KR101472330B1 - 결정 제조 - Google Patents

Abstract

하나의 초크랄스키-형 결정 성장의 실행이 도시되고 구현되어 있다. 더욱 구체적으로는, 적합한 단열 및 플로우 구성을 구비한 로가 결정 생산의 비용-효율성을 향상시키는 것으로 나타나 있다. 그것은, 예를 들어, 핫-존을 개방하기 위한 수단을 부여하고, 핫-존을 하나의 새로운 결정 직경에 쉽게 맞추어줌으로서, 전력 소모를 감소시키고, 핫-존 부분들의 수명을 증가시키고, 그리고, 생산성을 향상시킬 수 있는, 개시된 새로운 핫-존 구조, 가스 플로우들 및 성장 프로세스에 의해 달성된다.

Description

결정 제조{CRYSTAL MANUFACTURING}

본 발명은, 일반적으로 초크랄스키(Czochralski)에 관련된 기법으로 결정을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 결정, 특히 반도체 결정의 제조의 비용 효율을 향상시킨, 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은, 특허청구범위의 플로우 구성에 관한 독립항의 전제부(preamble)에 따른 플로우 구성에 관한 것이다. 본 발명은, 특허청구범위의 플로우 구성 시스템에 대한 독립항의 전제부에 따른 플로우 구성 시스템에 관한 것이다. 본 발명은, 특허청구범위의 열적 구성에 대한 독립항의 전제부에 따른 열적 구성에 관한 것이다. 본 발명은, 특허청구범위의 열적 구성 시스템에 대한 독립항의 전제부에 따른 열적 구성 시스템에 관한 것이다. 본 발명은, 특허청구범위의 핫-존(hot-zone) 구조에 대한 독립항의 전제부에 따른 핫-존 구조에 관한 것이다. 본 발명은, 특허청구범위의 로(furnace)에 대한 독립항의 전제부에 따른 로에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그 독립항의 전제부에 따른 결정의 성장 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그 독립항의 전제부에 따른 결정에 관한 것이다.

반도체 단결정은 초크랄스키 방법을 사용하여 제조되는 것이 일반적이다. 반도체 장입물(charge), 예를 들어, 규소는, 챔버내에 있는 도가니(crucible) 주위에 있는 가열 소자(들)를 사용하여, 예를 들어, 실리카로 만들어진 도가니에서 용융된다. 불활성 가스(일반적으로 아르곤) 플로우는 로와 멜트 표면을 플러싱하기(flush) 위해 사용된다. 인상 메커니즘(pulling mechanism)은 멜트로부터 결정을 인상하기 위해 도가니 위에 위치된다. 소위 핫-존을 형성하는, 결정 인상 로(crystal pulling furnace)의 메인 진공 챔버 내측의 내열부들(heat-resistant parts)은 일반적으로 흑연으로 만들어지는, 단열성 연질 및/또는 경질 흑연 펠트(rigid graphite felt)이다. 여러 가지 다른 재료 [예를 들어, 금속, 복합재료omposites) 또는 내화재] 또는 코팅(예를 들어, 흑연 위의 SiC)이 핫-존에 어느 정도 사용되는 것으로 알려져 있다. 도가니, 히터(heater) 및 상기 히터 주위의 단열된 관형 열 차폐부(tubular heat shield)는 공지된 기술들에서 핫-존의 전형적인 몇몇 구성요소들이다. 기본적인 결정 성장 프로세스에서, 자기장이 멜트 플로우(melt flow) 및/또는 결정 특성들, 예를 들어, 산소 농도를 제어하기 위해, 그리고 성장 수율(growth yield)을 향상시키기 위해 사용될 수 있는 것이 또한 공지되어 있다. 용융 시간을 단축시키기 위해 그리고 상기 핫-존에서의 온도 분포들을 최적화하기 위해, 용융 및/또는 결정 성장 동안에 사용될, 도가니 아래에 위치된 부가적인 바닥 히터(bottom heater)의 사용이 또한 그러한 것으로서 앞서 공지되어 있다.

핫-존 설계는, 전체 비용 및 결정의 품질 및 생산성에 중요한 영향을 미친다. 그러나, 초기의 핫-존들은 일반적으로 한정된 단열 또는 국소적으로 단열되지 않은 단열 부분 때문에 매우 높은 열 손실과 화력(heating power) 소모를 가져오는 설계였으며, 동시에, 그 설계 또한 가스 소모를 증가시키는 불량한 가스 플로우(poor gas flow)를 초래하는 외에, 유해한 위치들에 입자가 형성되어 멜트에 닿는데 따른 비교적 낮은 결정 수율, 표면들에서의 강력한 반응들에 기인한 핫-존 부품들의 낮은 수명 그리고/또는 오염 또는 다른 품질 측면들과 관련된 결정의 품질의 저하를 가져왔다. 낮은 결정 수율 및 품질뿐만 아니라 로를 청소하기 위해 또는 핫-존 부품들을 대체하기 위해 필요한 가외의 시간과 함께, 결과적으로 전기, 가스 및 흑연 부분에 대한 상대적으로 높은 비용은, 유용한 결정 길이(usable crystal length) 당 전체 생산 비용을 증가시켰다. 더욱이, 낮은 생산성이 문제가 되어 왔다. 추가적인 문제들은, 현재의 핫-존의 흑연 부분의 용식/부식에 기인한 안정성/프로세스재현성 부족 그리고/또는 예를 들어, 규소 함유 증기의 침착(deposition)에 기인한 다양한 표면 특성 변화와 관계가 있다. 그 뒤 줄곧 이러한 양태들을 개선하기 위한 핫-존 설계에서 일부 개선이 이루어지기는 했으나, 아래에 논의되는 것처럼, 아직도 최적화되지 못하였다.

종래의 핫-존 설계들에 있어서, 전력 소모에는 많은 주의가 기울여지지 않은 반면, 품질, 생산성 및 수율과 같은 다른 측면들에 더 초점이 맞추어졌었다. 이러한 설계들은 종종 매우 제한된 단열부를 가진다. 핫-존의 상측 부분에서, 그리고 종종 하측 부분에서 넓은 영역이 낮은 수준으로 단열될 뿐이고, 예를 들어, 히터 전극(heater electrodes) 및 도가니 축 리드-스루(crucible shaft lead-through) 그리고 핫-존으로부터 펌프-라인(pump-line)으로의 가스 배출구를 통한 열 누출이 매우 크며, 또는 일부 영역/위치에서는 단열이 전혀 되지 않았다.

단열의 개선은, 전력 소모에는 관심없이 그리고 적절히 처리되지 않고서, 멜트 위의 영역에 국소적으로 집중되고, 결정 품질을 개선시키기 위해 그리고/또는 인상 레이트를 증가시키기 위한 목표에 의해 추진되어 왔다. 그러나, 이러한 설계들은 더 높은 인상 레이트를 가능하도록 핫-멜트(hot melt) 및 핫-존으로부터의 열 복사(thermal radiation)로부터 결정을 불완전하게 차폐하기는 하나, 핫-존의 전력 소모를 전반적으로 감소시키기 위해 최적화되어 있지 않거나 이를 목표로 하지 않는다. 높은 전력 손실 및 전력 소모 또한 적어도 국소적으로, 더 높은 최대 온도들, 그리고 핫-존 내부에 더 큰 온도 비균등성(non-homogeneity)을 가져오는 것이 일반적이다. 이러한 설계들은 증가되거나 국소적으로 강화된 반응으로 인해 핫-존 부품들의 수명을 낮추거나 핫-존과 결정의 온도 분포를 벗어나게 하는 원인이 되기 때문에 이러한 것들은 유해하다. 이러한 변화들이 너무 커지게 되면, 부품들을 교체하여야 하므로, 비용을 증가시키고 가외의 작업량 및 시간을 필요로 하여 생산성을 감소시킨다. 도가니-멜트 인터페이스(interface)에서 더 높은 온도도 또한, 도가니에 불리한 변화의 속도를 높이고 그리고 또한 멜트 플로우 거동(melt flow behavior)를 덜 안정적으로 만들고 더 낮은 결정 수율을 가져오기 때문에 도가니에 유해하다.

대부분의 경우에, 불활성 가스는, 위로부터 핫-존으로 도입되는데, 결정 및 멜트 표면을 지나 그리고 마지막으로, 핫-존을 통과한 후에, 배출구들을 통해 결정 성장 장치(crystal grower)의 메인 진공 챔버의 하측 부분들에 연결된 진공 펌프 라인들로 흐른다. 초기의 핫-존들은, 멜트 표면에 가까운 영역들에서의 가스 플로우 지오메트리(gas flow geometry)에 많이 주의를 기울이지 않았던 반면, 현대의 공지된 핫-존들에서, 멜트 위의 관형 또는 원추형 부품은 종종 이 목적을 위해 사용되며, 그 예로는, 핫-존과 관련이 있는 문제점들에 대한 하나의 해결책으로서, 미국 특허 제4,330,362호가 있다. 그러나, 이러한 부품을 통해 가스 플로우를 가이드하는 것은 여러 가지 장점들을 제공하기는 하나, 멜트로부터 물질의 증발을 문제가 되는 레벨까지 강화시킬 수도 있다. 더욱이, 대부분의 가스 플로우가 멜트 표면을 지남에 따라, 핫-존 위의 진공 챔버의 내부 표면들로부터 또는 핫-존의 상부 표면들로부터 배출되는 예상밖의 입자들이, 가스 플로우와 함께 운반되어 용융 영역에 도달할 가능성이 크며, 이러한 입자들이 만일 멜트와 멜트-결정 인터페이스에 도달하면, 결정내에서 전위(dislocations)을 초래할 수 있고, 그에 따라 수율 저하를 초래할 수 있다. 상기한 표면 상의 입자들은 종종 핫-존을 위해 사용되는 물질로부터, 로 내측의 반응 또는 응축으로부터, 또는 클리닝(cleaning) 또는 보수(maintenance) 공정들로부터 유래한다. 미립자-형 오염에 더하여, 만약 그것이 멜트 표면에 접근하게 되면 다양한 표면들로부터 기화된 오염물 역시 유해하다.

흑연 부품들의 수명과 적합한 가스 플로우 경로들 및 핫-존 설계에 의해 그 수명을 증가시키기 위한 방법들이 공지된 기술에서 논의되어 왔다. 그러나, 공지된 가스 경로 설정 해결책들은, 예를 들어, 온도 분포와 관계없이, 흑연 부품들의 수명 및/또는 다른 흑연-기반 부품들의 수명을 연장하기 위해, 가스 플로우가 히터 및/또는 도가니로부터 분리되는 독립적인 해결책들을 제시한다. 그러나, 공지 설계의 로들은, 일반적으로, 챔버에 대한 배출 라인 연결부의 비표준 위치, 그리고 또 가스 시스템을 위한 특별한 설비도 필요하며, 로 및 결정 성장 프로세스의 큰 변경 없이는 표준 로에 쉽게 맞추어지지 않는다. 이러한 설계들은 로의 표준 형에 쉽게 맞추어지지 않으며, 다양한 프로세스에 사용될 잠재적인 보조 시스템에 불리한 영향을 줄 수 있다.

결정을 성장시킨 후에, 로 및 핫-존은, 클리닝 공정 또는 보수 공정을 위해 개방되어야 하는데, 이러한 공정들은 예를 들어, 사용된 석영 또는 실리카 도가니 및 그 안의 잔류 물질의 제거 그리고 있을지도 모를 먼지 및 다른 잔해들의 제거를 포함한다. 핫-존의 상태는 점검될 수 있으며, 로는 최종적으로 다음 뱃치(the next batch)를 위해 장입된다(charged). 손으로 쉽게 들 수 없는 크고 무거운 부품들이 있기 때문에 핫-존의 개방 및 취급의 용이성이, 특히 더 큰 핫-존의 경우에, 생산성에 그리고 결정 성장의 전체 비용에 기여하는 요인(factor)인데도, 이러한 문제는 지금까지 문헌상에 많이 논의되지 않았다. 리프팅(lifting)을 위해 외부 장치를 사용할 수 있으나, 이것은 매우 값비싼 해결책이며, 성장 장치에 그리고/또는 핫-존 부품들에 장치를 결합하고 결합을 해제하기 위해 상당한 공간과 시간을 필요로 한다. 특히, 공지된 로들에서 도가니 위의 핫-존 부품들을 취급하는 것은, 클리닝 및 다른 필요한 공정들, 그리고 그에 따라 생산을 지연시킨다.

생산 유연성은 종종 동일한 성장 장치가 상이한 결정 직경들을 만들기 위해 사용될 것을 필요로 한다. 예를 들어, 만약 동일한 로를 8" 및 6" 규소 또는 게르마늄 결정을 성장시키기 위해 사용한다면, 단일 핫-존 설계는, 아마도 결정 직경들 양쪽에 유용하지도 최적화되어 있지도 않을 것이다. 어떤 변경도 없이 8"을 위한 핫-존 설계로부터 6" 결정을 성장시키는 것은, 더 높은 비용, 더 낮은 생산성, 더 낮은 결정 품질 및/또는 더 낮은 결정 수율을 가져올 것이다. 따라서, 최소 수의 작고, 비교적 값싼 핫-존 부품들이 하나의 직경으로부터 다른 직경으로 변경하는데 적합하도록 쉽고 빠르게 교체되는 핫-존 설계 및 절차들(procedures)이 필요한 실정이다.

발명의 요약

본 발명의 구체예들은, 공지된 기술들의 단점들을 해결하거나 적어도 경감시키는 것을 목표로 한다. 이러한 목표는 본 발명의 구체예들에 의해 달성될 수 있다.

본 발명의 구체예들은, 핫-존 설계, 성장 장치를 위한 플로우 구성, 로, 및 핫-존 설계를 사용하는 방법을 나타내며, 이들은 결정의 전체 제조 비용을 감소시킬 수 있으며 생산성을 증가시킬 수 있다.

본 발명은, 상측 부분에서의, 즉, 결정 인상 장치의 인상 단부(pulling end)에서의 특정 플로우와 연계한 특정 단열이 멜트와 결정, 멜트의 특정 부분에서 그리고/또는 인상될 결정 사이의 인터페이스 부근에서 온도 분포를 크게 개선시킨다는 점을 알게 된 사실을 기초로 한다. 게다가, 결정이 특정한 바람직한 온도 분포를 가질 뿐만 아니라 도가니 주위의 온도 또한 적절히 작은 온도차로 제어가능한 것이 바람직하다. 부수 효과로서, 민감한(sensitive) 표면들과 관련된 유해한 물질들의 형성, 침착 및/또는 반응들을 크게 감소시킬 수 있다. 그 결과로서, 발열 저항체들(heating resistors)의 부식 속도가 늦추어질 수 있다. 또한, 핫-존의 다른 부분들도 더 길게 지속되며, 단열재의 수명이 연장되고, 챔버 부분들이 깨끗하게 유지된다. 또한, 핫-존 구성의 개방 및 보수의 용이성은 본 발명의 구체예들에 의해 크게 개선된다. 본 발명의 구체예들로부터 제기된 개방 및 보수의 용이성은, 성장 장치 및 핫-존 내부의 낮은 레벨의 오염 및 높은 수준의 청결에 또한 기여한다.

바람직하게는 우수한 모델링 소프트웨어 툴(modeling software tool)을 사용하여, 열이 소실되는 곳을 찾아내기 위해 어떻게 해서든 체계적인 연구를 시작하지 않는다면 단열을 개선하는 것은 무척 어렵다. 본 발명자들은 무해하게 보이는 단열 불연속부들(discontinuities)이 실제로 아주 중요할 수 있음을 알았다. 열 손실에 대한 이러한 취약부들은 또한 열교(thermal bridges) 또는 냉교(cold bridges)로 알려져 있다. 규소 성장을 위해 설계된 핫-존의 단열부를 관통하는 흑연 구조재의 역할을 예로 들어 설명한다. 단열부 내부의 핫-존 부분들이, 치수적으로(dimensionally) 안정된 구조재들(structural materials)에 대한 알맞은 접촉을 의미하는, 적절한 방식으로 지지되어야 하기 때문에, 단열부의 그러한 갈라진 틈(breach)은 산업 표준이다. 규소 성장을 위한 핫-존의 내부와 외부 사이의 온도 차이는 일반적으로 약 800 ℃이며, 그리고 1 m 외경의 핫-존에 있는 3 cm 두께의 단열부를 파괴한 6 mm 두께의 단일 흑연 플레이트(plate)는 대략 10 kW 정도의 열 손실을 야기할 것이다. 또 다른 예로 단열부내의 100 cm² 구멍(hole)은 대략 30 kW 정도의 전형적인 열 손실을 야기할 것이다. 규소에 대한 핫-존 설계들은, 여러 곳들에서 구멍들을 필요로 하며, 그리고, 예를 들어, 이미 퍼지 가스(purge gas)를 핫-존 밖으로 흐르게 하는 구멍들만 해도 합한 면적이 이러한 100 cm² 의 범위 내에 있다.

열교들을 확인한 후라도, 열 손실에 대한 이러한 취약부들의 유해 효과들이 적절히 고려되는, 핫-존을 구성한다는 것은 수월한 것이 아니다. 이러한 난제들은, 예를 들어, (1) 핫-존 단열부의 내부와 외부의 영역들 사이의 큰 온도 차이들, (2) 단열부를 위한 제한된 공간 대(對) 성장 장치와 핫-존 부품들의 비용, (3) 사용가능한 구조재들의 전형적인 높은 열 전도율들, (4) 위치 정확도의 손실, 또는 부품들의 파손 없이 흡수될 필요가 있는, 핫-존의 다양한 부분들에서의 큰 온도 차이들에 의해 야기되는 큰 치수적 변화들에 의한 것이다.

멜트 표면을 퍼징하도록(purge) 가이드는 플로우외에 다른 병행 가스 경로들에 대한 필요성은, 규소의 초크랄스키 성장을 위한 핫-존의 단열성 개선과 더불어 증가한다. 이는 단열이 좋으면 좋을수록 석영 또는 실리카 도가니와 규소 멜트 사이 인터페이스의 온도를 강하시키고, 그에 따라 멜트로의 산소 용출속도를 감소시켜서 결정에 대해 특정된 산소 농도로 도달하기 위해서는 멜트 표면을 직접적으로 지나가는 가스 플로우 및 멜트로부터 산소의 증발을 감소시킴으로써 보상되어야 하기 때문이다. 그러나, 전체 가스 플로우는, 일산화규소와 흑연들 사이의 반응을 제한하고, 흑연 부품들의 수명을 길게 유지하고 그리고 로를 입자들로부터 깨끗하게 유지하기 위해서 핫-존을 효과적으로 플러싱하도록(flush) 충분히 높아야 한다. 따라서, 너무 낮은 아르곤 가스 플로우에 기인한 결점을 피하기 위해, 가스가 다른 경로들을 통해서도 핫-존에 가이드되어야 하며, 특히, 열적으로 잘-단열된 핫-존의 경우에 그러하다. 또한, 가스가 핫-존에 이미 들어가서 멜트 표면을 지난 후에 있어서, 핫-존의 내부 부분 내에서의 가스 플로우 경로가 중요하다.

본 발명자들은, 열 및 가스 플로우 설계와 핫-존의 특성들은 본 발명의 측면들을 통해 연계되고 결정 수율 및 품질에 중요한 영향을 주며, 그리고 그들은 완전히 독립적으로 설계될 수 없다는 것을 알았다. 보호성 불활성 가스의 플로우 특성들은, 가스 플로우 경로들을 구획하는 핫-존 설계에 의해, 그리고 성장 챔버(growth chamber) 내부의 압력과 가스 유량(gas mass flow)과 같은 가스 플로우에 대한 프로세스 파라미터들에 의해 영향을 받는다. 다른 한편으로는, 가스들을 위한 핫-존의 어떤 유입구 또는 배출구도 마찬가지로 열의 잠재적인 누출 경로이다. 가스 플로우 경로들 및 특성들은 다음의 사항들에 영향을 준다:

(A) 핫-존 부분들의 수명.

