KR20210004584A - 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 성장 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치는 챔버, 상기 챔버 내부에 위치하는 도가니, 상기 도가니의 상부에 배치되고 관측창을 갖는 가로막이 부재, 상기 가로막이 부재를 관통하는 풀링 샤프트, 및 상기 풀링 샤프트를 중심축으로 하여 회전하는 발열 부재를 포함하고, 상기 발열 부재의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 핫 존 내부의 온도 분포를 조절한다.
Description
본 발명은 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 성장 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 단열 구조물의 온도 편차를 최소화하는 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 성장 방법에 관한 것이다.
실리콘 카바이드(SiC) 단결정은 내마모성 등의 기계적 강도와 내열성 및 내부식성이 우수하여 반도체, 전자, 자동차, 기계 분야 등의 부품소재로 많이 사용되고 있다.
실리콘 카바이드 단결정 성장 방법으로는, 탄소와 실리카를 섭씨 2000도 이상의 고온 전기로에서 반응시키는 애치슨 방법, 화학적 기상 증착법, 실리콘 카바이드를 원료로 하여 섭씨 2000도 이상의 고온에서 승화시켜 단결정을 성장시키는 승화법, 결정 인상법(crystal pulling method)을 응용한 용융액법 등이 있다.
그러나 애치슨 방법은 고순도의 실리콘 카바이드 단결정을 얻기가 매우 어렵고, 화학적 기상 증착법은 박막 수준으로 두께가 제한되는 문제가 있다. 승화법 역시 일반적으로 섭씨 2400도 이상의 고온에서 이루어지고, 마이크로 파이프 및 적층 결함과 같은 여러 결함이 발생할 가능성이 많아 생산 단가적 측면에서 한계가 있는바, 상기와 같은 한계가 없는 용융액법으로, 실리콘 카바이드 용융액법에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
실리콘 카바이드 용융액법은 도가니에 담긴 실리콘, 탄소가 포함된 액상의 원료에서 고상의 단결정을 뽑아내는 방법이다. 단결정 성장에 영향을 미치는 주요 요소 중 온도는 단결정의 석출 구동력을 좌우할 뿐만 아니라 용융액 내의 원료 농도, 용융액의 순환에도 영향을 미치기 때문에 도가니 내 용융액의 온도 제어는 단결정 성장에 영향을 미치는 중요한 요인이다.
특히, 용융액법은 액상 금속을 활용하는 특성상, 탄소의 제한된 용해도로 인해 온도 조건에 더욱 민감하며, 실제로 실리콘 카바이드 단결정이 석출 및 성장되는 조건에서는, 약간의 온도 변화만으로도 석출 및 성장 양상이 급격하게 변화하여 공정 에러가 발생하기도 한다.
따라서, 도가니 내 용융액의 온도 편차를 줄여 도가니 내에서 불필요한 석출을 방지할 필요성이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 단열 구조물의 온도 편차를 해소하기 위한 단결정 성장 장치 및 이를 이용한 단결정 성장 방법을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치는 챔버, 상기 챔버 내부에 위치하는 도가니, 상기 도가니의 상부에 배치되고 관측창을 갖는 가로막이 부재, 상기 가로막이 부재를 관통하는 풀링 샤프트, 및 상기 풀링 샤프트를 중심축으로 하여 회전하는 발열 부재를 포함하고, 상기 발열 부재의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 핫 존 내부의 온도 분포를 조절한다.
상기 발열 부재는 상기 풀링 샤프트의 수직축을 중심으로 회전하는 회전부 및 상기 회전부에 수직한 방향으로 상기 회전부에 연결되는 날개부를 포함할 수 있다.
상기 날개부의 적어도 일부는 발열체로 형성되고, 상기 발열체는 그라파이트를 포함할 수 있다.
상기 날개부에 고주파 유도 코일 또는 저항 가열에 의해 발열되는 발열체가 결합될 수 있다.
