KR20170116541A - 도가니 재사용이 가능하고 수율을 향상시킨 사파이어 잉곳 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도가니의 내부에 사파이어 단결정 씨드와 원료를 장입하고, 상기 도가니를 가열하며 상기 단결정 씨드를 냉각봉으로 냉각시키는 열교환법을 이용한 사파이어 잉곳 제조방법에 있어서,
도가니에 원료를 장입하고 상기 도가니를 가열하여 장입된 원료가 용융되도록 하며 상기 단결정 시드를 상기 냉각봉으로 냉각하여 단결정 시드의 크기를 일정 범위에서 제어하되, 히터를 통해서 공급되는 열량이 상기 냉각봉을 통해서 25~30% 유출되도록 하는 사파이어 잉곳 제조 방법을 제공한다.

Description

도가니 재사용이 가능하고 수율을 향상시킨 사파이어 잉곳 제조 방법 {SINGLE CRYSTAL SAPHIRE INGOT GRWOING METHOD USING REUSABLE CRUCIBLE}

본 발명은 사파이어 잉곳 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 도가니를 반복 사용할 수 있도록 하고, 수율을 향상시킬 수 사파이어 잉곳 제조 방법에 관한 것이다.

사파이어는 알루미늄(Al)과 산소(O)가 결합한 형태의 화합물인 알루미나(Al₂O₃)가 2050℃ 이상의 온도에서 녹은 후 응고되는 과정에서 육각형 격자 형태의 결정구조를 가지고 한 방향으로 응고된 상태로 단결정화된 물질이다.

고휘도의 청색 또는 백색 LED 소자에 사용되는 사파이어 단결정 기판은 LED 산업의 기초 소재이다. 친환경이고 에너지 절감형 광원으로 미래 융합산업에 최적의 광원으로 부상하고 있는 LED(Light-Emitting Diode) 시장이 고속으로 성장함에 따라 수요가 급증하고 있다. 이로 인해 최근 사파이어 단결정 잉곳 성장과 관련한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다.

사파이어 단결정은 베르누이법(Verneuil Method), 초크랄스키법(Czochralski Method), EFG법(Edge-defined Film-Fed Growth Method), 브리지맨법(Bridgeman Method), 키로푸로스법(Kyropoulos Method), 열교환법(HEM Method), VGF법(Vertical Gradient Freeze Method), VHGF법(Vertical-Horizontal Gradient Freeze Method)등 다양한 방법으로 제조가 가능하다.

특히, 상기 방법들 중, 수직 브리지맨법(Bridgeman Method), 열교환법(HEM Method), VGF법의 경우 고온으로 가열된 도가니의 하부를 냉각 수단을 이용하여 냉각시키는 방법에 의하여, 수직 방향의 온도 구배를 형성하여 사파이어 단결정을 성장시키는 방법이다.

관련선행문헌으로는 미국 등록 특허 제 3,898,051호가 있다.

종래의 열교환법(HEM법)에 사용되는 사파이어 단결정 성장 장치는 도가니와, 도가니 내부의 단결정 성장을 위한 시드(Seed)와, 도가니 측면부에 위치한 히터와, 도가니 내부의 시드를 헬륨가스 또는 냉각수에 의하여 냉각시키는 냉각봉을 포함하는 구조를 가진다.

본 발명의 목적은 열교환법을 이용한 사파이어 잉곳 제조방법에 있어서 도가니를 반복 사용할 수 있는 사파이어 잉곳 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 사파이어 잉곳 제조 시 결함 발생을 억제하여 수율을 향상시킬 수 있는 사파이어 잉곳 제조방법을 제공함에 있다.

본 발명은, 도가니 내부에 사파이어 단결정 시드와 원료를 장입하고 상기 도가니를 가열하여 장입된 원료가 용융되도록 하되, 상기 단결정 시드의 직경이 초기 직경의 70% 이상을 유지하도록 하는 가열 용융 단계; 상기 단결정 시드를 냉각봉을 이용하여 냉각하여, 상기 단결정 시드로부터 단결정이 성장되도록 하는 단결정 성장 단계; 및 상기 도가니 내부의 온도 및 상기 냉각봉의 냉매 유량을 조절하여 성장이 완료된 사파이어 잉곳의 응력을 완화하는 열처리 단계;를 포함하는 사파이어 잉곳 제조 방법을 제공한다.

