KR100831609B1

KR100831609B1 - 단결정 성장 설비용 인대 회전두부

Info

Publication number: KR100831609B1
Application number: KR1020067021083A
Authority: KR
Inventors: 안드레아스 뮈헤
Original assignee: 크리스탈 그로우잉 시스템즈 게엠베하
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2005-03-11
Publication date: 2008-05-23
Also published as: DE102004011901A1; US7662231B2; EP1730331A1; KR20060120290A; WO2005087985A1; NO335846B1; US20080000415A1; EP1730331B1; PL1730331T3; NO20064067L

Abstract

쵸크랄스키-결정인상설비에 장치된 인대회전두부(引帶回轉頭部)(8)에 있어서, 인대(7)와 그 단부(端部)에 고정된 종자결정 파지기(6)를 수평 방향 및 수직으로 구동하기 위한 슬립링(slip ring)이 없는 인대회전장치(8)를 실시하기 위하여 인대권취기구(15)를 구비하는 인대회전두부(8)가 수직 중공축(14)으로 지지되고, 상기 중공축(14)을 통하여 인대(7)를 결정인상설비 속에 매달도록 되어 있으며, 상기 인대회전두부(8)는 자신의 축을 중심으로 회전하도록 지지되어, 상기 결정인상설비에 고정된 회전모터(11)에 의하여 상기 인대권취기구(15) 및 인대(7)와 함께 회전할 수 있도록 되어 있고, 상기 수직 중공축(14)은 이중치차(16)에 의하여 동축으로 둘러싸여 있고, 상기 이중치차(16)는 중공축(14)을 중심으로 회전 가능하게 지지되어, 상기 결정인상설비에 고정된 인상모터(10)에 의하여 회전할 수 있도록 되어있으며, 이때 상기 이중치차(16)는 치차장치를 통하여 상기 인대권취기구(15)를 회전시킴으로써, 상기 결정인상설비에 고정된 인상모터(10)로부터 기계 에너지가 상기 결정인상설비에 대하여 상대적 회전을 하는 인대권취기구(15)로 전달될 수 있게된다.

초크랄스키-단결정 성장설비, 인대회전두부, 결정인상설비

Description

단결정 성장 설비용 인대 회전두부{Cord Rotating Head for a Crystal Drawing System}

본 발명은 단결정 성장설비(單結晶成長設備)에 고정된 회전모터에 의하여 수직축을 중심으로 회전하도록 되어있는 인대회전두부 (引帶回轉頭部)에 관한 것으로서, 이때 상기 인대회전두부 내에는 인상(引上) 모터에 의하여 치차장치(齒車裝置)를 통하여 구동되는 인대권취기 (引帶捲取機)가 장치되어 있고, 상기 인대권취기에 의하여 수직으로 매달려 있는 인대(引帶/pulling cord)를 수직으로 인상(引上)하도록 되어있다.

그와 같은 인대권취기를 구비하는 초크랄스키-단결정 성장설비에 사용된 인대회전두부를 독일특허 제DE 100 07 265호와 제DE 43 29 283호, 유럽특허 제EP 437 775호 및 미국특허 제US 436 71 99호에 기술되어 있다. 선행기술에 대한 아래의 상세한 설명을 위하여 제2도를 참조한다. 상기 제2도는 인대권취기구(引帶捲取機構)를 도식적으로 도시하였다. 선행기술에서 상기 설비는 도가니(3)로부터, 예를 들어 석영유리 도가니 안에 있는 실리콘 용탕(鎔湯)(2)으로부터 하나의 결정(結晶)(1), 예를 들어 실리콘 단결정(單結晶)을 인상(引上)하는데 사용되고 있다. 상기 도가니는 용탕과 함께 가열장치(4)에 의하여, 즉, 전기저항 가열장치 또는 유도가열장치에 의하여 가열된다. 결정의 성장공간은 처리실(5)에 의하여 둘러싸여 있으며, 이 처리실(5) 내에는 필요시 진공화(眞空化)하거나 또는 보호가스를 충전 내지 분무(噴霧)할 수도 있다.

