JP5344919B2 - 結晶成長のための装置及び方法 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明の装置及び方法は、結晶を生成させるための装置及び方法に関する。

成長状態で、単結晶形態の物質は典型的にはブールと称され、一方、多結晶形態の物質は多結晶インゴットと称される。時々は、ブールとインゴットとが結晶として総称される。本明細書においては、“結晶”という用語は、少なくともブール及びインゴットをひとまとめに包含し、幾つかの場合には、ブールとインゴットとは、単結晶物質と多結晶物質との区別を示すために別個のものとして称されることがある。

幾つかの装置における結晶成長に対しては、サファイア又はシリコンのような結晶を、溶融物質を保持している坩堝の底部から頂部へと成長させることが望ましい。従って、炉の底部は、好ましくは、対流を最少化し且つ構造的な過冷を避ける安定した温度勾配によって、炉の頂部よりも冷却されるべきである。坩堝内の物質は、垂直方向の勾配により、底部から頂部に向けて凝固し得る。このプロセスは、方向性凝固を行う助けとなり、それによって、１未満の（極めて稀には、１を超える偏析係数を有する）不純物に対して、溶融物に対する不純物の排除を行う助けとなる。これによって、このプロセスによって、より純粋な固体が生成される。シリコンの場合には、Fe（鉄）の偏析係数は１０^−６であり、耐熱金属の偏析係数は１０^−９未満でさえあり、結局のところ、方向性凝固はより効果的なプロセスとなり得る。揮発性生成物を生じる溶融物との反応の場合には、気体は、炉から出て行くことができるように溶融物内を上方へと排除することができる。

坩堝の底部への熱入力を減らし且つ抽熱を熱入力とは独立して制御するためには、結晶が成長するときに、遮蔽部材を坩堝を動かすことなく加熱部材と坩堝との間で制御された速度で上昇させることができるが、このプロセスは、可動の坩堝によって行うことができる。温度勾配は、加熱部材の一部分のみを遮蔽することによって形成され、例えば、加熱部材からの熱伝達が坩堝の頂部より底部が少なくなるように筒形部材の底部を遮蔽し、それによって、坩堝内での装入物の底部から上方への制御された凝固を促進し、坩堝内に安定した温度勾配を形成することができる。他の特徴及び利点は、以下の説明、図面及び特許請求の範囲から明らかとなるであろう。

好ましい実施形態の説明

坩堝内での結晶成長は熱の流れによって駆動される。ここに記載された装置及び方法においては、熱入力及び抽熱の両方が制御される。熱入力は、加熱部材から坩堝内の内容物への熱伝達によって制御され、これは、加熱部材と坩堝の外部との間の温度差に依存する。炉の加熱領域からの抽熱は、炉の底部での抽熱を増すこと、例えば、温度を下げるために断熱部材を降下させて熱損失を増すか、又は熱交換器を使用して抽熱して加熱領域内に熱勾配を形成すること、によって制御することができる。

坩堝の底部の温度を下げるための一つの既知の方法は、例えば、坩堝を加熱領域から降下させることによって、坩堝を加熱領域から冷却領域内へと移動させることである。坩堝の移動は、高温においては及び重い坩堝においては難しく且つ固体／液体境界部に振動及び摂動を生じさせ得る。

坩堝の底部への熱入力を減じるため及び熱入力と独立して抽熱を制御するために、結晶が成長するときに、加熱部材と坩堝との間で遮蔽部材を制御された速度で上昇させることができる。他のステップとして坩堝を移動させる方法があるが、このプロセスは、坩堝を動かす必要性を排除することができる。装入物への熱入力は、加熱部材の一部分のみを遮蔽することによって減じられる。例えば、筒状部材の底部は、加熱部材から坩堝の底部への熱伝達をより少なくすることにより溶融装入物の底部近くでの凝固を促進し且つ熱遮蔽部材を制御された速度で上方へ動かすことによって制御された方法（方向性凝固）による凝固を促進することができる。

Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｙｓｔｅｍ， Ｉｎｃ．によるＨｅａｔ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ Ｍｅｔｈｏｄ（熱交換器方法：ＨＥＭ）において現在使用されている熱交換器を使用することによって、抽熱を熱入力とは独立して制御することができる。ＨＥＮ方法においては、熱入力は坩堝を移動させることなく減じられ、抽熱は独自に制御される。

