JP2010529942A - リボン結晶引き上げ炉のための取り外し可能熱制御 - Google Patents

Abstract

リボン結晶引き上げ炉は、基部絶縁体と、該基部絶縁体に取り外し可能に接続されたライナー絶縁体を有する。該ライナー絶縁体の少なくとも一部分はるつぼを収容するための内部を形成する。本発明は、さらに、基部絶縁体を提供することと、該基部絶縁体にライナー絶縁体を取り外し可能に接続することであって、該ライナー絶縁体の少なくとも一部分はるつぼを収容するための内部を形成する、こととを包含する、リボン結晶成長方法をも提供し得る。

Description

（関連出願の参照）
本特許出願は２００７年６月１４日に出願された米国仮特許出願第６０／９４４，０１７号（名称「ＴＨＥＲＭＡＬ ＣＯＮＴＲＯＬ ＦＯＲ ＲＩＢＢＯＮ ＣＲＹＳＴＡＬ ＰＵＬＬＩＮＧ ＦＵＲＮＡＣＥＳ」）に対する優先権を主張し、該仮特許出願の開示は、その全体が本明細書において参照により援用される。本特許出願は、また、本特許出願と同日に出願された米国特許出願（名称「ＲＩＢＢＯＮ ＣＲＹＳＴＡＬ ＰＵＬＬＩＮＧ ＦＵＲＮＡＣＥ ＡＦＴＥＲＨＥＡＴＥＲ ＷＩＴＨ ＡＴ ＬＥＡＳＴ ＯＮＥ ＯＰＥＮＩＮＧ」）にも関連し、この米国特許出願は、その全体が本明細書において参照により援用される。

（発明の分野）
本発明は、概して、リボン結晶引き上げ炉に関し、より具体的には、本発明は、リボン結晶引き上げ炉内の取り外し可能な絶縁部に関する。

シリコンウエハは、太陽電池、集積回路、およびＭＥＭＳデバイス等の多様な半導体素子の構成要素である。例えば、マサチューセッツ州ＭａｒｌｂｏｒｏのＥｖｅｒｇｒｅｅｎ Ｓｏｌａｒ， Ｉｎｃ．は、周知の「リボン引き上げ」技術によって加工されるシリコンウエハから太陽電池を形成する。

リボン引き上げ技術は、概して、溶融シリコンおよび成長リボン結晶を含有するるつぼを囲む専用炉を使用する。炉の基部は、典型的に固体の絶縁材料から形成される。時間とともに、この絶縁材料は、その上に溶融ケイ素の液飛びによって汚染されるようになり得るか、または一部の方法においては、例えば、材料の一部がフレーキングし、溶融物内に落下して損傷されるようになり得る。不幸なことに、この絶縁材料は、典型的に交換することが高価であり、修理または交換のために過度の動作不可能時間を引き起こし得る。

（発明の概要）
本発明の実施形態に従って、リボン結晶引き上げ炉は、基部絶縁体と、基部絶縁体に取り外し可能に接続されたライナー絶縁体とを有する。ライナー絶縁体の少なくとも一部分はるつぼを含有するための内部を形成する。従って、ライナー絶縁体は使い捨てであり得、一方、基部絶縁体は再使用可能である（異なるライナー絶縁体が取り外し可能に取り付けられる）。

関連する実施形態において、前記ライナー絶縁体は、グラファイトまたはカーボンフォーム材料であり得る。基部絶縁体は、セラミック材料であり得る。基部絶縁体は、ライナー絶縁体の材料とは化学的かつ構造的に異なる材料から形成され得る。あるいは基部絶縁体は、ライナー絶縁体と同じ材料から形成され得る。炉はまた、るつぼを含み得、ライナー絶縁体の少なくとも一部分は、るつぼに隣接してかつ／またはるつぼの下に位置を決められ得る。炉はまた、基部絶縁体およびライナー絶縁体の上に位置を決められるアフターヒータを含み得る。アフターヒータは、基部絶縁体によって支持される。

