KR20150064202A

KR20150064202A - 부유 성장 결정질 시트들을 위한 장치

Info

Publication number: KR20150064202A
Application number: KR1020157011847A
Authority: KR
Inventors: 프랭크 신클레르; 피터 엘 켈러만
Original assignee: 베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2015-06-10
Also published as: WO2014058489A1; CN104797746A; US20140096713A1; JP2015533771A; CN104797746B; JP6368715B2; TWI620836B; TW201414885A; KR102032228B1

Abstract

용융물로부터 결정질 시트를 성장시키기 위한 장치는 용융물을 수용하는 도가니를 포함할 수 있다. 장치는 용융물의 표면에 근접하여 냉각 영역(cold region)을 산출하도록 구성된 냉각 블럭(cold block)으로서, 냉각 영역은 결정질 시트의 결정질 프런트(crystalline front)를 생성하도록 동작하는 상기 냉각 블럭; 및 결정질 시트를 용융물의 표면을 따라 인출 방향으로 끌어 당기도록 구성된 결정 풀러(crystal puller)로서, 인출 방향에 대한 수선은 결정질 프런트에 대하여 90도보다 작고 제로(0)도보다 더 큰 각도를 형성하는 상기 결정 풀러를 또한 포함한다.

Description

부유 성장 결정질 시트들을 위한 장치 {APPARATUS FOR FLOAT GROWN CRYSTALLINE SHEETS}

정부에 의해 지원된 연구 또는 개발에 관한 성명(Statement as to Federally Sponsored Research or Development)

미국 연방정부는 본 발명에 대하여 완납 라이센스를 가지며, 제한된 환경들에서 미국 에너지부에 의해 수여된 계약 번호 DE-EE0000595의 조건에 의해 제공되는 바와 같은 합리적인 조건으로 다른 사람들에게 라이센싱할 것을 특허권자에게 요구할 수 있는 권리를 갖는다.

기술분야

본 발명의 실시예들은 기판 제조분야에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 용융물로부터 결정 시트를 성장시키기 위한 방법, 시스템 및 구조에 관한 것이다.

반도체 재료들 예컨대 실리콘 또는 실리콘 합금들은 다른 애플리케이션들 중에서 집적 회로 또는 솔라 셀 산업들에 사용을 위한 웨이퍼(wafer)들 또는 시트(sheet)들로 제조될 수 있다. 재생 가능 에너지 자원들에 대한 수요가 증가하면서 솔라 셀들과 같은 큰 면적 기판들에 대한 수요는 계속하여 증가하고 있다. 솔라 셀 산업에서 한가지 주된 비용은 이들 솔라 셀들을 만들기 위해서 사용되는 웨이퍼 또는 시트이다. 웨이퍼들 또는 시트들에 대한 비용에서의 감소들이 결과적으로 솔라 셀들의 비용을 축소시키고 잠재적으로 이 재생 가능한 에너지 기술을 보다 널리 보급시킬 것이다.

비용 효율이 높은 큰 면적 기판들을 생산하기 위한 잠재력을 보여주는 일 유형의 기술은 용융물로부터의 결정질 시트들의 성장을 수반한다. 특별히, 용융물로부터 수평으로 끌어 당겨지는 시트들 (또는 “리본(ribbon)들”)의 생산은 지난 수십년에 걸쳐 조사되었다. 특별히, 기술들, 예컨대 소위 부유 실리콘 방법 (FSM: floating silicon method), 수평 리본 성장 (HRG: horizontal ribbon growth), 및 저 각도 실리콘 시트 방법(low angle silicon sheet method)은 결정질 반도체 재료, 전형적으로 실리콘의 고품질 시트들을 성장시키기 위한 빠르고 신뢰할 수 있는 방법을 개발하는 용도로 검토되어 왔다. 모든 이들 접근법들에서, 반도체 재료의 시트는 성장 결정질 재료의 리딩 에지(leading edge)에 대한 수직인 방향으로 인출된다.

도 1은 종래 기술에 따라 배열된 수평 리본 성장을 위한 시스템 (100)을 도시한다. 시스템 (100)은 재료를 용융시키기에 충분한 온도로 가열되는 도가니 (crucible)(102)를 포함하고, 재료는 그런 다음 시스템 (100)으로부터 수평 시트 (106) 또는 “리본”으로 인출된다. 실리콘의 성장을 위해, 도가니내 용융물 (104)의 온도는 실리콘의 용융 온도보다 약간 높도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 하단 영역 (108)내 용융물 (104)의 온도는 용융물 (104)을 형성하는 재료의 용융 온도보다 몇 도 높을 수 있다. 이니시에이터(initiator) (110), 또는 “이니셜라이저(initializer),”가 용융물 (104)의 상부 표면에 근접하게 될 때 수평 시트 (106)의 성장이 시작될 수 있고, 이니시에어터 또는 이니셜라이저는 용융물 (104)의 표면으로부터 열의 제거를 유발할 수 있다. 도시된 예에서, 이니시에이터 (110)는 용융물 (104)의 표면에 대한 수직인 방향 (112)을 따라서 이동 가능하다.

