KR102419554B1 - 반도체용 실린더형 합성 쿼츠 제조를 위한 맨드릴 구성 및 제조방법 - Google Patents

반도체용 실린더형 합성 쿼츠 제조를 위한 맨드릴 구성 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체용 실린더형 합성 쿼츠 제조를 위한 맨드릴 구성 및 제조방법에 관한 것으로, 맨드릴의 재질 및 구성을 개선하여 생산성을 향상하기 위한 반도체용 실린더형 합성 쿼츠 제조를 위한 맨드릴 구성에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 증착부, 지지부를 포함하여 분리가 능한 맨드릴을 구성하며, 증착부와 지지부의 소재를 달리하고, 맨드릴 내부에 중공부를 포함하도록 한다.
본 발명에 따른 맨드릴 구성을 활용하여 합성 쿼츠를 제조하면 증착부의 양끝까지 증착 하여 금속 맨드릴 사용 시 크랙을 방지할 수 있고, 지지부를 구성하여 증착부의 측면부까지 증착 하여 크랙을 방지하고, 증착구간의 유효길이를 최대화해서 생산성을 향상할 수 있다. 또한, 실린더 형상의 합성 쿼츠를 제작할 수 있어 코어링을 생략하고 내부 자재가 낭비되는 것을 방지하여 생산성을 증대하고 비용을 절감하는 효과가 있으며. 중공부를 구비하여 냉각용 가스와 금속배관을 통해 냉각수를 공급하여 냉각속도를 증가하여 생산성을 향상할 수 있으며, 메인버너를 증착부의 양 끝단 이상으로 증착 하여 측면 테이퍼를 형성하여 유효길이를 증가시켜 생산성을 향상할 수 있다.

Description

반도체용 실린더형 합성 쿼츠 제조를 위한 맨드릴 구성 및 제조방법{Mandrel construction and manufacturing method for manufacturing cylindrical synthetic quartz for semiconductors}
본 발명은 반도체용 실린더형 합성 쿼츠 제조를 위한 맨드릴 구성 및 제조방법에 관한 것으로, 상세하게 합성 쿼츠 제조 공정에 사용되는 맨드릴의 재질 및 구성을 개선하여 생산성을 향상하기 위한 반도체용 실린더형 합성 쿼츠 제조를 위한 맨드릴 구성 및 제조방법에 관한 것이다.
합성 쿼츠의 제조 기술을 통해 제조된 합성 쿼츠 증착물을 이용해 합성 쿼츠링과 같은 다른 제품을 만들기 위해서는 링(Ring)이나 실린더(Cylinder) 형태로 가공하게 되는데, 이때 가공하는 과정에서 중심을 드릴링하는 별도의 코어 드릴(Core Drill)작업을 거쳐야 하며, 작업 후 내부 자재는 폐기물로 처리되는 등 복잡한 가공공정이 필요하고, 소재의 손실이 매우 커서 생산단가가 높다. 따라서, 실린더 형태로 제조하는 방법을 통해 코어링 등의 복잡한 과정을 생략하고 내부 자재가 낭비되는 것을 방지하여 생산성을 증대하고 비용을 절감하려는 시도가 있다.
선행문헌 1(대한민국 공개특허 10-1725359호)은 상기 문제점을 해결하기 위해 원통형의 맨드릴을 구비하여 실린더 형태로 합성 쿼츠를 제작하는 방법에 대한 발명이다.
하지만, 선행문헌 1은 SiO2 증착 시 증착물에 크랙(Crack)을 방지하기 위해 양 끝단을 테이퍼(Taper)제어 하여 맨드릴(Mandrel)의 길이 대비하여 증착물의 길이가 짧아져서 손실구간이 발생하기 때문에 유효길이가 감소하여 그에 따라 생산량이 감소하는 문제가 있으며, 금속 맨드릴의 사용 시 테이퍼의 양 끝이 선행문헌 1과 같이 증착 되는 면상에 위치하면 크랙이 발생할 수 있다는 문제가 있다.
선행문헌 1: 대한민국 등록특허 10-1725359호(2017.04.04. 등록)
본발명의 기술적 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 금속 증착부를 갖는 맨드릴을 활용하여 실린더형 합성 쿼츠 제작을 위한 OVD 증착 시 증착물과 맨드릴 소재의 열팽창 차이로 인한 응력이 증착물의 끝단에 집중되어 테이퍼를 형성하여도 증착물 끝으로부터 크랙이 쉽게 발생한다. 이를 해결하기 위하여 증착물의 테이퍼 끝단을 맨드릴의 증착부 양 끝에 위치하게 하여 열팽창 차이에 의한 응력이 테이퍼 끝단에 형성되지 않도록 하여 크랙을 방지하고자 한다.\
본 발명은 반도체용 합성 쿼츠 제조장치에 의해 형성되는 증착물에 있어서, 합성 쿼츠 제조장치는, 막대 형상의 외면을 따라 증착이 진행되어 외면에 증착물이 형성되는 증착부를 포함하고, 증착물은, 증착물의 직경이 균일하게 유지되는 구간이 극대화되도록 크랙을 방지하기 위한 테이퍼를 구비하고, 증착물의 테이퍼는, 증착부의 양 끝단까지 연장되는 것을 특징으로 하는 증착물을 제공한다.
