KR101464562B1 - 단결정 잉곳 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 챔버, 상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니, 상기 도가니와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체, 상기 도가니 상단에 배치되는 제1 상부 단열재를 포함하며, 상기 제1 상부 단열재는 상기 도가니 내에 수용된 상기 용융액으로부터 발생하는 복사열을 상기 도가니의 내부 측벽으로 반사하는 절곡부를 갖는다.

Description

단결정 잉곳 성장 장치{AN APPARATUS FOR GROWING A SINGLE CRYSTAL INGOT}
실시 예는 사파이어 단결정 잉곳 성장 장치에 관한 것이다.
사파이어 단결정을 성장하는 대표적인 기술에는 초코랄스키(Czochralski) 방법 및 키로프러스(Kyropulous) 방법이 있다. 키로프러스 방법은 도가니에 원료를 충진하고, 녹는점 이상으로 가열한 후에 적정한 시딩(seeding) 온도에서 상부에 위치하는 종결정을 도가니 내의 용융액에 접촉시켜 시즈닝(seasoning)을 형성하고, 일정한 기울기로 파워(power)를 감소시키면서 성장에 필요한 온도 기울기를 유지하여 몸체(body)를 성장시킬 수 있다.
실시 예는 단결정 잉곳의 횡 성장시 발생하는 사이드 스티킹(side sticking)을 억제할 수 있는 단결정 잉곳 성장 장치를 제공한다.
실시 예는 챔버; 상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체; 상기 도가니 상단에 배치되는 제1 상부 단열재를 포함하며, 상기 제1 상부 단열재는 상기 도가니 내에 수용된 상기 용융액으로부터 발생하는 복사열을 상기 도가니의 내부 측벽으로 반사하는 절곡부를 가질 수 있다.
상기 절곡부는 상기 제1 상부 단열재의 일부가 상기 도가니를 향하여 절곡된 부분일 수 있다.
상기 제1 상부 단열재는 상기 도가니 상단과 접촉되고, 상기 도가니 상단에 의하여 지지될 수 있다.
상기 제1 상부 단열재는 중앙에 개구부를 갖는 원형의 판 형태일 수 있고, 상기 제1 상부 단열재는 외주면에 인접하고 상기 도가니 상단에 의하여 지지되는 외측 부분; 및 내주면에 인접하고, 상기 절곡부를 갖는 내측 부분을 포함할 수 있다.
상기 외측 부분의 하면을 기준으로 상기 내측 부분의 하면은 상기 도가니를 향하는 방향으로 기울어질 수 있다.
상기 내측 부분은 상기 외측 부분을 기준으로 상기 도가니를 향하는 방향으로 절곡될 수 있다. 상기 내측 부분의 두께는 상기 외측 부분의 두께와 동일할 수 있다.
상기 내측 부분은 상기 내주면으로부터 상기 외주면으로 갈수록 두께가 감소할 수 있다.
상기 내측 부분의 상면과 상기 외측 부분의 상면은 서로 평행하고, 동일 평면을 이룰 수 있다.
상기 단결정 잉곳 성장 장치는 상기 제1 상부 단열재 상에 배치되는 적어도 하나의 제2 상부 단열재를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 상부 단열재는 복수의 층들이 적층된 구조일 수 있다.
실시 예는 사이드 스티킹(side sticking)을 억제할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 나타낸다.
도 2a는 도 1에 도시된 제1 상부 단열재의 평면도를 나타낸다.
도 2b는 도 2a에 도시된 제1 상부 단열재를 AB 방향으로 절단한 단면도이다.
도 3은 일반적인 제1 상부 단열재의 구조를 나타낸다.
도 4는 실시 예에 따른 제1 상부 단열재 구조로 인한 사이드 스티킹 방지를 설명하기 위한 개념도를 나타낸다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치에 추가되는 스페이서를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 스페이서의 배치를 나타내다.
도 7은 다른 실시 예에 따른 제1 상부 단열제의 단면도를 나타낸다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치(100)를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 단결정 잉곳 성장 장치(100)는 챔버(chamber, 101), 도가니(crucible, 110), 도가니 지지대(120), 발열체(heater, 130), 측부 단열재(135), 하부 단열재(140), 상부 단열재(150), 시드(seed) 연결부(160), 및 이송 수단(170)을 포함한다.
