KR101299539B1 - 프라이밍 및 광 흐름에 의해 플레이트의 층을 가열하는 방법 및 장치 - Google Patents

프라이밍 및 광 흐름에 의해 플레이트의 층을 가열하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 메인 광 흐름 펄스에 의해 적어도 국부적으로 가열될 적어도 하나의 층(2)을 구비하는 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 가열될 층의 정면에 대해 깊게 위치된 적어도 하나의 프라이밍 영역(4), -여기서 가열될 층의 온도가 높은 온도 범위(PHT) 내에 있는 동안 메인 흐름(7)은 가열될 층(2)을 가열할 수 있고,- 및 낮은 온도 범위(PBT) 내의 온도로부터 높은 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 상기 프라이밍 영역을 가열할 수 있는 프라이밍 2차 가열 수단(9)을 구비한다.

Description

프라이밍 및 광 흐름에 의해 플레이트의 층을 가열하는 방법 및 장치{Method and device for heating a layer of a plate by priming and light flow}
본 발명은 재료 처리의 일반적인 기술 분야, 특히 박막, 웨이퍼들, 재료의 플레이트들 또는 플레이트렛들(platelets), 특히, 반도체들, 특히, 실리콘에 관한 것이다.
더욱 상세하게는, 본 발명은 광 흐름(light flow)에 의한 부분들(parts)에 대한 열 처리 응용 분야에 관한 것이다.
종래 기술에는 열 처리들을 실현하기 위해 광 흐름들을 사용하는 지식 및 방법들이 존재하며, 여기서 광 흐름들의 흡수는 부분들의 외부면에서 및/또는 외부면 근방에서 일어나고, 깊은 부분들의 가열은 처리될 상기 부분의 더 깊은 영역들로의 열 확산을 통해 외부면으로부터 및/또는 광 흐름을 수신하는 그 근방으로부터 일어난다.
종래 기술의 이들 방법들의 특징은, 처리될 재료가 당연히 광 흐름에 대해 흡수성이 있고 또는 예를 들어 극히 높은 파워 레벨을 이용하여 상기 부분의 재료와의 광 흐름의 직접 상호작용에 의해 흡수성을 갖도록 사용되는 광 흐름들이 선택된다는 것이다.
광 흐름의 사용은 수 마이크로초 내지 수십 마이크로초 정도의 매우 짧은 시간 동안 표면층을 가열할 수 있도록 원할 때 특히 유용한 것으로 입증되었다.
그럼에도 불구하고, 가열된 두께는 일반적으로 부분의 외부면으로부터 시간의 제곱근으로서 변하므로, 그것은 상기 부분의 깊은 부분들을 가열하기 극히 곤란하고 비용이 많이 들고, 관련된 깊이들이 클수록 더욱 더 곤란하고 비용이 많이 든다.
또한, 일반적으로 말해 상기 부분에서 얻어진 열 프로파일(thermal profile)은 외부면에서 최대이고 상기 외부면으로부터 상기 재료안으로 갈수록 감소하므로, 재료가 상기 방법의 범위 내를 초과하지 않는 최대 온도, 예를 들어 재료의 용융 또는 기화 또는 분해 온도로 표면 온도를 제한할 필요가 있다. 이러한 제한은 보통의 광 강도의 흐름 및 긴 지속기간 및 따라서 높은 비용들을 강요한다.
게다가, 특허 WO 03/075329는 흡수성 서브-층을 정면층을 통과하는 광 흐름에 의해 가열하는 것을 제안한다. 이 후 서브-층에서 생성되는 열은 확산을 통해 정면층을 서브-층에서 도달되는 온도 아래의 온도까지 가열한다.
특허 US 4 234 356는 층의 면의 방향에서 방출되는 제 1 비임이 면의 용융을 일으키는 온도까지 상기 면의 온도를 상승시킬 수 있고 상기 층과 대향하는 면의 방향에서 방출되고 고체 상태의 재료에 의해 흡수될 수 없고 액체 상태의 재료에 의해 흡수될 수 있는 특성을 가진 제 2 비임이 제 1 비임에 의해 용융되는 층의 부분을 액체 상태로 유지하는 가열 방법을 기술한다.
본 발명의 대상은 적어도 하나의 메인 광 흐름 펄스에 의해, 적어도 국부적으로 가열될 적어도 하나의 층을 구비하고, 가열될 상기 층의 정면에 대해 깊게 위치되고 가열될 상기 층의 재료와는 다른 재료로 만들어지는 적어도 하나의 프라이밍 영역을 구비하는 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법이다.
상기 방법에 있어서, 상기 메인 광 흐름의 파장은 가열될 상기 층의 상기 재료에 의한 상기 흐름의 상기 흡수 계수가 낮고 반면 가열될 상기 층의 상기 재료의 온도가 낮은 온도 범위(PBT)에 있고, 이러한 흡수 계수는 가열될 상기 층의 상기 재료의 상기 온도가 상기 낮은 온도 범위의 대략 위의 높은 온도 범위(PHT)로 옮겨 갈 때 온도에 따라 급격히 증가하도록 선택되고, 상기 메인 광 흐름의 특징들은 혼자서는 상기 낮은 온도 범위(PBT) 내의 온도로부터 상기 높은 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 가열될 상기 층의 상기 재료를 직접 가열할 수 없도록 되어 있다.
본 발명의 다른 대상은 적어도 하나의 메인 광 흐름 펄스에 의해, 도달될 온도 레벨까지 적어도 국부적으로 가열될 적어도 하나의 층을 포함하고 가열될 상기 층의 정면에 대해 깊게 위치되는 적어도 하나의 프라이밍 영역을 구비하는 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법이다.
