KR102039208B1 - 산소를 제어하기 위한 도가니 어셈블리 및 관련 방법들 - Google Patents

Abstract

멜트로부터 결정 잉곳을 성장시키기 위한 시스템은 제1 도가니, 제2 도가니 및 위어를 포함한다. 제1 도가니는 제1 공동을 형성하는 최상부 표면을 가지는 제1 베이스 및 제1 측벽을 가진다. 제2 도가니는 제1 도가니의 제1 공동 내에 배치되며, 제2 공동을 형성하는 제2 베이스 및 제2 측벽을 가진다. 제2 베이스는 제2 베이스가 제1 베이스의 최상부 표면에 맞닿게 하도록 성형되는 최하부 표면을 가진다. 제2 도가니는 그를 통한 멜트의 이동을 허용하는 도가니 통로를 포함한다. 위어는 제2 측벽으로부터 안쪽에 배치되어 위어의 바깥쪽의 위치로부터 위어의 안쪽의 위치로의 멜트의 이동을 억제한다.

Description

산소를 제어하기 위한 도가니 어셈블리 및 관련 방법들{CRUCIBLE ASSEMBLY FOR CONTROLLING OXYGEN AND RELATED METHODS}

교차 참조

이 출원은 2013년 3월 15일에 출원된 미국 비-가출원 번호 제13/837,092호, 및 2013년 3월 14일에 출원된 비-가출원 시리얼 제13/804,585호에 대한 우선권을 주장하며, 그 개시내용은 전체가 참조로 본원에 포함된다.

이 개시내용은 일반적으로 반도체 또는 태양 재료(solar material)의 잉곳들(ingots)의 생산을 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이며, 더 구체적으로는 잉곳들에서의 결함들 또는 전위(dislocation)들을 감소시키기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.

초크랄스키(CZ) 방법에 의해 성장된 단일 실리콘 결정들의 생산 시에, 다결정 실리콘이 먼저 결정 인상(crystal pulling) 디바이스의 도가니, 예컨대, 석영 도가니 내에서 용융되어 실리콘 멜트를 형성한다. 인상기(puller)는 이후 시드 결정을 멜트 내로 내리고 시드 결정을 멜트 밖으로 천천히 들어올려서, 멜트를 시드 결정 상에 굳힌다. 이러한 방법을 사용하여 단일의 고품질 결정을 생산하기 위해, 액상 실리콘 내의 석영 멜트 지지대(또는 석영 도가니)의 연속적 용해로부터의 고체 석영과 같은 외부 입자들의 입자 밀도는 고체화 결정에 인접하게 매우 낮아야 한다. 이러한 목적을 달성하기 위한 종래의 시스템은 완전히 만족스럽지는 않다. 따라서, 잉곳에 바로 인접한 고체 석영 입자들을 제한하기 위한 더욱 효율적이고 효과적인 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.

이러한 배경기술 섹션은 하기에 기술되고 그리고/또는 청구된, 본 개시내용의 다양한 양태들에 관련될 수 있는 다양한 기술 양태들을 독자에게 소개하도록 의도된다. 이러한 논의는 본 개시내용의 다양한 양태들의 더 양호한 이해를 용이하게 하기 위해 독자에게 배경 정보를 제공할 시에 유용한 것으로 간주된다. 따라서, 이러한 언급들이 종래 기술의 수용으로서가 아니라 이러한 견지에서 읽혀야 한다는 점이 이해되어야 한다.

제1 양태는 멜트로부터 결정 잉곳을 성장시키기 위한 시스템이다. 시스템은 제1 도가니, 제2 도가니 및 위어(weir)를 포함한다. 제1 도가니는 멜트를 담기 위한 제1 공동을 형성하는 제1 베이스 및 제1 측벽을 가진다. 제1 베이스는 최상부 표면을 가진다. 제2 도가니는 제1 도가니의 제1 공동 내에 배치되며 제2 베이스 및 제2 측벽을 가진다. 제2 측벽은 제1 도가니의 제1 공동 내의 배치를 위해 크기가 정해진다. 제2 베이스 및 제2 측벽은 제2 공동을 형성한다. 제2 베이스는 제2 베이스가 제1 베이스의 최상부 표면에 맞닿게 하도록 성형된 최하부 표면을 가진다. 제2 도가니는 제1 도가니의 제1 공동 내의 멜트가 제2 도가니의 제2 공동 내로 이동하게 하도록 통과하는 도가니 통로를 포함한다. 위어는 제2 측벽으로부터 안쪽의 위치에 있는 제2 도가니의 제2 베이스를 따라 배치되어 위어의 바깥쪽의 위치로부터 위어의 안쪽의 위치로의 멜트의 이동을 억제하거나 제어한다.

또 다른 양태는 멜트로부터 결정 잉곳을 성장시키기 위한 시스템이다. 시스템은 제1 도가니, 제2 도가니, 위어 및 실드를 포함한다. 제1 도가니는 멜트를 담기 위한 제1 공동을 형성하는 제1 베이스 및 제1 측벽을 가진다. 제2 도가니는 제1 도가니의 제1 공동 내에 배치되며 제2 베이스 및 제2 측벽을 가진다. 제2 측벽은 제1 도가니의 제1 공동 내의 배치를 위해 크기가 정해진다. 제2 베이스 및 제2 측벽은 제2 공동을 형성한다. 제2 도가니는 제1 도가니의 제1 공동 내의 멜트가 제2 도가니의 제2 공동 내로 이동하게 하도록 통과하는 도가니 통로를 포함한다. 위어는 제2 도가니의 제2 공동 내에 배치되어 위어 통로를 통해 위어의 바깥쪽의 위치로부터 위어의 안쪽의 위치로의 멜트의 이동을 억제하거나 제어한다. 실드(shield)는 제2 도가니의 제2 측벽과 위어 사이에 하향으로 확장하여 위어의 안쪽에 있는 내부 영역과 제2 측벽의 바깥쪽에 있는 외부 영역 사이에 구불구불한 기체 및 입자 경로를 형성하는 실린더형 레그를 가진다.

또 다른 양태는 멜트로부터 결정 잉곳을 성장시키기 위한 시스템에 설치된 실드이다. 시스템은 제1 도가니, 제1 실린더 및 제2 실린더를 가진 도가니 어셈블리를 가진다. 제1 도가니는 멜트를 담기 위한 공동을 형성하는 제1 측벽 및 제1 베이스를 가진다. 제1 실린더는 제1 측벽의 안쪽의 위치에 있는 공동에 배치된다. 제2 실린더는 제1 실린더의 안쪽의 공동에 배치된다. 제1 실린더 및 제2 실린더는 멜트로부터 상향으로 돌출하여 제2 실린더의 안쪽의 내부 구역, 제2 실린더와 제1 실린더 사이의 중간 구역, 및 제1 실린더의 바깥쪽의 외부 구역을 형성한다. 실드는 바디 및 제1 실린더형 레그를 포함한다. 바디는 적어도 내부 구역의 일부, 중간 구역 및 외부 구역의 일부에 겹친다. 제1 실린더형 레그는 바디로부터 하향으로 확장하며, 제1 실린더와 제2 실린더 사이에 배치되어 외부 구역으로부터 내부 구역까지 가시선(line-of-sight)을 차단한다.

