KR101216522B1 - 탐침봉을 포함하는 실리콘 잉곳 성장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 실리콘 잉곳 성장 장치는, 단결정 시드가 내벽에 고정되고, 내부에 공급원료가 채워지는 도가니; 상기 도가니를 가열하여 상기 공급원료 및 상기 단결정 시드를 용융시키는 히터; 그리고 하단부가 상기 도가니의 내부에 삽입되어 상기 단결정 시드의 표면에 접촉하며, 상기 단결정 시드의 용융정도를 측정하는 탐침봉을 포함한다.

Description

탐침봉을 포함하는 실리콘 잉곳 성장 장치{SILICON INGOT GROWER INCLUDING PROBE}

본 발명은 실리콘 잉곳 성장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탐침봉을 이용하여 시드(seed)의 용융정도를 측정할 수 있는 실리콘 잉곳 성장 장치에 관한 것이다.

실리콘과 같은 단결정 물질은, 반도체 및 광기전성 산업에서 중요한 산업적 응용을 갖는다. 예를 들면, 마이크로프로세서가 양자 크기에서 작동하는 반도체 응용에서, 결정 입계의 존재가 국소적인 전기적 특성을 바꿈으로써 전계 효과 트랜지스터의 기능성에 중대한 영향을 끼칠 수 있다. 유사하게, 태양 전지용 실리콘과 같은 물질을 이용할 때, 일반적으로 단결정 실리콘 태양 전지는 다결정 실리콘 태양 전지와 비교시 높은 효율성을 나타낸다. 일반적으로, 결정 입계는 더 많은 불순물 및 결함을 나타내므로, 단결정 실리콘으로 제조된 태양 전지는 다결정 실리콘으로 제조된 태양 전지에 비해 성능을 증가시킬 수 있다.

실리콘 태양전지는 실리콘 잉곳으로부터 제조되며, 실리콘 잉곳을 상업적으로 제조하는 기술은 초크랄스키(Czochralski)법 및 일방향성 응고법이 있다. 일방향성 응고법을 통해 다결정 실리콘 잉곳을 생산할 수 있으며, 초크랄스키법에 비해 저렴한 생산비용을 장점으로 들 수 있다. 일방향성 응고법에서, 공급원료를 수용한 도가니는 열교환기 블록 위에 위치될 수 있다. 공급원료는 도가니의 주위에 설치된 히터를 통해 약 1412도 이상에서 용융되며, 안정화시간을 거쳐 용융점 이하의 온도로 서서히 냉각되어 일방향 응고가 진행된다. 일방향성 응고 공정에는 유도 가열 또는 저항 가열 중의 하나가 사용될 수 있다. 초크랄스키 성장과 달리, 일방향성 응고에서의 응고는 도가니의 바닥으로부터 상부쪽으로 응고가 진행되며, 고액 계면이 성장 사이클에 의해 핵성장과 결정성장이 이루어진다. 이때, 물질분배계수에 의해 불순물을 상부쪽으로 부유시킨다.

이와 같이, 다결정 실리콘인 공급원료를 용융시킨 후, 하부로부터 상부 방향으로 일방향성 응고를 통해 다결정 실리콘 잉곳을 제조할 수 있다. 다결정 실리콘 잉곳을 생산하는 비용은 초크랄스키법을 통해 생산되는 단결정 실리콘 잉곳의 비용에 비해 저렴하나, 다결정 실리콘 잉곳은 그레인 사이즈가 작기 때문에 단결정 실리콘 잉곳에 비해 광전변환 효율이 낮다.

한국공개특허공보 2008-0086544호 2008.09.25.

본 발명의 목적은 단결정 시드의 용융정도를 측정하여 결정 성장을 개시할 수 있는 실리콘 잉곳 성장 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적들은 다음의 상세한 설명과 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 실리콘 잉곳 성장 장치는, 단결정 시드가 내벽에 고정되고, 내부에 공급원료가 채워지는 도가니; 상기 도가니를 가열하여 상기 공급원료 및 상기 단결정 시드를 용융시키는 히터; 그리고 하단부가 상기 도가니의 내부에 삽입되어 상기 단결정 시드의 표면에 접촉하며, 상기 단결정 시드의 용융정도를 측정하는 탐침봉을 포함한다.

상기 실리콘 잉곳 성장 장치는, 상기 도가니가 내부에 설치되는 로(furnace)를 더 포함하되, 상기 탐침봉은 하단이 상기 도가니의 내부에 삽입되어 상기 단결정 시드와 접촉하는 측정위치 및 상기 하단이 상기 로의 내부 및 상기 도가니의 입구 상부에 위치하는 대기위치로 이동 가능하며, 상기 탐침봉은 상기 대기위치로부터 상기 측정위치로 전환될 수 있다.

