特許 5771272 溶融シリコンを流し精製するためのガスリフトポンプ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5771272

(24)【登録日】2015年7月3日

(45)【発行日】2015年8月26日

(54)【発明の名称】溶融シリコンを流し精製するためのガスリフトポンプ

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/06 20060101AFI20150806BHJP

   C30B 15/06 20060101ALI20150806BHJP

【ＦＩ】

   C30B29/06 503

   C30B15/06

【請求項の数】15

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-509054(P2013-509054)

(86)(22)【出願日】2011年3月4日

(65)【公表番号】特表2013-525257(P2013-525257A)

(43)【公表日】2013年6月20日

(86)【国際出願番号】US2011027198

(87)【国際公開番号】WO2011139406

(87)【国際公開日】20111110

【審査請求日】2013年12月19日

(31)【優先権主張番号】61/332,068

(32)【優先日】2010年5月6日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/039,789

(32)【優先日】2011年3月3日

(33)【優先権主張国】US

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】500239188

【氏名又は名称】ヴァリアン セミコンダクター イクイップメント アソシエイツ インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100134577

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 雅章

(72)【発明者】

【氏名】ピーター エル ケラーマン

(72)【発明者】

【氏名】フレデリック カールソン

【審査官】 田中 則充

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００９／１１４７６４（ＷＯ，Ａ２）

【文献】 特開昭５２−１０５９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−０６８１４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ３０Ｂ１／００−３５／００

Ｃ０１Ｂ３３／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シート形成装置であって、
材料の融液を保持するように構成される容器であって、凍結領域に対応する高さの流路を有する前記容器と、
前記融液に近接して配置される冷却プレートであって、前記凍結領域における前記融液上に前記材料のシートを形成するように構成される前記冷却プレートと、
前記融液を保持するように構成される戻りであって、前記戻りの第１の端部は前記流路の下流に接続され、前記戻りの第２の端部は前記流路の上流に接続される前記戻りと、
ガス源と、該ガス源と流体連結する第１の導管及び第２の導管とを備えるポンプであって、前記第１の導管の一端は前記ガス源に接続され、前記第１の導管の他の一端は前記第２の導管の内部に配置され、前記第２の導管の一端は前記戻りに接続され、前記第２の導管の他の一端は前記凍結領域に接続され、前記第１の導管の少なくとも一部は前記融液の表面の上に配置され、前記ガス源は、前記融液を前記戻りから前記凍結領域へ持ち上げるように構成される、前記ポンプと、
前記融液の中に部分的に、かつ、前記融液の外に部分的に配置され、前記ポンプの下流に、かつ、前記冷却プレートの上流に配置される、第１のバッフルと、
前記融液の中の前記高さの流路の部分の上面に配置され、前記ポンプの下流に、かつ、前記冷却プレートの上流に配置され、前記第１のバッフルに近接する、第２のバッフルと、を備え、
前記第１のバッフル及び前記第２のバッフルは、前記融液が前記ポンプから前記凍結領域へ流れる時に、前記融液を圧縮し膨張するように構成される、シート形成装置。

【請求項2】

前記材料は、シリコン又はシリコンとゲルマニウムである、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記ガス源は、前記第１の導管の中に気泡を形成し、該気泡は、前記第２の導管の中で上がるように構成される、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記ポンプは、前記凍結領域の中で前記融液を水平運動させるように構成される、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記第１及び第２の導管は、石英から作られる、請求項１に記載の装置。

【請求項6】

シート形成装置であって、
材料の融液を保持するように構成される容器と、
前記融液に近接して配置される冷却プレートであって、前記融液上に前記材料のシートを形成するように構成される前記冷却プレートと、
ガス源を備えるポンプであって、前記ガス源は、ガスを前記融液の表面と平行な方向に前記融液の中へ注入するように前記容器内に位置付けた出口を有し、それにより、前記ガスは、前記融液を前記方向に運動させるポンプと、
前記融液の中に部分的に、かつ、前記融液の外に部分的に配置され、前記ポンプの下流に、かつ、前記冷却プレートの上流に配置される、第１のバッフルと、
前記融液の中の前記容器の底面に配置され、前記ポンプの下流に、かつ、前記冷却プレートの上流に配置され、多角形状を有し、前記第１のバッフルに近接する、第２のバッフルと、を備え、
前記第１のバッフル及び前記第２のバッフルは、前記融液が前記ポンプから前記冷却プレートへ流れる時に、前記融液を圧縮し膨張するように構成される、シート形成装置。

