JPH05501538A - Ｅｆｇ結晶成長装置用の先端が湿潤な金型 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ＥＦＧ法により溶融体から結晶体を成長させる装置、特に、かかる装 置用の新規な金型に関するものである。

発明の背景 端縁画成、膜供給結晶成長技術（ＥＦＧ法）において、例えば、円形又は多角形 の断面を有する中空体のような管状の結晶体は、溶融シリコンのる堝から金型内 の１又は２以上の導管を介して金型の端面又は頂部面に搬送される供給材料の液 状膜からシード上で成長される。該結晶体の形状は、金型の最上部、即ち、頂部 面の外形、又は端縁形状により決まる。例えば、ＥＦＧ法により成長させた「九 角形」又は「六角形」のような多角形の形状の中空体は、その隅部にて複数の平 坦な基層に分割され、これら基層を使用して光電池式の太陽電池を形成する。

ティラー（Ｔａｙｌｏｒ）等への米国特許第４．２３０．６７４号に記載された 型式の公知のＥＦＧ金型は、典型的に、上端面と、上記上端面に直交する少な（ とも１つの毛管と、該上端面に対して約６５°の角度、即ち、金型の縦軸線に対 して約２５゜の角度で直交する内側面及び外側面とを備えている。

公知のＥＦＧ金型において、結晶の成長を開始すること、即ち、結晶成長装置を 作動させることが少なくとも２つの理由により困難となる傾向にある。その第一 は、結晶の成長は、比較的狭い金型温度範囲、即ち、「成長窓」内で開始しなけ ればならないことである。第二に、金型の周縁に沿って顕著な温度差が存在する 傾向があることである。

上述の第一の理由は、ある程度、上述の第二の理由に影響を及ぼす。結晶成長は 、成長窓以上の温度では生じない、即ち、シードは金型に固着してしまう。結晶 の成長が可能である狭い金型温度範囲以上の温度で結晶を行おうとする場合、金 型とシード（即ち、成長しつつある結晶）との間の液状膜が破断する傾向となる 、即ち、シードが液状膜から破れ出て、その結果、液状シリコンが金型の内側面 及び／又は外側面に飛散し、又はこれら側面すら溢れることが多い。流出したシ リコンは、反応して金型の側面上に炭化ケイ素析出物を形成する傾向となる。

更に、一部の炭化ケイ素は、通常の結晶成長方法に伴って金型の側面に形成され る。これら炭化ケイ素析出物は、金型の側面の反応しない液状シリコンと共に、 金型の熱伝導率及び放射率を変化させる傾向となる。かかる熱伝導率及び放射率 の変化により、熱の損失量が局部的に変化し、その結果、金型の周縁付近の温度 が均一でな（なる。　金型の周縁付近が熱的に対称であることは、金型を形成す るグラファイトの多孔度、密度及び／又は導電性の不可避的な僅かな変化により 更に悪影響を受ける。これらグラファイトの特性の変化は、熱の流れに局部的な 変化を生じさせ、流出したシリコンが金型の表面に浸透する深さを変化させ、こ れにより、金型の温度が影響を受ける。

金型の周縁を中心とする熱的対称が変化する結果、成長しつつある結晶体の厚さ が局部的に変化する。かかる厚さの変化により、結晶体から切除されるより薄い 基層が破断し易い傾向である限り、中空の多角形の結晶体から製造可能である太 陽電池の数が減少する傾向となる。更に、結晶体から切断される基層の表面は厚 さの変化に起因して不均一となる傾向となる。この不均一さにより、電極を基層 の表面に取り付けるといったある種の太陽電池の製造工程の実施がより困難とな る。

上述のように、公知のＥＦＧ結晶成長装置の場合、メニスカスが破断するとき、 即ち、固体／液体境界層が終了するとき、液状シリコンは金型から溢れる傾向と なり、かかる溢れにより、金型に隣接する結晶成長装置の一部が急激に流出する 結果となる。かかる溶融シリコンの急激な流出の結果、上述のように熱的に不均 一となり、それが過剰である場合、金型及び成長装置の隣接する機械部品を共に 溶解させて成長段階を損ない、る場内の溶融シリコンを汚染させるか、さもなけ れば結晶成長装置を破損させる虞れがある。

成長メニスカスの破損又は妨害を回避するため、操作者は、高度の注意をもって 成長装置を運転することが必須である。操作者がかかる高度の注意を常に維持す ることは困難であり、その結果、不可避的に誤操作が生じ、その結果、不均一な 湿潤状態、及び破滅的な急激な流出のメカニズムによりＥＦＧ金型の平均有効寿 命が著しく短くなる。

公知のＥＦＧ金型の場合、結晶成長中、金型頂部の成長メニスカスとる場内のバ ルク状の溶融体との間には著しい温度差、即ち、温度勾配が生じ、バルク状溶融 体は成長メニスカス内の溶融体より遥かに高温となる。結晶成長工程中の安定性 を維持するため、成長メニスカス自体には大きい温度勾配が存在することが望ま しい。公知のＥＦＧ金型において、成長メニスカス内の大きい温度勾配の結果、 熱が金型を通じてメニスカス内に連続的に流動すること、及び金型の熱抵抗値が 大きいことに起因して、成長メニスカスとる場内の溶融体との間の金型毛管内に は、同様の大きい温度勾配が生じる。

る場内の温度が高温であることが必要であることに伴う望ましくない結果は、る 基材料が溶融体内に過度に融解することである。溶融体がる堝から金型頂部まで 金型毛管を上昇して流動するとき、溶融体の温度が低下し、過飽和状態となり、 その結果、融解しかつ反応したる基材料は金型毛管内及び金型先端に析出する。

これら析出物は、毛管通路を詰まらせ、溶融体が金型頂部に達するのを阻止し、 これにより更なる結晶成長を阻害する。又、析出物は、金型頂部及び金型頂部端 縁の形状を変化させ、これにより、金型から成長される結晶の形状を望ましくな い方法にて変化させる。

発明の目的及び概要 本発明の一つの目的は、ＥＦＧ結晶成長装置用の改良されたる堝／金型組立体に して、金型の周縁温度プロファイルが、（１）金型と成長しつつある結晶体との 間の液状膜の破断、及びその結果、溶融シリコンが金型の外面上に流出すること 、又は、（２）結晶成長装置の通常の作動の結果、著しく変化しないことを特徴 とする組立体を提供することである。

