KR20140002861A - 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명의 구성은 단결정 성장을 위한 성장 재료가 내부에 채워지도록 된 도가니와, 상기 도가니를 가열하여 상기 성장 재료를 용융시키는 히터와, 상기 도가니의 내부에 투입되어 상기 히터에 의해 용융된 성장 원료에 일부가 침지된 상태에서 상승하면서 상기 용융 원료가 묻어서 성장되도록 하는 풀러를 포함하는 단결정 성장 장치에 있어서, 내부에 냉각수의 유입을 위한 중공부가 구비된 관형상으로 이루어져 상기 도가니의 내부로 투입되는 아웃터 슬리브(20)와; 상기 아웃터 슬리브(20)의 내부에 형성된 상기 중공부에 구비되며 그 외주면과 상기 아웃터 슬리브(20)의 내주면 사이에는 냉각 수로(32)를 형성하고 그 내주면에는 냉각수의 소통을 위한 중공부가 구비된 코어 슬리브(30)와; 상기 아웃터 슬리브(20)와 상기 코어 슬리브(30)의 상기 중공부 중에서 어느 하나의 중공부에 연통된 냉각수 유입구(24)와; 상기 아웃터 슬리브(20)와 상기 코어 슬리브(30)의 상기 중공부 중에서 다른 하나의 중공부에 연통된 냉각수 배출구(26)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리{Puller assembly for single crystal growth device}
본 발명은 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단결정 성장에 매우 중요한 냉각 온도의 제어가 용이하고 원활하게 이루어질 수 있으므로, 단결정의 품질을 향상시키는데 기여할 수 있고, 단결정이 성장되는 부분에 가장 인접된 위치에서 냉각 작용을 할 수 있도록 함으로써 단결정의 성장속도도 극대화시킬 수 있으며, 단결정이 성장되는 도가니의 주위 고열이 생겨도 성장 단결정을 가장 인접한 위치에서 즉각적으로 응고시켜 단결정 육성이 제대로 이루어지도록 함으로써, 완성된 단결정의 성장이 불안정하게 이루어지는 경우도 미연에 방지하므로, 단결정의 품질 극대화를 기할 수 있는 새로운 구조의 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리에 관한 것이다.
종래 단결정 성장장치가 출시되어 있는데, 이러한 종래 단결정 성장장치로는 챔버의 내부에 설치된 도가니와, 이 도가니에 열을 가하여 온도를 높이는 히터와, 이 히터의 주위에 배치되어 열이 외부로 빠져나가는 것을 방지함으로써 히터의 열효율을 높여주는 단열재를 포함하는 것이 있으며, 도가니 내부에 위치한 재료(단결정 성장을 위한 시약 등이 될 수 있음)가 온도 조절부 등에 의해 설정된 입력온도에 따라 녹는점까지 가열되고, 재료가 녹기 시작하면 승강 장치부 등에 이해 하강시켜 풀러의 선단부에 부착된 시드 결정(seed crystal,18)을 녹은 용액의 표면에 접촉시킴으로써, 단결정 성장이 시작된다. 다음, 상기 승강 장치부에 의해 일정하게 풀러를 상부로 구동하게 함으로써 단결정이 점점 성장한다. 이때, 도가니에 설치된 센서 등에 의해 도가니의 온도가 감지되고, 센서 등에 연결된 온도 조절부에 의해 온도가 읽혀지고 제어됨으로써, 단결정 육성에 적절한 온도가 유지될 수 있게 되며, 이처럼 시드 결정을 중심으로 용융상태의 재료가 묻어서 점차적으로 단결정이 육성됨으로써, 완전한 단결정이 만들어질 수 있게 된다.
그런데, 사파이어의 단결정의 성장은 Si등의 단결정에 비해 용융 온도가 500℃ 이상 높은 2050℃ 정도의 매우 높은 온도이기 때문에, 열손실을 줄여 에너지 효율을 높이기 위하여는 단열재를 대형화할 수밖에 없게 되는데, 이처럼 단열재가 대형화됨으로 인하여 단열재의 열용량 증가로 가열에 있어서 또한 다량의 에너지와 시간이 들어가게 되고, 냉각시에도 많은 시간이 필요하게 되는 문제를 낳게 된다.
이를 개선하기 위한 시도로서 히터로부터 방사되는 열선을 반사하는 열선반사재료를 사용하여, 히터의 열을 도가니와 피처리물에 집중하게 함으로써, 도가니와 피처리물의 온도 승강을 용이하게 하는 방법을 채용한 것이 있다.
그러나, 상기한 방법은 열선을 직접 도가니와 피처리물에 집중하게 함으로써 단결정 성장에 가장 중요한 온도제어가 곤란해지므로, 단결정의 품질을 저하시키는 주요인이 되고 있다. 또한, 단결정의 성장 속도를 향상시키기 위해서는 성장중의 용융액과 단결정과의 온도차이가 커야 된다. 즉 성장중의 단결정의 온도가 용융액보다 온도가 낮을수록 성장속도가 빨라지게 되는데, 상기 방식은 반사열이 단결정에도 도달하게 되면서 상기 단결정의 온도를 상승시키는 문제가 있다.
