KR102041370B1

KR102041370B1 - 단결정 성장 장치

Info

Publication number: KR102041370B1
Application number: KR1020180082491A
Authority: KR
Inventors: 정성민; 이명현; 배시영; 신윤지; 유영재; 하민탄
Original assignee: 한국세라믹기술원
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2019-11-06

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치는 상부에 제1 관통홀을 갖고, 내부공간을 제공하는 단열부; 상기 단열부 내부공간에 위치되며, 단결정 원료의 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니에 열을 가하여 상기 단결정 원료를 용융시키는 가열부; 상기 제1 관통홀을 지나 상하 방향으로 이동하고 하단부에 종자결정이 부착되는 구동축; 상기 구동축을 중심으로 대칭되게 돌출되도록 상기 구동축에 연결되어 상기 구동축과 연동하는 열차단부를 포함할 수 있다.

Description

단결정 성장 장치{Single Crystal Growth Apparatus}

본 발명은 단결정 성장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단결정을 성장 시키는 과정 속에서 발산되는 열을 막아 온도 구배를 안정화 시키는 단결정 성장 장치에 관한 것이다.

일반적으로 실리콘 또는 실리콘카바이드 등 단결정을 제조하는 방법으로서, 쵸크랄스키(CZ: CZochralski)법이 많이 이용되고 있다 석영 도가니에 다결정 실리콘을 장입하고, 흑연 발열체를 가열하여 이를 용융시킨 후, 용융 결과 형성된 실리콘 용융액에 종자 결정(Seed Crystal)을 용융액 표면에 접촉시키고, 용융액 계면에서 결정화가 일어나도록 하여 시드 결정을 회전하면서 인상시킴으로써 단결정 실리콘 또는 실리콘카바이드 등의 잉곳이 성장된다.

단결정이 성장할 때 단결정 용융액의 온도를 일정하게 유지시키는 것은 단결정 성장과정에서 중요한 요소 중 하나이므로, 단결정 성장 과정 중 열이 손실되어 용융액의 온도가 균일하지 못하게 되는 것을 방지하고 단열부 내부의 온도 변화도 또한 균일하게 유지하면 단결정의 품질이 향상 될 수 있다.

일반적인 단결정 성장 장치는 종자결정이 달려 있는 구동축이 상하로 이동 할 수 있게 단열부에 개방된 홀이 존재하게 되는데 단결정 성장 과정 중 이 개방된 홀을 통해 열이 발산되어 용융액과 단열부 내부의 온도가 균일하지 못하게 되는 문제점이 있다. 또한, 용융액에서 발생하는 증발 기상이 개방된 홀을 통해 외부로 계속하여 빠져 나감으로 인하여 전체적인 용융액의 양이 줄어들 수 있다.

공개특허공보 제10-2015-0187168호

본 발명은 단결정을 성장시키는 과정 중 발산되는 열을 막아 단열부 내부의 온도 구배를 안정화 시키는 단결정 성장 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 단결정을 성장시키는 과정 중 발생하는 증기기상의 증발을 안정화 할 수 있는 단결정 성장 장치를 제공하는 것이다.

상기 제1 관통홀 상에 제공되는 덮개부를 더 포함하고, 상기 덮개부는 상기 단열부의 상부면과 함께 상기 내부공간과 연통하는 보조공간을 형성하고, 상기 덮개부의 하단부의 폭이 상기 제1 관통홀의 폭보다 클 수 있다.

상기 종자결정이 상기 용융액에 닿아 단결정을 성장시키는 용액공정 중에는,상기 열차단부가 상기 용융액의 상부면보다는 상기 단열부의 상부면과 가깝게 위치할 수 있다.

상기 열차단부는 상기 제1 관통홀의 폭보다 좁은 폭을 갖질 수 있다.

상기 열차단부는 상기 구동축의 하단부로부터의 이격 거리를 조절할 수 있도록 상기 구동축에 연결될 수 있다.

상기 구동축은 복수의 단위 기둥이 조립되어 형성되고, 상기 열차단부는 상기 구동축의 단위 기둥 사이 중 어느 한 곳에 체결되어 상기 이격 거리를 조절할 수 있다.

상기 구동축은 외부면의 적어도 일부에 형성된 제1 나사산과, 상기 열차단부의 내부면에 형성된 제2 나사산의 체결에 의해 상기 이격 거리를 조절할 수 있다.

상기 덮개부는 상단부의 중앙 영역에 형성되는 제2 관통홀을 포함할 수 있다.

상기 덮개부는 상기 구동축을 따라 이동하는 상기 열차단부와 연동하여 상하방향으로 이동할 수 있다.

상기 열차단부의 폭이 상기 제2 관통홀의 폭보다 클 수 있다.

상기 열차단부는 판상형태로서, 측단부는 상기 구동축을 중심으로 대칭되게 형성된 제1 경사면을 이루고, 상기 제2 관통홀을 형성하는 상기 덮개부의 내측벽이 상기 제1 경사면과 평행한 제2 경사면을 이루며, 상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면이 적어도 부분적으로 맞닿을 수 있다.

상기 덮개부는 덮개부의 내부 표면으로부터 보조공간 내부로 돌출되는 돌출부를 포함할 수 있다.

상기 돌출부의 적어도 일부분은 상기 보조공간 안에 있는 상기 단열부의 상부면 상에 위치하도록 제공될 수 있다.

