KR102271714B1 - 잉곳 성장 장치 - Google Patents

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KR102271714B1
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이경석
이영민
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한화솔루션 주식회사
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Abstract

잉곳 성장 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 잉곳을 성장시키기 위하여 용융된 실리콘을 수용하는 주 도가니가 내부에 배치되는 성장로; 상기 주 도가니의 외측면을 감싸도록 형성되고, 서로 전기적으로 절연된 복수의 발열 부재를 포함하는 서셉터; 및 자기장을 발생시키고, 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 상기 복수의 발열 부재를 가열하는 히터; 를 포함하고, 상기 복수의 발열 부재는 상기 주 도가니의 외측면을 따라 루프를 구비한다.

Description

잉곳 성장 장치{INGOT GROWING APPARATUS}
본 발명은 잉곳 성장 장치에 관한 것이다.
단결정 실리콘은 대부분의 반도체 부품의 기본소재로서 사용되는 것으로, 이들 물질은 높은 순도를 가진 단결정체로 제조되는데, 이러한 제조방법 중 하나가 초크랄스키법(Czochralski)이다.
초크랄스키 결정법은 도가니에 실리콘을 넣고, 도가니를 가열하여 실리콘을 용융시킨다. 그리고, 단결정 시드(single crystal seed)가 이러한 용융된 실리콘에 접촉된 상태에서, 회전과 동시에 상측 방향으로 인상되면, 소정의 지름을 갖는 잉곳(ingot)이 성장된다.
이러한 초크랄스키법 중 하나인 연속성장형 초크랄스키법(CCz: Continuous Czochralski)은 도가니 내부로 고형의 폴리실리콘 또는 용융된 실리콘을 계속적으로 주입함으로써 소모된 용융된 실리콘을 보충하면서 잉곳을 지속적으로 성장시키는 방법이다.
이러한 연속성장형 초크랄스키법(CCz)을 통해 잉곳을 성장시키기 위해서는, 도가니를 가열하여 도가니 내부로 주입된 용융된 실리콘의 온도의 균일성을 확보가 중요하다. 특히, 도가니 내부 중 잉곳이 성장하는 잉곳 성장 영역의 온도의 균일성을 확보하지 못하면, 잉곳의 단결정 수율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 잉곳 성장 환경에서 용융된 실리콘의 목표 온도 분포를 확보하기 위해 전기 에너지를 통해 도가니를 가열하며, 연속성장형 초크랄스키법에서 이와 같은 전력 비용이 잉곳 제조 원가에서 큰 비중을 차지하므로, 전력 에너지 비용을 줄일 필요성이 제기된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 용융된 실리콘을 가열하는 과정에서, 용융된 실리콘의 온도의 균일성을 확보하면서 도가니를 가열하기 위한 전력 에너지의 효율을 개선하는 잉곳 성장 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 잉곳을 성장시키기 위하여 용융된 실리콘을 수용하는 주 도가니가 내부에 배치되는 성장로; 상기 주 도가니의 외측면을 감싸도록 형성되고, 서로 전기적으로 절연된 복수의 발열 부재를 포함하는 서셉터; 및 자기장을 발생시키고, 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 상기 복수의 발열 부재를 가열하는 히터; 를 포함하고, 상기 복수의 발열 부재는 상기 주 도가니의 외측면을 따라 루프를 구비할 수 있다.
이 때, 상기 서셉터는 상기 복수의 발열 부재가 상기 성장로의 바닥면과 평행한 수평 방향으로 분할된 형태로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 서셉터는 상기 복수의 발열 부재가 상기 성장로의 바닥면과 수직한 수직 방향으로 분할된 형태로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 복수의 발열 부재는 그라파이트 재질을 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 서셉터는 상기 복수의 발열 부재 사이에 배치되어 상기 복수의 발열 부재를 결합시키는 복수의 절연 부재를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 복수의 절연 부재는 비자성체로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 복수의 발열 부재의 단부는 곡면부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 잉곳 성장 장치는, 상기 히터와 상기 성장로의 바닥면 사이에 배치되고, 상기 히터와 상기 서셉터의 하측으로 상기 자기장에 의한 전자기 유도를 차단하는 차단부를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 잉곳을 성장시키기 위하여 용융된 실리콘을 수용하는 주 도가니가 내부에 배치되는 성장로; 상기 주 도가니의 외측면을 감싸도록 형성되는 서셉터; 및 상기 서셉터의 외측면을 따라 감기도록 형성되어 자기장을 발생시키고, 상기 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 상기 서셉터를 가열하는 코일을 구비하는 히터; 를 포함하고, 상기 코일은, 상기 잉곳이 인상되는 방향과 상기 코일의 중심의 자기장의 방향이 나란하도록 상기 서셉터의 외측면을 따라 형성되는 제1 부분; 및 상기 제1 부분으로부터 상기 제1 부분과 소정 각도로 경사지게 연장되는 제2 부분을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 코일은 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분이 상기 서셉터의 외측면에 대하여 1회턴을 형성하도록 구비되고, 상기 서셉터의 상하 방향으로 복수회의 턴을 갖도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 제2 부분의 길이는 상기 코일 전체 길이의 1/18 이내일 수 있다.
