JP2010523446A - シリコンまたはその他の結晶性材料の自立プレートを製造する装置および方法 - Google Patents

Abstract

液相（５）中の材料の指向性凝固によって結晶性材料のシート（８）を製造する装置は、底（２）と、側壁（３）と、側壁（３）の底部に配置された少なくとも１個の水平出口スロット（４）とが設けられた坩堝（１）で構成されている。坩堝（１）が少なくともスロット（４）の高さで、液相（５）中の材料に磁気反発力を作り出す電磁手段（６）をスロット（４）の直ぐ近くにある外部表面に提供する。１０ｋＨｚと３００ｋＨｚとの間に含まれる周波数をもつ交流電流が電磁手段（６）の中を流れる。液相（５）中の材料の撹拌を助けるため、低周波数が上記の周波数に加えて使用される可能性がある。

Description

本発明は、底と、側壁と、水平であってかつ側壁の底部で底に位置している少なくとも１個のシート出口スロットと、を備えた坩堝内の液相中の材料の指向性凝固によって結晶性材料のシートを製造する方法に関係する。

スロットが設けられた坩堝を用いる溶解原材料の指向性凝固による結晶性材料のシートの直接的な製造は、インゴットの結晶化後に、インゴットのクロッピング、クロッピングされたインゴットの積層へのスライス、および、スライス化による積層のウェハーへの切断のような付加的なステップを要することなくリボンを得ることを可能にする。しかし、光電池に一体化するためには、シートは、使用されるＰＮ接合に直交し、したがって、シートの表面に直交する粒界を現すことが必要である。

このタイプの装置における現在の主要な問題は、坩堝の内側の凝固ゾーンにおける垂直温度勾配を制御することである。特許文献１には、固相と液相との間の凝固界面が坩堝の側方スロットに位置している装置が提案されている。しかし、この装置は、実施することが困難であり、ある種の欠点を見せる。坩堝の内側の凝固は、実際には、小規模の表面に制限されている。さらに、液相の撹拌は、不純物が槽に入り込むことを可能な状態にするために十分でない。不純物は、そのとき、凝固フロントの進出と共に固相に存在する可能性がある。これらの不純物は、そのとき、集積化されるべき光電池に有害である。

非特許文献１および非特許文献２は、押し出し溝を用いる別の指向性凝固の方法を提示している。シリコンは坩堝の内側で溶解され、圧力下で坩堝の底の中心に位置しているスロットを通じて移動させられる。坩堝の下部に取り付けられたシンブルとＬ形曲がりの鋳型は、そのとき、最終的なセクションに細長い溝を形成する。この最終的な部分において、加えられた垂直温度勾配は材料全体の垂直方向の指向性凝固を生じさせる。垂直方向の指向性凝固は、押し出し溝のサイズに起因して、固相から出て液相に存在する不純物を排除できない。

国際特許出願ＰＣＴ／ＦＲ２００６／００２３４９号

Ｈｉｄｅ他著， "Ｃａｓｔ Ｒｉｂｂｏｎ ｆｏｒ Ｌｏｗ Ｃｏｓｔ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ"， ０１６０−８３７１／８８／００００−１４００， １９８８ ＩＥＥＥ ２６ｔｈ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９８８ Ｓｕｚｕｋｉ他著， "Ｇｒｏｗｔｈ ｏｆ Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｓｈｅｅｔ ｂｙ Ｈｏｘａｎ Ｃａｓｔ Ｒｉｂｂｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ"， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ， Ｅｌｓｅｖｉｅｒ， ｖｏｌ １０４，Ｎｏ．１， １ｓｔ Ｊｕｌｙ １９９０

本発明の目的は、これらの欠点を改善すること、特に、容易に実施でき、かつ、液相中の不純物のより大幅な排除を行う指向性凝固によって結晶性材料のシートを製造する装置および方法を提供することである。

この目的は、坩堝が、内部を流れる１０ｋＨｚと３００ｋＨｚとの間に含まれる周波数をもつ交流電流によって、少なくともシート出口スロットの高さで、液晶中の材料に磁気反発力を作り出す電磁手段を、シート出口スロットの直ぐ近くにある外部表面に提供するという事実によって実現される。

その他の利点および特徴は、限定的でない目的のためだけに記載され、添付図面に現されている発明の特定の実施形態についての以下の説明からより明瞭に理解できるであろう。

発明による装置の特定の実施形態の略断面図である。 図１による装置のスロットの正面図である。 発明による装置の別の特定の実施形態の略断面図である。 スロットと、磁気力を作り出す電磁手段とを中心とする図３の拡大図である。

