KR101783226B1 - 가스 제트들을 이용한 용융물의 표면으로부터의 시트의 제거 - Google Patents

가스 제트들을 이용한 용융물의 표면으로부터의 시트의 제거 Download PDF

Info

Publication number
KR101783226B1
KR101783226B1 KR1020127030651A KR20127030651A KR101783226B1 KR 101783226 B1 KR101783226 B1 KR 101783226B1 KR 1020127030651 A KR1020127030651 A KR 1020127030651A KR 20127030651 A KR20127030651 A KR 20127030651A KR 101783226 B1 KR101783226 B1 KR 101783226B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
melt
sheet
meniscus
gas
pressure
Prior art date
Application number
KR1020127030651A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20130100058A (ko
Inventor
피터 엘. 켈러만
그레고리 디. 쓰론손
다웨이 선
Original Assignee
베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크. filed Critical 베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
Publication of KR20130100058A publication Critical patent/KR20130100058A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101783226B1 publication Critical patent/KR101783226B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B35/00—Apparatus not otherwise provided for, specially adapted for the growth, production or after-treatment of single crystals or of a homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/06—Non-vertical pulling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B11/00—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method
    • C30B11/02—Single-crystal growth by normal freezing or freezing under temperature gradient, e.g. Bridgman-Stockbarger method without using solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C30B15/22—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
    • C30B28/04—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids
    • C30B28/10—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure from liquids by pulling from a melt
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/02—Elements
    • C30B29/06—Silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
    • C30B29/52—Alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
    • C30B29/60—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape characterised by shape
    • C30B29/64—Flat crystals, e.g. plates, strips or discs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B9/00—Single-crystal growth from melt solutions using molten solvents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/002—Continuous growth
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/20—Controlling or regulating
    • C30B15/22—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal
    • C30B15/24—Stabilisation or shape controlling of the molten zone near the pulled crystal; Controlling the section of the crystal using mechanical means, e.g. shaping guides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C30—CRYSTAL GROWTH
    • C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/34—Edge-defined film-fed crystal-growth using dies or slits
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state
    • Y10T117/1032—Seed pulling
    • Y10T117/1036—Seed pulling including solid member shaping means other than seed or product [e.g., EDFG die]
    • Y10T117/1044—Seed pulling including solid member shaping means other than seed or product [e.g., EDFG die] including means forming a flat shape [e.g., ribbon]
    • Y10T117/1048—Pulling includes a horizontal component
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state
    • Y10T117/1092—Shape defined by a solid member other than seed or product [e.g., Bridgman-Stockbarger]

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Separation, Recovery Or Treatment Of Waste Materials Containing Plastics (AREA)
  • Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)

Abstract

하나의 실시예에서, 시트 제조 장치는 재료의 용융물을 수용하도록 구성된 용기를 포함한다. 냉각 판은 용융물에 근접하게 배치되고, 용융물 위에서 재료의 시트를 형성하도록 구성된다. 제 1 가스 제트는 용기의 에지를 향해 가스를 보내도록 구성된다. 재료의 시트는 용융물의 표면 위에서 수평으로 병진이동(translate) 되고, 시트는 용융물로부터 제거된다. 제 1 가스 제트는 메니스커스로 보내질 수 있고, 이 메니스커스를 안정화하거나 메니스커스 내부의 국부 압력을 증가시킬 수 있다.