【請求項7】

前記材料は、シリコン又はシリコンとゲルマニウムである、請求項６に記載の装置。

【請求項8】

前記融液のレベルは、前記冷却プレートに近接するのと、ほぼ同じに、前記ポンプに近接する、請求項６に記載の装置。

【請求項9】

前記融液を保持するように構成される戻りを、さらに備え、該戻りは、前記冷却プレートの下流に及び前記ポンプの上流に接続される、請求項６に記載の装置。

【請求項10】

前記融液のレベルは、ほぼ同じに、前記ポンプに近接し、前記冷却プレートに近接し、前記融液は前記戻りの中にある、請求項９に記載の装置。

【請求項11】

請求項１または請求項６に記載の前記シート形成装置を使用するシート形成方法であって、
ガスを前記融液の表面と平行な方向に材料の融液の中へ注入するステップと、
前記ガスで前記融液を刺激し、それにより、前記ガスの気泡は、前記融液に前記方向に運動量を供給するステップと、
前記材料のシートを前記融液上で凍結するステップと、
前記シートを前記融液から取り出すステップと、
を含む、シート形成方法。

【請求項12】

前記ガスは、希ガス、窒素及び水素から成るグループから選択される、請求項１１に記載の方法。

【請求項13】

前記シート及び前記融液は、等しい速度で平行移動する、請求項１１に記載の方法。

【請求項14】

前記材料は、シリコン又はシリコンとゲルマニウムである、請求項１１に記載の方法。

【請求項15】

前記ガスはアルゴンであり、前記融液の中の酸素の含有量を下げるステップを、さらに含む、請求項１１に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、融液からのシートの形成に関し、特に、融液を流しポンプでくみ上げる方法に関する。

【背景技術】

【0002】

シリコンのウエーハ又はシートは、例えば、集積回路又は太陽電池の産業で用いることができる。太陽電池の需要は、再生可能なエネルギー源の需要が増加するにつれて、増え続けている。太陽電池の大多数は、単結晶シリコンウエーハのようなシリコンウエーハから作られる。現在、結晶シリコン太陽電池の主要コストは、その太陽電池が作られるウエーハにかかっている。太陽電池の効率、すなわち、標準照射下で生成される電力量は、一つには、このウエーハの品質により制限される。太陽電池の需要が増えるにつれて、太陽電池産業は、コスト／電力比を下げることを１つの目標としている。品質を低下させずに、ウエーハの生産コストを削減することにより、コスト／電力比を下げ、このクリーンエネルギー技術のより広い有用性を可能にする。

【0003】

最も高い効率のシリコン太陽電池は、２０％より大きい効率を有する。これらは、エレクトロニクスグレードの単結晶シリコンウエーハを用いて作られる。そのようなウエーハは、チョクラルスキー法を用いて成長させた単結晶シリコンの円筒状ブールから薄いスライスを切断することにより、作ることができる。これらのスライスの厚さは、２００μｍ未満とすることができる。単結晶成長を維持するために、ブールは、融液を収容しているるつぼから、例えば１０μｍ／ｓ未満の速度で、ゆっくり成長させなければならない。後続の切断プロセスは、ウエーハ毎に約２００μｍの切り口損失、すなわち、ソー・ブレードの幅による損失をもたらす。円筒ブールやウエーハは、正方形の太陽電池を作るために、四角にする必要もある。正方形にすることと切り口の損失は、両方とも、材料の無駄と材料のコストの増加をもたらす。太陽電池がより薄くなるにつれて、１カット毎にシリコンの無駄の割合が増大する。インゴットのスライス技術に対する限界は、より薄い太陽電池を得る能力を妨げることになる。

【0004】

他の太陽電池は、多結晶シリコンインゴットから切断したウエーハを用いて作られる。多結晶シリコンインゴットは、単結晶シリコンインゴットより速く成長する。しかしながら、得られるウエーハの品質は、より多くの欠陥と結晶粒界があるため、低下し、この低品質は、太陽電池の効率を下げることになる。多結晶シリコンインゴット用の切断プロセスは、単結晶シリコンのインゴット、すなわち、ブールと同程度に非効率である。

【0005】

さらに別の解決法は、シリコンの薄いリボンを融液から垂直に引っ張り、次いで、引っ張ったシリコンを冷やして、シートに凍結させる方法である。この方法の引っ張り速度は、約１８ｍｍ／分未満に制限される。シリコンの冷却及び凍結の間に放出される潜熱は、垂直なリボンに沿って放出しなければならない。このために、リボンに沿う温度勾配が大きくなる。この温度勾配は、結晶シリコンリボンに応力を加え、多粒子シリコンの品質を損ねることになる。リボンの幅及び厚さも、この温度勾配のために、制限される。例えば、幅は８０ｍｍ未満に制限され、厚さは１８０μｍ未満に制限される。

【0006】

融液から水平方向にシートを形成することによって、インゴットからスライスされるシリコンよりもコストを低くすることができ、また、切り口損失又は正方形にすることによる損失を排除することができる。融液から水平方向に形成されるシートは、また、融液から垂直に引っ張り出されるシリコンのリボンより、コストを低くすることができる。さらに、融液から水平方向に形成されるシートは、融液から垂直に又はある角度で引っ張り出されるシリコンのリボンに比べて、シートの結晶品質を改善することができる。材料コストを低減し得る、このような結晶成長法は、シリコン太陽電池のコストを低減するための主要な実現ステップとなり得るであろう。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

