KR20150085266A

KR20150085266A - 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로

Info

Publication number: KR20150085266A
Application number: KR1020140004955A
Authority: KR
Inventors: 최기형; 이남진
Original assignee: 현빈테크 주식회사
Priority date: 2014-01-15
Filing date: 2014-01-15
Publication date: 2015-07-23

Abstract

본 발명은 사파이어 단결정 성장로에 필요한 기본적인 원료 외에 추가적인 외부의 원료를 연속적으로 공급시킬 수 있어, 생상수율을 크게 높을 수 있는 것은 물론 열(에너지) 손실의 최소화와 함께 공정시간의 단축가 상당한 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로에 관한 것이다.
사파이어 단결정 성장로에 있어서,상기 잉곳 성장로 기본챔버(10)의 외부에, 잉곳성장에 필요한 원료를 별도로 용융시켜 놓고 있다가, 필요한 경우 상기 기본챔버(10) 내의 텡스텐 도가니(W)에 추가로 더 연속 충진할 수 있는 별도의 원료 보충용 쳄버장치를 설치하는 것과;상기 별도의 원료 보충용 쳄버장치와 잉곳 성장로 기본챔버(10) 사이에는 상기 원료 보충용 쳄버장치 내의 도가니와 기본챔버(10)의 텅스텐 도가니가 서로 내통이 가능하도록 하는 원료보충파이프(390)가 구성되는 것; 특징으로 한다.

Description

원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로{Continuous charging of raw materials as highly efficient heating sapphire single crystal}

본 발명은 사파이어 단결정 성장로에 필요한 기본적인 원료 외에 추가적인 외부의 원료를 연속적으로 공급시킬 수 있어, 생상수율을 크게 높을 수 있는 것은 물론 열(에너지) 손실의 최소화와 함께 공정시간의 단축가 상당한 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로에 관한 것이다.

일반적으로 사파이어 단결정은 InGaN계의 백색 LED(Light Emitting Diode)에 사용하는 기판재료로 널리 이용하고 있고, 최근에는 InGaN계 백색 LED의 휘도를 높여서 휴대전화 등의 소형 액정용 백라이트(Back light) 광원으로 시장이 확대되고 있고,

나아가, 2009년도 이후에는 대형 액정TV의 백라이트에 채용되어 수요가 증가되어, 조명용, 표시용, 헤드라이트 등의 용도가 확대되고, 이에 따른 LED 시장은 1년에 20% 이상 향상되고 있다.

이러한 성장 추세를 맞추기 위해서는 백색 LED를 일반광원용으로 시장을 확대하려면 휘도를 높이고 단가를 저렴하게 하여야 하는 상황에서, 기판재료인 사파이어 단결정에 대하여는 LED 제조공정 전체를 저렴하게 하기 위하여 기판 직경을 종래의 2인치에서 3~6인치로 대구경화하여 생산하고 있는 추세다.

한편, 사파이어 잉곳 제조용 단결정 성장방식을 보면, 성정로 내에 충진되는 원료인 알루미나를 녹이고 결정화 온도제어가 가능한 핫존에서 1차적으로 900~1100℃까지 온도를 가열해 도가니 내의 분순물을 제거시키는 동시에 잉곳 용융온도인 2050℃이상 까지 올려 씨앗결정의 일부를 제외하고 모두 액상으로 변화시킨 다음 시드를 통해 단결정을 성장시키게 되는데,

이때, 종래에는 내부의 도가니 자체에 충진되어 있는 원료량의 범위내에서만 단결정 성장 및 육성율을 기대할 수 밖에 없기 때문에 잉곳의 크기를 그 보다 높은 대구경화(3 ~ 6인치 등)로 성장 및 수득하기 위해서는, 상온으로 냉각하는 동시에 도가니 교체(잔류 메탈로 인해 도가니의 재사용 불가) 및 원료 재충진 후 다시 재가동 및 상당한 초고온으로 가열해야함으로, 이 과정(냉각, 도가니 교체 및 재처리, 진공작업, 재가열 등)에서 막대한 시간과 원료, 열, 시간, 비용의 손실이 불가피할 뿐 아니라 잉곳성장의 품질까지 저하될 수 있는 등 해결되어야할 과제가 상당한 실정이다.

