KR20180054987A - 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단장치, 및 실리콘 잉곳 절단방법 - Google Patents

마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단장치, 및 실리콘 잉곳 절단방법 Download PDF

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Abstract

마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단장치, 및 실리콘 잉곳 절단방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 실리콘 잉곳 절단장치에 있어서, 상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그, 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층, 및 이온정제수(DIW)를 수용하는 수조; 상기 실리콘 잉곳에 연결되는 전극; 와이어 구동수단에 의해 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단하는 와이어; 상기 수조에 마이크로 버블 생성용 첨가제를 주입하는 첨가제 주입부; 및 상기 실리콘 잉곳과 와이어 사이에 아크방전과 전기분해가 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하고, 전압 인가 시, 마이크로 버블 생성용 첨가제에 의해 상기 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 생성되는 것을 특징으로 한다.

Description

마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단장치, 및 실리콘 잉곳 절단방법 {SILICON INGOT SLICING DEVICE USING MICRO BUBBLE AND WIRE ELECTRIC DISCHARGE, AND SILICON SLICING METHOD}
본 발명은 실리콘 잉곳 절단장치 및 절단방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용하여 블록, 웨이퍼 등의 다양한 형태로 실리콘 잉곳을 절단할 수 있는 절단장치 및 절단방법에 관한 것이다.
와이어(wire)를 이용하여 실리콘 잉곳을 절단하는 방식은 연마용 슬러리 또는 다이아몬드가 코팅된 와이어를 실리콘 잉곳과 마찰시키는 기계적 방법을 통해 절단된다. 이때 발생하는 마찰력은 실리콘 잉곳 표면에 다양한 결함을 발생시키기 때문에, 연삭 가공(grinding), 래핑 가공(lapping), 폴리싱(polishing) 등과 같은 기계적 표면연마, 에칭(etching), 세정(cleaning) 등과 같은 화학적 표면연마 등의 추가적인 표면 결함 제거가 필요하다.
한편, 와이어 방전 가공 장치(wire electric discharge maching, WEDM)를 이용하여 실리콘 잉곳을 절단하는 경우, 이러한 결함을 감소시킬 수 있다. 그러나, 실리콘의 높은 전기저항으로 인해 절단에 필요한 전압이 100~500V의 고전압이므로, 이때 발생하는 높은 용융열에 의해 실리콘 잉곳 표면에 열적 손상이 발생하게 된다. 게다가, 실리콘 잉곳을 절단할 때 100V 이상의 고에너지는 절단손실(Kerf-loss)을 증가시키는 주요원인이 된다.
전압을 감소시키기 위해 실리콘의 저항을 감소시키는 방법으로, 실리콘 잉곳에 전도성 물질을 부착하거나 코팅하여 전기적 저항을 감소시키는 연구가 진행되어 왔으나, 절단속도와 같은 절단효율성을 향상시키기에는 한계가 있다. 또한, 방전이 아닌 전해반응(Electrochemical reaction or etching)을 통해 실리콘 잉곳을 절단하는 방법이 있으나, 이는 일반적인 방전가공의 절단속도에 비해 1/10의 절단속도를 가지므로, 절단효율성이 우수하지 못하다.
본 발명에 관련된 배경기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2016-0053825호(2016.05.13. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 와이어 방전 가공을 이용한 반도체 및 부도체 절단 장치 및 방법이 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용하여, 인가전압을 100V 이하로 감소시키고 실리콘 잉곳의 절단면의 품질을 향상시키는 실리콘 잉곳 절단장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 절단장치를 이용한 실리콘 잉곳의 절단 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단장치에 있어서, 상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그, 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층, 및 이온정제수(DIW)를 수용하는 수조; 상기 실리콘 잉곳에 연결되는 전극; 와이어 구동수단에 의해 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단하는 와이어; 상기 수조에 마이크로 버블 생성용 첨가제를 주입하는 첨가제 주입부; 및 상기 실리콘 잉곳과 와이어 사이에 아크방전과 전기분해가 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하고, 전압 인가 시, 마이크로 버블 생성용 첨가제에 의해 상기 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 버블 생성용 첨가제는 H, OH 중 1종 이상을 포함하는 화합물일 수 있다.
