KR20010020315A - 단결성 원료 보조 용해장치 및 단결정 원료 용해방법 - Google Patents

단결성 원료 보조 용해장치 및 단결정 원료 용해방법 Download PDF

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KR20010020315A
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마치다도모히사
시라이시유타카
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모리 레이지로
가부시키가이샤 스파 시리콘 겐큐쇼
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    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
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Abstract

본 발명은 보조 도가니속의 원료를 유도 가열식에 의해 가열하여 용융할 때의 열효율을 향상시켜 용해시간을 단축함을 목적으로 하고, 초기원료(30a)가 저온이고 그 도전율이 비교적 적을 때에는 도전성의 카본 실린더(2)가 보조 도가니(1)의 측벽 전부를 에워싸는 높이위치에 배치되고, 고주파 코일(3)에 고주파 전류를 인가하면 카본 실린더(2)에 2차 유도전류가 발생하여 카본 실린더(2)가 이 2차 유도전류에 의하여 주울 열(Joule's heat)을 발열하여 카본 실린더(2)의 열이 보조 도가니(1)를 통해 내부의 원료에 전달되어 원료가 가열됨으로써 용융을 개시한다. 원료가 용융하면 절연성의 세라믹 대(臺)(4)가 보조 도가니(1)의 측벽의 전부를 에워싸는 높이위치에 배치되어 원료의 도전율이 서서히 커지기 때문에 용융원료(30b) 속에서 2차 유도전류가 발생하여 용융원료(30b) 자체가 2차 유도전류에 의하여 주울 열을 발열한다.

Description

단결성 원료 보조 용해장치 및 단결정 원료 용해방법{METHOD AND APPARATUS FOR SUPPLYING SINGLE CRYSTAL RAW MATERIAL}
일반적으로 인상 CZ법에 의한 단결정 제조장치에서는 고내압 기밀(高耐壓氣密) 체임버속을 10 torr 정도로 감압하여 신선한 Ar(아르곤)가스를 흐르게 함과 동시에 체임버속의 아래쪽에 설치된 석영 도가니속의 다결정을 가열하여 용융하고, 이 용액의 표면에 종결정(種結晶)을 위에서부터 침지하여 종결정과 석영 도가니를 회전, 상하 이동시키면서 종결정을 인상함으로써 종결정의 아래에서 상단(上端)이 돌출한 원추형의 상부 콘(cone)부와, 원통형의 보디부와, 하단이 돌출한 원추형의 하부 콘부로된 단결정 (소위 잉고트)을 성장시키도록 구성되어 있다.
이러한 장치에 있어서 원료를 용해하는 종래의 방법으로서는 단결정 인상용의 도가니[이하 "주(主) 도가니"라 함]속의 용융원료의 감소를 보조 도가니로부터 공급하는 방법이 제안되어 있다. 예컨대 일본국 특허공개 소55-130894호 공보에서는 주 도가니와 서로 통한 보조 도가니속에서 원료를 용해하고, 보조 도가니로부터 연통관(連通管)을 통해 주 도가니에 추가 공급하는 방법이 제안되어 있다. 그리고 일본국 특허공개 소56-164097호 공보에서는 고체원료를 인상장치의 밖으로부터 인상장치속의 보조 도가니속으로 공급하여 용해하고, 용해원료를 보조 도가니로부터 주 도가니에 추가공급하는 방법이 제안되어 있다.
종래, 단결정의 원료를 보조 도가니속에서 가열하여 용해하는 방법으로서는 저항 가열식과 유도 가열식이 알려져 있다. 저항 가열식에서는 보조 도가니의 주위에 저항가열 히이터를 배치하고, 이 히이터에 DC 전압을 인가함으로써 발열시켜 보조 도가니를 개재하여 그 내부의 원료를 가열한다. 그리고 유도 가열식에서는 보조 도가니의 주위에 코일을 배치하고 이 히이터에 AC전압을 인가함으로써 보조 도가니 속의 원료에 2차 유도전류를 발생시켜 이 2차 유도전류에 의해 원료가 주울 열(Joule's heat)을 발열함으로써 용해한다.
그러나 상기의 저항 가열식에서는 히이터가 발생하는 열을 보조 도가니를 개재하여 간접적으로 그 내부의 원료에 전달하기 때문에 열효율이 나쁘다는 문제점이 있다. 따라서 용해시간이 길어지고, 또한 고온에 대해 열화(劣化)하는 석영의 보조 도가니를 필요 이상으로 가열해야 한다. 더욱이 원료를 교반하기 위해 보조 도가니를 회전시킬 필요가 있으므로 구조가 복잡화한다.
