KR100746375B1 - Gas inlet line and silicon single crystal growing apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은 성장로 내부에 유입된 가스의 와류 발생 및 하부로부터 상승하는 가스의 흐름 즉 상승류를 방지할 수 있는 가스 유입 라인 구조를 갖는 단결정 성장장치에 관한 것이다.The present invention relates to a single crystal growth apparatus having a gas inflow line structure capable of preventing the generation of vortices of the gas introduced into the growth furnace and the flow of the gas rising from the bottom, that is, the upward flow.
본 발명은 실리콘 융액이 배치되는 하부 챔버, 상기 실리콘 융액으로부터 성장하는 잉곳이 인상되는 상부 챔버, 및 상기 상하부 챔버 사이를 연결하는 중간 챔버를 포함하며, 상기 하부 챔버에 가스를 공급하는 가스 유입 라인의 유입구의 방향이 지면에 수직하게 형성되도록 구성되었다. 이러한 구성에 따르면, 성장로 내부에 유입된 가스의 와류 발생 및 하부로부터 상승하는 흐름을 방지할 수 있어 성장로 내부의 산화물 오염 방지 및 결정 수율 감소를 최소화할 수 있다.The present invention includes a lower chamber in which a silicon melt is disposed, an upper chamber in which ingots growing from the silicon melt are pulled up, and an intermediate chamber connected between the upper and lower chambers, the gas inlet line supplying gas to the lower chamber. The direction of the inlet is configured to be perpendicular to the ground. According to this configuration, it is possible to prevent the generation of the vortex of the gas introduced into the growth furnace and the rising flow from the bottom, it is possible to prevent the oxide contamination inside the growth furnace and to reduce the crystal yield.
차단부재, 유입구, 가스 유입 라인, 산화물 증착, 수직 Barrier, Inlet, Gas Inlet Line, Oxide Deposition, Vertical
Description
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 성장장치의 구성을 개략적으로 도시한 개략도,1 is a schematic diagram schematically showing the configuration of a silicon single crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단부재의 중간챔버내 설치 상태를 도시한 개략도,Figure 2 is a schematic diagram showing the installation state in the intermediate chamber of the blocking member according to an embodiment of the present invention,
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유입 라인 구조가 설치된 차단부재의 배면도,3A and 3B are rear views of a blocking member provided with a gas inflow line structure according to an embodiment of the present invention, respectively;
도 4는 도 1의 A부의 가스 흐름 상태도.4 is a gas flow state diagram of a portion A of FIG.
본 발명은 초코랄스키법에 의해 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 성장시키는 단결정 성장장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는 성장로 내부에 유입된 가스의 와류 발생 및 하부로부터 상승하는 가스의 흐름 즉 상승류를 방지할 수 있는 가스 유입 라인 구조를 갖는 단결정 성장장치에 관한 것이다.The present invention relates to a single crystal growth apparatus for growing a silicon single crystal from a silicon melt by the Chocoralski method. More particularly, the present invention relates to a single crystal growth apparatus having a gas inflow line structure capable of preventing the generation of vortices of the gas introduced into the growth furnace and the flow of the gas rising from the lower portion, that is, the upward flow.
초코랄스키법은 일반적으로 단결정 성장장치의 석영도가니 내에서 용융된 실 리콘 융액에 종결정을 침지하고 석영도가니와 종결정을 반대방향으로 회전시키면서 융액에 침지된 종결정을 상방으로 인상함으로써 대략 원주상의 실리콘 단결정을 성장시키는 방법이다.The Chokoralsky method is generally performed by immersing the seed crystals in the molten silicon melt in the quartz crucible of the single crystal growth apparatus and pulling the seed crystals immersed in the melt upward while rotating the quartz crucible and the seed crystals in opposite directions. It is a method of growing the silicon single crystal of the columnar phase.
이러한 실리콘 단결정의 수율을 향상시키기 위하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장로 내부로 아르곤 또는 질소 등의 다양한 가스를 성장로의 상부로부터 주입시켜 성장로의 하부로 배출시키면서 성장로 내부의 불순물 제거나 산소 농도를 조절하여 왔다.In order to improve the yield of the silicon single crystal, various gases such as argon or nitrogen are injected into the growth furnace of the silicon single crystal ingot from the upper part of the growth furnace and discharged to the lower part of the growth furnace while controlling impurities in the growth furnace and adjusting the oxygen concentration. Has come.
