KR20140039031A - 결정성장장치용 히이터 어셈블리 - Google Patents

Abstract

결정성장장치의 도가니에 있는 공급원료(예를 들어, 실리콘)에 대한 균등한 열적 환경을 증진시키도록 제공된 장치 및 방법이 개시되어 있다. 특히, 가열장치는 적어도 제 1 가열요소와 제 2 가열요소를 포함하기 위해서 결정성장장치 내에 배열되는데, 상기 제 1 가열요소는 공급원료에 열을 비대칭적으로 배분하도록 구성되고, 상기 제 2 가열요소는 공급원료에 열을 대칭적으로 배분하도록 구성되며, 이에 의해서 도가니에 있는 공급원료에 균등한 열 배분을 제공하여 결정 잉곳의 질에 있어서 향상된 일관성을 제공할 수 있게 한다.

Description

결정성장장치용 히이터 어셈블리{Heater assembly for crystal growth apparatus}

관련출원의 상호참조

본 출원은 2011년 6월 6일자로 출원된 미국임시출원 제 61/493,804 호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 도가니의 공급원료에 균등한 열 배분을 제공하는 결정성장장치에관한 것이다.

방향성 응고장치(DSS) 및 열교환방법(HEM) 로들과 같은 결정성장 장치들이나 로들에서는 잉곳을 생산하기 위해서 도가니 내에서 실리콘과 같은 원료 물질의 용융 및 제어된 재응고가 진행된다. 용융 원료로부터 응고된 잉곳의 제조는 많은 시간에 걸쳐서 몇몇 구별가능한 단계들로 진행된다. 예를 들면, DSS방법에 의해서 실리콘 잉곳을 제조하기 위하여, 고체 실리콘 원료가 도가니에 제공되는데, 이것은 흑연 도가니박스에 자주 포함되고 DSS 로의 고온 영역내로 위치한다. 이 원료는 액체 원료 용융물을 형성하도록 가열되는데, 이때 1,412℃의 실리콘 녹는 보다 높은 로의 온도가 완벽한 용해를 보장하기 위해서 몇시간 동안 유지된다. 일단 완전하게 용해되면, 용융물을 방향성 응고시키고 실리콘 잉곳을 형성하기 위해서, 고온 영역에서 온도구배를 적용함으로써 열은 용해된 원료로부터 제거된다. 용융물의 고화를 제어함으로써, 출발 원료물질보다 높은 순도를 갖는 잉곳이 달성될 수 있는데, 이것은 반도체산업 및 태양광발전산업과 같은 다양한 고급 응용분야에서 사용될 수 있다.

DSS 로의 고온영역에서 사용된 가열요소는 저항성이나 유도성이 될 수 있다. 유도타입 가열에 있어서, 통상적으로 수냉식 가열코일은 실리콘 공급원료를 에워싸고, 상기 코일을 통해서 흐르는 전류는 공급원료의 적절한 가열을 달성하기 위해서 서스셉터나 공급원료에 결합된다. 저항성 가열의 경우에 있어서, 전류는 가열되는 저항성 요소를 통해서 흐르며, 가열요소는 작동온도와 전력 요구조건을 충족시키도록 특수재료, 저항성, 형상, 두께 및/또는 흐름 경로를 고려하여 설계될 수 있다. 방향성 응고에 의한 실리콘 잉곳생산에 있어서, 통상적으로 저항성 가열장치가 사용된다.

DSS 로는 반도체분야 뿐만아니라 광전지분야에 사용된 실리콘 잉곳의 결정성장 및 방향성 응고에 특히 유용하다. 각 응용분야에 있어서, 낮은 평균 생산비로 큰 실리콘 잉곳을 제조하는 것이 바람직하다. 그러나, 큰 잉곳들이 생산됨에 따라서, 잉곳의 제조과정 동안에 실질적으로 제어된 가열과 열 추출을 달성하기 위해서 로 고온영역을 통해 열 유동 및 열 배분을 조절하는 것은 매우 어렵다. 만일 열 흐름과 열 배분 제조과정을 통해서 실질적으로 조절되지 않으면, 잉곳의 질은 악화될 것이다.

