KR20090074940A - Growing apparatus of a single crystal ingot having thermocouple - Google Patents

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문지훈
조현정
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주식회사 실트론
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Abstract

A growing apparatus of a single crystal ingot having a thermocouple is provided control the growth speed of an ingot easily by installing the thermocouple under the thermo-shield and measuring the temperature of a solution directly. In a growing apparatus of a single crystal ingot having a thermocouple, a furnace contains a solution(102). A heat shield(110) is installed between a single crystalline ingot(104) and a furnace, and the thermocouple(120) is installed at the lower part of the heat shield. A thermocouple anode is made of the alloy of Rh and Ir, and a thermocouple cathode made of the pure Ir line. The thermocouple excluding the end of it is wrapped up by an alumina tube or a quartz tube, and the end of the thermocouple is installed by the depth of 5-10 m from the surface of the solution.

Description

열전대를 구비한 단결정 잉곳 제조장치{Growing apparatus of a single crystal ingot having thermocouple}Growing apparatus of a single crystal ingot having thermocouple

본 발명은 단결정 잉곳의 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단결정 잉곳의 생산성과 품질을 높일 수 있는 단결정 잉곳 제조장치에 관한 것이다.The present invention relates to a single crystal ingot manufacturing apparatus, and more particularly to a single crystal ingot production apparatus that can increase the productivity and quality of the single crystal ingot.

반도체 소자 등의 전자 부품을 생산하기 위한 소재로 사용되는 실리콘 등의 반도체 웨이퍼는 단결정 잉곳을 얇은 두께로 절단(slice)하여 만든다. 이러한, 단결정 잉곳을 제조하는 대표적인 방법으로는 시드 단결정을 다결정 실리콘 등을 액상으로 용융시킨 융액에 담근 후 천천히 끌어당기면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(czochralski)법이 있다.A semiconductor wafer such as silicon used as a material for producing electronic components such as semiconductor devices is made by slicing a single crystal ingot to a thin thickness. As a typical method of manufacturing such a single crystal ingot, there is a Czochralski method in which seed single crystals are immersed in a melt in which polycrystalline silicon or the like is melted in a liquid state, and the crystals are grown while slowly pulling them.

쵸크랄스키법으로 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 방법은 융액의 표면에 시드 단결정을 디핑(dipping)시키고, 융액으로부터 시드의 하단부에서 단결정을 성장시켜 초반 성장 부분에서는 넥킹(necking) 공정을 통해 넥 부분으로 성장시킨다. 그러고 나서, 단결정의 직경이 서서히 확장되도록 하는 숄더링(shouldering)공정을 거쳐 일정한 길이에 달했을 때 몸체부 성장(body growth)공정을 통해 단결정 잉곳을 성장시킨다. 이때, 성장로 상부에 설치된 인상장치를 이용하여 시드 척(seed chuck)을 상부로 인상시키면서 실리콘 단결정 잉곳의 몸체를 일정길이 이상 성장시킨다.The method of growing silicon single crystal ingot by Czochralski method dipping seed single crystal on the surface of the melt, growing single crystal from the melt at the bottom of the seed, and necking process at the early growth part to neck part. To grow. Then, a single crystal ingot is grown through a body growth process when a certain length is reached through a shouldering process to allow the diameter of the single crystal to gradually expand. At this time, the body of the silicon single crystal ingot is grown by a predetermined length or more while the seed chuck is pulled upward by using an pulling device installed on the growth path.

도 1은 종래기술에 따른 단결정 잉곳 제조장치를 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a single crystal ingot production apparatus according to the prior art.

도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 단결정 잉곳 제조장치는 챔버(10)와, 챔버(10) 내부에 설치되어 융액(22)을 담고 있는 도가니(20), 구동 수단에 의해 회전되어 도가니(20)를 회전시켜 상승시키는 회전축(30), 도가니(20)를 소정 간격으로 에워싸는 원통형의 히터(40) 및 히터(40)에서 나오는 빛의 밝기를 이용해 융액(22)의 온도를 측정하는 ATC(automatic temperature calibrator) 센서(50)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, the apparatus for manufacturing a single crystal ingot according to the related art includes a chamber 10, a crucible 20 installed inside the chamber 10 and containing a melt 22, and rotated by a driving means. ATC (automatic) to measure the temperature of the melt 22 using the rotating shaft 30 to rotate by raising the rotation, the cylindrical heater 40 surrounding the crucible 20 at predetermined intervals and the brightness of the light emitted from the heater 40. temperature calibrator) sensor 50 is configured.

