KR102490959B1 - 도가니 및 장벽을 포함하는 결정 인상 시스템 및 방법 - Google Patents

도가니 및 장벽을 포함하는 결정 인상 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

용융물로부터 잉곳을 형성하기 위한 시스템은 용융물을 수용하기 위한 공동을 형성하는 제1 도가니 및 상기 공동 내의 제2 도가니를 포함한다. 제2 도가니는 외부 구역을 내부 구역으로부터 분리한다. 제2 도가니는 외부 구역 내에 위치된 용융물이 내부 구역 내로 이동하는 것을 허용하기 위한 통로를 포함한다. 내부 구역은 잉곳을 위한 성장 영역을 형성한다. 시스템은 외부 구역을 통한 용융물의 이동을 제한하기 위해 외부 구역 내에 위치된 장벽을 또한 포함한다. 장벽은 용융물 유동을 위한 미로를 형성하도록 배치되는 부재들을 포함한다.

Description

도가니 및 장벽을 포함하는 결정 인상 시스템 및 방법
본 개시물은 일반적으로 용융물(melt)로부터 반도체 또는 태양 재료(solar material)의 잉곳들을 형성하기 위한 단결정 인상 시스템들(pulling systems)에 관한 것이고, 더 구체적으로는 도가니 및 용융물 내의 이동을 제한하는 장벽을 포함하는 시스템들 및 방법들에 관한 것이다.
초크랄스키(Czochralski)(CZ) 방법에 의해 성장되는 실리콘 단결정들의 생산에서, 다결정 실리콘이 실리콘 용융물을 형성하기 위해서 결정 인상 장치의 도가니, 예를 들어 석영 도가니 내에서 용융된다. 인상기는 시드 결정(seed crystal)을 용융물 내로 하강시키고 용융물로부터 시드 결정을 천천히 상승시켜, 용융물을 시드 결정 상에 응고시켜 잉곳을 형성한다. 연속 CZ 방법에서, 시드 결정이 용융물로부터 상승되는 동안 다결정 실리콘이 용융물에 첨가된다. 다결정 실리콘의 첨가는 용융물의 온도에 영향을 줄 수 있고 용융물의 표면을 따라 교란을 발생시킬 수 있다. 그러나, 잉곳에 바로 인접한 용융물의 표면의 온도 및 안정성은 고품질 단결정을 생성하기 위해 실질적으로 일정하게 유지되어야 한다. 또한, 잉곳에 바로 인접한 용융물은 고체 공급원료가 없는 상태로 유지되어야 한다. 또한, 산소 함량과 같은 용융물의 특성들은 밀접하게 제어되어야 한다. 이러한 목적들을 달성하기 위한 종래의 시스템은 완전히 만족스럽지는 않다. 따라서, 잉곳에 바로 인접한 용융물의 특성을 제어하기 위한 더 효율적으로 효과적인 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
이 배경 기술 섹션은, 이하에 설명되고 및/또는 청구되는 본 개시물의 다양한 양태들과 관련될 수 있는 다양한 양태들의 기술을 독자에게 소개하도록 의도된다. 이러한 논의는 본 개시물의 다양한 양태들의 더 나은 이해를 용이하게 하기 위한 배경 정보를 독자에게 제공하는데 유용할 것으로 생각된다. 따라서, 이 문장들은 이러한 견지에서 읽혀야 하며 선행기술의 인정으로서 읽혀서는 안된다는 것이 이해되어야 한다.
일 양태에서, 용융물로부터 잉곳을 형성하기 위한 시스템은 용융물을 수용하기 위한 공동을 형성하는 제1 도가니 및 상기 공동 내의 제2 도가니를 포함한다. 제2 도가니는 외부 구역을 내부 구역으로부터 분리한다. 제2 도가니는 외부 구역 내에 위치된 용융물이 내부 구역 내로 이동하는 것을 허용하기 위한 통로를 포함한다. 내부 구역은 잉곳을 위한 성장 영역을 형성한다. 시스템은 외부 구역을 통한 용융물의 이동을 제한하기 위해 외부 구역 내에 위치된 장벽을 또한 포함한다. 장벽은 용융물 유동을 위한 미로를 형성하도록 배치되는 부재들을 포함한다.
다른 양태에서, 용융물로부터 잉곳을 형성하기 위한 시스템은 용융물을 수용하기 위한 공동을 형성하는 도가니 및 도가니에 연결된 위어(weir)를 포함한다. 위어는 위어의 바깥쪽으로부터 위어의 안쪽으로의 용융물의 이동을 제한하도록 공동 내에 위치설정된다. 도가니 및 위어는 외부 구역 및 내부 구역을 형성한다. 위어는 외부 구역 내에 위치된 용융물이 내부 구역 내로 이동하는 것을 허용하는 통로를 포함한다. 시스템은 외부 구역을 통한 용융물의 이동을 제한하기 위해 외부 구역 내의 장벽을 또한 포함한다. 장벽은 용융물 유동을 위한 간극들의 미로를 형성하도록 배치되는 부재들을 포함한다.
