KR20140101938A - An apparatus for grpwing a single crystal - Google Patents

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Abstract

An apparatus for growing a single crystal according to an embodiment of the present invention includes a chamber; a crucible prepared inside the chamber while containing a melt solution, which is a raw material for growing a single crystal, to grow a single crystal; a seed connector positioned on top of the crucible, while fixating a seed crystal; and a heating element arranged between the crucible and the chamber, while heating the crucible. The ratio of the diameter to the height of the crucible ranges from 1:1.04 to 1:1.50.

Description

단결정 성장 장치{AN APPARATUS FOR GRPWING A SINGLE CRYSTAL}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a single-

실시 예는 사파이어 단결정 성장 장치에 관한 것이다.An embodiment relates to a sapphire single crystal growth apparatus.

사파이어는 알루미나(Al2O3)가 2050℃에서 녹은 후 서서히 냉각되면서 성장된 결정체이다. 사파이어는 알루미나의 단결정으로 광범위한 파장 영역의 광투과성을 가지고 있고, 기계적 성질, 내열성, 내식성이 우수하고, 경도, 열전도도, 전기 저항성이 높고, 큰 내충격성을 가지고 있다. 사파이어는 기공이 없고 유전 강도가 강하기 때문에 에피텍셜 성장용 기판으로 사용될 수 있다.Sapphire is a crystal grown while alumina (Al 2 O 3 ) is melted at 2050 ° C and gradually cooled. Sapphire is a single crystal of alumina, which has light transmittance in a wide wavelength range, has excellent mechanical properties, heat resistance and corrosion resistance, has high hardness, high thermal conductivity, high electrical resistance and high impact resistance. Since sapphire is free of pores and strong in dielectric strength, it can be used as a substrate for epitaxial growth.

대표적인 사파이어 단결정을 성장시키는 방법으로는 베르누이법(Verneuil Method), HEM(Heat Exchange Method), EFG(Edge-Defined Film-Fed Growth), 쵸크랄스키법(Czochralski Method), 및 키로플러스법(Kyropulous Method)이 있다.As a typical method of growing the sapphire single crystal, there are a Verneuil method, a Heat Exchange Method (HEM), an Edge-Defined Film-Fed Growth (EFG) method, a Czochralski method, and a Kyropulous method ).

키로플러스법(Kyropulous Method)은 상대적으로 싼 장비 가격과 낮은 생산 비용이 소요되고, 쵸크랄스키법에 비하여 결함이 적다는 것이 장점이다. 키로플러스법(Kyropulous Method)은 쵸크랄스키법과 유사하지만, 단결정을 회전하지 않고 단결정을 인상만 함으로써 단결정을 성장시킨다.The Kyropulous Method takes advantage of relatively low equipment cost and low production cost and has fewer defects than the Czochralski method. The Kyropulous Method is similar to the Czochralski method, but grows a single crystal by pulling up a single crystal without rotating the single crystal.

일반적으로 키로플러스법에 의한 사파이어 단결정 성장 기술은 챔버 내부에 핫존(Hot Zone)을 장착하고, 도가니에 원료를 충진한 후, 녹는점 이상으로 가열한다. 그리고 적정한 시딩(seeding) 온도에서 상부에 구비된 종결정을 용융액에 접촉시켜 넥(neck)을 형성하고, 일정한 기울기로 파워(power)를 감소하면서 성장에 필요한 온도 기울기를 유지하여 단결정을 성장시킬 수 있다. 키로플러스법에서 보울(boule)의 직경은 공정 파라미터(parameter)로 제어하기 힘들며, 도가니의 직경에 의존한다.Generally, the sapphire single crystal growth technique by the keyroplus method is to install a hot zone in the chamber, fill the crucible with the raw material, and then heat it to a melting point or higher. At the proper seeding temperature, the seed crystal provided on the upper side is brought into contact with the melt to form a neck, and a single crystal can be grown by maintaining a temperature gradient required for growth while reducing power at a constant slope have. In the key plus method, the diameter of the boule is difficult to control with process parameters and depends on the diameter of the crucible.

실시 예는 결정 결함이 없는 단결정을 성장시킬 수 있는 단결정 성장 장치를 제공한다.The embodiment provides a single crystal growth apparatus capable of growing a single crystal without crystal defects.

