KR101401255B1

KR101401255B1 - 잉곳 제조장치

Info

Publication number: KR101401255B1
Application number: KR1020120137716A
Authority: KR
Inventors: 문상진; 소원욱; 박동순; 구명회; 이운복
Original assignee: 한국화학연구원
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-05-30

Abstract

본 발명에 따른 잉곳 제조장치는 진공챔버 내에서, 액상의 원료를 일정한 고화 방향성(solidification direction)을 갖도록 순차적으로 고상전이(liquid to solid phase transition)시켜 반도체 또는 금속산화물 잉곳을 제조하는 잉곳 제조장치이며, 상기 잉곳 제조장치의 높이 방향을 종방향으로, 상기 종방향과 수직인 방향을 횡방향으로 하여, 반도체 또는 금속산화물 원료가 담지되는 도가니; 상기 도가니에 종방향으로 일정거리 이격 구비되는 냉각 수단; 상기 도가니의 둘레면을 감싸도록 상기 도가니에 횡방향으로 일정거리 이격 구비되는 제1가열수단 및 상기 도가니를 사이에 두고 종방향으로 상기 냉각수단과 대향되도록 상기 도가니에 종방향으로 일정거리 이격 구비되는 제2가열수단을 포함하는 가열수단; 및 종방향으로 상기 도가니와 냉각 수단 사이에 구비되며 이동부에 의해 그 위치가 이동되는 단열 부재;를 포함하는 단위체;를 포함하며, 내부 공간부를 갖는 진공챔버에, 내부 공간부를 갖는 진공챔버에, 상기 공간부의 중심을 가로지르는 가상면을 기준으로, 상기 가상면에 의해 나눠지는 공간부의 각 구역에 상기 단위체가 구비되는 장치인 특징이 있다.

Description

잉곳 제조장치{The Apparatus for (Apparatus of Manufacturing Ingot}

본 발명은 잉곳(ingot) 제조장치에 관한 것으로, 상세하게 액상의 반도체 또는 금속산화물 원료를 일정한 고화 방향성(solidification direction)을 갖도록 순차적으로 고상전이(liquid to solid phase transition)시켜 반도체 또는 금속산화물 잉곳을 제조하는 장치에 관한 것이다.

최근 결정질 실리콘 태양전지에 의한 태양광 발전은 무공해, 안전성, 고성능, 신뢰성 등의 장점으로 인해 시험 단계를 지나 상업화 단계에 이르렀다.

그 결과 독일, 캐나다, 미국 등의 나라에선 실리콘 태양전지를 이용하여 수 ~ 수십MW 정도의 대용량 태양광 발전이 이루어지고 있다.

현재 태양광 발전에 이용되고 있는 태양전지는 주로 쵸크랄스키(Czochralski) 인상법에 의해 제조된 단결정 실리콘 잉곳이나 브리지만(Bridgman)방식에 의한 다결정 실리콘 잉곳을 이용하여 제조하고 있는데, 앞으로의 지속적인 대규모 용량화와 경제성 증진을 위해서는 실리콘 잉곳과 기판의 가격을 낮추고 품질과 생산성을 더욱 높여야 할 것으로 인식되고 있다.

이와 같은 배경 아래 특히 실리콘 잉곳과 기판의 물성이 단결정의 그것보다 크게 저하되지 않으면서도 원가 절감이 용이한 고품질의 다결정, 혹은 단결정 유사다결정 실리콘 잉곳의 효율적인 생산에 많은 노력이 기울여져 왔다.

태양전지용 다결정 실리콘 잉곳은 물론, 단결정 유사 다결정 실리콘 잉곳의 제조도 기본적으로 방향성 응고를 특징으로 하고 있으며, 후자는 특히 단결정 시드(seed)를 추가로 이용한다.

석영이나 흑연으로 제조된 도가니의 맨 하부에 단결정 시드를 장착하고 태양전지급 원료 실리콘을 충진하여 1420℃ 이상으로 가열하면 모두 녹게 되는데, 이때 단결정 실리콘 시드 하부의 일부는 녹지 않도록 제어하면서 모든 원료 실리콘을 용융시킨 후 실리콘의 응고열을 도가니 하부 쪽의 한 방향으로 제거하면 고화가 도가니 하부의 시드로부터 상부 쪽으로 퍼져나가는 방식이 단결정 유사 다결정 실리콘 잉곳의 방향성 응고 공정이다.

다결정 실리콘 잉곳의 경우, 잘 제어된 방향성 응고공정의 결과로 얻어진 잉곳은 많은 수의 단결정 기둥이 한 방향으로 합체된 주상구조(columnar structure)를 갖게 되어 결정 성장방향과 수직으로 기판을 자르면 단결정과 마찬가지로 광에 의해 생성된 전자가 손실없이 전극 쪽으로 포집될 수 있는 구조가 된다.

대한민국 공개특허 제2008-0068423호, 2008-0068424호, 2009-0035336호, 2009-0035337호와 같이, 최근 이러한 다결정 실리콘 잉곳 제조기술은 더욱 발전하여 품질이 단결정과 거의 유사한 다결정(mono-like polycrystalline, 단결정 유사 다결정) 구조의 잉곳 제조를 위한 연구개발이 이루어지고 있다. 즉, 단결정 잉곳의 성장에서처럼 단결정 시드를 사용하되 기존 다결정 실리콘 잉곳 도가니의 하부에 판상의 단결정 시드를 위치시켜 이로부터 단결정성의 잉곳이 성장되도록 하는 기술이다. 단결정 시드를 선택적으로 용융시키고 이로부터 단결정성의 잉곳을 성공적으로 키우기 위해서는 도가니 하부의 일부분만 선택적으로 냉각하거나 열전달 속도를 시간적 공간적으로 정교하게 제어할 수 있는 특수 냉각 시스템 개발이 필요하다.

현재 상업 규모의 태양전지용 다결정 실리콘 잉곳은 크기가 약 400~650kg 정도로서, 고품질을 확보하기 위해 회분(batch)방식으로 1회에 한개씩 제조하고 있다. 그러나 이러한 기존 다결정 잉곳 제조장비를 이용하여 단결정 유사 다결정 잉곳을 제조하기 위해서는 도가니 하부 열전달 시스템 등의 장비 개조가 필요하다.

단결정 유사 다결정 실리콘 잉곳 제조의 기술적 핵심 사항으로는 도가니 하부에 원료 실리콘을 충진할 때 맨 아래 쪽에 단결정 실리콘 시드 기판을 위치시키고, 용융 시에는 단결정 실리콘 시드 기판의 상부에 한정하여 용융시키고 하부는 고화 상태로 유지시키고, 결정성장 시에는 액상 실리콘의 융해열을 도가니 하부 쪽으로 방향성 응고시키되, 결정구조는 사용된 시드에 따라 단결정 유사 다결정 구조이고 결정입계(grain size)는 단결정과 유사할 정도로 유지되어 결정결함(crystalline defect)과 불순물(impurity) 혼입이 충분히 적은 양질의, 즉, 고 효율 태양전지용 사양에 맞는 단결정 유사 다결정 잉곳을 제조하는 것이다.

종래의 잉곳제조 장치의 성능은 대부분 가열 및 냉각에 소요되는 공정시간의 단축과 더불어 얻어지는 잉곳의 주요 물성인 결정결함과 금속 불순물 혼입 등의 최소화 및 주상구조 분율의 극대화 등에 좌우된다.

