KR20120070080A - Single crystal growth device - Google Patents

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KR20120070080A
KR20120070080A KR1020100131490A KR20100131490A KR20120070080A KR 20120070080 A KR20120070080 A KR 20120070080A KR 1020100131490 A KR1020100131490 A KR 1020100131490A KR 20100131490 A KR20100131490 A KR 20100131490A KR 20120070080 A KR20120070080 A KR 20120070080A
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crucible
single crystal
ingot
temperature
growth
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KR1020100131490A
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송제중
윤애천
조범래
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(주)티피에스
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Abstract

PURPOSE: An apparatus for growing a single crystal sapphire ingot is provided to grow an ingot at a stable temperature gradient by including a cooling member in a crucible and a chamber. CONSTITUTION: A cooling member(105) comprises an inner chamber(112) and an outer chamber(113). The inner chamber is installed near a crucible. The outer chamber is integrated with the outside of the inner chamber. Cooling water reversely circulates in the inner chamber and the outer chamber to reduce temperature difference between the upper side and the lower side of the crucible.

Description

단결정 사파이어 잉곳 성장장치{SINGLE CRYSTAL GROWTH DEVICE}Single Crystal Sapphire Ingot Growth Device {SINGLE CRYSTAL GROWTH DEVICE}

본 발명은 단결정 사파이어 잉곳 성장장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 키로플러스법(Kyropoulus Method)용 성장장치의 냉각수단과 무게측정수단을 개선하여 제조되는 사파이어 잉곳의 품질을 향상시킬 수 있도록 한 성장장치의 제공에 관한 것이다.The present invention relates to a single crystal sapphire ingot growth apparatus, and more particularly, to provide a growth apparatus capable of improving the quality of the sapphire ingot manufactured by improving the cooling means and the weighing means of the growth apparatus for the Kyropoulus Method. It is about.

최근 사파이어 기판의 연구 동향은 기존 2인치 및 4인치 웨이퍼의 생산성을 향상시키는 방향으로 진행되고 있다.Recently, the research trend of sapphire substrate is progressing to improve the productivity of existing 2 inch and 4 inch wafers.

더불어 4인치 웨이퍼가 공정에 적용되기 시작하여 조만간 4인치 웨이퍼로 모두 대체될 것으로 전망되며 궁극적으로는 소경각입계를 억제하면서 재료의 이용효율을 높이는 데는 성장 결정을 대형화하는 것이 효과적이므로 6인치 또는 8인치 웨이퍼가 공정에 적용될 것으로 예상되며, 이를 위해서는 단결정의 대형화와 더불어 성장장치의 규모 또한 대형화되어져야 하는 필요성이 대두 되고 있다.In addition, it is expected that 4 inch wafers will be applied to the process and will soon be replaced by 4 inch wafers. Ultimately, it is effective to increase the growth crystallization in order to suppress the small-angle angle and increase the utilization efficiency of the material. Inch wafers are expected to be applied to the process. For this purpose, in addition to the increase in size of single crystals, the size of growth devices has to be increased.

사파이어란 알루미나(Al2O3)가 2050℃ 이상에서 녹은 후 서냉 되면서 단결정으로 성장된 결정체로서, 알루미늄(Al)과 산소(O)가 HCP 계통(Rhobohedral system)의 결정구조를 이루고 있다.Sapphire is a crystal grown as a single crystal while alumina (Al 2 O 3 ) is melted at 2050 ° C. or more and is slowly cooled. Aluminum (Al) and oxygen (O) form a crystal structure of an HCP system (Rhobohedral system).

일반적으로 사파이어는 알루미나의 단결정으로서 광범위한 파장 영역의 투광성을 가지고 있고, 기계적 성질, 내열성, 내식성이 우수할 뿐만 아니라 경도, 열전도도, 전기 저항성이 높고 또한 큰 내충격성을 가지고 있다.In general, sapphire is a single crystal of alumina, which has light transmittance in a wide range of wavelengths, and has excellent mechanical properties, heat resistance and corrosion resistance, as well as high hardness, thermal conductivity, electrical resistance, and large impact resistance.

또한 사파이어는 기공이 없고 유전 강도가 강하기 때문에 에피텍셜 성장용 기판으로도 사용될 수 있다. 특히 최근에는 청색 광소자 기판용으로 사용되고 있다. 이러한 용도로 사용되기 위해서는 결정 내부의 결정 구조가 거의 완만한, 즉 내부결함이 없는 상태이어야만 한다.Sapphire can also be used as an epitaxial growth substrate because it has no pores and a strong dielectric strength. In particular, it is recently used for a blue optical element substrate. To be used for this purpose, the crystal structure inside the crystal must be nearly gentle, i.e. free from internal defects.

사파이어 단결정을 성장시키는 방법으로는 대표적으로 베르누이법(Verneuil Method), HEM(Heat Exchange Method), EFG(Edge-Defined Film-Fed Growth), Czochralski Method, Kyropoulus Method 등이 있으며, 상기의 사항을 만족시킬 수 있는 결정 성장 방법으로는 쵸크랄스키(Czochralski)법과 열교환법(Heat Exchange Method), 키로플러스법(Kyropoulus Method)을 들 수 있다.Representative methods of growing sapphire single crystals include the Verneuil Method, the Heat Exchange Method, the Edge-Defined Film-Fed Growth, the Czochralski Method, and the Kyropoulus Method. Examples of crystal growth methods include the Czochralski method, the Heat Exchange Method, and the Kyropoulus Method.

상기 Kyropoulos 법은 상대적으로 싼 장비가격과 낮은 생산비용이 소요된다는 장점을 가진 방법으로 쵸크랄스키법과 매우 유사하지만 단결정을 회전하지 않고 인상만 하며, 쵸크랄스키법으로 성장된 boule에 비해 결함이 적다.The Kyropoulos method has the advantages of relatively low equipment cost and low production cost. It is very similar to the Czochralski method, but it does not rotate the single crystal but only raises it and has fewer defects than the boule grown by the Czochralski method. .

이를 이용한 단결정 성장방법을 살펴보면, 원료인 알루미나(Al2O3)를 도가니에 채우고 히팅수단을 이용하여 도가니를 알루미나(Al2O3)의 융점이상으로 가열하여 녹인 후 끝 부분에 시드(종 결정)가 달인 잉곳로드를 하강시켜 종자결정을 융액 표면에 접촉시킨 후 권양수단을 이용하여 끌어올리면 융점 이하로 서서히 냉각시키면 알루미나(Al2O3)가 단결정으로 고화되는 현상을 이용하여 사파이어 단결정을 얻게 된다.In the single crystal growth method using the same, alumina (Al 2 O 3 ), which is a raw material, is charged into the crucible, and the crucible is heated and melted above the melting point of alumina (Al 2 O 3 ) using a heating means, and then the seed (seed crystal) is used. The seed crystal is brought into contact with the surface of the melt by lowering the ingot rod decocted with), and it is pulled up by using a lifting means, and gradually cooled to below the melting point to obtain sapphire single crystal by using the phenomenon that alumina (Al 2 O 3 ) is solidified into a single crystal. do.

상기와 같이 키로플러스법을 이용한 단결정 사파이어를 육성하기 위해서는 사파이어 용해온도 이상에서 사용가능한 도가니 및 히팅수단, 10-3 torr 이상의 고진공 유지가 가능한 진공 시스템, 대구경의 단결정 성장시 잉곳을 권양하기 위한 제어수단, 단결정 육성과정에서 정밀한 온도제어로 온도분포를 고르게 유지할 수 있도록 하는 냉각수단 등과 같은 전체적인 구성수단들이 상호보완적으로 최적화되어야 한다.In order to cultivate single crystal sapphire using the Kiro Plus method as described above, a crucible and heating means that can be used above the sapphire melting temperature, a vacuum system capable of maintaining a high vacuum of 10 -3 torr or more, and a control means for winding ingots during single-crystal growth of large diameters In the process of single crystal growth, the overall construction means such as cooling means to maintain the temperature distribution evenly with precise temperature control should be complementarily optimized.

