KR20160121050A - 복수의 도가니를 갖는 단결정 성장장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단결정을 성장시키기 위해 원료를 용융시키고, 용융된 원료로부터 시드 결정을 중심으로 단결정으르 성장시키는 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것이다. 복수의 도가니를 갖는 단결정 성장장치는, 내부 공간을 갖는 챔버; 챔버 내부에 배치되는 단열재; 단열재 내부에 배치되어 원료가 장입되고, 길이방향 또는 폭 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 복수개의 도가니가 인접하여 배치되는 도가니군; 도가니의 길이방향 또는 폭 방향 중 적어도 어느 하나에 배치되어 원료를 용융시키는 복수의 히터; 및 도가니 각각의 하부에 각각 구비되는 복수의 냉각로드; 를 포함한다. 이에 의해, 동시에 대량의 단결정을 성장시킬 수 있고, 하나의 중간히터로 인접한 복수의 도가니를 가열하므로 히터의 효율을 높일 수 있다.

Description

복수의 도가니를 갖는 단결정 성장장치{SINGLE CRYSTAL GROWER HAVING MULTIPLE CRUCIBLES}
본 발명은 단결정 성장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단결정을 성장시키기 위해 도가니에 장입된 원료를 용융시키고, 용융된 원료로부터 시드 결정을 중심으로 단결정으로 성장시키는 단결정 성장장치에 관한 것이다.
단결정은 금속이나 세라믹 및 SiC와 같은 원료를 도가니 내에 위치시킨 후 용융, 승화, 서냉 및 응축시키면서 결정으로 성장된 결정체이다.
이중 사파이어 단결정은 알루미나(Alumina, Al2O3, 알루미늄 산화물)를 원료로 하여 2050℃ 이상에서 용융된 후 서냉되면서 성장된다.
사파이어 단결정은 반도체에 사용되는 다른 재료에 비해 우수한 광학, 기계적 특성, 고온 안정성, 내화학 특성, 높은 경도, 내마모성, 내식성 및 절연특성 등 우수한 특성을 가지고 있고, 합성보석, 시계유리 뿐만 아니라 산업용, 군사용과 같은 분야에서도 사용된다. 최근 LED용 기판과 모바일 업체에서 사파이어 소재를 채용함으로써 첨단소재 분야에서도 사파이어가 광범위하게 사용되고 있다.
사파이어와 같이 금속이나 세라믹 및 반도체 재료의 결정을 성장시키기 위한 방법으로는 도가니 내부에 배치되는 시드 결정의 위치에 따라 상부 시딩법 및 하부 시딩법으로 나눌 수 있다. 상부 시딩법에는 초크랄스키법(Czochralski Process), 키로플러스법(Kyropoulos Process) 등이 있고, 하부 시딩법에는 HEM(Heat Exchange Method) 및 VHGF(Vertical Horizontal Gradient Freezing) 등이 있다.
하부 시딩법을 적용한 종래의 사파이어 단결정 성장장치는, 한국 공개특허공보 제10-2011-0027593호와 같이, 성장로 내부에 사파이어 잉곳을 성장시키는 도가니가 하나만 배치되고, 도가니 주변에 히터가 설치된다.
최근 사파이어의 응용 범위가 넓어지면서 그 수요가 늘어남에 따라 사파이어의 대량 생산이 요구되고 있다.
그러나, 종래 기술과 같이 하나의 도가니를 사용하는 경우, 단결정 성장장치별로 사파이어 잉곳을 하나씩 생산할 수밖에 없으므로 생산성이 낮았다.
한편, 사파이어 단결정의 생산성을 높이기 위하여 사파이어 잉곳의 크기를 키우고자 하였으나, 성장 시간이 길어져 오히려 생산성이 낮아지는 문제가 있었다.