또한, 반도체용 합성 쿼츠를 제조장치에 있어서,
막대 형상의 외면을 따라 증착이 진행되어 외면에 증착물이 형성되는 증착부와, 증착부의 양 끝단에 구비되는 지지부를 포함하는 맨드릴 및 증착부의 외면을 따라 화염을 분사하여 증착을 진행하는 메인버너를 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치를 제공한다.
또한, 증착부는 소정의 제 1 직경을 갖는 원기둥 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치를 제공한다.
또한, 증착부는 소정의 제 1 직경이 250~320mm의 직경을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치를 제공한다.
또한, 지지부는 증착부의 직경인 소정의 제 1 직경보다 50mm 이상 작은 소정의 제 2 직경을 갖는 원기둥 형상으로 구비되고, 지지부는 두개가 구비되어 지지부의 한쪽 평면이 원기둥 형상의 증착부의 두개의 평면에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치를 제공한다.
또한, 맨드릴은 소재가 금속이고, 맨드릴의 소재인 금속은, 스테인레스스틸(SUS) 또는 티타늄, 니켈, 인코넬, 하스텔로이 재질 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치를 제공한다.
또한, 맨드릴은, 속이 빈 구조로 구성되어 공정 종료 시 냉각용 가스가 흐를 수 있도록 구성되는 중공부를 더 포함하고, 중공부에는 냉각용 가스의 효율이 극대화되도록 냉각수가 흐르는 금속배관이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치를 제공한다.
또한, 메인버너는, 증착부의 양 끝단까지 증착 되도록 메인버너의 중심이 증착부의 양 끝단에서 100mm만큼 벗어난 지점 내지 양 끝단에 50mm 못 미치는 위치 중 어느 한 지점까지 증착부의 외면을 따라 이동하며 화염을 방출하여 증착을 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 금속 증착부를 갖는 맨드릴을 사용하여도 Crack이 없는 증착물을 제작이 가능하다.
또한, 맨드릴의 증착구간의 유효길이가 최대화되어 생산성을 향상할 수 있다. 또한, 테이퍼 구간이 맨드릴의 측면으로 형성되어 크랙(Crack)이 방지되면서도 유효길이는 최대화할 수 있다.
또한, 실린더 형상의 합성 쿼츠를 제작할 수 있어, 링 형상 제품을 제작 시 코어링을 생략하고 내부 자재가 낭비되는 것을 방지하여 생산성을 증대하고 비용을 절감하는 효과가 있다.
또한, 맨드릴의 증착부를 금속소재로 제작하여 영구적으로 재사용 할 수 있어서 비용을 아낄 수 있으며, 지지부를 열전달 계수가 낮은 소재를 적용하여 증착 시 열 손실을 최소화하여 밀도 높은 증착물을 생산할 수 있다.
또한, 중공부를 구비하여 냉각용 가스와 금속배관을 통해 냉각수를 공급하여 냉각속도를 증가하여 생산성을 향상할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성 쿼츠 제조방법의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴의 사시도이다.
도 3은 기존발명(도 3a)과 본 발명의 일 실시예(도 3b)를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공부에 관통하는 금속배관을 나타낸 맨드릴의 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한 도면에서 본 발명을 명확하게 개시하기 위해서 본 발명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 동일하거나 유사한 부호들은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 목적, 특징 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성 쿼츠 제조방법의 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴(100)의 사시도이다. 도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명은 맨드릴(100), 사이드 버너(200), 메인버너(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
맨드릴(100)은 막대 형상의 외면을 따라 증착이 진행되도록 하는 구성이며, 이때, 합성 쿼츠를 정착시켜서 맨드릴(100)의 외면에 증착이 된 슈트체를 증착물(10)이라고 한다.
맨드릴(100)은 증착부(110) 및 증착부(110)의 양 끝단에 구비되는 지지부(120)를 포함하여 구성되고, 다양한 방식을 통해 외면을 따라 증착이 진행되도록 할 수 있다. 예를 들면, 맨드릴(100)은 고정된 상태에서 메인버너(300)가 이동하며 증착을 진행할 수 있고, 메인버너(300)가 고정된 상태에서 맨드릴(100)이 회전하거나 이동하며 증착을 진행할 수도 있으며, 맨드릴(100)과 메인버너(300)가 모두 이동하여 증착을 진행할 수도 있다. 상세하게 맨드릴(100)이 막대 형상의 중심축을 따라 회전하고, 메인버너(300)는 설치된 위치에 고정되거나 맨드릴(100)의 막대 형상의 길이방향으로 이동하며 증착이 진행되는 것이 후술할 사이드 버너(200)를 움직이지 않고 고정할 수 있어서 더 효율적이기 때문에, 본 발명의 일 실시예에서는 맨드릴(100)이 막대 형상의 중심축을 따라 회전하는 것을 기준으로 설명하며, 후술할 구동부가 맨드릴(100)을 회전시키게 된다.
구동부는 맨드릴(100)을 막대 형상의 중심축을 따라 회전시키는 구성이다.
구동부는 맨드릴(100)의 중심축에 연결되는 동력전달부와 동력을 내어 동력전달부에 에너지를 전달하는 동력부를 포함한다. 동력부가 맨드릴(100)의 중심축에 연결되는 동력전달부를 회전시킴으로써 동력을 맨드릴(100)에 전달하여 맨드릴(100)이 중심축을 따라 회전하도록 구비된다. 동력부는 모터, 엔진, 터빈 등의 동력장치를 포함하도록 구비될 수 있다.