이 때, 상기 히터는, 상기 코일의 외측면을 감싸도록 형성되고, 상기 코일이 상기 성장로의 내부 공간에 노출되는 것을 차단하는 쉴드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 복수의 발열 부재 각각이 전자기 유도에 의해 개별적으로 전류가 발생되어 발열됨으로써, 용융된 실리콘의 온도의 균일성을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 복수의 발열 부재가 개별적으로 발열됨으로써, 주 도가니를 가열하기 위한 전력 에너지의 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 코일에서 발생되는 자기장으로 인하여 단결정으로 성장하는 잉곳에 영향을 주는 것을 최소화하도록 코일의 제1 부분이 잉곳의 인상하는 방향과 수직하게 형성되어, 잉곳의 단결정 수율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 서셉터를 중점적으로 나타내는 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 서셉터를 중점적으로 나타내는 단면도이다.
도 5a는 분할되지 않고 일체화된 서셉터가 가열된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 단면도이다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터가 가열된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 6b는 도 6a의 단면도이다.
도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 서셉터가 가열된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 코일을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 9는 도 8의 코일을 상측에서 바라본 도면이다.
도 10는 나선형으로 감긴 코일을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 11a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일에 의해 서셉터가 가열된 모습을 상측에서 바라본 도면이다.
도 11b는 도 10의 나선형으로 감긴 코일에 의해 서셉터가 가열된 모습을 상측에서 바라본 도면이다.
도 12a는 도 10의 비교예에 따른 서셉터의 상측 영역의 온도와 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 서셉터의 상측 영역의 온도의 편차를 나타내는 그래프이다.
도 12b는 도 10의 비교예에 따른 서셉터의 중앙 영역의 온도와 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 서셉터의 중앙 영역의 온도의 편차를 나타내는 그래프이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 단어와 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 않고, 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 발명자가 용어와 개념을 정의할 수 있는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
그러므로 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 해당하고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로 해당 구성은 본 발명의 출원시점에서 이를 대체할 다양한 균등물과 변형예가 있을 수 있다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 설명하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 다른 구성 요소와 바로 접하여 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 배치되는 것뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성 요소가 배치되는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결"되어 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 서로 직접 연결되는 것뿐만 아니라 간접적으로 서로 연결되는 경우도 포함한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 설명한다. 본 명세서에서는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 설명함에 있어 발명의 내용과 관련이 없는 구성은 도면의 간략화를 위하여 상세하게 도시하지 않거나 도시를 생략하도록 하고 발명의 사상과 관련된 내용을 중심으로 본 발명에 따른 잉곳 성장 장치를 설명하도록 한다.
본 명세서에서, Z축의 화살표 방향은 성장로의 상측 방향이라 지칭한다. 하측은 상기 상측과 반대 방향을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치(100)는, 성장로(110), 주 도가니(120), 서셉터(130) 및 히터(140)를 포함할 수 있다.
상기 성장로(110)는 진공 상태로 유지되는 내부 공간(110a)을 구비하여, 내부 공간(110a)에서 잉곳(I)이 성장되도록 형성된다. 상기 내부 공간(110a)에는 후술할 주 도가니(120)가 배치된다.
상기 성장로(110)에는 진공 펌프(미도시)와 비활성기체 공급부(미도시)가 구비된다. 상기 진공 펌프는 상기 내부 공간(110a)을 진공 분위기로 유지할 수 있다. 또한, 상기 비활성기체 공급부는 상기 내부 공간(110a)에 비활성기체를 공급한다. 상기 비활성기체는 예를 들어, 아르곤(Ar)일 수 있다.