상술한 배경기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 단결정을 대량으로 성장시켜 생산성을 높인 단결정 성장장치를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 히터의 가열 효율을 높이고, 단결정의 생산 시간을 줄여 생산성을 높인 단결정 성장장치를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 단결정을 균일하게 성장시키도록 도가니의 온도 구배를 크게 제어할 수 있는 단결정 성장장치 및 성장방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 복수의 도가니를 갖는 단결정 성장장치는, 내부 공간을 갖는 챔버; 상기 챔버 내부에 배치되는 단열재; 상기 단열재 내부에 배치되어 원료가 장입되고, 길이방향 또는 폭 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 복수개의 도가니가 인접하여 배치되는 도가니군; 상기 도가니의 길이방향 또는 폭 방향 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 원료를 용융시키는 복수의 히터; 및 상기 도가니 각각의 하부에 각각 구비되는 복수의 냉각로드; 를 포함한다.
바람직하게, 상기 히터는, 상기 복수개의 도가니 각각에 동일한 열량을 공급한다.
바람직하게, 상기 히터는, 상기 도가니군의 길이방향 외곽에 배치되는 2 이상의 외곽히터를 포함한다.
바람직하게, 상기 외곽히터 중 어느 하나는, 상기 각각의 도가니 측부에 분리되어 배치된다.
바람직하게, 상기 외곽히터는, 지그재그 형태의 발열체로 이루어지고, 상기 발열체는, 수직 방향 또는 수직과 수평 방향으로 온도 구배를 부여하도록 위치에 따라 그 폭과 두께 중 적어도 어느 하나를 다르게 한다.
바람직하게, 상기 발열체는, 상기 도가니 내부에 배치된 시드(Seed) 결정과 가까울수록 발열량이 적게 형성된다.
바람직하게, 상기 외곽히터 중 어느 하나는, 2 이상의 도가니 측부에 배치된다.
바람직하게, 상기 외곽히터는, 지그재그 형태의 발열체로 이루어지고, 상기 발열체는, 상기 각각의 도가니 측부에 해당하는 구간별로 수직 방향 또는 수직과 수평 방향으로 온도 구배를 부여하도록 위치에 따라 그 폭과 두께 중 적어도 어느 하나를 다르게 한다.
바람직하게, 상기 발열체는, 상기 도가니 내부에 배치된 시드(Seed) 결정과 가까울수록 발열량이 적게 형성된다.
바람직하게, 상기 히터는, 인접하여 배치된 도가니 사이에 구비되는 1 이상의 중간히터를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 히터는, 수직 방향으로 2단 이상 분리된 복수의 히터부로 구성된다.
바람직하게, 상기 도가니군 상부와 하부 중 적어도 어느 하나에 상기 히터로부터 방사되는 복사에너지를 상기 도가니로 반사시키는 1 이상의 반사판; 을 더 포함한다.
바람직하게, 상기 복수의 냉각로드는, 상기 도가니군을 이루는 각 도가니가 상기 히터로부터 제공받는 열량에 따라 냉각성능을 다르게 한다.
바람직하게, 상기 복수의 냉각로드는, 상기 도가니와의 접촉면적을 달리하거나, 열전달계수가 다른 냉각유체를 사용한다.
바람직하게, 상기 냉각로드를 승하강시켜 상기 도가니 하부면과 접촉 또는 분리되도록 구동시키는 1 이상의 냉각로드 구동부; 를 더 포함한다.
바람직하게, 상기 냉각로드 구동부는, 상기 냉각로드 각각을 개별적으로 구동시킨다.
바람직하게, 상기 냉각로드 구동부는, 길이방향 또는 폭 방향으로 인접하게 배치된 복수의 냉각로드를 동시에 구동시킨다.
바람직하게, 상기 냉각로드 구동부는, 상기 냉각로드 전체를 동시에 구동시킨다.
본 발명에 의하면, 복수개의 도가니가 인접하여 배치되는 도가니군을 구비함으로써, 동시에 복수의 잉곳을 생산할 수 있다.