融液から物理的に引っ張り出したシリコンの水平なリボンをテストした。一方法では、ロッドに取り付けた種結晶を融液中に挿入し、ロッド及び得られるシートを、るつぼのエッジから低角度で引っ張る。角度、表面張力及び融解レベルは、融液がるつぼからこぼれないように、バランスを取る。しかしながら、そのような引っ張りプロセスを開始し、そして制御することは困難である。第一に、重力とるつぼのエッジに形成されるメニスカスの表面張力とのバランスを取るための、傾斜角度の調整は困難である。第二に、シートと融液との間の分離点でのリボンに沿う温度勾配は、冷却プレートが、この分離点に近い場合、結晶中に転位を生じさせる。第三に、融液上のシートの傾斜により、凍結先端部に応力をもたらし得る。この凍結先端部は、シートが最も薄く、最も壊れやすい所であるため、シート内に転位又は破損が生じ得る。第四に、低角度を得るために、複雑な引っ張り装置を必要とする。

【0008】

エレクトロニクス又は太陽電池用に用いるシリコンは、高品質のシリコン結晶を必要とする。鉄のようなシリコン原料の中の溶質は、結晶の固体状態の特性にマイナス効果がある。一例では、そのようなシートを用いて作られるデバイスの中の少数キャリアの寿命に影響を及ぼし得る。溶質は、結晶から分離する傾向があり、融液に集まることができる。これは、構成上の過冷却及び樹枝状成長に導くことができる。シリコンの凝固速度が増大するにつれて、構成上の過冷却は同様に増大し得る。温度勾配の使用により、融液の中に対流を生成し、凍結界面から溶質を洗い流すことができるが、これは、結晶の中に熱応力を引き起こすこともできる。熱応力は転位又は欠陥に導き得る。

【0009】

一実施形態では、シリコン融液を包囲するために、石英を用いることができる。しかしながら、石英は、この融液に接触する時に、溶解し得る。酸素を融液の中に放出することができ、SiOを形成することができ、これにより、形成されるシリコン結晶の中に酸素をもたらす。例えば、酸素は、ｐ型太陽電池の中にボロンクラスターを引き起こし、太陽電池効率の光誘起分解（LID）を引き起こし得る。従って、温度勾配のない融液の中に流れを生成する改良方法及びSiOを除去する間に融液の中に流れを生成する方法の技術的ニーズがある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の第１の態様によれば、シート形成装置が提供される。シート形成装置は、材料の融液を保持するように構成された容器を備え、容器は凍結領域を有する。冷却プレートは、融液に近接して配置される。冷却プレートは、凍結領域における融液上に材料のシートを形成するように構成される。戻りは融液を保持するように構成される。ポンプは、ガス源と、ガス源と流体連結する導管とを備える。導管の一端は戻りに接続され、導管の他の一端は凍結領域に接続される。ガス源は、融液を戻りから凍結領域へ持ち上げるように構成される。

【0011】

本発明の第２の態様によれば、シート形成装置が提供される。シート形成装置は、材料の融液を保持するように構成された容器を備える。冷却プレートは、融液に近接して配置される。冷却プレートは、融液上に材料のシートを形成するように構成される。ポンプは、ガス源を備え、ガス源は、ガスを融液の中へ水平に注入するように構成され、それにより、ガスは、融液を水平運動させる。

【0012】

本発明の第３の態様によれば、シート形成方法が提供される。シート形成方法は、ガスを材料の融液の中へ注入するステップを含む。ガスで融液を刺激し、それにより、ガスの気泡は、融液に運動量を供給する。材料のシートを融液上で凍結し、シートを融液から取り出す。

【0013】

本発明をより良く理解するために、以下に、本明細書に参照用として含まれる添付図面を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】シートを融液から分離する装置の実施形態の側断面図である。

