KR100872806B1 - Apparatus of manufacturing silicon single crystal ingot - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 생산장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 쵸크랄스키(CZ) 방법에 의하여 도가니 안에서 용융된 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치에 관한 것이다. The present invention relates to a silicon single crystal ingot production apparatus, and more particularly, to a silicon single crystal ingot production apparatus for growing a silicon single crystal ingot from a molten silicon melt in a crucible by the Czochralski (CZ) method.
일반적으로 실리콘 웨이퍼용 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 방법으로 쵸크랄스키 방법을 이용한다. 도 1에는 쵸크랄스키 방법을 이용하여 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 일례가 도시되어 있다.In general, the Czochralski method is used to produce silicon single crystal ingots for silicon wafers. Figure 1 shows an example of a silicon single crystal ingot production apparatus for producing a silicon single crystal ingot using the Czochralski method.
도 1을 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(1)는 수용부(11)를 가지는 케이스(10)와, 실리콘 융액이 저장되는 석영 도가니(20)와, 석영 도가니(20)에 저장된 실리콘 융액을 가열하는 히터(30)와, 종결정(Seed)(41) 및 종결정(41)에 연결된 케이블(40)과, 케이스(10)에 관통 형성되는 뷰포트(12)에 끼워지는 창부재(50)를 구비한다.Referring to FIG. 1, a silicon single crystal
상기한 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(1)를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 과정을 살펴보면, 석영 도가니(20)에 초 고순도의 다결정 실리콘(Poly silicon)과 안티몬(Sb)을 장입한 후 히터(30)로 가열하여 용융시킨다. 이후, 융해된 실리콘 융액 내에 종결정(41)을 담근 후, 회전시키면서 서서히 끌어올려 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킨다. 이때, 창부재(50)를 투과하여 외부로 발산되는 빛은 직경측정기(60)에서 수광되고, 수광된 빛을 이용하여 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 측정한다. 측정된 잉곳의 직경과 미리 설정된 기준 직경을 비교한 후, 그 결과에 따라 종결정(41)의 인상속도를 제어함으로써 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 원하는 크기로 성장시킨다.Looking at the process of producing a silicon single crystal ingot using the silicon single crystal ingot production apparatus (1), the ultra-high purity polycrystalline silicon (Poly silicon) and antimony (Sb) is charged into the
하지만, 상술한 바와 같이 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 과정 중 석영 도가니(20)에 장입된 안티몬이 가열되어 휘발하게 되고, 휘발된 안티몬과 석영 도가니(20)에서 방출된 산소가 반응하여 산화 안티몬(SixOy)을 생성하게 된다. 이렇게 생성된 산화 안티몬은 케이스 수용부(11) 내에 채워지며, 케이스 수용부(11) 중 상대적으로 온도가 낮은 케이스 내부벽 및 창부재(50)에 의해 냉각된다. 그리고 냉각된 산화 안티몬은 케이스 내부벽 및 창부재(50)에 증착하게 된다. 이와 같이 창부재(50)에 산화 안티몬이 증착하게 되면, 케이스 수용부(11)에서 발산되는 빛이 직경측정기(50)에서 정밀하게 측정되지 않으므로 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 정확하게 측정할 수 없게 되며, 그 결과 생산되는 실리콘 단결정 잉곳의 직경 크기가 불균일하게 되는 문제점이 있었다. However, as described above, the antimony charged in the
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 창부재에 증착되는 산화 안티몬의 양을 감소시킴으로서 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 정확하게 측정하고, 이를 통하여 우수한 품질의 실리콘 단결정 잉곳을 생산가능하도록 구조가 개선된 실리콘 단결정 잉곳 생산장치를 제공하는 것이다.The present invention has been made to solve the above-described problems, an object of the present invention is to accurately measure the diameter of the silicon single crystal ingot by reducing the amount of antimony oxide deposited on the window member, thereby to obtain a good quality silicon single crystal ingot It is to provide a silicon single crystal ingot production apparatus whose structure is improved to be productive.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치는 실리콘 융액이 저장되는 도가니와, 상기 도가니에 저장된 실리콘 융액을 가열하는 히터와, 실리콘 단결정 잉곳을 형성하기 위한 종결정에 연결되며, 승강가능하게 상기 도가니의 상측에 설치되는 케이블과, 광 투과성 소재로 이루어지는 창부재와, 상기 도가니와 히터와 케이블이 설치되는 수용부를 가지며, 상기 수용부 내의 광이 상기 창부재를 투과하여 외부로 발산되도록 상기 창부재가 결합되는 케이스를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치에 있어서, 상기 창부재를 통하여 상기 케이스의 외부로 유출되는 열을 감소시키기 위하여 상기 창부재와 마주보도록 상기 케이스의 외부에 배치되며, 광 투과성 소재로 이루어진 보조창부재를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the silicon single crystal ingot production apparatus according to the present invention is connected to a crucible in which the silicon melt is stored, a heater for heating the silicon melt stored in the crucible, and a seed crystal for forming a silicon single crystal ingot, A cable provided on an upper side of the crucible so as to be able to move up and down, a window member made of a light transmissive material, and a receiving part to which the crucible, a heater and a cable are installed, and light in the receiving part passes through the window member and radiates to the outside In the silicon single crystal ingot production apparatus comprising a case to which the window member is coupled to, wherein the window member is disposed outside of the case to face the window member to reduce the heat flowing out of the case through the window member, Further comprising an auxiliary window member made of a light transmitting material .
