(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シートの製造装置であって、
材料の溶融物を収容するように構成された溝を有する容器を備え、前記溶融物を、前記溝の第１のポイントから第２ポイントに流れるように構成し、
前記溶融物に近接して配置される冷却プレートを備え、前記冷却プレートを、前記溶融物上に前記材料のシートを形成するように構成し、
前記冷却プレートを、複数の冷却セグメントで構成し、
前記溝の前記第２のポイントに配置される斜面、堰、小さなダム、または隅部を備え、前記斜面、堰、小さなダム、または隅部を、前記溶融物から前記シートを分離するように構成したシートの製造装置。
【請求項２】
前記材料を、シリコンで構成した請求項１記載のシートの製造装置。
【請求項３】
前記材料は、シリコンとゲルマニウムであり、前記シートは、該シートに含まれるゲルマニウムの濃度に応じてバンドギャップが段階的に変わる請求項１記載のシートの製造装置。
【請求項４】
前記冷却プレートは、前記溶融物より少なくとも３００Ｋ低い温度である請求項１記載のシートの製造装置。
【請求項５】
前記複数の冷却セグメントは、それぞれ異なる温度である請求項１記載のシートの製造装置。
【請求項６】
前記冷却プレートは、放射冷却を用いるものである請求項１記載のシートの製造装置。
【請求項７】
前記シートは第１の幅を有し、前記冷却プレートは第２の幅を有し、前記第１の幅と第２の幅は同一である請求項１記載のシートの製造装置。
【請求項８】
前記冷却プレートは、曲がった縁部を備える請求項１記載のシートの製造装置。
【請求項９】
前記シートは、多結晶シリコン又は単結晶シリコンである請求項１記載のシートの製造装置。
【請求項１０】
前記溶融物を、電磁流体ポンプ、スクリューポンプ、インペラーポンプ、ホイール、圧力手段の群から選択される装置を用いて、前記溝の第１ポイントから第２ポイントに流す請求項１記載の製造装置。
【請求項１１】
前記容器と、前記冷却プレートとは、筐体中に配置され、該筐体を、該筐体における少なくとも温度と圧力を制御するように構成する請求項１記載の製造装置。
【請求項１２】
シートの製造方法であって、
溝を通して材料の溶融物を流し、前記溶融物を複数の冷却セグメントを用いて冷却し、前記溶融物上に前記材料のシートを形成し、前記シートと溶融物を流し、前記溶融物から前記シートを分離するシートの製造方法。
【請求項１３】
前記シートと前記溶融物は、シリコン、又はシリコンとゲルマニウムである請求項１２に記載のシートの製造方法。
【請求項１４】
前記冷却は、放射冷却である請求項１２に記載のシートの製造方法。
【請求項１５】
連続流の装置を使用して、前記シートから太陽電池を加工する工程を更に含む、請求項１２に記載のシートの製造方法。
【請求項１６】
前記シートを第２の溶融物に移動させ、前記第２の溶融物で前記シートを厚くする工程を更に含む請求項１２に記載のシートの製造方法。
【請求項１７】
シートの製造装置であって、
材料の溶融物を収容するように構成される第１の溝を備え、前記溶融物を、前記第１の溝の第１のポイントから第２のポイントに流れるように構成し、
前記溶融物に近接して配置される冷却プレートを備え、前記冷却プレートを、前記溶融物上に前記材料のシートを形成するように構成し、
前記冷却プレートを、複数の冷却セグメントで構成し、
前記第１の溝の前記第２のポイントに配置される斜面、堰、小さなダム、または隅部を備え、前記斜面、堰、小さなダム、または隅部を、前記溶融物中に配置し、前記溶融物から前記シートを分離するように構成して前記溶融物を前記シートから流れださせ、
前記溶融物を前記第１の溝の前記第１のポイントに移動する第２の溝を備えるシートの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、原材料のシートの製造、特に溶融物から結晶性物質のシートを製造することに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウエハやシリコンシートは、例えば集積回路や太陽電池に関する産業で使用される。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のに従って増加し続けている。これらの需要の増加により、太陽電池産業は、コスト/パワー比を下げることを１つの目標としている。太陽電池には、結晶シリコンと薄膜の２つのタイプがある。太陽電池の大部分が結晶シリコンから作られる。現在、結晶シリコン型太陽電池の主要コストは、太陽電池を形成しているウエハである。太陽電池の効率、又は標準光の下での電力生産量は、このウエハの品質によって、ある程度限定されている。品質を損なうことなくウエハの製造コストを削減することは、コスト/パワー比を下げるとともに、クリーンエネルギー技術のより広い利用を可能とするであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
太陽電池の最高効率は、２０％以上にすることができる。太陽電池は、エレクトロニクスグレードの単結晶シリコンウエハを使用して作られている。このようなウエハは、チョクラルスキー法の使用により、種結晶を成長させた筒状の単結晶シリコンを薄くスライスして作られる。これらは、厚さが２００μｍ以下にスライスされる。単結晶の成長を維持する為に、種結晶をゆっくり成長させなければならず、溶融物を収容するるつぼで１０μｍ／ｓ以下で成長させる。その後のスライス工程は、切り口の損失又はソーブレード幅の損失が１枚のウエハ当たりおよそ２００μｍとなる。筒状の種結晶も、正方形の太陽電池を作るために四角にする必要がある。四角にすることと切り口の損失の両方が、材料の浪費と材料コストの増加につながる。太陽電池をより薄くすることは、シリコンの割合がカットの増加毎に無駄になる。しかしながら、インゴットのスライス技術の限界は、より薄い太陽電池を得る能力の妨げとなる可能性がある。