本発明の別の目的は、（１）結晶体を金型に固着させず、（２）結晶体が「空隙 化」を伴わず、即ち、該結晶体を金型に接続する液状膜から分離されることなく 、金型の温度変化に対する許容公差を大きくすることである。

本発明の更に別の目的は、金型と成長しつつある結晶体との間のメニスカスが破 断したときに解放される溶融シリコンが金型に隣接する装置の領域に急激に流出 するのを阻止し得るようにしたＥＦＧ結晶成長装置用のる堝／金型装置を提供す ることである。

本発明の更に別の目的は、育成が容易であるＥＦＧ結晶成長装置を提供すること である。

本発明の更に別の目的は、上述の目的を実現し得るようにしたる基金型を有する ＥＦＧ結晶成長装置を提供することである。

本発明の更に別の目的は、金型頂部とる場内の溶融体との間の温度差を小さくし 、金型毛管内の溶融体の温度勾配を減少させ、溶融体の過飽和を軽減し、これに より、融解しかつ反応したる基材料が毛管内に及び金型頂部に析出するのを軽減 することである。

本発明の別の目的は、溶融体プールから管状結晶体を成長させる新規かつ改良さ れた方法を提供することである。

本発明の上記及びその他の目的は、ＥＦＧ法により管状体を成長させる装置にし て、新規なＥＦＧ金型と、溶融シリコンの供給物を保持するスペース（「溶融体 のリザーバ」）を画成する側壁及び底部壁を有するる堝とを備える装置を提供す ることにより実現される。金型は、頂部端面と、金型の頂部端面に直交する内側 及び外側面とを有する多角形断面の直立先端を備えている。該金型先端は、１又 は２以上の供給毛管、即ち、毛管寸法の通路を備えており、その通路の各々は、 金型の上記頂端面に至る上端と、る場内の溶融体に連通ずる下端とを備えること を特徴とする。又、該金型は、同心状の第１及び第２（内側及び外側）環状溝を 備えている。内側溝は、金型先端の内側面に隣接し、金型先端の内側面に接触す るある量の溶融シリコンを保持し得るようにしである。外側溝は、金型先端の外 側面に隣接し、金型先端の外側面に接触するある量の溶融シリコンを保持し得る ようにしである。これら内側及び外側溝は、１又は２以上の毛管寸法の通路を介 してる場内の溶融体に結合される。選択随意の手段として、第３の溝を第２（外 側）溝を囲繞する状態に設けることが出来る。この金型の設計は、金型の全体的 な高さを比較的低くシ（従来技術の金型と比べ）、これにより、金型先端の頂部 の温度とる場内の溶融体の温度との間の差をより小さくする。

溶融シリコンは、毛管作用により、毛管を通じてる堝から金型先端の頂端面まで 送られる。溶融シリコンは、毛管作用により毛管通路を通じてる堝から内側及び 外側溝に送られる。次に、表面張力により内側及び外側溝内の溶融シリコンをそ れぞれ金型の内側面及び外側面に沿って上方に吸引し、これら面を実質的に完全 に覆うメニスカスを形成する。これら「溝」メニスカスは、その形状を画成する 隅部の真下にて金型先端の側部に取り付く一方、分離した成長メニスカスは、金 型先端の頂部表面の端縁に取り付く。成長メニスカスが破断し、又は液状シリコ ンが金型に対して内方又は外方に流出した場合、液状シリコンは、内側又は外側 溝内に拘束されるときは、る場内の溶融体に戻ることが出来、又は、場合によっ て、第３の半径方向外側溝内に取り込まれ、そこに保持される。

本発明のその他の特徴及び利点は、本発明の詳細な説明及び請求の範囲の記載か ら一層明らかになる。

図面の簡単な説明 本発明の性質及び目的を一層良く理解し得るようにするため、以下、添付図面に 関して本発明の詳細な説明する。添付図面において、第１図は、本発明のる堝／ 毛管金型組立体の使用方法を示す、従来のＥＦＧ結晶成長炉装置の一部断面図と した正面図、第２図は、従来技術のる堝／毛管金型装置の断面図、第３図は、本 発明を具体化するる堝／毛管金型装置の概略図的な部分断面図、第４図は、第１ 図、第３図及び第５図乃至第７図に示したる堝／毛管金型装置の平面図、 第５図は、第４図の線５−５に沿った断面図、第６図は、第４図の線６−６に沿 った拡大断面図、第７図は、第４図の線７−７に沿った拡大断面図であり、金型 と共に、成長しつつある結晶体及び成長並びに溝メニスカスを示す図である。幾 つかの図面において、同一の構成要素は同一の番号で示す。

発明の詳細な説明 第１図及び第３図乃至第７図には、る堝／毛管金型装置を備える本発明の好適な 実施例が図示されている。第１図には、ＥＦＧ結晶成長装置２０内に設置された 本発明によるる堝／毛管金型装置１８が図示されている。該結晶成長装置２０は 、ストールモント（Ｓｔｏｒｍｏｎｔ）等への米国特許第４．５４４．５２８号 に記載された成長装置と同様である。る堝／毛管金型装置１８は、成長工程の全 体中、金型先端の外面が湿潤状態にあるように設計しである。

背景の一例として、装置２０は、全体的に符号２２で示した炉包囲体を備えてお り、該包囲体内には、る堝／金型装置１８及び内側及び外側中空アフターヒータ ２６．２８が配置されている。該る堝／金型装置は、包囲体２２内の中心に配置 された短い中空の頂部が開放した正プリズム又は正円形シリンダの形態のる堝２ ４を備えている。る堝２４は、溶融体２９を保持するスペースを画成する直立の 側壁２５及び底部壁２７を備えているう毛管金型１９は、側壁２５の上端と一体 に形成しかつ該上端に取り付けることが望ましい。