또한, 본 발명은 인접한 도가니 사이에 중간히터를 구비함으로써, 하나의 중간히터로 인접한 복수의 도가니를 가열하여 히터의 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 히터 각각이 위치에 따라 폭과 두께를 달리하는 발열체로 구성됨으로써, 수직, 수평 방향으로 온도 구배를 크게 조성할 수 있다.
또한, 본 발명은 수직 방향으로 분리된 복수의 히터부를 구비함으로써, 도가니 상, 하부의 온도구배를 크게 하면서도 안정적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 도가니군의 상부 또는 하부에 반사판을 구비하여 복사에너지를 도가니로 반사시킴으로써 도가니 내부의 가열 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 단결정 성장장치의 단면도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 의한 도가니군과 히터를 나타내는 평단면도.
도 3은 본 발명을 구성하는 히터의 형태를 나타내는 정면도.
도 4는 본 발명을 구성하는 히터의 다른 형태를 나타내는 사시도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 의한 도가니군과 히터를 나타내는 평단면도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의한 히터의 형태를 나타내는 정면도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 의한 히터의 다른 형태를 나타내는 사시도.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 의한 단결정 성장장치의 단면도.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 의한 도가니군과 히터를 나타내는 평단면도.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 의한 도가니군과 히터를 나타내는 평단면도.
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 의한 도가니군과 히터를 나타내는 평단면도.
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 의한 단결정 성장장치의 단면도.
도 13은 본 발명의 제7 실시예에 의한 단결정 성장장치의 단면도.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다. 본 발명의 단결정 성장장치는 제1 내지 제7 실시예로 구분할 수 있으며, 각 실시예의 구성요소는 기본적으로 동일하나, 일부 구성에 있어서 차이가 있다. 또한 본 발명의 여러 실시예 중 동일한 기능과 작용을 하는 구성요소에 대해서는 도면상의 도면부호를 동일하게 사용하기로 한다.
그리고 이하의 실시예에서는 알루미나(Alumina, Al2O3, 알루미늄 산화물)를 원료로 하여 사파이어 단결정을 하부 시딩법에 의해 성장시키는 단결정 성장장치에 대하여 구체적으로 설명하나, 알루미나 이외의 원료를 이용한 단결정 성장장치나 상부 시딩법에 의한 단결정 성장장치에도 사용될 수 있다.
1. 제1 실시예
본 발명의 제1 실시예에 의한 단결정 성장장치는 도 1 내지 도 4에 도시한 바와 같이 크게 챔버(100), 단열재(200), 도가니군, 히터(400), 냉각로드(500) 및 냉각로드 구동부(600)으로 이루어진다.
챔버(100)는 내부 공간을 가지며, 단열재(200), 도가니군 및 히터(400) 등이 내부에 배치된다.
단열재(200)는 챔버(100) 내부에 배치되고, 히터(400)로부터 공급되는 열을 챔버(100) 내부에서 단열시켜 히터(400)의 열 효율을 높일 수 있다.
도가니군은 단열재(200) 내부에 배치되는 복수개의 도가니(300)로 이루어진다. 복수의 도가니(300)는 길이방향 또는 폭 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 인접하여 배치된다. 제1 실시예의 도가니군은 도 2에 도시한 바와 같이, 폭 방향의 개수를 행으로 하고, 길이방향의 개수를 열로 할 때, 2X2 행렬 형태로 배치된다.
도가니(300)는 사파이어 단결정을 성장시키기 위하여 장입된 알루미나 원료를 수용한다. 이러한 도가니(300)는 알루미나 원료를 용융시킨 후 서냉하면서 사파이어 단결정을 성장시키기 위해 알루미나의 용융 온도인 2050℃에서도 녹지 않는 텅스텐이나 몰리브덴, 이리듐, 레늄과 같은 금속재질로 형성될 수 있다.
