KR101774040B1 - 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체 - Google Patents

잉곳 성장 장치용 냉각 구조체 Download PDF

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류지열
이성호
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(주)에스테크
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    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
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    • C30B35/002—Crucibles or containers

Abstract

잉곳 성장 장치용 냉각 구조체가 제공된다. 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체는, 잉곳이 중심부에 위치되어 성장하도록 상기 돔챔버에 결합되며, 냉각수가 유입되는 유입부와 상기 냉각수가 유출되는 유출부를 포함하는 링 형상의 지지부재; 및 상기 지지부재에 결합되며, 상기 유입부로 유입된 냉각수가 일측에서 타측으로 순환하도록 일부분이 절곡되게 형성되는 수냉관 부재;를 포함할 수 있다.

Description

잉곳 성장 장치용 냉각 구조체{Cooling structure for ingot growing apparatus}
본 발명은 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체에 관한 것이다.
일반적으로 단결정 잉곳(Ingot)은 초크랄스키(Czochralski) 결정 성장법(CZ 법)으로 제조된다. 보다 구체적으로, 핫죤 영역에 설치되는 도가니에 폴리 실리콘 등의 고체 원료를 충전하고 전열히터로 가열 및 용융시켜 융액(Melt)을 만든 다음, 단결정 시드(seed)를 시드 커넥터에 매달아 융액에 접촉시킨 후 서서히 회전 및 인상시킨다. 그러면 시드 커넥터에는 네크부(neck part), 직경이 증가하는 숄더부(shoulder part), 직경이 일정한 원기둥 형태의 바디부(body part)의 순서로 인상되고, 마지막으로 직경이 감소하는 테일부(tail part)를 끝으로 하는 단결정 잉곳이 얻어진다.
상기와 같은 방법으로 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 잉곳 성장 장치는 냉각수단이 구비된 메인 챔버, 메인 챔버 내부에 설치되고 폴리 실리콘(Hot Melt)을 용융시키는 석영도가니, 석영도가니를 지지하는 흑연도가니, 석영도가니와 흑연도가니를 지지하는 페데스탈, 도가니를 가열하는 전열히터, 전열히터로 대전력(大電力)을 공급하는 전원공급수단, 도가니 및 페데스탈을 지지ㆍ회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 구동축 및 구동수단, 메인챔버(Main Chamber) 상부에 설치되는 돔챔버(DomeChamber), 돔챔버에 설치되는 게이트밸브 및 뷰포트, 돔챔버 상부에 설치되는 풀챔버(Pull Chamber), 풀 챔버에 설치되는 잉곳(Ingot) 인상 케이블 및 인상 수단(Seed Mechanism)을 포함할 수 있다.
또한 잉곳 성장 장치는 풀 챔버, 돔 챔버 및 메인 챔버 내부를 진공 상태로 유지하기 위한 진공수단, 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각수단 및 잉곳 성장에 필요한 상태를 감지하는 감지수단, 각종 감지 수단을 제어하기 위한 제어수단 및 계측 수단 등을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 냉각수단은 성장하는 잉곳을 냉각시키기 위한 것으로, 일반적으로 냉각수가 순환하는 수냉관은 판 형상의 플레이트가 굽어져 원통형상으로 형성된다. 그리고 내판 및 외판으로 이루어져, 내판 및 외판을 용접하여 결합시킨 후, 많은 가공공정을 거쳐 원통형상으로 형성될 수 있다.
이때, 원통형상의 냉각수단은 냉각수가 순환하지 못하고 일정 구간에 축적될 수 있으며, 일정 구간에 축적된 냉각수에 의해 냉각수단에 균열이 발생된다.
