KR20110038040A - 일방향성 응고에 의한 단결정 실리콘 잉곳 성장 시스템 및 방법 - Google Patents
일방향성 응고에 의한 단결정 실리콘 잉곳 성장 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
실리콘과 같은 단결정 물질을 제조하기 위한 시스템 및 방법이 제공되며, 단결정 물질은 반도체 및 광기전성 응용에 사용가능하다. 도가니(50)는 단결정 잉곳을 성장시키기 위한 로(10) 안에 수용되고, 초기에 단일 시드 결정(20) 및 공급 원료 물질(90)을 포함하며, 도가니(50)에서 시드 결정(20)은 적어도 부분적으로 용융되고 공급 원료 물질(90)은 완전히 용융되며, 그 후 성장 및 응고 공정이 뒤따른다. 실리콘 잉곳과 같은 단결정 물질의 성장은 일방향성 응고에 의해 달성되며, 성장 단계 동안 열추출은 공급 원료(90)를 수용한 도가니(50)를 기준으로 이동가능한 절연재(14)를 이용하여 달성된다. 또한, 단결정 성장을 달성하기 위하여, 성장 및 응고 공정시, 도가니(50)로부터의 열추출을 제어하는 열교환기(200)도 제공된다.
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관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2008년 6월 16일자 미국 가출원 61/061,826의 우선권을 주장하며, 상기 출원의 내용은 참조로써 본 명세서에 명백히 통합된다. 모든 특허, 특허 공개, 및 기타 여기에 인용된 참증들의 모든 내용은 참조로써 본 명세서에 명백히 통합된다.
본 발명은 단결정 물질을 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 태양 전지 응용을 위한 단결정 실리콘을 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
단결정 구조는 전체 구조의 결정 격자가 상기 구조의 가장자리까지 실질적으로 결함이 낮고 결정 입계(grain boundaries) 없이 연속적이고 단절되지 않은 고형 물질에 의해 나타날 수 있다. 일반적으로, 통상적인 결정 구조에서 결함은 결정 입계에 발생하기 때문에, 이러한 결함은 물질의 전기적 특성 및 열적 특성을 저하시킨다. 그 결과, 대부분의 결정 입계에서 높은 계면 에너지와 비교적 약한 결합력으로 인하여, 결함은 문제 발생 부위 및 고체의 원하지 않는 새로운 상들(phases)의 침전 부위가 될 수 있다. 일반적으로, 다결정 구조는 매우 작고 임의의 방향을 향하는 결정(또는 미세 결정)이 형성되도록 제조된 결정 물질이다. 이러한 미세 결정은 결정 입계에 의해 제한된다. 다결정 물질의 미세 결정은 서로 혼합되고 상호 삽입될 수 있는 반면, 미세 결정 또는 단결정 구조 내 원자들은 대칭적으로 배열된다. 다결정 구조의 결정 입계에서 다수의 결함은 단결정 물질로부터 형성된 장치에 상대적으로 형성된 그 어떤 장치의 효율성을 감소시킬 수 있다.
실리콘과 같은 단결정 물질은, 예를 들면, 반도체 및 광기전성 산업에서 중요한 산업적 응용을 갖는다. 예를 들면, 마이크로프로세서가 양자 크기에서 작동하는 반도체 응용에서, 결정 입계의 존재가 국소적인 전기적 특성을 바꿈으로써 전계 효과 트랜지스터의 기능성에 중대한 영향을 끼칠 수 있다. 유사하게, 태양 전지용 실리콘과 같은 물질을 이용할 때, 일반적으로 단결정 실리콘 태양 전지는 다결정 실리콘 태양 전지와 비교시 높은 효율성을 나타낸다. 일반적으로, 결정 입계는 더 많은 불순물 및 결함을 나타내므로, 단결정 실리콘으로 제조된 태양 전지는 다결정 실리콘으로 제조된 태양 전지에 비해 성능을 증가시킬 수 있어야 한다.
실리콘 잉곳의 상업적인 제조를 위한 일반적인 기술은 초크랄스키(Czochralski)법, 브리지먼(Bridgman) 성장 기술, 및 일방향성 응고를 포함한다. 초크랄스키법은 상업적으로 제조되는 단결정 실리콘 잉곳을 위한 가장 일반적인 잉곳 성장 기술이다. 초크랄스키법에 따르면, 고순도의 반도체급 실리콘은 일반적으로 석영으로 만들어진 도가니에서 용융될 수 있다. 로드에 장착된 시드 결정은 용융 실리콘에 잠기고, 시드 결정의 로드는 회전과 동시에 위로 성장된다. 온도 구배, 성장 속도, 및 회전 속도를 정확하게 제어함으로써, 융액으로부터 단결정의 대형 원통형 잉곳을 추출할 수 있다. 초크랄스키법은 결함이 거의 없는 실리콘 잉곳을 제조하는 반면, 매우 비싸다. 다른 단점은 도가니에 의해 유입되는 증가된 불순물(산소)의 함량이다. 산소는 도가니와 용융 실리콘의 반응의 결과로 실리콘으로 유입되고, 이러한 반응은 초크랄스키 공정에서 잉곳의 회전과 도가니의 역회전에 의해 촉진된다. 게다가, 낮은 품질의 실리콘 공급 원료가 사용될 경우, 다양한 이차 상들(phases)이 형성되어 융액의 표면에 부유할 수 있다. 잉곳을 성장시키는 동안, 이러한 이차 상들은 구조적 붕괴의 원인이 되어 저질 제품이 될 수 있다. 초크랄스키 공정의 추가 비용 때문에, 광기전성 응용을 위해 제조되는 결정성 실리콘 웨이퍼는 일반적으로 다결정성이다.
브리지먼 기술은 실리콘 잉곳을 성장시키는 다른 공지된 방법이다. 브리지먼 성장 기술은 결정성 물질을 용융점 이상에서 가열하고, 이어서 이를 제어된 성장 속도와 온도 구배에서 응고시키는 것을 포함한다. 열교환 방법(HEM)은 브리지먼식 기술의 하나의 예이다. 이러한 공정에 따르면, 시드 결정은 도가니의 바닥에 위치되고 공급 원료는 장입물로서 로딩된다. 장입물이 용융될 때, 냉매 가스를 콜드 핑거(cold finger) 역할을 하는 열교환기에 강제로 통과시킴으로써 시드의 용융이 방지된다. 장입물의 응고는 열교환기를 통한 냉매의 흐름을 증가시킴으로써 성취되고, 이에 따라 고체에 온도 구배를 발생시키고 장입물의 성장을 촉진시킨다. 또한, 이러한 성장 동안, 로(furnace)의 온도가 감소될 수 있다. 그 결과, 성장 사이클 동안, 히트 존(heat zone) 또는 장입물의 실질적인 이동이 없다. 일반적인 브리지먼 로(furnace)에서는, 히트 존에 구배가 형성되고, 장입물을 담고 있는 로 및/또는 도가니는 제어된 응고를 달성하기 위하여 이동된다.