다른 양태에서, 결정 인상 시스템에서 용융물로부터 결정 잉곳을 인상하기 위한 방법이 설명된다. 시스템은 공동을 형성하는 도가니를 포함한다. 방법은 상기 제1 장벽의 바깥쪽의 위치로부터 제1 장벽의 안쪽의 위치로의 상기 용융물의 이동을 제한하기 위해 공동 내에 제1 장벽을 배치하는 단계를 포함한다. 방법은 제1 장벽과 도가니 사이의 공동 내에 제2 장벽을 배치하는 단계를 또한 포함한다. 제2 장벽은 용융물이 관통 유동하는 간극들의 미로를 형성한다. 방법은 공급원료 재료를 공동 내로 배치하는 단계 및 제2 장벽 위의 공급원료 재료를 용융시켜 용융물을 형성하는 단계를 더 포함한다. 용융물은 제2 장벽 내의 간극들을 통해 이동한다.
상술한 양태들과 관련하여 언급된 특징들의 다양한 개량들이 존재한다. 또한 추가의 특징들이 상술한 양태들에 통합될 수도 있다. 이들 개량들 및 추가의 특징들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예들 중 임의의 것과 관련하여 이하에서 논의되는 다양한 특징들이 단독으로 또는 임의의 조합으로 상술한 양태들의 임의의 것에 통합될 수 있다.
도 1은 결정 인상 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시되는 결정 인상 시스템의 일부의 개략도이다.
도 3은 위어를 포함하는 결정 인상 시스템의 일부의 개략도이다.
도 4는 장벽 링을 포함하는 결정 인상 시스템의 일부의 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시되는 결정 인상 시스템의 다른 구성의 개략도이다.
도 6은 장벽 링들을 포함하는 결정 인상 시스템의 개략도이다.
대응하는 참조 문자들은 도면의 수개의 도면들에 걸쳐 대응하는 부분들을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 결정 인상 시스템이 개략적으로 도시되며, 포괄적으로 100으로 표시된다. 결정 인상 시스템(100)은 초크랄스키 방법에 의해 잉곳을 생성하는데 사용될 수 있다.
예시된 결정 인상 시스템(100)은 반도체 또는 태양 등급 재료(예를 들어, 실리콘)의 용융물(106)을 포함하는 도가니 조립체(104)를 지지하는 서셉터(susceptor)(102)를 포함한다. 용융물(106)은 고체 공급원료 재료(111)를 가열함으로써 형성될 수 있다. 시스템(100)의 동작 동안, 시드 결정(112)은 인상기(110)에 의해 용융물(106) 내로 하강되고, 이어서 용융물(106)로부터 천천히 상승된다. 시드 결정(112)이 용융물(106)로부터 천천히 상승됨에 따라, 용융물(106)로부터의 실리콘 원자들은 그들 자신을 시드 결정(112)에 정렬 및 부착하여 잉곳(108)을 형성한다. 예시된 시스템(100)은 잉곳(108)을 용융물(106)로부터의 복사 열로부터 차폐하고 잉곳(108)이 응고되는 것을 허용하는 열 쉴드(heat shield)(114)를 또한 포함한다.
도가니 조립체(104)는 제1 도가니(116) 및 제2 도가니(118)를 포함한다. 다른 실시예들에서, 시스템(100)은 제1 도가니(116) 및 제2 도가니(118) 중 임의의 것에 부가하여 또는 그 대신에 하나 이상의 위어들을 포함할 수 있다. 적합한 실시예들에서, 도가니 조립체(104)는 시스템(100)이 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 적합한 재료로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 도가니 조립체(104)는 석영으로 구성될 수 있다.
제1 도가니(116)는 제1 베이스(120) 및 제1 측벽(122)을 포함한다. 제2 도가니(118)는 제2 베이스(124) 및 제2 측벽(126)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 제1 측벽(122)은 제1 베이스(120)의 둘레 주위로 연장되고, 제2 측벽(126)은 제2 베이스(124)의 둘레 주위로 연장된다. 공동(132)은 제1 도가니(116)의 제1 측벽(122) 및 제1 베이스(120)의 내부 표면에 의해 형성된다. 다른 실시예들에서, 도가니 조립체(104)는 시스템(100)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 도가니를 포함할 수 있다.
이 실시예에서, 제1 도가니(116) 및 제2 도가니(118)는 제1 도가니(116)의 공동(132) 내의 제2 도가니(118)의 배치를 허용하도록 크기설정되고 성형된다. 일부 실시예들에서, 제1 도가니(116)는 40, 36, 32, 28 또는 24 인치의 외부 직경을 가질 수 있고, 제2 도가니(118)는 36, 32, 28, 24, 22 또는 20 인치의 외부 직경을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 제1 도가니(116) 및 제2 도가니(118) 각각은 시스템(100)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 적합한 직경을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 제1 도가니(116)는 32 인치의 외부 직경을 가질 수 있고 제2 도가니(118)는 22 인치의 외부 직경을 가질 수 있다.
