KR101651964B1 - 단결정 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

실시 예에 따른 단결정 성장 장치는 챔버, 상기 챔버 내부에 배치되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니, 상기 도가니와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체, 및 상기 도가니와 이격하며, 상기 발열체를 밀폐하도록 감싸는 발열체 차폐부를 포함한다.

Description

단결정 성장 장치{AN APPARATUS FOR GROWING A SINGLE CRYSTAL}
실시 예는 단결정 성장 장치에 관한 것이다.
단결정 성장 장치는 챔버(chamber) 내에 설치한 석영 도가니에 실리콘 다결정을 충전하고, 석영 도가니 주위에 설치된 히터(heater)에 의하여 석영 도가니를 가열하여 실리콘 다결정을 용해하여 용융액을 만들고, 종자 결정을 용융액에 침지하고, 침지된 종자 결정을 인상하여 실리콘 단결정을 성장시킬 수 있다.
단결정 성장 장치의 히터, 흑연 도가니, 또는 단열재가 고온으로 가열되면, 탄소(C) 가스가 발생할 수 있고, 발생한 탄소 가스가 용융액 내에 혼입하면 성장 중인 단결정의 탄소 농도가 높아질 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 이용하여 발생된 탄소 가스를 단결정 성장 장치의 챔버 외부로 배출시킬 수 있다.
실시 예는 히터의 저항이 변경에 따른 단결정의 품질 변화를 방지할 수 있고, 단열재를 대체할 수 있는 배기부를 구비하는 단결정 성장 장치를 제공한다.
실시 예에 따른 단결정 성장 장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체; 및 상기 도가니와 이격하며, 상기 발열체를 밀폐하도록 감싸는 발열체 차폐부를 포함한다.
상기 발열체 차폐부는 상기 발열체를 감싸는 빈 공간인 차폐관을 포함하며, 상기 차폐관의 일단은 은 밀폐된 구조일 수 있다.
상기 발열체는 상기 차폐관의 측벽 및 밀폐된 일단으로부터 이격할 수 있다.
상기 발열체 차폐부는 흑연(graphite)으로 이루어질 수 있다.
상기 단결정 성장 장치는 상기 도가니 아래에 배치되며, 상기 발열체와 상기 발열체 차폐부를 지지하는 하부 지지부를 더 포함할 수 있다.
상기 단결정 성장 장치는 상기 발열체 차폐부의 외주면 상에 코팅되고, 상기 발열체 차폐부가 탄소와 반응하는 것을 차단하는 보호 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 보호 부재는 탄화규소(SiC) 또는 PC(polycarbonate)으로 이루어질 수 있다.
다른 실시 예에 따른 단결정 성장 장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체; 및 상기 발열체와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 챔버 내부로 유입되는 캐리어(carrier) 가스를 상기 챔버 외부로 방출시키는 배기부를 포함하며, 상기 배기부는 서로 다른 직경을 갖는 3개 이상의 배기통들을 포함하며, 인접하는 2개의 배기통들 중 어느 하나의 외주면은 나머지 다른 하나의 내주면과 서로 마주보도록 이격하여 위치하며, 상기 배기통들 사이에는 상기 캐리어 가스가 흐르는 틈새들이 마련된다.
상기 배기통들 각각은 상단 또는 하단에 적어도 하나의 개구부를 가지며, 상기 개구부를 통하여 인접하는 틈새들 간에 상기 캐리어 가스가 흐를 수 있다.
상기 배기통의 상단 또는 하단에 교번하도록 상기 개구부가 위치할 수 있다.
상기 배기부는 상기 배기통들 상에 배치되고, 상기 배기통들의 상단들과 접하는 제1 냉각 억제부를 더 포함할 수 있고, 상기 제1 냉각 억제부는 속이 빈 제1 관을 포함하며, 상기 제1 관 내부에는 공기가 채워질 수 있다.
상기 배기부는 상기 배기통들 아래에 배치되고, 상기 배기통들의 하단들과 접하는 제2 냉각 억제부를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 냉각 억제부는 속이 빈 제2 관을 포함하며, 상기 제2 관 내부에는 공기가 채워질 수 있다.
상기 단결정 성장 장치는 상기 도가니와 이격하며, 상기 발열체를 밀폐하도록 감싸는 발열체 차폐부를 더 포함할 수 있다.
상기 발열체 차폐부와 상기 배기부 사이의 틈새의 거리는 인접하는 배기통들 사이의 틈새들 각각의 거리보다 클 수 있다.
인접하는 배기통들 사이의 틈새들의 거리는 상기 발열체 차폐부로부터 멀리 위치할수록 작아질 수 있다.