즉, 기존의 단결정 성장로는 내부 도가니에 충진된 원료의 범위내에서만 성장 및 그 육성율을 기대할 수 없음으로 자체적으로는 잉곳의 대구경화(3 ~ 6인치 등) 성장에는 한계를 가지며,

만약, 대구경화를 위해 원료를 재충진하여 다시 재가동하는 경우에는 시간과 원료, 열, 시간, 비용의 손실이 불가피할 뿐 아니라

이렇게 극한의 온도까지 가열하고 다시 냉각하는 과정이 반복될 경우 도가니 및 그 외 다른 부품에까지 영양(재질 변화 등)을 미쳐 수명단축, 결함 및 고장발생 등과 같은 문제점까지 야기될 수 있고,

더군다나, 재가동에 의해 잉곳을 추가로 더 성장시킬 경우 한번에 연속으로 육성시킬 때 보다 그 품질이 절대 좋아질 수 없는 단정까지 수반함으로 개선이 시급한 실정이다.

이에 본 발명은 단결정 성장로로 잉곳을 성장시키는 과정에서 도가니에 충진되어 있는 자체적인 원료가 다 소모되었음에도 불구하고 그 잉곳의 육성률을 높일 필요가 있는 경우, 기본 성장로의 조건 및 그 환경(쳄버내의 초고온 유지)은 그대로 유지하면서도 외부로 부터 추가적인 단결정 원재료를 연속으로 충진받을 수 있도록 함으로써, 막대한 열손실과 시간(공정) 및 비용의 절감효과를 기대할 수 있는 새로운 방안과 필수구성요건을 제시하는 것에 주안점을 두고 그 기술적과제로서 완성한 것이다.

위 기술적 가제를 달성하기 위한 본 발명은 사파이어 단결정 성장로에 있어서, 상기 잉곳 성장로 기본챔버(10)의 외부에, 잉곳성장에 필요한 원료를 별도로 용융시켜 놓고 있다가, 필요한 경우 상기 기본챔버(10) 내의 텡스텐 도가니(W)에 추가로 더 연속 충진할 수 있는 별도의 원료 보충용 쳄버장치를 설치하는 것과; 상기 별도의 원료 보충용 쳄버장치와 잉곳 성장로 기본챔버(10) 사이에는 상기 원료 보충용 쳄버장치 내의 도가니와 기본챔버(10)의 텅스텐 도가니가 서로 내통이 가능하도록 하는 원료보충파이프(390)가 구성되는 것; 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명은 기존 사파이어 성장로의 단점을 극복하여 혁신적으로 개선해 단결정성장이 종결된 후 별도로 도가니를 상온으로 냉각할 필요가 없는 효과가 있어 이에 따른 생산단가를 낮출 수 있는 이점이 있고,

또한, 잔류 용융액에 대한 문제점을 해결할 수 있는 원재료의 지속적인 공급을 통해 잔여 용융물로 인해 도가니를 재사용이 불가능한 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있으며,

게다가, 도가니의 냉각, 도가니 처리, 진공작업과 재가열 등에 소용되는 공정시간을 획기적으로 줄일 수 있에 이에 따른 생산성 향상에 대한 이점을 얻을 수 있고,

또, 용융물의 양을 얼마든지 공급할 수 있어 충분한 단결정 성장에 따른 양을 얻을 수 있어 이에 따른 수율 향상증대에도 많은 이점이 있는 등 그 기대하는 바가 실로 다대한 발명이라 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 연속 원료 공급방법의 주요 개략도
도 2는 본 발명의 기본챔버의 단면 확대 예시도
도 3은 본 발명의 원료보충파이프의 파절 단면 확대 예시도
도 4는 본 발명의 게이트밸브장치의 작동실시 상태를 나타낸 예시도
도 5는 본 발명의 잉곳 작동실시 상태를 나타낸 예시도

본 발명의 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로는 첨부된 각 도면에 의거보다 상세히 설명하면 하기와 같다.