본 발명의 일 실시예는 냉각수가 축적되지 않고 수냉관을 원활히 순환할 수 있는 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체를 제공하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체로서, 잉곳이 중심부에 위치되어 성장하도록 상기 돔챔버에 결합되며, 냉각수가 유입되는 유입부와 상기 냉각수가 유출되는 유출부를 포함하는 링 형상의 지지부재; 및 상기 지지부재에 결합되며, 상기 유입부로 유입된 냉각수가 일측에서 타측으로 순환하도록 일부분이 절곡되게 형성되는 수냉관 부재;를 포함하는 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체를 제공한다.
또한, 상기 수냉관 부재는 상기 잉곳의 성장 방향에 나란한 방향으로 배치되는 제 1 배관부; 상기 제 1 배관부와 나란하게 이격 배치되는 제 2 배관부; 및 상기 제1배관부의 일단과 상기 제2배관부의 일단을 연결하는 제1절곡부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 수냉관 부재는 하나의 파이프 관을 사용하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 수냉관 부재는 복수 개로 구비되며, 상기 복수 개의 수냉관 부재는 서로 일정 간격으로 이격 배치될 수 있다.
또한, 상기 냉각수가 상기 복수 개의 수냉관 부재를 순환하도록, 서로 이웃하는 수냉관 부재는 제2절곡부에 의해 연결될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 수냉관 부재 중 임의의 제1수냉관 부재의 제1배관부는 상기 유입부와 연결되며, 상기 제1수냉관 부재의 일 측에 배치되는 제2수냉관 부재의 제2배관부는 유출부와 연결될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 수냉관 부재는 하나의 파이프 관을 사용하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 수냉관 부재를 순환하는 냉각수의 온도를 유지시키는 온도유지부재가 상기 수냉관 부재의 외주면을 감싸도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 수냉관 부재의 외주면에는 체결부재가 구비되며, 상기 온도유지부재의 일 면에는 상기 체결부재와 결합되는 대응체결부재가 구비될 수 있다.
본 발명에 의하면, U자 형상의 수냉관 부재를 복수 개로 구비하여 연결시킴으로써, 냉각수가 일정 구간에 축적되지 않고 하나로 연결된 복수 개의 수냉관 부재를 따라 순환할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 수냉관 부재는 하나의 파이프관을 사용하여 형성할 수 있으므로, 가공 공정이 간단하고 짧은 시간 내에 제작할 수 있는 동시에 가공 비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉관 부재는 하나의 파이프관을 사용하여 제작되므로 파이프 관이 파손되거나 파이프관에 균열이 발생하여 냉각수가 파이프관 외부로 배출되는 위험성이 줄어들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체에서 수냉관 부재 및 지지부재를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체에서 수냉관 부재를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체에서 온도유지부재가 수냉관 부재에 결합된 상태를 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체에서 온도유지부재의 다른 예를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체의 다른 예를 도시한 사시도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체(100)는 도 1에서와 같이 풀챔버(10)의 하부측에서 돔챔버(20) 측으로 배치될 수 있으며, 메인챔버(30)에서 성장하는 잉곳(I)을 냉각시킨다.
이러한 상기 냉각 구조체(100)는 도 2에서와 같이 지지부재(110) 및 수냉관 부재(120)를 포함할 수 있으며, 상기 냉각 구조체(100)의 중심에는 잉곳(I)이 지나갈 수 있는 통로를 형성할 수 있다.
상기 지지부재(110)는 링 형상으로 풀챔버(10)와 돔챔버(20) 사이에 결합될 수 있다. 즉, 상기 지지부재(110)의 상부측에는 풀챔버(10)가 결합되며, 지지부재(110)의 하부측에는 돔챔버(20)가 결합된다.