또 다른 양태는 멜트로부터 결정 잉곳을 성장시키기 위한 시스템이다. 시스템은 제1 도가니, 제1 실린더, 제2 실린더 및 실드를 포함한다. 제1 도가니는 멜트를 담기 위한 제1 공동을 형성하는 제1 베이스 및 제1 측벽을 가진다. 제1 실린더는 제1 도가니의 제1 공동 내에 배치된다. 제2 실린더는 제1 실린더의 안쪽의 제1 공동에 배치된다. 제1 실린더 및 제2 실린더는 멜트로부터 상향으로 확장하여 제2 실린더의 안쪽의 내부 구역, 제2 실린더와 제1 실린더 사이의 중간 구역, 및 제1 실린더의 바깥쪽의 외부 구역을 형성한다. 실드는 제1 실린더와 제2 실린더 사이에 하향으로 확장하는 실린더형 레그를 가진다.

또 다른 양태는 결정 성장 시스템 내의 멜트로부터 결정 잉곳을 성장시키기 위한 방법이다. 방법은 멜트 위로 확장하도록 크기가 정해진 최하부 실린더를 도가니의 공동 내에 배치하여 최하부 실린더의 바깥쪽의 위치로부터 최하부 실린더의 안쪽의 위치로의 멜트의 이동을 억제하는 단계를 포함한다. 최상부 실린더는 최하부 실린더에 인접하게 그리고 멜트로부터 이격되어 배치된다. 최상부 실린더에 인접하여 멜트로부터 확장하는 제2 최하부 실린더 및 최하부 실린더에 인접하며 멜트로부터 이격된 제2 최상부 실린더 중 하나가 시스템 내에 배치되어 그를 통과하는 구불구불한 기체 경로를 생성한다. 공급원료 물질은 최하부 실린더의 바깥쪽의 도가니의 공동 내에 배치된다. 공급원료 물질이 용융되어 멜트를 형성하여 최하부 실린더의 바깥쪽으로부터 최하부 실린더의 안쪽으로의 멜트의 이동을 허용한다.

또 다른 양태는 베이스 및 베이스로부터 상향으로 확장하는 제1 벽 및 제2 벽을 가지는 도가니를 포함하는 결정 성장 시스템 내의 멜트로부터 결정 잉곳을 성장시키기 위한 방법이다. 제2 벽은 제1 벽으로부터 안쪽에 배치된다. 제2 벽은 멜트가 그를 통해 이동하게 하는 통로를 가진다. 도가니는 제1 벽과 제2 벽 사이의 제1 공동 및 제2 벽의 안쪽의 제2 공동을 정의한다.

방법은 위어를 제2 공동 내에 배치하여 위어의 바깥쪽의 위치로부터 위어의 안쪽의 위치로의 멜트의 이동을 억제하는 단계, 공급원료 물질을 도가니의 제1 공동 내에 배치하는 단계, 공급 원료 물질을 용융시켜 멜트를 형성하여, 제1 공동으로부터 제2 공동으로 이후 위어의 안쪽으로의 멜트의 이동을 허용하는 단계, 및 위어 부식을 제한하기 위해 약 15 토르와 약 70 토르 사이의 압력에서 아르곤이 사용될 수 있도록 석영 디자인을 이용하여 멜트에 대해 상향으로 산소를 바이어싱하는 단계를 포함한다.

위에서 언급된 양태들에 관해 주지된 특징들의 다양한 개선들이 존재한다. 또한 추가적인 특징들이 위에서 언급된 양태들에도 포함될 수 있다. 이러한 개선들 및 추가적인 특징들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예들 중 임의의 것과 관련하여 하기에 논의되는 다양한 특징들은 단독으로 또는 임의의 조합으로, 전술된 양태들 중 임의의 것 내에 포함될 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 결정 성장 시스템의 단면도이다.
도 2는 도 1의 도가니 어셈블리의 확대된 단면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 결정 성장 시스템의 부분적 단면도이다.
도 4는 또 다른 실시에에 따른 결정 성장 시스템의 부분적 단면도이다.
대응하는 참조 부호들은 도면들의 몇몇 뷰들에 걸쳐 대응하는 부분들을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 결정 성장 시스템이 개략적으로 도시되며, 일반적으로 100으로 표시된다. 시스템의 일부분들, 특히, 용광로 또는 인상기 인클로저(puller enclosure), 절연체, 발열체 지지 메커니즘들(susceptor support mechanisms)이 명료함을 위해 생략된다는 점에 유의한다. 결정 성장 시스템(100)은 초크랄스키 방법에 의해 단일 결정 잉곳을 생산하기 위해 사용될 수 있다.

본원에 논의된 바와 같이, 시스템은 단일 결정 잉곳들을 생산하는 연속적 초크랄스키 방법에 관련하여 기술되지만, 배치(batch) 프로세스가 사용될 수 있다. 그러나, 본원에 개시된 시스템은 또한, 예컨대, 방향성 응결(directional solidification) 프로세스에 의해, 다결정 잉곳들을 생성하기 위해 사용될 수 있다.

결정 성장 시스템(100)은 잉곳(114)이 인상기(puller)(134), 예를 들어, 케이블에 의해 인상되는 실리콘 멜트(112)를 포함하는 도가니 어셈블리(200)를 지지하는 도가니 지지대 또는 서셉터(150)를 포함한다. 결정 인상 프로세스 동안, 시드 결정(132)이 인상기(134)에 의해 멜트(112) 내로 내려지고, 이후 멜트로부터 천천히 들어올려지거나 인상된다. 시드 결정(132)이 멜트(112)로부터 천천히 들어올려짐에 따라, 단일 결정 잉곳(114)이 형성된다.

도 2를 추가로 참조하면, 도가니 어셈블리(200)는 제1 베이스(212) 및 제1 측벽(214)을 가지는 제1 도가니(210), 및 제2 베이스(252) 및 제2 측벽(254)을 가지는 제2 도가니(250)를 포함한다. 도가니들의 각자의 측벽들은 거의 동심이다. 각각의 측벽(214, 254)은 각자의 베이스(212, 252)의 둘레 주위로 확장한다. 제1 측벽(214) 및 제1 베이스(212)는 제1 환형 공동(annular cavity)(216)을 형성한다. 제2 측벽(254) 및 제2 베이스(252)는 제2 환형 공동(256)을 형성한다. 일부 실시예들에서, 제1 도가니는 32인치의 내부 반경을 가질 수 있고, 제2 도가니는 24인치의 내부 반경을 가질 수 있거나, 또는 이러한 디멘젼들은 더 낮은 산소를 위해 더 크거나 더 낮은 비용을 위해 더 작을 수 있다.