또한, 도가니(300) 내부에는 시드(Seed) 결정(310)이 배치되고, 시드 결정(310)이 배치된 도가니(300) 하부에는 냉각로드(500)가 구비된다. 시드 결정(310)은 하부 시딩법에 의해 도가니(300)의 하부에 배치되고, 사파이어 단결정은 시드 결정(310)을 중심으로 성장된다.
히터(400)는 도가니(300) 내의 알루미나 원료를 용융시키도록 발열하며, 도가니(300)의 길이방향 또는 폭 방향 중 적어도 어느 하나에 배치된다. 또한, 복수개의 도가니(300) 각각에 동일한 열량을 공급하도록 하여 복수개의 도가니(300)에서 동시에 단결정이 성장되도록 할 수 있다.
히터(400)는 도가니군의 길이방향 외곽에 배치되는 하나 이상의 외곽히터 및 인접하여 배치된 도가니(300) 사이에 구비되는 하나 이상의 중간히터를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 도가니(300)의 길이방향 또는 폭 방향으로 인접하게 배치된 도가니(300)의 수가 2개 이하일 경우, 그 사이에 배치되는 중간히터는 생략할 수 있다.
외곽히터(410)는 도 2에 도시한 바와 같이, 각각의 도가니(300) 측부에 분리되어 4개가 배치된다.
도면에 도시하지는 않았지만, 중간히터는 도가니의 길이방향으로 구비되며, 폭 방향으로 인접한 도가니 사이에 배치될 수 있다. 또한, 히터는 도가니의 폭 방향으로 배치된 외곽히터와 중간히터를 추가로 포함할 수 있다.
히터(400)는 지그재그 형태의 발열체로 이루어지며, 흑연 발열체를 사용할 수 있다. 히터(400)는 수직과 수평 방향으로 온도 구배를 부여함으로써 사파이어 단결정의 성장 안정성을 높여 내부의 크랙(Crack)과 같은 결함 없이 단결정을 성장 시킬 수 있고, 단결정에 걸리는 응력을 단시간에 해소할 수 있다. 특히 수평 방향 온도 구배를 부여함으로써 단결정의 폭 방향에 대한 길이 방향의 길이 제한 없이 길게 성장 시킬 수 있다.
히터에 온도 구배를 부여하기 위한 히터의 2개의 형태에 대하여 다음에서 구체적으로 설명한다.
먼저, 첫 번째 형태로서, 히터(410a)는 수직과 수평 방향의 위치에 따라 그 폭을 달리하여 온도 구배를 부여한다. 도 3에 도시한 바와 같이, 발열체의 수직 방향 온도 구배는 발열체의 상부 선 폭(W1)을 하부 선 폭(W2)보다 상대적으로 좁게 설정함으로써 부여할 수 있다. 선 폭이 큰 발열체 하부의 전기 저항이 상부에 비하여 낮으므로 발열체 하부의 온도가 상부에 비하여 낮게 조절된다. 발열체의 수평 방향 온도 구배는 발열체의 좌, 우측부 선 폭(W3, W4)을 중앙부 선 폭(W5)보다 상대적으로 좁게 설정함으로써 부여할 수 있다.
두 번째 형태로서, 히터(410b)는 수직과 수평 방향의 위치에 따라 그 두께를 달리하여 온도 구배를 부여한다. 도 4에 도시한 바와 같이, 발열체의 수직 방향 온도 구배는 발열체의 상부 두께(T1)를 하부 두께(T2)보다 상대적으로 얇게 설정함으로써 부여할 수 있다. 두께가 두꺼운 발열체 하부의 전기 저항이 상부에 비하여 낮으므로 발열체 하부의 온도가 상부에 비하여 낮게 조절된다. 발열체의 수평 방향 온도 구배는 발열체의 좌, 우측부 두께(T3, T1)를 중앙부 두께(T4)보다 상대적으로 얇게 설정함으로써 부여할 수 있다.
