(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料の融液と、前記融液を含む容器と、前記融液の上方に設けられ前記融液の表面にシートを形成するための冷却プレートとを有するシート形成装置を用いたシート形成方法であって、
前記融液の表面を前記融液を含む前記容器のエッジより高い第１の高さとした状態で、種ウエーハを容器外から前記融液の表面に挿入するステップと、
前記挿入された種ウエーハを前記冷却プレートの近くの前記融液の表面に移動させるステップと、
前記融液の表面を前記第１の高さより低い第２の高さへ下げるステップと、
前記移動させた種ウエーハ及び前記冷却プレートによる冷却により、前記冷却プレートの近くの前記融液の表面において前記材料のシートの形成を開始するステップと、
前記シート及び前記種ウエーハを容器外へと引き出すことにより、前記引き出されたシートが、前記第２の高さを有し前記冷却プレートの近くの前記融液の表面に位置する第１の部分と、前記第１の高さを有し前記容器外にて前記融液と分離された状態で前記第１の部分と平行に支持される第２の部分と、前記第１の部分及び前記第２の部分の間において前記融液の表面と接しつつ傾斜する部分とを有するようにするステップと、
を含む、シート形成方法。
【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に記載の方法。
【請求項３】
前記融液及び前記シートを流すステップを、さらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
分離するステップ後に、流体力又は機械力のうちの少なくとも１つを用いて、前記第１の高さで、前記シートを支持するステップを、さらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
材料の融液と、前記融液を含む容器と、前記融液の上方に設けられ前記融液の表面にシートを形成するための冷却プレートとを有するシート形成装置を用いたシート形成方法であって、
前記融液の表面を前記融液を含む前記容器のエッジ以下の第１の高さとした状態で、種ウエーハを容器外から前記容器のエッジより高い第２の高さとした状態で前記融液の表面の上に挿入するステップと、
前記挿入された種ウエーハを前記冷却プレートの下で前記融液の表面の上に移動させるステップと、
前記融液の表面を前記第１の高さより高く上げて、前記種ウエーハの先端部をぬらして押し下げるステップと、
前記移動させた種ウエーハ及び前記冷却プレートによる冷却により、前記冷却プレートの近くの前記融液の表面において前記材料のシートの形成を開始するステップと、
前記シート及び前記種ウエーハを容器外へと引き出すことにより、前記引き出されたシートが、前記冷却プレートの近くの前記融液の表面に位置する第１の部分と、前記第２の高さを有し前記容器外にて前記融液と分離された状態で前記第１の部分と平行に支持される第２の部分と、前記第１の部分及び前記第２の部分の間において前記融液の表面と接しつつ傾斜する部分とを有するようにするステップと、
を含む、シート形成方法。
【請求項６】
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５に記載の方法。
【請求項７】
前記融液及び前記シートを流すステップを、さらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
分離するステップ後に、流体力又は機械力のうちの少なくとも１つを用いて、前記第２の高さで、前記シートを支持するステップを、さらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の部分の高さと前記第２の部分の高さとの間の差は、少なくとも一部は前記シートの厚さに基づいて決定される、請求項１又は５に記載の方法。
【請求項１０】
