KR100327475B1 - 단결정연속성장장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 단결정 연속 성장장치에 관하여 개시한 것으로서, 본 발명의 특징에 의하면 2중 구조를 가지는 용기와, 상기 용기내부로 원료를 공급하기 위한 원료공급기, 상기 용기를 가열하는 가열수단, 상기 용기의 상부에서 종자결정을 지지하여 승강가능하도록 마련되는 제1지지수단 및 상기 가열수단과 상기 종자결정 지지수단을 상관적으로 제어하는 제이수단을 포함하여 이루어진 단결정 연속 성장 장치에 있어서, 상기 원료공급기는 상기 제어수단에 의해 제어되는 투입원료량 조절수단을 구비하며, 상기 용기는 그 하부가 상기 제어수단에 연결되어 제어되는 제2지지수단에 지지되어 이루어진 것을 특징으로 한다. 이러한 특징에 의하여, 본 발명에 따른 단결정 연속성장장치는 성장된 결정의 무게만큼 원료를 정확하게 추가로 공급해 주는 기능을 가진다. 따라서, 성장되는 단결정의 길이를 적어도 2배 내지 3배 이상의 크기로 성장시킬 수 있고, 도가니에 투입되는 원료의 양이 성장된 결정의 무게와 동일하게 제어되어 용융액면이 일정하게 유지되므로, 결정의 성장속도가 균일하게 되고, 성장되는 결정의 조성 또한 균일하게 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있도록 한 것이다.

Description

단결정 연속 성장 장치

본 발명은 LiNbO₃, LiTaO₃,YAG등의 산화물 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인상법에 의해 산화물 단결정을 연속하여 성장시키는 단결정연속 성장장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 결정체 물질은 단결정과 다결정으로 구분되며, 단결정이란 원자 배열의 방향성이 전체에 걸쳐 일정하게 이루어진 결정체를 말하고, 다결정이란 결정립과 결정립계가 존재하는 결정체를 말한다. 여기서, 결정립(grsin)이란 원자 배열의 방향성이 동일한 각 부분을 말하며, 이 결정립과 결정립이 맞닿는 경계를 결정립계(grain boundary)라 한다. 즉, 각 결정립의 기본세포는 같으나, 기본세포가 배열되는 방향성은 결정립마다 서로 다르다. 따라서, 단결정은 결정립계가 존재하지 않는다. 이러한 단결정은 주로 실리콘 웨이퍼와 같이 반도체 재료나 또는 광학용 재료로 사용되며, 결정성장을 통하여 다결정에서 단결정으로 만들어 진다.

통상, 단결정 성장방법에는 인상법이라고도 하는 쵸크랄스키 결정성장법과 플로트존(float zone) 결정성장법 등이 있다.

상기한 인상법에 의한 단결정 성장방법은, 도가니에 원료를 장입하고 가열하여 용융시킨 다음, 이 용융액에 종자결정(seed crystal)을 침지하여 회전시키면서 서서히 인상시키면 종자결정으로부터 결정이 성장되어 대형의 단결정을 성장시키는 것이다. 이 인상법은 양질의 단결정을 상대적으로 짧은 시간에 대형으로 성장시킬 수 있는 장점이 있다. 반면에 단결정 성장장치에서 원료를 투입하는 도가니의 크기에 따라 투입원료량이 한정되므로 실장되는 단결정의 길이가 제한된다는 단점이 있다. 예를 들어, 도가니 내에 투입할 수 있는 원료량이 100g일 경우에 100g이상의 무게를 지닌 단결정을 성장시킬 수 없다.

상기와 같이 단결정 성장장치의 도가니 크기에 의해 성장되는 단결정의 크기가 제한되는 단점을 개선하기 위해 안출된 것이 연속 단결정 성장방법이다. 이 연속 단결정 성장방법은 상기한 인상법에 있어서 단결정이 성장함에 따라 도가니 내의 용융액 상면이 점차 하강한다는 점에 착안하여 결정이 성장되는 무게만큼 도가니내에 원료를 새롭게 투여할 수 있는 성장장치를 이용하는 것이다. 따라서, 도가니 내의 용융액 상면의 높이가 항상 일정한 높이로 유지되어 단결정을 연속적으로 성장시킬 수 있으며, 이론적으로는 단결정을 무한한 크기로 성장시킬 수가 있다. 그러나, 현실적인 단결정 성장작업에 있어서는 이 방법 역시 성장로의 크기에 의하여 성장되는 단결정의 길이가 제한될 수 밖에 없으나, 종전의 방법에서 사용하는 도가니와 동일한 크기의 도가니를 사용할 경우에 종전보다 2배 내지 3배 이상의 크기를 갖는 단결정을 얻을 수가 있는 것이다.

