JPS6033799B2 - 結晶成長用毛細管ダイス - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、溶融物から結晶質物体を成長させるための装
置に関し、特にＥＦＣ法により熔融物から結晶質物体を
成長させるための新規な毛細管ダイスに関する。

種々の装置が溶融物から結晶質物体を成長させるために
開発されている。

本発明は、いわゆるＥＦＧ（Ｅｄｇｅ−ｄｅｆｉｎｅｄ
Ｆｉｌｍ−企ｄＧｒｏｗｈ）法として一般に知られてい
る方法によって溶融物から結晶質物体を成長させる場合
の改良法に関する。ＥＦＧ法の詳細は、結晶質物体成長
法に対するＨａｒｏｌｄＥ．ＬａＢａｌｌｅの米国特許
第３５９１３４８号（１９７１年７月６日公告），及び
溶融物からの結晶質物体を成長させるための装置に対す
るＨａｍｌｄ Ｅ．凶Ｂａｌｌｅ，Ｊｒ．その他による
米国特許第３６８７６３３号（１９７２手８月２９日公
告）に記載されている。ＥＦＧ法では結晶質物体の形は
、よい名前がないためダイスと呼ばれる毛細管形成用部
村の端の外側又は縁の形によって決定される。この方法
は、成長する物体とダイスの端部表面との間に狭まれた
供給材料の液膜から種子結晶上に成長させるものであり
、膜の液体は、ダイス部村中の一つ以上の毛細管を経て
適当な熔融物貯槽から連続的に補給される。単結晶物体
としてＥＦＧ法によって成長させてきた材料の中には、
Ｑーアルミナ（サフアイア）、スピネル、クリソベリル
「チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、アルミニウム
、イットリウム、ガーネット、及び珪素がある。ＥＦＧ
法の本質的要件はダイス部村が操作温度に耐え、熔融物
と反応しない組成物から作られているということである
。亦ダイス部材は溶融物によって濡らすことができなけ
ればならず、ダイス部材とルッボとは両方共溶融物に溶
けない材料から作られているべきである。例えば単結晶
アルミナ物体を成長させるのに従来用いられていたダイ
ス及びルツボはモリブデン或はタングステンから作られ
ているが、熔融物から単結晶珪素物体を成長させる場合
には、ダイスは一般に黒鉛から作られており、ルッボは
一般に黒鉛又は石英から作られている。ＥＦＧ法の利点
は、平坦なりボン又は丸い管の如き選択された形の物体
を、最も簡単な幾何形態の種子、即ち小さな丸い直径の
結晶を使って使めることにより製造することができるこ
とである。

典型的な従来法のＥＦＧ装置は、ダイス部材が溶融物と
接触しているルッボの内側に配置されたルッポ・ダイス
組立体からなる。ダイス部材は、成長させようとする結
晶に望まれる形態に相当する形の上端表面を定める形状
物を含んでいる。溶融物を一つ以上の毛細管によりダイ
ス上端表面に供給する。ダイス毛細管はダイス部材の上
端表面とダイス下端との間の毛細管の太さの垂直に長い
通路一つ以上からなる。従来法のダイスの他の形は、二
つの同０状円筒套管からなり、それら二つは互に離れて
いて、例えば毛細管の大きさの小さな径の線又は棒の線
の形の複数スベーサーのような適当な部材によって同Ｄ
状に保持されている。それらのやり方は、例えばＨａｒ
ｏｌｄＥ．仏Ｂａｌｌｅ，Ｊｒ及びＣｈａｒｌｅｓＪ．
ＣｒｏＭｎによる１９７２年８月２９日公告米国特許第
３６８７６３３号の第２図に示されている。之等及び他
の従来のＥＦＧ法ダイスの更に詳細な記載は、米国特許
第３６８７６３３号に記載されている。理想的な成長条
件は、ダイス上端表面の全域が同じ温度にあことである
。しかし、従釆の毛細管ダイスでは、ダイス上端表面の
内側の全域はダイス上端表面の外側の縁より２０００以
上高くなったりする。之には二つの因子、即ち｛１｝毛
細管は通常ダイス上端表面の内側領域で終っており、従
って新しい溶融物で連続的に加熱されるのは、それらの
内側領域であるというと及び｛２汐ィスの外側の縁は放
熱による大きな冷却を受け易いということの二つの因子
が働いている。之等の温度差は種子を与える間の差を生
ずる。例えばもし種子結晶をダイス上上端の外側の縁に
隣接させながらダイスと接触させると、その点でのダイ
スの温度は種子を熔融するに充分な高さにはないであろ
う。一方、溶融物の温度を上昇させてダイス上端の外側
の緑の温度を種子を溶かすに充分な高さに上昇させると
、ダイス上端中心部領域に隣接した温度になり、それは
適切な成長条件にとっては高過ぎる。更に珪素を黒鉛ダ
イスから成長させる場合には、比較的温度の低いダイス
外側緑のため炭化珪素粒子が、結晶成長中に折出するこ
とがある。もしこのようなことが起きると、ダイスは溢
れ、結晶成長を止めなければならなくなる。本発明の主
たる目的は、溶融物から結晶質物体を成長させるための
改良された装置を与えることである。

