KR20120084046A - 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼 - Google Patents

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Abstract

실시예는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼에 관한 것이다.
실시예에 따른 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치는, 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되며 알루미나 융액을 수용하는 도가니(Crucible); 및 상기 챔버의 내측에 구비되며 상기 도가니를 가열하는 저항 가열 히터(Resistance Heating Heater);를 포함한다.

Description

저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼{Resistance Heating Grower of Sapphire Single Crystal Ingot, Manufacturing Method of Sapphire Single Crystal Ingot using Resistance Heating, Sapphire Single Crystal Ingot and Sapphire Wafer}
실시예는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼에 관한 것이다.
질화물 반도체, 예를 들어 질화갈륨(GaN)을 이용한 발광소자(LED) 기판으로 사용되는 사파이어 웨이퍼(Sapphire Wafer)는 수요가 증가하고 있으며, 다른 기판 재료 대비 높은 양산성으로 인하여 각광받는 웨이퍼이다.
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.
현재 양산되고 있는 LED 광전환 효율특성이 비교적 우수한 사파이어 기판의 결정학적 방향은 C-축이며 향후 결정학적 방향이 변화될 가능성이 있으나, 잉곳 봉(Ingot Boule)의 성장방법에 따라 성장된 단결정을 활용하는 수율의 차이는 변하지 않는다. 이러한 수율의 차이는 사파이어 단결정이 가지는 물리화학적 특성과 결정 성장방법에 따른 특성에 의존하게 된다.
한편, 사파이어 잉곳의 성장에 있어서, CZ법은 활용되는 기판의 결정학적 방향과 성장되는 결정방향이 동일한 방법으로 단결정의 수율(Yield) 측면에서 우수한 방법이다.
도 1은 종래 유도가열(Induction Heat) 초크랄스키(CZ)법을 이용한 사파이어 단결정 잉곳(IG) 제조방법의 예시도이다.
종래 유도가열에 의한 초크랄스키(CZ)법을 이용한 사파이어 잉곳 성장장치(10)는 RF-코일(coil)(30), 이리듐(Iridium:Ir) 도가니(20), 도가니 지지대(미도시) 등을 포함한다.
RF-코일(coil)(30)은 고전압의 전류의 흐름 방향이 무선주파수(Radio Frequency)로 바뀌면서 Ir-도가니(20) 표면에 유도전류를 발생시킨다.
상기 Ir-도가니(20)는 유도전류의 흐름방향 변화에 의한 도가니 표면의 스트레스(Stress)에 기인한 열을 발생시키며, 용융된 고온의 알루미나(Al2O3)를 담고 있는 용탕으로 역할한다.
그런데, 종래 유도가열 CZ법을 이용하여 c축 사파이어 단결정 잉곳의 성장방법에는 첫째, 종래 유도가열 CZ법에서 Ir-도가니 채용에 따라 사파이어 단결정의 품질이 나빠지는 문제점이 있고, 둘째, 종래 유도가열 CZ법에서는 Ir-도가니를 사용함에 따라 대형화, 대용량화하기 어려운 문제가 있으며, 단열재의 채용에 있어서 제한요소가 많이 작용하며, 외부 필드(Field) 자원을 활용할 수 없는 한계가 있다.
우선, 첫 번째 문제로 언급된 종래 유도가열 CZ법에서 Ir-도가니 채용에 따라 사파이어 단결정의 품질이 나빠지는 문제점은 다음과 같다.
종래 유도가열 CZ법에서는 Ir-도가니가 직접 발열함으로써 고온의 용융 알루미나(Al2O3)의 온도분포를 제어하기 어려운 문제가 있고, Ir-도가니의 직접 발열로 국부적인 가열에 의해 기포(Bubble)가 발생할 수 있다.
또한, 종래 유도가열 CZ법에서는 도 1과 같이 자연대류 패턴(Free Convection Cell)(FC)이 강하여 생성된 기포의 원활한 배출이 용이하지 않다.
