KR101461163B1 - 사각형 잉곳 성장 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사각형 잉곳 성장 장치를 제공하는 것을 목적으로 하는 것으로, 본 발명의 구성은 내부에 가열 공간부가 구비된 챔버(20)와; 상기 챔버(20)의 내부에 설치되며 잉곳(10)의 성장을 위한 성장 재료(4)가 내부에 채워지는 그로잉 중공부(32)를 구비한 도가니(30)와; 상기 도가니(30)를 가열하여 상기 그로잉 중공부(32)에 채워진 상기 성장 재료(4)를 용융시키는 발열체(40)와; 상기 챔버(20)에 구비되며 하단부에는 상기 도가니(30)에서 용융된 상기 성장 재료(4)에 침지되는 시드 결정(6)이 구비되는 풀링 로드(50)를 포함하며, 상기 도가니(30)의 상기 성장 재료(4)가 채워지는 상기 그로잉 중공부(32)는 단면 사각 형상으로 구성되어, 상기 도가니(30)에서 성장되는 상기 잉곳(10)을 단면 사각 형상으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

사각형 잉곳 성장 장치{Rectangular block type ingot growth device}
본 발명은 사각형 잉곳 성장 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사파이어 잉곳을 단면 사각 형상으로 성장시킴으로써 사파이어 잉곳을 이용한 각종 광소자나 기타 필요한 소자를 만들 때에 버려지는 잉곳량의 비율을 최소화시키는 결과(즉, 사파이어 잉곳의 수율을 최대화시키는 결과)를 기대할 수 있는 새로운 사각형 잉곳 성장 장치에 관한 것이다.
사파이어 단결정 기판은 질화 갈륨(GaN)의 대리 기판으로서 발광 다이오드, 레이저 다이오드, 디브이디 등의 데이터 저장장치와 같은 각종 광소자의 기초 소자로서 사용되며, 사파이어 단결정(잉곳)은 인체에 해가 없어 인공 관절용, 인공 치아용 등의 생체 재료로서도 사용되고 있다.
상기 사파이어 단결정을 이용하여 발광 다이오드 등의 광소자를 만들기 위해서는 일정 체적의 사파이어 단결정(잉곳)을 성장시키게 된다. 즉, 사파이어 잉곳 성장 장치는 챔버의 내부에 설치된 도가니와, 이 도가니에 열을 가하여 온도를 높이는 발열체를 포함하는 것으로, 상기 도가니의 내부에 잉곳 성장을 위한 사파이어 원재료(원석)을 투입하고, 발열체에 의해 사파이어 원석을 용융(멜팅)시키고, 상기 챔버에 승강 가능하게 결합된 풀러 하단부의 시드 결정(seed crystal)을 사파이어 융용액(melting liquid)에 침지시킨 다음 시드 결정에 달라붙는 사파이어 용융액을 냉각수단 등으로 냉각 경화시킴으로써 일정한 부피(체적)를 갖는 블록 형태의 사파이어 잉곳을 성장시키게 되는 것이다.
다음, 상기 사파이어 잉곳을 이용하여 발광 다이오드 소자와 같은 광소자를 만드는 과정을 약술하면, 잉곳 성장 장치에 의해 일정 체적으로 성장된 사파이어 잉곳을 측면에서 원통형으로 따낸 다음, 원통형으로 따내진 사파이어 잉곳을 적절한 두께로 슬라이스시키고, 이렇게 슬라이드되어진 사파이어 잉곳 모재판을 가공 장치 등으로 가공하여 상기 발광 다이오드와 같은 광소자를 만들게 된다. 물론, 상기 발광 다이오드 등의 광소자 이외에 사파이어 단결정 기판이나 사파이어 웨이퍼와 같은 여러 가지 소자의 재료로서 사파이어 잉곳이 많이 활용되고 있다.
그런데, 종래 사파이어 잉곳은 단면 원형(원기둥 형상)으로 이루어져서, 상기와 같이, 발광 다이오드 등의 광소자를 만들기 위해 사파이어 잉곳의 측면에서 원기둥 형태의 사파이어 잉곳 블랭크 모재를 따내는 경우, 상기 광소자 등을 만들고 나서 버려지는 사파이어의 비율이 상대적으로 많이 발생하는 문제가 있다.
