KR20100086322A - Ingot grower having structure for preventing deformation of quartz crucible - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 잉곳 성장장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 잉곳(Ingot)의 제조를 위한 장시간의 고온 성장(Growing) 공정에서도 석영 도가니가 물리적으로 변형되지 않도록 석영 도가니를 보호하는 구조를 가진 잉곳 성장장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ingot growth apparatus, and more particularly, to an ingot growth apparatus having a structure for protecting a quartz crucible so that the quartz crucible is not physically deformed even in a long time high temperature growing process for manufacturing an ingot. It is about.
쵸크랄스키(Cz)법을 이용한 잉곳 성장법에서는 석영 도가니에 수용된 실리콘 멜트(Melt)에 시드(Seed)를 담근 후 시드 케이블을 회전시키면서 상부로 서서히 인상함으로써 고액계면을 통해 결정 잉곳을 성장시킨다. 도 1에는 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하기 위한 일반적인 잉곳 성장장치의 주요 구성과 동작이 도시되어 있다.In the ingot growth method using the Czochralski (Cz) method, the crystal ingot is grown through the liquid-liquid interface by immersing the seed in the silicon melt (Melt) contained in the quartz crucible and slowly pulling it upward while rotating the seed cable. Figure 1 shows the main configuration and operation of a typical ingot growth apparatus for performing the Czochralski (Cz) method.
도 1의 (a)을 참조하면, 잉곳 성장장치는 멜팅(Melting) 공정 이후 내부공간에 실리콘 멜트(SM)가 담기는 석영 도가니(10)와, 석영 도가니(10)를 둘러싸서 지지하는 도가니 지지대(11)와, 도가니 지지대(11)의 바깥에 배치되어 석영 도가니(10)에 복사열을 제공하는 히터(12)와, 성장되는 결정 잉곳(1)과 석영 도가니(10) 사이에서 결정 잉곳(1)을 에워싸도록 설치되어 실리콘 멜트(SM)로부터 상부 로 방사되는 열흐름을 차단하는 열실드(13)와, 도가니 지지대(11)의 하부를 지지하는 서포터(Supporter)(14)를 포함한다.Referring to Figure 1 (a), the ingot growth apparatus is a crucible support for enclosing and supporting the
잉곳 성장장치에 있어서 열실드(13)는 실리콘 멜트(SM)에서 방출되는 고온의 복사열이 본체 챔버(미도시)의 상부와 결정 잉곳(1) 쪽으로 전달되는 것을 방지하여 잉곳의 성장 속도를 높이는 작용을 하게 된다. 복사열을 효율적으로 차단하기 위해서는 열실드(13)의 하단 너비가 가능한 한 클 것이 요구된다. 이에 따라 석영 도가니(10)의 내경과 열실드(13)의 외경 간에는 매우 좁은 간격이 유지된다. 석영 도가니(10)의 내경과 열실드(13)의 외경 사이의 간격이 좁을수록 결정 성장 속도를 높여서 생산성을 향상시킬 수 있다.In the ingot growth apparatus, the
멜팅 공정 전에 석영 도가니(10)는 그 내부에 다결정 실리콘이 담긴 상태로 잉곳 성장장치 내로 공급된다. 이때, 석영 도가니(10)의 이동 등 취급을 원활히 하기 위해 석영 도가니(10)의 상부에는 도가니 커버(미도시)가 장착되는 것이 바람직하다. 이를 위해 석영 도가니(10)의 상단은 도가니 지지대(11)의 상단에 비해 상대적으로 높은 구조로 제공되는 것이 일반적이다.Before the melting process, the
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 인상 공정 시에는 서포터(14)가 구동되어 도가니 지지대(11)를 일정한 방향으로 회전시키면서 실리콘 멜트(SM)의 잔량과는 무관하게 고액계면의 위치가 일정한 레벨로 유지되도록 도가니 지지대(11)를 서서히 상승시키는 동작을 수행하게 된다. 이때, 석영 도가니(10)와 열실드(13)는 미세 간격을 두고 상하로 교차하게 되므로 상호 마찰을 피하기 위해서는 석영 도가니(10)의 형상 유지가 매우 중요하다.As shown in (b) of FIG. 1, during the pulling process, the
한편, 최근에는 실리콘 단결정 성장을 위한 쵸크랄스키(Cz) 공정에서 생산성을 향상시키기 위해 300㎜ 직경 잉곳의 인출 시 실리콘 멜트를 400kg 이상으로 대용량화 하거나, 하나의 석영 도가니로 여러 개의 잉곳을 인출하는 멀티 풀링(Multi-Pulling) 등을 수행하는 방법이 사용되고 있는데, 이 경우 장시간의 공정에 의해 석영 도가니가 식각되거나 열화되어 단결정 수율을 저하시키는 문제가 발생하게 된다.On the other hand, recently, in order to improve productivity in the Czochralski (Cz) process for growing silicon single crystals, the silicon melt is increased to 400 kg or more when the 300 mm diameter ingot is taken out, or multiple ingots are drawn out with one quartz crucible. A method of performing a multi-pulling or the like is used. In this case, a quartz crucible is etched or deteriorated by a prolonged process, thereby lowering a single crystal yield.