상기 단열부, 구동축, 열차단부 및 덮개부는 흑연으로 이루어질 수 있다.

상기 용융액에서 상기 단결정의 구성요소 중 적어도 하나의 용해도를 높여주는 촉매금속을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 단결정 성장장치는 단결정 용융액으로부터 단결정을 성장과정 동안 열차단부를 활용하여 용융액과 단열부 내부공간의 온도를 균일하게 유지시킬 수 있다.

즉, 종자결정이 단결정 용융액에 닿아 단결정을 성장시키는 용액공정 동안 구동축에 연동되는 열차단부가 있음으로써 열의 발산을 막아 용융액과 단열부의 내부공간의 온도를 균일하게 유지 할 수 있게 된다.

추가적으로 단열부에 형성된 제1 관통홀 상에 제공된 덮개부를 열차단부와 함께 활용하여 부차적으로 열의 발산을 막아 온도 구배를 더 일정하게 유지 시킬 수 있다.

또한, 덮개부에 의해 형성된 주변공간에 의해 외부공기와 단열부 내부의 내부공간을 격리시킴으로써 완충작용을 할 수 있음에 따라 기체상의 농도가 구역별로 나뉘어져 단열부 내부공간이 안정화 될 수 있다.

그로 인하여 용융액으로부터 발생 된 증발 기상(Fume)이 상대적으로 온도가 낮고 압력이 높은 덮개부의 측면부나 상부면 또는 열차단부에 응축되고 더해서 덮개부에 응축된 응축상이 단결정 용융액으로 낙하하여 오염이 될 수 있는 부분은 응축상이 열차단부 상부면에 낙하됨으로써 오염을 감소 시킬 수 있다.

또한, 덮개부를 이동 가능하게 형성함으로써 단결정을 완성하는 과정 중에 단결정이 성장하면서 구동축이 위로 올라가는데 구동축과 연동하는 열차단부가 이동에 제한 되지 않을 수 있고, 단결정의 냉각시에도 외부 공기와의 접촉이 쉽게 이루어져 냉각시 유리한 효과를 가질 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치와 그 내부에서의 열의 순환도와 증발 기상이 응축되는 모습을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용액공정 중 열차단부의 적절한 위치에 관한 실시예를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열차단부의 구동축 내의 종자결정으로 부터의 이격 거리를 조절할 수 있는 실시예를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 덮개부가 구동축에 연동되는 열차단부에 의해 상하로 이동하는 실시예를 나타내는 단면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 덮개부의 내부 표면으로부터 내부공간으로 돌출되는 돌출부를 나타내는 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 종래의 단결정 성장장치와 본 발명의 성장장치의 온도구배를 나타내는 도면.

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 장치와 그 내부에서의 열의 순환도와 증발 기상이 응축되는 모습을 나타내는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치는 상부에 제1 관통홀(110)을 갖고, 내부공간을 제공하는 단열부(100); 상기 단열부(100) 내부공간에 위치되며, 단결정 원료의 용융액(210)을 수용하는 도가니(200); 상기 도가니(200)에 열을 가하여 상기 단결정 원료를 용융시키는 가열부(400); 상기 제1 관통홀(110)을 지나 상하 방향으로 이동하고 하단부에 종자결정(320)이 부착되는 구동축(300); 상기 구동축(300)을 중심으로 대칭되게 돌출되도록 상기 구동축(300)에 연결되어 상기 구동축(300)과 연동하는 열차단부(310)를 포함할 수 있다.

단열부(100)는 내부공간이 있고 단결정 성장 과정에 필요한 공간이 제공되며 내부공간안에 원료의 용융액(210)을 수용하는 도가니(200)가 배치될 수 있고, 단열부(100)의 상부가 관통되어 뚫려 있어 후술할 구동축(300)이 자유롭게 이동 할 수 있는 폭으로 제공된 제1 관통홀(110)이 있을 수 있다.

도가니(200)는 단결정 원료와 용융된 단결정 원료의 용융액(210)을 수용할 수 있고, 가열부(400)에 의해 가열되어 진다.

단결정의 용융액(210)은 단결정 원료를 도가니(200) 내부에서 용융시킨 후

생성되며 후술할 상하이동하면서 회전하는 구동축(300)의 하단부에 연결되어 있는 종자결정(320)과 용융액(210) 표면이 맞닿은 후 상승면서 단결정을 형성할 수 있다.

가열부(400)는 상기 단열부(100) 주위에 설치될 수 있고 열을 공급하여 도가니(200) 내부에 수용된 단결정 원료를 용융시켜 단결정 용융액(210)으로 만들 수 있는 어떤 부재도 가능하나, 일례로써 고주파 유도코일일 수 있다.

구동축(300)은 단열부(100)의 제1 관통홀(110)을 지나 이동할 수 있게 제공될 수 있다. 구동축(300) 하단부에는 종자결정(320)이 부착될 수 있고 회전하며 상하로 움직일 수 있다.

종래의 단결정 성장장치에서는 제1 관통홀(110)이 구동축(300)에 의해서 막혀진 부분외에는 개방된 상태로써 이 개방된 부분으로 많은 열이 손실되고 또한 용융액(210)에서 발생한 증발 기상들이 계속하여 빠져나가 단열부 내부 공간에 포화되지 못하여 용융액(210)의 증발에 따라 단결정의 결과에 영향을 미칠 수도 있었다.

