KR20140044544A

KR20140044544A - 단결정 성장장치 및 성장방법

Info

Publication number: KR20140044544A
Application number: KR1020120110641A
Authority: KR
Inventors: 박종인; 이종찬; 김현수; 홍영곤
Original assignee: 비아이신소재 주식회사
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2012-10-05
Publication date: 2014-04-15
Also published as: CN103710741A

Abstract

본 발명은 도가니의 내부 온도구배를 보다 정량적이면서 능동적으로 제어하고 챔버에 대한 구조적 보강을 통해 내구시 변형을 억제하여 단결정의 성장시 길이방향에 대해 수평방향으로 수반되는 잔류응력을 최소화하고 크랙 또는 파열의 발생을 방지하며 성장하는 단결정의 직경을 대구경화할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 챔버(10)의 내부에 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 도가니(30), 상기 도가니(30)의 측부에 설치되는 측부히터(22), 상기 도가니(30)의 하부에 설치되는 하부히터(24), 상기 챔버(10)와 상기 하부히터(24)를 관통하여 상기 도가니(30)에 이르도록 배치되고 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 냉각봉(40), 상기 냉각봉(40)을 구동시키기 위한 구동유닛(50), 및 상기 측부히터(22)와 상기 하부히터(24)에 대한 개별적인 가열조건과, 상기 냉각봉(40)의 상하방향 운동조건을 각각 제어하기 위한 전장장비(7)를 구비한다.

Description

단결정 성장장치 및 성장방법{Single Crystal Growth System and Method}

본 발명은 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도가니의 내부 온도구배를 보다 안정적으로 제어함으로써 열교환법에 의한 사파이어 단결정의 성장시 그 길이방향에 대해 수평방향으로 발생되는 잔류응력을 최소화하여 크랙 또는 파열을 방지하고 단결정의 성장을 대구경화될 수 있게 함과 더불어 단결정의 길이방향 성장속도를 보다 향상시킬 수 있는 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것이다.

최근 전기전자 기술의 발달과 더불어 디스플레이 분야에서 광학적 물리적 특성이 우수한 사파이어 단결정의 수요가 급증하고 있다. 알루미나 단결정인 사파이어 단결정은 빛의 투과성과 열방출이 동시에 필요한 프로젝션 TV나 LCD 모듈 기판에 사용되는 핵심소재이며, 또한 블루 LED 용 기판으로 많이 사용되고 있다. 그러나 사파이어는 재료의 결정 구조상 격자이방성으로 인해 결정 성장시에 크랙이 발생하는 등의 기술적 어려움이 있어 크기와 품질의 단결정을 얻기 위한 다양한 결정 성장방법이 연구되어지고 있다.

종래에 알려진 단결정 성장방법으로는 베르누이법, 쵸크랄스키(CZ)법, EFG 법, Bridgman 법, 열교환(HEM) 법 등이 일반적으로 사용되고 있다.

베르누이법은 알루미나 분말을 산소-수소 화염속으로 통과시켜 용융시켜서, 용융액을 시드(Seed) 결정 위로 떨어뜨리면서 동시에 결정을 회전 하강시켜서 결정을 얻는 방법이다. 이 방법은 결정성장이 쉽고 가장 저렴하게 결정을 성장시킬 수 있으나, 결정 성장과정에서 결정이 높은 열충격을 받아 균열이 발생하기 쉽고, 품질과 크기면에서 시계유리용과 장식용 이외의 용도로는 사용이 어렵다.

쵸크랄스키법은 직경조절이 자유롭고 길이가 길어 생산성이 높다는 장점이 있으나, 사파이어 단결정과 같이 취성이 큰 재료의 결정 성장에서는 높은 온도구배와 결정을 회전 인상하면서 풀러(Puller)에 의해 생기는 진동이나 코어부의 응력집중으로 단결정의 직경이 제한되고, 성장 축 방향이 제한되는 등의 단점을 갖고 있다.

EFG법은 쵸크랄스키법과 유사하며, 원하는 형상의 단결정을 효과적으로 성장시킬 수 있는 방법이나, 결정 표면에 많은 결함 도입으로 인해 결정의 생산성이 그다지 높지 않으며, 결함밀도를 낮추는 것이 그 공법의 원리상 불가능한 것으로 알려져 있다.

열교환(HEM, Heat Exchange Method) 법은 온도가 균일한 고온부의 하단 부분에 열교환기를 설치하여 온도를 정밀하게 조절함으로써 단결정을 성장시키는 방법으로서, 단결정이 제조되는 동안 온도구배가 안정된 상태에서 성장이 일어나며, 고화시키기 위해 결정자체를 움직일 필요가 없다.

따라서 열교환법은 어떤 제조방법에 비해서도 직경 및 품질이 가장 우수한 단결정을 성장시킬 수 있는 방법으로 널리 알려져 있다.

도 1은 열교환법에 따른 사파이어 단결정 성장장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 열교환법에 따른 사파이어 단결정 성장장치(100)는 단결정 성장로(110)와 그 하부에 설치되는 열교환기(120)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 단결정 성장로(110)는 개폐 가능한 도어가 구비된 진공챔버(111), 상기 진공챔버(111)의 내측에는 바닥면에 시드(seed)결정(130)이 배치된 도가니(112)가 설치되고, 상기 도가니(112)가 안착되는 절연체 소재의 실드플레이트(113)가 설치되며, 상기 챔버(111)의 하부에 결합되며 상단이 상기 시드결정(130)과 맞닿아 상기 시드결정(130)을 냉각하도록 실드플레이트(113)에 결합된 냉각봉(114) 및 도가니(112) 주변에 설치되는 히터(115) 등을 포함하여 구성되어 있다.