첨부 도면 중, 제1도는 상기한 종래의 연속 단결정 성장장치를 나타내 보인 개략적 구성도이다.

상기 제1도를 참조해 보면 종래 기술에 의한 연속 단결정 성장장치는, 단결정이 성장되는 영역을 형성하는 내부도가니(10)와 원료가 투입되어 용융되는 영역을 형성하는 외부도가니(11)로 구분되는 2중 구조의 용기를 구비한다. 그리고, 상기 내부도가니(10)의 바닥부에는 소정의 홀이 형성되어 있어서, 상기 외부도가니(11)에서 용융된 원료가 공급될 수 있도록 되어 있다.

한편, 상기 외부도가니(11)의 둘레에는 가열용 코일(12)이 마련되며, 이 가열용 코일(12)은 제어프로그램이 내장된 컴퓨터(14)에 의해 제어되는 전원공급기(13)에 연결되어 있다. 또한, 상기 외부도가니(11)의 일측에는진동장치(15a)가 구비된 원료탱크(15)가 마련되며, 이 원료탱크(15)의 원료유출관(15b)에는 상기 외부도가니(11)의 내부로 원료의 양을 조절하여 공급할 수 있도록 조절밸브(15c)가 마련된다. 그리고, 상기 원료유출관(15b)과 상기 외부도가니(11)의 사이에는 원료공급관(16)이 구비되어 상기 진동장치(15a)를 통하여 상기 원료탱크(15)를 진동시킴으로써 상기 원료유출관(15b)과 원료공급관(16)을 통하여 상기 외부도가니(11) 내부로 원료를 공급할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 상기내, 외부도가니(10)(11)의 상부에는 원료의 용융액(L)으로부터 단결정을 성장시키기 위한 종자결정(1)을 지지하는 로드셀(17)이 승강가능하도록 마련되어 있는 구조를 이룬다.

상기와 같은 구조로 이루어진 종래의 단결정 연속 성장장치는 다음과 같은 작용에 의해 단결정을 성장시키게 된다. 즉, 상기 진동장치(15a)를 통하여 상기 원료탱크(15)를 진동시킴으로써 내부에 충진된 결정성장 원료를 상기 원료유출관(15b)과 원료공급관(16)을 통하여 상기 외부도가니(11)의 내부로 공급한다. 그리고, 상기 컴퓨터(14)에 의한 제어동작을 통하여 전원공급기(13)로부터 상기 가열용 코일(12)에 전류를 공급하여 외부도가니(11)의 내부에 공급된 원료를 용융시킨다. 이와 같은 작용에 의해 원료가 완전히 용융되면, 상기 로드셀(17)이 서서히 하강하여 그 끝단부에 지지하고 있는 종자결정(1)을 총총액의 일정 깊이까지 침지시킨 상태에서 서서히 회전시키며 승강함으로써 단결정의 성장이 시작된다. 이때, 상기 로드셀(17)은 종자결정에 의해 성장되는 단결정의 무게를 측정하여 이에 따라 적절한 성장속도로 연속적인 승강을 하면서 단결정(1)의 성장길이가 늘어나게된다. 이때, 용융액(L)의 상면은 하강하게 된다. 즉, 상기 로드셀(17)이 단위시간당 성장된 결정의 무게를 측정하고, 이를 상기 컴퓨터(14)에 의해 계산된 단위시간당 성장되어질 무게와 비교함으로써, 그 차이를 계산한 결과의 값에 따라 가열장치를 제어하게 된다. 이러한 상태에서 작업자는 상기 원료유출관(15b)에 마련된 조절밸브(15c)를 조절하여 원료를 추가로 투입하고, 상기 컴퓨터(14)가 상기 전원공급기(13)를 제어함으로써 상기 가열용 코일(12)의 온도조절을 통해 추가로 투입된 원료가 계속적으로 용융상태를 유지하면서 일정한 위치의 용액면을 유지할 수 있도록 된 것이다.

