JP2015157757A - ガスジェットを用いる融液の表面からのシートの取り出し - Google Patents

ガスジェットを用いる融液の表面からのシートの取り出し Download PDF

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Abstract

【課題】融液から水平方向にシートを引き出して形成するシリコンシートの製造において、融液を零さずにシートを融液の表面から取り為の、シートと融液間のメニスカスを安定化させる方法の提供。【解決手段】材料の融液１０を保持する容器１６と、融液１０に近接して配置され、融液１０上に水平となる材料のシート１３を形成する様に構成する冷却プレートと、ガスを容器１６のエッジに向ける様に構成される第１のガスジェット２２と、を備え、第１のガスジェット２２からのガス衝突により、メニスカス２７内の局所的な圧力を高くして、メニスカスを安定化させ、これにより、融液１０が零れることなくシートを形成できる、シート形成装置。メニスカス２７安定の為の第１のガスジェット２２と共に、シート１３の上側に、ガスジェット２２からの衝突力の垂直方向成分のバランスを取る為の第２のガスジェットを設けてもよいシート形成装置。【選択図】図４

Description

本発明は、融液からのシートの形成に関し、特に、融液からのシートの取り出しに関す
る。
シリコンのウエーハ又はシートは、例えば、集積回路又は太陽電池の産業で用いること
ができる。太陽電池の需要は、再生可能なエネルギー源の需要が増加するにつれて、増え
続けている。太陽電池の大多数は、単結晶シリコンウエーハのようなシリコンウエーハか
ら作られる。現在、結晶シリコン太陽電池の主要コストは、その太陽電池が作られるウエ
ーハにかかっている。太陽電池の効率、すなわち、標準照射下で生成される電力量は、一
つには、このウエーハの品質により制限される。太陽電池の需要が増えるにつれて、太陽
電池産業は、コスト／電力比を下げることを１つの目標としている。品質を低下させずに
、ウエーハの生産コストを削減することにより、コスト／電力比を下げ、このクリーンエ
ネルギー技術のより広い有用性を可能にする。
最も高い効率のシリコン太陽電池は、２０％より大きい効率を有する。これらは、エレ
クトロニクスグレードの単結晶シリコンウエーハを用いて作られる。そのようなウエーハ
は、チョクラルスキー法を用いて成長させた単結晶シリコンの円筒状ブールから薄いスラ
イスを切断することにより、作ることができる。これらのスライスの厚さは、２００μｍ
未満とすることができる。単結晶成長を維持するために、ブールは、融液を収容している
るつぼから、例えば１０μｍ／ｓ未満の速度で、ゆっくり成長させなければならない。後
続の切断プロセスは、ウエーハ毎に約２００μｍの切り口損失、すなわち、ソー・ブレー
ドの幅による損失をもたらす。円筒ブールやウエーハは、正方形の太陽電池を作るために
、四角にする必要もある。正方形にすることと切り口の損失は、両方とも、材料の無駄と
材料のコストの増加をもたらす。太陽電池がより薄くなるにつれて、１カット毎にシリコ
ンの無駄の割合が増大する。インゴットのスライス技術に対する限界は、より薄い太陽電
池を得る能力を妨げることになる。
他の太陽電池は、多結晶シリコンインゴットから切断したウエーハを用いて作られる。
多結晶シリコンインゴットは、単結晶シリコンインゴットより速く成長する。しかしなが
ら、得られるウエーハの品質は、より多くの欠陥と結晶粒界があるため、低下し、この低
品質は、太陽電池の効率を下げることになる。多結晶シリコンインゴット用の切断プロセ
スは、単結晶シリコンのインゴット、すなわち、ブールと同程度に非効率である。
さらに別の解決法は、シリコンの薄いリボンを融液から垂直に引っ張り、次いで、引っ
張ったシリコンを冷やして、シートに凍結させる方法である。この方法の引っ張り速度は
、約１８ｍｍ／分未満に制限される。シリコンの冷却及び凍結の間に放出される潜熱は、
垂直なリボンに沿って放出しなければならない。このために、リボンに沿う温度勾配が大
きくなる。この温度勾配は、結晶シリコンリボンに応力を加え、多粒子シリコンの品質を
損ねることになる。リボンの幅及び厚さも、この温度勾配のために、制限される。例えば
、幅は８０ｍｍ未満に制限され、厚さは１８０μｍ未満に制限される。
融液から水平方向にシートを形成することによって、インゴットからスライスされるシ