또한, 종래 유도가열 CZ법에서는 고온의 알루미나의 자연대류 패턴(FC)과 결정학적 특성, 잠열 효과에 의하여 성장계면이 아래로 볼록해 지면서 c축 사파이어 단결정의 패싯면(Facet surface) 성장계면과 용융체 사이에 스트레스(Stress)가 발생하여 코어 패싯(Core Facet), 인클류젼(Inclusion), EPD(Etched Pit Dislocation), 스트라이에이션(Striation) 등의 결정결함을 유발할 수 있는 문제가 있다.
또한, 종래 유도가열을 이용한 CZ법은 유도가열에 기인한 자연대류(Free Convection cell)(FC-cell)가 매우 복잡한 난류특성(소위, 레일레이-버나드 대류 (Rayleigh-Benard Convection))으로 거동하게 됨으로써, 성장 계면에서 일정한 열 및 물질전달이 어렵게 된다. 따라서 전위농도(Dislocation Density)가 매우 높고, 기공 없는(Bubble Free) 무결함 단결정 성장이 어렵다는 한계가 있다.
또한, 종래 유도가열 CZ법에서는 발열체 역할을 하는 Ir-도가니를 회전시키거나 인상시킬 수 없음으로 고온의 용융 알루미나의 대류패턴의 변화를 유도할 수가 없다.
또한, 종래 유도가열 CZ법은 성장계면의 응고 잠열 효과는 자연대류패턴(FC)으로 인하여 성장계면을 용융체 쪽으로 블록하게 하는 문제가 있다. 이에 따라 성장된 잉곳을 강하게 회전시킬 경우, 성장계면과 용융체의 높은 점도에 의한 마찰로 전단응력이 크게 작용하여 결정결함을 유발할 수 있다.
다음으로, 두 번째 문제점으로 언급된 종래 유도가열 CZ법에서 Ir-도가니를 사용함에 따라 대형화, 대용량화하기 어려운 문제, 단열재의 채용에 있어서 제한요소 및 외부 필드(Field) 자원을 활용할 수 없는 문제는 아래와 같다.
예를 들어, Ir-도가니의 원료인 이리듐(Iridium:Ir)은 매우 제한적인 물질로서 150mm 이상의 단결정 성장을 위한 대형화 및 대용량화가 어렵다.
또한, 종래 유도가열 CZ법은 RF-코일(coil) 채용에 따라, RF-코일의 유지보수 비용 및 전력비 소모가 크며, RF-코일의 제작이 어려움이 있음은 물론 고비용이 소모되는 문제가 있다.
또한, 종래 유도가열 CZ법에서는 유도전류가 도가니 이외에 자기장 코일에 발생하게 됨으로, 자기장(Magnetic), 전자기장(Electromagnetic) 등 외부 필드(Field) 자원을 활용할 수 없는 한계가 있다.
실시예는 종래의 유도가열 CZ법이 가지는 고온의 알루미나(Al2O3) 용융체의 대류 패턴에 대한 제어의 한계점을 극복하여 사파이어 단결정의 품질을 개선할 수 있는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공하고자 한다.
또한, 실시예는 대구경화가 가능하며, 비용을 절감할 수 있고, 효율성이 증대되는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치는, 챔버; 상기 챔버의 내부에 구비되며 알루미나 융액을 수용하는 도가니(Crucible); 및 상기 챔버의 내측에 구비되며 상기 도가니를 가열하는 저항 가열 히터(Resistance Heating Heater);를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법은 챔버의 내부에 구비되는 도가니(Crucible)에 알루미나 다결정을 장입하는 단계; 상기 도가니를 저항 가열 히터(Resistance Heating Heater)에 의해 가열하여 상기 알루미나 다결정을 알루미나 융액으로 만드는 단계; 용융된 알루미나의 상부에 종자결정 접합시키는 단계; 및 접합된 종자결정으로부터 사파이어 단결정 잉곳을 성장시키는 단계; 및 성장된 잉곳을 용융된 알루미나와 분리하는 단계;를 포함한다.
또한, 실시예에 따른 사파이어 단결정 잉곳은 150mm 이상의 직경을 가질 수 있다.
또한, 실시예에 따른 사파이어 웨이퍼는 150mm 이상의 직경을 가질 수 있다.