예를 들어, 흑연 또는 흑연 펠트 부분들, 규소 멜트, 및 실리카로 만든 도가니의 경우에, 수명 한계는 대부분, 흑연 표면에 탄화 규소 형성 및 열 전도율(thermal conductivity), 복사율(emissivity) 그리고, 히터의 경우에, 고유저항(resistivity)과 같은 물질 특성들에서의 변화들(changes) 또는, 마지막으로, 심지어 파손(breakage)을 가져오는, 일산화규소 및 흑연 사이의 반응들 때문이다. 그러한 물성 변화들(changes), 특히 핫-존에 불균일하게 분포되어 있는 변화들은, 핫-존 및 결정에서의 온도 분포를 변화시킬 것이며, 이것은 최적화되지 않은 프로세스 조건들, 그리고 그에 따라, 더 낮은 결정 수율 및/또는 결정 품질을 가져올 수 있다. 예를 들어, 결정의 산소 농도가 그 목표 값으로부터 벗어날 수 있거나, 단결정 구조의 손실이 결과로서 생길 수 있다.

(B) 결정 수율.

가스 플로우는, 멜트로부터 증발하는 물질(예를 들어, SiO)을 퍼징하여, 멜트 표면 가까이에서의 입자(예를 들어, SiO의 입자)의 형성을 막는데, 그 멜트 표면에서, 멜트, 그리고 마침내, 결정-멜트 인터페이스에 도달할 수 있고, 그에 따라 전위 형성(dislocation formation)을 초래할 수 있는데, 그렇게 되면 결정 또는 그 일부를 쓸모 없게 만들어, 결정 수율을 감소시킨다. 추가적으로, 다른 오염물질/침착물이 로 다운스트림의 더 먼쪽 부분의 멜트 표면에 형성될 수 있거나 그로부터 생길 수 있다. 이러한 오염물질들은, 멜트에 불어 보내질(drift) 수 있는, 가스상(gaseous) 및/또는 미립자 상(particulate phase)을 포함할 수 있다. (예를 들어, As, Sb, P 로) 고도로 도핑된(doped) 결정은, 멜트내에 높은 농도의 도핑제(dopants)를 또한 필요로 하며, 그리고 도핑 원소들(doping elements)은, 나중에 입자들을 형성할 수 있는, 산화물로서 증발될 수 있거나, 그들이 접촉하게 될 핫-존 부분들의 마모를 일으킬 수 있다.

(C) 결정의 산소 농도.

멜트 표면 근처에서의 가스 플로우는 멜트로부터 (예를 들어, SiO 또는 다른 산소 포함 가스들 또는 증기들로서) 산소의 증발 속도에 영향을 주며, 결정의 산소 농도를 제어하는 주요한 인자들 중의 하나이다. 원칙적으로, 멜트 표면을 퍼징하는 아르곤 가스 유량(mass flow)이 클수록 대체로 결정 내의 산소 농도가 낮아진다.

(D) 결정 불순물들.

규소 결정에서 주된 불순물 중의 하나는 탄소이다. 탄소 오염의 대부분은, 증발 SiO 가스와 뜨거운 흑연 부분들 사이의 반응으로부터 유래하며, 그 반응은 만약 가스 플로우가 이것을 가능하게 하면, 멜트에 도달할 수도 있는 CO 가스를 발생시켜서, 멜트 및 결정의 탄소 농도를 증가시킨다.

(E) 가스 소모는 본 발명의 구체예들에 의해 감소될 수 있으며, 그리고 관련 비용이 더 낮아질 것이다. 또한, 가스에 의해 오염물질들을 멜트로 운반되게 할 가능성은 더 낮다.

아래에서, 초크랄스키-형 방법 또는 초크랄스키-형 프로세스에 의한 결정 제조는, 종자 결정(또는 씨 결정: seed crystal) 또는 그 유사물이, 종자 결정에 의해 정의되는(defined) 구조를 갖는 결정을 성장시키기 위해, 도가니에 들어 있는 멜트과 접촉하게 되는, 프로세스에서 결정 물질을 제조하는 것을 의미한다.

아래에서, "결정 성장 장치"라는 용어는, 초크랄스키-형(type) 방법에 의해 결정 제조를 위한 필수적인 부분들을 포함하여 구성되는 장치를 나타내기 위해 사용된다. 이것은, 예를 들어, 진공 적합성 챔버들(vacuum compatible chambers), 성장 챔버에 적합한 분위기(atmosphere) 및 압력을 제공하기 위한 수단뿐만 아니라 적절한 방식으로 도가니 및 결정을 이동시키기 위한 필수 시스템들을 포함한다. 결정 성장 장치는, 또한 상이한 유형들의 여러 히터들을 위한 전력 공급 장치들(power supplies), 제어 시스템 뿐만 아니라 영구 자석들 및/또는 전자석들과 같은 여러 부가적인 부품들을 포함하여 구성될 수 있다.

아래에서, "핫-존" 이라는 용어는, 결정 성장을 위해 적합한 열 및 가스 플로우 조건들을 만들기 위해 필요한, 결정 성장 장치 진공 챔버 내부의 필요 부분들을 포함하여 구성되는 그러한 장치를 나타내기 위해 사용된다. 핫-존은, 예를 들어, 멜트를 수용하는 도가니, 단일 또는 상이한 유형들의 여러 히터들, 나아가 도가니 및/또는 히터(들) 주위의 단열부를 포함한다. 어떤 부분이든, 도가니에서 온도 분포에 크게 기여하지 않고 진공 챔버의 최상부로부터 아래로 매달려 있으면, 핫-존의 일부인 것으로 간주하지 않는다.

아래에서, "로"라는 용어는, 결정 성장 장치 및 핫-존이 함께 형성하여, 그리고 적합한 전력, 냉각 및 가스 시스템들에 연결된다면, 그것으로서 결정 성장을 위해 사용될 수 있는 조합(combination)을 나타내기 위해 사용된다.

아래에서, "도가니"라는 용어는, 도가니의 재질 및/또는 도가니의 미세 구조와 상관없이, 특별히 다르게 지적되지 않는 한, 초크랄스키-형 프로세스를 위한 멜트로 용융될 장입물(charge)을 넣기에 적합한 용기(vessel)를 의미한다. 또한, "서셉터(susceptor)"라는 용어는, 특정한 종류의 도가니-형상 용기를 나타내기 위해 사용되어 왔다. "서셉터"는 멜트를 수용하는 도가니를 기계적으로 지지하기 위해 사용된다. 만약 서셉터가 사용되지 않으면, "서셉터"라는 단어는 도가니 그 자체를 의미한다.

아래에서, 초크랄스키-형 방법 또는 프로세스와 관련된 "인상한다(to pull)"라는 용어는, 단순한 인상에만 한정되지 않으며, 고형물-멜트 인터페이스에 대한 종자 결정의 상대 이동(relative movement)을 나타낸다.

아래에서, "히터"라는 용어는, 장입물, 도가니, 결정 또는 성장 장치 내부의 다른 어떤 부분을 가열하기 위해 다른 소스들(sources)의 에너지를 변환시키기 위해 사용되는 장치를 나타내기 위해 사용된다. "바닥 히터(bottom heater)"라는 용어는, 최대한의 그 화력(heating power)을 위해, 결정의 몸통이 성장하는 동안 도가니의 바닥의 높이 아래에 위치되는 히터를 나타내기 위해 사용된다. "메인(main) 히터"라는 용어는, 대부분의 그 화력을 위해 도가니 외측 반경(outer radius)의 외부에 위치되어 있는 히터이다. "표면 히터"라는 용어는, 멜트 표면 위의 도가니 외측 반경의 내부에 위치되어 있는 히터이다.

아래에서, "진공"이라는 용어는, 대기권의 우주의 빈공간부터 본질적으로 표준 대기압 상태까지 그 의미가 확장되는, 압력을 받는 상태의 가스상 매질을 나타낸다. "진공 챔버"라는 용어는, 도가니 주위에 진공상태를 달성하고 그리고/또는 유지할 수 있는 용기 및/또는 장치를 의미한다. 이 용어는, 만약 결정 성장 프로세스가 표준 대기압 또는 그보다 높은 압력을 필요로 하면, 전혀 변경하지 하지 않거나 단지 최소한의 변경을 가한 후에 진공을 유지할 수 있는 그러한 챔버를 위해서도 사용된다.

아래에서, 가스와 같은 유체를 위한 경로(route) 또는 채널(channel)은, 유체를 그 안에서 흐르게 하는, 유체를 위한 통로를 의미한다. 경로 또는 채널 또한 여러 가지 방법으로 실시될 수 있다. 경로는, 관체를 따라 일 단부로부터 타단부로 형성되며, 그러나 하나가 다른 하나를 둘러싸서, 채널을 구획하는 고리형 공간을 형성하는, 두 개의 관들 또는 실린더들에 의해, 구획될 수 있는데, 동축관들(co-axial tubes)또는 실린더들로만 한정되지 않는다. 동일한 방식으로, 원추형 관들, 평면 플레이트들 또는 고리들이 또한 채널들을 구획할 수 있다. 매우 많은 수의 다양한 채널 형상들이 고안될 수 있다. 채널은 또한 입상, 다공성, 섬유상 물질 등의 유체가 통과하는 통로를 또한 포함할 수 있다.

아래에서, "도핑제(dopant)"라는 용어는, 비교적 소량의, 용융될 장입물의 주 성분이 아닌 화학 원소를 의미한다. 이러한 도핑제들은, 일반적으로 원소 주기율표의 III족, IV족 또는 V족에 속하며, 멜트에서의 그 농도는, 전기적으로 활성인 도핑제에 대해서는 0.1 ppb (part per billion) 미만으로부터 약 1 퍼센트까지, 그리고 만약 멜트 및/또는 결정의 전기 전도성 또는 전도성 타입이 아닌 다른 특성들이 요구된다면, 1 ppm (part per million) 미만으로부터 수 퍼센트(several percent)까지 변화할 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 히터는 결정에 대해 및/또는 멜트에 대해 거의 원통형의 대칭 지오메트리(symmetric geometry)를 가질 수 있다. 본 발명의 다른 하나의 구체예에 의하면, 히터는 멜트 및/또는 결정의 온도 분포의 균형을 유지하기 위하여 비대칭적으로 설치된 히터 부를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에 의해, 히터(들)와 핫-존의 잔여 부분 사이의 구조를 조절 가능하게 하는 수단이 사용된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 이러한 구조는 두 성장들 사이에서 변화할 수 있다. 하나의 구체예에 의하면, 상기 구조는 또한 성장 프로세스 동안에 변화될 수 있다.

본 발명에 의한 플로우 구성은, 플로우 구성에 대한 독립항의 특징기술부(characterizing part)에 기술되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 플로우 구성 시스템은, 플로우 구성 시스템에 대한 독립항의 특징기술부에 기술되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 열적 구성은, 열적 구성에 대한 독립항의 특징기술부에 기술되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 열적 구성 시스템은, 열적 구성 시스템에 대한 독립항의 특징기술부에 기술되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 핫-존 구조는, 핫-존 구조에 대한 독립항의 특징기술부에 기술되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 로는, 로에 대한 독립항의 특징기술부에 기술되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 결정의 성장 방법은, 결정의 성장 방법에 대한 독립항의 특징기술부에 기술되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 결정은, 결정에 대한 독립항의 특징기술부에 기술되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구체예들은 예시들로서 종속항들에 나타나 있다. 2 부분들, 즉, 전제부와 특징기술부로 구성된 청구항들의 전제부와 특징기술부 사이의 경계부는, 그러한 청구항들에서 "∼을 특징으로 하는(characterized)", "여기서(wherein)" 및/또는 "∼를 포함하여 구성되는(comprising)"의 표현들에 대해 굵은 서체로 나타나 있다.

본 발명의 구체예들은, 예컨대, 탄소 불순물 농도에 관한 결정의 품질 및 그대로 또는/및 웨이퍼로, 즉 미가공 또는 가공된 결정을 위한 결정 수율을 유지 또는 개선시키는 한편, 초크랄스키-형 방법을 사용하는 반도체 단결정 제조를 더욱 비용-효율적으로 만든다. 전기, 불활성 가스 및 핫-존 부품들의 소모 및 비용, 관리자 작업의 양 및 비용 그리고 성장 프로세스의 전체 사이클 시간에 기여하는 여하한 과정들(procedures) 뿐만 아니라 로들의 투자 비용들이 결정의 제조의 비용-효율성에 기여한다.

개선된 비용-효율성이라는 주요한 목표로부터 다음의 부수적인 목적들이 고려된다:

(a) 전력 소모의 감소.

(b) 값비싸고 교체에 시간이 걸릴(slow-to-replace) 핫-존 부분들, 예컨대, 구조재 흑연 부분들 및 단열 부분들의 실질적인 수명의 연장. 더욱이, 적합한 단열부 및 적절하게 균일한 온도 분포는, 핫-존 부품들이 상당한 마모를 겪은 후에도, 더욱 재현성이 높은 결정 성장 프로세스를 가져온다.

(c) 핫-존이 결정 직경의 변화에 쉽게 그리고 비용-효율적으로 맞추어지는 것을 가능하게 하는 핫-존 구조. 결정 품질 및 결정 수율을 유지하거나 개선하면서 더 우수한 비용-효율을 달성하는 것.

(d) 합리적으로 가능한 한, 로에 대해 값비싼 변형을 할 필요 없이 또는 값비싼 추가적인 설비를 필요로 하지 않고서, 표준 결정 성장 로들과 호환가능한(compatible), 본 발명의 구체예들을 사용하여 더 우수한 비용-효율성을 달성하는 것.

이러한 목적들을 달성하기 위해, 본 발명의 구체예들의 장치 및 방법이 제공된다. 본 청구항들에 더 주의깊게 기술되어 있는, 발명의 구체예들은, 본 발명의 기본적인 구체예들의 제시된 예들에 대한 많은 변경들이 가능하기는 하나, 본 발명의 다음의 측면들, 즉, 아래에서 또한 (i) - (v)의 참조 번호들로 언급될, 첫 번째 측면 (i), 두 번째 측면 (ii), 세 번째 측면 (iii), 네 번째 측면 (iv), 및 다섯 번째 측면 (v) 을 포함한다:

(i) 우수하고 거의 연속적인 단열부를 가지도록 구성되어 개선된 비용-효율성을 부여하는, 결정-인상 로의 핫-존.

(ii) 가스가 두 개의 상이한 경로들을 통해 핫-존으로 들어감으로써 개선된 플로우 패턴을 부여하고, 그렇게 해서 비교적 낮은 양의 불활성 가스를 소모하면서 흑연 부분들의 수명 및 결정 수율 및 품질의 증가를 가져오는, 신규한 불활성 가스 경로들.

(iii) 풀러(puller)에서 기존의 리프팅 메커니즘을 사용하여, 성장 장치의 메인 진공 챔버의 최상부와 함께 핫-존 상측 부분들의 리프팅을 가능하게 하는, 핫-존 설계 및 관련 부분들의 연결.

(iv) 핫-존의 단지 몇몇의 비교적 작고 값싼 부분들을 쉽게 교체함으로써, 하나의 결정 직경으로부터 다른 직경으로의 우수한 맞춤(adaptation)을 가능하게 하는, 핫-존.

(v) 관리자 수고(labor)를 절약하는 핫-존 설계. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 설계는, 로를 깨끗하게 유지하고 쉽게 접근가능하게 하며, 그리고 따라서 핫-존 부분들 및 성장 챔버의 클리닝 작업을 감소시킨다.

개별적인 구체예가 하나의 측면과 직접적으로 관련될 수 있기는 하나, 그러한 하나의 구체예는 다른 하나의 측면과도 직접적으로 또는 간접적으로 관련될 수 있다. 본 발명의 구체예들은, 적합한 부분과 결합될 수 있으며, 심지어 적합한 부분의 하나의 카테고리에서 다른 카테고리로도, 결합가능하다.

아래에서, 본 발명의 구체예들을, 예시들로서 나타나 있는, 다음과 같은 도면들을 참조하여 더 상세히 설명하기로 하며, 도면들 중에서,

도 1은, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정 제조 장치의 종단면도이고,

도 1b는, 도 1의 핫-존을 상세하게 나타낸 도면이며,

도 2는, 가스 배출구에서의 핫-존의 설계를 보여주는, 단결정 제조 장치의 상세도이고,

도 3은, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존에서의 가스 플로우 경로 설정(routing)을 보여주는, 결정 제조 장치의 상세한 종단면도이며,

도 4는, 핫-존 설계에서 가스 플로우 경로들(gas flow routes)을 보여주는, 결정 제조 장치의 상세도이고,

도 5는, 핫-존 설계에서 부가적인 가스 플로우 경로를 갖는 결정 제조 장치의 상세도이며,

도 6은, 본 발명의 하나의 구체예에 의한, 하나의 핫-존을 포함하는 결정 제조 장치의 챔버 상부의 들어올림(리프팅)을 설명하는, 개략적인 상세도이고,

도 7은, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 챔버, 그 상부 및 핫-존 구성을 더 설명한 도면이며,

도 8은, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 상이한 결정 직경들에 적합한 핫-존을 포함하여 구성되는 결정 제조 장치를 상세히 나타낸 도면이고,

도 9는, 결정 제조 프로세스를 위해 적합한 핫-존 부분들을 선택하는 흐름도의 하나의 예를 나타낸 도면이다.

도면들은, 나타내어진 구체예들로만 범위를 한정하려 의도하지 않고, 본 발명의 구체예들의 예들을 보여주기 위하여 예시적인 특징을 들어 설명한 것들이다. 이러한 도면들에 나타나 있는 대상물들의 치수들은 반드시 일정한 척도를 따른 것은 아니다. "수평의", "수직의", "위" 또는 "아래", "상승된" 또는 "낮추어진"과 같은 상대적인 용어들은, 결정, 결정 성장 장치의 도가니, 및/또는 진공 챔버 또는 그 부분들의 상호 위치들과 관련되어 있으며, 그들은, 나타내어진 상호 위치들 또는 그들의 변화들에 대한, 그러나 중력 및/또는 도면들이 나타나 있는 지면의 방향에 대한 특별한 관련(commitment) 없이, 실례가 되는 방식으로 단지 그 예들인 것으로서 사용된다. 따라서, 몇몇 예들에서, 위와 아래가 서류 종이 배향과 관련된 방향들로서 그리고/또는 중력에 대항하는 또는 중력 방향을 나타내기 위해 사용되기는 하나, 실제 장치에서 위와 아래는 서로에 대해 이동가능한 특정 대상물들 사이의 상대적인 기준들(measures)이다. 다양한 본 발명의 구체예들은 또한 적절한 조합들(combinations)로 사용될 수 있다.

바람직한 구체예들의 상세한 설명

도 1은, 개략적인 방식으로, 본 발명의 하나의 구체예의 성장 챔버 내부를 설명하는 도면이다. 전기, 가스들, 진공, 자기장들을 공급하기 위해 그리고 결정(4), 멜트(5), 및/또는 도가니(6) 등의 회전 및/또는 리프트(lift)를 위해 필요한 지지(support) 및 제어 시스템들은 단순화를 위해 도면들에 생략하고 있다.

결정이 도 1에서 원추형 부재의 개구부(opening) 또는 도가니 축과 동축 구조로 도 1에 나타나 있기는 하나, 결정 및/또는 도가니는 적합한 부분에서 상이한 회전 축을 가질 수 있다. 따라서, 다른 구체예에 의하면, 결정은, 도가니의 회전 축 및/또는 멜트의 회전 축 밖에 분명히 있는 축을 따라서 회전될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 멜트는 결정에 대해 회전 이동을 제공하기 위해 회전된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 결정은, 도가니의 비-축방향(non-axial) 위치에서 멜트에 대해 회전될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 결정, 멜트 및/또는 도가니는, 상이한 각 속도(angular velocity)로 개별적으로 또는 서로에 대해 회전될 수 있다. 하나의 구체예에서, 그 방향들은 정반대일 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 멜트의 각 속도는 결정의 각 속도와 본질적으로 동일할 수 있으되, 결정화될 물질을 위해 사용되기 위해, 인터페이스에서 아주 느린 상대적 이동을 가능하게 할 정도로 약간 상이할 수 있다. 그러나, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자는, 멜트, 도가니 및 결정의 회전 이동을 결합시키기 위한 여러 방식들을 구체예들로부터, 그러한 본 발명의 구체예들의 범위를 벗어나지 않고서, 실현할 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의해, 챔버(1)는 최상부(1a)를 가지는데, "최상"은 지면 상에 도시된 방향만을 의미한다. 챔버는 또한 바닥부(1c)를 가지나, 별도의 중간부(1b)는 필수적이지 않다. 도 1의 단면도에서, 챔버(1)의 왼쪽 및 오른쪽 벽들에는 공정 중에, 하나의 구체예에 의하면 거의 진공인 내부 분위기(atmosphere)를 가지나, 다른 구체예에서는 상당히 높은 과압(over-pressure)으로 유지되는 챔버를 개방하기 편리하도록 플랜지들(flanges)이 구비되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 챔버는 또한 도 1에 나타나 있는 것보다 더 많은 부분들을 포함할 수 있다.

