KR101977365B1 - 핫존 상부가 개폐 가능한 단결정 용액성장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 핫존 상부가 개폐 가능한 단결정 용액성장 장치는 용액 공정으로 단결정을 성장시키는 내부공간을 제공하고, 상부면에 관통 형성된 개구부를 포함하는 단열펠트; 상기 내부공간에 배치되고, 단결정 성장용 원료를 수용하는 도가니; 열에너지를 공급하여 상기 단결정 성장용 원료를 용융시키는 가열부; 상기 개구부에 삽입되어 이동 가능하게 배치되고, 하단에 종자결정이 부착되는 구동축; 및 상기 용액 공정 중에 상기 개구부를 개방 또는 폐쇄하는 개폐부재를 포함할 수 있다.

Description

핫존 상부가 개폐 가능한 단결정 용액성장 장치{The solution growth reactor for single crystal growth including that function for opening and closing the head of hot-zone}

본 발명은 단결정 용액성장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단열펠트에 형성된 개구부를 개방 또는 폐쇄하는 단결정 용액성장 장치에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 웨이퍼용 잉곳을 제조하기 위해서는 단결정을 잉곳 형태로 성장시켜야 하며, 단결정 성장은 도가니 내에 수용된 단결정 용융액에 종자결정을 접촉시킨 후 회전과 함께 서서히 인상시키면서 종자결정 아래쪽으로 단결정을 성장시키는 용액 공정(또는 용액 성장)으로 진행될 수 있다.

단결정이 성장할 때 단결정 용융액에 동일한 열적환경을 제공하여 온도 구배를 일정하게 유지하는 것은 단결정 성장에 있어서 중요한 인자 중 하나이므로, 단결정 성장 공정이 진행되는 동안에는 열 손실을 차단하여 단결정 용융액의 내부 온도를 처음부터 끝까지 일정하게 유지시키는 것과 펠트의 내부 온도 변화에 영향을 주는 대류를 균일화 및 안정화시키는 것이 필요하다.

일반적인 단결정 성장 장치에서는 파이로미터와 같은 비접촉 방식의 온도 센서를 사용하여 펠트의 외부에서 투명한 투시창(Window)을 통해 도가니 내에 수용된 단결정 용융액의 온도를 측정하는데, 펠트에 투시창이 구비되는 경우에는 서로 다른 두께로 형성되는 펠트와 투시창의 형상으로 인해 펠트 내부의 대류가 불안정해지는 문제가 발생하게 된다. 즉, 단열을 위해 두꺼운 두께를 가지는 펠트의 일면에 구멍을 형성한 후 석영과 같은 재질로 얇게 형성된 투시창을 끼워 구비하게 되면 서로 차이나는 두께에 의해 펠트에 오목부와 같은 소정의 공간이 형성되며, 오목부와 같은 공간은 펠트 내부에 형성된 대류의 형태를 변화시키기 때문에 대류의 균일화 및 안정화가 어렵게 된다.

또한, 투시창은 단열이 어려운 석영과 같은 투명한 재질로 형성되므로 펠트의 단열성능이 감소하게 되며, 투시창에 의해 발생하는 열 손실로 인해 단결정 용융액의 온도구배가 특정 지점에서 높거나 낮게 나타나게 되는 문제점이 있다. 게다가, 온도를 측정하기 위해 구비한 투시창에 단결정 성장 공정 중에 발생한 입자들이 증착되어 쌓이는 문제 또한 발생하므로 온도 센서가 단결정 용융액의 온도를 검출할 수 없어 정확한 온도 측정이 불가능해지는 문제가 있다.

공개특허공보 제10-2016-0130040호

본 발명은 단열펠트에 형성된 개구부를 용액 공정 중에 개방 또는 폐쇄하는 핫존 상부가 개폐 가능한 단결정 용액성장 장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치는 용액 공정으로 단결정을 성장시키는 내부공간을 제공하고, 상부면에 관통 형성된 개구부를 포함하는 단열펠트; 상기 내부공간에 배치되고, 단결정 성장용 원료를 수용하는 도가니; 열에너지를 공급하여 상기 단결정 성장용 원료를 용융시키는 가열부; 상기 개구부에 삽입되어 이동 가능하게 배치되고, 하단에 종자결정이 부착되는 구동축; 및 상기 용액 공정 중에 상기 개구부를 개방 또는 폐쇄하는 개폐부재를 포함할 수 있다.

상기 구동축은 제1 회전모터에 의해 회전하면서 양방향으로 직선 이동하고, 상기 개폐부재는 상기 구동축에 선택적으로 연동되어 상기 구동축을 따라 회전하면서 양방향으로 직선 이동할 수 있다.

상기 구동축은 외주면의 적어도 일부에 형성된 제1 나사산을 구비하고, 상기 개폐부재는 내주면에 형성된 제2 나사산을 통해 상기 구동축에 연결될 수 있다.

상기 개폐부재의 폭은 상기 개구부의 폭보다 클 수 있다.

상기 개폐부재의 회전을 선택적으로 멈추게 하거나 상기 개폐부재를 구동축과는 독립적으로 회전시켜 상기 개폐부재의 위치를 조절하는 개폐부재 위치조절부를 더 포함할 수 있다.

상기 개폐부재는 상기 개폐부재의 가장자리를 따라 이격 배치된 요철부를 포함할 수 있다.

상기 개폐부재 위치조절부는, 타단에 연결되는 제2 회전모터로부터 구동력을 전달받아 회전 또는 정지하는 로드축; 및 상기 로드축의 일단에 연결되며, 상기 로드축에 연동되어 상기 로드축을 중심으로 회전 또는 정지하는 이동로드를 포함하고, 상기 이동로드가 상기 요철부를 향해 회전하여 상기 요철부와 연결되면, 상기 이동로드는 상기 요철부를 시계방향 또는 반시계방향으로 밀어내어 상기 개폐부재를 회전시키거나 상기 요철부와 연결되는 위치에서 정지하여 상기 개폐부재의 회전을 멈추게 할 수 있다.