실시예에 의하면, 첫째, 고온의 알루미나(Al2O3) 용융체의 대류패턴에 대한 제어의 한계점을 극복하여 사파이어 단결정의 품질을 개선할 수 있는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면, 저항가열 방식과 도가니 회전을 통해 성장계면(Interface)에서의 전달현상에 의해 EPD((Etched Pit Dislocation) 밀도를 크게 줄일 수 있다. 또한, 실시예에 의하면, 부분적인 자연대류의 감속화 및 부분적인 강제대류를 유도하여 단결정 잉곳 내의 기포(bubble)를 감소시키고, 기공 없는(Bubble Free) 무결함 사파이어 잉곳을 제공할 수 있다. 또한, 실시예에 의하면, 성장계면의 형상을 변화시켜 전단응력을 감소시키고, 잠열의 효과를 이용하여 코어 패싯(Core Facet)이 발생하지 않게 한다. 또한, 실시예에 의하면 성장된 잉곳의 온도분포 제어에 의해 잉곳 내의 크랙(Crack)을 감소시킬 수 있다.
둘째, 실시예에 의하면, 대구경화가 가능하며, 비용을 절감할 수 있고, 효율성이 증대되는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 기존 RF-코일 유도가열 CZ법 대비 대구경화가 용이하여 300mm 이상의 직경을 가지는 사파이어 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공할 수 있다. 또한, 실시예는 200mm 이상의 유효길이와 150mm 이상의 직경을 가지는 사파이어 잉곳을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 사파이어 단결정에서 결정학적으로 C축 성장기술을 확보함에 따라 다른 모든 방향(A, R, M축)으로 결정성장 기술이 확보할 수 있으며, 실시예에 따라, C축 성장 기술이 개발된다면 다른 성장방법에서 필수적인 코어링(Coring) 공정 없이 그라인딩(Grinding)하여 잉곳(Ingot)을 생산함으로써 생산성이 향상됨은 물론, 직경제어를 통한 50% 이상의 높은 실린더 수율(cylinder yield)이 보장됨으로 국제적으로 독보적인 경쟁력을 갖출 수 있는 기술이 확보될 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 Ir-도가니 미채용에 따른 부재료비가 현격히 감소한다. 또한, 실시예에 의하면 단열재의 선택 및 공정변수의 활용측면에서 광범위한 제어폭을 가짐으로 연구개발 효과가 증가할 수 있다.
도 1은 종래 유도가열 초크랄스키법을 이용한 사파이어 단결정 잉곳 제조방법의 예시도.
도 2는 실시예에 따른 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치의 예시도.
도 3은 실시예에 따른 저항 가열 초크랄스키법을 이용한 고온의 알루미나 용융체의 대류패턴에 대한 제어 및 성장계면의 전달현상에 대한 제어방법의 예시도.
도 4는 실시예에 따른 저항 가열 초크랄스키법을 이용한 사파이어 단결정 잉곳 제조방법에서 대류패턴을 해석하는 방법에 대한 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 2는 실시예에 따른 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치(100)의 예시도이다.
실시예는 사파이어 단결정 잉곳 성장을 위한 제조방법으로는 단결정인 시드를 알루미나 융액에 담근 후 천천히 끌어올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk:CZ)법을 채용할 수 있다.
실시예에 따른 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치(100)는 챔버(미도시)와, 상기 챔버의 내부에 구비되며, 알루미나 융액을 수용하는 도가니(Crucible)(120)와, 상기 챔버의 내측에 구비되며 상기 도가니(120)를 가열하는 저항 가열 히터(Resistance Heating Heater)(130)와, 성장되는 잉곳을 예열하는 애프터 히터(After Heater)(미도시) 및 시드(Seed)(S)(도 3 참조)가 일단에 결합된 인상수단(150)을 포함할 수 있다.
상기 챔버는 사파이어 잉곳(IG)을 잉곳을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다.
