JP2012500172A5 - - Google Patents

Description

シートを形成する方法及び装置

本発明は、融液からのシート形成、より具体的には、融液から形成されたシートの厚みを薄くする技術に関する。

シリコンウェハまたはシートは、例えば集積回路または太陽電池産業で利用される場合がある。再生可能なエネルギー源への需要が高まるにつれ、太陽電池の需要も高まってゆくであろう。太陽電池にはシリコンと薄膜という二種類がある。大多数の太陽電池は、単結晶シリコンウェハ等のシリコンウェハから形成される。現在のところ、結晶シリコン太陽電池のコストの大半を、太陽電池を形成するウェハのコストが占める。太陽電池の効率性、つまり標準的な太陽照射の下で生成される電力量は、一部にはこのウェハの品質により制約を受ける。太陽電池への需要が高まると、コスト／電力比を下げることが太陽電池産業の目的の一つとなる。品質を落とさずにウェハの製造コストを低下させることができれば、このコスト／電力比が低下して、このクリーンなエネルギー技術の幅広い利用につながる。

最も効率の高いシリコン太陽電池は、２０％を超える効率性を有し、電子グレードの単結晶シリコンウェハを利用して製造される。これらウェハは、チョクラルスキー法で成長させられた単結晶シリコンのシリンダ状のブールの薄片を切断することで形成される。これら薄片の厚みは２００μｍ未満であってよい。単結晶成長を維持するには、融液を含む坩堝からのブールの成長を、例えば１０μｍ／ｓ未満といった程度に、遅くすることが必要となる。後続する切断プロセスにより、ウェハ１枚について、約２００μｍの切り代、つまり、切断刃の幅に起因した損失が生じる。正方形の太陽電池を形成するには、シリンダ状のブールまたはウェハを、正方形に切断する必要があろう。正方形に切断する処理および切り代によって、無駄となる材料が生じ、材料費が上昇する。太陽電池の薄型化が進むにつれて、１回の切断で無駄になるシリコンの割合も高くなる。インゴット切断技術の制約によって、より薄型の太陽電池が得難くなる。

他の太陽電池のなかには、多結晶シリコンインゴットから切断したウェハを利用して製造されるものがある。多結晶シリコンインゴットは、単結晶シリコンよりも成長が速いが、欠陥および粒界が生じることも多いので、製造されるウェハの品質が低く、太陽電池の効率も低くなる。多結晶シリコンインゴットの切断プロセスは、単結晶シリコンインゴットまたはブールのもの同様に非効率である。

無駄になるシリコンを減らすことのできる別の方法として、イオン注入の後でシリコンインゴットからウェハを劈開する、というものがある。例えば、水素、ヘリウム、その他の貴ガスイオンをシリコンインゴットの表面の下に注入して、注入領域を形成する。この後で、熱的、物理的、または化学的処理を行って、この注入領域に沿ってインゴットからウェハを劈開する。しかし、イオン注入による劈開法は、切り代なしにウェハを製造できるものの、現在のところはコスト面で満足できるシリコンウェハの製造方法ではない。

また別の方法として、融液からシリコン製のリボンを垂直に引っ張ってから、引っ張られているシリコンを冷却して凝固させて一枚のシートとする、というものがある。この方法における引っ張り速度は、約１８ｍｍ／分未満に制限することができる。冷却および凝固処理でシリコンから除去される潜熱は、垂直なリボンに沿って除去されることになる。従ってリボンに沿って大きな温度勾配が生じる。この温度勾配によって結晶シリコンのリボンに圧力がかかり、品質が劣る多粒子シリコンが生じうる。更にこの温度勾配によってリボンの幅および厚みが制限されることがある。例えば、幅が８０ｍｍ未満、厚みが１８０μｍに制限されることがある。

融液から物理的に引っ張られる水平なシリコンのリボンのテストも行われた。１つの方法では、ロッドに取り付けたシードを融液に挿入して、ロッドおよび生成されるシートを坩堝のエッジに対して低角で引っ張る。角度と表面張力とが均衡すると、融液が坩堝上にこぼれなくなる。しかし、このような引っ張りプロセスの実行制御は難しい。坩堝および融液にシードを挿入することが必要となるが、この際に熱損失が生じうる。熱損失を補うためには、坩堝を更に熱を与える必要がある。しかしこの更なる熱によって、融液に垂直温度勾配が生じて流体が層流でなくなる場合がある。さらに、坩堝のエッジに形成されるメニスカス部分の表面張力と重力とを均衡させるべく、難しい傾斜角の調節を行う必要がある。放熱はシートと融液との間の分離点で行われるので、潜熱として除去される熱と顕熱として除去される熱との間が突然に入れ替わることになる。これにより、この分離点ではリボンに沿って大きな温度勾配が生じ、結晶転位を生じうる。シートに沿ったこれらの温度勾配によって転位およびワープが起こることが予想される。

例えばスピルウェイを利用して融液から水平方向に分離して薄いシートを製造する方法は未だ行われていない。融液から水平方向にシートを分離する製造方法は、インゴットからシリコンを切り出す方法よりも安価であり、切り代、つまり、正方形に切り出すことに伴う損失が生じない。更にこの融液から水平方向に分離されて製造されるシートは、水素イオンを利用してインゴットから劈開されるシリコン、あるいはその他のシリコンリボン引っ張り方法によるシリコンよりも安価である。更に、融液から水平方向にシートを分離する製造方法を利用することで、引っ張り方法によるリボンと比して、シートの結晶の品質が高まる可能性もある。このような、材料費削減が見込まれる結晶成長法の実現は、シリコン製の太陽電池のコスト削減を実現するための大きな一歩となりうる。しかしこの方法では、シートの厚みが不正確となったり、結晶格子内に不純物または溶質が含まれてしまったりするという欠点がある。従ってこの技術分野では、融液からシートを形成する方法の改善が望まれており、より詳しくは、融液から形成されるシートの厚みを薄くする方法が望まれている。

