JP3115335B2 - 融液補給装置 - Google Patents

融液補給装置

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Description

【発明の詳細な説明】
本発明は、シリコン・デンドライトウェブの製造システ
ムに関し、より詳細には、材料を所望の制御された速度
で追加することによりデンドライトウェブを引き上げる
溶融プールを一定レベルに保つシステムに関する。
【0001】デンドライトウェブの成長プロセスを工業
化するためには、融液プールの補給により高品質の長い
リボンを製造する必要がある。成長中に補給しなくて
も、7、8mという長い結晶の成長を達成できるが、結
晶の引上げ作業間で補給時間が必要になるので、アウト
プット(生産量)及びプロセス効率が低下する。光電池
用シリコン・デンドライトウェブのプロセスを工業化す
るためには、本質的にはリボンを連続的に成長させなけ
ればならない。かくして、融液から取り出された材料を
置き換えるだけではなく、成長システムにおける熱条件
を維持するためにも、リボン結晶成長の起点となるシリ
コン融液を連続的に補給する必要がある。坩堝(るつ
ぼ)を覆う蓋に対する融液面の位置は特に、デンドライ
トウェブと溶融プールの相互接合部付近の熱条件に影響
を及ぼす。
【0002】米国特許第4,389,377号は、融液
の補給をデンドライトウェブの成長中に行う場合に温度
勾配の制御が優れたサセプタ−坩堝組立体を有する融液
補給システムを開示している。この米国特許における改
良点は、成長及び融液補給区画室の配設場所において坩
堝の下に位置するサセプタの付近に鉛直のスロットの形
のレセプタのベースに熱遮蔽手段を形成することにあ
る。その結果、融液中の温度勾配が段階的に変化し、そ
れによりデンドライトウェブが引き出される成長区画室
内の温度がより一層均一になるという作用効果が得られ
る。
【0003】本発明の目的は、溶融プール内へのペレッ
トの投入量を制御してほぼ一定の融液レベルを保つ補給
装置を提供することにある。
【0004】一般に、細長い坩堝内でのデンドライトウ
ェブ成長のための本発明の融液補給装置は、坩堝が、デ
ンドライトウェブを溶融プールから引き上げる中央部分
及び坩堝の各端部に一つずつ設けられていて補給用供給
材料を溶融プールに供給させる一対の材料供給部分を有
し、前記融液補給装置が、前記供給材料のペレットのリ
ザーバを備えた密閉供給室と、密閉供給室からの単一流
れ状態のペレットの供給量を制御する手段と、ペレット
の単一流れを本質的に同量の複数の流れに分けるペレッ
ト流れスプリッタと、それぞれが該流れスプリッタから
本質的に同量のペレットを受け入れて該ペレットを坩堝
の各端部の供給部分に差し向ける一対の導管とを有し、
前記ペレット供給量制御手段が、ペレットの流れを、材
料をデンドライトウェブの形で坩堝の中央部分の溶融プ
ールから引き上げる速度と等しい速度に制御し、前記融
液補給装置が、カバーガスを該融液補給装置に供給し、
それにより、ペレットの汚染及び前記導管内での酸化物
及び材料ダストの堆積を防止して前記導管内でのペレッ
トの自由な流れを確保すると共に溶融プールに対する熱
の外乱を最少限に抑えるための手段を更に有することを
特徴とする。
【0005】特許請求の範囲に係る本発明の内容は、添
付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むと一層明ら
かになろう。なお、図中、同一の参照符号は同一の部分
を指している。
【0006】今図面を詳細に参照し、特に第1図を参照
すると、シリコン・デンドライトウェブ3を成長させる
融液補給装置1が概略的に示されている。デンドライト
ウェブ3は、坩堝(るつぼ)7内に収容保持されたシリ
コンの溶融プールから引き出される。坩堝7は通常は石
英製であり、デンドライトウェブを引き上げる中央部分
9及び両端部に設けられていて壁12によって隔てられ
た一対の供給部分11を備えた細長い皿状の器具であ
る。壁12は、補給用材料を坩堝7の中央部分9に通す
ことができる開口部13を有している。坩堝7は、誘導
炉17内に配置されたサセプタ内に設けられている。誘
導炉17は、融液状態の維持に必要な高い温度を維持す
るためのエネルギーを供給する誘導コイル19を有して
