KR20100100920A - 부유대역 용융장치 - Google Patents

Abstract

대구경 시료봉의 용융을 안정되게 실시할 수 있어서, 육성되는 결정의 고액계면 형상을 평평하게 유지하여 대구경 단결정을 육성할 수 있는 부유대역 용융장치를 제공하기 위한 것이다. 부유대역 용융장치는, 투명 석영관으로 형성된 시료실 내부에 시료를 배치함과 더불어, 상기 시료실 내부로 분위기 가스를 유입시키고, 이와 같은 상태에서 복수의 적외선 조사 수단에서 조사된 적외선을 상기 시료에 집광시킴으로써 시료를 가열 용융하여 융액을 형성하고, 상기 융액을 종자결정 상에 고체화시킴으로써 단결정을 육성하는 적외선 집중 가열식 부유대역 용융장치이며, 상기 복수의 적외선 조사 수단은 하향 경사지게 적외선을 조사하는 복수의 하방조사형 적외선 조사 수단과 상향 경사지게 적외선을 조사하는 복수의 상방조사형 적외선 조사 수단으로 구성된다.

Description

부유대역 용융장치{FLOATING-ZONE MELTING APPARATUS}

본 발명은, 예를 들어, 봉상 시료의 일부에 적외선을 조사하여 가열·용융시키고, 이것을 종자결정(seed crystal) 등의 상에 고체화시킴으로써 막대 모양의 단결정을 육성하는 적외선 집중 가열식 부유대역 용융장치에 관한 것이다.

타원면반사경(이하, '타원거울'이라 한다.)의 한쪽 초점 위치에 할로겐 램프, 크세논 램프 등의 적외선 램프가 구비된 적외선 램프 유닛을 마련하고, 상기 적외선 램프 유닛에서 방사된 적외선을 집광하여 다른 한쪽의 초점 위치에 모으고, 상기 장소에 구비된 고체 시료(예를 들어, 막대 모양의 시료(棒狀試料))를 국부 가열하여 용융·석출시키고, 단결정을 형성하는 방법을 부유대역 용융법이라고 하며, 지금까지 이와 같은 방법을 이용한 다양한 부유대역 용융장치나 응용예가 보고되고 있다.

상기 부유대역 용융법은 도가니 등의 용기를 사용하지 않고 시료를 용융·석출할 수 있기 때문에 도가니 재질 등으로 인한 오염이 없고, 또한 봉상 시료(봉상 시료를, 이하, '시료봉'이라고 한다.)의 용융·석출을 계속할 수 있어서 균질 조성을 갖고 제조된 봉상 시료로부터 균질 조성의 단결정을 육성할 수 있는 우수한 방법이다.

한편, 공업적으로 사용되고 있는 단결정 육성 방법은 인상법이 사용된다. 상기 인상법은 원료를 백금, 이리듐 등의 귀금속제 도가니에 넣어 용융시키고, 이러한 용융액에 종자결정을 침잠시키고, 성장시키면서 인상하여 대형 단결정을 육성하는 방법이다.

그러나 인상법에서는 도가니 재질이 결정 중에 불순물로 혼입되는 것과 첨가물질의 농도가 일정하게 되지 않는 것 등의 결점이 있었다.

이러한 이유 때문에, 부유대역 용융법에 의해 대형 단결정을 육성할 수 있게 되면, 이러한 방법은：

(1) 도가니를 사용하지 않기 때문에 비용이 절감되고,

(2) 도가니로부터의 오염이 없기 때문에 고순도 단결정 제품을 작성할 수 있으며,

(3) 균질 조성의 원료를 사용하면 균질 조성의 단결정을 육성할 수 있는

등의 이점을 가지고, 공업적으로도 유리한 방법이 된다.

다음으로, 상기한 부유대역 용융법을 이용한 쌍타원거울 형태의 부유대역 용융장치에 대해서, 도 8에 도시한 개념도를 참조하여 설명한다.

쌍타원거울 형태의 부유대역 용융장치(100)는, 타원거울(108)을 봉상 시료(102)의 좌우에 1개씩 배치하고, 각각의 초점 위치에 장착된 적외선 램프(110)의 빛을 각각의 제2 초점을 공유시킨 중심 위치에 모으고, 이 위치에서 봉상 시료(102)를 용융시킴으로써, 봉상 시료(102)의 용융·석출을 계속함에 따라 단결정을 육성하는 것이다. 덧붙여, 도 8에서 미설명 도면 부호 106은 용융 부분이고, 104는 육성 결정이다.

부유대역 용융장치(100)는 도면 상에서 앞쪽 방향과 뒤쪽 방향으로는 빛이 조사되지 않기 때문에, 예를 들어, 직경 10 ㎜의 봉상 시료(102)의 표면에 온도 검출 단자를 장착하고, 봉상 시료(102)를 회전시키지 않은 상태에서 봉상 시료(102)에서 용융되고 있는 부분의 온도 분포를 측정하면 적외선 램프(110)에 대향된 방향(도면 상에서 좌우 방향)과 그 직각 방향(도면 상에서 앞쪽과 뒤쪽) 사이에 온도 차가 커서 균질한 용융·석출이 곤란하다는 결점이 있었다.

여기서, 이러한 결점을 보완하기 위해서, 쌍타원거울 형태의 부유대역 용융장치(100)의 앞쪽과 뒤쪽에도 적외선 램프를 장착하여 합계 4개의 타원거울을 구비하는 4 타원거울 형태의 부유대역 용융장치(미도시)가 개발되었다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조).

상기 장치는, 쌍타원거울 형태의 부유대역 용융장치(100)와 비교해서 수평 방향의 온도 분포가 현격히 개선되어 양질의 단결정 육성이 가능하다.

그러나 상기 4 타원거울 형태의 부유대역 용융장치를 이용해서 직경이 1 인치 정도까지의 단결정 밖에 합성하지 못하므로, 연구용으로는 충분할 수 있으나, 공업적으로 적어도 최소 필요한 직경 4 인치(약 100 ㎜) 이상의 대구경 단결정의 육성은 매우 곤란했다.

가장 큰 이유는, 적외선에 의해서 시료를 용융하는 것은 시료에 적외선이 흡수되는 것인데, 이로 인해 표면에서 흡수가 진행됨에 따라 적외선의 강도(혹은 양)가 감소하여, 대량의 융액을 형성하려고 해도 중심 위치까지 적외선이 도달할 수 없어서 중심부의 온도가 상승되지 않고, 대량의 융액을 형성할 수 없기 때문에 대구경 단결정을 육성할 수 없다.

또한, 종래의 방법에서는, 비교적 대량의 융액을 형성할 수 있었다고 해도, 융액이 낙하해서 안정적으로 유지할 수 없기 때문에 안정적인 단결정 육성을 할 수 없었다.

