KR20100004937A

KR20100004937A - 부유대역용융장치

Info

Publication number: KR20100004937A
Application number: KR1020097016156A
Authority: KR
Inventors: 이사무 신도
Original assignee: 크리스탈 시스템스 코포레이션
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2007-01-10
Publication date: 2010-01-13
Also published as: EP2128308A1; CN101611177A; ATE549438T1; CN101611177B; US20100037817A1; KR101157311B1; WO2008084529A1; EP2128308B1; EP2128308A4

Abstract

용융부에 있어서 시료의 원주 방향 온도 구배가 작고, 수직 방향 온도 구배가 크고, 충분히 높은 최고도달온도를 얻을 수 있어 안정한 용융 상태를 형성할 수 있는 적외선 집중 가열식 부유대역용융장치를 제공한다. 회전 타원면반사경(2)을 직교축 상에 대향 배치한 4개의 타원경형 부유대역용융장치에 있어서, 회전 타원면반사경(2)의 이심율을 0.4 내지 0.65로 하고, 동시에, 회전 타원면반사경(2)의 깊이의 개구부 직경에 대한 비를 0.38 내지 0.75로 한다. 그리고 회전 타원면반사경(2)으로써 유리거울을 사용한다. 또한, 회전 타원면반사경(2)을 일측 초점에서 타측 초점까지의 직선이 하향 경사지도록 배치하고, 반사면에서 반사된 적외선을 기울기에 대해 상방에서 시료에 조사함으로 대구경 단결정을 육성 가능하다.

Description

부유대역용융장치{FLOATING ZONE MELTING APPARATUS}

본 발명은 회전 타원면반사경의 일측 초점에 적외선 램프를 구비하고 회전 타원면반사경의 반사면에서 반사된 적외선을 타측 초점에 집광 시킴으로써 시료를 가열하여 용해하고, 단결정을 육성하는 등에 사용되는 사용하는 적외선 집중 가열식 부유대역용융장치에 관한 것이다.

적외선 집중 가열식 부유대역용융장치는,

(ⅰ) 도가니를 사용하지 않고 시료의 용융을 실시할 수 있는 점

(ⅱ) 분위기 가스를 임의로 선택할 수 있는 점

(ⅲ) 부유대역법을 이용하여 여러 가지 조성의 단결정 육성을 실시할 수 있는 점

(ⅳ) 부유대역 서냉법에 따르는 상평형연구를 수행할 수 있는 점

(ⅴ) 비교적 작은 전력으로 고온을 용이하게 얻을 수 있는 점 등의 이점이 있어서 단결정의 육성이나 상평형연구 등을 위해 널리 이용되고 있다.

부유대역용융장치를 단결정 육성에 사용하기 위해서는 시료 용융부에서 고온을 얻을 수 있어야 하는 점, 시료의 봉축(棒軸)을 중심으로 한 원주 방향에 대한 온도가 균일해야 하는 점, 수직 방향(시료의 봉축 방향)에 대한 온도분포가 급격해 야 하는 점, 국부가열이 용이하고 용융액을 시료봉에 용이하게 보관 유지할 수 있어야 하는 점 등의 조건이 요구된다. 기존에는 이러한 조건들을 달성하기 위해서 여러 가지 형식의 적외선 집중 가열식 부유대역용융장치가 개발되어 왔다.

도 6(a)는 단타원경로(單楕円鏡爐)를 이용한 종래의 적외선 집중 가열식 부유대역용융장치를 설명하기 위한 도면이고, 단타원경로(11) 내에서 둥근 막대형의 시료봉(4a)를 가열한 상태를 나타낸다. 기존의 부유대역용융장치는 1개의 타원경(2)를 사용하고 타원경(2)의 2개소의 초점위치 중 일측 초점위치에 할로겐 램프, 크세논 램프 등의 적외선 램프(3)가 설치된다. 여기서, 타원경(2)은 금속거울일 수 있다. 일측 초점위치에서 방출된 적외선 램프(3)의 적외선은 타원경(2)에서 반사되어 타측 초점위치에 집광된다. 이 적외선이 집광된 초점위치에 시료봉(4a)가 가열되어 용융된다. 시료봉(4a)와 적외선 램프(3)를 축방향을 따라 서서히 상대 이동시킴으로써 육성 단결정(4b)를 봉 형태로 육성시킨다.

이러한 단타원경로(11)을 이용한 방식은 적외선 램프(3)의 광의 이용효율이 가장 높다. 그러나 이러한 단타원경로 이용 방식은 시료봉(4a)에서 적외선 램프(3)와 반대쪽 영역의 온도를 상승시키기 어려운데 반해 적외선 램프(3) 쪽의 영역(5)의 온도가 상대적으로 높아져서, 도 6(b)에 도시한 바와 같이(도 6(b)에서 7은 등온선, 8은 시료봉(4a)의 중심축으로부터의 등거리선을 나타낸다), 시료봉(4a)의 용융부의 수평면 상에 봉축을 중심으로 한 원주 방향을 따라 온도분포가 형성된다.

