WO2017171162A1 - 사파이어 단결정 성장장치 - Google Patents

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WO2017171162A1
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sapphire single
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thermally conductive
cooling unit
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PCT/KR2016/010693
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이희춘
최이식
문성환
장계원
김형중
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주식회사 사파이어테크놀로지
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Definitions

  • the present invention relates to a sapphire single crystal growth apparatus, and more particularly, to a sapphire single crystal growth apparatus capable of improving the growth rate of large diameter / large sapphire single crystal ingots by forming an optimum temperature gradient by radiant heat extraction. .
  • Sapphire single crystal has a crystal structure of HCP system (Hexagonal system) in the process of solidification after melting alumina (Al 2 O 3 ), a compound of a combination of aluminum (Al) and oxygen (O) at a temperature of 2050 °C or more, It is a substance that solidifies in one direction.
  • HCP system Hexagonal system
  • Sapphire single crystal is the material with the hardness after diamond, which is about 10 times higher in abrasion resistance and corrosion resistance than quartz, and has excellent insulation and light transmittance, making it suitable for IT, industrial, military and LED substrates as well as synthetic jewelry, watches and glass. It is also widely used in high-tech materials such as this. In particular, it has been spotlighted as a material for touch glass of IT devices, and is also used as a material for windows such as military infrared detection missiles, fighters, and searchers.
  • Korean Patent Publication No. 10-1338366 proposed by the applicant has a chamber, a heat insulator disposed inside the chamber, and a crucible for growing a sapphire ingot by heating and cooling an alumina material disposed inside the heat insulator.
  • a sapphire single crystal growth apparatus including a raw material addition device for continuously adding an alumina material into the crucible continuously during the growth of the sapphire ingot is disclosed.
  • the patent is determined by fixing a seed at the bottom of the crucible, melting the alumina material in the crucible, and then directional solidification from the heat sink direction by adjusting the vertical and horizontal temperature distribution inside the chamber. It is a device for growing sapphire single crystal by VHGF (Vertical Horizontal Gradient Freezing) method.
  • VHGF Very Horizontal Gradient Freezing
  • the heat sink is connected to the crucible so that the heat sink connected to the crucible cannot form a sufficient temperature gradient in the high region of the ingot, thereby stably growing a large diameter / large sapphire single crystal ingot.
  • the growth speed is slow and the process time and power consumption are inefficiently increased.
  • the present invention has been proposed in view of the above, and an object thereof is to form an optimal temperature gradient so that a large diameter / large sapphire single crystal ingot can be grown and a sapphire that can increase the growth rate of sapphire single crystal ingot. It is to provide a single crystal growth apparatus.
  • the sapphire single crystal growth apparatus comprises: a chamber; A refractory embedded in the chamber; A crucible installed inside the chamber, into which seeds and raw materials into which sapphire single crystals are grown are charged; A heating element installed inside the chamber and heating the crucible to melt the raw material; A thermally conductive connection connected to the crucible; And a cooling unit spaced apart from the thermally conductive connection unit to perform radiant heat extraction, and movable to the thermally conductive connection unit such that the amount of radiant heat extraction from the thermally conductive connection unit is variable.
  • a passage through which coolant at room temperature is constantly circulated inside the cooling unit may be disposed.
  • the cooling unit includes: a first cooling unit having an insertion groove formed to face the thermal conductive connection unit and having a first thermal emissivity; And a second cooling unit having a second thermal emissivity formed on an inner wall of the insertion groove, wherein the second thermal emissivity of the second cooling unit may be higher than a first thermal emissivity of the first cooling unit.
  • the first cooling unit may be made of Cu
  • the second cooling unit may be made of graphite
  • the cooling unit may be configured to move toward the thermally conductive connection such that the cooling unit becomes closer to the thermally conductive connection.
  • the distance between the thermally conductive connection portion and the cooling portion in the middle of growth of the sapphire single crystal is smaller than the distance between the thermally conductive connection portion and the cooling portion in the early stage of growth of the sapphire single crystal, and the sapphire single crystal In the later stage of growth of the thermally conductive connection may be configured to be inserted into the insertion groove of the first cooling portion.
  • the cooling unit adopts a heat extraction method that becomes closer to the thermally conductive connection portion connected to the crucible, thereby stably increasing the productivity growth rate of the large-diameter sapphire single crystal.
