KR101540225B1

KR101540225B1 - 단결정 제조장치 및 단결정의 제조방법

Info

Publication number: KR101540225B1
Application number: KR1020107020534A
Authority: KR
Inventors: 타카오 아베
Original assignee: 신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2015-07-29
Also published as: CN101970728B; US8741059B2; DE112009000526T5; KR20110003322A; JP2009227520A; DE112009000526B4; CN101970728A; WO2009118993A1; JP5186970B2; US20100319610A1

Abstract

본 발명은, 도가니(13)를 포함하는 핫존 부품을 수용하는 메인챔버(11)와, 도가니(13)에 수용된 원료융액으로부터 인상되는 단결정을 수납하여 꺼내기 위한 풀챔버(12)를 구비하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 제조장치(10)로서, 추가로, 도가니 위에 배치되어 냉각매체가 유통되는 냉각관(1)과, 상기 냉각관(1)을 상하 이동시키는 이동기구(3)를 구비하고, 단결정의 육성 후, 이동기구(3)에 의해 냉각관(1)이 도가니(13)를 향해 강하함으로써 핫존 부품을 냉각시키는 단결정 제조장치(10) 및 단결정의 제조방법이다. 이렇게 함으로써, 대구경, 예를 들면, 약 200mm 이상의 단결정을 인상한 후에 메인챔버 내의 핫존 부품을 단시간에 냉각시킬 수 있는 단결정 제조장치 및 단결정의 제조방법이 제공된다.

Description

단결정 제조장치 및 단결정의 제조방법{Single Crystal Manufacturing Apparatus and Single Crystal Manufacturing Method}

본 발명은, 쵸크랄스키법(Czochralski Method, 이하 CZ법이라고도 칭함)에 의해, 예를 들면, 직경 약 200mm(8인치) 이상과 같은 대구경의 단결정을 인상한 후 핫존 부품을 냉각시킬 수 있는 단결정 제조장치 및 단결정의 제조방법에 관한 것이다.

최근, 태양전지나, MOS(Metal Oxide Semiconductor) 트랜지스터 등의 반도체 디바이스에 있어서, 그 성능의 향상과 제조비용의 저감을 위해, 기판으로서 사용되는 실리콘 등의 웨이퍼의 대직경화가 진행되고 있다. 이로 인해, CZ법 등에 의해 육성되는 단결정 잉곳도, 예를 들면, 직경 200mm(8인치)나 직경 300mm(12인치)와 같은 것이 제조되는 등, 대구경화, 고중량화의 일로를 걷고 있다.

이러한 단결정 잉곳은, 예를 들면, 도 2에 나타내는 바와 같은 단결정 제조장치에 의해 제조된다. 도 2는, CZ법에서 사용되고 있는 일반적인 단결정 제조장치를 나타내는 개략도이다.

이 일반적인 단결정 제조장치(20)는, CZ법에 의해 원료융액(30)으로부터 단결정(31)을 성장시키는 것으로, 메인챔버(21) 내에, 다결정원료를 용융시킨 원료융액(30)을 수용하는 도가니(23)와, 상기 도가니(23)의 주위에 히터(25)와, 상기 히터(25)의 주위에 단열재(26)를 수납함으로써 구성되어 있다.

특히, 열을 띠는 도가니(23), 히터(25), 단열재(26)와 같은 부품들은, 핫존 부품이라 불리고 있다.

메인챔버(21)의 상단에는 인상된 단결정(31)을 수납하여 꺼내기 위한 풀챔버(22)가 접속되어 있다. 그리고, 메인챔버(21)의 상단부와 풀챔버(22) 사이에는, 메인챔버(21)의 상단의 개구부를 개폐하는 게이트 밸브(28)가 설치되어 있다. 또한, 풀챔버(22)의 위쪽에는, 선단에 종홀더(33)가 부착된 와이어(34)를 감기 위한 단결정 인상기구(도시생략)가 설치되어 있다.

이와 같은 단결정 제조장치(20)를 이용하여 단결정(31)을 제조하기 위해서는, 종홀더(33)의 선단에 종결정(32)을 유지시키고, 그 종결정(32)을 원료융액(30)에 침지시키고, 회전시키면서 서서히 위쪽으로 인상함으로써 막대기 형상의 단결정(31)을 육성한다.

이때, 챔버 내에는, 융액 표면으로부터 증발한 산화물을 배기하기 위해 진공 배기를 행하면서 Ar 등의 불활성가스를 유통시킨다.

단결정의 인상이 종료되면, 히터를 오프로 하고, 게이트 밸브를 닫은 다음, 풀챔버에 수납된 단결정을 꺼낸다. 그리고, 핫존 부품의 냉각이 끝나면 챔버 내를 상압으로 되돌린 후, 메인챔버 내의 핫존 부품을 해체한다. 핫존 부품의 해체가 끝나면, 이것을 청소, 교환 등을 행한 후, 다시 핫존 부품을 조립하고, 챔버의 조립, 원료의 충진, 진공 작업, 다결정원료의 용융을 거쳐, 재차 단결정의 인상을 행한다.