실리콘 단결정 성장 중에는 미세입자(Particle), 온도편차 등으로 단결정이 다결정으로 변하는 경우가 있는데, 이 경우에는 성장시켰던 단결정을 멜트 형태로 다시 녹이는 멜트 백(Melt Back) 공정을 실시하게 된다. 단일 풀링(Single Pulling) 공정에서 멜트 백 공정이 많아지게 되면 고온 공정 시간이 늘어나서 멜트를 담고 있는 석영 도가니의 손상(Damage)이 커지게 된다. 또한, 멀티 풀링 공정에서는 평균 160시간 이상동안 고온공정이 진행되고 여러 개의 잉곳을 인출함으로 인해 석영 도가니가 변형되는 문제가 발생할 수 있다.During the growth of silicon single crystals, single crystals may be changed to polycrystals due to particles, temperature deviations, etc. In this case, a melt back process is performed in which the grown single crystals are melted again in a melt form. As the number of melt back processes increases in the single pulling process, the high temperature processing time increases, which increases the damage of the quartz crucible containing the melt. In addition, in the multi-pulling process, a high temperature process may be performed for an average of 160 hours or more, and the quartz crucible may be deformed by drawing out several ingots.
특히, 다결정 실리콘을 고온에서 융해시키는 멜팅 공정(도 2의 (a) 참조)이나 멜트 백 공정(도 2의 (b) 참조)에서는 히터(12)에서 방출되는 고온의 복사열에 의해 석영 도가니(10)가 직접적으로 가열됨으로 인해 도 3에 도시된 바와 같이 석영 도가니(10)의 상부가 변형되는 현상(점선표시 참조)이 종종 발생한다. 이와 관련하여 도 4에는 멜트 백 공정 이후에 석영 도가니(10)의 상부가 변형된 실제 모습(점선표시 참조)이 나타나 있다.In particular, in the melting process (see (a) of FIG. 2) or the melt back process (see (b) of FIG. 2) for melting the polycrystalline silicon at a high temperature, the
석영 도가니(10)가 휘는 등 변형이 발생하게 되면 전술한 바와 같이 석영 도 가니(10)와 열실드(13)가 상호 마찰될 뿐만 아니라 공정조건이 변하게 되어 공정 진행 자체가 불가능하므로 석영 도가니(10) 내에 있는 실리콘 멜트(SM)를 전부 버려야 한다. 이때, 실리콘 멜트(SM) 전체를 응고시켜서 성장장치 외부로 들어내는 것은 실리콘 고체의 부피 팽창으로 인해 석영 도가니(10)를 둘러싸고 있는 부품들이 파손되기 때문에 불가능하다. 따라서, 아주 작은 길이의 잉곳을 여러번 성장시켜서 조금씩 실리콘 멜트량을 줄인 후 석영 도가니(10)에 잔존하는 잔류멜트를 응고시켜서 성장장치 외부로 들어내는 방법이 사용된다. 이러한 작업들은 공정시간이 많이 소요되고 경제적 손실이 매우 클 뿐만 아니라, 작업이 위험하여 안전사고의 발생 우려도 있다.When the
석영 도가니의 물리적 변형을 고려하여 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 공정과 관련된 기술로는 예컨대, 대한민국 특허공개 제2007-46741호에 개시된 실리콘 단결정 제조방법을 들 수 있다. 상기 공개특허에서는 도가니의 변형을 고려하여 인상속도를 제어하는 기술을 개시하고 있다.As a technique related to the process of growing a silicon single crystal ingot in consideration of the physical deformation of the quartz crucible, for example, a method of manufacturing a silicon single crystal disclosed in Korean Patent Publication No. 2007-46741 may be mentioned. The above patent discloses a technique for controlling the pulling speed in consideration of the deformation of the crucible.
