KR102532226B1 - 단결정 성장로의 열차폐 장치 - Google Patents

Abstract

이 발명은 단결정 잉곳의 단결정 성장로 내부에 설치되어 히터에서 용액을 통해 전달되는 열을 차단하고 잉곳의 냉각속도 및 온도구배를 제어하기 위한 히트 쉴드의 구조를 잉곳의 지름에 대응하여 일부 구성요소만을 교체하여 사용할 수 있도록 개선한 단결정 성장로의 열차폐 장치에 관한 것이다. 이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치는 단결정 성장로의 내부에 설치되는 히트 쉴드가 외측 구조부와 내측 구조부로 분할 형성되고, 내측 구조부는 잉곳의 사이즈에 따라 외측 구조부에 대해 교체 설치를 위해 분해와 조립이 가능하도록 형성되며, 외측 구조부의 하부에는 내측 구조부가 상측에서 하측을 향해 조립된 후 지지하는 지지돌부가 내향 돌출된 구조로 형성되고, 내측 구조부는 하측에서 상측을 향할수록 내경이 점차 증가하는 구조를 이루어지되 하부 외측에는 외측 구조부의 지지돌부에 대응하는 걸림홈이 형성될 수 있다.

Description

단결정 성장로의 열차폐 장치{Heat shield assembly of single crystal pulling apparatus}

이 발명은 단결정 잉곳의 단결정 성장로 내부에 설치되어 히터에서 용액을 통해 전달되는 열을 차단하고 잉곳의 냉각속도 및 온도구배를 제어하기 위한 히트 쉴드의 구조를 잉곳의 지름에 대응하여 일부 구성요소만을 교체하여 사용할 수 있도록 개선한 단결정 성장로의 열차폐 장치에 관한 것이다.

반도체, 캐소드, 태양광 등에서 실리콘 단결정이 이용되고 있으며, 단결정 잉곳(Single crystal ingot)을 제조하는 대표적인 방법으로 쵸크랄스키 법(CZochralski Method, CZ Metho)이 적용되고 있다.

쵸크랄스키 법은 단결정 잉곳을 만들기 위한 폴리실리콘 등 원재료를 녹여 용액으로 만들고, 해당 원재료의 종결정(Seed crystal)을 용액에 담근 뒤 종결정을 인상하면서 온도구배를 이용하여 단결정을 제조하는 공정으로 이루어진다.

이를 위해, 단결정 성장로는 폴리 실리콘 등의 원재료를 용액으로 녹이기 위한 히터, 용액을 담고 있는 도가니, 단열을 위한 단열재, 잉곳의 성장을 위해 온도구배를 제어하는 구조체 등을 포함하여 구성된다.

특히, 잉곳의 온도구배를 제어하는 구조체는 히터에서 용액을 통해 전달되는 열을 차단하고 잉곳의 냉각 속도 및 온도구배를 제어하기 위한 히트 쉴드(Heat ghield)를 포함하여 구성된다.

이와 같이 잉곳의 온도구배를 제어하기 위한 구조체로 단결정 성장로의 내부에 설치되는 히트 쉴드는 잉곳의 지름에 대응하는 내경을 갖도록 구성이 됨에 따라 제조하고자 하는 잉곳의 지름이 변경되는 경우에는 히트 쉴드의 구조도 변경되어야만 한다. 따라서 잉곳의 지름 변경에 따른 단결정 성장로의 설계 변경에 드는 비용이 증가하게 되는 문제점이 있었다.

한편, 캐소드용 단결정 잉곳은 반도체용 단결정 잉곳에 비하여 지름이 크게 제조될 뿐만 아니라 지름이 다양하게 제조될 필요가 있다. 따라서, 반도체 잉곳을 제조하는 시설에서는 반도체용 잉곳 또는 캐소드용 잉곳을 제조하느냐에 따라 단결정 성장로 내의 히트 쉴드를 포함한 구조체를 변경해야 한다거나 각 지름에 해당하는 구조체를 구비하고 있어야 함으로써 생산성 및 비용 측면에서 비효율적이었다.