이러한 종래의 단결정 잉곳 제조장치는 히터(40) 근처에 설치된 ATC 센서(50)를 이용하여 히터(40)에서 나오는 빛의 밝기를 통해 융액(22)의 온도를 측정하거나, 챔버(10) 상단에 위치한 적외선온도계(two color pyrometer)를 이용하여 융액(22)에서 발생하는 빛으로 융액(22)의 온도를 측정하였다.The conventional single crystal ingot manufacturing apparatus measures the temperature of the melt 22 through the brightness of the light emitted from the heater 40 using the ATC sensor 50 installed near the heater 40, or at the top of the chamber 10. The temperature of the melt 22 was measured using light generated from the melt 22 using a positioned two color pyrometer.

그러나, 히터(40)에서 나오는 빛의 밝기를 통해 융액(22)의 온도를 측정하는 ATC 센서(50)의 경우, ATC 센서의 위치가 변경되거나 오염 등으로 인해 ATC 센서의 감도가 떨어져 히터(40)에서 나오는 빛의 밝기를 정확하게 측정하지 못한다는 문제점이 있었다. 아울러, 단결정 잉곳(14)이 성장 후에 핫-존이 변경되면, 고정된 히터(40)에 대해 측정한 온도가 융액(22)의 온도와 대응되지 않을 수 있다.However, in the case of the ATC sensor 50 that measures the temperature of the melt 22 through the brightness of the light emitted from the heater 40, the sensitivity of the ATC sensor is reduced due to a change in the position of the ATC sensor or contamination, etc. There was a problem that the brightness of the light from the () is not measured accurately. In addition, if the hot-zone is changed after the single crystal ingot 14 is grown, the temperature measured for the fixed heater 40 may not correspond to the temperature of the melt 22.

또한, 챔버(10) 상단에 위치한 적외선온도계의 경우, 숄더링 공정이 진행되면 숄더가 커지면서 융액(22) 표면을 관측할 수 없어짐에 따라 융액(22)의 실제 온 도를 측정할 수 없는 문제가 있었다.In addition, in the case of an infrared thermometer located on the top of the chamber 10, as the shouldering proceeds, the shoulder becomes larger and the surface of the melt 22 cannot be observed, so that the actual temperature of the melt 22 cannot be measured. there was.

이와 같이, 종래의 단결정 잉곳 제조장치는 단결정 잉곳(24)의 성장조건을 효과적으로 제어하기 위한 융액(22)의 온도를 정확하게 측정할 수 없어 단결정 잉곳(24)의 성장속도의 제어가 용이하지 않고, 이로 인해 생산성 및 품질이 떨어진다는 문제점이 있었다.As described above, the conventional single crystal ingot manufacturing apparatus cannot accurately measure the temperature of the melt 22 for effectively controlling the growth conditions of the single crystal ingot 24, and thus, the growth rate of the single crystal ingot 24 is not easily controlled. As a result, there was a problem in that productivity and quality are reduced.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 융액의 온도를 정확하게 측정하여 잉곳의 성장 속도 제어가 용이하고, 생산성과 품질을 높일 수 있는 열전대를 구비한 단결정 잉곳 제조장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and provides a single crystal ingot manufacturing apparatus having a thermocouple that can easily control the growth rate of the ingot by accurately measuring the temperature of the melt, and can increase the productivity and quality. There is a purpose.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.Other objects and advantages of the present invention can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the embodiments of the present invention. Also, it will be readily appreciated that the objects and advantages of the present invention may be realized by the means and combinations thereof indicated in the claims.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Ir과 Rh로 이루어진 열전대를 열실드의 하부에 설치하여, 융액의 온도를 직접 측정한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a thermocouple consisting of Ir and Rh under the heat shield, and directly measures the temperature of the melt.

