特表 2023-514607 表面冷却と溶融加熱を組み合わせて用いる、溶融物の表面上に形成された結晶シートの厚さ及び幅の制御

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-04-06

(54)【発明の名称】表面冷却と溶融加熱を組み合わせて用いる、溶融物の表面上に形成された結晶シートの厚さ及び幅の制御

(51)【国際特許分類】

   C30B 15/22 20060101AFI20230330BHJP

   C30B 29/06 20060101ALI20230330BHJP

【ＦＩ】

C30B15/22

C30B29/06 503

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022549680

(86)(22)【出願日】2021-02-19

(85)【翻訳文提出日】2022-10-04

(86)【国際出願番号】 US2021018773

(87)【国際公開番号】W WO2021168244

(87)【国際公開日】2021-08-26

(31)【優先権主張番号】62/978,536

(32)【優先日】2020-02-19

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521497420

【氏名又は名称】リーディング エッジ イクウィップメント テクノロジーズ インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＬＥＡＤＩＮＧ ＥＤＧＥ ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ，ＩＮＣ．

【住所又は居所原語表記】４００ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｄｒｉｖｅ，Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ ０１８８７，ＵＳＡ

(74)【代理人】

【識別番号】110000475

【氏名又は名称】弁理士法人みのり特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ケラーマン，ピーター

(72)【発明者】

【氏名】グリーンリー，アリソン

(72)【発明者】

【氏名】ダゴル，パルティブ

(72)【発明者】

【氏名】マーティネズ，アレキサンダー

(72)【発明者】

【氏名】ストッダード，ネイサン

【テーマコード（参考）】

4G077

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077BA04

4G077CF03

4G077EG01

4G077EG25

4G077EH06

4G077HA01

4G077PC01

4G077PD01

4G077PF00

(57)【要約】

溶融物の表面上で成長した結晶リボンの厚さを制御するための装置は、溶融物を保持するように構成されたるつぼと、溶融物の露出表面に面するコールドイニシャライザと、コールドイニシャライザと共にるつぼの側のるつぼの上に配置されたセグメント化された冷却薄化コントローラと、冷却薄化コントローラの反対側のるつぼの下方に配置された均一メルトバックヒータとを含む。溶融物の下方に配置された均一メルトバックヒータを用いて、溶融物を通してリボンに熱が加えられる。冷却は、溶融物の上の結晶リボンに面するセグメント化された冷却薄化コントローラを用いてリボンに加えられる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶融物を保持するように構成されたるつぼ；
前記溶融物の露出面に面するコールドイニシャライザ；
前記コールドイニシャライザと共に前記るつぼの側にあり、前記るつぼの上方に配置されたセグメント化された冷却薄化コントローラで、当該セグメント化された冷却薄化コントローラが前記溶融物の表面を冷却するように構成されたもの；及び
前記冷却薄化コントローラの反対側の前記るつぼの下方に配置された均一メルトバックヒータで、前記均一メルトバックヒータが前記溶融物に均一な熱を加えるように構成されているもの、
を含む、溶融物の表面に成長した結晶リボンの厚さを制御するための装置。

【請求項2】

前記冷却薄化コントローラと前記均一メルトバックヒータとの間の前記るつぼ上に配置された２つの遮断拡散バリアをさらに含み、 前記遮断拡散バリアが、前記溶融物上に形成されたリボンの反対側の前記溶融物内に配置されている、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記冷却薄化コントローラが複数のガスジェットを含む、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記冷却薄化コントローラが、コールドブロックと、複数のヒータとを含む、請求項１に記載の装置。

【請求項5】

前記冷却薄化コントローラが、前記ヒータ間に１つ以上の熱シールドを含む、請求項４に記載の装置。

【請求項6】

前記るつぼが０．５ｃｍ以上の深さを有する、請求項１に記載の装置。

【請求項7】

前記るつぼ内の前記溶融物の表面上に形成されたリボンを引っ張るように構成された引張器をさらに備える、請求項１に記載の装置。

【請求項8】

前記コールドイニシャライザと前記冷却薄化コントローラとの間の前記るつぼ上に配置された遮断拡散バリアをさらに含む、請求項１に記載の装置。

【請求項9】

るつぼに溶融物を供給する工程；
前記溶融物の露出面に面したコールドイニシャライザを用いて前記溶融物上に浮いたリボンを形成する工程で、この際、前記リボンが単結晶である；
前記溶融物の下方に配置された均一メルトバックヒータを用いて、前記溶融物を介して前記リボンに熱を加える工程；
前記溶融物の上方の結晶リボンに面するセグメント化された冷却薄化コントローラを用いて前記リボンに冷却を加える工程；
前記リボンを引っ張る工程で、この際、前記リボンが引っ張りと同じ速度で形成される；及び
前記リボンを、安定したメニスカスが形成される前記るつぼの壁で前記溶融物から分離する工程；
を含む方法。

【請求項10】

前記溶融物内に配置された２つの遮断拡散バリアを用いて、前記リボンの縁への熱の拡散を最小限に抑える工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記セグメント化された冷却薄化コントローラが、複数のガスジェットを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

前記セグメント化された冷却薄化コントローラが、コールドブロックと複数のヒータとを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項13】

目標とする厚さプロファイルを前記リボンに提供するために、前記セグメント化された冷却薄化コントローラおよび/または前記均一メルトバックヒータを調整する工程をさらに含む、請求項９に記載の方法。

【請求項14】

前記リボンの厚さを測定する工程及び、前記リボンの延長された長さにわたって前記厚さプロファイルを維持するために、前記セグメント化された冷却薄化コントローラ内のチャンネルの動的フィードバック制御を提供する工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記溶融物がシリコンを含む、請求項９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の相互参照】

