KR20120097992A - 반도체 단결정 성장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 냉각시스템을 구비한 반도체 단결정 성장장치에 관한 것으로, 효율적인 냉각시스템 및 온도제어 시스템을 구비하여, 단결정 성장시 고열에 의해 단결정 성장이 저해되는 것을 방지함으로써 단결정체의 품질이 향상되고, 결정성장에 적합한 온도설정이 용이하도록 한 것이다. 이를 위해, 냉각시스템 및 온도제어 시스템을 구비한 단결정 성장장치는, 챔버, 챔버 상부에 설치되어 상하로 승강하는 승강장치부, 고주파 유도코일, 고주파 유도코일 내부의 중심에 위치하는 도가니, 수직방향으로 설치되는 다수의 가이드바, 가이드바에 의해 가이드되어 수직방향으로 승강하는 승강판, 승강판 상에 설치되는 회전용 모터, 승강판과 일체로 상하로 승강하는 승강봉으로 구성된다.

Description

반도체 단결정 성장장치{SEMICONDUCTOR SINGLE CRYSTAL GROWTH APPARATUS}
본 발명은 반도체 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다중냉각 시스템 및 다중 온도제어 시스템을 이용하여 대구경 고품질의 사파이어 단결정을 제조하기 위한 반도체 단결정 성장장치에 관한 것이다.
최근에는 전기전자 기술의 발달과 더불어 디스플레이 분야에서 광학적 물리적 특성이 우수한 사파이어 단결정의 수요가 급증하고 있다. 알루미나 단결정인 사파이어 단결정은 빛의 투과성과 열방출이 동시에 필요한 프로젝션 TV나 LCD모듈 기판에 사용되는 핵심소재이며, 또한 블루 LED 용 기판으로 많이 사용되고 있다.
그러나, 사파이어는 재료의 결정 구조상 격자이방성으로 인해 결정 성장시에 크랙이 발생하는 등의 기술적 어려움이 있어 크기와 품질의 단결정을 얻기 위한 다양한 결정 성장방법이 연구되어지고 있다.
종래에 알려진 단결정 성장방법으로는 베르누이법, 쵸크랄스키(CZ)법, EFG 법, Bridgman 법, 열교환(HEM) 법 등이 일반적으로 사용되고 있다. 베르누이법은 알루미나 분말을 산소-수소 화염속으로 통과시켜 용융시켜서, 용융액을 시드(Seed) 결정 위로 떨어뜨리면서 동시에 결정을 회전하강시켜서 결정을 얻는 방법이다. 이 방법은 결정성장이 쉽고 가장 저렴하게 결정을 성장시킬 수 있으나, 결정 성장과정에서 결정이 높은 열충격을 받아 균열이 발생하기 쉽고, 품질과 크기면에서 시계유리용과 장식용 이외의 용도로는 사용이 어렵다.
쵸크랄스키법은 직경조절이 자유롭고 길이가 길어 생산성이 높다는 장점이 있으나, 사파이어 단결정과 같이 취성이 큰 재료의 결정 성장에서는 높은 온도구배와 결정을 회전 인상하면서 풀러(Puller)에 의해 생기는 진동이나 코어부의 응력집중으로 단결정의 직경이 제한되고, 성장 축 방향이 제한되는 등의 단점을 갖고 있다.
EFG 법은 쵸크랄스키법과 유사하며, 원하는 형상의 단결정을 효과적으로 성장시킬 수 있는 방법이나, 결정 표면에 많은 결함 도입으로 인해 결정의 생산성이 그다지 높지 않으며, 결함밀도를 낮추는 것이 그 공법의 원리상 불가능한 것으로 알려져 있다.
HEM(Heat Exchange Method) 법은 온도가 균일한 고온부의 하단 부분에 열교환기를 설치하여 온도를 정밀하게 조절함으로써 단결정을 성장시키는 방법으로써, 단결정이 제조되는 동안 온도구배가 안정된 상태에서 성장이 일어나며, 고화시키기 위해 결정자체를 움직일 필요가 없기 때문에 직경과 품질이 가장 우수한 단결정을 성장시킬 수 있는 방법이다. 그러나, 열교환 매체로서 고가의 헬륨(He) 가스를 사용하고선 곧바로 버리기 때문에 제조원가가 지나치게 비싸다.