그러나, 상기 공개특허에서도 고온의 히터 열에 의한 물리적 변형, 즉 유리(Glass) 전이온도 근처에서 도가니가 휘거나(Bending) 흘러내림(Sagging)에 따른 두께의 변화, 표면박리 등의 문제에 대한 근본적인 해결책은 여전히 제시하지 못하고 있다. 석영 도가니의 물리적인 변형은 Cz법에서 열 및 물질의 전달 메카니즘에 관여하여 단결정 잉곳의 축 대칭을 방해함으로써 고품질 단결정 생산을 곤란하게 한다.However, the above-mentioned patent also discloses a fundamental solution to problems such as physical deformation caused by high temperature heater heat, that is, thickness change due to bending or sagging near glass transition temperature, surface peeling, and the like. Is still not present. Physical deformation of the quartz crucible makes it difficult to produce high quality single crystals by engaging the heat and material transfer mechanisms in the Cz method and disturbing the axial symmetry of the single crystal ingots.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 결정 성장을 위한 고온공정 시 가해지는 히터(Heater)의 열에 의해 석영 도가니의 상부가 변형되는 것을 방지하는 보호구조를 구비한 잉곳 성장장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, an ingot growth apparatus having a protective structure to prevent the upper portion of the quartz crucible from being deformed by the heat of the heater (heater) applied during the high temperature process for crystal growth. The purpose is to provide.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 실리콘 멜트(Melt)가 수용될 수 있는 내부공간이 마련된 석영 도가니와, 상기 석영 도가니를 둘러싸서 지지하는 도가니 지지대와, 상기 도가니 지지대의 바깥에 배치되어 상기 석영 도가니를 가열하는 히터(Heater)와, 상기 석영 도가니, 도가니 지지대 및 히터를 수용하는 챔버를 포함하는, 쵸크랄스키(Cz)법을 수행하기 위한 잉곳 성장장치에 있어서, 상기 히터로부터 상기 석영 도가니에 직접적으로 가해지는 복사열을 차단하도록 상기 석영 도가니의 상부에 결합되는 단열커버;를 구비한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention is a quartz crucible having an inner space capable of accommodating silicon melt, a crucible support for enclosing and supporting the quartz crucible, and disposed outside the crucible support. An ingot growth apparatus for performing a Czochralski (Cz) method comprising a heater for heating a quartz crucible, and a chamber for accommodating the quartz crucible, the crucible support and the heater, wherein the quartz crucible is formed from the heater. And an insulating cover coupled to the upper portion of the quartz crucible so as to block radiant heat applied directly to the quartz crucible.
상기 도가니 지지대의 상단에 비해 상기 석영 도가니의 상단이 상대적으로 높은 구조를 가지며, 상기 단열커버는 상기 석영 도가니의 상단에 인접한 외주면을 둘러싸도록 결합될 수 있다.The top of the crucible crucible has a relatively high structure compared to the top of the crucible support, the insulating cover may be coupled to surround the outer peripheral surface adjacent to the top of the quartz crucible.
대안으로, 상기 단열커버는 상기 석영 도가니의 상단 둘레를 감싸도록 결합될 수 있다.Alternatively, the insulation cover may be coupled to surround the top circumference of the quartz crucible.
상기 단열커버는 그래파이트(Graphite) 또는 CCM(Cabon Composite Material)으로 이루어지는 것이 바람직하다.The heat insulation cover is preferably made of graphite (Craphite) or CCM (Cabon Composite Material).
