KR100466029B1 - 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 - Google Patents

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 관한 것으로, 특히 열차폐 구조체의 구조 변경을 통하여 히터의 복사 열전달을 증대시키는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는 챔버와, 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외연 하부를 감싸면서 지지하는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니의 하부를 지지하는 지지 구조체와, 상기 지지 구조체와 결합되어 상기 석영 도가니와 흑연 도가니를 회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 페데스탈과, 히터와, 상기 히터의 측면부를 통하여 챔버의 외부로 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버의 내부 측벽부에 설치된 제 1 열차폐 구조체와, 상기 히터의 하부를 통하여 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버의 하부 바닥면에 설치된 제 2 열차폐 구조체와, 상기 히터의 상부를 통하여 챔버의 상부 쪽으로 방사되는 열을 차단하도록 상기 히터의 상부를 덮으면서 상기 제 1 열차폐 구조체의 상부에 설치된 제 3 열차폐 구조체를 포함하는 실리콘 단결정 성장 장치에 있어서, 상기 제 1열차폐 구조체는 그 내부 반지름(RR i: Inner Radius of Radiation shield)의 크기를 상기 히터의 외부 반지름(RH o: Outer Radius of Heater)의 크기로 나눈 값(RR i/RH O)으로 정의되는 γ값(γ= RR i/RH O)이 1.04 내지 1.1의 범위의 크기를 갖도록 상기 제 1열차폐 구조체의 내부 반지름(RR i)이 결정되며, 상기 제 1 열차폐 구조체의 길이(LR: Length of Radiation shield)와 상기 히터의 길이(LH: Length of Heater)를 상기 석영 도가니 내부에 용융 되어 있는 용융 실리콘의 표면(Melt level)을 기준으로 상부와 하부로 나누어, 상기 제 1 열차폐 구조체의 상부 길이(LR U: Upper Length of Radiation shield)는 상기 히터의 상부 길이(LH U: Upper Length of Heater) 보다 길거나 같고(LR U≥ LH U), 상기 제 1 열차폐 구조체의 하부 길이 (LR L: Lower Length of Radiation shield)는 상기 히터의 하부 길이(LH L: Lower Length of Heater) 보다 길거나 같게(LR L≥LH L) 형성되고, 상기 제 1 열차폐 구조체의 전체 길이(LR=(LR U+LR L))는 상기 히터의 전체 길이(LH=(LH U+LH L))의 2배보다 작거나 같도록((LR U+LR L) ≤2(LH U+LH L)) 형성되고, 상기 제 1 열차폐 구조체의 전체 길이(LR)를 상기 히터의 외부 반지름(RH O: Outer Radius of Heater)의 크기로 나눈 값으로 정의 되는 β값(β=LR/RH O)이 1.29 내지 2.01의 범위의 크기를 가지도록 제 1 열차폐 구조체의길이(LR= LR U+ LR L)가 결정된 것이 특징이다.
그리고, 상기 제 2 열차폐 구조체의 가장자리 부분은 상기 제 1열차폐 구조체의 하단부와 만나는 지점으로부터 상기 흑연도가니 외면의 연장선 지점 사이가 대각선으로 형성되거나, 일정한 곡률(αL)을 가지는 오목 또는 볼록한 형상으로 형성된 것이 특징이며, 상기 제 3 열차폐 구조체는 상기 제 1 열차폐 구조체의 내부면과 접하는 지점과, 상기 히터 상부의 상기 제 3 열차폐 구조체 내부면에 상기 제 3 열차페 구조체의 하부면으로부터 일정 높이(H) 이격된 지점 사이가 대각선으로 형성되거나 또는 일정한 곡률(αu)을 가지는 오목 또는 볼록한 형상으로 형성된 것이 특징이다.

Description

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치{A Grower for single crystalline silicon ingot}
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 관한 것으로, 특히 열차폐 구조체의 구조 변경을 통하여 복사 열전달을 증대시키는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 소자 등의 전자 부품을 생산하기 위해 사용되는 실리콘 웨이퍼는 실리콘 단결정 잉곳에서 제조되는데, 실리콘 단결정 잉곳은 다결정 실리콘융액(SM)에 종자결정(seed crystal)을 디핑(dipping)시켜 종자 결정과 동일한 결정 구조를 갖는 단결정으로 서서히 성장시켜 제조하는 초크랄스키 방법(Czochralski method)이 주로 사용된다.
도 1 은 이러한 초크랄스키 방법으로 단결정 잉곳의 성장이 이루어지는 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치의 개략적인 단면도를 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는 챔버(100) 내부에 핫존(hot zone) 구조물로서, 실리콘 융액(SM)이 담겨지는 석영 도가니(101)와, 석영 도가니(101)의 외연 하부 일부를 감싸 지지하는 흑연 도가니(102)가 장착되고, 흑연 도가니(102)의 하부에 하중을 지지하기 위한 지지 구조체(support,103)가 놓여지고, 지지 구조체(103)는 회전 구동 장치(미도시)에 결합되어 회전 및 승강하는 페데스탈(pedestal,104)에 결합된다.
