KR101966409B1 - 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템 및 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 4각 기둥형 등 비원형 실리콘 잉곳을 제조할 수 있게 하는 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템에 관한 것으로서, 실리콘 용탕을 수용하는 도가니; 상기 실리콘 용탕으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 생성할 수 있도록 시드를 회전시키면서 들어 올리는 결정 성장 장치; 및 상기 잉곳의 측방에 설치되고, 상기 잉곳의 성장을 부분적으로 방해하는 성장 저해 장치;를 포함하고, 상기 성장 저해 장치는, 상기 잉곳이 비원형으로 형성될 수 있도록 상기 잉곳의 둘레 일측방에 고정적으로 배치되고, 상기 잉곳이 제 1 회전 각도일 때, 전력이 인가 또는 강화되어 자기력선이 생성 또는 강화되고, 상기 잉곳이 제 2 회전 각도일 때, 전력이 차단 또는 약화되어 자기력선이 소멸 또는 약화되는 제 1 전자석 프레임; 및 상기 잉곳의 둘레 타측방에 고정적으로 배치되고, 상기 잉곳이 상기 제 1 회전 각도일 때, 전력이 차단 또는 약화되어 자기력선이 소멸 또는 약화되고, 상기 잉곳이 상기 제 2 회전 각도일 때, 전력이 인가 또는 강화되어 자기력선이 생성 또는 강화되는 제 2 전자석 프레임;을 포함할 수 있다.

Description

비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템 및 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법{System and method for fabricating non-circular silicon ingot}
본 발명은 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템 및 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 4각 기둥형 등 비원형 실리콘 잉곳을 제조할 수 있게 하는 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템 및 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼 제조공정은 일반적으로 쵸크랄스키(czochralski, CZ)법에 의해 실리콘 단결정을 성장시켜 이루어진다. 쵸크랄스키법은 폴리 실리콘을 석영 도가니 내부에 장입하고 고온을 가하여 실리콘 용탕을 만든 후, 실리콘 종결정인 시드(seed)를 이 실리콘 융액에 접촉시키고 천천히 회전시키면서 실리콘 단결정을 성장시키는 방법이다.
이와 같이 성장한 실리콘 단결정 덩어리를 잉곳(ingot)이라고 칭한다. 실리콘 웨이퍼는 이러한 잉곳을 결정 성장 방향에 수직하게 절단하는 슬라이싱(slicing), 슬라이싱 중에 가해진 손상을 완화시키기 위한 래핑(lapping), 거친 웨이퍼 표면을 고도의 평탄도를 갖도록 하는 폴리싱(polishing) 등의 공정을 거쳐서 제조된다.
최근 오늘날 각종 반도체 소자는 물론이고, 태양 전지의 생산량의 현저한 증가에 따라, 고순도 실리콘 웨이퍼의 수요가 확대되고 있다. 특히, 태양 전지의 생산에서는, 통상 반도체 실리콘의 규격외품ㅇ스크랩 등을 원료로서 사용하고 있다. 그러나, 금후의 예상되는 태양 전지 생산량의 증가에 대응하기 위해서는, 안정 공급을 목표로 한 저렴한 태양 전지용 실리콘 웨이퍼의 대량생산을 가능하게 하는 제조방법, 장치가 필요하게 된다. 지금까지 이 기술분야에서는 저렴한 금속 실리콘을 고온 장시간 야금학적으로 정제하는 방법이 개발되어 왔지만, 더 한층의 저코스트화가 요망되고 있다.
