KR20150103177A - 단결정 반도체 재료의 제어된 도핑을 위한 액체 도핑 시스템 및 방법 - Google Patents

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스테판 하린게르
아르만도 기안나타시오
로베르토 스칼라
루이기 보난노
발렌티노 모세르
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엠이엠씨 일렉트로닉 머티리얼스 쏘시에떼 퍼 아찌오니
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Abstract

반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액에 액체 도펀트를 도입하기 위한 도핑 시스템은 도펀트를 보유하기 위한 도펀트 저장소 및 공급 튜브를 포함한다. 도펀트 저장소는 몸체, 및 몸체의 단면적보다 더 작은 단면적을 갖는 개구부를 정의하는 테이퍼 단부를 포함한다. 공급 튜브는 저장소의 개구부로부터 연장되는 제1 단부, 제1 단부로부터 먼 제2 단부, 공급 튜브의 제2 단부에 배치된 각진 팁, 공급튜브를 통한 고체 도펀트의 통과를 억제하기 위한 제1 제한부, 및 공급 튜브의 제2 단부 근방에 배치된, 액체 도펀트의 흐름을 제어하기 위한 제2 제한부를 포함한다.

Description

단결정 반도체 재료의 제어된 도핑을 위한 액체 도핑 시스템 및 방법{LIQUID DOPING SYSTEMS AND METHODS FOR CONTROLLED DOPING OF SINGLE CRYSTAL SEMICONDUCTOR MATERIAL}
기술 분야는 일반적으로 반도체 또는 태양전지-급(solar-grade) 재료의 단결정들의 준비에 관한 것이며, 더 구체적으로 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액(melt)의 제어된 도핑을 위한 액체 도핑 시스템에 관한 것이다.
반도체 소자들 및 태양전지들과 같은 다수의 전자 부품들을 제조하기 위한 출발 재료인 단결정 재료는 통상적으로 초크랄스키(Czochralski, "Cz")법을 이용하여 준비된다. 간단하게, 초크랄스키법은 다결정 실리콘("폴리실리콘")과 같은 다결정 소스 재료를 도가니에서 용융시켜 실리콘 용융액을 형성하고 나서 용융액으로부터 단결정 잉곳(single-crystal ingot)을 인상시키는(pulling) 것을 포함한다.
공정 동안, 수득된 단결정 구조의 베이스 저항률(base resistivity)을 변형시키기 위해 용융 소스 재료에 정확한 양의 도펀트들을 첨가한다. 도펀트들은 통상적으로, 적어도 p-형 및 n-형 실리콘을 위해 고체 형태로 용융 소스 재료에 첨가된다. 하지만, 고체 도펀트들의 사용은 여러가지 결점들을 제공한다.
한 결점은 고체 도펀트들과 용융 소스 재료 간의 온도 차이로부터 유래된 열 충격이다. 이러한 열 충격은 용융 소스 재료가 고체 도펀트 과립들 아래에 고화되도록 유발하여 "플로팅 보트들(floating boats)"을 생성한다. 또한, 플로팅 보트들의 형성 동안 석영 입자들이 형성될 수 있다. 이 석영 입자들은 플로팅 보트들이 용융된지 오랜 후에도 용융 소스 재료에 남아 있을 수 있어서, 최종 단결정 구조에 전위들(dislocations)과 같은 결정 결함들을 초래한다. 용융 소스 재료에 고체 도펀트들을 첨가함으로써 초래된 추가의 결점은 단결정 성장 어셈블리의 오염이다. 용융 소스 재료의 표면에 대한 고체 도펀트들의 충돌은 용융 소스 재료가 도가니 외부에 및 단결정 성장 어셈블리의 각종 구성요소들 상에 튀도록 유발하며, 이는 어셈블리 내의 구성요소들에 결정 결함들 또는 손상을 초래할 수 있다.
고체 도펀트들을 사용하는 것의 또 다른 결점은 인듐과 같은 다수의 도펀트들이 비교적 높은 증발률(evaporation rate)을 갖는다는 것이다. 이들 도펀트들을 용융 전에 반도체 또는 다른 태양전지-급 재료를 갖는 도가니에 바로 배치하면 반도체 또는 태양전지-급 재료의 가열 동안 도펀트가 증발되도록 유발된다. 손실된 도펀트를 보상하기 위해 종종 상당한 양의 추가 도펀트가 첨가되어야 하며, 이는 비효율적인 도펀트 사용을 초래한다. 또한, 증발된 도펀트는 성장 어셈블리의 각종 구성요소들 상에 응축되어, 어셈블리의 오염을 초래한다.
전술한 사항을 고려하여, 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액에 도펀트들을 도입하기 위한 간단하고 비용 효율적인 접근법에 대한 요구가 존재함을 알 수 있다.
