KR20190104383A - Fz법에 의한 단결정 인상을 위한 방법 및 플랜트 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 다결정(100)을 전자기 용융 장치에 의하여 용융시킨 후 재결정화하는, FZ법에 의한 단결정의 인상 방법으로서, 제1 단계에서는, 다결정(100)의 하위 단부가 용융 장치에 의해 용융되며, 제2 단계에서는, 단결정질 시드(140)가 다결정(100)의 하위 단부에 부착되고 시드(140)의 상위 단부로부터 시작하여 용융되며, 제3 단계에서, 다결정(100)과 시드(140)의 하위 섹션 사이에, 시드(140)의 직경(d_l)보다 작은 직경(d_D)을 갖는 씬 넥 섹션(thin neck section; 130)이 형성되고, 제4 단계에서, 상기 씬 넥 섹션(130)과 상기 다결정(100) 사이에, 단결정의 원추형 섹션이 형성되며, 제4 단계에 도달하기 이전에, 상기 다결정의 전환 위치(switchover position; h’)가 결정되며, 상기 전환 위치는, 용융 장치에 대해 다결정(100)이 이동하는 속도를 크기 면에서 감소시키는 위치이고, 제4 단계에 있어서, 용융 장치에 대해 다결정(100)이 이동하는 속도는, 상기 전환 위치(h’)에 도달할 때 크기 면에서 감소되는 것인 방법에 관한 것이고, 또한 대응하는 플랜트(plant)에 관한 것이다.

Description

FZ법에 의한 단결정 인상을 위한 방법 및 플랜트

본 발명은, 다결정을 전자기 용융 장치에 의하여 용융시킨 후 재결정화하는 FZ법에 의한 단결정 인상을 위한 방법에 관한 것이며, 또한, 대응하는 플랜트(plant)에 관한 것이다.

FZ법, 소위 플로팅 존 방법 또는 대역 용융법(zone melting method)에 의한 단결정의 인상, 특히 반도체 재료의 인상에 있어서, 고순도의 단결정을 생성하는 것이 가능하다. 이러한 방법에 있어서, 다결정, 다시 말해서 보다 구체적으로 다결정질 반도체 재료로 제조되는 결정이 용융되며, 이후 재결정화된다.

이러한 방법에 있어서, 구별 가능한 다양한 단계들이 존재하는데, 이들 단계는 예컨대 WO 2014/033212 A1에 설명되어 있는 바와 같다. 이러한 경우에 있어서, 상기 다결정은 우선 용융되며, 이후 단결정질 시드(seed) 상에서 재결정화된다.

제조될 단결정의 직경은 대략 소위 씬 넥 섹션(thin neck section)으로 불리는 상기 시드의 직경으로 감소되며, 후속하여 원추형 섹션에서 원하는 직경으로 넓어진다. 상기 직경은 이후 예컨대 로드(rod) 형태의 단결정을 제공하기 위해 일정하게 유지될 수 있다.

예컨대 JP 4 016 363 B2로부터, 다결정, 이 다결정에 부착되어 있는 시드, 그리고 이들 사이에 위치하는 액체 재료 또는 용융 재료의 다양한 영역을 기록하기 위해 4대의 상이한 카메라가 사용되는 FZ 방법이 알려져 있다. 전술한 기록으로부터, 다결정 및 단결정의 직경뿐만 아니라 영역 높이(zone height)라고 불리는, 액체 재료 또는 용융 재료의 영역 혹은 구역의 높이가 결정된다.

이러한 유형의 방법에 있어서, 다결정의 외측 가장자리에서의 하위 에지와 시드의 부분 상의 액체 재료와 고체 재료 사이의 하위 상 경계 간의 거리를 결정하는 것이 가능하다. 이러한 결정에 기초하여, 수행될 수 있는 다양한 조절 작업이 존재한다.

다결정의 원추형 섹션이 용융되는 단계에서는, 용융 장치에 대해 다결정이 이동하는 속도의 감소(경우에 따라 극적인 감소)가 일반적으로 필요하다. 이러한 방식으로, 필요한 양의 재료를 용융시키는 것이 가능하다. 그러나, 앞서 언급한 바와 같은 거리를 이용하면, 속도의 감소가 이루어지는 다결정의 위치를 결정하기가 불가능하거나 곤란하다.

따라서, 전술한 배경기술과는 달리, 본원의 목적은, 특히 전술한 작업의 자동화를 허용하도록 하기 위해, 다결정의 속도 감소 위치를 조정하는, 더욱 용이한 및/또는 더욱 정확한 수단을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 독립 청구항의 특징을 갖춘, 단결정 인상을 위한 방법 및 플랜트가 제시된다. 유리한 실시예는 종속 청구항의 대상이며, 또한 이하의 설명의 대상이다.