本発明の別の実施形態に従って、リボン結晶成長方法は、基部絶縁体を提供し、基部絶縁体にライナー絶縁体を取り外し可能に接続する。ライナー絶縁体の少なくとも一部分は、るつぼを含有するための内部を形成する。関連する実施形態において、方法はまた、るつぼを提供する。ライナー絶縁体の少なくとも一部分は、るつぼに隣接してかつ／またはるつぼの下に位置を決められ得る。

本発明の別の実施形態に従って、リボン結晶を成長させる方法は、複数の紐孔を有するるつぼを有する炉を提供する。炉はまた、第１の取り外し可能に接続されたライナーを有する基部絶縁体を有する。方法はまた、るつぼに溶融した材料を追加し、紐孔に糸を通し、溶融した材料がリボン結晶を成長させる。関連する実施形態において、方法はまた、
第１のライナーを取り外すし、基部絶縁体に第２のライナーを取り外し可能に接続する。

当業者は、直下に要約される図面を参照して論じられる以下の「発明を実施するための形態」から本発明の種々の実施形態の利点をより完全に理解されたい。

図１は、本発明の例証的実施形態を実装し得る、シリコンリボン結晶成長炉を概略的に示す。 図２は、筐体の一部が除去された状態にある、図１に示されるリボン結晶成長炉の部分的裁断図を概略的に示す。 図３は、本発明の実施形態による、筐体が除去された状態にある、図２の線Ａ−Ａに沿った斜視断面図を概略的に示す。 図４は、本発明の実施形態による、筐体が除去された状態にある、図２の線Ａ−Ａに沿った断面図を概略的に示す。 図５は、本発明の実施形態による、筐体が除去された状態にある、リボン結晶成長炉の斜視図を概略的に示す。 図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の実施形態による、それぞれ、アフターヒータ絶縁体の側面図および斜視底面図を概略的に示す。 図６Ａおよび図６Ｂは、本発明の実施形態による、それぞれ、アフターヒータ絶縁体の側面図および斜視底面図を概略的に示す。 図７は、本発明の別の実施形態による、アフターヒータ絶縁体の側面図を概略的に示す。 図８は、アフターヒータ絶縁体を伴わない、基部絶縁体およびライナー絶縁体の斜視上面図を概略的に示す。

例証的実施形態では、リボン結晶引き上げ炉は、高純度で比較的容易に取り替え可能なライナー絶縁体を支持する基部絶縁体を含み得る。ライナー絶縁体は、溶融ケイ素を収容可能なるつぼに隣接する。ライナー絶縁体は、比較的高温に耐えることが可能な材料から構成される。必要に応じて、ライナー絶縁体は、（例えば、損傷または汚染により）交換され得、結果として基部絶縁体に取り外し可能に取り付けられる。ライナー絶縁体は、取り外し可能に接続される。なぜならば、基部絶縁体の構造全体を実質的にそして恒久的に変更することなしに容易に取り外されることが可能だからである。従って、予測される使用の間、ライナー絶縁体の取り外しは、実質的に基部絶縁体を損傷しない。例示的実施形態の詳細は以下に論じられる。

図１は、例証的本発明の実施形態を実装し得る、シリコンリボン結晶引き上げ炉１０を概略的に示す。炉１０は、実質的に酸素がない（例えば、燃焼を防止するため）閉鎖または密閉内部を形成する筐体１２を含む。酸素の代わりに、内部は、アルゴンまたは他の不活性ガス、あるいはガスの組み合わせ等、ある濃度の別の気体を有してもよい。内部は、るつぼ１４（図２−６に示されるように）と、複数のシリコンリボン結晶１６を実質的に同時に成長させるための他の構成要素（そのうちのいくつかは後述される）と、を含む。図１は、４つのシリコンリボン結晶を示すが、炉１０は、より多いまたはより少ないリボン結晶を実質的に同時に成長させてもよい。リボン結晶１６は、単結晶、多結晶、または多結晶シリコンであってもよい。筐体１２内の給入口１８は、シリコン原料を筐体１２の内部内からるつぼ１４へと誘導するための手段を提供する一方、１つ以上の任意の窓２０は、内部およびその構成要素の検査を可能にする。

シリコンリボン結晶１６の議論は、例証であって、本発明の全実施形態を制限することを意図するものではないことに留意されたい。例えば、リボン結晶１６は、他の材料、またはシリコンおよびいくつかの他の材料の組み合わせから形成されてもよい。