챔버(101)는 단결정 잉곳(I)을 성장시킬 성장 환경을 제공하는 공간일 수 있다.
도가니(110)는 챔버(101) 내부에 마련되고, 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 원료 용융액을 수용할 수 있다. 도가니(110)의 재질은 텅스텐일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도가니 지지대(110)는 도가니(110) 하부에 위치하고, 도가니(110)를 지지할 수 있다. 도가니 지지대(110)는 열전도성 및 내열성이 우수하고, 열팽창율이 낮아 열에 의해 쉽게 변형되지 않고, 열 충격에 강한 재질, 예컨대, 몰리브덴으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발열체(130)는 도가니(110) 외주면과 일정 간격 이격되도록 챔버(101) 내부에 마련될 수 있고, 도가니(110)를 가열할 수 있다. 발열체(130)는 텅스텐으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발열체(130)는 도가니(110)의 측면 및 하면을 감싸도록 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도가니(110)의 측면 주위에만 위치할 수도 있다.
발열체(130)는 도가니(110)를 가열할 수 있고, 발열체(130)의 가열에 의하여 도가니(110) 내부에 수용된 고순도의 다결정 덩어리는 녹아 용융될 수 있다.
측부 단열재(135)는 도가니(110)의 측부에 위치할 수 있고, 챔버(101) 내부의 열이 챔버(101) 측부로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다.
예컨대, 측부 단열재(135)는 발열체(130)와 챔버(101) 측벽 사이에 위치할 수 있고, 발열체(130)의 열이 챔버(101) 외부로 누출되는 것을 차단할 수 있다.
하부 단열재(140)는 도가니(110) 하부에 위치하고, 챔부(101) 내부의 열이 챔부(101) 하부로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다. 예컨대, 하부 단열재(140)는 발열체(130)와 챔버(101) 바닥 사이에 위치할 수 있고, 발열체(130)의 열이 챔부(101) 바닥으로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다.
상부 단열재(150)는 도가니(110) 상부에 위치할 수 있고, 도가니(110) 상부로 열이 빠져나가는 것을 차단할 수 있다.
시드 연결부(160)는 도가니(110) 상부에 위치하고, 일단에는 종자 결정(162)이 고정될 수 있고, 나머지 다른 일단은 이송 수단(170)과 연결될 수 있다. 시드 연결부(160)는 샤프트(shaft) 타입일 수 있다.
이송 수단(170)은 시드 연결부(160)와 연결될 수 있고, 시드 연결부(160)를 챔버(101) 내부에서 상승 또는 하강시킬 수 있다.
상부 단열재(150)는 성장하는 단결정 잉곳(I)이 도가니(110) 상부로 출입할 수 있는 개구부(190)를 중앙에 가질 수 있다.
상부 단열재(150)는 도가니(110) 내의 용융액(M)으로부터 발생하는 복사열을 도가니(110)의 내부 측벽으로 반사하는 절곡부(219, 도 2a 및 도 2b 참조)를 가질 수 있다. 제1 상부 단열재(150)의 절곡부(219, 도 2a 및 도 2b 참조)는 상부 단열재(150)의 일부가 내측 방향 또는 도가니(110) 방향으로 절곡된 부분일 수 있다.
상부 단열재(150)는 제1 상부 단열재(152), 제2 상부 단열재(154), 및 제3 상부 단열재(156)를 포함할 수 있다.
제1 상부 단열재(152)는 도가니(110) 상단에 배치될 수 있고, 도가니(110) 상단에 의하여 지지될 수 있다. 제1 상부 단열재(152)는 단열 효과가 좋은 몰리브덴(Molybden), 또는 텅스텐(W)으로 이루어진 단일 층일 수 있다. 제1 상부 단열재(152)의 두께는 5mm ~ 10mm일 수 있다.
제1 상부 단열재(152)는 도가니(110) 내에 수용된 용융액(M)으로부터 발생하는 복사열을 도가니(110)의 내부 측벽으로 반사하는 절곡부를 가질 수 있다.
