KR100305547B1 - 자계인가형쵸크랄스키크리스탈성장(mcz)시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템은, 용융된 반도체 물질을 담기 위한 적어도 하나의 성장로와, 미리 정해진 방향으로 상기 용융된 반도체 물질로부터 크리스탈을 끌어내기 위한 당김 수단과, 상기 용융된 반도체 물질에 가해지는 자계를 발생하기 위한 자계 발생기를 포함한다. 자계 발생기는, 복수의 자석 유닛과 성장로가 상기 자석 유닛들 사이에 위치하도록 상기 자석 유닛들을 서로 결합하는 커플링 메카니즘을 포함한다.

Description

자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장(ＭＣＺ)시스템

본 발명은, 반도체 웨이퍼 등의 제조에 사용되는 크리스탈 잉곳(ingot)을 제조하는 시스템의 하나인 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템에 관한으로, 특히, 용융된 반도체 물체에 자계가 가해지는 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템에 관한 것이다.

자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템(이하, MCZ 시스템이라 한다)은 크리스탈 성장 시스템의 일종이다. 이 MCZ 시스템에서, 자계가 용융된 반도체 물질에 인가됨으로써, 용융된 반도체 물질에서 열전달을 조절한다. 그러므로, MCZ 시스템은 큰 직경을 갖는 고품질의 크리스탈 잉곳을 제조할 수 있다.

도 1은 종래의 MCZ 시스템을 나타낸다. 이 MCZ 시스템은 자계 자계 발생기(60)와 성장로(80)를 포함하고 있다. 반도체 물질은 성장로(80)에서 용융되며, 크리스탈은 용융된 반도체 물질로부터 위쪽으로 끌어 올려질 것이다. 자계 자계 발생기(60)는 자계를 발생한다. 자계는 성장로(80) 내의 용융된 반도체 물질에 가해진다.

성장로(80)는 성장로 본체(1), 도가니(2), 히터(3), 도가니 지지 메카니즘(50) 및 리프터(lifter)(51)를 포함하고 있다. 도가니(2)는 성장로 본체(1)에 설비되어, 반도체 물질을 담고 있다. 히터(3)는 도가니(2) 안의 물질(6)을 가열하여 용융한다. 메카니즘(50)은 도가니를 지지한다. 리프터(51)는 도가니(2) 안의 용융된 물질(6)로부터 크리스탈을 끌어올리도록 설계되어 있다. 메카니즘(50)과 리프터(51)는 상호 상대적으로 회전하여, 크리스탈과 도가니(2)를 상호 상대적으로 회전시킨다. 자계 자계 발생기(60)는 서포트(support)(61) 위에 지지되고, 성장로 본체(1)를 둘러싼다. 자계 발생기(60)는 초전도 코일(3)이 내장된 저온유지장치(cryostat)(5)를 포함하고 있다.

도 1에 나타낸 MCZ 시스템에서 크리스탈 잉곳이 어떻게 만들어지는지를 설명한다.

먼저, 반도체 물질(6)이 도가니(2)에 도입된다. 히터(3)는 이 물질(6)을 가열하여 녹인다. 시드 크리스탈(seed cystal)이 도가니(2)안의 용융된 물질(6)에 투입된다. 리프터(51)는 지정된 속도로 시드 크리스탈을 점차 끌어 올린다. 그리하여 시드 크리스탈이 끌어올려짐에 따라, 크리스탈이 물질의 고상-액상 경계에서 점차 성장한다. 그 결과로서, 큰 크리스탈(9)이 얻어진다.

히터(3)가 상기 물질(6)에 열을 가하고 있는 동안, 용융된 물질(6)에서 열전달이 일어난다. 그럼에도 불구하고, 저온유지장치(5)에 설치된 초전도 코일(4)이 자속를 생성하여 용융된 물질(6)에 가하므로, 상기 물질(6)은 도가니에서 이동하지 않는다. 따라서, 크리스탈(9)은 리프터(51)에 의해 도가니(2)의 축선(10)을 따라 도가니(2)로부터 끌어올려지므로 쉽게 성장한다.

자계 자계 발생기(60)(예를 들어, 초전도 자석)는 도 2에 나타낸 형태(60-1) 또는 도 3에 나타낸 형태(60-2)일 수 있다.

도 2에 나타낸 자계 발생기(초전도 자석)(60-1)는 U-형상 저온유지장치(5a)를 갖고 있다. 두 개의 초전도 코일(4a, 4b)이 서로 대향하여 저온유지장치내에 설치되어 있다. 자계 발생기(60-1)는 전류 도선(11), 소형 헬륨 냉동기(12), 가스 배출 파이프(13) 및 서비스 포트(service port)(도시하지 않음)를 갖고 있다. 전류 도선(11)은 전류를 양 초전도 코일(4a, 4b)에 공급한다. 헬륨 냉동기(12)는 저온유지장치(5a)에 설비된 방열 실드(radiation shield)를 냉각한다. 가스 배출 파이프(13)는 저온유지장치(5a)로부터 헬륨 가슬를 배출한다. 서비스 포트는 냉동기(12)내에 헬륨 가스를 보충하기 위해 설비되어 있다.