잉곳 성장로 기본챔버(10)의 내벽면에 복사열의 외부방출을 최대한 제한하여 단결정 성형에 필요한 고온유지와 열손실 방지에 크게 도움이되는 그래파이트 단열재(210)가 구성되고,

상기 그래파이트 단열재(210)로 감싸진 쳄버(10) 내의 상,하측에는 시드의 하방 진입을 유도하는 시드진입부와 진입된 시드에 단결정 잉곳의 성장이 가능하도록 사파이어를 초고온으로 융융시키는 핫존(H)이 설치되며

상기 핫존(H)의 상. 하측에는 2,000℃ 이상의 고온에서도 견딜 수 있는 초내열성 몰리브덴(molybdenum) 합금 재질로된 상.하부 몰리 단열판(230,230-1)을 각각 구성되어 있고,

상기 상,하부 몰리단열판(230,230-1) 사이의 외곽둘레에는 이 또한 초내열성 몰리브덴(molybdenum) 합금재질로 만들어진 측면 몰리단열판(400)이 구성되어 있으며,

상기 상,하부 몰리단열판(230,230-1)과 측면 몰리단열판(400)에 의해 둘러싸인 핫존(H)의 내부에는 외부의 컨트롤 제어와 전원의 공급에 따라 상당한 초고온(2000℃ 이상)으로 가열할 수 있는 히터(500)가 설치되어 있고,

상기 히터(500)의 내향 중심에는 단결정 성형 및 잉곳 성장시 요구되는 사파이어의 융용액을 담을 수 있는 텡스텐 도가니(W)가 마련되며,

상기 잉곳 성장로 기본챔버(10)의 상측에는 로드 이송관(C) 및 권양수단(500)이 구비되어 있어, 도가니에 사파이어 원료를 채우고 히터(500)로 그 원료의 융점 이상으로 가열하여 녹인 후 끝 부분에 시드(종 결정)가 달인 잉곳로드를 하강시켜 종자결정이 융액 표면에 접촉시키면서 권양수단(500)으로 끌어올리고 융점 이하로 서서히 냉각시키는 과정에서 단결정 잉곳이 성장될 수 있도록 하는 통상의 사파이어 단결정 성장로에 있어서,

상기 잉곳 성장로 기본챔버(10)의 외부에, 잉곳성장에 필요한 원료를 별도로 용융시켜 놓고 있다가, 필요한 경우 상기 기본챔버(10) 내의 텡스텐 도가니(W)에 추가로 더 연속 충진할 수 있는 별도의 원료 보충용 쳄버장치를 설치하는 것과;

상기 별도의 원료 보충용 쳄버장치와 잉곳 성장로 기본챔버(10) 사이에는 상기 원료 보충용 쳄버장치 내의 도가니와 기본챔버(10)의 텅스텐 도가니가 서로 내통이 가능하도록 하는 원료보충파이프(390)가 구성되는 것; 특징으로 하는 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로.

상기 가열로(101)와 로드이송관(C) 사이에는,

상기 별도의 원료 보충용 쳄버장치에 의해 추가적인 원료보충이 이루어질 때, 발생될 수 있는 열손실을 최소화할 수 있도록 차단하고, 시드가 내려올때는 개방시키는 게이트밸브장치(600)가 더 설치될 수 있는 것 특징으로 한다.