상기한 구성의 본 발명에 따르면, 창부재에 증착되는 산화 안티몬의 양을 용이하게 감소시킬 수 있다. 따라서, 생산되는 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 정밀하 게 측정할 수 있으며, 그 결과 우수한 품질의 실리콘 단결정 잉곳을 생산할 수 있다. According to the present invention having the above-described configuration, the amount of antimony oxide deposited on the window member can be easily reduced. Therefore, the diameter of the silicon single crystal ingot to be produced can be precisely measured, and as a result, silicon single crystal ingot of good quality can be produced.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a silicon single crystal ingot production apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(100)는 케이스(110)와, 창부재(120)와, 보조창부재(121)와, 도가니(130)와, 히터(150)와, 보온벽(160)과, 케이블(170)과, 직경측정기(180)를 구비한다.2, the silicon single crystal
케이스(110)는 중공 형상으로 이루어지며, 내부에는 수용부(111)가 형성되어 있다. 또한 케이스(110)에는 배출구(112)와 관통공(113)과 플랜지부(114)가 형성되어 있다. 배출구(112)는 실리콘 단결정 잉곳이 배출되는 통로이며, 케이스(110)의 상부에 관통 형성된다. 관통공(113)은 수용부 내에서 발산되는 광이 외부로 발산되는 통로이며, 케이스(110) 상부의 일측에 관통 형성된다. 플랜지부(114)는 관통공(113)을 감싸며 케이스(110)의 외부 방향으로 돌출 형성된다.
창부재(120)는 케이스의 관통공(113)에 끼워져 결합된다. 창부재(120)는 내열성이 강하며 광을 투과할 수 있는 소재로 이루어지며, 특히 본 실시예에서는 석영으로 이루어진다.
보조창부재(121)는 창부재(120)와 마주보게 배치된다. 보조창부재(121)는 케이스 플랜지부(114)의 단부에 결합되어, 창부재(120)와 서로 이격된다. 보조창부재(121)와 창부재(120) 사이에는 보조창부재(121)와, 창부재(120)와, 플랜지 부(114)로 둘러싸인 공간부(122)가 형성된다. 공간부(122)와 보조창부재(121)는 창부재(120)를 단열시킴으로서 창부재(120)의 온도를 높은 상태로 유지시킨다. 상세히 설명하면, 케이스(110) 내부의 열은 창부재(120)를 통해 전도되어 공간부(122)로 전달된다. 전달된 열은 공간부(122)를 가열시키고 이후 보조창부재(121)를 통해 전도되어 케이스(110) 외부로 유출된다. 이러한 과정 중 보조창부재(121)와 플랜지부(114)는 공간부(122)를 격리함으로써 공간부(122)의 온도를 케이스(110) 외부의 온도보다 높은 상태로 유지시킨다. 그리고 창부재(120)를 통하여 공간부(122)로 유출되는 열량은 공간부(122)와 케이스 수용부(111)의 온도 차이에 비례하는데, 상술한 바와 같이 공간부(122)의 온도가 높은 상태로 유지되므로 창부재(120)를 통해 유출되는 열량이 감소하게 되며, 그 결과 창부재(120)의 온도가 높은 상태로 유지된다. The
도가니(130)는 석영으로 이루어지며, 케이스(110)의 수용부(111)에 회전 가능하게 설치된다. 도가니(130)에는 폴리 실리콘 및 안티몬이 장입된다. 도가니(130)는 후술할 히터(150)에 의해 가열되며, 도가니(130)의 가열시 폴리 실리콘이 융해되어 실리콘 융액이 된다. 그리고 도가니(130)에는 흑연으로 이루어진 도가니 지지대(140)가 도가니(130)를 감싸며 결합되며, 이 지지대(140)는 회전축(141)에 고정된다. 회전축(141)은 케이스(110)에 대하여 회전가능하게 설치되며, 그 회전시 도가니(130)와 함께 회전한다. The
히터(150)는 중공의 원통형으로 형성되며, 그 내부에 도가니(130)가 배치된다. 히터(150)는 전원 인가시 도가니(130)를 가열하여 도가니(130) 내부에 존재하 는 폴리 실리콘을 융해시킨다.The
보온벽(160)은 중공의 원통형으로 형성되며, 그 내부에 히터(150)와 도가니(130)가 배치된다. 보온벽(160)은 히터(150)에서 발산되는 열이 케이스(110)의 내벽 쪽으로 확산되는 것을 방지하여 열효율을 향상시키며, 고온의 복사열로부터 케이스(110)의 내벽을 보호한다.The
케이블(170)은 케이스(110)의 배출구(112)를 통과하도록 설치되며, 구동수단(미도시)과 연결되어 회전 및 승강가능하다. 그리고 케이블(170)의 일단에는 종결정(171)이 결합되어 있다. 종결정(171)은 도가니(130) 내의 실리콘 융액에 담긴 후, 케이블(170)과 함께 회전 및 상승하면서 실리콘 단결정 잉곳으로 성장하게 된다.The