통상적인 일방향성 응고 시스템으로, 다결정 성장은 생산 규모 면에서 목적을 달성하였다. 예를 들면, 일방향성 응고 시스템에서, 장입물을 수용한 도가니는 열교환기 블록 위에 위치될 수 있다. 장입물은 용융되고 열은 수냉식 챔버에 방사하여 온도 구배를 발생시키고 장입물의 응고를 촉진시킨다. 이러한 경우, 용융과 응고는 동일한 도가니에서 실행된다. 일방향성 응고는 별도의 도가니에서 실행될 수도 있는데, 실리콘이 용융 도가니로부터 별도의 도가니로 부어진 후 또는 거의 동시에 실행될 수 있다. 용융 도가니와 응고 도가니를 사용하는 접근은 일반적으로 주조(casting)로 언급된다. 그러나, 산업에서, 일방향성 응고와 주조는 종종 다결정 잉곳 제조를 위해 상호교환가능하게 사용된다. 본 발명의 목적을 위하여, 일방향성 응고는 용융과 응고가 동일한 도가니에서 실행되는 결정성 실리콘 잉곳의 형성 방법을 언급한다. 일방향성 응고로 잉곳 및/또는 도가니는 회전되지 않으며, 따라서 일방향으로 응고된 실리콘 잉곳에서의 산소 농도는 일반적으로 초크랄스키 공정에 의해 제조된 잉곳에서보다 더 낮다. 일방향성 응고 공정에는 유도 가열 또는 저항 가열 중의 하나가 사용될 수 있다. 초크랄스키 성장과 달리, 일방향성 응고에서의 응고는 도가니의 바닥으로부터 상부로 실행되어 고액 계면이 성장 사이클의 대부분 동안 잠기고, 융액의 표면에 부유하는 이차 상(phase)/침전물이 성장을 붕괴시키지 않는다.
일방향성 응고는 산업 환경에서 가장 일반적이지만, 몇 가지 단점이 있다. 상기한 바와 같이, 결함은 일반적으로 다결정 구조에서 발생하고 실리콘 잉곳의 비균일 특성의 원인이 될 수 있다. 또한, 도가니와 접촉하는 물질 내에서 불순물의 함량은 사용된 도가니의 형태에 따라 높을 수 있으며, 때로는 잉곳의 바닥, 측면, 및 상부 표면의 일부분이 폐기되어야 한다. 따라서, 현재 일방향성 응고 기술의 주요한 균형은 태양 전지 효율성의 희생으로 얻는 비용 경감이다. 예를 들면, 다결정 태양 전지의 효율성은 일반적으로 다결정 전지의 약 85% 내지 90%이다.
공지된 방법들의 단점에 비추어, 단결정 구조를 갖는 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 비용 효율적인 공정에 대한 필요성이 있다.
본 발명은 단결정 구조를 갖는, 실리콘과 같은 물질을 제조하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 공지된 일방향성 응고 기술에 의해 달성된 비용 효율성 및 시간 절약을 유지하면서 양질의 단결정 제품의 제조라는 실익을 달성할 수 있다.
본 발명은 제어된 열추출을 위한 둘 또는 그 이상의 메카니즘을 통합함으로써 도가니에 위치된 단일 시드 결정으로부터 단결정 구조를 제조할 수 있다. 바람직하게, 일방향성 응고를 촉진시키기 위한 로(furnace)가 사용되며, 로(furnace)는 성장 공정 동안 시드 결정의 수직 및 수평 성장 모두를 용이하게 하기 위하여 형성중인 잉곳을 기준으로 이동, 즉 상향 또는 하향 이동되어 도가니의 바닥 가장자리로부터 열 방사를 발생시킬 수 있는 절연재를 포함한다.
바람직하게, 잉곳은 도가니에 위치되어 도가니 내에서 수직 및 수평 방향으로 모두 성장할 충분한 여지가 있는 단일 시드로부터 성장된다. 도가니의 형상은 직사각형, 원뿔형, 및 테이퍼진 형상을 포함하는 다수의 기하학적인 설계로부터 선택될 수 있다. 로(furnace) 내에 포함된 절연재는 로(furnace)의 측면을 따라 배열된 절연재, 열교환기 블록 밑에 배치된 절연재를 포함한다. 고정적이든 이동가능한 것이든, 다른 위치 및 다른 구성의 절연재도 본 발명에 의해 고려된다.
공통 기판에 배치되거나 그렇지 않으면 매트릭스 형태로 제공되는 복수의 시드 결정으로부터 형성되는 단결정 구조와 대조적으로, 본 발명에 따른 단결정 구조는 바람직하게 도가니 내에 위치된 단일 시드 결정으로부터 형성되어 잉곳의 수직 및 수평 성장 모두를 용이하게 하고 다수의 시드들 사이의 교차 오염(cross contamination)을 방지할 수 있다.
잉곳의 단결정 성장을 달성하기 위하여, 본 발명은 시드 결정의 멜트백(meltback)을 제어하기 위한 가스 냉각식 열교환기를 통합하고, 성장 및 응고 공정 동안 열추출시킴으로써 추가적인 열추출을 제공할 수 있다. 대안적으로, 열교환기는 가스 냉각식 대신 수냉식 또는 액체 냉각식일 수 있다. 도가니의 바닥으로부터 냉각 및 열 손실을 촉진시키기 위하여, 응고 동안 추가적인 열추출은 도가니 바로 아래에 배치된 절연재를 도가니로부터 이격되게 하향 이동시킴으로써 달성될 수 있다.
임의의 실시예에서, 시드의 안정적인 배치를 용이하게 하기 위하여 도가니에 시드 웰(seed well)이 공급될 수 있다.
본 발명에 의해 제공되는 추가적인 열추출 및 열 제어 방법은 도가니와 열교환기 사이에 위치되는 지지 구조의 사용이다. 또한, 지지 구조는 시스템에 추가적인 구조적 일체성을 제공한다.
