(57)【要約】  本発明は、第１の部材(２)及び第２の部材(３)を備え、該第１の部材及び第２の部材が互いに対して移動可能な、半導体材料の凝固及び／又は結晶化するためのシステム用の熱交換器(１)であって、第１の部材は第１のパターンの起伏部(２１)を備え、第２の部材は第２のパターンの起伏部(３１)を備え、第１の起伏部が第２の起伏部と協働するように意図されている熱交換器(１)に関する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材(２；２ａ；２ｂ；２ｃ；２ｄ；２ｅ；２ｆ；２ｇ；２ｈ；２ｉ；２ｊ)及び第２の部材(３；３ａ；３ｂ；３ｃ；３ｄ；３ｅ；３ｆ；３ｇ；３ｈ；３ｉ；３ｊ)を備え、該第１の部材及び第２の部材が互いに対して移動可能な、特に、半導体材料の凝固及び／又は結晶化システム用の熱交換器（１）であって、
前記第１の部材は第１のパターンの起伏部(２１)を備え、前記第２の部材は第２のパターンの起伏部(３１)を備え、前記第１のパターンの起伏部は前記第２のパターンの起伏部と協働するように設計され、前記熱交換器は前記第２の部材に対する前記第１の部材の変位用の要素(９)を備え、熱交換される熱流束を制御できることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記変位用要素は、前記第１の部材と前記第２の部材との間の距離を、熱交換される所望の前記熱流束に応じて調節するための調整器(９２)を備えることを特徴とする、請求項１に記載の熱交換器。
【請求項３】
前記調整器は、少なくとも二つの異なる熱交換される熱流束又は少なくとも二つの異なる熱交換係数を得るために、前記第１の部材及び前記第２の部材を少なくとも二つの異なる距離で位置させることができることを特徴とする、請求項２に記載の熱交換器。
【請求項４】
前記調整器は、前記二つの部材の間の距離を、熱交換表面面積が最小となる第１の位置と、前記熱交換表面面積が最大となる第２の位置との間で連続的に変化させることができることを特徴とする、請求項２又は３に記載の熱交換器。
【請求項５】
前記第１のパターンの起伏部は凹部(２３)及び凸部(２２)を備え、前記第２のパターンの起伏部は凹部(３３)及び凸部(３２)を備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項６】
前記凸部の間隔及び前記凹部の間隔が、前記第１の部材及び前記第２の部材の一つの次元に沿って可変であることを特徴とする、請求項５に記載の熱交換器。
【請求項７】
前記凸部の高さが、前記第１の部材及び前記第２の部材の少なくとも一方の一つの次元に沿って可変であることを特徴とする、請求項５又は６に記載の熱交換器。
【請求項８】
前記第１のパターンの起伏部及び前記第２のパターンの起伏部は、凸部が凹部に入り込むことで協働することを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項９】
前記第１のパターンの起伏部は、前記第２のパターンの起伏部の凹部の傾斜した側面と平行な傾斜した側面を有する凸部を備えることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１０】
前記第１のパターンの起伏部及び前記第２のパターンの起伏部は、平行六面体の構造であって、特に、同じ長手方向軸線に沿って配置される構造を有することを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１１】
前記第１のパターンの起伏部の凸部は、前記第１の部材の他の部分を構成する材料と異なる熱特性を示す第１の材料(２４;２４ｈ;２４ｉ;２４ｊ)であって、特に、断熱特性を有する第１の材料で覆われていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１２】
前記第２のパターンの起伏部の凸部は、前記第２の部材の他の部分を構成する材料と異なる熱特性を示す第２の材料(３４；３４ｈ；３４ｉ；３４ｊ)であって、特に、断熱特性を示す第２の材料で覆われていることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１３】
前記第１の部材の材料と前記第２の部材の材料とは、異なる熱特性を有していることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１４】
前記第１の部材は、坩堝(４)又は鋳型に熱的に接続するように設計されていることと、前記第２の部材は、冷熱源(５)に熱的に接続するように設計されていることとを特徴とする、請求項１から１３のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１５】
前記坩堝と前記第１の部材との間に、調節可能な厚みの気体を含むための第１の要素を備えること、及び／又は、前記冷熱源と前記第２の部材との間に、調節可能な厚みの気体を含むための第２の要素を備えることを特徴とする、請求項１４に記載の熱交換器。
【請求項１６】
前記第１の部材の凸部及び／又は前記第２の部材の凸部の少なくとも一方は、前記第１の部材及び前記第２の部材の特定の相対位置において、前記第２の部材の凹部の底及び／又は前記第１の部材の凹部の底と接触するような寸法にされていることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載の熱交換器。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の熱交換器を備える、半導体材料を凝固及び／又は結晶化するためのシステム。
