KR20150049327A

KR20150049327A - 단결정 실리콘 잉곳 제조장치 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20150049327A
Application number: KR1020130129730A
Authority: KR
Inventors: 윤순광
Original assignee: 주식회사수성기술
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-05-08

Abstract

본 발명은 단결정 실리콘 잉곳 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조장치는 내부에 실리콘원료가 담겨지는 도가니 유닛; 상기 도가니유닛의 하부를 지지하도록 설치되는 써셉터 유닛; 상기 도가니유닛 외측에 설치되어 상기 실리콘원료가 용융되도록 상기 써셉터 유닛을 가열하도록 제어되는 제1유도코일 유닛; 및, 상기 도가니 유닛 외측에 설치되되 상기 제1유도코일 유닛으로부터 상향으로 이격배치되어, 상기 실리콘원료를 직접 가열하도록 제어되는 제2유도코일유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 도가니에 담겨지는 고체상태의 실리콘원료의 용융을 신속하게 할 수 있고, 단결정 실리콘 잉곳에 도펀트가 고르게 분포하게 할 수 있는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

단결정 실리콘 잉곳 제조장치 및 그 제조방법{MANUFACTURING DEVICE FOR SINGLE CRYSTAL SLICON INGOT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 단결정 실리콘 잉곳 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 도가니의 측면에 개별적으로 제어되는 복수의 유도코일을 배치하여 도가니에 담겨지는 고체상태의 실리콘원료의 용융시간을 단축시킬 수 있는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 단결정 실리콘을 이용한 실리콘 잉곳의 제조방법은 원료인 실리콘을 석영 또는 흑연으로 이루어진 도가니에 충진시킨 후 진공조건에서 실리콘 원료를 용해하고, 이를 응고하는 공정을 통해 제조된다.

상기 실리콘 잉곳의 원료가 되는 실리콘은 지멘스법(Siemens process)에 의해 제조된 불규칙한 형상의 천크(chunk) 실리콘 혹은 유동층 반응법(Fludized-bed reaction process)에 의해 제조된 구형의 입상 실리콘을 이용한다.

상기 지멘스법은 고순도 실리콘을 얻을 수 있는 것이 특징이고 가장 일반적인 방법으로서 실시되고 있으나 석출이 배치(batch) 방식이기 때문에 시드(seed)가 되는 실리콘 로드의 설치, 실리콘 로드의 통전 가열, 석출, 냉각, 취출, 벨 자의 세정 등 매우 번잡한 순서를 행해야만 한다는 문제점이 있다.

도 1은 종래 단결정 실리콘 잉곳 제조장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 실리콘 잉곳 제조장치(100)는 진공을 유지하는 진공챔버(110)와, 상기 진공챔버(110) 내에 배치되어 실리콘원료(M)를 담는 도가니(120)와, 실리콘원료(M)의 용융을 위해 도가니(120)를 가열하는 핫플레이트(130)를 포함하여 구성된다.

즉, 진공상태의 진공챔버(110) 내에서 도가니(120) 하부에 배치되는 핫플레이트(130)들이 약 1,600℃ ~ 2,000℃로 발열하면, 핫플레이트(130)로부터 제공되는 복사열에 의해 도가니(120)가 가열되고, 상기 도가니(120) 내부에 채워져 있는 실리콘원료(M)는 도가니(120)로부터 전도되는 전도열에 의해 약 1300℃ ~ 1500℃의 온도로 가열되는데, 도가니(120) 내부온도가 약 1450℃의 온도에 이르게 되면 도가니(120) 내부에 채워진 실리콘원료(M)가 용융되기 시작한다.

상기와 같이 핫플레이트(130)를 통해 실리콘원료(M)가 용융점까지 가열되어 용융되면, 약 72시간 동안 가열을 유지하면서 도가니 내부의 실리콘원료가 완전하게 용융되게 하고, 용융이 완료되면 핫플레이트(130)의 온도를 낮추거나 핫플레이트(130)로 공급되는 전원을 차단하여 도가니(120)내의 용융된 용융물질이 소정온도까지 냉각되게 한다.

