KR101683646B1 - 사파이어 단결정 성장용 도가니 및 이를 이용한 단결정 성장장치 - Google Patents

사파이어 단결정 성장용 도가니 및 이를 이용한 단결정 성장장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 사파이어 단결정을 성장시키기 위해 알루미나 원료가 장입되는 도가니 및 장입된 원료로부터 시드 결정을 중심으로 단결정을 성장시키는 단결정 성장장치에 관한 것이다. 사파이어 단결정 성장용 도가니는 외부 용기; 외부 용기 내부에 삽입되며 원료가 장입되는 내부 용기; 및 외부 용기와 내부 용기 사이에 형성된 중간층; 을 포함한다. 이에 의하면, 단결정 성장 완료 후 내, 외부 용기를 분리할 수 있어 외부 용기의 재사용이 가능하다.

Description

사파이어 단결정 성장용 도가니 및 이를 이용한 단결정 성장장치{CRUCIBLE FOR SAPPHIRE GROWING SINGLE CRYSTAL AND SINGLE CRYSTAL GROWER USING IT}
본 발명은 단결정 성장용 도가니 및 이를 이용한 단결정 성장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 사파이어 단결정을 성장시키기 위해 알루미나 원료가 장입되는 도가니 및 장입된 원료로부터 시드 결정을 중심으로 단결정을 성장시키는 단결정 성장장치에 관한 것이다.
단결정은 금속이나 세라믹 및 SiC와 같은 원료를 도가니 내에 위치시킨 후, 용융, 승화 서냉 및 응축시키면서 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, 시계유리 뿐만 아니라 산업용, 군사용과 같은 분야에서도 사용된다. 최근 LED용 기판과 모바일 업체에서 사파이어 소재를 채용함으로써 첨단소재 분야에서도 사파이어가 광범위하게 사용되고 있다.
사파이어 단결정과 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 제10-2011-0027593호에 의하면, 성장로 내부에 사파이어 잉곳을 성장시키는 도가니가 배치되고, 도가니 주변에 단일의 히터가 설치된다.
최근 사파이어의 응용 범위가 넓어지면서 직경 6인치 이상의 대구경 사파이어를 필요로 하고 있다. 대구경의 사파이어 잉곳을 제조하기 위해서는 도가니의 크기가 필연적으로 커져야 하고, 도가니의 크기가 커짐에 따라 도가니의 원가도 상승한다.
이때, 도가니의 재료로는 알루미나 원료의 용융점인 2050℃보다 높은 용융점을 갖는 텅스텐, 레늄, 몰리브덴 및 이리듐과 같은 금속이 사용되며, 이러한 금속들은 다른 금속에 비해 가격이 높다.
또한, 도가니는 일주일 이상의 장시간 동안 2050℃ 이상의 고온에 노출되어, 고온에서의 열화 등으로 인해 도가니를 재사용할 수 있는 횟수는 제한적이다.
특히, 하부 시딩법의 경우, 사파이어 단결정 성장 완료 후 도가니와 성장된 사파이어 잉곳이 서로 부착해 있기 때문에 도가니와 사파이어 잉곳 간의 분리를 위해 도가니를 파쇄하여야 한다. 따라서 도가니는 일회용으로 사용되는데, 이는 하부 시딩법의 심각한 원가 상승 요인으로 작용한다.
상술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 사파이어의 용융점 이상의 온도에서 안정적으로 사용할 수 있는 단결정 성장용 도가니를 제공하고, 이를 이용하여 단결정 성장시 생산 비용을 줄일 수 있는 단결정 성장장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사파이어 단결정 성장용 도가니는, 알루미나 원료를 용융시키기 위한 사파이어 단결정 성장용 도가니로서, 외부 용기; 상기 외부 용기 내부에 삽입되며 상기 원료가 장입되는 내부 용기; 및 상기 외부 용기와 상기 내부 용기 사이에 형성된 중간층; 을 포함한다.