사파이어와 같은 화합물 반도체의 단결정 제조에 있어서 성장시 단결정 효율에 치명적인 영향을 주는 다 결정화 및 쌍정의 제어는 매우 중요한 변수이며 이의 제어없이 양산적용은 불가능하다.In the production of single crystals of compound semiconductors such as sapphire, polycrystallization and twinning control, which have a fatal effect on single crystal efficiency during growth, are very important variables and mass production is impossible without control.

그런데 이에 영향을 미치는 변수는 분류하면, 온도구배, 도가니 재질 및 형상, 성장 속도, 조성비, 불순물 함유량, 열차폐 스크랩의 재질 및 형상 등으로 구분할 수 있다.However, the variables influencing this can be classified into temperature gradients, crucible materials and shapes, growth rates, composition ratios, impurity contents, materials and shapes of heat shielded scraps, and the like.

또한 각각 재료의 고유한 물리적 성질인 고체 액체의 열전도도, 표면장력, 면결함 생성에너지 등에 따라서도 결함이 생성되는 정도가 다르다. 그러나 다 결정과 쌍정의 생성원인과 그 제어방안은 다각적인 분석과 여러 모델에도 불구하고 사실상 명확하게 규명되지 않았고 실제적으로 결정성장시에 빈번하게 나타나므로 이의 정밀제어는 필수적이다.In addition, the degree of generation of defects also varies depending on the thermal conductivity, surface tension, and defect generation energy of the solid liquid, which are inherent physical properties of the material. However, the precise control is essential because the causes of polycrystals and twins, and their control methods, are not clearly identified in practice despite multiple analysis and models, and appear frequently during crystal growth.

이 중에서도 고품위의 사파이어 단결정을 얻기 위해서는 도가니의 온도분포를 고르게 유지하기 위한 냉각수단과 단결정 성장시점에서의 무게를 정확하게 파악하기 위한 무게측정수단이 가장 중요한 요소라 할 수 있다. Among these, cooling means for maintaining the temperature distribution of the crucible and weighing means for accurately grasping the weight at the time of single crystal growth are the most important factors in order to obtain high quality sapphire single crystal.

종래 기술이 적용되는 냉각수단과 무게측정수단이 도 10과 도 11에 도시되어 있으며, 이를 살펴보면 다음과 같다.The cooling means and the weighing means to which the prior art is applied are shown in Figs. 10 and 11, which are as follows.

종래 기술이 적용되는 냉각수단(1)은, 단일 챔버(2) 내부에 나사산(스크류) 형태의 가이드를 설치하고, 상기 챔버(2)의 하단에는 냉각수를 공급하기 위한 입구(4)를 형성하고 상단에는 순환한 냉각수가 배출될 수 있는 출구(5)를 형성하고, 잉곳로드 내부에도 냉각수가 출입할 수 있는 냉각수로(14)를 형성하여 구성된다.The cooling means 1 to which the prior art is applied has a guide in the form of a thread (screw) in a single chamber 2, and an inlet 4 for supplying cooling water at the lower end of the chamber 2, The upper end is formed with an outlet 5 through which the coolant circulated can be discharged, and a coolant passage 14 through which the coolant can enter and exit is also formed in the ingot rod.

이러한 구성에서, 냉각수가 챔버의 하단에서 공급되어 챔버를 나선형태로 경유한 후 상단으로 배출되는 동작이 반복적으로 이루어지는 데, 이에 따라 상부와 하부의 수직적 온도 구배의 형성 때문에 도가니 내부의 잉곳 표면에는 인장응력이 유도되고 이에 따라 내부는 압축 응력이 작용한다.In this configuration, the cooling water is repeatedly supplied from the lower end of the chamber and discharged to the upper side after passing through the chamber in a spiral form, and thus the ingot surface inside the crucible is tensioned due to the formation of vertical temperature gradients between the upper and lower parts. The stress is induced and thus the compressive stress is applied inside.

이와 같은 온도 구배로부터 형성되는 열충격으로 인해 잉곳 내부의 전위결함밀도는 증가하고, 이는 다 결정과 쌍정 등을 야기시켜 단결정 성장 방해 및 단결정의 품질을 떨어뜨리는 원인이 되는 문제점을 가진다.Due to the thermal shock formed from such a temperature gradient, the dislocation defect density inside the ingot increases, which causes problems such as polycrystals and twins, which hinders single crystal growth and degrades single crystal quality.

종래 기술이 적용되는 무게측정수단(10)은, 서포터(11)의 상단에 성장로 방향으로 돌출되게 설치되는 외팔보(12)의 하단에 로드셀(13)을 구비하여 구성하고 있다.The weighing means 10 to which the prior art is applied is provided with a load cell 13 at the lower end of the cantilever 12 protruding in the growth path direction at the upper end of the supporter 11.

상기와 같은 종래 기술에서는, 외팔보에 작용하는 모멘트와 응력과 잉곳의 무게가 동시에 작용하는 관계로 고 하중을 특정할 수 있는 로드셀을 사용하여야 하므로 스트레인에 의해서만 나타나지 않고 온도나 습도에 따라 미세하게 변하는 저항값을 측정하는 것이 현실적으로 불가능하기 때문에 정확한 하중 측정이 불가능하게 되므로 역시 고품질의 단결정 사파이어 잉곳을 얻는데 도움을 주지 못하게 된다.In the prior art as described above, since the load acting on the cantilever and the stress and the weight of the ingot act simultaneously, a load cell capable of specifying a high load must be used so that the resistance does not appear only due to strain but changes slightly depending on temperature or humidity. Since it is practically impossible to measure the value, accurate load measurement is not possible, which also does not help to obtain a high quality single crystal sapphire ingot.

종래 기술을 이용한 단결정 성장방법은 단결정 잉곳을 얻기까지 내부의 알루미나(Al2O3) 융액의 온도범위와 대류 형태에 따라 잉곳의 성장 속도 또는 형태가 시시각각 변화하고, 숙련된 기술자의 감각에 의존하기 때문에 우수한 품질을 지속적으로 유지하는 것이 현실적으로 어렵고, 하나 또는 하나 이상의 성장장치를 이용한 자동화 시스템이 불가능하게 되는 등 여러 문제점이 발생하고 있는 실정이다.In the single crystal growth method using the prior art, the growth rate or shape of the ingot varies from time to time depending on the temperature range and convection form of the internal alumina (Al 2 O 3 ) melt until a single crystal ingot is obtained, and it depends on the sense of skilled technician. Therefore, it is difficult to continuously maintain excellent quality, and many problems occur such that automation systems using one or more growth devices are impossible.

이에 본 발명에서는 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명한 것으로서 고진공상태를 유지하는 성장로와, 상기 성장로의 내부 중앙에는 사파이어 단결정을 형성하기 위한 원료를 용융할 수 있도록 도가니받침대로 유지되는 도가니와, 상기 도가니의 외부에 설치하여 공급된 원료를 용융시키는 히팅수단과, 상기 히팅수단의 외부에 설치하여 히팅수단과 도가니의 열분포를 확산시켜 안정화시키는 냉각수단과, 상기 성장로의 외부에 설치되는 서포터와, 상기 서포터 상단에 설치하여 단결정 성장된 잉곳을 권양 할 수 있게 하강과 상승 작동이 가능한 권양수단과, 상기 권양수단의 상부에서 성장로 중심방향으로 돌출시키는 외팔보와, 상기 외팔보에 연결되는 구동자와, 상기 구동자와 연결되고 하단에 종자결정을 장착하여 회전할 수 있도록 하향 돌출되는 잉곳로드와, 성장되는 단결정의 무게 측정을 통하여 온도, 권양 및 회전속도를 조절하기 위한 무게측정수단을 포함하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치에 있어서;Therefore, in the present invention, as the invention to solve the above problems, the growth furnace to maintain a high vacuum state, and the crucible is maintained as a crucible support to melt the raw material for forming the sapphire single crystal in the center of the growth furnace and And heating means for melting the supplied raw material by installing the outside of the crucible, cooling means installed on the outside of the heating means to diffuse and stabilize the heat distribution of the heating means and the crucible, and a supporter installed outside the growth furnace; And a lifting means capable of lowering and raising operation so as to wind up a single crystal grown ingot by installing on the supporter top, a cantilever projecting toward the center of the growth path from the upper side of the lifting means, and a driver connected to the cantilever beam. Is connected to the driver and mounted to the seed crystal at the bottom to rotate Extrusion ingot rod and, through the weight measurement of the single crystal is grown in the sapphire single crystal ingot growth apparatus comprising a weight measuring means for regulating the temperature, lifting and rotation speed;

상기 냉각수단은, 이중챔버로 구성하여 도가니의 상,하부 온도편차를 줄일 수 있도록 하고, 상기 무게측정수단은 다수개의 로드셀을 이용하여 미세한 무게측정으로 성장단계의 잉곳을 정밀하게 제어하여 우수한 품질의 단결정 사파이어를 기계적으로 반복하여 얻을 수 있도록 하는 목적 달성이 가능하다.The cooling means is composed of a double chamber to reduce the temperature difference of the upper and lower parts of the crucible, the weighing means using a plurality of load cells to precisely control the ingot of the growth stage by fine weight measurement of the excellent quality It is possible to achieve the purpose of mechanically repeating single crystal sapphire.

