KR101437281B1 - 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳성장방법 - Google Patents
냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳성장방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳 성장 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트의 상부에 용융 실리콘을 공급하여 냉각시킴으로써 시드 플레이트와 동일한 방향성을 갖는 단결정 잉곳을 매우 낮은 단가로 생산할 수 있는 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳 성장 방법에 관한 것이다.
본 발명의 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳성장방법은 하부가 개방된 냉도가니를 이용하여 유사단결정 잉곳을 성장시키는 방법에 있어서, 상기 냉도가니의 내부에 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트를 배치한 후 상기 시드 플레이트를 하부로 서서히 하강시켜 상기 시드 플레이트의 상부에 공급된 용융 실리콘을 상기 시드 플레이트의 결정상과 동일한 방향성을 갖는 잉곳으로 성장시키고, 상기 냉도가니의 하부측에는 개폐가능하게 연결되는 셔터가 구비된다.
본 발명의 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳성장방법은 하부가 개방된 냉도가니를 이용하여 유사단결정 잉곳을 성장시키는 방법에 있어서, 상기 냉도가니의 내부에 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트를 배치한 후 상기 시드 플레이트를 하부로 서서히 하강시켜 상기 시드 플레이트의 상부에 공급된 용융 실리콘을 상기 시드 플레이트의 결정상과 동일한 방향성을 갖는 잉곳으로 성장시키고, 상기 냉도가니의 하부측에는 개폐가능하게 연결되는 셔터가 구비된다.
Description
본 발명은 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳 성장 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트의 상부에 용융 실리콘을 공급하여 냉각시킴으로써 시드 플레이트와 동일한 방향성을 갖는 유사단결정 잉곳을 매우 낮은 단가로 생산할 수 있는 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳 성장 방법에 관한 것이다.
반도체, 태양전지 등에 사용되는 실리콘 웨이퍼의 품질 및 비용은 잉곳의 품질 및 비용에 의해 결정되기 때문에 최근 들어 불순물의 혼입을 억제함으로써 실리콘 웨이퍼의 품질을 높이고 도가니 및 주형의 손실을 없애 생산성을 향상시킬 수 있는 전자기 연속주조법이 사용되고 있다.
이러한 전자기 연속주조법은 유도코일과 유도코일의 내측에 배치된 도전성 소재로 제작된 하부 개방형의 연속주조형 냉도가니가 사용된다.
이러한 냉도가니는 둘레방향을 따라 적어도 일부분이 종방향의 슬릿들에 의해 여러 개의 세그먼트들로 분할된 구조이며, 용탕의 응고와 냉도가니를 보호하기 위한 목적으로 냉각수가 통과하는 수냉구조로 이루어져 있다.
이와 같이 종방향으로 형성된 슬릿은 유도코일에 흐르는 고주파의 전류에 의해 발생하는 자기장을 냉도가니 내부까지 투과시켜 용해 원료에 유도 전류를 발생시키게 되는데, 이에 따른 주울 가열(Joule heating) 효과로 연속적으로 공급되는 원료를 가열 용해시킬 뿐만 아니라, 냉도가니의 내부쪽으로 전자기력이 발생하여 용해 원료와 벽면과의 접촉을 경감시키게 된다.
이에 따라, 전자기 연속주조법은 이러한 도가니와의 접촉 경감효과에 의해 원료의 오염이 억제되고 잉곳의 품질이 향상되며 동시에 주형이 교체되지 않아 생산성이 향상되는 이점이 있으며, 연속적인 주조 작업이 가능하고 생산속도가 매우 높은 장점이 있다.
그러나, 이러한 종래의 냉도가니를 이용한 연속주조법은 도 1에 도시된 바와 같이 승,하강되는 지지플레이트(2)로 냉도가니(3)의 개방된 하부를 막은 상태에서 냉도가니 안에 실리콘 원료를 투입하여 용융시킨 후 초기 용탕(4)을 냉도가니의 상단 5mm 아래에 이르기까지 형성시키고 실리콘 원료를 계속적으로 보급하면서 지지플레이트를 일정 속도로 하강시킴으로써 실리콘 잉곳을 제조하였다.
