KR101389162B1

KR101389162B1 - 단결정 성장장치 및 이에 적용된 원료공급장치와 원료공급방법

Info

Publication number: KR101389162B1
Application number: KR1020120090742A
Authority: KR
Inventors: 손민수; 박일준; 안주현; 강인구
Original assignee: 주식회사 엘지실트론
Priority date: 2012-08-20
Filing date: 2012-08-20
Publication date: 2014-04-25
Also published as: WO2014030866A1; KR20140024601A

Abstract

본 발명은 고체 연료의 재충전 시에 도가니의 손상을 방지할 뿐 아니라 인상 속도를 높일 수 있는 단결정 성장장치 및 이에 적용된 원료공급장치와 원료공급방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는, 장착구가 상면에 구비된 챔버; 상기 챔버 내부에 설치되고, 원료가 용융되는 도가니; 상기 장착구에 탈착 가능하게 설치되고, 원료를 상기 도가니로 공급하는 원료공급장치; 및 상기 도가니 내부에 위치하고, 상기 원료공급장치로부터 떨어지는 원료를 완충시켜 상기 도가니로 안착시키는 완충부재;를 포함하고, 상기 완충부재는, 링 형상의 플랜지부와, 상기 플랜지부로부터 하부로 갈수록 직경이 좁아지는 원통 형상의 본체부와, 상기 본체부의 내주면에 구비된 요철부를 포함하는 단결정 성장장치를 제공한다.

Description

단결정 성장장치 및 이에 적용된 원료공급장치와 원료공급방법 {SINGLE CRYSTAL GROWER AND APPARATUS AND METHOD FOR SUPPLYING RAW MATERIAL TO IT}

본 발명은 고체 연료의 재충전 시에 도가니의 손상을 방지할 뿐 아니라 인상 속도를 높일 수 있는 단결정 성장장치 및 이에 적용된 원료공급장치와 원료공급방법에 관한 것이다.

일반적으로 단결정 성장장치는 고체 상태의 다결정 실리콘을 도가니 내부로 공급한 다음, 도가니를 가열하여 액체 상태의 실리콘 융액을 만들고, 종자 결정을 응집시키는 시드(Seed)를 실리콘 융액에 넣어 회전시키는 동시에 인상시킴으로써, 원하는 직경을 가진 단결정 잉곳(Ingot)을 성장시킨다.

이와 같이, 단결정 성장장치에 잉곳을 성장시키기 전에 고체 상태의 원료를 공급하게 되는데, 고체 원료의 형태에 따라 고체 원료를 공급하는 방법으로는, 부정형의 칩 형태 고체 원료를 도가니의 중앙 상방으로부터 직하시켜 공급하는 방법과, 입자 형태의 고체 원료를 도가니의 중앙 또는 경사 상방으로부터 직하 또는 비스듬하게 공급하는 방법과, 봉 형상의 고체 원료를 도가니의 중앙 상방으로부터 아래로 서서히 공급하면서 녹이는 방법으로 나눌 수 있다.

물론, 각각의 원료 형태에 따라 각각 다른 구조의 원료공급장치를 사용하게 되며, 각각의 방법에 따라 장단점이 있지만, 부정형의 칩 형태 고체 원료를 공급하는 방법이 원료의 입수가 가장 용이할 뿐 아니라 저렴하며 재생 원료를 사용할 수 있기 때문에 가장 널리 사용되고 있다.

일본공개특허 2000-169284호에는 석영 도가니의 내경에 상응하는 외경을 가진 원통부 및 그 밑에 접을 수 있는 상태로 연결된 복수의 플랩부로 이루어진 석영 도가니 내면 보호구 및 이것을 이용하여 다결정 실리콘을 넣는 방법에 대해 기재되어 있으며, 고체 원료 공급 시에 석영 도가니의 손상을 방지할 수 있다.

상기와 같은 종래 기술은 초기에 도가니 내부에 고체 원료를 공급하는 경우에는 적용이 가능하지만, 도가니 내부에 고체 원료 또는 실리콘 융액이 잔류하는 경우에 적용이 불가능하다. 물론, 상기와 같은 석영 도가니 내면 보호구를 적용하더라도 도가니 내부의 잔류하는 고체 원료와 부딪혀 손상되거나, 도가니 내부에 잔류하는 실리콘 융액과 맞닿아 녹을 수 있어 불순물 유입에 따른 단결정 잉곳의 품질을 저하시키는 문제점이 있다.

일본공개특허 제2004-244236호에는 고체 원료공급장치가 개시되어 있는데, 도가니에 공급할 칩 형태의 고체 원료가 적재되는 원통형 본체와, 이 본체의 하단 개구부를 막는 하부 덮개와, 이 하부 덮개를 절절하게 열어 고체 원료의 낙하량 및 낙하 속도를 제어하는 지지봉 또는 지지 와이어로 이루어진다.

