KR101644063B1 - 반사판을 갖는 단결정 성장장치 및 성장방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정을 성장시키기 위해 원료를 용융시키고, 용융된 원료로부터 시드 결정을 중심으로 단결정을 성장 시키는 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것이다. 반사판을 갖는 단결정 성장장치는, 내부 공간을 갖는 챔버; 챔버 내부에 배치되는 단열재; 단열재 내부에 배치되어 원료가 장입되는 도가니; 도가니 둘레의 측부에 배치되어 원료를 용융시키는 히터; 및 도가니 상부와 하부 중 적어도 어느 하나에 히터로부터 방사되는 복사에너지를 도가니로 반사시키는 1 이상의 반사판; 을 포함한다. 이에 의해, 도가니 내부의 가열 효율을 높일 수 있고, 히터를 추가로 구비하는 것에 비하여 전력 소모가 낮으며, 비용이 낮다. 본 발명은 반사판을 승하강시키거나 회전시킴으로써, 도가니 상, 하부의 온도 구배를 안정적으로 제어할 수 있어 대구경 단결정을 성장시키기 용이하고, 대구경 단결정의 성장 안정성을 높일 수 있다.

Description

반사판을 갖는 단결정 성장장치 및 성장방법{SINGLE CRYSTAL GROWER HAVING REFLECTOR AND METHOD FOR GROWING SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단결정을 성장시키기 위해 도가니에 장입된 원료를 용융시키고, 용융된 원료로부터 시드 결정을 중심으로 단결정을 성장 시키는 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것이다.
단결정은 금속이나 세라믹 및 SiC와 같은 원료를 용융시킨 후 서냉시키면서 결정으로 성장된 결정체이다.
이중 사파이어 단결정은 알루미나(Alumina, Al2O3, 알루미늄 산화물)를 원료로 하여 2050℃ 이상에서 용융된 후 서냉되면서 성장된다.
사파이어 단결정은 반도체에 사용되는 다른 재료에 비해 우수한 광학, 기계적 특성, 고온 안정성, 내화학 특성, 높은 경도, 내마모성, 내식성 및 절연특성 등 우수한 특성을 가지고 있고, 합성보석, 시계유리뿐만 아니라 산업용, 군사용과 같은 분야에서도 사용된다. 최근 LED용 기판과 모바일 업체에서 사파이어 소재를 채용함으로써 첨단소재 분야에서도 사파이어가 광범위하게 사용되고 있다.
사파이어와 같이 금속이나 세라믹 및 반도체 재료의 결정을 성장시키기 위한 방법으로는 도가니 내부에 배치되는 시드 결정의 위치에 따라 상부 시딩법 및 하부 시딩법으로 나눌 수 있다. 상부 시딩법에는 초크랄스키법(Czochralski Process), 키로플러스법(Kyropoulos Process) 등이 있고, 하부 시딩법에는 HEM(Heat Exchange Method) 및 VHGF(Vertical Horizontal Gradient Freezing) 등이 있다.
하부 시딩법을 적용한 사파이어 단결정 성장장치로서, 한국 공개특허공보 10-2011-0027593호에 의하면, 성장로 내부에 사파이어 잉곳을 성장 시키는 도가니가 배치되고, 도가니 주변에 단일의 히터가 설치된다.
최근 사파이어의 응용 범위가 넓어지면서 6인치 이상의 대구경 사파이어를 필요로 하고 있는데, 대구경의 사파이어 잉곳을 제조하기 위해서는 도가니뿐만 아니라 히터의 크기 또한 필연적으로 커져야 한다.
그러나, 대구경 사파이어 단결정 성장을 위해 종래 기술과 같이 단일 히터를 사용하는 경우, 사파이어 잉곳의 중심부에서 최대 발열이 발생하여 사파이어 잉곳의 상부와 하부에 큰 온도 구배를 부여할 수 없게 된다.
이로 인하여 성장 단계에서 잉곳 내부의 기포가 고액계면에서 액체 측으로 부상하지 못하고 그 상태로 응고됨에 따른 결함이 발생한다. 기포의 부상을 위하여 성장속도를 감소시키는 방법이 있으나, 이 경우 생산 시간 증가에 따른 원가 상승의 문제와 함께 장시간 고온에 노출되는 도가니의 변형 문제가 수반된다는 문제점이 있다. 그리고 냉각 단계에서는 잔류응력이 증가하여 크랙이 발생하는 문제점이 있었다.
한편, 단일 히터를 사용하여 잉곳 상부와 하부에 큰 온도 구배를 부여하기 위해서는 히터를 크게 하여 잉곳의 최대 발열 위치를 상부로 이동시켜야만 하는데, 이 경우 전체 장치가 커져야 하므로 생산 비용이 증가한다는 문제점이 발생한다.
따라서 대구경화 단결정 성장 시 큰 온도 구배를 조성하면서도 성장 안정성이 필수적이다.