한편, 도 9에 도시한 바와 같이, 4개의 타원거울(108)을 비스듬하게 배치하여 봉상 시료(102)에 하향 경사지게 적외선을 조사할 수 있는 경사 4 타원거울 형태의 부유대역 용융장치(200)가 개발되어, 상기 장치에 의해 융액의 낙하를 억제하면서 대량의 융액을 형성시키고, 대구경의 단결정 육성을 가능하게 했다(예를 들어, 특허 문헌 2 참조).

특허 문헌 1: 일본공개특허 제9-235171호 공보 특허 문헌 2: 일본공개특허 제2007-99602호 공보

그러나 실제로 상기 경사 4 타원거울 형태의 부유대역 용융장치(200)를 이용하여 단결정을 육성하면, 하향 경사지게 조사되는 적외선 조사에 의해 대량의 융액을 유지하는 것(융액의 낙하를 억제하고 단결정을 대구경으로 육성하는 것)은 용이하지만, 봉상 시료의 용융이 곤란하다는 문제점이 있었다.

또한, 대량의 고융점 물질의 융액을 적외선 램프(110)만으로 형성시키려면, 적외선 램프(110)의 부하가 크게 형성된다. 즉, 적외선 램프(110)의 출력을 크게 하려면 필라멘트의 온도를 올리거나 필라멘트의 크기를 증가시킬 수 있다. 그러나 필라멘트의 온도를 올리는 것은 실질적으로 한계가 있으며, 또한, 필라멘트의 크기를 증가시키는 경우에는 집광부의 크기가 확대되어서 융액의 온도를 올리는 효과가 저하되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 새로운 부유대역 용융장치의 개발이 요구되고 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 상술한 현상을 해결하기 위해서, 대구경 시료봉의 용융을 안정적으로 실시할 수 있어서 육성되는 단결정의 고액계면 형상을 평평하게 유지하고, 대구경 단결정을 육성할 수 있는 부유대역 용융장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 적외선 램프의 부하를 가능한 절감시키기 위한 것으로, 실질적으로 대구경 단결정 육성이 가능한 부유대역 용융장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 본 발명의 실시예들은 전술한 종래 기술의 과제 및 목적을 달성하기 위해 발명된 것으로, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

투명 석영관으로 형성된 시료실 내부에 시료를 배치함과 더불어, 상기 시료실 내부로 분위기 가스를 유입시키고, 이와 같은 상태에서 복수의 적외선 조사 수단에서 조사된 적외선을 상기 시료에 집광시킴으로써 시료를 가열·용융하여 융액을 형성하고, 상기 융액을 종자결정 상에 고체화시킴으로써 단결정을 육성하는 적외선 집중 가열식 부유대역 용융장치이며, 상기 복수의 적외선 조사 수단은 하향 경사지게 적외선을 조사하는 복수의 하방조사형 적외선 조사 수단과 상향 경사지게 적외선을 조사하는 복수의 상방조사형 적외선 조사 수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.

이와 같이, 상부에서 하부로(하향) 및 하부에서 상부로(상향)와 같이 2종류의 방향에서 적외선을 조사함으로써, 하향 적외선 조사에 의해 육성 결정의 고액계면 제어를 실시하고, 상향 적외선 조사에 의해 시료를 효율적이고 안정적으로 용융할 수 있으며, 한편, 형성된 대량의 융액과 육성 결정의 고액계면의 형상 제어를 실시함으로써 대구경 단결정을 안정적으로 육성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 복수의 하방조사형 적외선 조사 수단과 복수의 상방조사형 적외선 조사 수단이 상기 시료의 축을 중심으로 등간격으로 구비되고, 2단의 적외선 조사 수단을 상부에서 보았을 때 등간격으로 구비된 복수의 하방조사형 적외선 조사 수단의 각 간격 사이에 하나의 상방조사형 적외선 조사 수단이 위치하도록 각각의 위치를 엇갈리게 배치한 것을 특징으로 한다.

이와 같이 등간격으로 배열된 하방조사형 적외선 조사 수단의 각 간격 사이에 하단에 배열된 상방조사형 각 적외선 조사 수단을 배치하면 서로 배열된 사이의 각도를 접근시킬 수 있어서 전체 집광효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 적외선 조사 수단이 내면을 반사면으로서 사용하는 회전 타원면반사경이며, 한쪽 초점에 적외선 램프가 구비된 적외선 램프 유닛인 것을 특징으로 한다.

이와 같이 적외선 조사 수단이 적외선 램프 유닛인 경우, 필요한 조사량의 적외선을 효율적으로 발생시킬 수 있으며, 더불어, 적외선 램프의 교환만으로 반복 사용이 가능하므로 비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 적외선 조사 수단이,

레이저에 의해서 적외선을 방사하는 레이저 발진기인 것을 특징으로 한다.

이와 같이 적외선 조사 수단이 레이저 발진기인 경우, 지향성이 높기 때문에 상기 적외선 램프 유닛과 같이 회전 타원면반사경을 이용할 필요가 없고, 예를 들어, 시료의 핀 포인트를 확실하게 용융시킴으로써 대량의 융액을 안정적으로 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 하방조사형 적외선 조사 수단과 상방조사형 적외선 조사 수단이 각각 독립적으로 그 위치 제어가 가능하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 상향 및 하향으로 배치된 회전 타원면반사경을 각각 독립적으로 제어 가능하게 하면, 시료의 가열·용융 상태를 조정하고, 단결정의 직경 및 육성 속도를 조정할 수 있다. 더구나, 예를 들어, 회전 타원면반사경 하나하나를 제어함으로써, 육성되는 단결정의 형상을 조정할 수 있으며, 원주 형태나 각기둥 형태 등의 형상을 갖는 대구경 양질의 단결정을 육성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 하방조사형 적외선 조사 수단과 상방조사형 적외선 조사 수단이 각각 독립적으로 적외선의 조사 각도 및 조사량을 조정할 수 있는 조사 위치 조정기구가 구비된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 조사 위치 및 조사량 조정기구가 구비되면, 시료의 재질 및 상태에 따라 용융 상태를 조정하면서 육성 결정의 고액계면 형상을 조정할 수 있어서 대구경의 단결정을 안정적으로 육성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 적외선 조사 수단에,

상기 시료가 배치되는 위치를 중심으로 방사 방향으로 수평 이동시키는 수평 위치 조정기구가 구비된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 수평 위치 조정기구가 구비되면, 초점 위치를 시료의 굵기, 광흡수 특성 및 육성되는 단결정의 구경에 대응되는 최적의 위치에 용이하게 배치할 수 있어서, 단결정의 구경에 대응되는 최적의 광학 배치를 함으로써 안정적으로 단결정을 육성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 시료의 주위를 둘러싸도록 관 모양의 시료 가열 수단이 구비된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성하면, 시료봉의 온도를 미리 고온으로 유지하는 것이 가능하고, 예를 들어, 고융점의 시료봉을 적외선 조사 수단만으로 용융시키는 경우보다 안정적으로 단결정 육성이 가능하다.

또한, 상기 관 모양의 시료 가열 수단에 적외선이 조사되어도 상기 관 모양 시료 가열 수단에 의해 적외선이 흡수되어 시료에는 도달하지 않는다.

