JP2017507108A - 材料結晶化のためのハイブリッドるつぼ - Google Patents

Abstract

本発明は、フレームおよび底板を備えるハイブリッドるつぼに関する。るつぼは、熱伝導率の点で最適化されている、これら２つの構成要素の材料の選択によって特徴付けられる。るつぼは、結晶質材料の作製に適する。さらに、結晶質材料を作製する方法が開示される。【選択図】なし

Description

本発明は、所定の材料、特にシリコンを溶融し結晶化するためのハイブリッドるつぼに関する。本発明はまた、当該材料を溶融し結晶化する方法に関する。

従来技術では、主に、二酸化ケイ素（石英セラミックス）のるつぼがこれらの目的に使用されている。従来技術のるつぼでは、溶融すべき材料が完全に溶融される。溶融物の漏れを防ぐため、これらのるつぼはモノリシックで構築され、即ちフレームおよび底板が互いにしっかりと接合される。換言すれば、従来技術のるつぼは、一般的に二酸化ケイ素で作られ、それにより、底部および側面に対する熱伝導率が等しい。従来技術で使用されるるつぼは、凝固プロセス中、主要な熱流に向かって温度勾配の大幅な増加を生ずる。この温度勾配の大幅な増加によって、結晶化プロセスにおける自由度が低減される。それに加えて、望ましくない結晶成長が誘発される場合があり、それによって主要な成長方向から逸脱し、特に結晶質シリコン作製の分野において、高品質な材料の歩留まりが低減される恐れがある。従来技術では、通常、ブリッジマン法またはＶＧＦ（垂直勾配凝固）技術が、結晶質シリコンインゴットの作製に使用される。

特に、溶融物に不純物が確実に混入しないように注意を払わなければならない。光電装置用のシリコンの場合、このことが、効率の低下および歩留まりの低減に結び付く。

従来技術のるつぼにおける別の主な欠点は、相転移およびそれに関連する体積変化によるプロセス中に、るつぼ全体が損傷することである。現在、使用されるるつぼは、非常に慎重に注意深く手作業で装填しなければならない。るつぼの作製が不適当である、かつ／または装填が不適切である場合、損傷した箇所によって欠陥がもたらされ、その結果として、溶融プロセス中にすでに溶融物が漏れる場合がある。予期されるバッチサイズがさらに増加し、それに関連してるつぼが拡大することにより、これらの問題がさらに悪化することに結び付く。

米国特許出願公開第２００８／０１９６６５６号公報は、複数の被覆を備え、結晶質シリコンインゴットの作製に適した、石英セラミックスで作られたるつぼについて記載している。るつぼの被覆は、シリコンインゴットに亀裂および断裂が形成されるのを防ぎ、るつぼを損傷せずに結晶化されたシリコンインゴットを抽出できるようにするためのものである。しかしながら、これらのるつぼは、モノリシック構造を有し、底部および側壁の熱伝導率は同一であるので、上述の欠点がもたらされる。さらに、かかるるつぼの作製は非常に複雑であり、したがって非常に高価である。したがって、従来技術のＳｉＯ_２るつぼは、初期の非晶質の二酸化ケイ素が熱衝撃によって結晶質状態（高温クリストバライト）に変換されるので、通常は破壊される。この結晶質状態は、冷却中に、いわゆる低温クリストバライトへと転移する。この転移には体積変化が伴い、そのことがるつぼの破壊に結び付く。

特開２０００−３５１６８８号公報は、同様に、石英セラミックスで作られたるつぼおよびそれらの製造について記載している。るつぼはシリコンインゴットの作製に適している。るつぼは、平坦な外側底部に縁取られた湾曲した内側底部を有する。この配置は、るつぼが冷却板と完全に接触して、るつぼ底部の均一な冷却を確実にするためのものである。このことは、ブリッジマン法におけるシリコンインゴットの有向の結晶化で、均一な凝固前線を形成するのに役立ち、高さが増加したシリコンインゴットの作製を可能にするはずである。これらのるつぼも、モノリシックで構築され、上述の欠点を伴う。