  • a temperature gradient sufficient for a large diameter / large high sapphire single crystal ingot region by making radiation heat extraction faster through a second cooling portion having a higher thermal emissivity than that of the first cooling portion in the second half of the growth of the sapphire single crystal
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a sapphire single crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of an example of a cooling unit of the sapphire single crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a view schematically showing the state of the thermally conductive connection and the cooling unit in the early stage of growth of the sapphire single crystal according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view schematically showing the state of the thermally conductive connection and the cooling unit in the middle of the growth of the sapphire single crystal according to an embodiment of the present invention
  • FIG 5 is a view schematically showing the state of the thermally conductive connection portion and the cooling portion at the end of growth of the sapphire single crystal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a sapphire single crystal growth apparatus according to the present invention.
  • the sapphire single crystal growth apparatus of the present invention includes a chamber 100, a refractory 110, a heating element 120, a crucible 130, a connection part 150, and a cooling part 200.
  • the sapphire single crystal growth apparatus of the present invention can stably obtain large-diameter sapphire single crystal by adopting a new concept of radiant heat extraction method without adopting the conventional conduction heat extraction method in the process of growing the sapphire single crystal, and increasing the growth rate It is possible.
  • the sapphire single crystal growth apparatus of the present invention in forming a temperature gradient for growing the sapphire single crystal in the crucible 130 inside the chamber 100, an apparatus using radiant heat extraction instead of conduction heat extraction to be.
  • the sapphire single crystal growth apparatus of the present invention comprises a chamber 100; A refractory 110 embedded in the chamber 100; A crucible (130) installed in the chamber (100), into which seed and raw material into which sapphire single crystals are grown; A heating element 120 installed inside the chamber 100 to heat the crucible 130 to melt the raw material; A thermally conductive connection portion 150 connected to the crucible 130; And a cooling unit 200 spaced apart from the thermally conductive connection unit 150 to perform radiant heat extraction, and movable to the thermally conductive connection unit 150 such that the amount of radiant heat extraction from the thermally conductive connection unit 150 is variable.
  • a seed is disposed in the crucible 130, and alumina (Al 2 O 3 ), which is a raw material, is charged into the empty space of the crucible 130.
  • the heating element 120 is heated to melt the raw materials charged into the crucible 130.
  • the thermally conductive connection portion 150 connected to the crucible 130 is radiant heat extracted to the cooling unit 200, so that the lower portion of the crucible 130, that is, the region where the seed is located, is lower than the high temperature state inside the crucible 130. It becomes As a result, the molten raw material solidifies in the seed to grow the sapphire single crystal ingot.
  • the cooling unit 200 may have a flow passage through which the coolant of normal temperature is circulated. Therefore, the surface of the cooling unit 200 is in a state of room temperature to extract the heat transferred to the thermal conductive connection unit 150 by a radiation method.
  • the cooling unit 200 is arranged to be movable to the thermally conductive connection unit 150 so that the amount of radiant heat extraction at the connection unit 150 varies according to the growth amount of the sapphire single crystal.
  • the refractory 110 and the heating element 120 is embedded in the chamber 100, the refractory 110 is mounted on the inner wall surface of the chamber 100 to insulate the interior of the chamber 100 from the outside, the heating element 120 ) Is installed inside the chamber 100 to heat the crucible 130.
  • the chamber 100 should not be deformed by heat emitted from the refractory 110 at a high temperature below the melting point (2050 ° C.) for sapphire single crystal growth, and should be usable in vacuum and gas atmospheres.
  • the chamber 100 may be a double chamber having a passage through which the refrigerant flows to cool the chamber 100 by using a refrigerant (coolant, gas, etc.) to prevent deformation due to heat.
  • a refrigerant coolant, gas, etc.
  • a vacuum atmosphere or a gas atmosphere may be used, and in the case of a vacuum atmosphere, it may be maintained at less than 1 atmosphere, and in the case of a gas atmosphere, it may be used even at 1 atmosphere, more than 1 atmosphere, or less than 1 atmosphere.
  • Argon, hydrogen, nitrogen or helium may be used as the gas.
  • the refractory 110 serves as a heat insulating material to prevent the heat emitted from the heating element 120 to flow out to the outside, the material of the refractory 110, such as tungsten, molybdenum, carbon and graphite felt, metal-based and ceramic-based Material may be used.