본 발명에 관한 시작점은, 다결정을 전자기 용융 장치에 의하여 용융시킨 후 재결정화하는 FZ법에 의한 단결정 인상 방법이다. 상기 다결정에 적격인 재료 및 이에 따라 또한 본원에서 제조될 단결정에 적격인 재료는, 구체적으로 반도체 재료, 바람직하게는 실리콘이다. 상기 재료는 또한 특정 불순물 또는 도펀트를 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

제1 단계에 있어서, 대체로 예컨대 160 mm의 직경을 갖는 로드의 형태인 다결정은 먼저 (로드 형상의 다결정의 수직 배치 시에 중력과 관련하여) 하위 단부에서 시작하여 용융 장치에 의해 용융된다. 본원에서 고려되는 용융 장치는 특히 인덕터(inductor) 또는 유도 코일이다. 이러한 경우에 있어서, 무선 여기(radiofrequency excitation)를 이용하여, 인덕터 주위로 다가가는 다결정에 전자기 에너지가 커플링(coupling)될 수 있다.

전술한 제1 단계에 있어서, 다결정의 하위 단부에서 대체로 원추형인 다결정은, 선택적으로 얕은 하위 섹션을 갖고서, 아래로 향하게 될 수 있으며, 인덕터 내의 중앙 구멍까지 다가가게 될 수 있다. 상기 다결정과 커플링되는 전자기 에너지의 양을 극대화하기 위해, 다결정의 하위 단부를 상기 구멍의 에지까지 가져가는 것이 유용하다. 상기 다결정은 이후 상기 하위 단부에서 용융되기 시작하고, 이때 초기에 생성된 액체 재료의 액적이 상기 다결정에 매달린다.

다음으로, 제2 단계에 있어서, 단결정질 시드, 구체적으로는 예컨대 마찬가지로 로드 형상으로 성형되며 대략 4 내지 7 mm의 직경을 갖는 단결정질 시드가 상기 다결정의 하위 단부에 부착되며, 이에 따라 액체 재료의 액적에 부착되고, 이후 시드의 상위 단부로부터 시작하여 용융된다. 상기 시드의 용융은 일반적으로, 시드의 온도가 이미 액체인 재료의 온도에 자체로 맞춰진 이후에만 시작된다. 상기 시드는 유용하게는 그 길이의 특정 영역에 걸쳐 용융될 수도 있으며, 상기 길이는 예컨대 5 내지 20 mm일 수도 있다. 그러나, 시드는 인상 장치에서의 고정을 필요로 하기 때문에 시드의 하위 단부에서의 특정 영역은 용융되지 않는다는 것을 이해할 것이다. 시드의 용융을 위해, 상기 시드 및 상기 다결정은 상방을 향해 이동하게 된다. 이는, 예컨대, 상기 시드가 인덕터의 구멍의 방향으로 이동하게 되는 것을 의미한다. 이러한 과정에 있어서, 예비 시드가 상기 다결정의 하위 단부에 형성된다. 이러한 맥락에서 예비 시드는, 보다 구체적으로 플러그(plug)의 형태인 영역으로서, 시드가 부착되는 상기 다결정의 하위 단부에 있는 영역이다.

이후, 제3 단계에 있어서, 시드의 하위 섹션(예컨대, 전술한 인상 장치에서 시드가 유지될 수 있도록 하는 부분)과 상기 다결정(즉, 여전히 고체이며 아직 용융되지 않은 다결정의 부분) 사이에서는, 상기 시드의 직경보다 더 작은 직경을 갖는 씬 넥 섹션이 형성된다. 이러한 씬 넥 섹션은, 예컨대 상기 다결정 상의 액체 재료에 시드를 부착시킨 결과로서 형성되는 임의의 변위(dislocation)를 제거하기 위해 형성된다. 여기서 상기 씬 넥 섹션의 직경은, 예컨대 2 내지 4 mm에 해당할 수도 있다. 이러한 씬 넥 섹션을 형성하기 위해, 상기 시드 및 상기 다결정은, 시드가 원하는대로 용융된 이후에, 다시 하방을 향해 이동하게 될 수 있다. 이제 시드의 하향 속도를 높임으로써, 질량 보존에 따라, 액체 재료의 영역 또는 이후 결정화되는 재료의 직경이 감소하게 된다.

씬 넥 섹션 이후에, 상기 단결정의 직경은 이제 예컨대 약 200 mm의 원하는 직경으로 증가하게 될 수 있고, 이후 유지될 수 있다.