상기 결정은 종자결정 홀더(holder)(6)에 매달려 있고, 상기 종자결정(種子結晶) 홀더(6) 자체는 인대(引帶)(7)에, 예를 들어 특수강색(特殊鋼索) 또는 텅스텐 강색(鋼索)에 고정되어 있다. 결정인상을 시작할 때 먼저 종자결정 홀더(6)를 밑으로 내려서 종자결정을 용탕(2)과 접촉시킨다. 이어서 종자결정 홀더(6)를 천천히 제어하면서 다시 상승시킴으로써, 상기 종자결정 홀더(6)가 인상되는 속도로 용탕으로부터 종자결정에 계속 결정물질이 결정화되도록 한다. 때때로 도가니(3)를 천천히 상승시킴으로서 도가니(3) 속에 용탕 레벨이 내려가는 것을 보상하여 주게된다. 원주형(圓柱形)에 근사한 결정(1)을 얻기 위하여, 결정을 인상하는 동안에 결정(1) 뿐만 아니라 도가니(3)도 함께 수직축을 중심으로 회전시킨다. 이와 같은 공정처리 때문에 상기 인대회전두부(8)는 상기 인대(7)를 매우 정밀하게 인상시킬 뿐만 아니라, 또한 회전시킬 수 있는 기능을 수행하게 된다. 이러한 기능은 인대권동(引帶捲胴)(9)에 의하여 수행(해결)되는 바, 이때 상기 인대권동(9)은 치차장치(齒車裝置)를 통하여 인상(引上) 모터(10)에 의하여 회전됨으로써 상기 인대(7)가 권취되거나 풀릴 수 있도록 되어있다. 상기 인대권동(9)은 구동장치와 함께 케이싱 속에, 또는 플랫폼 위에 설치되며, 이 플랫폼은 회전모터(11)에 의하여 상기 단결정 인상설비의 수직축을 중심으로 회전될 수 있다. 상기 인상설비의 수직축을 중심으로 인상구동기구(引上驅動機構)가 회전하기 때문에, 상기 인상모터(10)의 접속 케이블들은 슬립링(slip rings)(12)을 통하여 연결되어야 하며, 이때 슬립링(12)들 의 상기 설비에 대한 비회전 접속부위 (非回轉接續部位)가 유지부와 케이블 관로(管路)(13)를 통하여 상기 인상설비와 접속되어 있다.

상기 선행기술의 문서에 기록된 인대회전두부(8)의 실시예에 있어서 인상모터(10)가 인대권동(9)과 함께 인상설비의 수직축을 중심으로 회전하도록 되어있는바, 상기 선행기술의 인대 회전두부(실시예)는 인상모터(10)를 전원에 연결하고, 모터의 회전수 및 상승속도를 측정하기 위한 접속은 오직 슬립링(12)을 통해서 만 이루어질 수 있다는 단점을 가지고 있다. 그러한 슬립링들은 회전전극(回轉電極)과 정지전극(靜止電極) 사이의 회전마찰에 의한 전기적 접점에 기초를 두고 있으며, 이때 한편으로는 전극들 사이의 마모가 불가피하며, 다른 한편으로는 슬립링들을 통하여 전송되는 전기신호의 장애가 발생할 수도 있다. 따라서 오늘날 공지되어 있는 디지털식 모터 제어장치를 함께 인대회전두부의 회전부(回轉部)에 직접 장치함으로써, 동시에 상기 슬립링을 통하여 디지털 데이터 버스 신호의 전송과 전원공급이 이루어질 수 있도록 되어있다. 그러나 그와 같은 구조는 인대회전두부의 불평형(不平衡) 회전부분에 기인하여 일어나는 문제들과 결합되어 구조적 형상이 커지고, 회전질량이 커지게 된다.

독일특허 제DE 199 32 026호에서 전술한 인대회전두부에서 회전부분의 전력 및 신호전송 문제들을 동축으로 장치되어, 인대회전두부와 함께 회전하는 유도코일 내의 정지 유도코일로부터 전기에너지와 전기신호를 유도결합 함으로써 해결하였다. 대안(代案)으로서는 전기에너지만을 유도방식으로 인대회전두부로 전달되고, 한편 신호통신은 광통신로 또는 고주파 전송로를 통하여 이루어지는 방법이다. 그 렇게 함으로써 슬립링을 완전히 포기할 수 있게되고, 마모문제 뿐만 아니라 전송신호의 방해문제도 해결될 수 있다. 물론, 상기 해법은 특히 데이터 전송의 구체적 실현을 위하여 고도의 기술적 투자가 요구되며, 따라서 고비용으로 이어지게 된다.

따라서 본 발명의 과제는 상기 문제들이 일어나지 않는 간단한 구조로 이루어지고, 저렴한 비용으로 실현할 수 있는 인대회전두부를 제공하는 것이다.

