KR100847264B1

KR100847264B1 - Ｌｅｃ법에 의한 열차단장치

Info

Publication number: KR100847264B1
Application number: KR1020070037719A
Authority: KR
Inventors: 김광호; 김덕준
Original assignee: 엑스탈테크놀로지 주식회사
Priority date: 2007-04-18
Filing date: 2007-04-18
Publication date: 2008-07-18

Abstract

본 발명은 발광소자 및 고주파 신호처리 반도체 소자의 원재료인 갈륨비소로 잉곳을 결정 성장시키는 LEC(liquid encapsulated czochralski)법에 의한 열차단장치에 관한 것으로 특히, LEC(liquid encapsulated czochralski)법에 의해 성장된 잉곳을 상승시킬 때 발생되는 열변화에 따른 열응력에 의해 잉곳의 전위결함을 일으키는 현상을 미연에 방지하기 위한 LEC법에 의한 열차단장치에 관한 것이다.

따라서 발명은 상기 기술한 열차단 장치에 의해 잉곳에 가해질 급격한 열응력을 최소화하여 기존에 사용되고 있는 저압 단결정 성장 장치로도 고품위 단결정 성장을 할 수 있기에 활용가능성이 높고 고질의 잉곳을 생산할 수 있다.

또한 본 발명은 기존 열차단 장치를 그대로 활용하여 제작이 가능하기에 들어가는 비용보다 저렴하고, 그 내구성이 높다.

하단지지디스크, 상단지지디스크, 열차단디스크, 가이드봉, LEC법, 열차단제

Description

ＬＥＣ법에 의한 열차단장치{The device to protect heat of the liquid encapsulated czochralski method}

도 1은 일반적인 잉곳을 도시한 도면,

도 2는 LEC법에 의한 잉곳을 성장시키는 도가니를 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 열차단장치를 분해하여 도시한 도면,

도 4는 본 발명의 열차단장치가 부착된 로를 단면하여 도시한 작동상태도,

도 5는 본 발명의 열차단장치를 도시한 도면,

도 6은 종래와 본 발명의 로에서 순환되는 온도흐름을 도시한 도면이다.

<도시된 도면의 주요부호에 대한 간단한 설명>

10; 하단지지디스크 11; 관통구

12; 가이드공 20; 로드

30; 상단지지디스크 31; 관통구

32; 가이드공 40; 열차단디스크

41; 연동공 42; 가이드공

50; 가이드봉 60; 지지디스크판

일반적으로 발광소자 및 고주파 신호처리 반도체 소자의 원재료인 갈륨비소 잉곳(Ingot)을 생산하는 방법은, 크게 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법과 VGF(Vertical Gradient Freeze)법 등이 주로 많이 사용된다. 그 중에서도 전자인 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법은 단결정성이 좋으며 빠른 성장 속도와 공정이 진행시 내부를 볼 수 있어 공정의 성공 유무를 확인할 수 있는 장점과 공정 진행의 빠름과 수율의 극대화를 가질 수 있었다. 그러나 반응로 내부의 심한 열손실로 인해 반응로의 수직한 방향으로의 큰 온도차이로 VGF(Vertical Gradient Freeze)법과 VB(Vertical Bridgeman)법에 비해 고품질의 잉곳(ingot)를 제작 할 수 없다는 심각한 단점을 안고 있다.

그럼 본 발명을 용이하게 설명하기 위해서 이러한 갈륨비소 잉곳을 생산하는 방법과 그외 이 분야의 일반적인 기술적 사항들을 상세히 설명한다.

먼저 잉곳과 웨이퍼란 무엇인가에 대하여 상세히 설명한다.

반도체의 경우 우선 도시된 도 1과 2에서처럼, 잉곳(1)을 생산하고 이를 가공하여 웨이퍼(2)를 생산하는 것이다. 그리고 이 웨이퍼(2)를 절단하여 반도체를 제작하는 방식이다. 그런데 이러한 웨이퍼(2)가 반도체로 제작되기 위해서는 단결정화되어야만 한다. 즉, 그 전위방향이 일정한 상태로 분자구조를 이루어야만 하는 것이다. 그러나 화합물이나 대다수의 광물 및 자연계에 존재하는 많은 물질들은 그 전위가 다방향성을 가진 다결정구조로 이루어질 수밖에 없다. 따라서 본 발명에서는 씨드(3)를 이용하여 잉곳(1)을 성장시킴으로서 단결정화시키는 것이다.