본 배경 기술 부분은 하기에 설명 및/또는 청구된 본 개시내용의 각종 양태들에 관련될 수 있는 각종 기술 양태들을 독자에게 소개하고자 의도된다. 이러한 논의는 본 개시내용의 각종 양태들을 더 잘 이해하는 것을 용이하게 하기 위해 독자에게 배경 정보를 제공하는 데 유용할 것으로 여겨진다. 따라서, 이러한 서술들은 이러한 관점에서 읽혀야 할 것이며, 선행 기술의 인정으로 보아서는 안 된다는 점이 이해되어야 한다.
한 양태에서, 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액에 액체 도펀트를 도입하기 위한 도핑 시스템이 제공된다. 도핑 시스템은 도펀트를 보유(hold)하기 위한 도펀트 저장소(dopant reservoir)와, 공급 튜브(feeding tube)를 포함한다. 도펀트 저장소는 몸체, 및 몸체의 단면적보다 더 작은 단면적을 갖는 개구부를 정의하는 테이퍼 단부(tapered end)를 포함한다. 공급 튜브는 저장소의 개구부로부터 연장되는 제1 단부, 제1 단부로부터 먼 제2 단부, 공급 튜브의 제2 단부에 배치된 각진 팁(angled tip), 공급 튜브를 통한 고체 도펀트의 통과를 억제하기 위한 제1 제한부(restriction), 및 액체 도펀트의 흐름을 제어하기 위한 제2 제한부를 포함한다. 제2 제한부는 공급 튜브의 제2 단부 근방에 배치된다.
다른 양태에서, 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액에 액체 도펀트를 도입하기 위한 방법이 설명된다. 방법은 용융액으로부터 먼 제1 위치에 도핑 시스템을 배치하는 단계, 도핑 시스템에 미리 결정된 양의 고체 도펀트를 첨가하는 단계, 도핑 시스템을 제2 위치에 배치하는 단계 - 상기 제2 위치는 고체 도펀트가 용융되도록 용융액의 표면에 충분히 가까움 -, 고체 도펀트가 액체 도펀트가 되도록 고체 도펀트를 용융시키는 단계, 및 도핑 시스템의 공급 튜브를 통해 액체 도펀트를 용융액에 도입하는 단계를 포함한다. 도핑 시스템은 도펀트를 보유하기 위한 도펀트 저장소, 공급 튜브, 및 공급 튜브를 통한 고체 도펀트의 통과를 억제하기 위한 제한부를 포함한다. 도펀트 저장소는 몸체, 및 몸체의 단면적보다 더 작은 단면적을 갖는 개구부를 정의하는 테이퍼 단부를 포함한다. 공급 튜브는 저장소의 개구부로부터 연장되는 제1 단부, 제1 단부로부터 먼 제2 단부, 및 공급 튜브의 제2 단부에 배치된 각진 팁을 포함한다.
또 다른 양태에서, 결정 인상기(crystal puller)가 제공된다. 결정 인상기는 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액을 보유하기 위한 도가니, 도가니를 가열하고 반도체 또는 태양전지-급 재료를 용융시키기 위한 가열 요소, 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액에 액체 도펀트를 도입하기 위한 도핑 시스템, 및 도핑 시스템을 결정 인상기 내에 유지 및 배치하기 위한 인상 메커니즘(pulling mechanism)을 포함한다. 도핑 시스템은 도펀트를 보유하기 위한 도펀트 저장소, 공급 튜브, 공급 튜브를 통한 도펀트 저장소로부터의 고체 도펀트의 통과를 억제하기 위한 제1 제한부, 및 액체 도펀트의 흐름을 제어하기 위한 제2 제한부를 포함한다. 인상 메커니즘은 도핑 시스템이 매달리는 더미 시드(dummy seed)를 포함한다. 도펀트 저장소는 몸체, 및 몸체의 단면적보다 더 작은 단면적을 갖는 개구부를 정의하는 테이퍼 단부를 포함한다. 공급 튜브는 저장소의 제1 개구부로부터 연장되는 제1 단부, 제1 단부로부터 먼 제2 단부, 및 공급 튜브의 제2 단부에 배치된 각진 팁을 포함한다. 제2 제한부는 공급 튜브의 제2 단부 근방에 배치된다.
상술한 양태들과 관련하여 주목된 특징부들의 각종 개선점들이 존재한다. 추가 특징부들도 또한 상술한 양태들에 포함될 수 있다. 이러한 개선점들 및 추가 특징부들은 개별적으로 또는 임의의 조합으로 존재할 수 있다. 예를 들어, 예시된 임의의 실시형태들과 관련하여 하기에 논의된 각종 특징부들은, 단독으로 또는 임의의 조합으로, 상술한 임의의 양태들에 포함될 수 있다.
