KR101243579B1

KR101243579B1 - 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치

Info

Publication number: KR101243579B1
Application number: KR1020100063972A
Authority: KR
Inventors: 조원석
Original assignee: 조원석; 주식회사 코원이노텍
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2013-03-20
Also published as: KR20120003222A

Abstract

본 발명은 결정 성장장치의 상부에 착탈 가능한 도킹 방식으로 결합되어 챔버 내에 결정 성장을 위한 원료를 재충전(Recharge)함으로써 연속적인 결정성장이 가능하게 되는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치에 관한 것으로, 내부 도가니에 충전되는 원료를 통해 단결정을 성장시키는 결정성장 장치의 상부에 착탈 가능하게 연결되며, 길이 조절이 가능한 슬라이딩 이송관을 결정성장 장치 내의 도가니로 이송시켜서 상부 호퍼에 적재된 원료를 상기 슬라이딩 이송관을 통해 낙하시켜 도가니에 충전시키는 것을 특징으로 한다.

Description

연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치{UPPER-DOCKING TYPE RAW MATERIAL SUPPLY APPARATUS FOR CONTINUOUS GROWING SINGLE CRYSTALS}

본 발명은 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치에 관한 것으로, 결정 성장장치의 상부에 착탈 가능한 도킹 방식으로 결합되어 챔버 내에 결정 성장을 위한 원료를 재충전(Recharge)함으로써 연속적인 결정성장이 가능하게 되는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 결정체 물질은 단결정과 다결정으로 구분되며, 단결정이란 원자 배열의 방향성이 전체에 걸쳐 일정하게 이루어진 결정체를 말하고, 다결정이란 결정립과 결정립계가 존재하는 결정체를 말한다.

여기서, 결정립(grsin)이란 원자 배열의 방향성이 동일한 각 부분을 말하며, 이 결정립과 결정립이 맞닿는 경계를 결정립계(grain boundary)라 한다. 즉, 각 결정립의 기본세포는 같으나, 기본세포가 배열되는 방향성은 결정립마다 서로 다르다. 따라서, 단결정은 결정립계가 존재하지 않는다. 이러한 단결정은 주로 실리콘 웨이퍼와 같이 반도체 재료나 또는 광학용 재료로 사용되며, 결정성장을 통하여 다결정에서 단결정으로 만들어 진다.

통상, 단결정 성장방법에는 인상법이라고도 하는 쵸크랄스키 결정성장법과 플로트존(float zone) 결정성장법 등이 있다.

상기한 인상법에 의한 단결정 성장방법은, 도가니에 원료를 장입하고 가열하여 용융시킨 다음, 이 용융액에 종자결정(seed crystal)을 침지하여 회전시키면서 서서히 인상시키면 종자결정으로부터 결정이 성장되어 대형의 단결정을 성장시키는 것이다. 이 인상법은 양질의 단결정을 상대적으로 짧은 시간에 대형으로 성장시킬 수 있는 장점이 있다.

이러한 통상의 단결정 성장방법에서는 도가니에 대한 원료의 주입이 장치 가동시에 1회만 이루어지며, 실리콘 단결정의 성장이 완료되면 상기 결정 성장장치의 온도를 산화가 일어나지 않는 500℃ 이하로 냉각시키게 된다. 이때 해당 결정 성장장치를 냉각시키는 방법은 내부 히터에 인가된 전원을 해제시킨 후 해당 결정 성장장치 내 챔버의 온도가 500℃ 이하가 될 때까지 자연냉각시키는 방법을 사용하게 된다.

하지만, 상기 도가니는 실리콘을 용융시키기 위해 실리콘의 녹는점인 1420℃ 이상으로 고온 가열되므로, 상기 히터의 전원을 해제하더라도 챔버 중심부의 온도는 1000℃ 이상의 고온이 유지된다. 이와 같은 고온 상태에서 자연냉각 방식만으로 챔버의 온도를 500℃ 이하로 냉각시키는 것은 장시간이 소요되기 때문에 잉곳의 연속적인 생산이 불가능하다는 단점이 있다.