그리고 상기한 유도 가열식의 종래예에 있어서도 마찬가지로 실리콘의 도전율은 저온시에는 낮고 고온시에 높기 때문에 초기 가열시에 있어서의 열효율이 나쁘다는 문제점이 있다. 따라서 이 방법에서는 용해시간을 단축하기 위하여 초기 가열시에 일부의 원료를 용해시켜 보조 도가니속으로 공급한 후에 유도가열을 개시할 필요가 있다.
본 발명은 인상(引上) CZ (Czochralski)법에 의하여 Si(실리콘)의 무전위(無轉位)의 단결정을 제조하기 위한 단결정 인상장치에 있어서 단결정의 원료를 보조 도가니내에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주(主) 도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치 및 단결정 원료 용해방법에 관한 것이다.
상기 목적 및 발명의 특징은 첨부 도면에 따라 주어지는 아래의 상세한 설명에 의하여 더욱 명백해진다.
도 1은 본 발명에 의한 단결정 원료 보조 용해장치의 제 1 실시형태가 적용된 단결정 인상장치를 나타내는 구성도.
도 2는 도 1의 보조 용해장치의 보조 용해공정을 나타내는 설명도.
도 3은 도 1의 보조 용해장치의 보조 용해공정을 나타내는 설명도.
도 4는 도 1의 보조 용해장치의 보조 용해공정을 나타내는 설명도.
도 5는 제 2 실시형태의 보조 용해장치의 보조 용해공정을 나타내는 설명도.
도 6은 제 2 실시형태의 보조 용해장치의 보조 용해공정을 나타내는 설명도.
도 7은 제 2 실시형태의 보조 용해장치의 보조 용해공정을 나타내는 설명도.
도 8(a), 도 8(b), 도 8(c)는 제 3 실시형태의 보조 용해장치의 보조 용해공정을 나타내는 설명도.
본 발명은 상기한 종래예의 문제점을 감안하여 보조 도가니속의 원료를 유도 가열식에 의해 가열하여 용해할 때의 열효율을 향상시켜 용해시간을 단축할 수가 있는 단결정 원료 보조 용해장치 및 단결정 원료 용해방법을 제공함을 목적으로 한다.
제 1 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 원료가 저온이고 그 도전율이 비교적 적을 때에는 2차 유도전류를 서셉터(susceptor)에서 발생시켜 서셉터의 열을 보조 도가니속의 원료에 전달하고, 원료가 고온이고 그 도전율이 비교적 클 때에는 서셉터를 퇴피시켜 2차 유도전류를 보조 도가니속의 원료에 발생시켜 원료 자체가 발열하도록 한 것이다.
즉, 제 1 발명에 의하면 단결정의 원료를 보조 도가니내에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주(主)도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서,
상기 보조 도가니의 주위에서 상하방향으로 이동가능하게 배치된 도전성의 서셉터와,
상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일과,
상기 서셉터를 상기 보조 도가니의 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의해 상기 서셉터를 발열시킴으로써 상기 보조 도가니속의 원료의 가열을 개시하고, 상기 원료의 용해가 개시한 후에 상기 서셉터를 상기 보조 도가니의 높이 위치로부터 퇴피시켜 상기 보조 도가니속의 원료를 2차 유도전류에 의해 발열시키도록, 상기 서셉터를 이동시키는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치가 제공된다.
그리고 제 1 발명에 의하면 단결정의 원료를 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 보조 도가니와, 상기 보조 도가니의 주위에서 상하방향으로 이동 가능하게 배치된 도전성의 서셉터와, 상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일을 가진 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서의 단결정 원료 용해방법으로서,
상기 서셉터를 상기 보조 도가니의 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의해 상기 서셉터를 발열시킴으로써 상기 보조 도가니속의 원료의 가열을 개시하는 스텝과,
상기 원료의 용해가 개시한 후에 상기 서셉터를 상기 보조 도가니의 높이위치로부터 퇴피시켜 상기 보조 도가니속의 원료를 2차 유도전류에 의해 발열시키는 스텝을 가진 단결정 원료 용해방법이 제공된다.
또한 제 2 발명은 상기 목적을 달성하기 위해 원료의 괴(塊)가 파이프의 개구를 폐색한 상태에서 서셉터를 원료의 괴를 가열하지 않는 위치에 배치하여 가열을 개시하고, 원료의 용해가 개시한 후에 서셉터를 원료의 괴를 가열하는 위치 및 그 위쪽의 원료에 배치하여 2차 유도전류에 의해 서셉터와 원료의 양쪽을 발열시키도록 한 것이다.