그리고, 흑연 도가니(102)의 외연에는 석영 도가니(101)에 적재되는 폴리 실리콘을 용융하고, 실리콘 단결정 잉곳(INGOT)의 성장에 필요한 열에너지를 복사열로 공급하는 열원으로서의 히터(105)가 에워싸고 있다. 그리고, 히터(105)의 외연으로 히터(105)의 열이 챔버(100)측면으로 방출되지 않도록 열을 차폐하기 위하여 제 1 열차폐 구조체(Radiation shield,110)가 에워싸고 있다.
히터(105)의 하부에는 히터(105)의 열이 챔버(100) 하부로 방출되지 않도록 열을 차폐하도록 챔버(100)의 바닥면에 제2 열차폐 구조체(spill tray, 120)가 설치된다.
또, 제1 열차폐 구조체(110)의 상부에는 히터(105)의 열이 챔버 상부로 방출되지않도록 히터(105)의 상부를 덮는 제3 열차폐 구조체(upper ring, 130)가 설치된다.
그리고, 제3 열차폐 구조체(130)에는 단결정 잉곳(INGOT)과 석영 도가니(101)사이에 단결정 잉곳을 에워싸도록 형성되어 실리콘 융액(SM)에서 방출되는 열을 차단하고, 실리콘 단결정 잉곳의 측면으로부터의 열을 차단하여 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키기 위한 열 쉴드(Heat Shield, 140)가 장착된다.
그리고, 챔버(100)의 상부에는 도 1에서 도시되지 않았지만 실리콘 융액(SM)에 케이블(106)로 연결된 종자 결정을 디핑시키고, 소정의 속도로 회전시키면서 인상시켜 잉곳을 성장시키는 인상 구동 장치(미도시)가 설치되고, 챔버의 내부에 아르곤(Ar) 또는 네온(Ne) 등의 불활성 가스를 공급하는 가스 공급관(미도시) 등이 형성된다.
그리고, 챔버(100)의 하부에는 가스 공급관에서 공급된 불활성 가스를 진공으로 펌핑하여 배기시키도록 도시되지 않은 진공 배기관계에 연결 형성된 진공 배기관(107)이 형성된다. 여기에서, 진공 배기관(107)을 통한 진공 펌핑력에 의하여 가스 공급관(미도시)에서 챔버(100)의 내부로 공급되는 불활성 가스가 하향 유동 흐름(down flow)을 가지게 되는 것이다.
이와 같은 구성으로 된 종래 단결정 잉곳의 제조장치는 종자 결정을 인상 구동장치에 연결된 케이블(106)에 연결시켜 석영 도가니(101)의 실리콘 융액(SM)에 디핑시키고, 이 상태에서 종자 결정과 석영 도가니(101)를 각각 인상 구동 장치(미도시)와 회전 구동 장치(미도시)에 의해 반대 방향으로 회전시키면서 종자 결정을 인상시켜 원하는 직경과 길이를 갖는 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시키게 되는 것이다.
즉, 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 도중 챔버(100)의 상부에서는 가스 공급관(미도시)을 통해 계속적으로 불활성 가스가 공급되고, 챔버(100)의 하부에서는 계속적으로 진공 배기관(107)을 통해 진공 펌핑함으로서, 챔버(100) 내부에서 일정한 형태의 가스 유동(fg)을 발생시키게 되며, 이러한 가스 유동(fg)에 의하여 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 도중 실리콘 융액(SM)에서 발생되는 산화물(oxide gas)을 챔버(100)의 외부로 배기시키게 된다.
그러나 이러한 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는, 히터(105)로부터 챔버(100)의 측벽부와 하부로 방출되는 열을 차단하기 위한 제 1 열차폐 구조체(110)와 제 2 열차폐 구조체(120)가 도 1의 A1에 도시된 바와 같이 수직과 수평으로만 형성되어 있어서, 히터(105)로부터의 열을 측벽부와 바닥부로 방출되는 것을 차단하는 것에는 효과적이나, 히터(105) 하부에서의 열적 환경에 급격한 변화를 일으키게 되며, 이러한 급격한 열적 환경의 변화는 진공 배기관(107)을 통하여 챔버(100)의 외부로 방출되어야 할 불활성 가스와 산화물의 흐름을 불안정하게 하는 문제점이 있는 것이다.
또, 히터(105)로부터 챔버(100)의 측벽부와 상부로 방출되는 열을 차단하기 위한 제 1열차폐 구조체(110)와 제 3 열차폐 구조체(130)는 도 1의 B1에 도시된 바와 같이 상호 수직으로 연결되어, 히터(105)로부터의 열을 측벽부와 상부로 방출되는 것을 차단하는 것에는 효과적이나, 히터(105)로부터 상부로 복사된 열이 제 1 열차폐 구조체(110) 및 제3 열차폐 구조체(130)로부터 반사되어 흑연 도가니(102)의 한정된 영역에 집중되어 히터(105)의 상부에 급격한 열적 환경의 변화를 발생하게 되어 불활성 가스의 흐름이 불안정하게 되며, 흑연도가니(102)를 포함한 제 3 열차폐 구조체(130)의 국부적인 온도 편차로 인하여 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 시 생성된 산화물이 불활성 가스의 불안정한 유동의 영향으로 낮은 온도 영역에 밀집 증착되는 문제점이 있는 것이다.
