KR101524811B1 - 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도가니(Crucible) 내부의 원료분말구역과 결정성장구역의 온도구배(△T) 조건설정이 자유롭기 때문에 결정결함을 최소화하여 고품질의 결정 생산이 가능하고, 소비전력 감소 및 대형화가 용이한 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치 및 방법{Monocrystal sublimation apparatus using resistance heating means and method thereof}
본 발명은 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 도가니(Crucible) 내부의 원료분말구역과 결정성장구역의 온도구배(△T) 조건설정이 자유롭기 때문에 결정결함을 최소화하여 고품질의 결정 생산이 가능하고, 소비전력 감소 및 대형화가 용이한 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치 및 방법에 관한 것이다.
전력반도체 소자에 이용되는 실리콘 단결정은 실리콘 카바이드(SiC) 파우더나 다공성 실리콘 카바이드(SiC) 소결체를 고온에서 승화시켜 상대적으로 저온영역에 위치한 종자정(Seed Crystal)위에 응축하게 하여 결정을 성장시키는 고주파 유도가열방식의 승화법이 널리 이용되고 있다.
고주파 유도가열방식 승화법에서는, 고주파 전류가 흐르는 코일의 중간에 위치한 유도체가 전기 및 자기적인 유도작용으로 인하여 발생되는 와전류(Eddy Current)에 의하여 급속하게 가열된다. 또한, 고품질의 단결정을 얻기 위해, 결정의 회전수 또는 도가니의 회전수를 조정하기 때문에, 실리콘 융액내에는 강제 대류도 생겨서 복잡한 흐름이 형성된다. 그러한 융액내 대류의 제어에 있어서, 실리콘 융액에 정자장(Static magnetic field)을 인가하는 방법이 유효한 것으로 언급되고 있다(자장응용 CZ실리콘 결정성장 및 그 특성, 집적회로 심포지엄, 1980. 11참조).
고주파 유도가열방식 결정성장장치는(예를 들면, 특허등록 제304291호(2001.07.20일 등록)), SiC 단결정의 제조에 가장 많이 사용되는 장치이다. 이 장치는 일반적으로는 그라파이트(Graphite) 도가니 속에 SiC 분말이나 다공성 SiC 소결체를 고온에서 승화시켜 상대적으로 저온 영역에 위치한 종자정 위에 응축하게 하여 결정을 성장시키는 구성으로 되어 있다.
가열 수단으로서는 고주파 전류가 흐르는 코일을 이용하여, 코일이 중앙부에 위치한 도가니의 바깥둘레로부터 간접적으로 가열하여 원료분말구역의 온도을 SiC의 승화 온도까지 승온한다.
이 제법에서는, 그라파이트(Graphite) 도가니 내부를 원료분말구역과 결정성장구역으로 구분하는데 원료분말구역의 온도를 결정성장구역보다 높게 하여 온도구배(T)를 설정한다. 이때, 원료분말구역의 온도를 SiC의 승화온도(2300~2400)로 설정해야 하지만 원료가 열분해하여 Si, Si2C, 및 SiC2등으로 승화가 되며, 각각 다른 종류의 Si와 C의 화합물이 가스 상태로 공급되어 종자정에서 단결정 실리콘 카바이드(SiC)로 성장될 수 있다.
하지만, 종래의 SiC 결정성장장치는 상기와 같이 고주파를 이용하여 단결정을 성장함에 따라서 도가니를 가열하는 방향중에서 종방향 및 반경방향의 온도제어가 어렵기에 도가니를 회전시키기 때문에 구성부품이 증가되고, 온도설정 및 온도제어가 어렵기 때문에 결정을 성장하기 위한 조건설정의 자유도가 낮은 문제점이 있었다.
아울러 종래에는 고가의 고주파가열장치를 채용함에 따라서 제조비용이 증가되고, 고주파 손실에 다른 전력손실이 커서 사용자에게 에너지의 사용 비용을 증가시키는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 저가의 비용으로 구현 가능한 저항 가열방식으로서 단결정을 성장시킬 수 있는 저항 가열방식의 단결정 승화장치 및 방법을 제공함에 있다.
또한 본 발명은 다결정 파우더를 승화시키기 위한 온도 및 압력의 조건설정의 자유도가 높도록 하여 제품의 품질 및 결정성장속도를 향상시킬 수 있는 저항 가열방식의 단결정 승화장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 하기와 같은 실시예를 포함한다.