상술한 2개의 형태를 갖는 히터에 의하여 도가니 내부에 배치된 시드 결정의 위치를 중심으로 시드 결정과 가까울수록 발열량이 작게 형성됨으로써 단결정의 성장 안정성을 높일 수 있다. 또한, 상술한 2개의 형태를 갖는 히터를 외곽히터 및 중간히터에 사용할 수 있으며, 이러한 형태 이외에 수직, 수평 방향으로 온도 구배를 부여할 수 있는 것이라면 어떠한 형태라도 가능하다.
냉각로드(500)는 도가니(300) 내부 바닥면에 배치된 시드 결정(310)의 하부에 구비된다. 도가니(300) 각각에 배치된 복수의 냉각로드(500)는 도가니(300) 내의 알루미나 원료 용융 시 시드 결정(310)이 완전히 용융되는 것을 방지할 수 있고, 사파이어 단결정의 성장 및 냉각 시 용융된 알루미나 원료를 기체나 액체를 이용하여 냉각시킬 수 있다. 이때, 각각의 도가니(300)가 히터(400)로부터 제공받는 열량이 다를 경우, 냉각로드(500) 각각의 냉각성능을 달리 할 수 있다. 각 냉각로드(500)의 냉각성능은 도가니(300)와의 접촉면적을 달리하거나, 열 전달 계수가 다른 냉각유체를 사용함으로써 조절할 수 있다. 이러한 냉각로드(500)는 텅스텐, 몰리브덴과 같은 재질로 이루어질 수 있다.
냉각로드 구동부(600)는 냉각로드(500)를 승하강시켜 냉각로드(500)의 상면이 도가니(300) 하부면과 접촉 또는 분리되도록 구동시키며, 하나 이상 구비될 수 있다.
냉각로드 구동부(600)는 복수로 구비된 냉각로드(500) 각각을 개별적으로 구동시키거나, 냉각로드(500) 전체를 동시에 구동시킬 수 있다. 또한, 길이방향 또는 폭 방향으로 인접하게 배치된 복수의 냉각로드(500)를 동시에 구동시킬 수도 있다.
2. 제2 실시예
본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예와 대비하여 히터의 배치에 있어 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 5 내지 도 7을 참고하여 설명한다.
히터는 외곽히터(415)로 이루어지고, 외곽히터(415) 중 어느 하나는 2 이상의 도가니(300) 측부에 배치된다.
외곽히터(415)는 도가니군의 양측면 전체에 각각 하나씩 배치된다.
위와 같이 하나의 히터가 복수의 도가니를 가열시키는 경우, 히터는 각각의 도가니(300) 측부에 해당하는 구간(C1, C2)별로 수직과 수평 방향으로 온도 구배를 부여한다.
복수의 도가니를 가열시키는 히터에 온도 구배를 부여하기 위한 히터의 2개의 형태에 대하여 도 6, 도 7을 참고하여 설명한다.
먼저, 첫 번째 형태로서, 도 6에 도시한 바와 같이, 히터(415a)는 도가니 각각의 측부에 해당하는 구간(C1, C2)별로 수직과 수평 방향의 위치에 따라 그 폭을 달리하여 온도 구배를 부여한다. 발열체의 수직 방향 온도 구배는 도 3의 발열체와 같이 발열체의 상부 선 폭(W1)을 하부 선 폭(W2)보다 상대적으로 좁게 설정함으로써 부여할 수 있다. 발열체의 수평 방향 온도 구배는 도가니 하나의 측부에 해당하는 구간내에서 좌, 우측부 선 폭(W3, W4)을 중앙부 선 폭 (W5)보다 상대적으로 좁게 설정함으로써 부여할 수 있다. 즉, 도 3의 발열체가 수평 방향으로 연결된 형태로 형성될 수 있다.