상기 주 도가니(120)는 상기 성장로(110)의 상기 내부 공간(110a)에 수용된다. 상기 주 도가니(120)는 용융된 실리콘(M)을 수용할 수 있다. 상기 주 도가니(120)는 대체적으로 역돔(reverse dome) 형상으로 이루어진다. 또한, 상기 주 도가니(120)는 역돔 형상으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 실린더 형상과 같이 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 주 도가니(120)는 석영(quartz) 재질로 이루어진다. 다만, 상기 주 도가니(120)는 석영 재질로 이루어진 것에 한정되지 않고, 대략 1400 ℃ 이상의 온도에서 내열성을 가지면서 급격한 온도의 변화에 견디는 다양한 재질을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 단결정 시드(S)는 상기 주 도가니(120)에 수용된 용융된 실리콘(M)에 접촉된 상태에서, 상기 성장로(110)의 상측에 연결된 와이어(W)가 상기 단결정 시드(S)를 상측 방향(Z축)으로 인상하면, 상기 잉곳(I)이 인상되는 방향(Z축)을 따라 소정의 지름을 갖는 잉곳(I)이 성장된다.
또한, 상기 성장로(110)에는 고형의 실리콘 원료를 공급받아 용융시키는 예비 용융부(미도시)가 구비된다. 상기 예비 용융부는 상기 용융된 실리콘을 상기 주 도가니(120)에 공급한다.
상기 서셉터(susceptor)(130)는 상기 주 도가니(120)의 외측면을 감싼다. 상기 서셉터(130)는 상기 주 도가니(120)를 지지한다. 상기 서셉터(130)의 내측면은 상기 주 도가니(120)의 외측면과 대응하는 형상으로 이루어진다. 예를 들면, 상기 주 도가니(120)가 역돔 형상이면, 상기 서셉터(130)도 역돔 형상이다.
이에 따라, 상기 주 도가니(120)가 석영 재질로 이루어져 고온에서 변형되더라도, 상기 서셉터(130)는 상기 주 도가니(120)가 상기 용융된 실리콘(M)을 수용하는 상태를 유지하도록 상기 주 도가니(120)를 감싸면서 지지한다. 상기 서셉터(130)에 대해서는 이후 도면을 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.
또한, 상기 성장로(110)의 하측에는 상기 서셉터(130)를 지지하는 서셉터 지지부(150)가 배치된다. 상기 서셉터 지지부(150)의 상단은 상기 서셉터(130)의 하단과 대응하는 형상으로 이루어진다. 또한, 상기 서셉터 지지부(150)가 상기 성장로(110)의 하측에서 상기 서셉터(130)를 지지한 상태에서, 상기 서셉터 지지부(150)는 상기 서셉터(130)와 함께 회전된다. 이에 따라, 상기 주 도가니(120)가 상기 용융된 실리콘(M)을 수용한 상태에서, 상기 주 도가니(120)는 서셉터(130)와 함께 회전된다.
또한, 상기 성장로(110)에는 상기 서셉터 지지부(150)를 회전하도록 회전력을 제공하는 구동부(미도시)가 구비된다. 상기 서셉터 지지부(150)는 상기 구동부와 회전 가능하게 연결된다. 상기 구동부는 전원을 공급받아 상기 서셉터 지지부(150)에 회전력을 제공하면, 상기 주 도가니(120)는 상기 서셉터 (130)와 함께 회전된다.
또한, 상기 성장로(110)에는 상기 서셉터(130)를 가열하는 히터(140)가 구비된다. 상기 히터(140)는 전원을 공급받아 자기장을 발생시키는 코일(141) 및 상기 코일(141)을 감싸는 쉴드(142)를 포함한다.
상기 코일(141)은 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 상기 서셉터(130)에 전류를 발생시킨다. 이 때, 상기 서셉터(130)에 발생된 전류는 열 에너지로 전환된다. 이에 따라, 상기 히터(140)는 상기 서셉터(130)를 가열한다. 상기 서셉터(130)의 열은 상기 주 도가니(120)로 열전도되고, 상기 서셉터(130)는 상기 주 도가니(120)는 가열시킨다.
상기 쉴드(142)는 상기 코일(141)이 일정 형태로 유지되도록 상기 코일(141)을 지지한다. 상기 쉴드(142)는 상기 코일이 상기 성장로(110)의 상기 내부 공간(110a)으로 노출되는 것을 차단한다. 이에 따라, 상기 쉴드(142)는 상기 코일(141)이 상기 성장로(110)의 상기 내부 공간(110a)에 노출되는 것을 차단함으로써, 상기 코일(141)이 전원을 공급받아 자기장을 형성할 경우, 상기 진공 상태에서 플라즈마 현상에 의한 아크 방전(arc discharge)이 발생되거나 상기 코일(141)이 상기 내부 공간(110a)에 존재하는 비활성기체(예: 아르곤)과 접촉하여 아크 방전이 발생되는 것이 방지된다.