적어도 하나의 도가니 통로(260)는 제2 도가니(250)를 통해 확장하여 멜트가 제2 도가니의 제2 공동(256) 내로 이동하게 한다. 도가니 통로(260)는 궁극적 멜트 깊이 아래의 높이(elevation)에서 측벽(254)의 하부 섹션을 따라 배치되어 제1 공동(216)과 제2 공동(256) 사이에서 일정한 멜트 레벨들을 허용한다. 도가니의 가장 높은 부식률은 프리 멜트 표면(free melt surface)에서 있고, 여기서, SiO가 퍼지 가스(purge gas)로 증발할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 도가니 측벽은 균일한 두께이며, 멜트 깊이는 수직 측벽을 베이스(252)에 부드럽게 접속시키는 반경 내에 있다. 이러한 실시예들에서, 도가니는 반경상으로 더 두꺼우며 따라서 더 긴 부식 수명을 가진다.

제2 도가니(250)는 제1 도가니(210)의 제1 공동(216) 내의 제2 도가니의 배치를 허용하도록 크기가 정해지고 성형된다. 제1 베이스(212)는 최상부 표면(218)을 가지며, 제2 베이스(252)는 제2 베이스(252)의 최하부 표면(258)이 제1 베이스(212)의 최상부 표면(218)에 맞닿게 하도록 상보적인 최하부 표면(258)을 가진다. 일부 실시예들에서, 제2 베이스의 최하부 표면은, 예를 들어, 백그라인딩(backgrinding) 또는 물 분사-절단(water jet-cutting)에 의해, 제1 베이스의 최상부 표면에 매칭하도록 재성형된다. 다른 실시예들에서, 제2 베이스의 최하부 표면은 디멘젼 사양에 의해 제1 베이스의 최상부 표면의 윤곽 매칭(contour matching)을 통해 판매사에서의 도가니 융합 프로세스(crucible fusion process)에 의해 제조된다.

일부 실시예들에서, 제1 도가니 및 제2 도가니는 실행 설정 이전에 현장 외에서(ex-situ) 또는 실행 동안에 현장에서(in-situ) 함께 본딩되어 단일 도가니 어셈블리를 형성한다. 제1 도가니 및 제2 도가니는 가열 연마되어 본딩 신뢰성을 개선할 수 있다. 가열 연마는 석영의 OH^- 함유량을 증가시켜서 그것을 고온에서 연화시키고 더 양호한 본드를 제공한다. 그러나, 제2 도가니가 전체의 완전한 도가니이기 때문에 멜트 흐름 제어에 대한 외부 본드 실패 결과가 존재하지 않는다. 이 실시예의 도가니 어셈블리는 단일 베이스 및 이로부터 상향으로 확장하는 2개의 동심 측벽들을 가진다.

실린더형 멜트 흐름 장벽 또는 위어(300)가 제2 측벽(254)으로부터 안쪽의 위치에서 제2 베이스(252)를 따라 제2 공동(256) 내에 배치되어 위어의 바깥쪽의 위치로부터 위어의 안쪽의 위치로의 멜트(112)의 이동을 억제한다. 위어(300)는 제2 공동(256) 내의 멜트가 그를 통해 확장하여 위어의 안쪽으로 이동하도록 하는 적어도 하나의 위어 통로(302)를 포함한다.

일부 실시예들에서, 위어는 24인치 도가니의 내부의 접촉점에 들어맞도록 성형된 최하부 에지를 가지며 가열 연마되는 20인치 석영 실린더이다. 이러한 실시예들에서, 위어의 높이는 실드(350)에 필요한 간격(clearance)을 제공한다. 큰 개방된 내부 멜트 표면 영역을 제공하는 위어의 사용은 잉곳 내의 산소 레벨을 감소시킨다. 산소를 제거하기 위해 기체 흐름을 사용하는 증기 산소 제거 서브시스템(evaporative oxygen removal subsystem)이 또한 시스템 내의 산소의 전체 레벨을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 위어는 제2 베이스에 본딩된다. 이러한 실시예들에서, 본딩된 조인트(joint)는 단일 외부 도가니에 직접 본딩된 위어보다 더 차갑게 유지되는데, 왜냐하면 본딩된 조인트가 더 뜨거운 제1 도가니와 접촉하지 않기 때문이다. 일부 실시예들에서, 위어 통로 및 도가니 통로는 멜트에 대한 미로형 흐름 또는 구불구불한 통로를 제공하도록 비정렬된다(unaligned).

외부 구역은 제1 측벽(214)과 제2 측벽(254) 사이에 형성된다. 더 큰 제1 도가니의 사용은 외부 구역 내의 멜트의 부피를 증가시키고, 제2 측벽(254)과 위어(300) 사이에 형성된 중간 구역의 더 빠른 공급을 허용한다. 중간 구역은 고체 공급원료 물질이 외부 구역에서 내부 구역으로 전이함에 따라 그것이 용융하기 위한 더 많은 시간을 허용한다. 중간 구역은 또한 고온의 외부 구역에서 생성될 수 있는 석영 입자들이 위어(300)의 안쪽에 형성된 내부 구역에 도달하기 이전에 용해될 시간을 허용한다.

단일 결정 잉곳들을 생성하는 연속적 초크랄스키 방법 동안, 공급원료가 외부 구역에 공급되어 용융되는 한편, 결정 잉곳이 내부 구역에서 동시에 성장한다. 외부 구역에 고체 공급원료 물질을 공급한 결과, 고체 공급원료 중 일부는, 예를 들어, 먼지, 다른 고체 공급원료와 충돌하여 이를 반사시키는(bouncing off) 고체 공급원료, 또는 그것의 용융 동안 고체 공급원료 주위에 형성된 수소 버블(bubble)의 터짐으로 인해 공중에 있게 될 수 있다(airborne). 공중에 있게 된 고체 공급원료의 일부분들은 흔히 "버드"로서 지칭된다. 이 개시내용의 실시예들을 사용하면, 결정 잉곳 성장 프로세스 동안, 이러한 버드들이 내부 구역으로 들어가서 결정 잉곳에서의 결함 또는 전위를 야기하는 것이 방지된다.

고체 공급원료의 큰 실리콘 입자가 멜트를 반사시키고, 충돌하여 서로 반동하고, 시스템 구조에 맞고 튀어나올 수 있기 때문에, 모든 제한되지 않은 버드의 궤적이 결정될 수는 없다. 내부 구역에서의 멜트 흐름은 내부 멜트 표면 내의 버드들을 성장 결정 잉곳을 향해 이동시켜서 이러한 용융되지 않은 실리콘 입자들이 서로 접촉하게 하고, 성장 결정 잉곳에서의 결함 또는 전위를 형성하게 야기할 수 있다. 버드들 또는 다른 오염물의 다수의 가능한 궤적들로 인해, 더욱 실용적이고 비용-효과적인 실드가 요구된다. 이러한 개시내용의 실시예들에 따라 그리고 더 개선된 신뢰가능한 결정 성장을 위해, 이러한 버드들의 궤적은 외부 구역 및 중간 구역으로 제한되며, 따라서 버드들이 내부 구역으로 이동하여, 특히 고체-액체 인터페이스에 인접한 성장 결정 잉곳에 접촉하는 것이 방지된다.

