KR20110084891A - 다수의 개별 스트링들을 갖는 리본 크리스털 단부 스트링 - Google Patents

다수의 개별 스트링들을 갖는 리본 크리스털 단부 스트링 Download PDF

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에버그린 솔라, 인크.
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Abstract

본 발명의 리본 크리스털은 본체와 본체 내부의 단부 스트링을 포함한다. 하나 이상의 단부 스트링은 대체로 오목한 단면 형상을 갖고 두 개 이상의 개별 스트링들로 형성된다.

Description

다수의 개별 스트링들을 갖는 리본 크리스털 단부 스트링{RIBBON CRYSTAL END STRING WITH MULTIPLE INDIVIDUAL STRINGS}
본 발명의 특허 출원은 변리사 사건명부 제3153/178호로 지정되고 발명자가 레이츠마 스코트(Reitsma, Scott)이며 "다수의 개별 스트링들을 갖는 리본 크리스털 단부 스트링(RIBBON CRYSTAL END STRING WITH MULTIPLE INDIVIDUAL STRINGS)"라는 제목으로 2008년 10월 16일자로 제출되고 그 내용이 본 명세서에 전체적으로 참조로 통합되는 미국 특허 출원 제12/252,557호를 우선권으로 주장한다.
본 발명은 일반적으로 스트링 리본 크리스털에 관한 것이고, 특히 본 발명은 스트링 또한 리본 크리스털을 형성하도록 사용된 스트링에 관한 것이다.
미국 특허 제4,689,109호(1987년에 공표되고 단일 발명자가 엠마뉴엘 엠. 사크스임)에서 기술된 것들과 같이, 스트링 리본 크리스털은 다양한 전자 장치의 베이스를 형성할 수 있다. 예를 들어, 미국 매사추세츠주 말보로에 소재하는 에버그린 솔라 인크.(Evergreen Solar, Inc.)는 종래의 스트링 리본 크리스털로 태양 전지를 형성한다.
상술한 특허에서 더욱 상세하게 기술된 바와 같이, 종래의 프로세스는 두 개 이상의 스트링들이 용융 실리콘을 통과함으로써 스트링 리본 크리스털을 형성한다. 스트링의 조성 및 특성은 효율성과, 몇몇 예들에서 최종적으로 형성된 스트링 리본 크리스털의 비용에 상당한 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 리본 크리스털은 본체와 본체 내부의 단부 스트링을 갖는다. 하나 이상의 단부 스트링은 대체로 오목한 단면 형상을 갖고 두 개 이상의 개별 스트링들로 형성된다.
기술된 두 개의 개별 스트링들은 대체로 긴 오목한 단면 형상을 형성하도록 대체로 본체의 두께 치수를 따라 이격될 수 있다. 또한, 본체 재료(예를 들어, 실리콘)는 두 개의 개별 스트링들 사이에 있을 수 있다. 대안적인 실시예에서, 기술된 두 개의 개별 스트링들은 물리적으로 접촉된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 리본 크리스털은 본체와 본체 내부의 복수의 단부 스트링을 갖는다. 하나 이상의 단부 스트링은 적어도 한 쌍의 이격된 개별 스트링들로 형성된다. 본체 재료는 한 쌍의 개별 스트링들 사이에서 위치설정된다.
하나 이상의 단부 스트링은 대체로 오목한 단면 형상을 가질 수 있다. 또한, 개별 스트링들 각각은 대체로 긴 단면 형상을 형성할 수 있다. 또한, 하나 이상의 개별 스트링은 폭 치수에 대하여 대체로 대칭인 오목부를 가질 수 있다. 하나 이상의 단부 스트링의 개별 스트링들은 대체로 본체의 두께 치수를 따라 이격될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 리본 크리스털을 형성하는 방법은 복수의 단부 스트링을 제공한다. 하나 이상의 단부 스트링들은 두 개 이상의 이격된 개별 스트링들을 갖는다. 또한, 이 방법은 용융 재료를 도가니에 추가하고 이어서 단부 스트링이 용융 재료를 통과하게 하여서 계면 위에서 용융 재료를 냉동시키게 하고, 이에 따라 용융 재료의 시트를 형성한다. 하나 이상의 단부 스트링은 계면 위의 그 개별 스트링들 사이에서 용융 재료를 냉동시킨다.
당업자는 바로 아래에서 요약된 도면을 참조하여 기술된 이하의 "예시적인 실시예의 상세한 설명"으로부터 본 발명의 다양한 실시예의 이점을 더욱 충분히 인식해야만 한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 스트링들로 형성될 수 있는 스트링 리본 크리스털을 개략적으로 도시한다.
도 2는 스트링 리본 크리스털을 형성하도록 사용된 예시적인 노를 개략적으로 도시한다.
도 3은 종래 기술의 스트링을 갖는 종래 기술의 리본 크리스털의 일부분의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 4a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 형성된 스트링을 개략적으로 도시한다.
도 4b는 본 발명의 다양한 실시예에 따라 선 B-B를 따라 도 4a의 스트링의 8개의 단면도들을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 스트링들을 이용하여 스트링 리본 크리스털을 형성하는 예시적인 프로세스를 도시한다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 긴 단면을 갖는 스트링들을 이용하는 실시예와 일치하는 리본 크리스털들의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 다수의 개별 스트링들로 형성된 단부 스트링을 갖는 리본 크리스털의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 대체로 오목한 단면 형상을 갖는 스트링을 갖는 리본 크리스털을 개략적으로 도시한다.
