KR20200046467A - 사파이어 단결정 성장장치 및 성장방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 메인히터와 별도로 냉각판을 둘러싸는 보조히터를 구비하고 도가니로부터 냉각판으로 빠져나가는 열유속(열량)을 보조히터를 제어함에 의해 시딩 공정에서 잔류 시드의 크기와 결정성장의 속도를 정밀하고 쉽게 제어할 수 있는 사파이어 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것이다.
상기 사파이어 단결정 성장장치는 챔버 내부에 배치되어 챔버 내부를 단열하는 내화물; 상기 내화물의 내부에 배치되며 바닥에 사파이어 단결정 시드와 사파이어 원료가 순차적으로 장입되고 사파이어 단결정의 성장이 이루어지는 도가니; 상기 도가니의 외부를 둘러싸도록 내화물 내부에 배치되어 핫 존(hot zone)의 온도를 승온시키며 도가니 내부에 수직 및 수평방향 온도구배를 형성하도록 발열이 이루어지는 메인히터; 상기 도가니의 바닥과 접촉하는 냉각판을 구비하고 도가니 바닥을 냉각하는 냉각유닛; 및 상기 냉각판을 둘러싸도록 설치되는 보조히터;를 포함하며, 상기 보조히터는 도가니로부터 냉각판을 통해 빠져나가는 열유속을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

사파이어 단결정 성장장치 및 성장방법{APPARATUS AND METHOD FOR GROWING SAPPHIRE SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 메인히터와 별도로 냉각판을 둘러싸는 보조히터를 구비하고 도가니로부터 냉각판으로 빠져나가는 열유속(열량)을 보조히터를 제어함에 의해 시딩 공정에서 잔류 시드의 크기와 결정성장의 속도를 정밀하고 쉽게 제어할 수 있는 사파이어 단결정 성장장치 및 성장방법에 관한 것이다.

사파이어 단결정은 알루미늄(Al)과 산소(O)가 결합된 형태의 화합물인 알루미나(Al₂O₃)를 일정 온도에서 용융 후 응고되는 과정에서 HCP(육방정) 계통(Hexagonal system)의 결정구조를 가지고 한 방향으로 응고된 물질이다.

사파이어 단결정은 다이아몬드 다음의 경도를 지닌 소재로서, 내마모성, 내식성이 쿼츠와 비교해 약 10배 높고 절연특성, 빛 투과성이 우수하여 합성보석, 시계유리 뿐만 아니라 IT용, 산업용, 군사용, LED용 기판 등과 같은 첨단소재 분야에도 광범위하게 사용되고 있다. 특히, IT 기기의 터치 스크린(touch window)용 소재로 각광받고 있으며, 군사용 적외선 탐지 미사일 및 전투기, 탐색기 등의 윈도우용 소재로 사용되고 있다.

사파이어 단결정 성장법은 크게 시드(Seed)를 도가니 위쪽에 두고 아랫방향으로 결정을 성장시키는 상부 시딩법(upper seeding method)과 시드를 도가니 내부 바닥에 두고 위쪽으로 성장시키는 하부 시딩법(lower seeding method)으로 나눌 수 있다.

상부 시딩법에는 Czochralski, Kyropoulos, EFG법 등이 있다.

우선, Czochralski법은 고순도 알루미나(Al₂O₃)를 이리듐 도가니에 넣고 용융시킨 후 시드(Seed)를 용액에 넣었다가 회전시키면서 인상하여 성장시키는 성장방법이다. 결정의 직경 조절이 자유롭고 길이가 길어 생산성이 높다는 장점이 있기 때문에 실리콘과 같은 반도체 단결정 성장에 가장 널리 이용되고 있다.

그러나, Czochralski법은 세라믹 결정과 같이 취성이 큰 결정의 육성에서는 높은 온도 구배로 인해 균열이 발생하기 쉬우며, 이로 인해 육성 가능한 결정의 직경에 큰 제한이 있을 뿐 아니라 전위와 같은 결정 내 결함이 높은 단점이 있다.

Kyropoulos법은 알루미나 재료를 용융시킨 후 시드(Seed)를 용액 위에 접촉시키고 용액의 온도를 서서히 낮추면서 성장시키는 성장방법이다.

이러한 Kyropoulos법은 회전과 인상의 움직임이 없어 Czochralski법에 비해 낮은 결함밀도를 가지며 대형의 잉곳을 성장시킬 수 있다는 장점이 있지만, 결정의 크기와 형태의 제어가 어려워 LED 기판용으로 사용시 잉곳 대비 기판의 수율이 낮은 단점이 있다.

EFG법은 알루미나 재료를 용융시켜 판상의 모세관을 통하여 올라오는 용융액의 위에 시드(Seed)를 접촉시킨 후 서서히 인상하며 판상의 잉곳을 성장시켜 얇은 판상이나 복잡한 단면의 결정을 효과적으로 육성시킬 수 있는 방법이다.

그러나, EFG법은 결정표면에 많은 기포가 형성되는 것을 피하기 어려워 표면의 50% 가량을 그라인딩 등의 방법으로 제거해야 할 필요가 있어 생산성이 높지 않다.

하부 시딩법에는 HEM(Heat Exchange Method)법, VHGF(Vertical Horizontal Gradient Freezing)법 등이 있다.

HEM법은 도가니 바닥에 시드(Seed)를 고정시키고 알루미나 재료를 충진한 후 챔버 내부의 온도를 서서히 하강시키면서 결정을 성장시키는 방법이다.

이러한 HEM법은 낮은 결함밀도와 대형 잉곳 성장이 가능하다는 장점이 있으나 성장된 결정의 직경 대 길이비가 1:1 이하로 제한되며, 단면적이 큰 대형결정을 육성시키는 경우에는 결정의 성장시간이 지나치게 길어 생산성이 떨어지는 단점이 있다.

VHGF법은 도가니 바닥에 시드(Seed)를 고정시키고 도가니 내부에 알루미나 재료를 담아 용융시킨 후 챔버 내부의 수직 및 수평방향의 온도분포를 조절하여 히트 싱크(Heat sink) 방향으로부터 방향성 있는 응고를 진행하여 결정을 성장시키는 방법이다.

이러한 VHGF법은 결함밀도가 낮고 수직 수평방향으로 동시에 온도구배를 부가하여 결정의 형상에 대한 제한을 없애고 성장시간을 대폭 단축시킬 수 있다.

종래의 사파이어 단결정 성장장치는 한국 공개특허공보 제10-2011-0027593호(특허문헌 1)에 개시되고, 성장로 내부에 사파이어 잉곳을 성장시키는 도가니가 배치되며, 도가니의 주변에 히터가 설치된다.

특허문헌 1에서는 사파이어 종자 결정과 원료를 수용하고 있는 도가니를 핫 존의 아래쪽 부분에서 위쪽 부분으로 이동한 후, 원료와 사파이어 종자 결정의 위쪽 부분이 용융되면, 도가니의 상향 이동을 정지한다. 다음에, 도가니가 느린 속도로 하향 이동시키는 동작에 의해 원료와 사파이어 종자 결정의 융액이 점차적으로 결정화되어 남아 있는 사파이어 종자 결정의 결정면을 따라 퇴적시킨다.

그러나, 특허문헌 1의 사파이어 단결정 성장방법은 수직 브리지맨법(일방향 응고법)에 따라 이루어지는 것으로, 사파이어 종자 결정은 도가니 내에 배치되고, 사파이어 종자 결정의 c-면은 수평화되고, 융액은 c-축 방향을 따라 성장되는 것이므로, 이로 인해 육성 가능한 결정의 직경에 큰 제한이 있을 뿐 아니라 결정 내 결함이 높은 단점이 있다.

최근 사파이어의 응용 범위가 넓어지면서 6인치 이상의 대구경 사파이어를 필요로 하고 있는데, 대구경의 사파이어 잉곳을 제조하기 위해서는 도가니뿐만 아니라 히터의 크기 또한 필연적으로 커져야 한다.

또한, VHGF법에 기초한 사파이어 단결정 성장시에 상하방향의 수직 온도구배 및 좌우방향의 수평 온도구배를 부여하는 것은 고품질의 사파이어 단결정을 성장시키는 중요한 인자로 작용한다.

즉, 상하방향 온도구배가 적을 경우 잉곳 성장시 잉곳 내부의 기포를 고액계면에서 액체 측으로 부상시키지 못하고 응고시켜 기포 결함 등을 발생시킨다. 이러한 기포 결함은 성장속도를 감소시켜 제거하는 방법이 있으나, 이 경우 성장 시간 증가에 따른 원가 상승을 발생시키며, 성장시간 증가는 도가니 변형을 증가시키는 문제를 수반한다. 또한 냉각 단계에서 잔류응력이 증가하여 크랙이 발생하는 문제도 발생한다.

따라서, 대구경화 단결정 성장은 큰 온도 구배를 조성하면서도 성장 안정성을 갖추는 것이 절대적으로 필요하다.

또한, 사파이어 단결정 성장시킬 때 고품질의 단결정 성장을 위해서는 시딩(seeding) 공정시에 도가니 바닥에 장입된 장입 시드를 부분 용융시켜 미리 설정된 크기와 원하는 형상의 잔류 시드가 얻어질 때 단결정 성장을 진행하여야 한다.

단결정의 품질은 잔류 시드의 크기에 매우 민감하기 때문에 잔류 시드의 크기 제어가 고품질 사파이어 성장 기술의 핵심이다.

시드가 위치한 도가니 바닥은 냉각판에 의해 냉각되기 때문에 도가니의 다른 위치에 비해 온도가 낮다. 따라서, 메인히터 하나만을 사용하는 성장장치인 경우는 시딩(seeding) 공정에서 메인히터의 최고 온도가 증가되어야 한다.

그 결과, 메인히터의 최고 온도 상승은 소모 전력 상승으로 인해 생산 원가를 증가시키며, 히터와 내화물의 열화를 초래하여 수명을 단축시킨다. 또한, 메인히터의 최고 온도 상승은 도가니의 변형을 증가시키며, 온도 증가에 따른 크리프 한도 감소가 일어난다.

더욱이, 메인히터만으로 잔류 시드 제어를 하면 잔류 시드 크기의 재현성이 떨어지며, 메인히터만으로는 단결정의 성장 속도 제어가 어렵다.

