(57)【要約】  結晶化るつぼ（１）の中において、熱源（３）と冷却システムとによって、温度勾配が設定される。上記冷却システムは、熱交換器（１７）と調節可能な付加的熱源（１８）とを備える。上記冷却システムは好ましくは、誘導コイル（１０）の中を循環する冷却剤液体で冷却される該誘導コイル（１０）によって、かつ、上記るつぼ（１）と上記誘導コイル（１０）との間に置かれた導電性誘導サセプタ（１１）によって、形成される。この製造方法は、上記るつぼ（１）をその上端を介して加熱するステップと、上記熱交換器（１７）によって、かつ、調節可能な上記付加的熱源（１８）の調節によって、上記るつぼ（１）から下方への熱抽出を制御するステップとを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱手段（３）と、結晶化るつぼ（１）の中に温度勾配を設定するように構成された冷却手段とを備え、指向性結晶化によって結晶性物質のブロックを製造するための装置において、前記冷却手段（２２）が、熱交換器（１７）と調節可能な付加的熱源とを備え、前記冷却手段（２２）が、誘導コイル（１０）の中を循環する冷却用流体で冷却される誘導コイル（１０）と、前記るつぼ（１）と前記誘導コイル（１０）との間に置かれた導電性誘導サセプタ（１１）とを備えていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記サセプタ（１１）が、赤外線を吸収する熱伝導性物質から形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記サセプタ（１１）が、黒鉛あるいは炭化ケイ素から形成されることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記サセプタ（１１）が、前記るつぼ（１）のための支持体を形成していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記サセプタ（１１）が、誘導加熱を局部的に減少させることができるとともに前記るつぼ（１）から前記誘導コイル（１０）への熱除去を局部的に誘発することもできる、より低い表面電気伝導度の帯域（１５）を備えていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
より低い表面電気伝導度の前記帯域（１５）が、
−穴によって、
−前記サセプタの材料よりも低い電気伝導度がある材料によって、
−あるいは、前記サセプタ（１１）よりも薄い厚さを有する帯域によって、
形成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記誘導コイル（１０）の周りに配置されたシリカ板（２３）を備えていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
前記るつぼ（１）が、不純物のない非晶質シリカから形成される透明な底壁（７）を備えていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
前記装置が、前記熱交換器（１７）の上方に置かれた取り外し可能なフェルト（１９）を備えていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置を使用する指向性結晶化によって、結晶性物質のブロックを製造するための方法であって、
−前記結晶化るつぼ（１）の中に温度勾配を設定するために、前記るつぼ（１）をその上端を介して加熱するとともに前記るつぼ（１）をその底壁を介して冷却するステップと、
−前記熱交換器（１７）によって、かつ、調節可能な前記付加的熱源（１８）の調節によって、前記底壁を介する前記るつぼ（１）からの熱除去を制御するステップと
を備える方法において、
前記冷却手段（２２）が、前記誘導コイル（１０）の中を循環する冷却用液体によって冷却される前記誘導コイル（１０）によって、かつ、前記るつぼ（１）と前記誘導コイル（１０）との間に配置された導電性誘導サセプタ（１１）によって、形成されており、
−前記方法が、前記誘導コイル（１０）によって加熱するとともに前記誘導コイル（１０）の中を循環する冷却用液体によって冷却するステップを同時に備え、かつ、
−前記方法が、前記誘導コイル（１０）の電力供給の削減による前記加熱の連続的削減を備え、一方、前記るつぼ（１）の中で凝固前面（１６）が前記サセプタ（１１）から離れて前進する、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