米国特許出願公開第２０１１／０１８０２２９号公報は、るつぼのフレームに底板が挿入される、るつぼについて記載している。この場合、形状嵌めによって、またさらなる材料結合によって、底板がフレームに固定接続される。したがって、るつぼのフレームは底板上に設置されず、るつぼのフレームと底板との間の結合を分離するには労力がかかる。したがって、フレームを迅速に交換することは不可能である。それに加えて、底板をフレームに合わせて調整しなければならない。したがって、これらのるつぼは取扱いが困難であり、作製に費用がかかる。

独国特許出願公開第１０２０１１０５２０１６号公報は、炭化物セラミックのるつぼのキットについて記載している。かかるキットは、形状嵌めおよび材料結合による底板と側面要素とを固定接続し、フレームはやはり底板上に設置されない。かかるるつぼの底板では熱伝導率は増加しない。したがって、完成したかかるるつぼは、基本的に、モノリシックるつぼの設計に相当し、それに応じて上述の欠点をもたらす。

独国特許出願公開第１０２０１２１０２５９７号公報は、方向性凝固した材料本体を作製するプロセスについて記載している。この場合、るつぼは、底部が複数の薄い単結晶シード結晶板で覆われるようにして準備される。このことは、準単結晶金属または半金属体の方向性結晶化につながるはずである。記載されているるつぼはやはり、モノリシックで構築され、記載した欠点をもたらす。

米国特許出願公開第２００８／０１９６６５６号公報 特開２０００−３５１６８８号公報 米国特許出願公開第２０１１／０１８０２２９号公報 独国特許出願公開第１０２０１１０５２０１６号公報 独国特許出願公開第１０２０１２１０２５９７号公報

したがって、結晶化速度の確立を改善し加速する一方で、結晶成長の方向をより良好に制御できるように、溶融および結晶化を改善することが必要とされている。さらに、プロセスは、るつぼのコストが最小限に抑えられるように最適化されるべきである。本発明の目的は、これらの改善点を提供することである。

この目的は、特許請求の範囲の主題によって解決される。

本発明によれば、底板およびフレームを備え、底板およびフレームが異なる材料で作られ、底板の熱伝導率がフレームの熱伝導率よりも高く、フレームが底板上に設置される、材料の結晶化のためのハイブリッドるつぼが提供される。底板とフレームの熱伝導率が違うことにより、結晶化前線の中心と縁部との間の温度勾配が、結晶化高さ全体にわたって無視できる程度に低く保たれるので、全結晶化の間、結晶の好ましい成長方向が、インゴット全体で下から上へ垂直に確立される。結晶質材料の歩留まりを低減する、望ましくない横方向の結晶成長は回避される。

本発明によれば、フレームは底板上に設置される。このことは、底板およびフレームが、従来技術では一般的であるように１つの個片から製造されるのではなく、互いに解放可能に接続されることを意味する。本発明による解放可能な接続は、フレームが底板上にのみ設置されるという事実にある。好ましくは、フレームと底板との間に、形状嵌めおよび／または材料結合はない。

本発明による溶融および結晶化の方法における実施形態により、底板とフレームとの間に固定接続を確立する必要はない。特に、本発明によれば、形状嵌めおよび／または材料結合は、好ましくは必要ではなく、また存在しない。背景として、溶融され結晶化される材料は、好ましくはハイブリッドるつぼの底板（に達する）までは溶融されず、同材料の固体底部層が底板上に留まるので、それが、一方ではフレームと底板との間のギャップを封止し、他方では材料からの衝撃に対して底板を保護する。このことは、例えばねじ接続、押さえを介して、または当該分野で知られている他の手段によって、フレームが底板に解放可能に接続されることを除外せず、したがって好ましくは、解放可能な接続のための手段を備える。しかしながら、一実施形態では、かかる手段を設けない。

この実施形態はまた、１以上の結晶化プロセスに対して底板を使用することを可能にする。最終的に、底板は、同材料の固体底部層によって溶融物による衝撃から保護される。フレームは、本発明の一実施形態では同材料の層によって保護されないが、溶融によって大幅な除去が生じたり、転換プロセスによって今後の使用が不確かになるるつぼの損傷が引き起きされるような場合、一溶融サイクル後に交換することができる。