이를 해결하기 위해 간혹 열교환 매체로서 고가의 He 가스 대신에 물을 사용하고 있으나, 물이 시드 결정 하단의 고온부(약 2000도씨)를 통과할 때 액체에서 기체로의 상변화로 인한 엄청난 부피팽창으로 생기는 순간 진동이 발생하게 되고 이러한 진동은 결정에 쌍정(twin)이나, 크랙(crack) 등의 심각한 결함의 원인이 되어 고품위의 단결정을 얻기가 대단히 어렵고, 시드 결정 하단 고온부의 온도를 직접적으로 제어하지 못함으로 인한 많은 문제점들을 안고 있다.
이와 같이 물을 사용하는 기술이 대한민국 특허 공개 제 2002-56247호로 개시되어 있다. 그러나, 개시된 선행기술은 시드결정 하단에 흑연재 열교환부를 두고 그 하부에 수냉되는 구리봉을 두어 흑연재 열교환부의 온도를 제어함으로써 시드 결정의 하단 온도를 제어하게 되므로 실제 시드 결정 하단의 온도와 수냉 구리봉의 온도 간에는 상당 편차가 있어 시드 부분의 정밀한 온도 제어가 불가능하여 고품질의 단결정을 얻어내기가 어려운 문제점을 갖고 있었다. 이와 같이 지금까지 알려진 단결정 성장방법으로는 경제적으로 대구경 고품질의 사파이어 단결정을 제조할 수 있는 방법이 없었다.
도 1을 참조하여 종래의 초크랄스키법 단결정 성장방법을 상세히 설명한다.
초콜랄스키 단결정 성장방법을 채용하는 단결정 성장장치는, 통형상을 갖는 챔버(1), 챔버(1)의 상부에 설치되는 승강장치부(2), 챔버(1) 외부에 설치되는 온도조절 장치부(3), 온도조절 장치부(3)에 인접하게 설치되는 고주파 발생 장치부(4) 및 챔버(1) 내부에 수용되어 있는 단결정 성장부(10) 등으로 구성된다.
단결정 성장부(10)는, 내부에 원료 시료(17)가 담겨지는 금속도가니(12), 금속도가니(12)를 둘러싸는 고주파 유도코일(11), 금속도가니(12)를 하부에서 지지하는 도가니 받침대(13), 금속도가니(12)에 연결되어 있는 열전대(thermocouple, 14) 및 승강장치부(2)의 하부말단부에 설치되어 금속도가니(12) 내부에서 상하로 승강하는 시드봉(seed bar, 15) 등으로 구성되어 있다.
금속도가니(12)는, 챔버(1)의 내저면에서 수직방향으로 설치되어 있는 보조지지부재(16) 및 보조지지부재(16)의 상단에서 수평방향으로 부착되어 있는 도가니 받침대(13)에 의해 챔버(1) 내부에서 지지되어 있다.
또한 챔버(1) 외부에 설치되어 있는 고주파 발생장치부(4)는, 챔버(1) 내부의 중앙 영역에서 솔레노이드 형상으로 10내지 20바퀴 감긴 고주파 유도코일(11)과 연결되어 있어, 고주파 유도코일(11) 내부에 고주파를 발생시켜 금속도가니(12)가 발생한 고주파에 반응하여 열을 발생시킬 수 있도록 되어 있다. 고주파 발생장치부(4)는 온도 조절 장치부(3)와도 연결되어 있어, 고주파에 의해 발생한 열이 조절될 수 있도록 되어 있다.
그리고, 챔버(1) 상부면의 승강장치부(2)는 상기 챔버(1)와 접촉되어 설치되고, 승강장치부(2) 하단에는 시드봉(15)이 부착되어 승강장치부(2)와 일체로 승강할 수 있도록 되어 있다. 시드봉(15)은 금속도가니(12)의 상부와 소정거리 이격되어 위치하고 있다. 또한 시드봉(15)은 승강장치부(2)의 구동력을 전달받아 상하 이동이 가능하다. 그리고 금속도가니(12)의 하부에는 열전대(14)가 설치되어, 발생하는 열의 온도를 측정할 수 있도록 되어 있다.
이하 상기한 초콜랄스키 단결정 성장방법을 채용하는 단결정 성장장치의 작동을 설명한다.