바람직하게, 상기 외부 용기의 재료는, 그라파이트, 텅스텐, 레늄, 몰리브덴, 이리듐 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 내부 용기의 재료는, 텅스텐, 레늄, 몰리브덴, 이리듐 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 중간층은, 상기 외부 용기 내측면 또는 상기 내부 용기 외측면 중 적어도 어느 하나에 형성된 코팅층으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 코팅층은, 텅스텐, 레늄, 몰리브덴, 이리듐 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 중간층은, 상기 외부 용기 내측면 또는 상기 내부 용기 외측면 중 적어도 어느 하나에 형성된 이형제층으로 이루어진다.
바람직하게, 상기 외부 용기 내측면에 코팅층을 형성하고, 상기 코팅층의 내측면에 이형제층이 형성된다.
바람직하게, 상기 이형제층은, 세라믹을 포함하여 구성된다.
바람직하게, 상기 내부 용기의 두께는, 상기 외부 용기의 두께보다 얇게 구성된다.
바람직하게, 상기 내부 용기의 상단은, 상기 외부 용기의 상단보다 높게 배치된다.
바람직하게, 상기 내부 용기의 상단은, 외측으로 절곡되어 상기 외부 용기의 상단을 덮도록 구성된다.
바람직하게, 상기 내부 용기 내부의 바닥면에 시드 결정이 배치되고, 상기 외부 용기는, 상기 시드 결정 하부에 해당하는 하부면에 관통구가 형성된다.
바람직하게, 상기 관통구는, 상기 시드 결정을 냉각시키는 냉각로드의 상면이 삽입되는 크기로 형성된다.
바람직하게, 상기 내부 용기의 내부 바닥면은, 시드 결정이 안착되는 안착부 및 상기 안착부 양측으로 상향 경사진 테이퍼부가 형성된다.
상술한 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사파이어 단결정 성장장치는, 내부 공간을 갖는 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되는 단열재; 상기 단열재 내부에 배치되고, 외부 용기, 상기 외부 용기 내부에 삽입되며 알루미나 원료가 장입되는 내부 용기 및 상기 외부 용기와 상기 내부 용기 사이에 형성된 중간층으로 이루어진 도가니; 및 상기 도가니 둘레의 측부에 배치되어 상기 알루미나 원료를 용융시키는 히터; 를 포함한다.
본 발명의 단결정 성장용 도가니 및 이를 이용한 단결정 성장장치에 의하면, 도가니를 구성하는 내, 외부 용기를 분리할 수 있어 외부 용기를 재사용할 수 있다.
또한, 본 발명은 내부 용기의 상단을 외부 용기의 상단보다 높거나 외부 용기의 상단을 덮도록 구성함으로써, 내, 외부 용기의 분리를 용이하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 외부 용기에 관통구를 형성함으로써, 냉각로드에 의한 도가니 내의 냉각 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 내부 용기의 바닥면에 테이퍼부를 형성함으로써, 내부 용기 내부에 배치된 시드 결정을 고정시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 도가니의 단면도.
도 2는 본 발명을 구성하는 중간층의 형태를 나타내는 도가니의 단면도.
도 3은 본 발명을 구성하는 중간층의 다른 형태를 나타내는 도가니의 단면도.
도 4는 본 발명을 구성하는 중간층의 또 다른 형태를 나타내는 도가니의 단면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 도가니의 단면도.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 의한 도가니의 단면도.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 의한 도가니의 단면도.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 의한 도가니의 단면도.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 의한 도가니를 사용한 단결정 성장장치의 단면도.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다. 본 발명의 사파이어 단결정 성장용 도가니는 제1 내지 제5 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.
본 발명의 제1 실시예에 의한 단결정 성장용 도가니는 시드(Seed) 결정을 중심으로 사파이어 단결정을 성장시키기 위해 알루미나(Alumina, Al2O3, 알루미늄 산화물) 원료가 장입되는 도가니로, 도 1에 도시한 바와 같이 크게 외부 용기(10), 내부 용기(20) 및 중간층(30)으로 이루어진다.