상기 방법에 있어서, 상기 메인 광 흐름의 파장은 가열될 상기 층의 상기 재료에 의한 상기 흐름의 상기 흡수 계수가 낮고 반면 가열될 상기 층의 상기 재료의 온도가 낮은 온도 범위(PBT)에 있고, 상기 흡수 계수는 가열될 상기 층의 상기 재료의 상기 온도가 상기 낮은 온도 범위의 대략 위의 높은 온도 범위(PHT)로 옮겨 갈 때 온도에 따라 급격히 증가하도록 선택되고, 상기 낮은 온도 범위(PBT)와 상기 높은 온도 범위(PHT) 사이의 과도기(the area of transition)(TT)의 영역은 도달될 상기 온도 레벨(Tsat) 아래에 있고, 상기 메인 광 흐름의 특징들은 혼자서는 상기 낮은 온도 범위(PBT) 내의 온도로부터 상기 높은 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 가열될 상기 층의 상기 재료를 직접 가열할 수 없도록 되어 있다.
본 발명의 상기 방법들 중 어느 하나에 따르면, 상기 플레이트의 상기 프라이밍 영역은 상기 프라이밍 영역이 열 확산을 통해 상기 프라이밍 영역에 인접하거나 가까이에 있는 가열될 상기 층의 부분을 상기 높은 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 가열하여 상기 부분이 상기 메인 광 흐름에 대해 높은 흡수성을 갖도록 프라이밍 2차 가열 수단에 의해 적어도 부분적으로 가열될 수 있다.
높은 흡수성을 갖게 될, 가열될 상기 층에 인접하거나 가까이에 있는 상기 부분이 흡수성 서멀 프론트를 발생하도록 가열될 상기 층의 상기 정면에 의해 적어도 국부적으로 상기 플레이트로 상기 메인 광 흐름이 적용될 수 있고, 상기 온도는 상기 높은 온도 범위(PHT) 내에 있고, 상기 서멀 프론트의 정면을 향한 열 확산과 상기 서멀 프론트의 상기 온도가 상기 높은 온도 범위(PHT)로 옮겨가자마자 상기 서멀 프론트에 도달하는 상기 광 흐름에 의한 열 에너지의 입력과의 결합 효과 하에서 상기 흡수성 서멀 프론트는 상기 정면을 향해 진행한다.
상기 메인 광 흐름의 적용의 시작은 대략 상기 프라이밍 2차 가열 수단의 적용의 종료에 대응할 수 있다.
상기 메인 광 흐름의 적용의 시작은 상기 프라이밍 2차 가열 수단의 적용 종료 전에 있을 수 있다.
상기 메인 광 흐름은 상기 프라이밍 영역에 의해 흡수되도록 선택될 수 있고, 상기 프라이밍 영역의 상기 가열은 상기 프라이밍 2차 가열 수단 및 상기 메인 광 흐름에 의해 실현된다.
상기 프라이밍 2차 가열 수단은 상기 가열될 층의 상기 정면에 의해 및/또는 상기 정면에 대향하는 상기 플레이트의 하나의 표면에 의해 적용될 수 있다.
상기 프라이밍 2차 가열 수단은 열원(heat source)에 의해 발생되는 열 흐름(heat flow)일 수 있다.
상기 프라이밍 2차 가열 수단은 입자들의 흐름일 수 있고, 상기 프라이밍 영역은 상기 플라이밍 영역에서의 상기 입자들의 감속(slowing down) 및/또는 정지에 기인하는 에너지에 의해 가열된다.
상기 프라이밍 2차 가열 수단은 방사선 흐름(radiation flow)일 수 있고, 상기 프라이밍 영역은 상기 방사선의 흡수에 의해 가열된다.
상기 프라이밍 영역은 가열될 상기 층의 부분에 의해 형성될 수 있다.
상기 프라이밍 영역은 가열될 상기 층에 인접하거나 가까이에 있는 서브-층에 의해 형성될 수 있다.
상기 낮은 온도 범위(PBT) 및 상기 높은 온도 범위(PHT)는 흡수 계수 온도의 함수로서 상기 흡수 계수의 거동(behaviour)의 과도기 임계치에 의해 분리될 수 있다.
상기 흡수 계수 온도의 함수로서의 상기 거동(STC)의 상기 과도기 임계치는 온도의 범위 위로 확장할 수 있다.
가열될 상기 층은 가볍게 도핑되는 실리콘일 수 있다.
가열될 상기 층은 반도체 재료일 수 있다.
상기 낮은 온도 범위(PBT)는 실질적으로 상기 도핑이 진성(intrinsic)이 아닌 범위에 대응하고, 상기 높은 온도 범위(PHT)는 실질적으로 상기 도핑이 진성인 범위에 대응할 수 있다.
상기 메인 광 흐름은 레이저에 의해 발생될 수 있다.
본 발명의 다른 대상은 적어도 하나의 메인 광 흐름 펄스에 의해, 적어도 국부적으로 가열될 적어도 하나의 층을 구비하고, 가열될 상기 층의 정면에 대해 깊게 위치되는 적어도 하나의 프라이밍 영역을 구비하는 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 장치이다.
상기 장치는 가열될 층의 온도가 높은 온도 범위(PHT) 내에 있을 때 가열될 상기 층을 흡수를 통해 가열할 수 있는 상기 메인 흐름의 방출 수단 및 낮은 온도 범위(PBT) 내의 온도로부터 상기 높은 온도 범위(PBT) 내의 온도까지 상기 프라이밍 영역을 가열할 수 있는 프라이밍 2차 가열 수단을 포함할 수 있다.
본 발명은 비제한적인 예들에 의해 기술되고 도면들에 도시된, 열처리 플레이트들을 위한 방법들 및 장치들의 고찰시 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 프라이밍 영역을 갖는 플레이트의 단면도와 메인 광 흐름과 프라이밍 광 흐름을 생성하기 위한 관련 장비를 나타낸 도면.
도 2는 메인 흐름의 시작과 프라이밍 흐름의 종료가 일치하는 경우의 프라이밍 흐름과 메인 흐름이 강도를 시간의 함수로서 나타낸 도면.