예시적인 스트링 리본 제작 공정들은 리본 크리스털의 각각의 단부를 위해 복수의 개별 스트링들을 사용한다. 예를 들어, 각각의 단부 스트링은 한 쌍의 개별 이격된 스트링들로 형성될 수 있다. 이러한 스트링의 기하학적 및 열적 특성들은 더 두꺼운 네크 영역을 형성하는 것과 같이 크리스털 특성을 향상시켜야 한다. 다양한 실시예의 세부사항이 이하에서 기술된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 스트링 리본 크리스털(10)을 도시한다. 다른 리본 크리스털과 유사한 방식으로, 이 리본 크리스털(10)은 대체로 직사각형 형상과 그 전방 및 후방 면들 상의 비교적 큰 표면 영역을 갖는다. 예를 들어, 리본 크리스털(10)은 약 3 인치의 폭과 약 6 인치의 길이를 가질 수 있다. 당업자에게 알려진 바와 같이, 길이는 상당히 변화될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 알려진 공정들에서, 길이는 리본 크리스털이 성장함에 따라 리본 크리스털(10)이 어디서 절단할지에 대한 노 작업자의 재량에 좌우된다. 또한, 폭은 리본 크리스털 폭 경계를 형성하는 두 개의 스트링(12)들(도 2 참조)의 분리에 좌우되어 변화될 수 있다. 이에 따라, 특정한 길이 및 폭의 기술은 예시적인 것이고 본 발명의 다양한 실시예들을 제한하도록 의도되지 않는다.
리본 크리스털(10)의 두께가 변화될 수 있고 그 길이 및 폭 치수들에 대하여 매우 작을 수 있다. 예를 들어, 스트링 리본 크리스털(10)은 그 폭을 가로질러 약 60 ㎛(미크론) 내지 약 320 ㎛의 범위의 두께를 가질 수 있다. 이러한 두께 변화에도 불구하고, 스트링 리본 크리스털(10)은 그 길이 및/또는 폭을 가로지르는 평균 두께를 갖도록 고려될 수 있다.
리본 크리스털(10)은 용례에 따라 임의의 폭넓고 다양한 재료(흔히 대체로 "리본 재료" 또는 "크리스털 재료"로 칭함)로 형성될 수 있다. 예를 들어, 광전지 용례를 위한 성장시, 리본 크리스털(10)은 실리콘과 같은 단일 요소 또는 실리콘계 재료(예를 들어, 실리콘 게르마늄)와 같은 복합재로 형성될 수 있다. 다른 예시적인 리본 재료는 갈륨 비화물 또는 인듐 인화물을 포함할 수 있다. 리본 재료는 다수의 결정(multi-crystalline), 단일 결정, 다결정, 미세결정 또는 반결정(semi-crystalline)과 같은 임의의 다양한 크리스털 형태들일 수 있다.
당업자에 의해 알려진 바와 같이, 리본 크리스털(10)은 리본 재료에 의해 대체로 매립되거나 및/또는 캡슐화된 한 쌍의 스트링(12)들(도 2 및 추후 도면들 참조)로 형성될 수 있다. 아래에 기술한 공정으로부터 알 수 있는 바와 같이, 한 쌍의 스트링들(12)은 리본 크리스털(10)의 에지들을 효과적으로 형성하며, 즉, 그들은 리본 크리스털(10)의 폭을 한정한다. 이에 따라, 스트링들은 "단부 스트링들" 또는 단순히 스트링(12)들로서 본 명세서에서 전체적으로 지칭될 수 있다. 또한, 단순성을 위하여, 리본 크리스털(10)은 폴리실리콘(polysilicon) 리본 재료로 형성되는 바와 같이 기술된다. 그럼에도 불구하고 폴리실리콘의 기술이 모든 실시예를 제한하도록 의도되지 않는다는 것을 되풀이하여 인식되어야 한다.
예시적인 실시예들은 도 2에서 도시된 바와 같이 리본 크리스털 성장 노(14)에서 리본 크리스털(10)을 성장시킨다. 더욱 구체적으로, 도 2는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 스트링 리본 크리스털(10)을 형성하도록 사용될 수 있는 실리콘 리본 크리스털 성장 노(14)를 개략적으로 도시한다. 그 중에서도 특히, 노(14)는 (연소를 방지하도록) 실질적으로 산소가 없는 밀봉된 내부를 형성하는 하우징(16)을 갖는다. 산소 대신에, 내부는 소정 농도의 아르곤과 같은 다른 가스 또는 가스들의 조합을 갖는다. 그 중에서도 특히, 하우징 내부는 도가니(18)와 실질적으로 동시에 성장하는 4개의 실리콘 리본 크리스탈(10)을 위한 다른 부품들을 또한 포함한다. 하우징(16) 내의 공급 입구(20)는 실리콘 공급원료를 내부 도가니(18)로 지향하는 수단을 제공하는 반면에, 선택적인 윈도우(22)는 내부 부품들의 조사를 허용한다.