실시 예는 히터의 저항이 변경에 따른 단결정의 품질 변화를 방지할 수 있고, 단열 효과를 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 성장 장치의 단면도를 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 발열체 차폐부의 AB 방향의 단면 사시도를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 배기부의 분리 사시도를 나타낸다.
도 4는 도 3에 도시된 배기부의 결합 사시도를 나타낸다.
도 5는 일반적인 단결정 성장 장치의 발열체의 사용 시간에 따른 발열체의 변화를 나타낸다.
도 6은 발열체 차폐부와 배기부 사이의 틈새 및 배기통들 간의 틈새들을 나타낸다.
도 7은 도 6에 도시된 틈새들을 흐르는 유속의 변화를 나타낸다.
도 8은 다른 실시 예에 따른 단결정 성장 장치의 단면도를 나타낸다.
도 9는 또 다른 실시 예에 따른 단결정 성장 장치의 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.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 성장 장치(100)의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 단결정 성장 장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 도가니 지지부(130), 발열체(140), 발열체 차폐부(150), 열차페제(155), 하측 지지부(160), 하부 단열재(165), 배기부(170), 열차폐제 지지부(180), 인상 수단(190), 및 챔버 내벽 보호부(199)를 포함할 수 있다.
챔버(110)는 단결정 성장이 이루어지는 공간일 수 있다.
도가니(120)는 몸체 챔버(111) 내부에 배치될 수 있고, 원료 물질, 예컨대, 다결정 실리콘을 수용할 수 있으며, 석영으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도가니 지지부(130)는 도가니(120) 하부에 위치하고, 도가니(120)를 지지할 수 있고, 도가니(120)를 회전시킬 수 있으며, 도가니(120)를 상하 운동시킬 수 있다. 도가니 지지부(130)는 흑연으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발열체(140)는 도가니(120)의 외주면과 이격되도록 챔버(110) 내에 배치될 수 있으며, 도가니(120)를 가열할 수 있다.
발열체(140)에 의하여 발생하는 열에 의하여 도가니(120)가 가열되고, 도가니(120)의 온도가 올라갈 수 있다. 그리고 도가니(120)의 온도가 올라감에 따라 도가니(110) 내에 수용된 다결정 덩어리인 원료 물질은 용융액(M)이 될 수 있다.
발열체(140)는 전기 공급을 위한 링 형상의 콘택부(142), 및 일단이 콘택부(142)와 연결되고 도가니(120) 주위를 감싸는 몸체(144)를 포함할 수 있다.
발열체(140)의 콘택부(142)는 전기 전도도가 높은 도전성 물질, 예컨대, 구리(Cu)로 이루어질 수 있으며, 후술하는 하측 지지부(160)와 결합 또는 체결될 수 있다.
발열체(140)의 몸체(220)는 복수의 연결되는 발열 봉들 또는 발열 슬릿들을 포함할 수 있으며, 연결되는 발열 봉들의 전체적인 형상은 원통 형상일 수 있다. 발열체(140)의 몸체(144)는 콘택부(142)에 의하여 제공되는 전기에 의하여 열을 발생할 수 있는 저항체일 수 있다. 예컨대, 발열체(140)의 몸체(144)는 흑연제(graphite)의 저항체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발열체 차폐부(150)는 도가니(120)의 주위에 도가니(120)와 이격하여 배치된다. 발열체 차폐부(150)는 발열체(140)를 밀폐시키도록 발열체(140)를 감싼다.
도 2는 도 1에 도시된 발열체 차폐부(150)의 AB 방향의 단면 사시도를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 발열체 차폐부(150)는 중공(151)을 가질 수 있으며, 중공(151) 내에 도가니(120)가 배치될 수 있다.
발열체 차폐부(150)는 발열체(140)를 감싸는 구조이기 때문에, 발열체 차폐부(150)의 형상은 발열체(140)의 형상에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 발열체 차페부(150)는 중공(151)을 갖는 원통 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수평 방향의 단면이 타원형, 또는 다각형 형상일 수도 있다.
발열체 차폐부(150)는 상부와 하부가 개방된 구조일 수 있고, 수평 방향의 단면이 링(ring) 형상일 수 있다.
발열체 차폐부(150)는 내주면(151a)과 외주면(150b) 사이에 발열체(140)를 감싸는 빈 공간인 차폐관(153)을 포함할 수 있다.
차폐관(153)의 일단 및 타단은 밀폐된 구조일 수 있다. 또는 차폐관(153)의 일단은 밀폐된 구조이고, 차폐관(153)의 타단은 하측 지지부(160)와 결합하며, 밀폐된 또는 닫힌 구조일 수 있다.