한국 공개특허공보 제10-2011-0025716호(특허문헌 2)에는 퍼니스 내부에 사파이어 스크랩이 용융되고, 종자결정으로부터 단결정이 성장되는 도가니를 구비하고, 도가니 외부에 사파이어 스크랩을 용융시키기 위한 발열체가 배치되며, 종자결정의 완전 용융을 방지하기 위해 도가니의 바닥에 냉각수단이 설치된 사파이어 단결정 성장장치로서, 도가니의 수평방향 온도를 균일하게 하기 위하여, 도가니의 외부에 배치되는 발열체가 다수로 분할되어 있으며, 각각 독립적으로 작동되는 사파이어 단결정 성장장치가 개시되어 있다.

특허문헌 2 또한, 발열체 히터 하나를 분할하여 각각 분할 영역을 가열하며, 냉각수단은 단지 종자결정의 완전 용융을 방지하기 위해 사용하는 것이므로, 발열체 히터만을 가지고 도가니 바닥에 배치된 종자 결정(시드)에 대한 잔류 시드의 크기 제어가 어렵고 발열체를 높은 최고 온도로 동작시켜야 하므로 상기한 다양한 문제가 발생할 수 있다.

: 한국 공개특허공보 제10-2011-0027593호 : 한국 공개특허공보 제10-2011-0025716호

본 발명자는 하부 시딩 방식의 사파이어 단결정 성장장치인 경우 도가니 바닥에 냉각판이 설치되므로 도가니 하부의 에너지(열량)는 냉각판을 통해 하부로 빠져나가는데 도가니 하부의 온도를 효과적으로 제어할 수 있는 방법이 필요하다는 점을 인식하고 본 발명을 안출하게 되었다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 고려하여 안출된 것으로, 그 목적은 핫 존(hot zone)의 온도를 상승시키는 메인히터와 별도로 냉각판을 둘러싸는 보조히터를 구비하고 도가니로부터 냉각판을 통해 빠져나가는 열유속을 보조히터로 제어함에 의해 시딩 공정에서 잔류 시드의 크기와 결정성장의 속도를 정밀하고 쉽게 제어할 수 있는 하부 시딩 방식의 사파이어 단결정 성장장치 및 성장방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 보조히터의 사용으로 시딩 공정에서 메인히터의 최고 온도를 낮춤에 따라 소모전력를 감소시키며, 히터와 내화물의 열화를 감소시켜 수명을 증가시킬 수 있고, 도가니 변형을 감소시켜 사고 위험을 줄일 수 있는 사파이어 단결정 성장장치 및 성장방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 VHGF법에 기초한 사파이어 단결정 성장시에 메인히터를 구성하는 지그재그형 저항 히터의 두께는 일정하고 선폭과 간격만을 조절하여 도가니에 수평방향 온도구배와 수직방향 온도구배를 동시에 부여할 수 있는 사파이어 단결정 성장장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 잔류 시드의 곡률과 높이를 최적화함에 의해 결함이 결정 내부로 전파되는 것을 억제할 수 있는 사파이어 단결정 성장장치 및 성장방법을 제공하는 데 있다

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 사파이어 단결정 성장장치는 챔버 내부에 배치되어 챔버 내부를 단열하는 내화물; 상기 내화물의 내부에 배치되며 바닥에 사파이어 단결정 시드와 사파이어 원료가 순차적으로 장입되고 사파이어 단결정의 성장이 이루어지는 도가니; 상기 도가니의 외부를 둘러싸도록 내화물 내부에 배치되어 핫 존(hot zone)의 온도를 승온시키며 도가니 내부에 수직 및 수평방향 온도구배를 형성하도록 발열이 이루어지는 메인히터; 상기 도가니의 바닥과 접촉하는 냉각판을 구비하고 도가니 바닥을 냉각하는 냉각유닛; 및 상기 냉각판을 둘러싸도록 설치되는 보조히터;를 포함하며, 상기 보조히터는 도가니로부터 냉각판을 통해 빠져나가는 열유속을 제어하는 것을 특징으로 한다.

장입된 사파이어 원료의 용융을 위한 핫 존의 승온과 사파이어 단결정 시드의 시딩(seeding) 공정을 위해 상기 메인히터는 최고 온도로 설정되고, 상기 보조히터는 사파이어 단결정 시드로부터 미리 설정된 크기의 잔류 시드가 얻어질 때까지 최고 출력 상태를 유지할 수 있다.

또한, 상기 도가니는 직사각형 형태의 바닥부를 구비하고, 상기 사파이어 단결정 시드는 직사각형 바 형태로 이루어지며, 상기 잔류 시드의 윗면은 길이 방향으로 곡률을 가지며, 곡률반경은 200mm~500mm 범위로 설정될 수 있다.

상기 잔류 시드의 높이(h)/단결정 시드의 높이(H)는 h/H > 1/3을 만족하도록 설정될 수 있다.

상기 제1 및 제2 도가니는 각각 직사각형 형태의 바닥부; 상기 바닥부와 연결되는 4 면 중 길이가 긴 전면 및 후면에 연결되고 외측방향으로 벌어지도록 경사지게 형성되는 한쌍의 P면부; 및 상기 바닥부와 연결되는 4 면 중 양쪽 측면에 직각방향으로 연결되고 P면부의 가장자리에 연결되며, 사다리꼴 형태로 형성되는 한쌍의 C면부;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 바닥부와 P면부 사이의 각도는 리니지 결함이 전파되는 계면 각도보다 크게 형성되고, 상기 한쌍의 P면부는 각각 사파이어 단결정 잉곳의 직경이 6인치 이상일 때 적어도 하나의 절곡부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 메인히터의 최대 온도로부터 감소 없이 보조히터의 출력 감소만으로 단결정 성장을 진행시킬 수 있다.

상기 도가니는 챔버 내부에 배치되는 적어도 하나의 도가니 또는 제1도가니 및 제2도가니를 포함하며, 상기 히터는 제1도가니 및 제2도가니의 전방 및 후방에 배치되고 제1전극봉 및 제2전극봉이 각각 연결되는 제1P면 히터 및 제2P면 히터와, 상기 제1도가니의 측면에 배치되고 제1P면 히터 및 제2P면 히터의 일측 가장자리와 연결부재에 의해 전기적으로 연결되는 제1C면 히터와, 상기 제2도가니의 측면에 배치되고 제1P면 히터 및 제2P면 히터의 타측 가장자리와 연결부재에 의해 전기적으로 연결되는 제2C면 히터를 포함한다.

상기 제1P면 히터 및 제2P면 히터는 하부에 제1전극봉 및 제2전극봉이 연결되는 제1경로부와, 제1경로부에서 수직방향으로 연장되고 양쪽으로 분기되는 한쌍의 제2경로부와, 상기 한쌍의 제2경로부 각각의 상단에서 수평방향으로 연장되는 한쌍의 제3경로부와, 상기 한쌍의 제3경로부 각각에서 하측방향으로 연장되는 한쌍의 제4경로부를 포함하고, 상기 제1C면 히터와 제2C면 히터는 제1P면 히터 및 제2P면 히터와 연결되고 양쪽 가장자리에 위치되는 한쌍의 제5경로부와, 상기 한쌍의 제5경로부 각각의 상단에서 수평방향으로 연장되는 한쌍의 제6경로부와, 상기 한쌍의 제6경로부 각각의 끝부분에서 하측 수직방향으로 연장되는 한쌍의 제7경로부와, 상기 한쌍의 제7경로부 각각의 하단을 수평방향으로 연결하는 제8경로부를 포함할 수 있다.

상기 메인히터는 수직방향 온도구배를 부여하기 위하여, 제1경로부의 선폭(H1) 및 제8경로부의 선폭(H3)과 제3경로부의 선폭(H2) 및 제6경로부의 선폭(H4)을 다르게 형성하여 저항값의 차이에 의하여 발열량을 조절할 수 있다.

상기 메인히터는 제1경로부의 선폭(H1) 및 제8경로부의 선폭(H3)에 비해 제3경로부의 선폭(H2) 및 제6경로부의 선폭(H4)을 작게 하여 상부 발열을 증가시킬 수 있다.

상기 메인히터는 수평방향 온도구배를 부여하기 위하여, 제2경로부의 선폭(L1) 및 제7경로부의 선폭(L3)과 제4경로부의 선폭(L2) 및 제5경로부의 선폭(L4)을 다르게 형성할 수 있다.

상기 냉각유닛은 도가니의 하면에 직접 접촉되어 도가니를 냉각하는 냉각판과, 상기 냉각판의 하부에 설치되어 열을 배출하는 수냉식 냉각부를 포함할 수 있다. 상기 냉각판은 몰리브덴(Molybdenum) 또는 몰리브덴 합금 재질로 형성되고, 상기 냉각판의 상단에는 제1도가니와 접촉되는 제1접촉부와, 제2도가니와 접촉되는 제2접촉부가 각각 형성될 수 있다. 상기 수냉식 냉각부는 냉각수가 순환되는 냉각수 통로가 형성되는 구리 재질로 형성되고, 상기 냉각판이 직접 접촉되게 장착될 수 있다.

상기 보조히터는 냉각판의 전면 및 후면에 각각 배치되어 전원이 인가되면 발열되는 흑연 재질의 전면 및 후면 보조히터로 구성되며, 상기 전면 및 후면보조히터의 양쪽 끝부분이 고정되는 한쌍의 연결부재와, 상기 한쌍의 연결부재에 장착되어 전원을 인가하는 제3전극봉 및 제4전극봉을 더 포함할 수 있다. 상기 보조히터는 냉각판과 수냉식 냉각부를 통하여 도가니의 하부로 빠져나가는 열유속을 제어하는 밸브 역할을 하며, 시딩(seeding) 과정에서 도가니의 내부 바닥에 장착된 사파이어 단결정 시드의 잔류 시드의 크기를 조절할 수 있다.

상기 제1전극봉 및 제2전극봉은 도가니의 전후방향으로 일직선상에 배치되고, 상기 제3전극봉 및 제4전극봉은 도가니의 좌우방향으로 일직선상에 배치되며, 4개의 전극봉은 각각 90도의 간격으로 배치될 수 있다.