상기 실리콘 잉곳 성장 장치는, 상기 탐침봉의 상부를 파지하는 홀더; 상기 홀더의 상단부에 연결되며, 내주면에 나사산이 형성된 이동홀을 가지는 이동바; 그리고 상하방향을 따라 배치되어 상기 이동홀을 관통하고, 외주면에 나사산이 형성되는 승강로드를 더 포함하며, 상기 이동바는 상기 승강로드의 회전에 의해 승강할 수 있다.

상기 홀더는 스테인리스(stainless) 재질이며, 상기 홀더는 내부에 형성된 냉매유로를 가질 수 있다.

상기 실리콘 잉곳 성장 장치는, 상기 승강로드의 일측 및 타측에 연결되어 상기 승강로드와 함께 회전하는 제1 및 제2 종동기어; 상기 제1 종동기어에 맞물리는 제1 구동기어; 상기 제1 구동기어를 회전시키는 모터; 상기 제2 종동기어에 맞물리는 제2 구동기어; 그리고 상기 제2 구동기어를 회전시키는 구동레버를 더 포함할 수 있다.

상기 실리콘 잉곳 성장 장치는, 상기 승강로드와 평행하게 위치하는 눈금자; 그리고 상기 눈금자에 고정되어 상기 이동바의 일단의 하부에 위치하며, 상기 이동바의 하강시 상기 눈금자를 따라 이동 가능한 표시링을 더 포함할 수 있다.

상기 실리콘 잉곳 성장 장치는, 상기 탐침봉에 연결되어 상기 탐침봉의 하강시 상기 탐침봉에 인가된 압력을 감지하는 압력센서; 상기 승강로드를 회전시키는 모터; 그리고 상기 압력센서 및 상기 모터에 연결되어, 상기 압력센서를 통해 감지된 압력이 기설정된 범위를 초과할 경우 상기 모터를 구동하여 상기 탐침봉을 상승시키는 제어기를 더 포함할 수 있다.

상기 실리콘 잉곳 성장 장치는, 상기 탐침봉에 연결되어 상기 탐침봉의 하강시 상기 탐침봉에 인가된 압력을 감지하는 압력센서; 그리고 상기 이동바에 연결되어 상기 이동바와 함께 승강하고, 기설정된 기준위치로부터 이격된 거리를 감지하는 거리측정센서를 더 포함하며, 상기 압력센서 및 상기 거리측정센서에 연결되어, 상기 압력센서를 통해 감지된 압력이 기설정된 범위를 초과할 경우 상기 거리측정센서를 통해 거리를 측정할 수 있다.

상기 실리콘 잉곳 성장 장치는, 상기 탐침봉에 연결되어 상기 탐침봉의 하강시 상기 탐침봉에 인가된 압력을 감지하는 압력센서; 상기 승강로드를 회전시키는 모터; 상기 이동바에 연결되어 상기 이동바와 함께 승강하며, 고정된 기준바를 감지하는 최소이동거리센서; 상기 이동바에 연결되어 상기 이동바와 함께 승강하며, 상기 최소이동거리센서의 상부에 위치하여 상기 기준바를 감지하는 최대이동거리센서; 그리고 상기 압력센서 및 상기 모터, 상기 최소이동거리센서 및 상기 최대이동거리센서에 각각 연결되는 제어기를 더 포함하며, 상기 제어기는, 상기 최소이동거리센서가 상기 기준바를 감지한 경우 상기 압력센서를 통해 상기 탐침봉에 인가된 압력을 측정하고, 상기 최대이동거리센서가 상기 기준바를 감지한 경우 상기 모터를 구동하여 상기 탐침봉을 상승시킬 수 있다.

상기 실리콘 잉곳 성장 장치는, 상기 도가니가 내부에 설치되며 상부에 형성된 탐침포트를 가지는 노; 그리고 일단이 상기 탐침포트에 연결되며 타단이 상기 이동바에 연결되는 벨로우즈(bellows)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의하면 도가니 내부에 위치한 시드의 용융정도를 측정할 수 있으며, 측정된 용융정도에 따라 결정 성장을 개시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳성장장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시한 탐침봉이 측정위치로 이동한 상태를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4는 도 1에 도시한 이동바에 연결된 지지바의 동작을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1에 도시한 이동거리센서 및 압력센서, 그리고 모터에 각각 연결된 제어기를 도시하는 블록도이다.
도 6은 도 1에 도시한 홀더를 나타내는 도면이다.
도 7 및 도 8은 도 1에 도시한 최대이동거리센서 및 최소이동거리센서의 동작을 각각 나타내는 도면이다.
도 9는 도 1에 도시한 최대이동거리센서 및 최소이동거리센서, 모터 및 압력센서에 각각 연결된 제어기를 도시하는 블록도이다.

