KR101405320B1 - 결정 성장 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
사파이어 결정 성장과 같은, 결정 성장을 위한 개선된 제어된 열 추출 시스템에 연관된 방법 및 시스템이 기술되고, 이는 기계적 프로브-기반 및 고온계-기반 검사 및 자동화 프로세스를 위한 방법 및 시스템, 컴포넌트들의 용해를 방지하기 위한 방법 및 시스템, 검사창을 청소하는 방법 및 시스템, 및 대안의 도가니 형상에 연관된 방법 및 시스템을 포함한다.
Description
본 발명은 결정 성장의 분야에 관한 것으로, 특히 예를 들면, 사파이어의 커다란, 고 순도 결정 성장을 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
고휘도, 저 유독성, 저 에너지 소모, 내구성, 작은 형태의 팩터, 탁월한 컬러 성능, 및 연속한 가격 하락은 모바일 디바이스용 소형 디스플레이, 디지털 카메라용 플래시, 컴퓨터 모니터에 사용하는 디스플레이용 백라이트 유닛, 액정 디스플레이(LCD), 텔레비전, 공중 전시 사인, 자동차 조명, 교통 신호, 및 국내 및 상용 전제의 범용 및 전용 조명과 같은 광범위한 애플리케이션에서 발광 다이오드(LED)에 대한 급격하게 성장하는 수요를 가져왔다.
일반적으로, LED는 호환 기판("웨이퍼"라고도 하는) 상에 다수 유형의 갈륨 질화물(GaN) 결정 액티브 층을 성장시킴으로써 제조된다. 추가로, 따라서 제조된 LED는 호환 기판의 결정 격자와 GaN 결정 액티브 층 사이에 미스매칭을 가질 수 있다. 단결정 층이 기판 상에서 성장될 수 있도록, 미스매칭은 바람직하게는 작다. 기판은 또한 바람직하게는 높은 투과성, 1100℃ 이상까지의 온도에서의 안정성, 성장된 GaN 결정 액티브 층과 유사한 열팽창 및 열 전도성을 가진다. 바람직한 기판("웨이퍼"라고도 하는)의 물리적 속성은 GaN 및 알루니늄 질화물(AlN), GaN, 인듐 갈륨 질화물(InGaN) 및 인듐 갈륨 알루미늄(InGaAl)과 같은 다른 층들의 것에 유사하다.
탄화규소(SiC), 실리콘(Si), 산화 아연(ZnO), 및 GaN과 같은 가용한 다수의 다른 잠재적인 기판 재료가 있을지라도, 사파이어(Al2O3)가 LED 및 기타 GaN 디바이스 애플리케이션에 대한 바람직한 기판 재료이다. 일반적으로 2 인치 이상의 직경과 같은 다양한 직경, 및 150 마이크로미터(㎛) 이상의 다양한 두께의 사파이어 웨이퍼가 일반적으로 LED 제조에 사용된다. 사파이어에서, (0001) 평면 방향은 다른 결정 방향에 비교할 때 GaN과 상대적으로 작은 미스매칭을 가진다.
현재, 사파이어 결정은 하기의 기술 중 하나를 이용하여 상용으로 성장된다:
1) Cz 법(Czochralski method);
2) Ky 법(Kyropolous method);
3) EFG(Edge-defined Film Growth);
4) BR 법(Bridgman method) 및 BR의 변형;
5) HEM(Heat Exchanger Method); 및
6) GF(Gradient Freeze) 및 GF의 변형.
그러나, 상기 방법들은 다음과 같은 하나 이상의 단점을 가진다: 1) 결정내의 거품의 존재, 2) 결함 또는 격자 변형, 3) 도가니 설계 문제, 4) 실제 결정 성장 속도 측정시 어려움, 5) 제한된 크기의 결정 성장, 및 6) a-축 성장 프로세스에 의한 과도한 비용. 이러한 단점들은 일반적으로 수율을 낮게하고 웨이퍼 비용을 높게 만든다. 사파이어 결정 성장 방법을 포함하는 개선된 결정 성장 방법에 대한 요구가 존재한다.
결정 성장 시스템 및 그의 방법이 개시된다. 본 발명의 하나의 측면에 따라, 도가니 내에서의 용융된 장입 재료(charge material)로부터 결정을 성장시키는 시스템은 챔버를 형성하는 하우징을 포함한다. 상기 시스템은 상기 도가니의 바닥을 지지하고 상기 도가니의 지지된 부분을 냉각시키기 위한 냉각제 유체를 수용하도록 적용된 시드 냉각 컴포넌트를 더 포함한다. 상기 시스템은 또한 상기 도가니를 가열하기 위해 상기 시드 냉각 컴포넌트와 상기 도가니를 실질적으로 둘러싸는 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 포함하고, 상기 도가니와 함께 상기 시드 냉각 컴포넌트는 적어도 하나의 가열 엘리먼트에 대해 이동가능하다. 추가로, 상기 시스템은 상기 도가니, 상기 시드 냉각 컴포넌트 및 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 실질적으로 둘러싸는 절연 엘리먼트를 포함할 수 있다.
추가로, 상기 시스템은 위치 범위에 대해 상기 절연 엘리먼트, 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트, 상기 시드 냉각 컴포넌트 및 상기 도가니에 대해 이동가능한 그래디언트 제어 디바이스(GCD)를 포함할 수 있다. 상기 도가니, 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트, 상기 절연 엘리먼트 및 상기 GCD와 함께 상기 시드 냉각 컴포넌트는 상기 하우징에 인클로징될 수 있다.
상기 시스템은 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트의 온도를 정확하게 제어하기 위해 온도 제어 및 파워 제어 시스템을 포함할 수 있다. 추가로, 상기 시스템은 상기 도가니와 함께 상기 시드 냉각 컴포넌트의 이동과 상기 GCD의 위치를 독립적으로 제어하기 위한 모션 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 결정 성장동안 상기 하우징 내에서의 진공을 생성하고 유지하기 위한 진공 펌프를 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 시드 결정을 상기 도가니의 바닥에 배치하는 단계, 상기 시드 결정이 장입 재료에 의해 실질적으로 완전히 덮히도록 상기 도가니에 상기 장입 재료를 배치하는 단계를 포함한다. 본 발명의 또다른 측면에 따라, 결정 성장 방법은 상기 장입 재료의 용융 온도보다 조금 위로 도가니 내의 시드 결정과 함께 장입 재료를 가열하는 단계, 균질화를 위해 미리정해진 시간동안 상기 장입 재료의 용해물을 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 장입 재료의 나머지가 용융 상태로 있는 동안 상기 시드 결정을 온전한 상태로 유지시키기 위해 상기 도가니의 바닥을 실질적으로 동시에 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다. 추가로, 상기 방법은 상기 용해물의 온도를 실질적으로 낮추는 단계 및/또는 실질적으로 큰 결정을 산출하기 위해 상기 연속하여 성장하는 결정의 성장 속도를 유지시키기 위해 상기 도가니를 낮게하는 단계에 의해 연속적으로 상기 결정을 성장시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법은 또한 상기 결정 성장의 완료시 상기 도가니로부터 더 큰 결정을 추출하는 단계, 실질적으로 원통형 주괴(ingot)를 산출하기 위해 상기 추출된 더 큰 결정을 코어링하는 단계(coring), 및 웨이퍼를 산출하기 위해 상기 코어링된 원통형 주괴를 슬라이싱하는 단계를 포함한다.
본 발명의 또다른 측면에 따라, 하우징, 도가니의 바닥을 지지하고 상기 도가니의 지지된 부분을 냉각시키기 위한 냉각제 유체를 수용하도록 적용된 시드 냉각 컴포넌트, 적어도 하나의 가열 엘리먼트, 절연 엘리먼트, 및 GCD를 가진 제어된 열추출 시스템(CHES)에서의 결정 성장을 위한 방법이 제공된다. 상기 방법 및 시스템은 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 이용하여 상기 장입 재료의 용융 온도보다 조금 더 높게 도가니 내의 시드 결정과 함께 장입 재료를 가열시키는 단계를 포함할 수 있다. 추가로, 상기 방법은 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 이용하여 균질화를 위해 미리정해진 시간동안 상기 장입 재료의 용해물을 유지시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 시드 냉각 컴포넌트를 통해 상기 냉각제 유체를 흘려보냄으로써 상기 시드 결정을 온전하게 유지하도록 상기 도가니의 바닥을 실질적으로 동시에 냉각시키는 단계를 포함할 수 있다.
추가로, 상기 방법은 실질적으로 큰 결정을 산출하도록 상기 결정을 연속하여 성장시키는 단계를 포함할 수 있다. 연속적으로 결정을 성장시키기 위해, 상기 도가니의 바닥에서의 상기 냉각 속도는 상기 시드 냉각 컴포넌트를 통해 상기 냉각제 유체를 흘려보냄으로써 점진적으로 증가될 수 있다. 상기 도가니는 또한 더 큰 결정을 산출시키기위해 연속하여 결정을 성장시키는 성장 속도를 유지시키도록 상기 시드 냉각 컴포넌트(120)를 이용하여 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트에 대해 실질적으로 낮아질 수 있다.
본 발명의 추가적인 또다른 측면에 따라, 도가니 내의 용융된 장입 재료로부터 결정을 성장시키는 시스템은 챔버를 형성하기 위한 하우징을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 도가니의 바닥을 지지하고 상기 도가니의 지지된 부분을 냉각시키는 냉각제 유체를 수용하도록 적용된 시드 냉각 컴포넌트를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 시드 냉각 컴포넌트와 도가니를 실질적으로 둘러싸는 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 더 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트는 상기 도가니를 가열하도록 조정될 수 있다. 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트는 또한 상기 결정 성장동안 상기 챔버 내의 온도를 실질적으로 서서히 낮추도록 조정될 수 있다. 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트는 대략적으로 약 0.02 내지 50C/hr의 범위의 속도로 상기 챔버를 냉각시키도록 설계될 수 있다.
추가로, 상기 시스템은 상기 도가니, 상기 시드 냉각 컴포넌트 및 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 실질적으로 둘러싸는 절연 엘리먼트를 포함할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 위치 범위에 대해 상기 절연 엘리먼트, 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트, 상기 시드 냉각 컴포넌트 및 상기 도가니에 대해 이동가능한 GCD를 포함할 수 있고, 여기서 상기 도가니, 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트, 상기 절연 엘리먼트 및 상기 GCD와 함께 상기 시드 냉각 컴포넌트는 상기 하우징에 인클로징될 수 있다.
본 발명의 추가적인 또다른 측면에 따라, 도가니 내의 용융된 장입 재료로부터 결정을 성장시키는 시스템은 챔버를 형성하기 위한 하우징을 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 도가니의 바닥을 지지하고 상기 도가니의 지지된 부분을 냉각시키는 냉각제 유체를 수용하도록 조정된 시드 냉각 컴포넌트를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 시드 냉각 컴포넌트와 도가니를 실질적으로 둘러싸는 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트는 상기 도가니를 가열하도록 조정될 수 있다. 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트는 또한 상기 결정 성장동안 상기 챔버 내의 온도를 실질적으로 서서히 낮추도록 조정될 수 있다. 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트는 대략적으로 약 0.02 내지 50C/hr의 범위의 속도로 상기 가열 구역(heat zone)을 냉각시키도록 설계될 수 있다. 상기 도가니와 함께 상기 시드 냉각 컴포넌트는 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트에 대해 이동가능할 수 있다.
추가로, 상기 시스템은 상기 도가니, 상기 시드 냉각 컴포넌트 및 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트를 실질적으로 둘러싸는 절연 엘리먼트를 포함할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 위치 범위에 대해 상기 절연 엘리먼트, 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트, 상기 시드 냉각 컴포넌트 및 상기 도가니에 대해 이동가능한 GCD를 포함할 수 있고, 여기서 상기 도가니, 상기 적어도 하나의 가열 엘리먼트, 상기 절연 엘리먼트 및 상기 GCD와 함께 상기 시드 냉각 컴포넌트는 상기 하우징에 인클로징될 수 있다.