상기 가열 용융 단계는 상기 단결정 시드의 두께는 초기 두께의 50% 이상을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 단결정 성장 단계는 상기 도가니로 공급되는 열량 중 상기 냉각봉으로 유출되는 열량의 비율을 제어하는 것이 바람직하며, 상기 냉각봉으로 유출되는 열량의 비율을 25~30% 범위로 제어하면 더욱 바람직하다.

상기 열처리 단계는 상기 냉각봉을 통해 공급되는 냉매의 유량을 일정하게 유지하며 냉각하는 1차 열처리 단계와, 상기 1차 열처리 단계 이후에 상기 냉각봉을 통해 공급되는 냉매의 유량을 감소시키며 냉각하는 2차 열처리 단계를 포함한다.

이 때, 상기 2차 열처리 단계가 도가니 내부의 온도가 2000도 이하에서 시작되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 2차 열처리 단계의 냉각 속도가 상기 1차 열처리 단계의 냉각 속도보다 상대적으로 느린 것이 바람직하다.

보다 구체적으로는, 상기 1차 열처리 단계의 냉각 속도는 2℃/h 이하이며, 상기 2차 열처리 단계의 냉각 속도는 냉각 속도는 1℃/h 이하인 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 상기 사파이어 잉곳 제조 방법은, 바닥면의 두께가 25~50mm 이고, 측면의 두께가 10~40mm 인 도가니를 이용하여, 사파이어 단결정 성장 후 성장이 완료된 사파이어 잉곳을 도가니에서 분리하고, 도가니를 재 사용할 수 있도록 하는 효과를 가져온다.

본 발명에 따른 사파이어 잉곳 제조 방법은 사파이어 단결정 시드의 크기를 일정한 범위에서 제어함으로써 제조되는 사파이어 단결정 잉곳의 품질을 향상시키는 효과를 가져온다.

본 발명에 따른 사파이어 잉곳 제조 방법은 사파이어 잉곳의 수축시 도가니가 변형되지 않고, 응고가 완료된 사파이어 잉곳을 도가니로부터 용이하게 분리할 수 있도록 함으로써, 도가니를 반복적으로 사용할 수 있는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명에 따른 사파이어 잉곳 제조 방법은 사파이어 단결정 성장시의 히트 플럭스(heat flux)를 제어하는 것으로 공정 재현율을 향상시키고 수율을 향상시키는 효과를 가져온다.

도 1은 사파이어 잉곳 제조 방법에 사용되는 일반적인 1회용 도가니를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 사파이어 잉곳 제조 방법에 사용되는 반복사용 도가니를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사파이어 잉곳 제조 방법에 적용되는 도가니의 일예를 나타낸 단면도이다.
도 4는 종래의 1회용 도가니(박형 도가니)를 이용한 사파이어 잉곳 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 재사용 가능한 도가니를 이용한 사파이어 잉곳 제조 공정을 나타낸 단면도이다.
도 6은 사파이어 잉곳 성장 과정에서 도가니 주변의 히트 플럭스(heat flux)를 나타낸 도면이다.
도 7은 박형 도가니의 냉각봉 주변에서의 히트 플럭스를 수치해석을 이용하여 살펴본 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 재사용이 가능한 도가니의 냉각봉 주변에서의 히트 플럭스를 수치해석을 이용하여 살펴본 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 박형 도가니의 히트 플럭스를 수치해석을 이용하여 살펴본 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 재사용이 가능한 도가니의 히트 플럭스를 수치해석을 이용하여 살펴본 결과를 나타낸 도면이다.
도 11은 일반적인 단결정 성장 완료 후의 열처리 단계에서의 냉각봉의 유량 변화와 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 사파이어 잉곳 제조 방법의 열처리 단계에서의 냉각봉의 유량 변화와 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 도 11에 도시된 바와 같은 종래의 열처리 단계를 수행한 후 사파이어 단결정 내부의 응력 분포를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 12에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 열처리 단계를 수행한 후 사파이어 단결정 내부의 응력 분포를 나타낸 도면이다.