먼저 온도 조절 장치부(3)에 일정온도를 입력하면, 입력내용이 고주파 발생장치(4)에 전달되고 고주파 발생장치(4)는 적절한 주파수의 고주파를 발생시킨다. 이에 따라, 고주파 유도코일(11)내에는 유도기전력이 발생하고, 유도기전력은 고주파 유도코일(11) 내에 설치된 금속도가니(12)에 열을 발생시킨다.
그리고, 금속도가니(12) 내부에 위치한 원료 시료(17)가 온도 조절 장치부(3)에 설정된 입력 온도에 따라 시료가 녹는점 까지 가열되고, 시료(117)가 녹기 시작하면 승강장치부(2)를 하강시켜 시드봉(15)에 부착된 시드결정(seed crystal,18)을 녹은 용액의 표면에 접촉시킴으로써, 단결정 성장이 시작된다. 그 후, 승강장치부(2)를 일정하게 상부로 구동하게 함으로써 단결정이 점점 성장한다. 이때, 금속도가니(12) 하부에 설치된 열전대(14)에 의해 금속도가니(12)의 온도가 감지되고, 열전대(14)가 연결된 온도 조절 장치부(3)에 의해 온도가 읽혀지고 제어됨으로써, 단결정 성장에 적절한 온도가 유지된다.
그래서, 시트결정 (18)을 중심으로 용융상태의 원료 시료(17)가 묻어 점차적으로 단결정이 성장됨으로써, 마침내 완전한 단결정이 만들어질 수 있게 된다.
그런데, 종래의 이러한 초콜랄스키 단결정 성장방법을 채용하는 단결정 성장장치에 의하면, 별도의 냉각장치를 구비하지 아니하고 온도조절 장치부(3)에 의해 적절한 온도를 유지하도록 되어 있다. 그러나, 원료 시료(17)가 수용되는 금속도가니(12) 주위에는 상당히 높은 고열이 발생하기 때문에, 이 열을 적절히 냉각시키기 않으면, 높은 고열에 의해 시드결정(18)을 중심으로 묻는 원료 시료(17)가 적당한 시점에서 응고되지 않게 됨으로써, 단결정 성장이 제대로 이루어지지 않게 된다. 따라서, 이렇게 완성된 단결정은 그 성장이 불안정하게 이루어지게 됨으로써, 그 품질이 좋지 못하다는 문제점이 있다.
그리고, 종래의 단결정 성장장치는, 온도조절 장치부(3)에 의해서만, 시드봉(18) 주위의 온도를 조절하기 때문에, 단결정 성장에 적합한 온도설정을 하기가 용이하지 못하다는 문제점이 있다.
또한, 상기한 단결정 성장장치의 승강장치부(2)는 중앙부분에서 수직방향으로 설치되어 있는 승강봉(19)을 구비하고 있고, 이 승강봉(19)의 하부에 시드봉(18)이 장착되어 승강할 수 있도록 되어 있어, 승강장치부(2)가 작동할 때, 승강봉(19)의 진동이 시드봉(18)에 직접 전달됨으로써, 단결정 성장에 악영향을 미치게 된다는 문제점도 있다.
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 종래의 단결정 성장장치와 성장기술로 경제적으로 대구경 고품질 사파이어 단결정 잉곳을 제조함에 있어서 나타나는 많은 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 대구경 고품질 단결정 성장에 최적한 열교환법의 열교환 기술 및 다중 온도 제어 시스템을 보완하여 경제적으로 고품위, 대구경의 사파이어 단결정을 얻고자하는데 있다.
또한, 본 발명은 효율적인 냉각시스템을 구비하여, 단결정 성장 시 고열에 의해 단결정 성장이 저해되는 것을 방지함으로써 단결정체의 품질이 향상되고, 결정 성장에 적합한 온도설정이 용이하며, 작동시 진동발생이 감소되도록 하고자 한다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 챔버; 상기 챔버 상부에 설치되어 가이드바, 승강판, 횐전용 모터, 승강봉, 내통 및 외통을 구비하고 상하로 승강하는 승강장치부; 상기 챔버 내부에 수용되고, 내부에 결정성장을 위한 원료시료가 담겨져 있으며 열발생장치에 의해 가열됨으로써 상기 원료시료를 용융시키는 도가니를 갖는 냉각시스템; 및 상기 챔버에서 연결되는 다중 온도제어 시스템을 포함하는 반도체 단결정 성장장치가 제공된다.