또한, 단결정 성장 장치를 상하 챔버로 분리하여 하부 챔버에서는 실리콘 융액을 고온의 상태로 유지한 채 상부 챔버를 개방 및 분리하여 필요한 목적의 작업을 수행하는 "섹션 공정"이 사용되어 왔다. In addition, a "section process" has been used in which the single crystal growth apparatus is separated into an upper and lower chamber, and in the lower chamber, the upper chamber is opened and separated while maintaining the silicon melt at a high temperature to perform a necessary purpose.
그런데 섹션 공정에서 상부 챔버의 상부 개방부를 사용하지 않고 하부 챔버에 가스를 공급하기 위해서 상부 챔버와 하부 챔버 사이의 가스 유입 라인을 사용한다. 상기 하부 챔버 상부의 가스 유입라인은 단결정 성장 장치의 구조상 일반적으로 지면에 대해 수평하게 배치된 한개의 파이프를 이용한다. However, in the section process, a gas inlet line between the upper chamber and the lower chamber is used to supply gas to the lower chamber without using the upper opening of the upper chamber. The gas inlet line above the lower chamber uses a single pipe arranged horizontally with respect to the ground due to the structure of the single crystal growth apparatus.
따라서 상기 하부 챔버에 가스가 유입될 때 유입되는 가스는 지면에 대해 거의 수평한 운동 성분을 가지기 때문에, 가스 유입 라인 근처의 하부챔버의 벽 부근에서는 성장로 위로 상승하는 상승류가 형성된다.Thus, when gas enters the lower chamber, the incoming gas has a motion component that is nearly horizontal to the ground, so that an upward flow that rises above the growth path is formed near the wall of the lower chamber near the gas inlet line.
이러한 상승류는 성장로의 산화물을 상승시켜 성장로의 저온 부위에 증착시키고 융액으로부터 산소를 증발시키기 때문에 단결정의 산소 농도를 저하시키는 문제점을 발생시킨다.This upward flow raises the oxide of the growth furnace, deposits it at the low temperature portion of the growth furnace, and causes the problem of lowering the oxygen concentration of the single crystal because it evaporates oxygen from the melt.
또한, 이렇게 증착된 산화물은 결정성장 공정 중에 융액에 떨어져 결정의 수율을 악화시키는 원인이 되었다.In addition, the deposited oxide fell into the melt during the crystal growth process, causing the yield of crystals to deteriorate.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 성장로 내부에 유입된 가스의 와류 발생 및 하부로부터 상승하는 상승류를 방지하기 위한 가스 유입 라인 구조를 갖는 단결정 성장장치를 제공하는 것이다. The technical problem to be achieved by the present invention is to provide a single crystal growth apparatus having a gas inflow line structure for preventing the generation of vortex of the gas introduced into the growth furnace and the upward flow rising from the bottom.
또한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상승류에 의한 성장로 내부의 산화물 오염을 방지 및 이로 인한 결정 수율 감소를 최소화한 단결정 성장장치를 제공하는 것이다.In addition, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a single crystal growth apparatus that prevents the oxide contamination inside the furnace due to the upward flow and minimizes the decrease in crystal yield.
또한, 섹션 공정에 적용할 수 있는 가스 유입 라인 구조를 갖는 단결정 성장장치를 제공하는 것이다.In addition, to provide a single crystal growth apparatus having a gas inlet line structure applicable to the section process.
이러한 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 초크랄스키법에 의한 단결정 성장장치는 실리콘 융액이 배치되는 하부 챔버, 상기 실리콘 융액으로부터 성장하는 잉곳이 인상되는 상부 챔버, 및 상기 상하부 챔버 사이를 연결하는 중간 챔버를 포함하며, 상기 하부 챔버에 가스를 공급하는 가스 유입 라인의 유입구의 방향이 지면에 수직하게 형성되도록 구성되어 있다.In order to solve this problem, a single crystal growth apparatus using the Czochralski method according to an embodiment of the present invention includes a lower chamber in which a silicon melt is disposed, an upper chamber in which an ingot growing from the silicon melt is pulled up, and the upper and lower chambers. It comprises an intermediate chamber for connecting, the direction of the inlet of the gas inlet line for supplying gas to the lower chamber is configured to be formed perpendicular to the ground.