본 발명은 단결정 사파이어 잉곳 성장장치를 구성하는 냉각수단과 무게측정수단을 개선하여 온도구배의 편차를 줄이면서 미세한 무게측정을 가능하게 하여 성장단계의 잉곳의 정밀하게 제어하여 우수한 품질의 단결정 사파이어를 얻을 수 있도록 함으로서 성장장치의 품질을 높이면서 생산성의 향상을 꾀할 수 있는 등 다양한 효과를 가지는 발명이다.The present invention improves the cooling means and weighing means constituting the single crystal sapphire ingot growth apparatus to enable fine weight measurement while reducing the deviation of the temperature gradient to precisely control the growth of the ingot to obtain a good quality single crystal sapphire By increasing the quality of the growth device to improve the productivity it is an invention having various effects.

도 1은 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 구성도.
도 2는 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 도가니를 도시한 구성도.
도 3은 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 단결정 사파이어 잉곳 성장장치에 의하여 단결정이 성장하는 과정을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 냉각수단을 발췌한 구성도.
도 5는 도 4에 도시된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 냉각수단을 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 냉각수단의 다른 예를 도시한 구성도.
도 7은 본 발명의 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치에 적용되는 냉각수단의 또 다른 예를 도시한 구성도.
도 8은 본 발명의 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 무게측정수단을 도시한 구성도.
도 9는 본 발명의 기술에 의하여 육성된 사파이어 단결정을 도시한 사진.
도 10은 종래 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 냉각수단을 도시한 구성도.
도 11은 종래 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 무게측정수단을 도시한 구성도.
1 is a block diagram of a single crystal sapphire ingot growth apparatus shown to explain the present invention.
Figure 2 is a block diagram showing a crucible of the single crystal sapphire ingot growth apparatus shown for explaining the present invention.
Figure 3 is a view showing a process of growing a single crystal by the single crystal sapphire ingot growth apparatus shown to illustrate the present invention.
Figure 4 is a schematic view of the cooling means of the single crystal sapphire ingot growth apparatus to which the technique of the present invention is applied.
5 is a cross-sectional view showing the cooling means of the single crystal sapphire ingot growth apparatus shown in FIG.
Figure 6 is a block diagram showing another example of the cooling means of the single crystal sapphire ingot growth apparatus to which the technique of the present invention is applied.
Figure 7 is a block diagram showing another example of the cooling means applied to the single crystal sapphire ingot growth apparatus to which the technique of the present invention is applied.
Figure 8 is a block diagram showing the measuring means of the single crystal sapphire ingot growth apparatus to which the technique of the present invention is applied.
9 is a photograph showing sapphire single crystals grown by the technique of the present invention.
10 is a block diagram showing the cooling means of the single crystal sapphire ingot growth apparatus to which the prior art is applied.
Figure 11 is a block diagram showing the weighing means of the single crystal sapphire ingot growth apparatus to which the prior art is applied.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 구성과 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 구성도, 도 2는 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 도가니를 도시한 구성도, 도 3은 본 발명을 설명하기 위하여 도시한 단결정 사파이어 잉곳 성장장치에 의하여 단결정이 성장하는 과정을 도시한 도면, 도 4는 본 발명의 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 냉각수단을 발췌한 구성도, 도 5는 도 4에 도시된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 냉각수단을 도시한 단면도, 도 6은 본 발명의 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 냉각수단의 다른 예를 도시한 구성도, 도 7은 본 발명의 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치에 적용되는 냉각수단의 또 다른 예를 도시한 구성도, 도 8은 본 발명의 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치의 무게측정수단을 도시한 구성도, 도 9는 본 발명의 기술에 의하여 육성된 사파이어 단결정을 도시한 사진으로서 함께 설명한다.1 is a configuration diagram of a single crystal sapphire ingot growth apparatus shown in order to explain the present invention, FIG. 2 is a configuration diagram showing a crucible of the single crystal sapphire ingot growth apparatus shown in order to explain the present invention, and FIG. 4 is a view illustrating a process of growing a single crystal by the single crystal sapphire ingot growth apparatus shown in order to explain, FIG. 4 is a schematic view of the cooling means of the single crystal sapphire ingot growth apparatus to which the technique of the present invention is applied, and FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cooling means of the single crystal sapphire ingot growth apparatus shown in FIG. 6 is a block diagram showing another example of the cooling means of the single crystal sapphire ingot growth apparatus to which the technique of the present invention is applied, and FIG. Fig. 8 is a block diagram showing another example of cooling means applied to the applied single crystal sapphire ingot growth apparatus. Configuration showing the weight measuring means of the sapphire ingot growth apparatus, Fig. 9 will be described with a picture showing a sapphire single crystal grown by the technique of the present invention.

단결정 사파이어 잉곳 성장장치(100)는, 단열재로 밀폐되어 고진공상태를 이루도록 성장로(101)를 구비하고, 상기 성장로(101)의 내부 중앙에는 사파이어 단결정을 형성하기 위한 원료를 충진하여 용융하기 위한 도가니(102)가 도가니받침대(103)로 유지되게 설치된다.Single crystal sapphire ingot growth apparatus 100 is provided with a growth furnace 101 to be sealed with a heat insulating material to achieve a high vacuum state, and to fill and melt a raw material for forming sapphire single crystal in the inner center of the growth furnace 101. The crucible 102 is installed to be maintained by the crucible support 103.

상기 도가니(102)의 외부에는 도가니(102)로 공급된 원료를 용융할 수 있도록 히팅수단(104)이 설치되고, 상기 히팅수단(104)의 외부에는 히팅수단(104)과 도가니(102)의 열분포를 확산시켜 안정화시킬 수 있도록 도가니(102) 외부에 구비되는 냉각챔버(CB)와 잉곳로드의 내부에 냉각수가 출입할 수 있도록 냉각유로(CW)를 형성하는 냉각수단(105)을 설치한다.The heating means 104 is installed outside the crucible 102 so as to melt the raw material supplied to the crucible 102, and the heating means 104 and the crucible 102 of the heating means 104 are installed outside the crucible 102. The cooling chamber CB provided outside the crucible 102 and the cooling means 105 are provided to form a cooling flow path CW so that the coolant can enter and exit the ingot rod so as to diffuse and stabilize the heat distribution.

상기 성장로(101)의 외부에 설치되는 서포터(106)의 상단에는 단결정 성장된 잉곳을 권양할 수 있도록 모터 또는 실린더 등과 같이 하강과 상승 작동이 가능한 권양(捲楊)수단(107)을 설치한다.On the upper end of the supporter 106 installed outside of the growth path 101, a lifting means 107 capable of lowering and raising operation such as a motor or a cylinder is installed so as to reel a single crystal grown ingot. .

상기 권양수단(107)의 상부에는 성장로(101) 중심방향으로 외팔보(108)를 돌출시키고, 상기 외팔보(108)에는 모터와 같은 구동자(109)와 연결되고 하단에 종자결정을 장착하여 회전할 수 있는 잉곳로드(110)를 하향 돌출시킨다.The upper part of the lifting means 107 protrudes the cantilever 108 toward the center of the growth path 101, and the cantilever 108 is connected to a driver 109 such as a motor and rotates by mounting a seed crystal at a lower end thereof. Protrudes downward ingot rod 110 that can be.