상기 챔버의 하부에 설치되어 도가니를 지지하는 도가니 지지유닛을 더 포함하고, 상기 도가니 지지유닛은 챔버의 하부에 설치되는 지지 플레이트와, 상기 지지플레이트에 높이 조절 가능하게 설치되어 도가니의 하면을 받쳐주는 받침부와, 상기 지지플레이트에 높이 조절 가능하게 설치되고 도가니의 측면을 지지하여 도가니가 기울어지는 것을 방지하는 기움 방지부를 포함할 수 있다.

상기 챔버 및 내화물에는 메인히터의 온도제어를 위해 파이로미터(Pyrometer)를 사용하여 온도를 측정하는 포트홀이 형성되고, 상기 내화물의 내면에는 상기 파이로미터(Pyrometer)의 온도측정 지점으로 사용되는 온도측정용 흑연판이 분리 가능하게 장착될 수 있다

상기 포트홀은 파이로미터(Pyrometer)의 초점선(Focal Line)(F)이 제1도가니 및 제2도가니 사이의 통로를 통과하도록 형성되고, 상기 온도측정용 흑연판은 포트홀과 마주보는 내화물 내면에 분리 가능하게 장착될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따른 사파이어 단결정 성장방법은 직사각형 형태의 바닥부를 구비하는 도가니, 상기 도가니에 수평방향 온도구배와 수직방향 온도구배를 동시에 부여하는 메인히터, 및 상기 도가니의 바닥과 접촉하는 냉각판을 둘러싸도록 설치된 보조히터를 구비하는 사파이어 단결정 성장장치를 이용한 사파이어 단결정 성장방법으로서, 상기 도가니의 바닥에 길이방향을 따라 막대형 사파이어 단결정 시드가 장착된 도가니 내부에 육성될 사파이어 재료를 장입하는 단계; 상기 메인히터를 최고 온도로 설정하여 도가니에 수평방향 온도구배와 수직방향 온도구배를 동시에 부여하여 장입된 사파이어 원료를 용융시키며 상기 사파이어 단결정 시드로부터 미리 설정된 크기의 잔류 시드가 얻어질 때까지 보조히터의 최고 출력 상태를 유지하는 승온 및 시딩 단계; 상기 메인히터의 온도 감소 없이 보조히터의 출력을 감소시킴에 의해 상기 잔류 시드로부터 사파이어 단결정 성장을 진행하는 단결정 성장 단계; 상기 단결정 성장이 완료된 후, 상기 보조히터를 발열시켜 성장 완료된 사파이어 단결정의 열응력을 감소시키는 어닐링 단계; 및 상기 어닐링 단계가 완료된 후, 상기 보조히터의 출력은 유지하면서 메인히터의 온도를 상온까지 냉각시키는 냉각단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따른 사파이어 단결정 성장방법은 직사각형 형태의 바닥부를 구비하는 도가니, 상기 도가니에 수평방향 온도구배와 수직방향 온도구배를 동시에 부여하는 메인히터, 및 상기 도가니의 바닥과 접촉하는 냉각판을 둘러싸도록 설치된 보조히터를 구비하는 사파이어 단결정 성장장치를 이용한 사파이어 단결정 성장방법으로서, 상기 도가니의 바닥에 길이방향을 따라 막대형 사파이어 단결정 시드가 장착된 도가니 내부에 육성될 사파이어 재료를 장입하는 단계; 상기 메인히터를 최고 온도로 설정하여 도가니에 수평방향 온도구배와 수직방향 온도구배를 동시에 부여하여 장입된 사파이어 원료를 용융시키며 상기 사파이어 단결정 시드로부터 미리 설정된 크기의 잔류 시드가 얻어질 때까지 보조히터의 최고 출력 상태를 유지하는 승온 및 시딩 단계; 상기 메인히터의 최고 온도와 보조히터의 최고 출력을 동시에 서서히 감소시킴에 의해 상기 잔류 시드로부터 사파이어 단결정 성장을 진행하는 단결정 성장 단계; 및 상기 단결정 성장이 완료된 후, 상기 메인히터의 온도를 상온까지 냉각시키는 냉각단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 사파이어 단결정 성장방법은 상기 단결정 성장이 완료된 후, 상기 보조히터를 발열시켜 성장 완료된 사파이어 단결정의 열응력을 감소시키는 어닐링 단계;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 사파이어 단결정 성장방법은 상기 보조히터의 출력을 제어함에 의해 사파이어 단결정 성장 속도를 제어할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 일 특징에 따르면, 본 발명은 2개의 도가니가 핫 존 내에 배치되고 메인히터가 2개의 도가니를 둘러싸며, 2개의 도가니 하부에는 냉각판이 공통 연결되어 있으며, 상기 냉각판을 둘러싸는 보조히터로 냉각판을 제어함에 따라 2개의 도가니를 이용하여 동시에 사파이어 단결정 성장을 진행하는 사파이어 단결정 성장장치를 제공한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 핫 존(hot zone)의 온도를 상승시키는 메인히터와 별도로 냉각판을 둘러싸는 보조히터를 구비하고, 도가니로부터 냉각판으로 빠져나가는 열유속(열량)을 보조히터로 제어함에 의해 시딩 공정에서 잔류 시드의 크기와 결정성장의 속도를 정밀하고 쉽게 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 보조히터의 사용으로 시딩 공정에서 메인히터의 최고 온도를 낮춤에 따라 소모전력를 감소시키며, 히터와 내화물의 열화를 감소시켜 수명을 증가시킬 수 있고, 도가니 변형을 감소시켜 사고 위험을 줄일 수 있다.

본 발명에서는 보조히터를 사용함에 따라 잔류 시드 크기의 재현성이 우수하고, 잔류 시드의 제어가 용이하다.

더욱이, 본 발명에서는 VHGF법에 기초한 사파이어 단결정 성장시에 메인히터를 구성하는 슬릿형 저항 히터의 두께는 일정하고 선폭과 간격만을 조절하여 도가니에 수평방향 온도구배와 수직방향 온도구배를 동시에 부여할 수 있다.

즉, 본 발명의 사파이어 단결정 성장장치의 메인히터는 히터의 두께를 조절하지 않고 상부와 하부의 히터의 선폭을 조절하여 수직방향 온도구배를 부여하고, 히터의 좌우방향 선폭을 조절하여 수평방향 온도구배를 부여하여 히터의 제작이 매우 쉽게 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서는 잔류 시드의 곡률과 높이를 최적화함에 의해 결함이 결정 내부로 전파되는 것을 억제할 수 있어, 단결정 품질이 우수한 사파이어 단결정을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사파이어 단결정 성장장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버 내부의 온도 측정방법을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 사파이어 단결정 성장장치의 메인히터의 사시도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 P면 히터의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 C면 히터의 평면도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유닛과 보조히터가 조립된 조립체의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각유닛과 보조히터가 조립된 조립체의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니 지지유닛을 나타낸 측면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 도가니를 사용할 때 C축 방향의 코어링되는 잉곳 제품과 스크랩 부분을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 사파이어 단결정 성장방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 사파이어 단결정 성장시에 잔류 시드의 형상을 제어하는 방법을 설명하기 위한 도가니 바닥 부분의 확대 단면도이다.
도 14는 보조히터의 유/무에 따른 단결정 성장곡선을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 15는 보조히터 유/무에 따른 시딩 공정에서 성장로에 대한 투입 전력을 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 16a 및 도 16b는 각각 동일한 전력을 투입할 때 보조히터를 사용하지 않는 경우와 보조히터를 사용하는 경우 성장된 단결정에 잔류 시드의 형성 여부를 나타내는 단면 사진이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

본 발명의 사파이어 단결정 성장은 VHGF(Vertical Horizontal Gradient Freezing)법의 잉곳 성장을 바탕으로 설명이 이루어지나, 하부 시딩법을 사용하는 HEM법 등의 다른 공법에도 사용 가능하다.

본 발명의 VHGF법에 따른 사파이어 단결정 성장은 도가니 바닥에 단결정 시드(Seed)를 고정시키고 도가니 내부에 사파이어 단결정의 원료인 알루미나 재료를 담아 용융시킨 후 도가니 내부의 수직 및 수평 방향의 온도구배를 유지하면서 도가니 바닥과 접촉하는 냉각판으로 빠져나가는 열유속을 보조히터로 제어하여 잔류 시드(seed)로부터 "A" 축 방향으로 방향성 있는 응고를 진행하여 결정을 성장시킨다.

첨부된 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사파이어 단결정 성장장치의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 사파이어 단결정 성장장치는 내부 공간을 갖는 챔버(10)와, 챔버(10) 내부에 배치되어 챔버(10) 내부를 단열하는 내화물(20)과, 내화물(20)의 내부에 배치되어 알루미나 원료가 투입되어 사파이어 단결정(60)의 성장이 이루어지는 도가니(30)와, 도가니(30)의 외부를 둘러싸도록 내화물(20) 내부에 배치되어 핫 존(hot zone)(12)의 온도를 승온시키며 도가니 내부의 전체적인 온도구배를 형성하도록 발열이 이루어지는 메인히터(40)와, 도가니(30) 하부와 접촉하는 냉각판(52)을 구비하고 도가니(30)의 온도를 조절하는 냉각유닛(50)과, 상기 냉각판(52)을 둘러싸도록 배치되어 도가니(30)로부터 냉각판(52)을 통해 빠져나가는 열유속을 제어하는 보조히터(82)를 포함하고 있다.

상기 챔버(10)는 사파이어 단결정(60)의 용융점(2050℃) 이하의 고온에서 내화물(20)로부터 방출되는 열에 의한 변형이 발생되지 않아야 하며, 진공 및 가스 분위기에서 사용이 가능하여야 한다.

따라서, 챔버(10)는 열에 의한 변형을 방지하기 위하여 냉매(냉각수, 가스 등)를 이용하여 챔버(10)를 냉각할 수 있도록 냉매가 흐르는 이중 챔버가 사용될 수 있다.

내화물(20)은 메인히터(40)에서 방출되는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열재 역할을 하는 것으로, 내화물(20)의 소재로는 텡스텐, 몰리브데늄, 카본 및 흑연계 펠트 등의 금속계 및 세라믹계 재질 등이 사용될 수 있다.

도가니(30)는 원료인 알루미나를 용융시킨 후 응고시켜 사파이어 단결정(60)을 성장시킬 때 알루미나 원료의 용융온도인 2050℃에서도 녹지 않을 수 있는 텅스텐이나 몰리브데늄, 이리듐 등의 금속재질로 형성된다.