때문에, 일정한 방향성을 갖는 실리콘 잉곳을 제조하기 위해서는 지지플레이트를 하강시키는 과정에서 온도나 속도 등 여러가지 인자들을 고려하여 매우 정밀한 작업이 요구되었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 냉도가니의 내부에 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트를 배치한 후 상기 시드 플레이트의 상부에 용융된 실리콘 원료를 투입함으로써 단일 결정상을 갖는 시드플레이트와 동일한 방향성을 갖는 잉곳을 연속적으로 생산할 수 있는 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳성장방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 하부가 개방된 냉도가니를 이용하여 유사단결정 잉곳을 성장시키는 방법에 있어서, 상기 냉도가니의 내부에 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트를 배치한 후 상기 시드 플레이트를 하부로 서서히 하강시켜 상기 시드 플레이트의 상부에 공급된 용융 실리콘을 상기 시드 플레이트의 결정상과 동일한 방향성을 갖는 잉곳으로 성장시키는 것을 특징으로 하는 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳성장방법을 제공한다.
바람직하게는, 상기 시드 플레이트는 사각판상으로 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 시드 플레이트는 일정면적을 갖는 복수 개의 사각판상으로 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 시드 플레이트는 상,하부 방향으로 승하강되는 지지플레이트에 의해 지지되고 상기 지지플레이트와 시드 플레이트의 사이에는 단열부재가 배치되어 상기 지지플레이트 측으로의 열전달을 억제할 수 있다.
바람직하게는, 상기 단열부재의 내부에는 냉각코일이 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉도가니의 상부측에는 공급호퍼를 통해 투입되는 실리콘 재료를 용융시키는 도가니가 추가적으로 배치되어 상기 도가니를 통해 용융된 실리콘이 상기 냉도가니측으로 유입될 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉도가니의 하부측에는 개폐가능하게 연결되는 셔터가 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면, 냉도가니의 내부에 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트를 배치한 후 상기 시드 플레이트의 상부에 용융된 실리콘 원료를 투입함으로써 단일 결정상을 갖는 시드플레이트와 동일한 방향성을 갖는 잉곳을 연속적으로 생산할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳을 생산하기 위한 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 사용되는 유사단결정 잉곳을 생산하기 위한 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 사용되는 시드 플레이트의 배열방식을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에서 시드 플레이트, 단열부재 및 지지플레이트의 배치관계를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳 성장 방법을 개략적으로 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명에 사용되는 유사단결정 잉곳을 생산하기 위한 시스템을 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 사용되는 시드 플레이트의 배열방식을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에서 시드 플레이트, 단열부재 및 지지플레이트의 배치관계를 나타낸 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳 성장 방법을 개략적으로 나타낸 순서도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.
이하에서, 발명의 이해를 돕기 위해 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳성장방법은 냉도가니(130)의 내부에 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트(150)를 배치한 후 상기 시드 플레이트(150)의 상부에 용융된 실리콘 원료를 투입함으로써 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트(150)와 동일한 방향성을 갖는 잉곳(I)을 연속적으로 생산할 수 있는데 기술적 특징이 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳을 성장시키기 위하여 하부 개방형 냉도가니(130)를 포함하는 잉곳 성장 장치(100)를 다음과 같이 구성하였다.
상기 냉도가니(130)는 상,하부가 개방된 구조로 이루어지며 유도코일(132)에 의해 둘러싸여 있고 내부에 수냉구조를 갖는 통상적으로 사용되는 냉도가니가 사용된다. 이러한 냉도가니는 열전도성 및 전기전도성의 금속 재료로 이루어진다. 이에 따라, 전류의 인가시 발생되는 자기장을 냉도가니(130)의 내부까지 투과시켜 내부로 유입된 원료(S)를 가열하게 된다.
그리고, 상기 냉도가니(130)의 개방된 하부측에는 샤프트(142)에 의해 승하강되는 지지 플레이트(140)가 배치되어 냉도가니(130)의 개방된 하부를 밀폐시킨 상태에서 일정속도로 하강함으로써 냉도가니(130)의 내부로 투입된 용융 실리콘(M)으로부터 잉곳(I)을 성장시키게 된다.