동력부는 균일한 증착이 이루어질 수 있도록 일정한 속도로 맨드릴(100)이 회전하도록 동력전달부를 회전시킬 수 있고, 증착이 진행됨에 따라 증착물(10)의 직경이 증가하는 경우, 또는 메인버너(300)가 이동하여 증착물(10)의 직경이 다른 곳을 증착시키는 경우에 회전 속도를 조절하여 더욱 효율적으로 증착이 이루어지도록 할 수도 있다.
전구체 공급부는 맨드릴(100)의 외면 상에 전구체를 공급하기 위한 구성이다.
전구체 공급부는 맨드릴(100)의 외면 방향으로 전구체를 공급하게 된다. 이때, 전구체 공급부는 전구체가 고체 또는 액상으로 구비된 전구체가 공급되며 기화되는 구조를 더 포함할 수 있고, 또는 전구체를 기화시켜 기체 상태로 변환된 전구체를 저장했다가 공급하는 방식을 이용할 수도 있다. 전구체를 기화시키기 위해서 초음파 진동, 히터 등을 활용할 수 있고, 이를 통해 전구체를 기체 또는 에어로졸 형태로 기화시키게 된다.
전구체 공급부는 맨드릴(100)의 외면상에 전구체를 공급할 수 있는 다양한 위치에 구비될 수 있으며, 전구체가 공급되면서 맨드릴(100)의 표면에서 바로 증착이 될 수 있도록 메인버너(300)가 화염을 공급하는 방향과 동일한 곳을 향해 공급되도록 할 수 있고, 이처럼 동일한 방향으로 전구체가 공급되기 위해서 메인버너(300)에서 화염뿐만 아니라 전구체도 함께 일체로 공급하는 것도 가능하다.
한편, 맨드릴(100)은 증착부(110)와 증착부(110)의 양 끝단에 구비되는 지지부(120)를 포함하여 구성된다.
증착부(110)는 막대 형상으로 외면을 따라 증착이 진행되어 합성 쿼츠를 제조하기 위한 구성이다. 이때, 증착부(110)의 외면을 따라 증착이 되는면인 증착부(110)의 외부면을 증착면이라고 한다.
지지부(120)는 증착부(110)의 양 끝단에 구비되어 크랙 방지를 위한 측면 테이퍼를 맨드릴(100)의 측면에 형성해서 증착물(10)의 유효길이를 극대화할 수 있도록 하는 구성이며, 이를 위해 지지부(120)는 증착부(110)와 상이한 직경을 가지도록 구성된다. 이때, 유효길이는 증착물(10)의 직경이 균일하게 유지되는 구간의 길이로 제품 가공에 쓰일 수 있는 부분을 말하며 유효길이를 제외한 나머지 부분이 크랙을 방지하기 위해 증착물(10)의 양 끝단에 형성하는 테이퍼 구간이 된다.
본 발명의 일 실시예에서는 도 3b와 같이 증착물(10)이 증착부(110)의 양쪽 끝까지 증착 되어 금속 재질을 사용하는 맨드릴(100)에서 크랙을 방지하도록 할 수 있다. 이와 같은 실시예를 아래 상술하도록 한다.
도 3은 지지부(120)가 없는 기존방식의 맨드릴(100)에서 테이퍼를 형성하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 지지부(120)를 포함하는 맨드릴(100)에서의 증착부(110)의 양 끝단까지 증착 되는 경우 및 측면 테이퍼를 형성하는 경우 각각의 방식에 따른 유효길이를 비교한 도면이다.
도 3을 참고하면, 도 3a의 기존방식의 맨드릴(100)에서는 크랙 방지를 위한 테이퍼 형성을 위해 맨드릴의 양 끝까지 증착 하지 못하기 때문에, 유효길이는 도 3의 유효길이 ab와 같이 짧게 형성된다. 또한, 기존방식에서 금속 증착부(110)를 갖는 맨드릴(100) 사용 시 증착물(10)의 테이퍼 양 끝단이 맨드릴(100) 외면상에 존재하여 증착물(10)과 맨드릴(100) 소재의 열팽창 차이로 인한 응력이 증착물의 끝단에 집중되어 테이퍼를 형성하여도 증착물 끝으로부터 크랙이 쉽게 발생한다.
하지만, 도 3b와 같이 동일한 길이의 맨드릴(100)이지만 양 끝단에 지지부(120)를 구비하여 증착부(110)의 양 끝단까지 증착 하면, 증착물(10)의 양 끝단을 벗어난 부분의 맨드릴(100)이 존재하지 않아서 열팽창 차이에 의한 응력이 테이퍼 끝단에 형성되지 않도록 할 수 있어서 크랙이 형성되는 것을 방지할 수 있다. 하지만, 전체 맨드릴(100)의 길이가 도a의 기존방식과 동일하고, 증착부(110)의 길이가 기존방식의 유효길이와 동일하기 때문에, 유효길이는 여전히 도 3의 유효길이 ab로 동일하게 짧다.