이러한 이유 때문에, 시료봉에 비스듬하게 적외선이 조사되어 용융이 완만하게 진행되며, 불연속적인 용융으로 인해 조성 변동의 원인이 되어 균질 조성의 단결정 육성을 곤란하게 하는 것을 억제함으로써, 고품질의 단결정 육성이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 시료 가열 수단의 위치를 제어하는 위치 제어 기구가 구비된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 시료 가열 수단의 위치를 제어할 수 있으면, 시료봉의 용융 개소에 맞추어 시료 가열 수단을 이동시킬 수 있으며, 이로 인해 항상 시료봉의 필요한 개소에만 적외선을 조사하여 시료봉을 용융할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 육성 결정의 주위를 둘러싸도록, 관 모양의 결정 가열 수단이 구비된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성하면, 단결정의 고액계면 근방의 온도를 고온으로 유지하기 위한 열량을 적외선 조사 수단에만 의지하지 않고, 결정 가열 수단에서 조사되는 열량에서 단결정 육성에 필요한 열량을 보충함으로써 고온 유지에 유리하고, 대구경의 단결정을 육성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 결정 가열 수단의 위치를 제어하는 위치 제어 기구가 구비된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 결정 가열 수단의 위치를 제어할 수 있으면, 단결정의 육성 상태에 맞추어 결정 가열 수단을 이동시킬 수 있으며, 동시에 상기 결정 가열 수단에 의해 하부에서 상부로 조사되는 적외선을 필요에 따라서 차폐시키는 것이 가능하고, 육성 결정 측의 고액계면 형상의 용이하므로 양질의 대구경 단결정을 육성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 시료 및 육성 결정의 주위에, 상기 적외선 조사 수단에서 조사되는 적외선의 조사량을 제한하는 차폐부재를 구비하여 육성 결정의 회전 및 이동과 동기시키는 것을 가능하게 하는 기구가 구비된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성하면, 단결정 육성 시 편평하게 되고 대구경화가 곤란한 재질의 경우에도 단결정이 육성되는 각도에 따라 육성 결정과 동기시켜 차폐부재를 회전 이동시킴으로써 항상 일정 방향에서 적외선 조사량을 제한할 수 있다. 이로 인해, 예를 들어, 원주 형태나 각기둥 형태 등의 형상을 갖는 단결정을 육성할 수 있으며, 대구경의 단결정을 육성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 시료실의 내벽과 시료와의 사이에,

상기 시료의 가열·용융 시 발생하는 증발물을 상기 분위기 가스와 함께 시료실 외부로 효율적으로 배출하기 위한 투명 석영 재질의 가스도입관이 구비된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성함으로써, 시료의 가열·용융 시 발생하는 증발물을 분위기 가스와 함께 효율적으로 시료실 외부로 배출시킴으로써, 투명 석영관 재질로 형성된 시료실의 내벽에 증발물에 의한 석출물이 부착되는 것을 방지하고, 안정적으로 단결정을 육성할 수 있다.

또한, 가스도입관을 마련함으로써, 상기 가스도입관과 시료 혹은 샤프트(shaft) 형태의 시료 지지부 사이의 간격을 통상의 사용에 지장이 발생하지 않을 정도로 작게 할 수 있어서, 분위기 가스의 공급량을 그만큼 증가시키지 않더라도 상대적으로 분위기 가스의 가스도입관 내부의 유속을 증대시키는 것이 가능하다.

이로 인해, 용융부에서 발생하는 증발물에 의한 미립자는 분위기 가스와 함께 급속하게 시료실 외부로 배출되므로, 투명 석영 관 재질의 시료실 내벽에 증발물의 부착은 물론, 상기 가스도입관 내벽에 부착되는 것도 억제할 수 있으며, 장시간 안정적으로 사용 가능하다.

한편, 가스도입관을 투명 석영 재질로 형성함으로써, 적외선 조사 수단에서 조사되는 적외선을 차폐하지 않고, 가스도입관의 하부를 용융부에 접근시켜 단결정을 육성하는 것이 가능하여, 증발물의 배출 효과를 한층 증가시키는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 가스도입관의 상기 시료의 가열·용융되는 측에 위치하는 단부의 형상이 다른 부위보다 확장 형성된 것을 특징으로 한다.

즉, 가스도입관의 내경과 시료 혹은 시료를 지지하는 샤프트 형태의 시료 지지부의 굵기와의 간격을 작게 할수록, 분위기 가스의 유속을 증대시킬 수 있어서 증발물의 배출 효과를 증가시킬 수 있으나, 가스도입관의 내경이 작아질수록 증발물을 유입시키는 효과가 감소되는 결점이 있었다.

여기서, 이러한 결점을 극복하기 위해서 가스도입관의 내경은 가능한 한 최소한으로 작게 형성하는 한편, 증발물의 유입 효과를 최대화하기 위해서 가스도입관의 첨단부를 다른 부분보다 확장된 형태의 증발물 집적관을 형성하는 것이 효과적이다.

이러한 형상의 가스도입관을 마련하여, 상기 가스도입관의 하부를 용융부에 접근시켜 배치함으로써, 시료봉의 가열·용융 시 발생하는 증발물의 대부분을 가스도입관 내부로 도입하여 시료실 외부로 배출할 수 있다.

이로 인해, 시료실 내부에 잔류하여 투명 석영관 재질의 시료실 내벽에 부착되는 석출물의 양을 효과적으로 절감하는 것이 가능하다.

이로 인해, 증발하기 쉬운 물에 대한 장시간의 단결정 육성의 경우에도, 투명 석영관 내벽은 대부분 석출물이 부착되지 않고, 장시간 안정적으로 단결정 육성이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 가스도입관의 내부를 통과하는 분위기 가스의 유속이 10 ㎝/s 이상의 속도로 분위기 가스를 도입할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

즉, 용융부로부터 자연스럽게 증발하는 증발물은 열에 의한 대류로 인해 위쪽으로 흘러서 확산하여 주위의 투명 석영관 내벽에 부착된다.

이 때, 분위기 가스의 유량이 크고 유속이 큰 경우에는 상기 증발물은 분위기 가스와 함께 시료실 외부로 배출된다.