본 발명에 따른 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치의 바람직한 실시예는 하부의 원료 분말영역에 다결정 파우더가 수용되고, 상부의 결정성장영역에 종자정(Seed Crystal)이 고정되는 도가니; 상기 도가니가 내측에 수용되는 단열챔버;
상기 단열챔버의 내측에서 하나 이상이 설치되어 상기 도가니를 가열하는 하나 이상의 히터; 상기 단열챔버의 바닥면에서 고정되어 내측에서 상기 도가니를 수용하여 상기 단열챔버의 바닥면에 고정되어 상기 히터에서 발열된 열을 상기 도가니에 전달하는 열전대하우징;을 포함하고, 상기 단열챔버는 양 측벽의 중심부에서 각각 돌출되어 상기 단열챔버의 내부공간을 상부와 하부로 구획하는 구획격벽을 포함하고, 상기 히터는 상기 구획격벽을 중심으로 구획된 상기 단열챔버의 상부에서 발열하여 상기 도가니에서 상기 종자정이 접착된 결정성장영역을 가열하는 상부히터와, 상기 단열챔버의 하부에서 발열하여 상기 도가니에서 실리콘 파우더가 수용되는 원료분말영역을 가열하는 하부히터를 포함하고, 상기 측벽은 양측의 중심부에서 단을 이루어 비대칭으로 형성되는 하나 이상의 단열블럭이 적층되는 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치는 모터의 구동에 의하여 상기 도가니를 승하강시키는 승하강수단; 상기 단열챔버의 상부와 하부 온도를 측정하는 하나 이상의 센서를 구비하는 센서부; 및 상기 센서부로부터 상기 단열챔버의 상부와 하부온도를 각각 감지하여 상기 도가니의 원료분말영역과 결정성장영역의 설정된 온도구배의 조건에 따라서 상기 승하강수단을 구동시켜 상기 도가니의 원료분말영역과 결정성정영역의 온도구배가 균일하도록 제어하는 제어부를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 단열챔버는 바닥면에서 관통형성되어 상기 승하강수단을 가이드하는 가이드홀을 구비하고, 상기 열전대하우징은 상기 단열챔버의 바닥면에 밀착된 하면의 끝단이 절곡되어 상기 가이드홀의 내면으로 연장 및 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치는 상기 제어부의 제어에 의하여 상기 센서부에서 감지된 온도를 시각적으로 확인가능하도록 출력하는 디스플레이를 더 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 상기 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치는 상기 단열챔버의 상면에서 관통형성되는 배기구를 통하여 상기 열전대하우징의 상면으로 연결되어 상기 도가니에서 발생된 가스를 배출시키는 배기관을 더 포함한다.
본 발명에 따른 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화방법의 바람직한 실시예는 다결정 파우더를 가열 및 승화시켜 단결정을 성장시키는 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화방법에 있어서, 다결정 파우더와 종자정(Seed Crystal)이 수용된 도가니가 수납되고, 양측의 중심부에서 단을 이루어 비대칭으로 형성되는 하나 이상의 단열블럭이 적층되는 측벽으로 이루어진 단열챔버의 내부 공기를 배출시켜 진공시키는 진공단계; 상기 진공단계이후에 상기 단열챔버의 내측에서 상하로 구획된 상부와 하부에 각각 설치되는 히터를 구동하여 설정된 시간구간별 초기가열온도로 상기 도가니를 단계적으로 가열하여 상기 다결정 파우더가 승화되는 성장가열온도까지 가열하는 초기가열단계; 상기 초기가열단계 이후에 설정된 성장가열시간동안 성장가열온도로서 균일하게 가열하여 단결정을 성장시키는 성장가열단계; 및 상기 성장가열단계에서 설정된 성장가열시간이 경과되면, 설정된 시간구간별로 상기 도가니의 가열온도를 순차적으로 하강시켜 냉각하는 냉각단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화방법은 상기 초기가열단계 및 성장가열단계에서 상기 단열챔버의 상부와 하부의 온도가 차이가 있다면, 상기 도가니를 승하강시켜 상기 도가니의 전체 가열온도가 균일하도록 조절하는 도가니 위치제어단계를 더 포함한다.
본 발명은 고주파가열장치에 비하여 저가인 저항 가열방식으로 다결정 파우더를 승화시킴에 따라서 제조비용이 절감되고, 챔버를 직접 가열하기 때문에 소비전력이 절감될 수 있어 사용비용이 절감되는 효과가 있다.
또한 본 발명은 저항 가열방식으로 가열함에 따라서 온도제어가 가능하여 장시간 동안 도가니의 온도가 균일하게 유지하도록 제어 가능하여 빠른시간 내에 고품질의 단결정의 성장이 가능하고, 조건설정의 자유도가 높기 때문에 대형화가 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화장치를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화장치에서 챔버를 확대한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화장치의 제어블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화장치에서 챔버의 측부블럭을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화장치에서 챔버의 구획격벽을 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화방법을 도시한 블럭도,
도 7은 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화방법에서 시간대비 온도제어구간을 도시한 그래프이다.
이하에서는 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화장치 및 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화장치를 도시한 도면, 도 2는 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화장치에서 챔버를 확대도시한 도면, 도 3은 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화장치의 제어블럭도,
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화장치는 다결정 파우더(500)(예를 들면, 실리콘 카바이드(SiC) 파우더)를 가열시켜 단결정으로 성장시키는 승화부재(300)와, 상기 승화부재(300)를 가열하는 구동부재(100)와, 상기 승화부재(300)를 내측에 수용하고 단열 및 절연시키는 단열챔버(200)를 포함한다.
상기 승화부재(300)는 원료분말영역에서 다결정 파우더(500)가 수용되고, 결정성장영역에서 종자정이 부착되어 상부와 하부가 각각 균일한 온도로서 가열되는 도가니(320)와, 상기 도가니(320)에 열을 전달하는 열전대하우징(310)을 포함한다.