예컨대, 발열체 차폐부(150)의 차폐관(153)의 상단은 밀폐된 구조이고, 차폐관(153)의 하단은 하측 지지부(160)와 결합되고, 하측 지지부(160)에 의하여 밀폐되거나 또는 닫힐 수 있다.
발열체(140)는 발열체 차폐부(150)의 차폐관(153)의 측벽, 및 밀폐된 상단으로부터 이격할 수 있다. 예컨대, 발열체(140)의 몸체(142)는 차폐관(153)의 제1 측벽(153a), 및 제2 측벽(153b)으로부터 이격할 수 있으며, 발열체(140)의 몸체(142) 상단은 차폐관(153)의 밀폐된 상단과 이격할 수 있다.
차폐관(153)의 제1 측벽(153a)과 제2 측벽(153b)은 서로 마주볼 수 있고, 차폐관(153)의 제1 측벽(153a)이 제2 측벽(153b)에 비하여 도가니(120)로부터 더 인접하여 위치할 수 있다.
차폐관(153)의 제1 측벽(153a)과 발열체(140) 간의 제1 이격 거리(d1)는 차폐관(153)의 제2 측벽(153b)과 발열체(140) 간의 제2 이격 거리(d2)와 동일할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 실시 예에서는 차폐관(153)의 제1 측벽(153a)과 발열체(140) 간의 제1 이격 거리(d1)는 차폐관(153)의 제2 측벽(153b)과 발열체(140) 간의 제2 이격 거리(d2)가 서로 다를 수 있다.
제1 이격 거리(d1)와 제2 이격 거리(d2)에 따라 발열체(140)로부터 도가니(120)로 향하는 방향으로 전달되는 열의 세기와 그 반대 방향으로 전달되는 열의 세기가 결정될 수 있다. 즉 이격 거리가 짧을수록 전달되는 열의 세기가 강할 수 있다.
발열체 차폐부(150)의 차폐관(153)은 공기(air)로 채워질 수 있다.
발열체 차폐부(150)는 흑연(graphite)으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발열체 차폐부(150)의 내벽이 열을 발생하는 발열체(140)의 몸체(144)로부터 이격하기 때문에 발열체(140)로부터 발생하는 열은 발열체 차폐부(150) 내의 공기를 통하여 발열체 차폐부(150)로 전달될 수 있다.
하측 지지부(160)는 발열체(140), 및 발열체 차폐부(150) 아래에 배치되며, 발열체(140) 및 발열체 차폐부(150)를 지지한다.
예컨대, 하측 지지부(160)는 발열체(140)의 일단(150d, 도 2 참조), 및 발열체 차폐부(150)의 일단을 지지할 수 있고, 결합할 수 있다.
열차폐제(155)는 도가니(120) 상부에 배치되며, 도가니 내에 위치하는 용융액(M)으로부터 성장하는 단결정(I)으로 복사되는 열을 차단하고, 발열체(140)로부터 발생하는 불순물(예컨대, CO gas)이 성장하는 단결정(I)으로 침투하는 것을 방지할 수 있다.
하부 단열재(165)는 하측 지지부(160) 아래에 배치되며, 발열체(140)의 열이 챔버(110)의 하측으로 누출되는 것을 차단할 수 있다.
배기부(170)는 발열체 차폐부(150)와 챔버(110)의 내벽 사이에 배치되며, 가스 유입구(105)를 통하여 챔버(110) 내부로 유입되는 캐리어(carrier) 가스를 챔버(110) 밖으로 방출시킨다. 여기서 캐리어 가스는 아르곤 등의 불활성 가스일 수 있다.
배기부(170)는 3개 이상의 서로 이격하는 측벽들을 포함한다. 측벽들 각각은 상단 또는 하단에 적어도 하나의 개구부 또는 홈부가 마련될 수 있다. 인접하는 2개의 측벽들 중 어느 하나의 상단, 및 나머지 다른 하나의 하단에는 개구부 또는 홈부가 마련될 수 있다.
인접하는 측벽들 사이에는 캐리어 가스가 흐르는 틈새가 마련될 수 있다. 즉 측벽에 의하여 2개 이상의 틈새들이 마련될 수 있고, 측벽들 각각에 마련되는 개구부 또는 홈부는 틈새들을 연결하는 통로가 될 수 있다.
인접하는 2개의 측벽들에 마련되는 개구부 또는 홈부의 위치를 교번하여 상단과 하단에 배치시키는 것은 캐리어 가스 이동 경로를 길게 하기 위함이다.
도 3은 도 1에 도시된 배기부(170)의 분리 사시도를 나타내고, 도 4는 도 3에 도시된 배기부(170)의 결합 사시도를 나타낸다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 배기부(170)는 서로 다른 직경을 갖는 3개 이상의 배기통들(210a, 210b, 210c), 및 3개 이상의 배기통들(210a, 210b,210c) 상단과 접하는 냉각 억제부(215)를 포함할 수 있다.