또한, 냉각봉(114)의 내측에는 헬륨(He) 및 냉각수가 인입 및 인출되는 관로(116)가 형성된다.

한편, 단결정 성장로(110)의 단열을 위해 진공챔버(111)의 내측에 그래파이트 팰트(미도시, graphite felt) 등이 설치될 수 있고, 소정의 진공펌프를 진공챔버(111) 내측과 결합하여 진공챔버(111)의 내부 진공분위기를 형성하고 있다. 이때, 필요에 따라 소정의 가스주입밸브를 진공챔버(111)의 내측과 연통되도록 설치하여 비활성 가스인 아르곤(Ar), 질소(N₂) 등을 주입하여 비활성가스의 분위기를 형성할 수도 있다.

그리고 상기 열교환기(120)는 냉각봉(114)의 내측으로 헬륨(He) 및 냉각수가 인입 및 인출도록 하여 냉각봉(114)이 일정한 냉각온도로 제어되도록 하는 열교환회로를 포함할 수 있다.

이와 같은 결정 성장장치를 이용하여, 도가니(112)는 히터(115)의 발열온도와, 냉각봉(114)의 내측으로 인입 및 인출되는 헬륨(He) 및 냉각수를 통해 냉각봉(114)과 이에 맞닿아 있는 시드결정(130)의 냉각온도가 제어되어 일정한 온도구배가 형성된다. 즉, 도가니(112) 내부에 위치하는 용융된 사파이어 원료로부터 사파이어 단결정은 수축과 팽창을 반복하면서 성장하게 되며, 성장하는 사파이어 단결정은 C축(길이방향의 축)에 대해 수평 및 수직방향에 대해 열응력(Thermal stress)이 발생하게 된다.

따라서 사파이어 단결정의 구경을 크게 성장시킬수록 시드결정으로부터 고액계면의 거리가 멀어지게 되어 온도구배제어가 용이하지 않아 열응력에 의한 크랙(crack) 또는 파열이 쉽게 발생하여 사파이어 단결정의 구경을 확대하는데 한계가 있었다.

또한, 히터(115)와 시드결정(130)을 통해서만 사파이어 용융액에 온도구배가 형성됨으로써 단결정이 상향으로 성장할수록 고액계면이 시드결정으로부터 멀어져 단결정의 길이방향에 대한 수평 및 수직방향으로의 온도구배 제어가 어려워지게 되어 크랙 또는 파열이 쉽게 발생하며, 단결정의 성장속도도 느려지는 문제점이 있었다.

특히, 종래에는 히터(115)에 의한 도가니(112)의 가열과 함께 절연체에 해당하는 실드플레이트(113)를 이용하여 도가니(112)의 온도구배를 최적으로 제어하는 데 한계가 있었기 때문에 성장하는 단결정에서 크랙 또는 파열의 발생이 수반되는 문제를 초래하였고, 무엇보다도 사파이어 단결정을 성장시키는 공정 사이클이 반복될수록 상기 단결정 성장로(110)에서 고온의 환경에 따라 수반되는 열적 이력(Thermal Hysteresis)에 의한 챔버(111)의 변형을 초래하게 되고, 이러한 변형은 성장로(110)의 내부 온도를 일정하게 유지할 수 없게 하는 원인으로 귀결되어, 사파이어 단결정의 성장에 있어 최적의 온도 조건을 제공하는 일련의 제어가 매 사이클 마다 달라지므로 제품의 품질을 균일하게 유지할 수 없는 문제를 내재하게 되었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사안들을 감안하여 안출된 것으로, 도가니의 내부 온도구배를 보다 정량적이면서 능동적으로 제어하고 챔버에 대한 구조적 보강을 통해 내구시 변형을 억제하여 단결정의 성장시 길이방향에 대해 수평방향으로 수반되는 잔류응력을 최소화하고 크랙 또는 파열의 발생을 방지하며 성장하는 단결정의 직경을 대구경화할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 도가니의 내부 온도구배에 대한 안정적인 제어와 함께 도가니의 형상에 대한 최적화를 통해 단결정의 성장시 열응력을 최소화하고 길이방향 성장속도를 향상시키며 고액계면의 평탄화를 통한 단결정의 수율을 높일 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

특히, 본 발명은 단결정 성장로의 하부실드에 대한 구조적 보강을 통해 공정 사이클의 반복에 따른 내구시 수반되는 열적 이력으로부터 기인하는 성장로의 변형을 방지하고, 이를 통해 생산되는 사파이어 단결정의 품질 향상과 함께 품질의 균일화를 구현할 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 장치로서, 진공 또는 불활성 분위기의 챔버;

상기 챔버의 내부에서 시드결정의 성장을 위해 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 도가니;

상기 도가니의 측부에서 전 둘레에 대해 고정적으로 설치되는 측부히터;