또한, 도가니의 측부에만 히터를 설치하여 수평 방향의 온도가 균일하지 못한 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 도가니의 하부에 히터를 배치하였으나, 에너지 소모가 많고, 비용이 높다는 단점이 있었다.
상술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 대구경 단결정을 성장시키기 위해 도가니의 온도 구배 제어가 용이하고, 단결정의 성장 안정성을 높인 단결정 성장장치 및 성장방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 에너지 소모가 적고, 비용이 낮은 단결정 성장장치 및 성장방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 반사판을 갖는 단결정 성장장치는, 내부 공간을 갖는 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되는 단열재; 상기 단열재 내부에 배치되어 원료가 장입되는 도가니; 상기 도가니 둘레의 측부에 배치되어 상기 원료를 용융시키는 히터; 및 상기 도가니 상부와 하부 중 적어도 어느 하나에 상기 히터로부터 방사되는 복사에너지를 상기 도가니로 반사시키는 1 이상의 반사판; 을 포함한다.
바람직하게, 상기 반사판 중 어느 하나는, 상기 단열재의 내측에 부착된다.
바람직하게, 상기 반사판 중 어느 하나는, 상기 도가니 상부와 하부 중 어느 하나에 수평 방향으로 배치된다.
바람직하게, 상기 반사판 중 어느 하나는, 상기 도가니를 향하여 경사진 반사면을 구비한다.
바람직하게, 상기 반사판 중 어느 하나는, 일정한 곡률을 갖는 곡면으로 형성된다. 이때, 상기 반사판은, 복사에너지를 상기 도가니의 상부 또는 하부 전체에 균일하게 반사되도록 곡률이 설정된다.
바람직하게, 상기 반사판 중 적어도 어느 하나와 상기 도가니 사이의 이격거리를 변화시키는 반사판 구동부; 를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 반사판 구동부는, 상기 반사판을 승하강시키는 승하강 구동부; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 도가니 상부와 하부 중 적어도 어느 하나에, 대향하는 한 쌍의 반사판이 구비되고, 상기 반사판 구동부는, 상기 반사판을 일정 각도로 스윙시키는 회전 구동부; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 반사판의 재질은, 몰리브덴(Molybdenum), 텅스텐(Tungsten), 이리듐(Iridium), 레늄(Rhenium) 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 반사판의 재질은, 그라파이트(Graphite) 표면에 몰리브덴(Molybdenum), 텅스텐(Tungsten), 이리듐(Iridium), 레늄(Rhenium) 중 어느 하나의 코팅층을 형성한다.
바람직하게, 상기 히터는 지그재그 형태의 발열체로 이루어지고, 상기 발열체는, 수직 방향 또는 수직과 수평 방향으로 온도 구배를 부여하도록 위치에 따라 그 폭과 두께 중 적어도 어느 하나를 다르게 형성한다.
바람직하게, 상기 발열체는 상기 도가니 내부에 배치된 시드(Seed) 결정과 가까울수록 발열량이 적게 형성된다.
바람직하게, 상기 히터를 승하강시키는 히터 구동부; 를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 히터는, 수직 방향으로 2단 이상 분리된 복수의 히터부로 구성된다.
바람직하게, 상기 원료는, 알루미나(Alumina, Al2O3, 알루미늄 산화물)이고, 상기 단결정은 사파이어 단결정이다.
상술한 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 단결정 성장방법은, 상술한 단결정 성장장치를 이용한 단결정 성장방법에 있어서, 도가니 내에 원료를 장입하는 장입 단계; 상기 도가니 둘레의 측부에 구비된 히터를 가열하여 상기 원료를 용융시키는 용융 단계; 상기 용융된 원료를 단결정으로 성장 시키는 성장 단계; 및 상기 성장이 완료된 단결정을 냉각시키는 냉각 단계; 를 포함하고, 상기 용융, 성장 및 냉각 단계 중 적어도 어느 하나의 단계에서 상기 반사판 구동부가 상기 반사판을 구동시킨다.
바람직하게, 상기 도가니 내의 상부와 하부 중 어느 하나에 시드 결정이 배치되고, 상기 용융 단계는, 상기 반사판 구동부가 상기 반사판을 상기 도가니에 근접하도록 구동시킨다.
바람직하게, 상기 도가니 내의 상부와 하부 중 어느 하나에 시드 결정이 배치되고, 상기 성장 단계는, 상기 반사판 구동부가 상기 시드 결정이 배치된 측의 반사판을 상기 도가니에 이격하도록 구동시키고, 타측의 반사판을 상기 도가니에 근접하도록 구동시킨다.
바람직하게, 상기 도가니 내의 상부와 하부 중 어느 하나에 시드 결정이 배치되고, 상기 냉각 단계는, 상기 반사판 구동부가 상기 반사판이 상기 도가니에 이격하도록 구동시킨다.
본 발명의 반사판을 갖는 단결정 성장장치 및 성장방법에 의하면, 도가니의 상부와 하부 중 적어도 어느 하나에 반사판을 구비하여 복사에너지를 도가니로 반사시킴으로써 도가니 내부의 가열 효율을 높일 수 있고, 히터를 추가로 구비하는 것에 비하여 전력 소모가 낮으며, 비용이 낮다.