실제로, 잉곳의 단면적이 점점 커짐에 따라서, 로들은 다른 영역에서 열의 배분과 유동 그리고 온도구배를 양호하게 조절하기 위해서 다중의 가열요소들을 채용하도록 설계된다. 예를 들면, 공동출원인 미국 특허출원 제 12/933,300 호에는 공급원료가 채워진 도가니의 표면을 향하여 하방향으로 열을 배분하는 비대칭의 구불구불한 패턴의 상부 가열요소와, 도가니의 측면을 향하여 안쪽으로 열을 배분하는 비대칭의 구불구불한 측면 히이터의 2개의 가열요소를 구비한 가열장치를 포함하는 DSS 로가 개시되어 있다. 제 1 가열요소와 제 2 가열요소는 도가니에 장입된 공급원료를 효과적으로 가열, 용융 및 응고시킨다. 그런데, 이들은 모두 도가니로 열을 비대칭적으로 배분하여 균등하지 않은 열/온도 배분을 초래하고, 결국에는 결정잉곳의 질에 변동성을 야기한다.

큰 잉곳들을 형성하기 위해서 듀얼 가열요소가 사용될 수 있으나, 다중 부품들의 사용은 응고장치를 더욱 복잡하게 만들고, 특히 제조환경에서 열 유동 및 열 배분을 정확하게 조절하는 것을 어렵게 만든다. 바람직하게는, 특히 큰 잉곳을 성장시키기 위한 응용에 있어서, 다중의 가열요소들을 제공하게 되는데, 이들은 도가니에 함유된 전체 공급원료의 균등한 가열을 달성할 수 있으며 로의 고온영역에 걸쳐서 열 유동과 열 배분의 적당한 조절을 달성할 수 있다. 그러므로, 공급원료 함유 도가니에 대하여 균등한 열 배분을 제공하여 일관된 결정 질을 제공할 수 있는 가열장치를 설계하는 것이 바람직하다.

결정성장장치의 도가니에 있는 공급원료(즉, 실리콘)에 균등한 열/온도 배분을 증진시키기 위한 장치 및 방법이 여기에서 제공된다. 특히, 적어도 제 1 및 제2 가열요소를 포함시키기 위해서 결정성장장치에 가열장치가 배열된다. 제 1 가열요소는 공급원료에 열을 비대칭적으로 배분하도록 구성되고, 제 2 가열요소는 공급원료에 열을 대칭적으로 배분하도록 구성된다. 이 조합은 결정의 질에 있어서 증가된 일관성을 허용하도록 도가니에 함유된 공급원료에 균등한 열 배분를 제공한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서, 제 1 (즉, 상부) 가열요소는 원형으로 형성되고 원주상으로 원형을 형성하기 위해서 단일의 연속적인 부분이나 재료로 제조된다. 공급원료의 상부로 균등한 열을 제공하는 바람직한 모드로서, 제 1 가열요소는 결정성장장치의 도가니 위로 배열될 것이다. 마찬가지로, 공급원료의 측면을 따라서 균등한 열을 제공하는 바람직한 모드로서, 제 2 가열요소는 기하학적으로 및/또는 전기적으로 대칭적인 구불구불한 형상으로 형성되고, 결정성장장치의 도가니를 따라서 배열된다.

본 발명의 다른 양태들 및 실시 예들이 아래에서 설명된다.

본 발명은 도가니의 공급원료에 균등한 열 배분을 제공하는 결정성장장치에관한 것으로서, 이것은 실리콘이나 알루미늄과 같은 고체의 공급원료를 약 1000℃ 이상의 온도로 가열 및 용융시킬 수 있고 다결정 실리콘 잉곳이나 사파이어 불(sapphire boule)과 같은 결정재료를 형성하기 위해서 용융된 공급원료의 재응고를 부수적으로 증진시킬 수 있다.

본 발명의 특징과 목적을 보다 잘 이해할 수 있도록 하기위하여, 첨부도면들을 참조한 다음의 상세한 설명이 제공되며, 상기 도면들에서 유사한 참조부호들은 다수의 도면에 걸쳐서 대응하는 부분들을 나타낸다, 첨부도면에서:
도 1은 종래의 결정성장장치의 단면도;
도 2는 도 1에 도시된 결정성장장치에서 사용하기 위한 이전에 설계된 가열장치의 사시도;
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가열장치의 사시도;
도 4는 도 3의 상부/제 1 가열요소의 확대 사시도;
도 5A 및 5B는 본 발명의 바람직한 실시 예에서 공급원료에 대한 열 배분을 조절하기 위한 바람직한 전기회로도; 그리고
도 6(A)-(C)는 도 3 및 4의 가열요소들의 열 배분을 도식적으로 나타낸 도면이다.

본 발명은 다음의 정의를 참조하여 보다 명확하게 이해된다:

명세서와 청구범위에서 사용된 바와 같이, 부정관사와 정관사 "a", "an" 및 "the"는 문맥에서 다르게 적시하지 않는한 다수의 참조들을 포함한다.

