초록 ▼

단결정이 새로운 성장방법인 EFG(Edge-defined Film-fed Growth)법, Si 연속성장법 및 집광식 EZ(Floating Zone)법에 의하여 양질의 단결정을 육성시키는 기술 개발을 위하여 각각의 방법에 적합한 장치를 제작하고 이들 장치를 이용하여 단결정을 육성시키면서 결정성장에 영향을 미치는 factor를 조사하였다. 육성된 결정에 대하여 Characterization 및 quality test를 하였고 이 결과와 결정성장 factor와 관계를 비교하여 각 방법에 적합한 최적 결정성장조건을 규명하였다. 또한 최적

단결정이 새로운 성장방법인 EFG(Edge-defined Film-fed Growth)법, Si 연속성장법 및 집광식 EZ(Floating Zone)법에 의하여 양질의 단결정을 육성시키는 기술 개발을 위하여 각각의 방법에 적합한 장치를 제작하고 이들 장치를 이용하여 단결정을 육성시키면서 결정성장에 영향을 미치는 factor를 조사하였다. 육성된 결정에 대하여 Characterization 및 quality test를 하였고 이 결과와 결정성장 factor와 관계를 비교하여 각 방법에 적합한 최적 결정성장조건을 규명하였다. 또한 최적결정성장조건에서 육성된 단결정 중 일부에 대하여는 물성측정을 하였다. 육성대상 결정으로는 EFG법에서 BSO(γ-6Bi?O?.SiO?)와 BGO(γ-6Bi?O?.GeO?)를, Si 연속성장법에서는 Si를 FZ법에서는 LiF, cordierite, YIG를 각각 택하였다.
연구 결과 각 방법에서 단결정 육성시 가장 중요한 것은 1) melt zone이 안정하게 유지되고 2) 성장되는 결정-융액 계면의 형상이 평탄하게 일정해야 함을 알았다. 위의 두 조건을 만족시키기 위하여는 고-액 계면에서의 온도구배, 결정인상(하) 속도 및 결정회전속도가 적절하여야 함을 밝혔고 각 방법에 있어서 이들 성장조건을 결정하였다.
본 연구에서 얻어진 최적성장조건은, EFG법에서는 인상속도는 2.0mm/h이하, 고-액 계면의 온도구배는 22∼24℃/cm이며, Si 연속성장법에서는 결정인하속도(growth rate) 1.0∼3.0mm/min, 결정회전속도 20∼25rpm이고, FZ법에서는 인하속도 1.0∼11.0mm/h, 회전속도 30rpm이었다. 이러한 성장조건이 결정성장에 중요한 원인은 이들 인자가 고-액 계면에서 heat balance를 이루고 melt zone 내의 조성적 과냉각을 방지하는 데 영향을 미치기 때문으로 고찰하였다. 또한 이들 공통적인 결정성장조건 외에 각 방법에 따라 독특한 결정성장조건이 존재하였다. EFG번에서는 die 선단의 형상, Si 연속성장법에서는 원료의 feeding rate, FZ법에서는 원료봉의 소결상태 및 광흡수율이 결정성장에 영향을 미쳤다.
결정성장 최적조건에서 육성된 BSO, BGO, Si, LiF YIG의 각 결정은 제 2상의 석출이 없고 grain boundary가 존재하지 않으며 X선적으로도 단결정임이 확인되었다. 육성된 단결정 중에는 미세결함인 전위(dislocation)가 존재하였고, 전위밀도는 BSO 5.1×10?/㎠, BGO 7.1×10?/㎠, LiF 4.3×10?/㎠이었다. 물성이 측정된 단결정 중 BSO,BGO는 Czochralski법에 의하여 육성된 양질의 단결정과 거의 동등한 물성치(광투과율, 선광성, 광전도성)를 나타내었으며 LiF의 경우는 5.0∼6.7μm 판장역의 빛을 90% 이상 투과시키는 광투과율과 Hv = 107.3의 미세경도가 측정되었고 YIG는 Hv=326의 미세경도를 보였다.
