KR20090055646A - 결정질 실리콘 기재의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

Abstract

액상 공급재 예를 들어 실리콘의 용융물 풀로부터 연속적으로 결정질 리본을 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 실리콘이 용융되어 성장 트레이안으로 유동되어 액상 실리콘의 용융물 풀이 형성된다. 용융물 풀에서부터 침니를 통해 열이 유동되게 함으로써 열이 수동적으로 추출된다. 침니를 통해 열 손실이 일어날 때 이와 동시에 실리콘을 액상으로 유지시키기 위해 성장 트레이에 열을 가한다. 침니를 통해 열이 손실될 때 템플릿이 용융물 풀에 접촉하게 위치되어 있으며, 이로써 실리콘이 "응결" (즉, 고형화) 되기 시작하여 템플릿에 고착된다. 그리고 나서 용융물 풀로부터 템플릿이 당겨져서 결정계 실리콘의 연속 리본이 생산된다.

결정질 리본, 용융물 풀, 성장 트레이, 침니, 템플릿

Description

결정질 실리콘 기재의 제조 방법 및 제조 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE PRODUCTION OF CRYSTALLINE SILICON SUBSTRATES}

본 발명은 2006년 09월 28일자로 제출된 미국 임시 출원 번호 60/827,246 의 이점을 청구한다.

본 발명은 광전지를 제조하기에 적합한 얇은 실리콘 기재를 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 본 발명의 일 태양은 언시드 성장으로부터 형성되고 열 손실을 크게 가변적으로 방사 제어하여 얻어지는, 용융물로부터의 긴 결정질 리본을 측면방향으로 당기는 방법과 장치에 관한 것이다.

수년간 화석 연료를 대체하는 에너지원에 대한 개발은 점점 중요해지고 있다. 그러한 대체 에너지원의 하나는 태양 에너지이고, 광전지 등이 태양 에너지를 유용한 전기 에너지로 직접 바꾼다. 일반적으로, 복수개의 상기 광전지는 투명 시트 (예를 들어, 유리, 플라스틱 등) 와 후판 재료 (backing material) 의 시트 사이에서 에워싸여 편평하고 직사각형인 모듈 (때때로, "적층물" 또는 "패널" 로도 불림) 을 형성하는데, 상기 모듈은 현존하는 구조물 (예를 들어, 집, 건물 등) 의 지붕에 설치되어, 그 구조물이 사용하는 적어도 일부의 전기 에너지 또는 모든 전기 에너지를 공급한다.

대부분의 광전지는 실리콘계, 결정질 기재로 이루진다. 이러한 기재는 실리콘의 잉곳으로부터 또는 실리콘의 리본으로부터 절단된 웨이퍼일 수 있으며, 상기 잉곳 또는 리본은 용융 실리콘의 욕으로부터 "성장" 된다. 리본 결정 성장의 초기 발전시, 양호한 품질을 갖는 실리콘 본체 또는 기재를 생산시키는 여러 장치가 개발되었다. 그러나 불행히도, 대부분의 이러한 리본 성장 장치는 (a) 완전한 결정질의 리본 (예를 들어 일반적으로 200 ~ 400 미크론의 두께인 네트형 기재) 을 생산하는 것, 또는 (b) 연속 성장 작업을 위해 필요한 용융과 성장의 조합을 완벽하게 하는 것에 너무 치중되었다. 이로 인해 결정질 영역이 작게 성장되거나, 또 다르게는, 성장 구역에 접촉하는 이중 용융 등온으로 인해 전체 작업이 불안정하였다.

상기 노력의 일환으로서, 희망하는 결정 성장에 필요한 적절한 열 추출을 달성하기 위해 성장 구역에 냉각 가스, 주로 헬륨을 적용시키는 것에도 상당한 관심이 있었다. 그러나, 성장 작업시 냉각 가스의 적절한 부피를 유지시키는 데 어려움이 발생되었다. 즉, 불충분한 가스 유동으로 인해, 결정질 기재의 성장시에 충분한 열이 추출되지 않아, 충분히 큰 성장 속도를 용이하면서 경제적인 면으로 달성할 수 없었다. 다른 한편으로, 필요한 열 추출을 달성할 수 있는 충분한 속도까지 단지 냉각 가스의 유동을 증가시키면, 기재의 용융 표면을 분열시키는 가스 유동이 증가되어 희망하는 편평한 결정 시트를 형성할 수 없게 된다. 그러나, 이 문제를 해결하려는 다른 시도가 있었고, 이 시도는 히터 공급 전력을 감소시키는 것에 관련된 것이었지만, 불행히도 이 시도에 의하면 열 구배 제어, 즉 수지상 결정을 형성하는 경향 없이 안정한 결정체 성장 프론트를 유지할 수 있는 능력이 불량해졌다.