도가니(30)는 핫 존(hot zone)(12) 내에 수직으로 세워지도록 배치되고, 도가니(30)의 내부 바닥에는 사파이어 단결정(60)을 성장시킬 수 있는 크기를 갖는 사파이어 단결정 시드(seed)(63)가 장착된다.

도가니(30)는 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 단결정 시드(63)가 장착되는 직사각형 형태의 바닥부(32)와, 바닥부(32)와 연결된 4면(변) 중 길이가 긴 전면 및 후면에 연결되고 바닥부(32)의 전면 및 후면과 동일한 길이를 갖고 외측방향으로 벌어지도록 경사지게 형성되는 한쌍의 P면부(34)와, 바닥부(32)의 4면(변) 중 길이가 짧은 양쪽 측면에 연결되고 바닥부(32)에서 직각방향으로 연결되고 양쪽 가장자리가 P면부(34)의 가장자리에 연결되도록 상측방향으로 갈수록 폭이 점차적으로 넓어지게 형성되는 한쌍의 C면부(36)를 포함한다.

상기 바닥부(32), P면부(34) 및 C면부(36)는 예를 들어, 몰리브데늄(Mo)으로 이루어진 평판으로 형성되고, 예를 들어, TIG(Tungsten Inert Gas Welding) 방식의 상호 용접에 의해 결합될 수 있다.

한쌍의 P면부(34)는 도 10에 도시된 바와 같이, 각각 직사각형 평판 형태로 형성되고 바닥부(32)에서 상측방향으로 갈수록 외측방향으로 벌어지는 경사 각도(θ)를 갖는다.

한쌍의 C면부(36)는 각각 사다리꼴 평판 형태이고, 상측방향으로 갈수록 그 폭이 점차적으로 넓어지게 형성된다.

이와 같이, 도가니(30)는 전체적인 모양이 하부는 내부 면적이 작고 상부는 내부 면적이 하부에 비해 넓어지게 형성되어 단결정 시드(63)의 사용량을 최소화할 수 있고, 사파이어 단결정(60)의 성장이 완료된 후 도 11과 같이 C축 방향으로 코어링을 실시하여 원봉 형태의 잉곳 제품(65)이 제조되므로 남겨지거나 버려지는 사파이어 스크랩(scrap)의 낭비를 최소화할 수 있다.

도가니가 직육면체 형태일 경우 C면을 따라 원봉 형태의 잉곳 제품을 코어링 가공할 때 사파이어 잉곳의 남겨지는 부분의 스크랩이 많아 낭비가 심한 문제가 있는 반면에, 본 발명에 따른 도가니(30)는 도 11에 도시된 바와 같이, C축을 따라 원봉 형태의 잉곳 제품(65)을 제조할 때 사파이어 잉곳(60)에서 남겨지는 부분(Q)의 스크랩을 최소화할 수 있어 원료의 낭비를 최소화할 수 있다.

그리고, 동일 시간동안 사파이어 잉곳을 성장시킬 때 기존의 직육면체 형태나 원통 형태의 도가니의 경우 동일한 직경 및 폭으로 성장시키기 때문에 시간이 오래 걸리지만, 본 발명에 따른 도가니(30)는 하부의 면적이 작고 상측방향으로 갈수록 면적이 점차적으로 커지는 구조이므로 사파이어 잉곳을 빨리 성장시킬 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.

단결정 시드에서 사파이어 잉곳(60)이 성장할 때, 리니지 결함의 전파는 고-액 계면과 도가니가 만나는 점에서 계면의 수직 방향으로 진행한다. 따라서, 직육면체 도가니를 사용하는 경우 고-액 계면과 도가니의 바닥부가 만나는 P면부 방향의 계면 각도로 리니지 결함의 전파가 이루어지고, 리니지 결함이 사파이어 잉곳의 외부로 전파될 경우 결정 내부는 리니지 결함이 없게 되나, 리니지 결함이 사파이어 잉곳의 내부로 전파될 경우 해당 위치에 불량이 발생되는 문제가 있다.

본 발명에서는 도 10과 같이 리니지 결함이 전파되는 계면 각도에 비해 바닥부(32)와 P면부(34)가 이루는 경사각도(θ)를 크게 설정하여 리니지 결합이 사파이어 잉곳 내부로 전파되는 것을 방지할 수 있어 사파이어 잉곳의 리니지 불량을 방지할 수 있다.

여기에서, 바닥부(32)와 P면부(34) 사이 경사각도(θ)는 10°≤θ<60°, 바람직하게는 30°≤θ<60°로 형성되는 것이 좋다.

상기와 같이, 리니지 결함의 전파는 고-액 계면(즉, 잔류 시드의 상부면)과 도가니가 만나는 점에서 계면의 수직 방향으로 진행되므로, 소직경용 도가니인 경우, 잔류 시드도 상대적으로 작게 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 6인치 미만의 소직경용 도가니인 경우, 바닥부(32)와 P면부(34) 사이 경사각도(θ)는 60°를 초과하며 70° 미만, 즉, 60°<θ<70°으로 설정하는 것이 바람직하다.

즉, 바닥부(32)와 P면부(34) 사이 경사각도(θ)는 리니지 결함이 전파되는 계면 각도보다 크게 설정하는 것이 필요하고 C축을 따라 코어링을 실시하여 원봉 형태의 잉곳 제품을 제조할 때 낭비를 최소화할 수 있다.

상기한 도가니(30)는 C면이 사다리꼴 형상으로 이루어져 있으며, 예를 들어, 4인치의 단결정 잉곳 제품(65)을 제조할 때 적합한 구조이다. 그러나, 단결정 잉곳의 직경 크기가 더 커지는 경우, 사다리꼴 도가니의 상단부 폭이 지나치게 길어지게 되므로 바람직하지 않다.

따라서, 4인치 이상 6인치의 단결정 잉곳 제품을 제조할 때는 1단의 절곡부를 갖는 챔퍼(chamfer)형으로 형상을 변경하여 도가니 상부의 길이가 너무 길어지는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

또한, 단결정 잉곳의 높이가 200mm 이상인 경우(즉, 8인치 잉곳 제품인 경우) 또는 도가니 두께가 두꺼워지는 경우 고온에서 Mo의 강도가 약해지기 때문에 절곡부(chamfer)의 응력 집중으로 인한 도가니 파손을 막기 위해 8인치 이상의 잉곳을 제조할 경우 2단 이상의 절곡부(chamfer)를 도입하는 것이 바람직하다.

도가니(30)는 사파이어 단결정 잉곳(65)의 수율을 높이도록 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)로 구성되어 하나의 시스템으로 두 개의 도가니에서 사파이어 단결정을 동시에 성장시킬 수 있다.

메인히터(40)의 상부에는 메인히터(40)에서 상부로 복사되는 열을 반사시키기 위한 반사판(190)이 설치된다. 즉, 내화물의 상부 내면에 반사판이 설치되어 메인히터(40)에서 발생되는 열이 반사하여 챔버의 상부로 열이 누수되는 것을 방지한다. 반사판(190)은 몰리브덴 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

메인히터(40)의 온도 제어를 위해 도 2에 도시된 바와 같이, 파이로미터(Pyrometer)(150)를 사용하여 온도를 측정한다. 챔버(10) 및 내화물(20)에는 파이로미터(Pyrometer)(150)를 사용하여 온도를 측정하기 위한 포트홀(170)이 형성된다.

파이로미터(Pyrometer)(150)는 그 특성상 측정하고자 하는 물체의 방사율(Emissivity)에 따라 측정값이 변하게 된다. 따라서, 흑연 재질의 메인히터(40)의 온도를 직접 측정하게 되면 성장공정에서 발생되는 이물질(가스, 흡착물 및 분진 등)로 인하여 메인히터(40)의 표면 방사율이 변하기 때문에 온도 측정에서 오차가 발생된다.

본 실시예에서는 이러한 온도측정 오차를 줄이기 위하여 내화물(20)의 내면에 온도 측정을 위해 별도로 온도측정용 흑연판(160)을 장착하여 파이로미터(Pyrometer)(150)의 온도 측정지점으로 사용된다.

흑연판(160)은 메인히터(40)에 비해 이물질이 적게 흡착되어 방사율이 일정하고, 메인히터(40)와 인접하여 응답성이 빠르고, 메인히터(40)에 비해 사이즈가 작고 교체가 용이하여 보다 정밀한 온도를 측정할 수 있다.

도가니(30)는 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)로 구성되고 상호 일정 간격을 두고 배치된다. 따라서, 포트홀(170)은 파이로미터(Pyrometer)(150)의 초점선(Focal Line)(F)이 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b) 사이의 통로(180)를 통과하도록 형성되고, 흑연판(160)은 포트홀(170)이 형성되는 부분의 반대쪽 내화물(40) 내면에 장착되어 파이로미터(150)에 의해 온도 측정이 이루어진다.

메인히터(40)는 도 3에 도시된 바와 같이, 흑연 재질 또는 흑연 화합물로 제조되는 지그재그형태의 저항 히터로 구성될 수 있다.

메인히터(40)는 전원이 연결되는 제1전극봉(62)과 연결되는 제1P면 히터(42)와, 제1P면 히터(42)와 마주보게 배치되고 제2전극봉(64)과 연결되는 제2P면 히터(44)와, 제1P면 히터(42) 및 제2P면 히터(44)의 가장자리에 연결되어 사각형 형태를 이루고 상호 마주보게 배치되는 제1C면 히터(46) 및 제2C면 히터(48)를 포함한다.

제1P면 히터(42)와 제1전극봉(62) 사이에는 제1P면 히터(42)에 고정되고 제1전극봉(62)이 연결되는 제1연결부재(52)가 설치되고, 제2P면 히터(44)와 제2전극봉(64) 사이에는 제2P면 히터(44)에 고정되고 제2전극봉(64)이 연결되는 제2연결부재(54)가 설치된다.

외부 전원과 연결되는 제1전극봉(62) 및 제2전극봉(64)은 구리 재질로 이루어져 있기 때문에 제1P면 히터(42) 및 제2P면 히터(44)에 직접 연결될 경우 메인히터(40)의 열에 의해 녹을 우려가 있다. 따라서, 제1P면 히터(42) 및 제2P면 히터(44)는 발열하지 않고 열에 강하면서 전기 연결이 가능한 제1연결부재(52) 및 제2연결부재(54)를 통하여 제1전극봉(62) 및 제2전극봉(64)을 연결하고, 제1전극봉(62) 및 제2전극봉(64)은 수냉 방식으로 냉각이 이루어질 수 있다.