상기 이동로드 및 이동로드에 연결된 로드축을 상하로 이동시키는 제1 승강모터를 더 포함할 수 있다.

상기 개구부가 개방될때, 상기 단열펠트의 외부에서 개방된 상기 개구부를 통해 단결정 용융액의 온도를 비접촉식으로 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 회전모터에서 발생되는 동력을 상기 구동축에 전달하는 동력전달부를 열로부터 보호하는 열차단부재를 더 포함할 수 있다.

상기 요철부와 이동로드의 접촉을 감지하는 감지부를 더 포함할 수 있다.

상기 구동축과 상기 구동축에 연결된 개폐부재를 상승 또는 하강시키는 제2 승강모터를 더 포함할 수 있다.

상기 내부공간에서 상기 도가니와 개구부 사이의 공간에 제공되며, 상기 구동축이 이동할 수 있는 관통홀이 형성된 판상의 단열부재를 더 포함할 수 있다.

상기 개폐부재는 흑연재질로 이루어질 수 있다.

본 발명에서는 단열펠트의 상부면에 투시창이 아닌 관통된 개구부를 형성함으로써 개구부를 통한 단결정 용융액의 정확한 온도 측정이 가능해질 수 있고, 단결정 용융액과 종자결정이 맞닿는 지점을 개구부를 통해 관측할 수 있다.

즉, 단결정 성장 공정 중에 발생한 입자들이 표면에 부착되어 비접촉 방식의 온도 센서를 이용한 정확한 온도 측정 및 내부 관찰이 어려운 투시창과 다르게 본 발명에서는 개구부가 구비되기 때문에 단열펠트 내벽에 입자들이 부착되는 것과 상관없이 온도 센서가 단열펠트의 외부에서 개방된 개구부를 통해 단결정 용융액의 표면 온도를 정확하게 측정할 수 있고, 단결정 용융액과 종자결정이 맞닿는 지점을 개구부를 통해 용이하게 관측할 수 있다.

더욱이, 개폐부재를 이용하여 단열펠트의 개구부를 폐쇄함으로써 펠트의 내부 온도 변화에 영향을 주는 대류를 균일화 및 안정화시킬 수 있고, 이로부터 단결정 성장 공정이 진행되는 동안 발생할 수 있는 열 손실을 차단할 수 있어 단결정 용융액의 내부 온도를 처음부터 끝까지 일정하게 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 개구부가 개폐부재에 의해 개폐된 상태를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개폐부재 위치조절부를 이용하여 개폐부재의 회전을 멈추게 하는 실시예를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개폐부재 위치조절부를 이용하여 개폐부재를 독립적으로 회전시키는 실시예를 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 승강모터를 이용하여 이동로드 및 로드축을 이동시키는 실시예를 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 요철부와 이동로드의 접촉을 감지하는 감지부를 나타내는 개략도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 나타내는 단면도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 설명 중, 동일 구성에 대해서는 동일한 참조부호를 부여하도록 하고, 도면은 본 발명의 실시예를 정확히 설명하기 위하여 크기가 부분적으로 과장될 수 있으며, 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 나타내는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치는 용액 공정으로 단결정을 성장시키는 내부공간을 제공하고, 상부면에 관통 형성된 개구부(110)를 포함하는 단열펠트(100); 상기 내부공간에 배치되고, 단결정 성장용 원료를 수용하는 도가니(200); 열에너지를 공급하여 상기 단결정 성장용 원료를 용융시키는 가열부(400); 상기 개구부(110)에 삽입되어 이동 가능하게 배치되고, 하단에 종자결정(S)이 부착되는 구동축(300); 및 상기 용액 공정 중에 상기 개구부(110)를 개방 또는 폐쇄하는 개폐부재(310)를 포함할 수 있다.

단열펠트(100)는 용액 공정으로 단결정을 성장시키는 내부공간 즉, 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 웨이퍼용 잉곳을 제조하기 위해 단결정을 성장시킬 수 있는 성장 환경 및 용액 공정이 진행되는 내부공간을 제공할 수 있으며, 단결정을 성장시키는 동안 외부로부터 단열하는 역할을 수행할 수 있도록 내열성이 우수한 펠트(felt) 재질로 이루어질 수 있다.

단열펠트(100)의 내부공간에는 단결정 성장용 원료를 수용하는 도가니(200)가 배치될 수 있으며, 도가니(200)는 후술하는 구동축(300)에 부착된 종자결정(S)이 단결정 성장용 원료가 용융되어 생성된 단결정 용융액(M)에 담지될 수 있도록 상부가 개방된 형상을 가질 수 있다.

도가니(200) 하부에는 도가니(200)를 지지할 수 있는 도가니 지지대(210)가 배치될 수 있고, 도가니 지지대(210)는 도가니 지지대(210)와 연결된 구동 수단(미도시)에 의해 회전 또는 승강될 수 있다. 또한, 도가니 지지대(210) 내부에는 열전대 온도센서(Thermocouple)가 구비되어 도가니(200)에 수용된 단결정 용융액(M)의 하부 즉, 도가니(200) 바닥면 주위의 온도를 측정할 수도 있다.

가열부(400)는 열에너지를 공급하여 도가니(200) 내에 수용된 단결정 성장용 원료를 용융하여 단결정 용융액(M)으로 만들 수 있고, 가열부(400)의 열에너지에 의해 단열펠트(100)의 내부는 핫존(hot zone)으로 작용할 수 있다. 가열부의 한 실시예로 도가니(200)에 고주파 전류를 공급하여 가열시키는 고주파 유도코일이 사용될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 단결정 성장용 원료가 용융될 수 있도록 단결정 성장에 필요한 열에너지를 복사열로 공급하는 열원인 히터 등을 사용할 수도 있다. 그리고, 가열부(400)는 단열펠트(100)의 외부에서 단열펠트(100)의 측면 주위를 감싸도록 배치될 수 있으나, 단열펠트(100)의 내부공간에서 도가니(200)의 주변에 배치될 수도 있다.