또한, 본 발명은 반사판을 도가니와 근접시키거나 이격시킴으로써, 도가니 상, 하부의 온도 구배를 안정적으로 제어할 수 있어 대구경 단결정을 성장시키기 용이하고, 대구경 단결정의 성장 안정성을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 수직 방향으로 분리된 복수의 히터부를 구비함으로써, 도가니 상, 하부의 온도 구배를 크게 하면서도 안정적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 단결정 성장장치의 단면도.
도 2는 본 발명을 구성하는 히터의 형태를 나타내는 정면도.
도 3은 본 발명을 구성하는 히터의 다른 형태를 나타내는 사시도.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 의한 단결정 성장장치의 단면도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 의한 단결정 성장장치의 단면도.
도 6은 본 발명의 제4 실시예에 의한 단결정 성장장치의 단면도.
도 7은 본 발명의 제5 실시예에 의한 단결정 성장장치의 단면도.
도 8은 본 발명의 제6 실시예에 의한 단결정 성장장치의 단면도.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다. 본 발명의 단결정 성장장치는 제1 내지 제6 실시예로 구분할 수 있으며, 각 실시예의 구성요소는 기본적으로 동일하나, 일부 구성에 있어서 차이가 있다. 또한 본 발명의 여러 실시예 중 동일한 기능과 작용을 하는 구성요소에 대해서는 도면상의 도면부호를 동일하게 사용하기로 한다.
그리고 이하의 실시예에서는 알루미나(Alumina, Al203, 알루미늄 산화물)를 원료로 하여 사파이어 단결정을 하부 시딩법에 의해 성장 시키는 단결정 성장장치에 대하여 구체적으로 설명하나, 알루미나 이외의 원료를 이용한 단결정 성장장치나 상부 시딩법에 의한 단결정 성장장치에도 사용될 수 있음은 당연하다.
1. 제1 실시예
본 발명의 제1 실시예에 의한 단결정 성장장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 챔버(10), 단열재(20), 도가니(30), 히터(40), 반사판(60) 및 반사판 구동부(70)로 이루어진다.
챔버(10)는 내부 공간을 가지며, 단열재(20), 도가니(30), 히터(40) 및 반사판(60) 등이 내부에 배치된다.
단열재(20)는 챔버(10) 내부에 배치되고, 히터(40)로부터 공급되는 열을 챔버(10) 내부에서 단열시켜 히터(40)의 열 효율을 높일 수 있다.
도가니(30)는 사파이어 단결정을 성장시키기 위하여 장입된 알루미나 원료를 수용한다. 이러한 도가니(30)는 알루미나 원료를 용융시킨 후 서냉하며 사파이어 단결정을 성장시키기 위해 알루미나의 용융 온도인 2050℃에서도 녹지 않는 텅스텐이나 몰리브덴, 이리듐, 레늄과 같은 금속재질로 형성될 수 있다.
또한, 도가니(30)는 단열재(20) 내부에 배치된다. 도가니(30) 내부에는 시드(Seed) 결정(31)이 배치되고, 시드 결정(31)이 배치된 도가니(30) 하부에는 냉각부(32)가 구비된다. 시드 결정(31)은 하부 시딩법에 의해 도가니(30)의 하부에 배치되고, 사파이어 단결정은 시드 결정(31)을 중심으로 성장된다. 냉각부(32)는 텅스텐, 몰리브덴과 같은 재질로 이루어져, 용융 시 시드 결정(31)이 완전히 용융되는 것을 방지할 수 있고, 성장 및 냉각 시 기체나 액체를 이용해 냉각시킬 수 있다.
히터(40)는 도가니(30) 내의 알루미나 원료를 용융시키도록 발열하며, 도가니(30) 둘레의 측부에 구비된다.
히터(40)는 지그재그 형태의 발열체로 이루어지며, 흑연 발열체를 사용할 수 있다. 히터(40)는 수직과 수평 방향으로 온도 구배를 부여함으로써 사파이어 단결정의 성장 안정성을 높여 내부의 크랙(Crack)과 같은 결함 없이 단결정을 성장 시킬 수 있고, 단결정에 걸리는 응력을 단시간에 해소할 수 있다. 특히 수평 방향 온도 구배를 부여함으로써 단결정의 폭 방향의 길이에 대한 제한 없이 길게 성장 시킬 수 있다.
히터에 온도 구배를 부여하기 위한 히터의 2개의 형태에 대하여 다음에서 구체적으로 설명한다.
먼저, 첫 번째 형태로서, 히터(43)는 수직과 수평 방향의 위치에 따라 그 폭을 달리하여 온도 구배를 부여한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 발열체의 수직 방향 온도 구배는 발열체의 상부 선 폭(W1)을 하부 선 폭(W2)보다 상대적으로 좁게 설정함으로써 부여할 수 있다. 선 폭이 큰 발열체 하부의 전기 저항이 상부에 비하여 낮으므로 발열체 하부의 온도가 상부에 비하여 낮게 조절된다. 발열체의 수평 방향 온도 구배는 발열체의 좌, 우측부 선 폭(W3, W4)을 중앙부 선 폭(W5)보다 상대적으로 좁게 설정함으로써 부여할 수 있다.