한편, 도 3b의 맨드릴(100)이 도 3a의 맨드릴(100)과 동일한 유효길이를 가지고, 맨드릴(100)의 전체길이는 동일하지만, 증착부(110)보다 직경이 작은 지지부(120)를 구비함으로써 맨드릴(100)을 제작하는 원재료가 절감되는 효과도 볼 수 있다.
이처럼 본 발명의 일 실시예인 도 3b와 같이 증착부(110)의 양 끝까지 증착된 증착물(10)을 제조하면, 금속 맨드릴(100)사용 시 열팽창 차이에 의한 응력이 테이퍼 끝단에 전달되지 않도록 하여 크랙을 방지할 수 있다.
한편, 증착부(110)는 막대 형상과 같이 길이를 가지는 원기둥과 사각기둥, 직사각기둥, 오각기둥 등의 다각기둥을 포함한 다양한 형상으로 구비될 수 있으며, 원기둥 형상의 직경 또는 다각기둥의 형상의 다각형 평면의 외접원의 직경이 소정의 제 1 직경을 갖도록 구비 된다. 다만, 후가공 시 낭비되는 내부 자재를 최소화하기 위해서 실린더 형상의 합성 쿼츠를 제작하는 것이 효율적이며, 이를 위해 증착부(110)는 소정의 제 1 직경을 갖는 원기둥 형상으로 구비되어 증착물(10)이 실린더 형상이 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 증착부(110)는 원기둥 형상의 옆면을 따라 증착이 진행되게 되는데, 후술할 메인버너(300)는 증착부(110)에 하부에 위치시켜 화염을 분출하므로 원기둥 형상의 옆면에 메인버너(300)의 화염을 공급받아 증착이 진행될 수 있도록 원기둥을 옆으로 눕힌 형상으로 구비되게 된다. 이와 같이 원기둥을 눕힌 상태에서 증착부(110)의 원기둥 형상의 옆면에 증착이 될 때, 증착부(110)의 원기둥 형상의 높이가 옆면의 길이가 되고 이를 증착부(110)의 증착길이라고 한다.
한편, 증착부(110)의 소정의 제 1 직경은 250mm 내지 320mm의 길이를 갖도록 구성되어 해당 직경을 갖는 합성 쿼츠를 제작할 수 있도록 구비된다.
한편, 증착부(110)는 내경이 280mm 내지 320mm이고, 외경 290mm 내지 420mm를 갖는 반도체용 링 형상 합성 쿼츠를 제작하는 경우에는 중공구조를 갖는 실린더 형상의 증착물(10)을 내경 250mm 내지 350mm를 갖고 외경 300mm 내지 700mm를 갖도록 제작하게 되고, 이에 따라 소정의 제 1 직경은 250mm 내지 350mm의 길이를 갖도록 구성되어 해당 직경을 내경으로 갖는 증착물(10)을 제작할 수 있도록 구비된다.
또한, 증착부(110)의 증착길이는 생산성을 위하여 500mm 이상 3000mm 이하로 구성되는 것이 바람직하여 본 발명의 일실시예에서는 증착부(110)의 원기둥 형상의 높이가 500mm 이상 3000mm 이하인 것을 기준으로 설명한다.
이처럼 증착부(110)가 구비되면, 250mm 내지 320mm의 직경을 갖는 반도체용 링형상 합성 쿼츠를 제작할 수 있고, 적절한 증착길이를 구성하여 생산성을 높여 효율적으로 생산할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴(100)의 사시도이다. 도 3은 기존발명(도 3a)과 본 발명의 일 실시예(도 3b)를 나타낸 도면이다. 도 2 및 도 3을 참고하면, 지지부(120)는 증착부(110)의 직경인 소정의 제 1 직경보다 작은 소정의 제 2 직경을 갖는 원기둥 또는 다각기둥 형상으로 구비되며, 지지부(120)는 증착부(110)의 양쪽 평면을 밑면으로 하여 증착부(110)의 양 끝단에서 외부로 돌출되는 원기둥 또는 다각기둥 형상으로 구비되어 증착부(110)와 함께 맨드릴(100)을 구성하게 된다. 즉, 지지부(120)는 증착부(110)의 원기둥 또는 다각기둥 형상과 동일한 중심축을 가지는 원기둥 또는 다각기둥 형태로 구비되며, 증착부(110)보다 작은 소정의 제 2 직경을 가지도록 구비되어 증착부(110)의 양 끝단에 돌출되는 형태로 구비되게 된다.
이때, 제 2 직경은 원기둥 또는 다각기둥으로 구비되는 지지부(120)의 원기둥의 직경 또는 다각기둥의 외접원 직경이며, 측면 테이퍼를 만들기에 적합하도록 제 1 직경보다 50mm이상 작게 구비되어 지지부(120)를 구성하는 것이 적절하다. 또한, 증착부(110)의 제 2 직경은 후술할 냉각 가스 또는 금속배관(140)이 통과할 수 있는 적절한 크기로 구성되는 것이 바람직하다.
지지부(120)가 상술한 바와 같이 맨드릴(100)에 포함되도록 구성되면, 증착부(110)의 끝부분까지 증착을 진행하며 측면 테이퍼를 형성하도록 할 수 있어서 증착길이를 더 길게 하여 유효길이를 최대화할 수 있어서 생산성을 향상할 수 있다.
