JP2002536282A - シリコン・リボン成長デンドライトの厚さ制御システム - Google Patents

シリコン・リボン成長デンドライトの厚さ制御システム

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Abstract

(57)【要約】 デンドライト・シリコン・ウェブの生成を改善するために、デンドライト・シリコン・ウェブ成長プロセスで一対のデンドライトの厚さを制御するための方法およびシステム。炉内のシリコン溶融体から出てくるウェブの各デンドライトの画像を、デンドライト対に焦点を合わせた一対のカメラにより生成する。デンドライトの画像をデジタル化し、デンドライトの平均厚さを計算し、設定点パラメータと比較する。デンドライトの厚さを所定限度内に維持するため、デンドライトの厚さと設定点パラメータとの平均の差を使用して全体的な炉内温度を制御し、一方、各対の厚さの差を使用して炉内の横方向の温度分布を制御する。この方法は、閉ループ構成で使用して炉の温度および横方向の温度分布を自動的に制御することができ、また開ループ構成で使用して、炉の温度条件を手動で調整する作業者に視覚的なフィードバック情報を提供することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】 (発明の背景) 本発明は、シリコン・ウェブ成長技術に関する。デンドライト状ウェブ・シリ
コン基板は、太陽電池の製造用として、液体シリコンから単結晶材料の薄いリボ
ンを成長させることにより生成される。生成されたリボンは、一般に約5cm幅
の薄い(100ミクロン)単結晶構造として現れ、その垂直な各縁部は厚さ約7
00ミクロンの単一のシリコン・デンドライトで囲まれている。この成長プロセ
スにおいて、中央部分は、実際には過冷却溶融体の表面の下で凝固し始めた2つ
のデンドライトにより支持されている液状表面張力被膜である。溶融体表面から
結晶を引き出すと、この液状被膜は安定で滑らかな単結晶状態に固まる。
【0002】 このプロセスでは、温度および温度分布の制御が当然ながら非常に重要であり
、絶対温度1410Cで0.1C程度の安定度が必要である。縁部デンドライト
の厚さは極めて温度に敏感であり、これらのデンドライトのサイズに基づいてそ
の結晶で温度を制御する好都合な方法が提供される。溶融体温度が低すぎる場合
、ウェブは単結晶状態が劣化し、溶融体温度が高すぎる場合、溶融体の下でのデ
ンドライト成長の不十分さによってその結晶が溶融体から引き離される。これら
の各条件は、個々の結晶の成長を終了させるのに十分な理由になる。プロセスの
スループット、したがって低コストのプロセスの実現に対する見通しは、平均結
晶長に非常に左右される。
【0003】 既存の技術は、高温ゾーン内の一点を制御する高温計をベースとした温度制御
器を使用することによって、溶融体温度を制御していた。作業者は、成長結晶の
デンドライトの厚さを観察することによって、ループの設定点を調整する。さら
に、作業者は、高温ゾーンに対して誘導コイルを移動させることにより、溶融体
の横方向の温度シンメトリを調整する。作業者は、視覚的に認められる2つの縁
部デンドライトのそれぞれの厚さの差に基づいて、調整を行う。作業者は、石英
の窓を通し、約50cm離して位置付けられているデンドライトを絶えず見てい
なければならず、厚さがわずか0.7mmのデンドライト縁部を目視評価しなけ
ればならない。連続成長を維持するのに必要な厚さ制御の範囲は+/−2mmで
ある。この手動制御方法は極めて主観的で作業者の視覚に基づくものであり、作
業者がかなりの時間をかけて絶えず結晶を観察する必要がある。
【0004】 (発明の概要) 本発明は、デンドライトを自動的に感知して測定し、かつデンドライトの厚さ
を制御し、それによって、デンドライト状ウェブの製造プロセス中の温度を制御
し続ける方法およびシステムである。平均溶融温度は、デンドライトの平均厚さ
に基づいて温度を自動調整することにより制御される。温度シンメトリは、高温
ゾーンに対して誘導コイルを移動させるステッパ・モータに、デンドライトの厚
さの差をフィードバックすることによって実現される。
【0005】 デンドライト・シリコン・ウェブ成長炉内のシリコン溶融体から出てくる各デ
ンドライトの画像が生成され、厚さ計算ユニットに供給される。これらの画像は
、対になっているデンドライトの画像が交互に厚さ計算ユニットに供給されるよ
うに、多重送信されることが好ましい。各デンドライトの厚さは、各デンドライ
トの画像をデジタル化し、各デンドライト画像ごとにデンドライト縁部を検出し
、そのデンドライト縁部の情報から厚さを計算することによって、計算される。
複数のデンドライトの厚さの計算結果は平均することが好ましい。
【0006】 計算ステップの結果は、炉の全体の温度と炉の横方向の温度分布を手動で調整
するときに使用するため、その結果を作業者に表示することによって開ループ・
モードで使用することができる。この結果は、炉の全体の温度をモニタするため
に、厚さフィードバック信号を発生させてその厚さフィードバック信号を第1の
制御ループに供給することによって、また対になっているデンドライト同士の厚
さの差を表す厚さの差の信号を発生させ、その厚さの差の信号を使用して炉の横
方向の温度分布調整機構を制御することによって、閉ループ・モードでも使用す
ることができる。
【0007】 閉ループ・モードで動作する場合、本発明は、結晶の縁部をセンサとして使用
することによって、ウェブ結晶成長炉内の溶融温度を自動的に制御する制御シス
