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KR20110101133A - 제조 장치로부터 시트의 제거 - Google Patents

제조 장치로부터 시트의 제거 Download PDF

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KR20110101133A
KR20110101133A KR1020117011362A KR20117011362A KR20110101133A KR 20110101133 A KR20110101133 A KR 20110101133A KR 1020117011362 A KR1020117011362 A KR 1020117011362A KR 20117011362 A KR20117011362 A KR 20117011362A KR 20110101133 A KR20110101133 A KR 20110101133A
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KR
South Korea
Prior art keywords
sheet
segment
melt
cooling
cooling chamber
Prior art date
Application number
KR1020117011362A
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English (en)
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KR101502535B1 (ko
Inventor
피터 엘. 켈러만
프레디 칼슨
프랭크 싱클레어
Original Assignee
베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크. filed Critical 베리안 세미콘덕터 이큅먼트 어소시에이츠, 인크.
Publication of KR20110101133A publication Critical patent/KR20110101133A/ko
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Publication of KR101502535B1 publication Critical patent/KR101502535B1/ko

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Abstract

재료의 용융물이 냉각되고, 재료의 시트가 용융물에서 형성된다. 이 시트는 이송되고, 적어도 하나의 세그먼트로 절단되고, 냉각 챔버에서 냉각된다. 재료는 Si, Si 및 Ge, Ga, 또는 GaN일 수 있다. 냉각은 세그먼트에 대한 응력 또는 왜곡을 방지하도록 구성된다. 일례로서, 냉각 챔버는 가스 냉각이다.

Description

제조 장치로부터 시트의 제거{REMOVAL OF A SHEET FROM A PRODUCTION APPARATUS}
본 발명은 용융물(melt)로부터의 시트 형성에 관한 것으로, 더욱 구체적으로, 용융물로부터 제조되는 시트 위의 열 응력(thermal stress)을 최소화하는 것에 관한 것이다.
실리콘 웨이퍼들 또는 시트들은 예를 들어, 집적 회로(integrated circuit) 또는 태양 전지(solar cell) 산업에서 이용될 수 있다. 재생 가능한 에너지원들에 대한 수요가 증가할수록, 태양 전지들에 대한 수요가 계속 증가하고 있다. 대부분의 태양 전지들은 단결정 실리콘 웨이퍼(single crystal silicon wafer)들과 같은 실리콘 웨이퍼들로 만들어진다. 현재, 결정질 실리콘 태양 전지의 대부분의 비용은 태양 전지가 그 위에 만들어지는 웨이퍼이다. 태양 전지의 효율, 또는 표준 조명 하에서 생산되는 전력의 양은 부분적으로 이 웨이퍼의 품질에 의해 제한된다. 태양 전지들에 대한 수요가 증가할수록, 태양 전지 산업의 하나의 목적은 비용/전력 비율을 낮추는 것이다. 품질을 감소시키지 않으면서 웨이퍼 제조 비용에 있어서의 임의의 감축은 비용/전력 비율을 낮출 것이고, 이 청정 에너지 기술의 더욱 폭 넓은 유용성을 가능하게 할 것이다.
가장 높은 효율의 실리콘 태양 전지들은 20%보다 큰 효율을 가질 수 있다. 이것은 전자기기 등급의(electronics-grade) 단결정질 실리콘 웨이퍼(monocrystalline silicon wafer)들을 이용하여 만들어진다. 이러한 웨이퍼들은 초크랄스키(Czochralski) 방법을 이용하여 성장된 단결정질 실리콘 원통 부울(monocrystalline silicon cylindrical boule)로부터 얇은 슬라이스(slice)들을 소잉(sawing)함으로써 만들어질 수 있다. 이 슬라이스들은 200 ㎛ 미만의 두께일 수 있다. 단결정 성장을 유지하기 위하여, 상기 부울은 용융물을 함유하는 도가니(crucible)로부터 10 ㎛/s 미만과 같이 느리게 성장되어야 한다. 후속 소잉 처리는 웨이퍼당 대략 200 ㎛의 절단 손실(kerf loss)이나 소우 블레이드(saw blade)의 폭으로 인한 손실을 초래한다. 또한, 원통 부울 또는 웨이퍼는 정사각형 태양 전지를 만들기 위하여 사각화(squaring off)해야 할 필요가 있을 수 있다. 사각화 및 절단 손실들 양자는 재료의 낭비와 재료비의 증가를 초래한다. 태양 전지들이 더욱 얇아질수록, 커트(cut) 당 실리콘 웨이퍼의 백분율은 증가한다. 잉곳 슬라이싱(ingot slicing) 기술에 대한 한계들은 더욱 얇은 태양 전지들을 얻기 위한 능력을 방해할 수 있다.
다른 태양 전지들은 다결정질 실리콘 잉곳(polycrystalline silicon ingot)들로부터 소잉된 웨이퍼들을 이용하여 만들어진다. 다결정질 실리콘 잉곳들은 단결정질 실리콘보다 빨리 성장될 수 있다. 그러나, 더 많은 결함들 및 결정립계(grain boundary)들이 존재하므로 결과적인 웨이퍼들의 품질은 더 낮으며, 이 더 낮은 품질은 더 낮은 효율의 태양 전지들을 유발한다. 다결정질 실리콘 잉곳을 위한 소잉 처리는 단결정질 실리콘 잉곳 또는 부울만큼 비효율적이다.
실리콘 낭비를 줄일 수 있는 또 다른 해결책은 이온 주입 후에 실리콘 잉곳으로부터 웨이퍼를 클리빙(cleaving)하는 것이다. 예를 들어, 수소(hydrogen), 헬륨(helium), 또는 다른 노블 가스(noble gas) 이온들은 주입된 영역을 형성하기 위하여 실리콘 잉곳의 표면 아래에 주입된다. 이 후에, 이 주입된 영역을 따라 잉곳으로부터 웨이퍼를 클리빙하기 위하여, 열 처리, 물리적 처리 또는 화학적 처리가 뒤따른다. 이온 주입을 통한 클리빙은 절단 손실 없이 웨이퍼들을 생산할 수 있지만, 이 방법은 실리콘 웨이퍼들을 경제적으로 생산하기 위해 채용될 수 있다는 점이 또한 입증되었다.