이때, 상기 지지부재(110)는 냉각수가 유입 및 유출되는 유입부(111)와 유출부(112)가 한 쌍으로 나란히 형성될 수 있다.
상기 수냉관 부재(120)는 성장하는 잉곳(I)을 냉각시키기 위하여 내부에 냉각수가 유동하는 통로로서, 상기 유입부(111)로 유입된 냉각수가 일측에서 타측으로 순환하도록 일부분이 절곡되게 형성될 수 있다.
또한, 상기 수냉관 부재(120)는 잉곳을 냉각시켜야 하므로 잉곳(I)의 성장 방향으로 연장되되, 지지부재(110)의 하부측에서 메인챔버(30) 측으로 연장되게 구비된다.
구체적으로, 상기 수냉관 부재(120)는 제1배관부(121), 제2배관부(122) 및 제1절곡부(123)로 구성될 수 있으며, 상기 제1배관부(121) 및 상기 제2배관부(122)는 지지부재(110)의 하부측에서 메인챔버(30) 측으로 연장되며, 상기 제1배관부(121) 및 상기 제2배관부(122)는 서로 평행하게 나란히 배치된다.
그리고, 상기 제1배관부(121) 및 상기 제2배관부(122)의 일단은 상기 냉각수가 순환할 수 있도록 제1절곡부(123)에 의해 연결된다. 즉, 상기 수냉관 부재(120)는 U 자 형상을 갖도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 수냉관 부재(120)는 하나의 파이프관에 의해 형성될 수 있으며, 또한 상기 수냉관 부재(120)는 스테인레스 스틸과 같은 불투명한 금속 재질로 이루어질 수 있다.
이러한 구성을 갖는 수냉관 부재(120)는 도 3 및 도 4에서와 같이 상기 수냉관 부재(120)가 복수 개로 구비되어 지지부재(110)의 하부측에 서로 일정 간격으로 이격배치 될 수 있다.
이때, 상기 복수 개의 수냉관 부재(120)는 냉각수가 순환되어야 하므로, 서로 이웃하는 수냉관 부재(120)들은 제2절곡부(124)에 의해 하나로 연결될 수 있다.
즉, 임의의 제1수냉관 부재(120a) 및 제1수냉관 부재(120a)와 이웃하는 제2수냉관 부재(120b)는 제2절곡부(124)에 의해 하나의 관으로 연결될 수 있다.
이때, 상기 제1절곡부(123)는 제1배관부(121)와 제2배관부(122)의 하부측을 연결하며, 상기 제2절곡부(124)는 제1수냉관 부재(120a)의 제2배관부(122)와 제2수냉관 부재(120b)의 제1배관부(121)의 상부측을 연결한다.
여기서, 복수 개의 제2절곡부(124)에 의해 하나로 연결되는 복수 개의 수냉관 부재(120)는 하나의 파이프 관으로부터 형성될 수 있다. 또한 상기 수냉관 부재(120)는 스테인레스 스틸과 같은 불투명한 금속 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 수냉관 부재(120)는 냉각수가 유출입되는 유입부(111) 및 유출부(112)와 연결될 수 있다.
보다 상세히, 복수 개의 수냉관 부재(120) 중 제1수냉관 부재(120a)의 제1배관부(121a)는 지지부재(110)의 유입부(111)와 연결되어 냉각수가 유입되는 유입관이 될 수 있다.
그리고, 제1수냉관 부재(120a)의 일 측에 구비되는 제2수냉관 부재(120b)의 제2배관부(122b)는 지지부재(110)의 유출부(112)와 연결되어 복수 개의 수냉관 부재(120)를 순환한 냉각수가 배출되는 배출관이 될 수 있다.
이와 같이, 상기 냉각 구조체(100)는 지지부재(110)의 유입부로 냉각수가 유입되어 유입부(111)와 연결되는 제1수냉관 부재(120a)의 제1배관부(121a)로 유동한다. 그리고 제1배관부(121a)로 유동한 냉각수는 복수 개의 수냉관 부재(120)를 순환한 후, 제2수냉관 부재(120b)의 제2배관부(122b)를 통하여 제2배관부(122b)와 연결된 지지부재(110)의 유출부(112)를 통하여 외부로 유출된다.
이때, 상기 복수 개의 수냉관 부재(120)를 순환하는 냉각수의 온도가 온전히 성장하는 잉곳(I)으로 전달되지 않고, 냉각 구조체(100)의 외부로 빼앗길 수 있다.
이를 방지하기 위하여, 복수 개의 수냉관 부재(120)의 외부에는 온도유지부재(130)가 설치될 수 있다.
상기 온도유지부재(130)는 판 형상으로, 도 5에서와 같이 복수 개의 수냉관 부재(120)의 외부면 전체를 감싸거나, 도 6에서와 같이 복수 개의 수냉관 부재(120)의 외부면 일부를 감싸도록 설치될 수 있다.
