KR20210047500A - 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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Abstract

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.

Description

원료 공급 유닛, 이를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 및 원료 공급 방법{UNIT FOR SUPPLYING RAW MATERIAL, APPARATUS FOR GROWING SILICON SINGLE CRYTAL INGOT INCLUDING THE SAME ANDMETHOD FOR SUPPLYING RAW MATERIAL}
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 공급하는 공정을 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, 다결정 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, 원료 공급 유닛(10)의 하부의 밸브(40)가 열리고 많은 양의 원료 공급 유닛(10) 내부의 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 원료 공급 유닛(10)의 하부의 밸브(40)를 닫는 방법을 고려할 수 있으나, 원료 공급 유닛(10)의 하면과 밸브(40)의 사이에서 원료(S)가 충돌하여, 원료 공급 유닛(10)과 밸브(40)의 깨짐이 발생할 수 있다.
따라서, 비교적 내부의 부피가 작은 원료 공급 유닛(10)을 사용하여, 도가니(20)에 원료(S)를 모두 공급한 후 다시 원료 공급 유닛(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 회전하여 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 유닛의 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 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 밸브의 사시도이고,
도 6b는 도 6a의 제1 내지 제4 밸브가 배치된 원료 공급 유닛의 몸체의 횡방향의 단면도이고,
도 7은 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 상승시키는 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.
도가니(200) 내부에 원료 물질을 공급하기 위하여 시드 척(미도시)에는 원료 공급 유닛(100)의 후술하는 로드의 일단이 연결될 수 있고, 원료 공급 유닛(100)은 풀 챔버(630)의 내부에 구비될 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 위해서는 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 상면는 덮개(150)로 닫힐 수 있고, 개방된 하면은 밸브(180)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)은 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)는 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 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)는 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(180a, 180b, 180c)가 배치되고, 제1,2,3 밸브(180a, 180b, 180c)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 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)는 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(162)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 7는 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 부채꼴 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 오 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 실리콘이 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 회전하여 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 밸브아 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 공급는, 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 유닛에 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.
100 : 원료 공급유닛 110 : 몸체
120: 시드 척 130: 스토퍼
140: 제1 로드 150: 덮개
160: 격벽 170a, 170b: 제1,2 회전 드럼
175a, 175b: 제1,2 고정단 180a~180d: 제1 ~ 제4 밸브
190: 걸림턱 200 : 도가니
300: 가열부 600: 챔버

Claims (17)

  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 인접하는 원료 공급 유닛.
  5. 제4 항에 있어서,
    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.
  6. 제4 항에 있어서,
    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.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 각각의 밸브의 바닥면과 상면은 각각 부채꼴 형상이고, 상기 부채꼴 형상의 꼭지점은, 상기 몸체의 횡방향의 중심에 인접하는 원료 공급 유닛.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 밸브들은, 상기 몸체의 횡방향의 중심에 대하여 대칭으로 배치되는 원료 공급 유닛.
  9. 제8 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.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 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 승강시키는 원료 공급 유닛.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 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 승강시키는 원료 공급 유닛.
  12. 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 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항의 원료 공급 유닛을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  13. 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 회전하여 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.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 영역과 제2 영역은, 상기 원료 공급 유닛의 하면의 중심에 대하여 대칭으로 구비되는 원료 공급 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 원료 공급 유닛의 하면의 제2 영역에서 폴리 실리콘을 상기 도가니로 공급하는 단계에서, 상기 도가니를 하강시키는 원료 공급 방법.
  16. 제13 항 내지 제15 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.
  17. 제13 항 내지 제15 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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