상기 날개부는 상기 가로막이 부재 바로 위 또는 바로 아래 위치할 수 있다.
상기 날개부는 상기 가로막이 부재 바로 위에 위치하는 제1 날개부와 상기 가로막이 부재 바로 아래 위치하는 제2 날개부를 포함할 수 있다.
상기 날개부는 상기 관측창을 완전히 덮는 면적을 가질 수 있다.
상기 날개부는 상기 가로막이 부재와 밀착될 수 있다.
상기 발열 부재의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 상기 발열 부재가 상기 가로막이 부재의 관측창을 덮을 수 있다.
상기 회전부의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 상기 날개부가 상기 가로막이 부재에 형성된 관측창을 덮을 수 있다.
상기 회전부의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 상기 날개부가 상기 가로막이 부재의 관측창을 개방하도록 하여 결정 성장 양상을 관측할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 성장 방법은 풀링 샤프트 하단에 구비된 종결정이 도가니 내부의 용융액 위에 위치하도록 상기 풀링 샤프트를 이동하는 단계, 상기 도가니를 내부에 포함하는 단열부를, 관측창을 갖는 가로막이 부재로 덮는 단계, 상기 풀링 샤프트를 하강시켜 상기 종결정이 상기 도가니 내부의 용융액으로 이동하여 단결정을 성장시키는 단계; 및 상기 풀링 샤프트를 중심축으로 하는 발열 부재의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 상기 발열 부재가 핫 존 내부의 온도 분포를 조절하는 단계를 포함한다.
상기 단결정 성장 방법은 상기 단결정 성장을 관찰하기 위해 상기 발열 부재를 회전 및/또는 수직 운동하여 상기 가로막이 부재의 관측창을 상기 발열 부재가 덮는 단계 또는 상기 가로막이 부재의 관측창을 개방하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 발열 부재는 상기 풀링 샤프트의 수직축을 중심으로 회전하는 회전부 및 상기 회전부에 수직한 방향으로 상기 회전부에 연결되는 날개부를 포함하고, 상기 회전부의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 상기 날개부가 상기 가로막이 부재에 형성된 관측창을 덮을 수 있다.
실시예들에 따르면, 단결정 성장 장치에서 회전부 및 날개부를 포함하는 발열 부재가 회전 및 수직 운동에 의해 좌우 방향 및 상하 방향의 온도 편차를 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치에 있어서, 관측창이닫힌 모습을 나타낸 도면이다.
도 2는 단결정 성장 장치에 포함된 발열 부재를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 발열 부재가 가로막이 부재로 덮여 있는 모습을 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 2의 발열 부재를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발열 부재를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발열 부재를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발열 부재를 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 7의 발명 부재가 가로막이 부재로 덮여 있는 모습을 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치에 있어서, 관측창이열린 모습을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 단결정 성장 장치를 위에서 보았을 때 가로막이 부재 및 발열 부재를 나타내는 도면이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 성장 방법을 나타내는 도면들이다.
도 15는 도 14의 단결정 성장 장치의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16의 단결정 성장 장치를 이용한 단결정 성장 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 단결정 성장 장치에 포함된 발열 부재를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 2의 발열 부재가 가로막이 부재로 덮여 있는 모습을 나타내는 평면도이다.
도 4는 도 2의 발열 부재를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발열 부재를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발열 부재를 나타내는 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발열 부재를 나타내는 평면도이다.
도 8은 도 7의 발명 부재가 가로막이 부재로 덮여 있는 모습을 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치에 있어서, 관측창이열린 모습을 나타낸 도면이다.
도 10은 도 9의 단결정 성장 장치를 위에서 보았을 때 가로막이 부재 및 발열 부재를 나타내는 도면이다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 성장 방법을 나타내는 도면들이다.
도 15는 도 14의 단결정 성장 장치의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 나타내는 도면이다.