본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 사파이어 잉곳 제조 방법에 사용되는 일반적인 1회용 도가니를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 사파이어 제조 방법에 사용되는 반복사용(재사용 가능) 도가니를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같은 1회용 도가니(10)는 1mm 전후 두께를 가지며, 몰리브뎀(Mo) 재질로 제작한다. 이러한 1회용 도가니(10)는 사파이어 잉곳 제조 공정이 2000℃ 이상의 고온에서 이루어짐으로 인해서 열적으로 수축과 팽창에 따른 변형이 발생하게 되어 1회 사용 후에는 변형으로 인하여 재사용이 불가능한 단점을 가지고 있었다. 다시말해 사파이어 잉곳을 제조할 때 마다 도가니가 소비되어야 하므로, 소비되는 도가니가 원가 상승의 요인이 되고 있었다.

도가니의 재사용이 불가능한 또 다른 이유는 용융 상태의 알루미나가 단결정으로 성장하면서 수축하게 되는데, 이 때 고온에서 용융된 알루미나와 접촉하는 얇은 도가니 내벽이 사파이어 잉곳의 성장이 끝난 후 사파이어 잉곳의 표면과 접착되어 쉽게 분리가 이루어지지 않는다. 사파이어 잉곳과 도가니의 분리가 쉽게 이루어지지 않으면 사파이어 잉곳을 분리할 때 도가니의 손상이 불가피하기 때문이다.

도 2에 도시한 바와 같이 반복사용 가능한 도가니(20)는 두께를 두껍게 하여 도가니 측벽의 강도를 향상시킴으로써, 사파이어 잉곳의 수축시에 도가니(20)의 측벽이 사파이어 잉곳의 수축시에 함께 변형되지 않고 초기의 형상을 유지하도록 함으로써 도가니(20)를 반복 사용할 수 있도록 한 것이다.

사파이어와 도가니 재질의 열팽창율 차이로 인하여, 용융된 사파이어가 응고 되면 사파이어 잉곳의 외경의 도가니의 내경 보다 작아지게 된다.

그런데, 도 1에 도시한 바와 같이 박형의 도가니(10)를 사용할 경우 냉각 봉을 중심으로 열교환이 주로 이루어져 사파이어 성장 공정의 제어가 비교적 쉽고 간편하나, 도 2에 도시한 바와 같이 도가니(20)의 두께가 증가하게 되면 냉각봉 에서 열교환이 이루어질 뿐만 아니라, 높은 열전도도를 가지는 도가니 바닥 및 측벽을 통해서 이루어지는 열교환량이 많아지기 때문에 결정 성장을 위한 제어가 어려워지는 문제점이 발생한다. 따라서, 고품질 사파이어 생산의 재현성 확보가 어렵고 결국, 전체 생산 수율이 낮은 문제점을 가지고 있었다.

또한, 도가니의 두께를 증가시키게 되면 박형 도가니를 사용하는 종래의 공정과는 도가니 내부의 온도분포가 달라지게 되어, 사파이어 단결정의 성장 과정에서 사파이어 단결정의 위 아래의 온도차가 급격하게 변화하게 되어, 크랙 발생율(crack rate)가 증가하여 생산성이 저하되는 문제점을 가져온다.

또한, 도가니의 두께가 전체적으로 두꺼워지게 되면 도가니 내부의 온도 분포 및 용융 속도(melt velocity)가 달라지게 되어, 냉각봉 부분에서의 열교환 양상이 변화하게 되고, 이는 용융 상태에서 고체화로 결정 성장이 완료된 후 사파이어 단결정 내부의 온도차를 더욱 증가시켜 결정 크랙 발생 확률을 증가시키는 요인이 된다.

본 발명은 사파이어 잉곳 제조 공정에서 변형이 발생하지 않는 도가니를 이용하되, 공정 재현율을 향상시킬 수 있는 사파이어 잉곳 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 사파이어 잉곳 제조 방법에 적용되는 도가니의 일예를 나타낸 단면도이다.

도시된 바와 같이, 도가니(100)는 원통 형상의 사파이어 단결정을 제조하기 위한 것으로, 원통 형상의 수용공간을 구비하는 형상을 가진다.

