KR101404519B1

KR101404519B1 - 사파이어 단결정 성장장치의 도가니 승강기구

Info

Publication number: KR101404519B1
Application number: KR1020120140828A
Authority: KR
Inventors: 엄일수
Original assignee: 주식회사 에스이엠
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-06-10

Abstract

본 발명은 사파이어 단결정 성장정치의 도가니 승강기구에 관한 것으로, 상세하게는 승강수단으로 도가니(爐)를 승강시켜 멜트 유동이 적절히 조정되게 함으로써 멜트 내부의 버블(bubble)이 제거되어 양품의 불(boule)이 생산되도록 하고, 또한 도가니와 전열히터 하부와의 이격거리를 조절하여 멜트의 대류 중심이 도가니의 중앙에 위치하도록 제어함으로써 스티킹 현상(Sticking Effect)과 불(boule)의 성장 불량이 방지되도록 한 것이다.

Description

사파이어 단결정 성장장치의 도가니 승강기구{CRUCIBLE LIFTING DEVICE OF GROWING SAPPHIRE SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 사파이어 단결정 성장장치의 도가니 승강기구에 관한 것으로, 상세하게는 도가니(爐)를 승강시킬 수 있도록 구성하여 도가니와 전열히터 하부 간의 이격거리를 적절히 조정함으로써 멜팅 후 온도 및 유동을 안정화시키고, 또한 도가니 이동으로 멜트 흐름(유동)을 조정하여 멜트 내부에 존재하거나 잔류하는 버블(bubble)을 제거시켜 양품의 단결정 사파이어를 얻을 수 있도록 하고, 또한 멜트(Melt)의 대류 중심이 도가니의 중앙에 위치하도록 제어함으로써 스티킹 현상(Sticking Effect)과 불(boule)의 성장 불량이 방지되도록 한 것이다.

전기 전자 기술의 발달과 더불어 디스플레이 분야에서 광학적 물리적 특성이 우수한 사파이어(Sapphire) 단결정의 수요가 급증하고 있다. 사파이어(Sapphire) 단결정은 경도가 높고 열적 및 기계적 안정성과 열전도 등이 우수하여 청색 및 녹색 발광 다이오드, 청색 레이저 다이오드와 같이 열을 발생하는 부품의 기판이나 에피택셜 성장 기판으로 많이 이용되고 있다.

상기 사파이어 단결정을 성장하는 방법으로는, 고순도 알루미나(Al₂O₃) 원료를 장입한 도가니(로)를 2,100℃ 이상으로 가열시켜 용융한 후, 베르누이법, 쵸크랄스키(CZ)법, EFG(Edge-defined Film-feed Growth)법, 열교환(HEM)법, 수직수평온도구배법(VHGF), 키로풀러스법(Kyropoulos Method) 등의 다양한 방법으로 단결정 사파이어 불(Boule)을 성장시킨 다음 코어링(Coring), 그라인딩(Grinding), 슬라이싱(Slicing), 래핑(Lapping), 열처리, 폴리싱(Polishing) 등 일련의 연삭 및 연마공정을 거쳐 제조하게 된다.

도 1은 일 예로 도시한 종래 사파이어 단결정 성장장치(1)의 단면도로, 냉각수(2)가 순환되는 메인챔버(Base Chamber)(3) 내부에 설치되는 도가니(4)와, 상기 도가니(4)를 고온으로 가열하는 전열히터(5)와, 전열히터(5)로부터 발생된 열이 메인챔버(3) 외부로 방출되는 것을 최소화시키는 내/외부 히트 쉴드(heat shield)(6)(7) 및 보텀스크린(Bottom Screen)(8)과, 상기 도가니(4) 하부를 지지하는 페데스탈 및 받침대(9), 제어기와, 도가니(4)의 온도를 정밀제어하는 온도제어수단과 전원공급부 등으로 구성되며, 온도측정수단과 온도제어수단에 의해 온도 제어되는 고온의 도가니(4)를 이용하여 고순도의 멜트(Melt)를 용융시킨 다음 종자 시드(seed)를 이용하여 사파이어 불(boule)을 성장시킴으로써 단결정 사파이어가 얻어진다.

