KR20150107241A - 잉곳 제조 방법 및 잉곳 제조 장치 - Google Patents

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권현구
윤여균
손민수
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(주)기술과가치
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Abstract

잉곳 제조 방법 및 잉곳 제조 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 방법은 상기 도가니에 채워진 상기 실리콘 용융액의 높이가 제1 레벨로 제1 기간동안 유지된 상태에서 상기 제1 잉곳의 적어도 일부를 성장시키는 단계; 및 상기 제1 기간 이후 상기 실리콘 용융액의 높이를 제2 기간 동안 상기 제1 레벨에서 상기 제1 레벨과 다른 제2 레벨로 변경시키는 단계; 를 포함한다.

Description

잉곳 제조 방법 및 잉곳 제조 장치{METHOD FOR MANUFACTURING INGOT AND APPARATUS FOR THE SAME}
본 발명은 잉곳 제조 방법 및 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.
잉곳은 반도체 칩이나 태양전지를 제조하는데 있어서 중요하다. 잉곳은 도가니에 실리콘을 용융시킨 후 응고시키는 과정에서 제조된다.
잉곳은 쵸크랄스키법으로 제조되며, 쵸크랄스키법은 실리콘 용융액에 침투된 봉 또는 종자결정을 천천히 인양하면서 봉이나 종자결정 주변에 부착된 실리콘이 고화되면서 잉곳을 제조한다.
최근에는 실리콘을 연속적으로 투입함으로써 다수의 잉곳을 제조할 수 있는 continuous Czochralski 방식 잉곳 제조 장치에 대한 연구가 진행되고 있다.
등록특허 10-1111681 (등록일 : 2012년01월26일)
본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 방법 및 잉곳 제조 장치는 실리콘 용융액에 의한 도가니의 식각 위치를 분산시키기 위한 것이다.
본 출원의 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 상기 도가니에 채워진 상기 실리콘 용융액의 높이가 제1 레벨로 제1 기간동안 유지된 상태에서 상기 제1 잉곳의 적어도 일부를 성장시키는 단계; 및 상기 제1 기간 이후 상기 실리콘 용융액의 높이를 제2 기간 동안 상기 제1 레벨에서 상기 제1 레벨과 다른 제2 레벨로 변경시키는 단계; 를 포함하는 잉곳 제조 방법이 제공된다.
상기 제2 기간 동안 상기 제1 잉곳의 성장이 지속적으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 잉곳의 성장이 완료된 후 상기 제2 레벨과 같거나 큰 제3 레벨의 상기 실리콘 용융액으로부터 제2 잉곳의 성장이 시작될 수 있다.
상기 제1 기간 동안 상기 제1 잉곳의 성장이 완료된 후 상기 제1 레벨보다 큰 상기 제2 레벨로 높이가 제2 기간 동안 변한 상기 실리콘 용융액으로부터 제2 잉곳의 성장이 시작될 수 있다.
상기 제1 기간 동안 상기 제1 잉곳의 성장이 완료된 후, 제2 잉곳이 성장하는 과정에서 상기 실리콘 용융액의 높이가 상기 제2 기간 동안 상기 제1 레벨에서 상기 제2 레벨로 변할 수 있다.
상기 제1 잉곳의 일부가 성장한 후 상기 제2 기간 동안 상기 제1 잉곳의 성장 속도와 상기 도가니에 공급되는 상기 실리콘의 공급 속도가 달라질 수 있다.
상기 제2 기간에서 상기 제2 잉곳의 성장 속도와 상기 도가니에 공급되는 상기 실리콘의 공급 속도가 달라질 수 있다.
상기 제1 기간 동안 복수의 상기 제1 잉곳이 상기 제1 레벨의 상기 실리콘 용융액으로부터 성장하며, 상기 복수의 제1 잉곳 중 마지막 잉곳의 적어도 일부가 성장한 후 상기 실리콘 용융액의 높이가 제2 기간 동안 상기 제1 레벨에서 상기 제2 레벨로 변할 수 있다.
상기 실리콘 용융액의 높이가 상기 제1 레벨로 유지될 때 상기 도가니에 공급되는 상기 실리콘의 공급 속도와 상기 제1 잉곳의 성장 속도는 실질적으로 같을 수 있다.
상기 실리콘 용융액의 높이가 상기 제2 레벨로 유지될 때 상기 도가니에 공급되는 상기 실리콘의 공급 속도와 상기 제2 잉곳의 성장 속도는 실질적으로 같을 수 있다.
상기 제1 잉곳의 성장이 완료된 후 상기 제2 잉곳이 성장하기 전에 상기 도가니에 상기 실리콘이 공급될 수 있다.