본 발명의 사상은, 기존의 원형 실리콘 웨이퍼에서 버려지는 부분, 즉 4각 형태로 제조되는 태양 전지의 경우, 웨이퍼의 전후좌우로 둥근 테두리 부분을 최소화할 수 있도록 4각 기둥 형태의 잉곳을 제조하여 4각 웨이퍼를 생산할 수 있고, 전자석들을 회전시킬 필요가 없이 고정형으로 설치할 수 있기 때문에 별도의 동력 장치나 회전 장치 등이 불필요하여 장비 제조 비용과 설치 시간을 절감할 수 있고, 아울러, 기어나 밸트나 모터 등 움직이는 부품을 채용할 필요가 없어서 마찰이나 마모 등에 따른 부품 관리 비용과 시간을 크게 절감할 수 있게 하는 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템을 제공함에 있다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템은, 실리콘 용탕을 수용하는 도가니; 상기 실리콘 용탕으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 생성할 수 있도록 시드를 회전시키면서 들어 올리는 결정 성장 장치; 및 상기 잉곳의 측방에 설치되고, 상기 잉곳의 성장을 부분적으로 방해하는 성장 저해 장치;를 포함하고, 상기 성장 저해 장치는, 상기 잉곳이 비원형으로 형성될 수 있도록 상기 잉곳의 둘레 일측방에 고정적으로 배치되고, 상기 잉곳이 제 1 회전 각도일 때, 전력이 인가 또는 강화되어 자기력선이 생성 또는 강화되고, 상기 잉곳이 제 2 회전 각도일 때, 전력이 차단 또는 약화되어 자기력선이 소멸 또는 약화되는 제 1 전자석 프레임; 및 상기 잉곳의 둘레 타측방에 고정적으로 배치되고, 상기 잉곳이 상기 제 1 회전 각도일 때, 전력이 차단 또는 약화되어 자기력선이 소멸 또는 약화되고, 상기 잉곳이 상기 제 2 회전 각도일 때, 전력이 인가 또는 강화되어 자기력선이 생성 또는 강화되는 제 2 전자석 프레임;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템은, 상기 잉곳의 회전 각도를 측정하는 센서; 및 상기 센서로부터 회전 각도 신호를 인가받아서 상기 잉곳이 상기 제 1 각도로 판단될 때, 상기 제 1 전자석 프레임에 전력 강화 제어 신호를 인가하고, 상기 제 2 전자석 프레임에 전력 약화 제어 신호를 인가하는 제어부;를 포함할 수 있다.
한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법은, 도가니에 실리콘 용탕을 준비하는 용탕 준비 단계; 시드를 회전 및 들어 올리면서 상기 실리콘 용탕으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 생성하는 결정 성장 단계; 및 상기 잉곳이 비원형을 이루도록 상기 잉곳의 성장을 부분적으로 방해하는 성장 저해 장치들 중 일부만 상기 잉곳의 회전 각도에 따라 작동시키는 성장 저해 단계;를 포함하고, 상기 성장 저해 단계는, 상기 잉곳이 비원형으로 형성될 수 있도록 상기 잉곳의 회전 각도가 제 1 각도일 때, 상기 잉곳의 둘레 일측방에 고정적으로 배치되는 제 1 전자석 프레임에 전력을 인가 또는 강화하여 자기력선을 생성 또는 강화시키고, 상기 잉곳의 둘레 타측방에 고정적으로 배치되는 제 2 전자석 프레임의 전력을 차단 또는 약화하여 자기력선을 소멸 또는 약화시키는 제 1 각도 대응 단계; 및 상기 잉곳의 회전 각도가 제 2 각도일 때, 상기 제 1 전자석 프레임의 전력을 차단 또는 약화하여 자기력선을 소멸 또는 약화시키고, 상기 제 2 전자석 프레임에 전력을 인가 또는 강화하여 자기력선을 생성 또는 강화시키고, 제 2 각도 대응 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법은, 상기 결정 성장 단계 이후에, 센서를 이용하여 상기 잉곳의 회전 각도를 측정하는 각도 측정 단계;를 더 포함하고, 상기 성장 저해 단계는, 상기 센서로부터 회전 각도 신호를 인가받아서 상기 잉곳이 상기 제 1 각도로 판단될 때, 제 1 각도 대응 단계를 수행하고, 상기 잉곳이 상기 제 2 각도로 판단될 때, 제 2 각도 대응 단계를 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 4각 웨이퍼를 생산할 수 있게 하여 실리콘 용탕의 사용량을 절감할 수 있고, 저코스트화가 가능하며, 생산 시간 및 생산 비용을 절감하여 생산성을 크게 향상시킬 수 있고, 전자석 프레임들을 회전시킬 필요가 없이 고정형으로 설치할 수 있기 때문에 별도의 동력 장치나 회전 장치 등이 불필요하여 장비 제조 비용과 설치 시간을 절감할 수 있고, 아울러, 기어나 밸트나 모터 등 움직이는 부품을 채용할 필요가 없어서 마찰이나 마모 등에 따른 부품 관리 비용과 시간을 크게 절감할 수 있는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템을 개략적으로 나타내는 개념 사시도이다.
도 2는 도 1의 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템의 II-II 절단면을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템의 III-III 절단면을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 2의 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템에 의한 잉곳의 결정 성장 상태를 나타내는 개념도이다.