두 번째 형태로서, 도 7에 도시한 바와 같이, 히터(415b)는 도가니 각각의 측부에 해당하는 구간(C1, C2)별로 수직과 수평 방향의 위치에 따라 그 두께를 달리하여 온도 구배를 부여한다. 발열체의 수직 방향 온도 구배는 도 4의 발열체와 같이 발열체의 상부 두께(T1)를 하부 두께(T2)보다 상대적으로 얇게 서렁함으로써 부여할 수 있다. 발열체의 수평 방향 온도 구배는 도가니 하나의 측부에 해당하는 구간내에서 좌, 우측부 두께(T1, T3)를 중앙부 두께(T4)보다 상대적으로 얇게 설정함으로써 부여할 수 있다. 즉, 도 4의 발열체가 수평 방향으로 연결된 형태로 형성될 수 있다.
상술한 히터의 2개 형태에 의하여 도가니 내부에 배치된 시드 결정의 위치를 중심으로 시드 결정과 가까울수록 발열량이 작게 형성됨으로써 단결정의 성장 안정성을 높일 수 있다. 또한, 히터는 상술한 2개 형태 이외에 수직, 수평 방향으로 온도 구배를 부여할 수 있는 것이라면 어떠한 형태라도 가능하다.
3. 제3 실시예
본 발명의 제3 실시예는 제1 실시예와 대비하여 중간히터를 부가적으로 구비한다는 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 8, 도 9를 참고하여 설명한다.
히터(400)는 외곽히터(410) 및 중간히터(420)를 포함하여 구성될 수 있다.
중간히터(420)는 도가니(300)의 길이방향으로 구비되며, 폭 방향으로 인접한 두 도가니(300) 사이마다 각각 분리되어 2개가 배치된다.
도면에 도시하지는 않았지만, 히터는 도가니의 폭 방향으로 배치되는 외곽히터 및 중간히터 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
4. 제4 실시예
본 발명의 제4 실시예는 제2 실시예와 대비하여 중간히터를 부가적으로 구비한다는 차이가 있다. 이하에서는 제2 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제2 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 10을 참고하여 설명한다.
히터(400)는 외곽히터(415) 및 중간히터(425)를 포함하여 구성될 수 있다.
외곽히터(415)는 도가니군의 양측면 전체에 각각 하나씩 배치된다.
중간히터(420)는 도가니(300)의 길이방향으로 구비되며, 폭 방향으로 인접한 두 도가니(300) 사이 전체에 하나가 배치된다.
도면에 도시하지는 않았지만, 히터는 도가니의 폭 방향으로 배치되는 외곽히터 및 중간히터 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
5. 제5 실시예
본 발명의 제5 실시예는 제1 실시예와 대비하여 도가니의 배치 구조와 히터의 배치에 있어 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 11을 참고하여 설명한다.
도가니군은 도가니(300)의 폭 방향의 개수를 행으로 하고, 길이방향의 개수를 열로 할 때, 2X3 행렬 형태로 배치된다.
히터(400)는 외곽히터(410) 및 중간히터(420)를 포함하여 구성될 수 있다.
외곽히터(415)는 도가니군의 양측면 전체에 각각 하나씩 배치된다.
중간히터(420)는 도가니(300)의 길이방향으로 구비되며, 폭 방향으로 인접한 두 도가니(300) 사이마다 각각 분리되어 4개가 배치된다.
도면에 도시하지는 않았지만, 히터는 도가니의 폭 방향으로 배치되는 외곽히터 및 중간히터 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
6. 제6 실시예
본 발명의 제6 실시예는 제3 실시예와 대비하여 히터의 구조에 있어 차이가 있다. 이하에서는 제3 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제3 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 12를 참고하여 설명한다.
히터(400)는 외곽히터(410)와 중간히터(420) 중 적어도 어느 하나를 수직 방향으로 2단 이상 분리된 복수의 히터부로 구성할 수 있다. 복수의 히터부로 구성되는 것은 단일 히터로 구성된 것에 비하여 각 히터부를 각각 제어할 수 있어 온도 구배를 크게 할 수 있음은 물론 그 제어가 용이하다. 따라서 수직 방향으로의 높이가 큰 도가니를 사용하여 대구경 사파이어 결정을 성장시킬 수 있다.