【0001】

本出願は、2020年2月19日に出願され、米国出願第62/978,536号とされた仮特許出願に基づく優先権主張を伴うものであり、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。

【連邦政府が支援する研究または開発に関する声明】

【0002】

本発明は、米国エネルギー省によって授与された受賞番号DEEE0008132の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。

【本発明の分野】

【0003】

本発明は、溶融物からの結晶シートの形成に関するものである。

【本発明の背景】

【0004】

シリコンウェハまたはシートは、例えば、集積回路または太陽電池産業において使用されることがある。以前は、切断されたシリコンウェハは、フロート‐ゾーン(FZ)プロセス、チョクラルスキー(Czochralski, Cz)プロセス、酸素を制御するのに磁場が用いられる改変チョクラルスキープロセス(MCz)、または方向性凝固(「キャスト」)プロセスから作製された大きなシリコンインゴット又はブール(boules)をワイヤソーイング(wire-sawing)することによって作製されていた。

【0005】

ポリシリコン供給原料から単結晶ウェハを直接製造する単一ステップの連続プロセスが非常に望ましい。網状ウェハを製造する連続的な直接ウェハプロセスは、コストのかかる多くの後処理プロセスステップ (ワイヤーソーイングなど) を排除し、個別のCzインゴット製造よりも均一な特性を有するウェハを製造することができる。残念ながら、歴史的な直接シリコンウェハプロセスでは、フルサイズの単結晶シリコンウェハを作製することができなかった。具体的には、エッジフィード(Edge-Fed)成長やストリングリボン(String Ribbon)などの垂直リボンプロセス、並びに、基板上のリボン成長や直接ウェハなどの水平基板プロセスによって多結晶ウェハが製造される。樹枝状(Dendritic)ウェブとして知られている垂直リボンプロセスの１つは、単結晶ウェハを製造する能力を示したが、このプロセスでは、不安定になる前に狭い材料(例えば、約２インチ幅など)しか得られなかった。ソーラーおよび半導体デバイスは、経済的なデバイス製造のために、より大きなウェハ(＞５インチ)を必要とする。多孔質シリコン基板上にフルサイズのシリコンウェハをエピタキシャル成長させた後、機械的に多孔質基板から分離することによって、単結晶シリコンウェハを直接作製することも行われている。エピタキシャル成長からウェハを製造するのは費用がかかり、積層欠陥や転位などの少数キャリア寿命(MCL, minority carrier lifetime)を制限する欠陥が発生する可能性がある。

【0006】

太陽電池の材料コストを下げるために研究されている有望な方法の１つは、フローティングシリコン法(FSM)であり、これは、結晶シートが溶融物の表面に沿って水平に引っ張られる水平リボン成長(HRG)技術の一種である。この方法では、溶融物表面の一部がシード(seed)を用いて局所的に結晶化を開始するのに十分に冷却され、次いで、これは溶融物表面に沿って(浮いている間に)引き出されて、単結晶シートを形成する。局所冷却は、結晶化が開始される溶融物表面の領域より上方の熱を急速に除去するデバイスを使用することによって達成することができる。適切な条件下において、結晶シートの安定な前縁(leading edge)が、この領域にて確立され得る。ファセット前縁(faceted leading edge)の形成は、Czまたは他のリボン成長プロセスでは得られず、成長界面に固有の安定性を加えることができる。

【0007】

単結晶シートまたは「リボン」の引き上げ速度と一致する成長速度にて、このファセット前縁の成長を定常状態に維持するために、結晶化領域で晶析装置によって強力な冷却を適用することができる。これにより、適用された集中冷却プロファイルの幅に相当する初期厚さの単結晶シートの形成をもたらすことができる。シリコンリボン成長の場合、初期の厚さは、多くの場合1～2mm程度である。単結晶シートまたはリボンから太陽電池を形成するなどの用途では、目標の厚さは 200 μm 以下のオーダーであることがある。これは、最初に形成されたリボンの厚さを薄くすることを必要とする。これは、リボンが引っ張り方向に引っ張られる際に、溶融物を含むるつぼの領域上でリボンを加熱することによって達成することができる。リボンが溶融物と接触している間に、リボンがその領域を通って引き出されると、リボンの所与の厚さが溶融して戻り、これにより、リボンの厚さを目標の厚さまで減少させることができる。このメルトバック手法(melt-back approach)は、FSMにおいて特によく適しており、この際、シリコンシートは、上記の一般的な手順に従ってシリコン溶融物の表面上に浮いて形成される。

【0008】

FSMでは、単結晶シートまたはリボンは、典型的には厚さ＞1mmおよび総厚変動(TTV)＞100μmで初期化される。溶融物上に浮いたリボンは、溶融物を離れる前にリボンを薄くする機会を提供する。ファセット前縁は、強力なガスジェット冷却、ならびに溶融物からの安定化熱を使用することができ、その結果、溶融物の表面におけるガス冷却プロファイルの幅にほぼ等しいリボン厚さが得られ、これは、幅1～2mm(半値全幅(FWHM, full width half maximum))のおおよそガウスである。ガスジェットおよび/または安定化熱におけるいかなる小さな不均一性も、最大0.5mmのリボン厚さの不均一性をもたらし得る。