도 1에는 진공 챔버의 단면 형상이 직사각형 형상을 가지나, 이는 결정 성장 장치 챔버의 형상을 제한하기 위한 어떠한 의도가 있는 것이 아니며, 단지 단순화를 이유로 그렇게 나타낸 것이다. 그러므로, 원통형 또는 관형(tubular) 형상의 단면의 코너들(corners)은, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 변형될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 바닥부(1c) 및/또는 최상부(1a)는, 구형(sphere) 또는 다른 만곡된 형상에 가깝게 할 수 있다. 그러한 하나의 구체예에서, 예를 들어, 열 복사 속(radiation flux)을 로의 내부 부분들로, 핫-존으로 되돌려 보내기 위해 바닥 및/또는 최상측 부분들을 구부려서 사용할 수 있다. 중간부(1b)는, 하나의 예로서 도시된 구체예에서와 같은 원통형일 필요는 없으며, 다른 형상들, 예를 들어, 배럴-유사(barrel-like) 형상들이 또한 가능하다. 도 1에서, 최상부(1a) 및 바닥부(1c)는, 관형 섹션(tubular section)을 각기 포함한다. 그러나, 이러한 부분들은 또한 관형 섹션들을 전혀 가지지 않도록 설계될 수도 있다.

도 1에서, 결정 및 도가니 센터라인들(centerlines)은 단일 라인인 것으로 도시되어 있다. 이것은 표준 산업 관행(standard industry practice)이나, 결정의 그리고 도가니의 상대적인 위치들을 크게 변경시키는 것이 또한 가능하다. 그러면, 원추형 부재(부분 30, 31, 및 32)의 하단에 있는 구멍의 중심도 도가니 센터라인으로부터 벗어나 이동될 수 있다.

도 1은, 또한 결정(4)이 그 구멍을 통해 인상되는, 핫-존의 센터라인 근처의, 멜트 위의 구멍을 제외하고는, 단열부가 핫-존 주위 모두에 넓게 퍼져있음을 나타낸다. 결정(4)과 원추형 부재 사이에 틈이 있어 결정에 적절하게 들어맞는, 원추형 부재에 의해 결정(4)에 적합한 크기로 개구부가 만들어질 수 있다. 도시되지 않은 것은, 히터 전극들(electrodes), 퍼지 가스(purge gas) 등을 위한 단열부에 있는 불가피한 구멍들은 도시하지 않았다. 이러한 구멍들은, 이들을 통한 열 손실을 감소시키기 위해 가능한 한 적게, 가능한 한 작게, 그러나 동시에, 필요한 전류, 히터들을 위한 기계적 지지 뿐만 아니라 퍼지 가스 배출을 위해 필요한 단면을 가능하게 할 만큼 크게 유지된다. 예를 들어, 온도 측정, 또는 몇몇 부분들의 기계적 조작을 위해 추가적인 작은 개구부들이 또한 포함될 수 있다. 메인 히터는 도면 부호 11로 표시되며, 선택적 바닥 히터는 도면 부호 12로 표시되어 있다. 메인 히터는, 가열 소자(heating element)의 임피던스 및 전기를 열로 변형시키기 위한 관련 성능(capability)에 기초하여 전기 히터로 만들어질 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 히터 부재는 본질적으로 그 임피던스에 대해, 그리고 그에 따라, 얻어진 열에 대해 완전한 고유저항이 있는 부품을 가진다. 본 발명의 다른 하나의 구체예에 의해, 히터는, 전체 임피던스에 기여하는 중요한 유도성 부품(inductive component)를 가진다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 여러 개의 히터 부재들이 더 강력한 화력 또는 온도 분포의 유연성 있고 그리고/또는 더 정확한 조절을 달성하기 위해 사용될 수 있다.

화력은 또한 핫-존의 다른 어디선가에서 만들어질 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 바닥 히터(12)는 장입물 및/또는 멜트(5)을 가열하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 표면 히터(도시되지 않음)도 또한 멜트 및/또는 성장하는 결정의 하단부를 가열하기 위해 멜트 표면 영역에 사용될 수 있다.

핫-존의 구조적 부분들은 일반적으로 단열 부분들 보다 더 높은 열 전도율을 가진다. 본 발명에 의한 구조적 부분들은, 다음의 카테고리 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 방식으로 설계된다:

(1) 상기 구조적 부분들은 핫-존 단열부의 내측에 배치된다. 즉, 상기 구조적 부분들의 온도가 성장되는 물질의 용융점 부근으로 높다.

(2) 상기 구조적 부분들은 핫-존 단열부의 외측에 배치되며, 상기 구조적 부분들의 온도는 위에 언급한 용융점의 수백℃ 아래이다.

(3) 도 1의 도가니 축(13a)과 같은, 단열부의 양측면에 뻗어있는 일부 부분들은, 열 손실이 적게 되는 방식으로 구성된다.

카테고리 (3)에 있는 부분들의 단면적은, 열이 단열부를 통해 핫-존의 내부로부터 외부로 이동할 필요가 있는 거리와 비교하여 작다.

고온부(hot side)로부터 저온부(cold side)로 뻗어있을 필요가 있으나 도 1의 실시예에 나타나 있지 않은, 핫-존의 몇몇 다른 구조적 부분들이 또한 있다. 고온부와 저온부 사이의 하나의 경계(one boundary)는 더 설명할 필요가 있다. 이것은 도 1b의 실시예에 나타나 있는, 멜트 위의 열 차폐부의 하단부이다. 원추형 부재의 내부 차폐부(32)와 외부 차폐부(30)는, 뜨거운 외부 차폐부(30)로부터 이보다 상당히 차가운 내부 차폐부(32)로의 열흐름을 줄이기 위해, 얇은 틈(50) [바람직하게는 0.2 - 2 mm]에 의해 분리된다. 더욱이, 단열이 되지 않는, 상기 틈에서의 접촉 너비(contact width)는, 작게, 바람직하게는 2 - 8 mm로 유지된다. 하나의 구체예에 의해, 내부 차폐부(32)는, 이러한 작은 틈이 어디든지 개방된 상태로 남아있도록 위로부터 매달려 있을 수 있다. 내부 차폐부(32)는 또한 외부 차폐부(30) 위의, 얼마 안 되는 미리 정해진 작은 지점들 위에 아래로부터 지지될 수 있다. 또는, 내·외부 차폐부들(30 및 32) 사이에 놓여 있는 무비산형(non-dusting) 단열부가 놓일 수 있으며, 이 경우, 이러한 차폐부들 사이의 거리는 또한, 1 - 20 mm로, 위에 언급한 것보다 약간 더 클 수 있으며, 접촉 너비는 또한 위에 언급한 것보다 더 클 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 내부 차폐부(32)는 흑연으로 만들어지나, 다른 구체예에 의해, 다른 내화재들, 예를 들어, 몰리브덴이 사용된다. 하나의 구체예에서, 무비산형 단열부가 다양한 결정에 적합한 핫 존의 부분들에 따라 교체가능하도록 배열될 수 있다.

도 1은, 고온 적합성 금속(high temperature compatible metal) 또는 다른 적합한 내화재(80)의 축, 롯드(rod), 와이어(wire), 또는 로프(rope) 뿐만 아니라 멜트로부터 결정을 인상하도록 배열된 인상 메커니즘(81)을 또한 보여준다. 인상 메커니즘(81)은, 본 발명의 하나의 구체예에서, 결정을 회전시키도록 배열된 수단을 포함한다. 하나의 구체예에서, 회전은 매끄럽게 이루어지며, 경시적으로 변화하지 않거나 아주 느리게 변화한다. 다른 하나의 구체예에서, 결정 회전 속도는 경시적으로 변동한다. 다른 구체예에서, 결정 회전 방향은 도가니 회전의 것과 반대이다. 다른 하나의 구체예에서는, 그 방향들이 동일하다.

도 1에 대략적으로 나타나 있는 설계를 사용한 결과들은, 전체 프로세스 사이클에서 그리고 멜트로부터 규소 결정의 엔드-콘(end-cone)까지의 그 프로세스 단계들에서의 전력 소모에 있어서의 중요한 개선들을 나타낸다. 전력 소모는, 핫-존의 하단부의 효과적인 단열에 전혀 주안점을 두지 않고 멜트 위의 부분들이 적절히 단열된 열 차폐부를 포함하지 않는 핫-존 설계와 비교하여, 50% 이상 감소되었다. 그 하나의 예로서, 16" 핫-존 (16" 값은, 핫-존에 사용되는 공칭 실리카 도가니 직경을 표시하며, 즉, 약 400 mm 임)의 전형적인 전력 소모는, 결정의 전체에 걸쳐 약 70 - 80 kW 이나, 도 1에 나타나 있는 연속성(continuous) 단열부를 갖는, 20" - 22" 핫-존 (도가니 직경 약 500-550 mm)에서는 단지 약 50 - 55 kW 이다. 20" - 22" 핫-존에 대해 예상된 열 손실은, 종래의 16" 핫-존에서와 동일한 레벨의 단열부에서는 110 - 120 kW 일 것이다.

효율적인 단열 효과는, 퍼지 가스 배출 장치 및 히터 전극들을 위해 필요한 개구부들(openings)에 대한 예들을 검토한다면 더 명백해질 것이다. 더 작은 16" 핫-존은, 메인 히터를 위한 단지 두 개의 전극들과 퍼지 가스를 위한 두 개의 배출구들(exhausts)만을 가진다. 더 큰 20" - 22" 핫-존은, 메인 히터를 위한 네 개의 전극들과 추가적인 바닥 히터를 위한 두 개의 전극들, 즉, 합계 여섯 개의 전극들 그리고 퍼지 가스를 위한 네 개의 배출 개구부들(exhaust openings)만을 가진다. 전극 및 개구부 각각은 그들과 관련된 상당한 열 손실을 가지며, 이러한 열 손실은 최소화될 수 있으나 완전히 피할 수는 없다. 불가피한 아주 많은 수의 개구부들에도 불구하고, 전체 열 손실은 더 작은 핫-존의 것보다 크게 더 낮다. 단열재(21)는, 관 형상을 갖는 차폐 부재(20)에 의해 보호되고 지지될 수 있으며, 그리고 부품(20)이 히터(11) 주위에 위치된다. 언급한 값들은 예시들이며, 그 명백한 구체예들은 언급한 값들로만 한정되지 않는다.

우수한 성능 지수(figure of merit)는, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존의 전체 표면적 당(per) 열 손실이다. 측정치를 적용하기 쉽게 하기 위해, 표면적을, 단열재의 핫-존의 센터라인으로부터 단열재의 가장 먼 거리와 동일한 반경을 갖는, 간단한 실린더의 표면적으로 계산하였다. 실린더의 높이는, 핫-존의 바닥으로부터 가장 높은 지점까지의 가장 큰 수직 치수이다. 열적으로 중요하지 않을 수 있는 범위들은 제외하였다. 새로운 핫-존은, 12 kW/m²을 나타낸 반면, 종래의 핫-존은 약 30 kW/m² 을 필요로 하는데, 이 값들은 결정 몸체(crystal body)의 성장 동안의 전형적인 값들이다.

효율적인 단열의 추가적인 장점은, 핫-존 내부의 온도 분포가 아주 균일하다는 점이다. 이것은, 그들이 겪는 최대 온도들이 규소 용융점 보다 다소 높을 뿐이며, 거의 모든 구조적 부품들에서의 온도 차이들이 작아서 열 응력들(thermal stresses)을 감소시키기 때문에, 구조적 내화부들의 수명들을 연장시킨다. 더욱이, 규소 멜트에 의해 방출된 일산화규소에 의한 부식 작용이 노출된 표면들에 더 균일하게 일어날 것이며, 그 결과로서 그들의 특성들이 더 느리게 그리고 덜 국소적으로 변화한다. 실리카 도가니가 겪는 최대 온도들이 또한 더 낮으며, 이것은 도가니가 결정 수율이 감소될 수 있는 방식으로 닳아서 없어질 위험에 처하기 전의, 유용한 프로세스 시간의 길이를 연장시킨다.

더욱이, 멜트에서의 온도 차이가 이에 상응하여 비교적 작기 때문에, 멜트 플로우들도 다소 더 낮고 그리고 더 안정적이 된다. 따라서, 추가적인 자기장에 대한 필요성이 감소되며, 그리고 자기장이 사용되는 경우에는 자기장 값들이 비교적 낮을 수 있다. 단열부는, 따라서 성장 프로세스(growing process)의 어떤 단계 동안에 자기장 세기의 필요성에 영향을 줄 수 있다.

도 1은, 결정의 상부를 만들기 위해 인상이 계속되는 상태에 있는 하나의 예를 나타낸 도면이다. 결정(4)은, 어깨부분으로서 나타나는 크라운(crown)과 몸체를 포함한다. 엔드 콘(end cone)이 도 1에 나타나 있지 않기는 하나, 하나의 구체예에 의한 결정은, 이 프로세스에서 나중에 그것을 가질 수 있다. 결정(4)은, 도 1에 상세히 나타나 있지 않은, 인상 메커니즘(81)에 부착되어 있는 종자 결정(3)을 사용하여 인상되기는 하나, 그러한 메커니즘은 인상을 위해 그리고/또는 성장 단계에 의해 미리 정해진 속도 프로파일(speed profile)에서 필수적일 때 결정을 회전시키기 위한 메커니즘을 위해 배열되어 있는 유연성 금속 로프(80) 또는 롯드 또는 축을 포함하여 구성될 수도 있다. 결정(4)은, 결정 구조 및/또는 인상될 결정의 배향을 정하는 종자 결정(3)에 대한 목부(neck)(3b)를 가질 수 있다. 이러한 가는 목부는, 일반적으로 대쉬(Dash) 법으로 알려진 일 실시형태에 따라 결정 전위 없이(dislocation-free) 결정을 제조하기 위해 사용된다.

도 1은, 도가니(6) 내에 멜트(5)가 있는 것을 나타내고 있다. 도가니(6)는, 하나의 구체예에서 실리카로 만들어질 수 있으며, 다른 하나의 구체예에서, 다른 도가니 재질들이 용융될 특정 장입물을 위해 사용될 수 있다. 하나의 구체예에 의해, 도가니는, 성장된 결정의 용융점과 비교하여 로 온도가 실온에 가깝게 낮추어진 후에, 매번 교체가능하게 배치될 수 있다. 도가니는, 질화물, 내화성(refractory) 금속, 탄소, 규소, 및/또는 탄화물을 포함하여 구성되는, 표면 코팅을 가질 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 도가니의 한 부분 또는 전체 표면은, 바륨 화합물로 또는 비결정질 실리카 표면의 실투(devitrification)를 강화시키는, 다른 적합한 화학 원소들로 도핑될 수 있다.

도 1에서, 도가니(6)는 서셉터(10)에 둘러싸인 것으로 나타나 있다. 서셉터가 도 1에 본 발명의 하나의 구체예에 따라 단일체로 묘사되어 있으나, 도가니 주위에 들어맞게 배열된, 여러 부분들로 구성할 수 있는 것이다. 서셉터는, 히터(11 및/또는 12)로부터 열을 전도하도록, 그리고/또는 도가니의 외벽에 적절히 균일한 방식으로 열을 분산시키도록 배치될 수 있다. 도 1에 히터의 정확한 구조가 나타나 있지는 않으나, 히터는 원통형의 대칭 방식으로 멜트를 둘러싼다. 하나의 구체예에서, 하나 또는 여러 개의 히터가 멜트 및/또는 결정에 대해 원통형 대칭을 이루지 않는다.

도 1이 가열 소자(11)가 도가니를 둘러싸는 단일 부재에 의해 구현되는 본 발명의 하나의 구체예를 나타내고 있기는 하나, 다른 구체예에서는, 가열 소자(들)가 도가니를 둘러싸기 위해 위치된 여러 부분들에 의해 만들어질 수 있다. 또한, 하나의 구체예에서, 멜트의 가열은 전기 코일(coil)-형 구조를 만들도록 성형된, 히터를 사용하여 이루어질 수 있다. 히터로 공급된 전류는 멜트에 특정한 자기장 분포를 만들어내기 위해 특정한 주파수 및 위상 배열(frequency and phase arrangement)을 가질 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의해, 메인 히터(11)에 더하여, 바닥 히터(12)가 선택적으로 사용될 수 있다. 바닥 히터는 장입물이 용융되는 동안에 사용될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 바닥 히터는 결정 몸체가 성장하는 동안에 또한 사용될 수 있다. 이러한 사용은 멜트에 그리고 핫-존 내부의 어딘가 다른 곳에 바람직한 열 조건들 및/또는 인상 동안에 멜트 플로우들을 제어할 필요성에 따라 특정한 단계에서 또는 전체의 인상 동안에 이루어질 수 있다.

도 1은, 도가니 축(13a), 도가니 축의 외부 단열부(13b) 및 내부 단열부(13c)를 보여준다. 이러한 부분들은, 도가니를 지지하고 도가니를 리프팅하도록 그리고/또는 도가니의 회전을 유지하도록 배열된다. 단열부는, 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 핫-존의 하측 부분들에 열을 보존하기 위해 그리고 축 부분들을 통한 열 손실들을 막고 그리고/또는 이를 최소화하기 위해 사용된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 단열부 물질(13c)은 생략될 수 있거나, 속이 빈 관(hollow tube)으로서 만들 수 있다. 하나의 구체예에 의해, 속이 빈 도가니 축이 추가적인 퍼지 가스 플로우 유입구를 위한 채널로서 또한 사용될 수 있다. 본 발명의 다른 하나의 구체예에 의해, 채널이 다른 가스들을 이송하기 위해 적합한 부분들에 그리고/또는 전기 와이어들을 위한 채널로서 사용될 수 있다.

도 1에 나타나 있는 하나의 구체예에 의해, 열 차폐부(20)와 단열부(21)가 도가니 및 멜트 내부에 뜨거운 상태를 유지하는 열 평형을 개선시키기 위해 사용될 수 있다. 도 1의 단면도는, 차폐부(20)를 포함하여 구성되는 구체예를 위한 원통형 구조를 나타낸다. 그러나, 여러 가지 다른 형상들이 가능하다.

본 발명의 하나의 구체예에 의해, 차폐부(20), 단열부(21), 플레이트(33) 및 원추형 부재는 여러 부분들로 만들어지나, 단열부들(21, 31, 및 33b)은 연속적인 또는 거의 연속적인 단열부를 형성한다. 여러 가지 다른 구현들이 가능하며, 부품들의 수가 도 1에 나타나 있는 것보다 더 많거나 더 적을 수 있다.

