WO2021080094A1 - 원료 공급 유닛, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 원료 공급 방법 - Google Patents

원료 공급 유닛, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 원료 공급 방법 Download PDF

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WO2021080094A1
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raw material
material supply
crucible
supply unit
region
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신윤광
이영중
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에스케이실트론 주식회사
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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    • C30B15/02—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method adding crystallising materials or reactants forming it in situ to the melt
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    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state
    • Y10T117/1032—Seed pulling
    • Y10T117/1056—Seed pulling including details of precursor replenishment

Definitions

  • the embodiment relates to a raw material supply unit, a device for growing a silicon single crystal ingot including the same, and a raw material supply method, and more particularly, to shorten a process time and improve process stability by evenly supplying raw materials to a crucible in a silicon single crystal ingot growth device. It relates to a raw material supply unit to be secured and an apparatus for growing a silicon single crystal ingot including the same.
  • Substrates used for manufacturing semiconductor devices and solar cells are mainly single crystal wafers, and silicon single crystal wafers are particularly widely used.
  • Such a single crystal wafer is generally made by growing a single crystal ingot from a seed crystal (seed) and cutting it into a thin thickness.
  • a single crystal growing apparatus for manufacturing a single crystal ingot is a crucible 20 in which a polycrystalline raw material (S) is injected and melted, and a raw material (S) is melted to generate a silicon melt (L). It includes a heating unit 30 for heating the crucible 20, and a raw material supply unit is provided on the top of the crucible 20.
  • the raw material supply unit is filled with a raw material (S) such as polysilicon inside the body 10 where a space is formed therein, and a valve 40 is provided at the lower portion of the rod 50 to cover the lower portion of the body 10. Can be opened and closed.
  • the chamber 10 may also be used when the raw material S is first put into the crucible 20 or when the raw material S is refilled into the crucible 20 containing the silicon melt L.
  • the raw material supply unit may be referred to as a filling device.
  • the body 10 may be lowered to be adjacent to the crucible 20 by a pulling means (not shown).
  • the conventional raw material supply unit has the following problems.
  • the valve 40 is provided in the lower portion of the body 10, and when the valve 40 is lowered, the raw material (S) through the space between the valve 40 and the body 10 May be injected in the direction of the silicon melt L provided in the crucible 20.
  • a method of closing the valve 40 at the lower portion of the body 10 during the supply of the raw material S may be considered, but the raw material S between the lower surface of the body 10 and the valve 40 ) Collide, and the body 10 and the valve 40 may be broken.
  • the raw materials (S) are filled in the body 10 again, and the above raw materials are added to the crucible (20).
  • the process of refilling (S) can be repeated several times.
  • the polysilicon injected into the crucible is melted as a raw material (S) in the growth process of the silicon polycrystalline ingot, and then the polysilicon is refilled in the raw material supply unit and then supplied to the crucible, so that the process becomes complicated and the process time may increase. .
  • the embodiment is intended to simplify a process of supplying a raw material to a crucible in an apparatus for growing a polycrystalline silicon ingot and to reduce a process time.
  • An embodiment is a body having a space filled with raw materials; A partition wall dividing the body into at least two regions in a longitudinal direction; At least two valves each provided in an area within the body separated by the partition wall to open and close a lower portion of the body; And it provides a raw material supply unit including a drive unit for lifting each of the valves in the vertical direction independently from each other.
  • the driving unit may include rods connected to each of the valves and rotating drums provided above the rods.
  • Each valve forms a part of a conical shape, and each of the rods may be connected to an upper portion of each of the valves.
  • a region in which each rod and each valve are connected may be adjacent to the center of the body in the transverse direction.
  • Each valve includes a bottom surface and an inclined surface, and the inclined surface has an inclination in the direction of the bottom surface of the valve from an area adjacent to the center in the transverse direction of the body, and an area in which the respective rod and the respective valve are connected May be an upper area of the inclined surface.
  • the valve includes a bottom surface, an upper surface, an inclined surface connecting the outer side of the bottom surface and the upper surface, and an inner surface connecting the inner side, and the area of the upper surface of the valve is smaller than the width of the bottom surface, and each of the rods May be connected to the upper surface of the valve.
  • each valve may have a fan shape, and a vertex of the fan shape may be adjacent to the center of the body in the transverse direction.
  • At least two valves may be arranged symmetrically with respect to the center of the body in the transverse direction.
  • the partition wall divides the body into four regions, each having a first valve and a third valve in a first region and a third region facing each other, and facing each other between the first region and the third region, respectively.
  • the second and fourth valves may be provided in the disposed second and fourth regions.
  • the first rotary drum on which the first connection end connected to the first rod connected to the first valve is wound and the third rotary drum on which the third connection end connected to the third valve is wound include the first rod and the third rod. It can be raised and lowered in the same way.
  • the second rotary drum on which the second connection end connected to the second valve is wound and the fourth rotary drum on which the fourth connection end connected to the fourth valve is wound can raise and lower the second rod and the fourth rod in the same manner. have.
  • Another embodiment is a chamber; A crucible provided inside the chamber and accommodating a silicon melt; A heating unit for heating the crucible; A heat shielding material provided on the upper part of the crucible; A magnetic field generator for applying a magnetic field to the crucible; A rotating shaft that rotates the crucible to raise it; And it provides a silicon single crystal ingot growing apparatus including the above-described raw material supply unit provided on the upper part of the crucible.
  • Another embodiment is a step of filling and melting polysilicon in a crucible; Arranging a raw material supply unit into which polysilicon is injected on an upper portion of the crucible filled with a silicon melt; Supplying polysilicon to the crucible in a first region of a lower surface of the raw material supply unit; Melting the polysilicon supplied to the crucible while rotating the crucible; And supplying polysilicon to the crucible in a second region of a lower surface of the raw material supply unit.
  • the first region and the second region may be provided symmetrically with respect to the center of the lower surface of the raw material supply unit.
  • the crucible In the step of supplying the polysilicon to the crucible in the second region of the lower surface of the raw material supply unit, the crucible may be lowered.
  • the lower surface of the raw material supply unit further includes a third region facing the first region with respect to the center, and in the step of supplying polysilicon to the crucible from the first region of the lower surface of the raw material supply unit, the raw material supply Polysilicon may also be supplied to the crucible in the third region of the lower surface of the unit.
  • the lower surface of the raw material supply unit further includes a fourth region facing the second region with respect to the center, and in the step of supplying polysilicon to the crucible from a second region of the lower surface of the raw material supply unit, the raw material supply Polysilicon may also be supplied to the crucible in the fourth region of the lower surface of the unit.
  • the inside of the body is separated in a longitudinal direction, and polysilicon may be supplied to each of the separated regions in a crucible direction.
  • the raw material supply unit may not be replaced or the raw material may not be refilled into the raw material supply unit during the supply of raw materials
  • the supply process can be simplified and the process time can be shortened.
  • FIG. 1 is a view showing a conventional raw material supply unit and a growth apparatus of a silicon single crystal ingot
  • FIG. 2 is a view showing an embodiment of a silicon single crystal ingot growth apparatus according to the present invention
  • FIG. 3 is a diagram showing a first embodiment of a raw material supply unit
  • Figure 4a is a perspective view of the first and second valves of the embodiment of Figure 3,
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of the body of the raw material supply unit in which the first and second valves of FIG. 4A are disposed,
  • FIG. 5A is a perspective view of first, second, and third valves according to another embodiment
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of a body of a raw material supply unit in which the first to third valves of FIG. 5A are disposed,
  • FIG. 6A is a perspective view of first, second, third, and fourth valves according to another embodiment
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of a body of the raw material supply unit in which the first to fourth valves of FIG. 6A are disposed,
  • FIG. 7 is a perspective view of first and second valves according to another embodiment
  • 8A to 8E are views showing an embodiment of a raw material supply method according to the present invention.