이때, 본 발명에 따른 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳성장방법은 상기 지지 플레이트(140)의 상부에 시드 플레이트(150)가 배치된다. 이러한 시드 플레이트(150)는 생산되는 잉곳(I)의 시작위치가 되며, 냉도가니(130)의 내부로 공급된 용융 실리콘(M)이 상기 시드 플레이트(150)로부터 상부 방향으로 성장하게 된다.
상기 시드 플레이트(150)는 <100>결정상 또는 <111>결정상 등과 같이 방향성이 정해진 단일 결정상을 갖도록 구비된다. 이에 따라, 본 발명에서는 방향성이 결정된 시드 플레이트(150)가 지지 플레이트(140)에 의해 지지되어 냉도가니(130)의 내부에 배치된 상태에서 투입된 용융 실리콘(M)을 잉곳(I)으로 성장시킨다. 이로 인해, 성장되는 잉곳(I)은 시드 플레이트(150)와 동일한 방향성을 갖도록 성장됨으로써 종래의 방식에 비하여 용이하게 원하는 방향성을 갖는 잉곳(I)을 성장시킬 수 있게 된다. 여기서, 상기 시드 플레이트(150)의 결정상을 <100> 또는 <111>로 예시하였지만, 이에 한정하는 것은 아니며 단일 결정상을 갖도록 구비되는 것이면 족함을 미리 밝혀둔다.
한편, 상기 시드 플레이트(150)는 도 3에 도시된 바와 같이 일정면적을 갖는 사각판상으로 이루어지며, 하나의 부재가 배치될 수도 있고 하나의 부재가 다수 개로 분할되어 서로 인접하도록 배치될 수도 있다. 여기서, 하나의 부재가 다수 개로 분할되는 경우 각각의 부재는 서로 독립적이며, 시드 플레이트(150)로부터 성장되는 잉곳이 다결정으로 성장되는 것을 방지하기 위하여 분할된 시드 플레이트(150)간의 평활도는 0.2도를 넘지 않도록 하고 각각의 시드 플레이트(150)는 용융된 실리콘에 의하여 함께 녹지 않도록 15~35mm 정도의 두께를 갖도록 한다. 여기서, 시드 플레이트의 평활도 및 두께를 각각 0.2도 및 15~35mm로 예시하였지만 이에 한정하는 것은 아니며 작업 환경에 따라 적절한 평활도 및 두께를 갖도록 구비될 수도 있음을 밝혀둔다.
이로 인해, 본 발명의 성장방법에 의해 성장되는 잉곳(I)은 사각 판상으로 이루어진 시드 플레이트(150)와 동일한 단면을 갖는 사각기둥의 형상으로 성장된다. 이는 종래의 초크랄스키 방식에 의해 성장된 잉곳이 원기둥 형상으로 이루어져 웨이퍼를 가공하는 과정에서 둥근 모서리 부분을 모두 절단하여 버려지는 것에 비하여 본 발명에서는 버려지는 둥근 모서리 부분이 존재하지 않음으로써 가공성 및 생산성을 높일 수 있게 된다.
이때, 상기 시드 플레이트(150)와 지지 플레이트(140)의 사이에는 일정면적을 갖는 판상의 단열부재(160)가 구비된다. 이러한 단열부재(160)는 기공이 없도록 구비되어 잉곳의 초기 성장시 냉도가니(130)의 내부에서 지지 플레이트(140) 측으로 고온의 열이 전달되는 것을 방지함으로써 지지 플레이트(140)의 변형 및 파손을 방지하게 된다. 더불어, 상기 시드 플레이트(150)가 복수 개의 부재로 이루어진 경우 서로 인접하는 시드 플레이트(150) 사이에 형성된 틈을 통해 용융 상태의 실리콘(M)이 지지 플레이트(140) 측으로 유입되는 것을 차단하는 역할도 동시에 수행한다.
상기 단열부재(160)의 내부에는 냉각 코일(162)이 배치된다. 이러한 냉각 코일(162)은 잉곳의 초기 성장시 시드 플레이트(150)와 접하는 용융 실리콘으로부터 열을 빼앗아 액체 상태의 용융 실리콘이 고체 상태의 잉곳으로 용이하게 변환될 수 있도록 한다. 즉, 상기 냉각 코일(162)은 시드 플레이트(150)의 상부에서 용융된 실리콘이 균일하게 냉각되어 시드 플레이트(150)와 동일한 결정상을 가지면서 고체상태가 될 수 있도록 용융 실리콘의 열량을 제어하는 역할을 수행한다. 이를 통하여 상기 냉도가니(130)의 벽면을 통한 냉각정도와 시드 플레이트(150)와 접하는 바닥면을 통한 냉각 정도 차이에서 발생하는 온도구배로 인하여 결정상이 다결정화되는 것을 방지하여 상기 시드 플레이트(150)의 상부측으로 유사단결정 잉곳의 결정성장이 이루어지게 된다.