【０００４】
他の太陽電池は、多結晶シリコンのインゴットをスライスしたウエハを使用して作られている。多結晶シリコンのインゴットは単結晶シリコンより速く成長させることができる。しかし、ウエハの品質は低くなる。これは、より多くの欠陥と粒子境界が存在することによる。このことは、太陽電池の効率の低下つながる。多結晶シリコンのインゴットをスライスする工程は、単結晶シリコンのインゴット又は種結晶と同じくらい効率が悪い。
【０００５】
シリコンの無駄を抑える他の解決法は、イオン注入の後にシリコンインゴットからウエハを劈開することである。例えば、水素、ヘリウム、または他の貴ガスイオンが、シリコンインゴットの表面のすぐ下に注入され、注入領域が形成される。この後に、熱処理、物理的処理、又は化学的処理が続き、この注入領域に沿ってインゴットからウエハが劈開される。イオン注入によって劈開することは、切り口の損失が生じないものの、シリコンウエハを経済的に生産するのに適用範囲にあるか否かは、さらに立証されなければならない。
【０００６】
さらに別の解決策は、溶融物からシリコンの薄いリボンを垂直に引きあげて、引き上げられたシリコンが冷えて固まってシートになるのを可能とする。この方法の引き上げ速度は、約１８ｍｍ／ｍｉｎ未満に制限される。シリコンが冷えて固まる間に、潜熱を垂直なリボンに沿って取り除かなければ成らない。このことは、リボンに沿って大きい温度勾配をもたらす。この温度勾配は、結晶シリコンのリボンに圧力を与えて、多結晶シリコンの質が損なわれる。リボンの幅と厚さも、この温度勾配によって制限される。例えば、幅は８０ｍｍ未満、厚さは１８０μｍに制限される。
【０００７】
シリコンのリボンを、溶融物から物理的に水平に引張るテストも行われた。ロッドに取り付けられた種を溶融物に挿入し、このロッドと成果物としてのシートを、るつぼの縁から低角度で引張る。角度と表面張力のバランスをとって、溶融物がるつぼからあふれ出るのを防ぐ。しかし、このような引張工程を開始し、そして制御することは困難である。るつぼと溶融物に接近させて、種を挿入しなければならず、これは熱損失となる。この熱損失を補う為に、追加の熱が加えられる。これによって、溶融物に垂直温度勾配が生じ、非層流の流れを引き起こす。また対流のガス冷却が、溶融物に大きな熱流を引き起こす為に使用される。このような対流冷却は乱流である。ガスと溶融物の非層流は、シートの厚さ制御を妨げる。その上、るつぼの縁に形成されるメニスカスの重力と表面張力とのバランスをとる傾斜角度の調整は、非常に困難である。また、シートと溶融物との分流点で熱を取り除いているので、潜熱として取り除かれる熱と顕熱として取り除かれる熱とが突然変わることがある。このことは、この分流点でリボンに沿う大きな温度勾配を引き起こし、結晶中に転位を生じさせる。転位と反りは、シートに沿ったこれらの温度勾配によって引き起こされる。
【０００８】
溶融物から水平に薄いシートを生産することは、まだ行われていない。分離によって溶融物から水平に薄いシートを生産することは、インゴットからシリコンをスライスするよりも安価であり、切り口の損失、又は四角化による損失を解消することができる。また、分離によって溶融物から水平に薄いシートを生産することは、水素イオン、又は別のシリコンリボンの引張りによる方法を使用してインゴットからシリコンを割くよりも安価となる。その上、溶融物から水平にシートを分離することは、リボンの引張りと比べてシートの結晶品質が向上する。材料のコストを削減可能なこのような結晶成長方法は、結晶型太陽電池のコストの削減に多大で有効なステップとなる。それ故、改良された装置と溶融物から結晶物質のシートを製造する方法のための技術が必要となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様では、シートの生産装置を提供する。シート生産装置は、材料の溶融物を収容するように構成された溝を有する容器を備えている。溶融物を、溝の第１のポイントから第２のポイントに流れるように構成する。冷却プレートを、溶融物と近接して配置し、溶融物の１枚のシートを形成するように構成する。スピルウェイを、溝の第２のポイントに配列する。スピルウェイを、溶融物からシートを分離するように構成する。
【００１０】
本発明の第２の態様では、シートの製造方法を提供する。このシートの製造方法は、溝を通して材料の溶融物を流すことを含む。溶融物は冷やされて、１枚のシートが溶融物上に形成される。シートと溶融物が流れ、そしてシートが溶融物から分離する。
【００１１】
本発明の第３の態様では、シートの生産装置を提供する。シート生産装置は、材料の溶融物を収容する第１の溝を備えている。溶融物を、第１の溝の第１のポイントから第２のポイントに流れるように構成する。冷却プレートを、最初の溝に近接して配置し、溶融物の１枚のシートを形成するように構成する。スピルウェイが、最初の溝の第２のポイントに配列される。スピルウェイが、溶融物の中に配列されて、そして溶融物からシートを分離するように構成し、溶融物がシートから流れ出すようにする。溶融物を、第１の溝の第１のポイントに、第２の溝で送り出す。
【００１２】
本開示をより深く理解する為に、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】溶融物からシートを分離する装置の実施例を示す、横からの断面図である。
【図２】図１に示す装置の実施例を示す、平面図である。
【図３】図１に示す装置の実施例を示す、正面からの断面図である。
