KR101532264B1 - 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법 및 장비 - Google Patents

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Abstract

실시예는 (a) 알루미나 수용액을 도가니에 배치하고, 도가니에 공급되는 열을 감소시키며 상기 알루미나 수용액으로부터 사파이어 단결정 잉곳을 성장시키는 단계; (b) 상기 도가니의 상부로 배출되는 냉각수의 온도를 측정하는 단계; (c) 상기 측정된 냉각수의 온도의 변화율을 구하는 단계; 및 (d) 상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 크면, 상기 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공한다.

Description

사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법 및 장비{METHOD AND APPARATUS FOR GROWING A SAPPHIRE SINGLE CRYSTAL INGOT}
실시예는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법 및 장비에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사파이어 단결정 잉곳의 품질을 향상시키는 방법 및 장비에 관한 것이다.
통상적인 사파이어 웨이퍼는, 단결정(Ingot)을 만들기 위한 단결정 성장 공정과, 단결정을 절삭(Slicing)하여 얇은 원판 모양의 웨이퍼를 얻는 절삭공정과, 상기 절삭으로 인하여 웨이퍼에 잔존하는 기계적 가공에 의한 손상(Damage)을 제거하는 연삭(Lapping) 공정과, 웨이퍼를 경면화하는 연마(Polishing) 공정과, 연마된 웨이퍼를 경면화하고 웨이퍼에 부착된 연마제나 이물질을 제거하는 세정 공정을 포함하여 이루어진다.
상술한 공정 중 사파이어 단결정을 성장시키는 공정은, 고순도 알루미나(Al2O3) 원료를 장입한 성장로를 약 섭씨 2100 도 이상에서 가열하여 원료를 용용한 후, 키로풀러스법(Kyropoulos Method, 이하 'KY'법이라 함), 초크랄스키법(Czochralski Method, 이하 'CZ'법이라 함), EFG(Edge-defined Film-fed Growth)법, 열교환법(Heat Exchange Method), 수직수평온도구배법(Vertical Horizontal Gradient Freezing) 등 다양한 방법이 적용될 수 있으며, 본 특허에서 다루고자 하는 방법은 종자결정이 알루미나 용융액 상부에 위치하여 단결정을 성장시키는 KY법과 CZ법에 적용할 수 있다.
KY법 혹은 CZ법으로 사파이어 단결정을 성장시킬 때 도가니의 내부에 알루미나 원료를 주입한 후 용융하는데, 도가니를 가열하기 위하여 도가니의 외벽과 바닥면을 감싸는 저항 가열 히터를 배치하고, 발생되는 복사 열을 이용한다.
KY법으로 사파이어 단결정 잉곳을 성장시킬 때는 챔버 내부의 상태를 확인하기 어려우므로 온도 변화만을 조절하여 성장 조건을 조절할 수 있으며, 성장 중인 사파이어 단결정 잉곳에 대하여 모니터링(monitoring)이 가능한 공정 인자는 무게(weight) 뿐이고, 직경은 제어가 불가능하며 온도 균형(balance)와 도가니의 사이즈에 따라서 사파이어 단결정 잉곳의 직경이 결정될 수 있다.
따라서, 도가니 내부에서 불안정한 온도 밸런스(balance)에 따라서, 도가니와 사파이어 단결정 잉곳이 접촉하는 사이드 스틱(side stick)이 발생할 수 있다. 현재에는 사파이어 단결정 잉곳의 무게가 급작스레 커질 경우 사이드 스틱이 발생한 것으로 추정하고, 도가니 내부의 온도를 변화시켜서 사파이어 단결정 잉곳의 일부를 다시 녹인 후에 재성장을 시키고 있다.
도 1은 사파이어 잉곳의 성장을 나타낸 도면이다.
좌측 상부로부터 우측하부 방향으로 사파이어 단결정 잉곳이 점차 성장하고 있으며, 각 도면에서 우측은 알루미나 용융액 내의 온도 분포를 나타내고 있고, 각 도면에서 좌측은 알루미나 용융액 내의 열대류를 화살표로 나타내고 있다.
시드(seed)와 사파이어 용융액이 접촉된 후 사파이어 단결정 잉곳이 목부로부터 견부와 몸통부로 성장하고 있으며, 도가니 내의 열 분포에 따라서 성장 중인 사파이어 단결정 잉곳의 측면이 도가니의 측면과 접촉하는 사이드 스틱이 도시된 영역에서 발생할 수 있으며, 특히 견부의 성장시에 사이드 스틱이 많이 발생할 수 있다.