内側アフターヒータ２６は、中空であり、内部スペース３０を画成する。内側ア フターヒータ２６は、円筒状又は多角形の断面形状を有する管状部材であること が望ましい。内側アフターヒータ２６は、側壁３１と、頂端部壁３２とを備えて いる。内側アフターヒータ２６の底端部は、開放しており、これにより、内側ア フターヒータ２６の内部３０はる堝２４の内部と連通している。

る堝２４は、中心穴３６を有する中央ハブ３５を更に備えている。ノ１ブ３５は る堝の底部壁２７に一体に取り付けられかつ該底部壁２７から上方に伸長する。

ハブ３５は、側壁２５の上方を伸長し、る場内の溶融体の液位の上方に突出する 。

典型的に、中空の導管３７（第１図）がハブ３５に結合される。導管３７は、シ リコン供給材の固体粒子をハブ３５の穴３６を通じてる堝の上方領域内に供給し 得るようにした適当な溶融体補充装置３８に結合されており、粒子は上記領域か ら溶融体２９内に落下する。−例として、本発明の一部を構成しない溶融シリコ ン補充装置３８は、シンク（Ｓｉｎｋ）等に付与された米国特許第４．６６１． ３２４号に記載されたチップスラスクの形態とすることが出来る。

装置２０は、符号４０で概略図的に図示したシード組立体を更に備えている。

シード組立体４０は、包囲体２２内に配置され、シードホルダ４２及びシード４ ４を備えている。シード組立体４０は、シードホルダ４２を金型１８に対して軸 方向に接近させかつ離反させ得るようにした吸引機構４６に取り付けられる。

装！２０は、受熱体４７と、る堝２４に隣接して包囲体２２を囲繞する加熱コイ ル４８とを更に備えている。受熱体４７は、金型／る填装置１８の真下に配置さ れて該金型／る堝組立体１８の支持体として機能する長さの短い本体である。図 示しないが、炉包囲体２２内に取り付けられた台座は、受熱体４７及びる堝／金 型装置Ｉｆ１８の支持体として機能する。受熱体４７は、グラファイト又はその 他の適当な材料から成り、加熱コイル４８により発生される電磁エネルギを受け ることにより加熱される。受熱手段４７は、その熱をる堝２４に伝達し、る場内 のシリコンを溶融状態に維持する。

第２図に図示するように、ＥＦＧ成長装置に従来から使用されている型式の従来 の単一のる堝／毛管金型組立体は、中空の結晶体５４が成長する頂部面５２を有 する金型先端５０を備えている。金型先端５０は、る堝２４の側壁２５の上端と 一体に形成される。金型先端５０は、頂部面５２から下方にテーパーが付けられ 、結晶体５４の成長軸線に関して鋭角な角度（約３０°以上でないことが望まし い）を形成する内及び外側面５６．５８を備えている。金型の頂部面５２は、る 堝の内部と連通ずるチャンバ４２まで金型の頂部面から下方に伸長する垂直な毛 管スロット６０を介してる堝２４内の溶融体２８に結合される。

次に、第３図乃至第７図を参照すると、本発明は、全体として、成長工程全体中 、金型先端の外面が液状シリコンで覆われるように設計したＥＦＧ毛管金型１９ を備えている。第３図に概略図で示し、第４図乃至第７図に更に詳細に示した該 金型は、側壁２５の上端と一体に形成された直立の金型先端１００を備えている 。金型先端１００は、円形又は線形成はその他の形状とすることも出来るが、例 えば、八角形又は九角形の断面形状のような多角形の形状である。より具体的に は、金型先端１００の各々の内面及び外面は、例えば、八角形又は九角形の断面 形状のような多角形の形状である。第３図に最も良く図示するように、金型先端 ］００は、平坦であることが望ましく、る堝２４内の溶融体の表面に対して平行 に伸長する頂端面１０２と、多角形の形状の内側外面１０４と、同様の多角形の 形状の外側面１０６とを備えている。このように、第４図に示すように、側面１ ０４は、実際に、８つの面状の表面部分１０４ａ−ｈを備えている。又、側面１ ０６は、面部分１０４ａ−１０４ｈに対応する８つの面状の表面部分を備えてい る。表面１０４．１０６は、頂部面１０２に対して垂直に伸長しかつ該頂部面１ ０２に直交する。又、金型先端１００は、材料及び状態いかんにより、例えば、 約０．２５４ｍｍ　（約０．０１インチ）乃至約４．８２６ｍｍ　（約０．１９ インチ）の毛管寸法の幅、即ち、半径方向寸法を有する中央スロット１０８を備 えている。

第４図乃至第７図に図示した本発明の好適な実施例の説明に関して以下に更に詳 細に説明するように、る堝／金型装置１８は、金型先端の両側部で側壁２５の上 端に形成された２つの溝１１４．１１６を備える構造である。溝１１４．１１６ の一部は、それぞれ側面１０４．１０６により画成される。液状シリコンがる堝 ２４から毛管スロット１０８の底部に、更に溝１１４．１１６内に供給されるよ うにするため、第４図乃至第７図に図示した手段が設けられる。この液状シリコ ンは、毛管作用によりスロット１０８内を頂部面１０２まで上昇し、表面張力作 用により、外面１０４．１０６に沿って上方に溝１１４．１１６内に吸引される 。表面張力により外面１０４．１０６には、内側及び外側溝メニスカス１１５． １１７が形成される。これらメニスカスは、結晶成長中、維持され、その結果、 金型先端１００の内側面１０４及び外側面１０６は湿潤状態に維持される。溝メ ニスカス１１５．１１７の形成については、以下に更に詳細に説明する。第３図 を参照すると、ＥＦＧ結晶成長の開始工程中、成長しつつある結晶体１１２の頂 部面１０２と底部との間には、内側成長メニスカス１１０Ａ及び外側成長メニス カス１１０Ｂを特徴とする成長膜１１０が形成される。

液状シリコンがスロット１０８を通じて頂部面１０２に送られ、表面張力により 、表面１０４．１０６の上端縁まで確実に上昇するようにするためには、る堝２ ４内の溶融体の液位を適正な範囲内に維持することが重要である。溶融体の液位 が低過ぎる場合、溝メニスカス１１５．１１７の何れも側面１０４．１０６の上 端縁を形成せず、又は該上端縁まで上方に上昇しない。る場内の溶融体の液位が 高過ぎる場合、溝メニスカス１１５．１１７は成長メニスカス１１０Ａ、１１Ｏ Ｂの延長部分となり、これにより、金型先端１００の頂部面１０２が液中に没し 、結晶成長の「端縁画成」を停止させる、即ち、成長しつつある結晶体の形状が 、最早、上端面１０２の内側及び外側端縁の形状により決定されないようになる 。

