KR20160138181A - 실리콘 용융물내 열류를 제어하기 위한 장치 - Google Patents

실리콘 용융물내 열류를 제어하기 위한 장치 Download PDF

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프레드릭 엠. 칼슨
데이비드 모렐
알라 모라디안
난디쉬 데사이
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베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
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Abstract

용융물 내에 열류를 제어하기 위한 장치. 장치는 용융물을 수용하도록 구성된 도가니를 포함할 수 있고 용융물은 노출된 표면을 갖는다. 장치는 도가니의 제 1 측면 아래에 배치되고 용융물을 통과하여 노출된 표면으로 열을 공급하도록 구성된 히터, 및 도가니 내에 배치되고 용융물 내에 격리영역 및 용융물 내에 바깥쪽 영역을 정의하는 적어도 하나의 열 확산 장벽을 포함하는 열 확산 장벽 어셈블리를 또한 포함할 수 있다.

Description

실리콘 용융물내 열류를 제어하기 위한 장치 {APPARATUS FOR CONTROLLING HEAT FLOW WITHIN A SILICON MELT}
연방 정부 후원 연구 또는 개발에 관한 성명
U.S. 정부는 본 발명에 불입필 라이센스 및 U.S. 에너지국에 의해 수여된 계약 번호 DE-EE0000595의 조건에 의해 제공되는 합당한 조건으로 제한된 상황하에서 다른 사람에게 라이센스를 허가할 것을 특허 소유자에 요구할 권리를 가진다.
본 실시예들은 용융물로부터의 결정질 재료의 성장에 관한 것으로, 보다 상세하게는 용융물로부터 단일 결정질 시트(sinlge crystalline sheet)를 형성하는 것에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼(wafer)들 또는 시트(sheet)들은 예를 들어 집적 회로 또는 솔라 셀 산업에 이용될 수 있다. 재생 가능 에너지 자원들에 대한 요구가 증가하면서 솔라 셀들에 대한 요구가 계속하여 증가한다. 솔라 셀 산업에서의 하나의 주된 비용은 솔라 셀들을 만들기 위해 사용되는 웨이퍼 또는 시트이다. 웨이퍼들 또는 시트들에 대한 비용에서의 감소는 솔라 셀들의 비용을 줄일 수 있고 이 재생 가능한 에너지 기술을 보다 더 유행하게 할 수 있다. 솔라 셀들을 위한 재료들의 비용을 낮추기 위해 연구되어 온 하나의 유망한 방법은 결정질 시트들이 용융물의 표면을 따라서 수평으로 당겨지는 수평 리본 성장 (HRG : horizontal ribbon growth) 기술이다. 이 방법에서, 용융물 표면 부분은 결정질 시트를 형성하기 위해 용융물 표면을 따라서 끌어 당져질 수 있는 시드(seed)의 도움으로 결정화를 국부적으로 개시하기에 충분하게 냉각된다. 로컬 냉각은 결정화(crystallization)가 개시되는 용융물 표면 영역 위의 열을 빠르게 제거하는 디바이스를 제공함으로써 성취될 수 있다. 적절한 조건들하에서 결정질 시트의 안정한 리딩 에지가 이 영역에 수립될 수 있다.
성장 안정성을 보장 하기 위해, 결정질 시트의 리딩 에지 바로 아래에 용융물을 통과하여 충분한 열류(heat flow)를 제공하는 것이 유용할 수 있다. 결정질 시트의 두께를 예컨대 200um 아래로 줄이는 것이 또한 원해질 수 있는데, 이는 또한 결정질 시트의 이미-형성된 부분들 아래에 균일한 열류를 필요로 한다. 그러나, 실리콘 용융물내에 제어되는 열류를 달성하는 것은 몇몇의 이유들 때문에 매우 힘들다. 첫째로, 용융된 Si 은 높은 열 전도도를 가져서, 용융물을 수용하는 도가니(crucible)의 바닥에서 도입되는 임의의 열은 용융물 표면에 도달하기 전에 분산된다. 추가하여, 실리콘 용융물을 수용하기 위해 사용되는 도가니 재료는 상승된 온도에서 실리콘과의 반응에 대한 그것의 내성 때문에 용융 실리카(fused silica)이다. 그러나, 용융 실리카는 좋은 열 절연체이어서 상당한 열을 실리콘 용융물에 전도하기 위해서는 큰 열 구배(thermal gradient)가 요구된다. 차례로, 이것은 가열되고 있는 용융 실리카 도가니의 바깥쪽 온도가 용융물 온도 보다 훨씬 더 높은 온도에서 유지되는 것을 요구한다. 그러나, 용융 실리카는 1880 K 초과의 수락할 수 없는 온도에 대해 연화되는데(soften), 이것이 용융물 내로 도입될 수 있는 열류의 양을 제한한다. 따라서 현대의 장치는 결정질 시트의 안정한 성장을 보장하는 충분한 열류를 제공하지 않을 수 있다.
본 출원은 개선들이 요구되는 이런 저런 사항들에 대한 것이다.
이 요약은 이하의 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 실시예에서, 용융물내 열류(heat flow)를 제어하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 상기 용융물을 수용하도록 구성된 도가니를 포함할 수 있고 상기 용융물은 노출된 표면을 갖는다. 상기 장치는 상기 도가니의 제 1 측면 아래에 배치되고 상기 용융물을 통과하여 상기 노출된 표면으로 열을 공급하도록 구성된 히터, 및 상기 도가니 내에 배치되고 상기 용융물 내에 격리영역 및 상기 용융물 내에 바깥쪽 영역을 정의하는 적어도 하나의 열 확산 장벽을 포함하는 열 확산 장벽 어셈블리를 또한 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 용융물을 프로세스하는 방법은 도가니(crucible) 안에 상기 용융물을 제공하는 단계로서, 상기 용융물은 노출된 표면을 갖는, 상기 용융물을 제공하는 단계, 상기 노출된 표면에 반대쪽인 상기 도가니의 제 1 측면을 가열함으로써 상기 용융물을 통과하여 상기 노출된 표면으로 열을 제공하는 단계,및 상기 용융물 내에 격리 영역과 상기 용융물 내에 바깥쪽 영역을 정의하는 적어도 하나의 열 확산 장벽을 포함하는 열 확산 장벽 어셈블리를 상기 도가니 내에 제공하는 단계로서, 상기 열의 제 1 부분은 상기 격리 영역을 통과하여 상기 노출된 표면으로 흐르고 그리고 상기 격리 영역으로부터 상기 적어도 하나의 열 확산 장벽을 통과하여 상기 바깥쪽 영역으로 흐르는 상기 열의 제 2 부분에 대한 제 2 열류 밀도(heat flow density)보다 더 큰 제 1 열류 밀도를 갖는, 상기 열 확산 장벽 어셈블리를 상기 도가니 내에 제공하는 단계를 포함한다.
추가 실시예에서, 용융물을 프로세싱하기 위한 장치는 상기 용융물을 수용하는 도가니 아래에 배치된 히터를 포함할 수 있고, 상기 히터는 상기 용융물을 통과하여 상기 용융물의 노출된 표면으로 열을 공급하도록 구성된다. 상기 장치는 상기 도가니 내에 배치되고 상기 용융물 내에 격리 영역과 상기 용융물 내에 바깥쪽 영역을 정의하는 제 1 열 확산 장벽 및 제 2 열 확산 장벽을 포함하는 열 확산 장벽 어셈블리를 포함하고, 상기 격리 영역을 통과하여 상기 노출된 표면으로 흐르는 상기 열의 제 1 부분은 상기 격리 영역으로부터 상기 적어도 하나의 열 확산 장벽을 통과하여 상기 바깥쪽 영역으로 흐르는 상기 열의 제 2 부분에 대한 제 2 열류 밀도(heat flow density)보다 더 큰 제 1 열류 밀도를 갖는다.