도 3은 메인 흐름의 시작이 프라이밍 흐름의 종료 후에 일어나는 경우의 프라이밍 흐름과 메인 흐름의 강도를 시간의 함수로서 나타낸 도면.
도 4는 메인 흐름의 시작이 프라이밍 흐름의 종료 전에 일어나는 경우의 프라이밍 흐름과 메인 흐름의 강도를 시간의 함수로서 나타낸 도면.
도 5는 플레이트의 두께에 대한 온도 변화의 다이어그램.
도 6은 프라이밍 흐름 및 메인 흐름의 다른 레이아웃을 나타낸 도면.
도 7은 프라이밍 영역의 변형예를 나타낸 도면.
도 8은 프라이밍 영역의 다른 변형예를 나타낸 도면.
도 9는 프라이밍 영역의 다른 변형예를 나타낸 도면.
도 10은 프라이밍 흐름 및 메인 흐름 적용의 다른 변형예를 나타낸 도면.
도 1에는 정면(3)을 가진, 예를 들어 온도 레벨(Tsat)(도 5)까지 가열될 층(2) 및 이 층(2)의 후면(5)에 대해 배치되는, 예를 들어 가열될 층(2)과는 상이한 재료로 만들어지는 프라이밍 서브층(priming sub-layer; 4)을 포함하는 플레이트(1)가 도시된다.
층(2)의 정면(3)과 마주하여 상기 정면(3)으로의 메인 광 흐름(7)의 펄스들(Pp)의 메인 발생기(main generator; 6)가 설치된다.
가열될 층(2) 및 메인 광 흐름(7)은 다음과 같은 특징들을 가지도록 서로 관련지어 선택된다.
메인 광 흐름(7)의 파장은 층(2)에 의해서는 이러한 흐름의 흡수 계수가 낮고 반면 상기 층(2)의 재료의 온도(T)는 저온 범위(PBT)에 있고 상기 흡수 계수는 층(2)의 재료의 온도(T)가 상기 저온 범위(PBT)의 대략 위의 고온 범위(PHT)로 옮겨갈 때 온도에 따라 급격히 증가하도록 되어 있다. 낮은 온도 범위(PBT) 및 높은 온도 범위(PHT)는 당연히 과도기(TT)의 영역을 가진다(도 5).
게다가, 광 흐름(7)의 특징들, 특히 그 지속기간 및 그 강도는 단독으로는 상기 메인 광 흐름(7)이 낮은 온도 범위(PBT) 내의 온도로부터 높은 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 가열될 층(2)을 직접 가열할 수 없도록 되어 있다.
또한, 낮은 온도 범위(PBT)와 높은 온도 범위(PHT) 사이의 과도기(TT) 영역은 도달될 상기 온도 레벨(Tsat) 아래에 있을 수 있다.
일측에 그리고 프라이밍 서브층(4)과 마주하여 이러한 서브층(4)으로의 프라이밍 2차 광 흐름(9)의 프라이밍 펄스들(Ps)의 2차 발생기(8)가 설치된다.
프라이밍 서브층(4) 및 프라이밍 2차 광 흐름(9)은 다음과 같은 특징들을 가지도록 서로 관련지어 선택된다.
프라이밍 2차 광 흐름(9) 및 이 2차 광 흐름(9)의 프라이밍 서브층(4)에 의한 흡수 계수는 플라이밍 서브층(4)의 적어도 일부가 프라이밍 2차 광 흐름(9)에 의해 가열되도록 서로 관련지어 선택된다. 그렇게 가열된 프라이밍 서브층(4)은 높은 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 프라이밍 서브층(4)에 인접한 가열된 층(2)의 부분(10)을 열 확산을 통해 가열할 수 있고 그 결과 상기 부분을 흡수성을 높게 하고, 상기 온도는 도달될 상기 온도 레벨 이하로 되게 할 수 있다.
예를 들어, 프라이밍 서브층(4) 및 프라이밍 2차 광 흐름(9)이 서로 관련지어 선택될 수 있고 그 결과 플라이밍 서브층(4)의 흡수 계수는 높은 온도 범위(PHT)에서만큼 낮은 온도 범위(PBT)에서도 높다.
도 2에 나타낸 변형예에 따르면, 메인 광 흐름(7)은 프라이밍 2차 광 흐름(9)을 단지 추종하여 적용될 수 있다.
도 3에 나타낸 변형예에 따르면, 메인 광 흐름(7)은 프라이밍 2차 광 흐름(9)을 추종하여 적용될 수 있고, 이들 사이에는 타임 랩스(time lapse)가 있다.
도 4에 나타낸 변형예에 따르면, 메인 광 흐름(7)은 그 적용의 시작이 프라이밍 2차 광 흐름(9)의 적용의 종료 전에 있고 이러한 종료 후에 계속하도록 적용될 수 있다. 이 경우에, 그것은 메인 광 흐름(7)이 프라이밍 서브층(4)의 원하는 가열에 참여하도록 프라이밍 서브층(4)이 메인 광 흐름(7)을 흡수할 수 있는 것이 유리할 수 있다.
상기 변형예들에 따라 프라이밍 2차 광 흐름(9) 및 메인 광 흐름(7)을 적용함으로써, 일어나는 메카니즘은 다음과 같은 것일 수 있으며, 상기 메카니즘은 도 1을 참조하여, 도 5에 개략적으로 도시되어 있다.
서브층 두께의 적어도 일부에서 높은 온도 범위(PHT) 내의 온도(Ts)까지의 프라이밍 2차 광 흐름(9)(도 2 또는 도 3)에 의한 또는 프라이밍 2차 광 흐름(9) 및 메인 광 흐름(7)의 제 1 부분(도 4)에 의한 서브층(4)의 가열은 높은 온도 범위(PHT) 내의 온도까지, 서브층(4)에 인접한 가열된 층(2)의 부분(10)의 열확산을 통해 가열작용을 일으킨다.