도 3에 나타낸 자계 발생기(초전도 자석)(60-2)는 중공 실린더형 저온유지장치(5b)를 갖고 있다. 두 개의 초전도 코일(4a, 4b)이, 도 2에 예시한 발생기(60-1)와 같이 저온유지장치에 설치되어 있다. 자계 발생기(60-1)와 같이, 자계 발생기(60-2)도 전류 도선(11), 소형 헬륨 냉동기(12), 가스 배출 파이프(13) 및 서비스 포트(도시하지 않음)를 갖고 있다.

두 자계 발생기(60-1, 60-2)는 수평 방향으로 자계를 발생하여 가한다. 즉, 이들은 자계를 도가니(2)의 축선(10)에 대해 직각으로 가한다.

자계 자계 발생기(60), 즉 발생기 60-1(도 2) 또는 발생기 60-2(도 3)를 도 4를 참조하여 더 상세하게 설명한다.

도 4는 초전도 코일(4a, 4b)을 포함하는 저온유지장치를 나타내는, 자계 자계 발생기(60)의 개략적 단면도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 초전도 코일(4a, 4b)은 직렬로 연결되어 있다. 코일(4a)의 자유단과 코일(4b)의 자유단은 전류 도선(11)에 접속되어 있다. 도선(11)을 통하여 동일한 전류가 공급될 때, 코일들(4a,4b)은 동일한 크기를 갖고 동일한 방향으로 확장되는 자계를 생성한다. 영구전류 스위치(Persistent Current Switch, PCS)(20)는 초전도 코일들(4a, 4b)에 병렬 접속, 즉, 전류 도선911)에 병렬로 접속되어 있다. 스위치가(20)가 단락된 후일지라도, 도선을 통한 전류의 공급은 중단되지만, 전류는 양 초전도 코일들(4a, 4b)을 통하여 지속적으로 흐른다. 따라서, 이 코일들(4a, 4b)은 자계의 생성을 계속한다.

초전도 코일들(4a, 4b)과 영구전류 스위치(20)는, 냉매 용기(16)에 담겨 있는 냉매에 담겨져 있다. 이 냉매 용기(16)는 제1 방열 실드(17)내에 실드되어 있다. 방열 실드들(17, 18)은 다른 온도로 유지된다. 두 방열 실드(17, 18)는 진공 용기(19)에 위치하고, 그들의 내부는 열적으로 절연되어 있다. 헬륨 냉동기912)는 이 방열 실드들(17, 18)을 냉각하여, 냉매 용기(16)로 방사되는 방사열을 줄인다.

초전도 코일들(4a, 4b)은 헬름홀츠(Helmholtz) 코일이고, 도 2와 도 3에 나타낸 바와 같이, 자속(7)을 발생한다. 자속(7)은 수평 방향으로 확장되고 도가니(도 1의 2)의 축선(10)에 대해 대칭인 자계를 형성한다.

도 5를 참조하여 다른 종래의 MCZ 시스템을 기술한다. 도 5에서, 도 1 및 도 2에 나타낸 MCZ 시스템과 유사하거나 동일한 일부 구성요소들은 동일한 참조부호를 부여하고, 상세하게 설명하지 않는다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 자계 발생기(60-1)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 MCZ 시스템과 같이, 두 개의 초전도 코일들(4c, 4d)을 포함하는 저온유지장치(5)를 갖고 있다. 코일들(4c, 4d)은,크리스탈이 끌어 올려지는 방향(8)으로 연장된 공통 축선에 대해 동심(同心)상으로 배열되어 있다. 또한, 코일들(4c, 4d)은 자기 플럭스(7)를 상기 방향(8)으로 확장한다. 초전도 코일들(4c, 4d)은 커스프(cusp) 자계를 반대 방향으로 확장하여 발생하는 커스프 코일이다. 두 커스프 코일들을 갖고, 자계 발생기(60-1)는 커스프 자석으로서 기능한다.

코일들(4c, 4d)은 동일한 방향으로 확장하여 자계를 발생하는 헬름홀츠 코일들로 대체될 수 있다. 그렇다면, 자계 발생기(60-1)는 헬름홀츠 자석으로 기능할 것이다. 커스프 코일들이 수직 자계를 발생하는 자계 발생기로 사용됨에 반하여, 일반적으로, 헬름홀츠 코일들은 수평 자계를 발생하는 자계 발생기로 사용된다.

상술한 두가지 형태의 자계 발생기는 다음과 같은 관점에서 불리하다.

1. 성장로 본체(1)의 크기는 끌어 올려지는 크리스탈의 크기에 좌우된다. 진공 용기(19)가 자계 자계 발생기(60)의 여타 구성요소를 수용하므로, 상기 본체(1)가 설비되는 내경 공간(15)(도 2)을 거의 변경할 수 없다. 즉, 크거나 작은 성장로 본체(1)가 사용될 때, 새로운 자계 발생기를 수용할 수 있기에 적당한 크기의 내경 공간을 갖는 새로운 자계 발생기가 만들어져야 한다.

2. 헬름홀츠 자석인 자계 자계 발생기(60)를 커스프 자석으로 바꾸기 위해서는, 직렬로 접속된 코일들(4a,4b)은 단락되어, 다른 형태로 접속되어야 한다. 부가의 코일 또는 부가의 초전도 코일 중의 하나가 코일들(4a, 4b)에 접속되어야 한다. 이 두 경우에, 헬름홀츠 자석을 커스프 자석으로 바꾸기는 어렵다. 커스프 자석인 도 5에 나타낸 자계 발생기(60-1)를 헬름홀츠 자석으로 바꾸는 것도 마찬가지로 어렵다.