도 1은 용융액에 액체 도펀트를 도입하기 위한 도핑 시스템을 포함하는 결정 인상기의 단면도이고;
도 2는 도 1의 도핑 시스템의 단면도이고;
도 3은 도 2에 도시된 도핑 시스템의 공급 튜브의 확대도이고;
도 4는 고체 도펀트로 충진된 도 1의 도핑 시스템의 단면도이고;
도 5는 용융액 표면을 향해 하강하는 도 4의 도핑 시스템의 단면도이고;
도 6은 용융액 표면 근방에 배치된 도 4의 도핑 시스템의 단면도이고;
도 7은 도핑 시스템이 제거된 도 1의 결정 인상기의 단면도이다.
각종 도면들에 사용된 유사한 참조 부호들은 유사한 요소들을 나타낸다.
반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액에 액체 도펀트를 도입하기 위한 도핑 시스템을 포함하는 결정 인상기는 도 1에서 일반적으로 10으로 나타낸다. 결정 인상기는, 퍼니스(furnace)(16) 내에 포함된 서셉터(susceptor)(14)로 둘러싸인, 실리콘과 같은 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액(18)을 보유하기 위한 도가니(12)를 포함한다. 반도체 또는 태양전지-급 재료는 절연체(22)로 둘러싸인 가열 요소(20)로부터 제공된 열에 의해 용융된다. 용융액(18)에 액체 도펀트를 도입하기 위한 도핑 시스템(일반적으로 40으로 나타냄)은 결정 인상기(10) 내에 배치된다. 작동시, 용융액 표면(24)(및/또는 가열 요소(20))으로부터의 열이, 도핑 시스템(40) 내의 고체 도펀트(도 1에 도시되지 않음)가 용융되어 하향으로 도핑 시스템(40)의 밖으로 용융액(18) 내로 흐르게 하도록, 도핑 시스템(40)은 용융액 표면(24) 근방에 배치된다.
도핑 시스템(40)은 본 명세서에 설명된 도핑 공정 동안 도핑 시스템(40)을 배치하기 위한 인상 메커니즘(30)에 부착된 더미 시드(28)에 케이블들 또는 와이어들(26)에 의해 매달린다. 인상 메커니즘(30)은 더미 시드(28)를 인상 메커니즘(30)에 고정시키기 위한 척(chuck)(32), 및 도핑 시스템(40)을 들어올리고 내리기 위한, 척(32)에 연결된 샤프트(shaft) 또는 인상 와이어(pull wire)(34)를 포함한다. 도 1에 도시된 실시형태에서, 케이블들 또는 와이어들(26)은, 비록 다른 재료들이 케이블들 또는 와이어들(26)에 사용될 수 있지만, 몰리브덴 또는 텅스텐으로 이루어진다. 더미 시드(28)는 스테인레스 스틸로 이루어진다. 더미 시드(28)의 형태 및 크기가, 단결정 잉곳들을 성장시키기 위한 결정 인상 시스템들에 이미 사용된 시드의 형태 및 크기와 동일하거나 유사하므로, 도핑 시스템(40)은 변형이 거의 없거나 전혀 없이 이미 사용중인 결정 인상 시스템들에 설치될 수 있다.
도 2에 있어서, 석영 도핑 시스템(40)은 도펀트(44)를 보유하기 위한 도펀트 저장소(42), 및 도펀트 저장소(42)의 제1 또는 상부 개구부(46)로부터 연장되는 가늘고 긴 공급 튜브(60)를 포함한다. 비록 석영이 도핑 시스템(40)으로부터의 오염을 최소화하기는 하지만, 도핑 시스템(40)을 위해 고온 응용들에 적합한 다른 재료들도 또한 사용될 수 있다(예를 들어, 내화 세라믹, 몰리브덴, 텅스텐 및 흑연). 도 2에 도시된 실시형태에서, 도핑 시스템(40)은 일체형 구성을 갖는다. 다른 실시형태들에서, 도핑 시스템(40)은 별도의 구성요소들로 조립될 수 있다. 도펀트 저장소(42)는 일반적으로 원통형인 몸체(50), 및 몸체(50)의 단면적보다 더 작은 단면적을 갖는 제1 개구부(46)를 정의하는 테이퍼 단부(52)를 정의하는 석영 측벽들(48)을 포함한다. 테이퍼 단부(52)는 도펀트를 도펀트 저장소(42)의 최저점까지 나르기 위해 원추형 형상을 갖는다. 도 2에 도시된 실시형태에서, 비록 테이퍼 단부(52)를 정의하는 측벽들(48)이 테이퍼 단부(52)가 보울-형 형상을 갖도록 안쪽으로 곡선을 이룰 수도 있지만, 테이퍼 단부(52)의 측벽들(48)은 선형으로 테이퍼된다. 테이퍼 단부(52)로부터 먼 몸체(50)의 단부는 몸체(50)의 원주 주위에 균등하게 이격된 홀들(holes)(54)을 포함하며, 이를 통해, 본 명세서에 설명된 도핑 공정 동안 도핑 시스템(40)을 배치하기 위해 인상 메커니즘(30)에 도핑 시스템(40)을 고정하도록 케이블들 또는 와이어들(26)이 삽입된다. 도 2에 도시된 실시형태는, 비록 다른 실시형태들은 상이한 수의 홀들(54)을 가질 수 있지만, 4개의 홀들(54)을 갖는다.