메인버너(300)는 맨드릴(100)의 증착부(110)의 외면을 따라 화염을 분사해서 전구체 공급부에서 공급된 전구체에 열을 전달하여 증착부(110)에 증착이 진행되도록 하는 구성이다. 또한, 메인버너(300)는 소정의 원료량을 지속적으로 투입받아 출력하는 화염을 유지하도록 구비되어 일정한 화염을 공급하도록 구비될 수 있고, 화염뿐만 아니라 증착에 도움이 되는 비활성기체 등의 가스를 함께 배출할 수도 있다. 또한, 메인버너(300)는 증착을 진행하기 위해 상술한 전구체 공급부에서 전구체를 공급받을 수 있으며, 증착을 더욱 효율적으로 하기위해 전구체 공급부를 메인버너(300)와 일체화 할 수도 있다.
메인버너(300)에서 방출되는 화염 및 가스는 온도가 높아서 지면에서 지상으로 올라가는 방향으로 이동하기 때문에, 메인버너(300)는 회전하는 맨드릴(100)의 하부에 위치하여 위쪽에 위치한 맨드릴(100)의 증착부(110)를 향해 화염 및 가스를 방출하여 증착을 진행하도록 구비되는 것이 바람직하다. 이때, 메인버너(300)의 상부에 위치하는 맨드릴(100)은 메인버너(300)에서 방출되는 화염 및 가스를 원기둥이 누워있는 형태로 옆면을 메인버너(300) 방향으로 향하게 구비하게 되며, 증착부(110)의 원기둥 형상의 높이가 증착이 진행되는 증착부(110)의 증착길이가 되게 된다.
한편, 메인버너(300)는 증착부(110)의 증착길이와 동일한 길이로 구비될 수 있으며, 더 길거나 짧게도 구비될 수 있다. 다만, 메인버너(300)가 증착부(110)의 증착길이보다 더 짧게 형성되는 경우에는 메인버너(300)가 고정되어 있으면, 증착부(110)의 증착길이를 모두 증착 시킬 수 없기 때문에 증착부(110)의 길이방향을 따라 이동하며 증착부(110)를 모두 증착 시키도록 구비될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성 쿼츠 제조방법의 개략도이고, 도 3은 기존발명(도 3a)과 본 발명의 일 실시예(도 3b)를 나타낸 도면이다. 도 1 및 도 3을 참고하면, 사이드 버너(200)는 맨드릴(100)의 증착부(110)의 측면부를 향해 화염의 일부 또는 전부를 분사하도록 구비되어 전구체 공급부로부터 공급된 증착 가스를 측면에 증착 하여 도 3b와 같이 증착부 양 끝단까지 증착 시켜 증착물(10)을 형성하도록 하는 구성이다.
사이드 버너(200)의 중심축은 원기둥 형상인 맨드릴(100)의 중심축과 평행하거나 80도 이내의 각도를 이루면서 맨드릴(100)의 양쪽 측면부를 향해 화염의 일부 또는 전부를 공급하게 된다. 상세하게, 측면부는 증착부(110)와 지지부(120)가 연결되는 면인 증착부(110)의 양 측면과 그 면의 둘레인 증착부(110)의 양 끝단을 말한다. 따라서 사이드 버너(200)는 양 쪽 측면부에 화염을 공급할 수 있도록 사이드 버너(200)의 중심축이 측면부의 둘레 또는 그 내부의 면상에 위치하게 된다.
사이드 버너(200)가 측면부에 화염을 공급하면 측면 테이퍼를 형성할 수 있다. 이때, 맨드릴(100)의 양 측면부를 향해 화염을 공급하기 위해 사이드 버너(200)는 적어도 2개 이상으로 구비되며, 증착 공정에서 맨드릴(100)이 회전하기 때문에 사이드 버너(200)가 양 측면부에 각각 하나씩 구비되어도 측면 전체에 화염을 공급할 수 있다. 또한, 사이드 버너(200)는 화염만을 분사하도록 구비되거나 메인버너(300)와 동일하게 화염 및 가스를 분사하도록 구비될 수도 있으며, 전구체를 일체로 분출하도록 구비될 수도 있다.
또한, 사이드 버너(200)는 측면에서 화염을 공급하며 화염의 방향 및 가스유량을 이용하여 증착물(10)의 테이퍼 형상을 제어하거나 측면 테이퍼 형성에 사용한다. 즉, 종래 증착공정에서는 크랙방지를 위한 테이퍼 형상을 만들기 위해 전구체 공급량을 제어하는 방식은 복잡한 제어가 필요하고, 액상의 전구체를 가열방식으로 기화하여 공급하는 방식을 사용 시 반응 속도가 느려 형상제어가 어려우며, 또한, 맨드릴의 측면에 구성하는 측면 테이퍼의 형상을 제어하는 것은 불가능 하다는 문제가 있다. 본 발명의 일 실시예와 같이 사이드 버너(200)를 구비하여 화염의 방향을 정하고, 적절한 가스유량을 지정하여 공급하게 되면 증착 공정의 복잡한 제어 없이도 증착물(10)의 측면 테이퍼 형상을 형성할 수 있도록 한다. 따라서 이와 같이 사이드 버너(200)가 증착부(110)의 양 끝단 또는 측면에 화염을 공급할 수 있고, 증착부(110)의 양 끝단에 화염을 공급하는 경우에는 증착부(110)의 증착길이의 양 끝단까지 증착이 되도록 하여 테이퍼를 형성하고, 금속 맨드릴(100)을 사용하는 경우에 발생할 수 있는 크랙을 방지할 수 있도록 하며, 증착부(110)의 측면에 화염을 공급하는 경우에는 증착물(10)이 측면까지 증착 되어 테이퍼가 측면까지 연결되도록 하여 측면 테이퍼를 형성하여 유효 길이를 증가시킬 수 있다.