이러한 온도분포의 편향을 개선하기 위해서, 도 7(a)에 도시한 바와 같이 쌍 타원경로(雙楕円鏡爐)(21)을 이용한 부유대역용융장치가 개발되었다. 쌍타원경로(21) 방식의 부유대역용융장치는 타원의 일부를 절단한 한 쌍의 타원경(2)을 일측 초점위치를 서로 공유하도록 횡방향 직선 상에 배치하고 타원경(2)의 타측 초점위치에 배치된 한 쌍의 적외선 램프(3)에 의해 양측에서 시료봉(4a)을 가열한다.

이러한 쌍타원경로(21)를 이용한 방식은 시료봉(4a)을 횡방향 양측에서 가열할 수 있으므로 단타원경로와 비교하여 원주 방향 온도분포를 개선할 수 있다. 그러나 시료봉(4a)의 원주 방향으로는 도 7(b)와 같이 온도분포가 형성되므로 적외선 램프(3)가 설치된 방향과 비교하였을 때 수직 방향 온도가 낮아진다.

원주 방향을 따른 온도 차가 실제로 어느 정도 형성되는 지는 사용하는 적외선 램프(3)의 필라멘트 크기, 형상 등에 영향을 받는데, 통상의 사용 방법에서는 단타원로, 쌍타원로의 어느 방식에서도 100℃ 정도 또는 100℃를 넘는 경우가 많다. 이러한 온도 차를 줄이기 위한 방법으로는, 집광영역의 크기와 비해 큰 필라멘트 사이즈의 램프를 사용하는 것으로 어느 정도의 온도 차를 줄일 수 있으나, 이와 같은 집광방식을 사용하여 부유대역용융에 따른 단결정 육성을 수행하려면 수직 방향 온도 구배가 완만하여 형성된 융체가 낙하하게 된다. 따라서, 특히 부유대역용융에 따른 단결정 육성을 위해서는 단지 원주 방향 온도 구배를 균일하게 하는 것뿐만 아니라 동시에 수직 방향 온도 구배를 급격하게 유지하는 것이 필요하다.

단타원로 및 쌍타원로에 있어서 용융부의 원주 방향 온도분포의 일례를 도 8에 도시하였다. 도 8에 도시한 바와 같이, 최고온도부와 최저온도부 사이의 온도 차는 최고온도의 10%에 달한다. 이러한 온도분포가 형성되는 조건은 고품질 단결 정을 육성하는 데 있어서 바람직하지 않은 것은 당연하다.

이러한 온도분포의 편향을 더욱 개선하기 위해서, 쌍타원경로에서 타원경을 2개 추가하고, 일측 초점위치를 서로 공유하는 4개의 타원경을 직교축 상에 배치하여 사방에서 시료봉을 가열할 수 있도록 한 4 타원경형 장치가 개발되었다(특허 문헌 1).

특허 문헌 1: 특개평9-235171호 공보

여기서 타원경을 4개 이용하여 사방에서 시료봉을 가열하는 방식은 원주 방향 온도분포가 큰 폭으로 개선되었다. 그러나 단결정의 육성에 있어서는 원주 방향 온도분포가 균일하다는 점 이외에도, 전술한 바와 같이, 수직 방향 온도 구배가 급격하고 최고도달온도가 충분히 높다는 점이 필요한데 반해, 기존의 4 타원경형 장치는 최고도달온도를 상승시키는 것은 가능하지만 수직 방향 온도 구배가 완만하여 융액이 낙하하기 쉬워서 안정한 융대의 보관 유지가 곤란하다는 결정이 있어서 이러한 모든 조건을 만족하는 장치를 얻지 못하고 있었다.

또한, 기존에는 타원경으로써 기계가공 후 표면에 금도금을 실시하여 제작한 금속경을 사용하고 있는데, 이러한 방식으로는 금속경의 제작비가 고가인데 반해 표면의 가공 면 정밀도를 높이는 것이 유리거울에 비해 곤란하고 급격한 수직 방향 온도 구배를 얻을 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은 용융부에 있어서 시료의 원주 방향 온도 차가 작고, 수직 방향 온도 구배가 급격하며, 충분히 높은 최고도달온도를 얻을 수 있어 안정한 용융 상태를 형성 가능한 적외선 집중 가열식 부유대역용융장치를 제공하는 것과 동시에, 기존의 부유대역용융장치를 사용했을 경우보다 훨씬 더 대구경 단결정 육성을 가능하게 하는 기울기 상방에서 경사조사기구를 구비하는 고성능 단결정 합성장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 부유대역용융장치는, 내면이 반사면으로 형성되고 직교축 상에 대향 배치된 4개의 회전 타원면반사경의 일측 초점에 적외선 램프를 구비하여 상기 반사면에서 반사된 적외선을 타측 초점에 집광시킴으로써 시료를 가열하는 적외선 집중 가열식 부유대역용융장치에 관한 것으로, 상기 회전 타원면반사경은 이심율이 0.40 내지 0.65이고, 타원면반사경의 깊이의 개구부 직경에 대한 비가 0.38 내지 0.75인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기의 이심율은 하기의 수학식 1로 정의된다.

