KR20040056178A - An apparatus for growing silicon single crystals - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An apparatus for growing a silicon single crystalline ingot is provided to improve temperature distribution of a silicon solution in the periphery of an interface of a crystal growth by a czochralski method. CONSTITUTION: Polycrystalline silicon is loaded into and melted in a quartz crucible(20). A heating element(100) is installed in a position separated by a predetermined distance from the center of the surface of the silicon solution inside the quartz crucible to the lower portion. The heating element radiates heat to the center of the silicon solution in the periphery of the interface of the crystal growth.

Description

실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치{An apparatus for growing silicon single crystals}An apparatus for growing silicon single crystals

본 발명은 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon single crystal ingot growth apparatus for growing a silicon single crystal ingot by the Czochralski method.

일반적으로 실리콘 단결정 성장 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 챔버(10), 석영 도가니(20), 흑연 도가니(30), 흑연 받침대(40), 히터(50), 복사 단열재(60)와 실리콘 단결정 잉곳을 인상ㆍ성장시키는 리프터(71), 및 성장 챔버(70)를 포함하여 이루어진다.In general, as shown in FIG. 1, the silicon single crystal growth apparatus includes a chamber 10, a quartz crucible 20, a graphite crucible 30, a graphite pedestal 40, a heater 50, and a radiant insulator 60. And a lifter 71 for pulling up and growing a silicon single crystal ingot, and a growth chamber 70.

즉, 석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액(SM)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시켜 리프터(71)를 이용하여 상부 챔버(70) 쪽으로 인상ㆍ성장시키는 것이다.That is, the silicon single crystal ingot IG is grown from the silicon melt SM inside the quartz crucible 20, and is pulled and grown toward the upper chamber 70 using the lifter 71.

이 때, 석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액(SM)으로부터 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시키는 응고 구동력(결정 성장 구동력)에 대한 메커니즘을 개략적으로 살펴보면 도 2 및 실리콘 단결정 성장에 대한 열평형 방정식인 하기 수학식 1과 같이 정의된다. 즉, 결정 성장 계면에서의 실리콘 융액(SM)이 실리콘 단결정으로 응고되면서 발산하는 잠열량(QL: Latent heat of crystallization per unit time)과 실리콘 융액(SM)으로부터 단위 시간당 결정 성장 계면으로 전달되는 열량(QM: Heat transferred from the molten silicon liquid to the silicon crystal per unit time)의 합(QL+ QM)은, 단위 시간당 결정 성장 계면으로부터 실리콘 단결정 상부로전도되는 열량(QC: Heat conducted through the silicon crystal per unit time)과 평형을 이루고, 이는 또한 단위 시간당 실리콘 단결정의 표면에서 방사되는 열량(QR: Heat radiated away from the silicon crystal surface per unit time)과 평형을 이루게 된다(QR= QC= QL+ QM).At this time, the mechanism of the solidification driving force (crystal growth driving force) for growing the silicon single crystal ingot (IG) from the silicon melt (SM) inside the quartz crucible 20 is a schematic diagram of the thermal equilibrium equation for silicon single crystal growth. It is defined as Equation 1 below. That is, latent heat of crystallization per unit time (Q L) emitted by the solidification of the silicon melt (SM) at the crystal growth interface into the silicon single crystal and the amount of heat transferred from the silicon melt (SM) to the crystal growth interface per unit time. (Q M : Heat transferred from the molten silicon liquid to the silicon crystal per unit time) (Q L + Q M ) is the amount of heat transferred from the crystal growth interface per unit time to the silicon single crystal top (Q C : Heat conducted through the silicon crystal per unit time) and the equilibrium, which is also per unit amount of heat radiated from the surface of the silicon single crystal (Q R: heat radiated away from the silicon crystal surface per unit time) and is allowed to equilibrate (Q R = Q C = Q L + Q M ).

따라서 결정 성장 계면에서 실리콘 단결정으로 성장ㆍ인상되는 실리콘 단결정 인상 속도(V : Pulling rate of the crystal)는 하기 방정식과 같이 유도된다.Therefore, the pulling rate of the crystal (V: Pulling rate of the crystal), which is grown and raised to the silicon single crystal at the crystal growth interface, is derived as shown in the following equation.