【請求項１８】
請求項１から１６のいずれか一項に記載の熱交換器を用いて、半導体材料を凝固及び／又は結晶化するためのプロセスであって、
前記第２の部材に対して前記第１の部材を位置付けるためのステップと、
前記坩堝から前記冷熱源へと、前記熱交換器の前記第１の部材及び前記第２の部材を介して熱伝達するためのステップと
を含むことを特徴とするプロセス。
【請求項１９】
前記位置付けるためのステップは、前記熱伝達するためのステップの間に実行されることを特徴とする、請求項１８に記載のプロセス。
【請求項２０】
前記熱交換器の熱交換係数が、前記凝固及び／又は前記結晶化の開始と終了との間で変化することを特徴とする、請求項１８又は１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、坩堝又は鋳型の底を介した抜熱による、坩堝又は鋳型における半導体の方向性凝固の技術分野に関する。好ましくは、本発明は、固相において１０９Ｊ／ｍ３超の潜熱及び／若しくは５０Ｗ／ｍ℃未満の熱伝導率の材料、並びに／又は、０.０１℃ｍ２／Ｗ超の熱抵抗を有する材料／坩堝の組合せに関する。詳細には、本発明は、坩堝又は鋳型に入れられた材料、特に、光起電力用途向けの半導体材料を冷却することができる熱交換器に関する。また、本発明は、このような熱交換器を用いる、半導体材料を凝固及び／又は結晶化するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、光起電性シリコンの多結晶インゴットの成長の過程といった、高い融点(＞１０００℃)の材料の坩堝内での方向性凝固の過程において、方向性凝固は、坩堝の底の冷却を制御することで行われる。図１に示すように、従来技術では、熱流束が、坩堝の下に置かれた組立体(坩堝を支持する組立体の場合もある)から、放射によって抜き出される。より正確には、方向性を有するように部分的に凝固される、液相ＭＬ及び固相ＭＳの材料が、上部に開口を有する坩堝Ｃｒに入れられている。坩堝は、該坩堝のための機械的な支持体として用いられ得る高温組立体ＳＲ上に置かれる。高温組立体は、材料から抜き出された熱流束を、低温組立体ＳＦへと、高温組立体と低温組立体との二つの間の熱交換を制御することができる装置を介して伝える。熱交換の制御は、例えば、放射を決定する要素体ＦＶを介して(形態係数を介して)、放射によって行われる。相補的な方法では、熱交換の制御は、例えば、高温組立体と低温組立体との間の熱伝導を介しても行われる。
【０００３】
抜き出される熱流束の上限値は、熱交換の原理、高温組立体ＳＲの表面の面積及び低温組立体ＳＦの表面の面積、高温組立体ＳＲ及び低温組立体ＳＦの間の形態係数、使用される材料の特性(熱伝導率、熱放射率)、並びに、抜き出される熱流束に依存する組立体の温度によって決定される。材料(液相ＭＬ及び固相ＭＳ)から抜き出される熱流束は、いかなる場合でも、坩堝の下の組立体によって抜き出される熱流束よりも小さい。
【０００４】
抜き出される熱流束の下限値は、実施手段が抜熱に利用される物理的原理に依存する断熱(放射に対する遮蔽物、熱伝導する接触のない配置)、又は、高温組立体を加熱することによる熱の導入のいずれかによって決定される。熱の導入の場合には、熱流束は高温組立体からなお抜き出されるが、坩堝ＣＲと高温組立体との間の熱流束を排除又は著しく減少させ、それによって材料から出ていく熱流束を排除又は著しく減少させることができる。
【０００５】
抜熱の最も効果的な実施は、以下のことから成る。：
‐  下限をできるだけ低くすること、
‐  上限をできるだけ高くすること、及び
‐  調整範囲を、これら下限と上限との間で、理想的には追加的な消耗品なしに、予測可能且つ再現可能な方法で制御できる実施可能な手段を用いて、できるだけ連続的にすること。
【０００６】
別の言い方をすると、実施可能な範囲に渡って熱流束を変化させることで調節することができる抜熱(又は、材料から出てくる熱流束)が求められ、これは、範囲の限界まで達するために、坩堝又は特定の材料の使用を含む可能性がある。
【０００７】
光起電力用途向けのシリコンの方向性凝固の分野で使用される公知の工業用又は実験用システムのすべては、一般的に、坩堝の下に配置された、以下のいずれかの装置を通じて抜き出される熱流束を調整することができる。：
【０００８】
‐  主に放射による装置：
この場合、前記の調整は以下の三つのいずれかによって行われる。：
○ 高温組立体の放射表面と低温組立体の表面との間の形態係数を定義する(例えば、GTソーラーインターナショナル社(GT Solar International, Inc.)によって市販される装置DSS450HPにおける)遮蔽物の移動。
○ 例えば遮蔽物を介して前記放射が行われる、(例えば、株式会社クリスタルシステム(Crystal Systems, Inc.)によって市販される装置ヒートエクスチェンジャーメソッド(Heat Exchanger Method)における)高温組立体の放射表面の低温組立体の表面に対する移動。