종래 단결정 성장 장치에 의하면, 별도의 냉각 장치를 구비하지 아니하고 온도 조절부 등에 의해 적절한 온도를 유지하도록 되어 있어서, 재료가 수용되는 도가니 주위에는 상당히 높은 고열이 발생하기 때문에, 이러한 열을 적절히 냉각시키기 않게 되면, 높은 고열에 의해 시드 결정을 중심으로 묻는 재료가 적당한 시점에서 응고되지 않게 됨으로써, 단결정 육성이 제대로 이루어지지 않게 되며, 이로 인하여 완성된 단결정은 그 성장이 불안정하게 이루어지게 됨으로써, 그 품질이 좋지 못하다는 문제점이 있다. 그리고, 종래의 단결정 육성장치는, 온도 조절부 등에 의해서만, 풀러 주위의 온도를 조절하기 때문에, 단결정 성장에 적합한 온도설정을 하기가 용이하지 못하다는 문제점도 있다. 또한, 종래에는 단결성의 성장에 있어서 성장 단결정의 열을 흡수하여 성장 속도를 상승하기 위하여 성장 단결정 인접 위치에 냉각 장치가 구비된 것이 있으나, 냉각 능력을 향상시키기 위해서 용융액(즉, 단결정 성장을 위한 재료 시약 등)과 냉각장치가 최대한 가까이 있어야 하지만, 종래의 냉각장치의 경우 검출 센서를 통하여 성장 단결정(이를 잉곳이라 칭하기도 함) 직경의 검출 등을 위해 재료(즉, 상기 용융액)과 냉각장치를 최대한 가까이 두기가 어려워서, 일정 수준이상의 단결정 성장 속도를 증가하는 것이 불가능한 문제가 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로, 본 발명의 목적은 단결정 성장에 가장 중요한 냉각 온도의 제어가 용이하고 원활하게 이루어질 수 있으므로, 단결정의 품질을 향상시키는데 기여할 수 있고, 단결정이 성장되는 부분에 가장 인접된 위치에서 냉각 작용을 할 수 있도록 함으로써 단결정의 성장속도도 극대화시킬 수 있으며, 단결정이 성장되는 부분에 가장 인접된 위치에서 냉각 작용을 할 수 있도록 함으로써 단결정의 성장속도도 극대화시킬 수 있으며, 단결정이 성장되는 도가니의 주위 고열이 생겨도 성장 단결정을 가장 인접한 위치에서 즉각적으로 응고시켜 단결정 육성이 제대로 이루어지도록 함으로써, 완성된 단결정의 성장이 불안정하게 이루어지는 경우도 미연에 방지하므로, 단결정의 품질 극대화를 기할 수 있는 새로운 구조의 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리를 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 단결정 성장을 위한 성장 재료가 내부에 채워지도록 된 도가니와, 상기 도가니를 가열하여 상기 성장 재료를 용융시키는 히터와, 상기 도가니의 내부에 투입되어 상기 히터에 의해 용융된 성장 원료에 일부가 침지된 상태에서 상승하면서 상기 용융 원료가 묻어서 성장되도록 하는 풀러를 포함하는 단결정 성장 장치에 있어서, 내부에 냉각수의 유입을 위한 중공부가 구비된 관형상으로 이루어져 상기 도가니의 내부로 투입되는 아웃터 슬리브(20)와; 상기 아웃터 슬리브(20)의 내부에 형성된 상기 중공부에 구비되며 그 외주면과 상기 아웃터 슬리브(20)의 내주면 사이에는 냉각 수로(32)를 형성하고 그 내주면에는 냉각수의 소통을 위한 중공부가 구비된 코어 슬리브(30)와; 상기 아웃터 슬리브(20)와 상기 코어 슬리브(30)의 상기 중공부 중에서 어느 하나의 중공부에 연통된 냉각수 유입구(24)와; 상기 아웃터 슬리브(20)와 상기 코어 슬리브(30)의 상기 중공부 중에서 다른 하나의 중공부에 연통된 냉각수 배출구(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리가 제공된다.
상기 코어 슬리브(30)의 선단부는 상기 아웃터 슬리브(20)의 상기 중공부 중에서 선단부측 중공부에 인접 배치되며, 상기 코어 슬리브(30)의 선단부에는 경사부(36)가 구비되어, 상기 경사부(36)에 의해 상기 코어 슬리브(30)의 선단부와 상기 아웃터 슬리브(20)의 상기 선단부측 중공부 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 넓은 슬로우 다운 공간부(36)가 구비된다.
상기 경사부(36)는 상기 코어 슬리브(30)의 길이 방향 중심선을 기준으로 일측으로 예각 범위 내에서 경사진 형태로 구성되어, 상기 경사부(36)가 상기 코어 슬리브(30)의 선단부측에 끝이 뾰족하도록 형성되며, 상기 경사부(36)와 상기 아웃터 슬리브(20)의 상기 선단부측 중공부의 내벽면 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 보다 큰 상기 슬로우 다운 공간부(36)가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 아웃터 슬리브(20)의 선단부측에는 상기 코어 슬리브(30)와 연통된 중공부를 내부에 가지는 풀러팁(28)이 구비되고, 상기 풀러팁(28) 내부의 상기 중공부가 상기 아웃터 슬리브(20)와 상기 코어 슬리브(30) 사이에 확보된 냉각 수로(32)와 상기 코어 슬리브(30) 내부의 상기 중공부와 연통되며, 상기 풀러팁(28) 내부의 상기 중공부와 상기 코어 슬리브(30)의 상기 경사부(36) 사이에 상기 슬로우 다운 공간부(36)가 확보된다.