더군다나, 이와 같이 히터의 전원을 해제하게 되면 도가니 안쪽의 실리콘 용액이 굳어지면서 깨져서 사용이 불가능하기 때문에 장치 사용의 효율도 상당히 저하되게 된다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 단결정 성장장치가 가지는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 결정 성장장치의 상부에 착탈 가능한 도킹 방식으로 결합되어 챔버 내에 결정 성장을 위한 원료를 재충전(Recharge)할 수 있는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위한 수단으로, 내부 도가니에 충전되는 원료를 통해 단결정을 성장시키는 결정성장 장치의 상부에 착탈 가능하게 연결되며, 길이 조절이 가능한 슬라이딩 이송관을 결정성장 장치 내의 도가니로 이송시켜서 상부 호퍼에 적재된 원료를 상기 슬라이딩 이송관을 통해 낙하시켜 도가니에 충전시키는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치를 제공한다.

바람직하게는, 상기 상부 도킹식 원료 공급장치는, 상기 결정 성장장치의 상부로 이동되어 연결되는 원료충전 챔버; 상기 원료충전 챔버의 상부에 결합되어 원료를 낙하시키는 호퍼; 상기 호퍼로부터 공급되는 원료의 투입량을 조절하기 위한 원료공급 조절부; 상기 원료충전 챔버 내에 구비되어 불순물을 투입하기 위한 불순물 투입부; 상기 원료 및 불순물을 주입받기 위한 Y형 공급관; 및 상기 Y형 공급관을 통해 주입된 원료 및 불순물을 상기 결정성장 장치 내의 도가니까지 안내하기 위한 슬라이딩 이송관; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 호퍼에는 외부로부터 원료를 주입받기 위한 원료 주입 포트가 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 호퍼의 하부에는 호퍼의 원료 배출에 따라 변화하는 무게를 측정할 수 있는 무게 측정부가 배치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 원료공급 조절부는, 상기 호퍼의 배출부 말단이 수용되는 중공 형상의 수용관; 상기 수용관의 하부에서 상하로 움직여 해당 수용관의 하부를 개폐하는 개폐구; 상기 개폐구와 결합되어 해당 개폐구를 상하 운동시키는 모터부; 및 상기 수용관 및 개폐구를 내부에 수용하며 배출되는 원료를 하부로 방출시키는 조절 투입관; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 개폐구에는 상부에 수용관과 접촉하게 되는 반구형 디쉬가 마련되며, 상기 디쉬와 수용관이 실리콘 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 Y형 공급관은 상측으로 원료 및 불순물을 공급받는 2개의 가지관이 형성되고 하측으로 하나의 배출관이 형성되며, 상기 Y형 공급관의 하부 배출관에는 슬라이딩 방식으로 길이 조정이 가능한 슬라이딩 이송관이 이중관 형태로 결합되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 슬라이딩 이송관은 중공 형상을 가지는 파이프로서, 중공된 내경이 상기 Y형 공급관의 배출관의 외경에 비하여 커서 해당 배출관을 따라 슬라이딩하면서 상하로 이동될 수 있으며, 해당 슬라이딩 이송관은 이송용 스크류에 결합되어 슬라이딩 모터에 의해 회전하는 이송용 스크류의 회전에 따라 상하 슬라이딩 이동하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 슬라이딩 모터의 정방향 회전에 따라 슬라이딩 이송관의 하부 말단은 원료공급 장치에서 배출되어 상기 결정성장 장치의 도가니까지 이동되며, 원료의 공급이 완료되면 상기 슬라이딩 모터의 역방향 회전에 따라 슬라이딩 이송관이 원료공급 장치 내로 회수되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 원료충전 챔버의 일측면에는 진공 포트와 가스주입 포트가 형성되어, 원료충전 챔버의 도킹시 상기 진공 포트를 통해 원료충전 챔버의 내부를 진공 상태로 만들고, 원료충전 챔버의 분리시 상기 진공 포트의 밸브를 차단하고 상기 가스주입 포트를 통해 가스를 주입하여 원료 충전챔버의 내부를 대기압 상태로 만드는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 원료충전 챔버와 결정 성장장치의 결합부위에는 진공 가이드가 설치되어 원료충전 챔버의 도킹시 상기 진공 포트를 통해 원료충전 챔버 및 결정 성장장치의 내부를 진공 상태로 만드는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 진공 가이드는 중공된 가이드 홀을 통해 상기 슬라이딩 이송관이 상기 결정 성장장치까지 배출될 수 있도록 가이드하게 되며, 상기 가이드 홀의 외곽에 형성된 다수의 진공 홀을 통해 원료충전 챔버와 결정 성장장치의 압력상태를 조절하게 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치는 결정 성장장치의 상부에 착탈 가능한 도킹 방식으로 결합되어 챔버 내에 결정 성장을 위한 원료를 재충전(Recharge)함으로써 연속적인 결정 성장이 가능하게 되는 효과가 있다.