  • relational terms such as “first” and “second,” “upper” and “lower” used below do not necessarily require or imply any physical or logical relationship or order between such entities or elements. Thus, it may be used only to distinguish one entity or element from another entity or element.
  • FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of an apparatus for growing a silicon single crystal ingot according to the present invention.
  • an embodiment of an apparatus for growing a silicon single crystal ingot according to the present invention will be described with reference to FIG. 2.
  • the apparatus 1000 for growing a silicon single crystal ingot includes a chamber 600, a crucible 200 provided in the chamber 600 and accommodating a silicon melt, and heating the crucible 200
  • the part 300, the heat shielding material 650 provided on the upper part of the crucible 200, a magnetic field generating device (not shown) that applies a magnetic field to the crucible 200, and the crucible 200 ascend or descend by rotating it. It may include a rotating shaft 400 to be used, and a raw material supply unit 100 provided on the upper portion of the crucible 200.
  • the chamber 600 may include a body chamber 610, a dome chamber 620, and a pull chamber 630 according to a position to be coupled.
  • the crucible 200 may be installed in the body chamber 610, and the dome chamber 620 may form a cover part at the top of the body chamber 610.
  • the body chamber 610 and the dome chamber 620 provide an environment for growing a polycrystalline silicon raw material into a silicon single crystal ingot, and may be a cylinder having an accommodation space therein.
  • the full chamber 630 is located on the top of the dome chamber 620 and may be a space for pulling the grown silicon single crystal ingot.
  • the chamber 600 may have a support jaw 640 protruding from the inner wall in a horizontal direction and a heat shielding material 650 located above the crucible 200.
  • the support jaw 640 may protrude from the inner wall of the full chamber 630 in a horizontal direction.
  • the supporting jaws 640 may support the locking jaws 190 of the raw material supply unit 100.
  • the valve is lowered by the pulling means 500 and the body of the raw material supply unit 100 is The lower part can be gradually opened.
  • the crucible 200 may be disposed inside the body chamber 610 and may be supported by the crucible support 210 located under the crucible 200.
  • the crucible 200 may have a structure capable of rotating while the raw material is being filled.
  • the heating unit 300 may be disposed in the body chamber 610 to be spaced apart from the outer circumferential surface of the crucible 200. As the crucible 200 is heated by the heating unit 300, the raw material inside the crucible 200 may be changed into a silicon melt.
  • the heat insulating material 310 may be installed between the heating unit 300 and the inner wall of the body chamber 610, and may prevent heat from the heating unit 300 from leaking to the outside of the body chamber 610.
  • First and second rotating drums 170a and 170b constituting the driving part of the raw material supply unit 100 are provided on the upper part of the full chamber 630, and the first and second rotating drums 170a and 170b, respectively, are provided with first and second rotating drums 170a and 170b, respectively.
  • the connection ends 175a and 175b may be connected to the first and second rods of the raw material supply unit 100.
  • the first and second connection ends 175a and 175b may be a cable type or a shaft type.
  • the first and second rotating drums 170a and 170b may raise or lower the first and second valves connected to the first and second connection ends 175a and 175b using a motor (not shown) or the like.
  • the driving unit may separately drive the first and second rotary drums 170a and 170b so that the first and second valves can be lifted up and down independently of each other.
  • a seed may be connected to the seed chuck for single crystal growth.
  • FIG. 3 is a diagram showing a first embodiment of a raw material supply unit. In the following, a first embodiment of a raw material supply unit will be described with reference to FIG. 3.
  • the raw material supply unit 100 includes a body 110 having a space filled with raw materials, and first and second rods 140a extending from the upper portion of the body 110 to the inner region of the body 110. , 140b) and the first and second valves 180a connected to the first and second rods 140a and 140b, respectively, and disposed under the first and second rods 140a and 140b to open and close the lower portion of the body 110 , 180b).
  • a partition wall 160 may be provided inside the body 110 to divide the body 110 into at least two regions in the longitudinal direction.
  • the body 110 and the first and second valves 180a and 180b may include a quartz glass material having high corrosion resistance, durability, and purity.
  • the body 110 has an upper surface and a lower surface open and a space filled with a raw material (not shown) is formed therein, and may be provided in a cylindrical shape, for example.
  • the open upper surface of the body 110 may be closed with the cover 150, and the open lower surface may be closed with the first and second valves 180a and 180b.
  • the cover 150 may be formed of one or a plurality of pieces, or may be implemented in various shapes such as a cross (+) rather than a bar shape.
  • the first and second rods 140a and 140b may be connected to the seed chuck 120 on the upper portion of the body 110, and the first and second rods 140a and 140b are provided with a stopper 130 in the upper region.
  • the stopper 130 may protrude in the lateral direction with respect to the first and second rods 140a and 140b to stop the operation of the driving unit when it comes into contact with the cover 150 provided on the upper portion of the body 110. have.
  • the first and second rods 140a and 140b are the first and second fixed ends 175a and 175b described in FIG. 2. Each is connected to and may be inserted into the body 110 of the raw material supply unit (100).
  • the first and second rods 140a and 140b may be made of molybdenum having excellent corrosion resistance and heat resistance, or a metal alloy including tungsten having high hardness and high heat and pressure resistance.
  • Each of the first and second valves 180a and 180b may form a part of a conical shape.
  • the cone can mean a cone with a circular bottom surface.
  • the first and second valves 180a and 180b each include first and second bottom surfaces, first and second inclined surfaces, and first and second inner surfaces, and the first and second inclined surfaces are adjacent to the center of the body in the transverse direction.
  • the first and second rods 140a and 140b and the first and second valves 180a and 180b are connected to each other with an inclination in the direction of the first and second floors from the area (the area indicated by the partition wall in FIG. 3). 1,2 It may be an upper area of an inclined surface.
  • the first and second rods 140a and 140b may be disposed on the same line as the first and second inner surfaces in the longitudinal direction.
  • FIG 4A is a perspective view of the first and second valves of this embodiment.
  • a conical shape may be formed.
  • polysilicon may be evenly injected into the crucible in a polysilicon injection process to be described later.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view of a body of a raw material supply unit in which the first and second valves of FIG. 4A are disposed.
  • first and second regions When the partition wall 160 that divides the body 110 of the raw material supply unit 100 into two is disposed, and the regions divided by the partition wall 160 are referred to as first and second regions, the first region and the second region are respectively.
  • the first and second valves 180a and 180b are disposed, and the first and second valves 180a and 180b may be connected to the first and second rods 140a and 140b, respectively.
  • FIG. 5A is a perspective view of the first, second, and third valves according to another embodiment
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of a body of a raw material supply unit in which the first to third valves of FIG. 5A are disposed.
  • the first to third valves 181a to 181c may form part of a conical shape, and when the first to third valves 181a to 181c are combined, they may form a conical shape. In this case, when the first to third valves 181a to 181c have the same shape, polysilicon may be evenly injected into the crucible in a polysilicon injection process described later.