[수학식 1]

(a²-b²)^1/2/a

여기서, a는 타원의 장축의 길이를 나타내고, (b)는 단축의 길이를 나타낸다.

이와 같이, 타원경의 이심율 및 반사경의 깊이의 개구부 직경에 대한 비를 소정 범위로 형성함으로써 타원경의 소재로 유리거울을 사용할 수 있다. 즉, 통상의 유리거울의 제조 방법을 사용하여 최초에 타원경 형틀을 제작하고 여기에 연화시킨 유리판을 씌워 고체화시킨 후 타원경 형틀에서 분리하는 방식으로 타원경을 제작할 수 있으나, 깊은 반사경을 제조하고자 하는 경우에는 타원경 형틀에서 분리시킬 수 없어서 금속경을 사용융이야 했었던 제한이 해제되기 때문이다. 금속경에 비해 반사효율이 양호한 유리거울을 사용함으로써 광의 집중성능이 향상되어, 얕은 타원경을 사용하는 경우에도 높은 최고도달온도를 얻는 것이 가능하다. 또한, 4개의 타원경을 사용하는 경우 수직 방향 온도 구배가 완만해지는 단점을 극복할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 부유대역용융장치는 얕은 타원경을 4개 이상 사용함으로써 상기 회전 타원면반사경의 일측 초점에서 타측 초점까지 연결한 직선이 하향 경사지게 배치되어 상기 반사면에서 반사된 적외선이 직선의 기울기 상방에서 시료에 조사해도 균일하고 높은 최고도달온도를 유지할 수 있다(이하, 이 장치를 '경사형 부유대역용융장치'라고 한다). 적외선을 기울기 상방에서 균일조사 가능하다는 것은 단결정 육성에서 의의가 크다. 자세한 것은 이하에서 설명하지만, 우선, 그 중 하나는, 기존의 부유대역용융법에 따른 단결정 육성의 최대 결점이었던 육성 단결정의 직경을 크게 제조할 수 없었던 특성을 크게 바꾸어 대구경 단결정 육성이 가능하게 된 것이다.

본 발명의 경사형 부유대역용융장치의 일 실시예에 따르면, 6개 또는 8개의 상기 회전 타원면반사경이 등간격으로 배치될 수 있다. 직경 100㎜ 이상의 대구경 단결정을 육성할 때 4개의 타원경을 사용하는 방식보다 6개 또는 8개의 타원경을 사용하는 방식이 육성조건을 최적으로 제어하기 쉽다.

본 발명의 경사형 부유대역용융장치의 다른 실시예에 따르면, 상기 회전 타원면반사경을, 상기 시료가 배치되는 위치를 중심으로 직경 방향을 따라 수평 이동 시키는 위치조절기구를 구비할 수 있다. 이와 같이 회전 타원면반사경의 개수, 경사각도, 위치를 임의로 조정할 수 있는 기구를 구비함으로써 초점위치를 재료의 광흡수성, 단결정 구경의 정도에 맞춰서 최적위치에 용이하게 배치할 수 있어서 단결정 구경에 대응하여 최적인 광학배치를 하여 안정한 육성을 실시할 수 있다.

본 발명의 경사형 부유대역용융장치의 또 다른 실시예에 따르면, 단결정 육성부 하측에 가열부가 구비될 수 있다. 이 경우, 대구경 단결정 육성을 위해서 필요한 대량의 원료 융액을 형성하기 위한 열원을 적외선 램프에만 의지하지 않고 단결정 성장부 하측에 별도로 설치된 가열장치에 의해서 보조되므로 필요한 대량의 융체를 용이하게 형성할 수 있다. 즉, 적외선 램프를 이용한 가열은 고액계면 형상을 고품질 단결정 육성에 최적인 형상을 유지할 수 있도록 집중시킬 수 있다.

본 발명의 경사형 부유대역용융장치의 다른 실시예에 따르면, 부유대역용융장치 상측에 원료용해로가 별도로 설치되어 용해된 원료를 적당량 낙하시켜 단결정 육성부에 공급할 수 있는 기구를 구비할 수 있다. 또한 부유대역용융장치 상측에 구비된 원료용해로에서 단결정 육성부에 용해된 원료를 공급하기 위한 원료도입관 또는 원료도입봉을 구비할 수 있다. 부유대역용융법에 따라 단결정을 육성하기 위해서는 원료를 봉(棒) 형태로 가공할 필요가 있는데 이와 같이 봉 형태의 시료를 사용할 수 없는 경우에는 원료 분말 또는 원료 칩을 미리 용해로에서 용해한 후 융액을 단결정 육성부에 도입함으로써 소정의 단결정 육성이 가능하다.