상기 풀러팁(28)의 기단부측에는 팁경사 접합부가 구비되고, 상기 아웃터 슬리브(20)의 선단부측에도 경사 접합부가 형성되어, 상기 팁경사 접합부와 상기 경사 접합부가 서로 맞닿은 상태에서 접합수단으로 상호 결합된 것을 특징으로 한다.
상기 아웃터 슬리브(20)의 내주면과 상기 코어 슬리브(30)의 외주면 사이에 상기 냉각 수로(32)가 형성되도록 지지하는 스페이서(38)를 더 포함한다.
상기 코어 슬리브(30)의 기단부에는 반경 방향 외측으로 연장되어 상기 아웃터 슬리브(20)의 기단부에 걸려지는 단턱부(30a)가 구비되고, 상기 코어 슬리브(30)의 선단부는 상기 아웃터 슬리브(20)의 상기 중공부 중에서 선단부측 중공부에 인접 배치됨과 동시에 상기 코어 슬리브(30)의 선단부에는 상기 아웃터 슬리브(20)의 상기 선단부측 중공부 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 넓은 슬로우 다운 공간부(36)가 형성하는 경사부(36)가 구비된다.
상기 냉각수 유입구(24)는 상기 아웃터 슬리브(20)의 기단부측에 형성됨과 동시에 상기 코어 슬리브(30) 내부의 상기 중공부에 연통되고, 상기 냉각수 배출구(26)는 상기 아웃터 슬리브(20)의 기단부측 외주면에서 내주면으로 관통되도록 형성되어, 상기 냉각수 유입구(24)를 통해 상기 아웃터 슬리브(20)의 기단부측과 상기 코어 슬리브(30)의 기단부측으로 유입되는 냉각수가 상기 코어 슬리브(30)의 선단부측으로 토출되어 상기 코어 슬리브(30)의 외주면과 상기 아웃터 슬리브(20)의 내주면 사이에 확보된 상기 냉각 수로(32)를 거쳐서 상기 아웃터 슬리브(20)의 기단부측에 형성된 상기 냉각수 배출구(26)를 통하여 배출되는 과정에서 냉각수에 의한 냉각 작용이 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 주요부인 코어 슬리브의 내부로 유입되어 전진한 냉각수가 단결정 성장이 이루어지고 있는 부분까지 최대한 근접되도록 도달되고, 이러한 냉각수가 열교환 과정을 통해 성장 단결정 부분을 냉각시켜줄 수 있으므로, 상기 단결정 성장에 가장 중요한 냉각 온도의 제어가 용이하고 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다. 풀러 주위의 온도를 내부 순환하는 냉각수에 의해 즉시적으로 직접 조절할 수 있기 때문에, 단결정 성장에 적합한 온도설정을 하기가 용이한 등의 여러 가지 매우 바람직한 결과를 가져올 수 있게 되는 것이며, 이처럼 성장 단결정의 냉각 온도 제어가 용이하면서도 원활하게 이루어져서 단결정의 품질을 향상시키는데 상당히 기여하는 장점이 있다.
또한, 상기 코어 슬리브와 아웃터 슬리브의 선단부 위치, 다시 말해, 단결정이 성장되는 부분에 가장 인접된 위치에서 냉각 작용을 할 수 있도록 함으로써 단결정의 성장속도로 극대화시킬 수 있으며, 단결정이 성장되는 도가니의 주위 고열이 생겨도 단결정 성장을 위한 시드 결정(정확하게 풀러 어셈블리의 선단부 풀러팁에 구비된 헤드)에 묻는 재료를 적당한 시점에서 응고시켜 단결정 육성이 제대로 이루어지도록 함으로써, 완성된 단결정의 성장이 불안정하게 이루어지는 경우도 미연에 방지하므로, 단결정의 품질 향상에 극대화를 기할 수 있게 된다.
또한, 코어 슬리브의 선단부는 아웃터 슬리브의 내부 전체 중공부 중에서 선단부측 중공부에 인접 배치되면서 동시에 코어 슬리브의 선단부에는 경사부가 구비되어 있어서, 상기 코어 슬리브의 선단부측 경사부와 아웃터 슬리브의 선단부측 중공부 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 넓은 슬로우 다운 공간부가 구비되므로, 코어 슬리브의 중공부로 유입되어 코어 슬리브의 선단부측으로 토출되는 냉각수가 상기 슬로우 다운 공간부에서 와류 현상에 의해 보다 긴 시간 동안 정체하여, 냉각수가 성장 단결정으로부터 열을 빼앗아 냉각시키는 시간이 보다 길어지므로, 성장 단결정의 냉각 효율을 보다 높일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 의한 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리의 분해 사시도
도 2는 본 발명의 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리의 주요부의 조립된 상태를 보여주는 외관 사시도
도 3은 본 발명의 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리의 내부 구조를 보여주는 종단면도
도 4는 도 3에 도시된 풀러 어셈블리의 선단부에 성장 재료에 담그는 헤드를 결합한 상태를 개략적으로 보여주는 종단면도
도 5는 도 1에 도시된 아웃터 슬리브를 구성하는 미들 아웃터 슬리브의 구조를 보여주는 종단면도
도 6은 도 1에 도시된 아웃터 슬리브를 구성하는 리어 아웃터 슬리브의 구조를 확대하여 보여주는 종단면도
도 7은 본 발명의 주요부인 코어 슬리브를 구성하는 프론트 코어 슬리브의 구조를 개략적으로 보여주는 종단면도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리는 내부에 냉각수의 유입을 위한 중공부가 구비된 관형상으로 이루어져 단결정 성장 장치의 성장 재료가 투입되어 있는 도가니의 내부로 수용되는 아웃터 슬리브(20)와, 이 아웃터 슬리브(20)의 내부에 형성된 중공부에 구비되며 그 외주면과 아웃터 슬리브(20)의 내주면 사이에는 냉각 수로(32)를 형성하고 그 내주면에는 냉각수의 소통을 위한 중공부가 구비된 코어 슬리브(30)와, 상기 아웃터 슬리브(20)의 중공부와 코어 슬리브(30)의 중공부 중에서 어느 하나의 중공부에 연통된 냉각수 유입구(24)와, 상기 아웃터 슬리브(20)의 중공부와 코어 슬리브(30)의 중공부 중에서 다른 하나의 중공부에 연통된 냉각수 배출구(26)를 구비한다.