前記シートを移動させて持ち上げるステップにより、前記シートと前記融液との間にメニスカスを形成し、該メニスカスは前記シートの前記第１の部分と前記シートの前記第２の部分との間に配置され、前記メニスカスは前記シートの上面に対して、ある角度に向けられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記シートを移動させて持ち上げるステップにより、前記シートと前記融液との間にメニスカスを形成し、該メニスカスは前記シートの前記第１の部分と前記シートの前記第２の部分との間に配置され、前記メニスカスは前記シートの上面に対して、ある角度に向けられる、請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の部分の高さは前記第２の部分の高さより１ｍｍ低く、前記角度は約１１°である、請求項１０又は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、融液からのシートの取り出しに関する。
【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】
シートは、融液をこぼさずに、融液の表面から取り出さなければならない。従って、シートの下側と融液との間のメニスカスは、安定したままとするか又は容器に付着したままとしなければならない。これまでは、メニスカスの安定性を維持するために、メニスカスの融液側における圧力を低減させていた。一例では、ロー アングル シリコン シート（Low Angle Silicon Sheet:ＬＡＳＳ）方法は、シートを小さい角度に傾斜させて、融液上に引っ張りあげた。これは、融液内に大気圧に対し負圧を生成し、メニスカス間に圧力を与えた。別の例では、融液はスピルウェイ（spillway）のエッジを越えて流れ得る。スピルウェイのネイプ（nape）における流体の滴りは、メニスカスを安定させるように、融液内に負圧を与える。しかしながら、融液からシートを取り出す改善方法、特に、局所的な圧力で融液からシートを取り出す改善方法に対する技術のニーズがある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１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、融液の表面上で材料のシートを形成するように、材料の融液を冷却するステップを含む。第１のシートの高さの第１の領域の中でシートを形成する。シートが第１のシートの高さより高い第２のシートの高さを有するように、シートを第２の領域へ平行移動させる。シートを融液から分離する。
【００１０】
本発明の第２の態様により、シート形成方法を提供する。シート形成方法は、種ウエーハを材料の融液に挿入するステップを含む。融液は、融液を含む器のエッジより高い第１の高さの表面を有する。種ウエーハを融液の中で冷却プレートに近接する領域へ平行移動させる。融液の表面を第１の高さより低い第２の高さへ下げる。この領域の中の種ウエーハを用いて、融液上で材料のシートを形成する。シート及び種ウエーハを平行移動させ、シートを融液から容器のエッジで分離する。
【００１１】
本発明の第３の態様により、シート形成方法を提供する。シート形成方法は、種ウエーハを材料の融液に挿入するステップを含む。融液は、融液を含む容器のエッジ以下の第１の高さの表面を有する。種ウエーハを冷却プレートに近接する領域へ平行移動させる。種ウエーハを用いて、融液上で材料のシートを形成する。シートはこの領域に近接の第１の高さを有する。シート及び種ウエーハを平行移動させ、シートを融液から分離する。シートは、分離するステップ後に、第１のシートの高さより高い第２のシートの高さを有する。
【００１２】
本発明をより良く理解するために、以下に、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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】シートをるつぼに接合するメニスカスの側断面図である。
【図４】傾斜したシート用のメニスカス安定化の側断面図である。
【図５】融液の弾性及び浮力を用いるメニスカス安定化の側断面図である。
【図６】シリコン融液内のシリコンシートの側断面図である。
【図７】浮力を含むビーム偏向方程式の数値解を例示する図である。
【図８】最小のシートの長さが、持ち上げ高さに影響を受けないことを例示する図である。
【図９】弾性及び浮力を用いるシートの初期形成のための第１の実施形態を例示する図である。
【図１０】弾性及び浮力を用いるシートの初期形成のための第２の実施形態を例示する図である。
【図１１】弾性及び浮力を用いるシートの初期形成のための第３の実施形態を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