제1P면 히터(42), 제1C면 히터(46), 제2P면 히터(44) 및 제2C면 히터(48) 사이는 각각 연결 부재(56)에 의해 직각으로 연결되어 전체적으로 사각형 형태를 이룬다.

제1P면 히터(42)와, 제2P면 히터(44)는 동일한 형상으로 형성되고, 제1C면 히터(46)와 제2C면 히터(48)가 동일한 형상으로 형성될 수 있다.

제1P면 히터(42) 및 제2P면 히터(44)는 도 4에 도시된 바와 같이, 두께가 동일한 평판 형태이고, 하부에 제1전극봉(62) 및 제2전극봉(64)이 연결되는 제1경로부(70)와, 제1경로부(70)에서 수직방향으로 연장되고 양쪽으로 분기되는 한쌍의 제2경로부(72)와, 한쌍의 제2경로부(72) 각각의 상단에서 수평방향으로 연장되는 한쌍의 제3경로부(74)와, 한쌍의 제3경로부(74) 각각에서 하측방향으로 연장되는 한쌍의 제4경로부(76)를 포함한다.

이와 같이, 제1P면 히터(42) 및 제2P면 히터(44)는 흑연재질로 지그재그 형태의 경로부를 형성하여 발열이 이루어진다. 상기 한쌍의 제2경로부(72) 사이와, 한쌍의 제2경로부(72)와 한쌍의 제4경로부(76) 사이에는 각각 미리 설정된 간격의 슬릿이 형성되어 있다.

그리고, 제1C면 히터(46)와 제2C면 히터(48)는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 제1P면 히터(42) 및 제2P면 히터(44)와 연결되고 양쪽 가장자리에 위치되는 한쌍의 제5경로부(80)와, 한쌍의 제5경로부(80) 각각의 상단에서 수평방향으로 연장되는 한쌍의 제6경로부(82)와, 한쌍의 제6경로부(82) 각각의 끝부분에서 하측 수직방향으로 연장되는 한쌍의 제7경로부(84)와, 한쌍의 제7경로부(84)의 하단을 수평방향으로 연결하는 제8경로부(86)를 포함한다.

제1C면 히터(46)와 제2C면 히터(48)는 흑연재질로 지그재그 형태의 경로부를 형성하여 발열이 이루어진다. 상기 한쌍의 제5경로부(80)와 한쌍의 제7경로부(84) 사이와, 한쌍의 제7경로부(84) 사이에는 각각 미리 설정된 간격의 슬릿이 형성되어 있다.

메인히터(40)는 알루미나 원료를 용융시키거나 용융된 알루미나 원료를 냉각시킬 때 수직방향과 수평방향의 온도 구배를 동시에 부여하도록 흑연 재질 또는 흑연 화합물로 제조된 저항 히터로서 두께가 동일한 평판 형태로 구성된다.

메인히터(40)에 수직방향 온도 구배를 부여하기 위하여, 제1경로부(70)의 선폭(H1) 및 제8경로부(86)의 선폭(H3)과 제3경로부(74)의 선폭(H2) 및 제6경로부(82)의 선폭(H4)을 다르게 하여 저항값의 차이에 의하여 발열량을 조절한다.

즉, 제1경로부(70)의 선폭(H1) 및 제8경로부(86)의 선폭(H3)에 비해 제3경로부(74)의 선폭(H2) 및 제6경로부(82)의 선폭(H4)이 작아질수록 상부 발열이 증가하고, 제1경로부(70)의 선폭(H1) 및 제8경로부(86)의 선폭(H3)이 제3경로부(74)의 선폭(H2) 및 제6경로부(82)의 선폭(H4)보다 커질수록 하부 발열이 증가한다.

본 실시예에 따른 메인히터(40)는 시드 결정이 위치된 부분을 기준으로 수직방향으로 점차적으로 온도가 높아지도록 온도 구배를 부여하기 위해 제1경로부(70)의 선폭(H1) 및 제8경로부(86)의 선폭(H3)에 비해 제3경로(74)부의 선폭(H2) 및 제6경로부(82)의 선폭(H4)이 작아지도록 하여 상부 발열을 증가시킨다.

그리고, 메인히터(40)에 수평방향 온도 구배를 부여하기 위하여 제2경로부(72)의 선폭(L1) 및 제7경로부(84)의 선폭(L3)과 제4경로부(76)의 선폭(L2) 및 제5경로부(80)의 선폭(L4)을 다르게 한다.

즉, 제2경로부(72)의 선폭(L1) 및 제7경로부(84)의 선폭(L3)에 비해 제4경로부(76)의 선폭(L2) 및 제5경로부(80)의 선폭(L4)이 작아질수록 도가니(30)의 모서리 발열이 증가하고, 제2경로부(72)의 선폭(L1) 및 제7경로부(84)의 선폭(L3)에 비해 제4경로부(76)의 선폭(L2) 및 제5경로부(80)의 선폭(L4)이 켜질수록 도가니 모서리의 발열이 감소하게 된다.

이와 같이, 본 실시예에서는 히터의 두께를 조절하지 않고 단지 흑연 재질의 히터의 선폭만을 조절하여 수직방향 온도구배와 수평방향 온도구배를 구현할 수 있어 히터의 제작이 매우 쉽게 이루어질 수 있으며, 고품질의 사파이어 잉곳을 제조할 수 있다.

냉각유닛(50)은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 도가니(30)의 하면에 직접 접촉되어 도가니(30)를 냉각하는 냉각판(52)과, 냉각판(52)의 하부에 설치되어 냉각판(52)을 냉각하는 수냉식으로 냉각하는 수냉식 냉각부(54)를 포함한다.

냉각판(52)은 도가니(30)와 직접 접촉되기 때문에 도가니(30)의 열에 의해 녹거나 손상되는 것을 방지할 수 있도록 강도가 높고 고온에 잘 견딜 수 있고 열전도가 우수한 몰리브덴(Molybdenum) 또는 몰리브덴 합금 재질로 형성될 수 있다.

냉각판(52)은 일정 두께를 갖는 평판 형태이고, 상단에는 제1도가니(30a)와 접촉되는 제1접촉부(52a)와, 제2도가니(30b)와 접촉되는 제2접촉부(52b)가 각각 형성된다. 즉, 두 개의 도가니가 한 쌍으로 구비될 경우 냉각판(52)의 상면에 제1접촉부(52a) 및 제2접촉부(52b)가 각각 형성되어 하나의 냉각판으로 두 개의 도가니를 냉각할 수 있도록 한다.

수냉식 냉각부(54)는 냉각수가 순환되는 냉각수 통로가 형성되는 구리 재질로 형성되고, 냉각판(52)의 하부에 장착되어 냉각판(52)을 냉각한다.

한편, 냉각판(52)에는 냉각판(52)을 둘러싸도록 설치되어 도가니(30)의 하부로부터 냉각판(52)을 통하여 빠져나가는 열유속을 제어하도록 냉각판(52)을 가열하는 서브 히터부(56)가 구비되어 있다.

상기 서브 히터부(56)는 냉각판(52)의 전면 및 후면에 각각 배치되어 전원이 인가되면 발열되는 한쌍의 보조히터(82)와, 한쌍의 보조히터(82)의 양쪽 끝부분을 상호 연결하는 한쌍의 연결부재(84)와, 한쌍의 연결부재(84)에 각각 장착되어 전원을 인가하는 제3전극봉(86) 및 제4전극봉(88)을 포함한다.

한쌍의 보조히터(82)는 흑연 재질이고, 지그재그형 패턴 형태로 형성되어 전원이 인가되면 발열되며 보조히터(82)에 투입되는 전류나 전력을 제어함에 의해 발열 온도를 조절할 수 있다.

보조히터(82)는 냉각판(52)과 수냉식 냉각부(54)를 통하여 도가니(30)의 하부로 빠져나가는 열유속을 제어하는 밸브 역할을 하며, 시딩(seeding) 과정에서 도가니(30)의 내부 바닥에 장착된 사파이어 단결정 시드(seed)(63)의 잔류 시드(63a)의 크기를 조절하며, 단결정 성장시에는 사파이어 단결정(60)의 결정 성장 속도를 조절하는 역할을 한다.

또한, 보조히터(82)는 냉각 공정에서 단결정 잉곳의 상하 온도차 감소로 냉각시간을 단축할 수 있게 하며, 보조히터(82)를 사용함에 따라 시딩 공정에서 메인히터(40)의 온도를 낮출 수 있어, 그 결과 히터와 내화물의 손상을 방지하며 전체적인 전력 소모를 감소시킬 수 있다.

연결부재(84)는 보조히터(82)의 열에 견딜 수 있고 전원 연결이 가능한 재질로 형성되고, 제3전극봉(86) 및 제4전극봉(88)은 구리재질이고 수냉식으로 냉각이 이루어질 수 있다.

여기에서, 제1전극봉(62) 및 제2전극봉(64)은 전후방향으로 일직선상에 배치되고, 제3전극봉(86) 및 제4전극봉(88)은 좌우방향으로 일직선상에 배치되며, 4개의 전극봉(62,64,86,88)은 각각 90도의 간격으로 배치된다.

챔버(10)의 하부에는 도 8에 도시된 바와 같이, 도가니(30)를 지지하는 도가니 지지유닛(110)이 설치되고, 도가니 지지유닛(110)은 챔버(10)의 하부에 배치되는 지지 플레이트(90)와, 지지 플레이트(90)에 높이 조절 가능하게 장착되고 도가니(30)의 하면을 받쳐주는 받침부(92)와, 지지 플레이트(90)의 가장자리에 높이 조절 가능하게 장착되어 도가니(30)의 양쪽 측면을 지지하여 도가니(30)가 기울어지는 것을 방지하는 기움 방지부(96)를 포함한다.

지지 플레이트(90)는 일정 두께를 갖는 흑연 재질로 형성되고 그 중앙에는 도가니(30)의 하면에 접촉되는 냉각판(52)이 통과하는 관통홀이 형성된다.