두 번째 형태로서, 히터(44)는 수직과 수평 방향의 위치에 따라 그 두께를 달리하여 온도 구배를 부여한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 발열체의 수직 방향 온도 구배는 발열체의 상부 두께(T1)를 하부 두께(T2)보다 상대적으로 얇게 설정함으로써 부여할 수 있다. 두께가 두꺼운 발열체 하부의 전기 저항이 상부에 비하여 낮으므로 발열체 하부의 온도가 상부에 비하여 낮게 조절된다. 발열체의 수평 방향 온도 구배는 발열체의 좌, 우측부 두께(T3, T1)를 중앙부 두께(T4)보다 상대적으로 얇게 설정함으로써 부여할 수 있다.
상술한 히터의 2개 형태에 의하여 도가니 내부에 배치된 시드 결정의 위치를 중심으로 시드 결정과 가까울수록 발열량을 작게 형성함으로써 단결정의 성장 안정성을 높일 수 있다. 또한, 히터는 상술한 2개 형태 이외에 수직, 수평 방향으로 온도 구배를 부여할 수 있는 것이라면 어떠한 형태라도 가능하다.
반사판(60)은 상부 반사판(61) 및 하부 반사판(62) 중 적어도 어느 하나가 설치되어 히터(40)로부터 방사되는 복사에너지를 도가니(30)로 반사시킨다. 반사판의 재질은 몰리브덴(Molybdenum), 텅스텐(Tungsten), 이리듐(Iridium), 레늄(Rhenium) 중 어느 하나 또는 2종 이상의 합금으로 이루어지거나, 이러한 금속 또는 합금이 코팅된 소재 등으로 형성될 수 있다. 즉, 반사판의 생산비용을 낮추기 위하여 상대적으로 가격이 낮은 그라파이트(Graphite) 표면에 상술한 물질의 코팅층을 형성할 수도 있다.
상부 반사판(61)은 도가니(30) 상부에 수평 방향으로 배치되며, 히터의 상단 내측에 구비되는 것이 바람직하다.
하부 반사판(62)은 도가니(30) 하부에 수평 방향으로 배치되며, 히터의 하단 내측에 구비되는 것이 바람직하다. 도가니(30)의 하부에는 챔버(10) 외부로 인출되는 냉각부(32)가 구비되어 있으므로, 하부 반사판(62)은 승하강되는 냉각부(32)와 간섭이 발생되지 않도록 홀이 형성될 수 있다.
반사판 구동부(70)는 반사판(60)이 승하강되도록 구동시키는 승하강 구동부(72)로 이루어진다. 승하강 구동부(72)와 반사판(60) 사이는 반사판 구동암(71)으로 연결되어 승하강 구동부(72)로부터 반사판(60)에 구동력을 전달할 수 있다.
승하강 구동부(72)가 반사판(60)을 도가니(30)와 이격하여 위치시키는 경우, 히터(40)로부터 방사되는 복사에너지를 도가니(30)로 반사시킨다. 반면, 반사판(60)을 도가니(30)와 근접하게 위치시키는 경우, 반사판(60)은 도가니(30)의 덮개 역할로 히터(40)로부터 도가니(30)로 방사되는 복사에너지를 차단시킨다.
한편, 반사판 구동부(70)는 상, 하부 반사판(61, 62)을 각각 구동시키도록 복수개가 구비될 수 있다.
도면에 도시하지는 않았지만, 하나의 반사판 구동부를 구비하여 상, 하부 반사판을 동시에 구동시키는 것도 가능하다.
본 발명의 제1 실시예의 단결정 성장장치를 이용한 단결정 성장방법은, 도가니로 장입되는 원료를 용융시킨 후 서냉하면서 단결정을 성장시키는 방법으로, 공정에 따라 장입 단계, 용융 단계, 성장 단계 및 냉각 단계로 구분할 수 있다.
장입 단계에서는 도가니 내의 하부에 시드 결정을 배치하고, 도가니 내에 원료를 장입한다. 장입되는 원료는 알루미나로서 사파이어 단결정을 성장시킨다. 알루미나 이외에 금속이나 세라믹 및 SiC, ZeSe와 같은 반도체 재료를 사용할 수 있다.
용융 단계에서는 도가니 둘레의 측부에 배치된 히터를 작동시켜 도가니 내의 알루미나 원료를 2050℃ 이상으로 가열하여 용융시킨다.
히터는 출력을 100%로 제어하여 원료의 용융 속도를 높일 수 있다.