【図４】図１に示す装置の実施例を示す、正面からの断面図であり、電磁流体ポンプを用いた図である。
【図５】図１に示す装置の実施例を示す、横からの断面図であり、電磁流体ポンプを用いた図である。
【図６】図１に示す装置の実施例を示す、正面からの断面図であり、スクリューポンプを用いた図である。
【図７】図１に示す装置の実施例を示す、平面図であり、スクリューポンプを用いた図である。
【図８】溶融物からシートを凝固させる実施例を示した、横からの断面図である。
【図９】図１に示す装置の実施例を示す、平面図であり、冷却プレートを用いた図である。
【図１０】図１に示す装置の実施例を示す、横からの断面図であり、冷却ホイールを用いた図である。
【図１１】シリコン及びゲルマニウム系二元状態図である。
【図１２】段階的なバンドギャップとなるシートの実施例を示す図である。
【図１３】ゲルマニウム系二元状態図の一部を示す図である。
【図１４】システムを統合した実施例を示す、横からの断面図である。
【図１５】空気ベアリングを使用したシートの移動の実施例を示す、横からの断面図である。
【図１６】太陽電池を製造するシステムの統合を示す実施例である。
【図１７】Ａ〜Ｃは、粒子境界をコントロールする実施例を説明する図である。
【図１８】オーム加熱の実施例を示す、正面からの断面図である。
【図１９】シートを製造する他の実施例を示す、横からの断面図である。
【図２０】溶融物からシートを分離する装置の更に別の実施例を示す、横からの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
太陽電池に関して、装置と方法について具体的に説明する。ここで、これらはまた、例えば、集積回路や、フラットパネルや、当業者に知られている他の回路基板にも使うことができるものである。更に、ここにシリコンとして記載される溶融物は、ゲルマニウム、シリコンとゲルマニウム、又は当業者に知られている他の材料も含まれる。従って、本発明においては、以下に記載の実施例には限定されない。
【００１５】
図１は、溶融物からシートを分離する装置の実施例を示す、横からの断面図である。シートの形成装置２１は、容器１６とパネル１５と２０を備える。容器１６、パネル１５、及びパネル２０は、例えば、タングステンや窒化ホウ素、窒化アルミニウム、モリブデン、グラファイト、炭素ケイ素、または石英である。容器１６は、溶融物１０を収容している。溶融物１０は、シリコンである。一実施例として、溶融物１０は、供給部１１から補給される。供給部１１は、固体シリコンを有する。別の実施例では、溶融物１０は、容器１６にポンプで供給される。シート１３が、溶融物１０上に形成される。一例として、シート１３は少なくとも一部が、溶融物１０中に浮いている。図１に示されるシート１３は、溶融物１０に浮いていて、シート１３は、少なくとも部分的に溶融物１０中に沈んでいるか、溶融物１０の上部に浮いている。一例として、シート１３の１０％だけが、溶融物１０の上部から飛び出している。
【００１６】
この容器１６には、少なくとも１つの溝１７が設けられている。この溝１７は、溶融物１０を収容するように構成され、そして溶融物１０は、溝１７の第１のポイント１８から第２のポイント１９に流れる。一例として、溝１７の周囲では、溶融物１０の波が抑制されている。溶融物１０は、例えば、圧力差、重力、又は他の手段によって移動させることができる。そして溶融物１０は、スピルウェイ１２を超えて流れる。このスピルウェイ１２は、斜面、堰、小さなダム、または隅部であり、これは図１に示した実施例に限定されない。スピルウェイ１２は、シート１３を溶融物１０から分離するものであればどのような形状であっても良い。
【００１７】
パネル１５は、この実施例では、溶融物１０の表面下にその一部が広がるように形成されている。これにより、シート１３を溶融物１０から形成する際の波や小波を抑制することができる。これらの波や小波は、供給部１１からの溶融物の追加やポンプ、当業者に知られている他の要因によって形成される。
【００１８】
一実施例として、容器１６とパネル１５、２０は、約１６８７Ｋより僅かに高い温度で維持される。シリコンに関しては、１６８７Ｋは結晶化温度（Ｔｃ）を示している。容器１６とパネル１５、２０の温度を、僅かにＴｃよりも高い温度に維持することによって、冷却プレート１４は、放射冷却を利用して、溶融物１０の表面又は溶融物中においてシート１３の所望する凝固速度を得ることができる。ここに示す実施例の冷却プレート１４は、一つのセグメント又はセクションで構成される。溝１７の下部２５は、温度Ｔｃより高い温度で温められて、溶融物１０中に僅かな垂直温度勾配を引き起こし、シート１３における組成的過冷、デンドライト結晶の形成、枝分かれの形成を防止する。しかし、容器１６とパネル１５、２０は、溶融物１０の溶融温度よりも高ければどの温度でも良い。これにより、溶融物１０が、容器１６とパネル１５、２０で固まることを防ぐ。
【００１９】
装置２１は、温度を僅かにＴｃ以上に維持するが、これは少なくとも部分的に又は全体的に筐体２６で装置２１を覆うことによって実現される。図１は、筐体２６で装置２１を部分的に取り囲む、又は覆う場合を示したが、筐体は装置２１を完全に覆っていても良く、装置２１は、図１で示された実施例だけに限定されない。もし、筐体２６が装置２１を温度Ｔｃ以上に維持する場合は、装置２１を加熱する必要性が避けられるかまたは減らすことができ、筐体２６中、又は周囲のヒータは、どのような熱損失も補うことができる。この筐体２６は非等方性の伝導率を有しており、等温にすることができる。このような筐体２６は、ライナ２７、ヒータを伴うレイヤー２８、及び断熱材２９を用いて構成されているが、当業者に知られている他の構造も適用可能である。一例として、ライナ２７は、熱を伝えることができるものであり、またある場合はＢＮ（窒化ホウ素）である。ヒータを備えるレイヤー２８は、例えばＲＦ誘導加熱、又は当業者に知られている他の加熱方法を含む。他の実施例においては、ヒータは、筐体２６上、又は内側に配置されず、装置２１中に配置される。一例として、容器１６は異なる領域で、異なる温度に加熱されるが、これは容器１６にヒータを埋め込むこと、またマルチゾーン温度コントロールを使用することによる。