또 다른 해결책은 용융물로부터 얇은 실리콘의 리본을 수직으로 견인하고, 그 다음으로, 견인된 실리콘이 냉각되어 시트(sheet)로 고체화되도록 하는 것이다. 이 방법의 견인 속도(pull rate)는 대략 18 mm/minute(분) 미만으로 제한될 수 있다. 실리콘의 냉각 및 고체화 도중의 제거된 잠열(latent heat)은 수직 리본을 따라 제거되어야 한다. 이것은 리본을 따라 큰 온도 기울기(gradient)를 유발한다. 이 온도 기울기는 결정질 실리콘 리본에 응력을 가하고, 열악한 품질의 멀티-그레인(multi-grain) 실리콘을 유발할 수 있다. 또한, 리본의 폭 및 두께는 온도 기울기로 인해 제한될 수 있다. 예를 들어, 상기 폭은 80 mm 미만으로 제한될 수 있고, 상기 두께는 180 ㎛로 제한될 수 있다.
용융물로부터 물리적으로 견인되는 실리콘의 수평 리본들도 테스트되었다. 하나의 방법에서는, 막대에 부착된 시드(seed)가 용융물로 삽입되고, 막대 및 결과적인 시트는 도가니의 가장자리(edge) 상에서 낮은 각도로 견인된다. 용융물이 도가니 상부로 넘치는 것을 방지하기 위하여 각도 및 표면 장력의 균형이 맞추어진다. 그러나, 이러한 견인 처리를 개시하고 제어하는 것은 어렵다. 시드를 삽입하기 위해 도가니 및 용융물에 대한 접근이 제공되어야 하고, 이것은 열 손실을 유발할 수 있다. 이 열 손실을 보상하기 위하여 추가적인 열이 도가니에 가해질 수 있다. 이 추가적인 열은 유체의 비층류(non-laminar fluid flow)를 일으킬 수 있는 용융물에서의 수직 온도 기울기들을 발생시킬 수 있다. 또한, 도가니 가장자리에 형성된 요철의 표면 장력과 중력의 균형을 맞추기 위해, 어려울 가능성이 있는 경사각 조절이 수행되어야 한다. 또한, 열은 시트 및 용융물의 분리 지점에서 제거되는 중이므로, 잠열로서 제거되고 있는 열과 현열로서 제거되고 있는 열 사이에는 갑작스러운 변화가 존재한다. 이것은 이 분리 지점에서 리본을 따른 큰 온도 기울기를 발생시킬 수 있고, 결정에서 전위(dislocation)들을 발생시킬 수 있다. 전위들 및 뒤틀림(warping)은 시트를 따른 이 온도 기울기들로 인해 발생할 수 있다.
배수로(spillway)를 이용하는 것과 같이 하여, 용융물로부터 수평으로 분리되는 얇은 시트들의 생산은 수행되지 않았다. 분리에 의해 용융물로부터 수평으로 시트들을 생산하는 것은 잉곳으로부터 슬라이스되는 실리콘보다 덜 고가일 수 있으며, 절단 손실 또는 사각화로 인한 손실을 제거할 수 있다. 분리에 의해 용융물로부터 수평으로 생산되는 시트들은 또한 수소 이온들 또는 다른 견인된 실리콘 리본 방법들을 이용하여 잉곳으로부터 클리빙되는 실리콘보다 덜 고가일 수 있다. 또한, 용융물로부터 수평으로 시트를 분리하는 것은 견인된 리본들에 비해 시트의 결정 품질을 향상시킬 수 있다. 재료 비용들을 줄일 수 있는 이와 같은 결정 성장 방법은 실리콘 태양 전지들의 비용을 줄이는 것을 가능하게 하는 주요한 조치일 것이다.
시트가 일단 생산되면, 실온(room temperature)과 같은 더 낮은 온도로 냉각되어야 한다. 일례로서, 실리콘 시트는 용융된 실리콘을 함유하는 장치로부터 추출되고, 더 낮은 온도를 갖는 환경으로 이송된다. 연속적인 또는 리본 형상의 시트를 상이한 온도들의 환경들 사이에서 이송하는 것은 시트에서 열 응력을 발생시킬 수 있다. 시트를 따른 온도 기울기는 이완된 격자 상수(lattice constant)에서 기울기를 발생시킬 것이다. 이 기울기가 균일하면, 상기 격자는 정돈되어 유지될 수 있지만, 이 기울기가 시트를 따라 변동하면, 전위들이 발생할 수 있다. 시트가 폭이 넓고 얇으면, 온도의 측방향 기울기들에 의해 야기되는 응력들은 시트가 좌굴(buckling)되도록 할 수도 있다(비틀림 좌굴(torsional buckling 또는 단부 좌굴(end buckling)). 그러므로, 시트를 따른 온도 변동들은 시트의 유용한 폭 및 두께를 제한할 수 있다. 따라서, 당 업계에서는 용융물로부터 생산되는 시트 위에서의 열 응력을 최소화하는 향상된 시트 형성 방법과, 특히, 시트가 전위가 제거된 상태 및 왜곡되지 않은 상태로 유지될 수 있도록 하는 향상된 시트 제거 방법에 대한 필요성이 존재한다.
발명의 제 1 특징에 따르면, 방법이 제공된다. 상기 방법은 재료의 용융물을 냉각하는 단계 및 상기 용융물에서 상기 재료의 고체 시트를 형성하는 단계를 포함한다. 상기 시트는 이송되어 적어도 하나의 세그먼트(segment)로 절단된다. 상기 세그먼트는 냉각된다.