직경측정기(180)는 보조창부재(121)와 마주보도록 케이스(110) 외부에 설치된다. 직경측정기(180)는 실리콘 단결정 잉곳의 성장시 실리콘 단결정 잉곳과 실리콘 융액이 만나는 지점, 즉 메니서커스(Meniscus)에서 발산되는 빛을 연속적으로 수광하며, 수광되는 빛을 이용하여 성장하는 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 지속적으로 측정한다. The
이하, 상술한 바와 같이 구성된 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(100)를 사용하여 실리콘 단결정 잉곳을 생산하는 방법을 간략하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of producing a silicon single crystal ingot using the silicon single crystal
먼저, 도가니(130)에 폴리 실리콘과 안티몬을 장입한 후, 도가니(130)를 히터(150)로 가열하여 폴리 실리콘을 융해시킨다. 폴리 실리콘이 융해되면 케이블(170)을 하강시켜 케이블(170)에 연결된 종결정(171)을 실리콘 융액에 담근다. 이후, 도가니(130)와 케이블(170)을 서로 반대방향으로 회전하면서 케이블(170)을 서서히 상승시키면 실리콘 단결정 잉곳이 성장하게 된다. 이때, 직경측정기(180)로 성장하는 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 측정하고, 측정된 직경 크기에 따라서 케이블의 상승속도를 제어함으로써 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 원하는 크기로 성장시킨다. 예를 들어, 실리콘 단결정 잉곳의 직경이 기준 직경보다 더 크게 성장되는 경우에는 케이블(170)을 빠르게 인상하고, 기준 직경보다 작게 성장되는 경우에는 케이블(170)을 천천히 인상함으로써 실리콘 단결정 잉곳을 기준 직경의 크기로 성장시키게 된다.First, after charging polysilicon and antimony into the
한편, 상기한 실리콘 단결정 잉곳의 성장과정에서는 도가니(130)가 고온으로 가열되므로 도가니(130)에 장입되어 있는 안티몬이 열에 의해 휘발되고, 이 안티몬이 산소와 반응하여 산화 안티몬을 생성하게 된다. 생성된 산화 안티몬은 케이스(110)의 내벽 중 온도가 낮은 부분에서 집중적으로 증착하게 되는데, 산화 안티몬이 창부재(120)에 증착되면 이 산화 안티몬에 의해 케이스(110) 내부에서 발산된 빛이 창부재(120)를 투과하는데 방해를 받게 된다. 따라서, 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 측정하는데 오차가 발생하여 실리콘 단결정 잉곳을 동일한 직경으로 성장시킬 수 없게 되며, 그 결과 생산되는 실리콘 단결정 잉곳의 품질이 저하되게 된다. Meanwhile, in the growth process of the silicon single crystal ingot, since the
하지만 본 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(100)에서는 보조창부재(121)에 의해 창부재(120)와 맞닿는 공간부(122)의 온도가 높은 상태로 유지된다. 따라서, 창부재(120)를 통하여 공간부(122)로 유출되는 열량이 감소하게 되며, 그 결과 창부재(120)의 온도가 종래보다 높은 상태로 유지되게 된다. 이와 같 이 창부재(120)의 온도가 높은 상태로 유지되므로, 창부재(120)에 증착되는 산화 안티몬의 양이 감소하게 된다. 그 결과, 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 정밀하게 측정할 수 있고, 이를 이용하여 케이블(170)의 상승 속도를 적절하게 조절함으로써 생산되는 실리콘 단결정 잉곳의 직경을 동일하게 할 수 있다. However, in the silicon single crystal
또한, 상술한 바와 같이 보조창부재(121)가 케이스(110)의 플랜지부(114)에 결합되므로 실리콘 단결정 잉곳 생산장치(100)를 용이하게 생산할 수 있다. 나아가 이미 제작되어 사용되고 있는 실리콘 단결정 잉곳 생산장치에도 보조창부재(121)를 추가적으로 설치하기만 하면 창부재(120)를 단열시킬 수 있으며 그 결과 동일한 직경을 가지는 실리콘 단결정 잉곳을 생산할 수 있게 된다.In addition, since the
한편, 상술한 바와 같이 보조창부재(121)를 설치함으로써 창부재(120)의 온도가 높아지는 것을 확인하기 위하여, 실리콘 단결정 잉곳의 성장과정 중 창부재(120)의 온도를 보조창부재(121)를 설치하지 않은 경우 및 보조창부재(121)를 창부재(120)와 이격되게 설치한 경우에 따라 측정해 보았으며, 그 결과를 <표 1>에 기재하였다. Meanwhile, in order to confirm that the temperature of the