본 발명의 경사형 부유대역용융장치의 다른 실시예에 따르면, 단결정 육성부, 원료용해부, 원료 공급부 모두 진공에서 고압까지 임의의 압력하에서 제어할 수 있는 기구를 구비하고, 또한, 분위기를 산화 가스에서 환원 가스까지 임의로 제어할 수 있는 기구를 구비할 수 있다.

부유대역용융법에 따라 단결정을 육성하려고 할 때, 적외선을 열원으로서 사용하는 경우 대상 물질이 적외선흡수성을 가지는 것이 필요하다. 여기서, 적외선이 물질에 흡수되면 물질의 온도가 상승하여 마침내 용해된다. 이것은, 조사되는 적외선은 흡수됨에 따라 급격하게 감쇠되므로 대구경 융체를 형성하고자 할 때 그 중심부까지 적외선이 도달하지 못하여 중심부의 온도 상승이 어렵다는 것을 의미한다. 이러한 문제점이 기존의 적외선 부유대역용융법을 대구경 단결정 육성에 적용하기 곤란한 이유의 가장 중요한 요소이다.

그러나 적외선 부유대역용융법을 이용한 단결정 육성은 큰 장점이 있다. 전술한 바와 같이, 적외선 부유대역용융법에 의하면 도가니 등의 용기를 사용하지 않아도 되므로, 제조비용을 큰 폭으로 저감할 수 있어 육성된 단결정의 조성을 균일하게 할 수 있다. 기존의 가장 중요한 대구경 단결정 육성법은 인상법(引上法)인데, 인상법에서는 형성된 융액을 도가니 안에 보존하고 여기에서 단결정을 육성하는 방법이므로 도가니와의 반응을 피할 수 없으며, 육성된 단결정에 포함된 불순물 농도를 균일하게 하기 위해서 이중 도가니법 등의 특별한 방법을 필요로 한다고 알려져 있다. 현재 산업상 가장 중요한 단결정 소재인 실리콘은 인상법을 이용하여 육성되고 있지만 이 경우 도가니로 사용되는 석영과의 반응에 의해 단결정 안에 산소가 도입되는 결점을 극복하지 못하고 있어서, 반도체로 사용하기 위해서 첨가되는 붕소 또는 인 등의 불순물 농도를 균일하게 할 수 없기 때문에, 육성한 단결정에서 농도가 부적격한 부분을 제거하고 사용할 필요가 있어다. 산소를 포함하지 않는 단결정을 육성할 수 있는 방법으로써 고주파 유도가열법을 이용한 부유대역용융법에 의해 규소 단결정의 육성이 공업적으로 행해지고 있으나, 고주파의 도달 심도에 임계치가 있어서, 직경 200㎜ 이상의 대구경 단결정을 육성하기가 곤란하다고 알려져 있다. 또한, 고주파유도가열법은 동일한 물질에 대해 고체와 융체의 저항치가 다르므로 안정한 융체를 생성, 유지하기 위해서는 지극히 고도의 경험과 기술을 필요로 한다고 알려져 있다. 적외선 부유대역용융법 역시 동일 물질에 대한 고체와 액체의 적외선 흡수성에 차이가 있어서 제어가 곤란한 물질이 있으나, 실리콘 등의 반도체나 많은 산화물의 경우에는 그 차이가 문제가 되지 않을 정도이므로 용이하게 대구경 단결정 육성이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유대역용융장치의 타원경로를 도시한 도면들로써, 도 1(a)는 종단면도, 도 1(b)는 횡단면도이다.

도 2는 도 1의 타원경로의 회전 타원면반사경을 나타낸 단면도이다.

도 3은 도 1의 타원경로를 이용했을 경우의 용융부의 원주 방향 온도분포를 나타낸 그래프이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부유대역용융장치의 타원경로를 나타낸 도면들로써, 도 4(a)는 종단면도, 도 4(b)는 횡단면도이다.

도 5는 반사경의 깊이와 반사경의 개구부 직경의 비를 변경하였을 경우에 따른 수직 방향 온도분포를 나타낸 그래프이다.

도 6(a)는 단타원경로를 이용한 종래의 적외선 집중 가열식 부유대역용융장치를 설명하기 위한 도면으로써, 단타원경로 내에서 시료봉을 가열한 상태를 나타낸 도면이고, 도 6(b)는 도 6(a)의 부유대역용융장치를 이용했을 경우의 용융부의 원주 방향 온도분포를 나타낸 그래프이다.