이 개시내용의 실드들은 외부 구역으로부터, 특히 공급원료 관 또는 채널로부터 내부 구역까지의 가시선 또는 직접 경로들을 허용하지 않는다. 외부 구역과 내부 구역 사이의 가시선을 차단함으로써, 입자 반동(ricochet)의 위험성 및 버드들과 오염물이 내부 구역에 들어가게 할 일부 뉴튼 궤적(Newton trajectory)이 감소한다.

일 실시예에서, 외부 구역과 내부 구역 사이의 가시선은 상부 멜트 프리 표면과 실드 사이에서 실린더들을 겹침으로써 차단된다. 이 실시예에서, 실드는 그를 통해 확장하는 개구들을 가지지 않는데, 이는 외부 구역과 내부 구역 사이의 경로를 제공할 수 있다.

위에서 주지된 바와 같이, 버드들이 내부 성장 구역에 들어가는 것이 방지되어야 한다. 도 1을 참조하면, 이 실시예의 결정 성장 시스템(100)은 도가니 어셈블리(200)에 인접한 실드(350)를 포함한다. 실드(350)는 원뿔 형상을 가지는 바디를 가진다. 그러나, 멜트(112)를 시스템(100)의 최상부 부분으로부터 분리시키며 잉곳(114)이 그를 통해 인상되게 하는 중심 개구를 가지는 임의의 적절한 수평 회전 단면 형상이 사용될 수 있다. 실드(350)는 내부 구역 및 외부 구역의 일부분들을 커버하며, 제2 측벽(254)과 위어(300) 사이에 하향으로 확장하는 실린더형 레그(352)를 가진다. 실린더형 레그(352)는 시스템(100) 내에 실드를 설치할 시에 제2 측벽(254)과 위어(300) 사이에 실린더형 레그를 배치하는 위치에서 실드(350)의 최하부를 따라 배치된다. 실린더형 레그(352)는 통합적으로 만들어질 수 있는 실드(350)의 일부로서, 또는 다수의 파트들의 어셈블리로서 적절하게 형성된다. 이 실시예에서, 실드(350)와 실린더형 레그(352) 모두는 흑연, 실리콘 탄화물(silicon carbide)로 코팅된 흑연(graphite), 높은 순도의 몰리브덴(molybdenum)으로 만들어지지만, 다른 적절한 물질들이 사용될 수 있다.

제2 측벽(254) 및 위어(300)의 최상부들은 2개의 최상부들 사이의 직선을 확장시키고 이후 위어(300)의 중심 근처에서의 라인의 회전에 의해 접뿔(tangency cone)을 형성한다. 다른 실시예들에서, 제2 측벽(254) 및 위어(300)가 동일한 높이를 가져서 제2 측벽(254)과 위어(300)의 최상부들 사이에 접선 또는 접면을 형성할 수 있다. 실린더형 레그(352)는 접면 또는 접뿔을 통해 실드(350)로부터 하향으로 확장하여, 제2 측벽(254)과 위어(300)에 의해 정의된 사다리꼴 회전 부피(trapezoidal revolution volume)를 관통하여, 프로세스 전반에 걸쳐, 구불구불한 경로 또는 미로형 배열을 형성하여 버드들 및 오염물이 내부 구역에 들어가는 것을 방지한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제2 측벽(254) 및 위어(300)는 반동 궤적들을 더 감소시키는 매우 점성인 액체 멜트를 가지는, 이들 사이의 중력 우물(gravity well)을 형성한다. 추가로, 중간 구역 내의 멜트에 들어가는 버드들은 액화되어 내부 구역 내에 들어가기 이전에 멜트 내에 흡수된다.

위어(300), 제2 측벽(254) 및 멜트(112) 사이의 이격, 및 실드(300) 및 실린더형 레그(350)는 미로형 영역들을 통한 충분한 아르곤 유출(outflow)을 위해, 예를 들어, 오염물들 또는 버드들을 반송하는 기체들의 안쪽 흐름을 방지하고, 이에 의해, 매우 작은 오염물(예를 들어, 먼지 및 아주 작은 입자들)이 내부 구역에 들어가서 잉곳 내에 결함 또는 전위를 야기시키는 것을 방지하도록 크기가 정해질 수 있다.

실린더형 레그(352)는 제2 측벽(254)과 위어(300) 사이의 멜트 스플래싱(splashing)에 의해 결정된 최소 거리에 멜트의 표면으로부터 이격될 수 있다. 이러한 멜트 스플래싱은 통상적으로, 다른 인자들보다는, 퍼지 가스 흐름, 압력 및 온도에 의존한다. 실린더형 레그(352)의 길이, 또는 실린더형 레그가 멜트를 향해 그리고 접뿔을 지나 확장하는 거리는 또한 다른 설계 고려사항들에 의존할 수 있다.

이 실시예에서, 제2 측벽(254) 및 위어(300)는 멜트 내에 잠겨서 이로부터 상향으로 돌출한 제1 및 제2 최하부 실린더들을 형성한다. 실린더형 레그(352)는 실드(350)로부터 하향으로 확장하여 제1 최하부 실린더 및 제2 최하부 실린더 중 적어도 하나에 겹치는 최상부 실린더를 형성한다. 실린더들은 접선 투영(tangential projection)의 직선을 형성하는 단순한 실린더들이다.

일부 실시예들에서, 도 3 및 4에 관해 하기에 도시되고 논의된 바와 같이, 하나 이상의 실린더들은 안쪽 및/또는 바깥쪽의 돌출부들 또는 곡선들을 포함하는 복합 실린더를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 실드는 하나 초과의 하향으로 확장하는 실린더형 레그 또는 실린더를 가진다. 다른 실시예들에서, 도 3 및 4에 도시되고 하기에 논의된 바와 같이, 실린더형 레그들은 이러한 위치들, 즉, 제1 최하부 실린더의 안쪽, 제1 최하부 실린더와 제2 최하부 실린더 사이, 및 제2 최하부 실린더의 바깥쪽에 배치될 수 있다.

