KR20110137749A - 사파이어 시드 및 그 제조방법과 사파이어 단결정의 제조방법 - Google Patents

사파이어 시드 및 그 제조방법과 사파이어 단결정의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전위 밀도를 저감시킨 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법을 제공한다.
본 발명은, 사파이어 단결정으로 이루어지고, 그 (0001)면을 결정 성장면으로 하여 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 사파이어 시드의 제조방법으로서, 상기 사파이어 시드의 측면이, {1-100}면±10°이내의 결정면이 되고, 또한 상기 사파이어 시드의 형상이, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하도록 가공된 사파이어 시드를 준비하는 공정과, 상기 사파이어 시드에 대하여 소정의 열처리를 실시하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

사파이어 시드 및 그 제조방법과 사파이어 단결정의 제조방법{SAPPHIRE SEED AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND METHOD FOR MANUFACTURING SAPPHIRE SINGLE CRYSTAL}
본 발명은 사파이어 시드 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 고품위의 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 사파이어 시드 및 그 제조방법에 관한 것이다.
더욱이 본 발명은 사파이어 단결정의 제조방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히, 고품위의 사파이어 단결정을 제조하는 방법에 관한 것이다.
사파이어 단결정은, 능면체정계(菱面體晶系)의 결정구조 혹은 육방정계로 근사되는 결정구조를 갖는 산화 알루미늄의 단결정이다. 사파이어 단결정은, 그 뛰어난 기계적 특성이나 화학적 안정성, 광학특성때문에 공업재료로서 널리 이용되고 있으며, 특히, 청색·백색계 발광 다이오드(LED)를 제조하기 위한 GaN 막형성기판으로서 이용되고 있다.
이러한 사파이어 단결정의 육성에는 여러 방법이 있는데, 특히, 대형 결정의 육성이 비교적 용이하다는 등의 이유에서, 초크랄스키법(CZ법)이라 불리는 단결정 성장기술을 이용하여, 사파이어 단결정을 육성하는 방법이 일반적이다.
이 CZ법은 일반적으로, 이하와 같은 공정을 통해 고품위의 단결정 잉곳을 제조하는 기술이다. 우선, 도가니 내에서 용융시킨 다결정 원료에, 단결정의 종결정(시드)을 접촉시키는 시딩공정을 수행한다. 그 후, 인상(引上)속도 및 융액온도를 제어하면서 시드를 회전시켜 서서히 인상한다.
그런데, 시드에 전위(轉位)가 존재할 경우, 시드의 전위가, 그 후 성장하는 단결정에 인계되어 단결정 잉곳의 품질이 저하된다는 문제가 있다. 시드에 전위가 존재하는 경우로는, 예컨대, 제조된 시드에 이미 전위가 포함되어 있었을 경우나, 시딩시에 받은 열충격에 의해, 시드의 결정 성장면에 전위가 발생했을 경우가 있다. 이에, 그 후 성장하는 단결정에 전위가 인계되는 것을 방지하기 위하여, 예컨대 실리콘 단결정의 잉곳을 제조할 경우에는, 시딩 후, 잉곳의 지름을 증대시키기 전에, 일단 지름을 좁히는 네킹(necking)이라 불리는 공정을 수행하는 것이 일반적이다.
그러나, 사파이어 단결정의 성장속도는, 실리콘 단결정의 경우에 비해 두 자릿수 정도 낮다. 이 때문에, 네킹에 소요되는 시간은 수십 시간 이상이 된다. 또한, 사파이어 결정의 융점은, 2050℃로, 실리콘 결정의 1412℃에 비해 높다. 이 때문에, 융액 표면에서의 조성의 변화나 로(爐) 내의 온도분포변화의 영향으로 인해 융액의 대류가 변동하기 쉬워, 시드 주위의 융액온도를 장시간 안정시키기가 어렵다. 이러한 이유로, CZ법으로 사파이어 단결정을 성장시킬 경우, 네킹 공정은 수행되지 않는 것이 일반적이다.
이 때문에, 전위 밀도를 보다 저감시킨 사파이어 시드를 이용하여, 보다 고품위의 사파이어 단결정 잉곳을 얻는 기술이 요망되어 왔다.
여기서, 특허문헌 1에는, 원료 융액의 온도를, 단결정용 원료의 융점에 대하여 적정한 범위로 조절함으로써 종결정 표면의 용융을 억제하며, 종결정과 융액간의 경계에서 발생하는 전위를 감소시킴으로써, 고품질의 단결정을 제조하는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 특허문헌 1에서는, 융액과의 접촉 전의 종결정 자체에 포함되는 전위에 관해서는 전혀 고찰된 바 없다.