그리하여 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장장치의 열차단부(310)는 용융액(210)과 단열부(100) 내부공간에서 발산되는 열을 외부로 손실되지 않게 하기 위해 구동축(300)에 연동하는 열차단부(310)가 열차단 역할을 수행한다.

또한, 제1 관통홀(110)의 폭보다 좁게 폭을 형성하지만 이동이 가능할 정도로의 폭을 가짐으로써 열차단 효과를 극대화 시키지만 제1 관통홀(110)을 막을 정도가 아닐 정도의 공간을 남겨 소량의 열과 증발기상이 빠져 나가게 함으로써 단열부(100) 내부 압력이 너무 높아지는 것을 방지할 수 있게 하였다.

실시예에 따른 단결정 성장장치의 열차단부(310)의 형태는 구동축(300)을 중심으로 대칭되는 판상형 모양이다. 구동축(300)이 회전하면서 상하로 움직이기 때문에 구동축(300)을 중심으로 대칭형의 형태로 해야 회전할 시 원활하게 회전이 진행된다.

또한, 구동축(300)으로부터 돌출되게 형성하여 구동축(300)에 연결되며 구동축(300)의 움직임에 연동이 될 수 있게 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 단결정 성장장치의 실시예로서 바람직한 열차단부(310)의 형태는 원뿔대 모양 또는 원판 모양 등이 있을 수 있으나 이에 국한되지는 않는다.

열차단부(310)의 중앙부근이 관통되어 구동축(300)에 연결됨으로써 전술한 구동축(300)의 움직임에 연동되게 운용할 수 있다.

또한, 구동축(300)의 이동에 의해 하단에 부착된 종자결정(320)이 도가니(200) 내의 단결정 용융액(210)에 닿아 단결정을 성장시키는 용액공정을 통해 단결정을 성장시킬 수 있다.

본 명세서에서 말하는 용액 공정은 도가니(200)에 단결정 원료를 넣고 도가니(200)를 가열하여 용융시킨 뒤 단결정 용융액(210)의 표면 온도를 측정한다.

단결정 원료가 단결정을 성장시키기에 적당한 용융상태가 되었다고 판단되면 단결정 용융액(210) 표면에 종자결정(320)을 닿게 하여 서서히 회전하면서 끌어올림으로써 단결정으로 성장시킬 수 있다.

공정을 더 안정적으로 진행하기 위하여 구동축(300)에 연동된 상술한 열차단부(310)는 열이 외부로 발산되는 것을 막아 온도 구배의 안정화를 꾀할 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 본 실시예에 따른 단결정 성장장치는 상기 제1 관통홀(110) 상에 제공되는 덮개부(500)를 더 포함하고, 상기 덮개부(500)는 상기 단열부(100)의 상부면(120)과 함께 상기 내부공간과 연통하는 보조공간을 형성하고, 상기 덮개부(500)의 하단부의 폭이 상기 제1 관통홀(110)의 폭보다 클 수 있다.

전술한 바와 같이 종래의 단결정 성장장치는 열의 발산과 증발기상이 계속 증발되어 용융공정시 온도가 안정화 되지 않는 문제가 있었으나 본 발명의 단결정 성장장치는 열이 발산되지 않게 하기 위하여 열차단부(310)를 제공하였고 이에 더해 온도 구배의 안정화가 더 잘 유지되기 위해 덮개부(500)를 추가적으로 형성할 수 있다.

덮개부(500)의 모양은 속이 빈 밑면이 없는 원통형이나 속이 빈 밑면이 없는 반구 형태 등으로써 하단부가 단열부(100)의 상부면(120)에 닿음으로써 단열부(100)의 내부 공간과 연통되는 보조공간을 만들 수 있다.

이 보조 공간으로 인하여 단열부(100)의 내부공간과 외부공기가 어느 정도 격리되어 보조공간이 열과 기상의 농도의 완충 역할을 하고 이에 따라 단열부(100)의 내부 공간이 안정화가 되어 단결정 성장 과정이 수월해 질 수 있다.

또한, 덮개부(500)가 단열부(100)의 내부 공간과 연통된 보조공간을 생성하며 단열부(100) 상부면(120)에 놓여 있을 때 단결정 용융액(210)과 단열부(100)의 내부공간에서 발산되는 열을 덮개부(500)가 열차단부(310)에 이어 추가적으로 감소시켜 온도 구배의 더욱 안정화가 될 수 있다.

또한, 종래의 단결정 성장장치에서는 외부로 빠져나가던 증발 기상이, 본 발명의 실시예인 단결정 성장장치에 덮개부(500)가 생김으로써 증발된 기상이 외부로 빠져나가지 못하고 보조공간으로 상승하여 덮개부(500) 내부 벽면에 응축이 되는데 덮개부(500)의 내부면이 상대적으로 낮은 온도와 압력이 높음으로 인해 액체나 고체 등으로 내부면에 응축됨으로써 응축상이 용융액(210)으로 낙하하여 오염이 되는 것을 막을 수 있다.

또한, 후술할 덮개부(500)의 제2 관통홀(510)을 통해 어느정도의 증기가 외부로 빠져 나가면서 보조공간과 단열부(100)의 내부공간의 압력이 지나치게 높아지는 것을 방지할 수 있다.