QR(Heat radiated away from the silicon crystal surface per unit time)은 단위 시간당 실리콘 단결정 표면에서 방사되는 열량, V(Pulling rate of the silicon crystal)는 실리콘 단결정의 인상 속도, KS(Thermal conductivity of the silicon crystal)는 실리콘 단결정의 열전도도, GS(Temperature gradient in the silicon crystal near the freezing interface)는 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 온도 기울기, KL(Thermal conductivity of the molten silicon liquid)는 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액(SM)의 열전도도, GL(Temperature gradient in the moltensilicon liquid near the freezing interface)은 결정 성장 계면 근처의 실리콘 융액의 온도 기울기, ρ(density of the silicon crystal)는 실리콘 단결정의 밀도, Lf(Latent heat of crystallization)는 실리콘 융액의 응고 시 발산하는 잠열, A(Area of freezing interface)는 결정 성장 계면의 넓이를 나타낸다.Heat radiated away from the silicon crystal surface per unit time (Q R) is the amount of heat radiated from the silicon single crystal surface per unit time, P (pulling rate of the silicon crystal) is the pulling rate of the silicon single crystal, K S (Thermal conductivity of the silicon) crystal) is the thermal conductivity, G S (temperature gradient in the silicon crystal near the freezing interface) is a crystal growth surface near the silicon single-crystal temperature gradient, K L (Thermal conductivity of the molten silicon liquid of a) a silicon single crystal has the crystal growth interface The thermal conductivity of nearby silicon melt (SM), Temperature gradient in the moltensilicon liquid near the freezing interface (G L ) is the temperature gradient of the silicon melt near the crystal growth interface, and the density of the silicon crystal (ρ) is the density of the silicon single crystal. , L f (latent heat of crystallization ) is a latent heat, (area of freezing interface) a radiating during solidification of the silicon melt denotes the width of the crystal growth interface.

그리고, 실리콘 단결정의 인상 속도(V)는 안정된 결정 성장을 위해 결정화 결정 성장 계면의 전체 면적에 대하여 동일한 성장 속도를 가지게 된다. 따라서, 결정 성장 계면 근방에서 실리콘 단결정 잉곳의 중심 부분과 가장 자리 부분 사이에 하기 수학식 2와 같은 열평형 방정식이 성립한다.The pulling rate V of the silicon single crystal has the same growth rate for the entire area of the crystallization crystal growth interface for stable crystal growth. Therefore, a thermal equilibrium equation such as the following equation 2 is established between the center portion and the edge portion of the silicon single crystal ingot near the crystal growth interface.

GSe는 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 가장 자리에서의 온도 기울기, GSc는 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 중심 부분에서의 온도 기울기, GLe는 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액의 가장 자리에서의 온도 기울기, GLc는 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액의 중심 부분에서의 온도 기울기를 나타낸다.G Se is the temperature gradient at the edge of the silicon single crystal near the crystal growth interface, G Sc is the temperature gradient at the center of the silicon single crystal near the crystal growth interface, and G Le is at the edge of the silicon melt near the crystal growth interface. The temperature gradient of, G Lc represents the temperature gradient at the central portion of the silicon melt near the crystal growth interface.

그리고, 실리콘 단결정 잉곳의 내부에 존재하는 결함의 종류와 밀도는'결정 성장 속도와 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 온도 기울기의 비(V/G 값)'에 의해 결정된다[V. V. Voronkov et al.The ECS Proceedings Series, PV 97-22, p.3(1997)].The type and density of defects present in the silicon single crystal ingot are determined by the ratio (V / G value) between the crystal growth rate and the temperature gradient of the silicon single crystal near the crystal growth interface [V. V. Voronkov et al. The ECS Proceedings Series, PV 97-22, p. 3 (1997).

종래의 결정성장 방법으로 성장된 실리콘 단결정은 도3a에서 보이듯이 결정 성장 계면의 반경 방향으로 불균일한 결함 분포를 가지게 된다. 결정 결함의 종류나 밀도가 반경 반향으로의 불균일한 분포를 나타내는 원인은 결정 성장 계면에서의 실리콘 단결정의 성장 속도 V는 반경 방향으로 일정한 값을 가지게 되는 반면 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 온도 기울기(GS)가 반경 방향으로 불균일한 분포를 가지게 되기 때문이다.The silicon single crystal grown by the conventional crystal growth method has a nonuniform defect distribution in the radial direction of the crystal growth interface as shown in FIG. 3A. The reason that the type or density of crystal defects exhibit a nonuniform distribution in the radial direction is that the growth rate V of the silicon single crystal at the crystal growth interface has a constant value in the radial direction, whereas the temperature gradient of the silicon single crystal near the crystal growth interface ( This is because G S ) has a nonuniform distribution in the radial direction.

즉 실리콘 단결정 결정 결함의 불균일한 분포는 실리콘 단결정 중심 부분의 온도 기울기(GSc)와 가장 자리 부분의 온도 기울기(GSe)의 차(ΔGs = GSc-GSe)에 의해 결정되는 것이다.That is, the nonuniform distribution of silicon single crystal defects is determined by the difference (ΔGs = G Sc -G Se ) of the temperature gradient G Sc of the center portion of the silicon single crystal and the temperature gradient G Se of the edge portion.

이에 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정 응고ㆍ성장 메카니즘에 대해 자세히 분석해 보면 다음과 같다.Thus, a detailed analysis of the silicon single crystal solidification and growth mechanism near the crystal growth interface is as follows.

