WO2022065740A1 - 잉곳 성장 장치 - Google Patents

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WO2022065740A1
WO2022065740A1 PCT/KR2021/011953 KR2021011953W WO2022065740A1 WO 2022065740 A1 WO2022065740 A1 WO 2022065740A1 KR 2021011953 W KR2021011953 W KR 2021011953W WO 2022065740 A1 WO2022065740 A1 WO 2022065740A1
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WO
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susceptor
insulating member
heat insulating
coil
ingot
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PCT/KR2021/011953
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English (en)
French (fr)
Inventor
이영민
이경석
박진성
배동우
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한화솔루션 주식회사
주식회사 한화
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/10—Crucibles or containers for supporting the melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
    • C30B15/18—Heating of the melt or the crystallised materials using direct resistance heating in addition to other methods of heating, e.g. using Peltier heat
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon

Definitions

  • the present invention relates to an ingot growing apparatus.
  • Single crystal silicon is used as a basic material for most solar light and semiconductor components, and these materials are manufactured as single crystals with high purity.
  • One of these manufacturing methods is the Czochralski method.
  • silicon is put into a crucible and the crucible is heated to melt the silicon.
  • a single crystal seed is pulled upward while rotating while in contact with the molten silicon, an ingot having a predetermined diameter is grown.
  • Czochralski continuously grows the ingot while supplementing the consumed molten silicon by continuously injecting solid polysilicon or molten silicon into the crucible. way to do it
  • An ingot growth apparatus includes a growth furnace in which a main crucible for accommodating molten silicon to grow an ingot is disposed therein; a susceptor formed to surround the outer surface of the main crucible and heating the main crucible; a heater formed to surround the outer surface of the susceptor, receiving power to generate a magnetic field, and having a coil configured to heat the susceptor by electromagnetic induction by the magnetic field; and a heat insulating member disposed between the coil and the susceptor.
  • the heat insulating member is made of a plate-shaped member formed on the outer surface of the susceptor, one side of the transverse direction of the heat insulating member and the other side of the heat insulating member on the outer side of the susceptor at one side of each other They may be disposed to face each other and to be spaced apart from each other.
  • a non-magnetic material may be provided between one side of the heat insulating member in the transverse direction and the other side of the heat insulating member in the transverse direction.
  • the heater may further include a shield formed to surround the outer surface of the coil and blocking the coil from being exposed to the inner space of the growth furnace.
  • the heat insulating member may be disposed on the upper surface of the shield, and may be formed to partially cover the upper surface of the shield.
  • the shield may be made of ceramic.
  • the heat insulating member may be made of carbon fiber.
  • the ingot growth apparatus may further include a cover member that blocks the heat insulating member from being exposed to the inner space of the growth furnace.
  • the cover member may be made of a ceramic material.
  • the cover member may include at least one of alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the coil may include a cooling pipe through which cooling water flows inside the coil.
  • the thickness of the heat insulating member may correspond to twice the thickness of the susceptor.
  • Ingot growth apparatus by blocking the heat of the susceptor heat-insulating member from moving to the coil, it is possible to prevent the coil from being damaged by heat.
  • the heat insulating member blocks the heat of the susceptor from being transferred to the coolant flowing inside the coil, it is possible to increase the efficiency of power energy for heating the susceptor.
  • FIG. 1 is a view schematically showing an ingot growing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view mainly illustrating the heater, the heat insulating member, and the cover member of FIG. 1 .
  • FIG. 2B is a view illustrating a state in which the heat insulating member of FIG. 1 is viewed from above.
  • 3 is a view showing the temperature of the hot zone of the ingot growth apparatus according to an embodiment of the present invention through simulation.
  • FIG. 4 is a view showing the temperature of the hot zone of the ingot growth apparatus through simulation when there is no heat insulating member.
  • FIG. 5 is a graph showing the temperature of the susceptor according to the material of the shield and the presence or absence of the heat insulating member through simulation.
  • 6 to 8 are views showing the susceptor temperature and the ambient temperature of the susceptor according to the distance between the coil and the susceptor.
  • 9 to 11 are diagrams showing the susceptor temperature and the ambient temperature of the susceptor according to the thickness of the insulating member through simulation.
  • FIG. 12 is a view illustrating a susceptor temperature and an ambient temperature of the susceptor through simulation when the shield heat insulating member is disposed below the coil.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a susceptor temperature and an ambient temperature of the susceptor through simulation when the shield heat insulating member is not disposed below the coil.
  • an element “in front”, “behind”, “above” or “below” of another element means that, unless otherwise specified, it is directly in contact with another element, such as “front”, “rear”, “above” or “below”. It includes not only being disposed at the “lower side” but also cases in which another component is disposed in the middle.
  • a component is “connected” with another component includes not only direct connection to each other, but also indirect connection to each other, unless otherwise specified.
  • the arrow direction of the Z-axis is referred to as an upward direction of the growth path.
  • the downward direction means a direction opposite to the upward direction.
  • FIG. 1 is a view schematically showing an ingot growing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • an ingot growth apparatus 100 includes a growth furnace 110 , a main crucible 120 , a susceptor 130 , a heater 140 and a heat insulating member 143 .
  • a growth furnace 110 includes a main crucible 120 , a susceptor 130 , a heater 140 and a heat insulating member 143 .
  • a heater 140 includes a heat insulating member 143 .
  • the growth furnace 110 has an internal space 110a maintained in a vacuum state, and is formed so that the ingot I is grown in the internal space 110a.
  • a main crucible 120 to be described later is disposed in the inner space 110a.
  • the growth furnace 110 is provided with a vacuum pump (not shown) and an inert gas supply unit (not shown).
  • the vacuum pump may maintain the internal space 110a in a vacuum atmosphere.
  • the inert gas supply unit is the inside.
  • An inert gas is supplied to the space 110a.
  • the inert gas may be, for example, argon (Ar).
  • the main crucible 120 is accommodated in the inner space 110a of the growth furnace 110 .
  • the main crucible 120 may accommodate the molten silicon (M).
  • M molten silicon
  • the main crucible 120 is generally formed in a reverse dome shape.