제1 도가니(116) 및 제2 도가니(118)는 외부 구역(134) 및 내부 구역(136)을 형성한다. 제1 측벽(122)의 내부 표면과 제2 측벽(126)의 외부 표면 사이의 공동(132)에 외부 구역(134)이 형성된다. 내부 구역(136)은 제2 도가니(118) 내에 형성된다. 외부 구역(134) 및 내부 구역(136)의 크기는 제1 도가니(116) 및 제2 도가니(118)의 크기에 의해 결정된다. 예를 들어, 내부 구역(136)은 제2 도가니(118)의 내경과 동일한 직경을 갖는다. 일부 실시예들에서, 내부 구역(136)은 대략 19 인치의 직경을 갖는다. 또한, 이 실시예에서, 내부 구역(136)은 실질적으로 장벽들 및 장애물들이 없다. 그 결과, 잉곳(108)을 위한 성장 영역이 증가될 수 있고, 성장 영역으로부터 측벽(126)의 내부 표면과 같은 임의의 장벽까지의 거리가 일부 공지된 시스템들에 비해 증가될 수 있다. 더욱이, 내부 구역(136)은 용융물(106)을 위한 더 큰 자유 표면적을 제공하고 더 작은 성장 구역들을 갖는 시스템들에 비해 더 양호한 산소 방출을 허용한다.
제2 도가니(118)는 용융물(106)이 외부 구역(134)으로부터 내부 구역(136)으로 유동하는 것을 제한하는 제1 장벽을 형성한다. 도가니 통로(138)가 용융물(106)이 외부 구역(134)으로부터 내부 구역(136)으로 이동하도록 제2 도가니(118)의 측벽(126)을 통해 연장된다. 도가니 통로(138)는 용융물(106)이 내부 구역(136) 내로 이동하는 거리를 증가시키기 위해 제2 베이스(124)를 따라 위치설정될 수 있다. 도 1에는 하나의 통로(138)가 도시되어 있지만, 적절한 실시예들에서, 제2 도가니(118)는 임의의 적절한 수의 통로들(138)을 포함할 수 있다.
예시된 실시예에서, 장벽(140)은 제1 측벽(122)의 내부 표면과 제2 측벽(126)의 외부 표면 사이의 외부 구역(134)에 위치된다. 장벽(140)은 용융물(106) 및 고체 공급원료 재료(111)가 외부 구역(134)을 통해 내부 구역(136)을 향해 이동하는 것을 제한한다. 따라서, 장벽(140)은 용융물(106) 및 고체 공급원료 재료(111)가 외부 구역(134)으로부터 내부 구역(136) 내로 유동하는 것을 제한하는 제2 장벽을 형성한다. 장벽(140)은 부재들 또는 물체들(142) 및 부재들(142) 사이에 형성된 간극들(144)을 포함한다. 동작 시에, 용융물(106)은 간극들(144)을 통해 유동할 수 있다. 이 실시예에서, 부재들(142)은 외부 구역(134) 내에 무작위로 배치되고, 간극들(144)은 용융물(106)이 관통 유동하기 위한 미로 또는 우회 경로를 형성한다. 따라서, 장벽(140)은 용융물(106)의 이동을 제한하고, 외부 구역(134)을 통한 고체 공급원료 재료(111)의 이동을 방지할 수 있다. 다른 실시예들에서, 부재들(142)은 결정 인상 시스템(100)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 방식으로 배치될 수 있다.
적합한 실시예들에서, 부재들(142)은 외부 구역(134) 내의 어디에나 위치설정될 수 있다. 이 실시예에서, 부재들(142)은 제1 측벽(122)의 내부 표면과 용융물(106)의 표면에 인접한 제2 측벽(126)의 외부 표면 사이에 위치설정된다. 또한, 이 실시예에서, 부재들(142)은 내부 구역(136) 내에 위치되지 않는다. 부재들(142)이 무작위로 배치될 수 있기 때문에, 부재들(142)의 정밀한 정렬 및 위치설정은 시스템(100)의 조립 동안 요구되지 않을 수 있다. 또한, 부재들(142)의 위치는 시스템(100)의 동작 동안 시프트될 수 있다.
적합한 실시예들에서, 부재들(142)은 부양성일 수 있고 용융물(106)의 표면에 가깝게 부유할 수 있다. 더욱이, 도 2에 도시되는 바와 같이, 부재들(142)은 장벽(140)이 용융물(106)의 표면 위 및/또는 아래로 연장되도록 적층될 수 있다. 적합한 실시예들에서, 부재들(142)은 고체 공급원료 재료(111)의 용융물 라인(melt line)까지 그리고 그를 넘어 연장될 수 있다. 다른 실시예들에서, 부재들(142)은 시스템(100)이 설명된 바와 같이 동작되게 할 수 있는 시스템(100)의 임의의 부분을 점유할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 부재들(142)은 외부 구역(134)을 채울 수 있다.
이 실시예에서, 부재들(142)은 자유롭게 이동한다. 즉, 부재들(142)은 서로 또는 도가니 조립체(104)에 연결되지 않는다. 그 결과, 시스템(100)을 조립하는 비용이 감소될 수 있다. 더욱이, 시스템(100)의 동작 동안 실패할 수 있는 결속들이 생략되기 때문에 시스템(100)의 신뢰성이 증가된다. 다른 실시예들에서, 적어도 일부 부재들(142)은 제1 도가니(116), 제2 도가니(118), 및/또는 다른 부재들(142)에 연결될 수 있다.
