KR20210084101A - 실리콘 카바이드 단결정 성장장치 - Google Patents
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Abstract
실리콘 카바이드 단결정 성장장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장장치는, 실리콘 카바이드 단결정 성장을 위한 증착재료가 충진되는 도가니(Crucible)가 내부에 배치되며, 도가니로부터의 증착재료가 증착되면서 실리콘 카바이드 단결정 성장공정이 진행되는 장소를 형성하는 진공 챔버; 및 실리콘 카바이드 단결정 성장공정이 진행될 때 도가니 영역의 피사체에서 들어오는 광학적 신호를 수집하는 극고온 광학 케이블(Optical Cable)을 구비하며, 광학적 신호를 기초로 피사체 영역의 온도를 모니터링하는 광학 극고온 온도 모니터링부를 포함한다.
Description
본 발명은, 실리콘 카바이드 단결정 성장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 도가니 영역의 피사체에서 들어오는 광학적 신호를 종래보다 효과적이면서 정확하게 센싱할 수 있으며, 이로 인해 피사체 영역의 온도 모니터링에 기인한 여러 공정 프로세스에 도움이 될 수 있음은 물론 고품질의 잉곳을 생산할 수 있는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치에 관한 것이다.
실리콘 카바이드(SiC, Silicon Carbide)는 2.2 내지 3.3 eV의 범위 내에 있는 넓은 폭의 금지 대역(forbidden gap)을 갖는 광대역 반도체(wide-gap semiconductor)이다.
실리콘 카바이드는 우수한 물리적 및 화학적 성질을 가지므로 내환경성 반도체 재료(environment-resistant semiconductor material)로서 연구되고 있다.
전력 반도체, 통신 반도체, LED용 제품 등 다방면으로 사용되는 실리콘 카바이드 웨이퍼(SiC wafer)는 통상의 실리콘 웨이퍼(Si wafer)보다 고온 동작 가능, 높은 열전도도, 높은 절연 파괴전계, 높은 밴드 갭 등의 우수한 특성을 갖는 차세대 반도체 재료로 주목받고 있는 재료이다.
실리콘 카바이드 웨이퍼를 만들기 위한 실리콘 카바이드 단결정 성장장치에 관한 기술이 많이 개발됐으며, 그 중 대표적인 장치는 물리 기상 이송장치(Physical Vapor Transport, PVT)이다.
한편, 실리콘 카바이드 단결정 성장장치의 적용에 있어서 결정 결함(Crystal Defect) 없는 높은 품질의 실리콘 카바이드 단결정 잉곳(Ingot) 성장을 위해서는 적절한 도가니 내부의 온도 분포와 안정적인 온도 피드백(Feedback) 제어가 필수적이다.
하지만, 실리콘 카바이드 단결정 성장 공정의 공정온도는 일반적으로 2400℃ 정도의 극고온 전후에서 진행되기 때문에, 일반적인 접촉형 열전대(Thermo-couple)를 이용할 경우, 그 온도 대역이 맞지 않아 측정이 불가능하다.
이러한 문제로 인해 종래의 실리콘 카바이드 단결정 성장장치에는 적외선 온도센서를 이용한 비접촉식 원거리 온도 측정이 주로 수행됐다.
그렇지만, 이러한 비접촉식 원거리 온도 측정방식은 우선 측정 피사체와 센서의 거리가 상당히 멀게 배치될 수밖에 없음은 물론, 온도 측정 재현성에서 많은 문제가 발생한다.
공정마다 도가니의 위치 및 각도 재현성, 측정 지점의 재현성, 장착 상태 재현성 등의 확보가 어렵다는 점에서 온도 측정의 불확실성이 상당히 높아진다. 게다가 공정 중에 발생하는 기체, 증기화된 실리콘(Si), 카바이드(C) 재료, 피사체 표면의 상태 변화, 증기화된 재료의 후면 증착(Back-Deposition) 등의 발생으로 인해 측정 온도 편차가 상당히 높은 실정이다.
또한, 공정 중에 나타날 수 있는 후면 증착의 비대화로 발생 가능한 미세 입자(Particle) 발생, 도가니의 부분 이탈 등의 문제는 온도 측정 신뢰성 확보에 상당히 주요한 변수로 작용한다.
특히, 높은 품질의 결정 성장을 위해 적용되는 도가니 회전은 이러한 입자 발생을 더 촉진시키는 인자로 작용한다는 점을 두루 고려해볼 때, 기존에 알려지지 않은 신개념의 실리콘 카바이드 단결정 성장장치에 관한 기술 개발이 필요한 실정이다.
따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 도가니 영역의 피사체에서 들어오는 광학적 신호를 종래보다 효과적이면서 정확하게 센싱할 수 있으며, 이로 인해 피사체 영역의 온도 모니터링에 기인한 여러 공정 프로세스에 도움이 될 수 있음은 물론 고품질의 잉곳을 생산할 수 있는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 실리콘 카바이드 단결정 성장을 위한 증착재료가 충진되는 도가니(Crucible)가 내부에 배치되며, 상기 도가니로부터의 증착재료가 증착되면서 실리콘 카바이드 단결정 성장공정이 진행되는 장소를 형성하는 진공 챔버; 및 상기 실리콘 카바이드 단결정 성장공정이 진행될 때 상기 도가니 영역의 피사체에서 들어오는 광학적 신호를 수집하는 극고온 광학 케이블(Optical Cable)을 구비하며, 상기 광학적 신호를 기초로 상기 피사체 영역의 온도를 모니터링하는 광학 극고온 온도 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치가 제공될 수 있다.