  • the main crucible 120 is not limited to being formed in an inverted dome shape, and may be formed in various shapes such as a cylindrical shape.
  • the main crucible 120 is made of a quartz (quartz) material.
  • the main crucible 120 is not limited to being made of a quartz material, and may include various materials that have heat resistance at a temperature of about 1400° C. or higher and withstand a sudden change in temperature.
  • the single crystal seed (S) is in contact with the molten silicon (M) accommodated in the main crucible 120, the wire (W) connected to the upper side of the growth furnace 110 is the single crystal seed (S)
  • the ingot (I) having a predetermined diameter is grown along the pulling direction (Z axis) of the ingot (I).
  • the growth furnace 110 is provided with a pre-melting unit (not shown) for receiving and melting a solid silicon raw material.
  • the pre-melting unit supplies the molten silicon to the main crucible 120 .
  • the susceptor 130 surrounds the outer surface of the main crucible 120 .
  • the susceptor 130 supports the main crucible 120 .
  • the inner surface of the susceptor 130 has a shape corresponding to the outer surface of the main crucible 120 .
  • the susceptor 130 also has an inverted dome shape.
  • the susceptor 130 is made of a graphite material.
  • the susceptor 130 is not limited to being made of a graphite material, and may include various materials having strong heat resistance and conductor properties.
  • the susceptor 130 maintains the state in which the main crucible 120 receives the molten silicon (M). (120) is supported while wrapping.
  • a susceptor support part 150 for supporting the susceptor 130 is disposed on the lower side 112 of the growth path 110 .
  • the upper end of the susceptor support 150 has a shape corresponding to the lower end of the susceptor 130 .
  • the susceptor support part 150 rotates together with the susceptor 130 . Accordingly, in a state in which the main crucible 120 accommodates the molten silicon M, the main crucible 120 is rotated together with the susceptor 130 .
  • the growth path 110 is provided with a driving unit (not shown) that provides a rotational force to rotate the susceptor support (150).
  • the susceptor support part 150 is rotatably connected to the driving part.
  • the driving unit receives power and provides a rotational force to the susceptor support unit 150 , the main crucible 120 is rotated together with the susceptor 130 .
  • a heater 140 for heating the susceptor 130 is provided in the growth furnace 110 .
  • the heater 140 includes a coil 141 receiving power to generate a magnetic field and a shield 142 surrounding the coil 141 .
  • the coil 141 is formed to surround the outer surface of the susceptor 130 .
  • the coil 141 receives power to generate a magnetic field.
  • the coil 141 generates a current in the susceptor 130 by electromagnetic induction by a magnetic field.
  • the current generated in the susceptor 130 is converted into thermal energy.
  • the heater 140 heats the susceptor 130 .
  • the heat of the susceptor 130 is conducted to the main crucible 120 , and the susceptor 130 heats the main crucible 120 .
  • the shield 142 supports the coil 141 so that the coil 141 is maintained in a predetermined shape.
  • the shield 142 is made of ceramic.
  • the shield 142 may include at least one of alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the shield 142 blocks the coil from being exposed to the inner space 110a of the growth path 110 . Accordingly, the shield 142 blocks the coil 141 from being exposed to the inner space 110a of the growth furnace 110, so that the coil 141 receives power to form a magnetic field. , to prevent arc discharge from occurring due to plasma phenomenon in the vacuum state or arc discharge from being generated by the coil 141 coming into contact with an inert gas (eg, argon) existing in the inner space 110a do.
  • an inert gas eg, argon
  • a heater support unit 160 supporting the heater 140 is disposed below the growth furnace 110 .
  • the heater support 160 is generally formed in a cylindrical shape.
  • the susceptor support 150 is disposed inside the heater support 160 having the cylindrical shape.
  • the upper end of the heater support 160 has a shape corresponding to the lower end of the heater 140 , and the heater 140 is disposed on the upper end of the heater support 160 .
  • a heat insulating member 143 is provided between the susceptor 130 and the coil 141 to block the movement of heat.
  • the heat insulating member 143 is surrounded by the cover member 144 to prevent exposure to the inner space 110a of the growth furnace 110 .
  • the heat insulating member 143 and the cover member will be described in detail later with reference to the drawings.
  • FIG. 2A is a cross-sectional view mainly illustrating the heater, the heat insulating member, and the cover member of FIG. 1
  • FIG. 2B is a view showing the heat insulating member of FIG. 1 as viewed from above.
  • the heat insulating member 143 is disposed on the upper surface of the shield 142 and is formed to partially cover the upper surface of the shield 142 .
  • the heat insulating member 143 is formed to partially surround the outer surface of the susceptor 130 .
  • the heat insulating member 143 may be formed of a plate-shaped member disposed between the shield 142 and the susceptor 130 .
  • a cooling pipe 145 through which cooling water flows is formed inside the coil 141 .
  • the temperature of the cooling water of the cooling pipe 145 is approximately 300 K.
  • the cooling water flowing along the cooling pipe 145 cools the heat generated from the coil 141 .
  • the heat insulating member 143 blocks the heat of the susceptor 130 from moving to the coil 141 .
  • the heat insulating member 143 blocks the heat of the susceptor 130 from moving to the coolant flowing inside the coil 141 . Accordingly, the heat of the susceptor 130 moves to the main crucible 120 , thereby increasing the efficiency of power energy for heating the main crucible 120 .
  • One transverse side surface 143a of the heat insulating member 143 and the other side side 143b in the transverse direction of the heat insulating member 143 are, as shown in FIG. They are arranged to face each other and to be spaced apart. In addition, at least one cut-out area is formed in the heat insulating member 143 . That is, the heat insulating member 143 is not formed in a loop shape. Accordingly, one side 143a of the heat insulating member 143 and the other side 143b of the heat insulating member 143 are not electrically connected, so that the heat insulating member 143 is prevented from being heated by electromagnetic induction. .
  • the heat insulating member 143 may be provided as a plurality of heat insulating members separated from each other by a plurality of cut areas.
  • the plurality of heat insulating members are electrically insulated from each other by the plurality of cut-out regions.