상기 도가니(4)는 사파이어보다 융점이 높고 열적으로 안정한 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 이트륨(Y), 탄탈륨(Ta) 및 이들이 조합된 내화금속 및 그 합금으로 제조되고 있다.

종래에는 상기 도가니(4) 받침대(9)를 메인챔버(3)의 바닥에 그냥 내려놓은 구조(메인챔버 상부면에 얹힌 구조)이므로 멜트(10)의 멜팅(melting) 후반부나 온도 안정화 구간에서 멜트(melt)의 레벨(L)이나 유동을 적절히 제어할 수 없어서 시딩(seeding)의 불안정으로 인한 불(boule)의 생산성 및 품질이 크게 저하되거나 불량품이 양산되는 문제점이 있다.

또한 멜트 내부의 버블(bubble)을 제거하기 어려워, 성장된 불(boule) 내부에 버블(bubble)이 존재하거나 존재할 가능성이 매우 높아지고 이에 따라 불(boule)의 품질에 여러 가지 악영향을 끼치고 있는 실정이며, 또한 멜트(10)의 수직 및 수평 대류 유동이 모이는 지점이 도가니(4)의 중앙에 오지 않을 경우 이를 제어할 수 없게 되므로 스티킹 현상(Sticking Effect)이 발생되는 문제점이 있었다.

또한 도가니(4)가 고정되어 있어서 전열히터(5) 간의 이격 거리를 적절히 조정할 수 없으므로 멜팅 안정화에 도움이 안될 뿐 아니라, 멜트(10)의 수직 및 수평 대류운동에 의해 모이는 지점이 도가니(4) 중앙에 위치할 수 있도록 도가니(4)를 조정할 수 없는 상태이므로 알루미나 원재료를 완전히 용융시킬 수 없으며, 또한 소비전력이 증가되고 핫존(Hot Zone)의 수명이 단축되는 문제점이 있다.

또한 멜트 레벨(Melt Level)이 적정 높이로 유지되지 못하면, 멜트(10)의 온도변화가 초래되면서 불(boule)의 성장에 큰 영향을 미친다. 이를테면 멜트(10)의 정상 온도가 2,100℃일 때, 멜트(10) 온도가 -5℃ 하강한 콜드(Cold) 상태(2,095℃)인 경우 불(boule)의 성장은 빨라지나 고화되고 퍼지는 현상이 발생되며, 반대로 멜트(10) 온도가 +5℃ 상승한 핫(Hot) 상태(2,105℃)인 경우 불(boule)의 성장속도가 느려지고 성장 불량현상의 원인이 되므로, 멜트 레벨(L)을 이동하여 정밀 조정할 필요가 있다.

물론, 온도측정수단을 이용하여 멜트(10) 온도가 적정 온도 범위로 유지되도록 감지(측정)하여 정밀 제어하고 있다지만 멜트 레벨(L)을 신속하게 유지함으로써 사파이어 단결정 성장장치의 실시간 제어가 보다 안정적이면서 능동적으로 달성되어 불(boule)의 생산성 및 품질 저하를 방지하도록 함이 바람직하다 할 것이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2011-0088164호(2011. 8. 3. 공개) "멜트갭 제어 시스템, 이를 포함하는 단결정 성장장치와 단결정 성장방법" 대한민국 등록특허공보 제10-1028933호(2011. 4. 12. 공고) "단결정 멜트 레벨 조절 장치, 이를 구비하는 단결정 성장 장치 및 단결정 멜트 레벨 조절 방법"

본 발명은 도가니를 승강시킬 수 있도록 구성하여 도가니와 전열히터 하부 간의 이격거리를 적절히 조정함으로써 멜팅 후 온도 및 유동을 안정화시키고, 또한 도가니 이동으로 멜트 흐름(유동)을 조정하여 멜트 내부에 존재하거나 잔류하는 버블을 제거시켜 양품의 단결정 사파이어를 얻을 수 있도록 함을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 멜트의 수직 및 수평 대류운동에 의해 모이는 지점이 도가니 중앙에 위치할 수 있도록 전열히터의 상, 하부와 도가니의 이격거리를 제어할 수 있도록 함으로써 도가니의 중앙 부근에 대류 중심이 위치하도록 조정할 수 있도록 함을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 멜팅시 도가니와 전열히터(Heater)와의 이격거리를 적절히 조정함으로써 알루미나 원재료를 완전히 용융시켜 전력을 절감하고, 낮은 전력에서 용융시킬 수 있어서 핫존(Hot Zone)의 수명이 연장되도록 함을 특징으로 한다.

