KR20130003354A

KR20130003354A - 단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치

Info

Publication number: KR20130003354A
Application number: KR1020110064659A
Authority: KR
Inventors: 송제중; 전구식
Original assignee: (주)티피에스
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-09

Abstract

본 발명은 단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 단결정 성장용 챔버로부터 배출되는 냉각수의 온도를 온도계로 측정한 다음 그 온도에 따라 단결정 성장용 챔버 내부로 유입되는 냉각수의 유량을 자동적으로 조절함으로써 단결정 성장용 챔버 내부의 온도를 단결정 성장에 필요한 일정한 온도 범위로 자동적으로 제어할 수 있도록 하는 단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치에 관한 것이다.
본 발명은 단결정 성장용 챔버로부터 배출되는 냉각수의 온도를 측정하여 그 온도 변화를 반영하여 자동적으로 성장용 챔버 내부로 유입되는 냉각수의 유량을 측정 및 조절할 수 있도록 함으로써 단결정 성장용 챔버 내부의 온도를 단결정 성장에 적합한 온도로 유지할 수 있도록 하여 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다는 장점이 있다.

Description

단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치{APPARATUS FOR GROWING SINGLE CRYSTAL HAVING AUTOMATIC TEMPERATURE CONTROL}

본 발명은 단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 단결정 성장용 챔버로부터 배출되는 냉각수의 온도를 온도계로 측정한 다음 그 온도에 따라 단결정 성장용 챔버 내부로 유입되는 냉각수의 유량을 자동적으로 조절함으로써 단결정 성장용 챔버 내부의 온도를 단결정 성장에 필요한 일정한 온도 범위로 자동적으로 제어할 수 있도록 하는 단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치에 관한 것이다.

단결정 성장장치에는 단결정을 성장하기 위하여 발생되는 고온의 열기로부터 단결정 성장장치가 가열되는 것을 방지하고, 단결정 성장용 챔버의 온도를 일정하게 유지하도록 하기 위하여 단결정 성장용 챔버에는 적어도 하나 이상의 냉각수 공급관으로부터 공급되는 냉각수를 이용하여 단결정 성장용 챔버의 온도를 냉각시키는 적어도 하나 이상의 수냉관이 단결정 성장용 챔버에 설비된다.

한편, 단결정 성장용 챔버를 가동하게 되면 챔버 내부온도가 상승하게 되는데 최대 2300℃까지 상승하게 된다. 따라서 단결정 성장에 가장 적합한 온도로 유지하는 것이 관건이므로 적정 온도로 성장용 챔버 내부의 온도를 유지시키기 위해서는 성장용 챔버를 냉각을 시켜야 한다. 따라서, 챔버에 부설되어 있는 수냉관을 통하여 흐르는 냉각수를 이용하여 성장용 챔버를 냉각시키면서 챔버 내부의 온도를 일정하게 유지하게 된다.

한편, 종래의 단결정 성장장치에는 냉각수 제조장치(칠러)를 이용하여 자동으로 설정된 냉각수 제조장치의 배출온도를 맞추어 챔버로 공급하고 있으나 이는 성장용 챔버로 인입되는 냉각수의 온도를 제어하는 것에 불과하며 성장용 챔버로부터 배출되는 냉각수의 온도를 제어할 수 없다는 것이 문제이다.

구체적으로 살펴보면 단결정을 성장시키기 위해 지속적으로 열을 가하게 되며, 이에 따라 성장용 챔버 내부의 온도가 상승하면 이에 비례하여 챔버로부터 배출되는 냉각수 온도도 함께 상승하게 된다. 따라서, 실제로 관리되고 제어되어야 하는 냉각수의 온도는 성장용 챔버를 통과하여 냉각을 시킨 후 배출되는 냉각수의 온도이며, 성장용 챔버에 부설되어 있는 수냉관으로 배출되는 냉각수의 온도가 냉각수의 유량 변화에 관계없이 적정한 온도 즉 25~50℃의 온도로 일정하게 유지되어야만 성장용 챔버의 내부온도도 단결정 성장에 적합한 적정 온도를 유지하게 되나, 현장에서는 작업자가 수동으로 성장용 챔버 내부로 유입되는 냉각수의 유량을 조절하여 성장용 챔버로부터 배출되는 냉각수의 온도를 일정하게 유지하고 있는 실정이기 때문에 성장용 챔버로부터 배출되는 냉각수의 온도를 일일이 측정하고 이에 따라 작업자가 일일이 성장용 챔버로 유입되는 냉각수의 유량을 측정하고 이에 따라 유량을 조절해야 하는 불편함이 여전히 남아 있었고, 작업자의 부주의로 성장용 챔버로 공급되는 냉각수의 유량을 적절하게 조절하지 못한 경우에는 단결정 성장용 챔버의 내부온도가 일정하게 유지되지 못하여 생산된 단결정의 품질이 저하될 수 있다는 문제점이 여전히 남아 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,