도 1a는 본 실시예들에 따른 용융물을 프로세싱 하기 위한 장치의 단면도를 도시한다;
도 1b는 열 확산 장벽(heat diffusion barrier)들의 대안 실시예들의 세부사항들을 도시한다;
도 2는 추가 실시예들에 따른 용융물을 프로세싱하기 위한 장치의 단면도를 도시한다;
도 3a는 본 개시의 추가 실시예들에 따른 동작 동안의 장치의 단부 단면도를 도시한다;
도 3b는 도 3a의 장치의 측부 단면도를 도시한다;
도 3c는 본 개시의 추가 실시예들에 따라 배열된 장치를 도시한다;
도 4는 세개의 상이한 기하학적 구조 하에서 노출된 용융물의 표면에서 열류의 시뮬레이션을 포함하는 합성 그림을 제공한다;
도 5a는 열이 용융물을 통하여 이동할 때 열류 밀도(heat flow density)를 증가시키기 위해 열류 장벽 어셈블리가 배열된 장치의 일 실시예를 도시한다;
도 5b는 도 5a의 장치의 동작의 일 예를 도시한다;
도 5c는 도 5a의 장치의 동작의 추가 예를 도시한다;
도 6은 다양한 시나리오들에 대한 대표적인 열류 밀도 커브들을 도시한다;
도 7은 다양한 추가 시나리오들에 대한 대표적인 열류 밀도 커브들을 도시한다; 및
도 8은 추가 실시예들에 따른 동작의 일 예를 도시한다.
본 실시예들은 용융물내 예컨대 실리콘 용융물 내에 열류를 제어하는 장치를 제공한다. 다양한 실시예들은 바람직하게는 실리콘과 같은 반도체 재료의 연속 결정질 시트의 수평 성장 제어를 가능하게 하는 용융물내 균일한 열류 또는 응집된 열류를 제공한다. 다양한 실시예들은 바람직하게는 용융물 성장과 관련된 앞서 언급한 문제들을 극복할 수 있는 용융물 내의 열류를 관리하기 위해서 열류를 수용하는 열 확산 장벽들을 제공함으로써 용융물 내에 열류를 제어한다.
다양한 실시예들은 용융물을 수용하도록 구성된 도가니를 포함하는 용융물을 프로세싱하기 위한 장치를 제공하고, 용융물은 노출된 표면을 갖는다. 실리콘 용융물들을 프로세싱하기 위한 실시예들에서, 도가니는 용융 실리카로 구성될 수 있다. 통상의 장치에서 처럼, 용융물을 통하여 결정질 시트의 프로세싱이 일어날 수 있는 노출된 표면으로 이동하는 열을 공급하기 위해서 노출된 표면에 반대쪽인 도가니의 제 1 측면 아래에 히터기 배치될 수 있다. 통상의 장치와 달리, 도가니내에 배치된 적어도 하나의 열 확산 장벽을 포함하는 열 확산 장벽 어셈블리(heat diffusion barrier assembly)가 제공된다. 열 확산 장벽 어셈블리는 용융물내 격리 영역(isolation region) 뿐만 아니라 격리 영역의 외측에 있는 용융물 내의 바깥쪽 영역을 정의할 수 있다. 이 방식에서, 노출된 표면으로 격리 영역을 통과하여 흐르는 히터에 의해 제공된 열의 제 1 부분은 격리 영역으로부터 적어도 하나의 열 확산 장벽을 통과하여 바깥쪽 영역으로 흐르는 열의 제 2 부분에 대한 제 2 열류 밀도(heat flow density)보다 더 큰 제 1 열류 밀도를 가질 수 있다. 이 특징부는 통상의 용융물 장치에 의해 제공되지 않는 방식으로 표면에서 열류가 조정되도록 열류를 수용 또는 제한하는 역할을 한다.
도 1a는 본 실시예들에 따른 용융물을 프로세싱하기 위한 장치(100)의 단면도를 도시한다. 장치 (100)는 히터 (102) 및 용융물 (106)을 수용하는 도가니 (104)를 포함한다. 이 실시예에서 및 다른 실시예들에서, 히터 (102)는 용융물 (106)의 노출된 표면 (107)의 반대쪽에 도가니의 제 1 측면 (105) 아래에 또는 인접하여 배치된다. 용융물 (106)은 정의상 액체 상태에 있기 때문에, 도가니의 제 1 측면 (105)은 도가니의 바닥 (104)을 나타낼 수 있고, 도가니 (104)는 측벽 (112)을 더 포함할 수 있다. 따라서, 측벽 (112) 및 제 1 측면 (105)은 용융물 (106)을 수용하는 역할을 한다. 동작시에, 장치 (100)는 이하에서 상세하게 설명될 용융물(106)로부터 결정질 시트를 끌어 당기기 위해서 다른 컴포넌트들 (미도시)과 함께 사용될 수 있다. 측벽 (112)에 추가하여, 표면 영역 (109)에서 도가니 (104)에 부착될 수 있는 열 확산 장벽 어셈블리 (108)가 용융물(106)내에 제공된다.
