KR20100105786A - 무기막을 위한 존 멜팅 재결정화 장치 및 방법 - Google Patents

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헨리 히슬마이어
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나노그램 코포레이션
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Abstract

본 발명의 ZMR 장치는 소망의 결정 성장 특성을 제공하는 동시에 에너지 소비를 줄이는 시스템을 통해 온도 흐름의 제어를 제공한다. 본 발명의 장치는 상세하게는 결정화를 용이하게 하기 위해 용융 막으로부터 소망의 열량을 제거하는 냉각 시스템을 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 장치는 챔버 벽에 대한 냉각의 감소 또는 제거를 통해 에너지의 이용을 감소시키는 챔버 내의 배경 온도를 생성하기 위해 가열된 벽을 구비할 수 있다. 본 발명의 장치 및 상응하는 방법은 기저의 기판에 대해 단열을 제공하는 다공성 릴리스 층과 직접적으로 또는 간접적으로 결합된 무기막으로 이용될 수 있다. 재결정화된 막이 기판으로부터 제거된다면, 기판이 재활용될 수 있다. 본 발명의 방법은 광전지 용례뿐 아니라 전자 공학 용례에 대하여 적합한 2 미크론 내지 100 미크론의 두께를 갖는 넓은 영역의 실리콘 막에 대하여 이용될 수 있다.

Description

무기막을 위한 존 멜팅 재결정화 장치 및 방법{ZONE MELT RECRYSTALLIZATION FOR INORGANIC FILMS}
본 출원은 본 명세서에서 모두 참조로 포함되어 있는 동시 계류중인 "Zone Melt Recrystallization for Thin Silicon Films"라는 명칭의 2008년 1월 25일 출원된 Hieslmair 등의 미국 가특허출원번호 제61/062,420호 및 "Zone Melt Recrystallization for Inorganic Films"라는 명칭의 2008년 5월 16일 출원된 Hieslmair 등의 미국 특허출원번호 제12/152,907호에 대하여 우선권을 주장한다.
본 발명은 실리콘막과 같은 무기막의 재결정화에 관한 것이다. 본 발명은 또한 무기막의 재결정화를 위해 유용한 장치 및 상응하는 방법에 관한 것이다.
무기 코팅 재료의 통상적인 증착을 위해 다양한 기법이 이용 및/또는 제안되었다. 이러한 접근법은 예컨대 화염 가수분해 증착, 화학적 증기 증착, 물리적 증기 증착, 졸 겔 화학 증착, 광반응 증착 및 이온 주입을 포함한다. 일반적으로, 매우 느린, 비용이 많이 드는 기법이 코팅 재료의 특성을 정확하게 제어하는데 필요하다. 많은 용례를 위해 실용적인 속도로 후막을 제조하는 기법은, 코팅 또는 막을 형성한 후에 소망의 특성에 더 근접하게 맞추기 위해 막의 특성을 개질하도록 추가로 처리하여 이점을 얻을 수 있는 막을 생성할 수 있다.
무기 재료와 관련하여, 반도체 재료는 매우 많은 전자 장치의 제조를 위해 광범위하게 이용되는 통상적인 재료이다. 원소 형태의 실리콘은 집적 회로 제조를 위한 기초 재료로서 통상적으로 이용되는 반도체이다. 단결정 실리콘이 원통형 잉곳으로 성장되고 이어서 웨이퍼로 절단된다. 이들 잉곳은 집적 회로 형성을 위한 표준 크기를 갖는다. 다결정 실리콘 및 비정질 실리콘이 적절한 용례를 위해 효과적으로 이용될 수 있다. 전자 이동도 및 전기적 특성은 일반적으로 실리콘의 결정화도에 따른다.
본 발명은 소망의 결정 성장 특성을 제공하는 동시에 에너지 소비를 줄이는 시스템을 통해 온도 흐름의 제어를 제공할 수 있는 ZMR(zone melt recrystallization) 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
제1 태양에서, 본 발명은 무기막의 존 멜팅 재결정화를 수행하는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는 기판 지지체, 이 기판 지지체상의 기판의 스트라이프를 가열하도록 배향된 스트립 히터, 이 스트립 히터에 의한 가열에 이어 기판의 스트라이프를 냉각하도록 배향된 냉각 요소, 및 운송 시스템을 포함한다. 운송 시스템은 기판에 걸쳐 가열되는 스트라이프를 스캔하고 이어서 냉각 요소에 의해 냉각시키도록 스트립 히터 및 냉각 요소에 대해 기판 지지체를 이동시키도록 구성된다.
다른 태양에서, 본 발명은 챔버, 이 챔버 내의 기판 홀더, 이 기판 홀더에 장착된 기판의 스트라이프를 따라 열을 안내하도록 배향된 스트립 히터, 및 이 스트립 히터에 대하여 기판 지지체를 이동시켜 기판 표면에 걸쳐 가열된 스트라이프를 스캔하도록 구성된 운송 시스템을 포함하는 무기막의 존 멜팅 재결정을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
또 다른 태양에서, 본 발명은 무기막의 스트라이프를 용융시키고 용융된 막을 냉각시키는 것을 포함하는 무기막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법에 관한 것이다. 가열은 일반적으로 스트립 히터를 이용하여 수행되고 무기막은 스트립 히터에 대해 병진 운동하는 기판상에 위치한다. 용융된 막의 냉각은 기판의 병진 운동시킨 후에 가열 영역으로부터 하류로 소정 거리에서 무기막의 용융점 이하의 선택된 온도까지 막의 온도를 낮추는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 ZMR 장치에 따라, 소망의 결정 성장 특성을 제공하는 동시에 에너지 소비를 줄이는 시스템을 통해 온도 흐름을 제어할 수 있다.
도 1은 기판상에 중간층 및 캡 층과 함께 무기막을 포함하는 구조체의 개략적인 측 단면도이다.
도 2는 챔버 벽이 내부 구조를 보여주기 위해서 투명한 것으로 묘사되는 다양한 개선된 특징을 갖는 ZMR 챔버의 개략적인 사시도이다.
도 3은 상부 가열 요소의 특정 실시예의 사시도이다.
도 4는 도 3의 상부 가열 요소의 측 단면도이다.
도 5는 내장된 배기 장치를 갖는 비대칭 냉각 가스 노즐에 기초한 냉각 요소의 측 단면도이다.
도 6은 복사 냉각 바아의 측 단면도이다.
도 7은 공동을 갖는 복사 냉각 요소의 측 단면도이다.
도 8은 냉각 롤러의 측 단면도이다.
도 9는 챔버의 내측부를 노출하도록 제거된 챔버벽부를 갖는 ZMR 장치의 특정 실시예의 사시도이다.
도 10은 비교적 결정화가 느린 콜드 월 챔버(cold wall chamber)의 수평 온도 프로파일의 개략적인 곡선이다.
도 11은 과냉각 영역이 형성하는 조건하에 콜드 월 챔버의 수평 온도 프로파일의 개략적인 곡선이다.
도 12는 다공성 릴리스 층(release layer)의 열전도도의 함수로서 용융 실리콘 막 아래의 기판 온도 및 실리콘 막을 용융시키기 위해 가해진 열의 곡선이다.
도 13은 냉각 가스 시스템을 갖는 핫 월 챔버(hot wall chamber)의 수평 온도 프로파일의 개략적인 곡선이다.
도 14는 복사 냉각 시스템을 갖는 핫 월 챔버의 수평 온도 프로파일의 개략적인 곡선이다.
본 명세서에서 기술한 바와 같이, 실리콘막과 같은 무기막의 존 멜팅 재결정화(ZMR: zone melt recrystallization)를 위한 방법은 결정화를 촉진하도록 냉각 요소를 이용하고 및/또는 핫 월 챔버를 이용하는 것을 통해 막의 내외로 열흐름의 제어를 개선하는 것을 포함한다. 챔버의 벽이 가열/단열된다면, ZMR 공정 중에 주변 환경에 대한 열 손실이 적어서, 실리콘 시트를 따른 스트립 히터에 의해 무기 재료를 용융시키는데 열이 덜 부가될 수 있다. 무기 재료가 용융된 후에, 몇몇 실시예에서 냉각 가스 흐름과 같은 냉각 요소는 용융 실리콘으로부터 열을 용이하게 제거하여 응고 및 결정화 공정을 촉진시킬 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기판에 대한 열 전도를 감소시키는 다공성 릴리스 층 위에 무기 재료가 배치된다. 핫 월 챔버 및/또는 냉각 요소를 이용하여 열 흐름을 제어하는 것은 기판을 통한 열 전달을 대체하고 실리콘과 같은 용융 무기 재료로부터의 전도에 의해 기판에 대한 열 손실을 줄인다. 이러한 재결정화 공정은 예컨대 2 미크론 내지 100 미크론 두께를 갖는 중간 두께의 실리콘 포일에서 유효하게 이용될 수 있다. 재결정화될 층의 상단은 보다 높은 용융 온도의 세라믹 조성물이 캡으로서 덮일 수도 있고 덮이지 않을 수도 있다.
존 멜팅 재결정화는 재료의 표면에 걸쳐 스캐닝되는 가열 요소로 실리콘과 같은 무기 재료의 스트립을 국지적으로 용융시키는 것을 포함한다. 히터가 표면에 걸쳐 스캐닝될 때, 일반적으로 초기 결정 크기에 대해 다결정 실리콘 또는 다른 무기 재료의 결정 크기를 증가시키도록 용융 영역이 재료를 냉각시키고 재결정화시킨다. 온도 제어 원리 및 장치 구성이 본 명세서의 교시에 기초한 다결정 무기막의 일반적인 처리에 적합할 수 있지만, 본 명세서의 논의는 실리콘 원소의 통상적인 재료로서의 중요성 때문에 실리콘 원소에 초점을 두고 있다. 게르마늄은 비록 더 낮은 용융 온도를 갖지만, 실리콘과 유사한 특성을 갖는 또 다른 단원소 반도체이다.
존 멜팅 재결정화를 수행하기 위해서, 기판은 용융점에 더 근접하게 실리콘 온도를 상승시키기 위해서 기판 아래에 배치된 적절한 전도 히터로 가열될 수 있어서 대체로 적은 열이 스트립 히터로부터 막 위에 공급되어 실리콘 영역을 용융시킬 수 있다. 하부 히터를 이용하는 것은 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 "Zone-Melt Recrystallization of Semiconductor Materials"란 명칭의 Deguchi 등의 미국 특허 제5,540,183호에 더 기술되어 있다. 본 명세서에서 존 멜팅 재결정화의 개량 버전은 가열 및 냉각의 열 제어가 처리 결과를 개선하기 위해 조작되는 존 프리징 재결정화로서 불릴 수 있다. 이러한 열 제어는 에너지 이용의 감소, 더 짧은 처리 시간 및/또는 기저의 기판으로부터 열적으로 상당히 단열되어 있는 막의 효과적인 처리를 제공할 수 있다.