실시 예에 따른 단결정 성장 장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하고, 단결정이 성장되는 도가니; 상기 도가니 상부에 위치하고, 종자 결정이 고정되는 시드(seed) 연결부; 및 상기 도가니와 상기 챔버 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체를 포함하며, 상기 도가니의 직경과 상기 도가니의 높이의 비율은 1: 1.04 ~ 1.50이다.A single crystal growth apparatus according to an embodiment includes a chamber; A crucible which is provided inside the chamber and receives a melt which is a raw material for growing single crystal and in which a single crystal is grown; A seed connection part located above the crucible and having a seed crystal fixed therein; And a heating element disposed between the crucible and the chamber for heating the crucible, wherein a ratio of a diameter of the crucible to a height of the crucible is 1: 1.04 to 1.50.

다른 실시 예에 따른 단결정 성장 장치는 챔버; 상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하고, 단결정이 성장되는 도가니; 상기 도가니 상부에 위치하고, 종자 결정이 고정되는 시드(seed) 연결부; 및 상기 도가니와 상기 챔버 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체를 포함하며, 상기 도가니의 직경과 상기 도가니의 높이의 비율은 1: k/2×cot(α/2)이고, k는 상기 도가니에 수용된 용융액의 최초 높이와 상기 도가니의 높이 간의 비례 상수이고, α는 상기 단결정의 성장 계면이 상기 도가니 바닥에 접촉할 때의 상기 성장 계면의 각도를 나타내고, 상기 성장 계면은 상기 단결정과 상기 용융액과의 경계면이다.A single crystal growth apparatus according to another embodiment includes a chamber; A crucible which is provided inside the chamber and receives a melt which is a raw material for growing single crystal and in which a single crystal is grown; A seed connection part located above the crucible and having a seed crystal fixed therein; And a heating element disposed between the crucible and the chamber for heating the crucible, wherein a ratio of a diameter of the crucible to a height of the crucible is 1: k / 2 x cot (? / 2) Is the proportionality constant between the initial height of the melt contained in the crucible and the height of the crucible,? Represents the angle of the growth interface when the growth interface of the single crystal contacts the bottom of the crucible, .

α는 50°~ 60°일 수 있다. k는 1.2 ~ 1.4일 수 있다.alpha] may be between 50 [deg.] and 60 [deg.]. k may be 1.2 to 1.4.

실시 예는 결정 결함이 없는 단결정을 성장시킬 수 있다.The embodiment can grow a single crystal without crystal defects.

도 1은 실시 예에 따른 단결정 성장 장치를 나타낸다.
도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 사파이어 단결정의 성장을 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 사파이어 단결정의 성장 계면에 대한 모델링을 나타낸다.
도 4a 내지 도 4d는 서로 다른 성장 계면의 각도를 갖도록 성장된 사파이어 단결정들을 나타낸다.
도 5는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 성장 계면 각도, 고화율, 및 결정 결함을 나타낸다.
도 6은 실시 예에 따른 도가니를 나타낸다.1 shows a single crystal growth apparatus according to an embodiment.
2A to 2D show the growth of the sapphire single crystal shown in FIG.
Fig. 3 shows modeling of the growth interface of the sapphire single crystal shown in Fig.
4A to 4D show sapphire single crystals grown to have different growth interface angles.
Fig. 5 shows the growth interface angle, solidification rate, and crystal defects shown in Figs. 4A to 4D.
6 shows a crucible according to an embodiment.

이하, 실시 예들은 첨부된 도면 및 실시 예들에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다. 실시 예의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상/위(on)"와 "하/아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 층을 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The above and other features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description taken in conjunction with the accompanying drawings, in which: FIG. In the description of the embodiments, it is to be understood that each layer (film), region, pattern or structure may be referred to as being "on" or "under" a substrate, each layer It is to be understood that the terms " on "and " under" include both " directly "or" indirectly " do. In addition, the criteria for the top / bottom or bottom / bottom of each layer are described with reference to the drawings.

도면에서 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 또한 동일한 참조번호는 도면의 설명을 통하여 동일한 요소를 나타낸다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예에 따른 단결정 성장 장치를 설명한다.In the drawings, dimensions are exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience and clarity of illustration. Also, the size of each component does not entirely reflect the actual size. The same reference numerals denote the same elements throughout the description of the drawings. Hereinafter, a single crystal growth apparatus according to an embodiment will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 실시 예에 따른 단결정 성장 장치(100)를 나타낸다.Fig. 1 shows a single crystal growing apparatus 100 according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 단결정 성장 장치(100)는 챔버(chamber, 101), 도가니(crucible, 110), 도가니 지지대(120), 발열체(heater, 130), 측부 단열재(135), 하부 단열재(140), 상부 단열재(150), 시드(seed) 연결부(160), 및 이송 수단(170)을 포함한다. 예컨대, 단결정 성장 장치(100)는 키로플러스법(Kyropulous Method)에 의하여 사파이어 단결정을 성장시키기는 장치일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.1, a single crystal growth apparatus 100 includes a chamber 101, a crucible 110, a crucible support 120, a heater 130, a side insulator 135, a bottom insulator 140 An upper insulation 150, a seed connection 160, and a conveying means 170. For example, the single crystal growth apparatus 100 may be a device for growing a sapphire single crystal by a Kyropulous Method, but is not limited thereto.