本明細書に開示した実施形態は、融液の静水圧を低減し、メニスカスを安定させる。シートが融液において形成されるような領域で、シートを融液内に水平に保つ間に、シートの弾性及び浮力の両方の特性を安定化のために用いる。これは、シートを上向きに傾斜させるのとは対照的に、シートを水平に浮かせるため、ＬＡＳＳに対して有利であり、主要な成長エッジでの圧力を避ける。さらに、弾性力及び浮力を用いることにより、シート形成領域を、メニスカスの安定化領域の上流の距離と関係なく、最適化することを可能にする。この最適化は、冷却プレート又は任意の加熱システムのような熱環境を調整することを含む。最後に、弾性及び浮力を用いることにより、複雑な角度制御の必要性を避ける。本明細書に開示した実施形態は、融液の流れを必要としないか、又は、特定の時間だけに融液が流れるため、融液が流れる前に、初期結晶化が発生し得る。これは種結晶の種付けを簡単にする。さらに、融液の流れは、メニスカスの安定化と関係なく、調整することができる。複雑なガスジェット制御も避けられる。
【００２５】
液体が気体と接触すると、メニスカス界面が形成される。この界面はヤング−ラプラス方程式に従う。二次元において、その方程式は
【数１】
0005848752.tif 000002
の形になる。ここで、ΔＰは界面間の圧力差、σは液体の表面張力、及び、Ｒは表面の曲率半径である。メニスカスの曲率半径は、メニスカスを表すラインの一次導関数及び二次導関数に関して表すことができる。
【００２６】
図３は、シートをるつぼに接合するメニスカスの側断面図である。メニスカス２７を間の圧力差は、重力（ρgy）による融液１０の静水圧に起因する。従って、ヤング−ラプラス方程式は、二階微分方程式になる。
【数２】
0005848752.tif 000003
この微分方程式は、２つの境界条件を必要とする。メニスカス２３は容器１６の壁に留められ、従って、その位置はｘ＝０に留まる。メニスカス２３がシート１３に付着するメニスカス２３の他の端部では、メニスカス２３は押さえつけられず、シート１３と共に成す角度は、固体及び液体のシリコンと気体との間の表面エネルギーにより決定される。その融液と接触する固体シリコンの場合、接触角は、約１１°とすることができる。従って、ｙ0は、ｘ＝０及び他の端部での接触角に、特定される。容器１６での最初の接触角及びシート１３との接触点の位置は、次いで、微分方程式に対する解により決定される。図３は、右側のグラフに１つの解を示す。凸状の解は、１１°の接触角を保持し、融液１０が約１ｍｍだけ容器１６の壁の上にある間に、可能である。かりに融液１０が容器１６の壁の上に１ｍｍより高かったなら、静水圧はメニスカス２３を押し出し、接触角は＞１１°となり、メニスカス２３は外側に動くであろう。これは、融液１０が容器１６のエッジを越えてあふれ出ることをもたらし得る。
【００２７】
図４は、傾斜したシート用のメニスカス安定化の側断面図である。ここで、メニスカス２３の凹形状は、大気圧（Ｐatmos）に対しての負圧（Ｐ1）によりもたらされ、これは、シート１３を持ち上げて、表面２４のような融液１０の表面に対して角度を成すことにより形成される。これは、シート１３が、容器１６の壁のエッジで、融液１０の高さより低い高さのシート１３の凝固最前部より高くなることを可能にする。しかしながら、この傾斜は、冷却プレート１４により画定される凝固領域も持ち上げる。シート１３の垂直位置は、引っ張り装置により制御することができる。冷却プレート１４の位置及び長さは、少なくとも部分的に、角度及び高さにより決定される。この冷却プレート１４は、容器１６のエッジにごく接近している必要性が高い。
【００２８】
図５は、融液の弾性及び浮力を用いるメニスカス安定化の側断面図である。弾性及び浮力により、シート１３が、水平に引っ張られ、「支持テーブル」２２により支持されることを可能にするが、「支持テーブル」２２は、ガスベアリング又はガステーブルとすることができ、又は、ローラー又は当業者に既知の他の機構を有することができる。従って、支持テーブル２２は、シート１３を支持するために、流体力又は機械力を用いることができる。支持テーブル２２は、表面２４であり得る融液１０の高さより上にあるが、シート１３の融解の端部は、容器１６内の融液１０上に水平に維持される。シート１３は、冷却プレート１４に近接した第１の領域２９で、第１のシートの高さ２５を有し、融液１０から分離後に、第１のシートの高さ２５より高い第２のシートの高さ２６を有する。この第２のシートの高さ２６は他のどこかであり得るけれども、例えば、第２の領域３０にあり得る。支持テーブル２２は、シート１３をこの第２のシートの高さ２６で支持することができる。冷却プレート１４の、容器１６のエッジからの最小距離は、計算することができるが、表面２４での融液１０の高さに対する支持テーブル２２の高さの制約は、避けることができる。この支持テーブル２２は、一例では、上曲面又は部分的な上曲面を有し、メニスカス２３の近くのシート１３の曲率にマッチさせる。メニスカス２３を安定させるために、負の静水圧を用いることができる。