통상적인 존 멜팅 재결정화에서, 각각의 실리콘 산화물(예컨대 SiO2) 층들이 실리콘 층의 아래 위에 배치된다. 액체 실리콘이 실리콘 산화물을 적시지 않기 때문에, 상층 실리콘 산화물이 존재하지 않는다면 용융 실리콘은 하층의 실리콘 산화물 상에 방울질할 것이다. 실리콘 산화물의 더 높은 용융점에 기인하여, 실리콘은 고체 실리콘 산화물층들 간의 범위 내에서 용융하고 재결정화된다. 액체와 결정질 실리콘 사이의 비교적 적은 부피 변화는 실리콘 산화물층들 간의 범위 내에서 전위 및 결정립계에 의해 조절될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 실리콘에 대한 존 멜팅 재결정화 공정이 실리콘 질화물(예컨대, Si3N4) 층 위에 증착된 실리콘층으로 수행될 수 있다. 용융 실리콘은 실리콘 질화물층에서 방울지기 쉽지 않도록 실리콘 질화물층을 적실 수 있다. 따라서, 높은 용융 온도의 고체 세라믹층이 실리콘층 위에 배치될 수도 있고 또는 배치되지 않을 수도 있다. 상부 층(over-layer)이 이용된다면, 이 층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 탄질화물, 이들의 조합 또는 이들의 혼합물과 같은 더 높은 용융 온도의 재료를 포함할 수 있다. 대안적인 또는 추가적인 실시예에서, 실리콘 막은 실리콘 산화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 탄질화물, 이들의 조합 또는 이들의 혼합물을 포함하는 더 높은 용융 온도의 재료 위에 배치될 수 있다.
특별한 관심 대상인 실시예에서, 재결정화될 무기막은 일반적으로 초기에 비정질 또는 다결정질일 수 있는 비교적 박형의 시트이다. 특히, 시트는 약 100 미크론 이하의 평균 두께를 가질 수 있다. 재결정화 공정은 다결정 재료 내에 더 큰 결정을 형성하는 것을 통해 몇몇 실시예의 경우 다결정질 막의 특징을 개선할 수 있다. 더 큰 결정을 갖는 실리콘 막은 더 긴 캐리어 수명과 같은 전기적 특성을 개선할 수 있다. 무기막은 도핑될 수도 있고 또는 도핑되지 않을 수도 있다.
몇몇 용례의 경우, 박막을 이후 추가 처리를 받을 수 있는 실리콘의 박형 포일 또는 다른 무기 재료로 분리할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 실리콘 박막이 다공성 릴리스 층 위에 성공적으로 형성될 수 있다는 점을 알아냈다. 다공성 릴리스 층의 파쇄시에, 박형의 무기 포일은 프리스탠딩(free standing) 구조체로 될 수 있다. 그러나, 프리스탠딩 구조체란 개념은 전사성(transferability)을 지칭하는 것이며, "프리스탠딩" 구조체가 실제로 항시 지지되지 않은 상태로 있지 않을 수 있다. 본 명세서에서 프리스탠딩이라는 용어는, 포일을 계속적으로 지지하는 것이 우발적인 손상을 줄일 수 있기 때문에 "프리스탠딩" 포일이 실제로 지지 기판으로부터 결코 분리되지 않을 수 있다 하더라도, 층을 전사할 능력이 있는 분리 가능하게 결합된 구조체를 포함하는 광범위한 해석을 갖는다. 프리스탠딩은 막이 자체 중량을 지지할 수 있음을 의미하지는 않는다. 일반적으로, 기판은 릴리스 층의 파쇄 및 실리콘 포일의 제거 후에 재활용될 수 있다. 기판 표면은 기판이 재활용될 수 있도록 릴리스 층의 잔여물을 제거하기 위해 세정될 수 있다. 기판이 재활용될 수 있기 때문에, 고품질의 기판이 경제적으로 이용될 수 있다.
다공성 릴리스 층은 기판에 증착된 본질적으로 미융합 서브 미크론 입자 또는 이들 서브 미크론 입자가 융합된 다공성 네트워크를 포함할 수 있다. 따라서, 다공성 릴리스 층은 반응성 증착으로 인한 수트(soot)일 수 있고, 이는 융합된 입자 네트워크 형태일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 릴리스 층은 적절한 코팅 기법을 이용하여 입자의 분산액으로부터 증착하고, 이어서 증발 등을 통해 분산제를 제거한 서브미크론 입자의 분말 층을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 재결정화 공정은 재결정될 막과 기저의 기판 사이에서 릴리스 층과 접촉하는 막에서 수행될 수 있다. 일반적으로, 재결정화 공정 중에 용융되지 않는 적절한 고온의 용융 온도를 갖는 세라믹 재료로부터 다공성, 입상 릴리스 층이 형성된다. 예컨대, 실리콘 상부층의 경우, 릴리스 층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 탄질화물, 이들의 조합 및 이들의 혼합물과 같은 세라믹을 포함할 수 있다. 릴리스 층은 재결정화를 겪은 무기막과 기판 사이에 상당한 단열량을 제공할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 무기 시트는 박형일뿐만 아니라 넓은 면적을 갖는다. 상세하게는, 넓은 면적의 실리콘계 반도체 박막의 몇몇 실시예에서, 구조체는 적어도 약 900 ㎠의 면적을 가질 수 있고, 몇몇 실시예에서 시트는 10 ㎡ 이하의 면적을 가질 수 있다. 넓은 면적 및 작은 두께는 재료의 비용과 재료 소비를 절약하면서 개선된 디바이스를 형성하는 독특한 방식에 이용될 수 있다. 태양 전지를 제조하는데 실리콘(또는 그 전구체)의 소비를 줄이기 위해서, 5 내지 100 미크론의 다결정 실리콘의 박형 포일이 바람직할 수 있다.
일반적으로, 임의의 적절한 방법이 무기막을 형성하는데 이용될 수 있다. 실리콘 막을 제조하는 하나의 방법은 화학적 증기 증착(CVD)을 이용하는 것이다. CVD는 기판의 표면에서 전구체 가스(예컨대, 실란)의 분해 또는 다른 반응을 설명하는 일반적인 용어이다. CVD가 수행되는 온도와 압력을 다양하게 함으로써, 비교적 균일한 박막 또는 후막이 얻어질 수 있다. CVD는 또한 플라즈마 향상 화학적 증기 증착법일 수 있다.
수 미크론 정도의 두께를 갖는 결정질 실리콘의 매우 얇은 막이 고진공에서 통상적인 CVD로 효과적으로 형성될 수 있다. 또한 대기압하에서의 CVD(대기압 CVD)가 후형의 층을 적절한 속도로 증착하는데 이용될 수 있다. 아대기압에서 수행될 때, 대기압 CVD에 비해 다소 느린(비교적 빠를지라도) 속도로 더 균일한 박막을 양산하도록 증착이 더 양호하게 제어될 수 있다. 대기압에서 반응물의 더 높은 처리량이 얻어질 수 있지만, 증착된 무기막의 높은 균일성은 약 50 Torr 또는 약 600 Torr의 아대기압의 압력 또는 상기 명시적인 범위 내의 선택된 하위 범위의 압력에서 얻어질 수 있다. 대기압에서 수행되든 아대기압의 압력에서 수행되든, 증착을 위해 이동 기판으로 향한 노즐 개구에 의해서 결정된 형상을 갖는 흐름으로서 노즐을 통해 반응물이 안내될 수 있다. 대기압 이하의 CVD(아대기압 CVD)는 증착된 조성의 특성을 갖는 증착 공정의 속도와 균형을 맞추도록 선택된 속도로 반응물 흐름에 대해 이동하는 기판에 반응물 전구체 조성물을 전달하기 위해 긴 노즐을 이용하여 실리콘과 같은 무기 재료를 증착하도록 발전되었다. 긴 노즐은 기판으로 반응물의 스트라이프를 동시에 안내하도록 성형될 수 있다.
실리콘 막의 경우, 600℃ 내지 1200℃ 범위의 고온에서 대기압 또는 대기압 근처에서 CVD가 기판에서 수행될 수 있다. 이러한 조건은 수 미크론을 초과하는 두께를 갖는 막의 경우 상당히 높은 증착 속도를 제공한다. CVD 증착 공정이 릴리스 층에서 아대기압하의 압력으로 수행될 수 있음을 설명하였다.
실리콘과 같은 무기막의 증착을 위한 또 다른 접근법은 광 반응성 증착이다. 광 반응 증착에서, 광 비임은 광 비임으로부터 하류의 생성물 흐름을 생성하기 위해 광 비임을 통해 흐르도록 배향된 반응물 흐름의 반응을 추진하도록 열을 제공한다. 레이저 비임이 편리한 에너지원인 반면에, 다른 강렬한 광원이 광 반응성 증착에 이용될 수 있다. 반응 조성, 반응 조건 및 증착 파라미터가 밀도, 다공성 등에 대한 코팅의 특성뿐만 아니라 코팅의 조성을 변화시키도록 선택될 수 있다.
릴리스 층은 적절하게 낮은 수준의 오염 및 적절하게 균일한 층을 제공하는 다양한 기법을 이용하여 증착될 수 있다. 다공성, 입상 릴리스 층은 광 반응성 증착(LRDTM)을 이용하여 또는 분산으로부터 서브미크론 입자 코팅의 증착을 통해 형성될 수 있다. LRD 증착은 융합된 서브미크론 입자로 다공성 네트워크를 야기할 수 있는 한편, 서브미크론 입자의 분산된 분말로부터의 코팅은 미융합 입자의 코팅을 야기한다.
다공성 층이 융합 또는 미융합 입자를 포함하는 것 어느 쪽이든, 몇몇 실시예에서 후속하여 증착된 층(들)이 비교적 평탄한 막이도록 다공성 층의 표면이 비교적 평탄한 표면을 갖기 위해서 다공성 구조체가 서브미크론 입자를 수반하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 다공성 릴리스 층은 자원이 낭비되지 않도록 너무 두껍지 않은 두께를 이용하는 것이 바람직할 수 있지만, 소정의 합리적인 두께를 가질 수 있다. 릴리스 층은 충분한 두께를 포함하여야 하는데, 이는 후속의 보호막 층은 기저의 기판과 직접적으로 상호작용하지 않아야 하기 때문이다. 다공성 입상 릴리스 층을 형성하는 것은, 모두가 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는, 동시 계류중인 "Deposition Onto a Release layer for the Formation of Inorganic Foils"란 명칭의 Hieslmair 등의 미국 가특허출원 제61/062,398호 및 "Thin Silicon or Germanium Sheets and Photovoltaics Formed From Thin Sheets"란 명칭의 Hieslmair 등의 공개된 미국 특허 출원 제2007/0212510A호에서 더 기술하고 있다.
