KR20100032302A - 단결정 인상장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용해물에서 단결정을 인상하는 장치에 관한 것이고, 상기 단결정은 상부 목부와 하부 목부 사이에 확장부를 구비한다. 장치는 인상 케이블을 감기 위한 케이블 드럼을 구비하는 단결정 인상용 인상 기구 및 단결정의 중량에서 상부 목부를 해방시키기 위한 지지 기구를 포함한다. 지지 기구는, 개구 및 그리핑 캐치를 구비하는 지지링으로서, 이 그리핑 캐치는, 서로 대향하고 베어링의 축선을 중심으로 피벗될 수 있게 지지링에 고정되는 한편, 대기 위치에서부터, 개구 안으로 연장되어 확장부 아래로 연장하게 되는 파지 위치로 가역적인 피벗 운동을 실행할 수 있는 것인 지지 링; 그리핑 캐치의 베어링 축선의 양측에서 그리핑 캐치에 고정되는 베어링 케이블 및 보조 케이블을 감기 위한 케이블 드럼; 및 보조 케이블의 케이블 경로를 변화시켜 그리핑 캐치의 피벗 운동이 일어나게 하는 보조 롤러를 포함한다.

Description

단결정 인상장치{DEVICE FOR PULLING A SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 두 개의 목부 사이에 확장부를 구비한 단결정을 용해물에서 인상하는 장치에 관한 것이다.
비용 절감을 위하여, 단결정의 제조에는 가능한 한 가장 큰 결정 직경 및 결정 길이를 얻는 것이 바람직하다. 이는, 초크랄스키법에 따라 산업상 규모로 300 mm의 공칭 직경 및 300 kg을 초과하는 중량으로 인상된 실리콘 단결정의 예에서 특히 명백하게 된다. 450 mm의 공칭 직경을 갖는 단결정을 제조하기 위한 상응하는 공정이 이미 개발되어 있다.
시드 결정(seed crystal)을 용해물에 배치할 때, 열충격은 단결정이 인상될 수 있기 전에 제거되어야 하는 전위를 야기한다. 전위는, 초기 비교적 가는 목부를 인상하여 그 동안에 전위가 결정에서 밀려나게 함으로써 제거되는 것으로 확인되었다. 무거운 단결정의 경우, 특히 300 kg을 초과하는 중량을 갖는 실리콘 단결정의 경우, 목부의 인장 강도가 대체로 너무 약해서 그러한 하중을 견딜 수 없다. 따라서, 하중이 임계점에 이르기 전에 목부를 해방시키는 것이 관용적인 실무가 되었다. 이를 위해, 상부 목부와 하부 목부 사이에 확장부를 생성하도록 목부를 확장시 켰다가 다시 좁아지게 한다. 하부 목부는 상부 목부보다 더 두껍게 구성되고 이에 대응하여 더 큰 인장 강도를 갖는다. 상부 목부를 해방시키기 위해, 확장부 아래에서 맞물리고 적어도 부분적으로 단결정의 중량을 지탱하는 지지 장치가 이용된다. 예로서, 확장부는 쌍원뿔형 또는 구형으로 형성될 수 있다.
US 2008/0022922 A1은 개구 및 그리핑 캐치(gripping catch)를 갖는 지지 링을 포함하고, 그리핑 캐치는 지지링 상에서 서로 대향하게 배치되어 소정 축선을 중심으로 기울어질 수 있게 되어 있는 지지 장치를 개시하고 있다. 그리핑 캐치는 대기 위치에서 파지 위치로 기울어지게 이동할 수 있는데, 파지 위치에서 그리핑 캐치는 개구 안으로 연장되어 확장부 아래로 연장된다. 지지 장치는, 그리핑 캐치가 파지 위치로 비가역적으로 낙하하는 단점을 갖는다. 그리핑 캐치의 그러한 완화되지 않은 낙하는 결정의 계속된 단결정 성장을 위협하는 입자의 생성을 촉진한다. 게다가, 그리핑 캐치는 전위의 발생 후에 결정을 되녹일 수 있도록 하기 위해 대기 위치로 되돌리는 것은 더 이상 불가능할 수 있다.
