KR101906308B1 - SiC 단결정 제조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 상부에 도가니 지지대와 연결된 제1 열전도성 물질의 상부 도가니축, 하부에 도가니 구동수단과 연결된 제1 열전도성 물질보다 열전도성이 높은 제2 열전도성 물질의 하부 도가니축 및 상하부 도가니축의 연결을 위한 제1 열전도성 물질을 포함하는 어댑터를 사용하여, 도가니축의 과열과 열변형을 방지하는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 제조장치를 개시한다.

Description

SiC 단결정 제조장치{MANUFACTURING APPARATUS FOR SIC SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 SiC 단결정 제조장치에 관한 것으로서, 상세하게는 도가니축의 과열과 열변형을 방지하여 안정적으로 SiC 단결정을 제조하는 장치에 관한 기술이다.
실리콘 카바이드(SiC)는 실리콘(Si)보다 밴드갭, 절연 파괴 전압, 전자 포화 속도 및 열전도가 우수하여 전력 장치, 고내압의 고주파 장치 및 방사선 장치 등 다양한 기술분야에서 이용되고 있으므로, 결정 결함이 적은 고품질의 단결정으로 제조되어야 한다.
SiC 단결정 제조방법에는 융액 성장법이 있고, 융액 성장법은 시드축 끝단에 SiC 시드를 부착하고, 도가내 내부에 SiC 시드를 SiC 융액에 침지 및 인상하여 단결정을 성장시키는 방법이다.
특허문헌 1은 SiC 단결정의 제조 장치 및 SiC 단결정의 제조 방법에 관한 것으로, 시드축을 이용한 융액 성장법을 통하여 SiC 단결정을 제조한다.
도 1은 종래의 SiC 단결정 제조장치를 도시한 것이고, 도 2는 도 1의 도가니축을 도시한 것이다.
종래의 SiC 단결정 제조장치는 도가니(110)와 도가니 구동수단(190) 사이에 배치된 도가니축(180)을 포함한다.
도가니축(180)은 상부 도가니축(181), 하부 도가니축(182) 및 금속 커플러(183)를 포함한다. 상부 도가니축(181)은 상부에 도가니 지지대(111)와 연결되고, 하부 도가니축(182)는 하부에 도가니 구동수단(190)과 연결되며, 금속 커플러(183)는 상하부 도가니축(181, 182)을 연결한다.
상부 도가니축(181)은 흑연 물질로 이루어지고, 하부 도가니축(182)과 금속 커플러(183)는 금속 물질로 이루어지며, 흑연 물질은 금속 물질보다 열전도성이 낮다.
종래의 SiC 단결정 제조장치는 도가니(110)를 하우징하는 단열부재(120)가 형성되고, SiC 원료를 용융하기 위해 도가니(110)와 단열부재(120) 주변에 유도 코일(130)이 형성되며, 하부 도가니축(182)의 과열과 열변형을 방지하기 위해 하부 도가니축(182)의 내부에 냉각수 라인(182a)이 형성된다.
종래의 SiC 단결정 제조장치는 도가니축(180)을 승강 또는 회전시키기 위해 도가니축(180) 하부에 도가니 구동수단(190)이 형성된다. 도가니 구동수단(190)은 수평방향으로 수평형 관통부(미도시)가 형성되고, 수평형 관통부와 체결되어 하부 도가니축의 회전편심을 조정하는 수평형 편심 조정수단(미도시)이 형성된다.