이러한 CZ법에 의한 단결정의 제조는, 생산성의 향상을 도모하고, 비용을 저감시키기 위해, 단결정 성장속도를 고속화하는 것을 하나의 큰 방법으로서 지금까지도 많은 개량이 이루어져 왔다. 그러나, CZ법에 의한 단결정 제조의 조업 사이클은, 단결정의 인상과, 상기와 같은 인상 이외의 많은 공정으로 이루어지기 때문에, 현 상황에서는 인상시간을 이 이상 대폭 단축시키는 것이 곤란하다. 따라서, 단결정의 인상 이외의 공정 소요시간을 단축시키는 것이 조업 효율의 향상, 즉, 단결정 제조장치의 가동율을 향상시켜 생산성을 높이는데 유효할 것으로 보인다.

단결정의 인상공정 이외에는, 단결정을 인상하기 전의 원료다결정의 용융 및 핫존 부품의 냉각시간이 차지하는 비율이 크다. 핫존 부품의 냉각시간은 메인챔버 내를 상압으로 되돌릴 때에, 히터 등의 카본 부재가 공기 중의 산소와 접촉해도 열화되지 않을 정도까지 냉각된 온도가 되는 조건으로 정해져 있다. 현재 주류의 직경 200mm(8인치), 직동부의 길이가 1m인 단결정을 제조하는 경우에도, 이 냉각시간은 자연방냉일 경우 약 8시간에 달해, 인상 이외의 공정 소요시간의 대략 절반 미만을 차지하기에 이르렀다.

핫존 부품의 냉각시간은 단결정 제조장치의 휴지기간이 된다. 그러므로, 이 냉각시간은 결과적으로 단결정 제조장치의 가동율을 현저히 저하시키는 원인이 된다. 단결정의 대경화(大徑化)의 요구는 계속되고 있어, 300mm(12인치) 이상의 대형 단결정의 제조도 많이 실시되고 있다. 이 경우, 핫존 부품의 열용량이 현재의 것보다 현격하게 커지고, 이로 인해 냉각시간도 더욱 길어져, 냉각시간의 연장에 의한 장치의 가동율 저하가 점점 문제시 되고 있었다.

국제공개 WO 01/057293호 팜플렛에서는, 인상된 직후의 단결정을 냉각시키기 위한 냉각통 및 냉각보조부재가 인상된 단결정을 에워싸도록 배치된 것이 개시되어 있지만, 냉각통은 도가니 내에 잔류된 원료융액으로부터 떨어져 있으므로, 단결정 인상 종료 후의 핫존 부품의 냉각시간을 단축시키는 데에는 거의 기여하지 않는다.

또한, 특개평9-235173호 공보에서는, 단결정의 인상 후의 핫존 부품의 냉각방법으로서, 메인챔버 내에 상온 이하의 불활성 가스를 유통시킴에 따라, 핫존 부품의 냉각시간을 단축시켜, 단결정 제조장치의 가동율의 향상을 도모하고 있다.

그러나, 당시의 기술로 제조되는 단결정은, 직경이 약 200mm, 직동부의 길이가 약 70cm 정도였고, 단결정 제조에 필요한 다결정원료는 약 200kg 정도였지만, 현재는, 인상효율이 향상되어, 제조되는 단결정의 직동 길이도 길어졌으며, 필요로 하는 다결정원료는 약 300kg으로, 그 중량이 무거워지고 있다.

상기 서술한 바와 같이, 원료융액으로서 용융하는 다결정원료의 양이 많으면 많을수록, 도가니를 포함하는 핫존 부품은 대형화되고, 그 열용량도 커진다.

따라서, 특개평9-235173호 공보와 같이 상온 이하의 가스를 챔버 내에 유통시키는 방법만으로는, 열용량이 더욱 증가된 핫존 부품을 단시간에 냉각시키기에 충분하다고는 할 수 없으며, 냉각시간을 더욱 단축시키는 것이 요구되고 있다.

본 발명은 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 대구경, 예를 들면, 약 200mm 이상의 단결정을 인상한 후에 메인챔버 내의 핫존 부품을 단시간에 냉각시킬 수 있는 단결정 제조장치 및 단결정의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 적어도, 도가니를 포함하는 핫존 부품을 수용하는 메인챔버와, 상기 도가니에 수용된 원료융액으로부터 인상되는 단결정을 수납하여 꺼내기 위한 풀챔버를 구비하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 제조장치로서, 추가로, 상기 도가니 위에 배치되어 냉각매체가 유통되는 냉각관과, 상기 냉각관을 상하로 이동시키는 이동기구를 구비하고, 상기 단결정의 육성 후, 상기 이동기구에 의해 상기 냉각관이 상기 도가니를 향해 강하됨으로써 상기 핫존 부품을 냉각시키는 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치를 제공한다.

또한, 적어도, 도가니에 투입된 원료를 용융하는 공정과, 상기 원료융액으로부터 단결정을 육성시켜, 풀챔버에 수납하는 공정과, 상기 도가니를 포함하는 메인챔버 내의 핫존 부품을 냉각시키는 공정을 포함하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정의 제조방법으로서, 상기 핫존 부품의 냉각공정은, 상기 도가니 위에 배치된 냉각관에 냉각매체를 유통시키고, 상기 냉각관을 상기 도가니를 향해 강하시켜 상기 핫존 부품을 냉각시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법을 제공한다.