○ 上限の抜熱の条件、別の言い方をすれば、材料からの抜熱をより小さくするために、坩堝の下で供給される熱流束によって制限される調節不可能な抜熱で固定された抜熱システムについての、(例えば、ALDバキュームテクノロジーGmbH社(ALD Vacuum Technologies GmbH)によって市販される装置SCU400plus又はSCU800plusにおける)加熱による坩堝の下の高温組立体の温度の制御。
【０００９】
‐  主に熱伝導による装置：
この場合、前記の調整は以下の二つのいずれかによって行われる。：
○ (例えば、株式会社クリスタルシステム(Crystal Systems, Inc.)によって市販される装置ヘリウムクールドヒートエクスチェンジャーメソッド(Helium Cooled Heat Exchanger Method)において)比較的冷たい流体を坩堝内に噴射することによる、坩堝の下にある低温組立体の温度の制御。
○ 高温組立体及び低温組立体を制御可能な熱抵抗体を介して接触させる動作。
【００１０】
一番目のタイプの装置では、熱流束の変化は、放射による熱交換の表面面積を変化させることで得られ、最大熱流束は、高温組立体の水平方向の断面積に最も近い最大熱交換面積によって制限される。
【００１１】
二番目のタイプの装置では、熱伝導／対流によって熱交換される熱流束の変化は、ある場合には、流体の流れの変化によって得られ、別の場合には、二つの伝熱板を隔てる気体の厚みの変化によって得られる。したがって、最大熱流束は、流体の最大流れ、熱伝導率、及び熱容量によって、又は、接触させられる二つの板の間の熱抵抗によって制限され、該熱抵抗による制限は、二つの向かい合う面の平面性における不可避の欠陥から生じる。
【００１２】
既存のシステムは、十分に大きな最大熱流束を低温で得ることができないが、高温では優れた断熱性を提供する。問題は、凝固される材料の高さが非常に高い場合、又は、坩堝が優れた断熱材である場合に、坩堝の下で大きな抜熱を維持できるかということである。別の言い方をすると、問題は、材料の温度が比較的低いときに、凝固される材料から抜き出すことができる熱流束を増加することにある。例えば、２０ｍｍのシリカの坩堝で、高さが２０から４５ｃｍの多結晶シリコンのインゴットの場合、８００〜１０００℃の範囲で放射する単一の表面から抜き出される熱流束は、限定される。この限定は、温度勾配及び凝固の速さを制限してしまう。
【００１３】
この問題に対する一つの解決策は、以下のように坩堝支持体の放射表面面積を、支持体の寸法を単に大きくするだけで増加することと推測することができる。：
・坩堝支持体の側面の放射表面を、冷表面を適合できる限り、増加することができる。これは、側面における抜熱を局所的にする、及び、不均一性を発生させるという欠点がある。また、この技術は、厚みによって熱伝導による熱抵抗を増やしてしまい、結果的に坩堝支持体を大きくさせてしまうという欠点もある。
・幅を広げることで坩堝支持体の底の放射表面面積を広げることができる。しかしながら、熱交換器のブロックは、抜熱の不均一性に影響を与えることなく、坩堝ましてやインゴットより大幅に広げることはできない。そのため、表面面積の増加による熱流束の増加の倍数は、この選択においては限定されたままである。
【００１４】
既存のシステムでは、坩堝の下方の面における熱流束の分配は、熱流束を増やすために選択された方法によって決まってしまうため、選択された熱流束の値に直に関連付けられる。しかしながら、このパラメータは、方法の各ステップ(固体の発生、結晶化、冷却)において、この分配を方法のあるステップから次のステップへ変更することができることが有利であるように、具体的な役割を果たす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、上記の問題を解決することができる熱交換器を提供し、従来技術から公知となっている熱交換器を改良することである。具体的には、本発明は、特に、光起電力エネルギーの分野において使用される半導体材料を凝固及び／又は結晶化する用途に向けて、坩堝又は鋳型から抜き出される熱流束を単純且つ正確に調節及び／又は制御することができる熱交換器を提供する。さらに、本発明は、このような熱交換器を用いる凝固及び／又は結晶化の方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明によれば、熱交換器、特に、半導体材料の凝固及び／又は結晶化システム用の熱交換器は、第１の部材及び第２の部材を備え、該第１の部材及び第２の部材は互いに対して移動可能である。前記第１の部材は第１のパターンの起伏部を備え、前記第２の部材は第２のパターンの起伏部を備え、前記第１のパターンの起伏部は、前記第２のパターンの起伏部と協働するように設計されている。
【００１７】
前記熱交換器は、前記第２の部材に対する前記第１の部材の変位用の要素を備えていてもよく、熱流束、特に、前記第１の部材と前記第２の部材との間で熱交換される熱流束を制御又は調整することができる。
【００１８】
前記変位用要素は、熱交換される所望の前記熱流束に応じて、別の言い方をすれば、前記熱交換器を通過するような熱流束に応じて、又は、凝固及び／又は結晶化の鋳型若しくは坩堝から抜き出されるような熱流束に応じて、前記第１の部材と前記第２の部材との間の距離を調節するための調整器を備えていてもよい。
【００１９】
前記調整器は、少なくとも二つの異なる熱交換される熱流束、又は、前記熱交換器の少なくとも二つの異なる熱交換係数、又は、二つの異なる熱交換係数を得るために、前記第１の部材及び前記第２の部材を少なくとも二つの異なる距離で位置させることができる。
【００２０】