최근에 전술한 문제를 극복하기 위해 실리콘계, 결정질 기재의 성장에 관한 다른 접근 방법이 제안되었다. 예를 들어, 미국 특허 4,329,195 는 냉각 가스 (즉, 아르곤 및 수소 또는 헬륨의 혼합물) 와 기재의 성장을 개시하는 시드 결정체를 사용하여 얇고 넓은 기재를 상대적으로 큰 속도로 성장시키는 기술을 설명한다. 그러나, 용융 실리콘의 공급은 실리콘 공급 로드에 의해 보충되고, 이 실리콘 공급 로드는 다시 근처의 결정질 시트를 생산하는 동일한 용융 영역안에 위치되므로, 제어 문제에 존재하는 바람직하지 않은 이중 용융 등온 딜레마를 초래할 수 있다. 기재가 열 싱크에 직접 접촉하여 성장시에 기재로부터의 열 추출을 제어하는 다른 기술이 있으며, 이는 미국 특허 3,681,033 와 "부유 영역 실리콘 시트 성장" C.E. Bleil, Final Report - DOE Grant No. DE-FG45-93R551901, 9/23/93 에서 12/31/96 을 참조하며 이 기술은 기재 표면의 불균일을 초래한다.

또한, 결정질 기재를 형성하는 많은 종래 기술이 성장 공정의 유일한 지지부로 작용하는 메니스커스의 형성에 의존하며, 이는 미국 특허 2,927,008 을 참조한다. 그러나, 그러한 독립된 메니스커스 형성 및 그에 관한 기술들의 다수가 리본 형성을 위해 그래파이트 또는 실리콘 탄화물 다이를 사용하고 이로써 다양한 조건하에서 안정되고 균일한 리본 두께를 형성하는데 어려움이 따른다. 또, 상기 탄소원 중 하나와 직접 그리고 연속 접촉함으로써 용융부가 오염되고 최후 태양 전지의 성능을 제한한다. 상기 종류의 기술은 또한 용융부로부터의 수직 당김에 의존하며, 성장 프론트에 수직인 성장 리본의 길이를 따라 열이 손실되기 때문에, 추출될 수 있는 전체 열의 양이 상당히 제한된다.

본 발명은 액상 실리콘의 용융물 풀로부터 실리콘의 시트 또는 리본, 바람직하게는 결정질 실리콘의 시트 또는 리본을 연속적으로 생산하거나 형성하는 장치 및 방법을 제공한다. 실리콘은 용융실에서 용융되고 성장 트레이안으로 유동되어, 액상 실리콘의 편평한 용융물 풀이 형성된다. 용융물 풀로부터, 용융실의 하류에 위치한 침니를 통해 위로 열이 유동하도록 하게 함으로써 열이 수동적으로 추출된다. 이와 동시에, 침니를 통해 열 손실이 발생되는 동안, 실리콘을 액상으로 유지시키기 위해 성장 트레이에 열이 가해진다. 템플릿의 일단은, 열손실이 일어나 실리콘이 "응고" (즉, 고형화) 되기 시작하여 템플릿에 고착되는 지점에 용융물 풀과 접촉하게 위치된다. 템플릿은 용융물 풀로부터 당겨지고, 이로써 실리콘, 바람직하게는 결정질 실리콘의 연속 리본이 생산된다.

더 구체적으로는, 본 발명은 실리콘을, 가압 수냉식 노내에 위치된 도가니에서 용융시키는 장치와 방법을 제공한다. 도가니는, 도가니의 하류에서 열 추출 수단 (예를 들어 침니) 을 지지하는 성장판상에 지지된다. 용융 실리콘은 도가니의 출구를 통과하여 성장 트레이안으로 유동한다. 바람직하게, 출구 아래의 성장 트레이의 딤플과 중간 트레이 리지는, 실리콘이 트레이를 채우고 트레이 안에 실질적으로 균일하고 편평한 용융물 풀을 형성하는 동안에, 용융 실리콘을 매끄럽게 하는 것을 조력한다.