도 1a의 예에서, 열 확산 장벽 어셈블리 (108)는 도시된 바와 같이 서로에 반대쪽에 배치된 제 1 열 확산 장벽 (110) 및 제 2 열 확산 장벽 (111)을 포함한다. 다양한 실시예들에서, 도가니 (104)뿐만 아니라 제 1 열 확산 장벽 (110) 및 제 2 열 확산 장벽 (111)은 특별히 실리콘 용융물과의 사용에 적합한 용융 실리카로 구성된다. 열 확산 장벽 어셈블리 (108)는 도가니 (104)에 기계적으로 부착될 수 있거나 또는 도가니 (104)의 일부로서 일체로 형성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 열 확산 장벽 어셈블리 (108)는 열 전도도가 0.1 W/cm-K보다 작도록 낮은 열 전도도를 가진다. 이것은 1685 K에서 열 전도도가 0.6 W/cm-K의 범위내에 있는 것으로 결정된 용융 실리콘보다 훨씬 낮은 열 전도도를 제공한다. 예를 들어, 실리콘의 용융 온도의 온도 범위내 용융 실리카의 열 전도도는 0.05 W/cm-K의 범위내에 있는 것으로 결정되었고, 이 범위는 실리콘 용융물의 열 전도도보다 10배(order of magnitude) 낮다. 낮은 열 전도도의 이 특징은 용융물 예컨대 용융물 (106)에 제공된 열의 열류를 제한하기 위해 아래에 상술된 실시예들에서 바람직하게 활용된다. 열 확산 장벽들로서 사용을 위한 다른 적절한 예들은 용융 실리콘과 접촉하게 되는 바깥쪽 쉘 및 안쪽 부분으로 구성되는 구조를 포함하고, 바깥쪽 쉘(outer shell)은 용융 실리카로 구성된다. 이 방식에서, 바깥쪽 부분은 용융 실리콘과 비-반응성인 재료를 제공한다. 도 1b는 열 확산 장벽(heat diffusion barrier)들의 대안 실시예들의 세부사항들을 도시한다. 일 예에서, 열 확산 장벽 (120)은 전부 단일 재료 예컨대 용융 실리카로 구성되는 솔리드 구조(solid structure)일 수 있다. 다른 예에서, 열 확산 장벽 (130)은 실리콘과의 반응에 대한 용융 실리카의 내성 때문에 실리콘 용융물에 사용에 호환 가능한 재료 예컨대 용융 실리카로 구성된 쉘 (132)을 가질 수 있다. 추가하여, 열 확산 장벽 (130)은 열 확산 장벽에 더 낮은 전체 열 전도도를 부가하도록 구성된 안쪽 부분 (134)을 포함할 수 있다. 열 확산 장벽 (130)의 이 예, 용융 실리카로 구성된 쉘 (132)이 용융 실리카의 열 전도도보다 훨씬 작은 낮은 열 전도도를 가질 수 있는 안쪽 부분 (134)을 완전히 둘러 쌀 수 있어서, 열 확산 장벽의 열 전도도는 0.05 W/cm-K보다 작다. 예를 들어, 안쪽 부분 (134)은 낮은 열 전도도를 갖는 가스 매체 또는 다른 매체를 포함할 수 있다. 일 예에서, 안쪽 부분 (134)은 매우 낮은 열 전도도를 갖는 실리카 에어로겔(areogel) 또는 다른 구조를 포함할 수 있다. 이런 열 확산 장벽 (130)의 전체 열 전도도는 일부 경우들에서, 0.02 W/cm-K 일 수 있거나 또는 더 낮을 수 있다. 안쪽 부분 (134)이 용융 실리카 쉘(fused silica shell)로 밀봉되기 때문에, 안쪽 부분 (134) 은 다른식으로, 용융 실리콘, 예컨대 지르코니아 패브릭(zirconia fabric)과 반응할 수 있는 낮은 열 전도도 재료로 구성될 수 있다. 실시예들은 이 상황에 제한되지 않는다.
도 2는 추가 실시예들에 따른 용융물을 프로세싱하기 위한 장치(200)의 단면도를 도시한다. 이 실시예는 이하에서 언급되는 것을 제외하고 장치 (100)와 동일한 컴포넌트들을 공유한다. 특별히, 또한 열 증강기(intensifier)로서 역할을 할 수 있는 도가니 홀더 (202)가 제공된다. 일부 실시예들에서, 도가니 홀더는 도 2의 예와 같은 적어도 하나의 절연체 스페이서를 포함하고, 도가니 홀더 (202)는 일부 경우들에서 제 1 열 확산 장벽 (110) 및 제 2 열 확산 장벽 (111)에 정렬될 수 있는 절연체 스페이서들 (204)과 함께 제공된다. 도가니 홀더는 일부 실시예들에서 실리콘 카바이드(silicon carbide)로 구성될 수 있고 용융물 (106) 쪽으로 흐르는 히터 (102)에 의해 생성된 열을 제한할 수 있다. 예를 들어 히터 (102)에 의해 발생된 열은 도시된 직교 좌표계 시스템의 Y-축에 평행인 방향을 따라서 위쪽을 향해 흐를 수 있고, 제 1 열 확산 장벽 (110)과 제 2 열 확산 장벽 (111) 사이의 영역에 제한될 수 있다. 따라서 히터 (102)로부터 생성된 대부분의 열류는 열 확산 장벽 어셈블리 (108) 위에 영역에 용융물 (106)의 노출된 표면 (206)으로부터 밖으로 흐를 수 있다. 이하에서 상세하게 설명될, 열 확산 장벽 어셈블리 (108)의 적절한 디자인에 의한 일부 실시예들에서, 열류는 노출된 표면 (206)에 응집될 수 있다. 예를 들어, 40 W/cm2의 열류가 노출된 표면 (206)에서 실현될 수 있다. 다른 실시예들에서, 열류는 노출된 표면 (206)에서 균일하게 이루어질 수 있다.
도 2 에 추가 도시된, 장치 (200)는 노출된 표면 (206)으로부터 흐를 수 있는 빠른 열의 제거에 도움이 되는 히트 싱크(heat sink)로서 역할을 할 수 있는 결정화하기 (208)를 포함한다. 시트를 결정화하기 위해서 열류가 노출된 표면(206)으로 흐를 때, 열은 국부적으로 빠른 레이트에서 제거될 수 있어서, 노출된 표면 (206)으로부터의 열류는 노출된 표면 (206)으로의 열류보다 더 크다. 예를 들어 결정화기 (208)는 히트 싱크로서 역할을 하는 냉각 블록을 제공함으로써 열을 제거할 수 있거나 또는 열을 제거하기 위해서 노출된 표면(206)으로 가스를 제공할 수 있다. 실시예들은 이 상황에 제한되지 않는다. 이 빠른 열 제거는 이하에서 설명될 수평 리본 성장 기술을 이용하여 결정질 시트가 용융물로부터 끌어 당겨지는 것을 허용하는 용융물 (106)의 재료가 고체화되는 결정화 영역의 형성으로 귀결될 수 있다. 다양한 실시예들은 성장 결정질 시트를 충분하게 안정화하도록 표면 (206)으로 열류를 응집시키는 열 확산 장벽 어셈블리를 제공함으로써 이 프로세스를 가능하게 한다. 열류가 열 확산 장벽 어셈블리 (108)에 의해 균일한 방식으로 노출된 표면(206)으로 지향되는 다른 실시예들에서, 이 균일한 열류는 예를 들어 이미-형성된 결정질 시트를 다루는데 사용될 수 있다.
상이한 실시예들에서 열 확산 어셈블리는 도가니내에 상이한 방위들로 제공될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 본 출원에서 사용되는 약속으로, 결정질 시트의 견인 방향은 Z-축에 평행하게 있을 수 있다. 도면들 1a 및 2에 표시된 장치 (100) 또는 장치 (200)의 뷰는 Y-Z 평면 (측면도)에 있거나 또는 대안적으로 X-Z 평면 (단면도)에 있는 것으로 간주될 수 있고, Z-축은 결정질 시트의 견인 방향에 평행하게 있다. 게다가, 제 1 열 확산 장벽 (110) 및 제 2 열 확산 장벽 (111)의 방위는 상이한 실시예들에서 Y-축에 대하여 변할 수 있다. 특별히, 균일한 가열을 제공하기에 적절한 실시예들에서 제 1 열 확산 장벽 (110) 및 제 2 열 확산 장벽 (111)은 Y-축에 평행하게 방위될 수 있고 따라서 도면들 3a-4에 대하여 이하에서 상세하게 설명될 노출된 표면(206)에 수직인 벽들을 가질 수 있다. 응집된 열류(concentrated heat flow)를 제공하기에 적절한 실시예들에서, 제 1 열 확산 장벽 (110) 및 제 2 열 확산 장벽 (111)은 그럴 필요는 없지만 도면들 5a-8에 대하여 이하에서 상세하게 설명될 Y-축에 대하여 비-제로(0) 각도에서 방위될 수 있다.