Description

가스 제트들을 이용한 용융물의 표면으로부터의 시트의 제거{REMOVING A SHEET FROM THE SURFACE OF A MELT USING GAS JETS}
본 발명은 용융물로부터의 시트 형성(sheet formation)에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 용융물로부터 시트를 제거하는 것에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼들 또는 시트들은 예를 들어, 집적 회로 또는 솔라 셀(solar cell) 산업에서 이용될 수 있다. 솔라 셀들에 대한 수요는 재생가능 에너지원들에 대한 수요가 증가함에 따라 계속 증가하고 있다. 대부분의 솔라 셀들은 단결정 실리콘 웨이퍼들과 같은 실리콘 웨이퍼들로 만들어진다. 현재, 결정 실리콘(crystalline silicon) 솔라 셀의 주요 비용은 솔라 셀이 그 위에 만들어지는 웨이퍼이다. 솔라 셀의 효율, 또는 표준 조명 하에 생산되는 전력량은 부분적으로 웨이퍼의 품질에 의해 제한된다. 솔라 셀들에 대한 수요가 증가함에 따라, 솔라 셀 산업의 하나의 목표는 비용/전력 비율을 낮추는 것이다. 품질을 감소시키지 않으면서 웨이퍼를 제조하는 비용에 있어서의 임의의 감소는 비용/전력 비율을 낮출 것이고 이 청정 에너지 기술의 더 폭넓은 이용가능성을 가능하게 할 것이다.
최고 효율의 실리콘 솔라 셀들은 20 %보다 큰 효율을 가질 수 있다. 이들은 전자기기-등급 단결정(monocrystalline) 실리콘 웨이퍼들을 이용하여 만들어진다. 이러한 웨이퍼들은 초크랄스키 방법(Czochralski method)을 이용하여 성장된 단결정 실리콘 원통형 부울(cylindrical boule)로부터 얇은 슬라이스(slice)들을 소잉(sawing) 함으로써 만들어질 수 있다. 이들 슬라이스들은 200㎛ 미만의 두께일 수 있다. 단결정 성장을 유지하기 위하여, 부울은 용융물을 함유하는 도가니(crucible)로부터 10 ㎛/s 미만과 같이 느리게 성장되어야 한다. 이후의 소잉 공정(sawing process)은 웨이퍼마다, 대략 200 ㎛의 커프 손실(kerf loss), 또는 소우 블레이드(saw blade)의 폭에 의한 손실에 이른다. 또한, 원통형 부울 또는 웨이퍼는 정사각형 솔라 셀을 만들기 위하여 정사각형 모양으로 만들어질 필요가 있을 수 있다. 정사각형 제작 및 커프 손실들 둘 모두는 재료 낭비 및 증가된 재료 비용들에 이른다. 솔라 셀들이 더 얇아질수록, 커트(cut) 마다의 실리콘 낭비의 백분율(percent)이 증가한다. 잉곳 슬라이싱 기술에 대한 제한들은 더 얇은 솔라 셀들을 얻기 위한 능력을 방해할 수 있다.
다른 솔라 셀들은 다결정(polycrystalline) 실리콘 잉곳들로부터 소잉되는 웨이퍼들을 이용하여 만들어진다. 다결정 실리콘 잉곳들은 단결정 실리콘보다 더욱 신속하게 성장될 수 있다. 그러나, 더 많은 결함들 및 결정립계(grain boundary)들이 존재하므로, 결과적인 웨이퍼들의 품질은 더 낮고, 이 더 낮은 품질은 더 낮은 효율의 솔라 셀들로 귀착된다. 다결정 실리콘 잉곳을 위한 소잉 공정은 단결정 실리콘 잉곳 또는 부울만큼 비효율적이다.
또 다른 해결책은 용융물로부터 수직으로 실리콘의 얇은 리본(ribbon)을 견인하고, 그 다음으로, 견인된 실리콘을 냉각하고 시트(sheet)로 고체화하도록 하는 것이다. 이 방법의 견인 레이트(pull rate)는 대략 18 mm/분(minute) 미만으로 제한될 수 있다. 실리콘의 냉각 및 고체화 동안의 제거된 잠열(latent heat)은 수직 리본(vertical ribbon)을 따라 제거되어야 한다. 이것은 리본을 따라 큰 온도 구배(gradient)로 귀착된다. 이 온도 구배는 결정 실리콘 리본에 응력(stress)을 가하고, 열악한 품질의 멀티-입자(multi-grain) 실리콘으로 귀착될 수 있다. 또한, 리본의 폭 및 두께는 이 온도 구배로 인해 제한될 수 있다. 예를 들어, 폭은 80 mm 미만으로 제한될 수 있고, 두께는 180 ㎛로 제한될 수 있다.
용융물로부터 수평으로 시트들을 제조하는 것은 잉곳으로부터 슬라이싱되는 실리콘보다 덜 고가일 수 있고, 커프 손실 또는 정사각형 제작으로 인한 손실을 제거할 수 있다. 또한, 용융물로부터 수평으로 제조되는 시트들은 용융물로부터 수직으로 견인되는 실리콘 리본보다 덜 고가일 수 있다. 또한, 용융물로부터 수평으로 제조되는 시트들은 수직으로 또는 용융물로부터 각도를 이루어 견인되는 실리콘 리본들에 비해 시트의 결정 품질을 향상시킬 수 있다. 재료 비용들을 감소시킬 수 있는 이것과 같은 결정 성장 방법은 실리콘 솔라 셀들의 비용을 감소시키는 것을 가능하게 하는 주요한 단계일 것이다.
용융물로부터 물리적으로 견인되는 실리콘의 수평 리본들이 테스트되었다. 하나의 방법에서, 로드(rod)에 부착된 시드(seed)가 용융물 내로 삽입되고, 로드 및 결과적인 시트는 도가니의 엣지(edge) 상에서 낮은 각도로 견인된다. 각도, 표면 장력(surface tension), 및 용융물 레벨은 도가니 상에서 용융물이 넘치는 것을 방지하도록 균형이 맞추어진다. 그러나, 이러한 견인 공정을 개시하고 제어하는 것은 어렵다. 첫째, 중력과, 도가니 엣지에서 형성된 메니스커스(meniscus)의 표면 장력의 균형을 맞추기 위한 경사각 조절은 어려울 수 있다. 둘째, 시트 및 용융물 사이의 분리 지점에서의 리본을 따른 온도 구배는 냉각 판이 이 분리 지점 근처에 있을 경우에, 결정에서 전위(dislocation)들을 야기시킬 수 있다. 셋째, 용융물 위에서 시트를 기울이는 것은 동결 팁(freeze tip)에서의 응력으로 귀착될 수 있다. 이 동결 팁은 시트가 가장 얇고 가장 부서지기 쉬우므로 시트에서의 전위들 또는 파손들이 발생할 수 있는 장소일 수 있다. 넷째, 낮은 각도를 얻기 위하여 복잡한 견인 장치가 필요할 수 있다.
시트는 용융물을 넘치게 하지 않으면서 용융물 표면으로부터 제거되어야 한다. 따라서, 시트의 하면(underside) 및 용융물 사이의 메니스커스는 안정적으로 또는 용기(vessel)에 부착된 상태로 남아 있어야 한다. 이전에는, 메니스커스의 안정성을 유지하기 위하여, 메니스커스의 용융물 측면에서 압력이 감소되었다. 하나의 예에서, 낮은 각도의 실리콘 시트(LASS : Low Angle Silicon Sheet) 방법은 작은 각도로 시트를 기울였고 용융물 상에서 멈추었다. 이것은 대기압(atmospheric pressure)에 대한 용융물에서의 부압(negative pressure)을 생성하였고, 메니스커스에 걸쳐 압력을 제공하였다. 또 다른 예에서, 용융물은 배수로(spillway)의 엣지 상으로 넘쳐 흐를 수 있다. 배수로의 뒤쪽에서의 유체의 낙하는 메니스커스를 안정화시키기 위하여 용융물에서 부압을 제공한다. 그러나, 당 업계에서는 용융물로부터 시트를 제거하고, 더욱 구체적으로, 국부 압력으로 용융물로부터 시트를 제거하는 개선 방법에 대한 필요성이 존재한다.