도 5는 도 3의 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템의 잉곳이 제 1 각도에서 제 2 각도로 회전할 때를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템(100)을 개략적으로 나타내는 개념 사시도이고, 도 2는 도 1의 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템(100)의 II-II 절단면을 나타내는 단면도이고, 도 3은 도 1의 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템(100)의 III-III 절단면을 나타내는 단면도이다.
먼저, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템(100)은, 크게 도가니(10)와, 결정 성장 장치(20) 및 성장 저해 장치(30)를 포함할 수 있다.
예컨대, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 도가니(10)는 실리콘 용탕(1)을 수용하는 일종의 초크랄스키 로로서, 일반적으로 핫존 로(hot zone furnace)로 칭할 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 도시하지 않았지만, 상기 도가니(10)는 쿼츠로 만들어진 내부 도가니와, 흑연으로 만들어진 외부 도가니 및 히터 등 가열 요소를 포함할 수 있다. 이외에도, 이러한 상기 도가니(10)는 상기 도가니(10)를 회전시키는 회전축이나 열차단판 등 부가적인 다양한 장치들이 추가로 설치될 수 있다. 따라서, 상기 도가니(10)는 도면에 반드시 국한되지 않고 매우 다양한 형태 및 종류가 적용될 수 있다.
또한, 예컨대, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 결정 성장 장치(20)는, 상기 도가니(10)에 수용된 상기 실리콘 용탕(1)의 표면으로부터 실리콘 단결정 잉곳(2)을 생성할 수 있도록 시드(S)(seed)를 회전시키면서 들어 올리는 장치로서, 예컨대, 상기 시드(S)를 지지하는 시드 척(seed chuck)과, 상기 시드 척과 연결되는 인상 와이어(42)를 이용하여 상기 시드(S)가 상기 실리콘 용탕(1)의 표면의 대략 중심부에 위치되어 그 선단을 접촉 또는 침지시키면서 천천히 육성하면서 상기 잉곳(2)을 육성시키는 인상부 및 상기 잉곳(2)으로부터 방사되는 열을 차단하는 열차단 부재 등을 포함하는 장치일 수 있다. 이러한 상기 결정 성장 장치(20)는 상기 잉곳(2)을 인상하는 속도, 회전 속도 및 온도 구배를 조절하여 상기 잉곳(30)을 완성할 수 있다.
또한, 예컨대, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 성장 저해 장치(30)는 상기 잉곳(2)의 측방에 설치되고, 잉곳의 성장을 방해하는 기능을 가진 부재나 장치로서, 자기력선(ML)을 방출시켜서 자기장 영역(A)을 형성할 수 있는 전자석 프레임일 수 있다.
여기서, 상기 전자석 프레임이란 자기장을 형성할 수 있는 전자기 유도 코일을 포함하는 것으로서, 코일만으로 이루어지거나 코일 내부에 코어를 형성하는 등 매우 다양한 형태의 전자석 또는 코일 구조체일 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 성장 저해 장치(30)는, 자기장 영역(A) 내의 임의의 점에서의 자기력이 작용하는 방향을 나타내는 자기력선(ML)이 위로 방출되어 아래로 형성되는, 예컨대, N극에서 방출되어 S극으로 향하는 상기 자기력선(ML)의 방향이 상기 실리콘 용탕(1)과 상기 잉곳(2)의 경계에서 작용할 수 있도록 N극이 상방에 설치되고, S극이 하방에 설치되는 수직 배치형 전자석 프레임일 수 있다.
여기서, 자연 발생적으로 상기 도가니(10)의 측벽면이 가열되는 경우, 고온으로 가열된 상기 실리콘 용탕(2)의 테두리부분이 상승하다가 상기 실리콘 용탕(1)과 상기 잉곳(2)의 경계 부분에서 하강하는 흐름, 즉 중심 하강형 열대류가 발생될 수 있다.
따라서, 이러한, 상기 실리콘 용탕(1)과 상기 잉곳(2)의 경계 부분에서 하강하는 흐름과, 상기 성장 저해 장치(20)인 상기 수직 배치형 전자석 프레임에서 발생되는 자기력선이 상기 경계 부분에서 위에서 아래로 향하는 경우, 이러한 하강 흐름이 강화되면서, 상기 실리콘 용탕(1)과 상기 잉곳(2)의 경계 부분 중 특정 부분의 결정 성장이 방해를 받아서 그 부분이 자라지 않아서 비원형으로 형성될 수 있다.