본 발명에 있어서 상기 인대 회전두부의 과제는 특허청구범위 제1항의 상위개념에 따라 해결되며, 상기 인대회전두부는 또한 추가적인 특징으로서 인상모터가 마찬가지로 결정인상설비에 고정되어 있고, 구동장치는 인상모터와 인대권취기구 사이에 신호전달요소를 가지고 있으며, 그 구동장치의 회전축은 인대회전두부의 수직회전축과 하나로 연결시키는 특징을 가지고 있다.

본 발명의 핵심은 수직축 방향으로 장치된 상기 전달요소(신호전송장치)는 인대회전두부가 회전할 때에도 제자리를 유지함으로써 구동장치의 다른 요소들이 인대회전두부의 각위치(角位置)에 관계없이 상기 전달요소와의 연결이 유지된다는 것이다. 그렇게 함으로써 인상모터의 고정을 가능케 하며, 이것은 전력공급 및 제어신호의 전송을 위한 전기공급선이 재래식으로 제어장치와 연결될 수 있다는 장점을 가지고 있다. 특히, 슬립링을 사용할 필요가 없고, 따라서 그와 관련하여 전기적 장애를 방지하기 위한 고비용 및 고가의 대책을 취할 필요도 없으며, 이와 관련된 정비소요가 필요 없게 된다. 동시에, 상기 인대회전두부는 매우 컴팩트한 소형구조로 이루어질 수 있으며, 기술적으로 고비용의 유도(誘導) 에너지 및 신호 전송장치를 필요로 하지 안는다.

그와 같은 전달요소의 배치에 있어서는 물론 스스로 회전하는 인대회전두부에 있어서 상기 전달장치에 후속하는 전달장치의 치차요소가 풀리고, 그렇게 함으로써 인대견인장치를 구동시켜, 인대의 인상을 유발시킨다는 것에 주의해야 할 것이다. 이것은 본 발명의 발전적 전개를 통하여 방지될 수 있으며, 그에 따라 인대회전두부의 회전에 의하여 유발(誘發)되는 인대권취기구의 구동 및 그에 따른 인대의 수직이동이 보정되며, 설비제어장치로 통보된 인대의 상승속도를 달성하도록 인상모터의 구동운동이 조절되는 설비제어장치를 갖추도록 되어있다.

제어를 위하여 필요로 하는 정보는 양쪽의 모터와 결합된 증분 변환기(增分變換器, incremental transducer)에 의하여 얻어진다.

통상 상기 인대는 인대회전두부를 지지하고 있는 중공축(中空軸)을 통하여 안내된다. 그와 같은 장치에 있어서는 상기 전달요소가 중공축 상에서 회전 가능하게 지지되는 것이 최선의 방법이다. 그렇게 함으로써 또한 인대회전두부 아래쪽의 양쪽 모터들을 결정인상설비(結晶引上設備)의 두부(頭部) 위에 설치될 수 있으며, 이 방법은 구조를 소형화(小形化)하는 효과를 가저온다.

상기 전달요소의 간단한 실시예는 상하(上下) 2개의 톱니장치를 갖는 이중 치차장치(二重齒車裝置)로서, 이때 하부치차(下部齒車)는 인상모터의 출력축과 결합되고, 상부치차(上部齒車)는 인대권취기구(引帶捲取機構)와 결합된다.

만약 상기 치차를 출력축 또는 구동축과 결합하는 상기 구동접속장치가 각각 이붙이 벨트(toothed belt)를 가지고 있다면, 상기 인상모터와 치차장치의 배치에 있어서 보다 큰 구조형상의 자유성(構造形狀自由性)을 얻게될 것이다.

전술한 모터들에 대한 제어는 인대상승(引帶上昇)을 결정하기 위한 위치감지기(位置感知器)를 적어도 1개 이상 장치할 경우에는 제어효과를 향상시킬 수 있다.

결정성장설비에 있어서, 인대의 끝에는 종자결정 보지기(種子結晶保持器)가 장치된다. 이때 위치검출기는 상기 유지기의 최고위치에서 위치 리미트 스위치(position limit switch)로서의 기능을 수행할 수도 있다.

이때 설비제어장치는 상기 위치 리미트 스위치(position limit switch)에 의하여 최고점 도달이 확인되는 보지기의 최고위치와, 증분변환기의 신호를 기초로 하여 상기 보지기의 실제 상승위치를 산출할 수 있도록 장치한다.

본 발명의 실시예를 첨부도면의 제1도를 이용하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제2도에서 설명된 선행기술의 구성요소들 중에서 제1도에도 존재하는 부분은 본 발명의 실시예에서 동일하게 참조된다.