이하, 본 발명의 실시예들은 첨부된 도 1 내지 도 9를 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예들은 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

한편, 이하에서 언급하는 ‘탐침봉’은 설명의 편의를 위하여 사용되었으며, 발명의 내용이 위와 같은 용어에 의해 한정 해석 되어서는 안된다. 또한, 이하에서 언급하는 ‘연결’은 두 개의 구성요소가 직접 연결되는 경우뿐만 아니라, 다른 매개체를 통해 간접 연결되는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 본 실시예에서는 탐침포트가 로의 상부에 형성되는 것으로 설명하고 있으나, 탐침포트의 위치는 변경될 수 있다. 또한, 본 실시예에서 시드는 단결정 실리콘인 것으로 설명하고 있으나, 본 발명은 시드의 결정형태나 성분에 국한되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 개략적으로 나타내는 정면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 잉곳 성장 장치는 로(furnace)(1)를 포함하며, 일방향성 응고를 통한 결정 성장은 로(1) 내부에서 이루어진다. 도가니(10)는 로(1) 내부에 설치되며, 단결정 시드(20)는 도가니(10) 안에 위치한다. 도가니(10)는 석영 또는 실리카 재질일 수 있으며, 원통형 또는 사각형일 수 있다. 도가니(10) 내부에 위치한 단결정 시드(20)의 상부에는 공급원료(23)가 채워지고, 히터(14)는 도가니(10)의 양측 및 상부에 배치될 수 있다. 공급원료(23)는 다결정 실리콘일 수 있다.

단결정 시드(20)는 소면적인 여러 조각의 단결정 시드들을 연결하여 사용할 수 있으나, 하나의 대면적 시드를 사용하는 것이 보다 많은 단결정 영역을 가진 다결정 잉곳을 생산할 수 있다. 또한 단결정 시드(20)는 도가니(10) 바닥면을 향하도록 배치되는 것이 바람직하며, 단결정 시드(20)를 도가니(10)의 바닥면에 고정 밀착시키는 것이 더욱 바람직하다. 도가니(10) 안에 공급원료(23)를 충전하는 과정에서, 부피가 큰 공급원료(23)의 덩어리를 이용하여 단결정 시드(20) 위에 올려놓는 방법을 통해 단결정 시드(20)는 도가니(10)의 바닥면에 밀착될 수 있으며, 단결정 시드(20)가 도가니(10)의 바닥면에서 분리되어 공급원료(23)와 같이 완전 용융되는 것을 방지할 수 있다.

단결정 시드(20)가 도가니(10) 내에 배치된 후, 공급원료(23)가 기설정량만큼 도가니(10) 내에 채워지면, 히터(14)를 통해 용융과정을 시작한다. 용융과정은 단결정 시드(20) 및 공급원료(23)에 대하여 함께 진행되며, 공급원료(23)는 완전히 용융시키되 단결정 시드(20)는 완전한 용융을 피하면서 부분적으로(약 2/3 가량) 용융시킨다. 이때, 열교환기(도시안함)를 통해 단결정 시드(20)의 완전한 용융을 방지할 수 있다.

공급원료(23)가 용융되고 단결정 시드(20)가 부분적으로 용융된 후, 도가니(10)를 하부로 이동하여 히터(14)로부터 이격시키거나 열교환기를 통해 도가니(10)를 냉각함으로써 용융된 공급원료(23)에 대한 일방향 응고가 진행되며, 결정 성장이 개시되어 잉곳이 생성된다. 이때, 잉곳은 부분적으로(약 2/3 가량) 용융된 고액 공존영역에서 단결정 시드(20)로부터 성장하며, 생성된 잉곳은 단결정 영역을 가지는 다결정 실리콘일 수 있다. 이를 단결정 성향의 다결정 실리콘으로 정의할 수 있다. 단결정 성향의 다결정 실리콘의 광전변환 효율은 단결정 실리콘과 유사하게 나타나는 반면, 생산비용은 단결정 잉곳을 생산하는 초크랄스키법에 비해 저렴하며, 다결정 실리콘과 유사하다.

용융전 단결정 시드(20)의 두께는 25-30mm이며, 부분적으로 단결정 시드(20)의 용융 두께가 약 13-17mm 일 때 결정 성장을 개시하는 것이 가장 바람직한 단결정 성향의 다결정 잉곳을 만들 수 있다.

도가니(10)를 가열하는 히터(14)는 전원(도시안함)을 PID 컨트롤러를 통해 정밀하게 제어된다. 수냉식 열교환기, 액체 냉각식 열교환기 또는 가스 냉각식 열교환기(도시안함)가 도가니(10)의 하부에 배치될 수 있으며, 열교환기를 통해 단결정 시드(20)의 실질적인 완전한 용융을 피할 수 있다. 또한, 단결정 시드(20)를 부분적으로만 용융시키고, 공급원료(23)를 완전히 용융시키기 위해 히터(14)로 제공되는 전원이 PID 컨트롤러를 통해 정밀하게 제어될 수 있다.