여기에서 설명한 바와 같은 "로" 또는 "결정성장장치"는 실리콘과 같은 고체의 공급원료를 약 1000℃ 이상의 온도로 가열 및 용융시킬 수 있고 광전지(PV) 및/또는 반도체분야를 위한 실리콘 잉곳과 같은 결정재료를 형성하기 위해서 용융된 공급원료의 재응고를 부수적으로 증진시킬 수 있는 장치를 언급한다.

여기에서 사용된 바와 같은 "대칭적" 및 "비대칭적" 열 배분은 각각 대칭적 및 비대칭적을 의미하는 것으로 이해된다. 이것은 해당 기술분야의 숙련된 당업자가 이해할 수 있는 제어불가능한 상황으로부터 기인하며, 실제적인 열 배분에 영향을 끼칠수 있어서 연장된 시간에 걸쳐서 항상 완벽하게 대칭적이거나 비대칭적일 수 없다.

본 발명의 결정성장장치는 용광로, 특히 고온 용광로가 될 것이며, 이것은 실리콘이나 알루미늄과 같은 고체의 공급원료를 약 1000℃ 이상의 온도로 가열 및 용융시킬 수 있고 다결정 실리콘 잉곳이나 사파이어 불(sapphire boule)과 같은 결정재료를 형성하기 위해서 용융된 공급원료의 재응고를 부수적으로 증진시킬 수 있다. 예를 들면, 결정성장장치는 방향성 응고장치(DSS) 용광로 또는 열교환기 방법(HEM) 용광로를 포함하는 결정성장 용광로가 될 수 있다.

본 발명의 결정성장장치는 외부 용광로 챔버 또는 (수냉식 외부 쉘과 같은) 쉘을 가지며, 공급원료를 가열 및 용융시키고 결정재료를 형성하기 위해서 용융된 공급원료의 재응고를 증진하기 위해서 사용되는 용광로 쉘 내의 내부 고온영역을 구비한다. 용광로 쉘은 물과 같은 냉각유체의 순환을 위한 냉각채널을 한정하는 외벽과 내벽을 포함하는 스테인레스강 쉘을 포함하여, 고온 결정화 용광로를 위해서 해당 기술분야에 사용되는 공지된 구조물이 될 수 있다.

결정성장장치의 고온영역은 용광로 쉘 내의 내부영역이며, 여기에서는 공급원료를 용융시키고 재응고시키기 위해서 열이 제공되고 조절된다. 고온영역은 단열재에 의해서 둘러싸이고 한정되는데, 이것은 낮은 열전도도를 갖는 해당기술분야에 알려진 재료가 될 수 있고, 고온의 결정성장 용광로에서 온도와 조건들을 견딜 수 있다. 예를 들면, 고온 영역은 흑연 단열재로 둘러싸일 수 있다. 고온 영역의 형상 및 치수는 정적이거나 이동식의 다수의 단열패널들에 의해서 형성될 수 있다. 예를 들면, 고온영역은 상부, 측면 및 바닥 단열패널로 형성되고, 상부 및 측면 단열패널들은 고온영역 내에 위치한 도가니에 대하여 수직방향으로 이동하도록 구성된다.

고온영역은 도가니 지지블록 위의 도가니 박스 내에 임의로 위치하는 도가니를 더 포함한다. 도가니는 예를 들어 석영(실리카), 흑연, 몰리브덴, 탄화규소, 질화규소, 탄화규소나 질화규소와 실리카의 합성물, 열분해 질화붕소, 알루미나, 또는 지르코니아와 같은 다양한 내열재료로 제조될 수 있고, 혹은 응고후에 잉곳의 균열을 방지하기 위해서 질화규소와 같은 재료로 피복될 수도 있다. 도가니는 예를 들어 원통형, 정육면체나 직육면체(정사각형 단면을 가짐), 또는 테이퍼진 모양을 포함하여 다양한 형상들을 적어도 하나의 측면과 바닥에 가질 수 있다. 바람직하게는, 공급원료는 실리콘이고, 도가니는 실리카로 제조되고, 정육면체나 직육면체 형상을 갖는다.

