본 논문에서는 CZ법으로 성장시킨 300 mm 사파이어 단결정의 c-축 변형 특성 및 내부 응력 상태를 수치해석하고, 사파이어 단결정에서 sub-grain 결함이 없는 성장 길이를 예측하였다. CZ 성장로의 hot zone 구조는 Ir 도가니 형상 및 상부 단열재 추가 설치 등으로 변경하였다. 본 연구의 시뮬레이션 결과, hot zone 구조 변경에 의한 c-축 변형 차이는 결정 내부에 sub-grain 결함 등이 내부에 생성되어 발생한다. Hot zone 구조 변경에 의해 sub-grain 결함이 없는 성장 길이를 기존 보다 최대 약 57 mm 정도 증가시킬 수 있을 것으로 예측되었다. 그리고 c-축 wafer에 대한 sub-grain 결함을 실험적으로 분석하고, 시뮬레이션 예측 결과와 잘 일치하고 있는 것을 확인하였다. 그 결과, CZ 공정을 이용해 약 250 mm까지 sub-grain 결함이 없는 사파이어 결정을 성공적으로 성장시킬 수 있었다.
In this study, a c-axis displacement and an internal stress of the sapphire crystal of 300 mm length have been analyzed numerically and the crystal length having no sub-grain defects have been predicted. The hot zone structures were modified with the crucible geometry change and the additional insulation layer installed above the crucible. The simulation results show that the c-axis displacement difference between the original hot zone and others originated from the sub-grain defect formations in the sapphire ingot. When the crystal grown by CZ (Czochralski) grower using the modified hot zone, the crystal length having no sub-grain defects was increased about 57 mm maximum than the original one. When the simulation results compared with the experimental one, the predicted crystal length having no sub-grain defects were well corresponded with the experiment one in c-axis wafer of the 300 mm sapphire ingot. Therefore the sapphire crystal of 250 mm length having no sub-grain defects was successfully grown by CZ process.