이로 인해, 가스도입관 내부를 통과하는 분위기 가스의 유속이 10 ㎝/s 이상이 되도록 분위기 가스를 도입하면, 투명 석영관 내벽에 석출물의 부착을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 시료실 내부에서 배출된 분위기 가스를 다시 시료실 내부로 공급하는 순환 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 순환 장치가 구비되면, 고가의 분위기 가스를 낭비 없dl 사용할 수 있어 단결정 육성에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따른 부유대역 용융장치는,

상기 순환 장치가,

상기 분위기 가스와 함께 배출되는 상기 시료의 가열·용융 시 발생하는 증발물을 필터 부재로 분리하여 상기 분위기 가스만을 상기 시료실 내부로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이러한 순환 장치에 따르면, 증발물을 분위기 가스와 함께 시료실 외부에 배출하여, 필터 부재로 증발물을 분리한 분위기 가스만을 순환시킬 수 있기 때문에, 석영관으로 형성된 시료실의 내벽을 항상 청정한 상태에 유지하여 안정적으로 단결정 육성을 계속할 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 하향 경사진 방향과 상향 경사진 방향과 같이 2 종류의 방향에서 시료에 적외선이 조사되도록 복수의 적외선 조사 수단을 2단으로 배치하고, 각각을 독립적으로 제어하면서 실제 용융 성질과 상태에 맞추어 각각의 적외선 조사 각도 및 적외선 조사량을 제어함으로써, 대구경 시료봉을 이용하여 대구경 단결정을 육성하는 부유대역 용융장치를 제공할 수 있다.

또한, 시료 가열 수단과 결정 가열 수단을 마련함으로써 적외선 조사 수단에 걸리는 부단을 경감할 수 있는 부유대역 용융장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하방조사형과 상방조사형 양쪽의 적외선 램프 유닛을 구비한 부유대역 용융장치의 제1 실시예에 따른 개략도이다.
도 2는 본 발명의 하방조사형과 상방조사형 양쪽의 적외선 램프 유닛을 구비한 부유대역 용융장치의 제2 실시예에 따른 개략도이다.
도 3은 본 발명의 하방조사형과 상방조사형 양쪽의 적외선 램프 유닛을 구비한 부유대역 용융장치의 제3 실시예에 따른 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시한 부유대역 용융장치의 표면도이며, 도 4a 및 도 4b는 차폐부재의 실시예에 따른 개략도이다.
도 5는 본 발명의 하방조사형과 상방조사형 양쪽의 적외선 램프 유닛을 구비한 부유대역 용융장치의 제4 실시예에 따른 개략도이다.
도 6은 제4 실시예에 따른 가스도입관의 단부의 형상을 다른 부위보다 확장시킨 상태를 도시한 개략도이다.
도 7은 본 발명의 하방조사형과 상방조사형 양쪽의 적외선 램프 유닛을 구비한 부유대역 용융장치의 제5 실시예에 따른 개략도이다.
도 8은 봉상 시료의 일측 및 타측에 타원거울을 구비하고, 적외선을 시료의 수평 방향에서 조사하도록 한 종래의 4 타원거울 형태의 부유대역 용융장치의 설명도이다.
도 9는 4 타원거울을 경사지게 구비하여, 적외선을 시료의 하향 경사지게 조사하도록 한 종래의 경사 4 타원거울 형태의 부유대역 용융장치의 설명도이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략될 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 하방조사형과 상방조사형 양쪽의 적외선 조사 수단을 구비한 부유대역 용융장치의 제1 실시예에 따른 개략도이며, 적외선 조사 수단으로서 적외선 램프 유닛을 구비하는 부유대역 용융장치다.

본 발명의 부유대역 용융장치는, 예를 들어, 봉상 시료의 일부에 적외선을 조사하여 가열·용융시키고, 종자결정 등의 상에 고체화시킴으로써 막대 모양의 단결정을 육성하는 것이다.

덧붙여, 본 명세서 중에서 기재된 하방조사형의 「하방」이란 수평선을 기준으로서 0° ~ 90°의 범위를 가리키는 것이고, 상방조사형의 「상방」이란 수평선을 기준으로서 0° ~ -90°의 범위를 가리키는 것이며, 각각 수평 방향 및 수직 방향을 제외하는 것은 아니다.

또한, 본 명세서 중에서 「종자결정」이란 부유대역 용융장치를 사용하여 대구경의 단결정을 육성하는데 있어서 결정의 최초의 형태를 가리키는 것이고, 「육성 결정」이란 육성중의 단결정을 가리키는 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 부유대역 용융장치(10a)는 투명 석영관으로 형성된 시료실(30) 내부에 시료봉(12)을 배치시키고, 상기 시료실(30) 내부에 분위기 가스(32)를 유입시켜 상기 상태로 복수의 적외선 램프 유닛(21)에서 조사된 적외선을 시료봉(12)에 집광시켜 시료봉(12)을 열 용융함으로써 융액을 형성하고, 상기 융액을 종자결정 상에 고체화시켜 단결정을 육성하도록 구성된다.

덧붙여, 복수의 적외선 램프 유닛(21)은 회전 타원면반사경(18)(이하, '타원거울(18)'이라 한다)으로 적외선 램프(20) 등으로 형성되며, 시료봉(12)을 둘러싸도록 배치된다.

그리고 상기 적외선 램프 유닛(21)은 시료봉(12)이 위치하는 중심 위치에 있어 그 초점을 서로 공유한다.

적외선 램프 유닛(21)의 각 타원거울(18)에서 집광측과 반대측의 초점 위치에는 적외선 램프(20)이 배치되어, 상기 적외선 램프(20)의 필라멘트로부터 방사된 적외선을 타원거울(18)에서 반사되어 타측의 초점으로 집광되어 시료봉(12)을 가열한다.

또한, 적외선 램프(20)로는 할로겐 램프, 크세논 램프 등의 적외선 램프가 사용 가능하다.

이와 같이 구성되는 복수의 적외선 램프 유닛(21)은 일측 초점에서 타측 초점까지의 직선이 하부 방향으로 경사지도록 배치된 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a)과 일측 초점에서 타측 초점까지의 직선이 상부 방향으로 경사지도록 배치된 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b) 등으로 구성된다.

우선, 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a)은, 타원거울(18)의 반사면에서 반사된 적외선이 하향 경사지게 시료봉(12)에 조사되도록 구비된다. 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a)의 구비 개수는 4개 이상일 수 있으나, 상기 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a)의 수가 이로 인해 한정되는 것은 아니며, 실질적으로 다양하게 변경이 가능하다.

한편, 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)은 타원거울(18)의 반사면에서 반사된 적외선이 상향 경사지게 시료봉(12)에 조사되도록 구비된다. 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)의 구비 개수는 4개 이상일 수 있으나, 이로 인해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)의 수는 실질적으로 다양하게 변경 가능하다.

이러한 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a) 및 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)은 시료봉(12)을 중심으로 등간격으로 구비되고, 본 실시예에서는 각 4개씩의 적외선 램프 유닛이 90° 간격으로 구비된다.

덧붙여, 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a) 및 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)에는 적외선의 조사 각도 및 조사량을 조정하는 조사 위치 조정기구(미도시)가 구비되고, 이것에 의해 시료봉(12)의 크기·재질, 시료봉(12)에 조사하는 적외선의 조사 각도·조사량 등에 맞추어 필요한 위치에 적외선 램프 유닛(21a, 21b)을 구비할 수 있다.

또한, 조사 위치 조정기구 외에, 시료봉(12)이 배치되는 위치를 중심으로 방사 방향으로 수평 이동시키는 수평 위치 조정기구(미도시)도 구비될 수 있으며, 이러한 2 종류의 위치 조정기구에 의해, 적외선 램프 유닛(21a, 21b)의 위치를 원하는 위치에 구비할 수 있다.

