KR100831809B1 - Heater used for growing ingot based on czochralski technology and apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.The following drawings attached to this specification are illustrative of preferred embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the invention to serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention is a matter described in such drawings It should not be construed as limited to.
도 1은 쵸크랄스키법에 의한 잉곳 성장 시 공정 초반부와 후반부에 히터에 의해 형성되는 열 분포 프로파일을 서로 대비하여 보여주는 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing heat distribution profiles formed by a heater at the beginning and the end of a process during ingot growth by the Czochralski method.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 히터의 구조를 보여주는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing the structure of a heater according to a first embodiment of the present invention.
도 3은 도 2의 국소 발열 구간에 설치된 환형 발열띠를 도시한 확대 단면도이다. 3 is an enlarged cross-sectional view illustrating an annular heating band installed in the local heating section of FIG. 2.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 히터를 이용하여 단결정 잉곳을 성장시킬 때 공정 후반부에 히터에 의해 형성되는 열 분포 프로파일을 보여주는 도면이다.FIG. 4 is a view showing a heat distribution profile formed by a heater at a later stage of a process when growing a single crystal ingot using a heater according to the first embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 히터의 구조를 보여주는 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing the structure of a heater according to a second embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 히터의 구조를 보여주는 단면도이다.6 is a cross-sectional view showing the structure of a heater according to a third embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치의 구성도이다.7 is a block diagram of a silicon single crystal ingot manufacturing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명에 따른 시뮬레이션에서 사용된 히터의 구조를 도시한 도면이다.8 is a view showing the structure of a heater used in the simulation according to the present invention.
도 9는 도 8에 도시된 3개의 히터를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 때 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배를 시뮬레이션하여 그 결과를 도시한 그래프이다.FIG. 9 is a graph showing the results of simulating the vertical temperature gradient from the solid-liquid interface to the melt side when the silicon single crystal ingot is manufactured using the three heaters shown in FIG. 8.
도 10은 도 8에 도시된 3개의 히터를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 제조할 때 고액 계면의 모양을 시뮬레이션하여 그 결과를 도시한 그래프이다. FIG. 10 is a graph showing the results of simulating the shape of the solid-liquid interface when the silicon single crystal ingot is manufactured using the three heaters shown in FIG. 8.
<도면의 주요 참조번호><Main reference number in drawing>
100, 200, 300: 히터 110: 석영 도가니100, 200, 300: heater 110: quartz crucible
120: 도가니 지지대 100a: 수직 발열부120:
100b: 경사 발열부 100c: 국소 발열 구간100b:
M: 실리콘 멜트 H: 고온 멜트 구간M: Silicone Melt H: High Temperature Melt Section
150: 환형 개구 160: 환형 발열띠150: annular opening 160: annular heating band
140, 210, 310: 열 분포 프로파일140, 210, 310: heat distribution profile
본 발명은 쵸크랄스키(Czochralski)법을 이용한 잉곳 성장 장치에 사용되는 히터에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 우수한 품질의 무결함 잉곳을 고속성장 시킬 수 있도록 최적화된 열 분포 프로파일을 제공하는 히터 및 이를 구비하는 단결정 잉곳 제조 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a heater used in an ingot growth apparatus using the Czochralski method, and more particularly, a heater providing an optimized heat distribution profile for rapidly growing a defect-free ingot of good quality and the same. It is related with the single crystal ingot manufacturing apparatus provided.
반도체 소자의 제조를 위해 사용되는 단결정 실리콘은 통상적으로 쵸크랄스키법에 의해 제조된다. 쵸크랄스키법에서는, 흑연 재질의 도가지 지지대에 설치된 석영 도가니 내부에 다결정 실리콘을 충진시킨 후 석영 도가니의 외주면을 둘러싸는 히터로 다결정 실리콘을 가열하여 액상으로 용융시킨다. 그런 다음 단결정으로 이루어진 씨드를 석영 도가니 내의 멜트 표면과 접촉시킨 후 씨드를 회전시키면서 서서히 인상시키면 고액 계면으로부터 단결정 실리콘 잉곳이 성장되기 시작한다. 이 때 잉곳이 성장되는 고액 계면의 형상은 위로 볼록한 형태를 가진다. 씨드를 인상시키면 처음에는 단결정 넥(neck)이 형성되는데, 넥의 형성이 완료되면 씨드의 인상 속도를 줄여서 성장되는 잉곳의 직경을 소망하는 직경으로 확장시킨다. 이렇게 잉곳의 직경이 확장되고 나서 실리콘 멜트의 온도와 인상 속도를 조절하면서 씨드를 인상시키면 일정한 직경을 갖는 잉곳의 몸체가 성장된다. 잉곳이 서서히 성장되면 실리콘 멜트가 소진되므로 고액 계면의 높이가 낮아진다. 따라서 잉곳이 서서히 성장됨에 따라 실리콘 도가니를 씨드의 회전방향과 반대 방향으로 회전시키면서 실리콘 도가니를 서서히 상승시켜 고액 계면의 높이를 동일하게 유지시켜준다. 잉곳 성장 후반부에서는 단결정의 직경이 점진적으로 감소하여 잉곳 하단의 형태를 엔드-콘(end cone) 형상으로 만들어야 한다. 전형적으로 엔드-콘은 단결정 인상 속도를 증가시키고 석영 도가니에 공급되는 열량을 증대시켜 형성한다. 이러한 과정 을 통해 잉곳의 반경이 충분이 작아지면 고액 계면으로부터 잉곳을 완전히 분리하여 실리콘 단결정 잉곳의 성장을 완료한다.Monocrystalline silicon used for the manufacture of semiconductor devices is usually produced by the Czochralski method. In the Czochralski method, polycrystalline silicon is filled into a quartz crucible provided on a graphite eggplant support, and then the polycrystalline silicon is heated with a heater surrounding the outer circumferential surface of the quartz crucible to be melted into a liquid phase. Then, the seed made of the single crystal is brought into contact with the melt surface in the quartz crucible, and then slowly pulled while rotating the seed, the single crystal silicon ingot starts to grow from the solid-liquid interface. At this time, the shape of the solid-liquid interface on which the ingot is grown is convex upward. When the seed is pulled up, a single crystal neck is initially formed. When the neck is formed, the seeding speed is reduced to expand the diameter of the growing ingot to a desired diameter. After the diameter of the ingot is expanded, the seed is raised while controlling the temperature and the pulling speed of the silicon melt to grow the body of the ingot having a constant diameter. If the ingot grows slowly, the silicon melt is used up and the height of the solid-liquid interface is lowered. Therefore, as the ingot grows slowly, the silicon crucible is gradually raised while rotating the silicon crucible in a direction opposite to the direction of rotation of the seed to maintain the same height of the solid-liquid interface. In the latter part of the ingot growth, the diameter of the single crystal gradually decreases to make the shape of the bottom of the ingot end-cone. Typically end-cones are formed by increasing the rate of single crystal pulling and increasing the amount of heat supplied to the quartz crucible. Through this process, when the radius of the ingot becomes small enough, the ingot is completely separated from the solid-liquid interface to complete the growth of the silicon single crystal ingot.