本発明の第１の側面では、シートを形成する方法が開示される。方法は、材料の融液を冷却する工程と、融液内で材料のシートを形成する工程とを含む。シートは第１の厚みを有する。シートの厚みを、第１の厚みから、第１の厚みから第２の厚みへと低減させる。第２の厚みは第１の厚みより小さい。厚みを低減させる工程は、形成する工程の後に融液内で行われてよい。

本発明の第２の側面では、シートを形成する装置が提供される。装置は、材料の融液を保持するチャネルを画定する容器を含む。冷却板が、融液の付近に配置される。冷却板は、融液の上に材料の第１の厚みを有するシートを形成する。装置はさらに放射ヒータを有してもよい。シートの形成後に融液内でシートの厚みを、第１の厚みから、第１の厚みよりも小さい第２の厚みへと低減させる。

本発明の第３の側面では、シートを形成する方法が提供される。方法は、第１段階で材料の融液を冷却する工程を含む。第１段階における冷却は第１のパラメータを含む。材料のシートの第１の層は融液内で形成される。シートの第１の層は、第１の厚みと第１の溶質濃度とを有する。融液は第２段階で冷却される。第２段階における冷却は、第１のパラメータとは異なる第２のパラメータを有する。シートの厚みを、第１の厚みから第２の厚みへ増加させて、シートの第２の層を形成する。第１の厚みと第２の厚みとの間の第２の層は、第１の溶質濃度より高い第２の溶質濃度を有する。シートの厚みを、増加させた後に、第２の厚みから第１の厚みへと融液内で低減させる。

本開示をよりよく説明するべく、ここに参照として組み込む以下の添付図面を参照する。

融液からシートを分離する装置の一実施形態の側面断面図である。 融液からシートを引っ張ることで引き離す装置の一実施形態の側面断面図である。 図１の装置を利用する融液内の厚み低減工程に関する側面断面図である。 図２の装置を利用する融液内の厚み低減工程に関する側面断面図である。 図１の装置を利用するヒータを利用する厚み低減工程に関する側面断面図である。 図２の装置を利用するヒータを利用する厚み低減工程に関する側面断面図である。 シート−融液の界面付近の融液および固体の経時的な濃度プロファイルを表す。 図１の装置を利用する厚み低減工程および純化工程に関する側面断面図である。 図２の装置を利用する厚み低減工程および純化工程に関する側面断面図である。 シート成長中の不純物の捕捉工程に関する側面断面図である。 シートの加熱工程に関する断面図である。

ここに、太陽電池との関連で装置および方法の実施形態を記載する。しかし、これらは、例えば集積回路、フラットパネル、その他の当業者に公知な基板を製造する目的にも利用可能である。さらには、ここに記載する融液はシリコンであるが、融液には、ゲルマニウム、シリコンとゲルマニウムとの組み合わせ、ガリウム、窒化ガリウム、その他の半導体材料、または、その他の当業者に公知な材料が含まれてよい。従って、本発明は以下に記載する特定の実施形態に限定されない。

図１は、融液からシートを分離する装置の一実施形態の側面断面図である。シート形成装置２１は、容器１６と、パネル１５および２０とを有する。容器１６と、パネル１５および２０とは、例えばタングステン、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、モリブデン、グラファイト、炭化ケイ素、または石英であってよい。容器１６は融液１０を含むように構成される。融液１０はシリコンであってもよい。融液１０は、一実施形態では、フィード１１を介して充たされてもよい。フィード１１は固体シリコンを含んでもよい。別の実施形態では、融液１０は容器１６にポンプにより注入されてよい。シート１３は融液１０上に形成される。一例では、シート１３は少なくとも部分的に融液１０内に浮遊している。図１ではシート１３が融液１０内に浮遊しているように描かれているが、シート１３は少なくとも部分的に融液１０内に沈んでいても、融液１０の上部に浮遊していてもよい。一例では、シート１３の１０％のみが融液１０の上部から突出している。融液１０は装置２１内を循環してもよい。

この容器１６は、少なくとも１つのチャネル１７を画定する。このチャネル１７は融液１０を保持するよう構成され、融液１０は、チャネル１７の第１点１８から第２点１９へと流れる。一例では、チャネル１７内の環境を静的なものとすることで、融液１０内の波紋（ripple）を防いでいる。融液１０は、例えば圧力差、重力、電磁流体力学的駆動力、スクリューポンプ、インペラーポンプ、動力（wheel）、その他の運搬方法により流れてよい。そして融液１０は、スピルウェイ１２を流れる。スピルウェイ１２は、傾斜路、堰、小さなダム、またはコーナであってよく、図１に示す実施形態に限定されない。スピルウェイ１２は、シート１３を融液１０から分離することができる任意の形状であってよい。

この特定の実施形態において、パネル１５は一部が融液１０の表面の下に延びている。これにより、波または波紋が、融液１０上での形成時にシート１３を妨害しないようにしないようにできる。波または波紋は、フィード１１からの溶融材料の追加、ポンプによる注入、その他の当業者に公知な原因によって形成されうる。