따라서, 이러한 제 1 열차폐 구조체(110) 및 제 2 열차폐 구조체(120), 제 3 열차폐 구조체(130)의 수직 접합에 따라 발생한 급격한 열적 환경의 변화 및 불활성 가스 유동의 변화는 산화물의 증착 및 국부적인 열 응력의 증가로 실리콘 단결정 성장 장치의 수명을 단축시키게 되며, 특히, 실리콘 단결정 잉곳의 생산 효율을 저하시킬 뿐만 아니라, 실리콘 단결정 잉곳의 품질에 나쁜 영향을 주게 되는 것이다.
그리고, 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에서는 제 1 열차폐 구조체(110)의 내부 반지름(RR i)과 그 길이(LR)를 설계함에 있어서, 단지 히터(105)로부터의 열을 챔버의 측벽부로 방출되지 못하도록 차단하는 것만을 고려 대상으로 하여 설계를 하였으므로, 제 1 열차폐 구조체(110)의 반지름(RR i)과 그 길이(LR)에 따른 히터(105)의 복사 열전달을 극대화시키지 못하였던 것이다.
본 발명은 히터의 복사 열전달을 극대화시킬 수 있는 제 1 열차폐 구조체를 설계하고, 히터의 상부와 하부에서 급격한 열적 환경의 변화가 없어 챔버 내부의 불활성 가스의 흐름을 안정적으로 제어 할 수 있는 제 2 열차폐 구조체와 제 3 열차폐 구조체를 적용하여 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 생산할 수 있는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위한 본 발명인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치는 챔버와, 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외연 하부를 감싸면서 지지하는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니의 하부를 지지하는 지지구조체와, 상기 지지구조체와 결합되어 상기 석영 도가니와 흑연 도가니를 회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 페데스탈과, 히터와, 상기 히터의 측면부를 통하여 챔버의 외부로 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버의 내부 측벽부에 설치된 제 1 열차폐 구조체와, 상기 히터의 하부를 통하여 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버의 하부 바닥면에 설치된 제 2 열차폐 구조체와, 상기 히터의 상부를 통하여 챔버의 상부 쪽으로 방사되는 열을 차단하도록 상기 히터의 상부를 덮으면서 상기 제 1 열차폐 구조체의 상부에 설치된 제 3 열차폐 구조체를 포함하는 실리콘 단결정 성장 장치에 있어서, 상기 제 1열차폐 구조체는 그 내부 반지름(RR i: Inner Radius of Radiation shield)의 크기를 상기 히터의 외부 반지름(RH o: Outer Radius of Heater)의 크기로 나눈 값(RR i/RH O)으로 정의되는 γ값(γ= RR i/RH O)이 1.04 내지 1.1의 크기를 갖도록 상기 제 1열차폐 구조체의 내부 반지름(RR i)이 결정되며, 상기 제 1 열차폐 구조체의 길이(LR: Length of Radiation shield)와 상기 히터의 길이(LH: Length of Heater)를 상기 석영 도가니 내부에 용융되어 있는 실리콘 융액의 표면(Melt level)을 기준으로 상부와 하부로 나누어, 상기 제 1 열차폐 구조체의 상부 길이(LR U: Upper Length of Radiation shield)는 상기 히터의 상부 길이(LH U: Upper Length of Heater) 보다 길거나 같고(LR U≥ LH U), 상기 제 1 열차폐 구조체의 하부 길이 (LR L: Lower Length of Radiation shield)는 상기 히터의 하부 길이(LH L: Lower Length of Heater) 보다 길거나 같게(LR L≥LH L) 형성되고, 상기 제 1 열차폐 구조체의 전체 길이(LR=(LR U+LR L))는 상기 히터의 전체 길이(LH=(LH U+LH L))의 2배보다 작거나 같도록((LR U+LR L) ≤2(LH U+LH L)) 형성되고, 상기 제 1 열차폐 구조체의 전체 길이(LR)를 상기 히터의 외부 반지름(RH O: Outer Radius of Heater)의 크기로 나눈 값으로 정의 되는 β값(β=LR/RH O)이 1.29 내지 2.01의 크기를 가지도록 제 1 열차폐 구조체의 길이(LR= LR U+ LR L)가 결정된 것이 특징이다.