이러한 위치 조정기구에 의해서, 적외선 램프 유닛(21a, 21b)의 타원거울(18)의 반사면에서 반사된 적외선이 하향 경사지게 및 상향 경사지게 각각 단결정 성장부 및 시료봉(12)의 용융부(16)에 조사되어 단결정의 구경이 큰 경우에도 육성 결정(14)에서 용융부(16)와의 고액계면의 형상을 안정시킬 수 있다.

특히, 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a)은, 적외선 램프(20)의 조사량이나 조사 위치를 조정함으로써, 시료봉(12)의 용융된 융액이 육성 결정(14) 상에서 낙하하는 것을 방지할 수 있다. 즉, 육성 결정(14)의 고액계면 상태를 이러한 위치 조정기구로 항상 컨트롤함으로써 대구경의 단결정이 완성될 때까지 결정을 육성할 수 있다.

또한, 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)은, 시료봉(12)의 용융부(16)에 적외선을 조사함으로써, 시료봉(12)의 용융을 특화시켜 대량의 융액을 안정적으로 형성할 수 있다.

그리고 이러한 적외선 램프 유닛(21a, 21b)을 각각 독립적으로 제어함으로써, 대구경의 시료봉(12)에서, 예를 들어, 직경이 100 ㎜ 정도의 대구경의 단결정을 형성할 수 있다. 적외선 램프 유닛(21a, 21b)의 제어는, 예를 들어, 공지의 제어장치 등을 별도 마련함으로써 각각 독립적으로 제어가 가능하다.

또한, 본 실시예에 있어서, 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a)과 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)을 모두 4개씩 사용하여 구성되지만, 수에 의해 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 6개씩에서 사용하는 것도 가능하다. 덧붙여 각각의 적외선 램프 유닛(21a, 21b)의 배치 각도는 4개의 경우에는 90° 어긋나게 배치하고, 6개의 경우에는 60°씩 어긋나게 배치할 수 있다.

덧붙여, 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a)에서 서로 이웃한 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a)들의 간격 사이에, 하단에 위치하는 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)을 배치함으로써, 서로의 각도를 접근시킬 수 있어 전체의 집광효율을 올릴 수 있다.

또한, 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a) 및 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)의 구비 각도에 있어서, 상술한 바와 같이, 하방조사형은 수평선을 기준으로서 0° ~ 90°의 범위, 상방조사형은 수평선을 기준으로서 0° ~ -90°의 범위이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 하방조사형은 수평선을 기준으로서 25° ~ 35°의 범위, 상방조사형은 수평선을 기준으로서 0° ~ -5°의 범위를 사용할 수 있다.

이러한 각도에 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a) 및 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)을 구비함으로써, 융액의 보관 유지가 용이해져, 안정된 단결정의 육성이 가능함과 더불어, 시료가 완만하게 용융되는 현상을 억제는 현상을 억제할 수 있어서 고액계면이 안정되어, 고품질인 단결정의 육성이 용이하다.

또한, 적외선 램프 유닛(21a, 21b)에 적용되는 타원거울(18)의 재질, 형상, 제조 방법 등은, 예를 들어, 특허 문헌 2에 기재되어 있는 것과 같은 공지 구성을 채용하는 것이 가능하다.

다음으로, 부유대역 용융장치(10a)에 의한 단결정의 육성 방법에 대해 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 부유대역 용융장치(10a)는 석영관으로 형성된 시료실(30)이 형성되고 시료봉(12)은 시료실(30) 내부에 수용된다. 또한, 부유대역 용융장치(10a)는 압력 제어 수단 및 분위기 제어 수단이 구비되어 시료실(30) 내부를 진공 상태로 형성하거나 혹은 분위기 가스(32)를 유동시킬 수 있다.

시료봉(12)은 상기 석영관으로 형성된 시료실(30) 내부에서 집광측의 초점 위치를 통과하도록 상하 방향으로 구비되고, 더불어, 단부측이 샤프트 형태의 시료봉 지지부(미도시)에 의해 지지된다.

한편, 육성 결정(14)을 성장시키는 종자결정은 그 하단측이 샤프트 형태의 육성 결정 지지부(미도시)에 의해 지지된다.

상기 각 지지부는 구비된 구동부를 개입시켜 구동장치에 의해 상하 방향으로 이동 및 시료봉(12)의 축을 중심으로 한 회전을 할 수 있다.

상기 각 부재는 수납체 내부에 수납되어 별도의 제어반에 의해 조작자가 시료봉(12)의 이동과 함께 적외선 램프 유닛(21a, 21b)의 타원거울(18)의 위치 조정이나 적외선 램프(20)의 전압 조정 등의 각 조작을 실시할 수 있다.

수납체 내부에는 용융 영역을 촬영하는 CCD 카메라가 구비되어 조작자가 용융 영역을 관찰하면서 적외선 램프(20)의 인가 전압 등을 제어할 수 있다.

덧붙여, 적외선 램프 유닛(21a, 21b)의 적외선 램프(20) 및 타원거울(18)은, 예를 들어, 팬 등을 이용한 공냉 등의 방식으로 냉각될 수 있다.

단결정의 육성 개시 시에는, 시료봉 지지부에 의해 지지되는 시료봉(12)의 첨단부와 육성 결정 지지부에 의해 지지되는 종자결정의 첨단부를 대향시켜, 석영관으로 형성된 시료실(30)에 배치한 후, 적외선 램프(20)을 점등하여 시료봉(12) 및 종자결정을 회전시키면서 적외선 램프(20)의 인가 전압을 서서히 상승시켜, 각 첨단부를 용융시킨다.

양쪽 모두의 첨단부가 용융된 상태에서 양자를 접근시켜 각 용융부를 합체시킨다. 이 때, 시료봉(12) 및 종자결정의 양쪽 모두를 회전시키고 적외선 램프(20)의 인가 전압을 제어함으로써 용융부(16)의 크기를 조정하여 안정적으로 용융 영역을 형성시킨다.

안정적으로 용융 영역이 형성된 후, 구동장치에 의해 시료봉(12) 및 종자결정을 동일한 속도 혹은 시료봉(12)의 하강 속도를 종자결정의 하강 속도보다 고속으로 하는 등 하부로 이동시킴으로써(예를 들어, 0.1 ~ 100 ㎜/h), 시료봉(12)의 용융과 결정의 육성이 계속되어 막대 모양의 단결정을 육성한다.

이와 같이, 본 실시예에 의한 부유대역 용융장치(10a)에 의하면, 하방조사형 적외선 램프 유닛(21a)은 고액계면 형상을 고품질의 단결정 육성에 최적인 형상으로 하기에 전념하고, 상방조사형 적외선 램프 유닛(21b)으로 시료봉(12)의 용융에 전념할 수 있다.