テムを提供する。この制御システムによれば、結晶成長プロセスに要する労働力
の相当な減少がもたらされ、結晶成長停止の発生が減少することによって炉のス
ループットが増加し、それによって、平均結晶長が増大する。制御システムを開
ループ・モードで動作させる場合、本発明は、作業者に情報を提供し、より精密
な手動フィードバックによって結晶縁部の厚さを制御することが可能になる。
【0008】 本発明の性質および利点をより十分に理解するために、以下の詳細な説明を添
付図面と併せて参照されたい。
【0009】 (好ましい実施形態の詳細な説明) 図1を参照すると、デンドライトの厚さ制御システムは、従来の炉のシェル1
8の外側に、固定されて一直線上に取り付けられている2つのCCTV(閉回路
テレビジョン)カメラ12、14を含む。各カメラは、ウェブ10の2つの縁部
デンドライトの一方にそれぞれ狙いを定めており、ビーム・スプリッタ・ミラー
20からの反射によって画像を受信する。そのためミラーを覗いている作業者は
両方のデンドライトを同時に観察することが可能になる。カメラ12、14には
光学レンズ系22が取り付けられており、炉に入れられている溶融体からデンド
ライトが出てくる際、典型的にはそのデンドライトの位置である画像距離に焦点
を合わせたときに、倍率を約10倍にする。カメラの画像はマルチプレクサ・ユ
ニット24を介して画像デジタル化ユニット26に多重送信され、結合される。
好ましい実施形態では、左側と右側のカメラからの画像はデジタル化され、ユニ
ット26に交互に記憶される。各画像は、シリコン溶融体の白色背景に対して黒
一色で現れる。デンドライトの画像は、従来の実時間ビデオ画像表示ユニット2
8により表示される。
【0010】 好ましい実施形態では、拡大されたデンドライトの外縁部を検出するために、
ソフトウェアがデンドライトの画像を横切る3つのラインの画素データにアクセ
スし、画像上で標準的な3×3縁部検出たたみこみを実行する。512×512
の画素アレイでは、単一の画素がデンドライトの厚さが約25ミクロンであるこ
とを表す。2つの縁部の画素分離を計算し、ブロック34で5つの連続する測定
値が平均されて得られたデータを平均し、各デンドライトの縁部の厚さをミクロ
ンを単位とした物理的測定値に変換する。この最後の変換に関し、ブロック36
の所定のしきい値およびスケーリング情報によって、ミクロン当たりの画素の固
定キャリブレーションがソフトウェアに供給される。キャリブレーションは、測
定システムを開ループ・モードで走らせ、得られたデータを成長ウェブのデンド
ライトのマイクロメータ実測値(ハードウェア縁部測定ブロック38によって表
される)と比較することによって、各炉上の各カメラごとに発生する。
【0011】 このシステムは、開ループ・モードと閉ループ・モードの両方で使用すること
ができる。開ループ・モードでは、このシステムは、表示ユニット28によって
連続データを作業者に提供し、したがって作業者は、図1のシステムによって提
供されるデンドライトの厚さ情報に基づき、全体の温度および横方向の温度分布
に対して適切な手動調整を行うことができる。閉ループ・モードでは、2つのデ
ンドライトからの測定値は2つの方法で使用される。
【0012】 図2に示すように、閉ループ・モードでは、左側と右側の両方のデンドライト
の平均厚さが機能的ブロック42、44で最初に決定され、デジタル比例積分微
分(PID)制御ブロック46に実時間で送信される。PIDブロック46は、
ブロック50でベース・ループ温度の設定点を変更する信号を出力する。ブロッ
ク50で変更された設定点は、手動モード・ポジションおよび自動モード・ポジ
ションを有するスイッチ51に供給される。閉ループ・モードで動作させる場合
、スイッチ51は自動ポジションにあり、ブロック50からのベース・ループ温
度設定点の変更は、ベース温度制御ループ60に結合される。制御ループ60は
単色高温計62を含み、システムの平均温度を表すフィードバック信号をデジタ
ルPIDアルゴリズム・ブロック63に供給する。作業者により選択可能なチュ
ーニング・パラメータは、システム・パラメータ入力として基準ブロック64か
らブロック63に供給される。ブロック63は、誘導加熱インバータ66を介し
て誘導コイル/磁化率計加熱ユニットを制御するのに使用される。一般に、ベー
ス制御ループ60は、計算されたベース・ループ温度設定点と、実際に測定され
た全体的な炉内温度(高温計62により測定された)とを使用して、平均炉内温
度を制御する。このカスケード型制御ループによれば、デンドライトの厚さに基
づいて、システムの平均温度を連続的に制御することが可能になる。
【0013】 ブロック70、72、74、および76を含む第2のPIDループは、2つの
デンドライトの厚さの差を入力として受け入れ、炉内の誘導コイルの横方向の位
置を制御する出力信号を発生させることによって機能する。このコイルは、ブロ
ック76から方向およびステップ数の情報を直接受け入れるステッパ・モータに
よって駆動する。このようにコイルの横方向の位置を調整することによって、デ
ンドライトからデンドライトまでの結晶全体にわたる温度分布が制御される。ブ
ロック72により提示されるように、このループは成長結晶のシンメトリを維持
するために、常にデンドライト間の偏差が0である設定点を有する。
【0014】 本発明ではその原型を試作し、最大10ミクロンの測定分解能で、かつデンド
ライトの+/−50ミクロン以内の制御で、有効に動作することが実証された。
50個もの結晶に関する初期の結果によれば、平均結晶長は、本発明を使用しな