상기 히터(140)는 상기 서셉터(130)의 외측면을 감싸도록 형성된다. 또한, 상기 히터(140)는 유도 가열 방식인 전자기 유도에 의해 상기 서셉터(130)를 가열할 수 있다. 상기 히터(140)가 유도 가열 방식인 경우, 상기 히터(140)는 상기 서셉터(130)의 외측면과 이격되어 배치되어, 상기 서셉터(130)의 열이 다시 히터(140)로 열전도 되는 것이 방지된다.
또한, 상기 성장로(110)의 하측에는 상기 히터(140)를 지지하는 히터 지지부(160)가 배치된다. 상기 히터 지지부(160)는 대체적으로 원통 형상으로 이루어진다. 상기 원통 형상으로 이루어진 상기 히터 지지부(160)의 내부에는 상기 서셉터 지지부(150)가 배치된다. 또한, 상기 히터 지지부(160)의 상단은 상기 히터(140)의 하단과 대응하는 형상으로 이루어지게 되어, 상기 히터(140)는 상기 히터 지지부(160)의 상단에 배치된다.
또한, 상기 히터(140)의 하측에는 상기 히터(140)로부터 발생되는 자기장에 의한 전자기 유도를 차단하는 차단부(170)가 구비된다.
상기 차단부(170)는 상기 히터(140)와 상기 성장로(110)의 바닥면(112) 사이에 배치된다. 상기 차단부(170)는 비자성체로 이루어져, 상기 히터(140)로부터 발생되는 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 발열되지 않는다. 또한, 상기 차단부(170)는 상기 히터 지지부(160)와 결합된다.
또한, 상기 차단부(170)는 상기 서셉터(130)의 하측과 상기 성장로(110)의 바닥면(112) 사이에 배치되어 상기 서셉터(130)로부터 발생되는 열이 상기 성장로(110)의 바닥면(112) 또는 상기 서셉터(130)와 상기 바닥면(112)에 배치된 장치로 열전달되는 것을 차단한다.
또한, 상기 차단부(170)에는 상기 서셉터 지지부(150)가 통과하는 통과 홀(미도시)이 형성된다. 이에 따라, 상기 서셉터 지지부(150)가 통과 홀을 통해 상기 차단부(170)를 통과하므로, 상기 차단부(170)는 회전하는 상기 서셉터 지지부(150)와 간섭되는 것이 방지된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 서셉터를 중점적으로 나타내는 사시도이고, 도 3은 도 2의 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 서셉터(130)는 복수의 발열 부재(131, 132) 및 상기 복수의 발열 부재(131, 132) 사이에 배치되는 복수의 절연 부재(133)를 포함한다.
상기 복수의 발열 부재(131, 132)는 역돔 형상의 서셉터(130)의 외형을 이룬다. 상기 복수의 발열 부재(131, 132)는 서로 전기적으로 절연된다. 또한, 상기 복수의 발열 부재(131, 132)는 그라파이트(graphite) 재질을 포함하여 이루어진다. 다만, 상기 복수의 발열 부재(131, 132)는 흑연 재질로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 내열성이 강한 다양한 재질을 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 서셉터(130)는 상기 복수의 발열 부재(131, 132)가 상기 성장로(110, 도 1 참조)의 바닥면(112)과 평행한 수평 방향(Z축)으로 분할된 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 복수의 발열 부재(131, 132)는 상기 서셉터(130)의 측벽을 형성하는 제1 발열 부재들(131)과 상기 서셉터(130)의 바닥을 형성하는 제2 발열 부재(132)로 구비된다.
상기 제1 발열 부재들(131)은 상기 주 도가니(120, 도 1 참조)의 외측면을 감싸는 링 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 제1 발열 부재들(131)은 상기 주 도가니(120, 도 1 참조)의 외측면을 따라 자기장에 의해 유도된 전류가 흐르는 루프를 형성한다. 이에 따라, 상기 제1 발열 부재들(131)은 개별적으로 자기장에 의해 유도된 전류가 흐르게 되어, 상기 서셉터(130)의 전체의 온도의 균일성이 확보된다.
또한, 상기 제1 발열 부재들(131)의 크기는 상측으로부터 하측으로 갈수록 커진다. 이에 따라, 상기 서셉터(130)의 상측에 발열이 집중되지 않도록 조절된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 제1 발열 부재들(131)의 크기를 다르게 설계함에 따라, 상기 서셉터(130)의 측벽의 상측 영역, 중앙 영역 또는 하측 영역의 발열의 정도를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 발열 부재들(131)은 3개로 구성되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 4개 이상으로 구성될 수 있다.
한편, 상기 제1 발열 부재들(131)의 단부(131a, 131b)가 뾰족한 형태로 이루어질 경우, 상기 단부(131a, 131b)에는 전류가 집중적으로 흐르게 되어 과도하게 발열되는 문제가 발생된다.