사이드 스틱의 발생 후에 도가니에 공급되는 열을 조절하여 사파이어 단결정 잉곳의 일부를 녹인 후 재응고할 경우, 작업자에 대한 의존이 매우 높아서 사파이어 단결정 잉곳의 품질에 대한 신뢰성과 반복성을 기대하기 어렵고, 여러 차례 사이드 스틱 발생과 재용융 및 재응고를 거친 사파이어 단결정 잉곳의 품질 신뢰성을 기대하기도 어렵다.
실시예는 사파이어 단결정 잉곳의 품질을 향상시키고자 한다.
실시예는 (a) 알루미나 수용액을 도가니에 배치하고, 도가니에 공급되는 열을 감소시키며 상기 알루미나 수용액으로부터 사파이어 단결정 잉곳을 성장시키는 단계; (b) 상기 도가니의 상부로 배출되는 냉각수의 온도를 측정하는 단계; (c) 상기 측정된 냉각수의 온도의 변화율을 구하는 단계; 및 (d) 상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 크면, 상기 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공한다.
냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 크면, 경보를 발생할 수 있다.
다른 실시예는 (a) 알루미나 수용액을 도가니에 배치하고, 도가니에 공급되는 열을 감소시키며 상기 알루미나 수용액으로부터 사파이어 단결정 잉곳을 성장시키는 단계; (b) 상기 도가니의 상부로 배출되는 냉각수의 온도를 측정하는 단계; (c) 상기 측정된 냉각수의 온도의 변화율을 구하는 단계; 및 (d) 상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 큰 횟수가 기설정된 시간 동안 제1 기준 값을 초과하면, 상기 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법을 제공한다.
냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 큰 횟수가 상기 기설정된 시간 동안 상기 제1 기준 값을 초과하여 발생하면, 경보를 발생할 수 있다.
(d) 단계에서 상기 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴을 상기 (a) 단계와 변화시킬 수 있다.
(d) 단계에서, 상기 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 동일하게 유지할 수 있다.
(d) 단계에서, 상기 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 증가시킬 수 있다.
(d) 단계에서, 상기 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴을 상기 (a)보다 줄일 수 있다.
도가니에 공급되는 열의 감소 패턴의 변화는, 상기 도가니의 주변 영역에 배치된 열원에 공급되는 전력을 조절하여 이루어질 수 있다.
상술한 방법은 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 큰 횟수가 상기 기설정된 시간 동안 제2 기준 값을 초과하면, 상기 성장 중이던 사파이어 단결정 잉곳을 폐기하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예는 알루미나 용융액을 수용되고, 상기 알루미나 용융액이 응고되어 사파이어 단결정 잉곳이 성장되는 도가니; 상기 도가니의 상부 영역에 배치되고, 상기 사파이어 단결정 잉곳을 인상하는 인상 유닛; 상기 도가니의 주변 영역에 배치되어, 상기 도가니를 가열하는 열원; 상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 도가니 방향으로 냉각수를 출입하는 냉각수 공급 유닛; 상기 도가니로부터 방출되는 냉각수의 온도를 측정하는 센서; 상기 냉각수의 온도 변화량을 연산하는 연산 유닛; 및 상기 냉각수의 온도 변화율을 기설정된 범위와 비교하고, 상기 도가니 방향으로 냉각수를 출입하는 제어하는 제어 유닛을 포함하는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장비를 제공한다.
제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 크면, 상기 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시킬 수 있다.
제어 유닛은, 상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 큰 횟수가 기설정된 시간 동안 제1 기준 값을 초과하면, 상기 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시킬 수 있다.
상술한 장비는 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 크거나 및/또는 상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 큰 횟수가 상기 기설정된 시간 동안 상기 제1 기준 값을 초과하여 발생하면, 경보를 발생하는 알람 유닛을 더 포함할 수 있다.
제어 유닛은, 상기 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴을 변화시킬 수 있다.
제어 유닛은, 상기 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 동일하게 유지할 수 있다.
제어 유닛은, 상기 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 증가시킬 수 있다.
제어 유닛은, 상기 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴을 기설정된 패턴보다 줄일 수 있다.