도 17은 도 16의 단결정 성장 장치를 이용한 단결정 성장 방법을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 "위에" 또는 "상에" 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치에 있어서, 관측창이닫힌 모습을 나타낸 도면이다. 도 2는 단결정 성장 장치에 포함된 발열 부재를 나타내는 평면도이다. 도 3은 도 2의 발열 부재가 가로막이 부재로 덮여 있는 모습을 나타내는 평면도이다. 도 4는 도 2의 발열 부재를 나타내는 사시도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장 장치는, 용융액법을 이용한 단결정 성장 장치로서, 챔버(300), 챔버(300) 내부에 배치되는 도가니(500), 관측창을 구비하는 가로막이 부재(610), 가로막이 부재(610)를 관통하는 풀링 샤프트(400), 및 풀링 샤프트(400)를 중심축으로 하여 회전하는 발열 부재(305)를 포함한다. 가로막이 부재(610)는, 풀링 샤프트(400)가 관통하도록 하는 관통홀(미도시)을 중심부에 갖고, 가로막이 부재(610)의 외측 둘레부와 상기 관통홀 사이에 관측창(350)이 형성될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 발열 부재(305)의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 발열 부재(305)가 핫 존(HZ) 내부의 온도 분포를 조절할 수 있다. 여기서, 핫 존은 후술하는 시드축(410), 도가니(500) 및 단열부(600)를 포함하는 영역으로, 탄소 계열 공정 부재들이 구비된 챔버(300) 내 영역을 가리킨다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이, 핫 존(HZ)은 직접 발열하거나 단열이 일어나는 영역에 대응할 수 있다.
본 실시예에 따른 발열 부재(305)는 풀링 샤프트(400)의 수직축을 중심으로 회전하는 회전부(320) 및 회전부(320)에 수직한 방향으로 회전부(320)에 연결되는 날개부(310)를 포함할 수 있다. 날개부(310)에는 후술하는 도 2에 도시한 바와 같이 발열체(311)가 결합되어 있다.
본 실시예에 따른 단결정 성장 장치에 포함된 발열 부재(305)는 단열 구조물 내에서 각 부분의 온도 편차를 최소화할 수 있다. 가령, 도가니(500)로부터의 수평 방향 열빠짐이 균일하지 않을 경우, 수평 방향으로 차등을 두어 발열체(311)를 형성함으로써 수평 방향의 열빠짐 불균일성을 약화시킬 수 있다. 예를 들어, 도가니(500) 외주부의 열빠짐이 중심부의 열빠짐보다 클 경우, 발열체(311)를 상대적으로 외주부에 치우치도록 형성하여 열빠짐 불균형을 해소할 수 있다. 다시 말해, 후술하는 도 2에서 발열체(311)를 하나의 날개부(310) 내에서 균일하게 분포하게 형성하는 것이 아니라, 날개부(310) 단부쪽에 발열체(311)의 밀도가 크도록 발열체(311) 배치를 할 수 있다. 즉, 도 2에서 하나의 날개부(310)에 형성된 3개의 발열체(311) 중에서 회전축(320)에 가까운 발열체(311) 하나를 형성하지 않을 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 도가니(500) 내에 금속 용용액 상부의 일부 영역에서 온도 구배가 필요 이상으로 커지는 것을 방지하거나, 시드축(410) 부위가 필요 이상으로 과냉각되는 것을 방지함으로써, 도가니(500) 용융액 내 다결정 석출은 물론 실리콘 카바이드 종결정 근방의 다결정 석출 및 금속이 혼입(inclusion)되는 양을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 도 2 내지 도 8을 참고하여, 본 실시예에 따른 발열 부재(305)의 다양한 실시 형태에 대해 설명하기로 한다.