몇몇 실시예에서, 실리콘 막이 다공성 릴리스 층과 직접적으로 또는 간접적으로 결합되어 있는 동안 재결정화 공정이 수행된다. 즉, 실리콘 막은 릴리스 층으로부터 막을 분리하기에 앞서 재결정화된다. 하나 또는 그 이상의 상부 층들이 다공성 입상 릴리스 층에 증착될 수 있다. 예컨대, 실리콘 막과 릴리스 층 사이에 비교적 비다공질의 또는 조밀한 실리콘 질화물(Si3N4) 층을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 선택적으로, 캡 층(들)이 실리콘 위에 배치될 수 있고, 캡 층은 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 실리콘 산질화물, 실리콘 탄화물, 실리콘 탄질화물, 알루미늄 산화물 Al2O3, 이들의 혼합물, 이들의 실리콘 다량 함유 조성물, 및 이들의 조합과 같은 높은 멜팅 온도의 세라믹을 포함할 수 있다.
릴리스 층의 상부에 상부 층을 형성하기 위한 적절한 접근법은 예컨대 고진공의 화학적 증기 증착, 대기압과의 화학적 증기 증착, 아대기압과의 화학적 증기 증착, 광반응성 조밀한 증착, 및 이들의 조합(예컨대, 상이한 층이 상이한 방법을 이용하여 증착될 수 있다)을 포함한다. 예컨대, 다공성 릴리스 층은 광반응성 증착을 이용하여 증착될 수 있고 하나 또는 그 이상의 상부 층이 아대기압과의 CVD를 이용하여 증착될 수 있다. 단일의 반응 챔버가 광반응성 증착 및 아대기압과의 스캐닝 CVD와 같은 다양한 기법에 기초한 증착을 수행하도록 이용될 수 있다.
존 멜팅 재결정화를 수행하는 장치는 일반적으로 챔버, 스트립 열원, 무기막 및 관련 구조체를 유지시키는 기판 지지체, 및 무기막과 스트립 히터의 상대 운동을 제공하는 운송 시스템을 포함한다. 운송 시스템은 챔버에 대하여 지지체를 이동시킬 수 있거나, 챔버에 대하여 스트립 히터를 이동시킬 수 있거나, 또는 이들 모두일 수 있다. 그 장치는 재결정 공정을 용이하게 하기 위해 용융 실리콘에서 열을 제거하도록 냉각 요소를 선택적으로 포함할 수도 있다. 적절한 냉각 요소는 예컨대 복사 히트싱크, 냉각 롤러 및/또는 가열 영역의 응고 측에 냉각 유입 가스의 흐름을 제공하기 위해 비대칭적으로 배출하는 선형 노즐과 같은 냉각 가스 공급원을 포함한다. 또한, 몇몇 실시예에서, 챔버 벽은 벽의 가열을 통해 및/또는 벽의 단열을 통해 달성될 수 있는 선택된 온도 범위 내에서 제어된다. 재결정화 챔버 내의 기판을 둘러싸는 선택된 온도 범위는 특정 공정에 대해 선택된 것처럼 약 900℃ 또는 무기막의 용융 온도보다 몇 ℃ 낮은 온도 범위 내일 수 있다. 챔버는 챔버를 둘러싸는 주변 대기로부터 효과적으로 단열될 수 있거나 단열되지 않을 수 있다. 실리콘 막이 캐핑 층을 갖지 않는다면, 챔버 내의 가스 분위기로 제어하여, 이에 상응하게 챔버 내의 가스로 실리콘 표면의 반응을 제어하는 것이 일반적으로 바람직할 수 있다.
기판 지지체는 일반적으로 챔버의 온도에서 무기막 및 결합된 구조체를 유지하는 소정의 적절한 플랫폼일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 컨베이어가 챔버에 대하여 지지체를 이동시키도록 구성된다면 지지체는 컨베이어 또는 운송 시스템의 다른 구성 요소와 일체화될 수 있다. 예컨대, 운송 시스템은 적절한 이동 요소로 연결된 컨베이어 벨트 또는 스테이지 또는 플랫폼을 포함할 수 있다. 컨베이어는 지지체 및/또는 선형 히터를 이동시키도록 적절하게 구성될 수 있다.
일반적으로, 선형 열원으로부터의 복사열의 라인이 막에 걸쳐 이동하거나 스윕(sweep)할 수 있어서 막에 걸쳐 가열 영역으로서 얇은 스트라이프를 제공한다. 이러한 구성은 전도를 통해 조사(照射) 영역을 지나 다소 퍼진 실리콘 용융 영역을 생성하고, 이 무개 재료의 용융 영역이 가열 영역에 대해 하류측으로 운반된다. 히터와 막이 서로에 대해 움직일 때, 그러한 파형 용융 부분의 전방부는 가열 영역으로부터 더 멀어짐에 따라 냉각되고, 충분히 냉각될 때 실리콘이 결정화된다. 결정화 속도는 재결정 실리콘 제품의 특성에 영향을 준다.
본 명세서에서 기술한 바와 같이, 콜드 월 챔버가 대안적인 실시예로 이용될 수 있긴 하지만, 핫 월 챔버가 소망의 결과를 위해 효과적으로 이용될 수 있다. 핫 월 챔버는 실리콘 막이 다공성 릴리스 층과 결합된 실시예에서 특히 바람직할 수 있다. 챔버의 벽은 열전대 또는 온도 조절기를 포함할 수 있고, 챔버 벽 또는 그 일부의 온도는 특정 선택된 온도가 일반적으로 무기막의 조성에 의해 영향을 받기는 하지만 대체로 약 400℃ 내지 1400℃의 온도로 설정될 수 있다. 이하에서 더 기술한 바와 같이, 챔버는 냉각 공정을 더 양호하게 제어하기 위해 히터 하류의 막으로부터 열을 제거하도록 구성된 냉각 요소를 구비할 수 있다.
경제상 및 제조상의 이유로, 비교적 높은 속도로 선형의 열원을 이동시키거나 막에 걸쳐 가열 영역을 스윕하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 매우 충분한 ZMR 속도에서, 얻어진 응고 실리콘 막은 더 낮은 속도로 재결정화된 막에 비해 열등한 품질을 가질 수 있다. 상세하게는, 결정립의 크기가 감소할 수 있고, 결정 결함의 밀도가 증가할 수 있다. 따라서, 적절한 결정 품질을 생성하는 동시에 ZMR 속도가 균형 잡히게 하는 속도를 선택하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 균형의 결정은 ZMR 속도, 결정 품질, 또는 이들 모두의 개선점을 제한하는 제한 변수의 조사를 포함한다. 관련 변수는 예컨대 액체 실리콘 원자가 결정 내에 배치되는 속도 및 결정 결함을 유발할 수 있는 상당한 열적 변형을 야기하지 않고 열이 실리콘 응고 전방으로부터 제거될 수 있는 속도를 포함한다.
액체 실리콘 원자가 결정으로 배열되는 속도는 공정에서 물리적인 한계를 제공한다. 결정화 공정의 원자 규모 동역학에 의해 부과되는 한도에 이르지 않고 다른 적절한 변수가 조절될 수 있다면 ZMR 속도는 소망의 한도 이하로 결정 품질을 희생하지 않고 개선될 수 있다. 특히, 응고열은 약 1800 J/g이고 열 용량은 약 1 J/gC라는 점을 주목하여야 한다. 응고 전방으로부터 열의 제거를 개선하는 것은 예컨대 막의 표면으로부터의 복사, 챔버 내의 분위기 가스 대류, 및 기판으로의 열 전도를 포함하는 열 배출 경로들 중 각각으로부터 열의 제거를 조절하는 것을 통해 고안될 수 있다.
관심 대상인 주요 용례는 태양 전지의 제조이지만, 다른 용례는 예컨대 플랫 패널 디스플레이를 포함한다. 특히, 반도체 시트는 박막 트랜지스터 및/또는 다른 집적 회로 소자의 형성을 위한 기판일 수 있다. 따라서, 박형 반도체 시트는 각 픽셀과 결합된 하나 또는 그 이상의 트랜지스터를 갖는 대형 포맷 디스플레이 회로일 수 있다. 얻어진 회로는 유리 공정에서 실리콘에 의해 형성된 구조체를 대체할 수 있다. 시트는 트랜지스터 또는 다른 회로 구조체를 형성하도록 패터닝될 수 있다. 큰 면적의 반도체 포일로부터 디스플레이 소자를 형성하는 것은 본 명세서에서 참조로 포함되어 있는 "Thin Silicon or Germanium Sheets and Photovoltaics Formed From Thin Sheets"란 명칭의 Hieslmair 등의 공개된 미국 특허 출원 제2007/0212510A호에 더 기술되어 있다.
본 명세서에 기술되어 있는 존 멜팅 재결정화 기법은 특히 막이 릴리스 층과 결합될 때 특정 관심 대상인 두께 범위에서 무기막의 바람직한 처리를 제공한다. 본 발명의 장치 및 방법은 생산 라인을 따라 연속적으로 생산된 일련의 막을 취급하기 위한 통합 시스템 내의 자동화 공정에 적합할 수 있다. 이 공정은 바람직한 수준의 에너지 효율 및 생산 속도를 구비할 수 있다.
무기막 및 상응하는 구조체의 특성 및 형성
일반적으로 재결정화된 무기막은 막이 구조체 내의 층을 형성하는 무기 구조체과 결합된다. 전체적인 구조체는 막을 손상하지 않고 편리하게 취급될 수 있는 조립체를 제공한다. 막은 구조체 내에 영구층으로서 또는 기판상에 분리 가능하게 지지된 포일로서 구조체 내에 포함될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 막은 존 멜팅 재결정화에 이어 포일로서 분리될 수 있도록 기계적으로 약한 릴리스 층과 직접적으로 또는 간접적으로 결합된다. 반응성 증착 접근법이 막 및 선택적으로 구조체 내에 다른 층들 중 일부를 형성하는데 편리하게 이용될 수 있다. 실리콘에 대한 존 멜팅 재결정화의 몇몇 용례에서, 실리콘은 두 개의 세라믹 층들 사이에 끼워진다. 세라믹 재료는 실리콘보다 더 높은 용융점을 가져서 실리콘 층이 세라믹 층들 사이에서 녹고 이어서 세라믹 층 경계 내에서 응고된다. 상부 세라믹 층은 용융 실리콘이 표면 장력 또는 다른 영향의 결과로서 비딩되거나 그렇지 않은 경우 평면 층으로부터 현저하게 뒤틀리는 것을 방지한다.