도가니(100)는 바닥면(110)과 측면(120)이 일체로 연결된 형태이다. 바닥면(110)의 중앙부(110a)는 단결정 시드가 부착되어야 하고, 냉각봉과 접촉이 이루어져야 하기 때문에 평평하게 형성된다.

중앙부(110a)의 직경은 단결정 시드의 직경보다는 커야 하지만, 직경이 너무 커지는 경우 하중에 의한 변형에 취약하기 때문에, 중앙부(110a)의 직경은 100~150mm 범위인 것이 바람직하다.

중앙부(110a)의 두께는 하중 지지를 위한 강도 확보를 위해 25mm 이상인 것이 바람직하다. 그러나 중앙부(110a)의 두께가 과도하게 두꺼울 경우 불필요하게 도가니의 무게와 재료비가 증가하기 때문에 50mm 이하의 두께로 하는 것이 바람직하다.

측면(120)은 도시한 바와 같이 상부로 갈수록 두께가 얇아지는 형태이다. 이는 측면(120)의 하부가 측면(120)의 상부에 비하여 지지해야 할 하중이 크기 때문이다.

측면(120)의 하부 두께(t1)는 20mm 이상, 측면(120)의 상부 두께(t2)는 10mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.

불필요한 무게 증가 및 원가 상승을 방지하기 위해서는 측면(120)의 하부 두께는 40mm 이하, 측면(120)의 상부 두께는 20mm 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 측면(120)은 원료가 장입되는 내측면과 히터와 마주하는 외측면으로 구분할 수 있다. 측면(120)의 외측면은 히터와 마주하는 면으로 히터와 외측면의 거리가 일정하게 하기 위하여, 외측면은 수직으로 형성되는 것이 바람직하다.

히터와 도가니 외측면의 거리가 달라지게 되면, 히터와 근접한 부분이 다른 부분보다 상대적으로 많이 가열되어 측면의 온도 편차가 증가하게 되고, 이로인해 도가니 손상이 발생하거나 사파이어 결정 성장에 방해가 될 수 있다.

측면(120)의 내측면은 성장이 완료된 사파이어 단결정(잉곳)의 추출을 용이하게 하기 위하여, 상부로 갈수록 내경이 넓어지도록 테이퍼 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 내측면의 테이퍼각은 1~5도 범위인 것이 바람직하다.

내측면이 수직으로 형성되면, 사파이어 단결정 성장 과정에서 도가니의 열 변형에 의해 상부 내경이 하부에 비해 작아질 수 있으며, 이 경우 사파이어 단결정을 도가니에서 분리하기 어려워 질 수 있다.

반대로, 내측면의 테이퍼 각이 5도를 초과하게 되면, 외측면이 수직인 상태에서 내측면의 테이퍼 각도가 증가해야 하므로, 측면의 전체적인 두께가 증가하게 하므로 도가니의 무게와 원가가 상승하게 된다.

본 발명은 열교환법을 이용한 사파이어 잉곳 제조 방법에 관한 것으로, 도가니 내부에 사파이어 단결정 시드와 원료를 장입하고 상기 도가니를 가열하여 장입된 원료가 용융되도록 하되, 상기 단결정 시드의 직경이 초기 직경의 70% 이상을 유지하도록 하는 가열 용융 단계와, 상기 단결정 시드를 냉각봉을 이용하여 냉각하여, 상기 단결정 시드로부터 단결정이 성장되도록 하는 단결정 성장 단계와, 상기 도가니 내부의 온도 및 상기 냉각봉의 냉매 유량을 조절하여 성장이 완료된 사파이어 잉곳의 응력을 완화하는 열처리 단계를 포함하는 사파이어 잉곳 제조 방법을 제공한다.

먼저, 도 4와 도 5를 참조하여 가열 용융 단계에 관하여 살펴본다.

도 4는 종래의 1회용 도가니(박형 도가니)를 이용한 사파이어 잉곳 제조 방법에 있어서 가열 용융 단계를 나타낸 단면도이다.

가열 용융 단계는 단결정 시드와 원료를 도가니에 장입하고, 단결정 시드는 일정 크기를 유지하도록 하고 원료가 용융되도록 하는 공정이다.