이를 위해, FZ 방법에서의 제4 단계에 있어서, 이제 상기 씬 넥 섹션과 상기 다결정 사이에 원추형 섹션이 형성될 수도 있다. 이러한 유형의 원추형 섹션은 씬 넥 섹션의 직경을 원하는 직경으로 넓히는 역할을 한다. 이를 위해, 대체로 직경의 증가를 위해 시드(이미 그 위에 결정화된 재료를 포함)의 하향 속도 및 다결정의 하향 속도를 변경할 필요가 있다. 구체적으로, 하향 속도를 낮추는 것은, 더 많은 양의 재료가 결정화될 수 있다는 것을 의미하고, 이에 따라 직경이 증가된다는 것을 의미한다. 구체적으로, 이러한 제4 단계에 있어서, 상기 다결정은 우선 적당한 속도로 이동 또는 하향하게 될 수도 있고, 이후 증가된 속도로 그리고 후속하여 매우 낮은 속도로 이동 또는 하향하게 될 수도 있다. 이러한 다앙? 속도는, 상 경계가 균일하게 존재하지 않는 임의의 상(phase)을 가능한 신속하게 해소시키기 위해 필요하다. 구체적으로, 상기 속도의 (전술한 매우 낮은 속도로의) 감소는 충분한 다결정 재료가 연속적으로 용융될 수 있도록 하는 역할을 하는데, 왜냐하면 이는 또한 원추형 섹션의 직경 증가를 필요로 하기 때문이다. 감속은, 예컨대 0.5 mm/분 이상의 속도로부터, 더욱 구체적으로 0.5 내지 1 mm/분 사이의 속도에서부터, 0.5 mm/분 미만의 속도로, 더욱 구체적으로 0.1 내지 0.5 mm/분의 속도로 이루어질 수도 있다. 그러나, 속도의 감소 이전에 그리고 속도의 감소 이후에, 상기 다결정은 특히 상기 속도에 관한 목표 곡선에 따라 이동하게 될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 제4 단계에 도달하기 이전에, 상기 다결정의 전환 위치(switchover position)가 결정되는데, 상기 전환 위치는, 용융 장치에 대해 다결정이 이동하는 속도의 크기가 감소하게 되는 위치이다. 이후, 제4 단계에 있어서, 용융 장치에 대해 다결정이 이동하는 속도의 크기는 이에 따라 상기 전환 위치에 도달할 때 감소하게 된다.

관례상, 상기 다결정의 하위 단부에 소위 플러그(plug)가 형성된다. 새로운 다결정의 경우에 있어서, 이러한 플러그는 일반적으로 평면적인 표면을 갖는다. 그러나, 예컨대 어떠한 이유로든 종료된 FZ 방법에서 사용된 다결정이 이미 용융되어 있는 경우, 이때 플러그(이 경우에는 특히 종료된 방법에서 예비 시드로서 형성되어 있는 플러그)는 더 이상 정해진 형상을 갖지 않는다. 특히, 이러한 형상은 또한 종료된 FZ 방법의 경우에 사용된 용융 장치에 따라 좌우될 수 있다. 이에 따라, 플러그의 형상 및/또는 원추형 섹션 상에서의 밑변의 위치는 다결정마다 다를 수 있다. 이에 대응하여, 상기 전환 위치도 역시 다결정마다 다를 수도 있다.

따라서, 대응하는 전환 위치가 FZ 방법의 초기 단계에서 결정되기 때문에, 보다 구체적으로는 제1 단계에서와 같이 초반에 결정되기 때문에, 제4 단계에서, 다시 말해서 특히 전술한 전환이 필요할 때 상기 속도를 감소시키는 것은 매우 용이하게 가능해진다. 따라서, 이에 의해 다결정이 이동하는 속도를 제어할 수 있게 된다. 조절은 불필요하다. 따라서, 구체적으로, 상기 방법의 자동화는 상당히 더 용이해지게 된다.

여기서는, 상기 전환 위치를 결정하려는 목적으로, 다결정의 특성 위치의 거리를 측정하는 것이 바람직하며, 상기 특성 위치는 예컨대 용융 장치 상의 정해진 위치로서 고정된 기준점에 대해 다결정의 원추형 섹션의 하위 단부 상에 위치하고, 이때 상기 전환 위치는 상기 거리로부터 결정된다. 이러한 특성 위치는, 구체적으로, 다결정의 원추형 섹션의 경사각이 사전에 정해진 값보다 더 크게 변하는 위치일 수도 있다. 따라서, 이는 특히 다결정의 하위 단부 상의 소위 플러그를 포함한다. 이러한 위치는, 예컨대 다결정의 특성 직경 또는 사전에 결정된 직경에 기초하여 인지될 수도 있다. 따라서, 여기서 상기 거리는 사전에 알려져 있지 않고, 우선 예컨대 이미지 처리 과정의 일부로서 적절한 수단에 의해 측정된다.