いる。誘導炉17は又、引上げ中のデンドライトウェブ
3を通す煙突23を備えた蓋21と、溶融プール5及び
新たに形成されたデンドライトウェブ3の汚染を防止す
るためのカバーガスを供給する不活性ガス供給源(図示
せず)とを有している。
【0007】融液補給装置1は、補給用供給材料のペレ
ットのリザーバ27を備えた密閉供給室25及び該供給
室内に収納されたペレット供給装置29を有する。ペレ
ット供給装置29は、ステンレス鋼または他の耐腐食性
材料で作られ、しかも供給ペレットの汚染を防止するた
めテフロン(Teflon)、ナイロンまたはエポキシで被覆
されている。ペレット供給装置29は、供給量が振動の
振幅及びペレット供給装置内のペレットの保持レベルに
応答して変化する振動形式の供給装置である。ペレット
供給量を正確に制御するため、ペレットのレベルはほぼ
一定レベルに保たれるが、このために鏡30をペレット
供給装置内へ配置し、光源光センサ31を用いて回転弁
35を操作させる信号をコントローラ33に送り、これ
によりペレットを振動供給装置29内へ落下させて振動
供給装置29内におけるレベルをほぼ一定に保つ。回転
弁35は溶融プール5を一定のレベルに保つのに十分な
精度の制御が可能である。振動供給装置29は供給管ま
たは供給導管37内へのペレットの供給量を正確に制御
し、この供給導管37はペレットを流れスプリッタ39
に差し向け、このスプリッタ39はペレットを2つの同
量の流れに分ける。同じ本数のペレットが流れスプリッ
タ39から一対の供給管または導管41の各供給導管に
送られ、これら供給導管41は、ペレットを坩堝7の両
端部に設けられている供給区画室11に差し向けて融液
のレベルを本質的に一定に保つ。本質的に一定の融液レ
ベルの維持に必要な正確に制御された供給量を得るた
め、レーザを利用した融液レベルセンサ43が信号をコ
ントローラ45に送り、このコントローラは融液レベル
が減少しているか、或いは増大しているかに関する融液
レベルセンサ40からの信号に基づいて振動供給装置を
動作させてペレット供給量を増減する。
【0008】流れスプリッタ39は、第2図〜第5図に
示すように、複数の押さえネジによって気密に作られた
蓋49及び周囲シール51を備えたエンクロージャ47
を有する。エンクロージャ47内に配置されたクインカ
ンクス(Quincunx)組立体55が、複数のピン59を備
えた一対の間隔をおいて設けられているプレート57を
有している。ピン59は三角形ピッチで間隔をおいて設
けられたプレート57と垂直に且つこれらの間の空間中
に配置されている。導管37は補給用ペレットをクイン
カンクス組立体55の上方中央部分に送り、導管47の
対はクインカンクス組立体55の下端部内に設けられた
一対の弧状中空部60と連通状態にあり、導管37を経
て供給装置から流れスプリッタ39へ向かう同数の補給
用ペレットを受け入れ得るような位置にある。
【0009】導管37を手動操作で閉止する弁61が導
管37に設けられている。不活性ガスが弁61の各側で
供給タンク63から供給ライン65,67を経て導管3
7に供給され、供給ライン65,67はそれぞれには閉
止弁69が設けられている。また供給ライン65にも流
量計及び手動流量制御弁71が設けられている。排出ラ
イン73が供給室25と連通しており、真空ポンプ7
5、流量計及び手動流量制御弁77を有している。
【0010】第6図に示すように、供給導管41はそれ
ぞれ、炉のカバー又は蓋21を貫通すると気密シール8
1を通過する。気密シールは、押さえネジ85で蓋21
に締結される底部フランジ83を有し、底部フランジ8
3と蓋21との間にはO−リングシール87が設けられ
ている。また、底部フランジは中央開口部89及びボー
ル93の着座部91を有し、O−リングシール95がボ
ール93と着座部91との間に設けられている。ボール
93は中央開口部97及びこれを貫通した導管41のた
めの封止装置を有する。封止装置は、ボール93の開口
部にねじ込まれた管状部材99と、ボール93と導管4
1との間に設けられたO−リング101と、管状部材9
9と導管41との間に位置したスリーブ103と、管状
部材99にねじ込まれて、スリーブ103をO−リング
101に押し付けてボール93と導管41との間にシー