종래 기술에 따라, 이니시에이터의 적어도 일부는 용융물 (104)의 용융 온도 아래인 온도에서 유지된다. 이니시에이터 (110)가 용융물 (104)의 표면에 충분히 근접하게 된 때 이니시에이터 (110)에 의해 제공되는 냉각이 도 1 에 도시된 성장 인터페이스 (114)를 따라 발생하는 결정화(crystallization)를 일으킨다. 성장 결정질 시트 (106)는 그런 다음 인출 방향 (116)을 따라 인출될 수 있다. 인출 방향 (116)에 따른 인출 속도는 수평 시트 (106)의 안정한 결정질 프런트(crystalline front), 또는 리딩 에지 (118)가 결과로 생기도록 조절될 수 있다. 도 1에 예시된 바와 같이, 리딩 에지 (118)는 인출 방향 (116)에 수직으로 배향된다. 인출 속도가 리딩 에지 (118)의 성장 속도를 초과하지 않는 한, 재료의 연속 시트 (106)가 시스템 (100)을 이용하여 인출될 수 있다.

도 1에 도시된 수평 시트 성장의 유형을 모델화하기 위한 다양한 노력들이 수행되어왔다. 한가지 경우에서, 몬테카를로(Monte Carlo) 분석은 결정질 시트의 성장 속도가 원자 레벨에서 발생하는 프로세스들에 의해 제한되는 것을 보여준다. 두개의 상이한 성장 레짐(regime)들이 식별되어 왔다: 원자적으로 거친 성장(atomically rough growth) 및 각진 성장(faceted growth). 원자적으로 거친 성장의 경우에서, 결정 성장 속도는 각각의 10 K 과냉각에 대하여 1 cm/s의 크기로 용융물의 과냉각 양에 비례한다는 것을 발견했다. 각진 성장의 시뮬레이션에서, 단면을 가로지르는 개별 층 스텝의 속도는 과냉각의 정도(degree) 당 0.5 m/s 의 크기에 있다. 실제 성장 속도 (V_g)는 새로운 스텝들의 개시 율(rate of initiation)에 의존하고, 이는 차후 계산들로 추정되지 않는다.

상기의 결과들로 부터 알 수 있는 바와 같이, V_g를 증가시키기 위해서 성장 결정 인터페이스 근처의 용융물의 과냉각을 증가시키는 것이 유용할 수 있다. 그러나, 종래 기술들에 따라, 최대 인출율 V_p는 여전히 V_g 보다 작거나 또는 같은 값들에 제한되고 따라서 상한치(upper limit)를 소정의 성취할 수 있는 과냉각 조건들에 대한 기판 제조 율에 둔다. 상기의 점을 고려하여, 용융물로부터 수평으로 성장시키는 실리콘 시트들을 생성하는 율을 증가시키는 개선된 장치 및 방법에 대한 요구가 있다는 것을 인식할 것이다.

이 요약은 이하에의 상세한 설명에서 추가로 설명되는 엄선한 개념들을 간략화된 형태로 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 내용의 주요 특징들 또는 핵심 특징들을 식별하도록 의도되지 않으며, 또한 청구된 내용의 범위를 결정하는데 보조수단으로서 의도되지도 않는다.

일 예에서, 용융물로부터 결정질 시트(crystalline sheet)를 형성하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 상기 용융물을 수용하는 도가니(crucible)를 포함한다. 상기 장치는 또한 상기 용융물의 표면에 근접하여 냉각 영역을 산출하도록 구성된 냉각 블럭을 포함한다. 상기 냉각 영역은 상기 결정질 시트의 결정질 프런트(crystalline front)를 생성하도록 동작한다. 상기 장치는 또한 상기 표면 또는 상기 용융물을 따라 인출 방향으로 상기 결정질 시트를 끌어 당기도록 구성된 결정 풀러를 포함한다. 특별히, 인출 방향에 대한 수선은 상기 결정질 프런트에 대하여 90도보다 작고 제로(0)도보다 더 큰 각도를 형성한다.

추가 예에서, 용융물로부터 결정질 시트를 형성하기 위한 방법은 상기 용융물을 형성하기 위해 도가니에 재료를 가열하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 용융물의 표면으로부터 제 1 거리에서 냉각 블럭의 냉각 영역을 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각 영역은 상기 결정질 시트의 결정질 프런트(crystalline front)를 생성하도록 동작한다. 상기 방법은 또한 인출 방향으로 상기 용융물의 상기 표면을 따라 상기 결정질 시트를 인출하는 단계를 포함하고, 상기 인출 방향에 대한 수선은 상기 결정질 프런트에 대하여 제로(0)도보다 더 크고 90도보다 작은 각도를 형성한다.

도 1은 종래 기술에 따라 용융물로부터 결정질 재료의 수평 리본 성장을 위한 시스템을 도시한다.
도 2는 다양한 실시예들에 따른 용융물로부터 결정질 시트를 성장시키기 위한 장치의 사시도를 도시한다.
도 3a는 도 2의 장치의 평면도(top view)이다.
도 3b는 추가 실시예들에 따른 다른 장치의 평면도를 도시한다.
도 4a는 종래 기술에 따른 용융물로부터 결정질 시트를 제조하는 기하학적인 특징부들의 세부사항들을 도시한다.
도 4b는 일부 실시예들에 따른 용융물로부터 결정질 시트를 제조하는 기하학적인 특징부들의 세부사항들을 도시한다.
도 5는 다양한 실시예들에 일치하는 용융물로부터 결정질 시트를 성장시키기 위한 다른 장치의 사시도를 도시한다.
도 6 는 장치의 부분 확대도를 포함하는 도 5의 장치의 평면도를 도시한다.
도 7은 추가 실시예들에 따른 용융물로부터 결정질 시트를 제조하는 기하학적인 특징부들의 세부사항들을 도시한다.