그러나, 이에 반드시 국한되지 않는 것으로서, 상기 도가니(10)의 하부 중앙이 가열되는 경우, 고온으로 가열된 상기 실리콘 용탕(2)의 중앙부분이 상승하여 상기 실리콘 용탕(1)과 상기 잉곳(2)의 경계 부분에서 상승하는 흐름, 즉 중심 상승형 열대류가 발생될 수 있다. 이 때에도 상기 성장 저해 장치(20)인 상기 수직 배치형 영구자석에서 발생되는 자기력선이 상기 경계 부분에서 위에서 아래로 향하여 상기 실리콘 용탕(1)과 상기 잉곳(2)의 경계 부분 중 특정 부분의 결정 성장이 방해를 받아서 그 부분이 자라지 않아서 비원형으로 형성되거나, 경우에 따라서는 상기 수직 배치형 영구자석에서 발생되는 자기력선이 상기 경계 부분에서 아래에서 위로로 향하여 배치되어 특정 부분의 성장을 방해할 수도 있다.
따라서, 이러한 상기 도가니(10)의 가열 부위나 형태나 상기 성장 저해 장치(20)의 설치 방향이나 설치 각도 등은 도면에 반드시 국한되지 않고 매우 다양한 형상 및 종류로 적용될 수 있다. 예컨대, 상기 성장 저해 장치(20)를 N극이 상방에 설치되고, S극이 하방에 설치되도록 수직으로 배치하지 않고 S극이 상방에 설치되고, N극이 하방에 설치되거나 상기 시드(S) 또는 상기 잉곳(2)의 회전 속도를 고려하여 회전 방향을 기준으로 경사지게 배치하는 것도 가능하다.
또한, 예컨대, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 성장 저해 장치(30)는 상기 잉곳(2)이 전체적으로 4개의 모서리부를 갖는 4각 기둥 형태를 이루도록 상기 도가니(10)의 측방에 각각 고정적으로 원주 방향으로 등각 배치되는 것으로서, 잉곳축(P)을 중심으로, 90도 각도로 등각 배치되는 4개의 제 1 전자석 프레임(31)과, 4개의 제 2 전자석 프레임(32)과, 4개의 제 3 전자석 프레임(33) 및 4개의 제 4 전자석 프레임(34)을 포함할 수 있다.
여기서, 도면에서는 상기 잉곳(2) 주위에 총 16개의 전자석 프레임이 원주 방향으로 배치되는 것을 예시하였으나, 이에 반드시 국한되지 않고, 다양한 개수의 전자석 프레임들이 배치될 수 있다.
더욱 구체적으로 예를 들면, 상기 성장 저해 장치(30)는, 상기 잉곳(2)이 비원형으로 형성될 수 있도록 상기 잉곳(2)의 둘레 일측방에 고정적으로 배치되고, 상기 잉곳(2)이 제 1 회전 각도일 때, 전력이 인가 또는 강화되어 자기력선(ML)이 생성 또는 강화되고, 상기 잉곳(2)이 제 2 회전 각도일 때, 전력이 차단 또는 약화되어 자기력선(ML)이 소멸 또는 약화되는 제 1 전자석 프레임(31) 및 상기 잉곳(2)의 둘레 타측방에 고정적으로 배치되고, 상기 잉곳(2)이 상기 제 1 회전 각도일 때, 전력이 차단 또는 약화되어 자기력선(ML)이 소멸 또는 약화되고, 상기 잉곳(2)이 상기 제 2 회전 각도일 때, 전력이 인가 또는 강화되어 자기력선(ML)이 생성 또는 강화되는 제 2 전자석 프레임(32)을 포함할 수 있다.
따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 잉곳의 회전 각도가 제 1 회전 각도일 때, 90도 등각 배치된 4개의 상기 제 1 전자석 프레임(31)에만 전력이 인가될 수 있다. 여기서, 전력이 인가된 상기 제 1 전자석 프레임(31)은 식별이 용이하도록 해칭을 넣어서 표시하기로 한다.
이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 잉곳의 회전 각도가 제 2 회전 각도일 때, 90도 등각 배치된 4개의 상기 제 2 전자석 프레임(32)에만 전력이 인가될 수 있다. 여기서, 전력이 인가된 상기 제 2 전자석 프레임(32)은 식별이 용이하도록 해칭을 넣어서 표시하였다.
