KR101198163B1 - 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치 - Google Patents

타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카이로플러스(kyropoulos)법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타원형 도가니와 비등방성 가열을 통해 회수율을 증가시킨 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치에 관한 것이다.

Description

타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치{ A Kyropoulos sapphire single crystal growing device by using elliptic crucible}
본 발명은 카이로플러스(kyropoulos)법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 타원형 도가니와 비등방성 가열을 통해 회수율을 증가시킨 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치에 관한 것이다.
사파이어 단결정 기판은 질화 갈륨(GaN)의 대리 기판으로서, 청색 및 녹색 발광 다이오드(LED), 청색 레이져 다이오드(LD), DVD 등의 데이터 저장장치, 백색 발광장치, 광 탐지기(PD) 등의 각종 광소자 등의 기초 소자로서 사용된다. 또한 α-알루미나 단결정인 사파이어 단결정은 인체에 해가 없어 인공 관절용, 인공 치아용 등의 생체 재료로서도 사용되고 있다.
그러나, 사파이어는 롬보헤드랄(rhombohedral) 구조를 갖는 α-알루미나의 단결정이기 때문에, 열적, 광학적으로 이방성을 갖는다. 따라서, 사파이어 다결정으로부터는 잉곳(Ingot)을 만들 수 없으며, 만들어 진다고 하여도 우수한 성질을 얻을 수 없으므로, 사파이어 단결정을 경제적으로 제조하는 방법이 절실히 요구되는 실정이다.
현재까지 이와 같은 사파이어 단결정을 얻을 수 있는 제조방법으로는 쵸크랄스키(Czochralski)법, EFG(Edge-defined Film-fed Growth)법, 열교환법, 카이로플러스(kyropoulos)법 등이 알려져 있다.
쵸크랄스키법은 회전 인상법이라도 불리며, 씨앗(seed) 결정을 알루미나 용액의 표면에 접촉시킨 후, 회전 인상시키면서 단결정을 제조하는 방법이다. 이 제조방법은 비교적 우수한 결함밀도(Etch Pit Density ; EPD)를 갖고 있으나, 단결정의 형상이 원통형에 한정되고, 풀러(puller)에 의해서 야기되는 진동이나 도가니 내의 요동 등에 의하여 결정 결함의 발생 가능성이 있으며, 높은 온도 구배로 인해 직경이 5cm 이상이 되면 균열이 발생되기 쉽다는 문제점을 갖고 있다.
EFG법은 상기 쵸크랄스키법의 단점을 해결하고자 원하는 형상으로 이루어진 몰리브덴 다이(Molybdenum Die)를 알루미나 용액에 침적시켜 표면장력에 의해 다이 표면까지 상승된 용융 알루미나에 씨앗 결정을 접촉시킨 뒤 끌어올림으로써 원하는 형상의 단결정을 제조하는 방법이다. 이 또한 결함 밀도를 낮추는 것은 불가능하다.
열교환법은, 온도가 균일한 성장로의 아래 부분에 열 교환기를 설치하고, 이 열교환기를 통과하는 헬륨가스의 유량과 발열체(히터)의 온도를 정밀하게 제어하여 단결정을 제조하는 방법이다. 이 제조방법은 도가니가 결정 자체를 움직일 필요가 없기 때문에 보다 좋은 품질의 단결정을 얻을 수 있으나, 열교환 매체로서 고가의 헬륨가스를 사용하기 때문에 생산원가가 높은 치명적인 단점이 있다.
카이로플러스법은, 쵸크랄스키법과 유사하나 단결정을 회전시키지 않고, 약간의 인상만 하여 단결정을 성장시키는 방법이다. 이 제조방법은 성장된 결정의 결함이 적고, 대형결정의 성장이 가능하며, 설비가격이 쵸크랄스키법에 비해 낮다는 장점을 가지고 있다. 최근에는 생산되는 사파이어 단결정의 60% 정도가 카이로플러스법으로 성장되는 것으로 알려져 있다.
그러나 카이로플러스법은 그 회수율이 낮다는 문제점이 있다. 즉 GaN 박막 증착용 사파이어 단결정 기판은 일반적으로 c-plane을 요구하지만 카이로플러스법에 의한 사파이어 결정은 그 특성상 a-plane의 성장 속도가 c-plane의 그것보다 2배 이상 빠르다. 따라서 a-plane으로 성장한 잉곳을 c-plane으로 가공해야하는 번거로움이 있고 이 공정을 Core-drilling이라고 한다.
