KR102271787B1 - Fz법에 의한 단결정 인상을 위한 방법 및 플랜트 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 다결정(100)이 전자기 용융 장치(300)에 의해 용융된 다음, 재결정화되는, FZ법에 의한 단결정 인상법으로서, 제1 단계에서, 다결정(100)의 하단부가 용융 장치에 의해 용융되며, 제2 단계에서, 단결정질 시드(140)가 다결정(100)의 하단부에 부착되고, 제3 단계에서, 시드(140)의 하부 섹션와 다결정(100) 사이에, 직경이 시드(140)의 직경보다 작은 가는 네크 섹션이 형성되며, 제3 단계 이전에 용융 장치(300)의 출력이 시드(140) 부분 상의 액체 재료와 고체 재료 사이의 하부 상 경계(P_U)에 의존하여 적어도 일시적으로 동적으로 조정되고, 제3 단계 동안에 용융 장치(300)의 출력이 다결정(100) 부분 상의 액체 재료와 고체 재료 사이의 상부 상 경계(P_O)의 위치에 의존하여 적어도 일시적으로 동적으로 조정되는 것인 단결정 인상법과, 그리고 또한 대응하는 플랜트에 관한 것이다.

Description

FZ법에 의한 단결정 인상을 위한 방법 및 플랜트

본 발명은, 전자기 용융 장치로 다결정을 용융시킨 다음, 재결정화하는 FZ법에 의한 단결정 인상 방법과, 또한 대응하는 플랜트에 관한 것이다.

FZ법, 소위 플로팅 존 방법(floating zone method) 또는 존 용융법(zone melting method)에 의해 단결정, 특히 반도체 재료의 단결정을 인상하는 데 있어서, 고순도의 단결정을 생성하는 것이 가능하다. 이 방법에서, 다결정, 즉 보다 구체적으로는 다결정질 반도체 재료로 형성된 결정은 용융된 다음, 재결정화된다.

상기한 프로세스에서는, 구별 가능한 상이한 단계들이 있는데, 이들 단계는, 예컨대 WO 2014/033212 A1에 설명되어 있다. 이 경우에 다결정은 먼저 용융된 다음, 단결정질 시드 상에 재결정화된다.

여기에서 제조되는 단결정의 직경은 가는 네크 섹션(neck section)이라고 불리는 곳에서 대략 시드의 직경에서 시작하여 감소되며, 이어서 원하는 직경으로 원추 섹션으로 확대된다. 그 후, 직경은, 예컨대 로드 형태의 단결정을 제공하기 위해 일정하게 유지될 수 있다.

예컨대, JP 4 016 363 B2로부터, 4개의 상이한 카메라를 사용하여, 다결정, 다결정에 부착된 시드, 및 다결정과 시드 사이에 위치하는 액체 또는 용융 재료의 상이한 영역들을 기록하는 FZ법이 알려져 있다. 이러한 기록으로부터, 다결정 및 단결정의 직경뿐만 아니라 액체 또는 용융 재료의 영역 또는 구역의 높이 - 구역 높이라고 함 - 도 또한 결정된다.

이 높이에 기초하여, 다결정을 용융시키는 유도 코일의 출력이 동적으로 조정되어, 특히 전술한 가는 네크 섹션을 형성한다. 시드 및/또는 다결정의 하강 속도가 설정 또는 조정되는 것도 또한 가능하다.

그러나, 전술한 접근법의 단점은, 구역 높이를 결정하는 기초가 되는 영역을 캡쳐하기 위해 다양한 카메라가 요구된다는 것이다.

이에 따라, 이러한 배경기술에 대하여, 본 발명의 목적은 용융 장치의 출력을 조정하는 보다 용이하고 정밀한 수단을 제공하여, 특히 공정이 자동화되도록 하는 것이다.

본 발명에 따르면, 독립 청구항의 피쳐(feature)를 갖는 단결정 인상을 위한 방법 및 플랜트가 제안된다. 유리한 실시예는 종속 청구항의 대상이며, 아울러 이후의 설명의 대상이다.

본 발명의 시작점은, 전자기 용융 장치로 다결정을 용융시킨 다음, 재결정화하는 FZ법에 의해 단결정을 인상하기 위한 방법에 관한 것이다. 여기에서, 다결정 그리고 이에 따라 제조 대상 단결정에 적절한 재료는 특히 반도체 재료, 바람직하게는 실리콘이다. 상기 재료는 또한 특정 불순물 또는 도펀트를 포함할 수 있다는 점이 이해될 것이다.