이어서, 상기 잉곳의 회전 각도가 제 3 회전 각도일 때, 90도 등각 배치된 4개의 상기 제 3 전자석 프레임(33)에만 전력이 인가될 수 있으며, 이어서, 상기 잉곳의 회전 각도가 제 4 회전 각도일 때, 90도 등각 배치된 4개의 상기 제 4 전자석 프레임(34)에만 전력이 인가될 수 있다.
그러나, 본 발명의 기술적 사상은 4각 기둥형 잉곳(2)을 제조하기 위한 4개의 상기 성장 저해 장치(30)에만 국한되지 않고, 예컨대, 3각 기둥형 잉곳(2)을 제조하기 위한 3개의 상기 성장 저해 장치(30), 5각 기둥형 잉곳(2)을 제조하기 위한 5개의 상기 성장 저해 장치(30) 등 다양한 다각 형태의 잉곳을 제조하는 것에 적용될 수 있다.
또한, 예컨대, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템(100)은, 상기 잉곳(2)의 회전 각도를 측정하는 센서(40) 및 상기 센서(40)로부터 회전 각도 신호를 인가받아서 상기 잉곳(2)이 상기 제 1 각도로 판단될 때, 상기 제 1 전자석 프레임(31)에 전력 강화 제어 신호를 인가하고, 상기 제 2 전자석 프레임(32)에 전력 약화 제어 신호를 인가하고, 상기 잉곳(2)이 상기 제 2 각도로 판단될 때, 상기 제 1 전자석 프레임(31)에 전력 약화 제어 신호를 인가하고, 상기 제 2 전자석 프레임(32)에 전력 강화 제어 신호를 인가하는 제어부(50)를 더 포함할 수 있다.
따라서, 상기 전자석 프레임들을 회전시킬 필요가 없이 원주 방향으로 배치된 전자석 프레임들을 상기 잉곳의 회전 각도에 따라 순차적 전력을 인가하여 비원형 실리콘 잉곳을 제조할 수 있다.
그러므로, 상기 전자석 프레임들을 회전시킬 필요가 없이 고정형으로 설치할 수 있기 때문에 별도의 동력 장치나 회전 장치 등이 불필요하여 장비 제조 비용과 설치 시간을 절감할 수 있고, 아울러, 기어나 밸트나 모터 등 움직이는 부품을 채용할 필요가 없어서 마찰이나 마모 등에 따른 부품 관리 비용과 시간을 크게 절감할 수 있다.
도 4는 도 2의 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템(100)에 의한 잉곳(2)의 결정 성장 상태를 나타내는 개념도이다.
그러므로, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 잉곳(2)은 회전 속도(w1)로 회전되는 동안, 상기 회전 속도(w1)와 동일한 동기 속도(w2)로 회전되는 상기 성장 저해 장치(20)에 의해 항상 동일한 부분의 성장이 저해될 수 있다.
그런데, 이러한 상기 성장 저해 장치(20)의 영향은 상기 잉곳(2)에서 상기 성장 저해 장치(20)와 가까운 부분에서는 크게 작용하고, 먼 부분에서 작게 작용할 수 있다. 반대로, 상기 성장 저해 장치(20)의 영향력이 없다면 상기 잉곳(2)의 회전에 의해 상대적으로 상기 실리콘 용탕(1)의 마찰 속도가 빨라지는 모서리부분의 성장력 보다는 상기 실리콘 용탕(1)의 마찰이 적어서 속도가 느려지는 비모서리부분에서의 성장력이 높을 수 있다.
즉, 상기 비모서리부분에서의 성장력(F1)은 크지만, 상기 성장 저해 장치(20)와 가깝기 때문에 성장을 저해하려는 저해력(F2) 역시 크기 때문에 상기 성장 저해 장치(20)와 상기 잉곳(2) 사이의 거리와 상기 성장 저해 장치(20)에서 발생되는 자기장 영역(A)의 넓이나 세기나 형태 등을 최적화하면 보다 정확한 정사각 기둥 형태의 상기 잉곳(2)을 제조할 수 있다.
도 5는 도 3의 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템(100)의 잉곳(2)이 제 1 각도에서 제 2 각도로 회전할 때를 나타내는 단면도이다.
한편, 이러한 본 발명의 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법을 설명하면, 먼저, 상기 도가니(10)에 실리콘 용탕(1)을 준비할 수 있다.