【００２９】
図６は、シリコン融液内のシリコンシートの側断面図である。シート１３は融液１０に接触する。図６に例示するシート１３の右端は、ｙ0（水平点線により例示する）で、少なくとも部分的に、融液１０の表面の上に持ち上げられ、一方、シート１３の左端は、自由であり、ｙ0より下である。シート１３の形状は、シート１３への垂直力により決定され、垂直力は、重力の他に融液１０の静水圧も含む。シート１３が浮力点の上に持ち上げられる場合、部分的に浮力により、この静水圧は、上向きにかそれとも下向きにすることができる。シリコンの弾性は、シート１３全体に沿う力により、シート１３の形状が作用されるのを引き起こすことができる。この形状は、一例では、ｘの関数として垂直位置ｙで定義することができる。
【００３０】
これは、「ビーム偏向方程式」により説明される。この方程式では、Ｍはビーム又はシート１３に沿う曲げモーメントであり、Ｖはビーム又はシート１３に沿うせん断であり、ｑはビーム又はシート１３に沿う力（Ｎ／ｍ）の分布であり、Ｉzは慣性の重心モーメントであり、Ｅは固体内の弾性率である。
【数３】
0005848752.tif 000004
ｘでのシート１３の曲率は、ｘでの曲げモーメントに依存し、その曲げモーメントは、ｘとシート１３の端との間のシート１３への分散した力を積分することにより決定される。この力は浮力を含むため、各点（すなわち、形状）でのシート１３の垂直位置は、その形状について解くために、知らなければならない。これは、反復法又は緩和法により達成することができる。シート１３の形状の多項式表現ｙpoly（ｘ）を用いて、このプロセスを最初に行うことにより、ｙinteg（ｘ）を、積分を用いて解くことができる。多項式係数を変化させることにより、ｙpoly（ｘ）とｙinteg（ｘ）との間の差を最小にする値を見出すことができ、これが解を生み出す。
【００３１】
図７は、浮力を含むビーム偏向方程式の数値解を例示する。図７は、解の収束の他にシート１３の出来上がった形状も示す。この計算では、シート１３は、左側で水平に支持される。曲げモーメントは浮力の効果を積分し、従って、シート１３は、それの浮く高さで水平になる。シリコンの密度は２．５３ｇ／ｃｍ2とし、シリコンの弾性率は１．４Ｅ１１Ｐａとした。
【００３２】
シリコンの弾性及びシリコン融液１０の浮力を利用することにより、シート１３が融液１０の表面の上にある間に、十分な持ち上げ力で、シート１３を、容器のエッジを越えて引っ張り、運ぶことができる。これは、負圧を生じ、メニスカスを安定させる。シート１３の自由端は、冷却プレートの下のような融液１０の表面の上を水平に浮かぶことができる。従って、シート１３は、正味の垂直力なしで、形成することができ、転位を低減することができる。冷却プレートは、任意に長くすることもでき、特定の速度で水平に引っ張る間に、シート１３をゆっくりと下へ成長させることができる。これは、シート１３への圧力も低減し、転位の数も低減する。
【００３３】
特定のシート１３の厚さに対して、融液１０の中の最小のシート１３の長さを計算することができる。３００μｍのシート１３の厚さに対して、シート１３は、長さ約３２ｃｍとすべきである。２００μｍのシート１３の厚さに対して、シート１３は、長さ約２４ｃｍとすべきである。１５０μｍのシート１３の厚さに対して、シート１３は、長さ約２０ｃｍとすべきである。１００μｍのシート１３の厚さに対して、シート１３は、長さ約１６ｃｍとすべきである。最小のシート１３の長さは、容器のエッジを越える持ち上げ高さに比較的影響を受けない。持ち上げが高くなればなるほど、シート１３を下へそらす静水圧力は、ますます大きくなる。図８は、最小のシートの長さが、持ち上げ高さに影響を受けないことを例示する。従って、このプロセスの実施形態は、自動修正式とすることができる。特定の実施形態では、シートが、融液の表面の下に押し込まれることなく、結晶化又は凝固の間に、融液の表面に浮かんでいるように、持ち上げ高さを計算する。