그러나, 상술한 종래 단결정 연속 성장장치는 상기 로드셀(17)의 연속적인 승강에 의해 단결정의 성장길이가 점차 늘어나는 동시에 용융액의 상면이 하강함에 따라, 용융액면을 일정한 높이의 위치로 계속 유지하기 위해서 조절밸브(15c)를 수동으로 조절하여 원료를 추가로 투입하므로, 추가되는 원료량과 성장되는 단결정의 속도 비를 정밀하게 맞출 수 없기 때문에 균일한 품질의 단결정을 얻을 수 없는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 연속 단결정 성장장치가 가지는 문제점을 감안하여 이를 개선코자 창출된 것으로서,

본 발명의 목적은 단결정이 연속적으로 성장함에 따라 추가로 투입되는 원료량을 정밀하게 제어하는 기능을 부가하여 단결정의 성장속도를 균일하게 유지할 수 있도록 함으로써 단결정의 조성을 균일하게 유지할 수 있는 단결정 연속 성장 장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 단결정 연속 성장 장치는,

2중 구조를 가지는 용기와, 상기 용기내부로 원료를 공급하기 위한 원료공급기, 상기 용기를 가열하는 가열수단, 상기 용기의 상부에서 종자결정을 지지하여 승강가능하도록 마련되는 제1지지수단 및 상기 가열수단과 상기 종자결정 지지수단을 상관적으로 제어하는 제어수단을 포함하여 이루어진 단결정 연속 성장 장치에 있어서,

상기 원료공급기는 상기 제어수단에 의해 제어되는 투입원료량 조절수단을 구비하며, 상기 용기는 그 하부가 상기 제어수단에 연결되어 제어되는 제2지지수단에 지지되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 본 발명에 의한 단결정 연속 성장장치에 있어서, 상기 조절수단은 전자밸브인 것이 바람직하고, 상기 제1지지수단 및 제2지지수단은 중량 감지가 가능하게 된 로드셀로 이루진 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 단결정 연속 성장장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

첨부 도먼 중, 제2도는 본 발명에 따른 단결정 연속 성장장치를 나타내 보인 개략적 구성도로서, 이를 참조하면 본 발명에 의한 단결정 연속 성장장치는, 기존의 단결정 성장장치에서와 같이 단결정이 성장되는 내부도가니(20)와 원료가 투입되는 외부도가니(21)로 구분되는 2중 구조의 용기를 구비한다. 그리고, 상기 외부도가니(21)의 둘레에는 가열용 코일(22)이 마련되며, 이 가열용 코일(22)은 제어프로그램이 내장된 제어장치로서의 컴퓨터(24)에 의해 제어되는 전원공급기(23)에 연결되어 있다. 또한, 상기 외부도가니(21)의 일측에는 진동장치(25a)가 구비된 원료탱크(25)가 마련되며, 이 원료탱크(25)의 원료유출관(25b)에는 상기 외부도가니(21)의 내부로 원료의 양을 조절하여 공급할 수 있도록 이루어진 전자조절밸브(25c)가 마련되며, 상기 원료유출관(25b)과 상기 외부도가니(21)의 사이에는 원료공급관(26)이 구비되어 상기 진동장치(25a)에 의해 상기 원료탱크(25)를 진동시킴으로써, 상기 원료유출관(25b)과 원료공급관(26)을 통하여 상기 외부도가니(21)의 내부로 원료를 공급할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 상기 내, 외부도가니(20)(21)의 상부에는 원료의 용융액(L')으로부터 단결정을 성장시키기 위한 종자결정(1')을 지지하는 제1로드셀(27)이 승강 가능하도록 마련되어 있는 구조를 이룬다. 즉, 이와 같은 구조는 종래 단결정 성장장치와 동일한 구조를 이루는 것으로서, 상기한.바와 같은 구조의 단결정 성장장치에 있어서, 본 발명을 특징짓는 구성요소로서는 상기 내, 외부도가니(20)(21)가 도가니 받침대(31)와 그 하부에 마련되는 제2로드셀(30)에 의해 떠받쳐지는 구조를 이루고 있는 것이다.