【００２０】
筐体２６は、装置２１が配置される環境を制御する。具体的には、筐体２６は不活性ガスを有している。この不活性ガスは温度をＴｃ以上に維持する。不活性ガスは、シート１３の形成プロセスにおいて元々の不安定さを引き起こす、溶融物１０に添加する溶質を減らすことができる。
【００２１】
装置２１は、冷却プレート１４を備える。冷却プレート１４は、シート１３を溶融物１０から形成する際に、熱を除去する。冷却プレート１４は、溶融物１０の表面又は溶融物中にシート１３の凝固を引き起こし、これは冷却プレート１４が溶融物１０の凝固温度以下のときに引き起こされる。この冷却プレート１４は、放射冷却を用いるものであり、例えばグラファイト又は炭素ケイ素から作られる。冷却プレート１４は、液体の溶融物１０からすばやく、均一に、そして所望量の熱を取り除く。溶融物１０の乱れは抑えられ、シート１３の欠陥の形成は抑制される。
【００２２】
溶融物１０の表面の融解熱を除去することは、低い欠陥密度でシート１３を形成する他のリボン引き上げ法と比べて、シート１３の生産を速めることができる。溶融物１０の表面でシート１３を冷却すること、又は溶融物１０でシート１３を流すことで、ゆっくりと、そして広い領域で融解潜熱が取り除かれ、これは大規模な水平流量を保持している間行われる。溶融物からシートを垂直に引き上げることは、約３００μｍ／ｓ（１８ｍｍ／ｍｉｎ）以上の結晶成長速度であるが、ここに記載の装置や方法の実施例は、もっと遅い結晶成長速度であり、これはチョクラルスキー法での成長に近い値である。一例として、結晶成長速度は約１０μｍ／ｓよりも遅い。シートを溶融物の表面から垂直に引き上げる時、潜熱をシートに沿って取り除かなければならない。結晶領域、又はシートの幅を乗じたシートの厚みは僅かである。高い温度勾配は、垂直にシートを約１８ｍｍ／ｍｉｎで引張るのに必要である。このような垂直に引張る方法を使用すると、結晶の質が不十分となる。溶融物１０の表面のシート１３を冷却すること、又は溶融物１０でシート１３を流すこと、更にシート１３の品質を向上させることはまた、溶融物の表面から普通にリボンを引き上げることと比べて、生産速度とシート１３のサイズを向上させることを可能とする。
【００２３】
冷却プレート１４の寸法を、長さと幅の両方で増加させる。長さを増やすことは、溶融物１０の流速を、垂直の成長速度、結果としてシート１３の厚みと同じ速度で速めることができる。冷却プレート１４の幅を増やすことは、シート１３の幅が広がることとなる。垂直にシートを引き上げる方法と異なり、ここに記載の装置と方法の実施例を用いることで、生産されるシート１３の幅の固有の物理的な制限は生じない。
【００２４】
一例として、溶融物１０とシート１３は、約１ｃｍ／ｓの速度で流れる。冷却プレート１４は、長さが約２０ｃｍで、幅が約２５ｃｍである。シート１３は、約２０秒で約１００μｍの厚さに成長する。したがって、シートの厚さは、約５μｍ／ｓの速度で成長する。約１００μｍの厚さのシート１３は、約１０ｍ２／ｈｏｕｒの割合で生産される。
【００２５】
一実施例として、溶融物１０の温度勾配は最小化される。これにより、溶融物１０を層流とし、シート１３を、冷却プレート１４を使用して放射冷却で形成する。冷却プレート１４と溶融物１０との約３００度の温度差は、溶融物１０の表面又は内部に７μｍ／ｓの速度でシート１３を形成する。
【００２６】
溝１７における冷却プレート１４の下流とパネル２０の真下の領域は、同じ温度である。この同じ温度領域は、シート１３をアニーリングすることができる。
【００２７】
シート１３が溶融物１０上に形成された後、シート１３を、スピルウェイ１２を使って溶融物１０から分離する。溶融物１０は、溝１７の第１のポイント１８から第２のポイント１９へ流れる。シート１３は、溶融物１０とともに流れる。このシート１３の移動は、連続して行われる。一例として、シート１３は溶融物１０の流れとほぼ同じ速度で移動する。したがって、シート１３は溶融物１０に対して停止している間に形成され、そして移動する。スピルウェイ１２の形状又は方向を変更することで、シート１３の速度プロファイルを変えることができる。
【００２８】
溶融物１０を、スピルウェイ１２でシート１３から分離する。一実施例として、溶融物１０は、スピルウェイ１２を超えて流れ、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を超えて移動させる。これによって、シート１３の結晶の破損を最小化し又は避けることができるが、これはシート１３に外部応力が全く作用しないからである。この実施例において、溶融物１０は、シート１３から分離してスピルウェイ１２を超えて流れる。冷却はスピルウェイ１２では起こらないので、シート１３の熱衝撃は抑制される。一実施例として、スピルウェイ１２における分離は、等温状態と近い状態で行われる。
【００２９】
シート１３は、溶融物から引き上げられる方法による場合よりも、装置２１による場合のほうが速く形成されるが、これは、溶融物１０が、溶融物１０におけるシート１３を適切に冷却、結晶化する速度で流れることによる。シート１３は、溶融物１０とほぼ同じ速度で流れる。これにより、シート１３の圧力が減少する。リボンを溶融物から普通に引き上げる場合は、引き上げによってリボンに生じる圧力の為に、速度が制限される。一実施例として、装置２１におけるシート１３は、そのような引き上げによる圧力は全く生じない。これにより、シート１３の品質と生産速度とが向上する。