  • the heat insulating member 143 is made of carbon fiber.
  • the heat insulating member 143 is formed in the form of a cloth (felt) including carbon fibers.
  • the heat insulating member 143 may have a structure in which a fabric including carbon fibers is laminated.
  • the heat insulating member 143 may be formed of zirconia (ZrO 2 ) or silica (SiO 2 ) in powder form.
  • the cover member 144 is formed to surround the heat insulating member 143 .
  • the cover member 144 is formed to cover a portion of the shield 142 adjacent to the heat insulating member 143 .
  • the cover member 144 fills a space between the susceptor 130 and the heat insulating member 143 . Accordingly, the cover member 144 blocks the heat insulating member 143 from being exposed to the inner space 110a (refer to FIG. 1 ) of the growth furnace 110 (refer to FIG. 1 ), thereby preventing the heat insulating member 143 from being exposed to the inner space 110a (refer to FIG. 1 ). ) is prevented from generating an arc discharge due to plasma phenomenon in a vacuum state or the heat insulating member 143 from being in contact with an inert gas existing in the inner space 110a to prevent arc discharge from occurring.
  • the cover member 144 is made of ceramic.
  • the cover member 144 is made of any one of alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • the cover member 144 may be made of the same material as the shield 142 .
  • the cover member 144 may be formed of a coating layer to cover a portion of the shield 142 adjacent to the heat insulating member 143 while covering the heat insulating member 143 . there is.
  • a non-magnetic material 146 is provided between the one transverse side surface 143a of the heat insulating member 143 and the other transverse side side 143b of the heat insulating member 143 .
  • the non-magnetic material 143b electrically insulates between one side 143a of the heat insulating member 143 and the other side 143b of the heat insulating member 143 .
  • the non-magnetic material 146 is made of ceramic.
  • the non-magnetic material 146 is made of alumina (Al 2 O 3 ), zirconia (ZrO 2 ), silica (SiO 2 ), or silicon nitride (Si 3 N 4 ).
  • a distance e between one side 143a of the heat insulating member 143 and the other side 143b of the heat insulating member 143 is approximately 0.5 mm or more.
  • the thickness of the non-magnetic material 146 is also 0.5 mm.
  • a plurality of cut regions may be formed in the heat insulating member 143 , and the non-magnetic material 146 may be filled in the plurality of cut regions.
  • the thickness t of the heat insulating member is 40 to 60 mm.
  • the thickness t of the heat insulating member will be described in detail later with reference to the drawings.
  • FIG. 3 is a view showing the temperature of the hot zone of the ingot growth apparatus according to an embodiment of the present invention through simulation
  • FIG. 4 is a view showing the temperature of the hot zone of the ingot growing apparatus through simulation when there is no heat insulating member.
  • a hotzone of the ingot growth apparatus 100 is defined as a region including the susceptor 130 (refer to FIG. 1 ) and the surrounding components of the susceptor 130 (refer to FIG. 1 ).
  • the temperature of the side portion of the susceptor is close to about 1695 °C, but the heat insulating member between the coil and the susceptor If not deployed, the temperature of the susceptor does not exceed approximately 1385 °C. Since the melting point of silicon corresponds to about 1414° C., when the heat insulating member is not disposed, more power energy is consumed to increase the temperature of the susceptor.
  • the efficiency of power energy for increasing the temperature of the susceptor is increased.
  • FIG. 5 is a graph showing the temperature of the susceptor according to the material of the shield and the presence or absence of the heat insulating member through simulation.
  • the temperature of the susceptor is Let's look at the impact.
  • the temperature of the susceptor is the same regardless of the material of the shield. It is lower than the temperature of the susceptor when the heat insulating member is disposed.
  • the heat insulating member of the ingot growth apparatus increases the heat generating performance of the susceptor, thereby reducing power and energy consumption for heating the susceptor.
  • 6 to 8 are diagrams showing the susceptor temperature and the ambient temperature of the susceptor according to the distance between the coil and the susceptor through simulation.
  • the coil shown in FIG. 6 is spaced apart from the susceptor by a first distance
  • the coil shown in FIG. 7 is spaced apart from the susceptor by a second distance
  • the coil shown in FIG. It is disposed to be spaced apart from the susceptor by a third distance.
  • the second distance is longer than the first distance
  • the third distance is longer than the second distance.
  • a heat insulating member having the same thickness is disposed between the coil shown in FIGS. 6 to 8 and the susceptor.
  • the susceptor shown in FIG. 6 generates heat at a higher overall temperature than the susceptor shown in FIGS. 7 and 8 . This is because, as the distance between the coil and the susceptor increases, the heat of the susceptor moves to the space between the coil and the susceptor, and the heat loss of the susceptor increases.
  • the power energy for heating the susceptor shown in FIG. 6 is 49.75 kW
  • the power energy for heating the susceptor shown in FIG. 7 is 53.47 kW
  • the power for heating the susceptor shown in FIG. 8 .
  • the energy is 51.04 kW.
  • 9 to 11 are diagrams showing the susceptor temperature and the ambient temperature of the susceptor according to the thickness of the insulating member through simulation.
  • the coil illustrated in FIG. 9 is spaced apart from the susceptor by a fourth distance
  • the coil illustrated in FIG. 10 is spaced apart from the susceptor by a fifth distance
  • the coil illustrated in FIG. 11 is the It is disposed spaced apart from the susceptor by a sixth distance.
  • the fifth distance is longer than the fourth distance
  • the sixth distance is longer than the fifth distance.
  • the thickness of the heat insulating member shown in FIG. 9 is 10 mm
  • the thickness of the heat insulating member shown in FIG. 10 is 30 mm
  • the thickness of the heat insulating member shown in FIG. 11 is 50 mm.
  • the power energy for heating the susceptor shown in FIG. 9 is 65.76 kW
  • the power energy for heating the susceptor shown in FIG. 10 is 53.88 kW
  • the power for heating the susceptor shown in FIG. 11 The energy is 45.95 kW.
  • the thickness of the heat insulating member may correspond to approximately twice the thickness of the susceptor.
  • the thickness of the heat insulating member is 50 mm.