この点に関し、第３図を参照すると、溝メニスカス１１５．１１７が成長メニス カス１１０Ａ、１１０Ｂの延長部分となるのを阻止するためには、溝メニスカス １１５の湿潤角度Ａ（第３図）、成長メニスカス１１０Ａの湿潤角度Ｂ（第３図 ）及び側面１０４と上端面１０２との間の角度Ｃ（第３図）の合計が常に１８０ °以下であるようにする必要がある。この条件は、メニスカス１１７．１１０Ｂ の湿潤角度及び角度Ｃの合計についても同様である。

上端面１０２を平坦にし、又は、角度Ｃを９０°　（これは図面に示した好適な 実施例の場合の角度である）にする必要はないことを理解すべきである。角度Ｃ は、角度Ａ＋Ｂ十Ｃの合計値が１８０°以下であり、角度ＡＳＢの各々が金型材 料の溶融体上の相当接触角度以上でなければならないという条件がある（グラフ ァイト上における液状シリコンの相当接触角度は３０°である）。

角度Ａ＋Ｂ＋Ｃ＜１８０°という条件が満たされる限り、溝１１４．１１６の幅 、る堝２４内の溶融体の表面上方の頂端面１０２の高さ、頂部面１０２の幅及び る堝２４内の溶融体の液位は全て、変化させることが出来る。

本発明を実施するためには、る堝２４内の溶融体の液位を上述の等式に適合する メニスカス取り付き角度が得られる範囲内に維持するように制御することを条件 として、各種の溶融体補充装置を使用することが出来る。適当な溶融体補充装置 は、米国特許第４．６６１．３２４号に記載されたものである。

結晶成長の開始前、液状シリコンは毛管作用によりスロット１０８の上端に送ら れ、溝メニスカス１１５．１１７は、第３図に図示するように、る堝２４内の溶 融体の液位を金型先端の外面ＩＣ１４，１０６をそれぞれ湿潤状態にするような 高さに維持する。

第１図及び第３図を参照すると、結晶成長は、シード４４が金型１００の頂部面 １０２に接触し、溶融し始めるまでシードホルダ４２を下降させることにより開 始される。シードは、その溶融により形成された液状シリコンがスロット１０８ 内の溶融体に接続するまで静止状態に保持される。次に、シード４４は頂部面１ ０２から上方に引き上げ、シードと頂部面との間に内側及び外側成長メニスカス ｌｌ０Ａ、ｌｌ０Ｂを有する成長膜１１０が形成されるようにする。シードを頂 部面１０２から持ち上げると、シードに最も近い成長膜１１０の部分が凝固する 。シード結晶を金型から更に遠方に引っ張ると、新たな溶融シリコンが毛管作用 により中央スロット１０８まで上方に吸引され、成長膜１１０を補充し、成長膜 内に存在する付加的な溶融シリコンが凝固し、シードに取り付いた凝固したシリ コンに付着して増大し、頂端面１０２の端縁形状により決まる断面形状の細長い 中空の結晶体１１２を形成する。

好適な実施例 次に、第４図乃至第７図を参照すると、本発明の好適な実施例は、単一のる堝／ 金型装置１８を構成し、金型１９はる堝２４の側壁２５の頂端面１５１（第６図 ）の上方に配置されかつ該頂端面１５１から上方に突出する。第３図に示した金 型１９の概略図に関して上述したように、好適な実施例の金型１９は、頂部面１ ０２、内側及び外側側面１０４．１０６及び中央毛管スロット１０８を有する直 立の金型先端１００を備えている。

る堝／金型装置は、内側溝１１４と、外側溝１１６と、オーバーフロー溝１７０ とを更に備えている。内側溝１１４は、側面１０４に隣接するが、該側面１０４ から離間して形成された側壁２５の上端面１５１の溝１５２（第６図）により形 成される。平面図に示すように（第４図を参照）、内側溝１１４の形状は、金型 先端１００の形状に適合することが望ましい。このため、例えば、金型先端１０ ０が九角形の形状である場合、内側溝１１４も又丸角形の形状を備える。

外側溝１１６は、金型先端１００の外側面１０６に隣接して配置される点を除い て、内側溝１１４と同様の形状である。溝１１６は、側壁１５２の上端面１５１ の溝１５５により形成される。外側溝１１６の平面図の形状は又、金型先端１０ ０の形状に適合する。

オーバーフロー溝１７０は、外側溝１１６を囲繞しかつ該外側溝１１６から半径 方向に離間されている。溝１７０は、側壁２５の上端のスペース１５７により形 成される。溝１７０は、約０．２５４ｍｍ　（約０．０１インチ）乃至約６．３ ５ｍｍ　（約０．２５インチ）の範囲程度だけ溝１１６から離間され、外側溝１ １６と略同−の深さであることが望ましい。溝１１４．１１６．１７０は、第６ 図に示すように、矩形の断面であることが望ましいが、必ずしもそうしなければ ならない訳ではない。

平面図で示したときのオーバーフロー溝１７０の形状は又、金型先端１００の形 状に適合することが望ましい。

溝１１４．１１６の半径方向寸法又は幅は毛管寸法である一方、溝１７０の対応 する寸法は、毛管寸法又はそれ以上とすることが出来る。

又、金型１８は、る堝２４の側壁２５に形成された複数の周縁方向に離間した傾 斜した通路１８０を備えている。これら通路１８０は、金型の水平軸線に対して 約３０°　（即ち、金型の垂直軸線又は縦軸線から約６０°）の角度にて傾斜さ せることが望ましいが、必ずしもそうしなければならない訳ではない。通路１８ ０の各々は、望ましくは最大１約５．０８ｍｍ　（約０２０インチ）の毛管寸法 の断面を備えている。通路１８０は、（１）溝１５２の底隅部、（２）中央スロ ット１０８、（３）溝１５５、（４）側壁２５の内面１５９と直交するように配 置される。

