KR101532265B1 - 단결정 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

실시 예는 챔버, 상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니, 상기 도가니 상단에 배치되는 도가니 스크린, 및 상기 도가니 스크린을 상승 또는 하강시키는 이송 수단을 포함하며, 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 상승함으로써 행정 거리를 조절할 수 있고, 행정 거리 부족에 기인하는 리프트 오프 공정 불가능, 및 단결정의 크랙 발생을 방지할 수 있다.

Description

단결정 성장 장치{AN APPARATUS FOR GRPWING A SINGLE CRYSTAL}
실시 예는 단결정 성장 장치에 관한 것이다.
사파이어는 알루미나(Al2O3)가 2050℃에서 녹은 후 서서히 냉각되면서 성장된 결정체이다. 사파이어는 알루미나의 단결정으로 광범위한 파장 영역의 광투과성을 가지고 있고, 기계적 성질, 내열성, 내식성이 우수하고, 경도, 열전도도, 전기 저항성이 높고, 큰 내충격성을 가지고 있다. 사파이어는 기공이 없고 유전 강도가 강하기 때문에 에피텍셜 성장용 기판으로 사용될 수 있다.
대표적인 사파이어 단결정을 성장시키는 방법으로는 베르누이법(Verneuil Method), HEM(Heat Exchange Method), EFG(Edge-Defined Film-Fed Growth), 쵸크랄스키법(Czochralski Method), 및 키로플러스법(Kyropulous Method)이 있다.
키로플러스법(Kyropulous Method)은 상대적으로 싼 장비 가격과 낮은 생산 비용이 소요되고, 쵸크랄스키법에 비하여 결함이 적다는 것이 장점이다. 키로플러스법(Kyropulous Method)은 쵸크랄스키법과 유사하지만, 단결정을 회전하지 않고 단결정을 인상만 함으로써 단결정을 성장시킨다.
실시 예는 행정 거리 부족에 기인하는 리프트 오프 공정 불가능, 및 단결정의 크랙 발생을 방지할 수 있는 단결정 성장 장치를 제공한다.
실시 예에 따른 단결정 성장 장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니 상단에 배치되는 도가니 스크린(crucible screen); 및 상기 도가니 스크린을 상승 또는 하강시키는 이송 수단을 포함한다.
상기 단결정 성장 장치는 상기 도가니 스크린 상에 배치되는 제1 상부 단열부; 및 상기 제1 상부 단열부와 이격하고, 상기 제1 상부 단열부 상에 배치되는 제2 상부 단열부를 더 포함할 수 있다.
상기 이송 수단은 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시킬 수 있다.
상기 이송 수단은 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 묶는 적어도 하나의 지그(jig); 및 상기 적어도 하나의 지그를 상승 또는 하강시키는 승강부를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 지그는 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 감싸는 결합부; 및 상기 제2 상부 단열부를 통과하여 일단은 상기 결합부와 연결되고, 나머지 다른 일단은 상기 승강부와 연결되는 지지부를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 지그는 복수 개이고, 복수의 지그들은 서로 이격하여 위치할 수 있다.
상기 적어도 하나의 지그는 상기 제1 상부 단열부 및 상기 제2 상부 단열부를 통과하여 일단은 상기 도가니 스크린에 연결되고, 나머지 다른 일단은 상기 승강부에 연결될 수 있다.
상기 단결정 성장 장치는 상기 제1 상부 단열부와 상기 제2 상부 단열부 사이의 거리는 조절하도록 상기 이송 수단을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 성장하는 단결정의 성장 속도를 측정하는 무게 측정 센서; 상기 성장하는 단결정의 무게를 측정하는 성장 속도 센서; 및 상기 성장하는 단결정과 상기 도가니 스크린 간의 거리를 측정하는 거리 측정 센서를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 무게 측정 센서에 의해 측정된 단결정의 성장 속도, 상기 성장 속도 센서에 의하여 측정된 단결정의 무게, 또는 상기 거리 측정 센서에 의하여 측정된 상기 상기 성장하는 단결정과 상기 도가니 스크린 간의 거리에 기초하여 상기 이송 수단을 제어할 수 있다.
다른 실시 예에 따른 단결정 성장 장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 마련되고, 원료 물질을 녹인 용융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니 상단에 배치되는 도가니 스크린(crucible screen); 상기 도가니 스크린 상에 배치되는 제1 상부 단열부; 상기 제1 상부 단열부와 이격하고, 상기 제1 상부 단열부 상에 배치되는 제2 상부 단열부; 상기 도가니 스크린 및 상기 제1 상부 단열부를 상승 또는 하강시키는 이송 수단; 및 상기 이송 수단을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 단결정의 성장 속도를 측정하고, 측정된 단결정의 성장 속도를 기준 성장 속도와 비교한 결과에 기초하여 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시키도록 상기 이송 수단을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 측정된 단결정의 성장 속도가 상기 기준 성장 속도보다 클 때, 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시킬 수 있다.