대한민국특허청 등록특허공보 10-0491384(2005.05.24. 공고) 대한민국특허청 등록특허공보 10-0544778(2006.01.23. 공고) 대한민국특허청 등록특허공보 10-1331559(2013.11.20. 공고) 대한민국특허청 등록특허공보 10-1759002(2017.07.17. 공고) 대한민국특허청 등록특허공보 10-2355248(2022.01.26. 공고)

이 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위해서 안출된 것으로서, 단결정 잉곳의 단결정 성장로 내부에 설치되어 히터에서 용액을 통해 전달되는 열을 차단하고 잉곳의 냉각속도 및 온도구배를 제어하기 위한 히트 쉴드의 구조를 잉곳의 지름에 대응하여 일부 구성요소만을 교체하여 사용할 수 있도록 개선한 단결정 성장로의 열차폐 장치를 제공하는 데 목적이 있다.

이 발명에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치는 다음과 같이 구성이 이루어질 수 있다.

이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치는 바디 하우징, 바디 하우징의 내측면과 하부를 감싸는 단열재, 바디 하우징 내부 중앙부에 설치되는 도가니, 도가니에 열을 가하는 히터, 도가니에 녹은 용액이 잉곳으로 인상되는 공정에서 열을 차단하고 냉각속도 및 온도구배를 제어하기 위해 도가니의 상부 외측에 설치되는 히트 쉴드를 포함하는 단결정 성장로에 있어서, 히트 쉴드는 외측 구조부와 내측 구조부로 분할 형성되고, 내측 구조부는 잉곳의 사이즈에 따라 외측 구조부에 대해 교체 설치를 위해 분해와 조립이 가능하도록 형성되되, 외측 구조부는 상단이 도가니의 상단과 히터의 상단에 비해 높게 설치된 단열재의 상단부분에 고정 설치되고, 하단이 도가니의 상부 내측에 위치되게 형성되며, 외측 구조부의 하부에는 내측 구조부가 상측에서 하측을 향해 조립된 후 지지하는 지지돌부가 내향 돌출된 구조로 형성되고, 내측 구조부는 하측에서 상측을 향할수록 내경이 점차 증가하는 구조를 이루어지되 하부 외측에는 외측 구조부의 지지돌부에 대응하는 걸림홈이 형성될 수 있다.

이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치에서 외측 구조부와 내측 구조부는 각각 케이스 내부에 열차폐재가 충진된 구조로 이루어질 수 있다.

이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치에서 외측 구조부와 내측 구조부의 케이스는 그래파이트 또는 티타늄 소재로 형성되고, 열차폐재는 펠트, 산화알루미늄, 산화아연 소재로 이루어질 수 있다.

이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치에서 외측 구조부는 하부에서 중간부분까지는 내경이 동일하고 동일한 두께로 형성되고 중간부분에서 상부까지는 내경이 점차 증가하는 구조로 이루어지며, 내측 구조부는 특정 부분이 다른 부분에 비하여 두꺼운 두께를 갖는 구조로 이루어질 수 있다.

이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치에서 외측 구조부의 케이스와 내측 구조부의 케이스는 각각 상부와 하부로 분할되는 구조로 이루어질 수 있다.

이 발명의 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치에 의하면 단결정 성장로 내부에 설치되는 히트 쉴드의 구성이 제조하고자 하는 잉곳의 용도 또는 사이즈에 따라서 각각의 단결정 성장로를 구비하지 않고 필요에 따라 히트 쉴드를 구성하는 내측 구조부만을 교체하여 사용할 수 있는 장점이 있다.

나아가, 이 발명의 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치에 의하면 히트 쉴드를 구성하는 외측 구조부 및 내측 구조부의 케이스 내부에 채워지는 열차폐재를 필요에 따라 쉽게 교체할 수 있게 구성됨으로써, 잉곳을 제조하는 목적에 따라서 필요한 냉각속도 및 온도구배를 적절하게 제어하는 데에도 유용한 장점이 있다.