도가니는 도가니 박스 내에 임의로 포함될 수 있는데, 이때 상기 도가니 박스는 도가니의 측면과 바닥을 지지하고 강성을 제공하며, 특히 가열될 때 손상, 균열, 연화하는 경향이 있는 재료가 도가니용으로 특히 바람직하다. 예를 들면, 도가니 박스는 실리카 도가니에 대하여 바람직하지만, 탄화규소, 질화규소 또는 탄화규소나 질화규소와 실리카의 합성물로 제조된 도가니에 대해서는 불필요하다. 도가니 박스는 흑연과 같은 다양한 내열재료로 제조될 수 있으며, 통상적으로 적어도 하나의 측판과 바닥판을 포함하고, 임의로 리드를 더 포함한다. 예를 들면, 정육면체 또는 직육면체 형상의 도가니에 대하여, 도가니 박스는 3개의 벽들과 바닥판을 가지며 임의적으로 리드를 구비하는 정육면체 또는 직육면체 형상이 바람직하다.

도가니 및 임의의 도가니 박스는 고온영역 내에서 도가니 지지블록의 상부에 제공되고, 그렇게 함으로써 서로 열 소통하며 열은 하나로부터 다른 하나로, 바람직하게는 직접적인 열접촉을 통해서 전도될 수 있다. 도가니 지지블록은 결정성장장치에서 중앙 위치로 도가니를 위치시키기 위해서 다수의 페달들 상에서 돌출될수 있다. 도가니 지지블록은 흑연과 같은 내열재료로 제조될 수 있고, 사용되는 경우에는 도가니 박스와 유사한 재료로 제조되는 것이 바람직하다.

결정성장장치가 HEM 용광로인 경우에, 열교환기는 열 추출을 조절하기 위해서 도가니에 대하여 이동이 가능하도록 구성된 단열재와 연관시켜서 혹은 단독으로 용광로에 채용된다. 용융된 공급원료의 고화를 증진하기 위해서, 예를 들어 헬륨-냉각식 열교환기와 같은 기냉식 열교환기가 도가니 아래에 배열될 수 있다. 이와는 달리, 수냉식 또는 액체냉각식 열교환기가 사용될 수도 있다.

본 발명의 결정성장장치의 고온영역은 또한 도가니에 위치한 고체 공급원료를 용융시키도록 열을 제공하기 위해서 다중의 가열요소들을 갖는 적어도 하나의 가열장치를 또한 구비한다. 가열요소는 저항성이나 유도성이 될 수 있다. 본 발명은 가열되는 저항요소를 통해서 전류가 유동하는 저항성 가열요소를 사용하는데, 이 가열요소는 특정재료(예를 들면, 흑연, 백금, 이규화 몰리브덴, 실리콘 카바이드, 니켈 크롬 또는 철-크롬-알루미늄 합금 등과 같은 금속합금)에 대하여 설계된다.

본 발명의 바람직한 실시 예는 공급원료에 대하여 비대칭적 및 대칭적 가열을 제공하여 결정 잉곳 질에서의 증가된 일관성을 허용하도록 도가니의 공급원료에 균등한 열 배분을 제공할 수 있는 적어도 제 1 가열요소와 제 2 가열요소를 구비한 가열장치를 제공함으로써 결정성장장치의 도가니에 있는 공급원료에 대하여 균등한 열 배분을 증진시킨다.

설명하는 실시 예는 바람직하게는 원형으로 형성되고 단일체의 재료, 예를 들어 흑연으로 제조되는 제 1 가열요소를 통해서 비대칭적 가열을 제공한다. 제 1 가열요소를 단일체의 재료로 형성함으로써, 저항 변화가 최소화되고, 접촉저항도 줄어들며, 보다 많은 전류가 가열요소를 통과할 수 있게 된다. 또한, 단일체의 재료로 제조되므로 요소의 구조적 완결성이 강화되고, 이에 의해서 결정성장장치 내에서 지지기구의 제공 필요성이 줄어들게 된다.

유사한 참조부호들이 유사한 부분들을 나타내는 다양한 도면들이 제공되는데, 도 1은 본 발명과 결합하여 이용되는 종래의 결정성장장치를 나타낸 도면이다. 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 설명한 장치가 본 발명을 제한하지 않으며 여기에서 설명한 바와 같이 기능하고 작동하는 다른 장치들을 채택할 수도 있음을 알 수 있을 것이다.

결정성장장치(2)가 도 1에 도시되어 있는데, 상기한 바와 같이 실리콘과 같은 공급원료로부터 잉곳들을 성장시키기 위한 용광로가 될 수 있다. 결정성장장치(2)는 결정성장 및 방향성 응고를 증진시키기 위해서 방향성 응고공정을 이용하는 방향성 응고(DSS) 용광로이다. 방향성 응고블록(8)은 장치(2) 내부에서 지지되고, 예를 들어 실리콘 공급원료와 같은 공급원료를 함유하는 도가니(9)를 수용하도록 구성된다.