제1 단계에서, 일반적으로, 예컨대 직경이 160 mm인 로드 형태의 다결정이 우선 용융 장치에 의해 (로드 형상 다결정의 수직 배치의 경우에 중력에 대하여) 하단부에서 용융되기 시작한다. 특히 여기에서 고려되는 용융 장치는 인덕터 또는 유도 코일이다. 이 경우, 고주파 여기(radiofrequency excitation)에 의해 전자기 에너지가 인덕터 근처로 운반되는 다결정에 커플링될 수 있다.

상기한 제1 단계에서, 일반적으로 그 하단부에서 원추형이고, 선택적으로 편평한 하부 섹션을 갖는 다결정은 하강되어 인덕터의 중앙 구멍에 도달할 수 있다. 다결정에 커플링되는 전자기 에너지의 양을 최대화하기 위해, 다결정의 하단부를 구멍의 에지까지 이동시키는 것이 유용하다. 그 후, 다결정은 하단부에서 용융되기 시작하고, 초기에 다결정에 매달린 액체 재료의 액적이 형성된다.

그 후, 제2 단계에서 특히 마찬가지로 로드 형상이고 직경이 약 4 내지 7 mm인 단결정질 시드가, 예컨대 다결정의 하단부에 그리고 이에 따라 액체 재료의 액적에 부착되고, 그 후 바람직하게는 시드의 상단부에서부터 용융되기 시작한다. 시드의 용융은 일반적으로 단지 시드의 온도 자체가 이미 액체인 재료의 온도로 조정된 이후에만 시작된다. 시드는 통상 그 길이의 특정 영역에 걸쳐 용융될 수 있는데, 이 특정 영역의 길이는, 예컨대 5 내지 20 mm일 수 있다. 그러나, 그 하단부에 있는 소정 영역은, 이 섹션이 적어도 부분적으로 인상 장치에 고정될 것이 요구되기 때문에 용융되지 않는다는 점이 이해될 것이다. 시드의 용융을 위해, 시드와 다결정은 상향 이동된다. 이것은, 예컨대 시드가 인덕터에 있는 구멍 방향으로 이동된다는 것을 의미한다. 이 절차에서, 예비 시드가 다결정의 하단부에 형성된다. 이와 관련하여 예비 시드는, 다결정의 하단부에 있는, 보다 구체적으로는 플러그 형태의 영역으로, 시드가 부착된다.

그 후 제3 단계에서, 시드의 하부 섹션[예컨대, 상기한 인상 장치에서 시드를 유지할 수 있음]과 다결정(여전히 고체이면서 아직 용융되지 않는 다결정 부분임) 사이에는, 직경이 시드의 직경보다 작은, 가는 네크 섹션이 형성된다. 이 가는 네크 섹션은 임의의 전위 - 예컨대, 시드를 다결정 상의 액체 재료에 부착함으로써 형성됨 - 를 제거하기 위해 형성된다. 여기에서 가는 네크 섹션의 직경은, 예컨대 2 내지 4 mm일 수 있다. 이러한 가는 네크 섹션을 형성하기 위해, 시드와 다결정은 시드가 원하는 대로 용융된 후에 다시 하향 이동될 수 있다. 이제 시드의 하강 속도를 증가시키는 것에 의해, 질량 보존으로 인해 액체 재료 또는 그 후에 결정화되는 재료의 구역의 직경이 감소된다.

이러한 가는 네크 섹션 이후, 단결정의 직경이, 예컨대 약 200 mm의 소망하는 직경으로 증가된 후, 유지될 수 있다. 이들 단계는 이후에 보다 상세히 다시 설명하겠다.

이 네크 섹션의 형성에 관하여, 즉 제3 단계 동안, 용융 장치에 의해 고체 재료에 커플링되는 전자기 에너지가 대략 4 mm의 재료 두께 미만에서만 어렵게 재료에 커플링된다는 문제가 발생한다. 이러한 이유로, 유도 전류를 위한 자유 경로 길이가 너무 짧아진다.

이것은 결국 보다 급속한 결정화와, 인덕터로부터 하부 상 경계의 높이 및/또는 거리에서의 관련 변화 그리고 이에 따른 직경에서의 변화, 그리고 이에 따라 커플링되는 에너지의 변화를 초래한다. 즉, 인덕터로부터 하부 상 경계의 거리는 비제어 방식으로 변동하는 경향이 있다. 이뿐만 아니라, 커플링되는 에너지 또는 출력의 양은 또한 일반적으로 시드 및 다결정의 초기 치수와 같은 다른 파라메터와, 용융 장치 또는 인덕터의 치수 및 배향에 좌우된다. 결과적으로, 용융 장치의 출력을 위해 특별한 값 또는 특별한 프로파일이 요구될 때, 이 경우에 목표로 하는 원하는 가는 네크 섹션의 형성은 거의 불가능하다. 이에 따라 서두에서 언급한 방법의 경우에서와 같은 2개의 상 경계 사이의 전체 높이는 효율적인 조절을 위해 사용될 수 있는 변수가 아니다.