結晶成長のＨＥＭ方法は、サファイア、ゲルマニウム及びIII／Ｖ族化合物のような単結晶のためのものが米国特許第３，８９８，０５１号に記載されており、シリコン結晶成長のためのものが米国特許第４，２５６，５３０号に記載されており、ＧａＡｓ結晶成長のためのものが米国特許第４，８４０，６９９号及び米国特許第３，６５３，４３２号に記載されている。これらの方法は、加熱領域、結晶又は坩堝を動かす必要のない結晶成長中の液体及び固体内の温度勾配の独立した制御を含んでいる。この記載は、主として、ＨＥＭ方法に焦点を合わせているけれども、Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ、Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｂｒｉｄｇｅｍａｎ、Ｔｈｅｒｍａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｆｒｅｅｚｅ（ＴＧＦ）及びＴｈｅｒｍａｌ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ（ＴＧＴ）のような溶融物の底部から頂部に向かって成長が生じる他の技術に対して適用可能である。

ＨＥＭ方法においては、高温熱交換器がチャンバの底部から挿入されるほぼ等温の加熱領域が設けられていた。装入物が溶融されると、熱交換器内を流れるヘリウムガスの最少の流れによって、種結晶が溶け出るのが防止される。装入物が溶融し、溶融物をその溶融温度以上に過熱することによって種結晶が再び溶融される。熱交換器内を流れるヘリウムの流れが増加せしめられ、それによって、熱交換器の温度を低下させ且つ／又は結晶を成長させるために炉の温度を低下させる。成長サイクルの大部分に亘って、液体内の温度勾配は主として炉の温度によって制御され、固体内の温度勾配は熱交換器の温度によって制御される。これらの温度は独立して制御され、従って、当該方法は、加熱領域、結晶又は坩堝を動かす必要なく液体及び固体内の温度勾配を独立して制御する。固体／液体境界部が沈められ、従って、固体−液体境界部に達する前に液体を包囲することによって、如何なる機械的又は熱的摂動も減衰せしめられる。坩堝は回転させることができるけれども、加熱領域内の高温／低温箇所の作用を最少化するために坩堝を回転させる必要はない。結晶成長の後においても結晶は依然として加熱領域内にあり、従って、炉の温度を物質の溶融点以下まで下げることができ、熱交換器内を流れるヘリウムの流れによって付与される温度勾配は熱の流れを減少させることによって小さくすることができる。これらの条件下で、結晶は、そのままで焼き鈍して凝固応力を解放し且つ結晶の制御された冷却に先立って欠陥密度を減少させることができる。

このプロセスは、直径が１５インチ（３８センチメートル）までの大きなサファイア結晶、直径が８インチ（２０センチメートル）までのチタンをドープしたサファイア結晶及び直径が４インチ（１０センチメートル）までのＧａＡｓを生成するために使用されて来た。装入物を入れるために矩形断面の坩堝が使用された場合には、加熱領域が円筒形である場合でも矩形断面の結晶が生成された。このことはシリコンによって例証された。

シリコンのような等方性の物質に対しては、単結晶成長が必要ではないかも知れず、幾つかの用途においては、制御された粒径及び配向を有する多結晶インゴットが性能上これに匹敵する。例えば、高品質の単結晶シリコンは、マイクロエレクトロニクス工業のための殆どの半導体に対して望ましいけれども、光電（ＰＶ）用途に対しては、高品質の多結晶シリコンが殆どの用途に対して使用することができる。この用途に対しては、コスト及び大量生産性が重要であり、品質の若干の妥協は許容することができる。従って、地上用途のためのＰＶ機器は、大きな多結晶シリコンインゴットを使用することを意図している。

図１ａを参照すると、炉１０は、炉の断熱部材２６と、溶融液体１４を含んでいる坩堝１２とを備えている。坩堝１２は、支持ロッドの形態の熱交換器１８と接触している（例えば、グラファイトによって作られた）支持ブロック１６上に載置されている。ここに示されているように、一般的な管状の熱交換器がブロック１６に対して移動させることができる可動の断熱容器２２と置き換えられている。このプロセスは急速な成長を促進することができる。全ての装入物が溶融され、断熱容器２２が坩堝１２の下方までさげられると、熱はグラファイトブロックからチャンバ内の冷却部分へと放散される（図１ｂ）。この状態では、平らな固体−液体境界部が形成され、結晶粒界の向きはほぼ垂直方向とすることができる。

