(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバーと、
前記チャンバーの内部に備えられ、アルミナ融液を収容するルツボと、
前記チャンバーの内側に備えられ、前記ルツボを加熱する抵抗加熱ヒータと、
前記チャンバーの内側に備えられ、上部コイルと下部コイルを有し、前記ルツボ内のアルミナ融液に磁場を印加するカスプマグネットと、を含み、
前記上部コイルと前記下部コイルに印加される電流比が１：０.５〜１：２となるように調節して、ZGP(Zero Gauss Plane)を下落させ、SR-Cell(Seed Rotation Cell)のローレンツ力を増加させる、
抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置。
【請求項２】
前記ルツボの外部に備えられるルツボ支持台と、
前記ルツボ支持台の下側に備えられる回転軸と、をさらに含み、
前記回転軸は、所定の駆動手段によって前記ルツボを回転および昇降させることを特徴とする請求項１に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置。
【請求項３】
前記チャンバーの内側に備えられ、前記アルミナ融液に接触させた種結晶から成長するインゴットを加熱するアフターヒータをさらに含むことを特徴とする請求項１または２に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置。
【請求項４】
チャンバーの内側に備えられ、上部コイルと下部コイルを有し、前記チャンバーの内部に備えられるルツボ内のアルミナ融液に磁場を印加するカスプマグネットを用いる、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法であって、
前記ルツボにアルミナ多結晶を装入するステップと、
前記ルツボを抵抗加熱ヒータにより加熱して、前記アルミナ多結晶をアルミナ融液にするステップと、
溶融したアルミナの上部に種結晶を接触させるステップと、
接触された種結晶からサファイア単結晶インゴットを成長させるステップと、
成長したインゴットを溶融したアルミナと分離するステップと、を含み、
前記上部コイルと前記下部コイルに印加される電流比が１：０.５〜１：２となるように調節して、ZGP(Zero Gauss Plane)を下落させ、SR-Cell(Seed Rotation Cell)のローレンツ力を増加させる、
抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
【請求項５】
前記ルツボの外部に備えられるルツボ支持台および前記ルツボ支持台の下側に備えられる回転軸をさらに含み、
前記回転軸は、所定の駆動手段によって前記ルツボを回転および昇降させることを特徴とする請求項４に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
【請求項６】
前記インゴットと前記ルツボを回転させて、アルミナ融液の対流パターンを制御することを特徴とする請求項４または５に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
【請求項７】
以下の数式１と数式２を利用して、MsMcを０.１〜０.５に維持することを特徴とする請求項６に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
（数式１）
DS ratio=Volume of Seed Rotation Cell/Volume of Crucible Rotation Cell=Vs/Vc
数式１において、
DS ratioは、CR-cellのVolumeに対するSR-cellのボリューム比である。
（数式２）
MsMc=Angular Momentum of Seed Rotation Cell/Angular Momentum of Crucible Rotation Cell=VsΦs,m/VcΦc,m
数式２において、
MsMcは、CR-cellの角運動量(Angular Momentum)に対するSR-cellの角運動量の比であり、
Φs,mは、SR-cellの中心での最大角速度(Maximun Angula Velocity at the center of SR-cell)であり、
Φc,mは、CR-cellの中心での最大角速度(Maximun Angula Velocity at the center of CR-cell)である。
【請求項８】
成長するインゴットをアフターヒータで加熱するステップをさらに含むことを特徴とする請求項４または５に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法、サファイア単結晶インゴットおよびサファイアウェハに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