図２は、筐体１２の一部が除去された状態にある、図１に示される炉１０の部分的裁断図を概略的に示す。本図は、とりわけ、溶融材料を支持または含有し得る実質的に平坦な上面を有する、上述のるつぼ１４を示す。るつぼ１４の本実施形態は、その長さに沿って並列配列にある成長リボン結晶１６のための領域を伴う、細長い形状を有する。

炉１０は、例えば、溶融材料を含有する領域および結果として生じる成長リボン結晶を含有する領域等、炉１０内の種々の領域の熱要件に基づいて専用に構成される絶縁体を有する。これらの領域は両方、本質的には、成長リボン結晶１６が通過する内部領域を形成する。故に、炉１０の内部は、以下に詳述されるように、るつぼ１４を含有する領域をともに形成する、基部絶縁体２４およびライナー絶縁体２６を含む。また、炉は、基部絶縁体２４およびライナー絶縁体２６の上方（図面の観点から）に位置付けられるアフターヒータ２８を含む。アフターヒータ２８は、るつぼ１４からの上昇に伴って、成長リボン結晶１６を冷却させるための制御された熱環境を提供する。基部絶縁体２４、ライナー絶縁体２６、およびアフターヒータ２６は、関連するが、異なる熱要件を有する場合があり、したがって、異なる材料から成ってもよい。しかしながら、代替実施形態は、種々の領域において、類似または同一絶縁体材料を有してもよい。

図３および４は、筐体が除去された状態にある、それぞれ、図２の線Ａ-Ａに沿った斜視断面図および断面図を概略的に示す。図２−４に示されるように、アフターヒータ２８は、概して、基部絶縁体２４およびライナー絶縁体２６の上方に垂直に離間される。アフターヒータ２８は、例えば、支柱（図示せず）によって、基部絶縁体２４およびライナー絶縁体２６の一方または両方によって、支持されてもよい。加えて、または代替として、アフターヒータ２８は、筐体１２の上部１２ａに取設または固着されてもよい。いくつかの実施形態では、アフターヒータ２８は、成長リボン結晶１６の片側に位置付けられる、２つの部分２８ａ、２８ｂを有する。２つの部分２８ａ、２８ｂは、リボン結晶が成長する１つ以上のチャネル３０（図３に示されるように）を形成する。また、代替として、図５に示されるように、アフターヒータ２８は、成長リボン結晶１６の片側のみに位置付けられてもよい。

アフターヒータ２８は、制御下、リボン結晶を冷却させるための適切な熱要件を提供する、任意の絶縁体材料から形成されてもよい。例えば、アフターヒータ２８は、炭素発泡体または黒鉛発泡体絶縁体材料等、黒鉛または炭素材料から形成されてもよい。したがって、アフターヒータ２８は、以下に詳述されるように、ライナー絶縁体２６と類似する材料から形成されてもよい。それにもかかわらず、アフターヒータ２６によって形成される領域内の熱要件は、概して、るつぼ１４および溶融材料を含む領域内の熱要件と異なる。

例証的実施形態では、アフターヒータ２８は、チャネル３０を通過する成長リボン結晶１６から熱を制御可能に排出するための１つ以上の開口３２を有する。図６Ａおよび６Ｂは、そのようなアフターヒータ２８の一実施形態を示す。本実施形態では、アフターヒータ２８は、基部絶縁体２４およびライナー絶縁体２６に対向する底面３４と、開口３２を有する少なくとも１つの垂直に延びる壁３６と、を有する。

示される実施形態では、開口３２は、それぞれ実質的に均一幅を有する細長いスロットの形態である。代替として、スロットは、可変幅を有してもよい。他の実施形態では、開口３２は、円形形状、矩形形状、または不整形形状等、均一または可変の異なる形状を有してもよい。開口３２は、互いに隣接して位置付けられてもよく、開口は、図６Ａに示されるように、垂直方向に壁３６の長さに延びる。代替として、開口３２は、図７に示されるように、折り重なって垂直に整列されてもよい。成長結晶リボン領域の所望の熱特徴、ならびにアフターヒータ２８の材料の組成および厚さは、開口３２の領域の総量および／またはその構成を考慮に入れる。

