KR100675912B1 - 종자정 부착 장치 및 종자정 부착 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종자정과 종자정 홀더를 부착하는 종자정 부착 장치에 있어서, 상기 종자정과 종자정 홀더가 안착되는 받침부, 상기 받침부의 상부에 상기 종자정과 종자정 홀더를 압착하는 압착부 및 상기 받침부와 상기 압착부 사이에 진공을 형성하는 진공 형성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 종자정 부착 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 종자정 부착 장치는 로터리 펌프를 이용하여 종자정과 종자정 홀더의 수평적인 압착을 가함으로써, 그 사이의 기포를 제거하고 안정적으로 견고하게 부착될 수 있도록 한다. 또한 열선을 이용하여 급격한 온도 저하를 방지함으로써, 종자정의 열 충격으로 인한 균열의 발생을 방지할 수 있다.

단결정, 종자정, 종자정 부착, 진공, 압착, 열선

Description

종자정 부착 장치 및 종자정 부착 방법 {Seed Attachment Apparatus and Methed}

도 1은 본 발명에 따른 종자정 부착 장치의 압착 전을 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 종자정 부착 장치의 압착 후를 도시한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 종자정 부착 장치의 다른 예를 도시한 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 진공 형성부 20 : 받침부

30 : 압착부 40 : 종자정 홀더

50 : 종자정 60 : 온도 제어부

본 발명은 종자정 부착 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단결정을 성장시키기 위한 종자정(seed)을 종자정 홀더(seed holder)에 안정적으로 부착시키기 위한 종자정 부착 장치에 관한 것이다.

일반적으로 단결정을 성장시키기 위한 방법으로 베르누이법, 쵸크랄스키(CZ)법, EFG법, Bridgman 법, 열교환(HEM) 법 등이 있으며, 종자정(seed)을 이용하여 결정화를 유도하고 경향성을 유지하여 단결정을 성장시키는 방법이 널리 알려져 있다.

예를 들어, 내열성 및 기계적 강도가 우수하고, 방사선이 강한 물리적 및 화학적 성질로부터 내환경성 반도체 재료로서 주목받고 있는 탄화규소(SiC)의 경우, 종자정을 사용하여 승화재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법이 제시되어 있다. 이에 대해 간단히 설명하면, 원료가 되는 탄화규소 결정은 예를 들어 흑연제의 도가니 내에 수납하고 그 상부에 종자정이 되는 탄화규소 단결정을 배치한다. 온도구배를 형성함으로써 도가니 내의 원료가 종자정 측으로 확산되고 재결정화되어 단결정이 성장된다.

이러한 공정을 진행하기 위하여, 상기 단결정이 성장되는 종자정은 예를 들어 도가니 뚜껑과 같은 별도의 부재에 부착되는데, 종자정의 부착 상태에 따라 그 표면에 성장되는 단결정의 품질에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문에 종자정의 부착 공정은 매우 중요하다. 또한 종자정의 배치 구조 상 단결정이 성장되는 종자정의 표면이 중력 방향을 향하도록 고정되는 경우에, 종자정의 자중과 부착 상태에 따라 종자정의 낙하 현상이 발생할 수 있다.

따라서 단결정 성장 공정에 앞서서, 종자정과 종자정이 부착되는 종자정 홀더가 안정적으로 견고하게 부착되는 것이 요구된다. 종자정과 종자정 홀더 사이에 최소한의 접착 물질을 사용하여 기포 없이 균일하며 얇은 부착막을 형성하는 것이 바람직하다.

종래에는 별도의 부착 장치 없이 사람이 손으로 유리봉을 사용하여 종자정과 종자정 홀더 사이에 도포된 접착 물질에 압력을 가하여 종자정을 부착하였다. 그러나 이러한 경우에 유리봉이 닿는 특정 부분만 하중이 부가되어, 즉 국부적으로 집중적인 응력이 작용하여 종자정에 미세 크랙을 발생시키고, 이는 이후에 성장될 단결정의 품질에 악영향을 미칠 뿐 아니라 미세 크랙이 성장하여 종자정을 파괴할 수도 있다. 또한 종자정과 종자정 홀더가 수평적으로 균일하게 압착되지 못하기 때문에 그 사이에 기포가 발생하는 문제점이 있다. 이는 종자정과 종자정 홀더와의 부착력을 약화시키며, 심지어는 종자정과 종자정 홀더가 상부에 배치되는 경우에 종자정이 낙하하여 파괴될 수도 있다.