이제 도 3에 있어서, 공급 튜브(60)는 상부 개구부(46)에서 길이 L까지 연장되는 측벽들(62)을 포함하며, 상부 개구부(46) 근방에 배치된 제1 또는 상부 단부(64), 및 그 안에 정의된, 제2 또는 하부 개구부(68)를 가지며 상부 단부(64)로부터 먼 제2 또는 하부 단부(66)를 갖는다. 공급 튜브(60)의 하부 단부(66)에 각진 팁(70)이 배치된다. 각진 팁(70)은 각지지 않은 팁(non-angled tip)에 비해, 공급 튜브의 하부 단부(66)와 용융액 표면(24) 간의 접촉을 시각적으로 더 잘 보여준다. 따라서, 각진 팁(70)은 오퍼레이터(미도시)가 용융액(18)과 도핑 시스템(40) 간의 접촉을 최소화하는 것을 돕는다.
하기에 더 상세히 설명된 바와 같이, 도핑 공정 동안, 도핑 시스템은 각진 팁(70)이 용융액 표면(24)과 접촉할 때까지 용융액 표면(24)을 향해 하강한다. 따라서, 도펀트 저장소(42)는 공급 튜브(60)의 길이(L)와 대체로 동일한 거리만큼 용융액 표면(24) 위에 배치된다. 도핑 작동 동안 도펀트 저장소 내의 온도가 도펀트(44)의 용융 온도 바로 위에 있어서 도펀트 증발을 제한하도록, 도펀트 저장소가 용융액 표면(24) 위의 높이(H)(도 6에 도시됨)에 배치되도록 공급 튜브의 길이(L)가 선택된다.
공급 튜브(60)는 공급 튜브(60)의 내부 측벽들(72)에 의해 정의된 내부 직경(d)을 가지며, 여기서, 내부 직경(d)은 액체 도펀트가 공급 튜브(60)를 통과할 경우 액체 도펀트가 공급 튜브(60)에 의해 둘러싸인 체적을 실질적으로 차지하도록 크기가 정해진다. 그 결과, 액체 도펀트의 자유 표면이 최소화되어, 액체 도펀트의 증발이 감소한다. 공급 튜브의 내부 직경(d)은 또한, 모세관 작용(capillary action)이 액체 도펀트가 공급 튜브(60)를 통과하지 못하게 하지 않도록 크기가 정해진다. 액체 도펀트에 대해 작용하는 모세관력(capillary forces)이 액체 도펀트의 온도와 반비례하므로, 공급 튜브(60)의 내부 직경(d)은 공급 튜브(60)의 하부 단부(66)를 향해 안쪽으로 테이퍼될 수 있다.
공급 튜브(60)는 또한 공급 튜브 측벽들(62)의 두께 및 내부 직경(d)의 크기를 기초로 한 외부 직경(D)을 갖는다. 도 2에 도시된 실시형태에서, 공급 튜브(60)의 외부 직경(D)은 상부 개구부(46)에서 테이퍼 단부(52)의 외부 직경과 동일하다.
공급 튜브(60)의 내부 측벽들(72)은 개구부(46) 근방에서 안쪽으로 연장되어, 공급 튜브(60)를 통한 고체 도펀트(44)의 통과를 억제하도록 구성된 제1 제한부(74)를 형성한다. 제1 제한부(74)는 대안적으로 테이퍼 단부(52)의 내부 측벽들(76)로부터 형성될 수 있거나, 제1 제한부(74)는 공급 튜브(60) 및 테이퍼 단부(52)에 걸쳐 이어질 수 있다. 제1 제한부(74)는 공급 튜브(60)를 통해 고체 도펀트가 통과하지 못하도록 하는 크기로 된 직경을 갖는다. 도 3에 도시된 실시형태에서, 제1 제한부는 1 mm의 내부 직경을 갖는다.