덮개부(500)의 하단부의 폭은 단열부(100)의 제1 관통홀(110)의 폭보다 크게 하여 유효하게 덮개부 내부에 공간을 만들어 열이 외부로 발산하는것을 막아 단열 효과를 극대화 할 수 있다.

앞서 살펴본 바와 같이 열차단부(310)와 덮개부(500)의 역할은 종래의 단결정 성장 장치에서는 열이 많이 손실되어 온도가 상대적으로 일정하지 못하는 문제점을 극복하기 위해 형성되었고 그 효과를 자세히 알아보기 위해 도 1(a)와 도 1(b)를 참조해보록 한다.

도 1(a)를 보면 단결정 성장장치 내부의 열적 순환 모습을 나타내고 있는데 용융액(210)으로부터 발산된 열이 열차단부(310)의 하단면에 부딪힘으로써 다시 단열부(100)의 내부공간으로 열이 되돌아오는 모습이다.

추가적으로 단열부(100)의 내부공간과 연통된 보조공간 안에서 덮개부(500)의 상부면이나 측면부가 존재함으로써 열이 외부로 발산 되지 않고 단결정 성장장치 내부로 열이 다시 되돌아오는 모습이다.

도 1(b)는 용융액(210) 표면으로부터 실시예인 실리콘(Si)등이 증발하여 상대적으로 온도가 낮고 압력이 높은 열차단부(310)의 상부면과 덮개부(500)의 상부면, 측면부 등에 응축되어 응축상들이 용융액(210) 내부로 낙하하여 오염되는것을 막고, 덮개부(500)가 생김으로써 증발 기상이 외부로 많은 양이 배출 되는 부작용을 완화 시킬 수 있다.

또한, 용융액(210)으로부터 많은 양이 증발 된다면 증발된 기상들이 내부 공간에 있으면서 어느 정도 포화가 되지 못하고 계속하여 용융액(210)으로부터 증발 되어 용융액(210)의 전체 양에도 영향을 줄 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 용액공정 중 열차단부(310)의 적절한 위치에 관한 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 2를 참조하면, 상기 종자결정(320)이 상기 용융액(210)에 닿아 단결정을 성장시키는 용액공정 중에는, 상기 열차단부(310)가 상기 용융액(210)의 상부면보다는 상기 단열부(100)의 상부면(120)과 가깝게 위치하도록 제공될 수 있다.

또한, 상기 열차단부(310)는 상기 제1 관통홀(110)의 폭보다 좁은 폭을 가질 수 있다.

열차단부(310)는 앞서 살펴본 바와 같이 구동축(300)에 연결되어 회전하면서 상하방향으로 직선 이동이 가능하고 전술한 종자결정(320)이 용융액(210)에 닿아 단결정을 성장시키는 용액공정을 진행하는 중에 열차단부(310)의 열차단 효과가 생겨 온도의 안정화를 줄 수 있어야 한다.

하지만 구동축(300)에 달려 있는 종자결정(320)으로부터 열차단부(310)의 이격거리가 용액공정 중 제1 관통홀(110)로부터 너무 멀리 떨어져 있으면 열차단의 효과를 보기에는 그 유효하지 않아 부적절 한 문제점이 있다.

그렇기 위해서 열차단부(310)의 열차단 효과를 극대화 시키기 위해서는 제1 관통홀(110) 주변에 열차단부(310)가 위치하게 하여야 한다.

그 위치는 제1 관통홀(110) 상부면 또는 하부면에 근접하게 접근시켜 열의 발산을 잘 막을 수 있을 정도의 거리에 위치하면 되고 바람직하게는 제1 관통홀(110)에 의해 형성된 단열부(100) 상부면(120)의 측벽 사이의 공간내에 위치하게 하여 열이 발산되는 것을 최대한으로 차단할 수 있다.

위와 같이 열차단부(310)가 제1 관통홀(110) 상단부 주변에 위치한다면 상대적으로 단열부(100) 내부의 공간이 넓어져 그 온도 차단 효율은 상대적으로 떨어질 수 있다.

제1 관통홀(110) 하단부 주변에 위치한다면 온도 차단 효과는 여전히 있으나 단열부(100)내부 공간안에 있는 것이므로 단열부 내부에 영향이 있을 수 있다.

그리하여 상술한 가장 바람직한 위치인 제1 관통홀(110)에 의해 형성된 단열부(100) 상부면(120)의 측벽 사이의 공간에 열차단부(310)가 위치한다면 단열부(100)의 내부공간이 안정화 되어 온도구배가 안정화 되고 용액공정을 진행하기가 수월해 질 것이다.

그러나 이는 열차단부(310)의 효과를 낼 수 있는 위치면 특별히 한정되지 않으며 위의 효과는 덮개부(500)가 고정형 또는 이동형 모두에게 적용 될 수 있다.

또한, 열차단부(310)의 폭은 제1 관통홀(110)의 폭보다 좁게 형성되게 하되 이동이 가능할 정도로 넓게 폭을 형성하여 자유롭게 제1 관통홀(110)을 통과 할 수 있게 만들어 약간의 열과 증기가 순환이 되게 하여 너무 높은 압력이 형성되지 않게 한다.

형태에 따른 폭은 예를들어 원형의 형태 일때는 지름이 제1 관통홀(110)의 폭보다 작아야하고, 네모 판상형의 모형일 때는 가장 긴 폭이 가령 대각선의 폭 등이 제1 관통홀(110)의 폭보다 좁아야 바람직 할 것이다.