본 발명에 의하면 결정 성장을 위한 고온공정 중에 히터의 복사열이 석영 도가니의 상부에 직접적으로 가해지는 것을 차단함으로써 고온의 열에 의한 석영 도가니 상부의 물리적 변형(휨, 흘러내림, 표면박리 등)을 방지할 수 있다.According to the present invention, by preventing the radiant heat of the heater from being directly applied to the upper part of the quartz crucible during the high temperature process for crystal growth, physical deformation (bending, flowing down, surface peeling, etc.) of the upper part of the quartz crucible by the high temperature heat is prevented. Can be.
따라서, 본 발명을 쵸크랄스키(Cz)법에 따른 잉곳 성장공정에 적용할 경우 단결정이나 다결정 수율을 향상시킬 수 있으며, 석영 도가니와 열실드 간의 마찰을 방지함으로써 안전사고를 예방할 수 있는 장점이 있다.Therefore, when the present invention is applied to the ingot growth process according to the Czochralski (Cz) method, it is possible to improve the yield of single crystals or polycrystals, and there is an advantage of preventing safety accidents by preventing friction between the quartz crucible and the heat shield. .
이하, 첨부된 도면을 참조하여 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. 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, 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. 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 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉곳 성장장치의 주요 구성을 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing the main configuration of the ingot growth apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉곳 성장장치는 석 영 도가니(100)와, 석영 도가니(100)를 둘러싸서 지지하는 도가니 지지대(101)와, 석영 도가니(100)의 상부에 결합되는 단열커버(102)와, 도가니 지지대(101)의 바깥에 배치되어 석영 도가니(100)를 가열하는 히터(103)와, 성장되는 결정 잉곳(1)과 석영 도가니(100) 사이에 배치되는 열실드(104)와, 도가니 지지대(101)의 하부를 지지하는 서포터(105)를 포함한다. 비록 도면에는 미도시되었으나 상기 구성요소들은 잉곳 성장장치의 돔(Dome)형 챔버 내에 수용된다.Referring to FIG. 5, an ingot growth apparatus according to an exemplary embodiment of the present invention may include a
석영 도가니(100)의 내부공간에는 잉곳 원료로서 다결정 실리콘이 적재되고, 이 다결정 실리콘은 히터(103)의 복사열에 의해 용융되어 실리콘 멜트(SM) 상으로 전환된다.Polycrystalline silicon is loaded in the internal space of the
도가니 지지대(101)는 석영 도가니(100)의 외주면을 둘러싸면서 긴밀히 결합되어 석영 도가니(100)를 지지한다. 도가니 지지대(101)는 내열성과 전도성을 모두 갖춘 그래파이트(Graphite)나, 내열성과 단열성을 갖춘 CCM(Cabon Composite Material) 소재로 구성되는 것이 바람직하다.The
히터(103)는 도가니 지지대(101)의 측벽으로부터 소정 거리 이격되어 원통형으로 둘러싸도록 설치되어 석영 도가니(100)를 가열함으로써 도가니 내부에 복사열을 제공한다.The
석영 도가니(100)의 상단은 도가니 지지대(101)의 상단에 비해 상대적으로 높게 돌출된 구조를 갖는다.The upper end of the
결정성장을 위한 고온공정의 진행을 위해 석영 도가니(100)의 돌출 부분에는 단열커버(102)가 결합되어 히터(103)의 열에 의한 석영 도가니(100) 상부의 물리적 변형을 방지한다. 단열커버(102)는 석영 도가니(100)의 상단에 인접한 외주면을 링(Ring) 형태로 둘러싸면서 긴밀히 결합되어 히터(103)로부터 가해지는 복사열에 석영 도가니(100)의 상부가 직접적으로 노출되는 것을 방지한다.