ZMR 처리를 위한 무기 구조체는 기판, 막, 하나 또는 그 이상의 선택적인 중간 층, 및 하나 또는 그 이상의 선택적인 캐핑 층을 포함한다. 무기 구조체(100)의 실시예의 개략적인 도해가 도 1에 도시되어 있다. 구조체(100)은 기판(102), 릴리스 층(104), 하부 층(106), 무기막(108) 및 캡 층(110)을 포함한다. 기판(102)은 일반적으로 취급 중에 구조체에 기계적인 안정성을 제공한다. 일반적으로, 기판은 존 멜팅 재결정화 공정 중에 열 응력으로부터 현저하게 손상되지 않거나 용융되지 않도록 하는 조성을 가질 수 있다. 기판이 구조체에 영구적으로 병합된다면, 기판의 특성은 무기 구조체의 궁극적인 용례를 위해 적절하게 선택될 수 있다. 무기 포일을 형성하도록 나중에 릴리스 층에서 막을 분리하는 용례의 경우, 기판이 재활용될 수 있다. 실리콘 포일의 처리를 위해, 적절하게 높은 용융된 세라믹도 마찬가지로 이용될 수 있지만, 실리콘 기판이 적절할 수 있다. 고품질의 세라믹 기판은 제품으로의 추가 처리를 위한 구조체로 옮기도록 포일을 기판으로부터 분리한 후에 기판을 세정하여 재활용할 수 있다는 점 때문에 바람직하지 않은 고비용을 야기하지 않고 이용될 수 있다. 적절한 기판은 매끄러운 실리콘 표면, 실리카 글라스와 같은 세라믹 표면일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 기판은 가요성 재료일 수 있다. 예컨대, 고온에서 견딜 수 있는 가요성 세라믹 시트가 이용될 수 있다. 예컨대, 3M사의 NextelTM 우븐 세라믹 직물 또는 SGL Carbon AG(SGL Group)의 SigraBond® 탄소가 기판으로서 이용될 수 있다.
릴리스 층은 릴리스 층을 인접 재료와 구별하는 특성 및/또는 조성을 갖는다. 일반적으로, 릴리스 층의 특성은 인접 재료들 중 하나 또는 모두로부터 릴리스 층의 분리를 위해 제공된다. 릴리스 층의 적절한 물리적 특성은, 예컨대, 저밀도, 높은 용융점/연화점, 낮은 기계적 강도, 높은 열팽창 계수 또는 이들의 조합일 수 있다. 게다가, 릴리스 층의 재료는 일반적으로 몇몇 실시예에서 고온과 같은 관련 공정 단계의 조건에서 다른 재료에 대하여 불활성이어야 한다. 릴리스 층의 기계적 파쇄를 위해, 일반적으로 릴리스 층이 주변 재료보다 더 낮은 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 특히, 릴리스 층은 적어도 약 40%의 다공성, 몇몇 실시예에서는 적어도 약 45%의 다공성 및 다른 실시예에서는 약 50% 내지 90%의 다공성을 가질 수 있다. 당업자는 상기 명시적인 범위 내의 다공성의 추가 범위가 고려되고 본 명세서 내에 있음을 인식할 것이다. 다공성은 기공의 면적을 총 면적으로 나눈 것으로 구조체의 단면의 SEM 현미경 사진으로부터 평가할 수 있다. 실리콘 막의 경우, 실리콘에 대한 릴리스 층을 위해 적절한 재료는 예컨대 실리콘 질화물(Si3N4) 또는 실리콘이 풍부한 실리콘 산화물(SiOx, x<2)을 포함한다.
하부 층(106)은 재결정화 공정 중에 막과 릴리스 층 사이에서 조밀한 버퍼로서 기능할 수 있다. 또한, 하부 층은 재결정화 막을 포함하는 최종 장치에 기능 층을 형성할 수 있다. 캡 층(110)이 상부 세라믹 층으로 기능한다. 액체 실리콘은 실리콘 이산화물 및 몇몇 다른 세라믹 재료에 묻을 때 일반적으로 큰 접촉각을 가져 액체 실리콘이 방울지게 된다. 액체 실리콘이 방울지면, 다결정 평면 층으로 냉각되지 않아, 캡 층이 평면 구성으로 용융 실리콘을 적절하게 가두는데 이용될 수 있다. 용융 실리콘은 작은 접촉 각으로 실리콘 질화물을 적신다. 따라서, 적절한 실시예에서, 실리콘 질화물 상의 용융 실리콘은 상부 세라믹 층에 의해 용융 실리콘을 가두지 않고도 평탄한 표면을 적절하게 유지할 수 있다.
따라서, 액체 실리콘을 가두는 캡 층이 이용될 수도 있고 이용되지 않을 수도 있다. 표면 장력 및 표면 상호작용이 액체의 방울짐 막는 젖음성(wetting)을 제공하더라도, 대류 또는 열모세관 효과와 같은 바람직하지 않은 방식으로 액체 실리콘을 이동시킬 수 있는 다른 효과가 존재할 수 있다. 박형 캡 층은 상응하는 산화물, 질화물 또는 산질화물의 피막을 형성하는 산소 및/또는 질소 함유 냉각 가스로 인 시튜(in-situ)로 형성될 수 있다.
광전지 용례의 경우, 실리콘 층의 각 면상의 상부 및 하부 부동태 층이 기계적 및 화학적 손상으로부터 보호하기 위해서뿐만 아니라 전기적 단열층을 제공하도록 기능한다. 하부 층(106) 및 캡 층(110)은 무기막으로부터 형성되는 디바이스 내의 부동태 층으로서 포함될 수 있다. 부동태 층을 형성하는 적절한 재료는 수소가 첨가되거나 첨가되지 않는 예컨대 화학량론적 및 비화학량론적 실리콘 산화물, 실리콘 질화물, 및 실리콘 산질화물을 포함한다. 상세하게는, 부동태 층은 예컨대, SiNxOy(x ≤ 4/3, y ≤ 2), 실리콘 산화물(SiO2), 실리콘 질화물(Si3N4), 실리콘이 풍부한 산화물(SiOx, x < 2), 또는 실리콘이 풍부한 질화물(SiNx, x < 4/3)을 포함할 수 있다. 전면의 알루미늄 산화물 부동태 층은 표면에서의 에너지 손실 감소를 통해 상당한 양만큼 실리콘계 태양 전지의 효율을 개선할 수 있다. 일반적으로 부동태 층은 대체로 약 10 나노미터(nm) 내지 약 200 nm, 다른 실시예에서 약 20 nm 내지 약 180 nm, 다른 실시예에서 약 30 nm 내지 150 nm의 두께를 가질 수 있다. 광전지에서 전면의 부동태 층은 반사 방지 코팅으로서도 기능할 수 있다. 당업자는 상기 명시 범위 내의 추가 두께 범위가 고려되고 본 명세서 내에 있음을 인식할 것이다.
또한, 몇몇 실시예에서, 박형 실리콘 반도체 막은 적어도 약 2 미크론, 몇몇 실시예에서 약 3 미크론 내지 약 100 미크론의 두께를 가질 수 있고, 다른 실시예에서 실리콘 막은 약 5 미크론 내지 약 50 미크론의 두께를 갖는다. 당업자는 상기 명시 범위 내의 영역 및 두께의 추가 범위가 고려되고 본 명세서 내에 있음을 인식할 것이다.
일반적으로, 무기 구조체를 형성하도록 소정의 적절한 기법이 이용될 수 있다. 동시 계류중인 특허 출원은 광 반응성 증착에 의해 또한 형성되는 다공성 층 위헤 다결정 실리콘층을 형성하도록 광 반응성 증착을 이용하는 것을 기술하고 있다. 이러한 동시 계류중인 특허 출원은 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 "Thin Silicon or Germanium Sheets and Photovoltaics Formed From Thin Sheets"란 명칭으로 Hieslmair 등이 2007년 3월 13일 출원하여 US 2007/0212510로 공개되었다. 유사하게는, 공개된 본 특허 출원에 기술된 공정에서, 다공성 입상 릴리스 층은 광 반응성 증착에 의해 형성될 수도 있다. LRD 증착은 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 "Coating Formation by Reactive Deposition"이란 명칭의 Bi 등의 공개된 미국 특허 출원 제2003/0228415A호에 더 기술되어 있다. 광 반응성 증착이 존 멜팅 재결정화에 적합한 조성을 포함한 광범위의 무기 조성을 증착하는데 이용될 수 있다.
다공성 입상 릴리스 층 위의 CVD 증착은 본 명세서에 모두 참조로 포함되어 있는 동시계류중인 "Sub-Atmospheric Pressure CVD"란 명칭의 Hieslmair 등의 2007년 6월 15일 출원된 미국 가특허출원 제60/934,793호 및 "Deposition Onto a Release Layer for the Formation of Inorganic Foils"란 명칭의 Hieslmair 등의 2008년 1월 25일 출원된 미국 가특허출원 제61/062,398호에 더 기술되어 있다. 언급한 가특허출원은 대기압 CVD 및 아대기압 CVD를 실리콘 막 및 다른 무기막을 형성하도록 광 반응성 증착 챔버 내에서 광원을 끈 상태로 수행할 수 있음을 교시하고 있다.
ZMR 장치
ZMR 장치는 재결정화를 겪는 막에 대하여 전달되는 열 흐름을 제어하기 위해 적절한 기판 취급 시스템 및 구성 요소로 구성된 챔버를 포함한다. 적절한 측정 장치는 열 제어 시스템을 위해 피드백을 제공할 수 있다. 특히, 몇몇 실시예에엇, 핫 월 챔버는 용융을 위해 막에 가해져야 하는 열을 줄이는 더 높은 배경 챔버 온도를 제공한다. 추가적이거나 대안적인 실시예에서, 냉각 요소는 결정화 공정이 더 많은 제어 조건하에서 수행될 수 있도록 용융 막의 냉각을 제어할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 막은 기판으로부터의 단열을 제공하는 다공성 릴리스 층을 갖는 구조체 내에서 재결정화된다. 단열 릴리스 층을 이용하여, 기판은 막의 용융점에 비해 뜨거운 온도로 가열될 필요가 없다. 히터는 막 표면에 걸쳐 더 일정한 온도를 제공하기 위해 다양한 열 입력을 측면에서 제공하는 히터가 이용될 수 있다. 이러한 개개의 개선된 특징이 개별적으로 제공될 수 있고, 또는 개선된 열 제어로 효과적인 재결정화를 위해 개선된 특징들 중 모두를 포함하는 것처럼 선택된 조합으로 결합될 수 있다.
ZMR 장치는 바람직하게는 대안적인 실시예가 단지 하나의 특징 또는 한 분야의 특징을 가질 수 있지만, 본 명세서에 기술한 바와 같은 개선된 특징들의 집합으로 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. ZMR 장치(150)는 핫 월 챔버(152), 컨베이어 시스템(154), 상부 가열 요소(156), 냉각 요소(158), 하부 히터(160), 광학 측정 장치(162), 및 온도 센서(164)를 포함한다. 핫 월 챔버(152)는 개별적으로 단열 및/또는 가열될 수 있는 측벽, 전방 벽, 후방 벽, 상부 및 하부를 포함한다. 특히, 챔버는 가열 챔버로부터 열의 낭비를 줄이도록 단열될 수 있다. 별개의 하부 히터(160)가 도 2에 도시되어 있다. 하부 히터(160)는 붕소 질화물 히터와 같은 세라믹 히터, 또는 다른 적절한 장치일 수 있다. 다공성 릴리스 층이 열을 효과적으로 전도할 수 없기 때문에 실리콘이 다공성 릴리스 층에 배치되는 실시예의 경우 바람직하지 않을 수 있지만, 선택적인 하부 히터 공급원이 지지 플랫폼에 병합될 수도 있다.