이러한 거리와 관련하여, 예컨대 하향 장치 또는 인상 장치의 현재 위치에 기초하여, 보다 구체적으로는 용융 장치의 위치에 대한, 상기 다결정의 중간 위치를, 특히 동기식으로, 결정할 수 있다. 상기 중간 위치는, 이에 따라, 상기 다결정의 (특히 수직 방향으로의) 용이하게 측정 가능한 위치 또는 용이하게 출력 가능한 위치일 수도 있다. 상기 속도가 감소되는, 상기 용융 장치로부터의 특성 위치의 원하는 거리를 이용하면, 이에 따라 구체적으로 속도가 감소될 때 엄밀하게 정확한 양의 재료가 용융되는 거의 이상적인 거리를 이용하면, 전술한 바에 따라서, (상황에 따라) 적절한 값을 추가 또는 감산함으로써, 마찬가지로 예컨대 하향 장치 또는 인상 장치의 정해진 위치로서, 상기 다결정의 이전에 정해진 중간 위치로부터 전환 위치를 결정하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 수단에 의해, 전체 다결정에 대한 특성 위치의 사전에 알려지지 않은 위치를 결정하는 것이 가능하고, 속도의 감소는 제4 단계 중에 매우 간단하게 달성될 수 있다.

대안으로, 상기 전환 위치를 결정하려는 목적으로, 상기 다결정의 중간 위치를 결정하는 것이 바람직하며, 상기 중간 위치는, 상기 다결정의 원추형 섹션의 하위 단부에 위치하는 상기 다결정의 특성 위치가 상기 다결정의 이동 중에 고정된 기준점으로부터 사전에 결정된 거리에 도달하거나 또는 상기 사전에 결정된 거리를 넘어서게 되는 위치이고, 이때 상기 전환 위치는 상기 중간 위치로부터 결정된다. 여기서 다시, 상기 특성 위치는 구체적으로 상기 다결정의 특성 직경 또는 사전에 결정된 직경으로부터 인지될 수도 있다. 이때 예컨대 상기 다결정의 상승 또는 하강 중에, 이에 따라, 연속적으로 또는 반복적으로, 상기 사전에 결정된 거리에서의 상기 직경이 포착되며, 상기 다결정의 중간 위치, 특히 상기 용융 장치에 대한 상기 다결정의 중간 위치는 이때 마찬가지로, 예컨대 상기 특성 위치가 상기 사전에 결정된 거리에 도달하거나 또는 상기 사전에 결정된 거리를 넘어설 때의 상기 하향 장치 또는 인상 장치의 정해진 위치로서 결정될 수도 있다. 이는, 예컨대 정해진 값을 하회하는 또는 상회하는 상기 사전에 결정된 거리의 높이에서의 직경에 의해 인지될 수도 있다. 대응하는 거리를 추가함으로써, 다시 말하면, 여기서, 고정된 기준점으로부터의 전술한 사전에 결정된 거리가 속도 감소 시점에 상기 고정된 기준점으로부터의 상기 특성 위치의 원하는 거리를 포함하게 되도록 정정됨으로써, 이에 따라 매우 용이하게 상기 전환 위치를 결정하는 것이 가능하다.

따라서, 2가지 변형에 있어서, 상기 중간 위치가 결정될 수 있으며, 상기 전환 위치의 결정에 이용될 수 있다. 제1 변형의 경우에는, 기준점(예컨대 적절한 시점의 기준점)으로부터 상기 특성 위치의 거리가 용이하게 측정되는 반면, 제2 변형의 경우에는, 상기 기준점으로부터의 상기 거리가 사전에 결정되고, 말하자면, 이 거리는, 상기 다결정의 이동 중에 상기 특성 위치가 상기 거리에 도달할 때까지 또는 상기 거리를 넘어설 때까지 모니터링된다. 상황에 따라, 한 가지 변형 또는 다른 하나의 변형이 더욱 간단할 수도 있고/있거나 더욱 유리할 수도 있다.

다결정의 특징인 상기 위치는, 바람직하게는 구체적으로 싱기 용융 장치 위에 배치되는 카메라를 이용하여 포착된다. 이는 상기 거리가 용이하게 결정 또는 포착되게 하는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 카메라를 이용하여, 명암차 또는 명암 천이를 매우 용이하게 인지하는 것이 가능하며, 이에 따라 또한 경사각의 변화, 그리고 그 결과로서의, 결정의 반사율 변화를 효과적으로 포착할 수 있게 된다.

유리하게는, 상기 전환 위치는 제1 단계 및/또는 제2 단계에서 결정되며, 달리 말하면, 예컨대, 또한 제1 단계로부터 제2 단계로의 천이 중에 결정된다. 상기 전환 위치는 여기서 매우 양호하게 결정될 수 있는데, 왜냐하면 상기 직경을 결정하기 위한 전술한 위치에 관한 양호한 관찰이 예컨대 카메라를 통해 가능하기 때문이다.

본 발명의 추가적인 주제는, 본 발명의 방법을 실시하기 위해 구비되는 플랜트이다. 이러한 목적을 위해 상기 플랜트는 구체적으로, 예컨대 이미 여러번 언급된 유형의 용융 장치를 포함할 수 있고, 또한 적절한 연산 유닛을 포함할 수도 있다. 이에 따라 상기 연산 유닛은 이때 개별적인 방법 단계를 실시하기 위해 구비될 수 있으며, 또한 예컨대 전술한 바에 따라 카메라를 구동시키고 카메라의 이미지를 평가하기 위해 구비될 수 있다.