상기한 구성의 본 발명의 풀러 어셈블리는 뒤쪽의 일부를 제외한 나머지 부분이 단결정 성장 장치의 챔버와 도가니에 투입되어 단결정 성장을 위해 풀링되는 것이다.
본 발명의 풀러 어셈블리를 채용하는 단결정 성장 장치는 크게 내부에 가열 공간부가 구비된 챔버와, 이 챔버의 내부에 설치되어 하부가 지지대에 의해 지지되며 단결정 성장을 위한 성장 재료가 내부에 채워지도록 된 도가니를 구비한다. 이때, 로드(Rod) 형상의 지지대는 챔버의 하부를 관통하여 도가니의 하단을 지지하는데, 챔버의 하부에 부시 등을 매개로 회전 가능하게 결합되어 있다.
상기 도가니의 하부 외측과 측방 외측에는 히터가 배열된다. 이러한 히터는 도가니를 가열하여 도가니 내부에 채워진 단결정 성장 재료(예를 들어, 용융 알루미나)로부터 단결정이 성장되도록 한다.
상기한 구조의 본 발명은 아웃터 슬리브(20)의 외주면이 챔버의 상부를 관통하여 상대 슬라이드 가능하게 결합되면서 동시에 아웃터 슬리브(20)의 뒤쪽 일부와 이에 내장된 코어 슬리브(30)의 뒤쪽 일부가 챔버의 외부로 노출되고 아웃터 슬리브(20)와 코어 슬리브(30)의 다른 부분은 챔버와 도가니에 수용된다. 이때, 본 발명의 풀러 어셈블리는 미도시된 승강 유닛에 연결되어 승강 작동되도록 구성될 수 있고, 이에 더하여 미도시된 회전 유닛에 연결되어 회전되도록 구성될 수도 있다.
상기 아웃터 슬리브(20)는 내부에 냉각수의 유입을 위한 중공부가 구비된 관형상으로 이루어져 도가니의 내부로 투입된다. 아웃터 슬리브(20)는 단면 원형관 구조로 이루어질 수 있다. 아웃터 슬리브(20)의 재질은 서스(SUS : 스테인레스)로 구성될 수 있다.
이때, 아웃터 슬리브(20)는 크게 세 부분으로 구성될 수 있다. 미들 아웃터 슬리브(22)의 기단부와 선단부에 각각 구비된 리어 아웃터 슬리브(23)와 프론트 아웃터 슬리브(21)로 구성될 수 있는 것이다.
상기 미들 아웃터 슬리브(22)는 내부에 양단부로 관통된 미들 중공부가 구비된 관형상으로 구성된다. 미들 아웃터 슬리브(22)는 단면 원형관 형태로 구성될 수 있다. 또한, 미들 아웃터 슬리브(22)의 기단부와 인접된 둘레부에는 본 발명의 주요부인 냉각수 배출구(26)가 구비되어 있다. 미들 아웃터 슬리브(22)의 길이 방향 중심부를 기준으로 방사 방향으로 일정 간격 이격된 복수개의 냉각수 배출구(26)가 구비되어 있다.
상기 리어 아웃터 슬리브(23)는 미들 아웃터 슬리브(22)의 내부 미들 중공부와 연통된 리어 중공부가 선단부로 개구되도록 구비되며, 리어 아웃터 슬리브(23)의 기단부에는 연결홈이 형성되어 있다. 리어 아웃터 슬리브(23)의 기단부 연결홈에는 미도시된 승강 장치의 승강 로드가 연결될 수 있다. 또한, 리어 아웃터 슬리브(23)에는 본 발명의 주요부인 냉각수 유입구(24)가 구비되어 있다. 이러한 냉각수 유입구(24)는 리어 아웃터 슬리브(23)의 리어 중공부와 연통되어 있다. 리어 아웃터 슬리브(23)의 길이 방향 중심부를 기준으로 방사 방향으로 일정 간격 이격된 복수개의 냉각수 배출구(26)가 구비되어 있다. 이러한 리어 아웃터 슬리브(23)의 선단부가 접합수단으로 미들 아웃터 슬리브(22)의 기단부에 접합될 수 있다.