상기 제어부는 성장하는 단결정의 행정 거리를 측정하고, 측정된 행정 거리를 기설정된 거리 기준 값과 비교한 결과에 기초하여 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시키도록 상기 이송 수단을 제어할 수 있으며, 상기 행정 거리는 상기 성장되는 단결정을 상기 도가니 스크린에 접촉할 때까지 인상할 수 있는 거리일 수 있다.
상기 제어부는 상기 측정된 행정 거리가 상기 기설정된 거리 기준 값 이하일 때, 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시킬 수 있다.
상기 제어부는 성장하는 단결정의 무게를 측정하고, 측정된 단결정의 무게를 기설정된 무게 기준 값과 비교한 결과에 기초하여, 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시키도록 상기 이송 수단을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 측정된 단결정의 무게가 상기 기설정된 무게 이상일 때, 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시킬 수 있다.
상기 기준 성장 속도는 1 kg/hour일 수 있다. 상기 기설정된 거리 기준 값은 최대 행정 거리의 10분 1이고, 상기 최대 행정 거리는 상기 도가니 스크린에서 상기 용융액의 계면 사이의 거리일 수 있다. 상기 기설정 무게 기준 값은 상기 원료 물질의 전체 무게의 10%일 수 있다.
실시 예는 행정 거리 부족에 기인하는 리프트 오프 공정 불가능, 및 단결정의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 성장 장치를 나타낸다.
도 2a는 도 1에 도시된 지그의 일 실시 예를 나타낸다.
도 2b는 도 1에 도시된 지그의 다른 실시 예를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 성장된 단결정과 도가니 스크린 사이의 행정 거리를 나타낸다.
도 4a 및 도 4b는 지그 상승에 따른 제1 상부 단열부와 제2 상부 단열부 사이의 거리를 나타낸다.
도 5는 실시 예에 따른 단결정 성장 방법의 플로차트를 나타낸다.
도 6은 다른 실시 예에 따른 단결정 성장 방법의 플로차트를 나타낸다.
도 7은 다른 실시 예에 따른 단결정 성장 방법의 플로 차트를 나타낸다.
이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.
도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 따른 단결정 성장 장치를 설명한다.
도 1은 실시 예에 따른 단결정 성장 장치(100)를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 단결정 성장 장치(100)는 챔버(chamber, 101), 도가니(crucible, 110), 도가니 지지대(120), 발열체(heater, 130), 측부 단열부(135), 하부 단열부(140), 도가니 스크린(crucible screen, 152), 제1 상부 단열부(154), 제2 상부 단열부(156), 제1 이송 수단(170), 제2 이송 수단(180), 및 제어부(190)를 포함한다.
예컨대, 단결정 성장 장치(100)는 키로플러스(Kyropulous) 법에 의하여 사파이어 단결정을 성장시키기는 장치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
챔버(101)는 단결정(I) 또는 단결정 불(crystal boule)을 성장시킬 성장 환경을 제공하는 공간일 수 있다. 이하 단결정으로 표시하나, 단결정은 단결정 불과 혼용될 수 있다.
도가니(110)는 챔버(101) 내부에 마련되고, 원료 물질을 충전(charge)시킬 수 있고, 충전된 원료 물질을 녹인 용융액(M)을 수용할 수 있다. 도가니(110)의 재질은 텅스텐(W)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도가니 지지대(120)는 도가니(110) 하부에 위치하고, 도가니(110)를 지지할 수 있다. 도가니 지지대(120)는 열전도성 및 내열성이 우수하고, 열팽창율이 낮아 열에 의해 쉽게 변형되지 않고, 열 충격에 강한 재질, 예컨대, 몰리브덴(Mo)으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발열체(130)는 도가니(110) 외주면과 일정 간격 이격되도록 챔버(101) 내부에 마련될 수 있고, 도가니(110)를 가열할 수 있다. 발열체(130)는 텅스텐으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
발열체(130)는 도가니(110)의 측면 및 하면 주위를 감싸도록 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도가니(110)의 측면 주위에만 위치할 수도 있다.
발열체(130)는 도가니(110)를 가열할 수 있고, 발열체(130)의 가열에 의하여 도가니(110)의 온도가 올라가고, 이로 인하여 다결정 덩어리인 원료 물질은 용융액(M)이 될 수 있다.
측부 단열부(135)는 도가니(110)의 측부에 위치할 수 있고, 챔버(101) 내부의 열이 챔버(101) 측부로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다. 예컨대, 측부 단열부(135)는 발열체(130)와 챔버(101) 측벽 사이에 위치할 수 있고, 발열체(130)의 열이 챔버(101) 외부로 누출되는 것을 차단할 수 있다.