이제 도 3a로 가서, 본 개시의 추가 실시예들에 따른 동작 동안의 장치(300)의 단부 단면도가 도시된다. 도 3b는 장치 (300)의 측면 단면도를 도시한다. 예시된 바와 같이, 장치 (300)는 도가니 (330) 및 도가니 홀더 (202)를 포함하고 이의 동작은 상기에서 설명되었다. 이 실시예에서 열 확산 장벽 어셈블리 (331)는 도가니(330)의 표면 (320)에 인접한 제 1 열 확산 장벽 (332) 및 제 2 열 확산 장벽 (334)을 포함한다. 제 1 열 확산 장벽 (332) 및 제 2 열 확산 장벽 (334)은 Y-축에 평행하게 따라서 수직으로 용융물 (106)의 노출된 표면(322)에 수직으로 방위될 수 있다. 특별히 제 1 열 확산 장벽 (332)은 제 1 벽 (326)을 가질 수 있고 제 2 열 확산 장벽 (334)은 제 1 벽 (326)에 마주하는 제 2 벽 (328)을 가질 수 있고, 제 1 벽 (326) 및 제 2 벽 (328)은 격리 영역(isolation region) (304)의 측면들을 정의한다. 제 1 벽 (326)은 제 2 벽 (328)에 평행하게 있을 수 있고 노출된 표면 (322)에 수직으로 연장될 수 있다.
동작 동안 히터 (312)는 도가니 홀더 (202)를 통과하고, 도가니 (330)를 통과하여 용융물 (106)로 진행하는 열류 (302)를 생성한다. 언급된 바와 같이 용융물은 실리콘일 수 있고 제 1 열 확산 장벽 (332) 및 제 2 열 확산 장벽 (334)은 실리콘의 용융물 온도에서 실리콘보다 훨씬 더 낮은 열 전도도를 갖는 용융 실리카로 구성될 수 있다. 따라서, 열류 (302)는 제 1 열 확산 장벽 (332) 및 제 2 열 확산 장벽 (334)에 의해 정의된 격리 영역 (304)내에 제한될 수 있다. 용융 실리콘으로 구성될 수 있는 격리 영역(304)을 통과하는 열류 밀도는 격리 영역 (304)으로부터 용융물 (106)의 바깥쪽 영역 (324)으로 바깥쪽으로 흐르는 열의 열류 밀도보다 열 배 이상 클 수 있다. 후자의 열류는 명확성을 위하여 도 3a에 표시되지 않았다. 게다가, 히터 (312)의 적절한 배열에 의해, 열류 밀도는 격리 영역 (304)의 상단으로부터 바깥쪽으로의 열류 밀도는 지점들 A와 B 사이에서 동일한 값을 가질 수 있도록 격리 영역 (304)에 걸쳐 균일할 수 있다.
도 3a에 추가로 도시된, 장치 (300)는 열 표면 (322)으로부터 열을 제거할 수 있는 결정화기 (306)를 포함한다. 장치 (300)느 결정 풀러(crystal puller) (미도시)를 또한 포함할 수 있다. 열류가 표면 (322)으로부터 충분하게 빠를 때, 용융물(106)로부터의 결정화가 개시될 수 있고, 결정 풀러는 Z-축에 평행한 견인 방향 (315)을 따라서 결정질 시트 (308)를 끌어 당길 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이 제 1 열 확산 장벽 (332) 및 제 2 열 확산 장벽 (334)은 결정질 시트가 견인 방향 (315)으로 끌어 당겨질 때 격리 영역 (304)은 결정질 시트 (308)의 일부 아래에 있도록 도가니 (330)내에 위치된다. 결정질 시트 (308)가 고체화되고 도 3b에 오른쪽으로 끌어 당겨질 때, 결정질 시트 (308)는 원하는 것 보다 더 큰 Y-축에 평행인 방향에서의 두께에 도달할 수 있다. 이 경우에서, 히터 (312)는 시트의 두께를 줄이도록 결정질 시트 (308) 부분을 다시 용융시키기 위해 격리 영역 (304)내에 열류 (302)를 생성하는데 사용될 수 있다. 결정질 시트가 격리 영역(304)을 통하여 끌어 당겨질 때 열류 (302)는 예를 들어, 시트의 하단 표면을 따라서 결정질 시트의 용융을 일으키는 결정질 시트 (308)에 인접한 용융물 (106)의 온도를 생성하기에 충분할 수 있다. 결정질 시트 (308)의 두께는 따라서 시트가 예시된 바와 같이 격리 영역(304)을 통과하여 끌어 당겨질 때 점진적으로 줄어들 수 있다. 열류가 격리 영역 (304)내에 제한되기 때문에, 장치 (300)는 결정질 시트의 두께가 지점들 A와 B 사이에서 균일하게 축소되도록 균일한 열류가 결정질 시트 (308)에 제공될 수 있는 장점을 제공한다.
도면들 3a 및 3b의 실시예들에서 격리 영역 (304)의 바깥쪽 용융물 (106)의 다른 부분들에 희망하는 용융물 온도를 유지하기 위해 적어도 두개의 가열 존들내에 용융물 (106)에 열을 제공하기 위한 도가니의 (330) 추가 부분들 아래에 다른 히터들이 제공될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 그러나, 제 1 열 확산 장벽 (332) 및 제 2 열 확산 장벽 (334)은 격리 영역 (304)내에 열류를 제한하기 때문에, 열류의 방향은 노출된 표면(322)에 수직으로 채널화될(channeled) 수 있고 열류 밀도는 격리 영역 (304)에 걸쳐 균일한 값에서 유지될 수 있고, 이 열류 밀도는 바깥쪽 영역 (324)에서의 열류 밀도와 상이할 수 있다.
격리 영역내 열류를 조정하기 위해서, 히터 및 열 확산 장벽 어셈블리의 기하학적 구조가 조절될 수 있다. 도 3c는 본 개시의 추가 실시예들에 따라 배열된 장치(350)를 도시한다. 단순화를 위하여 장치 (350)는 다양한 실시예들에서 도가니 홀더를 포함할 수 있지만 도가니 홀더 없이 도시된다. 예시된 바와 같이, 장치 (350)는 도가니 (364) 및 도면들 3a, 3b의 실시예들에 대하여 상기에서 설명된 것 처럼 Y-축에 평행하게 연장될 수 있는 제 1 열 확산 장벽 (356) 및 제 2 열 확산 장벽 (358)을 포함하는 열 확산 장벽 어셈블리 (366)을 수용한다. 표시된 히터 폭 d2에 걸쳐 균일한 가열원으로서 동작하는 히터 (352)가 제공된다. 히터 (352)는 제 1 열 확산 장벽 (332) 및 제 2 열 확산 장벽 (334)에 의해 정의된 격리 영역(360)을 통하여 용융물 (106)의 표면 (362)쪽으로 진행하는 열류 (354)를 생성할 수 있다. 격리 영역 (360)내 열류 (354)의 균일도를 증가시키기 위해서 그리고 노출된 표면 (362)에서의 지점들 C와 D 사이의 열류의 균일도를 증가시키기 위해서, 격리 영역 폭 d1는 히터 폭 d2에 비례하여 조절될 수 있다. 일부 경우들에서 히터 폭 d2는 격리 영역 폭 d1보다 더 클 수 있다.