リコンよりもコストを低くすることができ、また、切り口損失又は正方形にすることによ
る損失を排除することができる。融液から水平方向に形成されるシートは、また、融液か
ら垂直に引っ張り出されるシリコンのリボンより、コストを低くすることができる。さら
に、融液から水平方向に形成されるシートは、融液から垂直に又はある角度で引っ張り出
されるシリコンのリボンに比べて、シートの結晶品質を改善することができる。材料コス
トを低減し得る、このような結晶成長法は、シリコン太陽電池のコストを低減するための
主要な実現ステップとなり得るであろう。
融液から物理的に引っ張り出したシリコンの水平なリボンをテストした。一方法では、
ロッドに取り付けた種結晶を融液中に挿入し、ロッド及び得られるシートを、るつぼのエ
ッジから低角度で引っ張る。角度、表面張力及び融解レベルは、融液がるつぼからこぼれ
ないように、バランスを取る。しかしながら、そのような引っ張りプロセスを開始し、そ
して制御することは困難である。第一に、るつぼのエッジに形成されるメニスカスの重力
と表面張力とのバランスを取るための、傾斜角度の調整は困難である。第二に、シートと
融液との間の分離点でのリボンに沿う温度勾配は、冷却プレートが、この分離点に近い場
合、結晶中に転位を生じさせる。第三に、融液上のシートの傾斜により、凍結先端部に応
力をもたらし得る。この凍結先端部は、シートが最も薄く、最も壊れやすい所であるため
、シート内に転位又は破損が生じ得る。第四に、低角度を得るために、複雑な引っ張り装
置を必要とする。
シートは、融液をこぼさずに、融液の表面から取り出さなければならない。従って、シ
ートの下側と融液との間のメニスカスは、安定したままとするか又は容器に付着したまま
としなければならない。これまでは、メニスカスの安定性を維持するために、メニスカス
の融液側における圧力を低減させていた。一例では、ロー アングル シリコン シート（L
ow Angle Silicon Sheet:ＬＡＳＳ）方法は、シートを小さい角度に傾斜させて、融液上
に引っ張りあげた。これは、融液内に大気圧に対し負圧を生成し、メニスカス間に圧力を
与えた。別の例では、融液はスピルウェイ（spillway）のエッジを越えて流れ得る。スピ
ルウェイのネイプ（nape）における流体の滴りは、メニスカスを安定させるように、融液
内に負圧を与える。しかしながら、融液からシートを取り出す改善方法、特に、局所的な
圧力で融液からシートを取り出す改善方法に対する技術のニーズがある。
本発明の第１の態様によれば、シート形成装置が提供される。シート形成装置は、材料
の融液を保持するように構成された容器を備える。冷却プレートは、融液に近接して配置
され、冷却プレートに近接する融液上に水平となる材料のシートを形成するように構成さ
れる。第１のガスジェットは、ガスを容器のエッジに向けるように構成される。
本発明の第２の態様によれば、シート形成方法が提供される。シート形成方法は、材料
のシートを、材料の融液の表面上に水平に平行移動させるステップを含む。第１のガスジ
ェットからのガスを融液のメニスカスに向けて、シートを融液から取り出す。
本発明の第３の態様によれば、シート形成方法が提供される。シート形成方法は、材料
の融液に種結晶を付与するステップを含む。種結晶に対して形成される融液のメニスカス
に第１のガスジェットからのガスを向ける。融液の一部を凍結させて、融液の表面上に材
料のシートを水平に形成する。そして、シートを融液から取り出す。
本発明をより良く理解するために、以下に、添付の図面を参照して説明する。
シートを融液から分離する装置の実施形態の側断面図である。 シートを融液から分離する装置の第２の実施形態の側断面図である。 ＬＡＳＳ用のメニスカス安定化の側断面図である。 ガス衝突を用いてメニスカスを安定化させる実施形態の側断面図である。 ガスジェットからの圧力分布を例示する断面図である。 スピルウェイと共にガス衝突を用いてメニスカスを安定化させる実施形態の断面図である。 シートの形成を伴うガスジェットの第１の実施形態の側断面図である。 シートの形成を伴うガスジェットの第２の実施形態の側断面図である。 シートの形成を伴うガスジェットの第３の実施形態の側断面図である。 Ａ〜Ｄは、ガスジェットの安定化により実現される種結晶の種付けを例示する図である。 ガスジェットの実施形態の断面図である。
本装置及び方法の実施形態を太陽電池に関連して本明細書で説明する。しかしながら、
