Czochralski(CZ) 성장공정은 LED 기판용 고품질의 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 중요한 기술 중 하나이다. 본 연구에서는 300 mm 길이의 사파이어 단결정 위한 유도 가열방식의 CZ 성장공정을 FEM으로 수치적 해석하였다. 또한 도가니의 형상 및 상부 단열재 보강 등 hot zone 구조를 변경하고, 결정의 온도 변화를 분석하였다. 본 연구의 결과, 고-액 계면의 높이는 성장 속도의 균형이 이루어져 초기에 80 mm 부터 중기 이후 40 mm 정도까지 감소하였다. 또한 CZ 성장로의 최적 입력 전력은 도가니 형상 변경 및 상부 단열재 보강에 의한 보상효과로 기존 300 mm 용 CZ 성장로 조건과 유사하다. 그리고 Hot zone 구조를 변경한 CZ 성장로를 이용해 성장시킨 결정의 온도는 기존 보다 약 10 K 정도 상승 되는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 도출된 결과를 CZ 성장공정에 적용하여 300 mm 길이를 갖는 c-축 사파이어 단결정을 성공적으로 성장시킬 수 있었고, 단결정 성장공정에 대한 시뮬레이션 분석기법의 타당성 및 유용성을 확인하였다.
Czochralski (CZ) growth process is one of the most important techniques for growing high quality sapphire single crystal for LED application. In this study, the inductively-heated CZ growth processes for the sapphire crystal of 300 mm length have been analyzed numerically using finite element method. The hot zone structures were modified with the crucible geometry change and the additional insulation layer installed above the crucible. The results show that the solid-liquid interface height decreased from about 80 mm at initial stage to 40 mm after mid-stage due to achieve the growth speed balance. Also the optimal input power of the modified system was similar with the original one due to the compensation effects of the crucible geometry and additional insulation. The crystal temperature grown by the modified CZ grower was increased about 10 K than the original one. Therefore the sapphire crystal of 300 mm height was grown successfully.