도 7(a)는 쌍타원경로를 이용한 종래의 적외선 집중 가열식 부유대역용융장치를 설명하기 위한 도면으로써, 쌍타원경로 내에서 시료봉을 가열한 상태를 나타낸 도면이고, 도 7(b)는 도 7(a)의 부유대역용융장치를 이용했을 경우의 용융부의 원주 방향 온도분포를 나타낸 그래프이다.

도 8은 단타원로 및 쌍타원로에 있어서의 용융부의 원주 방향 온도분포를 나타낸 그래프이다.

도 9는 이심율과 포커스의 크기의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 타원경로(爐) 2, 2a, 2b: 타원경

3: 적외선 램프 4a: 시료봉

4b: 육성 단결정 4c: 용융부

5: 위치조절기구 6: 고온도 영역

7: 등온선 8: 초점 중심으로부터의 등거리선

9: 포커스부 10: 개구부

11: 단타원경로 12: 타원경

21 쌍타원경로

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유대역용융장치의 타원경로를 도시한 도면들로써, 도 1(a)는 종단면도, 도 1(b)는 횡단면도이다. 도시한 바와 같이, 타원경로(1)는 4개의 회전 타원면반사경(이하, '타원경(2)'이라 한다)이 시료봉(4a)을 둘러싸도록 직교축 상에 배치된다. 4개의 타원경(2)은 시료봉(4a)이 위치하는 중심위치에 있어 초점을 서로 공유한다.

각각의 타원경(2)에서 집광측과 반대측의 초점위치에는 적외선 램프(3)의 필라멘트가 배치되고 필라멘트에서 방출되는 적외선이 타원경(2)에서 반사되어 타측 초점으로 집광되어 시료봉(4a)을 가열한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 4개의 타원경(2)은 타원에서 장축 방향 단면이 집광측에서 타원의 일부를 수직 절단한 형상을 갖고, 타원의 장축 방향 수직 단면이 원형이 된다. 타원경(2)의 집광측 단부에는 원형 개구(10)이 형성된다.

타원경(2)의 이심율(離心率)은 0.40 내지 0.65이고, 타원경(2)의 깊이(L)의 개구부(11) 직경(D)에 대한 비 L/D는 0.38 내지 0.75이다. 타원경(2)의 형상을 이 범위 내로 형성함으로써 시료봉(4a)의 수직 방향 온도 구배가 급격하게 되고 높은 최고도달온도를 얻을 수 있어 안정한 용융 상태를 형성할 수 있다. 이심율이 0.40 미만인 경우 또는 L/D가 0.38 미만인 경우에는 최고도달온도가 저하되고, 이심율이 0.65를 넘는 경우 또는 L/D가 0.75를 넘는 경우에는 시료봉(4a)의 수직 방향 온도 구배가 완만하게 되어, 단결정 육성에 악영향을 주는 것뿐만 아니라, 경우에 따라서는 용융액이 낙하할 수 있다.

예를 들어, 도 9(a)에 도시한 바와 같이 이심율이 큰 타원경(2a)에서는 적외선 램프(3)에서 발생된 적외선의 이용효율을 높게 유지할 수 있으나, 포커스부(9)의 크기가 확장되어 수직 방향 온도 구배가 완만하게 된다.

한편, 도 9(b)에 도시한 바와 같이 이심율이 작은 타원경(2b)에서는 포커스부(9)의 크기를 작게 할 수 있으나, 인접하는 타원경끼리 서로 겹치지 않도록 중복 부분을 절단하여 4개의 타원경을 배치할 필요가 있어서, 타원을 절단한 만큼 광의 이용효율이 낮아져 안정한 용융 상태를 형성해야 할 영역에서의 최고도달온도가 저하된다.

덧붙여, 4개의 타원경(2)을 직교축 상에 배치함으로써, 시료봉(4a)의 원주 방향 온도 편향은 도 3에 도시한 바와 같이 매우 작고, 사용하는 램프나 필라멘트 형상 등에 영향을 받더라도, 원주 방향 온도 차를 예를 들어, 30℃이하로 할 수 있다.

본 실시예에서는, 4개의 타원경(2)에 유리거울을 사용할 수 있다. 유리거울 은 적외선에 대한 반사효율이 높고, 할로겐 램프, 크세논 램프 등의 적외선 램프(3)의 적외선을 효율적으로 반사하여 높은 최고도달온도를 얻을 수 있다.

유리거울로 형성된 타원경(2)은, 구체적으로는, 미리 제작한 세라믹 형틀에 대해 가열하여 연화시킨 유리판을 씌우고 냉각 후 유리거울을 형틀에서 분리하는 방식에 의해 제작할 수 있다.