  • first to third regions a first region, a second region
  • the first, second, and third valves 181a, 181b, and 181c are disposed in the third area, respectively, and the first, second, and third valves 181a, 181b, and 181c are respectively the first, second, and third rods 140a and 140b. , 140c).
  • first, second, and third rods 140a, 140b, and 140c are connected to the first, second, and third fixed ends, respectively, and the first, second, and third, fixed ends are respectively first, 2, and 3 It can be connected to the rotating drum.
  • FIG. 6A is a perspective view of the first, second, third, and fourth valves according to another embodiment
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of a body of a raw material supply unit in which the first to fourth valves of FIG. 6A are disposed.
  • the first to fourth valves 182a to 182d may form a part of a conical shape, and when the first to fourth valves 182a to 182d are combined, they may form a conical shape. In this case, when the first to fourth valves 182a to 182d have the same shape, polysilicon may be evenly injected into the crucible in a polysilicon injection process described later.
  • the partition wall 160 When the partition wall 160 is disposed to divide the body 110 of the raw material supply unit 100 into quarters, and the regions divided by the partition wall 160 are referred to as first to fourth regions, the first to fourth regions are Each of the first to fourth valves 182a to 182d is disposed, and the first to fourth valves 182a to 182d may be connected to the first to fourth rods 140a to 140d, respectively.
  • the body 110 is divided into first to fourth regions in the transverse direction by the partition wall 160, and a first valve 182a and a third valve ( 182c) may be provided, and a second valve 182b and a fourth valve 182d may be provided in the second region and the fourth region respectively disposed to face each other between the first region and the third region.
  • a first valve 182a and a third valve 182c
  • a second valve 182b and a fourth valve 182d may be provided in the second region and the fourth region respectively disposed to face each other between the first region and the third region.
  • a first rod is connected to the first valve 182a, a first fixed end connected to the first rod is wound around a first rotating drum, and a third rod is connected to the third valve 182c, and a third rod
  • the third fixed end connected to may be wound around the third rotating drum.
  • a second rod is connected to the second valve 182b, a second fixed end connected to the second rod is wound on a second rotary drum, and a fourth rod is connected to the fourth valve 182d, and a fourth rod
  • the fourth fixed end connected to may be wound around the fourth rotating drum.
  • the second rotating drum and the fourth rotating drum may raise and lower the second fixed end and the fourth fixed end in the same manner.
  • FIG. 7 is a perspective view of first and second valves according to still another embodiment.
  • the first and second valves 183a and 183b according to the present embodiment are similar to the first and second valves 180a and 180b of FIGS. 4A and 4B, but have an upper surface.
  • the first and second valves 183a and 183b each include a bottom surface, an upper surface, an inclined surface connecting the outer side of the bottom surface and the upper surface, and an inner side connecting the inner side.
  • the area of the upper surface may be smaller than the width of the bottom surface, and the first and second rods may be connected to the upper surfaces of the first and second valves 183a and 183b, respectively.
  • the bottom and top surfaces of the first and second valves 183a and 183b have a semicircular shape, respectively, and the centers of the semicircular sides may be disposed adjacent to the center in the transverse direction of the body of the raw material supply unit. If three or more valves are provided, the bottom and top surfaces of each of the valves have a fan shape, and the apex of the fan shape may be disposed adjacent to the center in the transverse direction of the body of the raw material supply unit. .
  • the partition wall divides the body into two to four regions in the transverse direction, and one valve may be disposed in one region. And, in each of the embodiments, at least two valves may be disposed symmetrically with respect to the center of the body in the transverse direction. In particular, when the areas of the bottom surfaces of the respective valves are the same, polysilicon can be evenly supplied to the entire area of the crucible.
  • the partition wall 160 may divide the cross-section of the body 110 into a semi-circular shape.
  • the partition wall can divide the cross section of the body 110 into three, and in the embodiment shown in Figs. 6a and 6b, the partition wall can divide the cross section of the body 110 into four. have.
  • 8A to 8E are views showing an embodiment of a raw material supply method according to the present invention.
  • the crucible 200 is filled with polysilicon as a raw material and melted.
  • the polysilicon is melted, the voids between the solid polysilicons disappear, and thus the height of the silicon melt in FIG. 8B may be lower than the height of the polysilicon in FIG.
  • the raw material supply device 100 into which the polysilicon is injected is disposed above the crucible 200 containing the silicon melt.
  • the raw material supply unit 100 may follow the embodiment shown in FIG. 3.
  • the first valve 180a of the raw material supply unit 100 moves downward, polysilicon (poly Si) is transferred to the crucible in the first region of the lower surface of the raw material supply unit 100. It can be supplied in the 200 direction.
  • the lower surface of the first valve 180a from the lower surface of the body 110 of the raw material supply unit 100 may be spaced apart by a first distance d1, and the height of the first valve 180a is a second distance d2 ) Can be.
  • the first distance d1 may be 30 to 70 millimeters
  • the second distance d2 may be 100 to 200 millimeters.
  • first distance (d1) is greater than 70 mm, polysilicon may fall too quickly into the crucible 200 and splash may occur on the surface of the silicon melt, and the first distance (d1) is less than 30 mm. If so, the space between the first valve 180a and the body 110 is too narrow, so that the supply of polysilicon may not be smooth.
  • the second valve 180b of the raw material supply unit 100 moves downward, the polysilicon is moved toward the crucible 200 in the second region of the lower surface of the raw material supply unit 100.
  • the first valve 180a is illustrated to be elevated compared to FIG. 8D, but the first valve 180a may be positioned at the same position as in FIG. 8D.
  • the crucible 200 continuously rotates, and the polysilicon additionally supplied to the crucible 200 may be melted.
  • the first region and the second region on the lower surface of the illustrated raw material supply unit 200 may be provided symmetrically with respect to the center of the lower surface of the raw material supply unit 100 to have the same area.
  • the same amount of polysilicon may be supplied to the crucible 200 at the same rate.
  • polysilicon having the same weight or volume may be filled in the upper portions of the first valve 180a and the second valve 180b of the raw material supply device 100.
  • the same area, the same speed, the same weight and the same volume above do not mean that they are mathematically completely identical.
  • a raw material supply device in which the inner area of the body is divided into three in the transverse direction is used, or the body as shown in Figs. 6A and 6B. It is possible to use a raw material supply device in which the inner area of the unit is divided into quarters in the transverse direction.
  • the first to third valves are sequentially lowered so that the polysilicon may be supplied to the crucible through the corresponding region.
  • the lower surfaces of the raw material supply units face each other with respect to the center in the transverse direction and are symmetric It may be divided into a first region and a third region, and a second region and a fourth region that are symmetrical while facing each other with respect to the center.
  • the second region and the fourth region may be disposed between the first region and the third region, respectively.
  • the first valve and the third valve are lowered together and polysilicon may be supplied to the crucible in the first region and the third region, and then the first valve and the fourth valve together It descends to and polysilicon may be supplied to the crucible in the second region and the fourth region.
  • the above-described raw material supply unit, the apparatus for growing a silicon single crystal ingot including the same, and the raw material supply method use a body having a larger volume than the conventional one, and supply the raw material in another region after supplying the raw material in some regions, so that the raw material is supplied Since the raw material supply unit may not be replaced or the raw material may not be recharged with the raw material supply unit, the raw material supply process can be simplified and the process time can be shortened.