따라서, 본체 내부에 적재된 고체 원료가 하부 덮개가 개방됨에 따라 도가니로 낙하하면서 공급된다. 그런데, 잉곳 연속 성장 공정을 위하여 도가니 내부에 실리콘 융액이 잔류하는 경우에 고체 연료를 상기 원료공급장치에 의해 도가니로 공급하면, 도가니의 열에 의해 물러진 상태이기 때문에 고체 원료가 낙하됨에 따라 도가니가 손상되는 문제점이 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 하부 덮개 양측에 소정의 가이드를 구비할 수도 있지만, 장비의 설치 공간이 협소하여 가이드의 사이즈를 증가시키는데 한계가 있으며, 하부 덮개와 가이드 사이의 공간 역시 협소하여 칩 형태의 고체 연료가 걸려 원활한 원료 공급이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 도가니 내부에 원료가 잔류하더라도 도가니를 손상시키지 않을 뿐 아니라 불순물의 유입을 차단하고, 나아가 단결정 잉곳의 성장속도를 향상시킬 수 있는 단결정 성장장치 및 이에 적용된 원료공급장치와 원료공급방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 장착구가 상면에 구비된 챔버; 상기 챔버 내부에 설치되고, 원료가 용융되는 도가니; 상기 장착구에 탈착 가능하게 설치되고, 원료를 상기 도가니로 공급하는 원료공급장치; 및 상기 도가니 내부에 위치하고, 상기 원료공급장치로부터 떨어지는 원료를 완충시켜 상기 도가니로 안착시키는 완충부재;를 포함하고, 상기 완충부재는, 링 형상의 플랜지부와, 상기 플랜지부로부터 하부로 갈수록 직경이 좁아지는 원통 형상의 본체부와, 상기 본체부의 내주면에 구비된 요철부를 포함하는 단결정 성장장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 챔버 내부에 구비된 도가니에 원료를 공급하는 단결정 성장장치의 원료공급장치에 있어서, 상기 챔버의 장착구에 안착되는 플랜지; 상기 플랜지의 하부에 연장되고, 원료가 채워지는 튜브; 상기 튜브의 하부를 개폐시키는 커버; 상기 커버로부터 수납 가능하게 설치되고, 원료 공급 시에 완충시키도록 펼쳐지는 복수개의 완충핀; 상기 커버 내부에 상기 완충핀들을 접은 상태로 내장시키는 원통 형상의 보관부; 및 상기 완충핀들과 커버를 순차적으로 작동시키는 개폐부재;를 포함하도록 구성되며, 상기 커버는 하부로 갈수록 직경이 넓어지는 콘 형상이고, 상기 완충핀들은 상기 커버의 외부에서 상기 커버의 최대 직경보다 더 크게 펼쳐지는 단결정 성장장치의 원료공급장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 챔버 내부에 구비된 도가니에 원료를 공급하는 단결정 성장장치의 원료공급방법에 있어서, 상기 챔버에 원료가 담긴 원료공급장치를 장착하는 제1단계; 상기 원료공급장치로부터 원료를 낙하시키기 전에 부딪힐 수 있는 완충핀들을 펼치는 제2단계; 및 상기 원료공급장치로부터 낙하하는 원료를 완충시켜 상기 도가니로 공급하는 제3단계;를 포함하는 단결정 성장장치의 원료공급방법을 제공한다.

본 발명은 원료공급장치로부터 낙하하는 원료를 원료공급장치로부터 펼쳐지는 완충핀 및 도가니 내부에 위치한 완충부재에 의해 순차적으로 완충시킨 다음, 도가니로 안내함으로써, 도가니 내부에 원료가 잔류하더라도 추가 원료 공급이 가능하고, 도가니의 손상을 방지할 뿐 아니라 불순물의 유입을 차단하여 단결정 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 원료공급장치에 완충핀이 내장된 상태로 단결정 성장장치의 풀 챔버(Pull chamber)를 관통하여 바디 챔버(Body chamber)에 장착되고, 바디 챔버 내에서 원료공급장치로부터 완충핀과 커버가 순차적으로 열리면서 원료가 공급됨으로써, 설치 공간의 제약을 극복하는 동시에 원료 공급 시에 완충 효과를 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 원료 공급 시에 원료공급장치와 완충부재와 도가니 중 적어도 하나가 회전됨으로써, 원료가 먼저 부딪히는 도가니의 측면 부분의 손상을 저감시키고, 나아가 원료가 원심력에 영향을 받아 원주 방향으로 움직이면서 공급됨에 따라 수직 낙하 시에 원료가 도가니의 바닥면에 부딪혀 튀어 오르는 것을 방지할 뿐 아니라 도가니의 바닥면 부분의 손상을 저감시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 챔버 내측에 완충부재가 매달리도록 설치될 뿐 아니라 상하 이동 가능하게 설치됨으로써, 도가니 내부에서 완충부재의 위치를 조절할 수 있기 때문에 완충부재가 원료 공급 시에 완충 역할을 할 뿐 아니라 잉곳 성장 시에 냉각 역할을 할 수 있다.

또한, 본 발명은 완충부재가 원료공급장치의 하부를 감싸도록 위치하는 동시에 상하 방향으로 설정 각도 범위 내에서 탄성 지지됨으로써, 원료공급장치가 움직이더라도 완충부재에 부딪혀 완충됨에 따라 원료공급장치에 의한 도가니의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 완충부재 내주면을 따라 요철부를 구비함으로써, 원료 공급 시에 원료와 부딪히는 완충부재의 손상을 방지할 뿐 아니라 완충 효과를 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 완충부재 내주면을 따라 나선형 가이드를 구비하는 동시에 이를 따라 공기를 불어주는 송풍기를 구비함으로써, 원료 공급 시에 완충부재 내주면에 원료 가루가 잔류하는 것을 방지하고, 잉곳 성장 시에 원료 가루가 융액에 유입됨에 됨에 따라 잉곳 품질을 저하시키는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은 완충부재를 1600℃ 이상에서 견딜 뿐 아니라 방사율이 낮은 금속재질로 구성함으로써, 잉곳 성장 시에 잉곳을 급속하게 냉각시킬 수 있어 냉각 효과를 높일 뿐 아니라 잉곳 성장 속도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 제1실시예가 도시된 도면.
도 2는 본 발명에 따른 단결정 성장장치에 적용되는 원료공급장치가 도시된 도면.
도 3a 내지 도 3c는 도 2의 원료공급장치의 원료 공급시 작동 상태가 도시된 도면.
도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 단결정 성장장치에서 원료 공급시 다양한 작동 일예가 도시된 도면.
도 7은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 제2실시예가 도시된 도면.
도 8은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 제3실시예가 도시된 도면.
도 9는 도 8에 적용된 완충부재 및 리프터가 도시된 도면.
도 10은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 원료공급방법이 도시된 순서도.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 제1실시예가 도시된 도면이다.