장벽(140)은 장벽(140)이 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 부재(142)를 포함할 수 있다. 부재(142)들은 고체 공급원료 재료(111) 및 제1 도가니(116) 및 제2 도가니(118)로부터 떨어진 도가니 입자들이 용융물(106)로 가서 내부 구역(136)을 향해 이동하는 것을 방지하는 네트워크를 형성한다. 도 2에 도시되는 바와 같이, 장벽(140)은 석영으로 이루어진 부재들(142)을 포함한다. 그 결과, 부재들(142)은 용융물(106)의 오염을 방지할 수 있다. 또한, 일부 실시예들에서, 부재들(142)은 용해율 및 네트워크 무결성과 같은 장벽(140)의 특성들의 정밀한 제어를 제공하기 위해 균일한 형상 및 크기이다. 다른 실시예들에서, 적어도 일부 부재들(142)은 상이한 형상들 및 크기들일 수 있다. 예를 들어, 적절한 실시예들에서, 부재들(142)은 불규칙적이고 고유하게 성형될 수 있다. 다른 실시예들에서, 부재들(142)은 입방형, 원뿔형, 원통형, 구형, 프리즘형, 피라미드형, 및 임의의 다른 적절한 형상일 수 있다.
부재들(142)은 임의의 적절한 시간에 시스템(100)에 배치될 수 있다. 예를 들어, 부재들(142)은 고체 공급원료 재료(111)가 용융되기 전에 시스템(100)에 배치될 수 있다. 다른 실시예들에서, 부재들(142)은 고체 공급원료 재료(111)가 용융된 후에 추가될 수 있다.
시스템(100)의 동작 동안, 장벽(140)의 부재들(142)은 용융물(106)에 의해 소비될 수 있고, 장벽(140)의 부재들(142)을 보충하는 것이 필요할 수 있다. 따라서, 부재들(142)은 시스템(100)의 동작 동안에 연속적으로 또는 간헐적으로 추가될 수 있다. 적합한 실시예들에서, 부재들(142)은 부재들(142)의 소비율과 대략 동일한 속도로 장벽(140)에 추가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 시스템(100)은 부재들(142)을 추가하기 위해 공급기 시스템과 같은 자동화된 수단을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 부재들(142)은 시스템(100)에 수동으로 추가될 수 있다. 일부 실시예들에서, 장벽(140)은 보충될 필요가 없는 부재들(142)을 포함할 수 있다. 추가 실시예들에서, 장벽(140)은 시스템(100)의 동작 동안의 임의의 소비를 고려하기 위해 여분의 부재들(142)을 포함할 수 있다.
도 1을 더 참조하면, 결정 인상 시스템(100)은 도가니 조립체(104)에 인접하여 연장되는 열 쉴드(114)를 포함한다. 열 쉴드(114)는 고체 공급원료 재료(111)의 추가 동안 조준선 폴리실리콘 발사체들(line-of-sight polysilicon projectiles)이 내부 용융물 표면에 도달하는 것을 방지하기 위해 내부 구역(136)의 일부 및 외부 구역(134) 모두를 덮는다. 다른 실시예들에서, 결정 인상 시스템(100)은 결정 인상 시스템(100)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 적합한 열 쉴드(114)를 포함할 수 있다.
고체 공급원료 재료(111)는 공급 튜브(152)를 통해 공급기(150)로부터 외부 구역(134) 내로 배치되거나 공급될 수 있다. 공급 튜브(152)는 제2 도가니(118)의 바깥쪽에 있는 위치에서 제1 도가니(116)에 공급원료 재료(111)를 공급하기 위해 제1 도가니(116)에 인접하여 배치된다. 공급원료 재료(111)는 주위의 용융물(106)보다 훨씬 더 낮은 온도를 가질 수 있다. 따라서, 공급원료 재료(111)는 고체 공급원료 재료(111)의 온도가 증가함에 따라 용융물(106)로부터 열을 흡수할 수 있고, 고체 공급원료 재료(111)는 외부 구역(134)에서 액화하여 외부 용융물 부분을 형성한다. 고체 공급원료 재료(111)(때때로, "차가운 공급원료"라고 지칭됨)가 용융물(106)로부터 에너지를 흡수함에 따라, 주위 용융물(106)의 온도는 흡수된 에너지에 비례하여 떨어진다. 일부 실시예들에서, 용융물(106)은 고체 공급원료 재료(111)가 용융됨에 따라 장벽(140)을 통해 이동할 수 있다. 결과적으로, 장벽(140)은 고체 공급원료 재료(111)가 외부 구역 내에서, 더 구체적으로는 장벽(140) 위의 외부 구역 내에서 완전히 용융될 수 있게 하고, 내부 구역 내의 용융물(106)의 균일성을 증가시킨다.
