KR101336748B1 - 다결정 잉곳 성장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다결정 잉곳 성장 장치에 관한 것으로, 원재료를 용융시킨 후 성장시켜 다결정 잉곳을 제조하기 위하여 챔버, 히터, 도가니, 써셉터, 도가니 받침판 및 열교환기(냉각판)로 구성되는 다결정 잉곳 성장 장치에 있어서, 상기 열교환기와 마주하는 상기 도가니, 써셉터, 도가니 받침판 중 어느 하나 또는 둘 이상에 소정간격으로 열방출홈과 열방출홀이 동일위치에 각각 구비되는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 구성되는 본 발명은 용융된 원소재의 성장이 시작되는 도가니 바닥면으로 핵성장이 유도되도록 설계함으로써 우수한 다결정 잉곳을 제조할 수 있는 효과가 있다.

Description

다결정 잉곳 성장장치{Polycrystalline ingot growth equipment}
본 발명은 다결정 잉곳 성장장치에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 재료적으로 우수한 다결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 다결정 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
산업 현장에서 결정상의 소재가 필요한 분야가 많이 존재한다. 일례로 제트 엔진 터빈에 사용되는 블레이드가 있다. 이 블레이드는 과거에는 금속을 깎아서 만들었으나, 도가니에 여러 금속을 넣어 녹여서 합금을 만든 후 일방향으로 성장시킨 다결정 괴(잉곳)를 이용하여 제작하는 기술이 이미 상용화되어 있다. 기계적인 특성이 다결정보다 단결정이 우수하기는 하나 일반적으로 단결정으로 제조할 때의 비용이 더 많이 들기 때문에 다결정으로 만들어 사용하는 방법도 자주 채택된다.
다른 한 예로 반도체 용 기판소재가 있다. 반도체 제품들은 한 개의 기판에서 수백, 수천 개의 제품이 동시에 생산되게 되는데, 기판 소재의 물성이 부분적으로 틀리게 되면 생산된 제품이 모두 특성이 틀려지게 되어 균일한 제품을 생산할 수 없기 때문에 단결정으로 생산할 수밖에 없다. 그러나 태양전지 용 반도체 기판소재는 다르다. 태양전지 용 셀은 한 개의 기판이 한 개의 셀이 되기 때문에, 한 개의 기판 내에서의 물성 차이가 조금씩 틀려도 큰 문제가 되지는 않는다. 오히려 저가로 대량 생산을 해야 하는데 태양전지의 특성 상 광변환 효율은 약간 떨어지나 생산성이 좋은 다결정 방식이 광변환 효율은 좋으나 생산성이 떨어지는 단결정 방식보다 선호되기도 한다. 그 외 LED를 만드는데 필요한 기판소재도 역시 단결정을 이용하여 제작되는 등 결정질 소재를 이용한 제품군들이 많이 있다.
위에서 설명한 대로 일반적으로 같은 소재로 제품을 만들 경우, 단결정을 이용한 제품이 다결정을 이용해서 만든 제품보다 품질 특성이 좋으나 원가 상승 요인이 있어서 품질과 가격을 고려하여 두 방식 중 하나를 선택하게 된다. 만약 다결정의 성장 방식을 사용하여 단결정을 생산할 수 있거나, 단결정과 비슷한 품질의 잉곳을 생산할 수 있으면 당연히 다결정의 생산 방식을 선택할 수 있을 것이다.
단결정을 생산하는 방법은 여러 가지가 있으나, 일반적으로 한 개의 씨 결정(씨드 ; seed)을 원 소재를 녹인 용탕에 접촉시킨 후 용탕 내의 원자가 씨드에 달라붙게 하면서 한 쪽 방향으로 뽑아내어 잉곳을 성장시키는 방법(초크랄스키법)을 이용한다.