유리거울의 형성재로는 모든 유리재가 사용 가능하지만, 통상적으로 가공이 용이하고 가격이 안정적인 파이렉스(Pyrex)(등록상표) 유리가 사용될 수 있다. 유리거울 내면에는 적외선 반사성이 우수한 알루미늄, 금속 등을 증착하고 표면에는 경도가 높은 산화 규소 등을 증착할 수 있다. 알루미늄, 금속 등을 내면에 증착함으로써 유리재의 적외선 흡수가 저하되어 유리거울의 온도상승이 작고 냉각이 용이하다. 또한 유리거울의 외면 측에는 취급성 및 충격흡수성을 향상시키기 위해서 얇은 알루미늄 판 등을 씌울 수 있다.

타원경로(1)에 따른 단결정 육성은 예를 들어, 다음과 같이 수행된다. 타원경로(1)는 석영관으로 형성된 시료실이 형성되어 시료봉(4a)이 석영관 안에 수용된다. 석영관 내부는 진공 상태 또는 분위기 가스가 유통될 수 있다.

시료봉(4a)은 석영관 내에 집광측의 초점위치를 통과하도록 상하 방향으로 설치되고 단부가 축(shaft) 형태의 시료봉 지지부에서 지지된다. 한편, 육성 단결정을 성장시키기 위한 종자 단결정은 하단부가 축 형태의 육성 단결정 지지부에서 지지된다. 각 지지부는 여기에 장착된 구동부를 개입하여 구동장치에 의해 상하 방향 이동 및 봉축을 중심으로 한 회전을 할 수 있다. 타원경로(1), 각 지지부 및 구동부, 시료실 등은 수납체 내에 수납되어 별도의 제어반에 의해 조작자가 시료봉의 이동, 램프 전압의 조정 등과 같은 각종 조작을 실시할 수 있다. 수납체 내에는 용융 영역을 촬영하는 CCD 카메라가 설치되어 조작자가 용융 영역을 관찰하면서 적외선 램프(3)의 인가 전압 등을 제어할 수 있다. 또한, 적외선 램프(3) 및 타원경(2)은, 예를 들어, 팬(fan) 등에 의한 공기냉각법 등으로 냉각할 수 있다.

단결정의 육성 개시 시에는 시료봉 지지부에서 지지되는 시료봉(4a)의 첨단부와 육성 단결정 지지부에서 지지되는 종자 단결정의 첨단부를 대향시키고 석영관을 배치한 후 적외선 램프(3)를 점등하여 시료봉 및 종자 단결정을 회전시키면서 적외선 램프(3)의 인가 전압을 서서히 상승시키면서 각 첨단부를 용융 시킨다. 양쪽 모두의 첨단부가 용융된 단계에서 양자를 접근시켜서 용융부를 합체시킨다. 여기서, 시료봉(4a) 및 종자 단결정 양쪽 모두를 회전시키고 적외선 램프(3)의 인가 전압을 제어함으로써 용융부의 크기를 조정할 수 있고, 안정용융영역을 형성할 수 있다.

안정용융영역이 형성된 후 상술한 구동장치에 의해 시료봉(4a) 및 종자 단결정을 같은 속도로 하부로 이동시킴으로써(예를 들어, 0.1 내지 100㎜/h), 시료의 용융과 단결정의 육성이 계속되어 봉 형태의 단결정을 육성할 수 있다.

상기에서는 타원경로(1)을 이용한 단결정의 육성 방법 및 이를 위한 장치 구성의 일례를 설명하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 변경이 가능하다. 예를 들어, 적외선 램프(3) 및 타원경(2)을 시료봉(4a)에 대해서 상하 방향으로 상대적으로 이동시킴으로서 단결정을 육성하는 것도 가능하다.

도 4(a)와 도 4(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 부유대역용융장치의 타원경로를 나타낸 도면들로써, 도 4(a)는 종단면도, 도 4(b)는 횡단면도이다. 본 실시예의 부유대역용융장치는 대구경 단결정 육성에 적절하게 구성되며, 4개의 타원경(2)가 하향 경사지게 배치될 수 있다.

본 실시예에 따르면, 타원경(2)의 반사면에서 반사된 적외선이 기울기 상방에서 시료 용융부(4c)에 조사된다. 여기서, 단결정의 구경이 큰 경우에도 육성 단결정(4b)과 용융부(4c) 사이의 고액계면의 형상이 안정되어 양질의 단결정을 얻을 수 있다. 도 1(a)와 도 1(b)에 도시한 바와 같이, 타원경(2)의 축이 수평 방향을 향하도록 4개의 타원경(2)을 배치하여 타원경(2)의 반사면에서 반사된 적외선을 수평으로 시료 용융부(4c)에 조사하는 경우, 단결정의 구경을 크게 하기 위해서는 대량의 융액을 형성해야 하는데, 적외선 흡수성에 의해 융액이 형성되므로 대량의 융액을 형성하려고 해도 중심부까지 적외선이 도달하기 어려워서 안정한 융대의 형성이 곤란할 수 있다. 여기서 융대의 직경을 적외선이 중심부까지 도달할 수 있는 직경 이하의 직경을 유지할 수 있도록 가열계를 제어할 필요가 있다. 대구경 단결정을 육성하기 위해서는 고액계면의 형상을 평탄하게 유지하여 대구경 단결정의 표면에 융액을 안정하게 형성하는 것이 필요한데, 기울기 상방에서 가열함으로써 이러한 고액계면의 형상 제어가 용이하여 대구경 단결정 육성을 구현할 수 있다.