結晶化の前に、前記加熱手段（３）と、調節可能な前記付加的熱源（１８）とを使用して、結晶化される物質を溶融させるステップを備えていることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱手段と、結晶化るつぼの中に温度勾配を設定するように構成された冷却手段とを備え、この冷却手段が熱交換器と調節可能な付加的熱源とを備え、指向性結晶化によって結晶性物質のブロックを製造するための装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
文献である国際公開ＷＯ２００４／０９４７０４号パンフレットには、指向性結晶化によって結晶性物質のブロックを製造するための装置が記載されている。この物質は、典型的にはシリコンである。図１に表わされたように、上記装置は結晶化るつぼ１を備えており、そのるつぼの底壁７によって熱が抽出される。結晶化るつぼ１の底壁７は、側壁８の熱伝達特性よりも大きい熱伝達特性を有している。熱勾配を発生させるために、加熱素子３および熱交換器４が、るつぼ１の上方および下方にそれぞれ配置されている。
【０００３】
シリコンの凝固のための温度勾配には、効率的な熱抽出が必要である。るつぼ１の異方性特性によって、実質的に平坦で平行な等温平面を得ることができる。従って、凝固前面は、るつぼ１の底壁７に対して平行な方向において実質的に平坦である。
【０００４】
シリコンの結晶化が起きると、固相５の厚さは、図１において矢印２０によって表わされたように、上記凝固前面がるつぼ１の底壁７から離れて上方へ進むように、増大する。シリコンの溶融温度は１４１０℃であり、１４１０℃の等温平面はその後、結晶化処理の間におけるるつぼ１の底壁７での温度減少に起因して、るつぼ１の底壁７から離れる。
【０００５】
るつぼ１の底壁７での凝固物質の量の増大は、耐熱性の増大を伴う。しかしながら、固体／液体界面での温度勾配を一定に維持するためには、熱交換器４によって除去された熱容量は凝固事象を通して実質的に一定のままであることが必要である。このため、その後、調整を行わなければならない。
【０００６】
従って、熱交換器４は例えば冷却剤流体回路を備えており、また、用途にもよるが、その流体は、合成オイルであってもよく、あるいは、高温で作動する流体、例えばヘリウム液化機が必要であるときにはきわめてコストが高いヘリウムのような加圧されたガスであってもよい。除去された出力が凝固事象を通して一定に維持されることを保証するために、冷却剤流体の温度を制御された方法で変化させることは可能である。
【０００７】
例えば、文献である国際公開ＷＯ２００４／０９４７０４号パンフレットには、図２に示されたように、るつぼ１の底壁７と冷却手段４との間に配置された黒鉛フェルト９について記載されている。この黒鉛フェルト９はシリコンの凝固の間に圧縮される。それによって、黒鉛フェルト９の厚さは減少し、また、その熱伝導率は増大する。従って、黒鉛フェルト９の伝導性による熱伝達は、上記凝固処理の間に制御することができる。黒鉛フェルト９は、冷却を制御するために、次第に除去することもできる。るつぼ１の中における温度勾配は典型的には、８℃／ｃｍ〜３０℃／ｃｍの間のある値で制御されるとともに維持される。
【０００８】
水冷システムもまた存在している。しかしながら、実施するには複雑である水の蒸発からの潜熱が利用されない限り、広い温度範囲にわたって温度を制御することは困難である。
【０００９】
文献である米国特許第６２９９６８２号明細書には、光起電性用途のためのシリコンインゴットを製造する装置が記載されている。この装置は、るつぼの上方に配置された加熱システムと、そのるつぼの下方に配置された冷却手段とを備える。るつぼの下方には、該るつぼの底壁で除去された熱を制御するために、熱源も配置されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、これらの短所を改善することであり、さらに詳しくは、効率的な温度調節を達成し、それに加えて、上記装置の実施コストを削減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、この目的は、添付の特許請求の範囲によって達成され、さらに詳しくは、冷却手段が、誘導コイルの中を流れる冷却用流体で冷却される誘導コイルと、るつぼと上記誘導コイルとの間に配置された導電性誘導サセプタとによって設けられている、という事実によって達成される。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、本発明による装置を使用する指向性結晶化によって、結晶性物質のブロックを製造するための方法であって、