  • the heating element 120 serves to heat the temperature inside the chamber 100 to below the melting point of the sapphire wafer single crystal, and as the heating method, induction heating and resistance heating may be used.
  • the heating element material in the resistance heating method may be a metal-based or non-metallic material such as tungsten and molybdenum, graphite, silicon carbide.
  • the crucible 130 is formed of a metal material such as tungsten, molybdenum, or iridium that may not melt even at 2050 ° C., which is the melting temperature of the alumina raw material when the alumina raw material is melted and solidified to grow the sapphire single crystal.
  • a metal material such as tungsten, molybdenum, or iridium that may not melt even at 2050 ° C., which is the melting temperature of the alumina raw material when the alumina raw material is melted and solidified to grow the sapphire single crystal.
  • the crucible 130 is disposed to stand vertically in the chamber 100, and a sapphire single crystal seed having a size capable of growing sapphire single crystal is mounted on the inner bottom of the crucible 130.
  • thermally conductive connection portion 150 is preferably made of a material of molybdenum (Mo), tungsten (W).
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the configuration of an example of a cooling unit of the sapphire single crystal growth apparatus according to the present invention.
  • the cooling unit 200 has a flow path through which coolant at normal temperature circulates, and an insertion groove 230 facing the thermal conductive connection unit 150 is formed and has a first thermal emissivity.
  • the first cooling unit 210 radiates and heat-extracts the high temperature of the thermal conductive connection unit 150 at the beginning and the middle of the growth of the sapphire single crystal by the cooling water at room temperature circulated therein.
  • the room temperature by the cooling water of the first cooling unit 210 is also transferred to the second cooling unit 250, as described later, the second cooling unit 250 is a thermal conductive connection ( Radiation heat extraction of the high temperature of 150).
  • the second thermal emissivity of the second cooling unit 250 is higher than the first thermal emissivity of the first cooling unit 210.
  • the high temperature of the thermally conductive connection portion 150 is radiatively extracted in the first cooling unit 210, and the sapphire has a sufficient temperature gradient. Single crystal ingots grow smoothly.
  • the height of the sapphire single crystal ingot is high, so that the sapphire single crystal grows sufficiently in the highest region of the sapphire single crystal ingot. No temperature gradient is formed.
  • the radiant heat extraction is further performed through the second cooling unit 250 having the second thermal emissivity relatively higher than the first thermal emissivity of the first cooling unit 210. It is possible to grow large diameter / large sapphire single crystals by making it possible to form a sufficient temperature gradient even in a high sapphire single crystal ingot region.
  • the first cooling unit 210 is preferably made of Cu
  • the second cooling unit 250 is preferably made of graphite.
  • the thermally conductive connector 150 is fixed and the cooling unit 200 is movable, as the sapphire single crystal grows, the cooling unit 200 is moved to approach the thermally conductive connector 150.
  • the thermally conductive connection part 150 may be considered to approach the cooling part 200 according to the movement of the cooling part 200, in FIG. 2, the thermally conductive connection part 150 is moved from the thermally conductive connection part 150 toward the cooling part 200. Shown by the arrow.
  • 3 to 5 are views for explaining the separation distance between the thermally conductive connection portion and the cooling unit according to the growth degree of the sapphire single crystal according to the present invention.
  • the separation distance L1 between the thermally conductive connector 150 and the cooling unit 200 may be somewhat large.
  • the separation distance L2 between the thermally conductive connection part 150 and the cooling part 200 of the growth medium of the sapphire single crystal is the thermally conductive connection part 150 and the cooling part 200 of the early growth of the sapphire single crystal. Becomes smaller than the separation distance L1.
  • the cooling unit 200 moves toward the thermal conductive connection unit 150 to grow the sapphire single crystal so that the cooling unit 200 becomes closer to the thermal conductive connection unit 150.
  • the end of the thermally conductive connection part 150 is inserted into the insertion groove 230 of the cooling part 200, thereby Radiative heat extraction is performed by the second cooling unit 250 formed on the inner wall.
  • the separation distance between the thermally conductive connection part 150 and the cooling part 200 in the late growth of the sapphire single crystal is greater than the separation distances L1 and L2 of the thermally conductive connection part 150 and the cooling part 200 during the early and mid growth of the sapphire single crystal. Much smaller.