그리고, 상기 제 2 열차폐 구조체의 가장자리 부분은 상기 제 1열차폐 구조체의 하단부와 만나는 지점으로부터 상기 흑연도가니 외면의 연장선 지점 사이가 대각선으로 형성되거나, 일정한 곡률(αL)을 가지는 오목 또는 볼록한 형상으로 형성된 것이 특징이며, 상기 제 2 열차폐 구조체의 가장자리 부분에 형성된 오목 또는 볼록한 형상의 곡률(αL)은 상기 흑연 도가니의 반지름(RG) 보다 크거나 같고, 상기 제 1 열차폐 구조체의 내부면의 반지름(RR i: Inner Radius of Radiation shield) 보다 작거나 같은 범위의 크기( RG≤αL≤RR i)를 가지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 제 3 열차폐 구조체는 상기 제 1 열차폐 구조체의 내부면과 접하는 지점과, 상기 히터 상부의 상기 제 3 열차폐 구조체 내부면에 상기 제 3 열차페 구조체의 하부면으로부터 일정 높이(H) 이격된 지점 사이가 대각선으로 형성되거나 또는 일정한 곡률(αu)을 가지는 오목 또는 볼록한 형상으로 형성된 것이 특징이며, 상기 제 3 열차폐 구조체 내부면에 상기 제 3 열차폐 구조체의 하부면으로부터 이격된 지점의 일정 높이(H)는 상기 흑연 도가니 반지름(RG)의 1/4 보다 크고, 1/3 보다 작은 높이(0.25 ×RG≤H ≤0.33 ×RG)인 것이 바람직하며, 또, 상기 제 3 열차폐 구조체에 형성된 오목 또는 볼록한 형상의 곡률(αu)은 상기 흑연 도가니의 반지름(RG)보다 크거나 같고, 상기 제 1 열차폐 구조체의 내부면의 반지름(RR i: Inner Radius of Radiation shield)보다 작거나 같은 범위의 크기( RG≤αu≤RR i)를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳과 상기 석영 도가니 사이에서 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 형성되고, 상부 일단이 상기 제 3 열차폐 구조체의 상부에 걸쳐지도록 설치된 열쉴드(Heat Shield)를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
도 1 은 종래의 실리콘 단결정 성장 장치의 개략적인 단면도.
도 2a는 원통형 열복사체와 열흡수체의 개략적인 사시도.
도 2b는 상기 도 2a의 열복사체와 열흡수체의 구조 계수를 나타내는 그래프.
도 3 는 본 발명인 실리콘 단결정 성장 장치의 개략적인 단면도.
도 4a 내지 도 4c는 상기 도 3의 A2 부분의 확대도.
도 5a 내지 도 5c는 상기 도 3의 B2 부분의 확대도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *
100, 200 : 챔버 101, 201 : 석영 도가니
102, 202 : 흑연 도가니 103, 203 : 지지 구조체
104, 204 : 페데스탈 105, 205 : 히터
106, 206 : 케이블 107, 207 : 진공 배기관
110, 210 : 제 1 열차폐 구조체 120, 220 : 제 2 열차폐 구조체
130, 230 : 제 3 열차폐 구조체 140, 240 : 열 쉴드(Heater shield)
SM : 실리콘 융액 ML : 실리콘 융액의 표면
IG : 실리콘 단결정 잉곳
RG: 흑연 도가니의 반지름
RH i: 히터의 내부 반지름
RH O: 히터의 외부 반지름
RR i: 제 1 차폐 구조체의 내부 반지름
LH U: 히터의 상부 길이
LH L: 히터의 하부 길이
LR U: 제 1 열차폐 구조체의 상부 길이
LR L: 제 1 열차폐 구조체의 하부 길이
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 원통형 열복사체와 상기 원통형 열복사체의 원통 외부와 일정 거리 이격되어 둘러싸고 있는 열흡수체와의 관계에서 상기 원통형 열복사체의 반지름과 상기 열흡수체의 반지름 및 길이와의 상관 관계에 따른 상기 원통형 열복사체의 복사 효율을 살펴보면 다음과 같다.
Heat Transfer(Pitts and Sisson, Schaum Series, McGraw-Hill Book company)의 260 page ∼ 283 page의 기재에 따르면, 도 2a에 도시된 바와 같은 원통형의 열복사체(S)와 열복사체(S)의 외부와 일정 거리 이격되어 둘러싸고 있는 열흡수체(T)와의 상관 관계에서, 다음 수학식 1에서와 같이 정의되는 γ값과 다음 수학식 2에서와 같이 정의되는 β값에 따라서, 열복사체(S)와 열흡수체(T) 상호간의 구조계수(F1-2: configuration factor), 즉 복사 열전달은 도 2b에 나타낸 그래프와 같이 결정된다. 상기 수학식 및 도 2b에 나타낸 그래프에서 첨자 2는 열복사체(S)를 첨자 1은 열흡수체(T)를 나타낸다.
즉, γ는 열흡수체(T)의 내부 반지름(r1)을 열복사체(S)의 외부 반지름(r2)으로 나눈 값으로 정의되며, β값은 열흡수체(T)의 전체 길이를 열복사체(S)의 외부 반지름(r2)으로 나눈 값으로 정의된다.
이 때, 도 2b에 나타난 그래프에 따라서, 열복사체(S)와 열흡수체(T) 상호간의 구조계수(F1-2: configuration factor), 즉 복사 열전달을 추정하여 보면, 상기 γ값은 낮을수록 구조 계수(F1-2)가 높아지고, 상기 β값은 높을수록 구조 계수(F1-2)이 높아지나, 상기 β값이 1.0 이하에서는 구조 계수(F1-2)의 값이 급격히 상승하나, 1.0 이상에서는 그 증가도가 낮아지는 것을 알 수 있다.