로(1)는 상부에 형성된 탐침포트(35)를 가지며, 탐침봉(70)은 탐침포트(35)를 통해 로(1)의 내부로 출입할 수 있다. 탐침포트(35)는 포트커버(35a)를 통해 개폐되며, 탐침봉(70)은 포트커버(35a)에 형성된 통로(도시안함)를 통해 출입한다. 홀더(38)는 탐침봉(70)의 상부를 파지하며, 홀더(38)는 이동바(30)에 연결되어 이동바(30)와 함께 승강한다. 따라서, 탐침봉(70)은 홀더(38)를 통해 로(1)의 내부로 승강할 수 있다.

탐침봉(70)은 단결정 시드(20) 및 공급원료(23)의 오염을 막기 위하여 퀄츠(quartz) 재질일 수 있으며, 매 공정시 오염 상태를 확인하여 교체할 수 있다. 또한, 탐침봉(70)은 고온에서 안정적인 텅스텐 재질에 실리콘 또는 퀄츠로 코팅될 수 있으며, 탐침봉(70)의 재질은 변경될 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 측면프레임들(5)은 탐침포트(35)의 양측에 각각 상하방향으로 배치되며, 상부프레임(7)은 측면프레임들(5)의 상단을 연결한다. 측면프레임(5)은 이동바(30)를 관통하며, 이동바(30)는 측면프레임(5) 상에 설치되어 측면프레임(5)의 길이방향을 따라 승강한다. 이동바(30)는 일측에 형성된 이동홀(75)을 가지며, 이동홀(75)의 내주면에 나사산이 형성된다. 승강로드(65)는 측면프레임(5)과 대체로 나란하게 배치되며, 승강로드(65)의 외주면에 나사산이 형성된다. 승강로드(65)는 이동홀(75)을 관통하여 이동바(30)와 나사결합하며, 승강로드(65)의 회전시 이동바(30)는 승강한다. 한편, 본 실시예에서는 이동바(30)가 승강로드(65)의 회전에 의해 승강하는 것으로 설명하였으나, 이동바(30)는 레일(rail) 또는 와이어(wire)를 통해 승강할 수 있다.

제1 및 제2 종동기어(54,58)는 승강로드(65)의 상부 및 하부에 각각 연결되며, 제1 및 제2 구동기어(52,56)는 제1 및 제2 종동기어(54,58)에 각각 맞물린다. 제1 종동기어(54)는 제1 구동기어(52)와 맞물려 회전하며, 제2 종동기어(58)는 제2 구동기어(56)와 맞물려 회전한다. 제1 구동기어(52)는 모터(50)의 동력에 의해 회전하며, 제2 구동기어(56)는 구동레버(60)의 동력에 의해 회전한다. 사용자는 모터(50) 또는 구동레버(60)를 이용하여 제1 및 제2 구동기어(52,56) 중 어느 하나를 구동할 수 있으며, 이를 통해 승강로드(65)를 회전할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 승강로드(65)의 회전시 이동바(30)는 승강하며, 탐침봉(70)은 이동바(30)와 함께 승강할 수 있다.

도 2는 도 1에 도시한 탐침봉이 측정위치로 이동한 상태를 나타내는 도면이다. 탐침봉(70)은 도가니(10) 내에 고정된 단결정 시드(20)에 접촉하며, 단결정 시드(20)의 용융정도를 측정한다. 앞서 설명한 바와 같이, 단결정시드(20)의 용융 두께가 약 13-17mm일 때 결정 성장을 개시하는 것이 바람직하므로, 탐침봉(70)을 통해 단결정 시드(20)의 용융정도를 측정하는 과정이 필요하며, 이와 같은 과정을 통해 결정 성장을 개시할 수 있는 시기를 확인할 수 있다.

탐침봉(70)은 이동바(30)와 함께 승강하며, 승강에 의해 대기위치 및 측정위치로 이동할 수 있다. 탐침봉(70)은 측정을 개시하기 이전에 대기위치에 놓이며, 이후 단결정 시드(20) 및 공급원료(23)가 기설정된 시간 동안 용융되면 측정위치로 전환되어 단결정 시드(20)의 용융정도를 측정한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 탐침봉(70)이 대기위치에 있을 때, 탐침봉(70)의 하단은 로(1)의 내부에 위치한 상태에서 도가니(10)의 상부에 위치할 수 있으며, 탐침봉(70)의 하단은 히터(14) 또는 가열된 도가니(10)에 의해 예비가열(pre-heating)될 수 있다. 탐침봉(70)은 히터(14)를 통해 도가니(10)가 가열되기 전 또는 도가니(10)가 가열되는 동안 대기위치로 이동할 수 있다.