이어서, 상기 결정 성장 장치(20)를 이용하여 상기 시드(S)를 회전 및 들어 올리면서 상기 실리콘 용탕(1)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(2)을 생성할 수 있다.
이와 동시 또는 이어서, 상기 회전 장치(40)를 이용하여 결정 성장시 상기 잉곳(2)이 비원형을 이루도록 상기 잉곳(2)의 성장을 방해하는 상기 성장 저해 장치(30)들 중 일부만 상기 시드(S)의 회전 속도(w1) 또는 회전 각도에 따라 작동시킬 수 있다.
이 때, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 잉곳(2)이 비원형으로 형성될 수 있도록 상기 잉곳(2)의 회전 각도가 제 1 각도일 때, 상기 잉곳(2)의 둘레 일측방에 고정적으로 배치되는 제 1 전자석 프레임(31)에 전력을 인가 또는 강화하여 자기력선(ML)을 생성 또는 강화시키고, 상기 잉곳(2)의 둘레 타측방에 고정적으로 배치되는 제 2 전자석 프레임(32)의 전력을 차단 또는 약화하여 자기력선(ML)을 소멸 또는 약화시킬 수 있다.
이어서, 상기 잉곳(2)의 회전 각도가 제 2 각도일 때, 상기 제 1 전자석 프레임(31)의 전력을 차단 또는 약화하여 자기력선(ML)을 소멸 또는 약화시키고, 상기 제 2 전자석 프레임(32)에 전력을 인가 또는 강화하여 자기력선(ML)을 생성 또는 강화시킬 수 있다.
이러한 과정은 상기 잉곳(2)의 회전 각도가 제 3 각도 및 제 4 각도일 때도 마찬가지로 적용되어 상기 잉곳(2)이 360도 회전되는 동안, 해당 전자석 프레임들만 전력을 인가하여 4각 기둥형 잉곳으로 4각 웨이퍼를 생산할 수 있고, 이를 통해 실리콘 용탕의 사용량을 절감할 수 있고, 저코스트화가 가능하며, 생산 시간 및 생산 비용을 절감하여 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법은, 도가니(10)에 실리콘 용탕(1)을 준비하는 용탕 준비 단계(S1)와, 시드(S)를 회전 및 들어 올리면서 상기 실리콘 용탕(1)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(2)을 생성하는 결정 성장 단계(S2) 및 상기 잉곳(2)이 비원형을 이루도록 상기 잉곳(2)의 성장을 부분적으로 방해하는 성장 저해 장치(30)들 중 일부만 상기 잉곳(2)의 회전 각도에 따라 작동시키는 성장 저해 단계(S4)를 포함하고, 상기 성장 저해 단계(S4)는, 상기 잉곳(2)이 비원형으로 형성될 수 있도록 상기 잉곳(2)의 회전 각도가 제 1 각도일 때, 상기 잉곳(2)의 둘레 일측방에 고정적으로 배치되는 제 1 전자석 프레임(31)에 전력을 인가 또는 강화하여 자기력선(ML)을 생성 또는 강화시키고, 상기 잉곳(2)의 둘레 타측방에 고정적으로 배치되는 제 2 전자석 프레임(32)의 전력을 차단 또는 약화하여 자기력선(ML)을 소멸 또는 약화시키는 제 1 각도 대응 단계(S41) 및 상기 잉곳(2)의 회전 각도가 제 2 각도일 때, 상기 제 1 전자석 프레임(31)의 전력을 차단 또는 약화하여 자기력선(ML)을 소멸 또는 약화시키고, 상기 제 2 전자석 프레임(32)에 전력을 인가 또는 강화하여 자기력선(ML)을 생성 또는 강화시키고, 제 2 각도 대응 단계(S42)를 포함할 수 있다.