상기 프론트 아웃터 슬리브(21)는 내부에 양단부로 관통된 프론트 중공부가 구비된 관형상으로 구성된다. 프론트 아웃터 슬리브(21)도 단면 원형관 형태로 구성될 수 있다. 이때, 프론트 아웃터 슬리브(21)의 선단부에는 경사 접합부가 형성된다. 프론트 아웃터 슬리브(21)의 기단부는 미들 아웃터 슬리브(22)의 선단부에 접합수단으로 결합된다.
상기 리어 아웃터 슬리브(23)와 미들 아웃터 슬리브(22) 및 프론트 아웃터 슬리브(21)가 접합된 구조의 아웃터 슬리브(20)가 형성되는데, 상기 프론트 아웃터 슬리브(21)의 선단부측에 경사 접합부가 형성되어, 풀러팁(28)의 기단부에 구비된 팁경사 접합부와 아웃터슬리브의 선단부측(상기와 같이 프론트 아웃터 슬리브(21)의 선단부측)에 형성된 경사 접합부가 서로 맞닿은 상태에서 상기 접합수단으로 상호 결합된 구조를 취하고 있다. 프론트 아웃터 슬리브(21)에 접합된 풀러팁(28)도 아웃터 슬리브(20)의 구성으로 볼 수 있다. 즉, 아웃터 슬리브(20)의 선단부측에는 후술할 코어 슬리브(30)와 연통된 중공부를 내부에 가지는 풀러팁(28)이 구비된다. 풀러팁(28)의 선단부는 막혀 있어서 풀러팁(28) 내부의 중공부는 코어 슬리브(30)의 내부 중공부와 아웃터 슬리브(20)의 내부 중공부측으로만 연통되어 있다. 이때, 풀러팁(28)은 높은 내열성 재질(예를 들어, 몰리브덴 재질)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 풀러팁(28)의 외주면에는 용융 성장 원료에 침지되는 선단부측 일부가 헤드(40)를 나사식으로 결합하기 위한 나사부가 형성되어 있다. 한편, 헤드(40)는 내부에 로드 결합홈이 형성되고 로드 결합홈의 내부에는 스냅링 수용홈이 형성된 헤드 바디(42)와, 이 헤드 바디(42)의 로드 결합홈에 결합되는 헤드 로드(44)로 구성될 수 있다. 헤드 로드(44)의 외주면에는 스냅링 결합홈이 형성되어, 헤드 바디(42)의 스냅링 수용홈에 스냅링이 배치된 상태에서 헤드 로드(44)를 헤드 바디(42)의 상기 로드 결합홈에 밀어 넣으면 원터치식으로 스냅링이 헤드 로드(44)의 외주면 스냅링 결합홈에 끼워지므로, 헤드 바디(42)에 헤드 로드(44)가 결합된 헤드(40)가 구성될 수 있으며, 상기 로드 헤드(40) 부분이 도가니에 용융되어 있는 성장 원료에 침지된 상태에서 단결정의 성장이 시작될 수 있다.
상기 아웃터 슬리브(20)의 내부에 형성된 중공부에 구비되며 그 외주면과 상기 아웃터 슬리브(20)의 내주면 사이에는 냉각 수로(32)를 형성하고 그 내주면에는 냉각수의 소통을 위한 중공부가 구비된 관형상으로 이루어진다. 코어 슬리브(30)의 내부 중공부는 코어 슬리브(30)의 선단부와 기단부로 연통되어 있으며, 코어 슬리브(30)의 기단부는 아웃터 슬리브(20)를 구성하는 리어 아웃터 슬리브(23)의 리어 중공부와 연통되고 동시에 냉각수 유입구(24)와 연통되어, 냉각수 유입구(24)로 공급되는 냉각수가 코어 슬리브(30)의 내부로 통과될 수 있게 된다. 냉각수 유입구(24)와 연통된 코어 슬리브(30) 내부의 중공부는 냉각수가 유입되어 전진하는 냉각수 유입 순환로라고 할 수 있다. 한편, 상기 아웃터 슬리브(20)의 기단부측에 형성된 상기 냉각수 유입구(24)는 미도시된 호스 등에 의해 냉각수 순환장치에 연결될 수 있을 것이다.
상기 아웃터 슬리브(20)와 코어 슬리브(30)의 중공부 중에서 어느 하나의 중공부에 연통되도록 냉각수 유입구(24)가 형성되고, 아웃터 슬리브(20)의 중공부와 코어 슬리브(30)의 중공부 중에서 다른 하나의 중공부에 연통되도록 냉각수 배출구(26)가 형성될 수 있는데, 본 발명에서는 아웃터 슬리브(20)의 기단부측에 코어 슬리브(30)의 내부 중공부와 연통된 냉각수 유입구(24)가 형성되고, 아웃터 슬리브(20)의 기단부측에 냉각수 유입구(24)와 인접되도록 냉각수 배출구(26)가 구비되면서 동시에 냉각수 배출구(26)는 코어 슬리브(30)의 외주면과 아웃터 슬리브(20)의 내주면 사이에 확보된 냉각 수로(32)(정확하게는 냉각수 배출 순환부)와 연통된다. 물론, 상기 냉각수 배출구(26)도 미도시된 냉각수 순환장치에 미도시된 호스 등에 의해 연결된 구조를 가질 수 있을 것이다.