그럼 이러한 단결정화된 잉곳을 생산하기 위한 제조방법의 간략적인 형태를 보면 다음과 같다. 즉, 전술된 것처럼 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법과 VGF(Vertical Gradient Freeze)법 등이 주로 사용되는데, 이들 모두는 결국 갈륨과 비소를 용융시켜 잉곳으로 고체화시키는 과정에서 단결정화시킨다는 점에서 맥락을 같이 한다. 그러나 큰 차이점은 상기 전자인 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법은 씨드(3)의 하부로 성장시키면서 단결정화시키는 방식이고, 후자인상기 VGF(Vertical Gradient Freeze)법은 도가니 내부에서 씨드의 상부로 성장시키면서 단결정화시킨다는 점에서 차이가 있다.

그리고 전자인 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법은 그 생산량과 생산기간 등에서 큰 효과가 있는 것은 인정되고 있지만 그 제품적 품질면에서 VGF(Vertical Gradient Freeze)법에 의해 생산된 잉곳에 비하여 큰 하자로서 받아 들여지고 있다. 또한 요즘은 생산량에 주력하기 보다는 질적인 향상에 신경을 쓰고 있는 때이기에 차츰 그 경쟁력을 잃어가고 있는 추세이다.

그럼 이렇게 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법에 의해 생산된 잉곳이 VGF(Vertical Gradient Freeze)법에 의해 생산된 잉곳에 비하여 품질면에서 낙후된 이유를 살펴본다. 먼저 LEC법은 도시된 도 2에서처럼 갈륨과 비소를 용융시킨 상태에서 로드(4)의 끝단에 씨드(3)를 결합한다. 그리고 그 로드(4)를 상기 갈륨과 비소의 용융물(5) 속에 집어넣어 면접시키고 난 후, 점차 상승시키면서 잉곳(1)을 성장시키는 것이다. 즉, 갈륨비소 화합물의 경우 약 1238℃ 정도에서 액체화된 상태를 유지하는데, 그 이상의 온도에서는 서서히 굳어 고체화되는 과정을 거치게 된다. 따라서 도시된 도2에서 보이는 로(7) 내에서는 1238℃ 이상이기에 용융된 상태를 유지하다가, 로드(4)의 씨드(3)와 면접하여 상승하게 되면 그 면접된 용융물(5)을 서서히 고체화되는 것이다. 물론 로(7)의 상부의 상승은 1238℃ 이상이기에 고체화될 수 있는 것이다. 그런데 사실상 모든 물질의 경우 그 온도변화에 따라 열응력이 발생될 수밖에 없다. 더군다나 급작스러운 큰 온도차는 그 물질 자체의 파손으로 이어질 소지가 많다. 물론 이러한 연유로 종래의 잉곳은 생산시 크릭이 가고 깨지는 경우도 비일비재하였다. 결국 이러한 LEC(Liquid Encapsulated Czochralski)법은 잉곳(1)으로 결정화하는 과정에서 그 온도변화를 유기적으로 조절할 수 없는 방법상의 구조적인 결함으로 인하여 이러한 문제점이 부각된 것이다.

상기한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 발광소자 및 고주파 신호처리 반도체 소자의 원재료인 갈륨비소로 잉곳을 결정 성장시키는 LEC(liquid encapsulated czochralski)법에 의한 열차단장치에 관한 것으로 특히, LEC(liquid encapsulated czochralski)법에 의해 성장된 잉곳을 상승시킬 때 발생되는 열변화에 따른 열응력이 발생하여 잉곳의 전위결함을 일으키는 현상을 미연에 방지하기 위한 LEC법에 의한 열차단장치를 제공하고자 한다.

