KR20130109596A - Silicon single crystal ingot cooling tube and silicon single crystal ingot growth apparatus having the same - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A water-cooled tube for cooling a silicon single crystal ingot and a silicon single crystal growth device including the same improve the cooling speed of the silicon single crystal ingot by effectively absorbing radiation heat discharged from the ingot when the silicon single crystal grows. CONSTITUTION: A water-cooled tube (140) cools a silicon single crystal ingot growing in a silicon solution. The water-cooled tube includes a water-cooled body (141) and an aluminum-nitride coating layer (143). Cooling water circulates inside the water-cooled tube body to cool the silicon single crystal ingot. The water-cooled tube body is composed of an inner tube (141a) and an outer tube (141b). A cooling water inlet (142a) and a cooling water outlet (142b) are formed on one side and the other side of the water-cooled tube body, respectively. The aluminum-nitride coating layer absorbs radiation heat discharged from the ingot when the silicon single crystal ingot grows.

Description

실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관 및 이를 구비하는 실리콘 단결정 성장장치{SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT COOLING TUBE AND SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT GROWTH APPARATUS HAVING THE SAME}Silicon single crystal ingot cooling water cooling tube and silicon single crystal growth apparatus having the same {SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT COOLING TUBE AND SILICON SINGLE CRYSTAL INGOT GROWTH APPARATUS HAVING THE SAME}

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 장치에 관한 것으로서, 특히 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 잉곳의 냉각 속도를 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관 및 이를 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에 관한 것이다. The present invention relates to a device for growing a silicon single crystal ingot, and more particularly, to a silicon single crystal ingot cooling water cooling tube capable of improving the cooling rate of an ingot during silicon single crystal ingot growth, and a silicon single crystal ingot growth apparatus having the same.

반도체 소자의 제조 시 기판으로 주로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)는 일반적으로 고순도 다결정 실리콘을 제조한 후, 쵸크랄스키법(이하, 'CZ법'이라 함) 등을 이용하여 다결정 실리콘 용액으로부터 단결정 잉곳을 성장시키고, 성장된 잉곳을 얇게 절단하여 실리콘 웨이퍼를 생산하며, 웨이퍼의 일면을 경면 연마(polishing)하고 세정한 후 최종 품질검사하여 제조한다. Silicon wafers, which are mainly used as substrates in the manufacture of semiconductor devices, generally manufacture high-purity polycrystalline silicon, and then use a Czochralski method (hereinafter referred to as "CZ method") to form a single crystal ingot from a polycrystalline silicon solution. Is grown, and the grown ingot is thinly cut to produce a silicon wafer, and one surface of the wafer is mirror polished and cleaned, and then manufactured by final quality inspection.

실리콘 용액으로부터 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치는 잉곳 성장 시 내부에 냉각수가 흐르면서 잉곳에서 방출되는 복사열을 흡수하여 잉곳을 냉각시키는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관을 구비한다. 이러한 수냉관은 잉곳 성장 시 잉곳의 냉각속도를 상승시킴으로써 잉곳 성장에 대한 생산성을 향상시키는데 중요한 역할을 한다.A silicon single crystal ingot growth apparatus for growing a silicon single crystal ingot from a silicon solution includes a water cooling tube for cooling a silicon single crystal ingot cooling the ingot by absorbing radiant heat emitted from the ingot while cooling water flows therein during ingot growth. This water cooling tube plays an important role in improving the productivity of ingot growth by increasing the cooling rate of the ingot during ingot growth.

그러나, 종래의 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관은 관자체가 스테인리스 스틸(Stainless steel) 재질로 이루어져 잉곳에서 방출되는 복사열을 효과적으로 흡수하지 못하는 문제점이 있다. 또한, 수냉관이 실리콘 용액과 근접하게, 즉 수냉관의 길이가 길어 잉곳의 하부까지 내려오면 그 면적이 넓어 열흡수를 더 효과적으로 할 수 있겠지만, 잉곳 성장 시 잉곳 직경제어 장치의 시야확보(1, 도 1 참조)를 위해 그 길이를 연장시키는데 한계가 있다. 따라서, 수냉관이 동일한 면적에도 더욱 효과적인 열흡수를 위한 수냉관의 구조 개선이 필요하다.However, the conventional silicon single crystal ingot cooling water cooling tube has a problem that the tube itself is made of stainless steel (Stainless steel) material does not effectively absorb the radiant heat emitted from the ingot. In addition, if the water cooling tube is close to the silicon solution, that is, the length of the water cooling tube is lowered to the lower part of the ingot, the area of the water cooling tube may be wider, so that the heat absorption may be more effective. There is a limit to extending its length. Therefore, it is necessary to improve the structure of the water cooling tube for more effective heat absorption in the same area as the water cooling tube.