발명의 제 2 특징에 따르면, 장치가 제공된다. 상기 장치는 재료의 용융물을 수용하도록 구성된 채널을 형성하는 용기(vessel)를 포함한다. 냉각 판(cooling plate)은 상기 용융물에 가장 근접하게 배치되고, 상기 용융물 위에서 상기 재료의 시트를 형성하도록 구성된다. 절단 장치는 상기 시트를 적어도 하나의 세그먼트로 절단하도록 구성된다. 냉각 챔버는 상기 세그먼트를 수용하도록 구성된다. 상기 냉각 챔버 및 상기 세그먼트는 상기 세그먼트의 표면을 가로질러 대략 균일한 측면 온도(lateral temperature)가 되도록 구성된다.
발명의 제 3 특징에 따르면, 장치가 제공된다. 상기 장치는 재료의 용융물을 수용하도록 구성된 채널을 형성하는 용기를 포함한다. 냉각 판은 상기 용융물에 가장 근접하게 배치되고, 상기 용융물 위에서 상기 재료의 시트를 형성하도록 구성된다. 절단 장치는 상기 시트를 적어도 하나의 세그먼트로 절단하도록 구성된다. 냉각 챔버는 상기 세그먼트를 수용하도록 구성된다. 상기 세그먼트는 상기 냉각 챔버에서 냉각된다.
본 개시 내용의 더욱 양호한 이해를 위하여, 참조를 위해 본 명세서에 통합되어 있는 첨부 도면들을 참조한다.
도 1은 용융물로부터 시트를 분리하는 장치의 실시예에 대한 측 단면도이다.
도 2는 용융물로부터 시트를 견인하는 장치의 실시예에 대한 측 단면도이다.
도 3은 용융물로부터 시트를 생산하는 장치의 실시예에 대한 측 단면도이다.
도 4는 가스 냉각된 등온 시스템의 실시예에 대한 측 단면도이다.
도 5는 이방성 등온 시스템의 실시예에 대한 측 단면도이다.
도 6은 도 3의 실시예를 이용한 공정의 순서도이다.
본 명세서의 장치 및 방법들의 실시예들은 태양 전지들과 관련하여 설명되어 있다. 그러나, 이들은 예를 들어, 집적 회로들, 평판 패널들, 또는 당업자들에게 알려져 있는 다른 기판들을 생산하기 위해 이용될 수도 있다. 또한, 용융물은 실리콘인 것으로 본 명세서에서 설명되어 있지만, 용융물은 게르마늄(germanium), 실리콘 및 게르마늄, 갈륨(gallium), 갈륨 나이트라이드(gallium nitride), 다른 반도체 재료들, 또는 당업자들에게 알려져 있는 다른 재료들을 포함할 수 있다. 따라서, 발명은 이하에 설명된 특정 실시예들로 한정되지 않는다.
도 1은 용융물로부터 시트를 분리하는 장치의 실시예에 대한 측 단면도이다. 시트 형성 장치(21)는 용기(16) 및 패널들(15 및 20)을 가진다. 용기(16) 및 패널들(15 및 20)은 예를 들어, 텅스텐(tungsten), 붕소 나이트라이드(boron nitride), 알루미늄 나이트라이드(aluminum nitride), 몰리브덴(molybdenum), 흑연(graphite), 실리콘 카바이드(silicon carbide), 또는 석영(quartz)일 수 있다. 용기(16)는 용융물(10)을 포함하도록 구성된다. 용융물(10)은 실리콘일 수 있다. 하나의 실시예에서, 용융물(10)은 피드(feed)(11)를 통해 보충될 수 있다. 피드(11)는 고체 실리콘을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 용융물(10)은 용기(16)로 펌핑(pumping)될 수 있다. 시트(13)는 용융물(10) 위에 형성될 것이다. 일례로서, 시트(13)는 용융물(10) 내에서 적어도 부분적으로 부유할 것이다. 시트(13)가 도 1에서는 용융물(10)에서 부유하는 것으로 예시되어 있지만, 시트(13)는 용융물(10)에서 적어도 부분적으로 잠길 수 있거나, 용융물(10)의 상부 위에서 부유할 수 있다. 일례로서, 시트(13)의 10%만 용융물(10)의 상부 위로부터 돌출된다. 용융물(10)은 시트 형성 장치(21) 내에서 순환할 수 있다.
이 용기(16)는 적어도 하나의 채널(17)을 형성한다. 이 채널(17)은 용융물(10)을 수용하도록 구성되고, 용융물(10)은 채널(17)의 제 1 지점(18)으로부터 제 2 지점(19)으로 흐른다. 일례로서, 채널(17) 내의 환경은 용융물(10)에서 리플(ripple)들을 또한 방지하는 것이다. 용융물(10)은 예를 들어, 압력 차이, 중력, 전자기유체 발전(magnetohydrodynamic drive), 나사 펌프(screw pump), 임펠러 펌프(impeller pump), 휠(wheel) 또는 다른 이송 방법들로 인해 흐를 수 있다. 그 다음으로, 용융물(10)은 배수로(12) 상부로 흐른다. 이 배수로(12)는 경사로(ramp), 둑(weir), 작은 댐(dam) 또는 코너(corner)일 수 있으며, 도 1에 예시된 실시예로 한정되지 않는다. 배수로(12)는 시트(13)가 용융물(10)로부터 분리되도록 하는 임의의 형상일 수 있다.
이 특정한 실시예에서, 패널(15)은 부분적으로 용융물(10)의 표면 아래로 연장되도록 구성된다. 이것은 시트(13)가 용융물(10) 위에 형성될 때에 파동(wave)들 또는 리플들이 시트(13)를 교란하는 것을 방지할 수 있다. 이 파동들 또는 리플들은 피드(11)로부터의 용융물 재료의 추가, 펌핑, 또는 당업자들에게 알려져 있는 다른 원인들로 인해 형성될 수 있다. 또한, 패널(15)은 채널(17)에서 용융물(10)의 레벨을 제어하기 위해 이용될 수 있다.