본 발명에 따른 단결정 성장장치의 제1실시예는 도 1에 도시된 바와 같이 챔버(101,102)와, 도가니(110)와, 원료공급장치(120)와, 완충부재(130)를 포함하도록 구성된다.

상기 챔버(101,102)는 풀 챔버(Pull chamber : 101) 및 그 하부에 구비된 바디 챔버(Body chamber : 102)로 이루어질 수 있다. 상기 풀 챔버(101)는 잉곳이 통과할 수 통로로써, 긴 원통 형상으로 형성된다. 상기 바디 챔버(102)는 잉곳을 성장시킬 수 있는 도가니(110)를 비롯하여 히터 등이 내장되는 공간으로써, 상기 풀 챔버(101)보다 더 큰 원통 형상으로 형성된다.

이때, 상기 풀 챔버(101)와 바디 챔버(102)는 서로 연통되는 단차진 형태의 장착구(101h,102h)가 구비되는데, 상기 장착구(101h,102h)는 하기에서 설명될 원료공급장치(120)의 플랜지가 상기 풀 챔버(101)로부터 상기 바디 챔버(102)를 향하여 걸림될 수 있도록 한다.

또한, 상기 풀 챔버(101) 내부에는 단결정 시드(Seed)를 매달아 융액(Melt)에 담가 단결정 잉곳(Ingot)을 서서히 인상시킬 수 있는 시드 척(Seed chuck : 103)이 구비되는데, 상기 시드 척(103)을 상하 방향으로 이동 가능하게 설치된다. 따라서, 잉곳 성장 시 상기 시드 척(103)에 케이블 및 단결정 시드가 연결되어 작동되지만, 원료 공급 시 상기 시드 척(103)에 하기에서 설명될 원료공급장치(120)의 완충핀 로드가 연결되어 작동된다.

이러한 시드 척(103)을 이용하여 원료공급장치(120)를 단결정 성장장치에 장착함으로써, 별도의 커넥터 없이 작업이 용이하고, 단결정 성장장치와 원료공급장치(120)의 센터링(Centering)이 용이하다.

상기 도가니(110)는 내주면을 형성하는 석영 도가니(111)와, 외주면을 형성하는 흑연 도가니(112)와, 상기 흑연 도가니(112) 하부에 연장된 회전축(113)을 포함하도록 구성되며, 회전 가능하게 설치된다. 또한, 상기 도가니(110) 주변에 히터(미도시)를 비롯하여 단열재(미도시) 등이 구비된다.

따라서, 상기 도가니(110) 내부에 고체 상태의 원료가 공급되면, 상기 히터가 작동됨에 따라 상기 도가니(110) 내부에서 원료가 융액 상태로 변하고, 상기 시드가 융액에 담겨진 다음, 상승함에 따라 잉곳이 성장하게 된다. 이와 같이, 잉곳 성장 공정이 완료되면, 상기 도가니(110) 내부에 소정량의 융액이 잔류하게 되며, 하기에서 설명될 원료공급장치(120)를 장착하여 고체 상태의 원료를 상기 도가니(110) 내부로 주입하고, 다시 잉곳을 성장시키는 과정을 반복하게 된다.

상기 원료공급장치(120)는 상기 도가니(110)에 처음으로 고체 상태의 다결정 원료를 충전할 때에도 사용되지만, 추가 충전 또는 재충전시에 사용되는 것이 일반적이다. 물론, 상기 도가니(110)에 융액이 잔류하더라도 냉각시키지 않고, 상기 원료공급장치(120)를 장착하여 상기 원료공급장치(120)로부터 상기 도가니(110) 내부로 고체 원료를 보충하는 충전을 행함으로써, 하나의 단결정 성장장치에서 여러 번의 잉곳 성장 공정을 가능하게 한다.

이와 같이, 추가 충전 또는 재충전은 최초의 충전과 달리 상기 도가니(110)가 가열된 상태에서 손쉽게 손상될 수 있으며, 낙하하는 고체 상태의 원료에 의해 상기 도가니(110) 내부에 잔류하는 융액이 튀어 다른 장치에 부착하거나, 비산됨에 따라 추후에 잉곳 성장을 불가능하게 할 수 있다. 따라서, 고체 원료의 낙하 속도를 감소시키도록 조절할 뿐 아니라 고체 원료를 상기 도가니(110) 내부에 고르게 분산시키도록 공급하는 것이 필요하다. 이러한 점을 고려하여, 상기 원료공급장치(120)는 완충핀들이 구비되며, 자세한 구성은 하기에서 자세히 설명하기로 한다.

상기 완충부재(130)는 상부로부터 하부로 갈수록 직경이 좁아지는 원통 형상으로 형성되며, 상기 도가니(110) 내측에 위치하는 동시에 상기 원료공급장치(120)의 하부 외측에 위치하도록 설치된다. 따라서, 상기 원료공급장치(120)로부터 공급되는 고체 연료가 상기 완충부재(130)에 의해 완충된 다음, 상기 완충부재(130)의 내주면을 따라 상기 도가니(110)의 바닥면으로 안내된다.

또한, 상기 완충부재(130)는 상기 챔버(101,102) 내부에 하기에서 설명될 리프터(Lifter)에 의해 상하 방향으로 이동 가능할 뿐 아니라 회전 가능하게 설치되고, 상하 방향으로 설정각도 범위 내에서 움직일 수 있도록 완충 지지될 수 있다. 따라서, 상기 도가니(110) 내부의 융액으로부터 상기 완충부재(130)의 높이를 가변시키거나, 상기 완충부재(130)를 회전시키도록 조절함으로써, 원료 공급 시에 완충 효과를 높이고, 잉곳 성장 시에 냉각 효과를 높일 수 있다.