하지만 위와 같이 열차단부(310)의 폭이 제1 관통홀(110)보다 너무 좁게 형성된다면 증발 기상과 열이 그 사이로 통과가 되어 의도하는 효과를 볼 수 없을 것이다. 그러나 위와 같은 실시예에 한정되지 않고 열차단부(310)의 폭은 제한되지 않으며 그 역할을 수행 할 수 있으면 한정되지 않고 상황에 따라 제1관통홀의 위 또는 아래에 형성될 수도 있다.

위의 예를 자세히 보기 위하여 도 2(a)를 보면 열차단부(310)가 연결된 구동에 연동되어 아래로 내려가는 모습이고, 도 2(b)를 보면 종자결정(320)이 단결정 용융액(210)과 맞닿은 시점에 열차단부(310)의 위치는 전술한 대로 제1 관통홀(110) 상부면과 하부면 주변에 위치하거나 바람직하게는 제1 관통홀(110)에 의해 형성된 단열부(100)의 상부면(120)의 측벽 사이에 위치하여야 열차단의 효과를 극대화 시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열차단부(310)의 구동축(300) 내의 종자결정(320)으로 부터의 이격 거리(L)를 조절할 수 있는 실시예를 나타내는 사시도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장장치인 상기 열차단부(310)는 상기 구동축(300)의 하단부로부터의 이격 거리(L)를 조절할 수 있도록 상기 구동축(300)에 연결될 수 있다. 그 실시예로서 상기 구동축(300)은 복수의 단위 기둥이 조립되어 형성되고, 상기 열차단부(310)는 상기 구동축(300)의 단위 기둥 사이 중 어느 한 곳에 체결되어 상기 이격 거리(L)를 조절할 수 있다.

또한, 상기 구동축(300)은 외부면의 적어도 일부에 형성된 제1 나사산과, 상기 열차단부(310)의 내부면에 형성된 제2 나사산의 체결에 의해 상기 이격 거리(L)를 조절할 수 있다.

전술한 바와 같이 열차단부(310)의 열차단의 효과를 극대화하기 위해서는 제1 관통홀(110) 주변에 위치할 필요가 있다. 하지만 그렇게 하기 위해서는 용액공정시 구동축(300)에 연결된 종자결정(320)으로부터 알맞은 거리에 열차단부(310)가 위치하여야 하는 문제점이 생긴다.

또한, 도가니(200) 내에 있는 용액의 수위는 그 용융된 원료의 양에 또는 도가니(200)의 용량에 따라 달라지므로 열차단부(310)의 종자결정(320)으로부터의 이격거리를 조절 할 수 있게 하는것은 필수적이라 할 수 있다.

위와 같은 열차단부(310)의 유효한 효과를 얻기 위해 구동축(300)의 하단부로부터 이격 거리(L)를 조절할 수 있는 실시예로서 도 3(a)를 참조하면 구동축(300)은 다수의 단위 20mm 단위기둥(301), 40mm 단위기둥(302)의 결합으로 이루어지고 그 사이에 열차단부(310)를 결합시킴으로써 구동축(300) 하단부로부터 원하는 이격거리를 줄 수 있다. 그리하여 용융액(210)의 표면부로부터 제1 관통홀(110) 까지의 거리를 측정하여 원하는 위치에 해당하는 기둥부품 사이에 열차단부(310)를 체결할 수 있다.

또한, 도 3(b)를 참조하면 구동축(300)에 적어도 일부에 형성된 제1 나사산과 열차단부(310)에 형성된 제2 나사산을 체결하여 열차단부(310)를 회전 시킴으로써 구동축(300) 하단부로부터 원하는 이격거리에 열차단부(310)를 위치하게 하여 열차단 효과를 극대화 하게 할 수 있다. 하지만 이는 일련의 실시예로서 위의 실시예에 한정되지 않는다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 덮개부(500)가 구동축(300)에 연동되는 열차단부(310)에 의하여 상하로 이동하는 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장장치인 상기 덮개부(500)는 상단부의 중앙 영역에 형성되는 제2 관통홀(510)을 포함할 수 있다. 상기 덮개부(500)는 상기 구동축(300)을 따라 이동하는 상기 열차단부(310)와 연동하여 상하방향으로 이동할 수 있다. 상기 열차단부(310)의 폭이 상기 제2 관통홀(510)의 폭보다 클 수 있다.

덮개부(500)는 고정형과 이동형으로 제공될 수 있다.

덮개부(500)가 고정형인 경우에는 단결정이 성장하는 단열부(100) 내부 공간과 연통된 보조공간이 함께 온도가 발산되는 것을 차단하여 온도구배가 작아 진다. 고정형 덮개부(500)는 단결정이 완성된 후 꺼낼 때 덮개부(500)의 제2 관통홀(510)의 폭이 단결정의 폭보다 커야 하고 또한, 열차단부(310)의 폭보다도 커야 하므로 제2 관통홀(510)의 폭은 크게 형성될 수 있고, 온도차단의 효과를 높이기 위해 열차단부(310)가 용액공정시 제1 관통홀(110) 주변에 위치하게 하기 위해 구동축(300)의 이동거리만큼 덮개부(500)의 높이를 높게 형성하여 열차단부(310)가 제1 관통홀(110) 주변에 위치 하게 할 수 있다.