상기 제1 레벨의 상기 실리콘 용융액에 의한 상기 도가니의 식각 위치와 상기 제2 레벨의 상기 실리콘 용융액에 의한 상기 도가니의 식각 위치가 서로 다를 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 제1 잉곳이 성장하는 동안 도가니 내부에 간헐적 또는 계속적으로 공급되는 실리콘을 용융시켜 실리콘 용융액을 형성하는 잉곳 제조 방법에 있어서, 상기 실리콘 용융액으로부터 상기 제1 잉곳의 적어도 일부가 성장하는 제1 기간 동안 상기 실리콘 용융액의 높이가 제1 범위에서 변하는 단계; 및 상기 제1 기간 이후 제2 기간 동안 상기 실리콘 용융액의 높이가 상기 제1 범위와 다른 제2 범위에서 변하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 실리콘 용융액의 높이가 제2 범위에서 변할 때 상기 제1 잉곳의 성장이 지속적으로 이루어질 수 있다.
상기 제1 잉곳이 상기 제1 범위의 상기 실리콘 용융액으로부터 성장이 완료된 후, 상기 제2 범위에서 변하는 높이를 지닌 상기 실리콘 용융액으로부터 제2 잉곳이 성장할 수 있다.
상기 제1 잉곳의 성장이 완료된 후 상기 제2 잉곳이 성장하기 전에 상기 도가니에 상기 실리콘을 공급할 수 있다.
상기 제1 기간 동안 복수의 상기 제1 잉곳이 상기 실리콘 용융액으로부터 성장하며, 상기 복수의 제1 잉곳 중 마지막 잉곳의 적어도 일부가 성장한 후 상기 제2 기간 동안 상기 실리콘 용융액의 높이가 상기 제2 범위에서 변할 수 있다.
상기 제1 범위에서 변하는 상기 실리콘 용융액에 의한 상기 도가니의 식각 범위와 상기 제2 범위에서 변하는 상기 실리콘 용융액에 의한 상기 도가니의 식각 범위가 서로 다를 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따른 잉곳 제조 장치는 실리콘의 용융에 의하여 실리콘 용융액이 형성되는 멜팅 존과 상기 실리콘 용융액으로부터 잉곳이 성장하는 성장 존을 지니는 도가니; 상기 잉곳의 성장 과정에서 상기 실리콘 용융액의 높이가 변하도록 상기 실리콘을 상기 도가니에 투입하는 피딩부; 상기 실리콘 용융액의 형성을 위한 열을 상기 도가니에 가하는 히터; 및 상기 도가니를 지지하며, 상기 실리콘 용융액의 높이 변화에 따라 상기 도가니를 이동시키는 샤프트를 포함한다.
상기 샤프트는 상기 실리콘 용융액의 높이 변화에 따라 상기 히터와 상기 실리콘 용융액 표면의 거리가 일정하게 유지되도록 상기 도가니를 이동시킬 수 있다.
상기 실리콘 용융액의 높이가 감소할 때 상기 샤프트는 상기 도가니를 상승시키고, 상기 실리콘 용융액의 높이가 증가할 때 상기 샤프트는 상기 도가니를 하강시킬 수 있다.
본 발명의 또다른 측면에 따른 잉곳 제조 장치는 상기 도가니로부터 이격되어 상기 실리콘 용융액에 자계를 인가하는 자계 형성부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 방법 및 잉곳 제조 장치는 실리콘 용융액의 높이를 변화시킴으로써 실리콘 용융액에 의한 도가니의 식각 위치를 분산시키기 위한 것이다.
본 출원의 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 효과는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 나타낸다.
도 2는 잉곳 제조 장치를 간략하게 나타낸 것이다.
도 3 내지 도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 방법을 나타낸다.
도 9 내지 도 12는 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 방법을 나타낸다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 동작을 나타낸다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는 잉곳(ingot)(IG)가 성장하는 동안 실리콘을 간헐적 또는 연속적으로 공급할 수 있는 Continuous Czochralski 방식(이하, CCz 방식)의 잉곳 제조 장치일 수 있다.
도가니(110)는 실리콘의 용융에 의하여 실리콘 용융액(MS)이 형성되는 멜팅 존(melting zone)(MZ)과 실리콘 용융액(MS)으로부터 잉곳(IG)이 성장하는 성장 존(growth zone)(GZ)을 지닌다.
이 때 멜팅 존(MZ)은 도가니(110)와 인너 월(inner wall)(120) 사이의 영역일 수 있으며, 성장 존(GZ)은 인너 월(120) 내부의 영역일 수 있다. 인너 월(120)은 도가니(110) 내부에 위치하며, 멜팅 존(MZ)에서 형성된 실리콘 용융액(MS)이 유입될 수 있다. 인너 월(120)에는 유입홀(125)이 형성될 수 있으며, 실리콘 용융액(MS)은 유입홀(125)을 통하여 멜팅 존(MZ)에서 성장 존(GZ)으로 유입될 수 있다.