고체 공급원료 물질(116)은 공급관(120)을 통해 공급기(118)로부터 외부 구역 내로 배치될 수 있다. 공급원료 물질(116)은 주변 멜트(112)보다 훨씬 더 낮은 온도에 있고, 공급원료 물질의 온도가 상승함에 따라 그리고 외부 멜트 부분을 형성하기 위해 고체 공급원료 물질이 외부 구역에서 액화됨에 따라 멜트로부터 열을 흡수한다. 고체 공급원료 물질(116)(때때로, "차가운 공급원료"라고 지칭됨)이 멜트(112)로부터 에너지를 흡수함에 따라, 주변 멜트의 온도는 흡수된 에너지에 비례하여 떨어진다.

본원에서 논의된 바와 같이, 시스템은 단일 결정 잉곳들을 생성하는 초크랄스키 방법에 관련하여 기술된다. 그러나, 본원에 개시된 시스템은 또한, 예컨대, 방향성 응고 프로세스에 의해, 다결정 잉곳들을 생성하기 위해 사용될 수 있다.

추가된 공급원료 물질(116)의 양은 공급기(118)에 의해 제어되며, 이는 제어기(122)로부터의 신호들의 활성화에 응답한다. 멜트(112)의 냉각량은 제어기(122)에 의해 정확하게 결정되고 제어된다. 제어기(122)는 멜트(112)의 온도 및 질량을 조정하기 위해 공급원료 물질(116)을 추가하거나 추가하지 않는다. 공급원료 물질(116)의 추가는 예를 들어, 멜트의 무게를 측정하거나 멜트의 액상 높이를 측정함으로써, 도가니 내의 실리콘의 질량에 기초할 수 있다.

고체 공급원료 물질(116)이 멜트(112)에 추가됨에 따라, 멜트의 표면이 교란될(disturbed) 수 있다. 이러한 교란(disturbance)은 또한 시드 결정(132)의 실리콘 원자들에 맞춰 적절히 정렬하기 위한 멜트(112)의 실리콘 원자들의 능력에 영향을 준다. 하기에 논의될 바와 같이, 제2 측벽(254) 및 위어(300)는 교란들의 안쪽 전파를 억제한다.

도가니 어셈블리 근처의 적절한 위치에 배열된 하나 이상의 히터들(124, 126 및 128)에 의해 도가니 어셈블리(200)에 열이 제공된다. 히터들(124, 126 및 128)로부터의 열은 초기에는 고체 공급원료 물질(116)을 용융시키고, 이후 멜트(112)를 액화 상태로 유지하여 잉곳(114)에 대한 적절한 성장 조건들을 제공한다. 히터(124)는 일반적으로 실린더 형상이며 도가니 어셈블리(200)의 측면들에 열을 제공하고, 히터들(126 및 128)은 도가니 어셈블리의 최하부에 열을 제공한다. 일부 실시예들에서, 히터들(126 및 128)은 일반적으로 환형 형상이다. 다른 실시예들에서, 히터들(126 및 128)은 단일 히터로 결합된다.

히터들(124, 126, 및 128)은 적절하게는 저항성 히터들이며, 제어기(122)에 결합될 수 있다. 제어기(122)는 히터들에 제공된 전류를 제어하여 히터 전력 전달을 제어하고, 공급원료 물질을 제어하여, 이에 의해 멜트의 온도를 제어한다. 고온계 또는 유사한 온도 센서와 같은 센서(130)는 성장 단일 결정 잉곳(114)의 결정/멜트 인터페이스에서의 멜트(112)의 온도의 연속적 측정을 제공한다. 센서(130)는 또한 성장 잉곳의 온도를 측정하도록 구성될 수 있다. 센서(130)는 제어기(122)와 통신가능하게 결합된다. 추가적인 온도 센서들은 공급원료 물질의 용융에 또는 성장 잉곳의 제어 시에 중요한 포인트들에 대한 온도 피드백을 측정하여 제어기에 제공하기 위해 사용될 수 있다. 명료함을 위해 단일 통신 리드가 도시되었지만, 하나 이상의 온도 센서(들)가 다수의 리드들 또는 무선 접속에 의해, 예컨대, 적외선 데이터 링크 또는 또 다른 적합한 수단에 의해, 제어기에 링크될 수 있다.

제어기(122)에 의해 히터들(124, 126 및 128) 각각에 공급된 전류의 양은 멜트(112)의 열적 특성들을 최적화하기 위해 별도로 그리고 독립적으로 선택된다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 히터들은 열을 제공하기 위해 도가니 근처에 배치될 수 있다.

완전한 두께 베이스를 갖는 제2 도가니는 히터들이 더 높은 온도들을 생성하기를 요구하는 절연 효과를 초래하는데, 이는 제1 도가니의 동작 온도 범위를 눈에 띄게 증가시킨다. 고온에서, 도가니의 석영이 균열되어, 서셉터로부터의 흑연과 상호작용하여 일산화탄소(carbon monoxide)(CO) 기체를 형성한다. 이러한 일산화탄소 기체는 멜트의 오염을 야기할 수 있다. 절연 효과는 제1 도가니와 제2 도가니 사이의 큰 접촉 영역에 의해 부분적으로 완화된다. 일부 실시예들에서, 제2 도가니의 베이스는 백그라인딩 또는 물 분사 재성형에 의해 얇아질 수 있거나, 또는 더 얇은 베이스를 가지는 제2 도가니들이 생성되어 요구되는 동작 온도들을 더 낮출 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 도가니는 제2 도가니와의 접촉점들을 따라 얇아질 수 있다.

위에서 논의된 바와 같이, 시드 결정(132)은 멜트(112) 위에 배치된 인상기(134)의 일부분에 부착된다. 인상기(134)는 멜트(112)의 표면에 직교하는 방향으로의 시드 결정(132)의 움직임을 제공하여, 시드 결정이 멜트를 향하여 아래 쪽으로 또는 멜트 내로 내려가고 멜트 위로 또는 멜트 밖으로 들어 올려지게 한다. 고품질 잉곳(114)을 생산하기 위해, 시드 결정(132)/잉곳(114)에 인접한 영역 내의 멜트(112)는 실질적으로 일정한 온도로 유지되어야 하며, 표면 교란들 및 외부 고체 입자들은 최소화되어야 한다.

시드 결정(132)/잉곳(114)에 바로 인접한 영역에서의 표면 균열들 및 온도 변동들을 제한하기 위해, 위어(300)가 제2 도가니(250)의 제2 공동(256) 내에 배치된다. 위어(300)는 중간 구역 내의 중간 멜트 부분 및 내부 구역 내의 내부 멜트 부분 으로 멜트(112)를 분리시킨다. 내부 멜트 부분은 위어(300)의 안쪽에 있으며 시드 결정(132)/잉곳(114)에 인접한다. 중간 구역은 공급원료 물질이 외부 구역으로부터 내부 구역으로 전이함에 따라 고체 공급원료 물질이 액화되기 위한 더 많은 시간을 제공한다. 중간 구역은 또한, 고온의 외부 구역에서 생성될 수 있는 석영 입자들이 내부 성장 구역에 도달하기 전에 용해될 시간을 허용한다.