한편, 덮개부(500)가 이동형인 경우 덮개부가 이동이 됨으로 덮개부(500)의 높이를 좁게 형성할 수 있어 많은 공간을 열평형 시키지 않음으로써 온도를 더 안정적으로 관리 할 수 있다. 또한, 앞서 살펴본 바와 같이 덮개부(500)는 단열부(100) 상부면(120)과 닿아 있을때에 단열부(100) 내부 공간과 연통되어 유효한 보조공간이 생성되고, 성장된 단결정 잉곳을 꺼낼때도 덮개부(500)가 이동이 가능하므로 제2 관통홀(510)의 폭을 더 작게 설계 할 수 있어서 열이 발산되는 것을 더욱 효과적으로 막을 수 있다.

덮개부(500)가 단열부(100)의 상부면(120)과 닿아 있지 않고 구동축(300)에 연결되어서 구동축(300)과 연동되는 열차단부(310)와 적어도 일부가 접촉이 되어 덮개부(500)가 이동이 되면, 덮개부(500) 하단부에 밑면이 존재 하지 않을 수 있으므로 외부공기가 다량으로 유입되어 원할때는 어느정도 차폐되어서 형성된 독립된 공간을 사라지게 할 수도 있고 그렇지 않고 독립된 공간으로 차폐시킬 수도 있다.

또한, 이동형으로 설계될 시 단결정 성장 과정에 의해 생성된 단결정을 구동축(300)과 분리해 낼 때에는 용이하다는 이점이 있을 수 있고, 단결정의 냉각이 되는면에서도 그 이점이 있을 수 있다.

또한, 종자결정(320)이 용액에 닿기 직전에 알맞은 용융액(210)의 온도를 측정하기 위해서도 단열부(100)에 투시창 같은 것을 설치하여 온도를 측정하는 것보다는 단열부(100)에 개방된 제1 관통홀(110)을 통해 온도를 측정할 수 있어 좀 더 정확하게 온도가 측정될 수 있고 용액공정시 단열부(100)내의 온도가 발산되지 않아 온도구배가 좋아지는등 올바른 시점에 용액공정을 진행할 수도 있을 것이다. 그러나 위와 같은 발명은 본 발명의 실시예일뿐 이에 한정되지 않는다.

다시 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장장치인 상기 열차단부(310)는 판상형태로서, 측단부는 상기 구동축(300)을 중심으로 대칭되게 형성된 제1 경사면(311)을 이루고, 상기 제2 관통홀(510)을 형성하는 상기 덮개부(500)의 내측벽이 상기 제1 경사면(311)과 평행한 제2 경사면(501)을 이루며, 상기 제1 경사면(311)과 상기 제2 경사면(501)이 적어도 부분적으로 맞닿을 수 있다.

열차단부(310)는 판상형태이고 바람직하게는 원형의 모양이나 원뿔대 형태이며 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장장치의 열차단부(310)는 원뿔대 형태로써 구동축(300)을 중심으로 대칭되게 측단부에 제1 경사면(311)을 이루며, 제2 관통홀(510)을 형성하는 덮개부(500)의 내측벽은 제1 경사면(311)과 평행하게 제2 경사면(501)을 이루지만 꼭 평행해야 하는것은 아니다.

제1 경사면(311)과 제2 경사면(501)이 평행하게 대응이 되어 적어도 부분적으로 맞닿게 된다면 열차단부(310)가 덮개부(500)의 이동 좀 더 안정적으로 이동을 시킬 수 있다.

또한, 제1 경사면(311)이 제2 경사면(501)에 비하여 길게 형성된다면 더욱 더 안정적으로 덮개부(500)의 이동이 가능할 것이다.

또한, 단순한 일시예로 원판 형태를 하고 열차단부(310)의 폭이 덮개부(500)의 제2 관통홀(510)의 폭보다 큼으로써 열차단부(310)가 이동함에 따라 덮개부(500)가 이에 따라 이동이 가능한 경우도 있을것이다. 그러나 이는 실시예로써 위 실시예에 한정 되지는 않는다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 덮개부(500)의 내부 표면으로부터 내부공간으로 돌출되는 돌출부(520)를 나타내는 단면도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장장치인 상기 덮개부(500)는 덮개부(500)의 내부 표면으로부터 보조공간 내부로 돌출되는 돌출부(520)를 포함할 수 있다. 상기 돌출부(520)의 적어도 일부분은 상기 보조공간 안에 있는 상기 단열부(100)의 상부면(120) 상에 위치하도록 제공될 수 있다.

전술한대로 덮개부(500)가 있음으로써 온도구배가 안정되고 온도와 농도의 완충영역이 생길 수 있다.

여기에 더해 덮개부(500) 내부 표면에 형성된 돌출부(520)를 통해 온도 구배의 안정화 효과를 열차단부(310), 덮개부(500), 덮개부(500) 내부벽면의 돌출부(520)를 통하여 3중으로 효과를 얻을 수 있을 것이다.

덮개부(500)의 내부 표면으로부터 돌출된 돌출부(520)는 여러 형태가 있을 수 있고 예를 들면 원판 모양의 도넛형태가 바람직하지만 위의 실시예에 한정되지는 않는다.

위와 같이 보조공간 내부에 돌출부(520)가 형성됨으로써 열이 외부로 발산되어 온도가 낮아지는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있고, 덮개부(500)의 내부 공간에 제2의 내부 공간이 생기므로 외부공기와의 완충역할을 더 확실히 수행 할 수 있다.