즉, 2가지 서로 다른 위치에 적외선 램프 유닛을 구비하고, 각각의 적외선 램프 유닛(21a, 21b)이 서로 다른 역할을 수행함으로써, 대구경의 단결정을 고품질로 안정적으로 육성할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 부유대역 용융장치의 제2 실시예에 대해서, 도 2에 도시한 개략도를 참조하여 설명한다.

도 2에 도시한 부유대역 용융장치(10b)는, 기본적으로는, 도 1에 도시한 실시예의 부유대역 용융장치(10a)와 실질적으로 동일한 구성이므로, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조번호를 부여하고 그 상세한 설명을 생략한다.

도 2에 도시한 부유대역 용융장치(10b)는, 시료봉(12)의 주위를 둘러싸도록 관 모양의 시료 가열 수단(22)가 구비되어 육성 결정(14)의 주위를 둘러싸도록 관 모양의 결정 가열 수단(24)이 구비된다는 점에서, 도 1에 도시한 실시예의 부유대역 용융장치(10a)와 차이가 있다.

이러한 부유대역 용융장치(10b)는, 시료 가열 수단(22)를 작동시킴으로써, 시료봉(12)의 온도를 미리 고온으로 유지하는 것이 가능하고, 예를 들어, 고융점의 시료봉(12)을 적외선 램프(20)만으로 용융시키는 경우보다 안정되어 단결정 육성이 가능해진다.

또한, 시료 가열 수단(22)에 의해서 시료봉(12)의 용융부(16) 이외의 부분은 차폐된 상태가 되므로, 이러한 부분에 대해서는 적외선 램프(20)에 의한 적외선 조사량이 저감되어, 시료봉(12)에서 필요한 부분만을 용융할 수 있다.

이로 인해, 시료봉(12)에 비스듬하게 적외선이 조사되어 용융이 완만하게 진행됨으로써 불연속적인 용융이 발생하기 쉽고, 조성 변동의 원인이 되어 균질 조성의 단결정 육성이 곤란해지는 것을 억제할 수 있다.

또한, 결정 가열 수단(24)에 의해 단결정의 고액계면 근방의 온도를 고온으로 유지하기 위한 열량을 적외선 램프(20)에만 의지하지 않고, 결정 가열 수단(24)에서 방출되는 열량으로부터 단결정 육성에 필요한 열량을 보충함으로써 고온으로 유지할 수 있다.

또한, 시료 가열 수단(22) 및 결정 가열 수단(24)에는 위치 제어 기구(미도시)가 구비되어, 시료봉(12)의 용융 상태나 육성 결정(14)의 형상 등에 맞추어 위치를 이동할 수 있다.

덧붙여 시료 가열 수단(22) 및 결정 가열 수단(24)은 시료봉(12)이나 육성 결정(14)의 가열을 할 수 있으면 어떤 것이어도 상관 없으나, 고온에서 사용이 우수한 탄화규소 발열체나 백금선 혹은 로듐 첨가 백금선 등으로 이루어지는 시료 가열 수단(22) 및 결정 가열 수단(24)을 이용할 수 있다.

이와 같이, 도 1에 기재의 부유대역 용융장치(10a)에 시료 가열 수단(22)과 결정 가열 수단(24)을 마련함으로써 고품질로 대구경의 단결정을 더욱 효과적으로 육성할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 부유대역 용융장치의 제3 실시예에 대해서, 도 3에 도시한 개략도를 참조하여 설명한다.

도 3에 도시한 부유대역 용융장치(10c)는, 기본적으로는, 도 1에 도시한 실시예의 부유대역 용융장치(10a)와 동일한 구성이므로, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조번호를 부여하고 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3에 도시한 부유대역 용융장치(10c)는, 시료봉(12) 및 육성 결정(14)의 주위에 적외선 램프(20)에서 조사되는 적외선의 조사량을 제한하기 위한 차폐부재(26)가 구비된다는 점에서 도 1에 도시한 실시예의 부유대역 용융장치(10a)와 차이가 있다.

이러한 부유대역 용융장치(10c)는, 시료봉(12) 및 육성 결정(14)의 주위에 차폐부재(26)가 구비되어, 적외선 램프(20)에서 조사되는 적외선의 조사량을 제한한다.

덧붙여 차폐부재(26)는 적외선의 조사량을 제한 가능하면 어떤 형상이어도 상관 없지만, 예를 들어, 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 육성 결정(14)의 주위에 적당한 막대 모양의 차폐부재 (26a, 26b)를 구비할 수 있다.

이와 같이 차폐부재(26)을 구비함으로써, 단결정 육성 시 편평하게 되기 쉽고 대구경화가 곤란한 재질의 경우에도 단결정이 육성되는 정도에 맞추어 육성 결정(14)과 동기시켜 차폐부재(26)를 구동장치(미도시)의 구동부(28)를 개입시켜 회전시킴으로써 항상 일정 방향에서의 적외선 조사량을 제한할 수 있다.

이로 인해, 예를 들어, 원주 형태나 각기둥 형태 등의 형상을 갖는 단결정을 육성할 수 있으며, 대구경의 단결정을 육성할 수 있다.

덧붙여 차폐부재(26)의 재질로서는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 고온에서 사용이 우수한 알루미나 재질이나 무라이트 재질로 형성되는 차폐부재(26)를 구비할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 부유대역 용융장치의 제4 실시예에 대해서, 도 5 및 도 6에 도시한 개략도를 참조하여 설명한다.

도 5 및 도 6에 도시한 부유대역 용융장치(10d)는, 기본적으로 도 1에 도시한 실시예의 부유대역 용융장치(10a)와 동일한 구성이므로, 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여하고 그 상세한 설명을 생략한다.

도 5 및 도 6에 도시한 부유대역 용융장치(10d)는, 시료실(30)의 내벽과 시료봉(12) 사이에 투명 석영으로 형성된 가스도입관(34)이 구비된다는 점에서, 도 1에 도시한 실시예의 부유대역 용융장치(10a)와 차이가 있다.

이와 같이 가스도입관(34)을 마련하면, 시료봉(12)의 가열·용융 시 발생하는 증발물을 분위기 가스(32)와 함께 시료실(30) 외부로 효율적으로 배출할 수 있다.

덧붙여 도 5에 도시한 가스도입관(34)은 형상이 직선 형태지만, 가스도입관(34)의 내경과 시료봉(12) 혹은 시료봉(12)과의 간격은 작을 수록 분위기 가스(32)의 유속을 증가시킬 수 있으며, 또한, 증발물의 배출 효과를 증대시킬 수 있는 반면, 가스도입관(34)의 내경이 작아질수록 증발물을 유출시키는 효과가 저하된다.

이로 인해, 가스도입관(34)의 내경이 작은 경우에는, 도 6에 도시한 가스도입관(34)과 같이, 단부의 형상을 다른 부위보다 확장함으로써 가스도입관(34)의 내경을 최소한으로 작게 형성함과 더불어 증발물의 도입 효과를 양호하게 유지할 수 있다.

덧붙여 가스도입관(34)의 내부를 통과하는 분위기 가스(32)의 유속은 10 ㎝/s 이상으로 설정할 수 있다.

