WO2019156323A1 - 실리콘 공급부, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법 - Google Patents

실리콘 공급부, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 실리콘 공급 챔버; 상기 실리콘 공급 챔버의 하부 영역의 내측 벽에 구비된 홀더; 상기 실리콘 공급 챔버의 내부에서 제1 케이블에 의하여 수직 방향으로 승강하는 튜브; 상기 튜브의 외부에 구비되고, 상기 홀더와 수직 방향으로 중첩되는 가이드; 및 제2 케이블에 의하여 수직 방향으로 승강하고, 상기 튜브의 하부에 삽입되어 상기 튜브 하부를 개폐하는 마개를 포함하는 실리콘 공급부를 제공한다.

Description

실리콘 공급부, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법
실시예는 실리콘 공급부, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에서 도가니에 실리콘 다결정을 충진할 때 실리콘 멜트의 튐에 의한 도가니 등의 손상을 방지하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
반도체 등의 전자 부품이나 태양 전지를 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는 단결정 실리콘 잉곳(ingot)을 웨이퍼 형태로 얇게 절단하는 슬라이싱 공정, 원하는 웨이퍼의 두께로 연마하면서 평탄도를 개선하는 래핑 공정(lapping), 웨이퍼 내부의 손상(damage)층 제거를 위한 식각 공정(etching), 표면 경면화 및 평탄도를 향상시키기 위한 폴리싱 공정(polishing), 웨이퍼 표면의 오염물질을 제거하기 위한 세정 공정(cleaning) 등의 단계를 거쳐 생산된다.
실리콘 단결정 잉곳의 성장은 플로우팅존(floating zone : FZ) 방법 또는 초크랄스키(Czochralski) 방법을 많이 사용하여 왔다. 이들 방법 중에서 가장 일반화되어 있는 방법이 쵸크랄스키 방법이다.
쵸크랄스키 방법에서는 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고, 이를 흑연 발열체에 의해 가열하여 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 종자결정을 담그고 계면에서 결정화가 일어날 때 종자결정을 회전하면서 인상시킴으로써 단결정의 실리콘 잉곳을 성장시킨다.
상세하게는 도가니를 지지하는 축을 회전시키면서 도가니를 상승시켜 고-액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 하고, 실리콘 단결정 잉곳은 도가니의 회전축과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어올린다.
도 1은 잉곳 성장 장치에서 실리콘의 공급시의 문제점을 나타낸 도면이다.
다결정의 폴리 실리콘(Si)을 도가니(120)로 장입하는 단계에서, 튜브(230) 아래의 개구면은 제2 케이블(220)에 고정된 마개(210)에 의하여 닫혀진다. 그리고, 폴리 실리콘(Si)이 채워진 튜브(230)가 도가니(120)의 상부에 위치한 후, 마개(210)가 아래로 이동하며 튜브(230) 내의 폴리 실리콘(Si)이 도가니(120) 내의 실리콘 용융액(Si melt)으로 공급될 수 있다.
이때, 튜브(230)와 실리콘 용융액(Si melt) 사이의 높이 차이에 의하여, 폴리 실리콘(Si)이 실리콘 용융액(Si melt)에 부딪힐 때 실리콘 용융액(Si melt)의 튐 현상이 발생할 수 있다.
이러한 튐 현상은 도가니(120) 또는 기타 다른 장치의 손상을 가져올 수 있다.
실시예는 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 중에 실리콘 용융액으로 폴리 실리콘이 주입될 때 실리콘 용융액의 표면에서 폴리 실리콘의 튐 현상이 발생하여 도가니나 기타 장비가 손상되는 것을 방지하고자 한다.
실시예는 실리콘 공급 챔버; 상기 실리콘 공급 챔버의 하부 영역의 내측 벽에 구비된 홀더; 상기 실리콘 공급 챔버의 내부에서 제1 케이블에 의하여 수직 방향으로 승강하는 튜브; 상기 튜브의 외부에 구비되고, 상기 홀더와 수직 방향으로 중첩되는 가이드; 및 제2 케이블에 의하여 수직 방향으로 승강하고, 상기 튜브의 하부에 삽입되어 상기 튜브 하부를 개폐하는 마개를 포함하는 실리콘 공급부를 제공한다.
실리콘 공급부는 제1 케이블의 하단부에 구비된 고리를 더 포함할 수 있다.
실리콘 공급부는 제2 케이블의 상단부에 구비되고 상기 고리와 체결되는 걸림부를 더 포함할 수 있다.
실리콘 공급부는 튜브의 가장자리에 구비된 돌출부를 더 포함하고, 상기 돌출부의 폭은 상기 가이드의 폭보다 작을 수 있다.