즉, 제 2 발명에 의하면 단결정의 원료를 보조 도가니속에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서,
상기 보조 도가니의 주위에서 상하방향으로 이동가능하게 배치된 도전성의 서셉터와,
상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일과,
상기 보조 도가니속의 용융액을 상기 주 도가니에 공급하기 위한 개구가 상기 보조 도가니의 바닥벽에 형성된 파이프와,
원료의 괴가 상기 파이프의 개구를 폐색한 상태에서 상기 서셉터를 상기 원료의 괴를 가열시키지 않고 그 위쪽의 원료를 가열하는 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의하여 상기 서셉터를 발열시킴으로써 상기 보조 도가니속의 원료의 가열을 개시하는 수단과,
상기 원료의 용해가 개시한 후에 상기 서셉터를 상기 원료의 괴 및 그 위쪽의 원료를 가열하는 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의하여 상기 서셉터와 원료의 양쪽을 발열시키는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치가 제공된다.
그리고 제 2 발명에 의하면 단결정의 원료를 가열하여 용해하고, 이 용융원료를 주 도가니에 공급하기 위한 보조 도가니와, 상기 보조 도가니의 주위에서 상하방향으로 이동가능하게 배치된 도전성의 서셉터와, 상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일과, 상기 보조 도가니속의 용융액을 상기 주 도가니에 공급하기 위한 개구가 상기 보조 도가니의 바닥벽에 형성된 파이프를 가진 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서의 단결정 원료 용해방법으로서,
원료의 괴가 상기 파이프의 개구를 폐색한 상태에서 상기 서셉터를 상기 원료의 괴를 가열시키지 않고 그 위쪽의 원료를 가열하는 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의하여 상기 서셉터를 발열시킴으로써 상기 보조 도가니속의 원료의 가열을 개시하는 스텝과,
상기 원료의 용해가 개시한 후에 상기 서셉터를 상기 원료의 괴 및 그 위쪽의 원료를 가열하는 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의하여 상기 서셉터와 원료의 양쪽을 발열시키는 스텝을 가진 단결정 원료 용해방법이 제공된다.
더욱이 제 3 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 원료가 저온이고 그 도전율이 비교적 적을 때에는 2차 유도전류를 서셉터에 발생시켜 서셉터의 열을 보조 도가니속의 원료에 전달하고, 원료가 고온이고 그 도전율이 비교적 클 때에 2차 유도전류를 서셉터와 보조 도가니속의 원료의 양쪽에 발생시켜 서셉터의 열을 보조 도가니속의 원료에 전달함과 동시에 원료 자체가 발열하도록 한 것이다. 그리고 인가하는 고주파의 주파수를 용해 도중에 절환함으로써 더욱 시간단축 효과를 얻을 수 있는 것이다.
즉 제 3 발명에 의하면 단결정의 원료를 보조 도가니속에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서,
상기 보조 도가니를 지지하는 도전성의 서셉터와,
상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일을 가지며,
상기 서셉터의 두께와 상기 코일에 인가되는 주파수는 상기 서셉터의 두께가 2차 유도전류의 침투깊이보다 얇아지도록 선택되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치가 제공된다.
그리고 제 3 발명에 의하면 단결정의 원료를 보조 도가니속에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서,
상기 보조 도가니를 지지하는 도전성의 서셉터와,
상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일을 가지며,
상기 코일에 대하여 비교적 높은 제 1 주파수의 전력을 인가하여 상기 보조 도가니속의 가열을 개시하고, 상기 원료의 용해가 개시한 후에 비교적 낮은 제 2 주파수의 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치가 제공된다.
더욱이 제 3의 본 발명에 의하면 단결정의 원료를 보조 도가니속에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치로서 상기 보조 도가니를 지지하는 도전성의 서셉터와, 상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일을 가진 것을 사용한 용해방법으로서,
상기 코일에 대하여 비교적 높은 제 1 주파수의 전력을 인가하여 상기 보조 도가니속의 가열을 개시하는 스텝과,
상기 원료의 용해가 개시된 후에 비교적 낮은 제 2 주파수의 전력을 인가하는 스텝을 가진 단결정 원료 용해방법이 제공된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시의 형태를 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 단결정 원료 보조 용해장치의 제 1 실시형태가 적용된 단결정 인상장치를 나타내는 구성도이고, 도 2∼도 4는 도 1의 보조 용해장치의 보조 용해공정을 나타내는 설명도이다.