【0009】

以前は、るつぼおよび溶融物の下方でプロファイルされた(調整された)セグメント化メルトバックヒータ(SMBH)を用いてリボンの薄化(thinning)が行われた。これは、均一に薄いリボンを得るために、リボンのより厚い部分により大きなメルトバックヒートを提供した。リボンの全幅にわたって均一な薄さにリボンを溶融して戻すのに必要な分離能は、約1cmであってもよい。ソーラーウェハの場合、30μm未満のTTVで、156mmの幅にわたって、200μm未満の厚さを必要とする場合がある。この方法の課題は、溶融物が非常に拡散性であり、セグメント化されたヒーターからの熱を広げることである。溶融物の深さを5mm未満に減少させることによって、必要とされる分離能が維持される。しかし、この深さは、石英を自動的に濡らすのに必要な深さ(＞8mm)よりも浅く、このような浅い溶融物深さで溶融物を濡らすプロセスは困難である。

【0010】

別の課題は、リボンがリボン縁部付近で薄化されるときの溶融挙動である。「薄化熱(thinning heat)」は、リボンの側面にて溶融物に拡散し、溶融物を過熱させ、リボンの幅を狭くする。リボン幅が狭くなるにつれて、この薄化熱のより多くが、さらなる過熱およびさらなる狭小化をもたらし、それによって、正のフィードバック(すなわち、不安定性)を引き起こし、リボンの制御されない狭小化をもたらし得る。

【0011】

SMBHの実施形態は、図1A～1Dおよび米国特許第10,030,317号に記載されており、その全体が参照により組み込まれる。図1Aは、SMBHを使用した幾何学的形状およびリボンの狭小化を示している。図1Bは、メルトバック熱がどのようにしてリボンを所望のプロファイルに薄くするかを示している。図1Cは、個々のSMBHガウス熱プロファイルの合計として、所望のプロファイルを得るために必要な(横方向長さ当たりの)必要な熱を示している。図1Cにおいては、Qは熱流束(heat flux)であり、xはリボンを横切る直線位置であり、Δtはxの関数としての厚さ変化であり、Hfは融解潜熱であり、ρは質量密度であり、V_pullは直線的な引張り速度であり、h_i(x)はi番目のエレメントのプロファイル関数(例えば、ローレンツまたはガウス)である。

【0012】

図1Dは、溶融深さに対する個々の熱プロファイルの依存性を示しており、これには、図1Cの熱プロファイルが含まれる。重なり合うガウスまたはローレンツ熱プロファイル(熱有限要素法モデルを用いて都合よくパラメータ化される)は、リボンがSMBHの長さを横切るときの正味のメルトバック熱を表す。リボン厚さプロファイル測定は、リボンが溶融物を離れた後に(例えば、光学的に)リボン上で行われる。SMBHからの熱流は、リボンの溶融バックの薄化(潜熱)に加えて、側方でのオーバーフローにつながり、溶融物の過熱および狭小化を引き起こす。

【0013】

浅い溶融なしで所望の分離能(特にリボン縁部)を達成することは困難である。しかしながら、浅い溶融物を使用すると、るつぼの石英表面を濡らすという課題が生じる可能性がある。薄くて幅広のリボンまたはウエハを形成するための改良された技術が必要とされている。

【本発明の簡単な概要】

【0014】

第１の実施形態では、溶融物の表面上に成長する結晶リボンの厚さを制御するための装置が提供される。この装置は、溶融物を保持するように構成されたるつぼと、溶融物の露出面に面するコールドイニシャライザ(cold initializer)と、コールドイニシャライザと共にるつぼの側にてるつぼの上方に配置されたセグメント化された冷却薄化コントローラ(cooled thinning controller)と、冷却薄化コントローラの反対側のるつぼの下方に配置された均一メルトバックヒータ(uniform melt-back heater)を含む。セグメント化された冷却薄化コントローラは、溶融物の表面を冷却するように構成される。この均一メルトバックヒータは、溶融物を均一に加熱するように構成されている。

【0015】

上記装置は、冷却薄化コントローラと均一メルトバックヒータとの間のるつぼ上に配置された２つの遮断拡散バリア(insulating diffusion barriers)を含むことができる。この遮断拡散バリアは、溶融物上に形成されたリボンの反対側で溶融物中に配置される。

【0016】

上記の冷却薄化コントローラは、複数のガスジェットを含むことができる。この冷却薄化コントローラはまた、コールドブロックと、複数のヒータとを含むことができ、これは、ヒータ間に１つ以上の熱シールドを含むことができる。

【0017】

上記のるつぼは、0.5cm以上の深さを有することができる。

【0018】

上記の装置は、るつぼ内の溶融物の表面上に形成されたリボンを引っ張るように構成された引っ張り器をさらに含むことができる。

【0019】

るつぼ上で、コールドイニシャライザと冷却薄化コントローラとの間に遮断拡散バリアを配置することができる。

【0020】

第２の実施形態においては、方法が提供される。この方法は、るつぼ内に溶融物を供給することを含む。溶融物上に浮いたリボンは、溶融物の露出面に面するコールドイニシャライザを用いて形成される。このリボンは単結晶であり、溶融物はシリコンを含んでいてもよい。溶融物の下に配置された均一メルトバックヒータを用いて、溶融物を通してリボンに熱を加えることができる。溶融物の上方の結晶リボンに面するセグメント化された冷却薄化コントローラを用いて、リボンに冷却を適用することができる。このリボンは、引っ張ることができる。リボンは、引っ張りと同じ速度で形成される。このリボンは、安定したメニスカスが形成されるるつぼの壁で溶融物から分離される。