원추형 부재는, 멜트 위에 있도록 배열된 외부재(30)를 포함한다. 원추형 부재는 또한 성장하는 결정의 영역으로부터 멜트 영역을 단열시키기 위해 그리고 핫-존의 내부로부터의 열손실을 감소시키기 위해 단열부(31)를 포함한다. 원추형 부재는 또한 성장하는 결정을 따라 아래로 멜트를 향해 퍼지 가스 플로우를 가이드하는 내부재(32)를 포함한다. 외부재(30)의 기능들 중의 하나는, 단열부(31)에 의해 배출된 입자들이라면 어떤 것이든 멜트 표면에 접근하는 것을 막을 뿐 아니라 멜트로부터 기화된 부식성 가스들로부터 단열부(31)를 보호하는 것이다. 도 1에 나타나 있는 바와 같이, 원추형 부재는, 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 내부재 및/또는 외부재 뿐만 아니라 그 사이에 있는 단열부를 포함하여 구성되는 원추 형상을 가지나, 본 발명의 다른 구체예에 의해, 단열부는 내부재와 외부재 사이의 공간을 단지 부분적으로만 채우기 때문에, 단열부 및 내부재 및/또는 외부재 사이에 빈 공간을 남긴다. 다른 구체예에서, 단열부는, 둘 또는 그보다 많은 개별적인 부분품들로 구성된다. 다른 하나의 구체예에 의하면, 내부 원추 및/또는 외부 원추는 각기 둘 또는 여러 개의 부분품들을 포함한다. 또 다른 구체예에 의하면, 내부재 및 외부재는, 단열부를 관통하여 뻗어있는, 고온 친화성 구조 물질(high temperature compatible structural material)을 사용하여, 그러나 이러한 구조를 통한 열 손실이 작게 되는 방식으로 서로에 부착된다. 단열재를 관통하는 연결부(connection)는 원추형 부재가 단일 부분품으로 다루어질 수 있게 하나, 본 발명의 대안적인 구체예에 의해, 이 부분들은 분리되며, 내부 차폐부 및 외부 차폐부 및 단열부가 독립적으로 취급된다. 다른 구체예에서, 부품(33)의 외경은, 열 차폐부(20)의 내경 보다 더 작으며, 단열부(33b)를 원통형 단열부(21)에 연결하는 추가적인 부품들이 있다. 도 1에서, 원추형 부재가 도가니 반경 내부에 위치되는 정도까지 원추형으로 나타나 있다. 그러나, 다수의 다른 설계들이 가능하다. 예를 들어, 하나의 대안적인 형상이 도 8에 나타나 있다. 이 모양들은, 흔히 제조 관점에서 유리한, 회전적 대칭 설계(rotationally symmetric design)를 취하나, 회전적 대칭에서 아주 크게 벗어나는 것도 가능하다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 원추형 부재에 단지 3-폴드(fold) (120°) 대칭이 있으나, 4, 5, 6 또는 더 많은 폴드 대칭들도 실현가능하다. 다른 하나의 구체예에서, 결정이 인상되는, 개구부의 유효 직경은, 단열재를 포함할 수 있는, 여러 가지 적합한 형상의 부품들을 사용하여 결정의 성장 동안에 변화될 수 있으며, 이러한 부품들은 회전적으로 비대칭인 방식으로 결정을 둘러싼다.

본 발명의 하나의 구체예에 의해, 핫-존의 하단부는, 또한 바닥부(40) 및, 단열부(21)와 연속적인 단열을 이루도록 배열되어 있는, 단열부(41)를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 단열부는, 히터에 전류가 흐르도록 하기 위한 공급구들(feed-throughs) 그리고/또는 가스 플로우 배출구를 위한 잠재적인 공급구들을 제공하기 위해 필요한, 단열부(41)를 관통하는 개구부들을 포함한다. 이러한 개구부들은 도 1에 나타나 있지 않다. 챔버의 하측 부분은, 도가니 리프트 메커니즘(crucible lift mechanism)을 위한 개구부를 포함하여 구성되며, 바닥 단열부(41)에도 상응하는 개구부가 있다. 도가니 축(13a)이 낮은 열 전도율을 갖는 물질로 제조될 수 있거나, 단열부(13b 및/또는 13c)가 축 및 단열부(41)에 있는 상응하는 개구부를 통한 열 손실을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에서는, 하나의 메인 히터만이 사용되나, 본 발명의 다른 하나의 구체예에 의하면, 핫-존은 메인 히터에 더하여 사용되도록 배치된 바닥 히터를 포함한다. 하나의 구체예에 의하면, 장입물의 용융 동안에 그리고/또는 결정의 인상 동안에 바닥 히터가 사용된다.

결정 인상 동안에 사용될 수 있는 자석들은 도 1에 나타나 있지 않다.

도 2는, 퍼지 가스 배출구를 위한 개구부를 통한 열 손실을 작게 유지할 수 있는 방법의 하나의 구체예를 보여준다. 도 2의 배출 관은 수직 실린더로서 개략적인 방식으로 그려져 있다. 그러나, 관(42)의 내부 개구부는 또한 원추형으로 구성될 수 있거나, 그 단면이 단계적으로(in a stepwise manner) 또는 그와 유사하게 변화할 수 있다. 단면은 바람직하게는 원형이나, 다른 단순한 형상을 가질 수 있다. 만약 단면이 원형 형태를 벗어나면, 개구부의 유효 직경은 관(42)의 단면 개구부(cross sectional opening)와 동일한 면적을 갖는 원의 직경과 동일한 것으로 정의될 수 있다. 관(42)의 벽 두께는 바람직하게는 8 mm 보다 작으며, 그리고 만약 그것이 상당한 기계적 하중(mechanical load)을 수반하지 않는다면, 약 3 - 5 mm 보다 크지 않다. 관의 유효 내경은, 바람직하게는 가장 폭이 좁은 지점에서 60 mm 보다 작으며, 그리고 단열부(41)는 유효 내경의 적어도 1.5 배의 두께로 되어 있다. 단열부(41) 외부에 위치된 관(7)은, 관(42)의 내경과 거의 동일하거나 그보다 더 큰 내경을 가질 수 있다.

도 1에 나타나 있는 이 위치에서 핫-존의 내부로부터 나오는 퍼지 가스를 취하는 것에는 두 가지 장점들이 있다. 도 2의 위치 또는 그 근처의 두꺼운 단열부(41)에 의한 추가적인 공간 필요성은, 성장 장치 하드웨어(hardware), 구체적으로는 진공 챔버들에 필요한 아주 작은 비용을 추가한다. 만약 배출구가 핫-존의 상측 부분에, 본질적으로 방사상으로 위치되면, 상당한 비용을 추가하여 챔버 직경을 더 크게 만들 필요성을 피하기 어렵다. 다른 장점은, 퍼지 가스를 진공 펌프로 이끄는 진공 관들이 이제 관리자 작업 영역을 벗어나, 진공 챔버 아래에 위치될 수 있으며, 이것이 성장 장치의 설계 및 표준 공정을 단순화시킨다는 점이다. 더욱이, 진공 챔버 아래에 있는 배출 관 위치는, 단순한 구성 및 진공 챔버 주위에, 자석들은 종종 규소의 초크랄스키-형 성장과 관련하여 사용되는, 무거운 전자석의 사용을 가능하게 한다.

퍼지 가스가 관들(42)에 있는 개구부들을 통해 핫-존의 내부로부터 흡입됨에 따라, 메인 진공 챔버 내부가 아닌 핫-존 내부에 약간 더 낮은 압력이 항상 있다. 그것이, 아주 소량의 일산화규소만이 핫-존의 외부로 의도된 통로(intended path)를 통해서만 그 진로(its way)를 찾을 수 있어서, 핫-존의 외부 표면들과 진공 챔버의 내부 표면들이 공정 시간들의 연장된 기간들 동안 아주 깨끗하게 유지되는 이유이다. 이것은 여러 가지 장점들을 가진다. 관리자의 작업량은, 진공 챔버들 내부를 작업 시간과 작업 시간 사이에 매번 청소할 필요가 없기 때문에, 크게 줄어든다. 가장 빨리 오염되는 표면들에 대해서 조차도, 10번 또는 20번의 작업 시간들마다 간격을 두고 청소하는 것이 가능하다. 두 번째로, 흑연과 같은 더 고형인 물질들보다 일산화규소에 의한 부식 작용에 더욱 취약한 단열부들은 수명이 아주 많이 길어진다. 본 발명자들은 도 1과 도 2에 개략적으로 나타나 있는 설계에서, 거의 모든 단열재가 거의 연속적인 공정에서 적어도 1년 동안 사용될 수 있음을 보여주었다.

더욱이, 직경 측정 카메라 또는 온도 측정 고온계들과 같은 광학 기구들은 뷰 포트(view ports)상의 먼지로 야기되는 편차들(changes)을 겪지 않는다. 이것은 모두 생산성에 큰 영향을 주고, 프로세스의 수율에 상당한 영향을 준다. 이러한 설계는 또한 Sb, As 또는 P 가 도핑제들로서 사용되는, 고도로 도핑된 규소 결정의 성장에서도 장점들을 가지나, 이것은 언급한 도핑제들로만 한정되지 않는다. 이러한 도핑제들의, 흔히 산화물로서의, 증발은, 마찬가지로 표면들상의 먼지 및 입자들의 원인이 되며, 이러한 경향은 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존을 위한 설계를 사용함으로서 크게 감소된다.

도 3은, 퍼지 가스(II)의 사이드-플로우(IIb)가, 이러한 사이드 플로우(IIb)가 멜트에 결코 근접하게 되지 않는 방식으로, 단열부를 통해 멜트 높이 위에 있는 메인 진공 챔버로부터 퍼지 가스 배출구를 향해 흐르게 하는 방법을 개략적으로 보여준다. 단열부(33b)를 관통하는 통로(34)는, 그것을 통한 과도한 열 손실을 막기 위해 비교적 길고 폭이 좁은 채널로 만들어진다. 채널을 부분적으로 봉쇄함으로써 플로우를 조절하는 수단이 본 발명의 하나의 구체예에서 고안될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의해, 핫-존 구조는, 하나의 개구부를 갖는 하나의 캡(33)을 포함하여 구성되나, 다른 하나의 구체예에서는, 플로우(II)가 제어가능한 방식으로 두 개의 서브-플로우들(sub-flows)로 나누어지게 되어 있는 복수의 개구부들을 포함한다. 하나의 구체예에 의해, 디스크(33a)는, 스택부(stack part)의 회전(pivoting 또는 rotation)이 개구부 면적을 변화시키고 그에 따라 유량(flow)을 변화시키도록, 채널(34)의 위치에 들어맞는 개구부들을 갖는, 회전할 수 있게 배치되어 있는 두 개의 디스크들의 동축 스택 구조(co-axial stack structure)를 가질 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 통로(34)는 짧은 채널이다. 다른 하나의 구체예에 의하면, 채널(34)은, 유체를 통과하게 하는 단열재로 만들어진, 입상의, 다공성의, 섬유로 된 것이거나, 다른 그러한 구조체를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이 물질은 흑연 펠트이다.

이러한 사이드 플로우(IIb)에 대해서는 여러 가지 이유들이 있다. 부품들(30, 31, 및 32)로 구성된 원추형 또는 관형 열 차폐부가 퍼지 가스 플로우(IIa)를 멜트에 아주 근접하게 통과하게 만들기 때문에, 퍼지 가스(IIa)가 휘발성 일산화규소를 상당히 효율적으로 멜트 밖으로 퍼징한다. 산소 포함 가스를 이렇게 효과적으로 퍼징할 경우 자연스럽게 양보하게(yield) 될 더 높은 산소 농도를 갖는 규소 결정 물질 생산이 종종 필요하다. 결정에서의 산소 레벨은, 멜트 위의 퍼지 가스(IIa)의 속도 및/또는 유량(mass flow)을 감소시킴으로써 증가될 수 있다. 그러나, 만약 전체 가스 플로우(II)가 너무 크게 감소되면, 상당한 일산화규소가, 상류로, 잘못된 방향으로 진행할 수 있으며, 거기서 일부의 일산화규소가 반응하여 일산화탄소를 만들고, 그것이 부분적으로 응축되어, 입자들을 만든다. 일산화탄소 및 입자들은 모두 성장에 매우 유해하며, 그것이 전체 아르곤 플로우(II)가 오염 레벨을 낮게 하고 수율을 높게 하기에 충분할 정도로 높아야 하는 이유이다. 사이드 플로우는, 전체 가스 플로우를, 그 플로우가 관련 비용을 적게 유지하기 위해 알맞게 작으나, 동시에 원하지 않는 오염 레벨을 낮게 유지할 정도로 충분히 높은, 레벨로 증가시키는 것을 돕는다.

사이드-플로우(IIb)에 대한 두 번째 이유는, 결정에서의 산소 레벨이 결정 성장의 끝으로 갈수록 떨어지는 경향이 있다는 점이다. 그것은, 퍼지 가스 플로우가, 도가니에 담겨 있는 멜트의 양이 더 작아짐에 따라, 감소될 필요가 있는 이유이다. 멜트 레벨(melt level)이 성장 동안에 거의 모든 핫-존 부분들에 대해 거의 일정하게 유지되기 때문에, 도가니는 성장 동안에 상당한 정도로 들어올려져야(lifted) 한다. 결정 주위와 멜트 위를 흐르는 퍼지 가스(IIa) 부분은, 그 다음에 도가니(6) 및 열 차폐부(30) 사이의 상당히 좁은 공간에 있는 기다란 통로를 지나간다. 따라서, 가스 플로우(II)는 자연스럽게 재분배되어 전체 플로우의 더 작은 부분만이 멜트 위를 흐르며 산소를 증발시키지만, 더 많은 부분은 측면 채널(34)을 통과하여, 도가니가 더 높이 들어 올려짐에 따라 산소의 증발에 기여하지 않는다.

사이드-플로우(IIb)이 필요한 세 번째 이유는, 멜트 높이 위의 외부 핫-존 부분들로부터의 그리고 메인 진공 챔버의 내부 벽들로부터의 오염과 관련되어 있다. 효과적인 단열에도 불구하고, 외부 핫-존 표면들로의 상당한 열 손실이 있고, 그에 따라 수냉식(water-cooled) 진공 챔버 벽들 보다 상당히 더 높은 온도에 있게 된다. 이것은, 핫-존 위의 공간에 자연 대류(natural convection)(63)를 가져온다. 이러한 자연 대류는, 주로 도 3에 나타나 있는 방향으로 회전하며, 주로 아래 방향을 향하는, 퍼지 가스 플로우(II)을 오염시키게 된다. 사이드 플로우(IIb)이 없으면, 이러한 오염의 많은 부분이 열 대류(63)에 운반되어 퍼지 가스 플로우(IIa)에 의해 멜트 표면을 향해 아래로 끌어당겨질 것이다. 사이드 플로우(IIb)는, 시스 가스(sheath gas)의 역할을 하며, 멜트를 스쳐 지나가는(sweep) 가스 플로우(IIa) 부분으로부터 자연대류(63)를 효과적으로 격리시킨다. 자연 대류(63)에 운반된 오염은, 그 다음에 규소 멜트과 전혀 접촉하지 않고, 배출구로 바로 운반된다. 사이드 플로우들은, 도 3에 동일한 개구부를 통해 공급되는 것으로 나타나 있기는 하나, 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 챔버로 별도로 공급된다. 이것은 하나의 채널로부터 다른 채널로의 여하한 종류이든 잠재적인 교차 오염 가능성들을 최소화하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 특수한 플로우 가이드(flow guide)가 플로우들(IIa 및 IIb)을 서로 더 잘 구별하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 가이드는 원추형 부재에 또는 캡(33)에 설치가능한 원추형 또는 관형 구조체이다. 본 발명의 다른 하나의 구체예에 의하면, 가이드는, 핫-존과 전혀 기계적 접촉이 없이, 진공 챔버에 부착될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 가이드는, 가이드 내부에 냉각 유체 순환부(cooling fluid circulation)가 형성될 수 있어서, 결정의 냉각 속도를 증가시키기 위한 냉각 부재의 역할 뿐 아니라 대류(63)의 잠재적 오염을 잡는 트랩(trap)의 역할을 할 수 있다.

하나의 구체예에서, 플로우는, 로로 보내지나, 핫-존을 피해가는 플로우를 제공하도록 된, 부분(component)을 가진다. 그러한 플로우는, 핫-존 단열부의 외부에 있는 진공 챔버 벽들, 윈도우들 및 다른 표면들을 멜트로부터 나온 물질들로부터 보호하기 위해 사용될 수 있다.

하나의 구체예에 의하면, 도 4는, 부식성 일산화규소와의 접촉으로부터 히터(11)와 서셉터(10)를 보호하기 위한 목적을 가지는, 히터 주위의 차폐 부재로서 추가적인 관(22)(도 1에 도시되지 않음)을 보여준다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 가스 플로우는, 히터 보다 상당히 위에 있는 핫-존의 외주연부에 가깝게 만들어지고(taken), 플로우(III) 내에 포함된 일산화규소는 히터와 또는 도가니(10)의 외부 가장자리와 전혀 또는 거의 접촉하지 않는다. 동시에, 핫-존의 모든 하측 부분들이 보호된다. 도가니를 보호하기 위해서, 도가니와 가스 가이드 관(gas guiding tube)(22) 사이의 공간은, 도가니의 상측 가장자리가 메인 히터(11) 위에 상당히 올려져 있더라도, 목부의 시작 부분으로부터 후미부(tail)의 단부까지 전체 성장 프로세스 동안에 좁게 유지되는 것이 중요하다. 도 4에는, 하나의 가능한 설계가 나타나 있으되, 여러 가지 다른 설계들도 고안될 수 있다.

도 5는, 다결정규소(polysilicon) 장입물(8)의 용융 동안에, 도가니가, 결정 성장 동안 보다 원추형 부재에 대해 아주 더 낮은 위치에 있어야 함을 보여준다. 도 5에서 장입물은, 개략적인 방식으로 도시되어 있으며, 따라서 도가니 엣지 위의 장입물 파일(pile)은 반드시 알맞은 스케일로 된 것은 아니다. 그 용융 위치에 있는 동안, 히터의 상단부는, 규소 장입물에 대해 바로 보인다. 만약 모든 가스 플로우가 이 단계에서 히터 위로 보내지면, 히터로부터의 그리고/또는 히터 위의 다른 표면들로부터의 상당한 양의 탄소 오염이 있으며, 이것은 이미 뜨거운 규소 장입물의 외측 가장자리(outer edge)와 반응할 수 있다. 이러한 오염을 규소 장입물로부터 퍼징하기 위해, IIIb로 나타낸 추가적인 가스 플로우가 필요하다.

도 5에서, 이러한 플로우는, 보호 관(22)을 관통하는 추가적인 구멍들 또는 개구부들(23)을 사용하여 만들어진다. 배출구로의 이러한 플로우를 위한 다른 가능한 통로들이 물론 쉽게 고안될 수 있다. 플로우(IIIb)는, 도 5의 제2 합류 영역에서 배출 가스들과 합류된다. 플로우들(IIa 및 IIb)은 도 5의 제1 합류 영역에서 합류된다.

이러한 플로우(IIIb)는, 히터의 마모에 얼마간 기여할 것이나, 이 플로우는 멜트 위의 전체 퍼지 플로우(total purge flow)의 아주 소량에 불과하며, 이러한 마모는 느릴 것이다. 바람직하되 약간 더 복잡한 접근법은, 장입물이 거의 또는 완전히 용융되고, 도가니 위치가 원추형 부재와 비교하여 충분히 높음에 따라 플로우(IIIb)에 의한 추가적인 보호가 더 이상 필요하지 않을 때 플로우 패턴을 변화시키는 것이다. 이것을 실현하는 하나의 방법은, 플로우(IIIb)를 위한 핫-존의 단열부를 관통하는 개별적인 통로와, 플로우(IIIb)를 중단시키거나 매우 크게 감소시킬 수 있는 추가적인 진공 밸브이다. 그러면, 플로우(IIIb)는, 성장 프로세스의 초기 단계 동안에, 바꿔 말하면, 가장 중요하게는 장입물의 용융 동안에, 계속 될 것이며, 대부분의 프로세스 시간 동안에는 끊기거나 크게 감소될 것이다. 용융 단계 중의 산소 포함 가스들의 생산이 중요한 기간(period)은, 히터 전원이 공급되는 전체 시간 중 상대적으로 아주 짧은 일부이기 때문에, 플로우(IIIb)의 일산화규소에 의해 야기되는 마모는 이에 상응하여 아주 적을 것이다.

도 5의 설계를 사용하여 성장된 결정의 거의 모두가, 멜트의 고형물화 분율(solidified fraction: g)이 g > 0.9 인, 몸체의 끝부분에서 0.5 ppma 미만, 일반적으로 < 0.2 ppma 인 낮은 탄소 농도를 가진다.