외곽히터(410)를 구성하는 복수의 히터부는 상, 하부 히터부(411, 412)로 이루어지고, 상, 하부 히터부(411, 412)의 전열면적을 서로 다르게 구비할 수 있다. 상부 히터부(411)의 전열면적을 하부 히터부(412)의 전열면적보다 작게 함으로써 히터(400)의 최고 발열 위치를 상승시킬 수 있다. 이는 하부 시딩법에 의해 도가니(300) 하부에 배치되는 시드 결정(310)과 최고 발열 위치를 최대한 이격시켜 도가니(300)에 적절한 온도 구배를 부여할 수 있다.
중간히터(420)를 구성하는 복수의 히터부는 상술한 외곽히터(410)와 동일하게 상, 하부 히터부(421, 422)로 이루어질 수 있다.
한편, 복수의 히터부 각각의 발열량을 제어하여 상하로 분리된 히터부의 경계에서 온도 역전을 방지하도록 상부 히터부의 하단 발열량이 하부 히터부의 상단 발열량보다 크게 각각의 히터부를 제어할 수 있다.
상술한 히터는 외곽히터와 중간히터 둘 다 수직 방향으로 분리된 복수의 히터부로 구성되었으나, 외곽히터 또는 중간히터 중 어느 하나가 복수의 히터부로 단독 구성될 수도 있다.
7. 제7 실시예
본 발명의 제7 실시예는 제1 실시예와 대비하여 반사판을 부가적으로 구성한다는 점에서 차이가 있다. 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 생략하며, 제1 실시예와 차이를 가지는 구성요소를 중심으로 도 13을 참고하여 설명한다.
반사판(700)은 상부 반사판(710) 및 하부 반사판(720) 중 적어도 어느 하나가 설치되어 히터(400)로부터 방사되는 복사에너지를 도가니(300)로 반사시킨다. 이러한 반사판(700)은 도가니(300)와 마찬가지로 알루미나 용융 온도인 2050℃에서도 녹지 않는 텅스텐이나 몰리브덴, 이리듐, 레늄 중 어느 하나 또는 2종 이상의 합금으로 이루어지거나, 이러한 금속 또는 합금이 코팅된 소재 등으로 형성될 수 있다.
상부 반사판(710)은 도가니군 상부에 구비되며, 히터(400) 상단 내측에 구비되는 것이 바람직하다.
하부 반사판(720)은 도가니군 하부에 구비되며, 히터(400) 하단 내측에 구비되는 것이 바람직하다. 도가니(300)의 하부에는 챔버(100) 외부로 인출되는 냉각로드(500)가 구비되어 있으므로, 하부 반사판(720)은 승하강되는 냉각로드(500)와 간섭이 발생되지 않도록 홀이 형성될 수 있다. 이와 같이 도가니군과 이격된 상, 하부 반사판은 복사에너지의 반사량을 도가니에 집중시켜 도가니 내부 원료의 용융 속도를 높일 수 있게 된다.
이러한 반사판(700)의 형태는 도가니(300)를 향하여 오목하게 형성될 수 있다.
도면에 도시하지는 않았지만, 반사판은 도가니군 상, 하부에 수평 방향으로 구비되거나, 도가니를 향하여 양측이 경사지도록 구비될 수도 있다.
또한, 도면에 도시하지는 않았지만, 반사판 구동부를 구비하여 상, 하부 반사판 중 적어도 어느 하나가 승하강되도록 구동시킬 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 시드 결정이 도가니 내부의 상부에 배치되는 상부 시딩법의 경우, 사파이어 단결정은 시드 결정을 중심으로 성장되므로 시드 결정이 배치된 도가니 상부의 온도를 가장 낮게 설정하고 시드 결정과 멀어질수록 온도가 높아지도록 온도 구배를 부여하는 것이 바람직하다. 따라서 발열체의 수직 방향 온도 구배는 상술한 제1 실시예와 반대로 발열체의 상부 온도가 하부에 비하여 낮게 조절된다. 각 히터부 발열체의 위치에 따라 온도 구배를 부여하기 위해서는 제1 실시예와 마찬가지로 시드 결정과 가까울수록 폭과 두께 중 적어도 어느 하나를 상대적으로 크게 하여 발열량을 작게 할 수 있다.
