KR20140062093A - 추가 측방 열원이 구비된 방향성 결정화에 의한 결정질 재료의 제조를 위한 시스템 - Google Patents
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Abstract
결정화 시스템은, 응고될 재료를 함유하도록 의도된 바닥 (2) 및 측벽들 (3) 이 구비된 도가니 (1) 및 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 수직한 방향으로 도가니 (1) 내부에 주된 열적 구배를 생성하기 위한 디바이스 (4) 를 포함한다. 추가 유도 가열 디바이스 (6) 는, 고체 상과 오버랩되지 않고 액체 재료에 면하게 도가니 (1) 의 측벽들 (3) 에 배치된다. 추가 유도 가열 디바이스 (6) 는, 액체 재료, 응고 재료와 도가니 (1) 사이의 3중 선의 부근에 위치된 결정질 재료의 일부를 가열하여, 액체 재료와 응고 재료 사이의 계면 (10) 이 3중 선 부근에 볼록한 메니스커스를 형성하도록 구성된다.
Description
본 발명은 방향성 응고에 의해 결정질 재료의 제조를 수행하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 고체 상에서보다 액체 상에서 더 높은 전기 전도도를 갖는 반도체 재료에 적용된다.
광기전 산업에서 사용되는 실리콘은 대부분 다결정질 구조의 결정화된 실리콘으로서, 즉, 서로에 대해 고정된 배향을 갖지 않고 입계 (grain boundary) 에 의해 둘러싸인 단결정립들을 갖는다. 단결정 실리콘을 사용하는 섹터가 또한 존재한다, 즉, 단일 그레인이 실리콘 잉곳 (silicon ingot) 을 형성한다. 이러한 타입의 재료의 성장은 예를 들면, 초크랄스키 (Czochralski) 성장 기법에 의해 또는 브리지먼 (Bridgman) 타입의 결정화 로 (crystallization furnace) 에 있는 도가니 (crucible) 에서 달성된다.
광기전 산업에서 사용되는 실리콘의 대부분은 초크랄스키 기법을 사용하여 생산된다. 하지만, 초크랄스키 성장 기법은 보통, 실린더형 잉곳들의 형성에 제한되고 이는 광기전 패널의 유효 표면을 증가시키는 것이 중요한 광기전 분야에서의 사용에는 특히 문제가 된다는 것에 유의하는 것이 중요하다.
한편, 브리지먼 기술은 용융된 재료를 함유하는 도가니의 형상에 따라 잉곳의 형상이 정의되는 것을 가능하게 한다. 브리지먼 기술에서, 잉곳들은, 용융 재료 욕의 냉각이 기계적인 인발 디바이스 (mechanical pulling device) 에 의해 제어되는 방향성 응고 로 (directional solidification furnace) 에서 결정화되고, 다르게 그래디언트 프리즈 (Gradient Freeze) 로도 불리는 기술에서는, 액체 상에서 전달되는 전력의 감소에 의해 냉각이 제어된다. 도가니에서 액체/고체 계면의 변위 (Displacement) 는 도가니의 상이한 부분들에 있어서 전달되는 열 및 추출되는 열의 조절로부터 생긴다.
문헌 WO2009/014961 는 시드 (seed) 로부터 도가니에서 실리콘 제조를 수행하기 위한 디바이스를 기술한다. 도가니에 존재하는 재료를 가열하기 위한 1차 가열기들에 더하여, 이 문헌은 액체/고체 계면을 변경하기 위하여 도가니 주위에 배치된 추가적인 가열기들의 사용을 교시한다.
하지만, 도가니의 사용은 로에서 열 플럭스 (heat flux) 의 제어의 곤란성을 증가시킨다. 도가니의 측벽들은 최종 잉곳에서 결함들 (스퓨리어스 결정 (spurious crystal), 쌍결정 (twin crystal)) 의 발생의 위험을 증가시킨다. 도가니/고체 재료/액체 재료 3중 접촉 선에 특별한 이화학적 환경으로부터 비롯되는 결정질 결함들의 존재가 규칙적으로 관찰된다.
결정질 결함은 광기전 패널들에 사용되는 재료의 결정학적 품질을 열화시키고 이는 최종 광기전 디바이스의 에너지 변환 효율의 감소를 초래한다.
다른 기법은, 예를 들면, 유도 코일들로부터 비롯되는 전자기장에 의해, 결정화될 재료와 도가니 사이에 에어갭 (air-gap) 을 정의하는데 있다. 그러한 교시는 문헌 US2010/0148403 에 제시되어 있다.
보다 적은 양의 결정학적 결함들을 나타내는 결정질 재료의 잉곳들을 제공할 필요가 있다는 것을 관찰하였다.