これらは、また、例えば、集積回路、フラットパネル、ＬＥＤ又は当業者に既知の他の基
板を製造するために、用いることができる。さらに、本明細書では、融液をシリコンとし
て説明するが、融液は、ゲルマニウム、シリコン及びゲルマニウム、ガリウム、窒化ガリ
ウム、他の半導体材料又は当業者に既知の他の材料を含むことができる。従って、本発明
は、以下に説明する特定の実施形態に限定されない。
図１は、シートを融液から分離する装置の実施形態の側断面図である。シート形成装置
２１は、容器１６を有する。容器１６は、例えば、タングステン、窒化ホウ素、窒化アル
ミ二ウム、モリブデン、黒鉛、炭化ケイ素又は石英とすることができる。容器１６は、融
液１０を収容できるように構成されている。この融液１０は、シリコンとすることができ
る。シート１３は融液１０の上に形成される。一例では、シート１３は、融液１０内に、
少なくとも部分的に浮かぶ。図１では、シート１３は、融液１０中に浮いているように例
示してあるが、シート１３は、融液１０中に少なくとも部分的に沈むか、又は、融液１０
の表面に浮かんだりする。シート１３が位置付けられる深さは、シート１３と融液１０と
の相対密度に部分的に基づく。一例では、シート１３の僅か１０％が、融液１０の表面か
ら突き出る。融液１０は、シート形成装置２１内で循環させることができる。
この容器１６は、少なくとも１つの流路１７を画定する。この流路１７は融液１０を保
持するように構成され、融液１０は流路１７の第１の点１８から第２の点１９へ流れる。
融液１０は、例えば、圧力差、重力、ポンプ又は他の移送方法により、流すことができる
。次に、融液１０はスピルウェイ１２を越えて流れる。このスピルウェイ１２は、斜面、
堰、出っ張り、小さな堰堤又は隅部とすることができるが、図１に例示の実施形態に限定
されない。スピルウェイ１２は、シート１３を融液１０から分離することを可能にする任
意の形状とすることができる。
特定の一実施形態では、容器１６は、約１６８５Ｋより少し高い温度に維持することが
できる。シリコンの場合、１６８５Ｋは、凍結温度又は界面温度を表す。容器１６の温度
を融液１０の凍結温度より少し高い温度に維持することにより、冷却プレート１４は、放
射冷却を利用して、融液１０の上又は中におけるシート１３の所望の凍結速度を得るよう
に、機能することができる。この特定の実施形態の冷却プレート１４は、単一のセグメン
ト又はセクションから成るが、多数のセグメント又はセクションを含むこともできる。流
路１７の底部は、融液１０の溶融温度以上で加熱し、界面における融液１０に僅かな垂直
温度勾配を生成して、構成上の過冷却や、シート１３上にデンドライト又は分岐突起を形
成するのを防ぐことができる。しかしながら、容器１６は、融液１０の溶融温度を超える
任意の温度とすることができる。これにより、融液１０が容器１６の上で凝固するのを防
ぐ。
シート形成装置２１は、このシート形成装置２１を少なくとも部分的に又は全体的に包
囲体内に入れることにより、融液１０の凍結温度より少し高い温度に維持することができ
る。包囲体がシート形成装置２１を融液１０の凍結温度より上の温度に維持する場合には
、シート形成装置２１を加熱する必要性を回避する又は減らすことができ、包囲体の中又
は周囲のヒーターは熱損失を補うことができる。この包囲体は、異方性伝導率で等温にす
ることができる。別の特定の実施形態では、ヒーターを包囲体の上又は中に配置しないで
、むしろ、シート形成装置２１の中に配置する。一例では、容器１６の種々の領域は、ヒ
ーターを容器１６内に組み込み、マルチゾーン温度制御を用いることにより、種々の温度
に加熱することができる。
包囲体は、シート形成装置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、包囲体は不活性ガスを含む。この不活性ガスは、融液１０の凍結温度より高い
温度に維持することができる。不活性ガスは、シート１３の形成中に構成上の不安定性を
引き起こし得る溶質が融液１０中に加えられるのを減らすことができる。
冷却プレート１４は、シート１３を融液１０の上に形成し得るようにするように熱除去
を可能にする。冷却プレート１４は、この冷却プレート１４の温度を融液１０の凍結温度
より低く下げた場合、シート１３を融液１０の上又は中で凍結させることができる。この
冷却プレート１４は、放射冷却を利用することができ、例えば、黒鉛、石英又は炭化ケイ