하나의 특정한 실시예에서, 용기(16) 및 패널들(15 및 20)은 대략 1687 K보다 약간 높은 온도에서 유지될 수 있다. 실리콘에 대하여, 1687 K는 냉동 온도(freezing temperature) 또는 계면 온도(interface temperature)를 나타낸다. 용기(16) 및 패널들(15 및 20)의 온도를 용융물(10)의 냉동 온도보다 약간 높도록 유지함으로써, 냉각 판(14)은 복사 냉각(radiation cooling)을 이용하여, 용융물(10) 위에서 또는 그 내부에서 시트(13)의 희망하는 냉동 속도를 얻도록 작동될 수 있다. 냉각 판(14)은 이 특정한 실시예에서 단일 세그먼트 또는 섹션(section)으로 구성되지만, 또 다른 실시예에서는 다수의 세그먼트들 또는 섹션들을 포함할 수 있다. 채널(17)의 바닥은 용융물(10)의 용융 온도보다 높게 가열되어 계면에서 용융물(10)의 작은 수직 온도 기울기를 생성하고, 시트(13) 위에서 구조적인 과냉각, 또는 수지상 돌기(dendrite)들이나 분기되는 돌출부들의 형성을 방지할 수 있다. 그러나, 용기(16) 및 패널들(15 및 20)은 용융물(10)의 용융 온도보다 높은 임의의 온도일 수 있다. 이것은 용융물(10)이 용기(16) 및 패널들(15 및 20) 위에서 고체화하는 것을 방지한다.
장치(21)는 차폐물(enclosure) 내의 장치(21)를 적어도 부분적으로 또는 전체적으로 둘러쌈으로써 용융물(10)의 냉동 온도보다 약간 높은 온도로 유지될 수 있다. 차폐물이 장치(21)를 용융물(10)의 냉동 온도보다 높은 온도로 유지하면, 장치(21)를 가열하기 위한 필요성이 회피되거나 감소될 수 있고, 차폐물 내부 또는 주위의 히터(heater)들은 임의의 열 손실을 보상할 수 있다. 이 차폐물은 이방성 전도율(anisotropic conductivity)과 등온일 수 있다. 또 다른 특정한 실시예에서, 히터들은 차폐물 위 또는 그 내부에 배치되지 않으며, 오히려 장치(21) 내에 배치된다. 일례로서, 용기(16) 내에 히터들을 내장하고 복수 구역 온도 제어(multi-zone temperature control)를 이용함으로써, 용기(16)의 상이한 영역들이 상이한 온도들까지 가열될 수 있다.
차폐물은 장치(21)가 배치되는 환경을 제어할 수 있다. 특정 환경에서는, 차폐물이 불활성 가스(inert gas)를 포함한다. 이 불활성 가스는 용융물(10)의 냉동 온도보다 높게 유지될 수 있다. 불활성 가스는 시트(13) 형성 공정 도중에 구조적인 불안정들을 야기할 수 있는 용융물(10)로의 용질(solute)들의 추가를 감소할 수 있다.
장치(21)는 냉각 판(14)을 포함한다. 냉각 판(14)은 시트(13) 용융물(10) 위에 형성되도록 하는 열 추출(heat extraction)을 허용한다. 냉각 판(14)의 온도가 용융물(10)의 냉동 온도보다 낮게 하강하면, 냉각 판(14)은 시트(13)가 용융물(10) 위에서 또는 그 내부에서 냉동되도록 할 수 있다. 이 냉각 판(14)은 복사 냉각을 이용할 수 있고, 예를 들어, 흑연, 석영 또는 실리콘 카바이드로 제조될 수 있다. 냉각 판(14)은 신속하게, 균일하게, 그리고 양(amount)을 제어하는 방식으로 액체 용융물(10)로부터 열을 제거할 수 있다. 용융물(10)에 대한 교란들이 감소될 수 있음과 동시에, 시트(13)는 시트(13) 내의 결함들을 방지하도록 형성된다.
융해열(heat of fusion)의 열 추출과, 용융물(10)의 표면 상부에서의 용융물(10)로부터의 열은 시트(13)를 낮은 결함 밀도(defect density)로 유지하면서 다른 리본 견인 방법들에 비해 시트(13)의 더욱 신속한 생산을 가능하게 할 수 있다. 용융물(10)의 표면 위의 시트(13) 또는 용융물(10) 위에 부유하는 시트(13)를 냉각하는 것은 비교적 큰 시트(13) 추출 속도를 가지면서 서서히 그리고 넓은 영역에 걸쳐 융해 잠열(latent heat of fusion)이 제거되도록 한다.
냉각 판(14)의 치수들은 길이 및 폭에 있어서 증가될 수 있다. 길이를 증가시키는 것은 동일한 수직 성장 속도 및 결과적인 시트(13) 두께에 대해 더욱 신속한 시트(13) 추출 속도를 허용할 수 있다. 냉각 판(14)의 폭을 증가시키는 것은 폭이 더 넓은 시트(13)를 유발할 수 있다. 수직 시트 견인 방법과 달리, 도 1에서 설명된 장치 및 방법의 실시예들을 이용하여 생산된 시트(13)의 폭에 대한 고유의 물리적인 제한은 존재하지 않는다.
하나의 특정한 예에서, 용융물(10) 및 시트(13)는 대략 1 cm/s의 속도로 흐른다. 냉각 판(14)은 길이가 대략 20 cm이고, 폭이 대략 25 cm이다. 시트(13)는 대략 20초 내에 두께가 대략 100 ㎛로 성장될 수 있다. 따라서, 시트는 대략 5 ㎛/s의 속도로 두께가 성장될 수 있다. 대략 100 ㎛ 두께의 시트(13)는 대략 10 m2/hour의 속도로 생산될 수 있다.
하나의 실시예에서는, 용융물(10)에서의 열 기울기(thermal gradient)들이 최소화될 수 있다. 이것은 용융물(10) 흐름이 안정적이고 층류가 되도록 할 수 있다. 또한, 시트(13)가 냉각 판(14)을 이용하여 복사 냉각을 통해 형성되도록 할 수 있다. 하나의 특정한 사례로서, 냉각 판(14) 및 용융물(10) 사이의 대략 300 K의 온도 차이는 대략 7 ㎛/sdml 속도로 용융물(10) 위에 또는 그 내부에 시트(13)를 형성할 수 있다.