이어서, 소정 온도로 냉각된 뒤에는 도가니(120)의 하부에 배치된 냉각수단(미도시)을 통해 2차 냉각을 실시하여 용융물질이 결정화 되도록 한다.

그런데, 고체상태의 실리콘원료는 핫플레이트(130)의 열전도에 따라 가열되어 용융되므로 완전 용융까지의 시간이 매우 길어 제조원가가 상승하는 문제점이 있었다.

또한, 특정 성질을 유도하기 위해 완전 용융된 실리콘원료에 각종 도펀트를 첨가하게 되는데, 냉각시 용융상태의 실리콘원료에 도펀트가 고르게 분포하는게 바람직하나, 도펀트를 용융된 실리콘원료에 고르게 분산시킬 수 있는 별도의 수단이 없었다.

따라서, 냉각 후의 단결정 실리콘 잉곳의 특정부에 도펀트의 쏠림현상이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명의 과제는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 도가니에 담겨지는 고체상태의 실리콘원료의 용융을 신속하게 할 수 있는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 단결정 실리콘 잉곳에 도펀트가 고르게 분포하게 할 수 있는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제는, 본 발명에 따라, 실리콘잉곳 제조장치에 있어서, 내부에 고체상태의 실리콘원료가 담겨지는 도가니 유닛; 상기 도가니유닛의 하부를 지지하도록 설치되는 써셉터 유닛; 상기 도가니유닛 외측에 설치되어 상기 고체상태의 실리콘원료가 용융되도록 상기 써셉터유닛을 가열하는 제1유도코일 유닛; 및, 상기 도가니유닛 외측에 설치되되 상기 제1유도코일유닛 상측에 설치되어, 상기 도가니유닛 내부의 고체상태의 실리콘원료 및 용융된 실리콘원료를 가열하는 제2유도코일유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘잉곳 제조장치에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 제2유도코일 유닛은 상기 고체상태의 실리콘원료 또는 용융된 실리콘원료를 가열하는 주파수를 가지도록 제어되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1유도코일 유닛은 상기 써셉터 유닛을 가열하는 주파수를 가지도록 제어되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 써셉터 유닛은 그라파이트, 텅스텐, 몰리브덴 중 어느 하나일 수 있다.

또한, 상기 제2유도코일 유닛은 상하로 분리된 적어도 2개로 마련되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제2유도코일 유닛은 상기 고체상태의 실리콘원료가 모두 용융된 후, 용융상태의 실리콘원료가 상하방향의 대류가 형성되도록 주파수가 조절된다.

본 발명에 따르면, 도가니에 담겨지는 고체상태의 실리콘원료의 용융을 신속하게 할 수 있는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치 및 그 제조방법이 제공된다.

또한, 단결정 실리콘 잉곳에 도펀트가 고르게 분포하게 할 수 있는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치 및 그 제조방법이 제공된다.

도 1은 종래 단결정 실리콘 잉곳 제조장치의 개략도,
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조장치의 개략도,
도 3 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조방법의 제조공정도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조장치의 개략도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조장치는 진공챔버(10)의 내부에 배치되는 도가니 유닛(20), 단열재 유닛(30), 써셉터 유닛(40), 제1유도코일 유닛(51), 제2유도코일 유닛(52), 지지 유닛(60) 및 제어 유닛(미도시)을 포함하여 구성된다.

상기 도가니 유닛(20)은 흑연 등의 재질로서 고체상태의 실리콘원료(M)를 담을 수 있도록 마련되며, 공지된 소정의 회전수단에 의해 회전되도록 설치된다.

여기서, 고체상태의 실리콘원료(M)는 천크(chunk) 단결정 실리콘이나, 입상 단결정 실리콘 중 어느 것을 사용할 수도 있으나, 입상 단결정 실리콘을 사용하는 경우에는 상대적으로 수율이 낮아지고, 생성물인 단결정 실리콘 잉곳에 공극(void)이 발생될 소지가 높아 일반적으로 천크 단결정 실리콘이 주로 사용된다.