ある特定の実施形態では、容器１６と、パネル１５および２０とは、約１６８７Ｋを僅かに上回る温度に維持されてよい。シリコンにおいては、１６８７Ｋは、凝固温度または界面温度を表している。容器１６並びにパネル１５および２０の温度を融液１０の凝固温度を僅かに上回る温度に維持することにより、冷却板１４が放射冷却により機能して、融液１０上の、または融液１０内のシート１３にとって望ましい凝固速度を達成することができる。この特定の実施形態における冷却板１４は、単一のセグメントまたはセクションから形成されているが、別の実施形態では複数のセグメントまたはセクションを含むこともできる。チャネル１７の底部を融液１０の溶融温度を越える温度に加熱して、融液１０内の界面に小さな垂直温度勾配を形成することで、シート１３の上の構成上の過冷却または樹状突起または枝状突起の形成を防止することができる。しかし、容器１６と、パネル１５および２０とは、融液１０の溶融温度を上回る任意の温度であってよい。これにより、容器１６、並びにパネル１５および２０の上での融液１０の凝固が妨げられる。

装置２１は、装置２１を少なくとも部分的または全体的に筐体内に封入することで、融液１０の凝固温度を僅かに上回る温度に維持することができる。筐体が装置２１を融液１０の凝固温度を超える温度に維持する場合、装置２１を加熱する必要性がなくなる、または低減して、筐体内またはその周りのヒータが熱損失を補うことができるようになる。この筐体は、非等方性の導電性を有し、等温性を有してよい。別の特定の実施形態では、ヒータが筐体上または筐体内に配置されるのではなく、装置２１内に配置される。一例としては、容器１６にヒータを埋め込み、マルチゾーン温度制御によって、容器１６の異なる領域を異なる温度に加熱する。

筐体は、装置２１が配置される環境を制御することができる。特定の実施形態では、筐体は不活性ガスを含む。この不活性ガスは、融液１０の凝固温度を上回る温度に維持されてよい。不活性ガスにより、シート１３の形成プロセス中に構成上の不安定性を生じうる溶質が融液１０にあまり形成されなくなる。

装置２１は冷却板１４を含む。冷却板１４により、融液１０上にシート１３が形成される際の熱抽出が可能となる。冷却板１４は、冷却板１４の温度が融液１０の凝固温度を下回った場合に、シート１３を融液１０の上で、またはその中で凝固させる。冷却板１４は放射冷却を利用することができ、例えばグラファイト、石英、または炭化ケイ素で製造可能である。冷却板１４は、液体融液１０から熱を迅速に、均一に取り去ることができ、しかも、制御された量の熱を取り去ることができる。シート１３が形成されてシート１３を不完全なものでなくす際に、融液１０へのかく乱が防がれる。

融液１０からの融合熱および熱の、融液１０の表面からの熱抽出によって、シート１３を低欠陥密度に維持しつつ、他のリボン引っ張り方法よりもシート１３の高速な製造が可能となる。融液１０の表面の上のシート１３または融液１０の上を浮遊するシート１３を冷却することで、大きなシート１３の抽出速度を有しつつ、大きな面積の上の融合の潜熱を徐々に取り去ることができる。

冷却板１４の寸法は、長さおよび幅両方で大きくすることができる。長さを大きくすることにより、同じ垂直成長速度および生成されるシート１３厚さに対し、より高速のシート１３の抽出速度が達成される。冷却板１４の幅を広くすることにより、シート１３の幅も広くすることができる。垂直シート引っ張り方法とは異なり、図１に示す装置および方法の実施形態を利用して製造されるシート１３の幅には本来物理的制約がない。

ある特定の例では、融液１０およびシート１３は、約１ｃｍ／ｓの速度で流れる。冷却板１４は、長さが約２０ｃｍであり、幅が約２５ｃｍである。シート１３は、約１００μｍの厚みに約２０秒で成長することができる。従ってシートは、約５μｍ／ｓの速度で厚みが成長してよい。約１００μｍの厚みのシート１３は、約１０ｍ^２／時の速度で製造することができる。

一実施形態では、融液１０の熱勾配を最小限に抑えることができる。これにより、融液１０が安定して層状に流れるようになる。さらに、冷却板１４を利用して放射冷却によりシート１３を形成することができるようになる。冷却板１４と融液１０との間の約３００Ｋの温度差により、ある特定の例においては、融液１０の上に、またはその中に、シート１３を約７μｍ／ｓの速度で形成することができる。

冷却板１４の下流およびパネル２０の下のチャネル１７の領域は、等温であってよい。この等温領域により、シート１３のアニーリングが可能である。

融液１０上にシート１３を形成した後で、スピルウェイ１２を利用して融液１０からシート１３を分離する。融液１０は、チャネル１７の第１点１８から第２点１９へと流れる。シート１３は融液１０により流れる。このシート１３の輸送は、連続した運動であってよい。一例では、シート１３は、融液１０の流れる速度と略同じ速度で流れさせてよい。このようにしてシート１３が形成して、融液１０に対して静止している状態で輸送することができる。スピルウェイ１２の形状またはスピルウェイ１２の配置を変更することで、融液１０またはシート１３の速度プロファイルを変更することができる。