도시된 바와 같이, 하우징(16) 내부의 내부 플랫폼 상에 지지되어 있는 도가니(18)는 실질적으로 편평한 상단면을 갖는다. 이 실시예의 도가니(18)는 그 길이를 따른 나란한 배치에서 실리콘 리본 크리스털(10)을 성장시키기 위한 영역을 갖는 긴 형상을 갖는다. 예시적인 실시예에서, 도가니(18)는 흑연으로 형성되고 그 융점 이상으로 실리콘을 유지시킬 수 있는 온도로 절연되어 가열된다. 결과들을 향상시키기 위해서, 도가니(18)는 그 폭보다 훨씬 큰 길이를 갖는다. 예를 들어, 도가니(18)의 길이는 그 폭보다 3배 이상 더 클 수 있다. 물론, 몇몇 실시예에서, 도가니(18)는 이러한 방식에서 길이가 길지 않다. 예를 들어, 도가니(18)는 어느 정도 정사각형 형상 또는 비직사각형 형상을 가질 수 있다.
도 2에 도시되고 이하에서 상세하게 기술되는 바와 같이, 노(14)는 스트링(12)[즉, 단부 스트링(12)들]을 수용하기 위하여 복수의 구멍(24)(점선으로 도시됨)을 갖는다. 특히, 도 2의 노(14)는 네 개의 쌍들의 단부 스트링(12)들을 수용하기 위하여 8개의 스트링 구멍(24)들을 갖는다. 각 쌍의 스트링(12)들은 단일 리본 크리스털(10)을 형성하도록 도가니(18) 내에 용융 실리콘을 통과한다.
많은 종래의 리본 크리스털 성장 공정들은 스트링 근처에 얇은 네크부(neck portion) 부분으로 리본 크리스털들을 형성한다. 더 구체적으로, 도 3은 종래 기술의 스트링(12P)을 갖는 종래 기술의 리본 크리스털(10P)의 일부분의 단면도를 개략적으로 도시한다. 이러한 종래 기술의 리본 크리스털(10P)은 스트링(12P)과 리본 크리스털(10)의 광폭부(38) 사이에 얇은 네크부(36)를 갖는다. 만약 네크부(36)가 너무 얇다면, 리본 크리스털(10P)은 매우 부서지기 쉽고 쉽게 절단될 수 있어서 생산수율 손실(yield losses)을 초래한다. 예를 들어, 스트링(12)과 리본 크리스털(10P)을 형성하는 리본 재료(예를 들어, 폴리실리콘) 사이의 열 팽창 차이의 계수가 충분히 크다면, 리본 크리스털(10P)은 네크부(36)에서 더 쉽게 절단될 수 있다.
네크 두께를 증가시키기 위해서, 당업자는 리본 성장 공정에 장비를 추가하였다. 예를 들어, 하나의 이러한 해결책은 노(14)에 가스 제트(도시 생략)를 추가한다. 이들 가스 제트는 네트부(36)를 향하여 상대적으로 저온의 가스 스트림을 안내하고, 이에 따라 네크 두께를 증가하도록 그 영역에서 온도를 감소시킨다. 다른 해결책은 특정한 매니스커스 쉐이퍼(meniscus shaper)를 추가하는 단계를 포함한다.
이러한 추가적인 외부 조치를 사용하기보다는, 본 발명의 예시적인 실시예들은 지정된 방식으로 스트링(12)의 단면 치수를 설계한다. 예시된 실시예들은 성장하는 리본 크리스털(10)의 네크부(36)의 크기를 증가시키는 방식으로 크리스털 성장 노(14) 내에서 스트링(12)을 위치설정한다. 예를 들어, 약 190 ㎛의 평균 두께를 갖는 얻어진 리본 크리스털(10)은 약 60 ㎛의 최소 두께를 갖는 네크부(36)를 가질 수 있으며, 이는 임의의 용례에 충분할 수 있다. 이러한 기술혁신은 결과적으로 생산수율 손실을 감소시켜야 하고, 이에 따라 생산 비용을 감소시킨다.
도 4a는 본 발명의 예시적인 실시예들에 따라 형성될 수 있는 스트링(12)을 개략적으로 도시한다. 이 도면이 대체로 볼록 또는 둥근 단면을 도시하는 것으로 보이지만, 이는 단순히 개략적인 것으로 고려되어야만 하고 특정한 단면 형상을 제공하는 것은 아니다. 이 목적을 위해서, 도 4b는 본 발명의 많은 다른 실시예들에 따라 교차선 B-B를 따른 도 4a의 스트링(12)의 8개의 상이한 단면도를 개략적으로 도시한다. 예를 들어, 몇몇 형상들은 불규칙적인 형상의 스트링 1, 직사각형 형상의 스트링 2, 및 어느 정도의 타원형 형상의 스트링 3과 같이 대체로 길이가 길다.
그들이 길이가 길든지 혹은 길지 않든지 간에, 다양한 스트링(12)들이 대체로 오목하거나 대체로 볼록한 바와 같이 분류될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단면 형상은 대체로 임의의 주변부가 하나 이상의 무시할 수 없는 오목부를 형성하는 경우에 대체로 오목하다. 따라서, 스트링 1은 다른 것들이 볼록부임에도 불구하고 대체로 오목형인 것으로 고려된다. 반대로, 단면 형상은 주변부가 무시할 수 없는 오목부가 없는 경우에 대체로 볼록한 것으로 고려된다. 따라서, 도 4b의 스트링 2 및 스트링 3은 대체로 볼록하다.