이 필요는,
- 응고될 상기 재료를 함유하도록 설계된 바닥 및 측벽들이 구비된 도가니,
- 상기 도가니의 바닥에 수직인 방향으로 상기 도가니에서 주된 열적 구배 (main thermal gradient) 를 생성하기 위한 디바이스,
- 상기 도가니의 상기 측벽들의 레벨에서 배열되고 상기 도가니의 바닥에 수직한 방향으로 도가니에 대해 이동가능하게 장착되고, 액체 재료, 응고 재료 (solidified material) 와 상기 도가니 사이의 3중 접촉 선 (triple contact line) 의 부근에 위치된 상기 재료의 일부를 가열하여 상기 액체 재료와 상기 응고 재료 사이의 계면이 상기 3중 접촉 선 부근에 볼록한 메니스커스 (convex meniscus) 를 형성하도록 구성된 추가 유도 가열 디바이스를 포함하는 방향성 응고에 의해 결정질 재료의 제조를 위한 시스템에 의해 만족되는 경향이 있다.
또한, 낮은 결정학적 결함 농도를 갖는 결정 잉곳들의 제조를 용이하게 하는 방법을 제공할 필요가 있다는 것을 관찰하였다.
이러한 필요는,
- 바닥 및 측벽이 구비되고 액체 상의 상기 결정질 재료에 의해 적어도 부분적으로 충전된 도가니를 제공하는 단계,
- 상기 도가니의 바닥에 수직한 방향으로 상기 도가니에서 주된 열적 구배를 발생시켜, 상기 도가니의 바닥으로부터 시작하는 상기 수직한 방향으로 상기 재료의 점진적 응고 (progressive solidification) 를 획득하는 단계,
- 상기 도가니의 상기 측벽들의 레벨에 배열되고 상기 도가니에 대해 상기 수직한 방향으로 이동가능하게 장착되는 추가 유도 가열 디바이스에 의해, 액체 재료, 응고 재료 및 도가니 사이의 3중 선의 부근에 위치된 상기 재료의 일부를 가열하여, 상기 액체 재료와 상기 응고 재료 사이의 계면이 상기 3중 선의 부근에 볼록한 메니스커스를 형성하는 단계를 포함하는 방향성 응고에 의해 결정질 재료의 제조 방법에 의해 충족되는 경향이 있다.
다른 장점들 및 특징들이 비한정적인 예시 목적을 위해서만 주어지고 첨부 도면들에 나타낸 본 발명의 특정 실시형태들의 다음 설명들로부터 더 명확히 분명해질 것이고, 첨부 도면들에서:
-도 1은 방향성 응고 시스템의 특정 실시형태의 횡단면 (transverse cross-section) 을 개략적으로 나타낸다;
-도 2는 용융/결정화 디바이스의 특정 다른 실시형태의 횡단면을 개략적으로 나타낸다.
-도 1은 방향성 응고 시스템의 특정 실시형태의 횡단면 (transverse cross-section) 을 개략적으로 나타낸다;
-도 2는 용융/결정화 디바이스의 특정 다른 실시형태의 횡단면을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 예시된 방향성 응고 시스템은 바닥 (2) 및 측벽들 (3) 이 구비된 도가니 (1) 를 포함한다. 도가니 (1) 의 바닥은 임의의 형상을 가질 수 있다. 예시의 목적으로, 단면 (즉, 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 의해 형성되는 형상) 은 정사각형, 직사각형 또는 원통형일 수 있다. 바람직한 방식에서, 도가니 (1) 는, 결정질 기판에 의한 이용가능한 표면의 양호한 점유를 나타내는 광기전 패널들의 제조를 용이하게 하기 위하여 직사각형 또는 정사각형 단면을 나타낸다.
측벽들 (3) 은 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 수직하거나 또는 바닥 (2) 에 상당히 수직하다. 도가니 (1) 는, 용융 및 응고 페이즈들 (phase) 동안 받게 되는 높은 온도에 대해 저항성 있는 재료로부터 제조된다. 바람직한 방식에서, 도가니 (1) 는 실리카로부터 제조되지만, 그것은 또한 그래파이트, 실리콘 카바이드 또는 이들 재료들의 혼합물로부터 제조될 수 있다.
도가니 (1) 는 응고될 재료에 대해 기밀 밀봉 (tightly seal) 된다, 즉, 바닥 (2) 및 측벽들 (3) 은 용융 재료가 빠져나갈 수 없게 한다. 도가니는 모노블록 (monoblock) 일 수 있고, 심지어 모놀리식 (monolithic), 즉 단일 재료로부터 만들어질 수 있다.
방향성 응고 시스템은 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 수직하거나 또는 실질적으로 수직한 방향으로 주된 열적 구배를 발생시키기 위한, 즉 수직 방향으로부터 몇 도 벗어나게 하기 위한 디바이스를 포함한다. 구배는 도 1에서 화살표 X로 표시된다. 주된 열적 구배를 발생시키기 위한 디바이스는 도가니 (1) 의 바닥 (2) 으로부터 응고를 시작하도록 구성된다. "액체 재료/응고 재료" 계면, 즉, 재료의 액체 상과 고체 상 사이의 계면이 도가니 (1) 의 바닥 (2) 으로부터 도가니 (1) 의 상단 쪽으로 화살표 X의 방향으로 이동한다.