한편, 상기 냉도가니(130)의 내부로 공급되는 용융 실리콘(M)은 냉도가니(130)의 상부측에 배치되는 열도가니(120)를 통해 이루어진다. 이러한 열도가니(120)는 유도코일(122)에 의해 둘러싸여 있으며, 공급 호퍼(110)를 통해 공급되는 실리콘 원료(S)가 가열되어 용융된다. 즉, 본 발명에서는 상기 열도가니(120)에서 실리콘 원료(S)를 가열하여 1차로 용융시킨 후 냉도가니(130) 측으로 공급하여 2차로 용융시킴으로써 완전한 용융이 이루어지도록 한다. 여기서, 상기 공급 호퍼(110)에서 투입되는 실리콘 원료(S)는 bell-jar type의 Siemens CVD법으로 제조한 청크 타입 뿐만 아니라 이를 가공한 칩(chip)이나 모노실란, 트리클로로실란 등의 실란 원료를 사용한 유동층반응기에서 제조된 분말형태가 모두 사용될 수 있다. 그리고, 상기 열도가니(120)에서 냉도가니(130) 측으로 공급될 용융 실리콘(M)의 양을 제어함으로써 일정길이를 갖는 하나의 잉곳의 분량에 해당하는 용융 실리콘(M)을 냉도가니(130) 측으로 공급할 수 있게 된다. 이에 따라, 상기 지지 플레이트(140)가 하강하면서 잉곳(I)을 성장시킨 후 생산된 잉곳(I)을 수거하고 지지 플레이트(140)에 다시 시드 플레이트(150)를 재배열한 후 다시 열도가니(120)를 통해 일정량의 용융 실리콘(M)을 냉도가니(130) 측으로 공급할 수 있게 되어 연속적인 생산이 가능하게 된다.
이때, 상기 냉도가니(130)의 하부측에는 개폐가능하게 연결되는 셔터(134)가 구비되어 성장된 잉곳(I)의 상부단이 냉도가니(130)를 완전히 벗어난 후 냉도가니(130)의 내부와 완전히 차단될 수 있도록 한다. 이는, 상대적으로 고온인 냉도가니(130)의 내부로부터 성장된 잉곳(I) 측으로 열이 전달되어 잉곳(I)의 품질을 떨어뜨리는 것을 방지하기 위함이다.
상기와 같이 구성된 잉곳 성장 장치(100)를 이용하여 유사단결정 실리콘 잉곳을 성장시키는 순서는 다음과 같다.
먼저, 공급 호퍼(110)를 통해 실리콘 원료(S)를 열도가니(120) 측으로 공급한 후 유도 코일(122)에 전류를 인가하여 열도가니(120)의 내부에 채워진 실리콘 원료(S)를 용융시킨다. 이때, 상기 지지 플레이트(140)의 상부면에는 단열부재(160) 및 시드 플레이트(150)를 각각 배열한 후 지지 플레이트(140)를 승강시켜 개방된 냉도가니(130)의 하부를 막은 상태에서 상기 냉도가니(130)를 둘러싸고 있는 유도 코일(132)에도 전류를 인가하여 냉도가니(130)를 예비 가열한다. 그런 다음, 상기 열도가니(120)에 채워진 실리콘 원료(S)의 용융이 완료되면 일정량의 용융 실리콘을 냉도가니(130)의 내부로 공급하고 단열부재(160)의 내부에 구비된 냉각 코일(162)을 통해 시드 플레이트(150)의 온도를 조절함으로써 시드 플레이트(150)의 결정방향과 동일한 방향성을 갖는 실리콘 잉곳(I)을 서서히 성장시킨다. 동시에 지지 플레이트(140)를 일정속도로 하강시켜 성장된 잉곳(I)이 냉도가니(130)의 개방된 하부를 통해 서서히 인출되도록 하면서 냉도가니(130)의 하부를 벗어난 실리콘 잉곳(I)부분은 어닐링 하면서 냉각하도록 한다.