그러나 종래에는 유도 코일(130)의 유도 가열에 의해 하부 도가니축(182)과 금속 커플러(183) 사이에 과열과 열변형이 발생할 수 있고, 흑연 물질과 금속 물질 간의 열팽창 계수 차이에 의해 도가니축(180)의 탈락이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
또한 종래에는 냉각수 라인(182a)의 누수가 발생할 수 있고, 냉각수 라인(182a)의 누수에 의해 하부 도가니축(182)과 금속 커플러(183) 사이에 과열과 열변형이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
또한 종래에는 도가니 구동수단(190)이 상부 도가니축(181)과 일정한 거리 간격이 있으므로, 수평형 편심 조정수단에서 하부 도가니축(182)의 회전반경을 약간이라도 잘못 조정하면 상부 도가니축(181)의 회전반경 오차가 하부 도가니축(182)의 회전반경 오차보다 크게 증가할 수 있고, 도가니(110) 이탈이 발생할 수 있으며, 도가니(110) 이탈에 의해 단열부재(120)와 유도 코일(130)이 파손될 수 있고, SiC 융액이 유출될 수 있는 문제점이 있다.
1. 한국등록특허 제1488125호(2015.01.23.)
상기의 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 상부에 도가니 지지대와 연결된 제1 열전도성 물질의 상부 도가니축, 하부에 도가니 구동수단과 연결된 제1 열전도성 물질보다 열전도성이 높은 제2 열전도성 물질의 하부 도가니축 및 상하부 도가니축의 연결을 위한 제1 열전도성 물질을 포함하는 어댑터로 이루어진 SiC 단결정 제조장치를 제공한다.
본 발명은 설정된 어댑터의 단열 펠트 두께, 어댑터 직경 및 어댑터 개수로 하여 이루어진 SiC 단결정 제조장치를 제공한다.
본 발명은 도가니축의 회전편심을 조정하기 위한 수직형 편심 조정수단을 포함하는 어댑터를 이용한 SiC 단결정 제조장치를 제공한다.
상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 SiC 단결정 제조장치는, 상부에 도가니 지지대와 연결된 제1 열전도성 물질을 포함하는 상부 도가니축; 하부에 도가니 구동수단과 연결된 제1 열전도성 물질보다 열전도성이 높은 제2 열전도성 물질을 포함하는 하부 도가니축 및 상하부 도가니축의 연결을 위한 어댑터로 이루어진다. 상기 어댑터는 상부 도가니축의 연결을 위한 상부 커플러;
하부 도가니축의 연결을 위한 하부 커플러 및 상하부 커플러 사이에 형성된 단열 펠트를 포함하여, 상기 어댑터가 제1 열전도성 물질을 포함하고, 하부 도가니축의 과열과 열변형을 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 단열 펠트는 흑연 또는 단열재가 압착되어 열차단성을 증가시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 어댑터는 상부 커플러의 중심부에 형성되어 상부 도가니축의 연결을 위한 제1 연결부 및 하부 커플러의 중심부에 형성되어 하부 도가니축의 연결을 위한 제2 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 상기 제1 연결부 및 제2 연결부에 의해 상하부 도가니축 사이에 하나 이상의 어댑터가 배치되어 열차단성을 증가시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 어댑터는 도가니 지지대의 직경과 같거나 길게 하여 열차단성을 증가시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 어댑터는 상하부 커플러의 중심부와 이격되고, 도가니축의 승강방향으로 상하부 커플러와 단열 펠트의 내부를 관통하는 2개 이상의 수직형 관통부 및 상기 수직형 관통부와 체결되고, 조임 정도에 대응하여 도가니축의 회전편심을 조정하는 수직형 편심 조정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 상하부 도가니축 사이에 하부 도가니축의 열전도성보다 낮은 어댑터를 배치하여 하부 도가니축의 과열과 열변형을 방지할 수 있고, 도가니축의 탈락을 방지할 수 있으며, 하부 도가니축에 별도의 냉각수 라인이 설치되지 않아 제조비용을 줄일 수 있다.
본 발명은 설정된 어댑터의 단열 펠트 두께, 어댑터 직경 및 어댑터 개수로 하여 이루어진 SiC 단결정 제조장치를 제공하여 어댑터의 열차단성을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 도가니축의 회전편심을 조정하기 위한 수직형 편심 조정수단을 포함하는 어댑터를 이용하여 열차단과 함께 도가니축의 회전편심 오차를 줄일 수 있고, 도가니 이탈을 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 SiC 단결정 제조장치를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 도가니축을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 SiC 단결정 제조장치를 도시한 것이다.