가열 및 냉각 등의 공정변수는 단열 및 냉각 시스템의 구성과 같은 장치의 최적화와 관련되어 있어 히터 주위에 설치하는 단열재 등의 배치가 중요하며, 그 중에서도 냉각수단과 접하는 도가니 주변의 단열 및 냉각 시스템이 매우 중요하다. 특히 고품질의 다결정 실리콘 잉곳 제조에서 한 걸음 더 나아가 단결정 유사 다결정 잉곳의 제조는 물론이고 종래에 쵸크랄스키법과 같은 멜트 결정성장법으로 제조가 가능한 여타의 벌크성 반도체 잉곳이나 사파이어와 같은 금속산화물 잉곳제조를 위해서도 기존보다 훨씬 정교한 하부 단열 및 열전달 시스템이 구축되어야 한다.

대한민국 공개특허 제2008-0068423호 대한민국 공개특허 제2008-0068424호 대한민국 공개특허 제2009-0035336호 대한민국 공개특허 제2009-0035337호

본 발명은 상술한 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 도가니 내 위치에 따라 엄밀하게 원료의 용융 및 응고가 제어되며, 응고시 발생하는 응고열이 응고가 진행되는 시간 및 위치에 따라 가변적으로 정교하게 제어되며, 단시간 내에 원료의 용융이 이루어지며, 도가니 측면의 핵생성 및 성장이 억제되며, 큰 변형 없이 종래 사용되는 잉곳 제조장치의 활용이 가능하여 경제적으로 유리하며, 장치의 소형화가 가능하고, 열효율이 우수하고, 대량 생산에 유리한 잉곳 제조장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 잉곳 제조장치는 진공챔버 내에서, 액상의 원료를 일정한 고화 방향성(solidification direction)을 갖도록 순차적으로 고상전이(liquid to solid phase transition)시켜 반도체 또는 금속산화물 잉곳을 제조하는 잉곳 제조장치이며, 상기 잉곳 제조장치의 높이 방향을 종방향으로, 상기 종방향과 수직인 방향을 횡방향으로 하여, 반도체 또는 금속산화물 원료가 담지되는 도가니; 상기 도가니에 종방향으로 일정거리 이격 구비되는 냉각 수단; 상기 도가니의 둘레면을 감싸도록 상기 도가니에 횡방향으로 일정거리 이격 구비되는 제1가열수단 및 상기 도가니를 사이에 두고 종방향으로 상기 냉각수단과 대향되도록 상기 도가니에 종방향으로 일정거리 이격 구비되는 제2가열수단을 포함하는 가열수단; 및 종방향으로 상기 도가니와 냉각 수단 사이에 구비되며 이동부에 의해 그 위치가 이동되는 단열 부재;를 포함하는 단위체;를 포함하며, 내부 공간부를 갖는 진공챔버에, 상기 공간부의 중심을 가로지르는 가상면을 기준으로, 상기 가상면에 의해 나눠지는 공간부의 각 구역에 상기 단위체가 구비되는 특징이 있다.

상기 단위체의 상기 단열부재는 단열체인 둘 이상의 평판을 포함하며, 상기 둘 이상의 평판은 각각 상기 이동부에 의해 서로 독립적으로 위치가 횡방향으로 이동되는 특징이 있다.

상기 단위체의 상기 단열부재는 단열체인 둘 이상의 평판을 포함하며, 상기 둘 이상의 평판은 종 방향으로 동일 평면 또는 서로 다른 평면에 위치하는 특징이 있다.

상기 둘 이상의 평판이 서로 다른 평면에 위치하는 경우, 상기 평판들은 적어도 일부분이 종방향으로 서로 밀착된 특징이 있다.

상기 둘 이상의 평판이 서로 다른 평면에 위치하는 경우, 동일 평면에 위치하는 평판을 일 평판층으로 하여, 상기 단열부재는 2 내지 6개의 평판층으로 구성되는 특징이 있다.

본 발명에 따른 상기 잉곳 제조장치는 상기 단열 부재의 위치를 이동시키는 이동부를 제어하는 제어부를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 가열 수단 및 상기 냉각 수단에 의한 상기 원료의 용융 및 순차적 고화 시, 상기 단위체 별로 상기 단열 부재를 구성하는 평판 각각의 위치를 조절하여, 일 단위체의 상기 도가니와 상기 냉각 수단 간 관통 공을 형성하거나, 상기 도가니와 냉각 수단 간 위치별 종방향으로의 상기 단열 부재의 총 두께를 제어하는 특징이 있다.

단열부재를 구성하는 상기 둘 이상의 평판은 두께, 형상, 크기 및 재질에서 하나 이상 선택된 인자가 서로 상이한 특징이 있다.

상기 공간부는 상기 공간부의 중심을 지나는 십자 형상의 가상면에 의해 4개의 구역으로 나눠지며, 상기 4개의 구역 각각에 상기 단위체가 배열되는 특징이 있다.

본 발명에 따른 잉곳 제조장치는 가열수단 및 냉각수단에 의한 원료의 용융 및 순차적 고화 시, 단열부재의 위치별 종 방향 총 두께를 고화 진행 정도에 따라 다르게 조절하거나, 단열부재의 이동에 의한 관통 공의 형성 유무 및 관통 공의 크기를 조절하여 상기 도가니와 상기 냉각수단간의 열전달 정도 및 열전달 면적을 제어함으로써, 상기 도가니 내부의 위치별 온도 구배가 엄밀히 제어되는 장점이 있으며, 상기 단열부재의 이동에 의해 원료의 순차적 고화 시 위치 선택적으로 그리고 시간적으로 열전달 속도 제어가 가능하여, 고품질의 단결정 잉곳 뿐만 아니라, 결정입의 크기가 크고 결정결함이 작은 고품질의 다결정 잉곳이 제조되는 장점이 있으며, 도가니 측면에서의 핵생성 및 성장이 방지되어 매우 우수한 생산성을 갖는 장점이 있으며, 단일한 진공 챔버에서 다수개의 잉곳이 제조되어 생산성을 높일 수 있으며, 원료의 용융을 위한 가열시 소모되는 외부 에너지를 최소화 할 수 있는 에너지 절감 가능한 장치인 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 잉곳 제조장치에 구비되는 단위체의 일 예를 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명에 따른 잉곳 제조장치에 구비되는 단위체의 다른 예를 도시한 도면이며,
도 3은 본 발명에 따른 잉곳 제조장치에 구비되는 단위체의 단열부재를 도시한 다른 예이며,
도 4는 본 발명에 따른 잉곳 제조장치에 구비되는 단위체의 단열부재를 도시한 또 다른 예이며,
도 5는 본 발명에 따른 잉곳 제조장치에 구비되는 단위체의 단열부재를 도시한 또 다른 예이며,
도 6은 본 발명에 따른 잉곳 제조장치에 구비되는 단위체의 단열부재를 도시한 또 다른 예이며,
도 7은 본 발명에 따른 잉곳 제조장치에 구비되는 단위체의 또 다른 예를 도시한 도면이며,
도 8은 본 발명에 따른 잉곳 제조장치에 구비되는 단위체의 또 다른 예를 도시한 도면이며,
도 9는 본 발명에 따른 잉곳 제조장치를 도시한 일 예이며,
도 10은 본 발명에 따른 잉곳 제조장치를 도시한 일 예이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 : 원료 200 : 도가니
300 : 가열수단 400 : 냉각수단
500 : 단열부재 501~550: 평판
600 : 이동부 700 : 제어부
1000 : 단위체 2000 : 진공챔버 케이스