その結果、傾斜した通路１８０が内側溝１１４、外側溝１１６及び中央スロット １０８をる堝２４の内部に結合し、これにより、以下に説明するように、毛管作 用により液状シリコンがる堝２４から内側溝、外側溝及び中央スロットに送られ るのを許容する。

本発明の機能を最適にするためには、金型先端１００の高さ及び幅、並びに毛管 スロット１０８の幅は、一定の寸法限界値内にすることが重要である。この点に 関し、第４図乃至第７図に示した金型先端１００は、（ａ）その頂部面１０２が 第２図に示した型式の従来のＥＦＧ金型の頂部面よりもる堝２４内の溶融体の表 面により近接して配置され、（ｂ）表面１０４．１０６間で測定したときの頂部 面１０２の全体的な幅が第２図に示した型式の従来のＥＦＧ金型の幅よりも広い ように形成することが望ましい。

具体的には、金型の頂部面１０２と溝］１４の反対側の対応する頂部面１５１Ａ （又は、溝１１６の上端の対応する頂部面１５１Ｂ）との間の距離Ｈ（第６図） が約１．２７ｍｍ　（０，０５インチ）乃至２．２８６ｍｍ　（０，０９インチ ）の範囲にあり、望ましくは、１．７７８ｍｍ　（約０．０フインチ）となるよ うに金型先端を形成することが望ましい。勿論、る堝２４内の溶融体２９の頂部 面１０２と表面との間の距離は、る堝２４内の溶融体の液位に依存し、通常、る 堝はその頂端縁まで溶融体で充填されていないから、距離Ｈ（第６図）より幾分 大きなる。しかし、る場内の許容可能な溶融体及び溝１１４．１１６の液位より 上方の表面１０２の高さは、金型毛管スロット１０８及び溝内の双方の溶融体が 毛管作用により上昇し、表面１０４．１０６に沿って表面１０２の端縁に達する 金型の全高さとなるのを許容するような高さを上廻ってはならない。単に非限定 的な一例として、る場内の溶融体の液位は、３．８１ｍｍ　（０，１５インチ） 乃至１４．２２４ｍｍ　（０，５６インチ）の範囲、望ましくは６．６０４ｍｍ 　（０，２６インチ）乃至８．６３６ｍｍ　（０，３４インチ）の範囲内に維持 することを要する。表面１０４．１０６間で測定した頂部面１０２の幅は、０． ５０８ｍｍ　（０，０２インチ）乃至５．０８ｍｍ　（０，２０インチ）の範囲 内とすることが望ましく、特に、２．０３２ｍｍ　（０，０８インチ）の幅とす ることが最適である。

金型１９の好適な実施例において、毛管スロット１０８は、０．２５４ｍｍ　（ ０，０１４インチ）乃至４．８２６ｍｍ　（０，１９インチ）の範囲内の幅を有 し、約１．０１６ｍｍ　（約０゜０４インチ）の幅とすることが最適である。

本発明の好適な実施例の金型１８の作用の以下の説明に関し、成長工程の開始前 、及び成長工程中に連続的に、溶融体を適当に補充することにより、る堝２４内 の液状シリコンの液位は一定の所定の限界値の範囲内に維持されるものと仮定す る。

る堝２４が液状シリコンを保持したならば、該シリコンは、内側溝１１４への傾 斜した通路１８０、金型先端１００の中央スロット１０８及び外側溝１１６を通 じて送られる。内側溝及び外側溝は、液状シリコンが内側面１０４及び外側面１ ０６に接触するような液位まで液状シリコンで充填される。

溝１１４．１１６内の液状シリコンは、表面張力作用によりそれぞれ内側面１０ ４、外側面１０６に沿って上昇し、これにより、溝メニスカス１１５．１１７（ 第７図）を形成する。液状シリコンは、表面１０４．１０６と頂部面１０２との 接続部付近まで表面］、　０４．１０６に沿って上昇する一方、成長メニスカス １１０Ａ、１１０Ｂは、金型１００の頂部面１０２の端縁と成長しつつある結晶 体との間を伸長する。

結晶成長工程は、本発明の詳細な説明に関して上述しかつ第３図に図示した方法 と略同−の方法にて開始されかつ維持される。シード結晶が金型から引き出され ると、シード上で中空のシリコン体が成長する。結晶成長用の原料は、毛管作用 によりスロット１０８を介して頂部面１０２に搬送される液状シリコンにより全 て供給される。成長工程中、頂部面１０２及び外面１０４．１０６は、液状シリ コンで湿潤状態にある。

時々、典型的には、成長工程の開始又は終了時に、成長しつつある結晶体が、例 えば金型の過度な温度又は過剰な吸引速度に起因して成長境界面から分離するこ とがある。かかる分離の結果、液状／リコンは金型先端から流出し、内側溝１１ ４及び外側溝１１６内に入ることがある。ある状況下の場合、かかる液状シリコ ンは内側及び外側溝を越えて、る堝２４内又はオーバーフロー溝１７０内に流入 することもある。内側溝１１４及び外側溝１１６内に流入した液状シリコンは、 これら溝は既に液状シリコンを含んでいるため、成長工程に影響を与えない。典 型的に、オーバーフロー溝１７０内に流入した液状シリコンは、その場所に留ま り、成長工程の終了後、金型と共に処分される。

本発明の利点 上述のように、公知のＥＦＧ金型、例えば、米国特許第４．５４４．５２８号の 特許に示したような金型は、多数の問題点が伴う傾向となる。第一に、１０．１ ６ｃｍ　（４インチ）の幅の面を有する六角形及び九角形に成長させる金型のよ うな従来の大型のＥＦＧ金型により、結晶成長を開始し又は維持することが困難 な場合がある。

第二に、結晶体の周縁に沿って均一な厚みを有する結晶体を成長させることが困 難である。第三に、結晶成長工程の開始及び／又は終了に伴い、又、成長工程中 のその他の時点で、液状シリコンが金型及び結晶成長装置の隣接部分を越えて溢 れることは珍しいことではない。本発明の先端湿潤金型は、こうした問題点を軽 減し又は解消し得るように設計されている。