열적 구배를 발생시키기 위한 디바이스는, 임의의 적합한 수단에 의해, 예를 들면, 도가니 (1) 위쪽에 배치되고 도가니 (1) 의 바닥 (2) 아래에 배치된 냉각 디바이스 (5) 와 연관된 주된 가열 디바이스 (4) 에 의해 형성될 수 있다. 또한, 도가니 (1) 의 측벽들 (3) 에 면하는 측방 가열 디바이스 (4) 를 사용하는 것이 가능하다. 다음으로, 가열 디바이스들은 도가니 (1) 에서 높이에 따라 상이한 전력들을 전달 가능하다. 예시의 목적으로, 결정화 페이즈 동안, 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 대해 전달되는 전력과 비교하여 더 큰 전력이 도가니 (1) 의 상단부에 전달된다. 주된 가열 디바이스는 또한, 도가니 (1) 아래에 배열되는 냉각 디바이스 (5) 와 연관될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 가열 디바이스 (4) 는 고정되고 수직으로 배향되며 높이에 따라 열적 구배를 정의한다. 도가니는 이동가능하게 장착되고 가열 디바이스에 의해 부과되는 열적 구배에서 이동한다. 그러한 실시형태는 도 2에 도시되어 있다.
주된 가열 디바이스 (4) 는 예를 들면, 저항 기법, 복사 기법 또는 유도 기법을 사용하여 달성된다.
도가니 (1) 및 도가니에서 주된 열적 구배를 발생시키기 위한 디바이스는 또한, 도가니 (1) 내의 액체/고체 계면의 변위를 가능하게 하도록 구성된다. 액체/고체 계면의 변위는 방향 (X) 으로 또는 실질적으로 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 수직한 방향 (X) 으로 일어난다. 앞서 나타낸 바처럼, 결정화가 일어날 때, 액체/고체 계면은 도가니 (1) 의 바닥 (2) 으로부터 멀리 이동한다.
도가니의 측벽들로부터 스퓨리어스 결정들 그리고 보다 특히 스퓨리어스 단결정들의 발생을 감소시키거나 또는 심지어 방지하기 위하여, 방향성 응고 시스템은, 도가니 (1) 의 측벽들 (3) 의 적어도 하나에 면하게 배열되고 측벽 (3) 에 접촉하게 위치되는 결정질 재료의 일 부분을 가열하도록 구성되는 추가 유도 가열 디바이스 (6) 를 포함한다. 다른 말로, 방향성 응고 시스템은, 도가니 (1) 의 측벽들 (3) 의 레벨에서 배열되고 "액체 재료/응고 재료/도가니" 3중 선의 부근에 위치된 결정질 재료의 일부를 가열하도록 구성되는 추가 유도 가열 디바이스 (6) 를 포함한다.
3중 선이 의미하는 것은 "액체 재료/응고 재료" 계면과 도가니 사이의 교차에 의해 형성되는 선이다. 3중 선은, 도가니, 액체 상 및 응고 재료 사이의 교차를 나타내는 점에 의해 여러 도면들에 나타나 있다. 3중 선은 도가니의 측벽들을 따라 이어진다.
재료의 응고가 점진적으로 일어날 때 재료의 액체/고체 계면의 변위를 모니터링 가능하기 위하여, 추가 가열 디바이스는 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 수직한 방향으로 도가니 (1) 에 대해 이동가능하게 장착된다. 그것은 유리하게는, 주된 가열 디바이스 (4) 에 대해 고정되게 장착된다.
유도 가열 디바이스 (6) 는, 3중 선의 부근에 위치된 재료의 부분의 가열이, 3중 선의 부근에서, 액체/고체 계면에 의해 볼록한 메니스커스의 형성에 이르도록 구성된다. 이에 의해 추가 디바이스 (6) 는, 3중 선의 레벨에서, 도가니의 바닥쪽으로, 재료의 액체/고체 계면이 국부적으로 만곡되는 것을 가능하게 한다.
메니스커스가 의미하는 것은, 3중 선의 부근에 위치된 고려 재료의 액체/고체 계면의 만곡부이다.
메니스커스는, 계면이 포지티브 곡률을 나타낼 때, 즉 곡률의 중심이 재료의 고체 상에 위치될 때, 볼록하다고 말한다. 다음으로, 메니스커스는 하방으로, 즉 도가니의 바닥쪽으로 지향된다. 반대로, 오목한 메니스커스는, 곡률의 중심이 재료의 고체 상 밖에, 특히 재료의 액체 상에 위치되는, 네가티브 곡률에 의해 정의된다. 다음으로, 오목한 메니스커스는 상방으로, 즉 도가니의 바닥에 대해 대향 방향으로 지향된다.