챔버(101)는 단결정(I)을 성장시킬 성장 환경을 제공하는 공간일 수 있다.The chamber 101 may be a space providing a growth environment for growing the single crystal (I).

도가니(110)는 챔버(101) 내부에 마련되고, 단결정을 성장시키기 위한 원료 용융액을 수용할 수 있다. 도가니(110)의 재질은 텅스텐일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The crucible 110 is provided inside the chamber 101 and can accommodate a raw material melt for growing a single crystal. The material of the crucible 110 may be tungsten, but is not limited thereto.

도가니 지지대(120)는 도가니(110) 하부에 위치하고, 도가니(110)를 지지할 수 있다. 도가니 지지대(120)는 열전도성 및 내열성이 우수하고, 열팽창율이 낮아 열에 의해 쉽게 변형되지 않고, 열 충격에 강한 재질, 예컨대, 몰리브덴으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. The crucible support 120 is positioned below the crucible 110 and can support the crucible 110. The crucible support 120 may be formed of a material that is excellent in thermal conductivity and heat resistance, is not easily deformed by heat due to its low thermal expansion coefficient and is resistant to thermal shock, for example, molybdenum, but is not limited thereto.

발열체(130)는 도가니(110)의 외주면과 일정 간격 이격되도록 챔버(101) 내부에 마련될 수 있고, 도가니(110)를 가열할 수 있다. 발열체(130)는 텅스텐으로 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The heating element 130 may be provided inside the chamber 101 so as to be spaced apart from the outer circumferential surface of the crucible 110 by a predetermined distance to heat the crucible 110. The heating element 130 may be formed of tungsten, but is not limited thereto.

발열체(130)는 도가니(110)의 측면 및 하면을 감싸도록 위치할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 도가니(110)의 측면 주위에만 위치할 수도 있다. 발열체(130)는 도가니(110)를 가열할 수 있고, 발열체(130)의 가열에 의하여 도가니(110)의 온도가 올라가고, 이로 인하여 다결정 덩어리인 원료 물질은 용융액이 될 수 있다.The heating element 130 may be positioned to surround the side surface and the bottom surface of the crucible 110, but the present invention is not limited thereto and may be located only around the side surface of the crucible 110. The heating element 130 can heat the crucible 110 and the temperature of the crucible 110 is increased by heating the heating element 130. As a result, the raw material, which is a polycrystalline ingot, can be a melt.

측부 단열재(135)는 도가니(110)의 측부에 위치할 수 있고, 챔버(101) 내부의 열이 챔버(101) 측부로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다. 예컨대, 측부 단열재(135)는 발열체(130)와 챔버(101) 측벽 사이에 위치할 수 있고, 발열체(130)의 열이 챔버(101) 외부로 누출되는 것을 차단할 수 있다.The side insulator 135 can be located on the side of the crucible 110 and can prevent the heat inside the chamber 101 from escaping to the side of the chamber 101. [ For example, the side insulator 135 can be positioned between the heating element 130 and the sidewall of the chamber 101, and can prevent the heat of the heating element 130 from leaking out of the chamber 101.

하부 단열재(140)는 도가니(110) 하부에 위치하고, 챔버(101) 내부의 열이 챔버(101) 하부로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다. 예컨대, 하부 단열재(140)는 발열체(130)와 챔버(101) 바닥 사이에 위치할 수 있고, 발열체(130)의 열이 챔버(101) 바닥으로 빠져나가는 것을 차단할 수 있다.The lower thermal insulation material 140 is located below the crucible 110 and can prevent the heat inside the chamber 101 from escaping to the lower portion of the chamber 101. For example, the lower thermal insulation material 140 may be positioned between the heating element 130 and the bottom of the chamber 101 to prevent the heat of the heating element 130 from escaping to the bottom of the chamber 101.

상부 단열재(150)는 도가니(110) 상부에 위치할 수 있고, 도가니(110) 상부로 열이 빠져나가는 것을 차단할 수 있다. 상부 단열재(150)는 종자 결정(109) 및 성장하는 단결정(I)이 도가니(110) 상부로 출입하도록 중앙에 마련되는 개구부(201)를 가질 수 있다.The upper insulating material 150 may be located above the crucible 110 and may prevent heat from escaping to the top of the crucible 110. The upper insulating material 150 may have an opening 201 provided at the center so that the seed crystals 109 and the growing single crystal I can enter and exit the top of the crucible 110.