본 발명은 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 잉곳에서 방출되는 복사열을 효과적으로 흡수하여 실리콘 단결정 잉곳의 냉각 속도를 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관을 제공하고자 한다.The present invention is to provide a silicon single crystal ingot cooling water cooling tube that can effectively absorb the radiant heat emitted from the ingot during silicon single crystal ingot growth to improve the cooling rate of the silicon single crystal ingot.

또한, 본 발명은 상기와 같은 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관을 이용하여 단결정 성장 시 잉곳의 냉각 속도를 개선함으로써 단결정 잉곳을 빠른 속도로 인상할 수 있어 단위 시간당 잉곳의 성장속도를 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정 잉곳 성장 장치를 제공하고자 한다.In addition, the present invention can raise the single crystal ingot at a high speed by improving the cooling rate of the ingot during single crystal growth by using the silicon single crystal ingot cooling water cooling tube as described above to improve the growth rate of the ingot per unit time It is intended to provide a single crystal ingot growth apparatus.

본 발명은 실리콘 용액으로부터 성장하는 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키는 수냉관에 있어서, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각수가 내부에 순환하는 수냉관 몸체; 및 상기 수냉관 몸체의 표면에 형성되어 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 상기 잉곳에서 방출되는 복사열을 흡수하는 질화알루미늄 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관을 개시한다.The present invention provides a water cooling tube for cooling a silicon single crystal ingot grown from a silicon solution, the water cooling tube body circulating therein with cooling water for cooling the silicon single crystal ingot; And an aluminum nitride coating layer formed on a surface of the water cooling tube body to absorb radiant heat emitted from the ingot when the silicon single crystal ingot is grown.

또한, 상기 질화알루미늄 코팅층은 상기 수냉관 몸체의 내벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관을 개시한다.In addition, the aluminum nitride coating layer discloses a silicon single crystal ingot cooling water cooling tube, characterized in that formed on the inner wall of the water cooling tube body.

또한, 상기 질화알루미늄 코팅층은 상기 질화알루미늄을 원료로 배합시킨 코팅제를 고온에서 흡착 소결하여 상기 수냉관 몸체의 표면에 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관을 개시한다.In addition, the aluminum nitride coating layer discloses a water-cooled tube for silicon single crystal ingot cooling, characterized in that formed by coating the surface of the water-cooled tube body by adsorbing and sintering a coating agent containing the aluminum nitride as a raw material at a high temperature.

또한, 본 발명은 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 공정들이 수행되는 챔버; 상기 챔버의 내부에 설치되며, 실리콘 용액이 담기는 도가니; 상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 도가니를 가열하는 히터; 및 상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 실리콘 용액으로부터 성장하는 상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관을 포함하되, 상기 수냉관은, 상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각수가 내부에 순환하는 수냉관 몸체; 및 상기 수냉관 몸체의 표면에 형성되어 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 상기 잉곳에서 방출되는 복사열을 흡수하는 질화알루미늄 코팅층을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개시한다.In addition, the present invention comprises a chamber in which processes for growing a silicon single crystal ingot are performed; A crucible installed inside the chamber and containing a silicon solution; A heater installed inside the chamber and heating the crucible; And a water cooling tube for cooling the silicon single crystal ingot, which is installed inside the chamber and cools the silicon single crystal ingot growing from the silicon solution, wherein the water cooling tube has a cooling water therein for cooling the silicon single crystal ingot. Circulating water cooling tube body; And an aluminum nitride coating layer formed on a surface of the water cooling tube body to absorb radiant heat emitted from the ingot when the silicon single crystal ingot is grown.

본 발명에 따른 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관 및 이를 구비하는 실리콘 단결정 성장장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.The silicon single crystal ingot cooling water cooling tube and the silicon single crystal growth apparatus having the same according to the present invention have the following effects.

(1) 본 발명은 단결정 성장 시 잉곳이 수냉관의 내부를 통과하면서 방출하는 복사열을 수냉관의 표면에 형성된 질화알루미늄 코팅층을 통해 효과적으로 신속하게 흡수하여 잉곳의 냉각 속도를 개선할 수 있다는 효과를 갖는다.(1) The present invention has the effect of effectively absorbing the radiant heat emitted while the ingot passes through the interior of the water cooling tube during the single crystal growth through the aluminum nitride coating layer formed on the surface of the water cooling tube to improve the cooling rate of the ingot. .