US 5,843,229에 따르면, 지지 장치가 또한 확장부 아래에 가역적으로 맞물릴 수 있는 방식으로 구현될 수 있다. 이는, 회전점에서 교차하고 유압식 작동 실린더에 의해서 서로를 향해 그리고 서로 떨어지게 움직이는 두 개의 아암을 구비한 그리핑 장치에 의해 달성된다. 이러한 실시예가 갖는 단점은, 아암들이 가위질 형태로 서로를 지나쳐 이동하고, 이에 따라, 성장하는 단결정 근처에서 다량의 입자 형성이 예측됨에 틀림없다는 점이다. 또한, 마찬가지로 실린더가 작동중에 입자를 생성한다. 그러나, 단결정을 보호하기 위해 입자를 저지하는 실드(shield)를 이용하 는 것은 불충분한데, 이는 실드가 아암을 위한 관통부(leadthrough)를 구비할 필요가 있기 때문이다. 또한, 관통부는 아암의 측방향 움직임을 방해하지 못하도록 충분한 폭을 가질 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 성장하는 단결정 근처에서 다량의 입자 형성이 예측되지 않게 하면서, 상부 목부를 가역적으로 경감시킬 수 있는 지지 장치를 구비한 단결정 인상 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 상부 목부와 하부 목부 사이에 확장부를 구비한 단결정을 용해물에서 인상하는 장치로서,
단결정을 인상하고 인상 케이블을 감기 위한 케이블 드럼을 구비하는, 단결정 인상용 인상 기구; 및
단결정의 중량에서 상부 목부를 해방하기 위한 지지 기구
를 포함하고, 상기 지지 기구는,
개구 및 그리핑 캐치를 구비하는 지지링으로서, 이 그리핑 캐치는, 서로 대향하고 베어링의 축선을 중심으로 피벗될 수 있게 지지링에 고정되는 한편, 대기 위치에서부터, 개구 안으로 연장되어 확장부 아래로 연장하게 되는 파지 위치로 가역적인 피벗 운동을 실행할 수 있는 것인 지지 링;
그리핑 캐치의 베어링 축선의 양측에서 그리핑 캐치에 고정되는 베어링 케이블 및 보조 케이블을 감기 위한 케이블 드럼; 및
보조 케이블의 케이블 경로를 변화시켜 그리핑 캐치의 피벗 운동이 일어나게 하는 보조 롤러
를 포함하는, 단결정 인상 장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 장치는 단결정의 상부 목부를 가역적으로 해방시킬 수 있다. 또한, 그리핑 캐치가 단결정 근처에서 입자의 잠재적인 원인으로 고려되지만, 그리핑 캐치는 전위 발생을 거의 일으키지 않도록 제어되고 주의 깊은 방식으로 조절될 수 있다. 파지 위치에서, 그리핑 캐치는 안정적인 하중 전달이 보장되도록 기계적으로 안정적인 방식으로 고정된다.
본 발명에 따라, 두 개 이상의 그리핑 캐치의 군이 지지 링에 피벗 가능하게 장착되고, 각각의 경우에 해당 보조 케이블이 관련된 베어링 케이블에 대해 수직으로 이동함으로 인해 그리핑 캐치의 제어된 가역적인 피벗 운동이 일어나는 방식으로 피벗 운동을 위한 축선의 양측에서 두 개의 케이블(베어링 케이블 및 보조 케이블)에 매달린다. 또한, 그리핑 캐치가 접힌 파지 위치에 있는 상태에서 시드 홀더에 대한 베어링 케이블 및 보조 케이블의 동시 수직 이동은 제어된 하중 전달을 허여한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 두 개의 그리핑 캐치는 공용의 드라이브 샤프트 상에서 작동하는 총 두 개의 케이블 드럼에 감긴 두 개의 베어링 케이블 및 두 개의 보조 케이블에 의해 이동한다. 결과적으로, 모든 케이블 및 그에 따른 전체 지지 기구의 동시 수직 이동을 달성하는 데에 단지 하나의 구동 모터를 필요로 한다. 베어링 케이블에 대해 보조 케이블의 수직 이동을 실행하기 위해서, 각 경우에, 적어도 보조 케이블이 케이블 드럼에서 나온 후에 하나의 안내 롤러를 통해 안내되고, 두 개의 보조 롤러가 구동 장치에 의해서 보조 케이블의 케이블 경로 내로 제어된 방식으로 이동하며, 그 결과 보조 롤러의 케이블 경로를 연장시킨다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 인상 케이블을 감기 위한 케이블 드럼 및 그 구동 장치, 베어링 케이블과 보조 케이블을 감기 위한 케이블 드럼 및 그 구동 장치, 및 보조 롤러 및 그 구동 장치가 인상 케이블의 축선에 대해 회전 운동하는 것으로 설정될 수 있는 공용의 수평 플랫폼에 고정된다. 이러한 구성은, 시드 홀더 및 지지 기구를 회전시키는데에 단지 하나의 구동 모터를 필요로 하고, 회전 운동의 동시화에 대한 문제가 발생하지 않는다는 것을 의미한다.