즉, 잉곳 성장 장치에 의해 성장된 사파이어 잉곳은 결정 성장 방향으로 인하여 원기둥 형태의 사파이어 잉곳의 한쪽 단부에서 다른 쪽 방향으로 따내어 사용하기는 불가능하므로, 상기 원기둥 형태의 사파이어 잉곳을 측면에서 따내서 원기둥 형태의 사파이어 잉곳 블랭크 모재를 만들어야 하는데, 이러한 원기둥 형태로 이루어진 사파이어 잉곳을 옆에서부터 따내어 상기 사파이어 잉곳 블랭크 모재를 만들 경우에는 상기 발광 다이오드 등을 만들기 위해 버려지는 사파이어의 비율이 상대적으로 많이 높아지게 되는 문제가 생기는 것이며, 제대로 활용되지 못하고 폐기되는 사파이어량이 많아지는 만큼 자원 낭비 등을 초래하게 된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로, 본 발명의 목적은 사파이어 잉곳을 단면 사각 형상으로 성장시킴으로써 사파이어 잉곳을 이용한 각종 광소자나 기타 필요한 소자를 만들 때에 버려지는 잉곳량의 비율을 최소화시키는 결과(즉, 사파이어 잉곳의 수율을 최대화시키는 결과)를 기대할 수 있는 새로운 사각형 잉곳 성장 장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의하면, 내부에 가열 공간부가 구비된 챔버와; 상기 챔버의 내부에 설치되며 잉곳의 성장을 위한 성장 재료가 내부에 채워지는 그로잉 중공부를 구비한 도가니와; 상기 도가니를 가열하여 상기 그로잉 중공부에 채워진 상기 성장 재료를 용융시키는 발열체와; 상기 챔버에 구비되며 하단부에는 상기 도가니에서 용융된 상기 성장 재료에 침지되는 시드 결정이 구비되는 풀링 로드;를 포함하며, 상기 도가니의 상기 성장 재료가 채워지는 상기 그로잉 중공부는 단면 사각 형상으로 구성되어, 상기 도가니에서 성장되는 상기 잉곳을 단면 사각 형상으로 형성하는 것을 특징으로 하는 사각형 잉곳 성장 장치가 제공된다.
상기 도가니 내부의 상기 그로잉 중공부는 상단부에서 하단부로 갈수록 그 내경이 점차적으로 줄어들도록 구성되어, 상기 도가니의 내외측면 두께가 상단부에서 하단부로 갈수록 점차적으로 두꺼워지는 것을 특징으로 한다.
상기 도가니는 사각판 형상의 바텀부에 사이드 벽부를 구비하여 상기 그로잉 중공부가 단면 사각 형상으로 구성되며, 상기 바텀부와 상기 사이드 벽부의 이어지는 부분에는 곡면부가 구비된 것을 특징으로 한다.
상기 도가니의 상기 바텀부와 상기 곡면부가 이어지는 부분에는 상기 도가니의 하단부에서 상단부를 향하여 상향 경사진 면취부가 더 구비된다.
상기 바텀부는 상기 사이드 벽부의 가장 두꺼운 부분의 두께보다 상대적으로 더 두껍게 이루어진다.
상기 발열체는 텅스텐 로드 형태의 발열체로 구성되어 상기 도가니의 주위에 배치되되, 상기 도가니의 중심부에서 가장 자리 부분으로 갈수록 상기 발열체의 배치 간격이 점차적으로 더 넓어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의하면, 가열 공간부를 구비한 챔버의 내부에 설치된 도가니에 성장 재료를 충전하고 상기 도가니에 채워진 성장 재료는 발열체에 의해 용융한 상태에서 상기 도가니에 투입되는 풀링 로드 하단부의 시드 결정에 상기 용융 성장 재료가 달라붙어서 경화됨으로써 상면부와 하면부에 사이드면이 이어진 블록 형태의 잉곳 바디를 구비한 잉곳에 있어서, 상기 사이드면은 상기 잉곳 바디의 중심부를 기준으로 전후 좌우 네 군대 위치에 배치된 네 개의 사이드면으로 이루어져, 상기 잉곳 바디가 상기 네 개의 사이드면에 의해 단면 사각 형상으로 구성된 것을 특징으로 하는 단면 사각 블록형 잉곳이 제공된다.
상기 잉곳 바디(12)는 상단부에서 하단부로 갈수록 단면적이 점차적으로 줄어드는 블록 형상으로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의하면, 챔버 내부의 가열 공간부에 수용된 도가니의 그로잉 중공부에 성장 재료를 투입하는 단계와; 상기 도가니를 발열체에 의해 가열하여 상기 그로잉 중공부에 채워진 상기 성장 재료를 용융시키는 단계와; 상기 챔버에 구비된 풀링 로드 하단부의 시드 결정을 상기 도가니의 상기 그로잉 중공부에서 용용된 상기 성장 재료에 침지시키는 단계와; 상기 발열체에 인가되는 전력을 점차적으로 줄이면서 상기 풀링 로드를 당겨서 상기 시드 결정에 달라붙어 성장되는 상기 성장 재료를 경화시켜 단면 사각형의 잉곳을 성장시키는 단계를 포함하는 카이로 포울러스 방식을 이용한 단면 사각형 잉곳 성장 방법이 제공된다.
본 발명에서 사파이어 잉곳을 성장시키기 위한 도가니의 내부 그로잉 중공부가 단면 사각 형상으로 구성되어 있어서, 사파이어 잉곳을 단면 사각 블록 형상으로 성장시킬 수 있으므로, 사파이어 잉곳을 이용하여 광소자나 기판 등의 소자를 만들고 나서 버려지는 잉곳량의 비율을 상당히 줄일 수 있는 장점이 있다. 즉, 종래 사파이어 잉곳은 단면 원형(원기둥 형상)으로 이루어져서, 발광 다이오드 등의 광소자를 만들기 위해 사파이어 잉곳의 측면에서 원기둥 형태의 잉곳 블랭크 모재를 따내는 경우, 상기 광소자 등을 만들고 나서 버려지는 사파이어의 비율이 상대적으로 많이 발생하는 문제가 있었는데, 본 발명에서는 그로잉 중공부가 단면 사각 형상으로 이루어진 도가니에 의하여 사파이어 잉곳 자체를 단면 사각 블록 형상으로 성장시키기 때문에, 원기둥 형상의 잉곳으로 필요한 소자를 만들 때에 비하여 버려지는 잉곳량이 상당히 줄어드는 장점을 가지는 것이다.