하나의 구체예에 의해, 도 6은, 일부 핫-존 부분들이 어떻게 메인 진공 챔버(1)가 개방됨과 동시에 진공 챔버(1a)의 상측 부분과 함께 자동적으로 들려지는지를 나타낸다. 챔버는, 생산 배치들 사이에 개방되어야 하며, 오래된 실리카 도가니의 잔류 물질들은 잔류 규소와 함께 제거되고 흑연의 주변(the environment of the graphite)은 청소될 필요가 있다. 본 발명의 구체예들은, 특히 대형 핫-존으로 인한 관리자의 수고를 절약해주며, 이는 청소할 영역을 노출시키기 위해 수동 리프팅(manual lifting) 또는 특별한 툴링(tooling)이 필요하지 않기 때문이다. 또한, 본 발명은, 안전한 방식으로 부품들을 다루는 관리자의 능력에 의해 그 중량과 치수들이 제한되지 않기 때문에, 다소 더 유연한 핫-존 설계를 가능하게 한다. 리프팅은 입자들 또는 다른 오염물을 도입하지 않고 깨끗하게 수행될 수 있다. 다른 장점은, 더 상승된 온도에 있는 동안에 부분들이 들어 올려질 수 있고, 두 개의 연속적인 성장 시간들 사이의 중간 시간이 감소된다는 점이다. 리프팅은 부분들(1a 및 1b)이 분리되도록 이루어진다. 이러한 설계는, 20" - 22" 핫-존들을 구비하는, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로들에 적용되어 성공적으로 사용되었으나, 그러한 것이 거기에만 한정되는 것이 아니다. 도 6은, 원추형 부재와 플레이트(33)가 단일체로서 들어 올려지는, 본 발명의 하나의 구체예를 나타내나, 거기에만 한정되는 것이 아니다. 원추형 부재는 챔버(1a)의 상측 부분의 부착 부재(70a)와, 도 6에 70b로 표시된 와이어에 의해 들어 올려진다. 연결 부분들(70b)은 또한 상측 핫-존 부분들을 로 외부에 있는 카트(cart) 또는 다른 적합한 지지 구조로 옮기는 것을 가능하게 하기 위해 제거될 수 있다. 들어올림은 와이어들을 사용하는 것으로 구체화되기는 하였으나, 로드를 사용하거나, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 구체예들로부터 알 수 있는 수많은 다른 방식으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에서는, 별도의 리프팅 메커니즘(72)이 부품(70a)에 부착되어 있다. 이 리프팅 메커니즘(72)은, 예를 들어, 진공 챔버의 외부로부터 전기적으로 또는 기계적으로 구동될 수 있다. 리프팅 메커니즘(72)은, 진공 챔버가 닫히더라도, 핫-존의 상측 부분들의 들어올림이 가능하게 한다. 본 발명의 하나의 구체예에서, 부분적으로 개방된 핫-존에 의해 야기된 추가적인 열 손실은, 장입물의 용융 동안에 핫-존내의 온도 분포를 변화시키기 위해 사용된다. 본 발명의 다른 하나의 구체예에서, 부분적으로 개방된 핫-존에 의해 야기된 추가적인 열 손실은, 결정의 성장이 완료된 후에, 로의 냉각을 강화시켜 생산성을 증가시키기 위해 사용된다.

도 7은, 핫-존 부분들이 어떻게 들어올려질 수 있는지를 더 개략적인 방식으로 나타낸 도면이다. 하나의 구체예에 의하면, 리프팅 수단(71)은, 하나의 결정 성장 작업 시간으로부터 다른 하나로 반복가능한 방식으로, 부분(1b)(부분들의 넘버링에 대해 도 1 참조)으로부터 상측 부분(1a)을 분리하도록 배치된 여하한 수단일 수 있다. 도 7에 나타나 있는 부분들이 단지 1a 및 1b를 포함하여 구성되기는 하나, 바닥부(1c)는 도 7에 도시되어 있지 않다. 하나의 구체예에 의하면, 바닥부(1c)와 중간부(1b)는 동일체이며, 그리고 다른 하나의 구체예에서, 상측 부분(1a)과 중간부(1b)는 단일체를 형성한다.

도 7에서 도면부호들 1°, 2°및 3°은, 본 발명의 하나의 구체예에 의한, 상측 부분들의 리프팅을 나타내는데, 1°단계에서, 부분들은 함께 합쳐져 있으며, 2°단계에서 부분(1a)이 상승하고(화살표로 나타냄) 그리고/또는 들어올려지고, 그리고 최상부가 챔버 부분(1b)으로부터 옆쪽으로 벗어나 있을 수 있는 3°단계에서 핫-존의 하측 부분들이 노출된다. 그러나, 3°단계는 선택적이며, 본 발명의 하나의 구체예에서, 3°단계가 생략되어 있다. 핫-존 부분들의 취급을 용이하게 하기 위해 필요한 챔버의 최상부의 추가적인 이동들, 예를 들어, 3°단계 후에 또는 2°단계 후에 부분(1a)의 낮추어짐이 또한 있을 수 있다.

도 8은, 상이한 종류들의 결정의 성장을 위해 핫-존 부분들의 신속한 변화를 가능하게 하는 구성을 개략적인 방식으로 나타낸 도면이다. 그러므로, 가스 플로우들 뿐만 아니라 결정이 겪는 열 환경에 영향을 주는 부분들이 성장될 결정의 종류에 따라 변화될 수 있다. 이러한 변화들은, 부분들의 변화가 필요 없는, 뒤이어 일어나는 성장 시간들 사이에 필요한 표준 시간과 비교하여 30분 보다 짧은 추가 시간에 수행될 수 있다.

멜트 위의 외부 열 차폐부는, 내부 차폐부의 하측 부분(32b) 및 그 아래에 위치된 단열부(31b)가 먼저 들어 올려진 후에, 외부 차폐부의 내측 부분(30b)이 내부 열 차폐부(32a)에 의해 들어올려질 수 있는, 그러한 직경에서 분리된다(disrupted).

도 8에 나타나 있는 구성은 이러한 설계의 단지 하나의 가능한 예이며, 따라서, 본 발명의 구체예들의 범위를 벗어나지 않고서 도시된 예로부터 여러 가지 상이한 변형들이 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 가능하다. 예를 들어, 도 8에서, 내측 부분(30b)은 플레이트로 나타내어진다. 그러나, 도시된 부분의 설계는 또한 형상이 원추형인 부분들 또는 설계상 더 복잡한 구조체를 포함하여 구성될 수 있다. 단열부(31b)는, 그 외경이 또한 내부 차폐부의 상측 부분의 개구부 보다 약간 더 클 수 있도록, 흑연 펠트와 같은 부드럽고 유연한 물질로부터 절단되어 만들어질 수 있다. 단열부(31b) 또는 차폐부(30b)는 또한 여러 개의 개체들로 구성될 수 있다. 또한, 차폐부(32b)의 현수(suspension)는, 앞서 설명한 바와 같이, 상이한 방식으로 구성될 수 있다.

본 발명의 구체예들이, 예를 들어, 프로세스별로 결정의 직경들을 변화시켜는 것 등으로, 핫-존 부분들의 적응을 휼륭하게 그리고 쉽게 이끌어서, 전력 소모, 결정의 형상, 가스 플로우 특성들 및/또는 결정의 품질을 개선시킨다는 것을 경험이 말해준다. 이러한 결과들은 또한 전력 소모, 온도 분포 및 가스 플로우에 따라 만들어진 시뮬레이션들(simulations)에 의해 뒷받침된다.

부분들(32b 및/또는 32a)은 탄소-베이스로 또는 다른 내화성(refractory) 구조재로 만들어질 수 있거나, 더욱 반사적으로, 적어도 부분적으로 위쪽을 향해 결정으로부터 열을 반사하도록 배치될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 도시된 부분들은, 예를 들어, 단열 부재(31b)가 두 개의 하프들(halves)로 만들어질 수 있도록, 하위-부분들(sub-parts)의 하위-구조(sub-structure)를 가질 수 있다. 하나의 구체예에 의하면, 부분(32) 또는 부분(32a) 및/또는 부분(32b)의 열 이동 및/또는 냉각은 상기 부분(들)의 내부를 순환하는 적합한 유체를 사용하여 강화되어, 복사(radiation)에 의해 결정의 순 냉각(net cooling)을 증가시킨다. 하나의 구체예에 의하면, 유체 순환은 열 파이프와 유사한 방식으로, 부분(들)을 향해 내부에서 이루어질 수 있다. 다른 하나의 구체예에 의하면, 유체 순환은 외부 냉각 시스템에 연결된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 냉각된 부분들이, 도 1에 나타나 있는 냉각된 부분들(32) 또는 도 8에 나타나 있는 부분들(32a 및 32b)과 별개일 수 있어, 가스 플로우가 도시된 부분들에 의해 가이드되고 그리고 강화된 냉각이 도면에 도시되지 않은 부분들을 주로 사용하여 이루어진다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 그러한 추가적인 부분들은 부분들(32a 및/또는 32b) 위에 위치될 수 있고 그리고/또는 그들에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸일 수 있다.

도 9는, 결정 성장 작업(run)을 위해 적합한 부분들을 선택하는 방법의 하나의 예를 설명한다. 처음에, 적합한 핫-존 부분들(30b, 31b 및 32b)을 결정 구조, 특히, 인상될 결정의 직경(52)에 부합하도록 그리고/또는 다른 고려해야할 사항들에 따라 선택한다. 그 세트의 내측 개구부의 직경(51)은 결정 직경(52) (도 8)에 들어맞는다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 초크랄스키-형 방법을 사용하여 단결정을 제조하기 위한 로는:

멜트를 담기 위한 도가니;

멜트를 만들기 위해 도가니내의 물질을 용융시키기 위해 상기 도가니를 가열하기 위한 히터;

상기 도가니내의 멜트로부터 결정을 인상하도록 배치된 인상 메커니즘;

핫-존을 수용하는, 결정 성장 로의 진공 챔버;

상기 진공 챔버를 개방하기 위해 상기 진공 챔버의 상측 부분을 리프팅하기 위한 메커니즘; 그리고 그에 더하여

열전도재 및 단열재들로 구성되는 핫-존 구조;를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 성장 챔버는 인상할 때 압력이 감소된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 압력은 본질적으로 실내의 대기압과 동일하다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 압력은 산업 조건들에서 실제적으로 달성할 수 있을 만큼 대략적으로 낮다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 언더 프레셔(the under pressure)는, 바로 상술한 양극단치들(extremes) 사이이다. 하나의 구체예에 의하면, 챔버 내에 존재하는 가스들은, 인상의 분위기(atmosphere of the pulling)를 정하기 위해 미리 정해진 조성(composition)을 가질 수 있다. 그러나, 하나의 구체예에서, 멜트로부터 발생된 성분들이 대기(atmosphere)에 첨가된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 성장 장치는, 필요한 퍼징 가스들 뿐만 아니라 핫-존의 대기를 조절하기 위한 가스들도 제공하는 지지 유닛(support unit)을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 그러한 퍼징 수단은 Ar 및/또는 He 또는 다른 적합한 가스를 포함하여 구성되는 작용제로 성장 장치를 퍼징할 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 도가니는, 20" 아래의 직경을 가질 수 있 다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 실리카 도가니 직경은 약 20" - 32"의 범위 내에 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 도가니는 더 클 수 있으나, 바람직하게는 직경이 48" 아래이다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 장치는, 반도체 물질들을 포함하여 구성되는 결정을 제조하기 위한 장치이다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 반도체 물질은, 규소, 게르마늄 또는 다른 반도체 물질 또는 그들의 혼합물이며, 그리고 또한 선택적으로 또는 그에 더하여 붕소, 인, 안티몬, 비소 또는 알루미늄과 같은 다양한 도핑제들을 포함할 수 있다. 또한 규소 또는 게르마늄이 아닌 다른 IV족 물질들이 1 ppma 미만으로부터 수 퍼센트까지의(from less than 1 ppma up to several percent) 농도로 농축물에 사용될 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 방법에 의해 만들어진다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이 결정은 반도체 결정이다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이 결정은 규소 및/또는 게르마늄을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이 결정은 III족 원소들 중의 적어도 하나의 원소를 도핑제로서 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이 결정은 V족 원소들 중의 적어도 하나의 원소를 도핑제로서 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이 결정은 정확히 또는 본질적으로 사파이어 구조를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이 결정은 섬아연광(zinc blende)의 구조를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이 결정은 다이아몬드 구조를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이 결정은 규소 및/또는 게르마늄이 아닌 IV족 원소들 중의 다른 원소들을 또한 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 아르곤 플로우가 성장 동안에 사용된다. 가스 유량(gas mass flow)으로 한정된 아르곤 플로우는, 하나의 구체예에 의하면, 50 slpm 보다 작은 평균 값을 가지나, 다른 구체예에 의하면, 유량은 20" - 22" 핫-존에서 35 slpm 보다 작은 평균 값을 가진다. 본 발명의 다른 하나의 구체예에 의하면, 유량은, 25 slpm 보다 작은 평균 값을 가진다. 이 값들은 100 kg 장입물을 갖는 로에 대한 예들이며, 이 값들은 결정 몸체 형성동안에 변화할 수 있다. 이 값들은 거의 핫-존의 크기에 비례한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 방법은, 멜트과 인상될 결정 사이의 인터페이스 영역에서 제1 값을 그리고 멜트의 어딘가 다른 곳에서 제2 값을 가지도록 만들어진 자기장에 멜트를 노출시키는 단계를 포함한다. 자기장은, 도가니내의 멜트 이동을 가속할 수 있으나, 필요하면, 자기장을 적절히 선택하여 감속될 수 있다. 또한 멜트의 수직 이동이 자기장의 적절한 선택에 의해 제어될 수 있다. 필요한 자기장 세기는, 핫-존의 단열에 의해 특정한 구체예들에서 크게 감소될 수 있으며, 그에 따라 멜트의 더 평온하고 그리고/또는 제어가능한 플로우들을 제공한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 방법은, 위치(location)의 함수로서의 세기 분포(strength distribution)를 갖는 자기장에 멜트를 노출시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 방법은, 상기 제1 값이 20 mT 보다 작게 그리고 멜트의 어딘가 다른 곳에서 상기 제2 값이 50 mT 보다 작게 만들어진 자기장에 멜트를 노출시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 방법은 자기장이 도가니 회전 축에 대해 본질적으로 대칭인 방식으로 된 자기장에 멜트를 노출시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 방법은 멜트를 자기장에 의해 회전시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 방법은, 원통형의 대칭(cylindrical symmetry)으로부터 크게 벗어나 있는 자기장에 멜트를 노출시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 다른 하나의 구체예에 의하면, 자기장은 상당한 시간 의존성(time dependency)을 가진다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 멜트 영역에 50 mT 보다 작은 크기의 자기장을, 결정과 멜트 사이의 인터페이스에 20 mT 보다 작은 자기장을 만들기 위해 배치되고, 적어도 성장 프로세스의 일부 기간 동안에 사용되도록 더 배치되는, 하나의 자석 또는 여러 자석들을 포함한다. 하나의 구체예에서, 자석은, 멜트에서의 온도 변동들을 감소시키기 위한 멜트 플로우를 제공하기 위해 배치된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 멜트로부터 초크랄스키-형 결정을 인상하기 위한 방법에 적합한 핫-존 구성이, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 핫-존 구성은, 본질적으로 연속적인 방식으로 핫-존을 단열하도록 배치된 단열부를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 서셉터의 외부 표면은 멜트로부터의 증기들에 대항하여 보호된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 히터 표면은 멜트로부터의 증기들에 대항하여 보호된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 핫-존 구성은, 멜트로부터 발생되는 증기들로부터의 보호를 위해 상기 표면에 미리 퍼징하기 위하여 예열된 시스(sheath) 가스 플로우를 제공하는 수단을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 핫-존 구성은 관리자의 수고를 감소시키도록 설계된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 초크랄스키-형 방법을 사용하여 단결정을 제조하기 위한 핫-존 구성은:

- 히터 및/또는 도가니 주위에 본질적으로 연속적인 단열부;

- 멜트 표면의 결정을 위해, 히터 전극들을 위해 그리고 도가니를 지지하는 축을 위해 상기 단열부에서 필요한 개구부들;

- 배출 라인들 및 퍼지 가스 라인들을 위한 구멍들;을 포함한다.

멜트는, 규소, 게르마늄 또는 다른 반도체 물질 또는 그들의 혼합물과 같은 반도체 물질을 포함하여 구성될 수 있다. 멜트는, 메인 히터일 수 있는 히터를 사용하여 고형물 장입물로부터 얻을 수 있으나, 추가적으로 바닥 히터가 메인 히터에 더하여 사용될 수 있으며, 이 바닥 히터는 반도체 물질의 용융 공정의 일부 기간 동안에 부분적으로 사용되지만, 결정의 인상 동안에도 또한 사용된다.

결정 인상을 위해 용융될 물질은 III족 또는 V족 원소들 중의 적어도 하나의 도핑제를 포함하여 구성될 수 있다. 붕소, 인, 안티몬, 비소 및 알루미늄의 적어도 하나와 같은 도핑제들이 사용될 수 있다. 추가적으로, IV족 원소들이 또한 포함될 수 있다.

가열은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 구체예들로부터 알 수 있는 여러 가지 방식으로 이루어질 수 있다. 히터는, 적어도 하나의 가열 소자, 메인 히터를 포함하여 구성될 수 있으나, 하나의 구체예에서는, 여러 개의 히터들이 구비될 수 있다. 메인 히터는, 거의 전적으로 저항 히터(resistive heater)일 수 있으나, 다른 하나의 구체예에서는, 적어도 하나의 히터 부재가 높은 주파수의 교류 전류 또는 교류 전압에 의해 구동되는, 강력한 유도 소자(a significant inductive component)를 포함한다.

메인 히터에 더하여, 바닥으로부터 핫-존과 도가니를 가열하도록 배치된 바닥 히터가 있을 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 히터는, 직류 (DC)에 의해 전기 공급될 수 있는, 하나의 저항 소자(resistive element)를 가진다. 하나의 구체예에 의하면, 이 소자는 가열 소자의 유도 특성들을 활용하기 위해 교류 (AC)에 의해 전기 공급된다. 하나의 구체예에 의하면, 멜트 표면이 더 균일한 온도로 유지하기 위해 그리고/또는 멜트과 결정의 인터페이스 영역에서 온도를 미세 조정하기 위해 추가적인 히터에 의해 가열된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 로는, 핫-존 내부로부터 풀러 표면들의 수냉 표면들(water-cooled surfaces)로의, 핫-존의 표면 영역에 대해 m² 당 평균 20 kW 보다 낮은 에너지 손실을 가지는 단열부를 포함하여 구성될 수 있다. 그러한 단열부는, 일반적으로 15 kW/m 보다 낮은, 바람직하게는 12 kW/m² 보다 낮은, 그러나 더욱 바람직하게는 10 kW/mㅂ보다 낮은 에너지 손실을 가질 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 핫-존에서 메인 단열재료로서 사용되는 흑연 펠트를 포함한다. 단열부는, 적합한 부분들에서 연성(soft) 및/또는 강성(rigid)일 수 있다. 단열부는, 한번 사용되는 부품들을 포함하여 구성될 수 있으나, 여러 결정 또는 배치들(batches)을 인상하기 위해 사용될 수 있는 것이 바람직하다. 하나의 구체예에서, 에어로겔(aerogel) 또는 유사한 고도의 다공성 구조(highly porous structure)가 핫-존 단열부에 사용된다.

발명의 하나의 구체예에 의하면, 멜트는, 단열 부재에 의해 부분적으로 커버된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 그 커버링 부재(covering member)는 플레이트 또는 거의 원추형의 외면 또는 그들의 조합이다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 커버링 부재는 결정 성장 동안에도 커버된 표면적이 조절가능하도록(adjustable) 배치된 여러 부분들을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 멜트는 결정 인상 동안에 표면 히터에 의해 가열된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 커버링 부재는 히터를 포함한다.

적절한 영역들에 있는 로에서의 퍼지 가스 유량이 너무 크지 않아야 하나, 인상 중의 거의 진공인 상태에서 로 내부에 가스들의 적절한 조성을 유지하기 위해 그리고/또는 이를 제공하기 위해 효율적이도록 충분히 커야 한다는 점이 인상에 있어 중요하다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 플로우들은, 초크랄스키-형 방법을 사용하여 단결정을 제조하기 위한 로용 플로우 구성으로 실행할 수 있다. 그러한 로는:

(i) (i1) 용융된 반도체 물질을 담기(holding) 위한 도가니; 및

(i2) 상기 도가니내의 반도체 물질을 용융시키기 위한 온도까지 상기 도가니를 가열하기 위한 히터;를 무엇보다도 포함하여 구성되는, 핫-존을 수용하는, 결정-성장 로의 인상 챔버;

(ii) 상기 도가니로부터 반도체 결정을 인상하기 위해 상기 도가니 위에 있는 인상 메커니즘;을 포함한다.