시드 연결부(160)는 도가니(110) 상부에 위치하고, 일단에는 종자 결정(109)이 고정될 수 있고, 나머지 다른 일단은 이송 수단(170)과 연결될 수 있다. 시드 연결부(160)는 샤프트(shaft) 타입일 수 있다.The seed connection part 160 is located above the crucible 110 and the seed crystal 109 may be fixed to one end and the other end may be connected to the conveying unit 170. The seed connection 160 may be of the shaft type.

이송 수단(170)은 시드 연결부(160)와 연결될 수 있고, 시드 연결부(160)를 챔버(101) 내부에서 상승 또는 하강시킬 수 있다.The transfer unit 170 may be connected to the seed connection unit 160 and may raise or lower the seed connection unit 160 within the chamber 101.

상부 단열재(150)는 제1 단열재(152), 제2 단열재(154), 및 제3 단열재(156)를 포함할 수 있다. 제1 단열재(152)는 도가니(110) 내에 수용된 용융액(M)으로부터 발생하는 복사열을 도가니(110)로 반사할 수 있다. 제1 단열재(152)는 단열 효과가 좋은 몰리브덴(Molybden), 또는 텅스텐(W)으로 이루어진 단일 층일 수 있다. 제1 단열재(152)의 두께는 5mm ~ 10mm일 수 있다.The upper insulation 150 may include a first insulation 152, a second insulation 154, and a third insulation 156. The first thermal insulator 152 can reflect radiant heat generated from the melt M contained in the crucible 110 to the crucible 110. The first heat insulator 152 may be a single layer of molybdenum or tungsten (W) having a good thermal insulation effect. The thickness of the first heat insulator 152 may be 5 mm to 10 mm.

제2 단열재(154)는 제1 단열재(152) 상부에 배치될 수 있고, 제3 단열재(156)는 제2 단열재(154) 상부에 배치될 수 있다. 제2 및 제3 단열재들(154, 156) 각각은 복수의 층들이 적층된 구조일 수 있고, 단열을 위하여 인접하는 층들 사이에는 에어 갭(air gap)이 존재할 수 있다. The secondary insulation 154 may be disposed on the first insulation 152 and the third insulation 156 may be disposed on the second insulation 154. Each of the second and third insulators 154 and 156 may be a laminated structure of a plurality of layers and an air gap may exist between adjacent layers for insulation.

예컨대, 제2 및 제3 단열재들(154, 156) 각각은 최하단에 위치하는 제1층 및 제1층 상에 적층되는 복수의 제2층들을 포함할 수 있다. 제1층은 텅스텐으로 이루어질 수 있고, 제2층들은 몰리브덴일 수 있다. 단열 효과를 향상시키기 위하여 제3 단열재(156)에 포함되는 제2층의 수는 제2 단열재(154)에 포함되는 제2층의 수보다 많을 수 있다. 제2 및 제3 단열재들(154, 156)은 발열체(130) 상단에 의하여 지지될 수 있다.For example, each of the second and third insulators 154 and 156 may include a first layer positioned at the lowermost layer and a plurality of second layers stacked on the first layer. The first layer may be made of tungsten and the second layers may be molybdenum. The number of the second layers included in the third insulation 156 may be greater than the number of the second layers included in the second insulation 154 to improve the insulation effect. The second and third heat insulators 154 and 156 may be supported by the top of the heating element 130.

사파이어 단결정(예컨대, 사파이어 보울(boule)의 성장은 시딩 그로잉(Seeding grwing), 숄더 그로잉(shoulder growing) 공정, 바디 그로잉(body growing) 공정, 및 분리(separating) 공정을 통하여 이루어질 수 있다.The growth of sapphire single crystals (e.g., sapphire boules) can be accomplished through a process of seeding grinding, a shoulder growing process, a body growing process, and a separating process .

도 2a 내지 도 2d는 도 1에 도시된 사파이어 단결정(I)의 성장을 나타낸다.Figs. 2A to 2D show growth of the sapphire single crystal I shown in Fig.

도 2a를 참조하면, 종자 결정(109)이 용융액(M)에 담궈지고, 용융액(M)에 의하여 담궈진 종자 결정(109)은 일부는 녹을 수 있다. 시딩 그로잉 공정은 종자 결정(109)으로부터 가늘고 긴 결정인 시즈닝(seasoning, 212)을 형성하는 것을 말한다.Referring to FIG. 2A, the seed crystal 109 is immersed in the melt M, and the seed crystal 109 immersed in the melt M can be partially melted. Seeding refers to forming seasoning 212, which is an elongated crystal from the seed crystal 109.