이를 해결하기 위해, 상기 제1 발열 부재(131)의 단부(131a, 131b)에는 곡면부(131a, 131b)가 구비된다. 이에 따라, 상기 제1 발열 부재(131)의 곡면부(131a, 131b)에는 전자기 유도에 의해 전류가 집중적으로 흐르는 것이 방지되어, 상기 곡면부(131a, 131b)가 과도하게 발열되는 것이 방지된다.
상기 복수의 절연 부재(133)는 상기 복수의 발열 부재(131, 132) 사이에 배치되어 상기 복수의 발열 부재(131, 132)를 결합시킨다. 상기 복수의 절연 부재(133)는 상기 제1 발열 부재(131)와 함께 상기 서셉터(130)의 측벽으로 구성된다.
또한, 상기 복수의 절연 부재(133)는 비자성체로 이루어진다. 예를 들면, 상기 복수의 절연 부재(133)는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다. 이에 따라, 상기 복수의 절연 부재(133)는 상기 복수의 발열 부재(131, 132)가 서로 전기적으로 연결되는 것을 차단한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 서셉터를 중점적으로 나타내는 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 서셉터(230)는 복수의 발열 부재(231, 232) 및 상기 복수의 발열 부재(231, 232) 사이에 배치되는 복수의 절연 부재(233)를 포함한다. 그리고, 본 발명의 다른 실시예에 대한 설명은 전술한 실시예의 구성요소와 동일하거나 유사한 내용으로 대체한다.
상기 서셉터(230)는 상기 복수의 발열 부재(231, 232)가 상기 성장로(110, 도 1 참조)의 바닥면(112, 도 1 참조)과 수직한 수직 방향(Z축)으로 분할된 형태로 이루어진다. 이에 따라, 상기 복수의 발열 부재(231, 232)는 자기장의 유도에 의한 전류가 개별적으로 흐르게 되어, 상기 서셉터(230)의 특정 부분에 과도하게 발열되거나 발열되지 않는 것이 방지된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 서셉터(230)는 상기 복수의 발열 부재(231, 232)가 3개로 구성되나, 이에 한정되지 않고, 4개 이상으로 구성될 수 있다.
도 5a는 분할되지 않고 일체화된 서셉터가 가열된 모습을 나타내는 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 단면도이고, 도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터가 가열된 모습을 나타내는 사시도이고, 도 6b는 도 6a의 단면도이고, 도 7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 서셉터가 가열된 모습을 나타내는 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 단면도이다.
도 5a 내지 도 7b는 Flux 시뮬레이션 에 따라 서셉터의 열교환에 따른 온도변화는 제외된 것으로 단순히 유도전류에 의한 발생된 서셉터의 온도만이 표시가 되어 실리콘의 용융점 온도 이상으로 결과 나온 것이다. 이러한 조건에서 시뮬레이션에 따른 온도가 최대 6000℃ 정도에 해당되나, 실제 잉곳 성장 장치에서는 도면에 표시된 온도 범위와 다르다는 것을 밝혀둔다.
도 5a 내지 도 7b를 참조하여, 분할되지 않고 일체화된 서셉터(이하, "일체화된 서셉터"라고 지칭함), 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터 및 본 발명의 다른 실시예에 따른 서셉터의 발열 성능을 비교하기로 한다.
먼저, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 일체화된 서셉터가 히터에 의한 전자기 유도에 의해 가열되는 경우, 상기 일체화된 서셉터의 상단부의 온도가 상기 일체화된 서셉터의 다른 부분의 온도에 비해 높다. 즉, 상기 일체화된 서셉터의 상측으로부터 하측으로 갈수록 온도가 낮아진다. 이는, 상기 일체화된 서셉터의 상단부에 루프가 형성되기 때문이다.
그리고, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터(130, 도 3 참조)의 상단부의 온도가 다른 부분의 온도와의 차이가 적다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터의 측벽의 온도는 상기 일체화된 서셉터의 측벽의 온도에 비하여 높으면서 전체적으로 균일한 것을 알 수 있다. 이는 전술한 바와 같이, 복수의 발열 부재들이 개별적으로 전자기 유도에 의해 발열되기 때문이다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터는 발열되는 온도의 균일성을 확보하여 잉곳의 단결정 수율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터는 동일한 전력을 제공받는 상기 일체화된 서셉터에 비해 높은 온도를 구현하기 되므로, 잉곳 성장 장치에서 사용되는 전력 에너지의 효율을 높일 수 있다.
그리고, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 서셉터(230, 도 4 참조)의 측벽은 상기 일체화된 서셉터의 측벽보다 넓은 부분에서 높은 온도로 발열된다.