상기 원료보충파이프(390)는,

상기 용융된 고온의 원료(M-1)가 상기 기본쳄버의 텅스텐 도가니(110) 내부로 신속하게 유입될 수 있도록 이송로의 외측으로 히팅코일(382)이 감싸져 있는 동시에 보온을 위해 일정한 튜브공간(383)과 보호외관(384)이 연속으로 구성되는 것이 바람직하고,

상기 원료보충파이프(390)는,

상기 용융된 고온 보충 원료(M-1)가 상기 기본쳄버의 도가니(110) 내부로 신속하게 유입될 수 있도록 몰리 재질의 단열판으로 구성되는 것이 바람직하며,

상기 원료 보충용 쳄버장치(300)는,

상기 용융된 고온 보충 원료(M-1)가 냉각되지 않도록 몰리 재질의 단열판으로 구성되는 것이 바람직하고,

상기 원료보충파이프(390)의 어느 일단에는 원료 보충을 필요한 경우 또는 그렇지 않는 경우 ON/OFF 개폐이 가능할 수 있도록 하는 원료보충밸브가 설치됨이 바람직하며,

상기 게이트밸브장치(600)는

상기 작동몸체(155)의 외부에 설치되는 감속타입형 모터(160)의 동력을 전달받아 회전작동되는 기어(161)가 구성되고,

상기 회전작동기어(161)의 일측에는 그 기어와 맞물림 동작하는 회전기어(162)를 구성하되, 그 회전기어(162)의 축에는 슬라이드판(151)이 일체로 구성됨이 바람직하고,

상기 슬라이드판(151)은 몰리 재질의 단열판으로 구성될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 가열로(101)의 내부에 기본챔버(10)의 내부에 상,하,좌,우 그래파이트 단열재(210)에 의해 외부로 유출되는 열을 차단 할 수 있도록 작동되고,

상기 기본챔버(10)의 내부에는 핫존(H)을 그 핫존(H) 내부에 텡스텐 도가니(W)를 구성시켜 단결정 성장용 원료(M)을 넣어 용융 온도까지 항시 일정하게 유지될 수 있도록 작동되며,

상기 텡스텐 도가니(W)의 일측 상부에는 구성되어 있는 도가니(110)에 원료(M)를 채운다음 원료가 용융될때 까지 히팅수단(H)에 의해 융융될 수 있도록 도가니(110)에 구성시킨 다음,

상기 도가니(110) 상부에 구성된 권양유닛(500)을 통해 승,하강하는 시드(S)는 도가니(110)에 용융된 상태의 원료(M)을 일정한 속도를 회전과 동시에 승강시켜 잉곳(I)이 성형될 수 있도록 작동되고,

상기 원료 보충용 쳄버장치(300)에 용융되어 있는 원료(M-1)는 기존 챔버(10)의 잉곳(I)의 추가 생산을 위해 별도로 외부로 연결되어 있는 원료보충파이프(390)을 통해 원료(M-1)이 잉곳(I)의 생산에 따라 추가적으로 자동 또는 수동으로 외부에서 원료보충밸브(395)의해 공급될 수 있도록 작동되며,

상기 원료보충밸브(395)를 통해 이동되는 원료의 용융된 상태여서 이동중에 식는 것을 방지하기 위해 상기 원료보층밸브(395)에는 히팅코일(382)에 의해 감싸져 일정한 온도가 유지되도록 작동하되, 그 외측에 외부 온도 이탈 방지용 튜브공간(383)의 의해 온도 손실을 방지하고, 그 외측에 보호외관(384)에 의해 더욱 완벽한 온도 유지를 할 수 있도록 작동되고,

상기 원료보충파이프(390)의 경우 외부 온돈 손실 방지형 몰리 재질의 단열판을 구성하여 보다 효율적인 온도 손실을 방지할 수 있도록 작동되며,

또한 상기 원료 보충용 쳄버장치(300)에는 내부 원료(M-1)의 용융된 상태에서 일정하게 온도 변화 없이 유지될 수 있도록 위해 몰리 재질의 단열판이 상,하,좌,우 에 구성되어 외부 온도 손실을 방지할 수 있도록 작동되고,