상기 도가니의 하부에 대해 고정적으로 설치되는 하부히터; 및

상기 챔버와 상기 하부히터를 순차적으로 관통하여 상기 도가니에 이르도록 배치되고 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 냉각봉을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 챔버는 상기 도가니와 상기 측부히터 및 상기 하부히터를 내부에 수용하기 위해 상부실드, 하부실드, 및 상기 상부실드와 상기 하부실드 사이에 일체로 결합되는 원통형상의 측부실드를 구비하고, 상기 하부실드는 고온의 열적 이력에 의한 변형을 억제하기 위해 저면에 외측으로 일체로 돌출된 형상 유지용 지지 가이드를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기 도가니의 상하방향 왕복운동을 위해 상기 냉각봉을 구동시키기 위한 구동유닛, 및 상기 측부히터와 상기 하부히터에 대한 개별적인 가열조건과, 상기 구동유닛에 의한 상기 냉각봉의 상하방향 운동조건을 각각 제어하기 위한 전장장비를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 냉각봉은 내부에 열교환매체의 순환을 위한 유로를 갖추고서 상기 챔버의 하부로 돌출되도록 설치되고, 상기 도가니는 상기 냉각봉의 상부를 수용하도록 중앙부위에 하향 돌출된 결합부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 도가니의 바닥면과 내측벽면은 둔각을 이루도록 형성되고, 상기 도가니의 바닥면과 상기 결합부가 상호 맞닿은 내측부분은 곡면으로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 단결정 성장로와 하부에 결합되는 열교환기를 구비하여 열교환법에 의해 사파이어 단결정을 성장시키는 단결정 성장방법에 있어서, 상기 단결정 성장로의 내부에 설치된 챔버 내에서 하부실드를 통해 도가니의 결합부를 냉각봉의 상부에 결합시키고, 상기 도가니의 바닥면에 시드결정을 배치한 후, 상기 도가니의 내부에 사파이어 원료를 적치하는 준비단계, 및 상기 챔버의 내부에서 상기 도가니 측부의 전 둘레에 설치되는 측부히터와 상기 도가니의 하부에 설치되는 하부히터를 가열하여 사파이어 원료를 용융하면서 상기 냉각봉을 통해 용융된 사파이어 원료와 열교환되도록 하며, 이와 동시에 상기 도가니와 상기 냉각봉이 상하방향으로 왕복운동하도록 제어하여 용융된 사파이어 원료를 사파이어 단결정으로 성장시키는 결정성장단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어, 상기 결정성장단계는 단결정의 성장 과정에서 상기 측부히터와 상기 하부히터에 대한 개별적인 가열조건의 제어와 함께, 상기 구동유닛에 의한 상기 냉각봉의 상하방향 운동조건에 대한 제어를 통해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 성장로의 내부에서 측부히터와 함께 하부히터를 매개로 도가니에 열원을 제공함과 동시에 냉각봉의 상하이동을 통한 도가니의 이동을 구현하여 도가니의 내부 온도구배를 보다 안정적으로 제어할 수 있으므로, 사파이어 단결정의 성장시 길이방향에 대해 수평한 방향으로 발생하는 잔류응력을 최소화할 수 있고, 이를 통해 단결정에서 발생하는 크랙 또는 파열을 배제하고 성장하는 단결정의 직경을 보다 대구경화할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 챔버에 대한 구조적 보강을 통해 사파이어의 성장을 위한 공정 사이클의 반복에 따른 내구시에도 고온의 환경에 따라 수반되는 열적 이력에 의한 챔버의 변형을 억제할 수 있으므로, 도가니의 내부 온도구배에 대한 변화를 최소화하고 단결정의 성장속도를 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

특히, 본 발명은 종래 절연체의 실드플레이트에서와 같은 절연에 의한 온도의 수동적인 제어가 아니라, 측부히터와 별도로 도가니에 열원을 제공하는 하부히터를 이용하여 가열에 의한 온도 조건을 보다 정량적이면서도 능동적인 상태로 제어할 수 있고, 무엇보다도 전장장비를 이용하여 측부히터와 하부히터에 대해 개별적이면서도 초정밀한 온도 제어기능을 제공할 수 있으므로 사파이어 단결정의 성장에 크게 기여할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 사파이어 용융물이 응고되어 단결정으로 성장하는 과정에서 용융상태의 물질과 응고가 완료된 단결정 사이의 경계에 대한 고액계면의 온도 제어에 직접적인 영향을 미칠 수 있고, 이와 함께 도가니의 형상에 대한 최적화를 통해 단결정의 성장시 열응력을 최소화할 수 있으므로 성장속도의 향상과 함께 안정적으로 평탄화된 고액계면을 형성하여 우수한 품질의 사파이어 단결정을 제공할 뿐만 아니라, 고액계면의 평탄화를 통한 단결정의 수율을 크게 높일 수 있게 된다.