석영 도가니 내에 충진된 다결정 실리콘을 용융시키기 위해 사용되는 종래의 히터는 대부분 석영 도가니의 측벽과 소정 거리 이격되어 설치되는 수직 전기 저항 히터이다. 이러한 전기 저항 히터는 흑연과 같은 저항 발열 물질로 구성됨으로써, 히터를 통해 전류가 흐르면 히터가 가진 고유 전기 저항에 의해 열이 발생한다. 이 때 히터로부터 발생되는 열량은 히터의 전기 저항에 비례한다. 히터로부터 발생된 열은 도가니 지지대를 통해 석영 도가니와 그 내부의 다결정 실리콘으로 복사된다. 열의 복사에 의해 석영 도가니 내의 다결정 실리콘이 용융 온도 이상으로 가열되면 다결정 실리콘이 액상으로 용융된다.Conventional heaters used to melt polycrystalline silicon filled in a quartz crucible are mostly vertical electric resistance heaters installed at a predetermined distance from the sidewall of the quartz crucible. The electric resistance heater is composed of a resistive heating material such as graphite, and when current flows through the heater, heat is generated by the intrinsic electric resistance of the heater. At this time, the amount of heat generated from the heater is proportional to the electrical resistance of the heater. Heat generated from the heater is radiated through the crucible support into the quartz crucible and the polycrystalline silicon therein. When the polycrystalline silicon in the quartz crucible is heated above the melting temperature by heat radiation, the polycrystalline silicon is melted in the liquid phase.
쵸크랄스키법에 의한 단결정 실리콘 잉곳 제조 시 고액 계면에서의 수직 온도 구배(결정 측)를 증가시키면 무결함 단결정 성장 속도를 높일 수 있다는 사실은 잘 알려져 있다. 그리고 최근에는 고액계면의 형상을 더욱 더 상부로 볼록하게 할수록 무결함 결정의 성장속도를 높일 수 있다는 사실이 실험을 통하여 증명되었다([1] K.-H. Kim, B.-C. Sim, I.-S. Choi, H.-W. Lee, Point defect behavior in Si crystal grown by electromagnetic Czochralski(EMCZ) method, Journal of Crystal Growth, In press, 2006. [2] B-C. Sim, Y.-H. Jung, J.-E. Lee, H.-W. Lee, Effect of the crystal-melt interface on the grown-in defects in silicon CZ growth, Journal of Crystal Growth, In press, 2006. 참조). 고액 계면의 볼록한 정도를 증가시키기 위해서는 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배를 증 대시키는 것이 중요한데, 종래의 수직 전기 저항 히터에 의해서는 융액 측으로의 수직 온도 구배를 공정 전반에 걸쳐 지속적으로 높게 유지시키는데 한계가 있었다.It is well known that increasing the vertical temperature gradient (crystal side) at the solid-liquid interface in the production of single crystal silicon ingots by the Czochralski method can increase the rate of defect-free single crystal growth. In recent years, it has been proved through experiments that the higher the convex shape of the solid-state interface, the higher the growth rate of the defect-free crystals can be obtained ([1] K.-H. Kim, B.-C. Sim, I.-S. Choi, H.-W. Lee, Point defect behavior in Si crystal grown by electromagnetic Czochralski (EMCZ) method, Journal of Crystal Growth, In press, 2006. [2] BC.Sim, Y.-H Jung, J.-E. Lee, H.-W. Lee, Effect of the crystal-melt interface on the grown-in defects in silicon CZ growth, Journal of Crystal Growth, In press, 2006.). In order to increase the convexity of the solid-liquid interface, it is important to increase the vertical temperature gradient from the solid-liquid interface to the melt side. The conventional vertical electric resistance heater keeps the vertical temperature gradient to the melt side continuously high throughout the process. There was a limit.
도 1은 잉곳 성장 초반부에 히터에 형성되는 열 분포 프로파일과 잉곳 성장 후반부에 히터에 의해 형성되는 열 분포를 서로 대비하여 보여주는 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating a heat distribution profile formed in a heater at an early stage of ingot growth and a heat distribution formed by a heater at a late stage of ingot growth.