도 2b를 참조하면, 숄더 그로잉 공정은 최종 목표 직경까지 사파이어 단결정을 횡 방향(예컨대, 직경 방향)으로 성장시키는 것을 말한다.Referring to FIG. 2B, the shoulder drawing process refers to growing the sapphire single crystal in the lateral direction (e.g., in the radial direction) up to the final target diameter.

도 2c 및 도 2d를 참조하면, 바디 그로잉 공정은 사파이어 단결정을 원하는 길이만큼 성장시키는 것을 말하며, 분리 공정은 성장 완료된 사파이어 단결정을 도가니로부터 분리하는 것을 말한다. Referring to FIGS. 2c and 2d, the body growing process refers to growing the sapphire single crystal by a desired length, and the separating process refers to separating the grown sapphire single crystal from the crucible.

사파이어 단결정으로 고체화된 부분 중에서 용융액(M)과의 경계를 이루는 부분을 "성장 계면(Crystal Front, 203)"이라 한다. 즉 성장 계면(203)은 액체인 용융액(M)과 고체인 성장된 단결정(I)의 경계면일 수 있다. 용융액(M) 내에서의 성장 계면(203)은 중심 부분이 뾰족한 원뿔 형상일 수 있다.The portion of the portion solidified with the sapphire single crystal and forming the boundary with the melt M is referred to as a " crystal front (203) ". That is, the growth interface 203 may be the interface between the melt M, which is a liquid, and the solid single crystal I grown as a solid. The growth interface 203 in the melt M may be in the shape of a cone with a sharp central portion.

도 3은 도 1에 도시된 사파이어 단결정(I)의 성장 계면(203)에 대한 모델링을 나타낸다.FIG. 3 shows modeling of the growth interface 203 of the sapphire single crystal I shown in FIG.

도 3을 참조하면, 용융액(M)의 최초 표면(301)으로부터 사파이어 단결정(I)의 성장 계면(203)의 꼭지점(205)까지의 길이(hi(t)), 성장되는 사파이어 단결정의 직경(di(t)), 및 성장 계면(203)의 각도(αi(t))와의 관계는 수학식 1로 모델링될 수 있다. 여기서 i는 i번째를 의미할 수 있다.3, the length h i (t) from the initial surface 301 of the melt M to the apex 205 of the growth interface 203 of the sapphire single crystal I, (t i ) of the growth interface 203 and the angle α i (t) of the growth interface 203 can be modeled by Equation (1). Here, i may mean i-th.

Figure pat00001
Figure pat00001

또한 사파이어 단결정(I)의 성장 계면(203)의 꼭지점(205)까지의 길이(hi(t))와 성장되는 사파이어 단결정(I)의 무게(Wi)와의 관계는 수학식 2로 모델링될 수 있다.The relationship between the length h i (t) of the sapphire single crystal I to the apex 205 of the growth interface 203 and the weight W i of the sapphire single crystal I to be grown is modeled by Equation 2 .

Figure pat00002
Figure pat00002

A, B는 비례 상수를 의미할 수 있으며, P는 사파이어 단결정 성장시에 시드 연결부(160)가 사파이어 단결정(I)을 위로 당긴 거리를 의미할 수 있다.A and B may denote a proportional constant, and P may mean a distance at which the seed connecting portion 160 pulls up the sapphire single crystal I at the time of sapphire single crystal growth.

성장 계면(203)은 단결정 성장 중에는 볼 수 없고, 결정 성장 완료 후 보울(Boule) 상태를 분석하여 추정할 수 있다.The growth interface 203 is not visible during single crystal growth and can be estimated by analyzing the state of the boule after completion of crystal growth.

성장 완료된 사파이어 단결정 보울(boule)의 직경과 성장 당시의 용융액(M)의 무게 데이터(Weight Data)에 기초하여, 수학식 1 및 2를 이용하여 단결정 성장 속도 및 성장 계면의 각도를 추정할 수 있으며, 물리적 계산을 통해서 성장 계면을 분석할 수 있다.Based on the diameter of the grown sapphire single crystal boule and the weight data of the melt (M) at the time of growth, the single crystal growth rate and the angle of the growth interface can be estimated using Equations 1 and 2 , The growth interface can be analyzed through physical calculation.

도 4a 내지 도 4d는 서로 다른 성장 계면의 각도를 갖도록 성장된 사파이어 단결정들을 나타내고, 도 5는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 성장 계면 각도, 고화율, 및 결정 결함을 나타낸다. 여기서 결정 결함은 그레인 바운더리(grain boundary), 또는 블락 마크(block mark)라고도 한다.Figs. 4A to 4D show sapphire single crystals grown to have different growth interface angles, and Fig. 5 shows growth interface angles, solidification rates, and crystal defects shown in Figs. 4A to 4D. Here, the crystal defects are also referred to as grain boundaries or block marks.