상기 도가니(120)는 알루미나 융액을 담을 수 있도록 상기 챔버의 내부에 구비되며, 텅스텐(W) 또는 몰리브덴(Mo) 등의 재질로 이루어질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에서 도가니(120)의 재질과 형상은 150mm 이상의 직경에 맞도록 설계될 수 있고, 이에 따른 전도 및 융액(Melt)의 대류와 열전달 메카니즘(Mechanism)을 제어할 수 있다.
상기 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 도가니 지지대(125)가 구비될 수 있다. 상기 도가니 지지대(125)는 회전축(127) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(127)은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승하강 운동시키면서 고-액 계면이 동일한 높이를 유지(Level stationary)하도록 할 수 있다.
상기 저항 가열 히터(130)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버의 내부에 구비될 수 있다.
이러한 저항 가열 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 다결정 사파이어 덩어리를 용융하여 사파이어 융액으로 만들게 된다.
상기 저항 가열 히터(130)는 그라파이트(C), 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 등으로 제조될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 저항 가열 히터(130)는 다중 가열히터를 채용할 수 있으며, 저항 가열 히터(130)를 300mm 직경에 적합하도록 설계할 수 있다.
상기 챔버의 내측에는 저항 가열 히터(130)의 열이 방출되지 못하도록 복사 단열재(reflector)(142)가 설치될 수 있다. 상기 단열재(142)는 저항 가열 히터(130) 및 도가니(120)에서 최적의 열적 분포를 내고 그 에너지를 최대한 손실 없이 활용 가능하도록 재질과 형상으로 설계될 수 있다.
또한, 실시예는 상기 단열재(142) 외측에 열차폐재(insulator)(144)가 더 구비되어 챔버 외측으로의 열의 방출을 차단할 수 있다. 챔버의 내측에 설치되는 복사단열재(142)와 열차폐재(144)는 재질에 따라 설치 순서를 변경할 수 있다. 또한, 도가니를 기준으로 측부에 배치되는 것에 국한하지 않고 하부 및 상부에도 위치시킬 수 있다.
실시예에 따른 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치(100)는 시드 구동부, 센서부 및 제어부를 포함할 수 있다.
상기 시드 구동부는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치(100)의 동작에 중요한 역할을 하는 부분으로 시드 로테이션(Seed Rotation) 및 시드 리프트(Seed Lift) 동작이 가능한 인상수단(150)과 제어로직을 구비할 수 있다.
상기 센서부는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치(100)를 운영함에 있어 각종 전기적 기계적인 신호를 읽어 들이고, 내보는 역할을 수행하게 되며, 잉곳의 무게 센싱(Weight Sensing) 및 잉곳 측부 표면의 온도 센싱(Temperatrue Sensing)이 가능한 센서부 및 제어로직을 구비할 수 있다.
상기 제어부는 상기 구동부와 상기 센서부에서의 각종 정보를 바탕으로 실제 결정 성장(crystal growth)을 수행하는 제어로직(control logic)이며, 무게(Weight)와 온도(Temperature)를 연계하는 크로즈 루프(Close-loop) 방식의 피드백 제어로직(Feed back Control logic)으로 설계될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예는 설계된 장비에 적합한 핫존(Hot Zone:H/Z) 설계로 최적의 열적 분포를 가지도록 할 수 있다. 예를 들어, 실시예는 핫존(H/Z) 개발을 위한 컴퓨터 전산모사(simulation)를 진행하고 이를 바탕으로 융액(melt)의 대류, 전열 특성을 예상하여 H/Z 재료의 선택에 효율적으로 대응할 수 있다.
또한, 실시예는 애프터 히팅(After heating) 기술을 채용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 해프터 히팅(After heating)을 위해 사파이어 잉곳 상측에 반사부(미도시)를 구비할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 실시예는 성장된 상태(As-grown) 잉곳에서 전위(dislocation) 제거를 위한 어닐링(anneal) 공정을 진행할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 실시예에 따른 저항 가열 초크랄스키법을 이용한 고온의 알루미나 용융체의 대류패턴에 대한 제어 및 성장계면의 전달현상에 대한 제어방법의 예시도이며, 도 4는 실시예에 따른 저항 가열 초크랄스키법을 이용한 사파이어 단결정 잉곳 제조방법에서 대류패턴을 해석하는 방법에 대한 예시도이다.