따라서, 본 발명은 입자들의 불요(spurious) 응집을 최소화하여 단결정 구조를 달성하는 실익, 및 이후 일방향성 응고를 제어하여 잉곳의 성장을 촉진시키는 실익을 갖는다.
태양 전지를 제조하기 위하여 사용되는 단결정 웨이퍼의 다른 장점은 실질적으로 표면 전체가 동일한 방향성을 갖고 표면 전체에 대해 균일한 결과를 달성하도록 처리될 수 있는 것이다. 예를 들면, 웨이퍼가 텍스쳐(texture) 에칭될 경우, 표면 전체에 걸쳐 작은 피라미드가 형성되어 표면에 입사하는 빛이 다중 반사를 겪음으로써 더 많은 빛을 태양 전지에 가둘 수 있다. 이러한 현상은 또한 단결정 웨이퍼를 다결정 웨이퍼에 비해 더 효율적인 태양 전지로 만들 수 있다.
태양 전지 응용을 위하여, 단결정 웨이퍼는 일반적으로 표면 전체에 걸쳐 실질적으로 동일한 방향성을 갖기 때문에, 그러한 웨이퍼가 에칭될 때, 표면 전체에 걸쳐 균일한 텍스쳐를 형성할 수 있다. 예를 들면, (100) 방향을 갖는 웨이퍼는 피라미드를 형성할 것이고 (111) 방향을 갖는 웨이퍼는 삼각형을 형성할 것이며, (100)과 (111) 방향은 당업자에게 잘 알려져 있다. 평활 표면에 대해서는 입사광의 적어도 일부분이 반사되는 반면, 텍스쳐가 형성된 표면에 대해서는 반사된 빛의 적어도 일부분이 다시 직진되어 결국은 표면에 다시 포획된다. 따라서, 일반적으로 더 많은 빛이 텍스쳐가 형성된 표면에 가두어진다. 피라미드 구조에서의 반사는 일반적으로 삼각형 구조보다 더 큰 정도로 다시 포획되므로, 피라미드 구조는 일반적으로 다른 방향성보다 바람직하다. 대조적으로, 다결정 웨이퍼에서는 웨이퍼의 상이한 영역에서 상이한 방향성이 형성되므로, 텍스쳐 형성이 일반적으로 효과적이지 않고 재현될 수 없다. 그러나, 상기한 바와 같이, 단결정 웨이퍼에서는 표면 전체에 걸쳐 균일한 텍스쳐를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명은 단결정 잉곳을 제조하기 위한 시스템을 제공하며, 시스템은 도가니 내에 배치된 시드의 단결정 성장을 촉진시키기 위한 로(furnace)를 포함하며, 시드의 성장은 일방향성 응고에 의해 수직 및 수평 방향으로 모두 촉진된다. 도가니는 단일 시드 결정 및 공급 원료를 수용하도록 구성되고, 적어도 하나의 가열 요소는 도가니에 수용된 시드 결정을 가열 및 적어도 부분적으로 용융시킨다. 열교환기, 예를 들면, 가스 냉각식 열교환기는 시드 결정 및 공급 원료의 용융을 제어한다. 절연재는 로(furnace) 안에, 예를 들면, 로(furnace)의 측면을 따라 포함되고, 단결정 잉곳을 형성하기 위하여 시드 결정의 냉각 및 응고를 위해 챔버를 기준으로 이동하도록 구성된다. 도가니는 바람직하게 로(furnace)의 챔버 안에 위치된다. 본 발명에 따르면, 절연재는 방사상 열 손실을 제어하기 위하여 도가니를 기준으로 상향 또는 하향 이동될 수 있다. 선택적으로, 절연재는 상향 또는 하향 이동되게 구성되도록 열교환기 블록 밑에 제공될 수 있다.
도가니 안의 시드 결정의 용융 속도를 제어하기 위하여, 본 발명의 열교환기는 다수의 단계에서 작동가능하다. 하나의 단계에서, 시드 결정의 실질적으로 완전한 용융을 방지하기 위하여, 열교환기에 가스를 강제로 유입한다. 다른 단계에서, 단일 시드 결정으로부터의 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여 열교환기 내의 가스의 흐름을 증가시킨다.
본 발명의 시스템은 공급 원료 물질의 용융 및 시드의 멜트백을 모니터하는 프로브(probe) 또는 열전대(thermocouple)를 더 포함할 수 있다. 공급 원료 물질은 일반적으로 다결정 실리콘 공급 원료이다. 본 발명의 시스템은 상면이 약간 볼록형이거나 평면형을 갖는 단결정 잉곳을 형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 단결정 잉곳 제조시 섭동(perturbation)의 경우, 결정 입계가 형성되면, 입자 크기는 통상적인 공정에 의해 제조되는 다결정 잉곳보다 더 클 것이다.
또한, 본 발명은 단결정 잉곳을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 일방향성 응고에 의해 단결정 성장을 촉진시키도록 구성된 로(furnace)를 제공하는 단계, 단일 시드 결정 및 공급 원료 물질을 수용하는 원하는 기하학적 형태의 단일 도가니를 로(furnace)의 히트 존에 위치시키는 단계, 시드 결정을 가열 및 적어도 부분적으로 용융시키고 도가니 내에 수용된 공급 원료 물질을 완전히 용융시키는 단계, 시드 결정 및 공급 원료 물질의 용융을 제어하도록 열교환기를 작동시키는 단계, 및 단결정 시드로부터의 일방향 응고를 촉진시키고 단결정 잉곳을 형성하기 위하여 용융 실리콘을 냉각 및 응고시키기 위해 챔버를 기준으로 상향 또는 하향 이동되도록 구성된 이동가능한 절연재를 로(furnace) 안에 도가니 밑에 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명의 방법은 공급 원료 물질의 용융을 모니터하는 단계를 더 포함할 수 있다.
작동시, 시드 결정의 실질적으로 완전한 용융을 방지하기 위하여 열교환기에 가스를 유입시킬 수 있다. 또한, 시드 결정으로부터의 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여 열교환기 안으로 가스의 흐름을 증가시킬 수 있다. 열교환기는 단결정 성장 및 응고의 다수의 단계에서 작동가능하다.