도 2 내지 도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 발열 부재(305)는 회전부(320)를 중심으로 방사형으로 뻗어 있는 복수의 날개부(310)를 포함하고, 복수의 날개부(310)는 서로 동일한 레벨에 위치할 수 있다. 복수의 날개부(310) 중 일부는 가로막이 부재(610)의 관측창(350)을 가릴 수 있고, 이때 가로막이 부재(610)의 관측창(350)이 길게 형성된 방향을 따라 날개부(310)도 길게 뻗을 수 있다. 이때 날개부(310)는 관측창(350)을 완전히 덮는 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 날개부(310)는 가로막이 부재(610)와 밀착되어 보다 우수한 보온 구조를 형성할 수 있다. 나머지 일부의 날개부(310)는 가로막이 부재(610) 몸체와 중첩할 수 있다. 이러한 구조를 가짐으로써, 발열 부재(305)의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 발열 부재(305)가 핫 존 내부의 온도 분포를 조절하는 기능뿐만 아니라, 외부로 열발산을 방지하는 기능을 할 수도 있다.
본 실시예에 따른 날개부(310)에는 적어도 하나의 발열체(311)가 형성되어 있다. 발열체(311)는 고주파 유도 코일 또는 저항 가열에 의해 발열될 수 있다. 발열체는 열소스(heat source)로서의 역할을 한다. 발열체는 다양한 형태의 핫 존 내부 온도 분포 형성을 위해, 발열체(311)를 세라믹 소결체 또는 그라파이트 소결체를 사용할 수 있다. 일례로, 그라파이트와 같이 고주파 유도 코일에 의해 가열되는 소재는 그것이 놓여 있는 위치 및 유도 코일의 출력 및 주파수에 따라 열소스로 작용할 수 있다. 날개부(310)는 가로막이 부재(610) 바로 아래 위치할 수 있다. 본 실시예에서 핫 존 내부 온도 분포는 좀 더 구체적으로 도가니 내의 용융액 온도 분포에 해당할 수 있다. 본 실시예에 따른 발열체(311)는 복수개로 형성되어 있고, 발열체(311)의 높이는 동일하게 형성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발열 부재를 나타내는 사시도이다.
도 5를 참고하면, 본 실시예에 따른 발열 부재(305)는, 도 2의 실시예에 마찬가지로 회전부(320)를 중심으로 방사형으로 뻗어 있는 복수의 날개부(310)를 포함한다. 하지만, 복수의 날개부(310)는 서로 다른 레벨에 위치하는 제1 날개부(310a)와 제2 날개부(310b)를 포함할 수 있다. 일례로, 제1 날개부(310a)와 가로막이 부재(610) 사이의 거리는, 제2 날개부(310b)와 가로막이 부재(610) 사이의 거리보다 가까울 수 있다. 이때, 제1 날개부(310a)와 제2 날개부(310b)는 가로막이 부재(610) 바로 아래 위치할 수 있다. 다만, 이러한 구조에 한정되지 않고, 제1 날개부(310a)는 가로막이 부재(610) 바로 위에 위치하고, 제2 날개부(310b)는 가로막이 부재(610) 바로 아래 위치하는 구조로 변형 가능하다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발열 부재를 나타내는 사시도이다.
도 6을 참고하면, 본 실시예에 따른 발열 부재(305)는, 도 2의 실시예에 마찬가지로 회전부(320)를 중심으로 방사형으로 뻗어 있는 복수의 날개부(310)를 포함하고, 날개부(310)에 적어도 하나의 발열체(311)가 형성되어 있다. 하지만, 서로 이웃하는 제1 발열체(311a)와 제2 발열체(311b)의 높이가 서로 다를 수 있다. 제1 발열체(311a)와 제2 발열체(311b)의 배치는 원하는 온도 분포 구현을 위해 변경 가능하다.
도 7은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 발열 부재를 나타내는 평면도이다. 도 8은 도 7의 발명 부재가 가로막이 부재로 덮여 있는 모습을 나타내는 평면도이다.