融液１０は、スピルウェイ１２でシート１３から分離される。一実施形態では、融液１０の流れにより、融液１０にスピルウェイ１２の上を通らせ、少なくとも一部には、シート１３にスピルウェイ１２の上を通らせることができる。こうすることで、外部応力がシート１３にかからないことから、単結晶のシート１３を破壊する可能性が最小限に抑えられる、または防がれる。融液１０は、この特定の実施形態では、シート１３から離れてスピルウェイ１２の上を流れる。スピルウェイ１２を冷却しないことで、シート１３に対する熱衝撃を防ぐことができる。一実施形態では、スピルウェイ１２における分離は、等熱に近い条件下で起こる。

装置２１内においてシート１３は、融液に対して法線方向に引っ張る方法よりも速く形成することができる。これは、融液１０の上でシート１３の適切な冷却化および結晶化が行われるように流れるように融液１０が構成されているからである。シート１３は、融液１０が流れる速度と略同じ速度で流れる。これによりシート１３に対する応力が低減される。融液に対して法線方向にリボンを引っ張る際には、引っ張ることでリボンにかかる応力によって、速度が制限される。一実施形態においては、装置２１のシート１３はこのような引っ張り応力を受けない。これにより、シート１３の品質およびシート１３の製造速度が向上する。

シート１３は、一実施形態ではスピルウェイ１２を超えて直進する傾向がある。一部の例では、スピルウェイ１２を超えた箇所でこのシート１３を支持して、破損を防ぐことができる。支持デバイス２２によりシート１３を支持する。支持デバイス２２は、例えば気体（または空気）送風機を利用して気体圧差を提供することでシート１３を支持する。シート１３が融液１０から分離された後で、シート１３が位置する環境の温度を徐々に変更してよい。一例では、シート１３がスピルウェイ１２から移動して離れるにつれて、温度が降下する。

一例では、シート１３の成長、シート１３のアニーリング、および、スピルウェイ１２を利用するシート１３の融液１０からの分離は、等温環境下で行うことができる。スピルウェイ１２を利用して、且つ、シート１３と融液１０との間で略等しい流速とすることで分離を行うことにより、シート１３上にかかる応力または機械的歪みが最小限に抑えられる。これにより、単結晶のシート１３が製造される可能性が高まる。

別の実施形態では、シート形成装置２１で融液１０およびシート１３に対して磁界を適用する。これにより、融液１０内の振動流を弱めてシート１３の結晶化を促すことができるようになる。

図２は、融液からシートを引っ張ることで引き離す装置の一実施形態の側面断面図である。本実施形態では、シート形成装置２３がシート１３を融液１０から引っ張ることで引き離す。本実施形態では融液１０はチャネル１７内を循環している必要はなく、シート１３はシードを利用して引っ張られる。シート１３は冷却板１４による冷却により形成することができ、生成されるシートは融液１０から引っ張り出すことができる。

図１−２両方の実施形態で冷却板１４が利用されている。冷却板１４の全長の冷却温度と異なり、且つ、融液１０の流速またはシート１３の引っ張り速度と異なり、シート形成装置２１またはシート形成装置２３の様々なセクションの長さ、または、シート形成装置２１またはシート形成装置２３内のタイミングを利用してプロセス制御を行うことができる。融液１０がシリコンである場合には、多結晶のシート１３または単結晶のシート１３をシート形成装置２１内に形成することができる。図１または図２の実施形態においては、シート形成装置２１またはシート形成装置２３は筐体内に含まれていてよい。

図１および図２は、融液１０からシート１３を形成することのできるシート形成装置の２つの例を示したに過ぎない。垂直または水平方向にシート１３を成長させる他の装置または方法が可能である。ここに記載する方法および装置の実施形態は、任意の垂直または水平方向にシート１３を成長させる方法または装置に応用することができ、図１−２の特定の実施形態のみに限定されない。図１−２の実施形態を利用して形成されるシート１３は、厚みが大きすぎたり、不正確な寸法であったりする場合がある。さらにシート１３の表面が滑らかではない場合もある。従って、例えばシート１３の厚みを薄くして、正確な厚みを得たり、表面を滑らかにしたりすることができる。

図３は、図１の装置を利用する融液内の厚み低減工程に関する側面断面図である。融液１０はスピルウェイ１２を流れる。シート１３は、冷却板１４を用いて融液１０を凝固させる際に、融液１０内に形成される。シート１３は、冷却板１４の下流であって領域３０内のスピルウェイ１２の上流で厚みを低減される。この厚み低減工程によって、スピルウェイ１２の前で、シート１３の寸法が第１の厚みから第２の厚みへと変化する。シート１３がスピルウェイ１２に向かって流れる際に、融液１０からの熱によって、シート１３の少なくとも一部分が溶融されて、融液１０に戻る。

特定の一例では、融液１０またはシート１３の流速は約１ｃｍ／ｓである。この特定の実施形態では層流を利用することができる。容器１６の温度は、シート１３の凝固温度より約２Ｋ上回る温度であってよい。冷却板１４の温度と、融液１０の温度との差異は、約３００Ｋであってよい。領域３０の融液１０の深さは約１ｃｍである。シート１３の厚みを低減させて、領域３０内で融液１０に戻す速度は約１μｍ／ｓである。従って、融液１０またはシート１３の流れの方向に沿って第１点１８と第２点１９との間でシート１３の厚みを薄くする速度は、約１μｍ／ｃｍである。領域３０は、融液１０またはシート１３の流れの方向で約０．５ｍの長さを有することで、シート１３の厚みを約１５０μｍから約１００μｍへと薄くすることができる。この領域３０の長さは、容器１６の温度を上げることで短くすることができるが、これには、冷却板１４が、より低い温度で動作する必要があろう。別の実施形態では、シート１３の厚みを、約２００μｍから約１００μｍへ低減させる。