또한, 본 발명에서는 도가니가 아래로 갈수록 점차적으로 두께까 더 두꺼워지는 구성을 구비함으로 인하여 발열체에 의해 가해지는 열분포도 조건을 성장 사파이어 잉곳의 각 지점에 대해서 정밀하게 맞출 수 있으므로, 사파이어 잉곳의 고품질을 보다 확실하게 보장할 수 있다. 즉, 풀링 로드에 의해 상부로 당겨주면서 사파이어 잉곳을 성장시킬 때에 사파이어 잉곳의 상부측보다 아래쪽이 보다 천천히 식어야만 사파이어 잉곳의 결정 품질이 고품질로 나올 수 있는데, 본 발명에서는 상기와 같이 도가니의 두께가 위에서 아래로 갈수록 점차적으로 더 두껍게 형성함으로써, 발열체에 의해 생기는 온도가 도가니의 위쪽 보다는 아래쪽에서 보다 더 많이 전달되록 하고, 이처럼 도가니의 위쪽보다 아래쪽에 발열체의 열이 보다 더 많이 전달됨으로 인하여 사파이어 잉곳이 상부측보다 아래쪽이 보다 천천히 식는 작용을 하게 되므로, 풀링 로드에 의해 상부로 당겨주면서 사파이어 잉곳을 성장시킬 때에 사파이어 잉곳의 결정 품질이 고품질로 나올 수 있는 것이다.
또한, 도가니의 바텀부와 사이드 벽부의 이어지는 부분이 곡면부 없이 각진 상태로 이어진 경우에는 열크랙이 생겨서 도가니가 소손되고, 도가니의 하단부가 이처럼 소손되면 도가니에 채워지는 성장 재료의 누설이 생기거나 사파이어 잉곳의 품질 저하가 초래될 수 있는데, 본 발명에서는 도가니의 바텀부와 사이드 벽부의 하단부가 이어지는 부분에는 곡면부를 구비함으로 인하여 열크랙을 방지하고, 열크랙에 의해 성장 재료의 누설 또는 사파이어 잉곳의 품질 저하 등을 방지한다.
또한, 본 발명에서는 도가니가 텅스텐으로 구성되어 있어서, 사파이어 잉곳을 성장시킨 다음에 일회성으로 버리는 것이 아니라 수차례 필요한 만큼 재사용할 수 있으므로, 자원 절약 등의 여러 가지 측면에서 유리한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 사각형 잉곳 성장 장치의 구조를 개략적으로 보여주는 도면
도 2는 본 발명에 의한 사각형 잉곳 성장 장치의 주요부인 도가니의 사시도
도 3은 도 2에 도시된 도가니와 발열체의 배치 상태를 개략적으로 보여주는 평면도
도 4는 도 1에 도시된 사각형 잉곳 성장 장치에 의해 제조된 잉곳의 사시도
도 5는 도 4의 일측면도
도 6은 도 4에 도시된 잉곳에서 블랭크 모재를 절단한 상태를 개념적으로 보여주는 사시도
도 7은 도 1에 도시된 사각형 잉곳 성장 장치에 의해 제조된 잉곳의 변형된 실시예를 보여주는 사시도
도 8은 도 7에 도시된 잉곳에서 블랭크 모재를 절단한 상태를 개념적으로 보여주는 사시도
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 사각형 잉곳 성장 장치는 내부에 가열 공간부가 구비된 챔버(20)와, 이 챔버(20)의 내부에 설치되어 하부가 지지대(32)에 의해 지지되며 잉곳(10) 성장을 위한 성장 재료(4)가 내부에 채워지는 그로잉 중공부(32)를 구비한 도가니(30)와, 이 도가니(30)를 가열하여 그로잉 중공부(32)에 채워진 성장 재료(4)(사파이어 원석)를 용융시키는 발열체(40)와, 상기 챔버(20)에 구비되며 하단부에는 도가니(30)에서 용융된 성장 재료(4)에 침지되는 시드 결정(6)이 구비되는 풀링 로드(50)(워터 쿨링 로드)를 포함하며, 특히 도가니(30)의 성장 재료(4)가 채워지는 그로잉 중공부(32)는 단면 사각 형상으로 구성되어, 상기 도가니(30)에서 성장되는 잉곳(10)을 단면 사각 블록 형상으로 형성하는 것에 특징이 있는 발명이다.
상기 챔버(20)는 내부에 가열 공간부가 있는 박스 형태로서, 챔버(20)의 가열 공간부에 도가니(30)가 내장된다. 도가니(30)는 챔버(20)의 하부에 구비된 지지대 등에 의해 안정적으로 지지될 수 있다. 챔버(20)의 둘레부 벽면과 바닥부 및 상면에는 발열체(40)의 열손실을 차단하는 히터 쉴드가 구비될 수 있다.