본 실시예에 따른 부유대역용융장치는 구경이 100㎜ 이상의 대구경 단결정을 안정하게 육성할 수 있다. 이러한 대구경 단결정을 안정하게 육성하기 위해서는 타원경(2)의 일측 초점에서 타측 초점까지의 직선의 수평 방향 각도 θ를25 내지 35°로 형성할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따르면, 타원경(2)을 시료봉(4a)을 중심축으로 하는 직경 방향을 따라 수평 이동시키는 위치조절기구(5)를 구비할 수 있다. 위치조절기구(5)는, 예를 들어, 타원경(2)에 장착되는 이동부재와 이동부재를 상기의 직경 방향을 따라 안내하고 소정 위치에서 고정 가능한 가이드 부재 등으로 구성될 수 있다.

위치조절기구(5)에 의해서 타원경(2)의 직경 방향 위치를 조정하여 초점위치를 단결정의 구경 정도에 맞춘 최적위치에 배치할 수 있다. 또한, 단결정의 구경에 대응하여 최적인 광학배치를 하여 안정한 육성을 실시할 수 있다.

이하, 실시예들에 따라 본 발명을 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예들로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

석영유리로 형성된 4개의 회전 타원면반사경을 일측 초점위치를 서로 공유하도록 직교축 상에 설치하고, 각 회전 타원면반사경의 타측 초점위치에 할로겐 램프를 설치하여 타원경로를 구성하였다. 4개의 회전 타원면반사경의 이심율은 0.55이고, 개구부의 직경은 220㎜이며, 반사경의 깊이의 개구부 직경에 대한 비는 0.6으로 구성하였다. 할로겐 램프는 이중 나선 구조의 필라멘트 형상을 갖고 출력이 2000W인 램프를 사용하였다.

시료봉이 타원경로의 중심에서 상하 방향으로 배치되어, 소결 시료봉이 시료 봉 지지부에서 지지되고, 종자 단결정은 하방에서 육성 단결정 지지부에서 지지되며, 시료봉의 첨단부와 종자 단결정의 첨단부를 대향시켰다.

석영관을 타원경로의 주위에 설치한 후 할로겐 램프를 점등하여 시료봉 및 종자 단결정을 회전시키고 할로겐 램프의 인가 전압을 서서히 상승시킴으로써 각 첨단부를 용융시킨다. 양쪽 모두의 첨단부가 용융된 단계에서 양자를 접근시켜 용융부를 합체시킨다. 안정용융체가 형성된 후 시료봉 및 종자 단결정을 등속으로 천천히 하부로 이동시키면서 시료의 용융과 단결정의 육성을 계속하여, 봉 형태의 단결정을 육성하였다. 용융체는 용이하게 보관 유지할 수 있어 안정한 단결정 육성이 가능하다.

도 5는 용융부에서 수직 방향(봉축 방향)의 온도분포를 나타낸다. 본 실시예에 따른 온도분포는 도 5의 곡선 B로 나타내었으며, 최고도달온도는 약 1000℃로 고온이 유지됨과 동시에 최고도달온도 위치로부터 봉축 방향을 따라 온도가 급격하게 저하됨을 알 수 있다. 또한, 용융부의 원주 방향 최고온도와 최저온도의 차이는 30℃ 이하이다.

반사경 깊이의 개구부 직경에 대한 비에 대해서, 여러 가지 석영유리 재질의 타원경을 이용하여 수직 방향 온도분포를 측정했는데, 비가 0.38 내지 0.75인 경우에는 높은 최고도달온도가 유지되어 수직 방향 온도 구배가 급격한 것을 알 수 있다.

[비교예 1]

이심율이 0.35이고, 반사경 깊이의 개구부 직경에 대한 비가 0.8인 4개의 회전 타원면반사경을 이용했다는 점 이외에는 실시예 1과 동일한 조건으로 타원로를 구성하고, 소결한 구경 20㎜의 시료봉을 용해시켜 용융체를 보관 유지하려고 시도하였으나, 용융체가 곧바로 낙하해서 안정한 용융체를 형성할 수 없었다.

