(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源と、
前記熱源の上方に配置され、上面が成長界面として定義される溶融シリコンを収容できるるつぼと、
前記熱源と前記るつぼとの間に配置され、前記熱源により生じる温度および熱流束の変動を均一化できる異方性熱負荷平準化部材と、
前記るつぼの上方に位置され、前記溶融シリコンからの熱を吸収し、前記溶融シリコンをシリコン結晶基板に結晶化させる冷却板部材と、
前記溶融シリコン内に全体が浸かる上面と、前記るつぼの底の上方に配置された下面とを有しており、前記るつぼの内壁から延びたバッフル構造と、を備え、
前記バッフル構造は、前記溶融シリコンが、前記バッフル構造の上面の上を当該上面に沿って第１の方向に流れるとともに、前記バッフル構造の下面の下を当該下面に沿って前記第１の方向と逆方向の第２の方向に流れるようにさせる、
シリコン結晶基板を成長させる装置。
【請求項２】
前記第１の方向は、前記シリコン結晶基板を前記るつぼから引っ張る方向と同じである、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記異方性熱負荷平準化部材は、前記るつぼの表面に沿う第１方向における第１熱伝導率と、前記るつぼの表面に垂直な第２方向における第２熱伝導率とを有し、
前記第１熱伝導率は前記第２熱伝導率よりも大きい請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記シリコン結晶基板は、前記成長界面から垂直下向きの方向に成長する請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
前記るつぼは、前記異方性熱負荷平準化部材によって実質的に囲まれる請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記異方性熱負荷平準化部材は、熱分解グラファイトを含む受動部材である請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記熱分解グラファイトは厚さが１０ｍｍである請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記るつぼは石英を含む請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
前記石英は厚さが５ｍｍである請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記るつぼの端部近傍に配置され、前記シリコン結晶基板が前記るつぼから引っ張られる間に前記シリコン結晶基板を支持する支持テーブルをさらに備える請求項１から９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】
前記るつぼ内に収容され、前記溶融シリコンの流れを前記るつぼ内の前記バッフル構造の周りに向けることのできるポンプデバイス
をさらに備える請求項１から１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
上面の一部分が成長表面を定義する溶融シリコンによりるつぼを満たす段階と、
熱源を用いて前記るつぼを加熱する段階と、
前記熱源と前記るつぼとの間に配置された受動熱負荷平準化異方性材料により、前記熱源から前記るつぼの表面に入射される熱を制御する段階と、
前記成長表面の上方の領域を冷却することにより、前記溶融シリコンの前記成長表面において均一な熱流束を維持する段階と、
前記溶融シリコン内に全体が浸かる上面と、前記るつぼの底の上方に配置された下面とを有しており、前記るつぼの内壁から延びたバッフル構造の周りに前記溶融シリコンをポンプで送り込む段階と、備え、
前記バッフル構造は、前記溶融シリコンが、前記バッフル構造の上面の上を当該上面に沿って第１の方向に流れるとともに、前記バッフル構造の下面の下を当該下面に沿って前記第１の方向と逆方向の第２の方向に流れるようにさせる、
シリコン結晶基板を成長させる方法。
【請求項１３】
成長している前記シリコン結晶基板を、前記るつぼから遠ざかるように、一定の引っ張り速度で引っ張る段階をさらに備える請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の方向は、前記シリコン結晶基板を前記るつぼから引っ張る方向と同じである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記受動熱負荷平準化異方性材料は熱分解グラファイトを含む請求項１２から１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記シリコン結晶基板の厚さを測定する段階と、