가열장치(10)는 결정성장장치내에 배열되고, 가열장치(10)에 전기적으로 연결된 하나 또는 그 이상의 전극들(6)에 부착된 다수의 지지요소들(4)에 의해서 현수된다. 지지요소(4)는 가열장치(10)로 전력을 운반하고 가열장치(10)의 작동을 제어하기 위해서 회로를 거쳐서 가열장치(10)에 전기적으로 연결하기 위한 도전성 재료를 채용한다.

도 2에 나타낸 것과 같은 이전의 비대칭 가열장치는 단일 히이터와 같이 기능하는 가열장치를 형성하도록 배열된 제 1 가열요소(12)와 제 2 가열요소(14)를 포함한다. 그러나, 제 1 가열요소와 제 2 가열요소에서 코일들의 비대칭적인 구불구불한 패턴은 도가니에서 공급원료에 대하여 균등한 열/온도 배분을 제공하지 못한다. 도 2에 도시된 비대칭적인 구불구불한 디자인은 불규칙하고 불균형한 온도 배분패턴을 형성하며, 따라서 공급원료가 용융됨에 따라 공급원료에 걸쳐서 균등도가 떨어지게 된다. 균등도의 부족으로 인하여, 잉곳 형성/응고과정 동안에 결정 질에서 변화가 발생하게 된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 가열장치(40)의 사시도이다. 가열장치(40)는 제 1 가열요소(50)와 제 2 가열요소(45)를 포함한다. 제 1 가열요소(50)는 도가니 아래에서 공급원료의 방향으로 비대칭적인 열 배분을 제공하기 위해서 예를 들어 결정성장장치에서 도가니 위로 배열된다. 제 2 가열요소(45)는 도가니를 실질적으로 에워T고 도가니에 있는 공급원료에 대칭적인 열 배분을 제공하기 위해서 도가니의 측면을 따라서 배열된다. 또한, 증가된 가열특성을 제공하기 위해서, 제 2 가열요소(45)는 도가니에 형성될 잉곳의 전체 높이를 실질적으로 커버하기 위해 배열될 것이다.

본 발명의 장점들중 하나는 기하학적 대칭이다. 예를 들면, 도 3의 패널(49)에 있어서, 제 2 가열요소(45)는 제 2 가열요소(45)의 다른 4개의 패널들과 기하학적으로 대칭을 이루기 위해서 구불구불한 패턴으로 형성된다. 기하학적으로 대칭을 이루는 것은 각각의 영역, 즉 영역들(43a~43c)이 영역으로부터 영역으로 패턴으로부터 패턴으로 반복적인 패턴을 형성하기 위해서 패널(49)의 각각의 영역 뿐만아니라 제 2 가열요소(45)의 모든 4개의 패널들 내에서 서로 동일한 크기와 형상을 이루는 것이다. 그렇게 함으로써, 가열요소(45)는 그곳으로부터 적어도 실질적으로 대칭적인 열 배분을 도가니에 있는 공급원료로 제공하게 되는 것이다. 또한, 패널들은 정육면체 형상의 도가니의 모든 측면들을 에워싸는 정사각형 모양의 가열요소를 형성하기 위해서 도가니의 측면들을 에워싸도록 다수의 클립들(44)에 의해서 연결될 것이다.

도 3 및 4에 잘 나타낸 바와 같이, 예시적인 제 1 가열요소(50)는 기하학적으로 대칭적이고, 재료의 연속적인 단일체로 원형 형상으로 형성된다. 그러나, 비록 원형의 가열요소가 연속적인 단일체로 제조될 수 있을지라도, 필수적으로 단단한 단일체의 재료가 되지 않아도 된다. 예를 들면, 원형의 가열요소(50)는 원형의 가열요소의 내부 경계 내에 형성되는 원형의 구불구불하거나 나선형 패턴이 될 수 있다.