또한 종자정과 종자정 홀더의 부착시 그 사이의 접착 물질을 녹여 종자정과 종자정 홀더를 부착한다. 이를 위해 일반적으로 핫 플레이트(hot plate)를 사용하여 가열함으로써 접착 물질을 녹여 부착시킨 후, 다시 응고시키기 위해 온도를 낮추게 된다. 그러나 이 때, 접착 물질의 응고를 위해 냉각시키는 중에 급격한 온도차에 의해 종자정에 열 충격이 가해져 균열이 발생할 수 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 로터리 펌프를 이용하여 종자정과 종자정 홀더에 수평적인 압착력을 가함으로써 그 사이의 기포를 제거하고 안정적으로 견고하게 부착할 수 있는 종자정 부착 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 열선을 이용함으로써 열 충격으로 인한 종자정의 균열 발생을 방지할 수 있는 종자정 부착 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 진공 압착 시스템과 열선을 이용한 본 발명의 종자정 부착 장치를 이용하여 종자정과 종자정 홀더를 안정적으로 부착함으로써, 단결정의 품질 향상에 기여할 수 있는 종자정 부착 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 상술한 목적을 달성하기 위하여 종자정과 종자정 홀더를 부착하는 종자정 부착 장치에 있어서, 상기 종자정과 종자정 홀더가 안착되는 받침부, 상기 받침부의 상부에 상기 종자정과 종자정 홀더를 압착하는 압착부 및 상기 받침부와 상기 압착부 사이에 진공을 형성하는 진공 형성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 종자정 부착 장치를 제공한다.

본 발명의 종자정 부착 장치는 상기 종자정과 종자정 홀더의 온도를 조절하는 온도 제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 온도 제어부는 상기 받침부 내에 구비된 열선으로 이루어질 수 있다. 상기 압착부는 상기 종자정 전면에 직접 압착되는 기판과, 상기 기판의 양측을 지지하며 수직으로 이동가능한 기판 지지대를 포함할 수 있다. 또한 상기 받침부는 외부와 연통하는 진공 흡입관을 포함하고, 상기 진공 형성부는 상기 진공 흡입관의 외부에 연결된 로터리 펌프를 포함할 수 있다.

본 발명은 접착 물질이 중간에 개재된 종자정과 종자정 홀더를 준비하는 단계 및 진공 상태에서 상기 종자정과 종자정 홀더를 압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 종자정 부착 방법을 제공한다. 상기 종자정과 종자정 홀더를 압착하는 단계는 상기 종자정과 종자정 홀더의 온도를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1 및 도 2는 진공 압착 시스템과 열선을 이용한 본 발명에 따른 종자정 부착 장치의 압착 전과 압착 후의 단면도를 도시한 것이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 종자정 부착 장치는 장치 내부를 진공으로 형성하는 진공 형성부(10), 종자정(50) 및 종자정 홀더(40)를 지지하는 받침부(20), 상기 받침부(20)의 상부에 종자정(50) 및 종자정 홀더(40)를 압착하는 압착부(30)를 포함한다.

진공 형성부(10)는 로터리(Rotary) 펌프(12)와 진공 밸브(11)를 이용하여, 장치 내부를 진공 상태로 유지시킨다. 종자정(50)과 종자정 홀더(40)의 압착시 진공 상태로 형성하여 강한 수평방향 압착력을 부여함으로써, 그 사이에 형성된 접착 물질의 기포 없이 종자정(50)과 종자정 홀더(40)를 견고하게 부착할 수 있다.

받침부(20)는 받침대(21)의 중앙에 로터리 펌프(12)에 의해 상면에 안착되는 종자정 홀더(40)를 흡입하는 진공 흡입관(22)을 포함하고, 종자정 홀더(40)가 안착되는 면 외의 소정 위치에는 장치 내부를 진공 상태로 형성시켜 줄 다수의 진공 흡입관(22)을 더 포함한다.