상기 가스 유입 라인은 상기 하부 챔버와 상기 중간 챔버 사이에 배치되는 상기 하부 챔버를 개폐하는 차단부재에 연통할 수도 있다. The gas inlet line may be in communication with a blocking member for opening and closing the lower chamber disposed between the lower chamber and the intermediate chamber.
상기 가스 유입 라인은 상기 차단부재의 하부에 연장될 수도 있으며, 상기 가스 유입 라인은 복수개의 유입구를 가질 수도 있다.The gas inlet line may extend below the blocking member, and the gas inlet line may have a plurality of inlets.
이때, 상기 차단부재의 개폐에 의해서 상기 유입구가 개폐될 수도 있다.In this case, the inlet may be opened and closed by opening and closing the blocking member.
상기 가스 유입 라인은 동심축을 중심으로 방사방향으로 일정하게 배치될 수도 있다. The gas inlet line may be uniformly arranged radially about the concentric axis.
상기 가스 유입 라인은 상기 차단부재의 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치될 수도 있다. The gas inflow line may be arranged at regular intervals along the circumferential direction of the blocking member.
상기 가스 유입 라인은 상기 차단부재의 중심으로부터 십자형 패턴을 형성하며 배치될 수도 있다.The gas inflow line may be formed to form a cross pattern from the center of the blocking member.
본 발명의 다른 측면에 따르른 가스 유입 라인은 가스 공급장치와 연결된 기다란 일단부와 결정 성장로의 내부에 연결된 타단부를 포함하며, 상기 타단부는 텅 형상으로 구성되고 상기 텅의 하부면에 복수개의 유입구가 형성되어 있다.According to another aspect of the present invention, a gas inlet line includes an elongated end connected to a gas supply device and another end connected to an inside of a crystal growth path, the other end being configured in a tongue shape and having a plurality on a lower surface of the tongue. Inlets are formed.
상기 텅은 그물망처럼 형성될 수도 있으며, 상기 가스 유입 라인이 연장되어 일정한 간격을 두고 원형 패턴을 반복형성하여 이루어질 수도 있으며, 십자형 패턴으로 형성될 수도 있다.The tongue may be formed like a net, the gas inlet line may be extended to form a circular pattern at regular intervals, or may be formed in a cross pattern.
상기 텅에는 복수개의 유입구가 일정한 간격을 두고 배치되며, 상기 복수개의 유입구는 최하단부의 직경이 가장 작게 형성되어 가스의 유량 밀도가 일정하게 할 수도 있다. A plurality of inlets may be arranged at regular intervals on the tongue, and the plurality of inlets may have the smallest diameter at the lowermost end thereof, so that the flow density of the gas may be constant.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장장치를 도시한 개략적인 구 성도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차단부재의 중간챔버내 설치 상태를 도시한 개략도이다. 도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 변형예에 따른 가스 유입 라인이 하면에 배치된 차단부재의 배면도이다.1 is a schematic diagram illustrating a single crystal growth apparatus according to an embodiment of the present invention. Figure 2 is a schematic diagram showing the installation state in the intermediate chamber of the blocking member according to an embodiment of the present invention. 3A and 3B are rear views of the blocking members disposed on the lower surface of the gas inflow line according to the modification of the present invention, respectively.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단결정 성장장치(100)는 섹션 공정을 수행할 수 있도록 상부 챔버(3)와 하부챔버(2)를 포함하며, 상기 상부챔버(3)와 하부챔버(2)는 중간챔버(1)에 의해 연결된다. Referring to FIG. 1, the single