그리고, 단결성 성장시 권양수단(107)의 권양 속도와 구동자(109)의 회전속도 및 도가니(102)의 온도 구배 조절을 위한 성장되는 단결정의 무게를 측정하기 위한 무게측정수단(111)을 구비하여 구성한다.Then, when the unitary growth, the weighing means 111 for measuring the lifting speed of the hoisting means 107, the rotational speed of the driver 109 and the weight of the grown single crystal for adjusting the temperature gradient of the crucible 102 It is equipped with.

본 발명에서는 상기 성장장치(100)를 구성하는 냉각수단(105)과 무게측정수단(111)을 개선하여 잉곳의 성장 상태에 따라 도가니(102)의 온도 편차를 줄이고 권양속도 등을 최적의 상태로 조절하여 고품질의 단결정 사파이어 잉곳을 얻을 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.In the present invention, by improving the cooling means 105 and the weighing means 111 constituting the growth device 100 to reduce the temperature variation of the crucible 102 according to the growth state of the ingot, and the lifting speed to the optimal state It is characterized in that to obtain a high quality single crystal sapphire ingot by adjusting.

상기 냉각수단(105)은, 도가니(102)의 외부에 원통형상으로 구비되는 냉각챔버(CB)를 도가니(102)와 근접하는 인너챔버(112)와 상기 인너챔버(112)의 외측에 일체로 형성되는 아웃챔버(113)로 구성한다.The cooling means 105, the inner chamber 112 and the outer chamber 112 in close proximity to the crucible 102 and the cooling chamber (CB) provided in a cylindrical shape on the outside of the crucible (102) integrally It consists of the out chamber 113 formed.

상기 인너챔버(112)와 아웃챔버(113)의 내부에는 냉각수가 순환할 수 있도록 냉각수가이드(114)를 형성하고, 상기 인너챔버(112)와 아웃챔버(113)의 상,하측에는 냉각수의 공급과 배출을 위한 입구(115)와 출구(116)를 각각 형성한다.Cooling water guide 114 is formed in the inner chamber 112 and the out chamber 113 to circulate the cooling water, and the coolant is supplied to the upper and lower sides of the inner chamber 112 and the out chamber 113. And inlet 115 and outlet 116 for over and discharge respectively.

상기 인너 및 아웃챔버(112,113)의 내부에 형성하는 냉각수가이드(114)는 동일한 위치에 형성하지 않고 서로 어긋난 위치에 형성하여 인너 및 아웃챔버(112,113)를 순환하는 냉각수가 고르게 도가니(102)의 온도에 영향을 미칠 수 있도록 한다.The cooling water guide 114 formed in the inner and out chambers 112 and 113 is not formed at the same position, but is formed at a position shifted from each other so that the cooling water circulating the inner and out chambers 112 and 113 evenly forms the temperature of the crucible 102. To affect.

또한, 인너챔버(112)와 아웃챔버(113)에 형성하는 입구(115)와 출구(116) 또한 서로 상반된 위치에 형성하여, 인너챔버(112)가 하측에서 상측으로 냉각수를 이동시키면 아웃챔버(113)는 상측에서 하측으로 냉각수를 이동시키는 형태를 취하여 도가니(102)의 상,하측 어느 한 곳에 치우침이 없이 전체가 고른 온도 분포를 유지할 수 있도록 한다.In addition, the inlet 115 and the outlet 116 formed in the inner chamber 112 and the out chamber 113 are also formed at positions opposite to each other. When the inner chamber 112 moves the coolant from the lower side to the upper side, the out chamber ( 113) takes the form of moving the cooling water from the upper side to the lower side so that the entire temperature distribution can be maintained without biasing the upper and lower portions of the crucible 102.

상기 냉각수단(105)의 다른 예로서는, 도 6에서와 같이 인너챔버(112)의 냉각수는 나선형으로 이동할 수 있도록 하고, 아웃챔버(113)의 냉각수는 상측에서 하측 또는 하측에서 상측으로 직선형태로 지그재그 이동할 수 있도록 구성하여도 된다.As another example of the cooling means 105, as shown in FIG. 6, the coolant of the inner chamber 112 can move helically, and the coolant of the out chamber 113 is zigzag in a straight line from the upper side to the lower side or the lower side to the upper side. It may be configured to be movable.

물론, 아웃챔버(113)의 냉각수를 나선형으로 이동하도록 하고, 인너챔버(112)의 냉각수를 상측에서 하측으로 또는 하측에서 상측으로 직선 이동하도록 구성하거나, 또는 인너 및 아웃챔버(112,113) 모두가 상,하측으로 상반되게 냉각수가 직선형태로 지그재그 이동할 수 있도록 하여도 무방할 것이다.Of course, the cooling water of the out chamber 113 is moved helically, and the cooling water of the inner chamber 112 is configured to linearly move from the upper side to the lower side or the lower side to the upper side, or both the inner and the out chambers 112 and 113 are upward. It may be possible to allow the coolant to move zigzag in a straight line as opposed to the lower side.

상기 냉각수단(105)의 또 다른 예로서는, 도 7에서와 같이 인너 및 아웃챔버(112,113)의 하단면에 냉각수가 순환할 수 있도록 냉각수가이드를 형성하고, 하단면의 일측과 중심부에는 냉각수의 공급과 배출을 위한 입구(115)와 출구(116)를 각각 형성하여 냉각수가 나선형(스크롤형)으로 확산되어 인너 및 아웃챔버(112,113)의 하단면 전체를 냉각할 수 있도록 부가하도록 한다.As another example of the cooling means 105, a cooling water guide is formed on the lower surfaces of the inner and out chambers 112 and 113 so that the cooling water can be circulated, and supplying the cooling water to one side and the center of the lower surface. The inlet 115 and the outlet 116 are formed for the discharge, respectively, so that the coolant is spread in a spiral (scrolled form) so as to cool the entire bottom surfaces of the inner and out chambers 112 and 113.

상기 냉각 수단은 동시에 혹은 각각 작용이 가능하며, 본 발명을 통한 단결정 제조 결과 단결정의 잉곳 육성에 하단부의 정밀한 온도제어가 단결정의 품질에 지대한 영향을 미치는 것을 확인하였다.The cooling means can act simultaneously or separately, and it was confirmed that precise temperature control at the lower end of the single crystal ingot growth through the present invention has a great influence on the quality of the single crystal.

본 발명에 관한 단결정의 제조방법에서 히팅수단에 의해 용융된 Al2O3 원료가 냉각수단에 의해 고화될 때,When the Al 2 O 3 raw material melted by the heating means in the method for producing a single crystal according to the present invention is solidified by the cooling means,

{(T1 - T2) × ms × Cs}+{(t1 - t2) × mw × Cw}+{m × Lf}≤ 0{(T1-T2) × m s × Cs} + {(t1-t2) × m w × Cw} + {m × Lf} ≤ 0

의 관계를 만족하도록 냉각수단의 질량유량(mw)을 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치가 제공된다.There is provided a single crystal growth apparatus characterized by controlling the mass flow rate (m w ) of the cooling means to satisfy the relationship of.

도가니에 담긴 Al2O3 원료의 융액온도(T1)와 냉각수단의 영향에 따른 융액 온도(T2)의 차이(ΔT), Al2O3 의 질량(ms), Al2O3 의 비열(Cs)의 전체곱과 냉각수단을 흐르는 냉각수의 입구 온도(t1), 냉각수단을 통해 흘러 나온 출구 온도(t2)의 차이(Δt), 냉각수의 질량유량(mw), 냉각수의 비열(Cw)의 전체곱과 Al2O3 melt가 고화될 때 발생 되는 잠열{m × Lf}의 합이 상기의 식을 만족할 때에 사파이어 단결정이 이상적으로 육성되어 진다.The difference between the melt temperature (T1) and the melt temperature (T2) of the Al 2 O 3 raw material in the crucible (ΔT), the mass of Al 2 O 3 (m s ), and the specific heat of Al 2 O 3 ( The total product of Cs) and the inlet temperature t1 of the cooling water flowing through the cooling means, the difference (Δt) of the outlet temperature t2 flowing through the cooling means, the mass flow rate of the cooling water (m w ), the specific heat of the cooling water (Cw) The sapphire single crystal is ideally grown when the sum of the total product of and the latent heat {m × Lf} generated when the Al 2 O 3 melt is solidified satisfies the above equation.