窒化物半導体、例えば、窒化ガリウム(GaN)を利用した発光素子(LED)用基板として用いられるサファイアウェハ(Sapphire Wafer)は、その需要が増加しており、他の基板材料より高い量産性を有することから広く脚光を浴びているウェハである。
【０００３】
従来技術によれば、サファイアウェハは、高純度アルミナ(alumina)(Al２O３)原料を装入した成長炉(growth furnace)を約２１００℃以上に加熱して原料を溶融させる。続いて、チョクラルスキー法(以下「CZ法」という)、Kyropoulos法、EFG(Edge-defined Film-fed Growth)法、垂直水平温度勾配法(VHGF)等の多様な方法によって原料を棒状のインゴット(Ingot Boule)に成長させた後、コアリング(Coring)、グラインディング(Grinding)、スライシング(Slicing)、ラッピング(Lapping)、熱処理、ポリッシング(Polishing)等の一連の研削および研磨工程を経て製作される。
【０００４】
現在の量産されているLED光変換(light conversion)効率特性が比較的優れるサファイア基板の結晶学的方向はC-軸であり、今後結晶学的方向が変わる可能性があるが、棒状のインゴットの成長方法によって成長した単結晶を活用する収率の差は変わらない。このような収率の差は、サファイア単結晶が有する物理化学的特性と結晶成長方法による特性に依存することになる。
【０００５】
一方、サファイアインゴットの成長において、CZ法は、活用される基板の結晶学的方向と成長する結晶方向が同一方法として、単結晶の収率(Yield)面で優れた方法である。
【０００６】
図１は、従来の誘導加熱(Induction Heat)CZ法によるサファイア単結晶インゴットの製造方法の例示図である。
【０００７】
従来の誘導加熱によるCZ法を利用したサファイアインゴットの成長装置１０は、RF-コイル(coil)３０、イリジウム(Iridium：Ir)ルツボ２０、ルツボ支持台(図示しない)等を含む。
【０００８】
RF-コイル３０は、高電圧の電流の流れ方向が無線周波数(Radio Frequency)に変わりながらIr-ルツボ２０の表面に誘導電流を発生させる。
【０００９】
前記Ir-ルツボ２０は、誘導電流の流れ方向の変化によるルツボ表面のストレス(Stress)に起因した熱を発生させ、溶融した高温のアルミナ(Al２O３)を収容した溶湯としての役割をする。
【００１０】
ところで、従来の誘導加熱CZ法を利用してC-軸サファイア単結晶インゴットの成長方法には、第１）従来の誘導加熱CZ法でIr-ルツボの採用によりサファイア単結晶の品質が悪化する問題点があり、第２）従来の誘導加熱CZ法ではIr-ルツボを用いることで、大型化、大容量化が困難である問題があり、断熱材の採用において大くの制限要因が作用し、外部フィールド(Field)資源を活用できない限界がある。
【００１１】
まず、第１の従来の誘導加熱CZ法でIr-ルツボの採用によりサファイア単結晶の品質が悪化する問題点は、次のようである。
【００１２】
従来の誘導加熱CZ法では、Ir-ルツボが直接発熱することで、高温の溶融アルミナ(Al２O-)の温度分布を制御しにくい問題があり、Ir-ルツボの直接発熱で局部的な加熱により気泡(Bubble)が発生する可能性がある。
【００１３】
また、従来の誘導加熱CZ法では、図１のように自然対流パターン(Free Convection Cell)(FC)が強いことから生成された気泡の円滑な排出が容易ではない。
【００１４】
また、従来の誘導加熱CZ法では、高温のアルミナの自然対流パターン(FC)と結晶学的特性、潜熱効果によって成長界面が下方へと膨らみ、C-軸サファイア単結晶のファセット面(Facet surface)成長界面と溶融体の間にストレスが発生し、コアファセット(Core Facet)、インクルージョン(Inclusion)、EPD(Etched Pit Dislocation)、ストライエーション(Striation)等の結晶欠陥を誘発する問題がある。
【００１５】
また、従来の誘導加熱を利用したCZ法は、誘導加熱に起因した自然対流(FC-cell)が非常に複雑な乱流特性(いわゆる、レイリーベナール対流(Rayleigh-Benard Convection))で挙動することになるので、成長界面で一定の熱および物質伝達が難しくなる。従って、転位密度(Dislocation Density)が非常に高く、気孔のない(Bubble Free)無欠陥単結晶成長が難しいという限界がある。
【００１６】
また、従来の誘導加熱CZ法では、発熱体の役割をするIr-ルツボを回転させたり引上することができないので、高温の溶融アルミナの対流パターンの変化を誘導することができない。
【００１７】
また、従来の誘導加熱CZ法は、成長界面の凝固潜熱効果は、自然対流パターン(FC)によって、成長界面を溶融体側に膨らませる問題がある。これによって、成長したインゴットを強く回転させる場合、成長界面と溶融体の高い粘度による摩擦でせん断応力が大きく作用して結晶欠陥を誘発してしまう。
【００１８】