前記シリコン結晶基板の測定された前記厚さが容認される許容値内にあるかを決定する段階と、をさらに備える請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記シリコン結晶基板の測定された前記厚さが前記容認される許容値内にない場合に、前記熱源から前記るつぼの前記表面に入射される前記熱の量を変更する段階をさらに備える請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記シリコン結晶基板の測定された前記厚さが前記容認される許容値内にない場合に、前記成長表面の上方の前記領域を冷却する速度を変更する段階をさらに備える請求項１６または１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記シリコン結晶基板の測定された前記厚さが前記容認される許容値内にない場合に、前記るつぼから遠ざかる前記引っ張り速度を変更する段階をさらに備える請求項１６から１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記シリコン結晶基板の測定された前記厚さが前記容認される許容値内にない場合に、前記溶融シリコンの量によって前記るつぼを満たす段階を変更する段階をさらに備える請求項１６から１９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［連邦政府支援による研究または開発に関する供述］
米国政府は、本発明における一括払いライセンス、および、限られた状況において、米国エネルギー省により授与された契約番号ＤＥ−ＥＥ００００５９５の条項に従って与えられる合理的な条項に関して、他者にライセンス供与するよう特許権者に対して要求する権利を有する。
本願開示の実施例はシリコン結晶成長の分野に関する。より具体的には、本発明は、シリコン結晶成長を制御するための、異方性の材料を用いた熱負荷平準化に関する。
【背景技術】
【０００２】
再生可能なエネルギー源に対する要求が増大するに連れて、太陽電池に対する要求も増大し続けている。こうした要求が増大している中で、太陽電池産業界の１つの目標は、コスト／電力の比を小さくすることである。単位ワット当たりのコスト（＄／ワット）の見地からすると太陽エネルギーは高価であり、その一部は太陽電池の製造コストによるものである。太陽電池には２つのタイプ、すなわちシリコンタイプと薄膜タイプとがある。太陽電池の大部分は、単結晶シリコンウェハのようなシリコンウェハから製造されており、単結晶シリコンウェハが、結晶性シリコン太陽電池の製造に関連したコストの大部分を占めている。太陽電池の効率、または、標準的な照射条件下において生成される電力量は、ある程度、このウェハの品質によって制限される。現在、これらの太陽電池用ウェハの製造は、太陽電池の全コストのうち４０％を超える場合がある。従って、費用効率の高い様式で、高品質の太陽電池用ウェハの製造を提供することにより、太陽エネルギー全体のコストを削減することができる。これらの、およびその他の考慮すべき事項に対して、本願の改良が必要とされてきている。
【発明の概要】
【０００３】
この概要は、以下の発明を実施するための形態においてさらに記載される形態の単純化した概念を抜粋して導入するために提供されるものである。この概要は、請求される主題の主要な特徴、あるいは必須の特徴を特定することを意図したものではなく、請求される主題の範囲の決定を補助することを意図したものでもない。
【０００４】
様々な実施例は、概して、太陽電池を製造するために使用されるシリコンウェハの製造に対するシリコン結晶成長に向けられている。１つの実施例においては、シリコン結晶基板を成長させるための装置が開示される。この装置は熱源、異方性熱負荷平準化部材、るつぼ、冷却板部材、およびバッフル構造を含む。るつぼは、溶融シリコンを収容することができ、溶融シリコンの上面が成長界面として定義される。異方性熱負荷平準化部材は高い熱伝導率を有し、熱源とるつぼとの間に配置される。異方性熱負荷平準化部材は、熱源から生じる温度および熱流束の変動を均一化させるようにできる。冷却板部材はるつぼの上方に位置されて溶融シリコンからの熱を吸収し、溶融シリコンをシリコン結晶基板へと結晶化させる。バッフル構造は、溶融シリコン内に全体が浸かる上面と、るつぼの底の上方に配置された下面とを有している。バッフル構造は、るつぼの内壁から延びている。バッフル構造は、溶融シリコンが、バッフル構造の上面の上を当該上面に沿って第１の方向に流れるとともに、バッフル構造の下面の下を当該下面に沿って第１の方向と逆方向の第２の方向に流れるようにさせる。