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 제조장치를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 발명에 따른 잉곳 제조장치는 진공챔버 내에서, 액상의 반도체 또는 금속산화물 원료를 일정한 고화 방향성(solidification direction)을 갖도록 순차적으로 고상전이(liquid to solid phase transition)시켜 반도체 또는 금속산화물 잉곳을 제조하는 잉곳 제조장치이며, 상기 잉곳 제조장치(또는 원료가 담지되는 도가니)의 높이 방향을 종방향으로, 상기 종방향과 수직인 방향을 횡방향으로 하여, 상기 반도체 또는 금속산화물 원료가 담지되는 도가니; 상기 도가니에 종방향으로 일정거리 이격 구비되는 냉각 수단; 상기 도가니의 둘레면을 감싸도록 상기 도가니에 횡방향으로 일정거리 이격 구비되는 제1가열수단 및 상기 도가니를 사이에 두고 종방향으로 상기 냉각수단과 대향되도록 상기 도가니에 종방향으로 일정거리 이격 구비되는 제2가열수단을 포함하는 가열수단; 및 종방향으로 상기 도가니와 냉각 수단 사이에 구비되며 이동부에 의해 그 위치가 이동되는 단열 부재를 포함하는 단위체;를 둘 이상 포함하며, 내부 공간부를 갖는 진공챔버에, 상기 공간부의 중심을 가로지르는 가상면을 기준으로, 상기 가상면에 의해 나눠지는 공간부의 각 구역에 상기 단위체가 구비되는 특징이 있다.

상기 도가니에 담지되어 잉곳 제조의 원료로 사용되는 반도체는 실리콘(Si), 게르마늄 또는 실리콘게르마늄(SiGe)을 포함하는 4족 반도체; 갈륨비소(GaAs), 인듐인(InP) 또는 갈륨인(GaP)을 포함하는 3-5족 반도체; 황화카드뮴(CdS) 또는 텔루르화아연(ZnTe)을 포함하는 2-6족 반도체; 또는 황화납(PbS)을 포함하는 4-6족 반도체를 포함하며, 원료로 사용되는 금속산화물은 알루미나를 포함한다.

상기 도가니에 담지된 반도체 또는 금속산화물 원료는 상기 가열 수단에 의해 용융되어 일정한 고화 방향성을 갖도록 순차적으로 고화되어 잉곳으로 제조되는데, 상기 잉곳은 주상구조(columnar structure)를 갖는 다결정체 잉곳, 단결정 유사 다결정(mono-like polycrystalline)체 잉곳 또는 단결정 잉곳을 포함한다.

순차적 고화가 시작되는 상기 도가니 내부 밑면에는 단결정 잉곳을 제조하기 위한 단결정 씨드(seed)가 위치할 수 있으며, 상기 단결정 유사 다결정 잉곳을 제조하기 위해 일정하게 배열된 다수개의 단결정 씨드(seed)가 위치할 수 있음은 물론이다.

이하, 도 1 내지 도 7을 기반으로 본 발명에 따른 잉곳 제조장치의 상기 진공챔버내 공간부의 각 구역에 구비되는 단위체를 상술한다.

도 1은 본 발명에 따른 잉곳 제조장치에 구비되는 단위체(1000)를 도시한 일 예로, 도 1(a)에 도시한 바와 같이, 상기 단위체(1000)는 내부에 원료(100)가 담지되는 도가니(200), 잉곳 제조장치의 높이 방향과 평행한 방향인 상기 도가니(200)의 높이 방향을 종방향(V)으로, 상기 종방향에 수직인 면에 속하는 방향을 횡방향(H)으로 하여, 종방향(V)으로 상기 도가니(200)의 일 측에 일정거리 이격 구비되는 냉각수단(400), 횡방향(H)으로 상기 도가니(200)의 둘레를 모두 감싸도록 상기 도가니(200)와 일정거리 이격 구비되는 제1가열수단(310) 및 종방향(V)으로 상기 도가니(200)의 다른 한 측에 일정거리 이격 구비되는 제2가열수단(320)을 포함하는 가열수단(300), 및 종방향(V)으로 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400) 사이에 구비되며, 이동부(600)에 의해 그 위치가 이동되며 단열체인 둘 이상의 평판(501, 502)으로 구성된 단열부재(500)를 포함하여 구성된다.

상기 가열수단(300)은 상기 도가니(200)에 담겨진 원료를 용융시키기 위한 것으로, 전류에 의해 줄열(Joule's heat)을 발생하는 통상의 발열체를 포함하여 구성되며, 상기 가열수단(300)은 상기 도가니(200)의 둘레면과 일정거리 이격되어 상기 도가니(200) 둘레를 모두 감싸는 제1가열수단(310) 및 도가니(200)를 사이에 두고 상기 냉각수단(400)과 대향되도록 상기 도가니(200) 상부에 구비되는 제2가열수단(320)을 포함하는 것이 바람직하다.

상기 냉각수단(400)은 상기 가열수단(300)에 의해 용융된 원료를 냉각시키기 위한 것으로, 냉각액이 흐르는 유로가 형성되어, 상기 냉각액에 의해 냉각(cooling)이 이루어지는 통상의 냉각수단을 포함하며, 상기 도가니(200)의 하면과 일정거리 이격되어 구비되는 것이 바람직하다.

보다 바람직하게, 상기 단위체(1000)는 냉각액이 흐르는 유로가 형성된 판 형상의 냉각부를 포함하는 상기 냉각수단(400)과 함께, 상기 냉각수단을 지지하는 지지바 및 상기 지지바를 이동시켜 상기 냉각수단(400)을 종방향(V)으로 이동시키는 냉각수단 이송부를 포함하여 구성되어, 상기 냉각수단 이송부에 의해 상기 냉각수단(400)이 이동되어 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400)간의 이격 거리가 제어되는 특징이 있다.

상기 단위체(1000)에 있어, 상기 이동부(600) 및 단열부재(500)를 포함하는 열전달 시스템은 장치 내 열흐름을 제어하고, 도가니 내부 위치 및 응고가 진행된 시간에 따라 도가니 내부의 온도를 가변적으로 엄밀하게 제어하기 위한 것으로, 원료의 용융 및 용융된 원료의 순차적 고화 시 상기 단열부재(500)는 상기 이동부(600)에 의해 그 위치가 횡방향으로 이동되는 특징이 있다.

상세하게, 상기 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉곳 제조장치는 단위체(1000)별로 구비되는 상기 이동부(600), 상기 가열수단(300) 및 상기 냉각수단(400)(냉각수단 이송부를 포함함)을 전체적으로 제어하는 제어부(700)를 더 포함하며, 상기 제어부(700)는 단위체(1000)별로 상기 가열수단(300) 및 상기 냉각수단(400)에 의한 상기 원료의 용융 및 순차적 고화 시 상기 단열부재(500)의 위치를 조절하여, 장치내 열흐름을 제어하고, 상기 도가니(200) 내부의 위치별 온도 구배를 제어하는 특징이 있다.

보다 상세하게, 상기 제어부(700)는 단위체(1000)별로 상기 원료의 용융 및 순차적 고화시 상기 이동부(600)를 통해 단열체인 둘 이상의 평판을 포함하여 구성되는 상기 단열부재(500)를 개폐하는 특징이 있다.

도 1(a)에 도시한 바와 같이, 상기 제어부(700)는 상기 가열수단(300)에 의한 원료의 용융시, 상기 단열부재(500)의 위치를 조절하여 상기 도가니(200) 하부를 차폐하며, 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 상기 냉각수단(400)에 의한 원료의 순차적 고화시, 상기 단열부재(500)의 위치를 조절하여 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400) 사이에 종 방향(V)으로 열린 공간인 통공영역 즉, 관통 공(1)을 형성하는 특징이 있다.