유도 가열 디바이스 (6) 는 측벽의 부근에서 볼록한 액체/고체 계면을 만들도록, 즉 도가니 (1) 의 바닥 (2) 이 평탄할 때 에지에서보다 중심에서 도가니 (1) 의 바닥 (2) 으로부터 더 먼 거리에 액체/고체 계면을 갖도록 구성된다. 다른 말로, 선 X를 따라 액체/고체 계면의 높이는, 메니스커스에서 측벽들 (3) 로부터 거리가 더 커질수록, 점진적으로 더 커진다. 유도 가열 디바이스 (6) 는, 측벽으로부터 거리가 더 작아짐에 따라, 도가니의 바닥의 액체/고체 계면에 점진적으로 접근하는 경향이 있다.
예를 들면, 유도 가열 디바이스 (6) 는 적어도, 그래파이트로부터 또는 실리콘 카바이드로부터 제조되는 코일에 의해 형성된다. 디바이스 (6) 는 주된 열적 구배를 국부적으로 변경하는 추가 열적 구배를 발생시킨다. 이 추가 열적 구배는 측벽들 (3) 에 수직하거나 또는 실질적으로 수직하다.
유도 가열 디바이스 (6) 는, 고체 상에 면하거나, 재료의 액체 상에 면하거나 및/또는 재료의 액체/고체 계면에 면하게 배열되어, 도가니에서 온도 필드의 변경을 획득하고 그에 의해 측벽 (3) 의 직근에 있는 액체/고체 계면의 필요한 곡률을 획득한다.
바람직하게는, 가열 디바이스 (6) 는 결정질 재료의 액체 부분에 면해 있고, 이는 도가니 (1) 에 투입되는 열의 영향이 제한될 수 있게 한다. 특히 흥미롭게도, 전자기 스킨 (electro-magnetic skin) 의 두께에 의해 특성화되는 유도 영향이 또한 더 적어짐에 따라 액체 상의 재료에 면하게 유도 코일을 배치하는데, 이는 가열 영역의 두께 그리고 따라서 추가 열적 구배 범위의 정도 제어를 향상시키는 것을 가능하게 만든다. 액체 상에 면하게 가열 디바이스를 배치하는 것은, 반도체 재료가 고체 상에서보다 액체 상에서 더 높은 전기 전도도를 나타낸다는 사실을 이용한다. 바람직한 방식에서, 고체 상은 가열 디바이스에 의한 오버랩핑이 없어, 주된 열적 구배에 대한 이 추가 가열의 영향을 감소시키고 따라서 전위 (dislocation) 타입의 결정질 결함들의 형성에 대한 이 추가 구배의 영향을 제한한다.
대류만이 액체 상에 존재하지만, 본 발명자들은, 액체 상의 국부화된 가열이 고체 상의 국부화된 가열보다 더 적은 영향을 갖는다는 것을 관찰하였다. 전기 절연성인, 실리카로부터 제조된 도가니들의 경우에, 도가니에서 온도 필드는, 코일에 면하는 재료의 액체 부분이 주로 가열됨에 따라 거의 교란되지 않는다. 가열이 액체/고체 계면에 근처에 더 가깝게 위치될수록 이 효과는 더욱더 두드러진다.
액체/고체 계면의 위치를 모니터링하기 위하여, 유도 가열 디바이스 (6) 는 결정화 페이즈 전체에 걸쳐 고체/액체 계면 및 액체 재료에 면하게 가열 디바이스 (6) 를 배치하도록 유리하게 구성된 가열 디바이스의 변위 디바이스와 연관된다.
액체/고체 계면으로부터 가열 디바이스 (6) 를 분리시키는 거리는 필요한 곡률을 획득하기 위하여 계면의 레벨에서 그리고 액체에 대한 영향을 갖도록 정의된다. 그 거리는 결정질 재료에서 열의 투입의 깊이에 의존하고 따라서 코일의 공급 상태들에 의존하고 가열된 재료의 전기 특성에 의존한다.
이전의 실시형태들과 결합될 수 있는 바람직한 실시형태에서, 추가 가열 디바이스 (6) 의 변위 디바이스는 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 수직한 방향 (X) 으로 액체/고체 계면 (10) 의 3중 선에 대해 1 과 20mm 사이에서 이루어지는 거리에 유도 코일을 배치하도록 구성된다.
훨씬 더 유리한 실시형태에서, 추가 가열 디바이스 (6) 의 변위 디바이스는, 메니스커스의 볼록한 형상을 유지하기 위하여, 유도 코일을, 동작시, 3중 선에 대해 1 과 10mm 사이에서 이루어지는 거리에 배치하도록 구성된다. 그 거리는 유도 코일의 중심과 3중 선 사이에서, 예를 들면, 도가니의 바닥에 대해 수직한 방향에서, 측정될 수 있다.