이제, 본 발명은 발명의 바람직한 실시예들이 도시되어 있는 첨부한 도면들을 참조하여 이하에서 더욱 완전하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 상이한 많은 형태들로 구현될 수도 있으며, 본 명세서에서 설명되는 실시예들에 한정되는 것으로 이해되지 말아야 한다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 개시가 빈틈없고 완전해질 수 있도록, 그리고 당업자들에게 본 발명의 범위가 완전히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공된다. 도면들에서, 같은 번호들은 그 전반에 걸쳐 같은 엘리먼트들을 나타낸다.

상기에서 언급된 방법들과 관련된 결점들을 해결하기 위해서, 본 실시예들은 결정질(crystalline) 재료, 특별히, 단결정질 재료의 수평 용융 성장을 위한 새롭고 창조적인 장치 및 기술들을 제공한다. 다양한 실시예들에 있어서, 수평 용융 성장에 의한 단결정질 실리콘 시트의 증강된 형성을 위한 장치 및 기술들이 개시된다. 본 출원에 개시된 장치는 전체적으로 수평 방향에서 시트들을 인출하고, 흐르게 하고, 또는 그렇지 않으면 이송함으로써 용융물로부터 추출될 수 있는 긴 단결정질 시트들을 형성할 수 있다. 용융물은 일 실시예에서 시트와 함께 흐를 수 있지만, 또한 시트에 대하여 정지될 수 있다. 실리콘 또는 실리콘 합금의 얇은 단결정질 시트는 용융물의 표면 영역으로부터 제거되고 리본의 길이 방향이 예를 들어, 인출 방향을 따라 정렬되는 리본 형상으로 획득될 수 있도록 용융물의 표면을 따라 주어진 방향에서 인출될 수 있는 고체 시트들을 형성할 수 있기 때문에 이런 장치는 수평 리본 성장 (HRG:horizontal ribbon growth) 장치 또는 부유 실리콘 방법(FSM:floating silicon method)으로 지칭될 수 있다.

상기에서 개시된 HRG 기술들에서, 실리콘 용융물의 표면이 용융 온도 T_m 아래에서 과냉각된 때 성장 결정질 프런트(growing crystalline front)가 생성될 수 있다. 용융물로부터 실리콘 시트들의 수평 성장에 가장 응용 가능한 것이 앞서 언급한 성장 모델들 중 어떤 모델이든, 성장 결정의 성장 프런트에 산출될 수 있는 과냉각의 양과 함께 취해진 실리콘의 물리적 특성들이 한계치를 성취할 수 있는 결정 인출율(pulling rate)에 둔다고 믿어지는 결과를 시사한다. 특별히, 장치에 의해 산출된 실리콘 용융물의 표면에서의 과냉각의 양이 결정질 시트가 추출되는 결정질 프런트(crystalline front)에서의 성장 속도 V_g 를 정할 수 있다. 본 실시예들은 종래 기술의 장치 및 기술들에 비하여 소정 정도의 과냉각에 대한 결정 인출율을 증가시키는 방식으로 결정질 시트의 수평 성장을 개시하고 지속시키는 냉각 장치의 새로운 구성들을 이용한다. 특별히, 종래 기술의 기술에 대조하여 결정질 프런트에서의 성장 율(growth rate)을 초과하는 결정 인출율(crystal pulling rate) (속도) V_p을 제공하는 기술들 및 장치가 본 출원에 개시된다.

다양한 실시예들에서, 용융물로부터 결정질 시트를 형성하기 위한 장치는 냉각 블럭에 의해 생성되는 결정질 시트의 결정질 프런트가 결정질 시트의 인출 방향에 대한 수선에 대하여 논-제로(0) 각도에서 형성되도록 공동 운전 가능한(interoperable) 결정 풀러(crystal puller) 및 냉각 블럭(cold block)을 포함한다. 이 방식에서, 이하에서 상세하게 설명될, 결정질 시트의 인출 속도는 결정질 프런트에서의 성장 속도를 초과할 수 있고, 그렇게 함으로써 더 높은 레이트(rate)의 결정질 시트 인출을 생성한다.