본 발명 사파이어 단결정 성장장치의 도가니 승강기구는, 사파이어 단결정 성장장치의 도가니와, 상기 도가니의 하부를 지지하면서 승강시키는 승강수단과, 상기 승강수단을 제어하는 제어기를 포함하여 구성된다.

상기 승강수단은, 도가니의 저부를 지지하는 페데스탈 및 지지봉과, 상기 지지봉 외면에 설치되어 지지봉의 승강을 안내하는 단열 안내관과, 상기 지지봉 하부에 설치되고 지지봉을 상승 및 하강시키는 엘리베이터와, 상기 엘리베이터 일측에 설치되어 엘리베이터를 정회전 및 역회전시켜 지지봉을 상승 및 하강시키는 서보모터와, 상기 서보모터의 위치신호를 검출하여 제어기로 입력하는 엔코더를 포함하여 구성된다.

상기 승강수단은, 도가니의 하부를 지지하는 페데스탈 및 지지봉과, 상기 지지봉의 상승 및 하강을 안내하는 LM 가이드와, 상기 지지봉 하부에 형성되는 리드 스크류와, 상기 리드 스크류에 치합되는 웜기어와, 상기 웜기어가 끼워져 고정되는 서보모터의 축봉과, 상기 서보모터의 위치를 검출하여 제어기로 입력함으로써 서보모터의 정밀제어를 달성하는 엔코더를 포함하여 구성된다.

본 발명은 도가니의 승강구조에 의해 도가니와 전열히터 하부 간의 이격 거리를 조정할 수 있어서 멜트의 수직 및 수평 대류 유동이 모이는 지점(대류 중심)이 도가니의 중앙에 위치하도록 제어할 수 있으므로 스티킹 현상(Sticking Effect)이 방지되는 효과가 있다.

본 발명은 멜트의 흐름(유동)을 조정할 수 있어서 멜트 내부에 존재하거나 잔류하는 버블(bubble)이 제거되므로 불(boule)의 품질과 생산성이 크게 향상되는 효과가 있다.

본 발명은 도가니의 위치를 쉽게 변경(제어)할 수 있어서 공정 중에 발생되는 대형 안전사고를 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 도가니 승강구조에 의해 멜팅(melting) 후반부나 온도 안정화 구간에서 멜트(melt)의 레벨이나 유동을 적절히 제어할 수 있어서 불(boule)의 생산성 및 품질이 크게 향상되고, 도가니와 전열히터 하부 간의 이격 거리를 간편하게 제어할 수 있어서 알루미나 용융전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 수직 유동 제어로 도가니 중앙에 대류 중심이 올 수 있도록 제어함으로써 버블이 감소되거나 제거되어 고품질의 불(boule)을 얻을 수 있는 등의 효과가 있는 매우 유용한 발명이다.

도 1 : 종래 발명을 일 예로 도시한 단면도.
도 2 : 본 발명 일 예로 도시한 단면도.
도 3 : 본 발명 일 예로 도시한 단면도로, 도가니가 상승한 상태.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면에 따라 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일 부호로 기재하고, 관련된 공지구성이나 기능에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지가 모호해지지 않도록 생략한다.

도 2는 본 발명 일 예로 도시한 사파이어 단결정 성장장치(20)의 단면도로, 냉각수(2)가 순환되는 메인챔버(Base Chamber)(3) 내부에 설치되는 도가니(4)와, 상기 도가니(4)를 고온으로 가열하는 전열히터(5)와, 전열히터(5)로부터 발생된 열이 메인챔버(3) 외부로 방출되는 것을 최소화시키는 내/외부 히트 쉴드(heat shield)(6)(7) 및 보텀스크린(Bottom Screen)(8)과, 상기 도가니(4) 하부를 지지하면서 승강시키는 승강수단(11)과, 승강수단(11)을 제어하는 방법으로 도가니(4)를 상승 및 하강시키는 제어기 및 전원공급부 등으로 구성되며, 종자 시드(seed)를 이용하여 사파이어 불(boule)을 성장시키는 방법으로 단결정 사파이어를 얻게 된다.