開口３２のサイズおよび形状は、リボン結晶１６の所望の厚さに応じて、可変であってもよい。しかしながら、リボン結晶１６は、ある領域では厚過ぎる、および／または望ましくない内部ひずみまたは応力を有し得るため、概して、サイズおよび形状は、あまり大きくすべきではない。したがって、開口３２のサイズおよび形状は、そのようなひずみまたは応力を最小限にし、適切なリボン結晶厚を確保するように、慎重に制御されるべきである。

開口３２は、好ましくは、完全にアフターヒータ２８の壁３６を通して延びる。しかしながら、代替実施形態では、開口３２は、単に、アフターヒータ２８のより薄い領域であってもよい。アフターヒータ２８の壁３６は、図３および５等に示されるように、可変厚を有してもよく、開口３２は、完全に壁３６を通して延びてもよい。

開口３２は、例証的に、指定位置に位置付けられ、成長リボン結晶１６のある特徴および質を制御する。例えば、るつぼ１４は、それぞれの紐４２のための複数の紐穴４０（図８参照）を有してもよい。紐４２のるつぼ１４の通過に伴って、溶融シリコンは、その表面にくっつき、したがって、成長リボン結晶１６を形成する。望ましくないことに、ある程度のさらなる冷却がない限り、意図されるものよりも薄くなり得る（例えば、薄く脆弱な「首領域」を形成する）、成長リボン結晶１６の一部が存在する場合がある。故に、開口３２は、成長リボン結晶１６のそれらの区分の近傍に位置付けられ、適切な冷却、ひいては、所望の厚さを確保し得る。

例えば、２つの紐穴は、リボン結晶成長方向に沿って、炉１０を通して、垂直に上方に延びる平面を形成するものとして考えられ得る。図２に示されるように、リボン結晶１６は、概して、本平面に平行に成長する。開口３２は、図２および５に示されるように、成長リボン結晶１６の本平面の縁に沿って位置付けられる、または整列されてもよく、あるいは本垂直に延びる平面に沿って、いずれかの場所に位置付けられてもよく、したがって、炉１０のその領域内の温度を低下させる。その領域内の温度の低下は、対応する領域内のリボン結晶厚を増加させる効果を有するはずである。

紐４２のるつぼ１４の通過に伴って、るつぼ１４内の溶融シリコンはライナー絶縁体２６上に不注意に飛び散る場合がある。加えて、ライナー絶縁体２６は、オペレータが炉１０を手動で洗浄する際、損傷または汚染される場合がある。これによって、絶縁体２６は、炉１０のその領域に対する異なる比較的予想外の熱効果を有する場合がある。また、実際の使用の際、融液に隣接する絶縁体の一部は、るつぼ１４内に剥がれ落ちる場合があり、したがって、当業者に既知のシリコン融液と混合する。故に、これらの薄片が、シリコン融液、および最終的には、成長リボン結晶の化学組成にごくわずか以上の影響を有することがないように確保することが望ましい。

そのために、ライナー絶縁体２６は、好ましくは、比較的高温に耐え得る、非常に純度の高い、高品質材料から形成される。例えば、ライナー絶縁体材料は、好ましくは、約１０００^ｏＣ〜約１５００^ｏＣの範囲の温度で作用する。そのために、ライナー絶縁体２６は、低密度の高温伝導性材料（例えば、炭素発泡体、炭素繊維、または黒鉛発泡体材料）等、種々の物理的構造を有する多様な材料（例えば、黒鉛、炭化ケイ素、石英、または酸化アルミニウム）から形成されてもよい。容認可能なライナー絶縁体材料は、メイン州ＢｉｄｄｅｆｏｒｄのＦｉｂｅｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｉｎｃ．またはイリノイ州Ｂｕｆｆａｌｏ ＧｒｏｖｅのＧｒａｐｈｔｅｋ， ＬＬＣから市販されている。