도 4는 세개의 상이한 기하학적 구조하에서 13 mm 깊이 용융물의 노출된 표면에서의 열류의 시뮬레이션을 포함하는 합성 그림들을 제공한다. 결과들은 균일한 가열 소스 (404)가 용융물의 하단 에지를 따라서 제공되는 실리콘 용융물에 적용될 때 컴퓨터의 유체 역학 계산들에 기반된다. 폭 5 mm (X-축을 따라서) 및 높이 (Y-축을 따라서) 10 mm을 갖는 용융 실리카로 만들어진 열 확산 장벽 (402)이 도 4 에 도시된 바와 같이 전체 폭 60 mm 및 따라서 하프-폭 30 mm을 갖는 격리 영역에 인접하여 배치된다. 모든 기하학적 구조에 대하여 용융물의 바닥에서 (Y-축을 따라서) 열류 밀도 (q”)는 10 W/cm2이다. X-축에 평행한 용융물 표면을 따라서의 위치의 함수로 표현된 커브 (406)는 열 확산 장벽이 용융물안에 존재하지 않을 때 대칭프로파일의 1/2에 대한 열류 밀도 프로파일을 나타낸다. 예시된 바와 같이, 중심 영역 (X=0)의 용융물 표면에서의 열류 밀도는 용융물의 바닥에서의 최초 열류 10 W/cm2에 매우 근접하다. 열류 밀도는 균일한 가열 소스의 에지 쪽으로 진행하는 방향에서 점차적으로 축소하여 열류 밀도는 계속 균일한 가열 소스 (404) 위에 바로 위치하는 X=30 mm에서 7 W/cm2보다 작다. 커브 (408)는 열 확산 장벽 (402)이 제공될 때 그리고 균일한 가열 소스 (404)가 X=30 mm에서 격리 영역 (412)의 딱 에지까지 연장될 때 열류 밀도 프로파일을 나타낸다. 예시된 바와 같이, 열류 밀도는 더 균일하고 25 mm까지 9-10 W/cm2 사이의 값을 유지한다. 커브 (410)는 열 확산 장벽 (402)이 제공될 때 그리고 균일한 가열 소스가 X=35 mm까지 격리 영역 (412)의 에지 너머까지 연장될 때 열류 밀도 프로파일을 나타낸다. 예시된 바와 같이, 열류 밀도는 훨씬 더 균일하고 25 mm까지 10 W/cm2 에 가까운 값을 유지한다. 도 4의 결과들로부터 용융물 표면에서의 균일한 열류는 가열원(heat source)과 결합하여 열 확산 장벽들의 적절한 배치에 의해 희망하는 폭까지 조율될 수 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 결정질 시트의 견인 방향에 수직인 횡방향을 따라서 프로세스될 결정질 시트의 폭을 커버하는 균일한 열류의 영역의 폭을 배열함으로써 결정질 시트의 성장을 위한 장치에 활용될 수 있다. 이것은 결정질 시트 (420)가 도시된 바와 같이 위치될 때 전체 폭 (도시되지 않은 다른 절반은 위치 X=0의 왼쪽에 있다)이 동일한 열류에 종속될 수 있도록 하프-폭이 25 mm인 결정질 시트 (420)에 의해 도 4에 예시된다.
추가 실시예들에서, 열 확산 장벽의 특성들은 용융물의 표면에 제공되는 열류를 응집하는데 활용될 수 있다. 도 5a는 열이 용융물(106)을 통하여 이동할 때 열 확산 장벽 어셈블리 (501)가 열류 밀도를 증가시키도록 배열된 장치(500)의 일 실시예를 도시한다. 장치는 도가니 (514)의 별개의 부분들 아래에 배치된 히터 (502), 히터 (504), 및 히터 (506)를 포함한다. 도가니 홀더 (510)가 도가니 (514)와 히터들 사이에 배치된다. 도가니 홀더 (510)는 히터 (502), 히터 (504), 또는 히터 (506)에 의해 개별적으로 가열될 수 있는 도가니(514)의 바닥을 따라서 별개의 영역들을 정의하는 절연 스페이서(insulating spacer)들 (512)을 포함한다. 히터 (502)는 제 1 열 확산 장벽 (516) 및 제 2 열 확산 장벽 (518)으로 구성된 열 확산 장벽 어셈블리 (501) 아래에 배치된다. 각각의 제 1 열 확산 장벽 (516) 및 제 2 열 확산 장벽 (518)은 용융물 (106)의 노출된 표면 (524)에 대하여 비스듬하여서(angled), 그것들 사이의 간격은 노출된 표면(524)에 더 가까운 장벽들의 부분들에 비하여 노출된 표면 (524)으로부터 더 먼 열 확산 장벽 어셈블리 (501)의 부분들에서 더 크다. 도 5a에 추가로 도시된, 제 1 열 확산 장벽 (516) 및 제 2 열 확산 장벽 (518)이 노출된 표면 (524) 아래에 배치되어, 열 확산 장벽 어셈블리의 상단 부분이 용융물(106)내에 있는 평면 (522)을 정의한다. 일부 예들에서, Y-축에 평행한 방향을 따라서의 용융물 (106)의 깊이 hm는 10 mm 내지 20 mm일 수 있고 평면 (522)과 노출된 표면 (524)사이의 거리 h1는 1 mm 내지 5 mm일 수 있다. 장치 (500)는 열 확산 장벽 어셈블리 (501) 위에 배치된 결정화기 (520)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제 1 열 확산 장벽 (516) 및 제 2 열 확산 장벽 (518)은 노출된 표면 (524)에 대하여 동일한 각도를 형성할 수 있고, 다른 실시예들에서, 제 1 열 확산 장벽 (516)은 노출된 표면 (524)에 대하여 제 2 열 확산 장벽 (518)에 의해 형성된 제 2 각도와 상이한 노출된 표면 (525)에 대하여 제 1 각도를 형성할 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 히터 (502)는 제 1 열 확산 장벽 (516) 및 제 2 열 확산 장벽 (518)의 이런 비대칭 방위는 열의 비대칭 플럭스 분포(flux distribution)이 생성될 경우에 유용할 수 있다.
동작시에 장치 (500)는 히터 (502), 히터 (504), 및 히터 (506)의 임의의 조합을 이용하여 용융물 (106)을 가열할 수 있다. 히터 (502)가 활성화될 때, 용융물 (106)에 전달되는 열류는 노출된 표면 (524)에서 응집될 수 있다. 응집된 열류는 노출된 표면 (524) 상에서 또는 그 근처에서 생성되는 결정질 시트의 성장을 안정화하는데 사용될 수 있다. 결정화가 일어나도록 하기 위해서, 열은 노출된 표면 (524)에 제공되는 응집된 열류보다 더 빠른 레이트(rate)에서 제거될 수 있다.
도 5b는 장치 (500)의 동작의 일 예를 도시한다. 이 예에서, 히터 (502)가 활성화되어 용융물 (106)에 열을 공급한다. 히터 (504) 및 히터 (506)가 또한 활성화될 수 있지만 그러나 단순화를 위하여 여기에서는 고려되지 않는다. 일 예에서 용융물 (106)은 실리콘이고 노출된 표면 (524)의 실리콘의 용융 온도인 1685 K인 것으로 가정될 수 있다. 예시된 바와 같이, 열류 (530)는 도가니 홀더 (510)를 통과하여 열 확산 장벽 어셈블리 (501) (도 5a 참조)에 의해 정의된 격리영역(534)으로 위쪽을 향해 이동한다. 열 확산 장벽 어셈블리 (501)은 바깥쪽 영역 (536)으로 바깥쪽으로의 열류에 대하여 장벽을 제공한다. 따라서, 응집된 열류 (532)가 열 확산 장벽 어셈블리 (501)의 상단 부분에서 생성된다.