次に、第２の従来の誘導加熱CZ法でIr-ルツボを用いることで、大型化、大容量化が困難である問題、断熱材の採用における制限要因および外部フィールド資源を活用できない問題は、以下のようである。
【００１９】
例えば、Ir-ルツボの原料であるイリジウムは非常に制限的な物質であり、１５０mm以上の単結晶成長のための大型化および大容量化が難しい。
【００２０】
また、従来の誘導加熱CZ法は、RF-コイルの採用により、RF-コイルのメンテナンス費用および電力消耗が大きく、RF-コイルの製作が困難であるなど、高い費用が必要とされる問題がある。
【００２１】
また、従来の誘導加熱CZ法では、誘導電流がルツボ以外に磁場コイルに発生することになるので、磁場、電磁場等の外部フィールド資源を活用できない限界がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明は、従来の誘導加熱CZ法が持つ高温のアルミナ(Al２O３)溶融体の対流パターンに対する制御の限界点を克服して、サファイア単結晶の品質を改善できる、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法、サファイア単結晶インゴットおよびサファイアウェハを提供しようとする。
【００２３】
また、本発明は、大口径化が可能で、費用を低減でき、効率性が増大する抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法、サファイア単結晶インゴットおよびサファイアウェハを提供しようとする。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置は、チャンバーと、前記チャンバーの内部に備えられてアルミナ融液を収容するルツボと、前記チャンバーの内側に備えられて前記ルツボを加熱する抵抗加熱ヒータとを含む。
【００２５】
また、本発明の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法は、チャンバーの内部に備えられるルツボにアルミナ多結晶を装入するステップと、前記ルツボを抵抗加熱ヒータにより加熱して、前記アルミナ多結晶をアルミナ融液にするステップと、溶融したアルミナの上部に種結晶(seed crystal)を接合させるステップと、接合された種結晶からサファイア単結晶インゴットを成長させるステップと、成長したインゴットを溶融したアルミナと分離するステップとを含む。
【００２６】
また、本発明のサファイア単結晶インゴットは、１５０mm以上の直径を有することができる。
【００２７】
また、本発明のサファイアウェハは、１５０mm以上の直径を有することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、高温のアルミナ(Al２O３)溶融体の対流パターンに対する制御の限界点を克服して、サファイア単結晶の品質を改善できる抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法、サファイア単結晶インゴットおよびサファイアウェハを提供できる。
【００２９】
例えば、本発明によれば、抵抗加熱方式とルツボの回転による成長界面での伝達現象によって、EPD密度を大きく減らすことができる。また、本発明によれば、部分的な自然対流の減速化および部分的な強制対流を誘導して単結晶インゴット内の気泡を減らし、気孔のない無欠陥サファイアインゴットを提供することができる。また、本発明によれば、成長界面の形状を変化させてせん断応力を減少させ、潜熱の効果を利用してコアファセットが発生しないようにする。また、本発明によれば、成長したインゴットの温度分布の制御によってインゴット内のクラックを減らすことができる。
【００３０】
また、本発明によれば、大口径化が可能で、費用を低減でき、効率性が増大する抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法、サファイア単結晶インゴットおよびサファイアウェハを提供することができる。
【００３１】
例えば、本発明によれば、既存のRF-コイル誘導加熱CZ法より大口径化が容易で、１５０mm以上の直径を有するサファイアインゴットおよびサファイアウェハを提供することができる。また、本発明は、２００mm以上の有効長さと１５０mm以上の直径を有するサファイアインゴットを提供することができる。
【００３２】
また、本発明によれば、サファイア単結晶で結晶学的にC-軸成長技術を確保することで、他のすべての方向(A、R、M軸)に結晶成長技術を確立することができ、本発明によってC-軸成長技術が開発されると、他の成長方法で必要不可欠なコアリング工程なしに、グラインディングによってインゴットを生産できるので、生産性が向上するだけでなく、直径制御による５０%以上の高いシリンダー収率が保障され、国際的に独歩的な競争力を持つ技術を確保できる。
【００３３】
また、本発明によれば、Ir-ルツボを採用しないことで、材料費が大幅に減らすことができる。また、本発明によれば、断熱材の選択および工程変数の活用面で広範囲な制御幅を持つことで、研究開発の効果が増加することになる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来の誘導加熱ＣＺ法を利用したサファイア単結晶インゴットの製造方法の例示図。