【０００５】
他の実施例においては、シリコン結晶基板を成長させる方法が、溶融シリコンでるつぼを満たす段階を備える。溶融シリコンの上面の一部分は成長表面を定義する。るつぼと、るつぼ内の溶融シリコンとは、熱源を用いて加熱される。熱源からるつぼの表面に入射される熱は、熱源とるつぼとの間に配置された受動熱負荷平準化異方性材料によって制御される。成長表面上方の領域を冷却することにより、溶融シリコンの成長表面における均一な熱流束が維持される。バッフル構造の周りに溶融シリコンをポンプで送り込む。バッフル構造は、溶融シリコン内に全体が浸かる上面と、るつぼの底の上方に配置された下面とを有している。バッフル構造は、るつぼの内壁から延びている。バッフル構造は、溶融シリコンが、バッフル構造の上面の上を当該上面に沿って第１の方向に流れるとともに、バッフル構造の下面の下を当該下面に沿って第１の方向と逆方向の第２の方向に流れるようにさせる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本開示の実施例に従ったＦＳＭ装置のブロック図を示す。
【０００７】
【図２】本開示の他の実施例に従ったＦＳＭ装置のブロック図を示す。
【０００８】
【図３】本開示の実施例に従った図１に示される装置に関連する論理フロー図を示す。
【０００９】
【図４】本開示の他の実施例に従った図２に示される装置に関連する論理フロー図を示す。
【００１０】
【図５】性能指数（ＦＭ）の関係を描いたグラフを示す。
【００１１】
【図６】本開示の様々な実施例を実行するために適した例示的なコンピュータシステム６００の実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
ここからは、発明の好ましい実施例が示されている添付の図面を参照して、本発明をより完全に記載していく。しかしながら本発明は、多くの異なる形態として具現化されてよく、ここで説明する実施例に限定して解釈されるべきではない。むしろこれらの実施例は、本開示を詳細且つ完全なものとし、発明の範囲を当業者に対して完全に伝えるために提供されるものである。図面においては、類似の番号は、全体を通して類似な要件を指している。
【００１３】
様々な実施例が、熱負荷平準化部材に向けられている。熱負荷平準化部材は、熱源と、シリコンウェハの製造において使用される溶融シリコンを収容するるつぼとの間に配置され、熱源によって生じる温度および熱流束の変動の平準化を促進する。いくつかの実施例においては、溶融シリコンの均一な流れを促進するべく、ポンプ装置およびバッフル構造もるつぼ内において利用されてよい。これにより、温度および熱流束の変動のさらなる平準化につながる。
【００１４】
例えば、太陽電池に使用されるシリコン光起電性基板のようなシリコン結晶基板を成長させる場合、フローティングシリコン法（ＦＳＭ：floating silicon method）を使用することができる。背景として言えば、ＦＳＭを使用するシリコン結晶成長は、水の氷点よりも大気の温度が下がった場合に、池に氷が形成される様式に類似している。池の表面における大気の温度と現時点の水の温度とに基づいて、池の表面に固体である氷の表面が形成され始め、時間と共に、より暖かな水中へと下向きに"成長"する。
【００１５】
ＦＳＭシリコン結晶成長は、概して、溶融シリコンによって満たされるるつぼを備える。るつぼは下方から加熱され、且つ、上方から冷却される。冷却部材は、溶融シリコンをその上面において凝固させ始める。ここを成長領域と称する。シリコン結晶基板成長は、溶融シリコン中へと下向きに拡大する。従って、シリコン結晶の成長速度は、溶融シリコンおよび冷却部材の温度に依存する。シリコンはまた、垂直下向きに成長するに連れて、るつぼから外へ向けて水平方向に、そして熱源および冷却源から遠ざかるように、引っ張られる、または運ばれる。シリコン結晶基板に対して比較的均一な厚さを確保するために、溶融シリコンに影響を及ぼす温度勾配の正確な操作によって、シリコン結晶を一定の速度で成長させることができ、また、一定の速度で引っ張られるまたは運ばれるようにすることができる。従って、成長領域においては、水平方向に均一な温度条件を維持することが有利である。
【００１６】