この方法によると、センチメートルの大きさの粒子を有し、垂直方向の粒界を含み、ぶつかり合う境界部を含んでいない大きな多結晶シリコンインゴットが生成され、これは、単結晶シリコンを使用して作られたものに匹敵する高効率の太陽電池の形成をもたらす。この方法においては、抽熱は、坩堝の底部全体を介して行われる。坩堝の大きさが増すにつれて抽熱領域も同様に増加する。

別の方法においては、より長い多結晶シリコンインゴットを成長させる助けとするために、坩堝もまた成長サイクル中に加熱領域内で降下せしめた。成長が完了した後に、炉の温度はシリコンの融点以下まで下げられ、坩堝及び断熱容器は元の位置へと上方へ戻され、冷却前にインゴットをそのまま焼き鈍した。この方法により、低コストで６９ｃｍの矩形断面で３００ｋｇまでのインゴットを生成した。この装置は、３０ｋｇ以上のインゴット又はブールを生成するために使用することができる。

加熱領域内で坩堝を降下させると抽熱が促進されるが、インゴットは、固体上の勾配が増してインゴットに応力を付与する場所を越えては降下せしめられない。このインゴットは、降下せしめられた状態では、依然として、加熱部材からインゴットの頂部への熱伝達を受け、この熱は抽熱装置によって除去されなければならない。従って、高い熱入力及び抽熱によって大きな温度勾配を生成することができる。

図２ａ乃至２ｂのプロセスは、図１ａ乃至１ｃのプロセスと類似している。
図１ａ乃至１ｃの方法と図２ａ乃至２ｂの方法とは類似点があり、主要な相違点は、成長中の固体−液体境界部の形状にあり、図２ａ乃至２ｂにおいては断熱容器が含まれていなくても良く又は種結晶の大きさに対して矛盾しない小さなサイズであっても良い点である。単結晶の成長のためには、結晶核生成及び小さな種結晶の成長を可能にするために半球形状が達成される。多結晶成長のためには、坩堝の底部の殆どを覆っている若干凸状のほぼ平らな成長境界が、粒界のほぼ垂直方向の配向による大きな粒子の形成を可能にしている。

多結晶インゴットの成長のための材料にとって望ましい制御された雰囲気下で装入物が溶融された後に、可動の断熱容器が降下せしめられてブロック及び溶融物からの抽熱が促進される。単結晶ブールの場合には、抽熱は、より小さな断熱容器を降下させ且つ／又は断熱容器を備えていない熱交換器内を通るヘリウムガスの流れを増すことによって促進される。

図１ｃ及び２ｂを参照すると、両方の場合において、成長を持続させるために、加熱部材と坩堝との間に配置されている可動の熱遮蔽部材２４が上方へ移動せしめられ、当該熱遮蔽部材が加熱領域内で上方へ動かされると、装入物への熱入力が減じられるようになされている。遮蔽部材が上昇せしめられると熱入力が減じられ、従って、極めて大きな抽熱の必要性なく合理的な成長速度が維持される。

坩堝の底部における抽熱は、熱交換器の温度を下げるか又は熱遮蔽部材を上昇させる前、後又は最中に断熱部材を坩堝の下方へと下げることによって増大させることができる。熱遮蔽部材の移動速度は、熱入力及び坩堝の底部からの抽熱の両方を制御するために、別個に制御して、最も好ましい結晶成長状態を達成することができる。このような状態において、凸状の境界が維持され得る。

従って、液体及び固体内の温度勾配が減じられ、より高い品質の結晶をより速い成長速度で生成することができる。付加的な利点は、より大きな直径及びより長いインゴット／ブールを、偶発的な応力を導入することなく且つ偽りの結晶核生成を生じさせることなく成長させることができる。

凝固が終了した後に、炉の温度は材料の溶融点以下に低下させることができ、熱遮蔽部材は元の位置まで下げることができ、熱交換器はオフに切り換えられ又は坩堝の下方にある断熱部材が持ち上げられ、そのまま結晶の焼き鈍すために温度勾配が除去される。次いで、結晶は、ブール又はインゴット内に応力を導入しない速度で室温まで冷却される。