【図２】本発明の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置の例示図。
【図３】本発明の抵抗加熱ＣＺ法を利用した高温のアルミナ溶融体の対流パターンに対する制御および成長界面の伝達現象に対する制御方法の例示図。
【図４】本発明の抵抗加熱ＣＺ法を利用したサファイア単結晶インゴットの製造方法で、対流パターンを解釈する方法に対する例示図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
実施例の説明において、各ウェハ、装置、チャック、部材、部、領域または面などが、各ウェハ、装置、チャック、部材、部、領域または面などの「上」または「下」に形成されると記載される場合、「上」と「下」は「直接」または「他の構成要素を介在して」形成されるものを全部含む。また、各構成要素の「上」または「下」に対する基準は、図面を基準として説明する。図面での各構成要素の大きさは、説明の便宜を図って誇張される場合があり、実際に適用される大きさを意味するものではない。
【００３６】
（実施例）
図２は、本発明の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置１００の例示図である。
【００３７】
本発明のサファイア単結晶インゴットを成長させるための製造方法としては、単結晶であるシードをアルミナ融液に浸漬した後、ゆっくり引き上げながら結晶を成長させるCZ法を採用することができる。
【００３８】
本発明の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置１００は、チャンバー(図示しない)と、前記チャンバーの内部に備えられ、アルミナ融液を収容するルツボ１２０と、前記チャンバーの内側に備えられ、前記ルツボ１２０を加熱する抵抗加熱ヒータ１３０と、成長するインゴットを予熱するアフターヒータ(After Heater)(図示しない)と、シード(S)(図３参照)が一端に結合されている引上手段１５０とを含むことができる。
【００３９】
前記チャンバーは、サファイアインゴットを成長させるための所定の工程が実行される空間を提供する。
【００４０】
前記ルツボ１２０は、アルミナ融液を収容できるように前記チャンバーの内部に備えられ、タングステン(W)またはモリブデン(Mo)等の材質でなることができるが、これに限定されるものではない。
【００４１】
実施例で、ルツボ１２０の材質と形状は、１５０mm以上の直径に合うように設計され、これによって伝導および融液(Melt)の対流と熱伝達メカニズム(Mechanism)を制御することができる。
【００４２】
前記ルツボ１２０の外部にはルツボ１２０を支持するルツボ支持台１２５が設けられる。前記ルツボ支持台１２５は回転軸１２７上に固定設置され、前記回転軸１２７は、駆動手段(図示しない)によって回転され、ルツボ１２０を回転および昇降運動させながら、固液(solid-liquid)界面が一定の高さを維持(Level stationary)するようにする。
【００４３】
前記抵抗加熱ヒータ１３０は、ルツボ１２０を加熱するようにチャンバーの内部に設けられる。前記抵抗加熱ヒータ１３０はルツボ１２０内に搭載された多結晶サファイアの塊を溶融してサファイア融液にする。
【００４４】
前記抵抗加熱ヒータ１３０は、グラファイト(C)、タングステン(W)、モリブデン(Mo)等で製造することができるが、これに限定されるものではない。
【００４５】
前記抵抗加熱ヒータ１３０は、多重加熱ヒータを採用することができ、抵抗加熱ヒータ１３０を３００mmの直径に適合するように設計することができる。
【００４６】
前記チャンバーの内側には、抵抗加熱ヒータ１３０の熱が放出されないように輻射断熱材１４２が設置される。前記断熱材１４２は、抵抗加熱ヒータ１３０およびルツボ１２０において最適な熱的分布をもたらし、そのエネルギーを最大限損失なく活用可能とする材質と形状で設計される。
【００４７】
また、本発明は、前記断熱材１４２の外側に熱遮蔽材１４４がさらに備えられ、チャンバー外側への熱の放出を遮断することができる。チャンバーの内側に設置される輻射断熱材１４２と熱遮蔽材１４４は、その材質に応じて設置順を変更することができる。また、これらはルツボを基準として側部に配置されることに限定されず、下部および上部にも位置させることができる。
【００４８】
本発明の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置１００は、シード駆動部、センサ部および制御部を含むことができる。
【００４９】
前記シード駆動部は、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置１００の動作に重要な役割をする部分として、シードローテーション(Seed Rotation)およびシードリフト(Seed Lift)動作が可能な引上手段１５０と制御ロジック(control logic)を有することができる。