도 3b에 도시된 바와 같이, 결정 성장 계면 근방에서 실리콘 단결정의 가장 자리 부분은 실리콘 단결정의 표면에서 방사되는 열량에 의하여 그 온도가 낮아지게 되며, 이에 반하여 그 중심부는 상대적으로 온도가 높게 형성된다. 따라서 도 3c에 도시된 그래프와 같이, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 중심 부분의 온도 기울기(GSc)는 그 가장 자리 부분의 온도 기울기(GSe)보다 낮게 된다. 즉 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 온도 기울기는 실리콘 결정 반경 방향으로 불균일한 분포(ΔGs = GSe- GSc)를 가지게 되는 것이다.As shown in FIG. 3B, the edge portion of the silicon single crystal near the crystal growth interface has a lower temperature due to the amount of heat radiated from the surface of the silicon single crystal, whereas the central portion of the silicon single crystal has a relatively high temperature. Therefore, as shown in the graph of FIG. 3C, the temperature gradient G Sc of the central portion of the silicon single crystal near the crystal growth interface is lower than the temperature gradient G Se of the edge portion. That is, the temperature gradient of the silicon single crystal near the crystal growth interface has a nonuniform distribution (ΔGs = G Se -G Sc ) in the silicon crystal radial direction.

또한, 결정 성장 계면 근방에서 실리콘 융액(SM)의 가장 자리 부분은, 도 3b에 도시된 바와 같이, 실리콘 융액(SM)으로 열을 직접 전달시키는 석영 도가니(20)의 내벽과 거리가 가까우므로, 석영 도가니(20)의 내벽과 멀리 떨어진 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액 중심 부분보다 상대적으로 온도가 높게 형성되게 된다. 따라서, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액의 온도 기울기(GL) 분포는 도 3c에 도시된 그래프와 같이 실리콘 결정 반경 방향으로 불균일한 분포(ΔGL= GLe- GLc)를 가지게 되는 것이다.Further, the edge portion of the silicon melt SM near the crystal growth interface is close to the inner wall of the quartz crucible 20 that directly transfers heat to the silicon melt SM, as shown in FIG. 3B. The temperature is relatively higher than that of the center of the silicon melt near the crystal growth interface far from the inner wall of the quartz crucible 20. Therefore, the temperature gradient (G L ) distribution of the silicon melt near the crystal growth interface has a nonuniform distribution (ΔG L = G Le − G Lc ) in the radial direction of the silicon crystal as illustrated in FIG. 3C.

따라서, 상기에서 살펴본 바와 같이 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 중심 부분의 온도 기울기(GSc)와 가장 자리 부분의 온도 기울기(GSe)의 차(GSc-GSe) 즉, ΔGS에 의하여 실리콘 단결정 내 존재하는 결정 결함의 반경 방향으로의 불균일한 분포가 결정되므로, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 온도 기울기 차(ΔGS)를 줄이려는 시도가 활발히 진행되고 있다.Therefore, as described above, the difference between the temperature gradient G Sc of the central portion of the silicon single crystal near the crystal growth interface and the temperature gradient G Se of the edge portion G Sc -G Se , that is, ΔG S Since the nonuniform distribution in the radial direction of the crystal defects present in the silicon single crystal is determined, attempts to reduce the temperature gradient difference ΔG S of the silicon single crystal near the crystal growth interface are actively underway.

종래의 일반적인 개선 방법은 도 4a에 도시된 바와 같이, 일반적인 실리콘 단결정 성장 장치에 열쉴드(80)와 냉각 장치(90)를 추가적으로 설치하여 결정 성장 계면 근방에서의 실리콘 단결정의 반경 방향에 따른 온도 기울기 차(ΔGS)를 개선하는 것이다.In the conventional general improvement method, as shown in FIG. 4A, a heat shield 80 and a cooling device 90 are additionally installed in a general silicon single crystal growth apparatus, so that a temperature gradient along the radial direction of the silicon single crystal near the crystal growth interface is provided. It is to improve the difference ΔG S.

이 경우 상기 수학식 2와 같이, 실리콘 단결정의 인상 속도(V)는 결정 성장 계면에서 반경 반향으로 균일한 성장 속도(Vconstant)를 가져야 하며, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 온도 기울기(GS)와 실리콘 융액(SM)의 온도 기울기(GL)의 차는 실리콘 융액이 결정화되기 위한 응고 구동력으로 상기 수학식 2와 같이 결정 성장 계면 전 면적에 대해 일정한 값을 가져야만 된다.In this case, as shown in Equation 2, the pulling speed (V) of the silicon single crystal should have a uniform growth rate (V constant ) in the radial direction at the crystal growth interface, and the temperature gradient (G S) near the crystal growth interface. ) And the temperature gradient G L of the silicon melt SM are the solidification driving force for the silicon melt to crystallize and have a constant value for the entire crystal growth interface as shown in Equation 2 above.