피딩(feeding)부(130)는 잉곳(IG)의 성장 과정에서 실리콘 용융액(MS)의 높이가 변하도록 실리콘을 도가니(110)에 투입한다. 피딩부(130)는 파이프 또는 튜브 형태일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
서셉터(susceptor)(140)는 도가니(110) 외부를 감쌀 수 있다. 실리콘의 멜팅은 고온에서 이루어지기 때문에 도가니(110)가 물러질 수 있으며, 서셉터(140)는 이러한 도가니(110)의 형상을 유지하는 지지 역할을 할 수 있다.
히터(150)는 실리콘 용융액(MS)의 형성을 위한 열을 도가니(110)에 가한다. 즉, 히터(150)는 피딩부(130)를 통하여 공급된 실리콘을 용융시키기 위해서 도가니(110)를 가열한다. 이와 같은 히터(150)는 서셉터(140) 와 인접하도록 설치될 수 있다. 히터(150)는 실리콘의 용융온도인 약 1420℃까지 실리콘을 가열할 수 있으며, 이에 따라 실리콘은 도가니(110)에서 용융될 수 있다.
히트쉴드(heat-shield)(160)와 인슐레이터(insulator)(170)는 히터(150)에서 발산되는 열을 단열하여 열효율을 향상시키며, 고온의 복사열로부터 챔버(180)의 내벽을 보호할 수 있다.
샤프트(190)는 서셉터와 연결되어 도가니(110)를 지지할 수 있다. 서셉터(140)가 구비되지 않을 경우 샤프트(190)는 도가니(110)에 직접 연결될 수도 있다. 이 때 샤프트(190)는 상하로 이동함으로써 도가니(110)를 움직일 수 있다. 샤프트(190)의 움직임에 대해서는 이후에 상세히 설명하도록 한다.
공급 조절부(200)는 피딩부(130)와 연결되며 실리콘의 공급 속도를 조절할 수 있다. 이 때 공급 조절부(200)는 바이브레이터(vibrator)나 스크류(screw)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 바이브레이터는 떨림의 크기나 진동수를 조절함으로써 실리콘의 공급 속도를 조절할 수 있고, 스크류는 회전 속도를 조절함으로써 실리콘의 공급 속도를 조절할 수 있다.
호퍼(210)는 공급 조절부(200)와 연결되어 실리콘을 저장한다. 밸브(220)는 실리콘 공급관(230)에 구비되어 실리콘의 공급 및 공급 중지를 수행할 수 있다.
배출부(185)는 잉곳(IG) 성장 과정에서 발생하는 실리콘 옥사이드를 제거하기 위한 스위핑(sweeping) 가스를 배출시킨다. 스위핑(sweeping) 가스는 Ar, He, N2 가스일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 방법을 설명한다.
본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 방법은 도 1의 잉곳 제조 장치를 통하여 구현될 수 있으나, 도 1의 잉곳 제조 장치에 한정되지 않으며 도 1의 구성과 다른 잉곳 제조 장치를 통하여 이루어질 수도 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, CCz 방식의 잉곳 제조 장치는 잉곳(IG)이 성장하는 동안 실리콘을 피딩부(130)를 통하여 멜팅 존(MZ)으로 공급할 수 있다. 이에 따라 실리콘 용융액(MS)의 높이(L), 즉, 도가니(110)의 바닥에서 실리콘 용융액(MS) 표면까지의 최대 거리는 잉곳(IG)이 성장하는 동안 일정하게 유지될 수 있다.
이 때 실리콘 용융액(MS)의 높이(L)는, 실리콘의 공급 속도 dMF/dt와 잉곳(IG)의 성장 속도 dM/dt를 같게 함으로써 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 실리콘 용융액(MS)의 유동에 따라 도가니(110) 내측면에 전단 응력이 가해질 수 있으며, 도가니(110)는 실리콘 용융액(MS)의 전단 응력으로 인하여 식각될 수 있다. 이 전단 응력은 용융액(MS)의 표면에서 크게 가해지므로 식각은 용융액(MS)의 표면과 도가니(110) 내측면의 경계 영역에서 과도하게 발생할 수 있다.