前記調整器は、前記２つの部材の間の距離を、熱交換表面面積が最小となる第１の位置と、熱交換表面面積が最大となる第２の位置との間で連続的に変化させることができる。
【００２１】
前記第１のパターンの起伏部は凹部及び凸部を備えていてもよく、前記第２のパターンの起伏部は凹部及び凸部を備えていてもよい。
【００２２】
前記凸部の間隔及び前記凹部の間隔が、前記第１の部材及び前記第２の部材の一つの次元に沿って可変であってもよい。
【００２３】
前記凸部の高さが、前記第１の部材及び前記第２の部材の少なくとも一方の一つの次元に沿って可変であってもよい。
【００２４】
前記第１のパターンの起伏部及び前記第２のパターンの起伏部は、前記凸部が前記凹部に入り込むことで協働してもよい。
【００２５】
前記第１のパターンの起伏部は、前記第２のパターンの起伏部の前記凹部の傾斜した側面と平行な傾斜した側面を有する前記凸部を備えていてもよい。
【００２６】
前記第１のパターンの起伏部及び前記第２のパターンの起伏部は、平行六面体の構造であって、特に、同じ長手方向軸線に沿って配置される構造を有していてもよい。
【００２７】
前記第１のパターンの起伏部の前記凸部は、前記第１の部材の他の部分を構成する材料と異なる熱特性を示す第１の材料であってよく、特に、断熱特性を示す第１の材料で覆われていてもよい。
【００２８】
前記第２のパターンの起伏部の前記凸部は、前記第２の部材の他の部分を構成する材料と異なる熱特性を示す第２の材料であってよく、特に、断熱特性を示す第２の材料で覆われていてもよい。
【００２９】
前記第１の部材の材料と前記第２の部材の材料とは、異なる熱特性を示してもよい。
【００３０】
前記第１の部材は、坩堝又は鋳型に熱的に接続されるように設計されていてもよく、前記第２の部材は、冷熱源に熱的に接続されるように設計されていてもよい。
【００３１】
前記熱交換器は、前記坩堝と前記第１の部材との間に、調節可能な厚みの気体を含むための第１の要素を備えていてもよく、及び／又は、前記熱交換器は、前記冷熱源と前記第２の部材との間に、調節可能な厚みの気体を含むための第２の要素を備えていてもよい。
【００３２】
前記第１の部材の前記凸部及び／又は前記第２の部材の前記凸部の少なくとも一方は、前記第１の部材及び前記第２の部材の特定の相対位置において、前記第２の部材の前記凹部の底及び／又は前記第１の部材の前記凹部の底と接触するような寸法にされていてもよい。
【００３３】
本発明によれば、半導体材料を凝固及び／又は結晶化するためのシステムは、先に定義したような熱交換器を備える。
【００３４】
本発明によれば、半導体材料を凝固及び／又は結晶化するための方法は、先に定義したような熱交換器を用い、以下のステップを含む。：
‐第２の部材に対して第１の部材を位置付けるためのステップ。
‐坩堝から冷熱源へと、熱交換器の第１の部材及び第２の部材を介して熱伝達するためのステップ。
【００３５】
前記位置付けるためのステップは、前記熱伝達するためのステップの間に行われてもよい。
【００３６】
熱交換器の熱交換係数は、凝固及び／又は結晶化の開始と終了との間で変更してもよい。そのために、二つの部材の相対位置は、凝固及び／又は結晶化の間に変化させられてもよい。
【００３７】
添付の図面は、例として、本発明による熱交換器の様々な実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来技術から公知の熱交換器の略図である。
【図２】本発明による熱交換器の第１の実施形態の略図である。
【図３】本発明による熱交換器の第１の実施形態の詳細を示し、熱交換器が二つの構成で示されている略図である。
【図４】坩堝の下の温度の変化を、第１の部材及び第２の部材の凸部の高さの関数として例示するグラフである。
【図５】坩堝の下の温度の変化を、第１の部材の凸部の直線部分の表面の面積に対する第２の部材の凸部の直線部分の表面の面積の比率の関数として、熱流束の四つの所与の値について例示するグラフである。
【図６】本発明による熱交換器の第２の実施形態の略図である。
【図７】本発明による熱交換器を介して伝達される熱流束の変化を、第１の部材及び第２の部材の相対位置の関数として、坩堝温度の７つの所与の値について例示するグラフである。
【図８】本発明による熱交換器を介して伝達される最大熱流束の変化と、従来技術から公知の熱交換器を介して伝達される最大熱流束の変化とを、坩堝温度の関数として例示するグラフである。
【図９】本発明による熱交換器を介して伝達される最小熱流束の変化と、従来技術から公知の熱交換器を介して伝達される最小熱流束の変化とを、坩堝温度の関数として例示するグラフである。
【図１０】本発明による熱交換器によって可能とされた熱交換係数の大きさの変化を、坩堝温度の関数として例示するグラフである。
【図１１】本発明による熱交換器の第３の実施形態の略図である。
【図１２】本発明による熱交換器の第５の実施形態の略図である。
【図１３】本発明による熱交換器の第６の実施形態の略図である。
【図１４】本発明による熱交換器の第７の実施形態の略図である。
【図１５】本発明による熱交換器の第８の実施形態の略図である。
【図１６】本発明による熱交換器の第９の実施形態の略図である。
【図１７】本発明による熱交換器の第１０の実施形態の略図である。
【図１８】本発明による熱交換器の第１２の実施形態の略図である。