따라서, 유도 추가 가열 없이, 재료의 액체/고체 계면은, 3중 선의 부근에서, 이를테면 상방으로 지향되는, 오목한 메니스커스의 형상을 국부적으로 나타낸다는 것은 주목할 만하다. 바람직한 방식에서, 추가 가열 디바이스 (6) 의 유도 코일은 다음으로 초기에, 3중 선에 대해 1 과 20mm 사이에서 이루어지는 거리에서, 재료의 고체 상에 면하게 배치된다. 유도 코일은, 일단 활성화되면, 오목한 메니스커스를 형성하는 고체 재료의 부분을 가열하고 고체 재료의 용융을 야기한다. 3중 선의 부근에 있는 재료의 고체/액체 계면의 곡률은 다음으로 변경되고 포지티브가 된다. 3중 선의 위치는 자연적으로 변경되고 하방으로 이동한다. 따라서, 계면은, 이를테면 하방으로 지향되는, 볼록한 메니스커스를 형성한다. 추가 가열 디바이스 (6) 의 유도 코일이 다음으로 재료의 액체 상에 면하게 배치된다. 그것은 유리하게는 3중 선으로부터 1 과 20mm 사이에서 이루어지는 거리에, 그리고 바람직하게는 방향 (X) 로 3중 선으로부터 1 과 10mm 사이에서 이루어지는 거리에 위치된다.
유도 가열 디바이스 (6) 는, 다른 가열 기법들, 예를 들면 저항 가열의 경우처럼, 전기 절연 도가니에서, 도가니 (1) 를 사전에 가열함이 없이 바로 재료가 가열될 수 있게 한다. 다음으로, 주된 열적 구배에 대한 영향은 감소된다.
결정질 재료에 투입된 열의 양 및 도가니 (1) 내부에 투입된 이 열의 정도는, 전달된 전류 세기, 주파수 및 코일에 흐르는 전력에 의해 정의된다. 결정질 재료에 투입된 열의 국부화는 전자기 스킨의 두께에 관련된다. 스킨 두께는 
에 따라 변화하고 여기서 
는 고려되는 재료의 전기 전도도이고 는 유도 코일에 의해 인가되는 전자기장의 주파수이다.
예시의 목적으로, 액체 실리콘에 대해, 스킨 두께는 1kHz의 주파수에 대해 실질적으로 1cm와 같고 그것은 100kHz의 주파수에 대해 약 1mm이다. 이런 식으로, 유도 코일을 통해 흐르는 전기장의 주파수를 변조시키는 것에 의해, 투입된 열의 공간 분포를 조정할 수 있다. 동일한 조건하에서, 스킨 두께는 고체 상에서 6배 더 큰데, 이는 유도 코일의 공급 조건을 복합하게 한다. 이 경우에, 방향성 응고 시스템은, 결정질 재료가 실리콘일 때, 1kHz 과 100kHz 사이에서 이루어지는 주파수로 상기 가열 디바이스에 전류를 인가하는 회로를 포함한다. 하지만, 주파수 범위는, 재료의 전기 전도도에 따라, 그리고 스킨 두께가 1mm 과 1cm 사이에 남도록 도가니에서의 열 전달에 작용하도록, 조정될 수 있다.
특히 유리한 방식으로, 사용되는 유도 코일 또는 코일들은 비냉각 코일들이다. 이 구성은 도가니에 근접한 냉점의 도입 및 디바이스의 열 영역에서 냉점의 더 어려운 제어가 회피될 수 있게 한다.
바람직한 실시형태에서, 방향성 응고 로는, 주된 열적 구배를 생성하기 위한 디바이스에 대해 추가 가열 디바이스 (6) 에 전달되는 전력의 분배 디바이스 (8) 를 포함한다. 이 분배 디바이스 (8) 는, 추가 가열 디바이스 (6) 가, 주된 열적 구배를 생성하기 위한 디바이스에 전달되는 전력의 5% 와 35% 사이를 받도록 구성된다.
유도 가열 디바이스 (6) 에 전달되는 전력과 열적 구배 발생 디바이스의 주된 가열 디바이스 (4) 에 전달되는 전력 사이의 비는 5% 와 35% 사이에서 이루어진다. 이 특정 범위에서, 추가 열적 구배의 효과는 주된 열적 구배에 대해 제한되는 한편, 동시에 측벽들로부터 스퓨리어스 발생의 문제들을 상당히 감소시킬 정도로 충분히 높다. 훨씬 더 바람직한 방식에서, 유도 가열 디바이스 (6) 에 전달되는 전력은, 열적 구배 발생 디바이스의 주된 가열 디바이스 (4) 에 전달되는 전력의 10% 과 20% 사이를 나타내어, 스퓨리어스 발생을 거의 전체적으로 감소시키는 한편, 동시에 열적 구배에 따른 결정 성장의 양호한 제어를 유지한다.