상기 단열재 유닛(30)은 주로 흑연 또는 펠트 등을 포함하는 재질로서, 도가니 유닛(20)의 외측을 감싸도록 설치되어 도가니 유닛(20)의 열손실 및 용융상태의 실리콘원료(M)가 넘치는(melt spill) 사고가 발생하는 경우 후술할 제1유도코일 유닛(51) 및 제2유도코일 유닛(52)을 보호한다.

상기 써셉터 유닛(40)은 도가니의 하부를 지지하도록 설치되며, 그라파이트, 텅스텐 또는 몰리브덴 중 어느 하나로 이루어져 전자기에너지를 열로 변환한다.

즉, 써셉터 유닛(40)은 후술할 제1유도코일 유닛(51)으로부터 발생한 전자기에너지를 90%이상 흡수하여 대략 1,600℃ ~ 2,000℃로 전자유도가열된다.

이를 통해, 도가니 유닛(20) 내부에 담겨진 실리콘원료(M)는 써셉터의 열에 의해 가열되어 용융될 수 있다.

한편, 써셉터 유닛(40)은 도가니 유닛(20)의 저면과 측면 일부를 감싸도록 형성되거나 도가니의 저면만을 지지하도록 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 도가니 유닛(20)의 저면 및 측면 일부를 포함하여 형성된 것이 도시되어 있다.

상기 제1유도코일 유닛(51)은 상술한 단열재 유닛(30)의 외측에 상기 써셉터 유닛(40)의 측면과 마주보도록 설치되며, 전자유도작용을 이용하여 도가니 유닛(20) 내부에 담겨진 실리콘원료(M)를 가열하도록 제어된다.

여기서, 전자유도작용이란 코일에 고주파 전류를 흘려 고주파 자기장이 발생하게 함으로써, 이 고주파 자장 내에 있는 가열물에 유도전류가 흐르도록 하고, 이 유도전류는 물체내에서 전류가 소용돌이치며 흐르는 와전류에 의해 생기는 손실과, 히스테리시스 손실에 의한 주울열이 발생하게 하여 매우 단시간에 가열물이 발열되도록 하는 것이다.

즉, 제1유도코일 유닛(51)에 소정의 전원이 인가되고, 후술할 제어 유닛에 의해 대략 8kHz ~ 20kHz의 범위 내에서 주파수가 조절하여, 자기장에 의해 써셉터 유닛(40)이 가열되는 원리이다.

상기 제2유도코일 유닛(52)은 도가니 유닛(20) 외측에 설치되되 상술한 제1유도코일 유닛(51)으로부터 상향으로 이격배치되어, 도가니 유닛(20) 내부에 담겨진 실리콘원료(M)를 직접 가열하도록 설치된다.

즉, 제2유도코일 유닛(52)은 도가니 유닛(20)의 측면 중 써셉터 유닛(40)이 형성되지 않은 부분과 대향되도록 설치된다.

또한, 제2유도코일 유닛(52)은 상하방향으로 이격되는 복수 개로 분리형성되며, 후술할 제어 유닛에 의해 각각 개별적으로 제어될 수 있다.

한편, 제2유도코일 유닛(52)은 후술할 제어 유닛에 의해 1kHz ~ 60kHz의 주파수 범위를 갖도록 조절될 수 있다.

즉, 제1유도코일 유닛(51)을 통해서는 써셉터 유닛(40)을 통한 실리콘원료(M)를 가열하고, 제2유도코일 유닛(52)을 통해서는 고체상태의 실리콘원료(M)를 직접 가열할 수 있다.

상기와 같이 제1유도코일 유닛(51) 및 제2유도코일 유닛(52)을 통해 함께 실리콘원료(M)를 가열함으로써 종래보다 고체상태의 실리콘원료(M)를 용융상태로 변화시키는데 소요되는 시간이 단축될 수 있다.

한편, 복수 개로 분리된 제2유도코일 유닛(52)은 각각 개별적으로 제어되므로, 도가니 유닛(20) 내부에 담겨진 실리콘원료(M)가 모두 용융된 후에는, 후술할 제어 유닛에 의해 상술한 주파수 내의 범위에서 적절하게 조절된다.