상기 다중 온도제어 시스템은, 챔버의 상하부와 중심 및 외곽부의 온도 상태를 실시간으로 감지하여 온도를 제어할 수 있다.
상기 챔버는, 수직으로 구성될 수 있다.
상기 가이드바의 최상단부에는 받침판이 설치되고, 상기 받침판 상에 상기 승강판을 승강시키기 위한 구동모터가 설치되며, 상기 가이드바와 평행하게 수직방향으로 설치되는 승강용 나사바는 그 외표면이 상기 승강판의 가장자리 부분에 설치되는 너트부와 치합한 상태에서 상기 구동모터에 의해 회전함으로써 상기 승강판을 승강시킬 수 있다.
상기 승강용 나사바 상에는 베벨기어조합이 설치되고, 상기 베벨기어조합이 돌림손잡이에 의해 회전함으로써, 상기 승강판을 수동으로 상하 승강시킬 수 있다.
본 발명에 따른 반도체 단결정 성장장치에 의하면, 효율적인 냉각시스템 및 온도제어 시스템을 구비하여, 단결정 성장 시 고열에 의해 단결정 성장이 저해되는 것을 방지하고 온도변화를 민감하게 제어함으로써 단결정의 품질이 향상되고, 결정성장에 적합한 온도설정이 용이하며, 작동시 진동발생이 감소되는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 초크랄스키법 단결정 성장장치의 요부 종단면도.
도 2는 본 발명에 의한 냉각시스템을 구비한 반도체 단결정 성장장치의 사시도.
도 3은 도 2의 측단면도.
도 4는 도 2의 승강장치부의 확대도.
도 5는 도 4의 승강장치부의 외통 및 내통 부분의 확대도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해 되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉각시스템을 구비한 단결정 성장장치는, 챔버; 챔버 상부에 설치되어 상하로 승강하는 승강장치부; 챔버 내부에 수용되고, 내부에 결정성장을 위한 원료시료가 담겨져 있으며 열발생장치에 의해 가열됨으로써 원료시료를 용융시키는 도가니를 가지고 있고, 승강장치부는, 수직방향으로 설치되는 다수의 가이드바; 가이드바에 의해 가이드되어 수직방향으로 승강하는 승강판; 승강판 상에 설치되는 회전용 모터; 승강판과 일체로 상하로 승강하고 회전용 모터에 의해 고속으로 회전하며 그 하부말단부에 형성된 시드결정이 도가니 내부로 들어가서 원료시료와 함께 단결정을 형성하는 승강봉을 포함하고, 승강봉은 외통과, 외통 내부에서 고속회전하는 내통을 포함하고, 냉각수가 내통 및 외통 사이를 순환함으로써, 승강봉을 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 가이드바의 최상단부에는 받침판이 설치되고, 받침판 상에 승강판을 승강시키기 위한 구동모터가 설치되며, 가이드바와 평행하게 수직방향으로 설치되는 승강용 나사바는 그 외표면이 승강판의 가장자리 부분에 설치되는 너트부와 치합한 상태에서 구동모터에 의해 회전함으로써 승강판을 승강시키도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 승강용 나사바 상에는 베벨기어조합이 설치되고, 베벨기어조합이 돌림손잡이에 의해 회전함으로써, 승강판을 수동으로 상하 승강시키도록 할 수 있다.
따라서, 단결정 성장시 고열에 의해 단결정 성장이 저해되는 것을 방지함으로써 단결정체의 품질이 향상되고, 결정성장에 적합한 온도설정이 용이하며, 작동시 진동발생이 감소될 수 있게 된다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 의한 냉각시스템을 구비한 단결정 성장장치의 사시도이고, 도 3은 도 2의 측단면도이다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉각시스템을 구비한 단결정 성장장치는, 챔버(100), 챔버(100) 상부에 설치되어 상하로 승강하는 승강장치부(120), 챔버(100) 내부에 수용되고, 솔레노이드 형태로 형성되며, 고주파 발생 장치에 연결되어 유도기전력을 발생시키는 고주파 유도코일(111), 고주파 유도코일(111) 내부의 중심에 위치하고 내부에 결정성장을 위한 원료시료(117)이 담겨져 있으며 유도코일(111)내에 형성되는 유도기전력에 의해 열을 발생시키는 도가니(112), 온도조절 장치부(103), 고주파 발생장치부(104), 및 단결정 성장부(110)를기본적으로 포함한다.