따라서 종래의 개선 방법으로 결정 성장 계면 근방의 단결정의 온도 기울기(GS) 분포만을 개선하게 되면 결정 성장 반경 방향으로 응고 구동력의 불균형 현상이 일어나게 되어 상기 수학식 2를 만족시키기 위해 기존의 결정 성장 계면과 비교하여, 도 4b에 도시된 바와 같이, 실리콘 융액 방향으로 볼록한 새로운 결정 성장 계면을 형성하게 되고, 결과적으로 기존의 결정 성장 계면과 비교하여 아래로 오목한 새로운 결정 성장 계면의 형성으로 인하여, 열쉴드(80) 및 냉각 장치(90)의 추가적인 설치를 통한 종래의 개선 방법이 목적하는 결정 성장 계면 근방의 반경 방향으로의 실리콘 단결정의 온도 기울기(GS) 분포 개선의 온전한 구현에 한계점이 존재하였다.Therefore, if only the temperature gradient (G S ) distribution of the single crystal near the crystal growth interface is improved by the conventional improvement method, an imbalance phenomenon of the solidification driving force occurs in the crystal growth radius direction, so that the existing crystal growth interface is satisfied to satisfy Equation 2 above. In comparison with FIG. 4B, a heat shield is formed, which is convex in the silicon melt direction, and consequently, due to the formation of a new crystal growth interface concave down compared to the existing crystal growth interface. The conventional improvement method through the additional installation of the 80 and the cooling device 90 has a limitation in the intact implementation of improving the temperature gradient G S distribution of the silicon single crystal in the radial direction near the desired crystal growth interface.

따라서, 궁극적으로 실리콘 단결정의 반경 방향으로의 품질 균일도 향상을 위한 결정 성장 계면 근방에서 반경 방향으로의 실리콘 단결정의 온도 기울기 차(ΔGS)를 개선하기 위하여서는 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액(SM)의 온도 분포를 함께 개선하는 기술이 요구되는 것이다.Therefore, in order to improve the temperature gradient difference (ΔG S ) of the silicon single crystal in the radial direction near the crystal growth interface for ultimately improving the quality uniformity of the silicon single crystal in the radial direction, the silicon melt SM near the crystal growth interface There is a need for a technique for improving the temperature distribution together.

본 발명은 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에서 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액의 온도 분포를 개선한 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공하려는 것이다.The present invention is to provide a silicon single crystal ingot growth apparatus which improves the temperature distribution of silicon melt near the crystal growth interface in a silicon single crystal ingot growth apparatus for growing a silicon single crystal ingot by the Czochralski method.

이를 위한 본 발명인 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치는 다결정 실리콘을 적재하여 용융시키는 석영 도가니를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 있어서, 상기 석영 도가니 내부의 실리콘 융액의 표면 중심부로부터 하부 쪽으로 일정 거리 이격된 위치에 설치되어, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액 중심 부분으로 열을 가하는 발열체를 포함하는 것이 특징이다.The silicon single crystal ingot growth apparatus according to the present invention is a silicon single crystal ingot growth apparatus including a quartz crucible for loading and melting polycrystalline silicon, and is installed at a position spaced apart from the center of the surface of the silicon melt inside the quartz crucible at a predetermined distance. And a heating element that heats the silicon melt center portion near the crystal growth interface.

여기에서, 상기 발열체는 몸체부와, 상기 몸체부의 일단에 형성된 결합부와, 상기 결합부의 타단에 형성된 발열부로 이루어지며, 상기 결합부는 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 챔버 내벽에 결합 설치되고, 상기 몸체부는 상기 결합부로부터 상기 석영 도가니의 바닥부 중심까지, 상기 석영 도가니의 측벽부 및 바닥부의 내부면으로부터 일정 거리 이격되도록 상기 석영 도가니의 내부 공간에 형성되고, 상기 발열부는 상기 석영 도가니 바닥부 중심까지 형성된 상기 몸체부로부터 상부로 돌출 되어, 상기 실리콘 융액의 표면 중심부로부터 일정 거리 이격된 위치에 형성된 것이 바람직하며, 특히, 상기 발열체의 발열부는 상기 실리콘 융액의 표면 중심부로부터 10 내지 50㎜ 이격되도록 설치된 것이 더욱 바람직하다.Here, the heating element is composed of a body portion, a coupling portion formed on one end of the body portion, and a heating portion formed on the other end of the coupling portion, the coupling portion is coupled to the chamber inner wall of the silicon single crystal ingot growth apparatus, the body A portion is formed in the inner space of the quartz crucible from the coupling portion to a center of the bottom of the quartz crucible, a predetermined distance from the inner surface of the side wall portion and the bottom of the quartz crucible, the heat generating portion to the center of the bottom of the quartz crucible Protruding upward from the formed body portion, it is preferably formed at a position spaced apart from the center of the surface of the silicon melt, in particular, the heat generating portion of the heating element is installed so as to be spaced apart 10 to 50mm from the center of the surface of the silicon melt More preferred.

또, 상기 발열체의 몸체부 및 발열부는 고순도 석영 유리로 형성된 피복부와, 상기 피복부의 내부에 설치된 발열 필라멘트로 형성되고, 상기 결합부에는 상기 발열 필라멘트로 전류를 공급하는 전류 공급 장치가 설치된다.In addition, the body portion and the heat generating portion of the heating element is formed of a coating portion formed of high-purity quartz glass, and a heating filament provided inside the coating portion, the coupling portion is provided with a current supply device for supplying a current to the heating filament.