상기 멜트(10)는 도시안된 온도측정수단과 전열히터(5) 제어수단에 의해 멜트(10)의 온도가 불(boule) 성장에 적당한 온도로 유지되며, 승강수단(11)은 베이스챔버(22) 하부에 설치되어 도가니(4)를 승강시킬 수 있게 구성된다.

상기 승강수단(11)은, 도가니(4)의 저부를 지지하는 페데스탈(9) 및 지지봉(14)과, 지지봉(14)의 외면에 설치되어 승강을 안내하고 메인챔버(3)와 베이스챔버(22)에 고정되는 단열 안내관(19)과, 지지봉(14) 하부에 설치되고 도가니(4)와 지지봉(14)을 상승 및 하강시키는 엘리베이터(15)와, 엘리베이터(15) 일측에 설치되어 엘리베이터(15)를 정회전 및 역회전시켜 지지봉(14)을 상승 및 하강시키는 서보모터(16)와, 상기 서보모터(16)의 동작상태 또는 이동거리나 회전각 등의 위치(Position)신호를 검출하여 제어기(도시안됨)로 입력하는 엔코더(21)로 구성된다.

도면부호 17은 지지봉(14)이 승강 운동할 수 있게 결합되는 안내관(19)의 중공이고, 도면부호 18은 안내관(19)의 외경부가 결합 고정되는 통공으로 메인챔버(3)와 베이스챔버(22)에 각각 형성된다.

상기 엘리베이터(15)는 서보모터(16)를 이용하여 물체를 상승 및 하강시키는 장치로 타 산업분야에 사용되고 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.

상기 엘리베이터(15) 대신 도가니(4) 지지봉(14)의 상승 및 하강을 안내하는 LM 가이드, 지지봉(14) 하부에 형성되거나 연결되는 리드 스크류, 상기 리드 스크류에 치합되는 웜기어, 상기 웜기어가 끼워져 고정되는 서보모터(16)의 축봉, 상기 서보모터를 구동시키는 모터 드라이브, 상기 서보모터(16)의 위치를 검출하여 제어기로 입력함으로써 서보모터(16)의 정밀제어를 달성하는 엔코더(Postion Encoder)(21), 벨로우(Bellows) 및 열차단을 위한 쿨링 플랜지(Cooling Flange)로 구성할 수도 있다.

상기 엔코더(Postion Encoder)는 서보모터(16)에 내장 또는 외장 설치되어 도가니(4) 및 지지봉(14)의 상승 또는 하강거리가 검출 및 피드백되어 승강속도와 승강거리가 정밀 제어되며, 이에 따라 도가니(4)의 멜트(10) 레벨(L) 높이가 적정 높이로 유지된다.

또한 불(boule)이 성장함에 따라 도가니(4)와 전열히터(5) 하부간의 이격 거리를 적절히 조정함으로써 멜트 레벨(L)이 상승하게 되고, 멜팅(melting) 후반부나 온도 안정화 구간에서 멜트(melt) 공정이 안정화되며, 또한 멜트(10) 흐름(유동)이 빨라지면서 멜트(10) 내부에 존재하거나 잔류하는 버블이 제거되며, 스티킹 현상(Sticking Effect)이 방지되어 고품질의 단결정 불(boule)이 성장된다.