素から作ることができる。シート１３の形成の間に融液１０への外乱を低減させて、シー
ト１３の欠陥を防ぐことができる。融液１０の表面上のシート１３又は融液１０上に浮い
ているシート１３を冷却することにより、比較的大きなシート１３の引き出し速度を保ち
ながら、融解潜熱をゆっくりと広範囲にわたって取り出すことができる。
シート１３が融液１０上に形成されたら、シート１３をスピルウェイ１２を用いて融液
１０から分離する。融液１０は流路１７の第１の点１８から第２の点１９へ流れる。シー
ト１３は融液１０と一緒に流れる。このシート１３の移送は連続動作とすることができる
。一例では、シート１３は、融液１０が流れるのとほぼ同じ速度で流れる。従って、シー
ト１３は、融液１０に対しては静止したままで、形成し、移送することができる。スピル
ウェイ１２の形状又は配向は、融液１０又はシート１３の速度プロファイルを変えるため
に、変更することができる。
融液１０はスピルウェイ１２の箇所でシート１３から分離される。一実施形態では、融
液１０の流れは、融液１０をスピルウェイ１２を越えて移送し、またその流れの少なくと
も一部が、シート１３をスピルウェイ１２を越えて移送させることができる。これは、外
部応力がシート１３に全くかからないため、シート１３の破損を最小限にするが、又は、
防ぐことができる。もちろん、シート１３は、引っ張るか、又は、いくらかの外力を加え
ることもできる。この特定の実施形態では、融液１０は、シート１３から離れて、スピル
ウェイ１２を越えて流れる。シート１３への熱衝撃をなくすために、スピルウェイ１２は
冷却しないようにする。一実施形態では、スピルウェイ１２での分離は、等温に近い状態
で行う。一実施形態では、シート１３は、スピルウェイ１２を越えて真っすぐに進む傾向
にある。このシート１３は、破損を防ぐために、いくつかの例では、スピルウェイ１２を
越えて進んだ後に、支持するのがよい。
もちろん、冷却プレート１４の長さにわたる種々の冷却温度、融液１０の種々の流速や
シート１３の引っ張り速度、シート形成装置２１の様々な部分の長さ、又は、シート形成
装置２１内のタイミングは、プロセス制御のために用いることができる。融液１０がシリ
コンである場合、シート１３は、シート形成装置２１を用いることにより、多結晶の又は
単結晶のシートとなり得る。図１は、シート１３を融液１０から形成することができるシ
ート形成装置の一例に過ぎない。シート１３を水平に成長させる他の装置又は方法も可能
である。本明細書で説明する実施形態は、任意のシート１３を水平に成長させる装置又は
方法に適用することができる。従って、本明細書で説明する実施形態は、図１の特定の実
施形態だけに限定されない。例えば、図２は、シートを融液から分離する装置の第２の実
施形態の側断面図である。シート形成装置３１において、融液１０は容器１６内に収容さ
れている。シート１３は、冷却プレート１４による形成後に、融液１０から引っ張り出さ
れる。図２では水平であるが、シート１３は、融液１０に対してある角度を成すこともで
きる。図１〜２の実施形態では、融液１０は、例えばシート形成装置２１又は３１の側面
の周りと云ったような、シート形成装置２１又は３１の周りを循環させることができる。
もちろん、融液１０は、シート１３の形成プロセスの一部又は全ての期間中、静止させる
こともできる。
液体が気体と接触すると、メニスカス界面が形成される。この界面はヤング−ラプラス
方程式に従う。二次元において、その方程式は
の形になる。ここで、ΔＰは界面間の圧力差、σは液体の表面張力、及び、Ｒは表面の曲
率半径である。
図３は、ＬＡＳＳ用のメニスカス安定化の側断面図である。図３の座標系に関して、曲
率半径は、メニスカスを描写する線の一次導関数及び二次導関数で表すことができる。図
３におけるメニスカス２７間の圧力差は、重力（ρgy）による融液１０の液体中の静水圧
に起因する。従って、ヤング−ラプラス方程式は、二階微分方程式になる。
図３に例示するメニスカス２７の凹形状は、大気圧（Ｐatmos）に対しての負圧（Ｐ1）に
よりもたらされる。これは、シート１３をＸ軸に対して持ち上げ、ある角度に傾けて、シ
ート１３の凍結最前部が、融液１０の高さよりも低くなるように、シート１３を容器１６
の壁部のエッジで高く持ち上げることにより形成される。図３において、αはメニスカス
２７における融液１０とシート１３との間の接触角を表し、θはメニスカス２７における