그것에 의해, 높은 온도 범위(PHT) 내의 온도(Tc)까지 가열될 층(2)의 부분(10)은 흡수성을 높게 하고 흡수성 서멀 프론트(absorbent thermal front; 11)의 프라이밍을 깊게 발생시킨다.
가열될 층(2)의 정면(3)에 의해 적용되는 메인 광 흐름(7)은 가열될 층(2) 내로 침투하여 상기 흡수성 서멀 프론트(11)에 도달한다.
상기 흡수성 서멀 프론트(11)는 이후 흡수성 서멀 프론트(11)의 정면을 향한 열 확산 및 가열되고 또한 메인 광 흐름(7)에 의해 횡단될 수 있는 층(2)의 높은 흡수성을 가지지 않은 나머지를 통해 상기 서멀 프론트에 도달하는 메인 광 흐름(7)에 의한 열 에너지의 입력의 결합 효과 하에서 정면(3)을 향해 진행한다.
서멀 프론트의 진행 도중, 서멀 프론트의 최대 온도는 Ts 및 Tc 위의 도달될 실질적으로 일정한 값(Tsat)으로 그 자신을 혁신적으로 안정시키는 경향이 있다. 서멀 프론트(11)의 진행 도중, 주어진 시간에, 가열될 층(2)에서의 온도 프로파일(temperature profile)은 서멀 프론트(11)에 대응하는 급경사 부분 및 서멀 프론트(11)에 의해 이미 덮인 가열된 층의 두께에 걸친 Tsat에 대응하는 실질적으로 평탄한 부분(11a)으로 구성된다.
예로서, 층(2)이 결정성 실리콘이고 메인 흐름(7)이 CO2 레이저 흐름이면, Tsat는 2 내지 5 E6W /Cm2의 흐름들을 갖는 1500 K 정도일 수 있고, Tsat는 1.5 내지 3 E7W /Cm2 정도의 흐름들을 위한 실리콘의 완전한 용융에 의한 1687 K의 용융 온도와 동일하게 될 수 있다.
온도(Tsat)는 메인 흐름(7)에 의존하지만, 프라이밍 흐름(9) 및 프라이밍 메카니즘에도 의존한다. Tsat의 더 정밀한 값을 결정하기 위해, 표준의 상업적으로 이용 가능한 소프트웨어를 이용하여, 이 기술 분야에서 숙련된 사람들에게 알려진 유한 차분법(finite differences method)에 의해 1차원의 열 방정식을 풀 필요가 있다.
메인 광 흐름(7)이 정지할 때, 서멀 프론트(11)의 진행은, 이러한 전파 모드에 따라, 프론트가 정면(3)에 도달하지 않으면 층(2)에서 거의 즉시 중단한다. 이후 서멀 프론트(10)의 전개(evolution)는 열 확산 효과들에 의해 독특하게 제어되게 된다.
일정한 광흐름(7)의 특정 조건들 하에서, 층(2)의 가열은 실질적으로 열 흐름의 지속기간과의 선형 관계로 두께 전반에 걸쳐 일어난다.
상기한 단계들의 순서는 상기 단계들의 부분적인 임시 중첩을 배제하지 않는다.
예를 들어, 플레이트(1)가 또한 2차 흐름(9)에 의해 횡단될 수 없는 후면층(12)을 가질 수 있는 도 6에 나타낸 실시예의 변형예에 있어서, 발생기들(6, 8)은 면(3)의 일측에 배치되고 프라이밍 2차 광 흐름(9)은 가열될 층(2)을 통하여 정면(front)에 의해 서브층(4)에 적용되고, 가열될 층(2)은 프라이밍 2차 광 흐름(9)의 흡수에 의해 가열되지 않을 수 있다. 서브층(4) 및 가열될 층(2)의 메카니즘은 상기한 바와 같이 일어난다.
도 7에 나타낸 실시예의 변형예에 있어서, 서브층(4)은 가열될 층(2)의 후면 프라이밍 부분(4')에 의해 형성될 수 있고, 상기 후면 부분은 프라이밍 2차 광 흐름(9)의 흡수에 의해 가열될 수 있고 그 결과 가열 메카니즘은 상기한 바와 같이 일어난다. 이러한 경우에, 프라이밍 영역은 가열될 층(2)의 부분(4')으로서 정의될 수 있고, 그 온도는 프라이밍 흐름(9)에 의한 프라이밍 흐름의 종료시 높은 온도 범위(PHT)로 될 것이다.
바로 전에 기술된 변형예들에 있어서, 서브층(4)은 전체적으로 프라이밍 영역을 구성한다. 그럼에도 불구하고, 상기 영역은 분할될 수 있다.
도 8에 도시된 것과 같이, 프라이밍 영역은 이와 같은 서브-층의 부분 또는 부분들(4a)에 의해 독특하게 형성될 수 있고, 상기 부분들(4a)은 프라이밍 2차 광 흐름(9)의 흡수를 통해 가열될 수 있다. 도 9에 도시된 것과 같이, 프라이밍 영역은 가열될 층(2)의 후면 프라이밍 부분 또는 부분들(4a)에 의해 독특하게 형성될 수 있고, 상기 부분들(4a)은 프라이밍 2차 광 흐름(9)의 흡수를 통해 가열될 수 있다. 이들 예들에 있어서, 가열될 층(2)은 서브층(4)의 부분들(4a) 위에 위치된 그 부분들(2a)에서 독특하게 가열될 수 있다.
구현예들 ( Examples of implementation ).
가열될 층(2)을 구성하는 투명 재료는 1.E15/Cm3 내지 5.E15/Cm3의 정도의 레벨로 실리콘 도핑될 수 있고 초기에는 주변 온도로 배치된다.
메인 광 흐름(7)은 3.75 *1.E6 W/Cm2의 흐름을 갖는 6 마이크로초 지속기간의 C02 레이저 펄스일 수 있다.