조정 가능 수단, 예를 들어 스로틀 판이 침니내에 제공되며, 이로 인해 용융물 풀로부터 침니를 통과하는 열 유동이 조절될 수 있다. 방사열 (즉, 열 손실) 은 침니를 통해 위로 유동되고, 그대로 수냉식 벽에서 소산된다. 제어된 열 손실로 인해 실리콘이 고형화를 시작하여 템플릿에 고착되는 지점에 템플릿이 용융물 풀과 접촉되도록 위치된다. 템플릿은 성장 트레이로부터 뽑아내어지고, 이를 따라 고형화된 실리콘의 시트 또는 리본이 잡아 당겨진다. 본 발명이, 실리콘을 공급재로서 사용하여, 태양 전지를 가공하는데 적합한 실리콘, 바람직하게는 결정질 실리콘의 리본을 형성하는 것에 관한 것이지만, 본 발명의 장치와 방법은 다른 공급재를 이용하여 다른 공급재의 리본을 형성하는데 사용될 수 있다. 그러한 다른 공급재는 예를 들어 다른 반도체 재료를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 다른 공급재는 적어도 약 1200 ℃ 의 용융 온도, 큰 표면 장력, 및 고상 보다 더 밀한 액상을 갖는다. 실리콘이 아닌 다른 공급재가 사용될 때, 성장 트레이와 도가니를 구성하는데 사용되는 재료는 특정 액상 공급재와 양립가능한 것으로 선택된다.

본 발명의 실제 형성 작업 및 명백한 이점들이 도면을 참조하여 더 잘 이해것이며 그러나 이로 인해 정해지는 것은 아니며 유사한 부분에는 유사 도면 부호가 교부되어 있다.

도 1 은 노 (furnace) 의 간략도로서, 결정질 기재를 생산하기 위해 노안에 위치시킨 본 발명의 장치의 실시형태를 부분 절단하여 나타낸 것이다.

도 2 는 도 1 의 장치의 확대도이다.

도 3 은 도 2 의 장치의 분해도이다.

본 발명은 바람직한 실시형태에 관하여 설명되나, 이에 한정되지 않는다. 반대로, 본 발명은 첨부된 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 사상과 범위내에 포함될 수 있는 모든 변형예, 수정예 및 균등예 모두를 포함하는 것으로 한다.

도면을 보면, 도 1 은 본 발명에 따른 노 (50) 를 도시한다. 노 (50) 는, 이 노안의 대기 상태를 제어하는 수랭식 노벽 (52) 을 갖는 진공/압력 용기 (51) 로 구성된다. 용기 (51) 내에는, 본 발명의 방법에 따라 얇고, 연속적인 (전체에 걸쳐 교환 가능하게 사용되는) 바람직하게는 결정질 기재 또는 리본을 생산하기 위해 사용되는 장치 (10) 가 위치되고 지지된다.

장치 (10) 는 용융실 (11) 로 구성되고, 이 용융실은 다시 주입 도가니 서셉터 (12) 로 구성되며, 이 주입 도가니 서셉터 (12) 안에 주입 도가니 (13) 가 배치되며, 이 주입 도가니 서셉터 (12) 주위에는 절연층 (14) 을 갖는다. 상기 "서셉터 (susceptor)" 라는 용어는 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어로서, (a) 고온에서 기계적 지지부로서 작용하고 (b) 유도 가열 코일로부터 전력을 받을 수 있도록 전기적으로 전도성을 띄는 안정체를 형성하는 구조를 칭한다. 절연층 (14) 주위에 위치된 가열 수단 (예를 들어 전기 유도 가열 코일 (15)) 은 주입 도가니 (13) 내의 실리콘을 용융시키는데 필요한 전력을 제공하기 위한 것이다. 뚜껑 (16) 이 용융실 (11) 의 상부를 폐쇄시키고, 주입 도가니 (13) 안으로 고형 실리콘 (미 도시) 을 공급하기 위해 그 뚜껑을 관통하는 개구 (17) 를 포함하며, 이에 대해서는 이하 충분히 설명한다.