실리콘 용융액(MS)의 높이가 유지된 상태에서 다수 개의 잉곳(IG)이 제조되므로 이러한 식각은 잉곳(IG)의 제조 개수가 많아질수록 심해질 수 있다. 도가니(110)의 식각이 심해지면 도가니(110)에 가해진 충격이나 압력에 따라 도가니(110)가 파손될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 방법은 도가니(110) 내부에서 실리콘이 용융되어 형성된 실리콘 용융액(MS)으로부터 제1 잉곳(IG1)을 성장시킨다.
이 때 제1 잉곳(IG1)의 적어도 일부는, 도가니(110)에 채워진 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)로 제1 기간동안 유지된 상태에서 성장한다. 제1 잉곳(IG1)이 성장하는 제1 기간 동안 실리콘이 멜팅 존(MZ)으로 간헐적 또는 연속적으로 투입될 수 있다.
제1 기간 이후 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제2 기간 동안 제1 레벨(L1)에서 제1 레벨(L1)과 다른 제2 레벨(L2)로 변경된다. 이 때 제2 레벨(L2)은 제1 레벨(L1)과 작거나 클 수 있다.
이와 같이 제1 기간 및 제2 기간에서의 실리콘 용융액(MS)의 높이가 변하므로 도가니(110)의 식각은, 제1 레벨(L1)의 실리콘 용융액(MS)과 도가니(110)의 내측면의 경계 영역과 제2 레벨(L2)의 실리콘 용융액(MS)과 도가니(110)의 내측면의 경계 영역에서 발생할 수 있다.
도 2의 식각의 경우 실리콘 용융액(MS)의 높이가 일정하게 유지되므로 도가니(110)의 특정 위치에 식각이 집중되는 반면에 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 방법은 실리콘 용융액(MS)의 높이를 변화시키므로 식각이 발생하는 위치를 분산시킬 수 있다.
이에 따라 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 방법은 도가니(110)의 특정 위치에 식각이 과도하게 발생하는 것을 방지하므로 도가니(110)의 파손을 막을 수 있다.
실리콘 용융액(MS)의 높이 변화는 제1 잉곳(IG1)이 성장하는 과정 중에 일어나거나 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료된 후에 일어날 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 용융액(MS)의 높이 변화가 제1 잉곳(IG1)이 성장하는 과정 중에 일어나므로 제2 기간 동안 제1 잉곳(IG1)의 성장이 지속적으로 이루어질 수 있다.
이 때, 제1 잉곳(IG1)의 일부가 성장한 후 제2 기간 동안 제1 잉곳(IG1)의 성장 속도와 도가니(110)에 공급되는 실리콘의 공급 속도가 달라질 수 있다. 이에 따라 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)에서 제2 레벨(L2)로 변할 수 있다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 잉곳(IG1)의 성장 속도 dM/dt 가 실리콘의 공급 속도 dMF/dt 보다 크면, 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)에서 제2 레벨(L2)로 낮아질 수 있다.
또한 도 3에는 도시되어 있지 않으나, 제1 잉곳(IG1)의 성장 속도 dM/dt 가 실리콘의 공급 속도 dMF/dt 보다 작으면, 실리콘 용융액(MS)의 높이는 제1 레벨(L1)에서 제2 레벨(L2)로 커질 수 있다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 기간 동안 제1 잉곳(IG1)의 성장이 지속되어 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료되면 제1 잉곳(IG1)은 챔버(180) 외부로 인출되고, 제2 잉곳(IG2)을 제조하기 위한 시드(seed)(S)가 챔버(180) 내부로 인입된다.
이와 같이 제1 잉곳(IG1)의 성장 완료 후 제2 잉곳(IG2)의 성장 시작 전에는 실리콘 용융액(MS)으로부터 성장하는 잉곳이 없으므로 실리콘이 투입되지 않으면 실리콘 용융액(MS)의 높이는 제2 레벨(L2)로 유지될 수 있다.
이와 다르게 제1 잉곳(IG1)의 성장 완료 후 제2 잉곳(IG2)의 성장 시작 전에 실리콘이 도가니(110)에 투입된다면, 실리콘 용융액(MS)의 높이는 제2 레벨(L2)보다 클 수 있다.
따라서 제2 기간 동안 제1 잉곳(IG1)의 성장이 지속되어 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료된 후, 제2 잉곳(IG2)의 성장은, 제2 레벨(L2)과 같거나 큰 제3 레벨(L3)의 실리콘 용융액(MS)으로부터 시작될 수 있다.
이상에서는 제1 기간에 제1 잉곳(IG1)의 일부가 성장하고 제2 기간에 제1 잉곳(IG1)의 성장이 지속되는 것에 대해 설명하였고, 다음으로는 제1 기간에 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료되는 것에 대해 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제1 기간 동안 제1 레벨(L1)의 실리콘 용융액(MS)으로부터 제1 잉곳(IG1)이 성장할 수 있다. 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료된 후 제2 잉곳(IG2)을 위한 시드(S)가 투입되며 제2 잉곳(IG2)의 성장이 시작될 수 있다.