실리콘에서의 CO2 레이저 흐름의 흡수는 필수적으로 전기 캐리어 밀도에 의해 지배된다. 여기에 기술된 조건들 하에서, 실리콘의 흡수 계수는 수(several) Cm-1 정도이고, 이것은 낮고 실질적으로 일정한 채로 유지되고 한편 실리콘의 온도는 약 270℃에 도달하지 않는다. 대략 이 온도로부터, 캐리어들의 고유 농도는 1*E15 Cm-2보다 더 크게 되고(제목 "반도체 기기 물리학(Physics of Semiconductor Devices)", 2판, N°ISBN 0-07-062735-5, 저자 에스.엠. 에스지이(S.M. SZE), 존 윌리(John Wiley) 및 선즈(Sons), 20면 도 12 및 26면-도 16) 참조), 온도에 따라 급격하게 증가한다.
따라서, 낮은 온도 범위(PBT)는 약 270℃와 동일한 실질적으로 온도 하한(LIT) 이하의 온도 범위이고, 한편 높은 온도 범위(PHT)는 실질적으로 270℃ 위의 범위이다. 상기 문헌에 따르면, 낮은 온도 범위(PBT)는 캐리어들의 포화 및/또는 겔(gel)의 비고유 영역(non intrinsic domain) 내에 있고, 높은 온도 범위(PHT)는 고유 영역 내에 있다.
프라이밍 서브층을 구성하는 재료는 가볍게 도핑되는 실리콘일 수 있고 프라이밍 2차 흐름(9)은 예를 들어 50 내지 100 A/Cm2 정도의 전류 밀도를 갖는 50 kev의 전자들의 흐름, 약 360 nm 파장의 엑시머 레이저 흐름, 주파수가 2배로 된(약 503 nm의 파장) 또는 주파수가 3배로 된(frequency tripled)(약 353 nm 파장) YAG 레이저 흐름일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 서브층(4)을 구성하는 재료는 3.E19/Cm3 정도의 레벨로 실리콘 도핑될 수 있고, 따라서, 가열된 층(2)의 선택된 재료와는 다르고, 초기에는 주변 온도로 배치되고, 플라이밍 흐름은 CO2 레이저 흐름일 수 있고; 이들 조건들 하에서, 서브층(4)에서의 프라이밍 흐름의 흡수 계수는 1000 Cm-1 정도이다. 서브층(4)의 두께는 약 10 ㎛ 일 수 있다.
플레이트(1)를 얻는 제 1 예에 따르면, 100 ㎛와 동일한 두께이고 l*E15Cm-3의 비율로 도핑된 실리콘 기판이 표준 실리콘 웨이퍼를 박육화(thinning)하여 형성된다. 표면들 중 하나를 통해, 붕소 이온들의 주입이 수(several) 3*E16 /Cm2의 도즈(dose)로 200 keV의 에너지로 실행되고, 서브층(4)을 얻기 위해 약 10 미크론의 도핑 깊이를 얻기 위한 어닐링(annealing)이 약 1000℃ 내지 1100℃의 온도에서 2시간 동안 실행되고, 90㎛의 나머지 두께는 가열될 층(2)을 구성하고, 따라서 층(2) 및 층(4)은 상이한 재료들로 만들어진다. 이 때 주입을 위해 사용되지 않은 표면은 메인 광 흐름(7) 및 적당하다면 2차 흐름(9)이 적용되는 표면(3)을 구성한다.
대안으로, 이러한 제 1 예의 범주 내에서, l*E15Cm-3의 비율로 도핑되고 90㎛와 동일한 두께의 실리콘 기판이 표준 실리콘 웨이퍼를 박육화하여 형성된다. 표면들 중 하나 위에, 수(several) 5*E19/Cm3의 레벨로 도핑되고 10 미크론 두께의 실리콘 에피택시가 실행된다. 이 때 이러한 에피택시 층(epitaxied layer)은 서브층(4)을 구성하고 따라서 가열된 층(2)의 것과는 다른 재료로 만들어 진다.
플레이트(1)를 얻기 위한 제 2 예에 따르면, 표준 실리콘 기판에 대해 서브층(4)을 구성하기 위해 2*E19/Cm3의 비율로 안티몬으로 도핑되고 10 미크론 두께의 실리콘의 에피택시가 실행된다. 이후, 10 마이크론의 에티팩시 위에는, 1*E15/Cm3의 비율로 도핑되고 90 미크론의 실리콘 에피팩시가 실행되어 층(2)을 구성한다.
보완 예들에 의해, 서브층(4)을 구성하는 흡수성 재료는 또한, CO2 층이 사용되는 경우에, 비정질 실리콘층, 이온 주입에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 비정질화된 층, 또는 실리콘 산화물(Si02)의 층일 수 있고, 따라서, 가열될 층(2)의 선택된 재료와는 상이이다.
서브층(4) 없이, 층(2)만으로 구성되는 부분이 상상되고, 위에 정의된 광 흐름이 적용되면, 재료의 온도는 30℃ 이하만큼 증가되는 것이 주목될 수 있다. 이러한 결과는 종래 기술 부분을 형성하는 유한차로서 알려진 방법에 의해 열 방정식을 푸는 시뮬레이션으로부터 생길 수 있다.
이 결과는 또한 다음과 같은 단순한 형식주의(formalism)를 적용하여 얻어질 수 있다:
- 낮은 온도 범위(PBT)에서의 흡수 계수의 최대값(Alphamax)의 식별
- 이후 도달된 최대 온도(Tmax) 크기의 정도가 식 Tmax=Phi*tau*alphamax/Cp에 의해 주어질 수 있고,
여기서 Cp는 열 용량이고, Phi는 흐름이고, Tau는 상기 흐름의 지속기간이고 Cp는 체적열(volumetric heat)이고,
Phi는 3.75* 1 ,E6W/Cm2과 같고, tau는 6*1.E-6 S와 같고, alphamax는 2 Cm-l와 같고 Cp는 1.4 J/Cm3와 같다.