상기 도가니(30)의 주위에는 발열체(40)가 구비된다. 발열체(40)는 텅스텐 바아 형태의 발열체(40)로 구성될 수 있다. 즉, 발열체(40)는 내부에 중공부가 있는 텅스텐 바아와, 이 텅스텐 바아의 내부 중공부에 투입된 코일형 텅스텐 히터를 구비하여, 코일형 텅스텐 히터에 전원이 공급됨에 따라 발열체(40)의 발열 작용이 이루어지도록 구성될 수 있다. 상기 텅스텐 바아 구조의 발열체(40)가 도가니(30)의 네 군데 사이드 벽부(36)에 소정의 간격을 두고 복수개로 배치된다. 또한, 발열체(40)는 도가니(30)의 아래 위치에도 배치된다. 즉, 텅스텐 바아형 발열체(40) 구조를 가지는 복수개의 발열체(40)가 도가니(30)의 하부 외측과 측방 외측에 소정 간격으로 이격되어 배치된다.
상기 발열체(40)는 도가니(30)를 가열하여 도가니(30) 내부에 채워진 잉곳(10) 성장 재료(즉, 사파이어 원석)로부터 잉곳(10)이 성장되도록 한다. 한편, 상기 텅스텐 바아 구조의 발열체(40)는 도가니(30)의 주위에 배치된다. 이때, 바람직하게, 도가니(30)의 중심부에서 가장 자리 부분으로 갈수록 발열체(40)의 배치 간격이 점차적으로 더 넓어지도록 구성한다.
또한, 본 발명은 챔버(20)의 상단 중앙부를 관통하는 풀링 로드(50)를 구비한다. 풀링 로드(50)는 도가니(30)에 투입된 성장 재료(4)(사파이어 원석)가 용융된 상태에서 하단부의 시드 결정(6)(seed crystal)을 용융 성장 재료(4)에 침지시킴과 동시에 사파이어 잉곳(10)이 성장될 때에 성장 잉곳(10)을 상부로 당겨서 사파이어 잉곳(10)이 완전 성장되도록 하는 것이다. 이때, 풀링 로드(50)는 하단부의 시드 결정(6)이 성장 재료(4)인 사파이어 원석을 녹일 때의 열에 의해 완전 녹아버리 않도록 내부로 열교환 냉매인 냉각수를 순환시키는 구조를 가진다. 즉, 풀링 로드(50)는 외부 슬리브에 내부 슬리브가 내장되고, 내부 슬리브에는 냉각수 유입부가 형성되고, 외부 슬리브에는 냉각수 배출부가 형성되며, 상기 내부 슬리브의 냉각수 유입부와 외부 슬리브의 냉각수 배출구는 미도시된 냉각사이클에 호스 등의 연결관을 매개로 연결되어, 상기 내부 슬리브를 통해 공급된 냉각수가 풀링 로드(50) 하단부의 시드 결정(6) 부분으로 전달되어 잉곳(10) 성장시에 시드 결정(6)과 냉각수 사이의 열교환에 의해 시드 결정(6)을 발열체(40)의 히팅열에 의해 녹지 않도록 냉각하고, 열교환이 이루어진 냉각수는 외부 슬리브와 내부 슬리브 사이의 냉각수 배출로를 통과하여 외부 슬리브의 냉각수 배출구로 배출되도록 구성할 수 있다. 즉, 풀링 로드(50)는 시드 결정(6)(seed crystal)이 녹지 않도록 열교환을 하는 워터 쿨링 로드이면서 잉곳(10)이 성장할 때에 성장 잉곳(10)을 서서히 챔버(20)의 상측으로 당겨서 완전 성장하도록 하는 것이라 할 수 있다. 이때, 풀링 로드(50)는 챔버(20)에 상대 승강 가능하게 결합되고, 풀링 로드(50)는 미도시된 승강 작동유닛에 의해 적정한 속도로 상승하도록 구성될 수 있다.
본 발명에서 특징을 이루는 도가니(30)는 챔버(20)의 내부에 설치되어 하부가 지지대(32)에 의해 지지되며 잉곳(10) 성장을 위한 성장 재료(4)가 내부에 채워지는 그로잉 중공부(32)를 구비한다. 이때, 도가니(30)는 성장 재료(4)(즉, 사파이이 원석)이 채워지는 그로잉 중공부(32)가 단면 사각 형상으로 구성되어, 상기 도가니(30)에서 성장되는 잉곳(10)(사파이어 잉곳(10))을 단면 사각 형상(단면 사각 블록 형상)으로 형성한다. 본 발명에서 도가니(30)는 사각판 형상의 바텀부(34)에 사이드 벽부(36)를 구비함으로써, 상기 도가니(30) 내부의 그로잉 중공부(32)가 단면 사각 형상으로 구성된 것이다. 도가니(30)의 외표면도 사각 형상을 이루고 있으며, 이러한 도가니(30)의 외표면에 일정 간격 이격되도록 복수개의 발열체(40)(텅스텐 바아 구조의 발열체(40))가 배치된다.
또한, 도가니(30) 내부의 그로잉 중공부(32)는 상단부에서 하단부로 갈수록 그 내경이 점차적으로 줄어들도록 구성되어, 상기 도가니(30)의 내외측면 두께가 상단부에서 하단부로 갈수록 점차적으로 두꺼워지도록 하는 것이 바람직하다. 도가니(30)의 종단면으로 볼 때에 그로잉 중공부(32)가 상광 하협의 테이퍼진 홀 형태를 이루는 것이 바람직하다.