이 실시형태의 제2 제한부(78)는 공급 튜브(60)를 통과하는 액체 도펀트의 흐름을 지연시키고 그의 속도를 감소시키기 위해 공급 튜브(60)의 하부 단부(66) 근방에 형성된다. 액체 도펀트의 속도를 감소시킴으로써, 용융액 표면(24)에 대한 액체 도펀트의 충돌이 감소하여, 용융액(18)의 튀어오름(splashing) 또는 튀김(spattering)이 감소한다. 또한, 공급 튜브(60)의 하부 단부(66)에서 액체 도펀트의 흐름을 지연시키는 것은 액체 도펀트가 용융액(18)에 도입되기 전에 추가로 가열되도록 유발한다. 따라서, 액체 도펀트는 용융액(18)에 도입되기 전에 용융액(18)의 온도에 접근하는 온도까지 가열된다. 이는 도펀트(44)와 용융액(18) 간의 열 충격을 감소시킨다. 또한, 액체 도펀트의 온도를 상승시킴으로써 액체 도펀트의 속도를 감소시켜, 액체 도펀트가 도입될 때 용융액(18)의 튀어오름 또는 튀김을 추가로 감소시킨다.
제2 제한부(78)는 또한 공급 튜브(60)를 나가는 액체 도펀트 스트림(stream)의 단면적 및 용융액 표면(24) 상에서의 액체 도펀트의 결과적인 자유 표면적을 감소시킨다. 용융액 표면(24) 상에서의 액체 도펀트의 자유 표면적을 감소시킴으로써, 제2 제한부(78)는 액체 도펀트의 증발을 추가로 감소시킨다.
도 3에 도시된 실시형태에서, 제2 제한부(78)는 공급 튜브(60)의 내부 측벽들(72)이 하부 개구부(68) 근방에서 안쪽으로 테이퍼되어 제2 제한부(78)를 형성하는 점에서 제1 제한부(74)와 유사한 구성을 갖는다. 제2 제한부(78)는 공급 튜브(60)의 단부까지 하향 연장되어 공급 튜브(60)의 하부 개구부(68)를 정의한다. 제2 제한부(78)의 직경은, 공급 튜브(60)의 내부 직경(d)보다 더 작고, 공급 튜브(60)의 내부 측벽들(72)로부터 액체 도펀트 상에 작용하는 모세관력을 액체 도펀트가 극복할 수 있게 할 정도로 충분히 크도록 크기가 정해진다. 도 3에 도시된 실시형태에서, 제2 제한부의 직경은 2 mm이다.
이제 도 4-7에 있어서, 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액에 액체 도펀트를 도입하기 위해 도핑 시스템(40)을 이용하는 방법을 이제 설명할 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 도핑 시스템(40)을 용융액 표면(24)에서 멀리 배치하면서 미리 결정된 양의 도펀트 입자들(44)을 도펀트 저장소(42)에 도입한다. 테이퍼 단부(52)는 도펀트 입자들(44)을 도펀트 저장소(42)의 최하부를 향해 좁은 통로로 이동시킨다(funnel). 제1 제한부(74)는 고체 도펀트 입자들(44)이 공급 튜브(60)를 통과하지 못하도록 한다.
도 5-6에 도시된 바와 같이, 도펀트(44)를 용융액(18)에 도입하기 위해, 도핑 시스템(40)을 인상 메커니즘(30)을 통해 용융액 표면(24) 근방으로 하강시킨다. 공급 튜브(60)의 각진 팁(70)이 용융액 표면(24)과 접촉할 때까지 도핑 시스템(40)을 하강시킨다. 공급 튜브(60)의 각진 팁(70)은 용융액 표면(24)과 공급 튜브(60) 간의 접촉을 시각적으로 더 잘 보여줌으로써 용융액 표면(24) 근방에 도핑 시스템(40)을 배치하는 것을 용이하게 한다. 따라서, 도핑 시스템(40)은 용융액 표면(24) 근방에 배치되도록 및 용융액(18)과의 접촉을 최소화하도록 구성되며, 이러한 접촉은 열 충격 및 변형, 공급 튜브 주위의 용융액 재료의 고화, 및 용융액(18)으로부터 증발하는 일산화 규소의 공급 튜브 내부 표면 상에의 퇴적으로부터, 도핑 시스템의 점진적인 열화를 유발할 수 있다.
도핑 시스템(40)이 용융액 표면(24)을 향해 하강함에 따라, 도펀트 저장소(42) 내부의 온도는 증가하기 시작한다. 도펀트(44)가 용융액 표면(24) 근방에 배치되기 전에 용융될 가능성을 감소시키기 위해, 도핑 시스템(40)을 배치하기 위한 이동 시간이 결정된다. 이동 시간은 고체 도펀트 입자들(44)을 용융시키기 위해 필요한 시간의 양을 기초로 하며 고체 도펀트 입자들(44)의 온도를 융점까지 상승시키기 위해 필요한 시간의 양에 의해 추정될 수 있거나, 아래 식에 의해 추정될 수 있다.