(2) 본 발명은 단결정 성장 시 잉곳의 냉각 속도를 개선함으로써 단결정 잉곳을 빠른 속도로 인상할 수 있어 단위 시간당 잉곳의 성장속도를 향상시킬 수 있다는 효과를 갖는다.(2) The present invention has the effect of improving the growth rate of the ingot per unit time can be increased by increasing the single crystal ingot at a high speed by improving the cooling rate of the ingot during single crystal growth.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개략 도시하는 단면도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관을 개략 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 수냉관 내로 성장되는 잉곳의 열분포도를 비교하여 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 수냉관 내로 성장되는 잉곳의 온도분포를 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 잉곳 성장 시 열유동율을 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 잉곳 성장 시 열흡수계수에 따른 G값을 비교하여 보여주는 그래프이다.
도 7은 G값의 정의를 설명하기 위한 도면이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a silicon single crystal ingot growth apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view schematically showing a water cooling tube for cooling a silicon single crystal ingot shown in FIG. 1.
Figure 3 is a view showing a comparison of the thermal distribution of the ingot grown into a water cooling tube in the present invention and a conventional silicon single crystal ingot growth apparatus.
Figure 4 is a graph showing a comparison of the temperature distribution of the ingot grown in the water cooling tube in the present invention and a conventional silicon single crystal ingot growth apparatus.
Figure 5 is a graph showing a comparison of the heat flow rate during ingot growth in the present invention and the conventional silicon single crystal ingot growth apparatus.
6 is a graph showing a comparison of G values according to heat absorption coefficients during ingot growth in the present invention and a conventional silicon single crystal ingot growth apparatus.
7 is a diagram for explaining the definition of a G value.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치를 개략 도시하는 단면도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관을 개략 도시하는 단면도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a silicon single crystal ingot growth apparatus according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a water cooling tube for cooling a silicon single crystal ingot shown in FIG. 1.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(100)는 챔버(110), 도가니(120), 히터(130) 및 수냉관(140)을 포함한다.1 and 2, the silicon single crystal ingot growth apparatus 100 according to the preferred embodiment of the present invention includes a chamber 110, a crucible 120, a heater 130, and a water cooling tube 140. do.

챔버(110)는 반도체 등의 전자부품 소재로 사용되는 실리콘 웨이퍼(wafer)용 단결정 잉곳(IG)을 성장시키기 위한 소정의 공정들이 수행되는 공간을 제공한다. 여기서, 실리콘 단결정 잉곳(IG) 성장을 위한 대표적인 제조방법으로는 단결정인 종자결정(seed crystal)(미도시)을 실리콘 용액(SM)에 담근 후 천천히 끌어 올리면서 결정을 성장시키는 쵸크랄스키(Czochralsk.CZ)법이 있다. 이 방법에 따르면, 먼저, 종자결정으로부터 가늘고 긴 결정을 성장시키는 네킹(necking)공정을 거치고 나면, 결정을 직경방향으로 성장시켜 목표직경으로 만드는 솔더링(shouldering)공정을 거치며, 이후에는 일정한 직경을 갖는 결정으로 성장시키는 바디그로잉(body growing)공정을 거치며, 일정한 길이만큼 바디그로잉이 진행된 후에는 결정의 직경을 서서히 감소시켜 결국 실리콘 용액(SM)으로부터 분리하는 테일링(tailing)공정을 거쳐 단결정 성장이 마무리된다.The chamber 110 provides a space in which predetermined processes are performed to grow a single crystal ingot IG for a silicon wafer used as an electronic component material such as a semiconductor. Here, a typical manufacturing method for growing a silicon single crystal ingot (IG) is Czochralsk (Czochralsk) to grow the crystal while immersing the seed crystal (seed crystal) (not shown), which is a single crystal in the silicon solution (SM) and then slowly pull up .CZ) method. According to this method, first, a necking process of growing thin and long crystals from seed crystals is followed by a soldering process of growing the crystals in the radial direction to a target diameter, and then having a constant diameter. After the body growing process to grow into crystals, after the body grows to a certain length, the single crystal grows through a tailing process that gradually reduces the diameter of the crystal and finally separates it from the silicon solution (SM). This is the finish.

챔버(110) 내에는 실리콘 용액(SM)으로부터 성장하는 실리콘 단결정 잉곳(IG)으로 복사되는 열을 차단하기 위하여 열차폐부재, 예컨대 열실드(heat shield)(111)가 설치된다. 또한, 챔버(110)의 내벽에는 후술할 히터(130)의 열이 챔버(110)의 측벽부로 방출되지 못하도록 단열재(미도시)가 설치될 수 있다.In the chamber 110, a heat shielding member, such as a heat shield 111, is installed to block heat radiated from the silicon solution SM to the silicon single crystal ingot IG. In addition, a heat insulating material (not shown) may be installed on the inner wall of the chamber 110 so that heat of the heater 130 to be described later is not discharged to the side wall of the chamber 110.