또한, 상기 완충부재(130)는 고온의 온도 환경 즉, 잉곳을 성장시킬 수 있는 1600℃ 이상에서 견딜 수 있고, 상기 원료공급장치(120)가 부딪히더라도 깨지지 않는 소정의 탄성을 가질 뿐 아니라 잉곳 성장 시에 냉각 효율을 높일 수 있도록 방사율을 낮은 금속 재질로 만들어지는 바람직하다. 일예로, 상기 완충부재(130)는 몰리브덴으로 만들어질 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 단결정 성장장치에 적용되는 원료공급장치가 도시된 도면이다.

상기 원료공급장치(120)는 플랜지(121b)와, 튜브(122)와, 커버(123)와, 복수개의 완충핀(124)과, 개폐부재(121a,125,126)를 포함하도록 구성된다.

상기 플랜지(121b)는 상기 챔버의 장착구(101h,102h : 도 1에 도시)보다 직경이 크게 형성됨에 따라 상기 챔버의 장착구(101h,102h : 도 1에 도시) 위에 거치될 수 있는 부분으로써, 일종의 상부 커버로 상기 튜브(122)의 상면으로부터 개폐 가능하게 설치될 수 있다. 이때, 상기 플랜지(121b)는 하기에서 설명될 개폐부재(121a,125,126)와 연동하는 캡(121a)과 일체로 구성될 수도 있다.

상기 튜브(122)는 상기 챔버의 장착구(101h,102h : 도 1에 도시)보다 직경이 작게 형성되도록 상기 플랜지(121b) 하측에 길게 연장된 원통 형상으로 형성되며, 고체 원료가 적재될 수 있다.

상기 커버(123)는 상기 튜브(122)의 하면으로부터 개폐 가능하게 설치될 수 있으며, 고체 원료의 무게를 감당할 수 있도록 하부로 갈수록 직경이 넓어지는 콘 형상으로 형성된다. 이때, 상기 커버(123) 내부에는 상기 완충핀들(124)을 접은 상태로 수납할 수 있는 원통 형상의 보관부(123a)가 구비된다.

상기 완충핀들(124)은 일종의 우산살이 동작하는 것과 같이 그 상단이 상기 커버(123)의 중심에 모아져 있지만, 그 하단이 방사 형태로 펼쳐질 수 있다. 물론, 상기 완충핀들(124)의 펼친 상태에서 고체 원료가 부딪혀 완충될 수 있도록 상기 완충핀들(124)은 상기 튜브(122) 또는 커버(123)의 직경보다 더 넓게 펼쳐질 수 있다.

이때, 상기 완충핀들(124)이 하기에서 설명될 개폐부재(121a,125,126)에 의해 상하 방향으로 움직임으로써, 상향 이동 시 상기 완충핀들(124)이 상기 보관부(123a) 내부에서 접은 상태를 유지하지만, 하향 이동 시 상기 완충핀들(124)이 상기 보관부(123a) 외부에서 펼친 상태를 유지하게 된다.

또한, 상기 완충핀들(124)은 상기에서 언급한 완충부재(130 : 도 1에 도시)와 마찬가지로 약 1600℃ 이상의 온도에서 견딜 뿐 아니라 소정의 탄성을 갖는 금속 재질로 구성될 수 있으며, 일예로 몰리브덴 재질로 구성될 수 있다.

상기 개폐부재(121a,125,126)는 완충핀 로드(125)와, 캡(121a)과, 커버 지지대(126)를 포함하도록 구성된다.

상기 완충핀 로드(125)는 축방향으로 긴 막대 형태로써, 상기 시드 척(103)에 연결되는 동시에 상기 완충핀들(124)과 연결된다. 따라서, 상기 시드 척(103)이 상기 완충핀 로드(125)를 설정 거리만큼 하향 이동하면, 상기 완충핀들(124)이 펼쳐지고, 상기 완충핀 로드(125)를 설정 거리만큼 상향 이동하면, 상기 완충핀들(124)이 접히도록 동작된다.

상기 캡(121a)은 상기 플랜지(121b) 상부에 일체로 구비될 수 있으며, 그 중심에 상기 완충핀 로드(125)가 관통될 뿐 아니라 상기 커버 지지대(126)와 맞물릴 수 있는 암나사부(121h)가 구비된다. 물론, 상기 암나사부(121h)는 상기 플랜지(121b) 중심에도 연장되도록 형성될 수 있다.

상기 커버 지지대(126)는 상기 완충핀 로드(125)를 감싸는 중공축 형태로써, 그 상단 외주면에 상기 캡(121a)의 암나사부(121h)와 맞물리는 수나사부(126h)가 구비되고, 그 하단이 상기 커버(123) 내주면에 장착된 베어링부(126b)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 따라서, 상기 커버 지지대(126)가 상기 캡(121a)에 대해 회전됨에 따라 상하 방향으로 이동될 수 있고, 상기 커버(123) 역시 상기 튜브(122)로부터 개폐될 수 있다.

그런데, 고체 원료 공급 시 상기 완충핀들(124)은 펼친 상태에서 상기 커버(123)와 같이 상기 튜브(122)로부터 하향 이동됨에 따라 개방되는 것이 바람직하며, 이를 위하여 상기 완충핀 로드(125)가 상기 지지대 커버(126)에 대해 일정 거리만큼 상하 이동되면, 상기 완충핀 로드(125)와 지지대 커버(126)가 같이 회전될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 완충핀 로드(125)의 상부 측면에 한 쌍의 상부 결합용 돌기(125a)가 구비되는 동시에 이와 맞물리도록 상기 커버 지지대(126)의 상부 측면에 한 쌍의 결합용 홈(126a)이 구비되고, 상기 완충핀 로드(125)의 하부 측면에 한 쌍의 하부 결합용 돌기(125b)가 구비되는 동시에 이와 맞물리도록 상기 커버 지지대(126)의 하부 측면에 한 쌍의 결합용 홈(미도시)이 구비된다.