또한, 원형의 가열요소(50)는 다수의 장착기구(55)를 구비하며, 이것은 원형 가열요소(50)의 원주상 테두리로부터 돌출하는 제 1 가열요소와 동일한 연속적인 단일체로 형성된다. 본 발명의 실시 예에서 장착기구들(55)의 수는 원형의 제 1 가열요소(50)에/와 연결/장착될 전극들(47a~47c)의 수에 따라서 직접적으로 연관된다. 장착기구들(55)은 다수의 전극들(47a~47c)이 결정성장장치 내에서 제 1 가열요소(50)를 도가니 위로 지지할 수 있게 하며 이와 동시에 전력 공급원과 적어도 하나의 컨트롤러에 대한 전기적 연결을 위해서 증가된 접촉영역을 제공한다. 장착기구들(55)이 전극들을 수용할 수 있게 하기 위해서, 하나 또는 그 이상의 틈새들(56)이 장착기구들(55) 내에 형성될 것이다.

다수의 전극들(46a~46c 및 47a~47c)이 제 2 가열요소(45)와 제 1 가열요소(50)에 장착 및 전기적으로 연결되고, 각각의 가열요소들(50 및 45)에 대한 독립적인 지지 기구 및 전기적 연결로서 기능한다. 본 발명의 실시 예에 있어서, 제 2 가열요소(45)가 도가니에 있는 공급원료, 즉 실리콘 공급원료를 실질적으로 에워싸고 덮을 수 있게 하기 위하여, 제 2 가열요소(45)는 기하학적으로 대칭적인 방식으로 제 1의 소정 높이로 거기에 장착된 3개의 전극들을 갖는 것으로 도시되어 있다. 마찬가지로, 제 1 가열요소(50)가 도가니에 있는 공급원료 위로 배열될 수 있도록 하기 위하여, 제 1 가열요소(50)는 기하학적으로 대칭적인 방식으로 제 2의 소정 높이로 거기에 장착된 3개의 전극들을 갖는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 3개 이상 혹은 3개 미만의 전극들도 사용될 수 있음을 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 잘 이해할 수 있을 것이다.

바람직하게는, 기하학적으로 대칭을 이루는 것에 추가하여, 제 2 가열요소(45)(및 제 1 가열요소(50))의 4개 패널들은 전기적으로 대칭을 이룬다. 즉, 4개의 패널들은 패널의 1과 1/3을 에워싸는 3개의 상으로 전기적으로 분할될 것이다. 이러한 분할은 기하학적으로 대칭적인 패턴으로 제 2 가열요소(45)(및 제 1 가열요소(50))에 장착된 3개의 전극들(46a,46b,46c 및 47a,47b,47c)에 의해서 보여질 수 있다.

도 5A 및 도 5B는 본 발명의 바람직한 실시 예에서 공급원료에 대한 열/온도 분배를 제어하여 가열요소(50 및 45)(즉, 상부 히이터와 측면 히이터)에 전기적으로 대칭적인 제어를 제공하는 대안적인 예시적인 전기회로들을 나타낸 도면이다. 특히, 도 5A에 있어서, 각각의 전극들(46a~46c 및 47a~47c)은 전력 공급원/컨트롤러 유닛(51)에 연결된 감압 변압기 유닛(52)에 개별적으로 연결될 것이다. 전력 공급원(51)은 적어도 하나의 컨트롤러에 의해서 제어되고, 그래서 다양한 위상(즉, 3상)이 가열요소들(45 및 50)에 적용될 수 있다. 예를 들면, 만일 특정한 시간 동안에 특정한 가열요소(45)에 특정 양의 전력을 공급하는 것이 바람직하다면, 적어도 하나의 컨트롤러는 일정한 시간동안에 예를 들어 전극들(47c 및 46c)에 대응하는 전력을 공급하기 위해서 전력 공급원(51)을 제어하게 된다. 또한, 각각의 전극에 제공된 전류 유동은 제 1 (상부) 가열요소(50)와 제 2 (측면) 가열요소(45) 사이에서 대칭적으로 동기화되도록 제어될 수 있다.

이와는 달리, 제 1 (상부) 가열요소(50)와 제 2 (측면) 가열요소(45)는 도 5B에 도시된 바와 같이 그들의 고유한 전력 공급용 컨트롤러들(55 및 56)과 감압 변압기(57,58)에 개별적으로 혹은 독립적으로 연결될 것이다. 도 5B에 도시된 바와 같이, 제 1 가열요소의 전극들은 제어되고 전력 공급 컨트롤러(55)와 감압 변압기 유닛(57)에 연결된다. 마찬가지로, 제 2 가열요소 (측면)(45)는 제어되고 전력 공급 컨트롤러(56)와 감압 변압기 유닛(58)에 연결된다. 해당 기술분야의 숙련된 당업자가 잘 이해할 수 있는 바와 같이, 제공된 회로들은 단지 예를 들은 것이며, 잉곳 형성과정 동안에 가열요소들(45 및 50)의 효율적이고 효과적인 제어를 위해서 제공되는 방식으로 구성될 수 있다.