또한, 원료의 공급시 투입되는 원료의 양을 정확하게 측정하여 사용자에게 제공함은 물론 정밀하게 원료의 투입량을 제어할 수 있게 되어 생산 수율을 높일 수 있게 되는 효과도 있다.

또한, 원료의 투입시 도가니 부근에서 원료의 낙하가 이루어지고 원료의 적재 높이에 따라 낙하 위치를 조절할 수 있도록 함으로써 원료의 안정적인 주입이 가능하게 되는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치를 설명하기 위한 측단면도.
도 2는 본 발명에 따른 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치에서 슬라이딩 이송관의 하부 배출 상태를 설명하기 위한 측단면도.
도 3은 본 발명에 따른 원료공급 조절부를 나타내는 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 공급 박스를 도시하는 도면.
도 5는 본 발명에 따른 진공 가이드를 설명하기 위한 측단면도.
도 6은 본 발명에 따른 진공 가이드를 설명하기 위한 사시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치를 설명하기 위한 측단면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치에서 슬라이딩 이송관의 하부 배출 상태를 설명하기 위한 측단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에서는 단결정의 성장이 이루어지는 결정 성장장치(100)의 상부에 원료 공급장치(200)가 원료 재충전(Recharge)을 위하여 도킹된다.

먼저, 본 발명의 이해를 돕기 위해 상기 결정 성장장치(100)의 기본적인 구성을 간단하게 설명하면 다음과 같다.

상기 결정 성장장치(100)는 폴리 실리콘(PS)을 용융하는 도가니(Crucible)(110), 상기 도가니(110)에 열을 가하기 위한 히터(120) 및 상기 히터(120)의 외부에 설치되어 열을 차폐하는 단열부재(130)를 포함하여 이루어진 챔버부(140)와, 상기 도가니(110)에 용융된 폴리 실리콘(PS)에 종자 결정체(Seed Crystal)를 접촉시켜 서서히 인상시키면서 원하는 지름의 실리콘 잉곳(Ingot)을 성장시키는 잉곳 인상장치(미도시)를 포함하여 이루어진 게이트 챔버(150)로 구성된다.

이러한 결정 성장장치(100)로는 일반적으로 쵸크랄스키(Czochralski) 결정성장법 및 이를 위한 결정 성장장치가 널리 공지되어 있다. 쵸크랄스키 결정성장법은 실리콘 종자결정을 실리콘 용융액에 딥핑하였다가, 이를 서서히 인상시킴으로써 종자결정을 일정 직경의 잉곳으로 결정성장시키는 방법이다.

여기에서 결정 성장장치(100)는 도가니(110) 내의 실리콘을 1400℃ 이상에서 용액 상태로 유지시키므로 실리콘 용융액이 담기는 석영 재질의 도가니(110) 역시 고온 상태를 유지하게 되고, 해당 결정 성장장치(100)의 내부에는 실리콘 및 불순물의 산화물 등에 의해 오염되는 것을 방지하기 위하여 비활성 기체(예컨데, Ar 등)를 흘려주도록 구성될 수 있다.

여기에서 상술한 결정 성장장치(100)의 내부 구성은 다양한 구조 및 타입으로 형성될 수 있으며 공지의 구성도 적용될 수 있으므로 여기에서는 이에 대한 구체적인 설명을 생략한다.

이러한 결정 성장장치(100)의 상부에 도킹되는 상기 원료 공급장치(200)는 상기 결정 성장장치(100)의 상부로 이동되어 결합되는 원료충전 챔버(260)와, 상기 원료충전 챔버(260)의 상부에 결합되어 원료를 낙하시키는 호퍼(210)와, 상기 호퍼(210)로부터 공급되는 원료의 투입량을 조절하기 위한 원료공급 조절부(220)와, 불순물을 투입하기 위한 불순물 투입부(230)와, 상기 투입되는 원료 및 불순물을 주입받기 위한 Y형 공급관(240)과, 상기 Y형 공급관(240)을 통해 주입된 원료 및 불순물을 챔버부(140) 내의 도가니(110)까지 안내하기 위한 이송관(250)을 포함하여 구성된다.