고체 공급원료 재료(111)가 용융물(106)에 추가됨에 따라, 용융물(106)의 표면이 교란될 수 있다. 장벽(140) 및 제2 측벽(126)은 용융물(106)의 교란들의 내향 전파를 방지한다. 특히, 장벽(140)은 고체 공급원료 재료(111)가 외부 구역 내로 전달됨에 따라 고체 공급원료 재료(111)와 접촉할 수 있다. 결과적으로, 장벽(140)은 고체 공급원료 재료(111)로부터의 비산들과 같은 표면 교란들이 용융물(106)에 추가되는 것을 제한할 수 있다. 더욱이, 장벽(140)은 고체 공급원료 재료(111)가 외부 구역 내에서 완전히 용융되는 것을 촉진하기 위해 고체 공급원료 재료(111)의 이동을 느리게 한다.
도가니 조립체(104) 주위의 적절한 위치들에 배치된 히터(156 및 158)에 의해 도가니 조립체(104)에 열이 제공된다. 히터들(156 및 158)로부터의 열은 초기에 고체 공급원료 재료(111)를 용융시키고, 다음으로 용융물(106)을 액화된 상태로 유지한다. 히터들(156)은 대체로 원통형 형상이고, 도가니 조립체(104)의 측면들에 열을 제공한다. 히터(158)는 도가니 조립체(104)의 저부에 열을 제공한다. 일부 실시예들에서, 히터(158)는 대체로 환형 형상일 수 있다. 다른 실시예들에서, 시스템(100)은 시스템(100)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 히터들을 포함할 수 있다.
적합한 실시예들에서, 히터들(156 및 158)은 히터들에 전류를 제어가능하게 인가하여 그들의 온도를 변경시키는 제어기(154)에 결합된 저항성 히터들일 수 있다. 제어기(154)에 의해 히터들(156 및 158) 각각에 공급되는 전류의 양은 용융물(106)의 열 특성을 최적화하도록 개별적으로 그리고 독립적으로 선택될 수 있다.
위에 논의된 바와 같이, 시드 결정(112)은 용융물(106) 위에 위치된 인상기(110)의 일부분에 부착된다. 인상기(110)는, 용융물(106)의 표면에 수직인 방향으로 시드 결정(112)의 이동을 제공하고, 시드 결정(112)이 용융물(106)을 향해 아래로 또는 용융물 내로 하강되고 용융물(106) 위로 또는 그 밖으로 상승되게 한다. 고품질 잉곳(108)을 생산하기 위해, 시드 결정(112)/잉곳(108)에 인접한 영역은 실질적으로 일정한 온도로 유지되어야 하고, 용융물(106) 및 고체 공급원료(111)의 표면 붕괴들은 최소화되어야 한다.
이 실시예에서, 장벽(140) 및 제2 도가니(118)는 외부 구역(134)으로부터 성장 영역 내로의 용융물(106)의 이동을 제한함으로써 시드 결정(112)/잉곳(108)에 바로 인접하는 영역에서 표면 교란들, 온도 변동들, 및 고체 입자들의 수를 제한한다. 성장 영역은 제2 도가니(118)의 안쪽이고 및 시드 결정(112)/잉곳(108)에 인접한다.
도 2에 도시되는 바와 같이, 장벽(140) 및 통로(138)는 용융물(106)이 외부 구역(134)으로부터 내부 구역(136)으로 이동하기 위한 구불구불한 경로를 제공한다. 특히, 용융물(106)이 외부 구역(134)을 통해 이동할 때, 용융물(106)은 장벽(140) 내의 간극들(144)을 통해 이동한다. 더욱이, 용융물(106)은 제2 도가니(118) 내의 통로(138)를 통해 이동해서 내부 구역(136) 내로 이동해야 한다. 그 결과, 장벽(140) 및 제2 도가니(118)는 외부 구역(134) 내의 용융물(106)의 내부 구역(136)을 향한 이동을 제한한다. 또한, 통로(138)가 도가니 조립체(104)의 저부를 따라 위치되기 때문에, 외부 구역(134)으로부터 내부 구역(136) 내로의 용융물(106)의 임의의 이동은 잉곳(108)이 인상되는 용융물(106)의 상부로부터 이격되어 있다. 따라서, 통로(138)의 위치는 표면 붕괴들, 온도 변동들, 및 고체 입자들의 용융물(106)의 성장 영역으로의 통과를 더 제한한다.
외부 구역(134)을 통한 그리고 외부 구역(134)과 내부 구역(136) 사이의 용융물(106)의 제어된 이동은, 공급원료 재료(111)가 외부 구역(134)을 통과함에 따라, 외부 구역(134) 내의 공급원료 재료(111)가 성장 영역의 온도와 대략 동등한 온도로 가열되는 것을 허용한다. 따라서, 고체 입자들은 장벽(140) 위의 외부 구역(134)에서 용융되고 성장 영역에 들어가지 않는다. 더욱이, 시스템(100)은, 용융물(106)의 이동이 외부 구역(134)에서 제어되고 내부 구역(136)이 임의의 장벽들을 갖지 않기 때문에, 더 큰 성장 영역을 가질 수 있고 더 큰 단결정 잉곳들을 생성할 수 있다.