【００３０】
一実施例として、シート１３は、スピルウェイ１２を超えてまっすぐに進行する傾向がある。このシート１３を、スピルウェイ１２を超えた後に、破損を避けるために支える場合もある。支持装置２２を、シート１３を支える為に設ける。支持装置２２は、シート１３を支持するためにガス圧力差が用いられ、例えばガスや空気の送風機が使用される。シート１３が溶融物１０から分離した後、シート１３が位置する周囲の温度がゆっくりと変化する。一例として、シート１３の温度は、このシート１３がスピルウェイ１２からより遠くへ動くことに応じて低くなる。
【００３１】
一例として、シート１３の成長、シート１３のアニーリング、及びスピルウェイ１２を用いた溶融物１０からのシート１３の分離は、同じ温度環境下で行われる。スピルウェイ１２を用いて分離することや、シート１３と溶融物１０をほぼ同じ速度で流すことは、シート１３の圧力、又は力学的な歪を最小化させる。これによって、単結晶のシート１３を生産できる可能性が高まる。
【００３２】
別の実施例では、磁場が装置２１の溶融物１０とシート１３に与えられる。これにより、溶融物１０の非層流を弱め、シート１３の結晶化を改善する。
【００３３】
図２は、図１に示す装置の実施例を示す、平面図である。図３は、図１に示す装置の実施例を示す、正面からの断面図である。図２と図３は、溝３０を備える装置２１を示す。図２に示すように、溝１７を流れる溶融物１０は、矢印３３で示される。溶融物は、冷却プレート１４（図２の網掛領域で示される）を通り越してながれ、シート１３が形成される。図２〜３に示すように、冷却プレート１４は、溶融物１０を含む壁３１、３２までは延在していない。これにより、壁３１、３２に対して凝固したシート１３が形成されることが防止される。シート１３と溶融物１０は、スピルウェイ１２を超えて流れ、シート１３は溶融物１０から分離される。そして溶融物１０は、矢印３４で示されるように、溝３０を使って供給部１１の近くに戻る。ここでは、２つの溝３０を示したが、１つの溝であっても、また２つ以上の溝であってもよい。この装置は、２つの溝３０だけに限定されない。更に溝３０は、装置２１の側部に示されているが、溶融物１０を流すには別の構造とすることも可能である。
【００３４】
図４は、図１に示す装置の実施例を示す、正面からの断面図であり、電磁流体（ＭＨＤ）、又はローレンツ力によるポンプを用いた図である。この実施例において、コイル５０、５１は、装置２１の上下に配置されていて、装置２１中に縦の磁場（Ｂ）が作られている。溶融物１０の横に配置したプレート５６、５７は、溝１７における溶融物１０にＤＣ電流を供給する。プレート５５、５６、５７、５８はまた、溝３０における溶融物１０にＤＣ電流を供給する。プレート５５と５６、プレート５６と５７、プレート５７と５８は、溶融物１０中に少なくとも１つのＤＣ電源から電流（Ｉ）を供給する。これにより、磁力５２、５３、５４がベクトルの外積Ｆ＝Ｉ×Ｂに基づいて発生する。ここで、Ｆは単位をニュートンとする力であり、Ｉは単位をアンペアとする電流であり、Ｂは単位をテスラとする磁力である。このローレンツ力は、溶融物１０にポンプ作用を与え、溶融物１０は、磁力によって流れる。ここでの溶融物１０の流れはまた、溶融物１０を加熱するが、シート１３は加熱しない。
【００３５】
図５は、図１に示す装置の実施例を示す、横からの断面図であり、ＭＨＤポンプ（電磁流体ポンプ）を用いた図である。この実施例で装置２１は、１つの溝８１を備える。このＭＨＤポンプ８０は、磁気及び電気の力で装置２１の溶融物１０を層流にする。ＭＨＤポンプ８０は、図４に示されるものと同様の磁場と電流を有しているが、これは装置２１よりも溝８１で発生する。溶融物１０は、ＭＨＤポンプ８０を使うことで重力に逆らって流れる。
【００３６】
図６は、図１に示す装置の実施例を示す、正面からの断面図であり、スクリューポンプを用いた図である。装置２１は、各溝３０にスクリューポンプ７０を備えている。これらのスクリューポンプ７０は、炭化ケイ素から作られており、溝３０における溶融物１０を連続して揚水することができる。図７は、図１に示す装置の実施例を示す、平面図であり、スクリューポンプを用いた図である。スクリューポンプ７０は、溝３０の全部又は一部に亘って延在している。
【００３７】
別の実施例では、ポンプは、装置２１で溶融物１０を流すために使用される。一例として、このポンプはインペラーポンプである。さらに別の例では、ホイールが溶融物１０を揚水する為に使用され、また溶融物１０に所望の流速を与えることにより適切な押し湯効果が引き起こされる。勿論、当業者は、使用に供する別の揚水方法を想起するので、装置２１は単にここに記載の揚水方法に限定されるものではない。その上、当業者であれば、装置２１の他の構造や配置を考え出すであろう。
【００３８】
図８は、溶融物からシートを凝固させる実施例を示した、横からの断面図である。溶融物１０は、矢印３３で示すように流れる。この実施例において、溶融物１０は、パネル１５、冷却パネル１４、及びパネル２０の直下を通る。溶融物１０、パネル１５、パネル２０は、温度Ｔｃ又はこれより僅かに高い温度を維持する。この実施例における冷却パネル１４は、セグメント化されており、冷却セグメント９０、９１、９２、９３、９４を備えている。冷却セグメント９０、９１、９２、９３、９４は、それぞれ異なる温度であるか、ほぼ同じ温度か、又は溶融物１０からの伝熱量が異なるように構成したものである。冷却プレート１４は、溶融物１０を冷却してシート１３を形成し、この時溶融物１０は冷却プレート１４を通り越して流れる。少なくとも溶融物１０の時間と流速に基づいて、シート１３の結晶化速度を、冷却セグメント９０、９１、９２、９３、９４のそれぞれに対して制御する。冷却セグメント９０、９１、９２、９３、９４のそれぞれの寸法は、結晶化速度に影響を与える。溶融物１０からそれぞれの冷却セグメント９０、９１、９２、９３、９４への伝熱を制御する能力は、シート１３の結晶化速度を制御する。