最も好ましくは、垂直方向の成長速度は、可能な限り均一にすべきである。これは、成長表面に対してほぼ一定の垂直方向の熱流束を維持することにより達成され得る。シリコン結晶基板の上面における温度は、エネルギーを除去するために、成長表面の温度よりも低い温度に維持されるべきである。シリコン結晶基板中での応力を最小限にするために、温度差を比較的小さくすべきである。しかし、熱源が空間的な温度変動を被る場合は、この条件を維持することは困難であるかもしれない。特に、溶融シリコンを加熱するために使用される熱源は、溶融シリコンにわたって温度勾配を発生させ得る。ＦＳＭシステム中の適切な位置に熱負荷平準化部材を導入することにより、熱源に存在し、その結果溶融シリコンの温度に存在する温度および熱流束の変動を著しく均一化させることができる。
【００１７】
一般的に、熱流束とは、ある特定の表面を介した熱エネルギー伝達の速度である。国際単位系（ＳＩ）においては、熱流束は（Ｗ／ｍ２）を単位として測定され、単位面積当たりに伝達される熱エネルギー率である。熱流束の測定は、既知の熱伝導率を有する材料の一部分にわたる温度差を測定することによって行われることが最も多い。熱伝導率とは、ある材料が熱を伝える能力を指す。熱伝導率の高い材料における熱の伝達は、熱伝導率の低い材料における伝達よりも速い速度で起きる。熱伝導率の高い材料は、熱源用として使用されてよい。熱発生率のＳＩ系単位はジュール／秒、またはワットである。熱発生率はスカラー量であり、一方、熱流束はベクトル量である。
【００１８】
熱エネルギーが溶融シリコンの方に向けられるので、温度および熱流束の変動を均一化させるためにＦＳＭシステム中で使用される熱負荷平準化部材は、非常に異方性が高くなければならない。異方性とは、方向に依存するという特性であって、全ての方向において同一の特性であることを意味する等方性とは反対である。異方性とは、異なる軸に沿って測定された場合に、熱伝導率を含め、材料の物理的または機械的特性に差異があるものとして定義される。異方性材料において、熱伝導率が高い方向における温度変動は、その方向において速い熱伝導があるために、除去される傾向にある。これにより、不均一な熱源によって引き起こされる温度および熱流束の変動を平準化することを促進できる。これは、太陽電池またはその他のデバイスを製造するために使用される、より均一で高品質のシリコン結晶基板の成長をもたらす。
【００１９】
図１は、発明の実施例に従ったフローティングシリコン法（ＦＳＭ）装置１００のブロック図を示す。ＦＳＭ装置１００は、一般的に、溶融シリコン１１６からシリコン結晶基板１２０を成長させるように指向されている。装置１００は熱源１１０を含み、熱源１１０は、例えばグラファイトを含んでよい。１つの実施例においては、グラファイト熱源１１０は、約２ｍｍ厚であってよく、１メートル−ケルビン当り約４ワット（Ｗ／ｍＫ）の熱伝導率（ｋ）値を有してよい。るつぼ１１４は溶融シリコン１１６を収容するように適合され、石英を含んでよい。１つの例示的な実施例においては、るつぼ１１４は、約５ｍｍ厚であってよく、約４Ｗ／ｍＫの熱伝導率（ｋ）値を有してよい。
【００２０】
異方性熱負荷平準化部材１１２が、熱源１１０とるつぼ１１４との間に配置される。異方性熱負荷平準化部材１１２は、少なくとも部分的にるつぼ１１４を囲み、非常に異方性の高い材料である熱分解グラファイトを含んでいてよい。熱分解グラファイトにおいて炭素原子が形成する構造は、１つの方向においては、六角形に配置された炭素原子の平面層によって特徴付けられ、且つ、当該平面層に対して垂直な方向においては、ランダムに配向された原子を有する。これにより、平面層の方向においては高い熱伝導率（ｋ）を生じるが、垂直な方向においては非常に低い熱伝導率を生じる。熱分解グラファイトは、その異方的な高い熱伝導率特性を取得および維持するために付加的なエネルギーまたは制御を必要としないため、受動部材としても特徴付けられ得る。１つの実施例においては、熱分解グラファイトは、厚さ約１０ｍｍであって、平面の方向においては約３００Ｗ／ｍＫの、且つ、垂直な方向においてはわずかに１Ｗ／ｍＫの熱伝導率（ｋ）値を有してよい。
【００２１】