이 때, 특유의 층(2)에 의해 도달되는 최대 온도(Tmax) 크기 정도는 32℃와 같음이 발견된다.
일반적으로 말해, 이들 조건들 하에서, 가열될 층(2)의 온도는 높은 온도 범위(PHT)에 도달하지 않고, 매우 낮게 낮은 온도 범위(PBT) 내에서 유지됨이 정말로 주목될 수 있다.
한편, 서브층(4)이 존재하는 상태에서, 큰 두께의 가열될 층(2)을 구성하는 투명 재료를 1650 K 정도의 온도까지, 예를 들어 60㎛ 정도의 두께에 걸쳐 가열하는 것이 가능하다.
응용 예들.
예 1.
야금 등급 실리콘(metallurgical grade silicon)의 웨이퍼 지지체(후면층(12))로 시작해서, 이러한 웨이퍼의 표면 위에는 CVD 증착 기술에 의해 5*1.E19 /Cm3의 비율로 도핑되는 2 미크론 두께의 층(4)이 증착되고, 이렇게 하여 60 미크론 두께의 도핑되지 않은 다결정 실리콘의 두꺼운 층(2) 위에는, 층(2) 및 층(4)이 상이한 재료들로 만들어진다. 그 결과, 주위 온도에서, 가열될 상기 층(2)은 실질적으로 CO2 레이저에 의해 발생된 광 흐름에 투명하고 서브층(4)은 이와 같은 광 흐름을 흡수하는 성질이 있다.
야금 실리콘 웨이퍼 지지체(12)의 존재는 후면이 프라이밍 흐름(9)을 보내는 데 사용되는 것을 방지한다. 따라서 프라이밍 흐름(9)은 도 6을 참조하여 위에서 기술한 것과 같이 정면(3) 및 메인 흐름(7)에 의해 보내진다.
프라이밍 흐름(9)은 50 nS 지속기간 및 강도 2*l.E7W/cm2의 C02 레이저 펄스일 수 있다. 이것은 예를 들어 가로 들뜸(transverse excitation)을 갖는 CO2 레이저에 의해 발생될 수 있다.
예를 들어 동시에 도 4에 도시된 것과 같이, 메인 광 흐름(7)은 CO2 레이저, 예를 들어 세로 들뜸(longitudinal excitation)을 갖는 매우 높은 파워의 레이저로부터, 가열될 층(2)의 정면(3)에 의해, 예를 들어 국부적으로 하나 이상의 영역들 위에 적용된다. 메인 흐름(7)의 지속기간은 예를 들어 3.E7W/cm2의 강도를 갖는 2 마이크로초이다.
도 4의 변형예에 의해, 프라이밍 흐름(9)은 이러한 예에서 100 nS 정도일 수 있는, 메인 흐름(7)의 파워를 증가시키는 시간 동안 일어날 수 있고, 이 프라이밍 흐름(9)의 증가 시간(build up time)은, 그 부분에 대해, 훨씬 짧고, 수 nS 정도이다.
그것에 의해 가열되는, 프라이밍 흐름(9)에 의한 서브층(4)의 가열과 메인 광 흐름(6)에 의한 서브층(4)의 가열의 협력 효과 하에서, 프라이밍 서브층(4)은 매우 빠르게 온도가 상승하고 열 확산을 통해 프라이밍 서브층(4)에 인접한 가열될 층(2)의 부분(10)을 높은 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 가열하여 상기 부분을 흡수성이 높게 만든다.
전술한 메카니즘에 따라, 용해(liquefaction)가 메인 광 흐름(6)의 적용 영역에 대략 대응하는 영역에 걸쳐 층(2)의 가열에 의해 일어날 수 있고, 상기 용해된 영역은 층(2)의 영역(10)에서 시작하고, 그로부터 서멀 프론트(11)는 예를 들어 정면(3)에 도달할 때까지 정면을 향해 진행한다.
이 예에서, 플라이밍 흐름(9)과 메인 흐름(7)의 협력 효과는 프라이밍 층을 신속하게 가열하는 것을 가능하게 하고, 따라서, 부분(10)의 열 확산에 의한 가열을 더 빠르게 하고 따라서, 온도 프로파일이 포화 온도(Tsat)를 향해 더 신속하게 수렴하게 할 수 있다.
메인 흐름(7)의 적용의 종료 후, 용해된 재료의 재고체화(re-solidification)는 적당하다면 우선하는 결정학적 배향(preferential crystallographic orientation)을 갖는 더 큰 입자를 형성할 수 있게 한다.
이러한 방법에서, 야금 실리콘 웨이퍼 지지체(12)는 단지 매우 약간 가열되고, 그러므로 웨이퍼로부터 가열될 층(2)으로의 기생 불순물들의 이동 위험을 제한한다.
스캐닝에 의해, 전체 층(2)이 처리될 수 있다.
용해 이후 고체화에 의해 이러한 식으로 처리되는 이와 같은 영역은 더 양호한 전기적 특성들을 가질 수 있고 태양 전지를 생성하는 데 유리할 수 있다.
예 2.
층(4)을 구성하는, 100 미크론 두께의, 1E15/Cm2 레벨로 도핑된 단결정 실리콘의 웨이퍼가 고려된다.
도 10에 도시된 것과 같이, 주파수가 2배로 된 YAG 레이저로부터의 흐름(프라이밍 흐름(9))은 불투명 영역들(13a) 및 상기 불투명 영역들(13a) 사이의 투명 영역들의 패턴을 형성하도록 내화(refractory) 및 반사 금속의 증착(deposit)이 형성되고 에칭되는 연마된 실리카의 얇은 플레이트로 구성되는 마스크(13)를 통해 웨이퍼의 후면 위로 보내진다.