【図１９】本発明による熱交換器の第１３の実施形態の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図２に示す熱交換器１の第１の実施形態を以下に説明する。熱交換器１は、例えば、半導体材料、特に、光起電性半導体材料を凝固及び／又は結晶化するためのシステムに備えられる。凝固及び／又は結晶化システムは、例えば、炉の一部を形成する。
【００４０】
凝固及び／又は結晶化システムは、凝固及び／又は結晶化される材料６、７を収容するように設計された坩堝４(又は鋳型)と、坩堝を冷却するように設計された冷熱源５と、坩堝から冷熱源へと伝達される熱流束を調整するように設計された熱交換器１とを備える。材料は、液相７及び固相６を呈することができる。
【００４１】
熱交換器は、第１の部材２及び第２の部材３を備える。また、熱交換器は、第１の部材を第２の部材に対して移動させるための手段又は要素を備える。第１の部材は、第１のパターンの起伏部２１を備え、第２の部材は、第２のパターンの起伏部３１を備える。第１のパターンの起伏部は、第２のパターンの起伏部と協働するように設計されている。好ましくは、第１のパターンの起伏部及び第２のパターンの起伏部は、入れ子になる（互いに入り込む）ことで協働する。例えば、第１のパターンの起伏部及び第２のパターンの起伏部は、相補的であってもよい。
【００４２】
第１の部材及び第２の部材の第１の相対位置では、熱交換器は、第１の熱交換係数を示し、第１の部材及び第２の部材の第２の相対位置では、熱交換器は、第１の熱交換係数と異なる第２の熱交換係数を示す。具体的には、二つの相対位置の間では、第１の部材と第２の部材の対向する表面の面積が異なっており、そのため、熱交換係数が異なっている。具体的には、第１の部材と第２の部材の対向する表面の面積は、それらの凸部の対向する側部の表面の面積が相違するため、異なっている。
【００４３】
変位用要素９は、第１の部材及び第２の部材を、特に並進によって、互いに対して移動させることができる。この要素は、作動装置９１を備えている。
【００４４】
本発明による熱交換器は、坩堝又は鋳型から抜き出される熱流束を制御することができる。
【００４５】
前記の通り、第１の部材を第２の部材に対して動かすための要素は、熱交換される熱流束、特に、第１の部材と第２の部材との間で熱交換される熱流束を、具体的には、熱交換器の熱伝達係数を調整することで、制御又は調整することができる。
【００４６】
好ましくは、変位要素は、所望に熱交換される熱流束に応じて、別の言い方をすれば、熱交換器を通過するような熱流束に応じて、又は、凝固及び／又は結晶化において鋳型若しくは坩堝から抜き出されるような熱流束に応じて、第１の部材と第２の部材との間の距離を調節することができる調整器９２を備える。好ましくは、調整器は、第１の部材及び第２の部材を互いに対して位置付けする作動装置を制御又は駆動する。熱交換器を通じて所望に熱交換される熱流束に応じて、又は、所望の熱交換係数に応じて、調整器は、制御命令を決定し、その命令を作動装置に送信する。その命令を実施することで、作動装置は、熱交換器を通じて所望に熱交換される熱流束、又は、所望の熱交換係数を達成するために、第１の部材及び第２の部材を適切な方法で位置付ける。
【００４７】
調整器は、開ループ制御又は閉ループ制御を実施することができる調整要素を備えることができる。
【００４８】
調整器は、第１の部材と第２の部材との間の距離を、熱交換表面面積が最小となる第１の位置と、熱交換表面面積が最大となる第２の位置との間で連続的に変化させることができる。
【００４９】
熱交換器は、材料から坩堝又は鋳型を介して抜き出すことができる、熱流束の大きい値の範囲を、現在のシステムの限度を超えて拡大することができる。この範囲を拡大することで、材料の生産量及び生産性を、凝固されるインゴットの高さ及び／又は凝固の速さによって増加することができる。また、同じ速さ及び高さの結晶化を選択して特定の品質基準を高め、材料内の温度勾配を増大させて固相と液相との境界面でより幅広い範囲に渡って結晶化の速さ／温度勾配を制御することもできる。
【００５０】
具体的には、本発明による熱交換器は、凝固される材料から抜熱することができ、特に、材料が高温でインゴットへと結晶化する間に材料から抜熱することができる。この熱交換器は次のことができる。：
‐  熱交換器は、熱交換器の熱交換係数を、結晶化の開始と終了との間(例えば、シリコンの場合、第１の部材の温度について１４００℃と６００℃との間)で変化させることができる。高温では、放射によって自然に大きな熱流束が発生するため、熱交換器は、第１の部材及び第２の部材を離すように動かすことで、熱交換係数が小さくなる(例えば、３０Ｗｍ-２℃-１未満)ような位置に設定される。反対に、低温では、放射によって発生する熱流束は非常に低い。熱交換器は、第１の部材及び第２の部材を互いにより近付けることで、熱交換係数が大きくなる(例えば、６０Ｗｍ-２℃-１超)ような位置に設定される。したがって、抜き出される熱流束を、できるだけ一定に維持することができる。
‐  熱交換器は、熱交換器の熱交換係数の空間的な分布を選択することができる。
【００５１】
そのために以下のようなことが行われる。：
‐  熱交換器は、坩堝又は鋳型に対して熱的な接続を伴う第１の部材(高温部材)と、水タンクなどの冷熱源に対して熱的な接続を伴う第２の部材(低温部材)とを備え、