０℃で３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、より好ましくは２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、より好ましくは１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の熱伝導率を有する材料を、フレームに使用するのが有利であることが証明されている。フレームの熱伝導率が、０℃で５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下、より好ましくは３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下の値を有することがさらに好ましい。フレームの熱伝導率が高すぎると、好ましい方向での方向性凝固が妨げられる。材料の熱伝導率を判断する測定方法は、当該分野において知られている。

フレームと底板との間の熱伝導率の差は、少なくとも１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるべきである。底板の熱伝導率が、少なくとも１．１倍、より好ましくは少なくとも１．３倍、より好ましくは少なくとも１．５倍、および特に好ましくは少なくとも２倍、フレームの熱伝導率よりも高いように、材料を選択するのが特に有利である。特段の指定がない限り、熱伝導率は０℃で判断される。

フレームの材料として適している材料は、特に、酸化セラミック材料である。本発明によれば、この目的のため、シリカを使用することが特に好ましい。フレームは、好ましくは保護層を、特に、好ましくは窒化ケイ素である、保護窒化物層を備える。かかる保護層は、溶融物に対して実質的に不活性の挙動を示し、非常に高温に耐えることができる。

底板の材料の熱伝導率は、０℃で、好ましくは＞１０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、より好ましくは少なくとも１３Ｗ／（ｍ・Ｋ）、より好ましくは少なくとも２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、さらにより好ましくは少なくとも２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）、最も好ましくは少なくとも３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。本発明の好ましい実施形態では、熱伝導率はさらに高く、特に少なくとも４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、より好ましくは少なくとも５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。

特に好ましい実施形態では、底板は、結晶化される材料の溶融温度では固体である材料で作られ、特に金属材料で作られる。金属材料には、金属および合金が含まれる。底板の材料の溶融温度は、好ましくは６００℃超、より好ましくは８００℃超、より好ましくは１０００℃超、より好ましくは１２００℃超である。本発明は、好ましくは、結晶質シリコンの作製に関する。したがって、底板に対して、何ら損傷することなく１４１０℃を超える温度に耐える、好ましい材料が使用される。代替実施形態では、底板は、グラファイト含有材料、特にグラファイトから実質的に成る。好ましくは、底板はセラミック材料では作られず、特に酸化セラミック材料では作られない。

本明細書に記載するハイブリッドるつぼを、結晶質材料、特に単結晶または多結晶材料（特にシリコン）を作製するプロセスで使用することも、本発明の範囲内である。

ハイブリッドるつぼの内径は、好ましくは少なくとも１０ｃｍ、より好ましくは少なくとも３０ｃｍ、特に好ましくは少なくとも５０ｃｍ、特に４００ｃｍ以下、より好ましくは３００ｃｍ以下、特に好ましくは２００ｃｍ以下である。これは、それぞれの最大内径を指す。

さらに、本発明によれば、結晶質材料を作製するプロセスであって、
Ａ．本発明によるハイブリッドるつぼに原材料を充填するステップと、
Ｂ．材料が上から下へと溶融するように入熱するステップと、
Ｃ．溶融物を凝固させて結晶質製品を形成するステップとを含み、
プロセス全体を通して、未溶融材料の画分（Anteil）が底板上に留まる、プロセスが提供される。

原材料の追加および供給は、固体またはすでに溶融した形態で実現することができる。結晶質製品は単結晶であっても多結晶であってもよい。入熱は、好ましくは、特に１つもしくは複数の抵抗および／または誘導加熱器から選択される、加熱装置を用いて行われる。

原材料の充填に先立って、必要であれば、使用される原材料で作られているが粒径がより小さい、いわゆる種材料を導入することができる。この種材料は、溶融プロセス中、液化されないかまたは完全には液化されず、底板上に固体底部層または未溶融材料の画分として留まる。

