KR101007994B1 - 잉곳 그로워 - Google Patents

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    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Abstract

잉곳 그로워는 하부에 홀(hole)을 포함하는 챔버, 상기 홀을 통하여 상기 챔버 내에 돌출되고 상단에 실리콘 잉곳(silicon ingot)을 성장시키는 도가니(crucible)와 상기 도가니를 지지하는 샤프트(shaft)를 포함하는 회전부 -상기 도가니와 상기 샤프트는 함께 회전됨, 상기 샤프트는 중앙에 냉각 유체를 유입시키는 유입관과 상기 유입된 냉각 유체를 유출시키는 복수의 유출관들을 포함함- 및 상기 챔버와 상기 샤프트를 고정시키고 상기 챔버를 밀봉하는 자성 유체 밀봉부(magnetic fluid seal unit)를 포함하는 하우징을 포함한다.

Description

잉곳 그로워{INGOT GROWER}
개시된 기술은 잉곳 그로워에 관한 것이다.
잉곳 그로워(Ingot grower)는 실리콘 잉곳(silicon ingot)과 같은 단결정 잉곳을 성장시키는 장치이다. 잉곳 그로워는 도가니에 성장시키기 위한 물질의 원료를 충전하고 원료가 충전된 도가니에 열을 가하여 원료를 용융시킨다. 잉곳 그로워는 단결정 종자(seed)를 용융된 원료에 접촉시킨 후 종자를 회전시키면서 위로 상승시켜서 단결정 잉곳을 성장시킨다.
실시예들 중에서, 잉곳 그로워는 하부에 홀(hole)을 포함하는 챔버, 상기 홀을 통하여 상기 챔버 내에 돌출되고 상단에 실리콘 잉곳(silicon ingot)을 성장시키는 도가니(crucible)와 상기 도가니를 지지하는 샤프트(shaft)를 포함하는 회전부 -상기 도가니와 상기 샤프트는 함께 회전됨, 상기 샤프트는 중앙에 냉각 유체를 유입시키는 유입관과 상기 유입된 냉각 유체를 유출시키는 복수의 유출관들을 포함함- 및 상기 챔버와 상기 샤프트를 고정시키고 상기 챔버를 밀봉하는 자성 유체 밀봉부(magnetic fluid seal unit)를 포함하는 하우징을 포함한다.
실시예들 중에서, 하부에 홀(hole)을 포함하는 챔버, 상기 홀을 통하여 상기 챔버 내에 돌출되고 상단에 실리콘 잉곳(silicon ingot)을 성장시키는 도가니(crucible)와 상기 도가니를 지지하는 샤프트(shaft)를 포함하는 회전부 -상기 도가니와 상기 샤프트는 함께 회전됨, 상기 샤프트는 중앙에 이중관을 포함하고 상기 이중관의 내관은 냉각 유체를 유입시키는 유입관에 연결되고 상기 이중관의 외관은 상기 유입된 냉각 유체를 유출시키는 유출관에 연결됨- 및 상기 챔버와 상기 샤프트를 고정시키고 상기 챔버를 밀봉하는 자성 유체 밀봉부(magnetic fluid seal unit)를 포함하는 하우징을 포함한다.
도 1은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 잉곳 그로워를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 도가니, 샤프트 및 회전부를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 도가니를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 개시된 기술의 일 실시예에 따른 샤프트를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 개시된 기술의 다른 일 실시예에 따른 샤프트를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 샤프트를 설명하기 위한 단면도이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
“및/또는”의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, “제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목”의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c, ...)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 개시된 기술의 일 실시예에 따른 잉곳 그로워를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 도가니, 샤프트 및 회전부를 설명하기 위한 도면이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 잉곳 그로워(Ingot grower)(100)는 챔버(chamber)(110), 회전부(120), 하우징(housing)(130) 및 로터리 조인트(rotary joint)(140)를 포함한다. 회전부(120)는 도가니(crucible)(150)와 샤프트(shaft)(160)를 포함하고, 샤프트(160)는 유입관(170)과 유출관(180)을 포함한다. 하우징(130)은 자성 유체 밀봉부(magnetic fluid seal unit)(190)를 포함한다.
챔버(110)는 하부에 홀(hole)(112)을 포함한다. 챔버(110)의 내부에는 잉곳(152)을 성장시키는 도가니(150)와 도가니(150)를 지지하는 샤프트(160)의 일부가 돌출되어 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 챔버(110)는 진공 상태를 유지할 수 있다. 일 실시예에서, 잉곳(152)은 단결정 실리콘 잉곳에 상응할 수 있다.