融液１０と容器１６との間の接触角を表す。シリコンから成る融液１０及び石英から成る
容器１６の場合、θは約８７°である。これらの角度は材料に基づいて変わり得る。図３
では、融液１０のレベルはｘ軸であるも、この融液１０のレベルは容器１６に対してどう
にでもなる。
ガスジェットは、融液１０における局所的な圧力を高くすることにより、メニスカスを
安定化させるのに、用いることができる。例えば、メニスカスのガス側の局所的圧力は高
めることができる。本明細書で説明する実施形態を用いるメニスカスの安定化は、融液の
流れに無関係として、融液１０が流れ始める前に初期結晶化が生じるようにする。これは
、融液の流れを用いるシステムでの種結晶の種付けを簡単にする。シートは、本明細書で
説明する実施形態を用いて、水平方向に成長させることができ、これは、ある角度での引
っ張り速度に対する、成長速度の複雑なバランスを排除（すなわち、熱除去）する。シー
トの成長は、融液からの分離を行う容器のエッジの上流で行うことができる。
図４は、ガス衝突を用いてメニスカスを安定化させる実施形態の側断面図である。本実
施形態では、シート１３を水平方向に引っ張る。容器１６の壁は、融液１０の表面レベル
より下であり、この表面レベルは、本例では、ｘ軸とｙ軸が交差する箇所、すなわち、シ
ート１３が位置するところである。融液１０は、シート１３の下にメニスカス２７が形成
されることによりこぼれない。例示していないが、融液１０は、例えば、図１に例示のス
ピルウェイ１２を用いるなどして、容器１６のエッジを越えて、循環させることも、また
、図６に例示するように、メニスカス２７を形成することもあることは勿論である。図４
へ戻るに、凹形のメニスカス２７を維持するための圧力差は、メニスカス２７の下のガス
ジェット２２より提供され、ガスジェット２２は、このガスジェット２２から出る矢印に
より示されるように、メニスカス２７又は容器１６のエッジに向けて、ある角度に傾けて
いる。このような例では、ヤング−ラプラス方程式は、
の形になる。この場合のヤング−ラプラス方程式は、２つの境界条件を必要とする二階微
分方程式である。図３〜４の実施形態では、メニスカス２７は容器１６の壁に留められる
ため、その位置はｘ＝０に留まる。メニスカスがシート１３につながるメニスカスの他の
端部では、メニスカス２７は、押さえつけられず、それがシートと成す角度は、固体、液
体及び気体間の表面エネルギーにより決定される。シリコン融液１０と接触する固体のシ
リコンシート１３の場合、接触角αは約０°と１１°との間とすることができる。ｙ0を
ｘ＝０に特定する場合、メニスカス２７とシート１３との接触点の位置及び最初の接触角
は、微分方程式の解により決定される。
ガスジェット２２の出口での圧力の大きさは、ガスの流れ及びガスを流すガスジェット
２２の開口部の幅に依存する。開口部は、例えば、スリットジェットとすることができる
。これは、運動量の保存法則を用いて、少なくともある程度は推定することができる。従
って、ガスがメニスカス２７を跳ね返えさせるよどみ点における圧力は、
となり、ここで、ρg、ｕg 及びＱg は、それぞれ、ガス密度、速度及び体積流量率であ
る。以下の例は、幅が０．５ｍｍのガスジェット２２の開口部により、メニスカス２７で
４０Paの圧力を得るために必要とされるアルゴンの流れを計算する。融液１０の温度（シ
リコンの場合、１４１２℃である）でのアルゴンの密度は０．３２kg/m3である。
ここで推定される圧力は、ガスジェット２２の出口における圧力に過ぎない。圧力は、
軸方向及び横方向にも低下し得る。圧力分布は、楕円ガウス分布として近似させることが
できる。
図５は、ガスジェットからの圧力分布を例示する断面図である。これは、上記の式を解
く。全ての場合に、ガスジェット２２の出口でＰ0＝４０Pa、ｘ0＝６ｍｍ、ガスジェット
２２の出口でｙ0＝−４ｍｍ、σx＝４ｍｍ、σｙ＝０．８ｍｍ及びΨ＝４５°である。σ
x及びσｙは、ガスジェット２２の周りの圧力の楕円分布を表す。メニスカス２７が容器
１６に留まる場所は、メニスカス２７の形状に影響を及ぼす。α＝１１°の場合、メニス
カス２７はシート１３の１ｍｍ下でθ＝１７°で容器１６の壁に留まる。α＝１１°の場
合、メニスカス２７はシート１３の２ｍｍ下でθ＝１５．８７°で容器１６の壁に留まる
。α＝１１°の場合、メニスカス２７はシート１３の２．５ｍｍ下でθ＝１０．５８°で
容器１６の壁に留まる。α＝０°の場合、メニスカス２７はシート１３の１ｍｍ下でθ＝