가열 용융 단계에서, 특히 단결정 시드가 일정 크기를 유지할 수 있도록 하는 공정을 시딩(seeding) 공정이라 한다.

시딩 공정은 결정의 최종 품질 및 크랙을 결정하는 가장 중요한 공정이다.

원통 형상의 단결정 시드(50)를 도가니(10)의 중앙 바닥면에 부착을 하고 원료 물질인 알루미나를 채운 후, 히터를 이용하여 도가니를 가열하여 2000℃ 이상의 고온이 되면, 단결정 시드(50)는 용융이 진행되고, 이 때 용융되지 않은 단결정 시드의 직경(m1)이 일정 범위 이내로 조절되어야만 고품질의 사파이어 단결정을 얻을 수 있다.

냉각봉(120)은 단결정 시드(50)가 용융되지 않도록 하는 냉각하는 역할을 수행한다.

종래의 박형의 도가니를 이용하는 경우, 단결정 시드의 직경(m1) 조절은 도가니(10)를 가열하는 히터의 출력을 조절함으로써, 도가니의 온도를 제어하는 방법을 사용하였다.

예를 들어, 1mm 두께의 도가니를 이용하는 경우, 도가니의 온도를 ±5℃ 이내로 조절하는 것으로, 단결정 시드의 직경을 원하는 크기로 제어할 수 있었다.

도 5는 본 발명에 따른 재사용 가능한 도가니를 이용한 사파이어 잉곳 제조 방법에 있어서 가열 용융 단계를 나타낸 단면도이다.

본 발명에 따른 사파이어 잉곳 제조 방법은 재사용이 가능한 도가니(100)를 이용하는 것으로, 재사용이 가능한 도가니(100)는 상대적으로 두꺼운 두께를 가진다.

그런데, 도가니(100)의 두께가 증가하게 되면 도가니(100) 내부의 온도 분포가 박형의 도가니를 사용할 때 보다 균일해 지게 되고, 따라서 단결정 시드(50)의 직경(m2)이 온도에 더 민감하게 된다.

예를 들어, 평균두께가 30mm 인 도가니를 사용하여, 단결정 시드의 직경을 제어하기 위해서는 도가니의 온도를 ±2℃ 범위 내에서 제어해야 한다.

온도 제어가 ±2℃ 범위를 벗어나게 되면 단결정 시드(50)의 직경을 제어하지 못하여 사파이어 잉곳의 품질이 저하되는 문제를 가져온다.

사파이어 잉곳의 품질을 확보하기 위해서는 단결정 시드(20)의 직경은 초기 직경의 70% 이상을 유지하도록 하는 것이 바람직하며, 단결정 시드(20)의 직경이 초기 직경의 72~80% 범위를 유지하도록 하면 더욱 바람직하다.

가열 용융 단계에서 단결정 시드(20)의 직경이 초기 직경이 72% 미만으로 감소하게 되면, 단결정 시드의 크기가 너무 작아서 단결정 성장 단계의 속도 저하 또는 결정 품질 저하의 가능성이 높아진다.

반대로 단결정 시드(20)의 직경을 초기 직경의 80% 초과로 유지하기 위해서는 냉각봉을 통한 냉각 용량이 증대되어야 하므로, 장치의 원가 및 제조 원가의 측면에서 바람직하지 않다.

또한, 단결정 시드(20)의 두께는 초기 두께의 50% 이상을 유지하도록 하는 것이 바람직하며, 초기 두께의 55~85% 범위를 유지하도록 하면 더욱 바람직하다.

예를 들어, 단결정 시드의 크기가 직경이 84mm, 두께 40mm인 경우라면, 가열 용융 단계에서 단결정 시드의 직경은 약 60~67mm 범위, 두께는 22~34mm 범위를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 2000℃ 이상의 고온에서 도가니의 온도를 ±2℃ 범위 이내로 제어하는 매우 어려워서 공정 재현율이 떨어지게 된다.

본 발명은 단결정 시드(50)의 직경을 도가니의 온도로 제어할 뿐만 아니라, 냉각봉에 공급되는 냉매의 유량으로 제어하는 방법을 제공한다.