상기 마이크로 버블의 평균 입경은 40~60㎛일 수 있다.
상기 실리콘 잉곳 절단장치는 상기 수조로부터 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 배출하는 배출부; 및 상기 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블의 양을 조절하고, 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정센서부;를 더 포함할 수 있다.
상기 전원공급부는 직류 펄스 형태의 전압을 인가하되 25V 이상의 전압을 인가할 수 있다.
상기 다른 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단장치에 있어서, 상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그, 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층을 수용하는 수조; 상기 실리콘 잉곳에 연결되는 전극; 와이어 구동수단에 의해 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단하는 와이어; 상기 실리콘 잉곳 표면에 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 주입하는 노즐부; 및 상기 실리콘과 와이어 사이에 아크방전이 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하고, 상기 노즐부에 의해, 상기 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 실리콘 잉곳 절단장치는 상기 수조로부터 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 배출하는 배출부; 및 상기 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블의 양을 조절하고, 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정센서부;를 더 포함할 수 있다.
상기 노즐부는 확산형 노즐부 또는 슬릿형 노즐부일 수 있다.
상기 마이크로 버블의 평균 입경은 5~80㎛일 수 있다.
상기 전원공급부는 직류 펄스 형태의 전압을 인가하되 25V 이상의 전압을 인가할 수 있다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단방법에 있어서, (a) 상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그, 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층, 및 이온정제수(DIW)를 수용하고, 상기 실리콘 잉곳에 전극이 연결된 수조를 마련하는 단계; (b) 첨가제 주입부를 통해 마이크로 버블 생성용 첨가제를 상기 수조에 주입하는 단계; 및 (c) 상기 실리콘 잉곳과 와이어 사이에 아크방전과 전기분해가 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급하여, 와이어가 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단하는 단계;를 포함하고, 전압 인가 시, 마이크로 버블 생성용 첨가제에 의해 상기 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 마이크로 버블 생성용 첨가제는 H, OH 중 1종 이상을 포함하는 화합물일 수 있다.
상기 마이크로 버블의 평균 입경은 40~60㎛일 수 있다.
상기 전원공급부는 직류 펄스 형태의 전압을 인가하되 25V 이상의 전압을 인가할 수 있다.
상기 다른 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단방법에 있어서, (a) 상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그, 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층을 수용하고, 상기 실리콘 잉곳에 전극이 연결된 수조를 마련하는 단계; (b) 노즐부를 통해 상기 실리콘 잉곳 표면에 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 주입하는 단계; 및 (c) 상기 실리콘 잉곳과 와이어 사이에 아크방전이 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급하여, 와이어가 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단하는 단계;를 포함하고, 상기 노즐부에 의해, 상기 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 노즐부는 확산형 노즐부 또는 슬릿형 노즐부인 것을 특징으로 한다.
상기 노즐부에서 분사되는 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블은 50L/min 이하의 평균 속도로 실리콘 잉곳 표면에 주입될 수 있다.
상기 마이크로 버블의 평균 입경은 5~80㎛일 수 있다.
상기 전원공급부는 직류 펄스 형태의 전압을 인가하되 25V 이상의 전압을 인가할 수 있다.
본 발명에 따른 실리콘 절단장치는 마이크로 버블 생성용 첨가제를 이온정제수에 첨가하거나, 노즐부를 통해 마이크로 버블과 이온정제수를 실리콘 잉곳 표면에 주입하도록 구성되어 있다. 이러한 절단장치는 아크방전 가공과 전기분해 가공을 수행함과 동시에, 25V 이상의 전압을 통해 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 H 또는 OH로 구성된 마이크로 버블을 생성시킬 수 있다.