본 발명에서, 단결정 성장용 장치 냉각수단에 흐르는 냉각수 유량을 일정한 범위로 제어를 통해, 도가니의 열 분포를 정밀하게 제어할 수 있으므로, 이를 통해 도가니 내부의 온도 분포가 안정화되고, 결정에서의 열 응력을 제어 혹은 억제할 수 있으면서 저 전위 밀도화를 실현할 수 있다.In the present invention, the heat distribution of the crucible can be precisely controlled by controlling the flow rate of the cooling water flowing in the cooling means for the single crystal growth device to a certain range, whereby the temperature distribution inside the crucible is stabilized, and the thermal stress in the crystal Can be controlled or suppressed while achieving low dislocation density.

우선 본 발명자는 단결정 성장 장치의 냉각수단을 지나는 냉각수 유량을 제어하여 도가니 내부의 가열된 Al2O3 melt가 가지는 열량을 냉각수단을 통해 정밀하게 배출시킴으로써 히팅수단을 통한 온도제어보다 더욱 정밀하게 목표하는 균일한 열분포 확산을 만들 수 있으며, 냉각 수단을 지나는 유량를 변화시켜서 실시한 결과, 4.0 ? 13.0 ℓ/min 로 하였을 때 내부결함이 없는 사파이어 단결정 잉곳을 얻을 수 있었다.First, the present inventors control the flow rate of the cooling water passing through the cooling means of the single crystal growth apparatus to precisely discharge the amount of heat of the heated Al 2 O 3 melt in the crucible through the cooling means, which is more precise than the temperature control through the heating means. It is possible to create a uniform heat distribution diffusion, and vary the flow rate through the cooling means. A sapphire single crystal ingot without internal defects was obtained at 13.0 L / min.

상기 무게측정수단(111)은, 권양수단(107)의 상부와 외팔보(108) 사이에 대용량의 로드셀(120)을 설치하여 휨과 인장 응력을 측정할 수 있도록 하고, 구동자(109)와 연결되는 잉곳로드(110) 사이에는 소용량의 로드셀(121)을 설치하여 잉곳의 성장에 따른 인장 응력을 측정할 수 있도록 하고, 또한 도가니(102)를 유지하는 도가니받침대(103)에는 소용량의 로드셀(122)을 설치하여 도가니(102) 내에서 용융된 용융물(Melt)가 잉곳 성장 함에 따라 도가니받침대(103)에 가해지는 압축 응력을 측정할 수 있도록 구성한다.The weighing means 111, by installing a large load cell 120 between the upper portion of the lifting means 107 and the cantilever 108 to measure the bending and tensile stress, and connected with the driver 109 A small capacity load cell 121 is installed between the ingot rods 110 to be used to measure the tensile stress according to the growth of the ingot, and the small capacity load cell 122 is provided in the crucible support 103 for maintaining the crucible 102. By installing a) it is configured to measure the compressive stress applied to the crucible support 103 as the molten melt (Melt) ingot growth in the crucible (102).

상기 도가니(102)내부의 용융물(Melt) 온도를 정확하게 측정할 수 있도록 도가니받침대(103)의 중공부에 온도측정수단을 설치하여 용융물의 실제온도를 검출할 수 있도록 한다.In order to accurately measure the melt temperature in the crucible 102, a temperature measuring means is installed in the hollow portion of the crucible support 103 to detect the actual temperature of the melt.

상기 온도측정수단의 설치 조건은, 도가니(102)의 저면과 밀착시킬 경우에는 고온에 의하여 온도측정수단이 손상되기 때문에 도가니(102) 저면과 소정의 간격을 유지시켜 온도측정수단의 손상을 방지하면서도 온도측정치의 오차범위를 최소화할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.When the temperature measuring means is installed in close contact with the bottom of the crucible 102, the temperature measuring means is damaged due to high temperature, while maintaining a predetermined distance from the bottom of the crucible 102 to prevent damage to the temperature measuring means. It is desirable to minimize the error range of the temperature measurement.

이를 실험으로 확인한 결과 온도측정수단을 도가니(102)의 저면과 5 ? 20㎜의 범위 내에 위치시키는 것이 온도측정수단의 손상을 방지하면서 측정 오차범위를 최소화할 수 있는 것으로 나타났다.As a result of this experiment, the temperature measuring means was placed at the bottom of the crucible 102 and 5? It has been shown that positioning within the range of 20 mm can minimize the measurement error range while preventing damage to the temperature measuring means.

본 발명의 또 다른 특징으로는, 도가니(102)를 동일한 형상의 내부도가니와 외부도가니로 2중 구성하여 보다 안정된 온도 구배에서 잉곳을 성장할 수 있도록 하고, 이를 충족할 수 있는 다른 여건으로는 도가니(102)의 재질을 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 텅스텐-몰리브덴(W-Mo), 텅스텐-이리듐(W-Ir) 재질로 구성한다.In still another aspect of the present invention, the crucible 102 is composed of an internal crucible and an external crucible of the same shape so that the ingot can be grown at a more stable temperature gradient, and other conditions that can satisfy the crucible ( 102 is made of tungsten (W), iridium (Ir), tungsten-molybdenum (W-Mo), and tungsten-iridium (W-Ir).

물론, 상기 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 텅스텐-몰리브덴(W-Mo), 텅스텐-이리듐(W-Ir)중 어느 하나의 재질로만 구성할 수도 있을 것이며, 이들 재질 중 하나 이상을 결합한 합금으로 구성하여도 무방할 것이며, 내,외부 도가니(102)는 모두를 동일한 재질로 구성하는 것이 좋다.Of course, it may be composed of any one material of tungsten (W), iridium (Ir), tungsten-molybdenum (W-Mo), tungsten-iridium (W-Ir), and an alloy combining at least one of these materials. The inner and outer crucibles 102 may be made of the same material.

상기와 같은 본 발명의 기술이 적용된 단결정 사파이어 잉곳 성장장치(100)의 작동에 대하여 살펴보면 다음과 같다.Looking at the operation of the single crystal sapphire ingot growth apparatus 100 to which the technique of the present invention is applied as described above are as follows.

본 발명의 사파이어 단결정 육성 공정은 키로플로스(Kyropoulos method)으로서, 도가니(102)에 충진된 원료를 히터로 용융시키는 용융공정과, 용융액의 표면에 준비된 종자결정(시드)을 접촉시키는 시딩공정과, 종자결정을 일정 속도로 상승시켜 소정의 지름이 될 때까지 결정을 가늘게 좁혀 네크를 형성하는 네킹공정과, 상승을 멈추고 네크를 소정의 지름까지 성장시켜 숄더를 형성하는 숄더형성공정과, 지속적으로 서서히 온도을 떨어뜨려 메인 바디를 형성시키는 메인바디형성공정으로 이루어진다.Sapphire single crystal growth process of the present invention is a Kyropoulos method, a melting step of melting the raw material filled in the crucible 102 with a heater, and a seeding step of contacting the seed crystal (seed) prepared on the surface of the melt; The necking process of raising the seed crystal at a constant speed to narrow the crystal until the predetermined diameter is formed, and the shoulder forming process of stopping the rise and growing the neck to the predetermined diameter to form the shoulder, and continuously It consists of a main body forming process that gradually drops the temperature to form the main body.

즉, 성장로(101)의 도가니(102)에 원료인 알루미나(Al2O3)를 넣은 뒤 히팅수단(104)을 작동시켜 알루미나의 녹는점(2050 ℃)이상으로 가열하여 용해시킨다.That is, alumina (Al 2 O 3 ), which is a raw material, is placed in the crucible 102 of the growth furnace 101, and then the heating means 104 is operated to be heated and dissolved above the melting point (2050 ° C.) of the alumina.