이때, 히터 제어부는 하부 히터부의 상단 발열량이 상부 히터부의 하단 발열량보다 크게 각각의 히터부를 제어할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 중심으로 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 특허 청구 범위에 기재된 기술적 사상을 중심으로 그 변형물 또는 균등물에까지 미침은 자명하다 할 것이다.
100 : 챔버
200 : 단열재
300 : 도가니군
310 : 시드 결정
400 : 히터
410 : 외곽히터
420 : 중간히터
500 : 냉각로드
600 : 냉각로드 구동부
700 : 반사판

Claims (18)

  1. 내부 공간을 갖는 챔버;
    상기 챔버 내부에 배치되는 단열재;
    상기 단열재 내부에 배치되어 원료가 장입되고, 길이방향 또는 폭 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 복수개의 도가니가 인접하여 배치되는 도가니군;
    상기 도가니의 길이방향 또는 폭 방향 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 원료를 용융시키는 복수의 히터; 및
    상기 도가니 각각의 하부에 각각 구비되는 복수의 냉각로드; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 히터는, 상기 복수개의 도가니 각각에 동일한 열량을 공급하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 히터는, 상기 도가니군의 길이방향 외곽에 배치되는 2 이상의 외곽히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 외곽히터 중 어느 하나는, 상기 각각의 도가니 측부에 분리되어 배치되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 외곽히터는, 지그재그 형태의 발열체로 이루어지고,
    상기 발열체는, 수직 방향 또는 수직과 수평 방향으로 온도 구배를 부여하도록 위치에 따라 그 폭과 두께 중 적어도 어느 하나를 달리 하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 발열체는, 상기 도가니 내부에 배치된 시드(Seed) 결정과 가까울수록 발열량이 적게 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 외곽히터 중 어느 하나는, 2 이상의 도가니 측부에 배치되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 외곽히터는, 지그재그 형태의 발열체로 이루어지고,
    상기 발열체는, 상기 각각의 도가니 측부에 해당하는 구간별로 수직 방향 또는 수직과 수평 방향으로 온도 구배를 부여하도록 위치에 따라 그 폭과 두께 중 적어도 어느 하나를 달리 하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 발열체는, 상기 도가니 내부에 배치된 시드(Seed) 결정과 가까울수록 발열량이 적게 형성된 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 히터는, 인접하여 배치된 도가니 사이에 구비되는 1 이상의 중간히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 히터는, 수직 방향으로 2단 이상 분리된 복수의 히터부로 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 도가니군 상부와 하부 중 적어도 어느 하나에 상기 히터로부터 방사되는 복사에너지를 상기 도가니로 반사시키는 1 이상의 반사판; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 냉각로드는, 상기 도가니군을 이루는 각 도가니가 상기 히터로부터 제공받는 열량에 따라 냉각성능을 달리 하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 복수의 냉각로드는, 상기 도가니와의 접촉면적을 달리하거나, 열전달계수가 다른 냉각유체를 사용하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각로드를 승하강시켜 상기 도가니 하부면과 접촉 또는 분리되도록 구동시키는 1 이상의 냉각로드 구동부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 냉각로드 구동부는, 상기 냉각로드 각각을 개별적으로 구동시키는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 냉각로드 구동부는, 길이방향 또는 폭 방향으로 인접하게 배치된 복수의 냉각로드를 동시에 구동시키는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 냉각로드 구동부는, 상기 냉각로드 전체를 동시에 구동시키는 것을 특징으로 하는 단결정 성장장치.
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