도 3은 위어(302)를 포함하는 결정 인상 시스템(300)의 일부의 개략도이다. 결정 인상 시스템(300)은 용융물(308)을 수용하는 도가니(306) 및 도가니(306)를 지지하는 서셉터(301)를 포함한다. 도가니(306)는 공동(314)을 형성하는 베이스(310) 및 측벽(312)을 포함한다. 위어(302)는 도가니(306)의 공동(314) 내에 위치되고, 내부 구역(316)을 둘러싼다. 또한, 위어(302) 및 도가니(306)는 그 사이에 외부 구역(318)을 형성한다.
동작 시에, 결정 인상 시스템(300)은 내부 구역(316)의 성장 영역에서 시드 결정을 하강 및 상승시킴으로써 용융물(308)로부터 잉곳을 형성한다. 용융물(308)이 외부 구역(318)으로부터 내부 구역(316)으로 이동하게 하기 위해 통로(320)가 위어(302)를 통해 형성된다. 따라서, 위어(302)는 외부 구역(318)과 내부 구역(316) 사이의 용융물(308)의 이동을 제어한다.
시스템(300)은 외부 구역(318)을 통한 용융물(308)의 이동을 제한하기 위해 외부 구역(318)에 위치설정된 장벽(322)을 더 포함한다. 이 실시예에서, 장벽(322)은 측벽(312)의 내부 표면과 위어(302)의 외부 표면 사이에 적층된 부재들(324)을 포함한다. 부재들(324)은 외부 구역(318) 내의 층들에 느슨하게 배치된다. 더욱이, 부재들(324)은 부재들(324)이 용융물(308)의 표면 부근에 부유하도록 부양성일 수 있다. 장벽(322)은 용융물(308)이 외부 구역(318)으로부터 내부 구역(316)으로 유동하게 하기 위해 부재들(324) 사이에 형성된 간극들(326)을 더 포함한다. 다른 실시예들에서, 시스템(300)은 시스템(300)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 외부 구역(318) 내의 어디에나 위치설정되는 임의의 적절한 장벽(322)을 포함할 수 있다.
도 4는 장벽 링(402)을 포함하는 결정 인상 시스템(400)의 일부의 개략도이다. 결정 인상 시스템(400)은 서셉터(401), 제1 도가니(406) 및 제2 도가니(408)를 또한 포함한다. 결정 인상 시스템(400)은 제1 도가니(406) 및 제2 도가니(408)에 수용된 용융물(410)로부터 잉곳을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 제2 도가니(408)는, 제1 도가니(406) 및 제2 도가니(408)가 그 사이에 외부 구역(404)을 형성하도록 제1 도가니(406)의 공동에 위치설정된다. 장벽 링(402)은 제2 도가니(408) 주위의 외부 구역(404)을 통해 연장된다. 다른 실시예들에서, 결정 인상 시스템(400)은 결정 인상 시스템(400)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 장벽 링(402)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 장벽 링(402)은 위어 주위에 연장되고 위어에 연결될 수 있다.
용융물(410)이 가열됨에 따라, 용융물(410)은 외부 구역(404)으로부터 잉곳이 형성되는 내부 구역(412)을 향해 이동한다. 장벽 링(402)은 제2 도가니(408)의 베이스에 인접하여 연장되어, 용융물(410)이 외부 구역(404)으로부터 내부 구역(412)으로 이동하는 것을 제한한다. 장벽 링(402) 및 제2 도가니(408)는 용융물(410)이 외부 구역(404)으로부터 내부 구역(412) 내로 관통 유동하게 하기 위해 각각의 통로들(414, 416)을 포함한다. 적절하게는, 장벽 링(402)의 통로(414)는, 용융물(410)이 외부 구역(404)으로부터 내부 구역(412)으로 우회 경로를 통해 유동하도록 제1 도가니(406)의 통로(416)로부터 오프셋되어 있다. 이 실시예에서, 장벽 링(402) 및 제2 도가니(408)의 통로들(414, 416)은 용융물(410)이 이동하는 거리를 최대화하기 위해서 대략 180°만큼 오프셋되어 있다. 다른 실시예들에서, 장벽 링(402) 및 제2 도가니(408)는 시스템(400)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 적절한 통로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 통로들(414, 416)이 정렬될 수 있다. 추가 실시예들에서, 통로들(414, 416)은 0° 내지 180°의 범위의 임의의 오프셋을 가질 수 있다.
이 실시예에서, 시스템(400)은 외부 구역(404)을 통해 내부 구역(412)을 향해 유동하는 용융물(410)을 제한하기 위해 외부 구역(404)에 장벽(418)을 포함한다. 장벽(418)은 간극들(422)을 형성하도록 배치된 부재들(420)을 포함한다. 예시된 실시예에서, 부재들(420)은 용융물(410)의 표면 부근에서 부유한다. 다른 실시예들에서, 장벽(418)은 장벽(418)이 설명된 바와 같이 기능할 수 있게 하는 임의의 부재들(420)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 장벽(418)이 생략될 수 있다.
적절한 실시예들에서, 장벽(418) 및 장벽 링(402)은 시스템(400)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 재료로 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 장벽 링(402) 및 장벽(418)은 석영으로 구성된다.