【0021】

本方法は、溶融物中に配置された２つの遮断拡散バリアを用いて、リボンのエッジ部への熱の拡散を最小限にすることをさらに含むことができる。

【0022】

上記のセグメント化された冷却薄化コントローラは、複数のガスジェットを含むことができる。セグメント化された冷却薄化コントローラはまた、コールドブロックと、複数のヒータとを含むことができ、複数のヒータは、ヒータ間に１つ以上の熱シールドを含むことができる。

【0023】

セグメント化された冷却薄化コントローラのセグメント及び/又は均一メルトバックヒータは、リボンに目標とする厚さプロファイルを提供するように調整できる。

【0024】

リボンの厚さは測定することができ、リボンの引き延ばされた長さにわたって厚さプロファイルを維持するために、冷却薄化コントローラ内のチャンネルの動的フィードバック制御を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

本発明の性質および目的をより完全に理解するために、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照すべきであり、図面において：
図1A～図1Dには、SMBHの一実施形態が説明されている;
図2A～図2Dには、本発明によるガス冷却薄化コントローラ(GCTC)の一実施形態が示されている;
図3A～図3Bには、GCTC対SMBH空間分離能が示されている;
図４には、リボンがGCTCの下で、均一メルトバックヒータ(UMBH)の上に引っ張られるときの代表的な厚さプロファイルが示されている;
図５には、遮断拡散バリアを使用する例示的なシステムが示されている;
図６には、放射冷却薄化コントローラ(RCTC)を用いた放射冷却が示されている;
図７には、GCTCに対するSMBHの例示的な性能が示されている;
図８には、UMBHおよびCTCを使用する例示的なシステムが示されており、
図９は、本発明による例示的な方法のフローチャートである。

【発明の詳細な説明】

【0026】

特許請求される主題は、特定の実施形態に関して説明されるが、本明細書に記載される利益および特徴のすべてを提供しない実施形態を含む、他の実施形態もまた、本発明の範囲内である。本発明の範囲から逸脱することなく、様々な構造的、論理的、プロセスステップ、および電子的変化を行うことができる。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照することによってのみ定義される。

【0027】

溶融物表面に浮いているリボンを薄くすることは、下方からの熱を用いて行うことができるが、上方からの冷却を用いてリボンの薄い部分を選択的に厚くすることによって(例えば、冷却薄化コントローラ、またはCTCを用いて)、均一な厚さを得ることができる。ある例では、リボンは、厚くするために上方から冷却され、下方から均一に溶融される。上方からのプロファイルされた(調整された)冷却と下方からの均一な熱(例えば、単一の広いヒータ)との組合せを使用することができる。このようにして、溶融物の深さはリボンの成長に影響を及ぼさず、なぜなら、分離能は上方から得られるからである。深くて平底のるつぼを使用することができる。この制御された冷却を広げるために、溶融物の上方に拡散媒体が存在しなくてもよく、したがって、浅い石英るつぼ上での濡れという以前の問題なしに、高度の分離能を得ることができる。

【0028】

CTCは、セグメント化することができる。このセグメントは、リボンの幅にわたって異なる冷却を適用することを可能にすることができる。したがって、冷却は、リボンの幅全体にわたって均一である必要はない。リボンの幅を横切る個々のガスジェットまたはヒータは、リボンの成長に合わせて調整することができる。

【0029】

縁部における過剰なメルトバック熱は、依然として、リボンの制御不能および/または不安定な狭小化を引き起こす可能性がある。これは、リボン縁部付近のるつぼ内の石英拡散バリア(QDB, quartz diffusion barriers))または、リボンの幅を超えた幅のるつぼなどの遮断拡散バリア(IDB)を用いて、リボン縁部への熱の拡散を最小限に抑えることによって緩和することができる。IDBは、るつぼの床から延びるブロックであってもよい。一例では、IDBは、所望の幅でリボン縁部に近接するようにリボン縁部を越えて配置される。これはまた、UMBHの均一性を改善する。図2Aおよび図４に示されるように、るつぼホルダは、熱流を垂直かつ均一に方向付けるのに役立つ複数のサーマルブレークを有する。

【0030】

一例では、IDBは約5mmの幅と、溶融物の高さにほぼ等しい高さとを有する。リボンの縁を越えるIDBまたはるつぼの壁は、溶融物凍結またはリボンが石英に付着するという問題を引き起こさない限り、使用され得る。るつぼおよび/またはIDBは、石英から製造されてもよい。

【0031】

図2Aには、GCTCおよびUMBHの形状が示されている。図2Bには、冷却(成長)とメルトバック熱との組合せが、どのようにしてリボンを所望のプロファイルに薄くするかが示されている。図2Cには、個々のGCTCガウス冷却プロファイルとUMBH熱プロファイルとの合計として所望のプロファイルを得るための横方向長さ当たりの熱/冷却の例示的な要件が示されている。図2Cにおいて、h_UMBHはUMBHの加熱プロファイル(xの関数としての熱流束プロファイル)であり、h_i(x)_gctcは、GCTC冷却のプロファイル関数(負の曲線として示される)である。

【0032】

UMBHは、単一の電力制御回路で制御される単一のヒータを有することができる。UMBHは、溶融物中に均一なメルトバック熱を提供するように構成することができる。UMBHは、るつぼの反対側にGCTCまたはRCTCとほぼ同じ面積を有していてもよい。

【0033】

図2Dは、GCTCにおける単一ジェットからの冷却プロファイルの計算流体力学モデルを示す。図2Dでは、GCTC分離能(すなわち、各ジェットからの制御冷却の幅)は、溶融深さとは無関係であり、正しい幅に設定することができる。GCTCとリボンとの間には拡散媒体が存在しなくてもよい。