구동축(300)은 개구부(110)에 삽입되어 이동 가능하게 배치될 수 있으며, 구동축(300)의 하단에는 단결정 성장 소스인 종자결정(S)이 부착될 수 있고, 상단에는 후술하는 제1 회전모터(500)와 연결될 수 있다.

구동축(300)의 이동에 의해 하단에 부착된 종자결정(S)이 도가니(200) 내의 단결정 용융액(M)에 접촉되면 용액 공정으로 단결정을 성장시킬 수 있는데, 본 명세서에서 말하는 용액 공정은 도가니(200)에 단결정 성장용 원료를 넣고 도가니(200)를 가열하여 용융시킨 뒤 단결정 용융액(M)의 표면 온도를 측정하고, 단결정 성장용 원료가 일정 수준이상으로 용융되었다고 판단되면 단결정 용융액(M) 표면에 종자결정(S)을 접촉시킨 후 서서히 끌어올리면서 단결정으로 성장시키는 공정이다.

단결정이 성장할 때 단결정 용융액(M)에 동일한 열적환경을 제공하여 온도 구배를 일정하게 유지하는 것은 단결정 성장에 있어서 중요한 인자 중 하나이므로, 단결정 성장 공정이 진행되는 동안에는 열 손실을 차단하여 단결정 용융액(M)의 내부 온도를 처음부터 끝까지 일정하게 유지시키는 것과 펠트의 내부 온도 변화에 영향을 주는 대류를 균일화 및 안정화시키는 것이 필요하다.

일반적인 단결정 성장 장치에서는 파이로미터와 같은 비접촉 방식의 온도 센서를 사용하여 펠트의 외부에서 투명한 투시창(Window)을 통해 도가니 내에 수용된 단결정 용융액(M)의 온도를 측정하는데, 펠트에 투시창이 구비되는 경우에는 서로 다른 두께로 형성되는 펠트와 투시창의 형상으로 인해 펠트 내부의 대류가 불안정해지는 문제가 발생하게 된다. 즉, 단열을 위해 두꺼운 두께를 가지는 펠트의 일면에 구멍을 형성한 후 석영과 같은 재질로 얇게 형성된 투시창을 끼워 구비하게 되면 서로 차이나는 두께에 의해 펠트에 오목부와 같은 소정의 공간이 형성되며, 오목부와 같은 공간은 펠트 내부에 형성된 대류의 형태를 변화시키기 때문에 대류의 균일화 및 온도 안정화가 어렵게 된다.

또한, 투시창은 단열이 어려운 석영과 같은 투명한 재질로 형성되므로 펠트의 단열성능이 감소하게 되고, 투시창에 의해 발생하는 열 손실로 인해 단결정 용융액(M)의 온도구배가 특정 지점에서 높거나 낮게 나타나게 되는 문제점이 있다. 게다가, 온도를 측정하기 위해 구비한 투시창에 단결정 성장 공정 중에 발생한 입자들이 증착되어 쌓이는 문제 또한 발생하므로 온도 센서가 단결정 용융액(M)의 온도를 검출할 수 없어 정확한 온도 측정이 불가능해 지는 문제점이 있다.

단결정의 성장은 단결정 용융액(M)의 표면에 종자결정(S)이 접촉된 후 단결정 용융액(M)의 표면에서부터 진행될 수 있으므로 단결정 용융액(M)의 정확한 표면 온도를 측정하는 것은 매우 중요하며, 단결정을 성장시키기 위해 단결정 용융액(M)의 표면과 종자결정(S)이 접촉 여부를 확인하기 위해 단열펠트(100) 내부를 직접 관찰하는 것 또한 중요한 인자이다.

본 발명에서는 단열펠트(100)의 상부면에 투시창이 아닌 관통 형성된 개구부(110)를 구비하여 외부에 구비된 온도 센서(800)가 개방된 개구부(110)를 통해 단결정 용융액(M)의 표면 온도를 측정할 수 있도록 하였는데, 개구부(110)를 형성함으로써 단결정 용융액(M) 표면의 정확한 온도 측정이 가능해질 수 있을 뿐만 아니라 단결정 용융액(M)과 종자결정(S)이 맞닿는 지점을 관측할 수 있다. 개구부(110)가 형성되면 투시창과 달리 단결정 성장 공정 중에 발생한 입자들이 표면에 증착되는 문제가 발생하지 않으므로 비접촉 방식의 온도 센서(800)가 단열펠트(100)의 외부에서 개방된 개구부(110)를 통해 단결정 용융액(M)의 표면 온도를 정확하게 측정할 수 있다.

그리고, 단결정 성장 공정 중 열과 단결정 용융액(M)이 기화되어 발생하는 증기가 단열펠트(100)의 개구부(110)를 통해 외부로 빠져나가 열 손실이 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는 정확한 온도 측정을 가능하게 함과 동시에 온도 측정이 끝난 후에는 개구부(110)를 페쇄하여 단열펠트(100)가 최대한 밀폐될 수 있도록 핫존의 상부 즉, 개구부(110)를 개방 또는 폐쇄할 수 있는 개폐부재(310)를 구비하였다.

개폐부재(310)는 후술하는 구동축(300)에 연동되어 회전하면서 양방향으로 직선 이동하여 개구부(110)를 개방 또는 폐쇄시킬 수도 있지만, 제2 승강모터(500)에 의해 구동축과 같이 자체적으로 상하로 움직이면서 개구부(110)를 개방 또는 폐쇄시킬 수도 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 개구부가 개폐부재에 의해 개폐된 상태를 나타내는 단면도로, 도 2(a)는 본 발명의 실시예에 따른 개구부가 개방된 상태를 나타내는 단면도이고, 도 2(b)는 본 발명의 실시예에 따른 개구부가 개폐부재에 의해 폐쇄된 상태를 나타내는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 상기 구동축(300)은 제1 회전모터(500)에 의해 회전하면서 양방향으로 직선 이동하고, 상기 개폐부재(310)는 상기 구동축(300)에 선택적으로 연동되어 상기 구동축(300)을 따라 회전하면서 양방향으로 직선 이동할 수 있다. 또한, 상기 구동축(300)은 외주면의 적어도 일부에 형성된 제1 나사산을 구비하고, 상기 개폐부재(310)는 내주면에 형성된 제2 나사산을 통해 상기 구동축(300)에 연결될 수 있다.