−結晶化るつぼの中に温度勾配を設定するために、上記るつぼをその上端を介して加熱するとともに上記るつぼをその底壁を介して冷却するステップと、
−熱交換器によって、かつ、調節可能な付加的熱源の調節によって、上記底壁を介する上記るつぼからの熱抽出を制御するステップと
を備え、
−上記冷却手段が、上記誘導コイルの中を循環する冷却剤液体によって冷却される誘導コイルによって、かつ、上記るつぼと上記誘導コイルとの間に配置された導電性誘導サセプタによって、設けられており、
−上記方法が、上記誘導コイルによって加熱するとともに上記誘導コイルの中を循環する冷却剤液体によって冷却するステップを同時に備え、かつ、
−上記方法が、上記誘導コイルの電力供給の削減による上記加熱の連続的削減を備え、一方、上記るつぼの中で凝固前面が上記サセプタから離れて前進する
方法を提供することである。
【００１３】
他の利点および特徴構成は、単に非限定的な例として付与され、かつ、添付図面に表わされた本発明の特定の実施形態についての以下の説明から、いっそう明らかになる。
【発明の実施の形態】
【００１４】
図２に示された製造装置は、結晶化るつぼ１の中に温度勾配を設定するように構成された熱源３および冷却システム２２を備える。冷却システム２２は、熱交換器１７と、調節可能な付加的熱源１８、例えば抵抗加熱素子、赤外線加熱素子あるいは他の適切な調節可能な加熱素子とを備える。熱交換器１７は、矢印２１によって模式的に表わされた水冷回路を備えるのが好ましい。熱交換器１７はるつぼ１の全幅にわたって延びていてもよい。
【００１５】
従って、上記るつぼからの熱抽出は、制御することができ、また、同時に、一定出力の熱交換器の利点、とりわけその簡単な実施という利点から恩恵を受ける。
【００１６】
上記装置は、熱交換器１７の上方と調節可能な付加的熱源１８の下方とに置かれた取り外し可能なフェルト１９を備えてもよく、これによって、熱源１８と熱交換器１７との間における熱放射を防止するためのスクリーンが形成され、従って、るつぼ１からの熱抽出をさらに制御することが可能になる。取り外し可能なフェルト１９を熱源１８と熱交換器１７との間に置くことによって上記熱抽出が削減され、一方、フェルト１９を取り外すと、熱源１８によって生じた放射線の直接排出が熱交換器１７の方向において可能になる。
【００１７】
図３に示された好ましい実施形態では、冷却システム２２は、誘導コイル１０の中で循環する冷却剤液体によって冷却される誘導コイル１０と、るつぼ１と誘導コイル１０との間に配置された電気・熱伝導性の誘導サセプタ１１とを備える。
【００１８】
従って、誘導コイル１０と誘導サセプタ１１との組み合わせによって、調節可能な付加的熱源１８がもたらされる。この調節は誘導コイル１０のための電源２４（図３を参照）によって行われる。同時に、熱交換器１７は、誘導コイル１０と、図３における矢印２１によって示された、誘導コイル１０の中を流れる冷却液からなっているその冷却回路とを備えるユニットによって、形成されている。
【００１９】
例えば、抵抗加熱素子によって、付加的な誘導コイルおよびその付加的サセプタによって、あるいは、例えば赤外線加熱手段のような他の任意の適切な加熱手段によって形成された熱源３が、るつぼ１の上方に置かれている。誘導コイル１０は上記るつぼの下方に配置されている。誘導サセプタ１１はるつぼ１と誘導コイル１０との間に設置されている。るつぼ１は、不純物のない非晶質シリカから形成される赤外線の透過が可能である透明な底壁７を備えるのが好ましい。上記のように、取り外し可能なフェルト１９が使用されるときには、この取り外し可能なフェルト１９は、誘導コイル１０と誘導サセプタ１１との間に置くことができる。
【００２０】
従来技術による誘導コイルは典型的には、この誘導コイルの中で循環する冷却用液体によって冷却される。しかしながら、加熱用誘導コイルは、従来は加熱される対象物と熱的に接触することがなく、また、この対象物から熱的に絶縁することさえできる。このため、冷却は、上記コイル自体にだけ施され、加熱される上記対象物には施すことができない。
【００２１】