도 1은 일반적인 열교환법에 따른 사파이어 단결정 성장장치의 개략도.
도 2는 도 1에 도시된 도가니의 상세도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장장치의 주요 구성을 도시한 도면.
도 4는 도 3에 도시된 단결정 성장로의 구성 상태를 도시한 단면도.
도 5는 도 4에 도시된 하부실드를 도시한 정면도와 저면도.
도 6은 도 4에 도시된 도가니와 냉각봉의 분해도.
도 7은 종래 기술에 따른 사파이어 단결정의 성장시 온도분포를 도시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 사파이어의 단결정 성장시 온도분포를 도시한 도면.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 3을 참조로 하면, 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장장치는 사파이어 단결정의 성장을 위한 단결정 성장로(1), 상기 단결정 성장로를 설치하고 단결정의 성장에 필요로 하는 열교환 기능을 수행하는 열교환기 등을 갖춘 바디 프레임(3), 상기 단결정 성장로(1)의 내부 온도를 단결정의 성장을 위한 고온의 상태로 조성하기 위해 필요한 전력을 제공하는 파워장비(5), 및 상기 단결정 성장로(1)의 내부 온도구배를 단결정의 성장에 맞춰 최적의 상태로 조절하기 위해 상기 바디 프레임(3)과 상기 파워장비(5)의 동작을 각각 적절하게 제어하는 용도의 제어패널과 현재 진행 상황 등의 각종 정보를 외부로 출력하기 위한 모니터를 갖춘 전장장비(7)를 포함하여 구성된다.

상기 바디 프레임(3)에 구비되는 열교환기는 일반적인 열교환법이 적용되는 단결정 성장장치의 열교환기기로서, 상기 단결정 성장로(1)에 설치되는 냉각봉(도 4에 도시)의 내부로 헬륨(He) 또는 냉각수 등의 열교환매체를 인입 및 인출시켜 순환될 수 있도록 하는 열교환회로를 포함할 수 있고, 또한 칠러(Chiller)와 같은 별도의 냉각장치를 부가적으로 사용하여 열교환매체에 의한 냉각효과를 한층 더 향상시킴과 더불어 온도 조절을 보다 용이하게 구현함으로써 단결정의 성장에 따라 생산되는 잉곳의 길이를 보다 길게 연장시킬 수 있게 한다.

도 4를 참조로 하면, 상기 단결정 성장로(1)는 챔버(10), 히터(20), 도가니(30), 냉각봉(40), 및 구동유닛(50)을 포함한다.

상기 챔버(10)는 상기 히터(20)와 상기 도가니(30)를 내부에 모두 수용하기 위해 상부실드(12), 하부실드(14), 및 상기 상부실드(12)와 상기 하부실드(14)에 대해 각각 일체로 결합되는 원통형상의 측부실드(16)를 구비한다. 또한, 상기 챔버(10)는 개폐 가능한 형태의 도어(미도시)를 구비함과 더불어, 그 내부에 아르곤가스(Ar)나 질소가스(N₂) 등의 불활성 기체를 주입하기 위한 주입관, 밸브, 및 펌프 등의 관련 설비(미도시)를 부가적으로 마련하고 있어, 내부 공간을 진공분위기 또는 불활성분위기로 조성할 수 있게 된다. 또한, 상기 챔버(10)는 내부에 단열부재(미도시)를 구비하고 있어 외부로부터 내부 공간을 절연시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 하부실드(14)는 도 5에 도시된 바와 같이, 고온의 열적 이력(Thermal Hysteresis)에 의한 부재의 변형을 억제하기 위해 저면에서 외측으로 일체로 돌출된 형상 유지용 지지 가이드(14a)를 구비하는 바, 상기 형상 유지용 지지 가이드(14a)는 일종의 변형 방지용 돌기에 해당한다. 즉, 상기 지지 가이드(14a)는 사파이어 단결정의 성장을 위한 공정 사이클이 반복되는 과정에서 수반되는 성장로의 변형을 억제하고, 특히 성장로의 변형 억제에 따른 상기 챔버(10)의 내부 온도를 일정하게 유지함으로써 단결정의 품질을 균일하게 하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 하부실드(14)는 중앙부위에 상기 냉각봉(40)의 설치를 위한 관통구멍(14b)을 형성한다.

이 경우, 상기 형상 유지용 지지 가이드(14a)는 상기 하부실드(14)의 저면에서 적어도 하나 이상의 수량으로 상호 대향하는 부위에 형성된다. 또한, 상기 형상 유지용 지지 가이드(14a)는 상기 하부실드(14)의 저면에 대해 바아 형태로 길게 형성되고, 이때 상기 형상 유지용 지지 가이드(14a)는 상기 하부실드(14)의 외주면에 대한 접선방향과 평행하게 연장되도록 형성되는 것이 바람직하다. 특히, 상기 형상 유지용 지지 가이드(14a)는 각각의 자유단부가 각각 인접하는 다른 형상 유지용 지지 가이드(14a)의 자유단부에 대해 소정의 거리를 두고 이격되도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 형상 유지용 지지 가이드(14a)는 상기 하부실드(14)의 저면에서 적어도 하나 이상의 상호 대향하는 부위로 외주면에 대한 접선방향과 평행하게 바아 형태로 길게 연장되도록 형성될 수 있고, 각각의 자유단부는 인접하는 다른 지지 가이드의 자유단부에 대해 소정의 거리를 두고 이격될 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 히터(20)는 상기 전장장비(7)의 제어에 따라 상기 파워장비(5)로부터 인가되는 적정의 전력을 제공받아 상기 도가니(30)를 가열하기 위한 수단으로서 도가니(30)의 주변에 설치된다. 본 발명의 실시예에 있어, 상기 히터(20)는 상기 챔버(10) 내에서 상기 도가니(30)의 측부에서 전 둘레에 걸쳐 고정방식으로 배치되도록 설치되는 측부히터(22)와, 상기 챔버(10) 내에서 상기 도가니(30)의 하부에 대해 고정방식으로 배치되도록 설치되는 하부히터(24)로 이루어진다.