도 5는 용융부에서의 수직 방향(봉축 방향)의 온도분포를 나타낸다. 비교예에 따른 온도분포는 도 5에서 곡선 C로 나타내었으며, 최고도달온도는 약 1000℃으로 고온이었으나 최고도달온도 위치로부터 수직 방향으로 멀리 떨어진 위치에서의 온도가 높으며 온도 구배가 완만함을 알 수 있다.

[비교예 2]

이심율이 0.8이고, 반사경 깊이의 개구부 직경에 대한 비가 0.3인 4개의 회전 타원면반사경을 이용했다는 점 이외는 실시예 1과 동일한 조건으로 타원로를 구성하고 단결정을 육성하였으나 융용부의 온도가 낮고 안정용융체를 얻지 못하고 품질이 양호한 단결정을 얻을 수 없었다.

도 5는 용융부에 있어서의 수직 방향(봉축 방향)의 온도분포를 나타낸다. 비교예 2에 따른 온도분포는 도 5에서 곡선 A로 나타내었으며, 최고도달온도가 큰 폭으로 저하됐음을 알 수 있다.

[실시예 2]

실시예 1의 장치에 대해서, 4개의 회전 타원면반사경을 도 4(a)와 도 4(b)와 같이 하향 경사지도록 배치하여 구성하였다. 회전 타원면반사경의 일측 초점에서 타측 초점까지의 직선의 수평 방향 대한 각도 θ를 30°로 하고 회전 타원면반사경의 반사면에서 반사된 적외선을 기울기 상방에서 시료 용융부에 조사했다.

시료봉이 타원경로의 중심에서 상하 방향으로 배치되며, 구경 25㎜의 소결 시료봉이 시료봉 지지부에 의해 상방에서 지지됨과 동시에 종자 단결정이 하방에서 육성 단결정 지지부에 의해 지지되며, 실시예 1과 동일한 조건으로 용융체를 형성하였다. 타원경로를 천천히 등속으로 상승시키면서 소결 시료봉을 천천히 하부로 등속 이동시키면서 시료의 용융과 단결정의 육성을 계속했는데, 육성 단결정과 용융부 사이의 고액계면의 형상이 볼록한 모양(凸形)이 되지 않고 구경 50㎜의 단결정을 안정하게 육성할 수 있었다.

본 발명의 실시예들에 따른 부유대역용융장치는, 용융부에 있어서의 시료의 원주 방향 온도 구배가 작고, 수직 방향 온도 구배가 급격하며, 충분히 높은 최고도달온도를 얻을 수 있어 안정한 용융 상태를 형성할 수 있는 것과 더불어 기존보다 훨씬 더 대구경 단결정 육성이 가능하다.

Claims

내면이 반사면으로 형성되고 직교축 상에 대향 배치된 4개의 회전 타원면반사경의 일측 초점에 적외선 램프가 구비되고, 상기 반사면에서 반사된 적외선을 타측 초점에 집광하여 시료를 가열하는 적외선 집중 가열식 부유대역용융장치에 관한 것으로,

상기 회전 타원면반사경은 이심율이 0.40 내지 0.65이고, 상기 회전 타원면반사경의 깊이의 개구부 직경에 대한 비가 0.38 내지 0.75인 부유대역용융장치.
제1항에 있어서,

상기 회전 타원면반사경은 유리거울인 부유대역용융장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 회전 타원면반사경은 상기 일측 초점에서 타측 초점까지의 직선이 하향 경사지게 배치되어 상기 반사면에서 반사된 적외선이 상기 기울기에 대해 상방에서 상기 시료에 조사되는 부유대역용융장치.
제3항에 있어서,

6개 또는 8개의 상기 회전 타원면반사경이 등간격으로 배치된 부유대역용융장치.
제3항에 있어서,

상기 회전 타원면반사경을 상기 시료가 배치되는 위치를 중심으로 직경 방향을 따라 수평 이동시키는 위치조절기구를 구비하는 부유대역용융장치.
제3항에 있어서,

단결정 육성부 하측에 가열부가 설치된 부유대역용융장치.
제3항에 있어서,

부유대역용융장치 상측에 원료용해로가 별도로 설치되어, 용해된 원료를 기설정된 양을 낙하시켜 단결정 육성부에 공급하는 기구를 구비하는 부유대역용융장치.
제7항에 있어서,

부유대역용융장치 상측에 설치된 원료용해로에서 단결정 육성부에 용해된 원료를 공급하는 원료도입관 또는 원료도입봉이 구비된 부유대역용융장치.
제3항에 있어서,

단결정 육성부, 원료용해부, 원료 공급부는 진공에서 고압까지 임의의 압력하에서 제어할 수 있는 기구를 구비하고, 분위기를 산화 가스에서 환원 가스까지 임의로 제어할 수 있는 기구를 구비하는 부유대역용융장치.