상기 하부챔버(2)는 내부에 실리콘 융액(10)을 보유하기 위해서 내측은 석영제이고 외측으로 흑연으로 이루어진 도가니(7)와, 상기 도가니(7)내의 실리콘을 가열 용융하기 위한 히터(6)와, 상기 히터(6)로부터 복사열이 하부챔버(2)의 내벽에 직접 닿지 않도록 보호하기 위한 단열재(5)로 구성된다. The
상기 상부챔버(3)는 단결정을 인상하기 위한 와이어(9)가 상기 상부챔버(3) 상방에 부착되어 있는 와이어 권양 기구(도시안함)로부터 권출되어 있고, 그 선단에는 종결정을 부착하기 위한 종홀더(13)가 걸려 있다. In the
또한, 상기 하부챔버(2)의 하방에는 도가니(7)를 지지하기 위한 도가니축(14)이 있고, 상기 도가니축(14)은 도가니축(14)에 접속된 도가니 이동기구(도시안함)에 의해 상하로 움직일 수 있으며, 또한 회전할 수 있다. 한편, 상기 하부챔버(2)에는 하부 챔버(2) 밖으로 불순물 또는 오염물을 배출하기 위한 가스 배기 라인(12)이 부착되어 있고, 상기 가스 배기 라인(12)에는 각각 쓰로들 밸브(4c)를 포함한 유량 압력 조절기구가 있다. 따라서 하부 챔버(2) 내부의 가스 유량과 압력을 소망하는 값으로 조정할 수 있다.Further, below the
한편, 상기 상하 챔버를 연결하는 상기 중간챔버(1)는 상부챔버(3)와 함께 여러 가지 목적의 가스를 공급하기 가스 유입 라인(11)과 연통하며, 상기 가스 유입 라인(11)에도 상기 가스 배기 라인(12)과 마찬가지로 각각 쓰로들 밸브(4b)를 포함한 유량 압력 조절기구에 의해서 압력 조절된다. 또한, 상기 중간챔버(1)는 차단부재(20)를 구비할 수도 있다. 상기 차단부재(20)는 하부챔버(2)의 연통여부를 결정할 수 있도록 상하로 개폐되는 잠금부재일 수도 있으며 원주방향을 따라 회전에 의해서 개폐되는 잠금부재일 수도 있다. 본 실시예에 있어서, 차단부재(20)로 상하로 개폐될 수도 있는 게이트 밸브가 사용되었다. Meanwhile, the
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유입 라인의 구성 및 그 작용효과에 대해서 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described in detail the configuration and the effect of the gas inlet line according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 차단부재(20)는 중공형으로 구성되며 상기 가스 유입 라인(11)이 상기 차단부재(20)의 내부와 연통되도록 설치될 수도 있다. 이 때 차단부재(20)의 저면에는 수 mm 직경을 갖는 복수개의 유입구(20a)가 수 cm 간격으로 형성되어 있을 수도 있다. 이 때 상기 유입구(20a)는 지면에 대해서 수직하게 형성되며 상기 차단부재(20)의 개폐에 의해서 개폐될 수도 있다.The blocking
또한, 본 발명의 변형예에 따르면, 상기 차단부재(20)의 하면에 상기 가스 유입 라인(11)이 연장되어 배치될 수도 있다. 도 2를 참조하면, 상기 가스 유입 라인(11)이 가스 공급장치 및 유압 조절기구와 연결된 기다란 일단부와 결정 성장로의 내부에 연결된 타단부를 포함하며, 상기 타단부는 텅(tongue) 형상으로 구성되고 상기 텅의 하부면에 복수개의 유입구가 지면에 대해 수직하게 형성됨을 알 수 있다.In addition, according to a modification of the present invention, the
이 때, 상기 텅은 상기 챔버의 중심으로부터 원주방향으로 가스 유입 라인이 배치될 수도 있으며, 그물망처럼 형성될 수도 있으며, 상기 가스 유입 라인이 연장되어 일정한 간격을 두고 원형 패턴을 반복형성하여 이루어질 수도 있으며, 십자형 패턴으로 형성될 수도 있다.At this time, the tongue may be arranged in the gas inlet line in the circumferential direction from the center of the chamber, may be formed like a net, the gas inlet line may be formed by repeating the circular pattern at regular intervals. It may be formed in a cross pattern.
상기 텅에는 복수개의 유입구가 일정한 간격을 두고 배치되며, 상기 복수개의 유입구는 최하단부의 직경이 가장 작게 형성되어 가스의 유량 밀도가 일정하게 할 수도 있다.A plurality of inlets may be arranged at regular intervals on the tongue, and the plurality of inlets may have the smallest diameter at the lowermost end thereof, so that the flow density of the gas may be constant.