이때, 상기 냉도가니(130) 측으로 공급되는 용융 실리콘(M)의 양이 적정한 상태가 되면 공급 호퍼(110)에서 열도가니(120) 측으로 실리콘 원료(S)의 공급을 중단하게 된다. 이후, 성장된 실리콘 잉곳(I)의 상부단이 냉도가니(130)의 하부를 완전히 벗어나면 셔터(134)를 작동시켜 냉도가니(130)의 개방된 하부를 밀폐함으로써 냉도가니(130) 내부로부터 열이 성장된 잉곳(I) 측으로 전달되는 것을 차단하도록 한다. 이후, 성장된 실리콘 잉곳(I)을 어닐링 처리하고 수거한 후 다시 지지 플레이트(140)의 상부에 시드 플레이트(150)를 재배치한 후 승강시켜 개방된 냉도가니(130)의 하부를 막도록 원위치시켜 동일한 과정을 반복함으로써 연속적으로 실리콘 잉곳(I)을 생산하게 된다.
본 발명에 의하면, 냉도가니의 내부에 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트를 배치한 후 상기 시드 플레이트의 상부에 용융된 실리콘 원료를 투입함으로써 단일 결정상을 갖는 시드플레이트와 동일한 방향성을 갖는 잉곳을 연속적으로 생산할 수 있는 효과가 있다.
상기에서 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 도면을 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명을 이와 같은 특정 구조에 한정하는 것은 아니다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않고서도 용이하게 수정 또는 변경할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 단순한 설계변형 또는 수정을 통한 등가물, 변형물 및 교체물은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속함을 미리 밝혀둔다.
100 : 잉곳 성장 장치 110 : 공급 호퍼
120 : 열도가니 122 : 유도코일
130 : 냉도가니 132 : 유도코일
134 : 셔터 140 : 지지 플레이트
142 : 샤프트 150 : 시드 플레이트
160 : 단열부재 162 : 냉각 코일
M : 용융 실리콘 I : 잉곳
120 : 열도가니 122 : 유도코일
130 : 냉도가니 132 : 유도코일
134 : 셔터 140 : 지지 플레이트
142 : 샤프트 150 : 시드 플레이트
160 : 단열부재 162 : 냉각 코일
M : 용융 실리콘 I : 잉곳
Claims (7)
- 하부가 개방된 냉도가니를 이용하여 유사단결정 잉곳을 성장시키는 방법에 있어서,
상기 냉도가니의 내부에 단일 결정상을 갖는 시드 플레이트를 배치한 후 상기 시드 플레이트를 하부로 서서히 하강시켜 상기 시드 플레이트의 상부에 공급된 용융 실리콘을 상기 시드 플레이트의 결정상과 동일한 방향성을 갖는 잉곳으로 성장시키고,
상기 냉도가니의 하부측에는 개폐가능하게 연결되는 셔터가 구비되는 것을 특징으로 하는 유사단결정 잉곳성장방법. - 제 1항에 있어서,
상기 시드 플레이트는 사각판상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 냉도가니를 이용한 유사단결정 잉곳성장방법. - 제 1항에 있어서,
상기 시드 플레이트는 일정면적을 갖는 복수 개의 사각판상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 유사단결정 잉곳성장방법. - 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
상기 시드 플레이트는 상,하부 방향으로 승하강되는 지지플레이트에 의해 지지되고 상기 지지플레이트와 시드 플레이트의 사이에는 단열부재가 배치되어 상기 지지플레이트 측으로의 열전달을 억제하는 것을 특징으로 하는 유사단결정 잉곳성장방법. - 제 4항에 있어서,
상기 단열부재의 내부에는 냉각코일이 구비되는 것을 특징으로 하는 유사단결정 잉곳성장방법. - 제 1항에 있어서,
상기 냉도가니의 상부측에는 공급호퍼를 통해 투입되는 실리콘 재료를 용융시키는 도가니가 추가적으로 배치되어 상기 도가니를 통해 용융된 실리콘이 상기 냉도가니측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 유사단결정 잉곳성장방법. - 삭제
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