(57)【要約】  結晶成長装置において加熱要素を配置するためのシステムおよび方法は、加熱要素の１つ以上の加熱部材を相互接続するとともにこれらの加熱部材の少なくとも１つを結晶成長装置に接続するよう用いられる、ヒータクリップのような接続要素を含む。加熱部材は、電気的および熱的に結合され得、同じ回路を介して接続され得る。これにより加熱要素の制御を簡略化する。
2011520743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶成長装置であって、
前記装置に配置される坩堝に受入れられる原材料と、
前記装置に配置される加熱要素とを含み、前記加熱要素は少なくとも、第２の加熱部材に運転可能に接続される第１の加熱部材を含み、前記第１および第２の加熱部材は、前記原材料を加熱および溶解するよう構成される、結晶成長装置。
【請求項２】
前記第１および第２の加熱部材が同じ回路を介して接続される、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記第１および第２の加熱部材が互いに電気的に結合される、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
前記第１および第２の加熱部材が互いに熱的に結合される、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項５】
前記第１の加熱部材および前記第２の加熱部材の少なくとも一方を前記装置に接続するよう構成される少なくとも１つのクリップをさらに含む、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項６】
前記少なくとも１つのクリップは、前記第１および第２の加熱部材を相互接続するよう構成される、請求項５に記載の結晶成長装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つのクリップは、前記第１および第２の加熱部材の少なくとも一方が前記坩堝から所定の距離に配置されるようにサイズ決めされる、請求項５に記載の結晶成長装置。
【請求項８】
前記加熱要素上に配置され、前記加熱要素を前記装置に接続するための複数のクリップをさらに含む、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項９】
前記クリップに受入れられるための複数の締結具をさらに含む、請求項８に記載の結晶成長装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の加熱部材はそれぞれ、坩堝の上部および側部に沿って配置される、請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項１１】
結晶成長装置であって、
前記装置に配置される坩堝に受入れられる原材料と、
前記装置に配置される加熱要素とを含み、前記加熱要素は少なくとも、少なくとも１つのクリップにより第２の加熱部材に接続される第１の加熱部材を含み、前記第１および第２の加熱部材は前記原材料を加熱および溶解するよう構成される、結晶成長装置。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのクリップは、前記加熱要素が前記坩堝から所定の距離に配置されるようにサイズ決めされる、請求項１１に記載の結晶成長装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのクリップは、前記加熱要素を前記装置に接続するよう構成される、請求項１１に記載の結晶成長装置。
【請求項１４】
前記第１および第２の加熱部材は同じ回路を介して接続される、請求項１１に記載の結晶成長装置。
【請求項１５】
結晶成長装置において加熱要素を配置するための方法であって、
前記装置に配置される坩堝に原材料を受入れるステップと、
前記坩堝に対して加熱要素を位置決めするステップとを含み、前記加熱要素は少なくとも、第２の加熱部材に運転可能に接続される第１の加熱部材を含み、前記第１および第２の加熱部材は前記原材料を加熱および溶解するよう構成される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
この出願は、２００８年３月１９日に出願された、同時係属出願である米国仮特許出願連続番号第６１／０３７，９５６号の利益を請求し、その開示は本願明細書において全文参照により明確に援用される。
【０００２】
発明の分野
本発明は、結晶成長および方向性凝固のための炉に関し、より詳細には、結晶成長装置において少なくとも１つの加熱要素を配置するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
方向性凝固システム（directional solidification system；ＤＳＳ）は、たとえば、太陽光発電産業における使用のための多結晶シリコンインゴットの製造に用いられる。ＤＳＳ炉は、シリコンのような出発物質の結晶の成長および方向性凝固のために用いられる。ＤＳＳプロセスでは、シリコン原料は、当該炉において溶解および方向性凝固され得る。従来、シリコン充填物を含む坩堝が炉に配置され、当該坩堝の近くに加熱要素が配される。