  • the thickness of the heat insulating member is less than twice the thickness of the susceptor, power consumption is increased.
  • the thickness of the heat insulating member is greater than twice the thickness of the susceptor, power consumption is not increased, but the cost of the heat insulating member is increased.
  • FIG. 12 is a view showing the susceptor temperature and the ambient temperature of the susceptor through simulation when the shield heat insulating member is disposed below the coil
  • FIG. 13 is the susceptor when the shield heat insulating member is not disposed below the coil It is a diagram showing the temperature and the ambient temperature of the susceptor through simulation.
  • the lower side of the coil is provided with a shield heat insulating member 148 to block heat transfer.
  • the temperature of the susceptor and the ambient temperature of the susceptor when the shield heat insulating member 148 shown in FIG. 12 is disposed is the temperature of the susceptor and the surrounding temperature of the susceptor when the shield heat insulating member shown in FIG. 13 is not disposed higher than the temperature.
  • the power energy for heating the susceptor shown in FIG. 12 is 45.98 kW
  • the power energy for heating the susceptor shown in FIG. 13 is 49.75 kW.
  • the shield heat insulating member 148 blocks heat radiated from the susceptor. That is, the power energy for heating the susceptor when the shield heat insulating member 148 is disposed is about 7.6% of the power energy for heating the susceptor when the shield heat insulating member is not disposed. It has a savings effect.

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Abstract

잉곳 성장 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 잉곳을 성장시키기 위하여 용융된 실리콘을 수용하는 주 도가니가 내부에 배치되는 성장로; 상기 주 도가니의 외측면을 감싸도록 형성되고, 상기 주 도가니를 가열하는 서셉터; 상기 서셉터의 외측면을 감싸도록 형성되고, 전원을 공급받아 자기장을 발생시키고, 상기 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 상기 서셉터를 가열시키는 코일을 구비하는 히터; 및 상기 코일과 상기 서셉터 사이에 배치되는 단열 부재를 포함할 수 있다.

Description

잉곳 성장 장치
본 발명은 잉곳 성장 장치에 관한 것이다.
단결정 실리콘은 대부분의 태양광 및 반도체 부품의 기본소재로서 사용되는 것으로, 이들 물질은 높은 순도를 가진 단결정체로 제조되는데, 이러한 제조방법 중 하나가 초크랄스키법(Czochralski)이다.
초크랄스키 결정법은 도가니에 실리콘을 넣고, 도가니를 가열하여 실리콘을 용융시킨다. 그리고, 단결정 시드(single crystal seed)가 이러한 용융된 실리콘에 접촉된 상태에서, 회전과 동시에 상측 방향으로 인상되면, 소정의 지름을 갖는 잉곳(ingot)이 성장된다.
이러한 초크랄스키법 중 하나인 연속성장형 초크랄스키법(CCz: Continuous Czochralski)은 도가니 내부로 고형의 폴리실리콘 또는 용융된 실리콘을 계속적으로 주입함으로써 소모된 용융된 실리콘을 보충하면서 잉곳을 지속적으로 성장시키는 방법이다.
이러한 연속성장형 초크랄스키법(CCz)을 통해 잉곳을 성장시키기 위해서는, 도가니를 가열하는데 소모되는 전력 에너지의 효율성의 확보가 중요하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도가니를 가열하기 위한 전력 에너지의 효율을 개선하는 잉곳 성장 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 잉곳을 성장시키기 위하여 용융된 실리콘을 수용하는 주 도가니가 내부에 배치되는 성장로; 상기 주 도가니의 외측면을 감싸도록 형성되고, 상기 주 도가니를 가열하는 서셉터; 상기 서셉터의 외측면을 감싸도록 형성되고, 전원을 공급받아 자기장을 발생시키고, 상기 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 상기 서셉터를 가열시키는 코일을 구비하는 히터; 및 상기 코일과 상기 서셉터 사이에 배치되는 단열 부재를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 단열 부재는 상기 서셉터의 외측면에 형성되는 판 형상 부재로 이루어지며, 상기 단열 부재의 횡방향 일측면과 상기 단열 부재의 횡방향 타측면은 상기 서셉터의 외측면 일측에서 서로 대향하며 이격되도록 배치될 수 있다.
이 때, 상기 단열 부재의 횡방향 일측면과 상기 단열 부재의 횡방향 타측면 사이에는 비자성체가 구비될 수 있다.
이 때, 상기 히터는, 상기 코일의 외측면을 감싸도록 형성되고, 상기 코일이 상기 성장로의 내부 공간에 노출되는 것을 차단하는 쉴드를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 단열 부재는 상기 쉴드의 상측면 상에 배치되며, 상기 쉴드의 상측면을 일부 덮도록 형성될 수 있다.
이 때, 상기 쉴드는 세라믹으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 단열 부재는 카본 섬유(carbon fiber)로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 잉곳 성장 장치는, 상기 단열 부재가 상기 성장로의 내부 공간에 노출되는 것을 차단하는 커버 부재를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 커버 부재는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 커버 부재는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리카(SiO2) 또는 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 코일은 상기 코일의 내부에 냉각수가 흐르는 냉각관을 포함할 수 있다.
이 때, 상기 단열 부재의 두께는 상기 서셉터의 두께의 2배에 해당될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는, 단열 부재가 발열된 서셉터의 열이 코일로 이동되는 것을 차단함으로써, 코일이 열에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 단열 부재가 서셉터의 열이 코일의 내부에서 흐르는 냉각수로 이동되는 것을 차단함으로써, 서셉터를 가열시키기 위한 전력 에너지의 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2a는 도 1의 히터, 단열 부재 및 커버 부재를 중점적으로 나타내는 단면도이다.
도 2b는 도 1의 단열 부재를 상측에서 바라본 모습을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 핫존의 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이다.
도 4는 단열 부재가 없는 경우, 잉곳 성장 장치의 핫존의 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이다.
도 5는 쉴드의 재질 및 단열 부재의 유무에 따른 서셉터의 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 그래프이다.