이와 같이 본 발명은, 쵸크랄스키법에 있어서 단결정의 육성 후에 핫존 부품을 냉각시키는 경우, 도가니 위에 배치된 냉각관에 냉각매체를 유통시키고, 상기 냉각관을 도가니를 향해 강하시켜 방치한 후, 복사냉각을 통해 핫존 부품을 냉각함으로써, 지금까지의 냉각방법, 예를 들면, 자연냉각이나, 단결정 냉각용 냉각통에 의한 냉각, 그리고 상온 이하의 가스를 메인챔버 내에 유통시키는 등의 냉각보다 강력하게 핫존 부품을 냉각할 수 있으며, 예를 들면, 약 200mm 이상과 같은 대구경 단결정을 인상한 후의 핫존 부품인 경우에도 냉각시간을 대폭 단축시킬 수 있다. 따라서, 단결정 제조장치의 가동율이 압도적으로 향상되어, 단결정의 생산성이 향상된다.

이 경우, 상기 냉각관은, 이음매가 없는 파이프가 링 형상으로 여러 번 감긴 것이 바람직하고, 또한 상기 냉각관으로서는, 이음매가 없는 파이프가 링 형상으로 여러 번 감긴 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 핫존 부품의 냉각에 사용되는 냉각관을, 이음매가 없는 파이프가 링 형상으로 여러 번 감긴 것으로 함으로써, 냉각매체가 냉각관으로부터 잘 누설되지 않게 되어, 메인챔버 내를 냉각매체로 오염시킬 우려가 감소된다.

또한, 상기 파이프는, 구리 파이프인 것이 바람직하고, 또한 상기 파이프로서 구리 파이프를 사용하는 것이 바람직하다.

이처럼 냉각관을 구성하는 파이프로서 구리 파이프를 사용함으로써, 구리는 열전도율이 양호해지므로, 냉각관과 접하는 메인챔버 내의 분위기를 빠른 속도로 냉각시킬 수 있고, 핫존 부품을 단시간에 냉각시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서, 상기 냉각관은, 상기 풀챔버로 치환 가능한 쿨링챔버에 설치된 것으로 할 수 있으며, 또한, 상기 핫존 부품의 냉각공정에 있어서, 상기 풀챔버로 치환함으로써 상기 냉각관이 설치된 쿨링챔버를 상기 메인챔버 상에 배치하여, 상기 도가니를 향해 상기 냉각관을 강하시킬 수 있다.

이처럼, 냉각관은, 풀챔버로 치환 가능한 쿨링챔버 내에 설치된 것으로, 이 쿨링챔버를 메인챔버 상에 배치하여, 냉각관을 도가니를 향해 강하시킴으로써, 풀챔버와는 별개의 챔버 내에 냉각관이 설치되어 있으므로, 단결정 인상에 방해가 되거나, 단결정을 오염시킬 우려가 없다.

이때, 상기 쿨링챔버는, 냉각가스를 도입하는 가스 도입구를 구비하는 것이 바람직하고, 이에 더해, 상기 핫존 부품의 냉각공정에서, 상기 메인챔버에 냉각가스를 유통시키는 것이 바람직하다.

이와 같이, 풀챔버로 치환 가능한 쿨링챔버에 가스 도입구를 설치하고, 냉각공정에 있어서 냉각관에 의해 냉각한 다음, 냉각가스를 메인챔버 내에 유통시킴으로써, 핫존 부품의 냉각을 더욱 가속시킬 수 있다.

그리고 본 발명은, 또한, 상기 냉각매체를 강제 냉각시키기 위한 열교환기가 부착된 것으로 하는 것이 바람직하고, 또한, 상기 냉각매체를 열교환기에 의해 강제 냉각시키는 것이 바람직하다.

냉각관 내부를 유통하는 냉각매체는, 메인챔버 내를 통과하는 경우, 핫존 부품으로부터 방출되는 열을 흡수하기 때문에, 열교환기에 의해 온열된 냉각매체를 강제 냉각시켜, 냉각매체를 순환시켜도 핫존 부품의 냉각시간을 더욱 단축시킬 수 있으므로, 비용도 저감된다.

또한, 상기 핫존 부품의 냉각공정에 있어서, 상기 냉각관을 상기 도가니의 내부로 넣을 때까지 강하시키는 것이 바람직하다.

이와 같이, 핫존 부품의 냉각시에, 냉각관을 도가니의 내부로 넣을 때까지 강하시킴으로써, 냉각관으로부터의 복사냉각 효과를 최대한으로 발휘할 수 있다.

본 발명의 단결정 제조장치 및 단결정의 제조방법에 따르면, 종래의 냉각방법보다, 강력하게 핫존 부품을 냉각시킬 수 있다. 예를 들면, 약 200mm 이상과 같은 대구경 단결정을 인상한 후의 열용량이 큰 핫존 부품일 경우에도, 냉각에 필요한 시간을 대폭 단축시킬 수 있으므로, 단결정 제조장치의 가동율을 향상시켜, 단결정 제조의 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은, 본 발명에 관한 단결정 제조장치의 제1의 실시형태를 나타내는 개략도로서, (A)는 단결정의 육성시, (B)는 핫존 부품의 냉각 공정시를 나타낸다.
도 2는, CZ법에서 사용되고 있는 일반적인 단결정 제조장치를 나타내는 개략도이다.
도 3은, 실시예, 비교예에 있어서 핫존 부품의 도가니의 온도를 측정한 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는, 본 발명에 관한 단결정 제조장치의 제2의 실시형태를 나타내는 개략도로서, (A)는 단결정의 육성시, (B)는 핫존 부품의 냉각 공정시를 나타낸다.
도 5는, 도 4의 평면도로서, (A) 및 (B)는, 각각 도 4(A) 및 도 4(B)에 대응하는 도면이다.

