록 하므로서 달성된다.

그리고, 상기 이형 경계층 분말은 산화지르코늄, 산화 알루미늄, 석영 및 보론나이트라이드이다.

또한, 상기 돌기는 성장판 상부에 테두리 형태로 형성되고, 성장판 내부에 홈이 형성되며, 돌기의 높이는 1 - 20 mm, 돌기의 크기는 10- 20 mm, 홈의 깊이는 1 - 20 mm 이다.

본 발명은 성장판에 홈이 형성되어 이형 경게층 분말이 잘 구비되도록 하므로서, 표면 용융이 쉽고 이형 경계층 분말의 소실이 방지되게 되어 재 이용이 가능하게 되고, 또한 성장 잉곳과 하부층의 분리가 더 용이하게 되어 균일한 품질의 잉곳 제조가 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 석영유리 제조용 장치를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 2a와 도 2b는 이형 경계층 분말이 성장판(타켓)에 구비되어 있는 경우의 실시예의 도면이다.
도 3은 홈이 형성된 성장판의 단면 모양을 나타낸 실시예의 도면이다.
도 4는 성장판(51) 성성된 홈의 평면 모양과 돌기의 모양을 나타낸 실시예의 도면이다.
도 5는 본 발명에서 성장판에 형성된 돌기와 홈의 크기를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 성장판 상단에 구비된 다양한 형태의 홈을 나타낸 실시예의 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 석영 유리 잉곳(ingot) 제조용 장치에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명하기 위해 필요한 통상의 기술에 대해서는 상세 설명을 생략할 수 있다.

일반적으로, 석영유리 잉곳 제조를 위하여 고순도의 석영유리 분말(Sand)이나 규사 등 원료분말을 효율적으로 용융하기 위한 석영유리 버너에를 사용하게 된다. 특히 대형 잉곳 제조 시 공급되는 석영유리 원료분말을 효율적으로 용융하기 위하여 그 공급이 외곽 부에서 불꽃의 중앙부로 향하는 다수의 공급 노즐을 구비한 형태이다.

그리고, 버너 재질은 반도체, 태양광용 고순도 석영유리 잉곳 제조용으로 99.99%급 고순도 석영유리를 사용하여 제조되어야 한다.

일반적으로 고순도의 석영유리는 반도체 산업에 있어서 필수적인 소재로 반도체 산업의 발달에 따라 계속적으로 그 수요가 증가하고 있다. 따라서 고순도의 석영유리를 제조하기 위한 석영의 용융방법으로 전기로 용융, 아크용융, 산수소 불꽃용융 등 이미 여러 가지의 용융법 및 장치가 고안되어 사용되고 있다. 특히 산수소 불꽃은 장치가 간단하고 값싸게 구성할 수 있기 때문에 석영유리의 용융 및 잉곳 제조 등에 있어 가장 일반적으로 사용되는 방법이다.

도 1은 본 발명의 석영유리 제조용 장치를 나타낸 실시예의 도면이다.

일반적으로 산수소 불꽃을 이용한 석영용융장치는 미국특허 3, 128, 166 및 일본특허 소60-22641에 소개된 바와 같이 산수소 불꽃을 발생하는 버너의 노즐과 그 전반부에 별도의 분말원료 공급구를 갖는 구조로 구성되어 있으며, 버너 외부로부터 원료인 석영분말 이 버너 중심관을 통해 공급되게 되어 있다.

즉, 분말 원료가 원재료 공급 탱크(10)를 통하여 버너(100)에 공급되고, 산소와 수소 또한 버너(100)에 공급된다. 그리고, 냉각수를 사용하는 시스템(20)도 구비되며, 내화성 머플(Fireproof Muffle)인 노(30) 내부에서 석영유리 타켓판(구조체)(Target)(51) 위에서부터 쿼츠 잉곳(50)이 만들어 진다. 이때, 만들어지는 쿼츠 잉곳을 지지하는 지지판(Suport Plate)(40)과 상기 지지판의 높이를 조절하여 주는 리프팅 기어(Lifting Gear)(60)가 더 구비되어 진다.

이?, 타켓판(구조체)(51)을 충분한 온도(2000℃ 이상)로 가열한 후, 버너(100)로부터 예를 들면 염화규소(SiCl4) 등의 원료 가스를 공급하고, 가수 분해 반응에 의해 잉곳(50)의 합성을 개시한다. 그 후에는 서서히 SiO2 가루를 타겟판에 퇴적시킴과 동시에 용해시켜 유리화한다.

이때, 타겟판을 지지축의 주위로 회전시킴과 동시에 좌우 방향으로 요동시킴으로써, 잉곳(50)이 균일하게 가열되도록 한다. 또한, IR 카메라에 의해 잉곳 합성면과 버너의 거리를 모니터하고, 잉곳의 성장에 관계없이 그 거리가 일정하게 되도록 타겟판을 낮춘다.