실시예에 따른 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법에 의하면 고온의 알루미나(Al2O3) 용융체의 대류패턴에 대한 제어의 한계점을 극복하여 사파이어 단결정의 품질을 개선할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면, 저항가열 방식과 도가니 회전을 통해 성장계면(Interface)에서의 전달현상에 의해 EPD((Etched Pit Dislocation) 밀도를 크게 줄일 수 있다.
구체적으로, 실시예는 종래의 기술이 가지는 고온의 알루미나(Al2O3) 용융체의 대류패턴 제어의 한계점을 극복하고자 도가니(120)와 단결정 잉곳(IG)을 적절한 비로 회전시켜 강제대류 효과를 유발하며, 필드(Field) 자원과 도가니(120) 인상을 통하여 생성된 강제대류 패턴을 효율적으로 유지하여 용융체 내부의 온도를 균일하게 분포시킴과 동시에 성장계면(Interface)의 형상을 플랫(Flat)하거나 잉곳쪽으로 불룩하게 만들어 축적된 잠열을 성장계면(Interface)을 통해 잉곳 쪽으로 효율적으로 배출시킬 수 있다. 이에 따라, 실시예에 의하면 인상과 온도구배로 발생하는 EPD((Etched Pit Dislocation)를 크게 줄일 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 EPD((Etched Pit Dislocation)를 1000EA/cm2 이하로 감소시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면, 부분적인 자연대류의 감속화 및 부분적인 강제대류를 유도하여 자연대류의 가속화 및 강제대류의 효과에 의해 단결정 잉곳 내의 기포(bubble)를 감소시켜, 기공 없는(Bubble Free) 무결함 사파이어 잉곳을 제공할 수 있다.
구체적으로, 실시예에서, 도가니(120)와 성장되는 사파이어 잉곳(IG)을 반대방향으로 회전시키면서 각 회전에 참여하는 용융체의 각운동량의 비를 일정하게 유지시킬 수 있으며, 종국에는 기포를 포함하는 고온의 알루미나(Al2O3)는 도가니(120)의 벽면을 타고 수직 상승하는 도가니 로테이션 셀(Crucible Rotation Cell, 이하 "CR-cell"이라함) 패턴에 포함되어 자유표면으로 이동하고, 이때, 성장로 내의 낮은 압력으로 인하여 기포(Bubble)는 휘발될 수 있다.
설혹 남아있는 마이크로 기포(micro-bubble)는 잉곳(IG)의 회전에 따른 시드 로테이션 셀(Seed Rotation Cell, 이하 "SR-cell"이라함)의 펌핑(Pumping) 효과로 성장계면으로 이동할 수 없게 된다.
Figure pat00001
수학식 1에서 DS 비율(ratio)은 CR-cell의 볼륨(Volume)에 대한 SR-cell의 볼륨 비율이다.
Figure pat00002
수학식 2에서 MsMc는 CR-cell의 각운동량(Angular Momentum)에 대한 SR-cell의 각운동량의 비율이며, Φs,m은 SR-cell의 중심에서 최대 각속도(Maximun Angula Velocity at the center of SR-cell)이며, Φc,m는 CR-cell의 중심에서 최대 각속도(Maximun Angula Velocity at the center of CR-cell)이다.
실시예는 MsMc 값의 최적 조건을 도출하여 부분적인 자연대류의 감속화 및 부분적인 강제대류를 유도하여 단결정 잉곳 내의 기포(bubble)를 감소시킬 수 있다.
또한, 실시예에 의하면, 성장계면과 용융체의 마찰에 의한 전단응력과 잠열의 배출경로 변경에 따른 응력제어에 의해 코어 패싯(Core Facet)이 발생하지 않을 수 있다.
구체적으로, 실시예에 의하면 잉곳(IG)의 회전에 따른 SR-cell에 의한 펌핑(Pumping) 효과로 인하여 성장계면은 용융체 쪽으로 불룩한 형상에서 플랫(Flat) 내지는 성정결정 쪽으로 불룩한 형상으로 제어되며, 이는 성장계면과 용융체 사이의 계면에 작용하는 전단응력과 결정면(Facet) 방향과의 각도를 변형시켜 코어 패싯(Core Facet) 제어에 유리한 효과로 작용한다.