실시예에 따른 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법 및 장비는 사파이어 단결정 잉곳이 성장 중인 도가니 내부의 무게 변화율을 실시간으로 구하여 사이드 스틱 등의 이벤트 발생을 미리 예측하고, 이벤트 발생 이전에 도가니에 가해지는 열을 조절하거나 사이드 스틱 부분의 잉곳을 다시 녹여서 사파이어 단결정 잉곳의 품질 저하를 예방할 수 있으며, 이러한 공정은 작업자의 관여 없이 자동으로 이루어질 수 있다.
도 1은 사파이어 잉곳의 성장을 나타낸 도면이고,
도 2는 사파이어 잉곳의 성장 장치의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 3은 사파이어 잉곳의 성장 중 사이드 스틱을 나타낸 도면이고,
도 4는 사파이어 잉곳의 공정에서, 잉곳의 무게와 열 공급과 냉각수의 온도를 나타낸 도면이고,
도 5a 및 도 5b는 사파이어 잉곳의 성장 방법의 일실시예들을 나타낸 도면이고,
도 6은 사파이어 잉곳의 성장 장비의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 7은 도 2의 냉각수 공급 유닛 등의 구성을 나타낸 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도면에서 각층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
도 2는 사파이어 잉곳의 성장 장치의 일실시예를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장치(100)는 고체 알루미나를 녹여서 액체로 만든 후 재결정화하여 사파이어 단결정 잉곳을 형성할 수 있다. 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장치(100)는 챔버(10)와, 챔버(10) 내에 구비되어 알루미나 용융액(40)을 수용하는 도가니(30)와, 도가니(30) 외측에 구비되어 도가니(30)를 가열하는 히터(80)를 포함할 수 있다.
챔버(10)는 알루미나 용융액(40)으로부터 사파이어 성장되는 사파이어 단결정 잉곳을 형성시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다. 도가니(30)는 알루미나 용융액(40)을 담을 수 있도록 챔버(10)의 내부에 구비되며, 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo) 등의 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예는 챔버(10) 내측에 히터(80)의 열이 방출되지 못하도록 복사 단열재를 구비할 수 있다. 이러한 단열재는 도가니의 상부에 배치되는 상부 단열재(92)와 도가니(30)의 측면에 배치되는 측면 단열재(94)와 도가니(30)의 하측에 배치되는 하부 단열재(96)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
단열재는 히터(80) 및 도가니(30)에서 최적의 열적 분포를 내고 그 에너지를 최대한 손실 없이 활용 가능하도록 재질과 형상으로 설계될 수 있다.
히터(80)는 도가니(30) 내에 적재된 다양한 형상의 고순도 알루미나 원료를 용융하여 알루미나 용융액(M)으로 만들 수 있는데, 히터(80) 상부에 배치되는 전류 공급 로드(70)로부터 전류를 공급받을 수 있다.
도가니(30)의 바닥면의 중앙에는 지지대(20)가 배치되어 도가니(30)를 지지할 수 있다. 도가니(30) 상부의 종자 결정 연결부, 즉 시드 연결부(62)로부터 알루미나 용융액(40)이 일부 응고되어 사파이어 단결정 잉곳(50)이 성장된다.
히터(80)는 도가니(30)의 측면과 바닥면을 둘러싸고 U자형으로 배치된 복수 개의 히터 유닛을 포함하여 이루어질 수 있으며, 히터(80)를 대체하여 다른 열원이 구비될 수도 있다.
즉, 히터(80)는 도가니(30)의 주변 영역 즉, 측면과 바닥면에서 상기 도가니(30)를 둘러싸는데, 각각의 히터 유닛은 도가니(30)에 대한 상대적인 위치에 따라 바와 같이 제1 히터(82)와 제2 히터(84)와 제3 히터(86)로 구분될 수 있고, 제1 히터(82)와 제2 히터(84)와 제3 히터(86)는 서로 일체로 구비되거나 독립적으로 구비될 수 있다.
전류 공급 로드(70)로부터 전류가 히터(80)로 공급될 수 있는데, 히터(80)는 열전도성이 우수하고 고온에서 내구성인 강한 물질로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 텅스텐, 흑연으로 이루어질 수 있다.
챔버(10)의 바닥면으로부터 지지대(20)가 연장되어 도가니(30)를 지지하는데, 지지대(20)는 복수 개의 지지 유닛으로 이루어지고, 각각의 지지 유닛이 도가니(30)와 접촉하며 도가니(30)를 지지할 수 있다.