본 발명에 따르면, 제3 단계 이전에 그리고 특히 제2 단계 동안에 용융 장치의 출력은 시드 부분 상에서 액체 재료와 고체 재료 사이의 하부 상 경계의 위치에 의존하여 적어도 일시적으로 동적으로 조정되며, 즉 출력은 상기 위치에 의존하여, 예컨대 시간에 대해 적절하게 변경 또는 조절된다. 추가로, 제3 단계 동안에 용융 장치의 출력은 다결정 부분 상에서 액체 재료와 고체 재료 사이의 상부 상 경계의 위치에 의존하여 적어도 일시적으로 동적으로 조정된다.

이러한 점에서, 각각의 위치 또는 각각의 위치와 관련된 변수를 조절 변수로서 사용하고, 따라서 용융 장치의 출력을 피제어 변수로서 사용하는 것이 유용하다. 각각의 위치와 관련이 있는 변수로서 적합한 변수는 바람직하게는, 특히 용융 장치 상에 위치하는 고정된 기준 지점으로부터 각각의 상 경계의 거리이다. 둘레방향으로의 상 경계는 일반적으로 비선형이기 때문에, 예컨대 캡쳐 가능한 범위에 걸친 평균이 여기에서는 특히 적합하다. 이와 관련하여 기준 지점은 상이하거나 동일할 수 있다. 이것은, 특별히 전체 공정이 하나 이상의 카메라에 의해 기록되는 경우에 각각의 상 경계의 위치가 간단히 캡쳐되게 한다. 여기에서는, 하부 상 경계를 위해서는 특히 용융 장치 아래에 카메라가 배치되는 것이 유용하고, 상부 상 경계를 위해서는 특히 용융 장치 위에 카메라는 배치되는 것이 유용하다. 카메라에 의해 캡쳐된 사진은 그 후 필요한 위치 또는 거리 각각을 얻기 위해 (자동으로) 평가될 수 있다.

제2 단계에서 시드가 용융하는 동안, 재료의 직경은 충분히 크고, 따라서 전자기 에너지가 용이하게 커플링되며, 그 결과 상기 하부 상 경계의 위치가 용융 장치의 출력을 결정하기 위한 양호한 지표로서 사용될수 있다. 시드(그리고 다결정)가 변위(특히 시드의 용융 중에 융기)되는 정해진 속도에서, 이에 따라 용융 장치의 출력은, 예컨대 기준 지점으로부터의 하부 상 경계의 위치 또는 그 거리가 대체로 일정하게 유지되거나, 예정된 곡선을 따르도록 하는 방식으로 동적으로 조정될 수 있다.

가는 네크 섹션의 형성 중에는, 이와 대조적으로 상기 하부 상 경계의 위치가 더 이상 용융 장치의 출력을 결정하기 위한 양호한 표지가 될 수 없는데, 그 이유는 언급한 바와 같이 작은 직경에서는 전자기 에너지가 재료에 불량하게 커플링되고, 이에 따라 결정화 속도도 또한 급격히 변하며, 이에 따라 하부 상 경계의 위치가 매우 급격히 변동하기 때문이다. 용융 장치의 출력을 조정하기 위해 사용되는 하부 상 경계의 위치가 길어질수록, 이 효과는 더욱 증가할 것이다.

상기 상부 상 경계의 위치는 이와 대조적으로 가는 네크 섹션의 형성 중에 용융 장치의 출력을 결정하기 위한 양호한 표지로서 기능하는데, 그 이유는 이때, 즉 고체 다결정의 하단부에서 재료 직경이 충분히 크고, 이에 따라 전자기 에너지가 웰(well)에 커플링되기 때문이다. 여기에서는, 즉 상 경계의 변화가 제어된다.