3개 이상의 배기통들(210a, 210b,210c) 각각은 상부 및 하부가 개방된 원통일 수 있으나, 그 형상이 원통에 한정되는 것은 아니며, 다양한 형상으로 구현 가능한다.
3개 이상의 배기통들(210a, 210b,210c) 각각의 직경은 서로 다르다. 예컨대, 도가니(120)로부터 멀리 위치할수록 직경이 증가할 수 있다.
예컨대, 도가니(120)에서 가장 가까이 위치하는 제1 배기통(210a)의 직경(R1)이 가장 작고, 도가니(120)에서 가장 멀리 위치하는 제3 배기통(210c)의 직경(R3)이 가장 크고, 제1 배기통(210a)과 제3 배기통(210c) 사이에 위치하는 제2 배기통(210b)의 직경(R2)은 제1 배기통(210a)의 직경(R1)과 제3 배기통(210c)의 직경(R3) 사이의 값일 수 있다.
인접하는 2개의 배기통들(210a, 210b,210c) 중 어느 하나의 외주면은 나머지 다른 하나의 내주면과 서로 마주볼 수 있으며, 서로 이격하여 위치할 수 있다.
3개 이상의 배기통들(210a,210b,210c) 각각은 상단 또는 하단에 마련되는 개구부(211, 212, 또는 213)를 가질 수 있다. 각 개구부(예컨대, 211)는 이와 대응하는 배기통(예컨대, 210a)을 관통할 수 있으며, 배기통(예컨대, 210a)의 내측과 외측을 연결하는 통로 역할을 할 수 있다.
배기통들(210a,210b,210c) 각각의 상단 또는 하단에 마련되는 개구부의 수는 복수 개일 수 있으며, 복수의 개구부들은 서로 이격하여 위치할 수 있다.
인접하는 2개의 배기통들(예컨대, 210a와 210b, 210b와 210c) 중 어느 하나의 상단, 및 인접하는 2개의 배기통들(예컨대, 210a와 210b, 210b와 210c) 중 나머지 다른 하나의 하단에 개구부가 마련될 수 있다.
배기통들(210a,210b,210c)의 상단 또는 하단에 교번하여 개구부가 위치할 수 있다.
도 3에서는 개구부(211,212,213)가 배기통들(210a,210b,210c) 각각의 하단 또는 상단과 접하는 구조이지만, 다른 실시 예에서 개구부는 배기통들 각각의 하단 또는 상단과 이격하는 구조일 수 있다.
3개 이상의 배기통들(210a,210b,210c) 각각의 상단은 냉각 억제부(215)의 하면(219)에 접할 수 있으며, 배기부(170)의 상단은 냉각 억제부(215)의 하면(219)에 의하여 닫히거나, 또는 밀폐될 수 있다.
예컨대, 서로 이격하는 3개 이상의 배기통들(210a,210b,210c) 각각의 상단들은 냉각 억제부(215)의 하면(219)과 밀착될 수 있다. 제1 배기통(210a)의 상단과 제3 배기통(210c)의 상단에는 개구부가 마련되지 않기 때문에, 배기부(170)의 상측은 냉각 억제부(215)의 하면(219)에 의하여 밀폐될 수 있다.
반면에 제1 배기통(210a)의 하단과 제3 배기통(210c)의 하단 각각에는 개구부(211,또는 213)가 마련되기 때문에, 배기부(170)의 하측은 개구부(211,213)를 제외하고 밀폐될 수 있다.
냉각 억제부(215)는 속이 빈 원형의 관을 포함할 수 있으며, 관 내부에는 공기(air)가 채워질 수 있다. 냉각 억제부(215)의 형상은 배기부(170)의 형상에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 냉각 억제부(215)은 링(ring) 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
냉각 억제부(215)는 3개 이상의 배기통들(210a,210b,210c) 상에 배치되며, 배기통들(210a,210b,210c)의 상단들과 접할 수 있다. 냉각 억제부(215)의 하면(219)은 도가니(120)의 상부에 위치할 수 있다.
냉각 억제부(215)에는 열전도도가 일반 단열재보다 낮은 공기(air)가 채워지기 때문에 열 전도에 의한 열 손실을 낮출 수 있고, 틈새들(183b,183c,183d, 도 6 참조)의 상측 영역을 흐르는 캐리어 가스가 1000℃ 미만으로 냉각되는 것을 억제할 수 있고, 이로 인하여 캐리어 가스에 의하여 운반되는 탄소 산화물의 증착을 방지할 수 있다.
열차폐제 지지부(180)는 발열체 차페부(150) 및 배기부(170) 상부에 배치되며, 열차페제(155)를 지지한다.