또한, 카이로플러스법은 원통형의 도가니를 사용하므로 성장된 결정 또한 원통형의 모양을 가진다. 따라서 실린더 회수율이 사각형의 블록타입 결정보다 불리하다. 더욱이, 카이로플러스법은 그 직경을 키울 때 결정 확장영역이 형성되고 이 영역은 양품 실린더용으로 사용되지 않는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 카이로플러스법의 낮은 회수율을 개선하기 위한 원통형의 잉곳을 타원형의 잉곳으로 성장시킬 수 있는 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치를 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치는, 단열재가 충진되어 있는 챔버; 상기 단열재의 내부에 고정 설치된 발열체; 상기 발열체의 내부에 위치하여 사파이어 단결정의 원료를 수용하며 그 수평 단면이 타원인 도가니; 상기 도가니가 수용물의 하중에 의하여 밑으로 쳐지는 것을 방지하는 지지대; 및 상기 지지대의 상단에 위치하여 상기 도가니가 올려지는 스탠드(stand);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 수평 단면이 타원인 도가니는, 상기 타원의 단축 대 장축의 비율이 20% 이하인 것을 특징으로 한다. 더욱 바람직하게는 20%로 한다.
또한, 씨앗(Seed) 결정은 상기 타원의 장축방향으로 C축의 수평방향이 놓이며, 상기 타원의 단축방향으로 C축의 수직방향이 놓이는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발열체는, 상기 단축방향의 도가니 외측에 위치한 저온의 발열체와, 상기 장축방향의 도가니 외측에 위치한 고온의 발열체로 나뉘는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 단결정의 형상이 원통형에 한정되어 있는 카이로플러스법의 단점을 극복하여 낮은 회수율을 개선시키는 장점이 있다.
본 발명은 LED 기판재의 경쟁력을 확보할 수 있으며, 대구경화(50Kg급 이상)에서 기술 선점의 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조장치 중 일부분(A-A')의 단면도를 나타내는 도면이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조장치의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조장치(100)는, 단열재(120)가 충진되어 있는 챔버(110), 상기 단열재의 내부에 고정 설치된 발열체(130), 상기 발열체의 내부에 위치하여 사파이어 단결정의 원료를 수용하며 그 수평 단면이 타원인 도가니(140), 상기 도가니가 수용물의 하중에 의하여 밑으로 쳐지는 것을 방지하는 지지대(150) 및 상기 지지대의 상단에 위치하여 상기 도가니가 올려지는 스탠드(stand, 160)를 포함한다.
본 발명에 따른 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조장치(100)의 일실시 예는, 카이로플러스법의 단점인 낮은 회수율을 개선하기 위한 것으로써 사파이어 단결정의 고유 특성을 활용한다.
일반적으로, 사파이어 단결정은 C-축의 수평방향(C면 방향)에 대한 결정성장 속도가 C-축의 수직방향(C면 수직방향)에 대한 결정성장 속도보다 약 20% 느리다. 이에 본 발명에 따른 사파이어 단결정 제조장치(100)의 일실시 예는 C-축의 수평방향은 더욱 느리게 성장시키고, C-축의 수직방향은 더욱 빠르게 성장시킴으로써 원형이 아닌 타원형의 잉곳을 제조한다. 이와 같은 타원형의 잉곳은 실린더 가공을 하였을 때 회수율 향상을 가져온다.
이를 위해, 본 발명의 일실시 예는 사파이어 단결정 제조장치의 도가니(140)를 타원형 모양으로 한다. 즉 그 수평 단면을 타원형으로 제작하여 타원형의 잉곳을 제조할 수 있게 한다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조장치 중 일부분(A-A')의 단면도를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 사파이어 단결정 제조장치의 도가니는 그 수평 단면이 타원 모양이다. 일반적으로 타원이란 함은 평면 위의 두 초점으로부터의 거리의 합이 일정한 점들의 자취이다. 그리고 타원 상에서 두 개의 초점으로부터의 거리가 같은 두 점을 잇는 선분을 단축(b)이라고 하며, 두 개의 초점으로부터의 거리의 차가 최대인 두 점을 잇는 선분을 타원의 장축(a)이라고 한다.
당연하지만 본 발명의 타원 모양이란 상술한 기학학적인 정확한 타원뿐만 아니라, 일반적으로 정원이 아닌 즉 단축과 장축을 구분할 수 있는 모양도 포함된다.