例証的実施形態では、基部絶縁体２４は、ライナー絶縁体２６よりも純度が低く、安価な材料から形成されてもよい。基部絶縁体２６は、ライナー絶縁体２６によって、高温溶融材料から分離されるため、基部絶縁体材料２４は、ライナー絶縁体２６が耐えなければならない高温に耐える必要がない。例えば、基部絶縁体材料は、約室温〜約１０００^ｏＣの範囲の温度で作用してもよい。したがって、基部絶縁体２４は、セラミック材料（例えば、酸化アルミニウムまたは二酸化ケイ素）等、それらの要件に合致する多様な材料から形成されてもよい。対照的に、ライナー絶縁体２６は、より高温に耐え得る材料から形成される。そのために、ライナー絶縁体２６は、基部絶縁体３０と異なる材料（化学的および／または構造的に）から形成されてもよい。例えば、基部絶縁体２４は、固体の比較的濃厚黒鉛板から形成されてもよい一方、ライナー絶縁体２６は、黒鉛または炭素発泡体材料から形成されてもよい。他の実施形態では、基部絶縁体２４およびライナー絶縁体２６は、同一または類似材料から形成されてもよい。

図３および４により明確に示されるように、ライナー絶縁体２６は、基部絶縁体２４の側壁に沿って（すなわち、るつぼ１４に隣接して）、垂直に位置付けられ、また、るつぼ１４の下に位置付けられてもよい。したがって、ライナー絶縁体２６は、るつぼ１４を部分的に含有するための内部を効果的に形成する。いくつかの実施形態では、炉１０は、ガスマニホールド４６に連結されるガス噴射４４を有するガス系統を含み、成長リボン結晶をさらに冷却してもよい。例えば、図３および４に示されるように、ライナー絶縁体２６は、るつぼ１４に隣接して、ガス噴射４４を内部領域内に可能にする開口を含んでもよい一方、ガスマニホールド４６が溶融材料によって著しく汚染されるのを防止する。

ライナー絶縁体２６の厚さは、ライナー絶縁体２６および基部絶縁体２４の絶縁特性、ならびに炉１０の所望の作用温度を含む、いくつかの要因に応じて、可変であってもよい。しかしながら、一実施形態では、ライナー絶縁体２６は、基部絶縁体２４よりも薄く、典型的には、高価である非常に純度が高く、高品質の材料と交換するコストを削減し得る。

ライナー絶縁体２６は、最終的には、その効率を低減し得るいくつかの環境要因に曝されることが予測され、したがって、ある寿命を有すると考えられ得る。上述のように、その壁上に飛び散る溶融シリコン、ならびに通常の剥離は、ライナー絶縁体の高価に影響を及ぼす場合がある。故に、ある時点において、当業者は、ライナー絶縁体２６を交換することを選択してもよい。そのために、ライナー絶縁体２６は、基部絶縁体２４との接続から除去され、その後、廃棄されてもよい。新しいライナー絶縁体２６は、基部絶縁体２４に除去可能に接続されてもよく、炉１０は、そのより効率的作用モード（すなわち、上述の問題が実質的ない新しいライナー絶縁体２６によって）に戻ることができる。

上述のように、本発明の例証的実施形態では、ライナー絶縁体２６は、基部絶縁体２４に除去可能に接続される。任意の数の技術を使用して、ライナー絶縁体２６を基部絶縁体２４に除去可能に接続してもよい。例えば、複数のネジ（図示せず）は、ライナー絶縁体２６を基部絶縁体２４に固定してもよい。しかしながら、スナップ嵌合機構を含む、他の技術が使用されてもよい。

本発明の種々の実施形態は、組み合わせられてもよい。例えば、アフターヒータ２８は、基部２４またはライナー絶縁体２６に除去可能に接続され、したがって、また、比較的容易に交換され得る。加えて、基部絶縁体２４は、るつぼ１４に隣接する領域内の熱のための通気として効果的に作用する開口３２を有してもよい。故に、概して、異なる実施形態のこれらの側面のそれぞれの別個の議論は、全実施形態を制限するものとして意図されない。

故に、本発明の種々の実施形態は、基本炉構造を変更せずに、必要に応じて、炉１０内の絶縁体を交換可能にする。加えて、他の実施形態は、アフターヒータ２８または基部絶縁体２４内に開口３２を有することによって、炉１０内の熱プロファイルのさらなる制御を可能にする。これらの開口３２は、熱通気口として、効果的に機能する。