상기 도가니(320)는 원료분말영역에 다결정 파우더(500)가 안착되고, 결정성장영역에서 종자정(Seed Crystal)(400)이 부착된다. 여기서 상기 도가니(320)는 상기 열전대하우징(310)으로부터 전달되는 열에 의하여 결정성장영역과 원료분말영역이 균일한 온도로서 가열된다. 상기 결정성장영역은 종자정에 의한 결정성장영역이며, 원료분말영역은 원료분말영역에 해당된다.
상기 도가니(320)는 결정성장영역과 원료분말영역의 가열온도가 균일하도록 후술되는 승하강수단(142)에 의하여 상기 열전대하우징(310)의 내측에서 승하강된다. 즉, 상기 도가니(320)는 상측의 온도가 원료분말영역보다 높다면, 상기 승하강수단(142)에 의하여 하강되어 결정성장영역과 원료분말영역간의 온도구배를 이루어 균일한 온도로서 상기 다결정 파우더가 승화되어 상기 결정상정영역에 설치되는 종자정이 성장될 수 있도록 제어된다. 상기 다결정 파우더(400)는, 예를 들면, 실리콘 카바이드(SiC) 파우더이다.
상기 열전대하우징(310)은 단열챔버(200)의 하측(후술되는 바닥면의 상면)에서 고정되어 내측에 도가니(320)를 수용하는 공간을 형성한다. 여기서 상기 열전대하우징(310)은 상면의 테두리에서 하향 연장되는 측면의 끝단이 상기 단열챔버(200)의 바닥면의 중심부에서 관통형성되는 하기의 가이드홀(231) 내면에 고정된다. 상기 열전대하우징(310)은 상기 도가니(320)에 열을 전달하여 가열시킨다. 아울러 상기 열전대하우징(310)은 다결정 파우더의 승화과정에서 발생되는 가스를 배출하도록 배기관(111)이 상측에 연결된다.
상기 단열챔버(200)는 양측에서 상호 비대칭구조를 갖고 연장되는 하나 이상이 단열블럭(221)이 상호 결합되어 양 측벽(220)을 형성하고, 상기 양 측벽(220)의 상측과 하측에서 각각 설치되는 천정면(210)과 바닥면(230)을 포함하여 단열가능하도록 밀폐시킨다.
상기 천정면(210)은 상부를 밀폐시키도록 가로방향으로 연장되되, 상기 열전대하우징(310)의 내측에서 발생된 가스를 배출시키는 배기관(111)이 연통되는 배기구(211)가 형성된다.
상기 바닥면(230)은 관통형성되어 그 사이로 상기 승하강수단(142)이 승하강되는 가이드홀(231)이 형성된다. 아울러 상기 가이드홀(231)은 내면에서 상기 열전대하우징(310)의 끝단(311)이 고정된다.
이때 상기 열전대하우징(310)은 하면이 상기 바닥면(230)의 상면에 밀착되는 끝단에서 상기 가이드홀(231)의 내면에 밀착되도록 수직으로 절곡되어 고정된다. 즉, 상기 가이드홀(231)은 상기 열전대하우징(310)을 지지함과 동시에 상기 승하강수단(142)을 가이드한다.
상기 측벽(220)은 상기 하나 이상의 단열블럭(221)이 적층되고, 상기 단열챔버(200)의 내측을 구획하도록 돌출되는 구획격벽(222)을 포함한다. 여기서 상기 단열블럭은 상기 다결정 파우더(400)가 승화되면서 발생된 분진이나 가스(예를 들면, SiC 성분을 포함한 분진 및/또는 가스)에 의한 단열챔버 내의 열화 및 오염을 방지한다.
여기서 상기 단열블럭(221)은 도 4를 참조하고, 상기 구획격벽(222)은 도 5를 참조하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치에서 단열챔버(200)의 단열블럭(221), 도 5는 구획격벽(222)을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 상기 단열블럭(221)은 중심선을 기준으로 일측과 타측이 단을 이루어 형성된다. 즉, 상기 단열블럭(221)은 중심선을 기준으로 일측(221a)과 타측(221b)이 단을 이루도록 형성됨에 따라서 일측(221a)의 상면 높이보다 타측(221b) 상면이 더 높게 형성되어 양측이 비대칭형성된다. 아울러 상기 단열블럭(221)은 양측이 동일한 두께로 이루어진다.
따라서 상기 단열챔버(200)는 상기 측벽(220)이 상호 비대칭으로 형성되는 하나 이상의 단열블럭(221)이 적층됨에 따라서 내부의 온도나 실리콘 결정성장과정에서 발생되는 다결정 성분(예를 들면, 실리콘 카바이드(SiC))에 의한 단열재의 열화 및 오염이 방지된다.
도 5를 참조하면, 상기 구획격벽(222)은 상기 열전대하우징(310)을 중심으로 양측에서 각각 돌출되어 상기 단열챔버(200)의 내측공간을 상부와 하부로서 구획한다. 여기서 상기 구획격벽(222)은 상기 단열챔버(200)의 내측공간을 상부와 하부로서 구획함에 따라서 상기 열전대하우징(310)에 상부와 하부에서 가열된 열이 각각 전달되도록 한다.