또한, 도가니(30)는 사각판 형상의 바텀부(34)와, 이러한 바텀부(34)의 외곽 둘레부에 상측 방향으로 연장된 네 개의 사이드 벽부(36)를 구비함으로써, 상기 도가니(30) 내부의 그로잉 중공부(32)가 단면 사각 형상으로 구성된다. 이때, 상기 바텀부(34)와 사이드 벽부(36)의 이어지는 부분에는 곡면부가 더 구비되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 도가니(30)의 바텀부(34)와 곡면부가 이어지는 부분에는 도가니(30)의 하단부에서 상단부를 향하여 상향 경사진 면취부가 구비되는 것이 보다 바람직하다. 곡면부는 내측 곡면부와 외측 곡면부로 구성되는데, 상기 면취부의 한쪽 단부가 도가니(30)의 바텀부(34) 외표면에 이어지고, 면취부의 다른 쪽 단부는 상기 외측 곡면부에 이어지면서 면취부가 도가니(30)의 하단부에서 상단부를 향하여 상향 경사진 형태를 이루고 있다. 즉, 면취부의 한쪽 단부와 다른 쪽 단부 사이에 높이 편차가 생기게 된다. 그리고, 상기 바텀부(34)는 사이드 벽부(36)의 가장 두꺼운 부분의 두께보다 상대적으로 더 두껍게 이루어진다.
한편, 본 발명에서 도가니(30)는 텅스텐 재질로 구성된다. 즉, 도가니(30)를 한번 사용하고 깨뜨리지 않고 필요한 만큼 재차 반복 사용할 수 있도록 텅스텐 재질로 구성된 것이다. 그리고, 상기 도가니(30)의 외부 주위에는 성장 잉곳(10)의 경화가 보다 신속하게 이루어지도록 열교환기가 설치될 수도 있다. 열교환기는 옵션으로 설치될 수 있는 것이다.
이러한 구성의 본 발명에 의하면, 상기 도가니(30) 내부의 그로잉 중공부(32)에 성장 재료(4)인 사파이어 원석이 충전된 상태에서 발열체(40)에 전원을 공급하여 성장 재료(4)를 액체 상태로 용융시킨다. 발열체(40)의 발열 온도는 2100℃에서 2500℃까지 올릴 수 있다.
상기 발열체(40)에 의해 성장 재료(4)가 녹은 상태에서 풀링 로드(50)를 도가니(30)의 그로잉 중공부(32)로 하강시켜서 풀링 로드(50) 하단부의 시드 결정(6)(seed crystal)을 고온 용융 성장 재료(4)에 침지시킨다.
다음, 발열체(40)에 공급되는 전력, 다시 말해 발열체(40)의 온도를 낮추면 액상내에 온도 구배(즉, 용융 사파이어 액상 내에 온도 구배)가 생기게 되고, 계속해서 공급 전력을 낮추면 사파이어 잉곳(10) 성장이 시작되고, 이처럼 잉곳(10) 성장이 될 때에 풀링 로드(50)는 서서히 상부측(챔버(20)의 상부측)으로 당겨줌으로써 완전한 잉곳(10) 성장이 이루어지게 되는 것이다.
따라서, 본 발명에 의하면, 가열 공간부를 구비한 챔버(20)의 내부에 설치된 도가니(30)에 성장 재료(4)를 충전하고 도가니(30)에 채워진 성장 재료(4)는 발열체(40)에 의해 용융한 상태에서 도가니(30)에 투입되는 풀링 로드(50) 하단부의 시드 결정(6)에 상기 용융 성장 재료(4)가 달라붙어서 경화됨으로써 상면부와 하면부에 사이드면(14)이 이어진 블록 형태의 잉곳 바디(12)를 구비한 잉곳(10)에 있어서, 상기 사이드면(14)은 잉곳 바디(12)의 중심부를 기준으로 전후 좌우 네 군대 위치에 배치된 네 개의 사이드면(14)으로 이루어져, 상기 잉곳 바디(12)가 네 개의 사이드면(14)에 의해 단면 사각 형상으로 구성된 것을 특징으로 하는 단면 사각 블록형 잉곳(10)이 제공될 수 있다. 사이드면(14)이 제1사이드면(14a)과 제2사이드면(14b)과 제3사이드면(14c) 및 제4사이드면(14c)으로 구성되어서, 사파이어 잉곳(10) 자체가 단면 사각 블록 형상으로 이루어진 것이다.
이때, 본 발명에서는 바람직하게 도가니(30)의 내부 그로잉 중공부(32)가 단면 사각 형상으로 구성되어 있어서, 사파이어 잉곳(10)을 단면 사각 블록 형상으로 성장시킬 수 있으므로, 사파이어 잉곳(10)을 이용하여 광소자나 기판 등의 소자를 만들고 나서 버려지는 잉곳량의 비율을 상당히 줄이는 장점을 가지게 된다. 즉, 종래 사파이어 잉곳(10)은 단면 원형(원기둥 형상)으로 이루어져서, 발광 다이오드 등의 광소자를 만들기 위해 사파이어 잉곳(10)의 측면에서 원기둥 형태의 잉곳 블랭크 모재(16)를 따내는 경우, 상기 광소자 등을 만들고 나서 버려지는 사파이어의 비율이 상대적으로 많이 발생하는 문제가 있었는데, 본 발명에서는 그로잉 중공부(32)가 단면 사각 형상으로 이루어진 도가니(30)에 의하여 사파이어 잉곳(10) 자체를 단면 사각 블록 형상으로 성장시키기 때문에, 원기둥 형상의 잉곳(10)으로 필요한 소자를 만들 때에 비하여 버려지는 잉곳량이 상당히 줄어드는 장점을 가지는 것이다.