3. 도 1에 나타낸 자계 발생기에서, 코일 4a 또는 4b 또는 양자를 통과하는 전류 흐름을 변경하여 자계의 중심을 조정하는 것이 불가능하다. 따라서, 자계가 도가니(2)의 축선(10)에 대해 대칭이기 위해서는 수평 자계를 발생하는 자계 발생기가 리프터(51)에 대해 높은 정확도록 위치하여야 한다.

도 5의 자계 발생기에서, 리프터(51)가 크리스탈(9)을 끌어 올리고 있는 동안 용융된 물질(6)의 표면이 낮아지므로 자계의 중심을 아래로 움직이는 것이 불가능하다. 용융된 물질의 표면 근처의 자계가 균질의 크리스탈 잉곳을 제조하는 역할을 만족하지 못한다.

4, 수평 자계를 발생하기 위해 설계된 생성기를 수직 자계를 생성하는 것으로 변경할 수 없다. 중공 실린더형의 저온유지장치(5b)를 갖는 생성기(60-2)(도 3)는, 수직 자계를 생성하는데에도 사용될 수 있도록 하기 위하여, 예를 들어 코일들(4a, 4b)뿐만 아니라 수직의 자계를 발생하는 두 개의 코일을 더 필요로 하므로, 생성기(60-2)는 더 커지고 더 비싸게 된다.

5. 도 2에 나타낸 두 개의 U-형의 저온유지장치(5)를 나란히 배열할 수 있고, 두 성장로 본체(1)를, 도 6에 나타낸 바와 같이 간격(22)에 위치시킬 수 있다. 이러한 경우, 저온유지장치들(5) 사이의 거리가 0으로 줄어들면, 저온유지장치(5)가 점유하는 공간을 더 이상 줄일 수 없다.

본 발명의 목적은, 내경의 크기를 쉽게 조절할 수 있고, 헬름홀츠 자석과 커스프 자석으로 기능할 수 있으며, 수평 자계와 수직 자계를 발생할 수 있고, 각 종류의 자계의 중심을 이동시킬 수 있으며, 작은 공간에 장착할 수 있는 MCZ 시스템을 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 MCZ 시스템의 수직 단면도.

도 2는 도 1의 MCZ 시스템에 설비될 수 있는 자계 발생기의 사시도.

도 3은 도 1의 MCZ 시스템에 설비될 수 있는 자계 발생기의 다른 종류의 사시도.

도 4는 도 2 및 도 3에 예시된 자계 발생기의 하나를 나타낸 개략적 단면도.

도 5는 종래의 MCZ 시스템의 다른 종류의 수직 단면도.

도 6은 종래의 MCZ 시스템에 설비된 자계 발생기의 단점을 설명하는 도면.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 의한 MCZ 시스템의 단면도.

도 8은 도 7에 예시된 MCZ 시스템에 설비된 자계 발생기의 사시도.

도 9는 도 7에 나타낸 MCZ 시스템에 사용될 수 있는 커플링 메카니즘의 한 종류를 나타낸 도면.

도 10은 도 7의 MCZ 시스템에 사용될 수 있는 커플링 메카니즘의 다른 종류를 나타낸 도면.

도 11은 본 발명의 제2 실시예에 의한 MCZ 시스템의 단면도.

도 12는 도 11의 MCZ 시스템에 설비된 자계 발생기의 사시도.

도 13은 본 발명의 제3 실시예에 의한 MCZ 시스템에 설비된 동일한 두 자석 유닛중 하나의 단면도.

도 14는 본 발명의 제4 실시예에 의한 MCZ 시스템에 설비된 자석 유닛의 사시도.

본 발명에 의하면, 용융된 반도체 물질을 담기 위한 N개(N은 2이상의 수) 성장로와, 상기 용융된 반도체 물질로부터 소정의 방향으로 크리스탈을 끌어내기 위한 인상수단과, 상기 용융된 반도체 물질에 인가되는 자계를 발생하기 위한 자계 발생기를 발생하고, N+1개의 자석 유닛과, 상기 N개의 성장로가 상기 자석 유닛들 사이에 위치하도록 상기 N+1개의 자석이 서로 공간을 두고 결합하는 결합 메카니즘을 포함하는 자계 발생기를 구비하고, 상기 자석 유닛의 각각은 상기 소정방향에 수직으로 연장되는 동일 방향으로 자계를 발생시켜 헬름홀츠 자계를 생성하고, 상기 자계의 중심을 조절하도록 다른 값의 전류를 인가하는 전류 공급수단을 가지며, 상기 N+1개의 자석 유닛의 각각은 진공용기와 상기 진공용기에 설치된 초전도 코일을 가지는 초전도 자석 유닛인 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 서장 시스템이 제공된다.