상기 진공 챔버의 내외로 연결되되 상기 진공 챔버의 내부에서 상기 도가니의 하부와 연결되며, 상기 도가니의 하부 회전축심을 형성하는 하부 로테이션 샤프트(Rotation Shaft); 및 상기 진공 챔버의 내외로 연결되되 상기 진공 챔버의 내부에서 상기 도가니의 상부와 연결되며, 상기 도가니의 상부 회전축심을 형성하는 상부 로테이션 샤프트를 더 포함할 수 있다.
상기 하부 로테이션 샤프트와 상기 상부 로테이션 샤프트는 내부가 빈 파이프(pipe) 구조를 형성할 수 있으며, 상기 하부 로테이션 샤프트와 상기 상부 로테이션 샤프트 중 하나에는 해당 샤프트를 회전 구동시키는 샤프트 회전 구동부가 결합할 수 있다.
상기 광학 극고온 온도 모니터링부는 상기 하부 로테이션 샤프트와 상기 상부 로테이션 샤프트를 매개로 해서 상기 진공 챔버와 연결될 수 있다.
상기 광학 극고온 온도 모니터링부는, 상기 도가니 영역의 피사체 하부에서 들어오는 광학적 신호를 수집하기 위해 상기 도가니의 하부에서 상기 하부 로테이션 샤프트와 연결되는 하부 온도 모니터링부; 및 상기 도가니 영역의 피사체 상부에서 들어오는 광학적 신호를 수집하기 위해 상기 도가니의 상부에서 상기 상부 로테이션 샤프트와 연결되는 상부 온도 모니터링부를 포함할 수 있다.
상기 하부 온도 모니터링부와 상기 상부 온도 모니터링부의 구조가 동일할 수 있다.
상기 하부 온도 모니터링부와 상기 상부 온도 모니터링부 모두는, 광학적으로 온도를 측정하는 광학 온도센서(Optical Temperature Sensor); 및 상기 광학 온도센서의 주변에 배치되며, 상기 피사체로부터 들어오는 광학적 신호를 상기 광학 온도센서로 전달하는 투사체 윈도(Scattering-free Window)를 포함할 수 있으며, 상기 피사체에 근접하게 위치하는 상기 극고온 광학 케이블이 상기 피사체로부터 들어오는 상기 광학적 신호를 수집한 후, 광학 신호의 손실 없이 상기 투사체 윈도를 통해 상기 광학 온도센서로 송신할 수 있다.
상기 광학 온도센서는 센서룸에 배치되되 상기 센서룸과 상기 하부 로테이션 샤프트 및 상기 상부 로테이션 샤프트에는 상기 센서룸을 격리시키되 상기 투사체 윈도가 탑재되는 격벽부가 마련될 수 있으며, 상기 극고온 광학 케이블은 실리콘 재질로 제작될 수 있다.
상기 하부 온도 모니터링부와 상기 상부 온도 모니터링부 모두는, 상기 광학적 신호를 전달하는 상기 극고온 광학 케이블이 배치되되 이중벽 구조를 갖는 극고온 광학 이중 튜브(Double Optical Tube)를 더 포함할 수 있다.
상기 극고온 광학 이중 튜브는, 외측 광학 튜브; 및 상기 외측 광학 튜브와의 공간을 사이에 두고 상기 외측 광학 튜브 내에 배치되되 내부에 상기 광학적 신호를 전달하는 상기 극고온 광학 케이블이 배치되는 내측 광학 튜브를 포함할 수 있다.
상기 하부 온도 모니터링부와 상기 상부 온도 모니터링부 모두는, 상기 극고온 광학 이중 튜브의 단부 영역에 배치되며, 상기 극고온 광학 이중 튜브의 개구를 선택적으로 개폐하는 셔터(Shutter)를 더 포함할 수 있다.
상기 셔터가 우산형 이중 셔터(Double Umbrella-type Shutter)일 수 있다.
상기 하부 온도 모니터링부에 마련되는 우산형 이중 셔터와 상기 상부 온도 모니터링부에 마련되는 우산형 이중 셔터의 배치 방향이 서로 역방향일 수 있다.
상기 우산형 이중 셔터는, 상기 광학적 신호가 손실 없이 투사하는 무손실 투사체 윈도(Scattering-free Window)를 구비하는 고정 셔터; 및 상기 무손실 투사체 윈도에 이웃하게 배치되되 상기 무손실 투사체 윈도와 선택적으로 연통되는 통공을 구비하며, 상기 고정 셔터에 대해 회전하는 회전 셔터를 포함할 수 있다.
상기 하부 온도 모니터링부와 상기 상부 온도 모니터링부 모두는, 상기 회전 셔터와 연결되며, 상기 회전 셔터를 회전 구동시키는 셔터 회전 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 셔터 회전 구동부는, 상기 회전 셔터를 회전 구동을 위한 구동력을 제공하는 실린더; 상기 실린더의 로드에 연결되는 로드 연결바; 상기 회전 셔터에 결합하는 셔터 결합대; 상기 셔터 결합대와 상기 로드 연결바에 연결되며, 상기 실린더의 작용으로 동작하는 작동바; 및 상기 작동바에 연결되는 적어도 하나의 링크 모듈을 포함할 수 있다.
상기 피사체 영역의 온도 모니터링을 위한 신호를 입력하는 신호 입력부; 및
상기 신호 입력부의 입력값에 기초하여 상기 셔터 회전 구동부의 동작을 선택적으로 컨트롤하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.
상기 진공 챔버는, 상대적으로 외부에 배치되는 외부 절연부(Outer Isolator); 및 상기 외부 절연부와 이격되고 상기 외부 절연부 내에 배치되되 상기 도가니가 내부에 위치하는 내부 절연부(Inner Isolator)를 포함할 수 있으며, 상기 도가니가 그래파이트 도가니(Graphite Crucible)일 수 있다.
본 발명에 따르면, 도가니 영역의 피사체에서 들어오는 광학적 신호를 종래보다 효과적이면서 정확하게 센싱할 수 있으며, 이로 인해 피사체 영역의 온도 모니터링에 기인한 여러 공정 프로세스에 도움이 될 수 있음은 물론 고품질의 잉곳을 생산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장장치의 부분 구조도이다.