제1 회전모터(500)는 제1 구동계(500) 내부에 구비되어 구동축(300)을 회전시킬 수 있는 회전 구동력을 제공할 수 있고, 제1 회전모터(500)와 연결된 구동축(300)은 제1 회전모터(500)로부터 회전 구동력을 전달받아 회전할 수 있다. 즉, 구동축(300)은 제1 회전모터(500)와 직접적으로 연결되거나 제1 회전모터(500)에서 발생되는 회전 구동력을 구동축(300)에 전달하는 후술하는 동력전달부를 통해 간접적으로 연결되어 회전할 수 있다.

구동축(300)에는 외주면의 적어도 일부에 형성된 제1 나사산이 구비될 수 있으며, 구동축(300)에는 제1 나사산과 대응되는 나사산이 내주면에 형성된 열차단부재(320)가 끼워져 고정 설치될 수 있다. 열차단부재(320)는 구동축(300)에 끼워질 수 있도록 중앙부가 관통된 형상을 가질 수 있으며, 구동축(300)에 끼워진 위치에서 고정된 상태를 유지할 수 있도록 일면으로부터 챔버벽을 향해 연장된 연결부재가 형성될 수 있다. 열차단부재(320)가 연결부재를 통해 챔버(10)와 연결되어 챔버벽에 고정되게 설치됨으로써 구동축(300)이 고정된 열차단부재(320)의 나사산과 맞물려 회전하면서 상방향 또는 하방향으로 직선 이동할 수 있게 된다. 즉, 구동축(300)과 열차단부재(320)는 외주면과 내주면에 각각 형성된 나사산에 의해 연결되어 있고, 열차단부재(320)는 챔버벽에 의해 고정된 상태를 유지하고 있으므로, 구동축(300)은 제1 회전모터(500)에 의해 회전하면서 열차단부재(320)에 의해 양방향으로 직선 이동할 수 있다. 본 발명에서는 일 실시예로 연결부재를 사용하여 열차단부재(320)를 챔버벽에 고정시킨 것으로 설명하였으나 구동축(300)이 회전하면서 직선 이동할 수 있도록 열차단부재(320)를 고정시킬 수 있는 구성이면 특별히 한정되지 않는다.

열차단부재(320)는 앞서 살펴본 바와 같이 구동축(300)이 회전하면서 양방향으로 직선 이동 가능하게 하는 역할을 수행할 수 있지만, 동시에 동력전달부(미도시)를 열로부터 보호하는 역할을 수행할 수도 있다. 가열부(400)가 도 2에 도시된 바와 같이 단열펠트(100)와 챔버(10) 사이에 구비되어 있는 경우 구동축(300)과 제1 회전모터(500) 사이에 구비되어 제1 회전모터(500)에서 발생되는 회전 구동력을 전달해주는 동력전달부는 가열부(400)의 열로부터 보호되어질 필요가 있다. 이를 위하여 열차단부재(320)는 동력전달부의 하측에 위치하여 구동축(300)이 회전하면서 직선 이동할 수 있도록 하는 역할 뿐만 아니라 동력전달부를 가열부(400)에서 발생하는 열로부터 보호해주는 역할을 수행할 수도 있다.

구동축(300)이 제1 회전모터(500)에 의해 회전하면서 직선 이동할 수 있는 구성으로 고정된 열차단부재(320)가 사용될 수 있지만 이에 한정되지 않고 외부에 구비된 고정부재를 이용하여 구동축(300)을 회전 이동시킬 수 있다.

도 2를 다시 참조하면, 개폐부재(310)는 내주면에 형성된 제2 나사산을 통해 구동축(300)에 연결되고, 구동축(300)에 연결된 개폐부재(310)는 구동축(300)에 선택적으로 연동되어 구동축(300)을 따라 회전하면서 양방향으로 직선 이동할 수 있다.

우선, 도 2(a)에 도시된 바와 같이 개구부(110)가 개방되면, 온도 센서(800)를 이용하여 단열펠트(100)의 외부에서 개방된 개구부(110)를 통해 단결정 용융액(M)의 온도를 비접촉식으로 측정할 수 있다. 온도 센서(800)는 구동축(300)에 하단에 부착된 종자결정(S)을 도가니(200) 내의 단결정 용융액(M)에 접촉시켜 본격적으로 단결정을 성장시키는 과정 이전에 단결정 용융액(M)의 표면 온도를 비접촉 방식으로 측정하기 위한 것으로, 비접촉 방식의 파이로미터를 사용할 수 있다. 개구부(110)는 온도 센서(800)가 외부에서 단결정 용융액(M)의 온도를 충분히 측정할 수 있도록 넓은 폭을 가질 수 있으나, 특별히 개구부(110)의 폭이 한정되는 것은 아니고 온도 센서(800)의 측정이 가능한 개구부(110)의 폭이면 충분하다.

온도를 측정하기 위한 영역으로 개구부(110)를 형성으로써 단결정 성장 공정 중에 발생한 이물질들이 투시창과 달리 표면에 증착될 수가 없으므로 외부에 구비된 비접촉 방식의 온도 센서(800)가 단열펠트(100)의 상부면에 관통 형성된 개구부(110)를 통해 단결정 용융액(M)의 표면 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 온도 센서(800)를 통해 감지된 온도가 단결정 성장용 원료의 용융온도에 근접한 경우, 단결정 성장용 원료가 일정 수준이상으로 용융되었음을 판단할 수 있다.