특히 바람직한 실시형태에서, 유도 가열 디바이스 (6) 에 전달되는 전력은 열적 구배 발생 디바이스의 주된 가열 디바이스 (4) 에 전달되는 전력의 15% 를 나타낸다. 이러한 조건들하에서, 주된 가열 디바이스 (4) 는 도가니의 전체 체적에서 단결정질 또는 다결정질 성장의 경우에 용융된 재료의 결정 성장을 배향시킬 수 있는 주된 열적 구배를 발생시킬 정도로 충분히 강력하다. 병렬적으로, 추가 열적 구배는 또한, 에지들 상의 등축 결정 (equiaxial crystal) 들의 발생을 감소시키고 심지어, 계면의 국부적인 곡률 때문에 도가니의 에지들 상에서 발생될 수도 있는 어떠한 등축 결정들의 전파를 방지시킬 정도로 충분히 높다.
액체/고체 계면과 함께 이동가능한 유도 가열 (6) 의 변위를 갖기 위해서, 제 1 실시형태에서 도가니 (1) 에서 측정된 온도에 따라서 그리고 그러므로 액체/고체 계면의 위치에 따라서 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 수직한 축을 따라 모두 이동되는 하나 이상의 코일들을 사용하는 것이 가능하다 (도 1).
다른 실시형태에서, 측벽들에 면하는 고정된 코일들의 세트를 갖는 것도 생각될 수 있다. 이 경우에, 상이한 코일들의 전력 공급 디바이스는, 액체/고체 계면과 함께 이동가능한 코일의 변위를 시뮬레이트하기 위하여 상이한 코일들에 가변 전력을 공급하도록 구성된다.
특정 실시형태에서, 상기 추가 유도 가열 디바이스 (6) 는 상기 도가니 내부의 주된 열적 구배를 생성하기 위한 디바이스에 대해 고정 장착된다. 추가 가열 디바이스의 위치는 열적 구배 내에서 고정된다. 주된 열적 구배를 생성하기 위한 디바이스 및 추가 유도 가열 디바이스는 유리하게 상기 도가니에 대해 동일한 방식으로 이동된다.
다른 대안의 실시형태에서, 열적 구배를 생성하기 위한 디바이스는, 유도 가열 디바이스 (6) 처럼 고정된다. 가열 디바이스 (6) 는 주어진 등온선 (isotherm) 에 위치되고 이는 액체/고체 계면에 대해 유도 가열의 위치를 부과한다. 주어진 결정질 재료에 대해 액체/고체 계면과 디바이스 (6) 사이의 거리는 고정된다. 이 경우에, 도가니는, 도 2에 도시된 바처럼 이동하고, 이는 구현을 용이하게 한다.
방향성 응고 시스템은, 도가니 (1) 가 예를 들면 정사각형 또는 직시각형 단면의 도가니인 경우에, 2개의 연속적인 측벽들 사이의 코너를 형성하는 에지를 나타낼 때, 특히 유리하다. 스퓨리어스 그레인들을 얻을 확률은 그 에지들 상에서 그리고 특히 코너들에서 감소된다.
이러한 타입의 아키텍쳐를 위해, 도가니 (1) 로 코일에 의해 전달되는 전력을 조절하기 위하여 디바이스 (6) 의 코일을 변경하는 것이 바람직하다. 코일의 단면은, 측벽들의 평탄하거나 또는 약간 만곡된 부분들에 면해 있는 단면과 비교하여 도가니 (1) 의 코너들의 부근에서 감소된다. 이런 식으로, 전류 밀도는 증가되고 이는 도가니 (1) 의 코너들에서 액체/고체 계면의 곡률을 증가시키는 효과를 갖는다. 코너들에 연관된 스퓨리어스 결정화 효과는 감소된다.
유도 가열 디바이스는 도가니의 벽들로부터 측방 열적 구배를 도입한다. 이 분야에서 수행된 상이한 연구들에 따르면, 측방 열적 구배는 응력들을 발생시키고 이는 전위와 같은 결정학적 결함들의 형성에 이른다. 본 발명자들은, 일반적으로 수용되는 생각들과 반대로, 도가니의 불순물들에 의해 체계적으로 화학적으로 오염됨에 따라 어쨌든 사용가능하지 않은 영역에 있는 잉곳의 극단 주변에 소수 존재 결함들이 위치되어 있음을 관찰하였다. 그러므로, 추가 유도 가열의 포함은 잉곳의 일반적인 결정학적 품질이 향상되는 것을 가능하게 하는 한편, 동시에 사용가능하지 않은 영역에서 잉곳의 주변에 결함들을 국부화시킨다. 결과로서, 유효 잉곳의 결정학적 품질이 향상된다.
특정 실시형태에서, 방향성 응고 시스템은 도 2에 예시된 수직형 로를 포함한다. 로는 3개의 영역들, 즉 1480℃의 열 영역, 1300℃ 의 냉 영역 및 열적 구배를 정의하는 중간 영역을 포함한다.