또한 받침부(20)는 종자정(50) 및 종자정 홀더(40)의 수평적인 압착을 위해 압착부(30)와 맞닿도록 수직으로 오목 형성된 홈(23)을 더 포함할 수 있다.

상기 받침부(20)의 상부에는 종자정(50) 및 종자정 홀더(40)를 압착시키는 압착부(30)를 포함한다. 압착부(30)는 종자정(50)에 직접 압착을 가하는 하부 기판(32)과, 이에 하중을 더해주는 상부 기판(31)과, 상부 및 하부 기판(31,32)을 지지하는 기판 지지대(33)를 포함한다. 또한, 상기 상부 및 하부 기판(31,32)과 기판 지지대(33)를 결합하는 플랜지부(37)와, 플랜지부(37)와 기판 지지대(33)가 접속하는 면에 시일(seal)을 위한 오링(34)을 더 포함한다.

상기 하부 기판(32)은 종자정(50)의 면적보다 더 큰 형상으로 이루어지며, 종자정(50)의 전면에 직접 압착함으로써 어느 특정 부분에 치우침없이 균일하게 하중을 가할 수 있다. 특히, 상기의 진공 형성부(10)를 이용하여 장치 내부를 진공으로 형성하며 압착함으로써, 종자정(50)과 종자정 홀더(40)를 더욱 강한 압착력으로 수평적 압착하여 부착시킬 수 있다. 하부 기판(32)으로는 유리 기판을 사용할 수 있다. 상기 상부 및 하부 기판(31,32)은 수직 방향으로 이동가능한 기판 지지대(33)에 의해 지지되어 마찬가지로 수직 방향으로 이동할 수 있다.

기판 지지대(33)는 받침대(21)의 외측 상부에 형성된 수직대(35)에 조절 나사(36)를 통해 연결되고, 이를 통해 수직 방향으로 이동할 수 있다. 즉, 조절 나사(36)를 풀거나 조여줌으로써 기판 지지대(33)의 이동을 조절할 수 있으며, 조절 나사(36)를 풀어주는 경우에 자연적으로 중력에 의해 하향 이동하여 종자정(50) 및 종자정 홀더(40)를 압착할 수 있다. 이 때 안정적으로 수평적인 압착을 하기 위해 기판 지지대(33)는 상기 받침부(20)의 오목 형성된 홈(23)과 맞닿는 돌출부(38)를 더 포함할 수 있다. 또한, 장치 내부를 진공 상태로 형성하기 위하여 상기 홈(23)과 상기 돌출부(38)가 접속하는 면에 시일을 위한 오링(미도시)을 더 포함할 수 있다. 이로 인해 공정 진행시 진공 분위기 형성을 더욱 극대화시킬 수 있다. 상기 오링은 고온에서도 견딜 수 있는 테프론 재질을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 기판 지지대(33)의 수직 이동을 위한 구동 수단으로 상술한 바에 한정되지 않고 다양한 장치 및 수단을 이용할 수 있으며, 상기 압착부(30)는 공정상 편의에 따라 다양하게 구성할 수 있다.

본 실시예는 진공 형성을 위해 종자정(50)과 종자정 홀더(40)가 안착되는 받침부(20)에 상기 진공 형성부(10)와 연결된 진공 흡입관(22)을 형성하였으나, 이에 한정되지 않고 장치 내부를 진공으로 형성할 수 있는 방법은 다양하게 구성할 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시한 다른 실시예와 같은 진공 챔버(70)를 이용할 수도 있다. 진공 챔버(70) 내에 종자정(50)과 종자정 홀더(40)가 안착되는 받침부(20)와, 상기 종자정(50)과 종자정 홀더(40)를 압착하는 압착부(30)를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 종자정 부착 장치는 종자정(50)과 종자정 홀더(40)의 부착시 온도를 제어하기 위한 온도 제어부(60)를 더 포함할 수 있다. 도면에서 볼 수 있듯이, 상기 받침부(20)의 내부에 외부 전원(62)에 연결된 열선(61)을 내장함으로써, 종자정(50)과 종자정 홀더(40)의 부착시 온도를 제어할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 즉, 종자정(50)과 종자정 홀더(40)를 부착하기 위해 그 사이에 형성된 접착 물질을 100 내지 200℃의 온도 구간에서 용융한 후, 열선(61)을 이용하여 승온시키는 시간과 동일하게 서서히 응고시킴으로써 종래 급격한 온도 변화로 인한 종자정(50)으로의 열 충격을 완화시킬 수 있다.