다결정을 생산하는 방법도 여러 가지가 있다. 초기에 다결정을 생산하는 방법으로는 원 소재를 녹인 용탕을 도가니에 부어 넣어서 굳히는 방법이 그 일례이다. 결정은 씨드로부터 생성되는데 다결정 잉곳을 만들 때는 일반적으로 씨드를 사용하지 않으므로, 용탕이 냉각되기 시작하면 응고 온도에 도달하는 부위에서 씨드가 생성되어 여기부터 결정이 성장한다. 위에서 설명한 용탕을 도가니에 부어 넣는 방법에서는 도가니의 모든 벽면으로부터 냉각이 시작되고, 각 벽면의 넓은 부위가 비슷한 온도 조건에 동시에 도달하게 되어 씨드가 무작위로 다수개가 생성된다.
이로 인하여 결정의 크기가 매우 작고 또한 성장되는 방향도 도가니 외부의 육면에서 중심방향으로 성장되기 때문에 특별한 방향성을 가지지 못한다. 이렇게 방향성을 가지지 못하는 다결정을 이용한 제품은 안 좋은 특성을 나타내게 된다.
최근에는 이와 같은 방법 대신, 일방향 성장 방법을 채택한 다결정 잉곳 성장로가 사용되고 있다. 이 기술은 열이 빠져나가는 방향을 한 방향(일반적으로는 하부)으로 한정하기 때문에 해당 방향에서 씨드가 생성되기 시작하여 반대 방향(일반적으로는 상부)으로 성장하게 된다. 이러한 다결정 잉곳의 구조를 흔히 주상(柱狀)구조(columnar structure)라 부른다.
이와 같은 방법으로 다결정 잉곳을 만들면 상하 방향으로는 고른 물리, 화학적 특성을 가진 잉곳을 만들 수 있기 때문에 좀 더 단결정에 가까운 좋은 품질의 제품을 만들어낼 수 있다.
도 1은 기존 일방향 성장용 다결정 성장로의 일반적인 구조를 나타낸다. 성장로를 감싸도록 구성된 히터를 이용하여 원소재를 녹여 용탕을 만든 후, 측부와 상부히터를 고온 조건으로 유지한다. 다음에 하부히터를 꺼 놓거나 약한 출력으로 조절한 후, 단열문(개폐장치)을 개방하면 도가니 하부로부터 열교환기(냉매가 순환하면서 열을 빼내는 장치) 방향으로 열이 빠져나가서 도가니 하부에 접촉한 용탕의 원자가 응고 온도에 도달하여, 도가니 하면 전체에 걸쳐 무작위로 씨드가 생성되고 이 씨드에 원자가 달라붙으면서 점점 성장하여 결국에는 용탕 전체가 하나의 큰 잉곳으로 성장된다. 이 때 용탕에서 처음 씨드가 만들어질 때 도가니 하부에서 무작위로 다수 개 생성되므로 만들어진 잉곳도 결정을 다수 개 보유한 다결정 잉곳이 된다.
이와 같은 다결정 잉곳을 생성하는 방법에 최근 생성되는 결정의 수를 줄이는 방법이 시도되고 있다. 만약 현재의 다결정 성장로에서 결정이 몇 개 없는 잉곳이 성장되면 개개의 결정은 단결정이기 때문에 이 부분만을 절단하여 사용할 경우, 단결정의 특성을 가진 제품을 만들 수 있을 것이기 때문이다.
여기도 마찬가지로 여러 가지 방법이 시도가 되고 있는데, 기본 개념은 이미 만들어져 있는 단결정 씨드 수 개를 도가니 하부에 미리 적층하고 이 위에 나머지 소재를 적층한 다음 녹이는데, 하부에 특수한 냉각 구조를 도입하고, 성장 조건을 조절하여 미리 적층한 최 하부 층의 단결정 씨드 부위가 녹지 않도록 하여 해당 단결정 씨드로부터 잉곳이 성장되도록 하는 방법이다.
이와 같이 하면 미리 적층해 놓은 단결정 씨드가 있던 부위에서만 잉곳 성장이 시작되기 때문에 씨드 없이 성장을 했을 때, 바닥 부분 전체에 걸쳐서 다수 개의 무작위 결정이 생성되어 성장된 잉곳보다 훨씬 적은 결정 갯수를 가지는 잉곳을 생산할 수 있다.