제1도에 있어서, 중공축(14)이 재래식으로 형성된 회전 가능한 베어링(17)을 통하여 상기 결정성장설비의 갑실(閘室/lock chamber)(18)의 상부 뚜껑과 연결되어 있다. 진공밀폐된 축관(軸管)(19)은 예를 들어 레이디얼 실(radial seal) 또는 자성유체밀봉(磁性流體密封)을 이용하여 결정인상설비의 내부 분위기를 주위 분위기로부터 차단한다. 중공축(14)은 이붙이 벨트(toothed belt / timing belt)(20)를 거쳐 11번(회전모터)으로 표시된 모터(11)에 의하여, 예를 들어 회전수가 제어되는 서보모터에 의하여 구동된다.

상기 중공축(14) 위에는 인대권취기구(15)가 고정되어 있으며, 상기 인대권 취기구는 진공밀폐된 원통형 케이싱(21) 속에 내장되어 있다. 상기 중공축(14)은 마찬가지로 중공축으로서 형성된 치차(16)에 의하여 동축으로 둘러싸여 있고, 상기 치차(16)는 중공축(14)을 중심으로 회전하도록 지지되어 있다. 상기 이중치차(16)는 이붙이 벨트(22)를 거쳐 인상모터(10)로 표시된 모터에 의하여, 예를 들어 회전수 제어 서보모터에 의하여 구동된다. 만약 이중치차(16)가 인상모터(10)에 의하여 중공축(14)의 회전수와 상이(相異)한 일정한 회전수로 회전할 때에는 상기 이중치차(16)는 동시에 기계적 에너지를 이붙이 벨트(23)를 거쳐 인대권취기구(15)로 전달하게 된다.

상기 인대권취기구(15)는 하나의 수평으로 장치된 인대권동(9)으로 이루어져 있으며, 상기 인대권동(9)은 웜기어(worm gear)(24)를 거쳐 보조축(補助軸)(25)에 의하여 구동되며, 상기 보조회전축(25) 자체는 이붙이 벨트(23)를 거쳐 상기 이중치차(16)에 의하여 구동된다. 상기 보조축(25)은 진공밀폐된 축관(軸管)을 통하여, 예를 들어 로타리 사프트 실(rotary shaft seal) 또는 강자성 유체 밀봉(强磁性流體密封)을 이용하여 상기 진공밀폐된 원통형 케이싱(21) 안으로 도입(導入)될 수도 있다. 상기 이붙이 벨트(20, 22, 23)들 대신에 치차장치를 사용할 수도 있다.

상기 인대(7)를 결정인상설비로 도입할 때 도입점의 중심을 정확하게 잡아주고, 조절할 수 있도록 하기 위하여 상기 인대권동(9)으로부터 풀려나오는 인대(7)를 편향활차(偏向滑車)(27)를 통하여 정확하게 안내할 수 있다. 상기 인대권동(9)은 또한 수직으로 장치하여 1개의 이붙이 벨트 또는 하나의 치차장치에 의하여 구동될 수도 있으며, 이 경우에는 인대권동(9)으로부터 수평으로 풀려나오는 인대(7) 를 수직으로 편향시키기 위하여 최소 1개 이상의 편향활차들을 필요하게 된다.

상기 인대회전수의 조절을 위해서, 인대가 수직출을 중심으로 회전하는 회전수는 본 실시예 있어서는 단지 회전모터(11)의 모터회전수와 이붙이 벨트(20)의 전달량 만을 고려하면 된다. 상기 인대(7)의 상승 및 하강속도의 조절은 중공축중공축(14), 이중치차(16)들의 회전수의 차이뿐만 아니라 이붙이 벨트(23), 웜기어(24) 및 인대권동(9)의 변속비를 고려해야 한다.

중공축(14, 16)들의 회전수 차이를 결정하기 위해서는 모터(10, 11)들의 회전수 및 이붙이 벨트(20, 22)들의 변속비를 고혀해야 한다. 그러나 일반적으로 변속비가 알려져 있는 경우에는 인대(7)의 상승 및 하강 속도가 양쪽 모터(10, 11)의 회전수로부터 명확하게 계산될 수 있다. 인대(7)의 원하는 상승 및 하강속도에 도달하기 위하여 반대로 각각의 인대 회전수로부터는 인상모터(10)의 요구되는 회전수를 계산할 수 있다.