실리콘 막이 캐핑 층을 갖지 않는다면, 챔버 내의 가스로 실리콘 표면의 소정 반응을 상응하게 제어하기 위해 챔버 내의 분위기를 제어하는 것이 대체로 바람직하다. 몇몇 실시예에서, 챔버는 아르곤과 같은 불활성 가스로 채워진다. 폐쇄된 챔버는 금속 및 세라믹과 같은 다양한 내구성이 있는 재료로 구성될 수 있다. 핫 월 챔버의 경우, 벽들이 내화 재료를 포함할 수 있고, 다층 구조를 가질 수 있다. 챔버 벽들의 안쪽으로 직면하는 표면은 챔버가 처리 온도에 있는 경우에 그 내의 분위기에 대해 불활성인 한편 오염원이 될 수 있는 원자를 방출하지 않아야 한다. 적절한 불활성 내화 재료는 실리콘 탄화물, 실리콘 질화물 등을 포함할 수 있다. 안쪽으로 직면하는 표면은 몇몇 온도 및 분위기의 경우 용융 석영과 같은 비내화 재료를 포함할 수 있다. 용융 석영은 챔버에 산소가 존재하지 않는다면 그 석영이 불활성 내구재료로서 역할을 할 수 있어 바람직한 재료일 수 있다. 불활성의 안쪽으로 직면하는 층 뒤의 재료는 높은 알루미나 내화성 벽돌, 실리카 에어로겔, 스페이스 셔틀 타일에서 이용되는 것과 같은 실리카 섬유 재료 등 높은 단열 값을 갖는 불활성의 내화 재료일 수 있다. 유사한 재료가 유리로와 같은 산업용 로에서 이용되어 왔다. 벽이 가열된다면, 가열 요소가 예컨대 불활성 내화성 내부 재료와 높은 단열성의 내화 층 사이에 배치될 수 있다. 벽은 챔버의 안쪽에서부터 빛이 반사될 수도 또는 반사되지 않을 수도 있다. 바람직하게는 추가의 벽 층이 이용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 높은 단열성의 벽이 벽 안에 내장된 히터 없이 연속적이거나 규칙적으로 시스템을 처리하는 동안 재결정화 공정에 의해 생성된 열을 유지하는 것에 기초한 적절한 배경 범위 내에서 내부 챔버 온도를 유지하는 것이 용이할 수 있지만, 챔버 벽은 재결정화의 가열 및 냉각 공정이 일어날 수 있는 온도에 대해 배경 온도를 제공하도록 가열될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 열을 챔버 벽에 공급하도록 저항성 히터 등이 챔버 벽 내로 병합될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 양호하게 단열된 챔버 벽이 존 멜팅 공정으로부터 열을 유지하도록 구성될 수 있어서 벽의 직접적인 가열이 이용될 수도 이용되지 않을 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 벽은 히터 및 온도 센서를 포함할 수 있어서 벽이 초기에 가열될 수 있고, 그 후, 벽을 소망의 온도로 유지하도록 히터가 꺼질 수 있거나 소량의 입력 전원으로만 작동될 수 있다.
컨베이어 시스템(154)은 기판과 함께 기판 홀더를 챔버를 통해 좌우로 운반하도록 기판 홀더와 맞물리는 체인 구동 장치 등과 같은 적절한 구동 장치를 포함한다. 구동 장치에 동력을 공급하는 모터가 챔버(152)의 외측에 배치될 수 있어서 모터는 저온 조건하에서 모터와 맞물리는 구동부 부분과 함께 작동될 수 있다.
상부 가열 요소(156)는 집속 할로겐 또는 제논 램프, 유도 히터, 탄소 스트립 히터, 래스터 레이져 등일 수 있다. 존 멜팅 재결정화를 위한 텅스텐 할로겐 램프의 집속은 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 "Zone Melt Recrystallization of Polysilicon by a Focused Lamp with Unsymmetric Trapezoidal Power Distribution"이란 명칭으로 Journal of Electronic Materials, 20(3) pp 231-235에 Choi 등의 논문에 더 기술되어 있다. 특별하게 구성된 탄소 스트립 히터의 이용은 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 "Zone-Melting Recrystallization of Semiconductor Materials"란 명칭으로 Deguchi 등의 미국 특허 제5,540,183호에 기술되어 있다. 파라볼릭 단면을 갖는 적절한 선형 리플렉터가 실리콘을 용융시키기 위해 표면상에서 빛을 반사시키고 집중시키는데 이용될 수 있다. 대안적인 또는 추가적인 실시예에서, 상부 가열 요소(156)는 레이저 다이오드 어레이일 수 있는 다이오드 어레이를 포함할 수 있다.
일반적으로, 상부 가열 요소(156)가 막의 좁은 스트라이프를 균일하게 가열하는 것이 바람직하다. 가열되는 영역은 용융되는 영역이 상응하게 감소될 수 있도록 좁은 것이 바람직하다. 저온 영역의 용융을 보장하기 위해 과도한 열이 시스템에 첨가되지 않도록 스트라이프를 따라 비교적 균일하게 가열하는 것이 바람직하다. 몇몇 실시예에서, 상부 가열 요소(156)는 스트립의 중심에 비해 스트립의 단부쪽에 더 많은 열을 제공하도록 구성될 수 있어서 막의 스트라이프가 ZMR 챔버의 예상된 온도 프로파일에 기초하여 더 균일하게 가열된다. 다이오드 어레이를 이용하여, 개개의 다이오드에 대한 전력은 어레이의 단부로부터 열 방출을 바람직하게 증가시키도록 조절될 수 있다. 다른 실시예에서, 탄소 스트립 히터는 히터 중심 근처에서의 회전수에 비해 스트립 히터의 단부를 향해 배치된 히터에 동력을 공급하는 와이어의 더 큰 회전수로 구성될 수 있다.
상부 가열 요소의 특정 실시예가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 상부 가열 요소(180)는 램프를 ZMR 챔버의 다른 부분과 분리시키는 석영 창을 갖는 지지 프레임(186)에 장착된 각을 이룬 탄소 스트립 히터(182, 184)를 포함한다. 탄소 스트립 히터(182, 184)는 각각 좁은 스트립의 빛을 생성하도록 구성된다. 스트립 히터(182, 184)는 각각의 빛 방출이 대략 겹쳐진 영역에서 기판으로 향하도록 각을 이룰 수 있다. 지지 프레임(186)은 스트립 히터(182, 184)의 각, 기판에 대한 높이 및 기판의 면을 따르는 스트립 히터(182, 184)의 측면 배치를 위한 조절 장치를 포함할 수 있다.
냉각 요소(158)는 예컨대 냉각 가스 입구, 전도성 냉각 접촉부 및/또는 흑체 복사 히트싱크를 포함할 수 있다. 일반적으로, 냉각 요소(158)는 스트립 히터에 유사한 스트립 구성을 가질 수 있어서, 냉각 요소는 용융 영역의 통과에 이어 막의 용융된 스트라이프로부터 열을 제거한다. 냉각도는 결정화를 촉진하고 결정화 공정을 더 균일하게 하기 위해 막의 스트라이프의 온도를 낮추도록 조절될 수 있다. 또한, 결정화 막의 소망의 특성을 야기하도록 속도가 조절될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 상부 가열 요소(156) 및 냉각 요소(158)의 상대 위치는 결정화된 막의 특성을 상응하게 변경하도록 조절될 수 있다.
도 5를 참조하면, 냉각 가스 시스템의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 냉각 가스 시스템(190)은 냉각 가스 저장소(194)에 작동 가능하게 연결된 냉각 가스 입구(192), 및 펌프(198), 송풍기 또는 다른 가스 흐름 요소에 작동 가능하게 연결된 배출구(196)를 포함한다. 냉각 가스 시스템(190)은 챔버가 더 냉각되지 않도록 냉각 가스가 막 구조체과 상호 작용한 후에 배출구(196)로 냉각 가스를 제거하도록 구성된다. 냉각 가스는 상온에 비해 차갑게 될 필요는 없지만, 냉각 가스는 챔버 온도에 비해 차가워야 한다. 또한, 가스의 온도는 바람직하지 않은 열 응력이 냉각시에 재료 안으로 유입되도록 선택될 수 있다. 일반적으로, 냉각 가스는 아르곤 등의 불활성 가스를 포함한다. 적절한 캡 층으로, 더 넓은 범위의 가스가 구조체에 대하여 불활성일 수 있다. 몇몇 실시예에서, 캡 층이 이미 존재한다면 이들 가스가 불활성일 수 있지만, 냉각 가스는 실리콘상에서 산화물, 질화물 또는 산질화물의 박형 캐핑 층을 형성하는 산소 및/또는 질소를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 복사 냉각 바아(206)의 개략적인 단면도가 도시되어 있다. 복사 냉각 바아는 챔버 배경 온도로부터 열을 줄이기 위해 단열 자켓(208), 블럭(210), 일반적으로 비반사성 표면을 갖는 냉각 표면(212), 및 냉각 코일(214) 등을 포함할 수 있다. 블럭(210)은 큰 온도 변동 없이 냉각 기능을 제공하는 적절한 열 전도도와 적절한 열 용량을 제공하기 위해서 금속 등으로 구성될 수 있다. 냉각 코일 등은 냉각 바아(206)에 흡수된 열을 제거하기 위해 냉각 유체의 순환을 제공할 수 있다. 냉각 바아(206)는 열이 챔버 배경의 덜한 냉각으로도 유효하게 제거될 수 있도록 막 또는 캡 층 바로 위의 구조체의 표면 가까이에 배치될 수 있다.
도 7을 참조하면, 복사 히트싱크의 개략적인 도면이 도시되어 있다. 본 실시예에서, 복사 히트싱크(220)은 냉각 벽(224)에 의해 둘러싸인 내부 체적(222)을 포함한다. 창(226)은 챔버가 냉각 벽에 의해 대류 냉각되지 않도록 체적(222)을 커버한다. 창(226)은 냉각될 막의 스트라이프로부터 복사를 수용하는 것을 목적으로 할 수 있다. 창(226)을 통한 내부 체적(222)의 개구 크기는 셔터(228) 등의 이용을 통해 조절될 수 있어서 복사 냉각도가 유사하게 조절될 수 있다. 벽은 적절한 액체 또는 다른 적절한 냉각 접근법으로 냉각될 수 있다. 다시 말해, 냉각은 챔버 온도 이하의 적절한 온도로 지시된다.