이에 의해, 상기 원료의 용융시 상기 가열수단(300)에서 발생하는 열의 외부 손실을 최소화하며 도가니에 담겨진 원료를 단시간 내에 빠르게 용융시킬 수 있으며, 상기 원료의 용융이 이루어진 후, 상기 냉각수단(400)에 의한 용융된 원료의 고화시 상기 단열부재(500)의 이동에 의해 형성된 관통 공(1)을 통해 상기 고화에 의해 발생되는 응고열이 효과적으로 제거되게 된다.

이때, 도 1(a)와 같이, 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400) 사이를 차폐하는 차폐막을 형성하도록 상기 이동부(600)에 의해 이동 및 결합된 둘 이상의 평판(501~504)은 그 투영(projection) 형상이 내부에 공극이 없는 단일한 판이 되도록 이동 결합되며, 상기 둘 이상의 평판(501~504)이 이동 및 결합되어 형성된 차폐막은 상기 도가니(200)의 직경을 기준으로 그 투영 형상의 직경이 1 배 내지 1.5배인 것이 바람직하다.

상기 관통 공(1)은 상기 제어부(700)에 의해 단위체(1000)별로 상기 원료의 순차적 고화의 진행 정도에 따라 그 크기가 제어될 수 있다. 상세하게, 상기 제어부(700)에 의해 전체 원료의 부피를 기준으로 10%이하의 고화가 진행된 고화 초기의 경우, 상기 도가니(200)의 종방향에 수직인 단면의 단면적을 기준으로 0.1배 내지 0.5배의 면적이 상기 관통 공(1)을 통해 상기 냉각수단(400)과 통하도록 관통 공(1)이 형성되는 것이 바람직하며, 전체 원료의 부피를 기준으로 10~60%의 고화가 진행된 고화 중기의 경우, 상기 도가니(200)의 종방향에 수직인 단면의 단면적을 기준으로 0.5배 내지 0.7배의 면적이 상기 관통 공(1)을 통해 상기 냉각수단(400)과 통하도록 관통 공(1)이 형성되는 것이 바람직하며, 전체 원료의 부피를 기준으로 60% 이상의 고화가 진행된 고화 말기의 경우, 상기 도가니(200)의 종방향에 수직인 단면의 단면적을 기준으로 0.7배 내지 1.0배의 면적이 상기 관통 공(1)을 통해 상기 냉각수단(400)과 통하도록 관통 공(1)이 형성되는 것이 바람직하다. 이때, 상술한 바와 같이 상기 관통 공(1)은 상기 단열부재(500)를 이루는 둘 이상의 평판(501~504)이 상기 제어부(700) 및 이동부(600)에 의해 서로 독립적으로 각각 이동되어 형성되는데, 상기 관통 공(1)은 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400)을 잇는 가상의 선에 그 중심이 오도록, 즉, 상기 가상의 선을 중심으로 서로 대칭 구조를 갖도록 상기 관통 공(1)이 형성된 것이 바람직하다.

이때, 상기 고화 진행 정도에 따라, 상기 제어부(700)에 의해 상기 단열부재(500)가 연속적 또는 불연속적으로 이동하여, 상기 관통 공(1)의 크기가 연속적 또는 불연속적으로 변화할 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉곳 제조장치는 원료의 용융 및 순차적 고화시 상기 제어부(700)에 의해 관통 공(1)의 형성 유무, 상기 관통 공(1)의 크기, 관통 공(1)이 형성된 위치 뿐만 아니라, 상기 종방향(V)으로의 상기 단열부재(500)의 총 두께 또한 국부적으로 제어되어, 상기 도가니(200) 내부의 위치별 온도 구배가 엄밀히 제어되는 특징이 있다.

상기 가열수단(300)이 상기 도가니(200)의 종(V) 및 횡방향(H)에 구비되고, 상기 냉각수단(400)이 상기 도가니(200)의 종방향으로 상기 도가니(200)의 밑면 측에 구비되며, 상기 단열부재(500)는 종방향(V)으로 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400)사이에 구비됨에 따라, 효과적이고 균일한 응고열의 제거를 위해 상기 단열부재(500)는 횡방향으로 이동되는 것이 바람직하며, 단열체인 다수개의 평판으로 상기 단열부재(500)가 구성되는 경우, 상기 평판은 서로 독립적으로 횡방향(H)으로 이동되는 것이 바람직하다.

이때 상기 단열부재(500)는 흑연 또는 알루미나를 포함하는 통상의 단열체로 이루어지며, 상기 이동부(600)는 전기적 구동에 의해 물체의 위치를 상하 좌우로 이동시킬 수 있는 통상의 장치를 사용할 수 있으며, 일 예로, 직선 운동을 발생하는 실린더 또는 회전 운동을 발생하는 모터를 포함하는 구동부 및 상기 구동부의 구동축과 연결되어 상기 직선 운동 또는 회전 운동을 상기 횡방향의 운동으로 변환시키는 변환부 및 상기 변환부에서 변환된 운동 방향을 상기 단열부재(500)로 인가하는 결합부재를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 이동부(600)는 상기 단열부재(500)를 구성하는 다수개의 평판 각각의 위치를 서로 독립적으로 제어함은 물론이다.

도 2는 본 발명에 따른 잉곳 제조장치에 구비되는 단위체(1000)에 구비되는 단열부재(500)를 도시한 일 예로, 도 2(a) 내지 (c)는 원료의 용융 및 순차적 고화가 수행됨에 따라 제어부(700)에 의해 일 단위체(1000)에서 이동된 단열부재(500)를 도시한 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 단위체(1000)에 구비되는 상기 단열부재(500)는 단열체인 둘 이상의 평판(501~504)을 포함하며, 상기 둘 이상의 평판(501~504)은 각각 상기 이동부(600)에 의해 서로 독립적으로 그 위치가 횡방향으로 이동되는 특징이 있다.

도 2(a)의 일 예에 도시한 바와 같이, 상기 제어부(700)는 단위체(1000)의 상기 도가니(200) 내 원료가 용융될 때, 상기 둘 이상의 평판(501~504)을 이동시켜 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400)사이를 차폐하여, 상기 도가니 하부가 단열재로 차폐된 효과를 야기하여 단시간에 효과적으로 상기 원료의 용융을 가능케 한다.

도 2(b) 내지 도 2(c)의 일 예에 도시한 바와 같이, 상기 제어부(700)는 상기 용융된 원료의 종방향으로의 순차적 고화가 이루어질 때, 상기 도가니 측면에서의 핵생성 및 성장을 방지하며 도가니 하부 면에서 동시 다발적으로 대량의 핵생성이 발생하는 것을 억제하기 위해, 상기 둘 이상의 평판(501~504)을 각각 횡방향(H)으로 이송시켜 원료의 응고에 의해 발생하는 응고열을 위치에 따라 선택적으로 제거하여 고품질의 단결정, 단결정 유사 다결정 또는 다결정 잉곳의 제조를 가능케 한다.

상세하게, 도 2(b)의 일 예에 도시한 바와 같이, 도가니 하부면에서 고화가 일어나는 고화 초기에는 과도한 핵생성 구동력이 가해지지 않도록, 동일한 평면에 위치하는 평판들(일 예로, 501 및 502)을 일 평판층으로 하여, 종방향(V)으로 도가니 측에 가까운 평판층에 속하는 평판들(501, 502)이 횡방향으로 일정거리 이동되고, 도가니 측에서 먼 평판층에 속한 평판들(503, 504)는 차폐막을 형성한다.