외부 용기(10)는 내부 용기(20) 외부에 배치되며, 외부 용기(10)의 재료로는 알루미나의 용융점보다 용융점이 높은 그라파이트, 텅스텐, 레늄, 몰리브덴, 이리듐 중 어느 하나 또는 2종 이상의 합금이 사용될 수 있다.
내부 용기(20)는 외부 용기(10) 내부에 삽입되며, 사파이어 단결정을 성장시키기 위하여 장입된 알루미나 원료를 수용한다. 내부 용기(20)의 재료로는 텅스텐, 레늄, 몰리브덴, 이리듐 중 어느 하나 또는 2종 이상의 합금이 사용될 수 있다.
내부 용기(20)를 구성하는 재료의 열팽창계수가 외부 용기(10)를 구성하는 재료의 열팽창계수보다 클 경우, 내부 용기(20)가 외부 용기(10)보다 더 많이 팽창하여 내, 외부 용기(20, 10)에 균열을 발생시킬 수 있으므로, 내, 외부 용기(20, 10) 사이에 유격을 형성할 수 있다.
내부 용기(20) 내부의 바닥면에는 시드 결정(310)이 배치된다. 시드 결정(310)은 하부 시딩법에 의해 내부 용기(20) 하부에 배치되고, 사파이어 단결정은 시드 결정(310)을 중심으로 성장된다.
중간층(30)은 외부 용기(10)와 내부 용기(20) 사이에 코팅층(30a) 또는 이형제층(30b)으로 단독 구성되거나 코팅층(30a)과 이형제층(30b)이 함께 구성될 수 있다. 이러한 중간층(30)은 외부 용기(10)의 내측면 또는 내부 용기(20)의 외측면 중 적어도 어느 하나에 형성되며, 이하에서는 중간층(30)을 구성하는 3개의 형태에 대하여 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 첫 번째 형태로서, 중간층(30)은 도 2에 도시한 바와 같이 외부 용기(10)의 내측면에 형성된 코팅층(30a)으로 구성된다. 코팅층(30a)은 알루미나 원료를 용융시키는 공정과 같이 고온의 상황에서 열팽창으로 인한 크랙 발생으로부터 외부 용기(10)를 보호할 수 있다. 이러한 코팅층(30a)은 텅스텐, 레늄, 몰리브덴, 이리듐 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금으로 이루어질 수 있다.
두 번째 형태로서, 중간층(30)은 도 3에 도시한 바와 같이 내부 용기(20)의 외측면에 형성된 이형제층(30b)으로 구성된다. 이형제층(30b)은 내부 용기(20) 내에서 단결정의 성장 완료 시 외부 용기(10)와 내부 용기(20)의 분리를 용이하게 할 수 있다. 이러한 이형제층(30b)은 세라믹을 포함하여 구성될 수 있다.
마지막으로, 세 번째 형태로서, 중간층(30)은 도 4에 도시한 바와 같이 외부 용기(10)의 내측면에 형성된 코팅층(30a) 및 코팅층(30a)의 내측면에 형성된 이형제층(30b)으로 구성된다. 코팅층(30a)은 첫 번째 형태에서 상술한 바와 같이 외부 용기(10)를 크랙 발생으로부터 보호할 수 있고, 텅스텐, 레늄, 몰리브덴, 이리듐 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금으로 이루어질 수 있다. 이형제층(30b)은 두 번째 형태에서 상술한 바와 같이 외부 용기(10)와 내부 용기(20)의 분리를 용이하게 할 수 있고, 세라믹을 포함하여 구성될 수 있다.
상술한 중간층의 3개 형태에 의하면 내, 외부 용기의 분리가 가능하여 외부 용기를 재사용함으로써 도가니의 생산비용을 낮출 수 있다. 또한, 중간층은 상술한 3개 형태 이외에 내, 외부 용기 사이에 형성되어 내, 외부 용기를 보호하거나 용이하게 분리할 수 있다면 어떠한 형태라도 가능하다.