상술한 바를 이용하여 히터의 복사 열전달을 극대화시킨 본 발명인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 설명한다.
먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치 내부에 설치되는 히터(205)의 길이(LH) 및 반지름(RH)을 결정한 후에 제 1열차폐 구조체(210)의 내부반지름(RR i)을 결정함에 있어서, 제 1 열차폐 구조체의 내부 반지름(RR i: Inner Radius of Radiation shield)의 크기를 히터(205)의 외부 반지름(RH o: Outer Radius of Heater)의 크기로 나눈 값(RR i/RH O)으로 정의되는 γ값(γ= RR i/RH O)이 1.04 내지 1.1의 범위의 크기를 갖도록 제 1열차폐 구조체(210)의 내부 반지름(RR i)을 결정한다.
그리고, 제 1 열차폐 구조체(210)의 길이(LR: Length of Radiation shield)와 히터(205)의 길이(LH: Length of Heater)를 석영 도가니(201) 내부에 용융 되어 있는 실리콘 융액(SM)의 표면(Melt level : ML)을 기준으로 상부와 하부로 나누어, 제 1 열차폐 구조체(210)의 상부 길이(LR U: Upper Length of Radiation shield)는 히터(205)의 상부 길이(LH U: Upper Length of Heater) 보다 길거나 같고(LR U≥ LH U), 제 1 열차폐 구조체(210)의 하부 길이 (LR L: Lower Length of Radiation shield)는 히터(205)의 하부 길이(LH L: Lower Length of Heater) 보다 길거나 같게(LR L≥LH L) 형성한다. 또, 제 1 열차폐 구조체(210)의 전체 길이(LR=(LR U+LR L))는 히터(205)의 전체 길이(LH=(LH U+LH L))의 2배보다 작거나 같도록((LR U+LR L) ≤2(LH U+LH L)) 형성한다.
그리고, 제 1 열차폐 구조체(210)의 전체 길이(LR)를 히터(205)의 외부 반지름(RH O: Outer Radius of Heater)의 크기로 나눈 값으로 정의되는 β값(β=LR/RH O)이 1.29 내지 2.01의 범위의 크기를 가지도록 제 1 열차폐 구조체(210)의 길이(LR= LR U+ LR L)를 결정한다.
따라서, 상술한 바와 같이 히터(205)의 반지름(RH)과 길이(LH)에 따라서 제 1 열차폐 구조체(210)의 내부 반지름(RR i)과 길이(LR)을 결정하여 γ값(γ= RR i/RH O)이 1.04 내지 1.1의 범위의 크기를 갖고, β값(β=LR/RH O)이 1.29 내지 2.01의 범위의 크기를 가지도록 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 설계한다.
이로써, 본 발명인 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 히터(205)와 제 1 열차폐 구조체(210)의 구조 계수(FH-R) 즉, 복사 열전달을 도 2b를 통하여 살펴보면, 히터(205)와 제 1 열차폐 구조체를 완전 흑체라고 가정한 경우에 약 0.85 내지 0.90에 이르는 것을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명인 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 제 2 열차폐 구조체(220)의 구조에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제 2 열차폐 구조체(220)의 상세한 도면은 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같다.
즉, 제 2 열차폐 구조체(220)의 가장자리 부분은 제 1열차폐 구조체(210)의 하단부와 만나는 지점(가)으로부터 흑연도가니(202) 외면의 연장선상의 지점(나) 사이가, 도 4a에 도시된 바와 같이 대각선으로 형성되거나, 도 4b 또는 도 4c에 도시된 바와 같이 일정한 곡률(αL)을 가지는 오목 또는 볼록한 형상으로 형성된다.
그리고, 제 2 열차폐 구조체(220)의 가장자리 부분에 형성된 오목 또는 볼록한 형상의 곡률(αL)은 그 구조적인 결합이 유리하도록 설계하기 위하여 흑연 도가니(202)의 반지름(RG) 보다 크거나 같고, 제 1 열차폐 구조체(210)의 내부면의 반지름(RR i: Inner Radius of Radiation shield) 보다 작거나 같은 범위의 크기( RG≤αL≤RR i)를 가지는 것이 바람직하다.
이로써, 히터(205)로부터 하부로 복사된 복사열은 대각선의 형상이나, 오목 또는 볼록한 형상으로 형성되어 있는 제 2 열차폐 구조체(220)의 가장 자리 부분에 의하여 히터(205)의 하단부로 복사되는 열이 일정한 각도에 의하여 히터(205)의 하단부와 제 2 열차폐 구조체(220)의 상부로 일정하게 반사되므로, 흑연도가니 및 페데스탈 구조체에 복사되는 빛의 양을 능동적으로 조절할 수 있으며, 히터(205)의 하단부의 열적 환경을 일정하게 안정화시킬 수 있는 것이다. 이러한 히터(205) 하단부의 열적 안정화에 의하여 챔버(200)의 내부를 순환하여 진공 배기관(207)을 통하여 배출되는 불활성 가스가 일정한 안정된 흐름을 가지고 배출될 수 있어 산화물의 증착이 억제되고, 열차폐 구조체의 사용 시간이 연장된다.