그러나 이와 같은 방법에서도 문제점은 있다. 씨드가 놓여진 부위만 녹이지 않고 남기는 것이 생각보다 쉽지 않아서 매 성장 시 마다 잉곳 성장을 성공시키기가 어렵고, 또한 공정 조건 역시 반복성 좋게 만들기가 힘들다. 무엇보다도 미리 단결정 씨드를 하부에 적재를 해야 하기 때문에, 단결정 씨드 비용이 추가로 들어가며 소재 장입 작업이 번거롭고 작업성이 떨어지게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 별도의 씨드가 없이 결정갯수를 줄여 우수한 잉곳을 제조할 수 있는 다결정 잉곳 성장 장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
따라서, 작업성의 향상 및 비용 절감을 달성할 수 있는 다결정 잉곳 성장 장치를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원재료를 용융시킨 후 성장시켜 다결정 잉곳을 제조하기 위하여 챔버, 히터, 도가니, 써셉터, 도가니 받침판 및 열교환기(냉각판)로 구성되는 다결정 잉곳 성장 장치에 있어서, 상기 열교환기와 마주하는 상기 도가니, 써셉터, 도가니 받침판 중 어느 하나 또는 둘 이상에 소정간격으로 열방출홈과 열방출홀이 동일위치에 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열방출홈과 열방출홀은, 상기 도가니로 열방출홈이 형성되고, 대응하는 위치인 써셉터와 도가니 받침판에 열방출홀이 형성되거나, 상기 써셉터에 열방출홈이 형성되고, 동일위치인 도가니 받침판에 열방출홀이 형성되거나, 상기 써셉터에 열방출홀이 형성되고, 동일위치인 도가니 받침판에 열방출홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 써셉터에 형성되는 상기 열방출홈 또는 열방출홀은, 직경이 3mm 내지 100mm로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 써셉터의 열방출홈은, 1mm 내지 70mm 깊이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열방출홀은, 원형 또는 삼각형 이상의 다각형으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도가니 받침판에 형성된 열방출홀은, 3mm 내지 100m 직경으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도가니 받침판에 형성된 열방출홈은, 1mm 내지 70mm의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도가니에 형성된 열방출홈은, 3mm 내지 100의 직경으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도가니에 형성된 열방출홈은, 1mm 내지 70mm의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 써셉터는, 흑연, 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 산화규소(SiC), 카본복합체(Carbon-Carbon composite), 석영(SiO2), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti),이트륨(Y) 선택된 하나 또는 이들의 산화물 또는 소결체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도가니 받침판은, 흑연, 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 산화규소(SiC), 카본복합체(Carbon-Carbon composite), 석영(SiO2), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti),이트륨(Y) 선택된 하나 또는 이들의 산화물 또는 소결체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 도가니는, 흑연, 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 산화규소(SiC), 카본복합체(Carbon-Carbon composite), 석영(SiO2), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti),이트륨(Y) 선택된 하나 또는 이들의 산화물 또는 소결체로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열방출홈과 열방출홀에는, 열전도를 유도하여 핵생성을 위한 열전도 소재를 삽입하는 것을 특징으로 한다.