실리콘 공급부는 튜브의 상부에 구비되고 상기 제1 케이블이 관통하는 플레이트을 더 포함할 수 있다.
실리콘 공급부는 플레이트의 가장자리의 하면과 상기 돌출부의 상면을 연결하는 연결부를 더 포함할 수 있다.
실리콘 공급부는 튜브의 상부에 구비되는 가이드 몸체를 더 포함하고, 상기 가이드는 상기 가이드 몸체의 가장 자리에서 하부로 연장되어 배치될 수 있다.
제2 케이블은 상기 가이드 몸체를 관통할 수 있다.
다른 실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고 실리콘 단결정 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니의 상부에 구비되는 실리콘 공급부; 상기 도가니를 가열하는 가열부; 상기 도가니의 상부에 구비되는 단열 부재; 및 상기 도가니를 회전시켜 상승시키는 회전축을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.
또 다른 실시예는 튜브와 상기 튜브의 하면의 개구부에 삽입된 마개로 이루어진 영역에 폴리 실리콘을 충진하는 단계; 상기 튜브를 도가니의 상부에 위치시키고, 상기 튜브를 상기 도가니 방향으로 하강시키는 단계; 및 상기 튜브의 하면의 개구부가 상기 도가니에 인접하게 근접하였을 때, 상기 마개를 고정하고 상기 튜브를 인상하는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공한다.
마개는 상기 튜브를 수직 방향으로 관통하는 제2 케이블에 연결되고, 상기 제2 케이블은 상부의 제1 케이블과 연결되고, 상기 제1,2 케이블의 분리에 의하여 상기 마개는 고정되고 상기 튜브만을 인상할 수 있다.
제1 케이블의 하단부에 구비된 고리와 상기 제2 케이블의 상단부에 구비되는 걸림부에 의하여 상기 제1,2 케이블의 결합과 분리가 이루어질 수 있다.
실시예에 따른 실리콘 공급부, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법은, 실리콘 공급부 내의 콘 형상의 마개가 도가니 및 실리콘 용융액과 근접한 상태에서 폴리 실리콘이 낙하하므로, 폴리 실리콘이 실리콘 용융액으로 진입할 때 튐 현상이 크게 감소하여, 도가니와 튜브 등의 손상을 방지할 수 있다.
도 1은 잉곳 성장 장치에서 실리콘의 공급시의 문제점을 나타낸 도면이고,
도 2는 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이고,
도 3은 도 2의 잉곳 성장 장치에서 실리콘 공급부를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3의 실리콘 공급부 내의 실리콘 공급 유닛을 나타낸 도면이고,
도 5a 내지 도 5e는 도 3의 실리콘 공급부의 작용을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상부" 및 "하부" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 실리콘 단결정의 성장 장치(100)는 고체 실리콘을 녹여서 액체로 만든 후 재결정화하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있다. 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치(100)는, 내부에 실리콘(Si) 용융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳(140)이 성장하기 위한 공간이 형성되는 챔버(100)와, 상기 실리콘 단결정 용융액(Si melt)이 수용되기 위한 제1,2 도가니(120, 122)와, 상기 제1,2 도가니(120, 122)를 가열하기 위한 가열부(140)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳(140)을 향한 상기 가열부(140)의 열을 차단하기 위하여 상기 제1 도가니(120)의 상방에 위치되는 단열 부재(160)와, 상기 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 위한 시드(185)를 고정하기 위한 시드척(180), 및 구동 수단에 의해 회전되어 제2 도가니(122)를 회전시켜 상승시키는 회전축(130)을 포함하여 이루어질 수 있다.
챔버(110)는 내부에 캐비티(cavity)가 형성된 원통 형상일 수 있고, 상기 챔버(110)의 중앙 영역에 상기 제1,2 도가니(120, 122)가 위치된다. 제1,2 도가니(120, 122)는 실리콘 단결정 용융액이 수용될 수 있도록 전체적으로 오목한 그릇의 형상이고, 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo) 등의 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 도가니는, 상기 실리콘 단결정 용융액과 직접 접촉되는 석영으로 이루어진 제1 도가니(120)와, 제1 도가니(120)의 외면을 둘러싸면서 제1 도가니(120)를 지지하는 흑연 등으로 이루어지는 제2 도가니(122)로 이루어질 수 있다.
그리고, 성장되는 실리콘 단결정 잉곳(140)의 상부에 수냉관(190)이 구비되어, 실리콘 단결정 잉곳(140)을 냉각시킬 수 있다.
상술한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치(100)의 제1 도가니(120)에 다결정인 폴리 실리콘(Si)을 공급할 때 아래의 실리콘 공급부를 사용할 수 있다.