한편, 상술하였듯이 사이드 버너(200)가 형상인 맨드릴(100)의 중심축과 평행 내지 80도 이내의 각도를 이루면서 맨드릴(100)의 양쪽 측면부를 향해 화염의 일부 또는 전부를 공급하게 된다. 상세하게, 맨드릴(100)의 중심축과 평행 내지 45도 이내의 각도를 이루면서 증착부(110)의 양쪽 끝단을 향해 화염의 일부 또는 전부를 공급하도록 하는 경우, 해당 각도를 사용하는 사이드 버너(200)를 적절히 배치하여 도 3b와 같이 증착부(110) 양 끝단까지 증착된 형상의 증착물(10)을 형성할 수 있다.
이처럼 사이드 버너(200)가 구비되어 측면에서 화염을 공급하면 사이드 버너(200)의 화염방향 및 가스유량을 이용하여 측면 테이퍼의 형성 각도가 제어되므로 복잡한 제어가 불필요하며, 측면 테이퍼 형성 시에는 사이드 버너(200)를 활용하면 메인버너(300)로부터 공급된 증착 가스를 보다 원활하게 측면에 증착하여 측면 테이퍼의 형성 각도를 제어할 수 있기 때문에 복잡한 플로우 제어를 하지 않아도 되어 간편하고, 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
한편, 맨드릴(100)은 금속, 쿼츠, 합성 쿼츠 등의 다양한 소재로 구비될 수 있지만, 영구적인 사용과 증착 후에 맨드릴(100)과 증착물(10)의 분리를 원활하게 하기 위해 열팽창계수가 크고 열에 견딜 수 있는 고온 저항성이 있는 금속 소재로 구비되는 것이 바람직하며, 상세하게 맨드릴(100)의 소재인 금속은 스테인레스스틸(SUS) 또는 티타늄, 텅스텐, 니켈, 인코넬, 하스텔로이 재질 중 어느 하나로 구비될 수 있다.
이와 같이 맨드릴(100)을 금속 소재로 구비하면, 증착 후 증착물(10) 분리에 용이하며, 맨드릴(100)을 영구적으로 재사용 할 수 있기 때문에 비용을 절감할 수 있다는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴(100)의 단면도이다. 도 4를 참고하면, 맨드릴(100)은 증착부(110)와 지지부(120)가 일체형으로 구성되어 하나의 재질로 구성될 수 있고, 증착부(110)와 지지부(120)가 분리가 가능한 형태로 구비될 수 있으며, 이때 증착부(110)와 지지부(120)가 같은 재질 또는 다른 재질로 구성될 수 있다.
증착부(110)와 지지부(120)가 분리 가능한 형태로 구비되는 경우, 지지부(120)는 원통형태 만으로 구비되어 지지부(120)에 여러 가지 방식으로 연결되거나, 증착부(110)의 옆면을 포함하는 형태로 구비되어 원기둥 형태의 평면 양쪽을 덮는 뚜껑 같은 형태로 구비될 수 있다.
이때, 지지부(120)는 증착부(110)에 여러 가지 방식으로 연결될 수 있는데, 나사, 핀, 못 등의 고정 가능한 수단을 활용하여 고정하는 방식을 사용할 수도 있고, 끼움 삽입되는 식으로 구비될 수도 있으며, 지지부(120) 또는 증착부(110) 자체에 나사산을 구비하여 나사결합 방식으로 결합할 수도 있다. 또한, 지지부(120)가 증착부(110)와 별도로 제작되어 증착부(110)에 접착 등과 같은 방식으로 결합되어, 결합 후에는 분리되지 않는 방식 또한 가능하다. 이처럼, 맨드릴(100)이 일체형으로 구비되는 경우 맨드릴(100)의 소재는 상술하였듯이 금속으로 구비될 수 있다. 또한, 맨드릴(100)이 분리형인 경우, 증착부(110)와 지지부(120)를 같은 소재로 구비할 수도 있고, 각각의 소재를 달리하는 것도 가능하다.
증착부(110)는 상술한 바와 같이 영구적인 사용과 증착 후 증착물(10)과 분리를 원활하게 하기 위해 금속으로 구비될 수 있다. 또한, 지지부(120)의 소재는 공급받은 열량의 손실을 최소화하기 위해 열전달 계수가 낮고, 증착부(110)를 지지할 수 있도록 무거운 하중을 견딜 수 있는 소재인 세라믹 소재로 구비될 수 있다. 상세하게, 증착부(110)는 스테인레스스틸(SUS), 티타늄, 텅스텐, 니켈, 인코넬, 하스텔로이 중 어느 하나로 구비되고, 지지부(120)는 SiC, Al2O3, Si3N4, ZrO2 중 어느 하나인 조합을 가질 수 있다.