일 예로써, 육성하는 단결정의 직동부의 길이가 약 1m이고 직경이 약 200mm인 경우, 단결정을 성장시키기 위한 성장시간은 24시간으로 한다. 이러한 단결정의 제조에는, 단결정의 육성 전에 원료다결정을 용융시켜야만 하므로, 이로 인해 소요되는 시간은 약 12시간이 된다. 또한, 단결정을 육성시킨 후에, 메인챔버 내에 설치되어 있는 핫존 부품의 냉각, 핫존 부품의 해체와 청소, 그리고 다음의 단결정 육성을 위한 원료의 충진 등의 공정이 있으며, 합계 약 12시간이 필요하다. 이 중, 핫존 부품을 냉각시키려면 자연방냉에서 약 8시간이 필요하다.

상기 서술한 바와 같이, 단결정의 대구경화, 대중량화에 따라, 용융하는 원료다결정의 양도 증가하였다. 이 때문에, 핫존 부품의 열용량의 증가로 종래의 냉각방법으로는 대응할 수 없었으므로, 냉각시간의 추가 단축이 요구되고 있었다.

본 발명자는, 종래부터 행해 오던 핫존 부품의 냉각방법에 대하여 검토하였다. 통상적으로, 단결정의 육성 후, 적열상태의 핫존 부품(예를 들면, 도가니의 온도일 경우, 약 800℃)은, 자연적으로 약 50℃ 정도로 냉각될 때까지 방치하거나, 성장 중인 단결정을 냉각시키기 위한 냉각통을 단결정의 육성 후에도 석영 도가니의 상부에 배치한 상태로 두거나 하여 핫존 부품의 냉각을 촉진시키고 있었다. 또한, 메인챔버 내에 상온 이하의 가스를 흘리는 등, 대류냉각을 이용한 냉각방법도 있었다. 그러나, 어떠한 방법도 핫존 부품을 극적으로 냉각시키기에는 소극적인 방법들이었다.

이에, 본 발명자는, 자연방냉이나 대류냉각의 방법 이외에 적극적으로 핫존 부품의 냉각을 촉진시키기 위한 방법을 찾기 위하여, 예의 검토를 거듭하였다. 그 결과, 복사냉각수단을 핫존에 설치함으로써, 핫존 부품의 냉각속도를 촉진시킬 수 있다는 것을 발견하여, 냉각수 등의 냉각매체를 냉각관에 유통시키고, 이 냉각관을 핫존 부품이 밀집하는 부분으로 강하시켜, 핫존 부품 주위에 냉각관을 배치함으로써 냉각시키는 방법을 고안하여, 본 발명을 완성시켰다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것은 아니다.

우선, 본 발명의 단결정 제조장치에 대하여 설명한다.

도 1은, 본 발명에 관한 단결정 제조장치의 제1의 실시형태를 나타내는 개략도이고, 도 1(A)는 단결정 육성시, 도 1(B)는 핫존 부품의 냉각시를 나타낸다.

이 단결정 제조장치(10)는 쵸크랄스키법에서 사용된 것으로, 크게 나누어 메인챔버(11)와 풀챔버(12)를 구비하고, 이들 챔버 사이에는 메인챔버(11)의 상단의 개구부를 개폐하기 위한 덮개로 되는 게이트 밸브(18)가 설치되어 있다.

메인챔버(11) 내에는, 도 1(A)과 같이 다결정원료를 용융시킨 원료융액(9)을 수용하는 도가니(13)와, 상기 도가니(13)의 주위에 원료다결정을 용융시켜 상기 원료융액의 온도를 유지하기 위한 히터(15)와, 상기 히터(15)의 주위에 히터로부터 방출되는 열을 차폐하여 메인챔버(11)를 보호하기 위한 단열재(16)를 수납하여 구성되어 있다.

특히, 단결정 성장 중, 히터로부터의 방열에 의해 고온으로 되는 부근을 핫존이라고 하고, 핫존에서 적열상태가 되는 부품을 핫존 부품이라 하며, 이 핫존 부품의 대표적인 예로는, 도가니(13), 히터(15), 그리고 단열재(16)를 들 수 있다.

풀챔버(12)는, 도가니(13)에 수용된 원료융액(9)으로부터 인상된 단결정(6)을 수납하여 꺼내기 위한 챔버이다.

이 풀챔버(12)의 상부에는, 와이어를 구비하는 단결정의 인상기구(19)가 배치되고, 인상기구(19)의 선단에는 종결정 홀더(17)에 의해 종결정(5)을 유지시킬 수 있다.

그리고, 단결정 제조장치(10)는 또한, 도 1(B)와 같이 냉각매체가 유통되는 냉각관(1)이 도가니(13) 위에 배치되고, 냉각관(1)을 상하로 이동시키는 이동기구(3)를 구비한다.

냉각관(1)을 이동기구(3)에 의해 상하 이동을 가능하게 하기 위해서는, 예를 들면, 풀챔버(12)의 밖에서부터 안으로 통하는 관(1a)과 냉각관(1)을 플렉시블 튜브(1b)로 접속시키는 것에 의해, 냉각관을 상하로 이동시킬 수 있다.

한편, 냉각관을 상하로 이동시키는 이동기구(3)는 단결정을 인상하는 인상기구(19)와 그 기능을 겸하게 할 수도 있다.