均一に厚みを薄くするプロセスを行うには、温度勾配を十分に下げて、シート１３に対する不均一または不安定な浮力による対流を防ぐ必要があろう。不安定な対流は、不均一な熱流束であるので、エネルギー輸送全体を均一に制御することが難しい。これは、シート１３における不均一な厚みにつながりうる。シート１３および融液１０における温度差が約５Ｋ未満であり、領域３０における融液１０の深さが比較的浅い場合には、浮力による対流は問題を呈さない。領域３０における融液１０の深さは、例えば約１．２２ｃｍ未満であってよい、または、約０．９７ｃｍであってよい。しかし、一部の実施形態では、融液１０の対流が許されてよい。他の条件またはパラメータも可能であり、これは厚み低減プロセスの一例に過ぎない。本実施形態は、上述した例にリストされる条件のみに限定されない。

図４は、図２の装置を利用する融液内の厚み低減工程に関する側面断面図である。領域３０のシート１３の厚み低減プロセスは、シート形成装置２３および図３のシート形成装置２１に適用することができる。ここでシート１３は、冷却板１４を用いて形成した後であってシート１３を融液１０から引っ張ることで引き離した後で、第１の厚みから第２の厚みへと厚みを薄くされる。

図５は、図１の装置を利用するヒータを利用する厚み低減工程に関する側面断面図である。シート形成装置２１は、ヒータ５０および流体ベアリング５１を含む。ヒータ５０および流体ベアリング５１は両方とも、この特定の実施形態では、融液１０上に形成されるシート１３に対して傾けられている。シート１３は、第１点１８から第２点１９へ、そしてスピルウェイ１２上を流れる。シート１３がスピルウェイ１２を通り過ぎてから、シート１３の厚みを、ヒータ５０を用いて低減させる。シート１３の厚みは、第１の厚みから第２の厚みへと低減させられる。例えば、シート１３の厚みは、約２００μｍから約１００μｍへと低減させられてよい。

冷却板１４によるシート１３の形成、および、ヒータ５０によるシート１３の厚み低減を分離して行うことによって、シート１３を小さな温度勾配で凝固することができるようになる。ヒータ５０を利用してシート１３から溶融されるシート１３の部分は全て、シート１３に沿って流れて融液１０に戻ることができ、または、収集デバイスへとドリップして戻ることができる。これは少なくとも部分的に、シート１３の角度に起因している。特定の実施形態では、シート１３の、シート１３から溶融される部分は、溶質に富んでいてよい。

この特定の実施形態では、ヒータ５０は放射ヒータである。対流コンポーネントを有する他のヒータまたは放射ヒータを利用することもできる。ヒータ５０により、シート１３の厚みを均一に薄くすることができ、シート形成装置２１の他の部分の温度を変更することなく、溶融の潜熱のみを供給することができる。

流体ベアリング５１は、この特定の実施形態では、シート１３を一定の角度に傾かせる。この角度は浅くすることで、シート１３への応力を防ぐことができる。流体ベアリング５１が示されているが、空気ベアリング、ローラ、別のシート１３の運動メカニズムを利用することもできる。別の実施形態では、シート１３を水平に保ち、流体ベアリング５１がシート１３を傾けないようにすることもできる。この例では、シート１３の溶融部分は全てドリップにより下に垂れる。

本実施形態では、冷却板１４とスピルウェイ１２との間に距離があるが、この距離は最小限に抑えることができる。例えば、冷却板１４をスピルウェイ１２の直近の位置に配置することもできる。融液１０が形成後のシート１３の厚みを低減するのではなくて、主にヒータ５０がシート１３の厚みを薄くすることができる。別の実施形態では、ヒータ５０が融液１０と協同することで、シート１３の厚みを薄くすることもできる。

図６は、図２の装置を利用するヒータを利用する厚み低減工程に関する側面断面図である。ヒータ５０でシート１３の厚みを薄くするプロセスは、シート形成装置２３および図５のシート形成装置２１にも適用することができる。ここでシート１３は、冷却板１４を利用して形成された後であってシート１３を融液１０から引っ張り、離した後に、第１の厚みから第２の厚みへと厚みを低減させられる。

別の実施形態では、シート１３の厚みを低減させて、融液１０を純化する、あるいは、溶質のレベルを低減させる。これは、成長させられる結晶シート１３および融液１０における不純物原子（溶質）の濃度の関係を示す、溶質の析出係数に関している。多くの溶質の析出係数は１未満であり、これにより、液体融液１０よりも溶質の濃度の低い固体のシート１３が生じる。従って、シート１３の形成段階では、融液１０内に溶質が選択的に残留するので、溶液１０中の溶質の濃度が上がる。これにより、シート１３の結晶化プロセス中に構成上の不安定性が生じ、これにより品質の悪いシート１３または樹状突起または枝状突起を表面に含むシート１３が生じる場合がある。

この特定の実施形態では、融液１０の純化は、シート１３の形成および厚み低減プロセス中に行われる。この純化プロセスによって、シート１３の形成中に融液１０が純化されるので、利用可能な純度の低い融液１０の原料、または、融液１０の原料全体が少なくなる。図７は、シート−融液の界面付近の融液および固体の経時的な濃度プロファイルを表す。溶質の析出は、融液１０内に溶質を拡散させるよう、十分遅い速度でシート１３の氷結プロセスが行われていることにある程度依存する。しかし、シート１３の結晶化が迅速に進行する場合には、析出する溶質が融液１０内に拡散する時間がない。従って溶質は固体のシート１３内に捕捉されうる。