도가니(120)는 실리콘 용액(SM)을 담을 수 있도록 챔버(110)의 내부에 구비되며, 석영 재질로 이루어진다. 도가니(120)의 외부에는 도가니(120)를 지지할 수 있도록 흑연으로 이루어지는 도가니 지지대(121)가 구비될 수 있다. 도가니 지지대(121)는 회전축(123) 상에 고정 설치되고, 이 회전축(123)은 구동수단(미도시)에 의해 회전되어 도가니(120)를 회전 및 승강 운동시키면서 고액 계면이 동일한 높이를 유지하도록 한다. The crucible 120 is provided inside the chamber 110 to contain the silicon solution SM and is made of quartz. A crucible support 121 made of graphite may be provided outside the crucible 120 to support the crucible 120. The crucible support 121 is fixedly installed on the rotation shaft 123, and the rotation shaft 123 is rotated by a driving means (not shown) so that the solid liquid interface maintains the same height while rotating and elevating the crucible 120. do.

히터(130)는 도가니(120)를 가열하도록 챔버(110)의 내부에 설치된다. 보다 상세하게는, 히터(130)는 도가니(120)를 에워싸는 원통형으로 이루어질 수 있다. 이러한 히터(130)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여 실리콘 용액(SM)으로 만들게 된다.The heater 130 is installed inside the chamber 110 to heat the crucible 120. In more detail, the heater 130 may be formed in a cylindrical shape surrounding the crucible 120. The heater 130 melts the high-purity polycrystalline silicon mass loaded in the crucible 120 into a silicon solution SM.

실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관(140)은 실리콘 용액(SM)으로부터 성장하는 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 냉각시키는 역할을 한다. 수냉관(140)은 도가니(120)의 실리콘 용액(SM)에서 성장되면서 인상되는 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 그 내부를 통과하면서 냉각되도록 챔버(110)의 내부 중앙 상부에 설치된다.The water cooling tube 140 for cooling the silicon single crystal ingot serves to cool the silicon single crystal ingot IG growing from the silicon solution SM. The water cooling tube 140 is installed on the inner center upper portion of the chamber 110 so that the silicon single crystal ingot IG, which is raised while growing in the silicon solution SM of the crucible 120, is cooled while passing through the inside thereof.

수냉관(140)은 수냉관 몸체(141) 및 질화알루미늄 코팅층(143)을 포함한다.The water cooling tube 140 includes a water cooling tube body 141 and an aluminum nitride coating layer 143.

수냉관 몸체(141)는 내측관(141a) 및 외측관(141b)으로 구성될 수 있다. 내측관(141a)은 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 잉곳(IG)의 외곽을 감싸도록 상하면이 개방된 원통형상으로 형성될 수 있다. 외측관(141b)은 내측관(141a)의 직경보다 큰 직경을 갖는 원통형상으로 형성되며, 내측관(141a)과의 사이에 냉각수의 유동 공간이 형성된다. 또한, 수냉관 몸체(141)는 상부 일측에 냉각수가 유입되는 냉각수 유입구(142a)가 형성되고, 상부 타측에 냉각수가 배출되는 냉각수 배출구(142b)가 각각 형성된다. 또한, 도면에 도시된 바 없지만, 냉각수 유입구(142a) 및 냉각수 배출구(142b)는 외부의 냉각수 순환장치에 연결되어 계속적으로 냉각수가 유입 및 배출되는 순환 사이클이 반복된다. 수냉관 몸체(141)는 종래의 수냉관과 동일한 스테인리스 스틸 재질로 제작된다.The water cooling tube body 141 may be configured of an inner tube 141a and an outer tube 141b. The inner tube 141a may be formed in a cylindrical shape having an upper and a lower surface open to surround the outside of the ingot IG during silicon single crystal ingot growth. The outer tube 141b is formed in a cylindrical shape having a diameter larger than that of the inner tube 141a, and a flow space of cooling water is formed between the outer tube 141a and the inner tube 141a. In addition, the water cooling pipe body 141 is formed with a cooling water inlet 142a through which the coolant flows in one upper portion, and a cooling water outlet 142b through which the coolant is discharged in the other upper portion. In addition, although not shown in the drawings, the cooling water inlet 142a and the cooling water outlet 142b are connected to an external cooling water circulator so that a circulation cycle in which the cooling water is continuously introduced and discharged is repeated. The water cooling tube body 141 is made of the same stainless steel material as the conventional water cooling tube.