例えば炭化ケイ素のような冷却板部材１１８が、るつぼ１１４の上方に位置されて、溶融シリコン１１６からの熱を吸収し、それらの間に成長界面が形成されてよい。この冷却板部材１１８は、例えば放射熱伝達、または、放射熱伝達と対流熱伝達との組み合わせを用いて熱を吸収してよい。溶融シリコン１１６は、結晶化および図１中の矢印Ｖｇｒｏｗｔｈによって表されるように、下向きの方向に"成長"してシリコン結晶基板１２０を形成する。溶融シリコン１１６を通って流れる熱は、上面から冷却板部材１１８へと放射される。冷却板部材１１８は、放射に対するヒートシンクとして作用する。従って、より低い冷却板温度によって、シリコン結晶基板１２０のより大きな成長速度Ｖｇｒｏｗｔｈが生じる。一方、特定の冷却板温度に対しては、シリコンを通るより大きな熱流量速度によって、より小さな成長速度Ｖｇｒｏｗｔｈが生じる。従って、成長速度値Ｖｇｒｏｗｔｈは、溶融物を通る熱流量と冷却板部材１１８によって溶融シリコン１１６から吸収される熱量との間のバランスによって決定される。
【００２２】
例として示すと、４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する２ｍｍ厚のグラファイト熱源１１０が、１０ｍｍの異方性熱負荷平準化部材１１２を加熱する。異方性熱負荷平準化部材１１２は、熱分解グラファイト材料を含み、平面内または"ｘ"方向において３００Ｗ／ｍＫであり、且つ、垂直または"ｙ"方向において１Ｗ／ｍＫである熱伝導率を有する。異方性熱負荷平準化部材１１２に対する"ｘ"および"ｙ"軸が図１中に示されている。異方性熱負荷平準化部材１１２の任意の特定の位置における"ｙ"方向は、るつぼ１１４の表面に対して常に垂直である点に留意されたい。異方性熱負荷平準化部材１１２は、５ｍｍ厚のるつぼ１１４を取り囲む。るつぼ１１４は石英材料を含み、４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有してよい。るつぼ１１４は、６４Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有する深さ１０ｍｍの溶融シリコン１１６を収容する。冷却板部材１１８は溶融シリコン１１６の上方に位置され、溶融シリコン１１６の上面に成長界面を生成させる。成長界面において溶融シリコン１１６が結晶化し始め、図１中の矢印Ｖｇｒｏｗｔｈで表されるように、シリコン結晶基板１２０となるよう下向きの方向に"成長"することができる。
【００２３】
この例については、シリコン結晶基板の所望される厚さ（図１中のＳｙ）は１００μｍである。冷却板は、１０ｋＷ／ｍ２の均一な熱流束を生み出し、成長界面がシリコンの凝固温度である１６８５Ｋであると仮定すると、るつぼの底部における溶融シリコンの温度は１６８７Ｋである。上記の特性に基づくと、成長速度Ｖｇｒｏｗｔｈは、１秒当たり１０μｍである。よって、シリコン結晶基板は、１０秒間で所望される厚さ１００μｍに到達するであろう。２０ｃｍの成長領域を横切るためには、引っ張り速度Ｖｘは約２ｃｍ／ｓであるべきであり、これにより、成長界面から遠ざかるように支持テーブル１２２上へと引っ張られた、または運ばれた場合にシリコン結晶基板の厚さ（Ｓｙ）は１００μｍとなるであろう。支持テーブル１２２上で複数のシートに切断することができる。このようにして、異方性熱負荷平準化部材１１２は、成長界面に対する熱流束を水平方向に均一に保つので、均一な垂直成長速度およびシートの厚さを得ることができる。代替的な実施例においては、シリコン結晶基板１２０がＦＳＭ装置１００から引っ張られるまたは運ばれる最中の溶融シリコンによる任意の厚さ減少を補償するために、基板の厚さ（Ｓｙ）が１００μｍよりもわずかに大きくなるように成長させられるであろう。これにより、シリコン結晶基板１２０は、支持テーブル１２２に達した時に、１００μｍの基板の厚さ（Ｓｙ）を有することができるようになるであろう。
【００２４】
図２は、本開示の代替的な実施例に従ったブロック図を示す。ＦＳＭ装置２００は、ポンプ２１５およびバッフル構造２１７を除いて、図１を参照して記載されたものと実質的に同様である。具体的には、装置２００は、熱源１１０とるつぼ１１４との間に配置された異方性熱負荷平準化部材１１２を含む。溶融シリコン１１６はるつぼ１１４中に堆積される。溶融シリコン１１６はポンプ２１５を通る。ポンプ２１５は、矢印Ａによって示される方向で、バッフル構造２１７の周りに溶融シリコン１１６を流れさせるようにできる。るつぼ１１４内の溶融シリコンがバッフル構造２１７の周りを流れるようにすることにより、熱勾配の変動がさらに低減される。その結果、るつぼ１１４内の溶融シリコン１１６の熱勾配の変動が低減されることにより、冷却板部材１１８を用いて、より一層着実な結晶化がもたらされる。このようにして、より高品質のシリコン基板が、より費用効率の高く信頼性のある様式で製造される。さらに、一定の流れによって、溶融シリコン内のいかなる不純物も実質的に均一に分散されるので、完成品において最終的に生じる高濃度の不純物の特異的な発生が無い。