본 발명은 단결정 성장용 챔버로부터 배출되는 냉각수의 온도를 측정하여 그 온도 변화를 반영하여 자동적으로 성장용 챔버 내부로 유입되는 냉각수의 유량을 측정 및 조절할 수 있도록 하여 단결정 성장용 챔버 내부의 온도를 단결정 성장에 적합한 온도로 유지할 수 있도록 하는 단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 배출되는 냉각수의 온도를 일정하게 조정하여 배출시키는 냉각수 제조장치; 상기 냉각수 제조장치로부터 공급되는 냉각수를 분배하는 냉각수 분배기; 단결정을 성장시키기 위하여 하나 이상의 수냉관이 부설되어 있는 단결정 성장용 챔버; 일 측단은 상기 냉각수 분배기와 연통되어 있고 타 측단은 상기 수냉관의 일측단과 연통되어 있어 분배된 냉각수를 수냉관으로 이송시키는 적어도 하나 이상의 냉각수 공급관; 상기 냉각수 공급관에 부설되는 유량조절장치; 일측단은 상기 수냉관의 타 측단과 연통되어 있으며, 상기 단결정 성장용 챔버로부터 배출되는 냉각수를 다시 냉각수 제조장치로 회송시키는 적어도 하나 이상의 냉각수 배출관; 상기 냉각수 배출관에 부설되는 배출관 온도계; 상기 냉각수 배출관의 타 측단과 연통되어 있으며 다수 개의 냉각수 배출관으로부터 회송되는 냉각수를 모아 상기 냉각수 제조장치로 이송시키는 냉각수 수렴기; 및 상기 배출관 온도계로부터 측정된 냉각수의 온도정보를 전달받아 자동적으로 상기 유량조절장치를 제어하여 냉각수 공급량을 조절하는 피아이디제어기가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 배출관 온도계는 열전대 장치인 것을 특징으로 하는데, 이는 열전대장치로부터 용이하게 전기신호를 받아 피아이디제어기를 통하여 유량조절장치를 제어하여 단결정 성장용 챔버로 공급되는 냉각수의 양을 제어할 수 있기 때문이다.

한편, 본 발명은 상기 냉각수 공급관에 부설되는 적어도 하나 이상의 유량계가 더 포함되는 것을 다른 특징으로 하는데, 유량계를 통해 직접적으로 작업자가 단결정 성장용 챔버로 공급되는 냉각수의 유량을 측정할 수 있기 때문이며, 이러한 유량계의 정보가 상기 피아이디제어기로 전달되어 반영됨으로써 보다 정밀하고 정확한 냉각수 공급량의 제어가 가능하기 때문이다.

이때, 상기 냉각수 공급관이 2 이상인 경우에는 각 냉각수 급수관마다 상기 유량계 및 유량조절장치가 각각 부설되는 것이 바람직한데, 이는 각 수냉관마다 연결되어 있는 냉각수 공급관마다 공급되는 냉각수의 유량을 측정 및 개폐 제어를 할 수 있어 단결정 성장용 챔버 내부의 온도를 더욱 미세하게 조절할 수 있다는 장점이 있다. 보다 미세하게 단결정 성장용 챔버 내부의 온도 제어가 필요한 경우에 채택되는 것이 바람직하다.