즉, 본 발명에 따른 열전대를 구비한 단결정 잉곳 제조장치는 융액을 담고 있는 도가니와 상기 융액에서 인상되는 단결정 잉곳 사이에 설치되는 열실드를 구비한 단결정 잉곳의 제조장치에 있어서, 상기 열실드의 하부에 설치되는 열전대를 포함하며, 상기 열전대는 양극이 Ir과 Rh의 합금으로 이루어지고, 음극이 순수 Ir선으로 이루어진 Ir-Rh 열전대인 것을 특징으로 한다.That is, the apparatus for producing a single crystal ingot having a thermocouple according to the present invention is a manufacturing apparatus for a single crystal ingot having a heat shield installed between a crucible containing a melt and a single crystal ingot pulled from the melt, wherein the lower portion of the heat shield is provided. It includes a thermocouple installed in, the thermocouple is characterized in that the anode is made of an alloy of Ir and Rh, the cathode is an Ir-Rh thermocouple made of pure Ir wire.

또한, 상기 열전대는 선단부를 제외하고 알루미나 튜브 또는 석영 튜브로 감싸진 것이 바람직하다.In addition, the thermocouple is preferably wrapped in an alumina tube or a quartz tube except for the tip portion.

아울러, 상기 열전대의 선단부가 상기 융액 표면으로부터 5 내지 10㎜ 깊이 에 설치되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the tip of the thermocouple is provided at a depth of 5 to 10 mm from the melt surface.

본 발명에 따르면, Ir-Rh 열전대를 열실드의 하부에 설치하여 융액의 온도를 직접 측정함으로써, 융액의 온도를 정확하게 측정할 수 있어 잉곳의 성장속도 제어가 용이하다. 또한, 핫 멜트 유입으로 인해 단결정 잉곳이 다결정화 되는 열충격 현상을 방지할 수 있어 생산성과 품질을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, by installing the Ir-Rh thermocouple in the lower portion of the heat shield and directly measuring the temperature of the melt, the temperature of the melt can be accurately measured, and the growth rate of the ingot can be easily controlled. In addition, it is possible to prevent the thermal shock phenomenon that the single crystal ingot is polycrystalline due to hot melt inflow can improve productivity and quality.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, 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.

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 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.

도 2는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 제조장치의 주요구성을 나타내는 구성도이다.Figure 2 is a block diagram showing the main configuration of the single crystal ingot production apparatus according to the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 단결정 잉곳 제조장치는 다결정 실리콘 등 을 액상으로 용융시킨 융액(102)을 담고 있는 도가니(100), 도가니(100)와 융액(102)으로 부터 인상되는 단결정 잉곳(104) 사이에 단결정 잉곳(104)을 에워싸도록 설치되는 열실드(110) 및 열실드(110) 하부에 설치되는 열전대(120)를 포함한다.Referring to the drawings, a single crystal ingot manufacturing apparatus according to the present invention is a single crystal ingot (100), a crucible (100) containing a melt 102 melted in a liquid state of polycrystalline silicon, etc. The heat shield 110 is installed to surround the single crystal ingot 104 between the 104 and the thermocouple 120 is installed below the heat shield (110).

본 발명에 있어서, 열전대(120)를 제외한 단결정 잉곳 제조장치의 구체적인 구조는 통상의 단결정 잉곳 제조장치에 구비된 구성이 동일하게 채용될 수 있으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.In the present invention, the specific structure of the single crystal ingot manufacturing apparatus except for the thermocouple 120 may be the same as the configuration provided in the conventional single crystal ingot manufacturing apparatus, so the detailed description thereof will be omitted.

열전대는 두 종류의 금속선 양단을 접합시켜 양단접점에 온도 차에 따라 발생하는 열기전력을 직류밀리볼트계(milli-volt) 또는 전위차계로 측정하여 온도를 표시하는 온도계이다. 그러나, 일반적인 열전대는 1400℃가 넘는 융액의 온도를 정확하게 측정하는 것이 어렵기 때문에, 본 발명에 따른 단결정 잉곳 제조장치는 600℃에서 2000℃까지 측정 가능한 Ir-Rh 열전대(120)를 이용한다.Thermocouple is a thermometer that displays the temperature by measuring the thermoelectric power generated by DC milli-volt or potentiometer by joining two types of metal wires at both ends. However, in general thermocouples, since it is difficult to accurately measure the temperature of the melt of more than 1400 ℃, the single crystal ingot production apparatus according to the present invention uses the Ir-Rh thermocouple 120 that can measure from 600 ℃ to 2000 ℃.