より具体的には、本発明により設計された金型は、結晶成長を良好に開始し、従 来のＥＦＧ金型よりも広い温度範囲に亙り維持することが可能である。本発明に より設計された金型の場合、る場内の溶融体の液位は、従来のＥＦＧ金型の場合 よりも頂部表面１０７に関しより高い。又、頂部面１０２は、従来のＥＦＧ金型 の頂部面より幅を広げることが出来る。金型先端１００のこうした形状の変化に より、成長メニスカスｌｌ０Ａ、ｌｌ０Ｂは、従来のＥＦＧ金型に関係する成長 メニスカスよりも高さが増す傾向となる。成長メニスカスｌｌ０Ａ、ｌｌ０Ｂは 高さが高いため、頂部表面１０２と成長結晶の底部における溶融体／固体境界面 との間の温度差は、従来のＥＦＧ金型の場合よりも顕著である。この温度差の増 大により、成長しつつある結晶が金型に固着したり、又はメニスカスから分離す ることなく、金型の周縁に沿って温度変化を許容する能力が向上する。

次に、本発明が第二の問題点を軽減する方法について説明すると、金型１８は、 金型先端１００の温度、表面特性及び端縁形状が従来のＥＦＧ金型の場合よりも 成長工程中、より均一に維持されるように設計される。本発明の場合、金型先端 １００の内側面１０４及び外側面１０６並びに頂部面１０２は、成長工程の全体 中に液状シリコンで湿潤状態にある。他方、公知のＥＦＧ金型の場合、金型先端 の外面の一部は、流出及びその他の誤操作により液状シリコンで被覆される一方 、金型のその他の部分は乾燥状態、即ち、溶融体が接触しない状態にあることが 考えられる。液状シリコンはグラファイトと比べて熱伝導率が約２倍で、放射率 が約半分であるため、従来のＥＦＧ金型の側面には流出した液状シリコンに起因 して局部的な高温箇所が生じる。従って、従来のＥＦＧ金型の周縁付近の温度は 均一でな（なり、その結果、従来のＥＦＧ金型を使用して成長させた結晶体の肉 厚は、結晶体の周縁付近で均一でな（なる。この問題点は、金型先端１００の全 外面を湿潤状態に維持することにより、湿潤領域と乾燥領域とが散在することに 起因する温度変化を回避することが出来るため、本発明により回避される。

更に、第二の問題点に関し、金型先端１００の全外面は、結晶成長工程中、溶融 シリコンで湿潤状態にあるため、毛管１０８及び金型先端の外面に炭化ケイ素が 形成されることが著しく軽減され、又は少なくともより均一となり、従って、炭 化ケイ素は溶融体に殆ど没するため、より有害でなくなる。公知であるように、 炭化ケイ素析出物は液状シリコンが接触する公知のＥＦＧ金型先端のこれら部分 の上に生ずる傾向がある。炭化ケイ素は、グラファイトと異なる熱伝導率及び放 射率を備えるため、炭化ケイ素の析出物により公知のＥＦＧ金型の金型先端には 局部的な温度差が生じる。これら温度差により、炭化ケイ素が析出する金型から 成長させた結晶体の周縁方向厚さが変化する。

金型の熱プロファイルに影響を与えることに加え、炭化ケイ素析出物は又、金型 先端の頂部面の表面特性及び／又は端縁の形状を変化させる可能性がある。その 結果、成長した結晶体の形状は析出した炭化ケイ素により影響される。

炭化ケイ素は多孔質の結晶構造体内で成長するため、該炭化ケイ素は、実際上、 更なるノリコンを金型先端から吸引しかつ保持し、自己析出方法にて毛管１０８ 内で蓄積することの出来る透過性構造体を形成する。炭化ケイ素の蓄積により金 型の幾何学的形状が変化し、結晶の厚さを変化させ、恐らく溶融体が成長膜１１ ０まで流動するのを阻止する。

更に、第二の問題点に関し、金型１８は、公知のＥＦＧ金型が固体構造体、即ち グラファイトを含む領域に開口部、通路及びその他の空洞を有する。結晶の成長 工程中、これら金型１８の空洞がグラファイトではな（、液状シリコンを保持す る限り、液状シリコンはグラファイトの２倍の熱伝導率を有するため、伝熱が促 進される。更に、液状シリコンは、グラファイトよりも特性がより均一であるた め、金型先端１００の温度は、従来のＥＦＧ金型の場合よりも金型装置１８に対 してその周縁付近でより均一となる傾向である。

金型装置１ｆ１８の設計は、発生される炭化ケイ素析出物が対応する局部的変化 を伴わずに、又は、僅かに局部的に変化させるだけで、成長しつつある結晶体の 厚さ内に受け入れられるようにする。具体的には、毛管スロット１０８及び金型 の頂部面１０２は比較的幅広であるため、金型先端の平坦部分は、成長メニスカ スの形状を変化させずに比較的大量の炭化ケイ素を蓄積させることが出来る。

金型装置１８の設計の別の特徴の結果、金型１９の周縁付近の温度は一層、均一 となり、その結果、より均一な肉厚を有する結晶体を成長させることが可能とな る。金型１９は、米国特許第４．２３０．６７４号に記載された型式の公知のＥ ＦＧ金型の約１／３の高さ及び約２倍の幅を有するため、又、湿潤な金型先端領 域がグラファイトてはな（、殆ど液状のシリコンを保持するため、金型先端１０ ０の垂直方向への熱伝導は顕著に増大する。かかる増大の結果、る堝２４内のバ ルク状溶融体と金型頂部面１０２との間の温度低下が軽減される。その結果、る 堝２４内にあり、又は毛管通路１８０と接触する液状シリコンの最高温度は低下 する。

グラファイトる堝と接触する溶融体の最高温度は、通路１８０を金型先端１００ まで傾斜させ、これら通路が金型内の等温線に対して略平行に伸長するようにす ることにより、従来のる堝／金型組立体と比べて更に低下する。従来のＥＦＧ金 型の場合、毛管通路は、金型／る填装置の最高温度領域（る堝の下方外側隅部） 内まで下方に貫通しているため、より垂直方向にかつより多くの等温線を横断し て伸長する。通路１８０を介して搬送された液状シリコンは、等温線に対して平 行に進むため、これら通路内のグラファイトに接触する液状シリコンの最高温度 は低下し、その結果、る堝の融解及びその融解したる基材料が毛管スロット１０ ８内に、及び金型の頂部面１０２に析出することが共に軽減される。これにより 、不純物の偏析が軽減されるため、成長しつつある結晶体の均質性が向上する。