전형적으로, 프라이밍 흐름(9)은 50 nS 지속기간 및 1.2*E7W/Cm2의 흐름 강도에 대응하는 0.6 J/Cm2 정도의 에너지 밀도를 운반하는 펄스 형태로 될 수 있다. 이러한 식으로 웨이퍼(층(4))에 프라이밍 영역들(4a)이 생성되고, 그것의 형상은 도 9의 예에 따라, 마스크 패턴의 이미지로 된다.
메인 흐름(7)은 1.55 미크론 파장의 파이버 레이저 흐름일 수 있다. 이 흐름은 프라이밍 흐름(9)의 종료 후 100 nS에서 시작하고 5*E6W/Cm2 정도의 강도의 흐름들로, 1.8 마이크로초 정도의 지속기간을 갖는다.
프라이밍 흐름(9) 및 메인 흐름(7)의 연대기(chronology)는 도 3의 것에 대응한다.
프라이밍 흐름(9)의 적용의 종료시에, 얻어지는 최대 온도는 1700 K 정도일 수 있다.
프라이밍 펄스의 종료 후 일백 나노초, 메인 흐름(7)의 적용 시작에 대응하는 시간, 이 때 최대 온도는 약 1400 K일 수 있다.
프라이밍 영역의 온도의 상승으로부터 가능한 한 가장 많은 이익을 얻도록 이 예에서 프라이밍 흐름의 종료와 메인 흐름의 시작 사이에서 언급된 100 nS의 지연은 유리하게는 단축될 수 있다는 점을 주의해야 한다. 100 nS의 중요한 지연이 2개의 흐름(7, 9) 사이의 가능한 불완전 동기화(imperfect synchronisation)를 고려하여 이 예에서 도입된다.
얻어진 온도(Tsat)는 1680 K 정도일 수 있다.
메인 흐름(7)은 프라이밍 영역들(4a)의 웨이퍼(층(4))을 가열하고, 한편 프라이밍 영역들(4a)에 대응하지 않는 영역들에서 가열은 없다.
이와 같은 방법의 목적은 예를 들어 가열되지 않은 영역들로부터 불순물들이 퍼지지 않고 가열된 영역들(2a)로 불순물들, 예를 들어 금속을 확산하도록 의도될 수 있다.
이러한 제 2 예에 있어서, 특징 및 특히 메인 광 흐름(7)의 강도 및 프라이밍 흐름(9)의 특징들은, 메인 흐름(7)이 이 메인 흐름(7)의 시작에 대응하는 시간에서 열 프로파일(thermal profile)의 온도 손실의 흐름을 보상할 수 있도록 선택될 수 있다.
실제로, 이 때 존재하는 온도 프로파일에 기인하는 메인 흐름(7)의 흡수가 열 확산으로 인해 넓어지고 가라앉는 온도 프로파일의 경향을 보상할 수 있는 것이 중요할 수 있다. 이것은 그 경우가 아니었다면, 온도 프로파일의 낮춤은 계속할 수 있고 진행하는 서멀 프론트(11)는 지속하거나 존재하지 않을 수 있다.
이들 특징들의 사려 깊은 선택은 1D 기하학에서 유한차로서 알려진 방법, 종래 기술의 부분을 형성하고 표준 소프트웨어가 존재하는 방법에 의해 열 프로파일의 전개를 시뮬레이팅하여 만들어 질 수 있다.
변형예에 있어서, 프라이밍 층 또는 영역(4)의 가열은 렌즈에 의해 초점이 맞춰진 매우 높은 파워의 아크 램프(very high power arc lamp)로부터의 방사선에 의해 얻어질 수 있다.

Claims (18)

  1. 적어도 하나의 메인 광 흐름(7) 펄스에 의해, 적어도 국부적으로 가열될 적어도 하나의 층(2)을 구비하고, 상기 메인 광 흐름(7)의 방향에 대해 가열될 상기 층(2)의 정면(3)보다 깊게 위치되고 가열될 층(2)의 재료와는 다른 재료로 만들어지는 적어도 하나의 프라이밍 영역(4)을 구비하는 플레이트(1)를 적어도 국부적으로 가열하는 방법에 있어서,
    상기 메인 광 흐름(7)의 파장은 가열될 상기 층(2)의 재료의 온도가 제1 온도 범위(PBT)일 때 가열될 층(2)의 재료에 의한 상기 흐름의 흡수 계수가 낮고, 가열될 상기 층(2)의 재료의 온도가 상기 제1 온도 범위의 위의 제2 온도 범위(PHT)로 옮겨 갈 때 상기 흡수 계수가 온도에 따라 증가하도록 선택되고, 상기 메인 광 흐름(7)의 특징들은 혼자서는 상기 제1 온도 범위(PBT) 내의 온도로부터 상기 제2 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 가열될 층(2)의 재료를 직접 가열할 수 없도록 되어 있고,
    상기 플레이트의 상기 프라이밍 영역(4)은, 상기 프라이밍 영역(4)이 열 확산을 통해 상기 프라이밍 영역(4)에 인접한 가열될 층(2)의 부분(10)을 상기 제2 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 가열하여 상기 부분이 상기 메인 광 흐름(7)에 대해 흡수성을 갖도록 프라이밍 2차 가열 수단(9)에 의해 적어도 부분적으로 가열되며,
    상기 메인 광 흐름(7)은, 적어도 국부적으로, 가열될 상기 층(2)의 상기 정면(3)에 의해, 가열될 층(2)에 인접한 상기 부분(10)이 상기 메인 광 흐름(7)에 대해 흡수성을 갖고, 흡수성 서멀 프론트(11)를 발생하며, 온도가 상기 제2 온도 범위(PHT) 내에 있도록, 상기 플레이트(1)에 적용되며,
    상기 서멀 프론트(11)의 정면(3)을 향한 열 확산과 상기 서멀 프론트의 온도가 상기 제2 온도 범위(PHT)로 옮겨가자마자 상기 서멀 프론트에 도달하는 상기 메인 광 흐름(7)에 의한 열 에너지의 입력과의 결합 효과 하에서 상기 흡수성 서멀 프론트(11)는 상기 정면(3)을 향해 진행하는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  2. 적어도 하나의 메인 광 흐름(7) 펄스에 의해, 도달될 온도 레벨까지 적어도 국부적으로 가열될 적어도 하나의 층(2)을 구비하고, 상기 메인 광 흐름(7)의 방향에 대해 가열될 상기 층(2)의 정면(3)보다 깊게 위치되는 적어도 하나의 프라이밍 영역(4)을 포함하는 플레이트(1)를 적어도 국부적으로 가열하는 방법에 있어서,