도1은 이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로의 구성을 설명하기 위한 단면도.
도2 및 도3은 이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로 열차폐 장치의 구성을 설명하기 위한 도면.
도4는 이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로에 다른 사이즈의 열차폐 장치가 적용된 상태의 도면.
도5는 이 발명의 다른 실시 예에 따른 히트 쉴드의 내측 구조부를 설명하기 위한 도면.
도6은 이 발명의 여러 실시 예에 따른 단결정 성장로 열차폐 장치의 구성을 설명하기 위한 도면.

이하에서는 이 발명의 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치에 대하여 첨부된 도면을 참고하면서 보다 구체적으로 설명한다.

이 발명의 실시 예를 설명하기 위한 도면에서 이 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면부호를 붙이기로 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

도1은 이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로의 구성을 설명하기 위한 단면도, 도2 및 도3은 이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로 열차폐 장치의 구성을 설명하기 위한 도면, 도4는 이 발명의 일 실시 예에 따른 단결정 성장로에 다른 사이즈의 열차폐 장치가 적용된 상태의 도면이다. 도면 중에 표시되는 도면부호 100은 단결정 성장로를 지시하는 것이며, 도면부호 200은 이 발명의 일 실시 예에 따른 히트 쉴드를 지시하는 것이다.

이 발명에 따른 히트 쉴드(200)가 적용되는 단결정 성장로(100)는 도1에서 보이는 바와 같이 상하방향으로 긴 원통 형태로 형성된 바디 하우징(110)의 내측 둘레와 바닥에 설치되는 단열재(120), 폴리 실리콘 등 원재료를 녹이도록 바디 하우징(110)의 내부 중앙부에 설치되는 도가니(130), 도가니(130)에 열을 가하기 위해서 외부 둘레에 설치되는 히터(140), 도가니(130)에 투입된 폴리 실리콘 등의 원재료가 녹은 용액이 잉곳(300)으로 인상되는 공정에서 열을 차단하고 냉각속도 및 온도구배를 제어하기 위해 도가니(130)의 상부 외측에 설치되는 히트 쉴드(200)를 포함하여 구성된다.

특히, 이 발명의 실시 예에 따른 히트 쉴드(200)는 도2 및 도3에서 보이는 바와 같이 외측 구조부(210)와 내측 구조부(230)로 분할 형성된다. 즉, 내측 구조부(230)는 제조하고자 하는 잉곳(300)의 사이즈에 따라 도4에서 보이는 바와 같이 외측 구조부(210)에 대해 교체 설치가 가능하도록 형성된다. 외측 구조부(210)는 제조하고자 하는 잉곳(300)의 사이즈와는 상관없이 정해진 한 규격으로 형성되고, 외측 구조부(210)의 내부 측으로 내측 구조부(230)가 조립되거나 분해되도록 구성된다.

이 발명에 따른 히트 쉴드(200)의 외측 구조부(210)는 도가니(130)의 상단과 히터(140)의 상단에 비해 높게 설치된 단열재(120)의 상단부분에 상단부(212)가 고정 설치되고, 하단에 형성되는 지지돌부(214)는 도가니(130)의 상부 내측에 위치되게 형성된다. 외측 구조부(210)의 하단에 형성되는 지지돌부(214)는 내측 구조부(230)가 외측 구조부(210)의 상측에서 하측을 향해 조립된 후 하부로 개방된 공간으로 빠지지 않고 조립된 상태가 유지되도록 내향 돌출된 구조로 이루어진다.

이 발명에 따른 외측 구조부(210)는 하부에서 중간부분까지는 내경이 동일하고 두께가 동일한 구조로 형성된다. 특히, 외측 구조부(210)의 내측면 중간부분에서 상부까지 형성되는 경사면(216)은 상측을 향할수록 내경이 점차 증가하는 구조로 이루어질 수 있다.