７．２１°で容器１６の壁に留まる。
従って、ガス衝突を用いることにより、安定なメニスカス２７を、約１１°の接触角で
シート１３の少なくとも２．５ｍｍ下で容器１６の壁に留めることができる。たとえ接触
角が０°と低かったとしても、安定なメニスカス２７が、まだ、シート１３の１ｍｍ下で
容器１６の壁に維持される。ガスジェットの衝突は、粘性力により引き起こされる抗力を
補償することもできる。ガスジェットの衝突の圧力は、メニスカス２７を安定させること
、すなわち、メニスカス２７を容器１６に留めることを維持するのに役立つように設定す
ることができる。
図６は、スピルウェイと共にガス衝突を用いるメニスカス安定化の実施形態の断面図で
ある。融液１０はスピルウェイ１２を越えて流れる。メニスカス２７は、スピルウェイ１
２を越えて通る融液１０でできる。もちろん、他の実施形態も可能である。
図７は、シートの形成を伴うガスジェットの第１の実施形態の側断面図である。このシ
ステムは、支持テーブル２３から離れたガスジェット２２を有する。支持テーブル２３は
、シート１３を支持するために、空気又は他の流体のジェットを用いることができるが、
ローラー又は他の機構を用いることもできる。本特定の実施形態では、もっと多く又はも
っと少なく設けることはできるけれども、２つのガスジェット２２、２５を用いる。シー
ト１３の下のガスジェット２２は、メニスカス２７を安定させ、その位置及び角度を調整
することができる。シート１３の上のガスジェット２５は、ガスジェット２２からの衝突
力の垂直方向成分のバランスを取る。ガスジェット２２及び２５からの流れは、他の流れ
も可能であるけれども、一例では、ほぼ等しくすることができる。アルゴン、別の希ガス
、別の不活性ガス又は当業者に既知の他の種を、ガスジェット２２又は２５に用いること
ができる。容器１６は、融液１０のメニスカス２７を留めて、融液を滴らせないで接触角
を大きく変えることができる機構、すなわち溝２４を含むのがよい。そのような機構、す
なわち溝２４のない容器１６の表面は、そこに留まるメニスカス２７を有することができ
るも、滴りが生じる前のメニスカス２７の角度は制限される。例えば、この角度は約８７
°である。上記機構、すなわち溝２４を加えることにより、滴りが生じる前に、メニスカ
ス２７をたるませ、すなわち容器１６の表面から約１７７°の角度を持つようにすること
を可能にする。
図８は、シートの形成を伴うガスジェットの第２の実施形態の側断面図である。本実施
形態では、ガスジェット２２を支持テーブル２３に組み込む。別の実施形態では、シート
１３の上方にガスジェットを設けて、図７に例示するように、垂直方向の衝突力のバラン
スを取るようにすることができる。
図９は、シートの形成を伴うガスジェットの第３の実施形態の側断面図である。ガスジ
ェット２２は、圧力セル２６の一部である。圧力セル２６内は、エッジ又はシールで導通
が制限されることにより、高めの圧力（Ｐ2）である。圧力セル２６内のガスは、矢印で
示すように流れる。本例のＰ2は、大気圧（Ｐatmos）より大きい。圧力セル２６の上部は
、底部の上の気体軸受の上に浮いている。底部のレベルは、融液１０のレベルに一致する
ように設定することができる。圧力セル２６とシート１３との間のギャップ又はシールは
、一例では、０．５ｍｍ未満の寸法とすることができる。メニスカス２７は、圧力セル２
６の底部の一部であるガスジェット２２のために、この圧力セル２６内に少なくとも部分
的に含まれる。
図１０Ａ〜Ｄは、ガスジェットの安定化により可能にすることができる種付けを例示す
る。本明細書に開示した実施形態は、容器１６内の流れに無関係にメニスカスを安定化さ
せる。従って、結晶の開始は、融液１０が、流れ始める前に始まり、シート形成プロセス
を簡単にすることができる。図１０Ａでは、種ウエーハ２８を挿入する。種ウエーハ２８
は、例えば、所望の結晶配向性を有する約０．７ｍｍの厚さのエレクトロニクスグレード
のシリコンウエーハとすることができる。種ウエーハ２８のレベルは、この種ウエーハ２
８のレベルを融液１０のレベルに対して制御する支持テーブル２３の上に種ウエーハ２８
が載るように制御する。融液１０は、例えば、この融液１０のシリコンの表面張力を用い
て、メサ２９を作り、融液１０は、容器１６の壁のエッジの上に位置するようにすること
ができる。従って、種ウエーハ２８が融液１０に触れる前に、図１０Ａに例示するように