Figure pct00001
여기서, Tm은 도펀트의 용융 온도이고, Ts는 도핑 공정 초기에 고체 도펀트 입자들(44)의 온도이고(통상적으로 실온), Cd는 고체 도펀트 입자들(44)의 특정 열 용량이고, md는 고체 도펀트 입자들(44)의 총 질량이고, Cdd는 도핑 시스템(40)의 특정 열 용량이며, mdd는 도핑 시스템(40)의 질량이고, dE/dt는 용융액(18) 및 결정 인상기(10)의 다른 구성요소들로부터 고체 도펀트 입자들(44)까지 및 도핑 디바이스(40)까지의 에너지 전달 속도(rate of energy transfer)이다. 도핑 시스템(40)을 이동 시간 내에 용융액 표면(24) 근방에 배치함으로써 도핑 시스템(40)이 용융액 표면(24)에서 멀리 배치된 동안 액체 도펀트가 방출되지 못하도록 하여, 액체 도펀트가 용융액 표면(24) 상에 격렬하게 충돌하지 못하도록 한다. 공급 튜브(60)의 각진 팁(70)은 용융액 표면(24)과 공급 튜브(60) 간의 접촉을 시각적으로 더 잘 보여주므로, 도핑 시스템(40)을 배치하기 위해 필요한 시간의 양을 감소시킨다. 따라서, 각진 팁(70)은 오퍼레이터(미도시)가 도핑 시스템(40)을 이동 시간 내에 배치하는 것을 돕는다.
일단 도핑 시스템(40)이 용융액 표면(24) 근방에 배치되면, 도펀트 저장소(42) 내부의 온도는 도펀트 입자들(44)의 용융 온도까지 상승한다. 고체 도펀트 입자들(44)이 액화됨에 따라, 수득된 액체 도펀트(80)는 제1 제한부(74) 및 공급 튜브(60)를 통해 흐른다. 공급 튜브(60)의 직경(d)의 크기는 액체 도펀트(80)가 공급 튜브(60)를 통해 흐를 때 액체 도펀트(80)의 사용가능한 자유 표면을 제한하여, 액체 도펀트(80)의 증발을 제한한다.
공급 튜브(60)를 통해 흐르는 액체 도펀트(80)는 하부 개구부(68)를 통해 공급 튜브(60)를 나가서 용융액(18)에 들어가기 전에 공급 튜브(60)의 하부 단부(66)의 제2 제한부(78)에 의해 지연된다. 제2 제한부(78)는 공급 튜브(60)를 통과하는 액체 도펀트(80)의 흐름을 지연시키고 그의 속도를 감소시켜서, 용융액 표면(24) 상의 액체 도펀트(80)의 충돌 및 용융액(18)의 임의의 튀어오름 또는 튀김을 감소시킨다. 또한, 공급 튜브(60)의 하부 단부(66)에서 액체 도펀트의 흐름을 지연시킴으로써 액체 도펀트(80)가 용융액(18)에 들어가기 전에 추가로 가열되도록 유발한다. 그 결과, 액체 도펀트(80)의 온도가 용융액에 들어가기 전에 용융액(18)의 온도에 접근하는 온도까지 가열될 수 있어서, 액체 도펀트(80)와 용융액(18) 간의 열 충격을 감소시킨다. 또한, 액체 도펀트(80)의 온도를 상승시킴으로써 액체 도펀트(80)의 점도를 감소시켜, 액체 도펀트(80)가 용융액(18)에 도입될 때 용융액(18)의 튀어오름 또는 튀김을 더 감소시킨다.
제2 제한부(78)는 또한, 공급 튜브(60)를 나가는 액체 도펀트(80) 스트림의 단면적, 및 용융액 표면(24) 상의 액체 도펀트(80)의 수득된 자유 표면적을 감소시킨다. 용융액 표면(24) 상의 액체 도펀트(80)의 자유 표면적을 감소시킴으로써, 제2 제한부(78)는 액체 도펀트(80)의 증발을 감소시킨다.
일단 도펀트 입자들(44)이 액화되고/액화되거나 미리 결정된 양의 시간이 흐르면, 인상 메커니즘(30)에 의해 도핑 시스템(40)이 들어 올려지고 퍼니스(16)에서 제거된다. 이어서, 도핑 공정이 반복될 수 있거나 도핑 시스템(40)이 이후의 사용을 위해 저장될 수 있다.
도펀트(44)가 비교적 낮은 융점, 예를 들어 1400 ℃ 미만 또는 심지어 800 ℃ 미만의 융점을 가질 경우, 전술한 도핑 방법은 비교적 짧은 시간 안에 수행될 수 있다. 그 결과, 도펀트 저장소(42)의 몸체(50)의 온도는, 냉각 단계가 필요 없이, 도핑 공정이 완료된 직후에 도핑 시스템(40)이 퍼니스(16)에서 제거될 수 있도록 충분히 낮다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 더미 시드(28)는 즉시 척(32)에서 제거되어, 단결정 잉곳을 성장시키는 데 사용하기 위한 시드(82)로 교체될 수 있다.