【図2】シートを融液から分離する装置の第２の実施形態の側断面図である。

【図3】ポンプの第１の実施形態の側断面図である。

【図4】ポンプの第１の実施形態の第２の側断面図である。

【図5】液体及びガスの密度が、どのように、液体の体積流量に依存するかを例示する図である。

【図6】図６Ａ〜６Ｂは、ポンプ性能曲線及びαとβの計算及び実際のデータの比較の図である。

【図7】気泡のサイズの表面張力及び密度への依存を例示する図である。

【図8】２つの異なるガスリフトポンプのサイズに対するシリコンの場合と水の場合との予測ポンプ性能を比較する図である。

【図9】シリコン融液の中のSiOの源及びポンピングを示すフローチャートである。

【図10】シートを融液から分離する装置を有するポンプの第１の実施形態の側断面図である。

【図11】シートを融液から分離する装置を有するポンプの第２の実施形態の側断面図である。

【図12】シートを融液から分離する装置を有するポンプの第３の実施形態の側断面図である。

【図13】チョクラルスキー処理用のポンプの実施形態の側断面図である。

【図14】シートを融液から分離する装置を有するポンプの第４の実施形態の側断面図である。

【図15】シートを融液から分離する装置を有するポンプの第５の実施形態の側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本装置及び方法の実施形態を太陽電池に関連して本明細書で説明する。しかしながら、これらは、また、例えば、集積回路、フラットパネル、ＬＥＤ又は当業者に既知の他の基板を製造するために、用いることができる。さらに、本明細書では、融液をシリコンとして説明するが、融液は、ゲルマニウム、シリコン及びゲルマニウム、ガリウム、窒化ガリウム、他の半導体材料又は当業者に既知の他の材料を含むことができる。従って、本発明は、以下に説明する特定の実施形態に限定されない。

【0016】

図１は、シートを融液から分離する装置の実施形態の側断面図である。シート形成装置２１は、容器１６を有する。容器１６は、例えば、タングステン、窒化ホウ素、窒化アルミ二ウム、モリブデン、黒鉛、炭化ケイ素又は石英とすることができる。容器１６は、融液１０を収容できるように構成されている。この融液１０は、シリコンとすることができる。シート１３は融液１０の上に形成される。一例では、シート１３は、融液１０内に、少なくとも部分的に浮かぶ。図１では、シート１３は、融液１０中に浮いているように例示してあるが、シート１３は、融液１０中に少なくとも部分的に沈むか、又は、融液１０の表面に浮かんだりする。シート１３が位置付けられる深さは、シート１３と融液１０との相対密度に部分的に基づく。一例では、シート１３の僅か１０％が、融液１０の表面から突き出る。融液１０は、シート形成装置２１内で循環させることができる。

【0017】

この容器１６は、少なくとも１つの流路１７を画定する。この流路１７は融液１０を保持するように構成され、融液１０は流路１７の第１の点１８から第２の点１９へ流れる。融液１０は、例えば、圧力差、重力、ポンプ又は他の移送方法により、流すことができる。次に、融液１０はスピルウェイ１２を越えて流れる。このスピルウェイ１２は、斜面、堰、出っ張り、小さな堰堤又は隅部とすることができるが、図１に例示の実施形態に限定されない。スピルウェイ１２は、シート１３を融液１０から分離することを可能にする任意の形状とすることができる。

【0018】

特定の一実施形態では、容器１６は、約１６８５Ｋより少し高い温度に維持することができる。シリコンの場合、１６８５Ｋは、凍結温度又は界面温度を表す。容器１６の温度を融液１０の凍結温度より少し高い温度に維持することにより、冷却プレート１４は、放射冷却を利用して、融液１０の上又は中におけるシート１３の所望の凍結速度を得るように、機能することができる。この特定の実施形態の冷却プレート１４は、単一のセグメント又はセクションから成るが、多数のセグメント又はセクションを含むこともできる。流路１７の底部は、融液１０の溶融温度以上で加熱し、界面における融液１０に僅かな垂直温度勾配を生成して、構成上の過冷却や、シート１３上にデンドライト又は分岐突起を形成するのを防ぐことができる。しかしながら、容器１６は、融液１０の溶融温度を超える任意の温度とすることができる。これにより、融液１０が容器１６の上で凝固するのを防ぐ。

【0019】

シート形成装置２１は、このシート形成装置２１を少なくとも部分的に又は全体的に包囲体内に入れることにより、融液１０の凍結温度より少し高い温度に維持することができる。包囲体がシート形成装置２１を融液１０の凍結温度より上の温度に維持する場合には、シート形成装置２１を加熱する必要性を回避する又は減らすことができ、包囲体の中又は周囲のヒーターは熱損失を補うことができる。この包囲体は、異方性伝導率で等温にすることができる。別の特定の実施形態では、ヒーターを包囲体の上又は中に配置しないで、むしろ、シート形成装置２１の中に配置する。一例では、容器１６の種々の領域は、ヒーターを容器１６内に組み込み、マルチゾーン温度制御を用いることにより、種々の温度に加熱することができる。

【0020】

包囲体は、シート形成装置２１が配置される環境を制御することができる。特定の実施形態では、包囲体は不活性ガスを含む。この不活性ガスは、融液１０の凍結温度より高い温度に維持することができる。不活性ガスは、シート１３の形成中に構成上の不安定性を引き起こし得る溶質が融液１０中に加えられるのを減らすことができる。