제2 측벽(254) 및 위어(300)는 멜트 외부 구역과 내부 구역 사이의 멜트(112)의 이동을 제한한다. 구역들 사이의 멜트(112)의 이동은 각각 제2 도가니(250)와 위어(300) 각각의 하부 섹션들에 있는 통로들(260, 302)을 통해 허용될 수 있다.

멜트(112)의 이동은 통로들(260, 302)의 위치들로 실질적으로 제한된다. 제2 측벽(254) 및 위어(300)의 최하부 섹션들을 따라 통로들(260, 302)을 배치하는 것은 멜트(112)의 이동을 도가니 어셈블리(200)의 최하부를 따르도록 제한한다. 그 결과, 내부 구역으로의 멜트(112)의 임의의 이동은 멜트의 최상부의 이동과는 정반대로 또는 아래의 위치에 있으며, 여기서 잉곳(114)이 인상된다. 멜트 이동의 이러한 제한은 멜트(112)의 내부 멜트 부분의 최상부를 따르는 표면 교란들 및 온도 변동들을 제한하며, 이는 형성중인 잉곳에서의 전위들을 제한한다.

통로들(260, 302)은 외부 구역과 중간 구역과 내부 구역 사이의 멜트(112)의 제어된 이동을 허용한다. 멜트 구역들 사이의 멜트 이동의 억제 또는 제한은 공급원료 물질이 중간 구역 내로 그리고 중간 구역을 통해 이동함에 따라 외부 구역 내의 공급원료 물질을 내부 멜트 부분의 온도와 대략 등가인 온도로 가열하도록 허용한다.

제2 도가니 및 위어(300)는 적절하게 석영으로 만들어지며, 멜트 또는 공급원료는 실리콘이다. 이러한 실시예들에서, 실리콘 멜트는 부식성이며, 시스템의 전체 실행시간을 상당히 제한하는, 낮은 압력에서의 제2 도가니 및 위어의 석영의 컷스루(cut-through)를 야기할 수 있다. 전체 실행 시간을 제한할 제2 도가니 및 위어의 과도한 부식을 방지하기 위해, 약 15 토르와 약 75 토르 사이의, 또는 약 25 토르 또는 그 이상의 압력, 및 약 90 SLPM과 약 140 SLPM 사이의, 또는 약 100 SLPM 미만의 압력에서 아르곤의 공급을 전달함으로써 산소가 상향으로 바이어싱된다. 이후 멜트 표면 내의 더 높은 산소 함유량은 석영 부식률을 제한한다. 더 높은 압력들은 시스템 내의 아르곤의 속도를 감소시켜서, 멜트 표면으로부터 증발되는 실리콘 일산화물을 감소시킨다. 이후 더 적은 실리콘 일산화물이 배기 라인들 내에 반송되어 배기 라인들의 이른(premature) 차단 및 조기 실행 종료를 방지한다.

통로들은 외부 구역으로부터, 중간 구역을 통해, 내부 구역 내로의 멜트의 제어된 흐름을 허용하도록 정렬될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 측벽을 통한 통로들은 위어를 통하는 통로들에 맞춰 정렬되지 않아서, 외부 구역으로부터, 중간 구역을 통해, 내부 구역 내로의 흐름을 추가로 제한할 수 있다.

도 3을 참조하면, 단일 도가니(410), 한 쌍의 위어들(420, 430) 및 실드(460)를 가지는 결정 성장 시스템(400)이 도시되어 있다. 위어(430)는 둘 모두가 실린더형, 예를 들어, 단순한 실린더들이라는 점에서 위어(300)와 실질적으로 유사하다. 위어(420)는 최상부 부분(464)이 안쪽으로 윤곽을 이루어 복잡한 형상을 가지는 복합 실린더를 형성한다는 점에서 위어(430)와 상이하다.

실드(460)는 그것이 절연체(470)를 포함하며 상이한 형상을 가진다는 점에서 실드(350)와 상이하다. 절연체(470)는 몰리브덴(molybdenum), 흑연 펠트(graphite felt), 또는 다른 적합한 물질의 층들을 포함할 수 있다. 실드(460)는 실드(460)로부터 하향으로 확장하며, 위어들(420 및 430)의 최상부 에지 사이의 라인 상에 적어도 일부분을 가지는 실린더형 레그(462)를 포함한다. 다시 말해, 위어들(420 및 430)의 최상부들에 의해 형성된 접뿔(436)은 실린더형 레그(462)에 의해 차단되며, 따라서, 외부 구역으로부터 내부 구역까지 가시선이 존재하지 않는다. 도시된 바와 같이, 내부 구역에 대향하여 아르곤 유출을 용이하게 하고 이 영역에서의 유출 기체의 정체(stagnation)를 방지하는 실린더형 레그(462)와 실드(460)의 바디 사이의 필릿(fillet)이 존재한다.

도 4를 참조하면, 또 다른 실시예에 따른 결정 성장 시스템(500)이 도시되어 있다. 멜트(512)는 일반적으로 도가니 어셈블리(502) 내에 포함된다. 어셈블리는 제1 위어(520) 및 제2 위어(530), 뿐만 아니라 제1 도가니(510) 내에 배치된 제2 도가니(550)를 포함한다. 이러한 구성은 멜트(512)를 외부 구역, 다수의 중간 멜트 구역들, 및 내부 구역으로 분리시키고, 성장 결정 잉곳에 인접한 영역 내의 멜트(512)의 표면 교란들 및 온도 변동들을 제한하는 역할을 한다.

멜트(512)의 이동은 각각의 위어(520 및 530) 및 제2 도가니(550)를 통해 확장하는 통로들(528)을 통해 허용된다. 일부 실시예들에서, 통로들(528)은 외부 구역으로부터 중간 구역들을 통해 내부 구역으로의 멜트에 대한 구불구불한 경로를 형성하도록 비정렬될 수 있다.

다양한 구역들 사이의 멜트(512)의 이동은 제1 도가니(510)의 내부 표면을 따르도록 제한된다. 다양한 구역들 사이의 멜트 이동의 억제는, 실리콘 물질이 다수의 중간 구역들을 통과함에 따라, 외부 구역 내의 실리콘 물질을 내부 구역 내의 멜트의 온도와 대략 등가인 온도로 가열하도록 허용한다.

실드(560)는 절연체(570) 및 실드(460)와 유사한 제1 실린더형 레그(562)를 포함한다. 실드(560)는 또한 일반적으로 실드(560)로부터 하향으로 확장하는 제2 실린더형 레그(564)를 가짐으로써 실드(460)와 약간 상이하다. 제2 측벽(250) 및 위어(300)에 대해 위에서 논의된 바와 같이, 제1 실린더형 레그(562)의 최하부 및 제2 실린더형 레그(564)의 최하부는 접뿔(566)을 형성한다. 제2 도가니(550)는 멜트(512)로부터 상향으로 확장하여 접뿔(566)을 끊는다.