이 경우, 상기 측부히터(22)와 상기 하부히터(24)에 대한 온도 조절은 각각 상기 전장장비(7)에 의해 독립적으로 구현될 수 있다. 특히, 상기 측부히터(22)와 상기 하부히터(24)는 상기 전장장비(7)에 의해 개별적으로 온도 제어를 받기 때문에 단결정의 성장과정에서 초정밀의 온도 조절 기능을 제공함으로써 단결정의 성장속도 증진에 크게 기여할 수 있게 된다.

그리고 상기 히터(20) 중에서 상기 도가니(30)의 하부에 설치되는 상기 하부히터(24)에 의한 정밀한 온도 조절은 종래 절연체에 해당하는 실드플레이트에 의해 구현되는 절연에 의한 수동적인 온도 조절이 아니라, 상기 전장장비(7)의 제어에 따른 능동적인 온도 조절기능에 해당하므로 사파이어 단결정의 성장에 크게 기여할 수 있게 된다. 부연하자면, 단결정의 성장과정에서 상기 도가니(30)에 대한 온도 조절은 종래에 비해 보다 정량적으로 이루어질 수 있고, 이러한 기능은 단결정의 성장속도 증가에 크게 기여하게 된다.

도 6을 참조로 하면, 상기 도가니(30)는 몰리브덴, 텅스텐, 이리듐 등의 소재를 이용하여 제작된 것으로, 상기 챔버(10)의 내부에 설치되어 단결정 원료에 해당하는 사파이어 스크랩을 내부에 적치할 수 있도록 저면부가 밀폐된 형상으로 형성되며, 상기 도가니(30)는 바닥면(32)의 중앙영역에 상기 하부히터(24)에 대해 수용될 수 있는 결합부(34)를 하방향으로 돌출 형성한다.

상기 결합부(34)는 내측에 상기 냉각봉(40)의 수용을 위한 공간에 해당하는 결합요홈(34a)을 형성하고, 상기 결합요홈(34a)과 대향하는 상기 도가니(30)의 바닥면(32)에 시드결정(A)을 배치하며, 상기 냉각봉(40)은 상기 결합요홈(34a)을 통해 상기 도가니(30)의 결합부(34)로 삽입되어 상기 시드결정(A)의 저면부와 바닥면(32)을 사이에 두고 이격된 상태로 결합된다.

여기서, 상기 결합부(34)의 외경은 상기 하부히터(24)의 중앙부위에 형성된 수용구멍(24a)의 직경 보다 훨씬 더 작게 설정되어 있어, 상기 냉각봉(40)에 의해 상기 도가니(30)가 상하방향으로 이동시 상기 결합부(34)는 상기 수용구멍(24a)에 대해 아무런 간섭없이 이동할 수 있을 뿐만 아니라 상기 하부히터(24)로부터 상기 냉각봉(40)에 전열되는 열량을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 상기 도가니(30)의 바닥면(32)은 내측벽면(36)과 둔각을 이루도록 형성되는 것이 바람직한데, 그 형성각도는 90ㅀ~ 135ㅀ, 바람직하게는 90ㅀ~ 120ㅀ, 더욱 바람직하게는 95ㅀ~ 115ㅀ로 설정된다. 즉, 상기 도가니(30)의 내측벽면(36)이 수직으로 형성되었다고 가정하면, 상기 바닥면(32)은 수평면(a)에 대해 하방향으로 경사지게 형성되어, 그 형성각도(θ)가 0ㅀ 내지 45ㅀ, 바람직하게는 0ㅀ~ 30ㅀ, 더욱 바람직하게는 5ㅀ~ 25ㅀ로 형성될 수 있다.

이와 같이 상기 바닥면(32)과 상기 내측벽면(36) 사이의 각도가 둔각을 이루도록 설정하는 도가니(30)의 형상에 대한 최적화를 통해 사파이어 단결정 성장시 상기 바닥면(32)과 상기 내측벽면(36)이 맞닿는 부분에서 잔류되는 열응력은 최소화될 수 있어 단결정의 외곽영역에서의 크랙 또는 파열 발생은 방지될 수 있게 된다.

결과적으로, 사파이어 단결정의 외곽영역에서 크랙 또는 파열 발생이 방지됨으로써 종래보다 사파이어 단결정의 구경을 더욱 확대시킬 수 있게 된다. 구체적으로는 6인치 ~ 12인치의 대구경 사파이어 단결정 성장시에도 단결정의 잔류응력이 최소화되어 크랙 또는 파열 발생이 방지됨으로써 그 수율에 있어서 종래보다 월등하게 높은 결과를 보장할 수 있게 된다.