질화알루미늄 코팅층(143)은 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 잉곳(IG)에서 방출되는 복사열을 흡수할 수 있도록 수냉관 몸체(141)의 표면에 형성된다. 여기서, 질화알루미늄은 AlN의 화학식으로 표시되는 화합물로서, 금속 알루미늄의 질화, 알루미나의 환원질화 또는 알루미나 화합물과 암모니아와의 반응으로 얻은 가루를 소결 원료로 하며, 내열성, 내식성, 열전도성 등이 우수하여 IC기판재료, 금속 융해재, 방열 절연재 등의 용도로 널리 사용되고 있다. 질화알루미늄 코팅층(143)은 질화알루미늄을 원료로 배합시킨 코팅제를 고온에서 흡착 소결하여 수냉관 몸체(141)의 표면에 코팅하여 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 질화알루미늄 코팅층(143)을 수냉관 몸체(141)의 표면 전체에 코팅하여 형성하는 구성을 예시하였으나, 이에 한정되지 않고 성장하는 잉곳(IG)과 대향되는 수냉관 몸체(141)의 내벽에만 질화알루미늄 코팅층(143)을 코팅하여 형성할 수도 있다.The aluminum nitride coating layer 143 is formed on the surface of the water cooling tube body 141 to absorb the radiant heat emitted from the ingot IG during silicon single crystal ingot growth. Here, aluminum nitride is a compound represented by the chemical formula of AlN, and powder obtained by nitriding metal aluminum, reducing nitriding of alumina or reacting alumina compound with ammonia is used as a sintering raw material, and has excellent heat resistance, corrosion resistance, thermal conductivity, etc. It is widely used for applications such as IC substrate materials, metal melting materials, and heat dissipating insulating materials. The aluminum nitride coating layer 143 may be formed by adsorbing and sintering a coating agent containing aluminum nitride as a raw material at a high temperature to coat the surface of the water cooling tube body 141. In the present exemplary embodiment, the aluminum nitride coating layer 143 is formed by coating the entire surface of the water cooling tube body 141. However, the present invention is not limited thereto, and the water cooling tube body 141 facing the growing ingot IG is not limited thereto. It may be formed by coating the aluminum nitride coating layer 143 only on the inner wall.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(100)는 도가니(120) 내에 적재된 고순도의 다결정 실리콘 덩어리를 히터(130)로 가열 용융하여 실리콘 용액(SM)으로 만든다. 단결정인 종자결정(미도시)을 실리콘 용액(SM)에 접촉시킨 후, 회전하면서 서서히 끌어올려 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 성장시킨다. 이때, 수냉관(140)은 관 내부에 흐르는 냉각수를 통해 실리콘 용액(SM)에서 성장되면서 수냉관 몸체(141)의 내부를 통과하면서 인상되는 실리콘 단결정 잉곳(IG)을 냉각시킨다. 또한, 수냉관(140)은 잉곳(IG)이 수냉관(140)의 내부를 통과하면서 방출하는 복사열을 수냉관 몸체(41)의 표면에 형성된 질화알루미늄 코팅층(143)을 통해 효과적으로 신속하게 흡수하여 잉곳(IG)의 냉각 속도를 개선하게 된다. 따라서, 본 발명은 단결정 성장 시 잉곳(IG)의 냉각 속도를 개선함으로써 단결정 잉곳(IG)을 빠른 속도로 인상할 수 있어 단위 시간당 잉곳의 성장속도를 향상시킬 수 있다.The silicon single crystal ingot growth apparatus 100 of the present invention configured as described above heats and melts a high purity polycrystalline silicon mass loaded in the crucible 120 to the heater 130 to form a silicon solution SM. After seed crystal (not shown), which is a single crystal, is brought into contact with the silicon solution SM, the silicon single crystal ingot IG is grown by slowly pulling it while rotating. At this time, the water cooling tube 140 is grown in the silicon solution (SM) through the cooling water flowing inside the tube to cool the silicon single crystal ingot (IG) pulled while passing through the interior of the water cooling tube body 141. In addition, the water cooling tube 140 effectively and quickly absorbs radiant heat emitted from the ingot IG while passing through the inside of the water cooling tube 140 through the aluminum nitride coating layer 143 formed on the surface of the water cooling tube body 41. The cooling rate of the ingot IG is improved. Therefore, the present invention can raise the single crystal ingot IG at a high speed by improving the cooling rate of the ingot IG during single crystal growth, thereby improving the growth rate of the ingot per unit time.

이하, 도 3 내지 도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 수냉관 내로 1000mm 성장시킨 잉곳의 열분포도, 열유동율 및 열흡수계수에 따른 G값를 비교하는 실험을 실시하였다.Hereinafter, as shown in FIGS. 3 to 7, experiments were performed to compare the G value according to the heat distribution, heat flow rate, and heat absorption coefficient of the ingot grown in the water cooling tube by 1000 mm in the present invention and the conventional silicon single crystal ingot growth apparatus. .