승하강 구동부는 도가니 내 원료의 용융 속도를 높이기 위해 상, 하부 반사판 모두가 도가니와 이격하도록 구동시킨다. 즉, 상부 반사판은 승강시키고, 하부 반사판은 하강시킨다. 이와 같이 도가니와 이격된 상, 하부 반사판은 복사에너지의 반사량을 도가니에 집중시켜 도가니 내부 원료의 용융 속도를 높일 수 있게 된다.
성장 단계에서는 히터의 온도를 낮추며 용융된 원료를 단결정으로 성장시킨다. 단결정은 시드 결정을 중심으로 성장되므로, 시드 결정과 가까운 도가니 하부의 온도가 도가니 상부의 온도보다 낮은 것이 바람직하다.
히터는 시드 결정과 가까울수록 발열량이 작게 형성되어 도가니 상부가 하부에 비하여 상대적으로 높은 온도를 갖게 함으로써 온도 구배를 크게 조성할 수 있다. 도가니 상, 하부의 온도 구배가 적어지면 승하강 구동부는 도가니의 온도 구배를 크게 하기 위해 상, 하부 반사판 모두를 승강시킨다. 상부 반사판은 도가니 상부에 이격하여 위치시키고, 하부 반사판은 도가니 하부로부터 근접하게 위치시킨다.
냉각 단계에서는 단결정의 성장이 완료된 잉곳을 냉각시킨다. 냉각 단계에서는 잉곳을 최대한 균일하게 냉각시켜야 하므로, 잉곳의 최고, 최저온도 차이가 최소화되도록 조성되는 것이 바람직하다.
냉각 단계에서 히터는 히터의 최고 발열 위치가 잉곳의 중앙에 위치하도록 발열량을 조절함으로써 잉곳의 온도 구배를 작게 조성할 수 있다. 온도 구배가 크면 응력에 의한 크랙이 발생될 수 있으므로, 잉곳 상하부의 온도 구배가 성장 단계에서보다 작은 것이 바람직하다.
한편, 냉각 단계의 초기에는 성장이 완료된 단결정 내의 잔류 응력을 없애도록 일정시간 동안 히터의 온도를 유지시킬 수 있다.
승하강 구동부는 신속한 냉각을 위해 상, 하부 반사판 모두가 도가니와 최대한 근접하도록 구동시킨다. 따라서 상부 반사판은 하강시키고, 하부 반사판은 승강시켜 상, 하부 반사판이 도가니를 향해 구동된다.
상술한 바와 같이 상, 하부 반사판을 성장 및 냉각 단계에 맞도록 승강 또는 하강 시킴으로써, 알루미나 원료의 용융과 단결정의 성장 및 냉각 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 수직 방향의 온도 구배 제어가 용이하여 결함을 최소화하고, 고품질의 단결정을 얻을 수 있다.
2. 제2 실시예
본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예와 대비하여 반사판의 형태에 있어 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 4를 참고하여 설명한다.
반사판(60)은 도가니(30)를 향하여 경사진 반사면을 구비한 상, 하부 반사판(63, 64)으로 이루어진다.
상부 반사판(63)은 도가니(30) 상부에 배치되며, 히터(40) 상단 내측의 중앙부로부터 히터(40)를 향해 하향 경사지도록 구비된다.
하부 반사판(64)은 도가니(30) 하부에 배치되며, 히터(40) 하단 내측의 중앙부로부터 히터(40)를 향해 상향 경사지도록 구비된다. 도가니(30)의 하부에는 챔버(10) 외부로 인출되는 냉각부(32)가 구비되어 있으므로, 하부 반사판(64)은 승하강되는 냉각부(32)와 간섭이 발생되지 않도록 냉각부(32) 양측에 각각 구비될 수 있다.
3. 제3 실시예
본 발명의 제3 실시예는 제1 실시예와 대비하여 반사판의 형태에 있어 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 5를 참고하여 설명한다.
반사판(60)은 도가니(30)를 향하여 일정한 곡률을 갖는 곡면을 구비한 상, 하부 반사판(65, 66)으로 이루어진다. 반사판(60)의 곡률은 히터(40)로부터 방사되는 복사에너지를 상기 도가니의 상, 하부 전체에 각각 균일하게 반사되도록 설정된다.
상부 반사판(65)은 도가니(30) 상부에 배치되며, 단열재(20) 내측에 부착된다.
하부 반사판(66)은 도가니(30) 하부에 배치되며, 단열재(20) 내측에 부착된다. 도가니(30)의 하부에는 챔버(10) 외부로 인출되는 냉각부(32)가 구비되어 있으므로, 하부 반사판(66)은 승하강되는 냉각부(32)와 간섭이 발생되지 않도록 홀이 형성될 수 있다.
4. 제4 실시예
본 발명의 제4 실시예는 제1 실시예와 대비하여 반사판과 반사판 구동부의 구조에 있어 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 6을 참고하여 설명한다.
반사판(60)은 히터(40)로부터 방사되는 복사에너지를 도가니(30)로 반사시키도록 양측으로 대향하는 한 쌍의 상, 하부 반사판(67, 68)으로 각각 이루어진다.