받침부(92)는 흑연 재질의 볼트 형태로 형성되어, 지지 플레이트(90)에 높이 조절 가능하게 나사 결합되고, 그 상면에는 도가니(30)의 하면에 접촉되어 도가니(30)의 탄화 방지하는 텅스텐 재질의 제1탄화방지부재(94)가 장착된다.

기움 방지부(96)는 지지 플레이트(90)의 양쪽 가장자리에 높이 조절 가능하도록 나사 결합되고 흑연재질로 형성되는 지지로드(120)와, 지지로드(120)의 상단에 장착되는 헤드부(122)와, 헤드부(122)에 장착되고 도가니(30)의 측면에 접촉되어 도가니(30)의 탄화를 방지하는 텅스텐 재질의 제2탄화방지부재(98)를 포함한다.

이와 같은 도가니 지지유닛(110)은 도가니(30)의 사이즈 및 높이에 따라 받침부(92) 및 기움 방지부(96)의 높이를 조절하여 지지할 수 있다.

이하에 도 12 내지 도 16b를 참고하여 본 발명에 따른 사파이어 단결정 성장장치의 사파이어 단결정 성장방법을 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 사파이어 단결정 성장장치는 내화물(20)의 내부에 적어도 하나의 도가니 또는 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)로 구성된 도가니(30)가 설치되어 있으며, 메인히터(40)와, 보조히터부(56) 및 냉각유닛(50)을 이용하여 사파이어 단결정 성장을 제어한다.

이 경우, 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)는 수냉식 냉각부(54)와 연결된 냉각판(52)에 동시에 접촉되어 있고, 냉각판(52)은 보조히터(82)에 의해 둘러싸여 있다. 보조히터(82)는 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)로부터 냉각판(52)과 수냉식 냉각부(54)를 통하여 도가니의 하부로 빠져나가는 열유속을 제어하는 밸브 역할을 한다.

즉, 보조히터(82)는 시딩(seeding) 과정에서 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)로부터 냉각판(52)과 수냉식 냉각부(54)를 통하여 도가니의 하부로 빠져나가는 열유속을 제어함에 의해 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)의 내부 바닥에 장착된 사파이어 단결정 시드(63)의 잔류 시드(63a)의 크기를 정밀하게 조절하는 역할과 냉각판(52)의 냉각능을 제어하여 사파이어 단결정의 성장속도를 제어하는 역할을 한다.

<승온 및 시딩 단계(S11)>

본 발명에 따른 사파이어 단결정 성장은 승온 및 시딩 단계(S11)에서 먼저 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)의 바닥에 단결정 시드(Seed)(63)를 고정시키고 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b) 내부에 알루미나 재료를 장입한 후, 메인히터(40)에 전력을 인가하여 핫 존(12) 내부에 수직 및 수평 방향의 온도구배가 이루어지도록 가열한다. 이 경우, 메인히터(40)의 수직 및 수평 방향의 온도구배는 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)로 전사가 이루어진다.

상기 단결정 시드(63)는 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)의 바닥부(32)가 직사각형으로 이루어진 점을 고려하여, 바닥부(32)를 따라 배치되는 막대형으로 이루어진다.

이때, 메인히터(40)를 미리 설정된 최고 온도, 예를 들어, 2150℃까지 승온시켜서 도가니에 장입된 알루미나 원료를 용융시키며, 메인히터(40)에 전력 인가와 동시에 보조히터(82)에 전류 또는 전력을 인가하여 보조히터(82)의 최고 출력에 도달시킴에 의해 단결정 시드(Seed)(63)에 대한 시딩(seeding) 공정을 개시한다.

메인히터(40)의 온도와 보조히터(82)의 전력은 미리 설정된 크기의 적정 잔류 시드(63a)가 형성될 때까지 상기 상태를 유지한다. 예를 들어, 승온 및 시딩 단계에서 메인히터(40)의 온도는 상온으로부터 2150℃까지 약 10시간 동안 승온시켜서 1시간 동안 유지한다. 이 경우, 승온 시간과 유지 시간은 성장되는 잉곳의 크기에 따라 다르며, 잉곳의 크기가 증가하면 승온시간도 증가한다.

상기 메인히터(40)의 온도는 포토홀(170)로부터 제1도가니(30a)와 제2도가니(30b) 사이의 통로(180)를 통과하여 온도측정용 흑연판(160)의 온도를 단일의 파이로미터(Pyrometer)(150)를 사용하여 측정한다.

이하에 도 13을 참고하여 본 발명에 따른 잔류 시드의 높이와 잔류 시드의 곡률에 의한 단결정의 길이를 결정하는 방법에 대하여 설명한다.

사파이어 단결정(60)을 성장시킬 때 고품질의 단결정 성장을 위해서는 시딩(seeding) 공정시에 도가니 바닥(32)에 장입된 단결정 시드(63)를 부분 용융시켜 미리 설정된 크기와 원하는 형상의 잔류 시드(63a)가 얻어질 때 단결정 성장을 진행하여야 한다. 단결정의 품질은 잔류 시드(63a)의 크기에 매우 민감하기 때문에 잔류 시드(63a)의 크기 제어가 중요하다.

<잔류 시드의 최대 곡률반경>

잔류 시드(63a)의 윗면은 길이 방향으로 곡률을 가지며, 곡률반경(R)은 200mm~500mm 범위로 설정되는 것이 바람직하다. 곡률반경(R12)이 500mm를 초과하는 경우, 단결정의 길이방향의 양 끝에 결함이 발생하여 사용 가능한 길이가 감소된다. 또한, 곡률반경(R10)이 200mm 미만인 경우, 잔류 시드(63a)의 길이가 지나치게 짧아진다.

잔류 시드(63a)가 R14의 곡률반경을 가질 때, 잔류 시드(63a)의 길이는 도가니 길이의 75% 이상으로 설정되는 것이 바람직하다. 잔류 시드(63a)의 양 끝에서는 이보다 더 작은 곡률반경을 갖는다.

<잔류 시드의 최소 높이와 장입된 단결정 시드의 최대 높이>

잔류 시드(63a) 윗면의 연장선이 장입된 단결정 시드(63)의 표면과 만나는 선을 h, 장입된 단결정 시드(63)의 높이를 H라 할 때, 잔류 시드(63a)의 높이(h)/단결정 시드(63)의 높이(H)는 다음 수학식 1을 만족하도록 설정된다.

[수학식 1]

h/H > 1/3

h/H 값이 1/3보다 작게 되면 잔류 시드(63a)의 계면으로부터 결함이 단결정(60) 내부로 전파되는 확률이 급증한다.

도가니(30)의 길이가 증가할수록 잔류 시드(63a)의 곡률반경(R)에 의해 잔류 시드(63a)의 높이(h)가 감소하므로, 도가니(30)의 길이는 곡률반경(R)과 잔류 시드(63a)의 높이(h)에 의해 제한된다.

잔류 시드(63a)의 높이(h)는 단결정 시드의 높이(H)보다 클 수 없으므로, 잔류 시드(63a)의 높이(h)를 증가시키기 위해서는 단결정 시드(63)의 높이(H)가 증가되어야 한다.

그러나, 장입된 단결정 시드(63)의 높이(H)가 증가하면 시드 생산성이 급격하게 감소하므로, 단결정 시드(63)의 높이(H)는 70mm 이하가 적당하다.

<도가니 길이의 제한과 도가니 수>

도 11에 도시된 바와 같이, 사파이어 단결정(60)의 C축을 따른 코어링 가공시에 길이가 긴 잉곳 제품(65)을 얻을 수 있도록 도가니(30)의 길이는 무한정으로 증가시킬 수 있으나, 상기한 조건들을 만족하지 못하면 단결정 품질이 크게 떨어진다.

따라서, 길이가 긴 하나의 사파이어 단결정(60)보다 적당한 길이의 여러 개의 사파이어 단결정(60)을 동시에 생산하는 것이 더 유리하다. 이러한 점을 고려하여 본 발명의 사파이어 단결정 성장장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 2개의 제1도가니(30a)와 제2도가니(30b)가 핫 존(12) 내에 배치되고 메인히터(40)가 2개의 도가니를 둘러싸며, 2개의 도가니 하부에는 냉각판(52)이 공통 연결되어, 보조히터(82)로 냉각판(52)을 제어함에 따라 2개의 도가니를 이용하여 동시에 사파이어 단결정 성장을 진행할 수 있다.

상기와 같이 메인히터(40)로 핫 존(12)의 전체 온도를 제어하며, 메인히터(40) 자체의 수직 및 수평 방향 온도구배에 따라 도가니 내부의 전체적인 수직 및 수평 방향의 온도구배를 형성한다.

도가니 바닥(32)과 접촉하는 냉각판(52)과 연결된 수냉식 냉각부(54)에는 냉각수가 계속 순환된다. 예를 들어, 냉각수의 온도는 약 30℃를 유지하고 있다. 단결정 시드(63)가 장착된 도가니 바닥(32)은 단결정 시드(63)가 완전 용융이 이루어지지 않도록 사파이어의 융점 이하 온도 상태를 유지하고 있다.

본 발명에서는 보조히터(82)의 출력 제어에 의해 시딩(seeding) 과정에서 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)로부터 냉각판(52)과 수냉식 냉각부(54)를 통하여 도가니의 하부로 빠져나가는 열유속을 정밀하게 제어함에 의해 도가니 바닥에 장착된 사파이어 단결정 시드(63)의 잔류 시드(63a)의 크기를 미리 설정된 크기와 프로파일을 갖도록 설정할 수 있다.

<단결정 성장 단계(S12)>

제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)에 장입된 사파이어 원료, 즉 알루미나가 용융되고 원하는 크기의 잔류 시드(63a)가 형성되면, 이어서 단결정 성장 단계(S12)를 실시한다.

단결정 성장 단계(S12)에서는 메인히터(40)의 온도와 보조히터(82)의 출력을 동시에 서서히 감소시키면 잔류 시드(63a)로부터 단결정 성장이 이루어진다. 특히, 보조히터(82)의 출력을 시딩 공정에서의 최고 출력으로부터 서서히 감소시키면 사파이어 단결정 시드(63)의 잔류 시드(63a)는 더 이상 용융되지 않고 그 상태를 유지하면서 잔류 시드(63a)로부터 상방향으로 단결정 성장이 진행된다.