【００５０】
前記センサ部は、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置１００の運用おいて、各種電気的および機械的信号を送受信するように機能し、インゴットの重さセンシング(Weight Sensing)およびインゴット側部表面の温度センシング(Temperature Sensing)が可能なセンサ部および制御ロジック(control logic)を具備することができる。
【００５１】
前記制御部は、前記駆動部と前記センサ部での各種情報を基に実際の結晶成長(crystal growth)を行う制御ロジックであり、重さと温度を連係する閉ループ(Closed-loop)方式のフィードバック制御ロジック(Feedback Control logic)に設計することができるが、これに限定されるものではない。
【００５２】
本発明は、設計された装備に適合したホットゾーン(Hot Zone：H/Z)を設計することで、最適な熱的分布を有するようにすることができる。例えば、本発明は、ホットゾーン(H/Z)を開発するためのコンピュータシミュレーションに基づいて融液の対流、熱伝達特性を予想し、H/Z材料の選択に効率的に対応することができる。
【００５３】
また、本発明は、アフターヒーティング(After heating)技術を採用することができるが、これに限定されるものではない。例えば、アフターヒーティングのためにサファイアインゴットの上側に反射部(図示しない)を設けることができるが、これに限定されるものではない。
【００５４】
また、本発明は、成長したインゴットからの転位(dislocation)除去するためのアニーリング(anneal)工程を行うことができるが、これに限定されるものではない。
【００５５】
図３は、本発明の抵抗加熱ＣＺ法を利用した高温のアルミナ溶融体の対流パターンに対する制御および成長界面の伝達現象に対する制御方法の例示図であり、図４は、本発明の抵抗加熱ＣＺ法を利用したサファイア単結晶インゴットの製造方法で、対流パターンを解釈する方法に対する例示図である。
【００５６】
本発明の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法によれば、高温のアルミナ(Al２O３)溶融体の対流パターンに対する制御の限界点を克服して、サファイア単結晶の品質を改善することができる。
【００５７】
例えば、本発明によれば、抵抗加熱方式とルツボの回転による成長界面での伝達現象によって、EPD(Etched Pit Dislocation)密度を大きく減らすことができる。
【００５８】
具体的に、本発明は、従来の技術が持つ高温のアルミナ(Al２O３)溶融体の対流パターン制御の限界点を克服するために、ルツボ１２０と単結晶インゴットを適切な比で回転させて強制対流効果を誘発し、フィールド資源とルツボ１２０の引上により生成した強制対流パターンを効率的に維持して溶融体内部の温度を均一に分布させると共に、成長界面の形状をフラットまたはインゴット側に膨らませ、蓄積した潜熱を成長界面を介してインゴット側に効率的に排出させることができる。これによって、本発明によれば、引上と温度勾配から発生するEPDを大きく減らすことができる。
【００５９】
例えば、本発明によれば、EPDを１０００EA/cm２または１０００EA/cm２以下に減らすことができる。
【００６０】
また、本発明によれば、部分的に自然対流の減速化および部分的に強制対流を誘導して、自然対流の減速化および強制対流の効果によって、単結晶インゴット内の気泡を減らし、気孔のない無欠陥サファイアインゴットを提供することができる。
【００６１】
具体的に、実施例で、ルツボ１２０と成長するサファイアインゴットを反対方向に回転させながら角回転に参与する溶融体の角運動量の比を一定に維持させることができ、終局、気泡を含む高温のアルミナ(Al２O３)は、ルツボ１２０の壁面に沿って垂直上昇するルツボローテーションセル(Crucible Rotation Cell、以下「CR-cell」という)パターンに含まれて自由表面に移動し、この時、成長炉内の低い圧力によって気泡は揮発できる。
【００６２】
たまに残っているマイクロ気泡(micro-bubble)は、インゴットの回転によるシードローテーションセル(Seed Rotation Cell、以下「SR-cell」という)のポンピング(Pumping)効果によって、成長界面に移動できなくなる。
【００６３】
（数式１）
DS ratio=Volume of Seed Rotation Cell/Volume of Crucible Rotation Cell=Vs/Vc
数式１において、DS ratioはCR-cellのVolumeに対するSR-cellのボリューム比である。
【００６４】
（数式２）
MsMc=Angular Momentum of Seed Rotation Cell/Angular Momentum of Crucible Rotation Cell=VsΦs,m/VcΦc,m