발명의 제 1 양상에 따르면, 시트 제조 장치가 제공된다. 상기 장치는 재료의 용융물을 수용하도록 구성된 용기를 포함한다. 냉각 판은 용융물에 근접하게 배치되고, 냉각 판에 근접한 용융물 상에서 수평인 재료의 시트를 형성하도록 구성된다. 제 1 가스 제트는 가스를 용기의 엣지로 보내도록 구성된다.
발명의 제 2 양상에 따르면, 시트 제조 방법이 제공된다. 상기 방법은 재료의 용융물의 표면 상에서 수평으로 재료의 시트를 병진이동(translate)하는 단계를 포함한다. 가스는 제 1 가스 제트로부터 용융물의 메니스커스로 보내지고, 시트는 용융물로부터 제거된다.
발명의 제 3 양상에 따르면, 시트 형성 방법이 제공된다. 상기 방법은 재료의 용융물에 시드(seed)를 적용(apply)하는 단계를 포함한다. 가스는 제 1 가스 제트로부터 시드에 대해 형성된 용융물의 메니스커스로 보내진다. 용융물의 표면 위에서 수평인 재료의 시트를 형성하기 위하여, 용융물의 일부분이 동결된다. 시트는 용융물로부터 제거된다.
본 개시 내용의 더욱 양호한 이해를 위하여, 참조를 위해 본 명세서에 통합되는 첨부 도면들에 대해 참조가 행해진다.
도 1은 용융물로부터 시트를 분리시키는 장치의 실시예의 측단면도이다.
도 2는 용융물로부터 시트를 분리시키는 장치의 제 2 실시예의 측단면도이다.
도 3은 LASS를 위한 메니스커스 안정화의 측단면도이다.
도 4는 가스 충돌(gas impingement)을 이용한 메니스커스 안정화의 실시예의 측단면도이다.
도 5는 가스 제트로부터의 압력 분포를 예시하는 단면도이다.
도 6은 배수로에 의한 가스 충돌을 이용한 메니스커스 안정화의 실시예의 단면도이다.
도 7은 시트 형성을 포함한 가스 제트의 제 1 실시예의 측단면도이다.
도 8은 시트 형성을 포함한 가스 제트의 제 2 실시예의 측단면도이다.
도 9는 시트 형성을 포함한 가스 제트의 제 3 실시예의 측단면도이다.
도 10의 A 내지 D는 가스 제트 안정화에 의해 가능하게 되는 시딩(seeding)을 예시한다.
도 11은 가스 제트의 실시예의 단면도이다.
본 명세서의 장치들 및 방법들의 실시예들은 솔라 셀들과 관련하여 설명된다. 그러나, 이것들은 예를 들어, 집적 회로들, 평판 패널들, LED들, 또는 당업자들에게 알려진 다른 기판들을 제조하기 위해 이용될 수 있다. 또한, 용융물은 본 명세서에서 실리콘인 것으로 설명되지만, 용융물은 게르마늄(germanium), 실리콘 및 게르마늄, 갈륨(gallium), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride), 다른 반도체 재료들, 또는 당업자들에게 알려진 다른 재료들을 포함할 수 있다. 따라서, 발명은 이하에 설명되는 특정 실시예들에 한정되지 않는다.
도 1은 용융물로부터 시트를 분리하는 장치의 실시예의 측단면도이다. 시트 형성 장치(21)는 용기(16)를 가진다. 용기(16)는 예를 들어, 텅스텐(tungsten), 붕소 나이트라이드(boron nitride), 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride), 몰리브덴(molybdenum), 흑연(graphite), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 또는 석영(quartz)일 수 있다. 용기(16)는 용융물(10)을 함유하도록 구성된다. 이 용융물(10)은 실리콘일 수 있다. 시트(13)는 용융물(10) 위에 형성될 것이다. 하나의 사례에서, 시트(13)는 용융물(10) 내에서 적어도 부분적으로 부유(float)할 것이다. 시트(13)는 도 1에서 용융물(10)에서 부유하는 것으로 예시되어 있지만, 시트(13)는 용융물(10)에서 적어도 부분적으로 잠길 수 있거나, 용융물(10)의 상단 위에서 부유할 수 있다. 시트(13)가 위치되는 깊이는 시트(13) 및 용융물(10)의 상대적인 밀도들에 부분적으로 기초하고 있다. 하나의 사례에서, 시트(13)의 10%만 용융물(10)의 상단 위로부터 돌출된다. 용융물(10)은 시트 형성 장치(21) 내부에서 순환할 수 있다.
이 용기(16)는 적어도 하나의 채널(17)을 정의한다. 이 채널(17)은 용융물(10)을 수용하도록 구성되고, 용융물(10)은 채널(17)의 제 1 지점(18)으로부터 제 2 지점(19)으로 흐른다. 용융물(10)은 예를 들어, 압력차, 중력, 펌프, 또는 다른 수송 방법들로 인해 흐를 수 있다. 다음으로, 용융물(10)은 배수로(12) 상으로 넘쳐 흐른다. 이 배수로(12)는 램프(ramp), 둑(weir), 선반(ledge), 작은 댐(dam), 또는 코너(corner)일 수 있고, 도 1에 예시된 실시예에 한정되지 않는다. 배수로(12)는 시트(13)가 용융물(10)로부터 분리되도록 하는 임의의 형상일 수 있다.
하나의 특정 실시예에서, 용기(16)는 대략 1685 K를 약간 초과하는 온도에서 유지될 수 있다. 실리콘에 대하여, 1685 K는 동결 온도(freezing temperature) 또는 계면 온도(interface temperature)를 나타낸다. 용기(16)의 온도를 용융물(10)의 동결 온도를 약간 초과하도록 유지함으로써, 냉각 판(14)은 용융물(10) 상에서 또는 용융물(10) 내에서 시트(13)의 희망하는 동결 레이트(freezing rate)를 얻기 위하여, 복사 냉각(radiation cooling)을 이용하여 기능할 수 있다. 이 특정 실시예에서의 냉각 판(14)은 단일 세그먼트(segment) 또는 섹션(section)으로 구성되지만, 다수의 세그먼트들 또는 섹션들을 포함할 수도 있다. 계면에서 용융물(10) 내의 작은 수직 온도 구배를 생성하여 구조상 과냉각(constitutional supercooling)이나, 시트(13) 상에서의 덴드라이트(dendrite) 또는 분기하는 돌출부들의 형성을 방지하기 위하여, 채널(17)의 하단(bottom)이 용융물(10)의 용융 온도보다 높게 가열될 수 있다. 그러나, 용기(16)는 용융물(10)의 용융 온도보다 높은 임의의 온도일 수 있다. 이것은 용융물(10)이 용기(16) 상에서 고체화하는 것을 방지한다.
시트 형성 장치(21)를 인클로저(enclosure) 내에 적어도 부분적으로 또는 전적으로 동봉함으로써, 시트 형성 장치(21)는 용융물(10)의 동결 온도보다 약간 높은 온도에서 유지될 수 있다. 인클로저가 시트 형성 장치(21)를 용융물(10)의 동결 온도보다 높은 온도에서 유지하는 경우, 시트 형성 장치(21)를 가열하기 위한 필요성은 회피 또는 감소될 수 있고, 인클로저 내의 또는 인클로저 주위의 히터(heater)들은 임의의 열 손실을 보상할 수 있다. 이 인클로저는 이방성 전도성(anisotropic conductivity)으로 등온(isothermal)일 수 있다. 또 다른 특정 실시예에서, 히터들은 인클로저 상에 또는 인클로저 내에 배치되지 않고, 오히려, 시트 형성 장치(21) 내에 있다. 하나의 사례에서, 히터들을 용기(16) 내에 내장하고 멀티-구역(multi-zone) 온도 제어를 이용함으로써, 용기(16)의 상이한 영역들이 상이한 온도들로 가열될 수 있다.
