KR20120135735A - 잉곳 제조 장치 - Google Patents

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KR20120135735A
KR20120135735A KR1020110054622A KR20110054622A KR20120135735A KR 20120135735 A KR20120135735 A KR 20120135735A KR 1020110054622 A KR1020110054622 A KR 1020110054622A KR 20110054622 A KR20110054622 A KR 20110054622A KR 20120135735 A KR20120135735 A KR 20120135735A
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손창현
김범섭
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 상기 원료 상에 배치되는 온도차 보상부; 상기 온도차 보상부의 주위를 둘러싸는 상부 덮개; 및 상기 상부 덮개 상에 배치되는 단열재를 포함한다.

Description

잉곳 제조 장치{APPARATUS FOR FABRICATING INGOT}
본 기재는 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 전기, 전자 산업분야 및 기계부품 분야에 있어서의 소재의 중요도는 매우 높아 실제 최종 부품의 특성 및 성능지수를 결정하는 중요한 요인이 되고 있다.
SiC는 열적 안정성이 우수하고, 내산화성이 우수한 특징을 가지고 있다. 또한, SiC는 4.6W/Cm℃ 정도의 우수한 열 전도도를 가지고 있으며, 직경 2인치 이상의 대구경의 기판으로서 생산 가능하다는 장점이 있다. 특히, SiC 단결정 성장 기술이 현실적으로 가장 안정적으로 확보되어, 기판으로서 산업적 생산 기술이 가장 앞서있다.
SiC의 경우, 종자정을 사용하여 승화재결정법에 의해 탄화규소 단결정을 성장시키는 방법이 제시되어 있다. 원료가 되는 탄화규소 분말을 도가니 내에 수납하고 그 상부에 종자정이 되는 탄화규소 단결정을 배치한다. 상기 원료와 종자정 사이에 온도구배를 형성함으로써 도가니 내의 원료가 종자정 측으로 확산되고 재결정화되어 단결정이 성장된다.
그러나 이러한 SiC 성장 시, 종자정을 고정하는 종자정 홀더의 중심 부분과 가장자리 부분에 온도차가 발생한다. 이에 따라, 종자정으로부터 성장하는 단결정에도 영향이 미쳐 단결정의 중심 부분이 볼록한 형상을 가지게 된다. 또한, 이러한 온도차로 인해 단결정의 가장자리 부분에 결함이 발생할 수 있다.
실시예는 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 원료를 수용하는 도가니; 상기 원료 상에 배치되는 온도차 보상부; 상기 온도차 보상부의 주위를 둘러싸는 상부 덮개; 및 상기 상부 덮개 상에 배치되는 단열재를 포함한다.
실시예에 따른 잉곳 제조 장치는, 온도차 보상부 및 단열재를 포함한다. 상기 온도차 보상부는 종자정을 고정하는 종자정 홀더와 접촉한다.
종자정 중심 부분에 대응하는 상기 온도차 보상부가 더 두껍게 형성됨으로써, 상기 종자정 중심 부분의 온도를 상승시킬 수 있다. 즉, 상기 온도차 보상부는 상기 종자정 중심 부분을 고온으로 유지할 수 있다.
이를 통해, 상기 종자정의 중심 부분과 상기 종자정의 가장자리 부분의 온도차를 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 종자정의 온도를 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 종자정의 가장자리 부분의 결함을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 종자정의 중심 부분과 상기 종자정의 가장자리 부분의 온도차에 의해 상기 종자정으로부터 성장한 단결정의 중심 부분이 볼록한 형상을 가지는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 상기 단결정을 더 효율적으로 이용할 수 있다.
또한, 상기 단열재는 다양한 형상 및 구조로 변경될 수 있어, 상기 종자정의 온도를 보다 쉽게 균일하게 유지할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 2는 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단열재, 온도차 보상부 및 상부 덮개의 분해 사시도이다.
도 3은 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 4는 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단열재, 온도차 보상부 및 상부 덮개의 분해 사시도이다.
도 5는 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다.
도 6은 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단열재, 온도차 보상부 및 상부 덮개의 분해 사시도이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치를 상세하게 설명한다. 도 1은 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 도 2는 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단열재, 온도차 보상부 및 상부 덮개의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 잉곳 제조 장치(10)는, 도가니(100), 상부 덮개(140), 온도차 보상부(150), 종자정 홀더(160), 포커싱 튜브(180), 제1 단열재(200), 제2 단열재(210), 석영관(400) 및 발열 유도부(500)를 포함한다.