또한, 본 발명에 의하면, 용융된 반도체 물질을 담기위한 적어도 하나의 N개(N은 2이상의 수)성장로와, 상기 용융된 반도체 물질로부터 소정의 방향으로 크리스탈을 끌어올리기 위한 인상수단과, 상기 용융된 반도체 물질에 인가되는 자계를 발생하고 N+1개의 자석유닛과, 상기 N 성장로가 상기 자석 유닛 사이에 위치하도록 상기 N+1개의 각 자석이 공간을 두고 결합되는 결합 메카니즘을 포함하는 자계 발생기를 구비하고, 상기 자석 유닛의 각각은 상기 소정방향에 반대방향으로 연장하는 자계를 발생하여 커브스 자계를 형성하고, 상기 용융된 물질의 표면이 낮아짐에 따라 자계의 중심이 아래로 이동하도록 다른 값의 전류를 공급하는 전류 공급수단을 표혐하고, 상기 N+1개의 자석 유닛의 각각은 진공용기와 상기 진공요기에 설치된 초전도 코일을 가지는 초전도 자석 유닛인 것을 특징으로 하는 자계인 가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템이 제공된다.

또한, 본 발명에 의하면, 용융된 반도체 물질을 담기위한 N개(N은 2이상의 수)의 성장로와, 상기 용융된 반도체 물질로부터 소정 방향으로 크리스탈을 끌어올리기 위한 인상수단과, 상기 용융된 반도체 물질에 인가되는 자계를 발생하기 위한 자계 발생기를 포함하고, 상기 자계 발생기는 N+1개의 자석 유닛고, 상기 N개의 성장로가 상기 자석유닛 사이에 위치하도록 상기 N+1개의 자석 유닛의 각각을 서로 결합하는 커플링 메카니즘을 구비하며, 사이 N+1개의 자석 유닛의 각각은 진공 용기와, 상기 진공 용기내에 설치되는 초전도 코일을 구비하는 초전도 자석 유닛인 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템이 제공된다.

어느 인접 자석 유닛들간의 내경 공간은, 단지 커플링 메카니즘을 다른 길이를 가진 것과 대체하거나, 커플링 메카니즘의 길이를 조정함으로써 변경할 수 있다. 따라서, 다른 크기의 성장로에 맞추기 위해 다른 크기의 내경 공간을 갖는 많은 자계 발생기가 만들어질 필요가 없다.

또한, 자계의 중심과 분포가 쉽게 변경될 수 있기 때문에, 자석 유닛을 성장로에 대해 정확하게 위치시킬 필요가 없다.

더욱이, 용융된 물질에 가해지는 자계의 강도가 용융된 반도체 물질의 표면 레벨의 변화에 따라서 조정될 수 있으므로, 이 시스템은 고품질의 크리스탈 잉곳을 만들 수 있다.

본 발명의 기타 목적과 장점은 아래의 설명에서 밝혀질 것이고, 부분적으로 설명으로부터 명백하게 되거나, 본 발명의 실시예를 통해 알 수 있을 것이다. 본 발명의 목적과 장점은, 첨부한 특허청구범위에서 특별히 지적된 수단과 조합에 의해 실현되고 얻어질 수 있을 것이다.

명세서의 일부를 이루는 첨부 도면은, 상기한 본 발명의 일반적 설명 및 하기하는 제안된 실시예의 상세한 설명과 함께 본 발명의 제안된 실시예를 예시하고 있고, 본 발명의 원리를 설명하기 위해 제공되었다.

[실시예]

본 발명의 제1 실시예에 의한 MCZ 시스템을, 도 7 및 도 8을 참조하여 아래에 기술한다.

도 7에 나타낸 바와 같이, MAD 시스템은 성장로(80)와 두 개의 자석 유닛(70A, 70B)을 포함한다. 반도체 물질(6)은 성장로(80)에서 용융되며, 크리스탈은 이 용융된 반도체 물질로부터 끌어 올려질 수 있다. 자석 유닛(70A, 70B)은, 성장로(80)내의 용융된 물질(6)에 가해지는 자계를 생성하는 자계 발생기로 사용된다.

성장로(80)는 통상적인 MCZ 시스템에서 사용되는 것과 동일하다. 이는, 성장로 본체(1), 상기 본체(1)에 설비되는 도가니(2), 도가니(2)내의 물질을 가열하기 위한 히터(3), 도가니(2)를 지지하는 도가니 지지 메카니즘(50) 및 용융된 물질(6)로부터 크리스탈을 끌어올리기 위한 리프트(51)를 포함한다. 메카니즘(50)과 리프터(51)는 서로 상대적으로 회전하여, 크리스탈과 도가니(2)는 서로 상대적으로 회전한다. 자석 유닛(70A, 70B)은 서포트(support)(61) 에 장착되어 있다.

MCZ 시스템은 자석 유닛(70A, 70B)에 의해 특징지워 진다. 이 유닛(70A, 70B)은 커플링 메카니즘에 의해 서로 결합되어 있다. 성장로(80)는 제1 자석 유닛(70A)과 제2 자석 유닛(70B) 사이에 위치하고 있다.

도 7에 나타낸 MCZ 시스템에서 어떻게 크리스탈 잉곳이 만들어지는지 설명한다.