이러한 단결정 제조장치(10)의 동작은, 단결정의 육성 후에, 인상된 단결정(6)과 냉각관(1)을 바꾸어 부착하여, 냉각관(1)에 냉각매체가 유통되고, 이동기구(3)에 의해 냉각관(1)이 도가니(13)를 향해 강하하여 잔존한 원료융액 위에서 정지하여, 냉각을 개시한다. 물론, 이 냉각관(1)과, 이동기구(3)는, 미리 풀챔버 내에 설치해 놓을 수도 있다.

이처럼, 단결정 제조장치에 추가로 핫존 부품의 냉각수단이 설치되어 있음으로써, 지금까지의 냉각방법, 예를 들면, 자연냉각이나, 단결정 냉각용 냉각통에 의한 냉각, 그리고 상온 이하의 가스를 메인챔버 내에 유통시키는 등의 냉각에 비해, 핫존에 배치된 냉각관의 복사냉각 효과로 인해, 강력하게 핫존 부품을 냉각시킬 수 있고, 예를 들면, 약 200mm 이상과 같은 대구경 단결정을 인상한 후의 핫존 부품일 경우에도, 대폭적으로 냉각시간을 단축시킬 수 있다. 따라서, 단결정 제조장치의 가동율이 압도적으로 향상되어, 단결정의 생산성이 향상된다.

그리고, 상기 단결정장치(10)에 있어서, 냉각관(1)은 이음매가 없는 파이프가 링 형상으로 여러 번 감긴 것이 바람직하다.

핫존 부품의 냉각에 사용하는 냉각관이, 이음매가 없는 파이프가 링 형상으로 여러 번 감긴 것을 이용함으로써, 냉각매체가 냉각관으로부터 잘 누설되지 않으며, 메인챔버 내를 냉각매체로 오염시킬 우려가 감소된다.

또한, 냉각관(1)의 파이프는, 구리 파이프인 것이 바람직하다. 이와 같이, 냉각관의 재질이 구리로 이뤄짐에 따라, 열전도율이 양호한 냉각관이 되어 제열 효과가 상승되므로, 냉각관과 접한 메인챔버 내의 분위기를 재빨리 냉각시킬 수 있다.

한편, 냉각관에 유통시키는 냉각매체에 대해서는, 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 순수 등의 냉각수일 수도 있다. 또한, 이 냉각매체를 강제 냉각시켜 핫존 부품의 냉각을 더욱 촉진시키려면, 단결정 제조장치에 열교환기(도시생략)를 설치하는 것이 바람직하다. 이와 같이 단결정 제조장치에 설치된 열교환기에 의해 냉각관을 통하여 냉각매체를 강제 냉각시킬 수 있다면, 냉각매체를 순환시켜 핫존을 몇번 통과시키는 경우에도, 냉각공정이 행해지는 동안, 냉각효과를 지속시킬 수 있다. 따라서, 냉각수의 전체사용량을 저감시키므로, 비용적으로 유리하다.

또한, 냉각관(1)은, 도 4와 같이 풀챔버(12)로 치환 가능한 쿨링챔버(2)에 설치된 것일 수도 있다.

도 4는, 본 발명에 관한 단결정 제조장치의 제2의 실시형태를 나타내는 개략도이다. 도 4(A)는 단결정의 육성시, 도 4(B)는 핫존 부품의 냉각시를 나타낸다. 또한, 도 5는, 도 4의 평면도이고, 도 5(A) 및 도 5(B)는, 각각 도 4(A) 및 도 4(B)와 대응하고 있다.

본 발명의 제2의 실시형태는, 도 4와 도 5에 나타내는 바와 같이, 단결정 제조장치(10)가 풀챔버(12)와는 별개의 쿨링챔버(2)를 구비하고, 상기 쿨링챔버(2)에 냉각관(1)이 설치된 것이다. 이 풀챔버(12)와 쿨링챔버(2)는, 예를 들면, 유압유닛(8)에 의해 구동되도록 할 수 있다.

이에 따라, 단결정의 육성 후, 게이트 밸브(18)를 닫아 메인챔버(11)를 외부의 공기와 접촉하지 않도록 한 다음, 풀챔버와 쿨링챔버를 교체하여, 게이트 밸브를 열어, 냉각관을 강하시키는 간단한 조작으로 냉각공정을 행할 수 있게 된다.

또한, 풀챔버(12) 내에 냉각관(1)을 설치하지 않기 때문에, 단결정 인상 중에 냉각관이 방해가 될 우려가 없으며, 나아가 육성된 단결정을 오염시킬 우려 또한 없다. 또한, 육성이 끝난 단결정과, 냉각관을 바꾸어 부착하는데 드는 수고 및 시간도 줄어든다.

그리고, 이 쿨링챔버(2)는, 냉각관(1)을 상하로 이동 가능하도록 이동기구(3)가 설치되어 있다. 또한, 냉각가스를 도입하기 위한 가스 도입구(4)가 형성된 것이 바람직하다. 이와 같이, 냉각관(1)을 구비하는 쿨링챔버(2)에 가스 도입구(4)가 형성되어 있음으로써, 냉각관(1)에 의한 핫존 부품의 복사냉각 효과뿐 아니라, 가스 도입구(4)로부터 도입된 냉각가스에 의해, 대류냉각효과도 기대할 수 있다. 이에 따라, 핫존 부품의 냉각을 더욱 가속시킬 수 있다. 한편, 메인챔버의 저부에는 도입된 가스를 배출하기 위한 가스배출구(14)가 설치되어 있다.