  • Table 1 is a measurement of the minimum and maximum temperature difference of the ingot in which the sapphire single crystal is grown through the sapphire single crystal growth apparatus described above, the comparative example is a thermal extraction method by fixing the thermal conductive connection to the cooling unit by conventional conduction The minimum and maximum temperature difference of the ingot in which the sapphire single crystal was grown was measured.
  • the present invention is a device for growing sapphire single crystal, can form an optimum temperature gradient to grow large diameter / large sapphire single crystal ingot, can increase the growth rate of sapphire single crystal ingot, IT, industrial, military, LED It is also widely used in the field of advanced materials such as substrates.

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Abstract

본 발명은 사파이어 단결정 성장장치에 관한 것으로, 챔버; 상기 챔버 내부에 내장되어 있는 내화물; 상기 챔버 내부에 설치되며, 사파이어 단결정이 성장되는 시드(seed) 및 원재료가 장입된 도가니; 상기 챔버 내부에 설치되며 상기 도가니를 가열하여 상기 원재료를 용융하는 발열체; 상기 도가니에 연결된 열전도성 연결부; 및 상기 열전도성 연결부로부터 이격되어 복사 열추출을 수행하고, 상기 열전도성 연결부에서의 복사 열추출량이 가변되도록 상기 열전도성 연결부로 이동가능한 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

사파이어 단결정 성장장치
본 발명은 사파이어 단결정 성장장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 복사 열추출하는 방식으로 최적의 온도 구배를 형성하여 대구경/대형 사파이어 단결정 잉곳의 성장 속도를 향상시킬 수 있는 사파이어 단결정 성장장치에 관한 것이다.
사파이어 단결정은 알루미늄과(Al)과 산소(O)가 결합한 형태의 화합물인 알루미나(Al2O3)가 2050℃ 이상의 온도에서 용융 후 응고되는 과정에서 HCP 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, 시계, 유리뿐만 아니라 IT용, 산업용, 군사용, LED용 기판등과 같은 첨단소재 분야에도 광범위하게 사용되고 있다. 특히, IT기기의 터치 글라스용 소재로 각광받고 있으며, 군사용 적외선 탐지 미사일 및 전투기, 탐색기 등의 윈도우(window)용 소재로도 사용되고 있다.
본 출원인에 의해 제안된 한국 등록특허공보 제10-1338366호에는, 챔버와, 상기 챔버 내부에 배치되는 단열재와, 상기 단열재의 내부에 배치되고 알루미나 원료를 가열 및 냉각하여 사파이어 잉곳을 성장시키는 도가니와, 상기 사파이어 잉곳을 성장시키는 도중에 연속적으로 알루미나 원료를 추가로 상기 도가니 내로 투입하는 원료 추가 투입장치를 포함하는 사파이어 단결정 성장장치가 개시되어 있다.
상기 특허는 도가니 바닥에 시드(Seed)를 고정하고 도가니 내부에 알루미나 재료를 담아 용융시킨 후 챔버 내부의 수직 및 수평방향의 온도분포를 조절하여 히트 싱크(Heat sink) 방향으로부터 방향성 응고를 진행하여 결정을 성장시키는 VHGF(Vertical Horizontal Gradient Freezing)법에 의해 사파이어 단결정을 성장시키는 장치이다.
그러나 이 등록특허에는 기재되어 있지 않지만, 히트 싱크가 도가니와 연결되어 있어, 도가니에 연결된 히트 싱크로는 잉곳의 높은 영역에 충분한 온도 구배를 형성할 수 없어 안정적으로 대구경/대형화된 사파이어 단결정 잉곳을 성장시킬 수 없고, 경우에 따라 대구경/대형화된 사파이어 단결정 잉곳이 성장되더라도 성장 속도가 느려 공정 시간 및 소비 전력량이 비효율적으로 증가하는 문제점이 있다.
이런 문제점을 해결하여 대구경/대형화된 사파이어 단결정 잉곳을 성장시키기 위한, 최적화된 성장장치에 대한 연구와 기술개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 제안된 것으로, 그 목적은 최적의 온도 구배를 형성함으로써 대구경/대형의 사파이어 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있고, 또 사파이어 단결정 잉곳의 성장 속도를 증가시킬 수 있는 사파이어 단결정 성장장치를 제공하는 것이다.