【００２５】
開示される構造の新規な側面を実行する例示的な方法論の代表的なフローチャートを１つ以上ここに含む。説明の単純化を目的として、例えば、フローチャートまたはフロー図の形式でここに示される１つ以上の方法論は、一連の行為として示され、また記載されている。しかしこの方法論は、行為の順序によって限定されるものではなく、従って、いくつかの行為は、ここに示され、また記載されているものとは異なる順序で、および／または、他の行為と同時に起こってもよいことが理解および認識されるべきである。さらに、方法論にて示されている全ての行為が、新規な実施形態に対して必要でなくてもよい。
【００２６】
図３は、発明の実施例に従った論理フロー図を示す。論理フロー３００は、ここに記載される装置１００および／または装置２００によって実行される動作のいくつかまたは全ての代表例であってよい。
【００２７】
図３に示される例示的な実施例においては、論理フロー３００によれば、ブロック３０２において、溶融シリコン１１６によってるつぼ１１４を満たしてよい。例えば、るつぼ１１４は、高い熱伝導率を有する異方性熱負荷平準化部材１１２のような受動的な材料によって取り囲まれてよい。溶融シリコン１１６の上面の一部分が成長表面である。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００２８】
論理フロー３００によれば、ブロック３０４において、熱源１１０を用いて異方性熱負荷平準化部材１１２を加熱してよい。例えば、熱源１１０はグラファイトを含んだものであってよい。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００２９】
論理フロー３００によれば、ブロック３０６において、溶融シリコン１１６の成長界面の上方に冷却ゾーンを生成してよい。例えば炭化ケイ素のような冷却板部材１１８が、例えば溶融シリコン１１６の真上に位置されてよい。冷却板部材１１８は、シリコンの平衡凝固温度まで成長表面の温度を下げることにより、成長界面において溶融シリコン１１６を凝固させ始めさせてよい。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００３０】
論理フロー３００によれば、ブロック３０８において、溶融シリコン１１６の成長表面において均一な熱流束を維持してよい。例えば、異方性熱負荷平準化部材１１２は、熱源１１０から吸収した熱を、るつぼ１１４に対して均一に分布させる。次に、成長表面における熱流束も均一となるように、るつぼ１１４内の溶融シリコン１１６が均一に維持される。この均一性により、シリコン結晶基板１２０に対する均一な成長速度が確保され得る。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００３１】
論理フロー３００によれば、ブロック３１０において、成長しているシリコン結晶基板１２０を、るつぼ１１４から遠ざかるように、一定の引っ張り速度で引っ張ってよい、あるいは運んでよい。例えば、成長しているシリコン結晶基板１２０は、一定の速度（Ｖｘ）で冷却板部材１１８から遠ざかるように、且つ、るつぼ１１４から外へ向かって水平に引っ張られてよい。シリコン結晶基板１２０の厚さ（Ｓｙ）が均一であるように、シリコン結晶基板１２０の引っ張り速度は、シリコン結晶基板１２０の成長速度と一致してよい。次にシリコン結晶基板１２０は、支持テーブル１２２上に載せられてよい。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００３２】
図４は、発明の実施例に従った論理フロー図を示す。論理フロー４００は、ここに記載される装置１００および／または装置２００によって実行される動作のいくつかまたは全ての代表例であってよい。
【００３３】
図４に示される例示的な実施例においては、論理フロー４００によれば、ブロック４０２において、溶融シリコン１１６によってるつぼ１１４を満たしてよい。例えば、るつぼ１１４は、高い熱伝導率を有する異方性熱負荷平準化部材１１２によって取り囲まれてよい。溶融シリコン１１６の上面の一部分が成長表面である。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００３４】
論理フロー４００によれば、ブロック４０４において、熱源１１０を用いて異方性熱負荷平準化部材１１２を加熱してよい。例えば、熱源１１０はグラファイトを含んだものであってよい。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００３５】