또한, 단열펠트(100)의 외부에는 카메라가 더 구비될 수 있으며, 카메라는 단열펠트(100)의 외부에서 개방된 개구부(110)를 통해 단열펠트(100) 내부공간의 영상정보를 촬영하여 종자결정(S)과 단결정 용융액(M)의 표면이 맞닿는 지점을 관측할 수 있다.

온도 센서(800)를 통해 단결정 성장용 원료가 용융되었다고 판단되면, 구동축(300)을 이동시켜 하단에 부착된 종자결정(S)을 단결정 용융액(M)의 표면에 접촉시킨 다음 단결정 성장 공정을 진행할 수 있는데, 온도 측정을 위해 개방된 개구부(110)는 여전히 개방되어 있으므로 단결정 성장 공정 중 발생하는 열기와 단결정 용융액(M)이 승화된 기상물질이 개구부(110)를 통해 빠져나가 열 손실이 발생하게 되고, 열 손실로 인해 단결정 용융액(M)의 온도구배가 특정 지점에서 높거나 낮게 나타나게 되는 문제가 발생하게 된다. 이에, 본 발명에서는 구동축(300)에 연결된 개폐부재(310)를 사용하여 온도 측정이 완료되면 개구부(110)를 폐쇄시켜 단열펠트(100)가 밀폐된 상태에서 단결정 성장 공정을 진행할 수 있도록 하였다.

개폐부재(310)는 내주면에 형성된 제2 나사산을 통해 구동축(300)에 연결되어 있으므로, 도 2(b)에 도시된 바와 같이 구동축(300)이 단결정 성장 소스인 종자결정(S)을 용융액에 담지시키기 위해 제1 회전모터(500) 및 고정된 열차단부재(320)에 의해 예를 들어, 반시계방향으로 회전하면서 하강할 때 개폐부재(310)도 구동축(300)을 따라 같이 반시계방향으로 회전하면서 하강하여 개구부(110)를 폐쇄시킬 수 있다. 개폐부재(310)는 구동축(300)이 회전하면서 하강할 때 같이 회전하면서 하강하여 개구부(110)를 막을 수 있도록 개구부(110)의 폭보다 큰 폭으로 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 개폐부재(310)의 폭이 개구부(110)의 폭보다 크게 형성되므로 구동축(300)이 회전하면서 하방향으로 직선 이동할 때 구동축(300)과 연동되어 구동축(300)과 같이 회전하면서 하방향으로 직선 이동하는 개폐부재(310)는 개구부(110)의 폭에 의해 더 이상 회전하면서 하강하지 못하고 개구부(110)의 폐쇄 상태를 유지하게 된다.

구동축(300)과 연동되어 회전 이동하는 개폐부재(310)에 의해 단열펠트(100)의 개구부(110)가 폐쇄되면 본격적으로 단결정 성장 공정이 진행될 수 있는데, 단결정 성장이 진행되는 동안 단열펠트(100) 내부공간의 열이 외부로 빠져나가는 것을 차단하기 위해 내부공간에 구동축(300)이 이동할 수 있는 관통홀이 형성된 판상의 단열부재(120)를 배치할 수 있다. 단열부재(120)는 내부공간에서 도가니(200)와 개구부(110) 사이의 공간에 제공되며, 적어도 하나 이상으로 복수 개가 배치될 수 있다.

도가니(200)와 개구부(110) 사이의 공간에 판상의 단열부재(120)를 배치함으로써 단결정이 성장되는 동안 도가니(200)의 열기와 함께 승화된 기상물질이 외부로 새어나가는 것을 더욱 효과적으로 차단할 수 있어 단열펠트(100) 내부 온도구배를 공정이 진행되는 동안 최대한 변동없이 일정하게 유지시킬 수 있다. 또한, 단결정의 성장은 대류에 의해 큰 영향을 받을 수 있기 때문에 단열펠트(100)의 내부공간에서 발생하는 대류는 단결정을 인상하는 공정에 중요한 인자라 할 수 있는데, 도가니(200)와 단열부재(120) 사이의 공간에 단열부재(120)를 배치함으로써 단열펠트(100)의 내부 온도 변화에 영향을 주는 대류를 균일화 및 안정화시킬 수 있어 단결정 성장 공정 조건에 적합한 환경을 용이하게 제어할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 개폐부재 위치조절부를 이용하여 개폐부재의 회전을 멈추게 하는 실시예를 나타내는 사시도로, 도 3(a)는 본 발명의 실시예에 따른 개폐부재가 구동축을 따라 회전하면서 직선 이동하는 상태를 나타내는 사시도이고, 도 3(b)는 본 발명의 실시예에 따른 개폐부재 위치조절부를 이용하여 개폐부재의 회전을 멈추게 하는 실시예를 나타내는 사시도이다.

도 3을 참조하면, 개폐부재(310)의 회전을 선택적으로 멈추게 하거나 개폐부재(310)를 구동축(300)과는 독립적으로 회전시켜 개폐부재(310)의 위치를 조절하는 개폐부재 위치조절부를 더 포함할 수 있다. 개폐부재 위치조절부(600)는, 타단에 연결되는 제2 회전모터(630)로부터 구동력을 전달받아 회전 또는 정지하는 로드축(620); 및 로드축(620)의 일단에 연결되며, 로드축(620)에 연동되어 로드축(620)을 중심으로 회전 또는 정지하는 이동로드(610)를 포함하고, 이동로드(610)가 요철부(311)를 향해 회전하여 요철부(311)와 연결되면, 이동로드(610)는 요철부(311)를 시계방향 또는 반시계방향으로 밀어내어 개폐부재(310)를 회전시키거나 요철부(311)와 연결되는 위치에서 정지하여 개폐부재(310)의 회전을 멈추게 할 수 있다.