도 2는 도 1에 도시된 하부 온도 모니터링부 영역의 부분 단면 구조도로서 온도 모니터링이 진행되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에서 회전 셔터가 회전한 상태로서 온도 모니터링이 진행되지 않는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 우산형 이중 셔터 영역의 확대도이다.
도 5는 도 3에 도시된 우산형 이중 셔터 영역의 확대도이다.
도 6은 고정 셔터와 회전 셔터의 평면도이다.
도 7은 극고온 광학 이중 튜브의 사시도이다.
도 8은 도 1의 실리콘 카바이드 단결정 성장장치에 대한 제어블록도이다.
도 9 및 도 10은 우산형 이중 셔터의 변형예들이다.
도 2는 도 1에 도시된 하부 온도 모니터링부 영역의 부분 단면 구조도로서 온도 모니터링이 진행되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에서 회전 셔터가 회전한 상태로서 온도 모니터링이 진행되지 않는 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 우산형 이중 셔터 영역의 확대도이다.
도 5는 도 3에 도시된 우산형 이중 셔터 영역의 확대도이다.
도 6은 고정 셔터와 회전 셔터의 평면도이다.
도 7은 극고온 광학 이중 튜브의 사시도이다.
도 8은 도 1의 실리콘 카바이드 단결정 성장장치에 대한 제어블록도이다.
도 9 및 도 10은 우산형 이중 셔터의 변형예들이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장장치의 부분 구조도이고, 도 2는 도 1에 도시된 하부 온도 모니터링부 영역의 부분 단면 구조도로서 온도 모니터링이 진행되는 상태를 도시한 도면이며, 도 3은 도 2에서 회전 셔터가 회전한 상태로서 온도 모니터링이 진행되지 않는 상태를 도시한 도면이고, 도 4는 도 2에 도시된 우산형 이중 셔터 영역의 확대도이며, 도 5는 도 3에 도시된 우산형 이중 셔터 영역의 확대도이고, 도 6은 고정 셔터와 회전 셔터의 평면도이며, 도 7은 극고온 광학 이중 튜브의 사시도이고, 도 8은 도 1의 실리콘 카바이드 단결정 성장장치에 대한 제어블록도이며, 도 9 및 도 10은 우산형 이중 셔터의 변형예들이다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장장치에 의하면 도가니(110) 영역의 피사체에서 들어오는 광학적 신호를 종래보다 효과적이면서 정확하게 센싱할 수 있으며, 이로 인해 피사체 영역의 온도 모니터링에 기인한 여러 공정 프로세스에 도움이 될 수 있음은 물론 고품질의 잉곳을 생산할 수 있다.
즉 도가니(110) 영역의 피사체(이하, 피사체라 함) 영역의 온도를 정확하게 모니터링할 수 있어서 도가니(110)의 형상, 실리콘 카바이드 단결정의 성장 형상, 실리콘 카바이드 분말의 증발 중 남아있는 형상 등을 정확하게 체크할 수 있으며, 이로 인해 여러 공정 프로세스에 도움이 될 수 있다.
이러한 효과를 제공할 수 있는 본 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장장치는 실리콘 카바이드 단결정 성장을 위한 증착재료가 충진되는 도가니(110, Crucible)가 내부에 배치되며, 도가니(110)로부터의 증착재료가 증착되면서 실리콘 카바이드 단결정 성장공정이 진행되는 장소를 형성하는 진공 챔버(100)와, 진공 챔버(100)에 결합하는 광학 극고온 온도 모니터링부(130)를 포함할 수 있다.
광학 극고온 온도 모니터링부(130)는 도 1처럼 진공 챔버(100)에 결합하며, 실리콘 카바이드 단결정 성장공정이 진행될 때 피사체에서 들어오는 광학적 신호를 기초로 피사체 영역의 온도를 모니터링한다.
앞서 기술한 것처럼 이렇게 모니터링되는 온도값을 통해 도가니(110)의 형상, 실리콘 카바이드 단결정의 성장 형상, 실리콘 카바이드 분말의 증발 중 남아있는 형상 등을 정확하게 체크할 수 있다.
진공 챔버(100)는 앞서 기술한 것처럼 실리콘 카바이드 단결정이 성장하는 장소를 제공한다.
진공 챔버(100)는 도가니(110)와의 외부 열 차단을 위해 아래 구조를 포함할 수 있다. 즉 상대적으로 외부에 배치되는 외부 절연부(101, Outer Isolator)와, 외부 절연부(101)와 이격되고 외부 절연부(101) 내에 배치되는 내부 절연부(102, Inner Isolator)를 포함할 수 있다. 내부 절연부(102) 내에 도가니(110)가 배치될 수 있다.
본 실시예에서 도가니(110)는 그래파이트 도가니(110, Graphite Crucible)일 수 있다. 그래파이트 도가니(110)는 불순물 영향이 적고, 높은 온도에서도 균열 없이 강한 내구성을 보장할 수 있다.
본 실시예에서 실리콘 카바이드 단결정은 물리적 기상 증착법(Physical Vapor Transport, PVT)에 의해 성장할 수 있다. 즉 그래파이트 도가니(110) 내의 소스 물질(111, Source Material), 즉 증착재료가 증발해서 시드 물질(112, Seed Material)에 증착하는 방식을 통해 실리콘 카바이드 단결정이 성장하여 최종적으로 잉곳(ingot)을 이룰 수 있다. 완전히 성장을 이룬 후에 잉곳을 슬라이스 해서 실리콘 카바이드 웨이퍼를 만들 수 있다. 참고로, 시드 물질(112)은 실리콘 카바이드 단결정의 성장이 시작되는 물질을 가리킨다.