이상의 결과로부터 EFG법, Si 연속성장법, FZ법에 의하여 단결정을 육성시키는 기술 개발을 위한 기초조건을 확립하였고 이를 토대로 하여 양질의 각종 단결정을 육성 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼

There are several new methods for single crystsl growing, such as EFG(Edge-defiened Fil-fed Growth) nethod, continuous growth method snd flosting zone method with Xe lamp. The fundamental conditions of the sbove three single crystnl growing methods were investigated in this study, At first, the new

There are several new methods for single crystsl growing, such as EFG(Edge-defiened Fil-fed Growth) nethod, continuous growth method snd flosting zone method with Xe lamp. The fundamental conditions of the sbove three single crystnl growing methods were investigated in this study, At first, the new type growlng equlpments wilch are suitable for esch growth method were designed and constructed Single crystsls were grown using these equipuent at various pulling(lowering) and rotation rntes to detereine the adequate growing conditlon, Effect of te F rsture grsdient et the crystal-oelt interfsce Vas also examined, BSO(γ-6Bi?O?-SiO?) snd BGO(γ-6Bi?O? GeO?) for EFG eethod Si for continuous gorwth method snd LiF cordierite, YIG for floating zone method, were selected in this study The chsrscterizAtion nnd qunlity test were performed for the crystals obtsined and the properties of single crystals grown under the optimum growing conditions were mesured, From our experimental results, it was confirmed that the stability of the melt zone and flatness of crystal-melt interface must be keep constant during crystal growing in order to obtain the single crystals without growth defect
The optimum growing condltions determined in this study are:
EFG method : pulling rate 2,0mm/h
temperature gradient : 22∼24℃/㎝
continuous growth method lowering rate 1.0∼3.0mm/min
rotation rate 20∼25rpm
floating zone method lowering rate 1.O∼11mm/h
rotation rate 30rpm
These growing conditions were critical because they might control the heat balane and constitutional supercooling at crystal-melt interface,
Each crystal of BSO, BGO, Si, LiF, YIG did not include the secondary phase or grain boundaries, and was confirmed as a single crystal by X-ray analysis Dislocations ( microscopic defect) were found and dislocation densities were BSO 5.1×10??/㎠, BGO 5.1×10??/㎠, and LiF 4.35.1×10?/㎠.
BSO and BGO singie crystal plates grown by EFG method showed the same optical and electrlcal properties os the hi8h quality BSO and BGO single crystal obtained by Czochralski method LiF single crystal obtained by floating zone method shows high optical transmittance (more than 90% at the range of 5.0∼6.7㎛) and microhardness Hv = 107,3