한편, 이 발명의 일 실시 예에 따른 히트 쉴드(200)의 내측 구조부(230)의 상단부(232)는 외측 구조부(210)에 형성된 지지돌부(214)에 걸리는 구조와 사이즈로 형성된다. 또한, 내측 구조부(230)의 하부 외측에는 외측 구조부(210)의 지지돌부(214)에 대응하는 구조의 걸림홈(234)이 형성된다.

한편, 이 발명에 따른 내측 구조부(230)의 내측면은 하측에서 상측을 향할수록 내경이 점차 증가하는 경사면(236)으로 이루어질 수 있다. 나아가, 내측 구조부(230)는 특정 부분이 다른 부분에 비하여 두꺼운 두께를 갖는 구조로 이루어질 수 있다.

내측 구조부(230)의 내측면에 형성되는 경사면(236)의 각도는 외측 구조부(210)의 내측면에 형성되는 경사면(216)의 각도에 비해 더 경사진 각도로 이루어질 수도 있고, 덜 경사진 각도로 이루어질 수도 있으며, 동일한 각도로 이루어질 수도 있다.

그리고 도면에서 보이는 바와 같이 이 발명의 실시 예에 따른 히트 쉴드(200)를 구성하는 외측 구조부(210)와 내측 구조부(230)는 각각 케이스(220, 240) 내부에 열차폐재(222, 242)가 채워진 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 열차폐재(222, 242)는 펠트, 산화알루미늄, 산화아연 등의 소재로 형성될 수 있다.

전술한 외측 구조부(210)의 케이스(220)와 내측 구조부(230)의 케이스(240)는 각각 그래파이트 또는 티타늄 등의 소재로 이루어질 수 있다.

도5는 이 발명의 다른 실시 예에 따른 히트 쉴드(200)의 내측 구조부(230)를 설명하기 위한 도면이다.

도5에서 보이는 바와 같이 내측 구조부(230)의 케이스(240)는 상부 케이스(240a)와 하부 케이스(240b)로 분할된 구조로 이루어질 수 있다. 내측 구조부(230)의 케이스(240)의 내부에 채워지는 열차폐재(242)는 잉곳(300)을 제조하는 목적에 따라서 필요한 냉각속도 및 온도구배를 적절하게 제어할 수 있도록 적정의 열차폐재로 교체될 수 있다.

즉, 내측 구조부(230)의 케이스(240)의 내부에 채워지는 열차폐재(242)의 소재는 펠트, 산화알루미늄, 산화아연 등의 소재로 형성될 수 있는데, 잉곳 제조에 요구되는 히트 쉴드(200)의 냉각속도 및 온도구배를 고려하여 적정한 열차폐재로 쉽게 교체할 수 있도록 구성되는 것이다. 예를 들면, 펠트로 이루어진 열차폐재(242)가 내측 구조부(230)의 케이스(240)에 채워진 경우와, 산화알루미늄으로 이루어진 열차폐재(242)가 내측 구조부(230)의 케이스(240)에 채워진 경우는 잉곳(300)에 전달되는 열과 관련하여 냉각속도 및 온도구배가 차이가 있는 점이 반영될 수 있는 것이다.

도6은 이 발명의 여러 실시 예에 따른 단결정 성장로 열차폐 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도6의 (a) 내지 (d)에서 보이듯이, 이 발명의 실시 예에 따른 내측 구조부는 내측면에 형성된 경사가 상부에서 하부를 향할수록 직선형태의 경사 구조로 이루어질 수도 있고, 내측면에 형성된 경사가 상부에서 하부를 향할수록 곡선형태의 경사 구조로 이루어질 수도 있다.

다시말해, 이 발명의 실시 예에 따른 내측 구조부는 내측면에 형성된 경사가 상부에서 하부를 향할수록 직선의 형태로 감소하는 구조로 이루어질 수도 있고, 내측면에 형성된 경사가 상부에서 하부를 향할수록 곡선의 형태로 감소하는 구조로 이루어질 수도 있다. 또한, 내측 구조부(230)의 하단부는 도6의 (d)에서 보이는 바와 같이 곡면으로 형성될 수도 있다.