주입 도가니 (13) 가 성장판 (18) 상에서 지지되며, 이 성장판은 성장 트레이 서셉터 (19) 상에서 지지된다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 성장판 (18) 이 이하 설명될 선택적 열 추출을 위한 열 절연 영역과 통합된 지지 영역을 제공할 수 있도록 가공된 그래파이트재로 구성된다. 성장 트레이 서셉터 (19) 주위에는 상부 절연층 (20), 하부 절연층 (21) 및 저부 절연층 (22) 이 위치되며, 성장 트레이 가열 수단 (예를 들어 전기 유도 가열 코일 (23)) 은 이하에 설명될 목적을 위해 하부 절연층 (21) 을 에워싼다. 도 3 은 절연층 (20, 21, 22) 으로부터 분리된 성장 트레이 서셉터 (19) 는 나타내지 않는다. 또한, 포크형 절연층 (25) (도 3 참조) 이 성장판 (18) 의 길이를 따라 그 위에 위치된다 (도 2 참조). 주입 도가니 (13) 의 하단부에 출구 (26) 가 구비되며, 이 출구는 층 (25) 과 성장판 (18) 모두의 개구를 통과하고, 성장 트레이 서셉터 (19) 상에서 지지된 성장 트레이 (27) 안으로 개방된다. 배플 (26a) 이 출구 (26) 에 위치되어, 어떠한 용융되지 않은 실리콘이나 다른 고형분은 차단하는 반면에, 용융된 실리콘 (즉 도 2 의 용융물 풀 (33)) 만은 출구를 통해 유동할 수 있게 하는 필터로서 효과적으로 작용한다.

성장 트레이 (27) 는 이후에 설명될 목적을 위해 출구 (26) 바로 아래에 있는 딤플 (28) 과 출구로부터 하류에 있는 리지 (29) 를 갖는다. 또, 성장판 (18) 은, 성장 트레이 (27) 와 이격되어 있으나 열적 연통하는 열 추출 수단, 즉, 침니 (30) 를 지지하며, 이에 대하여 이하 기술한다. 침니 (30) 는 출구 (26) 의 하류에 위치되며, 침니를 통과하는 열 유동을 제어하는 조정 가능 수단 ((예를 들어 침니내에 선회가능하게 장착된 적어도 하나의 (도시된 것은 두 개의) 스로틀 판 (31)) 을 구비하며, 이에 대하여 이하 더 설명한다.

현재의 노에 대한 상세한 설명은 결정적인 것은 아니며 다른 작업에서는 실질적으로 변할 수 있으며, 이하 논의는 사용되는 전형적인 치수 및 재료의 실시예를 제안한 것일 뿐이며, 어떠한 방법으로도 제한하는 것이라고는 여기지 않는다. 도시된 바와 같이, 주입 도가니 (13) 는 원통형 (예를 들어, 일반적으로 공급재의 양을 수용할 수 있도록, 10 ㎝ 보다는 큰 직경과 15 ㎝ 보다는 큰 높이) 을 가질 수 있으며, 용융될 재료와 양립될 수 있는 재료로 구성될 수 있으며, 즉 실리콘을 용융시키기 위해 실리카로 구성된 재료가 바람직하다. 성장판 (18) 은 열 전도재 (예를 들어, 탄소 그래파이트) 로 이루어진 직사각형 판이며, 도면들에 도시된 바와 같이, 길이 30 ㎝, 폭 15 ㎝ 의 일반적인 치수를 가질 수 있다. 희망하는 리본 시트 당김 속도에 대한 바람직한 리본 시트 폭과 길이에 필요한 임의의 폭으로 구체적인 치수가 정해지는 것이 자유롭다. 침니 (30) 는 성장판 (18) 의 성장 영역에 일치하는 직사각형이 바람직하며, 그래파이트, 그래파이트 절연재, 및 세라믹으로 주로 구성되는 것이 바람직하다. 성장 트레이 (27) 역시 직사각형이 바람직하며, 예를 들어 60 ㎝ × 25 ㎝ 및 대략 깊이가 30 ㎜ 일 수 있으며, 적어도 98 % 실리카로 구성되는 것이 바람직하다. 전술한 장치 (10) 의 구성으로, 이제 본 발명의 방법이 제안된다.

작동시, (큰 덩어리, 작은 조각, 로드 등의) 고형 실리콘의 희망하는 양이 개구 (17) 를 통해 주입 도가니 (13) 안으로 들어와 배플 (26a) 의 상부에 적재되고, 노 (50) 는 폐쇄되고 비워져, 리본 성장 공정을 오염시키거나 열화시킬 수 있는 산소가 제거된다. 충분한 진공이 형성되면, 공정실은 300 ℃ 까지 그리고 나서 500 ℃까지 가열되어, 노의 구성요소에 흡수될 수 있는 어떠한 습기도 제거할 수 있게 한다. 그리고 나서, 노는 대기압까지 불활성 가스 (예를 들어, 아르곤) 으로 다시 채워지고, 리본 출구 슬롯 (53) 이 개방되어 리본 템플릿 (40) 이 노 안으로 삽입된다. 리본 템플릿 (40) 은 예를 들어 그래파이트 코팅 카본 또는 그래파이트 패브릭과 같은 탄소계 재료의 얇은 시트인 것이 바람직하며, 침니 (30) 의 하단부의 폭과 대략 일치하는 바람직한 리본의 폭과 대략적으로 동일한 폭을 갖는다. 용융 실리콘의 용융물 풀 (33) 과 성장판 (18) 사이의 헤드 공간으로부터의 외부 유동 및 양압력을 유지시키고 출구 슬롯 (53) 을 통한 노 챔버안으로의 공기의 역류를 방지할 수 있도록, 가스 인젝터 (34) 를 통해 아르곤의 일정한 유동이 공급된다.