상세하게, 도 2(c)의 일 예에 도시한 바와 같이, 종방향(V)으로 순차적 고화가 이루어지는 고화 중기 또는 고화 말기에는 도가니 측면에서 고화가 발생하지 않도록, 상기 도가니 측에서 먼 평판층에 속한 평판들(503, 504) 또한 횡방향(H)으로 일정거리 이동하여 일정 크기의 관통 공(1)을 형성함과 동시에 상기 도가니 측에서 가까운 평판층에 속한 평판들(501, 502)은 도가니(200) 밑면의 가장자리 영역으로 보다 더 이동된다. 즉, 고화 중기 또는 고화 말기에는 평판들의 이동에 의해 형성된 관통공(1)의 횡방향(H) 직경이, 종 방향(V)으로 도가니에 가까울수록 더 커지도록 이동된다.

이때, 도 2의 고화 시점에 따른 단열 부재의 이송은 잉곳 제조시 본 발명의 장치에 의한 장치 내 열 흐름 제어를 보다 명확히 설명하기 위한 일 예일 뿐이며, 방향성 고화 중의 단열 부재의 이송 정도는 도가니의 크기, 도가니의 재질, 원료의 양, 제조하고자 하는 잉곳의 종류(단결정, 다결정), 원료의 종류등을 고려하여 최적화될 수 있는 것이며, 본 발명의 장치가 상기 방향성 고화 중의 상기 단열 부재의 이송 정도에 의해 한정될 수 없음은 물론이다.

도 3 내지 도 6의 다른 일 예는 단위체(1000)별로 구비되는 상기 단열부재(500)를 구성하는 둘 이상의 평판이 종 방향(V)으로 서로 다른 평면에 위치하는 경우를 도시한 것이다. 이때, 상기 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6 관련 하기의 설명에서 상기 이동부(600)에 의해 상기 단열부재(500)가 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400) 사이를 차폐하는 경우를 기준으로 단위체(1000)별로 구비되는 단열부재(500)의 구조를 보다 상세히 설명하며, 상기 이동부(600) 및 제어부(700)에 의한 상기 단열부재(500)를 이루는 평판 각각의 이동 방향은 화살표로 도시하였다.

도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 단열부재(500)는 단열체인 둘 이상의 평판을 포함하며, 상기 둘 이상의 평판은 각각 다각판, 중공이 형성된 다각판, 원형판 또는 중공이 형성된 원형판이거나, 상기 둘 이상의 평판은 다각판, 중공이 형성된 다각판, 원형판 또는 중공이 형성된 원형판이 N(N≥2인 자연수)개로 분할되어 형성된 N개의 조각이며, 상기 둘 이상의 평판은 동일 평면 또는 종 방향으로 서로 다른 평면에 위치하는 특징이 있다.

도 3 내지 도 6의 일 예에 도시한 바와 같이, 상기 단열부재(500)를 이루는 둘 이상의 평판이 종 방향(V)으로 서로 다른 평면에 위치하는 경우, 상기 가열 수단(300)에 의해 원료의 용융시 열린 공간에 의한 열손실을 최소화하며, 장치 내 열 흐름을 보다 엄밀히 제어하기 위해 상기 평판들은 적어도 일부분이 종방향으로 서로 밀착된 특징이 있다. 이때, 도면에서 보다 명확한 도시를 위해, 서로 다른 평면에 위치하는 평판 각각을 서로 이격되게 도시한 후, 밀착되는 방향을 점선의 화살표로 도시하였다.

상세하게, 도 3(a)에 도시한 바와 같이, 상기 단열부재(500)는 서로 동일한 크기를 가지며 원형판 또는 다각판 형상의 둘 이상의 평판(505~508)의 일 면이 모두 맞닿도록 서로 적층된 구조일 수 있으며, 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 서로 다른 크기를 갖는 원형판 또는 다각판 형상의 둘 이상의 평판(509~511)이 가장 작은 평판(508)의 일 면이 모두 인접하는 평판과 맞닿도록 서로 적층된 구조일 수 있으며, 도 3(c) 내지 도 3(d)에 도시한 바와 같이, 서로 다르거나 동일한 크기를 갖는 원형판 또는 다각판 형상의 둘 이상의 평판(512~514, 또는 515~518)의 일 면의 국부적 영역이 서로 맞닿도록 서로 적층된 구조일 수 있다.

또한 도 4(a)에 도시한 바와 같이, 다각판 또는 원형판이 N(N≥2인 자연수, 일 예로 N은 2 내지 10)개로 분할되어 형성된 N개의 조각인 N개의 평판(519~522)이 동일 평면에 위치하며, 상기 N개의 평판(519~522) 상부 및 하부 각각에 상기 N개로 분할된 각 조각에 대응하는 크기를 갖는 다수개의 평판(523~526)이 서로 대향되지 않도록 위치한 구조일 수 있으며, 도 4(b)에 도시한 바와 같이 상기 단열부재(500)는 다각판 또는 원형판이 N(N≥2인 자연수)개로 분할되어 형성된 N개의 조각인 N개의 평판(527~530)이 동일 평면에 위치하며, 상기 N개의 평판(527~530)이 위치한 상부 또는 하부로 다각판 또는 원형판이 M(M≥2인 자연수)개로 분할되어 형성된 M개의 조각인 M개의 평판(531~534)이 적층된 구조일 수 있으며, 도 4(c)에 도시한 바와 같이, 다각판 또는 원형판이 N(N≥2인 자연수)개로 분할되어 형성된 N개의 조각인 N개의 평판(535~538)이 동일 평면에 위치하며, 상기 N개의 평판(535~538) 상부 또는 하부로 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400)을 잇는 가상의 중심선에 평판의 중심이 위치하도록 다각판 또는 원형판의 단일한 평판(539)이 적층된 구조일 수 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 상기 단열부재(500)는 종 방향(V)으로 서로 다른 평면에 위치하는 둘 이상의 평판을 포함하는 구조일 수 있으며, 상세하게, 도 5에 도시한 바와 같이, 상기 단열부재(500)는 중공이 형성된 다각 판 또는 중공이 형성된 원형 판인 중공형 평판(540) 상부 또는 하부로, 상기 다각 판 또는 원형 판의 중공보다 큰 크기를 갖는 다각 판 또는 원형 판의 평판(541)이 상기 중공형 평판(540)의 중공을 막도록 상기 중공형 평판(540)과 밀착되어 위치하는 구조를 가질 수 있다.

또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 단열부재(500)는 중공이 형성된 다각 판 또는 중공이 형성된 원형 판이 L(L≥2인 자연수)개로 분할되어 형성된 L개의 조각인 L개의 평판(542~543)이 동일 평면에 위치하며, 상기 분할된 다각판 또는 원형 판의 중공보다 큰 크기를 갖는 다각 판 또는 원형 판이 P(P≥2인 자연수)개로 분할되어 형성된 P개의 조각인 P개의 평판(544~545)이 상기 L개의 평판(542~543) 상부 또는 하부로 상기 분할된 다각판 또는 원형 판의 중공을 막도록 밀착되어 위치하는 구조를 가질 수 있다.

도 3 내지 도 6의 일 예와 같이, 고화의 진행 정고에 따라 응고열의 제거속도를 엄밀히 제어하며, 도가니 내 국부적 위치에 따라 정밀하게 응고열의 제거속도를 제어하기 위해, 상기 단열부재(500)는 단일한 평면이 아닌, 서로 다른 평면에 둘 이상의 평판이 종 방향(V)으로 서로 다른 평면에 위치하며, 서로 다른 평면에 위치하는 각 평판들의 적어도 일부분이 종방향으로 서로 밀착된 것이 바람직하며, 이때, 단일한 평면에 위치하는 평판들을 일 평판층으로 하여, 상기 단열부재(500)는 2 내지 6 평판층으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 고화 진행 정도에 따라 응고열의 국부적인 또는 시간에 따른 가변적인 제어가 보다 엄밀히 수행되기 위해, 상기 단열부재(500)는 두께, 형상, 크기 및 재질에서 하나 이상 선택된 인자가 서로 상이한 둘 이상의 평판을 포함하여 구성될 수 있다.