먼저, 반도체 물질(6)이 도가니(2)로 도입된다. 히터(3)는 상기 물질(6)을 가열하여 용융한다. 시드 크리스탈이 도가니(2)내의 용융된 물질(6)에 넣어진다. 리프터(51)는 규정된 속도로 점차로 시드 크리스탈을 끌어올린다. 따라서, 시드 크리스탈이 끌어 올려짐에 따라, 크리스탈이 물질의 고상-액상 경계에서 점차 성장한다. 그 결과로, 큰 크리스탈(9)이 얻어진다.

히터(3)가 상기 물질(6)에 열을 가하고 있는 동안, 용융된 물질(6)에서 열전달이 일어난다. 그럼에도 불구하고, 자석 유닛들(70A, 70B)이 자속을 생성하여 용융된 물질(6)에 가하므로, 상기 물질(6)은 도가니에서 이동하지 않는다. 따라서, 크리스탈(9)은 리프터(51)에 의해 도가니(2)의 축선(10)을 따라 도가니(2)로부터 끌어올려지므로 쉽게 성장한다.

자석 유닛들(70A, 70B)을 상세하게 설명한다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 자석 유닛(70A)은 저온유지장치(25a)를 구비하고, 제2 자석 유닛(70B)은 저온유지장치(25b)를 구비하고 있다. 저온유지장치들(25a, 25b)은 구조적으로 동일하다. 초전도 코일들(26a, 26b)은 각각 저온유지장치(25a, 25b)에 설치된다. 커플링 메카니즘(90)이 저온유지장치들(25a, 25b)을 연결하므로, 저온유지장치들(25a, 25b) 사이의 거리가 조정될 수 있다.

커플링 메카니즘(90)은 도 9에 나타낸 종류 또는 도 10에 나타낸 종류이다. 도 9에 나타낸 메카니즘은 고정 길이형이다. 도 10에 나타낸 메카니즘은 가변 길이형이다.

도 9에 나타낸 고정 길이 커플링 메카니즘은 네 개의 지지 로드들(27)을 포함한다. 두 개의 플랜지(91)가, 기계적인 수단 또는 용접과 같은 야금적인 수단에 의해 각각 각 지지 로드(27)의 단부를 연결하고 있다. 제1 플랜지(91)는 제1 저온유지장치(25a)에 볼트들(92)에 의해 고정되어 있다. 이와 유사하게, 제2 플랜지(91)가 제2 저온유지장치(25b)에 볼트들(92)에 의해 고정되어 있다.

도 10에 나타낸 가변 길이 커플링 메카니즘은 네 개의 턴버클(turnbuckle)인 가변 길이 지지 로드들(93)을 포함하고 있다. 각 지지 로드(93)는 두 개의 로드(93a, 93b)와 링형상 커플링 멤버(93c)로 구성되어 있다. 제1 로드(93a)는 일측 단부에 오른나사 스크류(94)를 갖고 있다. 제2 로드(93b)는 일측 단부에 왼나사 스크류(95)를 갖고 있다. 커플링 멤버(93c)는 그 단부에 각각 두 개의 스크류 구멍을 갖고 있다. 로드(93a, 93b)의 스크류(94, 95)는 각각 커플링 멤버(93c)의 스크류 구멍에 맞추어진다. 로드(93a, 93b)는 용접과 같은 야금적 수단 또는 도 9에 나타낸 종류의 플랜지를 사용하는 기계적 수단에 의해 각각 저온유지장치(25a, 25b)에 고정된다.

고정 길이 커플링 메카니즘(도 9)의 지지 로드(27)는 더 길거나 더 짧은 것으로 대체될 수 있다. 그러면, 저온유지장치들(25a, 25b) 사이의 내경 공간은 원하는 크기로 변경될 수 있다. 가변 길이 커플링 메카니즘(도 10)의 지지 로드(93)는, 단지 링형상 커플링 멤버(93)를 돌림으로써, 길게 하거나 짧게 할 수 있다. 그 결과로, 저온유지장치들(25a, 25b) 사이의 내경 공간이 원하는 크기로 변경될 수 있다.

도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 전류 도선들(28a, 28b)은 각각 저온유지장치들(25a, 25b)에 접속되어 있다. 제1 저온유지장치(25a)는 소형 헬륨 냉동기(29a)를 포함하고, 서비스 포트(30a)를 구비하고 있다. 이와 유사하게, 제2 저온유지장치(25b)는 소형 헬륨 냉동기(29b)를 포함하고, 서비스 포트(30b)를 구비하고 있다. 제1 냉동기(29a)는 제1 저온유지장치(25a)에 설비된 방열 실드(도시하지 않음)를 냉각한다. 서비스 포트(30a)를 통하여, 액상 헬륨이 제1 저온유지장치(25a)로 공급되고 헬륨 가스가 배출된다. 제2 냉동기(29b)는 제2 저온유지장치(25b)에 설비된 방열 실드(도시하지 않음)를 냉각한다. 서비스 포트(30b)를 통하여, 액상 헬륨이 제1 저온유지장치(25b)로 공급되고 헬륨 가스가 배출된다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 저온유지장치들(25a, 25b)은 나란히 배열되고, 동일한 길이의 지지 로드들(27)에 의해 서로 떨어져 있다. 따라서, 저온유지장치들(25a, 25b) 사이에 공간이 생긴다. 도 7에 예시한 바와 같이, 이 공간에 성장로(80)가 위치한다.