주입 도가니 (13) 와 성장 트레이 서셉터 (19) 양자의 온도는 대략 1400 ℃ 까지 상승하여 안정된다. 리본 템플릿 (40) 의 일단부는 임의의 종류의 공지된 추출 기구 (54) 에 연결되며, 타단은 성장 트레이 (27) 내의 용융물 풀 (33) 의 근방 위치로 이동하고, 그 뒤 성장 트레이 서셉터 (19) 의 온도는 대략 1420 ℃ 까지 상승한다.

주입 도가니 서셉터 (12) 주위의 전기 유도 가열 코일 (15) 에 공급되는 전 력은, 이 실시예에서는, 주입 도가니 (13) 안에서 고형 실리콘의 용융을 시작하기 위해 대략 2000 와트까지 상승한다. 용융점 (예를 들어 1412 ℃) 에서 실리콘은 초당 대략 1.1 그램이 용융되어야 한다. 추가되는 전력량은, 보충에 필요한 실리콘의 양에 비례하여 바뀐다. 용융시, 더 밀한 용융 실리콘 또는 액상 실리콘이 도가니 (13) 의 저부로 이동되고, 출구 (26) 를 통해 나와 성장 트레이 (27) 안으로 들어간다. 배플 (26a) 은 액상 실리콘만을 출구로 통과시키고 반면에 어떠한 고형분의 유동은 차단한다.

액상 실리콘은 출구 (26) 를 통과하여 성장 트레이 (27) 의 딤플 (28) 상에 직접적으로 이동한다. 딤플 (28) 은 실리콘의 착수 깊이를 줄여서 리플 (ripple) 형성을 제한한다. 중간 트레이 리지 (29) 는 성장 영역안으로의 파동 전파를 제한하고 이로써 트레이 (27) 안의 액상 실리콘 용융물 풀 (33) 에 더 매끄러운 표면을 형성한다. 용융 실리콘은 대략 10 ㎜ 깊이의 얕은 풀로 펴진다. 용융물 풀이 얕으면, 국부적인 핫-스팟과 리본의 불균일한 두께 성장 속도를 야기시키는 대류 전류가 억제된다. 본질적으로, 용융 실리콘은 매우 큰 표면 장력을 가지고 있으며, 이 큰 표면 장력으로 인해 용융 실리콘은 함께 당겨지고, 희망하는 얇은 액상층으로 자유롭게 유동하지 못하게 된다. 이러한 점이 문제가 된다면, 이는 가스 포트 (34) 를 통해 용융물 풀 (33) 상에 가스, 예를 들면 질소를 유동시시켜 용융물 풀의 표면 특성을 개선함으로써 경감될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시형태에서, 가스 포트 (34) 를 통해 공급된 가스는 용융물 풀을 냉각시키는 것을 조력하는 것이 아니라, 용융물 풀의 표면을 소제하거 나 깨끗이 하여, 용융물 풀 (33) 과 성장판 (18) 사이의 공간에 존재할 수 있는 가스 상태의 작은 입자 불순물들을 제거하기 위한 것이다. 이하 더 설명하겠지만, 성장판 (18) 은 희망하는 성장 파라미터에 도달하는데 필요한, 용융 실리콘으로부터의 열, 바람직하게는 모든 열을 제거하기 위해 제공된다. 형성될 리본이 매우 얇기 때문에, 바람직하게는 용융물 풀 (33) 과의 분리점에서 상부와 하부 표면 사이에는 매우 작은 온도 구배 (예를 들면 대략 0.3 ℃) 만이 존재한다.