따라서, 이러한 방식에서는 시드가 용융하는 동안뿐만 아니라 가는 네크 섹션의 형성 중에도 용융 장치의 출력의 동적 조정이 가능하다. 비단속적인 정확한 출력 조정 또는 적응을 위해, 하부 상 경계의 위치에 대한 의존의 상부 상 경계의 위치에 대한 의존으로의 변경이 바로 수행되는 것이 유용하다. 이러한 변화를 위한 타이밍으로서, 시드 및/또는 다결정이 수직방향으로 이동되는 속도가 증가하기 전의 시점이 특히 적절하다. 그러나, 대안으로서 전이를 안정하게 유지하기 위해 2개의 변수의 이용에 있어서 특정 임시 중첩도 또한 고려할 수 있다. 가는 네크 섹션이 시드의 용융 후에 형성되는 경우, 우선 시드와 다결정 이동방향의 역전이 필요한데, 즉 2개가 하강되어야만 한다. 가는 네크 섹션을 형성하기 위해서는, 직경을 줄이기 위해 추가로 전술한 바와 같은 속도, 보다 구체적으로는 하강 속도에서의 증가가 필수적이다. 출력이 그에 의존하여 조정되는 위치에서의 변경이 이러한 속도 증가 이전에, 보다 구체적으로는 그 직전에 수행되면, 전자기 에너지의 불량한 커플링으로 인해 출력이 오조정될 위험이 없다.

FZ법과 관련하여 제4 단계에서, 원추형 섹션이 가는 네크 섹션과 다결정 사이에 형성될 수 있다. 이러한 유형의 원추형 섹션은 가는 네크 섹션의 직경에서 원하는 직경으로 직경을 확대하는 기능을 한다. 제4 단계 동안, 용융 장치의 출력은 바람직하게는 고유 변수 - 원추형 섹션의 경사각이나 내부 변화를 추정하는 데 사용 가능함 - 에 의존하여 적어도 일시적으로 동적으로 조정된다. 특히 결정화된 재료의 원추형 섹션의 경사각, 고체 재료, 액체 재료 및 주위 간의 3중점에서의 원추 섹션의 경사각, 원추형 섹션의 직경 변화 또는 하부 상 경계에서의 원추형 섹션의 직경(이때 단결정 원추형 섹션과 액체 재료 사이에 이미 위치함)이 이러한 유형의 고유 변수로서 고려된다; 후자의 경우, 사용되는 조절기 구조체의 조정이 가능하다면 필수적일 수 있다. 출력 조정을 위한 기초가 되는 이들 변수 각각에 의해, 원하는 원추 형태, 즉 특히 원하는 경사각을 달성하는 것이 가능하다. (이미 상부에 결정화된 재료와 함께) 시드 및 다결정의 하강 속도도 또한 직경을 증가시키기 위해 변경되어야만 한다는 점이 이해될 것이다. 특히, 하강 속도에서의 감소는 보다 많은 양의 재료가 결정화될 수 있고, 따라서 직경이 증가함을 의미한다.

하부 상 경계의 위치에서 상부 상 경계의 위치로의 변경의 경우와 같이, 여기에서도 또한 상부 상 경계의 위치에 대한 의존의 고유 변수에 대한 의존으로의 변경을 바로 수행하는 것이 유리하다. 이러한 방식으로, 단속되지 않는 출력의 조정이 가능하다. 그러나, 여기에서는 또한 출력이 상부 상 경계의 위치와 고유 변수에 의존하여 조정되는 동안, 특정 임시 중첩이 고려될 수 있다.

이 변경을 위한 타이밍으로서, 특히 예정된 정확도 미만으로만 상부 상 경계의 위치의 검출이 후속하여 가능한 시기가 고려된다. 원추형 섹션의 형성에 있어서, 용융되는 다결정의 증가하는 직경은 더욱더 많은 다결정 재료가 용융되어야만 함을 의미한다. 이 경우, 상부 상 경계, 즉 고체와 액체 실리콘 사이의 경계는 덜 급격하게 형성되고, 이에 따라 이때 몇몇 시점에서는 용융 장치의 출력을 조정하기 위해 기준이 되는 이 경계를 더 이상 충분한 정확도로 결정할 수 없다.

여기에서는 특히 용융 장치 아래에 배치된 카메라가 고유 변수를 결정하는 데 사용되는 것이 유용하다. 이러한 목적으로, 특히 하부 상 경계를 캡쳐하기 위해 이미 사용되고 있는 카메라를 사용하는 것이 가능하다. 그 후, 카메라에 의해 캡쳐된 이미지는 따라서 필요한 변수를 얻기 위해 (자동으로) 평가될 수 있다.

본 발명의 다른 주제는, 본 발명의 방법을 구현하기 위해 장착되는 플랜트이다. 이러한 목적을 위한 플랜트는, 특히 앞서 다수 언급한 유형의 용융 장치, 그리고 또한 적절한 연산 유닛을 포함할 수 있다. 연산 유닛은 이때 이에 따라 개별 방법 단계를 구현하고, 또한 예컨대 이에 따라 카메라를 구동하며 그 이미지를 평가하기 위해 장착될 수 있다.