이 때 제1 기간 동안 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료된 후 제1 레벨(L1)보다 큰 제2 레벨(L2)로 높이가 제2 기간 동안 변한 실리콘 용융액(MS)으로부터 제2 잉곳(IG2)의 성장이 시작될 수 있다. 즉, 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료된 후 제2 잉곳(IG2)이 성장하기 전에 도가니(110)에 실리콘이 공급됨으로써 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨에서 제2 레벨로 커질 수 있다.
제2 잉곳(IG2)이 성장하는 과정에서 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제2 레벨로 유지될 때 도가니(110)에 공급되는 실리콘의 공급 속도 dMF/dt와 제2 잉곳(IG2)의 성장 속도는 실질적으로 같을 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이 제1 잉곳(IG1)의 성장 완료 후 시드(S)를 투입하는 과정에서는 잉곳의 성장이 없으므로 실리콘의 투입에 따라 제2 레벨(L2)로 커질 수 있으며, 제2 잉곳(IG2)의 성장은 제2 레벨(L2)의 실리콘 용융액(MS)으로부터 시작될 수 있다. 따라서 도가니(110)의 식각 위치가 분산되므로 도가니(110)의 파손 가능성을 줄일 수 있다.
제2 잉곳(IG2)의 성장 과정에서 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제2 레벨(L2)로 유지될 경우 도가니(110)에 공급되는 실리콘의 공급 속도와 제2 잉곳(IG2)의 성장 속도는 실질적으로 같을 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 기간 동안 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료된 후, 제2 잉곳(IG2)이 성장하는 과정에서 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제2 기간 동안 제1 레벨(L1)에서 제2 레벨(L2)로 변할 수 있다.
예를 들어, 제1 기간 동안 제1 레벨(L1)의 실리콘 용융액(MS)으로부터 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료될 수 있다. 이후 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)로 유지된 상태에서 제1 잉곳(IG1)이 챔버(180) 밖으로 유출되고 제2 잉곳(IG2)의 제조를 위한 시드(S)가 챔버(180) 내부로 유입될 수 있다. 이후 제2 잉곳(IG2)이 성장하는 과정에서 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)에서 제2 레벨(L2)로 제2 기간 동안 변할 수 있다. 이와 같은 과정을 통하여 도가니(110)의 식각 위치가 분산될 수 있다.
이 때 제2 기간에서 제2 잉곳(IG2)의 성장 속도 dM/dt와 도가니(110)에 공급되는 실리콘의 공급 속도 dMF/dt가 달라질 수 있다. 이에 따라 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)에서 제2 레벨(L2)로 변할 수 있다.
한편, 제1 기간 동안 복수의 제1 잉곳(IG1)이 제1 레벨(L1)의 실리콘 용융액(MS)으로부터 성장할 수 있다. 이 때 복수의 제1 잉곳(IG1) 중 마지막 잉곳의 적어도 일부가 성장한 후 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제2 기간 동안 제1 레벨(L1)에서 제2 레벨(L2)로 변할 수 있다.
예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 기간에 2 개의 제1 잉곳(IG1)이 제조될 경우, 2개의 제1 잉곳(IG1) 중 마지막 잉곳의 일부가 성장한 후, 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)에서 제2 레벨(L2)로 변할 수 있다.
도 7과는 다른 예가 있을 수 있다. 즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 2개의 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료되는 동안 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)로 유지되고, 제2 잉곳(IG2)의 시드(S)가 챔버(180) 내에 유입된 상태에서 제2 기간 동안 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)에서 제2 레벨(L2)로 변할 수 있다.
도면에는 도시되어 있지 않으나 복수 개의 제1 잉곳(IG1)이 제1 레벨(L1)의 실리콘 용융액(MS)으로부터 성장된 후 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)로 유지된 상태에서 제2 잉곳(IG2)의 제조를 위한 시드(S)가 챔버(180) 내로 배치될 수 있다. 이후 제2 잉곳(IG2)이 성장하는 과정에서 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)에서 제2 레벨(L2)로 제2 기간 동안 변할 수 있다.
이와 같이 도가니(110)의 식각의 위치가 분산됨으로써 도가니(110)의 파손이 방지될 수 있다.
한편, 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)로 유지될 때 도가니(110)에 공급되는 실리콘의 공급 속도와 제1 잉곳(IG1)의 성장 속도는 실질적으로 같을 수 있다.