이는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 서셉터(230, 도 4 참조)의 복수의 발열 부재들이 개별적으로 전자기 유도에 의해 발열되기 때문이다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 서셉터(230, 도 4 참조)는 본 발명의 일 실시예에 따른 서셉터(130, 도 3 참조)에 비해 낮은 온도로 발열되지만, 상기 일체화된 서셉터에 비하여 넓은 부분에서 높은 온도로 발열되므로, 서셉터가 분할된 복수의 발열 부재로 구성된 경우, 발열 성능이 높아지게 된다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 코일을 개략적으로 나타내는 측면도이고, 도 9는 도 8의 코일을 상측에서 바라본 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는 외형적으로는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 잉곳 성장 장치와 유사하다. 도 8 및 도 9를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 코일(341)을 중점적으로 살펴보기로 한다.
먼저, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 잉곳 성장 장치에는 서셉터(330)가 구비된다. 상기 서셉터(330)는 전술한 바와 같이, 복수의 발열 부재가 수평 방향(X축) 또는 수직 방향(Z축)으로 분할된 형태로 이루어진다.
상기 코일(341)은 전술한 실시예와 마찬가지로, 상기 쉴드(142)에 의해 감싸지면서 상기 코일(341)의 형태를 유지하도록 지지된다.
상기 코일(341)은 상기 잉곳(I, 도 1 참조)이 인상되는 방향(Z축, 도 1 참조)과 상기 코일(341)의 중심(O)의 자기장의 방향(C)이 나란하도록 상기 서셉터(330)의 외측면을 따라 형성되는 제1 부분(342) 및 상기 제1 부분(342)으로부터 상기 제1 부분(342)과 소정 각도로 경사지게 연장되는 제2 부분(343)을 포함한다.
이 때, 상기 코일(341)은 상기 제1 부분(342)과 상기 제2 부분(343)이 상기 서셉터(330)의 외측면에 대하여 1회턴을 형성하도록 구비된다. 그리고, 상기 코일(341)은 상기 제1 부분(342)과 상기 제2 부분(342)이 상기 서셉터(330)의 상하 방향(Z축)으로 복수회의 턴을 갖도록 형성된다. 여기서, 상기 서셉터(330)의 상하 방향(Z축)은 상기 잉곳이 인상되는 방향(Z축, 도 1 참조)과 동일하다.
상기 제1 부분(342)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 서셉터(330)를 측면에서 바라볼 때, 상기 코일(341)의 상측에 배치되는 제1 턴부(342a), 상기 제1 턴부(342a)의 하측에 이격되어 배치되는 제2 턴부(342b) 및 상기 제2 턴부(342b)의 하측에 이격되어 배치되는 제3 턴부(342c)로 구성된다. 또한, 상기 제1 부분(342)은 제1 턴부(342a), 제2 턴부(342b) 및 제3 턴부(342c)로 구성되는 것에 한정되지 않고, 도 8에 도시된 바와 같이, 제4 턴부, 제5 턴부 등 복수의 턴부로 구성된다.
그리고, 제1 부분(342)은 상기 제1 턴부(342a), 상기 제2 턴부(342b) 및 상기 제3 턴부(342c)가 순차적으로 연결되도록 구성되며, 다만, 상기 서셉터(330)의 측면에서 바라볼 때, 서로 이격되어 배치되도록 구성된다.
상기 제2 부분(343)은, 상기 제1 턴부(342a)의 일측과 상기 제2 턴부(342b)의 타측 사이에 배치되는 제1 연결부(343a) 및 상기 제2 턴부(342c)의 일측과 상기 제3 턴부(342c)의 타측 사이에 배치되는 제2 연결부(343b)로 구성된다. 그리고, 상기 제1 부분(342)이 상기 복수의 턴부로 구성된 경우, 상기 제2 부분(343)은 상기 복수의 턴부에 대응되도록 상기 복수의 연결부로 구성된다.
상기 제1 연결부(343a)는 상기 제1 턴부(342a)의 일측에서 상기 제2 턴부(342b)의 타측을 향하여 기울어지도록 형성된다. 즉, 상기 제1 턴부(342a)는 상기 제1 연결부(343a)를 통해 상기 제2 턴부(342b)와 전기적으로 연결되고, 상기 제1 턴부(342a)는 상기 수평 방향(X축)으로 배치되도록 구비된다. 여기서, 상기 수평 방향(X축)은 상기 코일(341)의 중심의 자기장의 방향(C)과 수직한 방향이다.