즉, 상기 구획격벽(222)은 후술되는 상부히터(151)와 하부히터(152)의 가열공간을 구획함에 따라서 어느 하나의 히터가 다른 하나의 히터에 의한 영향을 받지 않도록 함에 있다.
예를 들면, 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)가 구획되지 않은 공간에서 발열한다면, 헌팅(Hunting) 효과로 인하여 양 히터(151, 152)의 발열 온도가 서로 다르게 작동할 수 있다. 즉, 상기 상부히터(151)가 1200도로서 발열 되면, 하부히터(152)가 상기 상부히터(151)의 영향으로 보다 낮은 온도로 발열 될 수 있다.
따라서 상기 구획격벽(222)은 상기와 같은 헌팅효과를 방지하기 위하여 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)의 발열공간을 구획하여 양 히터가 선택된 온도로 발열될 수 있도록 서로 다른 공간에 발열하도록 공간을 구획한다.
아울러 상기 구획격벽(222)은 상측과 하측에서 각각 체결되는 단열블럭(221)의 형상과 일치되도록 양측(222a, 222b)이 단을 이루도록 형성한다. 예를 들면, 일측(222a)의 상면과 하면은 각각 단을 이루어 타측(222b)으로 연장된다. 이때 상기 타측(222b)은 끝단에서 상기 단열챔버(200)의 내측으로 돌출된다. 따라서 상기 구획격벽(222)은 일측(222a)의 단면의 높이가 타측(222b) 단면보다 높다.
아울러 상기 단열챔버(200)는 다결정 파우더(500)의 승화과정에서 발생되는 가스를 외부로 배출하기 위하여 배기관(111)이 연통되도록 상판에서 배기구(211)가 형성된다.
상기 구동부재(100)는 상기 승화부재(300) 및 단열챔버(200)를 수용하는 외부하우징(110)과, 상기 열전대하우징(310)을 가열하는 가열부(150)와, 온도를 감지하는 센서부(160)와, 상기 열전대하우징(310)에서 발생된 가스를 외부로 배출시키는 배기관(111)과, 상기 센서부(160)에서 감지된 내부온도를 수신하여 설정된 조건에 따라 상기 가열부(150)를 제어하는 제어부(170)와, 상기 제어부(170)의 제어에 의하여 측정온도 및 시간을 시각적으로 표시하는 디스플레이(130)와, 상기 도가니(320)를 승 하강시키는 도가니승강부(140)를 포함한다.
상기 외부하우징(110)은 내측에서 상기 승화부재(300) 및 단열챔버(200)가 수용되는 공간을 밀폐한다. 여기서 상기 외부하우징(110)은 상면에서 상기 열전대하우징(310)에 연결되는 배기관(111)이 인입된다.
상기 도가니승강부(140)은 선단에서 상기 도가니(320)를 지지하고, 승하강시키는 승하강수단(142)과, 상기 승하강수단(142)을 구동시키는 모터(141)를 포함한다.
상기 승하강수단(142)은 상기 모터(141)의 구동에 의하여 도가니(320)를 상기 열전대하우징(310)의 내측에서 승하강 시킨다. 여기서 상기 승하강수단(142)은 상단에서 상기 도가니(320)를 지지하는 홀더(142a)를 구비하여 상기 도가니(320)를 지지한다. 예를 들면, 상기 홀더(142a)는 상기 도가니(320)의 형상에 일치되는 판형상으로서 상방으로 돌출되는 테두리를 구비하여 상기 승하강수단(142)의 선단에 고정된다. 여기서 상기 모터(141) 및 승하강수단(142)의 연결관계 및 그 구조는 공지된 기술을 적용함에 따라서 그 상세한 설명을 생략한다.
상기 센서부(160)는 상기 단열챔버(200)의 내측으로 하나 이상이 설치된다. 여기서 상기 센서부(160)는 온도센서로서 상기 구획격벽(222)에 의하여 분할되는 상기 단열챔버(200)의 내측의 온도를 측정하기 위하여 하나 이상이 상호 일정간격 이격되어 설치된다. 예를 들면, 제1센서(161)는 상기 단열챔버(200)의 상부, 제2센서(162)는 상기 단열챔버(200)의 하부, 제3센서(도시되지 않음)는 상기 단열챔버(200)의 상측(또는 상기 열전대하우징(310)의 상측)에 각각 위치되어 해당 위치의 온도를 측정하여 상기 제어부(170)에 인가한다.
여기서 상기 제3센서(도시되지 않음)는 도면에 도시되지 않았으나, 상기 배기관(111)의 내측 또는 배기관(111)과 밀착되어 상기 배기구(211)를 통하여 상기 열전대하우징(310)의 상측에 위치되도록 설치됨도 가능하다.
상기 가열부(150)는 상기 단열챔버(200)의 상부에서 발열되는 상부히터(151)와, 상기 단열챔버(200)의 하부에서 발열하는 하부히터(152)와, 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)에 전원을 출력 및 지지하는 히터지지수단(153)을 포함한다. 여기서 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)는 인가되는 전원의 레벨에 따른 저항값에 인하여 발열되는 저항식 가열장치로서 종래의 고주파가열장치에 비하여 저가의 장비로서 전력손실이 적다.