상기 메인히터(40)의 온도는 응고가 완료되는 1950~2050℃까지 예를 들어, 0.1℃/h의 냉각 속도로 하강시킨다.

이 경우, 본 발명에서는 메인히터(40)의 온도 감소 없이 보조히터(82)의 출력 감소만으로 단결정 성장을 진행시키는 것도 가능하다.

응고 계면은 위로 볼록(Convex)하기 때문에, 단결정 성장이 완료된 후 상부 모서리에는 잔류 용탕이 존재하게 된다. 본 발명에서는 잔류 용탕을 완전히 응고시키기 위한 공정으로서, 미리 설정된 짧은 시간 동안에 메인히터(40)의 온도를 급격하게 낮추는 제어에 따라 잔류 용탕을 완전히 응고시킬 수 있다.

이 경우, 보조히터(82)는 단결정 성장이 완료되었으므로 전력 투입이 중지된 상태이다.

<냉각 및 어닐링 단계(S13)>

단결정이 완전히 성장된 후, 단결정의 크랙(crack)을 방지하기 위한 필수 공정으로서 단결정 내부의 잔류 응력 제거를 위한 어닐링이 필요하다.

본 발명에서는 메인히터(40)의 온도를 예를 들어, 0.1~10℃/min의 냉각 속도로 상온까지 감소시키면서, 이러한 냉각공정 중에 미리 설정된 어닐링 기간동안 보조히터(82)를 발열시켜 제1도가니(30a) 및 제2도가니(30b)로부터 냉각판(52)과 수냉식 냉각부(54)를 통하여 도가니의 하부로 빠져나가는 열유속이 작아지도록 제어한다. 냉각공정 중에 메인히터(40)의 냉각 속도와 잉곳 크기는 반비례한다.

즉, 성장 완료된 단결정(60)의 상부는 온도가 하강하고, 하부는 온도가 상승하도록 설정하는 것에 의해 성장 완료된 단결정(60)의 열응력을 감소시키게 된다.

상기한 미리 설정된 어닐링 기간이 경과하면 단결정의 냉각시간을 단축할 수 있도록 메인히터(40)의 온도는 급격한 냉각률로 냉각된다.

그 결과, 균열(crack), 쌍정(twin)과 같은 냉각 과정에서 발생할 수 있는 결함 없이 상온까지 냉각이 이루어진다.

<보조히터 유무에 따른 메인히터의 최고 온도를 측정>

본 발명과 같이 메인히터(40)와 별도로 냉각판(52)을 제어하는 보조히터(82)를 구비하는 경우, 보조히터(82)의 출력을 제어함에 따라 잔류 시드(63a)의 높이 조절이 가능하다. 이 경우, 시딩을 위한 메인히터(40)의 최고 온도, 시간에 따른 잉곳 성장 높이, 투입 전력이 함께 제어되었다.

본 발명과 같이 메인히터(40)와 별도로 냉각판(52)을 제어하는 보조히터(82)를 구비하는 경우와, 메인히터 하나만을 사용하는 일반적인 성장장치인 경우 시딩(seeding) 공정에서 메인히터의 최고 온도를 측정한 결과 하기 표 1과 같이 나타났다.

보조히터	없음(종래)	있음(본 발명)
메인히터 최고온도[℃]	2202	2080

메인히터 하나만을 사용하는 일반적인 성장장치인 경우는 시드가 위치한 도가니 바닥은 냉각판에 의해 냉각되기 때문에 도가니의 다른 위치에 비해 온도가 낮기 때문에 시딩 공정에서 메인히터의 최고 온도가 증가되어야 한다.

그러나, 본 발명과 같이 메인히터(40)와 별도로 냉각판(52)을 제어하는 보조히터(82)를 구비하는 경우, 시딩 공정에서 메인히터(40)의 구동과 동시에 보조히터(82)에 전력을 투입함에 따라 도가니로부터 냉각판(52)과 수냉식 냉각부(54)를 통하여 도가니의 하부로 빠져나가는 열유속이 작아지도록 제어되므로, 메인히터(40)의 최고 온도는 표 1과 같이 메인히터 하나만을 사용하는 일반적인 성장장치보다 낮게 유지될 수 있다.

그 결과, 본 발명에서는 메인히터의 최고 온도를 낮춤에 따라 소모전력을 감소시키며, 히터와 내화물의 열화를 감소시켜 수명을 증가시킬 수 있고, 도가니 변형을 감소시켜 사고 위험을 줄일 수 있다.

<보조히터 유무와 단결정 성장 곡선>

메인히터(40)의 온도와 보조히터(82)의 출력 감소 속도는 원하는 단결정 성장 속도를 위해 조절 가능하다. 즉, 도가니 내부의 액상과 고상 사이의 성장계면의 이동속도는 보조히터(82)의 출력을 선형적으로 감소시킴에 따라, 도 14에 도시된 바와 같이, 성장시간에 따라 단결정 잉곳의 높이가 일정한 속도로 증가하는 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 단결정 성장은 도 14에 도시된 바와 같이 보조히터(82)의 출력을 제어함에 따라 단결정 성장 높이를 나타내는 그래프(점선)는 성장시간에 따라 선형적으로 증가하여 단결정 성장 속도(그래프의 기울기)는 일정하게 유지할 수 있다.

본 발명과 같이 보조히터를 구비하는 경우, 보조히터(82)의 출력만을 제어(감소)함에 의해 단결정 성장 속도(그래프의 기울기)를 일정하게 제어할 수 있으나, 하나의 온도구배 기능을 갖는 메인히터만을 사용하는 경우는 잔류 시드 부분의 제어가 어려워 단결정 성장 속도(그래프의 기울기)를 일정하게 제어하는 것이 어렵다.

그 결과, 본 발명에서는 정해진 성장시간 내에 균일한 단결정 성장이 이루어지므로 기포 등의 발생이 없는 고품질 단결정이 얻어진다.

그러나, 보조히터(82) 없이 하나의 메인히터만을 사용하여 단결정을 성장시키는 경우는 성장시간동안 성장속도가 선형적이지 못하고 곡선 형태의 그래프(실선)로 나타나는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 비선형적인 성장속도로 단결정 성장이 이루어지면, 특히 성장속도 그래프의 기울기가 클 때, 기포가 발생되는 문제가 있다.

<보조히터 유무에 따른 시딩 공정에서의 투입전력 비교 실험>

보조히터 유무에 따른 시딩 공정에서의 투입전력을 비교한 것을 도 15에 그래프로 나타내었다.

본 발명과 같이 메인히터(40)와 보조히터(82)를 함께 구비하는 경우 시딩 공정의 투입전력 그래프(점선)와 메인히터만을 사용하는 일반적인 성장장치의 투입전력 그래프(실선)를 참고하면, 보조히터(82)를 구비한 본 발명이 보조히터를 사용하지 않는 일반적인 성장장치보다 약 15 내지 20% 정도 투입 전력이 낮은 것을 알 수 있다.

도 16a 및 도 16b는 각각 동일한 전력을 투입할 때 보조히터를 사용하지 않는 경우와 보조히터를 사용하는 경우 성장된 단결정에 잔류 시드의 형성 여부를 나타내는 단면 사진이다.

도 16a를 참고하면, 본 발명과 동일한 전력을 투입할 때 보조히터를 사용하지 않는 일반적인 경우는 장입된 사각 단결정 시드가 용융되지 않고 그대로 있는 것을 알 수 있다. 즉, 보조 히터가 없는 경우, 동일 전력에서는 시딩이 제대로 이루어지지 않으므로, 시딩을 위해서는 메인히터의 최고 온도가 더 상승해야 한다.

도 16b를 참고하면, 보조히터를 사용하는 본 발명의 경우는 시딩이 잘 되어 성장된 단결정의 하측에 반구 형상의 적정 잔류 시드가 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 메인히터와 별도로 냉각판을 둘러싸는 보조히터를 구비하고 시딩 공정에서 잔류 시드의 크기와 결정성장의 속도를 정밀하고 쉽게 제어할 수 있는 사파이어 단결정 성장장치 및 성장방법에 적용될 수 있다.

10: 챔버 12: 핫 존
20: 내화물 30,30a,30b: 도가니
32: 바닥부 34: P면부
36: C면부 40: 메인히터
42: 제1P면 히터 44: 제2P면 히터
46: 제1C면 히터 48: 제2C면 히터
50: 냉각유닛 56: 보조히터부
52: 냉각판 54: 연결부
60: 사파이어 단결정 62,64,86,88: 전극봉
63: 단결정 시드(seed) 63a: 잔류 시드
65: 잉곳 제품 82: 보조히터
84: 연결부재 150: 파이로미터
160: 온도측정용 흑연판 170: 포트홀
180: 통로 190: 반사판

Claims (22)