즉, 용융부(16)에서 증발하는 용융물은, 통상적으로 열 대류에 의해 위쪽으로 흘러서 그대로 확산하여 투명 석영관으로 형성된 시료실(30)의 내벽에 부착되지만, 이와 같이 분위기 가스(32)의 유속을 설정함으로써 증발물을 분위기 가스(32)와 함께 시료실(30) 외부로 배출할 수 있다.

이로 인해, 시료실(30)의 내벽에 석출물의 부착을 효과적으로 억제할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 부유대역 용융장치의 제5 실시예에 대해서, 도 7에 도시한 개략도를 참조하여 설명한다.

도 7에 도시한 부유대역 용융장치(10e)는, 도 1에 도시한 실시예의 부유대역 용융장치(10a)와 동일한 구성이므로, 동일한 구성 요소에는 동일한 참조번호를 부여하고 그 상세한 설명을 생략한다.

도 7에 도시한 부유대역 용융장치(10e)는, 시료실(30) 내부에서 배출된 분위기 가스(32)를 다시 시료실(30) 내부로 공급하는 순환 장치(36)가 구비된다는 점에서 도 1에 도시한 실시예의 부유대역 용융장치(10a)와 차이가 있다.

덧붙여 순환 장치(36)는, 분위기 가스(32)와 함께 배출되는 시료봉(12)의 가열·용융 시 발생하는 증발물을 필터 부재(38)로 분리하여 분위기 가스(32)만 시료실(30) 내부로 공급하도록 구성된다.

이와 같이 순환 장치(36)가 구비되면, 고가의 분위기 가스(32)를 낭비 없이 사용할 수 있어서 단결정 육성에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

또한, 증발물을 분위기 가스(32)와 함께 시료실(30) 외부로 배출하여 필터 부재(38)로 증발물을 분리한 분위기 가스(32)만을 순환시킴으로써, 투명 석영관으로 형성된 시료실(30)의 내벽을 항상 청정한 상태에 유지해, 안정된 단결정 육성을 계속할 수 있다.

상기한 제1 실시예 내지 제5 실시예에서는, 적외선 조사 수단으로서 타원거울(18)과 적외선 램프(20) 등으로 구성되는 적외선 램프 유닛(21)을 구비하는 경우를 예로 들어 설명했으나, 이외에도 적외선 조사 수단으로서 적외선을 방사하는 레이저 발진기(미도시)를 구비할 수도 있다.

적외선 조사 수단으로서 레이저 발진기를 구비했을 경우, 레이저광은 지향성이 높기 때문에, 예를 들어, 하방조사형 레이저 발진기로부터 방사된 적외선의 레이저광이 융액에서 반사되어 하단에 위치하는 상방조사형 레이저 발진기에 조사되면 상기 레이저 발진기가 파괴될 가능성이 있다.

그러나 하방조사형 레이저 발진기 및 상방조사형 레이저 발진기를 상기한 적외선 램프 유닛의 배치 방법과 같이, 개수의 차이에 의해, 예를 들어, 서로 90° (4개 배치했을 경우) 혹은 60° (6개 배치했을 경우) 엇갈리게 배치함으로써 레이저 발진기의 파괴를 방지하고, 부유대역 용융장치에 적합하게 이용할 수 있다.

덧붙여 하방조사형 레이저 발진기 및 상방조사형 레이저 발진기의 구비 각도는, 상술한 적외선 램프 유닛(21a, 21b)과 같이, 하방조사형은 수평선을 기준으로서 0° ~ 90°의 범위, 상방조사형은 수평선을 기준으로서 0° ~ -90°의 범위이면 한정되는 것은 아니며, 더불어, 하방조사형은 수평선을 기준으로서 25° ~ 35°의 범위, 상방조사형은 수평선을 기준으로서 0° ~ -5°의 범위로 마련하는 것도 가능하다.

이러한 각도에 하방조사형 레이저 발진기 및 상방조사형 레이저 발진기를 구비함으로써 융액의 보관 유지가 용이해져, 안정된 단결정의 육성이 가능함과 동시에, 시료가 완만하게 용융되는 현상을 억제할 수 있어서 고액계면이 안정되어, 고품질의 단결정 육성이 용이하다.

이상, 본 발명의 실시예들에 대해 설명했지만, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 제2 실시예와 제3 실시예를 조합한 구성, 또는 제4 실시예와 제5 실시예를 조합한 구성 등이 사용되는 것도 가능하다.

또한, 하방조사형 적외선 조사 수단과 상방조사형 적외선 조사 수단은 각각 4개 또는 6개 구비할 수 있으나, 예를 들어, 상방조사형 적외선 조사 수단을 4개, 하방조사형 적외선 조사 수단을 6개 구비하는 등, 각각의 개수가 구비되지 않더라도 본 발명의 목적을 일탈하지 않는 범위로의 여러 가지의 변경이 가능하다.

이하, 본 발명의 부유대역 용융장치를 이용한 실시예에 대해 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

석영 유리로 형성된 8개의 타원거울을 일측 초점 위치를 서로 공유하도록 수평면 상에 구비하고, 각 타원거울의 타측 초점 위치에 할로겐 램프를 구비하여 8개의 할로겐 램프 유닛을 구성했다. 각 할로겐 램프는 이중 나선 구조의 필라멘트 형상을 가지는 출력 1000 W의 램프를 사용했다.

그리고 시료봉이 타원거울의 중심을 기준으로 상하 방향으로 배치되도록 구경 20 ㎜의 소결 시료봉을 시료봉 지지부에 의해 윗쪽에서 지지하는 것과 동시에, 종자결정을 하부에서 육성 결정 지지부에 지지했다.

8개의 할로겐 램프 유닛 중에서 4개의 할로겐 램프 유닛은 시료봉을 축으로 하여 90° 간격으로 구비하고, 시료를 향해 적외선이 하향 경사지게 조사되도록 30°의 각도로 배치된다.

한편, 나머지의 4개의 할로겐 램프 유닛은 시료봉을 축으로 하여 90° 간격으로 구비되고, 시료봉을 향해 적외선이 상향 경사지게 조사되도록 10° 각도로 배치된다. 이 때, 위쪽에 배치된 하방 조사용의 4개의 할로겐 램프 유닛과 아래쪽에 배치된 상방 조사용의 4개의 할로겐 램프 유닛은 서로 그 위치가 바로 위에서 관찰하였을 때 45°씩 어긋나게 배치된다.

그리고 시료봉의 첨단부와 종자결정의 첨단부를 대향시켰다.

석영관을 이와 같이 구성된 할로겐 램프 유닛에 의한 타원거울 로(爐)의 주위에 구비한 후, 8개의 할로겐 램프를 점등하여 시료봉 및 종자결정에 회전시키면서 할로겐 램프의 인가 전압을 서서히 상승시켜서 각 첨단부를 용융시켰다.