本発明の一実施形態は、原材料の充填に先立って底板上に設置される保護フレームの使用を提供する。保護フレームは、入熱に先立って、または溶融プロセスに先立って取り除かれる。保護フレームは、縁部が鋭い場合が多い原材料によるフレームの損傷を回避するために、原材料の充填中、フレームを保護するのに役立つ。一実施形態では、第１のステップで、保護フレームが底板上に設置され、その後、種材料が供給され、次に原材料が保護フレーム内に充填される。フレームの保全には注意を払う必要がないので、充填プロセスは、単純な流し込みによって、さらには機械によって実現することができる。フレーム自体は、充填の時点ですでに底板上に設置され、保護フレームを取り囲んでいてもよく、または充填プロセス後にのみ、保護フレームの上に配設することができる。いずれの場合も、保護フレームが取り除かれると、フレームは底板上に載った状態となる。

したがって、本発明による好ましい方法は、
Ａ．保護フレームを底板上に設置するステップと、
Ｂ．任意に、保護フレーム内で底板上に種材料を充填するステップと、
Ｃ．原材料を種材料上に充填するステップと、
Ｄ．保護フレームを取り除くステップと、
Ｅ．材料が上から下へと溶融するように入熱するステップと、
Ｆ．溶融物を凝固させて結晶質製品を形成するステップとを含み、
プロセス全体を通して、未溶融材料の画分が底板上に留まり、原材料を溶融する時点よりも前にフレームが底板上に設置される。

本実施形態では、ハイブリッドるつぼへの入熱は溶融プロセス中に生じるので、原材料は上から下へと底板に向かって溶融される。未溶融材料の画分、いわゆる固体底部層は、底板上に留まる。したがって、底板における温度は、好ましくは材料の溶融温度よりも低温のままである。結晶化の間、温度分布は好ましくは、結晶成長が下から上へと生じるように設定される。

固定底部層はハイブリッドるつぼの底板上に留まるので、様々な利点がある。一方で、固体底部層の材料によってフレームと底板との間のギャップが封止されるので、るつぼは、フレームと底板との間で固定接続が不要であるように構成されてもよい。プロセスの開始に先立って、封止、形状嵌め、および／または材料結合を実現する必要はない。さらに、底板上の固定底部層は、溶融物からの衝撃に対して底板を保護する。これにより、抵抗の欠落や汚染のリスクにより、かかるるつぼで使用するのに適していないであろう材料を、底板に使用することが可能になる。それに加えて、ハイブリッドるつぼの底部領域にある溶融物の汚染が有効に回避される。このことにより、底板の材料に対する要件が著しく低減される。

本発明によるフレームおよび／または保護フレームは、好ましくは、モノリシックで、または個々の構成要素から組み立てられる。「モノリシック」とは、複数の個々の構成要素から組み立てる必要がなく、１つの個片で作られることを意味する。フレームは底板に向かって開いている。

概して、本発明によるハイブリッドるつぼを使用した本発明による方法を用いて、従来技術の製品に照らして、品質がより高く、不純物がより少ない製品が、少なくとも、より少ない製造コストで同じ品質の製品が得られる。また、バッチサイズの計画的増大に対して、モノリシックのるつぼは、安全な取扱いおよびプロセス制御の自由度に関して限界があることが想定される。本発明による製品は単結晶質または多結晶質であってもよい。本方法は、汚染および望ましくない結晶成長がより少ないことによって材料歩留まりが大幅に増加するので、概して、より経済的である。

さらに、るつぼの底板は、固体底部層を用いて溶融物の衝撃に対して保護されているので、繰り返し使用することができる。本発明による方法の好ましい一実施形態では、凝固に続いて、製品を除去（移動）するステップが実行され、次に、好ましくはハイブリッドるつぼのフレームが交換される。底板は再使用することができる。

溶融物の結晶化または凝固が完了した後、フレームは取り除くことができ、特に、上に持ち上げることができるので、凝固または結晶化した物体が底板上に留まり、さらなる処理に供給することができる。