도시된 바와 같이, 제2 실린더형 레그(564)는, 제1 실린더형 레그(562)와 평행해지기 전에, 먼저 실드(560)로부터 외부로, 이후 기울어져 아래 및 안쪽으로 확장한다.

제2 실린더형 레그(564)의 형상에 의해 형성된 간극(580)은 내부 도가니(550)와 제2 실린더형 레그(564) 사이의 외부 공급 구역으로부터 상향으로 이동하는 버드들을 가두기(trap) 위한 확대된 영역을 정의한다. 이러한 버드들은 방사상으로 바깥쪽 궤적에서 내부 도가니(550)에 맞아 간극(580) 내로 튕겨갈 수 있는데, 이는 버드들이 내부 멜트 영역(512)에 들어가는 것을 방지한다.

이 실시예에서, 제1 및 제2 실린더형 레그들(562 및 564)은 실드로부터 하향으로 확장하는, 하향으로 대향하는 실린더를 형성한다. 제2 도가니(510)의 측벽은 2개의 최상부 실린더들 사이에 위치된 상향으로 돌출한 최하부 실린더를 형성한다.

다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 도가니(210) 및 제2 도가니(250)를 가지는 도가니 어셈블리(200)에서 단일 결정 잉곳(114)을 성장시키기 위한 일 실시예의 방법에서, 위어(300)가 제2 도가니에 배치된다. 제1 측벽(214)과 제2 측벽(254) 사이의 영역은 외부 구역을 정의한다. 제2 측벽(254)과 위어(300) 사이의 영역은 중간 구역을 정의한다. 위어(300)의 안쪽의 영역은 내부 구역을 정의한다. 공급원료 물질(116)이 제1 공동(216)의 외부 구역에 배치된다.

히터들(124, 126 및 128)은 공급원료 물질(116)을 액화시키거나 용융하여 멜트(112)를 형성하도록 열을 제공하기 위해 도가니 어셈블리(200)에 인접하게 배치된다. 일단 액화되면, 멜트(112)는 외부 구역으로부터 중간 구역 내로 이후 내부 구역 내로 이동한다. 다양한 구역들 사이의 멜트(112)의 이동은 제2 도가니(250) 및 위어(300)를 통한 통로들(260, 302)로 제한된다.

시드 결정(132)이 멜트 내로 내려가고 이후 멜트(112) 밖으로 천천히 들어올려져서 시드 결정으로부터 잉곳을 성장시킨다. 시드 결정(132)이 천천히 들어올려짐에 따라, 멜트(112)로부터의 실리콘 원자들이 시드 결정(132)의 실리콘 원자들에 맞춰 정렬되고 실리콘 원자들에 부착하여 잉곳이 단결정으로서 더욱 크게 성장하도록 한다. 멜트(112)로부터 실리콘 원자들을 들어올리는 것은 이들이 냉각되어 굳어지도록 한다.

구역들 사이의 멜트의 이동을 억제하는 것은 액화되지 않은 공급원료 물질이 내부 구역 내로 이동하여 잉곳에서 전위를 야기하는 것을 억제하거나 방지한다. 액화되지 않은 공급원료는 형성되는 잉곳의 결정 구조 및 구조적 무결성을 교란시키거나 부정적 영향을 줄 수 있다.

추가로, 멜트가 외부 구역으로부터 중간 구역으로 이후 내부 구역으로 이동함에 따라 멜트의 온도가 증가한다. 멜트가 내부 구역에 도달하는 시간까지, 멜트는 내부 구역 내에 이미 있는 멜트의 온도와 실질적으로 등가이다. 내부 구역에 도달하기 전에 멜트의 온도를 상승시키는 것은 내부 구역 내의 온도 필드들을 감소시킨다. 제어기는 내부 구역 내에서 실질적으로 일정한 온도를 유지하도록 동작할 수 있다.

또한, 통로들을 통한 구역들 사이의 멜트의 이동의 억제는 내부 구역의 표면이 비교적 교란되지 않은 채 유지하도록 한다. 위어는 외부 구역 및 중간 구역 내의 교란들에 의해 생성된 열적 및 기계적 에너지 파들을 실질적으로 포함함으로써 실질적으로 외부 구역 또는 중간 구역 내의 교란들이 내부 구역 내의 멜트의 표면을 교란시키는 것을 방지한다. 교란들이 또한 통로들의 위치에 의해 내부 구역 내로 이동하는 것이 억제된다. 통로들은 멜트 최상부 레벨 접촉 아래에 그리고 제2 도가니의 최하부의 위에 그리고 최하부를 따라 또는 위어의 벽에 배치되어, 내부 구역의 표면 안정성에 지장을 주지 않고 내부 구역 내로의 멜트의 이동을 허용한다.

일부 실시예들에서, 내부 구역 내의 멜트의 온도는 센서에 의해 성장 잉곳에 바로 인접한 위치에서 적절히 측정될 수 있다. 다른 실시예들에서, 내부 구역이 아닌 구역들 내의 멜트의 온도가 적절히 측정될 수 있다. 센서는 제어기와 접속된다. 제어기는 히터들에 더 많거나 더 적은 전류를 공급함으로서, 그리고 멜트에 더 많거나 더 적은 공급원료 물질을 공급함으로서 멜트의 온도를 조정한다. 제어기는 또한 시드 결정이 멜트로부터 들어올려지는 동안 공급원료 물질을 공급하는 동시에 잉곳을 성장시킬 수 있다.

실시예들 중 임의의 것의 도가니 어셈블리에서 단일 결정 잉곳을 성장시키기 위한 또 다른 실시예의 방법에서, 멜트는 적어도 하나의 최하부 실린더에 의해 적어도 내부 구역 및 외부 구역으로 분리된다. 고체 공급원료 물질이 외부 구역 내의 멜트 내에 공급되어 액화되며, 결정 잉곳이 내부 구역에서 동시에 성장된다. 멜트 위의 공간은 내부 구역과 외부 구역 사이의 가시선 경로를 차단하도록 최하부 실린더의 안쪽의 위치에 있는, 최하부 실린더의 최상부 아래에 확장하는 적어도 하나의 최상부 실린더에 의해 분리된다. 최상부 실린더는 멜트 위로 이격되어 멜트가 그것에 접촉하거나 스플래싱하는 것을 방지한다. 최상부 실린더 및 최하부 실린더는 단순한 또는 복합 실린더일 수 있다.

최하부 실린더 및 최상부 실린더가 그 사이에 축소된 개구를 형성하도록 배치된다. 축소된 개구는, 아르곤 유출이 제한되거나 정체되도록 하지 않고, 주어진 아르곤 흐름, 압력 및 온도에서 그것을 통과하는 아르곤 유출 속도를 증가시킨다. 이러한 구성은 결정 잉곳이 성장되는 내부 구역으로부터 멀리 그리고 바깥 쪽으로 먼지 입자들(일반적으로 실리콘이지만, 때때로 다른 오염물)을 전달하는 아르곤 유출 기체의 양의 방사형 드리프트(positive radial drift)를 용이하게 한다. 15 내지 70 토르의 희박한 용광로 대기 내에 낮은 질량 밀도의 퍼지 가스가 존재하기 때문에, 이러한 축소된 개구는 아주 작은 입자들의 궤적들에 대부분 영향을 줄 것이다.