회전부(120)는 잉곳(152)를 성장시키는 도가니(150)와 도가니(150)를 지지하는 샤프트(160)를 포함한다. 샤프트(160)의 일부와 도가니(150)는 챔버(110)의 하부에 위치한 홀(112)을 통해 챔버(110)의 내부에 돌출되어 위치하고, 샤프트(160)의 나머지 일부는 하우징(130) 내에 위치한다. 도가니(150)와 샤프트(160)는 함께 회전할 수 있다.
하우징(130)은 챔버(110)의 하부에서 챔버(110)와 결합하여 챔버(110)를 고정시키고 내부에 위치한 샤프트(160)의 일부를 통해 샤프트(160)가 회전 축을 벗어나지 않도록 고정시킨다. 하우징(130)은 샤프트(160)를 회전시키기 위한 베어링(132, 134)를 포함하고, 챔버(110)를 밀봉시키기 위한 자성 유체 밀봉부(190)를 포함한다. 자성 유체 밀봉부(190)는 자석을 통해 회전부(120)와 하우징(130) 사이의 공간에 자계를 형성하고, 회전부(120)와 하우징(130) 사이의 공간에 자계를 따라 자성 유체를 배치하여 회전부(120)와 하우징(130) 사이의 공간을 밀봉한다. 따라서, 자성 유체 밀봉부(190)는 회전부(120)가 회전하는 경우에도 챔버(110)를 밀봉할 수 있다. 자성 유체는 자계에 반응하는 유체이며, 마그네타이트 또는 복합 페라이트와 같은 강자성 초미립자, 물 또는 기름 및 계면 활성제를 포함한다.
로터리 조인트(140)는 하우징(130)의 하부에서 하우징(130)과 결합한다. 로터리 조인트(140)는 외부로부터 유입된 냉각 유체를 회전부(120)의 유입관(170)에 유입시키고, 유출관들(180)로부터 냉각 유체를 외부로 유출시킨다. 로터리 조인트(140)는 외부로부터 유입된 냉각 유체를 회전을 하고 있는 샤프트(160)의 유입관(170)에 유입시킬 수 있고, 샤프트(160)에서 유입관(170)과 유출관들(180)을 따라 순환한 후 배출된 냉각 유체를 외부로 유출시킬 수 있다.
도 3은 도 1의 도가니를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 도가니(150)는 제1 도가니(310), 제2 도가니(320) 및 도가니 지지대(crucible support)(330)를 포함한다. 일 실시예에서, 도가니(150)는 발열층(미도시)과 단열층(미도시)을 더 포함할 수 있다.
제1 도가니(310)는 용융된 원료가 도가니(150) 외부로 유출되지 않도록 하고, 제2 도가니(320)는 제1 도가니(310)를 보호하고 제1 도가니(310)에 열을 전달한다. 일 실시예에서, 제1 도가니(310)는 석영 도가니(quartz crucible)에 상응할 수 있고, 제2 도가니(320)는 흑연 도가니(graphite crucible)에 상응할 수 있다. 일 실시예에서, 도가니(150)의 내부는 샤프트(160) 쪽으로 갈수록 좁아지는 탬퍼(tamper) 구조를 갖는다. 일 실시예에서, 도가니(150)의 내부면은 기울어진 내부면이 만나는 가상의 중심점을 기준으로 30도의 기울기로 좁아지는 구조를 갖는다. 도가니 지지대(330)는 제1 도가니(310)와 제2 도가니(320)를 지지하고 샤프트(160)에 제1 도가니(310)와 제2 도가니(320)를 고정시킨다.
도 4는 개시된 기술의 일 실시예에 따른 샤프트를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 샤프트(160)는 중앙에 냉각 유체를 유입시키는 유입관(170)과 냉각 유체를 유출시키는 복수의 유출관들(180)을 포함한다. 일 실시예에서, 복수의 유출관들(180) 각각은 독립적인 관에 상응할 수 있다. 예를 들어, 제1 유출관(180a)과 제2 유출관(180b)은 독립적인 관일 수 있다. 일 실시예에서, 유입관(170)은 복수의 유출관들(180)과 직접적으로 연결될 수 있다. 다른 일 실시예에서, 유입관(170)은 일단에 냉각 유체를 일시적으로 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있고 저장부를 통해 복수의 유출관들(180)에 냉각 유체를 분배할 수 있다.