상술된 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 사파이어 단결정 성장장치는, 챔버; 상기 챔버 내부에 내장되어 있는 내화물; 상기 챔버 내부에 설치되며, 사파이어 단결정이 성장되는 시드(seed) 및 원재료가 장입된 도가니; 상기 챔버 내부에 설치되며 상기 도가니를 가열하여 상기 원재료를 용융하는 발열체; 상기 도가니에 연결된 열전도성 연결부; 및 상기 열전도성 연결부로부터 이격되어 복사 열추출을 수행하고, 상기 열전도성 연결부에서의 복사 열추출량이 가변되도록 상기 열전도성 연결부로 이동가능한 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 사파이어 단결정 성장장치에서는, 상기 냉각부의 내부에 상시적으로 상온의 냉각수가 순환하는 유로가 배치될 수 있다.
본 발명의 사파이어 단결정 성장장치에서, 상기 냉각부는, 상기 열전도성 연결부에 대향하는 삽입홈이 형성되어 있으며 제1열방사율을 가지는 제1냉각부; 및 상기 삽입홈의 내측벽에 형성된 제2열방사율을 가지는 제2냉각부;를 포함하며, 상기 제2냉각부의 제2열방사율은 상기 제1냉각부의 제1열방사율보다 높을 수 있다.
본 발명의 사파이어 단결정 성장장치에서, 상기 제1냉각부는 Cu로 이루어지고, 상기 제2냉각부는 흑연으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 사파이어 단결정 성장장치에서, 상기 사파이어 단결정이 성장될수록 상기 냉각부가 상기 열전도성 연결부에 점점 가까워지게 상기 냉각부를 상기 열전도성 연결부쪽으로 이동되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 사파이어 단결정 성장장치에서, 상기 사파이어 단결정의 성장 중반의 상기 열전도성 연결부와 상기 냉각부의 이격 거리는 상기 사파이어 단결정의 성장 초반의 상기 열전도성 연결부와 상기 냉각부의 이격 거리보다 작으며, 상기 사파이어 단결정의 성장 후반에 상기 열전도성 연결부는 상기 제1냉각부의 삽입홈에 삽입되도록 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 사파이어 단결정이 성장될수록 냉각부가 도가니와 연결된 열전도성 연결부에 점점 가까워지는 열추출 방식을 채용하여 대구경 사파이어 단결정을 안정적으로 성장 생산성 속도를 증가시킬 수 있는 잇점이 있다.
본 발명에 의하면, 사파이어 단결정의 성장의 후반에 제1냉각부의 열방사율보다 높은 열방사율을 가지는 제2냉각부를 통하여 복사 열추출을 더 빠르게 함으로써, 대구경/대형의 높은 사파이어 단결정 잉곳 영역에도 충분한 온도 구배가 형성될 수 있도록 하여, 대구경/대형 사파이어 단결정을 성장시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 예에 따른 사파이어 단결정 성장장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 사파이어 단결정 성장장치의 냉각부의 일례의 구성을 설명하기 위한 모식적인 단면도
도 3은 본 발명의 일 예에 따른 사파이어 단결정의 성장 초반에 열전도성 연결부와 냉각부의 상태를 모식적으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 사파이어 단결정의 성장 중반에 열전도성 연결부와 냉각부의 상태를 모식적으로 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 사파이어 단결정의 성장 종료시점에 열전도성 연결부와 냉각부의 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 사파이어 단결정 성장장치의 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 사파이어 단결정 성장장치는 챔버(100), 내화물(110), 발열체(120), 도가니(130), 연결부(150) 및 냉각부(200)를 포함한다.
본 발명의 사파이어 단결정 성장장치는 사파이어 단결정을 성장시키는 과정에서 종래의 전도 열추출 방식을 채용하지 않고 신개념의 복사 열추출 방식을 채용하여 대구경 사파이어 단결정을 안정적으로 얻을 수 있고, 성장 속도를 증가시키는 것이 가능하다.
더 세부적으로, 본 발명의 사파이어 단결정 성장장치에서는, 챔버(100) 내부의 도가니(130)에서 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 온도 구배를 형성함에 있어, 전도 열추출 방식 대신에 복사 열추출 방식을 적용한 장치이다.