앞에서 언급된 바와 같이 실리콘 용융물과의 반응에 대한 그것의 내성 및 용융 실리카가 실리콘 용융물로 오염 물질 금속 종들을 도입하지 않는다는 사실 때문에 도가니 (514)를 위한 적절한 재료 용융 실리카(fused silica)이다. 그러나, 이하에서 상세하게 설명될, 용융 실리카 도가니의 열 임피던스 및 연화점(softening point)은 도가니의 바닥 (514)을 통과하는 허용가능한 열류를 제한한다. 이 제한은 용융 실리카가 낮은 열 전도도를 가져서 도가니의 외측으로부터 안쪽으로 큰 온도 하락을 생성한다는 사실에 어느 정도 기인한다. 용융 실리카의 열 전도도를 (1700 K에서 ~.05 W/cm-K)로 가정하면 4 mm 두께 도가니는 20 W/cm2가 인가될 때 160 K의 온도 하락을 생성하고, 용융물의 바닥에서 1685 K 용융 온도에서 실리콘 용융물을 유지하기 위해서 도가니 외측에서 적어도 1845 K의 온도를 요구한다. 그러나, 용융물이 한정된 깊이 예컨대 12 mm를 갖는다고 가정하면, 온도에서의 추가 하락이 용융물의 바닥과 상단사이에서 일어나고, 이는 15 W/cm2- 20 W/cm2의 열류에 대하여 30-40 K 범위에 있을 수 있고 1685 K의 표면 용융물 온도를 생성하기 위해서 용융물의 바닥에서 용융물 온도가 대개 적어도 1715 K -1725 K이다.
따라서 상기의 고려사항들은 통상의 장치에서 20 W/cm2의 열류 밀도가 실리카 도가니에 제공될 때 용융물 표면을 실리콘의 1685 K 용융 온도에서 유지하기 위해서 1885 K 의 범위에 최소 온도를 셋팅한다. 그러나, 통상의 장치에 대한 20 W/cm2의 열류 밀도의 한계치는 결정질 실리콘의 성장 시트를 안정화시키는 데 불충분할 수 있다. 열 확산 장벽 어셈블리 (501)는 노출된 표면 (524)을 향하여 열류를 응집시킴으로써 이 문제를 처리한다. 일 특정 예에서 격리 영역 (534)의 면적은 A1인 경우에 도가니(514)의 바닥을 통과하여 격리 영역 (534)의 바닥 부분으로 전도되는 열류 (530)가 15 W/cm2인 것으로 가정될 수 있다. 예시의 목적들을 위하여, 열 확산 장벽 어셈블리 (501)는 비스듬하게 될 수 있고 평면 (522)에서의 격리 영역의 면적은 A1/3이며, 이것이 열류를 강화시키고 따라서 열류 (532)는 ~45W/cm2의 값을 가진다. Si (0.6W/cm-K)의 전도도를 가정하면, 온도 구배는 바닥 용융물(506)의 바닥에서 ~3 K/mm에서부터 평면 (522)에서 ~7 K/mm까지, 평균 ~5 K/mm 변화한다. 따라서, 열 확산 장벽 어셈블리 (501)에 대하여 10 mm의 높이를 가정하여, 도가니(514)의 바닥으로부터 열 확산 장벽 어셈블리 (501)의 상단까지의 순 온도 차이는 50 K이다. 평면 (522)이 노출된 표면 (524)아래 3 mm에 있는 일 예에서, 평면 (522)에서 용융물 (106)의 온도는 노출된 표면 (524)의 온도보다 더 높은 3 mm x 7 K/mm, 또는 21 K과 같고, 도가니의 바닥에서 온도를 노출된 표면 (524)의 온도 보다 더 높은 71 K로 만든다. 따라서, 용융물 (106)의 바닥의 온도는 1685 K + 71 K 또는 1756 K에서 유지될 수 있다.
용융 실리카의 열 전도도를 (1700 K에서 ~0.05 W/cm-K)로 가정하면, 히터 (502)로부터 공급된 15 W/cm2 열류 밀도에 대하여 도가니 (514)를 통과하는 열류는 ~30 K/mm의 온도 구배를 나타낸다. 4 mm의 도가니(514)의 적정한 두께에 대하여, 이는 용융물 (106)의 바닥에서의 온도보다 30 K/mm x 4mm, 또는 120 K 더 높은 도가니(514)의 바닥 표면 (538)상에서의 온도 또는 1756 K+120 K = 1876 K로 이어진다. 이 온도는 도가니(514)의 심한 연화(softening)가 일어날 수 있는 온도 아래이다.
따라서, 단지 15 W/cm2 열류 밀도가 도가니(514)의 바닥을 통과하여 생성되기 때문에, 장치 (500)는 도가니 무결성(integrity)을 포함하지 않고 평면 (522)으로 ~45 W/cm2의 열류를 전달할 수 있고, 이는 통상의 장치를 이용하여서는 가능하지 않을 수 있다. 도가니 바닥으로의 소정의 열류에 대하여, 비스듬한 열 확산 장벽 어셈블리의 사용이 열 확산 장벽들을 사용하지 않는 통상의 장치에서보다 평균적으로 더 높은 열 구배를 생성할 수 있다는 것에 주목할 수 있다. 예를 들어, 15 W/cm2를 공급하는 통상의 장치는 용융물 전체에서 ~ 3 K/mm의 열 구배를 생성할 것이지만, 상기의 실시예에서 평균 열 구배는 5 K/mm이었다. 그러나, 용융물 표면에서 45 W/cm2를 생성하기 위해서 통상의 장치는 용융물의 바닥에서 45 W/cm2을 생성할 필요가 있을 것이고, 이는 90 K/mm의 온도 구배 또는 360 K의 4mm 두께 도가니에 걸친 온도 하락을 초래할 것이다. 추가하여, 45 W cm2의 열류 밀도는 실리콘 용융물에서 7 K/mm 초과의 열 구배를 생성할 것이고, 10 mm 깊이 용융물을 통과하는데 70 K의 온도 하락으로 이어진다. 따라서, 도가니의 외측상의 온도는 용융물 표면에서 1685 K의 온도를 생성하기 위해서 적어도 1685 K + 70 K + 360 K, 또는 2115 K 일 것을 요구할 것이다. 그러나, 용융 실리카 도가니의 무결성은 이런 고온에서 심한 연화 또는 플로우 때문에 2115 K 에서 유지되지 않을 것이다.
도 5c는 결정화기 (520)가 열류 (537)로 도시된 바와 같이 노출된 표면 (524)로부터 열을 제거하는 장치 (500)의 동작의 추가 예를 도시한다. 열류 (537)는 열류 (532)의 것을 초과할 수 있어서, 결정화가 열 확산 장벽 어셈블리 (501) 위의 노출된 표면 (524)에서 일어난다. 결정 풀러 (미도시)가 도시된 바와 같이 견인 방향 (515)을 따라서 이동함으로써 결정질 시트 (540)를 끌어 당길 수 있다. 결정질 시트들을 형성하기 위한 장치 (500)에 의해 제공되는 장점은 장치 (500)가 통상의 장치에 의해 성취될 수 없는 레벨들 30 W/cm2 내지 50 W/cm2과 같은 20 W/cm2 초과의 용융물의 표면에서의 고 열류 밀도를 생성하는 것이 가능하다는 것이다. 본 발명자들은 열류 밀도의 이런 하이 레벨들이 본 출원에 개시된 것들과 같은 수평 성장 장치에서의 결정질 시트들의 성장을 안정화하는데 유용할 수 있다는 것을 인식하였다.