도 1은 일반적인 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 개략적인 단면도.1 is a schematic cross-sectional view of a typical silicon single crystal ingot growth apparatus.

도 2는 일반적인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 구동력에 대한 개념도.2 is a conceptual diagram for growth driving force of a typical silicon single crystal ingot.

도 3a는 종래의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 속도에 따른 결정 내 결함의 종류 및 분포에 대한 개념도.3A is a conceptual diagram of the type and distribution of defects in a crystal according to the growth rate of a conventional silicon single crystal ingot.

도 3b는 종래의 실리콘 단결정 성장 계면 근방의 온도 분포에 대한 개념도.3B is a conceptual diagram of a temperature distribution near a conventional silicon single crystal growth interface.

도 3c는 종래의 결정 성장 계면 근처의 열전달 평형 상태 그래프.3C is a graph of heat transfer equilibrium near a conventional crystal growth interface.

도 4a는 종래의 개선된 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 개략적인 단면도.4A is a schematic cross-sectional view of a conventional improved silicon single crystal ingot growth apparatus.

도 4b는 도 4a의 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치에 의한 개선 전과 후의 결정 성장 계면 형상 개념도.4B is a conceptual diagram of crystal growth interface shapes before and after improvement by the growth apparatus of the silicon single crystal ingot of FIG. 4A.

도 5a는 본 발명인 실리콘 단결정 성장 장치의 개략적인 단면도.5A is a schematic cross-sectional view of a silicon single crystal growth apparatus of the present invention.

도 5b는 본 발명의 발열체의 몸체부와 발열부의 단면도.Figure 5b is a sectional view of the body portion and the heat generating portion of the heating element of the present invention.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 의하여 개선된 결정 성장 계면 근방의 열전달 평형 상태 그래프.6a to 6c are heat transfer equilibrium graphs near the crystal growth interface improved by the present invention;

도 6d는 본 발명에 의한 열전달 평형 상태의 개선 전과 후의 결정 성장 계면 형상 개념도.6D is a conceptual diagram of crystal growth interface shape before and after improvement of the heat transfer equilibrium state according to the present invention;

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 챔버 20 : 석영 도가니10 chamber 20 quartz crucible

30 : 흑연 도가니 40 : 흑연 받침대30: graphite crucible 40: graphite pedestal

50 : 히터 60 : 복사 단열재50: heater 60: radiant insulation

70 : 상부 챔버 71 : 리프터(Lifter)70: upper chamber 71: lifter

80 : 열쉴드80: heat shield

90 : 냉각 장치90: cooling unit

100 : 발열체 110 : 결합부100: heating element 110: coupling portion

120 : 몸체부 130 : 발열부120: body portion 130: heat generating portion

200 : 전원 공급 장치200: power supply

100-1 : 피복부 100-2 : 발열 필라멘트100-1: covering part 100-2: heat generating filament

KsGs : 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 단위 면적 및 단위 시간당 결정 성장 계면에서 상부 단결정 부위로 전달되는 열량.KsGs: The amount of heat transferred from the crystal growth interface per unit area and unit time to the upper single crystal site during conventional silicon single crystal ingot growth.

KLGL: 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 단위 면적 및 단위 시간당 실리콘 융액으로부터 결정 성장 계면으로 전달되는 열량K L G L : The amount of heat transferred from the silicon melt per unit area and unit time to the crystal growth interface in the conventional silicon single crystal ingot growth

KsGs' : 본 발명으로 개선된 단위 면적 및 단위 시간당 결정 성장 계면에서 상부 단결정 부위로 전달되는 열량.KsGs': The amount of heat transferred to the upper single crystal site at the crystal growth interface per unit area and unit time improved with the present invention.

KLGL' : 본 발명으로 개선된 단위 면적 및 단위 시간당 실리콘 융액으로부터 결정 성장 계면으로 전달되는 열량K L G L ′: The amount of heat transferred from the silicon melt per unit time and unit crystal growth interface improved with the present invention to the crystal growth interface

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail an embodiment of the present invention.

본 발명은 도 5a에 도시된 바와 같이, 종래의 실리콘 단결정 성장 장치에 있어서,석영 도가니(20) 내부의 실리콘 융액(SM)의 표면(ML) 중심부로부터 하부 쪽으로 일정 거리 이격된 위치에 설치되어, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액(SM) 중심 부분으로 열을 가하는 발열체(100)를 추가로 포함하는 것이 특징이다.The present invention, as shown in Figure 5a, in the conventional silicon single crystal growth apparatus, is installed at a position spaced a predetermined distance downward from the center of the surface (ML) of the silicon melt (SM) inside the quartz crucible 20, It further comprises a heating element 100 for applying heat to the center of the silicon melt (SM) near the crystal growth interface.