또한, 비특허문헌 1에는, 높은 전위밀도를 가지며 표면을 특정 결정면으로 하는 박막에 대하여 소정의 열처리를 실시함으로써, 전위 밀도를 감소시키는 기술이 개시되어 있다. 그러나, 상기 기술은, 두께를 고려하지 않은, 표면과 열처리의 관계에 관한 것으로서, 두께를 갖는 시드와 같은 단결정의 사파이어 시드의 전위 밀도를 저감시키는 것에 대해서는 전혀 고찰된 바 없다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
[특허문헌 1] 일본 특허공개공보 제2008-260641호
[비특허문헌]
[비특허문헌 1] 나카무라 아츠토모 외, 「사파이어에 있어서의 전위 배치의 제어(Control of dislocation configuration in sapphire)」, Acta Materialia, 2005년 1월 10일, 제53권, 제2호, p.455-462
본 발명의 목적은, 상기 문제를 해결하여, 전위 밀도를 저감시킨 결정 성장용의 사파이어 시드와 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은, 상기 문제를 해결하여, 고품위의 사파이어 단결정을 성장시킬 수 있는 사파이어 단결정의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명자들은, 상기 과제를 해결하기 위해 면밀히 연구한 결과, 사파이어 단결정으로 이루어지고, 그 (0001)면을 결정 성장면으로 하여 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 사파이어 시드에, 소정의 열처리를 실시함으로써, c축에 평행한 전위 밀도를 저감시킬 수 있음을 알았다.
또한, 결정성장용의 사파이어 시드의 형상을 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하는 것으로 하고, 이 측면을 {1-100}면에 대하여 ±소정의 범위 내가 되도록 함으로써, 사파이어 시드의 결정 성장면의 전위 밀도를 저감시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성시키기에 이르렀다.
본 발명은, 상기한 지견(知見)에 입각하는 것으로서, 그 요지 구성은 아래와 같다.
(1) 사파이어 단결정으로 이루어지고, 그 (0001)면을 결정 성장면으로 하여 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 사파이어 시드의 제조방법으로서,
상기 사파이어 시드의 측면이, {1-100}면±10°이내의 결정면이 되고, 또한 상기 사파이어 시드의 형상이, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하도록 가공된 사파이어 시드를 준비하는 공정과,
상기 사파이어 시드에 대하여 소정의 열처리를 실시하는 공정,
을 구비하는 것을 특징으로 하는 사파이어 시드의 제조방법.
(2) 상기 열처리는, 1400~1800℃의 범위의 제 1 열처리를 포함하는 상기 (1)에 기재된 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법.
(3) 상기 열처리는, 상기 제 1 열처리와, 1000~1200℃의 범위의 제 2 열처리로 이루어지는 2단계 열처리를 포함하는 상기 (2)에 기재된 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법.
(4) 상기 열처리는, 상기 2단계 열처리를 복수 회 포함하는 상기 (3)에 기재된 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법.
(5) 상기 열처리는, 상기 제 1 열처리를 30분 이상 수행하는 상기 (2), (3) 또는 (4)에 기재된 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법.
(6) 상기 열처리는, 상기 제 2 열처리를 10분 이상 수행하는 상기 (3) 또는 (4)에 기재된 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법.
(7) 사파이어 단결정으로 이루어지고, 그 (0001)면을 결정 성장면으로 하여 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 사파이어 시드로서,
상기 사파이어 시드의 측면이, {1-100}면±10°이내의 결정면이며, 또한 상기 결정 성장용 사파이어 시드의 형상이 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하고,
결정 성장면의 전위 밀도가 103/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 사파이어 시드.
(8) 상기 사파이어 시드는, 결정 성장면의 사이즈가 5~12mm의 범위인 상기 (7)에 기재된 사파이어 시드.
(9) 사파이어 단결정의 제조방법은 이하의 공정을 구비한다;
사파이어 단결정으로 이루어지는 사파이어 시드로서, 그 측면이, {1-100}면±10°이내의 결정면이 되고, 또한, 그 형상이, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하도록 가공된 사파이어 시드에 대하여, 소정의 열처리를 시행하는 공정과,
사파이어 단결정을 성장시키기 위한 원료를 도가니 내에 충전하고, 가열 융해시킴으로써 원료 융액을 형성하는 공정과,
열처리 후의 상기 사파이어 시드를 상기 원료 융액에 접촉시키는 공정과,
상기 사파이어 시드를 상방으로 인상하면서, 상기 사파이어 시드의 (0001)면에 사파이어 단결정을 성장시키는 공정,
을 구비하는 사파이어 단결정의 제조방법.