제1 내지 제4 경우들(case1 내지 case4)은 다른 성장 챔버, 및 다른 성장 조건에 따라 성장된 사파이어 단결정 보울의 중간 부분을 판상으로 자른 것을 나타낸다. 사파이어 단결정의 성장 속도, 발열체에 공급되는 전력, 및 도가니 주변에 배치되는 핫 존(Hot Zone)의 구조를 조절함으로써, 성장 계면의 각도를 조절할 수 있다.The first to fourth cases (cases 1 to 4) indicate that the middle portion of the sapphire mono-crystal bowl grown according to the different growth chambers and other growth conditions is cut into a plate. By controlling the growth rate of the sapphire single crystal, the power supplied to the heating element, and the structure of the hot zone disposed around the crucible, the angle of the growth interface can be adjusted.

도 4a 내지 도 4d, 및 도 5를 참조하면, 사파이어 단결정(I)의 바디(body)가 도가니(110) 바닥(112, 도 3 참조)에 접촉했을 때의 성장 계면(203)의 각도가 41° 이하인 경우(case1, 및 case2)에는 결정 결함이 나타남을 알 수 있다.4A to 4D and 5, when the angle of the growth interface 203 when the body of the sapphire single crystal I is in contact with the crucible 110 bottom 112 (see FIG. 3) is 41 ° (case 1 and case 2), crystal defects appear.

그러나 사파이어 단결정(I)의 바디(body)가 도가니(110) 바닥(112, 도 3 참조)에 접촉했을 때의 성장 계면(203)의 각도가 47°및 54°인 경우(case3, 및case4)에는 결정 결함이 없는 것을 알 수 있다.However, in the case where the angle of the growth interface 203 when the body of the sapphire single crystal I is in contact with the bottom 112 of the crucible 110 (see FIG. 3) is 47 ° and 54 ° (cases 3 and 4) It can be seen that there is no crystal defect.

사파이어 단결정은 성장 계면의 각도가 변하면서 성장할 수 있지만, 도 4a 내지 도 4d를 포함하는 실험을 통하여 도가니(110)의 바닥(112)에 닿을 때의 성장 계면의 각도가 50° ~ 60°일 경우에 결정 결함이 없는 우수한 품질의 사파이어 단결정 보울을 생산할 수 있는 것으로 분석된다.The sapphire single crystal can grow while changing the angle of the growth interface. However, when the angle of the growth interface when the crystal is touched to the bottom 112 of the crucible 110 through the experiment including FIGS. 4A to 4D is 50 to 60 It is possible to produce a sapphire monocrystalline bowl of excellent quality without crystal defects.

우수한 품질의 사파이어 단결정 보울을 생산할 수 있는 도가니(110)의 바닥(112)에 닿을 때의 성장 계면(203)의 각도를 이용하여 도가니(110)의 직경(diameter)을 결정할 수 있다.The diameter of the crucible 110 can be determined by using the angle of the growth interface 203 when the crucible 110 is brought into contact with the bottom 112 of the crucible 110 which can produce a sapphire single crystal bowl of excellent quality.

도 6은 실시 예에 따른 도가니(110)를 나타낸다.6 shows a crucible 110 according to an embodiment.

도 6을 참조하면, 우수한 품질의 단결정을 성장시키기 위하여 성장 계면(203)이 도가니(110)의 바닥(112)에 접촉했을 때의 성장 계면(203)의 각도(α)는 50° ~ 60°인 것으로 설정한다.6, the angle? Of the growth interface 203 when the growth interface 203 contacts the bottom 112 of the crucible 110 in order to grow a single crystal of good quality is 50 ° to 60 ° .

용융액의 최초 높이(a)는 수학식 3에 의하여 계산될 수 있다.The initial height (a) of the melt can be calculated by Equation (3).

Figure pat00003
Figure pat00003

b는 도가니(110)의 직경일 수 있고, α는 성장 계면(203)의 각도일 수 있다.b may be the diameter of the crucible 110 and a may be the angle of the growth interface 203.