論理フロー４００によれば、ブロック４０６において、るつぼ１１４内に位置されたバッフル構造の周りに溶融シリコンをポンプで送り込んでよい。例えば、るつぼ１１４内に配置されたバッフル構造２１７の周りに溶融シリコン１１６をポンプで送り込むポンプ２１５が含まれてよい。ポンプ２１５を用いて溶融シリコンを流れ続けさせることは、溶融シリコン１１６の温度勾配をさらに低減し、より高品質で、より一層着実なシリコン結晶基板１２０の成長をもたらすであろう。さらに、一定の流れによって、溶融シリコン１１６内のいかなる不純物も実質的に均一に分散され得るので、完成品において最終的に生じる高濃度の不純物の特異的な発生が無い。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００３６】
論理フロー４００によれば、ブロック４０８において、溶融シリコン１１６の成長界面の上方に冷却ゾーンを生成してよい。例えば炭化ケイ素のような冷却板部材１１８が、例えば溶融シリコン１１６の真上に位置されてよい。冷却板部材１１８は、シリコンの平衡凝固温度まで成長表面の温度を下げることにより、成長界面において溶融シリコン１１６を凝固させ始めさせてよい。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００３７】
論理フロー４００によれば、ブロック４１０において、溶融シリコン１１６の成長表面において均一な熱流束を維持してよい。例えば、異方性熱負荷平準化部材１１２は、熱源１１０から吸収した熱を、るつぼ１１４に対して均一に分布させる。次に、成長表面における熱流束も均一となるように、るつぼ１１４内の溶融シリコン１１６が均一に維持される。この均一性により、シリコン結晶基板１２０に対する均一な成長速度が確保され得る。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００３８】
論理フロー４００によれば、ブロック４１２において、成長しているシリコン結晶基板１２０を、るつぼ１１４から遠ざかるように、一定の引っ張り速度で引っ張ってよい、あるいは運んでよい。例えば、成長しているシリコン結晶基板１２０は、一定の速度（Ｖｘ）で冷却板部材１１８から遠ざかるように、且つ、るつぼ１１４から外へ向かって水平に引っ張られてよい。シリコン結晶基板１２０の厚さ（Ｓｙ）が均一であるように、シリコン結晶基板１２０の引っ張り速度は、シリコン結晶基板１２０の成長速度と一致してよい。次にシリコン結晶基板１２０は、支持テーブル１２２上に載せられてよい。実施例は、この例に限定されるものではない。
【００３９】
図５は、性能指数（ＦＭ）の関係を描いたグラフを示す。ＦＭは、不均一な熱源１１０を仮定した場合に、より低い側の成長表面（例えば、成長しているシリコン結晶基板の底部）に対する熱流束の均一性を定量化する。これは、熱源表面１１０からの最大熱流束と最小熱流束との間の差を、より低い側の成長表面に対する最大熱流束と最小熱流束との間の差で割ることにより定義される。可能な限り大きなＦＭを有することは、成長界面に対する熱流束の変動が小さいことを示すので、有利である。
【００４０】
図５は、熱分解グラファイトに関する非常に非線形性の強い計算結果を示す。計算においては、熱源表面からの熱流束の変動は線形であると仮定した。次いでこの熱は厚さの範囲がゼロから２０ｍｍにわたる熱分解グラファイトの層を通過し、続いて５ｍｍの石英、最後に、１０ｍｍの溶融シリコンを通過してシリコン結晶基板に至る。各層の長さは２０ｃｍと仮定した。熱分解グラファイトの厚さが２０ｍｍの場合、ＦＭは２０４である。これは、基板に対する熱流束の変動が、ヒータからの熱流束の変動に比べて２０４分の１であることを示す。
【００４１】
図６は、図１のＦＳＭ装置１００および／または図２のＦＳＭ装置２００を実施するのに適した例示的なコンピュータシステム６００の実施例を示す。図６に示されるように、コンピュータシステム６００は、処理コンポーネント６０５、負荷平準化制御アプリケーション６１５を格納するシステムメモリ６１０、ユーザインターフェースコンポーネント６２０、ネットワークインターフェース６２５、および、ＦＳＭインターフェース６３０を備える。処理コンポーネント６０５は、デュアルマイクロプロセッサおよびその他のマルチプロセッサアーキテクチャを含むような、市販される様々なプロセッサの任意のものであってよい。処理コンポーネント６０５は、他のコンポーネントと通信可能に結合される。さらに、コンピュータシステム６００は、ネットワークインターフェース６２５を介して、外部ネットワーク６５０と通信可能に結合されてよい。