도 1에 나온 단결정 인상장치(10)에서는 석영의 주 도가니(11)의 주위에는 원통상의 히이터 (도면에 도시않음)가 배치되고, 히이터의 주위에는 원통상의 단열재(13)가 배치되어 있다. 이들 부재(部材)(11, 13)는 하부 체임버(14)속에 배치되어 있다. 그리고 도면에는 생략되어 있으나 주 도가니(11)는 카본 도가니에 의해 지지되며, 이 주 도가니(11)와 카본 도가니는 상하방향으로 이동가능하게, 또한 축의 주위를 회동가능하게 지지되어 있다. 그리고 하부 체임버(14)의 위에는 상부 체임버(15)가 배치되고, 상부 체임버(15)로부터는 단결정을 인상하기 위한 케이블이 상하방향으로 이동가능하게, 또한 축의 주위를 회전가능하게 매달려 있다.
하부 체임버(14)의 위에는, 또한 보조 체임버(17)가 배치되고, 보조 체임버(17)속에는 주 도가니(11)속에 용해원료(멜트)를 공급하기 위해 도 2∼도 4에 상세히 나온 바와 같은 보조 용해장치(20)가 배치되어 있다. 더욱이 보조 용해장치(20)의 위에는 단결정 원료가 되는 고체 입상(粒狀) 원료를 공급하기 위한 피이더(feeder)(21)가 배치되어 있다. 그리고 하부 체임버(14)와 상부 체임버(15)와 보조 체임버(17)의 내부는 서로 통해 있어 저압으로 유지되며, 또한 Ar 등의 불활성 가스가 흐르고 있다.
도 2∼도 4를 참조하여 보조 용해장치(20)에 대해 상세히 설명한다. 석영의 보조 도가니(1)의 중앙에는 보조 도가니(1)속의 용융액을 오버플로우에 의해 주 도가니(11)에 공급하기 위한 파이프(1a)가 형성되며, 이 파이프(1a)는 상단의 개구의 높이 위치가 보조 도가니(1)의 높이의 약 1/2인 위치에서 돌출하도록 형성되어 있다. 보조 도가니(1)의 주위에는 도전성 서셉터인 카본 실린더 (카본 도가니)(2)가 상하방향으로 이동가능하게 배치되어 있다.
카본 실린더(2)의 주위에는 고주파 코일(3)이 배치되고, 또한 카본 실린더(2)의 하단(下端)은, 예컨대 Si3N4와 같은 원통형의 절연성의 세라믹 대(臺)(4)에 의해 지지되어 있다. 그리고 카본 실린더(2)와 세라믹 대(4)는 일체로 상하방향으로 이동가능하고, 또한 고주파 코일(3)은 보조 도가니(1)에 대응하는 높이 위치에 고정되어 있다. 여기서 2차 유도전류는 도전체의 표면에 집중되기 쉽고, 또한 이 경향은 주파수가 높아질수록 격심해진다. 따라서 카본 실린더(2)의 두께와 고주파 코일(3)에 인가되는 주파수는 카본 실린더(2)의 두께가 2차 유도전류의 침투깊이 보다 얇아지도록 선택되어 있다.
도 2는 용해전, 도 3은 용해도중, 도 4는 용해 완료시를 나타내고 있다. 먼저 도 2에 나온 바와 같이 원료(30)가 용해전일 때, 즉 초기원료(30a)가 저온이고 그 도전율이 비교적 적을 때에는 도전성의 카본 실린더(2)가 보조 도가니(1)의 측벽 전부를 에워싸는 높이위치에 배치된다. 그리고 이 상태에서 고주파 코일(3)에 고주파 전류를 인가하면, 카본 실린더(2)에 2차 유도전류가 발생하고, 카본 실린더(2)가 이 2차 유도전류에 의해 주울 열(Joule's heat)을 발열한다. 그리고 이 때에는 초기원료(30a)의 도전율이 고온시 보다 적기 때문에 2차 유도전류는 거의 발생하지 않는다. 따라서 카본 실린더(2)의 열이 보조 도가니(1)를 통하여 내부의 원료에 전달되어 원료가 가열되고, 도 3에 나온 바와 같이 용융을 개시한다.
이어서 도 3에 나온 바와 같이 원료가 용융 도중(도면의 30b)으로 되면 카본 실린더(2)와 세라믹 대(4)가 함께 상방향으로 이동되어 절연성의 세라믹 대(4)가 보조 도가니(1)의 측벽 전부를 에워싸는 높이위치에 배치된다. 따라서 이 때에는 원료의 도전율이 서서히 커지므로 용융원료(30b)속에 2차 유도전류가 발생하여 용융원료(30b) 자체가 2차 유도전류에 의해 주울 열을 발열한다.