도 6은 사파이어 잉곳 성장과정에서 도가니 주변의 히트 플럭스(heat flux)를 나타낸 도면이다.

먼저 사파이어 잉곳 성장장치의 구조에 관해서 살펴본다.

사파이어 잉곳 성장장치는 밀폐된 공간을 제공하는 챔버(300)와, 상기 챔버의 내부에서 도가니 수용공간을 구획하는 프레임(310)과, 상기 도가니 수용공간에 배치되는 도가니(100)와, 상기 도가니(100)의 외측에 배치되는 히터(200)와, 상기 도가니(100)의 바닥의 단결정 시드를 냉각하는 냉각봉(120)과, 상기 도가니(100) 주변을 감싸는 단열재(320)를 포함한다.

시딩 공정에 있어서, 히터(200)에서 도가니(100)로 전달되는 열량을 A, 도가니의 상부로 유출되는 열량을 B, 도가니의 바닥면으로 배출되는 열량을 C, 냉각봉을 통해 유출되는 열량을 D라고 하면, 열평형 상태에서 도가니(100)로 유입되는 열량과 도가니(100)에서 유출되는 열량은 동일하게 되므로, A=B+C+D가 된다.

한편, 도가니(100)의 두께가 달라지게 되면, B,C,D의 비율이 달라지게 되는데, B,C,D의 비율에 따라 결정 크랙 발생 확률일 달라지는 경향이 확인되었다.

일반적인 일회용 도가니를 알려진 공정 조건을 적용하였을 때의 각 부분으로 유출되는 열량의 비율과, 본 발명에 따른 재사용이 가능한 도가니를 사용하여 일회용 도가니와 동일한 공정 조건을 적용하였을 때의 각 부분으로 유출되는 열량의 비율은 아래의 표1에 나타낸 바와 같았다.

또한, 각 공정을 통해서 성장된 사파이어 잉곳의 크랙 발생율과 수율을 나타내었다.

표 1의 결과를 살펴보면, 두꺼운 두께의 도가니를 사용한 경우 크랙 발생 확률이 증가하고, 수율이 감소한 것을 확인할 수 있다.

도가니의 재사용을 위하여 단순히 도가니의 두께를 증가시키는 경우 수율이 감소하게 되어 오히려 원가가 상승하게 되므로, 도가니의 두께 증가에 따라 공정 제어를 달리해야 한다.

도가니 두께 증가에 따른 수율 변화가 도가니 내부로 전달되는 열전달 형태의 변화로 인한 것이다. 도가니의 두께가 증가하게 되면 도가니를 타고 전달되는 열전도가 증가하기 때문이다.

다음으로, 열교환봉으로 공급되는 냉매의 유량을 조절하며, 각 부분으로 유출되는 열량의 비율과 크랙 발생율 및 수율을 측정한 결과는 아래의 표2에 나타낸 바와 같다.

표 2의 결과를 살펴보면, 냉각봉으로 유출되는 열량의 비율(D)을 25~30% 범위로 하는 경우, 크랙 발생율이 감소하여 수율이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 27±1% 인 경우 수율이 최대인 것을 확인할 수 있다.

따라서, 단결정 성장 단계에 잇어서, 냉각봉으로 유출되는 열량의 비율을 25~30% 범위로 제어하는 것이 바람직하며, 27±1% 범위로 제어하면 더욱 바람직하다.

도 7은 박형 도가니의 냉각봉 주변의 히트 플럭스를 수치해석을 사용하여 살펴본 결과를 나타낸 것이고, 도 8은 본 발명에 따른 재사용이 가능한 도가니의 냉각봉 주변의 히트 플럭스를 수치해석을 사용하여 살펴본 결과를 나타낸 것이다.

냉각봉과 단결정 시드 주변의 열전달을 살펴보면, 도 7의 박형 도가니의 경우 냉각봉으로 유출되는 열이 대부분 단결정 시드를 통과하는 것을 볼 수 있다. 이는 냉각봉에 의한 냉각효과가 단결정 시드에 집중되는 것을 의미한다.