따라서 본 발명은, 로의 상부에서 회전하며 승하갈 할 수 있는 로드를 가진 열차단장치에 있어서, 상부쳄버의 내부에 로드가 관통되는 관통구를 가진 상태로 체결되고, 상하 방향으로 다수의 가이드공이 형성된 링형상의 하단지지디스크와; 상기 하단지지디스크 상부로 상부쳄버의 내부에 체결하되, 로드가 관통되는 관통구를 가지고, 상하 방향으로 다수의 가이드공이 형성된 링형상의 상단지지디스크와; 상기 상, 하단지지디스크 사이에 내재하되, 상하 방향으로 다수의 가이드공이 형성되고, 상기 로드가 관통되는 연동공을 가진 링 형상의 열차단디스크와; 상기 상, 하단지지디스크와 열차단디스크의 가이드공에 끼워지되, 상, 하단지지디스크의 가이드공과는 스크류 체결되어 결합되는 가이드봉과; 상기 관통구와 연동공에 삽입되 어 승하강되는 로드의 끝부분에 열차단디스크의 연동공에 비하여 큰 지름으로 체결되는 지지디스크판이; 결합하되, 상기 지지디스크판이 로드의 하향시 열차단디스크를 상부에 올린 상태로 하향하여 하단지지디스크의 관통구를 막아 온도의 입출입을 차단하는 LEC법에 의한 열차단장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 로의 상부에서 회전하며 승하갈 할 수 있는 로드를 가진 열차단장치(100)에 관한 것이다.

따라서 도시된 도 1 내지 7와 함께 상세히 설명한다. 본 발명은 상부쳄버(19)의 내부에 로드(20)가 관통되는 관통구(11)를 가진 상태로 체결되고, 상하 방향으로 다수의 가이드공(12)이 형성된 링형상의 하단지지디스크(10)가 있고, 상기 하단지지디스크(10) 상부로 상부쳄버(19)의 내부에 체결하되, 로드(20)가 관통되는 관통구(31)를 가지고, 상하 방향으로 다수의 가이드공(32)이 형성된 링형상의 상단지지디스크(30)가 있다. 또한 상기 상, 하단지지디스크(30, 10) 사이에 내재하되, 상하 방향으로 다수의 가이드공(42)이 형성되고, 상기 로드(20)가 관통되는 연동공(41)을 가진 링 형상의 열차단디스크(40)가 있고, 상기 상, 하단지지디스크(30, 10)와 열차단디스크(40)의 가이드공(32 12)에 끼워지되, 상, 하단지지디스크(30, 10)의 가이드공(32, 12)과는 스크류 체결되어 결합되는 가이드봉(50)이 있다. 그리고 상기 관통구(31, 11)와 연동공(41)에 삽입되어 승하강되는 로드(20)의 끝부분에 열차단디스크(40)의 연동공(41)에 비하여 큰 지름으로 체결되는 지지디스 크판(60)이 형성된다. 따라서 상기 지지디스크판(60)이 로드(20)의 하향시 열차단디스크(40)를 상부에 올린 상태로 하향하여 하단지지디스크(10)의 관통구(11)를 막아 온도의 입출입을 차단하는 것이다.

즉, 본 발명은 도시된 도 4 내지 7에서처럼, 상부챔버(19)의 내부에 상, 하단지지디스크(30, 10)가 있다. 물론 이들은 모두 상부챔버(19)에 견고히 부착된 상태임이 바람직하다. 그리고 상기 상, 하단지지디스크(30, 10)는 서로 대응하는 구조로 디스크의 형태를 띠고 있다. 이때 이 구조는 동전의 정 중앙에 구멍이 뚫린 링 형태를 취하고 있고, 그 상하부면을 관통하는 관통구(31, 11)와 다수의 가이드공(32, 12)이 형성된다. 상기 관통구(31, 11)의 경우 정 중앙에 형성되고, 상기 가이드공(32, 12)의 경우 외주면에 가깝게 형성되는 것이 바람직하며 다수가 형성되어야 한다. 즉, 가이드공(32, 12)의 경우 2 내지 8까지 다수개로 성형할 수 있다. 이때 상기 관통구(31, 11)는 그를 관통하는 로드(20)의 지름에 비하여 다소 큰 지름이어야 한다. 물론 그 지름의 차는 특별히 한정하기는 힘들지만 후술될 지지디스크판(60) 보다는 작아야 한다. 아무튼 이러한 상기 상, 하단지지디스크(30, 10)는 상기 가이드공(32)과 가이드공(12)을 관통하되, 끝단에 형성된 스크류를 통해 견고하게 결합될 수 있어야 한다. 즉, 도시된 도 5에서처럼 가이드봉(50)의 양단에는 상기 상, 하단지지디스크(30, 10)가 스크류 체결되어야 한다.