도 7 및 도 8을 참고하면, 본 실시예는 도 2 내지 도 4에서 설명한 실시예보다 날개부(310) 개수가 많은 발열 부재(305)를 나타내며, 증가된 날개부(310)에 의해 보다 넓은 영역을 균일하게 커버할 수 있다. 이러한 실시예에서 회전부(320)의 회전 정도에 따라 관측창(350)을 막을 수도 있고 관측창(350)을 개방시킬 수도 있다.
이상에서 설명한 다양한 발열 부재에 관한 실시예들은 어느 하나의 실시예로 제한되지 않고 서로 조합되어 구현될 수도 있다. 가령, 도 5에서 설명한 서로 다른 레벨에 위치하는 제1 날개부(310a)와 제2 날개부(310b)를 포함하는 발열 부재(305) 구조와, 도 6에서 설명한 높이가 서로 다른 제1 발열체(311a)와 제2 발열체(311b)를 포함하는 발열 부재 구조가 조합되어 발열 부재가 실시예로 구현될 수 있다.
도 1을 다시 참고하면, 도가니(500)는 챔버(300) 내부에 배치되며, 상측이 개방된 용기 형태일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 실리콘 카바이드 단결정을 형성하기 위한 어떠한 형태로도 가능하다. 도가니(500)에는 실리콘 카바이드 성장에 주입되는 용융 원료가 장입(charging)되어 수용될 수 있다.
도가니(500)를 가열시키면, 도가니(500) 내부에 담긴 용융액(510)은 탄소(C), 실리콘(Si)을 포함하는 용융액(510)으로 변하게 되며, 계속하여 도가니(500)를 가열시켜 용융액(510)이 과포화도 상태가 되면, 용융액(510)과 접촉하는 종결정(420) 상에 실리콘 카바이드 단결정이 성장될 수 있다.
가로막이 부재(610)는 도가니(500) 상측에 배치된 것으로, 하나 이상의 관측창(350)를 구비할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 가로막이 부재(610)는 도가니(500) 상측으로 발산되는 열을 차단시키는 역할을 하며, 이와 동시에 관측창(350)를 통하여 실리콘 카바이드의 성장 과정의 관찰을 할 수 있도록 하는 역할을 한다.
가로막이 부재(610)는 단열재일 수 있으며, 단열재로 이루어진 가로막이 부재(610)의 경우, 도가니(500)의 상측을 단열재로 감싸는 구조가 된다는 점에서, 열 발산을 낮추는 효과가 있다.
풀링 샤프트(400)는 도가니(500)에 담긴 용융액(510)으로 종결정(420)을 주입하는 역할을 한다. 풀링 샤프트(400)의 단부에는 실리콘 카바이드 종결정(420)이 연결될 수 있으며, 풀링 샤프트(400)의 상하 이동을 통하여 종결정(420)이 도가니(500) 내부로 이동될 수 있다. 풀링 샤프트(400)는 도가니(500)의 높이 방향을 따라 연장된 원기둥 형상이나, 이에 제한되는 것은 아니며, 종결정(420)과 시드축(410)을 통해 연결될 수도 있다. 시드축(410)은 고온의 금속 용융이 일어나는 부위에서 안정성을 확보하기 위해 세라믹 소결체를 사용할 수 있다.
단열부(600)는 도가니(500)의 외주면에 배치될 수 있으며, 도가니(500)에서 방출되는 열을 차단하는 역할을 한다. 즉, 단열부(600)는 도가니(500) 내부의 온도를 단결정 성장 온도로 유지시키는 기능을 할 수 있다.
실리콘 카바이드 단결정 성장에는 고온 상태가 필요하므로, 실시예에 따라서는, 단열부(600)로서 그라파이트 섬유를 압착시켜 일정 두께 이상으로 제작된 그라파이트 펠트(graphite felt)가 사용될 수 있다. 또한, 단열부(600)는 복수의 층으로 형성되어 도가니(500)를 둘러싸는 형태일 수 있으나, 단열부(600)의 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
발열부(200)는 단열부(600)의 외측에 배치되어 도가니(500)를 가열시키는 역할을 한다. 실시예에 따라서는 발열부(200)는 유도 코일일 수 있으며, 이 경우 유도 코일에 전류를 흘려 도가니(500)를 가열시킴으로써, 도가니(500) 내부에 장입된 용융액(510)을 가열시킬 수 있다.