【0034】

一実施形態では、リボンの均一な薄化を達成するために、上方からのプロファイル(セグメント)冷却と下方からの広範な単一ヒータ加熱との組合せが使用される。均一なメルトバック熱を発生させ、リボンの幅が狭くなる量を低減させるために、１つまたは複数のIDBおよび/または幅の狭いるつぼを用いることができる。

【0035】

本明細書に開示されるように、前記のシステムおよび方法は、UMBHを有するGCTCと呼ばれる、リボンの表面上でガス冷却の変調プロファイルを提供するデバイスを使用することができる。複数のジェットを一緒に用いて、制御可能な幅の均一で薄い「ナイフ」ジェットを提供することができるが(米国特許第9,957,636号に開示されており、その全体が参照により組み込まれている)、幅広で均一な厚さのリボンを達成するために任意の形状に制御することもできる。したがって、動作中、様々なジェットを制御して、所望の正味厚さプロファイルを提供することができる。この任意の形状は、特定の最小特徴サイズまたは分離能を有することができる。一例が図2Bに示されている。リボンの狭小化は、狭小化が生じる領域における冷却を増加させることによって制御することができる。

【0036】

一例では、GCTCは、リボンの幅にわたって4～32個のジェットを有し、これはリボンの厚さプロファイルを調整するために選択することができる。例えば、16個のジェットを16cm幅のリボン(すなわち、ジェット当たり1cm)に使用することができる。アルゴン、窒素、ヘリウム、および/または水素の各ガスジェットからのガス流は、チャンネル当たり0.1～3標準リットル/分(SLM)のオーダーであってもよい。各ガスジェットは別々のチャンネルとすることができ、又は複数のガスジェットを単一のチャンネルに組み合わせることができる。ガスジェットの出口におけるガス温度は、300～600Kの範囲であってもよい。このガスジェットは、溶融物またはリボンの表面から2～10mmの位置に配置することができる。ガスジェットの出口は、パージガスによってSiO堆積から保護することができる。

【0037】

図3A～図3Bに示すように、深いるつぼ(深さ＞1cm)におけるGCTCは、深さ＜0.5cmのるつぼにおけるSMBHアプローチよりも良好な分離能を達成することができる。

【0038】

均一な厚さを達成するための変調された厚さと、薄く均一なリボンを達成するための均一な薄化とを組み合わせたプロセスが、図４に示されている。図４は、上面図および端面図の両方を用いて、GCTCの下で、しかもUMBHの上でリボンが引っ張られる際の厚さプロファイルを示している。リボン上の点は、位置1、2、および3を通過する。位置1は、水冷イニシャライザ(WCI)によって初期化された開始厚さである。位置2は、GCTCの下での急速な成長を表し、これは、均一な厚さに調整することができる。位置3は、UMBHからの均一なメルトバックである。

【0039】

UMBHは、るつぼ内のIDBを用いて、および/またはリボンの幅よりもわずかに大きい幅を有するつぼを用いて、より効果的および/またはより均一にすることができる。例示的なIDBの使用は、米国特許第10,415,151号に記載されており、その全体が参照により組み込まれる。一例では、IDBは、るつぼからほぼ溶融面まで、または溶融面を越えて延びる。

【0040】

図５は、るつぼ内の例示的なIDBを示す。図５では、IDB-1およびIDB-2は、るつぼの長い寸法に沿った長さ(すなわち、リボンの長さ)を有しており、これは、UMBHの長さの+/-10%である。IDB-1およびIDB-2は、るつぼの短い寸法を横切る幅(すなわち、リボン幅)にわたって5～20mmの幅を有することができ、リボン領域の縁から少なくとも3mmに配置できる。IDB-3は、るつぼの短い寸法にわたって5～20mmの幅を有することができる。IDB-3は、るつぼの長い寸法に沿った長さを有することができ、最大リボン寸法から+/-15mmである。IDB-3の位置は、WCI領域の縁から少なくとも5mmであってもよい。

【0041】

放射冷却は、図６に示されるように、別の実施形態で使用される。均一な厚さを達成するためのリボンの表面の変調冷却には、放射冷却(例えば、RCTC)を使用することができる。放射冷却を使用する熱除去の強度は、典型的にはガスジェット冷却よりも小さいので、RCTCは、(引っ張り方向に沿って)10cm以上の長さであってもよい。例えば、RCTCのチャンネルまたはセクションの温度が約1250℃である場合、リボンを500μmまで局所的に厚くするためには、RCTCが15cmの長さである必要がある。放射冷却を用いて、個々のコールドプロファイルは、ヒータとコールドブロックへの熱損失との間のバランスによって制御することができる。これは、GCTCと同等の分離能の場合、幅が1cm未満であるように構成することができる。図６に示すように、リボンの全区間は、全方向に熱を放射している(２つの点が示されている)。リボンにおける正味のメルトバックは、UMBHから供給される熱と表面における正味の熱損失との間の差である。表面での正味の熱損失は、リボン表面からの放射熱(リボンからRCTCへの上向き矢印)とRCTCからの補償熱との間の差によって決定される。場合によっては、特定のチャンネル内の個々のヒータが最大表面熱損失および最小メルトバックにつながる低出力であるか、または個々のチャンネルヒータが表面の熱損失と一致していると、最大のメルトバック速度がもたらされる。図６では、チャンネルヒータが異なるヒータ温度を有し、いくつかはより高温であり、いくつかはより低温であり、これは陰影の差によって表される。RCTCの空間分離能を最大にするために、各ヒータチャンネル間に熱シールドを配置して、リボン表面のビューファクター(view factor)を下げ、隣接するヒータ間の熱混合を低減することができる。熱シールドは通常、反射材料の１つ以上の層(例えば、タングステン、モリブデン、タンタル、イリジウムまたは白金などの低放射率、高融点金属)を含み、主要な熱源またはシンクからの空隙によって分離された状態に維持される。図６で選択されたヒータの濃淡は、例示の目的のためだけであり、下に配置された特定のウェハプロファイルに対処するように選択されていないことに留意されたい。実際の使用においては、最も高温のチャンネルはフィードバック制御によって制御され、リボンの最も厚い点の上で動作し、逆もまた同様である。実際には、RCTCの底面は、SiO堆積が問題とならないように、1250℃を超える温度に維持することができる。リボンの上面の溶融を防止するために、RCTCの底面は約1425℃未満(シリコンの融点より約10℃高い)に維持することもできる。引っ張り方向に沿ったRCTCの長さは、例えば約15cmの長さにわたってリボンを0.05mm～0.5mm厚くするように構成することができる。