하부 단열부(140)는 도가니(110) 하부에 위치하고, 챔버(101) 내부의 열이 챔버(101) 하부로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다. 예컨대, 하부 단열부(140)는 발열체(130)와 챔버(101) 바닥 사이에 위치할 수 있고, 발열체(130)의 열이 챔버(101) 바닥으로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다.
도가니 스크린(152), 제1 상부 단열부(154), 및 제2 상부 단열부(156)는 도가니(110) 상부에 위치할 수 있고, 도가니(110) 상부로 열이 빠져나가는 것을 차단할 수 있다.
도가니 스크린(152), 제1 상부 단열부(154), 및 제2 상부 단열부(156) 각각은 중앙에 마련되는 개구부(201)를 가질 수 있다. 시드 연결부(160)에 연결된 종자 결정은 개구부(201)를 통과하여 도가니(110) 내의 용융액(M)과 접촉할 수 있다.
예컨대, 도가니 스크린(152), 제1 상부 단열부(154), 및 제2 상부 단열부(156) 각각은 중앙에 개구부(201)를 갖는 원형의 판 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도가니(110) 형상에 따라 그 형상이 결정될 수 있다. 그리고 개구부(201)는 일정한 직경을 갖는 원형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다각형 또는 타원형일 수 있다.
도가니 스크린(152)은 도가니(110)의 상단에 배치될 수 있고, 도가니(110) 내에 수용된 용융액(M)으로부터 발생하는 복사열을 도가니(110)로 반사할 수 있다.
도가니 스크린(152)은 단열 효과가 좋은 몰리브덴(Molybden), 또는 텅스텐(W)으로 이루어진 단일 층일 수 있다. 도가니 스크린(152)의 두께는 5mm ~ 10mm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 상부 단열부(154)는 도가니 스크린(152)의 상부에 배치될 수 있다. 예컨대, 제1 상부 단열부(154)의 하면은 도가니 스크린(152)의 상면에 접할 수 있다.
제2 상부 단열부(156)는 제1 상부 단열부(154)와 일정 거리(d1) 이격하도록 제1 상부 단열부(154) 상에 배치될 수 있다. 예컨대, d1은 50mm ~ 100mm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 및 제2 상부 단열부들(154, 156) 각각은 복수의 층들이 적층된 구조일 수 있고, 단열을 위하여 인접하는 층들 사이에는 에어 갭(air gap)이 존재할 수 있다.
예컨대, 제1 및 제2 상부 단열부들(154, 156) 각각은 최하단에 위치하는 제1층 및 제1층 상에 적층되는 복수의 제2층들을 포함할 수 있다.
이때 제1층은 텅스텐으로 이루어질 수 있고, 복수의 제2층들은 몰리브덴일 수 있다. 단열 효과를 향상시키기 위하여 제2 상부 단열부(156)에 포함되는 제2층의 수는 제1 상부 단열부(154)에 포함되는 제2층의 수보다 많을 수 있다.
제1 상부 단열부(154)는 도가니 스크린(152)에 의하여 지지될 수 있고, 제2 상부 단열부(156)는 발열체(130) 상단에 의하여 지지될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 이송 수단(170)은 시드 연결부(162), 및 제1 승강부(164)를 포함할 수 있다. 시드 연결부(162)는 도가니(110) 상부에 위치하고, 일단에는 종자 결정이 고정될 수 있고, 나머지 다른 일단은 제1 승강부(164)와 연결될 수 있다. 시드 연결부(160)는 샤프트(shaft) 타입일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 승강부(164)는 시드 연결부(162)와 연결될 수 있고, 시드 연결부(160)를 챔버(101) 내부에서 상승 또는 하강시킬 수 있다.
제2 이송 수단(180)은 도가니 스크린(152) 및 제1 상부 단열부(154)를 상승 또는 하강시킬 수 있다.
예컨대, 제2 이송 수단(180)은 제1 상부 단열부(154)와 제2 상부 단열부(156) 간의 이격된 공간 내에서 도가니 스크린(152), 및 제1 상부 단열부(154)를 함께 상승 또는 하강시킬 수 있다.
제2 이송 수단(180)은 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 함께 묶는 적어도 하나의 지그(jig, 182), 및 적어도 하나의 지그(182)를 상승 또는 하강시키는 제2 승강부(184)를 포함할 수 있다.
도 2a는 도 1에 도시된 지그(182)의 일 실시 예(182-1, 182-2)를 나타낸다.
도 2a를 참조하면, 적어도 하나의 지그(182)는 서로 이격하는 제1 지그(182-1) 및 제2 지그(182-2)를 포함할 수 있다. 도 2a에는 2개의 지그들을 도시하였지만, 지그의 수는 이에 한정되는 것은 아니다.