도 4b는 대체로 오목한 많은 다른 단면 스트링 형상들을 도시한다. 실제로, 몇몇은 길이가 길고 오목할 수 있다. 예를 들어, 스트링 4는 대체로 "C" 형상이고 오목하며 길이가 길지만, 스트링 5는 대체로 십자형 형상이고 오목하지만 길이가 길지 않다. 스트링 5(십자형 형상)의 형상은 십자형의 수평 및 수직 부분들 양쪽 모두가 대략 동일 크기인 대체로 대칭이기 때문에 길이가 길지 않다. 이러한 실제 치수에 따라, 스트링 8은 대체로 "T" 형상이고, 길이가 길 수도 있거나 길지 않을 수도 있다. 예를 들어, 하방으로 연장하는 "T" 형상의 일부가 그 수평 부분보다 길다면, 스트링 8은 길이가 긴 것으로 고려될 수 있다. 어떠한 경우에, 스트링 8은 대체로 오목한 것으로 고려된다.
실험 동안, 이하에서 기술되는 바와 같이, 발명자들은 복수의 개별 스트링들로부터의 단부 스트링(12)들을 형성하는 것이 네크 크기를 상당히 향상시킨다는 것을 발견하고 놀라웠다. 다시 말하면, 단부 스트링(12)들은 두 개 이상의 개별 스트링들로부터 형성될 수 있다. 스트링 6 및 스트링 7은 두 개의 이러한 실시예들을 보여준다. 특히, 스트링 6은 개별 스트링(12)들이 최종 리본 크리스털(10)에서 서로 물리적으로 접촉하는 하나의 실시예를 도시하는 반면에, 스트링 7은 개별 스트링(12)들이 [최종 리본 크리스털(10)에서] 서로 이격되는 다른 실시예를 도시한다. 스트링 7에 의해 본래부터 도시된 바와 같이, 두 개의 이격된 개별 스트링들을 이용하는 단부 스트링(12)은 두 개의 개별 스트링들을 포함하고, 두 개의 개별 스트링들 사이에서 몇몇 리본 본체 재료(예를 들어, 폴리실리콘)을 더한다.
복수의 개별 스트링들을 이용하는 단부 스트링(12)들이 두 개의 개별 스트링들보다 더 많이 사용될 수 있다는 것을 알 수 있어야 한다. 예를 들어, 몇몇 단부 스트링(12)들은 그들의 깊이 치수를 증가시키도록 세 개 또는 네 개의 스트링들을 사용할 수 있다. 또한, 이들 복수의 스트링 실시예들의 개별 스트링들은 동일하거나 다른 단면 형상[예를 들어, 제1 타원형 형상 스트링(12) 및 다른 단면 또는 원형 형상의 스트링(12)]을 가질 수 있다.
도 4b의 특정한 형상이 다양한 다른 단면 스트링 형상들의 예시들인 것을 알 수 있어야 한다. 이에 따라, 당업자는 다른 스트링 형상들이 다양한 실시예들의 범위 내에서 이루어진다는 것을 이해되어야 한다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 구성된 스트링(12)들을 사용하여 스트링 리본 크리스털(10)을 형성하는 예시적인 공정을 도시한다. 단순성을 위하여, 이러한 공정은 도 4b의 스트링 2를 참조하여 기술되며, 그 이유는 스트링 2가 본 공정에서 설명하고 있는 다양한 스트링 층들을 명시적으로 도시하는 유일한 스트링(12)이기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 기술된 원리들은 다른 단면 형상들을 갖는 스트링(12)들 또는 다른 공정들에 의해 형성된 다른 스트링들에 적용된다는 것을 알 수 있어야 한다.
공정은 내화 재료 층을 수용하도록 기판으로서 작용하는 코어/기판(28)을 형성함으로써 단계(500)에서 시작한다. 변리사 사건명부 제3253/172호이고 "리본 크리스털을 위한 감소된 습식 스트링(REDUCED WETTING STRING FOR RIBBON CRYSTAL)"이라는 제목을 갖는 (위에서 참조로 통합되는) 계류중인 미국 특허 출원에서 더 상세하게 기술된 바와 같이, 코어(28)는 종래의 압출 공정에 의해 카본으로 형성될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에서, 코어(28)는 와이어, 필라멘트 또는 토우(tow)로서 함께 감긴 복수의 작은 도전성 파이버들일 수 있다. 예를 들어, 후 제작 공정들이 산화, 탄화 또는 침투와 같은 알려진 제작 공정을 통해 모노필라멘트(monofilament)를 형성할 수 있다.
코어(28)는 원하는 단면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 4b에 도시된 바와 같이, 스트링 2의 코어(28)는 대체로 직사각형이다. 대안적으로, 코어(28)는 다른 단면 형상을 가질 수 있지만, 내화성 재료 용례 장비는 원하는 단면 형상을 형성하도록 특별히 구성될 수도 있다. 예를 들어, 압출 장비는 최종 단면 스트링 형상의 것과 동일하거나 상이한 미리 특정한 단면 형상을 갖는 코어 재료로부터 단면 형상을 형성하도록 특별히 구성될 수 있다.