本発明の他の目的は、ＥＦＧ法によって溶融物から結晶
質物体を成長させるための、上記ダイス種子賦与問題及
び（又は）ダイス溢流問題を減じることができる新規な
毛細管ダイスを与えることである。

簡単に述べれば、本発明は毛細管ダイスの形をした改良
装置において、ダイス毛細管がダイスの側壁面に形成さ
れた毛細管の大きさの複数の細長い穴或は溝からなって
いるおり、その穴或は溝はルッボの貯蔵溶融物中に伸び
ている改良装置からなる。

各穴はダイス上端面にある一端で終っている。亦必ずし
も必要なことではないが、各穴はダイスの下端迄伸びて
いるのが好ましい。本発明の好ましい具体例では、ダイ
ス上端面に一つ以上の空腔が形成されており、熔融物の
泉及び熱的貯槽を与え、それによって熔融物がダイスの
横方向へ一層よく分布するようになっている。本発明の
他の特徴及び多くの付随的利点は、付図に関連して述べ
る次の詳細な記載中に記載されるか又はそれらから明ら
かになるであろう。

図中同じ番号は同様な部品を指す。種々の形の単結晶質
物体を製造するのに用いるための毛細管ダイスを、本発
明に従って作ることができる。

しかし本発明は特にＥＦＧ法により比較的薄幅の広い平
らな珪素リボンを製造するためのダイスを作るのに適用
される。しかし当業者には、適当な材料を選択すれば、
以下の記載で述べるダイス及びルツボを、同一の結晶格
子をもって固化する他の一緒に溶ける材料の結晶質物体
を成長させるのに用いることができるようになることは
分るであろう。本発明は亦共融組成物のような他の材料
の成長にも適用することができる。第１〜３図は、本発
明に従って珪素リボンを成長させるのに好ましい形の毛
細管ダイスを示す。例示した毛細管ダイスは、一般に矩
形の水平の底面２２、一対の垂直に配向した平行な側面
２４と２６、反対に傾斜した側面２８と３０、及びダイ
ス上端面３２を有するむくの黒鉛ブロック２０からなる
。ダイス上端面３２は、成長させようとするりボンの断
面に実質的に等しい大きさと形を有する。例えば約７．
６２ｃの（３インチ）幅で約０．０１３ｃｍ（０．００
５インチ）のりボンを成長させるためには、ダイス上面
３２は７．６２肌（３インチ）×０．０１３ｃｍ（０．
００５インチ）の大きさであるのがよい。特に第２図か
ら分るように、ブロック２０は、ダイス底面２２がダイ
ス上面３２より平面図で大きくなるように上向きに細く
なっている。

このようにダイスを先端にするのは、ダイスの構造安定
性を大きくし、後述するような毛細管形成中に上面を隅
々破損する可能性を小さくするので好ましい。この考え
は、例えば０．０１３ｃの（０．００５インチ厚の珪素
リボンのように、特に薄い結晶を成長させるために設計
されたダイスの場合に特に重要である。亦このようにダ
イスを先細にすることは、以下の記載からも明らかなる
ように、ダイス毛細管が溶融物の一層大きな区域から溶
融物を引くことができるようにする利点をも有する。本
発明の特徴及び特定の利点は、ダイス毛細管が形成され
る仕方にある。