(10) 상기 열처리는, 상기 사파이어 시드를 상기 원료 융액의 상방에 배치하여 실시하는 상기 (9)에 기재된 사파이어 단결정의 제조방법.
(11) 상기 열처리는, 사파이어 시드 선단의 온도가 1400~1800℃의 범위가 되는 원료 융액 상방의 제 1 위치에서의 제 1 열처리를 포함하는 상기 (10)에 기재된 사파이어 단결정의 제조방법.
(12) 상기 열처리는, 상기 제 1 열처리와, 사파이어 시드 선단의 온도가 1000~1200℃의 범위가 되는 원료 융액 상방의 제 2 위치에서의 제 2 열처리로 이루어지는 2단계 열처리를 포함하는 상기 (11)에 기재된 사파이어 단결정의 제조방법.
(13) 상기 열처리는, 상기 2단계 열처리를 복수 회 포함하는 상기 (12)에 기재된 사파이어 단결정의 제조방법.
(14) 상기 열처리는, 상기 제 1 열처리를 30분 이상 실시하는 것을 포함하는 상기 (11), (12) 또는 (13)에 기재된 사파이어 단결정의 제조방법.
(15) 상기 열처리는, 상기 제 2 열처리를 10분 이상 실시하는 것을 포함하는 상기 (12) 또는 (13)에 기재된 사파이어 단결정의 제조방법.
본 발명에 따르면, (0001) 면을 결정 성장면으로 하는 결정 성장용의 사파이어 시드의 측면을, {1-100}면±소정범위 내의 결정면으로 하고 또한 사파이어 시드의 형상을, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하도록 하며, 이 사파이어 시드에 소정의 열처리를 실시한다. 이 때문에, 결정 성장면의 전위 밀도를 소정값 이하로 하는 사파이어 시드를 얻을 수 있다. 더욱이, 상기 사파이어 시드를 이용하여, 그 (0001)면 위에, 저전위 밀도 또는 무전위인 고품위의 사파이어 단결정을 성장시킬 수가 있다.
도 1은 능면체정계를 육방정계로 근사하여 나타내었을 때의 사파이어 단결정의 단위 격자(Unit Cell)를 나타내는 모식도이다.
도 2의 (a)는, 본 발명에 의한 육각기둥의 사파이어 시드의 모식적 단면도이며, (b)는, 본 발명에 의한 삼각기둥의 사파이어 시드의 모식적 단면도이다.
도 3은 c축을 회전 중심으로 하였을 경우의 본 발명에 의한 사파이어 시드의 측면의 회전상태를 나타내는 모식적 단면도로서, 실선은 측면이 {1-100}인 경우를 나타내고, 점선은 측면이 {1-100}로부터 10°기울었을 경우를 나타낸다.
도 4는 사파이어 단결정의 제조 공정의 일부를 나타내는 모식적 단면도이다.
(사파이어 시드의 제조방법)
본 발명의 사파이어 시드의 제조방법의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
본 발명에 따른 사파이어 시드의 제조방법은, 사파이어 단결정으로 이루어지고, 그 (0001)면을 결정 성장면으로 하여 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 사파이어 시드의 제조방법으로서, 사파이어 시드의 측면이, {1-100}면±10°이내의 결정면이 되고, 또한 사파이어 시드의 형상이, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하도록 가공된 사파이어 시드를 준비하는 공정과, 상기 사파이어 시드에 대하여 소정의 열처리를 실시하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하며, 이러한 공정을 구비함으로써, 결정 성장면의 전위 밀도를 저감시킨 사파이어 시드를 제조할 수 있는 것이다.
도 1은, 사파이어 단결정의 단위격자를 나타낸 것이다. 사파이어 단결정은, 정확하게는 능면체정계의 결정 구조를 갖지만, 도 1에 나타낸 바와 같이, 육방정계로 근사하여 나타낼 수 있다. 본 발명에서 제조하는 「사파이어 시드」는, 사파이어 단결정으로 이루어지는 것이다. 통상적으로, 사파이어 단결정의 잉곳으로부터 예컨대 GaN 막형성용의 웨이퍼를 잘라낼 경우, 웨이퍼의 주면(主面)이 사파이어 단결정의 (0001)면(ｃ면)이 되도록 잘라내는 것이 일반적이다.