본 발명은 단결정 성장용 챔버로부터 배출되는 냉각수의 온도를 측정하여 그 온도 변화를 반영하여 자동적으로 성장용 챔버 내부로 유입되는 냉각수의 유량을 측정 및 조절할 수 있도록 함으로써 단결정 성장용 챔버 내부의 온도를 단결정 성장에 적합한 온도로 유지할 수 있도록 한다는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 단결정 성장용 챔버 내부의 온도를 단결정 성장에 적합한 온도로 유지할 수 있도록 함으로써 고품질의 단결정을 성장시킬 수 있다는 다른 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 의한 단결정 성장용 장치의 전체 구성을 도시한 구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 통하여 본 발명의 일실시예를 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 단결정 성장용 장치는 냉각수 제조장치(100)와 냉각수 제조장치에서 일정한 온도범위로 조절된 냉각수를 다수 개의 파이프로 분배하는 냉각수 분배기(200)와 냉각수 분배기를 통해 분배된 냉각수를 단결정 성장용 챔버(400)에 부설된 다수 개의 수냉관으로 공급하는 하나 이상의 냉각수 공급관(300)과 상기 냉각수 공급관 중 어느 하나 이상에 각각 부설되는 유량계(310) 및 공급되는 냉각수의 양을 조절할 수 있는 유량조절장치(320)와 상기 냉각수 공급관(300)을 통해 공급되는 냉각수를 공급받아 내부의 온도를 일정하게 유지시켜 단결정 성장시키는 단결정 성장용 챔버(400)와 단결정 성장용 챔버(400)에 부설되어 있는 다수개의 수냉관을 통해 흐르면서 챔버 내부의 온도를 낮춘 후에 배출되는 냉각수을 회수 순환시켜 다시 냉각수 제조장치(100)로 보내는 냉각수 배출관(500) 및 상기 냉각수 배출관에 부설되는 온도계(550) 및 다수 개의 냉각수 배출관을 수렴하여 하나의 파이프를 통해 상기 냉각수 제조장치(100)로 수렴하여 이송하는 냉각수 수렴기(600)가 기본적으로 구성되어 있다. 이때 냉각수 제조장치(100)와 냉각수 분배기 사이에는 펌프(150)가 더 설치되어 있어 냉각수 분배기로부터 단결정 성장용 챔버(400)로 공급되는 냉각수의 수압이 일정하게 유지되도록 한다.

한편, 본 도에서는 냉각수 분배기에서 5개의 냉각수 공급관을 통해 분배되어 단결정 성장용 챔버(400)로 공급되는 것을 도시하였으며, 이 중 하나의 냉각수 급수관에 유량계(310)와 유량조절장치(320)가 부설되어 있는 공정도를 도시하였다.

이때 부설되는 유량계(310) 및 유량조절장치(320)는 상기 냉각수 공급관(300)의 수에 따라 적어도 하나 이상의 냉각수 공급관에 부설하여 설치하는데, 보다 정밀한 온도 제어 및 유량제어를 위해서는 각 냉각수 공급관(300)마다 유량계(310) 및 유량조절장치(320)를 함께 부설하는 것이 바람직하다. 본 도에서는 다수 개의 냉각수 공급관 중 어느 하나에만 유량계(310)와 유량조절장치(320)가 함께 부설되어 있는 것을 도시하였다.

단결정 성장용 챔버(400)에는 본 도에서는 구체적으로 도시되지는 않았으나 적어도 하나 이상의 수냉관이 부설되어 있으며, 통상적으로 10개의 스트림 즉 10개의 수냉관으로 분배되어 냉각을 시키는 것이 일반적이다. 단결정 성장용 챔버 내부로 냉각수가 공급되는 루트는 챔버전극, 챔버, 챔버바닥, 챔버뚜껑, 씨드로드, 디퓨전펌프, 트랜스포머, 진공배관 등이며, 이중 챔버전극과 챔버뚜껑은 2개의 수냉관을 각각 배치시켜 효과적으로 단결정 성장용 챔버의 온도를 떨어트려 조절할 수 있도록 하고 있다.