제1 잉곳(IG1)이 성장하는 동안 실리콘이 피딩부(130)를 통하여 간헐적 또는 연속적으로 공급되는데, 실리콘의 공급 속도와 제1 잉곳(IG1)의 성장 속도가 실질적으로 같음으로써 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 레벨(L1)로 일정하게 유지될 수 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 방법은 제1 레벨의 실리콘 용융액(MS)에 의한 도가니(110)의 식각 위치와 제2 레벨의 실리콘 용융액(MS)에 의한 도가니의 식각 위치가 서로 다름으로써 식각 위치를 분산시킬 수 있다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 방법을 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 방법은 도가니(110) 내부에서 실리콘이 용융되어 형성된 실리콘 용융액(MS)으로부터 제1 잉곳(IG1)을 성장시킨다.
이 때 실리콘 용융액(MS)으로부터 제1 잉곳(IG1)의 적어도 일부가 성장하는 제1 기간 동안 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 범위에서 변한다. 제1 기간 이후 제2 기간 동안 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제1 범위와 다른 제2 범위에서 변한다.
예를 들어, 제1 범위는 제1 기준 레벨-a < 제1 기준 레벨 < 제1 기준 레벨+a이고, 제2 범위는 제2 기준 레벨-b < 제2 기준 레벨 < 제2 기준 레벨+b일 수 있다.
이 때 a, b는 각각 제1 기준 레벨 및 제2 기준 레벨보다 작은 서로 다른 양의 값이고, 제1 기준 레벨 및 제2 기준 레벨은 서로 같거나 다를 수 있다. 제1 기준 레벨과 제2 기준 레벨이 같을 경우 a와 b는 서로 다른 수이다.
이에 따라 실리콘 용융액(MS)에 따른 도가니(110) 식각의 위치가 분산될 수 있다.
실리콘 용융액(MS)의 높이가 제2 범위에서 변할 때 제1 잉곳(IG1)의 성장이 지속적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 잉곳(IG1) 일부는 제1 범위에서 변하는 실리콘 용융액(MS)으로부터 성장하고, 제1 잉곳(IG1)의 나머지 부분은 제2 범위에서 변하는 실리콘 용융액(MS)으로부터 성장할 수 있다.
이에 따라 제1 잉곳(IG1)이 성장하는 동안 실리콘 용융액(MS)의 식각 위치가 도가니(110)의 내측면에 분산될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 잉곳(IG1)이 제1 범위의 실리콘 용융액(MS)으로부터 성장이 완료된 후 챔버(180) 내로 제2 잉곳(IG2)의 성장을 위한 시드(S)가 배치될 수 있다. 이후 제2 잉곳(IG2)이 제2 범위에서 변하는 높이를 지닌 실리콘 용융액(MS)으로부터 성장할 수 있다. 이에 따라 제1 잉곳(IG1)과 제2 잉곳(IG2)이 성장하는 실리콘 용융액(MS)의 높이 범위가 서로 다르므로 실리콘 용융액(MS)의 식각 위치가 도가니(110)의 내측면에 분산될 수 있다.
이 때 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 잉곳(IG1)의 성장이 완료된 후 제2 잉곳(IG2)이 성장하기 전에 도가니(110)에 실리콘이 공급될 수 있다. 이에 따라 실리콘 용융액(MS)의 높이가 커지므로 도가니(110) 식각의 위치가 분산될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 제1 기간 동안 복수의 제1 잉곳(IG1) (예를 들어, 2개의 제1 잉곳(IG1))이 실리콘 용융액(MS)으로부터 성장할 수 있다. 복수의 제1 잉곳(IG1)은 제1 범위에서 변하는 높이는 지닌 실리콘 용융액(MS)으로부터 성장할 수 있다.
이 때 복수의 제1 잉곳(IG1) 중 마지막 잉곳의 적어도 일부가 성장한 후 제2 기간 동안 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제2 범위에서 변할 수 있다.
도 12에서는 2 개의 제1 잉곳(IG1) 중 마지막 잉곳의 일부가 성장한 후 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제2 범위에서 변하나 이와는 다르게 마지막 잉곳이 성장완료된 후 실리콘 용융액(MS)의 높이가 제2 범위에서 변할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 방법은 잉곳이 제조되는 과정에서 실리콘 용융액(MS)의 높이의 범위가 달라지므로 도가니(110)의 식각 범위 역시 달라져 식각 위치가 분산될 수 있다.
즉, 제1 범위에서 변하는 실리콘 용융액(MS)에 의한 도가니(110)의 식각 범위와 제2 범위에서 변하는 실리콘 용융액(MS)에 의한 도가니(110)의 식각 범위가 서로 다를 수 있다.
다음으로 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 동작을 설명한다.