‐  相補的なフィンガープリント(fingerprints)又はパターンの起伏部であり、特に複雑な形状を備えた起伏部が、第１の部材及び第２の部材の対向する面に形成される。これらのフィンガープリントの形状は、それらの形作られた表面及び／又はそれらの空間的な分布及び／又はそれらの深さによって特徴づけることができ、
‐  第１の部材及び第２の部材の相対移動によって、二つの部材の間の熱交換表面面積を、熱交換面積が最小となる(部材間の間隔が大きく空けられた)断熱位置と、熱交換面積が最大となる(各部材が互いに入り込んだ)伝熱位置との間で連続的に変化させることができ、
‐  任意の選択により、第１の部材及び第２の部材の各々は、断熱機能及び伝熱機能を満たすことができる２種類の材料から構成される。このような混成によって、前述した熱交換器の特性のすべてを向上することができ、
‐  任意の選択により、第２の部材は、断熱機能を向上するために、冷熱源から隔てられていてもよく、また、第１の部材は、断熱機能を向上するために、坩堝から隔てられていてもよい。
【００５２】
第１の部材及び第２の部材の二つの対向する面における相補的なフィンガープリント又はパターンの起伏部の形成、並びに、第１の部材及び第２の部材の相対変位によって、図３に示すように、第１の部材及び第２の部材の一方の水平で真っ直ぐな区画の面積よりも相当に大きい面積を有する熱交換表面面積を形成することができる。これらの面積の比率は、例えば、１から１０までとすることができる。
【００５３】
この設計により、放射によって熱交換される熱流束を、公知の装置よりもかなり大きな値まで変化させることができる。また、この設計により、第１の部材及び第２の部材の間に配置された気体における熱伝導／対流による熱交換への寄与を加味することができる。この寄与は、第１の部材及び第２の部材の対向する面の間の遊びを選択することで調整可能である。達成可能な熱流束の範囲は、形状を選択することで調整することができ、放射によって抜き出される最大熱流束は、最大熱交換面積に依存し、また、熱伝導による熱交換への寄与は、第１の部材及び第２の部材の対向する面の間の遊びの厚み、及び、第１の部材及び第２の部材の間に配置された気体の熱伝導率に依存する。また、この範囲は、対向する第１の部材及び第２の部材の材料の特性を、それらの熱伝導率及び熱放射率を調整するように選択することでも調整可能であり、第１の部材及び第２の部材の表面の間の隙間を満たす気体の特性を選択することでも調整可能である。第１の部材及び第２の部材は、異なる材料の組合せから成っていてもよい。したがって、二つの対向する部材の単純な相対変位によって、所与の温度において第１の部材から抜き出される熱流束の制御された増加を、１０を超えることがある倍数まで、実現することができる。そのため、最大熱流束は、平坦な面を有する部材間での放射による通常の条件での熱交換において抜き出される最大熱流束よりも、１０倍まで、大きくすることができる。また、この倍数は、採用する条件(隙間、及び気体の特性)によっても大きく増加され得る。前記条件に対しては、第１の部材及び第２の部材の間にある気体の膜を通じた熱伝導／熱伝達による熱交換の寄与が大きな影響を与えることになる。
【００５４】
目標とされた最大熱流束に届くように、フィンガープリント又は起伏部の形状は、好ましくは以下の厳密な基準を満たすべきである。：
‐  凸部(例えば、楔)が長すぎる場合、熱抵抗は、与えられた材料の長さで増加し、凸部が短すぎる場合、熱交換表面面積は、二つの平坦な部材間での熱交換表面面積Ｓ０に対してほとんど増加しない。図４に示すように、凸部の最適な高さは、所望の熱流束の関数として変化する。熱流束が大きくなるにつれて、凸部の最適な高さは低くなるが、それは、凸部の熱抵抗による値の損失が結果的に増加するためである。
‐  この構造の別の制限は、第２の部材の伝熱性凸部の水平方向の表面に対する第１の部材の伝熱性凸部の水平面の面積の比によるものである。(凸部の高さ、所望の熱流束等に依存する)各形状は、最適条件を備えている。しかしながら、図５に示すように、放射による熱交換を容易にするために、第２の部材での凸部の温度に対して可能な限り高い温度を達成することができるように、第１の部材における突出した表面の面積はより大きいことが好ましい。
【００５５】
断熱位置において目標とされる最小熱流束に応じて、第２の部材を冷熱源から隔てることは、これら第２の部材と冷熱源と間に熱抵抗を生じさせるために有用であろうし、それによって、最小熱流束の値を小さくすることができる(例えば、３０Ｗｍ-２℃-１未満の係数を得られる)。
【００５６】
図６に示すように、第２の実施形態では、熱交換器は、端部が断熱材料２４、３４で覆われている伝熱材料の凸部を有する第１の部材２ａ及び第２の部材３ａを備える。したがって、第１の部材の断熱材と第２の部材の断熱材とが互いに面する位置(図６の左上方の略図により示される)において、第１の部材及び第２の部材は、連続する又は実質的に連続する断熱材料の層によって分けられている。
【００５７】
凸部の側部の伝熱面は、図６の上方中央の略図に示すように、第１の部材及び第２の部材の相対移動によって向かい合わされ、図６の右上方の略図に示すように、より広い範囲で向かい合わされる。
【００５８】
高温においてこのような複合的な熱交換器を実施することは、技術的には難しい。
【００５９】
その理由は、第１の部材及び第２の部材の互いに対する移動の間に、特に並進において、熱膨張及び機械的遊びが問題を引き起こすことがあるためである。さらに、凸部同士の間で接触が発生することもあり、熱交換器を損傷させることもある、局所的な熱伝達を含む激しい現象を招くこともある。最後に、凸部上を断熱材料で被覆することは必ずしも容易ではない。