特に第１及び２図に関し、ダイス毛細管はダイス側面２
８及び３０に形成された浅い溝又は穴３６からなる。各
穴３６は毛細管として働くのに適した大きさ及び形をし
ている。例えば本発明の第１〜３の具体例に例示した穴
３６は、断面が一般に三角形で、約６０ｏの頂角を有し
約０．０４０弧（１／６４インチ）の高さの三角形をし
ている。そのような穴は溶融珪素のための毛細管として
働くのに適している。しかし毛細管の細長い穴は他の形
や大きさをしていてもよいことは分るであろう。例えば
毛細管の穴は第４図の３６Ａで示した適当な大きさの半
円形の断面をもつ長い溝でよい。或は毛細管の穴は第５
図の３６Ｂで示すような適当な大きさの実質矩形の断面
をもつ長い溝でもよい。製造し易い点から言って、毛細
管の穴は幅の二倍を越えない深さをもつのが好ましいで
あろう。付図から分るように、毛細管の穴３６，３６Ａ
，３６Ｂはダイス上面３２迄伸びそれと交っている。穴
３６，３６Ａ，及び３６Ｂは、ダイス底面２２迄伸び、
それと交っているのが好ましいが必ずしもその必要はな
い。必要であるというわけではないが、ダイス上端面３
２中には行き止まりの穴又はくぼみ４０を有するのが好
ましい。くぼみ４川ま、溶融物を集めるための空間を与
え、即ち熱的貯槽を与え、それによってダイスの中心に
熱を運ぶのに充分な大きさであるべきである。当業者で
あればくぼみ４０は種子賦与中ダイス上端面３２の幅方
向に熔融物を一層よく分布させることになる事も分るで
あるつ。ダイスブロック２川ま石英又は黒鉛ルッボ４２
内に配置する。

後者は普通の型で、例えば底部壁４４及び円筒状側壁４
６を有し、それらは一緒になって成長させようとする材
料則ち珪素の溶融物４８を入れるための内部空間を定め
る。第１図から分るように、ダイスブロック２川ま溶融
物４８中に、毛細管３６の下端を含むダイス底面２２が
溶融物４８の表面より下に配置されるが、ダイス上面３
２は溶融物の表面より上にあるように配置する。ダイス
ブロック２０は適当な取付けピン５川こよってルツボ４
２に対し固定された位置に保持する。そのピンはダイス
フロック中の関口を通って伸び、ルッボ４２の壁４６中
の適当な孔中に入っている。別法としてそれらのピンは
、ルッボ壁４６の上端面上に乗るように配置されてもよ
い。ダイスとルッボは適当な結晶成長炉、例えば上記米
国特許第３５９１３４８号の第１図に示した型の炉に取
り付けてもよい。当業者には、本発明の毛細管ダイス構
造が、従来の毛細管ダイスに優る多くの利点を与えるこ
とが分るであろう。

一つは、ダイスは一個のブロックで形成することができ
る。本発明の他の利点は次の事から導かれるものである
。即ち、ダイス毛細管がダイスの外側表面中に形成され
ている。その結果ダイス上面の外側の縁は実質的に溶融
物の温度にあり〜それによって種子を与え易くなってい
る。更に〜毛細管中及び（又は）ダイス上端面での炭化
珪素粒子の形成及び増大の可能性を少なくすることがで
きる。更に毛細管は簡単な機械的方法、例えば切断論又
はのこぎりによって非常に正確につくることができる。
これは黒鉛のようなもろい材料の場合には、毛細管形成
中ダイス材料を損傷する可能性小さくするので有利であ
る。モリブデン（サファイア成長に用いられる）の如き
非常に硬いダイス材料の場合にも、毛細管の大きさの内
部の穴より外側の溝を形成する方がはるかに容易なので
有利である。本発明の他の利点は、ダイス上面の温度を
一層制御し易いことである。この点で、当業者には「互
の間隔を比較的接近させた充分な数の毛細管溝により「
ダイス上面を本質的に等温にすることができることは分
るであるつｏ次の実施例は本発明を実施する好ましい態
様を例示している。