자세히 도시하지는 않았으나 그래파이트 도가니(110) 내의 증착재료가 증발하기 위해 그래파이트 도가니(110)에는 유도가열 히터(Induction Heater)가 결합한다. 유도가열 히터의 작용으로 그래파이트 도가니(110) 내의 증착재료가 증발해서 실리콘 카바이드 단결정으로 성장할 수 있다.
진공 챔버(100)에는 하부 로테이션 샤프트(121, Rotation Shaft)와 상부 로테이션 샤프트(122)가 결합한다.
하부 로테이션 샤프트(121)는 공 챔버(100)의 내외로 연결되되 진공 챔버(100)의 내부에서 도가니(110)의 하부와 연결되며, 도가니(110)의 하부 회전축심을 형성하한다.
그리고, 상부 로테이션 샤프트(122)는 역시, 진공 챔버(100)의 내외로 연결되되 진공 챔버(100)의 내부에서 도가니(110)의 상부와 연결되며, 도가니(110)의 상부 회전축심을 형성한다.
본 실시예에서 하부 로테이션 샤프트(121)와 상부 로테이션 샤프트(122)는 내부가 빈 파이프(pipe) 구조를 형성한다. 따라서, 광학 극고온 온도 모니터링부(130)를 이루는 극고온 광학 케이블(141, Optical Cable)을 배치하기에 유리하다.
하부 로테이션 샤프트(121)에는 하부 로테이션 샤프트(121)를 회전시키는 샤프트 회전 구동부(123)가 결합한다.
샤프트 회전 구동부(123)는 모터(motor) 구조를 포함할 수 있다. 도가니(110)의 원활한 회전을 위하여 샤프트 회전 구동부(123)는 로터리 조인트(124)를 포함할 수 있다.
도면에는 샤프트 회전 구동부(123)가 하부 로테이션 샤프트(121)에 연결되지만, 상부 로테이션 샤프트(122)에 연결될 수도 있다. 따라서, 도면의 형상에 본 발명의 권리범위가 제한되지 않는다.
이처럼 샤프트 회전 구동부(123)를 이용해서 도가니(110)를 축 방향으로 회전시키면서 실리콘 카바이드 단결정을 성장시킬 경우, 잉곳의 품질을 높일 수 있다.
한편, 광학 극고온 온도 모니터링부(130)는 앞서 기술한 것처럼 진공 챔버(100)에 결합하는 장치로서 피사체 영역의 온도를 모니터링하는 역할을 한다. 이를 위해, 본 실시예의 경우, 실리콘 카바이드 단결정 성장공정이 진행될 때 피사체에서 들어오는 광학적 신호를 수집하는 극고온 광학 케이블(141, Optical Cable)을 포함한다. 피사체 영역의 온도가 200℃ 이상이므로 이에 견딜 수 있는 극고온 광학 케이블(141)이 적용된다. 극고온 광학 케이블(141)은 실리콘 재질일 수 있다. 극고온 광학 케이블(141)은 후술할 광학 온도센서(142)와 피사체 사이를 연결하는 케이블이다.
자세히 후술하겠지만, 종래의 원거리형 온도 측정방식과는 달리, 본 실시예의 경우, 피사체로부터 들어오는 광학적 신호를 피사체에 근접한 위치에 놓인 극고온 광학 케이블(141)을 통해 수집하고, 이를 광학 신호의 손실이 없는 투사체 윈도(143, Scattering-free Window)를 통해 진공 구조물 외부에 놓인 광학 온도센서(142, Optical Temperature Sensor)로 송신한다. 따라서, 광학 온도센서(142)에서 정확하게 온도값을 측정할 수 있다.
본 실시예에서 광학 극고온 온도 모니터링부(130)는 하부 로테이션 샤프트(121)와 상부 로테이션 샤프트(122)를 매개로 해서 진공 챔버(100)와 연결된다.
이러한 광학 극고온 온도 모니터링부(130)는 도가니(110) 영역의 피사체 하부에서 들어오는 광학적 신호를 수집하기 위해 도가니(110)의 하부에서 하부 로테이션 샤프트(121)와 연결되는 하부 온도 모니터링부(130a)와, 도가니(110) 영역의 피사체 상부에서 들어오는 광학적 신호를 수집하기 위해 도가니(110)의 상부에서 상부 로테이션 샤프트(122)와 연결되는 상부 온도 모니터링부(130b)를 포함한다.
도가니(110) 영역의 피사체 하부와 상부 영역의 온도값이 다르게 제어되어야 하기 때문에 광학 극고온 온도 모니터링부(130)는 하부 온도 모니터링부(130a)와 상부 온도 모니터링부(130b)로 이루어진다.
본 실시예에서 하부 온도 모니터링부(130a)와 상부 온도 모니터링부(130b)는 우산형 이중 셔터(150)의 배치만 다를 뿐 구조와 기능은 모두 동일하다. 따라서, 이하에서는 도 2 및 도 3에 도시된 하부 온도 모니터링부(130a)의 구조에 대해서만 설명하기로 한다. 상부 온도 모니터링부(130b)의 구조와 기능, 작용은 도 2 및 도 3을 참조해서 이해하도록 한다.
광학 극고온 온도 모니터링부(130)를 이루는 하부 온도 모니터링부(130a)와 상부 온도 모니터링부(130b) 모두는, 광학적으로 온도를 측정하는 광학 온도센서(142, Optical Temperature Sensor)와, 광학 온도센서(142)의 주변에 배치되며, 피사체로부터 들어오는 광학적 신호를 광학 온도센서(142)로 전달하는 투사체 윈도(143, Scattering-free Window)를 포함할 수 있다.
투사체 윈도(143)는 광학 온도센서(142)로 향하는 광학적 신호가 손실(loss) 없이 진공-진공 혹은 진공-대기로 이동할 수 있게끔 하는 역할을 한다.