【0021】

冷却プレート１４は、シート１３を融液１０の上に形成し得るようにするように熱除去を可能にする。冷却プレート１４は、この冷却プレート１４の温度を融液１０の凍結温度より低く下げた場合、シート１３を融液１０の上又は中で凍結させることができる。この冷却プレート１４は、放射冷却を利用することができ、例えば、黒鉛、石英又は炭化ケイ素から作ることができる。シート１３の形成の間に融液１０への外乱を低減させて、シート１３の欠陥を防ぐことができる。融液１０の表面上のシート１３又は融液１０上に浮いているシート１３を冷却することにより、比較的大きなシート１３の引き出し速度を保ちながら、融解潜熱をゆっくりと広範囲にわたって取り出すことができる。

【0022】

シート１３が融液１０上に形成されたら、シート１３をスピルウェイ１２を用いて融液１０から分離する。融液１０は流路１７の第１の点１８から第２の点１９へ流れる。シート１３は融液１０と一緒に流れる。このシート１３の移送は連続動作とすることができる。一例では、シート１３は、融液１０が流れるのとほぼ同じ速度で流れる。従って、シート１３は、融液１０に対しては静止したままで、形成し、移送することができる。スピルウェイ１２の形状又は配向は、融液１０又はシート１３の速度プロファイルを変えるために、変更することができる。

【0023】

融液１０はスピルウェイ１２の箇所でシート１３から分離される。一実施形態では、融液１０の流れは、融液１０をスピルウェイ１２を越えて移送し、またその流れの少なくとも一部が、シート１３をスピルウェイ１２を越えて移送させることができる。これは、外部応力がシート１３に全くかからないため、シート１３の破損を最小限にするが、又は、防ぐことができる。もちろん、シート１３は、引っ張るか、又は、いくらかの外力を加えることもできる。この特定の実施形態では、融液１０は、シート１３から離れて、スピルウェイ１２を越えて流れる。シート１３への熱衝撃をなくすために、スピルウェイ１２は冷却しないようにする。一実施形態では、スピルウェイ１２での分離は、等温に近い状態で行う。一実施形態では、シート１３は、スピルウェイ１２を越えて真っすぐに進む傾向にある。このシート１３は、破損を防ぐために、いくつかの例では、スピルウェイ１２を越えて進んだ後に、支持するのがよい。

【0024】

もちろん、冷却プレート１４の長さにわたる種々の冷却温度、融液１０の種々の流速やシート１３の引っ張り速度、シート形成装置２１の様々な部分の長さ、又は、シート形成装置２１内のタイミングは、プロセス制御のために用いることができる。融液１０がシリコンである場合、シート１３は、シート形成装置２１を用いることにより、多結晶の又は単結晶のシートとなり得る。図１は、シート１３を融液１０から形成することができるシート形成装置の一例に過ぎない。シート１３を水平に成長させる他の装置又は方法も可能である。本明細書で説明する実施形態は、任意のシート１３を水平に成長させる装置又は方法に適用することができる。従って、本明細書で説明する実施形態は、図１の特定の実施形態だけに限定されない。例えば、図２は、シートを融液から分離する装置の第２の実施形態の側断面図である。シート形成装置３１において、融液１０は容器１６内に収容されている。シート１３は、冷却プレート１４による形成後に、融液１０から引っ張り出される。図２では水平であるが、シート１３は、融液１０に対してある角度を成すこともできる。図１〜２の実施形態では、融液１０は、例えばシート形成装置２１又は３１の側面の周りと云ったような、シート形成装置２１又は３１の周りを循環させることができる。もちろん、融液１０は、シート１３の形成プロセスの一部又は全ての期間中、静止させることもできる。

【0025】

本明細書で開示する装置及び方法の実施形態は、大きい熱勾配又は付加汚染物質を導入することなく、融液１０をポンプでくみ上げ、その代わりに、SiOを融液１０から除去することができる。図３は、ポンプの第１の実施形態の側断面図である。ガスが入り液体をガスと共に持ち上げる。従って、気泡２７は、液体である融液１０を持ち上げるのに役に立つ。これらの気泡２７は、例えば、希ガス、窒素、水素又は当業者に知られた他の種とすることができる。このポンプは、「性能曲線」で説明することができ、性能曲線は、異なる浸水比率SR=H_s/Lに対し、液体の流速Q_Lをガスの流速Q_gに関連付ける。このような性能曲線を図３の右に例示する。

【0026】

図４は、ポンプの第１の実施形態の第２の側断面図である。本明細書では、近似を行い、液体領域３３中の融液１０及びポンプ２２中の気泡領域３４を連続流体として説明する。摩擦効果を無視して、ベルヌーイ方程式を、図４に例示するように３点３０、３１及び３２で、適用することができる。