    상기 메인 광 흐름(7)의 파장은 가열될 상기 층(2)의 재료의 온도가 제1 온도 범위(PBT)일 때 가열될 층(2)의 재료에 의한 상기 흐름의 흡수 계수가 낮고, 가열될 상기 층(2)의 재료의 온도가 상기 제1 온도 범위의 위의 제2 온도 범위(PHT)로 옮겨 갈 때 상기 흡수 계수가 온도에 따라 증가하도록 선택되고, 상기 제1 온도 범위(PBT)와 상기 제2 온도 범위(PHT) 사이의 과도기(TT)의 영역은 도달될 상기 온도 레벨(Tsat) 아래에 있고, 상기 메인 광 흐름(7)의 특징들은 혼자서는 상기 제1 온도 범위(PBT) 내의 온도로부터 상기 제2 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 가열될 층(2)의 재료를 직접 가열할 수 없도록 되어 있고,
    상기 플레이트의 상기 프라이밍 영역(4)은, 상기 프라이밍 영역(4)이 열 확산을 통해 상기 프라이밍 영역(4)에 인접한 가열될 층(2)의 부분(10)을 상기 제2 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 가열하여 상기 부분이 상기 메인 광 흐름(7)에 대해 흡수성을 갖도록 프라이밍 2차 가열 수단(9)에 의해 적어도 부분적으로 가열되며,
    상기 메인 광 흐름(7)은, 적어도 국부적으로, 가열될 상기 층(2)의 상기 정면(3)에 의해, 가열될 층(2)에 인접한 상기 부분(10)이 상기 메인 광 흐름(7)에 대해 흡수성을 갖고, 흡수성 서멀 프론트(11)를 발생하며, 온도가 상기 제2 온도 범위(PHT) 내에 있도록, 상기 플레이트(1)에 적용되며,
    상기 서멀 프론트(11)의 정면(3)을 향한 열 확산과 상기 서멀 프론트의 온도가 상기 제2 온도 범위(PHT)로 옮겨가자마자 상기 서멀 프론트에 도달하는 상기 메인 광 흐름(7)에 의한 열 에너지의 입력과의 결합 효과 하에서 상기 흡수성 서멀 프론트(11)는 상기 정면(3)을 향해 진행하는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 광 흐름(7)의 적용의 시작은 상기 프라이밍 2차 가열 수단(9)의 적용의 종료에 대응하는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 광 흐름(7)의 적용의 시작은 상기 프라이밍 2차 가열 수단(9)의 적용 종료 전에 이루어지는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 메인 광 흐름(7)은 상기 프라이밍 영역(4)에 의해 흡수되도록 선택되고, 상기 프라이밍 영역의 상기 가열은 상기 프라이밍 2차 가열 수단(9) 및 상기 메인 광 흐름(7)에 의해 실현되는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프라이밍 2차 가열 수단(9)은 상기 가열될 층(2)의 상기 정면(3)에 의해 및/또는 상기 정면(3)에 대향하는 상기 플레이트의 하나의 표면에 의해 적용되는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프라이밍 2차 가열 수단은 열원(heat source)에 의해 발생되는 열 흐름(heat flow)인, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프라이밍 2차 가열 수단은 입자들의 흐름이고, 상기 프라이밍 영역은 상기 프라이밍 영역에서의 상기 입자들의 감속(slowing down) 및/또는 정지에 기인하는 에너지에 의해 가열되는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프라이밍 2차 가열 수단은 방사선 흐름(radiation flow)이고, 상기 프라이밍 영역(4)은 상기 방사선의 흡수에 의해 가열되는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프라이밍 영역(4)은 가열될 상기 층(2)의 부분에 의해 형성되는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 프라이밍 영역(4)은 가열될 상기 층(2)에 인접한 서브-층에 의해 형성되는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 온도 범위(PBT) 및 상기 제2 온도 범위(PHT)는 온도의 함수로서 상기 흡수 계수의 거동(behaviour)의 과도기 임계치(transition threshold)에 의해 분리되는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    온도의 함수로서의 흡수 계수의 거동(STC)의 상기 과도기 임계치는 온도의 범위에 걸쳐 확장하는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    가열될 상기 층(2)은 1E15/Cm3 내지 5E15/Cm3 사이 범위에서 도핑되는 실리콘인, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    가열될 상기 층(2)은 반도체 재료인, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 메인 광 흐름(7)은 레이저에 의해 발생되는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 방법.
  18. 적어도 하나의 메인 광 흐름(7) 펄스에 의해, 적어도 국부적으로 가열될 적어도 하나의 층(2)을 구비하고, 가열될 상기 층(2)의 정면(3)보다 깊게 위치되는 적어도 하나의 프라이밍 영역(4)을 구비하는 플레이트(1)를 적어도 국부적으로 가열하는 장치에 있어서,
    가열될 층(2)의 온도가 제2 온도 범위(PHT) 내에 있을 때 가열될 상기 층(2) 흡수를 통해 가열할 수 있는 상기 메인 광 흐름(7)의 방출 수단(6) 및 제1 온도 범위(PBT) 내의 온도로부터 상기 제2 온도 범위(PHT) 내의 온도까지 상기 프라이밍 영역(4)을 가열할 수 있는 프라이밍 2차 가열 수단(9)을 포함하는, 플레이트를 적어도 국부적으로 가열하는 장치.
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