한편, 상기 바닥면(32)과 상기 결합부(34)가 상호 맞닿는 내측부분에는 만곡진 형태의 곡면(38)이 형성되는 바, 상기 곡면(38)의 곡률반경은 5mm ~ 50mm로 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 사파이어 단결정 성장시 상기 도가니(30)의 내부에서 조성되는 온도구배(온도분포)가 크면 열응력 또한 동반 상승하게 되는데, 이로 인해 전위(Dislocation)가 발생하게 되므로, 최초 시드결정(A)과 인접한 영역으로부터 성장하는 단결정의 열응력을 줄임으로써 사파이어 단결정의 품질을 향상시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에서와 같이 상기 바닥면(32)과 상기 결합부(34)가 상호 맞닿는 내측부분을 곡면(38)으로 설정하는 도가니(30)의 형상에 대한 최적화를 통해 온도구배가 가장 작게 조성될 수 있고, 이로 인해 열응력이 최소화되어 고품질의 단결정을 생산할 수 있게 되는 것이다.

도 4와 도 6을 각각 참조로 하면, 상기 냉각봉(40)은 텅스텐 등의 소재로 제작되고, 내부에는 상술한 열교환기로부터 인입 및 인출되는 헬륨과 냉각수 등의 열교환매체가 순환할 수 있는 유로를 갖추고 상기 챔버(10)의 하부로 돌출되도록 설치된다.

이때, 상기 냉각봉(40)은 몸체부(42)와 머리부(44)로 구분될 수 있으며, 상기 몸체부(42)의 외경은 상기 하부히터(24)의 수용구멍(24a)의 직경 보다 훨씬 더 작게 설정된다. 이를 통해, 상기 냉각봉(40)은 상기 구동유닛(50)의 작동에 의해 상하방향으로 이동시 상기 하부히터(24)의 수용구멍(24a)과 아무런 간섭없이 동작할 수 있고, 특히 상기 하부히터(24)로부터 상기 냉각봉(40)에 전열되는 열량을 최소화될 수 있게 된다.

또한, 상기 머리부(44)는 상기 도가니(30)의 결합요홈(34a)에 수용되어 결합되도록 형성되는 데, 이를 위해 상기 머리부(44)의 직경은 상기 몸체부(42)의 직경보다 다소 작게 형성된다. 즉, 상기 도가니(30)의 설치시 상기 결합요홈(34a)에 대해 상기 냉각봉(40)의 머리부(44)가 수용되어 상기 도가니(30)의 바닥면(32)을 안착시킨 다음, 사파이어 단결정의 성장시에는 상기 히터(20)의 가열에 의해 상기 결합부(34)와 상기 머리부(44)가 일체로 결합될 수 있게 된다. 이를 통해, 상기 냉각봉(40)이 상하방향으로 왕복 운동할 때 상기 도가니(30)도 함께 연동하여 상하방향으로 왕복운동하게 된다.

상기 구동유닛(50)은 정밀제어가 가능한 스테핑 모터(Stepping Motor) 또는 DC 모터 등의 다양한 액추에이터로 구현될 수 있는 것으로서, 상기 냉각봉(40)의 몸체부(42)에 결합되어 상기 전장장비(7)의 제어에 따라 상기 냉각봉(40)을 상하방향으로 왕복 운동시키는 역할을 수행한다. 이때, 상기 냉각봉(40)은 사전에 특정의 기준위치를 원점으로 설정했을 때 상방향으로는 110mm의 범위에서 구동되도록 제어되는 것이 바람직하며, 상기 냉각봉(40)의 상하방향으로의 운동 주기는 상기 도가니(30) 내에서 용융액(M)의 응고에 의해 성장하는 사파이어 단결정의 고액계면(S)에 따라 적절하게 조절할 수 있다.

이와 같이, 상기 냉각봉(40)이 상기 구동유닛(50)에 의해 상술한 바의 설정된 구동범위 내에서 일정 주기에 걸쳐 상하방향으로 운동됨으로써 상기 도가니(30)의 내부에 있는 사파이어 원료의 용융액(M)은 수직방향으로 유동하게 되어 단결정의 성장속도를 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 상기 도가니(30)가 상하방향으로 운동하게 됨으로써 수직방향으로의 온도구배 제어가 더욱 용이하게 되므로 균일한 품질의 사파이어 단결정을 성장시킬 수 있게 된다.

결과적으로, 상기 히터(20)에 의한 가열과 상기 시드결정(A)에 대한 냉각제어, 및 상기 도가니(30)와 냉각봉(40)의 상하방향 운동을 통해 상기 도가니(30) 내부의 사파이어 단결정 용융액(M)에 대한 온도구배를 보다 정량적이면서 능동적인 최적의 상태로 제어함으로써, 종래와 같이 히터(20)의 가열과 시드결정(A)에 대한 냉각 제어를 통해서만 온도구배를 제어하던 것에 비해 보다 균일한 품질을 보장하면서도 단결정의 성장속도를 증진시켜 성장에 소요되는 시간을 현저하게 줄일 수 있게 된다.