그러나, 도 8의 재사용이 가능한 상대적으로 두꺼운 두께의 도가니의 경우에는 단결정 시드를 통과하는 열보다 도가니를 타고 측면에서 들어온 열이 더 많이 냉각봉으로 유출되는 것을 확인할 수 있다. 이는 냉각봉에 의한 냉각효과가 단결정 시드에 집중되지 못하는 것을 의미한다. 이러한 차이 때문에, 두꺼운 도가니에서 단결정 시드를 적당한 크기로 녹지 않게 조절하는 것이 더 어려워지는 것이다.

다음으로, 도가니 전체에서의 열전달을 살펴본다.

도 9는 박형 도가니의 히트 플럭스를 수치해석을 사용하여 살펴본 결과를 나타낸 것이고, 도 10은 본 발명에 따른 재사용이 가능한 도가니의 히트 플럭스를 수치해석을 사용하여 살펴본 결과를 나타낸 것이다.

도가니 전체의 열전달을 살펴보면, 도 9의 박형 도가니의 경우 도가니 측면에서 유입된 열이 대부분 용융된 사파이어로 전달되는 것을 볼 수 있다. 반면에 도 10의 두꺼운 도가니의 경우 도가니의 측면에서 유입된 열이 용융된 사파이어로 전달되기는 하나 상당한 양의 열이 도가니 측면을 타고 바닥면으로 전달되는 것을 확인할 수 있다.

이러한 열전달 경로의 차이로 인하여, 전체적인 도가니 내부의 온도 분포가 변화하게 되고, 특히 도가니 내부에서의 온도 편차(최대온도와 최소온도의 차이)가 크게 변화하게 된다.

두꺼운 도가니를 사용하는 경우 박형 도가니에 비해 열전달이 더 잘 이루어지기 때문에 두꺼운 도가니의 경우 내부의 온도 편차가 줄어들게 되어 최대 온도가 낮아지게 된다. 왜냐하면 최소온도는 도가니 하부의 사파이어 결정과 용융 사파이어의 경계 온도가 사파이어의 융점인 2323K로 고정되기 때문에 최소온도는 일정한 값을 유지하기 때문이다.

정리하면, 도가니 두께는 도가니 내부의 온도 분포에 영향을 주게 되어, 결정 품질 및 크랙 발생 등 결정 성장 품질에 큰 영향을 미치게 된다.

한편, 사파이어 단결정 성장 완료후의 열처리 단계도 결정 크랙 발생 및 품질에 매우 큰 영향을 주게 된다.

도 11는 일반적인 단결정 성장 완료후의 열처리 단계에서의 냉각봉의 유량 변화와 온도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 12은 본 발명에 따른 사파이어 잉곳 제조 방법의 열처리 단계에서의 냉각봉의 유량 변화와 온도 변화를 나타낸 그래프이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 종래의 열처리 단계는 온도가 일정한 기울기를 가지도록 히터의 출력을 조절하면서, 냉각 시작과 동시에 냉각봉으로 공급되는 냉매의 유량을 일정한 속도로 감소시키는 방법을 사용하였다.

본 발명은 도 12에 도시된 바와 같이, 열처리 단계를 2단으로 수행하되 2000℃ 이상의 고온 구간에서는 냉각봉의 유량을 유지하여 결정 내부의 온도차가 급격하게 커지는 것을 방지함으로써 결정 내부의 응력을 감소시키는 것을 특징으로 한다.

다시 말해, 사파이어 단결정 성장 완료 후 1차 열처리 단계에서는 냉각봉의 냉매의 유량을 단결정 성장시와 동일하게 유지하다가, 2차 열처리 단계에서부터 냉각봉의 냉매의 유량을 감소시키는 것이다.

이 때, 2차 열처리 단계의 시작은 2000℃ 이하로 하는 것이 바람직하다.

또한, 1차 열처리 단계에서의 냉각 속도는 2℃/hour 이하의 속도가 되도록 하는 것이 바람직하고, 2차 열처리 단계에서의 냉각 속도는 1℃/hour 이하의 속도가 되도록 하는 것이 바람직하다.

도 13는 도 11에 도시된 바와 같은 종래의 열처리 단계를 수행한 후 사파이어 단결정 내부의 응력 분포를 나타낸 것이고, 도 14은 도 12에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 열처리 단계을 수행한 후 사파이어 단결정 내부의 응력 분포를 나타낸 것이다.