인클로저는 시트 형성 장치(21)가 배치되는 환경을 제어할 수 있다. 특정 실시예에서, 인클로저는 불활성 가스(inert gas)를 포함한다. 이 불활성 가스는 용융물(10)의 동결 온도보다 높게 유지될 수 있다. 불활성 가스는 시트(13)의 형성 동안에 조성적 불안정성(constitutional instability)들을 야기시킬 수 있는, 용융물(10)로의 용질(solute)들의 추가를 감소시킬 수 있다.
냉각 판(14)은 시트(13)가 용융물(10) 위에 형성될 수 있게 하는 열 추출(heat extraction)을 허용한다. 냉각 판(14)의 온도가 용융물(10)의 동결 온도보다 낮게 하락될 때, 냉각 판(14)은 시트(13)가 용융물(10) 상에서 또는 용융물(10) 내에서 동결하게 할 수 있다. 이 냉각 판(14)은 복사 냉각을 이용할 수 있고, 예를 들어, 흑연(graphite), 석영(quartz), 또는 실리콘 카바이드(silicon carbide)로 제조될 수 있다. 시트(13)에서 결함들을 방지하기 위하여, 시트(13)가 형성되는 동안에 용융물(10)에 대한 교란(disturbance)들이 감소될 수 있다. 용융물(10)의 표면 위의 시트(13), 또는 용융물(10) 위에서 부유하는 시트(13)를 냉각하는 것은 비교적 큰 시트(13) 추출 레이트를 가지면서, 융해 잠열(latent heat of fusion)이 큰 영역에 걸쳐 느리게 제거되도록 한다.
시트(13)가 용융물(10) 위에 형성된 후, 시트(13)는 배수로(12)를 이용하여 용융물(10)로부터 분리된다. 용융물(10)은 채널(17)의 제 1 지점(18)으로부터 제 2 지점(19)으로 흐른다. 시트(13)는 용융물(10)과 함께 흐를 것이다. 시트(13)의 이러한 수송은 연속적인 동작일 수 있다. 하나의 사례에서, 시트(13)는 용융물(10)이 흐르는 것과 대략 동일한 속력(speed)으로 흐를 수 있다. 따라서, 시트(13)가 형성될 수 있고, 용융물(10)에 대해 정지된 상태로 수송될 수 있다. 용융물(10) 또는 시트(13)의 속도 프로파일(velocity profile)을 변화시키기 위하여, 배수로(12)의 형상 또는 배수로(12)의 방위가 변경될 수 있다.
용융물(10)은 배수로(12)에서 시트(13)로부터 분리된다. 하나의 실시예에서, 용융물(10)의 흐름은 배수로(12) 상에서 용융물(10)을 수송하고, 적어도 부분적으로, 배수로(12) 상에서 시트(13)를 수송할 수 있다. 이것은 외부의 응력(stress)이 시트(13)에 가해지지 않기 때문에, 시트(13)의 파손을 최소화 또는 방지할 수 있다. 물론, 시트(13)는 견인될 수 있거나, 가해지는 약간의 외부의 힘을 가질 수 있다. 이 특정 실시예에서, 용융물(10)은 시트(13)로부터 떨어져서 배수로(12) 상에서 흐를 것이다. 시트(13)로의 열 충격을 방지하기 위하여, 냉각이 배수로(12)에서 가해지지 않을 수 있다. 하나의 실시예에서는, 배수로(12)에서의 분리가 등온-근접(near-isothermal) 조건들에서 일어난다. 하나의 실시예에서, 시트(13)는 배수로(12)를 지나서 직진하는 경향이 있을 수 있다. 이 시트(13)는 파손을 방지하기 위하여 일부 사례들에서 배수로(12) 상에서 지나간 후에 지지될 수 있다.
물론, 냉각 판(14)의 길이에 걸친 상이한 냉각 온도들, 용융물(10)의 상이한 유량(flow rate)들 또는 시트(13)의 견인 속력(pull speed)들, 시트 형성 장치(21)의 다양한 섹션들의 길이, 또는 시트 형성 장치(21) 내의 타이밍(timing)은 공정 제어를 위해 이용될 수 있다. 용융물(10)이 실리콘인 경우, 시트(13)는 시트 형성 장치(21)를 이용한 다결정 또는 단결정 시트일 수 있다. 도 1은 용융물(10)로부터 시트(13)를 형성할 수 있는 시트 형성 장치의 오직 하나의 예들이다. 수평 시트(13) 성장의 다른 장치들 또는 방법들이 가능하다. 여기에 설명된 실시예들은 임의의 수평 시트(13) 성장 방법 또는 장치에 적용될 수 있다. 따라서, 여기에 설명된 실시예들은 도 1의 특정 실시예에 전적으로 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 2는 용융물로부터 시트를 분리하는 장치의 제 2 실시예의 측단면도이다. 시트 형성 장치(31)에서, 용융물(10)은 용기(16) 내에 형성된다. 냉각 판(14)에 의한 형성 후에, 시트(13)는 용융물(10)로부터 견인된다. 도 2에서는 수평이지만, 시트(13)는 용융물(10)에 대해 각도를 이룰 수 있다. 도 1 내지 도 2의 실시예들에서, 용융물(10)은 시트 형성 장치(21) 또는 시트 형성 장치(31)의 측면들 주위와 같이, 시트 형성 장치(21) 또는 시트 형성 장치(31) 주위를 순환할 수 있다. 물론, 용융물(10)은 시트(13) 형성 공정의 일부 또는 전부 동안에 정지되어 있을 수도 있다.
액체가 가스와 접촉할 때, 메니스커스 계면(meniscus interface)이 형성된다. 이 계면은 영-라플라스(Young-Laplace) 수식을 따른다. 2차원에서, 그것은 다음의 형태를 가진다:
Figure 112012096497530-pct00001
△P는 계면에 걸친 압력에 있어서의 차이이고, σ는 액체의 표면 장력이고, R은 표면의 곡률 반경이다.
도 3은 LASS를 위한 메니스커스 안정화의 측단면도이다. 도 3의 좌표계의 측면에서, 곡률 반경은 메니스커스를 기술하는 라인(line)의 제 1 및 제 2 미분 계수(derivative)들의 측면에서 표현될 수 있다. 도 3의 메니스커스(27)에 걸친 압력에 있어서의 차이는 중력으로 인한 용융물(10)의 액체에서의 유체 정압(hydrostatic pressure)(ρgy)으로 인한 것이다. 따라서, 영-라플라스 수식은 2차 미분 방정식이 된다:
Figure 112012096497530-pct00002
도 3에 예시된 메니스커스(27)의 오목한 형상은 대기압(Patmos)에 대한 부압(P1)에 의해 제공된다. 이것은, 시트(13)의 동결 전방부가 용융물(10)의 높이에서 더 낮도록 하면서, 용기(16)의 벽의 엣지에서 시트(13)의 더 높은 승강을 가능하게 하기 위하여, 시트(13)를 들어올리고 X-축에 대해 시트(13)의 각도를 설정함으로써 형성된다. 도 3에서,
Figure 112012096497530-pct00003