특정한 선택적인 바람직한 실시예에서, 사파이어 결정을 성장시키는 방법 및 시스템이 제공되고, 이러한 방법 및 시스템은 원재료를 가열하는 동안 상기 원재료를 관찰하기 위해 고온계를 이용하는 단계; 표면 원재료의 방사율에서의 변화에 기초하여 상기 원재료에서의 상 변화를 관찰하는 단계; 및 상기 상 변화를 유도하기 위해 요구되는 양의 가열을 판정하기 위해 상기 관찰된 상 변화를 이용하는 단계;를 포함한다. 이러한 방법 및 시스템은 선택적으로 상기 원재료에 관한 추가적인 정보를 얻기 위해 제 2 고온계를 이용하는 단계 및/또는 복수의 관찰을 반복하는 단계 및 시드 결정을 용융하는데에 요구되는 가열 시간 및 양을 예측하는 가열 알고리즘을 개발하기 위해 상기 관찰들을 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 특정한 선택적인 실시예에서, 상기 원재료의 온도 곡선의 제 1 도함수(derivative)가 상기 상 변화의 포인트를 판정하기 위해 사용된다. 이러한 방법 및 시스템은 선택적으로 사파이어 결정 성장 원재료의 관찰을 용이하게하기 위해 사파이어 결정 성장 노의 창에 근접하여 상기 고온계를 배치하는 단계; 상기 창이 상기 고온계를 이동시키지 않고서 청소될 수 있도록 상기 고온계를 배치하는 단계; 또는 상기 고온계의 교정을 용이하게하기 위해 상기 노내에 교정 목표물을 배치하는 단계;를 포함할 수 있다. 실시예에서, 상기 사파이어 결정 성장 노는 c-축 사파이어 결정 성장 프로세스에서 사용된다. 특정한 선택적 실시예에서, 상기 프로세스는 제어된 열 추출 프로세스이다. 이러한 방법 및 시스템은 상기 고온계로부터의 판독에 기초하여 제어된 열 추출 사파이어 결정 성장 프로세스에서의 파워 및 온도 중 적어도 하나를 제어하는 단계를 선택적으로 포함할 수 있다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 결정 성장 프로세스는 c-축 결정 성장 프로세스이다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 프로세스는 제어된 열 추출 프로세스이다. 특정한 선택적 바람직한 실시예에서, 사파이어 결정 성장 방법 및 시스템이 제공되고, 이러한 방법 및 시스템은 선택적으로 사파이어 결정 성장 노에서 사파이어 결정 성장의 관찰을 용이하게하기 위한 창을 제공하는 단계; 및 사파이어 결정 성장 동안 상기 사파이어 창 상의 침전물을 감소시키기 위한 공기배기(purging) 설비를 제공하는 단계를 포함한다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 공기배기 설비는 창을 향한 탈기체된(out-gassed) 입자들의 흐름을 감소시키기 위해 상기 참의 내부 측면에 인접하여 가스를 흐르게 한다. 특정한 실시예에서, 상기 가스는 아르곤 가스와 같은 불활성 가스이다. 실시예에서, 아르곤 가스의 흐름은 상기 창에 인접한 압력 커튼을 생성한다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 방법 및 시스템은 상기 창의 변색을 검출하기 위한 설비를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 특정한 선택적인 실시예에서, 상기 변색 검출 설비는 상기 노에서의 목표물의 명확한 색상 변화, 상기 창 상의 침전물의 양, 및 상기 창의 청결 상태 중 적어도 하나를 검출하기 위한 센서를 포함한다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 사파이어 결정 성장 노가 c-축 사파이어 결정 성장 프로세스에서 사용된다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 프로세스는 제어된 열 추출 프로세스이다.
특정한 선택적인 바람직한 실시예에서, 사파이어 결정 성장용 방법 및 시스템이 제공되고, 이러한 방법 및 시스템은 사파이어 결정 성장 노에서의 시드 결정의 성장 상태를 검출할 때 사용하기 위한 프로브를 제공하는 단계; 및 시드 결정의 크기를 판정하기 위해 사파이어 결정 성장 노에 상기 프로브를 배치하는 단계;를 선택적으로 포함한다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 프로브는 적어도 일부가 텅스텐으로 만들어진다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 프로브는 상기 노내에서 상기 프로브의 움직임을 돕기위한 복수의 자석을 가지고 배치된다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 시드 결정과 접촉시, 상기 프로브는 적어도 하나의 이동 자석의 움직임에 대해 이동하는 것을 중지한다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 방법 및 시스템은 상기 프로브의 위치에 기초하여 상기 시드 결정의 높이를 측정하기 위한 측정 설비를 포함할 수 있다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 사파이어 결정 성장 노는 c-축 사파이어 결정 성장 프로세스에서 사용된다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 프로세스는 제어된 열 추출 프로세스이다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 방법 및 시스템은 상기 기계적 프로브로부터의 판독에 기초하여 사파이어 결정 성장 프로세스를 자동화하는 단계를 포함할 수 있다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 사파이어 결정 성장 노는 c-축 사파이어 결정 성장 프로세스에서 사용된다.
특정한 선택적인 바람직한 실시예에서, 사파이어 결정 성장용 방법 및 시스템이 제공되고, 이러한 방법 및 시스템은 사파이어 결정 성장을 위한 원재료를 포함하기 위한 도가니를 제공하는 단계; 상기 도가니의 적어도 하나의 구역을 냉각시키기 위한 냉각 샤프트를 제공하는 단계; 및 상기 냉각 샤프트로부터 상기 도가니를 분리시키기 위한 중간 설비를 제공하는 단계;를 선택적으로 포함한다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 도가니 및 냉각 샤프트 중 적어도 하나는 적어도 일부가 텅스텐 재료로 만들어진다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 중간 설비는 텅스텐이 아닌 재료로 만들어진다. 특정한 바람직한 실시예에서, 중간 설비는 몰리브덴과 같은 내열성 합금으로 만들어진다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 사파이어 결정 성장 도가니는 c-축 사파이어 결정 성장에 사용된다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 프로세스는 제어된 열 추출 프로세스이다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 중간 설비는 몰리브덴 디스크이다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 중간 설비는 코팅된다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 코팅은 내열성 산화물이다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 내열성 산화물은 알루미나, 이트리아, 지르코니아, 및 이트리아 안정화 지르코니아(yttria stabilized zirconia)로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
특정한 선택적인 바람직한 실시예에서, 사파이어 결정 성장을 위한 방법 및 시스템이 제공되고, 이러한 방법 및 시스템은 사파이어 결정 성장용 도가니를 제공하는 단계; 및 원형이 아닌 형상으로 상기 도가니를 형성하는 단계와 그에 의해 원형이 아닌 형상으로 결정을 성장시키는 것을 용이하게하는 단계;를 선택적으로 포함한다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 도가니가 c-축 사파이어 결정 성장 프로세스에서 사용된다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 프로세스는 제어된 열 추출 프로세스이다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 도가니는 원형이 아닌 크기로 기계가공하는 것이 후속되는 가압 및 소결에 의해 형성된다. 특정한 바람직한 실시예에서, 상기 방법 및 시스템은 상기 결정의 편평한 측에 직교하는 a-축 성장을 돕도록 시드 결정을 배치시키는 단계를 포함할 수 있다.
본문에 개시된 방법 및 시스템은 다양한 측면들을 달성하기 위한 임의의 수단으로 구현될 수 있다. 다른 특징들은 첨부 도면과 하기의 상세한 설명으로부터 명확하게 될 것이다. 본문에 참조된 모든 문서는 적용가능한 법규 및 규정에 의해 허용되는 최대한의 정도까지 자신들의 전체에서 참조에 의해 통합된다.
다양한 바람직한 실시예들이 도면을 참조하여 본문에 기술된다:
도 1a는 하나의 실시예에 따른 c-축에 관한 단결정 성장시 사용되는 노의 단면도이다.
도 1b는 또다른 실시예에 따른 c-축에 관한 단결정 성장시 사용되는 노의 단면도이다.
도 1c는 또다른 실시예에 따른 c-축에 관한 단결정 성장시 사용되는 노의 단면도이다.
도 2 내지 4는 하나의 실시예에 따른 시드 결정으로부터의 코어링된 c-축 원통형 주괴의 형성 프로세스를 도시한다.
도 5는 하나의 실시예에 따라 도 1a에 도시된 것과 같은 노를 이용하여 c-축에 관한 단결정을 성장시키고, 그런 다음 상기 단결정을 이용하여 웨이퍼를 산출하는 단계들의 예시적인 방법의 프로세스 플로우차트이다.
도 6은 하나의 실시예에 따라 c-축을 따라 단결정을 성장시킬때 사용되는 도 1a에 도시된 것과 같은 노를 가진 제어된 열 추출 시스템(CHES)을 예시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 7은 결정 성장 방법에서 시드 결정의 상태를 판정하기 위한 프로브를 도시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 7a는 측정동안 도 7의 프로브를 도시한다.
도 8은 결정 성장 방법에서 파워 및 온도 제어의 자동화 엘리먼트를 위한 고온계의 도면 세트를 도시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 9는 고체에서 액체로의 상 변화동안 결정 성장 가열 노에서의 재료의 온도 변화 패턴을 도시한다.
도 10은 결정 성장 노에 대한 관찰 창을 위한 창 공기배기 설계를 도시한다.
도 11은 결정 성장 시스템의 시드 냉각 샤프트와 도가니 사이의 절연 층을 도시한다.
도 12는 결정 성장 시스템을 위한 대안의 도가니 형상을 도시한다.
도 13은 원형이 아닌 도가니 형상을 이용하여 절감된 재료를 도시한다.
도 14는 본문에 기술된 바와 같은 결정 성장 방법에 연관된 특정한 입력 엘리먼트, 시스템 엘리먼트, 및 애플리케이션을 예시하는 논리 다이어그램이다.
본문에 기술된 도면은 예시의 목적일 뿐이며 어떠한 방식으로건 본 개시물의 범위를 제한할 의도를 가지지 않는다.
도 1a는 하나의 실시예에 따른 c-축에 관한 단결정 성장시 사용되는 노의 단면도이다.
도 1b는 또다른 실시예에 따른 c-축에 관한 단결정 성장시 사용되는 노의 단면도이다.
도 1c는 또다른 실시예에 따른 c-축에 관한 단결정 성장시 사용되는 노의 단면도이다.
도 2 내지 4는 하나의 실시예에 따른 시드 결정으로부터의 코어링된 c-축 원통형 주괴의 형성 프로세스를 도시한다.
도 5는 하나의 실시예에 따라 도 1a에 도시된 것과 같은 노를 이용하여 c-축에 관한 단결정을 성장시키고, 그런 다음 상기 단결정을 이용하여 웨이퍼를 산출하는 단계들의 예시적인 방법의 프로세스 플로우차트이다.
도 6은 하나의 실시예에 따라 c-축을 따라 단결정을 성장시킬때 사용되는 도 1a에 도시된 것과 같은 노를 가진 제어된 열 추출 시스템(CHES)을 예시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 7은 결정 성장 방법에서 시드 결정의 상태를 판정하기 위한 프로브를 도시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 7a는 측정동안 도 7의 프로브를 도시한다.
도 8은 결정 성장 방법에서 파워 및 온도 제어의 자동화 엘리먼트를 위한 고온계의 도면 세트를 도시하는 개략적인 다이어그램이다.
도 9는 고체에서 액체로의 상 변화동안 결정 성장 가열 노에서의 재료의 온도 변화 패턴을 도시한다.
도 10은 결정 성장 노에 대한 관찰 창을 위한 창 공기배기 설계를 도시한다.
도 11은 결정 성장 시스템의 시드 냉각 샤프트와 도가니 사이의 절연 층을 도시한다.
도 12는 결정 성장 시스템을 위한 대안의 도가니 형상을 도시한다.
도 13은 원형이 아닌 도가니 형상을 이용하여 절감된 재료를 도시한다.
도 14는 본문에 기술된 바와 같은 결정 성장 방법에 연관된 특정한 입력 엘리먼트, 시스템 엘리먼트, 및 애플리케이션을 예시하는 논리 다이어그램이다.
본문에 기술된 도면은 예시의 목적일 뿐이며 어떠한 방식으로건 본 개시물의 범위를 제한할 의도를 가지지 않는다.
결정 성장 시스템 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 하기의 상세한 설명에서, 그의 일부를 형성하는 첨부도면이 참조되고, 여기서 예시에 의해 본 발명이 실시되는 특정한 실시예가 도시된다. 이들 실시예는 당업자들이 본 발명을 실시할 수 있도록 충분히 상세히 기술되며, 다른 실시예들이 활용될 수 있고 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 변경될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 하기의 상세한 설명은 따라서 제한의 의미가 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서 정의된다.
'더 큰 경화된 단결정', '더 큰 단결정', '더 큰 결정' 및 '단결정'이라는 용어는 문서 전체에서 교환가능하게 사용된다. 또한 '볼록 결정 성장 표면' 및 '결정 성장 표면'이라는 용어는 문서 전체에서 교환가능하게 사용된다. 추가로, '축에 관해'라는 용어는 축으로부터 약 -150 내지 +150의 단결정 성장을 가리키며, 여기서 축은 c-축, a-축, m-축 또는 r-축 중 하나가 될 수 있다.
도 1a는 하나의 실시예에 따라 c-축에 관해 단결정을 성장시키는데에 사용되는 노(100A)의 단면도이다. 도 1a에서, 노(100A)는 하우징(105)을 포함할 수 있다. 하우징(105)은 외부 하우징 부분(110)과 플로어(115)를 포함할 수 있다. 외부 하우징 부분(110)과 플로어(115)는 함께 챔버를 형성하며, 이는 특정한 실시예에서 이중 벽의, 수냉식 챔버가 될 수 있고, 그의 내부 일부는 재료를 가열 및 냉각시키기 위한 구역을 포함할 수 있다. 문맥이 지시하는, 본 출원서 전체에서의 가열 구역, 용해물, 노 및 챔버에 대한 참조는 챔버의 이러한 내부 부분을 가리킨다. 노(100A)는 또한 시드 냉각 컴포넌트(120), 가열 엘리먼트(들)(125), 절연 엘리먼트(130), GCD(gradient control device)(135) 및 도가니(150)를 포함할 수 있고, 이들 모두는 외부 하우징 부분(110)에 인클로징된다.
도가니(150)는 시드 결정(140)(예를 들면, D형, 원형 등) 및 장입 재료(charge materail)(145)(예를 들면, 사파이어(Al2O3), 실리콘(Si), 플루오르화 칼슘(CaF2), 요오드화나트륨(NaI), 및 기타 할로겐화물 그룹 염 결정)을 유지하는 컨테이너가 될 수 있다. 도시된 바와 같이, 도가니(150)는 시드 냉각 컴포넌트(120) 상에 놓인다. 시드 냉각 컴포넌트(120)는 상기 도가니(150)의 바닥을 지지하는 중공 컴포넌트(예를 들면, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo), 니오븀(Nb), 란타늄(La), 탄탈룸(Ta), 레늄(Re) 또는 그의 합금과 같은 내열성 금속으로 만들어진)가 될 수 있다. 시드 냉각 컴포넌트(120)는 또한 중공 부분을 통해 도가니(150)의 지지된 부분을 냉각시키기 위한 냉각제 유체(155)(예를 들면, 헬륨(He), 네온(Ne), 및 수소(H))를 수용한다.