열차폐제 지지부(180)는 발열체 차폐부(150)와 배기부(170) 상에 배치되는 외측 지지부(182), 및 발열체 차폐부(15)) 상에 배치되는 내측 지지부(184)를 포함한다.
외측 지지부(182)는 배기부(170)에 의하여 지지될 수 있으며, 링 형상일 수 있다. 외측 지지부(182)의 하면은 배기부(170)의 냉각 억제부(215)의 상면(218)과 접할 수 있다.
도 6은 발열체 차폐부(150)와 배기부(170) 사이의 틈새(183a) 및 배기통들(210a,210b,210c) 간의 틈새들(183b,183c,183d)을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 외측 지지부(182)의 하면은 발열체 차폐부(150)의 상단(150c, 도 2 참조)과 이격할 수 있으며, 양자 사이에는 가스가 흐를 수 있는 제1 틈새(183a)가 마련될 수 있다.
발열체 차폐부(150)의 측벽(153b)과 배기부(170)의 제1 배기통(210a) 사이에는 제2 틈새(183b)가 마련될 수 있다. 또한 배기부(170)의 제1 배기통(210a)과 제2 배기통(210b) 사이에는 제3 틈새(183c)가 마련될 수 있고, 배기부(170)의 제2 배기통(210b)과 제3 배기통(210c) 사이에는 제4 틈새(183d)가 마련될 수 있다
도가니(120)가 위치하는 발열체 차폐부(150) 내측 공간에 존재하는 캐리어 가스는 틈새(183a)를 통하여 틈새(183b)로 흐를 수 있다. 틈새(183b)에 흐르는 캐리어 가스는 제1 배기통(210a)의 하단에 마련되는 제1 개구부(211)를 통하여 틈새(183c)로 흐를 수 있다.
틈새(183c)에 흐르는 캐리어 가스는 제2 배기통(210b)의 상단에 마련되는 제2 개구부(212)를 통하여 틈새(183d)로 흐를 수 있다.
그리고 틈새(183d)에 흐르는 캐리어 가스는 제3 개구부(213)를 통하여 유출될 수 있고, 제3 개구부(213)를 통하여 유출된 캐리어 가스는 챔버(110) 하단에 마련되는 가스 배기구(171)를 통하여 챔버(110) 밖으로 배출될 수 있다.
배기부(170)는 발열체 차폐부(150)와 챔버(110)의 내벽 사이에 위치하고, 적어도 3개의 틈새들(183b,183c,183d)을 경유하여 고온의 캐리어 가스가 흐르기 때문에, 배기부(170)는 챔버(110) 내부의 열이 챔버(110) 밖으로 빠져나가는 것을 억제하는 단열재 역할을 할 수 있다. 배기부(170)가 단열재 역할을 할 수 있기 때문에, 실시 예는 챔버 측벽에 인접하는 별도의 단열재가 필요하지 않다.
배기부(170)가 단열재 역할을 하기 위해서는 틈새들(183b,183c,183d) 내에 흐르는 캐리어 가스의 온도가 1000℃ 이상으로 유지되어야 한다.
또한 캐리어 가스의 온도가 1000℃ 미만으로 떨어질 경우, 캐리어 가스에 포함된 탄소 산화물이 발열체 차폐부(150) 또는 배기부(170)에 증착될 수 있다. 그리고 증착된 탄소 산화물로부터 제공되는 탄소는 도가니 내의 용융액으로 유입될 수 있고, 이로 인하여 성장되는 단결정 내의 산소 석출량, 예컨대, 격자 간 산소 농도([Oi])의 변동을 가져 올 수 있다.
틈새들(183b,183c,183d)을 흐르는 캐리어 가스의 온도를 1000℃ 이상으로 유지하고, 캐리어 가스에 포함된 산화물이 발열체 차폐부(150) 또는 배기부(170)에 증착되는 것을 방지하기 위하여 제1 방향으로 갈수록 틈새들(183b,183c,183d)의 거리가 작아질 수 있다. 제1 방향은 발열체 차폐부(150)로부터 배기부(170)로 향하는 방향일 수 있다.
예컨대, 발열체 차폐부(150)부터 멀리 위치할수록 틈새들(183b,183c,183d)의 거리(a, b, c)는 작아질 수 있다.
예컨대, 제1 틈새(183b)의 거리(a)가 가장 크고, 제3 틈새(183d)의 거리(c)가 가장 작고, 제2 틈새(183c)의 거리(b)는 a와 c 사이의 값일 수 있다.
발열체 차폐부(150)부터 멀리 위치할수록 틈새들(183b,183c,183d)의 거리(a, b, c)는 작아지기 때문에, 틈새들(183b, 183c,183d)에 흐르는 캐리어 가스의 유속은 발열체 차폐부(150)부터 가까이 위치할수록 느릴 수 있다.