数式２において、MsMcはCR-cellの角運動量に対するSR-cellの角運動量の比率であり、Φs,mはSR-cellの中心で最大角速度(Maximun Angula Velocity at the center of SR-cell)であり、Φc,mはCR-cellの中心で最大角速度(Maximun Angula Velocity at the center of CR-cell)である。
【００６５】
本発明は、MsMc値の最適条件を導出して、部分的な自然対流の減速化および部分的な強制対流を誘導し、単結晶インゴット内の気泡を減らすことができる。
【００６６】
また、本発明によれば、成長界面と溶融体の摩擦によるせん断応力と潜熱の排出経路変更による応力制御によって、コアファセットの発生を防ぐことができる。
【００６７】
具体的に、本発明によれば、インゴットの回転にともなうSR-cellによるポンピング効果によって、成長界面は溶融体側に膨らんだ形状からフラット形状、或いは成長結晶側に膨らんだ形状に制御され、これは成長界面及び溶融体の間の界面に作用するせん断応力と結晶面方向との角度を変化させて、コアファセット制御に有利に作用する。
【００６８】
また、本発明によれば、成長したインゴットの温度分布の制御によってインゴット内のクラックを減らすことができる。
【００６９】
具体的に、本発明によれば、ルツボ１２０を成長した結晶の密度比に合わせて上昇移動(CR lift)させることで、一定の固液界面(solid-liquid interface)の位置を維持(Level stationary)することができ、これは抵抗加熱ヒータ１３０の中心と成長界面の位置の変化を最小化させることで、成長炉内のインゴットの熱分布の変化を最小化して成長する結晶に発生しうる熱応力分布差によるクラックの発生を抑制することができる。一方、インゴットの熱分布は、アフターヒータの採用で効果的に制御することができる。
【００７０】
また、本発明によれば、サファイアインゴットの大口径化が可能で、費用を低減でき、効率性が増大する抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法、サファイア単結晶インゴットおよびサファイアウェハを提供することができる。
【００７１】
例えば、本発明によれば、既存のRF-コイル誘導加熱CZ法より大口径化が容易で、１５０mm以上の直径を有するサファイアインゴットおよびサファイアウェハを提供することができる。また、本発明は、２００mm以上の有効長さと１５０mm以上の直径を有するサファイアインゴットを提供することができる。
【００７２】
本発明によれば、サファイア単結晶で結晶学的にC-軸成長技術を確保することで、他のすべての方向(A軸、R軸、M軸)に結晶成長技術を確立することができる。これは、LED用サファイア基板に要求される結晶学的方向が変化しても、即時的に対応可能な技術を確保できることになる。
【００７３】
本発明によってC-軸成長技術が開発されると、他の成長方法で必要不可欠なコアリング工程なしに、グラインディングによってインゴットを生産することで、生産性が向上するだけでなく、直径制御による５０%以上の高いシリンダー収率が保障されることで、国際的に独歩的な競争力を持つ技術を確保できる。
【００７４】
前記インゴットシリンダー収率(%)は、インゴットシリンダーの重量を棒状のインゴットの重量で割り、１００を乗じた値で求めることができる。
【００７５】
本発明によれば、双晶境界/亜粒界(Twin/Sub-Grain boundary)のないサファイアインゴットおよびサファイアウェハを提供することができる。
【００７６】
また、本発明によれば、オリエンテーション(Orientation)がインゴットシリンダーを基準として、ターゲット±０.０２５'、フラット±０.１'のサファイアインゴットを提供することができる。
【００７７】
また、本発明によれば、Ir-ルツボを採用しないことで、材料費を大幅に減らすことができる。
【００７８】
また、本発明によれば、断熱材の選択および工程変数の活用面で広範囲な制御幅を持つことで、研究開発の効果が増加することになる。
【００７９】
例えば、フィールド資源であるカスプマグネット(Cusp Magnet)と高温溶融体の挙動により発生するローレンツ力(Lorentz Force)を利用して、成長界面近くの境界層(Boundary Layer)およびSR-cellの形状、位置などを制御することができる。
【００８０】
例えば、本発明によれば、マグネット装備の上部コイル(Upper coil)と下部コイル(Lower coil)に印加する電流比を調整すると、ZGP(Zero Gauss Plane)が約４０mmから約１０５mmに下落し、SR-Cellのローレンツ力が増加する。例えば、上部コイルと下部コイルに印加する電流比を１〜２となるように調節して、ZGPを下落させ、SR-Cellのローレンツ力を増加させることができるが、これに限定されるものではない。前記カスプマグネットの上部コイルと下部コイルに印加する電流比が１〜２となるようにするとは、相互同一(１:１)または、いずかの一方が２倍までなることを意味する。例えば、上部コイルと下部コイルに印加する電流比を１：０.５〜１：２となるようにするが、これに限定されるものではない。