도 3은 도 2의 잉곳 성장 장치에서 실리콘 공급부를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 실리콘 공급부 내의 실리콘 공급 유닛을 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 실리콘 공급부는 실리콘 공급 챔버(300)와, 실리콘 공급 챔버(300)의 하부 영역의 내측 벽에 구비된 홀더(310)와, 실리콘 공급 챔버(300)의 내부에서 제1 케이블(280)에 의하여 수직 방향으로 승강하는 튜브(230)와, 튜브(230)의 외부에 구비되고 홀더(310)와 수직 방향으로 중첩되는 가이드(240), 및 제2 케이블(220)에 의하여 수직 방향으로 승강하고 튜브(230)의 하부에 삽입되어 튜브(230) 하부를 개폐하는 마개(210)를 포함할 수 있다.
그리고, 도 3의 실리콘 공급부에서 챔버(300)와 홀더(310)를 제외한 다른 구성들을 실리콘 공급 유닛(200)이라고 할 수 있으며, 후술하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법에서 폴리 실리콘을 주입하기 위하여 이동하는 구성들이 실리콘 공급 유닛(200)이다.
제1 케이블(280)의 하단부에는 고리(265)가 구비되는데, 고리(265)는 하부의 걸림부(260)와 체결될 수 있다. 걸림부(260)은 제2 케이블(220)의 상단부에 구비될 수 있다.
제1 케이블(280)은 플레이트(270)를 관통하여 구비될 수 있고, 플레이트(270)의 하면의 가장자리에는 연결부(275)가 형성될 수 있는데, 연결부(275)는 튜브(230)의 상부 영역에 구비된 돌출부(235)의 상면과 연결되어 플레이트(270)와 튜브(230) 사이의 거리를 유지할 수 있다.
돌출부(235)는 석영으로 이루어질 수 있고, 튜브의 상부 영역의 가장 자리에서 돌출되어 형성될 수 있고, 후술하는 가이드(240)의 폭보다 작게 형성되어, 가이드(240)의 내부에 돌출부(235)가 구비될 수 있다.
튜브(230)의 상부에는 가이드 몸체(250)가 구비될 수 있는데, 가이드 몸체(250)는 튜브(230)와 플레이트(270)의 사이에 구비될 수 있다. 그리고, 제2 케이블(220)는 가이드 몸체(250) 및 튜브(230)를 수직 방향으로 관통하여 하부의 마개(210)와 연결될 수 있다. 마개(210)는 도시된 바와 같이 콘(cone) 형상일 수 있으나 이에 한정하지 않으며, 튜브(230)의 하부의 개구면을 닫거나 열 수 있으면 충분하다.
가이드 몸체(250)의 가장 자리로부터 하부로 연장되어 가이드(240)가 배치될 수 있다. 가이드(240)는 폴리 실리콘(Si)의 공급 공정에서 튜브(230)가 실리콘 용융액(Si melt)에 너무 근접하거나 접촉하는 것을 방지하기 위하여 상술한 홀더(310)가 구비되므로, 가이드(240)는 홀더(310)와 수직 방향으로 중첩되게 구비될 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 도 3의 실리콘 공급부의 작용을 나타낸 도면이다.
먼저, 도 5a에 도시된 바와 같이, 도가니(120) 상부로 실리콘 공급부를 위치시킨다. 이때, 도가니(120)에는 실리콘 용융액(Si melt)이 채워진 상태일 수 있고, 실리콘 공급부는 상술한 실시예에 기재된 것과 동일할 수 있다.
이때, 튜브(230)의 하면의 개구부는 마개(210)로 닫혀지고, 튜브(230)와 마개(210)로 이루어진 영역에 폴리 실리콘(Si)이 충진된 상태일 수 있다.
그리고, 도 5b에 도시된 바와 같이, 실리콘 공급부 내에서 실리콘 공급 유닛(200)을 도가니(120) 방향으로 하강시킨다. 이때, 실리콘 공급 유닛(200)이 하강된 후 가이드(240)가 실리콘 공급 챔버(300) 내의 홀더(310)의 상부에 고정될 때, 실리콘 공급 유닛(200)의 이동은 중지할 수 있다.
그리고, 가이드(240)가 홀더(310)와 접촉하여 고정되면, 고리(265)와 걸림부(260)를 분리할 수 있다. 즉, 고리(265)와 걸림부(260)의 체결 및 분리에 의하여 마개(210)가 튜브(230) 하부의 개구면을 닫거나 또는 오픈(open)할 수 있다.
이때, 튜브(230)의 하면과 마개(220)는 도가니(120) 내의 실리콘 용융액(Si melt)와 근접한 위치까지 접근할 수 있다.