도면을 참고하면, 수직 전기 저항 히터(10)를 이용하여 실리콘 멜트(M)를 가열하면 잉곳 성장 초기((a) 참조)에는 전기 저항 히터(10)에 의해 형성되는 열 분포 프로파일(15) 중 가장 온도가 높은 지점(A)이 대략 고액 계면(20)과 석영 도가니(30) 저부 사이의 중간 지점에 위치한다. 그런데, 잉곳(C)의 성장 후반부((b) 참조)로 가면 실리콘 멜트(M)가 소모되어 고액 계면(20) 높이가 낮아지므로 잉곳(C)의 성장이 진행됨에 따라 고액 계면(20) 높이를 일정한 레벨로 유지시키기 위해 석영 도가니(30)를 서서히 상승시킨다. 따라서 전기 저항 히터(10)에 의해 형성된 열 분포 프로파일(15)의 최대 온도 지점(A)이 석영 도가니(30)의 바닥면 쪽으로 점점 더 낮아진다. 그 결과, 실리콘 멜트(M)에 형성되는 열 분포가 잉곳(C) 성장 전반부와 후반부가 다른 양상을 보이게 된다. 만약 전기 저항 히터(10)로 공급되는 전류의 량이 일정하다면 잉곳 후반부로 갈수록 고액 계면(20) 근처에서 융액 측으로의 수직 온도 구배가 감소된다. 이처럼 잉곳(C)이 성장됨에 따라 실리콘 멜트(M)에 형성되는 열 분포가 전체적으로 하방 이동되면 실리콘 멜트(M)의 온도를 안정적으로 높게 유지시킬 수 없다. 이러한 문제는 잉곳(C)의 성장 후반부로 갈수록 고액 계면(20) 형상에 영향을 미쳐 고액 계면(20)의 볼록한 정도를 감소시키며 그 결과 무결함 잉곳(C)의 성장 속도 감소를 초래한다.Referring to the drawings, when the silicon melt (M) is heated using the vertical
위와 같이 종래의 전기 저항 히터(10)가 잉곳(C)의 성장 후반부로 갈수록 무결함 잉곳 성장 속도의 감소를 초래하는 것은, 종래에는 전기 저항 히터(10)의 설계가 대부분 단결정 잉곳(C)의 산소 농도 제어에 초점이 맞추어져 있고 무결함 잉곳 인상 속도와 전지 저항 히터(10)에 의해 형성되는 열 분포가 갖는 관계를 심도 있게 연구하지 못한데서 비롯된 것이라 할 수 있다. As described above, the conventional
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제를 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 쵸크랄스키법에서 히터의 집중 발열 위치뿐만이 아니라 히터의 형상을 최적화시켜 히터로부터 실리콘 멜트로 유입되는 복사열을 최적화할 수 있는 히터와 이 히터를 구비하는 단결정 잉곳 제조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention was devised to solve the above-mentioned problems of the prior art, and the heater that can optimize the radiant heat flowing into the silicon melt from the heater by optimizing the shape of the heater as well as the concentrated heating position of the heater in the Czochralski method. And the objective is to provide the single crystal ingot manufacturing apparatus provided with this heater.
본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은 쵸크랄스키법에서 히터로부터 석영 도가니로 유입되는 열의 최적화를 통해 고온 멜트 영역의 온도를 증가시킴으로써 고액 계면의 볼록한 정도를 더욱 증가시켜 무결함 단결정 잉곳의 성장속도를 향상시킬 수 있고 이를 통해 단결정 잉곳의 생산성을 증대시킬 수 있는 히터와 이 히터를 구비하는 단결정 잉곳 제조 장치를 제공하는데 있다. Another object of the present invention is to increase the convexity of the solid-liquid interface by increasing the temperature of the hot melt region through the optimization of the heat flowing from the heater to the quartz crucible in the Czochralski method to improve the growth rate of the defect-free single crystal ingot The present invention provides a heater capable of increasing the productivity of a single crystal ingot and a single crystal ingot manufacturing apparatus including the heater.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치에서 사용되는 히터는, 석영 도가니의 측벽과 평행한 수직 발열부와, 상기 수직 발열부의 하단으로부터 석영 도가니의 만곡부를 따라 연장된 경사 발열부를 구비하고, 상기 경사 발열부의 내면과 적어도 일부가 중첩되는 영역에 고온 멜트 영역을 향하여 기울어진 열 분포 프로파일을 제공하는 국소 발열 구간이 형성된 것을 특징으로 한다.The heater used in the apparatus for producing a single crystal ingot by the Czochralski method according to the present invention for achieving the above technical problem is a vertical heating portion parallel to the side wall of the quartz crucible, and a curved portion of the quartz crucible from the lower end of the vertical heating portion According to
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치는, 잉곳 성장의 대상이 되는 반도체 멜트가 담기는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외주면과 긴밀하게 결합되어 석영 도가니의 형상을 지지하는 도가니 지지대와, 상기 도가니 지지대가 잉곳의 결정 축 방향을 따라 인입 또는 인출될 수 있는 가열 공간이 마련되고, 석영 도가니의 측벽과 평행한 수직 발열부와 상기 수직 발열부의 하단으로부터 석영 도가니의 만곡부를 따라 연장된 경사 발열부를 구비하고, 상기 경사 발열부의 내면과 적어도 일부가 중첩되는 영역에 상기 반도체 멜트의 고온 멜트 영역을 향하는 열 분포 프로파일을 제공하는 국소 발열 구간을 구비하는 히터와, 상기 석영 도가니에 담긴 반도체 멜트의 표면에 단결정 씨드를 접촉시킨 후 씨드를 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단과, 상기 도가니 지지대를 씨드의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대를 서서히 상승시키는 회전 마운트를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above technical problem, the apparatus for manufacturing single crystal ingot according to Czochralski method according to an aspect of the present invention is a quartz crucible containing a semiconductor melt, which is an object of ingot growth, and a close coupling with an outer peripheral surface of the quartz crucible. And a crucible support for supporting the shape of the quartz crucible, and a heating space through which the crucible support can be drawn in or drawn out along the crystal axial direction of the ingot, and a vertical heating portion parallel to the sidewall of the quartz crucible and the vertical heating portion A local heating section having