상기 호퍼(210)는 결정성장에 필요한 원료를 수용하는 것으로, 외부로부터 공급받은 원료를 일정한 양으로 하부를 통해 배출하게 된다. 여기에서 결정성장에 필요한 상기 원료는 직경 약 15mm 이하의 모양이 불규칙한 알갱이 형태의 폴리 실리콘(Poly Silicon)일 수 있다.

이러한 호퍼(210)로의 원료 적재를 위해 해당 호퍼(210)의 상부에는 원료 주입 포트(211)가 설치된다. 즉, 해당 호퍼(210)는 원료충전 챔버(260)의 상부 공급 박스(261) 내에서 지지되도록 설치되고 이러한 공급 박스(261)의 상측면 및 호퍼(210)의 상측면을 관통할 수 있는 원료 주입 포트(211)를 호퍼(210)에 고정 설치함으로써 외부로부터 호퍼(210) 내부에 원료(폴리 실리콘)를 주입할 때 사용할 수 있게 한다.

이때, 이러한 원료 주입 포트(211)는 평상시에는 진공 상태가 유지될 수 있도록 클램핑(Clamping)해 두게 된다.

상기 호퍼(210)는 하부에 마련된 호퍼 배출부(210a)가 하부로 돌출된 깔때기 형상으로 형성되어 자연스럽게 낙하 방식으로 원료의 하부 배출이 이루어질 수 있으며, 이러한 호퍼(210)의 하부에는 해당 호퍼(210)의 변화된 무게를 측정할 수 있는 무게 측정부(213)가 설치된다.

상기 무게 측정부(213)는 호퍼(210)의 무게에 의해 눌려지는 하중(Load)을 감지하여 측정된 무게값을 나타낼 수 있는 장치로서, 바람직하게는 로드셀(load cell)로 구성될 수 있다.

이러한 무게 측정부(213)는 압력 즉 단위 면적당 가해지는 힘(인장 혹은 압축)을 측정하는 로드셀로 이루어져, 상기 호퍼(210)의 무게에 의한 하중을 측정하게 되며, 이렇게 측정된 호퍼(210)의 하중을 전기적 신호(예컨데, 0 ~ 1V)로 받아 컨트롤러에서 수치로 환산하여 제어부(도시 않음)에 무게값으로 표시를 해주게 된다.

따라서 호퍼(210) 내의 원료가 방출되면 방출된 원료의 무게가 무게 측정부(213)에 의해 감지되기 때문에 원하는 만큼의 원료를 정확하게 투입할 수 있게 되고 또한 현재 호퍼(210) 내의 원료 잔여량을 실시간으로 파악할 수 있게 된다. 실제로 이러한 원료 투입량의 조절은 후술하는 원료공급 조절부(220)에서 정확하게 조절되게 된다.

도 3에는 이러한 원료공급 조절부(220)를 상세하게 도시한 측단면도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 상기 원료공급 조절부(220)는 상기 호퍼(210)의 호퍼 배출부(210a)의 말단이 일정 부분 수용되게 하는 중공 형상의 수용관(221)과, 상기 수용관(221)의 하부에서 상하로 움직여 해당 수용관(221)의 하부를 개폐하는 개폐구(222)와, 상기 개폐구(222)와 결합되어 해당 개폐구(222)를 상하 운동시키는 모터부(223)와, 상기 수용관(221) 및 개폐구(222)를 내부에 수용하며 배출되는 원료를 하부로 방출시키는 조절 투입관(224)을 포함하여 구성된다.

즉, 상기 호퍼(210)의 원료 배출부(210a)를 통해 낙하되는 원료는 일단 상기 수용관(221)으로 수용되게 되고, 이러한 수용관(221)의 하부를 막고 있던 상기 개폐구(222)가 모터부(223)의 운동력 전달에 의하여 상하로 운동을 함으로써 해당 수용관(221)의 하부가 개폐를 반복함으로써 원료가 조절 투입관(224)에 모이게 되며 이러한 조절 투입관(224)의 원료는 자연스럽게 하부의 투입관 배출부(224a)를 통해 낙하하게 된다.