KY법 혹은 CZ법에 의한 사파이어 단결정의 성장은 챔버 내부에 단열재를 장착하고, 도가니에 원료를 충진한 후 녹는점 이상으로 가열한다. 그리고, 적정한 접촉과 함침(seeding) 온도에서 상부에 구비된 종자결정을 알루미나 용융액에 함침시켜 목부(neck)을 형성하고, 전력(power)를 감소시켜 성장에 필요한 온도 기울기를 유지하면서 사파이어 단결정 잉곳을 성장시킨다.
구체적으로 설명하면 다음과 같다.
목부의 성장 과정은, 시드에 연결된 종자결정이 고온의 알루미나 용융액에 잠기면서 종자결정의 일부가 녹고, 이때 알루미나 용융액의 일부가 고화되어 종자결정로부터 종자결정보다 굵은 마디(season)를 연속적으로 형성하면서 목부가 성장될 수 있다.
목부를 형성하는 과정을 시즈닝(seasoning)이라 할 수 있다. 시즈닝 공정에서, 종자결정에 알루미나 용융액의 일부가 고화되면서 직경이 증가할 수 있고, 이때 종자결정을 인상시킴에 따라 마디(season)가 형성될 수 있는데, 목부의 직경 판단을 위하여 목부의 상승과 하강을 반복할 때 상술한 마디를 더욱 뚜렷할 수 있다.
그리고,이 사파이어 단결정 잉곳의 목부가 충분히 성장하면, 견부(shoulder)가 성장되는데, 수직 방향으로 안정적으로 성장할 수 있다.
견부의 성장을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
알루미나 용융액이 고화되어 목부의 하부로부터 연속하여 단결정이 성장되는데, 견부의 형성 공정에서 견부는 반경 및 수직 방향으로 성장하여 단결정의 직경이 증가하고 알루미나 용융액 내부로 잠겨지면서 성장된다. 견부는 도가니의 직경 크기까지 성장될 수도 있으나, 도가니 내벽과 접촉될 경우 스틱(stick)이 형성될 수 있고 이는 결정성장 과정에 물리적인 응력과 냉각과정의 열응력을 발생시켜 크랙(crack)을 유발하는 원인이 된다. 따라서, 견부는 KY법에서는 통상적으로 도가니 직경의 75%~90%까지 성장시키는 것이 일반적이고 CZ법에서는 도가니 직경의 50%~70%까지 성장시킬 수 있다.
그리고, 몸통부(body)가 성장되는데, 알루미나 용융액이 고화되면서 견부의 하부로부터 연속하여 단결정이 성장될 수 있는데, 몸통부의 형성 공정에서 몸통부는 수직 방향으로 성장할 수 있으나 통상적으로는 성장 계면에 수직한 방향으로 단결정이 성장된다. 성장 중인 단결정 특히 몸통부와 알루미나 용융액의 경계면은 도가니의 아래 방향으로 하강하여 도가니의 바닥면과 접촉한다.
몸통부의 최저점이 도가니의 바닥면에 접촉한 후, 종자결정 연결부를 인상시키면서 몸통부의 성장 공정을 계속할 수 있다.
이후에, 100% 고화된 단결정을 도가니로부터 분리하고 챔버 내부의 온도를 서서히 낮춰 단결정(boule) 성장공정을 완료한다. 쵸크랄스키법과 달리 KY법에서는 성장된 사파이어 단결정이 도가니 내부에서 냉각됨으로 별도의 어닐링 공정은 필요하지 않을 수 있다.
도 3은 사파이어 잉곳의 성장 중 사이드 스틱을 나타낸 도면이고, 도 4는 사파이어 잉곳의 공정에서, 잉곳의 무게와 열 공급과 냉각수의 온도를 나타낸 도면이다.
KY법으로 사파이어 단결정 잉곳을 성장시킬 때, 사파이어 단결정 잉곳의 무게가 증가함에 따라 즉, 사파이어 단결정 잉곳이 성장함에 따라 도가니에 공급되는 열을 천천히 감소시킬 수 있으며, 도가니 내부로부터 방출되는 냉각수의 온도 점차 하강하다가 사파이어 단결정 잉곳의 성장 후반부에서는 거의 일정할 수 있다.