코어(28)를 형성한 이후에, 공정은 위에서 기술된 내와 재료 층(30)으로서 작용하는 제1 코팅/층을 형성한다(단계 502). 그 중에서도 특히, 제1 코팅(30)은 실리콘 카바이드, 텅스텐 또는 실리콘 카바이드 및 텅스텐의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 제1 층은 종래의(그리고 흔히 복잡한) CVD 코팅 공정과 같은 많은 종래 방식으로 형성될 수 있다.
CVD 공정의 복잡한 기계가공 및 위험한 화학약품의 사용을 회피하기 위해서, 예시적인 실시예들은 코어/기판(28) 상에 직접 내화 재료를 압출한다. 이것은 그 중에서도 특히 풀트루션 공정(pulltrusion process) 또는 결과적으로 구워지는 폴리머 성분을 갖는 내화 재료의 양쪽 스피닝(spinning)을 포함할 수 있다. 공정들은 카본, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 질소화물, 알루미늄, 뮬라이트(mullite), 실리콘 이산화물, BN 입자들 또는 압출/풀트루션으로 결합된 폴리머 결합제로 혼합된 파이버들 중 하나 이상의 구성요소를 사용할 수 있다. 또한, 이것은 하나 이상의 실리콘 카바이드, 카본, 실리콘 및 산화물, 뮬라이트, 카본 및/또는 실리콘 카바이드 중 적어도 하나를 갖는 외장(sheath)과 함께 코어(28)의 2성분 압출부를 포함할 수 있다. 이에 따라, 위에서 기술한 바와 같이, 코어(28)는 내화물 재료 층(30)을 지지하기 위한 기판으로서 효과적으로 작용한다.
따라서, 이러한 단계는 베이스 스트링부(26)인 것으로 고려되는 것을 형성한다. 베이스 스트링부(26)가 임의의 폭넓고 다양한 재료들 중 하나 이상으로부터 형성될 수 있다는 것을 되풀이되어야 한다. 이러한 재료들은 흑연 파이버 또는 토우, 텅스텐 또는 실리콘 카바이드와 같은 내화 재료, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 실제로, 몇몇 실시예들은 코어(28) 없이 베이스 스트링부(26)를 형성할 수 있다.
공정에서의 이러한 점에서, 베이스 스트링부(26)는 리본 재료의 열 팽창의 계수와 대체로 양호하게 일치하는 열 팽창의 결합된 계수를 갖는다. 구체적으로, 스트링(12)의 열 팽창 특성들은 과도한 응력이 계면에서 전개되지 않도록 리본 재료에 충분히 잘 일치시켜야 한다. 스트링(12)이 합당한 차후의 리본 크리스털 핸들링 및 공정 단계들 동안 리본으로부터 분리되는 경향이 나타난다면, 또는 스트링(12)이 리본 크리스털 에지로부터 외부로 또는 내부로 뒤틀리는 경향이 나타난다면, 응력이 과도한 것으로 고려된다. 그러나, 다른 실시예에서, 베이스 스트링부(26)의 열 팽창의 계수는 리본 재료의 것과 대체로 일치하지 않는다.
본 발명의 몇몇 실시예들은 용례에 따라 하나 이상의 추가 층을 가질 수 있다. 예를 들어, 변리사 사건명부 제3253/172호인 위에서 기술된 통합된 특허 출원에서 더 상세하게 기술된 바와 같이, 스트링(12)은 리본 재료의 조직 크기를 증가시키도록 비-습식/감소된 습식 층(32)을 가질 수 있다. 이 경우에, 공정은 베이스 스트링부(26) 상에 노출된 비습식/감소된 층(32)을 형성하는 단계(504)로 계속된다. 열 팽창 차이의 계수에 민감한 용례들에서, 이러한 층(32)은 열 팽창의 전체 스트링 계수에 대한 무시할 수 있는 영향을 주도록 매우 얇은 것이 바람직하다. 예를 들어, 감소된 습식 층(32)은 내화 재료 층(30)의 것보다 훨씬 더 얇아야 한다.
이러한 비-습식 층(32)을 이용하는 실시예들에서, 리본 재료의 외부 표면과의 접촉 각도는 용융 리본 재료가 그에 부착되게 하도록 조심스럽게 제어되어야만 하며, 그렇지 않으면, 공정은 리본 크리스털(10)을 형성할 수 없다. 용융 폴리실리콘을 이용하는 용례들에서, 예를 들어, 약 15도 및 120도 사이에서의 실리콘과의 접촉 각도는 만족스런 결과를 발생시키는 것이 예견된다. 25도보다 큰 이러한 각도들은 더 좋은 결과를 발생시킬 수 있다.
다른 방식들 중에서, 비습식 층(32)은 CVD 공정들, 딥 코팅(dip coating) 또는 다른 방법들에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 베이스 스트링부(26)는 챔버를 통해 제공되는 동안 침전 챔버 내에서 전기 접촉을 적용함으로써, 이에 따라 베이스 스트링부(26)가 자체로 가열됨으로써 CVD 코팅될 수 있다. 대안적으로, 베이스 스트링부(26)는 챔버를 통해 열을 유도함으로써 가열될 수 있다.