재료를 가능한 한 낭비하지 하지 않기 위해서는, c축 방향으로 결정을 육성하여 거의 원기둥형상의 잉곳을 얻는 동시에, 이 잉곳을 c축 방향(잉곳의 축방향)에 대하여 수직으로 절단하는 것이 바람직하다. 따라서, 사파이어 시드의 결정 성장면은 (0001)면으로 한다. 한편, 결정 성장면이 (0001)면이라는 것은, 결정의 성장 축방향을 [0001]으로 했다는 것과 같은 의미이다. 즉, 시드 결정의 축방위가 [0001]인, 즉 (0001)면에 수직이면, 시드의 선단의 형상에 관계없이, 시드에 단결정으로서 이어지는 결정의 축방위는 [0001]이 되어, 거시적으로 보면 (0001)면에서 성장하고 있는 것이 된다.
도 2(a) 및 도 2(b)는, 각각 사파이어 시드의 형상이 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상인 경우의 사파이어 시드의 모식적 단면도를 나타낸 것이다. 도 2(a) 또는 도 2(b)에 각각 나타낸 바와 같이, 사파이어 시드의 6개 또는 3개의 측면 모두가, {1-100}면±10°이내(도 2에서는, 사파이어 시드의 측면과 {1-100}면이 동일)의 결정면이 되고, 또한 사파이어 시드의 형상이, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상이 되도록 사파이어 시드를 가공한다. 상기 가공은, X선 회절법에 의해 방위를 계측하여, 예컨대 다이아몬드 블레이드 등을 이용하여 수행할 수 있다.
한편, 사파이어 시드의 측면이, {1-100}면±10°이내라는 것은, 도 3에 파선 및 1점 쇄선으로 나타낸 바와 같이, 사파이어 시드의 측면이, {1-100}면인 실선으로부터 c축을 회전 중심으로 하여 ±10°이내만큼 회전시켰을 때의 결정면을 포함하는 것을 의미한다.
본 발명에서는, 상기한 바와 같이 가공된 사파이어 시드를 준비하고, 이 사파이어 시드에 대하여 소정의 열처리를 실시한다. 상기 열처리 공정은, 공기, 산소(O2), 아르곤(Ar), 헬륨(He) 및 질소(N2) 등의 분위기중에서 수행할 수 있다.
본 발명은 이론에 얽매이는 것은 아니지만, 이하와 같은 작용에 의해 전위 밀도를 감소시킬 수 있는 것이라 생각된다. 사파이어 시드중의 전위는, (0001)면의 <1-100>방향에서 가장 안정되어 있다. 또한, 시드의 표면근방에서는, 전위에 커다란 경상력(鏡像力 ; image force)이 작용하기 때문에, 전위에는, 시드의 표면에 수직이 되려 하는 커다란 힘이 작용하고 있다. 상술한 바와 같이, 사파이어 시드의 측면을, {1-100}면에 대하여, c축을 회전 중심으로 하여 ±10°이내의 결정면이 되도록 형성함으로써, 전위의 안정적인 방향과 경상력(鏡像力 ; image force)의 작용방향을 일치시킬 수가 있다. 또한, 사파이어 단결정을 고온으로 유지하면, 점 결함이 전위 주위의 왜곡영역에 의해 모아져 상승 운동하여, 전위의 형상이 바뀌는 것으로 알려져 있다. 또한, 온도 구배에 의한 열응력에 의해, 전위가 슬립운동을 하는 것도 알려져 있다. 이 때문에, 사파이어 시드에 열처리를 실시함으로써, 시드의 표면에 노출되어 있는 전위는, 경상력과 상승운동 혹은 슬립운동에 의해, 시드의 표면에 대하여 수직이 된다. 전위에는 짧아지는 힘이 작용하므로, 전위의 움직임이 가능한 온도에서는, 표면 근방의 수직의 성분이 점차 길어진다. 그 결과, 축에 평행한 전위의 밀도를 낮출 수 있는 것이라 생각된다.
열처리는, 1400~1800℃의 범위의 제 1 열처리(고온열처리)를 포함하는 것이 바람직하다. 제 1 열처리가 1400℃ 미만이면, 전위의 상승 운동이 충분히 일어나지 않아, 전위의 형상의 변화가 불충분하게 될 우려가 있으며, 제 1 열처리가 1800℃를 초과하면, 전위의 슬립운동에 의해 전위가 증식되어 전위 밀도가 증가할 우려가 있기 때문이다.
열처리는, 상기 제 1 열처리와, 이 제 1 열처리 이후에 수행되는, 1000~1200℃의 범위의 제 2 열처리(저온열처리)로 이루어지는 2단계 열처리를 포함하는 것이 바람직하다. 고온열처리에 의해 점 결함을 대량 발생시키며, 그 후의 저온열처리에 의해 점 결함을 과포화시키고, 과포화된 점 결함에 의해 전위를 움직이기 위함이다. 그리고, 제 2 열처리가 1000℃ 미만이면, 점 결함의 확산이 지연될 우려가 있으며, 제 2 열처리가 1200℃를 초과하면, 점 결함의 과포화도가 작아질 우려가 있으므로, 1000~1200℃의 범위가 바람직하다.
