KR20120051894A - 사파이어 잉곳 성장장치 - Google Patents

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Abstract

실시예는 사파이어 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치는 챔버; 상기 챔버 내에 구비되어 알루미나 융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니 외측에 구비되어 상기 도가니를 가열하는 히터; 및 상기 도가니로부터 성장되는 잉곳 상측에 구비되어 상기 잉곳에 열을 가하는 열공급부;를 포함한다.

Description

사파이어 잉곳 성장장치{Sapphire Ingot Grower}
실시예는 사파이어 잉곳 성장장치에 관한 것이다.
종래기술에 의하면 사파이어 웨이퍼는 고순도 알루미나(Al2O3) 원료를 장입한 성장로를 약 2100℃ 이상에서 가열하여 원료를 용용한 후, 초크랄스키법(Czochralski Method, 이하 "CZ법"이라 함), 키로풀러스법(Kyropoulos Method), EFG(Edge-defined Film-fed Growth)법, 수직수평온도구배법(VHGF) 등 다양한 방법으로 단결정으로 성장시킨 잉곳 봉(Ingot Boule)을 코어링(Coring), 그라인딩(Grinding), 슬라이싱(Slicing), 래핑(Lapping), 열처리, 폴리싱(Polishing) 등 일련의 연삭 및 연마공정을 거쳐 제작된다.
한편, 사파이어 단결정을 생산하는 데 있어 기포(Bubble) 제어와 전위(Dislocation) 제어가 품질에 큰 영향을 미친다.
전위는 결정성장 후 식각(Etching)법을 이용해 측정할 수 있으며, 이러한 전위 생성은 결정 성장 시 발생하는 결정 내외부의 온도 차, 즉 열응력에 의해 발생되며, 이러한 열응력을 제어함으로써 발생되는 전위의 농도를 제어할 수 있다.
한편, 종래기술에 의한 키로풀러스법은 측부와 하부에서의 히팅(Heating)으로 결정상부는 차가우며, 하부는 뜨거워 결정의 상부와 하부 사이에 온도구배가 발생되는 구조이다. 이러한 온도구배로 인해 열응력이 발생하게 되고, 열응력에 의해 전위가 생성되게 된다. 따라서 이러한 열응력을 제어할 수 있는 추가적인 장치가 필요하다.
실시예는 사파이어(Sapphire) 단결정의 품질 중 전위 품질을 제어할 수 있는 사파이어 잉곳 성장장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치는 챔버; 상기 챔버 내에 구비되어 알루미나 융액을 수용하는 도가니; 상기 도가니 외측에 구비되어 상기 도가니를 가열하는 히터; 및 상기 도가니로부터 성장되는 잉곳 상측에 구비되어 상기 잉곳에 열을 가하는 열공급부;를 포함한다.
실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치에 의하면, 사파이어 단결정 잉곳의 상부에 히터(Heater)나 리플렉터(Reflector) 등과 같은 열공급부를 구비함으로써 사파이어 단결정의 상부와 하부의 온도편차를 줄임으로써 열응력을 감소시키고, 이를 통해 전위 발생을 억제할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 열응력의 제어에 의해 사파이어 단결정 성장시의 스트럭쳐 로스(Structure loss)와 같은 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 열응력에 의해 발생되는 전위농도를 제어함으로써 고품질의 사파이어단결정을 성장시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치의 예시도.
도 2는 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치의 부분 확대 예시도.
도 3은 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치의 평면도 예시도.
도 4는 비교예의 결정 내외부의 온도편차 예시도.
도 5 및 도 6은 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치 적용시 결정 내외부의 온도편차 예시도.
도 7은 비교예의 열응력 분포 예시도.
도 8 및 도 9는 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치 적용시 열응력 분포 예시도.
실시 예의 설명에 있어서, 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면 등이 각 웨이퍼, 장치, 척, 부재, 부, 영역 또는 면등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 "상" 또는 "아래"에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
(실시예)
도 1은 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치(100)의 예시도이며, 도 2는 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치(100)의 부분 확대 예시도이고, 도 3은 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치(100)의 평면도 예시도이다.
실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치(100)는 초크랄스키법(Czochralski Method) 또는 키로풀러스법(Kyropoulos Method)이 적용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치(100)는 챔버(110)와, 상기 챔버(110) 내에 구비되어 알루미나 융액(M)을 수용하는 도가니(120)와, 상기 도가니(120) 외측에 구비되어 상기 도가니(120)를 가열하는 히터(130) 및 상기 도가니(120)로부터 성장되는 잉곳(IG) 상측에 구비되어 상기 잉곳(IG)에 열을 가하는 열공급부(150)를 포함할 수 있다.
상기 챔버(110)는 사파이어 잉곳(IG)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.