사파이어 단결정 잉곳의 성장 중에, 특히 도 3에 도시된 바와 같이 견부(50b)의 성장 중에 사이드 스틱이 발생할 수 있는데, 도가니(30) 내의 알루미나 용융액(40) 중 시드 케이블(62)에 연결된 목부(50a)는 지름이 충분히 크지 않으나, 견부(50b)는 측면이 급격이 성장하여 도가니(30)의 측면과 접촉할 수 있다.
본 실시예에서는 사이드 스틱의 발생 이전에 미리 예방 조치를 취하고자 하며, 특히 도가니 내부로부터 방출되는 냉각수의 온도 변화로부터 사이드 스틱을 예측하고자 한다.
도 5a 및 도 5b는 사파이어 잉곳의 성장 방법의 일실시예들을 나타낸 도면이고, 도 6은 사파이어 잉곳의 성장 장비의 일실시예를 나타낸 도면이고, 도 7은 도 2의 냉각수 공급 유닛 등의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5a에 도시된 실시예에서, 알루미나 용융액을 도가니에 배치하고, 도가니에 공급되는 열을 감소시키며 상기 알루미나 수용액으로부터 사파이어 단결정 잉곳을 성장시키며, 인상 유닛(210)에서 사파이어 단결정 잉곳을 인상시킨다(S110).
사파이어 단결정 잉곳의 성장은 상술한 목부와 견부 및 몸통부 등의 성장일 수 있다. 그리고, 챔버의 상부에서 냉각수 공급 유닛(220)에서 도가니로 냉각수를 공급하고 방출하여 사파이어 용융액이 응고되며 방출하는 열을 도가니 밖으로 배출할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 시드 연결부(330)와 시드(310)는 와이어 등의 제1 결합 유닛(320)에 의하여 결합되고, 시드 연결부(330)는 냉각수 공급 유닛(350)과 제2 결합 유닛(340)에 의하여 결합될 수 있다. 그리고, 냉각수 공급 유닛(350) 내부는 디바이더(divider, 355)에 의하여 입구와 출구로 나뉘며, 입구로 냉각수가 주입되고(In) 출구로 냉각수가 방출될 수 있다. 본 실시예에서, 냉각수의 온도를 조절하기 어려우므로, 냉각수의 온도로부터 도가니 내부의 온도 구배나 사이드 스틱 등을 예측하여 냉각수의 공급량을 변화시킬 수 있다.
그리고, 사파이어 단결정 잉곳의 온도를 측정(S120)하는데 온도의 측정은 챔버(100)의 외부에 배치된 센서(230) 등에 의하여 이루어질 수 있다.
그리고, 측정된 냉각수의 온도 변화율을 구하는데(S130), 온도 변화율의 계산은 연산 유닛(240)에서 실시간으로 이루어질 수 있으며, 단위 시간 동안의 온도 변화량을 구하여 이루어질 수 있다.
냉각수의 온도 측정은 1초에 1회씩 이루어지고 아래의 온도 변화율의 계산은 1분마다 이루어질 수 있으며, 하기의 일실예에서도 동일할 수 있다.
그리고, 제어 유닛(250)에서 상술한 냉각수의 온도 변화율을 기설정된 범위의 온도 변화율과 비교(S140)하고 도가니에 가해지는 열을 제어할 수 있는데, 만약 상술한 무게 변화율이 기설정된 범위 이내일 때, 즉 기설정된 범위보다 작거나 같으면 사파이어 단결정 잉곳의 성장을 지속할 수 있다.
기설정된 범위의 온도 변화율은 예를 들면, 0.005℃/시간일 수 있고, 아래의 실시예에서도 동일할 수 있다.
제어 유닛(250)은 도 6에 도시된 바와 같이, 냉각수 공급 유닛(220)의 냉각수 공급량을 조절(a)하거나, 사파이어 잉곳 제조장치(100)의 구동을 제어(b)하거나, 인상 유닛(210)의 잉곳 인상 속도를 제어(c)할 수 있다.
이때, 사파이어 단결정 잉곳의 성장이 완료되었는지 파악하여(S145), 완료되었으면 성장을 종료하고 그렇지 않으면 S110 단계를 계속할 수 있다.