상기와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 단결정 연속 성장장치는 다음과 같은 작용에 의해 단결정을 성장하게 된다. 즉, 상기 진동장치(25a)를 통하여 상기 원료탱크(25)를 진동시킴으로써 내부에 충진된 결정성장 원료를 상기 원료유출관(25b)과 원료공급관(26)을 통하여 상기 외부도가니(21) 내부로 원료를 공급하고, 상기 컴퓨터(24)의 제어를 통하여 전원공급기(23)로부터 상기 가열용 코일(22)에 전류를 공급하여 공급된 외부도가니(21) 내부에 충진된 원료를 용융시킨다. 이와 같은 작용에 의해 원료가 완전히 용융되면, 상기 제1로드셀(27)을 서서히 하강시켜 용융액의 일정 깊이까지 침지시킨 상태에서 서서히 회전시키며 승강시킴으로써 단결정(1')이 성장하게 된다. 이때, 상기 제1로드셀(27)의 연속적인 승강에 의해 단결정의 성장길이가 늘어나게 되고, 이에 따라 용융액(L')의 상련은 하강하게 된다. 이상태에서 상기 제1로드셀(27)은 단위시간당 성장된 단결정의 무게를 측정하고, 이를 상기 컴퓨터(24)에 의해 계산된 단위시간당 성장되어질 무게와 비교함으로써, 그 차이를 계산한 결과의 값에 따라 가열장치(23)를 제어하게 된다. 그리고, 상기 제2로드셀(30)은 성장된 결정의 무게만큼 원료를 정확하게 추가로 공급해 주는 기능을 하게 되는데, 구체적으로는 상기 제2로드셀(30)이 상기 내,외부도가니(20)(21)와 도가니 받침대(31)의 무게를 측정하게 된다. 즉, 상술한 바와 같이 결정 성장을 위해 종자결정(1')을 용융액(L')내에 담그면, 용융액(1')은 종자 결정에 달라 붙어 결정 성장이 시작되고, 용융액(L')의 양은 감소하게 된다. 이때, 상기 제2로드셀(30)은 단위시간당 감소되는 용융액의 양을 감지하고, 이를 신호 변환하여 컴퓨터(24)에 전달한다. 이에 따라 상기 컴퓨터(24)에서는 전달된 신호에 따라 해당하는 원료량을 측정하여 상기 전자조절밸브(25c)를 조절할 수 있도록 제어하게 된다. 따라서, 전자조절밸브함(25c)의 조절 상태에 따라 추가로 공급될 원료가 투입되면, 상기 제2로드셀(30)은 추가 투입된 원료량의 무게를 감지하여 이를 컴퓨터(24)에 전달하게 됨으로써, 재차 상기 전자조절밸브(25c)를 조절할 수 있도록 제어하게 된다, 즉, 본 발명에 따른 단결정 성장장치는 상기 제1 및 제2로드셀(27)(30)과 제어장치로서의 컴퓨터(24), 그리고 상기 전자조절밸브(25c)가 폐루프(closed loop)를 형성하여 결정성장이 진행되는 동안 상기한 바와 같은 과정을 반복적으로 수행하게 됨으로써 종래의 장치에 비하여 성장되는 단결정의 길이를 적어도 2배 내지 3배 이상의 크기로 성장시킬 수 있는 장점을 가진다. 그리고, 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 특징에 의하면 성장된 결정의 무게만큼 원료를 정확하게 추가로 공급해 주는 기능을 가짐으로써, 도가니에 투입되는 원료의 양이 성장된 결정의 무게와 동일하게 제어되어 용융액면이 일정하게 유지되므로 결정의 성장속도가 균일하게 되고, 성장되는 단결정의 조성 또한 균일하게 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

제1도는 종래 기술에 의한 단결정 연속 성장 장치를 나타내 보인 개략적 구성도이고,

제2도는 본 발명에 의한 단결정 연속 성장 장치를 나타내 보인 개략적 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 1'. .종자결정 10, 20. .내부도가니

11, 21. .외부도가니 13, 23. .전원공급기

14, 24..제어장치(컴퓨터) 15, 25..원료탱크

15a, 25a. . 진동장치 l5b, 25b. .원료유출관

15c, 25c..조절 밸브 16, 26. 원료공급관

17, 27. .로드셀 L, L'. .용융액

Claims (3)

1. 2중 구조를 가지는 용기와, 상기 용기내부로 원료를 공급하기 위한 원료공급기, 상기 용기를 가열하는 가열수단, 상기 용기의 상부에서 종자결정을 지지하여 승강가능하도록 마련되는 제1지지수단 및 상기 가열수단과 상기 종자결정 지지수단을 상관적으로 제어하는 제어수단을 포함하여 이루어진 단결정 연속 성장 장치에 있어서,

   상기 원료공급기는 상기 제어수단에 의해 제어되는 투입원료량 조절수단을 구비하며, 상기 용기는 그 하부가 상기 제어수단에 연결되어 제어되는 제2지지수단에 지지되어 이루어진 것을 특징으로 하는 단결정 연속 성장장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 조절수단은 전자밸브인 것을 특징으로.하는 하는 단결정 연속 성장장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1지지수단 및 제2지지수단은 중량 감지가 가능하게 된 로드셀로 이루진 것을 특징으로 하는 단결정 연속 성장장치.