그렇기 때문에 열차단부(310)가 1차로 덮개부(500)의 내부표면에서 돌출된 돌출부(520)가 2차로 덮개부(500)가 3차로 열의 발산을 막아 줄 수 있다.

또한, 용융액(210)으로부터 증발된 증발기상이 덮개부(500)의 상부면 등에 응축되어 액체 또는 고체 등의 응축상으로 돌출부(520)의 상부면 위에 낙하하여 상부면 위에 있음으로써 용융액(210)에 응축상이 낙하되어 오염이 되는 것을 추가적으로 막을 수 있다.

또한, 돌출부(520)의 적어도 일부분이 단열부(100) 상부면(120)에 위치하도록 하여 여러 형태가 가능하다.

적어도 돌출부(520)의 일부분이 단열부(100)의 상부면(120)에 위치함으로써 단열 효과를 더 볼 수 있게 설계할 수도 있고 증발 기상이 응축되어 낙하하는 것을 더 효과적으로 막기 위한 설계를 할 수도 있다.

예를들면, 돌출부(520)가 열차단부(310)가 이동 할 수 있을 정도의 거리인 제1관통홀(110) 중간쯤에 위치하면 단열부(100), 돌출부(520), 덮개부(500)가 역계단 형식으로 배치된다. 이렇게 함으로써 단열부(100)가 막지 못한 열을 돌출부(520)가 막고, 돌출부(520)가 막지 못한 열을 덮개부(500)가 막아서 열이 발산되는 것을 순차적으로 막을 수 있어서 열이 직통으로 외부로 빠져나가는 것을 막아 온도구배가 더 안정적으로 될 수 있다.

한편, 돌출부(520)의 끝부분이 단열부(100)의 상부면(120)에 위치하게 함으로써 증발기상의 응축상이 바로 제1 관통홀(110)을 통해 용융액(210)으로 낙하하지 않게 할 수도 있을 것이다.

또한, 다른 실시예로는 본 발명에 따라 덮개부(500)의 보조공간 안에 있는 단열부(100)의 상부면(120)에 해당하는 부분에서 상부면(120)과 수직하게 돌출부(520)를 형성한다면 덮개부(500)의 일면으로부터 돌출된 돌출부(520)와 함께 열의 발산을 막음과 동시에 응축상이 덮개부(500)의 돌출부(520)에 막혀 용융액(210) 쪽으로 흘러들어가지 않게 할 수도 있다. 하지만 이는 실시예로서 이에 한정되지 않는다.

다시 도 1을 참조하면, 상기 단열부(100), 구동축(300), 열차단부(310) 및 덮개부(500)는 흑연으로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 용융액(210)에서 상기 단결정의 구성요소 중 적어도 하나의 용해도를 높여주는 촉매금속을 포함할 수 있다.

위의 단열부(100), 구동축(300), 열차단부(310) 및 덮개부(500)는 흑연으로 이루어 질 수 있는데 1900도 등의 고온공정시 단열부(100)와 구동축(300)과 같은 재질로 되어야 열차단부(310) 및 덮개부(500)의 열팽창 계수가 동일해져 열차단부(310)와 덮개부(500)가 열팽창에 의해 균열이나 뒤틀림 및 파괴등이 일어나지 되지 않게된다.

또한, 실시예로 실리콘카바이드 단결정 성장시 탄소 공급은 도가니(200)에서 공급이 되는데 상기 단열부(100), 구동축(300), 열차단부(310) 및 덮개부(500)의 재질이 탄소로 이루어져 있어 이로부터 탄소가 용출되더라도 단결정 용융액(210)을 이루는 재료 중 하나이므로 단결정 용융액(210)이 오염되는 것을 막을 수 있다. 그러나 재질은 흑연에 제한되지는 않고 여러 가지 적용이 가능 하다.

또한, 단결정 용융액(210)의 실시예로서 SiC 용융액(210)을 들 수 있는데 이는 탄화규소 단결정의 원료이다. SiC 용융액(210)은 실리콘(Si)과 탄소(C)를 포함하는데 SiC 용융액(210)의 원료는, 예를 들면 Si 또는 Si와 다른 금속 원소의 혼합물일 수 있다.

혼합물을 가열하여 용융액(210) 상태로 만들고, 상기 용융액(210)에 탄소(C)가 용해됨으로써 SiC 용융액(210)을 형성하나 이는 일례일뿐 이에 제한되지 않는다.

또한, 다른 촉매 금속 원소는 Si에 대한 탄소의 용해도를 향상시키기 위하여 사용되고 어떠한 금속도 가능하나, 일례로써 크롬(Cr), 티탄(Ti), 철(Fe), 망간(Mn), 코발트(Co), 바나듐(V) 등 여러 촉매 금속일 수 있다. 그리고 이 촉매금속은 실리콘(Si)와 함께 전술한 증발 기상에 섞여 증발되며 증발된 기상은 열차단부(310), 덮개부(500)에 응축될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 종래의 단결정 성장장치의 온도구배와 본 발명의 성장장치의 온도구배를 나타내는 도면이다.

도 6(a)을 참조하면, 종래의 단결정 성장장치는 용융액(210)의 하부와 용융액(210)의 상부의 차이인 온도구배가 4.3 K/cm로 온도차이가 난다.