상기 도가니(100)는 원료(130)를 수용할 수 있다. 상기 원료(130)는 규소 및 탄소를 포함할 수 있다. 더 구체적으로는, 상기 원료(130)는 탄화규소 화합물을 포함할 수 있다. 상기 도가니(100)는 탄화규소 분말(SiC powder) 또는 폴리카보실란(polycarbosilane) 을 수용할 수 있다.
상기 도가니(100)는 상기 원료(130)를 수용할 수 있도록 원통형의 형상을 가질 수 있다.
상기 도가니(100)는 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질을 포함할 수 있다.
일례로, 상기 도가니(100)는 흑연으로 제작될 수 있다.
또한, 도가니(100)는 흑연에 탄화규소의 승화 온도 이상의 융점을 갖는 물질이 도포될 수도 있다. 여기서, 흑연 재질 상에 도포되는 상기 물질은, 탄화규소 단결정이 성장되는 온도에서 실리콘 및 수소에 대해 화학적으로 불활성인 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 금속 탄화물 또는 금속 질화물을 이용할 수 있다. 특히, Ta, Hf, Nb, Zr, W 및 V 중 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합물 및 탄소를 포함하는 탄화물이 도포될 수 있다. 또한, Ta, Hf, Nb, Zr, W 및 V 중 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합물 및 질소를 포함하는 질화물이 도포될 수 있다.
상기 도가니(100)의 상부에 상부 덮개(140)가 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 상기 도가니(100)를 밀폐시킬 수 있다. 즉, 상기 상부 덮개(140)는 상기 도가니(100)에서 반응이 일어날 수 있도록 밀폐시킬 수 있다.
상기 상부 덮개(140)는 흑연을 포함할 수 있다.
상기 상부 덮개(140)는 상기 온도차 보상부(150)의 일부를 둘러쌀 수 있다. 즉, 상기 상부 덮개(140)는 상기 도가니(100) 상부의 외곽에 위치할 수 있다. 상기 상부 덮개(140)는 단결정 성장 시, 원료 가스의 누출을 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 상부 덮개(140)는 상기 온도차 보상부(150)의 일부를 덮을 수 있다. 구체적으로, 상기 상부 덮개(140)는 상기 온도차 보상부(150)의 상부를 덮을 수 있고, 이를 통해 상기 도가니(100)를 밀폐할 수 있다.
이어서, 상기 원료(130) 상에 상기 온도차 보상부(150)가 위치한다. 상기 온도차 보상부(150)의 하면(150a)에 상기 종자정 홀더(160)가 위치한다. 상기 온도차 보상부(150)는 상기 종자정 홀더(160)와 직접 접촉될 수 있다. 따라서, 상기 온도차 보상부(150)의 구조 변화에 따라 상기 종자정 홀더(160)의 온도구배를 쉽게 제어할 수 있다. 이로써, 상기 종자정 홀더(160)에 균일한 온도구배를 구현할 수 있다.
상기 온도차 보상부(150)는 흑연을 포함할 수 있다. 상기 온도차 보상부(150)는 상기 도가니보다 밀도가 더 높은 물질을 포함할 수 있다. 즉, 상기 온도차 보상부(150)는 고밀도의 흑연을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 온도차 보상부(150)는 1.84g/cm3 이상의 밀도를 가지는 흑연을 포함할 수 있다. 이로써, 상기 종자정 홀더(160)의 중심 부분의 온도를 효과적으로 상승시킬 수 있다.
상기 온도차 보상부(150)는 상기 종자정(170)의 중심 부분에 대응하는 중앙부(CA) 및 상기 중앙부(CA)의 외곽에 배치되는 외곽부(EA)를 포함한다. 그리고, 상기 중앙부(CA)의 두께가 상기 외곽부(EA)의 두께보다 더 두껍게 형성될 수 있다.
또한, 상기 온도차 보상부(150)는 상기 상부 덮개(140)의 상면(140a)에 대해 경사지는 경사면(150b)을 포함할 수 있다.
일반적으로, 도가니(100) 외벽의 온도가 높고, 중심부로 갈수록 상대적으로 온도가 낮아진다. 따라서, 상기 종자정(170) 중심 부분의 온도가 상기 종자정(170) 가장자리 부분의 온도보다 낮다.
본 실시예에서는, 상기 종자정(170) 중심 부분에 대응하는 상기 온도차 보상부(150)가 더 두껍게 형성됨으로써, 상기 종자정(170) 중심 부분의 온도를 상승시킬 수 있다. 즉, 상기 중앙부(CA)는 상기 종자정(170) 중심 부분을 고온으로 유지할 수 있다.