또한, 코어 슬리브(30)의 선단부는 아웃터 슬리브(20)의 중공부 중에서 선단부측 중공부에 인접 배치되며, 상기 코어 슬리브(30)의 선단부에는 경사부(36)가 구비되어, 이러한 경사부(36)에 의해 코어 슬리브(30)의 선단부와 아웃터 슬리브(20)의 선단부측 중공부 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 넓은 슬로우 다운 공간부(36)가 구비된다. 본 발명에서는 아웃터 슬리브(20)를 구성하는 풀러팁(28) 내부의 중공부와 코어 슬리브(30)의 상기 경사부(36) 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 넓은 슬로우 다운 공간부(36)(정확하게, 냉각수 와류 공간부)가 형성되어 있다. 또한, 코어 슬리브(30)는 리어 코어 슬리브(31)의 선단부에 프론트 코어 슬리브(33)의 기단부가 결합된 구조를 취하고 있다. 리어 코어 슬리브(31)와 프론트 코어 슬리브(33)의 맞닿는 단부는 접합수단으로 상호 결합된 구조를 가질 수 있다.
이때, 상기 경사부(36)는 코어 슬리브(30)의 길이 방향 중심선을 기준으로 일측으로 예각 범위 내에서 경사진 형태로 구성되어, 상기 경사부(36)가 코어 슬리브(30)의 선단부측에 끝이 뾰족하도록 형성되며, 상기 경사부(36)와 아웃터 슬리브(20)(상기와 같이 코어 슬리브(30) 부분)의 선단부측 중공부의 내벽면 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 보다 큰 슬로우 다운 공간부(36)가 형성된 구조를 취하고 있다.
정리하면, 상기 아웃터 슬리브(20)의 선단부측에는 코어 슬리브(30)와 연통된 중공부를 내부에 가지는 풀러팁(28)이 구비되고, 상기 풀러팁(28) 내부의 중공부가 아웃터 슬리브(20)와 코어 슬리브(30) 사이에 확보된 냉각 수로(32)와 코어 슬리브(30) 내부의 중공부와 연통되며, 상기 풀러팁(28) 내부의 중공부와 코어 슬리브(30)의 경사부(36) 사이에 상기 슬로우 다운 공간부(36)가 확보된 것이다.
또한, 상기와 같이, 풀러팁(28)의 기단부측에는 팁경사 접합부가 구비되고, 상기 아웃터 슬리브(20)의 선단부측에도 경사 접합부가 형성되어, 상기 팁경사 접합부와 아웃터 슬리브(20)의 선단부측 경사 접합부가 서로 맞닿은 상태에서 접합되는데, 상기 팁경사 접합부와 아웃터 슬리브(20)의 경사 접합부에 의해 접합부의 면적이 보다 증대되므로, 풀러팁(28)이 아웃터 슬리브(20)의 선단부측에 보다 견고하게 접합될 수 있으면서도 접합시에는 풀러팁(28)의 팁경사 접합부와 아웃터 슬리브(20)의 경사 접합부가 자동적으로 서로 맞닿아 밀착될 수 있으므로, 풀러팁(28)과 아웃터 슬리브(20)(정확하게, 프론트 아웃터 슬리브(21) 부분) 사이의 접합 작업이 보다 용이하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에서는 아웃터 슬리브(20)의 내주면과 코어 슬리브(30)의 외주면 사이에 냉각 수로(32)가 형성되도록 지지하는 스페이서(38)를 더 포함한다. 본 발명에서는 코어 슬리브(30)의 외주면에 길이 방향 중심부를 기준으로 방사 방향으로 일정 간격 이격된 복수개의 스페이서(38)가 돌기 형태로 구비되어, 코어 슬리브(30)를 아웃터 슬리브(20)의 내부 중공부에 투입하면 스페이서(38)에 의해 자동적으로 코어 슬리브(30)의 외주면이 이격된 상태로 배치되므로, 코어 슬리브(30)의 외주면과 아웃터 슬리브(20)의 내주면 사이에 자동 이격된 상기 냉각 수로(32)(좀더 정확하게는 냉각수 배출 순환로)가 확보될 수있게 된다. 그리고, 상기 코어 슬리브(30)의 기단부에는 반경 방향 외측으로 연장되어 아웃터 슬리브(20)의 기단부(정확하게는 미들 아웃터 슬리브(22)의 기단부)에 걸려지는 단턱부(30a)가 구비되어, 상기 코어 슬리브(30) 기단부의 단턱부(30a)가 미들 아웃터 슬리브(22)의 기단부에 접합될 수 있다.
따라서, 상기 코어 슬리브(30)의 기단부측은 아웃터 슬리브(20)의 기단부측에 고정되는 한편, 코어 슬리브(30)의 선단부는 아웃터 슬리브(20)의 내부 전체 중공부 중에서 선단부측 중공부에 인접 배치되며, 동시에 코어 슬리브(30)의 선단부에는 경사부(36)가 구비되어 있어서, 상기 코어 슬리브(30)의 선단부측 경사부(36)와 아웃터 슬리브(20)의 선단부측 중공부 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 넓은 슬로우 다운 공간부(36)가 형성된 구조를 취할 수 있는 것이다.