도 6 내지 도 8은 코일과 서셉터 사이의 거리에 따른 서셉터 온도와 서셉터의 주변 온도를 나타내는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 단열 부재의 두께에 따른 서셉터 온도와 서셉터의 주변 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이다.
도 12는 쉴드 단열 부재가 코일의 하측에서 배치된 경우, 서셉터 온도와 서셉터의 주변 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이다.
도 13은 쉴드 단열 부재가 코일의 하측에 배치되지 않은 경우, 서셉터 온도와 서셉터의 주변 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이다.
100: 잉곳 성장 장치 110: 성장로
120: 주 도가니 130: 서셉터
140: 히터 141: 코일
143: 단열 부재
본 명세서 및 청구범위에 사용된 단어와 용어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 않고, 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 발명자가 용어와 개념을 정의할 수 있는 원칙에 따라 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
그러므로 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 해당하고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로 해당 구성은 본 발명의 출원시점에서 이를 대체할 다양한 균등물과 변형예가 있을 수 있다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 설명하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 다른 구성 요소와 바로 접하여 "전방", "후방", "상부" 또는 "하부"에 배치되는 것뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성 요소가 배치되는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소와 "연결"되어 있다는 것은 특별한 사정이 없는 한 서로 직접 연결되는 것뿐만 아니라 간접적으로 서로 연결되는 경우도 포함한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 설명한다. 본 명세서에서는 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 설명함에 있어 발명의 내용과 관련이 없는 구성은 도면의 간략화를 위하여 상세하게 도시하지 않거나 도시를 생략하도록 하고 발명의 사상과 관련된 내용을 중심으로 본 발명에 따른 잉곳 성장 장치를 설명하도록 한다.
본 명세서에서, Z축의 화살표 방향은 성장로의 상측 방향이라 지칭한다. 하측 방향은 상기 상측 방향과 반대 방향을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치(100)는, 성장로(110), 주 도가니(120), 서셉터(130), 히터(140) 및 단열 부재(143)를 포함할 수 있다.
상기 성장로(110)는 진공 상태로 유지되는 내부 공간(110a)을 구비하여, 내부 공간(110a)에서 잉곳(I)이 성장되도록 형성된다. 상기 내부 공간(110a)에는 후술할 주 도가니(120)가 배치된다.
상기 성장로(110)에는 진공 펌프(미도시)와 비활성기체 공급부(미도시)가 구비된다. 상기 진공 펌프는 상기 내부 공간(110a)을 진공 분위기로 유지할 수 있다. 또한, 상기 비활성기체 공급부는 상기 내부. 공간(110a)에 비활성기체를 공급한다. 상기 비활성기체는 예를 들어, 아르곤(Ar)일 수 있다.
상기 주 도가니(120)는 상기 성장로(110)의 상기 내부 공간(110a)에 수용된다. 상기 주 도가니(120)는 용융된 실리콘(M)을 수용할 수 있다. 상기 주 도가니(120)는 대체적으로 역돔(reverse dome) 형상으로 이루어진다. 또한, 상기 주 도가니(120)는 역돔 형상으로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 실린더 형상과 같이 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 주 도가니(120)는 석영(quartz) 재질로 이루어진다. 다만, 상기 주 도가니(120)는 석영 재질로 이루어진 것에 한정되지 않고, 대략 1400 ℃ 이상의 온도에서 내열성을 가지면서 급격한 온도의 변화에 견디는 다양한 재질을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 단결정 시드(S)는 상기 주 도가니(120)에 수용된 용융된 실리콘(M)에 접촉된 상태에서, 상기 성장로(110)의 상측에 연결된 와이어(W)가 상기 단결정 시드(S)를 상측 방향(Z축)으로 인상하면, 상기 잉곳(I)이 인상되는 방향(Z축)을 따라 소정의 지름을 갖는 잉곳(I)이 성장된다.
또한, 상기 성장로(110)에는 고형의 실리콘 원료를 공급받아 용융시키는 예비 용융부(미도시)가 구비된다. 상기 예비 용융부는 상기 용융된 실리콘을 상기 주 도가니(120)에 공급한다.
상기 서셉터(susceptor)(130)는 상기 주 도가니(120)의 외측면을 감싼다. 상기 서셉터(130)는 상기 주 도가니(120)를 지지한다. 상기 서셉터(130)의 내측면은 상기 주 도가니(120)의 외측면과 대응하는 형상으로 이루어진다. 예를 들면, 상기 주 도가니(120)가 역돔 형상이면, 상기 서셉터(130)도 역돔 형상이다. 상기 서셉터(130)는 흑연(graphite) 재질로 이루어진다. 또한, 상기 서셉터(130)는 흑연 재질로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 내열성이 강하면서 도체 성질을 가진 다양한 재질을 포함하여 이루어질 수 있다.
이에 따라, 상기 주 도가니(120)가 석영 재질로 이루어져 고온에서 변형되더라도, 상기 서셉터(130)는 상기 주 도가니(120)가 상기 용융된 실리콘(M)을 수용하는 상태를 유지하도록 상기 주 도가니(120)를 감싸면서 지지한다.
또한, 상기 성장로(110)의 하측(112)에는 상기 서셉터(130)를 지지하는 서셉터 지지부(150)가 배치된다. 상기 서셉터 지지부(150)의 상단은 상기 서셉터(130)의 하단과 대응하는 형상으로 이루어진다. 또한, 상기 서셉터 지지부(150)가 상기 성장로(110)의 하측에서 상기 서셉터(130)를 지지한 상태에서, 상기 서셉터 지지부(150)는 상기 서셉터(130)와 함께 회전된다. 이에 따라, 상기 주 도가니(120)가 상기 용융된 실리콘(M)을 수용한 상태에서, 상기 주 도가니(120)는 서셉터(130)와 함께 회전된다.
또한, 상기 성장로(110)에는 상기 서셉터 지지부(150)를 회전하도록 회전력을 제공하는 구동부(미도시)가 구비된다. 상기 서셉터 지지부(150)는 상기 구동부와 회전 가능하게 연결된다. 상기 구동부는 전원을 공급받아 상기 서셉터 지지부(150)에 회전력을 제공하면, 상기 주 도가니(120)는 상기 서셉터(130)와 함께 회전된다.