또한, 실시예에 의하면 성장된 잉곳(IG)의 온도분포 제어에 의해 잉곳 내의 크랙(Crack)을 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 실시예에 의하면 도가니(120)를 성장된 결정의 밀도비에 맞추어 상승 이동(CR lift) 시켜줌으로써 일정한 고액계면의 위치를 유지(Level stationary)시킬 수 있으며, 이는 저항 가열 히터(130) 중심과 성장계면의 위치의 변화를 최소화시킴으로써 성장로내 잉곳(IG)의 열분포의 변화를 최초화하여 성정되는 결정에 발생할 수 있는 열응력 분포 차이에 따른 크랙(Crack) 발생을 억제할 수 있다. 한편 잉곳(IG)의 열분포는 애프터 히터(After Heater)의 채용으로 효과적으로 제어할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면, 사파이어 잉곳의 대구경화가 가능하며, 비용을 절감할 수 있고, 효율성이 증대되는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 기존 RF-코일 유도가열 CZ법과 비교하여 대구경화가 용이하여 150mm 이상의 직경을 가지는 사파이어 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공할 수 있다. 또한, 실시예는 200mm 이상의 유효길이와 150mm 이상의 직경을 가지는 사파이어 잉곳을 제공할 수 있다.
실시예에 의하면 사파이어 단결정에서 결정학적으로 C축 성장기술을 확보함에 따라 다른 모든 방향(A축, R축, M축)으로 결정성장 기술이 확보할 수 있다. 이는, LED용 사파이어 기판에 요구되는 결정학적 방향이 변화되더라도 즉각적인 대응이 가능한 기술을 확보하는 것이다.
실시예에 따라, C축 성장 기술이 개발된다면 다른 성장방법에서 필수적인 코어링(Coring) 공정 없이 그라인딩(Grinding)하여 잉곳(Ingot)을 생산함으로써 생산성이 향상됨은 물론, 직경제어를 통한 50% 이상의 높은 실린더 수율(cylinder yield)이 보장됨으로 국제적으로 독보적인 경쟁력을 갖출 수 있는 기술이 확보될 수 있다.
상기 잉곳 실린더 수율(%)은 잉곳 실린더(cylinder) 무게를 잉곳 봉(boule) 무게로 나누고 100을 곱한 값으로 구할 수 있다.
실시예에 의하면 트윈/서브 그레인 바운더리(Twin/Sub-Grain boundary)가 없는 사파이어 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 오리엔테이션(Orientation)이 잉곳 실린더(cylinder_를 기준으로 타겟(Target)±0.025', 플랫(Flat)±0.1'의 사파이어 잉곳을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 Ir-도가니 미채용에 따른 부재료비가 현격히 감소한다.
또한, 실시예에 의하면 단열재의 선택 및 공정변수의 활용측면에서 광범위한 제어폭을 가짐으로 연구개발 효과가 증가할 수 있다.
예를 들어, 필드(Field) 자원인 커스프 마그넷(Cusp Magnet)과 고온 용융체의 거동에 따라 발생하는 로렌츠 힘(Lorentz Force)를 이용하여 성장계면 근처의 경계층(Boundary Layer) 및 SR-cell의 형상, 위치 등을 제어할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 마그넷(Magnet) 장비의 상부 코일(Upper coil)과 하부 코일(Lower coil)에 인가하는 전류비를 조정하면 제로 가우스면(Zero Gauss Plane)이 약 40mm에서 약 105mm로 하락하고 SR-Cell의 로렌츠 힘(Lorentz Force)이 증가한다. 예를 들어, 상부 코일(Upper coil)과 하부 코일(Lower coil)에 인가하는 전류비를 1~2로 인가되도록 조절하여 제로 가우스면(Zero Gauss Plane)이 하락시키고, 시드 로테이션 셀(SR-Cell)의 로렌츠 힘(Lorentz Force)이 증가하도록 할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 커스프 마그넷 장비의 상부 코일(Upper coil)과 하부 코일(Lower coil)에 인가하는 전류비가 1~2라는 의미는 상호 동일(1:1) 하거나, 어느 한쪽이 2배까지 되는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상부 코일(Upper coil)과 하부 코일(Lower coil)에 인가하는 전류비를 1: 0.5~1:2일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따라 로렌츠 힘(Lorentz Force)의 증가로 융액의 펌핑량이 증가하면 도가니 바닥으로부터 유입되는 산소가 증가되어 사파이어 잉곳의 산소농도가 증가한다.