이러한 마이크로 버블에 의해 방전효율이 증대되고, 절단손실이 저하될 수 있어, 종래, 실리콘 절단 시 100V 이상의 고전압을 이용했을 때 보다, 실리콘 절단면의 결함을 방지하고, 절단면의 품질을 향상시킬 수 있다.
아울러, 본 발명의 실리콘 절단장치를 이용한 실리콘 절단방법은 25V 이상의 전압에서 분해되는 전기분해 반응을 통해, 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블을 생성시킴으로써, 절단이 가능한 인가전압을 100V 이하로 감소시킬 수 있다.
본 발명의 실리콘 잉곳 절단장치 및 절단방법에 의해, 결정질 실리콘을 블록, 웨이퍼 등의 다양한 형태로 절단할 수 있어, 절단효율성 및 절단면의 품질이 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 와이어를 포함하는 실리콘 잉곳 절단장치를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 절단장치를 나타낸 단면도이다.
도 3은 오실로스코프로 측정한 결과를 나타낸 그래프로, 종래 와이어 방전 가공만을 이용한 실리콘 잉곳 절단장치(a)와 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 절단장치(b)를 이용하여 방전 빈도를 비교한 그래프이다.
도 4는 종래 방전가공 중 200℃ 이상의 고온에 의해 발생된 버블(a)과 본 발명의 실시예에 따른 전극반응을 통해 발생된 버블(b)을 나타낸 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 절단방법을 나타낸 순서도이다.
도 6의 (a)~(c)는 본 발명의 실시예에 따른 실리콘 잉곳 절단장치 및 절단방법을 이용하여, 절단된 실리콘을 나타낸 사진이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳 절단장치를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 잉곳 절단방법을 나타낸 순서도이다.
도 9의 (a)는 기존의 와이어 방전 가공을 이용하여 절단된 실리콘 절단면이고, (b)는 본 발명의 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용하여 절단된 실리콘의 절단면이다.
도 10의 (a)는 기존의 와이어 방전 가공을 이용하여 절단된 실리콘의 절단면이고, (b)는 본 발명의 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용하여 절단된 실리콘의 절단면이다.
도 11의 (a)는 기존의 와이어 방전 가공을 이용하여 150V에서 절단된 실리콘의 절단폭, (b)는 본 발명의 마이크로 버블 생성용 첨가제를 이용하여 50V에서 절단된 실리콘의 절단폭, (c)는 본 발명의 노즐부를 통해 마이크로 버블을 주입하여 80V에서 절단된 실리콘의 절단폭을 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단장치, 및 절단방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 결정질 실리콘을 기존의 기계적 절단방식이 아닌 전기화학적 절단방식으로 절단하는 기술에 관한 것이다. 실리콘 잉곳은 반도체 용도로 사용되기 위해 하나의 덩어리로 형성된 단결정 실리콘일 수 있으며, 도가니에 충전하여 용융시킨 후, 속도와 온도를 조절하여 원기둥형태의 실리콘 잉곳이 제조된다.
실리콘 잉곳의 횡단면을 사각형으로 형성하여 태양전지용으로도 적용될 수 있다.
도 1 및 도 2에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단장치(100)는 수조(110), 전극(120), 와이어(130), 첨가제 주입부(140) 및 전원공급부(150, 미도시)를 포함한다.
수조(110)에는 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그(111), 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층(112), 및 이온정제수(DIW)가 수용된다. 전도성 접착제층은 전도성 고분자, 접착성의 단량체 등이 포함된 접착 조성물로부터 형성될 수 있다. 수조(110)에 저장된 이온정제수는 전기분해가 가능한 유전물질로, 수조(110)에 연결된 전기전도도 측정센서부(114)에 의해 농도와 순도가 유지된다. 실리콘 잉곳의 절단효율을 높이기 위해, 이온정제수는 실리콘 잉곳이 완전히 담겨지도록 높이를 유지하는 것이 바람직하다. 전기전도도 측정센서부(114)는 수조(110)의 높이 방향에 대해 상부, 하부에 위치할 수 있다.