본 발명은 제어기(도시안됨)로 엘리베이터(15) 상승신호를 출력시키면 엘리베이터(15)가 정회전 하면서 도 3과 같이 지지봉(14) 및 도가니(4)가 상승하게 되므로 멜트(10) 레벨(L)이 상승하게 되어 적정 레벨로 유지되며, 이러한 과정의 반복으로 멜트(10) 레벨(L)이 일정하게 유지되며, 불(boule)의 성장이 완료되거나 도가니(4) 및/또는 기타 부위의 청소나 수리 등을 위하여 도가니(4)를 하강시키고자 하는 경우 제어기로 엘리베이터(15) 하강신호를 출력시키면 엘리베이터(15)가 역회전하면서 지지봉(14) 및 도가니(4)가 하강하게 되며, 하강 된 도가니(4) 내부에 멜트 재료를 투입 융해시켜 새로운 불(boule)을 성장시키거나 도가니 및/또는 기타 부위의 청소나 수리 등을 수행할 수 있게 된다.

또한 본 발명은 멜트(10) 레벨(L)을 적정 높이로 유지할 수 있을 뿐 아니라, 도가니와 전열히터(5) 하부 간의 이격 거리를 적절히 조정함으로써 멜팅(melting) 후반부나 온도 안정화 구간에서 멜트(melt) 공정을 안정화시키고, 또한 멜트(10) 흐름(유동)을 조정하여 멜트(10) 내부에 존재하거나 잔류하는 버블을 제거함으로써 스티킹 현상(Sticking Effect) 등을 방지할 수 있어서 양품(고품질)의 단결정 사파이어를 얻을 수 있게 된다.

또한 본 발명은 도가니(4)와 전열히터(5) 하부 간의 이격 거리를 간편하게 제어할 수 있어서 알루미나 용융 전력을 감소시킬 수 있으며, 수직 유동 제어로 도가니(4) 중앙에 멜트(10)의 대류 중심이 위치하도록 도가니(4)를 제어할 수 있어서 버블이 감소 및 제거되므로 고품질의 불(boule)을 얻을 수 있게 된다.

본 발명에서 지지봉(14)을 안내하는 안내관(19)은 단열성이므로 도가니(4)로부터 전도되는 고열이 차단되어 엘리베이터(15)와 서보모터(16)의 열스트레스가 방지되고 수명 단축도 방지된다.

이상과 같이 설명한 본 발명은 본 실시 예 및 첨부된 도면에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하며, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이다.

(1)(20)--사파이어 단결정 성장장치 (2)--냉각수
(3)--메인챔버 (4)--도가니
(5)--전열히터 (6)(7)--히터 쉴드
(8)--보텀스크린 (9)--페데스탈
(10)--멜트 (11)--승강수단
(14)--지지봉 (15)--엘리베이터
(16)--서보모터 (21)--엔코더
(22)--베이스챔버 (L)--멜트 레벨

Claims

사파이어 단결정 성장장치의 도가니;
상기 도가니의 하부를 지지하면서 승강시키는 승강수단;
상기 승강수단을 제어하는 제어기; 를 포함하되,
상기 승강수단은,
도가니의 저부를 지지하는 페데스탈 및 지지봉;
상기 지지봉의 상승 및 하강을 안내하는 LM 가이드;
상기 지지봉 하부에 형성되는 리드 스크류;
상기 리드 스크류에 치합되는 웜기어;
상기 웜기어가 끼워져 고정되는 서보모터의 축봉;
상기 서보모터의 위치를 검출하여 제어기로 입력함으로써 서보모터의 정밀제어를 달성하는 엔코더;
를 포함하는 사파이어 단결정 성장장치의 도가니 승강기구.
사파이어 단결정 성장장치의 도가니;
상기 도가니의 하부를 지지하면서 승강시키는 승강수단;
상기 승강수단을 제어하는 제어기; 를 포함하되,
상기 승강수단은,
도가니의 저부를 지지하는 페데스탈 및 지지봉;
상기 지지봉 외면에 설치되어 지지봉의 승강을 안내하는 단열 안내관;
상기 지지봉 하부에 설치되고 지지봉을 상승 및 하강시키는 엘리베이터;
상기 엘리베이터 일측에 설치되어 엘리베이터를 정회전 및 역회전시켜 지지봉을 상승 및 하강시키는 서보모터;
상기 서보모터의 위치신호를 검출하여 제어기로 입력하는 엔코더;
를 포함하는 사파이어 단결정 성장장치의 도가니 승강기구.
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