열처리는, 고온열처리와 그 후의 저온열처리로 이루어지는 2단계 열처리를 복수 회 포함하는 것이 바람직하다. 2단계 열처리를 복수 회 수행함으로써, 점결함의 과포화도를 높여 전위의 상승 운동을 촉진하는 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
열처리는, 전위의 상승운동이나 슬립운동에 의해 전위가 시드 표면과 수직이 되는 부분을 길게 하기 위하여, 제 1 열처리를 30분 이상 수행하는 것이 바람직하다. 이 처리 시간은, 열처리의 온도가 높을수록 짧게 할 수 있다.
열처리는, 시드의 온도를 소정의 온도까지 충분히 낮추기 위하여, 제 2 열처리를 10분 이상 수행하는 것이 바람직하다. 이 처리 시간은, 열처리의 온도가 높을수록 짧게 할 수 있다.
(사파이어 시드)
본 발명의 사파이어 시드의 실시 형태에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 사파이어 시드는, 사파이어 단결정으로 이루어지며, 그 (0001)면을 결정 성장면으로 하여 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 사파이어 시드로서, 상기 사파이어 시드의 측면이, {1-100}면±10°이내의 결정면이며, 또한 결정 성장용 사파이어 시드의 형상이, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하고, 결정 성장면의 전위 밀도가 103/㎠ 이하인 것을 특징으로 하며, 이러한 구성을 구비함으로써, 사파이어 시드의 결정 성장면 위에, 저전위 밀도 또는 무전위인 고품위의 사파이어 단결정을 성장시킬 수 있는 것이다.
이러한 사파이어 시드는, 앞서 기술한 바와 같은 제조방법에 의해 얻을 수 있는 것이다.
사파이어 시드는, 결정 성장면의 사이즈가 5~12mm의 범위인 것이 바람직하다. 여기서, 「결정 성장면의 사이즈」란, 사파이어 시드의 형상이 육각기둥형상일 경우에는, 육각형에 외접하는 원의 직경을 말하고, 삼각기둥형상일 경우에는, 삼각형에 외접하는 원의 직경을 말한다. 결정 성장면의 사이즈가 5mm미만이면, 시딩공정에서, 융액의 약간의 온도변동으로 인해 시드가 녹을 우려가 있으며, 한편, 결정 성장면의 사이즈가 12mm을 초과하면, 시드의 선단에 수직으로 존재하는 전위 수가 많아져, 전위를 저감시킬 수 없게 될 우려가 있기 때문이다.
(사파이어 단결정의 제조방법)
본 발명에 따른 사파이어 단결정의 제조방법의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
본 발명에 따른 사파이어 단결정의 제조방법은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 원료를 도가니(1) 내에 충전하고, 가열 융해시킴으로써 원료 융액(2)을 형성하는 공정과, 원료 융액(2)에 사파이어 시드(3)를 접촉시키는 공정과, 상기 사파이어 시드(3)를 상방으로 인상하면서, 사파이어 시드의 결정 성장면에 사파이어 단결정(4)을 성장시키는 공정을 구비한다. 그리고, 본 발명에서 이용하는 사파이어 시드(3)는, 사파이어 단결정으로 이루어지고, 그 측면이 {1-100}면±10°이내의 결정면이 되며, 또한, 그 형상이 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하도록 가공되어, 소정의 열처리를 실시한 것이다. 이하에서는, 사파이어 시드를 열처리하는 것을 「시드 가열 공정」이라 한다. 이러한 열처리를 시행한 사파이어 시드(3)의 (0001)면을 원료 융액(2)에 접촉시킨다. 본 발명에서는, 이러한 공정을 구비함으로써, 사파이어 시드의 (0001)면 위에, 저전위 또는 무전위인 고품위의 사파이어 단결정을 성장시킬 수가 있다.
시드 가열 공정은, 사파이어 시드를 원료 융액(2)의 상방에 배치하여 수행하는 것을 포함하는 것이 바람직하다. 이로써, 원료 융액으로의 열을 이용하여, 적절한 온도로 사파이어 시드를 가열할 수 있으며, 그 후 연속해서 사파이어 단결정의 성장을 수행할 수 있으므로, 프로세스가 간이하다.