、融液１０には凸状のメニスカスができている。ガスジェット２２、２５は、種ウエーハ
２８が融液１０に触れる前に、このメニスカスを安定させるのに用いることができる。も
ちろん、もっと多い又はもっと少ないガスジェットを用いることも可能である。
図１０Ｂでは、種ウエーハ２８は、矢印の方向に動いた後に、融液１０に触れる。メニ
スカス２７は、種ウエーハ２８の下にできる。凸状となるこのメニスカス２７は、容器１
６の壁と種ウエーハ２８との間のギャップを埋める。凸状のメニスカス２７は、種ウエー
ハ２８の幅を越えて容器１６の壁に付着したままとなる。メサ２９のメニスカスと種ウエ
ーハ２８の下の凸状のメニスカス２７との間のこの遷移個所のメニスカスは、不均一にな
り得る。この不均一性は、プロセスがほぼ等温の環境で生じるため、シート１３の厚さの
均一性又は品質に影響を及ぼすことはないと思われる。
図１０Ｃでは、種ウエーハ２８を、矢印の方向に平行移動させる。この平行移動は、種
ウエーハ２８の一端でローラー又は他の機構により行うことができる。種ウエーハ２８は
、この種ウエーハ２８が挿入されたのと反対方向に、冷却プレート１４の下を動く。冷却
プレート１４は、最初は、ターン・オフさせるか、又は、融液１０の温度に等しく、又は
、融液１０の温度より高くすることができる。冷却プレート１４を、メニスカス２７が付
着する容器１６の壁の上流の所定距離の所に配置すれば、メニスカス２７の影響は最小に
なり得る。冷却プレート１４をターン・オンさせると、種ウエーハ２８の近くで凍結が始
まる。種ウエーハ２８を引っ張る動作が始まって、シート１３は引っ張り出される。
図１０Ｄでは、融液１０は、例えば、ポンプを用いて流れ始める。別の実施形態では、
融液１０はスピルウェイを越えることができる。シート１３の幅は、融液１０が流れ始め
るにつれて、大きくすることができる。冷却プレート１４の温度及び融液１０の流れやシ
ート１３が動く速度は、シート１３の所望の厚さを得るために、調整することができる。
このようにして、定常状態プロセスを達成することができる。
ガスジェットを用いるメニスカスの安定化には、多数の利点がある。それは、水平シー
トの形成又は水平リボンの成長（ＨＧＲ）システムに適用することができ、一例では、Ｌ
ＡＳＳを回避するために用いることができる。一実施形態では、シート１３を水平に引っ
張ることができ、結晶形成領域はメニスカス２７の上流に位置するようにすることができ
る。これは、シートを形成する間にシート１３に悪影響を及ぼすことになる、引っ張りメ
カニズムにより生じる摂動を最小にする。融液１０の流速は、シート１３の速度に関係な
く、制御することができる。これは、より単純な種付けプロセスを可能にする。さらに、
融液１０の流出を低減し又は防ぐことができる。
図１１は、ガスジェットの実施形態の断面図である。ガスジェット２２はプレナム２９
及び開口部３０を有する。ガスは矢印の方向に流れる。プレナム２９を開口部３０より大
きくすることにより、均一な圧力と開口部３０の大きさにわたる均一な流れを確保するこ
とができる。一実施形態では、開口部３０は、図４のシート１３のようなシートの幅にほ
ぼ等しい幅を有する。もちろん、他の大きさも可能である。
本明細書で開示した実施形態では、ガスジェット２２は、特定の温度で、ガスを向ける
ことができる。メニスカスが凍結しないように、ガスは暖めることができる。シートが溶
融されないように、ガスを冷却するか、さもなければ、シートを冷却することができる。
本発明は、本明細書に記載した特定の実施形態による範囲に限定すべきではない。実際
に、本明細書に記載した実施形態に加えて、本発明の他の様々な実施形態及び変更は、前
述の記載及び添付図面から当業者には明らかであろう。従って、そのような他の実施形態
及び変更は、本発明の範囲内に入ることを意図している。さらに、本発明は、特定の目的
のため、特定の環境で、特定の実施のコンテキストで、本明細書に記載したけれども、当
業者は、その有用性がそれらに限定されず、本発明が、任意の数の目的のため、任意の数
の環境で、有用に実施することができることを理解するであろう。従って、以下に記載の
特許請求の範囲は、本明細書に記載されているように、本発明の全容及び精神に鑑みて解
釈すべきである。