또한, 배기관도 구비될 수 있으며, 배기구를 통해 노 내의 배기를 실시함으로써, 노 내부의 과열을 방지한다. 즉, 노의 저부에 형성된 가변 개구부로부터 실온의 대기를 노 내에 유입시킴으로써 노 내부의 열량을 제어한다. 그리고, 이러한 상태를 수주간 계속함으로써 잉곳(50)을 얻는다.

이때, 잉곳(50)은 서서히 성장하여 합성이 개시할 때의 타켓판의 지름보다 커지기 때문에, 개구부의 면적이 실질적으로 감소될 수도 있다. 이와 같이 개구부의 면적이 감소하면, 개구부로부터 들어오는 2차 공기가 적어지게 되어, 배기관으로부터 나오는 배기량이 감소한다. 동시에, 외부로의 복사열의 방출 또한 감소하기 때문에, 노 내의 온도가 상승한다. 또한, 배기관에 퇴적물이 부착되면, 압력 손실이 증가하기 때문에, 배기량이 감소하여 노 내부의 온도가 상승한다. 이와 같이, 노 내부의 온도가 상승하면, 잉곳(50)이 불균일하게 가열된다.

이때에는, 노 내부의 온도를 검출하고, 이 노 내부의 온도가 항상 일정하게 유지되도록, 제어 장치에 의헤 개폐 기구를 구동하여 개폐문를 개방함으로써 개폐구의 면적을 크게 한다. 이에 의해, 노 내부에는 배기를 위한 2차 공기가 효율적으로 들어오게 됨으로써, 배기관에 의한 노 내의 배기를 순조롭게 실시할 수 있다. 따라서, 상승하기 시작한 노 내의 온도는 다시 원래의 온도로 돌아오기 때문에, 노 내의 온도를 항상 거의 일정하게 유지하면서 잉곳(50)의 합성을 실시할 수 있다.

또한, 잉곳(50의 성장 과정에 있어서의 온도 변화를 줄일 수 있기 때문에, 최종적으로 합성되는 잉곳(5이 균일하게 가열됨으로써, 성장 방향에 맥리가 없는 균질의 잉곳(50)을 얻을 수 있다.

하지만, 이러한 상황에서도 원재료를 공급하는 버너(100)의 배출구의 직경의 크기는 타켓판(51)의 직경보다 작게 된다. 따라서, 본질적으로는 버너를 통하여 공급하는 원재료가 타켓판에 균일하게 공급되는 데에는 한계가 존재하게 된다.

또한, 노로서, 원료분말 및 가스를 공급하는 버너가 배치ㆍ설계된 윗 천정)과 측벽과 회전 가능한 성장판을 가지고 있다. 상기 제 1 및 제 2의 금속원소분말 또는 그것들의 화합물분말과 석영분말의 혼합분말인 원료분말을 버너에 공급하고, 회전하는 성장판 상에 가열ㆍ용융ㆍ낙하시켜 석영유리 잉곳을 만든다. 이때, 상기석영유리 잉곳의 표면온도를 1800℃ 이상으로 가열하는 것에 의해 석영분말이 충분히 용융ㆍ액화하고, 그 중의 금속 원소분말의 충분한 확산이 얻어진다. 또한, 도 1에 있어서는 노의 상부에 배기구를 설치하고 있다.

노 중의 배기구의 위치는 특별히 한정되지 않고, 노의 측벽이나 하방(下方)에 배기구를 설치해도 좋다. 또한, 노의 형상 등 도 특별히 한정되지 않고, 베르누이법에서 사용되는 공지의 노를 넓게 사용할 수 있다.

금속원소를 혼합한 석영분말을 낙하시키는 기반으로서, 금속원소를 도프한 석영유리, 그래파이트, 알루미나세라믹스, 지르코니아세라믹스, 알루미나나 지르코니아를 함유한 세라믹스, 혹은 그 외의 세라믹스 중 어느 하나를 소재로 하는 기반을 사용하거나 또는, 그것들의 소재와 석영유리를 조합하여 만든 기반을 사용하는 것이 바람직하다. 이것 또한, 기반은 장시간, 강하게 가열되어서 변형, 파괴가 일어나기 쉬워 내열성과 강도가 우수한 것이 필요불가결하기 때문이다.

도 2a와 도 2b는 이형 경계층 분말이 성장판(타켓)에 구비되어 있는 경우의 실시예의 도면이다.

도 2a 에서처럼, 지지판(40) 상부에 성장판(Growth target plates)(51)이 구비되고, 상기 성장판 상부에 이형 경계층 분말을 구비한다. 그리고, 이형 경계층 분말(52)은 입자큰 석영, 산화 지르코늄, 산화알루미늄, 보론나이트라이드 등이 사용된다.