上述の議論は、本発明の種々の例示的実施形態を開示するが、当業者が、本発明の真の範囲から逸脱することなく、本発明の利点のいくつかを達成するであろう種々の修正を行なうことが可能であることは、明白であるはずである。

Claims (24)

1. 基部絶縁体と、
   該基部絶縁体に取り外し可能に接続されたライナー絶縁体であって、該ライナー絶縁体の少なくとも一部分はるつぼを収容するための内部を形成する、ライナー絶縁体と
   を備えている、リボン結晶引き上げ炉。
2. 前記ライナー絶縁体は、グラファイトを備えている、請求項１に記載のリボン結晶引き上げ炉。
3. 前記ライナー絶縁体は、カーボンフォーム材料を備えている、請求項１に記載のリボン結晶引き上げ炉。
4. 前記基部絶縁体は、セラミック材料を備えている、請求項１に記載のリボン結晶引き上げ炉。
5. 前記基部絶縁体は、前記ライナー絶縁体の材料とは化学的かつ構造的に異なる材料から形成される、請求項１に記載のリボン結晶引き上げ炉。
6. 前記基部絶縁体は、前記ライナー絶縁体と同じ材料から形成される、請求項１に記載のリボン結晶引き上げ炉。
7. るつぼをさらに備え、前記ライナー絶縁体の少なくとも一部分は、該るつぼに隣接して位置を決められる、請求項１に記載のリボン結晶引き上げ炉。
8. るつぼをさらに備え、前記ライナー絶縁体の少なくとも一部分は、該るつぼの下に位置を決められる、請求項１に記載のリボン結晶引き上げ炉。
9. 前記基部絶縁体および前記ライナー絶縁体の上に位置を決められるアフターヒータをさらに備え、該アフターヒータは該基部絶縁体によって支持される、請求項１に記載のリボン結晶引き上げ炉。
10. 基部絶縁体を提供することと、
    該基部絶縁体にライナー絶縁体を取り外し可能に接続することであって、該ライナー絶縁体の少なくとも一部分はるつぼを収容するための内部を形成する、ことと
    を包含する、リボン結晶成長方法。
11. 前記ライナー絶縁体は、グラファイトを備えている、請求項１０に記載の方法。
12. 前記ライナー絶縁体は、カーボンフォーム材料を備えている、請求項１０に記載の方法。
13. 前記基部絶縁体は、セラミック材料を備えている、請求項１０に記載の方法。
14. 前記基部絶縁体は、前記ライナー絶縁体の材料とは化学的かつ構造的に異なる材料から形成される、請求項１０に記載の方法。
15. 前記基部絶縁体は、前記ライナー絶縁体と同じ材料から形成される、請求項１０に記載の方法。
16. るつぼを提供することをさらに包含し、前記ライナー絶縁体の少なくとも一部分は、該るつぼに隣接して位置を決められる、請求項１０に記載の方法。
17. るつぼを提供することをさらに包含し、前記ライナー絶縁体の少なくとも一部分は、該るつぼの下に位置を決められる、請求項１０に記載の方法。
18. 複数の紐孔を有するるつぼを有する炉を提供することであって、該炉はまた、第１の取り外し可能に接続されたライナーを有する基部絶縁体を有する、ことと、
    該るつぼに溶融した材料を追加することと、
    該紐孔に糸を通すことと、該溶融した材料がリボン結晶を成長させることと
    を包含する、リボン結晶を成長させる方法。
19. 前記第１のライナーを取り外すことと、
    前記基部絶縁体に第２のライナーを取り外し可能に接続することと
    をさらに包含する、請求項１８に記載の方法。
20. 前記ライナー絶縁体は、グラファイトまたはカーボンフォーム材料を含む、請求項１８に記載の方法。
21. 前記基部絶縁体は、セラミック材料を含む、請求項１８に記載の方法。
22. 前記基部絶縁体は、前記ライナー絶縁体と同じ材料から形成される、請求項１８に記載の方法。
23. 前記ライナー絶縁体の少なくとも一部分は、前記るつぼに隣接して位置を決められる、請求項１８に記載の方法。
24. 前記ライナー絶縁体の少なくとも一部分は、前記るつぼの下に位置を決められる、請求項１８に記載の方法。

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