다시 말해, 잉곳 성장 장치에 의해 성장된 사파이어 잉곳(10)은 결정 성장 방향으로 인하여 원기둥 형태의 사파이어 잉곳(10)의 한쪽 단부에서 다른 쪽 방향으로 따내어 사용하기는 불가능하므로, 상기 원기둥 형태의 사파이어 잉곳(10)을 측면에서 따내서 원기둥 형태의 잉곳 블랭크 모재(16)를 만들어야 하는데, 이러한 원기둥 형태로 이루어진 사파이어 잉곳(10)을 옆에서부터 따내어 상기 잉곳 블랭크 모재(16)를 만들 경우에는 상기 발광 다이오드 등을 만들기 위해 버려지는 사파이어의 비율이 상대적으로 많이 높아지게 되는 문제가 생기는 것이며, 제대로 활용되지 못하고 폐기되는 사파이어량이 많아지는 만큼 자원 낭비 등을 초래하게 되지만, 본 발명에서는 사파이어 잉곳(10) 자체를 단면 사각 블록 형상으로 만들어서 상기 잉곳 블랭크 모재(16)를 만든 다음, 상기 발광 다이오드나 기판과 같은 필요 소자를 만들 수 있도록 하므로 종래의 잉곳(10) 폐기량이 현저히 줄어드는 장점을 가지게 되고, 폐기하는 잉곳량이 줄어드는 만큼 상당한 자원 절약 효과를 기대할 수 있는 것이다. 사파이어 잉곳(10)을 단면 사각 블록 형상으로 구성함으로써 종래에 비하여 잉곳(10) 수율을 상당히 높이게 된다.
한편, 본 발명에서는 도가니(30) 내부의 그로잉 중공부(32)는 상단부에서 하단부로 갈수록 그 내경이 점차적으로 줄어들도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 도가니(30)의 내외측면 두께가 상단부에서 하단부로 갈수록 점차적으로 두꺼워지도록 구성될 수 있다.
따라서, 상기 도가니(30)가 아래로 갈수록 점차적으로 두께까 더 두꺼워지는 구성을 구비함으로 인하여 발열체(40)에 의해 가해지는 열분포도 조건을 성장 사파이어 잉곳(10)의 각 지점에 대해서 정밀하게 맞출 수 있으므로, 사파이어 잉곳(10)의 고품질을 보다 확실하게 보장할 수 있다. 즉, 풀링 로드(50)에 의해 상부로 당겨주면서 사파이어 잉곳(10)을 성장시킬 때에 사파이어 잉곳(10)의 상부측보다 아래쪽이 보다 천천히 식어야만 사파이어 잉곳(10)의 결정 품질이 고품질로 나올 수 있는데, 본 발명에서는 상기와 같이 도가니(30)의 두께가 위에서 아래로 갈수록 점차적으로 더 두껍게 형성함으로써, 발열체(40)에 의해 생기는 온도가 도가니(30)의 위쪽 보다는 아래쪽에서 보다 더 많이 전달되록 하고, 이처럼 도가니(30)의 위쪽보다 아래쪽에 발열체(40)의 열이 보다 더 많이 전달됨으로 인하여 사파이어 잉곳(10)이 상부측보다 아래쪽이 보다 천천히 식는 작용을 하게 되므로, 풀링 로드(50)에 의해 상부로 당겨주면서 사파이어 잉곳(10)을 성장시킬 때에 사파이어 잉곳(10)의 결정 품질이 고품질로 나올 수 있는 것이다. 즉, 상기 도가니(30)를 아래쪽으로 갈수록 두께가 점차적으로 두꺼워지도록 구성함으로써 성장 사파이어 잉곳(10)의 아래쪽이 위쪽보다 상대적으로 더 천천히 식어야 한다는 결정 조건을 충족시킬 수 있다는 점이 중요하다.
또한, 본 발명에서 도가니(30)는 사각판 형상의 바텀부(34)와 사이드 벽부(36)의 하단부가 이어지는 부분에는 곡면부가 구비됨으로써, 도가니(30)의 하단부측이 열크랙에 의해 소손되는 현상을 방지하는 장점을 가질 수 있다. 즉, 도가니(30)의 바텀부(34)와 사이드 벽부(36)의 이어지는 부분이 곡면부 없이 각진 상태로 이어진 경우에는 열크랙이 생겨서 도가니(30)가 소손되고, 도가니(30)의 하단부가 이처럼 소손되면 도가니(30)에 채워지는 성장 재료(4)의 누설이 생기거나 사파이어 잉곳(10)의 품질 저하가 초래될 수 있는데, 본 발명에서는 도가니(30)의 바텀부(34)와 사이드 벽부(36)의 하단부가 이어지는 부분에는 곡면부를 구비함으로 인하여 열크랙을 방지하고, 열크랙에 의해 성장 재료(4)의 누설 또는 사파이어 잉곳(10)의 품질 저하 등을 방지하는 것이다.