도 4는 도 3의 도가니축을 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 어댑터를 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 SiC 단결정 제조장치를 도시한 것으로서, SiC 단결정 제조장치는 도가니(110) 단열부재(120), 유도 코일(130), 챔버(140), 시드축(150), SiC 시드(160), 시드 구동수단(170), 도가니축(280) 및 도가니 구동수단(190)을 포함한다.
도가니(110)는 상부에 시드축(150)이 삽입되는 홀이 형성되고, 제1 열전도성 물질을 포함한다. 제1 열전도성 물질은 흑연이고, 흑연은 xy 평면상 금속보다 열전도성이 우수하고, 열전도성이 우수하여 높은 방열 특성을 갖는다.
도가니(110)는 SiC 원료를 수용하고, 단열부재(120)는 도가니(110)를 하우징하여 단열한다. SiC 원료는 Si 다결정 또는 Si의 합금과 흑연(C)일 수 있다.
유도 코일(130)은 도가니(110)와 단열부재(120) 외부에 배치되고, SiC 원료를 용융시키는데 사용된다.
유도 코일(130)은 전류를 인가 받으면 암페어 법칙(ampere law)에 의해 전자기 유도현상이 발생되고, 전자기 유도현상에 영향을 받는 도전성 물질을 포함하는 도가니(110)의 표면은 패러데이 법칙(faraday law)과 표피 효과(skin effect)에 의해 전압이 유기되어 와전류가 형성된다. 유도 코일(130)은 전자기 유도현상에 의해 유기 전압과 와전류가 형성되어 도가니(110)의 표면을 가열시켜 SiC 원료를 용융할 수 있다.
단열부재(120)는 단열재로 이루어지고, 도가니(110) 외부 주위에 배치되어 감싸며, 가열 효율을 높인다. 단열재는 흑연펠트일 수 있다.
도 4는 도 3의 도가니축을 도시한 것으로서, 도가니축(280)은 상부 도가니축(281) 및 하부 도가니축(282)을 포함한다.
상부 도가니축(281)은 상부에 도가니 지지대(111)와 연결된 제1 열전도성 물질을 포함하고, 하부 도가니축(282)은 하부에 도가니 구동수단(190)과 연결된 제1 열전도성 물질보다 열전도성이 높은 제2 열전도성 물질을 포함한다. 제2 열전도성 물질은 금속일 수 있다.
SiC 단결정 제조장치는 상하부 도가니축(281, 282)의 연결을 위한 어댑터(300)를 더 포함하고, 어댑터(300)는 제1 열전도성 물질을 포함한다. 어댑터(300)는 고순도의 흑연으로 이루어질 수 있으나, 직접적으로 SiC 융액과 반응하는 부분이 아니므로, 저순도의 흑연으로 이루어질 수 있다.
도 5는 도 4의 어댑터를 도시한 것으로서, 어댑터(300)는 상부 커플러(310), 하부 커플러(320), 단열 펠트(330)를 포함한다.
상부 커플러(310)는 상부 도가니축(281)과 연결되고, 하부 커플러(320)는 하부 도가니축(282)과 연결되며, 단열 펠트(330)는 상하부 커플러(310, 320) 사이에 형성된다.
단열 펠트(330)는 흑연 또는 단열재가 압착되어 열차단성을 증가시킨다. 단열 펠트(330)는 소정의 두께로 제조되어 열차단성이 우수하고, 두께가 두꺼워질수록 열차단성이 증가된다.
본 발명은 어댑터(300)를 사용하여 하부 도가니축(282)의 과열과 열변형을 방지할 수 있고, 도가니축(280)의 탈락을 방지할 수 있으며, 하부 도가니축(282)에 별도의 냉각수 라인이 설치되지 않아 제조비용을 줄일 수 있다.
어댑터(300)는 상부 커플러(310)의 중심부에 형성되어 상부 도가니축(281)의 연결을 위한 제1 연결부(311) 및 하부 커플러(320)의 중심부에 형성되어 하부 도가니축(282)의 연결을 위한 제2 연결부(321)를 더 포함한다.