적어도 하나의 지그(예컨대, 182-1, 182-2)는 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 함께 감싸는 결합부(예컨대, 210-1,210-2), 및 제2 상부 단열부(156)를 통과하여 일단이 결합부(예컨대, 210-1,210-2)와 연결되고, 나머지 다른 일단은 제2 승강부(184)와 연결되는 지지부(예컨대, 220-1, 220-2)를 포함할 수 있다.
예컨대, 제1 지그(182-1)는 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)의 일부를 감싸는 제1 결합부(210-1), 및 제2 상부 단열부(156)를 통과하여 일단이 제1 결합부(210-1)와 연결되고, 나머지 다른 일단은 제2 승강부(164)와 연결되는 제1 지지부(220-1)를 포함할 수 있다.
또한 제2 지그(182-2)는 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)의 다른 일부를 감싸는 제2 결합부(210-2), 및 제2 상부 단열부(156)를 통과하여 일단이 제2 결합부(210-2)와 연결되고, 나머지 다른 일단은 제2 승강부(164)와 연결되는 제2 지지부(220-2)를 포함할 수 있다.
예컨대, 제1 및 제2 결합부들(210-1,210-2) 각각은 도가니 스크린(152)의 상부면, 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)의 외부 측면, 및 도가니 스크린(152)의 하부면의 적어도 일부를 감쌀 수 있다.
다른 실시 예에서는 복수의 지그들의 결합부들이 서로 연결될 수 있다. 또한 지지부가 제2 상부 단열부(156)를 관통하지 않을 수 있으며, 지지부의 수도 도 2a 도시된 바에 한정되는 것은 아니다.
도 2b는 도 1에 도시된 지그(182)의 다른 실시 예(182-1', 182-2')를 나타낸다.
도 2b를 참조하면, 적어도 하나의 지그(예컨대, 182-1', 182-2')는 제1 상부 단열부(154) 및 제2 상부 단열부(156)를 통과하여 일단은 도가니 스크린(152)에 연결될 수 있고, 나머지 다른 일단은 제2 승강부(184)와 연결될 수 있다.
예컨대, 제1 지그(예컨대, 182-1')의 일단은 제1 상부 단열부(154) 및 제2 상부 단열부(156)를 통과하여 도가니 스크린(152)의 상부면의 일 영역과 연결될 수 있고, 나머지 다른 일단은 제2 승강부(164)와 연결될 수 있다.
또한, 제2 지그(예컨대, 182-2')의 일단은 제1 상부 단열부(154) 및 제2 상부 단열부(156)를 통과하여 도가니 스크린(152)의 상부면의 다른 영역과 연결될 수 있고, 나머지 다른 일단은 제2 승강부(164)와 연결될 수 있다.
제어부(190)는 제1 이송 수단(170), 및 제2 이송 수단(180)의 동작을 제어한다.
제어부(190)는 제1 승강부(164)가 시드 연결부(160)를 상승 또는 하강시키는 것을 조절할 수 있다.
제어부(190)는 제2 승강부(184)가 지그(182)를 상승 또는 하강시키는 것을 조절함으로써, 단결정 성장 중에 도가니 스크린(154)과 성장되는 단결정 상단과의 거리를 조절할 수 있다.
도가니 스크린(154)과 성장되는 단결정 상단과의 거리가 조절됨에 따라, 행정 거리(cycling distance)를 조절할 수 있다. 즉 행정 거리는 성장된 단결정을 도가니 스크린에 접촉할 때까지 인상할 수 있는 거리일 수 있다.
예컨대, 종자 결정을 용융액에 침지시킨 시점에서의 행정 거리는 도가니 스크린에서 용융액의 계면 사이의 거리일 수 있으며, 이 시점의 행정 거리는 단결정의 최대 행정 거리 일 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 성장된 단결정(I)과 도가니 스크린(154) 사이의 행정 거리(CD)를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 성장된 단결정(I)은 넥(neck), 숄더(shoulder), 바디(body) 부분으로 구분될 수 있다.
넥은 종자 결정으로부터 가늘고 길게 성장된 부분일 수 있고, 숄더는 단결정 잉곳의 직경을 목표 직경까지 점차 증가시켜 성장된 부분일 수 있고, 바디는 일정한 목표 직경을 갖도록 성장된 부분일 수 있다.
종자 결정을 용융액에 침지시킨 시점부터 단결정(I)이 넥까지 성장된 시점까지의 행정 거리(TC)는 도가니 스크린(152)에서 용융액(M)의 계면까지의 거리일 수 있다. 이하 TC를 "최대 행정 거리"라 한다.
단결정이 숄더 또는 바디까지 성장된 경우에 행정 거리(CD)는 단결정의 넥(312)과 숄더(314) 사이의 경계면(310)과 도가니 스크린(152)의 하부면(154-1) 사이의 거리일 수 있다.