반복을 피하기 위해, 추가의 실시예 그리고 또한 플랜트의 장점에 관하여 본 발명의 방법에 관한 상기 설명을 참고할 수 있다.

본 발명의 다른 장점 및 실시예는 설명 및 첨부도면으로부터 명백할 것이다.

앞서 확인한 피쳐 및 이후 설명되는 피쳐는 본 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 지시된 특정 조합뿐만 아니라 다른 조합 또는 그 자체로 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다.

본 발명은 예시적인 실시예에 의해 도면에 개략적으로 예시되고, 도면을 참고하여 아래에서 설명된다.

도 1은 본 발명의 방법을 구현할 수 있는 용융 장치 및 다결정을 개략적으로 보여준다.
도 2는 도 1의 용융 장치를 다른 시각에서 보여준다.
도 3a 내지 도 3f는 바람직한 일실시예에서의 본 발명의 방법의 상이한 단계들을 개략적으로 보여준다.
도 4는 바람직한 일실시예에서의 본 발명의 방법의 시간적 순서를 보여준다.
도 5는 반도체 재료 내로의 전자기 에너지의 커플링에 관한 다이어그램을 보여준다.

도 1에서는 본 발명의 방법을 구현할 수 있는 용융 장치(300) 및 다결정(100)이 측면도로 개략적으로 예시된다. 용융 장치(300)는 여기에서 인덕터 또는 유도 코일(310) - 예컨대 대응하는 라인을 통해 접속된 구동 유닛(320)에 의해 대응하게 고주파로 구동 또는 작동될 수 있음 - 을 갖는다.

이러한 용융 장치(300)는 이 경우에 단결정 인상을 위해 장착되는 플랜트의 부분일 수 있다. 이때 이러한 유형의 플랜트도 또한 인덕터(300)를 위한 대응하는 유지 디바이스, 단결정(100) 및 카메라(351, 352, 353)를 가질 수 있다. 더욱이, 이러한 유형의 플랜트는 다른 구성을 제어하기 위한 연산 유닛(도시하지 않음)을 가질 수 있다.

특히 실리콘을 포함하거나 실리콘으로 구성될 수 있는 다결정(100)은 주로 로드 형상 또는 원통형이다. 여기에는 단지 일부만 도시되어 있는 로드 형상 또는 원통형 영역에서, 다결정(100)은, 예컨대 160 mm일 수 있는 직경(d_P)을 갖는다. 그러나, 그 하단부에서 다결정(100)은 원추형 형상이며, 이에 따라 원추형 섹션(110)을 갖는다. 더욱이, 원추형 섹션(11)은 결국 그 하단에 편평한 단부를 가질 수 있다는 것을 알 수 있다.

다결정이 기계 가공되는 것이 아니라, 예컨대 완료되지 않은 용융 공정으로부터 형성되는 경우, 이 하단은 다른 형태를 가질 수도 있다. 더욱이, 시드(140)를 볼 수 있는데, 이 시드는, 예컨대 4 내지 7 mm일 수 있는 직경(d_I)을 갖는다. 시드는, 마찬가지로 로드 형상 또는 원통 형태일 수 있는 단결정이다.

도 2에는 상이한 시각으로 본, 이 경우에는 평면도로 도 1의 용융 장치가 예시되어 있으며, 다결정(100)은 도시되어 있지 않다. 여기에서는, 인덕터(310)의 중앙에 있는 리세스 또는 구멍을 명확히 볼 수 있으며, 용융 공정 중에 이 리세스 또는 구멍을 통해 다결정이 안내된 다음, 액화 상태로 된다.

여기에서는 특히, 용융 장치의 기능을 위해, 보다 구체적으로는 전자기 에너지의 생성을 위해 필요한 주 슬롯(311)과 3개의 보조 슬롯(312)도 또한 볼 수 있다. 볼 수 있다시피, 인덕터는 주 슬롯(311)으로 인해 폐쇄되지 않는다.

다음에, 도 3a 내지 도 3f는 바람직한 일실시예에서의 본 발명의 방법의 상이한 단계들을 개략적으로 보여준다. 본 발명의 프로세스는 도 3a 내지 도 3f와 또한 도 4 - 개별 단계에서의 다결정의 속도(v_P)와 시드의 속도(v_I)를 시간(t)에 대해 나타냄 - 를 참고로 하여 아래에서 더 상세히 설명하겠다.

제1 단계(P₁)에서는, 다결정(100)이 우선 인덕터(310) 또는 인덕터 중앙의 리세스로 이동된다. 이를 위해, 예컨대 다결정은 일정한 속도로 하강된다. 시드(140)는 여기에서 아직 이동될 필요가 없다. 여기에 도시된 배향과 대조적으로, 다결정(100)은 또한 이 다결정(100)으로의 전자기 에너지의 보다 효율적인 커플링을 가능하게 하기 위해 인덕터(310)의 내부 에지에 보다 근접하게 이동될 수 있다.