반복을 피하기 위해, 추가적인 실시예와 관련하여 그리고 또한 상기 플랜트의 장점과 관련하여, 본 발명의 방법에 관한 이상의 설명을 달리 참고할 수 있다.

본 발명의 추가적인 장점 및 실시예는 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 명확해질 것이다.

위 언급된 특징 및 이하에 더 설명되는 특징은, 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서, 언급된 구체적인 조합으로서 뿐만 아니라 다른 조합으로도 또는 그 자체로서 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은 예시적인 실시예에 의해 도면에 개략적으로 제시되어 있으며, 도면을 참고하여 이하에서 설명된다.

도 1a는 본 발명의 방법을 실시할 수 있도록 하는 용융 장치 및 다결정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1b는 다른 시각에서 도 1a의 용융 장치를 도시한 것이다.
도 2는 다결정의 하위 단부의 다양한 형상을 도시한 것이다.
도 3a 내지 도 3g는, 바람직한 일 실시예에서 본 발명의 방법의 다양한 단계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는, 바람직한 일 실시예에서 본 발명의 방법의 시간에 따른 시퀀스(sequence)를 도시한 것이다.

도 1a에 측면도로 개략적으로 도시된 것은, 본 발명의 방법을 실시할 수 있도록 하는 용융 장치(300) 및 다결정(100)이다. 여기서 용융 장치(300)는 인덕터(inductor) 또는 유도 코일(310)을 가지며, 상기 인덕터 또는 상기 유도 코일은 대응하는 라인을 통해 연결되는 구동 유닛(320)에 의해 예컨대 무선으로 대응되게 구동 또는 작동될 수 있다.

이러한 용융 장치(300)는 단결정의 인상을 위해 구비되는 플랜트의 일부일 수 있다. 이러한 유형의 플랜트는 이때 또한 인덕터(300), 다결정(100), 및 카메라(351, 352, 및 353)를 위한 대응하는 유지 장치를 포함할 수도 있다. 또한, 이러한 유형의 플랜트는 다른 구성요소를 제어하기 위한 연산 유닛(도시되어 있지 않음)을 포함할 수도 있다.

구체적으로 실리콘을 포함할 수도 있고 실리콘으로 이루어질 수도 있는 다결정(100)은 대체로 로드 형상 또는 원통형이다. 단지 그 일부만이 본원에 도시된 로드 형상 영역 또는 원통형 영역에 있어서, 다결정(100)은 직경(d_P)을 갖는데, 이 직경은 예컨대 160 mm이다. 그러나, 다결정의 하위 단부에 있어서, 다결정(100)은 원추 형상이고, 이에 따라 원추형 섹션(110)을 갖는다. 또한, 원추형 섹션(110)은 그 하위 단부에 결국 소위 플러그(111)(이 경우에는 평평한 단부를 갖고 있음)를 구비할 수 있는 것을 볼 수 있다.

또한, 예컨대 4 내지 7 mm일 수도 있는 직경(d_l)을 갖는 시드(140)를 볼 수 있다. 상기 시드는, 마찬가지로 로드 형상의 형태 또는 원통형의 형태일 수도 있는 단결정을 포함한다.

도 1b에는, 다른 시각에서의(이 경우에는 평면도에서의) 도 1a의 용융 장치(300)가 도시되어 있지만, 다결정(100)은 도시되어 있지 않다. 이때 여기서 명확하게 볼 수 있는 것은, 인덕터(310)의 중앙에 있는 리세스 또는 구멍이며, 용융 작업 중에 그리고 추후 액화 상태에서 상기 리세스 또는 상기 구멍을 통해 다결정이 안내된다.

이때 구체적으로 여기서 볼 수 있는 것은, 제1 슬롯(311) 그리고 또한 3개의 보조 슬롯(312)이며, 이들 슬롯은 용융 장치의 기능을 위해 유리하고, 보다 구체적으로는 전자기 에너지의 발생을 위해서 유리하다. 이해할 수 있는 바와 같이, 제1 슬롯(311)으로 인해 인덕터는 폐쇄되어 있지 않다.

도 2에는(도 2의 윗부분에는), 원추형 섹션(110) 및 플러그(111)를 비롯하여, 도 1a의 다결정(100)의 하위 단부가 또한 도시되어 있다. 추가적으로, 비교를 위해, 기계가공되지 않고 대신 예컨대 완료되지 않은 용융 작업으로부터 유래하는 다결정의 하위 단부 또는 원추형 섹션이 (아래 부분에) 도시되어 있다. 이러한 경우에 있어서, 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 원추형 섹션 및 상기 플러그(111’)는 다소 상이한 형상을 갖는다.