図７から分かるように、シート１３は少なくとも２段階を経て形成することができる。この特定の実施形態では、これら段階を、段階７０および段階７１と称する。段階７０は、「遅い」として、段階７１は「速い」とする。段階７０のシート１３の成長は、段階７１よりも遅く、あるいは例えば通常の速度であって、純化された、または高品質の結晶シート１３が生成される。一例では、段階７０では、シート１３を約５μm／ｓおよび約１０μｍ／ｓの間の速度で成長させることができる。段階７１におけるシート１３の成長は、段階７０よりも速いので、段階７０で拒絶された溶質を捕捉することができる。段階７１は、シート１３に応力がかかるのを防ぐよう構成されてよい。これを達成するには、段階７０、７１の長さを異ならせて、または、異なる温度で動作させる必要があろう。例えば、段階７０は、シート１３の結晶化温度を約１００K下回る温度で行うことができ、段階７１は、シート１３の結晶化温度を約５００K下回る温度で行うことができる。

図７では、ｔ１およびｔ２で結晶化が起こる速度が遅く、これにより、液体の融液１０内に析出した溶質は、外部に拡散する。ｔ３では、形成される結晶シート１３に高濃度のエッジが捕捉される程度に結晶化が起こる速度が速いので、結晶シート１３における溶質の濃度が上がる。ｔ４およびｔ５では、溶質は結晶シート１３に捕捉されるので、融液１０における溶質のレベルが下がる。これは、以下の式により表すことができる。
Ｋ＝Ｃ_ＳＬ／Ｃ_ＬＳ
Ｋ_ｅｆｆ＝Ｃ_０／Ｃ_ＬＳ
ここで、ｋは析出係数の均衡点であり、Ｃ_ＳＬをＣ_ＬＳで除算した結果に等しくなる。ｋ_ｅｆｆは、界面の移動による析出係数の不均衡点であり、Ｃ_０が凝固エッジから離れた濃度である。ｋ_ｅｆｆは、シート１３の凝固エッジ付近の、より高い濃度を考慮に入れている。界面速度がゼロに近づくと、ｋ_ｅｆｆはｋに近づく。固体と液体の界面では、Ｃ_ＳＬは溶質の固体における濃度であり、Ｃ_ＬＳは溶質の液体における濃度である。シート１３または融液１０の流れはｙで表される。

この例では、シート１３の最初の５０μｍが段階７０中に形成される。これにより、１未満の有効な析出係数が可能となり、溶質（鉄など）の液体融液１０における拡散は、凝固速度よりも速いことを意味する。シート１３の次の１５０μｍは段階７１中に形成される。溶質の濃度が高い層はシート１３に捕捉される。融液１０中の溶質の濃度の上昇を防ぐために、一実施形態では、シートがスピルウェイ１２を通り過ぎてから、この捕捉された層を溶融してシート１３から除去する。別の例では、段階７０で、第１の厚み１００μｍを有するシート１３が形成され、段階７１で、更に１００μｍの厚みがシート１３に追加されて、第２の厚み２００μｍが形成される。他の厚みとすることも可能である。

後に厚みを薄くするプロセスが続く段階７０、７１を行うことによって、段階７１中に、シート１３上に形成された溶質に富む層を除去することができる。図８は、図１の装置を利用する厚み低減工程および純化工程に関する側面断面図である。冷却板１４は、第１のセグメント８０および第２のセグメント８１という、少なくとも２つのセグメントを有する。第１のセグメント８０および第２のセグメント８１は、段階７０、７１に対応する。図８から分かるように、第１のセグメント８０および第２のセグメント８１は、シート１３および融液１０の流れに対して互いに異なる長さである。別の例としては、第１のセグメント８０および第２のセグメント８１は、互いに異なる温度で動作する。シート１３は、第１点１８から第２点１９へ、そしてスピルウェイ１２の上を流れる。

シート１３がスピルウェイ１２を通り過ぎてから、シート１３の厚みを、ヒータ５０を用いて薄くする。シート１３の厚みは、第１の厚みから第２の厚みへと低減させられる。ヒータ５０は、例えば放射ヒータであってよい。対流コンポーネントを有する放射ヒータまたは他のヒータを利用することもできる。ヒータ５０により、シート１３の厚みを均一に薄くすることができ、シート形成装置２１の他の部分の温度を変更することなく、溶融の潜熱のみを供給することができる。

流体ベアリング５１は、この特定の実施形態では、シート１３を一定の角度に傾かせる。この角度は浅くすることで、シート１３への応力を防ぐことができる。シート１３は、流体ベアリング５１により角度を持って傾けられて、角度８２は融液１０の外部に位置する。流体ベアリング５１が示されているが、空気ベアリング、ローラ、別のシート１３の運動メカニズムを利用することもできる。別の実施形態では、シート１３を水平に保ち、流体ベアリング５１がシート１３を傾けないようにすることもできる。この例では、シート１３の溶融部分は全てドリップにより下に垂れる。