다결정(100)은 이에 따라 그 하단부에서 용융되기 시작하고, 이에 따라 원추형 섹션의 하단부를 포함한다. 이 경우에, 도 3a에서 볼 수 있는 바와 같이 다결정에 매달린 액체 재료의 액적(120)이 형성된다. 여기에서 그리고 후속 도면에서, 액체 재료는 음영을 갖는 것으로 도시되어 있는 반면, 고체 재료는 백색 또는 음영을 갖지 않는 것으로 도시되어 있다.

제2 단계(P₂)에서, 시드(140)는 이때 도 3b에 도시한 바와 같이 다결정(100)의 하단부에 그리고 이에 따라 액체 재료의 액적(120)에 부착되고, 시드(140)의 상단부에서부터 용융되기 시작한다. 이를 위해, 예컨대 다결정(100)이 휴지 상태인 동안에, 시드는 우선 다결정(100)을 향해, 즉 상방으로 정해진 속도로 이동된다. 이 경우에 시드(140)의 용융은 일반적으로, 단지 시드(140)의 온도가 이미 액체인 재료의 온도와 균등해진 후에 시작된다.

시드(140)가 다결정(100)의 하단부에서 액체 재료의 액적에 부착되고, 액적과 함께 용융될 때, 도 3c에서 볼 수 있다시피 다결정(100)과 시드(140)는 함께 상향 이동된다. 이 경우, 예비 시드(141)도 또한 다결정의 하단부에 형성된다. 그 후 시드는 인덕터(310)의 구멍 방향으로 이동되는 것에 의해 그 길이의 특정 영역에 걸쳐, 예컨대 5 내지 20 mm에 걸쳐 용융될 수 있다.

그러나, 시드(140)의 하단부에서의 특정 영역은 용융되지 않는데, 그 이유는 이 섹션이 (상기한 플랜트의 일부인) 인상 장치에 체결되기 위해 필요하기 때문이다.

여기에서, 용융 장치(300)의 출력은 하부 상 경계(P_U)의 위치에 의존하여 제2 단계(P₂) 동안에 동적으로 조정된다. 이러한 하부 상 경계(P_U)는 도 3b 및 도 3c에서 볼 수 있다시피 시드(140) 부분 상의 액체 재료와 고체 재료 사이의 상 경계로서 규정된다.

특히, 여기에서는 하부 상 경계(P_U)에서의 임의의 변화를 보다 용이하게 획득하기 위해 고정된 기준 지점에 대한 하부 상 경계(P_U)의 위치가 결정될 수 있다. 도 3c에서는, 예컨대 인덕터(310) 상의 지점(P_B)이 고정된 기준 지점으로서 선택된다. 하부 상 경계(P_U)와 기준 지점 모두는 이러한 목적으로 도 1에 도시한 바와 같은 카메라(352)에 의해 캡쳐될 수 있다. 이러한 측정으로부터, 그 후 (하부) 거리(h_U)를 결정하는 것이 가능하다. 상이한 기준 지점도 또한 사용될 수 있는데, 이 경우에는 해당 기준 지점도 마찬가지로 이에 따라 캡쳐될 수 있도록 보장해야 함에 유념해야만 한다는 점이 이해될 것이다.

이러한 (하부) 거리(h_U)는, 용융 장치(300)의 출력이 대응하게 피제어 변수로서 사용되는 동안, 조절 변수로서 사용될 수 있다. 도 3c에서 볼 수 있다시피, 하부 상 경계는 제2 단계(P₂) 중에 용이하게 캡쳐될 수 있다.

제3 단계에서는(P₃), 그 후에 시드(140)의 하부 섹션과 다결정(100) 사이(즉, 여전히 고체이면서 아직 용융되지 않은 다결정 부분)에는, 가는 네크 섹션(130)이 형성되며, 예컨대 2 내지 4 mm인 이 네크 섹션의 직경(d_D)은 시드(140)의 직경보다 작다. 이를 위해, 다결정(100)과 시드(140)는 우선 동시에, 즉 동일한 속도로 하향 이동된다.

그 후, 시드(140)의 하강 속도는 특정 시점에 다결정(100)의 하강 속도에 비해 증가된다. 이에 따라, 액체 재료 또는 그 후 결정화되는 재료의 구역의 직경이 질량 보존으로 인해 감소된다. 도 3d에서는, 예컨대 특정 길이를 갖는 가는 네크 섹션(130)이 이미 형성되어 있다.