그 외에도, 상기 튜브(122)에 적재된 고체 원료가 상기 완충핀 로드(125) 또는 커버 지지대(126)의 움직임을 방해할 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 상기 플랜지(121b) 하부에는 상기 커버 지지대(126)를 감싸는 원통 형상의 가이드부(127)가 구비될 수 있다.

도 3a 내지 도 3c는 도 2의 원료공급장치의 원료 공급시 작동 상태가 도시된 도면이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 상기 시드 척(103)이 상기 완충핀 로드(125)를 하향 이동시키도록 작동되고, 상기 완충핀 로드(125)와 같이 하향 이동되는 완충핀(124)이 상기 보관부(123a) 및 커버(123)로부터 빠져나와 펼쳐지게 된다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 완충핀 로드(125)가 일정 거리 이상 하향 이동되면, 상기 상부 결합용 돌기들(125a)이 상기 상부 결합용 홈들(126a)에 맞물리고, 상기 시드 척(103)이 상기 완충핀 로드(125)를 일방향으로 회전시킴으로써, 상기 커버 지지대(126)도 같이 일방향으로 회전하게 된다.

따라서, 상기 완충핀 로드(125)와 커버 지지대(126)가 동시에 회전하게 되면, 상기 커버 지지대(126)의 수나사부(126h)가 상기 캡(121a)의 암나사부(121h)를 따라 회전됨에 따라 상기 완충핀 로드(125)와 커버 지지대(126)는 회전하는 동시에 하향 이동하게 된다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 상기 완충핀 로드(125)와 커버 지지대(126)가 하향 이동되면, 상기 완충핀(124)이 펼친 상태를 유지하는 동시에 상기 커버(123)가 상기 튜브(122)로부터 개방되고, 상기 튜브(122)에 적재된 고체 원료가 상기 완충핀(124)에 부딪혀 완충된 다음, 반경 방향으로 분산되어 낙하한다.

상기와 같은 과정을 통하여 고체 원료를 공급한 후, 고체 원료의 공급을 차단하는 과정은 상기 공급 과정을 반대로 반복하면서 이루어진다. 이때, 상기 완충핀 로드(125)가 일정 거리만큼 상향 이동되면, 상기 완충핀들(124)이 접히고, 상기 하부 결합용 돌기들(125b)이 상기 하부 결합용 홈들(미도시)에 맞물려 상기 완충핀 로드(125)와 커버 지지대(126)가 같이 반대 방향으로 회전하면, 상기 커버(123)가 상기 튜브(122)를 막아준다.

도 4 내지 도 6은 본 발명에 따른 단결정 성장장치에서 원료 공급시 다양한 작동 일예가 도시된 도면이다.

본 발명의 단결정 성장장치는 도 4에 도시된 바와 같이 원료 공급 시에 상기 완충부재(130)를 회전시킴으로써, 고체 원료가 정지된 원료공급장치(120)로부터 회전하는 완충부재(130)에 부딪혀 완충 효과를 높인 다음, 정지된 도가니(110) 내부로 공급될 수 있다.

그런데, 고체 원료가 회전하는 완충부재(130)에 부딪혀 정지된 도가니(110)로 공급되기 때문에 고체 원료가 원심력에 의해 상기 도가니(110)로부터 튀어 올라 상기 원료공급장치(120)를 손상시킬 수 있다.

따라서, 도 5에 도시된 바와 같이 원료 공급 시에 상기 원료공급장치(120)를 회전시킴으로써, 고체 원료가 회전하는 원료공급장치(120)로부터 정지된 완충부재(130)에 부딪혀 완충 효과를 높인 다음, 정지된 도가니(110) 내부로 공급될 수 있다.

그런데, 상기 원료공급장치(120)가 상기 시드 척(103)에 일종의 케이블 또는 로드 형태의 연결 부분에 의해 매달리도록 장착된다. 따라서, 원료 공급 시 상기 원료공급장치(120)가 회전되지만, 원료 공급 중단 시 상기 원료공급장치(120)가 정지되면, 관성력에 의해 상기 시드 척(103)으로부터 상기 원료공급장치(120)가 움직이거나, 튀어 오르기 때문에 상기 원료공급장치(120) 또는 완충부재(130)를 손상시킬 수 있다.

따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 원료 공급 시에 상기 도가니(110)를 회전시킴으로써, 고체 원료가 정지된 원료공급장치(120)로부터 정지된 완충부재(130)에 부딪혀 완충시킨 다음, 회전하는 도가니(110) 내부로 공급될 수 있다. 바람직하게는, 원료 공급 시에 상기 도가니(110)는 0.3 ~ 0.5rpm 으로 회전시킬 수 있다. 이때, 상기 도가니(110) 내부에 잔류하는 융액의 점성과 상기 도가니(110)의 회전 방향의 유속에 의해 고체 원료가 상기 도가니(110)의 바닥면 부분에 부딪히는 충격을 완충시키는 효과를 높일 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 제2실시예가 도시된 도면이다.

본 발명에 따른 단결정 성장장치의 제2실시예는 상기 제1실시예와 동일하게 구성되지만, 도 7에 도시된 바와 같이 완충부재(130)의 내주면에 요철부(133)가 구비된다.