이어서 도 4에 나온 바와 같이 용해가 진행하여 원료의 도전율이 최대가 되고 원료 속의 2차 유도전류도 최대가 되며, 또한 용융원료(30b)가 고주파 코일(3)에 의한 자장(磁場)에 의해 대류(對流)하여 자기(自己)교반이 발생한다. 그리고 이 상태에서 피이더(feeder)(21)로부터 입상(粒狀)원료(30)를 보조 도가니(1)속으로 추가함과 동시에 카본 실린더(2)와 세라믹 대(4)가 함께 하강하여 도전성의 카본 실린더(2)가 보조 도가니(1)의 측벽의 상반분(上半分)을 에워싸고, 절연성의 세라믹 대(4)가 보조 도가니(1)의 측벽의 하반분을 에워싸는 높이위치에 배치된다. 따라서 보조 도가니(1)속의 용융원료(30b)가 파이프(1a)의 위를 오버플로우하여 파이프(1a)를 통해 주 도가니(11)에 공급됨과 동시에 카본 실린더(2)가 발열하기 때문에 추가의 입상원료(30)가 열전도에 의해 가열되어 용해속도가 가속된다. 그리고 이 때 보조 도가니(1)속의 용융원료(30b)는 2차 유도전류에 의해 발열해 있다.
이어서 도 5를 참조하여 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 이 실시형태에서는 보조 도가니(1)속의 용융액을 주 도가니(11)에 공급하기 위한 파이프(1b)는 보조 도가니(1)의 바닥벽으로부터 위쪽으로 돌출하지 않고, 개구가 보조 도가니(1)의 바닥벽에 형성되어 있다. 기타의 구성은 제 1 실시형태와 동일하다.
도 5는 용해전, 도 6은 용해도중, 도 7은 용해 완료시를 나타내고 있다. 먼저 도 5에 나온 바와 같이 원료(30)가 용해전일 때, 즉 초기원료(30a)가 저온이고 그 도전율이 비교적 적을 때에는 초기원료(30a)의 괴(塊)(30c)가 파이프(1b)의 개구의 마개가 되도록 배치됨과 아울러 이 마개로서 작용하는 괴(30c)가 용해하지 않도록 도전성의 카본 실린더(2)가 보조 도가니(1)의 측벽 위쪽의 약 2/3를 에워싸고, 절연성의 세라믹 대(4)가 보조 도가니(1)의 측벽 위쪽의 약 1/3을 에워싸는 높이위치에 배치된다. 그리고 이 상태에서 고주파 코일(3)에 고주파 전류를 인가하면 카본 실린더(2)에 2차 유도전류가 발생하고, 카본 실린더(2)가 이 2차 유도전류에 의해 주울 열을 발열하여 카본 실린더(2)의 열이 보조 도가니(1)를 통해 내부의 원료의 위쪽의 약 2/3에 전달되어 원료가 가열됨으로써 도 6에 나온 바와 같이 용융을 개시한다.
이어서 도 6에 나온 바와 같이 원료가 용융 도중(도면의 30b)이 되면 카본 실린더(2)와 세라믹 대(4)가 함께 하강하여 도전성의 카본 실린더(2)가 보조 도가니(1)의 측벽의 전부를 에워싸는 높이위치에 배치된다. 따라서 이 때에는 원료의 도전율이 서서히 커지게 되므로 카본 실린더(2)와 용융원료(30b)의 양쪽에 2차 유도전류가 발생하여 용융원료(30b) 자체가 2차 유도전류에 의해 주울 열을 발열한다.
이어서 도 7에 나온 바와 같이 용융이 진행하여 원료의 도전율이 최대로 되고 원료속의 2차 유도전류도 최대로 되며, 또한 용융원료(30b)가 고주파 코일(3)에 의한 자장(磁場)에 의해 대류하여 자기(自己) 교반이 발생함과 동시에 괴(30c)가 용해하여 보조 도가니(1)속의 용융원료(30b)가 파이프(1b)를 통해 주 도가니(11)에 공급된다. 그리고 피이더(21)로부터 입상원료(30)를 보조 도가니(1)속에 추가함과 아울러 카본 실린더(2)와 세라믹 대(4)가 함께 하강하여 도전성의 카본 실린더(2)가 보조 도가니(1)의 측벽의 상반분(上半分)을 에워싸고, 절연성의 세라믹 대(4)가 보조 도가니(1)의 측벽의 하반분을 에워싸는 높이위치에 배치된다. 따라서 보조 도가니(1)속의 용융원료(30b)가 계속하여 파이프(1a)를 통해 주 도가니(11)에 공급됨과 동시에 카본 실린더(2)가 발열하기 때문에 추가의 입상원료(30)가 열전도에 의해 가열되어 용융속도가 가속된다. 그리고 보도 도가니(1)속의 용융원료(30b)는 2차 유도전류에 의하여 발열해 있다. 따라서 이러한 방법에 의하면 파이프(1b)의 지름과 개구형상을 고안함으로써 용융원료(30b)를 연속하여 공급할 수 있다.