特許出願ＰＣＴ／ＦＲ２００６／００２３４９の場合のように、図１および図２に示された装置は、底２と側壁３とを有する坩堝１を備える。坩堝１は、図１において右側壁３の底部に水平に配置されている側方出口スロット４を備える。坩堝１は、液相５の材料で部分的に満たされている。出口スロット４は、アルゴンのような天然ガスによって一般に構成されている、坩堝１を取り囲む雰囲気７と連通している。坩堝１の内側の材料の指向性凝固によって得られる結晶性材料のシート８は、スロット４の中を通って引き出される。

結晶性材料は、たとえば、シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素、または、その他のものである。従来的には、坩堝１の内側の温度勾配は垂直方向であり、温度は坩堝１の上端から底２へ減少する。坩堝１の内側の材料の凝固は、その結果、固相において材料のシート８に直交する粒界の形成の原因になる。この構造は光電池装置で使用するため有利である。

材料の指向性凝固は、好ましくは、坩堝１の底２の高さで生じ、シート８を形成する固相中の材料は、凝固するとき、図１に表されていない適当な保持手段によって出口スロット４を介して槽から取り出される。

坩堝１の内側の温度調節は、坩堝１の内側の温度勾配を安定かつ垂直方向に保つために、公知の手段によって行われる。

図３に示されているように、坩堝１は、温度勾配を実質的に垂直方向に保つために、好ましくは、坩堝１の上に位置している加熱システム９と、好ましくは、坩堝１の下に位置している冷却システム１０とに連結され得る点で有利である。坩堝１の内側の温度勾配は凝固界面と実質的に直交している。冷却システム１０は、スロット４からの距離に応じて、凝固中に材料の下で引き出される熱流と、熱流の分布とを調節する。冷却システム１０は、たとえば、坩堝１の透過的な底２を通る放熱による熱交換である。

図３に示されているように、坩堝１の側壁３は熱絶縁体１１に連結される点で有利である。この熱絶縁体１１は、好ましくは、側壁３によって分離された表面全体に亘って坩堝１の外側に設置されている。このようにして、側壁３を通る側方損失は抑制され、温度勾配は実質的に垂直方向に保たれる。

温度勾配に実質的に直交する材料の凝固界面は、坩堝１の底部に、好ましくは、坩堝１の底２に近接して位置している。この位置は、坩堝１の内側の温度勾配によって調整される。このようにして得られたシート８の厚さは、坩堝１の内部の熱流束と坩堝１から出るシート８の引出速度とによって本質的に画定される。シート８の引出速度は、好ましくは、毎分０．５〜１０メートルの範囲内である。

スロット４の高さは、シート８がスロット４を介して引き出されるとき、機械的な目詰まりと寄生凝固とを防止するためにシート８の厚さより大きくなるように選択される。

装置は、出口スロット４の直ぐ近くで、側壁３に接して、坩堝１の外側に少なくとも１個の誘電体６をさらに備える。誘電体６は、磁気力を作り出す電磁手段の好ましい具体例である。１０ｋＨｚと３００ｋＨｚとの間に含まれる周波数と、好ましくは１００Ａと３０００Ａとの間に含まれる強度とを有する交流電流は誘電体６の中を流れる。誘電体６は、その結果、液相５中の材料に磁気反発力を生み出す。

誘電体６はスロット４の上または下に位置することがある。図１の特定の具体例では、２個の誘電体６がスロット４の両側に配置されている。

図４に詳細に示されているように、液相５中の材料と雰囲気７との間の界面はメニスカス１２の形状である。誘電体６によって作り出された磁気反発力だけが液相５中の材料に影響を与えるので、誘電体６はメニスカス１２の位置が制御されることを可能にする。メニスカス１２は、好ましくは、液相５中の材料が坩堝１の内側で液相５中の材料の結晶化を邪魔することなくスロット４を介して漏れることを防止するように、スロット４の内側に位置している。

誘電体６によって加えられる磁気反発力は、液相５中の材料の反発が、シート８より上で、出口スロット４の高さで発生するように調整される。反発力は、シート８の縁と各側方端との間にも作用する。液相５中の材料は、その結果、坩堝１の内側に保たれる。誘電体６内の電流の振幅は、坩堝１内の液相５中の材料の水圧と、誘電体６とメニスカス１２との間の距離とに応じて決定される。誘電体６の断面は、反発力を、好ましくは、メニスカス１２に集中させるように選ばれる。