【００３９】
図９は、図１に示す装置の実施例を示す、平面図であり、冷却プレートを用いた図である。冷却プレート１４は、少なくとも１つの曲がった縁部１００を備えている。これにより、シート１３の形状は、溶融物１０中から形成される際に制御される。この実施例では、シート１３が縁部１００の直下を通る際に、このシート１３の最初の幅は、最終的な幅よりも狭くなっている。シート１３が冷却プレート１４の直下を流れ続けるのにしたがって、シート１３は最終的な幅に広がる。これにより、欠陥と結晶粒界を、シート１３の定められた位置に移動させて、結晶境界をより良い状態にする。一例として、シート１３の結晶は、先端１００の曲がった形状により、シート１３の端に向かって移動する。
【００４０】
溶融物１０の流速を、工程管理の種類によって変化させる。一例として、この溶融物１０の流速は、約１ｃｍ／ｓである。冷却プレート１４でのタイミングが、この流速の変更によって変えられて、これによりシート１３の成長が向上し、また厚さが変更できる。
【００４１】
また温度Ｔｃを維持することは、シート１３をアニールし、シート１３の品質をより高めることとなる。溶融物１０の溶質の存在による本質的な不安定性を避けるために、小さな垂直温度勾配が溶融物１０で維持される。例えばこの垂直温度勾配は、約１Ｋ／ｃｍである。シート１３に垂直温度勾配が形成されるが、これは溶融物１０の垂直温度勾配の形成によるものである。シート１３が形成された後、シートはパネル２０の直下を流れ、これによって溶融物１０と同じ温度に維持される。この時、シート１３には垂直温度勾配がもはやなく、歪がシート１３で成長し、これによりアニーリングが必要となる。パネル２０は、歪をアニールすることを可能とし、シート１３の転位の可能性が減少する。
【００４２】
シート１３のデンドライト結晶の成長を制御する。第１の例では、溶融物１０でゲルマニウムと混入物質のレベルを制御すると、シート１３の表面９５におけるゲルマニウム又は混入物質で誘導されるデンドライト結晶の成長や粗さを減らすことができる。第２の例では、表面９５の粗さやデンドライト結晶が、研磨、酸化、又はエッチングにより修復される。
【００４３】
図１０は、図１に示す装置の実施例を示す、横からの断面図であり、冷却ホイールを用いた図である。放熱シールド１１２で取り囲まれ、少なくとも１つの冷却表面１１１を備える冷却ホイール１１０は、シート１３の形成に使われる。冷却ホイール１１０は、溶融物１０の放射率とは無関係に機能する。この実施例において、冷却ホイール１１０は、冷却セグメント９０、９１、９２、９３、９４とともに機能する。この冷却表面１１１は、例えばグラファイトである。一例として、冷却表面１１１は約４０μｍの厚さのグラファイトである。冷却表面１１１は、例えば、約１０００Ｋの温度で機能し始める。冷却表面１１１の各々によって、溶融物１０からある量の熱が取り除かれるが、これは平衡温度Ｔｃに到達し、シート１３が形成され始める前に行われる。冷却表面１１１は、溶融物１０を温度Ｔｃで約０．３秒間平衡にし、潜熱を吸収して、一例として約１０μｍの厚さのシートが形成される。各冷却セグメント９０、９１、９２、９３、９４が、溶融物１０の流速とは無関係に、シート１３の温度を平衡にするので、熱伝達は溶融物１０の放射率とは独立している。その時、冷却ホイール１１０は、次の伝熱量を受け入れる為に回転し、このときシート１３は矢印３３で示すように、冷却セグメント９０、９１、９２、９３、９４に流れる。
【００４４】
一例として、シリコンだけを溶融物１０に加える。しかしながら、ある実施例では、シリコン対ゲルマニウムの所望の割合を維持する為に、シリコンとゲルマニウムを溶融物１０に加える。これは、供給部１１を使用して、固体シリコンと固体ゲルマニウムを添加して得られる。一実施例として、溶融物１０は、酸化を防ぐ為に不活性の雰囲気に維持される。図１１は、シリコン及びゲルマニウム系二元状態図である。固体シリコン（密度ρが約２．４ｇ／ｃｍ３）は、純粋な液体シリコン（密度ρが約２．６ｇ／ｃｍ３）の表面で、１４１４℃（１６８７Ｋ）の結晶化温度で凝固する。
【００４５】
一実施例として、ゲルマニウムを、溶融物１０のシリコンに加える。溶融物１０においてシリコンにゲルマニウムを加えることは、シート１３の成長をより速めることができ、格子定数の変化によってシート１３の欠陥を補うことが可能となる。ゲルマニウムが溶融物１０のシリコンに加えられると、ゲルマニウムは液体の溶融物１０に優先的に残存する。正確な濃度は、溶融物１０の流速、又は溶融物１０の正確な合成に依存している。固体の結晶シート１３はゲルマニウムの濃度が低く、それ故、残っている溶融物１０よりも融解温度が高いので、温度変動に対して安定している。また、シリコン−ゲルマニウム混合物を溶融物１０として使用する場合には、シリコンは、容器１６及びパネル１５をコーティングする。これによって、溶融物１０の汚染を減少させることができるが、これはシリコンコーティングが容器１６とパネル１５の表面をシールするからである。容器１６とパネル１５の温度は、このコーティングが形成されるように設定される。
【００４６】