  • the silicon single crystal ingot is grown by a Czochralski (CZ) method or the like, and then a grinding process of processing the outer circumferential surface of the grown silicon single crystal ingot, a single crystal silicon ingot ( A slicing process that cuts the ingot thinly into a wafer shape, a lapping process that improves flatness while polishing to the desired thickness of the wafer, an etching process to remove the damage layer inside the wafer, and surface mirroring And a polishing process to improve flatness, and then silicon through a cleaning process, oxide film formation process, and rapid thermal process described later to remove contaminants from the wafer surface. Wafers can be manufactured.
  • CZ Czochralski
  • the raw material supply unit according to the embodiment, and an apparatus and method for growing a silicon single crystal ingot including the same may be used for manufacturing a silicon substrate used for manufacturing a semiconductor device or a solar cell.

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Abstract

원료가 채워지는 공간을 가지는 몸체; 상기 몸체를 종방향으로 적어도 2개의 영역으로 구분하는 격벽; 상기 격벽에 의하여 구분되는 몸체 내의 영역에 각각 구비되어, 상기 몸체의 하부를 개폐하는 적어도 2개의 밸브; 및 상기 각각의 밸브를 서로 독립하여 상하 방향으로 승강시키는 구동부를 포함하는 원료 공급 유닛을 제공한다.

Description

원료 공급 유닛, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 원료 공급 방법
실시예는 원료 공급 유닛, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 원료 공급 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에서 도가니에 고르게 원료를 공급하여 공정 시간을 단축하고 공정 안정성을 확보하는 원료 공급 유닛 및 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것이다.
반도체 소자나 태양전지 등의 제조에 사용되는 기판은 주로 단결정 웨이퍼이며, 특히 실리콘 단결정 웨이퍼가 많이 사용된다. 이러한 단결정 웨이퍼는 일반적으로 종자결정(시드, seed)으로부터 단결정 잉곳을 성장시키고 이를 얇은 두께로 절단하여 만든다.
단결정 잉곳을 제조하기 위한 단결정 성장장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 다결정의 원료(S)가 투입되어 용융되는 도가니(20)와, 원료(S)를 용융시켜 실리콘 용융액(L)을 생성하도록 도가니(20)를 가열하는 가열부(30)를 포함하고, 도가니(20)의 상부에 원료 공급 유닛이 구비된다.
원료 공급 유닛은 내부에 공간이 형성되는 몸체(10)의 내부에 폴리 실리콘 등의 원료(S)가 채워지고, 로드(50)의 하부에 밸브(40)가 구비되어 몸체(10)의 하부를 개폐할 수 있다. 챔버(10)는 원료(S)을 도가니(20)에 최초로 투입하거나 실리콘 용융액(L)이 담긴 도가니(20)에 원료(S)를 재충전할 경우에도 사용될 수 있다. 따라서, 원료 공급 유닛은 충전장치로 불리울 수 있다.
원료(S)를 도가니(20)에 공급하기 위하여 몸체(10)는 인상수단(미도시)에 의하여 도가니(20)에 인접하도록 하강할 수 있다.
그러나, 종래의 원료 공급 유닛은 다음과 같은 문제점이 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 몸체(10)의 하부에 밸브(40)가 구비되고, 밸브(40)가 하강될 경우 밸브(40)와 몸체(10)의 사이의 공간을 통하여 원료(S)가 도가니(20)에 구비된 실리콘 용융액(L) 방향으로 주입될 수 있다.
이때, 몸체(10)의 크기를 크게 하면 내부에 채워지는 원료(S)의 양이 증가하여, 도가니에 한꺼번에 많은 양의 원료(S)를 공급할 수 있다. 그러나, 몸체(10)의 하부의 밸브(40)가 열리고 많은 양의 원료(S)가 한꺼번에 도가니(20)의 실리콘 용융액(L)에 공급되면, 실리콘 용융액(L)의 표면에서 튐 현상이 발생할 수 있다.
이러한 튐 현상을 방지하기 위하여 원료(S)의 공급 중에 몸체(10)의 하부의 밸브(40)를 닫는 방법을 고려할 수 있으나, 몸체(10)의 하면과 밸브(40)의 사이에서 원료(S)가 충돌하여, 몸체(10)와 밸브(40)의 깨짐이 발생할 수 있다.
따라서, 비교적 내부의 부피가 작은 몸체(10)를 사용하여, 도가니(20)에 원료(S)를 모두 공급한 후 다시 몸체(10)에 원료(S)를 채우고 도가니(20)에 상기의 원료(S)를 다시 채우는 공정을 여러 번 반복할 수 있다.
따라서, 실리콘 다결정 잉곳의 성장 공정에서 원료(S)로서 도가니에 주입된 폴리 실리콘의 용융 후 원료 공급 유닛에 폴리 실리콘을 다시 채운 후 도가니에 다시 공급하므로, 공정이 복잡해지고 공정 시간도 증가할 수 있다.
실시예는 실리콘 다결정 잉곳의 성장 장치 내의 도가니에 원료를 공급하는 공정을 간단히 하고 공정 시간을 줄이고자 한다.
실시예는 원료가 채워지는 공간을 가지는 몸체; 상기 몸체를 종방향으로 적어도 2개의 영역으로 구분하는 격벽; 상기 격벽에 의하여 구분되는 몸체 내의 영역에 각각 구비되어, 상기 몸체의 하부를 개폐하는 적어도 2개의 밸브; 및 상기 각각의 밸브를 서로 독립하여 상하 방향으로 승강시키는 구동부를 포함하는 원료 공급 유닛을 제공한다.
구동부는, 상기 각각의 밸브에 연결되는 로드들 및 상기 로드들의 상부에 구비되는 회전 드럼들을 포함할 수 있다.
각각의 밸브는 원추 형상의 일부를 이루고, 상기 각각의 로드는 상기 각각의 밸브의 상부에 연결될 수 있다.
각각의 로드와 상기 각각의 밸브가 연결되는 영역은 상기 몸체의 횡방향의 중심에 인접할 수 있다.
각각의 밸브는 바닥면과 경사면을 포함하고, 상기 경사면은 상기 몸체의 횡방향의 중심에 인접한 영역으로부터 상기 밸브의 바닥면 방향으로 경사를 가지고, 상기 각각의 로드와 상기 각각의 밸브가 연결되는 영역은 상기 경사면의 상부 영역일 수 있다.
밸브는 바닥면과, 상면과, 상기 바닥면과 상면의 외측을 연결하는 경사면 및 내측을 연결하는 내측면을 포함하고, 상기 밸브의 상면의 면적은 상기 바닥면의 폭보다 작고, 상기 각각의 로드는 상기 밸브의 상면에 연결될 수 있다.
각각의 밸브의 바닥면과 상면은 각각 부채꼴 형상이고, 상기 부채꼴 형상의 꼭지점은, 상기 몸체의 횡방향의 중심에 인접할 수 있다.
적어도 2개의 밸브들은, 상기 몸체의 횡방향의 중심에 대하여 대칭으로 배치될 수 있다.
격벽은 상기 몸체를 4개의 영역으로 구분하고, 서로 마주보는 제1 영역과 제3 영역에 각각 제1 밸브와 제3 밸브가 구비되고, 상기 제1 영역과 제3 영역의 사이에서 서로 마주보고 각각 배치되는 제2 영역과 제4 영역에 제2 밸브와 제4 밸브가 구비될 수 있다.