전극(120)은 상기 실리콘 잉곳에 연결되며, 전원공급부(150)에 의해 전원을 공급받는다. 이때, 실리콘 잉곳에는 (+) 전극이 연결되고, 와이어(130)에는 (-) 전극이 연결될 수 있다.
와이어(130)는 와이어 구동수단에 의해 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단한다. 실리콘 잉곳은 수조(110) 안에 고정되며, 전원공급부(150)가 와이어(130)에 전원을 공급하는 동안, 롤러에 의해 와이어(130)가 상하방향으로 이동하면서 실리콘 잉곳을 절단하게 된다. 상기 상하방향은 실리콘 잉곳의 높이 방향에 대해 상부, 하부를 의미한다. 상기 와이어(130)는 전도성이 높은 금속재질이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
첨가제 주입부(140)는 수조(110)에 마이크로 버블 생성용 첨가제를 주입하는 통로 역할을 한다. 첨가제 주입부(140)는 상기 첨가제와 이온정제수를 함께 공급할 수도 있다. 상기 마이크로 버블 생성용 첨가제를 이온정제수에 공급하고, 25V 이상의 직류 펄스 형태의 전압 인가 시, 상기 첨가제가 물의 전기분해를 촉진시킴으로써 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 생성된다. 생성된 마이크로 버블에 의해, 유전파괴현상이 발생하여 방전빈도가 증가하게 되면서, 절단이 가능한 인가전압을 100V 이하로 감소시킬 수 있어 절단면의 결함을 방지할 수 있다. 상기 마이크로 버블이란, 이온정제수 내에 질소 또는 공기와 같은 버블이 특정 크기로 이루어져 있는 것을 의미한다.
또한, 이온정제수와 같은 액체는 방전이 발생하기 전에 유전파괴가 발생해야만 방전(spark 또는 arc)이 발생하는데, 생성된 마이크로 버블이 유전파괴를 일으키는 시작점으로 작용하여 방전빈도를 증가시킨다. 이는 도 3의 그래프에서 확인할 수 있다. 상기 유전파괴는 유전체의 유전상수에 의해 결정되는 고유 특성이다.
이처럼, 전극반응을 통해 생성된 마이크로 버블의 평균 입경은 40~60㎛일 수 있다. 도 4의 (a), (b)를 참조하면, 이는 방전가공 중 200℃ 이상의 고온에 의해 발생된 버블의 평균 입경(1~5mm)보다 작은 것을 알 수 있다. 이는 전극 주변에서 다음과 같은 반응식에 의해 소량의 ?H와 ?OH 가스가 발생하였음을 의미한다.
[반응식]
2H2O → O2 + 4H+ + 4e- (at the anode)
4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- (at the cathode)
상기 반응을 촉진시키기 위해 25V 이상의 전압을 인가하는 것이 바람직하며, 마이크로 버블 생성용 첨가제는 이온정제수의 몰농도 대비 0.1~5M로 첨가될 수 있다. 상기 마이크로 버블 생성용 첨가제는 H, OH 중 1종 이상을 포함하는 화합물로, 예를 들어 불산(HF), 초산(CH3COOH), 질산(HNO3), 수산화칼륨(KOH), 수산화 나트륨(NaOH) 등을 사용할 수 있다.
전원공급부(150)는 상기 실리콘 잉곳과 와이어(130) 사이에 아크방전과 전기분해가 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급한다. 전압 인가 시, 상기 첨가제에 의해 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 생성된다.
도 1 및 도 2에서와 같이, 실리콘 잉곳이 이온정제수에 완전히 담지되는 경우, 절단이 진행되는 동안 첨가제 주입부(140)를 통해 첨가제를 추가로 공급할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 잉곳 절단장치(100)는 상기 수조로부터 이온정제수를 배출하는 배출부(113), 및 상기 이온정제수의 양을 조절하고, 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정센서부(114)를 더 포함할 수 있다.