즉, 본 발명의 사파이어 단결정 성장장치는 챔버(100); 상기 챔버(100) 내부에 내장되어 있는 내화물(110); 상기 챔버(100) 내부에 설치되며, 사파이어 단결정이 성장되는 시드(seed) 및 원재료가 장입된 도가니(130); 상기 챔버(100) 내부에 설치되며 상기 도가니(130)를 가열하여 상기 원재료를 용융하는 발열체(120); 상기 도가니(130)에 연결된 열전도성 연결부(150); 및 상기 열전도성 연결부(150)로부터 이격되어 복사 열추출을 수행하고, 상기 열전도성 연결부(150)로부터의 복사 열추출량이 가변되도록 상기 열전도성 연결부(150)로 이동 가능한 냉각부(200);를 포함한다.
이와 같은 본 발명의 사파이어 단결정 성장장치에서 사파이어 단결정을 성장시키는 방법을 이하에 설명한다.
먼저, 도가니(130) 내부에 시드를 배치하고, 원재료인 알루미나(Al2O3)를 도가니(130) 빈 공간에 장입한다.
그후, 발열체(120)를 가열하여 도가니(130) 내부에 장입된 원재료가 용융되도록 한다.
이때, 도가니(130)에 연결된 열전도성 연결부(150)는 냉각부(200)로 복사 열추출되어, 도가니(130) 하부, 즉 시드가 위치하는 영역은 도가니(130) 내부의 고온 상태보다는 낮은 온도로 된다. 이에 따라 용융된 원재료가 시드에서 응고하여 사파이어 단결정 잉곳이 성장하게 된다.
여기서, 냉각부(200)에는 내부에 상시 상온의 냉각수가 순환하는 유로가 있을 수 있다. 그러므로 냉각부(200) 표면은 상온의 상태가 되어 열전도성 연결부(150)에 전달된 열을 복사 방식으로 추출할 수 있는 것이다.
이때, 사파이어 단결정의 성장량에 따라 연결부(150)에서의 복사 열추출량이 가변되도록 냉각부(200)는 열전도성 연결부(150)로 이동 가능하게 배치된다.
내화물(110) 및 발열체(120)는 챔버(100) 내부에 내장되어 있으며, 내화물(110)은 챔버(100)의 내벽면에 장착되어 챔버(100)의 내부를 외부로부터 단열시키고, 발열체(120)는 챔버(100) 내부에 설치되어 도가니(130)를 가열한다.
챔버(100)는 사파이어 단결정 성장을 위한 용융점(2050℃) 이하의 고온에서 내화물(110)로부터 방출되는 열에 의한 변형이 발생되지 않아야 하며, 진공 및 가스 분위기에서 사용이 가능하여야 한다.
그러므로, 챔버(100)는 열에 의한 변형을 방지하기 위하여 냉매(냉각수, 가스 등)를 이용하여 챔버(100)를 냉각할 수 있도록 냉매가 흐르는 통로를 갖는 이중 챔버가 사용될 수 있다.
챔버(100)의 내부 분위기는 진공 분위기 또는 가스 분위기가 사용될 수 있고, 진공 분위기의 경우 1기압 미만을 유지하고, 가스 분위기의 경우 1기압, 1기압 초과 또는 1기압 미만에서도 사용 가능하다. 가스는 아르곤, 수소, 질소 또는 헬륨 등이 사용될 수 있다.
내화물(110)은 발열체(120)에서 방출되는 열이 외부로 유출되는 것을 방지하는 단열재 역할을 하는 것으로, 내화물(110)의 소재로는 텅스텐, 몰리브덴, 카본 및 흑연계 펠트 등의 금속계 및 세라믹계 재질 등이 사용될 수 있다.
발열체(120)는 챔버(100) 내부의 온도를 사파이어 웨이퍼 단결정의 용융점 이하까지 가열하는 역할을 하며, 가열방식으로는 유도가열 및 저항가열 방식 등이 사용될 수 있다. 특히, 저항가열 방식에서의 발열체 소재로는 텅스텐 및 몰리브덴, 흑연, 탄화규소등의 금속계 또는 비금속계 소재가 사용될 수 있다.