도 2는 다양한 실시예들에 따른 장치(200)의 사시도를 도시하고 도 3a는 평면도를 도시한다. 장치 (200)는 결정질 시트 (202)가 끌어 당겨지는 용융물 (104)을 형성하는 실리콘과 같은 재료를 용융시키는데 사용되는 도가니 (102)를 포함한다. 장치는 용융물 (104) 및/또는 도가니 (102)를 가열하기 위해 사용되는 가열 컴포넌트들 (미도시) 및 도가니 (102)를 포함하는 종래 기술에서 일반적으로 알려진 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 실리콘 성장의 실시예들에서, 용융물 (104)의 온도 예컨대 하단 영역 (108)에서의 온도는 실리콘에 대하여 T_m값의 몇 도(degree) 위(above)와 같은 실리콘의 용융 온도 (T_m)를 약간 초과하는 범위에서 유지될 수 있다. 용융물 (104)로부터 재료의 고체화(solidification)를 개시하기 위해서, 장치 (200)는 용융물 (104)의 표면 (212) 부분에 근접하여 냉각 영역(cooling region)을 산출하도록 동작하는 냉각 블럭 (206)을 포함한다. 일 예에서, 냉각 블럭 (206)은 표면 (212)보다 더 차가운 영역을 생성하기 위해 냉각 블럭 내부에 유동체 냉각제 (fluid cooling)(미도시)가 제공된다. 예시된 바와 같이, 냉각 블럭 (206)은 방향 (214)를 따라 이동 가능하여 높이 H는, 즉, 하단 표면 (218) 및 용융물 (104)의 표면 (212)사이의 최단 거리는 조정될 수 있다. H의 값이 충분히 작을 때, 냉각 블럭 (206)은 근처의 용융물 (104) 부분들을 고체화시키기에 충분한 하단 표면 (218)에 냉각 영역을 제공할 수 있다. 결정화가 일어날 때, 결정질 프런트 (210)가 형성될 수 있고 그리고 T_c ⁴- T_m ⁴에 비례하는 성장 속도 V_g 에 따라 성장할 수 있고, 여기서 T_c 용융물 (104)의 표면 (212)에 근접한 냉각 블럭 (206)의 냉각 영역의 온도이다. 따라서, 만약 냉각 블럭 (206)이 냉각 영역 온도 T_c 를 충분히 낮게 유지하고 그리고 냉각 블럭 (206)이 표면 (212)에 충분히 근접하면, 결정질 시트로 끌어 당겨질 수 있는 결정질 재료는 냉각 블럭 (206)에 근접한 표면 (212)의 영역 내에서 성장한다.

관련 기술분야에 알려진 바에 따라, 결정 풀러 (220)는 도 2 에 도시된 직교 좌표계 시스템의 X-축에 평행한 것과 같은 소정의 방향을 따라 왔다 갔다하는 결정질 시드(crystalline seed)(따로 미도시)를 포함할 수 있다. 그런 다음 침전층(precipitating layer)이 결정질 시드에 부착될 때 결정질 시트 (202)는 용융물 (104)로부터 끌어 당겨질 수 있다. 도 2에 예시된 바와 같이, 결정 풀러 (220)가 X-축에 평행한 인출 방향 (214)을 따라 결정질 재료의 층을 인출할 때 결정질 시트 (202)는 냉각 블럭 (206)의 하단 표면에 근접한 용융물 (104)의 영역으로부터 끌어 당겨진다. 결정질 재료의 층은 희망하는 결정질 시트 (202)의 양이 생성될 때까지 결정질 시트 (202)로서 끌어 당겨질 수 있다. 이어서, 냉각 블럭 (206)은 용융물 (104)의 표면 (212)으로부터 더 먼 거리로 방향 (214)을 따라서 표면 (212)으로부터 멀리 이동될 수 있다. 더 먼 거리에서는, 냉각 블럭 (206)은 용융물 (104)의 결정화를 일으키기에 충분한 냉각을 표면 (212)에 더 이상 제공할 수 없거나, 또는 V_g가 결정질 시트 (202)의 지속 인출을 지원하기에 불충분한 값으로 줄어들 수 있다. 그런 다음 결정질 프런트 (210)는 냉각 블럭 (206) 아래에서부터 종료되고 및 결정질 시트 (202)는 더 이상 성장하지 않는다.

특별히, 도 3a에 예시된 바와 같이, 냉각 블럭 (206)이 표면 (212)에 충분히 근접할 때, 및 결정질 시트 (202)는 인출 방향 (208)을 따라 끌어 당겨지고, 결정질 프런트 (210)는 냉각 블럭 (206)의 하단 표면 (218)에 근접한 용융물 (104)의 표면 (212)의 영역에서 생긴다. 도 3a의 삽도(inset)에 도시된, 냉각 블럭 (206)은 표면 (212)에 평행한 X-Y 평면에 도시된 바와 같이 전체적으로 길게된 형상(elongated shape)을 갖는다. 따라서 냉각 블럭이 길게 되고 냉각 블럭 (206)의 하단 표면의 것에 유사한 형상을 갖는 냉각 영역 (222)을 생성할 수 있다. 이 냉각 영역 (222)은 그런 다음 (길게된) 하단 표면 (218)의 긴 방향에 평행한 라인을 따라서 결정질 프런트 (210)를 생성할 수 있다. 비록 예시의 목적들을 위한 도 3a의 평면도에 가시적이지만, 냉각 영역 (222)은 도 2 에 도시된 표면 (212)에 근접한 냉각 블럭 (206)의 하단 표면 (218) 상에 배치된다 것을 유의하여야 한다.

추가로 도 3a에 도시된 바와 같이, 냉각 영역 (222)은 길게된 방향에 평행한 폭 W_2a를 갖고, 이는 결정질 프런트 (210)에 동등한 폭을 생성한다. 그러나, 도 3a에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 기술들 및 장치와 달리, 장치 (200)는 인출 방향 (208)에 수직이 아니라, 인출 방향 (208)에 대한 수선(230)에 대하여 제로(0) 도보다 더 크고 90도 보다 작은 각도를 형성하는 방위(orientation)를 갖는 결정질 프런트 (210)를 생성한다.

도 3b는 추가 실시예들에 따른 다른 냉각 블럭 (234)의 평면도를 도시한다. 이 경우에, 냉각 블럭은 표면 (212)에 평행한 X-Y 평면에 도시된 바와 같이 전체적으로 길게된 형상(elongated shape)을 가지지 않는다. 냉각 블럭(234)도 또한 길게되지 않고 냉각 블럭 (234)의 하단 표면의 것에 유사한 형상을 갖는 냉각 영역 (232)을 생성할 수 있다. 그러나, 냉각 영역 (222)과 같이, 냉각 영역 (232)은 인출 방향 (208)에 대한 수선(230)에 대하여 제로(0)도보다 더 크고 90도보다 작은 각도를 형성하는 냉각 프런트(210)를 생성하도록 동작한다. 실리콘과 같은 재료의 시트를 성장시키기 위해 도면들 3a, 3b에 예시된 냉각 블럭 구성의 장점들은 이하의 도면들에 관련하여 상술된다.