실제 도가니(110)의 높이(H)는 산출된 용융액(M)의 최초 높이(a)로부터 풀링(pulling) 효과를 고려하여 수학식 4에 의하여 결정될 수 있다.The height H of the actual crucible 110 can be determined by Equation 4 in consideration of the pulling effect from the initial height a of the calculated melt M. [

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 k는 도가니(110)에 수용된 용융액(M)의 최초 높이(a)와 도가니(110)의 실제 높이(H) 간의 비례 상수일 수 있다. 이때 k는 시드 연결부(160)가 사파이어 단결정(I)을 위로 당기는 풀링(pulling)시 결정 결함이 발생하지 않도록 하기 위하여 사파이어 단결정의 온도 구배를 고려한 것이다. 예컨대, k는 1.2 ~ 1.4일 수 있다.Where k may be a proportionality constant between the initial height a of the melt M contained in the crucible 110 and the actual height H of the crucible 110. In this case, k is a temperature gradient of the sapphire single crystal in order to prevent crystal defects from occurring when the seed connection part 160 pulls up the sapphire single crystal I. For example, k may be 1.2 to 1.4.

수학식 3 및 수학식 4에 의하여 도가니(110)의 직경(b)과 높이(H)의 비율을 구할 수 있다. 즉 도가니(110)의 직경(b)과 도가니(110)의 높이(H)의 비율(b:H)은 1: k/2×cot(α/2)일 수 있다.The ratio of the diameter (b) to the height (H) of the crucible (110) can be obtained from the equations (3) and (4) That is, the ratio (b: H) of the diameter b of the crucible 110 to the height H of the crucible 110 can be 1: k / 2 x cot (? / 2).

또한 수학식 3에 의하여 계산될 수 있는 도가니(110)의 직경(b), 및 용융액의 최초 높이(a), 및 용융액(M)의 밀도를 이용하여, 도가니(110)의 용량(charge size)을 구할 수 있다. 여기서 도가니(110)의 용량은 단결정 크기를 결정하는 원자재의 양(예컨대, 무게)을 의미할 수 있다.The charge size of the crucible 110 is calculated by using the diameter b of the crucible 110 and the initial height a of the melt and the density of the melt M that can be calculated by Equation 3, Can be obtained. Here, the capacity of the crucible 110 may mean the amount (e.g., weight) of the raw material that determines the size of the single crystal.

예컨대, 도가니(110)의 용량은 부피(π×(b/2)2×a))와 용융액(M)의 밀도의 곱일 수 있다.For example, the capacity of the crucible 110 may be a product of the volume (? X (b / 2) 2 x a)) and the density of the melt (M).

성장 계면의 각도(α)가 50°일 경우에는 도가니(110)의 직경(b)과 도가니(110)의 높이(H)의 비율(b:H)은 실질적으로 1: 1.29 ~ 1.50일 수 있다.The ratio (b: H) of the diameter b of the crucible 110 to the height H of the crucible 110 may be substantially 1: 1.29 to 1.50 when the angle? Of the growth interface is 50 ° .

또한 성장 계면의 각도(α)가 60°일 경우에는 도가니(110)의 직경(b)과 도가니(110)의 높이(H)의 비율(b:H)은 실질적으로 1: 1.04 ~ 1.21일 수 있다.The ratio (b: H) of the diameter b of the crucible 110 to the height H of the crucible 110 may be substantially 1: 1.04 to 1.21 when the angle a of the growth interface is 60 °. have.

즉 성장 계면의 각도(α)가 50°~ 60°일 경우, 도가니(110)의 직경(b)과 도가니(110)의 높이(H)의 비율(b:H)은 1: 1.04 ~ 1.50일 수 있다.The ratio (b: H) of the diameter (b) of the crucible (110) to the height (H) of the crucible (110) is 1: 1.04 to 1.50 days .

계산된 도가니(110)의 직경(b)과 높이(H)의 비율(b:H)에 기초하여 실제 결정 성장을 해 본 결과에 비추어 볼 때, 결정 결함이 발생하지 않는 도가니(110)의 직경(b)과 높이(H)의 최적 비율(b:H)은 1:1.41일 수 있다.In view of the result of actual crystal growth based on the calculated ratio (b: H) of the diameter (b) to the height (H) of the crucible 110, the diameter of the crucible 110 (b: H) of height (b) and height (H) may be 1: 1.41.

결국 실시 예는 도가니의 직경(b)과 높이(H)의 비율이 1: 1.04 ~ 1.50인 도가니(110)를 구비함으로써, 결정 결함이 없는 단결정을 성장시킬 수 있다.As a result, according to the embodiment, the crucible 110 having the ratio of the diameter (b) to the height (H) of the crucible is 1: 1.04 to 1.50, whereby a single crystal without crystal defects can be grown.