주된 가열은 저항식 디바이스에 의해 획득된다. 열 영역과 냉 영역 사이의 열적 구배를 획득하는데 필요한 전력은 10kW 과 같다. 온도 제어는 C 타입의 열전대에 의해 수행된다. 냉 영역으로부터 열 영역을 분리시키는 거리는 10cm와 같다.
도가니는 35*35cm2 의 정사각형 단면을 갖는 타입이다. 측벽들의 높이는 80cm와 같다. 잉곳 인발 레이트는 25mm/h와 같다.
유도 가열 디바이스 (6) 는 1cm와 같은 직경을 갖는 그래파이트 코일에 의해 형성된다. 코일은 원형 단면을 갖는다. 디스크의 중심은 액체/고체 계면보다 5mm 위에 위치된다. 코일은, 1.5kW와 같은 전력을 전달하는 전류 발생기 (current generator) 에 접속된다. 전류 주파수는 10kHz와 같다.
대안의 실시형태에서, 코일의 직경은 8mm로 감소되며 1cm의 거리 상에서 도가니의 4개의 코너들에 면한다.
따라서, 이러한 타입의 도가니에 의해, 결정질 결함들의 양을 감소시키는 용융된 재료 욕의 결정화를 수행하는 것이 가능하다.
바닥 및 측벽이 구비된 도가니는 액체 상 (9) 의 재료에 의해 적어도 부분적으로 충전된다. 재료는 그 디바이스 또는 다른 디바이스에서 용융되고 옮겨질 수 있다.
주된 열적 구배는, 도가니 (1) 의 바닥 (2) 으로부터 멀어지는 액체/고체 계면 (10) 의 변위를 갖도록 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 수직한 방향 (X) 으로 도가니에 발생된다.
측방 추가 열적 구배는 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 평행한 방향으로 도가니에서 생성된다. 추가 열적 구배는 가열 디바이스 (6) 의 적어도 하나의 코일로부터 비롯된다. 코일은 액체/고체 계면 및 액체 상에 면하여 계면 (10) 을 효과적으로 만곡되게 하여 재료의 나머지에서 주된 열적 구배의 변경을 제한한다. 측방 열적 구배는 측벽들에 곧 뒤따라 위치되고 액체/고체 계면 (10) 과 함께 이동하여 액체/고체 계면에서 그리고 액체상 (9) 에 배열된다.
결정화가 점진적으로 일어남에 따라, 고체 상 (11) 의 양이 도가니 (1) 에서 증가된다.
이러한 타입의 방법은 단결정질 또는 다결정질 잉곳들을 생성하는데 적합하다. 이것은 실리콘 또는 다른 반도체 재료들로부터 제조된 잉곳들을 형성하는데 사용될 수 있다. 결정학적 결함들의 감소는, 사용자의 필요에 따라 도가니의 한 에지 상에, 도가니의 몇개의 에지들 상에, 또는 도가니의 모든 에지들 상에 배치될 수 있는 추가 유도 가열 (6) 에 의해 획득된다. 또한, 2개의 결정화 단계들 사이의 잉곳의 형상을 변화시키는 것이 매우 간단하고, 도가니 그리고 필요하다면 유도 가열 코일 (6) 의 형상이 간단하게 변화되야 한다.
그 제조 방법은, 응고 재료에 대한 유도 가열의 효과를 제한하는 고체 상에서 보다 액체 상에서 더 높은 전기 전도도를 나타내는 반도체 재료에 특히 적합하다.
특정 실시형태에서, 응고 프로세스 동안, 고체/액체 계면은, 그의 형상을 결정하기 위하여 관찰된다. 고체/액체 계면이 오목하면, 코일은 액체/고체 계면에 접근하거나 또는 3중 선의 레벨에 위치되어, 추가 가열 디바이스가 파워온되는 대로, 고체/액체 계면은 볼록해지고 유도 코일은 고체 상과 오버랩됨이 없이 액체 재료에 면하게 된다.