접촉 냉각 장치는, 존재하는 경우, 막 또는 캡으로부터의 전도를 통해 막으로부터 열을 제거하기 위해 이용될 수 있다. 일반적으로, 이는 용융 막의 액체를 분열시키지 않고 접촉을 제공하도록 캡 층이 고체 표면을 제공할 때 가장 적절하다. 롤러는 장치를 통해 기판의 움직임을 덜 방해할 수 있기 때문에 적절하다. 도 8을 참조하면, 냉각 롤러(230)는 악셀(232), 전도성 롤러 재료(234) 및 냉각 코일 등을 포함한다. 전도성 롤러 재료는 구조체의 온도에 견딜 수 있는 세라믹 재료 또는 다른 적절한 재료일 수 있다. 재료는 막으로부터 열을 제거하는데 효과적일 수 있도록 상당히 높은 열용량 및/또는 열전도도를 가져야 한다. 냉각 코일(236)은 롤러에 의해 흡수된 열을 사용중에 제거하도록 순환 유체를 가질 수 있다. 냉각 코일(236)은 롤러의 일단에서 악셀을 통해 또는 대안적인 적절한 연결을 통해 냉각액 공급원에 연결될 수 있다.
광학 측정 장치(162)가 예컨대 고체촬상소자(CCD: charge-coupled device) 카메라 등을 포함할 수 있다. 광학 측정 장치는 막으로부터의 광학적 발광 및 상부 표면으로부터의 결합된 구조체에 기초한 용융 구역 근처 및/또는 용융 구역에서의 막의 온도를 평가하는데 이용될 수 있다. 광학 측정 장치는 막을 따라 측면에서의 온도 평가치에 대한 광학적 발광을 측정하는데 검출 어레이를 구비할 수 있다. 고해상도의 CCD 카메라가 통상 이용될 수 있다. 광학 측정 장치의 측정은 상부 가열 요소 및/또는 열 제어 시스템의 다른 요소를 제어하는데 이용될 수 있다. ZMR 공정을 용이하게 하도록 CCD 카메라를 이용하는 것은, 모두 본 명세서에 참조로서 포함되어 있는, Kawama 등의 "In-Situ Control in Zone-Melting Recrystallization Process for Formation of High-Quality Thin Film Polycrystalline Si", Proceedings of the 25th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Washington, D.C., p. 481-484 (1996), 및 Yokoyama 등의 "Fabrication of SOI Films with High Crystal Uniformity by High-Speed-Zone-Melting-Crystallization", J. of the Electrochemical Society, 150(5) A594-A600(2003)에 기술되어 있다.
ZMR 장치의 특정 실시예가 도 9에 도시되어 있다. ZMR 장치(250)는 시각화를 위해 부분적으로 제거되어 도시된 챔버(252), 지지 프레임(254), 상부 가열 요소(256) 및 제어기(258)를 포함한다. 챔버(252)는 기판, 하부 히터(262) 및 단열 벽들(264, 266)을 전달하기 위한 전달 유닛(260)을 포함한다. 상부 가열 유닛(256)은 챔버(252)에 대한 상대 위치를 조절하기 위해 컨베이어 시스템(268)을 포함한다.
존 멜팅 재결정화 공정의 열 제어
상기 장치는 효과적인 존 멜팅 재결정화 공정을 위해 적합할 수 있다. 특히, 실리콘 막 실시예의 경우 최종적인 목적은 일반적으로 더 큰 결정 크기 및/또는 결함이 거의 없는 개선된 결정화도와 관련된 소망의 전기적 특성을 갖는 실리콘 막을 형성하는 것이다. 비교되는 목적은 다른 무기막과 관련될 것이다. 몇몇 실시예에서, 다공성 입상 릴리스 층에 증착된 무기의 상부 층은 존 멜팅 재결정화 공정을 받을 수 있다. 막을 기저의 기판과 분리하는 다공성 릴리스 층은 막과 기판 사이에 상당한 열적 배리어를 생성한다. 소망의 결정화도 특성을 얻는 것이 후막에 특히 요구될 수 있다. 또한, 에너지 소비를 낮추고 공정 속도를 비교적 높게 유지하는 것이 바람직할 수 있다. 챔버를 냉각시키는 것을 막는 ZMR 챔버의 단열을 통해 상당한 에너지 절약이 얻어질 수 있다.
핫 월 챔버의 이용을 통해, 열 배경이 챔버 내에 비교적 고정적으로 남아 있다. 막 결정화는 열 배경 주위의 가열 및 냉각을 통해 재결정화 공정 중에 제어된다. 멜팅 존으로 들어가기에 앞서 챔버 배경 온도가 막을 가열시키기 때문에, 막은 다공성 층의 존재에 의해 저지될 수 있는 기판으로부터의 열 전도를 포함하는 하부 히터를 이용한 기판을 통한 가열에 의존하지 않는다. 스트립 히터 등으로부터 공급된 열을 이용하여, 복사 냉각이 핫 월 챔버 내에서 감소되기 때문에 결정화를 추진하도록 냉각 요소가 냉각 공정을 제어할 수 있다. 콜드 월 챔버에서, 복사 냉각은 실리콘의 어는점까지 온도를 낮추는데 필요한 냉각을 추진하는 것을 도울 수 있다.
몇몇 실시예에서, 무기층과 선택적인 추가의 층과 함께하는 기판 사이의 릴리스 층 또는 릴리스 층과 무기막 사이의 층들을 갖는 기판에 무기막이 배치될 수 있다. 다공성, 입상 방출층은 기판으로부터 무기층을 어느 정도 열적으로 단열시킬 수 있기 때문에, 단열이 지지체에 배치된 하부 히터로 무기막의 가열의 효율을 제한하고, 유사하게는, 단열은 기판으로의 열 전도를 통해 용융 실리콘의 전도 냉각을 제한한다. 또한, 지지체의 열전대 또는 다른 온도 측정 장치가 단열층의 존재 때문에 무기 재료의 온도를 정확하게 반영할 수 없다. 몇몇 실시예에서, 기판이 용융 재료에 의해 효과적으로 가열되지 않기 때문에 릴리스 층의 단열 효과가 유리하게 이용될 수 있고, 이 기판 열은 일반적으로 후속 공정 중에 소실된다. 또한, 릴리스 층은 구조체 내의 열 팽창 차이에 기인하여 변형의 완화에 도움을 줄 수 있다. 릴리스 층의 이용은 태양 전지 또는 다른 장치로 유리하게 처리될 수 있는 재결정화 실리콘 또는 다른 무기 조성을 포함하는 프리스탠딩 포일의 형성을 제공한다.
도 10은 열 배출의 방향을 화살표로 도시하는 단열 다공성 릴리스 층 없이 콜드 월 챔버를 이용하는 ZMR에서 온도 프로파일로 구성된 정성적인 개략적인 곡선을 도시하고 있다. 도 10에 도시한 바와 같이, 무기막에서의 수평 온도 구배는 비교적 느린 냉각으로 응고열의 제거를 나타낸다. 용융 재료가 가열 영역으로부터 벗어날 때, 막은 이용 가능한 냉각 경로의 모두를 통해 냉각된다. 용융 잠열 때문에, 온도 프로파일은 상 전이가 일어나는 용융 및 응고 계면에서 평탄하게 나타난다. 열은 로 주변 공간 내로 바깥으로 복사될 수 있고 냉각기 기판 내로 아래쪽으로 복사될 수 있다. 챔버가 냉각 벽을 갖는다면, 상응하는 핫 월 챔버에 대해 복사 냉각을 통해 열이 더 빠르게 배출된다. 고체 실리콘은 SiO2에 비해 비교적 높은 열 전도도(4.5x)를 갖기 때문에, 캐핑층을 통해 대기 가스로 또는 하부층을 통해 기판으로 새롭게 응고된 실리콘을 통해 그 후 SiO2에 걸쳐 응고 전방으로부터 열이 흐른다. 가장 적절한 구성에 대한 스캐닝 방향에 따른 용융 구역의 폭은 약 1 mm 내지 약 5 mm일 수 있다.
응고 전방이 움직임에 따라, 추가의 실리콘이 결정화 실리콘으로 응고되고 고체/액체 계면이 상응하게 전파되기 때문에 용융 열이 계면에서 제거된다. 응고는 냉각 속도와 결정화 속도와 관련된 거리를 갖는 열 입력 구역 뒤에서 지연된다. 더 긴 거리가 응고 전방과 선형 열 입력부 사이에서 전개된다면, 선형 응고 전방을 제어하고 유지하는 것이 더 어렵게 되고, 이는 얻어진 재결정화 막의 균일성의 감소를 야기할 수 있다.
냉각기 기판은 막과 기판 사이의 더 높은 열 전도도를 갖는 실시예에서 가열 영역과 응고 전방 사이의 거리를 줄이는데 기여한다. 그러나, 냉각기 기판이 이용된다면, 상부 가열 요소는 막을 용융시키는데 더 많은 양의 열을 상응하게 첨가시킨다. 기판의 속도가 장치를 통해 증가된다면, 열은 응고 전방에서 더 빠르게 제거되어야 하고, 이는 열 구배의 상응하는 증가에 기인하여 상응하게 더 큰 열 응력을 야기할 수 있다. 새롭게 응고된 실리콘은 연질이고, 열 응력은 결정 결함 및 전위 밀도의 증가를 유발할 수 있다. 열 구배를 줄이기 위해서, 기판의 온도가 증가될 수 있지만, 열 입력부와 응고 전방 사이의 거리가 응고 전방의 위치와 평탄도를 제어하는 상응하는 어려움과 더불어 증가한다.
더 높은 응고 속도 및/또는 더 두꺼운 막 두께에서, 응고 전방에서의 열의 제거가 결정화 공정에 대한 속도를 제한시킨다면 과냉각 액체가 응고 전방과 가열 영역 사이에 형성될 수 있다. 더 빠른 냉각과의 온도 구배가 도 11에 개략적으로 도시되어 있다. 과냉각 액체의 형성은 상당한 불안정성을 야기할 수 있는데, 이는 응고 전방이 가열 영역으로부터 더 뒤로 움직일 수 있고 응고 전방에서의 소정의 교란이 과냉각 액체를 분열시켜서 빠르게 응고시킬 수 있기 때문이다.