이를 통해, 상기 종자정(170)의 중심 부분과 상기 종자정(170)의 가장자리 부분의 온도차를 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 종자정(170)의 온도를 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 종자정(170)의 가장자리 부분의 결함을 최소화할 수 있다. 또한, 상기 종자정(170)의 중심 부분과 상기 종자정(170)의 가장자리 부분의 온도차에 의해 상기 종자정(170)으로부터 성장한 단결정의 중심 부분이 볼록한 형상을 가지는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 상기 단결정을 더 효율적으로 이용할 수 있다.
상기 온도차 보상부(150)의 하단부에 종자정 홀더(160)가 위치한다. 즉, 상기 종자정 홀더(160)는 상기 원료(130) 상에 배치된다.
상기 종자정 홀더(160)는 종자정(170)을 고정시킬 수 있다. 상기 종자정 홀더(160)는 고밀도의 흑연을 포함할 수 있다.
이어서, 상기 포커싱 튜브(180)는 상기 도가니(100) 내부에 위치한다. 상기 포커싱 튜브(180)는 단결정이 성장하는 부분에 위치할 수 있다. 상기 포커싱 튜브(180)는 승화된 탄화규소 가스의 이동통로를 좁게 하여 승화된 탄화규소의 확산을 상기 종자정(170)으로 집속시킬 수 있다. 이를 통해 단결정의 성장률을 높일 수 있다.
이어서, 상기 제1 단열재(200)는 상기 도가니(100)를 둘러싼다. 상기 제1 단열재(200)는 상기 도가니(100)의 온도를 결정 성장 온도로 유지하도록 한다. 상기 제1 단열재(200)는 탄화규소의 결정 성장 온도가 매우 높기 때문에, 흑연 펠트를 이용할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 단열재(200)는 흑연 섬유를 압착시켜 일정 두께의 원통형으로 제작된 흑연 펠트를 사용할 수 있다. 또한, 상기 제1 단열재(200)는 복수의 층으로 형성되어 상기 도가니(100)를 둘러쌀 수 있다.
상기 제2 단열재(210)는 상기 상부 덮개(140) 상에 배치된다. 상기 제2 단열재(210)는 상기 온도차 보상부(150) 외곽부(EA)의 주위에 배치될 수 있다.
상기 제2 단열재(210)는 상기 도가니(100)의 온도를 감소시킬 수 있다. 이로써, 상기 종자정(170)의 중심 부분과 상기 종자정(170)의 가장자리 부분의 온도차를 감소시킬 수 있다.
상기 제2 단열재(210)는 상기 상부 덮개(140)에서 상기 도가니(100) 길이 방향으로 연장되는 연장부(210a) 및 상기 연장부(210a)와 교차하는 방향으로 형성되는 교차부(210b)를 포함한다. 상기 연장부(210a) 및 상기 교차부(210b)가 다양한 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 단열재(210)는 흑연을 포함할 수 있다.
이어서, 상기 석영관(400)은 상기 도가니(100)의 외주면에 위치한다. 상기 석영관(400)은 상기 도가니(100)의 외주면에 끼워진다. 상기 석영관(400)은 상기 발열 유도부(500)에서 단결정 성장장치의 내부로 전달되는 열을 차단할 수 있다. 상기 석영관(400)은 내부가 빈 중공형의 관일 수 있다. 상기 석영관(400)의 내부 공간에 냉각수가 순환될 수 있다. 따라서, 상기 석영관(400)은 단결정의 성장 속도, 성장 크기 등을 보다 정확하게 제어할 수 있다.
상기 발열 유도부(500)는 상기 도가니(100)의 외부에 위치한다. 상기 발열 유도부(500)는 일례로, 고주파 유도 코일일 수 있다. 고주파 유도 코일에 고주파 전류를 흐르게 함으로써 상기 도가니(100) 및 상기 도가니(100)를 가열할 수 있다. 즉, 상기 도가니(100)에 수용되는 상기 원료를 원하는 온도로 가열할 수 있다.