즉, 제 1 가열요소(50)와 제 2 가열요소(45)는 병렬회로를 거쳐서 하나 또는 그 이상의 전력공급 컨트롤러에 연결되고 이것에 의해서 작동될 것이다. 제 1 가열요소(50)와 제 2 가열요소(45)에 공급되는 전력/전류를 제어하기 위한 수단으로서, 전력공급 컨트롤러는 가열요소들의 각각에 제공되는 전류를 독립적으로 혹은 종속적으로 제어하도록 회로 내에 통합될 것이다. 예를 들면, 본 발명의 몇몇 실시 예들에 있어서, 제 1 및 제 2 가열요소를 통해서 혹은 그 반대로 흐르는 전류는 약 40:60 내지 60:40 혹은 잉곳 형성/응고에 바람직한 다른 범위, 예를 들면 0:100비, 30:70비, 70:30비, 100:0비 등으로 설정될 것이다. 본 발명의 다른 실시 예들에 있어서, 제 1 가열요소(50)로 흐르는 전류는 특정한 시점에서 도가니 내에서 특정한 열적 배분조건에 따라서 제 2 가열요소(45)로 흐르는 전류보다 높은 혹은 그 반대의 소정의 백분율을 가질 것이다.

그러므로, 본 발명은 결정성장장치에서 가열장치로 공급된 전력을 제어하기 위해서 회로에서 적어도 하나의 컨트롤러 내의 프로세서에 의해서 실행되는 실행가능한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터로 판독가능한 기록매체를 이용할 것이다. 즉, 본 발명의 제어 메카니즘은 컨트롤러에 내장된 프로세서에 의해서 실행되는 실행가능한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터로 판독가능한 매체 상에 컴퓨터로 판독가능한 매체로서 구체화될 것이다. 컴퓨터로 판독가능한 매체의 예들은, 하기의 예로서 제한되는 것은 아니지만, ROM, RAM, 컴퓨터 디스크(CD)-ROMs, 마그네틱 테이프, 플로피 디스크 및 광학적 데이터 저장장치를 포함한다. 컴퓨터로 판독가능한 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에서 배분될 수 있으며, 그래서 컴퓨터로 판독가능한 매체는 배분된 방식으로 저장되고 실행된다.

또한, 비록 이러한 전극들(46a~46c 및 47a~47c)은 병렬로 연결된 것으로 도시되어 있을지라도, 직렬로 연결될 수도 있으며, 이것은 본 발명의 실시 예의 개념으로부터 벗어나지 않는 범위이다.

다시 도 3을 참조하면, 제 1 가열요소(50)는 결정성장장치에서 도가니 위에 배열된다. 제 1 가열요소(50)와 제 2 가열요소(45)의 설계로 인하여, 제 1 가열요소(50)로부터 배분된 열/온도는 도가니의 공급원료의 상부에 비대칭적으로 배분된다. 도 6A, 6B 및 6C는 본 발명을 이용하는 통상적인 용융과정 동안에 공급원료의 3개의 단면영역들(즉, 바닥, 중간 및 상부)을 가로지르는 열/온도 배분의 실험적인 결과들을 나타낸다. 결과들로부터 잘 알 수 있는 바와 같이, 실리콘 공급원료의 표면을 가로지르는 대부분의 온도 배분은 대체로 비대칭적이다.

앞서 설명한 바와 같이, 듀얼 가열요소들이 큰 잉곳을 형성하기 위해서 사용될 수 있으나, 다중 부품들의 사용은 응고장치를 더 복잡하게 만들고 특히 생산환경하에서 열 유동과 배분을 정확하게 조절하는 것을 어렵게 만든다. 큰 잉곳을 성장시키기 위한 응용분야에 있어서, 도가니에 포함된 전체 공급원료의 균등한 가열을 달성하여 용광로 고온영역에 걸쳐서 열 유동과 배분을 적당하게 제어할 수 있는 다중의 가열장치를 제공하는 것이 바람직하다. 그러므로, 공급원료를 함유하는 도가니에 균등한 열 배분을 제공하여 보다 일관성있는 결정의 질을 보장할 수 있는 가열장치를 설계하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 본 발명의 실시 예는 결정성장장치의 도가니에 포함된 공급원료에 균등한 열 배분을 제공할 수 있는 가열장치를 제공한다. 또한, 제 1 가열요소는 단일체의 재료(그것의 장착기구를 포함하여)로 제조되므로, 종래의 설계에 비해서 향상된 전류효율이나 유동이 달성될 수 있다. 또한, 제 2 가열요소는 전기적으로 대칭일 뿐만아니라 기하학적으로 대칭적이므로, 결정성장장치에서 실리콘 잉곳들의 응고공정에 걸쳐서 제어가 실현될 수 있다.