몇몇 실시예에서, 챔버 벽이 냉각되고 기판 지지체가 기판을 가열하는데 이용된다면, 기판 온도는 예컨대 막 용융 온도보다 약 600℃ 낮은 온도에서부터 용융 온도 근처의 온도일 수 있다. 따라서, 실리콘 막의 경우, 기판은 900℃ 내지 약 1300℃의 온도로 가열될 수 있다. 실리콘의 용융 온도는 약 1410℃이다. 이러한 실시예에서, 용융 구역 근처에서 응고화 실리콘의 수평 열 구배는 약 20C/mm를 초과하게 나타나고 몇몇 조건하에서는 약 30C/mm일 수 있다. 따라서, 고체-액체 계면의 1 cm 내에서, 온도 강하가 수백℃일 수 있고, 이는 0.1% 이하의 체적 수축을 야기한다. 이러한 높은 열 구배는 실리콘 결정의 전위와 결정립계와 같은 결정결함을 야기할 수 있지만, 상기의 체적 수축은 상기 온도에서의 실리콘의 가소성 때문에 수용될 수 있다. 첨가된 열을 조정함으로써 용융 구역의 폭을 제어하는 것은 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 Kawama 등의 논문 "In-Situ Control in Zone-Melting Recrystallization Process for Formation of High-Quality Thin Film Polycrystalline Si", IEEE Proceedings - 25th PVSC, May 13-17, 1996, pp 481 - 484에 기술된 바와 같은 CCD 카메라를 이용한 측정으로 도움을 받을 수 있다. 콜드 월 챔버에 대한 재결정화 공정에서의 스캐닝 속도의 효과는 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 Yoon 등의 논문 "Effect of Scanning Speed on the Stability of the Solidification Interface During Zone-Melt Recrystallization of Thin Films", J. Appl. Phys. 72(1), pp 316-318(July 1, 1992)에 더 기술되어 있다. 콜드 월 ZMR 공정에서 기판의 온도를 다양화하는 효과가 Kieliba 등의 논문 "Enhanced Zone-Melting Recrystallization for Crystalline Silicon Thin-Film Solar Cells, 16th European Photovoltaic Energy Conference, Glasgow 1-5 may 2000, p. 1-4에 개시되어 있다.
적절한 ZMR 속도는 실리콘 막 두께에 의존하는 듯하다. 실리콘 막이 더 두껍다면, 더 느린 ZMR 속도는 더 빠른 속도로 재결정화된 더 얇은 막으로 달성된 것과 같은 비교할 수 있는 결함 농도를 얻는 듯하다. 이러한 관찰은 도 10에 도시된 정성의 모델과 양호하게 들어맞는다. 결정화를 달성하도록 박막보다 더 두꺼운 실리콘 막의 응고 전방부에서 더 많은 주울(joule)이 제거된다. 유사한 시간 범위에서 결정화를 얻기 위해, 열의 배출 속도는 더 두꺼운 막에 대해 상응하게 더 높다. 그러나, 열 배출 경로(즉, 기판 내로의 복사 냉각 및 열 전도)가 박막과 동일하게 남아 있다. 장치를 통한 기판의 스캐닝 속도와 실리콘 막 두께의 함수로서 결함 밀도의 측정이 이루어졌다. 더 두꺼운 막의 경우, 더 두꺼운 막에서 측정된 동일한 결함 밀도를 얻는데 더 느린 스캐닝 속도가 이용되었음이 관찰되었다. 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 Kawama 등의 "In-Sith Control in Zone-Melting Recrystallization Process for Formation of High-Quality Thin Film Polycrystalline Si", IEEE Proceedings - 25th PVSC, May 13-17, 1996, pp 481-484를 참조하라.
도 10에 도시한 바와 같이 콜드 월 챔버에 대한 온도 프로파일을 분석하여 열 배출이 공정에서의 적절한 변화를 통해 개선될 수 있음을 나타내었다. 상세하게는, 이러한 개선된 열 배출은 기판으로의 열 전도를 줄이기 위해서 다공성 릴리스 층과 함께 가열 영역의 응고 측에서 제어된 냉각을 위해 냉각 요소를 갖는 핫 월 챔버의 하나 또는 그 이상의 특성을 이용함으로써 달성될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 냉각 요소는 비대칭 가스 흐름을 제공하기 위해 비대칭적으로 배출된 선형의 노즐을 포함할 수 있다. 표면 및 단열성 하부 다공성 층에서 적극적인 냉각 공정을 제공함으로써, 응고 전방은 수평의 열 구배보다는 오히려 수직의 열 구배를 향해 기울어져 있고 또한 열의 제거에 기여한다.
양호하게 단열된 핫 월 챔버를 이용하여 열 손실 및 에너지 소비를 줄인다. 실리콘 막의 가열 및 응고를 위해 필요한 실제 에너지는 비교적 적다. 10 cm/min의 속도로 30 미크론 두께의 실리콘 막에서 응고 전방을 진척시키는데에는 응고 전방의 cm당 1.85 W 이하 또는 1 미터 폭의 시트에 대하여 185 W의 속도로 열을 제거하는 것을 필요로 한다. 역도 가능하다(즉, 실리콘을 용융시키는데 1410℃에서 1.85 W가 실리콘에 가해질 필요가 있다). 콜드 월 챔버에서, 수 kW의 히터 전원이 ZMR 장치에서 이용될 수 있는데, 이는 콜드 월 챔버에 대한 복사 및 대류 손실을 보상하도록 상당한 열이 기판/실리콘 구조체 내에 연속 주입되기 때문이다. 몇몇 실시예에서, 핫 월 챔버는 막 용융 온도보다 약 900℃ 낮은 온도에서부터 약 2℃ 낮은 온도까지의, 다른 실시예에서 용융 온도보다 약 600℃ 낮은 온도에서부터 약 10℃ 낮은 온도까지의, 다른 실시예에서 막 용융 온도보다 약 500℃ 낮은 온도에서부터 약 50℃ 낮은 온도까지의 벽 온도를 가질 수 있다. 따라서, 약 1410℃의 용융 온도를 갖는 실리콘 막의 경우, 챔버 벽은 약 500℃ 내지 약 1408℃일 수 있고, 다른 실시예에서 약 800℃ 내지 약 1400℃일 수 있으며, 다른 실시예에서 약 900℃ 내지 1350℃일 수 있다. 당업자는 명시 범위 내의 추가 온도 범위가 고려되고 본 명세서의 범위 내에 있음을 인식할 것이다.
다공성 층을 갖는 기판을 제공함으로써, 열 전도도가 기판 내로 감소되고, 이는 기판을 가열하는데 소비되는 에너지를 상응하게 감소시킨다. 실리콘 층이 기판으로부터 단열될 수 있는 범위까지. 기판이 더 저온으로 남아 있고 ZMR 중에 덜한 열 응력을 견딘다. 이는 재사용 기판을 이용할 때 현저하다. 따라서, 용융 영역이 실리콘에 대하여 1410℃에서 형성되기 때문에, 용융 영역과 기판 사이의 열 전도도가 낮을수록 용융 영역을 생성하는데 에너지가 덜 요구되고, 기판에 열 응력이 덜 부과된다. 도 12는 실리콘을 용융하는데 요구되는 광 전력 및 콜드 월 챔버에 대한 용융 영역 이하의 기판의 온도에서 단열성 다공성 층의 이론적인 영향을 도시한다.
응고열을 배출하기 위해서, 비대칭 가스 흐름을 통해 제어된 냉각이 이용될 수 있다. 상기한 바와 같이, 이론적인 열 배출 경로가 핫 월 챔버에서 줄어든다. 복사 열 손실은 △T4에 비례한다. 900℃ 표면에 반대인 200℃ 표면과 용융 영역(실리콘에 대하여 1410℃) 사이에서 배출된 전력의 큰 차이가 존재한다. 응고열을 배출하기 위해서, 냉각 불활성 가스 흐름이 비대칭 배출된 선형 노즐을 통해 용융 영역의 응고측에 제공될 수 있다. 용융 영역을 형성하기 위해 복사 에너지 히터가 기판에 작용하는 가스 흐름과 동일 선상에 있을 수 있고 평행한 배출 노즐을 갖는 응고 측으로 지나가게 된다. 즉, 냉각 흐름은 스트라이프를 따라 실리콘의 상부 표면 또는 캡 층에 작용하는 냉각 가스의 시트를 형성하는 슬릿 개구 등으로부터 생성될 수 있다. 배출구는 냉각 가스가 고온 표면으로부터 반사된 후에 냉각 가스를 효과적으로 제거하도록 배치될 수 있어서 냉각 가스가 핫 월 챔버를 더 냉각시키지 않는다. 냉각 가스의 온도가 소망의 냉각 속도를 얻도록 선택될 수 있다.
도 13은 핫 월 챔버에서 응고열을 제거하도록 냉각 가스를 갖는 실시예의 경우 열 흐름의 영향을 나타내는 개략적인 온도 프로파일을 도시한다. 용융 실리콘을 응고하도록 냉각 가스의 수직 침투를 이용하는 동시에, 실리콘 층에서 수평의 열 구배가 낮은데 이는 기판으로의 복사 손실 및 전도 손실이 줄어들기 때문이다. 도 13에서, 냉각 가스는 본 특정 실시예에서 냉각 가스 흐름으로 표시된 흐름 화살표 방향에 따라 흐를 수 있다. 기판이 잘 단열된다면, 기판은 용융 영역보다 100℃ 더 낮을 수 있다. 기판을 형성하는 막이 열적으로 단열되지 않는 접근법과 달리, 막은 용융점 이하의 온도까지 냉각될 필요가 없는데, 이는 기판이 열을 막에서 멀리 전도시키지 않기 때문이다.
대안적이거나 추가적인 실시예에서, 냉각 요소는 챔버로부터 과도한 열을 제거하지 않고 막을 냉각시키도록 배향된 복사 냉각 히트싱크를 포함할 수 있다. 도 14는 용융 막을 냉각하도록 히트싱크를 갖는 시스템에 대한 개략적인 온도 프로파일을 도시한다. 프로파일은 도 13의 프로파일과 유사하다. 몇몇 실시예에서, 냉각 가스와 복사 냉각 히트싱크 모두 소망의 냉각 수준을 제공하는데 이용될 수 있다.
응고 공정의 제어를 증가시키는 것을 통해, 에너지 소비가 감소될 수 있다. 먼저, 용융막으로부터 기판을 단열함으로써, 기판은 막 용융 온도까지 가열되지 않고, 상응하게는 기판으로부터의 열이 후속 공정을 위해 제거될 필요가 없다. 냉각 요소를 이용하여 표면을 따른 용융 열의 대부분 또는 모두를 신속하게 제거할 수 있다. 용융 막, 예컨대 30 미크론 막의 실리콘의 하부로부터 용융 열을 제거하는 것과 관련하여, 1.85 W를 전도하는 것은 미크론당 10℃ 이하의 수직 온도 구배를 포함할 수 있다. 상기한 바와 같이 실리콘 층 아래의 다공성 단열층과 상부 가스 냉각을 제공함으로써 응고 전방이 더 수직의 열 구배에 대하여 기울어진다면, 층의 하부로부터 냉각 표면까지의 전도에 의해 1.85 W의 일부만이 제거되고, 이는 통상적인 배출 경로를 통해 적은 양의 열을 천천히 배출할 수 있다. 경사진 응고 전방부를 이용하여, 열 구배에 따른 전도를 통해 제거될 열량이 응고 전방의 각에 비례하여 감소되어, 큰 열 구배를 필요로 하지 않고도 신속하게 냉각이 일어날 수 있다. 수직으로부터의 각을 측정할 때, 응고 전방을 통해 위쪽으로 전도된 냉각이 적어도 1.85 W × 코사인각만큼 감소된다. 적은 열 구배로 적당량의 열을 효과적으로 제거하는 능력 때문에, 구조체에는 용융 영역 하류에서 전체적인 냉각이 덜 필요로 하게 되어 챔버가 전체적으로 높은 온도에서 유지될 수 있고, 상응하게는 용융 영역에서 막을 용융시키는데 열의 공급을 덜 필요로 한다.