an inclined heating portion extending from a lower end along a curved portion of the quartz crucible, and providing a heat distribution profile toward a high temperature melt region of the semiconductor melt in an area at least partially overlapping the inner surface of the inclined heating portion; A single crystal seed is placed on the heater and the surface of the semiconductor melt contained in the quartz crucible. After contacting, the single crystal ingot raising means for pulling up the seed while rotating the seed in a constant direction and the crucible support are gradually raised so that the position of the solid-liquid interface is maintained at a constant level while rotating the crucible support in a direction opposite to the direction of rotation of the seed. And a rotating mount.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치는, 잉곳 성장의 대상이 되는 반도체 멜트가 담기는 석영 도가니와, 상기 석영 도가니의 외주면과 결합되어 석영 도가니의 형상을 지지하고, 석영 도가니의 측벽과 평행한 수직 발열부와 상기 수직 발열부의 하단으로부터 석영 도가니의 만곡부를 따라 연장된 경사 발열부를 구비하고, 상기 경사 발열부의 내면과 적어도 일부가 중첩되는 영역에 상기 반도체 멜트의 고온 멜트 영역을 향하는 열 분포 프로파일을 제공하는 국소 발열 구간을 구비하는 히터와, 상기 석영 도가니에 담긴 반도체 멜트의 표면에 단결정 씨드를 접촉시킨 후 씨드를 일정한 방향으로 회전시키면서 상부로 인상하는 단결정 잉곳 인상 수단과, 상기 히터를 씨드의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시키면서 고액 계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 히터를 서서히 상승시키는 회전 마운트를 포함하는 것을 특징으로 한다.In accordance with another aspect of the present invention for achieving the above technical problem, the apparatus for producing a single crystal ingot by the Czochralski method includes a quartz crucible containing a semiconductor melt, which is an object of ingot growth, and a quartz crucible in combination with an outer circumferential surface of the quartz crucible. A region which supports the shape of the crucible and has a vertical heating portion parallel to the sidewall of the quartz crucible and an inclined heating portion extending from the lower end of the vertical heating portion along the curved portion of the quartz crucible, the region overlapping at least a portion with an inner surface of the inclined heating portion; A heater having a local heating section for providing a heat distribution profile toward the high temperature melt region of the semiconductor melt, and a single crystal seed contacting the surface of the semiconductor melt contained in the quartz crucible and rotating the seed in a predetermined direction upwards. Rotation room of seed which raises single crystal ingot raising means to raise and the said heater And, while rotating in opposite directions characterized in that it comprises a rotating mounting to gradually raise the heater is a solid-liquid interface position is maintained at a constant level.
본 발명에 있어서, 상기 국소 발열 구간은 상기 수직 발열부와 상기 경사 발열부의 경계 지점에 걸쳐서 형성될 수 있다.In the present invention, the local heating section may be formed over a boundary point between the vertical heating unit and the inclined heating unit.
바람직하게, 상기 국소 발열 구간은 히터 몸체의 내면으로부터 소정의 깊이로 리세스된 개구이다. 보다 바람직하게, 상기 개구는 석영 도가니의 둘레를 따라 형성된 환형 개구이다.Preferably, the local heating section is an opening recessed to a predetermined depth from the inner surface of the heater body. More preferably, the opening is an annular opening formed along the circumference of the quartz crucible.
대안적으로, 상기 국소 발열 구간은 히터 몸체의 내면에 부착되어 히터 몸체와는 별도로 전류를 공급하는 발열띠이다. 바람직하게, 상기 발열띠는 석영 도가니의 둘레를 따라 환형으로 부착된 환형 발열띠이다.Alternatively, the local heating section is a heating band that is attached to the inner surface of the heater body to supply a current separately from the heater body. Preferably, the heating band is an annular heating band attached annularly along the circumference of the quartz crucible.
바람직하게, 상기 열 분포 프로파일의 극대 값 축과 석영 도가니의 회전 축이 이루는 각은 30 ~ 60도이다.Preferably, the angle formed between the maximum value axis of the heat distribution profile and the axis of rotation of the quartz crucible is 30 to 60 degrees.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사 전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in this specification and claims should not be construed as being limited to the ordinary or dictionary meanings, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention. Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various equivalents that may be substituted for them at the time of the present application It should be understood that there may be water and variations.