【００８１】
本発明によるローレンツ力の増加によって融液のポンピング量が増加すると、ルツボの底から流入する酸素が増加してサファイアインゴットの酸素濃度が増加する。
【００８２】
本発明の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法、サファイア単結晶インゴットおよびサファイアウェハによれば、次のような効果がある。
【００８３】
本発明によれば、高温のアルミナ(Al２O３)溶融体に対する制御の限界点を克服して、サファイア単結晶の品質を改善できる抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法、サファイア単結晶インゴットおよびサファイアウェハを提供することができる。
【００８４】
例えば、本発明によれば、抵抗加熱方式とルツボ回転による成長界面での伝達現象によって、EPD密度を大きく減らすことができる。また、本発明によれば、部分的な自然対流の減速化および部分的な強制対流の効果によって単結晶インゴット内の気泡を減らし、気孔のない無欠陥サファイアインゴットを提供することができる。また、本発明によれば、成長界面の摩擦によるせん断応力と潜熱排出経路の変更による応力制御によって、コアファセットが発生しなくなる。また、本発明によれば、成長したインゴットの温度分布の制御によってインゴット内のクラックを減らすことができる。
【００８５】
また、本発明によれば、大口径化が可能で、費用を低減でき、効率性が増大する抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置、抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法、サファイア単結晶インゴットおよびサファイアウェハを提供することができる。
【００８６】
例えば、実施例によれば、既存のRF-コイル誘導加熱CZ法より大口径化が容易で、１５０mm以上の直径を有するサファイアインゴットおよびサファイアウェハを提供することができる。また、本発明は、２００mm以上の有効長さと１５０mm以上の直径を有するサファイアインゴットを提供することができる。
【００８７】
また、本発明によれば、サファイア単結晶で結晶学的にC-軸成長技術を確立することで、他のすべての方向(A、R、M軸)に結晶成長技術を確保することができる。例えば、本発明によってC-軸成長技術が開発されると、他の成長方法で必要不可欠なコアリング工程なしに、グラインディングによってインゴットを生産できるので、生産性が向上するだけでなく、直径制御による５０%以上の高いシリンダー収率が保障され、国際的に独歩的な競争力を持つ技術を確保できる。
【００８８】
また、本発明によれば、Ir-ルツボを採用しないことで、材料費が大幅に減らすことができる。また、本発明によれば、断熱材の選択および工程変数の活用面で広範囲な制御幅を持つことで、研究開発の効果が増加することになる。
【００８９】
一方、サファイア素材は、LED以外に通信、センサ、セキュリティー等の多様な産業分野への適用可能性が大きい潜在素材として、本発明によって生産性が高く、高品質で大口径のサファイア素材技術を確立することで、他の用途での市場開拓用の新製品開発が可能である。
【００９０】
以上の実施例で説明された特徴、構造、効果などは少なくとも一つの実施例に含まれ、必ず一つの実施例に限定されるものではない。また、各実施例で例示された特徴、構造、効果などは、本発明が属する分野で通常の知識を持つ者によって、他の実施例に対しても組合または変形されて実施が可能である。従って、このような組合と変形に係る内容は、本発明の範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
【００９１】
以上、本発明を特定の実施例を中心に説明したが、本発明はこのような実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えるこ
とができることは当業者にとって明らかである。
（付記１）
チャンバーと、
前記チャンバーの内部に備えられ、アルミナ融液を収容するルツボと、
前記チャンバーの内側に備えられ、前記ルツボを加熱する抵抗加熱ヒータと、を含む抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置。
（付記２）
前記ルツボの外部に備えられるルツボ支持台と、
前記ルツボ支持台の下側に備えられる回転軸と、をさらに含み、
前記回転軸は、所定の駆動手段によって前記ルツボを回転および昇降させることを特徴とする付記１に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置。
（付記３）