바람직하게, 상기 단열부재(500)를 구성하는 상기 평판들은 열전도율이 1.2565W/m^oK 내지 65W/m^oK인 단열체인 것이 바람직하다. 상기 열전도율을 만족하는 바람직한 단열체의 일 예로, 흑연섬유를 포밍한 스티로폴 형상의 그라파이트 펠트(graphite felt) 또는 흑연 판(graphite plate)을 들 수 있으며, 상기 단열부재(500)를 구성하는 상기 평판들은 서로 독립적으로 그라파이트 펠트(graphite felt) 또는 흑연 판(graphite plate)인 것이 바람직하다.

상기 평판들의 두께는 서로 독립적으로 2cm 내지 12cm인 것이 바람직하다. 단열부재(500)가 상기 도 3 내지 도 4와 같이 다수개의 다각판 또는 원형판인 평판들을 포함하는 경우, 상기 각 평판은 상기 도가니(200)의 종방향에 대한 수직 단면의 단면적을 기준으로 0.2배 내지 0.5배의 크기(면적을 기준한 크기임)를 갖는 것이 바람직하며, 단열부재(500)가 상기 도 5 내지 도 6과 같이 중공형 다각판, 중공형 원형판, 분할된 중공형 다각판 또는 분할된 중공형 원형판인 평판들을 포함하는 경우, 상기 각 평판은 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400)을 잇는 가상의 중심선에 중공의 중심이 오도록 중공이 형성된 것이 바람직하며, 상기 중공은 상기 도가니(200)의 종방향에 대한 수직 단면의 단면적을 기준으로 0.1배 내지 0.5배 면적의 장치 크기를 갖는 것이 바람직하며, 상기 중공이 형성된 다각판 또는 중공이 형성된 원형판(분할되지 않은 형상 및 분할 전의 형상을 포함함)인 중공형 판의 지름은 상기 도가니(200)의 지름을 기준으로 1.0배 내지 1.2배인 것이 바람직하다.

상기 단열부재(500)가 상술한 조건을 만족하는 단열체인 평판들로 구성됨으로써, 원료의 용융시 도가니 이외의 영역으로 열이 손실되는 것을 방지하는 차폐막 역할을 효과적으로 수행할 수 있으며, 도가니 내 원료의 도가니 하부에서 상부로의 방향성 응고가 진행됨에 따라, 제어부(700)에 의해 상기 단열부재(500)를 이루는 각 평판을 독립적으로 이동시켜 관통 공을 형성하거나 종방향으로의 총 평판의 두께를 위치별로 제어하여, 도가니 하부에서 핵생성이 과도하게 발생하는 것을 효과적으로 방지하고, 도가니 측면의 냉각에 의한 측면 핵생성 및 성장을 효과적으로 방지할 수 있으며, 고/액 계면의 형상 및 고/액 계면의 이동속도를 효과적으로 제어할 수 있으면서도, 상기 평판들의 횡방향 이동을 위한 공간이 최소화되어 보다 콤팩트한 장치의 설계가 가능한 장점이 있다.

상술한 바와 같이, 상기 도 3 내지 도 6의 단열부재의 구조는 상기 가열수단(300)에 의해 상기 도가니 내 원료를 용융하는 경우, 상기 제어부(700) 및 상기 이동부(600)에 의해 이동된 상기 단열부재(500)가 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400) 사이를 차폐하는 차폐막을 형성한 경우를 기준으로 도시한 것이며, 도 3 내지 도 6의 화살표로 도시한 바와 같이, 상기 제어부(700)는 단위체 별로, 상기 도가니 내 원료의 용융이 이루어진 후 원료의 순차적 고화에 따라 상기 단열부재(500)를 이루는 각 평판들을 서로 독립적으로 횡방향(H)으로 이동시킨다. 제어부(700)에 의한 평판들의 독립적 이동은 고화의 진행 정도에 따라 각 평판이 서로 독립적으로 그 위치가 제어됨을 의미한다.

도 2에서 관통 공의 형성 측면에서 본 발명에 따른 장치에 구비되는 단위체를 상술하였으나, 도 7에 도시한 바와 같이, 관통 공뿐만 아니라, 상기 단열부재(500)를 구성하는 서로 다른 평면에 위치하는 다수개의 평판들의 상기 종 방향(V)으로 두께가 모두 합하여진 총 두께(종 방향 총 두께)를 제어하여 장치 내의 열 흐름, 상세하게 도가니 내의 위치별 온도를 제어할 수 있음은 물론이다.

상세하게, 단열부재(500)가 3개의 평판층으로 이루어지는 단위체(1000)의 일 인 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 단열부재(500)는 위치별로 상기 종 방향 총 두께가 서로 상이할 수 있으며, 상기 도가니 내 원료를 용융하는 경우, 도 7(a)와 같이, 상기 제어부(700) 및 상기 이동부(600)에 의해 이동된 상기 단열부재(500)가 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400) 사이를 차폐하는 차폐막을 형성하고, 도 7(b)에 도시한 바와 같이, 상기 도가니 하부면에서 고화가 일어나는 고화 초기에는 과도한 핵생성 구동력이 가해지지 않도록 동일 평면에 위치하는 다각판 또는 원형판이 N(N≥2인 자연수)개로 분할되어 형성된 N개의 조각인 N개의 평판(546~547, 또는 548~549) 상부에 위치하는 다각판 또는 원형판의 단일한 평판(550) 만이 상기 장치 내 열흐름에 관여하지 않도록 장치 측면으로 이송 제거되고, 도 7(c)에 도시한 바와 같이, 종방향(V)으로 순차적 고화가 이루어지는 고화 중기 또는 고화 말기에는 도가니 측면에서 고화가 발생하지 않도록, 종방향(V)으로 도가니 측에 가까운 평판층에 속하는 평판들(546, 547)만이 횡방향으로 일정거리 이동되고, 도가니 측에서 먼 평판층에 속한 평판들(503, 504)는 차폐막을 형성하여, 고화 진행 정도에 따라 종방향(V)으로의 상기 단열부재(500)의 두께가 연속적 또는 불연속적으로 제어될 수 있다.

즉, 상기 제어부(700)는 단위체(1000)별로 상기 고화 진행시 상기 단열부재(500)를 이루는 각 평판의 위치를 제어하여, 상기 단열부재(500)의 위치별 상기 종 방향 총 두께를 고화 진행 정도에 따라 다르게 조절하거나, 관통 공의 형성 유무 및 관통 공의 크기를 조절하여 상기 도가니와 상기 냉각 수단간의 열전달 정도 및 열전달 면적을 제어함으로써, 상기 도가니 내부의 위치별 온도 구배를 엄밀히 제어하고, 반도체 결정의 결정성장 속도 및 품질을 제어하게 된다.

나아가, 고화시 발생하는 응고열, 특히 고화 후기의 도가니 상부에서 발생하는 응고열을 보다 효과적으로 엄밀하게 제어하며 제거하고, 반도체 또는 금속산화물 결정의 결정성장 속도를 보다 엄밀하게 제어하기 위해, 상기 제어부(700)는 상기 단열부재(500)를 이동시키는 이동부(600)와 함께 상술한 상기 냉각수단(400)을 이동시키는 냉각수단 이송부(미도시)를 제어하여, 상기 고화 진행에 따라, 상기 단열부재(500)와 함께 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400)간의 이격거리를 조절하는 것이 바람직하다.