또한, 단결정 성장부(110)는 고주파 발생장치부(104)와 연결되어 내부에 고주파가 발생되는 고주파 유도 코일(111)과, 고주파 유도코일(111) 내부에 설치되어 발열하고 내부에 시료(117)이 포함되어 결정을 성장시키는 도가니(112), 도가니(112)를 지지하기위해 설치된 도가니 받침대(113)와, 상단부는 도가니 받침대(113)의 저면에 부착 설치되고 하단부는 챔버(100) 하부면에 부착설치되어 도가니 받침대(113)를 지지하는 보조지지부재(116)와, 도가니(112)의 온도를 감지하고 제어하기 위한 온도센서(미도시) 그리고 승강장치부(120)와 일체로 구성되고 상하이동이 가능하며 하단부에 시드 결정(seed crystal)이 부착된 시드봉(118)으로 나누어진다. 챔버(100)는 수평 또는 수직으로 형성될 수 있다.
그리고, 챔버(100) 상부면의 승강장치부(120)는 챔버(100)와 접촉되어 설치되고, 승강장치부(120) 하단에는 시드봉(118)이 부착되어 승강장치부(120)와 일체로 승강할 수 있도록 되어 있다. 시드봉(118)은 금속도가니(112)의 상부와 소정거리 이격되어 위치하고 있다. 또한 시드봉(118)은 승강장치부(120)의 구동력을 전달받아 상하 이동이 가능하다. 그리고 금속도가니(112)의 하부에는 열전대(114)가 설치되어, 발생하는 열의 온도를 측정할 수 있도록 되어 있다. 상기 열전대(114)에는 온도를 다중ㅇ으로 제어할 수 있는 온도제어시스템이 구지되어 있어서 내부 온도를 민감하게 조절이 가능하다.
승강장치부(120)는, 수직방향으로 설치되는 3개의 가이드바(121), 가이드바(121)에 의해 가이드되어 수직방향으로 승강하는 승강판(130), 승강판(130) 상에 설치되는 회전용 모터(122), 승강판(130)과 일체로 상하로 승강하고 회전용 모터(122)에 의해 고속으로 회전하며 그 하부말단부에 형성된 시드결정이 형성되어 있는 시드봉(118)이 도가니(112) 내부로 들어가서 원료시료(117)과 함께 단결정을 형성하는 승강봉(140)으로 구성되어 있다.
가이드바(121)의 최상단부에는 받침판(123)이 수평방향으로 설치되고, 받침판(123) 상에 승강판(130)을 승강시키기 위한 구동모터(124)가 놓여져 설치된다. 가이드바(121)와 평행하게 수직방향으로 설치되는 승강용 나사바(125)는 그 외표면이 승강판(130)의 가장자리 부분에 설치되는 너트부와 치합한 상태에서 구동모터(124)에 의해 회전함으로써 승강판(130)을 승강시킬 수 있도록 되어 있다. 구동모터(124)로부터의 동력은 받침판(123) 상에 구동모터(124)에 인접하게 설치되는 동력전달용 풀리(pulley, 126)에 전달되고, 풀리(126)에는 승강용 나사바(125)의 상단부가 연결됨으로써, 승강용 나사바(125)가 회전할 수 있도록 되어 있다.
그리고, 승강용 나사바(125) 상에는 베벨기어조합이 설치되고, 베벨기어조합이 돌림손잡이(129)에 의해 회전함으로써, 승강판(130)을 수동으로 상하 승강시키도록 할 수 있다. 즉, 승강용 나사바(125)의 하부영역의 바 상에 제 1베벨기어(127)가 설치되고, 제 1베벨기어(127)와 치합되고 축심이 제 1베벨기어(127)와 직교되는 제 2베벨기어(128)가 설치된다. 그리고, 제 2베벨기어(128)의 회전축 중심의 단부에는 돌림손잡이(129) 설치되어 있어, 작업자가 이 돌림손잡이(129)를 돌림으로써, 승강판(130)을 수동으로 승강시킬 수 있도록 되어 있다.