앞에서 설명한 가로막이 부재(610)는 도 1의 X축에 대응하는 부분에 형성되는 것으로 도시하였으나, 가로막이 부재(610)는 한 개만이 아니라 복수개 형성될 수도 있고 이때 한 예로 도 1의 Y축에 대응하는 부분에 추가로 형성될 수 있다. 가로막이 부재(610)가 추가되면 해당 부분에서 가로막이 부재(610)에 대응하는 발열 부재(305)도 추가될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치에 있어서, 관측창이열린 모습을 나타낸 도면이다. 도 10은 도 9의 단결정 성장 장치를 위에서 보았을 때 가로막이 부재 및 발열 부재를 나타내는 도면이다.
도 9를 참고하면, 도 1의 결정 성장 장치 상태에서 회전부(320)의 회전 및/또는 수직 운동을 하여 날개부(310)가 가로막이 부재(610)의 관측창(350)을 개방한다. 이에 따라 개방된 관측창(350)을 통해 결정 성장 양상을 관측할 수 있다.
도 10(a) 및 도 10(b)를 참고하면, 본 실시예에 따른 결정 성장 장치를 위에서 보았을 때, 발열 부재(305)의 날개부(310)가 가로막이 부재(610)의 관측창(350)이 길게 뻗은 방향과 교차하여 뻗도록 형성된다. 또한, 평면상에서 보았을 때, 발열 부재(305)의 날개부(310)와 가로막이 부재(610)의 관측창이 서로 중첩하지 않기 때문에 도 10(a)에서 도시한 바와 같이 관측창(350)은 개방된 상태가 된다. 도 10의 실시예에서는 도 2 내지 도 8에서 설명한 실시예와 다르게 날개부(310) 자체가 발열 재질로 형성되고 날개부(310) 외에 별도의 발열체를 포함하지 않을 수 있다. 여기서, 날개부(310)의 적어도 일부는 발열체로 형성되고, 발열체는 열소스(heat source)로서의 역할을 한다. 발열체는 다양한 형태의 핫 존 내부 온도 분포 형성을 위해, 발열체를 세라믹 소결체 또는 그라파이트 소결체를 사용할 수 있다. 일례로, 그라파이트와 같이 고주파 유도 코일에 의해 가열되는 소재는 그것이 놓여 있는 위치 및 유도 코일의 출력 및 주파수에 따라 열소스로 작용할 수 있다.
도 11 내지 도 14는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 성장 방법을 나타내는 도면들이다.
본 실시예에 따른 단결정 성장 방법은 앞에서 설명한 단결정 성장 장치를 사용하되, 다음과 같은 순서에 따라 단결정을 성장시킬 수 있다.
도 1 및 도 11을 참고하면, 본 실시예에 따른 단결정 성장 방법은 풀링 샤프트(400) 하단에 구비된 종결정(420)이 도가니(500) 내부의 용융액(510) 위에 위치하도록 풀링 샤프트(400)를 이동하는 단계를 포함한다.
도 12를 참고하면, 이후 본 실시예에 따른 단결정 성장 방법은 도가니(500)를 내부에 포함하는 단열부(600)를, 관측창(350)을 갖는 가로막이 부재(610)로 덮는 단계를 포함한다.
도 13을 참고하면, 이후 본 실시예에 따른 단결정 성장 방법은 풀링 샤프트(400)를 하강시켜 종결정(420)이 도가니(500) 내부의 용융액(510)으로 이동하여 단결정을 성장시키는 단계를 포함한다. 이때, 결정 성장 장치를 위에서 보았을 때, 도 10에서 설명한 바와 같이 발열 부재(305)의 날개부(310)가 가로막이 부재(610)의 관측창(350)이 길게 뻗은 방향과 교차하여 뻗도록 배치될 수 있다.