특히 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)는 상기 도가니(320)에서 실리콘 (SiC) 파우더(500)가 수용되는 원료분말영역과 종자정(400)이 접착되는 결정성장영역을 각각 분할하여 가열하는 것이 특징이다.
상기 상부히터(151)는 상기 단열챔버(200)의 상부에 위치되어 상기 열전대하우징(310)의 상측을 가열하여 상기 도가니에서 종자정(Seed Crystal)이 부착되는 결정성장영역을 가열하고, 상기 하부히터(152)는 상기 단열챔버(200)의 하부에 위치되어 상기 열전대하우징(310)의 하측을 가열하여 상기 도가니에서 다결정 파우더(500)가 수용되는 원료분말영역을 가열한다.
상기 히터지지수단(153)은 단열챔버(200)의 내측에서 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)를 각각 지지한다. 바람직하게로는 상기 히터지지수단(153)은 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)의 구동전원을 공급하도록 전원케이블 또는 도전체가 포함되는 것이 바람직하다.
상기 제어부(170)는 각 시간구간별로 가열시간이 설정되어 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)를 선택적으로 제어하고, 아울러 설정된 온도구배의 조건에 따라서 상기 모터(141)를 구동시켜 상기 승하강수단(142)으로 상기 도가니(320)의 위치를 조절하여 상기 도가니(320)의 결정성장영역과 원료분말영역의 온도가 균일하도록 제어한다.
상기 제어부(170)는 상기 도가니(320)를 초기가열, 성장가열 및 냉각단계별로 각각 시간구간을 설정하고, 각 설정된 시간구간별로 설정된 온도구배의 조건에 따라서 상기 도가니를 가열하도록 제어한다.
여기서 상기 도가니(320)는 상기 열전대하우징(310)을 통하여 전달되는 열에 의하여 가열된다. 따라서 상기 도가니(320)는 상기 열전대하우징(310)의 상부와 하부에서 가해지는 열의 온도가 서로 다르다면, 도가니(320)의 결정성장영역과 원료분말영역의 온도가 설정된 온도구배의 조건에 맞지 않기에 불량품이 발생된다.
따라서 상기 제어부(170)는 설정된 시간구간별 설정온도(예를 들면, 초기가열온도 또는 성장가열온도)에 비하여, 예를 들면, 상기 도가니(320)의 결정성장영역의 온도가 원료분말영역의 온도보다 높다면 상기 도가니(320)를 하향시켜 상기 단열챔버(200)의 상부에서 가해지는 열이 전달되는 면적이 적어지도록 하여 상기 도가니(320)의 결정성장영역과 원료분말영역의 온도가 모두 균일하도록 제어한다.
아울러 상기 제어부(170)는 상기 디스플레이(130)를 통하여 측정된 온도와 현재 단결정 성장의 과정 및 시간을 시각적으로 확인할 수 있도록 제어한다.
상기 입력부(180)는 다 수개의 키로서 이루어져 작업자가 입력하는 명령어를 상기 제어부(170)에 인가한다. 여기서 작업자는 상기 입력부(180)를 통하여 제어부(170)의 온도제어에 필요한 온도 및 시간을 설정하거나 승화 시작 및 정지명령을 입력할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 구성을 포함하며, 이하에서는 첨부된 도 6과 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화방법을 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화방법을 도시한 순서도, 도 7은 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화방법에서 시간대비 온도제어구간을 도시한 그래프이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 저항 가열방식의 단결정 승화방법은 상기 단열챔버(200)의 내부를 진공시키는 진공단계(S10)와, 상기 진공단계(S10)에서 설정된 시간구간별로 단계적으로 가열하여 성장가열온도로 가열하는 초기가열단계(S20)와, 설정된 시간동안 성장가열온도로 균일하게 가열하여 다결정 파우더를 승화시켜 단결정을 성장시키는 성장가열단계(S30)와, 상기 성장가열단계(S30)에서 상기 도가니(320)가 설정된 성장가열온도로서 균일하게 가열되는 지를 판단하는 온도균일 판단단계(S40)와, 상기 온도균일 판단단계(S40)에서 상기 성장가열온도가 균일하게 유지되면 설정된 성장시간의 경과유무를 판단하는 설정시간 판단단계(S50)와, 상기 설정시간 판단단계(S50)에서 설정된 시간에 도달되면 냉각시키는 냉각단계(S60)와, 상기 온도균일 판단단계(S40)에서 상기 성장가열온도가 균일하지 못하다면, 상기 도가니(320)를 승하강 시키는 도가니위치제어단계(S70)를 포함한다.
상기 진공단계(S10)는 상기 제어부(170)가 상기 입력부(180)를 통하여 구동신호가 인가되면 상기 진공펌프(120)를 구동시켜 상기 단열챔버(200)내의 공기를 배출시키는 단계이다.