그리고, 만약 상술한 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 클 때, 도가니에 공급되는 냉각수의 온도 변화율이 상술한 기설정된 범위를 초과하는 횟수를 카운팅(counting)하고(S150), 초과횟수가 제2 기준값을 초과하는지 판단할 수 있다(S160).
만약, 초과횟수가 제2 기준값을 초과하면 성장 중이던 사파이어 단결정 잉곳을 폐기할 수 있다(S180). 즉, 사이드 스틱의 발생이 너무 빈번하면, 재용융 및 재응고를 진행한 후의 사파이어 단결정 잉곳의 품질을 보증하기 어려울 수 있기 때문이다. 여기서, 제2 기준값은 필요한 사파이어 단결정 잉곳의 스펙 등에 따라 미리 결정할 수 있다.
그리고, 상술한 초과횟수가 제2 기준값의 범위 이내인 경우에는 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시키거나 및/또는 열원에 공급되는 파워(power)를 상승시킬 수 있는데(S175), 이때 냉각수의 공급 증가에 따라서 사파이어 단결정 잉곳의 응고가 종방향으로 진행되어 사이드 스틱이 예방되거나, 열원에서 도가니에 공급되는 열을 변화시켜서 사이드 스틱이 발생된 영역에서 사파이어 단결정 잉곳의 일부가 녹을 수 있다.
이때, 경보를 발생(S170)하여 작업자의 주의를 환기시킬 수 있는데, 경보의 발생은 시각 또는 청각적인 방법으로 할 수 있다.
상술한 방법 등으로 도가니에 공급되는 열을 조절하여 사이드 스틱 등을 해결하고, 일정 시간 후에 사파이어 단결정 잉곳의 성장 등을 지속할 수 있다(S110).
상술한 도가니에 공급되는 열의 변화는, 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴을 도 4에 도시된 것과 다르게 할 수 있다. 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴의 변화는, 도가니의 주변 영역에 배치된 열원에 공급되는 전력을 조절하여 이루어질 수 있다.
구체적으로, 도가니에 공급되는 열을 줄이되 최초에 설정된 열 공급 패턴보다 감소 패턴을 도 4에 도시된 것보다 줄이거나, 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 동일하게 유지하거나, 또는 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 증가시킬 수도 있다.
도 5b에 도시된 실시예는 도 5a에 도시된 실시예와 유사하나, 도가니에 공급되는 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위를 초과하는 횟수가 제1 기준값보다 같거나 작은 경우, 사파이어 단결정 잉곳의 성장을 계속하는 점에서 차이가 있다.
먼저, 알루미나 용융액을 도가니에 배치하고, 도가니에 공급되는 열을 감소시키며 상기 알루미나 수용액으로부터 사파이어 단결정 잉곳을 성장시키며, 인상 유닛(210)에서 사파이어 단결정 잉곳을 인상시킨다(S210).
사파이어 단결정 잉곳의 성장은 상술한 목부와 견부 및 몸통부 등의 성장일 수 있다. 그리고, 챔버의 상부에서 냉각수 공급 유닛(220)에서 도가니로 냉각수를 공급하고 방출하여 사파이어 용융액이 응고되며 방출하는 열을 도가니 밖으로 배출할 수 있다.
그리고, 사파이어 단결정 잉곳의 온도를 측정(S220)하는데 온도의 측정은 챔버(100)의 외부에 배치된 센서(230) 등에 의하여 이루어질 수 있다.
그리고, 측정된 냉각수의 온도 변화율을 구하는데(S230), 온도 변화율의 계산은 연산 유닛(240)에서 실시간으로 이루어질 수 있으며, 단위 시간 동안의 온도 변화량을 구하여 이루어질 수 있다.
그리고, 제어 유닛(250)에서 상술한 냉각수의 온도 변화율을 기설정된 범위의 온도 변화율과 비교(S240)하고 도가니에 가해지는 열을 제어할 수 있는데, 만약 상술한 무게 변화율이 기설정된 범위 이내일 때, 즉 기설정된 범위보다 작거나 같으면 사파이어 단결정 잉곳의 성장을 지속할 수 있다.
이때, 사파이어 단결정 잉곳의 성장이 완료되었는지 파악하여(S245), 완료되었으면 성장을 종료하고 그렇지 않으면 S210 단계를 계속할 수 있다.
그리고, 만약 상술한 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 클 때, 도가니에 공급되는 냉각수의 온도 변화율이 상술한 기설정된 범위를 초과하는 횟수를 카운팅(counting)하고(S250), 초과횟수가 제1 기준값을 초과하는지 판단할 수 있다(S255).