We have found the fundamental growing conditions for newly developed EFG method, continuous growth method snd floating zone method through the above experimental procedures and analysis of the experimental results,
Our experimental results suggest that one can grow other high quality single crystals with our new single crystal growing methods.

목차 Contents

• 1. 서 론...9
• 2. 연구방법...9
• 3. 결 과...9
• 4. 고 찰...9
• 5. 결 론...9
• 6. 참고문헌...9
• 총 괄 목 차...10
• 제 1 장 서론...12
• 제 1 절 단결정의 새로운 성장 방법...12
• 제 2 절 연구목적 및 방법...13
• 제 2 장 연구방법...15
• 제 1 절 결정육성장치...15
• 제 2 절 육성방법...16
• 1. EFG법...16
• 2. Si 연속성장법...17
• 3. FZ법...17
• 제 3 절 육성된 결정의 characterization, 평가 및 물성측정...21
• 제 3 장 결과...22
• 제 1 절 결정육성조건...22
• 1. EFG법...22
• 2. Si 연속성장법...23
• 3. FZ법...24
• 제 2 절 육성된 결정의 characterization, 평가 및 물성측정...25
• 1. BSO...25
• 2. BGO...25
• 3. LiF...26
• 4. Cordierite...26
• 5. YIG...26
• 6. Si...26
• 제 4 장 고찰...28
• 제 1 절 표면장력...28
• 제 2 절 온도구배와 인상(하)속도...31
• 제 3 절 결정회전수(Rotation rate)...33
• 제 5 장 결론...35
• 제 1 절 결정육성 조건...35
• 제 2 절 육성된 결정의 분석 및 물성...37
• 제 6 장 참고문헌...39
• 제 1 세 부 목 차...40
• 1. 서 론...42
• 2. 연구방법...42
• 3. 결 과...42
• 4. 고 찰...42
• 5. 결 론...42
• 6. 참고문헌...42
• - 목 차 -...44
• 제 1 장 서론...48
• 제 1 절 EFG법의 개요...48
• 제 2 절 EFG법과 전기광학 결정...49
• 제 3 절 연구목적 및 방법...50
• 제 2 장 연구방법...52
• 제 1 절 성장장치...52
• 1. 결정인상기(Crystal pulling machine)...52
• 2. 전기로...52
• 3. die...52
• 제 2 절 육성방법...58
• 1. Seed crystal 작성...58
• 2. BSO 판상단결정 육성...58
• 3. BGO 판상단결정 육성...59
• 제 3 절 육성된 결정의 characterization 및 평가...59
• 1. Characterization...59
• 2. 평가...63
• 가. 거시적 결함 조사...63
• 나. 미시적 결함...63
• 제 4 절 물성측정...63
• 1. 광투과율...63
• 2. 선광성 측정...63
• 3. 광전도성 측정...64
• 4. 전기광학 효과 관찰...64
• 제 3 장 결과...66
• 제 1 절 Seed Crystal...66
• 1. seed orystal...66
• 제 2 절 판상단결정의 육성...66
• 1. BSO...66
• 가. one zone furnace를 사용한 경우...66
• 나. two zone furnace를 사용한 경우...71
• 2. BGO...76
• 제 3 절 판상결정의 characterization 및 평가...76
• 1. X선 분석...76
• 2. 편광현미경 관찰...81
• 3. etching 및 전위밀도 계산...81
• 제 4 절 물성측정...88
• 1. 광투과율...88
• 2. 선광성...88
• 3. 광전도성...88
• 4. 전기광학 효과...89
• 제 4 장 고찰...96
• 제 1 절 die 선단(tip)의 형상과 판상결정 성장...96
• 제 2 절 결정성장 factor...97
• 제 3 절 성장실험결과...101
• 제 2 세 부 목 차...114
• 1. 서 론...114
• 2. 연구방법...114
• 3. 결 과...114
• 4. 고 찰...114
• 5. 결 론...114
• 6. 참고문헌...114
• - 목 차 -...116
• 제 1 장 서론...118
• 제 1 절 Silicon 단결정 성장에 관한연구...118
• 제 2 절 silicon 단결정 특성 및 전망...118
• 제 3 절 Silicon 단결정 성장 방법...121
• 1. Czochralski법 (CZ법)...121
• 2. Floating-Zone법 (FZ법)...123
• 3. 기타의 성장법...125
• 제 4 절 Silicon 단결정 연속 성장법...125
• 1. 연속 성장 기술 개발 이유...125
• 2. Czochralski법을 이용한 연속 성장법...125
• 가. 보조 용융로를 이용한 연속성장법...125
• 나. Multiple Czochralski 성장법...127
• 3. 기타의 연속 성장법...129
• 제 2 장 연구방법...130
• 제 1 절 '연속성장법'에 의한 Silicon 단결정 연속성장 원리...130