通路１８０は金型の頂部から下方に穿孔することにより、形成されることに注目 すべきである。これら通路は、傾斜しており、金型の先端及びる堝の側壁を通っ て進み、２つの溝１０４．１１６及び金型供給毛管１０８を直交する。通路１８ ０の傾斜した性質のため、幾つかの利点が得られる。第一に、上述のように、通 路１８０は、比較的高温であり、従って炭化ケイ素の形成物に対してより伝導性 である金型構造体の領域内に溶融体が移動するのを軽減し又は阻止する。換言す れば、傾斜した通路は、溶融シリコンがる堝から金型の頂部面まで動くときに通 る領域内のグラファイト／シリコンの境界面の最高温度を低下させる傾向となる 。

第二に、通路１８０は、溶融体を２つのオーバーフロー溝１１４．１１．６並び に毛管スロット１０８に分配する働きをする。第三に、傾斜角度のため、通路１ ８０内を毛管１０８まで流動する溶融体は、従来のＥＦＧ金型におけるよりも横 方向の流れが少なくなる。第四に、通路１８０は、る堝から溶融体を従来技術の 金型内の金型毛管に供給する通路よりも容易にかつ低源に製造することが出来る 。

その結果、金型の軸線を中心として比較的多数の通路１８０を相互に近接して配 置して、設けることが経済的に可能でありかつ実際的となる。通路１８０は金型 内の等温線に対してより略平行に傾斜させ得るのみならず、比較的多数の通路１ ８０を比較的狭い間隔で配置することが出来るため、溶融体が毛管スロット内で 、及び金型頂部にて横方向に流動する必要性がす少なくなる。溶融体が金型内で 横方向に流動するのが減少することは、不純物の偏析及び析出を軽減する点で有 利である。

その結果、本発明の新規な金型を浅い深さで形成することが出来るのみならず、 該金型はより略等温状態とすることが出来る。要約すれば、上述のファクタに起 因して、る場内及び毛管通路内の液状シリコンの温度が低下する結果、液状シリ コンがグラファイト金型から炭素を融解させる傾向が軽減される。液状シリコン と反応させることにより炭素を析出する傾向を軽減することにより、金型先端１ ００に析出する炭化ケイ素はより少なくなる。かかる減少は顕著な利点であり、 その理由は、上述のように、炭化ケイ素の析出物は温度変化を生じさせ、金型先 端の形状を変化させ、これにより、金型先端から成長される結晶体の厚さを変化 させるからである。炭化ケイ素析出物は従来設計の金型の毛管通路を詰まらせ、 これにより、溶融体が成長メニスカスに流動するのを阻止し、その結果、金型の 有効寿命が短（なるが、本発明を具体化する金型は遥かに長い有効寿命となるか ら、かかる低下は顕著な利点である。

金型１９は又、上述の第三の問題点、即ち、液状シリコンが金型及び結晶成長装 置の隣接部分を越えて溢れ出るのを解消し得るように設計されている。金型先端 １００に隣接して内側及び外側溝１１４．１１６を設けることにより、成長メニ スカス１１０からの液状シリコンの殆どの流出物は溝内に取り込まれ、その後の 結晶成長のために再循環される。比較的多量の流出が生じた場合、液状シリコン は、最外側の溝１７０内に取り込むことが出来る。このようにして、公知のＥＦ Ｇ金型におけるシリコンの流出に伴う問題点が回避される。

ユニに開示した本発明の範囲から逸脱せずに、上記の装置に幾つかの変形及び応 用を加えることが出来る。このように、例えば、金型先端１００の頂端面は、成 長すべき結晶体の形状いかんにより、円形、楕円形、三角形、矩形又はその他の 形状とすることが出来る。又、金型／る堝組立体の異なる部分の相対的寸法を変 えることも出来る。第３の溝は、金型が良好に機能するために必要でないため、 省略することも可能である。しかし、流出が生じたとき、溶融体を取り込むため の第３の溝を備えることは、その溝成長領域内のその他の構成要素の損傷を防止 するから望ましいことである。又、る堝／金型組立体の寸法及び設計は、本発明 の原理から逸脱せずに変更することも出来る。このように、例えば、る堝及びＥ ＦＧ金型は、２つの分離した別個の部材として形成し、これら部材を図面に示し たる堝／金型構造と同等の機能が得られるように相互に組み立てることも可能で ある。かかる別の実施例において、通路１８０は、その別個に形成される金型の 一部となる。

当業者には、その他の別の変形例も明らかであろう。故に、上記に説明し、又は 添付図面に示した全ての事項は、単に一例にしか過ぎず、非限定的な意味に解釈 されるべきである。

ここに使用したように、「管状」という用語は、例えば、六角形又は九角形のよ うな多角形の形状を有することが望ましいリング状の断面形状の中空の細長い本 体を意味するものとするが、これと別に、円形又はその他の形状とすることも出 来る。

要約書 ＥＦＧによる中空の管状体を成長させる新規な毛管金型及び結晶成長方法が提供 される。内側及び外側環状溝（１１４，１１６）が金型先端を囲繞する。溶融体 （２９）をる堝（２４）からこれら溝に供給する通路（１８０）が設けられ、こ れら溝内の溶融体（２９）は、中空結晶体の成長中、金型先端の内側及び外側外 面を湿潤にしかつ覆う。この新規な金型は、中空体を良好に成長させるのに従来 から使用されたＥＦＧ金型よりも下方の金型先端及びより短い毛管を備える構造 とすることが出来る。この金型の設計は、金型先端の温度をその周縁に沿って略 均−に維持するのを容易にし、これにより金型先端上で溶融体（１１０）の膜か ら成長させた結晶体（１１２）の肉厚を一層均一にする。これら溝は金型から溢 れることにより成長工程が中断又は悪影響を受ける可能性を軽減する。成長メニ スカスが破断する場合、液状シリコンはこれら溝内に取り込まれ、これにより金 型から溢れる可能性を阻止し又は軽減する。