또한, 다결정 잉곳 성장장치에 있어서, 원재료로 용융된 도가니 하부측에서 성장을 위해 열방출을 유도하는 열교환기 사이에 위치한 상기 도가니를 포함하는 각 구조물 또는 선택된 구조물에 적어도 하나 이상의 열방출홈 또는 열방출홀을 형성시켜 열방출을 집중시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구조물은, 열교환기측으로 상기 도가니를 감싸는 써셉터와 상기 도가니와 써셉터를 지지하는 도가니 받침판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열방출홈과 열방출홀은, 상기 도가니로 열방출홈이 형성되고, 대응하는 위치인 써셉터와 도가니 받침판에 열방출홀이 형성되거나, 상기 써셉터에 열방출홈이 형성되고, 동일위치인 도가니 받침판에 열방출홀이 형성되거나, 상기 써셉터에 열방출홀이 형성되고, 동일위치인 도가니 받침판에 열방출홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명은 별도의 씨드 없이도 결정 개수를 크게 줄일 수 있는 다결정 잉곳을 성장시킬 수 있는 이점이 있다. 본 발명에서는 용융 원재료의 응고에 따른 핵성장 유도를 열방출이 용이하도록 성장장치의 구조를 개선함으로써 씨드 장입과 같은 추가적 비용 없이 재료적으로 우수한 다결정 잉곳을 제조할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 다결정 잉곳 성장 장치의 개략적인 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 다결정 잉곳 성장장치의 개략적인 구성도,
도 3 내지 도 5는 다결정 잉곳 성장장치의 열방출홈과 열방출홀의 실시예도,
도 6 내지 도 10은 본 발명에 따른 다결정 잉곳 성장장치의 열방출홈과 열방출홀의 다양한 실시예도,
도 11은 본 발명에 따른 다른 실시예로 열전도도를 응용한 성장 장치의 개략적인 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다결정 잉곳 성장장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 다결정 잉곳 성장장치는, 원재료를 용융시킨 후 성장시켜 다결정 잉곳을 제조하기 위하여 챔버, 히터, 도가니, 써셉터, 도가니 받침판 및 열교환기(냉각판)로 구성되는 다결정 잉곳 성장 장치에 있어서, 상기 열교환기와 마주하는 상기 도가니, 써셉터, 도가니 받침판 중 어느 하나 또는 둘 이상에 소정간격으로 열방출홈과 열방출홀이 동일위치에 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 다결정 잉곳 성장장치는, 별도의 씨드 장입 없이 핵생성 포인트를 열에너지적으로 제어함으로써 결정 갯수를 최소화할 수 있는 다결정 잉곳 성장장치를 제공하고자 하는 것을 주요 기술적 요지로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 다결정 잉곳 성장장치의 개략적인 구성도이다. 본 발명에서는 잉곳 성장장치의 주요 부분으로 도가니(120), 써셉터(130), 도가니 받침판(140), 히터(110), 열교환기(160) 및 챔버(100)만을 도시하였지만, 좀 더 구체적으로는 소정크기의 진공챔버와, 상기 진공챔버 내에 구비되어 실리콘 원 소재를 수용하는 도가니와, 상기 도가니 내의 실리콘 원 소재를 용융시키기 위해 열을 가하는 히터와, 상기 도가니 하측으로 구비되는 써셉터, 상기 도가니 내에 용융된 실리콘을 성장시키기 위해 열을 방출시키는 열교환기(냉각판)와, 상기 도가니와 냉각판 사이에 구비되어 실리콘 용융 또는 성장시키기 위해 열방출을 구속하는 도어 개폐장치와, 상기 도가니의 온도를 측정하는 온도센서 및 상기 온도센서의 출력값을 받아 도가니 내의 실리콘의 용융 및 균일한 성장이 이루어지도록 도가니 내의 온도를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되며, 이러한 구체적인 구성은 당업자라면 용이하게 구현할 수 있는 것으로, 본 발명에서의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
앞서 언급한 바와 같은 잉곳 성장장치의 구성은 일예로써 설명한 것이며, 필요에 따라서는 성장장치의 특성에 따라 도가니 받침판이나, 개폐장치, 열교환기 등이 적용되지 않는 잉곳 성장장치에서도 본 발명에 따른 기술적 요지가 적용 가능한 것으로 상기 성장장치의 구성에 결코 한정되는 것은 아니다.
도 2에 도시된 바와 같이 원재료가 수용되는 도가니(120)와, 상기 도가니를 감싸는 써셉터(130), 도가니를 지지하기 위하여 바닥 써셉터 하부측에 위치하는 도가니 받침판(140), 도가니 받침판 하부측으로 성장을 위한 열방출을 유도하는 열교환기(냉각판) 및 도가니를 감싸도록 구성되는 각각의 히터(110)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 도가니(120), 써셉터(130), 도가니 받침판(140)은 흑연, 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 산화규소(SiC), 카본복합체(Carbon-Carbon composite), 석영(SiO2), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti),이트륨(Y) 선택된 하나 또는 이들의 산화물 또는 소결체로 형성되는 것이 바람직하다.