단결정 성장용 챔버(400) 내부에서의 단결정 성장은 1000~3000℃의 고온에서 시행되며, 이때 고온에 의하여 열이 발생하는데, 이러한 고온의 열로부터 단결정 성장용 장치를 보호하고 단결정 성장용 챔버(400)의 내부 온도를 일정하게 유지시키기 위하여 온도가 10~30℃인 냉각수를 냉각수 공급관(300)을 통해 공급하게 된다.

한편, 단결정 성장용 챔버(400)에서 냉각을 마치고 배출되는 냉각수는 적어도 하나 이상의 냉각수 배출관(500)을 통해 배출된 후 냉각수 수렴기(600)를 통해 모아진 후에 다시 냉각수 제조장치(100)로 회송된다.

이때, 냉각수 배출관(500)은 단결정 성장용 챔버(400)에 부설된 수냉관과 각각 연통되어 있으므로 부설된 수냉관의 수만큼 냉각수 배출관(500)이 연결되어 있다. 아울러, 상기 냉각수 배출관(500) 중 적어도 하나 이상에는 배출관 온도계(550)가 부설되어 있어 냉각수 배출관(500)을 통해 배출된 냉각수의 온도를 직접적으로 측정할 수 있다. 이때 사용되는 배출관 온도계(550)는 피아이디제어기(700)로 전달되는 전기적 신호를 발생시키기 용이한 열전대 온도계를 사용하는 것이 바람직하다.

단결정 성장용 챔버(400) 내부의 수냉관을 통과한 냉각수는 단결정을 성장시킬 때 발생된 열을 흡수하여 온도가 상승하게 되는데, 단결정 성장용 챔버(400) 내부를 통과하는 위치에 따라 다르기는 하나 통상적인 단결정 성장용 챔버(400)로부터 배출되는 냉각수의 온도는 20~50℃ 사이를 유지시켜 주는 것이 바람직하다.

한편, 하나 이상의 냉각수 배출관(500)을 통해 배출된 냉각수는 다시 냉각수 제조장치(100)로 보내어진 후 10~30℃의 온도로 조절된 후에 다시 냉각수 분배기(200)와 냉각수 공급관(300)을 거쳐 단결정 성장용 챔버(400)로 공급되어 계속 순환하여 사용되게 된다.

본 도면에서는 단결정 성장용 챔버에서 배출되는 냉각수의 온도를 측정하기 위하여 냉각수 배출관(500) 중 어느 하나에 배출관 온도계(550)를 부설하여 온도를 측정하게 하였으며, 측정된 냉각수 배출관의 온도 정보는 피아이디제어기(700)로 전송되어 미리 설정된 냉각수 배출관의 온도 범위 이내에 있는지 여부를 확인한 후에 미리 설정된 온도범위를 벗어나는 경우에는 피아이디제어기(700)에서 상기 냉각수 공급관에 부설되어 있는 유량조절장치에 개폐 신호를 보내어 공급되는 유량을 증대시기커나 감소시키도록 한다. 이때, 유량조절장치(320)로는 볼 밸브, 솔레노이드 밸브 등의 유체 유량조절용 밸브가 사용될 수 있으며, 피아이디제어기(700)로부터 전달되는 전기 신호에 따라 작동되기 위해서는 이 중 솔레노이드 밸브를 채택하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 의한 단결정 성장용 장치의 작동 순서는 다음과 같다.

단결정 성장용 챔버(400)에서 배출된 냉각수는 냉각수 제조장치(100)에서 단결정 성장용 챔버에서 요구되는 냉각수 온도로 셋팅되어 맞춰진다. 이후 펌프(150)를 이용하여 온도가 맞춰진 냉각수를 냉각수 분배기(200)에 공급한다. 냉각수 분배기(200)에서 냉각수 공급관(300)을 통해 단결정 성장용 챔버(400)에 부설되어 있는 수냉관으로 냉각수를 공급한다. 단결정 성장용 챔버(400)에 부설된 수냉관을 통해 단결정 성장용 챔버의 각 부분을 순환하며 열교환을 통해 온도가 올라간 냉각수는 냉각수 배출관(500)을 통해 냉각수 수렴기(600)로 모이고 이는 다시 냉각수 제조기(100)으로 되돌아가서 위 과정을 반복한다.