다음으로, 본 발명인 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 제 3 열차폐 구조체(230)의 구조에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제 3 열차폐 구조체(230)의 상세한 도면은 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같다.
즉, 본 발명의 제 3 열차폐 구조체(230)는 제 1 열차폐 구조체(210)의 내부면과 접하는 지점(다)과, 히터(205) 상부의 제 3 열차폐 구조체(230) 내부면에서 제 3 열차페 구조체(230)의 하부면으로부터 일정 높이(H) 이격된 지점(라) 사이가 도 5a에 도시된 바와 같이 대각선으로 형성되거나, 또는 도 5b 또는 도 5c에 도시된 바와 같이 일정한 곡률(αu)을 가지는 오목 또는 볼록한 형상으로 형성된다.
그리고, 제 3 열차폐 구조체(230) 내부면에서 제 3 열차폐 구조체(230)의 하부면으로부터 이격된 지점(라)의 일정 높이(H)는 흑연도가니가 상승하는 영역에서의 안정적인 열적 환경을 실현하기 위한 것이다. 즉, 초크랄스키법에서 실리콘 잉곳(IG)의 직경과 석영도가니의 직경비는 1:2 내지 1:3 으로 하는 것이 일반적이므로, 성장하고자 하는 잉곳의 길이에 대한 실리콘 융액(SM)의 깊이의 비는 1/4 내지 1/9 계산된다. 그리고, 실리콘 단결정 잉곳의 성장에 따른 흑연 도가니의 상승 높이는 흑연 도가니 반지름의 1/4 내지 1/3의 크기로 결정된다. 따라서, 제 3 열차폐 구조체(230) 내부면에서 제 3 열차폐 구조체(230)의 하부면으로부터 이격된 지점(라)의 일정 높이(H)는 흑연도가니(202) 반지름(RG)의 1/4 보다 크고, 1/3 보다 작은 높이(0.25 ×RG≤H ≤0.33 ×RG)인 것이 바람직하다.
또한, 도 5b 또는 도 5c에 도시된 바와 같은, 제 3 열차폐 구조체(230)에 형성된 오목 또는 볼록한 형상의 곡률(αu)은 그 구조적인 결합이 유리하도록 설계하기 위하여, 흑연도가니(202)의 반지름(RG)보다 크거나 같고, 제 1 열차폐 구조체(210)의 내부면의 반지름(RR i: Inner Radius of Radiation shield)보다 작거나 같은 범위의 크기( RG≤αu≤RR i)를 가지는 것이 바람직하다.
이로써, 히터(205)로부터 상부로 복사된 복사열은 대각선의 형상이나, 오목 또는 볼록한 형상으로 형성되어 있는 제 3 열차폐 구조체(220)의 하부 부분에 의하여 히터(205)의 상부로 복사되는 열이 일정한 각도에 의하여 히터(205)의 상부와 흑연 도가니(202) 외면 쪽으로 일정하게 반사되므로, 흑연 도가니 및 열쉴드 구조체에 복사되는 빛의 양을 능동적으로 조절할 수 있으며, 히터(205)의 상부의 열적 환경을 일정하게 안정화시킬 수 있는 것이다. 이러한 히터(205) 상부의 열적 안정화에 의하여 챔버(200)의 내부를 순환하는 불활성 가스가 안정적인 흐름을 가지게 되며, 또한 흑연 도가니(202)의 온도 편차를 균일하게 하여 실리콘 단결정 잉곳(IG)의 성장 시 생성된 산화물이 일정 지역에 집중적으로 증착할 수 없도록 할 수 있는 것이다.
그리고, 상술한 바와 같은 제 3 열차폐 구조체(230)의 구조에 의하여 히터(205)의상부로 복사된 열이 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳(IG)에 영향을 주는 것을 방지하기 위하여, 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳(IG)과 석영 도가니(201) 사이에서 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 에워싸도록 형성되고, 상부 일단이 제 3 열차폐 구조체(230)의 상부에 걸쳐지도록 설치된 열 쉴드(Heat Shield : 240)를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
다음으로, 본 발명에 따라 설치된 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 제 1 열차폐 구조체 및 제 2 열차폐 구조체, 제 3 열차폐 구조체의 가장 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
즉, 본 발명에 의하여 설계된 제 1열차폐 구조체의 길이(LR= LR U+ LR L)와, 제 2 열차폐 구조체의 가장 자리 부분에 형성된 오목 또는 볼록한 형상의 곡률(αL), 제 3 열차폐 구조체의 하부면으로부터 이격된 지점의 일정 높이(H)와 제 3 열차폐 구조체에 형성된 오목 또는 볼록한 형상의 곡률(αU)은 다음 표 1과 같이 계산되어 설계된다.