냉각 유체는 유입관(170)과 복수의 유출관들(180)을 통해 샤프트(160) 내부에서 흐르며 열교환을 통해 샤프트(160)의 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 샤프트(160)는 도가니(150)에서 발생한 열이 자성 유체 밀봉부(190)에 전달되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 유입관(170)과 복수의 유출관들(180) 간의 거리는 챔버(110) 내에 돌출된 샤프트(160) 부분에서 최대일 수 있다. 예를 들어, 챔버(110) 내에 돌출된 샤프트(160) 부분에서 유입관(170)은 샤프트(160)의 중앙에 위치할 수 있고 복수의 유출관들(180)은 유입관(170)과 소정의 거리 이상 이격되어 중앙을 기준으로 바깥쪽에 위치할 수 있다. 소정의 거리는 챔버(110) 내에 돌출된 샤프트(160) 부분의 온도를 효과적으로 낮출 수 있는 거리이며 이는 실험적으로 구해질 수 있다.
일 실시예에서, 유입관(170)과 복수의 유출관들(180) 간의 거리는 자성 유체 밀봉부(190) 부분에서 최소일 수 있다. 예를 들어, 샤프트(160) 중 자성 유체 밀봉부(190)부분에서 유입관(170)은 샤프트(160)의 중앙에 위치할 수 있고 복수의 유출관들(180)은 유입관(170)과 소정의 거리 이하 이격되어 중앙을 기준으로 바깥쪽에 위치하거나 또는 복수의 유출관들(180)은 유입관(170)과 밀착되어 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 자성 유체 밀봉부(190) 부분에서 유입관(170)은 복수의 유출관들(180) 사이에 위치할 수 있다. 일 실시예에서, 복수의 유출관들(180)은 자성 유체 밀봉부(190) 부분에서 자성 유체와 이격되어 위치할 수 있다. 왜냐하면, 복수의 유출관들(180)을 흐르는 냉각 유체의 열이 자성 유체 밀봉부(190)의 자성 유체에 전달될 수 있기 때문이다.
도 5는 개시된 기술의 다른 일 실시예에 따른 샤프트를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 샤프트(160)는 중앙에 냉각 유체를 유입시키는 유입관(170)과 냉각 유체를 유출시키는 복수의 유출관들(180)을 포함하고, 유입관(170)과 복수의 유출관들(180)은 이중관(510)에 연결될 수 있다. 일 실시예에서, 유입관(170)은 이중관(510)의 내관(514)에 연결되고 복수의 유출관들(180) 각각은 이중관(510)의 외관(512)에 연결될 수 있다.
냉각 유체는 유입관(170)과 복수의 유출관들(180)을 통해 샤프트(160) 내부에서 흐르며 열교환을 통해 샤프트(160)의 온도를 낮출 수 있다. 따라서, 샤프트(160)는 도가니(150)에서 발생한 열이 자성 유체 밀봉부(190)에 전달되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에서, 유입관(170)과 복수의 유출관들(180) 간의 거리는 챔버(110) 내에 돌출된 샤프트(160) 부분에서 최대일 수 있다. 예를 들어, 챔버(110) 내에 돌출된 샤프트(160) 부분에서 유입관(170)은 샤프트(160)의 중앙에 위치할 수 있고 복수의 유출관들(180)은 유입관(170)과 소정의 거리 이상 이격되어 중앙을 기준으로 바깥쪽에 위치할 수 있다. 소정의 거리는 챔버(110) 내에 돌출된 샤프트(160) 부분의 온도를 효과적으로 낮출 수 있는 거리이며 이는 실험적으로 구해질 수 있다.
이중관(510)을 포함하는 경우에는 로터리 조인트(180)는 이중관(510)의 내관(514)에 외부로부터 유입된 상기 냉각 유체를 유입시킬 수 있고, 이중관(510)의 외관(512)으로부터 냉각 유체를 외부로 유출시킬 수 있다.
도 6은 샤프트를 설명하기 위한 단면도이다.