냉각 판(14)으로부터 하류(downstream)이며 패널(20)의 하부인 채널(17)의 영역은 등온(isothermal)일 수 있다. 이 등온 영역은 시트(13)의 어닐링(annealing)을 허용할 수 있다.
시트(13)가 용융물(10) 위에 형성된 후, 시트(13)는 배수로(12)를 이용하여 용융물(10)로부터 분리된다. 용융물(10)은 채널(17)의 제 1 지점(18)으로부터 제 2 지점(19)으로 흐른다. 시트(13)는 용융물(10)과 함께 흐를 것이다. 시트(13)의 이러한 이송은 연속 동작일 수 있다. 일례로서, 시트(13)는 용융물(10)이 흐르는 것과 대략 동일한 속도로 흐를 수 있다. 따라서, 시트(13)는 용융물(10)에 대해서는 움직이지 않으면서 형성 및 이송될 수 있다. 배수로(12)의 형상 또는 배수로(12)의 방위(orientation)는 용융물(10) 또는 시트(13)의 속도 프로파일을 변화시키기 위해 변경될 수 있다.
용융물(10)은 배수로(12)에서 시트(13)로부터 분리된다. 하나의 실시예에서, 용융물(10)의 흐름은 배수로(12) 상부에서 용융물(10)을 이송하고, 배수로(12) 상부에서 시트(13)를 적어도 부분적으로 이송할 수 있다. 이것은 단결정 시트(13)의 파손을 최소화하거나 방지할 수 있으며, 왜냐하면, 외부 응력이 시트(13)에 인가되지 않기 때문이다. 이 특정한 실시예에서는, 용융물(10)이 시트(13)로부터 멀어지도록 배수로(12) 상에서 흐를 것이다. 시트(13)에 대한 열 충격을 방지하기 위하여 배수로(12)에서는 냉각이 적용되지 않을 수 있다. 하나의 실시예에서, 배수로(12)에서의 분리는 등온에 근접한 조건들에서 발생한다.
용융물(10)은 용융물(10) 위에서의 시트(13)의 적당한 냉각 및 결정화(crystallization)를 허용하도록 구성된 속도로 흐를 수 있으므로, 시트(13)는 용융물에 수직으로 견인됨으로써 형성되는 것보다 장치(21)에서 더욱 신속하게 형성될 수 있다. 시트(13)는 대략 용융물(10)이 흐르는 것만큼 신속하게 흐를 것이다. 이것은 시트(13) 위의 응력을 감소시킨다. 용융물에 수직으로 리본을 견인하는 것은 견인으로 인해 리본 위에 형성된 응력들로 인해 속도에 있어서 제한된다. 하나의 실시예에서, 장치(21) 내의 시트(13)에는 임의의 이러한 견인 응력들이 결여될 수 있다. 이것은 시트(13)의 품질 및 시트(13)의 생산 속도를 증가시킬 수 있다.
하나의 실시예에서, 시트(13)는 배수로(12)를 넘어서 직진하는 경향이 있을 수 있다. 파손을 방지하기 위하여, 어떤 예에서는 이 시트(13)가 배수로(12)를 넘어간 후에 지지될 수 있다. 지지 장치(22)는 시트(13)를 지지하도록 구성된다. 지지 장치(22)는 예를 들어, 가스 또는 공기 압축기를 이용하여 시트(13)를 지지하기 위하여 가스 압력 차이를 제공할 수 있다. 시트(13)가 용융물(10)로부터 분리된 후, 시트(13)가 위치되어 있는 환경의 온도는 서서히 변화될 수 있다. 일례로서, 시트(13)가 배수로(12)로부터 더 멀리 이동할수록 온도가 하강한다.
일례로서, 시트(13)의 성장, 시트(13)의 어닐링, 및 배수로(12)를 이용한 용융물(10)로부터의 시트(13)의 분리는 등온 환경에서 발생할 수 있다. 배수로(12)를 이용한 분리와, 시트(13) 및 용융물(10)의 대략 동등한 유량들은 시트(13) 위의 응력 또는 기계적 왜곡(mechanical strain)을 최소화한다. 이것은 단결정 시트(13)를 생산할 가능성을 증가시킨다.
또 다른 실시예에서는, 자기장이 시트 형성 장치(21)의 용융물(10) 및 시트(13)에 인가된다. 이것은 용융물(10) 내의 진동하는 흐름들을 약화시킬 수 있고, 시트(13)의 결정화를 향상시킬 수 있다.
도 2는 용융물로부터 시트를 견인하는 장치의 실시예에 대한 측 단면도이다. 이 실시예에서, 시트 형성 장치(23)는 용융물(10)로부터 시트(13)를 견인함으로써 시트(13)를 이송한다. 이 실시예에서, 용융물(10)은 채널(17)에서 순환하지 않을 수 있고, 시트(13)는 시드를 이용하여 견인될 수 있다. 시트(13)는 냉각 판(14)에 의한 냉각을 통해 형성될 수 있고, 결과적인 시트는 용융물(10)로부터 인출될 수 있다.
도 1 내지 도 2의 실시예들은 모두 냉각 판(14)을 이용한다. 냉각 판(14)의 길이를 가로질러 상이한 냉각 온도들, 용융물(10)의 상이한 유량들 또는 시트(13)의 견인 속도들, 시트 형성 장치(21)나 시트 형성 장치(23)의 다양한 섹션들의 길이, 또는 시트 형성 장치(21)나 시트 형성 장치(23) 내의 타이밍(timing)은 공정 제어를 위해 이용될 수 있다. 용융물(10)이 실리콘인 경우, 다결정질 시트(13) 또는 단결정 시트(13)가 시트 형성 장치(21)에서 형성될 수 있다. 도 1 또는 도 2의 어느 하나의 실시예에서, 시트 형성 장치(21) 또는 시트 형성 장치(23)는 차폐물 내에 포함될 수 있다.