틈새(183b)에 흐르는 캐리어 가스의 유속이 가장 느리기 때문에, 발열체 차폐부(150)로부터 방출되는 복사열을 캐리어 가스가 충분히 받을 수 있고, 이로 인하여 틈새(183b)에 흐르는 캐리어 가스의 온도는 1000℃ 이상으로 유지될 수 있다.
반면에 발열체 차폐부(150)부터 멀어질수록 캐리어 가스의 유속이 빨라지기 때문에 틈새들(183c,183d)을 흐르는 캐리어 가스의 온도가 1000℃ 미만으로 떨어지기 이전에 신속하게 캐리어 가스를 챔버(110) 외부로 배출할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 틈새들(183b,183c,183d)을 흐르는 유속의 변화를 나타낸다. 도 7의 x축(Axial length)은 틈새들(183b,183c,183d)을 연결하는 총 경로를 백분율로 나타낸다. 즉 0%는 제1 틈새(183b)의 시작 위치를 나타내고, 100%는 제3 틈새(183d)의 종단 위치를 나타낸다. y축의 틈새들을 흐르는 캐리어 가스의 유속 변화를 나타낸다.
도 7에 도시된 g1, g2, 및 g3의 제1 틈새의 거리는 모두 동일하다. 또한 g3의 제2 틈새의 거리는 g1의 제2 틈새의 거리보다 작고, g2의 제2 틈새의 거리는 g1의 제2 틈새의 거리보다 클 수 있다. 또한 g3의 제3 틈새의 거리는 g1의 제3 틈새의 거리보다 작고, g2의 제3 틈새의 거리는 g1의 제3 틈새의 거리보다 클 수 있다.
제1 내지 제3 틈새들의 거리가 제1 방향으로 진행할수록 감소하기 때문에, 캐리어 가스의 유속은 증가하는 것을 알 수 있다. g3는 배기부(170)가 견딜 수 있는 캐리어 가스 유속의 상한치를 나타내며, g2는 캐리어 가스의 온도가 1000℃ 미만으로 떨어지지 않을 캐리어 가스 유속의 하한치를 나타낸다.
예컨대, 제1 틈새(183b)의 거리(a),제2 틈새(183c)의 거리, 및 제3 틈새(183d)의 거리의 비율은 45%:30%:25%일 수 있다.
내측 지지부(184)는 외측 지지부(182)에 의하여 지지될 수 있다. 예컨대, 내측 지지부(184)는 외측 지지부(182) 상에 배치될 수 있으며, 링 형상일 수 있다.
내측 지지부(184)의 일단은 열차폐제(155)와 연결될 수 있고, 열차폐제(155)를 직접 지지할 수 있다.
인상 수단(190)은 종자 결정(101)이 장착된 시드 척(seed chuck, 102)을 고정하는 고정부(192), 및 종자 결정(101)이 장착된 시드 척(102)을 상승 또는 하강시키는 인상부(194)를 포함할 수 있다.
고정부(192)는 케이블 타입(cable type) 또는 샤프트(shaft type)일 수 있다. 인상부(194)는 모터 등을 이용하여 고정부(192)를 상승 또는 하강시킬 수 있으며, 일정 방향으로 고정부(192)를 회전시킬 수 있다. 즉 인상 수단(190)은 성장하는 단결정(I)을 회전시킬 수 있다.
산소와 결합한 실리콘 산화물의 배출을 돕고, 단열재(165)를 보호하기 위하여 캐리어 가스(예컨대, Ar 가스)가 도가니 가열 초기부터 단결정(I)을 냉각시킬 때까지 가스 유입구(105)를 통하여 챔버(110) 내부로 계속 공급될 수 있다.
챔버 내벽 보호부(199)는 챔버(110)의 내벽과 배기부(170) 사이에 배치되며, 챔버 내벽이 고온에 노출되지 않도록 챔버 내벽을 보호한다. 또한 챔버 내벽 보호부(199)는 외측 지지부(182)를 지지할 수 있다.
흑연으로 이루어지는 발열체(140)에 포함되는 탄소는 고온 및 고진공의 분위기에서 산소(O2), 수소(H2), 이산화탄소(CO2) 또는 수증기(H2O)와 반응하여 가스화되기 용이할 수 있다. 특히 발열체(140)의 산화 반응은 발열 반응으로 열화학적으로 반응이 일어나기 쉬울 수 있다.