1. 챔버 내부에 배치되어 챔버 내부를 단열하는 내화물;
   상기 내화물의 내부에 배치되며 바닥에 사파이어 단결정 시드와 사파이어 원료가 순차적으로 장입되고 사파이어 단결정의 성장이 이루어지는 도가니;
   상기 도가니의 외부를 둘러싸도록 내화물 내부에 배치되어 핫 존(hot zone)의 온도를 승온시키며 도가니 내부에 수직 및 수평방향 온도구배를 형성하도록 발열이 이루어지는 메인히터;
   상기 도가니의 바닥과 접촉하는 냉각판을 구비하고 도가니 바닥을 냉각하는 냉각유닛; 및
   상기 냉각판을 둘러싸도록 설치되는 보조히터;를 포함하며,
   상기 보조히터는 도가니로부터 냉각판을 통해 빠져나가는 열유속을 제어하는 사파이어 단결정 성장장치.
2. 제1항에 있어서,
   장입된 사파이어 원료의 용융을 위한 핫 존의 승온과 사파이어 단결정 시드의 시딩(seeding) 공정을 위해 상기 메인히터는 최고 온도로 설정되고, 상기 보조히터는 사파이어 단결정 시드로부터 미리 설정된 크기의 잔류 시드가 얻어질 때까지 최고 출력 상태를 유지하는 사파이어 단결정 성장장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 도가니는 직사각형 형태의 바닥부를 구비하고, 상기 사파이어 단결정 시드는 직사각형 바 형태로 이루어지며,
   상기 잔류 시드의 윗면은 길이 방향으로 곡률을 가지며, 곡률반경은 200mm~500mm 범위로 설정되는 사파이어 단결정 성장장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 잔류 시드의 높이(h)/단결정 시드의 높이(H)는 h/H > 1/3을 만족하도록 설정되는 사파이어 단결정 성장장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 도가니는 핫 존 내부에 배치되는 제1도가니 및 제2도가니를 포함하고,
   상기 제1 및 제2 도가니는 각각,
   직사각형 형태의 바닥부;
   상기 바닥부와 연결되는 4 면 중 길이가 긴 전면 및 후면에 연결되고 외측방향으로 벌어지도록 경사지게 형성되는 한쌍의 P면부; 및
   상기 바닥부와 연결되는 4 면 중 양쪽 측면에 직각방향으로 연결되고 P면부의 가장자리에 연결되며, 사다리꼴 형태로 형성되는 한쌍의 C면부;를 포함하는 사파이어 단결정 성장장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 바닥부와 P면부 사이의 각도는 리니지 결함이 전파되는 계면 각도보다 크게 형성되고,
   상기 한쌍의 P면부는 각각 사파이어 단결정 잉곳의 직경이 6인치 이상일 때 적어도 하나의 절곡부를 포함하는 사파이어 단결정 성장장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 메인히터의 최대 온도로부터 감소 없이 보조히터의 출력 감소만으로 단결정 성장을 진행시키는 사파이어 단결정 성장장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 냉각유닛은
   상기 도가니의 하면에 직접 접촉되어 도가니를 냉각하는 냉각판; 및
   상기 냉각판의 하부에 설치되어 열을 배출하는 수냉식 냉각부;를 포함하는 사파이어 단결정 성장장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 보조히터는 상기 냉각판의 전면 및 후면에 각각 배치되어 전원이 인가되면 발열되는 전면 및 후면 보조히터로 구성되고,
   상기 전면 및 후면 보조히터의 양쪽 끝부분이 고정되는 한쌍의 연결부재; 및
   상기 한쌍의 연결부재에 장착되어 전원을 인가하는 한쌍의 전극봉;을 더 포함하는 사파이어 단결정 성장장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 도가니는 핫 존 내부에 배치되는 적어도 하나의 도가니 또는 제1도가니 및 제2도가니를 포함하고,
    상기 메인히터는
    상기 제1도가니 및 제2도가니의 전방 및 후방에 배치되고 제1전극봉 및 제2전극봉이 각각 연결되는 제1P면 히터 및 제2P면 히터;
    상기 제1도가니의 측면에 배치되고 제1P면 히터 및 제2P면 히터의 일측 가장자리와 연결부재에 의해 전기적으로 연결되는 제1C면 히터; 및
    상기 제2도가니의 측면에 배치되고 제1P면 히터 및 제2P면 히터의 타측 가장자리와 연결부재에 의해 전기적으로 연결되는 제2C면 히터;를 포함하는 사파이어 단결정 성장장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1P면 히터 및 제2P면 히터는 하부에 제1전극봉 및 제2전극봉이 연결되는 제1경로부와, 제1경로부에서 수직방향으로 연장되고 양쪽으로 분기되는 한쌍의 제2경로부와, 상기 한쌍의 제2경로부 각각의 상단에서 수평방향으로 연장되는 한쌍의 제3경로부와, 상기 한쌍의 제3경로부 각각에서 하측방향으로 연장되는 한쌍의 제4경로부를 포함하고,
    상기 제1C면 히터와 제2C면 히터는 제1P면 히터 및 제2P면 히터와 연결되고 양쪽 가장자리에 위치되는 한쌍의 제5경로부와, 상기 한쌍의 제5경로부 각각의 상단에서 수평방향으로 연장되는 한쌍의 제6경로부와, 상기 한쌍의 제6경로부 각각의 끝부분에서 하측 수직방향으로 연장되는 한쌍의 제7경로부와, 상기 한쌍의 제7경로부 각각의 하단을 수평방향으로 연결하는 제8경로부를 포함하는 사파이어 단결정 성장장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 메인히터는 수직방향 온도구배를 부여하기 위하여, 상기 제1경로부의 선폭(H1) 및 제8경로부의 선폭(H3)과 제3경로부의 선폭(H2) 및 제6경로부의 선폭(H4)을 다르게 형성하고,
    상기 메인히터는 수평방향 온도구배를 부여하기 위하여, 제2경로부의 선폭(L1) 및 제7경로부의 선폭(L3)과 제4경로부의 선폭(L2) 및 제5경로부의 선폭(L4)을 다르게 형성하는 사파이어 단결정 성장장치.
13. 제11항에 있어서,
    상기 메인히터는 제1경로부의 선폭(H1) 및 제8경로부의 선폭(H3)에 비해 제3경로부의 선폭(H2) 및 제6경로부의 선폭(H4)을 작게 하여 상부 발열을 증가시키는 사파이어 단결정 성장장치.
14. 제1항에 있어서,
    상기 챔버 및 내화물에는 메인히터의 온도를 측정하기 위해 형성되는 포트홀;
    상기 포트홀과 마주보는 내화물 내면에 설치된 온도측정용 흑연판; 및
    상기 내화물의 내면에 설치되어 상기 온도측정용 흑연판의 온도를 측정하는 파이로미터(Pyrometer);를 더 포함하며,
    상기 온도측정용 흑연판의 온도는 상기 메인히터의 온도로 인식하는 사파이어 단결정 성장장치.
15. 제6항에 있어서,
    상기 바닥부와 C면부 사이의 각도(θ)는 10°≤θ<60°, 바람직하게는 30°≤θ<60° 범위로 형성되는 사파이어 단결정 성장장치.
16. 제1항에 있어서,
    상기 히터의 상부에는 히터에서 상측방향으로 복사되는 열을 반사시키는 반사판이 배치되고, 상기 반사판은 상부 내화물의 내면에 장착되고 몰리브덴 재질로 형성되는 사파이어 단결정 성장장치.
17. 제1항에 있어서,
    상기 챔버의 하부에 설치되어 도가니를 지지하는 도가니 지지유닛을 더 포함하고,
    상기 도가니 지지유닛은
    상기 챔버의 하부에 설치되는 지지 플레이트와,
    상기 지지플레이트에 높이 조절 가능하게 설치되어 도가니의 하면을 받쳐주는 받침부와,
    상기 지지플레이트에 높이 조절 가능하게 설치되고 도가니의 측면을 지지하여 도가니가 기울어지는 것을 방지하는 기움 방지부를 포함하는 사파이어 단결정 성장장치.
18. 직사각형 형태의 바닥부를 구비하는 도가니, 상기 도가니에 수평방향 온도구배와 수직방향 온도구배를 동시에 부여하는 메인히터, 및 상기 도가니의 바닥과 접촉하는 냉각판을 둘러싸도록 설치된 보조히터를 구비하는 사파이어 단결정 성장장치를 이용한 사파이어 단결정 성장방법으로서,
    상기 도가니의 바닥에 길이방향을 따라 막대형 사파이어 단결정 시드가 장착된 도가니 내부에 육성될 사파이어 재료를 장입하는 단계;
    상기 메인히터를 최고 온도로 설정하여 도가니에 수평방향 온도구배와 수직방향 온도구배를 동시에 부여하여 장입된 사파이어 원료를 용융시키며 상기 사파이어 단결정 시드로부터 미리 설정된 크기의 잔류 시드가 얻어질 때까지 보조히터의 최고 출력 상태를 유지하는 승온 및 시딩 단계;
    상기 메인히터의 온도 감소 없이 보조히터의 출력을 감소시킴에 의해 상기 잔류 시드로부터 사파이어 단결정 성장을 진행하는 단결정 성장 단계;
    상기 단결정 성장이 완료된 후, 상기 보조히터를 발열시켜 성장 완료된 사파이어 단결정의 열응력을 감소시키는 어닐링 단계; 및
    상기 어닐링 단계가 완료된 후, 상기 보조히터의 출력은 유지하면서 메인히터의 온도를 상온까지 냉각시키는 냉각단계;를 포함하는 사파이어 단결정 성장방법.
19. 직사각형 형태의 바닥부를 구비하는 도가니, 상기 도가니에 수평방향 온도구배와 수직방향 온도구배를 동시에 부여하는 메인히터, 및 상기 도가니의 바닥과 접촉하는 냉각판을 둘러싸도록 설치된 보조히터를 구비하는 사파이어 단결정 성장장치를 이용한 사파이어 단결정 성장방법으로서,
    상기 도가니의 바닥에 길이방향을 따라 막대형 사파이어 단결정 시드가 장착된 도가니 내부에 육성될 사파이어 재료를 장입하는 단계;
    상기 메인히터를 최고 온도로 설정하여 도가니에 수평방향 온도구배와 수직방향 온도구배를 동시에 부여하여 장입된 사파이어 원료를 용융시키며 상기 사파이어 단결정 시드로부터 미리 설정된 크기의 잔류 시드가 얻어질 때까지 보조히터의 최고 출력 상태를 유지하는 승온 및 시딩 단계;
    상기 메인히터의 최고 온도와 보조히터의 최고 출력을 동시에 서서히 감소시킴에 의해 상기 잔류 시드로부터 사파이어 단결정 성장을 진행하는 단결정 성장 단계; 및
    상기 단결정 성장이 완료된 후, 상기 메인히터의 온도를 상온까지 냉각시키는 냉각단계;를 포함하는 사파이어 단결정 성장방법.
20. 제19항에 있어서,
    상기 단결정 성장이 완료된 후, 상기 보조히터를 발열시켜 성장 완료된 사파이어 단결정의 열응력을 감소시키는 어닐링 단계;를 더 포함하는 사파이어 단결정 성장방법.
21. 제18항 또는 제19항에 있어서,
    상기 보조히터의 출력을 제어함에 의해 사파이어 단결정 성장 속도를 제어하는 사파이어 단결정 성장방법.
22. 2개의 도가니가 핫 존 내에 배치되고 메인히터가 2개의 도가니를 둘러싸며, 2개의 도가니 하부에는 냉각판이 공통 연결되어 있으며, 상기 냉각판을 둘러싸는 보조히터로 냉각판을 제어함에 따라 2개의 도가니를 이용하여 동시에 사파이어 단결정 성장을 진행하는 사파이어 단결정 성장장치.

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