본 명세서에 설명된 실시형태들은 일반적으로, 비교적 낮은 융점들 및/또는 비교적 높은 증발률들을 갖는 액체 도펀트들을 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액에 도입하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 본 명세서에 설명된 실시형태들은, 예를 들어 인듐, 안티몬, 갈륨 및 알루미늄과 같은, 실리콘의 온도보다 더 낮은 온도들에서 증발 또는 승화를 거치는 도펀트들과 함께 사용하기에 특히 적합하다.
상술한 바와 같이, 본 개시내용의 도핑 시스템들 및 관련 방법들은 공지된 도핑 시스템들 및 방법들에 대한 개선점을 제공한다. 본 도핑 시스템은 고체 도펀트들을 용융액에 직접 첨가하는 것과 관련된 문제점들, 즉, 증발, 플로팅 보트들, 및 도펀트 과립들에 의해 유발된 튐으로 인한 도펀트의 손실을 방지한다. 도펀트가 용융액에 들어가기 바로 전까지 도펀트의 온도가 용융 온도 바로 위에서 유지되므로, 본 도핑 시스템에 의해 도펀트 증발이 감소한다. 또한, 본 도핑 시스템의 구성은 도핑 시스템 내에서 및 일단 도펀트가 용융액에 도입된 경우 모두, 증발을 위해 사용가능한 액체 도펀트의 자유 표면을 감소시킨다.
또한, 본 도핑 시스템은 시스템을 용융액에 잠기게 할 필요성을 최소화하도록 설계되어, 시스템의 열화를 방지한다.
본 발명 또는 그의 실시형태(들)의 요소들을 설명할 때, 관사들("a", "an", "the") 및 "상기"는 하나 이상의 요소들이 존재함을 의미하기 위해 의도된다. 용어들 "포함하는(comprising, including)" 및 "갖는(having)"은 포괄적인 것으로 의도되며 제시된 요소들 이외의 추가 요소들이 존재할 수 있음을 의미한다.
본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 상기 구성들 및 방법들에서 다양한 변경들이 이루어질 수 있으므로, 상기 설명에 포함되며 첨부 도면들에 도시된 모든 사항(matter)은 예시적인 것으로서 해석되어야 하며 제한하는 의미로 해석되지 않아야 하는 것이 의도된다.

Claims (20)

  1. 반도체 또는 태양전지-급(solar-grade) 재료의 용융액(melt)에 액체 도펀트를 도입하기 위한 도핑 시스템(doping system)으로서,
    몸체, 및 상기 몸체의 단면적보다 더 작은 단면적을 갖는 개구부(opening)를 정의하는 테이퍼 단부(tapered end)를 포함하는, 도펀트를 보유(hold)하기 위한 도펀트 저장소(dopant reservoir); 및
    공급 튜브(feeding tube)
    를 포함하고,
    상기 공급 튜브는,
    상기 저장소의 상기 개구부로부터 연장되는 제1 단부, 상기 제1 단부로부터 먼 제2 단부, 상기 공급 튜브의 상기 제2 단부에 배치된 각진 팁(angled tip), 상기 공급 튜브를 통한 고체 도펀트의 통과를 억제하기 위한 제1 제한부(restriction), 및 상기 공급 튜브의 상기 제2 단부 근방에 배치되고, 상기 액체 도펀트의 흐름을 제어하기 위한 제2 제한부를 갖는, 도핑 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2 제한부의 직경은 상기 제1 제한부의 직경보다 더 큰 도핑 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 공급 튜브의 외부 직경은 상기 개구부에서의 상기 테이퍼 단부의 외부 직경과 동일하거나 그 미만인 도핑 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2 제한부는 상기 공급 튜브의 상기 제2 단부에서 제2 개구부를 정의하는 도핑 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 저장소에 배치된 입상 도펀트(granular dopant)를 추가로 포함하는 도핑 시스템.