상기 제2 연결부(343b)는 상기 제2 턴부(342b)의 일측에서 상기 제3 턴부(342c)의 타측을 향하여 기울어지도록 형성된다. 즉, 상기 제2 턴부(342b)는 상기 제2 연결부(343b)를 통해 상기 제3 턴부(342c)와 전기적으로 연결되고, 상기 제2 턴부(342b)는 상기 수평 방향(X축)으로 배치되도록 구비된다. 마찬가지로, 상기 복수의 턴부는 상기 수평 방향(X축)으로 배치되도록 구비된다.
이에 따라, 상기 제1 부분(342)은 상기 코일(341)의 중심의 자기장의 방향(C)과 수직한 방향인 수평 방향(X축)으로 형성되므로, 상기 코일(341)로부터 발생되는 자기장에 의해 발생되는 힘이 잉곳의 단결정이 성장하는 방향과 경사지지 않게 된다. 즉, 상기 코일(341)의 상기 제1 부분(342)이 수평 방향(X축)으로 배치됨에 따라, 상기 잉곳의 단결정의 수율을 높일 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 코일(341)을 상측에서 바라볼 때, 상기 제2 부분(343)의 제1 연결부(343a)는 상기 코일(341)의 동심원의 중심(O)으로부터 일정 각도 범위에 배치된다. 상기 일정 각도는 대략 20°일 수 있다. 즉, 상기 제2 부분(343)은 상기 코일(341)의 동심원의 중심(O)으로부터 대략 20°범위에 배치되므로, 상기 제2 부분(343)의 길이는 상기 코일(341)의 전체 길이 1/18 이내이다. 상기 제2 부분(343)의 길이는 상기 코일(341)의 두께에 따라 결정된다. 예를 들면, 상기 코일(341)의 두께가 작을수록, 상기 제2 부분(343)의 길이는 작아진다.
이와 같이, 상기 코일(341)은 상기 제2 부분(343)의 길이가 최소화되도록 형성됨에 따라, 상기 제2 부분(343)으로부터 발생되는 자기장에 의한 힘이 잉곳(I, 도 1 참조)의 단결정에 영향을 주는 것이 최소화된다.
도 10는 나선형으로 감긴 코일을 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 11a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 코일에 의해 서셉터가 가열된 모습을 상측에서 바라본 도면이고, 도 11b는 도 10의 나선형으로 감긴 코일에 의해 서셉터가 가열된 모습을 상측에서 바라본 도면이고, 도 12a는 도 10의 비교예에 따른 서셉터의 상측 영역의 온도와 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 서셉터의 상측 영역의 온도의 편차를 나타내는 그래프이고, 도 12b는 도 10의 비교예에 따른 서셉터의 중앙 영역의 온도와 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 서셉터의 중앙 영역의 온도의 편차를 나타내는 그래프이다.
도 10 내지 도 12b를 참조하여, 비교예에 따른 나선형으로 감긴 코일(이하, "비교예에 따른 코일"이라 지칭함.)과 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일의 성능을 비교하기로 한다.
먼저, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 비교예에 따른 코일(30)은 서셉터(20)의 외측면을 따라 나선형으로 복수 회 감긴다.
그리고, 도 11a에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일에 의해 가열된 서셉터는 도 11b에 도시된 비교예에 따른 코일에 비하여 코일의 동심원의 중심을 기준으로 대체적으로 대칭적이다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일은 비교예에 따른 코일에 비하여 서셉터의 온도가 균일하도록 서셉터를 가열한다. 이에 따라, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일은 서셉터의 온도의 균일성을 확보한다.
또한, 도 12a에 도시된 바와 같이, 상기 비교예에 따른 코일에 의해 가열된 서셉터의 상측 영역의 온도의 편차는 대략 488℃ 이고, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일에 의해 가열된 서셉터의 상측 영역의 온도의 편차는 대략 420℃이다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일은 상기 비교예에 따른 코일에 비하여 서셉터의 상측 영역의 온도의 편차가 작다.
또한, 도 12b에 도시된 바와 같이, 상기 비교예에 따른 코일에 의해 가열된 서셉터의 중앙 영역의 온도의 편차는 대략 305℃ 이고, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일에 의해 가열된 서셉터의 중앙 영역의 온도의 편차는 대략 273℃이다. 즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일은 상기 비교예에 따른 코일에 비하여 서셉터의 중앙 영역의 온도의 편차가 작다. 그리고, 전술한 바와 같이, 주 도가니와 주 도가니에 수용된 용융된 실리콘에 열전달되는 것을 고려하지 않은 시뮬레이션 결과이므로, 잉곳 성장 장치를 구동하는 실제의 온도와 차이가 있음을 밝혀둔다.