구분 제 1 실시예
흑연도가니의 반경(RG) 249.0㎜
히터의 외부 반경(RH O) 294.5㎜
히터의 전체 길이(LH) 490.0㎜
히터의 상부 길이(LH U) 155.0㎜
히터의 하부 길이(LH L) 335.0㎜
설계 감마(γ)값 결정 1.07
설계 베타(β)값 결정 1.86
제 1열차폐구조체의 내부반경(RR i) 315.1㎜
제 1열차폐구조체의 전체길이(LR) 547.8㎜
제 1열차폐구조체의 상부길이(LR U) 185.0㎜
제 1열차폐구조체의 하부길이(LR L) 362.8㎜
제 2열차폐구조체의 가장자리 부분의 오목/볼록한 형상의 곡률(αL) 249.0~315.1㎜
제 3열차폐구조체의 하부면으로부터 이격된 지점의 일정높이(H) 62.25 ~ 82.17㎜
제 3열차폐구조체에 형성된 오목/볼록한 형상의 곡률(αU) 249.0~315.1㎜
즉, 일단은 성장시키고자 하는 실리콘 단결정 잉곳의 직경과 길이에 따라 흑연 도가니의 크기를 249.0㎜로 결정한다. 또, 흑연 도가니의 크기에 따라 히터의 반경과 히터의 길이를 결정한다. 히터의 복사 효율을 극대화 할 수 있는 γ값과 β값으로 각각 1.07과 1.86가 되도록 결정한다. 이에 따라, γ값이 1.07가 되도록 하는 제 1 열차폐 구조체의 내부 반경(RR i)을 계산하여 보면 315.1㎜가 되고, β값이 1.86가 되도록 하는 제 1 열차폐 구조체의 전체 길이(LR)를 계산하여 보면 547.8㎜가 된다. 그리고, 제 1열차폐 구조체의 전체 길이(LR)에서 제 1 열차폐 구조체의 상부 길이(LR U)가 히터의 상부 길이(LH U)보다 길고, 제 1 열차폐 구조체의 하부 길이(LR L)가 히터의 하부 길이(LH L)보다 더 길도록 하기 위하여, 제 1열차폐 구조체의 상부 길이(LR U)는 185.0㎜로 하고, 제 1열차폐 구조체의 하부 길이(LR L)는 362.8㎜로 한다.
제 2열차폐 구조체의 가장자리 부분의 오목 또는 볼록한 형상의 곡률(αL)은 상기와 같이 결정되어진 흑연 도가니의 반경(RG)와 제 1 열차폐 구조체의 내부 반경(RR i)에 따라서 249.0㎜상 315.1㎜이하의 곡률을 가지는 것으로 하고, 제 3열차폐 구조체의 하부면으로부터 이격된 지점의 일정높이(H)는 흑연 도가니의 반경(RG)에 따라서, 62.25㎜이상 82.17㎜이하로 하며, 제 3열차폐 구조체에 형성된 오목 또는 볼록한 형상의 곡률(αU)은 흑연 도가니의 반경(RG)와, 제 1열차폐 구조체의 내부 반경(RR i)에 따라서, 249.0㎜이상 315.1㎜이하로 하는 것이 바람직하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.
본 발명은 상술한 구성을 가짐으로써, 히터의 복사 효율을 극대화 시킬 수 있는 제 1 열차폐 구조체가 장착되고, 히터의 상부와 하부에서 급격한 열적 환경의 변화가없어 챔버 내부의 불활성 가스의 흐름을 안정적으로 제어 할 수 있는 제 2 열차폐 구조체와 제 3 열차폐 구조체를 적용하여 고품질의 실리콘 단결정 잉곳을 생산할 수 있는 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공하였다.

Claims (7)

  1. 챔버와, 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외연 하부를 감싸면서 지지하는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니의 하부를 지지하는 지지구조체와, 상기 지지구조체와 결합되어 상기 석영 도가니와 흑연 도가니를 회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 페데스탈과, 히터와, 상기 히터의 측면부를 통하여 챔버의 외부로 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버의 내부 측벽부에 설치된 제 1 열차폐 구조체와, 상기 히터의 하부를 통하여 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버의 하부 바닥면에 설치된 제 2 열차폐 구조체와, 상기 히터의 상부를 통하여 챔버의 상부 쪽으로 방사되는 열을 차단하도록 상기 히터의 상부를 덮으면서 상기 제 1 열차폐 구조체의 상부에 설치된 제 3 열차폐 구조체를 포함하는 실리콘 단결정 성장 장치에 있어서,
    상기 제 1열차폐 구조체는 그 내부 반지름(RR i: Inner Radius of Radiation shield)의 크기를 상기 히터의 외부 반지름(RH o: Outer Radius of Heater)의 크기로 나눈 값(RR i/RH O)으로 정의되는 γ값(γ= RR i/RH O)이 1.04 내지 1.1의 범위의 크기를 갖도록 상기 제 1열차폐 구조체의 내부 반지름(RR i)이 결정되며,
    상기 제 1 열차폐 구조체의 길이(LR: Length of Radiation shield)와 상기 히터의 길이(LH: Length of Heater)를 상기 석영 도가니 내부에 용융 되어 있는 용융 실리콘의 표면(Melt level)을 기준으로 상부와 하부로 나누어, 상기 제 1 열차폐 구조체의 상부 길이(LR U: Upper Length of Radiation shield)는 상기 히터의 상부 길이(LH U: Upper Length of Heater) 보다 길거나 같고(LR U≥ LH U), 상기 제 1 열차폐 구조체의 하부 길이 (LR L: Lower Length of Radiation shield)는 상기 히터의 하부 길이(LH L: Lower Length of Heater) 보다 길거나 같게(LR L≥LH L) 형성되고,