도가니(130)는 알루미나 원료를 용융시킨 후 응고시켜 사파이어 단결정을 성장시킬 때 알루미나 원재료의 용융 온도인 2050℃에서도 녹지 않을 수 있는 텅스텐이나 몰리브데늄, 이리듐 등의 금속재질로 형성된다.
그리고, 도가니(130)는 챔버(100) 내에 수직으로 세워지도록 배치되고, 도가니(130)의 내부 바닥에는 사파이어 단결정을 성장시킬 수 있는 크기를 갖는 사파이어 단결정 시드가 장착된다.
또한, 열전도성 연결부(150)는 몰리브덴(Mo), 텅스텐(W)의 소재로 제작되는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 사파이어 단결정 성장장치의 냉각부의 일례의 구성을 설명하기 위한 모식적인 단면도이다.
도 2를 참고하면, 냉각부(200)는 내부에 상시 상온의 냉각수가 순환하는 유로가 있고, 열전도성 연결부(150)에 대향하는 삽입홈(230)이 형성되어 있으며 제1열방사율을 가지는 제1냉각부(210); 및 상기 삽입홈(230)의 내측벽에 형성된 제2열방사율을 가지는 제2냉각부(250);를 포함한다.
제1냉각부(210)는 내부에 순환되는 상온의 냉각수에 의해, 사파이어 단결정의 성장 초반 및 중반에 열전도성 연결부(150)의 고온을 복사 열추출한다.
이때, 제1냉각부(210)의 냉각수에 의한 상온은 제2냉각부(250)로도 전달되고, 후술된 바와 같이, 제2냉각부(250)는 사파이어 단결정의 성장의 후반에 열전도성 연결부(150)의 고온을 복사 열추출한다.
본 발명에서는 제2냉각부(250)의 제2열방사율은 제1냉각부(210)의 제1열방사율보다 높은 것이 바람직하다.
즉, 사파이어 단결정의 성장 초반 및 중반에는 시드에 성장되는 사파이어 단결정 잉곳의 높이가 높지 않기 때문에, 제1냉각부(210)에서 열전도성 연결부(150)의 고온을 복사 열추출하더라 충분한 온도 구배에 사파이어 단결정 잉곳의 성장이 원활하게 된다.
그러나 제1냉각(210)부로만 열전도성 연결부(150)의 고온을 복사 열추출하게 되면, 사파이어 단결정 잉곳의 높이가 높아 사파이어 단결정 잉곳의 최고 높은 영역에서는 사파이어 단결정이 원활하게 성장할 수 있을 정도의 충분한 온도 구배가 형성되지 않는다.
따라서, 본 발명에 의하면, 사파이어 단결정의 성장의 후반에 제1냉각부(210)의 제1열방사율보다 상대적으로 높은 제2열방사율을 가지는 제2냉각부(250)를 통하여 복사 열추출을 더 빠르게 하여, 높은 사파이어 단결정 잉곳 영역에도 충분한 온도 구배가 형성될 수 있도록 함으로써 대구경/대형 사파이어 단결정을 성장시킬 수 있다.
본 발명에서는 제1냉각부(210)는 Cu로 이루어진 것이 바람직하고, 제2냉각부(250)는 흑연으로 이루어진 것이 바람직하다.
참고로, 열전도성 연결부(150)는 고정된 것이고, 냉각부(200)가 이동가능한 것이므로, 사파이어 단결정이 성장함에 따라 냉각부(200)가 이동되어 열전도성 연결부(150)로 접근한다. 이와 같이, 냉각부(200) 이동에 따라 반대로 열전도성 연결부(150)가 냉각부(200)에 접근하는 것으로 생각될 수 있으므로, 도 2에서는 열전도성 연결부(150)에서 냉각부(200) 방향의 화살표로 도시하였다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따라 사파이어 단결정의 성장 정도에 따라 열전도성 연결부와 냉각부의 이격 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3과 같이 사파이어 단결정의 성장 초반(최초 성장이 될 수도 있음)에는 열전도성 연결부(150)와 냉각부(200)의 이격 거리(L1)는 다소 클 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 사파이어 단결정의 성장 중반의 열전도성 연결부(150)와 냉각부(200)의 이격 거리(L2)는 사파이어 단결정의 성장 초반의 열전도성 연결부(150)와 냉각부(200)의 이격 거리(L1)보다 작아진다.