또한, 개폐부재(310)는 개폐부재(310)의 가장자리를 따라 이격 배치된 요철부(311)가 형성될 수 있는데, 요철부(311)는 개페부재의 상부면 또는 측면으로부터 돌출되어 이격 배치된 형상일 수도 있고, 상부면을 관통하도록 형성된 구멍이 가장자리를 따라 이격 배치된 형상일 수도 있다. 본 발명의 요철부(311)는 도 3에 도시된 바와 같이 개폐부재(310)의 상부면으로부터 수직으로 돌출되어 가장자리를 따라 이격 배치된 것으로 도시하였지만, 후술하는 이동로드(610)와 연결될 수 있는 형상이라면 상관없다.

다시 도 3을 참조하면, 개폐부재 위치조절부(600)는 구동축(300)을 따라 회전하면서 양방향으로 직선 이동하는 개폐부재(310)가 구동축(300)에 선택적으로 연동될 수 있도록 개폐부재(310)의 회전을 선택적으로 멈추게 할 수 있다.

앞서 살펴본 바와 같이 개폐부재(310)는 구동축(300)에 연동되어 구동축(300)을 따라 회전하면서 양방향으로 직선 이동하는데, 외부에 구비된 온도 센서(800)나 카메라를 통해 단열펠트(100)의 외부에서 개방된 개구부(110)를 통해 내부공간을 측정 또는 촬영해야 되는 경우에는 구동축(300)을 따라 회전 이동하는 개폐부재(310)가 개구부(110)로부터 일정 간격 이격된 위치에서 고정된 상태를 유지할 수 있어야 한다.

본 발명에서는 개폐부재의 회전을 선택적으로 멈추게 하기 위해 개폐부재 위치조절부(600)를 구비하였다. 로드축(620)은 타단에 연결되는 제2 회전모터(630) 즉, 제2 구동계(630)로부터 구동력을 전달받아 회전 또는 정지할 수 있으며, 제2 회전모터(630)의 회전 구동력에 의해 일단에 연결되는 이동로드(610)를 요철부(311)를 향해 회전시켜 요철부(311)와 연결될 수 있는 위치로 이동로드(610)를 이동시킬 수 있다. 이동로드(610)는 로드축(620)의 일단에 연결되며, 로드축(620)에 연동되어 로드축(620)을 따라 회전 또는 정지할 수 있으며, 제2 회전모터(630) 및 로드축(620)에 의해 회전되어 요철부(311)와 상호 연결되면 요철부(311)와 연결되는 위치에서 정지하여 도 3(b)에 도시된 바와 같이 개폐부재(310)의 회전을 멈추게 할 수 있다. 즉, 제2 회전모터(630) 및 로드축(620)은 이동로드(610)가 요철부(311)에 접촉되도록 이동로드(610)를 요철부(311)를 향해 회전시킬 수 있고, 이동로드(610)와 요철부(311)가 연결되면 이동로드(610)의 회전을 정지시켜 개폐부재(310)가 더 이상 회전하지 못하도록 멈추게 할 수 있는 것이다.

구동축(300)을 따라 회전 이동하던 개폐부재(310)는 제2 회전모터(630) 및 로드축(620)에 의해 요철부(311)와 연결된 위치에서 정지된 이동로드(610)를 통해 회전이 멈춰질 수 있기 때문에 개폐부재(310)는 구동축(300)에 선택적으로 연동되어 구동축(300)을 따라 회전하면서 직선 이동할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 개폐부재 위치조절부를 이용하여 개폐부재를 독립적으로 회전시키는 실시예를 나타내는 사시도로, 도 4(a)는 본 발명의 실시예에 따른 개폐부재의 요철부와 이동로드가 연결된 상태를 나타내는 사시도이고, 도 4(b)는 본 발명의 실시예에 따른 개폐부재 위치조절부를 이용하여 개폐부재를 구동축과는 독립적으로 회전시키는 실시예를 나타내는 사시도이다.

앞서 살펴본 바와 같이 단결정 성장은 구동축(300)의 하단에 부착된 종자결정(S)을 단결정 용융액(M) 위쪽으로 종자결정(S)을 서서히 인상시킴으로써 종자결정(S) 아래쪽으로 진행될 수 있다. 종자결정(S)을 인상시키기 위해서 구동축(300)은 다시 제1 회전모터(500)에 의해 회전하면서 상승되고, 구동축(300)에 연동된 개폐부재(310) 또한 구동축(300)을 따라 회전하면서 상승될 수 있는데, 종자결정(S) 인상을 위한 구동축(300)의 회전 상승에 따라 개폐부재(310)도 같이 회전 상승하면서 도 4(a)와 같이 개구부(110)가 개방된다. 개구부(110)가 단결정 성장 공정 중에 개방될 경우 단결정 용융액(M)이 기화되어 발생하는 증기가 단열펠트(100)의 외부로 빠져나가 열 손실이 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는 개폐부재 위치조절부(600)를 이용하여 개폐부재(310)를 구동축(300)과는 독립적으로 회전시켜 개폐부재(310)의 위치가 조절되도록 하였다.

도 3에서 제시된 이동로드를 요철부를 향해 회전시켜 요철부와 연결시키는 것에 대한 설명과 중복되는 내용에 대해서는 생략한다. 전술한 바와 같이 이동로드(610)가 제2 회전모터(630) 및 로드축(620)에 의해 회전되어 요철부(311)와 상호 연결되면 이동로드(610)는 요철부(311)를 시계방향 또는 반시계방향으로 밀어내어 개폐부재(310)를 구동축(300)과는 독립적으로 회전시킬 수 있다.