도 14를 참고하면, 이후 본 실시예에 따른 단결정 성장 방법은 풀링 샤프트(400)를 중심축으로 하는 발열 부재(305)의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 발열 부재(305)의 날개부(310)가 가로막이 부재(610)의 관측창(350)을 덮도록 하는 단계를 포함한다. 이때, 결정 성장 장치를 위에서 보았을 때, 도 2에서 설명한 바와 같이 가로막이 부재(610)의 관측창(350)이 길게 형성된 방향을 따라 날개부(310)도 길게 뻗어 있고, 날개부(310)가 관측창(350)을 덮음으로써 보온 구조를 형성할 수 있다. 보온 구조를 형성한 이후 결정 성장 양상을 관측하기 위해 회전부(320)의 회전 및/또는 수직 운동을 통해 날개부(310)가 가로막이 부재(610)의 관측창(350)을 개방하도록 할 수 있다.
도 15는 도 14의 단결정 성장 장치의 변형예를 나타내는 도면이다.
도 15를 참고하면, 도 11 내지 도 14에서 설명한 단결정 성장 방법에 적용한 단결정 성장 장치와 대부분 동일한 구성이나 발열 부재(305)의 날개부(310)가 가로막이 부재(610) 바로 위에 위치하는 점에 차이가 있다.
도 16은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 나타내는 도면이다.
도 16을 참고하면, 도 11 내지 도 14에서 설명한 단결정 성장 방법에 적용한 단결정 성장 장치와 대부분 동일한 구성이나, 날개부(310)는 가로막이 부재(610)의 관측창(350)을 향해 돌출된 돌기(315)를 포함한다. 본 실시예에 따르면, 돌기(315)로 인해 날개부(310)와 가로막이 부재(610)의 밀착력이 강화되어 더 우수한 보온 구조를 형성할 수 있다.
도 17은 도 16의 단결정 성장 장치를 이용한 단결정 성장 방법을 나타내는 도면이다.
도 17을 참고하면, 도 16의 실시예에 따른 단결정 성장 장치를 이용한 단결정 성장 방법은, 도 11 내지 도 13에서 설명한 방법과 마찬가지로 공정을 진행한 후, 날개부(310)의 돌기(315)가 가로막이 부재(610)의 레벨보다 더 내려오도록 풀링 샤프트(400) 및 시드축(410)을 하강하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이후, 본 실시예에 따른 단결정 성장 방법은 돌기(315)가 관측창(350)에 맞물리도록 풀링 샤프트(400) 및 시드축(410)을 다시 상승시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상승 단계 이후 도 16의 단결정 성장 장치의 모습을 나타낼 수 있다. 이러한 단계를 포함하는 이유는 날개부(310)의 돌기(315) 구조를 고려하여 날개부(310)가 회전할 때 가로막이 부재(610)의 방해를 받지 않도록 하기 위함이다.