비록 본 발명의 바람직한 실시 예들은 특정한 용어들을 사용하여 설명하였지만, 그러한 표현은 단지 설명을 목적으로 한 것이며, 하기의 특허청구범위의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변경이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

1. 결정성장장치로서,
   상기 결정성장장치에 배열된 도가니에 수용되는 공급원료; 및
   상기 결정성장장치에 배열되고 적어도 제 1 가열요소와 제 2 가열요소를 포함하는 가열장치 - 상기 제 1 가열요소는 공급원료에 열을 비대칭적으로 배분하도록 구성되고 상기 제 2 가열요소는 공급원료에 열을 대칭적으로 배분하도록 구성됨 -;를 포함하는 결정성장장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가열요소는 원형으로 형성되는 결정성장장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가열요소는 단일체의 재료로 제조되는 결정성장장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가열요소는 상기 결정성장장치의 상기 도가니 위에 배열되는 결정성장장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 가열요소는 구불구불한 형상으로 형성되는 결정성장장치.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가열요소는 상기 도가니 위에 배열되고 상기 제 2 가열요소는 상기 도가니의 측면을 따라서 배열되는 결정성장장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 제 2 가열요소는 상기 도가니를 실질적으로 에워싸기 위해서 상기 도가니의 모든 측면을 따라서 형성되는 결정성장장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 가열요소와 상기 제 2 가열요소는 상기 결정성장장치의 상기 제 1 가열요소 및 상기 제 2 가열요소에 장착되고 연결된 전극들에 연결되는 컨트롤러에 의해서 독립적으로 제어되는 결정성장장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 가열요소와 상기 제 2 가열요소는 다수의 전극들을 통해서 단일 전력공급원에 연결되고 이것에 의해서 작동되는 결정성장장치.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 제 1 가열요소와 상기 제 2 가열요소 사이에서 유동하는 전류는 40:60 내지 60:40의 범위인 결정성장장치.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 가열요소는 상기 도가니에서 잉곳의 전체 높이를 실질적으로 커버하기 위해서 배열되는 결정성장장치.
12. 결정성장장치로서,
    상기 결정성장장치에 배열된 도가니에 수용되는 공급원료; 및
    상기 결정성장장치에 배열되고 적어도 원형의 제 1 가열요소와 구불구불한 형상의 제 2 가열요소를 포함하는 가열장치 - 상기 제 1 가열요소는 상기 도가니의 위로부터 공급원료에 열을 비대칭적으로 배분하도록 구성되고 상기 제 2 가열요소는 상기 도가니의 각 측면으로부터 공급원료에 열을 대칭적으로 배분하도록 구성됨 -;를 포함하는 결정성장장치.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 가열요소와 상기 제 2 가열요소는 상기 결정성장장치에서 독립적으로 제어되는 결정성장장치.
14. 결정성장장치에서 공급원료를 가열하기 위한 방법으로서,
    상기 결정성장장치에 배열된 도가니에 공급원료를 받는 단계; 그리고
    상기 도가니에 있는 공급원료를 가열 및 용융시키기 위해서 컨트롤러에 의해 가열장치를 작동시키는 단계 - 상기 가열장치는 적어도 제 1 가열요소와 제 2 가열요소를 통해서 공급원료를 가열하고, 상기 제 1 가열요소는 공급원료에 열을 비대칭적으로 배분하도록 구성되고 상기 제 2 가열요소는 공급원료에 열을 대칭적으로 배분하도록 구성됨 -;를 포함하는 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 가열요소는 상기 도가니 위에 배열되고 상기 제 2 가열요소는 상기 도가니의 측면을 따라서 배열되는 방법.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 제 1 가열요소는 상기 도가니 위로부터 공급원료에 열을 비대칭적으로 배분하도록 원형으로 형성되는 방법.
17. 제 14 항에 있어서, 상기 제 2 가열요소는 상기 도가니의 각 측면으로부터 공급원료에 열을 대칭적으로 배분하도록 원형으로 형성되는 방법.
18. 제 14 항에 있어서, 상기 제 2 가열요소와는 독립적으로 상기 제 1 가열요소를 작동시키는 단계를 더 포함하는 방법.

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