추가적으로, 이러한 플로우 구성은:

상기 인상 챔버의 상측 부분에 대한 하나 또는 그보다 많은 불활성 가스 유입구들;

상기 인상 챔버의 바닥으로부터의 하나 또는 그보다 많은 가스 배출구들; 및

상기 핫-존으로 들어갈 때 제1 경로 및 제2 경로로 나누어지는, 위로부터 상기 핫-존으로의 불활성 가스 플로우 채널을 포함하여 구성되는 불활성 가스 플로우 경로들;을 더 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 초크랄스키-형 방법은, 두 개의 상이한 경로들 (제1 경로 및 제2 경로)을 통해 상기 인상 챔버의 최상부로부터 핫-존으로의 불활성 가스 플로우를 수행하는 단계를 포함하여 구성되며, 여기서, 제1 경로는 인상된 결정 표면을 따라 멜트쪽을 향하고, 제2 경로는 용융 영역을 피해간다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 플로우 구성은, 관형 또는 원추형 부분에 의해 구획되는(defined) 결정 주위의 채널로서 배치되고, 그에 따라 플로우가 멜트 표면 영역을 통과하도록 구성된, 상기 제1 경로를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 플로우 구성은, 멜트 위의 관형 또는 원추형 부분을 지지하는 핫-존의 최상부 캡(top cap)을 통해 적어도 하나의 또는 여러 개의 구멍들(orifices)을 관통하는 채널로서 구성되되, 플로우가 멜트 표면 근처 또는 도가니 내부의 멜트 표면 위의 공간을 통과하지 않게 구성된, 제2 경로를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 퍼지 가스 플로우는, 제1 가스 플로우의 일부와 모든 제2 가스 플로우가 나중에 혼합되게 되고 그리고 히터와 서셉터가 위치된 공간 밖에, 메인 히터 보다 더 큰 반경에 위치된 두 관형 부분들 사이에 있는 채널의 최상부로 가이드되면서, 제1 가스 플로우의 다른 일부는 서셉터와 히터를 스쳐지나가서(sweeps), 채널의 하단부에서 내측 부분에 있는 하나 또는 그보다 많은 구멍들을 관통하여 동일한 채널에 도달하게 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 성장 방법은, 결정의 몸체의 말단에서 본질적으로 0.5 ppma 보다 낮은, 그러나 바람직하게는 0.2 ppma 보다 낮은, 그러나 더욱 더 바람직하게는 0.1 ppma 보다 낮은, 규소 결정의 탄소 농도를 유지한다.

하나의 구체예에 의하면, 초크랄스키-형 방법을 사용하여 반도체 단결정을 제조하기 위한 장치는 하나의 플로우 구성을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 인상될 결정은, 150 및 220 mm 사이의 직경을 갖는 규소 결정의 몸체를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이 장치는, ASTM F 121-83 표준에 따라 측정된, 결정에서 15 +/- 1 ppma 의 산소 농도를 유지하기 위한 수단을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 상기 산소 농도는, 몸체 길이의 적어도 90%에 대해 결정 길이 방향을 따라 결정의 센터라인에서 또는 그 근처에서 측정되며, 결정의 +/- 1 ppma 윈도우(window) 내에서 15 ppma 보다 낮다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 장치는, 규소 결정의 몸체의 인상 중에 평균 아르곤 가스 유량(average argon gas mass flow)을 모니터링하고 그리고/또는 인풋(input)하는 수단을 포함하여 구성되는데, 이 값은 15 ppma의 산소 농도를 갖는 결정의 경우에는 80 slpm 보다 작으나, 본 발명의 다른 하나의 구체예에 의하면, 이 값은 60 slpm 보다 작으며, 그리고 또 다른 구체예에서는 40 slpm 보다 작다. 아르곤 플로우들은 하나의 예로서 나타내어진 위의 산소 농도 값에 의해 한정되지 않는다. 나타내어진 유량들은, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정 몸체 길이의 선두에서 30%에 걸쳐 정해진 평균값들이다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면 초크랄스키-형 방법으로 결정을 인상하기 위한 플로우 구성은, 관형 또는 원추형 부분, 즉, 멜트 표면 영역에 대한 채널 개구부에 의해 구획되는 결정 주위의 채널; 및 멜트 위의 관형 또는 원추형 부분을 지지하는 핫-존의 최상부 캡(top cap)을 통해 하나 또는 여러 개의 구멍들을 관통하는 제2 채널;을 포함하여 구성되며, 상기 제2 경로의 채널은 멜트 표면 또는 멜트 표면 위의 개방된 공간을 피해간다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 플로우 구성은, 상기 제1 및 제2 경로들을 관통하는 가스 플로우들을 위한 경로들을 포함하며, 그리고 플로우들은, 히터와 도가니가 위치된 공간 밖에 더 큰 반경에 위치된 두 개의 관형 부분들 사이에 있는 배출구 채널의 최상부로 가이드되어 그곳에서 혼합된다. 결정의 신속한 조립 및/또는 성장 장치에 의해 제조될 수 있는 상이한 유형들(types)의 결정을 고려하기 위해, 플로우 구성은 사용되는 적어도 두 세트의 맞춤 부분들(two sets of adaptation parts)을 포함하여 구성될 수 있으며, 이들 중 하나의 선택은 예를 들어, 성장될 결정의 직경을 기초로 하는데, 제1 세트가 제1 직경에 대한 것이고 제2 세트가 제2 직경에 대한 것이도록 하는 것이다. 그러나, 맞춤 부분들의 세트들은 여러 가지 다른 방식을 기초로 하여, 예를 들어, 결정 배향(orientation), 고유저항, 도핑제 등에 의해 선택될 수 있다. 플로우 구성은, 위에 설명한 맞춤을 위해 사용되는 부분들에 의해 구획되는, 결정을 위한 개구부의 내경이, 성장하는 결정의 직경의 1.1...1.8 배, 더욱 바람직하게는 결정의 직경의 약 1.2...1.6 배의 범위에 있는 식으로 본 발명의 하나의 구체예에 의하면 설계될 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 플로우 구성 부분들, 특히 원추형 상측 부분 및/또는 플레이트-유사 바닥부가, 흑연 소재로 만들어질 수 있다. 단열부는 연성 또는 강성 흑연 펠트로 만들어질 수 있다. 흑연의 적합한 부분들이 Si, 치밀한(dense) SiC, 및/또는 다이아몬드 필름 및/또는 열분해(pyrolythic) 흑연을 사용하여 적어도 부분적으로 코팅될 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 핫-존의 최상부는, 핫-존 부분들을 성장 장치 상측 부분들과 함께 취급하는 것을 더 쉽게 만드는 수단을 포함한다. 핫 존 부분들은, 핫-존 부분들의 하나의 개별적인 부분 또는 하위-그룹들의 리프트를 위한 핸들링 툴들(handling tools)에 대한 인터페이스들을 가질 수 있다. 이러한 구조는, 들어올려질 부분들을 가이드하는 가이딩 구조체들(guiding structures)과 함께, 들어올려지지 않는 부분들로부터 들어올려질 특정 부분들을 잠그고 그리고/또는 잠금 해제하도록 구성된 패스트-록킹 수단(fast-locking means)을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 구체예들은 성장 장치/로 운전이, 핫-존 부분들의 들어올림(리프팅) 및/또는 그렇지 않으면 취급 또는 교체와 같은 상황에서, 관리자들에 의해 쉽게 수행되게 한다. 그러한 구성은 핫-존의 상측 부분들의 리프팅을 가능하게 하고 그리고 또한 관리자가 도가니 및 핫-존의 다른 부분들에 쉽게 접근할 수 있게 한다. 이러한 구조는, 핫-존을 청소할 때 그리고 사용된 실리카 도가니와 남아있는 반도체 물질을 도가니로부터 제거할 때 유리하며, 이것은 생산성을 증가시킨다. 따라서, 새로운 작업을 위한 로의 준비에 시간이 절약될 수 있고, 따라서 생산성이 증가된다. 도가니는 성장 장치 내부에 있는 동안 장입될 수 있으나, 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 도가니가 챔버 밖에서 장입될 수 있다. 하나의 구체예에 의하면, 장입물이 도가니로 로딩되며, 그리고 도가니가 장입물 및 서셉터와 함께 성장 장치로 리프팅된다.

로의 부분들을 다양한 결정 크기들에 맞출 수 있게 그리고 쉽게 교체가능하게 만드는 것은, 상이한 직경들을 갖는 결정이 다른 맞춤 부분 없이 단일 핫-존 설계를 사용하여 성장되는 경우와 비교하여, 비용, 품질, 수율 또는 생산성 측면에서 이점들이 있다.

멜트로부터의 초크랄스키-형 결정 성장을 위한 도가니를 포함하여 구성되는 로에 대한, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 상기 로의 플로우 입구에서의 가스 플로우를 위한 적어도 하나의 유입-플로우 채널; 및 상기 로의 가스 배출구에 있는 그리고 플로우-가이드 장치 사이의 핫-존에 있는 적어도 하나의 배출 플로우 채널;을 포함하여 구성되며, 이러한 플로우-가이드 장치는, 결정의 성장 동안에, 상기 적어도 하나의 진입 플로우를 제1 부분 플로우와 제2 부분 플로우로 나누어서, 상기 제1 부분 플로우가 핫-존을 빠져나오기 전에 멜트 영역으로 들어가도록 가이딩 표면을 따라 가이드되는 반면, 상기 제2 부분 플로우는 핫-존을 빠져나오기 전에 도가니내의 상기 멜트 위의 공간을 피하도록 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 종자 결정의 지지체, 종자 결정, 결정, 결정 부분, 제1 디스크 부재, 제2 디스크 부재, 추가적인 퍼지 관, 및 관형 및/또는 원추형 부재 같은 부분들의 적어도 하나에 속하는 표면을 적어도 부분적으로 포함하는 가이딩 표면을 포함한다. 상기 제1 부분 플로우에 관한 구성을 포함하여 구성되는 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성에서는, 멜트가 발생되는 장입물과 대면하는 공간에 그 플로우가 들어가도록 가이드하기 위한 수단을 포함하여 구성되는 반면, 상기 제2 부분 플로우는 장입물과 대면하는 상기 공간을 피하도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 멜트로부터 로 다른 부분들로의 증발성 종들(evaporative species)의 이동을 막도록 구성된, 상기 플로우들의 적어도 하나를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 상기 제1 및 제2 부분 플로우는, 핫 존 및/또는 로를 빠져나오기 전에 합쳐지도록 구성되나, 다른 하나의 구체예에 의하면 핫 존 및/또는 로를 서로 따로따로 빠져나오도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 플로우 구성은, Si, P, Sb, As, Ge, Si의 산화물, P의 산화물, Sb의 산화물, As의 산화물 및 Ge의 산화물의 적어도 하나를 포함하여 구성되는 증발 물질과 함께 사용가능하도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 상기 진입 플로우 채널에서 불활성 가스, 아르곤, 헬륨, 질소, 수소의 적어도 하나를 포함하여 구성되는 그러한 가스와 함께 사용가능하도록 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 관형 및/또는 원추형 부재는 원통형 부분들 및/또는 디스크 유사 부분들과 다른 부분들을 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 그 형태는 냉각 결정으로부터의 열을 성장된 결정을 향해 반사할 수 있는 부분을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 성장될 결정의 축 주위에 동축 방향으로 또는 본질적으로 동축 방향으로 장착가능한 관형 및/또는 원추형 부재를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 상기 관형 및/또는 원추형 부재에서, 가이딩 표면의 제2 부분에서 상기 제1 부분 플로우의 제2 부분과의 열 상호작용으로부터 가이딩 표면의 제1 부분에서 상기 제1 부분 플로우의 입사 부분(incident part)을 단열시키도록 배치된 단열부를 포함하여 구성되며, 여기서, 제1 부분 플로우의 상기 입사 부분은 멜트 표면으로 들어가고, 상기 제1 부분 플로우의 제2 부분은 멜트 표면을 떠난다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 성장된 결정의 냉각 부분과 도가니 내의 상기 멜트 위의 공간의 핫 존 영역으로부터의 적어도 한 부분을 서로 단열하도록 배치된 단열 부분을 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 관형 및/또는 원추형 부재가 멜트로부터의 열 복사를 반사하도록 배치된 제1 반사장치(reflector) 표면 그리고/또는 결정으로부터의 열 복사를 반사하도록 배치된 제2 반사장치 표면을 가지도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 제1 반사장치 표면이 상기 제2 반사장치 표면으로부터 단열되도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 적어도 하나의 반사장치 표면은 플로우 가이드 부분으로서 동작하도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성에서는, 관형 및/또는 원추형 부재가 상기 제1 부분 플로우의 제2 부분의 온도를 멜트 표면의 온도 근처로 유지하도록 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 관형 및/또는 원추형 부재에서 제1 표면과 제2 표면을 포함하여 구성되며, 이들은 멜트 영역 근처에서 갭(gap)에 의해 서로 분리된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 관형 및/또는 원추형 부재가 제1 표면과 제2 표면을 포함하여 구성되고, 이들이 멜트 영역 근처에서 갭에 의해 서로 분리되도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 이러한 갭은 관형 및/또는 원추형 부재의 표면을 상기 제1 및 제2 반사장치의 표면들로 나누는 반사장치 표면의 갭이다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 상기 갭에 대한 지지가 필요할 때, 상기 갭 위의 분리부가 최소한의 접촉 면적을 갖는, 부분적으로 규칙적인 지지 브릿지들(punctual support bridges)에 의해 실행되어 넓은 접촉 면적에 걸쳐 열을 전도하는 것을 가능한 한 피한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 성장될 결정을 위한 개구부가 구비된 그러한 관형 및/또는 원추형 부재를 포함하여 구성되고, 그러한 관형 및/또는 원추형 부재는, 제1 디스크 부재 및 제2 디스크 부재의 적어도 하나의 부분을 더 포함하여 구성되며, 상기 부분은 멜트 영역을 향하는 가스 플로우 경로를 구획하도록 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 적어도 부분적으로 결정 축 또는 그 연장부(its extension) 주위에 착설가능한 벽으로서 적어도 하나의 관형 차폐 부재를 더 포함하는, 플로우 구성내의 플로우-가이드를 포함하여 구성되어, 상기 적어도 하나의 관형 차폐 부재가, 상기 제1 부분 플로우 및/또는 멜트에 발생된 증기로부터, 가열 소자, 상기 도가니, 도가니 벽 부분, 서셉터, 결정 및 관형 및/또는 원추형 부재 중의 적어도 하나의 보호를 위해 적어도 부분적으로 하나의 채널 벽을 형성하도록 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 제1 부분 플로우 및/또는 제2 부분 플로우를 위해, 로의 가스 배출구에서 배출 플로우 채널로 뻗어있는 영역(region)을 포함하여 구성되며, 그것은 상기 영역에서 상기 제1 부분 플로우와 상기 제2 부분 플로우를 합류하기 위한 것이다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 상기 제1 플로우의 증기들에 발생되는 그러한 물질을 수집하도록 배치된 수집장치(collector) 시스템으로 가스 배출구가 이어지도록(lead to) 배치되게 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 플로우 구성내의 수집장치 시스템이 폐기물 관리 시스템 또는 그 한 부분이도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 플로우 구성내의 수집장치 시스템이 정제 시스템 또는 그 한 부분이며, 수집된 물질을 모으도록 구성되어 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 멜트로부터 발생하는 먼지 및/또는 배출 가스의 성분을 부동태화(passivating) 하기 위해 산소 또는 공기를 배출구 또는 배출 라인으로 공급하도록 구성되어 있는 로의 가스 배출구로 뻗어 있는, 추가적인 플로우 채널을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 플로우 구성 재료들이 Sb, As, P, Si, Ge, Sb의 산화물, As의 산화물, P의 산화물, Si의 산화물, Ge의 산화물 중의 적어도 하나를 포함하여 구성되는 부동태화될 증기들 및/또는 먼지를 견디도록(tolerate) 구성되어 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 플로우 가이드 장치(flow guide arrangement)가, 멜트 온도의 멜트로부터 결정 온도의 결정으로의, 미리 정해진 열 유량(heat flux)을 설정하도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 플로우 가이드 장치가 플로우 가이드 장치내의 단열부의 적어도 일부를 통해 최소 열 유량을 제공하도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 플로우 가이드 장치가 배출구 앞의 상기 제1 부분 플로우의 제2 부분내의 증기들의 상 전이(phase transition)를 막기 위해 플로우를 가이드하도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 합류 영역(merging region) 위치가 상기 합류 영역 위치 조절을 위해 동작가능한 적어도 밸브를 포함하여 구성되는 밸브 세트에 의해 조절가능하도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 상기 합류 영역 위치가 결정 성장 단계(phase)에 따라 조절가능하도록 구성되어 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 합류 영역이 결정 성장의 제1 단계에서는 제1 영역으로 그리고 결정 성장의 제2 단계에서는 제2 영역으로 설정되게 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 결정 성장의 제1 단계와 제2 단계 사이에서, 상기 제1 영역과 상기 제2 영역이 모두 합류 영역들로서 적어도 부분적으로 동작가능하도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 제1 영역과 및 제2 영역이 제1 부분 플로우 및/또는 제2 부분 플로우의 하나의 플로우의 진입 부분에 대한 합류 영역들로서 동시적으로 사용되도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 그 합류 영역이, 특수한 플로우 채널을 통해 성장 장치의 성장 챔버 밖의 영역까지 조절가능하게 배치되도록 구성되어 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 합류 영역이, 상기 영역으로의 진입 플로우(entering flow)에 의해 운반된 멜트에 발생된 증기들로부터 만들어진 물질을 응축시키고 그리고/또는 받아들이도록 구성되어 있는 부분을 포함하여 구성되도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 상기 제1 부분 플로우에 발생하는 제3 플로우를 합류 영역으로 가이드하기 위한 수단을 포함하여 구성되도록 구성되어 있으며, 여기서 제3 플로우는 적어도 하나의 플로우를 포함하여 구성되는 복수의 추가적인 플로우들 중의 하나의 플로우이다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 상기 제1 부분 플로우와 상기 제2 부분 플로우의 합계 및/또는 비율이 결정 인상 동안 및/또는 결정 인상의 프로세스 단계 동안에 일정하게 유지되게 설정하도록 구성되어 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 제1 부분 플로우의 상기 제2 부분 플로우에 대한 유량 비율이 결정의 몸체의 성장 동안에 결정체의 끝으로 갈수록 감소되도록 설정하기 위한 수단을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 위의 비율이 제1 양의 도가니내 물질에 관한 제1 값과 제2 양의 도가니내 물질에 관한 제2 값을 가지도록 구성되어 있으며, 여기서 상기 물질은 장입물 및/또는 멜트를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 도가니내의 물질이 자극(as a stimulus)으로서 제1 양에서 제2 양으로 변화하게 될 때, 상기 비율의 상기 제1 값이 상기 자극에 대한 응답(response)으로서 제2 값으로 변하도록 구성되어 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 결정 성장 동안에 또는 그 단계 동안에 로내의 특정 플로우의 플로우 지오메트리(flow geometry)를 구획하도록 구성된, 도가니, 서셉터, 차폐 부재, 합류 영역, 장입물, 결정 성장 단계에 따른 높이를 갖는 멜트 표면, 인상된 결정의 결정 표면 부분, 및 관형 및/또는 원추형 부재의 적어도 하나를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 상기 특정 플로우가 제1 부분 플로우, 제2 부분 플로우, 합류된 플로우, 앞서 언급한 여하한 것들의 어느 하나의 한 부분이다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 제1 부분 플로우 및/또는 제2 부분 플로우의 가스 성분 조성을 인상 단계에 따른 성분들의 미리 정해진 조성으로 조절하도록 동작가능한 플로우-제어 수단을 포함하여 구성되도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성에서, 가스 플로우들의 적어도 하나는, 적어도 제1 부분과 제2 부분 사이에 있는 채널로 가이드되며, 여기서, 상기 제1 및/또는 제2 부분은, 원통형, 본질적으로 원통형, 엄밀히 원통형, 원추형, 본질적으로 원추형, 평면 및/또는 거의 평면인 지오메트리를 가진다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성에서, 상기 적어도 두 부분들은, 하나의 플로우 지오메트리(flow geometry)를 설정하기 위한 하나의 세트를 만들기 위해 다음의 객체들(objects)로부터 선택가능하다: 도가니, 서셉터, 제1 차폐 부재, 제2 차폐 부재, 제1 디스크, 제2 디스크, 관형 및/또는 원추형 부재, 멜트 표면, 장입물의 표면, 결정의 표면, 상기 객체의 하위-구조 부분.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 적어도 둘의 상기 객체들이 결정 표면 및 차폐 부재 또는 관형 및/또는 원추형 부재에 의해 구획된 결정 주위의 하나의 채널로서 제1 경로를 구획하도록 구성되어 있으며, 멜트 표면 영역으로의 채널 개구부는 멜트 표면 및 관형 및/또는 원추형 부재의 외측 부분 또는 제1 디스크에 의해 구획된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 제2 경로가 멜트 표면 그리고 멜트 표면 위의 도가니 내의 개방된 공간을 피하는 제2 부분 플로우를 위한 제2 경로를 만들기 위해 제2 디스크를 관통하는 하나 또는 여러 개의 구멍들을 통해 뻗어있는 하나의 채널로서 구획되도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 플로우가 결정체 성장의 프로세스 단계에 걸쳐 평균내어진 50 slpm 보다 작은 평균 가스 유량을 갖는 성장 장치로의 진입 플로우가 되도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 상기 평균 값이 35 slpm 보다 작도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 상기 평균 값이 15 slpm 보다 작도록 구성되어 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성 시스템은, 제1 특성 값(a first characteristic measure)을 갖는 제1 결정을 위한 제1 플로우 구성을 위한 제1 세트 및 제2 특성 값을 갖는 제2 결정을 위한 제2 플로우 구성을 위한 제2 세트를 포함하도록 되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 특성 값을 갖도록 성장될 결정을 성장시키기 위한 하나의 플로우 구성을 만들기 위해 장착가능한 부분들의 하나의 하위 세트(sub set)를 포함하도록 되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 제1 특성 값이 결정의 측정 값들(measures)의 제1 범위내에 있고 그리고 제2 특성 값이 그 제2 범위내에 있도록 되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 측정 값들은 적합한 부분에서 하나의 특정 추가 특성 값을 위해 결합가능할 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성 시스템은, 상기 세트가 제1 디스크, 제2 디스크, 관형 및/또는 원추형 부재, 관형 및/또는 원추형 부재에서의 단열을 포함하도록 되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성은, 제1 디스크, 제2 디스크, 관형 및/또는 원추형 부재의 개구부가 결정 직경의 약 1.0 - 2.5 배의 범위에 있도록 되어 있으나, 본 발명의 또 하나의 구체예에 의하면, 약 1.02 - 1.7의 범위내에 있으며, 또 다른 구체예에 따르면, 약 1.2 - 1.4의 범위내에 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성 시스템은, 플로우 구성용 플로우 구조를 설정하기 위한 하나의 세트를 만들기 위한 다음의 객체들의 적어도 하나가, 흑연, 금속, 복합물, 내화재, 열분해 흑연, 다이아몬드 필름, 카바이드, 질화물 및/또는 희토류 금속(metal of rear-earth group) 화합물의 적어도 하나를 포함하여 구성되는 코팅에 의해 만들어지거나 적어도 이러한 코팅에 의해 커버되도록 구성되어 있다: 도가니, 서셉터, 제1 차폐 부재, 제2 차폐 부재, 제1 디스크, 제2 디스크, 관형 및/또는 원추형 부재, 멜트 표면, 장입물의 표면, 결정의 표면, 상기 구성요소의 하위-구조 부분. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성 시스템은, 상기 부분들의 적어도 하나가 CVD-코팅법, 이온-코팅법, 플라즈마-코팅법 및/또는 전기 방전 사용 코팅에 의해 제공되는 코팅에 의해 적어도 부분적으로 코팅되도록 구성되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성 시스템은, 상기 부분들의 적어도 하나가 Si, C, N, Nb, Ta, W, Co, Mo의 적어도 하나를 포함하여 구성되는 코팅에 의해 만들어지거나 적어도 부분적으로 코팅되도록 구성되어 있다.