이와 같이 분리가 가능하게 되면, 서로 재질을 달리하여 증착부(110)는 증착물(10)과의 분리가 원활하게 이루어지고 지지부(120)는 열전달계수가 낮아서 증착부(110)가 공급받은 열량을 밖으로 덜 빠져나가도록 가두는 역할을 하도록 구비되어 효율적이며, 밀도 높은 증착물(10)을 생산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 맨드릴(100)의 단면도이다. 도 4를 참고하면, 맨드릴(100)은 중공부(130)를 포함하여 내부가 비어 있는 형태로 구비될 수 있다.
중공부(130)는 맨드릴(100)을 관통하는 구멍으로, 공정 종료 후 중공부(130)에 N2, 공기 등의 냉각용 가스가 공급되어 증착부(110)에 증착된 증착물(10)을 냉각시킬 수 있도록 구비되며, 후술할 금속배관(140)이 관통해서 지나가는 통로 역할을 한다.
중공부(130)는 맨드릴(100)의 내부에 증착부(110)와 지지부(120)를 관통하도록 구비되며, 맨드릴(100)을 구성하는 증착부(110)와 지지부(120)가 원기둥 형상으로 구비되기 때문에, 맨드릴(100) 내부에 구성되는 중공부(130)를 원기둥 형상으로 구비해야 증착부(110)와 지지부(120)의 두께가 일정하게 형성될 수 있기 때문에, 원기둥 형상으로 구비되는 것이 바람직하다. 상세하게, 중공부(130)는 증착부(110)와 지지부(120)를 각각 다른 직경으로 관통하는 원기둥 형상으로 구비될 수 있고, 증착부(110)와 지지부(120)를 관통하는 일정한 직경의 원기둥 형상으로 구비될 수 있다. 더 상세하게, 중공부(130)가 서로 다른 직경으로 증착부(110)와 지지부(120)를 관통하는 경우, 증착부(110)의 직경이 지지부(120)의 직경보다 더 크기 때문에, 내부를 관통하는 원기둥 형상의 중공부(130)의 직경도 증착부(110)가 더 크게 형성되는 것이 바람직하다. 이처럼 중공부(130)가 구성되면, 맨드릴(100)의 양측이 개방되어 중공부(130) 내부로 냉각용 가스를 공급할 수 있고, 도 4의 화살표 방향과 같이 맨드릴(100)의 개방된 일측으로 냉각용 가스가 공급되고 타측으로 냉각용 가스가 방출되며 냉각하게 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공부에 관통하는 금속배관을 나타낸 맨드릴의 단면도이다. 도 5를 참고하면, 금속배관(140)은 중공부(130)에 N2, 공기 등의 냉각용 가스가 공급될 때 냉각용 가스의 효율을 극대화하기 위해 냉각수가 흐르도록 구비되는 구성이다.
금속배관(140)은 중공부(130)를 관통하도록 구비되며, 공정 종료 후 중공부(130)에 냉각용 가스가 공급될 때, 금속배관(140)의 내부로 냉각수가 흐르게 하여 냉각용 가스의 온도를 낮게 유지하여 냉각용 가스가 증착부(110)를 냉각하는 효율을 극대화하는 역할을 한다.
한편, 중공부(130)와 금속배관(140)에는 증착 시에도 증착을 돕는 물질이 공급될 수 있으며, 해당 물질은 증착이 원활하게 이루어지도록 온도를 유지할 수 있는 물질일 수 있다.
이와 같이 중공부(130)가 구성되어 중공구조를 가지는 합성 쿼츠 제조를 위한 맨드릴(100)을 이용하면, 맨드릴(100)의 내부로 냉각 가스를 공급하고, 금속배관(140)이 중공부(130)를 관통하며 내부로 냉각수를 흐르게 하여, 냉각용 가스의 온도를 낮게 유지하여 효율적으로 증착물(10)을 냉각할 수 있어서 냉각 시간 및 공정 시간을 단축해서 생산성을 향상할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증착 과정에서 메인버너(300)는 고정된 위치에서 증착부(110)를 향해 화염을 방출하여 증착을 진행되도록 할 수 있고 또는 증착부(110)의 외면을 따라 이동하며 증착이 진행되도록 할 수 있다. 상세하게, 고정된 위치에서 증착을 진행되도록 하는 경우에는 증착부(110)의 길이(높이)보다 더 길거나 동일한 길이로 구비되는 것이 바람직하며, 증착부(110)의 길이보다 더 짧은 경우 증착부(110) 전부에서 증착이 일어날 수 있도록 메인버너(300)가 증착부(110)의 외면을 따라 이동하면서 증착이 진행되도록 구비될 수 있다.
메인버너(300)가 증착부(110)의 외면을 따라 이동하며 증착이 진행되는 경우, 상기 증착부의 양 끝단까지 증착 되도록 상기 메인버너(300)의 크기, 증착속도 등을 고려하여 상기 메인버너(300)의 중심이 상기 증착부(110)의 양 끝단에서 100mm만큼 벗어난 지점 내지 양 끝단에 50mm 못 미치는 위치 중 어느 한 지점까지 증착부(110)의 외면을 따라 이동하며 화염을 방출하여 증착부(110)의 양 끝단까지 증착을 진행하여 금속 맨드릴 사용 시 크랙을 방지할 수 있다. 또한, 사이드 버너(200)가 구비되어 증착부(110)의 양 끝단까지 증착이 되도록 함께 작용할 수 있고, 또는 증착부(110)의 측면까지 증착이 되어 측면 테이퍼가 형성되도록 할 수도 있다.