Ir-Rh 열전대(120)는 양극이 Ir(이리듐)과 Rh(로듐)의 합금(Ir이 60%, Rh가 40%)으로 이루어지고, 음극이 순수 Ir선으로 이루어진다. Ir-Rh 열전대(120)의 주요 재료인 Ir은 산화물 단결정 잉곳 성장장치의 도가니에 사용되는 재료이다. 따라서, 열전대(120)로 인한 불순물 침입 또는 융액(102)과의 반응으로 인한 융액(102)의 오염이 일어나지 않아 매우 안정적이다.Ir-Rh thermocouple 120 is a positive electrode made of an alloy of Ir (iridium) and Rh (rhodium) (Ir 60%, Rh 40%), the cathode is made of pure Ir wire. Ir, which is the main material of the Ir-Rh thermocouple 120, is a material used in the crucible of the oxide single crystal ingot growth apparatus. Therefore, contamination of the melt 102 due to impurity intrusion due to the thermocouple 120 or reaction with the melt 102 does not occur and is very stable.

이러한 Ir-Rh 열전대(120)는 도 3에 도시된 바와 같이, 약 0.4㎜의 두께를 갖는 열전대(120)의 양극과 음극선을 열실드(110)의 하부에 약 3㎜ 정도의 직경을 갖는 구멍을 형성한 후에 구멍에 끼워넣어 설치한다. 이때, 융액(102)의 높은 온도 로부터 열전대(120)를 보호하기 위해 내열특성이 우수한 알루미나 또는 석영 재질의 튜브(130)로 열전대(120)의 외부를 감쌀 수 있다.As shown in FIG. 3, the Ir-Rh thermocouple 120 has a hole having a diameter of about 3 mm in the lower portion of the heat shield 110 with the anode and the cathode of the thermocouple 120 having a thickness of about 0.4 mm. After forming, insert into hole and install. In this case, in order to protect the thermocouple 120 from the high temperature of the melt 102, the outside of the thermocouple 120 may be wrapped with an alumina or quartz tube 130 having excellent heat resistance.

또한, Ir-Rh 열전대(120)는 융액(102)의 표면으로부터 5 내지 10㎜ 깊이에 설치하게 되며, 회전축과 같은 구동수단에 의해 도가니(100)를 상승시켜 융액(102) 표면의 높이를 일정하게 유지하기 때문에 열전대(120)의 설치 깊이는 일정하게 유지될 수 있다.In addition, the Ir-Rh thermocouple 120 is installed at a depth of 5 to 10 mm from the surface of the melt 102, and raises the crucible 100 by a driving means such as a rotating shaft to maintain a constant height of the surface of the melt 102. Since the installation depth of the thermocouple 120 can be kept constant.

이와 같이, Ir-Rh 열전대(120)를 열실드(110)의 하부에 설치하여 융액(102)의 온도를 직접 측정함으로써, ATC 센서가 히터에서 나오는 빛의 밝기만으로 융액(102)의 온도를 간접적으로 측정하던 종래의 단결정 잉곳 제조장치보다 융액(102)의 온도를 정확하게 측정할 수 있다. 또한, 융액(102)의 핫-존이 변경되면 적당한 위치를 다시 잡아 ATC 센서의 위치도 변경해야 했던 종래와 달리 핫-존 변경에 따른 영향을 받지 않아 사용이 편리하다.As such, by installing the Ir-Rh thermocouple 120 under the heat shield 110 and directly measuring the temperature of the melt 102, the ATC sensor indirectly measures the temperature of the melt 102 only by the brightness of the light emitted from the heater. The temperature of the melt 102 can be measured more accurately than the conventional single crystal ingot manufacturing apparatus that was measured by. In addition, when the hot-zone of the melt 102 is changed, it is convenient to use because it is not affected by the hot-zone change unlike the conventional case where the position of the ATC sensor has to be changed again by repositioning the proper position.