제1 밸브에 연결된 제1 로드와 연결된 제1 연결단이 감겨진 제1 회전 드럼 및 상기 제3 밸브에 연결된 제3 연결단이 감겨진 제3 회전 드럼은, 상기 제1 로드와 제3 로드를 동일하게 승강시킬 수 있다.
제2 밸브에 연결된 제2 연결단이 감겨진 제2 회전 드럼 및 상기 제4 밸브에 연결된 제4 연결단이 감겨진 제4 회전 드럼은, 상기 제2 로드와 제4 로드를 동일하게 승강시킬 수 있다.
다른 실시예는 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되고 실리콘 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니를 가열하는 가열부; 상기 도가니의 상부에 구비되는 열차폐재; 상기 도가니에 자기장을 인가하는 자기장 발생 장치; 상기 도가니를 회전시켜 상승시키는 회전축; 및 상기 도가니의 상부에 구비되는 상술한 원료 공급 유닛을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공한다.
또 다른 실시예는 도가니에 폴리 실리콘을 채우고 용융하는 단계; 실리콘 용융액이 채워진 상기 도가니의 상부에, 폴리 실리콘이 주입된 원료 공급 유닛을 배치하는 단계; 상기 원료 공급 유닛의 하면의 제1 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계; 상기 도가니를 회전하며 상기 도가니에 공급된 폴리 실리콘을 용융하는 단계; 및 상기 원료 공급 유닛의 하면의 제2 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계를 포함하는 원료 공급 방법을 제공한다.
제1 영역과 제2 영역은, 상기 원료 공급 유닛의 하면의 중심에 대하여 대칭으로 구비될 수 있다.
원료 공급 유닛의 하면의 제2 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계에서, 상기 도가니를 하강시킬 수 있다.
원료 공급 유닛의 하면은 상기 중심에 대하여 상기 제1 영역과 마주보는 제3 영역을 더 포함하고, 상기 원료 공급 유닛의 하면의 제1 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계에서, 상기 원료 공급 유닛의 하면의 제3 영역에서도 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급할 수 있다.
원료 공급 유닛의 하면은 상기 중심에 대하여 상기 제2 영역과 마주보는 제4 영역을 더 포함하고, 상기 원료 공급 유닛의 하면의 제2 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계에서, 상기 원료 공급 유닛의 하면의 제4 영역에서도 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급할 수 있다.
실시예에 따른 원료 공급 유닛, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법은, 몸체의 내부가 종방향으로 분리되어 있고, 각각의 분리된 영역 별로 폴리 실리콘을 도가니 방향으로 공급할 수 있다.
따라서, 종래보다 큰 부피를 가지는 몸체를 사용하여, 일부 영역의 원료 공급 후 다른 영역의 원료를 공급하므로, 원료의 공급 중 원료 공급 유닛을 교체하거나 원료를 원료 공급 유닛에 재충전하지 않을 수 있으므로, 원료 공급 공정을 간단히 하고 공정 시간을 단축할 수 있다.
도 1은 종래의 원료공급 유닛과 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 원료 공급 유닛의 제1 실시예를 나타낸 도면이고,
도 4a는 도 3의 실시예의 제1,2 밸브의 사시도이고,
도 4b는 도 4a의 제1,2 밸브가 배치된 원료 공급 유닛의 몸체의 횡방향의 단면도이고,
도 5a는 다른 실시예에 따른 제1,2,3 밸브의 사시도이고,
도 5b는 도 5a의 제1 내지 제3 밸브가 배치된 원료 공급 유닛의 몸체의 횡방향의 단면도이고,
도 6a는 또 다른 실시예에 따른 제1,2,3,4 밸브의 사시도이고,
도 6b는 도 6a의 제1 내지 제4 밸브가 배치된 원료 공급 유닛의 몸체의 횡방향의 단면도이고,
도 7는 또 다른 실시예에 따른 제1,2 밸브의 사시도이고,
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 따른 원료 공급 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
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.
도 2는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 일 실시예를 설명한다.
본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치(1000)는, 챔버(600)와, 챔버(600)의 내부에 구비되고 실리콘 용융액을 수용하는 도가니(200)와, 도가니(200)를 가열하는 가열부(300)와, 도가니(200)의 상부에 구비되는 열차폐재(650)와, 도가니(200)에 자기장을 인가하는 자기장 발생 장치(미도시)와, 도가니(200)를 회전시켜 상승 또는 하강시키는 회전축(400), 및 도가니(200)의 상부에 구비되는 원료 공급 유닛(100)을 포함할 수 있다.
챔버(600)는 결합하는 위치에 따라 몸체 챔버(body chamber, 610), 돔 챔버(dome chamber, 620), 및 풀 챔버(pull chamber, 630)를 포함할 수 있다.
몸체 챔버(610) 내에는 도가니(200)가 설치될 수 있고, 돔 챔버(620)는 몸체 챔버(610)의 상단에서 덮개부를 형성할 수 있다. 몸체 챔버(610)와 돔 챔버(620)는 다결정 실리콘 원료를 실리콘 단결정 잉곳으로 성장시키기 위한 환경을 제공하는 곳으로, 내부에 수용 공간을 갖는 원통일 수 있다. 풀 챔버(630)는 돔 챔버(620) 상단에 위치하고, 성장된 실리콘 단결정 잉곳을 인상하기 위한 공간일 수 있다.
챔버(600)는 내벽으로부터 수평 방향으로 돌출되는 지지턱(640)과 도가니(200) 상부에 위치한 열차폐재(650)를 가질 수 있다. 예컨대, 지지턱(640)은 풀 챔버(630)의 내벽으로부터 수평 방향으로 돌출될 수 있다. 지지턱(640)은 원료 공급 유닛(100)의 걸림턱(190)을 지지할 수 있다.
원료 공급 유닛(100)의 걸림턱(190)이 챔버(600)의 지지턱(640)에 의하여 지지된 이후에는, 인상수단(500)에 의하여 밸브가 하강하면서 원료 공급 유닛(100)의 몸체의 하부는 점차 개방될 수 있다.
도가니(200)는 몸체 챔버(610) 내부에 배치될 수 있고, 도가니(200) 하부에 위치한 도가니 지지대(210)에 의해 지지될 수 있다. 도가니(200)는 원료가 충전되는 동안에 회전할 수 있는 구조를 가질 수 있다. 가열부(300)은 도가니(200)의 외주면과 이격되도록 몸체 챔버(610) 내에 배치될 수 있다. 가열부(300)에 의해 도가니(200)가 가열됨으로써 도가니(200) 내부의 원료는 실리콘 용융액으로 변화될 수 있다.
단열재(310)는 가열부(300)과 몸체 챔버(610)의 내벽 사이에 설치될 수 있으며, 가열부(300)의 열이 몸체 챔버(610) 외부로 누출되는 것을 차단할 수 있다.
풀 챔버(630)의 상부에는 원료 공급 유닛(100)의 구동부를 이루는 제1,2 회전 드럼(170a, 170b)이 구비되고, 제1,2 회전 드럼(170a, 170b)에는 각각 제1,2 연결단(175a, 175b)이 원료 공급 유닛(100)의 제1,2 로드들과 연결될 수 있다. 여기서, 제1,2 연결단(175a, 175b)은 케이블 타입(cable type) 또는 샤프트(shaft type)일 수 있다. 제1,2 회전 드럼(170a, 170b)는 모터(미도시) 등을 이용하여 제1,2 연결단(175a, 175b)에 연결된 제1,2 밸브 등을 상승 또는 하강시킬 수 있다. 이때, 구동부는 제1,2 밸브가 서로 독립하여 상하 방향으로 승강될 수 있도록, 모터는 제1,2 회전 드럼(170a, 170b)를 별도로 구동시킬 수 있다.