도 7 및 도 8에 나타낸 MCZ 시스템에서, 성장로(80)를 더 큰 것이나 더 작은 것으로 대체할 필요가 있을 수 있다. 그렇다면, 커플링 메카니즘의 지지 로드(27)는 더 긴 것이나 더 짧은 것으로 대체되어, 이에 의해 저온유지장치 사이의 공간을 늘리거나 줄인다. 따라서, 더 크거나 더 작은 성장로가 크기가 변경된 공간에 장착될 수 있다.

저온유지장치들(25a, 25b)에 설치된 초전도 코일(26a, 26b)은 전류 도선(28a, 28b)에 각각 접속되어 있다. 즉, 코일(26a, 26b)로 공급되는 전류는 외부 전원 장치에 의해 쉽게 기준값으로부터 쉽게 증가시키거나 감소시킬 수 있다. 이 경우에, 코일(26a, 26b)에 의해 발생하는 자계의 중심은 오른쪽이나, 더 작은 전류가 공급되는 코일(26b)쪽으로 이동한다.

또한, 코일(코일 26a 또는 코일 26b)중의 하나에서 발생하는 자계의 방향은 코일에 접속된 전류 도선(도선 28a 또는 도선 28b)의 두 터미널들의 극성의 스위칭에 의해 변경될 수 있다. 즉, 자석 유닛(70A, 70B)의 조합은 헬름홀츠 자석과 커스프 자석으로 작용할 수 있고, 헬름홀츠 자석에서 커스프 자석으로의 스위칭과 그 반대의 스위칭을 쉽게 얻을 수 있다.

본 발명의 제2 실시예에 의한 MCZ 시스템을 도 11 및 도 12를 참조하여 설명한다. 도 7 및 도 8에 나타낸 MCZ 시스템과 유사하거나 동일한 요소는 도 11 및 도 12에서 동일한 참조 부호를 붙이고, 상세한 설명은 하지 않는다.

제2 실시예는 제1 실시예와 두가지 관점에서만 다르다. 먼저, 두 개의 자석 유닛(70A', 70B')은 크리스탈이 끌어 올려지는 도가니(2)의 축으로 축선 정렬하여, 동심으로 하나가 다른 것의 위에 위치한다. 둘째, 자석 유닛(70A', 70B')은 서로 떨어져 위치하고, 지지 로드(27)에 의해 보다 정확하게 커플링 메카니즘(90)에 의해 서로 결합되어 있다. 자석 유닛(70A', 70B')외의 다른 요소들과 커플링 메카니즘(90)은 제1 실시예(도 7)와 동일 방식으로 위치한다.

도 11 및 도 12에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 자석 유닛(70A')의 저온유지장치(25a)는 관통 구멍(32a)이 있고, 제2 자석 유닛(70B')의 저온유지장치(25b)는 관통 구멍(32b)이 있다. 구멍들(32a, 32b)은 서로 동축상이고 수직으로 확장한다. 성장로 본체(1)는 저온유지장치들(25a, 25b)의 구멍(32a, 32b)을 통하여 확대되어 직립하여 서 있다. 저온유지장치들(25a, 25b)에 설비된 초전도 코일(26a, 26b)은 각각 크리스탈(9)이 끌어 올려지는 화살표(8) 방향으로 확장되는 자계를 발생한다.

제1 실시예에 설비된 자석 유닛(70A, 70B)과 같이, 자석 유닛(70A', 70B')의 조합은 헬름홀츠 자석과 커스프 자석으로 기능할 수 있다. 도가니(2)안의 용융된 물질(6)의 표면에 자계의 중심이 놓여져 있는가는 크리스탈(9)의 성장에 영향을 준다. 그럼에도 불구하고, 단지 다른 전류를 초전도 코일(26a, 26b)에 공급함으로써, 자계의 중심은 표면(33)을 따르도록 이동할 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 의한 MCZ 시스템을 도 13을 참조하여 설명한다.

제3 실시예는, 액상 헬륨을 공급하거나 헬륨 가스를 배출하기 위해 설비되는 서비스 포트가 없다는 것을 제외하고는 제1 실시예와 같다. 제3 실시예는, 초전도 코일(26a, 26b)이 소형 헬륨 냉동기(29a, 29b)에 의해 냉각되어 초전도 상태를 유지하는 두 개의 자석 유닛(70A", 70B")을 구비하고 있다. 제3 실시예는 냉매 컨테이너가 없다. 초전도 코일(26a, 26b)은 각각 저온유지장치(25a", 25b")에 설비된다.

자석 유닛(70A", 70B")은 구조상 동일하므로, 제1 자석 유닛(70A")만을 도 13을 참조하여 설명한다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 코일(26a)은 저온유지장치(25b")의 진공 용기(19)내에 설비된 방열 실드(17)에 의해 실링되어 있다. 전류 도선(28a)은 저온유지장치(25b")에 장착되어 있다. 전류는 도선(28a)을 통하여 초전도 코일(26a)에 공급된다. 헬륨 냉동기(29a)는 두 개의 냉각 스테이지(stage)(29a1, 29a2)를 구비하고 있다. 제1 냉각 스테이지(29a1)는 초전도 코일(26a)을 냉각하는 한편 제2 냉각 스테이지(29a2)는 방열 실드(17)를 냉각한다.