정리하면, 상기 냉각수 유입구(24)는 아웃터 슬리브(20)의 기단부측에 형성됨과 동시에 코어 슬리브(30) 내부의 중공부에 연통되고, 상기 냉각수 배출구(26)는 아웃터 슬리브(20)의 기단부측 외주면에서 내주면으로 관통되도록 형성되어, 상기 냉각수 유입구(24)를 통해 아웃터 슬리브(20)의 기단부측과 코어 슬리브(30)의 기단부측으로 유입되는 냉각수가 코어 슬리브(30)의 선단부측으로 토출되어 코어 슬리브(30)의 외주면과 아웃터 슬리브(20)의 내주면 사이에 확보된 냉각 수로(32)를 거쳐서 아웃터 슬리브(20)의 기단부측에 형성된 냉각수 배출구(26)를 통하여 배출되고, 이러한 냉각수의 내부 순환 과정을 통하여 냉각수에 의한 냉각 작용이 이루어지게 된다. 본 발명에서는 냉각수 유입구(24)를 통해 대략 20℃ 정도의 물을 유입시키고, 냉각수 배출구(26)를 통해 나오는 냉각수(성장 단결정과의 열교환이 이루어진 물을 의미함)의 온도는 30℃ ~ 31℃ 정도로서, 열교환 온도는 대략 10℃이다. 분당 25리터의 냉각수를 투입하여 열교환하는데, 열량으로 계산하면, 2500cc × 10℃ = 25만 칼로리의 열교환이 이루어진다. 즉, 분당 25만 칼로리의 열을 성장 단결정으로부터 빼앗아서 냉각시키므로, 성장 단결정에 대한 냉각 효율이 상당히 높다 할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 상기 코어 슬리브(30)의 내부로 유입되어 전진한 냉각수가 단결정 성장이 이루어지고 있는 부분까지 최대한 근접되도록 도달되고, 이러한 냉각수가 열교환 과정을 통해 성장 단결정 부분을 냉각시켜줄 수 있으므로, 상기 단결정 성장에 가장 중요한 냉각 온도의 제어가 용이하고 원활하게 이루어질 수 있는 장점이 있다. 풀러 주위의 온도를 내부 순환하는 냉각수에 의해 즉시적으로 직접 조절할 수 있기 때문에, 단결정 성장에 적합한 온도설정을 하기가 용이한 등의 여러 가지 매우 바람직한 결과를 가져올 수 있게 되는 것이며, 이처럼 성장 단결정의 냉각 온도 제어가 용이하면서도 원활하게 이루어져서 단결정의 품질을 향상시키는데 상당히 기여하는 장점이 있다.
또한, 상기 코어 슬리브(30)와 아웃터 슬리브(20)의 선단부 위치, 다시 말해, 단결정이 성장되는 부분에 가장 인접된 위치에서 냉각 작용을 할 수 있도록 함으로써 단결정의 성장속도로 극대화시킬 수 있으며, 단결정이 성장되는 도가니의 주위 고열이 생겨도 단결정 성장을 위한 시드 결정(정확하게 풀러 어셈블리의 선단부 풀러팁(28)에 구비된 헤드(40) 부분에 결합된 결정)에 묻는 재료를 적당한 시점에서 응고시켜 단결정 육성이 제대로 이루어지도록 함으로써, 완성된 단결정의 성장이 불안정하게 이루어지는 경우도 미연에 방지하므로, 단결정의 품질 향상에 극대화를 기할 수 있게 된다.
또한, 코어 슬리브(30)의 선단부는 아웃터 슬리브(20)의 내부 전체 중공부 중에서 선단부측 중공부에 인접 배치되면서 동시에 코어 슬리브(30)의 선단부에는 경사부(36)가 구비되어 있어서, 상기 코어 슬리브(30)의 선단부측 경사부(36)와 아웃터 슬리브(20)의 선단부측 중공부 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 넓은 슬로우 다운 공간부(36)가 구비되므로, 코어 슬리브(30)의 중공부로 유입되어 코어 슬리브(30)의 선단부측으로 토출되는 냉각수가 상기 슬로우 다운 공간부(36)에서 와류 현상에 의해 보다 긴 시간 동안 정체하여, 냉각수가 성장 단결정으로부터 열을 빼앗아 냉각시키는 시간이 보다 길어지므로, 성장 단결정의 냉각 효율을 보다 높일 수 있게 된다. 즉, 본 발명은 코어 슬리브(30)의 선단부에 형성된 심플한 구조의 경사부(36)에 의해 성장 단결정에 대한 냉각 효율의 극대화를 기대할 수 있으며, 이러한 심플한 구조에 의해 성장 단결정의 품질을 보다 향상시키는 장점도 가질 수 있다.