또한, 본 발명은 광기전성 응용에 유용한 단결정 실리콘 잉곳을 제조하기 위한 방법을 제공한다. 본 방법은 일방향성 응고에 의해 단결정 성장을 촉진시키도록 구성된 로(furnace)를 제공하는 단계, 단일 시드 결정 및 공급 원료 물질을 수용하는 도가니를 로(furnace)의 히트 존에 위치시키는 단계, 시드 결정을 가열 및 적어도 부분적으로 용융시키고 도가니 내에 수용된 공급 원료 물질을 완전히 용융시키는 단계, 가스를 열교환기에 제어된 속도로 유입시킴으로써 시드 결정 및 공급 원료의 용융을 제어하도록 열교환기를 작동시키는 단계, 및 단결정 잉곳을 형성하기 위하여 시드 결정을 냉각 및 응고시키기 위해 상향 또는 하향 이동되도록 구성된 이동가능한 절연재를 로(furnace) 안에 제공하는 단계를 포함한다. 본 발명의 시스템처럼, 시드 결정으로부터의 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여 절연재는 챔버를 기준으로 상향 또는 하향 이동될 수 있다.
작동시, 열교환기에 유입된 가스는 공급 원료 물질 및 시드 결정의 용융을 모니터함으로써 얻거나 열교환기 내부에 도가니의 바닥 근처에 위치된 열전대로부터 얻은 피드백에 의해 제어될 수 있다. 피드백에 응답하여, 열교환기로의 가스 흐름은 증가되고, 이에 따라 열교환기에 의한 열추출도 증가하여 시드 결정으로부터의 일방향성 응고를 촉진시킨다.
본 발명의 이러한 측면 및 장점과 기타 측면 및 장점들은 도면과 함께 아래의 바람직한 실시예의 설명으로부터 더욱 분명해질 것이다.
본 발명과 관련한 기술의 당업자가 본 발명의 방법 및 장치의 제조 및 사용법을 꼭 필요하지 않은 실험 없이 용이하게 이해할 수 있도록, 바람직한 실시예들이 도면을 참조하여 아래에 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따라 단결정 잉곳을 제조하는데 유용한, 측면 절연재가 제공된 직사각형 도가니를 갖는 일방향성 응고로(furnace)의 폐쇄 구성의 개략적인 단면도이다.
도 2는 측면 절연재가 제공된 도 1의 로(furnace)의 히트 존의 개방 구성의 개략적인 단면도이다.
도 3a는 시드와 장입물의 로딩 후, 도 1의 로의 개략적인 단면도이다.
도 3b는 장입물이 용융되고 멜트백된 시드가 고형 상태가 된 후, 도 3a의 히트 존의 개략적인 단면도이다.
도 3c는 단결정 잉곳의 초기 성장 단계 동안, 도 3b의 히트 존의 개략적인 단면도이다.
도 3d는 단결정 잉곳의 제2 성장 단계 동안, 도 3c의 히트 존의 개략적인 단면도이다.
도 3e는 단결정 잉곳의 최종 성장 및 응고 동안, 도 3b의 히트 존의 개략적인 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따라, 로딩, 용융, 및 성장의 다양한 단계 동안, 원뿔형 도가니를 갖는 일방향성 응고로의 히트 존의 개략적인 단면도로, 도 4a 내지 도 4e에 도시된 다양한 단계들은 도 3a 내지 도 3e에 도시된 다양한 단계들에 각각 상응한다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따라, 로딩, 용융, 및 성장의 다양한 단계 동안, 구조적 일체성을 부가하고 열 흐름을 제어하기 위하여 상응하는 지지 구조가 도가니의 바닥에 제공된 원뿔형 도가니를 갖는 일방향성 응고로의 히트 존의 개략적인 단면도로, 도 5a 내지 도 5e에 도시된 다양한 단계들은 도 3a 내지 도 3e에 도시된 다양한 단계들에 각각 상응한다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따라, 로딩, 용융, 및 성장의 다양한 단계 동안, 시드를 적소에 고정시키기 위한 시드 웰부를 구비한 테이퍼진 도가니를 갖는 일방향성 응고로의 히트 존의 개략적인 단면도로, 도 6a 내지 도 6e에 도시된 다양한 단계들은 도 3a 내지 도 3e에 도시된 다양한 단계들에 각각 상응한다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따라, 로딩, 용융, 및 성장의 다양한 단계 동안, 구조적 일체성을 부가하고 열 흐름을 제어하기 위하여 상응하는 지지 구조가 도가니의 바닥에 제공되고 시드를 적소에 고정시키기 위한 시드 웰부를 구비한 테이퍼진 도가니를 갖는 일방향성 응고로의 히트 존의 개략적인 단면도로, 도 7a 내지 도 7e에 도시된 다양한 단계들은 도 3a 내지 도 3e에 도시된 다양한 단계들에 각각 상응한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따라 단결정 잉곳을 제조하는데 유용한, 측면 절연재가 제공된 직사각형 도가니를 갖는 일방향성 응고로(furnace)의 폐쇄 구성의 개략적인 단면도이다.
도 2는 측면 절연재가 제공된 도 1의 로(furnace)의 히트 존의 개방 구성의 개략적인 단면도이다.
도 3a는 시드와 장입물의 로딩 후, 도 1의 로의 개략적인 단면도이다.
도 3b는 장입물이 용융되고 멜트백된 시드가 고형 상태가 된 후, 도 3a의 히트 존의 개략적인 단면도이다.
도 3c는 단결정 잉곳의 초기 성장 단계 동안, 도 3b의 히트 존의 개략적인 단면도이다.
도 3d는 단결정 잉곳의 제2 성장 단계 동안, 도 3c의 히트 존의 개략적인 단면도이다.
도 3e는 단결정 잉곳의 최종 성장 및 응고 동안, 도 3b의 히트 존의 개략적인 단면도이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따라, 로딩, 용융, 및 성장의 다양한 단계 동안, 원뿔형 도가니를 갖는 일방향성 응고로의 히트 존의 개략적인 단면도로, 도 4a 내지 도 4e에 도시된 다양한 단계들은 도 3a 내지 도 3e에 도시된 다양한 단계들에 각각 상응한다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 바람직한 제3 실시예에 따라, 로딩, 용융, 및 성장의 다양한 단계 동안, 구조적 일체성을 부가하고 열 흐름을 제어하기 위하여 상응하는 지지 구조가 도가니의 바닥에 제공된 원뿔형 도가니를 갖는 일방향성 응고로의 히트 존의 개략적인 단면도로, 도 5a 내지 도 5e에 도시된 다양한 단계들은 도 3a 내지 도 3e에 도시된 다양한 단계들에 각각 상응한다.