그런 다음, 잉곳로드(110)의 하단에 종자결정(S)을 장착한 후 상승상태에 있는 권양수단(107)을 작동시켜 종자결정(S)을 도가니(102) 내의 용융표면 중심위치에 근접시켜 서서히 종자결정(S)을 용액(Melt)과 접촉시커거나 일부가 침지되도록 한 후, 도가니(102) 내의 용액 속으로부터 종자결정이 녹지 않는 적절한 위치에 위치를 시킨다.Then, the seed crystal (S) is mounted on the lower end of the ingot rod 110, and then the lifting means 107 in the ascending state is operated to bring the seed crystal (S) closer to the molten surface center position in the crucible (102). The seed crystals (S) are gradually brought into contact with the solution (Melt) or allowed to be partially immersed, and then placed in an appropriate position where the seed crystals do not melt from the solution in the crucible 102.

이러한 상태에서 도가니(102)의 온도를 조절하여 사파이어 단결정의 육성을 개시하고, 이후 인상 속도 및 위치, 온도를 적절히 조절함으로써 원기둥에 가까운 형상의 단결정 잉곳을 얻을 수 있게 된다.In this state, the temperature of the crucible 102 is adjusted to start the growth of the sapphire single crystal, and then, by appropriately adjusting the pulling speed, position, and temperature, a single crystal ingot of a shape close to a cylinder can be obtained.

본 발명에서는 이러한 잉곳의 성장 초기부터 최종까지의 잉곳 무게 변화를 무게측정수단(111)을 통하여 정확하게 감지, 측정하고, 도가니(102) 내부의 용융물의 온도를 도가니받침대(103)의 중공부에 위치하여 도가니(102) 저면과 소정의 간격을 유지하여 설치되는 온도측정수단을 통하여 측정되어 콘트롤러(C)로 인가하게 된다.In the present invention, the ingot weight change from the beginning to the end of the growth of the ingot is accurately sensed and measured through the weighing means 111, and the temperature of the melt inside the crucible 102 is located in the hollow of the crucible support 103 The temperature is measured by the temperature measuring means installed to maintain a predetermined interval with the bottom surface of the crucible 102 is applied to the controller (C).

상기 콘트롤러(C)에서는 이를 토대로 잉곳의 성장 중에 여러 가지 요인으로 잉곳의 직경이 목표하는 프로그램의 성장 속도보다 커지거나 작아지게 될 수 있는 상황에 따라 냉각수단(105) 내부를 흐르는 냉각수 유량을 정밀제어를 통해 도가니(102)의 온도를 최적의 상태로 조절하며, 무게측정수단과 온도측정수단으로부터의 피드백을 통해 냉각수유량의 정밀제어를 하게 된다. 정밀제어는 릴리프 방식, 버터 플라이 방식 또는 PCW system, 액체용 레귤레이터, 인버터 방식, By-pass 방식 등을 통해 정밀 제어가 가능하다.The controller (C) precisely controls the flow rate of the cooling water flowing in the cooling means 105 according to the situation that the diameter of the ingot may be larger or smaller than the growth rate of the target program due to various factors during the growth of the ingot. Through the temperature of the crucible 102 is adjusted to an optimum state, and precise control of the coolant flow rate through the feedback from the weighing means and the temperature measuring means. Precision control can be controlled precisely through relief, butterfly or PCW systems, liquid regulators, inverters, and bypass systems.

이와 더불어 권양수단(107) 또는 구동자(109)를 제어하여 최적의 권양속도 또는 회전속도로 컨트롤하여 목표하는 바의 잉곳이 성장할 수 있도록 하게 된다.In addition, by controlling the hoisting means 107 or the driver 109 to control at the optimum lifting speed or rotational speed so that the ingot of the target bar can grow.

상기 무게측정수단(111)의 작동은, 도가니(102) 내부에 액체 상태로 존재하는 Al2O3 용액으로부터 사파이어 단결정을 육성시킬 시에 실시간을 변화하는 사파이어 단결정의 무게를 감지한다.The operation of the weighing means 111 detects the weight of the sapphire single crystal that changes in real time when the sapphire single crystal is grown from the Al 2 O 3 solution present in the crucible 102 in the liquid state.

즉, 권양수단(107)과 외팔보(108)에 설치된 대용량의 로드셀(120)을 통해서는 큰 무게를 감지하고, 외팔보(108)의 다른 한쪽 편 구동자(109)와 연결되는 잉곳로드(110) 사이에 설치되는 로드셀(121)과 도가니받침대(103)에 설치되는 로드셀(122)을 통해서는 작은 무게를 감지하여 콘트롤러(C)로 인가하게 된다.That is, through the large-capacity load cell 120 installed in the lifting means 107 and the cantilever 108 senses a large weight, the ingot rod 110 connected to the other side driver 109 of the cantilever 108 Through the load cell 121 installed between the load cell 121 and the crucible support 103 is detected a small weight is applied to the controller (C).

상기 로드셀(120,121,122)을 이용한 하중의 측정 원리는 스트레인 게이지가 탄성체를 당기거나 밀면 변형이 일어나고 이때 줄거나 늘어나는 미세한 변형량(저항값)을 측정하여 변형량을 하중으로 변환하여 측정하는 공지된 기술이므로 구체적인 설명은 생략하도록 한다.The measurement principle of the load using the load cells (120, 121, 122) is a well-known technique for measuring strain by converting the amount of deformation into a load by measuring a small amount of deformation (resistance value) that decreases or increases when a strain gauge pulls or pushes an elastic body. Is omitted.

상기 로드셀(120,121,122)에 의하여 외팔보(108)의 휨과 인장 응력, 잉곳의 성장에 따른 인장 응력 및 도가니(102) 내에서 용융물(Melt)이 잉곳 성장 함에 따라 도가니받침대(103)에 가해지는 압축 응력의 측정값을 인가받은 콘트롤러(C)로 인가하는 것은 물론, 로드셀(120,121,122)에 포함되어 있는 이상 진단기기를 통하여 다양한 변수(잉곳의 무게변화, 히터의 출력변화, 온도 변화 etc.)들을 종합적으로 판단하여 함께 콘트롤러(C)로 인가하게 된다.Bending and tensile stress of the cantilever 108 by the load cells 120, 121, and 122, tensile stress due to growth of the ingot, and compressive stress applied to the crucible support 103 as the melt (Melt) grows in the crucible 102. The measured value of is applied to the controller (C), and the various variables (ingot weight change, heater output change, temperature change, etc.) are comprehensively included through the fault diagnosis device included in the load cells (120, 121, 122). It is determined and applied to the controller (C) together.

상기 정보를 인가받은 콘트롤러(C)에서는 냉각수단(104)과 권양수단(107) 및 구동자(109)를 제어하는 것은 물론, 하나 또는 하나 이상의 성장장치(100)로 구성되는 성장시스템을 일괄적으로 제어하거나, 측정 또는 제어정보를 데이터베이스화하여 차후 관리의 용이성과 새로운 성장장치의 설계와 설치에 도움을 줄 수 있도록 하는 것은 당연할 것이다.In the controller C receiving the information, the cooling system 104, the lifting unit 107 and the driver 109 are not only controlled, but also a growth system composed of one or more growth apparatuses 100 is collectively. It will be natural to make it easy to control the data, or to make a database of measurement or control information for future management and design and installation of a new growth device.

상기와 같이 콘트롤러(C)의 제어를 받은 냉각수단(105)은 냉각수를 이동시켜 도가니(102)의 온도를 유효 적절하게 제어하게 되고, 구동자(109)를 제어하여 잉곳로드(110)의 회전속도와 더불어 권양수단(107)의 권양속도를 제어하게 되는 것이다.As described above, the cooling means 105 under the control of the controller C moves the cooling water to effectively control the temperature of the crucible 102 and controls the driver 109 to rotate the ingot rod 110. In addition to the speed is to control the lifting speed of the lifting means (107).