보온 구조를 형성한 이후 결정 성장 양상을 관측하기 위해 회전부(320)의 회전 및/또는 수직 운동을 통해 날개부(310)가 가로막이 부재(610)의 관측창(350)을 개방하도록 할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
305: 발열 부재
310: 날개부
315: 돌기
320: 회전부
350: 관측창
400: 풀링 샤프트
310: 날개부
315: 돌기
320: 회전부
350: 관측창
400: 풀링 샤프트
Claims (14)
- 챔버,
상기 챔버 내부에 위치하는 도가니,
상기 도가니의 상부에 배치되고 관측창을 갖는 가로막이 부재,
상기 가로막이 부재를 관통하는 풀링 샤프트, 및
상기 풀링 샤프트를 중심축으로 하여 회전하는 발열 부재를 포함하고,
상기 발열 부재의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 핫 존 내부의 온도 분포를 조절하는 단결정 성장 장치. - 제1항에서,
상기 발열 부재는 상기 풀링 샤프트의 수직축을 중심으로 회전하는 회전부 및 상기 회전부에 수직한 방향으로 상기 회전부에 연결되는 날개부를 포함하는 단결정 성장 장치. - 제2항에서,
상기 날개부의 적어도 일부는 발열체로 형성되고, 상기 발열체는 그라파이트를 포함하는 단결정 성장 장치. - 제2항에서,
상기 날개부에 고주파 유도 코일 또는 저항 가열에 의해 발열되는 발열체가 결합되어 있는 단결정 성장 장치. - 제2항에서,
상기 날개부는 상기 가로막이 부재 바로 위 또는 바로 아래 위치하는 단결정 성장 장치. - 제2항에서,
상기 날개부는 상기 가로막이 부재 바로 위에 위치하는 제1 날개부와 상기 가로막이 부재 바로 아래 위치하는 제2 날개부를 포함하는 단결정 성장 장치. - 제2항에서,
상기 날개부는 상기 관측창을 완전히 덮는 면적을 갖는 단결정 성장 장치. - 제7항에서,
상기 날개부는 상기 가로막이 부재와 밀착되어 있는 단결정 성장 장치. - 제1항에서,
상기 발열 부재의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 상기 발열 부재가 상기 가로막이 부재의 관측창을 덮도록 하는 단결정 성장 장치. - 제9항에서,
상기 회전부의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 상기 날개부가 상기 가로막이 부재에 형성된 관측창을 덮는 단결정 성장 장치. - 제10항에서,
상기 회전부의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 상기 날개부가 상기 가로막이 부재의 관측창을 개방하도록 하여 결정 성장 양상을 관측하는 단결정 성장 장치. - 풀링 샤프트 하단에 구비된 종결정이 도가니 내부의 용융액 위에 위치하도록 상기 풀링 샤프트를 이동하는 단계,
상기 도가니를 내부에 포함하는 단열부를, 관측창을 갖는 가로막이 부재로 덮는 단계,
상기 풀링 샤프트를 하강시켜 상기 종결정이 상기 도가니 내부의 용융액으로 이동하여 단결정을 성장시키는 단계; 및
상기 풀링 샤프트를 중심축으로 하는 발열 부재의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 상기 발열 부재가 핫 존 내부의 온도 분포를 조절하는 단계를 포함하는 단결정 성장 방법. - 제12항에서,
상기 단결정 성장을 관찰하기 위해 상기 발열 부재를 회전 및/또는 수직 운동하여 상기 가로막이 부재의 관측창을 상기 발열 부재가 덮는 단계 또는 상기 가로막이 부재의 관측창을 개방하는 단계를 더 포함하는 단결정 성장 방법. - 제13항에서,
상기 발열 부재는 상기 풀링 샤프트의 수직축을 중심으로 회전하는 회전부 및 상기 회전부에 수직한 방향으로 상기 회전부에 연결되는 날개부를 포함하고,
상기 회전부의 회전 및/또는 수직 운동에 따라 상기 날개부가 상기 가로막이 부재에 형성된 관측창을 덮는 단결정 성장 방법.
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| JPH0733584A (ja) * | 1993-07-19 | 1995-02-03 | Komatsu Electron Metals Co Ltd | 半導体単結晶引き上げにおけるリチャージ方法 |
| KR20110024866A (ko) * | 2009-09-03 | 2011-03-09 | 주식회사 엘지실트론 | 석영 도가니의 열화 억제구조를 구비한 단결정 성장장치 및 단결정 성장장치용 시드 척 구조 |
| KR101402842B1 (ko) * | 2013-01-14 | 2014-06-03 | 주식회사 엘지실트론 | 단결정 잉곳 제조 장치 |
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2019
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |