特表 2023-514608 溶融物の表面に形成された結晶シートのアクティブエッジ制御

(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】溶融物の表面に形成された結晶シートのアクティブエッジ制御

(51)【国際特許分類】

   C30B 15/26 20060101AFI20230330BHJP

   C30B 29/06 20060101ALI20230330BHJP

【ＦＩ】

C30B15/26

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 2022549681

(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】 US2021018790

(87)【国際公開番号】W WO2021168256

(87)【国際公開日】2021-08-26

(31)【優先権主張番号】62/978,484

(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

【テーマコード（参考）】

4G077

【Ｆターム（参考）】

4G077AA03

4G077AB10

4G077BA04

4G077CF03

4G077EA01

4G077EA06

4G077EH10

4G077FE13

4G077FE18

4G077FG13

4G077GA06

4G077HA12

4G077PA04

4G077PC01

4G077PF02

4G077PF08

4G077PF09

4G077PF13

(57)【要約】

光学センサは、溶融物と、シリコンであってもよい溶融物上の固体リボンとの間の放射率の差を検出するように構成されている。この光学センサは、コールドイニシャライザと同じるつぼ側に配置される。前記溶融物と溶融物上のリボンとの間の放射率の差は、光学センサを用いて検出される。この放射率の差は、リボンの幅を測定し、制御するのに使用できる。

【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；
溶融物の露出面に面するコールドイニシャライザ；
セグメント化された薄化コントローラで、当該セグメント化された薄化コントローラが、前記溶融物上に形成されたリボンの幅および厚さを調整するように構成されたもの；及び
前記溶融物と前記溶融物上の固体リボンとの間の放射率の差を検出するように構成された光学センサで、この際、当該光学センサが、前記コールドイニシャライザと同じるつぼの側でるつぼの上方に位置し、しかも、当該光学センサが、前記コールドイニシャライザから前記セグメント化された薄化コントローラの反対側に位置しているもの、
を含むことを特徴とする、溶融物の表面に成長させた結晶リボンの厚さを制御するための装置。

【請求項2】

前記セグメント化された薄化コントローラが、セグメント化された冷却ユニットと、均一メルトバックヒータとを含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記光学センサおよび前記セグメント化された薄化コントローラと電子通信するプロセッサをさらに含み、前記プロセッサが、前記光学センサを用いて検出された前記リボンの幅に基づいて、前記セグメント化された薄化コントローラを調整するように構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。

【請求項4】

前記プロセッサが、前記セグメント化された薄化コントローラの少なくとも１つの最外セグメントを調整するように構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の装置。

【請求項5】

前記の調整が、ガス流量またはヒータ温度を変更することを含むことを特徴とする、請求項３に記載の装置。

【請求項6】

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の表面に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；
リボン形成速度で前記リボンを引っ張る工程；
前記溶融物の下方に配置されたヒータを用いて、前記溶融物を介して前記リボンに熱を加える工程；
セグメント化された薄化コントローラを用いて前記リボンを薄くする工程；
少なくとも１つの光学センサを用いて、前記溶融物と前記溶融物上の前記リボンとの間の放射率の差を検出する工程；及び
安定したメニスカスが形成される前記るつぼの壁の位置で前記溶融物から前記リボンを分離する工程
を含む方法。

【請求項7】

前記光学センサを用いて前記リボンの幅を測定する工程をさらに含む、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記セグメント化された薄化コントローラを用いて前記幅を制御する工程をさらに含む、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記の制御が、前記結晶リボンの幅に基づいて前記セグメント化された薄化コントローラを調整することを含む、請求項８に記載の方法。

【請求項10】

前記の調整が、前記セグメント化された薄化コントローラ内のコールドブロックの温度を変更することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項11】

前記の調整が、前記セグメント化された薄化コントローラから放出されるガスジェットのガス流量を変更することを含む、請求項９に記載の方法。

【請求項12】

前記溶融物がシリコンを含む、請求項６に記載の方法。

【請求項13】

前記セグメント化された薄化コントローラが、セグメント化された冷却ユニットと、均一メルトバックヒータを含む、請求項６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62/978,484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、または方向性凝固化(「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】

リボンを薄くすることに伴う課題の１つは、リボンのエッジ(edge)近傍で薄くなることである。リボンのエッジ付近に提供される「薄化熱(thinning heat)」は、リボンの側縁(底部だけではない)で溶融物に横方向に拡散し、これによりリボンの幅が狭くなる。リボン幅が狭くなるにつれて、より多くの薄化熱結果がエッジで利用可能になり、さらなる過熱およびさらなる狭小化(narrowing)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。

【0009】

リボンまたはウェ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】

【0010】

第１の実施形態では、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、セグメント化された薄化コントローラ(segmented thinning controller)と、溶融物と溶融物上の固体リボンとの間の放射率の差を検出するように構成された光学センサを含む。セグメント化された薄化コントローラは、溶融物上に形成されたリボンの幅および厚さを調整するように構成される。光学センサは、当該光学センサがセグメント化された薄化コントローラのコールドイニシャライザとは反対側に配置されるように、るつぼのコールドイニシャライザと同じ側でるつぼの上に配置される。

【0011】

上記のセグメント化された薄化コントローラは、セグメント化された冷却ユニット(segmented cooling unit)と、均一メルトバックヒータ(uniform melt back heater)又はセグメント化されたメルトバックヒータ(segmented melt-back heater)とを含むことができる。

【0012】

上記の装置は、光センサおよびセグメント化された薄化コントローラと電子的に通信するプロセッサをさらに含むことができる。このプロセッサは、光学センサで検出されたリボンの幅に基づいて、セグメント化された薄化コントローラを調整するように構成することができる。上記のプロセッサはまた、セグメント化された薄化コントローラの最も外側のセグメントの一方または両方を調整するように構成されてもよい。この調整は、ガス流量またはヒータ温度の変更を含むことができる。

【0013】

第２の実施形態において、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。この溶融物は、シリコンを含んでもよい。リボンは、溶融物の露出面に対向するコールドイニシャライザを用いて溶融物の表面上に形成される。このリボンは単結晶である。リボンは、リボン形成速度で引っ張られる。溶融物の下に配置されたヒータを用いて、溶融物を介してリボンに熱が加えられる。このリボンは、セグメント化された薄化コントローラを用いて薄化される。溶融物と溶融物上のリボンとの間の放射率の差は、少なくとも１つの光学センサを用いて検出される。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。

【0014】

本方法は、光学センサを用いて固体リボンの幅を測定することをさらに含むことができる。

【0015】

本方法は、セグメント化された薄化コントローラを用いて前記幅を制御することをさらに含むことができる。この制御は、結晶リボンの幅に基づいてセグメント化された薄化コントローラを調整することを含むことができる。この調整は、セグメント化された薄化コントローラ内のコールドブロック(cold block)の温度を変更すること、および/またはセグメント化された薄化コントローラから放出されるガスジェットのガス流量を変更することを含むことができる。

【0016】

セグメント化された薄化コントローラは、セグメント化された冷却ユニットと、均一メルトバックヒータ又はセグメント化されたメルトバックヒータを含むことができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

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、図面においては：
図１は、例示的なシステムにおけるアクティブエッジ制御を示す；
図２は、本発明によるアクティブエッジ制御を使用するシステムを示しており、図３は、本発明による方法のフローチャートである。

【本発明の詳細な説明】

【0018】

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、および電子的な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。

【0019】

アクティブエッジ制御は、FSMプロセスにて行うことができる。ウェハのエッジは、固体と液体との間の放射率の差を用いて光学的に検出することができる。固体リボンは、周囲の液体よりも高い放射率を有しており、より明るく見える。この効果は、液体の高い反射率を使用することにより高めることができる。溶融物の上面のビューポート(viewport)が、溶融物表面に対して垂直に配置される場合、ビューポートが断熱材を通して作るコールド孔が、暗いスポットとして溶融物から反射して戻される。溶融物はまた、典型的にはあるレベルの波動摂動で振動する一方、固体リボンはほとんど振動しない。これらの効果の組合せを用いて、カメラまたは他のタイプの光学センサで、リボンエッジの位置を測定することができる。このようなウェハエッジ検出は、冷却薄化コントローラ(CTC)またはメルトバックヒータ内のエッジ制御冷却エレメントなどの冷却および/または加熱ユニットを制御するために使用することができる。したがって、一実施形態では、リボンの均一な薄化を達成するために、上方からの冷却および/または下方からの加熱を使用することができる。アクティブエッジ検出は、リボン幅を安定させるために、エッジ厚さ制御エレメントを用いて負のフィードバックを提供するために使用することができる。

【0020】

リボンがまだ溶融物中にある間に(リアルタイム厚さ制御を得るために)厚さプロファイルを測定することは困難であることがあるが、リボンのエッジの位置を測定することができる。これは、図１に示されている。光学エッジセンサは、シリコン固体と液体との間の放射率の差および/または溶融物とリボンとの間の振動差を用いて、リボンのエッジを検出することができる。放射率および/または振動におけるこれらの違いは、画像に示すことができる。実施形態は、エッジに焦点を合わせたパイロメータ(pyrometers)、エッジ検出ソフトウェアを用いたCCDカメラ、ラインスキャンセンサ、輝度検出器、または他のデバイスを使用することができる。画像は、チャンバ内の開口部および/またはビューポートなどのシステムの周囲の断熱材を介して生じさせることができる。

【0021】

このエッジ位置信号は、厚さコントローラのエッジセグメントにフィードバックすることができ、リボンのエッジおよびリボン幅を安定させるための負のフィードバックを提供する。図１に示すように、ローエッジパイロメータ信号は、幅が狭いリボンであることを示すことができる。エッジ厚制御エレメントは、(例えば、エッジ加熱エレメントを下降させるか、またはエッジ冷却エレメントを上昇させることによって)リボンの狭小化を低減するように調整することができ、これにより、負のフィードバック安定化が提供される。

【0022】

一実施形態では、前記のシステムおよび方法は、均一メルトバックヒータ(UMBH)を有する冷却薄化コントローラ(CTC)と呼ばれる、リボンの表面上の変調された冷却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。ガス冷却薄化コントローラ(GCTC)または放射冷却薄化コントローラ(RCTC)における複数の冷却ジェットのいずれかで、２種類のCTCが可能である。簡単にするために、一例ではGCTCが使用される。制御可能な幅およびプロファイルの均一で薄い「ナイフ」ジェットを提供するために、複数のジェットを一緒に用いることができるが(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る)、任意の冷却プロファイルに制御して、例えば、幅広で均一な厚さのリボンを達成することもできる。したがって、動作中、様々なジェットを制御して、所望の正味リボン厚さプロファイルを提供することができる。このような任意の形状は、特定の最小特徴サイズまたは分離を有することができる。リボンの狭小化は、狭小化が発生してい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。GCTCは、特に深さ＞1cmの平底るつぼにおいて、セグメント化されたメルトバックヒータ(SMBH)アプローチよりも良好な分離を達成することができるが、リボンの狭小化の制御は、SMBHのエッジセグメントを用いて可能であることがある。例えば、その全体が参照により組み込まれる米国特許第10,030,317号に開示されているSMBHシステムを参照。

【0023】

アクティブエッジ制御は、リボン移動の方向に関してセグメント化された薄化コントローラ(STC)の下流にあるライトパイプおよびカメラシステムを備えた光学センサを用いてリボンエッジを直接検出することによって行うことができる。STCは、SMBHまたはUMBHとCTCとの組合せであってもよい。STCは、エッジ光学センサからの情報を用いて制御することができる。光学センサは、エッジ位置に相関する信号を提供する。光学センサは、固体シリコン(約0.6)と液体シリコン(約0.2)との間の放射率の差、および/または固体リボンと溶融物との間の振動の差を使用することができる。STCのエッジエレメントは、安定したエッジ制御のための負のフィードバックを提供するように変調することができる。

【0024】

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よう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、個別のチャンネルであってもよく、又は複数のガスジェットが単一のチャネルに組み合わされてもよい。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。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。

【0025】

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。ヒータ電力は、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組み合わせて単一のチャネルにしてもよい。RCTCの空間分解能を最大にするために、各ヒータチャネル間に熱シールドを配置することができ、リボン表面の形態係数(view factor)を下げ、隣接するヒータ間の熱混合を減らすこともできる。

【0026】

一例では、UMBHは、単一の電力制御回路にて制御される単一のヒータを有することができる。このUMBHは、溶融物に均一なメルトバック熱(melt-back heat)を提供するように構成することができる。このUMBHは、るつぼの反対側にGCTCまたはRCTCとほぼ同じ面積を有することができる。UMBHは、RCTC、GCTC、またはSMBHのような最も外側のエッジでの分割(segmentation)を可能にしないことがあるが、光センサからの情報を用いてUMBH全域で均一に制御することができる。

【0027】

幅を調整するように開示されているが、STCはまた、リボンの厚さを調整することができる。リボンを薄くするために、より高い溶融温度またはリボンより上方の温度を使用することができる。

【0028】

図１には、２つの光学センサが示されている。これにより、リボンのエッジを測定し、その幅の反対側で制御することができる。１つの光学センサまたは２つ以上の光学センサを使用することもできる。例えば、一対の光学センサを、リボンの長さに沿った様々な位置に配置することができる。

【0029】

STCはまた、エッジ光学センサから測定値またはデータを受信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行される。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を含むことができる。例えば、本明細書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)、または、代わりに、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、本発明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。

【0030】

リボンの厚さを制御するための方法またはアルゴリズム(「メルトバック薄化アルゴリズム」すなわちMBTA)は、リボン厚プロファイルを用いて、必要なメルトバック薄化プロファイルΔt(x)を決定し、目標(所望の)均一な形状にすることができる。所望の薄化プロファイルを達成するために必要な所望の熱プロファイルQdes(x)が計算される。Qdes(x)に最も近い熱流束(モデル化)Qnet(x)の組合せが決定される。厚さ制御プロファイルの合計は、GCTCまたはRCTCを有するUMBHまたはSMBHを含むことができる。厚さ制御プロファイルの合計はまた、UMBHまたはSMBHを含むことができる。厚さ制御プロファイルの合計はまた、GCTCまたはRCTCを含むことができる。STCは、GCTCまたはRCTC、UMBHまたはSMBH、またはGCTCまたはRCTCを用いてUMBHまたはSMBHを制御することができる。

【0031】

リボン厚プロファイル(MBTAなどのアルゴリズムを用いる)のフィードバックは、リボンが炉を出た後(室温で)、下流で、したがって長い待ち時間で(例えば、光学的に)リボンプロファイルを測定することによって達成することができる。この待ち時間は、重度の狭小化をもたらす可能性があり、これは、データの損失(エッジ付近を測定するリボンがない)を引き起こし、メルトバック制御を困難にすることがある。厚さプロファイルを測定することができる場合(すなわち、リボンが炉から出た後)、必要なメルトバック熱/冷却プロファイルを計算して、所望の厚さプロファイル(MBTA)を生成することができる。しかしながら、これは、狭小化がリボンの損失をもたらす場合には機能しない。したがって、リボン幅のリアルタイム測定が代わりに必要になることがある。

【0032】

一例では、測定された明るさの減少は、リボン幅が縮小していることを意味することができる。リボン幅が縮小している場合、STCの最も外側のエッジチャンネルまたは複数のチャンネルをより冷温にするための命令を送ることができる。リボンの所望のエッジ幅には限界があり得るので、明るさの増加は、リボン幅が増加しているか、または幅が広すぎることを意味する可能性がある。リボン幅が広くなっているか、または幅が広すぎる場合、STCの最も外側のエッジチャンネルまたは複数のチャンネルをより暖かくするために命令を送ることができる。エッジをより広く又はより狭くするために、コールドブロックの温度又はSTC内のガスジェットのガス流量を調整することができる。STC内の温度変化は、所望のリボン幅を超えるのを回避するように調整することができる。一例では、リボン幅は、本明細書に開示される実施形態を用いて、制御不能状態からリボン長さの10～20cm以内で修正することができる。

【0033】

リボン幅は、２つの光学エッジセンサと、るつぼの幅にわたるそれらの間の距離とに基づいて決定することができる。例えば、リボン幅は、２つの光学センサの画像における幅に、２つの光学センサ間のオフセットの距離を加えたものとすることができる。光学エッジセンサは、STCの１つ以上の最も外側のチャンネルから(リボンの動きに対して)下流に配置することができる。STCの１つまたは複数のエッジチャンネルは、光学エッジセンサからの情報に基づいて調整することができる。

【0034】

セグメント化された冷却薄化コントローラおよび均一メルトバックヒータは、リボン製造のためのFSMシステムにて使用することができる。図２に示されるようなFSMリボン製造のためのシステムは、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を含むことができる。コールドイニシャライザは、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かぶ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。

【0035】

図２に示すようなウェハ製造のためのシステムは、溶融物12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させるように構成され、それによって、リボン13が溶融物12上に形成される。コールドブロック10はまた、固体リボンの形成または初期化を支援するための冷却ジェットを提供することができる。動作中、溶融物12がるつぼ11内に供給される。リボン13は、溶融物12の露出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12上に水平に形成される。STC 14は、光学センサ15からの画像または他のデータを用いて形成された後に、溶融物12中のリボン13の厚さを調整することができる。図２には、１つの光学センサ15のみが示されているが、１つ以上の光学センサ15を使用することができる。リボン13は、機械的な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、溶融物表面から低角度にて溶融物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°の角度または小さい角度(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、例えばシンギュレータ(singulator)17を用いて支持され、ウェハに個片化(singulate)される。このようなシステムを用いて作製されたウェハ18は、本明細書に記載の厚さを有することができる。

【0036】

本明細書に開示される実施形態は、高温(例えば、1200～1414℃または1200～1400℃)でリボン周囲の周囲環境を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)から正圧システム(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。

【0037】

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、各ガスゾーンを分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。

【0038】

固体リボン13は、約0.2mm～2mmのわずかに高くなった高さでるつぼ11のエッジを越えて分離することができ、これは、安定したメニスカスが維持されること、および分離中に溶融物12がるつぼ11の縁を越えてこぼれないことを保証することができる。るつぼ11のエッジはまた、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。リボン表面とるつぼ11との間のメニスカス上のガス圧力は、メニスカスの安定性を高めるために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、るつぼのエッジとリボン表面との間に形成されたこのメニスカスの位置に衝突ジェットを直接局所的に集束させることである。

【0039】

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、金属汚染およびリボン支持体19などによる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可能性がある。リボン13との物理的接触は、望ましくない滑り、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は溶融物表面上に浮いているので、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のエッジ上で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を生じさせ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としては、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が挙げられる。別のアプローチは、例えば、リボン13をローラまたはスライドレールで機械的に支持することである。このような接触アプローチによる有害な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。この支持体は、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、反り、または構造的欠陥を生成するのを防止するために最小限に抑えられる。

【0040】

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んでもよい。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、真空設定または真空ポンプと組み合わされたガス流、バッフル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、これらのゾーンは、断熱材、熱シールド、ヒータ、または他の物理的メカニズムによって分離することができる。

【0041】

例えば、上記の温度ゾーンは、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。

【0042】

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。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創作され維持することができる。

【0043】

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増加させるように調整することができる。リボン13は、機能性を作り出すか、または性能を高めるために、異なるガス混合物に曝されてもよい。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、表面の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と、高いリン濃度および保護ガラス表面を有するウェハ表面を局所的に作り出す複合効果を有する。このように高度にドープされた表面は、金属汚染を除去し、したがって、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、リボンに曝露される１つまたは多数のガス混合物が存在してもよい。これらのガス混合物は、ガスカーテン、ガイドフロージオメトリ、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には、大気圧未満の低い圧力(例えば、0.01atm)から正圧システム(例えば、5atm)が含まれ得る。このシステム雰囲気は、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。

【0044】

リボン13がほぼ室温まで冷却された後、リボン13は個々のウェハ18に個片化され得る。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、ならびに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。最終的な個々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であり、均一な厚さ(低い全体の厚さ変動)、または望ましい場合、調整された厚さ勾配であってもよい。

【0045】

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が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、または最終的な所望のデバイスをまとめて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。

【0046】

図３は、例示的な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、シリコンを含んでもよい。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。リボンは、結晶リボン形成の速度で引っ張られ、それは引張りと同じ速度であってもよい。溶融物の下に配置されたヒータを用いて、溶融物を通してリボンに熱が加えられる。リボンのエッジへの熱の拡散は、溶融物中に配置された２つの石英拡散バリアを用いて最小限に抑えることができる。リボンは、セグメント化された薄化コントローラを用いて薄くされる。溶融物とリボンとの間の放射率の差は、光学センサを用いて検出される。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。

【0047】

固体リボンの幅は、光学センサを用いて測定することができる。この幅は、セグメント化された薄化コントローラを用いて制御することができる。これは、結晶リボンの幅に基づいてSTCを調整することを含むことができる。

【0048】

セグメント化された薄化コントローラは、セグメント化された冷却ユニットと、均一メルトバックヒータを含むことができる。セグメント化された薄化コントローラはまた、セグメント化されたメルトバックヒータを含むことができる。

【0049】

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1】

【図2】

【図3】

【国際調査報告】