가열 엘리먼트(들)(125)는 실질적으로 시드 냉각 컴포넌트(120)와 도가니(150)를 둘러싼다. 하나의 실시예에서, 가열 엘리먼트(들)(125)는 도가니(150)를 가열하도록 조정된다. 또 다른 실시예에서, 가열 엘리먼트(들)(125)는 결정 성장 동안 챔버의 가열 구역내에서 온도를 실질적으로 서서히 낮추도록 조정된다. 예를 들면, 가열 엘리먼트(들)(125)는 약 0.02 내지 50C/hr의 대략적인 범위에서의 속도로 가열 구역을 냉각시키도록 설계된다.
일부 실시예에서, 도가니(150)와 함께 시드 냉각 컴포넌트(120)는 가열 엘리먼트(들)(125)에 대해 이동가능하다. 이러한 실시예들에서, 시드 냉각 컴포넌트(120)는 하우징(105)의 플로어(115)에서의 하나 이상의 개구를 통해 이동된다. 절연 엘리먼트(130)는 상기 시드 냉각 컴포넌트(120), 가열 엘리먼트(들)(125) 및 도가니(150)를 실질적으로 둘러싸고, 노(100A)로부터의 열전도를 방지한다. 예를 들면, 절연 엘리먼트(130)는 W, Mo, 흑연(C), 및 고온 세라믹 재료와 같은 재료로 만들어질 수 있다. GCD(135)는 위치 범위에 대해 시드 냉각 컴포넌트(120), 가열 엘리먼트(들)(125), 절연 엘리먼트(130) 및 도가니(150)에 대해 이동가능할 수 있다.
동작시, 도가니(150)내에서 시드 결정(140)과 함께 장입 재료(145)는 가열 엘리먼트(들)(125)를 이용하여 장입 재료의 용융온도 보다 실질적으로 조금 더 높게 가열된다. 예를 들면, 장입 재료(145)는 대략적으로 약 2040℃ 내지 2100℃의 범위에서의 온도로 가열된다. 장입 재료(145)가 완전히 용융되면, 용융된 장입 재료(장입 재료의 용해물이라고도 한다)는 균질화를 위해 미리정해진 시간(예를 들면, 1 내지 24시간) 동안 유지된다.
장입 재료(145)의 가열과 동시에, 도가니(150)의 바닥은 시드 냉각 컴포넌트를 통해 냉각제 유체(155)를 흘려보냄으로써(예를 들면, 분당 10 내지 100 리터의 속도로(lpm))냉각된다. 도가니(150)의 바닥은 시드 결정(140)이 손상되지 않고 완전히 용융되지 않도록 냉각된다. 균질화를 위해 용해물을 소킹(soaking)한 후에, 결정 성장이 c-축을 따라 시작된다.
하나 이상의 실시예에서, 결정이 성장할 때, 도가니(150)의 바닥에서의 냉각 속도는 시드 냉각 컴포넌트(120)를 통과하는 냉각제 유체(155)의 유속을 증가시킴으로써(24 내지 96시간의 기간 동안 600 lpm까지) 점진적으로 증가된다. 동시에, 용해물의 온도는 실질적으로 가열 엘리먼트(들)의 온도를 서서히 낮춤으로써 0.02 내지 50C/hr의 속도로 실질적으로 낮춰진다. 그 결과, 용해물이 과냉각될 뿐 아니라, 결정 성장과 용해물 사이에 온도 구배(gradient temperature)가 생성된다. 용해물의 과냉각 및 가열 엘리먼트(들)(125)의 온도를 실질적으로 서서히 낮춤으로써 결정 성장과 용해물 사이의 온도 구배를 생성하는 프로세스가 경사 응고(gradient freeze)(GF)로 알려져있다.
추가로, 결정이 더 길게 성장할 때, 냉각제 유체(155)의 효과는 감소하고 따라서 결정의 성장 속도가 점차적으로 느려진다. 결정의 감소된 성장 속도를 보상하기 위해, 도가니(150)는 시드 냉각 컴포넌트(120)를 이동시킴으로써 실질적으로 0.1 내지 5mm의 속도로 느려질 수 있다. 또한, 온도 구배는 결정의 연속한 성장을 보장하고 더 큰 경화된 단결정을 산출하기 위해 실질적으로 변경된다. 온도 구배는 0.1 내지 5mm의 속도로 GCD(135)를 이동시킴으로써 변경된다. 이러한 실시예들에서, 더 큰 경화된 단결정(예를 들면, 0.3 내지 450 킬로그램의 중량)이 고 수율 c-축에 관해 노(100A)에서 성장된다.
결정 성장 완료시, 노(100A)의 온도는 더 큰 경화된 단결정을 실온까지 냉각시키기 위해 장입 재료(145)의 용융온도 미만으로 감소된다. 이는 가열 엘리먼트(들)(125)의 온도를 낮추고, 도가니(150)의 바닥으로부터 열을 제거하는 것을 중단시키기 위해 냉각제 유체(155)의 흐름을 감소시키고, 온도 구배를 감소시키기위해 적절한 위치로 GCD(135)를 이동시킴으로써 달성된다. 추가로, 노(100A) 내부의 불활성 가스 압력은 더 큰 경화된 단결정이 노(100A)로부터 추출되기 전에 증가된다. 상술한 노(100A)를 이용하여 더 큰 단결정이 또한 a-축, r-축, 또는 m-축에 관해 성장될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
도 1b는 또다른 실시예에 따른 c-축에 관한 단결정 성장시 사용되는 노(100B)의 단면도이다. 노(100B)가 GCD를 포함하지 않고 가열 엘리먼트(들)(125)이 실질적으로 가열 구역의 온도를 낮추기 위해 설계되지 않은 것을 제외하고는 도 1b의 노(100B)는 도 1a의 노(100A)와 유사하다.
도 1c는 또다른 실시예에 따른 c-축에 관한 단결정 성장시 사용되는 노(100C)의 단면도이다. 노(100C)에서, 도가니(150)와 함께 시드 냉각 컴포넌트가 가열 엘리먼트(들)(125)에 대해 이동할 수 없도록 시드 냉각 컴포넌트가 고정되는 것을 제외하고는 도 1c의 노(100C)는 도 1a의 노(100A)와 유사하다.
도 2 내지 4는 하나의 실시예에 따라 시드 결정(140)으로부터 코어링된(cored) c-축 원통형 주괴(440)의 형성 프로세스를 예시한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 코어링된 c-축 원통형 주괴(440)는 사파이어 주괴가 될 수 있다. 특히, 도 2는 장입 재료(145)와 함께 시드 결정(140)을 가진 도가니(150)를 도시한다. 도가니(150)는 금속 재료(예를 들면, Mo, W, 또는 Mo 및 W의 합금) 또는 비금속 재료(예를 들면, 흑연(C), 질화붕소(BN) 등)으로 만들어질 수 있다. 추가로, 도가니(150)는 0.3 내지 450 킬로그램의 장입 재료(145)를 유지할 수 있다.
도가니(150)는 시드 결정 수용 영역(210)을 포함할 수 있다. 시드 결정 수용 영역(210)은 도가니(150)내에서 시드 결정(140)을 유지한다. 하나의 실시예에서, 시드 결정 수용 영역(210)은 미리정해진 형상 또는 크기의 시드 결정이 시드 결정 수용 영역(210)에서 하나의 방향으로만 또는 임의의 방향으로 향해지도록 한다. '단방향으로만 지향된' 위상은 시드 결정 수용 영역(210)에서 하나의 위치에서만 D형상 시드 결정의 포지셔닝이라고 하는 반면, '임의의 방향으로 지향된' 위상은 시드 결정 수용 영역(210)에서 360°내의 임의의 위치에서 원형 시드 결정의 포지셔닝이라고 한다. 시드 결정 수용 영역(210)에서의 시드 결정(140)의 방위는 c-축에 관해 결정 성장의 방향을 제어할 수 있다는 것에 유의할 수 있다. 도 2에 예시된 바와 같이, 장입 재료(145)는 시드 결정(140)이 실질적으로 상기 장입 재료(145)에 의해 완전히 덮여지는 방식으로 도가니(150)에 배치된다.
예시적인 프로세스에서, 장입 재료(145)와 시드 결정(140)을 가진 도가니(150)는 c-축에 관해 더 큰 단결정을 성장시키기위해 노(예를 들면 노(100A), 노(100B), 또는 노(100C))에 배치된다. 장입 재료(145)는 그런다음 장입 재료(145)의 용융 온도 이상으로 가열된다. 추가로, 용해물은 c-축에 관해 결정 성장을 시작하기 위해 균질화를 위해 미리정해진 시간 기간동안 유지된다. 동시에, 도가니(150)의 바닥은 시드 결정(140)을 온전하게 유지시키기위해 시드 냉각 컴포넌트(120)를 통과하여 헬륨을 흐르게함으로써 냉각된다. 따라서, 시드 결정(140)은 도 3에 예시된 바와 같이 결정 성장 표면을 따라서 c-축에 관해 성장을 시작한다.
하나의 실시예에서, 결정 성장 표면은 시드 결정(140)의 탑 표면(즉, c-표면)의 작은 부분을 용융시키는 것으로부터 형성된다. 시드 결정(140)의 탑 표면의 작은 부분은 용해물의 온도를 증가시키고 및/또는 시드 냉각 컴포넌트(120)를 통과하는 헬륨의 유속을 감소시킴으로써(예를 들면 90 lpm에서 80 lpm으로) 용융되어, 볼록(돔형) 형상의 결정 성장 표면(310)을 가져온다. 볼록 결정 성장 표면(310)은 a-평면 및 c평면으로 만들어진 마이크로 스텝을 포함할 수 있고, 결정 성장동안 유지된다. 볼록 결정 성장 표면(310)은 c-축에 관해 결정의 성장 속도를 실질적으로 증가시키도록 보조한다.
연속하여 볼록 결정 성장 표면(310)을 따라 결정을 성장시키기 위해, 도가니(150)의 바닥에서의 냉각 속도는 증가되고 용해물의 온도는 감소된다. 추가로, 도가니(150)는 결정의 완만한 성장 속도를 보상하기 위해(냉각제 유체의 효과가 감소될 때) 가열 엘리먼트(들)(125)에 대해 낮춰진다. 또한, GCD(135)는 온도 구배가 변하도록 이동된다. 상술한 프로세스는 결정으로 하여금 c-축을 따라서 연속하여 성장할 수 있도록 하여 더 큰 단결정을 가져온다. 도 3에 예시된 바와 같이, 결정은 주로 c-방향을 따라서 용해물 내에서 성장한다.
결정 성장 완료시, 더 큰 단결정이 도가니(150)로부터 추출된다. 추출된 더 큰 결정(410)이 그런다음 코어링(cored)된다. 도 4에 예시된 바와 같이, 추출된 더 큰 결정(410)의 탑 표면(예를 들면, 헤드(420) 및 꼬리(430))가 코어링된다. 따라서, 코어링된 c-축 원통형 주괴(440)가 획득된다(예를 들면, 최소 그라인딩으로). 마지막으로, 코어링된 c-축 원통형 주괴(440)는 슬라이싱되어 광학 및 반도체 애플리케이션에서 사용되는 웨이퍼를 산출한다.
도 5는 하나의 실시예에 따라 도 1a에 도시된 것과 같은 노(100A)를 이용하여 c-축에 관해 단결정을 성장시켜서, 상기 단결정을 이용하여 웨이퍼를 산출하는 예시적인 방법의 프로세스 플로우차트(500)이다. 단계(505)에서, 시드 결정(예를 들면, 사파이어 시드 결정)은 도가니(150)의 바닥에 배치된다. 단계(510)에서, 장입 재료(예를 들면, 사파이어 장입 재료)는 시드 결정이 실질적으로 상기 장입 재료에 의해 완전히 덮여지도록 도가니(150)에 배치된다. 그런다음, 장입 재료와 시드 결정을 가진 도가니(150)가 노(100A)로 로딩된다.
단계(515)에서, 도가니(150)에서의 시드 결정과 함께 장입 재료는 실질적으로 상기 장입 재료의 용융 온도(예를 들면 약 2040℃ 내지 2100℃의 범위에서) 보다 조금 높게 가열된다(예를 들면, 가열 엘리먼트(들)(125)를 이용하여). 그런다음, 장입 재료의 용해물은 미리정해진 시간 기간(예를 들면, 1 내지 24시간)동안 용융 온도 이상으로 유지된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 장입 재료의 용해물이 균질화를 위해 용융 온도 이상으로 유지된다.
추가로, 단계(520)에서, 도가니(150)의 바닥이 최소의 원하는 용융으로 시드 결정을 온전하게 유지시키기 위해 냉각된다(예를 들면, 단계(515)에서의 가열 프로세스와 동시에). c-축을 따라 시드 결정이 지향되는 경우, 최소의 원하는 용융은 도 3에 도시된 바와 같이 볼록 결정 성장 표면을 형성하기 위해 시드 결정의 탑 표면(예를 들면, c-표면)의 일부를 용융하는 것을 포함한다. 볼록 결정 성장 표면은 a-평면 및 c-평면으로 만들어진 멀티 스텝을 가진 실제 유효하지 않은(non-habit) 표면(예를 들면, 실제 c-표면이 아닌)이다. 볼록 결정 성장 표면은 c-축에 관해 결정의 성장 속도를 안전하게 증가시키는 것을 돕는다.