【００４２】
コンピュータシステム６００は、負荷平準化制御アプリケーション６１５により、ＦＳＭインターフェース６３０から、基板の厚さＳｙの測定結果を受信するように動作できる。これら基板の厚さの測定結果Ｓｙは、シリコン結晶基板がるつぼ１１４から引っ張られる間に取得されてよく、また、サンプリング回数に基づいて、および／または成長界面から引っ張られる基板の長さに基づいて収集されてよい。制御アプリケーション６１５は、メモリ６１０に格納され、所望されるウェハ形状に対応する、予め定められた容認される厚さの値に対して、この厚さの測定結果を比較するように動作できる。収集された厚さの値Ｓｙが、メモリ６１０に格納されている予め定められた容認される厚さの値の許容レベル内には入らない場合、制御アプリケーション６１５が制御命令を実行して、熱源１１０および冷却板１１８に供給される電力を調節してそれらの温度を変更してよく、および／または、成長界面から支持テーブル１２２上に引っ張られるシリコン結晶基板の引っ張り速度を調節してよい。さらに、制御アプリケーション６１５は、るつぼ１１４内の溶融シリコン１１６の量を調節するようオペレータに対して警告を発してもよい。この測定およびパラメータ変更プロセスは、シリコン基板１２０に対して所望される厚さが達成されるまで繰り返されてよい。さらに、これらの調節を実行する際に、熱源１１０とるつぼ１１４との間に配置され、熱源から溶融シリコンに入射される熱流束の変動を低減する異方性熱負荷平準化部材１１２を使用することを考えてもよい。これらの調節のそれぞれは、負荷平準化制御アプリケーション６１５によって実行される制御命令として実施されてもよい。加えて、これらの制御命令は、予めプログラムされていてもよく、あるいは、ユーザインターフェースコンポーネント６２０を介して人間オペレータによって入力されてもよい。このようにして、これらに限定されるものではないが、様々な温度、引っ張り速度、および厚さの測定結果などを含んだフィードバックが監視され、所望される厚さを有するシリコン基板を製造するべく、負荷平準化制御アプリケーション６１５による解析および処理のためにコンピュータシステム６００へと戻されてよい。
【００４３】
ここで用いられるように、"システム"、"デバイス"、および"コンポーネント"といった用語は、その例が例示的なコンピューティングアーキテクチャ６００によって与えられるハードウェア、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせ、ソフトウェア、または実行中のソフトウェアのいずれかである、コンピュータに関連した実体物を指すことを意図している。例えば、コンポーネントとは、これらに限定されるものではないが、プロセッサ上で動作するプロセス、プロセッサ、ハードディスクドライブ、（光学および／または磁気格納媒体の）複数の格納ドライブ、オブジェクト、実行ファイル、実行のスレッド、プログラム、および／またはコンピュータであることができる。例示として、サーバ上で動作しているアプリケーションおよびサーバの両者がコンポーネントであることができる。１つ以上のコンポーネントが、処理および／または実行スレッド内に存在することが可能であり、また、１つのコンポーネントが１つのコンピュータ上に局在すること、および／または、２つ以上のコンピュータ間で分配されることができる。さらに、動作を連係させるために、複数のコンポーネントが様々なタイプの通信媒体によって互いに通信可能に結合されてよい。連係することには、一方向性または二方向性の情報交換が含まれてよい。例えば、コンポーネントは、通信媒体を通じて通信される信号の形態で情報を通信してよい。情報は、様々な信号線に割り当てられる信号として実施することができる。そのような割り当てにおいては、各メッセージが信号である。しかしながら、さらなる実施例は、これに代わってデータメッセージを使用してよい。
【００４４】
特定の実施例を参照して本発明を開示してきたが、添付の請求項にて定義される本発明の範囲および領域から逸脱することなく、記載される実施例に対して多くの修正、変更、および変形が可能である。従って、本発明は、記載された実施例に限定されることを意図したものではなく、続く請求項の記載、およびその均等物により定義される全範囲を有することが意図される。
【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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