【0042】

GCTCに対するRCTCの利点の１つは、ウェハの低スポットをさらに厚くすることなく、メルトバックを達成できることである。RCTCは、点でリボンを積極的に厚くする代わりに、より厚い位置でメルトバックを遅らせることによって動作することができる。RCTCの別の利点は、長さがUMBHとほぼ一致することであり、これは、冷却に対してより同期的な挙動があることを意味する。また、GCTCは、それが炉内に進むにつれて種(seed)に対して増粘効果を有する傾向がある一方で、播種(seeding)プロセスを妨げないように操作することもできる。最後に、RCTCは、SiO含有炉の雰囲気との適合性がより高く、劣化したり、溶融物の乱れを引き起こす可能性がより低くなる。

【0043】

一例では、RCTCは、16cm幅のリボンに対して16個のヒータ(すなわち、1ヒータ/cm)など、リボンの幅にわたって4～32個のヒータを含むことができる。これらのヒータは、溶融物またはリボンの3～10mm上方に配置することができる。これらのヒータは、アクチュエータを用いて溶融物またはリボンの表面に対して垂直方向に上昇または下降させることができる。ヒータ出力は、50～300W/チャンネルなどのフィードバックで調整することができる。各ヒータは、個別のチャンネルであってもよく、または複数のヒータが単一のチャンネルに組み合わされてもよい。

【0044】

図７は、GCTCに対する、図1A～図1Dに示されるSMBHの例示的な性能を示している。曲線は、SMBHアプローチを用いて何が達成可能であったかを示している。網掛けされた領域は、15ミクロン～30ミクロンの間の全厚さ変動(TTV)調整を可能にする許容可能な厚さプロファイル間のウィンドウを示している。このウィンドウ内の別の曲線は、GCTC(活性化された１つの単一チャンネル)からの実際の実験データであり、初期結果を示している。

【0045】

CTCおよび/またはUMBHへの動的フィードバックは、リボンが溶融物中にある間、またはリボンが溶融物から離れた後に、リボンの厚さを測定することによって提供することができる。このフィードバックは、リボンの延ばされた長さにわたって厚さプロファイルを維持するために実行することができる。CTCおよび/またはUMBHの１つまたは複数のセグメントは、所望の厚さを有するリボンを生成するように、またはリボンが仕様の範囲内にない場合を補正するように調整することができる。

【0046】

本明細書に開示される冷却薄化コントローラおよび均一メルトバックヒータの実施形態は、リボン製造のためのFSMシステムにおいて使用することができる。図８に示すようなFSMリボン製造のためのシステムは、溶融物を収容するためのるつぼと、溶融物の露出面に直接面するコールドイニシャライザ面を有するコールドイニシャライザとを含むことができる。このコールドイニシャライザ(例えば、WCI)は、溶融物が引っ張られるのと同じ速度で溶融物の表面上に浮いたリボンを形成するように構成される。動作中、溶融物がるつぼ内に供給される。リボンの厚さは、安定したメニスカスが形成されるるつぼの壁でリボンが溶融物から分離する前に、メルトバックゾーンで制御される。このるつぼは、図2Aまたは図５に示されるようなIDBを含むことができる。

【0047】

図８に示すようなウェハ製造のためのシステムは、溶融物を収容するためのるつぼ11と、溶融物12の露出面に直接面するコールドブロック(cold block)表面を有するコールドブロック10とを含むことができる。コールドブロック10は、コールドイニシャライザの一例である。コールドブロック10は、露出面における溶融物12の溶融温度よりも低いコールドブロック表面におけるコールドブロック温度を生じるように構成され、それによって、リボン13が溶融物上に形成される。コールドブロック10はまた、固体のリボン13の形成または初期化を支援するために冷却ジェットを供給することができる。コールドブロック10は水冷式とすることができる。動作中、るつぼ11内に溶融物12が供給される。リボン13は、溶融物12の露出表面に直接面するコールドブロック表面を有するコールドブロック10を用いて、溶融物上に水平に形成される。均一メルトバックヒータ14及び冷却薄化コントローラ15(例えば、GCTC又はRCTC)は、リボンが形成された後に、溶融物内のリボン13の厚さを調整することができる。リボン13は、機械的リボン引張システムであってもよい引張器(puller)16を用いて、溶融物表面から低い角度で溶融物12から引っ張られる。リボン13は、溶融物12の表面に対して0°の角度または小さな角度(例えば、10°未満)でるつぼ11から引き出されてもよい。リボン13は支持され、シンギュレータ(singulator)17を用いるなどして、ウェハに個片化(singulate)される。このシステムを用いて作製されたウエハ18は、本明細書に記載の厚さを有することができる。