즉, 본 발명에서는 사파이어 단결정이 성장될수록 냉각부(200)를 열전도성 연결부(150)에 점점 가까워지도록, 냉각부(200)를 열전도성 연결부(150)쪽으로 이동시켜 사파이어 단결정을 성장시키는 것이다.
이러한 것은 사파이어 단결정이 성장됨에 따라 사파이어 단결정 잉곳의 높이가 점점 높아져 높은 잉곳 영역에도 충분한 온도 구배를 부여하기 위한 것이다.
도 5를 참고하면, 사파이어 단결정의 성장 후반(성장 종료시점이 될 수도 있음)에는 열전도성 연결부(150)의 끝단이 냉각부(200)의 삽입홈(230)에 삽입되어 삽입홈(230)의 내측벽에 형성된 제2냉각부(250)로 복사 열추출하게 된다.
사파이어 단결정의 성장 후반에 열전도성 연결부(150)와 냉각부(200)의 이격 거리는 사파이어 단결정의 성장 초반 및 중반의 열전도성 연결부(150)와 냉각부(200)의 이격 거리(L1,L2)보다 훨씬 작다.
표 1은 본 발명은 상술한 사파이어 단결정 성장장치를 통하여 사파이어 단결정을 성장시킨 잉곳의 최소 및 최고 온도차를 측정한 것이고, 비교예는 열전도성 연결부를 냉각부에 고정시켜 종래의 전도에 의하여 열추출 방식으로 사파이어 단결정을 성장시킨 잉곳의 최소 및 최고 온도차를 측정한 것이다.
비교예(전도 열추출) 본 발명(복사 열추출)
잉곳 최소 온도차(K) 40 25
잉곳 최고 온도차(K) 75 130
표 1과 같이, 성장하는 사파이어 단결정의 잉곳에서, 비교예의 온도 구배보다 본 발명의 온도 구배가 월등히 커서, 고액계면의 온도 구배를 제어할 수 있음을 확인하였다.
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 사파이어 단결정을 성장시키는 장치로서, 최적의 온도 구배를 형성하여 대구경/대형의 사파이어 단결정 잉곳을 성장시킬 수 있고, 사파이어 단결정 잉곳의 성장 속도를 증가시킬 수 있어 IT용, 산업용, 군사용, LED용 기판 등과 같은 첨단소재 분야에도 광범위하게 사용된다.

Claims (6)

  1. 챔버;
    상기 챔버 내부에 내장되어 있는 내화물;
    상기 챔버 내부에 설치되며, 사파이어 단결정이 성장되는 시드(seed) 및 원재료가 장입된 도가니;
    상기 챔버 내부에 설치되며 상기 도가니를 가열하여 상기 원재료를 용융하는 발열체;
    상기 도가니에 연결된 열전도성 연결부; 및
    상기 열전도성 연결부로부터 이격되어 복사 열추출을 수행하고, 상기 열전도성 연결부에서의 복사 열추출량이 가변되도록 상기 열전도성 연결부로 이동 가능하게 배치되는 냉각부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부의 내부에는 냉각수가 순환하는 유로가 있는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 열전도성 연결부에 대향하는 배치되는 삽입홈이 형성되어 있으며 제1열방사율을 가지는 제1냉각부; 및 상기 삽입홈의 내측벽에 형성된 제2열방사율을 가지는 제2냉각부;를 포함하며,
    상기 제2냉각부의 제2열방사율은 상기 제1냉각부의 제1열방사율보다 큰 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1냉각부는 Cu로 이루어지고, 상기 제2냉각부는 흑연으로 이루어진 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 사파이어 단결정이 성장될수록 상기 냉각부가 상기 열전도성 연결부에 점점 가까워지게 상기 냉각부를 상기 열전도성 연결부쪽으로 이동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 사파이어 단결정의 성장 중반의 상기 열전도성 연결부와 상기 냉각부의 이격 거리는 상기 사파이어 단결정의 성장 초반의 상기 열전도성 연결부와 상기 냉각부의 이격 거리보다 작으며,
    상기 사파이어 단결정의 성장 후반에 상기 열전도성 연결부는 상기 제1냉각부의 삽입홈에 삽입되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 사파이어 단결정 성장장치.
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