상부 반사판(67)은 도가니(30) 상부에 양측으로 대향하여 배치되며, 각 상부 반사판(67)은 히터 상단측에 회전축을 갖는다.
하부 반사판(68)은 도가니(30) 하부에 양측으로 대향하여 배치되며, 각 하부 반사판(68)은 히터 하단측에 회전축을 갖는다.
반사판 구동부(70)는 반사판(60)이 회전되도록 구동시키는 회전 구동부(73)로 이루어진다. 회전 구동부(73)는 각각의 상, 하부 반사판(67, 68)을 각 회전축을 중심으로 회전시킨다.
회전 구동부(73)가 반사판(60)을 도가니(30)와 이격하여 위치시키는 경우, 히터(40)로부터 방사되는 복사에너지를 도가니(30)로 반사시킨다. 반면, 반사판(60)을 도가니(30)와 근접하게 위치시키는 경우, 반사판(60)은 도가니(30)의 덮개 역할로 히터(40)로부터 도가니(30)로 방사되는 복사에너지를 차단시킨다.
본 발명의 제4 실시예에 의해 회전 구동부가 상, 하부 반사판을 회전시키는 방법을 공정 단계에 따라 구체적으로 설명한다.
용융 단계에서는 도가니 내의 원료를 신속하게 용융시키기 위해 회전 구동부는 상, 하부 반사판 모두가 도가니와 이격하도록 구동시킨다. 즉 상부 반사판은 중앙부측이 상향 경사지도록 회전시키고, 하부 반사판은 중앙부측이 하향 경사지도록 회전시킨다.
성장 단계에서는 도가니의 온도 구배를 크게 하기 위해 회전 구동부는 상부 반사판을 도가니 상부에 이격하여 위치시키고, 하부 반사판을 도가니 하부로부터 근접하게 위치시킨다. 따라서 상부 반사판의 중앙부측이 상향 경사지도록 회전시킨다.
냉각 단계에서는 신속하고 안정적인 냉각을 위해 회전 구동부는 상, 하부 반사판 모두가 도가니와 최대한 근접하도록 구동시킨다. 따라서, 상, 하부 반사판은 도가니 상, 하부와 수평을 이루도록 회전시킨다.
이와 같이 상, 하부 반사판을 각각 회전시킴으로써, 원료의 용융, 결정의 성장, 냉각 시 수직 방향의 온도 구배 제어가 용이해지고, 또한 효율성, 안정성도 향상되어 보다 고품질의 단결정을 얻을 수 있다.
5. 제5 실시예
본 발명의 제5 실시예는 제1 실시예와 대비하여 히터 구동부를 부가적으로 구성한다는 점에서 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 7을 참고하여 설명한다.
히터 구동부(50)는 히터(40)가 승하강 되도록 구동시킨다. 히터 구동부(50)와 히터(40) 사이는 히터 구동암(51)으로 연결되어 히터 구동부(50)로부터 히터(40)에 구동력을 전달할 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 도가니를 히터와 반대 방향으로 승하강시키는 도가니 구동부를 더 구비할 수 있다. 도가니 구동부와 히터 구동부를 동시에 작동시킴으로써, 챔버 내의 이동 공간을 축소시켜 챔버의 크기를 최소화하여 에너지를 절감할 수 있다. 또한 도가니의 승하강 거리를 축소시켜 승하강시 발생하는 진동을 최소화하여 단결정을 안정적으로 성장시킬 수 있다.
본 발명의 제5 실시예에 의해 히터 구동부가 히터를 승하강시키는 방법을 공정 단계에 따라 구체적으로 설명한다.
용융 단계에서 도가니 내의 원료 전체를 신속하게 용융시키기 위해 히터 구동부는 히터를 시드 결정을 향해 하강시켜 최하단에 위치시킨다.
성장 단계에서 히터 구동부는 히터가 시드 결정의 반대 방향으로 서서히 승강되도록 구동시킨다. 히터가 승강되면 온도가 가장 낮은 히터의 하단이 도가니 하부에 배치된 시드 결정과 이격되어 도가니 상, 하부의 온도 구배를 더욱 크게 제어할 수 있다. 이때, 성장 단계 전체에 걸쳐 히터를 일정한 속도로 구동시킬 수 있다. 그러나 성장 단계 초반에는 도가니의 온도 구배가 적절히 형성되므로 단결정의 성장 안정성을 위해 히터를 정지시키고, 중, 후반에는 도가니의 온도 구배가 감소하므로 히터를 승하강 구동시키거나 히터의 발열량을 제어하여 온도 구배를 형성하는 것이 바람직하다.
냉각 단계에서는 잉곳을 균일하게 냉각시키기 위해 히터 구동부는 히터의 최고 발열 위치가 잉곳의 중앙에 위치하여 잉곳의 최고, 최저온도 차이가 최소화되도록 히터를 구동시킨다.