단결정(I)이 성장됨에 따라, 제1 인상부(164)에 의하여 단결정(I)은 점차 인상될 수 있다. 예컨대, 단결정(I) 성장 공정 중에 제1 인상부(164)에 의하여 단결정(I)은 일정한 속도로 인상될 수 있다.
성장이 거의 완료된 단결정을 도가니로부터 분리하는 리프트 공정을 수행하기 위해서는 최소한의 행정 거리가 필요하다.
그런데, 초반에 단결정의 성장 속도가 늦거나, 또는 사이드 스티킹(side sticking)이 발생하여 사이드 스티킹 부분을 녹이는 공정을 진행할 경우에는 런 타임(run time)이 증가하기 때문에 리프트 오프 공정을 수행할 행정 거리(CD)가 부족할 수 있다. 이와 같이 행정 거리(CD)가 부족하여 리프트 오프 공정을 진행할 수 없으면, 90% 이상 단결정의 하부에 크랙이 발생할 수 있고, 단결정과 도가니가 접착되어서 단결정 제거가 불가능할 수 있다.
실시 예는 단결정 성장 중에 제2 승강부(184)에 의하여 지그(182)를 상승시킴으로써, 행정 거리를 확보할 수 있고, 안정적인 리프트 오프 거리를 확보함으로써 크랙 발생을 방지할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 지그(180) 상승에 따른 제1 상부 단열부(154)와 제2 상부 단열부(156) 사이의 거리를 나타낸다.
제어부(190)는 제1 상부 단열부(154)와 제2 상부 단열부(156) 사이의 거리는 조절하도록 제2 이송 수단(180)의 제2 승강부(184)를 조절할 수 있다. 예컨대, 제2 승강부(184)에 의하여 적어도 하나의 지그(180)가 상승 또는 하강함으로써, 제1 상부 단열부(154)와 제2 상부 단열부(156) 사이의 거리는 조절될 수 있다.
예컨대, 도 1을 참조하면, 지그(180)의 상승이 없을 경우 제1 상부 단열부(154)와 제2 상부 단열부(156) 사이의 거리(d1)는 최대일 수 있다.
지그(180)의 상승이 없을 경우에는 도가니(110)의 상단부에 지그(180) 또는 도가니 스크린(152)이 접촉된 상태일 수 있다.
도 4a에 도시된 바와 같이, 제2 승강부(184)에 의하여 적어도 하나의 지그(180)가 상승함에 따라 제1 상부 단열부(154)와 제2 상부 단열부(156) 사이의 거리(d2)는 도 1에 도시된 거리(d1)보다 작아질 수 있다(d2<d1).
또한 도 4b에 도시된 바와 같이, 적어도 하나의 지그(180)가 상승함에 따라 지그(180)가 제2 상부 단열부(156)와 접촉할 수 있고, 제1 상부 단열부(154)와 제2 상부 단열부(156) 사이의 거리는 0일 수 있다.
예컨대, 적어도 하나의 지그(180)가 상승하여 지그(180)의 결합부(210-1,210-2)가 제2 상부 단열부(156)의 하부면에 접촉할 수 있다.
제어부(190)는 성장하는 단결정의 성장 속도를 측정하고, 측정된 단결정의 성장 속도를 기준 성장 속도와 비교한 결과에 기초하여 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 상승시키도록 제2 이송 수단(180)을 제어할 수 있다. 제어부(190)는 성장하는 단결정의 성장 속도를 측정하는 성장 속도 센서(192)를 구비할 수 있다.
기준 성장 속도는 사이드 스티킹 또는 스크린 접촉이 발생 유무를 판단하기 위한 척도가 될 수 있다. 예컨대, 기준 성장 속도는 1[kg/hour]일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예컨대, 제어부(190)는 측정된 단결정의 성장 속도가 기준 성장 속도(예컨대, 1[kg/hour])를 초과한 경우에 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 상승시키도록 제2 이송 수단(180)을 제어할 수 있다.
또는 제어부(190)는 성장하는 단결정의 행정 거리를 측정하고, 측정된 단결정의 행정 거리를 기설정된 거리 기준 값과 비교하고, 비교한 결과에 기초하여 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 상승시키도록 제2 이송 수단(180)을 제어할 수 있다. 제어부(190)는 행정 거리를 측정할 수 있는 거리 측정 센서(194)를 구비할 수 있다.
예컨대, 제어부(190)는 측정된 단결정의 행정 거리가 기설정된 거리 기준 값보다 이하인 경우에 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 상승시키도록 제2 이송 수단(180)을 제어할 수 있다.
예컨대, 기설정된 거리 기준 값은 최대 행정 거리(TC, 도 3 참조)의 10분 1일 수 있다.
또는 제어부(190)는 성장되는 단결정의 무게를 측정하고, 측정된 단결정의 무게를 기설정된 무게 기준 값과 비교하고, 비교한 결과에 기초하여 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 상승시키도록 제2 이송 수단(180)을 제어할 수 있다. 제어부(190)는 성장하는 단결정의 무게를 측정하는 무게 측정 센서(196)를 구비할 수 있다.