Claims (14)
- 방향성 응고에 의해 결정질 재료의 제조를 수행하기 위한 시스템으로서,
- 응고될 상기 재료를 함유하도록 설계된 바닥 (2) 및 측벽들 (3) 이 구비된 도가니 (1),
- 상기 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 실질적으로 수직한 방향 (X) 으로 상기 도가니 (1) 에서 주된 열적 구배를 생성하기 위한 디바이스,
- 상기 도가니 (1) 의 상기 측벽들 (3) 의 레벨에서 배열되고 액체 재료, 응고 재료와 상기 도가니 (1) 사이의 3중 선의 부근에 위치된 상기 재료의 일부를 가열하여 상기 액체 재료와 상기 응고 재료 사이의 계면 (10) 이 상기 3중 선 부근에 볼록한 메니스커스를 형성하도록 구성된 추가 유도 가열 디바이스 (6) 를 포함하고,
상기 시스템은, 상기 추가 유도 가열 디바이스 (6) 를 상기 도가니 (1) 의 상기 바닥 (2) 에 실질적으로 수직한 방향 (X) 으로 이동시키고 상기 추가 가열 디바이스 (6) 를 결정화 기간 전체에 걸쳐 고체 상과 오버랩되지 않고 상기 액체 재료에 면하게 배치하도록 구성된 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 추가 유도 가열 디바이스 (6) 를 이동시키기 위한 디바이스는 고체/액체 계면 (10) 에 가깝게 상기 추가 가열 디바이스 (6) 를 배치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 추가 유도 가열 디바이스 (6) 를 이동시키기 위한 디바이스는 상기 수직한 방향 (X) 으로 상기 3중 접촉 선에 대해 1 과 20mm 사이에서 이루어지는 거리에 유도 코일을 배치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 추가 유도 가열 디바이스 (6) 를 이동시키기 위한 디바이스는 상기 3중 접촉 선에 대해 1 과 10mm 사이에서 이루어지는 거리에 상기 유도 코일을 배치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은, 상기 추가 가열 디바이스 (6) 가 상기 주된 열적 구배를 생성하기 위한 디바이스에 전달되는 전력의 5% 와 35% 사이를 받도록 구성된 상기 주된 열적 구배를 생성하기 위한 디바이스에 대해 상기 추가 가열 디바이스 (6) 에 전달되는 전력의 분배 디바이스 (8) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 도가니 (1) 는 2개의 연속적인 측벽들 (3) 이 코너를 정의하도록 하는 형상을 나타내는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 6 항에 있어서,
상기 도가니 (1) 는 정사각형 또는 직사각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 시스템은, 상기 결정질 재료가 실리콘일 때, 1kHz 과 100kHz 사이에서 이루어지는 주파수로 상기 가열 디바이스에 전류를 인가하는 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 추가 유도 가열 디바이스 (6) 는 상기 도가니 (1) 내부의 주된 열적 구배를 생성하기 위한 디바이스에 대해 고정 장착되는 것을 특징으로 하는 시스템. - 방향성 응고에 의해 결정질 재료의 제조를 수행하는 방법으로서,
- 바닥 (2) 및 측벽 (3) 이 구비되고 액체 상의 상기 결정질 재료에 의해 적어도 부분적으로 충전된 도가니 (1) 를 제공하는 단계,
- 상기 도가니 (1) 의 바닥 (2) 에 실질적으로 수직한 방향 (X) 으로 상기 도가니 내부의 주된 열적 구배를 발생시켜, 상기 도가니 (1) 의 바닥 (2) 으로부터 시작하고 상기 실질적으로 수직한 방향 (X) 으로 상기 재료의 점진적 응고 (progressive solidification) 를 획득하는 단계,
- 상기 도가니 (1) 의 상기 측벽들 (3) 의 레벨에 배열되고 상기 도가니 (1) 에 대해 상기 실질적으로 수직한 방향 (X) 으로 이동가능하게 장착되는 추가 유도 가열 디바이스 (6) 에 의해, 액체 재료, 응고 재료 및 상기 도가니 (1) 사이의 3중 접촉 선의 부근에 위치된 상기 재료의 일부를 가열하여, 상기 액체 재료와 상기 응고 재료 사이의 계면이 상기 3중 접촉 선의 부근에 볼록한 메니스커스를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 추가 가열 디바이스 (6) 는 고체 상과 오버랩되지 않고 상기 액체 재료에 면하게 배열되는 것을 특징으로 하는 방향성 응고에 의해 결정질 재료의 제조를 수행하는 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 추가 가열 디바이스 (6) 에 전달되는 전력과 상기 주된 열적 구배를 발생시키는 주된 가열 디바이스 (4) 에 전달되는 전력 사이의 비는 5% 와 35% 사이에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 방향성 응고에 의해 결정질 재료의 제조를 수행하는 방법. - 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 추가 가열 디바이스 (6) 는, 상기 액체 재료와 상기 응고 재료 사이의 계면이 상기 3중 접촉 선의 부근에서 볼록한 메니스커스를 형성할 때, 상기 액체 상 (9) 에 면하고 액체/고체 계면 (10) 의 레벨에 배치된 유도 코일 (6) 에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 방향성 응고에 의해 결정질 재료의 제조를 수행하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 유도 코일 (6) 은 상기 수직한 방향 (X) 으로 상기 3중 접촉 선에 대해 1 과 20mm 사이에서 이루어지는 거리에 배치되는 것을 특징으로 하는 방향성 응고에 의해 결정질 재료의 제조를 수행하는 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 결정질 재료는 고체 상에서보다 액체 상에서 더 높은 전기 전도도를 나타내는 반도체 재료인 것을 특징으로 하는 방향성 응고에 의해 결정질 재료의 제조를 수행하는 방법.
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