원료 공급이 끝나고 원료 공급 유닛(100)이 챔버(600) 내에서 분리된 후, 단결정 성장을 위하여 시드 척에는 시드(seed)가 연결될 수 있다.
도 3은 원료 공급 유닛의 제1 실시예를 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 3을 참조하여 원료 공급 유닛의 제1 실시예를 설명한다.
실시예에 따른 원료 공급 유닛(100)는 원료가 채워지는 공간을 가지는 몸체(110)와, 몸체(110)의 상부로부터 몸체(110)의 내부 영역으로 연장되어 배치되는 제1,2 로드(140a, 140b)와, 제1,2 로드(140a, 140b)와 각각 연결되어 제1,2 로드(140a, 140b)의 하부에 배치되어 몸체(110)의 하부를 개폐하는 제1,2 밸브(180a, 180b)를 포함할 수 있다. 그리고, 몸체(110)의 내부에는 몸체(110)를 종방향으로 적어도 2개의 영역으로 구분하는 격벽(160)이 구비될 수 있다.
몸체(110)와 제1,2 밸브(180a, 180b)는 내식성, 내구성 및 순도가 높은 석영유리 재질을 포함하여 구성될 수 있다. 몸체(110)는 상면과 하면이 개방되고 내부에 원료(미도시)가 채워지는 공간이 형성되고, 예를 들면 원기둥 형상으로 구비될 수 있다. 몸체(110)의 개방된 상면은 덮개(150)로 닫힐 수 있고, 개방된 하면은 제1,2 밸브(180a, 180b)로 닫힐 수 있다. 덮개(150)는 1개 또는 다수개로 이루어지거나 바(bar) 형상이 아니고 십자(+) 등 다양한 형상으로 실시될 수도 있다.
몸체(110)의 상부의 시드 척(120) 등에 제1,2 로드(140a, 140b)가 연결될 수 있는데, 이때 제1,2 로드(140a, 140b)는 상부 영역에 스토퍼(130)가 구비될 수 있으며, 스토퍼(130)는 제1,2 로드(140a, 140b)에 대하여 측면 방향으로 돌출되어 몸체(110)의 상부에 구비되는 덮개(150)와 접촉될 때 구동부의 동작을 멈추도록 할 수 있다.
도 3의 원료 공급 장치(100)가 도 2의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 공급될 때, 제1,2 로드(140a, 140b)는 도 2에서 설명한 제1,2 고정단(175a, 175b)에 각각 연결되며 원료 공급 유닛(100)의 몸체(110) 내부에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 제1,2 로드(140a, 140b)는 내식성, 내열성이 뛰어난 몰리브덴이나, 고열과 압력에 강하고 경도가 큰 텅스텐을 포함하는 금속 합금으로 이루어질 수 있다.
제1,2 밸브(180a, 180b)는 각각 원추 형상의 일부를 이룰 수 있다. 여기서 원추는 하면이 원형인 원뿔을 뜻할 수 있다.
제1,2 밸브(180a, 180b)는 각각 제1,2 바닥면과 제1,2 경사면 및 제1,2 내측면을 포함하고, 제1,2 경사면은 상기 몸체의 횡방향의 중심에 인접한 영역(도 3에서는 격벽으로 표시된 영역)으로부터 제1,2 바닥면 방향으로 경사를 가지고, 제1,2 로드(140a, 140b)와 제1,2 밸브(180a, 180b)가 연결되는 영역은 제1,2 경사면의 상부 영역일 수 있다. 또한, 제1,2 로드(140a, 140b)는 종방향으로 제1,2 내측면과 동일 선상에 배치될 수 있다.
도 4a는 본 실시예의 제1,2 밸브의 사시도이다. 제1,2 밸브(180a, 180b)를 결합하면, 원추 형상을 이룰 수 있다. 이때, 제1,2 밸브(180a, 180b)가 서로 동일한 형상일 때, 후술하는 폴리 실리콘의 주입 공정에서 도가니에 폴리 실리콘을 고르게 주입할 수 있다.
도 4b는 도 4a의 제1,2 밸브가 배치된 원료 공급 유닛의 몸체의 횡방향의 단면도이다.
원료 공급 유닛(100)의 몸체(110)를 2등분하는 격벽(160)이 배치되고, 격벽(160)으로 구분된 영역들을 제1,2 영역이라 할 때, 제1 영역과 제2 영역에는 각각 제1,2 밸브(180a, 180b)가 배치되고, 제1,2 밸브(180a, 180b)는 각각 제1,2 로드(140a, 140b)에 연결될 수 있다.
도 5a는 다른 실시예에 따른 제1,2,3 밸브의 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 제1 내지 제3 밸브가 배치된 원료 공급 유닛의 몸체의 횡방향의 단면도이다.
제1 내지 제3 밸브(181a~181c)는 원추 형상의 일부를 이룰 수 있고, 제1 내지 제3 밸브(181a~181c)를 결합하면 원추 형상을 이룰 수 있다. 이때, 제1 내지 제3 밸브(181a~181c)가 서로 동일한 형상일 때, 후술하는 폴리 실리콘의 주입 공정에서 도가니에 폴리 실리콘을 고르게 주입할 수 있다.
원료 공급 유닛(100)의 몸체(110)를 3등분하는 격벽(160)이 배치되고, 격벽(160)으로 구분된 영역들을 제1 내지 제3 영역이라 할 때, 제1 영역과 제2 영역 및 제3 영역에는 각각 제1,2,3 밸브(181a, 181b, 181c)가 배치되고, 제1,2,3 밸브(181a, 181b, 181c)는 각각 제1,2,3 로드(140a, 140b, 140c)에 연결될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 제1,2,3 로드(140a, 140b, 140c)는 각각 제1,2,3 고정단에 연결되고, 제1,2,3, 고정단은 각각 제1,2,3 회전 드럼에 연결될 수 있다.
도 6a는 다른 실시예에 따른 제1,2,3,4 밸브의 사시도이고, 도 6b는 도 6a의 제1 내지 제4 밸브가 배치된 원료 공급 유닛의 몸체의 횡방향의 단면도이다.
제1 내지 제4 밸브(182a~182d)는 원추 형상의 일부를 이룰 수 있고, 제1 내지 제4 밸브(182a~182d)를 결합하면 원추 형상을 이룰 수 있다. 이때, 제1 내지 제4 밸브(182a~182d)가 서로 동일한 형상일 때, 후술하는 폴리 실리콘의 주입 공정에서 도가니에 폴리 실리콘을 고르게 주입할 수 있다.
원료 공급 유닛(100)의 몸체(110)를 4등분하는 격벽(160)이 배치되고, 격벽(160)으로 구분된 영역들을 제1 내지 제4 영역이라 할 때, 제1 영역 내지 제4 영역에는 각각 제1 내지 제4 밸브(182a~182d)가 배치되고, 제1~4 밸브(182a~182d)는 각각 제1 내지 제4 로드(140a~140d)에 연결될 수 있다.