본 발명은 도면을 참조하여 이하에서 더 상세하게 설명된다.
본 발명에 따른 단결정 인상 장치에 의하면, 성장하는 단결정 근처에서 다량의 입자가 형성되는 것을 방지하면서 상부 목부를 가역적으로 해방시킬 수 있다.
도 1에 따른 장치는 진공 보일러(1)를 포함하고, 그 내부에서 흑연 가열 저항기(2)가 석영 유리 도가니(4) 내에 실리콘 용해물(3)을 생성한다. 실리콘 단결정(5)은 케이블 드럼(7)이 리프팅 모터(9)에 의해 회전하도록 설정되는 경우 케이블 드럼(7)에 감기는 인상 케이블(6)을 이용하여 실리콘 용해물(3)로부터 인상된다. 케이블 드럼(7) 및 리프팅 모터(9)는, 케이블 로터리 헤드라고 불리고 회전 모터(10)에 의해 회전하도록 설정될 수 있어서 인상 케이블(6) 및 단결정(5)이 또한 그 자신의 축선에 대하여 연속적으로 회전할 수 있는 유닛 내에 놓인다. 약 300 kg 이상의 중량을 갖는 무거운 단결정이 인상될 때, 접종(seeding) 후에 충격 전위를 제거하는데 필요한 가는 실리콘 목부(11)의 지탱 능력은 더 이상 충분하지 않아서 그러한 결정의 중량을 위해서는 하중 지지부가 필요하다. 이러한 이유로, 가는 목부(11)의 인상에 이어서 쌍원뿔(13)을 인상하고, 그 후에 그만큼 더 높은 지탱 능력을 갖는 굵은 목부(12)를 인상하고, 이어서, 단결정, 더 구체적으로는, 시작 원뿔, 일정한 지름을 갖는 부분 및 최종 원뿔로 구획된 단결정이 인상된다. 인상 공정 중에 단결정을 지지하고 가는 목부(11)를 기계적으로 해방시키기 위해서, 두 개의 그리핑 캐치가 이하에서 지지 링이라 불리는 환체에 피벗 가능하게 장착된 지지 장치가 이용된다. 지지 링(16) 및 그리핑 캐치는 도 2 및 도 3에서 상세하게 도시된다. 그리핑 캐치는 대기 위치에서 17로 표시되고 파지 위치에서 18로 표시된다. 그리핑 캐치의 안쪽으로 향한 단부는, 그리핑 캐치(18)가 파지 위치에 있을 때 단결정(5)의 쌍원뿔(13)과 접촉될 수 있는 방식으로 구현된다. 각 그리핑 캐치가 두 개의 케이블[베어링 케이블(14), 보조 케이블(15)]에 고정되며 케이블 부착 점이 베어링 축선의 양측에서 그리핑 캐치상에 배치됨으로써, 그리핑 캐치의 피벗 운동이 제어되고 가역적인 방식으로 실행될 수 있다. 그리핑 캐치의 피벗 운동은 케이블(14, 15)의 상대 수직 이동에 의해 유발된다. 지지 장치가 무부하 상태에 있을 때, 보조 케이블(15)이 베어링 케이블(14)에 대해 이동함으로써 그리핑 캐치를 바깥쪽으로 또는 안쪽으로 피벗시키는 데에 이용될 수 있다.