이어서 도 8을 참조하여 본 발명의 보조 용해장치의 제 3 실시형태에 대해 상세히 설명한다. 석영의 보조 도가니(1)의 중앙에는 보조 도가니(1)속의 용융액을 오버플로우에 의해 주 도가니(11)에 공급하기 위한 파이프(1a)가 형성되고, 이 파이프(1a)는 상단의 개구의 높이위치가 보조 도가니(1)의 높이의 약 1/2의 위치에 돌출하도록 형성되어 있다. 보조 도가니(1)는 도전성 서셉터(2)(카본 도가니 또는 카본 실린더)에 의해 측면 및 바닥면을 에워싸도록 지지되며, 서셉터(2)의 주위에는 고주파 코일(3)이 배치되어 있다. 여기서 2차 유도전류는 도전체의 표면에 집중되기 쉽고, 또한 이 경향은 주파수가 높아질수록 격심해진다. 따라서 도전성 서셉터(2)의 두께와 고주파 코일(3)에 인가되는 주파수는 도전성 서셉터(2)의 두께가 2차 유도전류의 침투깊이보다 얇게 되도록 선택되어 있다.
도 8(a)는 용융전, 도 8(b)는 용해도중, 도 8(c)는 용해 완료시를 나타내고 있다. 먼저 도 8(a)에 나온 바와 같이 원료(30)가 용해전일 때, 즉 초기원료(30a)가 저온이고 그 도전율이 비교적 적을 때에 고주파 코일(3)에 고주파 전류를 인가하면 도전성 서셉터(2)에 2차 유도전류가 발생하고, 도전성 서셉터(2)가 이 2차 유도전류에 의해 주울 열을 발열한다. 그리고 이 때에는 초기원료(30a)의 도전율이 고온시 보다 적기 때문에 2차 유도전류는 거의 발생하지 않는다. 따라서 도전성 서셉터(2)의 열이 보조 도가니(1)를 개재하여 내부의 원료에 전달되어 원료가 가열됨으로써 도 8(b)에 나온 바와 같이 용융을 개시한다.
이어서 도 8(b)에 나온 바와 같이 원료가 용융도중(도면의 30b)으로 되면, 원료의 도전율이 서서히 커지기 때문에 용융원료(30b) 속에서도 2차 유도전류가 발생한다. 따라서 이 때에는 도전성 서셉터(2)의 열이 보조 도가니(1)를 개재하여 내부의 원료에 전달됨과 동시에 용융원료(30b) 자체가 2차 유도전류에 의해 주울 열을 발열한다. 이어서 도 8(c)에 나온 바와 같이 용해가 진행하여 원료의 도전율이 최대로 되고 원료속의 2차 유도전류도 최대로 되며, 또한 용융원료(30b)가 고주파 코일(3)에 의한 자장에 의해 대류하여 자기(自己)교반이 발생한다. 그리고 이 상태에서 피이더(21)로부터 원료(30)를 보조 도가니(1)속으로 추가하면 보조 도가니(1)속의 용융원료(30b)가 파이프(1a)의 위를 오버플로우하여 파이프(1a)를 통해 주 도가니(11)에 공급된다.
이어서 제 3 실시형태의 몇가지 예와 종래예에 대해 설명한다. 먼저 종래예로서 저항 가열식에 의하여 1 kg의 Si 원료를 가열한 결과, 용해시간은 75분(35 kW시)이었다. 이어서 실시예로서 동일한 양의 원료를 용융시키기 위하여
코일 3의 내경 : 220 mm [10 터언(turn)]
서셉터 2의 두께 : 10 mm
의 것을 사용하였다. 그리고 제 3 실시형태의 제 1 예로서 코일(3)에 대해 개시시에 일정 주파수(3 kHz), 15 kW의 전류를 인가하여 원료를 용해하고, 추가 투입시에 20 kW의 AC전류를 인가한 결과, 용해시간은 30분이었다. 이어서 제 2 실시예로서 코일(3)에 대하여 도 8(a)에 나온 개시시에 10 kHz, 15 kW의 비교적 높은 주파수의 전류를 인가하고, 이어서 도 8(b)에 나온 바와 같이 원료가 용융도중으로 된 시점에서 3 kHz, 15 kW의 비교적 낮은 주파수의 전류를 인가하여 원료를 용해하고, 도 8(c)에 나온 추가 투입시에 20 kW의 AC전류를 인가한 결과, 용해시간은 20분이었다.