제2 상부 단열재(154)는 제1 상부 단열재(152)의 상부에 배치될 수 있고, 제3 상부 단열재(156)는 제2 상부 단열재(154)의 상부에 배치될 수 있다. 제2 상부 단열재(154), 및 제3 상부 단열재(156)는 단열 효과를 향상시키기 위하여 복수의 층들이 적층된 구조일 수 있고, 인접하는 층들 사이에는 에어 갭(air gap)이 존재할 수 있다.
예컨대, 제2 및 제3 상부 단열재들(154, 156) 각각은 최하단에 위치하는 제1층 및 제1층 상에 적층되는 복수의 제2층들을 포함할 수 있다. 제1층은 텅스텐으로 이루어질 수 있고, 제2층들은 몰리브덴일 수 있다. 단열 효과를 향상시키기 위하여 제3 상부 단열재(156)에 포함되는 제2층의 수는 제2 상부 단열재(154)에 포함되는 제2층의 수보다 많을 수 있다. 제2 및 제3 상부 단열재들(154, 156)은 발열체(130) 상단에 의하여 지지될 수 있다. 제1 내지 제3 상부 단열재들(152,154,156) 각각은 성장된 단결정 잉곳(I)이 출입할 수 있는 개구부(190)를 가질 수 있다.
도 2a는 도 1에 도시된 제1 상부 단열재(152)의 평면도를 나타내고, 도 2b는 도 2a에 도시된 제1 상부 단열재(152)를 AB 방향으로 절단한 단면도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 제1 상부 단열재(152)는 도가니(110) 내의 용융액(M)으로부터 발생하는 복사열을 도가니(110)의 내부 측벽으로 반사하는 절곡부(219)를 가질 수 있다. 제1 상부 단열재(152)의 일부가 도가니(110)를 향하여 절곡된 부분일 수 있다.
제1 상부 단열재(152)는 중앙에 개구부(190-1)를 갖는 원형의 판 형태일 수 있으며, 외주면(208)으로부터 제1 거리(a1) 이내 영역인 외측 부분(218) 및 내주면(207)으로부터 제2 거리(a2) 이내 영역인 내측 부분(219)을 포함할 수 있다. 외주면(208)과 내주면(207) 사이에 위치하는 내측 부분(219)의 일단은 외주면(208)과 내주면(207) 사이에 위치하는 외측 부분(218)의 일단과 접촉할 수 있다.
외측 부분(218)의 일단은 도가니(110) 상단에 의하여 지지될 수 있다.
내측 부분(219)은 외측 부분(218)을 기준으로, 도가니(110)를 향하는 방향으로 일정한 각도(θ)로 절곡되는 절곡부를 가질 수 있다. 외측 부분(218)의 하면(411)을 기준으로 내측 부분(219)의 하면(412)은 도가니(110) 방향으로 일정한 각도(θ)로 기울어질 수 있다. 또한 외측 부분(218)의 상면(422)을 기준으로 내측 부분(219)의 상면(422)은 일정한 각도(θ)로 기울어질 수 있다. 즉 도 2b에서는 내측 부분(219) 전체가 절곡부일 수 있다. 내측 부분(219)의 두께는 외측 부분(218)의 두께와 동일할 수 있다.
외측 부분(218)의 폭(a1)과 내측 부분(a2)의 폭의 비율은 1:2일 수 있으며, 각도(θ)는 5° ~ 10°일 수 있다.
일반적으로 잉곳의 성장 과정에 있어서 잉곳의 횡 성장 속도와 용융액 표면이 낮아지는 속도에 기초하여, 사이드 스티킹(side sticking)이 발생할 수 있다.
사이드 스티킹이란 잉곳이 횡 성장함에 따라 도가니의 온도 변화에 따라 도가니 내벽에 다결정 물질이 형성되고, 이러한 다결정 물질에 성장된 잉곳이 달라 붙는 것을 말한다. 다결정 물질은 도가니 내의 잔류 용융액, 또는 용융액으로부터 증발된 물질이 온도가 낮아진 도가니의 내벽에 고화되면서 형성될 수 있다. 잉곳의 횡 성장 속도가 빠르고 용융액 표면의 낮아지는 속도가 느려질 경우 사이드 스티킹이 유발될 수 있다.