도 1 및 도 2는 용융물(10)로부터 시트들(13)을 형성할 수 있는 시트 형성 장치들의 2개의 예들에 불과하다. 수직 또는 수평 시트(13) 성장의 다른 장치들 또는 방법들이 가능하다. 본 명세서에서 설명된 방법들 및 장치들의 실시예들은 도 1의 시트 형성 장치에 대해 구체적으로 설명되지만, 이 실시예들은 임의의 수직 또는 수평 시트(13) 성장 방법 또는 장치에 적용될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 설명된 실시예들은 도 1 내지 도 2의 특정 실시예들로 전적으로 한정되지 않는다.
시트(13) 위에서의 최대 왜곡은 시트(13)의 폭(도 3에 예시된 Z 방향)의 가장자리(edge)들에서 발생할 수 있다. 온도 기울기들로 인한 왜곡은 시트(13)에서 변형(deformation)들 또는 변위(displacement)들을 야기할 수 있다. 이러한 온도 기울기는 특정 장소 주위에서 온도가 변화되는 방향 및 속도를 설명한다. 이 변형들 또는 변위들로 인해, 시트(13)를 따라 온도 기울기를 최소화하는 것이 일부의 경우들에서는 바람직하다. 시트(13)의 냉각 도중에 온도 기울기들을 감소시키는 것은 시트(13) 위에서의 임의의 왜곡을 감소시킬 수 있다.
도 3은 용융물로부터 시트를 생산하는 장치의 실시예에 대한 측 단면도이다. 도 3의 이 특정한 실시예는 시트 형성 장치(21)를 이용하지만, 도 3의 실시예들은 시트 형성 장치(23), 또는 용융물(10)로부터 시트(13)를 형성하는 또 다른 장치와 함께 유사하게 이용될 수 있다. 도 3의 실시예는 시트(13)가 경험하게 되는 임의의 온도 기울기를 감소시킨다. 시트(13)는 시트 형성 장치(21)에 의해 형성된다. 잠열은 냉각 판(14)에 대한 노출 도중에 시트(13)를 통해 제거되고, 온도 기울기는 시트(13)의 높이 또는 두께(도 3에 예시된 Y 방향)를 가로질러 부과된다. 시트(13)는 용융물(10)의 온도로 인해 영역(34)에서 어닐링될 수 있다. 거의 균일한 온도가 영역(34)에서 유지될 수 있다. 영역(34) 내의 이 온도는 일례로서 용융물(10)의 온도보다 약간 높을 수 있어서, 시트(13)의 일부가 용융물(10)로 다시 용융될 수 있다. 영역(34) 내의 이 온도는 냉각 판(14) 하부에서의 형성 또는 결정화 공정 중에 발생한 시트(13)에서의 왜곡의 어닐링을 또한 유발한다.
시트(13)가 배수로(12)에서 용융물(10)로부터 분리되므로, 시트(13)는 시트 형성 장치(21)로부터 멀어지도록 이송된다. 지지 유닛(30)은 시트(13)를 수평이고 평탄하게 유지할 것이다. 지지 유닛(30)은 가스 또는 공기 압축기, 유체 베어링, 또는 일부 다른 지지 시스템일 수 있다.
절단 장치(31)는 시트(13)를 적어도 하나의 세그먼트(33)로 절단한다. 여기서, 세그먼트(33)는 냉각 챔버(32)로부터 부분적으로 돌출하도록 도시되어 있다. 예를 들어, 레이저 절단기, 핫 프레스(hot press), 또는 소우(saw)는 절단 장치(31)로서 이용되 수 있다. 세그먼트(33)는 시트(13)의 정사각형, 직사각형 또는 다른 형상 부분이다. 시트(13)가 용융물(10), 영역(34) 또는 일부 다른 고온 영역에서 어닐링된 후에, 시트(13)는 절단 장치(31)에 의해 절단될 수 있다. 시트(13)는 절단하는 도중에 예를 들어, 유체 테이블(fluid table), 유체 베어링(fluid bearing), 또는 당업자들에게 알려진 일부 다른 장치를 이용하여 지지될 수 있다. 절단 도중의 이러한 지지는 절단의 시트(13) 상류(upstream)의 성장에 대한 교란들을 방지한다.
다음으로, 시트(13)의 세그먼트(33)는 냉각 챔버(32)에서 냉각될 수 있다. 도 3은 냉각 챔버(32)로 로딩되는 하나의 세그먼트(33)를 예시하지만, 하나를 초과하는 세그먼트(33)가 냉각 챔버(32)로 로딩될 수 있다. 냉각 챔버(32)는 시간에 걸쳐 감소하는 공간적으로 균일한 온도를 유지할 수 있다. 냉각 챔버(32) 및 세그먼트(33) 사이의 온도 차이는 하나의 특정한 실시예에서 최소화될 수 있다. 다음으로, 세그먼트(33) 위에서의 열 응력 또는 다른 왜곡이 최소화되도록, 제어된 냉각이 냉각 챔버(32)에서 발생할 수 있다. 이것은 임의의 온도 기울기가 시트(13) 또는 세그먼트(33)에서 도입되는 것을 최소화할 수 있다. 온도 기울기가 최소화되거나 회피될 경우, 이것은 더 높은 품질의 시트(13) 또는 세그먼트(33)를 생산할 것이다. 이것은 또한 폭이 더 넓은 시트(13) 또는 세그먼트(33)를 가능하게 할 수 있다.
당업자들은 이러한 냉각 챔버(32)에서, 시간에 걸쳐 감소하는 온도를 생성하는 것이 냉각 챔버(32) 또는 세그먼트(33)의 내부로부터 열을 제거하기 위해 일부 공간적인 온도 기울기들을 이용할 수 있다는 점을 인식할 것이다. 이 기울기들이 시트(13) 또는 세그먼트(33)의 영역에 수직인 범위까지는, 도 3의 Y 방향을 따른 시트(13) 또는 세그먼트(33)의 상부 및 바닥 사이의 온도 차이가 무시해도 좋을 수 있다. 임의의 측방향 온도 기울기들의 회피는 시트(13) 또는 세그먼트(33) 뒤틀림의 가능성을 제거할 것이고, 이에 따라, 시트(13) 또는 세그먼트(33)의 크기에 대한 제약들을 제거할 것이다. 이 경우에 있어서의 측방향은 세그먼트(33) 또는 시트(13)의 표면을 가로지르는 것, 또는 도 3에 예시된 X 방향 또는 Z 방향을 의미한다.