는 메니스커스(27) 내의 용융물(10) 및 시트(13) 사이의 접촉 각도(contact angle)를 나타내고, θ는 메니스커스(27) 내의 용융물(10) 및 용기(16) 사이의 접촉 각도를 나타낸다. 실리콘으로 구성된 용융물(10) 및 석영으로 구성된 용기(16)에 대하여, θ는 대략 87°이다. 이 각도들은 재료들에 기초하여 변동될 수 있다. 용융물(10) 레벨은 도 3의 x 축에 있을 수 있지만, 용융물(10) 레벨은 용기(16)에 대하여 어딘가 다른 곳에 있을 수 있다.
용융물에서 국부 압력(local pressure)을 증가시킴으로써, 가스 제트들은 메니스커스를 안정화시키기 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 메니스커스의 가스 측 상의 국부 압력은 증가될 수 있다. 여기에 설명된 실시예들을 이용한 메니스커스 안정화는 임의의 용융물 흐름에 독립적이므로, 용융물이 흐르기 시작하기 전에 결정 초기화가 일어날 수 있고, 이것은 용융물 흐름을 이용하는 시스템(system)들에서 시딩(seeding)을 단순화한다. 시트는 여기에 설명된 실시예들을 이용하여 수평으로 성장될 수 있고, 이것은 어떤 각도에서의 견인 속력에 대한 성장 레이트의 복잡해진 균형을 제거한다(즉, 열 제거). 시트 성장은 용융물로부터의 분리가 일어나는 용기의 엣지의 업스트림(upstream)일 수 있다.
도 4는 가스 충돌을 이용한 메니스커스 안정화의 실시예의 측단면도이다. 이 실시예에서, 시트(13)는 수평으로 견인된다. 용기(16)의 벽은 용융물(10)의 표면의 레벨 아래에 있고, 이 사례에서는, x 및 y 축들의 교차점에 있거나 시트(13)가 위치되는 곳에 있다. 용융물(10)은 시트(13) 아래의 메니스커스(27)의 형성에 의해 넘쳐 흐르는 것이 방지된다. 물론, 예시되어 있지 않지만, 용융물(10)은 도 1에 예시된 배수로(12)를 이용하는 것과 같이, 용기(16)의 엣지 상에서 여전히 순환할 수 있고, 도 6에 예시된 바와 같이, 메니스커스(27)를 여전히 형성할 수 있다. 도 4로 다시 돌아가면, 오목한 메니스커스(27)를 유지하기 위한 압력 차이는 메니스커스(27) 아래의 가스 제트(22)에 의해 제공되고, 이것은 가스 제트(22)를 출발한 화살표에 의해 표시되는 바와 같이 메니스커스(27) 또는 용기(16)의 엣지를 향해 각도가 설정된다. 이러한 사례에서, 영-라플라스 수식은 다음의 형태를 가진다:
Figure 112012096497530-pct00004
이 경우에 있어서의 영-라플라스 수식은 2개의 경계 조건들을 요구하는 2차 미분 방정식이다. 도 3 내지 도 4의 실시예들에서, 메니스커스(27)는 용기(16)의 벽에 핀으로 고정되므로, 그 위치는 x=0에서 고정된다. 시트(13)와 접속되는 메니스커스의 다른 단부에서, 메니스커스(27)는 핀으로 고정되지 않고, 시트(13)와 만들어지는 각도는 고체, 액체, 및 가스 사이의 표면 에너지에 의해 결정된다. 그 용융물(10)과 접촉하는 고체 실리콘 시트(13)에 대하여, 접촉 각도
Figure 112012096497530-pct00005
는 대략 0°및 11°사이일 수 있다. y0가 x=0에서 특정되면, 메니스커스(27)의 시트(13)와의 접촉 지점의 위치 및 초기 접촉 각도는 미분 방정식들에 대한 해답(solution)에 의해 결정된다.
가스 제트(22)의 출구에서의 압력의 크기는 가스의 흐름과, 가스의 흐름을 가능하게 하는 가스 제트(22)에서의 개구부(opening)의 폭에 의존한다. 개구부는 예를 들어, 슬릿 제트(slit jet)일 수 있다. 이것은 운동량의 보존(conservation of momentum)을 이용하여 적어도 부분적으로 추정될 수 있다. 따라서, 가스가 메니스커스(27)로부터 반사되는 정체 지점(stagnation point)에서, 압력은 다음과 같이 될 것이다:
Figure 112012096497530-pct00006
여기서, ρg, ug 및 Qg는 각각 가스 밀도(gas density), 속도(velocity), 및 체적 유량(volume flow rate)이다. 다음의 예는 폭이 0.5 mm인 가스 제트(22)에서의 개구부를 통해 메니스커스(27)에서 40 Pa의 압력을 얻기 위해 필요한 아르곤(argon)의 흐름을 계산한다. 실리콘에 대해 1412℃인 용융물(10)의 온도에서의 아르곤의 밀도는 0.32 kg/m3이다.
Figure 112012096497530-pct00007
여기서 추정된 압력은 가스 제트(22)의 출구에서만 존재할 수 있다. 압력은 축방향으로 그리고 가로로 줄어들 수 있다. 압력 분포는 타원형 가우시안(elliptical Gaussian)으로서 근사화될 수 있다.
Figure 112012096497530-pct00008
도 5는 가스 제트로부터의 압력 분포를 예시하는 단면도이다. 이것은 위의 수식들을 푼다. 모든 경우들에 있어서, P0 = 40Pa, 가스 제트(22)의 출구에서 x0 = 6 mm, 가스 제트(22)의 출구에서 y0 = 4 mm, σx = 4 mm, σy = 0.8 mm, 및 ψ = 45°이다. σx 및 σy는 가스 제트(22) 주위에서 압력의 타원형 분포를 나타낸다. 메니스커스(27)가 어디에서 용기(16)에 핀으로 고정되는지는 메니스커스(27)의 형상에 영향을 준다.
Figure 112012096497530-pct00009
= 11°일 때, 메니스커스(27)는 시트(13) 아래의 1 mm에서 그리고 θ = 17°에서 용기(16)의 벽에 핀으로 고정된다. = 11°일 때, 메니스커스(27)는 시트(13) 아래의 2 mm에서 그리고 θ = 15.87°에서 용기(16)의 벽에 핀으로 고정된다.
Figure 112012096497530-pct00011
= 11°일 때, 메니스커스(27)는 시트(13) 아래의 2.5 mm에서 그리고 θ = 10.58°에서 용기(16)의 벽에 핀으로 고정된다.
Figure 112012096497530-pct00012
= 0°일 때, 메니스커스(27)는 시트(13) 아래의 1 mm에서 그리고 θ = 7.21°에서 용기(16)의 벽에 핀으로 고정된다.
따라서, 가스 충돌을 이용함으로써, 안정적인 메니스커스(27)는 대략 11°의 접촉 각도를 갖는 시트(13) 아래의 적어도 2.5 mm에서 용기(16)의 벽에 핀으로 고정될 수 있다. 접촉 각도가 0°만큼 낮더라도, 안정적인 메니스커스(27)는 용기(16)의 벽 아래의 1 mm에서 여전히 유지될 수 있다. 또한, 가스 제트 충돌은 점성력(viscous force)들에 의해 야기되는 임의의 항력(drag)을 보상할 수 있다. 가스 제트 충돌의 압력은 메니스커스(27)를 안정화시키기 위하여, 또는 메니스커스(27)의 용기(16)로의 핀 고정을 유지하는 것을 보조하기 위하여 구성될 수 있다.
도 6은 배수로에 의한 가스 충돌을 이용한 메니스커스 안정화의 실시예의 단면도이다. 용융물(10)은 배수로(12) 상에서 흐른다. 용융물(10)이 배수로(12) 상에서 지나가면서, 메니스커스(27)가 형성된다. 물론, 다른 실시예들이 가능하다.