도 6a 내지 도 6e는 본 발명의 바람직한 제4 실시예에 따라, 로딩, 용융, 및 성장의 다양한 단계 동안, 시드를 적소에 고정시키기 위한 시드 웰부를 구비한 테이퍼진 도가니를 갖는 일방향성 응고로의 히트 존의 개략적인 단면도로, 도 6a 내지 도 6e에 도시된 다양한 단계들은 도 3a 내지 도 3e에 도시된 다양한 단계들에 각각 상응한다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 바람직한 제6 실시예에 따라, 로딩, 용융, 및 성장의 다양한 단계 동안, 구조적 일체성을 부가하고 열 흐름을 제어하기 위하여 상응하는 지지 구조가 도가니의 바닥에 제공되고 시드를 적소에 고정시키기 위한 시드 웰부를 구비한 테이퍼진 도가니를 갖는 일방향성 응고로의 히트 존의 개략적인 단면도로, 도 7a 내지 도 7e에 도시된 다양한 단계들은 도 3a 내지 도 3e에 도시된 다양한 단계들에 각각 상응한다.
본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명되며, 유사한 참조 번호는 동일하거나 유사한 요소를 나타낸다.
본 발명은 단결정 물질을 성장시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 여기의 설명은 단결정 실리콘의 제조를 논하지만, 여기에 설명된 기술 및 방법들은 단결정 실리콘 또는 실리콘의 제조만으로 한정되지 않는다. 반도체 결정(예를 들면, Ge, GaAs 등), 산화물(예를 들면, 사파이어, YAG, ALON), 및 불화물(예를 들면, MgF2, CaF2) 등과 같은 다수의 단결정 물질들이 본 발명의 방법을 이용하여 제조될 수 있다.
실리콘과 같은 단결정 물질을 상업적으로 제조하기 위한 현재의 노력은 일반적으로 방사상 열추출을 사용한다. 본 발명의 시스템 및 방법은 낮은 비용, 대형 잉곳의 크기, 높은 수율, 및 낮은 품질을 사용할 수 있는 능력, 덜 비싼 공급 원료를 유지하면서 실질적으로 결정 입계가 없는 제품을 제조하도록 일방향성 응고 공정을 변형함으로써 단결정 잉곳을 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따라 단결정 잉곳의 제조 동안 섭동의 경우, 결정 입계가 형성되면, 입자 크기는 통상적인 공정에 의해 제조된 다결정 잉곳보다 클 것이다. 이러한 결과를 이루기 위하여, 본 발명은 바람직하게 적어도 2개의 제어된 열추출원, 즉 실질적으로 고액계면을 붕괴시키지 않기 위하여 일방향성 응고로 내에 수용된 도가니를 기준으로 이동되도록 구성된 가스 냉각식 열교환기 및 절연재를 사용한다. 일방향성 응고 공정의 이러한 변형 및 기타 변형은 실리콘과 같은 단결정 물질의 성장을 달성하는데 사용될 수 있다. 바람직하게, 변형된 일방향성 응고 공정은 약 12 cm를 초과하는 정사각형 단면을 구비하고 약 10 cm 내지 약 100 cm(직경 또는 평방)를 초과하는 태양 전지용 대형 실리콘 잉곳을 제조하는데 사용될 수 있다. 게다가, 고액계면의 대략 평면적인 표면이 달성될 수 있어, 실질적으로 잔류 응력이 없으며 더 크고 더 무거운 잉곳의 성장을 가능하게 한다.
본 발명에 따르면, 가스 냉각식 열교환기는 시드 형성, 및 아래에 상세하게 설명될 일방향성 응고 공정시 결정 성장을 촉진시키기 위하여 사용될 수 있다. 바람직하게, 단결정 구조를 유지하고 고액계면이 입자의 불요 융합을 겪을 수 있는 조건을 최소화하면서 잉곳을 성장시키기 위하여 일방향성 응고는 제어된다.
도 1을 참조하면, 단결정 잉곳을 제조하기 위한 시스템은 바람직하게 챔버를 구획하는 로(furnace)(10)를 포함하며, 로(furnace)는 챔버 내부에서 일방향성 응고를 촉진하도록 구성된다. 단일 시드 결정(20)은 바람직하게 로(10)의 히트 존("핫존"으로도 불림)에 위치하는 도가니(50) 안에 위치된다. 가스 냉각식 열교환기(200), 예를 들면, 헬륨 냉각식 열교환기는 도가니(50)의 대략 바닥에 배치됨으로써 시드(20)에 콜드 핑거(cold finger) 역할을 한다. 대안적으로, 가스 냉각식 열교환기 대신, 수냉식 또는 액체 냉각식 열교환기가 사용될 수 있다.
로(10) 내부에 수용된 도가니(50) 및 시드(20)는 로(10)의 내부에 의해 구획되는 챔버 안에 포함되며, 바람직하게 챔버는 제어된 분위기가 유지될 수 있는 수냉식 챔버이다. 직사각형 도가니(50a)에는 공급 원료(90) 또는 장입물, 예를 들면, 다결정 실리콘 공급 원료가 로딩될 수 있다(도 3a 참조). 공급 원료(90)는 로(10) 내부에 고정된 적어도 하나의 가열 요소(80)에 의해 가열되도록 배치된다. 공급 원료(90)의 용융은 바람직하게 적어도 하나의 가열 요소(80)에 전원을 통제함으로써 제어되고, 시드(20)의 멜트백은 열교환기(200)를 통한 가스 흐름을 제어함으로써 결정된다. 바람직하게, 공급 원료(90)를 완전히 용융시키고 시드(20)의 실질적으로 완전한 용융을 피하면서 시드(20)를 부분적으로만 용융시키기 위하여 가열 요소(80)로 제공되는 전원이 통제된다.
공급 원료(90)가 용융되고 시드(20)가 적어도 부분적으로 용융된 후, 열교환기(200)를 통한 가스의 흐름은 성장을 개시하고 유지하기 위해 증가된다. 충분한 성장 후, 방사상 열 손실을 점진적으로 증가시켜 도가니(50)를 냉각시킴으로써 추가 응고가 달성된다. 이것은 성장하는 잉곳의 고액계면을 방해하지 않기 위하여 절연재(14)를 도가니(50)를 기준으로 이동시킴으로써 달성된다. 프로브 또는 열전대(미도시), 또는 발명이 속하는 기술에 알려진 기타 수단과 같은 공급 원료(90)의 멜트백을 모니터하기 위한 메카니즘이 시스템에 제공될 수 있다. 단결정 잉곳이 형성된 후, 잉곳은 로(10) 안에 남아 도가니(50) 내부에서 어닐링 및 냉각될 수 있다.