得られる固体フィルムは、いくらかゲルマニウムを含んでいる。ゲルマニウムが、溶融物１０に約５％未満しか含まれていない場合には、シート１３のバンドギャップを僅かに減らすだけである。バンドギャップは、固体で電子が存在していない状態のエネルギー範囲である。太陽電池に関しては、バンドギャップは、太陽のスペクトルのどの部分が吸収されるかによって決まる。異なった原子を結晶格子に加えると、シート１３の全体的なバンドギャップに影響を与える。これは、電子の異なるエネルギーバンドが、結晶格子の変化によって変わるからである。普通の当業者に知られているように、他のゲルマニウムレベルでも可能であり、この実施例は、単に溶融物１０に５％のゲルマニウムが入っている場合に限られない。溶融物１０にシリコンとゲルマニウムの溶液を使えば、段階的なバンドキャップとなる太陽電池パネルを、液体溶融物１０によってシート１３から形成することができる。シリコンとゲルマニウムで作られた段階的なバンドギャップとなる太陽電池は、化学気相成長法（ＣＶｄ）を使用することで作られているが、溶融物１０にシリコンとゲルマニウムを用いることで、加工段階を無くして生産コストを下げることができる。
【００４７】
図１２は、段階的なバンドギャップとなるシートの実施例を示す図であり、図１３は、ゲルマニウム系二元状態図の一部を示す図である。溶融物１０が層流である場合は、ゲルマニウム濃度プロファイルは安定していて、より純粋なシート１３が得られる。ゲルマニウムの密度はシリコンよりも高いので、この濃度プロファイルは、また、凝固開始部を安定させ、シート１３の平面性を改善させる。層流はまた、溶融物１０のゲルマニウムの段階付けを行うことができる。この実施例では、純粋なシート１３はシリコンの割合が高い。伝熱５９は、溶融物１０からより純粋なシート１３を形成できるように作用するので、溶融物１０中のゲルマニウムや他の不純物の濃度が上昇する。図１２は、溶融物１０におけるゲルマニウム濃度のおおよそのパーセンテージを示している。図１３は、溶融物１０における液体６２と、シート１３における固体６１を示している。
【００４８】
図１４は、システムを統合した実施例を示す、横からの断面図である。装置２１は、処理手段を統合した連続した流れの中に組み入れられる。シート１３は、例えば集積回路、太陽電池、またはフラットパネルとして加工される。従って、シート１３は、装置２１で生産された後に加工が行われる。この実施例では、シート１３は、少なくとも一部が、重力によって溶融物１０から移動する。ローラ１２４は、シート１３を移動する際に、シート１３を少なくとも部分的に支持する為に使用される。またローラ１２４は、シート１３の移動を助ける為に使用される。一実施例として、シート１３の屈曲を小さくする。このシート１３の屈曲は、シート１３の力学的な歪を最小化する。シート１３は、溶融物１０から移動して冷却される。一例として、シート１３は約３００Ｋで冷却される。シート１３は、特定の冷却装置によって、所定の経過時間で、又はプロセス装置１２３で冷却される。これらのプロセス装置１２３は、例えば、研磨機、プラズマドーピングツール、凝結ツール、又は他のプロセスツールである。
【００４９】
図１５は、空気ベアリングを使用したシートの移動の実施例を示す、横からの断面図である。空気ベアリング１２２は、ローラ１２４に代えて、又は補足するものとしてシート１３を支持する為に使用される。空気ベアリング１２２は、導管１２０の吸入口を通してアルゴンなどのガスを噴出する。そのとき、空気ベアリング１２２は、導管１２１の排気口を通してガスを排出する。空気ベアリング１２２によって形成されたシールによって、大気より低い圧力でガスを流す。いくつかの流速はまた、ガスの流れが速まる際に圧力が減少するベルヌーイ効果を引き起こす。
【００５０】
図１６は、太陽電池を製造するシステムの統合を示す実施例である。当業者であれば、別のシステムの統合でも実施可能であることが理解できるので、この工程は、単に図１６に示されたものに限定されるものではない。シート１３は、この実施例では大部分がシリコンであり、装置２１で作られる。ローラ１２４は、シート１３が装置２１に残っている際には、少なくとも部分的にこのシート１３を支持する。接点のドーピングは、例えばプラズマドーピングツール１３０が使用される。一例として、シート１３は、プラズマドーピングツール１３０で接点をドーピングしている間、設置電位にしておく。他の例では、シート１３は、プラズマドーピングツール１３０で変位している。別の例では、シート１３が高温である間、プラズマドーピングツール１３０を使用する代わりに、シート１３の接点をドーピングする工程ユニットとして、少なくともドーパントガスに浸される。
そして、スクリーン印刷機は、シート１３に接点を印刷する。そして、加熱炉１３２は、シート１３の接点の焼結、水素化、アニーリングを行う。そして、シート１３は、個々の太陽電池１３４を形成するカッティング装置１３３により切断される。空気ベアリングは、様々な工程区画から分離するのに使用される。当業者であれば、区画の長さを、連続して流すための工程時間に対応させることが理解できるであろう。別の実施例では、シート１３は、どの加工段階よりも前に切断される。したがって、シート１３は、装置２１から出た後に切断される。
【００５１】
図１７Ａ〜Ｃは、粒子境界をコントロールする実施例を説明する図である。図１７Ａに示すように、壁３１、３２は、溝１７の溶融物１０を取り囲んでいる。溶融物１０は矢印３３で示される、冷却プレート１４に向けて流れる。冷却１４の先端１４０には、温度勾配が発生する。また、冷却板１４は、別の温度勾配を持つこともでき、これは例えば溶融物１０の流れとともに冷却プレート１４の長さに沿って引き起こされる。別の例では、冷却プレート１４は、全域が一定の温度である。
【００５２】