지지 링(16)에는 그리핑 캐치를 위한 정지부가 마련되어 있고, 상기 정지부는 파지 위치에 이르렀을 때 그리핑 캐치(18)가 피벗 운동을 계속하는 것을 막는다. 일단 그리핑 캐치(18)가 파지 위치를 취하면, 그리핑 캐치의 안쪽으로 향한 단부가 단결정(5)의 쌍원뿔(13)과 접촉하게 될 때까지 케이블(14, 15)의 동시 상향 이동을 착수한다. 케이블(14, 15)을 약간 더 상향 이동시킴으로써, 상기 케이블의 탄성 때문에 쌍원뿔(13)에 지지력이 가해지고, 이 지지력은 가는 목부(11)를 해방시킨다. 이러한 상태에서, 베어링 케이블(14)은 단결정의 중량이 지지 링(16) 내의 정지부 및 그리핑 캐치의 베어링에 의해 부분적으로 전달되는, 지지 케이블로서 실질적으로 기능을 한다.
인상 케이블(6)을 감기 위한 케이블 드럼(7) 및 그 스트로크 구동 장치(9)뿐만 아니라 베어링 케이블(14)과 보조 케이블(15)을 감기 위한 케이블 드럼(21) 및 그 스트로크 구동 장치(8)가 공용의 수평 플랫폼(19)에 장착된다(도 4). 플랫폼(19)은 회전 구동 장치(10)에 의해 인상 케이블(6)의 축선을 중심으로 회전하도록 설정된다. 따라서, 구동 장치(8, 9)는 인상 케이블(6)의 수직 이동과 지지 기구의 케이블(14, 15)의 동시 수직 이동을 서로 독립적으로 구동시킬 수 있다. 그리핑 캐치(18)가 단결정(5)의 쌍원뿔(13)과 접촉한 후에 가는 목부(11)의 해방을 제어된 방식으로 시작하도록 의도되기 때문에, 케이블 드럼(7, 21) 위에 안내 롤러(24, 25)를 삽입할 수 있고 안내 롤러를 거쳐 케이블(6, 14, 15)이 지나며 안내 롤러의 베어링이 각각 로드 셀에 연결되어 개개의 케이블의 중량에 기인한 부하에 대한 전자 신호를 언제라도 이용할 수 있다. 모든 케이블(6, 14, 15) 각각이 안내 롤러(24, 25)에 대해 직각으로 연장하는 것을 보장하도록, 케이블 드럼이 측방향으로 변위 가능하고, 적절하다면, 케이블을 감고 풀 때 조정될 수 있도록 케이블 드럼을 구동 샤프트(22, 23) 상에 장착하는 것이 유리하다.
그리핑 캐치를 피벗시키기 위해 케이블(14, 15)을 서로에 대해 이동시키는 것은 각 경우에 하나의 별개 구동 장치와 하나의 별개 케이블 드럼 및 각 베어링 케이블(14)과 각 보조 케이블(15)에 대한 안내 롤러를 이용함으로써 이루어질 수 있다. 그러나, 동일한 그리핑 캐치에 고정된 한 쌍의 케이블(14, 15)을 위한 하나의 공용의 케이블 드럼(21)을 이용하는 것이 특히 유리하다. 이는 관련된 케이블 드럼(21)이 회전할 때 두 케이블(14, 15)의 수직 이동이 완전히 동시에 일어나게 보장한다. 그리핑 캐치를 피벗시키기 위한 상대 운동은 보조 케이블(15)의 케이블 경로 내로 도입되어 상기 케이블 경로를 연장시키는 소형 보조 롤러(27)에 의해 유발된다(도 5). 그리핑 캐치(18)가 완전히 안쪽으로 피벗되어 쌍원뿔(13)과 접촉하는 부하 상태의 지지 시스템의 경우에, 소형 보조 롤러(27)가 보조 케이블(15)의 케이블 경로에서 완전하게 제거되고 따라서 지지 장치의 지지력을 결정하는 중량 측정을 혼란시키지 아니한다(도 4).