いプロセスよりも40%増すことが実証された。
【0015】 本発明では、結晶成長停止の共通原因を無くすことによって、すなわち不適当
に制御された温度および温度分布を無くすことによって、より長い平均シリコン
・リボン長を得ることが可能になる。平均シリコン・リボン長が長くなるにつれ
て、このプロセスは、連続リボン成長という最大限の目標により近付くようにな
る。連続的にシリコン成長させることによって、スループットをかなり増大させ
、炉が非生産状態にある時間を減少させる。また、本発明により作業者の関与も
減少し、結晶当たりの労働コストが本質的に低下して、リボン製造プロセスでの
主観的なエラーが実質上減少する。
【0016】 上記事項は、本発明の好ましい実施形態の十分かつ完全な開示を提供するが、
当業者なら、様々な変更例、代替構成、および均等物を思い浮かべるであろう。
したがって、上記事項は本発明を限定するものと解釈するべきではなく、本発明
は上記特許請求の範囲によって定められるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 デンドライト制御システムの主な機能的構成要素を示す概略的ブロック図であ
る。
【図2】 図1のシステム用の制御ロジックを示す概略ブロック図である。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 対向するウェブの縁部に一対のデンドライトを有するデンド
    ライト・シリコン・ウェブの生成に使用される、炉内のシリコン溶融体の温度を
    制御する方法であって、 (a)デンドライト・シリコン・ウェブ成長炉内のシリコン溶融体から出てく
    る各デンドライトの画像を発生させるステップと、 (b)各デンドライトの厚さを計算するステップと、 (c)計算された厚さを使用して、デンドライトの厚さが所定範囲内に維持さ
    れるように炉の温度を調整するステップと を含む方法。
  2. 【請求項2】 前記発生させるステップ(a)が、デンドライト対の画像を
    交互に供給するために、各デンドライトの画像を生成するステップと、デンドラ
    イトの画像を多重送信するステップとを含む請求項1に記載の方法。
  3. 【請求項3】 前記計算するステップ(b)が、各デンドライトの画像をデ
    ジタル化するステップと、各デンドライトの画像のデンドライト縁部を検出する
    ステップと、デンドライト縁部の情報から厚さを計算するステップとを含む請求
    項1に記載の方法。
  4. 【請求項4】 前記計算するステップ(b)が、複数のデンドライトの厚さ
    の計算値を平均するステップを含む請求項1に記載の方法。
  5. 【請求項5】 前記使用するステップ(c)が、炉の温度の手動調整に使用
    するために、前記計算するステップ(b)の結果を作業者に表示するステップを
    含む請求項1に記載の方法。
  6. 【請求項6】 前記使用するステップ(c)が、炉の温度を維持するために
    、厚さフィードバック信号を制御ループに供給するステップを含む請求項1に記
    載の方法。
  7. 【請求項7】 前記使用するステップ(c)が、連続するデンドライト対の
    厚さの差から平均厚さフィードバック信号を発生させ、炉の温度を維持するため
    に平均厚さフィードバック信号を制御ループに供給するステップを含む請求項1
    に記載の方法。
  8. 【請求項8】 デンドライト厚さ設定点を提供し、デンドライト厚さ設定点
    を平均厚さフィードバック信号と比較することとしてステップをさらに含む請求
    項7に記載の方法。
  9. 【請求項9】 前記使用するステップ(c)が、対になっているデンドライ
    トの厚さの差を表す厚さ差分信号を発生させ、厚さの差分信号を使用して横方向
    の炉の温度分布調整機構を制御するステップを含む請求項1に記載の方法。
  10. 【請求項10】 厚さの差の設定点信号を供給し、厚さの差の設定点信号を
    厚さ差分信号と比較するステップをさらに含む請求項9に記載の方法。
JP2000597486A 1999-02-02 1999-02-02 シリコン・リボン成長デンドライトの厚さ制御システム Pending JP2002536282A (ja)

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KR (1) KR20010108163A (ja)
CN (1) CN1177956C (ja)
AT (1) ATE370263T1 (ja)
AU (1) AU761812B2 (ja)
BR (1) BR9917029B1 (ja)
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DE (1) DE69936883T2 (ja)
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WO2000046430A3 (en) 2002-01-03
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BR9917029A (pt) 2002-01-15
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CA2361708A1 (en) 2000-08-10
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