ルを形成するグランドナット105とを有する。
【0011】以下に本発明の融液補給装置1の使用法を
説明する。ペレットリザーバ27を密閉状態の供給室2
5の中に置き、ペレットリザーバ27内には、回転弁3
5によって振動供給装置29に供給されるシリコンペレ
ットがたっぷりと入っている。振動速度に応答する振動
供給装置29からの正確に制御された流量を得るため、
振動供給装置29内のペレットのレベルは、光源光セン
サ31からの信号に応答するコントローラ33によって
ほぼ一定のレベルに保たれる。光源は光を鏡30に当て
るが、鏡30はペレットで覆われていなければ光を反射
させてこれをセンサに戻し、回転弁35を動作させて鏡
30を覆うほどのペレットのほぼ一定レベルを保つ。
【0012】レーザセンサ43は坩堝7内の溶融プール
5の表面に差し向けられていて、レベルが変動するとコ
ントローラ45に信号を送って振動供給装置29からの
流量を増減させて溶融プール5のレベルを正確に維持す
る。振動供給装置29によって供給中のペレットは供給
管または供給導管37内に落下して流れスプリッタに差
し向けられ、この流れスプリッタはペレットを2つの同
一の流れに分割する。供給管または供給導管41の対は
それぞれ、ペレットの2つの流れのうち一方を受け入れ
て同数のペレットを坩堝7の両端部互いに反対側に位置
した端部に設けられている供給区画室11に差し向け、
それにより坩堝7内の融液レベルを一定に保つ。第7図
に示すように、ペレットを坩堝7の両端部に追加補給す
ると、各端部における供給量が減って成長区画室9内の
温度が高く且つより一定に保たれ、それにより、優れた
デンドライトウェブ3が得られる。融液補給装置1全体
をガスシールするためカバーガスがガス供給タンク63
から手動流量制御弁71を備えた流量計を通って供給管
または供給導管37,41に供給され、真空ポンプ75
及び手動流量制御弁77を備えた流量計が、ペレットを
坩堝7に供給する供給管または供給導管41の対の中の
流れを僅かに下方に向けたままにし、それにより供給導
管が二酸化シリコンで詰まらないようにすると共にガス
が供給管または供給導管37を上方に流して供給室に入
る恐れのある空気または水蒸気の逆拡散を防止すると共
に供給導管41に入る供給材料のダストを吹き飛ばす。
一般に、毎秒3立方センチメートルの供給量が十分な量
である。毎秒1立方センチメートルが導管37を上方に
流れ、毎秒1立方センチメートルが導管41のそれぞれ
を流下する。導管41のそれぞれの中の毎秒0.7立方
センチメートルという少ないガス流量で供給導管41を
十分に正常な状態に保てると言うことが判明した。ガス
の流れが無ければ、供給管は30分程の短い時間で酸化
シリコンで詰まる傾向がある。供給ライン67は閉止弁
61と供給室25との間で導管37と流体連通状態にあ
り、もし炉の使用中に供給室25を開放する必要が生じ
た場合、供給室25を清浄にする多量のパージ流を通す
ことができる。
【0013】クインカンクス形スプリッタと通称される
流れスプリッタ29はペレットを2つの同量の流れに分
割する。供給流を2つに分ける必要性は2つの理由あ
る。第1の理由として、両端部供給方式は結晶成長区画
室9内の所要の熱システムを維持する。もしペレットを
溶融させる熱負荷が坩堝7の一端部に局在化している
と、液状シリコンの温度分布が非対称になって、成長中
のデンドライトウェブ3に問題の生じる場合がある。こ
の様な非対称の問題はサセプタ15の端部に可動の放射
線遮蔽体を用いることにより、あるいは誘導コイル19
の位置を変えることにより補償できるけれども、システ
ムの応答性が遅くなり且つ供給量が変化するためにこれ
ら温度の調整手段を連続的に変化させなければならな
い。本発明における両端部供給方式を用いると、この問
題が解決される。第2の理由は、両端部供給方式を用い
ると坩堝7の各端部における熱負荷が半分に過ぎないこ
とである。供給区画室9内における溶融温度の代表的な
測定値が第7図に示されている。この各区画室11内に
おける供給量が少なければ少ないほどシステムの熱摂動
の幅がそれだけ一層小さくなる。デンドライトウェブの
成長に必要な熱システムが敏感であれば摂動が小さけれ
ば小さいほど良い。
【0014】ペレットを供給する導管37,41の材質
はモリブデンのような金属またはセラミック例えば高純