도 5는 용융물(410)의 용융물 라인까지 연장되는 장벽(418)을 갖는 시스템(400)의 구성을 도시한다. 특히, 부재들(420)은 층들로 적층되고, 적어도 하나의 층이 용융물 라인까지 연장된다. 그 결과, 고체 공급원료 재료는 용융 전에 장벽(418)과 접촉할 수 있다. 고체 공급원료 재료가 용융된 후에, 용융물(410)의 적어도 일부는 장벽(418)을 통해 유동하고 장벽(418)에 의해 느려진다.
적절한 실시예들에서, 장벽(418)은 시스템(400)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 시스템(400) 내의 어디에나 위치설정될 수 있다. 이 실시예에서, 장벽(418) 및 장벽 링(402)은 용융물(410)의 이동을 제어하기 위해 외부 구역(404)에 위치설정된다. 결과적으로, 내부 구역(412)은 임의의 장벽들에 의해 점유되지 않을 수 있다. 따라서, 내부 구역(412)은 용융물(410)의 산소 함량의 더 효율적인 감소 및 더 큰 성장 영역을 허용하는 증가된 자유 표면적을 포함한다.
도 6은 적어도 하나의 장벽 링(502)을 포함하는 결정 인상 시스템(500)의 개략도이다. 결정 인상 시스템(500)은 제1 도가니(504) 및 제2 도가니(506)를 또한 포함한다. 결정 인상 시스템(500)은 제1 도가니(504) 및 제2 도가니(506)에 수용된 용융물로부터 잉곳을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 제2 도가니(506) 및 장벽 링들(502)은, 제1 도가니(504), 제2 도가니(506), 및 외부 장벽 링(502)이 그들 사이에 외부 구역(510)을 형성하도록 제1 도가니(504)의 공동에 위치설정된다. 또한, 제1 도가니(504), 제2 도가니(506), 및 장벽 링들(502)은 전이 구역들(511)을 형성한다. 이 실시예에서, 결정 인상 시스템(500)은 3개의 전이 구역들(511)을 형성하는 3개의 장벽 링들(502)을 포함한다. 구체적으로, 장벽 링들(502)은 외부 전이 구역(511), 중간 전이 구역(511), 및 내부 전이 구역(511)을 형성하는 외부 장벽 링(502), 중간 장벽 링(502), 및 내부 장벽 링(502)을 포함한다. 장벽 링들(502)은 내림 직경의 순서로 서로 내부에 놓인다. 다른 실시예들에서, 결정 인상 시스템(500)은 결정 인상 시스템(500)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 전이 구역들(511)을 형성하는 임의의 수의 장벽 링들(502)을 포함할 수 있다.
용융물이 가열됨에 따라, 용융물은 외부 구역(510)으로부터, 전이 구역들(511)을 통해, 그리고 잉곳이 형성되는 내부 구역(512)을 향해 이동한다. 장벽 링들(502)은 제2 도가니(506)의 베이스에 인접하여 연장되어, 용융물이 외부 구역(510)으로부터 내부 구역(512)으로 이동하는 것을 억제한다. 장벽 링들(502) 및 제2 도가니(506)는 용융물이 외부 구역(510)으로부터 전이 구역들(511)을 통해 그리고 내부 구역(512) 내로 유동하기 위한 각각의 통로들(514)을 포함한다. 적절하게는, 장벽 링들(502) 및 제2 도가니(506)의 통로들(514)은 용융물이 우회 경로를 통해 외부 구역(510)으로부터 내부 구역(512) 내로 유동하도록 오프셋된다. 다른 실시예들에서, 시스템(500)은 시스템(500)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 적절한 통로를 포함할 수 있다.
이 실시예에서, 시스템(500)은 외부 구역(510) 및 전이 구역들(511)에 배치되는 부재들(518)을 더 포함한다. 이 실시예에서, 부재들(518)은 외부 장벽 링(502)에 인접하여 그리고 그 내부에 그리고 외부 전이 구역(511)에 위치설정된다. 따라서, 시스템(500)에서 사용되는 부재들(518)의 양은, 부재들(518)이 통로들(514)에 인접하는 공동의 부분들에만 위치설정되기 때문에, 감소될 수 있다. 또한, 시스템(500)의 동작 동안의 부재들(518)의 소비는 감소된다. 다른 실시예들에서, 시스템(500)은 시스템(500)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 부재들(518)을 포함할 수 있다.
적절한 실시예들에서, 부재들(518) 및 장벽 링(502)은 시스템(500)이 설명된 바와 같이 동작할 수 있게 하는 임의의 재료로 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 용융물의 오염을 감소시키기 위해, 장벽 링(502) 및 부재들(518)이 석영으로 구성된다.
위에서 설명된 예들에 따른 시스템들 및 방법들은 공지된 시스템들 및 방법들에 비해 우수한 결과들을 달성한다. 개시된 시스템들 및 방법들은 잉곳의 성장 영역에서 고체 입자들을 감소시킨다. 또한, 용융물 내 및 결정 내의 산소 함량이 감소된다. 또한, 일례 시스템은 시스템의 비용을 최소화하면서 단일 실리콘 결정을 위한 더 큰 성장 영역을 제공한다. 그 결과, 시스템에 의해 형성되는 단일 실리콘 결정의 크기는 일부 공지된 시스템들에 비해 증가될 수 있다.