여기에서 상기 모터부(223)는 제어부의 원료공급개시 명령에 따라 작동을 개시하게 되며, 해당 제어부를 통해 전달되는 PID 제어에 따라 정/역회전을 하여 기어로 연결된 스크류를 회전시키며 해당 스크류의 회전에 따라 스크류를 따라 상하로 이송될 수 있는 상기 개폐구(222)가 반복적으로 상승 및 하강하게 된다.

여기에서 상기 PID(proportional integral derivative control) 제어는 자동화 시스템의 제어에 있어서 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어의 일종으로, 비례(Proportional) 제어와 비례 적분(Proportional-Integral) 제어, 비례 미분(Proportional-Derivative) 제어를 조합한 것이다.

이와 같은 모터부(223)의 정/역회전에 따라 적절한 속도로 상하 운동을 하여 호퍼(210)의 원료를 원하는 만큼 배출시키게 되는 개폐구(222)는 상부에 실리콘 재질의 반구형 디쉬(222a)가 마련되며, 이러한 디쉬(222a)를 통해 하부가 개폐되는 수용관(221) 역시 동일한 실리콘 재질로 이루어져 폐쇄시에는 원료의 배출을 막는 견고한 밀봉이 이루어질 수 있게 된다.

그리고 이러한 개폐구(222)의 상하 운동에 따라 원료의 방출이 일어나면, 방출된 만큼의 무게를 상기 호퍼(210)의 무게 측정부(213)가 감지하여 제어부에 전송함으로써 확인 및 제어 피드백이 일어날 수 있게 된다.

따라서 원하는 만큼의 원료 투입은 상기 개폐구(222)의 상하 운동 속도를 조절함으로써 가능하게 되며, 원하는 만큼의 원료를 공급한 후 멈추게 하는 공정도 상기 개폐구(222)의 상하 운동을 정지시킴으로써 가능하게 된다.

한편, 상기 원료공급 조절부(220)의 투입관 배출부(224a)의 하부에는 Y형 공급관(240)이 연결되어 해당 투입관 배출부(224a)로부터 낙하되는 원료를 받게 된다.

이러한 Y형 공급관(240)은 상측으로 2개의 가지관(241, 242)이 형성되고 하측으로 하나의 배출관(243)이 형성된 것으로, 상측 2개의 수용관 중 일측의 제 1 가지관(241)은 상기 투입관 배출부(224a)의 말단과 연결되어 해당 투입관 배출부(224a)로부터 낙하되는 원료를 공급받으며, 2개의 수용관 중 다른측의 제 2 가지관(242)은 불순물 투입부(230)와 연결되어 결정 성장에 필요한 불순물을 공급받게 된다. 이렇게 공급되는 원료 및 불순물은 Y형 공급관(240)의 하부에 형성된 배출관(243)을 통해 함께 배출된다. 여기에서 상기 불순물은 안티몬(Sb), 비스무스(Bi), 적인(red phosphorus), 게르마늄(Ge), 갈륨(Ga), 비소(As)로 이루어진 그룹으로부터 선택된 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

이때, 상기 Y형 공급관(240)의 하부로 길게 뻗은 배출관(243)에는 슬라이딩 방식으로 길이 조정이 가능한 슬라이딩 이송관(250)이 이중관 형태로 결합된다.

이러한 슬라이딩 이송관(250)은 중공 형상을 가지는 파이프로서, 중공된 내경이 상기 Y형 공급관(240)의 배출관(243)의 외경에 비하여 커서 해당 배출관(243)을 따라 슬라이딩하면서 상하로 이동될 수 있게 된다. 이때, 이러한 슬라이딩 이송관(250)에는 지지구(253)의 일측이 결합되고, 해당 지지구(253)의 타측은 이송용 스크류(252)에 체결되며, 이러한 이송용 스크류(252)는 슬라이딩 모터(251)의 회전에 따라 회전함으로써 슬라이딩 이송관(250)의 상하 슬라이딩 이동이 가능하게 된다. 즉, 슬라이딩 모터(251)의 정방향 또는 역방향 회전에 따라 해당 이송용 스크류(252)의 회전방향은 결정되며, 이러한 이송용 스크류(252)의 회전에 따라 이송용 스크류(252)에 체결된 지지구(253)가 상하로 이동됨으로서 이와 함께 상기 슬라이딩 이송관(250)이 상하로 슬라이딩 이송되게 되는 것이다.