다음에, 상기에서 설명한 단결정 제조장치를 이용하여 단결정을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.

우선, 도 1에 나타내는 단결정 제조장치(10)에 있어서, 도가니(13)에 원료다결정을 투입하고, 히터(15)에 의해 원료다결정을 용융시켜 원료융액(9)으로 한다. 여기에는, 원료다결정의 용융량에 의해 행할 때도 있지만, 예를 들면, 직경 약 200mm, 직동부의 길이가 약 1m인 경우에는 약 300kg의 원료다결정을 사용한다.

다음에, 도 1(A)와 같이 용융시킨 원료융액(9)에 종결정(5)을 접촉시켜, 쵸크랄스키법에 의해 단결정(6)을 육성한다. 이 때, 성장 중인 단결정(6)은, 메인챔버(11)로부터 풀챔버(12)에 수용되어 가는 동안, 냉각통(7)에 의해 냉각된다. 그리고 원하는 길이가 된 단결정(6)은, 풀챔버(12)에 완전히 수용되므로, 게이트 밸브(18)를 닫아 메인챔버(11)를 밀폐시킨 다음, 풀챔버(12)로부터 육성된 단결정(6)을 꺼낸다.

이어서, 풀챔버(12) 내에 냉각관(1)을 설치하여, 도가니(13) 상에 배치된 냉각관(1)에 냉각매체를 유통시킨다. 이 때, 냉각관(1)은, 풀챔버(12)의 밖에서부터 안으로 통하는 관(1a)과, 플렉시블 튜브(1b)로 접속되어 있으며, 이동기구(3)에 의해 상하로의 이동이 가능하도록 되어 있다.

그리고, 냉각관(1)을 도가니(13)를 향해 이동기구(3)에 의해 강하시켜, 메인챔버(11) 내의 핫존 부품을 냉각시킨다.

이처럼, 쵸크랄스키법에 있어서 단결정의 육성 후에 핫존 부품을 냉각시키는 경우, 도가니 위에 배치된 냉각관에 냉각매체를 유통시키고, 상기 냉각관을 도가니를 향해 강하시켜 방치한 후, 복사냉각을 통해 핫존 부품을 냉각시킴으로써, 지금까지의 냉각방법, 예를 들면, 자연냉각이나, 단결정 냉각용 냉각통에 의한 냉각, 그리고 상온 이하의 가스를 메인챔버 내에 유통시키는 등의 냉각에 비해, 강력하게 핫존 부품을 냉각시킬 수 있고, 예를 들면, 약 200mm 이상과 같은 대구경 단결정을 인상한 후의 핫존 부품일 경우에도, 냉각시간을 대폭 단축시킬 수 있다. 따라서, 단결정 제조장치의 가동율이 압도적으로 향상되어, 단결정의 생산성이 향상된다.

이때, 냉각관(1)으로서 이음매가 없는 파이프가 링 형상으로 여러 번 감긴 것을 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 핫존 부품의 냉각에 사용하는 냉각관이, 이음매가 없는 파이프가 링 형상으로 여러 번 감긴 것을 사용함으로써, 냉각매체가 냉각관으로부터 잘 누설되지 않으므로, 메인챔버 내를 냉각매체로 오염시킬 우려가 감소된다.

또한, 상기 파이프로서 구리 파이프를 사용함으로써, 냉각관의 열전도율이 양호해져, 제열 효과가 향상되고 냉각관과 접하는 메인챔버 내의 분위기를 효율적으로 복사냉각시킬 수 있으므로, 핫존 부품을 단시간에 냉각시킬 수 있다.

그리고, 이러한 냉각관(1)을 이동기구(3)에 의해 강하시킬 때, 도 1(B)와 같이 냉각관을 도가니(13)의 내부로 넣을 때까지 강하시키는 것이 바람직하다.

또한, 핫존 부품의 냉각을 촉진시키고자 하는 경우에는, 냉각관에 유통하는 냉각매체를 열교환기로 강제 냉각하면서 순환시킴으로써, 냉각매체가 핫존을 몇번 통과해도, 냉각공정이 행해지는 동안, 냉각매체에 의한 냉각효과를 지속할 수 있을 뿐만 아니라, 비용적으로도 유리하다.

여기서, 도 4및 도 5와 같이 풀챔버와 쿨링챔버를 교체한 경우의, 냉각공정에 대하여 설명한다.

냉각관을 풀챔버에 설치하지 않고, 새로운 쿨링챔버에 설치해 놓은 경우, 단결정의 육성 후, 게이트 밸브(18)를 닫아 풀챔버(12)에 수용된 단결정(6)을 꺼낸다. 그리고, 도 5와 같이 유압유닛(8)에 의해 풀챔버(12)를 메인챔버(11)의 위쪽에서부터 분리하여, 풀챔버(12)가 재치되어 있는 위치에 쿨링챔버(2)를 스윙하고, 메인챔버(11) 상에 쿨링챔버(2)를 배치하여 풀챔버로 치환함으로써 냉각관(1)이 도가니(13) 위에 설치된다(도 5 참조).

다음에, 이동기구(3)에 의해 도가니(13)를 향해 냉각관(1)을 강하시킨다.