또한, 본 발명에 의해 단결정 잉곳을 형성하는 방법이 제공된다. 본 발명은 단결정 실리콘의 형성 및 성장의 관점에서 아래에 설명될 것이지만, 본 발명은 실리콘의 제조에 한정되지 않으며 여기에 설명되는 예시적인 작동 매개변수에 한정되지 않는다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 단결정 잉곳을 제조하기 위하여, 로(10)는 일방향성 응고 공정을 실행할 수 있어야 한다. 바람직한 실시예에서, 로(10)는 로(10) 내부에 제공되는 절연재(14) 내부에 위치된 영역에 의해 구획되는 원통형 또는 사각형 히트 존(12)을 갖는다. 히트 존(12)은 또한 도가니(50)를 포함하고, 선택적으로 리테이너(70)를 포함하며, 리테이너(70)는 열교환기 블록(25) 위에 위치되고 도가니(50)를 히트 존(12)에 유지하도록 구성된다. 도가니(50)는, 예를 들면, 석영 또는 실리카로 형성될 수 있고, 원통형 또는 사각형일 수 있으며, 응고 후 잉곳에 크랙이 발생하는 것을 방지하기 위하여 선택적으로 코팅될 수 있다. 리테이너(70) 및 열교환기 블록(25)은 일반적으로 흑연으로 형성된다.
바람직하게, 가스 냉각식 열교환기(200)는 히트 존에서 적어도 하나의 가열 요소(80)에 대해 대략 중심에 위치되도록 로(10)에 장착된다. 열교환기 블록(25)은 바람직하게 열교환기(200)에 부착되어 열교환기(200)의 적어도 일부분이 열교환기 블록(25)의 리세스 내에 수용된다.
절연재(14)는 로(10)의 측면을 따라 제공되고 선택적으로 도가니(50) 위 및/또는 아래에 위치되어, 절연재(14)는 도가니(50)를 기준으로 상향 및/또는 하향 이동되도록 구성된다. 예를 들면, 절연재(14)는 측면 절연재(16) 및 바닥 절연재(18)를 포함할 수 있으며, 측면 및 바닥 절연재는 함께 이동되도록 구성되거나, 대안적으로는 원하는 대로 개별적으로 이동되도록 구성된다. 열교환기 블록(25)은 바람직하게 열교환기 블록(25)에 바로 인접하고 열교환기 블록(25) 밑에 제공되는 절연재(35)를 포함하며, 절연재(35)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 상향 및 하향 이동되도록 구성된다. 모든 실시예에 절연재(35)가 필요한 것은 아니다.
도 1은 히트 존(12) 및 폐쇄 구성에 있는 절연재(14)를 구비한 도가니(50)를 나타내고, 도 2는 개방 구성에 있는 절연재(14)를 나타낸다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 열교환기 블록(25) 밑에 제공된 절연재(35)는 열교환기 블록(25)으로부터 이격되게 이동되었다.
공급 원료(90)의 가열 및 용융시, 이 단계 동안 열 손실이 최소화되도록 도 1에 도시된 구성(폐쇄된 절연재)이 사용된다. 성장 단계 동안, 수냉식 챔버에 방사되는 방사상 열 손실을 증가시키기 위하여 절연재는 점진적으로 개방되어 결국 절연재의 구성이 도 2에 도시된 바와 같이 된다.
이하, 본 발명의 로(10)에 유용한 도가니(50)가 상세하게 설명될 것이다. 본 발명에 따르면, 도가니(50)는 다수의 상이한 기하학적인 구성을 가질 수 있다. 하나의 실시예에서, 도가니(50a)는 도 3a에 도시된 바와 같이 직사각형을 갖는다. 다른 실시예에서, 도가니(50b)는 도 4a 및 도 5a에 도시된 바와 같이 원뿔형을 갖는다. 다른 실시예에서, 도가니(50c)는 도 6a 및 도 7a에 도시된 바와 같이 테이퍼진 형상을 갖는다. 도가니(50)의 형상은 원하는 열분배 프로파일에 따라 선택됨으로써, 시드 결정의 완전한 용융을 막기 위하여 도가니(50)의 바닥이 도가니(50)의 상단 부분의 표면보다 낮은 온도로 유지된다. 도가니의 다양한 구성들 각각은, 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같이, 편평한 시드 배치와 함께 사용될 수 있다. 대안적으로, 도가니는 결정 성장 공정 동안 시드 결정을 적소에 고정시키기 위한 시드 웰(55)을 바닥부에 포함할 수 있다(예를 들면, 도 6a 및 도 7a 참조).
바람직하게, 공급 원료(90) 및 형성된 실리콘 잉곳이 석영, 실리카, 또는 도가니(50)의 기타 물질과 직접 접촉하지 않도록 도가니(50)는 질화 규소로 코팅되고 소성된다. 또한, 코팅 공정은 응고 후 실리콘 잉곳에 크랙이 발생하는 것을 실질적으로 방지하기 위하여 사용될 수 있다. 그런 후, 코팅된 도가니(50)에, 바람직하게 도가니의 바닥의 대략 중앙에 단결정 실리콘 시드(20)가 로딩되며, 시드(20)는 실리콘 공급 원료(90)로 덮인다. 로딩 후, 로(10)는 진공되고 가열 요소(80)에 의해 열이 가해질 수 있다.