한편 후술하는 실시예에서 반도체 단결정 잉곳 제조 장치를 통하여 제조되는 반도체 단결정 잉곳은 실리콘 단결정 잉곳이다. 하지만 본 발명은 잉곳을 구성하는 반도체 물질의 구체적인 종류에 의해 한정되지 않는다. 아울러 본 발명의 실시예에 따른 히터의 구조를 설명할 때에는 히터 주변에 있는 구성요소까지 함께 도시하여 히터에 대한 설명의 편의를 돕고자 한다.Meanwhile, in the embodiments described below, the semiconductor single crystal ingot manufactured by the semiconductor single crystal ingot manufacturing apparatus is a silicon single crystal ingot. However, the present invention is not limited to the specific kind of semiconductor material constituting the ingot. In addition, when describing the structure of the heater according to an embodiment of the present invention to illustrate the components around the heater to help the convenience of the description of the heater.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 히터의 구조를 보여주는 단면도이다.2 is a cross-sectional view showing the structure of a heater according to a first embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 히터(100)는 쵸크랄스키법에 의한 단결정 잉곳 제조 장치에서 복사열을 제공하는 열원으로 사용된다. 히터(100)의 내측에는 실리콘 단결정 잉곳(C)을 제조하기 위한 실리콘 멜트(M)가 수용되는 석영 도가니(110)와 석영 도가니(110)의 외주 면과 긴밀하게 결합되어 석영 도가니(110)의 형상을 지지하는 도가니 지지대(120)가 구비된다. 여기서, 도가니 지지대(120)의 재질은 흑연이다. 하지만 본 발명이 이에 한하는 것은 아니다.Referring to Figure 2, the
상기 히터(100)는 도가니 지지대(120)의 측벽과 측벽 저부의 만곡부를 둘러 싸도록 설치된다. 그리고 히터(100)는 석영 도가니(110)의 측벽과 평행한 수직 발열부(100a)와 상기 수직 발열부(100a)의 하단으로부터 석영 도가니(110)의 만곡부를 따라 연장되어 단면의 폭이 점차 감소하는 경사 발열부(100b)를 구비한다. 그리고 상기 경사 발열부(100b)의 내 측면에는 고액 계면(130) 하부의 고온 멜트 영역(H)을 향하여 소정 각도로 기울어진 열 분포 프로파일(140)을 제공하는 국소 발열 구간(100c)을 포함한다. 여기서, 고온 멜트 영역(H)이라 함은 고액 계면(130)의 하부에서 실리콘 멜트(M)의 깊이에 따라 온도를 측정했을 때 온도가 가장 높은 지점의 인근 영역을 의미한다. 바람직하게, 상기 히터(100)의 재질은 흑연이다. 하지만 흑연이외에도 다양한 발열 물질이 사용될 수 있음은 자명하므로 히터(100)의 재질에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.The
상기 국소 발열 구간(100c)은 수직 발열부(100a)와 경사 발열부(100b)의 기본 두께보다 작은 두께를 갖는 발열 구간이다. 즉 상기 국소 발열 구간(100c)은 히터(100)의 내 측벽으로부터 소정 깊이 리세스된 환형의 띠형 개구(150)이다. 개구(150)의 형상은 사각형, 사다리꼴, 반원형 등 히터(100) 벽의 두께를 감소시킬 수 있는 것이라면 어떠한 형태라도 가능하다. The
상기 국소 발열 구간(100c)의 두께는 타 발열 구간(100a, 100b)의 두께보다 작으므로 전기 저항이 더 크다. 전기 저항은 전류가 흐르는 단면의 면적에 반비례하기 때문이다. 따라서 히터(100)에 전류를 공급하면, 타 발열 구간보다 국소 발열 구간(100c)에서 열이 집중적으로 발생한다. 그 결과, 히터(100)에 의해 실리콘 멜트(M)로 제공되는 열 분포 프로파일(140)은 종래의 히터에 의해 제공되는 열 분포 프로파일(도 1 참조)에 비해 극대 값이 더욱 증가되고 프로파일(140)의 폭은 더 좁은 형태를 띠며, 그 방향은 고액 계면(130) 하부의 고온 멜트 영역(H)을 향하게 된다. 이와 같이 열 분포 프로파일(140)이 형성되면, 동일한 전류가 히터(100)에 공급되고 있다고 가정할 때 고온 멜트 영역(H)으로 단위 시간당 전달되는 복사 열량이 증가한다. 그러면 고액 계면(130)에서 실리콘 멜트(M) 측으로의 온도 구배가 증가하게 되고, 그 결과 고액 계면(130)으로 실리콘 원자가 이동하려는 구동력이 증가하여 고액 계면(130)의 볼록한 정도도 증가한다. 이에 따라 무결함 단결정 잉곳의 인상속도가 향상되는데, 그 이론적 배경을 설명하면 다음과 같다.Since the thickness of the
실리콘 단결정 잉곳 성장 시 고액 계면(130)을 통해 잉곳(C)으로 유입되는 지배적인 점 결함(dominant point defect)은 단결정 인상속도와 성장 시스템의 온도구배에 의해 결정된다. 그리고 상기 온도구배는 고액 계면(130) 부근의 값이기 때문에, 결정 내의 온도구배 및 융액 내의 온도구배에 영향을 받는다. 이는 하기의 수학식1에 따른 열균형 방정식(Heat balance equation)으로 알 수 있으며, 또한 단결정의 온도구배와 융액의 온도구배는 서로 비례하는 상관관계를 갖는다. The dominant point defect introduced into the ingot C through the solid-
kS: 고체(단결정) 열전달 계수, GS : 고체(단결정) 온도구배k S : Solid (single crystal) heat transfer coefficient, G S : Solid (single crystal) temperature gradient
kL: 액체(융액) 열전달 계수, GL: 액체(융액) 온도구배 k L : Liquid (melt) heat transfer coefficient, G L : Liquid (melt) temperature gradient
Lf: 결정화 잠열, V: 성장속도 L f : latent heat of crystallization, V: growth rate