가는 네크 섹션(130)의 형성에 관하여, 용융 장치(300)에 의해 고체 및/또는 액체 재료에 커플링되는 전자기 에너지가 단지 약 4 mm의 재료 두께 미만에서만 어렵게 재료에 커플링된다는 문제가 발생한다.

이에 관하여, 도 5에는 반도체 재료 내로의 전자기 에너지의 커플링에 관한 다이어그램이 예시되어 있다. 이 도면에서, 커플링되는 에너지(E)의 비율이 반도체 재료의 직경(d)(mm 단위)에 대하여 제공되는 총 에너지(Emax)에 대한 비율로서 플로팅된다. 곡선 형상으로부터, 5 mm에서부터, 보다 구체적으로는 4 mm에서부터 커플링되는 에너지 부분이 점점 더 적어진다는 것이 명백하다.

따라서, 재료의 직경이 특정값 미만으로 떨어지는 즉시, 용융 장치의 출력이 예정된 대로라고 가정하면 고체 재료에 커플링되는 에너지가 감소한다. 이것은 결국 보다 신속한 결정화와 인덕터로부터 상 경계의 높이 및/또는 거리 그리고 이에 따라 직경에서의 변화, 그리고 이에 따라 커플링되는 에너지에서의 변화도 또한 초래한다.

이뿐만 아니라, 커플링되는 에너지 또는 출력의 양은 또한 일반적으로 시드(140) 및 다결정(100)의 초기 치수와 같은 다른 파라메터와, 또한 용융 장치(300) 또는 인덕터(310)의 치수 및 배향에 좌우된다. 결과적으로, 특별한 값 또는 특별한 프로파일이 용융 장치의 출력을 위해 요구될 때, 이 경우에 원하는 가는 네크 섹션의 형성은 거의 불가능하다.

제2 단계에서, 하부 상 경계(P_U) 또는 그 위치는 여전히 용융 장치(300)의 출력 결정을 위한 양호한 지표인 반면, 제3 단계에서는, 보다 구체적으로는 가는 네크 섹션(130)이 나타나는 즉시, 더 이상 그렇지 않다. 전자기 에너지의 불량한 커플링으로 인해, 결정화 속도가 또한 급격히 변화되고, 이에 따라 하부 상 경계의 위치가 매우 급격하게 변동한다. 용융 장치(300)의 출력을 조정하기 위해 사용되는 하부 상 경계(P_U)의 위치가 길어질수록, 이 효과는 더욱 증가할 것이다.

제3 단계에서는 이에 따라 도 3b 및 도 3d에 도시한 바와 같은 상부 상 경계(P_O) 및/또는 그 위치가 출력을 결정하는 데 사용된다. 여기에서는 또한, 기준 지점(P_B)(또는 그 밖의 다른 기준 지점)으로부터의 거리, 본 경우에는 (상부) 거리(h_O)가 사용될 수 있다.

상부 상 경계(P_O)뿐만 아니라 기준 지점(P_B)도 또한 이를 위해 도 1에 도시한 바와 같은 카메라(351)에 의해 캡쳐될 수 있다. 이들 데이터로부터, (상부) 거리(h_O)를 결정하는 것이 가능하다. 상이한 기준 지점도 또한 사용될 수 있는데, 이 경우에는 해당 기준 지점도 마찬가지로 이에 따라 캡쳐될 수 있도록 보장해야 함에 유념해야만 한다는 점이 이해될 것이다.

조절을 위해 이용되는 위치 또는 상 경계에서의 변화는 바람직하게는 다결정(100)의 하강 속도에 대한 시드(140)의 하강 속도에서의 증가 이전에 발생할 수 있다.

제4 단계(P₄)에서는, 가는 네크 섹션과 다결정(100) 사이에 도 3e에서 볼 수 있다시피 원추형 섹션(135)을 형성하는 것이 가능하다. 이러한 유형의 원추형 섹션(135)은 도 3f에서 볼 수 있다시피 직경을 가는 네크 섹션의 직경으로부터, 제조 대상 단결정의 원하는 직경(d_E), 예컨대 200 mm로 확대하는 기능을 한다.

제4 단계(P₄) 동안, 용융 장치(300)의 출력은 원추형 섹션(135)의 경사각(ψ)에 의존하여 동적으로 조정될 수 있다. 경사각(ψ) 대신에, 여기에서는 고체 재료, 액체 재료 및 주위 사이의 삼중점에서의 경사각을 사용하는 것도 또한 가능할 것이다. 그러나, 이미 언급한 적절한 다른 변수도 또한 고려할 수 있다.