일 예로, 상기 제어부(700)는 단위체(1000) 별로 상기 단열부재(500)를 이동시켜 보다 큰 관통 공(1)을 형성시키거나 상기 단열부재(500)의 종 방향 총 두께를 감소시키고, 상기 냉각수단(400)을 상기 도가니 하부 측으로 이동시켜 냉각수단(400)과 도가니(200)간의 이격거리를 감소시켜 상기 도가니(200) 내 원료의 결정 성장속도(고화속도)를 보다 빠르게 제어할 수 있으며, 상기 단열부재(500)를 이동시켜 보다 작은 관통 공(1)을 형성시키거나 상기 단열부재(500)의 종 방향 총 두께를 증가시키고, 상기 냉각수단(400)을 상기 도가니 하부 측에서 멀어지도록 이동시켜 냉각수단(400)과 도가니(200)간의 이격거리를 증가시켜 상기 도가니(200) 내 원료의 결정 성장속도(고화속도)를 보다 느리게 제어할 수 있다.

도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조장치에 구비되는 상기 단위체(1000)는 상술한 도가니(200), 가열수단(300), 냉각수단(400), 단열부재(500), 이동부(600) 및 제어부(700)와 함께, 상기 도가니(200)의 온도를 측정하는 온도센서(미도시), 상기 도가니(200)를 감싸 보호하도록 상기 도가니(200)의 외측 둘레면을 감싸도록 형성된 써셉터(suseptor)(810), 상기 써셉터(810)를 지지하도록 횡방향으로 형성된 도가니 지지대(820) 및 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400) 사이에 일정영역이 통공되는 이동공이 형성된 하부 단열층(830)을 더 포함하여 구비되는 것이 바람직하며, 이때, 상기 단열부재(500)는 상기 하부 단열층(830)과 상기 냉각수단(400) 사이에 구비되는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게 단열부재(500)의 이동이 가능한 한 상기 하부 단열층(830)의 하부에 상기 하부 단열층(830)과 인접하도록 구비되는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 제어부(700)는 상기 단위체 별로, 상기 이동부(600)와 함께 상기 온도센서에서 출력된 정보를 입력받아, 상기 가열수단(300) 및 냉각수단(400)을 제어하여 상기 도가니(200)의 온도를 제어하며, 상기 불활성 기체 공급 및 배출부를 제어한다.

상술한 바와 같이, 상기 단열부재(500)가 상기 제어부(700) 및 상기 이동부(600)에 의해 이동되어 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400) 사이를 차폐하는 차폐막을 형성한 경우, 상기 단열부재(500)는 상기 하부 단열층(830)의 이동공을 막도록 상기 하부 단열층(830)의 하부에 상기 하부 단열층(830)과 밀착하여 위치하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 하부 단열층(830)에 형성된 이동공의 크기는 상기 단열부재(500)를 구성하는 평판들이 이동 결합하여 형성된 차폐막의 크기와 같거나 보다 작은 것이 바람직하며, 상세하게, 상기 하부 단열층(830)에 형성된 이동공의 크기는 상기 도가니(200)의 종방향에 대한 수직 단면의 단면적을 기준으로 1.0배 내지 1.2배의 크기를 갖는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이, 상기 제어부(700)는 상기 단열부재(500)를 이동시키는 이동부(600)와 함께 냉각수단(400)을 이동시키는 상기 냉각수단 이송부를 제어하여, 용융된 원료의 방향성 고화가 진행됨에 따라, 상기 냉각수단(400)을 종방향으로 이동시키는 특징이 있다.

상기 도가니(200)에 담지된 원료의 용융시, 상기 제어부(700)에 의해 상기 단열부재(500)는 상기 하부 단열층(830)의 이동공을 막도록 상기 하부 단열층(830) 하부에 차폐막을 형성하며, 상기 제어부(700)는 단위체(1000) 별로, 상술한 고화 초기 및 중기에 상기 단열부재(500)의 이동과 함께 상기 냉각수단(400)을 상기 하부 단열층 방향으로 종방향 이동시키며, 상술한 고화 말기에는 상기 하부 단열층(830)의 이동공을 통하여 이동공을 관통하도록 상기 냉각수단(400)을 이동시켜, 냉각수단(400)이 상기 하부 단열층(830) 상부 내지 상기 도가니 밑면과 접하도록 위치시킬 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 잉곳 제조장치는 둘 이상의 상기 단위체(1000)를 포함하며, 내부 공간부를 갖는 진공챔버에, 상기 공간부의 중심을 가로지르는 적어도 하나 이상의 가상면을 기준으로, 상기 가상면에 의해 나눠지는 공간부의 각 구역에 상기 단위체가 구비되는 특징이 있다. 이때, 가상면은 상기 공간부의 중심을 횡방향으로 가로지르는 면일 수 있으며, 가상면에 의해, 공간부가 동일한 부피로 나뉘어질 수 있다.

상기 잉곳 제조장치는 단위체 별로 상기 도가니(200) 이외의 영역으로 방출되는 열을 차단하고, 균일한 온도 형성을 위해 상기 가열 수단(300)과 횡방향으로 일정거리 이격되어 상기 도가니(200) 둘레를 모두 둘러 싸도록 형성되는 측면 단열층(I, 도 8의 840)을 더 포함할 수 있으며, 단위체와 무관하게 상기 진공챔버의 내부 측면(횡방향 수직면) 내측에 상기 각 구역의 중심에 위치하는 도가니들의 측면을 모두 둘러싸도록 형성되는 측면 단열층(II, 도9의 840')을 더 포함할 수 있다. 하부 단열층(도 8의 830) 또한, 단위체 별로 구비될 수 있으며, 장치 내 위치하는 둘 이상의 도가니가 단일한 하부 단열층을 서로 공유할 수 있다. 이때, 하부 단열층을 공유하는 도가니 별로, 하부 단열층에는 도가니 위치에 대응하는 영역에 이동공이 형성될 수 있다.

또한, 상기 측면 단열층(I 또는 II), 하부 단열층(830), 하부 단열층(830)에 형성된 이동공을 막도록 구비되는 단열부재(500)와 함께, 상기 도가니(200)의 횡방향 또는 종방향 모든 둘레가 단열재로 감싸이도록 단위체 별로 상기 도가니(200)를 사이에 두고 상기 하부 단열층(830)과 대향되도록 도가니(200)의 종방향 최상부에 상부 단열층(850)이 더 구비될 수 있음은 물론이다. 상기 측면 단열층(I 또는 II)의 종방향 일 단은 상기 하부 단열층(830)과 접하고, 상기 측면 단열층(I 또는 II)의 종방향 타 단은 상기 상부 단열층(850)과 접하여, 상기 하부 단열층(830)이 이동 공(2)을 제외하고, 상기 도가니(200)의 모든 둘레가 단열체에 의해 감싸인 것이 바람직하다.

상기 둘 이상의 상기 단위체가 구비되는 상기 진공챔버는 진공챔버 내부로 불활성 기체를 공급 및 배출시키는 불활성 기체 공급 및 배출부를 포함하여 구성될 수 있다.