피사체에 근접하게 위치하는 극고온 광학 케이블(141)이 피사체로부터 들어오는 광학적 신호를 수집한 후, 광학 신호의 손실 없이 투사체 윈도(143)를 통해 광학 온도센서(142)로 송신할 수 있다. 따라서, 광학 온도센서(142)는 송신되는 광학적 신호에 기초하여 피사체의 하부 혹은 상부 온도를 정확하게 센싱할 수 있다.
광학 온도센서(142)는 열에 약할 수 있으므로 진공 챔버(100)의 외부에서 센서룸(144)에 배치될 수 있다. 센서룸(144)과 하부 로테이션 샤프트(121) 및 상부 로테이션 샤프트(122)에는 센서룸(144)을 격리시키되 투사체 윈도(143)가 탑재되는 격벽부(145)가 마련된다. 즉 격벽부(145)의 일측을 뚫어 투사체 윈도(143)를 설치하는 방식으로 투사체 윈도(143)를 탑재할 수 있다.
광학 극고온 온도 모니터링부(130)를 이루는 하부 온도 모니터링부(130a)와 상부 온도 모니터링부(130b) 모두는, 광학적 신호를 전달하는 극고온 광학 케이블(141)이 배치되되 이중벽 구조를 갖는 극고온 광학 이중 튜브(146, Double Optical Tube)를 포함한다.
높은 온도에서 극고온 광학 케이블(141)을 안정적으로 지지하는 한편 오염 방지를 위하여 극고온 광학 이중 튜브(146)라는 이중막(2-Layer) 구조가 적용되는 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 극고온 광학 이중 튜브(146)는 외측 광학 튜브(146a)와, 외측 광학 튜브(146a)와의 공간을 사이에 두고 외측 광학 튜브(146a) 내에 배치되되 내부에 광학적 신호를 전달하는 극고온 광학 케이블(141)이 배치되는 내측 광학 튜브(146b)를 포함한다.
한편, 피사체의 온도 측정은 실시간으로 계속할 필요는 없다. 즉 공정 중 온도 측정이 필요할 때만 측정하면 된다.
이를 구현하기 위해, 광학 극고온 온도 모니터링부(130)를 이루는 하부 온도 모니터링부(130a)와 상부 온도 모니터링부(130b) 모두에는 셔터(150, Shutter)가 적용된다. 다시 말해, 셔터(150)는 극고온 광학 이중 튜브(146)의 단부 영역에 배치되며, 극고온 광학 이중 튜브(146)의 개구를 선택적으로 개폐하는 역할을 한다.
본 실시예에서 셔터(150)는 우산형 이중 셔터(150, Double Umbrella-type Shutter)로 적용된다.
다만, 하부 온도 모니터링부(130a)에 마련되는 우산형 이중 셔터(150)와 상부 온도 모니터링부(130b)에 마련되는 우산형 이중 셔터(150a)는 그 배치 방향만 서로 역방향일 뿐 그 구조와 작용, 역할은 모두 동일하다. 따라서, 이하에서는 하부 온도 모니터링부(130a)에 마련되는 우산형 이중 셔터(150)에 집중해서 설명한다.
우산형 이중 셔터(150)는 광학적 신호가 손실 없이 투사하는 무손실 투사체 윈도(151a, Scattering-free Window)를 구비하는 고정 셔터(151)와, 무손실 투사체 윈도(151a)에 이웃하게 배치되되 무손실 투사체 윈도(151a)와 선택적으로 연통되는 통공(152a)을 구비하며, 고정 셔터(151)에 대해 회전하는 회전 셔터(152)를 포함한다.
우산형 이중 셔터(150)의 회전 셔터(152)에는 우산형 형태의 중심에 광학적 신호가 통과할 수 있도록 구멍인 통공(152a)이 존재하며, 고정 셔터(151)에는 구멍이 아닌 무손실 투사체 윈도(151a)가 배치된다.
회전 셔터(152)에 통공(152a)이 아닌 무손실 투사체 윈도(151a)를 적용하게 되면 해당 영역에 증기화된 입자들이 후면 증착되어 오염을 유발하고, 이는 정확한 광학 신호전달 및 이를 통한 온도 측정의 신뢰성을 저해시킨다. 따라서 회전 셔터(152)에 통공(152a)이 형성되는 것이 바람직하다.
고정 셔터(151)에 무손실 투사체 윈도(151a)가 아닌 개구를 형성할 경우, 미세입자들이 극고온 광학 이중 튜브(146) 내로 유입되어 오염이 발생할 수 있으므로 고정 셔터(151)에는 무손실 투사체 윈도(151a)가 적용되는 것이 바람직하다. 그리고, 셔터 닫힘 상태에서 회전 셔터(152)에 의해 보호되는 구조를 가지기 때문에 오염으로부터 큰 영향을 받지 않는다.
또한, 단순한 수평 일자형이 아닌 우산 형태의 우산형 이중 셔터(150)를 적용함으로써 극고온 광학 케이블(141) 상부에서 발생하여 극고온 광학 케이블(141) 쪽으로 유입되는 미세입자, 도가니(110)의 이탈물 등의 오염원이 극고온 광학 케이블(141) 쪽으로 향하지 않고 극고온 광학 케이블(141) 바깥으로 떨어지게 유도할 수 있다.
한편, 우산형 이중 셔터(150)는 도 4 및 도 5의 구조에서 벗어나 도 9처럼 경사진 직선형 이중 셔터(250)나 도 10처럼 굽은형 이중 셔터(350) 등 다양하게 변형될 수 있다. 경사진 직선형 이중 셔터(250)와 굽은형 이중 셔터(350) 역시, 무손실 투사체 윈도(251a,351a)를 구비하는 고정 셔터(251,351)와, 통공(252a,352a)을 구비하는 회전 셔터(252,352)의 구조를 갖는다.