• 제 2 절 '연속 성장법'에 의한 Silion단결정 연속성장장치...130
• 1. 기본구조...130
• 2. 성장 Chamber...135
• 3. 회전 및 하강 장치...135
• 4. 원료공급장치...138
• 5. 도가니 및 Susceptor...138
• 6. Control 장치...138
• 7. Radio frequency Generator...142
• 8. Ar-gas 장치 및 냉각장치...142
• 9. Viewing System...142
• 10. 기타 장치...143
• 제 3 절 silicon단결정 연속 성장 방법...144
• 1. 사용원료...144
• 2. 실험 방법...144
• 3. 단결정 성장...144
• 제 3 장 결과...149
• 제 1 절 단결정 성장 조건...149
• 제 2 절 X-ray 회절 분석...149
• 제 4 장 고찰...151
• 제 1 절 Work coil의 위치와 Graphite susceptor의 위치에 따른 성장의 변화...151
• 제 2 절 Melt의 안정성...151
• 제 5 장 결론...155
• 제 6 장 참고 문헌...156
• 제 3 세 부 목 차...160
• 1. 서 론...160
• 2. 연구 방법...160
• 3. 결과 및 고찰...160
• 4. 결 론...160
• 5. 참고 문헌...160
• - 목 차 -...162
• 제 1 장 서 론...166
• 제 1 절 기술개발의 중요성 및 연구목적...166
• 제 2 절 FZ법에 의한 LiF, Cordierite, YIG 단결정 성장의 중요성...167
• 1. LiF...167
• 2. Cordierite(2MgO$\cdot$2Al2O3$\cdot$5SiO2)...169
• 3. YlG(Y3Fe5012)...170
• 제 3 절 연구내용 및 범위...171
• 제 2 장 연구방법...172
• 제 1 절 Floating Zone(FZ)단결정 육성 장치...172
• 1. Single Crystal Growing System...172
• 2. Furnace system...175
• 3. Control system...175
• 제 2 절 원료봉 제작...177
• 1. LiF 원료봉 제작...177
• 2. Cordierite 원료봉 제작...177
• 가. Charge rod 제작 ·...177
• 나. Solvent rod 제작...181
• 3. YIG 원료봉 제작...183
• 가. Charge rod 제작...183
• 나. Solvent rod 제작...183
• 제 3 절 결정 육성...186
• 1. LiF 결정 육성...186
• 2. Cordierire 결정 육성...189
• 3. YlG 결정 육성...189
• 제 4 절 단결정 특성 평가...190
• 1. 결정성 평가...190
• 가. 결정상 관찰 및 결정성장 방향 결정...191
• 나. 광학적 특성조사...191
• 2. 미세구조 관찰...191
• 가. TSFZ system 관찰...191
• 나. 표면 관찰...192
• 1) Etch pit 형성...192
• 가) LiF 단결정...192
• 2) 전위밀도 측정...193
• 3. 단결정의 물성측정...193
• 가. 미세경도...193
• 나. 광투과성...193
• 제 3 장 결과 및 고찰...195
• 제 1 절 LiF 단결정 육성...195
• 1. 단결정 성장...195
• 가. 성장속도의 영향...195
• 나. 결정성장 방향 결정...199
• 다. 미세구조 관찰...202
• 2. 단결정 표면 관찰...205
• 가. Etch pit 형성...205
• 나. 전위밀도 측정...210
• 3. LiF 단결정의 물성측정...214
• 가. 미세경도...214
• 나. 광학적 성질...217
• 제 2 절 Cordierite(2MgO-2A12O3-5SiO2) 단결성 육성...217
• 1. 원료봉 제조...219
• 가. Charge rod 제조...219
• 나. Solvent rod 제조...223
• 2. 결정성장...223
• 가. 원료봉 조성 및 결정상의 선택...223
• 1) Case I...223
• 2) Case II...226
• 3) Gase III...230
• 4) Case IV...233
• 5) Case V...236
• 6) Gase VI...240
• 나. 결정 성장에 미치는 영향...240
• 1) 원료봉의 용융온도...242
• 2) Charge rod의 결정성...242
• 3) Melt zone 의 크기...243
• 4) 성장속도...244
• 5) TSFZ 형성시 미치는 영향...245
• 3. 성장된 결정의 결정성 조사...245
• 가) 결정상 분석...245
• 나) 결정성 분석...247
• 제 3 절 YlG(Y3Fe5012) 단결정 성장...247
• 1. 원료봉 제조...247
• 2. 단결정 성장...250
• 가. 성장속도의 영향...250
• 나. Melt zone 관찰...252
• 다. Interface shape 관찰...256
• 라. 육성 결정...257
• 3. 결정 특성 조사...260
• 가. 결정상 및 결정구조, 결정방위 평가...260
• 4. 미세경도 측정...260
• 제 4 장 결론...265
• 제 1 절 LiF 단결정...265
• 제 2 절 Cordierite(2MgO.2A12O3.5SiO2) 결정...266
• 제 3 절 YIG(Y3Fe5012) 단결정 성장...267
• 제 5 장 참고문헌...268