도 9(a)에 도시한 바와 같이, 상기 진공챔버(860) 내 공간부는 정육면체 내지 직육면체를 포함하는 육면체 공간일 수 있으며, 공간부의 중심을 횡방향으로 가로지르는 하나의 가상면(p1)에 의해 두 구역(R1, R2)으로 나뉘어질 수 있다. 이러한 경우, 도 9(b)에 도시한 바와 같이, 각 구역(R1, R2)의 중심에 각각에 상기 단위체(1000)가 구비될 수 있다. 이때, 각 단위체의 도가니 둘레를 감싸는 가열수단인 제1가열수단(310)은 단위체 별이 아닌 각각의 도가니를 감쌀 수 있는 일체형으로 형성될 수 있으며, 하부 단열층(830) 또한 각 도가니가 위치하는 영역에 이동공이 다수개 형성된 단일한 하부 단열층일 수 있다. 또한, 측면 단열층(840') 및 상부 단열층(580)은 단위체가 아닌 다수개의 단위체가 구비되는 공간부의 최 외각을 감싸도록 구비될 수 있다. 도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉곳 제조장치는 상기 공간부의 각 구역에 상술한 도가니(200), 가열수단(300), 냉각수단(400), 단열부재(500) 및 이동부(600)와 함께, 상기 도가니(200)의 온도를 측정하는 온도센서(미도시), 상기 도가니(200)를 감싸 보호하도록 상기 도가니(200)의 외측 둘레면을 감싸도록 형성된 써셉터(suseptor)(810), 상기 써셉터(810)를 지지하도록 횡방향으로 형성된 도가니 지지대(820), 상기 도가니(200)와 상기 냉각수단(400) 사이에 일정영역이 통공되는 이동공이 형성된 하부 단열층(830), 상기 도가니(200) 이외의 영역으로 방출되는 열을 차단하고, 균일한 온도 형성을 위해 상기 가열 수단(300)과 횡방향으로 일정거리 이격되어 상기 도가니(200) 둘레를 모두 둘러싸도록 형성되는 측면 단열층(840);을 포함할 수 있다.

제어부(700)가 단위체 별로 구비될 수 있으나, 도면에 도시한 바와 같이, 잉곳 제조를 위한 열 제어가 단위체 별로 수행되더라도, 단일한 제어부(700)가 단위체 별로 구비된 온도센서의 측정 결과를 입력 받을 수 있으며, 단일한 제어부(700)가 냉각 수단(400), 가열수단(300) 및 단열부재(500)의 위치를 이동시키는 이동부(도 9에서 미도시함)를 각 단위체 별로 제어할 수 있다.

나아가, 각 단위체의 도가니 크기 및 도가니에 장입되는 원료의 양이 서로 동일한 경우, 제어부(700)에 의해, 모든 단위체의 냉각 수단(400)에 의한 냉각 정도, 가열수단(300)에 의한 가열 정도 및 이동부를 통한 단열부재(500)의 이동이 동시에 동일하게 제어될 수 있다.

도 10의 일 예는, 도 10(a)와 같이 상기 공간부의 중간점을 지나는 십자 형상의 두 가상면(p1, p2)에 의해 4개의 구역(R1, R2, R3. R4)으로 나눠진 경우, 도 10(b)와 같이, 상기 4개의 구역(R1, R2, R3. R4) 각각에 상기 단위체(1000)가 배열되는 경우를 도시한 단면도이다. 상기 하나 이상의 가상면에 의해 상기 공간부는 각 구역이 동등한 크기를 갖는 구역으로 나눠지는 것이 바람직하며, 각 구역에 위치하는 단위체는 가상면을 기준으로 대칭을 이룰 수 있도록 서로 유사하게 위치할 수 있다.

이때, 상술한 바와 같이, 상기 진공챔버(860)의 내부 측면(횡방향 수직면) 내측에 상기 각 구역의 중심에 위치하는 도가니들의 측면을 모두 둘러싸도록 형성되는 측면 단열층(II, 840') 및 상부 단열층(850)이 더 구비될 수 있음은 물론이며, 도 10에 도시한 바와 같이, 횡방향으로 서로 인접하는 상기 단위체(1000)들의 제1가열수단(320)은 일체형으로 형성될 수 있다.

도 9 내지 도 10과 같이, 본 발명에 따른 잉곳 제조장치는 단일한 진공 챔버에서 동시에 다수개의 잉곳이 제조되어 생산성을 높일 수 있으며, 원료의 용융을 위한 가열시 소모되는 외부 에너지가 최소화되어 에너지 절감이 가능한 장점이 있으며, 도가니 외부의 열적 환경이 안정적으로 유지되는 장점이 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims

진공챔버 내에서, 액상의 원료를 일정한 고화 방향성(solidification direction)을 갖도록 순차적으로 고상전이(liquid to solid phase transition)시켜 반도체 또는 금속산화물 잉곳을 제조하는 잉곳 제조장치이며, 상기 잉곳 제조장치의 높이 방향을 종방향으로, 상기 종방향과 수직인 방향을 횡방향으로 하여,
반도체 또는 금속산화물 원료가 담지되는 도가니; 상기 도가니에 종방향으로 일정거리 이격 구비되며 냉각수단 이송부에 의해 종방향으로 이송되는 냉각 수단; 상기 도가니의 둘레면을 감싸도록 상기 도가니에 횡방향으로 일정거리 이격 구비되는 제1가열수단 및 상기 도가니를 사이에 두고 종방향으로 상기 냉각수단과 대향되도록 상기 도가니에 종방향으로 일정거리 이격 구비되는 제2가열수단을 포함하는 가열수단; 및 종방향으로 상기 도가니와 냉각 수단 사이에 구비되며 이동부에 의해 그 위치가 이동되는 단열 부재;를 포함하는 단위체;와
제어부;를 포함하며,
내부 공간부를 갖는 진공챔버에, 상기 공간부의 중심을 가로지르는 가상면을 기준으로, 상기 가상면에 의해 나눠지는 공간부의 각 구역에 상기 단위체가 구비되며,
상기 제어부는 상기 단위체 별로 상기 단열 부재의 위치를 이동시키는 이동부와 냉각수단 이송부를 제어하며, 상기 가열 수단 및 상기 냉각 수단에 의한 상기 원료의 용융 및 순차적 고화 시, 고화 진행 정도에 따라 상기 단열 부재의 위치를 조절하고 상기 도가니와 상기 냉각수단간의 이격 거리를 조절하는 잉곳 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 단위체의 상기 단열부재는 단열체인 둘 이상의 평판을 포함하며, 상기 둘 이상의 평판은 각각 상기 이동부에 의해 서로 독립적으로 위치가 횡방향으로 이동되는 잉곳 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 단위체의 상기 단열부재는 단열체인 둘 이상의 평판을 포함하며, 상기 둘 이상의 평판은 종 방향으로 동일 평면 또는 서로 다른 평면에 위치하는 잉곳 제조장치.
제 3항에 있어서,
상기 둘 이상의 평판이 서로 다른 평면에 위치하는 경우, 상기 평판들은 적어도 일부분이 종방향으로 서로 밀착된 잉곳 제조장치.
제 1항 내지 제 4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 제어부는, 고화 진행 정도에 따라, 상기 단위체 별로 상기 단열 부재를 구성하는 평판 각각의 위치를 조절하여, 일 단위체의 상기 도가니와 상기 냉각 수단 간 관통 공을 형성하거나, 상기 도가니와 냉각 수단 간 위치별 종방향으로의 상기 단열 부재의 총 두께를 제어하는 잉곳 제조장치.
제 1항 내지 제 4항에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
상기 둘 이상의 평판은 두께, 형상, 크기 및 재질에서 하나 이상 선택된 인자가 서로 상이한 잉곳 제조장치.
제 4항에 있어서,
상기 둘 이상의 평판이 서로 다른 평면에 위치하는 경우, 동일 평면에 위치하는 평판을 일 평판층으로 하여, 상기 단열부재는 2 내지 6개의 평판층으로 구성되는 잉곳 제조장치.
제 1항에 있어서,
상기 공간부는 상기 공간부의 중심을 지나는 십자 형상의 가상면에 의해 4개의 구역으로 나눠지며, 상기 4개의 구역 각각에 상기 단위체가 배열되는 것을 특징으로 하는 잉곳 제조장치.