사파이어 단결정의 Kyropoulos 성장시 도가니 형상에 따른 유동장 및 결정성장 거동의 CFD 해석

Abstract

사파이어 단결정은 GaN계 화합물 증착이 용이하여 고휘도의 청색을 구현하기 위한 LED(Light Emitting Diode)용 기판으로 크게 각광받고 있다. 공업용 사파이어의 제조 방법으로는 Kyropoulos법, Czochralski법 HEM(Heat Exchager Method)등 다양한 방법이 시도되고 있으며, 그 중 Kyropoulos법은 고품질의 대구경 사파이어 단결정 성장이 가능한 대표적인 방법으로 알려져 있다. 그러나 Kyropoulos 공정의 특성상 결정성장로 내에서 용융 사파이어의 유동장이 단결정의 최종 품질을 결정하는데, 유동장의 변화와 이에 따르는 결정성장 거동을 관찰하기가 어렵다는 단점이 있다. 대구경화와 동시에 고품질의 사파이어 단결정을 생산하기 위해서는 성장로내의 유동장 해석을 통해 결정 성장조건을 최적화 하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 유한요소법을 기반으로 한 전산유동해석을 통해 Kyropoulos 성장로 내의 도가니 형상의 종횡비(h/d)에 따른 용융 사파이어의 대류거동을 관찰하여 도가니의 형상이 단결정 성장에 미치는 영향을 분석하였으며, 성장로의 설계시 도가니의 종횡비를 작게 고려하면 용융 사파이어의 대류속도를 늦추고 계면의 convexity를 줄여 사파이어 단결정의 품질향상에 도움이 된다는 결과를 얻었다. Sapphire single crystals have been highlighted for epitaxial gallium nitride films in high-power laser and light emitting diode (LED) industries. Among the many crystal growth methods, the Kyropoulos process is an excellent commercial method for growing larger, high-optical-quality sapphire crystals with fewer defects. Because the properties and growth behavior of sapphire crystals are influenced largely by the temperature distribution and convection of molten sapphire during the manufacturing process, accurate predictions of the thermal fields and melt flow behavior are essential to design and optimize the Kyropoulos crystal growth process. In this study, computational fluid dynamic simulations were performed to examine the effects of the crucible geometry aspect ratio on melt convection during Kyropoulos sapphire crystal growth. The results through the evolution of various growth parameters on the temperature and velocity fields and convexity of the crystallization interface based on finite volume element simulations show that lower aspect ratio of the crucible geometry can be helpful for the quality of sapphire single crystal.