일반적으로 결정 결함이 없는 단결정을 성장시키기 위한 도가니의 최적의 용량(charge size)을 확인하기 위해서는 실제 테스트 런(test run)을 진행하면서 확인하여야 하며, 테스트 런에서도 여러 공정 조건에 따라서 공정이 변화할 수 있기 때문에 최적의 용량을 결정하기 어렵다.In general, in order to confirm the optimum charge size of a crucible for growing a single crystal having no crystal defects, it is necessary to confirm the test run while proceeding with a real test run. In the test run, It is difficult to determine the optimal capacity.

그러나 실시 예는 도가니(110)의 바닥(112)에 단결정의 성장 계면(203)이 접촉했을 때의 성장 계면(203)의 각도(α)가 50°~ 60°일 경우에 결정 결함이 없다는 실험적 경험에 기초하여, 도가니(110)의 사이즈, 및 도가니(110)의 용량을 결정할 수 있다.However, in the embodiment, when the angle? Of the growth interface 203 when the growth interface 203 of the single crystal is in contact with the bottom 112 of the crucible 110 is 50 to 60, Based on the experience, the size of the crucible 110 and the capacity of the crucible 110 can be determined.

즉 실시 예에 따른 도가니(110)는 실제 테스트 런(test run)을 수행하지 않고도 결정 결함이 없는 단결정 보울을 얻을 수 있는 직경(b)과 높이(H)의 비율을 가질 수 있다.That is, the crucible 110 according to the embodiment may have a ratio of the diameter (b) to the height (H) at which the single crystal bowl without crystal defects can be obtained without performing a real test run.

이상에서 실시 예들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 예에 포함되며, 반드시 하나의 실시 예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects and the like described in the embodiments are included in at least one embodiment of the present invention and are not necessarily limited to one embodiment. Further, the features, structures, effects, and the like illustrated in the embodiments can be combined and modified by other persons having ordinary skill in the art to which the embodiments belong. Therefore, it should be understood that the present invention is not limited to these combinations and modifications.

101: 챔버 110: 도가니
120: 도가니 지지대 130: 발열체
135: 측부 단열재 140: 하부 단열재
150: 상부 단열재 160: 시드 연결부
170: 이송 수단.101: chamber 110: crucible
120: crucible support 130: heating element
135: side insulator 140: bottom insulator
150: upper insulation member 160:
170: conveying means.

Claims (4)

챔버;
상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하고, 단결정이 성장되는 도가니;
상기 도가니 상부에 위치하고, 종자 결정이 고정되는 시드(seed) 연결부; 및
상기 도가니와 상기 챔버 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체를 포함하며,
상기 도가니의 직경과 상기 도가니의 높이의 비율은 1: 1.04 ~ 1.50인 단결정 성장 장치.chamber;
A crucible which is provided inside the chamber and receives a melt which is a raw material for growing single crystal and in which a single crystal is grown;
A seed connection part located above the crucible and having a seed crystal fixed therein; And
And a heating element disposed between the crucible and the chamber for heating the crucible,
Wherein the ratio of the diameter of the crucible to the height of the crucible is 1: 1.04 to 1.50. 챔버;
상기 챔버 내부에 마련되고, 단결정 성장 원료인 용융액을 수용하고, 단결정이 성장되는 도가니;
상기 도가니 상부에 위치하고, 종자 결정이 고정되는 시드(seed) 연결부; 및
상기 도가니와 상기 챔버 사이에 배치되고, 상기 도가니를 가열하는 발열체를 포함하며,
상기 도가니의 직경과 상기 도가니의 높이의 비율은 1: k/2×cot(α/2)이고, k는 상기 도가니에 수용된 용융액의 최초 높이와 상기 도가니의 높이 간의 비례 상수이고, α는 상기 단결정의 성장 계면이 상기 도가니 바닥에 접촉할 때의 상기 성장 계면의 각도를 나타내고, 상기 성장 계면은 상기 단결정과 상기 용융액과의 경계면인 단결정 성장 장치.chamber;
A crucible which is provided inside the chamber and receives a melt which is a raw material for growing single crystal and in which a single crystal is grown;
A seed connection part located above the crucible and having a seed crystal fixed therein; And
And a heating element disposed between the crucible and the chamber for heating the crucible,
Wherein a ratio of a diameter of the crucible to a height of the crucible is 1: k / 2 x cot (alpha / 2), k is a proportionality constant between an initial height of the melt contained in the crucible and a height of the crucible, Wherein the growth interface represents an angle of the growth interface when the growth interface of the single crystal reaches the bottom of the crucible and the growth interface is the interface between the single crystal and the melt. 제2항에 있어서,
α는 50°~ 60°인 단결정 성장 장치.3. The method of claim 2,
and? is 50 ° to 60 °. 제3항에 있어서,
k는 1.2 ~ 1.4인 단결정 성장 장치.The method of claim 3,
k is 1.2 to 1.4.
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