図１１は、ガスジェットの実施形態の断面図である。ガスジェット２２はプレナム３２及び開口部３０を有する。ガスは矢印の方向に流れる。プレナム３２を開口部３０より大きくすることにより、均一な圧力と開口部３０の大きさにわたる均一な流れを確保することができる。一実施形態では、開口部３０は、図４のシート１３のようなシートの幅にほぼ等しい幅を有する。もちろん、他の大きさも可能である。

Claims (21)

  1. シート形成装置であって、
    材料の融液を保持するように構成される容器と、
    前記融液に近接して配置される冷却プレートであって、該冷却プレートに近接して前記
    融液上に水平となる前記材料のシートを形成するように構成される前記冷却プレートと、
    ガスを前記容器のエッジに向けるように構成される第１のガスジェットと、
    を備える、シート形成装置。
  2. 前記融液を流すように構成されるポンプを、さらに備える、請求項１に記載の装置。
  3. 前記融液は、前記容器内で循環するように作られている、請求項２に記載の装置。
  4. 前記ガスを前記容器の前記エッジに向けるように構成される第２のガスジェットを、さ
    らに備え、該第２のガスジェットは前記第１のガスジェットの反対側に位置づけられる、
    請求項１に記載の装置。
  5. 前記第１のガスジェットに隣接して配置される支持テーブルを、さらに備え、該支持テ
    ーブルは前記シートを支持するように構成される、請求項１に記載の装置。
  6. 前記シートを包囲する圧力セルであって、圧力セルの外側より高い圧力を有する圧力セ
    ルを、さらに備え、前記第１のガスジェットは前記圧力セル内にある、請求項１に記載の
    装置。
  7. 前記材料は、シリコン又はシリコンとゲルマニウムである、請求項１に記載の装置。
  8. 前記シートは、前記容器の前記エッジで、前記融液から分離されて、前記融液にメニス
    カスを作り、前記第１のガスジェットは、前記ガスを前記メニスカスに向ける、請求項１
    に記載の装置。
  9. シート形成方法であって、
    材料のシートを、該材料の融液の表面上に水平に平行移動させるステップと、
    第１のガスジェットからのガスを前記融液のメニスカスに向けるステップと、
    前記シートを前記融液から取り出すステップと、
    を含む、シート形成方法。
  10. 前記ガスを向けるステップは、前記メニスカスの前記融液内の局所的な圧力を高めるよ
    うに設定される、請求項９に記載の方法。
  11. 前記シート及び前記融液は、等しい速度で平行移動する、請求項９に記載の方法。
  12. 第２のガスジェットからの前記ガスを向けるステップを、さらに含み、それにより、前
    記第１のガスジェットからの前記ガスを向ける前記ステップにより生成される力のバラン
    スを取る、請求項９に記載の方法。
  13. 前記材料は、シリコン又はシリコンとゲルマニウムである、請求項９に記載の方法。
  14. 前記ガスは、前記メニスカスを安定させるように設定される圧力を有する、請求項９に
    記載の方法。
  15. 前記シートを取り出すステップは、前記シートをスピルウェイで前記融液から分離する
    ステップを含む、請求項９に記載の方法。
  16. シート形成方法であって、
    材料の融液に種結晶を付与するステップと、
    前記種結晶に対して形成される前記融液のメニスカスに第１のガスジェットからのガス
    を向けるステップと、
    前記融液の一部を凍結させて、前記融液の表面上に前記材料のシートを水平に形成する
    ステップと、
    前記シートを前記融液から取り出すステップと、
    を含む、シート形成方法。
  17. 前記シート及び前記融液を等しい速度で流すステップを、さらに含む、請求項１６に記
    載のシート形成方法。
  18. 前記材料は、シリコン又はシリコンとゲルマニウムである、請求項１６に記載のシート
    形成方法。
  19. 前記ガスは、前記メニスカスを安定させるように設定される圧力を有する、請求項１６
    に記載のシート形成方法。
  20. 前記シートを取り出すステップは、前記シートをスピルウェイで前記融液から分離する
    ステップを含む、請求項１６に記載のシート形成方法。
  21. 前記ガスを向けるステップは、前記メニスカスの前記融液内の局所的な圧力を高めるよ
    うに設定される、請求項１６に記載のシート形成方法。
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