도 1 및 도 2를 비교 참조해 보면 알 수 있듯이, 상기 슬라이딩 모터(251)의 정방향 회전에 따라 슬라이딩 이송관(250)의 하부 말단은 원료공급 장치(200)에서 배출되어 상기 결정성장 장치(100)의 도가니(110)까지 이동될 수 있으며 이 상태로 호퍼(210)로부터 배출되는 원료를 도가니(110)까지 안전하게 낙하시킬 수 있게 된다. 또한, 원료의 공급이 완료되면 상기 슬라이딩 모터(251)의 역방향 회전에 따라 원료공급 장치(200) 내로 회수되면서 슬라이딩 이송관(250)은 다시 올라오게 되는 것이다.

그리고 이러한 슬라이딩 이송관(250)의 하부 말단의 높이는 상기 슬라이딩 모터(251)에 대한 제어를 통해 조절될 수 있기 때문에 해당 도가니(110)에 인접하여 원료를 낙하시키면서 도가니(110)에 원료가 쌓이면 천천히 슬라이딩 이송관(250)을 끌어올려 안정적인 원료 낙하를 통한 원료 충전이 가능하게 된다.

여기에서 이러한 호퍼(210), 원료공급 조절부(220), 불순물 투입부(230), Y형 공급관(240), 이송관(250) 등이 내장되게 되는 원료충전 챔버(260)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 지지기둥의 측면 암에 의해 회동 가능하게 구성되어, 원료의 재충전시에는 상기 결정 성장장치(100)의 상부에 도킹되어 호퍼(210)로부터 낙하되는 원료를 결정 성장장치(100) 내의 도가니(110)에 공급하게 되며, 원료의 재충전이 끝난 뒤에는 측면 암에 의해 회전되어 분리 및 제거가 가능하게 된다.

실제로 실리콘 단결정의 성장이 완료되면 상기 결정 성장장치(100)의 온도를 산화가 일어나지 않는 500℃ 이하로 냉각시키게 된다. 이때 해당 결정 성장장치(100)를 냉각시키는 방법은 내부 히터(120)에 인가된 전원을 해제시킨 후 해당 결정 성장장치(100) 내 챔버의 온도가 500℃ 이하가 될 때까지 자연냉각시키는 방법을 사용하게 된다.

하지만, 상기 도가니(110)는 실리콘을 용융시키기 위해 실리콘의 녹는점인 1420℃ 이상으로 고온 가열되므로, 상기 히터(120)의 전원을 해제하더라도 챔버 중심부의 온도는 1000℃ 이상의 고온이 유지된다. 이와 같은 고온 상태에서 자연냉각 방식만으로 챔버의 온도를 500℃ 이하로 냉각시키는 것은 장시간이 소요된다. 예를 들어 기존의 챔버를 냉각시키는 데는 대략 11시간 내지 12시간 정도가 소요된다.

더군다나, 이와 같이 히터(120)의 전원을 해제하게 되면 도가니(110) 안쪽의 실리콘 용액이 굳어지면서 깨져서 사용이 불가능하기 때문에 장치 사용의 효율도 상당히 저하되게 된다.

따라서 본 발명에서와 같이 도킹 및 분리가 가능한 원료 공급장치(200)를 통해 결정 성장장치(100) 내의 도가니(110)에 원료를 재충전(Recharge)하게 됨으로써 다음 잉곳 생산을 위해 자연냉각을 해야 하는 작업 대기시간이 단축되며, 별도의 도가니 처리 작업이 필요 없게 되는 등 시간 단축 및 인력 단축으로 생산성을 극도로 향상시킬 수 있게 된다.

한편, 이러한 원료 공급장치(200)를 결정 성장장치(100)의 상부에 도킹시킬 수 있도록 하는 원리를 설명하면 다음과 같다.

상부 도킹시에 상기 원료 공급장치(200)의 원료충전 챔버(260)는 이동되어 상기 결정 성장장치(100)의 게이트 챔버(150) 상에 올려져 결합되게 되며, 이들 원료충전 챔버(260)와 게이트 챔버(150) 사이에 개재되는 오링에 의하여 내부 기밀을 유지할 수 있게 된다.