도 13과 도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 열처리 단계를 수행한 경우 사파이어 단결정 내부의 응력이 감소한 것을 확인할 수 있으며, 이 때 응력의 최소값을 비교하였을 때, 1.94*10⁵ 와 1.49*10⁴ 로 약 10배 이상의 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.

이러한 응력의 감소는 사파이어 단결정의 품질 향상 및 크랙 발생 비율을 감소시키는 효과를 가져온다.

한편, 본 발명은 도가니를 반복적으로 사용할 수 있도록 하기 위하여, 상대적으로 두꺼운 두께의 도가니를 사용하는 것인데, 도가니에서 사파이어 잉곳을 성장시켜 분리 한 후 재사용하기 이전에, 도가니의 내면을 전처리한 후 재사용하도록 하는 것이 바람직하다.

전처리는 도가니 내면을 그라인더를 이용하여 표면가공을 하거나, 화학적으로 처리하여 표면을 처리할 수 있다.

도가니 내면의 표면처리를 통해 도가니 내면에 남아있는 불순물을 제거할 수 있으며, 도가니 내면의 표면 조도를 낮춰 용융 사파이어와의 반응이 억제되도록 하는 것이 바람직하다.

전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 도가니
120 : 냉각봉
200 : 히터
300 : 챔버
310 : 프레임
320 : 단열재

Claims (11)

1. 도가니 내부에 사파이어 단결정 시드와 원료를 장입하고 상기 도가니를 가열하여 장입된 원료가 용융되도록 하되, 상기 단결정 시드의 직경이 초기 직경의 70% 이상을 유지하도록 하는 가열 용융 단계;
   상기 단결정 시드를 냉각봉을 이용하여 냉각하여, 상기 단결정 시드로부터 단결정이 성장되도록 하는 단결정 성장 단계; 및
   상기 도가니 내부의 온도 및 상기 냉각봉의 냉매 유량을 조절하여 성장이 완료된 사파이어 잉곳의 응력을 완화하는 열처리 단계;를 포함하는 사파이어 잉곳 제조 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열 용융 단계는
   상기 단결정 시드의 두께는 초기 두께의 50% 이상을 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 제조 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열 용융 단계는
   상기 단결정 시드의 용융이 시작된 이후에
   상기 단결정 시드의 직경이 초기 직경의 72~80% 범위를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 제조 방법.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 가열 용융 단계는
   상기 단결정 시드의 용융이 시작된 이후에
   상기 단결정 시드의 두께가 초기 두께의 55~85% 범위를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 제조 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 단결정 성장 단계는
   상기 도가니로 공급되는 열량 중 상기 냉각봉으로 유출되는 열량의 비율을 제어하는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 제조 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 단결정 성장 단계는
   상기 냉각봉으로 유출되는 열량의 비율을 25~30% 범위로 제어하는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 제조 방법.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 열처리 단계는
   상기 냉각봉을 통해 공급되는 냉매의 유량을 일정하게 유지하며 냉각하는 1차 열처리 단계와,
   상기 1차 열처리 단계 이후에 상기 냉각봉을 통해 공급되는 냉매의 유량을 감소시키며 냉각하는 2차 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 제조 방법.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 열처리 단계는
   상기 2차 열처리 단계가 도가니 내부의 온도가 2000도 이하에서 시작되는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 제조 방법.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 열처리 단계는
   상기 2차 열처리 단계의 냉각 속도가 상기 1차 열처리 단계의 냉각 속도보다 상대적으로 느린 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 제조 방법.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 열처리 단계는
    상기 1차 열처리 단계의 냉각 속도는 2℃/h 이하이며, 상기 2차 열처리 단계의 냉각 속도는 냉각 속도는 1℃/h 이하인 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 제조 방법.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 사파이어 잉곳 제조 방법은
    바닥면의 두께가 25~50mm 이고, 측면의 두께가 10~40mm 인 도가니를 이용하여, 사파이어 단결정 성장 후 성장이 완료된 사파이어 잉곳을 도가니에서 분리하고, 도가니를 재 사용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 사파이어 잉곳 제조 방법.

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