도 6b에서 격벽(160)에 의하여 몸체(110)는 횡방향으로 제1 내지 제4 영역으로 구분되고, 서로 마주보는 제1 영역과 제3 영역에 각각 제1 밸브(182a)와 제3 밸브(182c)가 구비되고, 제1 영역과 제3 영역의 사이에서 서로 마주보고 각각 배치되는 제2 영역과 제4 영역에 제2 밸브(182b)와 제4 밸브(182d)가 구비될 수 있다.
이때, 제1 밸브(182a)에는 제1 로드가 연결되고, 제1 로드와 연결된 제1 고정단은 제1 회전 드럼에 감기고, 제3 밸브(182c)에는 제3 로드가 연결되고, 제3 로드와 연결된 제3 고정단은 제3 회전 드럼에 감길 수 있다. 이때, 제1 회전 드럼과 제3 회전 드럼은, 상기 제1 고정단과 제3 고정단을 동일하게 승강시킬 수 있고, 따라서 원료 공급 유닛의 몸체의 서로 마주보는 영역에서 폴리 실리콘이 도가니 방향으로 공급되므로, 원료 공급 유닛이 균형을 이루어 한 쪽으로 기울지 않을 수 있다.
또한, 제2 밸브(182b)에는 제2 로드가 연결되고, 제2 로드와 연결된 제2 고정단은 제2 회전 드럼에 감기고, 제4 밸브(182d)에는 제4 로드가 연결되고, 제4 로드와 연결된 제4 고정단은 제4 회전 드럼에 감길 수 있다. 이때, 제2 회전 드럼과 제4 회전 드럼은, 상기 제2 고정단과 제4 고정단을 동일하게 승강시킬 수 있다.
도 7은 또 다른 실시예에 따른 제1,2 밸브의 사시도이다.
본 실시예에 따른 제1,2 밸브(183a, 183b)는, 도 4a 및 도 4b의 제1,2 밸브(180a, 180b)와 유사하나, 상면을 가지는 차이점이 있다.
즉, 제1,2 밸브(183a, 183b)는 각각 바닥면과, 상면과, 상기 바닥면과 상면의 외측을 연결하는 경사면 및 내측을 연결하는 내측면을 포함한다. 이때, 상면의 면적은 바닥면의 폭보다 작을 수 있으며, 제1,2 로드가 각각 제1,2 밸브(183a, 183b)의 상면에 연결될 수 있다.
그리고, 제1,2 밸브(183a, 183b)의 바닥면과 상면은 각각 반원의 형상이고, 상기 반원 형상의 변의 중심은, 원료 공급 유닛의 몸체의 횡방향의 중심에 인접하여 배치될 수 있다. 만약, 3개 이상의 밸브가 구비될 경우, 각각의 밸브들의 바닥면과 상면은 각각 부채꼴의 형상이고, 상기 부채꼴 형상의 꼭지점은, 원료 공급 유닛의 몸체의 횡방향의 중심에 인접하여 배치될 수 있다.
상술한 실시예들에서, 2개 내지 4개의 밸브들이 배치되는데, 이때, 격벽은 몸체를 횡방향으로 2개 내지 4개의 영역으로 구분하고, 하나의 영역에 하나의 밸브가 배치될 수 있다. 그리고, 각각의 실시예들에서 적어도 2개의 밸브들은, 몸체의 횡방향의 중심에 대하여 대칭으로 배치될 수 있다. 특히 각각의 밸브들의 바닥면의 면적이 동일할 때, 도가니의 전 영역에 폴리 실리콘을 고르게 공급할 수 있다.
도 3에서, 격벽(160)은, 예를 들어 몸체(110)의 횡단면이 원형일 때, 몸체(110)의 단면을 반원형으로 구분할 수 있다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 실시예에서 격벽은 몸체(110)의 횡단면을 3등분할 수 있으며, 도 6a 및 도 6b에 도시된 실시예에서 격벽은 몸체(110)의 횡단면을 4등분할 수 있다.
본 실시예와 후술하는 실시예에서, 원료 공급 유닛에서 만약 격벽이 생략될 경우, 구성이 복잡하고 구동 및 사용시에 안정상의 문제점이 야기될 수 있다.
도 8a 내지 도 8e는 본 발명에 따른 원료 공급 방법의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
먼저 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이 도가니(200)에 원료인 폴리 실리콘을 채우고 용융한다. 폴리 실리콘이 용융되면 고체 상태의 폴리 실리콘 사이의 공극이 사라지고, 따라서 도 8a에서 폴리 실리콘의 높이보다 도 8b에서 실리콘 용융액의 높이가 더 낮을 수 있다.
그리고, 도 8c에 도시된 바와 같이, 폴리 실리콘이 주입된 원료 공급 장치(100)를 실리콘 용융액이 담겨진 도가니(200)의 상부로 배치한다. 이때, 공정 챔버(미도시)의 외부에서 원료 공급 장치(100)에 폴리 실리콘을 주입한 후, 공정 챔버의 내부로 이동시킬 수 있다. 이때, 원료 공급 유닛(100)은 도 3에 도시된 실시예에 따를 수 있다.
그리고, 도 8d에 도시된 바와 같이, 원료 공급 유닛(100)의 제1 밸브(180a)가 하부로 이동하면, 원료 공급 유닛(100)의 하면의 제1 영역에서 폴리 실리콘(poly Si)이 도가니(200) 방향으로 공급될 수 있다. 이때, 원료 공급 유닛(100)의 몸체(110)의 하면으로부터 제1 밸브(180a)의 하면은 제1 거리(d1)만큼 이격될 수 있고, 제1 밸브(180a)의 높이는 제2 거리(d2)일 수 있다. 제1 거리(d1)는 30 내지 70 밀리미터일 수 있고, 제2 거리(d2)는 100 내지 200 밀리미터일 수 있다. 만약 제1 거리(d1)가 70 밀리미터보다 크면 폴리 실리콘이 너무 빠르게 도가니(200)로 낙하하여 실리콘 용융액(Si melt)의 표면에서 튐이 발생할 수 있고, 제1 거리(d1)가 30 밀리미터보다 작으면 제1 밸브(180a)와 몸체(110)의 사이의 공간이 너무 좁아서 폴리 실리콘의 공급이 원활하지 않을 수 있다.
그리고, 도 8e에 도시된 바와 같이, 원료 공급 유닛(100)의 제2 밸브(180b)가 하부로 이동하면, 원료 공급 유닛(100)의 하면의 제2 영역에서 폴리 실리콘이 도가니(200) 방향으로 공급될 수 있다. 도 8e에서는 제1 밸브(180a)가 도 8d에 비하여 상승하여 도시되고 있으나, 도 8d와 동일한 위치에 제1 밸브(180a)가 위치할 수도 있다.
도 8d와 도 8e에 도시된 단계에서, 도가니(200)는 계속 회전하며 도가니(200)에 추가로 공급된 폴리 실리콘이 용융될 수 있다.
도시된 원료 공급 유닛(200)의 하면의 제1 영역과 제2 영역은, 상술한 바와 같이 원료 공급 유닛(100)의 하면의 중심에 대하여 대칭으로 구비되어 동일한 면적을 가질 수 있다. 이러한 구성은 도 8d와 도 8e에 도시된 공정에서, 동일한 양의 폴리 실리콘이 동일한 속도로 도가니(200)로 공급될 수 있다. 이를 위하여, 도 8c에서 원료 공급 장치(100)의 제1 밸브(180a)와 제2 밸브(180b)의 상부에는 동일한 중량 내지 부피의 폴리 실리콘이 채워질 수 있다. 상기의 동일한 면적, 동일한 속도, 동일한 중량 및 동일한 부피는 수학적으로 완전히 동일함을 뜻하지는 않는다.