이때, 본 발명의 주요 기술적 요지는 도가니, 써셉터, 도가니 받침판으로 열방출을 유도하기 위한 열방출홈(200)과 열방출홀(210)이 동일위치에 각각 구성되어 각 포인트 마다 빠른 열방출 유도에 의해 핵성장을 통해 용융 원재료의 성장점을 제공한다. 이때 평면상 열방출홈과 열방출홀은 등간격으로 구비되는 것이 바람직하며, 이는 등간격 성장을 통해 결정갯수를 최소화시키기 위함이다.
성장에 앞서 용융 원재료를 도가니에 투입한 후 도가니를 감싸는 상부, 하부, 측부 히터를 전부 가동시켜 원재료를 용융시킨다. 이때 바닥부에 위치한 열교환기와는 개폐장치에 의하여 열적으로 차단된 상태에서 하부 히터가 가동되어 완전 용융이 이루어진다.
원 소재가 완전히 용융되면 원재료를 성장시켜 잉곳을 제조하기 위하여 우선적으로 하부측에 위치한 히터의 동작을 멈추거나 일정온도 이하로 낮추도록 제어하면서 개폐장치를 개방시켜 열교환기를 상부측으로 로딩시켜 성장을 진행시킨다.
이때, 도가니 바닥면과 써셉터 바닥면, 도가니 받침판에 각각 구비된 열방출홈(200)과 열방출홀(210)에 의해 다른 부위보다 상대적으로 열방출성이 높기 때문에 해당 위치에서 우선적으로 핵생성이 진행된다. 열의 전달은 전도, 대류, 복사에 의하여 일어나는데 일반적으로 원 소재가 용탕이 될 정도의 높은 온도에서는 복사에 의한 열 전달 효과가 우세하다. 도가니를 포함하는 바닥 구조물에 홈이나 홀을 형성할 경우 홈이나 홀이 없는 위치보다 복사에 의해 하부측으로 열 방출이 원활하게 진행된다. 상기 열방출홈과 열방출홀은 원형 또는 삼각형 이상의 다각형 등 다양한 구조로 형성될 수 있다.
이에 따라 상기 열방출홈이 형성된 도가니 바닥면에는 동심원으로 등온선이 형성되며, 해당 등온선의 제일 가운데 부분이 가장 낮은 온도인 냉점(cold spot)이 된다. 이 냉점의 과포화농도가 주위 등온선의 과포화농도보다 높기 때문에 중심부분에서부터 씨드가 형성되어 용탕의 상부로 결정이 성장된다. 여기서 결정이 생성되기 시작하면 주위로 뻗어나가기 때문에 주변의 과포화농도가 낮은 부위에 있던 용탕은 결정으로 흡수되며 이것은 단결정 생성의 원리이다. 단지 이렇게 커져나가는 결정의 최대 크기는 장치의 구조와 공정 조건에 의해 달라짐으로 냉점을 촉발하는 도가니 하부의 열방출홈을 성장할 수 있는 결정의 최대 크기보다 조밀하게 설치하여 설정된 냉점과 냉점 사이의 공간상에서 결정이 자랄 수 없도록 한다. 상기 방법에 의하여 특정 위치에서 단결정을 자라도록 할 때 냉점의 면적이 좁을 수록 한 개의 결정으로 자랄 확률이 높아진다.
이와 같이 열방출홈과 홀을 성장장치의 바닥 구조물에 설치함으로써 용융 원소재가 응고될 때 냉점에서부터 단결정 성장을 유도함으로써 결정입계나 결정갯수를 최소화시킬 수 있는 다결정 잉곳을 제조할 수 있다.
도 4 내지 도 5는 열방출홈과 열방출홀을 다른 실시예로 구성한 예를 도시하고 있다. 도 3의 경우에는 본 발명의 바람직한 예로 도가니에는 열방출홈을 형성시키고, 써셉터(130)와 도가니 받침판으로는 상기 열방출홈과 동일한 위치에 열방출홀(210)이 형성되도록 구성하였다.
도 4의 경우에는 도가니에는 형성시키지 않고, 써셉터에 열방출홈을 형성하고, 도가니 받침판 측으로 열방출홀을 형성하여 구성하였다. 도 5의 경우에는 도 4와 반대로 써셉터 측으로 열방출홀을 형성하고, 도가니 받침판으로 열방출홈을 형성한 구조이다.