따라서, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액(SM) 중심 부분에서 일정한 거리로 이격된 위치에 발열체(100)를 설치함으로서, 상대적으로 낮은 값을 나타내는 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액(SM) 중심 부분의 온도 기울기를 상승시킬 수 있다. 즉, 결정 성장 계면에서 일정 거리 이격된 실리콘 융액(SM)의 중심 부분과 가장 자리 부분의 온도차를 줄임으로서, 결정 성장 계면 근처의 실리콘 융액(SM) 중심 부분의 온도 기울기(GLc)와 가장 자리 부분의 온도 기울기(GLe)의 차이(ΔGL)를 줄일 수 있는 것이다.Therefore, by installing the heating element 100 at a position spaced apart from the center of the silicon melt (SM) near the crystal growth interface by a constant distance, the temperature of the center of the silicon melt (SM) near the crystal growth interface showing a relatively low value Can increase the slope. In other words, by reducing the temperature difference between the center portion and the edge portion of the silicon melt (SM) spaced a certain distance from the crystal growth interface, the temperature gradient (G Lc ) and the edge of the center portion of the silicon melt (SM) near the crystal growth interface It is possible to reduce the difference ΔG L of the temperature gradient G Le of the portion.

이 때, 발열체(100)는 몸체부(120)와, 몸체부(120)의 일단에 형성된 결합부(110)와, 결합부(110)의 타단에 형성된 발열부(130)로 이루어지며, 결합부(110)는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 챔버(10) 내벽에 결합 설치되고, 몸체부(120)는 결합부(110)로부터 석영 도가니(20)의 바닥부 중심까지, 석영 도가니(20)의 측벽부 및 바닥부의 내부면으로부터 일정 거리 이격되도록 석영 도가니(20)의 내부 공간에 형성되고, 발열부(130)는 석영 도가니(20)의 바닥부 중심까지 형성된 몸체부(120)로부터 상부로 돌출 되어, 실리콘 융액(SM)의 표면(ML) 중심부로부터 일정 거리 이격된 위치에 형성된 것이 바람직하다. 특히, 발열체(100)의 발열부(130)는 실리콘 융액(SM)의 표면(ML) 중심부로부터 10 내지 50㎜ 이격되도록 설치된 것이 더욱 바람직하다.At this time, the heating element 100 is composed of a body portion 120, the coupling portion 110 formed on one end of the body portion 120, and the heating portion 130 formed on the other end of the coupling portion 110, The unit 110 is coupled to the inner wall of the chamber 10 of the silicon single crystal ingot growth apparatus, and the body unit 120 is connected to the center of the bottom of the quartz crucible 20 from the coupling unit 110. It is formed in the inner space of the quartz crucible 20 so as to be spaced a predetermined distance from the inner surface of the side wall portion and the bottom portion, the heat generating portion 130 protrudes upward from the body portion 120 formed to the center of the bottom of the quartz crucible 20 And formed at a position spaced a predetermined distance from the center of the surface ML of the silicon melt SM. In particular, the heating unit 130 of the heating element 100 is more preferably installed to be spaced apart from 10 to 50mm from the center of the surface (ML) of the silicon melt (SM).

상술한 바와 같은 구성으로 발열체(100)가 석영 도가니(20)의 내부 공간에 설치됨으로써, 발열체(100)의 몸체부(120)에 의한 실리콘 융액(SM)의 대류 등에 영향을 미치는 것을 최소화하면서, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액의 온도 기울기 분포만을 직접적으로 제어할 수 있는 것이다.The heating element 100 is installed in the internal space of the quartz crucible 20 by the above-described configuration, thereby minimizing the influence on the convection of the silicon melt SM by the body portion 120 of the heating element 100. Only the temperature gradient distribution of the silicon melt near the crystal growth interface can be directly controlled.

그리고, 실리콘 융액(SM)이 발열체(100)에 의하여 오염되는 것을 방지하기 위하여, 도 5b에 도시된 바와 같이, 발열체(100)의 몸체부(120) 및 발열부(130)는 고순도 석영 유리로 형성된 피복부(100-1)와, 피복부(100-1)의 내부에 설치된 발열 필라멘트(100-2)로 형성되고, 결합부(110)에는 발열 필라멘트(100-2)로 전류를 공급하는 전류 공급 장치(200)가 설치되는 것이 바람직하다.In addition, to prevent the silicon melt SM from being contaminated by the heating element 100, as shown in FIG. 5B, the body portion 120 and the heating portion 130 of the heating element 100 are made of high purity quartz glass. The coating part 100-1 and the heating filament 100-2 provided inside the coating part 100-1 are formed, and the coupling part 110 supplies current to the heating filament 100-2. Preferably, the current supply device 200 is installed.

따라서, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명인 실리콘 단결정 성장 장치에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시킬 때, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액(SM)과 실리콘 단결정의 개선된 열전달 평형 상태를 살펴보면 도 6a 내지 6d와 같다.Therefore, when the silicon single crystal ingot is grown by the silicon single crystal growth apparatus of the present invention configured as described above, the improved heat transfer equilibrium between the silicon melt (SM) and the silicon single crystal near the crystal growth interface is shown in FIGS. 6A to 6D. .