종자결정(S)을 인상시키는 과정에서도 개구부(110)를 계속적으로 폐쇄시켜 온도구배를 유지할 필요가 있으므로, 이를 위해 제2 회전모터(630)는 회전 구동력을 로드축(620)에 전달하고, 로드축(620)은 제2 회전모터(630)로부터 전달받은 회전 구동력으로 이동로드(610)를 계속적으로 회전시켜 이동로드(610)가 개폐부재(310)에 형성된 요철부(311)를 밀어내도록 한다. 제2 회전모터(630) 및 로드축(620)에 의해 이동로드(610)가 요철부(311)를 향해 회전하여 도 4(a)에 도시된 바와 같이 요철부(311)와 연결되면, 이동로드(610)는 회전을 정지하지 않고 요철부(311)를 구동축(300)이 회전하는 방향과 반대방향으로 밀어내고, 내주면에 제2 나사산이 형성된 개폐부재(310)는 요철부(311)를 밀어내는 이동로드(610)에 의해 구동축(300)의 제1 나사산을 따라 구동축과는 독립적으로 회전하면서 하강되어 도 4(b)에 도시된 바와 같이 개구부(110)를 다시 폐쇄시킬 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 승강모터를 이용하여 이동로드 및 로드축을 이동시키는 실시예를 나타내는 사시도이다.

도 5를 참조하면, 이동로드(610) 및 이동로드(610)에 연결된 로드축(620)을 상하로 이동시키는 제1 승강모터(630)를 더 포함할 수 있다. 개폐부재(310)는 구동축(300)을 따라 회전하면서 양방향으로 직선 이동할 수 있는데, 이동로드(610) 및 로드축(620)이 일정한 위치에 고정되어 있는 경우에는 회전하면서 상하로 직선 이동하는 개?부재의 요철부(311)에 이동로드(610)가 연결되지 못하고, 이에 개폐부재 위치조절부(600)는 개폐부재(310)의 위치를 조절하지 못하는 문제가 발생하게 된다.

예를 들어, 개구부(110)를 막고 있던 개폐부재(310)가 종자결정(S)의 인상을 위해 회전하면서 올라가는 구동축(300)에 의해 같이 회전하면서 올라갈 때, 개폐부재 위치조절부(600)의 위치가 고정되어 있는 경우에는 회전하면서 상승하는 개폐부재(310)와 대응되는 위치로 이동하지 못해 개폐부재(310)를 구동축(300)과는 독립적으로 회전 및 하강시키지 못하게 되고, 이로부터 개구부(110)는 계속 개방된 상태를 유지하게 되어 전술한 바와 같이 열 손실이 발생하게 된다. 즉, 회전하면서 상승하는 개폐부재(310)와 대응되는 위치로 이동로드(610) 및 로드축(620)이 상승 또는 하강할 수 있어야 하므로 본 발명에서는 이동로드(610) 및 이동로드(610)에 연결된 로드축(620)이 상하로 이동할 수 있도록 제1 승강모터(630)를 구비하였다. 제1 승강모터(630)에 의해 이동로드(610) 및 이동로드(610)에 연결된 로드축(620)의 위치가 상하로 조절될 수 있게 됨으로써 개폐부재(310)가 회전하면서 상하로 움직이는 경우에도 문제없이 이동로드(610)가 개폐부재(310)와 대응되는 위치로 이동하여 개폐부재(310)의 요철부(311)와 연결될 수 있다. 제2 회전모터(630) 및 제1 승강모터(630)는 제2 구동계(630) 내에 배치될 수 있으며, 제2 구동계(630)로부터 제2 회전모터(630) 또는 제1 승강모터(630)는 선택적으로 구동하게 된다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 요철부와 이동로드의 접촉을 감지하는 감지부를 나타내는 개략도이다.

도 6을 참조하면, 요철부(311)와 이동로드(610)의 접촉을 감지하는 감지부(700)를 더 포함할 수 있다.

개폐부재(310)가 직선 이동한 거리(d)를 구하여 개폐부재(310)가 개구부(110)와 제대로 맞닿아 개구부(110)를 제대로 폐쇄했는지의 여부를 판단하기 위해 구동축(300)의 상단과 로드축(620)의 하단에 각각 전기적으로 연결되는 감지부(700)를 구비하였고, 감지부(700)는 멀티미터로 요철부(311)와 이동로드(610)의 접촉 유무를 전기적으로 확인할 수 있다. 즉, 이동로드(610)의 회전에 의해 요철부(311)와 이동로드(610)가 접촉되면 도 6(b)에 도시된 바와 같이 멀티미터에 측정된 전류 값을 확인할 수 있고, 요철부(311)와 이동로드(610)의 접촉이 없으면 도 6(a)에 도시된 바와 같이 멀티미터에 측정되는 전류가 없게 되므로 이를 통해 이동로드(610)가 요철부(311)에 접촉한 시간(t)을 구할 수 있게 된다. 나머지 나사산의 간격(p), 회전 속도(v)를 측정하여 개폐부재(310)가 직선 이동한 거리 d=tpv/60를 구할 수 있으며(d값이 0인 경우에는 개구부(110)가 폐쇄되지 않은 상태, d값이 x인 경우에는 개구부(110)가 개폐부재(310)에 의해 폐쇄된 상태), 측정된 d값에 의해 개폐 여부를 확인할 수 있게 되므로 개구부(110)를 확실하게 폐쇄한 상태에서 단결정 성장 공정을 진행할 수 있다. 뿐만 아니라, 이동로드(610)가 개폐부재(310)의 회전을 멈추게 하기 위해 요철부(311)를 향해 회전하다가 요철부(311)와 접촉되는 위치에서 정지해야 되는 경우, 감지부(700)를 통해 요철부(311)와 이동로드(610)의 접촉을 손쉽게 확인할 수 있으므로 이동로드(610)가 요철부(311)와 접촉되는 위치에서 더 이상 회전하지 않고 정지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 나타내는 단면도이다.

도 7을 참조하면, 구동축(300)과 구동축(300)에 연결된 개폐부재(310)를 상승 또는 하강시키는 제2 승강모터(500)를 더 포함할 수 있다.