보론코프(Voronkov)씨의 이론에 의하면, 무결함 잉곳 성장 조건에서는 V/Gs=C 의 조건을 만족한다. 여기서, V는 잉곳의 성장속도이고, Gs는 고액 계면(130)에서 결정 측의 수직 온도 구배, C는 상수이다. 위 조건식에 의하면, 무결함 잉곳의 성장 속도를 상승시키기 위해서는 효과적인 잉곳의 냉각 메카니즘을 통해 고액 계면에서 결정 측으로의 수직 온도 구배를 증가시켜야 한다는 것을 알 수 있다. 그런데 상기 열균형 방정식에 의하면 고액 계면(130)에서 결정 측의 수직 온도 구배(Gs)와 융액 측의 수직 온도 구배(GL)는 서로 비례하는 관계에 있다. 따라서 상기 무결함 잉곳 성장 조건식 [V/Gs=C]을 융액 측의 수직 온도 구배 GL을 사용하여 변환하면 [V/GL=C']로 표현할 수 있다. 이 조건식에 의하면, 무결함 잉곳의 성장 속도를 상승시키기 위해서는 히터의 구조, 국소 발열 구간(100c)의 위치, 열 분포 프로파일(140)의 각도 등을 조절하여 고액 계면(130)에서 융액 측으로의 수직 온도 구배(GL)를 증가시켜야 한다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명이 제안한 바와 같이 히터(100)의 국소 발열 구간(100c)에 의해 고온 멜트 영역(H)을 향하는 열 분포 프로파일(140)이 제공되어 융액 측의 수직 온도 구배 GL이 증가하면, 상수 C'에 비례하여 무결함 잉곳의 인상속도 V가 증가하는 효과가 발생하게 되는 것이다.According to Mr. Voronkov's theory, the defect ingot growth condition satisfies the condition of V / G s = C. Here, V is the growth rate of the ingot, G s is the vertical temperature gradient of the crystal side at the solid-
한편, 상기 국소 발열 구간(100c)에 의해 형성되는 열 분포 프로파일(140)의 극대 값 축은 잉곳 중심축(X)과 30 ~ 60도의 각(θ)을 이루는 것이 바람직하다. 상기 각도 범위를 벗어나면, 실리콘 멜트(M)의 대류 안정성이 저하되고 고액 계 면(130)에서 융액 측으로의 수직 온도 구배의 증가폭이 크지 않으므로 무결함 단결정 성장 속도의 실질적인 상승을 기대하기 어렵다. 특히 상기 각도 범위가 0도에 가까워지면 석영 도가니(110) 바닥면으로부터 산소가 용출되어 고액 계면(130)을 통해 잉곳(C)으로 확산함으로써 산소 불순물의 제어가 어려워진다. On the other hand, the maximum value axis of the
한편, 상기 국소 발열 구간(100c)을 구성하는 개구(150)에는 도 3에 도시된 바와 같이 히터(100)와는 독립적으로 전류 공급이 가능한 환형 발열띠(160)가 부착될 수 있다. 경우에 따라, 환형 개구(150)를 타 발열 구간(100a, 100b)을 구성하는 물질과 동일한 물질로 매립한 후 그 위에 상기 환형 발열띠(160)를 부착하여도 무방할 것이다. 이처럼 국소 발열 구간(100c)에 환형 발열띠(160)를 추가한 후 히터(100)보다 더 큰 전력을 환형 발열띠(160)에 공급하면 환형 개구(150)를 통해 국소 발열 구간(100c)을 구성하는 것과 동일한 효과가 발생되므로 무결점 단결정 성장 속도를 증가시킬 수 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 3, an
도 4는 실리콘 단결정 잉곳의 제조 시 후반부로 공정이 이행됨에 따라 도가니 지지대(120)가 상승된 모습을 도시한 것이다.4 illustrates a state in which the
도면을 참조하면, 도가니 지지대(120)가 상승된다고 하더라도 히터(100)에 의해 제공되는 열 분포 프로파일(140)은 고액 계면(130) 하부의 고온 멜트 영역(H)을 여전히 향하고 있다. 따라서 실리콘 단결정 잉곳 제조의 공정 후반부에서도 고액 계면(130)에서 융액 측의 수직 온도 구배를 크게 유지할 수 있다. 따라서 잉곳 제조 후반부로 공정이 이행되더라도 고액 계면(130)의 볼록한 정도가 유지되어 무결함 단결정 성장 속도의 감소를 방지할 수 있다. 그 결과, 종래의 히터를 이용하 는 실리콘 단결정 잉곳 제조 방법에 비해 공정 전반적으로 생산성이 향상되는 효과가 있다. Referring to the figure, even if the
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 히터 구조를 도시한 단면도이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 히터(200)는 국소 발열 구간(200c)이 수직 발열부(200a)와 경사 발열부(200b)의 경계 지점에 걸쳐 형성된다는 점을 제외하면 상술한 제1실시예와 동일하다. 제2실시예에 따른 히터(200)에 의해 제공되는 열 분포 프로파일(210)도 고온 멜트 영역(H)으로 복사열을 효과적으로 전달하므로 고액 계면(130)에서 융액 측으로의 수직 온도 구배(GL)와 고액 계면(130)의 볼록한 정도를 증가시킴으로써 무결함 단결정 잉곳의 인상 속도를 향상시킬 수 있다.5 is a cross-sectional view showing a heater structure according to a second embodiment of the present invention. Referring to the drawings, the
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 히터 구조를 도시한 단면도이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 히터(300)는 석영 도가니(110)와 일체형으로 구성됨으로써 도가니 지지대의 기능도 함께 수행한다. 따라서 제1 및 제2실시예와 달리 제3실시예에 따른 히터(300)는 바닥 발열부(300d)가 구비된다. 이러한 차이점을 제외하면, 제3실시예에 따른 히터(300)의 나머지 구성은 상술한 제1실시예와 실질적으로 동일하다. 제3실시예에 따른 히터(300)에서 국소 발열 구간(300c)의 위치는 도면에 도시된 바와 같이 경사 발열부(300b) 구간에 있을 수도 있고 수직 발열부(300a) 및 경사 발열부(300b)의 경계 지점에 걸쳐 있을 수도 있다. 한편 제3실시예에 따른 히터(300)는 단결정 잉곳의 성장이 진행될 때 석영 도가니(110)와 함께 회전하며 위로 상승한다. 따라서 단결정 성장 후반부로 가더라도 고온 멜트 영역(H)과 열 분포 프로파일(310)의 상대적 위치 차이가 거의 없다. 따라서 제3실시예에 따른 히터(300)가 가장 안정적인 열 분포 프로파일(310)을 제공할 수 있다. 제3실시예에 따른 히터(300)에 의해 제공되는 열 분포 프로파일(310)도 고온 멜트 영역(H)으로 복사열을 효과적으로 전달하므로 고액 계면(130)에서 융액 측으로의 수직 온도 구배(GL)와 고액 계면(130)의 볼록한 정도를 증가시킴으로써 무결함 단결정 잉곳의 인상 속도를 향상시킬 수 있다.6 is a cross-sectional view showing a heater structure according to a third embodiment of the present invention. Referring to the drawings, the
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히터가 장착된 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치를 개략적으로 도시한 장치 구성도이다.FIG. 7 is a schematic view illustrating an apparatus for manufacturing a silicon single crystal ingot equipped with a heater according to a preferred embodiment of the present invention.