또한, 전술한 시스템들 및 방법들은 시스템들을 조립 및 동작시키기 위한 비용을 감소시킬 수 있는 장벽들을 포함한다. 또한, 시스템들은, 장벽들이 일부 공지된 시스템들에 비해 감소된 고장 위험을 갖기 때문에, 더 나은 신뢰성 및 증가된 서비스 수명을 가질 수 있다.
본 발명의 요소들 또는 그것의 실시예(들)를 소개할 때, 단수 표현은 요소들의 하나 이상이 있다는 것을 의미하고자 한다. 용어 "포함하는(comprising, including)" 및 "구비하는(having)"은 포괄적인 것이며 열거된 요소들 이외의 추가적인 요소들이 있을 수 있다는 의미로 의도된다. 특정 배향을 나타내는 용어들(예를 들어, "상부", "저부", "측면" 등)의 사용은 기재의 편의를 위한 것이며, 기술된 항목의 임의의 특정 배향을 요구하지 않는다.
본 발명의 범위 내에서 상기 구성들 및 방법들에 다양한 변경이 이루어질 수 있으므로, 전술한 설명에 포함되고 첨부 도면(들)에 도시되는 모든 요소들은 예시적인 것이지 제한하려는 의미가 아닌 것으로 해석되어야 한다.

Claims (22)

  1. 용융물로부터 잉곳을 형성하기 위한 시스템이며, 상기 시스템은,
    상기 용융물을 수용하기 위한 공동을 형성하는 제1 도가니;
    상기 공동 내의 제2 도가니 - 상기 제2 도가니는 외부 구역을 내부 구역으로부터 분리하며, 상기 제2 도가니는 상기 외부 구역 내에 위치되는 상기 용융물이 상기 내부 구역 내로 이동하는 것을 허용하는 통로를 포함하며, 상기 내부 구역은 상기 잉곳을 위한 성장 영역을 형성함 - ; 및
    상기 외부 구역을 통한 상기 용융물의 이동을 제한하기 위해 상기 외부 구역 내에 위치되는 장벽 - 상기 장벽은 용융물 유동을 위한 미로를 형성하도록 배치되는 부재들을 포함함 - 을 포함하고,
    상기 시스템은 고체 공급원료 재료를 상기 공동 내로 전달하기 위한 공급기 시스템을 더 포함하고, 상기 부재들은 상기 고체 공급원료 재료가 용융됨에 따라 상기 용융물이 상기 장벽을 통해 이동하도록 실질적으로 상기 외부 구역을 통해 상기 제1 도가니로부터 상기 제2 도가니까지 연장되고,
    상기 부재들은, 상기 고체 공급원료 재료가 용융 전에 상기 부재들과 접촉하도록 부양성인 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 부재들은 상기 용융물의 오염을 방지하기 위해 석영을 포함하는 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 도가니 및 상기 제2 도가니는 석영을 포함하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 장벽 주위에서 상기 외부 구역을 통해 연장되는 장벽 링을 더 포함하며, 상기 장벽 링은 상기 용융물이 관통 유동하기 위한 제2 통로를 포함하는 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 장벽 링은 석영을 포함하는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 부재들은 이하의 형상들: 입방형, 원뿔형, 원통형, 구형, 프리즘형, 및 피라미드형 중 적어도 하나를 갖는 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 부재들은 불규칙적인 형상을 갖는 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 장벽은 용융물 라인까지 연장되는 시스템.
  9. 용융물로부터 잉곳을 형성하기 위한 시스템이며, 상기 시스템은,
    상기 용융물을 수용하기 위한 공동을 형성하는 도가니;
    상기 도가니에 연결되는 위어 - 상기 위어는 상기 위어의 바깥쪽으로부터 상기 위어의 안쪽으로의 상기 용융물의 이동을 제한하기 위해 상기 공동에 위치설정되고, 상기 도가니 및 상기 위어는 외부 구역 및 내부 구역을 형성하며, 상기 위어는 상기 외부 구역 내에 위치되는 상기 용융물이 상기 내부 구역 내로 이동하는 것을 허용하는 통로를 포함함 -; 및
    상기 외부 구역을 통한 상기 용융물의 이동을 제한하기 위한 상기 외부 구역 내의 장벽 - 상기 장벽은 용융물 유동을 위한 간극들의 미로를 형성하도록 배치되는 부재들을 포함함 - 을 포함하고,
    상기 부재들은 석영을 포함하고,
    상기 부재들은 상기 외부 구역 내에서 자유롭게 이동하는 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 장벽은 상기 외부 구역 전체에 걸쳐 도가니 측벽으로부터 상기 위어까지 연장되는 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 부재들은 이하의 형상들: 입방형, 원뿔형, 원통형, 구형, 프리즘형, 및 피라미드형 중 적어도 하나를 갖는 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 위어 주위에 연장되는 장벽 링을 더 포함하며, 상기 장벽 링은 석영을 포함하는 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 장벽 링은 상기 위어 및 상기 도가니에 연결되는 시스템.
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