도 3은 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 수냉관 내로 1000mm 성장시킨 잉곳의 열분포도를 비교하여 보여주는 도면이다. 구체적으로, 도 3(A)는 종래의 수냉관을 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 성장시킨 실리콘 단결정 잉곳의 열분포도이고, 도 3(B)는 본 발명의 실시예에 따라 질화알루미늄(AlN)을 코팅하여 형성된 수냉관을 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 성장시킨 단결정 잉곳의 열분포도이다.Figure 3 is a view showing a comparison of the thermal distribution of the ingot grown 1000mm into a water cooling tube in the present invention and the conventional silicon single crystal ingot growth apparatus. Specifically, FIG. 3 (A) is a thermal distribution diagram of a silicon single crystal ingot grown in a silicon single crystal ingot growth apparatus having a conventional water cooling tube, and FIG. 3 (B) is aluminum nitride (AlN) according to an embodiment of the present invention. Is a thermal distribution diagram of a single crystal ingot grown in a silicon single crystal ingot growth apparatus having a water cooling tube formed by coating a film.

도 4는 도 3에 따른 잉곳의 온도분포 그래프로서, 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 수냉관 내로 1000mm 성장시킨 잉곳의 온도분포를 비교하여 보여주는 그래프이다. 구체적으로, (A) Normal은 종래의 수냉관을 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 성장시킨 단결정 잉곳의 온도분포이고, (B) AlN_Coating은 본 발명의 실시예에 따라 질화알루미늄(AlN)을 코팅하여 형성된 수냉관을 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 성장시킨 단결정 잉곳의 온도분포이다. 4 is a graph showing the temperature distribution of the ingot according to FIG. 3, which compares the temperature distribution of the ingot grown 1000 mm into a water cooling tube in the present invention and a conventional silicon single crystal ingot growth apparatus. Specifically, (A) Normal is a temperature distribution of a single crystal ingot grown in a silicon single crystal ingot growth apparatus having a conventional water cooling tube, and (B) AlN_Coating is coated with aluminum nitride (AlN) according to an embodiment of the present invention. Temperature distribution of a single crystal ingot grown in a silicon single crystal ingot growth apparatus having a water cooling tube formed.

도 3에서 등온선 간의 간격은 일정 거리로 이격된 두 지점의 온도차이, 즉 거리당 온도 차이량을 의미하며, 도 4에서 온도 기울기 값은 기울기 값이 클수록 도 3의 두 지점 사이의 열전달량이 많다는 것을 의미한다. 따라서, 도 3에서 (B)와 같이 등온선 간의 간격이 좁을수록, 그리고 도 4에서 (B) AlN_Coating와 같이 온도 기울기 값이 클수록, 단결정 잉곳 성장 시 잉곳의 냉각속도가 상승한다는 것을 의미한다.In FIG. 3, an interval between isotherms means a temperature difference between two points spaced apart from each other by a predetermined distance, that is, an amount of temperature difference per distance. In FIG. 4, the larger the temperature gradient, the greater the heat transfer between the two points of FIG. 3. it means. Therefore, the narrower the interval between isotherms as shown in (B) in FIG. 3 and the larger the temperature gradient value as in (B) AlN_Coating in FIG. 4, the higher the cooling rate of the ingot during single crystal ingot growth.

도 5는 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 잉곳의 1000mm 성장 시 열유동율을 비교하여 보여주는 그래프이다. Figure 5 is a graph showing a comparison of the heat flow rate of the growth of the ingot 1000mm in the present invention and the conventional silicon single crystal ingot growth apparatus.

도 5에서 보는 바와 같이, 잉곳의 성장 길이에 따른 단위 면적당 전달되는 열유동율(Heat Flow Rate per Unit Area; Heat Flux)을 비교하는 실험결과에 따르면, 종래의 수냉관을 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 제조시 열유동율(A)보다 본 발명의 실시예에 따라 질화알루미늄(AlN)을 코팅하여 형성된 수냉관(140)을 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(100)에서의 잉곳(IG) 제조시 열유동율(B)가 더 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 실리콘 단결정 잉곳(IG)이 질화알루미늄을 코팅하여 형성된 수냉관(140)으로 성장하여 진입하였을 때 잉곳(IG)에서 방출되는 복사율이 수냉관(140)으로 흡수되기까지 냉각속도가 향상된 것을 의미한다.As shown in Figure 5, according to the experimental results of comparing the heat flow rate (Heat Flow Rate per unit Area; Heat Flux) transmitted according to the growth length of the ingot, silicon single crystal ingot growth apparatus having a conventional water cooling tube Ingot (IG) production in silicon single crystal ingot growth apparatus 100 having a water cooling tube 140 formed by coating aluminum nitride (AlN) according to an embodiment of the present invention rather than the heat flow rate (A) during ingot production in It can be seen that the time heat flux (B) is greater. That is, in the present invention, when the silicon single crystal ingot IG grows into the water cooling tube 140 formed by coating aluminum nitride and enters the cooling rate until the radiation rate emitted from the ingot IG is absorbed into the water cooling tube 140. Means improved.