앞서 도 1을 통하여 설명된 바와 같이, 샤프트(190)는 실리콘 용융액(MS)의 높이 변화에 따라 도가니(110)를 이동시킬 수 있다.
도 13에 도시된 바와 같이, 샤프트(190)는 실리콘 용융액(MS)의 높이 변화에 따라 히터(150)와 실리콘 용융액(MS) 표면의 거리(D)가 일정하게 유지되도록 도가니(110)를 이동시킬 수 있다. 이 때 상기 거리(D)는, 실리콘 용융액(MS)의 하부에 배치된 히터(150)에서 실리콘 용융액(MS)의 표면까지의 최단 거리일 수 있다.
이와 같이 히터(150)와 실리콘 용융액(MS) 표면의 거리(D)가 일정하게 유지되므로 실리콘 용융액(MS)의 높이가 변하더라도 실리콘 용융액(MS)이 인가받는 열량 변화가 감소할 수 있다. 따라서 잉곳(IG)의 성장이 안정적인 챔버(180) 환경에서 이루어질 수 있다.
히터(150)와 실리콘 용융액(MS) 표면의 거리(D)가 일정하게 유지되기 위하여 실리콘 용융액(MS)의 높이가 감소할 때 샤프트(190)는 도가니(110)를 상승시키고, 실리콘 용융액(MS)의 높이가 증가할 때 샤프트(190)는 도가니(110)를 하강시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 제조 장치는 도가니(110)로부터 이격되어 실리콘 용융액(MS)에 자계를 인가하는 자계 형성부(240)를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 자계 형성부(240)는 코일과, 코일에 교류 전류를 공급하는 전류 공급부(미도시)를 포함할 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 실리콘이 용융되면 전도성이 증가하므로 자계 형성부(240)가 자계를 실리콘 용융액(MS)에 인가하면 실리콘 용융액(MS)의 대류가 감소할 수 있다.
앞서 설명된 바와 같이, 도가니(110)의 식각은 실리콘 용융액(MS)의 유동에 의하여 발생할 수 있으므로 실리콘 용융액(MS)의 대류가 감소하면 도가니(110)의 식각이 감소할 수 있다.
따라서 자계 형성부(240)가 자계를 실리콘 용융액(MS)에 인가하면 도가니(110)의 식각이 감소할 수 있다.
샤프트(190)의 동작은 유압이나 모터에 의하여 이루어질 수 있으나 이에 한정되지 않으며 다양한 구동부에 의하여 샤프트(190)의 이동이 이루어질 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
잉곳(IG, IG1, IG2) 도가니(110)
실리콘 용융액(MS) 멜팅 존(MZ)
성장 존 (GZ) 인너 월(120)
유입홀(125) 피딩부(130)
서셉터(140) 히터(150)
히트쉴드(160) 인슐레이터(170)
챔버(180) 샤프트(190)
공급 조절부(200) 호퍼(210)
밸브(220) 실리콘 공급관(230)
시드(S) 자계 형성부(240)

Claims (22)

  1. 도가니 내부에서 실리콘이 용융되어 형성된 실리콘 용융액으로부터 제1 잉곳을 성장시키는 잉곳 제조 방법에 있어서,
    상기 도가니에 채워진 상기 실리콘 용융액의 높이가 제1 레벨로 제1 기간동안 유지된 상태에서 상기 제1 잉곳의 적어도 일부를 성장시키는 단계; 및
    상기 제1 기간 이후 상기 실리콘 용융액의 높이를 제2 기간 동안 상기 제1 레벨에서 상기 제1 레벨과 다른 제2 레벨로 변경시키는 단계;
    를 포함하는 잉곳 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기간 동안 상기 제1 잉곳의 성장이 지속적으로 이루어지는 잉곳 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 잉곳의 성장이 완료된 후 상기 제2 레벨과 같거나 큰 제3 레벨의 상기 실리콘 용융액으로부터 제2 잉곳의 성장이 시작되는 잉곳 제조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기간 동안 상기 제1 잉곳의 성장이 완료된 후 상기 제1 레벨보다 큰 상기 제2 레벨로 높이가 제2 기간 동안 변한 상기 실리콘 용융액으로부터 제2 잉곳의 성장이 시작되는 잉곳 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기간 동안 상기 제1 잉곳의 성장이 완료된 후, 제2 잉곳이 성장하는 과정에서 상기 실리콘 용융액의 높이가 상기 제2 기간 동안 상기 제1 레벨에서 상기 제2 레벨로 변하는 잉곳 제조 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 잉곳의 일부가 성장한 후 상기 제2 기간 동안 상기 제1 잉곳의 성장 속도와 상기 도가니에 공급되는 상기 실리콘의 공급 속도가 달라지는 잉곳 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제2 기간에서 상기 제2 잉곳의 성장 속도와 상기 도가니에 공급되는 상기 실리콘의 공급 속도가 달라지는 잉곳 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기간 동안 복수의 상기 제1 잉곳이 상기 제1 레벨의 상기 실리콘 용융액으로부터 성장하며,