도면들 4a 및 4b은 각각 종래 기술의 및 본 실시예들에 따라 용융물로부터 결정질 시트들의 제조를 위한 기하학적 구조의 세부사항들의 비교를 제공한다. 특별히, 상부 평면도(top down view)는 참조를 위한 도면들 2 및 3과 동일한 직교 좌표계 시스템을 이용하여 예시된다. 도 4a에서는 종래 기술에 따른 장치에서 형성될 수 있는 결정질 시트 (402)의 상부 평면도가 도시된다. 특별히, 냉각 블럭 (명확성을 위하여 미도시)은 Y-축에 평행인 방향을 따라 놓인, 다시 말해서, 인출 방향에 수선을 따라서 결정질 프런트 (408)을 생성한다. 결정질 시트 (402)는 X-축에 평행인 방향 (406)를 따라 인출함으로써 끌어 당겨진다. 일부 경우들에서 초당 센티미터의 크기일 수 있는 성장 속도 V_g로 도 4a에 도시된 바와 같이 왼쪽으로 방향 (404)을 따라서 성장하는 경향으로 결정질 재료는 결정질 프런트 (408)에서 형성될 수 있다. 물론 결정질 재료는 또한 Z 방향에 평행인 속도로 성장할 수 있다. 동시에, 결정질 시트 재료는 인출 속도 V_p로 방향 (406)을 따라서 끌어 당겨질 수 있다. 예시된 바와 같이, 방향 (406)은 결정질 프런트 (408)의 성장 방향(404)으로부터 180도로 배향된다. 결정질 시트 (402)를 추출하기 위해 사용되는 인출 속도 V_p의 값은 부분적으로 V_g의 값에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, V_p의 크기가 V_g의 크기를 초과하지 않는 한, 결정질 프런트 (408)는 충분히 빠르게 방향 (404)으로 진행하여 방향 (406)에 따른 인출 속도 V_p에서의 시트 재료의 인출에 반대로 행동(counteract)한다. 따라서, 결정질 프런트 (408)는 고체화를 일으키는 냉각 블럭 (미도시)에 근접한 위치에서 안정하게 유지할 수 있고, 연속적인 시트 (402)가 용융물 (104)로부터 인출될 수 있다. 이 방식에서 V_g의 크기가 결정질 시트 (402)를 추출하기 위한 인출 속도에 상한치를 정하는 것으로 이해될 수 있다.

도 4b에서는 본 실시예들에 따른 장치에서 형성될 수 있는 결정질 시트 (410)의 상부 평면도가 도시된다. 종래 기술들에 비교의 목적으로 도 4b에 예시된 규약에서, 결정질 시트 (410)는 또한 X-축에 평행인 방향 (416)를 따라 인출함으로써 끌어 당겨진다. 또 비교의 목적을 위하여, 결정질 프런트 (412)의 성장 속도 V_g는 도 4a의 종래 기술의 예에서의 것과 같은 값을 갖는 것으로 가정될 수 있다. 그러나, 종래 기술과 달리, 냉각 블럭 (명확성을 위하여 미도시, 그러나 도 3a 참조)은 Y-축에 대하여 논-제로(0) 각도 θ를 형성하는 방향을 따라 놓여있는 방위로 결정질 프런트 (412)를 형성한다. 따라서 결정질 프런트 (412)를 따라 형성되는 결정질 재료는 도 4b 에 도시된 바와 같이 왼쪽으로 그리고 아래쪽으로 방향 (414)를 따라 성장하는 경향을 갖는다.

만약 도 4b에서 결정질 재료가 방향 (414)을 따라 속도 V_g 로 성장하는 것으로 가정된다면, 결정질 시트 (410)가 방향 (416)을 따라 인출될 때, 인출 속도 V_p는 결정질 프런트 (412)의 위치 변화를 일으키지 않고 V_g를 초과할 수 있다. 특별히, 도 4b에 예시된 바와 같이, 만약 V_p = V_g/cosθ 라면 결정질 프런트 (412)의 위치는 안정하게 유지할 수 있다. 다시 도면들 2 및 3을 참조하면, 이 방식에서, 인출 방향에 대한 수선에 대하여 각도 θ에서 냉각 블럭 (206)의 긴 축을 배향시킴으로써, 본 실시예들은 종래 기술의 기술들에 비하여 V_p의 실질적 증강을 제공한다. 도 4b는 또한 대표적인 증강 요인들 (418)을 나열하고, 이는 냉각 블럭이 본 실시예들에 따라 구성될 때 각도 θ의 함수로서 성취할 수 있는 V_p 에서의 상대적으로 증가를 표현한다. 예를 들어, θ가 45 도와 같을 때, V_p에서 41% 증강이 달성되고, 반면 60도와 같은 θ의 값에서 V_p에서 두배가 달성된다. 종래 기술의 장치의 경우에서처럼, 결정질 시트의 동일한 시트 폭 S를 유지하기 위해서, 길게된 방향에 냉각 블럭의 폭은 종래 기술의 장치에 비하여 증가된다는 것에 유의되어야 한다. 예시된 바와 같이, 예를 들어, 도 4a에서, 종래 기술의 장치에서의, 냉각 블럭의 (미도시) 폭 W₁은 시트 폭 S와 같다. 그에 반해서, 및 도 3a 에 도시된 바와 같이, 냉각 블럭 (206)의 폭 W₂는 시트 폭 S보다 더 크다.

