Finite element analysis for czochralski growth process of sapphire single crystal

Recently sapphire crystals are used in LED applications. The Czochralski (CZ) growth process is one of the most important techniques for growing high quality sapphire single crystal. A successful growth of perfect single crystals requires the control of heat and mass transport phenomena in the CZ growth furnace. In this study, the growth processes of the sapphire crystal in an inductively heated CZ furnace have been analyzed numerically using finite element method. The results shown that the high temperature positions moved from the crucible surface to inside the melt and the crystal-melt interface changed to the flat shape when the rpm was increased. Also the crystal-melt interface shape has been influenced by the shoulder shape of the grown crystal during the initial stage.

사파이어 단결정의 초크랄스키 성장공정에 대한 유한요소분석

최근 사파이어 결정은 LED 응용부품에 사용되고 있고, CZ 성장공정은 고 품질의 사파이어 단결정을 성장시키기 위한 중요한 기술중의 하나이다. 고 품질의 단결정을 성장하기 위해서는 CZ 성장로 내부의 열 및 질량 전달현상의 제어가 필요하다. 본 연구에서는 유도 가열된 CZ 성장로에 대한 사파이어 결정의 성장공정을 FEM을 사용하여 수치적으로 분석하였다. 본 연구의 결과, 성장로의 rpm이 증가함에 따라 고온부는 도가니 표면에서 융액의 내부로 이동하고, 고-액 계면은 평편한 형태로 변화되는 것으로 분석되었다. 또한 성장된 결정의 고-액 계면은 초기에 형성된 결정의 shoulder 형상에 의해서도 영향을 받는 것으로 나타났다.