【００６０】
さらに、本発明による熱交換器は、坩堝４又は鋳型から冷熱源５へと伝達される、抜き出される熱流束の空間的な分布を、必要に応じて変化させることができる。これは、第１の部材及び第２の部材の表面に沿って、不均一なパターンの起伏部を形成することによって、別の言い方をすれば、凸部の幅及び高さを変えることによって、得ることができる。これは、以下の実施形態において例示するように、熱流束の多種多様な空間的分布を実施することを可能にすると共に、加えて、第１の部材及び第２の部材の相対変位の関数としてこの分布を変化させることを可能にする。
【００６１】
以下の実験結果は、高さ６５ｍｍ(５０ｍｍの伝熱材料の頂部に１５ｍｍの断熱材料)の７つの凸部を備えた、回転の形状を有する熱交換器によって得られたものである。凸部の厚さは９ｍｍであり、楔の間の気体の厚さは１.５ｍｍである。炉内に含まれる気体はアルゴンである。冷熱源５は、直径が１６０ｍｍで銅製の水タンクである。冷却には、２８℃の温度の水を使用する。坩堝４は直径が１６０ｍｍの石英から作られており、５ｋｇのシリコンに相当するものが入れられる。特にはグラファイト製で、坩堝の下に据え付けられた厚さが３ｍｍの板の下に、熱電対が据え付けられている。
【００６２】
図７には、抜き出された熱流束が、冷熱源の位置の関数、つまり、第１の部材及び第２の部材の相対位置の関数として示されている。水タンクの位置が高くなるほど、第１の部材及び第２の部材は互いにより入り込んだ状態となり、対向する熱交換表面面積は大きくなる。
【００６３】
このグラフでは、三つの現象が見て取れる。
・ｚ＜１５ｍｍ：伝熱材料の凸部の端部における断熱材料が向かい合う第１の位置である。熱流束は変位に対して比例的に増加する。
・１５ｍｍ＜ｚ＜３２ｍｍ：個々の凸部の伝熱材料が対向する第２の位置である。第１の部材の第２の部材に対する変位の関数としての熱流束の増加は、より大きくなる。
・ｚ＞３２ｍｍ：熱流束の変化が変位に対して平らになる、最終的な位置である。これは、坩堝から冷熱源へと抜き出すことができる全熱流束を制限する、境界面(冷熱源／第２の部材、第１の部材／坩堝板)にある様々な接触抵抗によって説明できる。これらの接触抵抗は、第１の部材と第２の部材との間の熱抵抗が十分に小さくされても、システムの熱抵抗の合計が変わらないくらいに大きい。したがって、(例えば、変形によって二つの凸部の間で接触がある場合に)熱流束を制御するためには、接触抵抗は非常に優れた代替手段である。
【００６４】
図８には、様々な熱交換表面面積についての最大熱流束の変化が、対向する平坦な表面を有するシステムによって抜き出され得る最大熱流束と比較して示されており、該対向する平坦な表面の面積はＳ０で表されている。
【００６５】
これらの同じモデルについて得られる最小熱流束は、図９で比較されている。４×Ｓ０の熱交換表面面積を有するモデルは、最も大きい最大熱流束を有している。このモデルは、凸部において単一の層の材料しか有していない。このモデルの断熱は、熱交換表面面積が３×Ｓ０のモデルの断熱よりも若干劣っている。このモデルは、凸部の各々に断熱材料の層を有している。これら二つのモデルについての対向する熱交換表面の面積は、システムが断熱位置に置かれているときにＳ０の約半分であるため、大きな熱抵抗となる。最後に、熱交換表面面積Ｓ０のモデルの最小熱流束は、この熱交換器が調節可能な熱交換表面を有していないことから、最大熱流束と同じである。
【００６６】
図１０は、熱交換係数Ｈの全体の範囲、すなわち、本発明による熱交換器で得ることができる熱流束の範囲を示している。
【００６７】
図１１に示す第３の実施形態では、第１の部材２ｂ及び第２の部材３ｂは、円形又は四角形の水平方向の断面積を有することができる。或いは、第１の部材及び第２の部材の一方は円形の断面積を有し、第１の部材及び第２の部材の他方は四角形の断面積を有していてもよい。
【００６８】
第４の実施形態(図示せず)では、起伏部のパターンの形状が、所与の空間内における熱交換表面面積で所望の増加を得るように適合されている。この目的において、熱交換表面面積を増加するために、起伏部のパターンの横寸法を最小とすることができ、その高さは増加させられる。起伏部のパターンは、特には、楔、棒、筒、円錐、なべ頭状の板、又は、なべ頭状の筒の各配列を備えていてもよい。可能な高さが低い場合、起伏部のパターンの横寸法を小さくすること、及び／又は、四角形状から円形状へとしていくことは有利である。
【００６９】
非常に効果的な形状は、円形の穴と協働する円筒状の楔（突起）の配列を有している。さらに、なるべく大きな伝導性を保持するために、二つの部材の各々において、楔の断面積は、第１の部材又は第２の部材の全断面積Ｓの約半分であることが望ましい。したがって、熱交換表面面積の増加における最大倍数Ｓｔｏｔ／Ｓは、１＋２Ｈ／Ｄであり、ここで、Ｄは楔の直径であり、Ｈは楔の高さである。
【００７０】
溝と協働する突条部、特に、平行な溝と協働する平行な突条部を備える起伏部の形状については、この倍数は１＋Ｈ／ｄであり、ここでｄは突条部の幅であり、Ｈは突条部の高さである。
【００７１】