하나의 예시적인 실시예에 따르면, 단결정 실리콘 잉곳은 로(10) 안에서 형성될 수 있다. 로(10)는 진공하에서 대략 1200℃에 이르고, 챔버는 아르곤 가스로 백필(backfill)되며, 압력은 약 300 밀리바(mbar) 내지 1000 밀리바(mbar) 사이의 일정한 값에서 제어된다. 대안적으로, 질소 및 헬륨과 같은 다른 가스가 사용될 수 있다. 로(10)의 챔버 내 압력은 챔버에 공급되는 아르곤 가스를 규제함으로써 제어된다. 그 후, 가열이 증가되어 로(10)가 약 1500℃에 도달할 때까지 계속되고 실리콘 공급 원료(90)의 용융을 달성하는 온도에서 유지된다. 실리콘은 1412℃에서 녹으므로, 로(10)의 온도는 약 1415℃ 내지 1550℃ 사이에서 유지된다. 용융이 시작되면, 로(10)의 온도는 1415℃를 향해 점진적으로 감소된다. 용융 단계 동안, 헬륨 가스 흐름은 도 3b 내지 도 3e의 상측 화살표에 의해 도시되는 바와 같이 열교환기(200)를 통해 개시된다. 압력과 헬륨의 흐름은 개별적으로 제어된다. 높은 열 전도성과 높은 용량 때문에 바람직하게 헬륨이 사용된다. 아르곤, 질소 등과 같은 다른 가스도 사용될 수 있다. 용융 단계 동안, 헬륨 흐름은 약 5 내지 20 psi사이의 압력에서 약 50 내지 100 SCFH일 수 있다. 헬륨 흐름은 시드 결정(20)의 완전한 용융을 막기 위함이다. 융액이 안정화되고 시드(20)의 멜트백이 달성된 후, 멜트백된 시드 결정(20)으로부터 실리콘의 성장을 촉진시키기 위하여 열교환기를 통한 헬륨 흐름은 약 500 SCFH까지 점진적으로 증가될 수 있다.
도가니(50)와 가열 요소(80)의 이동때문에 성장 동안 불요 융합을 최소화하는 것이 바람직하다. 그 결과, 본 발명의 시스템 및 방법에 따라, 도가니(50) 자체를 이동하기보다 절연재(14)를 도가니(50)와 가열 요소(80)를 기준으로 이동하도록 구성한다. 예를 들면, 열교환기 블록(25)으로부터 다른 방향을 지시하는 화살표(29)로 도 2에 도시된 바와 같이, 열교환기(200)가 도가니(50)의 바닥을 가로질러 시드 형성 및 성장을 위하여 사용된 후, 방사상 열 손실은 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여 사용된다. 바람직한 실시예에서, 로(10)의 챔버는 수냉식 챔버이다.
도 3a를 참조하면, 로딩 단계 동안, 단결정 시드(20)는 직사각형 도가니(50a)에 로딩되고 실리콘 공급 원료(90)로 덮인다. 이 단계에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 절연재(14)는 폐쇄 구성에 있다. 열교환기(200)를 통한 가스의 흐름이 개시되는 동안, 가열 요소(80)는 도 3b에 도시된 바와 같이 공급 원료(90)를 가열하고 용융시킨다.
도 3b 내지 도 3d를 참조하면, 실리콘 공급 원료(90)가 녹기 시작함에 따라, 시드 결정(20)이 완전히 녹는 것을 방지하기 위하여 헬륨 가스는 열교환기(200)를 강제로 통과한다. 하나의 실시예에서, 공급 원료(90) 및 시드 결정(20)의 용융은 모니터될 수 있다. 예를 들면, 석영 로드 프로브 또는 열전대는 융액에 주기적으로 잠길 수 있다. 공급 원료(90) 및 시드(20)의 용융이 진행됨에 따라, 로(10) 내부의 온도는 점진적으로 감소된다. 실리콘 공급 원료(90)가 모두 시드 결정의 멜트백의 적어도 일부분과 녹도록 결과물이 달성되면, 멜트백을 중단하고 잉곳의 성장을 촉진시키기 위하여 열교환기(20)를 통한 헬륨 흐름은 점진적으로 증가될 수 있다. 본 발명에 따라, 실질적으로 공급 원료(90) 모두에 대한 제어된 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여, 바람직하게 로(10)의 온도는 제조되어야 하는 물질의 용융점 이상으로 유지된다. 다른 실시예에서, 열교환기(20) 및 공급 원료(90)를 수용하는 도가니(50a)는 전술한 절연재(14)의 이동과 함께 제어된 속도로 하향 이동될 수 있다. 또한, 임의의 실시예에서, 절연재(35)는 열교환기 블록(25) 밑에 위치되고 방사상 열 손실을 촉진시키고 성장을 향상시키기 위하여 하향 이동될 수 있다.
도 3e에 도시된 바와 같이, 공급 원료(90)의 실질적으로 완전한 응고는 로(10) 내부의 온도를 제조되어야 하는 물질의 용융점 아래로 낮춤으로써 달성된다. 여기에 설명된 예시적인 실시예에서, 실리콘이 제조되고 있으므로, 온도는 약 1412℃까지 감소된다. 이것은 성장 동안 바람직한 고액계면 형상을 얻기 위한 수단으로 작동된다. 볼록한 고액계면은 열교환기(200)에 의한 단결정 실리콘 잉곳(110)의 성장 동안 달성되고, 단결정 성장은 잉곳(110)의 대략 바닥면 전체를 덮도록 달성된다. 완전히 응고된 후, 결과로 얻은 잉곳(110)은 히트 존 내에서 냉각될 수 있다.
도 4a 내지 도 4e는 원뿔형 도가니(50b)를 구비한 일방향성 응고로 및 단결정 성장 공정의 개략적인 단면도이다.
도 5a 내지 도 5e는 원뿔형 도가니(50b)를 구비한 일방향성 응고로 및 단결정 성장 공정의 개략적인 단면도이다. 또한, 도 5a 내지 도 5e는 도가니(50b)의 바닥에 제공될 수 있는 지지 구조(60a)를 나타낸다. 지지 구조(60a)는 열교환기 블록(25) 위에 위치되고, 도가니(50b) 및 리테이너(70)와 짝을 이루기 위하여 도가니(50b)의 형상을 보완하도록 설계된 형상을 갖는다. 지지 구조(60a)는 열 흐름이 제어될 수 있는 부가적인 수단을 제공하면서 시스템에 구조적 일체성을 제공하는 기능을 한다.
도 6a 내지 도 6e는 시드(20)를 적소에 고정시키기 위한 시드 웰부(55)를 구비한 테이퍼진 도가니(50c)를 갖는 일방향성 응고로 및 단결정 성장 공정의 개략적인 단면도이다.
도 7a 내지 도 7e는 시드(20)를 적소에 고정시키기 위한 시드 웰부(55)를 구비한 테이퍼진 도가니(50c)를 갖는 일방향성 응고로 및 단결정 성장 공정의 개략적인 단면도로, 본 발명의 실시예에 따라 시드(20) 및 장입물을 로딩 후 구조적 일체성을 부가하기 위하여 상응하는 유사한 지지 구조(60b)는 도가니(50c)의 바닥에 제공된다. 지지 구조(60a)와 유사하게, 지지 구조(60b)는 열교환기 블록(25) 위에 위치되고, 원통형 도가니(50b) 및 리테이너(70)와 짝을 이루기 위하여 원통형 도가니(50b)의 형상을 보완하도록 설계된 형상을 갖는다.