【0048】

本明細書に開示される実施形態は、リボン13の周囲の周囲環境を高温(例えば1200～1414℃または1200～1400℃)に制御することができる。関連する大気圧には、大気圧未満の低圧(例えば0.01 気圧)～正圧システム(例えば5 気圧)が含まれる。さらに、リボン表面の周りのガス流プロファイルは、ガス輸送による金属汚染を最小限に抑えることができる。

【0049】

リボン13の周囲には、異なるガス混合物を有する１つ以上のガスゾーンが存在してもよい。これらのガスゾーンは、リボン13の１つ以上の面を対象とすることができる。一例では、ガスゾーンは、リボン表面への金属汚染を最小限に抑えるように構成することができる。ガスゾーンは、各ガスゾーンを隔離することができる構造バリアまたはガスバリアによって分離することができる。

【0050】

固体リボン13は、約0.2mm～2mmのわずかに隆起した高さでるつぼ11の縁を越えて分離することができ、これにより、安定したメニスカスが維持され、分離中に溶融物12がるつぼ11の縁を越えてこぼれないことが保証される。るつぼ11の縁はまた、メニスカスまたは毛細管の安定性を高めるために、ピン止め機能を含むように成形することができる。メニスカスの安定性を高めるために、リボン表面とるつぼ11との間のメニスカスに対するガス圧力を増加させることができる。ガス圧力を増加させる方法の一例は、るつぼ縁とリボン表面との間に形成されたこのメニスカスに衝突するジェットを直接局所的に集束させることである。

【0051】

リボン13がコールドイニシャライザから室温に達する場所まで移動する時、リボン13は、リボン支持体19などで、金属汚染および欠陥の発生を最小限に抑えるように機械的に支持される。薄いリボン13を高温で機械的に偏向させることは、リボン13を機械的に降伏させ(すなわち塑性変形させ)、転位などの望ましくない結晶欠陥を生じさせることがある。リボン13との物理的接触は、望ましくないスリップ、転位、および金属汚染を局所的にもたらす可能性がある。リボン13が溶融物の表面上に浮いている時、リボン13を溶融物上に支持する機構は任意である。リボン13は、るつぼ11の縁を越えて分離する際に支持することができ、なぜなら、ここが最も機械的なたわみを受けることが予想される場所だからである。リボン13は、リボン13が溶融物から分離された後の引っ張り中に、ガスフロー浮揚および/または機械的支持を含むいくつかのアプローチによって支持することができる。第１に、リボン13は、リボン13を支持するためにリボン表面上に局所的な高圧または低圧が生じる指向性ガス流によって浮上させることができる。ガスフロー浮揚アプローチの例は、ベルヌーイグリッパ、ガスベアリング、エアホッケーテーブル、またはガス圧力を使用する他の技術を含むことができる。別のアプローチは、例えばローラまたはスライドレールでリボン13を機械的に支持することである。この接触アプローチによる悪影響を最小限に抑えるために、これらの支持体とリボン表面との間の接触圧力を最小限に抑えることができる。支持体は、炭化ケイ素、窒化ケイ素、石英、またはケイ素のようなケイ素を容易に汚染しない高温半導体グレードの材料から作製されてもよい。リボン13のたわみは、リボン13が機械的に降伏したり、反ったり、または構造的欠陥を生じたりするのを防止するために最小限に抑えられる。

【0052】

前記のシステムは、2cm～500cmの長さであってもよい１つ以上の温度ゾーンを含むことができる。２つ以上の温度ゾーンが可能である。各ゾーンは、分離されていてもよく、または隔離されていてもよい。ゾーン間のガスカーテンは、隔離を提供することができる。特定の圧力を使用するガス流、真空設定(settings)または真空ポンプと組み合わされたガス流、バッフル(baffles)または他の幾何学的構造、および/またはリボン13自体も、ゾーンを互いから隔離するために使用することができる。一例では、ゾーンは、断熱材、熱シールド、ヒータ、または他の物理的機構によって分離することができる。

【0053】

例えば、前記の温度ゾーンは、不活性雰囲気または還元雰囲気のいずれかを用いて、800℃～約1414℃とすることができる。滞留時間は、温度ゾーン当たり1分～60分とすることができる。一例では、１つのゾーンにおける温度は1200℃～約1414℃の範囲に及ぶことができる。ドーパントなどの追加のガスを同様の温度で含めることができる。

【0054】

一例では、欠陥プロファイルを制御するために、特定の時間にわたって温度が温度設定点に維持されるセクションが存在してもよい。リボン13を横切る温度勾配が、熱応力の影響を最小限に抑えるように実施されてもよい。引張り方向に沿った温度勾配は、熱応力の影響を最小限に抑えるように実施することができる。温度プロファイルの二次導関数は、熱応力および機械的反りを最小化するように制御することができる。上記のシステムは、１つまたは複数の温度勾配および/または二次導関数を含むことができる。温度ゾーンは、抵抗ヒータ、プロファイル断熱材、放射形状および/または表面、ならびにガス流の組合せによって作成および維持することができる。