발열체로부터 도가니에 공급되는 열의 균형이 맞지 않을 경우 또는 시드(seed)와 용융액의 대류점 사이의 정렬이 틀어질 경우에도 사이드 스티킹이 발생할 수 있다. 사이드 스티킹이 발생하면, 원하는 품질의 잉곳을 성장시킬 수 없고, 성장된 잉곳을 상부 단열재의 개구부를 통하여 꺼낼 수 없다.
도 3은 일반적인 제1 상부 단열재(10)의 구조를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 일반적으로 도가니(110) 상단에 위치하는 제1 상부 단열재(10)는 용융액(M)의 표면(301)과 평행한 구조를 갖는다. 이러한 제1 상부 단열재(10)의 구조로 인하여 용융액(M) 표면(301)으로부터 방출되는 복사열(302)은 용융액(M)으로 반사될 수 있고, 제1 상부 단열재(10)는 단지 단열의 역할만을 할 수 있다. 도 3에 도시된 제1 상부 단열재(10)의 구조 하에서는 상술한 이유로 발생하는 사이드 스티킹(20)을 방지할 수 없다.
도 4는 실시 예에 따른 제1 상부 단열재(152) 구조로 인한 사이드 스티킹 방지를 설명하기 위한 개념도를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 실시 예에 따른 제1 상부 단열재(152)는 내측 부분(219)이 일정한 각도(θ)로 절곡된 구조를 갖기 때문에 용융액(M) 표면(301)으로부터 방출되는 복사열(302)은 도가니(110)의 내벽으로 반사될 수 있으며, 이로 인하여 도가니(110) 안쪽의 온도가 상승할 수 있다. 그리고 도가니(110) 안쪽의 온도가 상승되면, 도가니(110) 내에 잔류하는 용융액(M), 또는 용융액(M)으로부터 증발된 물질이 고화되어 도가니(110) 내벽에 다결정(poly crystal, 20)을 형성하는 것을 방지할 수 있다. 따라서 실시 예는 용융액(M) 표면이 내려감에 따라 도가니(110)의 온도가 내려가는 것을 막을 수 있기 때문에, 도가니(110) 내벽에 다결정 형성을 방지할 수 있고, 이로 인하여 사이드 스티킹이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
복사열(303)이 도달하는 도가니(110)의 내벽의 일 영역(112)은 제1 상부 단열재(152)의 내측 부분(219)이 절곡된 각도(θ)에 따라 결정될 수 있다. 따라서 제1 상부 단열재(152)의 내측 부분(219)의 절곡된 각도(θ)를 조절함으로써, 반사된 복사열(303)을 용융액(M)이 감소함에 따라 노출되는 도가니(110) 내벽의 일 영역(112)으로 전달할 수 있다. 그리고 전달되는 복사열(303)에 의하여 사이드 스티킹을 억제할 수 있다.
도 1에 도시된 실시 예에서는 제1 상부 단열재(152)의 외측 부분(218)이 도가니(110) 상단에 의하여 직접 지지될 수 있지만, 다른 실시 예에서는 도가니(110)의 상단과 제1 상부 단열재(152)의 외측 부분(218) 사이에 스페이서(spacer)가 개재될 수 있다.
도 5는 다른 실시 예에 따른 단결정 잉곳 성장 장치에 추가되는 스페이서(210-1)를 나타내고, 도 6은 도 5에 도시된 스페이서(210-1 내지 210-n, n>1인 자연수)의 배치를 나타내다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 도가니(110)의 상단과 제1 상부 단열재(152)의 외측 부분(218) 사이에 복수의 스페이서들(210-1 내지 210-n, n>1인 자연수)이 서로 이격하여 배치될 수 있다. 복수의 스페이서들(210-1 내지 210-n, n>1인 자연수) 사이에는 도가니(110) 내부의 가스가 밖으로 빠져나올 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 복수의 스페이서들(210-1 내지 210-n, n>1인 자연수)의 재질은 몰리브덴일 수 있다.
도 7은 다른 실시 예에 따른 제1 상부 단열제(710)의 단면도를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 제1 상부 단열제(710)는 외측 부분(701) 및 내측 부분(701)으로 이루어질 수 있다.
제1 상부 단열재(710)는 중앙에 개구부를 갖는 원형의 판 형태일 수 있다.