주파수 조절시, 조절 범위는 용융상태의 실리콘원료(M)에 첨가되는 도펀트가 상하방향으로 대류가 발생하도록 조절된다.

상기 지지 유닛(60)은 도가니 유닛(20)을 받쳐주는 받침대의 역할을 하면서, 내부에는 소정의 냉각수단(미도시)이 구비되며, 냉각수단은 용융상태의 실리콘원료(M)를 냉각시켜 단결정 실리콘 잉곳을 형성하도록 설치된다.

상기 제어 유닛은 상술한 제1유도코일 유닛(51) 및 제2유도코일 유닛(52)의 주파수를 제어한다. 즉, 도가니 유닛(20) 내부에 담겨지는 천크 형태의 고체상태의 실리콘원료(M)를 용융시킬 때에는 제1유도코일 유닛(51)의 주파수를 상술한 바와 같은 범위 내에서 조절되도록 제어하여 써셉터 유닛(40)을 가열되도록 함과 동시에, 제2유도코일 유닛(52)의 주파수를 상술한 범위 내에서 조절되도록 제어하여 실리콘원료(M)를 직접 가열되도록 한다.

또한, 제어 유닛은 도가니 유닛(20)에 담겨진 실리콘원료(M)가 모두 용융된 후, 복수 개로 마련된 제2유도코일 유닛(52)의 주파수를 각각 상술한 주파수 범위 내에서 적절하게 조절하여, 발생하는 자기장의 흐름에 따라 용융된 실리콘원료(M)의 상하방향 대류가 발생되도록 한다.

이를 통해, 실리콘원료(M)에 첨가되는 도펀트가 실리콘원료(M) 전체에 고르게 분산되어 분포할 수 있다.

다음으로, 상술한 본 발명의 제1실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조방법에 대해 설명한다.

도 3 및 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 단결정 실리콘 잉곳 제조방법의 제조공정도이다. 도 3을 참조하면, 먼저 도가니 유닛(20)의 내부에 고체상태의 실리콘원료(M)를 투입하여 담는다.

도가니 유닛(20)에 담겨지는 고체상태의 단결정 실리콘원료(M)의 양은 생성물인 단결정 실리콘 잉곳의 수율과 품질을 고려하여 최적화시키는 것이 바람직하다.

도가니 유닛(20) 내에 고체상태의 단결정 실리콘을 과다하게 담는 경우에는 담겨진 고체상태의 실리콘원료(M)가 유동하면서 도가니 유닛(20)의 벽면의 입자가 긁혀나와 불순물이 되거나, 브릿지 등의 불량을 형성시킬 가능성을 증가시킨다.

반면, 너무 적게 담는 경우에는 전력소모가 크고 공정 속도가 느려져 비경제적이라는 단점이 있다. 이에 따라, 도가니 유닛(20)의 크기를 고려하여 적절한 양의 실리콘원료(M)를 도가니에 담는다.

다음, 고체상태의 실리콘원료(M)를 도가니에 담는 과정이 마무리되면, 진공챔버(10) 내에 별도로 설치된 기체 도입구를 통해 아르곤(Ar)이나 질소(N₂) 가스를 도입시킨다.

그리고, 진공 상태를 유지한 상태에서, 제1유도코일 유닛(51)과 제2유도코일 유닛(52)에 전원을 인가하고, 제어 유닛을 통해 제1유도코일 유닛(51)의 주파수를 써셉터 유닛(40)이 가열되는 8kHz ~ 20kHz로 조절하여, 가열된 써셉터 유닛(40)을 통해 도가니 유닛(20) 내부에 담겨진 실리콘원료(M)를 가열한다.

이와 동시에, 전원이 연결된 제2유도코일 유닛(52)의 주파수를 1kHz ~ 60kHz로 조절하여 도가니 유닛(20) 내부에 담겨진 실리콘 원료를 직접적으로 가열되도록 한다.

즉, 상기와 같은 제1유도코일 유닛(51) 및 제2유도코일 유닛(52)을 통해 도가니 유닛(20) 내부에 담겨진 실리콘원료(M)를 도 4에서와 같이 모두 용융시킨다.