용융물 표면을 따라서 결정질 재료의 시트의 형성을 수용하기 위해서 열 확산 장벽 어셈블리 (501)의 상단이 용융물의 표면아래에 위치될 수 있다는 것에 유의한다. 그러나, 심지어 열 확산 장벽 어셈블리가 표면까지 연장되지 않을 때에도 고 열류 밀도는 여전히 용융물의 표면에 전달될 수 있다. 도 6은 다양한 시나리오들에 대한 대표적인 열류 밀도 커브들을 도시한다. 결과들은 15 W/cm2의 열류가 깊이가 13mm인 용융물의 바닥에 제공되는 실리콘 용융물에 인가될 때 컴퓨터의 유체 역학 계산들에 기반된다. 열 확산 장벽 어셈블리의 상단은 용융물의 표면 아래 3 mm에 있는 것으로 가정될 수 있다. 커브 (602)는 열 확산 장벽 어셈블리가 존재하지 않는 경우를 예시한다. 이 경우에서 열류 밀도의 넓은 피크가 12 W/cm2보다 작은 피크 값으로 발생한다. 커브 (604)는 비스듬한(angled) 열 확산 장벽 어셈블리가 존재하는 경우를 예시하고 열류 밀도는 열 확산 장벽 어셈블리의 상단에서 계산된다. 이 경우에서, 열 확산 장벽 어셈블리를 이용함으로써 제공되는 열류 밀도 증강을 예시하는 35 W/cm2의 피크 값을 갖는 5 mm 내지 6 mm의 범위내 FWHM(full width at half maximum)를 갖는 좁은 피크가 관측된다. 커브 (606)는 비스듬한 열 확산 장벽 어셈블리가 존재하는 경우를 예시하고 열류 밀도가 용융물의 표면 아래 1mm에서 계산된다. 이 경우에서, 열류 밀도 증강이 계속 지속되는 것을 예시하는 30 W/cm2의 피크 값을 갖는 좁은 피크(narrow peak)가 관측된다. 커브 (608)는 비스듬한 열 확산 장벽 어셈블리가 존재하는 경우를 예시하고 열류 밀도가 용융물 표면에서 계산된다. 이 경우에서, 비스듬한 열 확산 장벽 어셈블리에 의해 생성된 열류 밀도 증강의 대부분이 계속 지속되는 것을 예시하는 28.5 W/cm2의 피크를 갖는 좁은 피크가 관측된다.
용융물 표면에서 열류 밀도의 증강의 정밀한 양이 열 확산 장벽들의 각도 뿐만 아니라 용융물 표면으로부터 그것들의 거리를 조절함으로써 조정될 수 있다는 것에 유의하여야 한다. 도 7은 열 확산 장벽 어셈블리의 상단에서 열 확산 장벽들의 갭 또는 간격이 변화될 때의 다양한 상이한 시나리오들에 대한 대표적인 열류 밀도 커브들을 도시한다. 도 7에서, 모든 열류 밀도 커브들은 도가니 바닥에 인접한 바닥에서 25mm의 간격을 갖는 열 확산 장벽 어셈블리에 기초한 계산들을 반영한다. 확산 장벽 벽들의 각도를 조정함으로써 확산 장벽 어셈블리의 상단에서의 갭이 조절된다. 커브 (702)는 열 확산 장벽 어셈블리의 상단에서의 갭이 25 mm인 경우를 예시하고, 격리 영역은 일정한 폭을 갖는다. 이 경우에서 26.3 W/cm2의 최대값을 갖는 넓은 피크가 생성된다. 커브 (704)는 열 확산 장벽 어셈블리의 상단에서의 갭이 12 mm인 경우를 예시한다. 이 경우에서 37.4 W/cm2의 최대값을 갖는 더 좁아진 피크가 생성된다. 커브 (706)는 열 확산 장벽 어셈블리의 상단에서의 갭이 8 mm인 경우를 예시한다. 이 경우에서 42.4 W/cm2의 최대값을 갖는 한층 더 좁아진 피크가 생성된다. 커브 (708)는 열 확산 장벽 어셈블리의 상단에서의 갭이 4 mm인 경우를 예시한다. 이 경우에서 44.1 W/cm2의 최대값을 갖는 추가로 더 좁아진 피크가 생성된다. 커브 (710)는 열 확산 장벽 어셈블리의 상단에서의 갭이 3 mm인 경우를 예시한다. 이 경우에서 42.9 W/cm2의 최대값을 갖는 추가로 더 좁아진 피크가 생성된다. 커브 (712)는 열 확산 장벽 어셈블리의 상단에서의 갭이 2 mm인 경우를 예시한다. 이 경우에서 40.6 W/cm2의 최대값을 갖는 추가로 더 좁아진 피크가 생성된다. 커브 (714)는 열 확산 장벽 어셈블리의 상단에서의 갭이 1 mm인 경우를 예시한다. 이 경우에서 35 W/cm2의 최대값을 갖는 한층 더 좁아진 피크가 생성된다. 4 mm보다 작은 갭 크기에 대하여 최대 열 플럭스 값(maximum heat flux value)에서의 감소는 열이 높은-열 전도도 용융 실리콘내에서 전도될 수 있는 축소된 갭에 의해 발생되는 증가된 열에 의한 임피던스(thermal impedance)를 원인으로 할 수 있다.
상기의 결과들로부터 열 확산 장벽 어셈블리의 상단에서의 갭을 25 mm에서부터 4 mm까지 줄이기 위해 열 확산 장벽 어셈블리를 비스듬히 하는 것이 열 플럭스 밀도(heat flux density)의 피크 값의 증가의 효과를 갖는다는 것이 관측될 수 있다. 최대 피크 값은 갭이 4 mm일 때 발생하고 더 적은 갭들에서는 감소한다는 것이 추가로 관측될 수 있다. 따라서, 이들 결과들은 열 확산 장벽 어셈블리의 상단 및 바닥에서의 갭의 상대적 크기를 조정함으로써 열류 밀도가 조정될 수 있다는 것을 입증한다. 또한 실리콘의 시트의 리딩 에지를 안정화 하기에 적절할 수 있는 좁은 존에 열을 전달하는 좁은 피크를 유지하기 위해 FWHM와 같은 열 플럭스 밀도의 피크의 폭이 조절될 수 있다는 것을 상기의 결과들로부터 유념하여야 한다.