도 5을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단방법은 수조를 마련하는 단계(S110), 마이크로 버블 생성용 첨가제를 주입하는 단계(S120) 및 전원을 공급하는 단계(S130)를 포함한다.
먼저, 상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그(111), 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층(112), 및 이온정제수(DIW)를 수용하는 수조(110)를 마련한다. 상기 실리콘 잉곳에는 (+) 전극(120)이 연결되어 있을 수 있다.
다음으로, 상기 첨가제 주입부(140)를 통해 마이크로 버블 생성용 첨가제를 상기 수조에 주입한다. 마이크로 버블 생성용 첨가제는 이온정제수의 몰농도 대비 0.1~5M로 첨가될 수 있으며, 전술한 바와 같다.
다음으로, 상기 실리콘 잉곳과 와이어(130) 사이에 아크방전과 전기분해가 이루어지도록 상기 전극(120)과 와이어(130)에 전원을 공급한다. 이에 따라, 상기 전극(120) 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 생성되고, 와이어(130)가 실리콘 잉곳의 상하방향으로 이동하면서 실리콘 잉곳이 절단된다. 도 6의 (a)~(c)는 절단된 실리콘을 나타낸 사진이다.
실리콘 잉곳이 절단되는 동안, 배출부(113)를 통해 이온정제수를 배출하거나, 전기전도도 측정센서부(114)를 통해 수조(110)에 저장된 이온정제수의 농도, 순도 등을 측정할 수 있다.
도 7에서 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단장치(200)는 수조(210), 전극(220), 와이어(230), 노즐부(240) 및 전원공급부(250, 미도시)를 포함한다.
수조(210)에는 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그(211), 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층(212)이 수용된다. 전도성 접착제층은 전도성 고분자, 접착성의 단량체 등이 포함된 접착 조성물로부터 형성될 수 있다. 상기 수조(210)에는 지그(211) 높이만큼의 이온정제수가 저장되어 있을 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전극(220)은 상기 실리콘 잉곳에 연결되며, 전원공급부(250)에 의해 전원을 공급받는다. 실리콘 잉곳에는 (+) 전극이 연결되어 있을 수 있다.
와이어(230)는 와이어 구동수단에 의해 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단한다. 실리콘 잉곳은 수조(210) 안에 고정되며, 전원공급부(250)가 와이어(230)에 전원을 공급하는 동안, 롤러에 의해 와이어(230)가 상하방향으로 이동하면서 실리콘 잉곳을 절단하게 된다. 상기 상하방향은 실리콘 잉곳의 높이 방향에 대해 상부, 하부를 의미한다. 상기 와이어(230)는 전도성이 높은 금속재질이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
노즐부(240)는 상기 실리콘 잉곳 표면에 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 주입하는 역할을 한다. 상기 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 실리콘에 직접 주입하고, 25V 이상의 직류 펄스 형태의 전압을 인가하는 경우, 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 유전파괴현상을 유도할 수 있어 방전빈도가 증가하게 된다. 공급된 마이크로 버블에 의해, 절단이 가능한 인가전압을 100V 이하로 감소시킬 수 있어 절단면의 결함을 방지할 수 있다. 상기 이온정제수와 유전파괴는 전술한 바와 같다.
상기 노즐부(240)를 통해 실리콘 잉곳에 주입되는 마이크로 버블의 평균 입경은 5~80㎛이며, 이온정제수 내에 5~80㎛의 크기를 갖는 질소 또는 공기와 같은 버블이 포함된 형태일 수 있다. 이온정제수 내에 포함되는 마이크로 버블의 밀도는 노즐부를 통해 주입되는 속도에 의해 결정될 수 있으며, 버블의 밀도는 버블의 지름이 40~50㎛일 때, 이온정제수의 부피 대비 마이크로 버블의 부피로 대략 5~30%일 수 있다. 부피 분율이 5% 미만일 경우, 마이크로 버블에 의한 인가 전압의 하강, 및 방전 빈도에 대한 효과가 불충분할 수 있다. 반대로, 30%를 초과하는 경우, 이온정제수의 냉각 효과가 감소되어, 와이어의 단선과 절단면의 결함이 급격히 증가될 수 있다.