固体底部層の同材料はまた、溶融物が底板の材料によって汚染されるのを防ぐ。好ましくは２パートのハイブリッドるつぼは、底板の被覆が、従来技術とは対照的に不要であり、好ましくは設けられないので、より信頼性高く原材料を供給する機会および方策を提供する。従来技術のるつぼは、通常、溶融物がるつぼと接触するのを防ぐために被覆を有する。したがって、るつぼに対する原材料の供給は、被覆の損傷を回避するために、非常に慎重に実行しなければならない。本発明によれば、被覆は不要であり、好ましくは存在しない。このことはまた、従来技術よりも脆弱な材料を底板に使用できるという事実に関連する。従来技術のセラミックのるつぼは、供給の間に簡単に損傷する可能性があり、そのことがるつぼに対して壊滅的な結果をもたらす恐れがある。

好ましい実施形態では、ハイブリッドるつぼは、フレームに加えて、原材料および／または種材料の充填中のみ使用される、追加の保護フレームを備える。保護フレームは、その寸法に関してはフレーム内に嵌合するので、原材料を充填する間、フレームの内壁を損傷から保護する。好ましくは、その長さおよび幅に関してフレームに正確に嵌合するように形作られ、即ち、保護フレームの外側とフレームの内側との間の距離は、好ましくは１５ｍｍ以下、より好ましくは１０ｍｍ以下、特に好ましくは５ｍｍ以下とする。保護フレームの壁は、好ましくは２〜５０ｍｍ、より好ましくは３〜２５ｍｍ、特に好ましくは５〜１５ｍｍの厚さを有し、この壁厚が十分であることが見出されている。保護フレームは、フレームと充填された材料との間に広すぎるギャップが残ることを回避するため、厚くなりすぎないようにするべきである。

保護フレームは、好ましくは、少なくともフレーム内の原材料の充填レベルに対応する、高さを有する。例えば、保護フレームは、フレームの高さを超えるか、同じ高さを有するか、またはフレームよりもわずかに低い高さとすることができる。

本方法の好ましい実施形態では、保護フレームは、原材料および／または種材料の充填に先立って、フレーム内に位置決めされるので、保護フレームも好ましくは底板上に設置される。あるいは、保護フレームは、フレームを配置するのに先立って、底板上に設置することもできる。このため、保護フレームは、原材料および／または種材料の充填中、底板上に留まるので、フレームの内壁が原材料の鋭い縁部による損傷から保護される。これは、原材料としての縁部が鋭いシリコンの場合に特に大きな利点である。

保護フレームは、好ましくは、原材料および／または種材料の充填後に、また特に入熱または溶融プロセスに先立って、フレーム内のエリアから取り除かれてもよい。そのため、保護フレームは、材料を充填する間、フレームを保護するためにのみ用いられる。したがって、フレームの寿命が延び、溶融すべき材料が汚染されるリスクが低減される。保護フレームを取り除いた後、充填された材料とフレームの内壁との間に小さいギャップが残る。当然ながら、このギャップは溶融プロセス中に塞がる。

保護フレームの使用によって、特別に注意して充填する必要がなくなるので、ハイブリッドるつぼの自動充填を実施することができる。保護フレームは、特にシリコンで作られている場合、この事例では、損傷した場合であっても汚染を引き起こさないので、繰り返し使用されてもよい。

保護フレーム自体は、縁部が鋭い原材料による機械的負荷に抵抗する材料で作ることができる。必ずしも耐熱性でなくてもよいが、原材料に対して不活性であるべきであり、即ち、汚染を引き起こすべきではない。一実施形態では、保護フレームは、シリコンで被覆された材料（金属など）、またはシリコンで作られる。あるいは、窒化物で被覆された金属など、他の材料が使用されてもよい。

好ましい実施形態では、底板は、複合材料で、特に傾斜材料で作られる。したがって、底板は、材料内に熱伝導率の特異的分布を有することができる。複合材料は積層材料であってもよい。底板は、局所的に異なる熱伝導率を有することができるので、局所的に異なる熱流を確立することができる。