상기 써셉터에 형성되는 상기 열방출홈 또는 열방출홀은, 직경이 3mm 내지 100mm로 형성되는 것이 바람직하며, 홈으로 형성될 경우 그 깊이는 1mm 내지 70mm 깊이로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도가니 받침판에 형성된 열방출홀은, 3mm 내지 100m 직경으로 형성되는 것이 바람직하며, 홈으로 형성될 경우 그 깊이는 1mm 내지 70mm의 깊이로 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 도가니에 형성된 열방출홈은, 3mm 내지 100의 직경으로 형성되는 것이 바람직하며, 그 깊이는 1mm 내지 70mm의 깊이로 형성되는 것이 바람직하다.
도 6 내지 도 10은 본 발명에 따른 다결정 잉곳 성장장치의 열방출홈과 열방출홀의 다양한 실시예도이다. A1, A2는 냉점의 면적을 나타내는데, A1보다는 A2에서 한 개의 결정으로 자랄 확률이 높아진다. 만약 A1이 A2보다 월등히 넓다면 이 냉점 안에서도 여러 개의 결정이 자랄 수 있는 환경이 만들어지게 되므로, 한 개의 냉점 안에서 한 개의 결정을 성장시키기가 힘들다. 이렇게 냉점의 면적에 관계되는 함수로는 도가니 바닥의 두께(tc1), 써셉터의 두께(ts1), 도가니 바닥판의 두께(tp1), 도가니에 설정된 구멍의 직경(ΦDc), 깊이(tc2), 서셉터에 설정된 구멍의 직경(ΦDs), 깊이(ts2), 바닥판에 설정된 구멍의 직경(ΦDp), 깊이(tp2) 및 구멍의 형상 등이 영향을 미치게 된다. 따라서 전산모사 및 실험 절차를 거쳐서 적절한 홈과 홀의 형상과 크기를 결정하여야 한다.
한편, 본 발명에 따른 다른 실시예로, 상기에 설명한 대로 고온 분위기에서는 복사에 의한 열 전달이 우세할 것이나, 전도에 의한 열전달을 하고자 원한다면 구멍을 뚫고 나서 열이 잘 전달되는 열전도 소재(220)로 메워서 하부 물질과 접촉에 의한 열전달(전도) 방법으로 열을 빼 낼 수 있을 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 다른 실시예로 열전도도를 응용한 성장 장치의 개략적인 구성도이다. (a)의 경우 도가니 바닥면으로 홀을 형성하고, 홀 내주면으로 나사선을 가공한 후 열전도 소재에도 나사산을 가공하여 쉽게 체결시킴으로써 열전도에 의한 도가니 바닥면으로 냉점을 설정할 수 있다. 상기 열전도 소재를 나사 결합되는 방식은 일예에 해당할 뿐, 억지 끼워 맞춤, 접착 등 다양한 방법으로 구성할 수 있다. 이러한 일례를 들어서 고온에서 흔히 사용되는 소재인 흑연 소재로 써셉터가 만들어져 있을 경우 흑연 재료는 제조방법에 따라 달라지기는 하지만 130 W/mK 정도의 열전도도를 가지고 있고, 텅스텐은 174 W/mK 정도의 열전도도를 가지고 있다. 따라서 흑연 써셉터의 냉점을 설정하고자 하는 부위에 홀을 가공한 후 나사산을 낸 다음, 역시 같은 규격의 나사산을 낸 텅스텐을 볼트 형식으로 가공하여 장착하면 텅스텐 장착부위로 더 많은 열이 빠져나갈 것이고 텅스텐 볼트 부위의 윗 부분에 존재하는 도가니 부위는 냉점이 된다.
또한, 홀이 아닌 홈의 경우에는 (b)에 나타낸 바와 같이 홈으로 열전도율이 우수한 물질을 삽입하여 열전도에 의해 냉점을 결정할 수도 있는 것이다.