이와 같이, 쿨링챔버를 메인챔버 상에서 풀챔버로 치환함으로써 냉각관을 도가니 위에 간단히 배치시킬 수 있으며, 또한, 풀챔버(12) 내에 냉각관(1)을 설치하지 않아도 되므로, 단결정 인상 중에 냉각관이 방해될 우려가 없고, 육성된 단결정을 오염시킬 우려 또한 없다.

그리고, 핫존 부품의 냉각을 더욱 촉진시키려면, 풀챔버로 치환 가능한 쿨링챔버에 설치된 가스 도입구(4)로부터 냉각가스를 메인챔버(11) 내에 유통시키는 것이 바람직하다. 이처럼 냉각관에 의한 복사냉각에 더하여, 냉각가스에 의한 대류냉각을 조합시킴으로써, 핫존 부품의 냉각을 더욱 가속시킬 수 있다. 이러한, 복사냉각에 더하여, 냉각가스에 의한 대류냉각하는 것은, 도 1과 같은 쿨링챔버를 갖지 않는 경우에도, 당연히 행할 수 있음은 물론, 그 효과도 발휘할 수 있다.

한편, 가스 도입구(4)로부터 도입된 냉각가스는, 단결정 제조장치의 메인챔버(11)의 저부에 설치된 가스배출구(14)로부터 배출되도록 되어 있다. 또한, 냉각가스의 종류는, 단결정 제조장치 내를 오염시키지 않는 가스이면 특별히 한정되지 않는데, 예를 들면, 단결정의 성장 중에 유통시키는 가스와 동일한 것을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 불활성가스의 아르곤 가스, 또는 질소 가스를 사용할 수 있다. 또한, 도입되는 가스를 실온 이하로 냉각한 것을 사용할 수도 있다.

단결정 육성시에 사용하는 가스와 동일한 가스를 사용함으로써, 냉각가스의 준비에 드는 수고 및 시간, 또는 이를 위한 별도의 장치의 설치를 줄일 수 있다.

또한, 냉각공정에 있어서, 구리의 냉각관(1)이 도가니(13) 중에 잔류된 원료융액(9)에 접촉시켜도, 원료융액은 급속하게 고화되므로, 구리의 냉각관(1)과 반응하는 경우는 없다.

그리고, 핫존 부품의 냉각이 종료되면, 냉각관(1)을 이동기구(3)에 의해 인상, 핫존 부품의 청소, 교환을 행하고, 원료를 도가니에 충진한 후, 원료다결정의 용융공정으로 돌아간다. 냉각공정에서 쿨링챔버를 사용한 경우에는, 풀챔버로 치환하여, 다음 단결정의 육성을 시작한다.

한편, 냉각효과를 더욱 높이기 위해 냉동기와 부동액을 조합하여, 냉각관에 유통하는 냉각매체를 냉각시켜 핫존 부품의 냉각을 촉진시킬 수도 있다.

이하에 본 발명의 실시예를 들어, 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 이들이 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

[실시예 1]

본 발명의 도 1에 나타내는 단결정 제조장치(10)로, 이하와 같이 핫존 부품의 냉각시간을 측정하였다.

이 실시예 1에서 사용한 단결정 제조장치의 도가니는, 직경 200mm의 단결정을 인상하기 위한 직경 약 600mm의 도가니를 사용하였다. 그리고, 이 크기의 석영 도가니를 사용하여, 원료다결정을 12시간에 걸쳐 용융시킨 후, 직경 약 200mm, 직동부의 길이가 약 1m인 단결정을 24시간에 걸쳐 육성하였다. 단결정의 육성 종료 후, 히터를 절전하고, 풀챔버로부터 결정을 꺼낸 다음, 석영 도가니를 지지하는 흑연 도가니의 온도를 측정한 결과, 약 800℃였다.

다음에, 냉각관에 약 20℃의 냉각수를 유통시키고, 도가니에 잔류된 원료융액 바로 위의 겨우 닿지 않을 정도의 위치까지 강하시켜 핫존 부품을 복사냉각시켰다. 이때, 단결정 냉각용 냉각통에 의한 냉각은 계속 행하였다.

핫존 부품을 대표하는 흑연 도가니(13)의 온도를 측정한 결과를 도 3에 나타낸다.

그 결과, 약 4시간 만에 도가니의 온도가 약 50℃가 되어, 핫존 부품의 냉각을 종료할 수 있었다.

[실시예 2]

원료의 용융시간과 용융량, 육성된 단결정의 직경, 직동부의 길이, 육성시간은 실시예 1과 동일한 조건으로 행하였다.

다음에, 냉각관에 약 20℃의 냉각수를 유통시키고, 도가니에 잔류한 원료융액의 바로 위의 겨우 닿지 않을 정도의 위치까지 강하시켜, 가스 도입구로부터 상온의 아르곤 가스를 유통시킴으로써, 냉각관에 의한 복사냉각과 냉각가스에 의한 대류냉각을 조합하여 핫존 부품의 냉각을 행하였다. 단결정 제조장치는, 실시예 1과 동일한 것을 사용하였으며, 단결정 냉각용 냉각통에 의한 냉각은 계속해서 행하였다.

핫존 부품을 대표하는 흑연 도가니(13)의 온도를 측정한 결과는 도 3에 나타낸다.

그 결과, 약 2시간 만에 도가니의 온도가 약 50℃가 되어, 핫존 부품의 냉각을 종료시킬 수 있었다.

[비교예 1]

비교를 위해, 원료의 용융시간과 용융량, 육성된 단결정의 직경, 직동부의 길이, 육성시간은 실시예 1과 동일한 조건으로 행하였다.