상기 완충부재(130)는 수평 방향으로 확장된 링 형상의 플랜지부(131)와, 상기 플랜지부(131) 하측에 일체로 구비되어 하부로 갈수록 직경이 좁아지는 원통 형상의 본체부(132)와, 상기 본체부(132) 내주면에 구비된 요철부(133)를 포함하도록 구성된다.

상기 요철부(133)는 요부와 홈부가 번갈아 형성된 형태로써, 고체 원료가 부딪혀 충격을 완충시킬 수 있는 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 한정하지 아니한다.

다만, 상기 요철부(133)가 너무 뾰족하거나, 날카롭게 형성되면, 고체 연료가 상기 요철부(133)에 부딪혀 가루 형태로 잔류할 수 있고, 이러한 가루 형태의 원료가 추후에 잉곳 성장 공정 중에 아르곤(Ar) 등과 같은 가스 유동에 의해 융액으로 공급됨으로써, 잉곳의 품질을 저하시킬 뿐 아니라 제어하기 힘들 수 있다. 따라서, 상기 요철부(133)는 고체 원료가 부딪히더라도 가루 형태로 잔류하지 않도록 그 형상이 설계되는 것이 바람직하다.

도 8은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 제3실시예가 도시된 도면이고, 도 9는 도 8에 적용된 완충부재 및 리프터가 도시된 도면이다.

본 발명에 따른 단결정 성장장치의 제3실시예는 도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이 상기 제2실시예에서 완충부재(130)의 내주면에 잔류할 수 있는 원료 가루를 효과적으로 도가니(110)까지 공급하는 완충부재(130) 구조를 제공하며, 나아가 고체 원료의 공급 시 완충 효과를 보다 높일 수 있는 리프터(140) 구조를 제공한다.

상기 완충부재(130)는 수평 방향으로 확장된 링 형상의 플랜지부(131)와, 상기 플랜지부(131) 하측에 일체로 구비되어 하부로 갈수록 직경이 좁아지는 원통 형상의 본체부(132)와, 상기 본체부(132) 내주면에 나선형으로 배열된 가이드부(134)를 포함하도록 구성된다.

또한, 상기 가이드부(134)의 상측으로부터 하측을 따라 공기를 불어주면, 고체 원료가 상기 본체부(132)의 내주면에 부딪혀 가루 형태로 잔류하더라도 상기 가이드부(134)를 따라 하부로 안내될 수 있다. 이를 위하여, 상기 본체부(132)의 일측에 홀(132h)이 구비되고, 상기 홀(132h)을 통하여 상기 가이드부(134)를 따라 공기를 불어줄 수 있는 송풍기(미도시)가 구비될 수 있으며, 상기 송풍기는 생략될 수도 있다.

상기 리프터(140)는 상기 완충부재(130)의 플랜지부(131)에 수직하게 연결된 케이블 또는 로드 형태로 구성되며, 일예로 원주 방향으로 일정 간격을 두고 세 군 데에 위치될 수 있다. 이때, 상기 리프터(140)의 연결 부분은 소정의 완충부가 구비되는데, 바람직하게는 스프링, 유압장치 등의 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 한정되지 아니한다. 다만, 상기 리프터(140)의 완충 연결부는 수평면을 기준으로 상기 완충부재(130)를 설정각도(α) 범위 내에서 상하 방향으로 탄성 지지하도록 구성될 수 있으며, 대략 10±5°범위 내에서 움직일 수 있도록 구성된다.

종래 기술에 따른 단결정 성장장치는 흑연 재질의 완충부재가 적용된 반면, 본 발명에 따른 단결정 성장장치는 몰리브덴 재질의 완충부재가 적용되며, 잉곳 성장 시에 G값과 히터 파워값을 살펴보면, 다음과 같이 나타난다.

본 발명의 G값이 완충부재의 중심 또는 가장자리에 상관없이 종래의 G값 보다 향상된 것으로 나타나며, 본 발명의 히터 파워값이 종래의 히터 파워값보다 높게 나타난다. 이때, G값은 잉곳이 식어가는 온도 기울기이고, 히터 파워값은 잉곳 성장 시에 적정 온도를 유지하기 위하여 히터로 공급되는 파워값이다.

따라서, 본 발명에서 G값과 히터 파워값이 높은 것은 몰리브덴 재질의 완충부재에 의한 냉각효과가 뛰어난 것으로 볼 수 있으며, 이는 몰리브덴 재질이 흑연 재질보다 방사율(Emissivity)이 낮기 때문에 몰리브덴 재질의 완충부재가 흑연 재질의 완충부재보다 잉곳 성장 시에 냉각 효과를 높이는 것으로 볼 수 있다.

도 10은 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 원료공급방법이 도시된 순서도이다.

본 발명에 따른 단결정 성장장치의 원료공급방법을 도 1, 도 2, 도 10을 참조하여 살펴보면, 다음과 같다.

먼저, 원료가 담긴 원료공급장치(120)를 단결정 성장장치에 장착한다.(S1 참조)

상기 원료공급장치(120)의 완충핀 로드(125)는 상기 시드 척(103)에 매달리도록 장착되고, 상기 원료공급장치(120)의 플랜지(121b)는 상기 챔버(101,102)의 장착구(101h,102h)에 걸림되도록 장착된다. 물론, 상기 시드 척(103)은 상기 완충핀 로드(125)를 상하 방향 또는 회전시킬 수 있다.

다음, 상기 원료공급장치(120)로부터 완충핀(124)이 펼쳐진다.(S2 참조)

상기 시드 척(103)이 상기 완충핀 로드(125)를 하강시키면, 상기 완충핀 로드(125)가 하향 이동됨에 따라 이와 연결된 완충핀(124)도 상기 보관부(123a) 및 커버(123)로부터 나와서 펼쳐지게 된다. 이때, 상기 커버(123)는 상기 튜브(122)에 닫힌 상태를 유지한다.