度のアルミナであるのが良い。金属製の導管を用いる
と、導管がペレットと合金を作るという問題が生じこれ
により融液が汚染され導管が詰まる。他方、セラミック
製の導管37、41はペレットと反応しないけれども本
明細書で記載しているようなガスの流れが維持されなけ
れば酸化物で閉塞しやすい。また、溶融プール5に対す
る導管41の位置は、成長にとって非常に重要なので調
節可能なシール81が補給装置1の正しい動作状態を得
るために重要である。
【0015】本明細書で開示した融液補給装置1に
は、、ペレットの正確な供給量が得られ、これが2つの
本質的に同量の流れに分割され、同一の両端部供給方式
が可能になり、かくして坩堝7に温度の対称性が維持さ
れると共に追加供給材料の局在化された熱衝撃が減少
し、また、大気汚染が防止され、システムからの供給物
ダストを除去し、供給管を酸化物の堆積のない状態にす
るカバーガスシステムが形成され、更に、デンドライト
ウェブ成長装置の補給に関する熱、大気の純度及び操作
上の条件を同時に取り扱うシステムに多種多様な要素を
組み込むことができるという利点がある。
【0016】上述の好ましい実施例は本発明の最適態様
であるが、当業者であれば種々の設計変更及び改造を想
到できることは明らかであろう。従って上述の実施例は
例示として考えられるべきであり、特許請求の範囲はか
かる設計変更及び改造が本発明の精神及び範囲に属すれ
ば、これらを包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1図は、本発明に従って構成された融液補給
装置の略図である。
【図2】第2図は、ペレット流れスプリッタの断面図で
ある。
【図3】第3図は、第2図のIII-III 線における断面図
である。
【図4】第4図は、クインカンクス組立体の立面図であ
る。
【図5】第5図は、第4図のV−V線における断面図で
ある。
【図6】第6図は、供給管シール組立体の断面図であ
る。
【図7】第7図は、供給量の関数として融液温度を表す
グラフ図である。
【符号の説明】 1 融液補給装置 3 シリコン・デンドライトウェブ 5 融液または溶融プール 7 坩堝(るつぼ) 9 中央部分 11 供給部分または供給区画室 15 サセプタ 17 誘導炉 19 誘導コイル 21 蓋 25 密閉供給室 27 ペレットリザーバ 30 鏡 31 光源光センサ 33,45 コントローラ 37 供給管または供給導管 39 ペレット流れスプリッタ 41 供給管または供給導管 63 不活性ガス供給タンク 29 振動供給装置 35 回転弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード ジェイ ラバス アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ア ーウィン アール ディー ナンバー 2 サンライズ ドライブ 225 (72)発明者 ジョージ ヴァン ボルト ハール アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ベ セル パーク シーニック ビュー ド ライブ 5704 (72)発明者 ジェームス パール マックヒュー アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ピ ッツバーグ フレーザー ドライブ 308 (72)発明者 フランク ローレンス パージワーティ アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 ク レアートン パイン ヒル ロード 409 (72)発明者 リンド レイ マコーミック アメリカ合衆国 ペンシルベニア州 フ ィンリービル アイビー ヒル レーン 3474 (56)参考文献 特開 昭58−49689(JP,A) 特開 昭61−174188(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C30B 1/00 - 35/00 WPI(DIALOG)

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 細長い坩堝内でのデンドライトウェブ成
    長のための融液補給装置であって、坩堝は、デンドライ