특히, 본 발명은 상기 도가니(30)의 둘레를 감싸는 상기 측부히터(22)와 함께 상기 도가니(30)의 하부로 배치되는 상기 하부히터(24)에 대한 개별적인 온도 제어, 및 상기 구동유닛(50)에 의한 상기 도가니(30)와 상기 냉각봉(40)의 상하방향 이동을 통해 상기 도가니(30) 내에서 온도구배를 최소화하는 보다 안정적인 온도 제어를 수행하고, 이를 통해 사파이어 단결정의 수평방향으로 발생하는 잔류응력을 최소화함으로써 크랙 또는 파열의 발생을 방지할 수 있으므로 단결정의 대구경화에 크게 기여할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 상기 히터(20)에 대한 온도 제어뿐만 아니라, 상기 하부실드(14)에 일체로 형성된 형상 유지용 지지 가이드(14a)를 매개로 하는 상기 챔버(10)에 대한 구조적 보강으로부터 구현될 수 있는 변형 방지기능을 통해 공정 사이클의 반복에 따른 내구시 고온(대략 2040℃)의 열적 이력에 의해 기인하는 휨과 같은 성장로의 변형을 방지하고, 이를 통해 생산되는 사파이어 단결정의 품질 향상과 함께 품질의 균일화를 달성할 수 있게 된다.

즉, 내구시 상기 챔버(10)는 고온의 열적 이력에 의해 변형을 수반하게 되고, 이로 인해 내부 온도를 일정하게 유지할 수 없게 된다. 이 결과 사파이어의 성장에 필요로 하는 최적의 온도 제어가 매 사이클 마다 달라지게 되어 크랙 또는 파열에 의한 결함이 발생하게 되므로 제품의 품질에 나쁜 영향을 미치게 되는 것이다. 본 발명은 이와 같은 문제를 상기 하부실드(14)에 일체로 형성된 지지 가이드(14a)를 매개로 하는 구조적 보강을 통해 해소할 수 있게 한 것이다.

이하, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 단결정 성장장치를 이용하여 단결정을 성장시키는 방법에 대해 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 단결정 성장로의 구성을 도시한 도면이고, 도 6은 도 4에 도시된 도가니와 냉각봉의 분해도로서, 단결정 성장로(1)는 챔버(10)의 내부에 히터(20)와 도가니(30)를 각각 설치하고, 상기 챔버(10)의 하부에서 냉각봉(40)을 챔버(10)의 하부실드(14)와 하부히터(24)에 대해 순차적으로 관통시켜 상기 도가니(30)의 하부에 설치한다. 이때, 상기 냉각봉(40)의 내부로 인입 및 인출되는 헬륨의 압력이나 냉각수의 압력, 상기 히터(20)에 의한 발열온도, 상기 구동유닛(50)의 상하방향 구동범위와 주기 등은 각각 사전에 설정된 로직에 따라 제어된다고 가정한다.

먼저, 상기 도가니(30)의 바닥면(32)에서 하부로 돌출된 결합부(34)의 결합요홈(34a)을 통해 상기 냉각봉(40)의 머리부(44)를 결합하고, 상기 도가니(30)의 바닥면(32) 내에 시드결정(A)을 상기 머리부(44)의 상단부와 바닥면(32)을 사이에 두고 이격된 상태로 배치한 다음, 그 위에 사파이어 원료에 해당하는 사파이어 스크랩을 상기 도가니(30)의 내부에 적치한다.

이어, 상기 챔버(10)의 개폐도어를 잠그고 내부에 아르곤가스를 주입하여 불활성 분위기를 조성한다. 그 다음으로, 상기 전장장비(7)의 제어에 의한 상기 히터(20)의 발열에 따라 상기 도가니(30) 내부의 사파이어 스크랩은 용융되고, 상기 냉각봉(40)과 맞닿아 있는 시드결정(A)을 통해 용융된 사파이어 스크랩은 단결정으로 성장하게 된다.

이때, 상기 구동유닛(50)에 의해 상기 냉각봉(40)이 설정된 로직에 따라 일정 주기로 상하방향으로 왕복운동을 하게 되고, 이에 따라 상기 도가니(30)도 연동하여 상하방향으로 왕복 운동함으로써 용융된 사파이어 스크랩도 함께 수직방향으로 유동하게 된다. 이 과정에서 상기 히터(20)의 발열에 따라 상기 도가니(30)의 내부에서 사파이어 스크랩의 용융을 위한 일정한 수준의 온도구배를 조성할 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 히터(20)에 의한 발열과, 상기 냉각봉(40)에 의한 시드결정(A)의 냉각제어, 및 상기 냉각봉(40)과 상기 도가니(30)의 왕복운동에 따른 안정적인 온도구배의 제어에 의해 용융된 사파이어 단결정은 열응력이 최소화된 상태에서 길이방향으로 성장하게 된다.

결과적으로, 완전히 성장한 사파이어 단결정은 잔류응력이 최소화된 상태에서 크랙 또는 파열의 발생을 배제받게 되므로 균일한 품질을 보장할 수 있게 되고, 특히 6인치 ~ 12인치의 대구경 상태로서 성장될 수 있게 된다. 또한, 사파이어 단결정은 상기 도가니(30) 내부의 온도구배에 대한 안정적인 제어를 통해 길이방향 성장속도를 크게 향상시킬 수 있고, 이와 함께 성장하는 단결정의 고액계면(S)에 대한 보다 평탄화된 형성을 통해 제조되는 잉곳의 수율을 크게 높일 수 있게 된다.