수평으로 끌어 당겨지는 결정질 시트들에 대하여 인출율 증강에 추가하여, 본 실시예들은 추가의 장점들을 제공한다. 예를 들어, 용융물로부터 결정화 동안에, 결함들 또는 오염 물질들이 냉각 블럭의 하단 표면 가까이에 용융물 표면에 형성되는 에디(eddy) 들에 유입될 수 있다. 길게된 방향이 인출 방향에 대하여 각도 θ를 형성하도록 냉각 블럭을 배향함으로써, 임의의 결함들 또는 오염 물질들이 냉각 블럭의 “다운스트림(downstream)” 끝단쪽으로 일소(sweep)될 수 있고, 그렇게 함으로써 나중에 기판들을 제조하기 위해 사용될 수 있는 시트의 부분들로부터 이런 결함들 또는 오염 물질들이 잠재적으로 제거된다.

도 5 는 다양한 추가의 실시예들에 따른 장치의 (500)의 사시도를 도시하고 도 6 은 평면도를 도시한다. 이 예에서, 도가니 (502)는 용융물 (504)을 수용하고, 적어도 하단 부분 (506)은 결정질 시트 (530)를 형성하기 위한 재료의 용융 온도보다 높게 유지된다. 냉각 블럭 (510)은 도 6 에 도시된 상부 사시도로부터 볼 때 “V” 형상을 갖는다. 특별히 냉각 블럭 (510)은 상단으로부터 보았을 때 함께 V 를 형성하는 각각이 길게된 형상을 갖는 부분들 (512) 및 (514)을 포함한다. 냉각 블럭 (510)의 하단 표면은 따라서 도 6에 삽도에 예시된 바와 같이 전체적으로 V 형상의 패턴을 갖는 냉각 영역 (540)을 산출할 수 있다. 비록 예시의 목적들을 위한 도6의 평면도에 가시적이지만, 냉각 영역 (540)은 도 5 에 도시된 표면 (518)에 근접한 냉각 블럭 (510)의 하단 표면 (510) 상에 배치된다 것을 유의하여야 한다.

하단 표면 (516)이 용융물 (504)의 표면 (518)에 충분히 근접하게 된 때, 냉각 영역 (540)은 V-형상의 결정질 프런트 (522)를 생성할 수 있다. V-형상의 결정질 프런트 (522)는 도 6에 도시된 바와 같이 두개의 부분들 또는 결정질 프런트들 (524) 및 (526)의 조합으로 특징지어질 수 있다. 결정질 프런트들(524,526)을 따라 형성되는 결정질 재료는 결정질 시트 (530)를 형성하기 위해 인출 방향 (528)으로 표면 (518)을 따라 끌어 당겨질 수 있다.

도 6 에 도시된 바와 같이, 결정질 프런트 (524)는 도 6 에 도시된 바와 같이 왼쪽으로 그리고 아래쪽으로 방향 (532)을 따라 성장하는 경향을 가지지만, 반면에 결정질 프런트 (526)는 또한 도 6 에 도시된 왼쪽으로 그리고 위쪽을 향해 방향 (534)을 따라 성장하는 경향을 갖는다. 부분 (512)에 의해 제공되는 냉각 정도가 부분 (514)에 의해 제공되는 것과 같다고 가정하면, 결정질 프런트 (524)의 성장 속도 V_g는 결정질 프런트 (526)의 성장 속도와 같을 수 있다. 종래 기술의 장치에 의해 생성되는 결정질 프런트 (408)와 달리, 그리고 결정질 프런트 (412)에 유사하게, 결정질 프런트들 (524,526) 각각은 인출 방향 (528)에 대한 수선 (542)에 대하여 논-제로(0) 각도를 형성한다. 특별히, 각각은 수선 (542)에 대하여 결정질 프런트 (524)는 각도 +θ를 형성할 수 있으나 반면에 결정질 프런트 (526)는 각도 -θ를 형성한다. 따라서, 결정질 프런트들 (524,526)이 정적상태(stationary)를 유지하고 연속적인 결정질 시트 (530)가 형성되는 안정한 결정 인출 상태들 하에서, 인출 방향 (528)를 따른 결정질 시트 (530)의 인출율 V_p은 도 4b에 개시된 증강 요인들 (418)에 따라 V_g를 초과할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 결정질 재료의 균일한 시트를 형성하기 위해서, 냉각 블럭 (510)은 각도들 -θ와 +θ가 동일한 값이 되도록 인출 방향 (528)에 대하여 배열된다. 이 상태를 표현하기 위한 다른 방법은 결정질 프런트들 (524,526) 사이의 각도 θ ₂를 고려하는 것이다. -θ와 +θ가 동일한 값일 때 인출 방향 (528)은 프런트들 사이의 각도 θ ₂를 양분하고, 그렇게 함으로써 인출 방향 (528) 및 개별 결정질 프런트들 (524) 및 (526)사이의 같은 값 +θ ₃와 -θ ₃의 각도들을 형성한다.