이러한 단계를 실행하기 위한 관련 기술들은,
● CVD 노의 단부에서 또는 되감기(rewind) 동안 실리카 또는 알루미나 산화물 또는 실리콘 옥시탄화물(silicon oxycarbide)을 위한 졸 겔 딥(sol gel dip) 단계,
● 외부로부터 석영을 가열하고 베이스 스트링부(26)를 유도 가열함으로써 첨전된 CVD 비습식 코팅 단계,
● 차후에 태워지는 폴리머 결합제에 의한 분무식 침전 단계,
● 베이스 스트링부(26) 또는 토우 상으로 입자를 진동시키고 이어서 베이스 스트링부(26) 또는 토우 내로 베이킹(baking)하는 단계, 및
● 내화물 슬러리(예를 들어, 실리콘 카바이드/실리콘 이산화물) 또는 액체로 베이스 스트링부(26)를 코팅하고 이어서 잔류물을 태우는 단계를 포함한다.
또한, 스트링(12)은 베이스 스트링부(26)의 완전한 상태(integrity)를 유지하도록 내화 재료 층(30)의 방사상 외부로 핸들링 층(34)을 구비할 수 있다. 이 목적을 위해서, 포함하는 경우에, 핸들링 층(34)은 베이스 스트링부(26)에 대한 작은 압축 응력을 제공하고, 이에 따라 전체 스트링(12)에 대한 견고성을 향상시킨다. 따라서, 베이스 스트링부(26)가 균열(crack)을 전개하는 경우에, 핸들링 층(34)의 압축력은 스트링(12)이 절단될 가능성을 감소시켜야 한다. 그 중에서 특히, 핸들링 층(34)은 카본의 얇은 층(예를 들어, 대체로 알려진 크기를 갖는 스트링(12)들을 위한 1 또는 2 ㎛ 두께)일 수 있다.
따라서, 단계 504를 수행하기 이전에, 몇몇 실시예들은 생성된 비습식 층(32)(예를 들어, 도 4b의 스트링 2 참조)으로부터 분리되는 핸들링 층(34)을 형성할 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에서, 비습식 습식 층(32)은 핸들링 층(34)을 실질적으로 커버한다. 더 구체적으로, 비습식 층(32)은 핸들링 층(34)의 외부의 주연방향 표면을 커버한다. 그러나, 몇몇 실시예에서, 비습식 층(32)이 핸들링 층(34)으로 통합될 수 있다.
이어서, 코팅 스트링(12)이 비습식 층(32)을 통해 연장하는 필라멘트[이러한 필라멘트는 "휘스커(whiskers)"로서 본 명세서에 칭함]를 갖는지를 단계 506에서 결정된다. 이것은 예를 들어 필라멘트의 토우가 코어(28)를 형성하는 경우에 일어날 수 있다. 만약 코팅된 스트링(12)이 휘스커들을 갖는다면, 공정은 단계 508에서 휘스커들을 자를 것이다. 이어서 공정은 비습식 층(32)을 재적용하는 단계 504로 되돌아가 순환할 수 있다.
대안적으로, 스트링(12)이 휘스커를 갖고 있지 않다면, 공정은 도 2에 도시된 바와 같이 스트링(12)을 노(14)에 제공하는 단계 510으로 계속된다. 이 목적을 위해서, 몇몇 실시예들은 각각의 리본 크리스털 에지를 위한 단일 스트링(12) 또는 각각의 리본 크리스털 에지를 위한 다수의 스트링(12)들(도 6b의 6개 및 7개의 스트링들)을 제공한다. 용어 "스트링"은, (예를 들어, "단일" 또는 "다수의"라는 단어에 의해) 명시적으로 반대로 변경되지 않는다면, 리본 크리스털(10)의 경계/폭을 형성하는 것을 참조하여 언급되는 경우에, 일반적으로 하나 이상의 스트링을 의미한다.
스트링(12)을 형성하기 위한 위의 방법들을 이용하기보다는, 몇몇 실시예들은 둥글거나 혹은 다르게는 대체로 볼록한 스트링(12)으로 오목부를 기계 가공하거나 보오링한다. 따라서, 스트링(12)은 다른 방법들에 의해 형성될 수 있다.
예시된 실시예들은 리본 크리스털 네크부(36)의 두께를 증가시키는 방식으로 노(14) 내의 스트링(12)들을 배향한다. 예를 들어, 도 6a 내지 도 6c는 길이가 길고, 대체로 타원형이고, 대체로 볼록한 단면 형상을 갖는 스트링(12)들을 갖는 3개의 리본 크리스털(10)들의 단면도를 개략적으로 도시한다. 네크부(36)의 두께를 증가시키기 위해서, 이들 실시예들은 그들 각각의 리본 크리스털(10)의 폭 치수로 발산되도록 그들 각각의 대체로 종방향 축(42)들을 배향한다. 다시 말하면, 발산을 위해서, 종방향 축(42)은 폭 치수와 평행하지 않고, 대신에, 종방향 축(42) 및 폭 치수는 교차한다.
더 구체적으로, 각각의 스트링(12)의 단면은 가장 큰 치수부와 동일선상에 d는, 그 각각은 도 6a 내지 도 6c에서 이중 화살표로서 도시되어 있다. 참조 목적을 위해, 각각의 이들 긴 단면 형상의 종방향 축(42)은 가장 큰 치수로 공통 선형이 되는 것으로 고려된다. 발명자에게 알려진 종래 기술은 리본 크리스털(10)의 폭 치수와 대체로 평행한 종방향 축(42)을 배향한다. 그러나, 이러한 종래 기술에서의 명시적 교시와 반대로, 발명자들은 리본 크리스털 폭 치수로 발산하도록 종방향 축(42)을 배향하는 것이 네크 크기를 증가시킨다는 것을 발견하였다.