상기 노즐부(240)는 확산형 노즐부 또는 슬릿형 노즐부일 수 있다. 확산형 노즐부는 100㎛ 이상의 두꺼운 와이어를 이용하여 150mm 이상의 잉곳 면적을 절단할 때 사용된다. 즉, 와이어 방전 가공을 이용한 절단 장치에서, 와이어 가이드 롤러에 와이어가 복수개로 권사되어 있는 상태로 공정이 수행될 때, 확산형 노즐부가 효율적이다.
슬릿형 노즐부는 100㎛ 이하의 와이어를 이용하여 150mm 이하의 잉곳 면적을 절단할 때 사용된다. 즉, 와이어 방전 가공을 이용한 절단 장치에서, 와이어가 3가닥 이하로 권사되어 있는 상태로 공정이 수행될 때, 슬릿형 노즐부가 사용된다.
전원공급부(250)는 상기 실리콘 잉곳과 와이어(230) 사이에 아크방전과 전기분해가 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급한다. 전원이 공급됨에 따라, 와이어(230)가 실리콘 잉곳의 상하방향으로 이동하면서 실리콘 잉곳이 절단된다. 도 6의 (a)~(c)는 절단된 실리콘을 나타낸 사진이다.
상기 노즐부에 의해, 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에는 마이크로 버블이 생성된다.
상기 실리콘 잉곳 절단장치(200)는 상기 수조로부터 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 배출하는 배출부(213), 및 상기 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블의 양을 조절하고, 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정센서부(214)를 더 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용한 실리콘 잉곳 절단방법은 수조를 마련하는 단계(S210), 노즐부를 통해 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 실리콘 잉곳 표면에 주입하는 단계(S220) 및 전원을 공급하는 단계(S230)를 포함한다.
먼저, 상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그(211), 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층(212)을 수용하는 수조(210)를 마련한다. 상기 실리콘 잉곳에는 전극(220)이 연결되어 있다.
다음으로, 노즐부(240)를 통해 상기 실리콘 잉곳 표면에 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 주입한다. 이온정제수와 마이크로 버블은 이온정제수 내에 5~80㎛의 크기를 갖는 질소 또는 공기와 같은 버블이 포함된 형태로 주입되며, 상기 노즐부(240)는 전술한 바와 같이 확산형 노즐부 또는 슬릿형 노즐부일 수 있다.
상기 노즐부(240)에서 분사되는 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블은 50L/min 이하의 평균 속도로 실리콘 잉곳 표면에 주입될 수 있으며, 이온정제수 내에 포함되는 마이크로 버블의 밀도는 이러한 주입 속도에 의해 결정될 수 있다. 주입 속도가 50L/min를 초과하는 경우, 실리콘 잉곳 표면에서 마이크로 버블이 불충분하게 공급되어 방전효율 증대와 절단손실 저하를 기대하기 어렵다.
다음으로, 상기 실리콘 잉곳과 와이어(230) 사이에 아크방전과 전기분해가 이루어지도록 상기 전극(220)과 와이어(230)에 전원을 공급한다. 상기 노즐부에 의해, 상기 전극(220) 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 공급되고, 와이어(230)가 실리콘 잉곳의 상하방향으로 이동하면서 도 6의 (a)~(c)에서와 같이, 실리콘 잉곳이 절단된다.
이때, 직류 펄스 형태의 전압을 인가하되 25V 이상의 전압을 인가하여 전기분해를 촉진시킴으로써, 전극(220) 표면과 실리콘 잉곳 표면에 생성된 마이크로 버블에 의해 절단이 가능한 인가전압을 감소시키고, 절단면의 품질을 향상시킬 수 있다.
실리콘 잉곳이 절단되는 동안, 배출부(213)를 통해 이온정제수와 마이크로 버블을 배출하거나, 전기전도도 측정센서부(214)를 통해 수조(210)에 저장된 이온정제수의 농도, 순도 등을 측정할 수 있다.