승강봉(140)은 외통(141)과, 외통(141) 내부에서 고속회전하는 내통(145)으로 구성되는 이중구조를 가지고 있고, 냉각수가 내통(145) 및 외통(141) 사이를 순환함으로써, 승강봉(140)을 냉각시킬 수 있도록 되어 있다. 즉, 도 4, 도 5에 도시된 바와 같이, 외통(141)은 원통모양으로 형성되어 있고, 그 상부 및 하부 영역에 냉각수의 제1유입구(142) 및 제1유출구(143)가 그 축심의 가로방향으로 각각 형성되어 있다. 그리고, 외통(141)의 내측벽 상의 제 1유입구(142)의 상부, 제1유출구(143)의 하부 및 제1유입구(142)와 제1유출구(143) 사이에는 각각 누수방지용 패킹고리(waterproof packing ring, 144)가 끼워져 있어, 원통 내부 사이에 냉각수가 누수되는 것을 방지할 수 있도록 되어 있다.
내통(145)은 외통(141)보다 긴 길이를 가지고 외통(141) 내부에 삽입됨으로써, 승강봉(140)을 구성하도록 되어 있다. 내통(145)에도 역시 제2유입구(146) 및 제2유출구(147)가 그 축심의 가로방향으로 각각 형성되어 있고, 제2유입구(146) 및 제 2유출구(147)는 외통(141)의 제 1유입구(142) 및 제2유출구(147)와 각각 연통되어 있다. 그리고, 내통(145) 내부에는 비교적 긴 길이를 갖는 유로(148)가 형성되어 있어, 냉각수가 이 유로(148) 내부를 통해 순환함으로써 승강봉(140)을 냉각시킬 수 있도록 되어 있다. 그래서, 외부로부터의 냉각수는 외통(141)의 제 1유입구(142), 내통(145)의 제 2유입구(146), 내통(145) 유로(148), 제 2유출구(147) 및 제 1유출구(143)를 순차적으로 거치면서 다시 외부로 빠져나갈 수 있도록 되어 있다. 이때, 내통(145)은 고속으로 회전하고 있기 때문에, 제 2유출구(147)로부터 유출되는 냉각수는 비산되면서 외통(141)의 제 1유출구(143)로 유입된 후 외부로 배출될 수 있도록 되어 있다.
이하 본 발명에 따른 냉각시스템을 구비한 단결정 성장장치의 작동과 효과를 설명한다.
먼저, 사용자가 온도조절 장치부(103)에 온도를 입력하면 온도조절 장치부(103)와 선연결된 고주파 발생장치부(104)에서 고주파를 발생시키고, 상기 고주파는 상기 고주파 발생장치부(104)에 선연결된 고주파 유도코일(111) 내에 고주파를 발생시킨다. 이로인해 상기 고주파 유도코일(111) 내에는 유도기전력이 발생하고, 상기 유도기전력은 도가니(112)에 열을 발생시킨다. 따라서, 도가니(112)에 있는 시료(117)이 상기의 열을 전달 받아 녹게 되고, 상기 승강장치부(120) 하단에 부착 설치된 시드봉(118)의 단부에 구비된 시드결정을 녹은 용액의 표면에 접촉시키면 단결정 성장이 시작된다.
상기한 단결정 성장과정을 기구적으로 설명하면 다음과 같다.
받침판(123) 상부에 설치된 구동모터(124)가 작동하게 되면, 구동모터(124)의 구동력은 풀리(126)로 전달되고, 풀리(126)와 연결되어 있는 승강용 나사바(125)가 회전하게 됨으로써, 받침판(123) 하부의 승강판(130)은 상하로 승강하게 된다. 여기서는, 단결정 성장을 위해 승강판(130)은 하강하게 됨으로써, 승강판(130)과 결합되어 있는 승강봉(140)의 하부말단부에 설치되어 있는 시드봉(118)이 도가니(112) 내부로 들어가서 단결정 성장을 위해 원료시료(117)과 접촉하게 된다. 승강판(130)의 하강은 단결정 성장을 위해 아주 느린 속도로 진행된다.