  6. 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액에 액체 도펀트를 도입하는 방법으로서,
    상기 용융액으로부터 먼 제1 위치에 도핑 시스템을 배치하는 단계 - 상기 도핑 시스템은, 몸체, 및 상기 몸체의 단면적보다 더 작은 단면적을 갖는 개구부를 정의하는 테이퍼 단부를 포함하는, 도펀트를 보유하기 위한 도펀트 저장소, 공급 튜브, 및 상기 공급 튜브를 통한 고체 도펀트의 통과를 억제하기 위한 제한부를 포함하고, 상기 공급 튜브는 상기 저장소의 상기 개구부로부터 연장되는 제1 단부, 상기 제1 단부로부터 먼 제2 단부, 및 상기 공급 튜브의 상기 제2 단부에 배치된 각진 팁을 가짐 - ;
    상기 도핑 시스템에 미리 결정된 양의 고체 도펀트를 첨가하는 단계;
    상기 도핑 시스템을 제2 위치에 배치하는 단계 - 상기 제2 위치는 상기 고체 도펀트가 용융되도록 상기 용융액의 표면에 충분히 가까움 -;
    상기 고체 도펀트가 액체 도펀트가 되도록 상기 고체 도펀트를 용융시키는 단계; 및
    상기 액체 도펀트를 상기 도핑 시스템의 상기 공급 튜브를 통해 상기 용융액에 도입하는 단계
    를 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 도핑 시스템을 상기 제1 및 제2 위치들에 배치하는 단계는, 상기 도핑 시스템이 매달리는 더미 시드(dummy seed) 및 척(chuck)을 갖는 인상 메커니즘(pulling mechanism)을 사용하는 것을 포함하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 도핑 시스템을 상기 제2 위치에서 상기 용융액으로부터 먼 제3 위치로 제거하는 단계; 및
    상기 인상 메커니즘의 상기 더미 시드를 단결정 잉곳(monocrystalline ingot)의 성장에 사용하기 위한 시드(seed)로 교체하는 단계
    를 추가로 포함하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 도핑 시스템을 제2 위치에 배치하는 단계는, 상기 각진 팁이 상기 용융액의 표면과 접촉할 때까지 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액의 표면을 향해 상기 도핑 시스템을 이동시키는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제6항에 있어서, 상기 액체 도펀트를 상기 공급 튜브의 상기 제2 단부에서 제한하는 단계, 및 상기 액체 도펀트를 상기 용융액에 도입하기 전에 상기 액체 도펀트가 상기 공급 튜브 내에 존재하는 동안 상기 액체 도펀트를 추가로 가열하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  11. 제6항에 있어서, 상기 도핑 시스템을 제2 위치에 배치하는 단계는:
    상기 도핑 시스템을 상기 제1 위치에서 상기 제2 위치로 이동시키기 위한 이동 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 도핑 시스템을 상기 이동 시간 내에 상기 제1 위치에서 상기 제2 위치로 이동시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 이동 시간은 상기 고체 도펀트를 용융시키기 위해 필요한 시간의 양을 기초로 한 방법.
  13. 제6항에 있어서, 상기 고체 도펀트는 약 1400 ℃ 미만의 융점을 갖는 원소들로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법.
  14. 제6항에 있어서, 상기 고체 도펀트는 안티몬 및 인듐으로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법.
  15. 결정 인상기(crystal puller)로서,
    반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액을 보유하기 위한 도가니(crucible);
    상기 도가니를 가열하고 상기 반도체 또는 태양전지-급 재료를 용융시키기 위한 가열 요소;
    상기 반도체 또는 태양전지-급 재료의 용융액에 액체 도펀트를 도입하기 위한 도핑 시스템 - 상기 도핑 시스템은:
    몸체, 및 상기 몸체의 단면적보다 더 작은 단면적을 갖는 개구부를 정의하는 테이퍼 단부를 포함하는, 도펀트를 보유하기 위한 도펀트 저장소;
    상기 저장소의 제1 개구부로부터 연장되는 제1 단부, 상기 제1 단부로부터 먼 제2 단부, 및 공급 튜브의 상기 제2 단부에 배치된 각진 팁을 갖는 공급 튜브;
    상기 공급 튜브를 통한 상기 도펀트 저장소로부터의 고체 도펀트의 통과를 억제하기 위한 제1 제한부; 및
    상기 공급 튜브의 상기 제2 단부 근방에 배치된, 상기 액체 도펀트의 흐름을 제어하기 위한 제2 제한부
    를 포함함 -; 및
    상기 도핑 시스템을 상기 결정 인상기 내에 유지 및 배치하기 위한 인상 메커니즘 - 상기 인상 메커니즘은 상기 도핑 시스템이 매달리는 더미 시드를 포함함 -
    을 포함하는 결정 인상기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 제한부는 상기 도펀트 저장소의 상기 테이퍼 단부에 배치된 결정 인상기.
  17. 제15항에 있어서, 상기 제1 제한부는 상기 공급 튜브의 상기 제1 단부 내에 배치된 결정 인상기.
  18. 제15항에 있어서, 상기 제2 제한부의 직경은 상기 제1 제한부의 직경보다 더 큰 결정 인상기.
  19. 제15항에 있어서, 상기 제2 제한부는 상기 공급 튜브의 내부 측벽에 의해 정의된 결정 인상기.
  20. 제15항에 있어서, 상기 공급 튜브의 길이는, 상기 용융액에 액체 도펀트를 도입하는 동안 상기 용융액의 표면 위에 상기 도핑 시스템이 배치되는 미리 결정된 높이를 기초로 하는 결정 인상기.
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