또한, 상기 성장로(110)에는 상기 서셉터(130)를 가열시키는 히터(140)가 구비된다. 상기 히터(140)는 전원을 공급받아 자기장을 발생시키는 코일(141) 및 상기 코일(141)을 감싸는 쉴드(142)를 포함한다.
상기 코일(141)은 상기 서셉터(130)의 외측면을 감싸도록 형성된다. 상기 코일(141)은 전원을 공급받아 자기장을 발생시킨다. 그리고, 상기 코일(141)은 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 상기 서셉터(130)에 전류를 발생시킨다. 이 때, 상기 서셉터(130)에 발생된 전류는 열 에너지로 전환된다. 이에 따라, 상기 히터(140)는 상기 서셉터(130)를 가열시킨다. 상기 서셉터(130)의 열은 상기 주 도가니(120)로 열전도되고, 상기 서셉터(130)는 상기 주 도가니(120)를 가열시킨다.
상기 쉴드(142)는 상기 코일(141)이 일정 형태로 유지되도록 상기 코일(141)을 지지한다. 상기 쉴드(142)는 세라믹으로 이루어진다. 예를 들면, 상기 쉴드(142)는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리카(SiO2) 또는 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 쉴드(142)는 상기 코일이 상기 성장로(110)의 상기 내부 공간(110a)으로 노출되는 것을 차단한다. 이에 따라, 상기 쉴드(142)는 상기 코일(141)이 상기 성장로(110)의 상기 내부 공간(110a)에 노출되는 것을 차단함으로써, 상기 코일(141)이 전원을 공급받아 자기장을 형성할 경우, 상기 진공 상태에서 플라즈마 현상에 의한 아크 방전(arc discharge)이 발생되거나 상기 코일(141)이 상기 내부 공간(110a)에 존재하는 비활성기체(예: 아르곤)과 접촉하여 아크 방전이 발생되는 것이 방지된다.
또한, 상기 성장로(110)의 하측에는 상기 히터(140)를 지지하는 히터 지지부(160)가 배치된다. 상기 히터 지지부(160)는 대체적으로 원통 형상으로 이루어진다. 상기 원통 형상으로 이루어진 상기 히터 지지부(160)의 내부에는 상기 서셉터 지지부(150)가 배치된다. 또한, 상기 히터 지지부(160)의 상단은 상기 히터(140)의 하단과 대응하는 형상으로 이루어지게 되어, 상기 히터(140)는 상기 히터 지지부(160)의 상단에 배치된다.
상기 서셉터(130)와 상기 코일(141) 사이에는 열의 이동을 차단하는 단열 부재(143)가 구비된다. 그리고, 상기 단열 부재(143)는 커버 부재(144)에 의해 감싸지게 되어, 상기 성장로(110)의 내부 공간(110a)에 노출되는 것이 방지된다.
상기 단열 부재(143)와 상기 커버 부재에 대해서는 이후 도면을 참조하여 자세하게 설명하기로 한다.
도 2a는 도 1의 히터, 단열 부재 및 커버 부재를 중점적으로 나타내는 단면도이고, 도 2b는 도 1의 단열 부재를 상측에서 바라본 모습을 나타내는 도면이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 단열 부재(143)는, 상기 쉴드(142)의 상측면을 상에 배치되며, 상기 쉴드(142)의 상측면을 일부 덮도록 형성된다. 또한, 상기 단열 부재(143)는 상기 서셉터(130)의 외측면을 따라 일부 감싸도록 형성된다. 이 때, 상기 단열 부재(143)는 상기 쉴드(142)와 상기 서셉터(130) 사이에 배치되는 판 형상 부재로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 코일(141)의 내부에는 냉각수가 흐르는 냉각관(145)이 형성된다. 상기 냉각관(145)의 냉각수의 온도는 대략 300 K 이다. 상기 냉각관(145)을 따라 흐르는 냉각수는 상기 코일(141)로부터 발생되는 열을 냉각시킨다.
상기 단열 부재(143)는 상기 서셉터(130)의 열이 상기 코일(141)로 이동되는 것을 차단한다. 또한, 상기 단열 부재(143)는 상기 서셉터(130)의 열이 상기 코일(141)의 내부에서 흐르는 냉각수로 이동되는 것을 차단한다. 이에 따라, 상기 서셉터(130)의 열은 상기 주 도가니(120)로 이동하게 되어, 상기 주 도가니(120)를 가열하기 위한 전력 에너지의 효율을 높일 수 있다.
상기 단열 부재(143)의 횡방향 일측면(143a)과 상기 단열 부재(143)의 횡방향 타측면(143b)은, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 서셉터(130)의 외측면에서 서로 대향하며 이격되도록 배치된다. 또한, 상기 단열 부재(143)에는 적어도 하나의 절개된 영역이 형성된다. 즉, 상기 단열 부재(143)는 루프 형상으로 이루어지지 않는다. 이에 따라, 상기 단열 부재(143)의 일측(143a)과 상기 단열 부재(143)의 타측(143b)은 전기적으로 연결되지 않게 되어, 상기 단열 부재(143)가 전자기 유도에 의해 발열되는 것이 방지된다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 단열 부재(143)는 복수의 절개된 영역에 의해 서로 분리되는 복수의 단열 부재로 구비될 수 있다. 상기 복수의 단열 부재는 상기 복수의 절개된 영역에 의해 서로 전기적으로 절연된다.
또한, 상기 단열 부재(143)는 카본 섬유(carbon fiber)로 이루어진다. 또한, 상기 단열 부재(143)는 카본 섬유를 포함한 천(felt) 형태로 이루어진다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 단열 부재(143)는 카본 섬유를 포함한 천(felt)이 적층된 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 단열 부재(143)는 분말 형태의 지르코니아(ZrO2) 또는 실리카(SiO2)로 이루어질 수 있다.