여기에서 도 4에는 상기 원료충전 챔버(260)의 상부에 있는 공급 박스(261)의 일측면이 도시되어 있고, 도 5에는 상기 원료충전 챔버(260)의 하부에 있는 진공 가이드(264)가 도시되어 있다.

우선 도 4를 참조하면, 원료충전 챔버(260)의 상부 측면에는 진공 포트(262)와 가스주입 포트(263)가 형성되어 있다. 상기 진공 포트(262)에는 진공 라인(Vacuum line)이 연결되고 상기 가스주입 포트(263)에는 가스 라인(Gas line)이 연결된다. 따라서 원료충전 챔버(260)의 도킹시에는 해당 원료충전 챔버(260)를 결정 성장장치(100)의 게이트 챔버(150) 상에 올려놓고 상기 진공 포트(262)를 통하여 원료충전 챔버(260)의 내부를 진공 상태로 만들게 된다.

또한, 도 5를 참조하면, 원료충전 챔버(260)와 결정 성장장치(100)의 결합지점에는 진공 가이드(264)를 설치하여 상기 진공 포트(262)를 통해 이루어지는 진공흡입이 게이트 챔버(150)까지 이루어지게 한다.

이때, 이러한 진공 가이드(264)의 상세한 구조가 사시도로서 도 6에 도시되어 있다. 해당 진공 가이드(264)는 내부 중공된 가이드 홀(264a)을 통해 상기 슬라이딩 이송관(250)이 챔버부(140)까지 슬라이딩 이송될 수 있도록 가이드하게 되며, 또한 상기 가이드 홀(264a)의 외곽을 따라 형성된 다수의 진공 홀(264b)을 통해 게이트 챔버(150)에 대한 진공 흡입이 이루어지도록 하여 상기 진공 포트(262)를 통한 장치 내 진공 상태 유도를 가능하게 한다.

여기에서 상기 진공 가이드(264)는 화학제에 강한 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE) 재질(예컨데, 테프론(Teflon))로 이루어질 수 있다.

따라서 도킹시에는 상기 진공 포트(262)를 통해 진공 흡입이 이루어지며, 이러한 압력 조절은 상기 진공 가이드(264)를 통해 결정 성장장치(100)까지 함께 이루어지게 된다.

이때, 해당 원료충전 챔버(260)와 게이트 챔버(150) 및 챔버부(140)의 진공 상태를 맞추기 위해 상기 원료충전 챔버(260)에 설치된 가스주입 포트(263)를 통해 가스를 주입하여 전체적인 압력 상태를 맞출 수 있게 된다.

한편, 이러한 원료 충전이 완료되면 상기 원료충전 챔버(260) 내부의 압력을 진공 상태에서 대기압으로 만들기 위하여 상기 진공 포트(262)의 밸브를 닫아 진공 라인을 차단하고 상기 가스주입 포트(263)를 통해 가스를 주입함으로써 해당 원료충전 챔버(260) 내부를 대기압 상태로 만들게 되고 이를 통해 해당 원료충전 챔버(260)를 분리시킬 수 있게 된다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 결정성장 장치 110 : 도가니
120 : 히터 130 : 단열부재
140 : 챔버부 150 : 게이트 챔버
200 : 원료공급 장치 210 : 호퍼
211 : 원료 주입 포트 210a : 호퍼 배출부
220 : 원료공급 조절부 221 : 수용관
222 : 개폐구 222a : 디쉬
223 : 모터부 224 : 조절 투입관
224a : 투입관 배출부 230 : 불순물 투입부
240 : Y형 공급관 241 : 제 1 가지관
242 : 제 2 가지관 243 : 배출관
250 : 슬라이딩 이송관 251 : 슬라이딩 모터
252 : 스크류 253 : 지지구
260 : 원료충전 챔버 261 : 공급 박스
262 : 진공 포트 263 : 가스주입 포트
264 : 진공 가이드 264a : 가이드 홀
264b : 진공 홀