양쪽 모두의 첨단부가 용융된 상태에서, 양자를 접근시켜 용융부를 합체 시켰다. 안정적으로 용융체가 형성된 후, 시료봉 및 종자결정을 등속으로 천천히 하부로 이동시키면서 시료봉의 용융과 결정의 육성을 계속하여, 막대 모양의 단결정을 육성했다.

용융체는 용이하게 보관 유지할 수 있어서 구경이 55 ㎜의 고품질인 단결정이 안정되어 육성할 수 있었다.

[실시예 2]

시료봉의 주위를 둘러싸도록 관 모양의 시료 가열 수단을 마련하고, 종자결정(육성 결정)의 주위를 둘러싸도록 관 모양의 결정 가열 수단을 마련하고, 시료 가열 수단으로 미리 시료봉을 가열하고, 결정 가열 수단으로 종자결정의 육성 결정을 계속 가열한 것 이외는, 실시예 1과 동일한 조건으로 막대 모양의 단결정을 육성했다.

육성된 단결정은 구경이 80 ㎜이며, 고품질의 단결정이다.

[실시예 3]

시료봉 및 종자결정의 주위에 막대 모양의 차폐부재를 구비하여, 단결정 육성시에 적외선 램프보다 조사되는 적외선의 조사량을 제한한 것 이외는, 실시예 1과 동일한 조건으로 막대 모양의 단결정을 육성했다.

단결정은 구경이 25 ㎜이며, 각기둥 형태의 고품질 단결정을 육성할 수 있었다.

［실시예 4］

하방조사형과 상방조사형 할로겐 램프 유닛 대신에 하방조사형과 상방조사형 레이저 발진기를 구비한 것 이외는, 실시예 1과 동일한 조건으로 막대 모양의 단결정을 육성했다.

용융체는 용이하게 보관 유지할 수 있어 구경이 25 ㎜의 고품질 단결정을 안정적으로 육성할 수 있었다.

[비교예 1]

하방조사형 할로겐 램프 유닛만을 구비한 것 이외는, 실시예 1과 동일한 조건으로 막대 모양의 단결정을 육성했다.

구경 20 ㎜의 시료봉을 용융시켜 용융체를 보관 유지하려고 시도했지만 시료봉의 용융이 완만하게 진행되어, 중심부가 아래쪽의 단결정과 접촉하기 쉽게 안정된 용융체를 형성하지 못하고, 단결정을 육성할 수 없었다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 상술한 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10a: 부유대역 용융장치 10b: 부유대역 용융장치
10c: 부유대역 용융장치 10d: 부유대역 용융장치
10e: 부유대역 용융장치 12: 시료봉
14: 육성 결정 16: 용융부
18: 회전 타원면 반사경(타원거울) 20: 적외선 램프
21: 적외선 램프 유닛 21a: 적외선 램프 유닛
21b: 적외선 램프 유닛 22: 시료 가열 수단
24: 결정 가열 수단 26: 차폐부재
26a: 차폐부재 26b: 차폐부재
28: 구동부 30: 시료실
32: 분위기 가스 34: 가스도입관
36: 순환 장치 38: 필터 부재
100: 쌍타원거울형 부유대역 용융장치
102: 봉상 시료 104: 육성 결정
106: 용융 부분 108: 타원거울
110: 적외선 램프
200: 경사타원거울형 부유대역 용융장치

Claims (17)

1. 투명 석영관으로 형성된 시료실 내부에 시료를 배치함과 더불어, 상기 시료실 내부로 분위기 가스를 유입시키고, 이와 같은 상태에서 복수의 적외선 조사 수단에서 조사된 적외선을 상기 시료에 집광시킴으로써 시료를 가열·용융하여 융액을 형성하고, 상기 융액을 종자결정 상에 고체화시킴으로써 단결정을 육성하는 적외선 집중 가열식 부유대역 용융장치에 있어서,
   상기 복수의 적외선 조산 수단은,
   하향 경사지게 적외선을 조사하는 복수의 하방조사형 적외선 조사 수단과,
   상향 경사지게 적외선을 조사하는 복수의 상방조사형 적외선 조사 수단,
   으로 구성된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 하방조사형 적외선 조사 수단과 복수의 상방조사형 적외선 조사 수단은, 상기 시료의 축을 중심으로 등간격으로 구비되고,
   2단의 적외선 조사 수단을 상부에서 보았을 때,
   등간격으로 구비된 복수의 하방조사형 적외선 조사 수단의 각 간격 사이에 하나의 상방조사형 적외선 조사 수단이 위치하도록 각각의 위치를 엇갈리게 배치한 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적외선 조사 수단은,
   내측면을 반사면으로 사용하는 회전 타원면 반사경이고, 일측 초점에 적외선 램프가 구비된 적외선 램프 유닛인 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
4. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적외선 조사 수단은,
   레이저에 의해서 적외선을 방사하는 레이저 발진기인 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하방조사형 적외선 조사 수단과 상기 상방조사형 적외선 조사 수단은,
   각각 독립적으로 위치 제어가 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 하방조사형 적외선 조사 수단과 상기 상방조사형 적외선 조사 수단은,
   각각 독립적으로 적외선의 조사 각도 및 조사량을 조정하는 조사 위치 조정기구를 구비하는 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 적외선 조사 수단은,
   상기 시료가 배치된 위치를 중심으로 방사 방향으로 수평이동시키는 수평 위치 조정기구가 구비된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 시료의 주위를 둘러싸도록 관 모양의 시료 가열 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 시료 가열 수단의 위치를 제어하는 위치 제어 기구가 구비된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 육성 결정의 주위를 둘러싸도록 관 모양의 결정 가열 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 결정 가열 수단의 위치를 제어하는 위치 제어 기구가 구비된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시료 및 상기 육성 결정의 주위에는 상기 적외선 조사 수단에서 조사되는 적외선 조사량을 제한하는 차폐부재가 구비되고, 상기 육성 결정의 회전 및 이동과 동기시키는 것을 가능하게 하는 기구가 구비된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시료실의 내벽과 시료 사이에는,
    상기 시료의 가열·용융 시 발생하는 증발물을 상기 분위기 가스와 함께 시료실 외부로 효율적으로 배출하기 위한 투명 석영으로 형성된 가스도입관이 구비된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 가스도입관은, 상기 시료가 가열·용융되는 측에 위치하는 단부의 형상이 다른 부분에 비해 직경이 확대된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
15. 제13항 또는 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스도입관의 내부를 통과하는 분위기 가스의 유속이 10 ㎝/s 이상의 속도가 되도록 분위기 가스를 도입할 수 있도록 형성된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시료실 내부로부터 배출된 분위기 가스를 다시 시료실 내부로 공급하는 순환 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
17. 제16항에 있어서,
    상기 순환 장치는,
    상기 분위기 가스와 함께 배출되는 상기 시료의 가열·용융 시 발생하는 증발물을 필터 부재로 분리하고, 상기 분위기 가스만을 상기 시료실 내부로 공급하도록 형성된 것을 특징으로 하는 부유대역 용융장치.
    

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