용융물 풀 (33) 이 미리 결정된 깊이 (예를 들어 10 ㎜) 에 도달할 때, 코일 (15) 로의 전력은 2000 와트까지 감소되고, 템플릿 (40) 은 접촉점 (40a) 에서 용융물 풀 (33) 과 접촉되어 템플릿의 가장자리가 적셔진다. 스로틀 판 (31) 은 성장판 (18) 으로부터 추출될 수 있는 방사열의 양을 조절할 수 있게 개방된다. 성장 판은 용융물과 노의 냉각벽 사이에서 가스 배리어이자 조절기로서 작용하며, 이 조절은 스로틀 판의 개방/폐쇄 각에 의해 제어된다. 상기 열은 템플릿 (40) 의 표면 및/또는 성장 리본 (40b) 으로부터 침니 (30) 를 통하여 성장판 (18) 으로 향하고, 노 (50) 의 수냉식 벽 (52) 에 방사되어 소산된다. 바람직하게, 스로틀 판들은 차례로 개방되는데, 우선 접촉점 (40a) 에 가장 가까이에 있는 스로틀 판이 개방되고, 이로써 템플릿 (40) 이 액상 실리콘에 접촉하는 영역 (40a) 에서 얇은 실리콘 결정질 리본 (40b) 이 성장을 시작하게 된다.

공지된 바와 같이, 고상과 액상 실리콘 간의 상변화는 등온 공정 (모두 1412 ℃) 이며, 거의 물과 같이, 에너지 (열) 의 충분한 양이 온도 변화없이 제거될 수 있거나 추가될 수 있다. 고형화시 방출되는 일부 열만은 성장판 (18) 으로 방 사되고 (유용한 작업), 나머지는 바로 형성되는 고형분과 접촉하는 액체를 통해 안내된다. 스로틀 판 (31) 이 개방되면, 방사된 전력의 일부가 성장 서셉터 (19) 주변의 코일 (23) 로 더해져서, 적절한 용융 온도 구배가 보장되고 성장 결정체상에 수지상 결정체 (dendrites) 의 형성이 방지된다. 여기에 사용되는 "방사된 전력" 이라는 것은 전도 또는 대류에 대립되는 것으로서 방사를 통해 손실되는 전력을 의미한다.

작업의 바람직한 모드에 있어서, 스로틀 판 (31) 은 리본이 형성될 때 용융부의 냉각제어하는 유일 원천이다. 스로틀 판은 리본의 성장을 개시하고 형성되는 리본의 두께를 제어하기 위해 능동적으로 제어된다. 스로틀 판이 개방되어 고형 리본 아래에 존재하는 액상 실리콘의 온도를 많이 낮추지 않고 어는점에서 용융물 풀 (33) 로부터의 열 유동을 조절할 수 있게 된다. 전술한 바와 같이, 코일 (23) 은, 리본이 용융물 풀로부터 당겨지는 때에 용융물 풀 (33) 의 본체를 가열시켜 용융 상태로 유지하는 성장판 서셉터 (19) 에 유도성 열 원천을 제공한다.

리본 형성이 개시되면, 템플릿 (40) 은 용융물 풀 (33) 로부터 추출되고, 성장판 (18) 을 통한 열손실에 비례하는 속도로 전진한다. 리본 (40b) 이 부착된 템플릿 (40) 은 리본의 형성을 위해 제공되는 제거 각도 (α), 예를 들면 수평면으로부터 약 1 °내지 약 15 ° (예를 들어 대략 4 °) (도 1 참조) 의 각도로 추출되어, 액상 실리콘의 부력/중량에 반하는 힘, 그의 표면 장력, 및 액상 용융물 풀 (33) 과 고형 리본과 가스 대기간의 삼중점 메니스커스의 균형이 유지된다. 실 리콘 리본 형성의 본 발명의 방법은 템플릿으로서 단일 결정체 시드 (seed) 를 사용하는 것을 필요로 하지 않기 때문에, 일반적으로 이와 동반되는 많은 문제점을 회피할 수 있다. 또한, 리본에서 유도된 응력은, 리본이 용융물 풀 (33) 이 떨어져 나가는 자연스런 쇠사슬형을 취하게 함으로써 줄어들 수 있다. 형성된 리본의 냉각 프로파일은 추출 가이드 (54) 주변의 다양한 절연 수단을 통해 성장률과는 독립적으로 조정될 수 있으며, 이로써 실리콘 전기 특성에 대한 맞춤이 가능하다.