이때 기설정된 무게 기준 값은 숄더(shoulder) 형성이 완료된 시점의 단결정의 무게일 수 있다. 예컨대, 기설정된 무게 기준 값은 충전된 원료 물질의 전체 무게의 10%일 수 있다.
실시 예는 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 인상함으로써 행정 거리를 조절할 수 있기 때문에, 행정 거리 부족에 기인하는 리프트 오프 공정 불가능, 및 단결정의 크랙 발생을 방지할 수 있다.
도 5는 실시 예에 따른 단결정 성장 방법의 플로차트를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 먼저 도 1에 도시된 단결정 성장 장치를 이용하여 단결정 성장을 시작한다(S410).
예컨대, 다결정의 원료 물질을 도가니(110)에 충전한 후에, 히터(130)에 의하여 도가니(110)를 가열하여 원료 물질을 녹여 용융액(M)을 만든다.
제1 인상부(164)에 의하여 시드 연결부(162)에 연결된 종자 결정을 하강시키고, 종자 결정을 용융액(M)에 접촉시킨다.
종자 결정으로부터 넥을 형성하는 넥킹 공정, 숄더를 형성하는 숄더링 공정, 및 바디를 형성하는 바디 공정을 통하여 단결정을 성장시킨다.
다음으로 성장되는 단결정(I)의 성장 속도를 측정하고, 측정된 단결정(I)의 성장 속도를 기준 성장 속도(x)와 비교한다(S420). 기준 성장 속도는 사이드 스티킹(side sticking) 또는 스크린 접촉이 발생하는 척도일 수 있다.
여기서 사이드 스티킹은 성장되는 단결정이 도가니(110)의 내측면과 접촉하여 붙는 것을 말하며, 스크린 접촉은 성장하는 단결정이 도가니 스크린의 하부면에 접촉하여 붙는 것을 말한다.
예컨대, 기준 성장 속도(x)는 1[kg/hour]일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
단결정의 성장 속도가 기준 성장 속도(x)보다 작거나 같을 경우에는 성장된 단결정의 무게를 측정하고, 측정된 단결정의 무게가 기설정된 기준 무게에 도달했는지를 판단한다(430). 예컨대, 기설정된 기준 무게는 충전된 원료 물질의 무게일 수 있다.
성장된 단결정의 무게가 기설정된 무게에 도달한 경우에는 성장된 단결정을 도가니(110)로부터 분리하는 리프트 오프(lift off) 공정을 수행한다(S470)
성장된 단결정의 무게가 기설정된 기준 무게에 도달하지 못한 경우에는 단결정을 계속 성장시킨다(S410).
반면에, 단결정의 성장 속도가 기준 성장 속도(x)보다 큰 경우에는 스크린 접촉 또는 사이드 스티킹의 발생 여부를 판단하고(S440).
사이드 스티킹이 발생한 경우에는 사이드 스티킹을 제거하고, 스크린 접촉이 발생한 경우에는 제2 이송 수단(180)에 의하여 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 상승시킴으로써 행정 거리를 확보한다(S460).
예컨대, 단결정의 성장 속도가 기준 성장 속도(x)보다 큰 경우에는 사이드 스티킹이 발생했는지 여부를 판단하고(S442), 사이드 스티킹이 발생한 경우에는 사이드 스티팅된 부분을 녹임으로써 사이드 스티킹된 부분을 제거한다(450). 반면에 사이드 스티킹이 발생하지 않은 경우에는 스크린 접촉 발생 여부를 판단한다(S444).
스크린 접촉이 발생한 경우에는 제2 이송 수단(180)에 의하여 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 인상시킴으로써 행정 거리를 확보하고(S460), 행정 거리를 확보한 후에는 S430 단계를 수행한다. 예컨대, 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 리프트 오프 공정을 수행하기에 필요한 최소 행정 거리 이상 인상시키실 수 있다. 예컨대, 리프트 오프 공정을 수행하기 위하여 필요한 행정 거리는 적어도 10mm 이상일 수 있다.
반면에 스크린 접촉이 발생하지 않은 경우에는 단결정 성장을 계속한다(S410).
도 6은 다른 실시 예에 따른 단결정 성장 방법의 플로차트를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 도 1에 도시된 단결정 성장 장치를 이용하여 단결정을 성장시킨다(S510).
다음으로 성장하는 단결정의 행정 거리를 측정하고, 측정된 행정 거리와 기설정된 거리 기준 값(y)을 비교한다(S520).
이때 단결정의 행정 거리는 단결정과 도가니 스크린 사이의 거리, 예컨대, 단결정의 넥과 숄더 사이의 경계면과 도가니 스크린 사이의 거리일 수 있다.