도 3을 참조하면, 동일한 인가전압 조건 하에서 전극 간의 거리가 동일함에도 불구하고, 본 발명에서 제시한 절단장치와 절단방법을 이용한 (b)의 방전빈도가 (a)보다 월등히 높은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 마이크로 버블로 인해 유전파괴현상이 더 원활하게 발생하였음을 보여준다.
또한, 도 9 및 도 10을 참조하면, 기존의 와이어 방전 가공을 이용하여 절단된 실리콘 절단면(도 9(a), 도 10(a)) 보다, 본 발명의 마이크로 버블과 와이어 방전 가공을 이용하여 절단된 실리콘 절단면(도 9(b), 도 10(b))의 품질이 우수한 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 11는 (b)의 절단손실이 (a)의 절단손실에 비해 1/10이 감소하였고, (c)의 절단손실은 (a)의 절단손실에 비해 1/2이 감소하였음을 보여준다.
이처럼, 본 발명에서 제시한 2가지 절단방법을 이용하여 실리콘 잉곳을 절단하는 것이 바람직하나, 상기 노즐부(240)를 통해 주입되는 마이크로 버블의 평균 입경이 5~80㎛이고, 첨가제 주입부(140)를 통해 마이크로 버블 생성용 첨가제를 주입하여 생성된 마이크로 버블의 평균 입경이 40~60㎛인 결과를 비교해보면, 노즐부(240)를 통해 마이크로 버블을 실리콘 잉곳 표면에 직접 주입하는 경우, 버블 입경의 균일성이 다소 저하됨을 알 수 있다. 이에 따라, 마이크로 버블을 실리콘 잉곳 표면에 직접 주입하는 방식이 첨가제를 이용하여 주입하는 방식에 비해, 방전의 균일성이 저하될 수 있다.
즉, 첨가제 주입부(140)를 통해 첨가제와 이온정제수를 주입하는 방식을 이용하여 실리콘을 절단하는 것이 보다 바람직하다.
도 2 및 도 7에서와 같이, 본 발명의 2가지 구성의 절단장치는 제어유닛에 의해 측정센서부, 전원공급부 등이 작동 및 제어될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이처럼, 본 발명의 실리콘 절단장치를 이용한 절단방법은 종래, 100V 이상의 고전압을 이용하여 실리콘 잉곳을 절단하는 방법에 비해 100V 이하의 낮은 전압에서 절단이 수행되는 장점이 있다. 이는 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 생성된 마이크로 버블이 유전파괴현상을 유도하여 방전 빈도를 향상시키고, 마이크로 버블에 의해 절단이 가능한 인가전압을 감소시켜 나타나는 결과임을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 이온정제수에서 H 또는 OH가 포함된 화합물을 마이크로 버블 생성용 첨가제로 사용하여 물의 전기분해 반응을 유도함으로써, 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 버블을 생성시킨다. 이에 따라, 이온정제수와 마이크로 버블이 혼합된 수조에서 실리콘 잉곳을 절단함에 있어, 방전효율이 향상되고 절단손실을 감소시킬 수 있으며, 잉곳을 절단함과 동시에 제조된 웨이퍼 표면을 이온정제수와 마이크로 버블로 세척할 수 있는 효과가 있다.