한편, 상술한 바와 같이 증착을 진행하면, 증착물(10)의 총 길이는 증착부(110)의 증착길이와 동일하거나 측면 테이퍼를 형성하여 증가할 수 있으며, 50mm 더 증가할 수 있다.
이처럼 메인버너(300)가 이동하며 증착부(110)의 양 끝단까지 증착에 활용될 수 있도록 하고, 사이드 버너(200)가 화염과 가스를 방출하여 측면 테이퍼를 형성하면 크랙을 방지하여 유효길이를 최대화하면서도 불량을 최소화하여 효율적으로 증착 공정을 수행할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시 예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
상술한 예시적인 시스템에서, 방법들은 일련의 단계 또는 블록으로써 순서도를 기초로 설명되고 있지만, 본 발명은 단계들의 순서에 한정되는 것은 아니며, 어떤 단계는 상술한 바와 다른 단계와 다른 순서로 또는 동시에 발생할 수 있다. 또한, 당업자라면 순서도에 나타낸 단계들이 배타적이지 않고, 다른 단계가 포함되거나 순서도의 하나 또는 그 이상의 단계가 본 발명의 범위에 영향을 미치지 않고 삭제될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 증착물
100: 맨드릴 110: 증착부
120: 지지부
130: 중공부 140: 금속배관
200: 사이드 버너 300: 메인버너

Claims (8)

  1. 반도체용 합성 쿼츠 제조장치에 의해 형성되는 증착물(10)에 있어서,
    상기 합성 쿼츠 제조장치는,
    막대 형상의 외면을 따라 증착이 진행되어 외면에 증착물(10)이 형성되는 증착부(110)를 포함하고,
    상기 증착부(110)의 막대 형상의 외면을 따라 화염을 분사하여 증착을 진행하는 메인버너(300)를 포함하며,
    상기 메인버너(300)는,
    상기 증착부(110)의 양 끝단까지 증착 되도록 상기 메인버너(300)의 중심이 상기 증착부(110)의 양 끝단에서 100mm만큼 벗어난 지점 내지 양 끝단에 50mm 못 미치는 위치 중 어느 한 지점까지 상기 증착부(110)의 외면을 따라 이동하며 화염을 방출하여 증착을 진행하는 것을 특징으로 하고,
    상기 증착물(10)은,
    증착물(10)의 직경이 균일하게 유지되는 구간이 극대화되도록 크랙을 방지하기 위한 테이퍼를 구비하고,
    상기 증착물(10)의 테이퍼는,
    상기 증착부(110)의 양 끝단까지 연장되는 것을 특징으로 하는 증착물(10).
  2. 반도체용 합성 쿼츠 제조장치에 있어서,
    막대 형상의 외면을 따라 증착이 진행되어 외면에 증착물(10)이 형성되는 증착부(110)와, 상기 증착부(110)의 양 끝단에 구비되는 지지부(120)를 포함하는 맨드릴(100); 및
    상기 증착부(110)의 외면을 따라 화염을 분사하여 증착을 진행하는 메인버너(300);를 포함하고,
    상기 메인버너(300)는,
    상기 증착부(110)의 양 끝단까지 증착 되도록 상기 메인버너(300)의 중심이 상기 증착부(110)의 양 끝단에서 100mm만큼 벗어난 지점 내지 양 끝단에 50mm 못 미치는 위치 중 어느 한 지점까지 상기 증착부(110)의 외면을 따라 이동하며 화염을 방출하여 증착을 진행하는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 증착부(110)는,
    소정의 제 1 직경을 갖는 원기둥 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 증착부(110)는,
    상기 소정의 제 1 직경이 250mm 내지 320mm의 직경을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 지지부(120)는,
    상기 증착부(110)의 직경인 상기 소정의 제 1 직경보다 50mm 이상 작은 소정의 제 2 직경을 갖는 원기둥 형상으로 구비되고,
    상기 지지부(120)는 두개가 구비되어 상기 지지부(120)의 한쪽 평면이 상기 원기둥 형상의 증착부(110)의 두개의 평면에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 맨드릴(100)은 소재가 금속이고,
    상기 맨드릴(100)의 소재인 금속은,
    스테인레스스틸(SUS) 또는 티타늄, 니켈, 인코넬, 하스텔로이 재질 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 맨드릴(100)은,
    속이 빈 구조로 구성되어 공정 종료 시 냉각용 가스가 흐를 수 있도록 구성되는 중공부(130)를 더 포함하고,
    상기 중공부(130)에는 상기 냉각용 가스의 효율이 극대화되도록 냉각수가 흐르는 금속배관(140)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 반도체용 합성 쿼츠 제조장치.
  8. 삭제
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KR101725359B1 (ko) 2009-11-09 2017-04-10 헤래우스 크바르츠글라스 게엠베하 ＆ 컴파니 케이지 석영 유리 실린더의 제조 방법 및 그 제조 방법을 수행하기 위한 지지체

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