하나의 실시예에서, 도가니(150)의 바닥은 장입 재료의 용해물이 용융 온도 이상일 때 헬륨을 이용하여 냉각된다. 예를 들면, 헬륨은 약 10 내지 100 lpm의 범위에서의 대략적인 속도로 도가니(150)의 바닥을 지지하는 시드 냉각 컴포넌트(120)를 통과해서 흐른다. 단계(525)에서, 결정은 더 큰 결정을 산출하기 위해 c-축에 관해 연속적으로 성장된다. 결정 성장 동안, 도가니(150)의 바닥에서의 냉각 속도는 실질적으로 헬륨의 유속을 증가시킴으로써(예를 들면 24 내지 96 시간의 기간동안 600 lpm까지) 증가된다. 또한, 용해물의 온도는 약 0.02 내지 50C/hr의 속도로 가열 엘리먼트(들)의 온도를 실질적으로 서서히 낮춤으로써 감소된다. 결과로서, 온도 구배가 연속하여 성장하는 결정과 용해물 사이에 생성된다. 추가로, 결정이 더 길게 성장할 때, 도가니(150)는 약 0.1 내지 5mm/hr의 속도로 시드 냉각 컴포넌트(120)를 이용하여 가열 엘리먼트(들)(125)에 대해 낮춰진다. 도가니(150)는 연속하여 결정을 성장시키는 것의 성장 속도를 유지하기 위해 낮춰진다. 또한, 온도 구배는 더 큰 결정을 산출하기 위해 결정의 연속한 성장을 보장하기위해 GCD(135)를 이동시킴으로써 실질적으로 변화된다.
단계(530)에서, 더 큰 결정이 결정 성장 완료시 도가니(150)로부터 추출된다. 단계(535)에서, 추출된 더 큰 결정이 실질적으로 원통형인 주괴를 산출하기 위해 코어링된다. 하나의 실시예에서, 원통형 주괴가 도 4에 도시된 바와 같이 추출된 더 큰 결정의 탑 표면에 실질적으로 직교하여 코어링에 의해 산출된다. 단계(540)에서, 코어링된 원통형 주괴는 슬라이싱되어 웨이퍼를 산출한다. 도 5가 예시적인 방법으로의 단계들을 도시했지만, 당업자가 이해할 수 있는 대안의 실시예에서, 특정한 단계들이 변경되거나 또는 생략될 수 있고, 단계들의 순서가 조정되거나, 추가적인 단계들이 포함될 수 있다는 것에 유의해야한다. 이러한 추가적인 단계들은 챔버를 비우는 단계(evacuating), 챔버를 아르곤등과 같은 가스로 다시채우는 단계를 포함할 수 있다.
제어된 열추출 시스템(CHES)은 방향성있는 경화 프로세스이고, 본문에 개시된 다양한 실시예에서, 이는 사파이어(알루미늄 산화물의 단결정 형태) 불(boule)과 같은 결정 성장에 사용될 수 있다. 사파이어의 매력적인 기계적, 열 및 광학 속성이 민간 및 군용 애플리케이션을 위한 고 성능, 고온, 강건한, 내마모성의 커다른 창에 사용되었다. 근래에, 사파이어 기판은 청색 발광다이오드(LED)에 대한 기판 선택사항이 되었고, 이는 저비용, 신뢰성있는, 내구성있는, 고성능 발광 애플리케이션에 광범위하게 사용할 수 있는 매력적인 가능성을 가진다. 이러한 개시물이 주로 당업자에 대해 CHES 접근 방식을 이용한 사파이어 및 LED 애플리케이션에 대해 지향되지만, 그의 특정한 엘리먼트가 다른 재료, 상이한 애플리케이션 및 기타 프로스세에 적용될 수 있다.
본 개시물의 다른 부분 전체에 부분적으로 기술된 바와 같이, 단결정 성장 변환 프로세스에서, 장입 재료(145)(일반적으로 최종 결정과 동일한 화학 조성의)가 용융되고, 용해물의 온도는 상기 재료의 용융점 이상으로 상승된다. 단결정 '시드 결정'과 접촉하는 용해물을 포함하는 용해물은 그런다음 "시딩된다". 시드 결정(140)이 다시 부분적으로 용융되어 그것이 용해물에 잠기도록한다. 그런다음, 제어된 성장이 다시 용융된 시드 결정(140)으로부터 달성되어 모든 용융된 재료들이 경화될 때까지 단결정 성장이 촉진되고 유지되도록 하는 조건이 생성된다. 완전한 성장이 달성된 후에, 재료가 자신의 용융점 이하가 되어, 결함 형성이 최소화되고 균열이 제거되도록 제어된 속도로 그것이 다시 냉각될 수 있다. 사파이어의 경우, 용융점은 2040℃이다.
도 6은 하나의 실시예에 따라 c-축을 따라 단결정 성장시 사용되는, 도 1a에 도시된 것과 같은, 노(100A)를 가진 제어 열 추출 시스템(CHES)(600)을 예시하는 개략적인 다이어그램이다. 특히, 도 6은 단결정 성장시 사용되는 CHES(600)의 전면도(600A)와 탑 뷰(600B)를 도시한다. 전면도(600A)와 탑 뷰(600B)는 함께 CHES(600)의 다양한 컴포넌트들을 도시한다. 도시된 바와 같이, CHES(600)는 하우징(105)을 가진 노(100A), 온도 제어 및 파워 제어 시스템(605), 모션 컨트롤러(610) 및 진공 펌프(615)를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 결정 성장용 노(100A)는 하우징(105)으로 인클로징된 도가니(150), 가열 엘리먼트(들)(125), 절연 엘리먼트(130) 및 GCD(135)와 함께 시드 냉각 컴포넌트(120)를 포함할 수 있다. 온도 제어 및 파워 제어 시스템(605)은 적어도 -0.2℃ 내지 +0.2℃ 범위의 평균내에서 가열 엘리먼트(들)(125)의 온도를 정확하게 제어하도록 구성된다. 하나의 예시적인 실시예에서, 온도 제어 및 파워 제어 시스템(605)은 장입 재료(145)가 상기 장입 재료(145)의 용융 온도 이상으로 가열되도록 가열 엘리먼트(들)(125)의 온도를 제어한다. 또다른 예시적인 실시예에서, 온도 제어 및 파워 제어 시스템(605)은 가열 엘리먼트(들)(125)의 온도가 실질적으로 0.02 내지 5℃/hr의 속도로 하락되도록 가열 엘리먼트(들)(125)의 온도를 제어한다.
모션 컨트롤러(610)는 도가니(150)와 함께 시드 냉각 컴포넌트(120)의 움직임을 제어하도록 구성된다. 예를 들면, 모션 컨트롤러(610)는 결정 성장 속도를 유지하기 위해 도가니(150)와 함께 시드 냉각 컴포넌트(120)를 속도를 낮춘다. 모션 컨트롤러(610)는 또한 GCD(135)의 위치를 제어하도록 구성된다. 예를 들면, 모션 컨트롤러(610)는 결정 성장 속도를 유지하기 위해 위치 범위 동안 GCD(135)를 이동시킨다. 모션 컨트롤러(610)는 시드 냉각 컴포넌트(120)의 움직을과 GCD(135)의 위치를 독립적으로 제어하도록 구성된다는 것이 유의될 수 있다.
진공 펌프(615)는 제어된 대기에서 결정이 성장될 수 있도록 하우징(105) 내에 진공을 생성하고 그를 유지한다(예를 들면, 부분적인 진공 또는 전체 진공). CHES(600)에서의 노(100A)는 또한 부분적인 가스 압력 하에서 결정을 성장시킬 수 있다는 것이 유의될 수 있다. CHES(600)의 상기 설명이 노(100A)에 대해 이루어질지라도, CHES(600)가 또한 c-축을 따라서 단결정을 성장시키기위해 노(100B) 또는 노(100C)를 이용할 수 있다는 것을 이해할 수 있다.
상기 설명이 용해물로부터의 결정 성장을 위한 포괄적인 것이지만, 상이한 프로세스가 상이한 재료로 원하는 결과를 얻기 위해 상이한 접근방식을 이용한다. 예를 들면, Czochralski 및 Kyrapolous와 같은 산업용 프로세스는 도가니(150) 내에서 장입 재료(145)를 용해시킨 다음, "시딩"을 위해 용해물의 표면 근방에 단결정 시드 결정(140)을 담그고(dip); 그후에 결정 성장이 표면 아래에서의 제어된 인상(pulling) 또는 성장, 또는 그의 조합에 의해 달성될 수 있다. Bridgman, Gradient Freeze, 열 교환기 방법 등과 같은 기타 프로세스들이 시드 결정(140)과 장입 재료(145)를 함께 도가니(150)에 로딩하고; 용해물과 접촉하는 시드 결정(140)의 부분의 '시딩' 동안 시드 결정(140)을 완전히 용융시키지 않으면서 용융되도록 온도 구배를 제어함으로써 달성되는 시드 결정(140)이 부분적으로 다시 용융된다는 것이 중요하다. 이는 용해물이 자신의 용융 온도 이상으로 가열되는 동안 달성된다.
CHES 노에서, 단결정 시드 결정(140)은 도가니(150)의 바닥 중심에 위치되고 장입 재료(145)는 도가니(150)를 채우는 시드 결정(140)의 탑에 위치된다. 도가니(150)는 가열 구역의 가열 엘리먼트의 바닥에 인접하여 시드 냉각 컴포넌트(120)의 닫힌 단부를 가진 노의 바닥에 장착된 열 추출 시드 냉각 컴포넌트(120)에 배치된다. 제어된 조건하에서, 장입 재료(145)를 용융시키기 위해 열이 인가되고; 시드 결정(140)이 열 추출 시드 냉각 컴포넌트(120)를 통한 헬륨 냉각에 의해 냉각된다. 이러한 조건 하에서, 시딩 조건은 먼저 시드 결정(140)을 다시 용융시키고, 여기서 고체-액체 인터페이스는 사파이어의 용융점에 대응하는 등온선이다. 이러한 등온선 위에서, 상기 용해물이 액체에서의 온도 구배로 사파이어의 용융점 이상이 된다. 고체에서의 온도 구배는 등온선 이하이다. 적절한 시딩을 위해, 시드 결정(140)은 부분적으로 다시 용융되어야 하고, 고체 형태로 장입 재료(145)의 잔여물이 남아있어서는 안된다. 추가로, 조금 볼록인 고체-액체 인터페이스가 바람직하다. 그러나, 모든 이러한 조건들은 도가니(150)의 바닥에서 발생해야하고, 이는 직접 관찰하기 용이하지 않다. 다산성과 정확성이 생산 프로세스를 구축하는데에 매우 중요하고, 따라서 하기에 기술된 바와 같은 정밀 검사 및 시딩 프로세스의 제어를 개선하기 위한 기술이 중요하다.
적절한 '시딩'은 성장된 불이 시드 결정(140)의 원자 배치를 유지하도록 하기 위해 필수이고; 이는 불의 방향을 결정한다. 단결정 성장은 변수의 정확한 제어를 필요로하고, 변형이 상이한 방향의 성장을 가져올 수 있고(시딩되지 않은 성장과 같이) 이러한 의사 핵형성(spurious nucleation)은 상이한 방향의 또다른 그레인의 성장을 가져올 수 있다. 실리콘과 같은 등방성 재료에 대해, 의사 핵형성은 다수의 그레인의 성장 또는 다결정 성장을 가져온다. 그러나, 사파이어와 같은 비등방성 재료에서, 다수 그레인이 형성되면, 그것은 냉각되는 동안 불의 균열을 가져올 수 있다. 따라서, 완전한 단결정 성장이 응집(nucleated)되고, 이의 방향의 성장이 유지되는 것이 바람직하다. '시딩' 및 성장 동안 변수의 정확한 제어를 달성할 수 있는 것이 사파이어 불과 같은 결정 성장에 유익하다. 정확한 제어의 역사적 문제점은 산업에서 a-, m- 및 r-방향 불이 일정하게 성장되지만, c-축 불은 상업적 기준에 따라 산출되지 않았다는 사실에 원인이 있다. 본문에 개시된 CHES 프로세스 및 시스템은 일정하고 지속적으로 c-축 방향 사파이어 불을 성장시키는데에 사용될 수 있다.
CHES 프로세스에 대해, "시딩"은 용해물의 표면 아래의 도가니(150)의 바닥에 있고, 보이지 않는다. 장입 재료(145)의 용융 동안, 도가니(150)에서 용융이 시작되고, 액체가 도가니(150)의 바닥을 향해 아래로 흐른다. 용융이 진행하면서, 중간 및 탑을 향한 장입 재료(145)가 용융을 시작하고, 더 많은 용해물이 도가니(150)의 바닥을 향해 계속해서 흐른다. 추가로, 그것이 고체 장입 재료(145) 이상이 될 때까지 용융은 도가니(150)에서의 액체 레벨을 상승시킨다. 그런다음 나머지 장입 재료(145)는 고체 장입 재료(145)가 더이상 남아있지 않을때까지 용융된다. 용해물은 냉각된 시드 결정(140)에 잠기고 다시 시드 결정(140)을 용융하기 시작한다. 목표는 전체 장입 재료(145)를 용융시키고 성장을 시작하기 전에 시드 결정(140)의 일부를 다시 용융시키는 것이다.