아래 표 1은 종래의 스테인리스 스틸 수냉관과 본 발명의 질화알루미늄 코팅 수냉관의 열흡수계수를 비교한 표이다.
Table 1 below is a table comparing the heat absorption coefficient of the conventional stainless steel water cooling tube and the aluminum nitride coated water cooling tube of the present invention.


종래의 스테인리스 스틸 수냉관
Conventional stainless steel water cooling tube

0.55
0.55
본 발명의 질화알루미늄 코팅 수냉관
Aluminum nitride coated water cooling tube of the present invention

0.95
0.95

표 1에 의하면, 종래의 스테인리스 스틸 수냉관의 열흡수계수 0.55인 반면, 본 발명의 질화알루미늄 코팅 수냉관(140)의 열흡수계수는 0.95이다. 이를 통해, 본 발명의 실시예에 따라 질화알루미늄(AlN)을 코팅하여 형성된 수냉관(140)이 종래의 스테인리스 스틸 수냉관 보다 잉곳에서 방출되는 복사열을 더 효과적으로 흡수함으로써 잉곳(IG)의 냉각속도가 향상된다는 것을 알 수 있다.According to Table 1, the heat absorption coefficient of the conventional stainless steel water cooling tube is 0.55, while the heat absorption coefficient of the aluminum nitride coated water cooling tube 140 of the present invention is 0.95. Through this, the water cooling tube 140 formed by coating aluminum nitride (AlN) according to an embodiment of the present invention more effectively absorbs the radiant heat emitted from the ingot than the conventional stainless steel water cooling tube, thereby reducing the cooling rate of the ingot IG. It can be seen that the improvement.

도 6은 본 발명과 종래의 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 잉곳 성장 시 열흡수계수에 따른 G값을 비교하여 보여주는 그래프이다.6 is a graph showing a comparison of G values according to heat absorption coefficients during ingot growth in the present invention and a conventional silicon single crystal ingot growth apparatus.

도 6에서 보는 바와 같이, 종래의 수냉관을 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서의 잉곳 제조시 G값(Normal_CWJ)보다 본 발명의 실시예에 따라 질화알루미늄(AlN)을 코팅하여 형성된 수냉관(140)을 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(100)에서의 잉곳(IG) 제조시 G값(AlN Coated_CWJ)이 더 크다는 것을 알 수 있다. 여기서, G값은 도 7을 참조하여 설명하면, T1 구간(1412~1250℃)의 냉각속도 G1을 의미하며, 이 값을 높게 가져감으로써 실리콘 단결정 잉곳 성장의 인상속도를 증가시킬 수 있는 효과를 가져올 수 있다.As shown in FIG. 6, a water cooling tube 140 formed by coating aluminum nitride (AlN) according to an embodiment of the present invention rather than a G value (Normal_CWJ) during ingot manufacture in a silicon single crystal ingot growth apparatus having a conventional water cooling tube. It can be seen that the G value (AlN Coated_CWJ) is larger when the ingot (IG) is manufactured in the silicon single crystal ingot growth apparatus 100 having). Here, when the G value is described with reference to FIG. 7, the cooling rate G 1 of the T 1 section (1412 ~ 1250 ℃) means, by increasing this value can increase the pulling rate of silicon single crystal ingot growth. It can bring an effect.