그리고, 입자의 크기는 수십 마이크로 미터(μm)에서 수 미리미터(mm)까지 사용이 가능하다.

또한, 성장판의 크기는 도 2b의 실시예에 도시되었으며, 한예로 성장판의 높이는 100 - 150 mm, 성장판의 직경은 300 - 450 mm 가 적당하다. 그리고, 성장판 상부의 모서리는 도면에서처럼 곡선가공을 한다.

도 3은 홈이 형성된 성장판의 단면 모양을 나타낸 실시예의 도면이다.

도 3에서처럼 성장판(51) 상부 양 옆에 돌기(51a)를 형성하여 결과적으로 성장판 상부에 홈이 형성되고 상기 홈에 분말 이형 경계층(52)이 구비되도록 한다.

도 4는 성장판(51) 성성된 홈의 평면 모양과 돌기의 모양을 나타낸 실시예의 도면이다.

도 4에서처럼 성장판 상부의 가장자리에 테두리 모양으로 돌기(51a)가 형성됨으로서, 성장판(51) 상부의 내부에는 마치 지리학에서 분지 형태 홈(53)이 만들어지게 된다. 그리고 상기 홈(53)에 이형 경계층 분말(52)이 구비되도록 하는 것이다.

도 5는 본 발명에서 성장판에 형성된 돌기와 홈의 크기를 나타낸 실시예의 도면이다.

도면에서처럼, 성장판(51) 아래의 직경은 400- 450 mm 가 일반적이며 성장판 상부의 직경은 300 - 350 mm 가 일반적이다. 즉, 위가 더 좁은 경사 구조이다.

그리고, 돌기(51a)의 높이는 1- 20 mm 가 된다. 결과적으로 성장판 상단에 형성된 홈의 깊이가 1- 20 mm 가 된다. 그리고 상기 홈(53)에 이형 경계층 분말(52)이 구비된다.

아울러 돌기의 길이는 10 - 20 mm 가 적당하다.

도 6a 내지 도 6c는 성장판 상단에 구비된 다양한 형태의 홈을 나타낸 실시예의 도면이다.

도 6a에서처럼 여러개의 돌기(51b)가 형성되어, 결과적으로 복수개의 홈(53)이 형성되게 된다. 그리고 상기 복수개의 홈에 이형 경계층 분말(52)이 구비되도록 하는 것이다.

또한, 도 6b에서처럼 엠보싱 형태로 돌기(51c)가 형성되어, 홈도 다수개로 많이 형성될 수가 있다.

아울러, 도 6c 에서처럼 길게 경사구조로 형성된 돌기(51d)가 형서되어, 홈도 경사 구조로 형성될 수도 있다.

즉, 다양한 형상의 홈이 성장판 상부에 구비될 수 있으며, 상기 홈에 이형 경계층 분말이 구비되게 된다.

지금까지 본 발명에서 예시된 바와 같이 잉곳(50)이 형성되는 성장판(51) 상부에 이형 경계층 분말(52)이 구비되도록 할 때, 홈이 형성하여 상기 홈(53)에 이형 경계충 분말이 구비되도록 하므로서, 이형성이 증대되고 단열 효과가 더 높아지는 장점이 존재하게 된다.

아울러, 아래와 같은 다양한 장점을 확인할 수가 있게 된다.

성장판에서의 표면 용융 형성이 쉽고, 성장 잉곳과 하부층이 분리가 쉬우며, 버너(100)를 통하여 고속으로 분사되는 원료에 의하여 이형 경계층 분말이 소실되는 문제가 방지될 수가 있으며, 이형 경계층 분말의 재 이용율도 높게 된다.

100 : 버너 51 : 성장판
51a, 51b, 51s, 51d : 돌기 53 : 홈

Claims (4)

1. 버너와 노 및 성장판이 구비된 홈이 형성된 석영유리 잉곳 제조용 성장판에서,
   상기 성장판 상부에 돌기와 홈이 형이 형성되고, 상기 홈이 이형 경계층 분말이 구비되도록 하는 것을 특징으로 하는 홈이 형성된 석영유리 잉곳 제조용 성장판.
2. 제 1항에 있어서, 상기 이형 경계층 분말은 산화지르코늄, 산화 알루미늄, 석영 및 보론나이트라이드인 특징으로 하는 홈이 형성된 석영유리 잉곳 제조용 성장판.
3. 제 1항에 있어서, 상기 돌기는 성장판 상부에 테두리 형태로 형성되고, 성장판 내부에 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 홈이 형성된 석영유리 잉곳 제조용 성장판.
4. 제 1항에 있어서, 상기 돌기의 높이는 1 - 20 mm, 돌기의 크기는 10- 20 mm, 홈의 깊이는 1 - 20 mm 인 것을 특징으로 하는 홈이 형성된 석영유리 잉곳 제조용 성장판.
   
   

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