도 5는 일반적인 단결정 성장 장치의 발열체의 사용 시간에 따른 발열체의 변화를 나타낸다. 도 5a는 사용 초기의 발열체(420)의 상태를 나타내고, 도 5b는 장시간 사용된 발열체(420a)의 상태를 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 도가니(410) 내에 수용된 용융액의 상면으로부터 제공되는 산소는 인접하는 발열체(420)의 일 부분과 반응하고, 반응 가스(예컨대, CO2)는 챔버 내로 제공되는 불활성 기체와 함께 챔버 밖으로 배출될 수 있다. 특히 도가니(410)의 상단을 지나는 수평선(401)과 만나는 발열체 부분에서 반응이 많이 일어날 수 있다.
도 5b를 참조하면, 발열체(420)의 사용 횟수 또는 사용 시간이 증가함에 따라 산소와 반응하는 발열체(420)의 일 부분(412)의 두께는 얇아질 수 있다. 그리고 두께가 얇아진 발열체(420a)의 일 부분(412)은 발열체(420a)의 나머지 부분보다 전기 저항성이 상대적으로 높아질 수 있고, 이로 인하여 발열체(420a)의 최고 발열 영역이 도 5a의 A에서 도 5b의 A'로 상향 이동할 수 있다. 또한 전기 저항성이 높아진 부분에서 대부분이 발열이 이루어지기 때문에, 도 5b의 발열체(420a)의 발열 범위는 도 5a의 발열체(420)dml 발열 범위보다 좁아질 수 있다.
이와 같이 발열체(420a)의 최고 발열 영역이 상향 이동하게 되면, 도가니(410a) 내의 용융액의 온도 구배에 영향을 미치게 되고, 이로 인하여 성장하는 단결정의 산소 농도가 감소하여, 성장하는 단결정의 품질 변화를 유발할 수 있습니다.
도가니(120)로부터 산소가 발열체(140)에 제공되는 것을 차단하기 위하여 여발열체 차폐부(150)로 발열체(140)를 밀폐함으로써, 실시 예는 발열체(140)의 저항이 변화하는 것을 미연에 방지하여 성장하는 단결정의 산소 함량 변화를 방지할 수 있다.
또한 발열체(140)의 열은 발열체 차폐부(150)를 통하여 간접적으로 도가니(120)에 전달되기 때문에 발열체(140)의 전기 저항성의 변화가 있더라도 그 변화에 의하여 도가니(120)가 받는 영향을 완화할 수 있고, 이로 인하여 단결정의 산소 함량 변화량의 완화할 수 있다.
캐리어 가스의 흐름은 제1 틈새(183b), 제2 틈새(183c), 및 제3 틈새(183d)를 통하여 하방, 상방, 및 하방으로 방향 변화를 가짐으로써, 캐리어 가스의 이동 경로가 증가하고, 캐리어 가스의 온도가 1000℃ 이상으로 고온이기 때문에, 실시 예는 손실되는 열 에너지의 최소화할 수 있다.
도 8은 다른 실시 예에 따른 단결정 성장 장치(200)의 단면도를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 단결정 성장 장치(200)는 도 1에 도시된 실시 예(100)에 변형 예로서, 도 1의 실시 예(100)에 냉각 억제부(216)를 더 포함할 수 있다.
냉각 억제부(216)는 배기통들(210a,210b,210c)의 하단들과 하측 지지부(160) 사이에 배치되며, 속이 빈 원형의 관을 포함할 수 있고, 관 내부에는 공기(air)가 채워질 수 있다.
냉각 억제부(216)의 형상은 배기부(170)의 형상에 따라 결정될 수 있다. 예컨대, 냉각 억제부(216)은 링(ring) 형상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
냉각 억제부(216)는 3개 이상의 배기통들(210a,210b,210c) 아래에 배치될 수 있고, 배기통들(210a,210b,210c)의 하단들과 접할 수 있다.
냉각 억제부(216)에는 열전도도가 일반 단열재보다 낮은 공기(air)가 채워지기 때문에 열 전도에 의한 열 손실을 낮출 수 있고, 틈새들(183b,183c,183d, 도 6 참조)의 하측 영역을 흐르는 캐리어 가스가 1000℃ 미만으로 냉각되는 것을 억제할 수 있고, 이로 인하여 캐리어 가스에 의하여 운반되는 탄소 산화물의 증착을 방지할 수 있다.
도 9는 또 다른 실시 예에 따른 단결정 성장 장치(300)의 단면도를 나타낸다. 도 1과 동일한 도면 부호는 동일한 구성을 나타내며, 동일한 구성에 대해서는 설명을 간략하게 하거나 생략한다.
도 9를 참조하면, 단결정 성장 장치(300)는 도 1에 도시된 실시 예(100)에 보호 부재(310)를 더 포함한다.