이러한 상이한 형상은, 또한 용융 및 고화의 결과로서 유발된다. 이러한 경우에 있어서, 구체적으로, 상기 플러그의 밑변(P_S)은 상기 다결정의 특성 위치에 대한 시프트(shift)를 겪을 수도 있다. 그러나, 상기 다결정의 속도가 감소되면, 용융 장치(300)로부터의 엄밀한 상기 특성 위치 또는 밑변(P_S)의 정해진 거리는 유지되어야 하며, 이에 따라 성형될 원추형 섹션으로의 천이의 품질을 극대화시킨다.

도 3a 내지 도 3g는, 이제 바람직한 일 실시예에서 본 발명의 방법의 다양한 단계를 개략적으로 도시한 것이다. 상기 방법의 과정은 도 3a 내지 도 3g 그리고 또한 도 4를 참고하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이며, 도 4는 개별 단계에서의 시간(t)에 따른 다결정의 속도(V_P) 및 시드의 속도(V_l)를 나타내고 있다.

제1 단계(P₁)에 있어서, 다결정(100)을 우선 인덕터(310)로 또는 인덕터의 중심에 있는 리세스로 가져가게 된다. 이를 위해, 예컨대, 상기 다결정은 일정한 속도로 하향된다. 여기서 시드(140)는 아직 이동할 필요는 없다. 여기에 도시된 방향과는 달리, 다결정(100)은 또한, 다결정(100) 내로의 전자기 에너지의 보다 효과적인 커플링(coupling)을 가능하게 하기 위해, 인덕터(310)의 내측 에지에 더욱 근접하게 다가갈 수도 있다.

따라서, 다결정(100)은 그 하위 단부에서, 이에 따라 원추형 섹션의 하위 단부를 포함하는 하위 단부에서 용융되기 시작한다. 이러한 경우에 있어서, 도 3a에서 알 수 있는 바와 같이, 다결정에 매달려 있는 액체 재료의 액적(120)이 형성된다. 여기서, 그리고 후속 도면에 있어서, 액체 재료는 빗금으로 도시되어 있는 반면, 고체 재료는 백색으로 또는 빗금 없이 도시되어 있다.

제1 단계(P₁)에 있어서, 상기 다결정의 전환 위치(switchover position)를 결정할 수 있는데, 상기 전환 위치는, 용융 장치에 대한 다결정(100)의 이동 속도가 감소되는 위치이다. 이러한 지점에서 상기 전환 위치와 관련하여, 도 3e를 또한 참조할 수도 있다.

이와 관련하여, 도시된 예에 있어서, 거리(d)는 상기 다결정의 특성 위치(P_S)의 척도이고, 상기 다결정(100)의 원추형 섹션의 하위 단부에서는, 본 경우에 있어서, 고정된 기준점(P_B)에 대한 (부분적으로 용융된) 상기 플러그의 밑변 그리고 액적(120)의 밑변이 예컨대 인덕터(310) 상의 정해진 위치에 대응한다. 이는, 도 1a에 도시된 카메라들 중 하나의 카메라, 보다 구체적으로는 카메라(351 또는 353)를 이용하여 구현될 수 있다. 상기 위치(P_S)는 구체적으로 그 특성 지름으로부터 인지될 수 있다.

또한, 용융 장치(300)의 위치에 대한 다결정(100)의 중간 위치가 결정된다. 도시된 예에 있어서, 상기 중간 위치는 고정된 기준점(P_B)으로부터 하향 장치 또는 인상 장치(350)의 정해진 위치의 거리(h)에 대응하며, 다결정(100)은 상기 하향 장치 또는 상기 인상 장치를 이용하여 이동할 수 있다. 이러한 유형의 거리(h)는 또한 임의의 원하는 대안적인 기준점에 대해 결정될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 구체적으로는, 원칙적으로, (고정되게 설치된 하향 장치 또는 인상 장치에 대한) 상기 다결정의 현재 위치가 하향 장치 또는 인상 장치(350) 자체에 의해 출력될 수 있다는 것에 주의해야 할 수도 있다.

상기 중간 위치 또는 전술한 거리(h)로부터, 이제 전환 위치(h’)가 결정될 수 있으며, 상기 전환 위치는, 예컨대 상기 특성 위치(P_S)가 고정된 기준점(P_B)으로부터 정해진 거리(d’)를 갖는 위치이다. 도 3a로부터 알 수 있는 바와 같이, 이러한 유형의 전환 위치는, 전술한 특성 위치 또는 상기 거리(h)로부터 매우 용이하게 결정될 수 있다.

거리(d)를 측정하는 대신, 이미 앞서 언급된 바와 같이, 사전에 거리(d)를 규정하고 이후 상기 특성 위치(P_S)가 전술한 거리에 도달하거나 또는 전술한 거리를 지날 때까지 상기 규정된 거리를 모니터링하는 것도 역시 가능하다. 단지 이해를 용이하게 하기 위해, 도면에 있어서, 2가지 거리, 즉 상기 특성 위치에 대해 결정되는 거리 그리고 사전에 결정되고 모니터링되는 거리는 동일하다는 것을 이해할 것이다.