모든 케이블 드럼(21)을 위한 공용의 구동 샤프트(23)를 이용하는 것이 특히 유리하며, 이는 모든 케이블(14, 15) 및 그리핑 캐치의 완전하게 동시에 일어나는 수직 이동이 단일 구동 장치(8)를 이용하여 행해질 수 있다는 것을 의미한다. 제2 구동 샤프트(22)는 케이블 드럼(7)의 별도의 구동 장치(9)와 함께 인상 케이블(6)을 감아 올리는 기능을 한다. 따라서, 지지 기구의 인상 케이블(6)로부터 베어링 케이블(14)까지 하중을 전달하는 전체 과정은, 안내 롤러(24, 25)의 부하 측정으로부터의 중량 신호를 고려하여 구동 샤프트(22, 23)용 구동 장치(8, 9)를 제어함으로써 제어될 수 있다. 제3 구동 샤프트(26)는, 비교적 약한 단순한 구동 장치를 이용함으로써, 지지 기구가 무부하 상태에 있는 경우엔 보조 케이블(15)의 케이블 경 로 안으로 소형 보조 롤러(27)의 이동을 유발하기 위해 비교적 약한 단순한 구동 장치를 이용할 수 있다(도 5). 이로 인해, 보조 케이블(15)이 베어링 케이블(14)에 비해 정해진 거리만큼 위쪽으로 이동하여, 그리핑 캐치가 바깥쪽으로 피벗하게 한다. 그리핑 캐치(17)의 대기 위치에서, 모든 케이블(14, 15)을 동시에 상향 이동시킴으로써, 지지 기구를 정지 위치로 이동시킬 수 있다.
도 1은 실리콘 단결정을 제조하기 위한 바람직한 구성의 본 발명에 따른 장치를 도시한다.
도 2는 대기 위치에서 그리핑 캐치를 갖는 지지 링을 도시한다.
도 3은 파지 위치에서 그리핑 캐치를 갖는 지지 링을 도시한다.
도 4는 그리핑 캐치가 파지 위치에 있는 상태에서 인상 장치 및 지지 장치의 요소를 도시한다.
도 5는 그리핑 캐치가 대기 위치에 있는 상태에서 인상 장치 및 지지 장치의 요소를 도시한다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 진공 보일러 2: 저항기
3: 용해물 4: 도가니
5: 단결정 6: 인상 케이블
7: 케이블 드럼 8, 9: 구동 장치
10: 회전 모터 14, 15: 케이블
16: 지지 링 17, 18: 그리핑 캐치
21: 케이블 드럼 22, 23: 구동 샤프트
24, 25: 안내 롤러 26: 구동 샤프트
27: 보조 롤러

Claims (5)

  1. 상부 목부와 하부 목부 사이에 확장부를 구비한 단결정을 용해물에서 인상하는 장치로서,
    단결정을 인상하고 인상 케이블을 감기 위한 케이블 드럼을 구비하는, 단결정 인상용 인상 기구; 및
    단결정의 중량에서 상부 목부를 해방하기 위한 지지 기구
    를 포함하고, 상기 지지 기구는,
    개구 및 그리핑 캐치를 구비하는 지지링으로서, 이 그리핑 캐치는, 서로 대향하고 베어링의 축선을 중심으로 피벗될 수 있게 지지링에 고정되는 한편, 대기 위치에서부터, 개구 안으로 연장되어 확장부 아래로 연장하게 되는 파지 위치로 가역적인 피벗 운동을 실행할 수 있는 것인 지지 링;
    그리핑 캐치의 베어링 축선의 양측에서 그리핑 캐치에 고정되는 베어링 케이블 및 보조 케이블을 감기 위한 케이블 드럼; 및
    보조 케이블의 케이블 경로를 변화시켜 그리핑 캐치의 피벗 운동이 일어나게 하는 보조 롤러
    를 포함하는 것인 단결정 인상 장치.
  2. 제1항에 있어서, 인상 케이블의 축선을 중심으로 회전하는 플랫폼상에 인상 케이블을 감기 위한 케이블 드럼, 베어링 케이블과 보조 케이블을 감기 위한 케이 블 드럼, 및 보조 롤러가 장착된 것을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 동일한 그리핑 캐치에 고정된 베어링 케이블 및 보조 케이블을 감기 위한 공용의 케이블 드럼을 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 베어링 케이블 및 보조 케이블을 감기 위한 케이블 드럼의 공용의 구동 장치를 특징으로 하는 단결정 인상 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 따른 장치를 이용한 단결정의 인상 방법.
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