<표 1>을 참조하면, 보조창부재(121)를 창부재(120)와 이격되게 설치하는 경우 창부재(120)의 온도가 높은 상태로 유지됨을 확인할 수 있다. 따라서, 창부재(120)에 증착되는 산화 안티몬의 양이 감소하게 되며, 그 결과 동일한 직경을 가지는 실리콘 단결정 잉곳을 생산할 수 있게 된다.Referring to <Table 1>, it can be seen that the temperature of the
한편, 본 실시예에서는 창부재(120)와 보조창부재(121)가 서로 이격되어 결합되도록 구성되어 있으나, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 창부재(120)와 보조창부재(121)가 서로 밀착되어 결합되도록 구성할 수 있으며, 이와 같이 창부재(120)와 보조창부재(121)가 밀착되어 결합된 경우에도 창부재(120)의 온도가 높은 상태로 유지되는지를 확인하기 위하여 <표 2>에 기재된 실험을 진행하였다. Meanwhile, in this embodiment, the
<표 2>는 실리콘 단결정 잉곳의 성장과정 중 창부재(120)의 온도를 보조창부재(121)를 설치하지 않은 경우와 보조창부재(121)와 창부재(120)가 밀착되도록 설치한 경우에 따라 측정한 결과이다.Table 2 shows the temperature of the
<표 2>를 참조하면, 보조창부재(121)를 창부재(120)와 밀착되도록 설치하는 경우에도 창부재(120)의 온도가 높은 상태로 유지됨을 확인할 수 있다. 다만, 보조창부재(121)와 창부재(120) 사이에 공기층이 존재하지 않으므로, 보조창부재(121)를 창부재(120)와 이격되게 설치하는 경우에 비하여 창부재(120)를 단열시키는 효율이 감소하게 되며, 그 결과 창부재(120)의 온도가 낮아지게 됨을 알 수 있다.Referring to <Table 2>, even when the
이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.As mentioned above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
예를 들어, 본 실시예에서는 케이스(110)와 플랜지부(114)가 일체로 형성되고 이 플랜지부에 보조창부재(121)가 결합되도록 구성되어 있으나, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 케이스와 플랜지부(114')가 서로 분리 가능하게 구성할 수도 있다. For example, in this embodiment, the
도 1은 종래의 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a conventional silicon single crystal ingot production apparatus.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치의 개략적인 단면도이다.2 is a schematic cross-sectional view of a silicon single crystal ingot production apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치를 설명하기 위한 확대도로서, 도 2의 A에 대응하는 부분을 확대한 부분확대도이다.3 is an enlarged view illustrating a silicon single crystal ingot production apparatus according to another exemplary embodiment of the present invention, and is an enlarged partial enlarged view of a portion corresponding to A of FIG. 2.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 생산장치를 설명하기 위한 확대도로서, 도 2의 A에 대응하는 부분을 확대한 부분확대도이다.FIG. 4 is an enlarged view illustrating a silicon single crystal ingot production apparatus according to still another embodiment of the present invention, and is an enlarged partial enlarged view of a portion corresponding to A of FIG. 2.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100...실리콘 단결정 잉곳 생산장치 110...케이스100 ... Silicone Monocrystalline
120...창부재 121...보조창부재120 ...
130...도가니 140...도가니 지지대130 ...
150...히터 160...보온벽150 ...
170...케이블 171...종결정170
180...직경측정기180 ... diameter
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- 2007-10-01 KR KR1020070098628A patent/KR100872806B1/en active IP Right Grant
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