国際調査報告

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．ＥＦＧ法により選択された材料から管状の結晶体を成長させる装置にして、 （ａ）前記選択された材料の液状供給体を収容する内部スペースを画成する底部 壁及び側壁を有するる堝と、 （ｂ）前記側壁と一体に形成された改良した毛管金型とを備え、前記金型が、液 体／固体成長境界面を支持すると共に、前記結晶体の形状を制御する先端手段を 備え、 前記先端手段が、頂部端面と、前記頂部端面と交叉する内側及び外側外面とを備 え、 更に、液体状の前記選択された材料を毛管作用により前記る堝から前記先端手段 に移送させ、前記結晶体の成長中、前記頂部端面及び前記内側及び外側外面が前 記溶融金属で常に湿潤な状態とされるようにする移送手段とを備えることを特徴 とする装置。
2. ２．請求の範囲第１項に記載の装置にして、前記内側及び外側外面が前記頂部端 面の面に対して略垂直に伸長することを特徴とする装置。
3. ３．請求の範囲第１項に記載の装置にして、前記移送手段が、前記頂部端面と交 叉する少なくとも１つの毛管を備えることを特徴とする装置。
4. ４．請求の範囲第１項に記載の装置にして、前記第１及び第２の溶融体プールを 前記内側及び外側外面と係合状態に維持する第１及び第２の溝手段を備えること を特徴とする装置。
5. ５．請求の範囲第１項に記載の装置にして、前記移送手段が、前記先端手段の前 記内側外面に隣接して設けられ、前記溶融体の第１のプールを収容する第１の溝 手段と、 前記先端手段の前記外側外面に隣接して設けられ、前記溶融体の第２のプールを 収容する第２の溝手段とを備えることを特徴とする装置。
6. ６．請求の範囲第５項に記載の装置にして、前記移送手段が、前記先端手段の前 記頂部端面と交叉する前記先端手段内の第１の毛管通路と、 前記選択された液状材料を前記る堝から前記第１の毛管通路に分配する手段とを 備えることを特徴とする装置。
7. ７．請求の範囲第５項に記載の装置にして、前記第２の溝手段を囲繞しかつ前記 第２の溝手段に対して離間した関係に配置され、前記先端手段又は前記第２の溝 手段から溢れた溶融体を収容する第３の溝手段を更に備えることを特徴とする装 置。
8. ８．請求の範囲第１項に記載の装置にして、前記内側及び外側外面が前記頂部端 面と交叉する位置間で測定したときの前記頂部端面の幅が０．５０８ｍｍ（０． ０２インチ）乃至５．０８ｍｍ（０．２０インチ）の範囲内にあることを特徴と する装置。
9. ９．請求の範囲第１項に記載の装置にして、前記移送手段が、溶融体を前記頂部 端面に移送する毛管と、前記る堝の内部を前記毛管に接続する傾斜した通路とを 備えることを特徴とする装置。
10. １０．ＥＦＧ法により選択された材料から管状の結晶体を成長させる装置にして 、前記選択された材料の溶融体を収容するる堝と、前記る堝を加熱する加熱手段 と、 前記溶融体から前記選択された材料の管状結晶体を成長させる成長手段であって 、（１）前記結晶体を成長させるシードを支持するシードホルダ手段と、（２） 前記管状の結晶体及び前記シードホルダ手段を前記る堝から引き離す引張手段と を有する成長手段と、 前記る堝と一体に形成された成形手段であって、前記中空の管状体が成長される 前記選択された材料の膜を支持すると共に、前記結晶体の断面形状を設定する先 端手段を備える前記成形手段とを備え、前記先端手段が、頂部端面と、前記頂部 端面と交叉する内側及び外側外面とを備え、 溶融状態の前記選択された材料を毛管作用により前記る堝から前記頂部端面に移 送する毛管手段と、 溶融状態の前記選択された材料を前記る堝から前記内側及び外側外面に移送し、 前記内側及び外側外面が、前記結晶体の成長中、前記選択された材料で湿潤状態 とされるようにする通路手段とを備えることを特徴とする装置。
11. １１．請求の範囲第１０項に記載の装置にして、前記通路手段が、前記る堝の内 部から前記毛管手段まで導く複数の傾斜した通路を備えることを特徴とする装置 。
12. １２．請求の範囲第１１項に記載の装置にして、前記傾斜した通路が、水平線に 対して約３０°の角度で傾斜することを特徴とする装置。
13. １３．請求の範囲第１２項に記載の装置にして、前記金型先端の両側部に配置さ れた第１及び第２の溝を備え、前記内側外面が前記第１の溝の一部を形成し、前 記外側外面が前記第２の溝の一部を形成することを特徴とする装置。
14. １４．選択された材料から管状結晶体を成長させる方法にして、（ａ）ＥＦＧ金 型と、（ｂ）前記選択された材料の液状の供給体を保持すると共に、前記選択さ れた液状の材料を前記ＥＦＧ金型に供給するる堝と、を使用し、前記金型が、頂 部端面と、内側及び外側外面と、前記選択された液状材料を前記る堝から前記頂 部端面に供給する少なくとも１つの通路とを備え、前記管状結晶体が前記頂部端 面により支持された選択された材料の液状膜から形成されるとき、前記内側及び 外側外面を前記選択された液状材料と接触状態に維持する段階を備えることを特 徴とする方法。
15. １５．請求の範囲第１４項に記載の方法にして、前記頂部端面とる堝内の前記選 択された液状材料の液位との間の高さの差を３．８１ｍｍ（０．１５インチ）乃 至１４．２２４ｍｍ（０．５６インチ）の範囲内に維持する段階を更に備えるこ とを特徴とする方法。
16. １６．請求の範囲第１４項に記載の方法にして、前記金型が、前記内側及び外側 外面に隣接する第１及び第２の溝を備え、前記選択された液状材料のプールが、 前記溝の各々の内部に維持され、前記第１及び第２の溝内の選択された液状材料 がそれぞれ前記内側及び外側外面を有するメニスカスまで伸長しかつ該メニスカ スを形成することを特徴とする方法。