제2 단계(P₂)에 있어서, 시드(140)는 이제 도 3b에서 알 수 있는 바와 같이 다결정(100)의 하부 단부에 부착되며, 이에 따라 액체 재료로 된 액적(120)에 부착되고, 시드(140)의 상위 단부로부터 시작하여 용융된다. 이를 위해, 상기 시드는 우선 예컨대 정해진 속도로 다결정(100)을 향해 이동하게 되고, 다시 말하면 상향되는 반면, 다결정(100)은 정지 상태로 있을 수 있다. 이러한 경우에 있어서 시드(140)의 용융은 일반적으로, 오직 시드(140)의 온도가 이미 액체인 재료의 온도와 동등하게 된 이후에만 시작된다.

시드(140)가 다결정(100)의 하위 단부에서 액체 재료로 된 액적에 부착되고 이 액적과 함께 용융될 때, 다결정(100) 및 시드(140)는 도 3c에서 볼 수 있는 바와 같이 함께 상방으로 이동하게 된다. 이러한 경우에 있어서, 상기 다결정(100)의 하위 단부에 또한 예비 시드(141)가 형성된다. 상기 예비 시드는 이후, 인덕터(310)에 있는 구멍의 방향으로 시드를 이동시킴으로써, 시드의 길이의 특정 영역에 걸쳐 예컨대 5 내지 20 mm 사이에서 용융될 수도 있다.

그러나, 시드(140)의 하위 단부에서의 특정 영역은 용융되지 않는데, 이는 해당 섹션이 (전술한 플랜트의 일부로서의) 인상 장치에 체결될 필요가 있기 때문이라는 것을 이해할 것이다.

제3 단계(P₃)에 있어서, 이제 시드(140)의 하위 섹션과 다결정(100)(즉, 여전히 고체이고 아직 용융되지 않은 다결정의 부분) 사이에서, 시드(140)의 직경보다 작고 그 직경(d_D)이 예컨대 2 내지 4 mm인 씬 넥 섹션이 형성된다. 이를 위해, 다결정(100) 및 시드(140)는 우선 동시에, 즉 동일한 속도로 하방을 향해 이동하게 된다.

시드(140)의 하향 속도는 이제 특정 시점에서 다결정(100)의 하향 속도에 비해 커지게 된다. 따라서, 질량 보존에 따라, 액체 재료의 영역의 직경 또는 이후 결정화되는 재료의 직경은 감소된다. 도 3d에서는, 예컨대, 특정한 길이를 갖는 씬 넥 섹션이 이미 형성되어 있다.

제4 단계(P₄)에 있어서, 도 3e 및 도 3f에서 볼 수 있는 바와 같이, 원추형 섹션(135)이 씬 넥 섹션과 다결정(100) 사이에 형성될 수 있다. 이러한 유형의 원추형 섹션(135)은, 도 3g에서 알 수 있는 바와 같이, 씬 넥 섹션의 직경으로부터, 제조될 단결정(150)의 예컨대 200 mm인 원하는 직경(d_E)으로 넓히는 역할을 한다. 여기서 상기 원추형 섹션은 경사각(φ)를 갖는다.

원추형 섹션(135)의 형성, 즉 직경이 증가하기 시작할 때의 원추형 섹션의 형성은, 대응하는 양의 재료를 용융시킬 수 있게 하도록, 다결정(100)이 용융 장치(300)에 대해 이동 또는 하향하는 속도의 감소를 필요로 한다. 이는, 도 4에서, 제4 단계(P₄)에 도시된 마지막 속도 변화로부터 명확하게 된다.

액체 재료와 고체 재료 사이의 상 경계는 여기서 큰 직경을 갖는 영역에 위치하고 상기 직경에 걸쳐 광범위하게 연장되는 반면, 상기 상 경계는 이전에는 단지 예비 시드의 비교적 얇은 영역에만 위치한다. 결과적으로, 초기에는, 전술한 천이부를 신속하게 진행시키기 위해 비교적 큰 속도가 바람직한 반면, 이후에는 과도한 양의 재료가 용융되지 못하게 하기 위해 비교적 낮은 속도가 바람직한데, 이는 넓은 상 경계의 관점에서 원추부의 거의 이상적인 성형과 관련하여 어려움을 초래하였었다.

상기 속도의 전술한 감소는, 사전에 결정된 전환 위치(h’)에 다결정(100)이 위치하는 시점에 이루어진다. 도 3e에 있어서, 이러한 전환 위치는, 도 3a에서의 위치 또는 거리(h)의 경우와 마찬가지로 고정된 기준점(P_B)에 대한 거리(h’)로서 표시된다. 따라서, 이러한 거리(h’)에 도달하면, 특성 위치(P_S)는 기준점(P_B)으로부터 원하는 거리(d’)을 갖는다. 이러한 거리(d’)는 거의 이상적인 거리를 형성하며, 이러한 거리에서 가능한 최대의 정확도로 원하는 양의 다결정(100) 재료가 용융되어, 사전에 결정된 속도의 감소 시에, 원하는 원추형 섹션(135)을 형성하게 된다. 이러한 유형의 속도 감소는 조절을 필요로 하지 않기 때문에, 매우 용이하게 자동화될 수 있다.