도 7과 도 8의 좌측편에 도시된 도면은 사파이어 단결정의 횡단면이고, 우측편에 도시된 도면은 사파이어 단결정의 상면도에 해당한다. 도 8에서의 온도분포가 도 7에 비해 등간격으로 형성된 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 종래보다 열전달에 따른 고액경계가 도가니 내부에서 수평적으로 이루어졌음을 알 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 의해 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 이하에서 기재되는 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 형태의 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

1-단결정 성장로 3-바디 프레임
5-파워장비 7-전장장비
10-챔버 12-상부실드
14-하부실드 14a-지지 가이드
14b-관통구멍 16-측부실드
20-히터 22-측부히터
24-하부히터 24a-수용구멍
30-도가니 32-바닥면
34-결합부 34a-결합요홈
36-내측벽면 38-곡면
40-냉각봉 42-몸체부
44-머리부

Claims

사파이어 단결정을 성장시키기 위한 장치로서,
진공 또는 불활성 분위기의 챔버(10);
상기 챔버(10)의 내부에서 시드결정(A)의 성장을 위해 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 도가니(30);
상기 도가니(30)의 측부에서 전 둘레에 대해 고정적으로 설치되는 측부히터(22);
상기 도가니(30)의 하부에 대해 고정적으로 설치되는 하부히터(24); 및
상기 챔버(10)와 상기 하부히터(24)를 순차적으로 관통하여 상기 도가니(30)에 이르도록 배치되고 상하방향으로 이동 가능하게 설치되는 냉각봉(40)을 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 1에 있어서,
상기 챔버(10)는 상기 도가니(30)와 상기 측부히터(22) 및 상기 하부히터(24)를 내부에 수용하기 위해 상부실드(12), 하부실드(14), 및 상기 상부실드(12)와 상기 하부실드(14) 사이에 일체로 결합되는 원통형상의 측부실드(16)를 구비하고, 상기 하부실드(14)는 고온의 열적 이력에 의한 변형을 억제하기 위해 저면에 외측으로 일체로 돌출된 형상 유지용 지지 가이드(14a)를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 2에 있어서,
상기 형상 유지용 지지 가이드(14a)는 상기 하부실드(14)의 저면에서 적어도 하나 이상으로 상호 대향하는 부위에 구비되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 3에 있어서,
상기 형상 유지용 지지 가이드(14a)는 상기 하부실드(14)의 저면에 대해 바아 형태로 길게 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 3에 있어서,
상기 형상 유지용 지지 가이드(14a)는 상기 하부실드(14)의 외주면에 대한 접선방향과 평행하게 연장되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 3 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 형상 유지용 지지 가이드(14a)의 자유단부는 각각 인접하는 다른 형상 유지용 지지 가이드(14a)의 자유단부에 대해 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도가니(30)의 상하방향 왕복운동을 위해 상기 냉각봉(40)을 구동시키기 위한 구동유닛(50); 및
상기 측부히터(22)와 상기 하부히터(24)에 대한 개별적인 가열조건과, 상기 구동유닛(50)에 의한 상기 냉각봉(40)의 상하방향 운동조건을 각각 제어하기 위한 전장장비(7)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각봉(40)은 내부에 열교환매체의 순환을 위한 유로를 갖추고서 상기 챔버(10)의 하부로 돌출되도록 설치되고, 상기 도가니(30)는 상기 냉각봉(40)의 상부를 수용하도록 중앙부위에 하향 돌출되고 결합요홈(34a)을 갖춘 결합부(34)를 형성하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 8에 있어서,
상기 도가니(30)의 바닥면(32)과 내측벽면(36)은 둔각을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 9에 있어서,
상기 바닥면(32)과 상기 내측벽면(36)이 이루는 각도는 90ㅀ 내지 135ㅀ인 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 9에 있어서,
상기 도가니(30)의 바닥면(32)과 상기 결합부(34)가 상호 맞닿은 내측부분은 곡면(38)으로 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
청구항 11에 있어서,
상기 곡면(38)은 곡률반경이 5mm 내지 50mm인 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
단결정 성장로(1)와 하부에 결합되는 열교환기를 구비하여 열교환법에 의해 사파이어 단결정을 성장시키는 단결정 성장방법에 있어서,
상기 단결정 성장로(1)의 내부에 설치된 챔버(10) 내에서 하부실드(14)를 통해 도가니(30)의 결합부(34)를 냉각봉(40)의 상부에 결합시키고, 상기 도가니(30)의 바닥면(32)에 시드결정(A)을 배치한 후, 상기 도가니(30)의 내부에 사파이어 원료를 적치하는 준비단계; 및
상기 챔버(10)의 내부에서 상기 도가니(30) 측부의 전 둘레에 설치되는 측부히터(22)와 상기 도가니(30)의 하부에 설치되는 하부히터(24)를 가열하여 사파이어 원료를 용융하면서 상기 냉각봉(40)을 통해 용융된 사파이어 원료와 열교환되도록 하며, 이와 동시에 상기 도가니(30)와 상기 냉각봉(40)이 상하방향으로 왕복운동하도록 제어하여 용융된 사파이어 원료를 사파이어 단결정으로 성장시키는 결정성장단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.
청구항 13에 있어서,
상기 결정성장단계는 단결정의 성장 과정에서 상기 측부히터(22)와 상기 하부히터(24)에 대한 개별적인 가열조건의 제어와 함께, 상기 구동유닛(50)에 의한 상기 냉각봉(40)의 상하방향 운동조건에 대한 제어를 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 단결정 성장방법.