보다 상세하게, 도 5에서와 같이, 상기 온도유지부재(130)는 원통형상이되, 중심에 상기 복수 개의 수냉관 부재(120)가 배치되도록 상/하부가 관통되도록 단면이 링 형상을 갖는 원통형으로 형성될 수 있다.
또는 상기 온도유지부재(130')는 도 6에서와 같이, 복수 개의 플레이트(130a')를 포함하며, 상기 복수 개의 수냉관 부재(120)의 외부면에 일정 간격으로 서로 이격 배치될 수 있다.
또는, 상기 온도유지부재(130)는 복수 개의 수냉관 부재(120) 중 일부 수냉관 부재의 외부면만을 감싸도록 구비될 수 있음을 밝혀둔다.
이와 같은 온도유지부재(130)는 상기 수냉관 부재(120)의 외면에 설치될 수 있으며, 이를 위하여 도 5에서와 같이 상기 수냉관 부재(120)의 외주면에는 체결부재(125)가 구비될 수 있으며, 상기 체결부재(125)에 대응하는 상기 온도유지부재(130)의 일면에는 체결부재(125)와 결합되는 대응체결부재(132)가 구비될 수 있다.
이때, 상기 체결부재(125)는 제1배관부(121) 또는 제2배관부(122)의 외면에서 돌출되어 이곳 성장 방향으로 연장되게 형성될 수 있다. 즉, 상기 체결부재(125)는 후크 형상으로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 대응체결부재(132)는 상기 체결부재(125)와 결합되도록 온도유지부재(130)의 내면에서 돌출되어 하측으로 연장되는 후크 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 상기 체결부재(125)와 상기 대응체결부재(132)는 서로 체결될 수 있도록 방향이 상이한 후크 형상으로 형성되는 것으로 도시 및 설명하고 있으나 본 발명이 이로 제한되지 않는다. 즉, 상기 온도유지부재(130)가 상기 복수 개의 수냉관 부재(120)의 외주면에 결합될 수 있는 구조라면 어떠한 형상으로든 형성될 수 있다.
이에 따라서, 상기 복수 개의 수냉관 부재(120)의 외주면으로 온도유지부재(130)가 설치됨으로써, 복수 개의 수냉관 부재(120)의 내부를 순환하는 냉각수의 온도는 온전히 성장하는 잉곳(I)으로 전달되어 잉곳을 냉각시킬 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 구조체(100)는 복수 개의 수냉관 부재(120)가 하나로 형성되어 지지부재에 형성되는 하나의 유출부(112) 및 유입부(111)와 연결되는 것으로 도시 및 설명하고 있지만, 도 7에서와 같이 복수 개의 수냉관 부재(120')가 개별로 유출부(112') 및 유입부(111')와 연결될 수 있다.
구체적으로, 도 7에서와 같이, 냉각 구조체(100')는 상기 지지부재(110')의 하부측에 복수 개의 수냉관 부재(120')가 일정 간격을 가지고 서로 이격배치될 수 있다.
이때, 상기 지지부재(110')에는 한 쌍으로 이루어진 유출부(112') 및 유입부(111')가 복수 개로 형성될 수 있다. 즉, 상기 한 쌍의 유출부(112') 및 유입부(111')는 상기 지지부재(110')의 둘레를 따라 형성될 수 있으며, 상기 복수 개의 수냉관 부재(120')에 대응하는 개수로 형성될 수 있다.
보다 상세히, 복수 개의 수냉관 부재(120') 각각은 복수 개로 구비된 한 쌍의 유출부(112') 및 유입부(111')와 일대일로 매칭되게 연결될 수 있다.
상술한 구성을 갖는 냉각 구조체(100)는 U자 형상의 수냉관 부재를 복수 개로 구비하여 연결시킴으로써, 냉각수가 일정 구간에 축적되지 않고 하나로 연결된 복수 개의 수냉관 부재를 따라 순환할 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 수냉관 부재는 하나의 파이프관을 사용하여 형성할 수 있으므로, 가공 공정이 간단하고 짧은 시간 내에 제작할 수 있는 동시에 가공 비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 수냉관 부재는 하나의 파이프관을 사용하여 제작되므로 파이프 관이 파손되거나 파이프관에 균열이 발생하여 냉각수가 파이프관 외부로 배출되는 위험성이 줄어들 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100 : 냉각 구조체 110 : 지지부재
111 : 유입부 112 : 유출부
120 : 수냉관 부재 121 : 제1배관부
122 : 제2배관부 123 : 제1절곡부
124 : 제2절곡부 130 : 온도유지부재