상기 종자결정보지기(6)의 수직절대위치를 추적하기 위하여 모터(10, 11)들의 축을 각각 증분 변환기(增分變換器)와 접속할 수 있다. 그러면 설비제어장치가 고정된 시간간격 마다 모터축들의 진행 각도를 검출하여, 그 값으로부터 각각 종자결정보지기(6)가 진행한 거리를 산출하게 된다. 그러면 상기 설비제어장치를 스위칭할 때마다 수직기준위치를 찾기 위하여 인대의 상승은 기준거리를 진행해야 하며, 이때 상기 인대의 인상은 기준스위치로, 예를 들어 광전(光電) 스위치에 도달할 때까지, 인상동작이 계속된다.

※도면의 주요부분에 대한 부호설명※

크리스탈(結晶)(1) 용탕(鎔湯)(2)

도가니(3) 가열장치(4)

처리실(5) 종자결정 보지기(6)

인대(引帶)(7) 인대회전두부(引帶回轉頭部)(8)

인대권동(引帶捲胴)(9) 인상모터(10)

회전모터(11) 슬립링(12)

케이블도관(導管)(13) 수직중공축(垂直中空軸)(14)

인대권취기(引帶捲取機)(15) 2중치차(16)

베어링(17) 갑실(閘室)(18)

축관(軸管)(19) 이붙이 벨트(toothed belt)(20)

원통형 케이싱(21) 이붙이 벨트(20)

이붙이 벨트(20) 웜기어(worm gear)(24)

보조축(補助軸)(25) 축관(26)

Claims

단결정 인상설비에 고정되어 장치된 회전모터에 의하여 상기 인상설비의 인대회전두부가 수직축을 중심으로 회전하도록 되어 있으며, 이때 상기 인대회전두부 안에는 인상모터에 의하여 치차장치를 거쳐 구동되는 인대권취기구가 설치되어 있고, 이때 수직축선 방향으로 매달려 있는 인대가 상기 인대권취기구에 의하여 수직으로 움직일 수 있도록 되어있는 결정인상설비용 인대회전두부에 있어서,

상기 인상모터(10)는 마찬가지로 결정인상설비에 고정되어 있으며,

상기 인상모터(10)와 인대권취기구(15) 사이의 치차장치는 전달요소를 가지고 있으며, 상기 전달요소의 회전축은 인대회전두부(8)의 수직회전축과 하나로 연결되어 있는 것을

특징으로 하는 결정인상설비용 인대회전두부.
제1항에 있어서,

상기 인대회전두부(8)의 회전에 의하여 유도되는 인대권취기구(15)의 구동과, 이와 관련된 인대(7)의 수직운동이 보정되고, 설비제어장치에 통보된 인대의 상승속도에 도달되도록 상기 인상모터(10)의 구동운동을 조절하는 설비제어장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 인대회전두부.
제2항에 있어서,

양쪽의 인상모터 및 회전모터(10, 11)들은 각각 1개의 증분변환기와 연결되어 있으며, 이 변환기들의 신호들은 설비제어장치에 제공되는 것을 특징으로 하는 인대회전두부.
제2항에 있어서,

상기 인대(7)는 인대회전두부(8)를 지지하고 있는 중공축(14)을 통하여 안내되며, 상기 전달요소는 상기 중공축(14) 위에 지지되어 회전할 수 있도록 되어있는 것을 특징으로 하는 인대회전두부.
제4항에 있어서,

상기 전달요소는 2개의 치차가 아래위에 겹쳐있는 이중치차장치(16)로 이루어져 있으며, 이때 아래쪽 치차는 상기 인상모터(10)의 출력축(14)과 연결되고, 위쪽 치차는 상기 인대권취기구(15)의 보조축(25)과 연결되는 것을 특징으로 하는 인대회전두부.
제5항에 있어서,

상기 회전모터(11)의 구동축과 상기 출력축(14)의 구동연결은 이붙이 벨트(20)에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 인대회전두부.
제2 내지 6항 중 한 항에 있어서,

인대상승을 결정하기 위한 위치감지기를 적어도 1개 이상 장치하는 것을 특징으로 하는 인대회전두부.
제7항에 있어서,

상기 인대(7)의 단부에는 하나의 종자결정 홀더(6)가 장치되어 있으며, 상기 보지기의 최고위치에는 위치감지기가 위치 리미트 스위치로서 장치되는 것을 특징으로 하는 인대회전두부.
제8항에 있어서,

상기 설비제어장치는 위치 리미트 스위치에 의하여 최고점의 도달이 확인되는 상기 보지기의 최고위치와, 증분변환기의 신호를 기초로 하여 그때그때 보지기의 실제 상승위치를 검출할 수 있도록 장치하는 것을 특징으로 하는 인대회전두부.