상술한 도가니가 사용되는 과정을 설명하면, 내부 용기 내의 알루미나 원료를 용융시킨 뒤, 서냉하면서 시드 결정을 중심으로 사파이어 단결정을 성장시키고, 성장된 단결정을 냉각시킨다. 사파이어 단결정의 성장 및 냉각이 완료되면 내, 외부 용기를 분리하여 내부 용기는 파쇄하고, 외부 용기는 재사용한다.
이때, 일회용으로 사용되는 내부 용기의 두께는 재사용되는 외부 용기의 두께보다 얇게 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예와 대비하여 내부 용기의 구조에 있어 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 5를 참고하여 설명한다.
내부 용기(21)의 상단은 외부 용기(10)의 상단보다 높게 배치된다. 이로써, 외부 용기(10)로부터 내부 용기(21)를 분리하기에 용이하다. 또한, 내부 용기(21) 내의 용융된 알루미나 원료가 사파이어 단결정으로 성장되는 과정에서 부피가 줄어든 용탕 내부로 새로운 원료를 추가 장입할 시에, 비산되는 용탕이 외부 용기(10)에 부착되는 것을 방지함으로써 재사용 되는 외부 용기(10)의 수명을 늘릴 수 있다.
본 발명의 제3 실시예는 제1 실시예와 대비하여 내부 용기의 구조에 있어 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 6을 참고하여 설명한다.
내부 용기(22)의 상단은 외부 용기(10)의 상단을 덮도록 외측으로 절곡된다. 이로써, 외부 용기(10)로부터 내부 용기(22)를 분리하기에 용이하다. 또한, 제2 실시예와 마찬가지로 용탕이 외부 용기(10)에 부착되는 것을 방지함으로써 재사용 되는 외부 용기(10)의 수명을 늘릴 수 있다.
본 발명의 제4 실시예는 제1 실시예와 대비하여 외부 용기의 구조에 있어 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 7을 참고하여 설명한다.
외부 용기(13)는 하부면에 관통구(13a)가 형성된다.
관통구(13a)는 내부 용기(20) 내부의 바닥면에 배치된 시드 결정(310)의 하부에 해당하는 위치에 형성되고, 시드 결정(310)을 냉각시키는 냉각로드(320)의 상면이 삽입되는 크기로 형성된다.
냉각로드(320)는 승강하여 관통구(13a)에 삽입되고, 냉각로드(320)의 상면이 내부 용기(20)의 하부면과 직접 접촉함으로써 시드 결정(310)을 냉각하게 된다. 이로써, 시드 결정(310)으로부터 냉각로드(320)의 열전도율이 높아져 냉각시키는 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 제5 실시예는 제1 실시예와 대비하여 내, 외부 용기의 구조에 있어 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 8을 참고하여 설명한다.
내부 용기(24)는 내부 바닥면에 안착부(24a) 및 테이퍼부(24b)가 형성된다. 안착부(24a)는 시드 결정(310)이 안착되는 위치에 평평하게 형성된다. 테이퍼부(24b)는 안착부(24a) 양측으로 도가니 벽면을 향해 상향 경사지게 형성된다. 이로써, 내부 용기(24) 내부로 알루미나 원료 장입시 시드 결정(310)의 측면이 고정되어 시드 결정(310)의 정위치를 유지시키게 된다.
외부 용기(14)는 내부 용기(24)와 같이 평평하게 형성된 안착부(14a) 및 안착부(14a) 양측으로 상향 경사지게 형성된 테이퍼부(14b)가 형성된다. 즉, 외부 용기(14)는 내부 용기(24)와 밀착되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 사파이어 단결정 성장장치는, 사파이어 단결정을 성장시키기 위해 알루미나 원료를 용융시키고, 용융된 원료로부터 시드 결정을 중심으로 단결정을 성장시키는 사파이어 단결정 성장장치로, 도 9에 도시한 바와 같이 크게 챔버(100), 단열재(200), 도가니(300) 및 히터(400)로 이루어진다.