구동축(300)은 도 2에서 설명한 바와 같이 제1 구동계(500) 내부의 제1 회전모터(500)에 의해 회전하면서 고정된 열차단부재(320)를 통해 양방향으로 직선 이동할 수 있고, 구동축(300)의 하단에 부착된 종자결정(S)은 구동축(300)의 회전 이동에 의해 조금씩 회전하면서 장시간동안 인상되어 단결정을 성장시킬 수 있다. 하지만 부피가 큰 잉곳을 제조하는 경우에는 높은 인상 속도가 요구되므로, 종자결정(S)을 서서히 회전시키면서 인상시키지 않고 회전 없이 한번에 종자결정(S)을 인상시킬 수 있도록 구동축(300)과 구동축(300)에 연결된 개폐부재(310)를 상승 또는 하강시키는 제2 승강모터(500)를 추가적으로 구비하였다. 제2 승강모터(500) 역시 제1 회전모터(500)와 같이 제1 구동계(500) 내부에 구비될 수 있고, 원하는 메커니즘에 따라 제1 구동계(500)에 구비된 제1 회전모터(500) 또는 제2 승강모터(500)를 선택하여 단결정을 성장시킬 수 있다.

구동축(300) 및 구동축(300)의 제1 나사산에 연결된 개폐부재(310)는 제2 승강모터(500)에 의해 회전하는 과정 없이 자체적으로 동시에 상승 또는 하강되며, 개구부(110)를 폐쇄할 경우에는 구동축(300) 및 구동축(300)에 연결된 개폐부재(310)가 동시에 하강되어 개구부(110)를 막을 수 있다. 자체적으로 승하강되는 구동축(300)과 개폐부재(310)에 의해 도 7에 도시된 열차단부재(320)는 챔버벽으로부터 고정되지 않고 구동축(300)에 끼워진 상태로 구동축(300) 및 개폐부재(310)와 같이 승하강되며, 구동축(300)이 회전하면서 양방향으로 직선 이동하지 않고 회전 없이 자체적으로 승하강 될 때 열차단부재(320)는 도 2에서 설명된 바와 달리 동력전달부를 열로부터 보호하는 구성으로만 작용할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며, 아래에 기재될 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10: 챔버 100: 단열펠트
110: 개구부 120: 단열부재
200: 도가니 210: 도가니 지지대
300: 구동축 310: 개폐부재
311: 요철부 320: 열차단부재
400: 가열부 500: 제1 구동계
600: 개폐부재 위치조절부 610: 이동로드
620: 로드축 630: 제2 구동계
700: 감지부 800: 온도 센서
S: 종자결정 M: 단결정 용융액

Claims (14)

1. 용액 공정으로 단결정을 성장시키는 내부공간을 제공하고, 상부면에 관통 형성된 개구부를 포함하는 단열펠트;
   상기 내부공간에 배치되고, 단결정 성장용 원료를 수용하는 도가니;
   열에너지를 공급하여 상기 단결정 성장용 원료를 용융시키는 가열부;
   상기 개구부에 삽입되어 제1 회전모터에 의해 회전하면서 양방향으로 직선 이동 가능하게 배치되고, 하단에 종자결정이 부착되는 구동축;
   상기 구동축에 연결되어 선택적으로 연동되며, 상기 구동축을 따라 회전하면서 양방향으로 직선 이동하여 상기 용액 공정 중에 상기 개구부를 개방 또는 폐쇄하는 개폐부재; 및
   상기 개폐부재의 회전을 선택적으로 멈추게 하거나, 상기 개폐부재를 상기 구동축과는 독립적으로 회전시켜 상기 개폐부재의 위치를 조절하는 개폐부재 위치조절부;를 포함하고,
   상기 개폐부재 위치조절부는 상기 개폐부재의 위치 조절을 통해 상기 용액 공정 중 단결정 성장 공정 동안에 상기 개구부의 폐쇄 상태를 유지시키는 단결정 용액성장 장치.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 구동축은 외주면의 적어도 일부에 형성된 제1 나사산을 구비하고,
   상기 개폐부재는 내주면에 형성된 제2 나사산을 통해 상기 구동축에 연결되는 단결정 용액성장 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 개폐부재의 폭은 상기 개구부의 폭보다 큰 단결정 용액성장 장치.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 개폐부재는 상기 개폐부재의 가장자리를 따라 이격 배치된 요철부를 포함하는 단결정 용액성장 장치.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 개폐부재 위치조절부는,
   타단에 연결되는 제2 회전모터로부터 구동력을 전달받아 회전 또는 정지하는 로드축; 및
   상기 로드축의 일단에 연결되며, 상기 로드축에 연동되어 상기 로드축을 중심으로 회전 또는 정지하는 이동로드를 포함하고,
   상기 이동로드가 상기 요철부를 향해 회전하여 상기 요철부와 연결되면, 상기 이동로드는 상기 요철부를 시계방향 또는 반시계방향으로 밀어내어 상기 개폐부재를 회전시키거나 상기 요철부와 연결되는 위치에서 정지하여 상기 개폐부재의 회전을 멈추게 하는 단결정 용액성장 장치.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 이동로드 및 이동로드에 연결된 로드축을 상하로 이동시키는 제1 승강모터를 더 포함하는 단결정 용액성장 장치.
   
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 개구부가 개방될때, 상기 단열펠트의 외부에서 개방된 상기 개구부를 통해 단결정 용융액의 온도를 비접촉식으로 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 단결정 용액성장 장치.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 회전모터에서 발생되는 동력을 상기 구동축에 전달하는 동력전달부를 열로부터 보호하는 열차단부재를 더 포함하는 단결정 용액성장 장치.
    
11. 청구항 7에 있어서,
    상기 요철부와 이동로드의 접촉을 감지하는 감지부를 더 포함하는 단결정 용액성장 장치.
    
12. 청구항 3에 있어서,
    상기 구동축과 상기 구동축에 연결된 개폐부재를 상승 또는 하강시키는 제2 승강모터를 더 포함하는 단결정 용액성장 장치.
    
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부공간에서 상기 도가니와 개구부 사이의 공간에 제공되며, 상기 구동축이 이동할 수 있는 관통홀이 형성된 판상의 단열부재를 더 포함하는 단결정 용액성장 장치.
    
14. 청구항 1에 있어서,
    상기 개폐부재는 흑연재질로 이루어지는 단결정 용액성장 장치.
    

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