그리고 상기 상, 하단지지디스크(30, 10)의 사이에는 역시 링형태의 열차단 디스크(40)가 끼워진다. 이때 끼워지는 형태는 도시된 도면에서처럼 로드(20)가 상기 상, 하단지지디스크(10)의 관통구(11)를 관통하고 내려올 때, 그 끝단에 걸칠 수 있게 체결하는 방식이다. 다시 말해서 상기 로드(20)의 끝단에는 잉곳(82)을 성장시키기 위한 씨드(82)가 결합되어 있고, 그 상부로 도시된 지지디스크판(60)이 체결되어 있다. 이 체결의 방식은 상기 로드(20)의 씨드(82) 상단 외주면에 견고하게 결합되는 방식이다. 그리고 그 지지디스크판(60)의 상부로 상기 열차단디스크(40)가 올려지는 방식이다. 상기 열차단디스크(40)의 경우도 전술한 것처럼 별도의 가이드공(42)이 형성되어 있고, 그 중심에는 별도의 연동공(41)이 형성되어 있는 상태이다. 따라서 상기 가이드봉(50)에 상기 열차단디스크(40)의 가이드공(42)이 끼워지고, 상기 연동공(41)에 로드(20)가 끼워진 상태이다. 결국 상기 로드(20)가 상하 작용을 할 때, 상기 열차단디스크(40)도 작동을 시작하지만 중력의 작용에 따라 유기적으로 작동한다.

그럼 그 작용을 상세히 설명한다. 즉, 상기 로드(20)가 상방향으로 이동한 상태에서 내리게 되면, 상기 지지디스크판(60)의 상부에 열차단디스크(40)가 올려져 있기에 같이 하향하게 된다. 다시 말해서 상기 지지디스크판(60)의 지름이 열차단디스크(40)에 형성된 연동공(41)보다 크기에 상기 지지디스크판(60)에 열차단디스크(40)가 걸린 상태로 중력에 따라 얹혀져 하향을 하게 된다. 그리고 그 하향이 계속되어 상기 열차단디스크(40)가 상기 하단지지디스크(10)의 상면과 면접하게 되면 상기 로드(20)는 더 하향하여 그 지지디스크판(60)과 함께 하향을 한다. 이때 상기 열차단디스크(40)는 상기 하단지지디스크(10)에 걸려 더 이상의 하향을 중지한다. 즉, 상기 하단지지디스크(10)에 형성된 관통구(11)의 지름에 비하여 열차단디스크(40)의 지름이 크기에 그 관통구(11)를 빠져나오지 못하고 관통구(11)를 덮게 되는 것이다. 그리고 이때 상기 열차단디스크(40)의 경우 그 가이드공(42)에 끼워진 가이드봉(50)의 작용에 따라서 수직 연동을 하는 것은 당연하다.

한편 이렇게 열차단디스크(40)가 상기 하단지지디스크(10)의 관통구(11)를 막게 되면, 로 내의 온도가 상부챔버(19)로 빠져나오지 못하고, 상부챔버(19) 내의 공기나 온도가 로 내로 유입되어 로 내의 온도를 급속히 떨어트리는 현상을 미연에 방지한다.

그리고 상기 로드(20) 끝단에 형성된 씨드에서 잉곳(82)이 성장하고 난 후, 상기 로드(20)를 상승시키게 되면 상기 로드(20)는 상승하면서 상기 지지디스크판(60)에 상기 열차단디스크(40)를 올린 상태에서 상승하는 것이다. 즉, 상기 열차단디스크(40)에 형성된 연동공(41)은 상기 로드(20)의 지름에 비하여 다소 큰 것이기에 그 중심부에서 자유롭게 연동이 가능하다.

한편 본 발명인 상기 열차단장치(100)의 모든 구성요소(건)은, 몰리브덴으로 제작하여 고온에도 내구성을 유지시킬 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 다른 소재를 이용하여 제작하여도 무방하지만 몰리브덴으로 제작함이 그 내구성을 증진 시키는 측면에서 가장 바람직하다.