상기 가열로(101)과 로드이송관(C) 사이에는 잉곳(I) 성장에 따라 연속적인 잉곳(I) 성장을 추출할 수 있도록 챔버(10)의 내부이 고온의 온도를 냉각 없이 일정하게 계속 유지할 수 있도록 하기 위해 기본챔버(10) 상부에 게이트밸브장치(600)을 구성하여 외부 온도 손실을 방지할 수 있도록 작동되며,

게다가, 상기 게이트밸브장치(600)는 챔버(10)의 상측에 밀폐된 몰리 단열재 형태의 작동몸체(155)를 구성하여 외부로 온도 손실을 최소화 할 수 있도록 구성되어지고,

상기 작동몸체(155)의 외부 어느일측에는 감속타입형 모터(160)을 구성하여 회전축이 내부로 연결되어 회전작동될 수 있도록 작동되며,

그 회전축(미도시)에 의해 회전작동되는 기어(161)을 구성하여 정역회전에 따라 맞대응하여 회전되는 회전기어(162)를 구성하여 회전작동되도록 작동되고,

상기 회전기어(162)와 일체로 구성되는 슬라이드판(151)을 구성하여 일정한 각도로 회전작동되도록 작동되고,

이때 슬라이드판(151)은 고온의 온도에서도 쉽게 연차단 효과를 극대화 할 수 있는 몰리 재질의 단열판이 일체로 구성되어 개방·개폐시에 외부 온도 누출을 최화하도록 작도되며,

이때 슬라이드판(151)에 의해 원료로 부터 추출된 잉곳(I)은 로드이송관(C)로 권양수단(500)에 의해 상측으로 이송되도록 한다음, 게이트밸브장치(600)의 슬라이드판(151)의해 개폐되도록 한 다음, 추출된 잉곳(I)은 상온에서 냉각되도록 하되,

상기 게이트밸브장치(600)의해 온도가 일정하게 유지되는 챔버(10)의 내부에는 원료보충용 챔버장치(300)의 원료보충파이프(390)에 의해 추가 보충 원료(M-1)이 챔버(10) 내부 도가니(W)에 주입되도록하여 외부 잉곳(I) 배출이 완료된 다음 별도의 온도 가열없이 바로 시드(S)를 통해 잉곳(I) 을 연속적으로 생산할 수 있도록 작동된다.

C: 로드 이송관 H: 핫존
W: 텡스텐 도가니 10: 기본챔버
210: 단열재 230,230-1: 상.하부 몰리 단열판
300: 원료 보충용 쳄버장치 390: 원료보충파이프
400: 측면 몰리단열판 500: 히터
500: 권양수단

Claims

잉곳 성장로 기본챔버(10)의 내벽면에 복사열의 외부방출을 최대한 제한하여 단결정 성형에 필요한 고온유지와 열손실 방지에 크게 도움이되는 그래파이트 단열재(210)가 구성되고,
상기 그래파이트 단열재(210)로 감싸진 쳄버(10) 내의 상,하측에는 시드의 하방 진입을 유도하는 시드진입부와 진입된 시드에 단결정 잉곳의 성장이 가능하도록 사파이어를 초고온으로 융융시키는 핫존(H)이 설치되며
상기 핫존(H)의 상. 하측에는 2,000℃ 이상의 고온에서도 견딜 수 있는 초내열성 몰리브덴(molybdenum) 합금 재질로된 상.하부 몰리 단열판(230,230-1)을 각각 구성되어 있고,
상기 상,하부 몰리단열판(230,230-1) 사이의 외곽둘레에는 이 또한 초내열성 몰리브덴(molybdenum) 합금재질로 만들어진 측면 몰리단열판(400)이 구성되어 있으며,
상기 상,하부 몰리단열판(230,230-1)과 측면 몰리단열판(400)에 의해 둘러싸인 핫존(H)의 내부에는 외부의 컨트롤 제어와 전원의 공급에 따라 상당한 초고온(2000℃ 이상)으로 가열할 수 있는 히터(500)가 설치되어 있고,
상기 히터(500)의 내향 중심에는 단결정 성형 및 잉곳 성장시 요구되는 사파이어의 융용액을 담을 수 있는 텡스텐 도가니(W)가 마련되며,
상기 잉곳 성장로 기본챔버(10)의 상측에는 로드 이송관(C) 및 권양수단(500)이 구비되어 있어, 도가니에 사파이어 원료를 채우고 히터(500)로 그 원료의 융점 이상으로 가열하여 녹인 후 끝 부분에 시드(종 결정)가 달인 잉곳로드를 하강시켜 종자결정이 융액 표면에 접촉시키면서 권양수단(500)으로 끌어올리고 융점 이하로 서서히 냉각시키는 과정에서 단결정 잉곳이 성장될 수 있도록 하는 통상의 사파이어 단결정 성장로에 있어서,