반면에 도면 6(b)를 참조하면, 상기 실시예에 따른 단결정 성장장치를 실시할시 온도구배가 3.6K/cm로 약 종래의 단결정 성장장치에 비해 16%의 온도구배가 감소되어 용융액(210) 상하부의 온도 차이가 줄어든 것을 볼 수 있다. 이는 앞서 살펴본 바와 같이 제1 관통홀(110) 주변에 열차단부(310)가 위치하고 덮개부(500)가 제1 관통홀(110) 상에 제공됨으로써 단열부(100) 내부의 열이 외부로 빠져 나가는 것을 막아 온도가 안정되고 그로 인하여 도가니(200)내에 있는 단결정 용융액(210)의 온도가 단열부 내부와 평형 상태에 가까워져 열이 발산되는게 줄어들어 온도구배가 안정적으로 형성된다. 따라서 온도가 고온상태에서 더 안정적으로 유지되어 장시간 안정적인 성장이 가능해 지며, 단결정 용융액(210) 상부면의 온도도 고온상태로 안정적으로 되면서 종자결정(320)의 성장시 단결정 용융액(210)의 상부면이 원하는 온도로 제어가 될 수 있고, 단결정 용융액(210)의 상부면의 속도도 빨라짐으로써 단결정 성장시 고품질의 단결정을 얻을 수 있다.

그러나 이는 위 실시예로서 위 실시예에 한정되는 효과만이 있지는 않다.

이와 같이, 본 발명의 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.

100: 단열부 110: 제1 관통홀
120: 단열부의 상부면 200: 도가니
210: 단결정 용융액 300: 구동축
310: 열차단부 320: 종자결정
400: 가열부 500: 덮개부
510: 제2관통홀 520: 돌출부

Claims

상부에 제1 관통홀을 갖고, 내부공간을 제공하는 단열부;
상기 단열부의 내부공간에 위치되며, 단결정 원료의 용융액을 수용하는 도가니;
상기 도가니에 열을 가하여 상기 단결정 원료를 용융시키는 가열부;
상기 제1 관통홀을 지나 상하 방향으로 이동하고 하단부에 종자결정이 부착되는 구동축;
상기 구동축을 중심으로 대칭되게 돌출되도록 상기 구동축에 연결되어 상기 구동축과 연동하는 열차단부; 및
상기 제1 관통홀 상에 제공되는 덮개부를 포함하고,
상기 덮개부는 상기 단열부의 상부면과 함께 상기 내부공간과 연통하는 보조공간을 형성하고, 상기 덮개부의 하단부의 폭이 상기 제1 관통홀의 폭보다 큰 단결정 성장장치.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 종자결정이 상기 용융액에 닿아 단결정을 성장시키는 용액공정 중에는,
상기 열차단부가 상기 용융액의 상부면보다는 상기 단열부의 상부면과 가깝게 위치하도록 제공되는 단결정 성장장치.
제 1항에 있어서,
상기 열차단부는 상기 제1 관통홀의 폭보다 좁은 폭을 갖는 단결정 성장장치.
제 1항에 있어서,
상기 열차단부는 상기 구동축의 하단부로부터의 이격 거리를 조절할 수 있도록 상기 구동축에 연결되는 단결정 성장장치.
제 5항에 있어서,
상기 구동축은 복수의 단위 기둥이 조립되어 형성되고,
상기 열차단부는 상기 구동축의 단위 기둥 사이 중 어느 한 곳에 체결되어 상기 이격 거리를 조절하는 단결정 성장장치.
제 5항에 있어서,
상기 구동축은 외부면의 적어도 일부에 형성된 제1 나사산과, 상기 열차단부의 내부면에 형성된 제2 나사산의 체결에 의해 상기 이격 거리를 조절하는 단결정 성장장치.
제 1항에 있어서,
상기 덮개부는 상단부의 중앙 영역에 형성되는 제2 관통홀을 포함하는 단결정 성장장치.
제 1항에 있어서,
상기 덮개부는 상기 구동축을 따라 이동하는 상기 열차단부와 연동하여 상하방향으로 이동하는 단결정 성장장치.
제 8항에 있어서,
상기 열차단부의 폭이 상기 제2 관통홀의 폭보다 큰 단결정 성장장치.
제 8항에 있어서,
상기 열차단부는 판상형태로서, 측단부는 상기 구동축을 중심으로 대칭되게 형성된 제1 경사면을 이루고,
상기 제2 관통홀을 형성하는 상기 덮개부의 내측벽이 상기 제1 경사면과 평행한 제2 경사면을 이루며,
상기 제1 경사면과 상기 제2 경사면이 적어도 부분적으로 맞닿는 단결정 성장장치.
제 1항에 있어서,
상기 덮개부는 덮개부의 내부 표면으로부터 보조공간 내부로 돌출되는 돌출부를 포함하는 단결정 성장장치.
제 12항에 있어서,
상기 돌출부의 적어도 일부분은 상기 보조공간 안에 있는 상기 단열부의 상부면 상에 위치하도록 제공되는 단결정 성장장치.
제 1항에 있어서,
상기 단열부, 구동축, 열차단부 및 덮개부는 흑연으로 이루어진 단결정 성장장치.
제 1항에 있어서,
상기 용융액에서 상기 단결정의 구성요소 중 적어도 하나의 용해도를 높여주는 촉매금속을 포함하는 단결정 성장장치.