작업자는 상기 도가니(320)의 상판 하면에서 종자정(400)을 부착하고, 바닥면에서 다결정 파우더(500)를 집어넣은 뒤에 상기 단열챔버(200) 및 외부하우징(110)의 도어를 잠금시켜 내부를 밀폐시킨다. 그리고 작업자는 상기 입력부(180)를 조작하여 구동명령을 입력한다. 이때 상기 단열챔버(200)의 내측 압력(a)은 진공펌프(120)가 구동되면서 하강 되다가 다시 상승된다. 이는 도 7의 그래프에 도시되었다. 아울러 상기 압력(a)은 온도(b)와 반대로서 상승 또는 하강된다.
따라서 상기 제어부(170)는 상기 입력부(180)의 구동명령이 인가되면, 상기 진공펌프(120)를 구동시켜 상기 단열챔버(200) 내측의 공기를 외부로 배출시킨다. 이때 상기 제어부(170)는 상기 진공펌프(120)를 설정된 진공시간(t1) 동안 구동시켜 상기 단열챔버(200) 내지 도가니(320)에 잔류된 공기를 완전히 배출시킨다. 상기 진공시간(t1)은 작업자가 상기 단열챔버(200)의 내부면적과 진공펌프(120)의 용량을 고려하여 임의대로 설정할 수 있다.
상기 초기가열단계(S20)는 상기 제어부(170)가 설정된 진공시간이 경과되면, 상기 가열부(150)를 제어하여 설정된 초기가열 시간(t2) 동안 성장 가열온도로서 가열되도록 제어하는 단계이다. 여기서 상기 제어부(170)는 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)를 구동시켜 상기 도가니(320)를 단계적으로 가열하여 성장가열온도에 도달되도록 가열한다.
즉, 상기 제어부(170)는 제1초기 가열 시간(t21)동안 가열하여 제1초기가열온도에 도달되도록 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)를 구동시킨다. 여기서 상기 센서부(160)는 상기 단열챔버(200)의 상부와 하부 온도 및 상기 열전대하우징(310)의 온도를 각각 감지하여 상기 제어부(170)에 인가한다.
이때 상기 단열챔버(200)는 상기 구획격벽(222)에 의하여 상부와 하부의 공간이 구획됨에 따라서 다른 히터(151, 152)의 고온 발열로 인한 헌팅효과(Hunting effect)를 방지할 수 있다. 따라서 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)는 타 히터에 의하여 발열된 열에 의한 영향을 받지 않고 정상구동할 수 있다.
그리고 상기 제어부(170)는 설정된 제1초기가열온도에 도달되면, 제2초기가열시간(t22)동안 제1초기가열온도로서 균일하게 유지되도록 한다. 이때 상기 제어부(170)는 상기 센서부(160)를 통하여 단열챔버(200)의 상부온도와 하부온도 및 상기 열전대하우징(310)의 온도를 각각 확인하여 상기 도가니(320)의 상하부가 균일한 온도로서 가열되는지를 확인한다.
더욱 바람직하게로는 상기 제어부(170)는 상기 초기가열단계(S20)의 전 구간에서 상기 단열챔버(200)의 상하부 영역의 온도가 상호 균일하지 못하면, 상기 모터(141) 및 승하강수단(142)을 구동시켜 상기 도가니(320)를 승, 하강시켜 상기 도가니(320)가 균일한 온도로서 가열되도록 한다. 이에 대한 구체적인 설명은 상기 도가니위치제어단계(S70)에서 후술한다.
이때 상기 단열챔버(200)의 내부압력을 표시하는 압력표시선(a)은 도 6의 그래프에 도시된 바와 같이 온도표시선(b)이 상승됨에 따라 단계적으로 하강된다.
또한 상기 제어부(170)는 상기 제2초기가열시간(t22)이 경과되면, 제3초기가열온도로서 제3초기가열시간(t23)동안 상기 도가니(320)를 가열하여 다결정 파우더(500)가 승화되어 종자정(400)에서 단결정이 성장되는 성장가열온도에 도달되도록 가열한다.
즉, 본 발명에서 상기 초기가열단계(S20)는 상기 도가니(320)의 온도를 설정된 시간구간별로 상승, 유지 및 상승시켜 상기 성장가열온도에 도달되도록 단계적으로 가열하는 것이 특징이다.
상기 성장가열단계(S30)는 상기 제어부(170)가 상기 초기가열시간(t2)이 경과되면, 설정된 성장가열온도로 성장가열시간(t3) 동안 상기 도가니(320)를 균일하게 가열하는 단계이다. 상기 제어부(170)는 상기 센서부(160)의 감지신호를 수신하여 상기 도가니(320)를 성장가열온도로서 성장가열시간(t3) 동안 균일하게 가열되도록 상기 상부히터(151) 및 하부히터(152)를 제어한다. 여기서 상기 열전대하우징(310)은 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)에 의해 발열된 열을 상기 도가니(320)에 전달하여 가열시킨다.
따라서 상기 도가니(320)에 수용되는 다결정 파우더(500)는 기체로 승화되고, 승화된 기체는 결정성장영역에 고정되는 종자정(400)에 결합되어 다시 고체상태로 변환되어 성장된다.
이때 상기 도가니(320)에서 발생된 가스는 상기 열전대하우징(310)의 상면에 연결되는 배기관(111)을 통하여 배출된다.