도 7은 시트 형성을 포함한 가스 제트의 제 1 실시예의 측단면도이다. 이 시스템은 지지 테이블(23)로부터 분리되는 가스 제트(22)를 가진다. 지지 테이블(23)은 시트(13)를 지지하기 위하여 공기(air) 또는 일부 다른 유체(fluid)의 제트들을 이용할 수 있지만, 롤러들 또는 일부 다른 메커니즘(mechanism)을 이용할 수도 있다. 이 특정한 실시예에서, 더 큰 것 또는 더 적은 것이 제공될 수 있지만, 2개의 가스 제트들(22, 25)이 이용된다. 시트(13) 아래의 가스 제트(22)는 메니스커스(27)를 안정화하고, 위치 및 각도를 조절할 수 있다. 시트(13) 위의 가스 제트(25)는 가스 제트(22)로부터의 충돌력들의 임의의 수직 성분을 균형을 맞춘다. 다른 흐름들이 가능하지만, 가스 제트(22) 및 가스 제트(25)로부터의 흐름은 하나의 사례에서 대략 동일할 수 있다. 아르곤, 또 다른 노블 가스(noble gas), 또 다른 비활성 가스, 또는 당업자들에게 알려진 다른 종(species)은 가스 제트(22) 또는 가스 제트(25)와 함께 이용될 수 있다. 용기(16)는 용융물(10)의 메니스커스(27)를 핀으로 고정하며 적하(drip) 없이 접촉 각도에 있어서 큰 변동을 허용하는 피처(feature) 또는 홈(groove)(24)을 포함할 수 있다. 피처 또는 홈(24)을 갖지 않는 용기(16)의 표면은 그것에 핀으로 고정된 메니스커스(27)를 가질 수 있지만, 적하가 발생하기 전의 메니스커스(27)의 각도는 제한된다. 예를 들어, 이 각도는 대략 87°일 수 있다. 피처 또는 홈(24)을 추가하는 것은 메니스커스(27)가 적하가 발생하기 전에 용기(16)의 표면으로부터 대략 177°의 각도로 기울거나 이 각도를 가지도록 한다.
도 8은 시트 형성을 포함한 가스 제트의 제 2 실시예의 측단면도이다. 이 실시예에서, 가스 제트(22)는 지지 테이블(23) 내로 통합된다. 대안적인 실시예에서, 시트(13) 위의 가스 제트는 도 7에서 예시된 바와 같이 수직 충돌력들의 균형을 맞추기 위해 제공될 수 있다.
도 9는 시트 형성을 포함한 가스 제트의 제 3 실시예의 측단면도이다. 가스 제트(22)는 압력 셀(26)의 일부이다. 엣지(edge)들 또는 밀봉부(seal)들에서의 제한된 전도로 인해 압력 셀(26) 내에 더 높은 압력(P2)이 있다. 압력 셀(26) 내의 가스는 화살표들에 표시된 바와 같이 흐른다. 이 사례에서의 P2는 대기압(Patmos)보다 크다. 압력 셀(26)의 상단 섹션은 하단 섹션 상부의 가스 베어링(gas bearing)들 위에서 부유한다. 하단 섹션의 레벨은 용융물(10)의 레벨과 일치되도록 구성될 수 있다. 압력 셀(26) 및 시트(13) 사이의 갭(gap)들 또는 밀봉부들은 하나의 사례에서 치수가 0.5 mm 미만일 수 있다. 압력 셀(26)의 하단 섹션의 일부인 가스 제트(22)로 인해, 메니스커스(27)는 적어도 부분적으로 압력 셀(26) 내에 포함된다.
도 10의 A 내지 D는 가스 제트 안정화에 의해 가능하게 되는 시딩(seeding)을 예시한다. 여기에 개시된 실시예들은 용기(16) 내에서의 흐름에 독립적으로 메니스커스를 안정화한다. 따라서, 결정 개시(crystal initiation)는 용융물(10)이 흐르기 시작하기 전에 시작될 수 있고, 이것은 시트 제조 공정을 단순화한다. 도 10의 A에서, 시드 웨이퍼(28)가 삽입된다. 시드 웨이퍼(28)는 예를 들어, 원하는 결정 방위를 갖는 대략 0.7 mm 두께의 전자기기-등급 실리콘 웨이퍼일 수 있다. 용융물(10)의 레벨에 대해 시드 웨이퍼(28)의 레벨을 제어하는 지지 테이블(23) 위에 시드 웨이퍼(28)가 타도록 함으로써, 시드 웨이퍼(28)의 레벨이 제어된다. 용융물(10)은 메사(mesa)를 형성할 수 있거나, 용융물(10) 내의 예를 들어, 실리콘의 표면 장력을 이용하여 용기(16)의 벽의 엣지 위에 있을 수 있다. 따라서, 시드 웨이퍼(28)가 용융물(10)과 터치(touch)하기 전에, 도 10의 A에서 예시된 바와 같이, 볼록한 메니스커스가 용융물(10)에서 형성된다. 가스 제트들(22, 25)은 시드 웨이퍼(28)가 용융물(10)을 터치하기 전에, 이 메니스커스를 안정화하기 위해 이용될 수 있다. 물론, 더 많거나 더 적은 가스 제트들이 가능하다.
도 10의 B에서, 시드 웨이퍼(28)는 화살표의 방향으로 이동한 후에 용융물(10)을 터치한다. 메니스커스(27)는 시드 웨이퍼(28) 아래에 형성된다. 오목할 수 있는 이 메니스커스(27)는 용기(16)의 벽 및 시드 웨이퍼(28) 사이의 갭을 가교(bridge)한다. 시드 웨이퍼(28)의 폭 너머에, 볼록한 메니스커스(27)는 용기(16)의 벽에 부착된 상태로 남아 있다. 메사(29) 메니스커스 및 시드 웨이퍼(28) 아래의 오목한 메니스커스(27) 사이의 이러한 천이(transition) 시에 비-불균일한(non-uniform) 메니스커스가 있을 수 있다. 공정이 거의 등온 환경에서 발생하므로, 이 비-균일성(non-uniformity)은 시트(13)의 두께 균일성 또는 품질에 아마도 영향을 주지 않을 것이다.
시드 웨이퍼(28)는 도 10의 C에서 화살표의 방향으로 병진이동된다. 이 병진이동(translation)은 시드 웨이퍼(28)의 단부에서 롤러(roller) 또는 일부 다른 메커니즘에 의해 야기될 수 있다. 시드 웨이퍼(28)는 시드 웨이퍼(28)가 삽입되었던 방향과 반대로 냉각 판(14) 아래에서 이동한다. 냉각 판(14)은 초기에 턴오프(turned off)될 수 있거나, 용융물(10)의 온도이거나 그보다 높은 온도에 있을 수 있다. 메니스커스(27)가 부착되는 용기(16)의 벽의 특정 거리 업스트림에서 냉각 판(14)이 위치되는 경우, 메니스커스(27)의 효과들은 최소화될 수 있다. 냉각 판(14)이 턴온(turned on)될 때, 시드 웨이퍼(28) 근처에서 동결(freezing)이 개시된다. 시드 웨이퍼(28) 견인 동작이 시작되고 시트(13)는 견인되어 나온다.
도 10의 D에서, 용융물(10)은 예를 들어, 펌프를 이용하여 흐르기 시작한다. 용융물(10)은 대안적인 실시예에서 배수로 상에서 넘칠 수 있다. 용융물(10)이 흐르기 시작할 때, 시트(13)의 폭이 증가될 수 있다. 냉각 판(14)의 온도와, 용융물(10) 흐름 또는 시트(13) 이동의 속도는 시트(13)에서 원하는 두께를 달성하기 위해 조절될 수 있다. 따라서, 정상-상태(steady-state) 공정이 달성될 수 있다.