【０００４】
ＤＳＳ炉において用いられる加熱要素は、抵抗型または誘導型であり得る。抵抗加熱の場合、電流が抵抗器を通って流れ、加熱要素を加熱する。加熱要素は、運転温度および電力要件を満たす特定の材料、抵抗、形状、厚さ、および電流路を有するよう設計され得る。誘導型の加熱では、典型的には、シリコン充填物の周りを水冷加熱コイルが取り囲み、当該コイルを通って流れる電流が充填物に結合され、これにより充填物の適切な加熱を達成する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＤＳＳ炉は、太陽光発電（photovoltaic；ＰＶ）用途において用いられるシリコンインゴットの結晶成長および方向性凝固に特に有用である。このような炉はさらに、半導体用途のためのシリコンインゴットを成長させるのに用いることができる。いずれのタイプの用途の場合でも、平均製造コストを下げるために大きなシリコンインゴットを製造することが望ましい。しかしながら、製造されるインゴットが大きくなればなるほど、インゴットの製造の間に、ＤＳＳ炉を通る熱流を制御して加熱および熱除去の実質的な制御を達成することが難しくなる。熱流が全体にわたって実質的に制御されなければ、製造物の質が低下する場合がある。
【０００６】
方向性凝固によるシリコンインゴットの製造では典型的に、抵抗型の加熱要素が用いられる。加熱要素は、シリコン充填物を含み、当該充填物を溶かすよう熱が与えられる坩堝を取り囲むよう形状が円筒形状であり得る。ＰＶ用途の場合、長方形／正方形断面のインゴットが望ましく、加熱要素は円筒形状または長方形／正方形状であり得る。充填物が溶けた後、方向性凝固を促進するよう、制御された態様で熱が充填物から除去される。
【０００７】
実際には炉は、インゴットの断面積がより大きくなる場合、熱流を制御するために複数の加熱要素を有するよう設計される。たとえば、ある用途では、複数の加熱要素が異なる領域において温度勾配を制御するよう用いられている。しかしながら、複数の加熱要素の使用により、システムが複雑になり、特に製造環境において熱流を正確に制御することが困難になる。
【０００８】
炉を通る熱流を正確に制御するよう加熱要素が炉において構成される配置を提供することが望ましい。さらに、加熱要素の制御を簡素化するような態様で加熱要素を配置することが望ましい。結晶成長および方向性凝固システムならびに関連する方法は、現在利用可能な方法およびシステムの上記の欠点を克服しなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
結晶成長装置において加熱要素を配置するためのシステムおよび方法が提供される。結晶成長装置は、インゴットを形成するのに用いられるシリコン充填物といった充填物の結晶成長および方向性凝固を促進する炉であり得る。装置において、加熱要素が配置される。加熱要素は好ましくは、電気的および熱的に結合されるとともに同じ回路を介して接続され得る少なくとも第１および第２の加熱部材を含む。少なくとも１つの接続要素が第１および第２の加熱部材の少なくとも一方を結晶成長装置に接続するよう設けられ得る。少なくとも１つの接続要素はさらに、第１および／または第２の加熱部材を相互接続するよう用いられる。さらに、第１および第２の加熱部材の部位を接続するよう付加的な接続要素が設けられてもよい。
【００１０】
接続要素は、機械的相互接続部を形成するよう用いられる加熱クリップであり得る。加熱クリップは、結晶成長装置において、加熱要素の第１および／または第２の加熱部材が充填物を含む坩堝から所定の距離にて間隔をおくように適切にサイズ決めされ得る。
【００１１】
複数の加熱部材を設け、所望の抵抗を有するよう各部材を設計することにより、部材同士の間の電力比を変動させることが可能になる。
【００１２】
本発明に従った結晶成長装置は、装置に配置される坩堝に受入れられる原材料と、装置に配置される加熱要素とを含み得、加熱要素は少なくとも、第２の加熱部材に運転可能に接続される第１の加熱部材を含み、第１および第２の加熱部材は原材料を加熱および溶解するよう構成される。
【００１３】
この発明の他の局面および実施例が以下に論じられる。
本発明の性質および所望の目的のより完全な理解のために、添付の図面に併せて以下の詳細な説明を参照する。複数の図を通じて、同様の参照番号は対応する部分を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に従った加熱要素を組み込む結晶成長装置の断面正面図である。
【図２】図１に示される加熱要素の斜視図である。
【図３】加熱要素の部材を相互接続し、加熱要素を結晶成長装置に取付けるための複数のヒータクリップを示す、図２の加熱要素の拡大斜視図である。
【図４】図３の加熱要素の上面平面図である。