이때, 회전용 모터(122)에 의해 승강봉(140)이 고속으로 회전하게 되고, 시드봉(118) 또한 승강봉(140)과 함께 고속으로 회전하게 됨으로써, 시드봉(118)을 중심으로 단결정이 성장하게 된다. 여기서, 단결정 성장이 최적의 상태로 되기 위해서는, 시드봉(118) 주위의 온도가 적당한 온도로 유지되어야 하는 바, 이를 위해, 승강봉(140)으로 냉각수가 유입되어 시드봉(118) 주위를 냉각시키게 됨으로써, 시드봉(118) 주위의 온도가 지나치게 상승하여 시드봉(118)을 중심으로 원료시료(117)이 적당하게 응고되지 않게 되는 것을 방지하게 된다. 따라서, 승강봉(140)에 구현된 냉각시스템과 함께 온도조절장치부가 적정온도를 설정하게 됨으로써, 단결정 성장에 적합한 온도가 유지될 수 있게 된다. 따라서, 상기한 과정을 거친 단결정이 안정적으로 성장됨으로써, 그 품질이 좋아지게 된다.
그리고, 상기한 승강판(130)은 가장자리 부분이 승강력을 받으면서 가이드되어 상하로 승강할 수 있도록 되어 있어, 종래에 비해서, 승강판(130)의 중앙부분에 장착되는 승강봉(140)으로 진동이 덜 전달됨으로써, 단결정 성장이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있게 된다. 완성된 단결정의 크기는 챔버(100) 부분에 고정설치되어 있는 측정용 자(ruler)에 의해 작업자의 육안으로도 관측이 가능하게 된다.
시드봉(118) 부분에서 단결정이 성장이 완료되면, 승강봉(140)이 끌어올려야 할 필요가 있다. 그런데, 구동모터(124)의 구동력으로 승강봉(140)을 상승시키게 되면, 상승시간이 많이 소요되기 때문에, 이때에는, 작업자가 돌림손잡이(129)를 잡고 돌림으로써, 베벨기어조합에 의해 승강용 나사바(125)를 고속으로 회전시키게 됨으로써, 승강판(130)이 빠른 속도로 상승할 수 있게 된다. 따라서, 승강봉(140)이 빠르게 끌어올려질 수가 있게 된다. 상기한 베벨기어조합은, 결정성장 작업을 마친 후 승강봉(140)을 신속하게 원래의 위치로 수동 상승시키는 경우에, 아주 효과적이다.
이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 챔버 103 : 온도조절 장치부
104 : 고주파 발생장치부 110 : 단결정 성장부
111 : 고주파 유도코일 112 : 도가니
113 : 도가니 받침대 114 : 열전대
116 : 보조지지부재 117 : 원료시료
118 : 시드봉 120 : 승강장치부
121 : 가이드바 122 : 회전용 모터
123 : 받침판 124 : 구동모터
126 : 풀리 127 : 제 1베벨기어
128 : 제 2베벨기어 129 : 돌림손잡이
130 : 승강판 140 : 승강봉
141 : 외통 142 : 제 1유입구
143 : 제 1유출구 144 : 패킹고리
145 : 내통 146 : 제 2유입구
147 : 제 2유출구 148 : 유로

Claims (5)

  1. 챔버;
    상기 챔버 상부에 설치되어 가이드바, 승강판, 횐전용 모터, 승강봉, 내통 및 외통을 구비하고 상하로 승강하는 승강장치부;
    상기 챔버 내부에 수용되고, 내부에 결정성장을 위한 원료시료가 담겨져 있으며 열발생장치에 의해 가열됨으로써 상기 원료시료를 용융시키는 도가니를 갖는 냉각시스템; 및
    상기 챔버에서 연결되는 다중 온도제어 시스템
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다중 온도제어 시스템은,
    챔버의 상하부와 중심 및 외곽부의 온도 상태를 실시간으로 감지하여 온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 챔버는,
    수직으로 구성된 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 가이드바의 최상단부에는 받침판이 설치되고, 상기 받침판 상에 상기 승강판을 승강시키기 위한 구동모터가 설치되며, 상기 가이드바와 평행하게 수직방향으로 설치되는 승강용 나사바는 그 외표면이 상기 승강판의 가장자리 부분에 설치되는 너트부와 치합한 상태에서 상기 구동모터에 의해 회전함으로써 상기 승강판을 승강시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 승강용 나사바 상에는 베벨기어조합이 설치되고, 상기 베벨기어조합이 돌림손잡이에 의해 회전함으로써, 상기 승강판을 수동으로 상하 승강시키는 것을 특징으로 하는 반도체 단결정 성장장치.
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