상술한 바와 같이 히터를 성장 및 냉각 단계에 맞도록 승강 또는 하강 시킴으로써, 알루미나 원료의 용융과 단결정의 성장 및 냉각 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 수직 방향의 온도 구배 제어가 용이하여 결함을 최소화하고, 고품질의 사파이어 단결정을 얻을 수 있다.
6. 제6 실시예
본 발명의 제6 실시예는 제1 실시예와 대비하여 히터의 구조에 있어 차이가 있고, 히터 제어부를 부가적으로 구성한다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 8을 참고하여 설명한다.
히터(40)는 도가니(30) 둘레의 측부에 수직 방향으로 2단 이상 분리된 복수의 히터부를 구비한다. 복수의 히터부를 구비하는 것은 단일 히터를 사용하는 것에 비하여 각 히터부를 각각 제어할 수 있어 온도 구배를 크게 할 수 있음은 물론 그 제어가 용이하다. 따라서 수직 방향으로의 높이가 큰 도가니(30)를 사용하여 대구경 사파이어 결정을 성장시킬 수 있다.
복수의 히터부는 상, 하부 히터부(41, 42)로 이루어지고, 상, 하부 히터부(41, 42)의 전열면적을 서로 다르게 구비할 수 있다. 이때, 상부 히터부(41)의 전열면적을 하부 히터부(42)의 전열면적보다 작게 함으로써 히터(40)의 최고 발열 위치를 상승시킬 수 있다. 이는 하부 시딩법에 의해 도가니(30) 하부에 배치되는 시드 결정(31)과 최고 발열 위치를 최대한 이격시켜 도가니(30)에 적절한 온도 구배를 부여할 수 있다.
히터 제어부는 복수의 히터부 각각의 발열량을 제어한다. 히터 제어부는 상하로 분리된 히터부의 경계에서 온도 역전을 방지하도록 상부 히터부의 하단 발열량이 하부 히터부의 상단 발열량보다 크게 각각의 히터부를 제어할 수 있다.
본 발명의 제6 실시예에 의해 히터 제어부가 히터를 제어하는 방법을 공정 단계에 따라 구체적으로 설명한다.
용융 단계에서 히터 제어부는 도가니 둘레의 측부에 수직 방향으로 분리된 복수의 히터부를 구비한 히터를 작동시켜 도가니 내의 알루미나 원료를 2050℃ 이상으로 가열하여 용융시킨다. 이때, 히터 제어부는 복수의 히터부의 출력을 100%로 제어하여 원료의 용융 속도를 높일 수 있다.
성장 단계에서 단결정은 시드 결정을 중심으로 성장되므로, 히터는 시드 결정과 가까울수록 발열량이 상대적으로 작게 조성되는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 히터 제어부는 상, 하부 히터부는 상, 하부 히터부의 전열면적에 따라 상, 하부 히터부의 발열량을 각각 제어할 수 있다.
상부 히터부의 전열면적이 하부 히터부의 전열면적보다 작은 경우, 히터 제어부는 상부 히터부가 전체 히터 발열량의 50% 초과, 90% 이하를 차지하도록 제어할 수 있다. 상부 히터부의 발열량이 전체 히터 발열량의 50% 이하일 경우, 시드 결정과 인접한 하부 히터부의 발열량의 더 크므로 시드 결정과 가까운 히터 하부의 온도가 상부에 비하여 더 높아지고, 온도 구배가 감소하여 성장 안정성이 낮아진다. 상부 히터부의 발열량이 전체 히터 발열량의 90%를 초과할 경우, 성장단계 후반의 단결졍 성장속도가 감소하여 잉곳의 생산 효율이 감소된다. 따라서 잉곳의 상부가 하부에 비하여 상대적으로 높은 온도를 갖게 함으로써 온도 구배를 크게 조성할 수 있다.
냉각 단계에서는 잉곳을 최대한 균일하게 냉각시켜야 하므로, 히터는 잉곳의 최고, 최저온도 차이가 최소화되도록 발열량이 조성되는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 히터 제어부는 히터의 최고 발열 위치가 잉곳의 중앙에 위치하도록 상, 하부 히터부의 전열면적에 따라 상, 하부 히터부의 발열량을 각각 제어할 수 있다.
상부 히터부의 전열면적이 하부 히터부의 전열면적보다 작은 경우, 잉곳을 최대한 균일하게 냉각시키기 위하여 히터 제어부는 상부 히터부가 전체 히터 발열량의 85% 이하를 차지하도록 할 수 있다. 상부 히터부의 발열량이 전체 히터 발열량의 85%를 초과할 경우, 잉곳의 온도 구배가 너무 커져 응력에 의한 크랙이 발생될 수 있다. 따라서, 잉곳의 상, 하부가 최대한 균일한 온도를 갖게 함으로써 온도 구배를 최소로 조성할 수 있다.