【図５】図３の加熱要素とともに用いるのに好適な第１の好ましい実施例に従ったヒータクリップの様々な図を示す図である。
【図６】図３の加熱要素とともに用いるのに好適な第２の好ましい実施例に従ったヒータクリップの様々な図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
定義
以下の定義を参照すると、本発明はもっとも良く理解される。
【００１６】
明細書および請求項において用いられるように、単数形「ある（ａ；ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈において明確に別段の指示が無い限り、複数の場合を含む。
【００１７】
本願明細書に記載される「炉」または「結晶成長装置」は、結晶成長および／または方向性凝固を促進するよう用いられる任意のデバイスまたは装置を指し、結晶成長炉および方向性凝固（ＤＳＳ）炉を含むがこれらに限定されない。このような炉は、太陽光発電（ＰＶ）および／または半導体用途のためにシリコンインゴットを成長させるのに特に有用であり得る。
【００１８】
発明の詳細な説明
結晶成長装置、たとえば結晶成長および／または方向性凝固を促進させるよう用いられる炉において加熱要素を配置するためのシステムは、好ましくは炉において方向性凝固ブロック上に配される坩堝を含む。坩堝は、シリコンのような原材料を受入れるよう構成される。加熱要素は、当該装置に配され、少なくとも１つの部材、好ましくは、電気的および熱的に結合されるとともに同じ回路を介して接続され得る少なくとも第１の加熱部材および第２の加熱部材を含む。複数の加熱部材を設け、各部材が所望の抵抗を有するよう設計することにより、当該部材同士の間で電力比を変動させることが可能になる。
【００１９】
少なくとも第１および第２の加熱部材を接続するよう、少なくとも１つの接続要素が設けられ得る。当該少なくとも１つの接続要素は、第１および／または第２の加熱部材を結晶成長装置に接続するとともに、第１および第２の加熱部材を相互接続するよう設けられ得る。さらに、接続要素は、たとえば締結具により互いにおよび／または結晶成長装置に機械的に接続される加熱クリップであり得る。加熱クリップは、加熱要素の第１および／または第２の加熱部材が坩堝から所定の距離で間隔を置くように、適切にサイズ決めされ得る。結晶成長装置において加熱要素を配置するシステムおよび関連する方法は、この発明に包含される。
【００２０】
結晶成長装置２が図１に示される。結晶成長装置２は、シリコンのような原材料からインゴットを成長させるための炉であり得る。好ましくは、装置２は、結晶成長および方向性凝固を促進するよう方向性凝固処理を用いる方向性凝固（ＤＳＳ）炉である。装置２の内部では、方向性凝固ブロック８が支持され、たとえばシリコン充填物のような充填物を含む坩堝９を受入れるよう構成される。
【００２１】
結晶成長装置２において、加熱要素１０が配置され、加熱要素１０は加熱要素１０に接続される電極６に取付けられる複数の支持要素４によって支持され得るのが好ましい。支持要素４は、電力を加熱要素１０に供給するとともに加熱要素１０の運転を制御するよう、回路を介して加熱要素１０を電気的に接続するための電気配線を内蔵するのが好ましい。
【００２２】
図２を参照して、加熱要素１０は、好ましくは複数の加熱部材を含む。当該部材は、好ましくは単一の回路において運転可能に接続される。図２に示されるように、加熱要素１０は好ましくは、少なくとも第１の加熱部材１２と第２の加熱部材１４とを含む。加熱部材は、実質的に単一のヒータとして機能するように熱的および電気的に接続される。たとえば、第１の加熱部材１２は、上部ヒータであり得、第２の加熱部材１４は側部ヒータであり得る。上部および側部ヒータの各々は、複数のコイルを含む。
【００２３】
特に、大きなインゴットを成長させるための用途において、坩堝に含まれる全原料に対して実質的に均一な加熱を行なうとともに炉を通る熱流を適切に制御するために複数の加熱要素および／または部材を設けることが望ましい。本発明に従うと、加熱部材を全体制御を行なうために、複数の加熱部材がともに接続され得る。第１および第２の加熱部材を参照して加熱要素を記載するが、加熱要素において、加熱部材を１つのみ設けること、または追加の加熱部材、たとえば加熱部材を３つ以上設けることは、この発明の範囲内である。言い換えると、加熱要素１０は好ましくは１つ以上の加熱部材を含み、これらの部材は好ましくは、加熱要素１０が単一の回路を介して駆動されるようにともに連結される。
【００２４】
本発明に従うと、１つ以上の接続要素は、第１の加熱部材および第２の加熱部材のうちの少なくとも１つを結晶成長装置に接続するよう用いられ得、接続要素はさらに第１および第２の加熱部材を相互接続するよう用いられる。本願明細書に記載される１つ以上の接続要素は、さまざまな加熱部材および／または結晶成長装置を機械的に接続するためのクリップであり得る。
【００２５】