양 자석 유닛(70A", 70B")은 직접 냉각되는 초전도 자석이다. 즉, 상기 유닛(70A")은 냉각기(29a)에 의해 직접 냉각되고, 유닛(70B")은 냉각기(29b)에 의해 직접 냉각된다. 이렇게 냉각되어, 자석 유닛(70A", 70B")은 예를 들어 액상 헬륨 등의 냉매를 저온유지장치(25a" 또는 25b")에 도입하지 않고 초전도 상태로 남아 있을 수 있다. 저온유지장치들에 냉매를 보충하고 사용한 냉매를 배출하기 위한 비용만큼 제3 실시예의 작동 비용을 줄일 수 있다.

본 발명의 제4 실시예에 의한 MCZ 시스템을 도 14를 참조하여 설명한다.

도 14에서 볼 수 있는 바와 같이, 이 MCZ 시스템은 세 개의 자석 유닛(70A, 70B, 70C)을 구비하고 있다. 이 자석 유닛(70A, 70B, 70C)은 저온유지장치(25a, 25b, 25c)를 각각 구비하고 있다. 이 저온유지장치들(25a, 25b, 25c)은 나란히 배열되고 여덟 개의 지지 로드(27)에 의해 다른 것과 연결되어 있다. 도 14에 나타내지는 않았지만, 제4 실시예는 도 7에 나타낸 성장로(80)와 동일한 두 개의 성장로를 구비하고 있다. 제1 성장로는 제1 저온유지장치(25a)와 제2 저온유지장치(25b) 사이의 공간에 위치하고 있다. 제2 성장로는 제2 저온유지장치(25b)와 제3 저온유지장치(25c) 사이의 공간에 위치하고 있다.

두 개의 저온유지장치(5)를 구비한 도 6에 나타낸 종래의 MCZ 시스템은, 모두 네 개의 초전도 코일을 구비할 필요가 있다. 반면에, 본 발명의 제4 실시예는 오로지 세 개의 초전도 코일을 구비하고 있고, 이들은 각각 저온유지장치들(25a, 25b, 25c)에 설비되어 있다. 명백하게, 각각 하나의 초전도 코일을 포함하는 세 개의 저온유지장치들(25a, 25b, 25c)이 점유하는 공간(24)은 각각 두 개의 초전도 코일을 포함하는 두 개의 저온유지장치(5)가 점유하는 공간(24)보다 작다. 게다가, 세 개의 초전도 코일을 구비한 제4 실시예는 이 네 개의 초전도 코일을 구비한 종래의 MCZ 시스템(도 6)보다 낮은 원가로 생산될 수 있다.

도 14에 나타낸 제4 실시예는 세 개의 저온유지장치와 두 개의 성장로를 포함한다. 성장로가 하나 더 사용된다면, 하나의 저온유지장치를 추가하면 충분하다. 또한, N이 사용된 성장로의 개수라면, 도 6의 종래의 MCZ 시스템은 N×2개의 초전도 코일이 필요한데 반해, 제4 실시예는 N+1개의 초전도 코일만이 필요하다. 두 경우의 MCZ 시스템 모두 10개의 성장로를 구비하고 있다면, 제4 실시예(도 14)는 종래의 MCZ 시스템(도 6) 보다 적은 아홉 개의 초전도 코일을 구비하고 있는 것이다.

제4 실시예는 도 13에 나타낸 종류의 직접 냉각식 초전도 코일을 구비할 수 있다. 이 경우에, 제4 실시예는 양산하기에 충분히 간단하므로 낮은 가격으로 제작할 수 있다.

상기한 바로부터 이해할 수 있듯이, 본 발명에 의한 이 MCZ 시스템은 다음과 같은 관점에서 유익하다.

자석 유닛들간의 공간이, 이 공간에 위치하는 성장로의 크기에 따라 쉽게 변경될 수 있으므로, 자계 발생기는, 성장로를 수용하기에 적합한 내경 공간을 갖게 만들 필요가 있다. 또한, 자계의 중심과 분포가 쉽게 변경될 수 있으므로, 자석 유닛은 성장로에 대해 정확하게 위치할 필요가 없다. 더욱이, 용융된 물질에 가해지는 자계의 강도가 용융된 물질의 표면 레벨의 변화에 따라 조정될 수 있으므로, 이 MCZ 시스템은 고품질 크리스탈 잉곳을 제공할 수 있다.

또한, 초전도 코일쌍은 수직 자계와 수평 자계 모두를 발생할 수 있다. 게다가, 초전도 코일쌍은 헬름홀츠 자석과 커스프 자석을 구성할 수 있다.

상기한 바와 같이, 자석 유닛은, 냉매가 자석 유닛에 보충될 필요가 없고, 사용된 냉매는 이로부터 배출될 필요가 없는 헬륨 냉동기에 의해 직접 냉각된다. 따라서, 이 MCZ 시스템의 작동 비용을 줄일 수 있다. 이와 같은 이유로, 전체적으로 구조적으로 더 간단한 이 MCZ 시스템은 보다 쉽게 양산할 수 있으므로 낮은 원가로 제조될 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 MCZ 시스템에서 성장로를 수용하는 공간이 감소될 수 있다.