예컨대, 기설정된 거리 기준 값은 최대 행정 거리(TC, 도 3 참조)의 10분 1일 수 있다.
측정된 행정 거리가 기설정된 기준 값(y)보다 클 경우에는 성장된 단결정의 무게가 기설정된 기준 무게에 도달했는지를 판단한다(530). 예컨대, 기설정된 기준 무게는 충전된 원료 물질의 전체 무게일 수 있다.
성장된 단결정의 무게가 기설정된 무게에 도달한 경우에는 성장된 단결정을 도가니(110)로부터 분리하는 리프트 오프(lift off) 공정을 수행한다(S540).
반면에 성장된 단결정의 무게가 기설정된 기준 무게에 도달하지 못한 경우에는 단결정을 계속 성장시킨다(S510).
측정된 행정 거리가 기설정된 거리 기준 값(y)보다 작거나 동일한 경우에는 제2 이송 수단(180)에 의하여 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 인상시킴으로써 행정 거리를 확보하고(S550), 행정 거리를 확보한 후에는 S530 단계를 수행한다.
행정 거리가 기설정된 거리 기준 값(y)보다 크게 되도록 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 인상시킬 수 있다.
예컨대, 전체 행정 거리(TC)가 50mm일 경우, 기설정된 거리 기준 값(y)은 5mm일 수 있고, 측정된 행정 거리가 5mm 이하일 경우, 행정 거리가 적어도 10mm 이상이 되도록 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 인상시킬 수 있다.
도 7은 다른 실시 예에 따른 단결정 성장 방법의 플로 차트를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 도 1에 도시된 단결정 성장 장치를 이용하여 단결정을 성장시킨다(S610).
다음으로 성장되는 단결정의 무게를 측정하고, 측정된 단결정의 무게를 기설정된 무게 기준 값(k)과 비교한다(S620).
이때 기설정된 무게 기준 값(k)은 숄더(shoulder) 형성이 완료된 시점의 단결정의 무게일 수 있다. 예컨대, 기설정된 무게 기준 값(k)은 충전된 원료 물질의 전체 무게의 10%일 수 있다.
측정된 단결정의 무게가 기설정된 무게 기준 값(k)보다 작을 경우에는 단결정 성장을 계속한다(S610).
반면에 측정된 단결정의 무게가 기설정된 무게 기준 값(k) 이상일 경우에는 제2 이송 수단(180)에 의하여 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)를 인상시킴으로써 행정 거리를 확보한다(S630).
다음으로 행정 거리를 확보한 후에는 성장된 단결정의 무게가 원료 물질의 기설정된 기준 무게에 도달했는지 판단한다(S640). 예컨대, 기설정된 기준 무게는 충전된 원료 물질의 전체 무게일 수 있다.
성장된 단결정의 무게가 기설정된 무게에 도달한 경우에는 성장된 단결정을 도가니(110)로부터 분리하는 리프트 오프(lift off) 공정을 수행한다(S650).
반면에 성장된 단결정의 무게가 기설정된 기준 무게에 도달하지 못한 경우에는 단결정을 계속 성장시킨다(S610).
도 7에 도시된 실시 예에서는 행정 거리 확보를 위한 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)의 인상을 단결정의 숄더 형성 완료 후에 수행한다.
도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)의 인상할 경우에 도가니 스크린(152)이 도가니로부터 이격되기 때문에 도가니 스크린(152)과 도가니(110) 사이에는 틈이 생기고, 생긴 틈을 통하여 열이 빠져나가기 때문에 도가니(110) 내의 용융액(M)의 열적 균형이 깨질 수 있다. 또한 생긴 틈을 통하여 산소가 용융액(M) 내로 유입될 수 있기 때문에, 성장되는 단결정의 품질이 떨어질 수 있다.
그러나 단결정의 숄더 형성 후에는, 도가니 스크린(152)과 제1 상부 단열부(154)의 인상하더라도 이미 형성된 숄더에 의하여 도가니(110) 밖으로 열이 빠져나가거나, 도가니(110) 내로 산소가 유입되는 것을 차단할 수 있다.
따라서 도 7에 도시된 실시 예는 단결정의 숄더 형성 완료 후에 행정 거리 확보를 확보함으로써, 열적 균형이 깨지거나 산소가 유입되는 것을 억제할 수 있어, 단결정의 품질이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
101: 챔버 110: 도가니
120: 도가니 지지대 130: 발열체
135: 측부 단열부 140: 하부 단열부
152: 도가니 스크린 154: 제1 상부 단열부
156: 제2 상부 단열부 162: 시드 연결부
164: 제1 승강부 170: 제1 이송 수단
180: 제2 이송 수단 182: 지그
184: 제2 승강부 190: 제어부.