세그먼트(33)가 일단 냉각 챔버(32)로 로딩(loading)되면, 냉각 챔버(32)가 시트 형성 장치(21)로부터 멀어지도록 제거되거나 이송될 수 있다. 이것은 컨베이어 벨트(conveyor belt) 위에서, 또는 다른 클러스터(cluster)나 기계적 시스템들에서 로봇을 이용하여 수행될 수 있다. 일례로서, 시트(13) 및 세그먼트들(33)의 생산 도중에 복수의 시스템들(32)이 이용되고 순환된다. 냉각 챔버(32)가 세그먼트(33) 위에서의 응력 또는 왜곡을 최소화하기 위하여 세그먼트(33)의 온도를 서서히 낮추기 전의 약간의 시간 동안, 냉각 챔버(32)는 공간 또는 측방향(도 3에 예시된 X 방향 또는 Z 방향)의 의미에서, 등온 상태 또는 등온에 근접한 상태를 유지할 수 있다.
도 4는 가스 냉각된 등온 시스템의 실시예에 대한 측 단면도이다. 도 4의 냉각 챔버(40)는 도 3의 냉각 챔버(32)의 하나의 예이다. 세그먼트(33)는 공간적으로 등온 또는 등온에 근접한 환경에서 냉각 챔버(40)에 안착된다. 세그먼트(33)는 냉각 챔버(40)의 표면 위에 배치될 수 있다. 가스 대류 냉각(gas convection cooling)은 냉각 챔버(40)에서 행해지므로, 냉각 챔버(40) 및 세그먼트(33)는 공간적으로 등온 상태 또는 등온에 근접한 상태로 유지되고, 예를 들어, 실온으로 서서히 하강한다. 따라서, 시트(13)의 능동 냉각(active cooling)에 비해 감소된 양의 결함들에 의해 더 낮은 온도에서 추후에 제거되는 세그먼트(33)가 높은 온도에서 냉각 챔버(32)에 로딩될 수 있다.
냉각 챔버(40)는 세그먼트(33)에 근접한 다공성 세라믹(porous ceramic)과 같은 다공성 재료(41)를 가진다. 다공성 재료(41)는 도관들(42)을 이용하여 가스 소스(gas source)(43)와 유체 연통 상태에 있다. 하나의 특정한 실시예에서, 다공성 재료(41)는 소결(sinter)되거나 천공(drill)될 수 있다. H, N, He, 또는 또 다른 노블 가스와 같은 불활성 가스는 다공성 재료(41)를 통해 가스 소스(43)로부터 흐를 수 있으므로, 냉각 챔버(40)는 공간적으로 등온이거나 제어된 방식으로 냉각된다. 소기 링(scavenge ring)(44)은 가스를 포획하여 가스가 냉각 챔버(40)의 주변들에 대해 영향을 가지는 것을 방지하도록 이용될 수 있다. 냉각 챔버(40)의 주변들에 대한 영향을 더욱 최소화하기 위하여, 열 절연체가 냉각 챔버(40)를 둘러쌀 수 있다. 냉각 챔버(40)는 세그먼트(33)의 로딩 및 이송 도중에, 그리고 세그먼트(33)에 대한 응력 또는 왜곡을 방지하기 위한 냉각 도중에, 측방향(도 3에 예시된 X 방향 또는 Z 방향)의 의미에서와 같이, 공간적으로 등온이거나 등온에 근접한 환경을 갖도록 구성된다. 세그먼트(33)는 냉각 도중에 세그먼트(33)를 가로질러 대략 균일한 측방향 온도를 가질 수 있다. 이 경우에 있어서의 측방향은 세그먼트(33) 또는 시트(13)의 표면을 가로지르는 것이나, 도 3에 예시된 X 방향 또는 Z 방향을 의미한다.
도 5는 이방성 등온 시스템(anisotropic isothermal system)의 실시예에 대한 측 단면도이다. 도 5의 냉각 챔버(50)는 도 3의 냉각 챔버(32)의 또 다른 예이다. 이 특정한 실시예에서, 세그먼트(33)는 열분해 흑연(pyrolytic graphite)과 같은 이방성 재료의 슬라브(slab)들(51)에 의해 둘러싸인다. 세그먼트(33)는 냉각 챔버(50)의 표면 위에 배치될 수 있다. 냉각 챔버(50)가 상이한 온도들의 영역들로 이송되거나 냉각되는 챔버(50) 주위의 온도가 변화할 때, 슬라브들(51)의 치수들은 측방향(도 3에 예시된 X 방향 또는 Z 방향)의 의미에서와 같이 공간적으로 등온이거나 등온에 근접한 환경에서 세그먼트(33)를 유지하도록 구성되므로, 세그먼트(33)는 균일한 온도에서 수용된다. 예를 들어, 슬라브들(51)은 세그먼트(33)의 측방향 치수보다 대략 50 % 큰 측방향 치수를 가질 수 있다. 다음으로, 세그먼트(33)는 외부 환경에서의 온도 변화들에 따라 서서히 조절된다. 이 특정한 실시예는 상이한 온도들의 영역들 사이에서 세그먼트(33)를 이송함으로써 냉각이 발생하도록 하고, 가스를 이용한 능동 냉각을 요구하지 않을 수 있다. 일례로서, 냉각 챔버(50)는 냉각 챔버(50) 및 세그먼트(33) 내에서 수직 온도 기울기들을 가진다. 측방향 등온 또는 등온에 근접한 조건을 유지하고 측방향이 아니라 횡단하는 방향으로 열이 제거되도록 하기 위하여 열 컨덕턴스(thermal conductance)가 이용될 수 있다. 이방성 열 전도율은 횡단 방향보다 측방향에서 더 클 수 있다. 이 경우에 있어서의 측방향은 세그먼트(33) 또는 시트(13)의 표면을 가로지르는 것, 또는 도 3에 예시된 X 방향 또는 Z 방향을 의미한다. 이 경우에 있어서의 횡단 방향은 시트의 두께를 가로지르는 것, 또는 도 3에 예시된 Y 방향을 의미한다.