이 때, 씨앗(Seed) 결정은 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 그 C-축의 수평방향을 상기 타원의 단축(b)을 향하게 하며, C-축의 수직방향을 상기 타원의 장축(a)을 향하게 맞춘다. 이를 통해, C-축의 수평방향의 성장은 타원의 단축에 의해 제한되며, C-축의 수직방향의 성장은 타원의 장축에 의해 더욱 성장될 수 있다. 바람직하게는, 씨앗 결정을 타원의 축에 맞출 때, 오차 각도가 각 축 방향으로 1도를 넘지 않도록 한다.
또한, 도가니의 모양을 타원형으로 하되, 상기 타원의 단축(b) 대 장축(a)의 비율(b/a)을 20%이하로 한다. 바람직하게는 20%로 한다. 이는 상술한 바와 같이, 씨앗(Seed) 결정의 C-축 수평방향을 상기 타원의 단축(b)을 향하게 하며, C-축 수직방향을 상기 타원의 장축(a)을 향하게 맞추고 성장시킬 때, 일반적으로 C-축의 수평방향 결정성장 속도가 C-축의 수직방향 결정성장 속도보도 약 20% 느리기 때문이다. 따라서 이보다 큰 비율의 도가니 모양은 그 효과를 감소시킨다.
또한, 본 발명의 사파이어 단결정 제조장치의 일실시 예는 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 도가니 외측에 위치한 발열체를 비대칭형으로 제조한다. 즉 C-축 수평방향의 성장을 늦추기 위해서, 사파이어 단결정의 C축 수평방향 즉 타원의 단축 방향(b)에 위치한 발열체는 고온의 발열체(131)로 제조하고, C-축 수직방향의 성장을 유도하기 위해서, 사파이어 단결정의 C축 수직방향 즉 타원의 장축 방향(a)에 위치한 발열체는 저온의 발열체(132)로 제조한다.
이를 위해, 타원형 도가니의 단축 방향(b)에 위치한 고온의 발열체(131)는 멀티 히터를 사용하거나 그 가열 봉 간격을 촘촘히 또는 두껍게 설계할 수 있다. 또한 두 개의 전극을 사용하여 고온을 유도할 수 있다. 이와는 반대로, 타원형 도가니의 장축 방향(a)에 위치한 저온의 발열체(132)는 단일 히터를 사용하거나 그 가열봉의 간격을 넓게 또는 얇게 설계할 수 있다. 상술한 고온의 발열체 및 저온의 발열체는 설계는 하나의 일예에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
또한, 고온의 발열체는 C축 수평방향 즉 타원의 단축 방향에서 최대 온도를 가지며, C축 수직방향 즉 타원의 장축 방향으로 갈수록 점진적 낮아지도록 설계할 수 있다. 또한, 마찬가지로 저온의 발열체는 C축 수직방향 즉 타원의 장축 방향에서 최소 온도를 가지며, C축 수평방향 즉 타원의 단축 방향으로 갈수록 점진적으로 올라가도록 설계할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (6)

  1. 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조장치에 있어서,
    단열재가 충진되어 있는 챔버;
    상기 단열재의 내부에 고정 설치된 발열체;
    상기 발열체의 내부에 위치하여 사파이어 단결정의 원료를 수용하며 그 수평 단면이 타원인 도가니;
    상기 도가니가 수용물의 하중에 의하여 밑으로 쳐지는 것을 방지하는 지지대; 및
    상기 지지대의 상단에 위치하여 상기 도가니가 올려지는 스탠드(stand);를 포함하는 것을 특징으로 하는 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수평 단면이 타원인 도가니는, 상기 타원의 단축 대 장축의 비율이 20% 이하인 것을 특징으로 하는 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    씨앗(Seed) 결정은 상기 타원의 장축방향으로 C축의 수평방향이 놓이며, 상기 타원의 단축방향으로 C축의 수직방향이 놓이는 것을 특징으로 하는 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 발열체는
    상기 단축방향의 도가니 외측에 위치한 저온의 발열체와, 상기 장축방향의 도가니 외측에 위치한 고온의 발열체로 나뉘는 것을 특징으로 하는 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 저온의 발열체는 단일 히터를 사용하고, 상기 고온의 발열체는 멀티 히터를 사용하는 것을 특징으로 하는 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 고온의 발열체는 상기 저온의 발열체보다 가열봉의 간격을 촘촘히 하는 것을 특징으로 하는 타원형 도가니를 이용한 카이로플러스법에 의한 사파이어 단결정 제조 장치.
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