이와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일은 상기 비교예에 따른 코일에 비하여 서셉터의 온도의 균일성을 확보한다. 또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 코일은 서셉터의 온도의 균일성을 확보하므로, 서셉터의 온도의 균일성을 확보하는 과정에서 필요 이상으로 전력 에너지가 소모되는 것이 방지된다.
본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
100: 잉곳 성장 장치 110: 성장로
120: 주 도가니 130: 서셉터
131, 132: 복수의 발열 부재 140: 히터
141, 341: 코일 342: 제1 부분
343: 제2 부분

Claims (12)

  1. 잉곳을 성장시키기 위하여 용융된 실리콘을 수용하는 역돔 형상의 주 도가니가 내부에 배치되는 성장로;
    상기 주 도가니의 외측면을 감싸도록 형성되어 상기 주 도가니를 지지하고, 서로 전기적으로 절연된 복수의 발열 부재를 포함하는 서셉터; 및
    자기장을 발생시키고, 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 상기 복수의 발열 부재를 가열하는 히터; 를 포함하고,
    상기 복수의 발열 부재는 상기 주 도가니의 외측면을 따라 루프를 구비하고,
    상기 복수의 발열 부재는 내측에 위치되는 발열 부재보다 외측에 위치되는 발열부재의 외주면 상단 모서리부의 높이가 높게 형성되는, 잉곳 성장 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 서셉터는 상기 복수의 발열 부재가 상기 성장로의 바닥면과 평행한 수평 방향으로 분할된 형태로 이루어지는, 잉곳 성장 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 서셉터는 상기 복수의 발열 부재가 상기 성장로의 바닥면과 수직한 수직 방향으로 분할된 형태로 이루어지는, 잉곳 성장 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 발열 부재는 그라파이트 재질을 포함하여 이루어지는, 잉곳 성장 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 서셉터는 상기 복수의 발열 부재 사이에 배치되어 상기 복수의 발열 부재를 결합시키는 복수의 절연 부재를 더 포함하는, 잉곳 성장 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 복수의 절연 부재는 비자성체로 이루어지는, 잉곳 성장 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 복수의 발열 부재의 단부는 곡면부를 포함하는, 잉곳 성장 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 히터와 상기 성장로의 바닥면 사이에 배치되고, 상기 히터와 상기 서셉터의 하측으로 상기 자기장에 의한 전자기 유도를 차단하는 차단부를 더 포함하는, 잉곳 성장 장치.
  9. 잉곳을 성장시키기 위하여 용융된 실리콘을 수용하는 주 도가니가 내부에 배치되는 성장로;
    상기 주 도가니의 외측면을 감싸도록 형성되는 서셉터; 및
    상기 서셉터의 외측면을 따라 감기도록 형성되어 자기장을 발생시키고, 상기 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 상기 서셉터를 가열하는 코일을 구비하는 히터; 를 포함하고,
    상기 코일은,
    상기 잉곳이 인상되는 방향과 상기 코일의 중심의 자기장의 방향이 나란하도록 상기 서셉터의 외측면을 따라 형성되는 제1 부분; 및
    상기 제1 부분으로부터 상기 제1 부분과 소정 각도로 경사지게 연장되는 제2 부분을 포함하고,
    상기 제1 부분은,
    상기 코일의 상측에 배치되는 제1 턴부;
    상기 제1 턴부의 하측에 이격되어 배치되는 제2 턴부; 및
    상기 제2 턴부의 하측에 이격되어 배치되는 제3 턴부를 포함하고,
    상기 제2 부분은,
    상기 제1 턴부의 일측과 상기 제2 턴부의 타측 사이에 배치되고, 상기 제1 턴부의 일측에서 상기 제2 턴부의 타측을 향하여 기울어지도록 형성되는 제1 연결부; 및
    상기 제2 턴부의 일측과 상기 제3 턴부의 타측 사이에 배치되고, 상기 제2 턴부의 일측에서 상기 제3 턴부의 타측을 향하여 기울어지도록 형성 제2 연결부를 포함하는, 잉곳 성장 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 코일은 상기 제1 부분 및 상기 제2 부분이 상기 서셉터의 외측면에 대하여 1회턴을 형성하도록 구비되고, 상기 서셉터의 상하 방향으로 복수회의 턴을 갖도록 형성되는, 잉곳 성장 장치.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 부분의 길이는 상기 코일 전체 길이의 1/18 이내인, 잉곳 성장 장치.
  12. 제9 항에 있어서,
    상기 히터는, 상기 코일의 외측면을 감싸도록 형성되고, 상기 코일이 상기 성장로의 내부 공간에 노출되는 것을 차단하는 쉴드를 더 포함하는, 잉곳 성장 장치.
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