탐침봉(70)이 상온 상태에서 고온 상태의 용융된 공급원료(23) 내에 진입할 경우, 탐침봉(70)의 급격한 온도 상승으로 열충격에 의하여 파손 및 변형될 수 있다. 또한, 용융된 공급원료(23)가 탐침봉(70)의 표면에서 냉각되어 응고 및 증착되는 현상이 발생할 수 있다.

이밖에, 잉곳 성장은 도가니(10) 내부에서 용융된 공급원료(23)의 온도를 긴밀히 제어하여 이루어지나, 상온 상태의 탐침봉(70)으로 인해 용융된 공급원료(23)의 온도 변화가 발생하며, 이로 인해 비정상적인 온도 분포가 형성될 경우, 잉곳의 안정적인 성장에도 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 탐침봉(70)을 용융된 공급원료(23)와 근접한 온도로 예비가열하는 과정이 필요하며, 히터(14) 또는 가열된 도가니(10)(또는 공급원료(23))를 통해 탐침봉(70)을 예비가열할 수 있다.

탐침봉(70)은 승강로드(65)의 회전에 의해 이동바(30)와 함께 하강할 수 있으며, 측정위치로 전환될 수 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 탐침봉(70)이 측정위치에 있을 때, 탐침봉(70)의 하단은 용융된 공급원료(23) 내에 진입하여 단결정 시드(20)와 접촉한다. 사용자는 단결정 시드(20) 및 공급원료(23)에 대한 가열이 개시되기 전 탐침봉(70)의 위치와 가열이 개시된 후 탐침봉(70)의 위치를 비교함으로써 단결정 시드(20)의 용융정도를 측정할 수 있다. 구체적인 내용은 이하에서 설명한다.

도 3 및 도 4는 도 1에 도시한 이동바에 연결된 지지바의 동작을 나타내는 도면이다. 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 홀더(38)는 지지바(32)에 고정되며, 지지바(32)는 고정구들(80)을 통해 이동바(30)에 연결된다. 고정구들(80)은 이동바(30) 및 지지바(32)를 관통하며, 지지바(32)가 이동바(30)로부터 이탈하는 것을 방지한다. 이동바(30)는 고정구들(80) 상에서 상하로 이동가능하다. 탄성체(36)는 이동바(30)와 지지바(32) 사이에 설치되며, 이동바(30)와 지지바(32)가 이격되는 방향으로 탄성력을 제공한다.

압력센서(90)는 이동바(30)와 지지바(32) 사이에 설치되며, 홀더(38)(또는 지지바(32))에 가해진 압력을 감지한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 탐침봉(70)이 대기위치에서 측정위치로 전환되면, 탐침봉(70)의 하단은 단결정 시드(20)와 접촉하며, 단결정 시드(20)로 인해 탐침봉(70)의 하단에 압력이 가해진다. 홀더(38) 및 지지바(32)는 압력에 의해 상부로 이동하여 압력센서(90)에 압력을 전달한다. 따라서, 압력센서(90)는 탐침봉(70)의 하단에 가해진 압력을 감지할 수 있다. 한편, 압력센서(90)는 탄성체(36)를 이용한 탄성식 압력계를 예를 들어 설명하였으나, 압력센서(90)의 압력 측정 방식은 이에 한정되지 않는다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 이동거리센서(40)는 이동바(30)의 하단면에 설치되어 이동바(30)와 함께 승강한다. 이동거리센서(40)는 기설정된 기준위치(예를 들어, 로(1)의 상부면)로부터 이격된 거리를 측정한다. 또한, 눈금자(62)는 승강로드(65)와 대체로 나란하게 설치되며, 표시링(68)은 눈금자(62)에 연결되어 눈금자(62)를 따라 이동가능하다. 표시링(68)은 외력이 없을 때 눈금자(62)에 고정된 상태를 유지하며, 외력에 의해 눈금자(62)를 따라 이동할 수 있다. 표시링(68)은 이동바(30)의 일단의 하부에 위치하며, 이동바(30)의 하강시 눈금자(62)를 따라 이동한다. 다만, 이동바(30)의 상승시 표시링(68)은 이동바(30)와 함께 상승하지 않으므로, 표시링(68)은 이동바(30)가 최대로 하강했을 때의 위치를 표시한다.

도 5는 도 1에 도시한 이동거리센서 및 압력센서, 그리고 모터에 각각 연결된 제어기를 도시하는 블록도이다. 이하, 도 5를 참고하여 단결정 시드(20)의 용융정도를 측정하는 방법을 설명한다.

먼저, 앞서 설명한 바와 같이, 탐침봉(70)은 측정을 개시하기 이전에 대기위치에 놓이며, 히터(14)는 도가니(10)를 가열하여 공급원료(23) 및 단결정 시드(20)를 용융시킨다. 이때, 탐침봉(70)은 대기위치에서 히터(14) 또는 가열된 도가니(10)에 의해 예비가열(pre-heating)될 수 있다.