다음, 상기 완충부재(130)와 원료공급장치(120)와 도가니(110) 중 하나만 회전한다.(S3 참조)

상기 완충부재(130)와 원료공급장치(120)와 도가니(110) 중 하나만 회전될 수도 있지만, 회전 속도 또는 융액의 잔류량을 고려하여 적어도 하나 이상이 회전될 수도 있으며, 회전 속도 역시 조절될 수 있다. 바람직하게는, 상기 도가니(110)만 약 3 ~ 5 rpm 속도로 회전될 수 있다.

다음, 상기 원료공급장치(120)가 열리고, 고체 연료를 낙하시킨다.(S4 참조)

상기 시드 척(103)이 상기 완충핀 로드(125)를 일정 거리만큼 하강시키면, 상기 상부 결합용 돌기들(125a)이 상기 상부 결합용 홈들(126a)과 맞물리게 되고, 상기 시드 척(103)이 상기 완충핀 로드(125)를 일방향으로 회전시키면, 상기 완충핀 로드(125)와 같이 상기 커버 지지대(126)도 일방향으로 회전한다. 이때, 상기 커버 지지대(126)가 일방향으로 회전되면, 상기 커버 지지대(126)와 캡(121a) 사이의 나사 결합에 의해 상기 완충핀 로드(125)와 같이 커버 지지대(126)가 하향 이동된다.

따라서, 상기 커버 지지대(126)가 하향 이동됨에 따라 이와 연결된 커버(123)도 하강하여 상기 튜브(122)로부터 개방되고, 상기 튜브(122)에 적재된 고체 원료가 낙하된다. 이때, 상기 완충핀(124)은 상기 커버(123) 하측에 위치하여 펼친 상태를 유지한다.

다음, 원료가 상기 완충핀(124)과 완충부재(130)에 순차적으로 충돌하면서 완충되고, 원료가 도가니(110)에 안착된다.(S5,S6 참조)

고체 원료가 상기 커버(123)의 경사면을 따라 낙하하면, 상기 완충핀(124)에 부딪혀 완충되는 동시에 반경 방향으로 분산되고, 상기 완충부재(130)의 내주면에 부딪혀 완충된다. 이때, 상기 완충부재(130)의 내주면에 구비된 형상에 따라 고체 원료를 상기 도가니(110)의 바닥면으로 안내할 수 있다. 물론, 상기에서 언급한 바와 같이 도가니(110)가 회전됨에 따라 원심력에 의해 고체 원료가 부딪히더라도 완충 효과를 높일 수 있다.

따라서, 잉곳 성장 공정 후에 상기 도가니(110) 내부에 융액이 잔류함에 따라 고온 상태이지만, 고체 원료가 완충된 다음, 상기 도가니(110)의 바닥면으로 공급됨에 따라 상기 도가니(110)의 손상을 방지할 수 있다.

이와 같이, 적정량의 고체 원료가 상기 도가니(110)로 공급한 후, 상기의 과정을 반대로 진행하면서 상기 원료공급장치(120)로부터 고체 원료의 공급을 중단하고, 상기 원료공급장치(120)를 상기 성장장치로부터 해체하게 된다.

상기 시드 척(103)이 상기 완충핀 로드(125)를 상향 이동시키면, 상기 완충핀 로드(125)가 상승함에 따라 상기 완충핀(124)이 상기 보관부(123a) 및 커버(123) 내부로 접히게 된다.

그런데, 상기 완충핀 로드(125)가 일정 거리 이상 상향 이동되면, 상기 하부 결합용 돌기들(125b)이 상기 하부 결합용 홈들(미도시)과 맞물리게 되고, 상기 시드 척(103)이 상기 완충핀 로드(125)를 반대 방향으로 회전시키면, 상기 완충핀 로드(125)와 같이 상기 커버 지지대(126)도 반대 방향으로 회전한다. 이때, 상기 커버 지지대(126)가 반대 방향으로 회전되면, 상기 커버 지지대(126)와 캡(121b) 사이의 나사 결합에 의해 상기 완충핀 로드(125)와 같이 커버 지지대(126)가 상향 이동된다.

따라서, 상기 커버 지지대(126)가 상향 이동됨에 따라 이와 연결된 커버(123)도 상승하여 상기 튜브(122)를 막아주게 되고, 상기 튜브(122)에 잔류하는 고체 원료가 낙하를 중단하게 된다.

이후, 상기 원료공급장치(120)의 완충핀 로드(125)를 상기 시드 척(103)으로부터 분리하고, 상기 원료공급장치(120)의 플랜지(121b)를 상기 챔버(101,102)의 장착구(101h,102h)로부터 분리하게 된다.