図２〜図４を参照して、少なくとも第２の加熱部材１４を結晶成長装置２に接続するために複数のクリップ２０、２２、および２４が設けられる。この場合、３つのこのようなクリップが示されるが、任意の数のクリップが用いられ得る。たとえば、特定用途のための好適な数のクリップは、約２〜１５個のクリップであり得るが、これより多いまたは少ない数のクリップもこの発明に包含される。実際には、約３〜６個のクリップを用いるのが好適であり得る。各クリップは、ボルトまたはねじなどの締結具を受入れるための複数の穴を含む。図２を参照して、クリップ２０、２２、および２４の各々は電極６を受入れるよう構成される。電極６は、結晶成長装置２において加熱要素１０を支持するとともに電気的に接続するための支持要素４に取付けられ得る。図２では３つのクリップが示されるが、加熱要素１０が装置２において支持されるようにどのように構成されるかに依って任意数のクリップが用いられ得る。さらに、クリップの１つ以上が加熱要素１０を制御するための回路に電気的に接続され、他のクリップが電気的に不活性であってもよい。
【００２６】
図２に示されるように、クリップ２０、２２、および２４は互いにほぼ等しく間隔を空けており、これにより適切に加熱要素１０を支持する。図示されるクリップは第２の加熱部材１４に接続されているが、使用の際は、当該クリップは第１および第２の加熱部材１２、１４の両方に取付けられるのが好ましい。代替的には、クリップはこれらの加熱部材の一方にのみ取付けられ、これらの加熱部材は他の接続要素によって相互接続されてもよい。さらなる代替例として、クリップのいくつかが第１および第２の加熱部材の両方を結晶成長装置に相互接続するように用いられ得、他のクリップが第１および第２の加熱部材の一方のみを結晶成長装置に接続するようにしてもよい。
【００２７】
１つ以上の付加的な接続要素が第１および第２の加熱部材１２および１４の１つ以上の部位を相互接続するためにそれぞれ設けられるのが好ましい。図３および図４を参照して、複数の接続要素またはクリップ３２、３４、３６、および３８が第２の加熱部材１４の複数の部位を接続するために設けられる。クリップ３２、３４、３６、および３８は、第２の加熱部材１４または側部ヒータの異なる部位に連結する角部に設けられる。同様の接続要素またはクリップが、第１の加熱部材の部位を相互接続するよう設けられ得る。
【００２８】
明確さのため、加熱クリップ２０、２２、および２４は、図２〜図４において、結晶成長装置２および第１の加熱部材１２に接続されないように示される。しかしながら実際には、これらのクリップの各々は、電極６と、支持要素４と、装置２との間の相互接続を通じて、第１の加熱部材１２および第２の加熱部材１４の少なくとも一方を結晶成長装置２に接続するよう構成される。クリップの各々はさらに、第１および第２の加熱部材１２、１４を相互接続するよう構成される。たとえば、図３に示すように、各クリップの下側は、使用の間、第１および第２の加熱部材１２、１４がともに機械的に連結し、好ましくは熱的および電気的に接続されるように第１の加熱部材１２のある部位と接続するよう構成される。
【００２９】
図５および図６は、本発明において有用なヒータクリップの代替的な好ましい実施例を示す。好適なヒータクリップは、たとえば、結晶成長装置において加熱要素が坩堝に対して配置されることになる所望の距離に基づき選択され得る。たとえば、結晶成長装置の所与のサイズについては、図６に示されるようにヒータクリップがより長ければ、たとえばシリコン充填物のような成長材料を含む坩堝に対して加熱要素がさらに接近することになる。比較して、図５に示すようにヒータクリップがより短ければ、加熱要素と坩堝との間の距離がより長くなる。言い換えると、加熱要素または加熱要素の１つ以上の加熱部材と坩堝との間の所定の距離に基づき、特定のヒータクリップ構成が選択され得る。本願明細書において規定するように、方向性凝固の間に熱流を制御するのに異なるサイズおよび構成のヒータクリップが用いられ得る。
【００３０】
用いられる加熱部材の数に基づき特定のヒータクリップを選択することも可能である。たとえば、第２の加熱部材（側部ヒータ）のみが用いられる場合、より短いヒータクリップが用いられ得る。この場合、図５のヒータクリップが好ましい。
【００３１】
この発明の好ましい実施例を特定の用語を用いて記載してきたが、このような記載は単に例示目的であって、特許請求の範囲の精神または範囲から逸脱することがなければ、変更例および変形例を作製することが可能であると理解されるべきである。
【００３２】
参照による援用
本願明細書で引用されたすべての特許、特許出願公報、および他の参照文献のすべての内容は、ここで全文参照により明確に援用される。
【図１】
2011520743.tif 000003
【図２】
2011520743.tif 000004
【図３】
2011520743.tif 000005
【図４】
2011520743.tif 000006
【図５】
2011520743.tif 000007
【図６】
2011520743.tif 000008
【国際調査報告】
2011520743.tif 000009
2011520743.tif 000010
2011520743.tif 000011