装置の一実施形態の具体例は、メニスカス１２から約５ｍｍに電流を集中させる誘電体６を実施する。この誘電体は、９００Ａの電流が３０ｋＨｚの周波数で誘電体の中を流れるとき、５ｃｍの高さのシリコンが坩堝内に保たれることを可能にする。スロット４は、幅が７５ｍｍであり、高さが３ｍｍである。

誘電体６は、スロット４の近くで液相５中の材料の撹拌効果をさらに引き起こす。誘電体は、液相５中の材料全体における凝固界面から発生する不純物を取り除く液相５中の材料の再循環ループを作り出す。固相に近接した不純物の蓄積は、その結果、より広範囲の凝固フロントの存在が原因で、従来技術に比べて削減される。撹拌効果は、低周波数レンジ、たとえば、約５０Ｈｚにおける誘電体内での電流の使用によって高められる。したがって、装置は、好ましくは、液相５中の材料を攪拌するのに適した周波数を１０ｋＨｚと３００ｋＨｚとの間に含まれる周波数レンジと組み合わせる手段を備える。

代替的な実施形態では、内部を流れる異なる周波数の電流をそれぞれに有している２個の誘電体６が設けられる。第１の誘電体は、そのとき、好ましくは、約５０Ｈｚの低周波数レンジに、液相５中の材料の撹拌を保証するように周波数を有している電流が供給される。もう一方の誘電体は、液相５中の材料の反発を保証するため、内部を流れる１０ｋＨｚと３００ｋＨｚとの間に含まれる周波数をもつ電流を有している。この同時の作用は、単一の誘電体によって、たとえば、周波数変調、振幅過変調などによって達成することも可能である。

スロット４からの出口の外側で、結晶性材料のシート８は固相だけで構成されている。液相５中の材料は、実際には、誘電体６によって坩堝１の内側に押し返される。シート８は、その後、坩堝から出るときに、自立している。

凝固が始まるとき、結晶化シードを液相５中の材料と接触させることが好ましい。結晶化シードは、好ましくは、所定の配向性の下で結晶化を可能にさせるためメニスカス１２と接触させられる。

たとえば、局部的なヒートシンクによって形成される核生成／成長中心は、結晶化の開始を促進するため坩堝１の底２と液晶５中の材料との界面の高さで添加される可能性がある。

図３に表された特定の実施形態では、処理装置１３、特に、熱処理装置は、スロット４からの出口で坩堝１に連結されている。この装置は、シート８の冷却速度の所定のプロファイルが監視されることを可能にする。このプロファイルは、機械的応力と結晶欠陥の密度とが低減されることを可能にする。装置１３は、さらに、凝固を開始するため使用されるシード結晶を予熱する目的に役立つ可能性がある。

Claims (9)

1. 底（２）と、側壁（３）と、水平であって側壁（３）の底部に形成された少なくとも１個のシート出口スロット（４）と、からなる坩堝（１）の内部の液相（５）中の材料から指向性凝固によって結晶性材料のシート（８）を製造する装置であって、
   前記坩堝（１）が、少なくとも前記シート出口スロット（４）の高さで、液相（５）中の前記材料に磁気反発力を作り出す電磁手段（６）を前記シート出口スロット（４）の直ぐ近くにある外部表面に提供し、１０ｋＨｚと３００ｋＨｚとの間に含まれる周波数をもつ交流電流が前記電磁手段（６）の中を流れることを特徴とする装置。
2. 磁気力を作り出す前記電磁手段（６）が前記スロット（４）より上に位置していることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 磁気力を作り出す前記電磁手段（６）が前記スロット（４）より下に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 磁気力を作り出す前記電磁手段（６）が少なくとも１個の誘電体を備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
5. 液相（５）中の前記材料の撹拌を可能にする周波数を重ね合わせる手段を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
6. 撹拌を可能にする前記周波数が約５０Ｈｚであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置。
7. １００Ａと３０００Ａとの間に含まれる強度を有する電流が磁気力を作り出す前記電磁手段の中を流れることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記坩堝（１）の前記底（２）と直交する方向に向けられた温度勾配を前記材料に生成し維持する手段を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置の坩堝（１）の内部で液相（５）中の材料の指向性凝固によって結晶性材料のシート（８）を製造する方法であって、
   磁気反発力が、液相（５）中の前記材料の漏れを防止するために、前記坩堝（１）の底（２）で行われる液相（５）中の前記材料の凝固のため、スロット（４）の高さで、液相（５）中の前記材料に加えられることを特徴とする方法。

Images