도 2(도 4) 및 도 3(도 5)처럼 회전 셔터(152)의 회전 동작을 위하여 셔터 회전 구동부(160)가 적용된다. 셔터 회전 구동부(160)는 회전 셔터(152)와 연결되며, 회전 셔터(152)를 회전 구동시키는 역할을 한다.
셔터 회전 구동부(160)는 회전 셔터(152)를 회전 구동을 위한 구동력을 제공하는 실린더(161)와, 실린더(161)의 로드(161a)에 연결되는 로드 연결바(162)와, 회전 셔터(152)에 결합하는 셔터 결합대(163)와, 셔터 결합대(163)와 로드 연결바(162)에 연결되며, 실린더(161)의 작용으로 동작하는 작동바(164)와, 작동바(164)에 연결되는 링크 모듈(165)을 포함한다. 격벽부(145)에는 작동바(164)의 기밀 유지를 위해 실링재(166)가 개재된다.
이에, 도 2(도 4)처럼 동작하면, 즉 실린더(161)의 로드(161a) 길이가 축소되면 로드 연결바(162), 작동바(164), 셔터 결합대(163) 및 링크 모듈(165)의 작용으로 회전 셔터(152)가 고정 셔터(151)의 상부에 배치된 형태를 취한다. 이럴 경우, 광학적 신호가 회전 셔터(152)의 통공(152a)과 고정 셔터(151)의 무손실 투사체 윈도(151a)를 통해 극고온 광학 케이블(141)로 수집된 후, 이어 투사체 윈도(143)를 통해 광학 온도센서(142)로 송신된다. 따라서, 광학 온도센서(142)에서 광학적 신호에 따른 온도값을 센싱할 수 있다.
이에 반해, 도 3(도 5)처럼 동작하면, 즉 실린더(161)의 로드(161a) 길이가 신장되면 로드 연결바(162), 작동바(164), 셔터 결합대(163) 및 링크 모듈(165)의 작용으로 회전 셔터(152)가 회전하여 고정 셔터(151)의 상부에 비스듬히 배치된 형태를 취한다. 이럴 경우, 회전 셔터(152)의 벽체에 의해 광학적 신호가 막히는 형태가 되기 때문에 피사체에 대한 온도 센싱을 이루어지지 않는다. 즉 피사체에 대한 내부 모니터링 공정이 진행되지 않는다.
한편, 본 실시예의 실리콘 카바이드 단결정 성장장치에는 신호 입력부(170)와 컨트롤러(180)가 더 탑재된다.
신호 입력부(170)는 피사체 영역의 온도 모니터링을 위한 신호를 입력하는 역할을 한다. 신호 입력부(170)는 타이머를 내장하여 자동으로 신호가 입력되게 할 수도 있다.
컨트롤러(180)는 신호 입력부(170)의 입력값에 기초하여 셔터 회전 구동부(160)의 동작을 선택적으로 컨트롤한다.
부연 설명하면, 컨트롤러(180)가 셔터 회전 구동부(160)의 동작을 도 2처럼 컨트롤하면 광학적 신호가 회전 셔터(152)의 통공(152a)과 고정 셔터(151)의 무손실 투사체 윈도(151a)를 통해 극고온 광학 케이블(141)로 수집된 후, 이어 투사체 윈도(143)를 통해 광학 온도센서(142)로 송신된다. 따라서, 광학 온도센서(142)에서 광학적 신호에 따른 온도값을 센싱할 수 있다.
이에 반해, 컨트롤러(180)가 셔터 회전 구동부(160)의 동작을 도 3처럼 컨트롤하면 즉 셔터 회전 구동부(160)에 의해 회전 셔터(152)가 회전하면 회전 셔터(152)의 벽체에 의해 광학적 신호가 막히는 형태가 되기 때문에 피사체에 대한 온도 센싱을 이루어지지 않는다.
이러한 역할을 수행하는 컨트롤러(180)는 중앙처리장치(181, CPU), 메모리(182, MEMORY), 그리고 서포트 회로(183, SUPPORT CIRCUIT)를 포함할 수 있다.
중앙처리장치(181)는 본 실시예에서 신호 입력부(170)의 입력값에 기초하여 셔터 회전 구동부(160)의 동작을 선택적으로 컨트롤하기 위해서 산업적으로 적용될 수 있는 다양한 컴퓨터 프로세서들 중 하나일 수 있다.
메모리(182, MEMORY)는 중앙처리장치(181)와 연결된다. 메모리(182)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로서 로컬 또는 원격지에 설치될 수 있으며, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(RAM), ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 또는 임의의 디지털 저장 형태와 같이 쉽게 이용가능한 적어도 하나 이상의 메모리일 수 있다.
서포트 회로(183, SUPPORT CIRCUIT)는 중앙처리장치(181)와 결합되어 프로세서의 전형적인 동작을 지원한다. 이러한 서포트 회로(183)는 캐시, 파워 서플라이, 클록 회로, 입/출력 회로, 서브시스템 등을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 컨트롤러(180)는 신호 입력부(170)의 입력값에 기초하여 셔터 회전 구동부(160)의 동작을 선택적으로 컨트롤하는데, 이러한 일련의 컨트롤 프로세스 등은 메모리(182)에 저장될 수 있다. 전형적으로는 소프트웨어 루틴이 메모리(182)에 저장될 수 있다. 소프트웨어 루틴은 또한 다른 중앙처리장치(미도시)에 의해서 저장되거나 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 프로세스는 소프트웨어 루틴에 의해 실행되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 프로세스들 중 적어도 일부는 하드웨어에 의해 수행되는 것도 가능하다. 이처럼, 본 발명의 프로세스들은 컴퓨터 시스템 상에서 수행되는 소프트웨어로 구현되거나 또는 집적 회로와 같은 하드웨어로 구현되거나 또는 소프트웨어와 하드웨어의 조합에 의해서 구현될 수 있다.