도가니(10)를 기설정된 시간 동안 가열한 후, 탐침봉(70)을 이용하여 단결정 시드(20)의 용융정도를 측정한다. 제어기(100)는 모터(50)를 구동하여 이동바(30)를 하강시키며, 탐침봉(70)은 이동바(30)의 하강에 의해 측정위치로 이동한다.

탐침봉(70)의 하단이 단결정 시드(20)와 접촉하면, 제어기(100)는 압력센서(90)를 통해 탐침봉(70)에 인가된 압력을 감지하며, 인가된 압력이 기설정된 범위를 초과할 경우 제어기(100)는 모터(50)를 이전과 반대방향으로 구동하여 탐침봉(70)을 대기위치로 이동시킨다. 또한, 압력이 기설정된 범위를 초과하는 순간, 제어기(100)는 이동거리센서(40)를 통해 기설정된 기준위치로부터 이격된 거리를 측정한다. 제어기(100)는 용융전 단결정 시드(20)를 기준으로 측정된 거리와 용융후 단결정 시드(20)를 기준으로 측정한 거리를 비교하여 시드(20)의 용융정도를 연산할 수 있다.

또한, 작업자는 이동바(30)의 하강에 의해 이동한 표시링(68)을 통해 단결정 시드(20)의 용융정도를 측정할 수 있다. 즉, 용융전 단결정 시드(20)를 기준으로 이동한 표시링(68)의 위치와 용융후 단결정 시드(20)를 기준으로 이동한 표시링(68)의 위치를 비교하여 단결정 시드(20)의 용융정도를 파악할 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 단결정 시드(20)의 용융정도가 기설정된 범위(예를 들어, 13mm-17mm) 이내인 경우, 공급원료(23)에 대한 일방향성 응고를 통한 결정 성장이 개시된다.

한편, 벨로우즈(95)는 이동바(30)(또는 지지바(32))에 일단이 연결되고 탐침포트(35)에 타단이 연결된다. 잉곳 성장은 노(1)의 내부가 진공을 유지하는 상태에서 이루어지며, 노(1)의 내부는 벨로우즈(95)를 통해 진공상태를 유지할 수 있다.

도 6은 도 1에 도시한 홀더를 나타내는 도면이다. 탐침봉(70)은 홀더(38)를 통해 고정되며, 홀더(38)는 내식성이 뛰어난 스테인리스 재질인 것이 바람직하다. 탐침봉(70)이 도가니(10) 내부의 용융된 공급원료(23)로 진입하는 동안, 도가니(10) 상부의 온도는 약 1400도를 상회하므로, 홀더(38)는 가열될 수 있으며, 이로 인한 홀더(38)의 변형으로 탐침봉(70)이 홀더(38)로부터 분리될 위험이 있다. 따라서, 홀더(38)는 냉매유로(39)를 가지며, 냉매유로(39)는 냉매공급라인(39a) 및 냉매회수라인(39b)에 연결될 수 있다. 냉매는 냉매공급라인(39a)을 통해 냉매유로(39)에 공급되어 홀더(38)를 냉각하며, 냉매회수라인(39b)을 통해 회수된 후 칠러(chiller)(도시안함) 등을 통해 재냉각될 수 있다. 냉매는 헬륨, 질소 등의 기체가스일 수 있다.

도 7 및 도 8은 도 1에 도시한 최대이동거리센서 및 최소이동거리센서의 동작을 각각 나타내는 도면이며, 도 9는 도 1에 도시한 최대이동거리센서 및 최소이동거리센서, 모터 및 압력센서에 각각 연결된 제어기를 도시하는 블록도이다.

최소이동거리센서(45) 및 최대이동거리센서(48)는 이동바(30)의 일측에 설치되며, 최대이동거리센서(48)는 최소이동거리센서(45)의 상부에 위치한다. 최소이동거리센서(45) 및 최대이동거리센서(48)는 이동바(30)와 함께 승강하며, 측면프레임(5)의 일측에 설치된 기준바(42)를 감지할 수 있다.

예를 들어, 탐침봉(70)이 대기위치에서 측정위치로 이동하는 중, 탐침봉(70)의 하단이 단결정 시드(20)가 아닌 다른 물질(예를 들어, 불완전 용융된 공급원료(23))에 접촉하는 경우에도 탐침봉(70)의 하단에 압력이 가해질 수 있으며, 제어기(100)는 압력센서(90)에 가해진 압력이 기설정된 범위를 초과하면 이동거리센서(40)를 통해 단결정 시드(20)의 용융정도를 측정한다. 그러나, 탐침봉(70)은 단결정 시드(20)가 아닌 다른 물질에 접촉한 것이므로, 측정된 용융정도는 오류에 해당한다.