다른 실시예들에서, 용융물을 프로세싱하기 위한 장치는 다수의 열 확산 장벽 어셈블리들을 포함할 수 있다. 특정 실시예들에서, 장치는 용융물 표면에서 응집된 열류를 생성하기 위한 제 1 열 확산 장벽 어셈블리 및 용융물의 타겟 영역에 균일한 열류를 생성하기 위한 제 2 열 확산 장벽을 포함할 수 있다. 도 8은 본 출원에 앞에서 설명된 장치 (300) 및 장치 (500)의 열 확산 장벽 어셈블리 컴포넌트들을 포함하는 장치 (800)의 동작의 일 예를 도시한다. 특별히, 열 확산 장벽 어셈블리 (501)는 본 출원의 앞에서 설명된 것처럼 응집된 열류 (532)를 생성하도록 동작한다. 이 열류는 예를 들어, 30 W/cm2를 초과할 수 있고 결정질 시트 (804)의 리딩 에지 (806)의 성장을 안정화하는데 사용될 수 있다. 이것은 결정화기 (520)에 의해 열류 (537)가 노출된 표면 (524)로부터 제거될 때 발생할 수 있고 결정화가 일어난다. 장치 (800)는 동작이 도 3c에 관련하여 본 출원의 앞에서 설명된 열 확산 장벽 어셈블리 (366) 및 히터 (352)를 또한 포함한다. 특별히, 열 확산 장벽 어셈블리 (366) 및 히터 (352)는 도 3c 및 도 4에 도시된 전체적으로 도시된 바와 같이 X-축에 평행한 결정질 시트 (804)의 폭에 걸쳐 열류 밀도가 균일한 Y-축을 따라서 결정질 시트 (804) 쪽으로의 열류를 제공할 수 있다. 따라서, 열 확산 장벽 어셈블리 (366)는 도 8에 제안된 바와 같이 그것의 폭에 걸쳐 균일한 방식으로 결정질 시트 (804)의 일부를 다시 용융시킬 수 있다. 따라서, 장치 (800)는 결정질 시트의 리딩 에지를 안정화하기 위한 개선된 열류 뿐만 아니라 결정질 시트의 폭에 걸쳐 다시 균일한 용융을 제공하는 것과 같은 결정질 시트를 균일하게 프로세스하기 위한 균일한 열류를 제공한다.
본 발명은 본 명세서에 기술된 특정 실시예에 의해 그 범위가 제한되지 않는다. 오히려, 본 명세서에 기술된 이러한 실시예들에 더하여, 본 발명의 다른 다양한 실시예들 및 이에 대한 변화들이 당업자들에게 전술한 설명 및 첨부된 도면들로부터 명백해질 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 변화들은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다. 또한, 본 발명이 본 명세서에서 특정 목적을 위한 특정 환경에서의 특정 구현의 맥락에서 기술되었으나, 당업자들은 본 발명의 유용성이 그에 한정되지 한고, 본 발명이 임의의 수의 목적들을 위한 임의의 수의 환경들 내에서 유익하게 구현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 이하에 개시되는 청구항들은 본 출원에서 설명되는 본 발명의 전체 효과와 취지에서 해석되어야 한다.

Claims (15)

  1. 용융물(melt)내 열류(heat flow)를 제어하기 위한 장치에 있어서,
    상기 용융물을 수용하도록 구성된 도가니(crucible)로서, 상기 용융물은 노출된 표면을 갖는, 상기 도가니;
    상기 도가니의 제 1 측면 아래에 배치되고 상기 용융물을 통과하여 상기 노출된 표면으로 열을 공급하도록 구성된 히터; 및
    상기 도가니 내에 배치되어 상기 용융물 내에 격리 영역(isolation region)과 상기 용융물 내에 바깥쪽 영역을 정의하는 적어도 하나의 열 확산 장벽을 포함하는 열 확산 장벽 어셈블리를 포함하는, 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 열 확산 장벽은 용융 실리카(fused silica)로 구성되는, 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 용융물은 실리콘으로 구성되고, 상기 격리 영역을 통과하여 상기 노출된 표면으로 흐르는 상기 열의 제 1 부분은 상기 격리 영역으로부터 상기 적어도 하나의 열 확산 장벽을 통과하여 상기 바깥쪽 영역으로 흐르는 상기 열의 제 2 부분에 대한 제 2 열류 밀도(heat flow density)보다 더 큰 제 1 열류 밀도를 갖는, 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 열 확산 장벽 어셈블리는 비스듬한(angled) 제 1 열 확산 장벽 및 제 2 열 확산 장벽을 포함하고, 상기 격리 영역은 상기 노출된 표면 쪽에서 더 좁은, 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 열 확산 장벽 어셈블리의 제 1 벽 및 상기 열 확산 장벽 어셈블리의 제 2 벽은 서로에 평행하고 그리고 상기 노출된 표면에 수직으로 배열된, 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 히터는 상기 격리 영역에 걸쳐 상기 노출된 표면 쪽으로 균일한 열류를 생성하도록 배열된, 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 히터와 도가니 사이에 배치되고 그리고 상기 용융물에 열을 제공하는 적어도 두개의 가열 존들을 생성하도록 배열된 적어도 하나의 절연체 스페이서(insulator spacer)를 갖는 도가니 홀더를 더 포함하는, 장치.
  8. 청구항 7 에 있어서, 상기 도가니 홀더는 열 증강기(heat intensifier)인, 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 열 확산 장벽 어셈블리는 상기 도가니의 표면 영역상에 배치되고 격리 영역 폭만큼 서로로부터 분리된 제 1 열 확산 장벽 및 제 2 열 확산 장벽을 포함하고,
    상기 히터는 상기 격리 영역 폭보다 더 큰 히터 폭에 걸쳐 상기 격리 영역으로 열류를 생성하도록 구성되고,
    상기 표면 영역에서의 열류는 상기 제 1 열 확산 장벽과 제 2 열 확산 장벽 사이의 상기 격리 영역에 걸쳐 균일한, 장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 열 확산 장벽 어셈블리의 상단 부분은 상기 노출된 표면으로부터 1과 5mm 사이의 거리에서 상기 용융물 안에 배치되는 평면을 정의하는, 장치.
  11. 용융물을 프로세스하는 방법에 있어서,
    도가니(crucible) 안에 상기 용융물을 제공하는 단계로서, 상기 용융물은 노출된 표면을 갖는, 상기 용융물을 제공하는 단계;
    상기 노출된 표면에 반대쪽인 상기 도가니의 제 1 측면을 가열함으로써 상기 용융물을 통과하여 상기 노출된 표면으로 열을 제공하는 단계; 및
    상기 용융물 내에 격리 영역과 상기 용융물 내에 바깥쪽 영역을 정의하는 적어도 하나의 열 확산 장벽을 포함하는 열 확산 장벽 어셈블리를 상기 도가니 내에 제공하는 단계로서, 상기 열의 제 1 부분은 상기 격리 영역을 통과하여 상기 노출된 표면으로 흐르고 그리고 상기 격리 영역으로부터 상기 적어도 하나의 열 확산 장벽을 통과하여 상기 바깥쪽 영역으로 흐르는 상기 열의 제 2 부분에 대한 제 2 열류 밀도(heat flow density)보다 더 큰 제 1 열류 밀도를 갖는, 상기 열 확산 장벽 어셈블리를 상기 도가니 내에 제공하는 단계를 포함하는, 방법.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 격리 영역이 상기 노출된 표면 쪽에서 더 좁은 비스듬한 제 1 열 확산 장벽 및 제 2 열 확산 장벽으로서 상기 열 확산 장벽 어셈블리를 제공하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 청구항 11에 있어서, 상기 열 확산 장벽 어셈블리의 제 1 벽 및 상기 열 확산 장벽 어셈블리의 제 2 벽은 서로에 평행하고 그리고 상기 노출된 표면에 수직으로 배열된, 방법.
  14. 청구항 12에 있어서, 상기 용융물은 실리콘 용융물이고, 상기 격리 영역의 상단 부분에서 열류는 30 W/cm2 내지 40 W/cm2인, 방법.
  15. 청구항 13에 있어서, 상기 격리 영역에 걸쳐 상기 노출된 표면 쪽으로 균일한 열류를 생성하기 위해 히터를 배열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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