사파이어 시드에 대해 실시하는 열처리의 바람직한 양태는, 앞서 기술한 바와 같다. 즉, 시드 가열 공정은, 사파이어 시드 선단의 온도가 1400~1800℃의 범위가 되는 원료 융액 상방의 제 1 위치에서의 제 1 열처리를 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 시드 가열 공정은, 제 1 열처리와, 상기 제 1 열처리 이후에 수행하는, 사파이어 시드 선단의 온도가 1000~1200℃의 범위가 되는 원료 융액 상방의 제 2 위치에서의 제 2 열처리로 이루어지는 2단계 열처리를 포함하는 것이 바람직하다. 한편, 여기서 「사파이어 시드 선단」이란, 사파이어 시드 중 원료 융액에 가장 가까운 쪽의 단부를 의미한다. 더욱이, 시드 가열 공정은, 상기 2단계 열처리를 복수 회 포함하는 것이 바람직하다. 이는, 사파이어 시드(3)를 원료 융액(2) 상방에서 상하 이동시켜 수행한다. 그리고, 시드 가열 공정은, 제 1 열처리를 30분 이상, 제 2 열처리를 10분 이상 수행하는 것이 바람직하다.
이러한 시드 가열 공정을 거침으로써, 사파이어 시드의 결정 성장면의 전위 밀도를 103/㎠ 이하로 할 수가 있다.
또한, 본 발명에서 이용하는 사파이어 시드의 형상은, 전체를 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상으로 하는 경우 외에, 선단형상이 육각뿔인 육각기둥이나, 선단형상이 삼각뿔인 삼각기둥으로 할 수도 있다. 특히, 선단을 각뿔형상으로 했을 경우, 착액(着液)시의 열 쇼크에 의한 전위의 도입을 효과적으로 방지할 수가 있다.
상술한 내용은, 본 발명의 실시 형태의 일례를 나타낸 것이며, 본 발명은 이러한 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
<제 1 실험예>
(실시예 1)
사파이어 단결정으로부터, 측면이 {1-100}면인 육각기둥의 사파이어 시드(외접하는 원의 지름:10mm, 길이:120mm)를 제작하였다. 시드의 표면은, 연마 및 에칭에 의해 마무리 처리하였다. 상기 사파이어 시드에 대하여, 공기중에서 1500℃, 20분의 열처리를 실시하여, 사파이어 단결정 시드를 제작하였다.
상기 사파이어 단결정 시드를 이용하여, (0001) 면을 결정 성장면으로 하고, CZ법에 의해 사파이어 단결정을 성장시켜 잉곳을 제작하였다.
(실시예 2)
열처리 시간을 30분으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 사파이어 단결정 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(실시예 3)
열처리 시간을 60분으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 사파이어 단결정 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(실시예 4)
열처리 시간을 120분으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 사파이어 단결정 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(실시예 5)
열처리를, 1500℃, 30분의 고온 열처리와, 이 처리에 이어지는 1200℃, 10분의 저온 열처리로 한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 사파이어 단결정 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(실시예 6)
1500℃, 30분의 고온 열처리와, 이 처리에 이어지는 1200℃, 10분의 저온 열처리를 2회 반복한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 사파이어 단결정 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(비교예 1)
사파이어 단결정으로부터, (0001)면을 결정 성장면으로 하고 측면이 임의의 면인 사각기둥의 사파이어 시드(단면이 10mm×10mm, 길이:120mm)를 제작한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 사파이어 단결정 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(비교예 2)
사파이어 단결정으로부터, (0001)면을 결정 성장면으로 하고 측면이 {1-100}면에 대하여, c축을 회전 중심으로 하여 15°벗어난 면으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 사파이어 단결정 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(비교예 3)
사파이어 단결정으로부터, (0001)면을 결정 성장면으로 하고 측면이 임의의 면인 사각기둥의 사파이어 시드(단면이 10mm×10mm, 길이:120mm)를 제작한 것 이외에는, 실시예 6과 같은 방법에 의해 사파이어 단결정 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(비교예 4)
사파이어 단결정으로부터, (0001)면을 결정 성장면으로 하고 측면이 {1-100}면에 대하여, c축을 회전 중심으로 하여 15°벗어난 면으로 한 것 이외에는, 실시예 6과 같은 방법에 의해 사파이어 단결정 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(평가)
상기 실시예 1~6 및 비교예 1~4에 의해 성장시킨 사파이어 단결정에 대하여, 성장 방향에 대해 수직으로 약 1mm의 두께로 슬라이스 하여 표면을 연마하고, 비대칭 반사 X선 토포그래프(X-ray topograph)법에 의해 기판표면 근방의 전위를 관찰하여 전위 밀도를 측정하였다. 구체적으로는, X선 토포그래프 이미지에 있어서 전위는 선형상으로 보이기 때문에, 전위선의 길이를 측정한다. 전위 밀도는, 단위체적당 전위선의 길이(㎝/㎤=㎝-2)로서 정의된다. 측정결과를 표 1에 나타낸다.