이하, 본 실시예에 따른 실리콘 카바이드 단결정 성장장치의 작용을 설명한다.
하부 온도 모니터링부(130a)를 예로 든다. 도 2(도 4)처럼 동작하면, 즉 실린더(161)의 로드(161a) 길이가 축소되면 로드 연결바(162), 작동바(164), 셔터 결합대(163) 및 링크 모듈(165)의 작용으로 회전 셔터(152)가 고정 셔터(151)의 상부에 배치된 형태를 취한다.
이럴 경우, 광학적 신호가 회전 셔터(152)의 통공(152a)과 고정 셔터(151)의 무손실 투사체 윈도(151a)를 통해 극고온 광학 케이블(141)로 수집된 후, 이어 투사체 윈도(143)를 통해 광학 온도센서(142)로 송신된다. 따라서, 광학 온도센서(142)에서 광학적 신호에 따른 온도값을 센싱할 수 있다.
도면에 도시하지는 않았지만 상부 온도 모니터링부(130b) 역시, 같은 원리로 동작한다.
이에 반해, 도 3(도 5)처럼 동작하면, 즉 실린더(161)의 로드(161a) 길이가 신장되면 로드 연결바(162), 작동바(164), 셔터 결합대(163) 및 링크 모듈(165)의 작용으로 회전 셔터(152)가 회전하여 고정 셔터(151)의 상부에 비스듬히 배치된 형태를 취한다. 이럴 경우, 회전 셔터(152)의 벽체에 의해 광학적 신호가 막히는 형태가 되기 때문에 피사체에 대한 온도 센싱을 이루어지지 않는다. 즉 피사체에 대한 내부 모니터링 공정이 진행되지 않는다.
이상 설명한 바와 같은 구조로 작용을 하는 본 실시예에 따르면, 도가니(110) 영역의 피사체에서 들어오는 광학적 신호를 종래보다 효과적이면서 정확하게 센싱할 수 있으며, 이로 인해 피사체 영역의 온도 모니터링에 기인한 여러 공정 프로세스에 도움이 될 수 있음은 물론 고품질의 잉곳을 생산할 수 있게 된다.
이처럼 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다고 하여야 할 것이다.
100 : 진공 챔버 101 : 외부 절연부
102 : 내부 절연부 110 : 도가니
121 : 하부 로테이션 샤프트 122 : 상부 로테이션 샤프트
123 : 샤프트 회전 구동부 130 : 광학 극고온 온도 모니터링부
130a : 하부 온도 모니터링부 130b : 상부 온도 모니터링부
141 : 극고온 광학 케이블 142 : 광학 온도센서
143 : 투사체 윈도 144 : 센서룸
145 : 격벽부 146 : 극고온 광학 이중 튜브
146a : 외측 광학 튜브 146b : 내측 광학 튜브
150 : 우산형 이중 셔터 151 : 고정 셔터
151a : 무손실 투사체 윈도 152 : 회전 셔터
152a : 통공 160 : 셔터 회전 구동부
161 : 실린더 161a : 로드
162 : 로드 연결바 163 : 셔터 결합대
164 : 작동바 165 : 링크 모듈
166 : 실링재 170 : 신호 입력부
180 : 컨트롤러
102 : 내부 절연부 110 : 도가니
121 : 하부 로테이션 샤프트 122 : 상부 로테이션 샤프트
123 : 샤프트 회전 구동부 130 : 광학 극고온 온도 모니터링부
130a : 하부 온도 모니터링부 130b : 상부 온도 모니터링부
141 : 극고온 광학 케이블 142 : 광학 온도센서
143 : 투사체 윈도 144 : 센서룸
145 : 격벽부 146 : 극고온 광학 이중 튜브
146a : 외측 광학 튜브 146b : 내측 광학 튜브
150 : 우산형 이중 셔터 151 : 고정 셔터
151a : 무손실 투사체 윈도 152 : 회전 셔터
152a : 통공 160 : 셔터 회전 구동부
161 : 실린더 161a : 로드
162 : 로드 연결바 163 : 셔터 결합대
164 : 작동바 165 : 링크 모듈
166 : 실링재 170 : 신호 입력부
180 : 컨트롤러
Claims (18)
- 실리콘 카바이드 단결정 성장을 위한 증착재료가 충진되는 도가니(Crucible)가 내부에 배치되며, 상기 도가니로부터의 증착재료가 증착되면서 실리콘 카바이드 단결정 성장공정이 진행되는 장소를 형성하는 진공 챔버; 및
상기 실리콘 카바이드 단결정 성장공정이 진행될 때 상기 도가니 영역의 피사체에서 들어오는 광학적 신호를 수집하는 극고온 광학 케이블(Optical Cable)을 구비하며, 상기 광학적 신호를 기초로 상기 피사체 영역의 온도를 모니터링하는 광학 극고온 온도 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제1항에 있어서,
상기 진공 챔버의 내외로 연결되되 상기 진공 챔버의 내부에서 상기 도가니의 하부와 연결되며, 상기 도가니의 하부 회전축심을 형성하는 하부 로테이션 샤프트(Rotation Shaft); 및
상기 진공 챔버의 내외로 연결되되 상기 진공 챔버의 내부에서 상기 도가니의 상부와 연결되며, 상기 도가니의 상부 회전축심을 형성하는 상부 로테이션 샤프트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제2항에 있어서,
상기 하부 로테이션 샤프트와 상기 상부 로테이션 샤프트는 내부가 빈 파이프(pipe) 구조를 형성하며,
상기 하부 로테이션 샤프트와 상기 상부 로테이션 샤프트 중 하나에는 해당 샤프트를 회전 구동시키는 샤프트 회전 구동부가 결합하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제3항에 있어서,
상기 광학 극고온 온도 모니터링부는 상기 하부 로테이션 샤프트와 상기 상부 로테이션 샤프트를 매개로 해서 상기 진공 챔버와 연결되는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제4항에 있어서,
상기 광학 극고온 온도 모니터링부는,
상기 도가니 영역의 피사체 하부에서 들어오는 광학적 신호를 수집하기 위해 상기 도가니의 하부에서 상기 하부 로테이션 샤프트와 연결되는 하부 온도 모니터링부; 및
상기 도가니 영역의 피사체 상부에서 들어오는 광학적 신호를 수집하기 위해 상기 도가니의 상부에서 상기 상부 로테이션 샤프트와 연결되는 상부 온도 모니터링부를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제5항에 있어서,