도면을 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 제조 장치는, 실리콘 단결정 잉곳이 성장되는 챔버(400)를 구비한다. 상기 챔버(400) 내에는 실리콘 융액(M)을 담으며 그 외주면은 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(410)에 의해 둘러싸인 석영 도가니(420)가 설치된다. 이때, 상기 도가니 지지대(410)는 회전 마운트(430) 상에 고정 설치되고, 이 회전 마운트(430)는 구동 수단(미도시)에 의해 회전되어 석영 도가니(420)를 회전시키면서 상승시켜 고액 계면(435)이 동일한 높이를 유지하도록 한다. 도가니 지지대(410)는 소정 간격을 두고 히터(440)에 에워싸여지며, 이 히터(440)는 보온통(450)에 의해 에워싸여진다. 여기서, 상기 히터(440)로는 본 발명의 제1실시예에 따른 히터(도 2 참조)가 채용되었다. 히터(440)는 상술한 바와 같이 국소 발열 구간을 가지며, 고온 멜트 영역(H)으로 효과적인 복사열 전달이 가능한 열 분포 프로파일(460)을 제공한다. 열 분포 프로파일(460)에 대해서는 이미 상세하게 설명한 바 있다. 한편 상기 히터(440)는 본 발명의 제2 및 제3실시예에 따른 히터로 대체될 수도 있음은 물론이다. 특히 제3실시예에 따른 히터가 채용될 경우 도가니 지지대(410)는 생략되며, 석영 도가니(420)와 히터가 회전 마운트(430)에 탑재된다. 따라서 히터의 경우도 석영 도가니(420)와 함께 회전되면서 위로 상승된다.Referring to the drawings, the silicon single crystal ingot manufacturing apparatus according to a preferred embodiment of the present invention includes a
히터(440)는 석영 도가니(420) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 실리콘 융액(M)으로 용융시킨다. 그리고 히터(440)는 고온 멜트 영역(H)으로의 복사열 전달을 최적화하는 열 분포 프로파일(460)을 제공한다. 그 결과 고액 계면(435)에서 융액 측으로의 수직 온도 구배와 고액 계면(435)의 볼록한 정도를 증가시켜 단결정 잉곳의 무결함 성장 속도를 향상시킨다. The
보온통(450)은 히터(440)에서 발산되는 열이 챔버(400)의 벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열 효율을 향상시킨다. 또한, 실리콘 단결정 잉곳(C)과 석영 도가니(420) 사이에는 잉곳(C)을 에워싸도록 열실드(470)를 설치하여 잉곳(C)으로부터 방사되는 열을 차단한다. 이때, 열실드(470)에서 잉곳(C)과의 최인접부에는 원통형의 열차폐부(480)를 부착 설치하여 열 흐름을 더욱 차단하여 열을 보존할 수도 있다. 열차폐부(480)는 실리콘 멜트(M)의 상부 표면과 소정의 열실드 갭을 갖는다. The
또한, 챔버(400)의 상부에는 케이블을 감아 인상(引上)하는 인상 수단(미도시)이 설치되며, 이 케이블의 하부에는 석영 도가니(420) 내의 실리콘 융액(M)에 접촉되어 인상하면서 단결정 잉곳(C)을 성장시키는 단결정 씨드가 설치된다. 인상 수단은 단결정 잉곳(C) 성장 시 케이블을 감아 인상하면서 회전 운동하며, 이때 실 리콘 단결정 잉곳(C)은 도가니(420)의 회전축(X)과 동일한 축을 중심으로 하여 도가니(420)의 회전방향과 반대방향으로 회전시키면서 끌어올린다.In addition, an upper portion of the
챔버(400)의 상부로는, 성장되는 단결정 잉곳(C)과 실리콘 융액(M)에 아르곤(Ar), 네온(Ne) 및 질소(N) 등의 불활성 가스를 공급하고, 사용된 불활성 가스는 챔버(400)의 하부를 통해 배출시킨다.In the upper portion of the
상술한 본 발명에 따른 단결정 잉곳 제조 장치는 고온 멜트 영역으로 복사열을 효과적으로 전달하여 융액 측으로의 수직 온도 구배와 고액 계면의 볼록한 정도를 증가시켜 무결함 잉곳의 성장 속도를 향상시킬 수 있다.The single crystal ingot manufacturing apparatus according to the present invention described above can effectively transmit radiant heat to a high temperature melt region to increase the vertical temperature gradient to the melt side and the convexity of the solid-liquid interface to improve the growth rate of the defect-free ingot.