이와 같이 내측 구조부(230)는 다양한 형태와 구조로 이루어짐에 따라 제조하고자 하는 잉곳의 사이즈 및 용도 등의 조건에 따라 단결정 성장로(100)의 내부에 설치되는 히트 쉴드(200)의 구성 중에서 외측 구조부(210)에서 내측 구조부(230)를 교체하여 사용할 수 있게 된다. 즉, 히트 쉴드(200)를 구성하는 일부의 부품만을 교체하여 사용할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 이 발명의 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치에 의하면 단결정 성장로(100) 내부에 설치되는 히트 쉴드(200)의 구성이 제조하고자 하는 잉곳(300)의 용도 또는 사이즈에 따라서 별도로 형성되어야 함에 따른 문제점이 해결된다. 즉, 하나의 단결정 성장로(100)를 이용하여 제조하고자 하는 잉곳(300)의 용도 또는 사이즈가 다르더라도 히트 쉴드(200)를 구성하는 내측 구조부(230)만을 교체하면 됨으로써, 단결정 성장로를 설비하는데 따른 비용 및 공간 등을 줄일 수 있게 된다.

특히, 히트 쉴드(200)를 구성하는 외측 구조부(210) 및 내측 구조부(230)도 케이스(220, 240) 내부에 채워지는 열차폐재(222, 242)를 필요에 따라 쉽게 교체할 수 있게 구성됨으로써 잉곳(300)을 제조하는 목적에 따라서 필요한 냉각속도 및 온도구배를 적절하게 제어하는 데에도 유용한 효과를 제공한다.

이상에서는 첨부된 도면들을 참조하면서 이 발명의 실시 예에 따른 단결정 성장로의 열차폐 장치에 대하여 설명하였다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능 점을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적으로 이해해서는 안 된다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합이 된 형태로 실시될 수 있다.

100 : 단결정 성장로 110 : 바디 하우징
120 : 단열재 130 : 도가니
140 : 히터 200 : 히터 쉴드
210 : 외측 구조부 212 : 상단부
214 : 지지돌부 216 : 경사면
220 : 케이스 222 : 열차폐재
230 : 내측 구조부 232 : 상단부
234 : 걸림홈 236 : 경사면
240 : 케이스 242 : 열차폐재

Claims (5)

1. 바디 하우징, 상기 바디 하우징의 내측면과 하부를 감싸는 단열재, 상기 바디 하우징 내부 중앙부에 설치되는 도가니, 상기 도가니에 열을 가하는 히터, 상기 도가니에 녹은 용액이 잉곳으로 인상되는 공정에서 열을 차단하고 냉각속도 및 온도구배를 제어하기 위해 상기 도가니의 상부 외측에 설치되는 히트 쉴드를 포함하는 단결정 성장로에 있어서,
   상기 히트 쉴드는 외측 구조부와 내측 구조부로 분할 형성되고, 상기 외측 구조부와 상기 내측 구조부는 각각 케이스 내부에 열차폐재가 채워진 구조로 이루어지며,
   상기 외측 구조부는 상단이 상기 도가니의 상단과 상기 히터의 상단에 비해 높게 설치된 단열재의 상단부분에 고정 설치되고, 하단이 상기 도가니의 상부 내측에 위치되게 형성되며, 상기 외측 구조부의 하부에는 상기 내측 구조부가 상측에서 하측을 향해 조립된 후 지지하는 지지돌부가 내향 돌출된 구조로 형성되고,
   상기 내측 구조부는 하측에서 상측을 향할수록 내경이 점차 증가하는 구조를 이루어지되, 하부 외측에는 상기 외측 구조부의 지지돌부에 대응하는 걸림홈이 형성되면서 상기 내측 구조부는 상기 외측 구조부의 구조 변경없이 상기 외측 구조부에 대해 분해와 조립이 가능하도록 구성되면서,
   잉곳의 지름에 대응하여 제작된 내측 구조부만의 교체설치가 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 단결정 성장로의 열차폐 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 내측 구조부의 케이스는 상부 케이스와 하부 케이스로 분할되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 성장로의 열차폐 장치.
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