상기 하부 온도 모니터링부와 상기 상부 온도 모니터링부의 구조가 동일한 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제5항에 있어서,
상기 하부 온도 모니터링부와 상기 상부 온도 모니터링부 모두는,
광학적으로 온도를 측정하는 광학 온도센서(Optical Temperature Sensor); 및
상기 광학 온도센서의 주변에 배치되며, 상기 피사체로부터 들어오는 광학적 신호를 상기 광학 온도센서로 전달하는 투사체 윈도(Scattering-free Window)를 포함하며,
상기 피사체에 근접하게 위치하는 상기 극고온 광학 케이블이 상기 피사체로부터 들어오는 상기 광학적 신호를 수집한 후, 광학 신호의 손실 없이 상기 투사체 윈도를 통해 상기 광학 온도센서로 송신하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제7항에 있어서,
상기 광학 온도센서는 센서룸에 배치되되 상기 센서룸과 상기 하부 로테이션 샤프트 및 상기 상부 로테이션 샤프트에는 상기 센서룸을 격리시키되 상기 투사체 윈도가 탑재되는 격벽부가 마련되며,
상기 극고온 광학 케이블은 실리콘 재질로 제작되는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제7항에 있어서,
상기 하부 온도 모니터링부와 상기 상부 온도 모니터링부 모두는,
상기 광학적 신호를 전달하는 상기 극고온 광학 케이블이 배치되되 이중벽 구조를 갖는 극고온 광학 이중 튜브(Double Optical Tube)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제9항에 있어서,
상기 극고온 광학 이중 튜브는,
외측 광학 튜브; 및
상기 외측 광학 튜브와의 공간을 사이에 두고 상기 외측 광학 튜브 내에 배치되되 내부에 상기 광학적 신호를 전달하는 상기 극고온 광학 케이블이 배치되는 내측 광학 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제9항에 있어서,
상기 하부 온도 모니터링부와 상기 상부 온도 모니터링부 모두는,
상기 극고온 광학 이중 튜브의 단부 영역에 배치되며, 상기 극고온 광학 이중 튜브의 개구를 선택적으로 개폐하는 셔터(Shutter)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제11항에 있어서,
상기 셔터가 우산형 이중 셔터(Double Umbrella-type Shutter)인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제12항에 있어서,
상기 하부 온도 모니터링부에 마련되는 우산형 이중 셔터와 상기 상부 온도 모니터링부에 마련되는 우산형 이중 셔터의 배치 방향이 서로 역방향인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제12항에 있어서,
상기 우산형 이중 셔터는,
상기 광학적 신호가 손실 없이 투사하는 무손실 투사체 윈도(Scattering-free Window)를 구비하는 고정 셔터; 및
상기 무손실 투사체 윈도에 이웃하게 배치되되 상기 무손실 투사체 윈도와 선택적으로 연통되는 통공을 구비하며, 상기 고정 셔터에 대해 회전하는 회전 셔터를 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제14항에 있어서,
상기 하부 온도 모니터링부와 상기 상부 온도 모니터링부 모두는,
상기 회전 셔터와 연결되며, 상기 회전 셔터를 회전 구동시키는 셔터 회전 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제15항에 있어서,
상기 셔터 회전 구동부는,
상기 회전 셔터를 회전 구동을 위한 구동력을 제공하는 실린더;
상기 실린더의 로드에 연결되는 로드 연결바;
상기 회전 셔터에 결합하는 셔터 결합대;
상기 셔터 결합대와 상기 로드 연결바에 연결되며, 상기 실린더의 작용으로 동작하는 작동바; 및
상기 작동바에 연결되는 적어도 하나의 링크 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제15항에 있어서,
상기 피사체 영역의 온도 모니터링을 위한 신호를 입력하는 신호 입력부; 및
상기 신호 입력부의 입력값에 기초하여 상기 셔터 회전 구동부의 동작을 선택적으로 컨트롤하는 컨트롤러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치. - 제1항에 있어서,
상기 진공 챔버는,
상대적으로 외부에 배치되는 외부 절연부(Outer Isolator); 및
상기 외부 절연부와 이격되고 상기 외부 절연부 내에 배치되되 상기 도가니가 내부에 위치하는 내부 절연부(Inner Isolator)를 포함하며,
상기 도가니가 그래파이트 도가니(Graphite Crucible)인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 단결정 성장장치.
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KR20130097028A (ko) | 2012-02-23 | 2013-09-02 | 오민수 | 스마트폰을 이용한 전자기기 및 설비시설 원거리 제어 방법 |
KR20170135218A (ko) * | 2016-05-30 | 2017-12-08 | 주식회사 사파이어테크놀로지 | 탄화규소 단결정 잉곳의 성장장치 및 그 성장방법 |
JP2019131440A (ja) * | 2018-01-31 | 2019-08-08 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | SiC単結晶製造装置及びSiC単結晶の製造方法 |
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2019
- 2019-12-27 KR KR1020190177069A patent/KR102305774B1/ko active IP Right Grant
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