막 생성 및 태양 전지 생산과 ZMR 의 통합
상기한 바와 같이, 이어서 재결정화되는 무기 막의 형성에 다양한 반응 흐름 공정이 적합하다. 또한, 재결정화 막은 최종의 제품으로 더 처리될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 추가 처리 단계가 생산 라인에서 통합될 수 있다. 이러한 통합은 소정의 조합 및 다른 가능성 있는 공정 효율을 위한 추가의 에너지 절약을 야기할 수 있다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 공정의 일부가 떨어진 위치에서 수행될 수 있다.
상세하게는, 막 형성 및 ZMR 공정을 일렬로 수행하는 것이 유리할 수 있다. 기판은 일반적으로 상당히 고온에서 막 형성 단계를 형성하게 된다. 막 형성으로부터 기판이 상당한 열 손실 없이 ZMR 장치로 전달된다면, 그 구조를 ZMR 챔버 내로 가져올 때 기판은 핫 월 ZMR 챔버로부터 열을 덜 제거하거나, 가능하면 전혀 제거하지 않는다. 이는 매우 상당한 에너지 절약을 야기할 수 있다. 본 발명의 기술 분야에서 적절한 기판 취급 장치는 유닛들 간의 기판 전달을 자동화할 수 있고, 기판 취급 장치는 적절하게 단열될 수 있다.
재결정화 공정에 이어서, 릴리스 층에 기초한 실시예의 경우, 기판으로부터 재결정화 막을 분리하는 것이 일반적으로 바람직하다. 기판은 재활용을 위해 적절하게 세정 및/또는 폴리싱될 수 있다. 방출된 무기 포일을 취급하고 분리 공정을 수행하기 위한 몇몇 접근법이 본 명세서에 참조로 포함되어 있는 "Layer Transfer for Large Area Inorganic Foils"란 명칭의 Mosso 등의 2008년 1월 25일 출원된 동시계류중인 미국 가특허출원 제61/062,399호에 더 기술되어 있다.
얻어진 무기 포일은 디스플레이 제어 장치와 같은 다양한 용례에 유효하게 포함될 수 있다. 광전지 패널은 막이 특별한 관심 대상인 영역이다. 실리콘 포일을 태양 전지로 처리하는 것은, 본 명세서에 모두 참조로 포함되어 있는 "Solar Cell Structures, Photovoltaic Panels and Corresponding Processes"란 명칭의 Heislmair의 동시 계류중인 미국 특허 출원 제12/070,371호 및 "Dynamic Design of Solar Cell Structures, Photovoltaic Panels and Corresponding Processes"란 명칭의 Heislmair의 동시 계류중인 미국 특허 출원 제12/070,381호에 더 기술되어 있다. 상세하게는, 이러한 동시 계류중인 특허 출원은 기저의 다공성 릴리스 층으로부터 분리된 박형의 실리콘 시트로부터 광전지를 형성하는 것을 더 기술하고 있고, 이러한 접근법은 본 명세서에 기술된 방법에 의해 형성된 박형 실리콘 시트에 적합할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 장치 처리 단계가 ZMR 장치로부터 하류의 일렬의 절차에 포함될 수 있고 일렬의 절차는 몇몇 실시예에서 최종의 광전지 패널을 생성할 수 있다.
상기 실시예는 예시적이고 한정적이지 않음을 의도한다. 추가의 실시예가 청구범위 내에 있다. 게다가, 본 발명은 특정 실시예를 참조하여 기술되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 형태 및 상세의 변화가 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 상기 문헌을 참조로 한 소정의 병합은 명시한 명세서에 상반되는 어떠한 주제도 병합되지 않도록 한정된다.
100: 무기 구조체 102: 기판
104: 릴리스 층 106: 하부 층
108: 무기막 110: 캡 층
150: ZMR 장치 152: 핫 월 챔버
154: 컨베이어 시스템 156: 상부 가열 요소
158: 냉각 요소 160: 하부 히터
162: 광학 측정 장치 164: 온도 센서
180: 상부 가열 요소 182, 184: 탄소 스트립 히터
186: 지지 프레임 190: 냉각 가스 시스템
192: 냉각 가스 입구 194: 냉각 가스 저장소
196: 배출구 206: 냉각 바아
208: 단열 자켓 210: 블럭
212: 냉각 표면 214: 냉각 코일
220: 히트싱크 222: 체적
224: 냉각 벽 226: 창
228: 셔터 230: 냉각 롤러
232: 악셀 234: 전도성 롤러 재료
236: 냉각 코일 250: ZMR 장치
252: 챔버 254: 지지 프레임
256: 상부 가열 요소 258: 제어기
260: 전달 유닛 268: 컨베이어 시스템

Claims (25)

  1. 무기막의 존 멜팅 재결정화(zone melt recrystallization)를 수행하는 장치로서,
    기판 지지체;
    기판 지지체상에 기판의 스트라이프를 가열하도록 배향된 스트립 히터;
    스트립 히터에 의한 가열에 이어 기판의 스트라이프를 냉각하도록 배향된 냉각 요소; 및
    기판에 걸쳐 가열되는 스트라이프를 스캔하고 이어서 냉각 요소에 의해 냉각시키도록 스트립 히터 및 냉각 요소에 대해 기판 지지물을 이동시키도록 구성된 운송 시스템
    을 포함하는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스트립 히터는 할로겐 램프, 제논 램프, 유도 히터, 또는 탄소 스트립 히터를 포함하는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 스트립 히터는 다이오드 어레이를 포함하는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 냉각 요소는 냉각 가스 노즐을 포함하는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 냉각 요소는 히트싱크 복사 흡수체를 포함하는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  6. 제1항에 있어서, 스트립 히터와 냉각 요소를 둘러싸는 챔버를 더 포함하는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 챔버의 벽은 단열되거나, 가열되거나, 단열 및 가열 모두가 이루어지는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 챔버의 벽은 선택된 온도 범위에서 유지되는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 무기막은 약 3 미크론 내지 약 90 미크론의 평균 두께를 갖는 실리콘/게르마늄 원소를 포함하는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 운송 시스템은 약 0.5 mm/sec 내지 약 10 mm/sec의 속도로 기판을 이동시키는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  11. 제1항에 있어서, 스트립 히터와 냉각 요소 사이에서 막의 온도를 광학적으로 측정하도록 구성된 광학 탐지기를 더 포함하는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  12. 무기막의 존 멜팅 재결정화를 수행하는 장치로서,
    챔버;
    챔버 내의 기판 홀더;
    기판 홀더에 장착된 기판의 스트라이프를 따라 열을 안내하도록 배향된 스트립 히터; 및
    스트립 히터에 대하여 기판 지지체를 이동시켜 기판 표면에 걸쳐 가열된 스트라이프를 스캔하도록 구성된 운송 시스템
    을 포함하고, 챔버 벽이 적어도 약 500℃의 온도로 유지되는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  13. 제12항에 있어서, 선택된 온도 범위는 무기막의 용융 온도보다 약 2℃ 내지 약 900℃ 낮은 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 무기막은 약 3 미크론 내지 약 90 미크론의 평균 두께를 갖는 실리콘/게르마늄 원소를 포함하는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  15. 제12항에 있어서, 상기 운송 시스템은 약 0.5 mm/sec 내지 약 10 mm/sec의 속도로 기판을 이동시키는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  16. 제12항에 있어서, 상기 챔버 월은 내화 재료를 포함하는 것인 무기막의 존 멜팅 재결정화 장치.
  17. 무기막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법으로서,
    스트립 히터를 이용하여 무기막의 스트라이프를 용융시키는 단계로서, 무기막이 스트립 히터에 대하여 병진 운동하는 기판상에 위치하는 것인 단계; 및
    기판의 병진 운동에 이어 가열 영역으로부터 하류로 소정 거리에서 무기막의 용융점 이하의 선택된 온도까지 용융된 무기막을 냉각시키는 단계
    를 포함하는 것인 무기 막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 기판은 약 0.5 mm/sec 내지 약 10 mm/sec의 속도로 스트립 히터를 지나 병진 운동되는 것인 무기 막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 무기막은 약 3 미크론 내지 약 90 미크론의 평균 두께를 갖는 실리콘/게르마늄 원소를 포함하는 것인 무기 막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 실리콘/게르마늄 원소 막은 다공성 입상 릴리스 층의 상부에 존재하고, 이 릴리스 층은 지지 기판상에서 지지되는 것인 무기 막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 약 100 미크론 내지 약 10 미크론의 두께를 갖는 세라믹 하부 층이 릴리스 층과 실리콘/게르마늄 막 사이에 배치되고, 이 세라믹 하부 층은 실리콘/게르마늄 산화물, 실리콘/게르마늄 질화물, 실리콘/게르마늄 산질화물, 이들의 실리콘/게르마늄 다량 함유 형태 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 무기 막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법.
  22. 제20항에 있어서, 세라믹 캐핑 층이 실리콘/게르마늄 원소 막 위에 배치되고, 상기 캐핑 층은 약 20 nm 내지 약 5 nm의 두께를 갖고, 상기 캐핑 층은 알루미늄 산화물, 실리콘/게르마늄 산화물, 실리콘/게르마늄 질화물, 실리콘/게르마늄 산질화물, 이들의 실리콘/게르마늄 다량 함유 형태 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 무기 막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법.
  23. 제20항에 있어서, 상기 막은 실리콘을 포함하고 상기 챔버 온도는 실리콘 원소 막의 용융 온도보다 약 2℃ 내지 약 900℃ 낮은 것인 무기 막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법.
  24. 제20항에 있어서, 냉각 정도는 선택된 시간의 기간에서 무기막의 응고를 위한 잠열을 제거하도록 선택되는 것인 무기 막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법.
  25. 제17항에 있어서, 무기막의 병진 운동 속도, 냉각 단계의 위치 및 냉각 정도가 결정 결함 밀도의 요구되는 상부 한도를 갖는 다결정 막 제품을 산출하도록 선택되는 것인 무기 막의 존 멜팅 재결정을 수행하는 방법.
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