この実施例では、先端１４０は、シート１３の幅に沿って、高い温度から低い温度まで様々な温度領域を備える。図１７Ｂに示すように、この先端１４０の様々な温度によって、より温度が高い領域に向かって個々の結晶が作られる。これは矢印１４２で示される。これにより、図１７Ｃに示すように、シート１３に、結晶粒界１４１のアレイが形成される。先端１４０の幅に沿う温度勾配の制御により、歪がアニールされる。歪のピークは、シート１３の縁の温度勾配の最も高い所に発生する。温度勾配が約１０００℃／ｍ未満に保たれる場合は、２．５ｍ幅のシート１３が形成される。一つの曲がった成長境界を使用して、単結晶シート１３が形成される。別の例では、温度勾配は制御されていて、シート１３の成長、シート１３のアニーリング、溶融物１０からの分離が等温環境下で起こる。
【００５３】
一実施例として、緻密で周期的な温度変動が使用される。これにより、シート１３の結晶粒界が制御され、又は結晶の質が向上する。また、周期的な温度変動は、単結晶のシート１３を形成し、太陽電池の効率を向上させるか、又は特定の角度での結晶成長を引き起こす。
【００５４】
図１８は、オーム加熱の実施例を示す、正面からの断面図である。この例において、溶融物１０は、凝固したシリコン１５１の層に囲まれている。これにより、壁３１、３２、又は容器１６に溶融物１０が入り込むので、シート１３の汚染が減る。凝固したシリコン１５１の温度がＴｃよりも下回っている間、溶融物１０とシート１３の温度は、オーム加熱によって高い温度で保持される。このオーム加熱は、電極１５０で行われる。電極１５０はタングステンで製造される。電極１５０は、溶融物１０の流れに沿う冷却プレート１４と、ほぼ同じ長さである。加熱ゾーン１５２は、壁３１、３２に最も近い、シート１３の縁における温度と結晶成長を制御する。溶融部１０の移動、又は溶融物１０の対流電流の安定化のための磁場、推進力や加熱のための電流密度（Ｊ）、粘性抵抗や対流のための溶融物１０の深さ、そして溶融物１０やシート１３の加熱や冷却のための周囲の温度のような要素が制御される。
【００５５】
図１９は、シートを製造する他の実施例を示す、横からの断面図である。システム１６０は、第１の装置１６１と、ローラ１２４を備える第２の装置１６２とを備える。ここでは第１の装置１６１と第２の装置１６２を示したが、システム１６０においてはこれらを２つ以上用いても良い。第１の装置１６１と第２の装置１６２は、図１の装置２１に相当する。第１の装置１６１において、シート１３が溶融物１０から形成された後、シート１３が第２の装置１６２に移動する。そして、シート１３は、第２の装置１６２を通り抜ける。第２の装置１６２は、シート１３を厚くするか、又は追加材料を加える。追加的な加工段階は、第２の装置１６２の後で行われる。第１の装置１６１での溶融物１０は、第２の装置１６２での溶融物１０と異なる。一実施例では、加工段階が第１の装置１６１と第２の装置１６２の間で行われる。
【００５６】
一例として、太陽電池は、光の全体のスペクトルを利用するために、減少したバンドギャップに対応する異なった半導体材料の層を必要とする。第２の装置１６２は、シート１３に追加の層を加えるが、これは第２の装置１６２の溶融物１０にシート１３が接触することによる。第１の装置１６１と第２の装置１６２の溶融物１０は、種々の特性、組成、又は温度Ｔｃを備えている。第２の装置１６２によって追加されるシート１３の厚みは、第２の装置１６２の冷却プレート１４で制御される。第２の装置１６２の溶融物１６２は流れているか、又は別の例では止まっている。
【００５７】
図２０は、溶融物からシートを分離する装置の更に別の実施例を示す、横からの断面図である。装置１７１は、ＭＨＤ電極１７２を備える。溶融物１０の両側のＭＨＤ電極１７２は、タングステンで作られていて、溶融物１０を、冷却プレート１４の直下の溝１７の第１のポイント１８から第２のポイント１９に移動させる。第１のマグネット１７３と第２のマグネット１７４は、溶融物１０の周りに配置されていて、垂直磁場を発生させる。第１のマグネット１７３と第２のマグネット１７４は、装置１７１におけるＭＨＤの電極１７２とほぼおなじ領域に配置されている。ＭＨＤ電極１７２は、図２０に示すように、溶融物１０を斜面に沿って上昇させる。最大角度は、式θ＝ＪＢ／（ρｇ）で与えられ、Ｊは電流密度（Ａ／ｍ２）、Ｂは磁場（Ｔ）、ρは密度（２６００ｋｇ／ｍ３）、ｇは重力加速度（９．８１ｍ／ｓ２）を示す。
【００５８】
一例として、Ｂは約２．５ｋＧ（約０．２５Ｔ）、Ｊは約１００Ａ／（１ｍ×１ｍｍ）（約１Ｅ５Ａ／ｍ２）である。この例で、θは１ラジアンと同じ角度である。図２０の構造で、溶融物１０は、スピルウェイ１２を除いてほぼ同じ高さである。これにより装置１７１の構成を簡素化して、装置１７１における他のポンプを減らすことができる。
【００５９】
本開示は、ここで具体的に示した範囲に限定されない。実際に、本開示による他の様々な具体例や修正例は、ここでの開示に加えて、前述の記載や添付図面から当業者によって明らかにされるであろう。したがって、そのような他の具体例や修正例は、本開示に範囲に収まるはずである。その上、本開示は、特定の実施状況下で、特定の環境で、特定の目的のために記載したものであるが、普通の当業者にとっては、この開示の有用性はここでの開示に限定されず、本開示は、多くの環境化において、多くの目的のために、その実現の手助けとなるであろう。したがって、特許請求の範囲は、ここで説明したように、本開示の全容と精神から見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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【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１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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