底板と、底板上に設置されるフレームとを備える、本発明によるハイブリッドるつぼの断面図を示す。 底板と、フレームと、溶融物と、固体底部層とを備える、本発明によるハイブリッドるつぼの断面図を示す。

図１は、底板１と、底板上に設置されるフレーム２とを備える、本発明によるハイブリッドるつぼの断面図を示す。ハイブリッドるつぼ内には、溶融物３と、同材料の固体底部層４とがある。「同（arteigenes）」材料という用語は、その材料が溶融物と同じ材料であることを意味する。したがって、固体底部層は、上方の溶融物と同じ材料から成る。この図では、本発明による方法における溶融段階が示されている。溶融段階の間、熱は、好ましくは、頂部Ｑ_Ｔｏｐおよび底部Ｑ_{Ｂｏｔｔｏｍ}の両方から供給される。フレームの熱伝導率は低いので、熱は、好ましくはフレームを通して加えられない。

図２は、図１と同じく、底板１と、フレーム２と、溶融物３と、固体底部層４とを備える、本発明によるハイブリッドるつぼの断面図を示す。矢印５は、結晶化前線６における結晶成長の方向を示す。この図に示されている結晶化段階の間、熱流は、加熱および冷却の組み合わせによって底板を通して実現され、それが第１の結果では、温度勾配の確立に結び付き、さらなる結果では、方向性凝固に結び付く。熱は、頂部Ｑ_Ｔｏｐから連続的に供給される。フレームを通した熱放散Ｑ_Ｓｉｄｅは少ない。

フレームが絶縁効果を示すという事実により、側面のエネルギー放出は非常に少ない。結果として、熱勾配は、結晶化前線と底板との間でのみ達成される。したがって、結晶成長は下から上にのみ生じる。

１ 底板
２ フレーム
３ 溶融物
４ 固体底部層
５ 結晶成長の方向
６ 結晶化前線

Claims (15)

1. 材料の結晶化のための、底板およびフレームを備えるハイブリッドるつぼであって、前記底板および前記フレームが異なる材料で作られ、前記底板の熱伝導率が前記フレームの熱伝導率よりも高く、前記フレームが前記底板上に設置されることを特徴とするハイブリッドるつぼ。
2. 前記るつぼの使用の前に、前記フレームと前記底板との間の固定接続を確立することなく、前記フレームが前記底板上に設置される、請求項１に記載のハイブリッドるつぼ。
3. 前記フレームがセラミック材料から成る、請求項１または２に記載のハイブリッドるつぼ。
4. 前記底板が、前記フレームの少なくとも１．１倍の熱伝導率を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のハイブリッドるつぼ。
5. 前記底板が傾斜材料で作られる、請求項１から４のいずれか一項に記載のハイブリッドるつぼ。
6. 前記底板が、局所的に異なる熱伝導率を有しており、それによって局所的に異なる熱流が確立される、請求項１から５のいずれか一項に記載のハイブリッドるつぼ。
7. 結晶質材料を作製するプロセスにおける、請求項１から６のいずれか一項に記載のハイブリッドるつぼの使用。
8. ａ．請求項１から６のいずれか一項に記載のハイブリッドるつぼに原材料を充填するステップと、
   ｂ．前記原材料が上から下へと溶融するように、前記ハイブリッドるつぼに入熱するステップと、
   ｃ．溶融物を方向性凝固させて結晶質製品を形成するステップとを含み、
   溶融プロセスの間、未溶融材料の画分が前記底板上に留まる、
   結晶質材料を作製する方法。
9. 前記充填ステップの前に、保護フレームが前記底板上に配置される、請求項８に記載の方法。
10. 前記フレームの配置の前に、前記保護フレームが前記底板上に設置される、請求項９に記載の方法。
11. 前記入熱の前に、前記保護フレームが取り除かれる、請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記結晶質材料の除去後に前記フレームが交換され、次に新しいフレームを用いて前記方法が再び実施される、請求項８から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記底板が繰り返し使用される、請求項８から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記原材料がシリコンである、請求項８から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 請求項８から１４のいずれか一項に記載の方法によって作製される、結晶質製品。

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