한편, 본 발명은 성장 단결정의 효율적인 냉각 작용을 하기 위한 구조도 비교적 심플하게 구현할 수 있는 장점도 가지며, 이처럼 성장 단결정의 냉각 구조를 심플하게 구현 가능하여 제조 공정과 코스트 등의 여러 가지 측면에서도 유리한 장점이 있다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
20. 아웃터 슬리브 21. 프론트 아웃터 슬리브
22. 미들 아웃터 슬리브 23. 리어 아웃터 슬리브
24. 냉각수 유입구 26. 냉각수 배출구
28. 풀러팁 28a. 팁경사 접합부
30. 코어 슬리브 30a. 단턱부
31. 프론트 코어 슬리브 33. 리어 코어 슬리브
32. 냉각 수로 34. 경사부
36. 슬로우 다운 공간부 38. 스페이서
40. 헤드 42. 헤드 바디
44. 헤드 로드

Claims (8)

  1. 단결정 성장을 위한 성장 재료가 내부에 채워지도록 된 도가니와, 상기 도가니를 가열하여 상기 성장 재료를 용융시키는 히터와, 상기 도가니의 내부에 투입되어 상기 히터에 의해 용융된 성장 원료에 일부가 침지된 상태에서 상승하면서 상기 용융 원료가 묻어서 성장되도록 하는 풀러를 포함하는 단결정 성장 장치에 있어서,
    내부에 냉각수의 유입을 위한 중공부가 구비된 관형상으로 이루어져 상기 도가니의 내부로 투입되는 아웃터 슬리브(20)와;
    상기 아웃터 슬리브(20)의 내부에 형성된 상기 중공부에 구비되며 그 외주면과 상기 아웃터 슬리브(20)의 내주면 사이에는 냉각 수로(32)를 형성하고 그 내주면에는 냉각수의 소통을 위한 중공부가 구비된 코어 슬리브(30)와;
    상기 아웃터 슬리브(20)와 상기 코어 슬리브(30)의 상기 중공부 중에서 어느 하나의 중공부에 연통된 냉각수 유입구(24)와;
    상기 아웃터 슬리브(20)와 상기 코어 슬리브(30)의 상기 중공부 중에서 다른 하나의 중공부에 연통된 냉각수 배출구(26);를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어 슬리브(30)의 선단부는 상기 아웃터 슬리브(20)의 상기 중공부 중에서 선단부측 중공부에 인접 배치되며, 상기 코어 슬리브(30)의 선단부에는 경사부(36)가 구비되어, 상기 경사부(36)에 의해 상기 코어 슬리브(30)의 선단부와 상기 아웃터 슬리브(20)의 상기 선단부측 중공부 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 넓은 슬로우 다운 공간부(36)가 구비된 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 경사부(36)는 상기 코어 슬리브(30)의 길이 방향 중심선을 기준으로 일측으로 예각 범위 내에서 경사진 형태로 구성되어, 상기 경사부(36)가 상기 코어 슬리브(30)의 선단부측에 끝이 뾰족하도록 형성되며, 상기 경사부(36)와 상기 아웃터 슬리브(20)의 상기 선단부측 중공부의 내벽면 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 보다 큰 상기 슬로우 다운 공간부(36)가 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 아웃터 슬리브(20)의 선단부측에는 상기 코어 슬리브(30)와 연통된 중공부를 내부에 가지는 풀러팁(28)이 구비되고, 상기 풀러팁(28) 내부의 상기 중공부가 상기 아웃터 슬리브(20)와 상기 코어 슬리브(30) 사이에 확보된 냉각 수로(32)와 상기 코어 슬리브(30) 내부의 상기 중공부와 연통되며, 상기 풀러팁(28) 내부의 상기 중공부와 상기 코어 슬리브(30)의 상기 경사부(36) 사이에 상기 슬로우 다운 공간부(36)가 확보된 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 풀러팁(28)의 기단부측에는 팁경사 접합부가 구비되고, 상기 아웃터 슬리브(20)의 선단부측에도 경사 접합부가 형성되어, 상기 팁경사 접합부와 상기 경사 접합부가 서로 맞닿은 상태에서 접합수단으로 상호 결합된 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 아웃터 슬리브(20)의 내주면과 상기 코어 슬리브(30)의 외주면 사이에 상기 냉각 수로(32)가 형성되도록 지지하는 스페이서(38)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 코어 슬리브(30)의 기단부에는 반경 방향 외측으로 연장되어 상기 아웃터 슬리브(20)의 기단부에 걸려지는 단턱부(30a)가 구비되고, 상기 코어 슬리브(30)의 선단부는 상기 아웃터 슬리브(20)의 상기 중공부 중에서 선단부측 중공부에 인접 배치됨과 동시에 상기 코어 슬리브(30)의 선단부에는 상기 아웃터 슬리브(20)의 상기 선단부측 중공부 사이에 다른 부분보다 상대적으로 체적이 넓은 슬로우 다운 공간부(36)가 형성하는 경사부(36)가 구비된 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 냉각수 유입구(24)는 상기 아웃터 슬리브(20)의 기단부측에 형성됨과 동시에 상기 코어 슬리브(30) 내부의 상기 중공부에 연통되고, 상기 냉각수 배출구(26)는 상기 아웃터 슬리브(20)의 기단부측 외주면에서 내주면으로 관통되도록 형성되어, 상기 냉각수 유입구(24)에서 아웃터 슬리브(20)의 기단부측과 상기 코어 슬리브(30)의 기단부측으로 유입되는 냉각수가 상기 코어 슬리브(30)의 선단부측으로 토출되어 상기 코어 슬리브(30)의 외주면과 상기 아웃터 슬리브(20)의 내주면 사이에 확보된 상기 냉각 수로(32)를 거쳐서 상기 아웃터 슬리브(20)의 기단부측에 형성된 상기 냉각수 배출구(26)를 통하여 배출되는 과정에서 냉각수에 의한 냉각 작용이 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 성장 장치용 풀러 어셈블리.
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