그 다음, 냉각관을 사용하지 않고, 냉각가스를 유통시키지 않고, 또한, 단결정 냉각용 냉각통도 냉각을 정지한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 조건으로 핫존 부품의 자연방냉을 행하였다.

핫존 부품을 대표하는 흑연 도가니의 온도를 측정한 결과를 도 3에 나타낸다.

그 결과, 약 8시간 만에 도가니의 온도가 약 50℃가 되어, 핫존 부품의 냉각을 종료하였다.

[비교예 2]

그 다음, 냉각관을 사용하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 핫존 부품의 냉각을 행하였다. 즉, 단결정 냉각용 냉각통에 의한 냉각만으로 하였다.

그 결과, 6시간 만에 도가니의 온도가 약 50℃가 되어, 핫존 부품의 냉각을 종료하였다.

이 실시예 1, 2, 비교예 1, 2의 결과로부터, 지금까지의 전체 조업시간은 단결정의 육성 24시간 + 핫존 부품의 냉각시간(자연방냉) 8시간 + 청소교환, 원료의 충진 4시간 + 원료의 용융 12시간 = 48시간은, 실시예 1의 냉각방법을 채용함으로써, 즉, 냉각관에 의한 복사냉각을 통해, 핫존 부품의 냉각을 4시간으로 단축할 수 있고, 실시예 2의 냉각방법, 즉, 냉각관에 의한 복사냉각과 냉각가스에 의한 대류냉각을 조합함으로써, 핫존 부품의 냉각을 2시간으로 단축할 수 있다. 따라서, 전체 조업시간에 대하여, 8~10% 단축되어 생산비용을 압축시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는 단지 예시일 뿐으로, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고, 동일한 작용 효과를 나타내는 것이면, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 사상에 포함된다.

Claims

적어도, 도가니를 포함하는 핫존 부품을 수용하는 메인챔버와
상기 도가니에 수용된 원료융액으로부터 인상되는 단결정을 수납하여 꺼내기 위한 풀챔버를 구비하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 제조장치로서,
추가로, 상기 도가니 위에 배치되어 냉각매체가 유통되는 냉각관과, 상기 냉각관을 상하로 이동시키는 이동기구를 구비하고,
상기 냉각관은, 상기 풀챔버로 치환 가능한 쿨링챔버에 설치된 것이고,
상기 단결정의 육성 후에, 상기 이동기구에 의해 상기 냉각관이 상기 도가니를 향해 강하함으로써 상기 핫존 부품을 냉각시키는 것임을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
제 1항에 있어서, 상기 냉각관은, 이음매가 없는 파이프가 링 형상으로 여러 번 감겨 있는 것임을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
제 2항에 있어서, 상기 파이프는, 구리 파이프인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
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제 1항에 있어서, 상기 쿨링챔버는, 냉각가스를 도입하는 가스 도입구를 구비하는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
제 2항에 있어서, 상기 쿨링챔버는, 냉각가스를 도입하는 가스 도입구를 구비하는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
제 3항에 있어서, 상기 쿨링챔버는, 냉각가스를 도입하는 가스 도입구를 구비하는 것인 것을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
제 1항 내지 제 3항, 및 제 7항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각매체를 강제 냉각하기 위한 열교환기가 부착된 것임을 특징으로 하는 단결정 제조장치.
적어도, 도가니에 투입된 원료를 용융하는 공정과
상기 용융공정에서 용융된 원료의 융액으로부터 단결정을 육성하여, 풀챔버에 수납하는 공정과
상기 도가니를 포함하는 메인챔버 내의 핫존 부품을 냉각시키는 공정을 포함하는 쵸크랄스키법에 의한 단결정의 제조방법으로서,
상기 핫존 부품의 냉각공정에 있어서, 상기 풀챔버로 치환함으로써 냉각관이 설치된 쿨링챔버를 상기 메인챔버 상에 배치하고,
상기 핫존 부품의 냉각공정은, 상기 도가니 위에 배치된 상기 냉각관에 냉각매체를 유통시키고, 상기 냉각관을 상기 도가니를 향해 강하시켜 상기 핫존 부품을 냉각시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.
제 11항에 있어서, 상기 냉각관으로서 이음매가 없는 파이프가 링 형상으로 여러 번 감긴 것을 사용하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.
제 12항에 있어서, 상기 파이프로서 구리 파이프를 사용하는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.
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제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핫존 부품의 냉각공정에서, 상기 메인챔버에 냉각가스를 유통시키는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.
제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각매체를 열교환기에 의해 강제 냉각시키는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.
제 17항에 있어서, 상기 냉각매체를 열교환기에 의해 강제 냉각시키는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.
제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핫존 부품의 냉각공정에 있어서, 상기 냉각관을 상기 도가니의 내부로 넣을 때까지 강하시키는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.
제 17항에 있어서, 상기 핫존 부품의 냉각공정에 있어서, 상기 냉각관을 상기 도가니의 내부로 넣을 때까지 강하시키는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.
제 18항에 있어서, 상기 핫존 부품의 냉각공정에 있어서, 상기 냉각관을 상기 도가니의 내부로 넣을 때까지 강하시키는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.
제 19항에 있어서, 상기 핫존 부품의 냉각공정에 있어서, 상기 냉각관을 상기 도가니의 내부로 넣을 때까지 강하시키는 것을 특징으로 하는 단결정의 제조방법.