만약, 초과횟수가 제1 기준값을 초과하지 않으면 사파이어 단결정 잉곳의 성장 공정을 진행하며, 사파이어 단결정 잉곳의 성장이 완료되었는지 파악할 수 있다(S245). 제1 기준값은 제2 기준값보다 작을 수 있다. 그리고, 곧장 사파이어 단결정 잉곳의 성장을 진행하지 않고, 사파이어 단결정 잉곳의 성장 완료 여부를 판단하는 것은, 냉각수의 온도가 급변하는 경우 사파이어 단결정 잉곳이 성장하는 등의 이벤트가 발생할 수 있기 때문이다.
사파이어 단결정 잉곳의 성장이 완료되었으면 성장을 종료하고 그렇지 않으면 S210 단계를 계속할 수 있다.
그리고, 만약 상술한 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 클 때, 상술한 초과횟수가 제2 기준값을 초과하는지 판단할 수 있다(S260).
만약, 초과횟수가 제2 기준값을 초과하면 성장 중이던 사파이어 단결정 잉곳을 폐기할 수 있다(S280). 즉, 사이드 스틱의 발생이 너무 빈번하면, 재용융 및 재응고를 진행한 후의 사파이어 단결정 잉곳의 품질을 보증하기 어려울 수 있기 때문이다. 여기서, 제2 기준값은 필요한 사파이어 단결정 잉곳의 스펙 등에 따라 미리 결정할 수 있다.
그리고, 상술한 초과횟수가 제2 기준값의 범위 이내인 경우에는 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시키거나 및/또는 열원에 공급되는 파워(power)를 상승시킬 수 있는데(S275), 이때 냉각수의 공급 증가에 따라서 사파이어 단결정 잉곳의 응고가 종방향으로 진행되어 사이드 스틱이 예방되거나, 열원에서 도가니에 공급되는 열을 변화시켜서 사이드 스틱이 발생된 영역에서 사파이어 단결정 잉곳의 일부가 녹을 수 있다.
이때, 경보를 발생(S270)하여 작업자의 주의를 환기시킬 수 있는데, 경보의 발생은 시각 또는 청각적인 방법으로 할 수 있다.
상술한 방법 등으로 도가니에 공급되는 열을 조절하여 사이드 스틱 등을 해결하고, 일정 시간 후에 사파이어 단결정 잉곳의 성장 등을 지속할 수 있다(S210).
상술한 도가니에 공급되는 열의 변화는, 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴을 도 4에 도시된 것과 다르게 할 수 있다. 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴의 변화는, 도가니의 주변 영역에 배치된 열원에 공급되는 전력을 조절하여 이루어질 수 있다.
구체적으로, 도가니에 공급되는 열을 줄이되 최초에 설정된 열 공급 패턴보다 감소 패턴을 도 4에 도시된 것보다 줄이거나, 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 동일하게 유지하거나, 또는 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 증가시킬 수도 있다.
상술한 실시예들에 따른 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장치 및 방법은, 도가니로부터 방출되는 냉각수의 온도가 일정한 패턴에 따라 감소하는 점에 착안하여, 냉각수의 온도 변화율이 상술한 패턴으로부터 일정한 범위를 벗어날 때 사이드 스틱의 이벤트(event)가 발생한 것을 예측하고, 잉곳의 인상을 중단하고 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시키거나 및/또는 열원에 공급되는 파워(power)를 상승시켜서, 이때 냉각수의 공급 증가에 따라서 사파이어 단결정 잉곳의 응고가 종방향으로 진행되어 사이드 스틱이 예방되거나, 사이드 스틱이 발생된 영역에서 사파이어 단결정 잉곳의 일부가 녹을 수 있다.
상술한 바와 같이, 사파이어 단결정 잉곳이 성장 중인 도가니 내부의 무게 변화율을 실시간으로 구하여 사이드 스틱 등의 이벤트 발생을 미리 예측하고, 이벤트 발생 이전에 도가니에 가해지는 열을 조절하거나 사이드 스틱 부분의 잉곳을 다시 녹여서 사파이어 단결정 잉곳의 품질 저하를 예방할 수 있으며, 이러한 공정은 작업자의 관여 없이 자동으로 이루어질 수 있다.