CHES 노에서, 용융 동작의 관찰 및 검사는 검사 설비(700)를 이용하여 달성될 수 있고, 이는 실시예에서 창을 통한 것과 같은 시각적 검사, 또는 챔버의 가열 구역 내부 또는 외부의 센서에 의한 것과 같은 기기-기반 검사에 의한 직접, 기계적 검사(챔버의 가열 구역 내에서의 프로브 시스템을 이용하는 것과 같은)를 포함할 수 있다. 도 7을 참조하면, 하나의 검사 설비(700)의 하나의 실시예는 기계적 프로브(705)이다. 내열성 금속 필라멘트(텅스텐, 텅스텐-몰리브덴 합금 등과 같은)를 포함할 수 있는 프로브(705)가 노의 탑 부분에 장칙되고 도가니(150)의 가열 구역 내에서 낮춰질 수 있다. 프로브가 고체 재료에 부딪칠 때, 저항이 느껴진다. 이는 고체 액체 인터페이스의 위치를 인식(register)시킨다. 프로브가 도가니(150)의 설정 동안 조정된다면, 프로브 데이터는 장입 재료(145)의 용융 뿐 아니라 시드 결정(150)의 탑을 제공하고, 다시 시드 결정(140)의 용융이 후속된다. 적절한 시딩 후에, 성장이 시작되고 프로브 데이터가 성장 인터페이스의 위치를 모니터링하는 데에 사용될 수 있다. 피드백 제어로 프로브 데이터가 일반적인 결정 성장 프로세스로 사용되는 간접적인 수단을 이용하는 것이 아니라 직접적으로 성장을 제어하는 데에 사용될 수 있다. 프로브 시스템은 레일상의 캐리지에 장착된 텅스텐 필라멘트를 이용하여 선택적으로 설계되고, 따라서 그것이 고체에 접촉할때까지 낮춰진다. 민감한 프로브는 고체 접촉시 느껴지는 저항에 민감하다. 이러한 작은 저항 민감도는 용융 또는 성장 동안 인터페이스를 교란시키지 않는다. 이러한 프로브는 원하는 인터벌로 프로브에 대해 프로그래밍하면서 수동 작동 또는 자동화 될 수 있다. 제어 시스템(740)이 도 7에서 논리 엘리먼트로서 도시되고, 이는 다양한 하드웨어, 소프트웨어, 및 도 7에 도시된 기계적 프로브(705)를 제어하는 것과 같은 본 개시물 전체에 개시된 다양한 시스템 컴포넌트 및 프로세스의 자동화된 제어, 및 가열 및 냉각 위상 동안 파워의 자동화된 제어, 장입 재료(145) 또는 시드 결정(140)의 자동화된 검사, 결정 성장 등을 위한 파워 및 시간 기반 알고리즘의 자동화된 애플리케이션 등에 적절한 기타 엘리먼트를 포함할 수 있다고 이해되어야 한다.
도 7을 참조하면, 시드 결정(140) 상태를 검사하기 위해 사용되는 기계적 프로브(705)가 도시된다. 텅스텐 로드(70)가, 시드 결정(140)의 일부(전부는 아님)가 용융되는 것을 보장하기 위해 용융되는 동안 시드 결정(140)의 고체 결정 표면에 닿도록 장입 재료(145)의 용융된 액체로 포설된 프로브로서 이용될 수 있다. 프로브(705)는 또한 시드 스테이지 후에 결정의 성장 속도를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 나중의 사용은 선택적인데, 그것이 결정을 파손하거나 손상시킬 위험이 있을 수 있기 때문이다. 실시예에서, 프로브(705)는 제 1 내부 자석(720)에 매달려있는 텅스텐 로드(710)를 가진 튜브(715)(예를 들면, 석영으로 만들어진)를 포함할 수 있다. 챔버 외부의 제 2 외부 자석(725)은 챔버 내부의 제 1 자석(720)을 제어하여 챔버내에서 홀이 필요없이 사용자로 하여금 텅스텐 로드(710)를 조정하도록 허용할 수 있다. 따라서, 2개의 자기적으로 결합된 엘리먼트가 있으며, 외부 자석(725)은 선형 모터(730)와 같이 그를 이동시키기 위한 설비 상에 배치된다. 시스템은 로드(710)와 내부 자석이 함께 내려가기 때문에 로드(710)의 바닥을 보기위한 센서(735)를 가진다. 로드(710)가 시드 결정(140)에 부딪칠 때, 센서(735)는 내부 자석(720)이 챔버 내의 시야로부터 언제 벗어날지 또는 탑 상의 시야로 언제 들어갈지를 감지한다. 상대적인 차이가 있을 때, 시드 결정(140)에 접촉한 결과로서 로드(710)가 느려지는 것이 관찰될 수 있다. 도 7a는 측정하는 동안의 프로브(705)를 도시하고, 프로브 로드(710)는 시드 결정(140)의 탑부분에 닿고 시드 높이(745)의 측정을 허용하고, 이는 프로브(705)의 또다른 엘리먼트에 대한 프로브 로드(710)의 거리와 동일하다.
CHES 노는 파워 또는 온도에 기초하여 결정 성장을 제어하도록 설계된다. 제어 회로는 측정된 값으로 원하는 설정 포인트에 매칭하도록 설계될 수 있다. 온도제어의 경우, 센서가 온도 측정을 위해 사용될 수 있다. 검사 설비(700)의 다양한 실시예의 엘리먼트들을 포함할 수 있는 이러한 센서들은 고온계, 열전대(thermocouple) 등이 될 수 있다. 사파이어 결정 성장을 위한 고온(2040℃를 초과하는)에서, 열전대는 매우 손상되기 쉽고, 신뢰성이 떨어지고, 시간에 따라 부유하여, 그것들은 노에서 온도의 정확한 제어에 편리하게 사용되지 않는다. 고온계는 온도를 측정하기 위해 열 바디로부터의 적외선 신호에 따르고; 그것들은 정확하게 정렬되어야 하고 고온 동작 동안 조망(viewing) 창 상의 침전물에 의해 영향을 받을수 있다. 고온계는 일반적으로, 그들 온도에서의 적외선 신호의 낮은 강도 때문에, 약 800℃ 이하에 민감하지 않다. 파워 제어와 온도 제어 사이에서, 온도 제어는 사파이어의 시딩 및 성장의 고온에서 보다 정밀해진다. 또한, 온도 제어는 사용하는 가열 구역의 열화동안 변화에 덜 민감하다. CHES 노 제어는 저온에서의 파워 제어와 더 고온에서의 온도 제어에 따를 수 있다. 달굼(heat up) 스테이지 동안, 파워 및 온도가 모니터링되고, 미리설계된 온도에서의 파워 제어로부터 온도 제어로 전환하는 제어가 설계된다. 유사하게, 냉각 동안 적절한 온도에서의 온도 제어에서 파워 제어로 제어가 변경된다.
본문에 개시된 다양한 실시예 내에서, 일부 경우에 온도 제어의 정확성과 재현가능성을 개선하기 위해 내부 조정을 구축하는 것이 바람직하다. 도 8은 결정 성장 방법에서 파워 및 온도 제어의 엘리먼트를 자동화하기 위해 외부 검사 설비로서 사용되는 고온계(805)의 뷰의 세트를 도시한다. 실시예에서, 특수하게 설계된 고온계(805)가 본 방법에 사용될 수 있다. 장입 재료(145)가 용융될 때, 고온계(805)는 장입 재료(145)에서의 상당한 소음(crackle)을 검토하고, 장입 재료(145)로서 표면의 방사율 변화를 측정하기 위한 탐색이 고체 위상과 액체 위상 사이의 위상 차이를 만들기 위해 시작된다. 뷰(801)는 용융되지 않은 장입 재료(145)를 도시한다. 뷰(802)는 장입 재료(145)의 부분적인 용해물을 도시한다. 뷰(803)는 오직 다시 용융된 시드 결정(140)의 부분만을 남기고 액체 위상으로 거의 용해가 완료된 장입 재료(145)를 도시한다. 용융하는 동안, 장입 재료(145)의 혼합물의 잠열은 위상 변화때문에 변화될 것이라고 예측된다. 장입 재료(145)와 시드 결정(140)이 가열될 때, 도 9를 참조하면, 온도는 위상 변화 동안 자신의 증가를 늦춘다(그것은 액체 위상에서의 더 상방으로 진행하기 전에 일정 기간동안 상대적으로 일정하다). 액체 위상에 있다면, 프로세스의 관찰자는 온도가 다시 증가하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 온도 곡선의 제 1 도함수가 용융 포인트에서 급등하고, 따라서 관찰자는 그 위상 변화가 언제 발생하고 있는지를 관찰할 수 있다. 그 변화가 충분한 시간에 관찰된다면, 관찰자는 어느 정도의 듀레이션 동안 어느 정도의 파워(가열)가 용융하는 것을 시작하는 것으로부터 시드 결정(140)을 다시 용융시키는 것을 달성는데 까지의 포인트로 주어진 양의 장입 재료(145)를 가져가는지를 나타내는 알고리즘을 개발할 수 있다. 이는 시스템으로 하여금 용융 시작 포인트를 정의할 수 있도록 하고, 이는 그런다음 용융 및 재경화하기 위한 알고리즘을 보간할 수 있도록 한다. 다시 도 8을 참조하면, 고온계(805)는 그것이 어떤것도 닿을 필요없이 용해물의 표면을 지나서 성장하면서 성장된 결정의 방사율 변화를 측정할 수 있다. 고온계는 최종 포인트의 온도를 제공하고, 갭은 실험 및 보간법에 의해 채워진다. 실시예에서, 2개의 고온계(805)가 사용될 수 있다. 제 1 고온계(805)는 챔버의 내부, 특히 장입 재료(145)와 시드 결정 컴포넌트(140)가 있는 챔버의 가열 구역을 검사하기 위해 챔버의 탑부분에 장착될 수 있다. 제 2, 측면 고온계는 챔버의 측면에 장착되고 장입 재료(145)를 포함하고 있는 도가니에 집중될 수 있지만, 시드 결정 컴포넌트(140)를 직접 보는 것을 목적으로 하지 않는다. 따라서, 제 1 고온계(805)는 용융하는 동안 고체에서 액체로의, 그리고 또한 액체로부터 고체로 경화의 끝을 향해 방사율 변화를 검사하는 데에 사용될 수 있다. 가열하는 동안, 고온계(805)는 용융의 제 1 사인을 나타낼 때, 그것은 기울기 변화를 도시한다. 용융이 점점 더 발생하면서, 고온계(805)는 도 9에서 처럼 평평함을 도시한다. 고온계(805)가 완전히 용융된 표면을 나타낼 때, 방사율 데이터는 도 9에 도시된 것처럼 상이한 기울기로 다시 증가를 시작한다. 프로세스의 상이한 포인트에서, 동일한 고온계(805)가 '용융의 시작'과 '경화의 끝'을 검출할 수 있다. 용융의 시작시, 용융되어야 하는 표면 아래에 고체 장입 재료(145)가 있을 수 있고, 시드 컴포넌트(140)는 여전히 균질화 및 결정 성장의 시작 이전에 부분적으로 다시 용융될 필요가 있을 수 있다. 측면 고온계(도 8에 도시되지 않음)는 장입 재료(145)에서가 아닌 도가니를 향해있을 수 있다. 본 구성에서, 측면 고온계는 방사율 변화를 인식(register)하지 않는다. 측면 고온계는 노의 온도제어에 사용될 수 있다. 절대 기준에 따른 고온계는 항상 고 정확도를 가지는 것은 아니지만; 제 1 고온계(805)가 방사율 기울기에서의 최초 변화를 관찰할 때, 장입 재료(145)가 사파이어의 용융점(2040Ｃ)에 있다고 추정될 수 있다. 이는 프로세스의 그 포인트에서 2040C 보다 높거나 낮은 것을 판독한다면, 챔버의 가열 구역에서의 보다 정확한 온도 측정치를 얻기위해 프로세스 전체에 걸쳐 팩터가 자신의 판독에서 가감될 수 있도록 측면 고온계의 조정을 허용한다. 제 1 고온계(805))가 액체가 사라질때 방사율 변화를 관찰하는, 경화의 종료시에 유사한 접근 방식이 사용될 수 있다. CHES 프로세스의 실행기간 동안, 주어진 크기의 결정을 경화하는데에 얼마나 오래 걸리는가에 관한 데이터를 생성할 수 있다. 이러한 데이터는 결정 성장 프로세스의 자동화된 부분으로 사용될 수 있다. 장입 재료(145)에 영향을 주는 챔버의 가열 구역을 조사하기 위해 고온계(805)에 대해 창(810)이 사용될 수 있다. 장입 재료(145)의 용융동안, 입력된 열이 주로 용해물의 잠열에 사용된다. 대부분의 장입 재료(145)가 용융된 후에, 입력된 열은 장입 재료(145)의 온도를 증가시키기 위한 것이다. CHES 노 제어는 용융 시작의 관찰(장입 재료(145)의 표면을 관찰하는 고온계(805)에 의해)까지 빠른 속도로 장입 재료(145)를 가열시키고, 그런다음 입력된 열은 '용융의 종료'가 고온계(805)로부터의 신호에 의해 결정될 때까지 감소된다(이는 동일한 고온계(805) 또는 다른 실시예에서는 또다른 고온계가 될 수 있다). 그런 다음, 소프트웨어-기반 제어 시스템(740) 하에서와 같은, 다른 제어를 전제로 하여, 최적의 시딩 조건을 달성한 후에, 성장이 시작될 수 있다. 정확한 제어된 고체 및 액체 온도 구배 및 성장 인터페이스가 바람직하게는 의사 핵형성을 방지하기 위해 유지된다. 고온계(805)에 의해 감지된 용융 시작과 유사하게, 고체 사파이어 결정이 성장 동안 표면을 깨뜨릴 때(break), 고온계(805)에 의해 관찰되는 방사율 변화가 내부 조정으로서 성장의 종료를 신호로 알리기 위해 제어 기기 사용에 의해 이용된다.