도 3a를 참조하면, 상기 가스 유입 라인(11)은 일정한 직경을 갖는 동심원이 복수개 배치된 그물망처럼 배치될 수도 있으며 상기 가스 유입 라인(11)에 일정한 간격을 두고 복수개의 유입구가 지면에 대해 수직하게 형성되어 있다. Referring to FIG. 3A, the
또한, 도 3b를 참조하면, 본 발명의 변형예에 따른 차단부재(20)의 하면에는 상기 가스 유입 라인(11)이 챔버의 중심에서 십자형 패턴으로 배치되며, 상기 십자형 가스 유입 라인에 일정한 간격을 두고 복수개의 토출구가 지면에 대해 수직하게 형성되어 있다. In addition, referring to Figure 3b, the
이러한 배치에 제한되지 않으며, 본 발명에 따른 가스 유입 라인은 원형, 방사상 또는 원형과 방사형이 복합된 형태로 배치될 수도 있으며 이 복합된 패턴을 이루는 가스 유입 라인에 일정한 간격을 두고 복수개의 유입구가 지면에 대해 수직하게 형성될 수 있다.It is not limited to this arrangement, the gas inlet line according to the present invention may be arranged in a circular, radial or a combination of circular and radial form and the plurality of inlets are spaced at regular intervals in the gas inlet line constituting the complex pattern It may be formed perpendicular to the.
이 때 유입구의 방향을 지면에 수직한 방향에 대하여 일정한 방향을 갖도록 가공함으로써 국부적인 압력 변화가 없도록 할 수 있다.At this time, the direction of the inlet can be processed to have a constant direction with respect to the direction perpendicular to the ground so that there is no local pressure change.
상기 가스 유입 라인(11)에는 지면에 대해 수평한 유입구는 없으며, 상기 가스 유입 라인의 일단부는 폐쇄되어 상기 하부 챔버에 연장된 가스 유입라인(11)이 폐곡면을 이루며 단지 가스들은 지면에 대해 수직하게 배치된 복수개의 유입구를 통해서 하부챔버(2)로 분사된다.The
이러한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 섹션 과정에서 상승하는 가스 흐름이 방지될 수 있으며 가스 유입 라인의 유입구 근처의 위치에 따른 압력 변화가 최소화 될 수 있다. 또한, 입력되는 가스의 운동 성분이 성장로 내부의 가스 흐름 방향과 일치하게 형성될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the rising gas flow in the section process can be prevented and the pressure change according to the position near the inlet of the gas inlet line can be minimized. In addition, the kinetic component of the input gas may be formed to match the gas flow direction inside the growth furnace.
도 4는 도 1의 A부의 가스 흐름 상태도이다.4 is a gas flow state diagram of part A of FIG. 1.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 유입 라인 구조에 따르면, 가스 흐름에서는 성장로 벽을 따라 하부로부터 상승하는 흐름이 발생하지 않음을 시뮬레이션 결과로 알 수 있다.Referring to Figure 4, according to the gas inlet line structure according to an embodiment of the present invention, it can be seen from the simulation results that the gas flow does not occur from the bottom along the growth path wall.
본 발명은 성장로 내부에 유입된 가스의 와류 발생 및 하부로부터 상승하는 상승류를 방지하기 위한 가스 유입구를 제공할 수 있다. The present invention can provide a gas inlet for preventing the generation of vortex of the gas introduced into the growth furnace and the upward flow rising from the bottom.
가스의 역방향 흐름을 방지하여 역방향 흐름에 의한 성장로 내부의 산화물의 오염을 방지, 이로 인한 결정 수율 감소를 최소화할 수 있다.By preventing the reverse flow of gas to prevent the contamination of the oxide inside the growth by the reverse flow, it is possible to minimize the decrease in crystal yield.
섹션 공정을 가능하게 하여 여러 가지 목적에 따라 상하부 챔버를 분리하여 사용할 수 있다.By enabling the section process, the upper and lower chambers can be separated and used according to various purposes.
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