【００３４】
図９は、弾性及び浮力を用いるシートの初期形成のための第１の実施形態を例示する図である。種ウエーハ２７を挿入する前に、石英であり得る容器１６は、容器１６のエッジの少し上の高さまで融液１０で満たされており、融液１０の「メサ」を形成している。図９Ａでは、この表面２４は第１の高さを有する。融液１０により形成されるこのメサの高さは、流出を防ぐために、容器１６のエッジの上約１ｍｍより低くすることができる。
【００３５】
図９Ｂでは、種ウエーハ２７を融液１０に挿入する。これは、種ウエーハ２７の上及び下の両方にメニスカスを形成する。図９Ｃでは、融液１０の高さが下げられる。この表面２４は第１の高さより低い第２の高さを有する。種ウエーハ２７は、冷却プレート１４の近くの、又は、真下の領域に平行移動される。図９Ｄでは、冷却プレート１４の温度を下げることにより、シート１３を形成し始める。シート１３は種ウエーハ２７に付いている。図９Ｅに例示するように、シート１３を引っ張る時に、シート１３の弾性は、シート１３を融液１０上で上へ持ち上げる。
【００３６】
図９Ｆでは、シート１３を、融液１０から引き離し、又は、融液１０から分離する。負圧は、シート１３が容器１６の壁を通過した後でさえ、メニスカスを安定させる。図９Ｇでは、シート１３を融液１０から除去し続ける。融液１０の高さは、定常状態でメニスカスの安定性を確保するために、さらに、低くすることができる。特定の実施形態では、融液１０は、図９Ｇで例示する時点で流れ始めることができるが、融液１０は他の時点で流れ始めることもできる。冷却プレート１４と容器１６の壁との間の最小距離が維持される場合、シート１３が、冷却プレート１４の下で水平に浮く性質を維持する間に、融液１０の高さを、シート１３を引っ張る間中、下げることができる。これは、メニスカスの安定化を確保するために行うことができる。図９の実施形態では、種ウエーハ２７の挿入又は支持テーブル２２の高さ及び角度は、シート１３のための種付け及び引っ張りプロセスの間に、調整する必要はない。
【００３７】
図１０は、弾性及び浮力を用いるシートの初期形成のための第２の実施形態を例示する。図１０Ａでは、容器１６は、容器１６の壁の頂部以下の高さまで融液１０で満たされており、これにより、融液を流出する危険を低減する。図１０Ａでは、表面２４は第１の高さを有する。図１０Ｂでは、種ウエーハ２７は、融液１０の上で片持ち梁のようにされ、冷却プレート１４の下にある。種ウエーハ２７の端部は、種ウエーハ２７が融解温度より低く冷却される前に、冷却プレート１４の先頭エッジで融液１０の上にある。図１０Ｃでは、融液１０の高さを上げて、表面２４は第１の高さより高い第２の高さを有する。融液１０の高さは、種ウエーハ２７をぬらすまで上げることができ、これにより、種ウエーハ２７を押し下げる。
【００３８】
図１０Ｄでは、冷却プレート１４の温度を融液１０の融解温度より低く下げることにより、シート１３を形成し始める。種ウエーハ２７を、シート１３と共に、平行移動させ始めることができる。図１０Ｅに示すように、シート１３を引っ張る時に、種ウエーハ２７の弾性は、シート１３を上へ持ち上げる。図１０Ｆでは、シート１３を、融液１０から引き離し、又は、融液１０から分離する。負圧は、シート１３が容器１６の壁を通過した後でさえ、メニスカスを安定させる。図１０Ｇでは、シート１３を融液１０から除去し続ける。融液１０の高さは、定常状態でメニスカスの安定性を確保するために、さらに、低くすることができる。特定の実施形態では、融液１０は、図１０Ｇで例示する時点で流れ始めることができるが、融液１０は他の時点で流れ始めることもできる。
【００３９】
種ウエーハ２７の厚さが約０．７ｍｍ（３００ｍｍのエレクトロニクスグレードのウエーハに対応し得る）である場合、種ウエーハ２７は、２０ｃｍにわたる片持ち梁の垂下１ｍｍ未満を有する。種ウエーハ２７が、まだ、融液１０に接触しない場合に、方程式は、以下の最大偏位を生じるために、閉じた形式で解くことができる。
【数４】