그리고, 실리콘원료(M)가 모두 용융된 후, 도 5에서와 같이, 제어 유닛을 통해 용융된 실리콘원료(M)의 상하방향 대류를 유도하도록 제2유도코일 유닛(52)의 주파수를 변경하여 용융된 실리콘원료(M)를 냉각한다.

이때 변경되는 주파수는 상술한 제2유도코일 유닛(52)의 주파수 범위 내에서 조절되며, 자기장의 자기력선을 따라 발생하는 실리콘원료(M)의 대류가 가장 활발하게 발생하는 주파수로 설정하는 것이 바람직하다.

이때, 상하로 분리된 형태로 마련되는 제2유도코일 유닛(52)은 각각 개별적으로 제어되어 용융된 실리콘원료(M)의 상하방향 대류를 유도되도록 한다.

이를 통해, 실리콘원료(M)에 첨가되는 도펀트(D)는 냉각되는 실리콘원료(M) 전체에 고르게 분포될 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
10 : 진공챔 버 20 : 도가니 유닛
30 : 단열재 유닛 40 : 써셉터 유닛
51 : 제1유도코일 유닛 52 : 제2유도코일 유닛
60 : 지지유닛

Claims

단결정 실리콘 잉곳 제조장치에 있어서,
내부에 실리콘원료가 담겨지는 도가니 유닛;
상기 도가니유닛의 하부를 지지하도록 설치되는 써셉터 유닛;
상기 도가니유닛 외측에 설치되어 상기 실리콘원료가 용융되도록 상기 써셉터 유닛을 가열하도록 제어되는 제1유도코일 유닛; 및,
상기 도가니 유닛 외측에 설치되되 상기 제1유도코일 유닛으로부터 상향으로 이격배치되어, 상기 실리콘원료를 직접 가열하도록 제어되는 제2유도코일유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 제2유도코일 유닛은 상기 실리콘원료를 가열하는 주파수로 제어되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1유도코일 유닛은 상기 써셉터 유닛을 가열하는 주파수로 제어되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 제1유도코일 유닛은 상기 써셉터 유닛의 측면과 대향되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 제2유도코일 유닛은 상기 도가니 유닛의 측면 중 상기 써셉터 유닛이 형성되지 않은 부분과 대향되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 제2유도코일 유닛은 상하방향으로 이격되는 복수 개로 분리형성되며, 분리형성된 각 제2유도코일 유닛은 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치.
제 6항에 있어서,
상기 제2유도코일 유닛은 상기 고체상태의 실리콘원료가 모두 용융된 후, 용융상태의 실리콘원료가 상하방향의 대류가 형성되도록 주파수가 조절되는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 써셉터 유닛은 그라파이트, 텅스텐, 몰리브덴 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조장치.
단결정 실리콘 잉곳 제조방법에 있어서,
도가니 내부에 실리콘원료를 담는 준비단계;
상기 도가니 유닛 외측에 설치된 제1유도코일 유닛과 상기 제1유도코일 유닛의 상향에 이격배치된 제2유도코일 유닛을 통해 상기 실리콘원료를 모두 용융시키는 가열단계;를 포함하며,
상기 가열단계에서, 상기 제1유도코일 유닛은 상기 도가니 하부를 지지하도록 설치된 써셉터 유닛을 가열하여 상기 실리콘원료를 용융시키고, 동시에 상기 제2유도코일 유닛은 상기 실리콘원료를 직접 가열하여 상기 실리콘원료를 용융시키는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조방법.
제 9항에 있어서,
상기 실리콘원료가 모두 용융된 후, 용융된 실리콘원료의 상하방향 대류를 유도하도록 상기 제2유도코일 유닛의 주파수를 변경하여 상기 용융된 실리콘원료를 냉각하는 냉각단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조방법.
제 10항에 있어서,
상기 제2유도코일 유닛은 상기 도가니 유닛의 측면 높이와 대응되도록 설치되되, 적어도 2개로 상하 분리된 형태로 설치되며, 각각 개별적으로 제어하여 용융된 실리콘원료의 상하방향 대류를 유도하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 잉곳 제조방법.