게다가, 냉각 블럭의 V-형상의 구성을 이용하여 재료의 균일한 시트를 성장시키기 위해서, 냉각 블럭 (510)의 개별 부분들 (512) 및 (514)의 하단 표면들 (552) 및 (554)은 동일평면상에 있고 표면 (518)에 평행하도록 구성될 수 있다. 따라서, 하단 표면들 (552) 및 (554)은 표면 (518)으로부터 동등하게 간격될 수 있고, 그렇게 함으로써 표면 (518)에 대하여 동등한 냉각의 정도를 제공하고 결과적으로 결정질 프런트들 (524,526)에 대하여 V_g의 같은 값들을 부가한다.

도 7는 도면들 5 및 6에 설명된 V-형상의 냉각 블럭이 결정화를 개시하기 위해 사용될 때 결정 성장의 기하학적 구조의 세부사항들을 추가로 포함하는 평면도를 도시한다. 예시된 바와 같이, 결정질 시트 (702)는 인출 방향 (704)을 따라 인출되고 동시에 냉각 블럭 (미도시)은 V-형상의 결정질 프런트 (710)를 정의하는 결정질 프런트들 (706) 및 (708)를 생성한다. 결정질 프런트들 (706,708)은 개별 방향들 (712,714)에서 성장하여, 인출 속도 V_p는 안정한 성장 상태들 하에서 결정질 프런트들 (706,708)의 성장율 V_g를 초과한다. 결정질 프런트 (710)의 방향은 개별 결정질 프런트들 (706,708)이 포인트 P에서 만나는 급격한 변화를 보이기 때문에, 결함(defect)들은 포인트 P 근처 영역내에 침전될 수 있다. 결정질 시트 (702)의 인출 동안에, 결함들은 결정질 시트 (702)의 안쪽 영역에 형성되고 전체적으로 인출 방향 (704)에 평행인 전체적으로 선형으로 형상된 영역 (716)로 귀결된다. 다양한 실시예들에 따라, 기판들이 나중에 영역 (716)을 교차하지 않는 방식으로 결정질 시트로부터 절단될 수 있도록 그리고 결정질 시트 (702)의 폭 W₃가(대향 측면들 (718)사이의 거리) 충분하도록 도시된 Y-축에 평행한 방향에서 V-형상의 냉각 블럭의 전체 폭이 배열된다. 따라서, 만약 디자인된 기판 폭을 나타낼 수 있는 소정의 치수 W₄의 기판들 (720)을 다이스(dice) 하기를 희망한다면, 치수 W₃은 영역 (716)이 임의의 기판들 (720)에 포함되지 않도록 W₄ 치수의 두배보다 더 크도록 배열된다.

비록 냉각 블럭은 결정질 프런트 (706)의 폭이 결정질 프런트 (708)의 폭과 다르도록 결정질 프런트(706)를 생성하도록 배열될 수 있지만, 다양한 실시예들에서, 결정질 프런트들 (706,708)의 폭들은 같다. 이 방식에서, 영역 (716) 위와 아래에 놓인 결정질 시트(702)의 영역들 (722,724)로부터 동등한 치수의 기판들이 안성맞춤으로 생성될 수 있다.

요약에서, 본 실시예들은 종래 기술의 FSM 및 HRG 장치에 비하여 다수의 장점들을 제공한다. 하나로, 통상의 FSM 장치 또는 HRG 장치와 비교할 때, 결정질 시트를 형성하는 재료의 용융물 표면에 산출된 동일한 과냉각의 정도에 대하여 보다 빠른 결정 인출율들이 획득가능하다. 게다가, 통상의 장치와 같은 동일한 결정 인출율이 과냉각 미만에서 달성될 수 있다. 다시 말해서, 본 실시예들에 따라 배열된 냉각 블럭은 인출 방향에 대하여 냉각 블럭의 비스듬한 기하학적 구조에 의해 제공되는 증강 요인 때문에 통상의 장치에 의해 사용되는 용융물의 표면에 과냉각의 정도를 더 크게 산출할 필요 없이 통상의 장치와 동일한 인출율을 달성할 수 있다.

본 발명은 본 명세서에서 설명된 특정 실시예들에 의해 한정되지 않는다. 오히려, 본 명세서에 기술된 이러한 실시예들에 더하여, 본 발명의 다른 다양한 실시예들 및 이에 대한 변형들이 당업자들에게 전술한 설명 및 첨부된 도면들로부터 명백해질 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 변형들은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다. 또한, 본 발명이 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현의 맥락에서 기술되었다고 하더라도, 당업자들은 본 발명의 유용성이 이에 한정되지 않으며 본 발명이 임의의 목적들을 위해 임의의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 주제는 본 명세서에서 설명된 바와 같은 본 발명의 완전한 범위와 사상의 관점에서 이해되어야 할 것이다.