상기 발열 유도부(500)에서 유도 가열되는 중심 영역이 상기 도가니(100)의 중심부보다 낮은 위치에 형성된다. 따라서, 상기 도가니(100)의 상부 및 하부에 서로 다른 가열온도 영역을 갖는 온도구배가 형성된다. 즉, 발열 유도부(500)의 중심부인 핫존(hot zone, HZ)이 상기 도가니(100)의 중심에서 상대적으로 낮은 위치에 형성되어, 핫존(HZ)을 경계로 상기 도가니(100)의 하부의 온도가 상기 도가니(100) 상부의 온도보다 높게 형성된다. 또한, 상기 도가니(100)의 내부 중심부에서 외곽 방향을 따라 온도가 높게 형성된다. 이러한 온도구배로 인하여 탄화규소 원료의 승화가 일어나고, 승화된 탄화규소 가스가 상대적으로 온도가 낮은 종자정(170)의 표면으로 이동한다. 이로 인해, 상기 탄화규소 가스가 재결정되어 단결정으로 성장된다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에 대해 상세하게 설명한다. 명확하고 간략한 설명을 위하여 제1 실시예와 동일 또는 유사한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
도 3은 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 도 4는 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단열재, 온도차 보상부 및 상부 덮개의 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 잉곳 제조 장치(20)는 온도차 보상부(151) 및 제2 단열재(211)를 포함한다.
상기 온도차 보상부(151)는 제1 온도차 보상부(153), 제2 온도차 보상부(155) 및 제3 온도차 보상부(157)를 포함할 수 있다.
상기 제1 온도차 보상부(153)는 상부 덮개(141)의 상면(141a)에 배치된다.
상기 제2 온도차 보상부(155)는 상기 제1 온도차 보상부(153)의 상면에 배치되고 상기 제1 온도차 보상부(153)와 단차를 가진다.
상기 제3 온도차 보상부(157)는 상기 제2 온도차 보상부(155)의 상면에 배치되고 상기 제2 온도차 보상부(155)와 단차를 가진다.
상기 온도차 보상부(151)는 계단 형상을 가질 수 있다.
상기 제2 단열재(211)는 연장부(211a) 및 교차부(211b)를 포함하고, 상기 연장부(211a) 및 상기 교차부(211b)는 다양한 형상 및 구조를 가질 수 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치에 대해 설명한다.
도 5는 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단면도이다. 도 6은 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치의 단열재, 온도차 보상부 및 상부 덮개의 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 제3 실시예에 따른 잉곳 제조 장치(30)는 온도차 보상부(152) 및 제2 단열재(212)를 포함한다.
상기 온도차 보상부(152)는 상부 덮개(142)의 상면(142a)에 대해 경사지는 경사면(152b)을 포함할 수 있다. 즉, 도가니(100)로부터 멀어지는 방향으로 경사면(152b)이 형성되어, 상기 온도차 보상부(152)의 중심인 중앙부(CA)의 두께가 두껍게 형성될 수 있다.
상기 제2 단열재(212)는 다양한 형상 및 구조를 가질 수 있다.
상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
또한, 이상에서 실시예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 원료를 수용하는 도가니;
    상기 원료 상에 배치되는 온도차 보상부;
    상기 온도차 보상부의 일부를 둘러싸는 상부 덮개; 및
    상기 상부 덮개 상에 배치되는 단열재를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도차 보상부의 하부에 종자정을 고정하는 종자정 홀더가 위치하고,
    상기 온도차 보상부가 상기 종자정 홀더와 접촉되는 잉곳 제조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온도차 보상부는 상기 상부 덮개의 상면에 대해서 돌출된 형상인 잉곳 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 온도차 보상부는 상기 상부 덮개의 상면에 대해 경사지는 경사면을 포함하는 잉곳 제조 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 온도차 보상부는
    상기 상부 덮개의 상면에 배치되는 제1 온도차 보상부;
    상기 제1 온도차 보상부의 상면에 배치되고 상기 제1 온도차 보상부와 단차를 가지는 제2 온도차 보상부; 및
    상기 제2 온도차 보상부의 상면에 배치되고 상기 제2 온도차 보상부와 단차를 가지는 제3 온도차 보상부를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 온도차 보상부는 계단 형상인 잉곳 제조 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 온도차 보상부는 상기 종자정 홀더의 중심에 대응하는 중앙부; 및
    상기 중앙부의 외곽에 배치되는 외곽부를 포함하고
    상기 중앙부의 두께가 상기 외곽부의 두께보다 더 두꺼운 잉곳 제조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 온도차 보상부는 상기 도가니보다 밀도가 더 높은 물질을 포함하는 잉곳 제조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 온도차 보상부는 흑연을 포함하는 잉곳 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 온도차 보상부는 1.84 g/cm3 보다 큰 밀도를 가지는 잉곳 제조 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 단열재는 상기 외곽부의 주위에 위치하는 잉곳 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 단열재는 상기 상부 덮개에서 상기 도가니 길이 방향으로 연장되는 연장부; 및
    상기 연장부와 교차하는 방향으로 형성되는 교차부를 포함하는 잉곳 제조 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 단열재는 흑연을 포함하는 잉곳 제조 장치.
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