【数1】

【数2】

エネルギーの観点から、タンク２３の中の重力位置エネルギーは、より低密度の液体及びガスを有する融液１０の流れの運動エネルギーになる。液体及びガスの密度は、ガスの流れ及び気泡２７の速度に依存する。気泡２７の最終速度は、浮力と抗力との間のバランスの結果である。気泡のサイズに依存する挙動のいくつかの型がある。この特定の実施形態に対して、気泡のサイズは約１〜５ｍｍの間であり、気泡２７は球形又は平坦にすることができる。これは、気泡２７の最終速度が、気泡２７の直径とは比較的無関係であることをもたらす。以下の方程式は、融液１０の液体に対するこの気泡２７の最終速度のための半経験的関係を与える。

【数3】

【0027】

図５は、液体及びガスの密度が、どのように、液体の体積流量に依存するかを例示する。図５において、斜線は、気泡及び融液の両方を有する領域を表す。液体の流れをQ_L=u_LAにより表すことができ、u_Lは液体の速度であり、Aは断面積である。時間間隔dtにわたり、気泡及び液体は距離(u_L+u_B)dtを上昇し、体積V_gL=A(u_B+u_L)dtを満たす。V_g=Q_gdtはガスであり、V_L=A(u_B+u_L)dt-Q_gdtは液体である。従って、ガス及び液体の平均密度（ρ_gL）は、

【数4】

であり、ここで、ρ_Lは液体の密度であり、ρ_gはガスの密度であり、V_Lは液体の体積であり、V_gはガスの体積である。連続方程式は以下により表せられる。

【数5】

これは、気泡の導入によるような液体の密度が減少する場合、液体の速度が増大しなければならないという質量保存則から述べている。これは、気泡が上昇する時に、液体が気泡間で逆流しないことを仮定している。これは、実際には、正しくないかもしれないので、経験的訂正をするために、「滑り係数」を導入する。

【数6】

これらの方程式をまとめると、

【数7】

この方程式は、Q_gの関数としてQ_L（すなわち、ガス性能曲線）を得るために、所定の形状及び気泡の速度に対して、反復して解くことができる。この方程式は、水を用いる小型のガスリフトポンプテストスタンドに適用された。溶融シリコンを扱う仕事が困難なため、最初のテストに対して水を用いた。気泡の滑り係数は、液体を、注入装置すなわち、タンクの上に、どれだけ高く持ち上げる必要があるか（浸水比率）に依存し、かつ、気泡が管を満たす程度に依存し得る。滑り係数は、浸水比率（SR）及び「気泡充填比率」bf=(ρ_L-ρ_gL）/ρ_Lのべき関数として近似することができる。従って、s=SR^α(bf^β)であり、ここで、α及びβはデータをフィットすることにより決定することができる。

【0028】

図６Ａ〜６Ｂは、ポンプ性能曲線及びαとβの計算及び実際のデータの比較である。図６Ｂのガスリフトポンプ（給水設備）のグラフは、水を用いる実際のデータを例示し、一方、図６Ａのガスリフトは、予測結果を表す。Ｌ＝５．４ｃｍの管を用い、同心空気管により底部の近くへ注入された空気で実験を行い、同心空気管は、３ｍｍの外径を有し、塞いだ端部の近くの側面の０．２ｍｍのドリル穴を有する（図３に類似する）。タンクの深さH_sは浸水比率を変更するように変えた。気泡の速度は、上記の方程式に従って、０．２３ｍ／ｓとした。図６に例示するように、α＝０．５及びβ＝２を用いて、実験データに対して最良のフィットを生じた。

【0029】

ガスリフトポンプは、溶融シリコン又は高温であり得る他の融液とともに、用いることができる。水の密度（ρ）は１g/cm³であり、一方、シリコンの密度（ρ）は２．５３g/cm³である。水の表面張力（σ）は７２dynes/cmであり、一方、シリコンの表面張力（σ）は７２０dynes/cmである。水の動粘性係数（μ）は０．８９E-3 Ns/m²であり、一方、シリコンの動粘性係数（μ）は０．７８E-3 Ns/m²である。上記の方程式を参照するに、液体の密度は、浮力と慣性との間のバランスのため、計算に影響を及ぼすことができない。従って、シリコンは水より２．５倍大きい密度を有するので、シリコンの中の泡は水の中の同じ泡より２．５倍大きい浮力がある。シリコンと水の動粘性係数は類似しているが、動粘性係数は、計算に影響を及ぼすことができない。ポンプの性能は、気泡の速度u_Bの他に、間接的に滑り係数sも介して表面張力に依存する。しかし、気泡の速度は、（σ/ρ）＾０．２５に依存するに過ぎず、これは、シリコンの中では水の中より約１．４倍大きい。