図１ａ乃至１ｃ及び２ａ乃至２ｂに示されている構成要素に加えて、当該装置はまた、典型的には多数のセンサーを備えており且つ典型的にはマイクロプロセッサを基体とするコンピュータのようなコントローラ又は熱遮蔽部材若しくは断熱容器の動きを制御するための何らかの他の方法を含んでいる。

以上、ある種の実施形態を説明したが、特許請求の範囲によって規定されている本発明の範囲から逸脱することなく種々の改造を行うことができることは明らかであろう。

図１ａは、多結晶インゴットを生成するために使用される炉の断面図である。 図１ｂは、多結晶インゴットを生成するために使用される炉の断面図である。 図１ｃは、多結晶インゴットを生成するために使用される炉の断面図である。 図２ａは、単結晶ブールを生成するために使用される炉の断面図である。 図２ｂは、単結晶ブールを生成するために使用される炉の断面図である。

Claims (12)

1. 固定されている坩堝内の液体から結晶を成長させるための装置であり、
   前記坩堝を下方から支持している支持構造と、
   当該支持構造から抽熱するために当該支持構造に対して移動可能な熱交換器と、
   前記坩堝を加熱するための少なくとも１つの加熱部材と、
   前記少なくとも１つの加熱部材と前記坩堝との間のある範囲に亘る位置に亘って、前記少なくとも１つの加熱部材と前記坩堝とに対して動くことができる可動の遮蔽部材と、を含む装置。
2. 請求項１に記載の装置であり、前記坩堝及び前記支持構造を包囲するためのハウジングであり、前記坩堝の下方に床を備えたハウジングを更に含み、前記坩堝は結晶の成長中は固定位置にあり、前記少なくとも１つの加熱部材が前記坩堝に対して横方向に配置されており、前記可動の遮蔽部材は前記ハウジングの床を貫通して延びている装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置であり、
   前記熱交換器の動作、前記加熱部材の出力及び前記可動の遮蔽部材の位置を独立して制御するためのコントローラを更に含んでいる装置。
4. 請求項１、２又は３に記載の装置であり、
   前記熱交換器が、前記支持構造から離れる方向へ動くことができる断熱部材を備えていて、前記支持構造から離れる方向への移動によって、前記支持構造からの熱損失を生じさせるようになされている装置。
5. 請求項３に記載の装置であり、
   前記コントローラが、前記熱交換器を前記支持構造から離れる方向へ移動させ、その後に、前記可動の遮蔽部材を前記少なくとも１つの加熱部材と前記坩堝との間の位置へ移動させるようになされた装置。
6. 請求項１乃至５のうちのいずれか一の項に記載の装置であり、
   前記坩堝が、少なくとも３００ｋｇである結晶を保持している装置。
7. 固定されている坩堝内で液体から結晶を成長させる方法であり、
   加熱部材によって前記坩堝を加熱するステップと、
   前記坩堝と熱接触状態にある熱交換器を使用して前記坩堝から抽熱するステップと、
   前記坩堝の各部分に供給される熱を減らすために、ある範囲に亘る位置に亘って可動の遮蔽部材を前記加熱部材及び前記坩堝に対して移動させるステップであって、前記可動の遮蔽部材の移動及び抽熱によって、結晶が所望の方向に沿って凝固せしめられるようにするステップと、を含む方法。
8. 請求項７に記載の方法であり、
   前記坩堝から抽熱するステップが、断熱部材を前記坩堝を支持している支持ブロックから離れる方向に動かすステップを含んでいる方法。
9. 請求項７又は８に記載の方法であり、
   前記坩堝が下方から支持され且つ結晶成長プロセス中に動かされないように、前記坩堝を支持構造上に配置するステップを更に含んでいる方法。
10. 請求項７、８又は９に記載の方法であり、
    前記熱交換器の動き、加熱部材の出力及び前記可動の遮蔽部材の位置を独立して制御するステップを更に含んでいる方法。
11. 請求項７乃至１０のうちのいずれか一の項に記載の方法であり、
    前記坩堝が、当該坩堝の下方の床によってハウジング内に包囲されており、前記可動の遮蔽部材の動きが前記床の１以上の穴を介して前記可動の遮蔽部材を移動させることを含んでいる方法。
12. 請求項７乃至１１に記載の方法であり、
    結果的に得られる結晶が少なくとも３００ｋｇである方法。

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