상기와 같은 실험결과를 통하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 질화알루미늄(AlN)을 코팅하여 제작된 수냉관(140)을 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(100)에서 성장시킨 단결정 잉곳(IG)의 냉각속도가 종래의 수냉관을 구비하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치에서 성장시킨 단결정 잉곳의 냉각속도에 비하여 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 질화알루미늄 코팅층(143)을 시행한 수냉관(140)으로 제작된 실리콘 단결정 잉곳 성장장치(100)에서 성장시킨 단결정 잉곳(IG)의 생산성이 기존에 비해 향상되는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 실리콘 단결정 성장 시 잉곳(IG)의 냉각 효과를 극대화시킴으로써 단결정 잉곳(IG)을 빠른 속도로 인상할 수 있어 단위 시간당 잉곳(IG)의 성장속도를 향상시킬 수 있다.Through the above experimental results, the single crystal ingot (IG) grown in the silicon single crystal ingot growth apparatus 100 having the water cooling tube 140 manufactured by coating aluminum nitride (AlN) according to a preferred embodiment of the present invention. It can be seen that the cooling rate is improved compared to the cooling rate of the single crystal ingot grown in the silicon single crystal ingot growth apparatus having a conventional water cooling tube. That is, it can be seen that the productivity of the single crystal ingot IG grown in the silicon single crystal ingot growth apparatus 100 manufactured by the water cooling tube 140 on which the aluminum nitride coating layer 143 is applied is improved compared to the conventional one. Therefore, the present invention can raise the single crystal ingot IG at a high speed by maximizing the cooling effect of the ingot IG during silicon single crystal growth, thereby improving the growth rate of the ingot IG per unit time.

이상, 구체적인 실시예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다. 또한, 특허청구범위의 기재 중 괄호 내의 기재는 기재의 불명료함을 방지하기 위한 것이며, 특허청구범위의 권리범위는 괄호 내의 기재를 모두 포함하여 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it will be understood by those skilled in the art that various changes may be made without departing from the scope of the present invention. In addition, the description in parentheses in the description of the claims is intended to prevent obscuration of the description, and the scope of the claims of the claims should be construed to include all the items in parentheses.

100 : 실리콘 단결정 성장장치
110 : 챔버
120 : 도가니
130 : 히터
140 : 수냉관
141 : 수냉관 몸체
143 : 질화알루미늄 코팅층100: silicon single crystal growth apparatus
110: chamber
120: crucible
130: heater
140: water cooling tube
141: water cooling tube body
143: aluminum nitride coating layer

Claims (4)

실리콘 용액으로부터 성장하는 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키는 수냉관에 있어서,
상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각수가 내부에 순환하는 수냉관 몸체; 및
상기 수냉관 몸체의 표면에 형성되어 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 상기 잉곳에서 방출되는 복사열을 흡수하는 질화알루미늄 코팅층을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관.In the water cooling tube for cooling the silicon single crystal ingot growing from the silicon solution,
A water cooling tube body circulating therein with cooling water for cooling the silicon single crystal ingot; And
And a aluminum nitride coating layer formed on a surface of the water cooling tube body to absorb radiant heat emitted from the ingot when the silicon single crystal ingot is grown. 제 1 항에 있어서, 상기 질화알루미늄 코팅층은 상기 수냉관 몸체의 내벽에 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관.The water cooling tube for silicon single crystal ingot cooling according to claim 1, wherein the aluminum nitride coating layer is formed on an inner wall of the water cooling tube body. 제 1 항에 있어서, 상기 질화알루미늄 코팅층은 상기 질화알루미늄을 원료로 배합시킨 코팅제를 고온에서 흡착 소결하여 상기 수냉관 몸체의 표면에 코팅하여 형성되는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관.The water cooling tube of claim 1, wherein the aluminum nitride coating layer is formed by adsorbing and sintering a coating agent containing the aluminum nitride as a raw material at a high temperature to coat the surface of the water cooling tube body. 실리콘 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 공정들이 수행되는 챔버;
상기 챔버의 내부에 설치되며, 실리콘 용액이 담기는 도가니;
상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 도가니를 가열하는 히터; 및
상기 챔버의 내부에 설치되며, 상기 실리콘 용액으로부터 성장하는 상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키는 실리콘 단결정 잉곳 냉각용 수냉관을 포함하되,
상기 수냉관은,
상기 실리콘 단결정 잉곳을 냉각시키기 위한 냉각수가 내부에 순환하는 수냉관 몸체; 및
상기 수냉관 몸체의 표면에 형성되어 상기 실리콘 단결정 잉곳 성장 시 상기 잉곳에서 방출되는 복사열을 흡수하는 질화알루미늄 코팅층을 포함하는 실리콘 단결정 잉곳 성장장치.A chamber in which processes for growing a silicon single crystal ingot are performed;
A crucible installed inside the chamber and containing a silicon solution;
A heater installed inside the chamber and heating the crucible; And
Is installed inside the chamber, including a silicon single crystal ingot cooling water cooling tube for cooling the silicon single crystal ingot growing from the silicon solution,
The water cooling pipe,
A water cooling tube body circulating therein with cooling water for cooling the silicon single crystal ingot; And
The silicon single crystal ingot growth apparatus is formed on the surface of the water cooling tube body comprising an aluminum nitride coating layer to absorb the radiant heat emitted from the ingot when the silicon single crystal ingot growth.
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