제조된 사파이어 단결정의 전위밀도(cm-2)
실시예 1 7×103
실시예 2 5×103
실시예 3 ≤1×103
실시예 4 ≤1×103
실시예 5 ≤1×103
실시예 6 ≤1×103
비교예 1 1×104
비교예 2 1×104
비교예 3 1×104
비교예 4 1×104
표 1로부터, 본 발명에 따른 제조방법에 의해 얻어진 사파이어 단결정 시드를 이용하여 단결정 사파이어의 성장을 수행한 실시예 1~6은, 비교예 1~4에 비해, 단결정 사파이어 내의 전위 밀도가 작으며, 고품위의 사파이어 단결정이 얻어짐을 알 수 있다.
<제 2 실험예>
(실시예 1)
사파이어 단결정으로부터, 측면이 {1-100}면인 육각기둥의 사파이어 시드(외접하는 원의 직경 : 10mm, 길이 : 120mm)를 제작하였다. 시드의 표면은, 연마 및 에칭에 의해 마무리 처리하였다.
직경 200mm의 Mo로 이루어진 도가니에, 알루미나(10kg)를 충전하고, 융점(2050℃) 이상으로 온도를 올려 원료 융액을 제작하였다.
상기 사파이어 시드를 원료 융액상의 350mm의 위치(온도 : 1800℃)에 1시간 유지시켜 제 1 열처리를 수행하였다. 그 후, 시드의 온도를 융액온도에 가깝게 할 목적으로, 융액의 수직 상방(온도 : 2050℃)의 위치까지 조용히 내려서 30분간 유지시켰다. 그 후, 사파이어 시드의 (0001)면을 원료 융액에 착액하여 확대시키고, 직경 100mm, 길이 200mm의 사파이어 단결정을 성장시켜 잉곳을 제작하였다.
(실시예 2)
실시예 1과 같은 사파이어 시드를, 알루미나 원료가 용해될 때까지는, 선단의 온도가 1200℃ 이하가 되는 위치에 유지시켰다. 원료용해 후에, 원료 융액 상의 350mm의 위치(온도:1800℃)에 30분간 유지시켜 제 1 열처리를 수행하였다. 그 후, 600mm의 위치(온도 : 1200℃)까지 상승시키고 10분간 유지시켜 제 2 열처리를 수행하였다. 다시, 융액 상의 350mm의 위치(온도:1800℃)에서 30분간 유지시켜 제 1 열처리를 수행하였다. 그 후, 시드의 온도를 융액 온도에 가깝게 할 목적으로, 융액의 수직 상방(온도:2050℃)의 위치까지 조용히 내려 30분간 유지시켰다. 그 밖에는 실시예 1과 같은 방법에 의해 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(비교예 1)
사파이어 단결정으로부터, (0001)면을 결정 성장면으로 하고 측면이 임의의 면인 사각기둥의 사파이어 시드(단면이 10mm×10mm, 길이:120mm)를 제작한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 사파이어 시드를 제작하고 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(비교예 2)
사파이어 단결정으로부터, (0001)면을 결정 성장면으로 하고 측면이 {1-100}면에 대하여, c축을 회전 중심으로 하여 15°벗어난 면으로 한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 방법에 의해 사파이어 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(비교예 3)
사파이어 단결정으로부터, (0001)면을 결정 성장면으로 하고 측면이 임의의 면인 사각기둥의 사파이어 시드(단면이 10mm×10mm, 길이:120mm)를 제작한 것 이외는, 실시예 2로 같은 방법에 의해 사파이어 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(비교예 4)
사파이어 단결정으로부터, (0001)면을 결정 성장면으로 하고 측면이 {1-100}면에 대하여, c축을 회전 중심으로 하여 15°벗어난 면으로 한 것 이외에는, 실시예 2와 같은 방법에 의해 사파이어 시드를 제작하여 사파이어 단결정을 성장시켰다.
(평가)
상기 실시예 1~2 및 비교예 1~4에 의해 성장시킨 사파이어 단결정에 대하여, 성장 방향에 대해 수직으로 약 1mm의 두께로 슬라이스하여 표면을 연마하고, 비대칭 반사 X선 토포그래프법에 의해 기판표면 근방의 전위를 관찰하여 전위 밀도를 측정하였다. 측정 결과를 표 2에 나타낸다.