상기 커버 부재(144)는 상기 단열 부재(143)를 감싸도록 형성된다. 또한, 상기 커버 부재(144)는 상기 단열 부재(143)와 인접한 상기 쉴드(142)의 일 부분도 감싸도록 형성된다. 또한, 상기 커버 부재(144)는 상기 서셉터(130)와 상기 단열 부재(143) 사이의 공간을 채운다. 이에 따라, 상기 커버 부재(144)는 상기 단열 부재(143)가 상기 성장로(110, 도 1 참조)의 상기 내부 공간(110a, 도 1 참조)에 노출되는 것을 차단하여, 상기 단열 부재(143)가 진공 상태에서 플라즈마 현상에 의한 아크 방전을 발생시키거나 상기 단열 부재(143)가 상기 내부 공간(110a)에 존재하는 비활성기체와 접촉하여 아크 방전이 발생되는 것이 방지된다.
또한, 상기 커버 부재(144)는 세라믹으로 이루어진다. 예를 들면, 상기 커버 부재(144)는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리카(SiO2) 또는 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 중 어느 하나로 이루어진다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 커버 부재(144)는 상기 쉴드(142)와 동일한 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 커버 부재(144)는 상기 단열 부재(143)를 덮으면서 상기 단열 부재(143)의 인접한 상기 쉴드(142)의 일 부분을 덮도록 코팅층으로 이루어질 수 있다.
상기 단열 부재(143)의 횡방향 일측면(143a)과 상기 단열 부재(143)의 횡방향 타측면(143b) 사이에는 비자성체(146)가 구비된다. 상기 비자성체(143b)는 상기 단열 부재(143)의 일측(143a)과 상기 단열 부재(143)의 타측(143b) 사이를 전기적으로 절연시킨다.
또한, 상기 비자성체(146)는 세라믹으로 이루어진다. 예를 들면, 상기 비자성체(146)는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리카(SiO2) 또는 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 중 어느 하나로 이루어진다.
또한, 상기 단열 부재(143)의 일측(143a)과 상기 단열 부재(143)의 타측(143b) 사이의 거리(e)는 대략 0.5 mm 이상이다. 예를 들면, 상기 거리(e)가 대략 0.5 mm 인 경우, 상기 비자성체(146)의 두께도 0.5 mm 이다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 상기 단열 부재(143)에는 복수의 절개된 영역이 형성될 수 있고, 상기 비자성체(146)는 상기 복수의 절개된 영역에 채워질 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 단열 부재의 두께(t)는 40 내지 60 mm 이다. 상기 단열 부재의 두께(t)에 대해서는 이후 도면을 참조하여 자세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 핫존의 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이고, 도 4는 단열 부재가 없는 경우, 잉곳 성장 장치의 핫존의 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이다.
상기 잉곳 성장 장치(100, 도 1 참조)의 핫존(hotzone)은 상기 서셉터(130, 도 1 참조) 및 상기 서셉터(130, 도 1 참조)의 주변의 구성을 포함하는 영역으로 정의한다.
도 3 및 도 4를 참조하여, 상기 단열 부재(143, 도 2a 참조)의 유무에 따른 서셉터(130)의 발열 성능을 살펴보기로 한다.
도 3 및 도 4를 비교하면, 상기 코일과 상기 서셉터 사이에 단열 부재가 배치된 경우, 상기 서셉터의 측면부의 온도는 대략 1695 ℃ 에 근접하나, 상기 코일과 상기 서셉터 사이에 단열 부재가 배치되지 않는 경우, 상기 서셉터의 온도는 대략 1385 ℃를 넘지 못한다. 실리콘의 용융점이 대략 1414 ℃ 에 해당되므로, 상기 단열 부재가 배치되지 않은 경우에는 상기 서셉터의 온도를 높이기 위해서 더 많은 전력 에너지가 소모된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치는 상기 코일과 상기 서셉터 사이에 단열 부재가 배치됨에 따라, 상기 서셉터의 온도를 높이기 위한 전력 에너지의 효율을 높인다.
도 5는 쉴드의 재질 및 단열 부재의 유무에 따른 서셉터의 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하여, 상기 쉴드(예: castable)의 재질이 지르코니아(ZrO2) 경우와 상기 쉴드(예: castable)의 재질이 알루미나(Al2O3)인 경우를 비교하여 서셉터의 온도의 영향을 살펴보기로 한다.
상기 쉴드(예: castable)의 재질이 지르코니아(ZrO2) 경우와 상기 쉴드(예: castable)의 재질이 알루미나(Al2O3)인 경우 모두 상기 서셉터의 상측으로부터 거리(Susceptor Upper Distance)에 따른 온도의 분포가 유사하다.
한편, 도 3 및 도 4에서 살펴본 바와 같이, 상기 단열 부재가 배치되지 않은 경우(예: ZrO2_Removed Felt, Al2O3_Removed Felt) 상기 서셉터의 온도가, 상기 쉴드의 재질과 무관하게 상기 단열 부재가 배치된 경우의 상기 서셉터의 온도보다 낮다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 잉곳 성장 장치의 상기 단열 부재가 상기 서셉터의 발열 성능을 높이게 되어 상기 서셉터를 가열시키기 위한 전력 에너지 소모를 줄일 수 있다.
도 6 내지 도 8은 코일과 서셉터 사이의 거리에 따른 서셉터 온도와 서셉터의 주변 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 코일은 상기 서셉터와의 제1 거리로 이격되어 배치되고, 도 7에 도시된 코일은 상기 서셉터와의 제2 거리로 이격되어 배치되고, 도 8에 도시된 코일은 상기 서셉터와의 제3 거리로 이격되어 배치된다. 상기 제2 거리는 상기 제1 거리보다 길고, 상기 제3 거리는 상기 제2 거리보다 길다.
그리고, 도 6 내지 도 8에 도시된 코일과 상기 서셉터 사이에는 동일한 두께의 단열 부재가 배치된다.
도 6 내지 도 8을 비교하면, 도 6에 도시된 서셉터가 도 7 및 도 8에 도시된 서셉터에 비하여 전체적으로 높은 온도로 발열된다. 이는 상기 코일과 상기 서셉터 사이의 거리가 멀어질수록 상기 서셉터의 열이 상기 코일과 상기 서셉터 사이의 공간으로 이동되어 상기 서셉터의 열손실이 증가되기 때문이다.