즉, 본 발명인 실리콘 단결정 성장 장치에서는 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액(SM) 중심 부분에 발열체(100)를 설치하여 실리콘 융액(SM) 중심 부분의 낮은 온도를 보상함으로서, 도 6a에 도시된 그래프와 같이, 기존의 온도 기울기 GL의 분포를 개선시켜 중심 부분이 상승된 GL'와 같은 분포를 구현하였다. 따라서 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액(SM)에서 그 중심 부분과 가장 자리 부분의 온도 기울기 차인 ΔGL을 개선시켜 ΔGL'가 되도록 한 것이다.That is, in the silicon single crystal growth apparatus of the present invention, the heating element 100 is installed at the center portion of the silicon melt SM near the crystal growth interface to compensate for the low temperature of the center portion of the silicon melt SM. Likewise, the distribution of the temperature gradient G L is improved to realize the distribution like the G L 'with the central portion elevated. Therefore, in the silicon melt SM near the crystal growth interface, ΔG L , the temperature gradient difference between the center portion and the edge portion, is improved to be ΔG L ′.

이처럼, 실리콘 융액(SM)의 중심 부분의 온도 기울기(GLc)만을 증가시키고, 실리콘단결정의 중심 부분의 온도 기울기(GSc)는 개선시키지 않은 상태에서는, 실리콘 단결정의 온도 기울기(GS)와 실리콘 융액의 온도 기울기(GL)의 차이(Gs-GL)가 그 가장 자리 부분은 기존의 크기와 동일한데 반하여, 그 중심 부분은 작아져, 결정 성장 계면 전체면에 대하여 실리콘 단결정의 성장 속도가 불균형을 이루게 된다.As such, in the state where only the temperature gradient G Lc of the central portion of the silicon melt SM is increased and the temperature gradient G Sc of the central portion of the silicon single crystal is not improved, the temperature gradient G S of the silicon single crystal is While the difference (G s -G L ) of the temperature gradient (G L ) of the silicon melt whose edge portion is the same as the existing size, its central portion becomes smaller, the growth of the silicon single crystal with respect to the entire surface of the crystal growth interface The speed is imbalanced.

따라서, 결정 성장 계면의 전체면에서 실리콘 단결정의 성장 속도(V)를 동일하게 만들기 위하여, 도 6d에 도시된 그림과 같이 결정 방향으로 볼록한 새로운 계면을 형성하여, 도 6b에 도시된 그래프와 같이 실리콘 단결정의 중심 부분의 온도 기울기(GSc)가 상승하는 쪽으로 개선되어, GS'와 같은 온도 기울기 분포가 되고, ΔGS는 ΔGS'와 같이 작아 지도록 개선된다.Therefore, in order to make the growth rate (V) of the silicon single crystal in the entire surface of the crystal growth interface equal, a new interface convex in the crystal direction is formed as shown in FIG. 6D, and the silicon as shown in the graph shown in FIG. The temperature gradient G Sc of the central portion of the single crystal is improved to increase, resulting in a temperature gradient distribution such as G S ', and ΔG S is improved to become small as ΔG S '.

이에 따라, 실리콘 단결정의 온도 기울기(GS')와 실리콘 융액의 온도 기울기(GL')의 차이(GS'-GL')는 그 가장 자리와 그 중심 부분이 동일하게 되어 그 차이(GS'-GL')만큼 실리콘 단결정 성장에 기여하게 되는 것이다.Accordingly, the difference between the temperature gradient (G S ') of the silicon single crystal and the temperature gradient (G L ') of the silicon melt (G S '-G L ') has the same edge and the center portion thereof, so that the difference ( G S '-G L ') will contribute to the growth of silicon single crystal.

결국 이러한 메커니즘을 통하여 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액(SM)의 온도 기울기를 GL에서 GL'로 개선시킴으로서, 결과적으로 실리콘 단결정의 가장 자리와 중심 부분의 온도 기울기 차이(ΔGS')를 작아 지도록 개선할 수 있는 것이다. 그리고 종래의 기술에서 상술한 바와 같이 ΔGS'를 작아 지도록 개선함으로서 실리콘 단결정 잉곳의 내부에 존재하는 결함 분포의 불균일성을 개선할 수 있는 것이다.After determining small growth the temperature gradient of the surface silicon melt (SM) in the vicinity of at G L 'sikimeuroseo improved, resulting in a temperature gradient difference between the edges and the central part of the silicon single crystal (ΔG S' G L) through this mechanism It can be improved to lose. As described above in the related art, by improving ΔG S 'to be smaller, the nonuniformity of defect distribution existing inside the silicon single crystal ingot can be improved.

이러한 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정과 실리콘 융액에서 개선 전과 개선후의 온도 기울기 그래프를 동시에 나타낸 그래프는 도 6c와 같다.6C shows a graph showing a temperature gradient graph before and after improvement in the silicon single crystal and the silicon melt near the crystal growth interface.

그리고, 발열체(100)를 통한 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액의 온도 기울기를 개선하는 것과 동시에, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 온도 기울기를 직접적으로 함께 개선시킴으로써 ΔGS를 더욱 효과적으로 개선할 수 있다.In addition, by improving the temperature gradient of the silicon melt near the crystal growth interface through the heating element 100, the temperature gradient of the silicon single crystal near the crystal growth interface can be directly improved together to improve ΔG S more effectively.