본 발명은 바람직한 실시예에 관하여 설명되었지만, 첨부된 청구 범위에 의해 한정된 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않는 한, 설명된 시퀀스에 변화 또는 변경 또는 그에 개량이 이루어질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
Claims (25)
- 단결정 잉곳을 제조하기 위한 시스템에 있어서,
로(furnace) 안에 제공되고, 단일 시드 결정 및 공급 원료 물질을 수용하도록 구성된 도가니;
상기 도가니에 수용된 상기 시드 결정을 가열하여 적어도 부분적으로 용융시키고, 상기 도가니에 수용된 상기 공급 원료 물질을 완전히 용융시키기 위한 적어도 하나의 가열 요소;
상기 적어도 부분적으로 용융된 시드 결정 및 상기 공급 원료 물질로부터 상기 단결정 잉곳의 성장을 촉진시키기 위하여, 상기 도가니로부터의 열추출을 제어하기 위한 열교환기; 및
상기 로 안에 포함되고, 상기 단결정 잉곳의 냉각 및 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여 상기 도가니를 기준으로 이동하도록 구성된 절연재를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 절연재는 상기 도가니를 기준으로 상향 또는 하향 이동되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 도가니는 상기 도가니를 상기 로 안에 유지하기 위한 리테이너(retainer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 도가니 안의 상기 시드 결정의 용융 속도를 제어하기 위하여, 상기 열교환기는 복수의 단계에서 작동가능한 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제4항에 있어서,
하나의 단계에서, 상기 시드 결정이 실질적으로 완전히 용융되는 것을 방지하기 위하여, 가스가 상기 열교환기로 유동되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제5항에 있어서,
다른 단계에서, 상기 시드 결정으로부터의 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여, 상기 열교환기로 유동되는 상기 가스 흐름이 증가되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 공급 원료 물질의 용융 및 상기 시드 결정의 멜트백(meltback)을 모니터하는 프로브 또는 열전대를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 공급 원료 물질은 다결정 실리콘 공급 원료인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 열교환기는 가스 냉각식 열교환기인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 도가니를 지지하기 위한 열교환기 블록을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제10항에 있어서,
상기 절연재는 적어도 측면 절연재 및 상기 열교환기 블록 밑에 배치된 절연재를 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 측면 절연재는 상기 열교환기 블록을 기준으로 수직 방향으로 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제11항에 있어서,
상기 열교환기 블록 밑에 배치된 상기 절연재는 상기 열교환기 블록을 기준으로 이동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 도가니의 형상은 직사각형, 원뿔형, 또는 테이퍼진 형상 중 하나인 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 도가니는 단결정 성장 동안 상기 시드 결정을 고정하기 위한 시드 웰부(seed well portion)를 구비하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 제1항에 있어서,
열 흐름을 제어하기 위한, 상기 도가니가 제공되는 지지 구조를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단결정 잉곳 제조 시스템. - 일방향성 응고에 의한 단결정 잉곳 제조 방법에 있어서,
로(furnace) 안의 도가니에 시드 결정 및 공급 원료 물질을 배치하는 단계;
상기 도가니에 수용된 상기 시드 결정을 가열하여 적어도 부분적으로 용융시키고, 상기 도가니에 수용된 상기 공급 원료 물질을 완전히 용융시키는 단계;
상기 적어도 부분적으로 용융된 시드 결정 및 상기 공급 원료 물질로부터 상기 단결정 잉곳의 성장을 촉진시키기 위하여, 상기 도가니로부터의 열추출을 제어하도록 열교환기를 작동시키는 단계; 및
상기 단결정 잉곳의 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여, 상기 도가니를 기준으로 이동하도록 구성된 이동가능한 절연재를 상기 로 안에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향성 응고에 의한 단결정 잉곳 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 시드 결정으로부터의 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여, 상기 절연재는 상기 도가니를 기준으로 상향 또는 하향 이동되는 것을 특징으로 하는 일방향성 응고에 의한 단결정 잉곳 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 시드 결정이 실질적으로 완전히 용융되는 것을 방지하기 위하여, 상기 열교환기를 작동시키는 단계는 상기 열교환기 안으로 가스를 유동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향성 응고에 의한 단결정 잉곳 제조 방법. - 제19항에 있어서,
상기 시드 결정의 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여, 상기 열교환기 안으로 유동되는 상기 가스 흐름을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향성 응고에 의한 단결정 잉곳 제조 방법. - 제17항에 있어서,
상기 이동가능한 절연재는 적어도 측면 절연재 및 열교환기 블록 밑에 배치된 절연재를 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향성 응고에 의한 단결정 잉곳 제조 방법. - 제21항에 있어서,
일방향성 응고를 촉진시키기 위하여, 상기 열교환기 블록 밑에 배치된 상기 절연재를 상향 또는 하향 이동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일방향성 응고에 의한 단결정 잉곳 제조 방법. - 광기전성 응용에 유용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법에 있어서,
로(furnace) 안의 도가니에 시드 결정 및 실리콘 공급 원료 물질을 배치하는 단계;
상기 도가니에 수용된 상기 시드 결정을 가열하여 적어도 부분적으로 용융시키고, 상기 도가니에 수용된 상기 공급 원료 물질을 완전히 용융시키는 단계;
가스를 상기 도가니 안으로 제어된 속도로 도입함으로써, 상기 시드 결정 및 상기 공급 원료 물질의 용융을 제어하도록 열교환기를 작동시키는 단계; 및
상기 단결정 잉곳의 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여, 상기 도가니를 기준으로 이동하도록 구성된 이동가능한 절연재를 상기 로 안에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전성 응용에 유용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법. - 제23항에 있어서,
상기 열교환기로 상기 가스를 도입하는 속도는 상기 공급 원료의 용융을 모니터함으로써 얻은 피드백에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 광기전성 응용에 유용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법. - 제23항에 있어서,
상기 시드 결정으로부터의 일방향성 응고를 촉진시키기 위하여, 상기 열교환기 안으로 유동되는 상기 가스의 흐름을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광기전성 응용에 유용한 단결정 실리콘 잉곳 제조 방법.
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