    상기 복수의 제1 잉곳 중 마지막 잉곳의 적어도 일부가 성장한 후 상기 실리콘 용융액의 높이가 제2 기간 동안 상기 제1 레벨에서 상기 제2 레벨로 변하는 잉곳 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 용융액의 높이가 상기 제1 레벨로 유지될 때 상기 도가니에 공급되는 상기 실리콘의 공급 속도와 상기 제1 잉곳의 성장 속도는 실질적으로 같은 잉곳 제조 방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 실리콘 용융액의 높이가 상기 제2 레벨로 유지될 때 상기 도가니에 공급되는 상기 실리콘의 공급 속도와 상기 제2 잉곳의 성장 속도는 실질적으로 같은 잉곳 제조 방법.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 제1 잉곳의 성장이 완료된 후 상기 제2 잉곳이 성장하기 전에 상기 도가니에 상기 실리콘을 공급하는 잉곳 제조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레벨의 상기 실리콘 용융액에 의한 상기 도가니의 식각 위치와 상기 제2 레벨의 상기 실리콘 용융액에 의한 상기 도가니의 식각 위치가 서로 다른 잉곳 제조 방법.
  13. 제1 잉곳이 성장하는 동안 도가니 내부에 간헐적 또는 계속적으로 공급되는 실리콘을 용융시켜 실리콘 용융액을 형성하는 잉곳 제조 방법에 있어서,
    상기 실리콘 용융액으로부터 상기 제1 잉곳의 적어도 일부가 성장하는 제1 기간 동안 상기 실리콘 용융액의 높이가 제1 범위에서 변하는 단계; 및
    상기 제1 기간 이후 제2 기간 동안 상기 실리콘 용융액의 높이가 상기 제1 범위와 다른 제2 범위에서 변하는 단계
    를 포함하는 잉곳 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 실리콘 용융액의 높이가 제2 범위에서 변할 때 상기 제1 잉곳의 성장이 지속적으로 이루어지는 잉곳 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 잉곳이 상기 제1 범위의 상기 실리콘 용융액으로부터 성장이 완료된 후, 상기 제2 범위에서 변하는 높이를 지닌 상기 실리콘 용융액으로부터 제2 잉곳이 성장하는 잉곳 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 잉곳의 성장이 완료된 후 상기 제2 잉곳이 성장하기 전에 상기 도가니에 상기 실리콘을 공급하는 잉곳 제조 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 제1 기간 동안 복수의 상기 제1 잉곳이 상기 실리콘 용융액으로부터 성장하며,
    상기 복수의 제1 잉곳 중 마지막 잉곳의 적어도 일부가 성장한 후 상기 제2 기간 동안 상기 실리콘 용융액의 높이가 상기 제2 범위에서 변하는 잉곳 제조 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 제1 범위에서 변하는 상기 실리콘 용융액에 의한 상기 도가니의 식각 범위와 상기 제2 범위에서 변하는 상기 실리콘 용융액에 의한 상기 도가니의 식각 범위가 서로 다른 잉곳 제조 방법.
  19. 실리콘의 용융에 의하여 실리콘 용융액이 형성되는 멜팅 존과 상기 실리콘 용융액으로부터 잉곳이 성장하는 성장 존을 지니는 도가니;
    상기 잉곳의 성장 과정에서 상기 실리콘 용융액의 높이가 변하도록 상기 실리콘을 상기 도가니에 투입하는 피딩부;
    상기 실리콘 용융액의 형성을 위한 열을 상기 도가니에 가하는 히터; 및
    상기 도가니를 지지하며, 상기 실리콘 용융액의 높이 변화에 따라 상기 도가니를 이동시키는 샤프트
    를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 샤프트는 상기 실리콘 용융액의 높이 변화에 따라 상기 히터와 상기 실리콘 용융액 표면의 거리가 일정하게 유지되도록 상기 도가니를 이동시키는 잉곳 제조 장치.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 실리콘 용융액의 높이가 감소할 때 상기 샤프트는 상기 도가니를 상승시키고,
    상기 실리콘 용융액의 높이가 증가할 때 상기 샤프트는 상기 도가니를 하강시키는 잉곳 제조 장치.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 도가니로부터 이격되어 상기 실리콘 용융액에 자계를 인가하는 자계 형성부를 더 포함하는 잉곳 제조 장치.
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