도 8d에 도시된 공정에 비하여 도 8e에 도시된 공정에서는, 도가니(200)에 공급된 폴리 실리콘의 양이 증가하였으므로, 폴리 실리콘이 모두 용융되더라도 실리콘 용융액의 표면이 상승할 수 있다. 따라서, 도 8d의 공정에 비하여 도 8e의 공정에서는 도가니(200)를 하강하여, 실리콘 용융액(Si melt)의 표면에서의 튐 현상을 방지할 수 있다
다른 실시예들에 따른 원료 공급 방법은, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 몸체의 내부 영역이 횡방향에서 3등분된 원료 공급 장치를 사용하거나, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 몸체의 내부 영역이 횡방향에서 4등분된 원료 공급 장치를 사용할 수 있다.
몸체의 내부 영역이 횡방향에서 3등분된 원료 공급 장치를 사용하여 폴리 실리콘을 도가니로 공급할 때는, 제1 밸브 내지 제3 밸브가 차례로 하강하여 해당 영역을 통하여 폴리 실리콘이 도가니로 공급될 수 있다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 몸체의 내부 영역이 횡방향에서 4등분된 원료 공급 장치를 사용하여 폴리 실리콘을 도가니로 공급할 때는, 원료 공급 유닛의 하면은 횡방향의 중심에 대하여 서로 마주보며 대칭을 이루는 제1 영역과 제3 영역, 그리고, 상기 중심에 대하여 서로 마주보며 대칭을 이루는 제2 영역과 제4 영역으로 나뉘어질 수 있다. 이때, 제2 영역과 제4 영역은 각각 제1 영역과 제3 영역의 사이에 배치될 수 있다.
폴리 실리콘의 공급 공정에서, 먼저 제1 밸브와 제3 밸브가 함께 하부로 하강하여 제1 영역과 제3 영역에서 폴리 실리콘이 도가니로 공급될 수 있고, 이어서 제1 밸브와 제4 밸브가 함께 하부로 하강하여 제2 영역과 제4 영역에서 폴리 실리콘이 도가니로 공급될 수 있다.
상술한 원료 공급 유닛, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 원료 공급 방법은, 종래보다 큰 부피를 가지는 몸체를 사용하여, 일부 영역의 원료 공급 후 다른 영역의 원료를 공급하므로, 원료의 공급 중 원료 공급 유닛의 교체하거나 원료를 원료 공급 유닛을 재충전하지 않을 수 있으므로, 원료 공급 공정을 간단히 하고 공정 시간을 단축할 수 있다.
상술한 공정을 통하여 도가니에 실리콘 용융액이 충분히 준비되면, 쵸크랄스키(czochralski, CZ)법 등으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨 후, 성장된 실리콘 단결정 잉곳의 외주면을 가공하는 연삭 공정, 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)을 진행한 후, 웨이퍼 표면의 오염물질을 제거하기 위하여 후술하는 세정 공정(cleaning)과 산화막 형성 공정 및 급속 열처리(Rapid thermal process) 공정 등을 통하여 실리콘 웨이퍼를 제조할 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 원료 공급 유닛, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법은, 반도체 소자나 태양전지 등의 제조에 사용되는 실리콘 기판의 제조에 이용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 원료가 채워지는 공간을 가지는 몸체;
    상기 몸체를 종방향으로 적어도 2개의 영역으로 구분하는 격벽;
    상기 격벽에 의하여 구분되는 몸체 내의 영역에 각각 구비되어, 상기 몸체의 하부를 개폐하는 적어도 2개의 밸브; 및
    상기 각각의 밸브를 서로 독립하여 상하 방향으로 승강시키는 구동부를 포함하는 원료 공급 유닛.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 구동부는, 상기 각각의 밸브에 연결되는 로드들 및 상기 로드들의 상부에 구비되는 회전 드럼들을 포함하는 원료 공급 유닛.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 각각의 밸브는 원추 형상의 일부를 이루고, 상기 각각의 로드는 상기 각각의 밸브의 상부에 연결되는 원료 공급 유닛.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 각각의 로드와 상기 각각의 밸브가 연결되는 영역은 상기 몸체의 횡방향의 중심에 인접하고,
    상기 각각의 밸브는 바닥면과 경사면을 포함하고, 상기 경사면은 상기 몸체의 횡방향의 중심에 인접한 영역으로부터 상기 밸브의 바닥면 방향으로 경사를 가지고, 상기 각각의 로드와 상기 각각의 밸브가 연결되는 영역은 상기 경사면의 상부 영역인 원료 공급 유닛.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 각각의 로드와 상기 각각의 밸브가 연결되는 영역은 상기 몸체의 횡방향의 중심에 인접하고,
    상기 밸브는 바닥면과, 상면과, 상기 바닥면과 상면의 외측을 연결하는 경사면 및 내측을 연결하는 내측면을 포함하고,
    상기 밸브의 상면의 면적은 상기 바닥면의 폭보다 작고, 상기 각각의 로드는 상기 밸브의 상면에 연결되는 원료 공급 유닛.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 밸브들은, 상기 몸체의 횡방향의 중심에 대하여 대칭으로 배치되는 원료 공급 유닛.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 격벽은 상기 몸체를 4개의 영역으로 구분하고,
    서로 마주보는 제1 영역과 제3 영역에 각각 제1 밸브와 제3 밸브가 구비되고, 상기 제1 영역과 제3 영역의 사이에서 서로 마주보고 각각 배치되는 제2 영역과 제4 영역에 제2 밸브와 제4 밸브가 구비되는 원료 공급 유닛.
  8. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되고 실리콘 용융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니를 가열하는 가열부;
    상기 도가니의 상부에 구비되는 열차폐재;
    상기 도가니에 자기장을 인가하는 자기장 발생 장치;
    상기 도가니를 회전시켜 상승 또는 하강시키는 회전축; 및
    상기 도가니의 상부에 구비되는 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항의 원료 공급 유닛을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  9. 도가니에 폴리 실리콘을 채우고 용융하는 단계;
    실리콘 용융액이 채워진 상기 도가니의 상부에, 폴리 실리콘이 주입된 원료 공급 유닛을 배치하는 단계;
    상기 원료 공급 유닛의 하면의 제1 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계;
    상기 도가니를 회전하며 상기 도가니에 공급된 폴리 실리콘을 용융하는 단계; 및
    상기 원료 공급 유닛의 하면의 제2 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계를 포함하는 원료 공급 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 영역과 제2 영역은, 상기 원료 공급 유닛의 하면의 중심에 대하여 대칭으로 구비되는 원료 공급 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 원료 공급 유닛의 하면의 제2 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계에서, 상기 도가니를 하강시키는 원료 공급 방법.
  12. 제9항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료 공급 유닛의 하면은 상기 중심에 대하여 상기 제1 영역과 마주보는 제3 영역을 더 포함하고,
    상기 원료 공급 유닛의 하면의 제1 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계에서, 상기 원료 공급 유닛의 하면의 제3 영역에서도 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 원료 공급 방법.
  13. 제9 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료 공급 유닛의 하면은 상기 중심에 대하여 상기 제2 영역과 마주보는 제4 영역을 더 포함하고,
    상기 원료 공급 유닛의 하면의 제2 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계에서, 상기 원료 공급 유닛의 하면의 제4 영역에서도 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 원료 공급 방법.
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