Claims (9)

  1. 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체로서,
    잉곳이 중심부에 위치되어 성장하도록 돔챔버에 결합되며, 냉각수가 유입되는 유입부와 상기 냉각수가 유출되는 유출부를 포함하는 링 형상의 지지부재; 및
    상기 지지부재에 결합되며, 상기 잉곳의 성장 방향에 나란한 방향으로 배치되는 제1배관부와, 상기 제1배관부와 나란하게 이격 배치되는 제2배관부와, 상기 유입부로 유입된 냉각수가 상기 제1배관부에서 상기 제2배관부로 순환하도록 상기 제1배관부의 일단과 상기 제2배관부의 일단을 연결하는 제1절곡부를 포함하는 수냉관 부재; 및
    상기 수냉관 부재의 외주면을 감싸도록 배치되어 상기 수냉관 부재를 순환하는 냉각수의 온도를 유지시키는 온도유지부재;를 포함하는 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수냉관 부재는 하나의 파이프 관을 사용하여 형성되는 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수냉관 부재는 복수 개로 구비되며,
    상기 복수 개의 수냉관 부재는 서로 일정 간격으로 이격 배치되는 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 냉각수가 상기 복수 개의 수냉관 부재를 순환하도록, 서로 이웃하는 수냉관 부재는 제2절곡부에 의해 연결되는 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수 개의 수냉관 부재 중 임의의 제1수냉관 부재의 제1배관부는 상기 유입부와 연결되며,
    상기 제1수냉관 부재의 일 측에 배치되는 제2수냉관 부재의 제2배관부는 유출부와 연결되는 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수 개의 수냉관 부재는 하나의 파이프 관을 사용하여 형성되는 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체.
  8. 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체로서,
    잉곳이 중심부에 위치되어 성장하도록 돔챔버에 결합되며, 냉각수가 유입되는 유입부와 상기 냉각수가 유출되는 유출부를 포함하는 링 형상의 지지부재; 및
    상기 지지부재에 결합되며, 상기 잉곳의 성장 방향에 나란한 방향으로 배치되는 제1배관부와, 상기 제1배관부와 나란하게 이격 배치되는 제2배관부와, 상기 유입부로 유입된 냉각수가 상기 제1배관부에서 상기 제2배관부로 순환하도록 상기 제1배관부의 일단과 상기 제2배관부의 일단을 연결하는 제1절곡부를 포함하는 수냉관 부재; 및
    상기 수냉관 부재의 외주면을 감싸도록 배치되어 상기 수냉관 부재를 순환하는 냉각수의 온도를 유지시키는 온도유지부재;를 포함하며,
    상기 유입부 및 유출부는 한 쌍으로 상기 지지부재의 둘레를 따라 복수 개로 형성되고, 상기 수냉관 부재는 복수 개로 구비되어 서로 일정 간격으로 이격 배치되며,
    복수 개로 구비된 상기 한 쌍의 유출부 및 유입부는 상기 복수 개의 수냉관 부재와 일대일로 매칭되게 연결되는 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체.
  9. 제 1 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 수냉관 부재의 외주면에는 체결부재가 구비되며,
    상기 온도유지부재의 일 면에는 상기 체결부재와 결합되는 대응체결부재가 구비되는 잉곳 성장 장치용 냉각 구조체.
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CN115637487A (zh) * 2022-10-19 2023-01-24 浙江晶盛机电股份有限公司 一种晶体生长炉和控温方法

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