또한, 본 발명에서는 도가니(30)의 바텀부(34)와 곡면부가 이어지는 부분에는 도가니(30)의 하단부에서 상단부를 향하여 상향 경사진 면취부가 더 구비될 수 있는데, 이러한 면취부는 도가니(30)의 바텀부(34) 두께와 상기 바텀부(34)와 곡면부가 이어지는 부분의 두께를 거의 동일하게 맞추어줌으로써 열보상 작용을 하게 되므로, 사파이어 잉곳(10)의 고품질을 보장하는데 더욱 기여하게 된다.
그리고, 상기 도가니(30)의 바텀부(34) 두께는 사이드 벽부(36)의 가장 두꺼운 부분의 두께보다 상대적으로 더 두껍게 이루어져서 사파이어 잉곳(10)의 모든 부분에 고르게 발열체(40)의 열이 분포되도록 하여 사파이어 잉곳(10)의 고품질을 보장하게 된다. 즉, 도가니(30)의 사이드 벽부(36) 외측의 발열체(40) 갯수에 비하여 도가니(30)의 바텀부(34) 아래쪽에 배치되는 발열체(40)의 갯수가 상대적으로 더 많게 되는데, 도가니(30)의 바텀부(34) 두께가 사이드 벽부(36)의 가장 두꺼운 부분의 두께보다 상대적으로 더 두껍게 이루어져서 바텀부(34)로 전달되는 발열체(40)의 열과 사이드 벽부(36)로 전달되는 발열체(40)의 열을 균일하게 맞출 수 있으므로, 사파이어 잉곳(10)의 모든 부분에 고르게 발열체(40)의 열을 분포시켜서 사파이어 잉곳(10)의 고품질을 보장할 수 있는 것이다. 상기 발열체(40)는 도가니(30)의 사이드 벽부(36)와 마주하는 방향으로 연장되다가 도가니(30)의 바텀부(34) 아래로 이어지는 루프형 발열체(40) 구조를 이루고 있어서, 도가니(30)의 사이드 벽부(36)보다 바텀부(34) 아래에 분포된 발열체(40)(텅스텐 발열체)가 상대적으로 더 많기 때문에, 도가니(30)의 바텀부(34)를 통해 사파이어 잉곳(10)으로 발열체(40)의 열이 보다 늦게 전달되도록 바텀부(34)의 두께가 사이드 벽부(36)의 두께보다 더 두꺼운 것이다.
또한, 본 발명에서 발열체(40)는 텅스텐 로드 형태의 발열체(40)로 구성되어 상기 도가니(30)의 주위에 배치되되, 상기 도가니(30)의 중심부에서 가장 자리 부분으로 갈수록 상기 발열체(40)의 배치 간격이 점차적으로 더 넓어지도록 구성되므로, 사파이어 잉곳(10)의 결정 품질을 보다 균일하게 할 수 있다. 사파이어 잉곳(10)은 시드 결정(6)을 중심으로 반경 방향 외측으로 결정이 성장하면서 부피가 증가하는데, 이러한 사파이어 잉곳(10)의 부피가 시드 결정(6)(즉, 사파이어 잉곳(10)의 중심부)을 기준으로 점차적으로 부피가 커지면서 사파이어 잉곳(10)의 중앙부에서 요구되는 열량이 가장 자리에서 요구되는 열량보다 크게 되므로, 본 발명에서는 이를 감안하여 상기 도가니(30)의 중심부에서 가장 자리 부분으로 갈수록 상기 발열체(40)의 배치 간격이 점차적으로 더 넓어지도록 구성함으로써 사파이어 잉곳(10)의 고른 열분포를 통해 사파이어 잉곳(10) 결정 품질을 균일하게 할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명에서는 도가니(30)가 텅스텐으로 구성되어 있어서, 사파이어 잉곳(10)을 성장시킨 다음에 일회성으로 버리는 것이 아니라 수차례 필요한 만큼 재사용할 수 있으므로, 자원 절약 등의 여러 가지 측면에서 유리하다.
한편, 상기와 같이, 본 발명에서는 잉곳 바디(12)의 중심부를 기준으로 전후 좌우 네 군대 위치에 배치된 네 개의 사이드면(14)으로 이루어진 단면 사각 블록 형상의 잉곳(10)(사파이어 잉곳(10))이 제공되는데, 이러한 사파이어 잉곳(10)의 몸체부인 잉곳 바디(12)가 상단부에서 하단부로 갈수록 단면적이 점차적으로 줄어드는 블록 형상으로 구성되어 있어서, 사파이어 잉곳(10) 성장 이후에 도가니(30)에서 취출할 때에 보다 편리한 등의 효과도 있다. 즉, 사파이어 잉곳(10)을 단면 사각 블록 형상으로 구성하되, 사파이어 잉곳(10)의 단면적이 아래로 갈수록 점차적으로 단면적이 작아지는 사각 테이퍼 블록 형상으로 구성함으로써, 사파이어 잉곳(10)을 도가니(30)에서 보다 원활하게 취출하는 것과 같이 작업성 등의 측면에서 보다 좋다고 할 수 있다.