상기 온도 제어부(60)는 받침부(20) 내에 내장된 열선(61)에 한정되는 것이 아니라, 종자정(50)과 종자정 홀더(40)에 대한 온도를 제어할 수 있는 수단이면 다양하게 구성 가능하다.

이하, 상술한 종자정 부착 장치를 이용하여 종자정의 부착 방법에 대해 설명한다.

먼저 종자정 부착 장치의 받침부(20) 상에 단결정이 성장될 종자정(50) 및 종자정 홀더(40)를 배치한다. 이 때, 종자정(50)과 종자정 홀더(40) 사이에는 소정의 접착 물질이 형성된다. 상기 접착 물질로는 유기 접착제를 사용할 수 있으며, 상기 종자정 홀더는 흑연(graphite)을 사용할 수 있다.

이후 기판 지지대(33)를 하향 이동시켜 상부 및 하부 기판(31,32)으로 종자정(50) 및 종자정 홀더(40)를 압착한다. 상기 종자정(50)에 직접 압착되는 하부 기판(32)은 종자정(50)의 전면에 접하도록 하여 수평적인 압착이 이루어지도록 한다. 이를 위해 기판 지지대에 지지되는 하부 기판(32)의 단면적은 종자정(50)의 단면적보다 더 큰 것이 바람직하다.

이 때, 로터리 펌프(12)를 이용하여 진공 흡입관(22)을 통해 공기를 빼주어 장치 내부를 진공으로 형성한다. 받침부(20) 중앙에 위치한 진공 흡입관(22)은 종자정 홀더(40)를 중앙에 위치하도록 압착 고정시켜 주는 역할을 하며, 그 외의 진공 흡입관(22)은 압착시 장치 내부를 진공 상태로 형성하여 종자정(50)과 종자정 홀더(40)가 수평적으로 견고하게 부착되도록 한다. 그리하여 종자정(50)과 종자정 홀더(40) 사이의 접착 물질이 균일하게 퍼져 기포 없이 종자정(50)과 종자정 홀더(40)를 부착한다.

종래에는 종자정(50)과 종자정 홀더(40)에 유리봉으로 압착하여 부착하였기 때문에, 어느 한 부분에 국부적으로 응력이 집중되어 종자정(50)에 균열이 생기거나, 수평적으로 압착이 되지 못해 기포가 발생하는 문제점이 있었다. 그러나 본 발명은 종자정(50)의 부착시 진공 상태로 형성하며 하부 기판(32)을 이용하여 종자정(50)의 전면을 수평적 압착함으로써, 국부적으로 응력이 집중되는 현상을 방지할 수 있으며, 종자정(50)의 내구성이 증대되며 종자정(50)과 종자정 홀더(40)의 결합력이 견고하게 된다.

또한 그 사이에 얇게 형성된 접착 물질을 100 내지 200℃의 온도 구간에서 녹이며 압착을 가하여 종자정(50)과 종자정 홀더(40)를 부착시킨 후, 받침부(20)에 내장된 열선(62)을 이용하여 종자정(50)과 종자정 홀더(40)의 온도를 승온시키는 시간과 동일하게 서서히 낮춤으로써 접착 물질을 응고시킨다. 그리하여 종래 급격한 온도 변화로 인한 종자정(50)으로의 열 충격을 완화시킬 수 있다. 즉, 접착 물질의 응고를 위한 온도 저하시 열 충격을 완화시켜, 종자정(50)의 열 충격으로 인한 균열을 방지하고 종자정(50)과 종자정 홀더(40)를 안정적으로 부착할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 종자정 부착 장치는 로터리 펌프를 이용하여 종자정과 종자정 홀더의 수평적인 압착을 가함으로써, 그 사이의 기포를 제거하고 안정적으로 견고하게 부착될 수 있도록 한다. 또한 열선을 이용하여 급격한 온도 저하 를 방지함으로써, 종자정의 열 충격으로 인한 균열의 발생을 방지할 수 있다.