<시뮬레이션 결과><Simulation Result>
이하에서는, 도 8에 도시된 바와 같은 3개의 히터를 이용하여 석영 도가니로 복사열을 전달하였을 때, 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배와 고액 계면의 형상에 대한 시뮬레이션 결과를 설명한다. 도 8에서, (a)는 국소 발열 구간을 수직 발열부에 마련한 경우로서 열 분포 프로파일은 실리콘 융액의 상부 표면과 실질적으로 평행하다. 그리고 (b) 및 (c)는 각각 본 발명의 제1실시예 및 제2실시예에 따른 히터 구조에 해당한다. 시뮬레이션 시 잉곳 회전률(Crystal rotation)은 13rpm, 도가니 회전률은 0.1rpm, 단결정의 인상속도는 0.6mm/min, 단결정 직경은 206mm로 각각 설정하였다. Hereinafter, a simulation result of the vertical temperature gradient from the solid-liquid interface to the melt side and the shape of the solid-liquid interface when the radiant heat is transferred to the quartz crucible using three heaters as shown in FIG. 8 will be described. In Fig. 8, (a) is a case where a local heating section is provided in the vertical heating section, and the heat distribution profile is substantially parallel to the upper surface of the silicon melt. And (b) and (c) correspond to heater structures according to the first and second embodiments of the present invention, respectively. In the simulation, the ingot rotation rate (Crystal rotation) was set to 13rpm, the crucible rotation rate is 0.1rpm, the pulling speed of the single crystal is 0.6mm / min, the single crystal diameter is 206mm.
도 9는 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온도 구배를 시뮬레이션하여 나타낸 그래프이다. 도면을 참조하면, 제1 및 제2실시예에 따른 히터를 사용할 경우 융액 측으로의 수직 온도 구배가 증가하며, 비교예에 비해 온도 구배가 최대 16% 증 가한다. 특히 비교예의 경우 국소 발열 구간이 없는 종래의 수직형 히터에 비해 복사열의 집중 효율이 더 높다. 따라서 제1 및 제2실시예와 같은 히터를 사용하여 열 분포 프로파일의 방향을 고온 멜트 영역으로 향하게 하면, 종래의 수직형 히터에 비해 융액 측으로의 수직 온도 구배 제어가 더욱 효과적일 것이라는 것은 자명하다.9 is a graph showing a simulation of the vertical temperature gradient from the solid-liquid interface to the melt side. Referring to the drawings, when the heaters according to the first and second embodiments are used, the vertical temperature gradient toward the melt side increases, and the temperature gradient increases by up to 16% compared to the comparative example. In particular, the comparative example has a higher concentration of radiant heat than the conventional vertical heater having no local heating section. Therefore, it is obvious that the vertical temperature gradient control toward the melt side will be more effective than the conventional vertical heaters if the heat distribution profile is directed to the hot melt region using the heaters as in the first and second embodiments.
도 10은 고액 계면의 형상을 시뮬레이션하여 나타낸 그래프이다. 도면을 참조하면, 비교예에 비해 제1 및 제2실시예에 따른 히터를 사용함으로써 고액 계면의 볼록한 정도를 증가시킬 수 있음을 확인할 수 있다. 이는 융액 측으로의 수직 온도 구배가 증가하여 고액 계면으로 실리콘 원자가 이동하려는 구동력이 증가하였기 때문이다. 특히 비교예의 경우 국소 발열 구간이 없는 종래의 수직형 히터에 비해 복사열 집중 효율이 더 높다. 따라서 제1 및 제2실시예와 같은 히터를 사용하여 열 분포 프로파일의 방향을 고온 멜트 영역으로 향하게 하면 고액 계면으로 이동하려는 실리콘 원자의 구동력을 증가시키는데 더욱 효과적일 것임은 자명하다.10 is a graph simulating the shape of the solid-liquid interface. Referring to the drawings, it can be seen that the convexity of the solid-liquid interface can be increased by using the heaters according to the first and second embodiments compared to the comparative example. This is because the vertical temperature gradient toward the melt side is increased and the driving force to move the silicon atoms to the solid-liquid interface is increased. In particular, the comparative example has a higher radiant heat concentration efficiency than the conventional vertical heater having no local heating section. Therefore, it is obvious that directing the direction of the heat distribution profile to the high temperature melt region using the heaters as in the first and second embodiments will be more effective in increasing the driving force of the silicon atoms to move to the solid-liquid interface.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.As described above, although the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and is intended by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of equivalents of the claims to be described.
본 발명에 따르면, 복사열을 고온 멜트 영역으로 효과적으로 전달할 수 있는 국소 발열 구간을 히터에 마련함으로써, 고액 계면에서 융액 측으로의 수직 온 도 구배와 고액 계면의 볼록한 증도를 증가시켜 무결함 잉곳 인상 속도를 향상시킬 수 있다. 특히 단결정 잉곳 제조 시 공정 후반부에서도 융액 측으로의 수직 온도 구배와 고액 계면의 볼록한 정도를 유지할 수 있어 단결정 잉곳 제조 공정의 생산성을 전반적으로 향상시킬 수 있다. According to the present invention, by providing a local heating section in the heater that can effectively transmit radiant heat to the hot melt region, the vertical temperature gradient from the solid-liquid interface to the melt side and the convex increase of the solid-liquid interface are increased to improve the speed of flawless ingot pulling. You can. In particular, during the production of single crystal ingots, the vertical temperature gradient toward the melt side and the convexity of the solid-liquid interface can be maintained in the latter part of the process, thereby improving overall productivity of the single crystal ingot manufacturing process.
Claims (15)
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KR1020060138732A KR100831809B1 (en) | 2006-12-29 | 2006-12-29 | Heater used for growing ingot based on czochralski technology and apparatus using the same |
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CN114875478A (en) * | 2022-05-26 | 2022-08-09 | 西安奕斯伟材料科技有限公司 | Heater and single crystal furnace |
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