리본이 형성된 후에 바로 (예를 들어 대략 3 분 또는 그 이하) 노 (50) 를 빠져나가기 때문에, (a) 침니 (30) 를 통한 열 손실양을 조절하는 스로틀 판 (31), (b) 거주 시간을 바꾸는 당김 속도 및/또는 (c) 네트 열 손실에 영향을 미치는 가열 코일로의 전력량에 대한 소규모 조정이 이루어지도록, 직접 두께 측정이 사용될 수 있다. 리본이 형성될 때, 추출 가이드 (54) 가 매끈하고 균일한 제거각을 유지시킬 수 있도록 사용되고, 노의 외부의 암이나 다른 추출 기구 (55) (예를 들어, 대향 롤러, "핸드 오버 핸드" 핀치 그립, 또는 다른 연속 이송 장치) 가 속도와 연속 리본 성장을 유지하도록 조정될 수 있다. 연속된 리본의 일부가 추출 기구를 지나 전진하면, 형성된 리본으로부터 그 일부가 기재의 최종 사이즈로 절단되어 표시되고 제거되거나, 하류 작업에서의 다른 처리를 위해 연속 리본의 일부로서 남겨진다.

또, 본 기술 분야에서 숙지되고 있는 바와 같이, 필요시에 작업을 연속 유지하기 위해 고형 실리콘 이송 기구 (미 도시) 가 주입 도가니 (13) 의 뚜껑 (16) 의 개구 (17) 와 함께 상호 작용하여 주입 도가니 (13) 에 실리콘 조각을 가할 수 있다. 실리콘 조각은 일반적으로 용융물 첨가 사이의 비사용 시기 동안에 첨가되어, 다음 주기가 시작되기 전에 고형 실리콘이 예비 용융 온도가 되도록 한다. 형성된 리본의 저항력에 대한 조정은 고형 실리콘 첨가에 대한 특성 (도펀트 (dopants)) 을 변화시킴으로써 변경가능해질 수 있다. 장치의 거주 시간이 작기 때문에, 형성된 리본을 희망하는 저항력 범위 내에서 유지하기 위해, 상기 조정은 상대적으로 빨리 이루어질 수 있다. 또한, 성장 안정과 리본 템플릿 형성을 위해 필요시, 아르곤 분위기에 가스 포트 (34) 를 통해 소량의 질소를 첨가함으로써 불균일 시드 표면이 현장에서 형성될 수 있다. 이로써, 밑에 결정질 실리콘 성장을 템플릿 (templete) 하기 위해 용융물 풀 (33) 의 표면에 실리콘 질화물/실리콘 옥시나이트라이드로 이루어진 매우 얇은 (< 10 ㎜) 스킨이 형성된다.

연속 공정은, 성장 트레이 또는 주입 도가니가 사용 수명의 말기에 도달하거나, 실리콘 용융물 풀이 적당한 품질의 리본이 더이상 생산될 수 없는 시점까지 농축된 불순물 또는 도펀트를 갖는 경우에, 중단된다. 이 시점에서, 노는 냉각될 수 있으며, 마모된 부품과 실리콘은 대체되고, 상기 방법은 재 시작된다.

본 발명은 2006 년 09 월 28 일자로 제출된 미국 임시 출원 번호 60/827,246 의 전부를 참고로 하고 있다.

Claims (21)

1. 공급재를 포함하는 연속 리본을 생산하는 장치로서, 상기 장치는

   상기 공급재를 용융시키며 출구를 구비한 용융실,

   상기 용융실의 상기 출구로부터 용융 공급재를 수용할 수 있게 위치된 성장 트레이,

   상기 성장 트레이로부터 이격되어 있으나 상기 성장 트레이의 상기 용융 공급재와 열적 연통하며 상기 용융실의 상기 출구의 하류에 위치된 열 추출 수단을 포함하고, 상기 열 추출 수단은 상기 성장 트레이의 상기 용융 공급재로부터 방사되는 열의 양을 조절하는 조정 가능 수단을 구비하는, 연속 리본 생산 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 용융실의 상기 출구에 위치되며, 상기 용융 공급재만을 상기 출구를 통해 상기 성장 트레이안으로 유동시키고 임의의 고형분은 용융실내에 유지시키는 배플을 포함하는, 연속 리본 생산 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 열 추출 수단은,

   상기 용융실의 상기 출구로부터 하류에 있는 성장판상에 위치된 침니를 포함하며, 상기 침니는 상기 성장 트레이의 상기 용융 공급재로부터 상기 침니를 통해 열을 상방으로 방사시키며,

   상기 조정 가능 수단은,

   상기 침니내에 선회가능하게 장착되고 상기 침니를 통해 열 통로의 영역을 제어하도록 이동될 수 있는 적어도 하나의 스로틀 판을 포함하는, 연속 리본 생산 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 용융실의 상기 출구 아래에 위치하는, 상기 성장 트레이의 딤플을 포함하고, 상기 딤플은, 용융 공급재가 상기 출구를 통해 상기 성장트레이안으로 유동할 때, 용융 공급재의 착수깊이를 줄이며 용융 공급재의 리플 (ripple) 형성을 제한하는, 연속 리본 생산 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 딤플의 하류에 위치되어 상기 성장 트레이의 용융 공급재의 파동 전파를 제한하도록 되어 있는, 상기 성장 트레이의 리지 (ridge) 를 포함하는, 연속 리본 생산 장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 성장 트레이를 위에 지지하는 성장 트레이 서셉터와,