ヒータ５０により厚みを低減させられてシート１３から溶融されたシート１３は全て、シート１３沿いに角度８２で流れて戻る。そこではこの溶融されたシート１３、あるいは無駄になった融液がドリップして、例えばビルジ８３に入る。これにより、溶融されたシート１３が収集されて分離され、溶融されたシート１３が融液１０に戻ることが妨げられる。このビルジ８３は、融液１０の循環または純化システムに接続されていてよい。一実施形態では、ビルジ８３内の内容物を純化して、純化された融液１０を融液１０に戻して再利用することもできる。これにより、溶質に富むビルジ８３の内容物によって、融液１０が汚染されることが防がれる。このシート１３の厚みの低減と、純化との組み合わせにより、溶質が除去され、高純度の融液１０が維持され、さらに、融液１０原料の効率が高く保たれ、一方で無駄な融液１０が低減させられる。

一例では、図８の装置は、冷却板１４により２００μｍを超える厚みに形成されるシート１３の厚みを、１００μｍ以下の厚みに低減させる。シート１３の除去された、または厚みを低減された部分は、融液１０に戻されることで、材料の損失、または「切り代」の均等物を生じないようにすることができる。図８に示す厚み低減方法によって、更に、シート１３から不純物または溶質を除去することに加えて、シート１３の表面上の突起を滑らかにすることもできる。

図９は、図２の装置を利用する厚み低減工程および純化工程に関する側面断面図である。 第１のセグメント８０および第２のセグメント８１を有する冷却板の利用、および、ヒータ５０によるシート１３の厚みの低減は更に、シート形成装置２３および図８のシート形成装置２１に提供することができる。ここでシート１３は、冷却板１４を用いて形成した後であってシート１３を融液１０から引っ張ることで引き離した後に、第１の厚みから第２の厚みへと厚みが低減させられる。

図１０は、シート成長中の不純物の捕捉工程に関する側面断面図である。本図は、図７−９のプロセスを、より近づいた視点から、よりよく示す図である。冷却板１４は、段階７０および７１に対応する第１のセグメント８０および第２のセグメント８１を有する。形成されたシート１３は、第１の層９０および第２の層９１を有する。一例では、第１の層９０は第１の厚みに対応しており、第２の層９１と第１の層９０とを組み合わせたものが、第２の厚みに対応している。第１の層９０は、主に第１のセグメント８０を利用して形成され、比較的低い溶質濃度を有する。第２の層９１は、主に第２のセグメント８１を利用して形成され、第１の層９０よりも高い溶質濃度を有する。第１のセグメント８０による形成中にシート１３から拒絶された溶質の多くは、シート１３形成中に、境界層が薄くてよいので第２のセグメント８１により捕捉されうる。従って、第２の層９１は、溶質および不純物を捕捉することができる。一例では、第１の層９０内の溶質濃度は、約１０−１０原子／ｃｃであり、第２の層９１内の溶質濃度は、約１０−８原子／ｃｃであってよい。第２の層９１は、図８−９のヒータ５０を利用して除去される、または厚みを低減させられる。第１のセグメント８０および第２のセグメント８１は、長さまたは温度等の互いに異なる動作パラメータを有する。

水平方向シート１３成長方法は、更なる理由により、図３−１０に示す厚み低減方法の恩恵をこうむることができる。幾つかのデータは、水平方向のシート１３をどのくらい薄くできるか、には制限がある、と示唆している。引っ張られる、あるいは、伸ばされることで、厚みが低減されすぎると、シート１３は「切断」されてしまう、または破損してしまう。これは、融液１０またはシート１３における不安定性のせいである。これが、融液１０の高い表面張力および低い粘度により生じうる、と示唆するものもある。従って、融液１０はマランゴニ効果を受け易い可能性がある。マランゴニ効果とは、表面張力による界面に沿った質量移動のことである。高い表面張力を持つ液体は、周囲の液体上で、低い表面張力を持つ液体よりもより強く引っ張られる。表面張力に勾配があることにより、液体は、低い表面張力の領域から流れ去る。液体の上の、あるいはその中の質量移動は、これらの表面張力の差異により生じうる。より厚みの大きなシート１３は、これよりも安定しており、切断または破損しにくい。約２００μｍ以上の厚みのシート１３を成長させてから、シート１３の厚みを約１００μｍ以下に低減させることで、マランゴニ効果その他の成長にまつわる問題を回避することができる。シート１３における厚みが低減された部分を融液１０に戻す場合には、材料の損失は生じない。

図３−１０に示す厚み低減方法および装置は、互いに組み合わせることも個々に利用することもできる。加えて、ここで開示する実施形態でリストされたものと異なるシート１３の厚みも可能である。

図３−１０に示す厚み低減は、パラメータを変更することにより制御可能である。これらパラメータは、例えば、冷却板１４の温度、融液１０の温度、ヒータ５０の動作温度、容器１６の温度、またはシート１３または融液１０の流れまたは引っ張り速度であってよい。パラメータは、計測デバイスからの信号に応じてコントローラが変更してよい。

図１１は、シートの加熱工程に関する断面図である。ここに開示する実施形態では、例えばヒータ５０の利用により、またはシート１３を溶融する融液１０からの熱により、シート１３を滑らかにすることができる。局所的に吸収された熱は、シート１３の局所的な表面積に比例していて、これにより、シート１３の表面上に形成される突起、樹状突起、その他の凸凹９２が選択的に溶融される。従って融液１０または放射から生じうる熱流束９３は、突起、樹状突起、その他の凸凹９２を、シート１３の残りのものの前に溶融させる。従って、シート１３の厚みの低減によって、突起、樹状突起、その他の凸凹９２が小さい、または全くない、滑らかなシート１３が形成される。シート１３の表面が均一である、ということは、突起、樹状突起、その他の凸凹９２のサイズに比べた場合の話である。