한편, 본 발명에 의하면, 사파이어 잉곳(10)의 잉곳 바디(12)가 직사각 블록 형태로 구성될 수 있다. 즉, 도가니(20)를 가로 방향 길이와 세로 방향 길이 중에서 어느 한쪽 방향 길이를 다른 쪽 방향 길이에 비하여 상대적으로 더 길거나 짧게 형성하여 그로잉 중공부(32)를 단면 직사각 공간 형태로 구성하여, 상기 잉곳(10)의 가로 방향 길이와 세로 방향 길이 중에서 어느 한 방향의 길이를 다른 방향의 길이에 비하여 상대적으로 더 길거나 짧은 단면 직사각 블록 형상의 잉곳(10)을 성장시킬 수 있는 것이며, 이러한 단면 직사각 블록 형태의 잉곳(10)에서 블랭크 모재(16)를 따낼 수 있게 된다.
아울러, 본 발명에 의하면, 카이로 포울러스 성장 방식(Kyropoulos method of sapphire growing)을 이용하여 단면 사각 블록 형태의 잉곳(10)(단면 사각 블록 형태의 사파이어 잉곳)을 성장시키는 방법이 제공될 수 있다. 즉, 본 발명의 카이로 포울러스 잉곳 성장 방법은 챔버(20) 내부의 가열 공간부에 수용된 도가니(30)의 그로잉 중공부(32)에 성장 재료를 투입하는 단계와, 상기 도가니(30)를 발열체(40)에 의해 가열하여 그로잉 중공부(32)에 채워진 성장 재료(4)를 용융시키는 단계와, 상기 챔버(20)에 구비된 풀링 로드(50) 하단부의 시드 결정(6)을 도가니(30)의 그로잉 중공부(32)에서 용용된 성장 재료(4)에 침지시키는 단계와, 상기 발열체(40)에 인가되는 전력을 점차적으로 줄이면서 풀링 로드(50)를 당겨서 시드 결정(4)에 달라붙어 성장되는 성장 재료(4)를 경화시켜 단면 사각형의 잉곳(10)을 성장시키는 단계를 포함하는 카이로 포울러스 방식을 이용한 단면 사각형 잉곳 성장 방법이며, 이러한 카이로 포울러스 방식을 이용한 본 발명의 단면 사각형 잉곳 성장 방법은 잉곳(10)의 성장 효율을 높이고 잉곳(10) 활용 수율을 보다 높인다는 장점을 가지며, 이러한 장점 이외에 전술한 바와 같은 장점을 그대로 가지고 있으므로, 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 한다.
이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 상술하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.
따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
4. 성장 재료 6. 시드 결정
10. 잉곳 12. 잉곳 바디
14. 사이드면 16. 잉곳 블랭크 모재
20. 챔버 30. 도가니
32. 그로잉 중공부 34. 바텀부
36. 사이드 벽부 37. 곡면부
40. 발열체 50. 풀링 로드

Claims (8)

  1. 내부에 가열 공간부가 구비된 챔버(20)와;
    상기 챔버(20)의 내부에 설치되며 잉곳(10)의 성장을 위한 성장 재료(4)가 내부에 채워지는 그로잉 중공부(32)를 구비한 도가니(30)와;
    상기 도가니(30)를 가열하여 상기 그로잉 중공부(32)에 채워진 상기 성장 재료(4)를 용융시키는 발열체(40)와;
    상기 챔버(20)에 구비되며 하단부에는 상기 도가니(30)에서 용융된 상기 성장 재료(4)에 침지되는 시드 결정(6)이 구비되는 풀링 로드(50);를 포함하며,
    상기 도가니(30)의 상기 성장 재료(4)가 채워지는 상기 그로잉 중공부(32)는 단면 사각 형상으로 구성되어, 상기 도가니(30)에서 성장되는 상기 잉곳(10)을 단면 사각 형상으로 형성하도록 구성되며,
    상기 도가니(30) 내부의 상기 그로잉 중공부(32)는 상단부에서 하단부로 갈수록 그 내경이 점차적으로 줄어들도록 구성되어, 상기 도가니(30)의 내외측면 두께가 상단부에서 하단부로 갈수록 점차적으로 두꺼워지는 것을 특징으로 하는 사각형 잉곳 성장 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도가니(30)는 사각판 형상의 바텀부(34)에 사이드 벽부(36)를 구비하여 상기 그로잉 중공부(32)가 단면 사각 형상으로 구성되며, 상기 바텀부(34)와 상기 사이드 벽부(36)의 이어지는 부분에는 곡면부가 구비된 것을 특징으로 하는 사각형 잉곳 성장 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도가니(30)의 상기 바텀부(34)와 상기 곡면부가 이어지는 부분에는 상기 도가니(30)의 하단부에서 상단부를 향하여 상향 경사진 면취부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 사각형 잉곳 성장 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 바텀부(34)는 상기 사이드 벽부(36)의 가장 두꺼운 부분의 두께보다 상대적으로 더 두껍게 이루어진 것을 특징으로 하는 사각형 잉곳 성장 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발열체(40)는 텅스텐 로드 형태의 발열체(40)로 구성되어 상기 도가니(30)의 주위에 배치되되, 상기 도가니(30)의 중심부에서 가장 자리 부분으로 갈수록 상기 발열체(40)의 배치 간격이 점차적으로 더 넓어지는 것을 특징으로 하는 사각형 잉곳 성장 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
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