따라서 본 발명인 실리콘 단결정 성장 장치는 상술한 바와 같이, 발열체(100)를 설치함과 동시에, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 단결정의 반경 방향으로의 온도 기울기 차(ΔGS)를 더욱 개선하도록, 상기 석영 도가니 내부의 실리콘 융액(SM)으로부터 성장하는 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 둘러싸면서 상기 석영 도가니의 상부 공간에 설치된 열쉴드(80)를 더 포함하는 것이 바람직하며, 특히, 상기 실리콘 단결정 잉곳이 성장하여 인상(pulling)되는 상기 실리콘 단결정 성장 장치의 성장 챔버(70)의 내벽에 설치되고, 내부에 냉각수가 순환하는 냉각 장치(90)를 더 포함하는 것이 더욱 바람직하다.Therefore, the silicon single crystal growth apparatus of the present invention has the quartz crucible so as to further improve the temperature gradient difference ΔG S in the radial direction of the silicon single crystal near the crystal growth interface while providing the heating element 100 as described above. It is preferable to further include a heat shield 80 installed in the upper space of the quartz crucible while surrounding the silicon single crystal ingot IG growing from the silicon melt SM therein. In particular, the silicon single crystal ingot grows and is pulled up. More preferably, the apparatus further includes a cooling device 90 installed on an inner wall of the growth chamber 70 of the silicon single crystal growth device to be pulled and circulating cooling water therein.

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.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the claims It belongs to the scope of the present invention.

본 발명은 쵸크랄스키 법에 의하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에서 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액의 온도 분포를 개선한실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치를 제공하였다.The present invention provides a silicon single crystal ingot growth apparatus which improves the temperature distribution of silicon melt near the crystal growth interface in a silicon single crystal ingot growth apparatus for growing a silicon single crystal ingot by the Czochralski method.

Claims (4)

다결정 실리콘을 적재하여 용융시키는 석영 도가니를 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치에 있어서,A silicon single crystal ingot growth apparatus comprising a quartz crucible for loading and melting polycrystalline silicon, 상기 석영 도가니 내부의 실리콘 융액의 표면 중심부로부터 하부 쪽으로 일정 거리 이격된 위치에 설치되어, 결정 성장 계면 근방의 실리콘 융액 중심 부분으로 열을 방사하는 발열체를 포함하는 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.And a heating element provided at a position spaced a predetermined distance away from the center of the surface of the silicon melt inside the quartz crucible and radiating heat to the center of the silicon melt near the crystal growth interface. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 발열체는 몸체부와, 상기 몸체부의 일단에 형성된 결합부와, 상기 결합부의 타단에 형성된 발열부로 이루어지며,The heating element is composed of a body portion, a coupling portion formed at one end of the body portion, and a heating portion formed at the other end of the coupling portion, 상기 결합부는 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치의 챔버 내벽에 결합 설치되고,The coupling portion is coupled to the chamber inner wall of the silicon single crystal ingot growth apparatus, 상기 몸체부는 상기 결합부로부터 상기 석영 도가니의 바닥부 중심까지, 상기 석영 도가니의 측벽부 및 바닥부의 내부면으로부터 일정 거리 이격되도록 상기 석영 도가니의 내부 공간에 형성되고,The body portion is formed in the inner space of the quartz crucible so as to be spaced a predetermined distance from the coupling portion to the center of the bottom portion of the quartz crucible, the side wall portion of the quartz crucible and the inner surface of the bottom portion, 상기 발열부는 상기 석영 도가니 바닥부 중심까지 형성된 상기 몸체부로부터 상부로 돌출 되어, 상기 실리콘 융액의 표면 중심부로부터 일정 거리 이격된 위치에 형성된 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.And the heat generating part protrudes upward from the body part formed up to the center of the bottom of the quartz crucible, and is formed at a position spaced apart from the center of the surface of the silicon melt by a predetermined distance. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 발열체의 발열부는 상기 실리콘 융액의 표면 중심부로부터 10 내지 50㎜ 이격되도록 설치된 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.The heat generating unit of the heating element is silicon single crystal ingot growth apparatus, characterized in that installed so as to be spaced apart 10 to 50mm from the surface center of the silicon melt. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 발열체의 몸체부 및 발열부는 고순도 석영 유리로 형성된 피복부와,The body portion and the heat generating portion of the heating element and the coating portion formed of high purity quartz glass, 상기 피복부의 내부에 설치된 발열 필라멘트로 형성되고,Is formed of a heating filament installed inside the coating portion, 상기 결합부에는 상기 발열 필라멘트로 전류를 공급하는 전류 공급 장치가 설치된 것이 특징인 실리콘 단결정 잉곳의 성장 장치.The coupling unit is a silicon single crystal ingot growth apparatus, characterized in that the current supply device for supplying current to the heating filament is installed.
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