아울러, 각 공정별 융액(102)의 정확한 온도를 모니터링 하면서 공정을 제어할 수 있기 때문에 단결정 잉곳(104)의 성장 속도제어가 용이하며, 필요에 따라 다수의 열전대(120)를 설치할 수도 있다.In addition, since the process can be controlled while monitoring the exact temperature of the melt 102 for each process, it is easy to control the growth rate of the single crystal ingot 104, and a plurality of thermocouples 120 may be provided as necessary.

또한, 융액(102)의 온도를 외부에서 모니터링 함으로써, 단결정 잉곳(104)에 가해지는 핫 멜트(hot-melt)의 유입을 즉시 알 수 있으며, 핫 멜트의 유입으로 인해 단결정 잉곳(104)이 다결정화 되는 열충격(thermal shock) 현상을 방지할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있다.In addition, by monitoring the temperature of the melt 102 from the outside, it is possible to immediately know the inflow of the hot melt (hot-melt) applied to the single crystal ingot 104, the single crystal ingot 104 due to the inflow of hot melt. The thermal shock phenomenon to be crystallized can be prevented to improve productivity.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발 명은 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.Although the invention has been described above by means of limited embodiments and drawings, the invention is not limited thereto and will be described below by the person skilled in the art and the technical spirit of the invention. Of course, various modifications and variations are possible within the scope of the claims.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술된 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.The following drawings, which are attached to this specification, illustrate exemplary embodiments of the present invention, and together with the detailed description of the present invention serve to further understand the technical spirit of the present invention, the present invention includes matters described in such drawings. It should not be construed as limited to.

도 1은 종래기술에 따른 단결정 잉곳 제조장치를 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing a single crystal ingot production apparatus according to the prior art.

도 2는 본 발명에 따른 단결정 잉곳 제조장치의 주요구성을 나타내는 구성도이다.Figure 2 is a block diagram showing the main configuration of the single crystal ingot production apparatus according to the present invention.

도 3은 도 2의 A부분을 확대한 단면도이다.3 is an enlarged cross-sectional view of part A of FIG. 2.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 도가니 102 : 융액100: crucible 102: melt

104 : 단결정 잉곳 110 : 열실드104: single crystal ingot 110: heat shield

120 : 열전대 130 : 튜브120: thermocouple 130: tube

Claims (3)

융액을 담고 있는 도가니와 상기 융액에서 인상되는 단결정 잉곳 사이에 설치되는 열실드를 구비한 단결정 잉곳의 제조장치에 있어서,In the manufacturing apparatus of the single crystal ingot having a heat shield provided between the crucible containing the melt and the single crystal ingot pulled from the melt, 상기 열실드의 하부에 설치되는 열전대를 포함하며,It includes a thermocouple installed in the lower portion of the heat shield, 상기 열전대는 양극이 Ir과 Rh의 합금으로 이루어지고, 음극이 순수 Ir선으로 이루어진 Ir-Rh 열전대인 것을 특징으로 하는 열전대를 구비한 단결정 잉곳 제조장치.The thermocouple is a single crystal ingot manufacturing apparatus having a thermocouple, characterized in that the anode is made of an alloy of Ir and Rh, the cathode is an Ir-Rh thermocouple made of pure Ir wire. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열전대는 선단부를 제외하고 알루미나 튜브 또는 석영 튜브로 감싸진 것을 특징으로 하는 열전대를 구비한 단결정 잉곳 제조장치.The thermocouple is a single crystal ingot manufacturing apparatus having a thermocouple, characterized in that it is wrapped with an alumina tube or a quartz tube except the tip. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 열전대의 선단부가 상기 융액 표면으로부터 5 내지 10㎜ 깊이에 설치되는 것을 특징으로 하는 열전대를 구비한 단결정 잉곳 제조장치.Single crystal ingot manufacturing apparatus having a thermocouple, characterized in that the tip of the thermocouple is provided in a depth of 5 to 10 mm from the melt surface.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101336693B1 (en) * 2011-02-16 2013-12-03 재단법인 경북하이브리드부품연구원 Apparatus for growing the sapphire single crystal

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