고온계는 민감한 기기이고, 타겟 상의 물체에 집중하는 것이 바람직하다. 고온계(805)가 창을 청소하기 위해 노로부터 제거된다면, 고온계(805)는 각각의 성장 실시에 대해 정렬/조정/집중되어야 한다. 그러나, 고온계(805)를 방해하지 않고서 창이 청소될 수 있도록 창이 장착된다면, 더 많은 정확도가 더 작은 작업을 가지고 얻어질 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 이러한 고온계(805)는 창(810)이 고온계(805)를 이동 또는 제거하지 않고서 청소될 수 있도록 장착될 수 있다.
도 10을 참조하면, 창 공기배기 설계가 고온계(805)와 연결하여 사용되도록 도시된다. 시드 결정(140)을 검사하기 위해 고온계(805)를 사용하는 것과 연결하여, 챔버의 가열 구역에 대한 검사 창(810)을 차단하는 탈가스(out-gassing)가 발생할 수 있다. 관찰자가 무엇이 발생하는지 판독하도록 창(810)을 통해 조사할 때, 챔버의 가열 구역으로부터 창(810) 상의 침전물이 챔버의 가열구역 외부에서의 잘못된 판독을 가져올 수 있다. 탈가스의 영향을 감소시키기 위해, 튜브(1005)가 챔버의 가열구역 내의 창(810)으로부터 뻗어있어서, 아르곤과 같은 불활성 가스가 고온계(805)에 사용되는 창 또는 챔버의 가열 구역을 검사하기 위한 기타 감지 디바이스 상의 침전물을 방지하기 위해 흐를 수 있는 영역(815)을 정의한다. 튜브(1005)의 길이가 연장될 때, 창(810) 상의 침전물은 감소될 수 있다. 불활성 가스의 흐름의 압력이 증가될 때, 창(810) 상의 침전물은 더 적게된다. 튜브(1005) 또는 유사한 설비가 에어 커튼과 조금 유사한 로컬 환경을 생성하고, 소량의 불활성 가스 흐름으로 로컬라이징된 위치에 압력을 가한다. 고온계(805)로부터의 튜브(1005) 확장은 또한 소량의 증기가 창(810) 상에 도달하지 않도록 뷰포트 창(810)이 아닌 튜브상에 증기가 침전하도록 한다. 고온계(805)를 이동시키지 않고서 창이 청소될 수 있도록 창(810)이 고온계(805)와 별개로 장착된다는 것에 유의하라. 창(810)을 청소할지 여부를 결정하기 위해 창에서 얼마나 많은 착색 변화가 발생했는지 또는 창 상의 침전물이 얼마나 많은지를 검출하는 방식이 창(810)에 연관되어 있을 수 있다. 창(810) 상의 센서는 언제 창(810)이 더러운지 그리고 시스템이 창(810)을 통해 양질의 판독을 허용하지 않는지를 알려주기 위해, 소프트웨어로 되어있는 것과 같은 차트와 비교한다. 센서는 창(810)의 클리어니스, 침전물 밀도 등을 검출한다. 렌즈의 선명도를 측정하기 위해, 외부로부터 무엇이 발생했는지 그리고 무엇이 변하고 있는지를 볼 수 있다. 예를 들면, 타겟은 챔버의 가열 구역의 배면 상과 같은 챔버의 가열 구역 내부에 배치될 수 있다. 목적은 침전물을 가지지 않는 것이고(튜브(1005)와 가스 흐름을 이용하는 등에 의해), 또는 침전물이 있다면, 창(810)을 통해 타겟이 어떻게 보이는지 변화를 봄으로써 그것을 관찰한다.
CHES 구성에서, 도가니(150)는 가열 구역으로 돌출해있는 시드 냉각 컴포넌트(120) 상에 배치된다. 도가니(150)와 시드 냉각 컴포넌트(120)는 모두 텅스텐과 같은 내열성 금속으로 만들어진다. 연장된 기간 동안 그리고 로드 하에서의 사파이어 결정 성장의 고온에서 도가니(150)와 시드 냉각 컴포넌트(120)는 함께 용융될 수 있다. 이는 시드 냉각 컴포넌트(120) 및/또는 도가니(150)의 파손을 가져올 수 있다. 도 11을 참조하면, 시드 냉각 컴포넌트(120)와 도가니(150) 사이의 플레이트(1105)가 예시된다. 플레이트(1105)는 시드 냉각 컴포넌트(120)와 도가니(150)의 용해를 방지하는 것을 목적으로 한다. 사파이어 결정 성장 시스템의 특정한 바람직한 실시예에서, 시드 냉각 컴포넌트(120)와 도가니(150) 모두는 텅스텐으로 만들어진다. 그 결과, 시드 냉각 컴포넌트(120)와 도가니(150)는 장입 재료(145)의 가열 동안과 같은 때에 매우 고온에서 열 및 질량 전달 모두를 가질 수 있다. 일부 상황에서 시드 냉각 컴포넌트(120)와 도가니(150) 사이에서의 플레이트(1105)와 같은 절연된 고온의 상이한 재료층을 가지는 것이 바람직할 수 있고, 이의 하나의 실시예는 시드 냉각 컴포넌트(120)와 도가니(150) 사이에서 "워셔"로서 동작하는, 몰리브덴과 같은 재료의 박막층 또는 디스크가 될 수 있다. 시드 냉각 컴포넌트(120)와 도가니(150) 사이에 얇은 몰리브덴 디스크를 사용하는 것이 용해를 최소화하는 데에 있어서 개선을 이루었다. 또다른 접근 방식은 알루미나, 이트리아, 지르코니아, 이트리아 안정화 지르코니아와 같은 내열성 산화물로 몰리브덴 디스크를 코팅하는 것이고, 이는 또한 용해를 방지할 수 있다.
내열성 금속 도가니가 사파이어 결정 성장에 이용된다. 이들 도가니를 형성하는 방법 중 하나는 고온에서 회전가공하는 것이다. 이러한 프로세스로 바람직한 형상은 원통형 형상이다. 또다른 접근 방식은 최종 디멘션에 대한 기계가공이 후속되는 가압 및 소결이다. 이러한 프로세스는 자신을 장방형 및 정방형을 포함하는 보다 변형된 형상에 알맞게 한다. CHES 접근방식에서, 결정은 사파이어의 c-축과 정렬된 성장 축으로 성장된다. 그러나, 완성된 웨이퍼는 추가적인 처리 동안 인덱싱하기 위한 a-축 편평부를 가진 원형 c-축 웨이퍼로서 규정된다. 정방형 또는 장방형 도가니(150)를 이용하여, 시드 결정(140)은 자신의 a-축이 도가니(150)의 편평한 측면 중 하나에 직교하도록 배치될 수 있다. 결정 성장 후에, a-축은 불의 추가적인 처리를 위해 용이하게 식별될 수 있다.
종래 결정 성장 프로세스는 원형 도가니에서의 원통형 a-축 또는 m-축 사파이어 불을 성장시키고, 그런다음 c-축 코어를 산출하기 위해 성장축에 대해 직교하는 코어를 성장시킨다. 원형, 원통형 불에 대해, 거의 원형이 코어를 산출하면, 이는 코어의 양 끝단에서 실질적인 손실을 가져온다. 코어의 요구 사항이 더 큰 직경에 대해 진행될 때, 이러한 손실이 증가한다. 불의 성장 이전의 시드 결정(140)이 원하는 코어 축이 정방형 또는 장방형 도가니(150)의 측면중 하나에 직교하도록 지향된다면, 코어의 단부에서의 이러한 재료의 손실은 최소화될 것이다. 이러한 접근 방식의 기타 이점은 (ⅰ) 불이 성장된 후에 코어링 방향 식별이 용이하고, 및 (ⅱ) 큰 규모의 생산시 핸들링과 자동화를 용이하게 하기 위해 동일한 길이의 코어가 있다는 것이다. 현저한 이점을 가질지라도, c-축 성장은 결정의 구조 때문에 어려운 일이다. 대안의 실시예에서, 본문에 기술된 방법 및 시스템이 a-축 결정 성장에 사용될 수 있다. 도 12는 결정 성장 시스템에서 도가니(150)에 대한 대안의 형성을 예시한다. 도 12에 도시된 바와 같이, a-축 상에서 정방형 결정을 성장시킨다면, c-축이 도가니의 편평한 측면에 직교하도록 시드가 방향을 가지면서, 재료로부터의 코너를 잃지않고서 그 결과인 사파이어 불의 측면으로부터 c-축을 코어링할 수 있다. 이는 더 빠른 사이클 시간(a-축 프로세스는 일부 경우에 더 빠를 수 있다)과 도가니(150)에 대한 원통형 형상에 상대적으로 개선된 수율을 더한 잠재적 이점을 가진다. 또한 이러한 프로세스는 결정 성장시 c-축의 용이한 식별을 제공한다. 따라서, 특정한 실시예에서, 장방형 고체 형상인 도가니를 이용하는 것과 같은, 원형이 아닌 도가니(1205)를 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 본문에 개시된 실시예에서 이용되는, 이러한 도가니가 a-축 결정을 성장시키고, 결정 성장과 그 결과인 불의 코어링 모두를 완전히 자동화하는 데에 사용될 수 있고, 현재 사파이어 결정 성장 프로세스에 내재된 불확정성을 제거할 수 있다. 도 13은 원형이 아닌 도가니 형상을 이용하여 재료가 절감되는 것을 도시한다. 둥글지 않은 도가니로 만들어진 불의 뷰(1305)는 상대적으로 거의 재료 손실없이 원통형 코어가 장방형 고체 불로부터 얻어질수 있다는 것을 도시하는 반면, 원통형, 원형 도가니로 만들어진 원통형 불의 뷰(1310)는 원통형 코어를 산출하기 위해 현저한 양의 재료의 희생을 요구한다. 대안의 실시예에서, 둥글지 않은 도가니가 c-축 성장에 사용될 수 있고, 시드 결정은 도가니의 편평한 측면에 직교하는 a-축 성장을 돕도록 방향을 이룰 수 있다. 이는 a-축 위치가 결정 성장에서 용이하게 식별가능하게 하고 a-축을 나타내기 위해 현재 c-축 사파이어 웨이퍼에서 사용되는 편평한 엘리먼트에 대한 요구를 잠재적으로 제거할 것이다.(편평한 엘리먼트는 일반적으로 현재 웨이퍼에서 a-축에 대해 직교한다)
도 14는 CHES 노(100A)를 포함하는, 본문에 개시된 바와 같은 특정한 방법 및 시스템의 논리 뷰를 제공하고, 기능적 컴포넌트는 하우징(105), 챔버(하우징 부분(110 및 115)에 의해 형성됨), 시드 냉각 수용 영역(210), 검사 설비(700), 시드 냉각 컴포넌트(120), 가열 엘리먼트(125), 절연 엘리먼트(125), 그래디언트 제어 디바이스(135), 및 도가니(150)를 포함한다. 따라서, 하나의 바람직한 실시예를 도시하면서, 도 1a의 구조도가 사파이어 결정 성장과 같은 결정 성장에 CHES 노(100A)가 적합하도록하는 논리 엘리먼트를 포함하는 다양한 구성 중 하나일 뿐이라는 것을 이해해야한다. 상이한 챔버 및 도가니 형상(도 12와 연결하여 기술된 둥글지 않은 도가니와 같은), 상이한 검사 시스템(700)(내부, 기계적 시스템, 센서 또는 외부 시스템과 같은), 다양한 자동화 또는 제어 시스템(740)(자동 프로브, 고온계-기반 프로세스, 알고리즘-기반 가열 및 냉각, 안전 피처, 보안 피처 등에 대한), 가열 실드 및 열전달 엘리먼트의 다양한 구성과 같은 것을 포함하는, 대안의 실시예가 도시되고, 본문에 포함되도록 의도될 수 있다. 또한, LEDs, 실리콘-온-사파이어 웨이퍼용 기판, 또는 사파이어 창과 같은 다양한 애플리케이션(1415)을 위한 크기, 형상, 및 결정 방향에 적합한 결정의 코어(예를 들면, 사파이어 코어)를 산출하기 위한 시스템과 같은, CHES 노(104A)의 출력인 사파이어 불을 처리하기 위한 처리 시스템(1410) 뿐 아니라, 사파이어 결정 성장을 위한 알루미나 클랙클과 같은 장입 재료(145)를 생성하기 위한 입력 시스템(1405)의 엘리먼트들이 도 14에 도시된다.
상기 설명이 c-축을 따라서 있는 단결정 성장을 참조하여 이루어졌지만, 본문에 기술된 방법 및 시스템은 a-축, r-축, 또는 m-축과 같은 다른 축을 따라서 단결정을 성장 시키기 위해 구현될 수 있다. 다양한 실시예에서, 도면으로 기술된 방법 및 시스템은 특징들의 조합을 이용하여 결함 및 거품이 적으면서 고수율 c-축 결정을 성장시킬 수 있다. 특징들의 조합은 30-75% 시드 결정 냉각, 10-30% 용융 냉각, 10-30% 도가니 감소, 및 10-30% 온도 구배 제어의 범위이다. 상술한 CHES 시스템 및 프로세스는 c-축 성장 프로세스때문에 c-절단 웨이퍼의 제조동안 고수율을 가져온다. 이는 실질적으로 높은 구조적 완벽함을 유지하면서 웨이퍼 비용을 감소시키도록 한다. 상술한 CHES는 또한 광학 및 반도체 애플리케이션에서 기타 유형의 다수의 결정 성장에 사용될 수 있다.