초크랄스키-형 결정 성장을 위한 로에 대한, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는:

- 장입물 및/또는 멜트를 담기 위한 도가니;

- 도가니내의 물질을 용융시키기 위한 그리고/또는 결정의 성장 동안에 물질을 용융된 상태로 유지하기 위한 적어도 하나의 히터; 및

- 용융 및/또는 결정 성장 동안에 열 손실 및/또는 화력 소모를 감소시키기 위해 최소한 도가니와 히터를 둘러싸는 본질적으로 연속적인 단열부;를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 상기 단열부를 관통하는 열적으로 중요한 피드-쓰루들로서, 결정을 위한, 히터의 전극들을 위한, 도가니 축을 위한, 멜트 표면 위의 결정을 위한 그리고 퍼지 가스를 위한, 피드-쓰루들을 최소한 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 핫 존이, 피드-쓰루의 개구부의 가장 안쪽 직경을 정의하는 부분의 내경 및/또는 관형 및/또는 원추형 부재에서 단열부의 내경이 결정의 몸체의 직경의 1.5 배보다 작은, 결정을 위한 하나의 피드-쓰루를 포함하여 구성되도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 핫 존이, 피드-쓰루의 개구부의 가장 안쪽 직경을 정의하는(define) 부분의 내경 및/또는 관형 및/또는 원추형 부재의 단열부의 내경이 결정의 몸체의 직경의 1.4 배보다 작은, 결정을 위한 피드-쓰루를 포함하도록 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 핫-존이, 배출 가스들을 핫 존 영역을 통과하여 그리고/또는 핫 존 영역의 밖으로 이끌도록 구성된 배출 라인 구성(exhaust line arrangement)을 위한 단열부를 관통하는 피드-쓰루를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 단열부가 적어도 국소적으로 진입(penetration) 영역에서 배출 라인의 유효 직경(effective diameter)의 1.5 배의 두께를 가지도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 핫 존이 가장 폭이 좁은 지점에서 60 mm 보다 아래의 배출 관(들)의 유효 내경을 가지도록 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 핫 존이, 결정의 몸체의 90% 보다 더 큰 동안에, 핫-존의 표면적 당 화력 소모를 20 kW/m 보다 아래의 값으로 설정할 수 있는 단열부를 포함하도록 구성되며, 본 발명의 다른 하나의 구체예에 의하면, 위의 값은 바람직하게는 15 kW/m 보다 아래이되, 본 발명의 또 다른 구체예에 의해 더욱 더 바람직하게는 10 kW/m 보다 아래이다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 플로우 구성을 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 적어도 부분적으로 자기장들이 통과하여, 용융 및/또는 결정 성장의 적어도 일부 기간동안 멜트 영역에 자기장을 만들도록 구성된 자석의 사용을 용이하게 하는 물질들을 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 멜트과 접촉 중일 수 있는 증기들로부터 도가니 또는 서셉터의 외부 표면을 보호하도록 구성된 차폐 부재를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 장입물, 멜트 및/또는 결정과 관련된 도가니 서셉터, 핫-존 부분, 성장 장치 부분의 온도를 조절하도록 구성된 열적 장치를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 열적 장치 및/또는 그 한 부분이 멜트에 발생하는 증기들에 대항하여 보호하도록 구성된 차폐부를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 열적 장치가, 멜트의 온도에 대한, 결정 온도, 방사상 및/또는 축 방향 결정 온도 프로파일을 조절하도록 동작가능하게 구성되나, 다른 구체예에서는 핫-존의 특정 부분에 대한 것을 조절하도록 동작가능하게 되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 열적 장치는 히터를 포함한다. 본 발명의 다른 하나의 구체예에 의하면, 열적 장치는 냉각기(cooler)를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 열적 장치는 히터 및/또는 냉각기를 위한 전원장치(supply)를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 열적 장치는, 전기, 및/또는 열적 장치의 히터들 및/또는 냉각기들의 유량(mass flow)을 제어하기 위한 수단을 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 증기들 및/또는 입자들을 발생시키는 멜트-성분으로부터의 보호를 제공하기 위하여, 열적 장치의 하나의 부재의 표면 위로 흐르는 시스 가스 플로우, 단열부를 통과하는 개구부의 그리고/또는 그 위의 차폐부를 제공하기 위한 수단을 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 도가니를 적어도 부분적으로 포위하도록 배치되어, 장입물 및/또는 멜트를 가열하도록 구성된 적어도 하나의 히터를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 장입물 및/또는 멜트를 가열하도록 구성된 적어도 하나의 바닥 히터를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 장입물 및/또는 멜트를 가열하도록 구성되어, 도가니의 장입물 및/또는 멜트 표면 높이 근처에 위치한 적어도 하나의 표면 히터를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 장입물 및/또는 멜트를 가열하도록 구성됨과 동시에 자기장을 적어도 부분적으로 서로 상쇄하도록 구성된, 적어도 두 개의 가열 소자들을 갖는 적어도 하나의 히터를 포함하도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 장입물, 멜트, 서셉터, 도가니, 및 다른 핫-존 부분의 적어도 하나를 가열하도록 구성된 인덕션-베이스(induction-based) 히터를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 성장된 결정을 가열하도록 구성된 히터를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 그러한 히터는 결정 및/또는 핫 존의 온도를 조절하도록 구성된 열적 장치의 한 부분이다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 결정 또는 그것의 한 부분을 냉각시키도록 구성된 하나의 냉각 부재를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 상기 냉각 부재가 냉각 매질의 순환을 제공하도록 구성된 냉각 실린더를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조는, 핫 존 구조에서 멜트에 자기장을 발생시키는 수단을 포함한다.

초크랄스키-형 결정 성장을 위한, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는:

- 장입물 및/또는 멜트를 담기 위한 도가니,

- 도가니내의 물질을 용융시키기 위한 온도까지 도가니를 가열하기 위한 히터 및 그 제어 수단을 포함하는 열적 장치,

- 결정을 멜트 도가니로부터 인상하도록 구성된 인상 메커니즘,

- 적어도 상기 도가니, 및 상기 히터를 성장될 결정을 성장시키기 위한 분위기(atmosphere)에 가둬두도록 구성된 성장 챔버, 및

- 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫 존 구조를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 성장 챔버로의/성장 챔버로부터의 가스들을 위한 하나 또는 그보다 많은 가스 유입구들 및/또는 배출구들을 더 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 로를 떠나는 가스가 성장 챔버의 바닥을 통과하도록 하기 위한 유도 수단(leading means)을 포함하여 구성되는, 가스들을 위한 경로(route)를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 로를 결정을 성장시키도록 동작할 수 있게 준비시키고(address) 그리고/또는 이를 유지시키도록 구성된, 적어도 하나의 플로우를 오리피스 플레이트(orifice plate) 및/또는 밸브를 포함하여 구성되는 경로를 통해 보내기 위한 수단을 포함하여 구성되며, 위의 오리피스 플레이트는 적어도 하나의 구멍이 차단(shut off) 상태에서 완전히 개방된 상태까지의 플로우 상태로 상기 플로우를 제어하도록 구성된, 복수의 구멍들을 거기에 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 상기 플로우는, 멜트 표면 영역으로 향해지는 플로우 및/또는 멜트 표면 영역을 피하도록 향해지는 플로우일 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 배출 가스들의 적어도 하나의 성분을 수집하는 수단을 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 멜트로부터 발생하는 가스 및/또는 먼지의 한 부분을 부동태화시키기 위해 배출 채널로 유도하는 채널로 산소 또는 공기를 공급하도록 구성된 플로우 채널을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 부동태화될 증기들 및/또는 먼지가 Sb, As, P, Si, Sb의 산화물, As의 산화물, P의 산화물, Si의 산화물의 하나 또는 여러 개로 구성되도록 되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 상기 플로우의 제어가 적어도 하나의 또는 그보다 많은 구멍들의 유효 면적(effective area)을 조절하도록 구성되는 플로우 제어 장치(flow controller)에 의해 수행되도록 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 도가니와 결정 사이에 및/또는 상기 도가니와 가스 배출구 채널 사이에 단열부를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로에서, 상기 단열부는 성장될 결정을 결정의 특성 값의 범위에서 하나의 특성 값으로 성장시키도록 동작가능하게 구성된 한 세트의 부재이다. 도가니 직경은, 특정 값으로 한정되지 않으나, 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 도가니 직경은 약 16" - 132" 범위에 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 벽-히터, 바닥 히터, 멜트 표면 근처의 표면 히터, 라디에이션(radiation) 히터, 인덕션-베이스 히터, 와전류 베이스(eddy-current based) 히터, 외부 가열 소자, 및 추가적인 내부 이동가능(internal additional removable) 가열 소자의 적어도 하나인, 적어도 하나의 히터를 포함하여 구성되며, 여기서, 상기 히터는 결정 인상 단계에서 단독으로 또는 다른 히터와 결합하여 동작가능하도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 성장된 결정의 냉각을 강화시키도록 구성된 냉각기를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 장입물을 용융시키고 그리고/또는 그것을 용융된 형태로 멜트로서 유지하도록 구성된 히터가, 결정의 몸체의 90 % 이상인 동안 목부가 0.7 W/g 보다 아래에 있는 초기 멜트 중량 당 전력 소모를 갖도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 결정의 몸체의 90% 이상인 동안 55 kW 보다 아래인 전체 전력 소모를 갖는 히터를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 결정의 몸체의 90% 이상인 동안 20 kW 보다 아래인 핫-존 내부로부터 풀러 표면들의 수냉식 표면들로의 에너지 손실을 갖는 단열부를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 결정의 몸체의 90% 이상인 동안 15 kW/m 보다 아래, 바람직하게는 12 kW/m² 보다 아래이되, 더욱 더 바람직하게는 10 kW/m 보다 아래인, 에너지 손실을 갖는 단열부를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 결정의 몸체의 90% 이상인 동안 15 kW/m 보다 아래, 바람직하게는 12 kW/m² 보다 아래이되, 더욱 더 바람직하게는 10 kW/m 보다 아래인, 전력 소모를 갖는 단열부를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 핫-존내의 상기 단열부에 있는 개구부들 또는 구멍들을 통한 공급을 포함하는 것으로 정의되는 에너지 손실을 갖는 단열부를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 멜트에 자기장을 발생시키도록 구성된 자석을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로에서, 상기 자석은, 멜트 영역에 50 mT 보다 작은 자기장을 발생시키도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 상기 자석은, 결정과 멜트 사이의 인터페이스에 20 mT 보다 작은 자기장을 발생시키도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로에서, 상기 자석은, 자석 없는 멜트 플로우으로 인한 온도 변화들과 비교하여, 결정-멜트 인터페이스 근처의 멜트 영역 내에 더 작은 온도 변화들을 달성하기 위한 플로우를 멜트에 제공하도록 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 흑연 펠트를 갖는 단열부를 포함한다. 구체예의 하나의 변형에 의하면, 핫-존에서 메인 단열부로 사용된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 고도로 다공성인 물질을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예의 변형에 의하면, 핫-존에 메인 단열부를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 성장 챔버를 특정 압력까지 비우기(evacuate) 위한 진공 수단을 포함한다. 그러한 수단은 펌프 또는 한 그룹의 펌프들과 플로우 제어 장치에 의해 수행될 수 있으며, 이러한 플로우 제어 장치는, 펌프 그룹의 펌프의 진공 및/또는 흡입을 제어하도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 성장 챔버들내의 대기 조성(atmosphere composition)을 조정하도록 구성된 대기 수단(atmosphere means)을 포함한다. 그러한 수단은 로의 성장 챔버로, 핫 존으로 그리고/또는 플로우 구성의 제1 및/또는 제2 부분 플로우로, 방출될 가스의 양을 제어하는 제어 장치와 압력하의 가스(gas in pressure)를 포함하여 구성되는 가스 소스(gas source)에 의해 실행될 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 약 16" - 132"의 범위에 있는 직경을 갖는 도가니를 포함한다. 그러한 도가니는 석영 또는 실리카일 수 있으나, 코팅에 의해 코팅될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 각기 그 자체의 특징적인 치수를 갖는 평행하는 결정의 인상을 위해 사용할 수 있도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 적어도 하나의 도가니를 포함하여 구성되는 도가니들의 그룹의 하나의 도가니에 도핑제, 장입물 및/또는 멜트를 공급하도록 구성된 공급 수단을 포함한다.

초크랄스키-형 결정 성장을 위한, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 적어도:

- 성장 챔버;

- 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫 존 구조에 핫 존을 부착하도록 구성된 내측의 성장 챔버 부착 수단;을 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 부착 수단이 상기 핫 존 구조의 미리 정해진 앙상블(ensemble)의 핫 존 부분들로 구성되는 적어도 하나의 상기 핫 존 부분이 리프팅가능하게 구성되도록 되어 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 성장 챔버의 상측 부분을 개방하고 그리고 씰링하기(seal) 위한 하나의 메커니즘을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치에서, 상기 메커니즘은 상기 상측 부분의 리프트(lift) 및/또는 회전축(pivot)을 위한 장치를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 씰링된 성장 챔버를 갖는 리프팅가능한 상기 핫 존을 조정하기 위한 수단을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 상기 적어도 하나의 핫 존이 성장 챔버의 상측 부분과 리프팅가능하고 그리고/또는 회전가능하도록 조정하기 위한 수단을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치에서, 메커니즘은, 조립된 핫 존 구조 및/또는 미리 정해진 앙상블의 그들에 대한 접근(access)을 제공하도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 상기 앙상블은, 관형 및/또는 원추형 부재, 단열부, 도가니, 서셉터, 및/또는 히터를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 상기 접근이, 핫-존 부분을 청소하고, 도가니로부터 물질을 제거하고, 서셉터로부터 물질을 제거하고, 핫-존 부분을 교체하고, 도가니를 채우고, 핫-존 부분을 성장될 결정의 특정한 특징적인 치수에 맞추는 것의 적어도 하나에 대한 특별한 접근을 포함하도록 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 장입물, 멜트, 도가니 및 적어도 하나의 제1 회전가능 객체(rotatable object)와 상이한 제2 회전가능 객체에 대해 인상될 하나의 결정으로부터 선택가능한 적어도 하나의 제1 회전가능 객체를 위한 회전 이동을 제공하도록 구성된 회전 수단을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 최상부와 바닥부를 포함하여 구성되는 성장 챔버를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 중간부를 더 포함하는 성장 챔버를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 성장 챔버가 씰링될 때, 바닥부 영역을 행해 뻗어있을 수 있도록 상기 핫 존을 설치하는 장치(arrangement)를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 상기 적어도 하나의 핫-존 부분과 성장 챔버의 상기 최상부 사이의 기계적 연결부를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 상기 연결부가 일반 운전(normal operation)을 위해 결합해지가능하도록(releaseable) 구성된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치는, 결정의 제1 또는 제1 범위의 특성 값(a first or a first range of characteristic measure) 및 결정의 제2 또는 제2 범위의 특성 값에 적합화된 제1 세트의 핫 존 부분들을 장착하는 장치를 포함하여 구성되며, 상기 세트들은 제1 결정 성장 프로세스 및 제2 결정 성장 프로세스 사이에 교체가능하도록 구성된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치에서, 상기 특성 값은, 결정의 직경, 결정의 배향, 도핑제, 결정의 고유저항의 적어도 하나이다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 성장 장치 및 본 발명의 하나의 구체예에 의한 핫-존 구조를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 장치 준비 작동, 결정 인상 작동, 인상-후 작동(post-pulling operation)을 시작하는 단계를 포함하여 구성되나, 예비 단계에서, 이 방법은, 한 세트의 핫 존 부분들을 선택하고 그리고/또는 세트에 따른 결정의 특성 값의 범위내의 하나의 특정한 결정의 성장을 위한 성장 장치에 맞추기 위한 부분들을 단열하는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 결정이 인상될 멜트를 제공하기 위해 로딩될 장입물을 선택하는 단계를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 인상될 결정에 대해 그 결정 구조를 제공하기 위해 종자 결정 또는 그 유사물을 선택하는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 대기 및/또는 핫-존내의 가스 플로우들을 조절하는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 인상된 결정을 냉각시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 멜트를 자기장에 노출시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 결정을 빼내기 위해 성장 챔버를 개방하는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 결정의 성장 후에 그리고/또는 결정을 빼낸 후에 성장 챔버를 세척하는 단계를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은:

- 대기 분위기(an atmosphere)를 위한 가스 플로우를 성장 챔버에 공급하는 단계,

- 성장 챔버에 대한 인풋 가스 플로우(input gas flow)을 제1 부분 플로우(a first partial flow)과 제2 부분 플로우(a second partial flow)으로 나누는 단계,

- 멜트 표면을 향해 상기 제1 부분 플로우의 입사 부분(incident part)을 유도하여, 유도 표면에 의해 상기 제1 부분 플로우의 제2 부분(a secondary part)을 형성하는 단계,

- 제1 부분 플로우의 제2 부분의 온도를 멜트 온도로 또는 멜트 온도에 가깝게 유지하기 위해 상기 제1 부분 플로우의 입사 부분과 제2 부분을 서로 단열시키는 단계,

- 최소한 상기 제1 부분 플로우를 핫 존을 빠져나오도록 유도하는 단계,

- 제2 부분 플로우를 상기 도가니 및/또는 상기 결정-인상 영역내의 멜트를 피하도록, 출구로의 시스 가스 플로우로서, 유도하는 단계를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 멜트로부터 결정의 목부를 적어도 부분적으로 단열시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 인상 단계에서, 인상될 결정, 도가니, 서셉터, 및 다른 것에 대한 멜트의 적어도 하나의 객체를 회전시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 상기 개체들 중 첫 번째의 적어도 회전 방향, 각 속도 및/또는 각 운동량(angular momentum)이 상기 객체들의 다른 하나의 것과 상이하게 회전하는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 상기 회전 단계가 자기장에 의해 멜트의 적어도 한 부분의 회전을 가속하고, 유지하고 그리고/또는 감속하는 것을 포함하여 구성되는 방식으로 회전하는 단계를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 멜트의 영역내에 수직 성분을 포함하여 구성되는, 플로우에 멜트를 이동시키기 위한 힘을 야기하도록 자기장이 구성되는 방식으로 회전하는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 위치의 함수로서의 세기 분포를 가지는 자기장에 멜트를 노출시키는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법에서, 상기와 같은 멜트의 자기장에의 노출은, 멜트 및 인상될 결정 사이의 인터페이스 영역에서 제1 범위의 값들 중의 제1 값 그리고 멜트의 다른 어딘가에서의 제2 범위의 값들 중의 제2 값을 자기장이 가지도록 만들어진다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 도가니 회전 축 또는 그 연장부와 실질적으로 대칭인 그러한 자기장의 사용을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은 DC 전류에 의한 자기장 또는 본질적으로 DC 전류에 의한 자기장의 사용을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은 20 mT 보다 작은, 제1 값을 갖는 그러한 자기장의 사용을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은 50 mT 보다 작은, 제2 값을 갖는 그러한 자기장의 사용을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 결정 구성물 농도의 방사상 불균일성(radial inhomogeneity)에 여하한 증가를 가져오지 않거나 또는 큰 증가를 가져오지 않는 값들로 자기장 세기를 제한하고 그리고/또는 조절하는데 기여하도록 자기장을 사용하는 것을 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 도가니 회전 축에 대해 본질적으로 대칭인, 일정 기간에 걸쳐 국소 평균(local average)을 갖는 그러한 자기장을 사용하는 것을 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 멜트의 적어도 하나의 플로우 부분을 제어하기 위한 방법에서 조절가능한 그러한 자기장의 사용을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 멜트 및/또는 그 특정 부분에서의 조성 구성물 농도(composition constituent concentration)를 제어하기 위해 사용될 수 있는 그러한 자기장의 사용을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 방법은, 결정 및/또는 그 일 부분에서의 구성물 농도를 제어하기 위해 사용될 수 있는 그러한 자기장의 사용을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 상기 구성물은 산소이거나 또는 산소를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 회전 자기장 또는 그 회전 자기장 성분(component)이 멜트 주위의 전자석들의 자기장 세기를 변화시킴으로써 수행된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 회전 자기장 또는 그 회전 자기장 성분이 멜트 주위에서 적어도 하나의 영구 자석을 한 방향으로 기계적 회전시킴으로써 수행된다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 회전 자기장 또는 그 회전 자기장 성분이 멜트 주위에서 적어도 두 개의 영구 자석들을 각기 그 자체의 방향으로 기계적 회전시킴으로써 수행된다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 인상 동안에 Ar을 포함하여 구성되는 가스를 공급하는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 결정의 몸체 전반에 대한 상기 가스의 평균 유량이, ASTM F 121-83 유닛들(units)에 따라 약 14 - 16 ppma의 평균 산소 농도를 갖는, 결정에 대해, 50 slpm 보다 작고, 더욱 바람직하게는 30 slpm 보다 작도록, 가스를 공급하는 단계를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 다른 공지된 그러한 구성물이 그것으로서 가스에 사용될 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 규소 결정을 위한 방법을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 게르마늄 결정을 위한 방법을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, 탄소 족(carbon-group)으로부터의 하나의 원소를 포함하여 구성되는 결정을 위한 방법을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, III-족으로부터의 도핑제를 포함하여 구성되는 결정을 위한 방법을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정의 성장 방법은, V-족으로부터의 도핑제를 포함하여 구성되는 결정을 위한 방법을 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 본 발명의 하나의 구체예에 의해 만들어진 결정이다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 하나의 반도체 결정을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 단결정인 하나의 결정을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 규소, 게르마늄 및/또는 그들의 혼합물을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 하나의 도핑제로서 III-족, IV-족 또는 V-족 원소의 적어도 하나의 원소를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 결정은, 정확히 또는 본질적으로 사파이어의 결정 구조를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 구체예에 의하면, 결정은 섬아연광(zinc-blende)의 구조를 가진다. 본 발명의 다른 구체예에 의하면, 결정은 부르자이트(wurzite)의 결정 구조를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 결정은 다이아몬드의 결정 구조를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 결정은 암염(rock salt) 결정 구조를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 다음의 적어도 하나를 포함한다: 붕소, 인, 안티몬, 비소, 알루미늄, 갈륨, 인듐 또는 전술한 것들의 적어도 둘의 여하한 비율로의 하나의 조합. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 150 및 1100 mm 사이의 직경을 갖는, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정 조성 및/또는 구조의 몸체를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 150 및 500 mm 사이의 직경을 갖는 규소 결정의 몸체를 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 150 및 220 mm 사이의 직경을 갖는 규소 결정의 몸체를 포함한다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 결정은, 하나의 목표 값 및 하나의 공차에 의해 또는, 이와 달리, 허용가능한 상한값 및/또는 하한값에 의해 정의되는, 허용가능한 레벨에서의 또는 허용가능한 범위내에서의 결정 및/또는 멜트의 산소 농도 레벨을 포함한다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 결정을 위한 산소 목표 값은, ASTM F 121-83 유닛들에 따라 0.5 - 25 ppma 범위내, 더욱 바람직하게는 3 - 17 ppma 범위내의 하나의 값이다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 결정의 산소 농도에 대한 공차는, ASTM F 121-83 유닛들에 따라 ±1 ppma 보다 더 우수하다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 결정에 대한 농도는 성장된 결정의 하나의 특정 부분에서 정의된 평균이다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 약 90 %의 초기 장입물이 인상되는, 결정의 몸체의 끝에서 그리고/또는 몸체의 위치에서 0.5 ppma 보다 본질적으로 낮은 탄소 농도를 가진다. 본 발명의 하나의 구체예에 의한 결정은, 0.2 ppma 보다 아래, 바람직하게는 0.1 ppma 보다 아래, 더욱 바람직하게는 0.03 ppma 보다 아래인 탄소 농도를 가진다.

본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 본 발명의 하나의 구체예에 의한 로는, 멜트 및/또는 장입물에 적어도 하나의 도핑제를 제공하도록 구성된 도핑제 공급 수단(dopant means)을 포함한다. 도핑제는, 고형 상(phase) 및/또는 가스 상에서, 특정한 종류의 도핑제 공급 수단에 의해 여러 가지 방식으로 그리고/또는 나누어서 장입물에 첨가될 수 있다. 본 발명의 하나의 구체예에 의하면, 도핑제 공급 수단은, 멜트가, 용융 단계에 있을 때 또는 용융 전에 및/또는 용융 동안에 장입물에 있을 때 적어도 하나의 도핑제를 가스 상의 멜트에 첨가하기 위한 수단을 포함한다.

본 출원의 명세서를 읽고 이해한 이 분야의 통상의 지식을 가진 자는, 로로 그리고/또는 로로부터 흐르는 플로우들의 수를 제한하지 않음을 알아야 한다. 그래서, 상기 제1 플로우와 상기 제2 플로우는, 예시적인 방식으로 합류되는 것으로 나타나 있는데, 경로들의 적어도 둘의 상이한 앙상블들을 통해 로내의 적어도 두 플로우들이 경로 설정되어, 적어도 하나의 경로 앙상블이 멜트 표면을 향하고, 그리고 적어도 또 하나의 경로 앙상블은 멜트를 피해간다. 적어도 하나의 플로우가, 로 및/또는 그것의 한 부분으로 하여금, 하나의 성장 작업 동안에 로내의 물질들로부터 하나의 화학적 반응에 의해 형성되는 가스들, 멜트, 그 구성물들, 및/또는 구성물들로부터 발생하는 오염에 대해 보호되는 멜트 및 결정을 가지게 하는, 하나의 시스 가스 플로우로서 사용될 수 있다.

본 발명의 여러 구체예들이 도시되고 설명되었으나, 아래의 특허청구범위에 정의되어 있는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고서 많은 변경들과 변형들이 만들어질 수 있음을 알아야 한다.

Claims (16)

1. 내부에서 흐르는 유입 플로우(II)를 제1 부분 플로우(IIa) 및 제2 부분 플로우(IIb)를 분리하여서 상기 제1 부분 플로우는 멜트가 되는 장입물을 대면하는 공간에 들어가도록 가이드하고 상기 제2 부분 플로우는 상기 장입물을 대면하는 공간을 피하도록 가이드하는 구조로 된 단열 차폐 부재(20, 21, 30, 31, 32, 33a, 33b, 33c); 장입물 또는, 멜트 또는, 양자를 보유하는 구조로 된 도가니; 및 장입물 또는, 멜트 또는, 양자를 가열하는 구조로 된 가열 소자를 구비하는 초크랄스키 결정 성장을 위한 핫존 구조에 있어서,

   상기 핫존 구조는 상기 가열 소자를 보호하기 위한 관(22)을 더 구비하고;

   상기 단열 차폐 부재는 상기 핫존 구조를 연속적으로 단열하고, 상기 단열 차폐 부재는 채널(34)을 더 구비하며;

   상기 채널은 상기 단열 차폐 부재 내에 개구부와 통로(34)를 구비하고, 상기 개구부와 통로는 상기 제2 부분 플로우가 연속적으로 단열되면서 상기 관으로 흘러 퍼지 가스 배출구(42) 쪽으로 흐르는 것을 허용하고, 상기 제2 부분 플로우가 상기 핫존 외부에서 흡입되도록 한 것을 특징으로 하는 초크랄스키 결정 성장을 위한 핫존 구조(hot zone structure).
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 부분 플로우와 제2 부분 플로우가, 상기 핫 존, 또는 로, 또는 양자를 빠져나오기 전에 합류하도록 구성된, 초크랄스키 결정 성장을 위한 핫 존 구조.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 부분 플로우와 상기 제2 부분 플로우가 상기 핫 존, 또는 로, 또는 양자를 따로따로 빠져나오도록 구성된, 초크랄스키 결정 성장을 위한 핫 존 구조.
4. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 결정 축 또는 그 연장부(its extension) 주위에 하나의 착설가능한 벽으로서 적어도 하나의 관형 차폐 부재를 더 포함하여 구성되며,

   상기 적어도 하나의 관형 차폐 부재는, 상기 제1 부분 플로우, 또는 멜트, 또는 양자에서 나온 증기로부터 가열 소자(11), 도가니, 도가니 벽 부분, 서셉터(10), 결정(3), 관형 및 원추형 부재(30,31,32) 중의 적어도 하나의 보호를 위한 채널 벽을 적어도 부분적으로 형성하도록 구성되는, 초크랄스키 결정 성장을 위한 핫 존 구조.
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 부분 플로우, 또는 상기 제2 부분 플로우, 또는 이들 양자에 대하여, 로의 가스 배출구에 배출 플로우 채널(III)로 연장하는 영역(region)을 포함하여 구성되며, 상기 영역은 상기 제1 부분 플로우와 상기 제2 부분 플로우를 합류하기 위한 것인, 초크랄스키 결정 성장을 위한 핫 존 구조.
6. 제1항에 있어서,

   도가니, 서셉터, 상기 단열 차폐 부재, 합류 영역, 장입물, 결정 성장 단계에 따른 높이를 갖는 멜트 표면, 인상된 결정의 결정 표면 부분, 및 관형 및 원추형 부재 중 적어도 하나가, 결정 성장 동안에 또는 결정 성장 단계 동안에 로 내의 특정 플로우의 플로우 지오메트리(flow geometry)를 구획하는,

   초크랄스키 결정 성장을 위한 핫 존 구조.
7. 제1항에 있어서,

   상기 부분 플로우들(IIa, IIb)의 적어도 하나가, 적어도 제1 부분과 제2 부분 사이에 있는 배출 플로우 채널로 가이드되며,

   상기 제1 부분, 또는 상기 제2 부분, 또는 양자는, 원통형, 원추형 또는 평면형 지오메트리(geometry) 중의 적어도 하나를 가지는, 초크랄스키 결정 성장을 위한 핫 존 구조.
8. 제1항에 있어서,

   플로우 지오메트리(flow geometry)를 설정하기 위하여,

   제1 특성 값(a first characteristic measure)을 갖는 제1 결정을 위한 제1 플로우 구성을 위한 제1 세트; 및

   제2 특성 값을 갖는 제2 결정을 위한 제2 플로우 구성을 위한 제2 세트;를 더 포함하는, 초크랄스키 결정 성장을 위한 핫 존 구조.
9. 제1항에 있어서, 상기 단열 차폐 부재는 적어도 상기 도가니와 상기 가열 소자를 포위하여서, 용융 중에, 또는 결정 성장 중에, 또는 융융 및 결정성장 중에 열손실, 또는 화력 소비량, 또는 열손실 및 화력소비량을 감소시키는, 초크랄스키 결정 성장을 위한 핫 존 구조.
10. 제1항 내지 제9항의 어느 한 항에 따른 핫 존 구조를 포함하여 구성되는, 초크랄스키 결정 성장을 위한 로.
11. 단열 차폐 부재(20, 21, 30, 31, 32, 33a, 33b, 33c)에 의해 내부에서 흐르는 유입 플로우(II)를 제1 부분 플로우(IIa) 및 제2 부분 플로우(IIb)를 분리하여서, 상기 제1 부분 플로우는 멜트가 되는 장입물을 대면하는 공간에 들어가도록 가이드하고, 상기 제2 부분 플로우는 도가니(6) 위의 멜트 영역에 속하는 상기 장입물을 대면하는 상기 공간을 피하도록 가이드하도록, 단열 차폐 부재로 유입 플로 우(II)를 제1 및 제2 부분 플로우들로 분리하는 단계;

    상기 도가니로 장입물과 멜트를 보유하는 단계; 및

    가열소자로 장입물과 멜트를 가열하는 단계를 포함하는 초크랄스키 결정 성장 방법에 있어서,

    핫 존 구조의 관(22)으로 상기 가열소자를 보호하는 단계,

    채널(34)을 구비하는 상기 단열 차폐 부재로 상기 핫 존 구조를 연속적으로 단열하는 단계,

    상기 단열 차폐 부재 내에 개구부와 통로(34)를 구비하는 상기 채널에 의해 상기 제2 부분 플로우를 연속적으로 단열하면서 상기 관으로 흘러 퍼지 가스 배출구(42) 쪽으로 흐르는 것을 허용하여, 상기 제2 부분 플로우를 상기 핫존 외부에서 흡입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 초크랄스키 결정 성장 방법.
12. 제11항에 있어서,

    분위기(atmosphere)를 위한 가스 플로우를 결정 성장 챔버로 공급하는 단계,

    상기 제1 부분 플로우의 입사 부분(incident part)을 멜트 표면 쪽으로 유도하여, 유도 표면에 의해 상기 제1 부분 플로우의 제2 부분(a secondary part)을 형성하는 단계,

    제1 부분 플로우의 입사 부분과 제2 부분을 서로 단열시켜, 상기 제2 부분의 온도를 멜트 온도로 또는 멜트 온도에 근접한 온도로 유지하는 단계, 및

    적어도 상기 제1 부분 플로우를 핫 존을 빠져나오도록 유도하고, 상기 도가니 내의 멜트, 또는 결정-인상 영역내의 멜트, 또는 양자 모두를 피하도록, 출구로의 시스 가스 플로우로서 상기 제2 부분 플로우를 유도하는 단계를 포함하여 구성되는, 초크랄스키 결정 성장 방법.
13. 제11항에 있어서, 상기 방법이, 규소 결정 및 게르마늄 결정을 포함하는 반도체 결정, 탄소-족으로부터의 원소를 포함하는 결정, III-족으로부터의 도핑제를 포함하는 결정, 또는 V-족으로부터의 도핑제를 포함하는 결정을 위한 것인, 초크랄스키 결정 성장 방법.
14. 단열 차폐 부재(20, 21, 30, 31, 32, 33a, 33b, 33c)에 의해 내부에서 흐르는 유입 플로우(II)를 제1 부분 플로우(IIa) 및 제2 부분 플로우(IIb)를 분리하여서, 상기 제1 부분 플로우는 멜트가 되는 장입물을 대면하는 공간에 들어가도록 가이드하고, 상기 제2 부분 플로우는 도가니(6) 위의 멜트 영역에 속하는 상기 장입물을 대면하는 상기 공간을 피하도록 가이드하도록, 단열 차폐 부재로 유입 플로 우(II)를 제1 및 제2 부분 플로우들로 분리하는 단계;

    상기 도가니로 장입물과 멜트를 보유하는 단계; 및

    가열소자로 장입물과 멜트를 가열하는 단계를 포함하는 초크랄스키 결정 성장 방법에 있어서,

    핫 존 구조의 관(22)으로 상기 가열소자를 보호하는 단계,

    채널(34)을 구비하는 상기 단열 차폐 부재로 상기 핫 존 구조를 연속적으로 단열하는 단계,

    상기 단열 차폐 부재 내에 개구부와 통로(34)를 구비하는 상기 채널에 의해 상기 제2 부분 플로우를 연속적으로 단열하면서 상기 관으로 흘러 퍼지 가스 배출구(42) 쪽으로 흐르는 것을 허용하여, 상기 제2 부분 플로우를 상기 핫존 외부에서 흡입하는 단계를 포함하는 초크랄스키 결정 성장 방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는, 결정.
15. 제14항에 있어서, 상기 초크랄스키 결정 성장 방법이

    분위기(atmosphere)를 위한 가스 플로우를 결정 성장 챔버로 공급하는 단계,

    상기 제1 부분 플로우의 입사 부분(incident part)을 멜트 표면 쪽으로 유도하여, 유도 표면에 의해 상기 제1 부분 플로우의 제2 부분(a secondary part)을 형성하는 단계,

    제1 부분 플로우의 입사 부분과 제2 부분을 서로 단열시켜, 상기 제2 부분의 온도를 멜트 온도로 또는 멜트 온도에 근접한 온도로 유지하는 단계, 및

    적어도 상기 제1 부분 플로우를 핫 존을 빠져나오도록 유도하고, 상기 도가니 내의 멜트, 또는 결정-인상 영역내의 멜트, 또는 양자 모두를 피하도록, 출구로의 시스 가스 플로우로서 상기 제2 부분 플로우를 유도하는 단계를 포함하는, 결정.
16. 제14항에 있어서, 상기 초크랄스키 결정 성장 방법이, 규소 결정 및 게르마늄 결정을 포함하는 반도체 결정, 탄소-족으로부터의 원소를 포함하는 결정, III-족으로부터의 도핑제를 포함하는 결정, 또는 V-족으로부터의 도핑제를 포함하는 결정을 위한 것인, 결정.

Images