상기 온도균일 판단단계(S40)는 제어부(170)가 상기 성장가열단계(S30)에서 상기 성장가열온도가 균일하게 이루어지는 지를 판단하는 단계이다. 상기 제어부(170)는 상기 센서부(160)의 감지신호를 수신하여 상기 도가니(320)가 균일한 온도로서 가열되는 지를 판단한다. 상기 센서부(160)의 제1센서(161)는 상기 단열챔버(200)의 상부온도를 감지하고, 상기 제2센서(162)는 하부온도를 감지하고, 제3센서(도시되지 않음)는 상기 열전대하우징(310)의 온도를 감지하여 상기 제어부(170)에 인가한다. 상기 제어부(170)는 상기 센서부(160)의 온도감지신호를 수신하여 각각의 온도가 균일한지를 판단한다. 여기서 상기 제3센서(도시되지 않음)는 상기 배기관(111)을 통하여 인입되어 상기 열전대하우징(310)의 상측에서 온도를 감지한다.
상기 설정시간 판단단계(S50)는 상기 온도균일 판단단계(S40)에서 상기 도가니(320)가 성장가열시간(t3)동안 성장가열온도로 균일하게 가열되는 것으로 판단되면, 상기 제어부(170)가 성장가열시간(t3)의 경과유무를 판단하는 단계이다. 상기 제어부(170)는 설정된 성장가열시간(t3)을 카운팅하여 경과유무를 판단할 수 있다.
상기 냉각단계(S60)는 상기 설정시간판단단계(S50)에서 성장가열시간(t3)이 경과되면, 상기 가열부(150)의 발열온도를 단계적으로 낮추어서 도가니(320)를 냉각하는 단계이다. 여기서 상기 제어부(170)는 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)에 인가되는 전원레벨을 조절하여 저항에 따른 발열온도를 단계적으로 하강되도록 제어한다. 이때 제어부(170)는 제1냉각시간(t41)동안 설정된 제1냉각온도까지 하강하고, 상기 제1냉각시간(t41)이 경과되면 제2냉각시간(t42)동안 제2냉각온도로 냉각시키고, 제2냉각시간(t42)이 경과되면 제3냉각시간(t43)동안 냉각시킨다. 즉, 상기 제어부(170)는 상기 상부히터(151)와 하부히터(152)의 공급전원레벨을 조절하여 발열온도를 상기 제1 내지 제3냉각시간(t41~t43)으로서 단계적으로 하강시킨다.
아울러 상기 제어부(170)는 상기 냉각단계(S60)에서 상기 도가니(320)의 온도를 확인하여 상기 디스플레이(130)에 출력하여 상기 도가니(320)의 냉각유무를 확인할 수 있도록 한다.
상기 도가니위치제어단계(S70)는 상기 온도균일 판단단계(S40)에서 설정된 성장가열온도가 균일하지 않다면 상기 도가니(320)를 승하강시켜 상기 도가니의 가열온도가 성장가열온도로 유지되도록 제어하는 단계이다.
이하에서는 상기 균일온도판단단계(S40)로부터 상기 도가니 위치제어단계(S70)를 설명하나, 상기 초기가열단계(S20)와 성장가열단계(S30) 및 냉각단계(S50)에서 설정된 온도와 차이가 나면 도가니(320)의 위치를 제어하여 설정된 온도로서 가열 및/또는 냉각됨도 가능하다. 이는 본 발명의 다양한 실시예중 어느 하나에 해당된다.
상기 제어부(170)는 상기 균일온도 판단단계(S40)에서 상기 센서부(160)의 감지신호를 수신하여 상기 단열챔버(200)의 상부와 하부의 온도가 균일하지 못하다면, 상기 모터(141)를 구동시켜 상기 도가니(320)를 승하강시켜 상기 열전대하우징(310)으로 부터 전달되는 열이 균일하도록 제어한다.
여기서 상기 열전대하우징(310)은 상기 단열챔버(200)의 상부가 설정된 성장가열온도에 비하여 높은 온도가 감지되면, 상측에서 상기 도가니(320)에 보다 높은 온도의 열을 전달한다. 따라서 상기 제어부(170)는 상기 도가니(320)를 하강시켜 하부히터(152)에 발열된 열을 전달받는 면적을 증가시키고, 상기 상부히터(151)로부터 발열된 열의 전달면적을 감소시켜 상기 도가니(320)가 설정된 성장가열온도로 균일하게 가열되도록 한다.
반대로 상기 제어부(170)는 상기 단열챔버(200)의 하부 온도가 설정된 성장가열온도에 도달되지 못하고 보다 낮은 온도가 감지되면, 상기 도가니(320)를 상승시켜 상기 상부히터(151)로부터 발열된 열을 전달받는 면적을 증가시킨다.
따라서 상기 도가니(320)는 종자정(400)이 부착된 결정성장영역과 다결정 파우더가 위치되는 원료분말영역의 온도가 균일하게 유지되도록 가열됨에 따라서 종자정이 균일한 방향으로 성장될 수 있다.