제조된 사파이어 단결정의 전위밀도(cm-2)
실시예 1 5×103
실시예 2 ≤1×103
비교예 1 1×104
비교예 2 1×104
비교예 3 1×104
비교예 4 1×104
표 2로부터, 본 발명에 따라 단결정 사파이어의 성장을 수행한 실시예 1~2는, 비교예 1~4에 비해 단결정 사파이어중의 전위 밀도가 작고, 고품위의 사파이어 단결정이 얻어짐을 알 수 있다.
본 발명에 따르면, (0001) 면을 결정 성장면으로 하는 결정 성장용의 사파이어 시드의 측면을, {1-100}면±소정범위 내의 결정면으로 하고 또한 사파이어 시드의 형상을, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하도록 하여, 이 사파이어 시드에 소정의 열처리를 실시한다. 이 때문에, 결정 성장면의 전위 밀도가 소정값 이하인 사파이어 시드를 얻을 수가 있다. 더욱이, 상기 사파이어 시드를 이용하여, 그 (0001)면 상에, 저전위 밀도 또는 무전위인 고품위의 사파이어 단결정을 성장시킬 수가 있다.
1 : 도가니
2 : 원료 융액
3 : 사파이어 시드
4 : 사파이어 단결정

Claims (15)

  1. 사파이어 단결정으로 이루어지고, 그 (0001)면을 결정 성장면으로 하여 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 사파이어 시드의 제조방법으로서,
    상기 사파이어 시드의 측면이, {1-100}면±10°이내의 결정면이 되고, 또한 상기 사파이어 시드의 형상이, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하도록 가공된 사파이어 시드를 준비하는 공정과,
    상기 사파이어 시드에 대하여 소정의 열처리를 실시하는 공정,
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 사파이어 시드의 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 열처리는, 1400~1800℃의 범위의 제 1 열처리를 포함하는 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 열처리는, 상기 제 1 열처리와, 1000~1200℃의 범위의 제 2 열처리로 이루어지는 2단계 열처리를 포함하는 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 열처리는, 상기 2단계 열처리를 복수 회 포함하는 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열처리는, 상기 제 1 열처리를 30분 이상 수행하는 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법.
  6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서,
    상기 열처리는, 상기 제 2 열처리를 10분 이상 수행하는 결정 성장용 사파이어 시드의 제조방법.
  7. 사파이어 단결정으로 이루어지고, 그 (0001)면을 결정 성장면으로 하여 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 사파이어 시드로서,
    상기 사파이어 시드의 측면이, {1-100}면±10°이내의 결정면이며, 또한 상기 결정 성장용 사파이어 시드의 형상이, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하고,
    결정 성장면의 전위 밀도가 103/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 사파이어 시드.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 사파이어 시드는, 결정 성장면의 사이즈가 5~12mm의 범위인 사파이어 시드.
  9. 사파이어 단결정의 제조방법은 이하의 공정을 구비한다;
    사파이어 단결정으로 이루어지는 사파이어 시드로서, 그 측면이, {1-100}면±10°이내의 결정면이 되고, 또한, 그 형상이, 육각기둥형상 또는 삼각기둥형상을 포함하도록 가공된 사파이어 시드에 대하여, 소정의 열처리를 시행하는 공정과,
    사파이어 단결정을 성장시키기 위한 원료를 도가니 내에 충전하고, 가열 융해시킴으로써 원료 융액을 형성하는 공정과,
    열처리 후의 상기 사파이어 시드를 상기 원료 융액에 접촉시키는 공정과,
    상기 사파이어 시드를 상방으로 인상하면서, 상기 사파이어 시드의 (0001)면에 사파이어 단결정을 성장시키는 공정,
    을 구비하는 사파이어 단결정의 제조방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 열처리는, 상기 사파이어 시드를 상기 원료 융액의 상방에 배치하여 수행하는 사파이어 단결정의 제조방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 열처리는, 사파이어 시드 선단의 온도가 1400~1800℃의 범위가 되는 원료 융액 상방의 제 1 위치에서의 제 1 열처리를 포함하는 사파이어 단결정의 제조방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 열처리는, 상기 제 1 열처리와, 사파이어 시드 선단의 온도가 1000~1200℃의 범위가 되는 원료 융액 상방의 제 2 위치에서의 제 2 열처리로 이루어지는 2단계 열처리를 포함하는 사파이어 단결정의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 열처리는, 상기 2단계 열처리를 복수 회 포함하는 사파이어 단결정의 제조방법.
  14. 제 11항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 열처리는, 상기 제 1 열처리를 30분 이상 수행하는 것을 포함하는 사파이어 단결정의 제조방법.
  15. 제 12항 또는 제 13항에 있어서,
    상기 열처리는, 상기 제 2 열처리를 10분 이상 수행하는 것을 포함하는 사파이어 단결정의 제조방법.
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