그리고, 도 6에 도시된 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지는 49.75 kW이고, 도 7에 도시된 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지는 53.47 kW이고, 도 8에 도시된 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지는 51.04 kW이다. 이와 같이, 상기 코일과 상기 서셉터 사이에 상기 단열 부재가 배치된 경우, 상기 코일이 상기 서셉터와 근접할수록 상기 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지가 감소된다.
도 9 내지 도 11은 단열 부재의 두께에 따른 서셉터 온도와 서셉터의 주변 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이다.
도 9에 도시된 코일은 상기 서셉터와의 제4 거리로 이격되어 배치되고, 도 10에 도시된 코일은 상기 서셉터와의 제5 거리로 이격되어 배치되고, 도 11에 도시된 코일은 상기 서셉터와의 제6 거리로 이격되어 배치된다. 상기 제5 거리는 상기 제4 거리보다 길고, 상기 제6 거리는 상기 제5 거리보다 길다.
도 9에 도시된 단열 부재의 두께는 10 mm 이고, 도 10에 도시된 단열 부재의 두께는 30 mm 이고, 도 11에 도시된 단열 부재의 두께는 50 mm 이다.
그리고, 도 9에 도시된 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지는 65.76 kW이고, 도 10에 도시된 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지는 53.88 kW이고, 도 11에 도시된 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지는 45.95 kW이다.
도 6 내지 도 8에서 살펴본 바와 같이, 상기 코일이 상기 서셉터와 멀어질수록 상기 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지가 증가하나, 상기 단열 부재의 두께가 증가할수록 상기 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지가 감소된다. 즉, 상기 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지를 감소시키기 위해서는, 상기 단열 부재의 두께의 증가시키는 것이 상기 코일과 상기 서셉터와의 거리를 근접시키는 것보다 중요한 설계 사항임을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 단열 부재의 두께는 서셉터의 두께의 대략 2배에 해당될 수 있다. 예를 들면, 상기 서셉터의 두께가 25 mm 인 경우, 상기 단열 부재의 두께는 50 mm 이다. 상기 단열 부재의 두께가 서셉터의 두께의 2배보다 작은 경우, 전력 에너지의 소모가 증가된다. 반대로, 상기 단열 부재의 두께가 서셉터의 두께의 2배보다 큰 경우, 전력 에너지의 소모가 증가되진 않으나, 단열 부재의 비용이 증가된다.
도 12는 쉴드 단열 부재가 코일의 하측에서 배치된 경우, 서셉터 온도와 서셉터의 주변 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이고, 도 13은 쉴드 단열 부재가 코일의 하측에 배치되지 않은 경우, 서셉터 온도와 서셉터의 주변 온도를 시뮬레이션을 통해 나타내는 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 12에 도시된 바와 같이, 코일의 하측에는 열이동을 차단하는 쉴드 단열 부재(148)가 구비된다.
도 12에 도시된 쉴드 단열 부재(148)가 배치된 경우의 서셉터의 온도와 서셉터의 주변 온도는 도 13에 도시된 쉴드 단열 부재가 배치되지 않은 경우의 서셉터의 온도와 서셉터의 주변 온도에 비하여 높다.
그리고, 도 12에 도시된 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지는 45.98 kW이고, 도 13에 도시된 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지는 49.75 kW이다. 이는 상기 쉴드 단열 부재(148)가 서셉터로부터 방열 되는 열을 차단하기 때문이다. 즉, 상기 쉴드 단열 부재(148)가 배치된 경우의 상기 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지는 상기 쉴드 단열 부재가 배치되지 않은 경우의 상기 서셉터를 가열하기 위한 전력 에너지에 비하여 대략 7.6 % 정도의 절감되는 효과가 있다.
본 발명의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 의해 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 잉곳을 성장시키기 위하여 용융된 실리콘을 수용하는 주 도가니가 내부에 배치되는 성장로;
    상기 주 도가니의 외측면을 감싸도록 형성되고, 상기 주 도가니를 가열하는 서셉터;
    상기 서셉터의 외측면을 감싸도록 형성되고, 전원을 공급받아 자기장을 발생시키고, 상기 자기장에 의한 전자기 유도에 의해 상기 서셉터를 가열시키는 코일을 구비하는 히터; 및
    상기 코일과 상기 서셉터 사이에 배치되는 단열 부재를 포함하는, 잉곳 성장 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 단열 부재는 상기 서셉터의 외측면에 형성되는 판 형상 부재로 이루어지며,
    상기 단열 부재의 횡방향 일측면과 상기 단열 부재의 횡방향 타측면은 상기 서셉터의 외측면 일측에서 서로 대향하며 이격되도록 배치되는, 잉곳 성장 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 단열 부재의 횡방향 일측면과 상기 단열 부재의 횡방향 타측면 사이에는 비자성체가 구비되는, 잉곳 성장 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 히터는, 상기 코일의 외측면을 감싸도록 형성되고, 상기 코일이 상기 성장로의 내부 공간에 노출되는 것을 차단하는 쉴드를 더 포함하는, 잉곳 성장 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 단열 부재는 상기 쉴드의 상측면 상에 배치되며, 상기 쉴드의 상측면을 일부 덮도록 형성되는, 잉곳 성장 장치.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 쉴드는 세라믹으로 이루어지는, 잉곳 성장 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 단열 부재는 카본 섬유(carbon fiber)로 이루어지는, 잉곳 성장 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 단열 부재가 상기 성장로의 내부 공간에 노출되는 것을 차단하는 커버 부재를 더 포함하는, 잉곳 성장 장치.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 커버 부재는 세라믹 재질로 이루어지는, 잉곳 성장 장치.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 커버 부재는 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리카(SiO2) 또는 실리콘 나이트라이드(Si3N4) 중 적어도 하나 이상을 포함하는, 잉곳 성장 장치.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 코일은, 상기 코일의 내부에 냉각수가 흐르는 냉각관을 포함하는, 잉곳 성장 장치.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 단열 부재의 두께는 상기 서셉터의 두께의 2배에 해당되는, 잉곳 성장 장치.
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