サセプタ１１は、赤外線を吸収する熱伝導性物質、例えば導体および良好な黒体である黒鉛あるいは炭化ケイ素から形成されるのが好ましい。従って、るつぼ１の底壁７から放出された熱は、るつぼ１に対向して配置された上記サセプタの面１２によって吸収され、サセプタ１１を介して移送され、次いで、誘導コイル１０に対向して配置されたサセプタ１１の面１３を経て再放出される。誘導コイル１０によって、熱の排出が可能になる。サセプタ１１によって、るつぼ１のための支持体を形成することができ、また、サセプタ１１とるつぼ１との間で良好な熱交換が可能になる。誘導コイル１０は、短絡を防止するとともに隣接する黒鉛１４へのスパークの形成を防止するために、例えばシリカ板２３を使用して電気絶縁帯域に置かれるのが好ましい。図３に表されたように、シリカ板２３は誘導コイル１０の周りに配置される。
【００２２】
サセプタ１１は平坦な板で簡単に形成することができる。特定の実施形態では、サセプタ１１に、誘導加熱を局部的に減少させることができるとともにるつぼ１から誘導コイル１０への熱抽出を局部的に誘発することもできる、より低い表面電気伝導度の帯域１５が備わっている。従って、より低い表面電気伝導度の帯域１５の反対側に設置されたるつぼ１の上記帯域はほとんど加熱されることなく、それによって、結晶化のための核生成中心が形成される。加えて、より低い表面電気伝導度の帯域１５の反対側にあるるつぼ１の上記帯域はより良好に冷却されるが、その理由は、より低い表面電気伝導度のこれらの帯域１５によってもまた、るつぼ１から誘導コイル１０へ向かう熱除去が局部的に誘発されるからである。
【００２３】
より低い表面電気伝導度の帯域１５は例えば、図４に示されるように、サセプタ１１の中に配置された穴によって形成される。より低い表面電気伝導度の帯域１５は、サセプタ１１の材料よりも低い電気伝導度を有する材料によって、あるいは、上記サセプタよりも薄い厚さを有する帯域によって、形成することもできる。より低い表面電気伝導度の帯域１５の横寸法は、上記サセプタの厚さに等しいかあるいはそれよりも大きいのが好ましい。より低い表面電気伝導度の帯域１５間の距離は例えば、寸法が数十デシメートルのサセプタについては１０ｃｍである。
【００２４】
本発明による装置を使用する指向性結晶化によって結晶性物質のブロックを製造するための方法は、結晶化るつぼ１の中に温度勾配を設定するために、るつぼ１をその上端を介して加熱するとともにるつぼ１をその底壁を介して冷却するステップを備えている。上記方法は、熱交換器１７によって、かつ、調節可能な付加的熱源１８の調節によって、るつぼ１から下方への熱抽出をさらに備えている。熱交換器１７は、熱交換器１７の実施を簡単にする一定の形態において、特に作動することができる。
【００２５】
本発明による装置を使用する指向性結晶化によって結晶性物質のブロックを製造するための方法は、一方では特に誘導コイル１０およびそのサセプタによる加熱ステップを備え、他方では誘導コイル１０の内側を流れる冷却用液体による同時冷却ステップを備えている。凝固前面１６が、るつぼ１の中で進行して、図３において矢印２０によって表されたように、サセプタ１１から上方方向へ離れ、加熱は、誘導コイル１０への電力供給を減少することで次第に減少し、上記冷却用液体は誘導コイル１０の内側を一定方式で循環して流れることができる。
【００２６】
上記方法は、結晶化の前に、熱源３と、例えば誘導コイル１０およびそのサセプタ１１が備わっている調節可能な付加的熱源１８とを使用して、結晶化される物質を溶融させるステップをさらに備えていてもよい。このステップによれば特に、結晶化される物質は完全に溶融することができる。
【００２７】
本発明は、表された上記実施形態に限定されるものではない。さらに詳しくは、上記勾配は、必ずしも完全に設定されるものではなく、また、任意の軸、例えば水平軸あるいは傾斜軸に沿って方位付けられてもよい。後者の場合、上記の加熱手段および冷却手段はそれぞれ、上記勾配帯域のそれぞれの側部に配置される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１は、従来技術による、指向性結晶化によって結晶性物質のブロックを製造するための装置を示している。
【図２】図２は、本発明による装置の特定の実施形態を断面図で示している。
【図３】図３は、本発明による装置の特定の実施形態を断面図で示している。
【図４】図４は、本発明による装置のサセプタの特定の実施形態を平面図で示している。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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