実施例 第１〜３図に示したルッボ及びダイス構造物を次のよう
にしてつくった。

矩形の底面２２が０．６３５（０．２５０）×７．６２
（３．０）ィンチの大きさ、傾斜した矩形の側面２ ８
及び３ ０が７．０２５ｃの（２．７５）×７．６２ｃ
の（３．０インチ）、上面３２が７．６２ｃの（３イン
チ）×０．０１３肌（０．００５インチ）の大きさをも
つむくの黒鉛ダィスフ。ック２０を形成した。このダイ
スを７．８２３ｃｍ（３．０８インチ）径の黒鉛ルッボ
４２中に配置した。ダイスブ。ックを黒鉛ピン５８でル
ッボ内に適所に保持した。ブロック２８の側面２８と３
８もこは「夫々約６００の頂角をもつＶ−型溝３６で策
】図に示す如く溝をつけた。溝３６は実質的に互に平行
であり、頂点から頂点迄、約０．３０５肌（０．１２０
インチ）離れていた。溝３６はダイスブロックの底面と
上面２２及び３２の間に夫々伸びていた。ルッボに実質
的に純粋な珪素を入れ、実質的に単結晶の珪素リボンを
、ダイス上面３２を横切って伸び且つ溝３６中の熔融物
と通じている熔融物の膜からリボンを引くことにより、
ＥＦＯ法に従い成長させた。ルッボの溶融珪素は、その
融点より約４０００上の温度に維持した。一方ダイス上
面は同じ融点より約１０００上に保持した。一度び成長
が始まれば、引張り速度を約７．６２ｃの／分（３イン
チ／分）に保持した。成長を、ルッボ４２内の実質的に
全ての珪素が消費さる迄続けた。当業者に明らからよう
に、本発明には種々の変更を行うことができる。

例えばダイスはこつ以上の片から形成し、それらを適当
な手段で一緒に結合してもよい。毛細管は、側面２８及
び３０の上端が充分遠く離れている場合には、側面２４
と２６‘こ形成してもよい。更にダイスは種々の形及び
大きさで製造することができる。例えばダイス部材は、
六つの傾斜した側面をもち、その上端面が六角形をして
いて、珪素太陽電池を作るのに有利なような六角棒を成
長させることができるようにしてもよい。六つの傾斜し
た表面の各々又はそのうちのいくつかに上述の如き毛細
管溝を形成してもよい。更に他の種々の変更が当業者に
は思い付くであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による毛細管ダイスの好ましい形を例
示する概略的に或る部分を表した結晶成長装置の立断面
図である。 第２図は、第１図のダイスの側面図である。第３図は、
第１図のダイスの上部の拡大平面図である。第４図は、
本発明によるダイスの第２の形を示すダイス上部の拡大
平面図である。第５図は、本発明によるダイスの第３の
形を示すダイス上部の拡大平面図である。２４，２６…
・・・側面、２８，３０・…・・傾斜側面、３２・・・
・・・上端面、３６・・・・・・毛細管溝、４０・・・
・・・くぼみ、４８・・・…溶融物、５０・・・・・・
ピン。 ‘ノ○．Ｚ〆ノＧ．２ Ｆ／○．３ ‘ソＧ．子 ‘ノＧ．夕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶融物を、ルツボに収容された貯蔵溶融物中に伸び
   ている毛細管ダイスによりルツボから導き出し、然もそ
   の毛細管ダイスの上端の液／固成長界面から結晶質物体
   を成長させるようになつた、溶融物から選択された形の
   結晶質物体を成長させるための系で用いられる装置にお
   いて、ルツボの貯蔵溶融物より上方に突き出ている上端
   とルツボの貯蔵溶融物中に伸びている下端を有する毛細
   管ダイス部材で、その少なくとも二つの側壁面に形成さ
   れた複数の毛細管状の溝で、前記ダイスの上端で終つて
   おり、しかもルツボの貯蔵溶融物中に伸びている溝を有
   する毛細管ダイスからなる装置。 ２ ダイス部材の上端に形成された空腔を有する特許請
   求の範囲第１項に記載の装置。 ３ 空腔が細長く、溝を横断して伸びている特許請求の
   範囲第１項又は第２項に記載の装置。 ４ 溝がダイス部材の実質的全長に亘つて伸びている特
   許請求の範囲第１項、第２項又は第３項に記載の装置。 ５ 平面図でみてダイス部材の下端が上端より大きい特
   許請求の範囲前記各項のいずれかに記載の装置。６ ダ
   イス上端が比較的狭く長い矩形の平面をしている特許請
   求の範囲前記各項のいずれかに記載の装置。 ７ ダイス部材が矩形の上端と下端を有し、平面図でみ
   て下端の方が上端より大きくなつている台形ブロツクか
   らなる特許請求の範囲前記各項のいずれかに記載の装置
   。