Claims

단결정 성장 장치의 상부에 착탈 가능하게 연결되며, 길이 조절이 가능한 슬라이딩 이송관을 결정성장 장치 내의 도가니로 이송시켜 상부 호퍼에 적재된 원료를 상기 슬라이딩 이송관을 통해 낙하시켜 도가니에 충전시키는 상부 도킹식 원료 공급장치로서,
상기 결정 성장장치의 상부로 이동되어 연결되는 원료충전 챔버;
상기 원료충전 챔버의 상부에 결합되어 원료를 낙하시키는 호퍼;
상기 호퍼로부터 공급되는 원료의 투입량을 조절하기 위한 원료공급 조절부;
상기 원료충전 챔버 내에 구비되어 불순물을 투입하기 위한 불순물 투입부;
상기 원료 및 불순물을 주입받기 위한 Y형 공급관; 및
상기 Y형 공급관을 통해 주입된 원료 및 불순물을 상기 결정성장 장치 내의 도가니까지 안내하기 위한 슬라이딩 이송관; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 호퍼에는 외부로부터 원료를 주입받기 위한 원료 주입 포트가 형성되는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.
제 1항에 있어서,
상기 호퍼의 하부에는 호퍼의 원료 배출에 따라 변화하는 무게를 측정할 수 있는 무게 측정부가 배치되는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.
제 1항에 있어서,
상기 원료공급 조절부는,
상기 호퍼의 배출부 말단이 수용되는 중공 형상의 수용관;
상기 수용관의 하부에서 상하로 움직여 해당 수용관의 하부를 개폐하는 개폐구;
상기 개폐구와 결합되어 해당 개폐구를 상하 운동시키는 모터부; 및
상기 수용관 및 개폐구를 내부에 수용하며 배출되는 원료를 하부로 방출시키는 조절 투입관; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.
제 5항에 있어서,
상기 개폐구에는 상부에 수용관과 접촉하게 되는 반구형 디쉬가 마련되며, 상기 디쉬와 수용관이 실리콘 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.
제 1항에 있어서,
상기 Y형 공급관은 상측으로 원료 및 불순물을 공급받는 2개의 가지관이 형성되고 하측으로 하나의 배출관이 형성되며, 상기 Y형 공급관의 하부 배출관에는 슬라이딩 방식으로 길이 조정이 가능한 슬라이딩 이송관이 이중관 형태로 결합되는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.
제 7항에 있어서,
상기 슬라이딩 이송관은 중공 형상을 가지는 파이프로서, 상기 Y형 공급관의 배출관을 따라 슬라이딩하면서 상하로 이동될 수 있으며, 해당 슬라이딩 이송관은 이송용 스크류에 결합되어 슬라이딩 모터에 의해 회전하는 이송용 스크류의 회전에 따라 상하 슬라이딩 이동하는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.
제 8항에 있어서,
상기 슬라이딩 모터에 의해 슬라이딩 이송관의 하부 말단은 원료공급 장치에서 배출되어 상기 결정성장 장치의 도가니까지 이동되며, 원료의 공급이 완료되면 상기 슬라이딩 모터에 의해 슬라이딩 이송관이 원료공급 장치 내로 회수되는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.
제 1항에 있어서,
상기 원료충전 챔버의 일측면에는 진공 포트와 가스주입 포트가 형성되어, 원료충전 챔버의 도킹시 상기 진공 포트를 통해 원료충전 챔버의 내부를 진공 상태로 만들고, 원료충전 챔버의 분리시 상기 진공 포트의 밸브를 차단하고 상기 가스주입 포트를 통해 가스를 주입하여 원료 충전챔버의 내부를 대기압 상태로 만드는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.
제 10항에 있어서,
상기 원료충전 챔버와 결정 성장장치의 결합부위에는 진공 가이드가 설치되어 원료충전 챔버의 도킹시 상기 진공 포트를 통해 원료충전 챔버 및 결정 성장장치의 내부를 진공 상태로 만드는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.
제 11항에 있어서,
상기 진공 가이드는 중공된 가이드 홀을 통해 상기 슬라이딩 이송관이 상기 결정 성장장치까지 배출될 수 있도록 가이드하게 되며, 상기 가이드 홀의 외곽에 형성된 다수의 진공 홀을 통해 원료충전 챔버와 결정 성장장치의 압력상태를 조절하게 되는 것을 특징으로 하는 연속 결정성장을 위한 상부 도킹식 원료 공급장치.