따라서, 원하는 형태의 원추부, 즉 특히 원하는 경사각을 달성하는 것이 가능하다. 경사각도 마찬가지로, 예컨대 카메라(352)로 캡쳐될 수 있다. 단결정(150)의 원하는 직경(d_E)에 도달했을 때, 출력의 조절은 통상의 방법으로 변경될 수 있다.

Claims (13)

1. 다결정(100)이 전자기 용융 장치(300)에 의해 용융된 다음, 재결정화되는, FZ법에 의한 단결정(150) 인상법으로서,
   제1 단계(P₁)에서, 다결정(100)의 하단부를 용융 장치(300)에 의해 용융시키는 것,
   제2 단계(P₂)에서, 단결정질 시드(140)를 다결정(100)의 하단부에 부착하는 것,
   제3 단계(P₃)에서, 시드(140)의 하부 섹션과 다결정(100) 사이에, 직경(d_D)이 시드(140)의 직경(d_I)보다 작은 가는 네크 섹션(130)을 형성하는 것,
   제3 단계(P₃) 이전에, 시드(140) 부분 상의 액체 재료와 고체 재료 사이의 하부 상 경계(P_U)의 위치에 의존하여, 용융 장치(300)의 출력을 동적으로 조정하는 것,
   제3 단계(P₃) 동안에, 다결정(100) 부분 상의 액체 재료와 고체 재료 사이의 상부 상 경계(P_O)의 위치에 의존하여, 용융 장치(300)의 출력을 동적으로 조정하는 것, 및
   하부 상 경계(P_U)의 위치에 대한 의존에서 상부 상 경계(P_O)의 위치에 대한 의존으로의 변경을 바로 수행하는 것
   을 포함하는 단결정 인상법.
2. 제1항에 있어서, 하부 상 경계(P_U)의 위치에 대한 의존에서 상부 상 경계(P_O)의 위치에 대한 의존으로의 변경은, 시드(140), 다결정(100) 또는 시드(140) 및 다결정(100)이 수직방향으로 이동되는 속도가 증가하기 전에 발생하는 것인 단결정 인상법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   제4 단계(P₄)에서, 가는 네크 섹션(130)과 다결정(100) 사이에 원추형 섹션(135)을 형성하는 것과,
   제4 단계(P₄) 동안에, 원추형 섹션(135)의 경사각(ψ)을 유도하는 데 사용될 수 있는 고유 변수에 의존하여, 용융 장치(300)의 출력을 동적으로 조정하는 것을 포함하는 단결정 인상법.
4. 제3항에 있어서, 사용되는 고유 변수는 결정화된 재료의 원추형 섹션의 경사각, 고체 재료, 액체 재료 및 주위 사이의 삼중점에서의 원추형 섹션의 경사각, 원추형 섹션(135)의 직경 변화 또는 하부 상 경계에서의 원추형 섹션(135)의 직경인 것인 단결정 인상법.
5. 제3항에 있어서, 용융 장치(300)의 출력을 조정하는 동안, 상부 상 경계(P_O)의 위치에 대한 의존의 고유 변수에 대한 의존으로의 변경을 바로 수행하는 것, 또는
   용융 장치(300)의 출력을 동시에 상부 상 경계(P_O)의 위치 및 고유 변수에 의존하여 일시 조정하는 것을 포함하는 단결정 인상법.
6. 제3항에 있어서, 상부 상 경계(P_O)의 위치에 대한 의존의 고유 변수에 대한 의존으로의 변경은, 후속하여 단지 예정된 정확도 미만으로 상부 상 경계(P_O)의 위치에 대한 검출이 가능한 즉시, 일어나는 것인 단결정 인상법.
7. 제3항에 있어서, 용융 장치(300) 아래에 배치되는 카메라(352)를 사용하여 원추형 섹션의 경사각(ψ)을 위한 고유 변수를 결정하는 것을 포함하는 단결정 인상법.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하부 상 경계(P_U), 상부 상 경계(P_O) 또는 하부 상 경계(P_U) 및 상부 상 경계(P_O)의 위치를 각각 용융 장치(300) 상의 고정된 기준 지점(P_B)에 대한 각각의 상 경계의 거리(h_U, h_O)로서 고려하는 것을 포함하는 단결정 인상법.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 용융 장치(300) 아래에 배치되는 카메라(352)를 사용하여 하부 상 경계(P_U)의 위치를 고려하는 것을 포함하는 단결정 인상법.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 용융 장치(300) 위에 배치되는 카메라(351)를 사용하여 상부 상 경계(P_O)의 위치를 고려하는 것을 포함하는 단결정 인상법.
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