이때 일반적으로 상용화된 단결정 성장용 장치에서는 단결정 성장용 챔버로 공급되는 냉각수의 온도 편차가 2~5℃가 되도록 ON/OFF 제어를 한다. 이는 단결정 성장 공정에 큰 영향을 미치게 되므로 정밀한 온도 제어가 필요하다. 이러한 곳은 냉각수 배출관과 같이 냉각수 출구온도를 열전대(TC, Thermocouple) 온도계를 통해 피아이디제어기(PID 제어기)로 입력받아 해당되는 냉각수 공급관에 부설된 유량조절장치(320)로 제어신호를 인가하여 단결정 성장용 챔버(400)로 공급되는 냉각수의 유량을 조절함으로써 보다 정밀한 단결정 성장용 챔버(400) 내부의 온도를 단결정 성장에 적합한 온도로 제어가 가능해진다. 구체적으로 살펴보면, 설정하고자 하는 냉각수의 온도를 피아이디제어기(700)의 컨트롤러에 세팅을 하고, 설정한 온도와 비교하여 단결정 성장용 챔버(400)로부터 배출되는 냉각수의 온도가 높으면 피아이디제어기(700)에서는 냉각수 공급관(300)에 부설된 유량조절장치(320)로 자동적으로 신호를 보내어 냉각수 공급량을 점차 늘려 단결정 성장용 챔버(400)로부터 배출되는 냉각수의 온도를 설정된 온도 범위로 낮춘다. 만약, 설정된 온도와 비교하여 단결정 성장용 챔버(400)로부터 배출되는 냉각수의 온도가 낮으면 피아이디제어기(700)에서는 유량조절장치(320)로 자동적으로 신호를 보내 냉각수 공급량을 줄임으로써 단결정 성장용 챔버(400)로부터 배출되는 냉각수의 온도를 높인다.

100 : 냉각수 제조장치 150 : 펌프
200 : 냉각수 분배기
300 : 냉각수 공급관 310 : 유량계
320 : 유량조절장치
400 : 단결정 성장용 챔버
500 : 냉각수 배출관 550 : 배출관 온도계
600 : 냉각수 수렴기
700 : 피아이디제어기

Claims

배출되는 냉각수의 온도를 일정하게 조정하여 배출시키는 냉각수 제조장치;
상기 냉각수 제조장치로부터 공급되는 냉각수를 분배하는 냉각수 분배기;
단결정을 성장시키기 위하여 하나 이상의 수냉관이 부설되어 있는 단결정 성장용 챔버;
일 측단은 상기 냉각수 분배기와 연통되어 있고 타 측단은 상기 수냉관의 일측단과 연통되어 있어 분배된 냉각수를 수냉관으로 이송시키는 적어도 하나 이상의 냉각수 공급관;
상기 냉각수 공급관에 부설되는 유량조절장치;
일측단은 상기 수냉관의 타 측단과 연통되어 있으며, 상기 단결정 성장용 챔버로부터 배출되는 냉각수를 다시 냉각수 제조장치로 회송시키는 적어도 하나 이상의 냉각수 배출관;
상기 냉각수 배출관에 부설되는 배출관 온도계;
상기 냉각수 배출관의 타 측단과 연통되어 있으며 다수 개의 냉각수 배출관으로부터 회송되는 냉각수를 모아 상기 냉각수 제조장치로 이송시키는 냉각수 수렴기; 및
상기 배출관 온도계로부터 측정된 냉각수의 온도정보를 전달받아 자동적으로 상기 유량조절장치를 제어하여 냉각수 공급량을 조절하는 피아이디제어기가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치.
제1항에서,
상기 배출관 온도계는 열전대 장치인 것을 특징으로 하는 단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치.
제1항 또는 제2항에서,
상기 냉각수 공급관에 부설되는 적어도 하나 이상의 유량계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치.
제3항에서,
상기 냉각수 공급관이 2 이상인 경우에는 각 냉각수 급수관마다 상기 유량계 및 유량조절장치가 각각 부설되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장용 챔버의 자동온도조절이 가능한 단결정 성장장치.