【0030】

空気管の水中の穴から現れる気泡のサイズは、気泡を上へ持ち上げる浮力と釣り合う、気泡の穴に対する表面張力の粘着力を考慮することにより、推定することができる。図７は、気泡のサイズの表面張力及び密度への依存を例示する。図７に基づくと、気泡のサイズ２７は、（σ/ρ）＾０．３３に依存するため、シリコンの中のアルゴンの気泡のサイズ２７は、水の中の場合より約１．６倍大きい。従って、シリコンの表面張力は、水の表面張力より１桁大きいけれども、気泡の速度及びサイズに対する効果は決して大きいといえるものではない。

【0031】

図８は、２つの異なるガスリフトポンプのサイズに対するシリコンの場合と水の場合との予測ポンプ性能を比較する。ガスリフトポンプは、２つの長さ１．４ｃｍ及び５．４ｃｍとした。水のモデルを用いるこれらの結果は、ガスリフトポンプでシリコンをくみ上げることが、水と比較して同様の性能を有し、実現可能であることを実証する。

【0032】

シリコン融液とともにアルゴン又は他の希ガスを用いるガスリフトポンプのようなポンプは、融液からSiOを除去することができる。図９は、シリコン融液の中のSiOの源及びポンピングを示すフローチャートである。一実施形態でのSiOは、シリコン融液を含む石英のるつぼ又は容器の結果である。太陽電池の中の酸素の存在は、例えば、LIDに導くため、酸素の除去は付加利益である。図９に示すように、SiOは、石英のるつぼ又は容器の溶解により融液に入る。融液の中のSiOの定常状態の濃度は、（るつぼ又は容器のぬれ面積Ａ_ｄに比例する）石英のるつぼ又は容器の溶解割合と、（アルゴンにさらされる表面面積Ａ_ｅに比例する）蒸発割合との間で平衡を保たれる。SiOの濃度は、面積の比率Ａ_ｄ／Ａ_ｅに比例する。アルゴンの気泡を融液に通すことにより、この比率を減少させ、従って、融液の中のSiOの濃度を下げる。

【0033】

図１０は、シートを融液から分離する装置を有するポンプの第１の実施形態の側断面図である。ここで、融液１０がスピルウェイ１２を越えた後に、シート１３を融液１０から水平に引っ張り又は取り出す。シート１３と融液１０との間に形成されるメニスカスは、融液１０をスピルウェイ１２を越えてシート１３からの分離点に流すことにより、安定させる。このメニスカスを安定させるために、融液１０の中により低い圧力を提供するのは、スピルウェイ１２を越える融液１０の滴りである。融液１０は、流路１７及び冷却プレート１４の下か、又は、流路１７の両側の周りに続く、戻りを用いて、位置３５からもとの位置３６へ、流れることができる。戻りの一部は、冷却プレート１４の下の面積より小さくすることができる。バッフル５１を融液１０の中に配置させる。

【0034】

融液１０がスピルウェイ１２を越えた後に、融液１０を、位置３５から、位置３６又はバッフル５１の近くのようなスピルウェイ１２及び冷却プレート１４の上流のレベルへ、戻すために、特定のリフト又はヘッドが必要とされる。ガスリフトポンプであり得るポンプ２２は、一例では、約５ｃｍより長い第１の導管４３を用いて、約１ｃｍより大きいヘッドを生じるように構成される。図１０に例示するように、ポンプ２２は、第１の高さから第２の高さへの高さ３７のリフトを引き起こす。

【0035】

ポンプ２２は、石英から作られるパーツを有することができる。この特定の実施形態では、ポンプ２２は、第１の導管４３に、接続し、流体連結するガス源４２を有する。第１の導管４３は、ガス源４２からのガスの流れを可能にするように構成される。第１の導管４３は、第２の導管４４に流体連結する。第２の導管４４は、融液１０及び気泡２７を含むように構成される。従って、第２の導管４４の一端を融液１０の戻りに接続し、第２の導管４４の他端を流路１７及びシート１３を凍結すなわち形成する領域（すなわち凍結領域）又は位置３５に接続する。ガス源４２は、融液１０を位置３６から持ち上げるように構成される。

【0036】

図１１は、シートを融液から分離する装置を有するポンプの第２の実施形態の側断面図である。この実施形態では、ガスジェット２６のようなガス衝突を用いてメニスカスをるつぼの壁に留め、このメニスカスを安定させるために、差圧を供給する。ポンプ２２は、浸水比率SR=１で動作し、融液１０はヘッドを必要としないで流れる。従って、ポンプ２２は、約１ｃｍのように短くすることができる。ポンプ２２は、スピルウェイ１２を含む分流器２４に組み入れることができる。この実施形態は、融液１０の戻り２７を含む。本明細書で開示する他の実施形態は、そのような戻り２７を含むこともできる。この戻り２７を分流器２４の下に例示するが、装置の側面に例示することもできる。