특히 본 발명은 전원레벨에 따라서 발열온도가 조절될 수 있는 저항 가열방식의 가열장치로서 다결정 파우더를 승화시키기 때문에 도가니(320)의 크기나 다결정 파우더(500)의 양에 따라 상기 성장가열온도 내지 냉각온도의 설정과 각 구간별 시간을 작업자가 자유로이 설정 및 조절할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 구동부재 110 : 외부하우징
111 : 배기관 120 : 진공펌프
130 : 디스플레이 140 : 도가니승강부
141 : 모터 142 : 승하강수단
150 : 가열부 151 : 상부히터
152 : 하부히터 153 : 히터지지수단
160 : 센서부 161 : 제1센서
162 : 제2센서 170 : 제어부
180 : 입력부 200 : 단열챔버
210 : 천정면 211 : 배기구
220 : 측벽 221 : 단열블럭
222 : 구획격벽 230 : 바닥면
231 : 가이드홀 300 : 승화부재
310 : 열전대하우징 320 : 도가니
400 : 종자정 500 : 다결정 파우더

Claims (8)

  1. 하부의 원료 분말영역에 다결정 파우더가 수용되고, 상부의 결정성장영역에 종자정(Seed Crystal)이 고정되는 도가니;
    상기 도가니가 내측에 수용되는 단열챔버;
    상기 단열챔버의 내측에서 하나 이상이 설치되어 상기 도가니를 가열하는 하나 이상의 히터;
    상기 단열챔버의 바닥면에서 고정되어 내측에서 상기 도가니를 수용하여 상기 단열챔버의 바닥면에 고정되어 상기 히터에서 발열된 열을 상기 도가니에 전달하는 열전대하우징;을 포함하고,
    상기 단열챔버는 양 측벽의 중심부에서 각각 돌출되어 상기 단열챔버의 내부공간을 상부와 하부로 구획하는 구획격벽을 포함하고,
    상기 히터는 상기 구획격벽을 중심으로 구획된 상기 단열챔버의 상부에서 발열하여 상기 도가니에서 상기 종자정이 접착된 결정성장영역을 가열하는 상부히터와, 상기 단열챔버의 하부에서 발열하여 상기 도가니에서 실리콘 파우더가 수용되는 원료분말영역을 가열하는 하부히터를 포함하고,
    상기 측벽은 양측의 중심부에서 단을 이루어 비대칭으로 형성되는 하나 이상의 단열블럭이 적층되는 것을 특징으로 하는 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치는
    모터의 구동에 의하여 상기 도가니를 승하강시키는 승하강수단;
    상기 단열챔버의 상부와 하부 온도를 측정하는 하나 이상의 센서를 구비하는 센서부; 및
    상기 센서부로부터 상기 단열챔버의 상부와 하부온도를 각각 감지하여 서로 다른 온도가 감지되면, 상기 승하강수단으로 상기 도가니를 승, 하강시켜 상기 도가니의 원료분말영역과 결정성장영역을 설정된 온도구배조건에 따라서 균일한 온도로 가열되도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단열챔버는 바닥면에서 관통형성되어 상기 승하강수단을 가이드하는 가이드홀을 구비하고,
    상기 열전대하우징은 상기 단열챔버의 바닥면에 밀착된 하면의 끝단이 절곡되어 상기 가이드홀의 내면으로 연장 및 고정되는 것을 특징으로 하는 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치는
    상기 제어부의 제어에 의하여 상기 센서부에서 감지된 온도를 시각적으로 확인가능하도록 출력하는 디스플레이를 더 포함하는 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치는
    상기 단열챔버의 상면에서 관통형성되는 배기구를 통하여 상기 열전대하우징의 상면으로 연결되어 상기 도가니에서 발생된 가스를 배출시키는 배기관을 더 포함하는 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화장치.
  7. 다결정 파우더를 가열 및 승화시켜 단결정을 성장시키는 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화방법에 있어서,
    다결정 파우더와 종자정(Seed Crystal)이 수용된 도가니가 수납되고, 양측의 중심부에서 단을 이루어 비대칭으로 형성되는 하나 이상의 단열블럭이 적층되는 측벽으로 이루어진 단열챔버의 내부 공기를 배출시켜 진공시키는 진공단계;
    상기 진공단계이후에 상기 단열챔버의 내측에서 상하로 구획된 상부와 하부에 각각 설치되는 히터를 구동하여 설정된 시간구간별 초기가열온도로 상기 도가니를 단계적으로 가열하여 상기 다결정 파우더가 승화되는 성장가열온도까지 가열하는 초기가열단계;
    상기 초기가열단계 이후에 설정된 성장가열시간동안 성장가열온도로서 균일하게 가열하여 단결정을 성장시키는 성장가열단계; 및
    상기 성장가열단계에서 설정된 성장가열시간이 경과되면, 설정된 시간구간별로 상기 도가니의 가열온도를 순차적으로 하강시켜 냉각하는 냉각단계를 포함하는 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화방법은
    상기 초기가열단계 및 성장가열단계에서 상기 단열챔버의 상부와 하부의 온도가 차이가 있다면, 상기 도가니를 승, 하강시켜 상기 도가니의 전체 가열온도가 균일하도록 조절하는 도가니 위치제어단계를 더 포함하는 저항 가열방식을 이용한 단결정 승화방법.

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