이와 같이 구성되는 본 발명은 도가니 하부측에서부터 성장되는 용융 원소재의 최대 냉점이 결정되도록 성장 장치 하부 구조물로 열방출홈과 열방출홈을 각각 구성시킴으로써 재료적으로 우수한 다결정 잉곳을 제조할 수 있는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100 : 챔버
110 : 히터
120 : 도가니
130 : 써셉터
140 : 도가니 받침판
150 : 개폐장치
160 : 열교환기
200 : 열방출홈
210 : 열방출홀
220 : 열전도 소재

Claims (17)

  1. 원재료를 용융시킨 후 성장시켜 다결정 잉곳을 제조하기 위하여 챔버, 히터, 도가니, 써셉터, 도가니 받침판 및 열교환기(냉각판)로 구성되는 다결정 잉곳 성장 장치에 있어서,
    상기 열교환기와 마주하는 상기 도가니, 써셉터, 도가니 받침판 중 어느 하나 또는 둘 이상에 소정간격으로 열방출홈과 열방출홀이 동일위치에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 열방출홈과 열방출홀은,
    상기 도가니로 열방출홈이 형성되고, 대응하는 위치인 써셉터와 도가니 받침판에 열방출홀이 형성되거나,
    상기 써셉터에 열방출홈이 형성되고, 동일위치인 도가니 받침판에 열방출홀이 형성되거나,
    상기 써셉터에 열방출홀이 형성되고, 동일위치인 도가니 받침판에 열방출홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 써셉터에 형성되는 상기 열방출홈 또는 열방출홀은, 직경이 3mm 내지 100mm로 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 써셉터의 열방출홈은,
    1mm 내지 70mm 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 열방출홀은,
    원형 또는 삼각형 이상의 다각형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 도가니 받침판에 형성된 열방출홀은,
    3mm 내지 100m 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 도가니 받침판에 형성된 열방출홈은,
    1mm 내지 70mm의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 도가니에 형성된 열방출홈은,
    3mm 내지 100의 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 도가니에 형성된 열방출홈은,
    1mm 내지 70mm의 깊이로 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 써셉터는,
    흑연, 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 산화규소(SiC), 카본복합체(Carbon-Carbon composite), 석영(SiO2), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti),이트륨(Y) 선택된 하나 또는 이들의 산화물 또는 소결체로 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 도가니 받침판은,
    흑연, 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 산화규소(SiC), 카본복합체(Carbon-Carbon composite), 석영(SiO2), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti),이트륨(Y) 선택된 하나 또는 이들의 산화물 또는 소결체로 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 도가니는,
    흑연, 텅스텐(W), 몰리브데늄(Mo), 탄탈륨(Ta), 산화규소(SiC), 카본복합체(Carbon-Carbon composite), 석영(SiO2), 니오븀(Nb), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti),이트륨(Y) 선택된 하나 또는 이들의 산화물 또는 소결체로 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 열방출홈과 열방출홀에는,
    열전도를 유도하여 핵생성을 위한 열전도 소재를 삽입하는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 열방출홈과 열방출홀은,
    평면상 등간격으로 구비되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  15. 다결정 잉곳 성장장치에 있어서,
    원재료로 용융된 도가니 하부측에서 성장을 위해 열방출을 유도하는 열교환기 사이에 위치한 상기 도가니를 포함하는 각 구조물 또는 선택된 구조물에 적어도 하나 이상의 열방출홈 또는 열방출홀을 형성시켜 열방출을 집중시키는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 구조물은,
    열교환기측으로 상기 도가니를 감싸는 써셉터와 상기 도가니와 써셉터를 지지하는 도가니 받침판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
  17. 제 15항에 있어서, 상기 열방출홈과 열방출홀은,
    상기 도가니로 열방출홈이 형성되고, 대응하는 위치인 써셉터와 도가니 받침판에 열방출홀이 형성되거나,
    상기 써셉터에 열방출홈이 형성되고, 동일위치인 도가니 받침판에 열방출홀이 형성되거나,
    상기 써셉터에 열방출홀이 형성되고, 동일위치인 도가니 받침판에 열방출홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 다결정 잉곳 성장 장치.
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