가스 제트들을 이용한 메니스커스 안정화는 다수의 장점들을 가진다. 그것은 수평 시트 형성 또는 수평 리본 성장(HRG : horizontal ribbon growth) 시스템에 적용될 수 있고, 하나의 사례에서 LASS를 회피하기 위해 이용될 수 있다. 시트(13)는 하나의 실시예에서 수평으로 견인될 수 있고, 이에 따라, 결정 형성 영역이 메니스커스(27)의 업스트림에 있도록 할 수 있다. 이것은 시트(13)가 형성되는 동안에 시트(13)에 영향을 주는 것으로부터 견인 메커니즘에 의해 야기되는 섭동(perturbation)들을 최소화한다. 용융물(10)의 흐름 속도는 시트(13)의 속도에 독립적으로 제어될 수 있다. 이것은 더욱 간단한 시딩 공정을 가능하게 할 수 있다. 또한, 용융물(10)의 흘러넘침(spill)이 감소되거나 방지될 수 있다.
도 11은 가스 제트의 실시예의 단면도이다. 가스 제트(22)는 플레넘(plenum)(32) 및 개구부(30)를 가진다. 가스는 화살표의 방향으로 흐른다. 개구부(30)보다 큰 플레넘(32)을 가지는 것은 개구부(30)의 치수들에 걸쳐 균일한 압력 및 흐름을 보장할 수 있다. 하나의 실시예에서, 개구부(30)는 도 4의 시트(13)와 같은, 시트의 폭과 대략 동일한 폭을 가진다. 물론, 다른 치수들이 가능하다.
여기에 개시된 실시예들에서, 가스 제트(22)는 가스를 특정한 온도로 보낼 수 있다. 메니스커스가 동결하는 것을 방지하기 위하여 가스가 가열될 수 있다. 또한, 시트가 용융되는 것을 방지하기 위하여, 또는 그렇지 않을 경우에는 시트를 냉각하기 위하여, 가스가 냉각될 수 있다.
본 개시 내용은 여기에 설명된 특정 실시예들에 의해 범위가 한정되지 않아야 한다. 실제로, 여기에서 설명된 것들에 부가하여, 본 개시 내용의 다른 다양한 실시예들 및 본 개시 내용에 대한 변형들은 상기한 설명 및 첨부한 도면들로부터 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 변형예들은 본 개시 내용의 범위 내에 속하도록 의도된 것이다. 또한, 본 개시 내용은 특정한 목적을 위해 특정한 환경에서 특정한 구현의 상황에서 여기에 설명되었지만, 당업자들은 그 유용성이 그것으로 한정되지 않고 본 개시 내용은 임의의 수의 목적들을 위해 임의의 수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 이하에 기재된 청구항들은 여기에 설명된 바와 같은 본 개시 내용의 전체 폭 및 취지를 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (21)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 재료의 용융물의 표면 위에서 수평으로 상기 재료의 시트를 병진이동(translate)하는 단계;
    압력 셀 내에 상기 용융물의 메니스커스(meniscus)를 동봉하는 단계로서, 상기 메니스커스는 용기의 엣지(edge)와 상기 시트의 더 낮은 표면 사이에 형성되는, 단계;
    가스를 상기 압력 셀 내에 포함된 제 1 가스 제트로부터 상기 메니스커스로 보내는 단계; 및
    상기 용융물로부터 상기 시트를 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 압력 셀 내의 압력은 대기압(atmospheric pressure)보다 더 큰, 시트 제조 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 보내는 단계는 상기 메니스커스의 상기 용융물 내부의 국부 압력(local pressure)을 증가시키도록 구성되는, 시트 제조 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 시트 및 상기 용융물은 동일한 속도로 병진이동하는, 시트 제조 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    제 2 가스 제트로부터 상기 가스를 보내는 단계를 더 포함하고, 이렇게 함으로써, 상기 제 1 가스 제트로부터 상기 가스를 상기 보내는 단계에 의해 야기되는 힘이 균형을 이루는, 시트 제조 방법.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 재료는 실리콘, 또는 실리콘 및 게르마늄인, 시트 제조 방법.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 가스는 상기 메니스커스를 안정화하도록 구성된 압력을 가지는, 시트 제조 방법.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 제거하는 단계는 배수로에서 상기 용융물로부터 상기 시트를 분리하는 단계를 포함하는, 시트 제조 방법.
  16. 재료의 용융물에 시드(seed)를 적용(apply)하는 단계;
    압력 셀 내에 상기 용융물의 메니스커스를 동봉하는 단계로서, 상기 메니스커스는 용기의 엣지에서 상기 시드 및 상기 용융물에 대해 형성되는, 단계;
    가스를 상기 압력 셀 내에 포함된 제 1 가스 제트로부터 상기 메니스커스로 보내는 단계;
    상기 용융물의 표면 위에서 수평인 상기 재료의 시트를 형성하기 위하여 상기 용융물의 일부분을 동결하는 단계; 및
    상기 용융물로부터 상기 시트를 제거하는 단계를 포함하며,
    상기 압력 셀 내의 압력은 대기압보다 더 큰, 시트 형성 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 시트 및 상기 용융물을 동일한 속도로 흐르게 하는 단계를 더 포함하는, 시트 형성 방법.
  18. 청구항 16에 있어서,
    상기 재료는 실리콘, 또는 실리콘 및 게르마늄인, 시트 형성 방법.
  19. 청구항 16에 있어서,
    상기 가스는 상기 메니스커스를 안정화하도록 구성된 압력을 가지는, 시트 형성 방법.
  20. 청구항 16에 있어서,
    상기 제거하는 단계는 배수로에서 상기 용융물로부터 상기 시트를 분리하는 단계를 포함하는, 시트 형성 방법.
  21. 청구항 16에 있어서,
    상기 보내는 단계는 상기 메니스커스의 상기 용융물 내부의 국부 압력을 증가시키도록 구성되는, 시트 형성 방법.
KR1020127030651A 2010-05-06 2011-03-02 가스 제트들을 이용한 용융물의 표면으로부터의 시트의 제거 KR101783226B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US33207310P 2010-05-06 2010-05-06
US61/332,073 2010-05-06
US13/037,789 US8685162B2 (en) 2010-05-06 2011-03-01 Removing a sheet from the surface of a melt using gas jets
US13/037,789 2011-03-01
PCT/US2011/026790 WO2011139402A1 (en) 2010-05-06 2011-03-02 Removing a sheet from the surface of a melt using gas jets