실시예에 따른 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
실시예에 의하면, 첫째, 고온의 알루미나(Al2O3) 용융체에 대한 제어의 한계점을 극복하여 사파이어 단결정의 품질을 개선할 수 있는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면, 저항가열 방식과 도가니 회전을 통해 성장계면(Interface)에서의 전달현상에 의해 EPD((Etched Pit Dislocation) 밀도를 크게 줄일 수 있다. 또한, 실시예에 의하면, 부분적인 자연대류의 감속화 및 부분적인 강제대류의 효과에 의해 단결정 잉곳 내의 기포(bubble)를 감소시켜, 기공 없는(Bubble Free) 무결함 사파이어 잉곳을 제공할 수 있다. 또한, 실시예에 의하면, 성장계면의 마찰에 의한 전단응력과 잠열배출 경로의 변경에 따른 응력제어에 의해 코어 패싯(Core Facet)이 발생하지 않을 수 있다. 또한, 실시예에 의하면 성장된 잉곳의 온도분포 제어에 의해 잉곳 내의 크랙(Crack)을 감소시킬 수 있다.
둘째, 실시예에 의하면, 대구경화가 가능하며, 비용을 절감할 수 있고, 효율성이 증대되는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치, 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법, 사파이어 단결정 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공할 수 있다.
예를 들어, 실시예에 의하면 기존 RF-코일 유도가열 CZ법 대비 대구경화가 용이하여 150mm 이상의 직경을 가지는 사파이어 잉곳 및 사파이어 웨이퍼를 제공할 수 있다. 또한, 실시예는 200mm 이상의 유효길이와 150mm 이상의 직경을 가지는 사파이어 잉곳을 제공할 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 사파이어 단결정에서 결정학적으로 C축 성장기술을 확보함에 따라 다른 모든 방향(A, R, M축)으로 결정성장 기술이 확보할 수 있으며, 실시예에 따라, C축 성장 기술이 개발된다면 다른 성장방법에서 필수적인 코어링(Coring) 공정 없이 그라인딩(Grinding)하여 잉곳(Ingot)을 생산함으로써 생산성이 향상됨은 물론, 직경제어를 통한 50% 이상의 높은 실린더 수율(cylinder yield)이 보장됨으로 국제적으로 독보적인 경쟁력을 갖출 수 있는 기술이 확보될 수 있다.
또한, 실시예에 의하면 Ir-도가니 미채용에 따른 부재료비가 현격히 감소한다. 또한, 실시예에 의하면 단열재의 선택 및 공정변수의 활용측면에서 광범위한 제어폭을 가짐으로 연구개발 효과가 증가할 수 있다.
한편, 사파이어(Sapphire) 소재는 LED 이외 통신, 센서, 보안(Security) 등 다양한 산업 분야에 적용 가능성이 큰 잠재 소재로 실시예의 기술을 통해 생산성이 높은 고품질 대구경 사파이어(Sapphire) 소재 기술을 확보함으로써, 타 용도 시장 개척용 신제품 개발이 가능하다.
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.
또한, 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 (20)

  1. 챔버;
    상기 챔버의 내부에 구비되며 알루미나 융액을 수용하는 도가니(Crucible); 및
    상기 챔버의 내측에 구비되며 상기 도가니를 가열하는 저항 가열 히터(Resistance Heating Heater);를 포함하는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 도가니의 외부에 구비되는 도가니 지지대; 및
    상기 도가니 지지대 하측에 구비되는 회전축;를 더 포함하며,
    상기 회전축은 소정의 구동수단에 의해 상기 도가니를 회전 및 승하강시키는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 챔버 내측에 구비되며 상기 도가니의 알루미나 융액에 자기장을 가하는 커스프 마그넷(Cusp Magnet)을 더 포함하는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 챔버의 내측에 구비되어 상기 성장되는 잉곳을 가열하는 애프터 히터(After Heater)를 더 포함하는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 성장장치.