부가적인 장점과 변형은 이 분야의 기술자에게 용이한 것이다, 따라서, 보다 넓은 관점에서 본 발명은 그 상세한 설명과 대표적인 실시예에 한정되지 않는다. 따라서, 첨부한 특허청구범위와 그 균등물에 의해 정의되는 일반적인 발명의 개념의 범위로부터 벗어나지 않고 여러 변형을 만들 수 있다.

Claims (12)

1. 용융된 반도체 물질을 담기 위한 N개(N은 2이상의 수)의 성장로와,

   상기 용융된 반도체 물질로부터 소정의 방향으로 크리스탈을 끌어올리기 위한 인상수단과,

   상기 용융된 반도체 물질에 인가되는 자계를 발생하고, N+1개의 유닛 자석 유닛과, 상기 N개의 성장로가 상기 자석 유닛 사이에 위치하도록 상기 N+1개의 자석이 서로 공간을 두고 결합되는 결합 메카니즘을 포함하는 자계 발생기를 구비하고,

   상기 자석 유닛의 각각은 상기 소정방향에 수직으로 연장하는 동일방향으로 자계를 발생시켜 헬름홀츠 자계를 생성하고, 상기 자계의 중심을 조절하도록 다른 값의 전류를 인가하는 전류 공급수단을 가지며,

   상기 N+1개의 자석 유닛의 각각은 진공용기와 상기 진공용기에 설치된 초전도 코일을 가지는 초전도 자석 유닛인 것을 특징으로 하는 전계인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
2. 용융된 반도체 물질을 담기 위한 적어도 하나의 N개(N은 2이상의 수)성장로와,

   상기 용융된 반도체 물질로부터 소정의 방향으로 크리스탈을 끌어올리기 위한 인상수단과,

   상기 용융된 반도체 물질에 인가되는 자계를 발생하고 N+1개의 자석유닛과, 상기 N 성장로가 상기 자석 유닛 사이에 위치하도록 상기 N+1개의 각 자석이 공간을 두고 결합되는 결합 메카니즘을 포함하는 자계 발생기를 구비하고,

   상기 자석 유닛의 각각은 상기 소정방향에 반대방향으로 연장하는 자계를 발생하여 커브스 자계를 형성하고, 상기 용융된 물질의 표면이 낮아짐에 따라 자계의 중심이 아래로 이동하도록 다른 값의 전류를 공급하는 전류 공급수단을 포함하고,

   상기 N+1개의 자석 유닛의 각각은 진공용기와 상기 진공용기에 설치된 초전도 코일을 가지는 초전도 자석 유닛인 것을 특징으로 하는 자계인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
3. 제 1항에 또는 제 2항에 있어서,

   상기 커플링 메카니즘은 상기 자석 유닛간의 공간을 확장 또는 축소시키기 위한 고정 길이 지지 로드을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
4. 제 1항에 또는 제 2항에 있어서,

   상기 커플링 메카니즘은 상기 자석 유닛간의 공간을 확장 또는 축소시키기 위한 가변 길이 지지 로드을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
5. 제 1항에 또는 제 2항에 있어서,

   상기 자석 유닛의 각각은 직접 냉각식 초전도 자석이고, 진공 용기와, 각각 상기 진공 용기에 설비된 초전도 코일들과, 각각 상기 초전도 코일들을 직접 냉각하는 냉동기들을 포함하여, 상기 초전도 코일들을 초전도 상태로 설정하는 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 자석 유닛 각각은, 각각 상기 진공 용기(25a, 25b)에 설비되고, 상기 냉동기(29a, 29b)에 의해 냉각되는 방열 실드들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 커플링 메카니즘은 상기 자석 유닛을 직렬로 연결하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 자석 유닛의 각각은, 간접 냉각 초전도 자석이고, 냉매로 냉각되어 초전도 상태로 설정되는 초전도 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 적어도 하나의 성장로는, 성장로 본체, 상기 성장로 본체에 설비되어 반도체 물질을 수용하는 도가니, 상기 도가니안의 상기 반도체 물질을 가열하는 히터 및 크리스탈을 성장시키고 끌어 올리는 메카니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 크리스탈을 성장시켜 끌어 올리는 메카니즘은 상기 크리스탈과 상기 도가니를 서로 상대적으로 회전시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
11. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

    상기 자석 유닛의 적어도 하나는, 상기 적어도 하나의 성장로가 설치되는 구멍을 구비한 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.
12. 용융된 반도체 물질을 담기 위한 N개(N은 2이상의 수)의 성장로와,

    상기 용융된 반도체 물질로부터 소정 방향으로 크리스탈을 끌어올리기 위한 인상수단과,

    상기 용융된 반도체 물질에 인가되는 자계를 발생하기 위한 자계 발생기를 포함하고,

    상기 자계 발생기는

    N+1개의 자석 유닛과, 상기 N개의 성장로가 상기 자석유닛 사이에 위치하도록 상기 N+1개의 자석 유닛의 각각을 서로 결합하는 커플링 메카니즘을 구비하며,

    상기 N+1개의 자석 유닛의 각각은

    진공 용기와, 상기 진공 용기내에 설치되는 초전도 코일을 구비하는 초전도 자석 유닛인 것을 특징으로 하는 자계 인가형 쵸크랄스키 크리스탈 성장 시스템.

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