본 발명은 제1 연결부(311) 외벽에 나사산이 형성되면 제2 연결부(321) 내벽에 나사산이 형성되고, 제1 연결부(311) 내벽에 나사산이 형성되면 제2 연결부(321) 외벽에 나사산이 형성되며, 나사산 구조를 통하여 상하부 도가니축(281, 282) 사이에 하나 이상의 어댑터(300)가 배치되어 열차단성을 증가시킬 수 있다.
도 4는 2개의 어댑터(300a, 300b)가 배치된 예로서, 어댑터가 복수의 개수로 이루어져 열차단 효과를 증가시킬 수 있다. 도 5는 제1 연결부(311) 외벽에 나사산이 형성되고, 제2 연결부(321) 내벽에 나사산이 형성된 예이다.
본 발명은 어댑터(300) 간의 연결할 때 나사산을 통하여 연결할 수 있고, 핀 삽입 방식 또는 키 홀더 방식으로 연결할 수 있다.
어댑터(300)는 도가니 지지대(111)의 직경과 같거나 길게 하여 열차단성을 증가시킬 수 있다.
본 발명은 설정된 어댑터(300)의 단열 펠트(330) 두께, 어댑터(300) 직경 및 어댑터(300) 개수로 하여 이루어진 SiC 단결정 제조장치를 제공하여 어댑터(300)의 열차단성을 증가시킬 수 있다.
어댑터(300)는 수직형 관통부(340) 및 수직형 편심 조정수단(350)을 더 포함한다.
수직형 관통부(340)는 상하부 커플러(310, 320)의 중심부와 이격되고, 도가니축(280)의 승강방향으로 상하부 커플러(310, 320)와 단열 펠트(330)의 내부를 관통하며, 내벽에 나사산이 형성된다. 수직형 관통부(340)는 2개 이상일 수 있고, 중심부를 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.
수직형 편심 조정수단(350)은 볼트 형상을 갖고, 외벽에 나사산이 형성되며, 수직형 관통부(340)와 체결되고, 조임 정도에 대응하여 도가니축(280)의 회전편심을 조정한다. 수직형 편심 조정수단(350)은 볼트의 조임과 풀림을 적절하게 조정하여 정밀하게 도가니축(280)의 회전반경을 조정할 수 있다.
본 발명은 도가니축(280)의 회전편심을 조정하기 위한 수직형 편심 조정수단(350)을 포함하는 어댑터(300)를 이용하여 열차단과 함께 도가니축(280)의 회전편심 오차를 줄일 수 있고, 도가니(110) 이탈을 방지할 수 있다.
어댑터(300)와 도가니축(280)의 중심 내부에는, 열전대(미도시)의 경로를 제공하기 위한 열전대용 관통부(200)가 형성된다.
본 발명은 열전대를 통하여 도가니(110)의 하부 온도를 측정할 수 있고, 측정된 온도를 참조하여 시드축(150)이나 도가니축(280)의 회전 속도 또는 승강 속도를 조절할 수 있으며, 조절된 속도에 의해 SiC 융액을 강제 대류시킬 수 있고, 균일한 성장 속도를 제공하여 균일한 품질의 SiC 단결정을 제조할 수 있다.
열전대 소선은 초고온용의 소재인 텅스템-레늄(W-Re)계열 또는 이리듐-로듐(Ir-Rh) 계열을 포함할 수 있다.
도가니 구동수단(190)은 수평방향으로 수평형 관통부(미도시)가 형성될 수 있고, 수평형 관통부와 체결되어 하부 도가니축의 회전편심을 조정하는 수평형 편심 조정수단(미도시)이 형성될 수 있다.