Claims (11)

1. 다결정(100)을 전자기 용융 장치(300)에 의하여 용융시킨 후 재결정화하는, FZ법에 의한 단결정(150)의 인상 방법으로서,
   제1 단계(P₁)에서, 다결정(100)의 하위 단부가 용융 장치(300)에 의해 용융되며,
   제2 단계(P₂)에서, 단결정질 시드(140)가 다결정(100)의 하위 단부에 부착되고 시드(140)의 상위 단부로부터 시작하여 용융되며,
   제3 단계(P₃)에서, 상기 다결정(100)과 상기 시드(140)의 하위 섹션 사이에, 시드(140)의 직경(d_l)보다 작은 직경(d_D)을 갖는 씬 넥 섹션(thin neck section; 130)이 형성되고,
   제4 단계(P₄)에서, 상기 씬 넥 섹션(130)과 상기 다결정(100) 사이에, 단결정의 원추형 섹션(135)이 형성되며,
   제4 단계(P₄)에 도달하기 이전에, 상기 다결정의 전환 위치(switchover position; h’)가 결정되며, 상기 전환 위치는, 용융 장치에 대해 다결정(100)이 이동하는 속도를 크기 면에서 감소시키는 위치이고,
   제4 단계(P₄)에서, 용융 장치(300)에 대해 다결정(100)이 이동하는 속도는, 상기 전환 위치(h’)에 도달할 때 크기 면에서 감소되는 것인 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전환 위치(h’)의 결정을 위해, 상기 다결정의 특성 위치(P_S)의 거리(d)가 측정되고, 이 특성 위치는 고정된 기준점(P_B)에 대해 다결정(100)의 원추형 섹션(110)의 하위 단부에 위치하고, 상기 전환 위치(h’)는 상기 거리(d)로부터 결정되는 것인 방법.
3. 제2항에 있어서, 상기 전환 위치(h’)는, 상기 거리(d)에 추가하여 다결정(100)의 중간 위치(h)의 결정에 의해 상기 거리(d)로부터 결정되고, 상기 중간 위치로부터 상기 거리(d)를 이용하여 상기 전환 위치(h’)가 결정되는 것인 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 전환 위치(h’)의 결정을 위해, 상기 다결정의 중간 위치(h)가 결정되고, 상기 중간 위치는, 상기 다결정(100)의 원추형 섹션(110)의 하위 단부에 위치하는 상기 다결정의 특성 위치(P_S)가 다결정(100)의 이동 중에 고정된 기준점(P_B)에 대해 사전에 결정된 거리(d)에 도달하거나 또는 상기 사전에 결정된 거리를 넘어서게 되는 위치이고, 상기 전환 위치(h’)는 상기 중간 위치(h)로부터 결정되는 것인 방법.
5. 제2항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 다결정(100)의 특성 위치(P_S)는 다결정(100)의 특성 직경 또는 사전에 정해진 직경에 기초하여 포착되는 것인 방법.
6. 제2항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 다결정(100)의 원추형 섹션(110)의 하위 단부에서의 다결정(100)의 특성 위치(P_S)는, 다결정(100)의 원추형 섹션의 경사각이 사전에 정해진 값보다 더 많이 변하는 위치를 포함하는 것인 방법.
7. 제2항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 다결정(100)의 특성 위치(P_S)는, 특히 용융 장치(300) 위에 배치되는 카메라(351)를 이용하여 포착되는 것인 방법.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 전환 위치(h’)는 제1 단계(P₁) 및/또는 제2 단계(P₂)에서 결정되는 것인 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 다결정(100)이 용융 장치(300)에 대해 이동하는 속도는 상기 속도의 감소 이전에 0.5 mm/분 이상이며, 보다 구체적으로는 0.5 내지 2 mm/분이고, 상기 속도의 감소 이후에 0.5 mm/분 미만이며, 보다 구체적으로는 0.1 내지 0.5 mm/분인 것인 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 다결정(100)이 용융 장치(300)에 대해 이동하는 속도는, 상기 속도의 감소 이전에 그리고 상기 속도의 감소 이후에, 속도에 관한 의도된 곡선에 따라 변하는 것인 방법.
11. FZ법에 의한 단결정(150)의 인상을 위한 용융 장치(300)를 포함하는 플랜트(plant)로서, 상기 플랜트는, 제1항 내지 제10항 중 어느 하나의 항에 따른 방법을 실시하도록 구비되는 것인 플랜트.
    

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