  5. 챔버의 내부에 구비되는 도가니(Crucible)에 알루미나 다결정을 장입하는 단계;
    상기 도가니를 저항 가열 히터(Resistance Heating Heater)에 의해 가열하여 상기 알루미나 다결정을 알루미나 융액으로 만드는 단계;
    용융된 알루미나의 상부에 종자결정 접합시키는 단계;
    접합된 종자결정으로부터 사파이어 단결정 잉곳을 성장시키는 단계; 및
    성장된 잉곳을 용융된 알루미나와 분리하는 단계;를 포함하는 포함하는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 도가니의 외부에 구비되는 도가니 지지대 및 상기 도가니 지지대 하측에 구비되는 회전축를 더 포함하며,
    상기 회전축은 소정의 구동수단에 의해 상기 도가니를 회전 및 승하강시키는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법.
  7. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 도가니의 알루미나 융액에 자기장을 가하는 커스프 마그넷(Cusp Magnet)을 더 포함하는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 커스프 마그넷 장비의 상부 코일(Upper coil)과 하부 코일(Lower coil)에 인가하는 전류비를 1:0.5~1:2로 인가되도록 조절하여 제로 가우스면(Zero Gauss Plane)이 하락시키고, 시드 로테이션 셀(SR-Cell)의 로렌츠 힘(Lorentz Force)가 증가하도록 하는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법.
  9. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    상기 성장되는 결정과 상기 도가니를 회전시켜 알루미나 용융체의 대류패턴을 제어하는 것을 특징으로 하는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    아래 수학식 1과 수학식 2를 이용하여,
    MsMc를 0.1 ~ 0.5로 유지하는 것을 포함하는 사파이어 단결정 잉곳 제조 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00003

    수학식 1에서 DS 비율(ratio)은 CR-cell의 볼륨(Volume)에 대한 SR-cell의 볼륨 비율임.
    [수학식 2]
    Figure pat00004

    수학식 2에서 MsMc는 CR-cell의 각운동량(Angular Momentum)에 대한 SR-cell의 각운동량의 비율이며, Φs,m은 SR-cell의 중심에서 최대 각속도(Maximun Angula Velocity at the center of SR-cell)이며, Φc,m는 CR-cell의 중심에서 최대 각속도(Maximun Angula Velocity at the center of CR-cell)임.
  11. 제5 항 또는 제6 항에 있어서,
    성장되는 잉곳을 애프터 히터로 가열하는 단계를 더 포함하는 저항 가열 사파이어 단결정 잉곳 제조방법.
  12. 150mm 이상의 직경을 가지는 사파이어 잉곳.
  13. 제12 항에 있어서,
    150mm 이상의 직경 및 200mm 이상의 유효길이를 가지는 사파이어 잉곳.
  14. 제12 항 또는 제13 항에 있어서,
    EPD((Etched Pit Dislocation)를 1000EA/cm2 이하인 사파이어 잉곳.
  15. 제12 항 또는 제13 항에 있어서,
    기공 없는(Bubble Free) 사파이어 잉곳.
  16. 제12 항 또는 제13 항에 있어서,
    코어 패싯(Core Facet)이 발생하지 않는 사파이어 잉곳.
  17. 사파이어 잉곳으로부터 제조된 150mm 이상의 직경을 가지는 사파이어 웨이퍼.
  18. 제17 항에 있어서,
    EPD(Etched Pit Dislocation)를 1000EA/cm2 이하인 사파이어 웨이퍼.
  19. 제17 항 또는 제18 항에 있어서,
    기공 없는(Bubble Free) 사파이어 웨이퍼.
  20. 제17 항 또는 제18 항에 있어서,
    코어 패싯(Core Facet)이 발생하지 않는 사파이어 웨이퍼.
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