즉, 웨이퍼 제조 공정과 세척공정을 동시에 진행함에 따라, 웨이퍼 표면에 오염물이 존재하지 않아 추가적인 세척공정을 필요로 하지 않으며, 제조된 웨이퍼의 품질이 향상되고 생산량을 증가시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100, 200 : 실리콘 잉곳 절단장치
110, 210 : 수조
111, 211 : 지그
112, 212 : 전도성 접착제층
113, 213 : 배출부
114, 214 : 측정센서부
120, 220 : 전극
130, 230 : 와이어
140 : 첨가제 주입부
150, 250 : 전원공급부
240 : 노즐부

Claims (19)

  1. 실리콘 잉곳 절단장치에 있어서,
    상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그, 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층, 및 이온정제수(DIW)를 수용하는 수조;
    상기 실리콘 잉곳에 연결되는 전극;
    와이어 구동수단에 의해 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단하는 와이어;
    상기 수조에 마이크로 버블 생성용 첨가제를 주입하는 첨가제 주입부; 및
    상기 실리콘 잉곳과 와이어 사이에 아크방전과 전기분해가 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하고,
    전압 인가 시, 마이크로 버블 생성용 첨가제에 의해 상기 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 생성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성용 첨가제는 H, OH 중 1종 이상을 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 버블의 평균 입경은 40~60㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 잉곳 절단장치는
    상기 수조로부터 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 배출하는 배출부; 및 상기 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블의 양을 조절하고, 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정센서부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원공급부는 직류 펄스 형태의 전압을 인가하되 25V 이상의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단장치.
  6. 실리콘 잉곳 절단장치에 있어서,
    상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그, 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층을 수용하는 수조;
    상기 실리콘 잉곳에 연결되는 전극;
    와이어 구동수단에 의해 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단하는 와이어;
    상기 실리콘 잉곳 표면에 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 주입하는 노즐부; 및
    상기 실리콘과 와이어 사이에 아크방전이 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급하는 전원공급부;를 포함하고,
    상기 노즐부에 의해, 상기 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 공급되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 실리콘 잉곳 절단장치는
    상기 수조로부터 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 배출하는 배출부; 및 상기 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블의 양을 조절하고, 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정센서부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 노즐부는 확산형 노즐부 또는 슬릿형 노즐부인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 마이크로 버블의 평균 입경은 5~80㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 전원공급부는 직류 펄스 형태의 전압을 인가하되 25V 이상의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단장치.
  11. 실리콘 잉곳 절단방법에 있어서,
    (a) 상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그, 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층, 및 이온정제수(DIW)를 수용하고, 상기 실리콘 잉곳에 전극이 연결된 수조를 마련하는 단계;
    (b) 첨가제 주입부를 통해 마이크로 버블 생성용 첨가제를 상기 수조에 주입하는 단계; 및
    (c) 상기 실리콘 잉곳과 와이어 사이에 아크방전과 전기분해가 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급하여, 와이어가 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단하는 단계;를 포함하고,
    전압 인가 시, 마이크로 버블 생성용 첨가제에 의해 상기 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 생성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로 버블 생성용 첨가제는 H, OH 중 1종 이상을 포함하는 화합물인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로 버블의 평균 입경은 40~60㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 전원공급부는 직류 펄스 형태의 전압을 인가하되 25V 이상의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단방법.
  15. 실리콘 잉곳 절단방법에 있어서,
    (a) 상기 실리콘 잉곳 하부 표면에 부착되는 지그, 상기 실리콘 잉곳과 지그 사이에 부착되는 전도성 접착제층을 수용하고, 상기 실리콘 잉곳에 전극이 연결된 수조를 마련하는 단계;
    (b) 노즐부를 통해 상기 실리콘 잉곳 표면에 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블을 주입하는 단계; 및
    (c) 상기 실리콘 잉곳과 와이어 사이에 아크방전이 이루어지도록 상기 전극과 와이어에 전원을 공급하여, 와이어가 실리콘 잉곳 상하방향으로 이송되면서 실리콘 잉곳을 절단하는 단계;를 포함하고,
    상기 노즐부에 의해, 상기 전극 표면과 실리콘 잉곳 표면에 마이크로 버블이 공급되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 노즐부는 확산형 노즐부 또는 슬릿형 노즐부인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 노즐부에서 분사되는 이온정제수(DIW)와 마이크로 버블은 50L/min 이하의 평균 속도로 실리콘 잉곳 표면에 주입되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 마이크로 버블의 평균 입경은 5~80㎛인 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 전원공급부는 직류 펄스 형태의 전압을 인가하되 25V 이상의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 절단방법.

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