상기 구동자(109)에 의하여 제어되는 잉곳로드(110)의 회전속도는, 네킹 및 숄더형성공정 시 용융액이 도가니 내에서 대류 하는 데, 숄더형성 시 대류의 방향과 속도에 따라 숄더가 비 균일적으로 육성되는 경우가 있으므로, 대류 방향에 적절하게 성장 중인 종자결정을 회전시키면서 육성 공정 진행이 필요하며, 온도가 조절된 상태에서 구동자(109)에 의해 종자결정은 시계방향 또는 반 시계 방향으로 회전하도록 한다.Rotational speed of the ingot rod 110 controlled by the driver 109, the melt is convection in the crucible during the necking and shoulder forming process, the shoulder is non-uniform in accordance with the direction and speed of the convection during shoulder formation As the seed crystals are grown in the convective direction, it is necessary to proceed with the growing process while rotating the seed crystals that are appropriately grown in the convective direction. Do it.

이때, 구동자(109)의 회전속도는 0 ? 5rpm의 범위 내에서 설정되는 것이 바람직하며, 더욱 구체적으로는 0 ? 0.5 rpm으로 설정된 일정 주기로 그 회전속도를 가속하거나 감속하여 변화시키는 것이 더 바람직하다.At this time, the rotation speed of the driver 109 is 0? It is preferable to set in the range of 5 rpm, More specifically, 0? More preferably, the rotational speed is changed to accelerate or decelerate at a predetermined period set to 0.5 rpm.

이를 통해 Al203 용융물(Melt)에서 시딩 시 시드를 적절히 회전시킴으로써 숄더를 형성시키는 과정에서는 잉곳의 전 범위에 걸쳐 균일한 형태의 숄더를 형성시킬 수 있게 된다.As a result, in the process of forming the shoulder by properly rotating the seed during seeding in the Al 2 O 3 melt (Melt), a shoulder having a uniform shape can be formed over the entire range of the ingot.

상기 냉각수단(105)의 작동을 상세하게 살펴보면, 인너챔버(112)의 입구(115)를 통하여 냉각수가 유입되어 인너챔버(112)의 하측에서 상측으로 나선형 또는 상,하 직선방향 지그재그로 이동하여 상측의 출구(116)를 통하여 배출되면, 인너챔버(112)의 외측에 설치되는 아웃챔버(113)의 상측에 구비되는 입구(115)를 통하여 냉각수가 공급되어 아웃챔버(113)의 하측 방향으로 나선형 또는 상,하 직선방향 지그재그로 이동하여 하측의 출구(116)를 통하여 배출되기 때문에 인너 및 아웃챔버(112,113)를 이용하여 도가니(102)의 상,하 구분없이 고른 온도를 유지할 수 있도록 제어 가능하다.Looking at the operation of the cooling means 105 in detail, the coolant is introduced through the inlet 115 of the inner chamber 112 is moved in a spiral or up and down, zigzag direction from the lower side to the upper side of the inner chamber 112 When discharged through the upper outlet 116, the coolant is supplied through the inlet 115 provided on the upper side of the out chamber 113 installed on the outer side of the inner chamber 112 in the downward direction of the out chamber 113. Since it is discharged through the lower exit 116 by moving in a spiral or up and down linear zig-zag, the inner and out chambers 112 and 113 can be controlled to maintain an even temperature without distinguishing the top and bottom of the crucible 102. Do.

또한, 인너 및 아웃챔버(112,113)의 하단부에 더 구비되는 입구와 출구를 통하여 냉각수가 유입되어 나선형으로 순환하게 되므로, 인너 및 아웃챔버(112,113) 하단과 맞닿아 있는 도가니받침대(103)를 기준으로 도가니(102)의 가장자리부분이 히터에 의해 가열되고, 중심부(Center)가 냉각수단(105)에 의해 상대적으로 온도에 낮게 설정됨에 따라 이를 통해 자연스럽게 Al2O3 용융물(Melt)가 중심으로 모이는 대류형태를 가지게 됨으로써, 성장공정을 통해 균일한 형태의 잉곳을 얻을 수 있게 된다.In addition, since the coolant flows through the inlets and outlets further provided at the lower ends of the inner and out chambers 112 and 113 and circulates helically, the crucible support 103 which is in contact with the lower ends of the inner and out chambers 112 and 113 is referred to. As the edge of the crucible 102 is heated by the heater and the center is set at a relatively low temperature by the cooling means 105, the convection naturally gathers Al 2 O 3 melt (Melt) through it. By having a shape, it is possible to obtain a uniform ingot through the growth process.

물론, 필요에 따라서는 인너챔버(112) 또는 아웃챔버(113) 하나와 하단부에 설치되는 냉각수단(105)을 작동시키거나 또는 인너 및 아웃챔버(112,113)를 동시에 작동시키면서 하단부의 냉각수단(105)을 함께 작동시키는 등 도가니(102)의 상태 또는 잉곳의 성장상태, 권양 상태에 따라 다양한 변화를 주면서 제어할 수 있음은 당연할 것이다.Of course, if necessary, the inner chamber 112 or one of the out chambers 113 and the cooling means 105 installed on the lower end, or while operating the inner and out chambers 112, 113 at the same time cooling means 105 It will be natural to control while giving various changes depending on the state of the crucible 102, the growth state of the ingot, the hoisting state, etc.).

이러한 본 발명은 이중으로 구성되는 도가니와 챔버에 구비되는 개선된 냉각수단에 의하여 안정된 온도구배에서 잉곳을 성장시킬 수 있는 것은 물론, 성장 초기부터 성장완료까지 정확한 무게측정과 온도측정을 통하여 냉각수단과 권양수단 및 구동자을 최적의 상태로 기계적(자동화)으로 제어하여 목적하는 바의 품질을 가지는 단결정 사파이어 잉곳을 얻을 수 있고, 우수하고 균일한 품질을 가지는 잉곳을 지속적으로 반복하여 얻을 수 있는 장점을 가진다.The present invention can grow the ingot at a stable temperature gradient by the improved cooling means provided in the crucible and the chamber consisting of a double, as well as the cooling means and winch through accurate weight measurement and temperature measurement from the beginning to the completion of growth By controlling the means and the driver mechanically (automated) in an optimal state, it is possible to obtain a single crystal sapphire ingot having a desired bar quality, and has the advantage of continuously repeatedly obtaining an ingot having excellent and uniform quality.

100; 성장장치
101; 성장로
102; 도가니
105; 냉각수단
107; 권양수단
110; 잉곳로드
111; 무게측정수단
112; 인너챔버
113; 아웃챔버
120,121,122; 로드셀
100; Growth device
101; Growing road
102; Crucible
105; Cooling means
107; Hoisting means
110; Ingot rod
111; Weighing means
112; Inner chamber
113; Out Chamber
120,121,122; Load cell

Claims (12)