예를 들어, 도 6a는 폭 치수에 실질적으로 직교하는 종방향 축(42)을 배향하는 반면에, 도 6c는 폭 치수와 좁은 각도를 형성하도록 종방향 축(42)을 배향한다. 도 6b는 도 6a 및 도 6c의 극단들 사이에서 종방향 축(42)을 배향한다. 어느 한 실시예는 위에서 기술된 종래 기술과 비교할 때 네크부(36)의 크기를 증가시킨다. 이러한 네크 크기 증가는 결과적으로 파손을 감소시키고, 이에 따라 생산수율을 향상시킨다.
도 6a 내지도 6c에서 도시된 것들과 다른 배향들이 또한 만족스런 결과를 제공한다는 것을 알 수 있어야 한다. 예를 들어, 도 6b에서 도시된 각도로부터 (시계방향이든 혹은 반시계방향이든 간에) 약 90도로 회전되도록 소정 방식으로 종방향 축(42)을 배향하는 것은 또한 네크 크기를 증가시킨다.
스트링(12)들이 노(14)를 통해 이동할 때, [각각의 리본 크리스털(10)의] 용융 리본 재료는 매니스커스를 형성한다. 시험 동안, 발명자들은 메니스커스의 높이를 상승시키는 것이 네크부(36)의 두께를 전체적으로 또한 증가시켰다는 것을 발견하였다. 이 목적을 위해서, 발명자들은 단면 스트링 형상들의 주 반경이 임의의 기술된 특성들을 갖는다는 것을 인식하였다.
더 구체적으로, 가스와 융용 재료 사이의 정적 계면를 가로지르는 압력 차이는 영-라플라스 방정식(Young-Laplace Equation)에 의해 정의되고, 이는 이하와 같이 설정된다.
Figure pct00001
여기서, PⅠ는 용융 재료의 압력이고,
PII는 가스의 압력이고,
r1 및 r2는 매니스커스의 주 곡률 반경이고,
σ[로(rho)]는 표면 장력이다.
발명자는 용융 재료의 압력이 가스의 압력보다 작은 경우에 매니스커스 높이가 증가되어야 한다고 결정했다. 이것을 달성하기 위해서, 발명자들은 매니스커스의 주 곡률 반경이 양인 경우에(즉, 단면 형상이 대체로 오목형인 경우에) 작아져야 한다고 결정했다. 반대로, 제2 곡률 반경(r2)이 음(negative)이라면, 이 경우에 단면 형상은 대체로 볼록하고, 제2 곡률 반경(r2)은 커야만 한다.
초기 시험은 적어도 시초에 이들 결과를 확인한다. 또한, 이러한 시험은 추가적인 놀라운 결과를 발생시켰다. 구체적으로, 발명자들은 두 개의 개별 스트링(12)들이 리본 크리스털(10)의 단일 에지를 위한 용융 재료를 통과하게 함으로써 매니스커스 상승 현상을 알게 되었다. 도 7a 및 도 7b는 이러한 기술을 이용하여 형성된 리본 크리스털(10)을 개략적으로 도시한다.
또한, 발명자들은 각각의 에지를 위한 개별 스트링(12)들이 분리되는 경우(도 7b)에 다른 놀라운 결과를 알게 되었다. 특히, 하나의 시험에서, 단일 에지를 형성하는 두 개의 개별 스트링(12)들은 약 700 ㎛만큼 분리되었다. 네크부(36)를 두껍게 하는 것에 추가하여, 이 에지의 정밀한 검사는 그 영역 부근에 더 큰 조직들--완전히 예상되지 않은 결과를 또한 도시한다[이들 개별 스트링(12)들은 위에서 기술한 비습식 층(32)을 갖지 않는다]. 이와 같이, 발명자들은 이러한 기술 및 관련 기술들이 리본 크리스털(10)의 전기적 효율성을 향상시킨다는 것을 믿는다.
도 8a 및 도 8b는 대체로 오목한 단면 형상을 갖는 스트링(12)들을 갖는 두 개의 리본 크리스털(10)을 개략적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 스트링(12)들은 그들의 오목부들이 웨이퍼 폭으로부터(즉, X-방향에서) 완전히 멀어지거나 완전히 웨이퍼 폭을 향하여 배향되도록 배향된다. 특히, 오목부는 대칭적으로 배향되며, 예를 들어, 오목부는 X축 위로 그리고 아래로 미러 이미지를 형성한다. 발명자들이 적절한 크리스털 성장을 촉진하는 방식으로 매니스커스를 형상화할 것이라고 믿기 때문에 이러한 배향이 바람직하다. 그러나, (시계방향이든 혹은 반시계방향이든 간에) 이들 배향들로부터의 상당한 회전은 적절한 크리스털 성장을 방해하도록 매니스커스 형상에 나쁜 영향을 줄 수 있다. 당업자는 다수의 오목부들 또는 단면 형상(예를 들어, 십자 형상)의 대향 측면들 상의 오목부들을 갖는 스트링(12)에 이러한 개념(concept)을 적용시킬 수 있다.