상기 잉곳 성장로 기본챔버(10)의 외부에, 잉곳성장에 필요한 원료를 별도로 용융시켜 놓고 있다가, 필요한 경우 상기 기본챔버(10) 내의 텡스텐 도가니(W)에 추가로 더 연속 충진할 수 있는 별도의 원료 보충용 쳄버장치(300)를 설치하는 것과;

상기 별도의 원료 보충용 쳄버장치와 잉곳 성장로 기본챔버(10) 사이에는 상기 원료 보충용 쳄버장치 내의 도가니와 기본챔버(10)의 텅스텐 도가니가 서로 내통이 가능하도록 하는 원료보충파이프(390)가 구성되는 것; 특징으로 하는 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로.
상기 가열로(101)와 로드이송관(C) 사이에는,
상기 별도의 원료 보충용 쳄버장치에 의해 추가적인 원료보충이 이루어질 때, 발생될 수 있는 열손실을 최소화할 수 있도록 차단하고, 시드가 내려올때는 개방시키는 게이트밸브장치(600)가 더 설치될 수 있는 것 특징으로 하는 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로.
제 1항에 있어서,
상기 원료보충파이프(390)는,
상기 용융된 고온의 원료(M-1)가 상기 기본쳄버의 텅스텐 도가니(110) 내부로 신속하게 유입될 수 있도록 이송로의 외측으로 히팅코일(382)이 감싸져 있는 동시에 보온을 위해 일정한 튜브공간(383)과 보호외관(384)이 연속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로.
제 3항에 있어서,
상기 원료보충파이프(390)는,
상기 용융된 고온 보충 원료(M-1)가 상기 기본쳄버의 도가니(110) 내부로 신속하게 유입될 수 있도록 몰리 재질의 단열판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로.
제 3항에 있어서,
상기 원료 보충용 쳄버장치(300)는,
상기 용융된 고온 보충 원료(M-1)가 냉각되지 않도록 몰리 재질의 단열판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로.
제 2항에 있어서,
상기 원료보충파이프(390)의 어느 일단에는 원료 보충을 필요한 경우 또는 그렇지 않는 경우 ON/OFF 개폐이 가능할 수 있도록 하는 원료보충밸브가 설치되는 것을 것을 특징으로 하는 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로.
제 2항에 있어서,
상기 게이트밸브장치(600)는
상기 작동몸체(155)의 외부에 설치되는 감속타입형 모터(160)의 동력을 전달받아 회전작동되는 기어(161)가 구성되고,
상기 회전작동기어(161)의 일측에는 그 기어와 맞물림 동작하는 회전기어(162)를 구성하되, 그 회전기어(162)의 축에는 슬라이드판(151)이 일체로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로.
제 7항에 있어서,
상기 슬라이드판(151)은 몰리 재질의 단열판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 원료의 연속 충진이 가능한 고효율 사파이어 단결정 성장로.