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177026816A Division KR101898905B1 (ko) 2010-05-06 2011-03-02 가스 제트들을 이용한 용융물의 표면으로부터의 시트의 제거

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20130100058A KR20130100058A (ko) 2013-09-09
KR101783226B1 true KR101783226B1 (ko) 2017-09-29

Family

ID=44901074

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177026816A KR101898905B1 (ko) 2010-05-06 2011-03-02 가스 제트들을 이용한 용융물의 표면으로부터의 시트의 제거
KR1020127030651A KR101783226B1 (ko) 2010-05-06 2011-03-02 가스 제트들을 이용한 용융물의 표면으로부터의 시트의 제거

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177026816A KR101898905B1 (ko) 2010-05-06 2011-03-02 가스 제트들을 이용한 용융물의 표면으로부터의 시트의 제거

Country Status (7)

Country Link
US (2) US8685162B2 (ko)
EP (2) EP2567003B1 (ko)
JP (2) JP5771271B2 (ko)
KR (2) KR101898905B1 (ko)
CN (1) CN103025926B (ko)
TW (1) TWI550142B (ko)
WO (1) WO2011139402A1 (ko)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9957636B2 (en) * 2014-03-27 2018-05-01 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. System and method for crystalline sheet growth using a cold block and gas jet
US10526720B2 (en) * 2015-08-19 2020-01-07 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Apparatus for forming crystalline sheet from a melt
US10179958B2 (en) * 2016-09-16 2019-01-15 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc Apparatus and method for crystalline sheet growth
US11661672B2 (en) * 2018-08-06 2023-05-30 Carnegie Mellon University Method for producing a sheet from a melt by imposing a periodic change in the rate of pull
CN113994031A (zh) * 2019-05-13 2022-01-28 尖端设备技术公司 在炉中将硅带暴露于气体
WO2021030236A2 (en) 2019-08-09 2021-02-18 Leading Edge Equipment Technologies, Inc. Producing a ribbon or wafer with regions of low oxygen concentration

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002114597A (ja) * 2000-10-06 2002-04-16 Sharp Corp 結晶シートの製造方法およびその結晶シートを用いた太陽電池
WO2010019695A2 (en) * 2008-08-15 2010-02-18 Varian Semiconductor Equipment Associates Sheet thickness control

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5215485A (en) * 1975-07-28 1977-02-05 Toyo Silicon Kk Process for growth of ribbon crystals by lateral pulling
DE2633961C2 (de) * 1975-07-28 1986-01-02 Mitsubishi Kinzoku K.K. Verfahren zum Ziehen eines dünnen Halbleiter-Einkristallbandes
JPS5261180A (en) 1975-11-14 1977-05-20 Toyo Shirikon Kk Horizontal growth of crystal ribbons
US4221754A (en) * 1977-12-29 1980-09-09 Nowak Welville B Method for producing solid ribbons
US4289571A (en) 1979-06-25 1981-09-15 Energy Materials Corporation Method and apparatus for producing crystalline ribbons
US4627887A (en) * 1980-12-11 1986-12-09 Sachs Emanuel M Melt dumping in string stabilized ribbon growth
US6019576A (en) * 1997-09-22 2000-02-01 Thut; Bruno H. Pumps for pumping molten metal with a stirring action
JP2001122696A (ja) 1999-10-21 2001-05-08 Matsushita Seiko Co Ltd リボンシリコンウェハの製造方法
AU2007300183B2 (en) 2006-09-28 2012-03-29 Amg Idealcast Solar Corporation Method and apparatus for the production of crystalline silicon substrates
US7855087B2 (en) * 2008-03-14 2010-12-21 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Floating sheet production apparatus and method
US7816153B2 (en) 2008-06-05 2010-10-19 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Method and apparatus for producing a dislocation-free crystalline sheet
CN102124150B (zh) * 2008-08-18 2013-07-31 长青太阳能股份有限公司 控制气载污染物跨晶带表面的转移
SG173739A1 (en) 2009-03-09 2011-09-29 1366 Tech Inc Methods and apparati for making thin semiconductor bodies from molten material

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002114597A (ja) * 2000-10-06 2002-04-16 Sharp Corp 結晶シートの製造方法およびその結晶シートを用いた太陽電池
WO2010019695A2 (en) * 2008-08-15 2010-02-18 Varian Semiconductor Equipment Associates Sheet thickness control

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011139402A8 (en) 2013-01-31
US9677193B2 (en) 2017-06-13
EP2567003A1 (en) 2013-03-13
EP2567003B1 (en) 2018-01-10
CN103025926B (zh) 2016-03-30
EP3305946A1 (en) 2018-04-11
US20110271899A1 (en) 2011-11-10
JP2013530911A (ja) 2013-08-01
KR101898905B1 (ko) 2018-09-14
EP3305946B1 (en) 2019-05-01
JP2015157757A (ja) 2015-09-03
KR20130100058A (ko) 2013-09-09
WO2011139402A1 (en) 2011-11-10
US20140209016A1 (en) 2014-07-31
TW201139761A (en) 2011-11-16
CN103025926A (zh) 2013-04-03
JP5771271B2 (ja) 2015-08-26
KR20170113694A (ko) 2017-10-12
TWI550142B (zh) 2016-09-21
JP5961303B2 (ja) 2016-08-02
US8685162B2 (en) 2014-04-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9112064B2 (en) Floating sheet production apparatus and method
EP2319089B1 (en) Method and apparatus for forming a sheet from the melt
JP5961303B2 (ja) ガスジェットを用いる融液の表面からのシートの取り出し
US7816153B2 (en) Method and apparatus for producing a dislocation-free crystalline sheet
US8226903B2 (en) Removal of a sheet from a production apparatus
EP2567001B1 (en) Method of sheet production with removal from the surface of a melt using elasticity and buoyancy
US20100080905A1 (en) Solute stabilization of sheets formed from a melt

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
A107 Divisional application of patent
GRNT Written decision to grant