석영 도가니(100)에 대한 직접적인 가열을 보다 효과적으로 방지하기 위해, 단열커버(102)는 도가니 지지대(101)의 상단에 밀착 결합되는 것이 바람직하다. 단열커버(102)의 소재로는, 도가니 지지대(101)와의 결합성이나 열팽창율, 열전도율 등을 고려할 때, 그래파이트(Graphite)나 CCM(Cabon Composite Material)이 채택되는 것이 바람직하다.In order to more effectively prevent direct heating to the
본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이 석영 도가니(100)의 상단 둘레를 감싸도록 결합되는 구조를 가진 단열커버(102)를 구비한 잉곳 성장장치가 제공된다.According to another preferred embodiment of the present invention, there is provided an ingot growth apparatus having an insulating
단열커버(102)는 석영 도가니(100)의 외주면을 링(Ring) 형태로 둘러싸는 동시에 석영 도가니(100)의 상단 둘레를 감싸는 형태로 제공된다. 본 실시예에서 단열커버(102)는 석영 도가니(100)의 상단 둘레를 감싸면서 일부가 석영 도가니(100)의 상단에 인접한 내주면까지 연장된다. 이와 같은 구조에 따르면 석영 도가니(100)의 상단이 직접적으로 히터(103)의 복사열에 노출되는 것을 보다 효과적으로 방지할 수 있으며, 석영 도가니(100)의 상단을 물리적으로 보다 견고히 지탱해 줄 수 있다.The
단열커버(102)는 쵸크랄스키(Cz)법에 따른 결정 성장을 위한 고온공정 시에 사용되고, 고온공정 전후에는 필요 여부에 따라 제거될 수 있다. 단열커버(102)의 제거 시 단열커버(102)가 위치하던 부분에는 석영 도가니(100)의 이동 등 취급의 편의를 제공하기 위해 석영 도가니(100)의 개구부를 폐쇄하기 위한 소정의 도가니 커버(미도시)가 결합될 수 있다.The
상기와 같은 구성을 갖는 잉곳 성장장치는 멜팅 공정이나 멜트 백 공정을 수행하는 쵸크랄스키(Cz)법의 결정 성장공정에 적용된다.The ingot growth apparatus having the above configuration is applied to the crystal growth process of Czochralski (Cz) method that performs the melting process or the melt back process.
결정 성장공정에서는 히터(103)로부터 제공되는 복사열에 의해 석영 도가니(100)가 가열된다. 이때 석영 도가니(100)의 상부에는 단열커버(102)가 구비되므로 석영 도가니(100)의 상단이나 그 인접 부분은 복사열에 직접적으로 노출되지 않는다. 따라서, 고온의 열에 의해 석영 도가니(100)가 휘거나 흘러내리는 물리적 변형이 방지될 수 있다.In the crystal growth process, the
석영 도가니(100)에 복사열이 가해지면 석영 도가니(100)에 적재된 다결정 실리콘 원료는 실리콘 멜트(SM) 형태로 용융된다. 이후 실리콘 멜트(SM)에 결정 시드를 담근 상태에서 상기 시드를 회전시키면서 상부로 서서히 인상하여 고액계면을 통해 결정을 성장시키면 단결정이나 다결정 잉곳이 제조된다.When radiant heat is applied to the
이상에서 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.Although the present invention has been described above by means of limited embodiments and drawings, the present invention is not limited thereto and will be described below by the person skilled in the art to which the present invention pertains. 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, 상술한 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 preferred 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 잉곳 성장장치의 구성 및 동작을 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing the configuration and operation of the ingot growth apparatus according to the prior art.
도 2는 종래기술에 따른 멜팅 공정과 멜트 백 공정의 진행 시 잉곳 성장장치의 열 분포를 개략적으로 도시한 단면도이다.2 is a cross-sectional view schematically showing the heat distribution of the ingot growth apparatus during the melting process and the melt back process according to the prior art.
도 3은 도 2의 열 분포에 의해 석영 도가니의 상부에 발생한 변형을 도시한 단면도이다.FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating a deformation occurring in an upper portion of a quartz crucible by the heat distribution of FIG. 2.
도 4는 종래기술에 따른 멜트 백 공정에 의해 발생한 석영 도가니 상부의 실제 변형을 도시한 사진이다.Figure 4 is a photograph showing the actual deformation of the top of the quartz crucible generated by the melt back process according to the prior art.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 잉곳 성장장치의 주요 구성을 도시한 단면도이다.5 is a cross-sectional view showing the main configuration of the ingot growth apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 잉곳 성장장치의 주요 구성을 도시한 단면도이다.6 is a cross-sectional view showing the main configuration of the ingot growth apparatus according to another preferred embodiment of the present invention.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명><Description of Major Reference Marks in Drawings>
100: 석영 도가니 101: 도가니 지지대100: quartz crucible 101: crucible support
102: 단열커버 103: 히터102: heat insulation cover 103: heater
104: 열실드 105: 서포터104: heat shield 105: supporter
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