또한, 예컨대, 상기 결정 성장 단계(S2) 이후에, 센서(40)를 이용하여 상기 잉곳(2)의 회전 각도를 측정하는 각도 측정 단계(S3)를 더 포함하고, 상기 성장 저해 단계(S4)는, 상기 센서(40)로부터 회전 각도 신호를 인가받아서 상기 잉곳(2)이 상기 제 1 각도로 판단될 때, 제 1 각도 대응 단계(S41)를 수행하고, 상기 잉곳(2)이 상기 제 2 각도로 판단될 때, 제 2 각도 대응 단계(S42)를 수행할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 실리콘 용탕
2: 잉곳
10: 도가니
20: 결정 성장 장치
30: 성장 저해 장치
31: 제 1 전자석 프레임
32: 제 2 전자석 프레임
40: 센서
50: 제어부
100: 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템

Claims (4)

  1. 실리콘 용탕을 수용하는 도가니;
    상기 실리콘 용탕으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 생성할 수 있도록 시드를 회전시키면서 들어 올리는 결정 성장 장치; 및
    상기 잉곳의 측방에 설치되고, 상기 잉곳의 성장을 부분적으로 방해하는 성장 저해 장치;를 포함하고,
    상기 성장 저해 장치는,
    상기 잉곳이 비원형으로 형성될 수 있도록 상기 잉곳의 둘레 일측방에 고정적으로 배치되고, 상기 잉곳이 제 1 회전 각도일 때, 전력이 인가 또는 강화되어 자기력선이 생성 또는 강화되고, 상기 잉곳이 제 2 회전 각도일 때, 전력이 차단 또는 약화되어 자기력선이 소멸 또는 약화되는 제 1 전자석 프레임; 및
    상기 잉곳의 둘레 타측방에 고정적으로 배치되고, 상기 잉곳이 상기 제 1 회전 각도일 때, 전력이 차단 또는 약화되어 자기력선이 소멸 또는 약화되고, 상기 잉곳이 상기 제 2 회전 각도일 때, 전력이 인가 또는 강화되어 자기력선이 생성 또는 강화되는 제 2 전자석 프레임;
    을 포함하고,
    상기 제 1 전자석 프레임 및 상기 제 2 전자석 프레임은 상기 잉곳의 회전 각도에 따라 순차적으로 전력이 인가 또는 강화되거나, 순차적으로 전력이 차단 또는 약화되는, 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 잉곳의 회전 각도를 측정하는 센서; 및
    상기 센서로부터 회전 각도 신호를 인가받아서 상기 잉곳이 상기 제 1 각도로 판단될 때, 상기 제 1 전자석 프레임에 전력 강화 제어 신호를 인가하고, 상기 제 2 전자석 프레임에 전력 약화 제어 신호를 인가하는 제어부;
    를 포함하는, 비원형 실리콘 잉곳 제조 시스템.
  3. 도가니에 실리콘 용탕을 준비하는 용탕 준비 단계;
    시드를 회전 및 들어 올리면서 상기 실리콘 용탕으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 생성하는 결정 성장 단계; 및
    상기 잉곳이 비원형을 이루도록 상기 잉곳의 성장을 부분적으로 방해하는 성장 저해 장치들 중 일부만 상기 잉곳의 회전 각도에 따라 작동시키는 성장 저해 단계;를 포함하고,
    상기 성장 저해 단계는,
    상기 잉곳이 비원형으로 형성될 수 있도록 상기 잉곳의 회전 각도가 제 1 각도일 때, 상기 잉곳의 둘레 일측방에 고정적으로 배치되는 제 1 전자석 프레임에 전력을 인가 또는 강화하여 자기력선을 생성 또는 강화시키고, 상기 잉곳의 둘레 타측방에 고정적으로 배치되는 제 2 전자석 프레임의 전력을 차단 또는 약화하여 자기력선을 소멸 또는 약화시키는 제 1 각도 대응 단계; 및
    상기 잉곳의 회전 각도가 제 2 각도일 때, 상기 제 1 전자석 프레임의 전력을 차단 또는 약화하여 자기력선을 소멸 또는 약화시키고, 상기 제 2 전자석 프레임에 전력을 인가 또는 강화하여 자기력선을 생성 또는 강화시키고, 제 2 각도 대응 단계;
    를 포함하고,
    상기 제 1 각도 대응 단계 및 상기 제 2 각도 대응 단계는 상기 잉곳의 회전 각도에 따라 순차적으로 전력이 인가 또는 강화되고 순차적으로 전력이 소멸 또는 약화 되는, 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 결정 성장 단계 이후에,
    센서를 이용하여 상기 잉곳의 회전 각도를 측정하는 각도 측정 단계;를 더 포함하고,
    상기 성장 저해 단계는,
    상기 센서로부터 회전 각도 신호를 인가받아서 상기 잉곳이 상기 제 1 각도로 판단될 때, 제 1 각도 대응 단계를 수행하고, 상기 잉곳이 상기 제 2 각도로 판단될 때, 제 2 각도 대응 단계를 수행하는, 비원형 실리콘 잉곳 제조 방법.
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