Claims (20)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니 상단에 배치되는 도가니 스크린(crucible screen);
    상기 도가니 스크린 상에 배치되는 제1 상부 단열부;
    상기 제1 상부 단열부와 이격하고, 상기 제1 상부 단열부 상에 배치되는 제2 상부 단열부;
    상기 도가니 스크린과 상기 상부 단열부를 함께 상승 또는 하강시키는 이송 수단을 포함하며,
    상기 이송 수단은,
    상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 묶는 적어도 하나의 지그(jig); 및
    상기 적어도 하나의 지그를 상승 또는 하강시키는 승강부를 포함하는 단결정 성장 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 도가니의 측면 주위를 감싸도록 배치되는 발열체를 더 포함하는 단결정 성장 장치.
  3. 제2항에 있어서
    상기 발열체와 상기 챔버의 측벽 사이에 위치하는 측부 단열부를 더 포함하는 단결정 성장 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 발열체와 상기 챔버의 바닥 사이에 위치하는 하부 단열부를 더 포함하는 단결정 성장 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지그는,
    상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 감싸는 결합부; 및
    상기 제2 상부 단열부를 통과하여 일단은 상기 결합부와 연결되고, 나머지 다른 일단은 상기 승강부와 연결되는 지지부를 포함하는 단결정 성장 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 지그는 복수 개이고, 복수의 지그들은 서로 이격하여 위치하는 단결정 성장 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 지그는,
    상기 제1 상부 단열부 및 상기 제2 상부 단열부를 통과하여 일단은 상기 도가니 스크린에 연결되고, 나머지 다른 일단은 상기 승강부에 연결되는 단결정 성장 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 상부 단열부와 상기 제2 상부 단열부 사이의 거리는 조절하도록 상기 이송 수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 단결정 성장 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어부는,
    성장하는 단결정의 성장 속도를 측정하는 무게 측정 센서;
    상기 성장하는 단결정의 무게를 측정하는 성장 속도 센서; 및
    상기 성장하는 단결정과 상기 도가니 스크린 간의 거리를 측정하는 거리 측정 센서를 포함하는 단결정 성장 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 무게 측정 센서에 의해 측정된 단결정의 성장 속도, 상기 성장 속도 센서에 의하여 측정된 단결정의 무게, 또는 상기 거리 측정 센서에 의하여 측정된 상기 상기 성장하는 단결정과 상기 도가니 스크린 간의 거리에 기초하여 상기 이송 수단을 제어하는 단결정 성장 장치.
  11. 챔버;
    상기 챔버 내부에 마련되고, 원료 물질을 녹인 용융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니 상단에 배치되는 도가니 스크린(crucible screen);
    상기 도가니 스크린 상에 배치되는 제1 상부 단열부;
    상기 제1 상부 단열부와 이격하고, 상기 제1 상부 단열부 상에 배치되는 제2 상부 단열부;
    상기 도가니 스크린 및 상기 제1 상부 단열부를 상승 또는 하강시키는 이송 수단; 및
    단결정의 성장 속도, 성장하는 단결정의 행정 거리, 또는 성장하는 단결정의 무게에 기초하여, 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시키도록 상기 이송 수단을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 행정 거리는 상기 성장되는 단결정을 상기 도가니 스크린에 접촉할 때까지 인상할 수 있는 거리인 단결정 성장 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 단결정의 성장 속도를 측정하고, 측정된 단결정의 성장 속도를 기준 성장 속도와 비교한 결과에 기초하여 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시키도록 상기 이송 수단을 제어하는 단결정 성장 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 측정된 단결정의 성장 속도가 상기 기준 성장 속도보다 클 때, 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시키는 단결정 성장 장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 제어부는,
    성장하는 단결정의 행정 거리를 측정하고, 측정된 행정 거리를 기설정된 거리 기준 값과 비교한 결과에 기초하여 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시키도록 상기 이송 수단을 제어하는 단결정 성장 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 측정된 행정 거리가 상기 기설정된 거리 기준 값 이하일 때, 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시키는 단결정 성장 장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 제어부는,
    성장하는 단결정의 무게를 측정하고, 측정된 단결정의 무게를 기설정된 무게 기준 값과 비교한 결과에 기초하여, 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시키도록 상기 이송 수단을 제어하는 단결정 성장 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 측정된 단결정의 무게가 상기 기설정된 무게 이상일 때, 상기 도가니 스크린과 상기 제1 상부 단열부를 함께 상승시키는 단결정 성장 장치.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 기준 성장 속도는 1 kg/hour인 단결정 성장 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 기설정된 거리 기준 값은 최대 행정 거리의 10분 1이고, 상기 최대 행정 거리는 상기 도가니 스크린에서 상기 용융액의 계면 사이의 거리인 단결정 성장 장치.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 기설정 무게 기준 값은 상기 원료 물질의 전체 무게의 10%인 단결정 성장 장치.
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