110 : 도가니 120 : 원료공급장치
130 : 완충부재

Claims

장착구가 상면에 구비된 챔버;
상기 챔버 내부에 설치되고, 원료가 용융되는 도가니;
상기 장착구에 탈착 가능하게 설치되고, 원료를 상기 도가니로 공급하는 원료공급장치; 및
상기 도가니 내부에 위치하고, 상기 원료공급장치로부터 떨어지는 원료를 완충시켜 상기 도가니로 안착시키는 완충부재;를 포함하고,
상기 완충부재는,
링 형상의 플랜지부와, 상기 플랜지부로부터 하부로 갈수록 직경이 좁아지는 원통 형상의 본체부와, 상기 본체부의 내주면에 구비된 요철부를 포함하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 완충부재는,
상기 본체부의 내주면에 나선형으로 배열된 가이드부를 더 포함하는 단결정 성장장치.
제2항에 있어서,
상기 완충부재는,
상기 가이드부를 따라 원료가 안내되도록 상기 본체부 내주면을 따라 공기를 불어주는 송풍기를 더 포함하는 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 완충부재는 금속재질로 구성된 단결정 성장장치.
제1항에 있어서,
상기 완충부재를 수직 방향으로 이동 가능하게 상기 완충부재를 상기 챔버에 매달리도록 설치하는 리프터(lifter);를 더 포함하는 단결정 성장장치.
제5항에 있어서,
상기 리프터는,
상기 챔버의 원주 방향으로 일정 간격을 두고 적어도 세 지점 이상에서 연결된 복수 개의 케이블과,
상기 케이블들과 완충부재 사이에 구비되고, 상기 완충부재를 수평 방향에 대해 설정 각도 범위 내에서 움직일 수 있도록 완충 지지하는 완충 연결부를 포함하는 단결정 성장장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도가니는 원료 공급 시에 회전 구동되는 단결정 성장장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원료공급장치는 원료 공급 시에 회전 구동되는 단결정 성장장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 완충부재는 원료 공급 시에 회전 구동되는 단결정 성장장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 원료공급장치는,
상기 챔버의 장착구에 안착되는 플랜지와,
상기 플랜지의 하부에 연장되고, 원료가 채워지는 튜브와,
상기 튜브의 하부를 개폐시키는 커버와,
상기 커버로부터 수납 가능하게 설치되고, 원료 공급 시에 완충시키도록 펼쳐지는 복수개의 완충핀과,
상기 커버 내부에 상기 완충핀들을 접은 상태로 내장시키는 원통 형상의 보관부와,
상기 완충핀들과 커버를 순차적으로 작동시키는 개폐부재를 포함하도록 구성되며,
상기 커버는 하부로 갈수록 직경이 넓어지는 콘 형상이고,
상기 완충핀들은 상기 커버의 외부에서 상기 커버의 최대 직경보다 더 크게 펼쳐지는 단결정 성장장치.
제10항에 있어서,
상기 완충핀들은 금속재질로 구성된 단결정 성장장치.
제10항에 있어서,
상기 개폐부재는,
상기 플랜지 상단에 구비된 캡과,
상기 캡과 맞물리는 동시에 상기 커버의 상단과 연결되고, 회전됨에 따라 하향 이동되는 커버 지지대와,
상기 커버 지지대를 관통하여 상기 완충핀들의 상단과 연결되고, 상하 이동 가능하게 설치된 완충핀 로드를 포함하는 단결정 성장장치.
제12항에 있어서,
상기 완충핀 로드가 상기 지지대 커버에 대해 일정 거리만큼 상하 이동되면,
상기 완충핀 로드와 지지대 커버가 같이 회전될 수 있도록 서로 맞물리게 하는 복수개의 결합용 돌기 및 결합용 돌기가 구비된 단결정 성장장치.
챔버 내부에 구비된 도가니에 원료를 공급하는 단결정 성장장치의 원료공급장치에 있어서,
상기 챔버의 장착구에 안착되는 플랜지;
상기 플랜지의 하부에 연장되고, 원료가 채워지는 튜브;
상기 튜브의 하부를 개폐시키는 커버;
상기 커버로부터 수납 가능하게 설치되고, 원료 공급 시에 완충시키도록 펼쳐지는 복수개의 완충핀;
상기 커버 내부에 상기 완충핀들을 접은 상태로 내장시키는 원통 형상의 보관부; 및
상기 완충핀들과 커버를 순차적으로 작동시키는 개폐부재;를 포함하도록 구성되며,
상기 커버는 하부로 갈수록 직경이 넓어지는 콘 형상이고,
상기 완충핀들은 상기 커버의 외부에서 상기 커버의 최대 직경보다 더 크게 펼쳐지는 단결정 성장장치의 원료공급장치.
제14항에 있어서,
상기 완충핀들은 금속재질로 구성된 단결정 성장장치의 원료공급장치.
제14항 또는 제15항에 있어서,
상기 개폐부재는,
상기 플랜지 상단에 구비된 캡과,
상기 캡과 맞물리는 동시에 상기 커버의 상단과 연결되고, 회전됨에 따라 하향 이동되는 커버 지지대와,
상기 커버 지지대를 관통하여 상기 완충핀들의 상단과 연결되고, 상하 이동 가능하게 설치된 완충핀 로드를 포함하는 단결정 성장장치의 원료공급장치.
제16항에 있어서,
상기 완충핀 로드가 상기 지지대 커버에 대해 일정 거리만큼 상하 이동되면,
상기 완충핀 로드와 지지대 커버가 같이 회전될 수 있도록 서로 맞물리게 하는 복수개의 결합용 돌기 및 결합용 돌기가 구비된 단결정 성장장치의 원료공급장치.
챔버 내부에 구비된 도가니에 원료를 공급하는 단결정 성장장치의 원료공급방법에 있어서,
상기 챔버에 원료가 담긴 원료공급장치를 장착하는 제1단계;
상기 원료공급장치로부터 원료를 낙하시키기 전에 부딪힐 수 있는 완충핀들을 펼치는 제2단계; 및
상기 원료공급장치로부터 낙하하는 원료를 완충시켜 상기 도가니로 공급하는 제3단계;를 포함하는 단결정 성장장치의 원료공급방법.
제18항에 있어서,
상기 제3단계는,
상기 원료공급장치로부터 낙하하는 원료를 상기 도가니 내측에 위치한 완충부재에 부딪혀 완충시키는 과정과,
상기 완충부재를 따라 원료가 상기 도가니로 공급되는 과정을 포함하는 단결정 성장장치의 원료공급방법.
제19항에 있어서,
상기 제3단계에서 상기 원료공급장치의 중심축을 기준으로 상기 완충부재와 원료공급장치와 도가니 중 적어도 하나를 회전시키는 단결정 성장장치의 원료공급방법.