상기 도가니(120)는 알루미나 융액을 담을 수 있도록 상기 챔버(110)의 내부에 구비되며, 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo) 등의 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 히터(130)는 측면 히터(132)와 하부 히터(134)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 히터(130)는 저항 가열히터 또는 유도 가열 히터일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 히터(130)가 저항 가열 히터인 경우 상기 히터(130)는 그라파이트(C), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등으로 제조될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 히터(130)가 유도 가열히터인 경우 RF-코일(coil)(미도시)을 구비하고, 상기 도가니(120)는 이리듐(Iridium:Ir) 도가니일 수 있다. 상기 RF-코일은 고전압의 전류의 흐름 방향이 무선주파수(Radio Frequency)로 바뀌면서 Ir-도가니 표면에 유도전류를 발생시킨다. 상기 Ir-도가니는 유도전류의 흐름방향 변화에 의한 도가니 표면의 스트레스(Stress)에 기인한 열을 발생시키며, 용융된 고온의 알루미나(Al2O3)를 담고 있는 용탕으로 역할을 할 수 있다.
실시예는 상기 챔버(110) 내측에 히터(130)의 열이 방출되지 못하도록 복사 단열재(140)를 구비할 수 있다. 상기 단열재(140)는 도가니(120)의 측면에 배치되는 측면 단열재(142)와 도가니(120)의 하측에 배치되는 하부 단열재(144)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 단열재(140)는 히터(130) 및 도가니(120)에서 최적의 열적 분포를 내고 그 에너지를 최대한 손실 없이 활용 가능하도록 재질과 형상으로 설계될 수 있다.
일반적으로, 고온의 사파이어 융액(Melt)(M)에서 단결정을 성장시키는 방법에서는 잉곳 내부에 온도편차가 발생하게 되고, 이로 인해 열응력이 발생하게 된다.
실시예는 이러한 열응력을 제어하기 위해서는 온도편차를 작게 하기 위해 사파이어 잉곳(IG) 상부에 상부 히터(Upper Heater)나 리플렉터(Reflector) 등과 같은 열공급부(150)를 설치함으로써 사파이어 잉곳(IG)의 온도편차를 줄일 수 있다.
실시예에서 열공급부(150)가 상부 히터인 경우, 상부 히터의 사이즈(size)는 잉곳 사이즈(size)에 비례해서 증가할 수 있으며, 이에 따라 최대 직경은 잉곳의 직경일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 상부 히터의 재질은 텅스텐이나 그라파이트(Graphite) 재질일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 상부 히터는 저항 가열식일 수 있으며, 이에 따라 전극(152)에서의 전기가 가해짐에 따라 상부 히터 자체에서 발열할 수 있다.
한편, 상기 열공급부(150)가 상기 챔버(110)로부터 발생되는 열을 상기 잉곳(IG)의 상측에 반사하는 리플렉터(reflector)를 구비하는 경우, 상기 리플렉터는 몰리브덴 등과 같은 반사율이 높은 물질로 제조될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 상기 열공급부(150)는, 상기 알루미나 융액(M) 표면에 수평하거나 상기 알루미나 융액 표면에 대해 약 -30° 내지 약 +30°의 각도로 배치됨으로써 잉곳에 대해 열공급을 효율적으로 진행할 수 있다.
도 4는 비교예의 결정 내외부의 온도편차 예시도이며, 도 5 및 도 6은 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치 적용시 결정 내외부의 온도편차 예시도이다.
예를 들어, 도 5는 리플렉터(Reflector)를 설치한 경우의 잉곳 내외부의 온도편차이며, 도 6은 상부 히터를 설치하고, 약 5KW의 파워(Power)를 가했을 경우 잉곳 내외부의 온도편차를 나타낸 것이다.
실시예에 의하면, 리플텍터와 상부 히터를 설치하였을 경우 축 방향의 온도구배인 ΔTy 값 및 수평 방향의 온도 구배인 ΔTx 값이 줄어드는 것을 알 수 있다.
도 7은 비교예의 열응력 분포 예시도이며, 도 8 및 도 9는 실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치 적용시 열응력 분포 예시도이다.
예를 들어, 도 8은 리플렉터를 설치한 경우의 열응력 분포 예시도이며, 도 9는 상부 히터를 설치한 경우의 열응력 분포 예시도이다.
상술한 바와 같이, 열공급부(150)의 채용에 따른 온도구배의 감소는 도 8 및 도 9와 같은 열응력의 차이로 나타난다. 도 7의 비교예(Reference) 값에 비해 도 8 및 도 9의 조건에서 열응력 값이 줄어드는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 전위 농도를 제어할 수 있다.
실시예에 따른 사파이어 잉곳 성장장치에 의하면, 사파이어 단결정 잉곳의 상부에 히터(Heater)나 리플렉터(Reflector) 등과 같은 열공급부를 구비함으로써 사파이어 단결정의 상부와 하부의 온도편차를 줄임으로써 열응력을 감소시키고, 이를 통해 전위 발생을 억제할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 열응력의 제어에 의해 사파이어 단결정 성장시의 스트럭쳐 로스(Structure loss)와 같은 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라, 열응력에 의해 발생되는 전위농도를 제어함으로써 고품질의 사파이어단결정을 성장시킬 수 있다.
이상에서 실시예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 실시예를 한정하는 것이 아니며, 실시예가 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 설정하는 실시예의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내에 구비되어 알루미나 융액을 수용하는 도가니;
    상기 도가니 외측에 구비되어 상기 도가니를 가열하는 히터; 및
    상기 도가니로부터 성장되는 잉곳 상측에 구비되어 상기 잉곳에 열을 가하는 열공급부;를 포함하는 사파이어 잉곳 성장장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 열공급부는,
    상기 알루미나 융액 표면에 수평하거나 상기 알루미나 융액 표면에 -30° 내지 +30°의 각도로 배치되는 단결정 성장장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 열공급부는,
    발열하는 상부 히터를 포함하는 단결정 성장장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 상부 히터는,
    저항 가열 상부 히터를 구비하는 단결정 성장장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 열공급부는,
    상기 챔버로부터 발생되는 열을 상기 잉곳의 상측에 반사하는 리플렉터를 포함하는 단결정 성장장치.
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