챔버(110) 내에 돌출된 샤프트(160) 부분에서 샤프트(160)는 중앙에 유입관(170)을 포함할 수 있고, 유입관(170)과 이격되어 위치하는 복수의 유출관들(180)을 포함한다. 복수의 유출관들(180)의 반경은 유입관(170)의 반경보다 작다. 일 실시예에서, 복수의 유출관들(180)의 반경은 모두 동일할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 복수의 유출관들(180)은 중앙을 기준으로 가장 바깥쪽에 위치하는 제1 유출관들(미도시)과 제1 유출관들과 유입관(170) 사이의 거리에 위치하는 제2 유출관들(미도시)을 포함할 수 있고, 제1 유출관들과 제2 유출관들은 각각 다른 반경을 가질 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
일 실시예에 따른 잉곳 그로워는 도가니에서 발생한 고온의 열이 주변 장치로 전달되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 잉곳 그로워는 도가니에서 발생한 고온의 회전체, 열이 자성 유체 밀봉부 및 하우징 등에 전달되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시예에 따른 잉곳 그로워는 챔버의 밀봉 상태를 오랫동안 유지할 수 있다. 잉곳 그로워는 자성 유체 밀봉부에 전달되는 열을 방지하여 자성 유체가 열로 인해 자성 성질을 잃는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 잉곳 그로워는 장시간 잉곳을 성장시키는 경우에도 밀봉 상태를 유지할 수 있으며, 자성 유체 밀봉부의 수명을 늘릴 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 하부에 홀(hole)을 포함하는 챔버;
    상기 홀을 통하여 상기 챔버 내에 돌출되고 상단에 실리콘 잉곳(silicon ingot)을 성장시키는 도가니(crucible)와 상기 도가니를 지지하는 샤프트(shaft)를 포함하는 회전부 -상기 도가니와 상기 샤프트는 함께 회전됨, 상기 샤프트는 중앙에 냉각 유체를 유입시키는 유입관과 상기 유입된 냉각 유체를 유출시키는 복수의 유출관들을 포함함-; 및
    상기 챔버와 상기 샤프트를 고정시키고 상기 챔버를 밀봉하는 자성 유체 밀봉부(magnetic fluid seal unit)를 포함하며,
    상기 도가니의 내부면은 기울어진 내부면이 만나는 가상의 중심점을 기준으로 30°의 기울기로 좁아지도록 형성되고,
    유입관과 상기 복수의 유출관들 간의 거리는 상기 챔버 내에 돌출되는 샤프트 부분에서 최대이고, 상기 자성 유체 밀봉부 부분에서 최소인 것을 특징으로 하는 잉곳 그로워.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 유입관은
    상기 자성 유체 밀봉부 부분에서 상기 복수의 유출관들 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 잉곳 그로워.
  5. 제1항에 있어서, 상기 복수의 유출관들은
    상기 자성 유체 밀봉부에서 자성 유체와 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 잉곳 그로워.
  6. 제1항에 있어서, 상기 잉곳 그로워는
    상기 유입관에 외부로부터 유입된 상기 냉각 유체를 유입시키고, 상기 유출관들로부터 상기 냉각 유체를 외부로 유출시키는 로터리 조인트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳 그로워.
  7. 하부에 홀(hole)을 포함하는 챔버;
    상기 홀을 통하여 상기 챔버 내에 돌출되고 상단에 실리콘 잉곳(silicon ingot)을 성장시키는 도가니(crucible)와 상기 도가니를 지지하는 샤프트(shaft)를 포함하는 회전부 -상기 도가니와 상기 샤프트는 함께 회전됨, 상기 샤프트는 중앙에 이중관을 포함하고 상기 이중관의 내관은 냉각 유체를 유입시키는 유입관에 연결되고 상기 이중관의 외관은 상기 유입된 냉각 유체를 유출시키는 복수의 유출관들에 연결됨-; 및
    상기 챔버와 상기 샤프트를 고정시키고 상기 챔버를 밀봉하는 자성 유체 밀봉부(magnetic fluid seal unit)를 포함하며,
    상기 도가니의 내부면은 기울어진 내부면이 만나는 가상의 중심점을 기준으로 30°의 기울기로 좁아지도록 형성되고,
    유입관과 상기 복수의 유출관들 간의 거리는 상기 챔버 내에 돌출되는 샤프트 부분에서 최대이고, 상기 자성 유체 밀봉부 부분에서 최소인 것을 특징으로 하는 잉곳 그로워.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이중관은
    상기 자성 유체 밀봉부에서 자성 유체와 이격되어 위치하는 것을 특징으로 하는 잉곳 그로워.
  9. 제7항에 있어서, 상기 잉곳 그로워는
    상기 이중관의 내관에 외부로부터 유입된 상기 냉각 유체를 유입시키고, 상기 이중관의 외관으로부터 상기 냉각 유체를 외부로 유출시키는 로터리 조인트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 잉곳 그로워.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH06204157A (ja) * 1992-12-25 1994-07-22 Tokyo Electron Tohoku Ltd 縦型熱処理装置
JPH06345585A (ja) * 1993-06-14 1994-12-20 Sumitomo Metal Ind Ltd 単結晶引き上げ装置
KR100906072B1 (ko) * 2008-06-11 2009-07-03 박광준 자성 유체 밀봉 부재 및 이를 포함하는 진공 장치의 밀봉 장치

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