고진공상태를 유지하는 성장로(101)와;
상기 성장로(101)의 내부 중앙에는 사파이어 단결정을 형성하기 위한 원료를 용융할 수 있도록 도가니받침대(103)로 유지되는 도가니(102)와;
상기 도가니(102)의 외부에 설치하여 공급된 원료를 용융시키는 히팅수단(104)과;
상기 히팅수단(104)의 외부에 설치하여 히팅수단(104)과 도가니(102)의 열분포를 확산시켜 안정화시키는 냉각수단(105)과;
상기 성장로(101)의 외부에 설치되는 서포터(106)와;
상기 서포터(106) 상단에 설치하여 단결정 성장된 잉곳을 권양 할 수 있게 하강과 상승 작동이 가능한 권양(捲楊)수단(107)과;
상기 권양수단(107)의 상부에서 성장로(101) 중심방향으로 돌출시키는 외팔보(108)와;
상기 외팔보(108)에 연결되는 구동자(109)와;
상기 구동자(109)와 연결되고 하단에 종자결정을 장착하여 회전할 수 있도록 하향 돌출되는 잉곳로드(110)와;
성장되는 단결정의 무게 측정을 통하여 온도, 권양 및 회전속도를 조절하기 위한 무게측정수단(111)을 포함하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치(100)에 있어서;
상기 냉각수단(105)은, 도가니(102)의 외부에 도가니(102)와 근접하게 설치하는 인너챔버(112)와;
상기 인너챔버(112)의 외측에 인너챔버(112)와 일체로 형성되는 아웃챔버(113)로 이중구성하고;
상기 인너챔버(112)와 아웃챔버(113)의 내부의 냉각수는 서로 상반된 위치로 순환이동하여 도가니(102)의 상,하부 온도편차를 줄일 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
A growth furnace 101 for maintaining a high vacuum state;
A crucible 102 maintained at the inner center of the growth furnace 101 as a crucible support 103 to melt raw materials for forming sapphire single crystals;
Heating means (104) installed outside the crucible (102) to melt the supplied raw material;
Cooling means 105 is installed outside the heating means 104 to diffuse and stabilize the heat distribution of the heating means 104 and the crucible 102;
A supporter (106) installed outside the growth path (101);
A lifting means (107) installed on an upper end of the supporter (106) and capable of lowering and raising operation to hoist a single crystal grown ingot;
A cantilever beam protruding from the upper portion of the lifting means 107 toward the center of the growth path 101;
A driver 109 connected to the cantilever 108;
An ingot rod 110 connected to the driver 109 and protruding downward so as to rotate by mounting a seed crystal at a lower end thereof;
In the single crystal sapphire ingot growth apparatus (100) comprising a weighing means (111) for adjusting the temperature, winch and rotational speed by measuring the weight of the single crystal to be grown;
The cooling means 105 includes an inner chamber 112 installed near the crucible 102 on the outside of the crucible 102;
Dual configuration with an outer chamber (113) formed integrally with the inner chamber (112) on the outside of the inner chamber (112);
Single inner sapphire ingot growth apparatus characterized in that the cooling water in the inner chamber 112 and the out chamber 113 is circulated to the opposite position to reduce the temperature difference of the upper and lower parts of the crucible (102).
제 1 항에 있어서;
상기 무게측정수단(111)은, 권양수단(107)의 상부와 외팔보(108) 사이에 설치하여 휨과 인장 응력을 측정하는 대용량의 로드셀(120)과;
상기 구동자(109)와 연결되는 잉곳로드(110) 사이에 설치하여 잉곳의 성장에 따른 인장 응력을 측정하는 소용량의 로드셀(121)과;
상기 도가니(102)를 유지하는 도가니받침대(103)에 설치하여 용융된 용융물(Melt)가 잉곳 성장 함에 따라 도가니받침대(103)에 가해지는 압축 응력을 측정하는 소용량의 로드셀(122)을 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
The method of claim 1, further comprising:
The weight measuring means 111 is installed between the upper portion of the lifting means 107 and the cantilever 108 to measure a large amount of load cell 120 and the bending stress;
A load cell 121 having a small capacity installed between the driver 109 and the ingot rod 110 connected to the ingot rod 110 to measure tensile stress according to growth of the ingot;
It is installed in the crucible butt holding the crucible 102 to include a small load cell 122 for measuring the compressive stress applied to the crucible butt 103 as the molten melt (Melt) ingot growth Single crystal sapphire ingot growth apparatus characterized in that.
제 1 항에 있어서;
상기 냉각수단(105)과 권양수단(107) 및 구동자(109)는 무게측정수단(111)의 정보와 온도측정수단의 정보를 인가받는 콘트롤러(C)에 의하여 제어되는 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
The method of claim 1, further comprising:
The cooling means 105, the lifting means 107 and the driver 109 are controlled by a controller (C) that receives the information of the weight measuring means 111 and the information of the temperature measuring means. Ingot growth device.
제 1 항에 있어서;
상기 냉각수단(105)을 흐르는 냉각수의 유량은 4.0 ? 13.0 ℓ/min 로 제어하는 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
The method of claim 1, further comprising:
The flow rate of the cooling water flowing through the cooling means 105 is 4.0? Single crystal sapphire ingot growth apparatus, characterized in that the control at 13.0 l / min.
제 1 항에 있어서;
상기 인너챔버(112)와 아웃챔버(113) 내부에는 냉각수가 순환이동할 수 있도록 형성하는 냉각수가이드(114)와;
상기 인너챔버(112)와 아웃챔버(113)의 상,하측에 냉각수를 공급하고 배출할 수 있도록 형성하는 입구(115)와 출구(116)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
The method of claim 1, further comprising:
A cooling water guide 114 formed inside the inner chamber 112 and the out chamber 113 to allow the cooling water to circulate;
Single crystal sapphire ingot growth apparatus comprising an inlet 115 and an outlet 116 formed to supply and discharge the coolant to the upper and lower sides of the inner chamber 112 and the out chamber 113.
제 1 항에 있어서;
상기 인너 및 아웃챔버(112,113)의 내부에 형성하는 냉각수가이드(114)와 입구(115) 및 출구(116)는 인너 및 아웃챔버(112,113)를 순환하는 냉각수가 고르게 도가니(102)의 온도에 영향을 미처 고른 온도분포를 유지할 수 있도록 서로 어긋난 위치에 형성하는 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
The method of claim 1, further comprising:
The cooling water guide 114 and the inlet 115 and the outlet 116 formed in the inner and out chambers 112 and 113 have a coolant circulating in the inner and out chambers 112 and 113 evenly affecting the temperature of the crucible 102. Single crystal sapphire ingot growth apparatus, characterized in that formed in the position deviated from each other so as to maintain an even temperature distribution.
제 1 항에 있어서;
상기 냉각수단(105)은 인너 및 아웃챔버(112,113)의 하단부에 입구(115)와 출구(116)를 가지고 나선형으로 냉각수를 순환시켜 도가니(102)의 온도에 영향을 미쳐 균일한 온도분포를 유지할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
The method of claim 1, further comprising:
The cooling means 105 has an inlet 115 and an outlet 116 at the lower ends of the inner and out chambers 112 and 113 to circulate the cooling water spirally to affect the temperature of the crucible 102 to maintain a uniform temperature distribution. Single crystal sapphire ingot growth apparatus, characterized in that to enable.
상기 구동자(109)는 잉곳 성장과정에서 균일한 숄더부가 만들어질 수 있도록 0 ? 5rpm 범위 내에서 설정된 주기로 속도를 가감하고 회전방향을 가변할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.The driver 109 is 0? So that a uniform shoulder portion can be made during ingot growth. Single crystal sapphire ingot growth apparatus characterized in that the speed can be changed and the rotation direction is changed at a set period within the range of 5rpm. 제 1 항에 있어서;
상기 도가니(102)의 저면에 온도측정수단의 손상을 방지하면서 측정 오차범위를 최소화할 수 있도록 도가니(102)의 저면과 5 ? 50㎜의 범위 내에 온도측정수단을 위치시켜 도가니 내부 하단의 온도를 측정할 수 있게 하는 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
The method of claim 1, further comprising:
The bottom of the crucible 102 and the bottom surface of the crucible 102 to minimize the measurement error range while preventing damage to the temperature measuring means A single crystal sapphire ingot growth apparatus, characterized in that it is possible to measure the temperature of the inner bottom of the crucible by placing the temperature measuring means within a range of 50 mm.
제 1 항에 있어서;
상기 도가니(102)는 안정된 온도구배에서 잉곳을 성장할 수 있도록 내부도가니와 외부도가니로 구성되는 이중 구조인 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
The method of claim 1, further comprising:
The crucible (102) is a single crystal sapphire ingot growth apparatus, characterized in that the dual structure consisting of an inner crucible and an external crucible to grow the ingot at a stable temperature gradient.
제 1 항에 있어서;
상기 도가니(102)의 재질은 텅스텐(W), 이리듐(Ir), 텅스텐-몰리브덴(W-Mo), 텅스텐-이리듐(W-Ir) 중 어느 하나 또는 하나 이상의 합금으로 구성하는 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
The method of claim 1, further comprising:
The crucible 102 is made of one or more alloys of tungsten (W), iridium (Ir), tungsten-molybdenum (W-Mo), tungsten-iridium (W-Ir) or one or more alloys. Sapphire Ingot Growth Device.
제 10 항에 있어서;
상기 내부도가니와 외부도가니는 동일 재질인 것을 특징으로 하는 단결정 사파이어 잉곳 성장장치.
The method of claim 10;
Single crystal sapphire ingot growth apparatus, characterized in that the inner crucible and the outer crucible is the same material.
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