외측 부분(701)은 외주면(708)으로부터 제3 거리(b1) 이내 영역일 수 있고, 내측 부분(702)은 내주면(707)으로부터 제4 거리(b2) 이내의 영역일 수 있으며, 외주면(708)과 내주면(707) 사이에 위치하는 내측 부분(702)의 일단은 외주면(708)과 내주면(707) 사이에 위치하는 외측 부분(701)의 일단과 접촉할 수 있다. 제3 거리(b1)는 제1 거리(a1)와 동일할 수 있고, 제4 거리(b2)는 제2 거리(a2)와 동일할 수 있다.
내측 부분(702)은 외측 부분(701)을 기준으로, 도가니(110)를 향하는 방향으로 일정한 각도(θ)로 절곡되는 절곡부를 가질 수 있다. 외측 부분(701)의 하면(711)을 기준으로 내측 부분(702)의 하면(712)은 도가니(110) 방향으로 일정한 각도(θ)로 기울어질 수 있다. 외측 부분(701)의 상면(721)과 내측 부분(702)의 상면(722)은 서로 평행하고, 동일 평면을 이룰 수 있다.
도 7에 도시된 내측 부분(702)은 하면(712)만이 절곡된 구조이고, 내측 부분(702)의 상면은 절곡되지 않는다. 내측 부분(702)은 내주면(707)으로부터 외주면(708)으로 갈수록 두께가 감소할 수 있다.
도 7에 도시된 실시 예의 제1 상부 단열재(710)도 내측 부분(702)의 하면(712)이 경사진 구조이기 때문에, 용융액으로부터 방출되는 복사열을 도가니(110)의 측벽으로 반사시킬 수 있으며, 이로 인하여 사이드 스티킹을 억제할 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101: 챔버 110: 도가니
120: 도가니 지지대 130: 발열체
135: 측부 단열재 140: 하부 단열재
150: 상부 단열재 160: 시드 연결부
170: 이송 수단 218, 701: 외측 부분
219, 702: 내측 부분.

Claims (10)

  1. 챔버:
    상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체;
    상기 도가니 상단에 배치되는 제1 상부 단열재를 포함하며,
    상기 제1 상부 단열재는,
    중앙에 개구부를 갖는 원형의 판 형태이고,
    외주면에 인접하고, 상기 도가니 상단에 의하여 지지되는 외측 부분; 및
    내주면에 인접하고, 상기 도가니 내에 수용된 상기 용융액으로부터 발생하는 복사열을 상기 도가니의 내부 측벽으로 반사하는 절곡부를 갖는 내측 부분을 포함하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절곡부는 상기 제1 상부 단열재의 일부가 상기 도가니를 향하여 절곡된 부분인 단결정 잉곳 성장 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 상부 단열재는 상기 도가니 상단과 접촉되고, 상기 도가니 상단에 의하여 지지되는 단결정 잉곳 성장 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 외측 부분의 하면을 기준으로 상기 내측 부분의 하면은 상기 도가니를 향하는 방향으로 기울어진 단결정 잉곳 성장 장치
  6. 제1항에 있어서, 상기 내측 부분은,
    상기 외측 부분을 기준으로 상기 도가니를 향하는 방향으로 절곡되는 단결정 잉곳 성장 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 내측 부분의 두께는 상기 외측 부분의 두께와 동일한 단결정 잉곳 성장 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 내측 부분은 상기 내주면으로부터 상기 외주면으로 갈수록 두께가 감소하는 단결정 잉곳 성장 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 내측 부분의 상면과 상기 외측 부분의 상면은 서로 평행하고, 동일 평면을 이루는 단결정 잉곳 성장 장치.
  10. 챔버:
    상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체;
    상기 도가니 상단에 배치되는 제1 상부 단열재; 및
    상기 제1 상부 단열재 상에 배치되는 적어도 하나의 제2 상부 단열재를 포함하며,
    상기 제1 상부 단열재는 상기 도가니 내에 수용된 상기 용융액으로부터 발생하는 복사열을 상기 도가니의 내부 측벽으로 반사하는 절곡부를 가지며, 상기 제2 상부 단열재는 복수의 층들이 적층된 구조인 단결정 잉곳 성장 장치.
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