    トウェブを溶融プールから引き上げる中央部分及び坩堝
    の各端部に一つずつ設けられていて補給用供給材料を溶
    融プールに供給する一対の材料供給部分を有し、前記融
    液補給装置は、前記供給材料のペレットのリザーバを備
    えた密閉供給室と、密閉供給室からの単一流れ状態のペ
    レットの供給量を制御する手段と、ペレットの単一流れ
    を本質的に同量の複数の流れに分けるペレット流れスプ
    リッタと、それぞれが該流れスプリッタから本質的に同
    量のペレットを受け入れて該ペレットを坩堝の各端部の
    供給部分に差し向ける一対の導管とを有し、前記ペレッ
    ト供給量制御手段は、ペレットの流れを、材料をデンド
    ライトウェブの形で坩堝の中央部分の溶融プールから引
    き上げる速度と等しい速度に制御し、前記融液補給装置
    は、カバーガスを該融液補給装置に供給し、それによ
    り、ペレットの汚染及び前記導管内での酸化物及び材料
    ダストの堆積を防止して前記導管内でのペレットの自由
    な流れを確保すると共に溶融プールに対する熱の外乱を
    最少限に抑えるための手段を更に有することを特徴とす
    る融液補給装置。
  2. 【請求項2】 ペレット供給量制御手段は振動供給装置
    であり、振動供給装置は、該供給装置内のペレットのレ
    ベル及び振動供給装置への入力動力に応答して供給量を
    変化させることを特徴とする請求項1の融液補給装置。
  3. 【請求項3】 ペレット供給量制御手段は、振動供給装
    置内のペレットをほぼ一定レベルに保つ手段を有するこ
    とを特徴とする請求項2の融液補給装置。
  4. 【請求項4】 振動供給装置内のペレットをほぼ一定レ
    ベルに保つ前記手段は、リザーバに設けられていて、振
    動供給装置内のペレットのレベルに応答するコントロー
    ラによって開閉される弁であることを特徴とする請求項
    3の融液補給装置。
  5. 【請求項5】 振動供給装置内のペレットのレベルに応
    答するコントローラは鏡を含み、この鏡は、ペレットに
    よって鏡と光源光センサーとの間の光路が遮られると、
    光源光センサーと協働してリザーバに設けられている弁
    を閉じ、光路が遮られていない状態では弁を開くような
    信号を送り、それにより振動供給装置内のペレットのほ
    ぼ一定レベルを保つよう配置されていることを特徴とす
    る請求項4の融液補給装置。
  6. 【請求項6】 振動供給装置は、ペレットが汚染しない
    よう保護被膜で被覆されていることを特徴とする請求項
    5の融液補給装置。
  7. 【請求項7】 振動供給装置はエンクロージャ内に配置
    されていることを特徴とする請求項6の融液補給装置。
  8. 【請求項8】 ペレット流れスプリッタは、クインカン
    クスであることを特徴とする請求項7の融液補給装置。
  9. 【請求項9】 供給室からのペレットの供給量を制御す
    る前記手段は、坩堝内の溶融材料のレベルに応答して振
    動供給装置を制御しそれによりレベルをほぼ一定に保つ
    ことを特徴とする請求項7の融液補給装置。
  10. 【請求項10】 カバーガスを融液補給装置に供給する
    手段は、融液補給装置と流体連通状態にある不活性ガス
    供給タンクと、エンクロージャと流体連通状態にあり、
    ガスをエンクロージャから除去し融液補給装置内を低圧
    状態に維持する真空ポンプとを有することを特徴とする
    請求項8の融液補給装置。
  11. 【請求項11】 カバーガス供給手段は更に、供給室を
    流れスプリッタ及びカバーガス供給装置から切り離す弁
    を有し、該弁は供給室のパージを容易にするため閉じら
    れると弁の両側にガスを供給し、一対の導管を酸化物の
    無い状態に保つことを特徴とする請求項10の融液補給
    装置。
  12. 【請求項12】 炉への導管の貫入部分にシールが設け
    られていることを特徴とする請求項10の融液補給装
    置。
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