본문에 기술된 방법 및 시스템, 특히 제어 시스템(740)에 대해 기술된 다양한 자동화 및 제어 기능을 수행하는 방법 및 시스템은 컴퓨터 소프트웨어, 프로그램 코드, 및/또는 프로세서에 대한 명령어를 실행시키는 머신을 통해 부분적으로 또는 전체적으로 적절하게 사용될 수 있다. 프로세서는 서버, 클라이언트, 네트워크 설비, 모바일 컴퓨팅 플랫폼, 고정된 컴퓨팅 플랫폼, 또는 기타 컴퓨팅 플랫폼의 일부가 될 수 있다. 프로세서는 프로그램 명령어, 코드, 바이너리 명령어 등을 실행시킬 수 있는 임의의 종류의 컴퓨터 또는 처리 디바이스가 될 수 있다. 프로세서는 신호 프로세서, 디지털 프로세서, 임베디드 프로세서, 마이크로 프로세서 또는 그 안에 저장된 프로그램 코드 또는 프로그램 명령어의 실행을 직접 또는 간접적으로 보조하는 보조 프로세서(수학 보조프로세서, 그래픽 보조프로세서, 통신 보조 프로세서등)와 같은 임의의 변형이거나 그를 포함할 수 있다. 추가로, 프로세서는 다수 프로그램, 스레드 및 코드를 실행시킬 수 있다. 스레드는 프로세서의 성능을 확장시키고 애플리케이션의 동시작업을 보조하기 위해 동시에 실행될 수 있다. 구현에 의해, 본문에 기술된 방법, 프로그램 코드, 프로그램 명령어 등이 하나 이상의 스레드로 실시될 수 있다. 스레드는 그에 연관된 속성들을 할당한 다른 스레드를 스푸닝(spawn)할 수 있고; 프로세서는 속성에 기초하여 이들 스레드를 실행하거나 또는 프로그램 코드로 제공된 명령어에 기초하여 기타 오더를 실행할 수 있다. 프로세서는 본문 등에서 기술된 방법, 코드, 명령어 및 프로그램을 저장한 메모리를 포함할 수 있다. 프로세서는 본문 등에서 기술된 바와 같이 인터페이스를 통해 방법, 코드, 및 명령어를 저장할 수 있는 저장 매체에 액세스할 수 있다. 컴퓨팅 또는 처리 디바이스에 의해 실행될 수 있는 방법, 프로그램, 코드, 프로그램 명령어 또는 기타 유형의 명령어를 저장하기 위한 프로세서에 연관된 저장 매체는 CD-ROM, DVD, 메모리, 하드 디스크, 플래시 드라이브, RAM, ROM, 캐쉬 등 중에 하나 이상을 포함하지만, 그에 한정되는 것은 아니다.
프로세서는 멀티프로세서의 속도와 성능을 개선시킬 수 있는 하나 이상의 코어를 포함할 수 있다. 실시예에서, 프로세서는 듀얼 코어 프로세서, 쿼드 코어 프로세서, 2 개 이상의 독립적인 코어를 결합시킨 기타 칩-레벨 멀티프로세서 등이 될 수 있다.
본문에 기술된 방법 및 시스템은 서버, 클라이언트, 방화벽, 게이트웨이, 허브, 라우터, 또는 기타 이러한 컴퓨터 및/또는 네트워킹 하드웨어 상의 컴퓨터 소프트웨어를 실행시키는 머신을 통해 부분적으로 또는 전체적으로 적절하게 사용될 수 있다. 소프트웨어 프로그램은 파일 서버, 프린트 서버, 도메인 서버, 인터넷 서버, 인트라넷 서버, 및 제 2 서버, 호스트 서버, 분산 서버 등과 같은 기타 변형을 포함할 수 있는 서버에 연관될 수 있다. 서버는 메모리, 프로세서, 컴퓨터 판독가능 매체, 저장 매체, 포트(물리적 및 가상), 통신 디바이스, 유선 또는 무선 매체를 통해 다른 서버, 클라이언트, 머신 및 디바이스에 액세스할 수 있는 인터페이스 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본문 등에 기술된 방법, 프로그램, 코드는 서버에 의해 실행될 수 있다. 추가로, 본 애플리케이션에 기술되는 방법의 실행에 요구되는 기타 디바이스는 서버에 연관된 설비의 일부로서 간주될 수 있다.
서버는 클라이언트, 기타 서버, 프린터, 데이터베이스 서버, 프린트서버, 파일 서버, 통신 서버, 분산 서버 등을 포함하는(그에 한정되는 것은 아님) 기타 디바이스에 대한 인터페이스를 제공할 수 있다. 추가로, 이러한 결합 및/또는 연결은 네트워크 전체에서의 프로그램의 원격 실행을 보조한다. 이들 디바이스의 일부 또는 모두의 네트워킹은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 하나 이상의 위치에서의 프로그램 또는 방법의 병렬 처리를 도울수 있다. 추가로, 인터페이스를 통해 서버에 부착된 임의의 디바이스는 방법, 프로그램, 코드 및/또는 명령어를 저장할 수 있는 적어도 하나의 저장 매체를 포함할 수 있다. 중앙 리포지토리는 상이한 디바이스 상에서 실행될 프로그램 명령어를 제공할 수 있다. 본 구현에서, 원격 리포지토리는 프로그램 코드, 명령어, 및 프로그램을 위한 저장 매체로서 기능할 수 있다.
소프트웨어 프로그램은 파일 클라이언트, 프린트 클라이언트, 도메인 클라이언트, 인터넷 클라이언트, 인트라넷 클라이언트 및 제 2 클라이언트, 호스트 클라이언트, 분산 클라이언트 등과 같은 기타 변형을 포함할 수 있는 클라이언트에 연관될 수 있다. 클라이언트는 메모리, 프로세서, 컴퓨터 판독가능 매체, 저장 매체, 포트(물리적 및 가상), 통신 디바이스, 유선 또는 무선 매체를 통해 다른 서버, 클라이언트, 머신 및 디바이스에 액세스할 수 있는 인터페이스 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본문 등에 기술된 방법, 프로그램, 코드는 클라이언트에 의해 실행될 수 있다. 추가로, 본 애플리케이션에 기술되는 방법의 실행에 요구되는 기타 디바이스는 클라이언트에 연관된 설비의 일부로서 간주될 수 있다.
클라이언트는 서버, 기타 클라이언트, 프린터, 데이터베이스 서버, 프린트 서버, 파일 서버, 통신 서버, 분산 서버 등을 포함하는(그에 한정되는 것은 아님) 기타 디바이스에 대한 인터페이스를 제공할 수 있다. 추가로, 이러한 결합 및/또는 연결은 네트워크 전체에서의 프로그램의 원격 실행을 보조한다. 이들 디바이스의 일부 또는 모두의 네트워킹은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고서 하나 이상의 위치에서의 프로그램 또는 방법의 병렬 처리를 도울수 있다. 추가로, 인터페이스를 통해 클라이언트에 부착된 임의의 디바이스는 방법, 프로그램, 애플리케이션, 코드 및/또는 명령어를 저장할 수 있는 적어도 하나의 저장 매체를 포함할 수 있다. 중앙 리포지토리는 상이한 디바이스 상에서 실행될 프로그램 명령어를 제공할 수 있다. 본 구현에서, 원격 리포지토리는 프로그램 코드, 명령어, 및 프로그램을 위한 저장 매체로서 기능할 수 있다.
본문에 기술된 방법 및 시스템은 네트워크 설비를 통해 부분적으로 또는 전체적으로 적절하게 사용될 수 있다. 네트워크 설비는 컴퓨팅 디바이스, 서버, 라우터, 허브, 방화벽, 클라이언트, 개인용 컴퓨터, 통신 디바이스, 라우팅 디바이스 및 기타 액티브 및 패시브 디바이스, 종래 기술에 공지된 모듈 및/또는 컴포넌트와 같은 엘리먼트를 포함할 수 있다. 네트워크 설비에 연관된 컴퓨팅 및/또는 비컴퓨팅 디바이스(들)은, 다른 컴포넌트들과는 별개인, 플래시 메모리, 버퍼, 스택, RAM, ROM 등과 같은 저장 매체를 포함할 수 있다. 본문등에 기술된 프로세스, 방법, 프로그램 코드, 명령어는 네트워크 설비 엘리먼트 중 하나 이상에 의해 실행될 수 있다.
본문등에 기술된 방법, 프로그램 코드, 및 명령어는 다수 셀을 가진 셀룰러 네트워크 상에서 구현될 수 있다. 셀룰러 네트워크는 주파수 분할 다중 액세스(FDMA)네트워크 또는 코드 분할 다중 액세스(CDMA) 네트워크 중 어느 하나가 될 수 있다. 셀룰러 네트워크는 모바일 디바이스, 셀 사이트, 기지국, 중계기(repeater), 안테나, 타워 등을 포함할 수 있다. 셀 네트워크는 GSM, GPRS, 3G, EVDO, 메쉬 또는 기타 네트워크 유형이 될 수 있다.
본문 등에 기술된 방법, 프로그램 코드, 및 명령어는 모바일 디바이스 상에서 또는 그를 통해 구현될 수 있다. 모바일 디바이스는 내비게이션 디바이스, 휴대폰, 모바일 폰, 모바일 PDA, 랩탑, 팜탑, 넷북, 페이저, 전자북 리더, 음악 플레이어 등을 포함할 수 있다. 이러한 디바이스들은, 다른 컴포넌트들과는 별개인, 플래시 메모리, 버퍼, RAM, ROM 등과 같은 저장 매체와 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 모바일 디바이스에 연관된 컴퓨팅 디바이스는 그에 저장된 프로그램 코드, 방법, 및 명령어를 실행하도록 이네이블될 수 있다. 대안으로, 모바일 디바이스는 다른 디바이스와의 공동작업시 명령어들을 실행하도록 구성될 수 있다. 모바일 디바이스는 서버와 인터페이싱되고 프로그램 코드를 실행하도록 구성된 기지국과 통신할 수 있다. 모바일 디바이스는 피어 투 피어 네트워크, 메쉬 네트워크 또는 기타 통신 네트워크에 통신할 수 있다. 프로그램 코드는 서버에 연관되고 서버 내에 내장된 컴퓨팅 디바이스에 의해 실행되는 저장 매체 상에 저장될 수 있다. 기지국은 컴퓨팅 디바이스와 저장 매체를 포함할 수 있다. 저장 디바이스는 기지국과 연관된 컴퓨팅 디바이스에 의해 실행되는 프로그램 코드와 명령어를 저장할 수 있다.
컴퓨터 소프트웨어, 프로그램 코드, 및/또는 명령어가 기계 판독가능한 매체 상에 저장 및/또는 액세스 될수 있고, 이는: 컴퓨터 컴포넌트, 디바이스 및 일부 시간 기간 동안 컴퓨팅을 위해 이용되는 디지털 데이터를 유지하는 기록 매체; 랜덤 액세스 메모리(RAM)로 알려진 반도체 스토리지; 광학 디스크, 하드 디스크, 테이프, 드럼, 카드 및 기타 유형과 같은 자기 스토리지 형태와 같은 일반적으로 보다 영구적인 저장을 위한 대용량 스토리지; 프로세서 레지스터, 캐쉬 메모리, 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리; CD, DVD와 같은 광학 스토리지; 플래시 메모리(예를 들면 USB 스틱 또는 키와 같은), 플로피 디스크, 자기 테이프, 종이 테이프, 천공 카드, 스탠드어론 RAM 디스크, ZIP 드라이브, 착탈가능한 대용량 스토리지, 오프 라인 등과 같은 착탈가능한 매체; 동적 메모리, 정적 메모리, 판독/기록 스토리지, 가변 스토리지(mutable storage), 판독 전용, 랜덤 액세스, 시퀀셜 액세스, 어드레싱가능한 로케이션, 어드레싱가능한 파일, 어드레싱가능한 컨텐츠, 네트워크 부착 스토리지, 스토리지 영역 네트워크, 바코드, 자기 잉크등과 같은 기타 컴퓨터 메모리;를 포함할 수 있다.
본문에 기술된 방법 및 시스템은 하나의 상태에서 또다른 상태로 물리적 및/또는 무형의 아이템을 전송할 수 있다. 본문에 기술된 방법 및 시스템은 또한 하나의 상태에서 또다른 상태로 물리적 및/또는 무형의 아이템을 나타내는 데이터를 전송할 수 있다.
도면 전체에서의 플로우 차트와 블록도를 포함하는 본문에 기술되고 도시된 엘리먼트는 엘리먼트들 사이에서의 논리적 바운드리를 나타낸다. 그러나, 소프트웨어 또는 하드웨어 공학의 실제에 따라, 도시된 엘리먼트 및 그의 기능은 모놀리식 소프트웨어 구조로서, 스탠드어론 소프트웨어 모듈로서, 또는 외부 루틴, 코드, 서비스 등을 차용하는 모듈 또는 그의 임의의 조합으로서 그에 저장된 프로그램 명령어를 실행할 수 있는 프로세서를 가지는 컴퓨터 실행가능한 매체를 통해 머신 상에서 구현될 수 있고, 이러한 모든 구현은 본 발명의 범위 내에 있다. 이러한 머신의 예로는 PDA, 랩탑, 개인용 컴퓨터, 모바일 폰, 기타 휴대용 컴퓨팅 디바이스, 의료 기기, 무선 또는 유선 통신 디바이스, 트랜스듀서, 팁, 계산기, 위성, 태블릿 PC, 전자책, 가젯, 전자 디바이스, 인공지능을 가진 디바이스, 컴퓨팅 디바이스, 네트워킹 설비, 서버, 라우터 등을 포함할 수 있지만 그에 한정되는 것은 아니다. 추가로, 플로우 차트 및 블록도 또는 기타 논리 컴포넌트로 도시된 엘리먼트는 프로그램 명령어를 실행할 수 있는 머신 상에서 구현될 수 있다. 따라서, 상기 도면 및 설명이 개시된 시스템의 기능적 측면들을 설명하지만, 명시적으로 기술되거나 또는 문맥으로부터 명시적으로 드러나지 않는다면, 이들 기능적 측면들을 구현하기 위한 소프트웨어의 특정한 배치는 이러한 설명으로부터 추론되지 말아야 한다. 유사하게, 상기 식별되고 기술된 다양한 단계들이 변경될 수 있고, 단계들의 순서는 본문에 개시된 기술들의 특정한 애플리케이션들에 대해 조정될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 모든 변형 및 변경은 본 개시물의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 그에 따라, 다양한 단계들에 대한 순서의 도시 및/또는 설명은 특정한 애플리케이션에 의해 요구되거나, 또는 명시적으로 기술되거나 또는 문맥으로부터 명확하게 되지 않는다면 이들 단계에 대해 특정한 실행 순서를 요구하지 말아야 한다는 것이 이해될 것이다.