냉각 단계의 초기에는 성장이 완료된 단결정 내의 잔류 응력을 없애도록 일정시간 동안 히터의 온도를 유지시킬 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 시드 결정이 도가니 내부의 상부에 배치되는 상부 시딩법의 경우, 사파이어 단결정은 시드 결정을 중심으로 성장되므로 시드 결정이 배치된 도가니 상부의 온도를 가장 낮게 설정하고 시드 결정과 멀어질수록 온도가 높아지도록 온도 구배를 부여하는 것이 바람직하다. 따라서 발열체의 수직 방향 온도 구배는 상술한 제1 실시예와 반대로 발열체의 상부 온도가 하부에 비하여 낮게 조절된다. 각 히터부 발열체의 위치에 따라 온도 구배를 부여하기 위해서는 제1 실시예와 마찬가지로 시드 결정과 가까울수록 폭과 두께 중 적어도 어느 하나를 상대적으로 크게 하여 발열량을 작게 할 수 있다.
이때, 상술한 제6 실시예와 같이 상, 하부 히터부로 분리된 히터를 구비한 경우, 히터 제어부는 하부 히터부의 상단 발열량이 상부 히터부의 하단 발열량보다 크게 각각의 히터부를 제어할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상을 중심으로 그 변형물 또는 균등물에까지 미침은 자명하다 할 것이다.
10 : 챔버
20 : 단열재
30 : 도가니
31 : 시드 결정
32 : 냉각부
40 : 히터
50 : 히터 구동부
60 : 반사판
70 : 반사판 구동부

Claims (21)

  1. 내부 공간을 갖는 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되는 단열재;
    상기 단열재 내부에 배치되어 원료가 장입되는 도가니;
    상기 도가니 둘레의 측부에 배치되어 상기 원료를 용융시키는 히터;
    상기 도가니 상부와 하부 중 적어도 어느 하나에 상기 히터로부터 방사되는 복사에너지를 상기 도가니로 반사시키는 1 이상의 반사판; 및
    상기 반사판 중 적어도 어느 하나와 상기 도가니 사이의 이격거리를 변화시키는 반사판 구동부; 를 포함하고,
    상기 도가니 내의 상부와 하부 중 어느 하나에 시드(Seed) 결정이 배치되고,
    상기 히터는 지그재그 형태의 발열체로 이루어지고,
    상기 발열체는 상기 시드 결정과 가까울수록 발열량이 적게 형성되도록, 위치에 따라 그 폭과 두께 중 적어도 어느 하나를 달리하여 수직과 수평 방향으로 온도 구배를 부여하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사판 중 어느 하나는, 상기 단열재의 내측에 부착된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사판 중 어느 하나는, 상기 도가니 상부와 하부 중 어느 하나에 수평 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사판 중 어느 하나는, 상기 도가니를 향하여 경사진 반사면을 구비한 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사판 중 어느 하나는, 일정한 곡률을 갖는 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 반사판은, 복사에너지를 상기 도가니의 상부 또는 하부 전체에 균일하게 반사되도록 곡률이 설정된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사판 구동부는, 상기 반사판을 승하강시키는 승하강 구동부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 도가니 상부와 하부 중 적어도 어느 하나에, 대향하는 한 쌍의 반사판이 구비되고,
    상기 반사판 구동부는, 상기 반사판을 일정 각도로 스윙시키는 회전 구동부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사판의 재질은, 몰리브덴(Molybdenum), 텅스텐(Tungsten), 이리듐(Iridium), 레늄(Rhenium) 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 반사판의 재질은, 그라파이트(Graphite) 표면에 몰리브덴(Molybdenum), 텅스텐(Tungsten), 이리듐(Iridium), 레늄(Rhenium) 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금으로 이루어진 코팅층을 형성한 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 히터를 승하강시키는 히터 구동부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 히터는, 수직 방향으로 2단 이상 분리된 복수의 히터부로 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 원료는, 알루미나(Alumina, Al2O3, 알루미늄 산화물)이고, 상기 단결정은 사파이어 단결정인 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  17. 청구항 1의 단결정 성장장치를 이용한 단결정 성장방법에 있어서,
    도가니 내에 원료를 장입하는 장입 단계;
    상기 도가니 둘레의 측부에 구비된 히터를 작동시켜 상기 원료를 용융시키는 용융 단계;
    상기 용융된 원료를 단결정으로 성장 시키는 성장 단계; 및
    상기 성장이 완료된 단결정을 냉각시키는 냉각 단계; 를 포함하고,
    상기 용융, 성장 및 냉각 단계 중 적어도 어느 하나의 단계에서 상기 반사판 구동부가 상기 반사판을 구동시키는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 용융 단계는, 상기 반사판 구동부가 상기 반사판을 상기 도가니에 근접하도록 구동시키는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 성장 단계는, 상기 반사판 구동부가 상기 시드 결정이 배치된 방향에 구비된 반사판이 상기 도가니에 이격하도록 구동시키는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 성장 단계는, 상기 반사판 구동부가 상기 시드 결정이 배치된 반대 방향에 구비된 반사판이 상기 도가니에 근접하도록 구동시키는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
  21. 청구항 17에 있어서,
    상기 냉각 단계는, 상기 반사판 구동부가 상기 반사판이 상기 도가니에 이격하도록 구동시키는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
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