챔버(100)는 내부 공간을 가지며, 단열재(200), 도가니(300) 및 히터(400) 등이 내부에 배치된다.
단열재(200)는 챔버(100) 내부에 배치되고, 히터(400)로부터 공급되는 열을 챔버(100) 내부에서 단열시켜 히터(400)의 열 효율을 높일 수 있다.
도가니(300)는 단열재(200) 내부에 배치되며, 사파이어 단결정을 성장시키기 위하여 장입된 알루미나 원료를 수용한다. 이러한 도가니(300)는 알루미나 원료를 용융시킨 후 서냉하며 사파이어 단결정을 성장시키기 위해 알루미나의 용융 온도인 2050℃에서도 녹지 않는 재료로 형성될 수 있다.
도가니(300)는 상술한 제1 실시예의 사파이어 단결정 성장용 도가니와 같이, 외부 용기, 외부 용기 내부에 삽입되는 내부 용기 및 내, 외부 용기 사이에 형성된 중간층으로 이루어진다.
도면에 도시하지는 않았지만, 사파이어 단결정 성장장치에 사용되는 도가니로 제2 내지 제5 실시예의 사파이어 단결정 성장용 도가니 중 어느 하나를 사용할 수도 있다.
히터(400)는 도가니(300) 둘레의 측부에 배치되어 도가니(300) 내의 알루미나 원료를 용융시키도록 발열한다.
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 : 외부 용기
20 : 내부 용기
30 : 중간층
30a : 코팅층
30b : 이형제층
100 : 챔버
200 : 단열재
300 : 도가니
400 : 히터

Claims (15)

  1. 알루미나 원료를 용융시키기 위한 사파이어 단결정 성장용 도가니로서,
    외부 용기;
    상기 외부 용기 내부에 삽입되며 상기 원료가 장입되는 내부 용기; 및
    상기 내, 외부 용기의 분리가 용이하도록 상기 외부 용기 내측면과 상기 내부 용기 외측면 사이에 형성된 이형제층; 을 포함하고,
    상기 내부 용기 내부의 바닥면에 시드 결정이 배치되고,
    상기 외부 용기는, 상기 시드 결정에 해당하는 하부면에 관통구가 형성되어 상기 시드 결정을 냉각시키는 냉각로드가 삽입되는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 용기의 재료는, 그라파이트, 텅스텐, 레늄, 몰리브덴, 이리듐 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 용기의 재료는, 텅스텐, 레늄, 몰리브덴, 이리듐 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금인 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 용기 내측면 또는 상기 내부 용기 외측면 중 적어도 어느 하나에 형성된 코팅층; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 코팅층은, 텅스텐, 레늄, 몰리브덴, 이리듐 중 어느 하나 또는 2 종 이상의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  6. 삭제
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 외부 용기 내측면에 코팅층을 형성하고,
    상기 코팅층의 내측면에 이형제층이 형성된 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 이형제층은, 세라믹을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 용기의 두께는, 상기 외부 용기의 두께보다 얇게 구성된 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 용기의 상단은, 상기 외부 용기의 상단보다 높게 배치된 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 용기의 상단은, 외측으로 절곡되어 상기 외부 용기의 상단을 덮도록 구성된 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  12. 삭제
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 관통구는, 상기 시드 결정을 냉각시키는 냉각로드의 상면이 삽입되는 크기로 형성된 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 용기의 내부 바닥면은, 시드 결정이 안착되는 안착부 및 상기 안착부 양측으로 상향 경사진 테이퍼부가 형성된 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장용 도가니.
  15. 내부 공간을 갖는 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되는 단열재;
    청구항 1의 도가니; 및
    상기 도가니 둘레의 측부에 배치되어 상기 알루미나 원료를 용융시키는 히터; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장장치.
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