본 발명의 종자정 부착 장치를 이용하여 종자정 홀더에 부착된 종자정은 다양한 단결정 성장 공정에 응용된다. 예를 들어, 탄화규소(SiC)의 경우, 종자정을 사용하여 승화재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시킨다. 원료가 되는 SiC 결정은 예를 들어 흑연제의 도가니 내에 수납하고 그 상부에 종자정이 되는 SiC 단결정을 배치한다. 그 전에 미리 상술한 종자정 부착 장치를 이용하여 종자정을 종자정 홀더에 견고하게 부착시켜 사용한다. 본 발명에 의하면, 종자정과 종자정 홀더를 강하게 부착할 수 있기 때문에, 종자정의 표면이 중력 방향을 향하여 고정되는 경우에도 기울거나 떨어지는 현상 없이 안정적으로 공정을 진행할 수 있다.

또한, 아르곤 등의 불활성 가스 분위기에서 도가니가 가열되고, SiC 결정 분말에 비해 종자정이 약간 저온이 되도록 온도 구배가 설정된다. SiC 결정 분말이 승화되면, 온도 구배에 의해 도가니 중에 원료 가스의 농도 구배가 존재하고, 그 농도 구배에 의해 원료 가스가 종자정 측으로 확산한다. 이 때, 종자정에 도착된 원료 가스가 종자정 상에서 재결정화함으로써 단결정 성장이 이루어진다. 상기 단결정 성장의 저항율은 불활성 가스 분위기 속에 불순물 가스를 첨가하거나, 또는 SiC 결정 분말 중에 불순물 원소 또는 그 화합물을 혼합함으로써 제어할 수 있다. 그리하여 뛰어난 내열성 및 기계적 강도 뿐 아니라 고온 특성, 고주파 특성, 내압 특성, 내환경 특성에도 우수하며, 전자나 정공의 가전자 제어가 용이하며 넓은 에너지 밴드갭으로 인해 차세대의 파워장치용 반도체 재료로 기대되는 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.

이와 같은 단결정 성장에 있어서, 본 발명의 종자정 부착 장치 및 이를 이용한 종자정 부착 방법은 기포 없이 견고하게 부착된 종자정과 종자정 홀더로 인해 보다 안정적인 공정을 진행할 수 있으며, 종자정에 성장되는 단결정의 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명의 종자정 부착 장치는 로터리 펌프를 이용하여 종자정과 종자정 홀더의 수평적인 압착을 가함으로써, 그 사이의 기포를 제거하고 안정적으로 견고하게 부착될 수 있도록 한다. 또한 열선을 이용하여 급격한 온도 저하를 방지함으로써, 종자정의 열 충격으로 인한 균열의 발생을 방지할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 종자정 부착 장치를 이용하여 종자정 홀더에 안정적으로 종자정을 부착시킨 후 단결정을 성장시킴으로써, 내구성이 향상된 종자정으로 인해 단결정의 품질을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 종자정과 종자정 홀더를 부착하는 종자정 부착 장치에 있어서,

   상기 종자정과 종자정 홀더가 안착되는 받침부;

   상기 받침부의 상부에 상기 종자정과 종자정 홀더를 압착하는 압착부; 및

   상기 받침부와 상기 압착부 사이에 진공을 형성하는 진공 형성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 종자정 부착 장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 종자정과 종자정 홀더의 온도를 조절하는 온도 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 종자정 부착 장치.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 온도 제어부는 상기 받침부 내에 구비된 열선을 포함하는 것을 특징으로 하는 종자정 부착 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 압착부는 상기 종자정 전면에 직접 압착되는 기판과, 상기 기판의 양측을 지지하며 수직으로 이동가능한 기판 지지대를 포함하는 것을 특징으로 하는 종자정 부착 장치.
5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 받침부는 외부와 연통하는 진공 흡입관을 포함하고, 상기 진공 형성부는 상기 진공 흡입관의 외부에 연결된 로터리 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 종자정 부착 장치.
6. 접착 물질이 중간에 개재된 종자정과 종자정 홀더를 준비하는 단계; 및

   진공 상태에서 상기 종자정과 종자정 홀더를 압착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 종자정 부착 방법.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 종자정과 종자정 홀더를 압착하는 단계는 상기 종자정과 종자정 홀더의 온도를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 종자정 부착 방법.

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