図１２に示す第５の実施形態では、起伏部のパターンの形状は、熱流束の不均一な分布が第１の部材２ｃと第２の部材３ｃとの間で得られるようになっている。具体的には、第１の部材及び第２の部材の中央の凸部は、周囲にある凸部より薄くなっている。したがって、凸部の密集度は、それら部材の中央においてより大きく、それら部材の周囲よりも中央において、より大きな熱流束を第１の部材から第２の部材へと伝達することができる。好ましくは、凸部の高さはそれら部材のすべてに渡って、又は、それら部材の各々に渡って一定である。
【００７２】
図１３に示す第６の実施形態においても、起伏部のパターンの形状は、熱流束の不均一な分布が第１の部材２ｄと第２の部材３ｄとの間で得られるようになっている。具体的には、第２の部材の中央の凸部は、周囲にある凸部より高くなっている。或いは、第１の部材の中央の凸部が、周囲にある凸部より高くなっている。したがって、熱流束を、第１の部材から第２の部材へと、それら部材の周囲よりも中央において、より大きく伝達することができる。
【００７３】
好ましくは、図１４に示す第７の実施形態においては、第５及び第６の実施形態が組み合わされ得る。この実施形態では、凸部は、第２の部材３ｅの中央においてより高く、第１の部材２ｅ及び第２の部材３ｅの周囲においてより密集している。したがって、凝固の間、第１の部材及び第２の部材が第１の相対位置にあるときは、これら部材の中央において、より大きな熱流束を坩堝から抜き出すことができ、こられ部材が第２の相対位置にあるときは、均一な熱流束を坩堝から抜き出すことができる。
【００７４】
図１５に示す第８の実施形態では、坩堝の底と第１の部材２ｆとの間、及び／又は、冷熱源と第２の部材３ｆとの間に、厚みが調整可能な気体、特に、厚みが調整可能なアルゴンを含むことができる。この厚み又はこれらの厚みによって、坩堝から冷熱源へと伝達される熱流束を制限することができる。
【００７５】
第９の実施形態では、第１の部材から第２の部材へと伝達され得る熱流束は、第１の部材と第２の部材との間の機械的遊びを最小とすることで最大化される。
【００７６】
図１６に示す、第９の実施形態の一つの変形例では、第１の部材２ｇと第２の部材３ｇとの間の熱流束が、機械的遊びを最小とすることで最大化されると同時に、材料の熱膨張の問題を解決している。そのために、例えば、円形の構造を有する起伏部、特に、回転の起伏部のパターンが、選択される。これにより、第１の部材及び第２の部材の周囲での機械的遊びを小さくできる一方、これらの位置での熱膨張に適応する機械的遊びを許容する。
【００７７】
図１７に示す第１０の実施形態では、第１の部材２ｈと第２の部材３ｈとの間の最小熱流束は、凸部の端部にある断熱材料２４ｈ、３４ｈの厚みを、第２の実施形態に対して増加させることによって最小化される。
【００７８】
第１１の実施形態(図示せず)では、最小熱流束は、凸部の端部に配置された断熱材料要素同士の間にシケイン(chicane)を形成することで最小化される。したがって、凸部同士の間で放射され得る熱流束が妨げられる。これにより、第１の部材と第２の部材との間の機械的な隙間において断熱する構成において、直接的な放射による伝熱を低減する。
【００７９】
図１８に示す第１２の実施形態では、最大熱流束が、第１の部材及び第２の部材の一方又は他方の凸部の端部において断熱材料を用いることなく、最大化される。伝熱材料２４ｉが、第１の部材及び第２の部材の一方の凸部に用いられる。断熱材料３４ｉが、第１の部材及び第２の部材の他方の凸部に用いられる。
【００８０】
図１９に示す第１３の実施形態では、最大熱流束は、第１の部材及び／又は第２の部材の凸部に、凸部の端部と、凸部同士の間にある凹部の底とが接触する可能性を提供することで最大化される。この接触は、全体的又は部分的であってもよい。これにより、伝熱性の大きい部品を、第１の部材と第２の部材との間に追加することができる。接触は、凸部の端部に提供された伝熱材料２４ｊ又は断熱材料３４ｊを介して行うことができる。
【００８１】
技術的又は論理的な不一致がある場合を除いて、上記で説明した熱交換器の様々な実施形態は、互いに組み合わされてもよい。
【００８２】
様々な実施形態において、第１の部材及び第２の部材を主に構成する伝熱材料は、グラファイト、特に高密度グラファイトを含んでいてもよいし、そのものであってもよい。
【００８３】
同様に、様々な実施形態において、凸部の端部に配置された断熱材料は、フェルトを含んでいてもよいし、そのものであってもよい。
【００８４】
本発明による熱交換器の様々な実施形態において、熱交換器は、第１の部材を第２の部材に対して移動するための要素を備えている。
【００８５】
また、本発明は、前述したような熱交換器を用いる、半導体材料を凝固及び／又は結晶化するための方法に関する。この方法は、次のステップを含むことを特徴とする。
‐第２の部材に対して第１の部材を位置付けるためのステップ。
‐坩堝から冷熱源へと、熱交換器の第１の部材及び第２の部材を介して熱伝達するためのステップ。
【００８６】
例えば、位置付けるためのステップは、熱伝達するためのステップの間に行われてもよい。したがって、凝固及び／又は結晶化の間に、坩堝から冷熱源へと伝達される熱流束を変更することができる。
【００８７】
そのため、熱交換器の熱交換係数を、凝固及び／又は結晶化の開始と終了との間で変更することができる。そのために、二つの部材の相対位置を、凝固及び／又は結晶化の間で変化させることができる。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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