    상기 제 1 열차폐 구조체의 전체 길이(LR=(LR U+LR L))는 상기 히터의 전체 길이(LH=(LH U+LH L))의 2배보다 작거나 같도록((LR U+LR L) ≤2(LH U+LH L)) 형성되고,
    상기 제 1 열차폐 구조체의 전체 길이(LR)를 상기 히터의 외부 반지름(RH O: Outer Radius of Heater)의 크기로 나눈 값으로 정의 되는 β값(β=LR/RH O)이 1.29 내지 2.01의 범위의 크기를 가지도록 제 1 열차폐 구조체의 길이(LR= LR U+ LR L)가 결정된 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
  2. 챔버와, 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외연 하부를 감싸면서 지지하는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니의 하부를 지지하는 지지구조체와, 상기 지지구조체와결합되어 상기 석영 도가니와 흑연 도가니를 회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 페데스탈과, 히터와, 상기 히터의 측면부를 통하여 챔버의 외부로 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버의 내부 측벽부에 설치된 제 1 열차폐 구조체와, 상기 히터의 하부를 통하여 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버의 하부 바닥면에 설치된 제 2 열차폐 구조체와, 상기 히터의 상부를 통하여 챔버의 상부 쪽으로 방사되는 열을 차단하도록 상기 히터의 상부를 덮으면서 상기 제 1 열차폐 구조체의 상부에 설치된 제 3 열차폐 구조체를 포함하는 실리콘 단결정 성장 장치에 있어서,
    상기 제 2 열차폐 구조체의 가장자리 부분은 상기 제 1열차폐구조체의 하단부와 만나는 지점으로부터 상기 흑연도가니 외면의 연장선 지점 사이가 대각선으로 형성되거나, 일정한 곡률(αL)을 가지는 오목 또는 볼록한 형상으로 형성된 것이 특징인 실리콘 단결정 성장 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 열차폐 구조체의 가장자리 부분에 형성된 오목 또는 볼록한 형상의 곡률(αL)은
    상기 흑연 도가니의 반지름(RG) 보다 크거나 같고, 상기 제 1 열차폐 구조체의 내부면의 반지름(RR i: Inner Radius of Radiation shield) 보다 작거나 같은 범위의 크기( RG≤αL≤RR i)를 가지는 것이 특징인 실리콘 단결정 성장 장치.
  4. 챔버와, 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외연 하부를 감싸면서 지지하는 흑연 도가니와, 상기 흑연 도가니의 하부를 지지하는 지지구조체와, 상기 지지구조체와 결합되어 상기 석영 도가니와 흑연 도가니를 회전ㆍ상승ㆍ하강시키는 페데스탈과, 히터와, 상기 히터의 측면부를 통하여 챔버의 외부로 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버의 내부 측벽부에 설치된 제 1 열차폐 구조체와, 상기 히터의 하부를 통하여 방출되는 열을 차단하도록 상기 챔버의 하부 바닥면에 설치된 제 2 열차폐 구조체와, 상기 히터의 상부를 통하여 챔버의 상부 쪽으로 방사되는 열을 차단하도록 상기 히터의 상부를 덮으면서 상기 제 1 열차폐 구조체의 상부에 설치된 제 3 열차폐 구조체를 포함하는 실리콘 단결정 성장 장치에 있어서,
    상기 제 3 열차폐 구조체는 상기 제 1 열차폐 구조체의 내부면과 접하는 지점과, 상기 히터 상부의 상기 제 3 열차폐 구조체 내부면에 상기 제 3 열차페 구조체의 하부면으로부터 일정 높이(H) 이격된 지점 사이가 대각선으로 형성되거나 또는 일정한 곡률(αu)을 가지는 오목 또는 볼록한 형상으로 형성된 것이 특징인 실리콘 단결정 성장 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 3 열차폐 구조체 내부면에 상기 제 3 열차폐 구조체의 하부면으로부터 이격된 지점의 일정 높이(H)는 상기 흑연도가니 반지름(RG)의 1/4 보다 크고, 1/3 보다 작은 높이(0.25 ×RG≤H ≤0.33 ×RG)인 것이 특징인 실리콘 단결정 성장 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제 3 열차폐 구조체에 형성된 오목 또는 볼록한 형상의 곡률(αu)은 흑연도가니의 반지름(RG)보다 크거나 같고, 상기 제 1 열차폐 구조체의 내부면의 반지름(RR i: Inner Radius of Radiation shield)보다 작거나 같은 범위의 크기( RG≤αu≤RR i)를 가지는 것이 특징인 실리콘 단결정 성장 장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 성장 중인 실리콘 단결정 잉곳과 상기 석영 도가니 사이에서 상기 실리콘 단결정 잉곳을 에워싸도록 형성되고, 상부 일단이 상기 제 3 열차폐 구조체의 상부에 걸쳐지도록 설치된 열쉴드(Heat Shield)를 더 포함하는 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.
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