이러한 점에서, 성장하는 각각의 리본 크리스털(10)에 대하여, 공정들은 두 개의 스트링(12)들이 노(14) 및 도가니(18)를 통과하게 하고, 따라서 스트링 리본 크리스털(10)을 형성한다(단계 512).
이에 따라, 본 발명의 예시적인 실시예들은 네크 두께를 증가시키도록 리본 크리스털(10) 내부의 특정하게 구성된 스트링(12)들을 배향한다. 대안적으로 또는 추가로, 특정하게 구성된 스트링(12)들은 네크 두께를 더 증가시키도록 노(14) 내부의 매니스커스의 높이를 상승시킨다. 예를 들어, 다수의 개별 스트링들로부터 형성된 단부 스트링(12)들은 단부 스트링(12)들 사이의 매니스커스의 일부분에 추가하여 각각의 개별 스트링 사이에서의 매니스커스 부분을 상승시킬 수 있다. 그러므로, 이들 기술들을 이용하여 성장된 리본 크리스털(10)은 수비게 절단되지 않아야 하고, 따라서 생산수율을 향상시킨다.
위의 개시내용이 본 발명의 다양한 실시예들을 개시하였지만, 당업자라면 본 발명의 진정한 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명의 몇몇 장점들을 달성할 수 있는 다양한 변형들을 이룰 수 있다는 것을 알 수 있어야만 한다. 예를 들어, 몇몇 실시예들은 단일 리본 크리스털(10)을 형성하도록 두 개의 단부 스트링(12)들 더 많이 사용할 수 있다.

Claims (17)

  1. 본체와,
    본체 내부의 단부 스트링을 포함하며,
    하나 이상의 단부 스트링은 대체로 오목한 단면 형상을 갖고 두 개 이상의 개별 스트링들로 형성되는
    리본 크리스털.
  2. 제1항에 있어서,
    본체는 소정의 두께 치수를 갖고, 두 개 이상의 개별 스트링들은 대체로 본체의 두께 치수를 따라 이격되고, 두 개 이상의 개별 스트링들은 대체로 긴 오목한 단면 형상을 형성하는
    리본 크리스털.
  3. 제2항에 있어서,
    두 개 이상의 개별 스트링들 사이에서 본체 재료를 더 포함하는
    리본 크리스털.
  4. 제1항에 있어서,
    두 개 이상의 개별 스트링들은 물리적으로 접촉되는
    리본 크리스털.
  5. 본체와,
    본체 내부의 복수의 단부 스트링으로서, 하나 이상의 단부 스트링은 한 쌍의 이격된 개별 스트링들을 포함하는 복수의 단부 스트링과,
    한 쌍의 개별 스트링들 사이의 본체 재료를 포함하는
    리본 크리스털.
  6. 제5항에 있어서,
    본체 재료는 실리콘을 포함하는
    리본 크리스털.
  7. 제5항에 있어서,
    하나 이상의 단부 스트링은 대체로 오목한 단면 형상을 갖는
    리본 크리스털.
  8. 제5항에 있어서,
    개별 스트링들 각각은 대체로 긴 단면 형상을 형성하는
    리본 크리스털.
  9. 제5항에 있어서,
    본체는 폭 치수를 형성하고, 하나 이상의 개별 스트링은 폭 치수에 대하여 대체로 대칭인 오목부를 갖는
    리본 크리스털.
  10. 제5항에 있어서,
    두 개 이상의 단부 스트링들 각각은 한 쌍의 이격된 개별 스트링들을 갖고, 본체 재료는 두 개의 단부 스트링들의 개별 스트링들 사이에 있는
    리본 크리스털.
  11. 제5항에 있어서,
    본체는 두께 치수를 갖고, 하나 이상의 단부 스트링의 개별 스트링들은 대체로 본체의 두께 치수를 따라 이격되는
    리본 크리스털.
  12. 리본 크리스털을 형성하는 방법이며,
    복수의 단부 스트링을 제공하는 단계로서, 하나 이상의 단부 스트링은 두 개 이상의 이격된 개별 스트링들을 포함하는 복수의 단부 스트링을 제공하는 단계와,
    용융 재료를 도가니에 추가하는 단계와,
    단부 스트링들이 용융 재료를 통과하게 하여 냉동된 재료의 시트를 형성하도록 용융 재료를 계면 위로 냉동시키게 하는 단계를 포함하며,
    하나 이상의 단부 스트링은 계면 위로 개별 스트링들 사이에서 냉동된 용융 재료를 갖는
    리본 크리스털 형성 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    용융 재료는 실리콘을 포함하는
    리본 크리스털 형성 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    개별 스트링들 각각은 대체로 긴 단면 형상을 형성하는
    리본 크리스털 형성 방법.
  15. 제12항에 있어서,
    두 개 이상의 단부 스트링들 각각은 복수의 이격된 개별 스트링을 갖는
    리본 크리스털 형성 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    두 개 이상의 단부 스트링들 각각은 계면 위의 그들 각각의 개별 스트링들 사이에서 냉동된 용융 재료를 갖는
    리본 크리스털 형성 방법.
  17. 제12항에 있어서,
    시트는 두께 치수를 갖고, 하나 이상의 단부 스트링의 개별 스트링들은 대체로 시트의 두께 치수를 따라 이격되는
    리본 크리스털 형성 방법.
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