상술한 방법 및/또는 프로세스, 및 그의 단계들은 특정한 애플리케이션에 적합한 하드웨어, 소프트웨어, 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 임의의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어는 범용 컴퓨터 및/또는 전용 컴퓨팅 디바이스, 또는 특정한 컴퓨팅 디바이스, 또는 특정한 컴퓨팅 디바이스의 특정한 측면 또는 컴포넌트를 포함할 수 있다. 프로세스는, 내부 및/또는 외부 메모리와 함께, 하나 이상의 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 내장된 마이크로컨트롤러, 프로그래밍가능한 디지털 신호 처리기 또는 기타 프로그래밍가능한 디바이스로 구현될 수 있다. 프로세스는 또한, 또는 대신에, 주문형 반도체(ASIC), 프로그래밍가능한 게이트 어레이, 프로그래밍가능한 어레이 로직, 또는 전자 신호를 처리하도록 구성될 수 있는 기타 디바이스 또는 디바이스의 조합으로 구현될 수 있다. 하나 이상의 프로세스가 기계 판독가능한 매체 상에서 실행될 수 있는 컴퓨터 실행가능한 코드로서 구현될 수 있다는 것이 더 이해될 것이다.
컴퓨터 실행가능 코드는 C와 같은 구조화된 프로그래밍 언어, C++과 같은 객체지향 프로그래밍 언어, 또는 프로세서, 프로세서 아키텍처, 또는 상이한 하드웨어 및 소프트웨어의 조합, 또는 프로그램 명령어를 실행할 수 있는 기타 머신의 이기종 조합 뿐 아니라, 상기 디바이스 중 하나 상에서 저장, 컴파일 또는 번역될 수 있는 기타 고-레벨 또는 저-레벨 프로그래밍 언어(어셈블리 언어, 하드웨어 설명 언어 및 데이터베이스 프로그래밍 언어 및 기술을 포함하는)를 이용하여 생성될 수 있다.
따라서, 하나의 측면에서, 상술한 각각의 방법과 그의 조합은 하나 이상의 컴퓨팅 디바이스 상에서 실행할 때 그의 단계들을 수행하는 컴퓨터 실행가능한 코드로 구현될 수 있다. 또다른 측면에서, 상기 방법들은 그의 단계들을 수행하는 시스템에서 구현될 수 있고, 다수의 방식으로 디바이스를 가로질러 분산될 수 있고, 모든 기능이 전용, 스탠드어론 디바이스 또는 기타 하드웨어에 집적될 수 있다. 또다른 측면에서, 상술한 프로세스에 연관된 단계들을 수행하는 수단은 상술한 임의의 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 이러한 퍼뮤테이션 및 조합 모두는 본 개시물의 범위 내에 있도록 의도된다.
본 실시예가 특정한 예시적인 실시예를 참조하여 기술되었지만, 다양한 변형과 변경이 다양한 실시예들의 폭 넓은 취지와 범위를 벗어나지 않고서 이들 실시예들에 대해 이루어질 수 있다는 것이 명확할 것이다. 추가로, 본문에 개시된 다양한 동작, 프로세스 및 방법들은 임의의 순서로 수행될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 명세서와 도면은 한정의 의미가 아니라 예시의 의미로서 간주되어야 한다.
Claims (50)
- 사파이어 단결정의 성장을 관찰 및 제어하는 방법으로서,
중공의 시드 냉각 컴포넌트를 통하여, 도가니의 바닥의 중심 부분만 지지하고 상기 바닥의 나머지는 지지하지 않는 단계;
사파이어 시드 결정을 상기 도가니의 바닥 상의 중심에 두는 단계;
사파이어 원재료를 상기 도가니 내에 로딩하고, 도가니의 나머지 바닥 부분은 냉각하지 않고 사파이어 시드 결정을 지지하는 상기 중공의 시드 냉각 컴포넌트를 통하여 도가니의 중심 바닥 부분만을 냉각하면서, 도가니를 적어도 2,040℃의 온도까지 가열하는 단계;
상기 사파이어 원재료와 상기 사파이어 시드 결정을 가열하는 동안, 사파이어 원재료를 관찰하기 위해 고온계를 이용하는 단계;
상기 사파이어 원재료의 온도를 여하의 열전대(thermocouple)와는 독립적으로 상기 고온계로 모니터링하는 단계;
상기 고온계로 측정되는 사파이어 원재료의 방사율 변화에 기초하여, 사파이어 원재료의 초기 용융을 관찰하는 단계;
상기 고온계로 측정되는 상기 관찰된 사파이어 원재료의 초기 용융에 기초하여, 상기 사파이어 원재료 전부를 완전히 용융하고 사파이어 시드 결정의 일부분만을 용융하데 필요한 추가적인 열의 양을 결정하는 단계; 및
사파이어 원재료 전부를 완전히 용융시키고 사파이어 시드 결정의 일부분만을 용융시키도록 상기 추가적인 열의 양을 가하는 단계를 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 사파이어 원재료에 관한 추가적인 정보를 얻기 위해 제2의 고온계를 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 복수의 관찰들을 반복하고, 상기 복수의 관찰들을 이용하여 상기 사파이어 원재료를 완전히 용융하고 사파이어 시드 결정의 일부분을 용융하는데 필요한 가열 시간을 예측하는 가열 알고리즘을 개발하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상 변화의 포인트를 결정하기 위해 상기 사파이어 원재료의 온도 곡선의 제1 도함수를 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 사파이어 원재료의 결정 성장 관찰을 용이하게 하기 위해, 사파이어 결정 성장 노의 창에 근접하여 상기 고온계를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 고온계를 이동시키지 않고서 상기 창이 청소될 수 있도록, 상기 고온계를 배치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 고온계의 교정을 용이하게 하기 위한 교정으로서, 상기 사파이어 원재료의 상 변화를 이용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 사파이어 결정 성장 노에서 c-축 결정 성장 프로세스를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 프로세스를 수행하기 위하여 제어된 열 추출 프로세스를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항에 있어서, 고온계로부터의 측정값에 기초하여, 온도가 상승하는 동안 제어된 열 추출 사파이어 결정 성장 프로세스에서 파워 제어로부터 온도 제어로 전환하고, 온도가 하강하는 동안 온도 제어로부터 파워 제어로 재전환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 10 항에 있어서, 결정 성장 프로세스로서 c-축 결정 성장 프로세스를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 11 항에 있어서, 제어된 열 추출 프로세스를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 방법.
- 제 1 항에 있어서, 사파이어 결정 성장 노에서 사파이어 결정 성장 관찰을 용이하게 하기 위하여 창을 제공하는 단계; 및
사파이어 결정이 성장하는 동안 사파이어 성장 창 상에 침전물을 감소시키기 위한 공기배기 설비를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제 13 항에 있어서, 상기 창을 향하는 탈기체된 입자 흐름을 감소시키기 위하여, 창의 내부 측면에 인접하여 기체의 흐름을 제공하는 상기 공기배기 설비를 배열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 불활성 기체를 상기 기체로 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 15 항에 있어서, 아르곤 기체를 상기 불활성 기체로 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 기체의 흐름을 공급하여 창에 인접하게 압력 커튼을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 창의 변색을 검출하기 위한 설비를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 18 항에 있어서, 노 내의 목표물 중의 적어도 하나의 명백한 변색, 창 상의 침전물의 양 또는 창의 청결한 정도를 검출하기 위한 센서와 함께, 변색 검출을 위한 설비를 제공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 사파이어 결정 성장 노에서 c-축 사파이어 결정 성장 프로세스를 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 20 항에 있어서, 제어된 열 추출 프로세스를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 사파이어 단결정의 성장을 관찰 및 제어하는 방법으로서,
중공의 시드 냉각 컴포넌트를 통하여, 도가니의 바닥의 중심 부분만 지지하고 상기 바닥의 나머지는 지지하지 않는 단계;
도가니의 나머지 바닥 부분은 냉각하지 않고, 사파이어 시드 결정을 지지하는 상기 중공의 시드 냉각 컴포넌트를 통하여 도가니의 중심 바닥 부분만을 냉각하면서, 도가니를 적어도 2,040℃의 온도로 가열하는 단계;
상기 사파이어 원재료와 사파이어 시드 결정을 가열하는 동안, 사파이어 원재료를 관찰하기 위해 고온계를 단독으로 이용하는 단계;
상기 고온계로 측정되는 사파이어 원재료의 방사율 변화에 기초하여, 사파이어 원재료의 초기 용융을 관찰하는 단계;
상기 고온계로 측정되는 상기 관찰된 사파이어 원재료의 초기 용융에 기초하여, 사파이어 원재료 전부를 완전히 용융하고 사파이어 시드 결정의 일부분만을 용융하는데 필요한 추가적인 열의 양을 결정하는 단계;
상기 사파이어 원재료 전부를 완전히 용융시키고 상기 사파이어 시드 결정의 일부분만을 용융시키도록, 상기 추가적인 열의 양을 상기 사파이어 원재료와 상기 사파이어 시드 결정에 가하는 단계; 및
상기 사파이어 시드 결정의 전부는 아니고 일부가 용융되었다는 것을 보장하기 위해, 상기 사파이어 원재료가 용융하는 동안 사파이어 시드 결정에 접촉하는 프로프를 배치하는 단계를 포함하는 방법. - 제 22 항에 있어서,
상기 사파이어 시드 결정에 접촉하여 사파이어 시드 결정의 일부분이 용융되는 때를 결정하는 프로브를 소정의 간격으로 자동 배치하는 단계;
균질화된 용융을 얻는 단계;
상기 사파이어 단결정의 성장을 시작하는 단계;
상기 사파이어 단결정이 성장하고 경화함에 따라, 냉각제의 냉각 속도를 점진적으로 증가시키고 동시에 가열 엘리먼트의 온도를 내리는 단계;
상기 용융을 불충분냉각하는 단계;
상기 사파이어 단결정과 상기 용융 사이에 온도 구배를 형성하고, 경사 응고를 수립하는 단계;
상기 사파이어 단결정의 성장 속도가 감소한 후에 상기 사파이어 단결정을 가열 엘리먼트로부터 멀리 이동시하는 단계;
상기 사파이어 단결정의 계속 성장을 보장하기 위해 상기 온도 구배를 변화시키는 단계; 및
사파이어 단결정의 성장 완성시, 상기 가열 엘리먼트의 온도를 사파이어의 용융 온도 이하로 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 사파이어 단결정의 성장을 관찰 및 제어하는 방법으로서,
중공의 시드 냉각 컴포넌트를 통하여, 도가니의 바닥의 중심 부분만 지지하고 상기 바닥의 나머지는 지지하지 않는 단계;
사파이어 시드 단결정을 상기 도가니의 바닥의 중심 부분에 위치시키는 단계;
상기 사파이어 시드 단결정과 상기 바닥의 나머지 부분을 사파이어 원재료로 완전히 덮는 단계;
상기 도가니의 나머지 바닥 부분은 냉각하지 않고, 사파이어 시드 결정을 지지하는 상기 중공의 시드 냉각 컴포넌트를 통하여 도가니의 중심 바닥 부분만을 냉각하는 단계;
사파이어 시드 단결정을 부분적으로 용융하고 도가니 내에 함유된 사파이어 원재료를 용융하기 위해 상기 도가니를 적어도 2,040℃까지 가열하고, 상기 도가니 바닥의 나머지는 냉각하지 않고 도가니 바닥의 중심 부분과 직접 접촉하고 있는 사파이어 시드 결정의 일부분만을 냉각하는 단계;
상기 사파이어 원재료와 상기 사파이어 시드 결정을 가열하는 동안 사파이어 원재료를 관찰하기 위해 고온계를 이용하는 단계;
상기 고온계로 측정되는 사파이어 원재료의 방사율 변화에 기초하여, 상기 사파이어 원재료의 초기 용융을 관찰하는 단계;
상기 고온계로 측정되는 상기 관찰된 사파이어 원재료의 초기 용융에 기초하여, 상기 사파이어 원재료 전부를 완전히 용융하고 상기 사파이어 시드 결정의 일부분만을 용융하는데 필요한 추가적인 열의 양을 결정하는 단계; 및
상기 사파이어 원재료 전부를 완전히 용융시키고, 상기 사파이어 시드 결정의 바닥 부분은 용융시키지 않고 사파이어 시드 결정의 제1 일부분만을 용융시키도록, 상기 추가적인 열의 양을 상기 사파이어 원재료와 상기 사파이어 시드 결정에 적용하는 단계;
상기 사파이어 시드 결정의 전부는 아니고 일부가 용융되는 것을 보장하기 위해, 상기 사파이어 원재료가 용융하는 동안 사파이어 시드 결정에 접촉하는 프로프를 배치하는 단계; 및
상기 도가니 바닥에서의 냉각 속도를 점진적으로 증가시킴으로써 상기 결정을 성장시키는 단계를 포함하는 방법.
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