보호 부재(310)는 발열체 차폐부(150)의 외주면을 감싸도록 발열체 차폐부(150) 상에 배치된다. 예컨대, 보호 부재(310)는 발열체 차폐부(150)의 외주면에 코팅될 수 있다.
보호 부재(310)는 탄소와 반응성이 낮은 열 반사 부재로 이루어질 수 있다. 예컨대, 보호 부재(310)는 탄화규소(SiC) 또는 열경화성 플라스틱, 예컨대, PC(polycarbonate)으로 이루어질 수 있다.
예컨대, 발열체 차폐부(150)의 외주면에 SiC 코팅 또는 PC 코팅을 함으로써 보호 부재(310)를 형성할 수 있다.
SiC 코팅막 또는 PC 코팅막은 탄소와 반응성이 낮기 때문에, 발열체 차폐부(150)가 탄소와 반응하는 것을 방지할 수 있다. 특히 PC 코팅막은 열 반사율이 높아서 틈새들(183b,183c,183d)을 흐르는 캐리어 가스를 1000℃ 이상으로 용이하게 유지시키기 위한 전력을 감소시킬 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.
110: 챔버 120: 도가니
130: 도가니 지지부 140: 발열체
150: 발열체 차폐부 155: 열차페제
160: 하측 지지부 165: 하부 단열재
170: 배기부 180: 열차폐제 지지부
190: 인상 수단 199: 챔버 내벽 보호부
210a,210b,210c: 배기통 215,216: 냉각 억제부
310: 보호 부재.

Claims (15)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체;
    상기 도가니와 이격하며, 상기 발열체를 밀폐하도록 감싸는 발열체 차폐부; 및
    상기 발열체 차폐부의 외주면 상에 배치되고, 상기 발열체 차폐부가 탄소와 반응하는 것을 차단하는 보호 부재를 포함하는 단결정 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 발열체 차폐부는,
    상기 발열체를 감싸는 빈 공간인 차폐관을 포함하며, 상기 차폐관의 일단은 은 밀폐된 구조인 단결정 성장 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발열체는 상기 차폐관의 측벽 및 밀폐된 일단으로부터 이격하는 단결정 성장 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 발열체 차폐부는 흑연(graphite)으로 이루어지는 단결정 성장 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도가니 아래에 배치되며, 상기 발열체와 상기 발열체 차폐부를 지지하는 하부 지지부를 더 포함하는 단결정 성장 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 발열체 차폐부의 차폐관은 공기(air)로 채워지는 단결정 성장 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보호 부재는 탄화규소(SiC) 또는 PC(polycarbonate)으로 이루어지는 단결정 성장 장치.
  8. 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체; 및
    상기 발열체와 상기 챔버의 측벽 사이에 배치되고, 상기 챔버 내부로 유입되는 캐리어(carrier) 가스를 상기 챔버 외부로 방출시키는 배기부를 포함하며,
    상기 배기부는,
    서로 다른 직경을 갖는 3개 이상의 배기통들을 포함하며,
    인접하는 2개의 배기통들 중 어느 하나의 외주면은 나머지 다른 하나의 내주면과 서로 마주보도록 이격하여 위치하며, 상기 배기통들 사이에는 상기 캐리어 가스가 흐르는 틈새들이 마련되는 단결정 성장 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 배기통들 각각은 상단 또는 하단에 적어도 하나의 개구부를 가지며,
    상기 개구부를 통하여 인접하는 틈새들 간에 상기 캐리어 가스가 흐르는 단결정 성장 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 배기통의 상단 또는 하단에 교번하도록 상기 개구부가 위치하는 단결정 성장 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 배기부는,
    상기 배기통들 상에 배치되고, 상기 배기통들의 상단들과 접하는 제1 냉각 억제부를 더 포함하며,
    상기 제1 냉각 억제부는 속이 빈 제1 관을 포함하며, 상기 제1 관 내부에는 공기가 채워지는 단결정 성장 장치.
  12. 제9항에 있어서, 상기 배기부는,
    상기 배기통들 아래에 배치되고, 상기 배기통들의 하단들과 접하는 제2 냉각 억제부를 더 포함하며,
    상기 제2 냉각 억제부는 속이 빈 제2 관을 포함하며, 상기 제2 관 내부에는 공기가 채워지는 단결정 성장 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 도가니와 이격하며, 상기 발열체를 밀폐하도록 감싸는 발열체 차폐부를 더 포함하는 단결정 성장 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 발열체 차폐부와 상기 배기부 사이의 틈새의 거리는 인접하는 배기통들 사이의 틈새들 각각의 거리보다 큰 단결정 성장 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    인접하는 배기통들 사이의 틈새들의 거리는 상기 발열체 차폐부로부터 멀리 위치할수록 작아지는 단결정 성장 장치.
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