   상기 성장 트레이 서셉터를 통해 상기 성장 트레이에 유도 열을 공급하여, 상기 연속 리본의 성장시에 용융 공급재를 액상으로 유지시키는 전기 가열 수단을 포함하는, 연속 리본 생산 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 용융실은,

   주입 도가니를 포함하면서 상기 배플을 위에 지지하는 주입 도가니 서셉터와,

   상기 주입 도가니 서셉터를 통해 상기 주입 도가니에 유도 열을 공급하여, 공급재를 용융점 보다 약간 아래에 유지시키고 열 입력을 조절하여 요구되는 용융 속도를 제어하는 전기 가열 수단을 포함하는, 연속 리본 생산 장치.
8. 공급재의 연속 리본을 생산하는 방법으로서, 상기 방법은,

   용융실안에서 상기 공급재를 용융시키는 단계와,

   상기 용융 공급재를 상기 용융실에서부터 성장 트레이안으로 유동시키고 상기 성장 트레이안에 얕고 편평한 용융물 풀 (pool) 을 형성하는 단계와,

   상기 용융물 풀로부터의 열을, 상기 용융실로부터 하류에 위치된 침니를 통해 위로 방사하여, 상기 용융물 풀로부터의 열을 손실시키는 단계와,

   상기 용융물 풀의 열 손실 지점에서 템플릿 (templete) 을 상기 용융 풀에 접촉하도록 위치시켜, 그 지점에서 상기 템플릿을 상기 용융 공급재에 부착시키는 단계, 및

   상기 템플릿을 상기 용융물 풀에서부터 당겨서 상기 리본을 생산하는 단계를 포함하는, 연속 리본 생산 방법.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 템플릿은 상기 용융물 풀의 표면에 대해 약 1 °내지 약 15 °의 각도로 상기 용융물 풀에서부터 당겨지는, 연속 리본 생산 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 성장 트레이에 열을 공급하여 상기 리본 생산시에 상기 용융물 풀의 상기 공급재를 액상으로 유지시키기는 단계를 포함하는, 연속 리본 생산 방법.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 침니를 통해 유동을 조정함으로써 상기 용융물 풀로부터의 열 손실을 조절하는 단계를 더 포함하는, 연속 리본 생산 방법.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 열 손실은, 상기 침니안에서 적어도 하나의 스로틀 판을 움직여서 상기 침니를 통과하는 열 유동 영역을 증가시키거나 감소시켜 조절되는, 연속 리본 생산 방법.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 침니는 상기 침니의 유동 영역을 횡단하여 나란히 위치된 제 1 스로틀 판과 제 2 스로틀 판을 갖고, 상기 제 1 스로틀 판은 제 2 스로틀 판보다, 상기 템플릿과 상기 용융물 풀 사이의 상기 접촉 지점에 더 근접하여 있으며, 상기 방법은,

    상기 제 1 스로틀 판을 먼저 개방하여 상기 스로틀 판들을 차례로 개방함으로써, 상기 리본의 성장을 개시시키는 단계를 더 포함하는, 연속 리본 생산 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 용융물 풀의 표면을 유동가스로 소제하여 상기 용 융물 풀 위에 존재할 수 있는 기체 상태의 작은 입자의 불순물을 제거하는 단계를 포함하는, 연속 리본 생산 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 가스는 아르곤과 질소로 이루어진 연속 리본 생산 방법.
16. 제 15 항에 있어서, 상기 가스의 성분을 조정하여 용융물의 표면 특성을 변경하는 단계를 포함하는, 연속 리본 생산 방법.
17. 제 13 항에 있어서, 상기 템플릿은 탄소계 재료의 시트로 구성되는, 연속 리본 생산 방법.
18. 제 1 항에 있어서, 상기 공급재는 반도체 재료를 포함하는, 연속 리본 생산 장치.
19. 제 1 항에 있어서, 상기 공급재는 실리콘을 포함하는, 연속 리본 생산 장치.
20. 제 8 항에 있어서, 상기 공급재는 반도체 재료를 포함하는, 연속 리본 생산 방법.
21. 제 8 항에 있어서, 상기 공급재는 실리콘을 포함하는, 연속 리본 생산 방법.

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