그리고, 도 5c에 도시된 바와 같이 제1 케이블(280)을 서서히 상부로 인상하는데, 제1 케이블(280)과 함께 플레이트(270)와 연결부(275)가 인상되고, 연결부(275)를 통하여 고정된 돌출부(235)와 튜브(230)가 함께 인상될 수 있다.
이때, 걸림부(260)에 고정된 제2 케이블(220)과 마개(210)는 인상되지 않고 고정되어 도가니(120)와 인접한 상부에서 고정될 수 있다.
그리고, 도 5d에 도시된 바와 같이 튜브(230)와 마개(210)와의 거리가 이격됨에 따라, 튜브(230) 내에 구비된 폴리 실리콘(Si)이 도가니(120)로 낙하될 수 있다.
그리고, 마개(210)가 도가니(120) 및 실리콘 용융액(Si melt)과 근접한 상태에서 튜브(230) 내의 폴리 실리콘(Si)이 낙하하므로, 폴리 실리콘(Si)이 실리콘 용융액(Si melt)로 진입할 때 튐 현상이 크게 감소할 수 있다.
그리고, 도 5e에 도시된 바와 같이 폴리 실리콘(Si)의 실리콘 용융액(Si melt)에의 주입이 완료되면, 걸림부(260)에 연결된 제2 케이블(220)를 통하여 마개(210)도 상부로 인상될 수 있다.
이어서, 시드가 실리콘 용융액(Si melt) 내에 공급되고, 실리콘 단결정 잉곳이 넥(neck), 숄더(shoulder) 및 바디(body) 및 테일(tail)의 순서로 성장될 수 있다.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
실시예에 따른 실리콘 공급부, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법는 초크랄스키 방법으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는데 사용될 수 있다.

Claims (12)

  1. 실리콘 공급 챔버;
    상기 실리콘 공급 챔버의 하부 영역의 내측 벽에 구비된 홀더;
    상기 실리콘 공급 챔버의 내부에서 제1 케이블에 의하여 수직 방향으로 승강하는 튜브;
    상기 튜브의 외부에 구비되고, 상기 홀더와 수직 방향으로 중첩되는 가이드;
    제2 케이블에 의하여 수직 방향으로 승강하고, 상기 튜브의 하부에 삽입되어 상기 튜브 하부를 개폐하는 마개를 포함하는 실리콘 공급부.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 케이블의 하단부에 구비된 고리를 더 포함하는 실리콘 공급부.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 케이블의 상단부에 구비되고 상기 고리와 체결되는 걸림부를 더 포함하는 실리콘 공급부.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 튜브의 가장자리에 구비된 돌출부를 더 포함하고, 상기 돌출부의 폭은 상기 가이드의 폭보다 작은 실리콘 공급부.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 튜브의 상부에 구비되고 상기 제1 케이블이 관통하는 플레이트을 더 포함하는 실리콘 공급부.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 플레이트의 가장자리의 하면과 상기 돌출부의 상면을 연결하는 연결부를 더 포함하는 실리콘 공급부.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 튜브의 상부에 구비되는 가이드 몸체를 더 포함하고, 상기 가이드는 상기 가이드 몸체의 가장 자리에서 하부로 연장되어 배치되는 실리콘 공급부.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제2 케이블은 상기 가이드 몸체를 관통하는 실리콘 공급부.
  9. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되고 실리콘 단결정 용융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니의 상부에 구비되는 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항의 실리콘 공급부;
    상기 도가니를 가열하는 가열부;
    상기 도가니의 상부에 구비되는 단열 부재; 및
    상기 도가니를 회전시켜 상승시키는 회전축을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  10. 튜브와 상기 튜브의 하면의 개구부에 삽입된 마개로 이루어진 영역에 폴리 실리콘을 충진하는 단계;
    상기 튜브를 도가니의 상부에 위치시키고, 상기 튜브를 상기 도가니 방향으로 하강시키는 단계; 및
    상기 튜브의 하면의 개구부가 상기 도가니에 인접하게 근접하였을 때, 상기 마개를 고정하고 상기 튜브를 인상하는 단계를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 마개는 상기 튜브를 수직 방향으로 관통하는 제2 케이블에 연결되고, 상기 제2 케이블은 상부의 제1 케이블과 연결되고, 상기 제1,2 케이블의 분리에 의하여 상기 마개는 고정되고 상기 튜브만을 인상하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 케이블의 하단부에 구비된 고리와 상기 제2 케이블의 상단부에 구비되는 걸림부에 의하여 상기 제1,2 케이블의 결합과 분리가 이루어지는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 방법.
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