【0055】

調整された熱プロファイルと組み合わせて、リボン13のガス雰囲気および機械的支持は、リボン13が高温から室温に移行する際の材料性能も向上させるように調整することができる。リボン13は、機能性を生み出すか、または性能を高めるために、異なるガス混合物に曝すことができる。リボン13をアルゴンまたは窒素のような不活性ガスに曝すことにより、その清浄度を維持することができ、水素のような還元ガスとアルゴンの混合物を生成することにより、表面清浄度をさらに高めることができる。さらに、アルゴン、窒素、および酸素の混合物は、必要に応じて酸化物の沈殿を増加させることができることが示されている。酸素といくらかの水蒸気を含むガス混合物を使用すると、金属汚染を最小限に抑える熱酸化物をウェハ表面上に成長させることができる。別のガス混合物は、オキシ塩化リンまたは塩化物ガスを含有することができる。リボンをオキシ塩化リンまたは塩化リンガスに曝すことは、高リン濃度のウェハ表面と保護ガラス表面を局所的に作り出す複合効果がある。この高度にドープされた表面は、金属汚染を除去し、これにより、太陽電池のようなデバイスに望ましいバルクMCLを増加させる。ガラス表面は、環境からウェハへのさらなる金属汚染を防止する。リボン13がるつぼから室温に移動する間、１つまたは多数のガス混合物がリボンに曝されることがある。これらのガス混合物は、ガスカーテン、ガイドフロー形状、およびガス混合物を互いに分離することを意図した他の技術によって分離することができる。これらのガスゾーンのうちの１つまたは全てにおける大気圧は、大気圧未満の低い圧力(たとえば、0.01 atm)から正圧システム(たとえば、5 atm)を含むことができる。システム雰囲気は、周囲環境に対して開放されていてもよいし、密封されていてもよい。リボン表面の周りのガス流プロファイルは、ガス輸送による金属汚染を最小限に抑えながら、ガス放出を増加させるように調整することができる。

【0056】

リボン13がほぼ室温まで冷却された後、リボン13は個別のウェハ18に個片化されてもよい。ウェハ18は、長方形、正方形、擬似正方形、円形、またはリボンから切断することができる任意の幾何学的形状とすることができる。個片化(singulation)は、レーザースクライビングおよびクリービング(cleaving)、レーザーアブレーション、機械的スクライビングおよびクリービングなどの従来の技術によって行うことができる。最終的な個別のウェハの横方向寸法は、1cm～50cm(例えば、1～45cmまたは20～50cm)の範囲であってもよく、厚さは50ミクロン～5mmで、均一な厚さ(低いTTV)、または望ましい場合、調整された厚さ勾配のいずれかである。

【0057】

次いで、最終的な半導体デバイスまたは太陽電池のための追加の特徴または材料特性を生じさせるために、ウェハ18をさらに処理またはマーキングすることができる。一例では、ウェハ18は、化学薬品または機械的摩耗によって研削、研磨、薄化、またはテクスチャ加工することができる。別の例では、所望の最終表面粗さを作り出すために、ウェハ18は化学的にテクスチャ加工されるか、または機械的に研磨されてもよい。材料または形状の特徴を表面に追加することができ、またはバルクにて最終的な所望のデバイスを作成することができる。最終製品の例としては、太陽電池、MOSFET、またはリチウムイオン電池用のアノードが挙げられるが、これらに限定されない。

【0058】

図９は、例示的実施形態のフローチャートである。溶融物は、るつぼ内に供給され、シリコンを含むことができる。リボンは、溶融物の露出面に面するコールドイニシャライザを用いて、溶融物上に浮いて形成される。このリボンは単結晶である。溶融物の下に配置された均一メルトバックヒータを用いて、溶融物を通してリボンに熱が加えられる。リボンの端部への熱の拡散は、溶融物中に配置された２つのIDBを用いて最小限に抑えることができる。溶融物の上の結晶リボンに面するセグメント化された冷却薄化コントローラを用いて、リボンに冷却が適用される。冷却薄化コントローラおよび/または均一メルトバックヒータのセグメントは、結晶リボンの均一な厚さを提供するように調整することができる。リボンは、リボンが引っ張りと同じ速度で形成されるように引っ張られる。このリボンは、安定したメニスカスが形成されるるつぼの壁から分離される。

【0059】

前記の冷却薄化コントローラは、複数のガスジェットを含むことができ、又はコールドブロックと複数のヒータを含むことができる。

【0060】

本明細書で開示される実施形態は、UMBHおよび/またはCTCなど、システムの様々な構成要素を制御するプロセッサを含むことができる。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるシステムおよび方法の様々なステップ、機能、および/または動作は、電子回路、論理ゲート、マルチプレクサ(multiplexers)、プログラマブルロジックデバイス、ASIC、アナログまたはデジタル制御/スイッチ、マイクロコントローラ、またはコンピューティングシステムのうちの１つまたは複数によって実施される。本明細書に記載されるような方法を実施するプログラム命令は、キャリア媒体上に送信または保存されてもよい。キャリア媒体としては、読み出し専用メモリ、ランダムアクセスメモリ、磁気または光ディスク、不揮発性メモリ、ソリッドステートメモリ、磁気テープなどの記憶媒体が挙げられる。キャリア媒体としては、ワイヤ、ケーブル、またはワイヤレス伝送リンクなどの伝送媒体が挙げられる。たとえば、本開示全体にわたって説明される様々なステップは、単一のプロセッサ(またはコンピュータシステム)、あるいは、それに代わる複数のプロセッサ(または複数のコンピュータシステム)によって実行され得る。さらに、システムの異なるサブシステムは、１つまたは複数の演算または論理システムを含むことができる。したがって、上記の説明は、本開示に対する限定として解釈されるべきではなく、単なる例示として解釈されるべきである。

【0061】

本発明は、１つまたは複数の特定の実施形態に関して説明されたが、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の他の実施形態がなされ得ることが理解されるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびその合理的な解釈によってのみ限定されるとみなされる。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【国際調査報告】