本開示の範囲は、ここに記載した具体的な実施形態に限定されない。当業者にとっては、前述の記載および添付図面から、ここに記載したものに加えて、本開示から様々な他の実施形態および変形例が明らかである。従って、他の実施形態および変形例も、本開示の範囲に含まれることが意図される。さらに、本開示は、ここでは特定の目的の特定の環境における特定の実装例のコンテクストで記載されたが、当業者であれば、有用性はこのコンテクストに限定されず、本開示がその他の多くの目的のその他の多くの環境におけるその他の多くの実装例で利用されても効果を奏することを理解する。従って、以下に述べる請求項は、ここに記載する本開示の範囲全体および精神に鑑みて理解されるべきである。

Claims (18)

1. 連続したシートを形成する方法であって、
   材料の融液を冷却する工程と、
   前記融液内で前記材料のシートを、第１の厚みで連続して形成する工程と、
   前記シートの厚みを、前記第１の厚みから、前記第１の厚みよりも小さい第２の厚みへと低減させる工程と
   を備え、
   前記厚みを低減させる工程は、前記形成する工程の後に前記融液内で行われ、且つ、前記シートが前記融液内を移動する指定の方向に、前記シートを引っ張る工程を有する方法。
2. 前記融液は、シリコン、シリコンとゲルマニウムとの組み合わせ、ガリウム、および窒化ガリウムからなる群から選択される請求項１に記載の方法。
3. 前記厚みを低減させる工程は、少なくとも１μｍ／ｓの速度で行われる請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１の厚みは２００μｍであり、前記第２の厚みは１００μｍである請求項１から３の何れか１項に記載の方法。
5. 前記厚みを低減させる工程によって前記シートの表面を滑らかにする工程を更に備える請求項１から４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記厚みを低減させる工程のパラメータを変更することによって前記第２の厚みを制御する工程をさらに備える請求項１から５の何れか１項に記載の方法。
7. 連続したシートを形成する装置であって、
   材料の融液を保持するチャネルを画定する容器と、
   前記融液の付近に配置され、前記融液の上に前記材料の第１の厚みを有するシートを連続して形成する冷却板と、
   放射ヒータと
   を備え、
   前記第１の厚みを有する前記シートの形成後に、前記シートが前記融液内を移動する指定の方向に、前記シートを引っ張ることにより、前記融液内で前記シートの厚みを、前記第１の厚みから、前記第１の厚みよりも小さい第２の厚みへと低減させる装置。
8. 前記融液は、シリコン、シリコンとゲルマニウムとの組み合わせ、ガリウム、および窒化ガリウムからなる群から選択される請求項７に記載の装置。
9. 前記チャネルに配置されるスピルウェイを更に備え、
   前記スピルウェイは前記融液内に配置され、前記融液から前記シートを分離し、前記融液は前記シートから離れて流れる請求項７または８に記載の装置。
10. 連続したシートを形成する方法であって、
    第１段階で材料の融液を冷却する工程であって、前記第１段階における前記冷却は第１のパラメータを有する工程と、
    前記融液内で、第１の厚みと第１の溶質濃度とを有する記材料のシートの第１の層を連続して形成する工程と、
    第２段階で前記融液を冷却する工程であって、前記第２段階における前記冷却は、前記第１のパラメータとは異なる第２のパラメータを有する工程と、
    前記シートの厚みを、前記第１の厚みから第２の厚みへ増加させて、前記シートの第２の層を形成する工程であって、前記第１の厚みおよび前記第２の厚みの間の前記第２の層は前記第１の溶質濃度より高い第２の溶質濃度を有する工程と、
    前記シートの厚みを、前記第２の厚みから前記第１の厚みへと低減させる工程と
    を備え、
    前記厚みを低減させる工程は、前記厚みを増加させる工程の後に前記融液内で行われ、且つ、前記シートが前記融液内を移動する指定の方向に、前記シートを引っ張る工程を有する方法。
11. 前記融液は、シリコン、シリコンとゲルマニウムとの組み合わせ、ガリウム、および窒化ガリウムからなる群から選択される請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１の厚みは５０μｍと１００μｍとの間であり、前記第２の厚みは１５０μｍと２００μｍとの間である請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記厚みを増加させる工程と前記厚みを低減させる工程によって、前記融液の溶質濃度を低減させる工程を更に備える請求項１０から１２の何れか１項に記載の方法。
14. 前記融液から、前記厚みを低減させる工程で生じる無駄な融液を収集して分離する請求項１３に記載の方法。
15. 前記厚みを低減させる工程で生じる無駄な融液を収集してから純化して再利用する請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記厚みを低減させる工程は、放射ヒータを利用して前記形成する工程および前記増加させる工程の後に行われる請求項１０から１５の何れか１項に記載の方法。
17. 前記第１のパラメータおよび前記第２のパラメータは、長さおよび温度からなる群から選択される請求項１０から１６の何れか１項に記載の方法。
18. 連続したシートを形成する装置であって、
    材料の融液を保持するチャネルを画定する容器と、
    前記融液の付近に配置され、前記融液の上に前記材料の第１の厚みを有するシートを連続して形成する冷却板と、
    を備え、
    前記シートの形成後に、前記シートが前記融液内を移動する指定の方向に、前記シートを引っ張ることにより、前記融液内で前記シートの厚みを、前記第１の厚みから、前記第１の厚みよりも小さい第２の厚みへと低減させる装置。