따라서, 제어기(100)는 최소이동거리센서(45)를 통해 기준바(42)가 감지된 경우(도 7에 도시), 압력센서(90)를 통해 탐침봉(70)에 인가된 압력을 감지함으로써, 위와 같은 오류를 방지할 수 있다. 최소이동거리센서(45)를 통해 기준바(42)가 감지된 경우, 탐침봉(70)의 하단이 단결정 시드(20)에 근접한 상태이므로, 단결정 시드(20)가 아닌 다른 물질로 인해 오류가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 예를 들어, 탐침봉(70)의 하단이 단결정 시드(20)와 접촉하였음에도 불구하고, 압력센서(90)의 오동작으로 인해 압력이 기설정된 범위를 초과하지 않을 수 있다. 이 경우, 제어기(100)는 이동바(30)를 상승시키지 않을 뿐만 아니라, 계속적으로 하강시키며, 이로 인해 탐침봉(70)은 단결정 시드(20) 또는 도가니(10)를 파손시킬 수 있다.

따라서, 제어기(100)는 최대이동거리센서(48)를 통해 기준바(42)가 감지된 경우(도 8에 도시), 모터(50)를 이전과 반대방향으로 구동하여 탐침봉(70)을 대기위치로 상승시킴으로써, 단결정 시드(20) 또는 도가니(10)의 파손을 방지할 수 있다.

본 발명을 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 이와 다른 형태의 실시예들도 가능하다. 그러므로, 이하에 기재된 청구항들의 기술적 사상과 범위는 실시예들에 한정되지 않는다.

1 : 로(furnace) 10 : 도가니
14 : 히터 20 : 단결정 시드(seed)
23 : 공급원료 30 : 이동바
35 : 탐침포트 38 : 홀더
40 : 이동거리센서 45 : 최소이동거리센서
48 : 최대이동거리센서 50 : 모터
52 : 제1 구동기어 54 : 제1 종동기어
56 : 제2 구동기어 58 : 제2 종동기어
60 : 구동레버 62 : 눈금자
65 : 승강로드 68 : 지시링
70 : 탐침봉 90 : 압력센서
95 : 벨로우즈 100 : 제어기

Claims (10)