前記チャンバー内側に備えられ、前記ルツボ内のアルミナ融液に磁場を印加するカスプマグネットをさらに含むことを特徴とする付記１または２に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置。
（付記４）
前記チャンバーの内側に備えられ、前記成長するインゴットを加熱するアフターヒータをさらに含むことを特徴とする付記１または２に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの成長装置。
（付記５）
チャンバーの内部に備えられるルツボにアルミナ多結晶を装入するステップと、
前記ルツボを抵抗加熱ヒータにより加熱して、前記アルミナ多結晶をアルミナ融液にするステップと、
溶融したアルミナの上部に種結晶を接触させるステップと、
接触された種結晶からサファイア単結晶インゴットを成長させるステップと、
成長したインゴットを溶融したアルミナと分離するステップと、を含む抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
（付記６）
前記ルツボの外部に備えられるルツボ支持台および前記ルツボ支持台の下側に備えられる回転軸をさらに含み、
前記回転軸は、所定の駆動手段によって前記ルツボを回転および昇降させることを特徴とする付記５に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
（付記７）
前記ルツボ内のアルミナ融液に磁場を印加するカスプマグネットをさらに含むことを特徴とする付記５または６に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
（付記８）
前記カスプマグネットの上部コイルと下部コイルに印加される電流比が１：０.５〜１：２となるように調節して、ZGPを下落させ、SR-Cellのローレンツ力を増加させることを特徴とする付記７に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
（付記９）
前記成長する結晶と前記ルツボを回転させて、アルミナ融液の対流パターンを制御することを特徴とする付記５または６に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
（付記１０）
以下の数式１と数式２を利用して、MsMcを０.１〜０.５に維持することを特徴とする付記９に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
（数式１）
DS ratio=Volume of Seed Rotation Cell/Volume of Crucible Rotation Cell=Vs/Vc
数式１において、
DS ratioは、CR-cellのVolumeに対するSR-cellのボリューム比である。
（数式２）
MsMc=Angular Momentum of Seed Rotation Cell/Angular Momentum of Crucible Rotation Cell=VsΦs,m/VcΦc,m
数式２において、
MsMcは、CR-cellの角運動量(Angular Momentum)に対するSR-cellの角運動量の比であり、Φs,mは、SR-cellの中心での最大角速度(Maximun Angula Velocity at the center of SR-cell)であり、
Φc,mは、CR-cellの中心での最大角速度(Maximun Angula Velocity at the center of CR-cell)である。
（付記１１）
成長するインゴットをアフターヒータで加熱するステップをさらに含むことを特徴とする付記５または６に記載の抵抗加熱サファイア単結晶インゴットの製造方法。
（付記１２）
１５０mm以上の直径を有することを特徴とするサファイアインゴット。
（付記１３）
１５０mm以上の直径および２００mm以上の有効長さを有することを特徴とする付記１２に記載のサファイアインゴット。
（付記１４）
１０００EA/cm２のEPD密度を有することを特徴とする付記１２または１３に記載のサファイアインゴット。
（付記１５）
気孔のないことを特徴とする付記１２または１３に記載のサファイアインゴット。
（付記１６）
コアファセットが発生しないことを特徴とする付記１２または１３に記載のサファイアインゴット。
（付記１７）
サファイアインゴットから製造された１５０mm以上の直径を有することを特徴とするサファイアウェハ。
（付記１８）
１０００EA/cm２のEPD密度を有することを特徴とする付記１７に記載のサファイアウェハ。
（付記１９）
気孔のないことを特徴とする付記１７または１８に記載のサファイアウェハ。
（付記２０）
コアファセットが発生しないことを特徴とする付記１７または１８に記載のサファイアウェハ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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