도 6은 도 3의 실시예를 이용한 공정의 순서도이다. 냉각 챔버(40) 및 냉각 챔버(50)가 예시되어 있지만, 냉각 챔버(32)의 다른 실시예들이 가능하고, 냉각 챔버(32)는 냉각 챔버(40) 및 냉각 챔버(50)의 실시예들에 전적으로 한정되지 않는다. 시트 형성 장치(21) 또는 시트 형성 장치(23)에서와 같이, 시트가 형성된다(60). 다음으로, 이 시트는 세그먼트들로 절단된다(61). 세그먼트들은 냉각 챔버로 로딩되고(62), 세그먼트들이 냉각된다(63). 세그먼트들은 결함들을 방지하기 위하여 공간적으로 등온이거나 등온에 근접한 상태를 유지하도록 냉각될 수 있다(63). 세그먼트들이 냉각되기 전, 냉각되는 도중, 또는 냉각된(63) 이후에 세그먼트들이 이송될 수 있다. 냉각(63)은 가스 냉각을 이용할 수 있거나, 세그먼트들을 상이한 온도들에서 상이한 영역들로 이동할 수 있거나, 세그먼트들 주위의 온도를 수정할 수 있다.
본 개시 내용은 본 명세서에서 설명된 특정 실시예들에 의해 그 범위에 있어서 한정되지 않아야 한다. 실제로, 본 명세서에서 설명된 것들에 부가하여, 본 개시 내용에 대한 다른 다양한 실시예들 및 변형들은 상기 설명 및 첨부 도면들로부터 당업자들에게 명백할 것이다. 따라서, 이러한 다른 실시예들 및 변형들은 본 개시 내용의 범위 내에 속하도록 의도된 것이다. 또한, 본 개시 내용은 특정 목적을 위한 특정 환경에서 특정 구현예를 고려하여 본 명세서에서 설명되었지만, 당업자들은 그 유용성이 그것으로 한정되지 않으며, 본 개시 내용이 임의의 수의 목적들을 위한 임의의 수의 환경들에서 유익하게 구현될 수 있다는 점을 인식할 것이다. 따라서, 이하에 기재된 청구항들은 본 명세서에서 설명된 바와 같은 본 개시 내용의 완전한 범위 및 취지를 고려하여 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 재료의 용융물을 냉각하는 단계;
    상기 용융물에서 상기 재료의 고체 시트를 형성하는 단계;
    상기 시트를 이송하는 단계;
    상기 시트를 적어도 하나의 세그먼트(segment)로 절단하는 단계; 및
    상기 세그먼트를 냉각하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 재료는 Si, Si 및 Ge, Ga, 및 GaN으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    배수로를 이용하여 상기 용융물로부터 상기 시트를 분리하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 세그먼트의 상기 냉각은 가스를 이용한 가스 냉각을 포함하는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 냉각은 상기 세그먼트의 표면을 가로질러 측방향 열 기울기(thermal gradient)를 최소화하는 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각은 상기 세그먼트의 표면을 가로질러 측방향 온도 균일성을 유지하면서 시간에 걸쳐 상기 세그먼트의 온도를 감소시키는 단계를 포함하는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉각은 상기 세그먼트의 두께를 가로질러 횡단하는 것인 방법.
  8. 재료의 용융물을 수용하도록 구성된 채널을 형성하는 용기;
    상기 용융물에 가장 근접하게 배치되고, 상기 용융물 위에 상기 재료의 시트를 형성하도록 구성된 냉각 판;
    상기 시트를 적어도 하나의 세그먼트로 절단하도록 구성된 절단 장치; 및
    상기 세그먼트를 수용하도록 구성된 냉각 챔버를 포함하고,
    상기 냉각 챔버 및 상기 세그먼트는 상기 세그먼트의 표면을 가로질러 대략 균일한 측방향 온도가 되도록 구성되는 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 재료는 Si, Si 및 Ge, Ga, 및 GaN으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 냉각 챔버는 냉각 기구를 포함하는 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 냉각 기구는 복수의 도관(conduit)들 및 가스 소스(gas source)를 포함하는 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 냉각 챔버는 적어도 하나의 다공성 재료를 포함하는 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    복수의 도관들과, 상기 다공성 재료와 유체 연통 상태에 있는 가스 소스를 더 포함하는 장치.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 냉각 챔버는 시간 주기에 걸쳐 상기 대략 균일한 측방향 온도를 변화시키도록 구성되는 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 대략 균일한 측방향 온도는 실온(room temperature)으로 하강하는 장치.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 냉각 챔버 및 상기 세그먼트는 상기 세그먼트의 상기 표면을 가로질러 측방향 열 기울기를 생성하지 않고 냉각되는 장치.
  17. 재료의 용융물을 수용하도록 구성된 채널을 형성하는 용기;
    상기 용융물에 가장 근접하게 배치되고, 상기 용융물 위에 상기 재료의 시트를 형성하도록 구성된 냉각 판;
    상기 시트를 적어도 하나의 세그먼트로 절단하도록 구성된 절단 장치; 및
    상기 세그먼트를 수용하도록 구성된 냉각 챔버를 포함하고,
    상기 세그먼트는 상기 냉각 챔버에서 냉각되는 장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 재료는 Si, Si 및 Ge, Ga, 및 GaN으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 장치.
  19. 청구항 17에 있어서,
    상기 냉각 챔버는 상기 세그먼트의 상부 및 하부에 배치된 복수의 벽들을 가지고, 상기 벽들은 상기 세그먼트의 두께를 횡단하도록 가로지르는 것보다 상기 세그먼트의 표면을 측방향으로 가로질러서 대략 더 큰 이방성 열 전도율을 가지는 장치.
  20. 청구항 17에 있어서,
    상기 냉각 시스템은 열분해 흑연(pyrolytic graphite)으로 구성되는 장치.
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