Claims

용융물(melt)로부터 결정질 시트(crystalline sheet)를 형성하기 위한 장치에 있어서,
상기 용융물을 수용하는 도가니(crucible);
상기 용융물의 표면에 근접하여 냉각 영역(cold region)을 산출하도록 구성된 냉각 블럭(cold block)으로서, 상기 냉각 영역은 상기 결정질 시트의 결정질 프런트(crystalline front)를 생성하도록 동작하는, 상기 냉각 블럭; 및
상기 결정질 시트를 상기 용융물의 상기 표면을 따라 인출 방향(pull direction)으로 끌어 당기도록 구성된 결정 풀러(crystal puller)로서, 상기 인출 방향에 대한 수선(perpendicular)은 상기 결정질 프런트에 대하여 90도보다 작고 제로(0)도보다 더 큰 각도를 형성하는, 상기 결정 풀러를 포함하는, 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 냉각 블럭 어셈블리는 상기 결정질 프런트의 제 2 폭에 동등한 상기 냉각 영역내 제 1 폭을 생성하도록 구성된 길게된 형상(elongated shape)를 포함하는, 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 냉각 블럭은 제 1 및 제 2 위치 사이에서 움직이도록 동작하고, 상기 제 1 위치가 상기 용융물의 상기 표면에 더 근접하고, 상기 냉각 블럭이 상기 제 1 위치에 배열될 때의 상기 결정질 시트의 제 1 성장 속도는 상기 냉각 블럭이 상기 제 2 위치에 배열될 때의 제 2 성장 속도보다 더 큰, 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 결정질 프런트(crystalline front)는 제 1 결정질 프런트이고 상기 냉각 블럭은
상기 용융물의 상기 표면에 평행한 평면내 V-형상 구조로서, 상기 V-형상구조는 제 1 부분 및 상기 제 1 부분에 연결된 제 2 부분을 포함하는, 상기 V-형상 구조,를 포함하되,
상기 제 1 부분은 상기 수선에 대하여 제 1 각도에서 상기 제 1 결정질 프런트를 생성하도록 구성되고, 및
상기 제 2 부분은 상기 수선에 대하여 상기 제 1 각도에 대하여 크기에서 같은 제 2 각도에서 개별 제 2 결정질 프런트를 생성하도록 구성된, 장치.
청구항 5에 있어서, 상기 제 1 결정질 프런트에 평행한 상기 제 1 부분의 제 3 폭은 상기 제 2 결정질 프런트에 평행한 상기 제 2 부분의 제 4 폭과 같은, 장치.
청구항 5에 있어서, 상기 장치로부터 인출되는 결정질 시트는 상기 결정질 시트로부터 형성될 기판들의 디자인된 기판 폭의 두 배보다 더 크거나 두 배와 같은 상기 수선에 따른 제 5 폭을 갖는, 장치.
청구항 5에 있어서, 상기 용융물에 근접한 상기 제 1 부분의 제 1 하단 표면은 상기 용융물에 근접한 상기 제 2 부분의 제 2 하단 표면과 동일평면상(coplanar)에 있는, 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 냉각 블럭은 상기 용융물의 용융 온도 아래로 상기 냉각 블럭의 온도를 유지하기 위한 내부 유동체를 포함하는, 장치.
용융물로부터 결정질 시트를 형성하기 위한 방법에 있어서,
상기 용융물을 형성하기 위해 도가니에 재료를 가열하는 단계;
상기 용융물의 표면으로부터 제 1 거리에서 냉각 블럭의 냉각 영역을 제공하는 단계로서, 상기 냉각 영역은 상기 결정질 시트의 결정질 프런트(crystalline front)를 생성하도록 동작하는, 상기 냉각 영역을 제공하는 단계; 및
인출 방향으로 상기 용융물의 상기 표면을 따라 상기 결정질 시트를 인출하는 단계로서, 상기 인출 방향에 대한 수선은 상기 결정질 프런트에 대하여 제로(0)도보다 더 크고 90도보다 작은 각도를 형성하는 상기 인출하는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 결정질 프런트의 제 2 폭에 동등한 제 1 폭을 갖는 길게된 형상(elongated shape)으로 상기 냉각 블럭의 상기 냉각 영역을 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 결정질 프런트는 제 1 결정질 프런트이고, 상기 방법은
상기 냉각 블럭을 상기 용융물의 상기 표면에 평행한 평면내 V-형상 구성에 제 1 부분 및 상기 제 1 부분에 연결된 제 2 부분으로 배열하는 단계;
상기 수선에 대하여 제 1 각도에서의 상기 제 1 부분을 이용하여 상기 제 1 결정질 프런트를 생성하는 단계; 및
상기 수선에 대하여 제 2 각도에서의 상기 제 2 부분을 이용하여 제 2 결정질 프런트를 생성하는 단계로서, 상기 제 2 각도는 상기 수선에 대하여 상기 제 1 각도의 크기와 동일한 크기를 갖는, 상기 제 2 결정질 프런트를 생성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
청구항 11에 있어서,
상기 제 1 결정질 프런트에 평행한 상기 제 1 부분에 대한 제 3 폭을 상기 제 2 결정질 프런트에 평행한 상기 제 2 부분의 제 4 폭과 같게 배열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
청구항 12 에 있어서,
상기 결정질 시트로부터 제조될 기판들을 위한 기판 폭을 결정하는 단계; 및
상기 기판 폭의 두배보다 더 큰 값과 같은 상기 수선에 따른 제 5 폭을 갖는 상기 V-형상 구성을 배열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
청구항 11에 있어서, 상기 용융물에 근접한 상기 제 1 부분의 제 1 하단 표면을 상기 용융물에 근접한 상기 제 2 부분의 제 2 하단 표면과 동일평면상에 있도록 배열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
청구항 9에 있어서, 상기 제 1 거리로부터 상기 제 1 거리보다 더 먼 상기 용융물 표면으로부터의 제 2 거리로 상기 냉각 블럭을 움직이는 단계를 더 포함하고, 상기 결정질 프런트는 상기 냉각 블럭이 상기 제 2 거리로 이동될 때 종료되는, 방법.