이상 설명한 바와 같이 제 1 발명에 의하면 원료가 저온이고 그 도전율이 비교적 적을 때에는 2차 유도전류를 서셉터에서 발생시켜 서셉터의 열을 보조 도가니속의 원료에 전달하고, 원료가 고온이고 그 도전율이 비교적 클 때에 서셉터를 퇴피시켜 2차 유도전류를 보조 도가니속의 원료에서 발생시켜 원료 자체가 발열하도록 하였기 때문에 보조 도가니속의 원료를 유도가열식에 의하여 가열하여 용해할 경우의 열효율을 향상시키고 용해시간을 단축할 수 있다.
그리고 제 2 발명에 의하면 원료의 괴가 파이프의 개구를 폐색한 상태에서 서셉터를 원료의 괴를 가열하지 않은 위치에 배치하여 가열을 개시하고, 원료의 용해가 개시한 후에 서셉터를 원료의 괴를 가열하는 위치 및 그 위쪽의 원료에 배치하여 2차 유도전류에 의해 서셉터와 원료의 양쪽을 발열시키도록 하였기 때문에 보조 도가니속의 원료를 유도 가열식에 의하여 가열하여 용해할 때의 열효율을 향상시켜 용해시간을 단축할 수 있다.
더욱이 제 3 발명에 의하면 원료가 저온이고 그 도전율이 비교적 적을 때에는 2차 유도전류를 서셉터에 발생시켜 서셉터의 열을 보조 도가니속의 원료에 전달하고, 원료가 고온이고 그 도전율이 비교적 클 때에 2차 유도전류를 서셉터와 보조 도가니속의 원료의 양쪽에 발생시켜 서셉터의 열을 보조 도가니속의 원료에 전달함과 동시에 원료 자체가 발열하도록 하였기 때문에 보조 도가니속의 원료를 유도가열식에 의하여 가열하여 용해할 때의 열효율을 향상시켜 용해시간을 단축할 수 있다. 그리고 인가하는 고주파 전류의 주파수를 최초에 높게 설정하고, 도중에 낮은 주파수로 절환함으로써 용해시간을 더욱 단축할 수 있다.

Claims (13)

  1. 단결정의 원료를 보조 도가니내에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주(主)도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서,
    상기 보조 도가니의 주위에서 상하방향으로 이동가능하게 배치된 도전성의 서셉터와,
    상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일과,
    상기 서셉터를 상기 보조 도가니의 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의해 상기 서셉터를 발열시킴으로써 상기 보조 도가니속의 원료의 가열을 개시하고, 상기 원료의 용해가 개시한 후에 상기 서셉터를 상기 보조 도가니의 높이 위치로부터 퇴피시켜 상기 보조 도가니속의 원료를 2차 유도전류에 의해 발열시키도록, 상기 서셉터를 이동시키는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 보조 도가니속의 용융액을 오버플로우에 의하여 상기 주 도가니에 공급하기 위한 파이프 개구가 상기 보조 도가니의 바닥면으로부터 소정의 높이로 돌출하여 형성되고, 상기 원료의 용해후에 새로운 원료가 상기 보조 도가니속에 추가되었을 때에 상기 서셉터의 하단의 높이위치가 상기 파이프 개구의 높이위치와 거의 일치하도록 상기 서셉터를 이동시키는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치.
  3. 단결정의 원료를 보조 도가니속에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서,
    상기 보조 도가니의 주위에서 상하방향으로 이동가능하게 배치된 도전성의 서셉터와,
    상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일과,
    상기 보조 도가니속의 용융액을 상기 주 도가니에 공급하기 위한 개구가 상기 보조 도가니의 바닥벽에 형성된 파이프와,
    원료의 괴가 상기 파이프의 개구를 폐색한 상태에서 상기 서셉터를 상기 원료의 괴를 가열시키지 않고 그 위쪽의 원료를 가열하는 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의하여 상기 서셉터를 발열시킴으로써 상기 보조 도가니속의 원료의 가열을 개시하는 수단과,
    상기 원료의 용해가 개시한 후에 상기 서셉터를 상기 원료의 괴 및 그 위쪽의 원료를 가열하는 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의하여 상기 서셉터와 원료의 양쪽을 발열시키는 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 서셉터의 두께와 상기 코일에 인가되는 주파수는 상기 서셉터의 두께가 2차 유도전류의 침투깊이보다 얇아지도록 선택되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치.