나아가 본 발명의 상기 열차단디스크(40)의 연동공(41)은, 상기 로드(20)의 지름에 비하여 크지만 지지디스크판(60)의 지름보다는 적은 것이 바람직하다. 즉, 상기 로드(20)가 승, 하향할 때 무작정 상기 열차단디스크(40)가 같이 연동되는 것이 아니고, 중력에 의해 지지디스크판(60) 위에 얹혀져 하향을 하다가 하단지지디스크판(10) 상면과 만나게 되면 자연스럽게 뚜껑처럼 덮여 온도의 유출입을 막을 수 있게 하기 위함이다.

본 발명의 작동을 도시된 도 7과 함께 설명한다.

도6의 a의 경우 종래 LEC(liquid encapsulated czochralski)법에 의한 로(A)에서 발생되는 로(A)의 온도변화를 도시한 문제점도이다. 즉, 상부챔버(19)와 로(A)와의 사이에 별도의 열차단수단을 구비하고 있지 못하기에 잉곳(82)이 성장되어 상승할 때, 로(A) 내의 온도가 상부챔버(19)로 올라와 로(A)의 상층부는 급격한 온도의 하강을 보이게 된다. 이 때문에 생산된 잉곳(82)은 열응력이 높아 불량이 될 소지가 많다.

그러나 도 6b의 본 발명과 같이 로(A) 내에서 잉곳(82)이 성장될 때 상기 로(A)와 상부챔버(19)와의 사이를 열차단디스크(40)를 통해 차단한 상태이기에 그 온도변화 폭은 적다. 따라서 고질의 잉곳(82)을 생산하여 단결정화할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 것과 같이 본 발명은 상기 기술한 열차단 장치에 의해 잉곳에 가해질 급격한 열응력을 최소화하여 기존에 사용되고 있는 저압 단결정 성장 장치로도 고품위 단결정 성장을 할 수 있기에 활용가능성이 높고 고질의 잉곳을 생산할 수 있다.

Claims

로의 상부에서 회전하며 승하강 할 수 있는 로드를 가진 열차단장치(100)에 있어서,

상부쳄버(19)의 내부에 로드(20)가 관통되는 관통구(11)를 가진 상태로 체결되고, 상하 방향으로 다수의 가이드공(12)이 형성된 링형상의 하단지지디스크(10)와;

상기 하단지지디스크(10) 상부로 상부쳄버(19)의 내부에 체결하되, 로드(20)가 관통되는 관통구(31)를 가지고, 상하 방향으로 다수의 가이드공(32)이 형성된 링형상의 상단지지디스크(30)와;

상기 상, 하단지지디스크(30, 10) 사이에 내재하되, 상하 방향으로 다수의 가이드공(42)이 형성되고, 상기 로드(20)가 관통되는 연동공(41)을 가진 링 형상의 열차단디스크(40)와;

상기 상, 하단지지디스크(30, 10)와 열차단디스크(40)의 가이드공(32, 12)에 끼워지되, 상, 하단지지디스크(30, 10)의 가이드공(32, 12)과는 스크류 체결되어 결합되는 가이드봉(50)과;

상기 관통구(31, 11)와 연동공(41)에 삽입되어 승하강되는 로드(20)의 끝부분에 열차단디스크(40)의 연동공(41)에 비하여 큰 지름으로 체결되는 지지디스크판(60)이; 결합하되, 상기 지지디스크판(60)이 로드(20)의 하향시 열차단디스크(40)를 상부에 올린 상태로 하향하여 하단지지디스크(10)의 관통구(11)를 막아 온도의 입출입을 차단하는 것을 특징으로 하는 LEC법에 의한 열차단장치.
제 1항에 있어서,

상기 열차단장치(100)의 모든 구성요소(건)은,

몰리브덴으로 제작한 것을 특징으로 하는 LEC법에 의한 열차단장치.
제 1항에 있어서,

상기 열차단디스크(40)의 연동공(41)은,

상기 로드(20)의 지름에 비하여 크지만 지지디스크판(60)의 지름보다는 작은 것을 특징으로 하는 LEC법에 의한 열차단장치.