본 발명은 도가니 구동수단(190)의 수평형 편심 조정수단을 조정하면 도가니축(180)의 회전편심 일부를 조정할 수 있으나, 도가니축(180)의 회전편심을 완전히 조정할 수 없으므로, 수평형 편심 조정수단보단 수직형 편심 조정수단(350)을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명은 수평형 편심 조정수단을 이용하여 도가니축(180)의 회전편심을 대략적으로 조정하고, 수직형 편심 조정수단(350)을 이용하여 도가니축(180)의 회전편심을 정밀하게 조정한다.
본 발명은 수직형 편심 조정수단(350)을 이용하여 상하부 도가니축(181, 182) 간의 회전편심을 정밀하게 제어할 수 있다.
시드축(150)은 상부 시드축 및 하부 시드측을 포함하고, 상하부 시드축 사이에는 금속 커플러를 포함하며, 상부 시드축의 상부에는 시드 구동수단(170)와 연결되고, 하부 시드축의 하부에는 SiC 시드(160)가 부착된다.
시드 구동수단(170)은 시드축(150)을 승강 또는 회전시키고, 상부 시드축의 회전편심을 조정하는 수평형 편심 조정수단을 포함한다.
본 발명은 상하부 시드축(150) 사이에 금속 커플러를 대신하여 어댑터(300)를 배치할 수 있다. 본 발명은 수평형 편심 조정수단에 의해 1차적으로 시드축(150)과 도가니축(280)의 회전편심을 대략적으로 조정하고, 수직형 편심 조정수단(350)에 의해 2차적으로 시드축(150)과 도가니축(280)의 회전편심을 정밀하게 조정할 수 있다.
110: 내부 도가니 120: 단열부재
130: 유도 코일 140: 챔버
150: 시드축 160: SiC 시드
170: 시드 구동수단 190: 도가니축 구동수단
200: 열전대용 관통부 280: 도가니축
281: 상부 도가니축 282: 하부 도가니축
300: 어댑터 310: 상부 커플러
311: 제1 연결부 320: 하부 커플러
321: 제2 연결부 330: 단열 펠트
340: 수직형 관통부 350: 수직형 편심 조정수단

Claims (6)

  1. 상부에 도가니 지지대와 연결된 제1 열전도성 물질을 포함하는 상부 도가니축;
    하부에 도가니 구동수단과 연결된 제1 열전도성 물질보다 열전도성이 높은 제2 열전도성 물질을 포함하는 하부 도가니축 및
    상하부 도가니축의 연결을 위한 어댑터로 이루어진 SiC 단결정 제조장치에 있어서,
    상기 어댑터는,
    중심부에 상부 도가니축의 연결을 위한 제1 연결부가 형성된 상부 커플러;
    중심부에 하부 도가니축의 연결을 위한 제2 연결부가 형성된 하부 커플러 및
    상하부 커플러 사이에 형성된 단열 펠트를 포함하여,
    상기 어댑터가 제1 열전도성 물질을 포함하고, 유도 코일의 유도 가열에 의한 하부 도가니축의 과열, 열변형 및 탈락 중 하나 이상을 방지하는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단열 펠트는 단열재가 압착되어 열차단성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 제조장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 연결부 및 제2 연결부에 의해 상하부 도가니축 사이에 하나 이상의 어댑터가 배치되어 열차단성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 어댑터는 도가니 지지대의 직경과 같거나 길게 하여 열차단성을 증가시키는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 어댑터는,
    상하부 커플러의 중심부와 이격되고, 도가니축의 승강방향으로 상하부 커플러와 단열 펠트의 내부를 관통하는 2개 이상의 수직형 관통부 및
    상기 수직형 관통부와 체결되고, 조임 정도에 대응하여 도가니축의 회전편심을 조정하는 수직형 편심 조정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SiC 단결정 제조장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20220064816A1 (en) * 2020-09-01 2022-03-03 Globalwafers Co., Ltd. Crystal pulling systems having a cover member for covering the silicon charge and methods for growing a melt of silicon in a crucible assembly

Citations (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012111648A (ja) 2010-11-22 2012-06-14 Toyo Tanso Kk 単結晶引き上げ装置、及び単結晶引き上げ装置に用いられる低熱伝導性部材

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