1. 단결정 시드가 내벽에 고정되고, 내부에 공급원료가 채워지는 도가니;
   상기 도가니를 가열하여 상기 공급원료 및 상기 단결정 시드를 용융시키는 히터; 및
   하단부가 상기 도가니의 내부에 삽입되어 상기 단결정 시드의 표면에 접촉하며, 상기 단결정 시드의 용융정도를 측정하는 탐침봉;
   상기 탐침봉의 상부를 파지하며, 내부에 형성된 냉매유로를 가지는 스테인리스(stainless) 재질의 홀더;
   상기 홀더의 상단부에 연결되며, 내주면에 나사산이 형성된 이동홀을 가지는 이동바; 및
   상하방향을 따라 배치되어 상기 이동홀을 관통하고, 외주면에 나사산이 형성되는 승강로드를 포함하며,
   상기 이동바는 상기 승강로드의 회전에 의해 승강하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 실리콘 잉곳 성장 장치는,
   상기 도가니가 내부에 설치되는 로(furnace)를 더 포함하되,
   상기 탐침봉은 하단이 상기 도가니의 내부에 삽입되어 상기 단결정 시드와 접촉하는 측정위치 및 상기 하단이 상기 로의 내부 및 상기 도가니의 입구 상부에 위치하는 대기위치로 이동 가능하며,
   상기 탐침봉은 상기 대기위치로부터 상기 측정위치로 전환되는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 실리콘 잉곳 성장 장치는,
   상기 승강로드의 일측 및 타측에 연결되어 상기 승강로드와 함께 회전하는 제1 및 제2 종동기어;
   상기 제1 종동기어에 맞물리는 제1 구동기어;
   상기 제1 구동기어를 회전시키는 모터;
   상기 제2 종동기어에 맞물리는 제2 구동기어; 및
   상기 제2 구동기어를 회전시키는 구동레버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 실리콘 잉곳 성장 장치는,
   상기 승강로드와 평행하게 위치하는 눈금자; 및
   상기 눈금자에 고정되어 상기 이동바의 일단의 하부에 위치하며, 상기 이동바의 하강시 상기 눈금자를 따라 이동 가능한 표시링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장 장치.
7. 단결정 시드가 내벽에 고정되고, 내부에 공급원료가 채워지는 도가니;
   상기 도가니를 가열하여 상기 공급원료 및 상기 단결정 시드를 용융시키는 히터;
   하단부가 상기 도가니의 내부에 삽입되어 상기 단결정 시드의 표면에 접촉하며, 상기 단결정 시드의 용융정도를 측정하는 탐침봉;
   상기 탐침봉의 상부를 파지하는 홀더;
   상기 홀더의 상단부에 연결되며, 내주면에 나사산이 형성된 이동홀을 가지는 이동바;
   상하방향을 따라 배치되어 상기 이동홀을 관통하고, 외주면에 나사산이 형성되는 승강로드;
   상기 탐침봉에 연결되어 상기 탐침봉의 하강시 상기 탐침봉에 인가된 압력을 감지하는 압력센서;
   상기 승강로드를 회전시키는 모터; 및
   상기 압력센서 및 상기 모터에 연결되어, 상기 압력센서를 통해 감지된 압력이 기설정된 범위를 초과할 경우 상기 모터를 구동하여 상기 탐침봉을 상승시키는 제어기를 포함하며,
   상기 이동바는 상기 승강로드의 회전에 의해 승강하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장 장치.
8. 단결정 시드가 내벽에 고정되고, 내부에 공급원료가 채워지는 도가니;
   상기 도가니를 가열하여 상기 공급원료 및 상기 단결정 시드를 용융시키는 히터;
   하단부가 상기 도가니의 내부에 삽입되어 상기 단결정 시드의 표면에 접촉하며, 상기 단결정 시드의 용융정도를 측정하는 탐침봉;
   상기 탐침봉의 상부를 파지하는 홀더;
   상기 홀더의 상단부에 연결되며, 내주면에 나사산이 형성된 이동홀을 가지는 이동바;
   상하방향을 따라 배치되어 상기 이동홀을 관통하고, 외주면에 나사산이 형성되는 승강로드;
   상기 탐침봉에 연결되어 상기 탐침봉의 하강시 상기 탐침봉에 인가된 압력을 감지하는 압력센서;
   상기 이동바에 연결되어 상기 이동바와 함께 승강하고, 기설정된 기준위치로부터 이격된 거리를 감지하는 거리측정센서; 및
   상기 압력센서 및 상기 거리측정센서에 연결되어, 상기 압력센서를 통해 감지된 압력이 기설정된 범위를 초과할 경우 상기 거리측정센서를 통해 거리를 측정하는 제어기를 포함하며,
   상기 이동바는 상기 승강로드의 회전에 의해 승강하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장 장치.
9. 단결정 시드가 내벽에 고정되고, 내부에 공급원료가 채워지는 도가니;
   상기 도가니를 가열하여 상기 공급원료 및 상기 단결정 시드를 용융시키는 히터;
   하단부가 상기 도가니의 내부에 삽입되어 상기 단결정 시드의 표면에 접촉하며, 상기 단결정 시드의 용융정도를 측정하는 탐침봉;
   상기 탐침봉의 상부를 파지하는 홀더;
   상기 홀더의 상단부에 연결되며, 내주면에 나사산이 형성된 이동홀을 가지는 이동바;
   상하방향을 따라 배치되어 상기 이동홀을 관통하고, 외주면에 나사산이 형성되는 승강로드
   상기 탐침봉에 연결되어 상기 탐침봉의 하강시 상기 탐침봉에 인가된 압력을 감지하는 압력센서;
   상기 승강로드를 회전시키는 모터;
   상기 이동바에 연결되어 상기 이동바와 함께 승강하며, 고정된 기준바를 감지하는 최소이동거리센서;
   상기 이동바에 연결되어 상기 이동바와 함께 승강하며, 상기 최소이동거리센서의 상부에 위치하여 상기 기준바를 감지하는 최대이동거리센서; 및
   상기 압력센서 및 상기 모터, 상기 최소이동거리센서 및 상기 최대이동거리센서에 각각 연결되는 제어기를 포함하며,
   상기 이동바는 상기 승강로드의 회전에 의해 승강하고,
   상기 제어기는,
   상기 최소이동거리센서가 상기 기준바를 감지한 경우 상기 압력센서를 통해 상기 탐침봉에 인가된 압력을 측정하고,
   상기 최대이동거리센서가 상기 기준바를 감지한 경우 상기 모터를 구동하여 상기 탐침봉을 상승시키는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장 장치.
10. 단결정 시드가 내벽에 고정되고, 내부에 공급원료가 채워지는 도가니;
    상기 도가니를 가열하여 상기 공급원료 및 상기 단결정 시드를 용융시키는 히터;
    하단부가 상기 도가니의 내부에 삽입되어 상기 단결정 시드의 표면에 접촉하며, 상기 단결정 시드의 용융정도를 측정하는 탐침봉;
    상기 탐침봉의 상부를 파지하는 홀더;
    상기 홀더의 상단부에 연결되며, 내주면에 나사산이 형성된 이동홀을 가지는 이동바;
    상하방향을 따라 배치되어 상기 이동홀을 관통하고, 외주면에 나사산이 형성되는 승강로드;
    상기 도가니가 내부에 설치되며 상부에 형성된 탐침포트를 가지는 노; 및
    일단이 상기 탐침포트에 연결되며 타단이 상기 이동바에 연결되는 벨로우즈(bellows)를 포함하며,
    상기 이동바는 상기 승강로드의 회전에 의해 승강하는 것을 특징으로 하는 실리콘 잉곳 성장 장치.

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