  5. 단결정의 원료를 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 보조 도가니와, 상기 보조 도가니의 주위에서 상하방향으로 이동 가능하게 배치된 도전성의 서셉터와, 상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일을 가진 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서의 단결정 원료 용해방법으로서,
    상기 서셉터를 상기 보조 도가니의 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의해 상기 서셉터를 발열시킴으로써 상기 보조 도가니속의 원료의 가열을 개시하는 스텝과,
    상기 원료의 용해가 개시한 후에 상기 서셉터를 상기 보조 도가니의 높이위치로부터 퇴피시켜 상기 보조 도가니속의 원료를 2차 유도전류에 의해 발열시키는 스텝을 가진 단결정 원료 용해방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 보조 도가니속의 용융액을 오버플로우에 의하여 상기 주 도가니에 공급하기 위한 파이프 개구가 상기 보조 도가니의 바닥면으로부터 소정의 높이로 돌출하여 형성된 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서의 단결정 원료 용해방법으로서,
    상기 원료의 용해후에 새로운 원료를 상기 보조 도가니속에 추가하는 스텝과,
    상기 서셉터의 하단의 높이위치가 상기 파이프 개구의 높이위치와 거의 일치하도록 배치하는 스텝을 가지는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 용해방법.
  7. 단결정의 원료를 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 보조 도가니와, 상기 보조 도가니의 주위에서 상하방향으로 이동가능하게 배치된 도전성의 서셉터와, 상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일과, 상기 보조 도가니속의 용융액을 상기 주 도가니에 공급하기 위한 개구가 상기 보조 도가니의 바닥벽에 형성된 파이프를 가진 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서의 단결정 원료 용해방법으로서,
    원료의 괴가 상기 파이프의 개구를 폐색한 상태에서 상기 서셉터를 상기 원료의 괴를 가열시키지 않고 그 위쪽의 원료를 가열하는 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의하여 상기 서셉터를 발열시킴으로써 상기 보조 도가니속의 원료의 가열을 개시하는 스텝과,
    상기 원료의 용해가 개시한 후에 상기 서셉터를 상기 원료의 괴 및 그 위쪽의 원료를 가열하는 높이위치에 배치하여 2차 유도전류에 의하여 상기 서셉터와 원료의 양쪽을 발열시키는 스텝을 가진 단결정 원료 용해방법.
  8. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 서셉터의 두께와 상기 코일에 인가되는 주파수는 상기 서셉터의 두께가 2차 유도전류의 침투깊이보다 얇아지도록 선택되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 용해방법.
  9. 결정의 원료를 보조 도가니속에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서,
    상기 보조 도가니를 지지하는 도전성의 서셉터와,
    상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일을 가지며,
    상기 서셉터의 두께와 상기 코일에 인가되는 주파수는 상기 서셉터의 두께가 2차 유도전류의 침투깊이보다 얇아지도록 선택되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치.
  10. 결정의 원료를 보조 도가니속에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치에 있어서,
    상기 보조 도가니를 지지하는 도전성의 서셉터와,
    상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일을 가지며,
    상기 코일에 대하여 비교적 높은 제 1 주파수의 전력을 인가하여 상기 보조 도가니속의 가열을 개시하고, 상기 원료의 용해가 개시한 후에 비교적 낮은 제 2 주파수의 전력을 인가하는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 서셉터의 두께와 상기 코일에 인가되는 제 2 주파수는 상기 서셉터의 두께가 2차 유도전류의 침투깊이보다 얇아지도록 선택되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 보조 용해장치.
  12. 단결정의 원료를 보조 도가니속에서 가열하여 용해하고, 이 용해원료를 주 도가니에 공급하기 위한 단결정 원료 보조 용해장치로서 상기 보조 도가니를 지지하는 도전성의 서셉터와, 상기 서셉터의 주위에 권회되어 고주파 전력이 인가되는 코일을 가진 것을 사용한 용해방법으로서,
    상기 코일에 대하여 비교적 높은 제 1 주파수의 전력을 인가하여 상기 보조 도가니속의 가열을 개시하는 스텝과,
    상기 원료의 용해가 개시된 후에 비교적 낮은 제 2 주파수의 전력을 인가하는 스텝을 가진 단결정 원료 용해방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 서셉터의 두께와 상기 코일에 인가되는 제 2 주파수는 상기 서셉터의 두께가 2차 유도전류의 침투깊이보다 얇아지도록 선택되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 원료 용해방법.
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