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次いで、例えば、石英のプランジャーを融液に挿入することにより、又は、もっと多くのシリコンを加えることにより、融液１０の高さを上げることにより、融液１０は種ウエーハ２７と接触する。一旦、種ウエーハ２７がぬれると、融液１０は種ウエーハ２７の下に引き込まれ、容器１６の壁に付着するメニスカスを形成する。種ウエーハ２７は融液１０の高さの上にあるため、メニスカスでは減圧がある。凹形状を形成することができ、メニスカスの安定化を生じることができる。一旦、シート１３の引っ張り又は移送が始まると、結晶化を安定させるために、融液１０内の流れを始めることができる。特定の実施形態では、融液１０は、全ての時点で流れることができ、融液１０の高さを上げた後に、種ウエーハ２７の平行移動を始めることができる。
【００４０】
図１１は、弾性及び浮力を用いるシートの初期形成のための第３の実施形態を例示する。図１１Ａでは、容器１６は、容器１６のエッジ以下の高さまで融液１０で満たされている。図１１Ａでは、表面２４は第１の高さを有する。種ウエーハ２７は、種ホルダー２８により保持され、種ホルダー２８は、種ウエーハ２７を下げて融液１０に入れることができ、種ウエーハ２７を他の方向に平行移動することができる。この場合、種ウエーハ２７は、他の長さが可能であるけれども、冷却プレート１４と長さが大体同じだけである。図１１Ａでは、種ウエーハ２７を冷却プレート１４の下で動かし、そこで、種ウエーハ２７は融液１０の温度より下で冷える。図１１Ｂでは、次いで、種ウエーハ２７を下げて融液１０に入れ、図１１Ｃでは、種ウエーハ２７の水平方向の引っ張り又は移動を開始する。シート１３が形成され、種ウエーハ２７に付く。一例では、シート１３の形成に役立つため、種ウエーハ２７が融液１０に接触した後、冷却プレート１４の温度を下げることができる。種ホルダー２８又は種ウエーハ２７が容器１６の壁に達する前に、図１１Ｄに示すように、種ホルダー２８を持ち上げ、次いで、種ウエーハ２７及びシート１３を上へ持ち上げる。この持ち上げは、シート１３の真下に減圧を生成し、種ウエーハ２７及びシート１３が容器１６の壁を通り越す時に、容器１６の壁に形成されたメニスカスを安定させる。図１１Ｅに示すように、シート１３を引っ張る時に、種ウエーハ２７の弾性は、シート１３を上へ持ち上げる。図１１Ｆでは、シート１３を、融液１０から引き離し、又は、融液１０から分離する。負圧は、シート１３が容器１６の壁を通過した後でさえ、メニスカスを安定させる。図１１Ｇでは、シート１３を融液１０から除去し続ける。融液１０の高さは、定常状態でメニスカスの安定性を確保するために、さらに、低くすることができる。特定の実施形態では、融液１０は、図１１Ｇで例示する時点で流れ始めることができるが、別の実施形態では、融液１０は、図１１のプロセスの間中、流れていることができる。
【００４１】
図９〜１１は、図１に例示するように、スピルウェイ（spillway）を用いないのに、代替の実施形態は、このスピルウェイを用いることができる。このような場合、融液はスピルウェイを越えて流れるが、メニスカスは、種ウエーハ又はシートと共に、なお形成する。
【００４２】
この方法の実施形態は、シートの厚さに依存して、容器のエッジと冷却プレートとの間の最小距離を必要とし得る。次いで、シリコンの弾性及び浮力は、冷却プレートの下の結晶化から容器の壁にわたるメニスカスの安定化を分離する。結晶化又は凝固が生じる領域は、融液からの分離が生じる領域から、分離することができる。両方の領域は、最適化された熱的特性を有することができ、又は、他に影響を与えることのない、異なる熱的条件を有することができる。例えば、一方の領域では、凝固温度を最適化することができ、他方の領域では、等温に保つことができる。これは、融液を流出しない可能性があり、シートを水平方向に引っ張り又は平行移動することも可能にする。シートを水平方向に引っ張り又は平行移動することは、シートの先頭エッジでの圧力を避ける。融液又はシートの種付け、引っ張り又は移送の間に、角度の調整は必要ではない。シートは、正味の垂直圧力なしで、冷却プレートの下で、水平に浮かんでいることができ、これは、シートの品質を向上し、結晶内の転位を低減する。融液の流れの速度は、シートの引っ張り又は移送の速度とは無関係にすることができ、これは、結晶の初期形成プロセスの間に、融液の流れをゼロに設定することができる。これは、種付けプロセスを簡単にする。
【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】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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