일부 실시예들에서, 2개의 최하부 실린더들, 예를 들어, 위어들 및/또는 도가니들은 이들의 가장 위에 있는 점들에 걸쳐 접면 또는 접뿔을 형성한다. 이러한 실시예들에서, 최상부 실린더, 예를 들어, 실드는 2개의 최하부 실린더들 내에서 방사형으로 접면 또는 접뿔을 끊도록 크기가 정해지고 성형된다. 다른 실시예들에서, (실드의) 2개의 최상부 실린더들은 이들의 가장 아래에 있는 점들에 걸쳐 접면 또는 접뿔을 형성한다. 이러한 실시예들에서, 최하부 실린더, 예를 들어, 위어는 접면 또는 접뿔을 끊고, 이에 의해 외부 구역으로부터 내부 구역까지의 가시선을 차단하도록 크기가 정해지고 성형된다.

위의 실시예들은 유리하게는 잉곳 내의 산소를 감소시켜서 동작 압력에서의 증가를 보상하여 실행 수명을 연장하고, 위어의 소모율을 낮추고, 더 느린 석영 용해를 통해 더 양호한 시스템 성능을 제공할 수 있다. 더 큰 외부 구역 또는 공급 영역은 외부 공급 영역에서의 냉각을 방지하고, 외부 구역 내의 공급원료 물질의 더 빠른 공급 및 액화를 허용하고, 잉곳의 더 높은 성장률을 허용한다. 미로형 흐름은 공급 구역 내의 고체 공급원료 물질 및 생성된 석영 입자들이 성장 잉곳에 도달하기 이전에 용해될 충분한 시간을 제공한다. 멜트의 표면 상의 교란들을 감소시키는 것은 높은 제로 전위(ZD) 잉곳들의 수율을 증가시킨다.

추가로, 위의 실시예들의 사용은 제2 위어의 사용 대신 완전한 내부 도가니의 사용에 의한 구조적 본드 실패와 연관된 위험성을 상당히 감소시킨다. 더 큰 위어의 구조적 본드 실패들은 임의의 방위각 위치들에서 성장 결정에 대한 직접 경로를 고체 공급원료 물질 및 석영 생성 입자들에 제공하여, 이에 의해 성능을 저하시킨다. 위험성의 감소 및 개선된 효율성은 결정 형성 시스템의 전체 생산을 증가시킬 뿐만 아니라, 전체 동작 비용을 낮춘다.

본 발명 및 그것의 실시예(들)의 구성요소들을 소개할 때, 관사("a", "an", "the" 및 "상기")는 구성요소들 중 하나 이상이 존재함을 의미하도록 의도된다. 용어 "포함하는(comprising, including)" 및 "가지는"은 내포적이며, 열거된 구성요소들이 아닌 추가적인 구성요소들이 존재할 수 있음을 의미하도록 의도된다. 특정 배향을 나타내는 용어들(예를 들어, "최상부", "최하부", "측면" 등)의 사용은 기재의 편의를 위한 것이며, 기술된 항목의 임의의 특정 배향을 요구하지 않는다.

본 발명의 범위를 벗어나지 않고 위의 구성들 및 방법들에서 다양한 변경들이 이루어질 수 있음에 따라, 위 기재에 포함되고 첨부 도면[들]에 도시된 모든 항목이 제한적 의미가 아니라 예시적인 것으로서 해석되어야 한다는 점이 의도된다.

Claims (40)

1. 멜트(melt)로부터 결정 잉곳(crystal ingot)을 성장시키기 위한 시스템으로서,
   상기 멜트를 담기 위한 제1 공동을 형성하는 제1 베이스 및 제1 측벽을 가지는 제1 도가니 ― 상기 제1 베이스는 최상부 표면을 가짐 ― ;
   상기 제1 도가니의 상기 제1 공동 내의 배치를 위해 크기가 정해진 제2 베이스 및 제2 측벽을 갖는, 상기 제1 도가니의 제1 공동 내에 배치된 제2 도가니 ― 상기 제2 베이스 및 상기 제2 측벽은 제2 공동을 형성하고, 상기 제2 베이스는 상기 제2 베이스가 상기 제1 베이스의 최상부 표면에 맞닿게 하도록 성형된 최하부 표면을 가지고, 상기 제2 베이스는 상기 제1 베이스의 두께보다 작은 두께를 갖고, 상기 제2 도가니는 상기 제1 도가니의 상기 제1 공동 내의 멜트가 상기 제2 도가니의 상기 제2 공동 내로 이동하게 하도록 상기 제2 도가니를 통과하는 도가니 통로를 포함함 ― ; 및
   위어(weir) - 상기 위어는 상기 제2 측벽으로부터 안쪽의 위치에 있는 상기 제2 도가니의 제2 베이스를 따라 배치되어 위어의 바깥쪽의 위치로부터 상기 위어의 안쪽의 위치로의 멜트의 이동을 억제함 -
   를 포함하는 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 도가니 및 상기 제2 도가니에 열을 공급하여 그 내부의 멜트를 유지하도록 배치된 히터(heater)를 더 포함하는 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2 도가니의 바깥쪽인 위치에 있는 상기 제1 도가니에 공급원료 물질(feedstock material)을 공급하기 위해 상기 제1 도가니에 인접하게 배치된 공급관(feed tube)을 더 포함하는 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2 도가니는 상기 제1 도가니에 본딩되어 조립된 도가니를 형성하는 시스템.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제2 도가니의 상기 제2 측벽과 상기 위어 사이에 하향으로 확장하여 구불구불한 기체 및 입자 경로를 형성하는 실린더형 레그(cylindrical leg)를 가지는 실드(shield)를 더 포함하는 시스템.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 위어는 상기 제2 도가니의 상기 제2 베이스에 본딩되고, 상기 위어는 상기 제2 도가니의 상기 제2 공동 내의 상기 멜트가 상기 위어를 통해 이동하게 하도록 상기 위어를 통해 확장하는 위어 통로를 가지는 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 위어 통로 및 상기 제2 도가니를 통과하는 도가니 통로는 상기 멜트에 대한 구불구불한 경로(tortuous path)를 제공하기 위해 비정렬되는 시스템.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 멜트의 내부 및 외부로 시드 결정(seed crystal)을 내리고 들어올리기 위한 인상(pull) 시스템을 더 포함하는 시스템.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1 도가니의 상기 제1 베이스는 상기 제2 도가니와의 접촉점들을 따라 얇아지는 시스템.
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