【0037】

図１２は、シートを融液から分離する装置を有するポンプの第３の実施形態の側断面図である。この実施形態はロー アングル シリコン シート（Low Angle Silicon Sheet:ＬＡＳＳ）方法を用いる。メニスカスの安定化は、シート１３上に小さい角度で引っ張りあげることにより提供され、従って、シート１３とメニスカス又は融液１０との間の分離点で負の静水圧を供給する。固体シート１３により排除される溶質は流し出され、構成上の過冷却を避けることができる。熱対流を生成するのに大きい熱勾配を必要とするので、ヘリウムガス冷却を必要とし得る。シート１３内の大きい熱除去及び熱勾配は、シート内の転位を引き起こし得る。これらの熱勾配は、ポンプ２２の使用により避け又は小さくすることができる。ポンプ２２は、融液１０に熱勾配のない対流を供給する。戻り２７は、融液１０がポンプ２２に戻ることを可能にする。

【0038】

別の例では、シート１３の弾性及び浮力は、シート１３を水平にする方法で融液１０から取り出すことを可能にする。次いで、シート１３を、支持構造に対し上へ傾け又は曲げることができる。そのような例では、融液１０を流すためにポンプ２２を用いることができる。

【0039】

ポンプは、チョクラルスキー（Ｃｚ）処理に適用することもできる。酸素のポンピング又は除去機構は、Ｃｚブール（boule）を生成するために用いられる石英のるつぼから生成されるSiOを除去することができる。溶質の増加を防ぐのに十分な循環を生成するのに、ほんの少量の流れだけを必要とするため、ポンプ２２は十分に浸す（すなわちSR=１）ことができる。一実施形態では、融液内のブールを包囲するガス管のアレイは十分であり得る。この例では、ガスリフトポンプ上に外管を必要としない。るつぼの中のレベルは、ブールが結晶化されるので、低くなる。図１３は、チョクラルスキー処理用のポンプの実施形態の側断面図である。ブール２５は融液１０から取り出され、融液１０はポンプ２２を用いて循環される。融液補充システムを用いて、融液のレベルが一定に維持される場合、管をポンプ２２とともに用いることができ、これがポンピング速度を増加することができる。

【0040】

図１４は、シートを融液から分離する装置を有するポンプの第４の実施形態の側断面図である。この例では、ポンプ２２は融液１０を刺激する。例えば図１０で示すように、融液１０を第１の高さから第２の高さへ持ち上げる、のではなく、ポンプ２２は、ガスの注入により、融液１０の流れを単に誘導するだけである。気泡を融液１０の中に水平に注入することができる。一例では、これは、高圧で行うことができる。気泡は、融液１０を垂直に持ち上げることなく、融液１０を水平に陥れ刺激する。従って、融液１０は、ほぼ同じレベルにとどまる。ポンプ２２はガス源を含む又はつなぐことができる。このシステムは、融液１０の流れに影響を及ぼすために、第１のバッフル３８及び第２のバッフル３９を含む。融液１０は、流路１７の下のポンプ２２へ戻ることができるか、それとも、流路１７の両側へ戻ることができる。

【0041】

図１５は、シートを融液から分離する装置を有するポンプの第５の実施形態の側断面図である。この実施形態では、ポンプ２２は、融液１０を第１の高さから第２の高さへ持ち上げることができる。バッフル４０、４１は、均一な層流を確保する可能性があるために、融液１０の圧縮及び膨張を提供することができる。融液１０は、流路１７の下のポンプ２２へ戻ることができるか、それとも、流路１７の両側へ戻ることができる。

【0042】

本明細書で開示した実施形態は、多数の利点を有する。ガスリフトポンプのようなポンプからの気泡は、融液を持ち上げることができ、又は、融液に運動量を供給することができる。ポンプ２２の使用は、融液１０の中に可動部分を必要としない。これは、信頼性を増大し、汚染の可能性を減少する。さらに、酸素の除去により、太陽電池を作るのに用いるシート１３の形成に有利となる。溶質は、結晶化最前部から押し流され、構成上の過冷却は、熱対流に必要な高温度勾配を導入せずに防ぐことができる。従って、シート１３の結晶上の応力は減少し、転位の形成は少なくなっている。本明細書で開示したポンピングの実施形態は、高温システムで用いることができ、もっと均一な流れを提供することができる。

【0043】

本発明は、本明細書に記載した特定の実施形態による範囲に限定すべきではない。実際に、本明細書に記載した実施形態に加えて、本発明の他の様々な実施形態及び変更は、前述の記載及び添付図面から当業者には明らかであろう。従って、そのような他の実施形態及び変更は、本発明の範囲内に入ることを意図している。さらに、本発明は、特定の目的のため、特定の環境で、特定の実施のコンテキストで、本明細書に記載したけれども、当業者は、その有用性がそれらに限定されず、本発明が、任意の数の目的のため、任意の数の環境で、有用に実施することができることを理解するであろう。従って、以下に記載の特許請求の範囲は、本明細書に記載されているように、本発明の全容及び精神に鑑みて解釈すべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】