이상과 같이 실시예는 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 챔버 20: 지지대
30: 도가니 40: 알루미나 용융액
50: 사파이어 단결정 잉곳 62: 시드 연결부
80: 히터
92: 상부 단열재 94: 측면 단열재
96: 하부 단열재
100: 사파이어 단결정 잉곳 성장 장치
310: 시드 320: 제1 결합 유닛
330: 시드 연결부 340: 제2 결합 유닛
350: 냉각수 공급 유닛 355: 디바이더

Claims (18)

  1. (a) 알루미나 수용액을 도가니에 배치하고, 도가니에 공급되는 열을 감소시키며 상기 알루미나 수용액으로부터 사파이어 단결정 잉곳을 성장시키는 단계;
    (b) 상기 도가니의 상부로 배출되는 냉각수의 온도를 측정하는 단계;
    (c) 상기 측정된 냉각수의 온도의 변화율을 구하는 단계; 및
    (d) 상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 크면, 상기 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 크면, 경보를 발생하는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법.
  3. (a) 알루미나 수용액을 도가니에 배치하고, 도가니에 공급되는 열을 감소시키며 상기 알루미나 수용액으로부터 사파이어 단결정 잉곳을 성장시키는 단계;
    (b) 상기 도가니의 상부로 배출되는 냉각수의 온도를 측정하는 단계;
    (c) 상기 측정된 냉각수의 온도의 변화율을 구하는 단계; 및
    (d) 상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 큰 횟수가 기설정된 시간 동안 제1 기준 값을 초과하면, 상기 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 큰 횟수가 상기 기설정된 시간 동안 상기 제1 기준 값을 초과하여 발생하면, 경보를 발생하는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법.
  5. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 상기 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴을 상기 (a) 단계와 변화시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 동일하게 유지하는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 증가시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서, 상기 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴을 상기 (a)보다 줄이는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법.
  9. 제5 항에 있어서,
    상기 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴의 변화는, 상기 도가니의 주변 영역에 배치된 열원에 공급되는 전력을 조절하여 이루어지는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법.
  10. 제1 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 큰 횟수가 상기 기설정된 시간 동안 제2 기준 값을 초과하면, 상기 성장 중이던 사파이어 단결정 잉곳을 폐기하는 단계를 더 포함하는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 방법.
  11. 알루미나 용융액을 수용되고, 상기 알루미나 용융액이 응고되어 사파이어 단결정 잉곳이 성장되는 도가니;
    상기 도가니의 상부 영역에 배치되고, 상기 사파이어 단결정 잉곳을 인상하는 인상 유닛;
    상기 도가니의 주변 영역에 배치되어, 상기 도가니를 가열하는 열원;
    상기 도가니의 상부에 배치되고, 상기 도가니 방향으로 냉각수를 출입하는 냉각수 공급 유닛;
    상기 도가니로부터 방출되는 냉각수의 온도를 측정하는 센서;
    상기 냉각수의 온도 변화량을 연산하는 연산 유닛; 및
    상기 냉각수의 온도 변화율을 기설정된 범위와 비교하고, 상기 도가니 방향으로 냉각수를 출입하는 제어하는 제어 유닛을 포함하고,
    상기 제어 유닛은, 상기 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴을 변화시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장비.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 크면, 상기 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장비.
  13. 제11 항에 있어서, 상기 제어 유닛은,
    상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 큰 횟수가 기설정된 시간 동안 제1 기준 값을 초과하면, 상기 사파이어 단결정 잉곳의 인상을 중단하고 상기 도가니 방향으로의 냉각수의 공급을 증가시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장비.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 크거나 및/또는 상기 냉각수의 온도 변화율이 기설정된 범위보다 큰 횟수가 상기 기설정된 시간 동안 상기 제1 기준 값을 초과하여 발생하면, 경보를 발생하는 알람 유닛을 더 포함하는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장비.
  15. 삭제
  16. 제11 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 동일하게 유지하는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장비.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 도가니에 공급되는 열을 일정 시간 동안 증가시키는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장비.
  18. 제11 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은, 상기 도가니에 공급되는 열의 감소 패턴을 기설정된 패턴보다 줄이는 사파이어 단결정 잉곳의 성장 장비.
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JPH079093A (ja) * 1993-06-29 1995-01-13 Hitachi Cable Ltd 鋳造冷却水温度の調節方法
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