(57)【要約】  本発明は、水冷式リアクタの空洞内部全体ではなくて封止された坩堝の内部で析出反応を行わせることによって、シーメンス・リアクタの限界を克服する。坩堝自体は、カートリッジ・リアクタの内部に配置され、そのカートリッジ・リアクタは、坩堝とリアクタ壁との間にヒート・シールドを有し、それにより放射エネルギー損失を著しく低減することができる。さらに、坩堝内の空洞容積に対する析出表面積の比が、シーメンス・リアクタ内の総空洞容積に対するロッドの析出表面積の比より遥かに大きく、その結果、ガス分子が析出面と接触する割合が遙かに高くなる。この結果、ガス内の物質から析出面上の物質への遥かに高い実効変換率が得られる。
2014523488.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的気相成長法によって物質を製造する方法において、
ａ．周囲空間から封止することができる容器を用意する段階と、
ｂ．加熱することができ、前記容器内部に配置することができる析出面を用意する段階と、
ｃ．前記容器に流入する析出ガス混合物の流れを用意する段階であって、前記容器を取り巻く前記空間内を前記析出ガス混合物が流れないようにする段階と、
ｄ．前記容器から流出する排出ガスの流れを用意する段階であって、前記容器を取り巻く前記空間内を前記排出ガスが流れないようにする段階と、
ｅ．前記容器内部に前記析出面を配置し、前記容器を前記周囲空間から封止し、前記析出面を加熱し、前記容器に前記析出ガス混合物を流し込み、前記容器から前記排出ガスを流し出し、その結果、前記物質のクラストが、前記析出面上に析出し、前記容器の空洞容積を実質的に充填する段階と、
ｆ．前記容器に入る前記析出ガス混合物の流れを止めそれをパージし、以下のいずれかの工程で製造サイクルを継続する段階であって、それら工程は、
ｉ．前記析出面が前記析出物質と同じ物質から作られている場合、単に、前記容器を封止解除し、前記物質のクラストで実質的に充填されている前記容器を、以降の処理のために回収する工程、
ｉｉ．前記析出面が、製造される前記物質より高い融解温度を有する物質またはそれらの組合せから作られており、かつ固体製品が望まれている場合、
１．前記析出面を前記物質の融解温度まで、またはそれより高くさらに加熱し、それによって、前記析出面との境界面で前記物質の薄い層を液化させ、前記物質のクラストを剥離させる手順、
２．前記容器を封止解除し、前記容器内の前記物質の剥離クラストから前記加熱析出面を引き離す手順、および、
３．前記物質のクラストで実質的に充填された前記容器を、以降の処理のために回収する手順、からなる工程、
ｉｉｉ．前記析出面が、製造される前記物質より高い融解温度を有する物質またはそれらの組合せから作られており、かつ融解製品が望まれている場合、
１．前記析出面を前記物質の融解温度まで、またはそれより高くさらに加熱し、前記物質が融解するまで前記析出面を前記物質と接触状態に保つ手順、
２．前記容器を封止解除し、前記加熱析出面を前記容器内の前記融解物質から引き離す手順、および、
３．前記融解物質で実質的に充填された前記容器を、以降の処理のために回収する手順、からなる工程、および、
ｉｖ．前記析出面が、製造される前記物質より高い融解温度を有する物質またはそれらの組合せから作られており、かつ結晶製品が望まれている場合、
１．前記析出面を前記物質の融解温度まで、またはそれより高くさらに加熱し、前記物質が融解するまで前記析出面を前記物質と接触状態に保つ手順、
２．前記容器を封止解除し、前記物質に特定の冷却および晶化が行われるように制御された速度で前記融解物質から前記加熱析出面を引き離す手順、および、
３．前記結晶物質で実質的に充填された前記容器を、以降の処理のために回収する手順、からなる工程、を含む段階と、
から構成されることを特徴とする方法。
【請求項２】
化学的気相成長法によって物質を製造する方法およびリアクタにおいて、
ａ．周囲空間から封止することができるリアクタを用意する段階と、
ｂ．前記リアクタ内部に配置することができ、前記リアクタ内部の空間の残りの部分から封止することができる容器を用意する段階と、
ｃ．加熱することができ、前記容器内部に配置することができる析出面を用意する段階と、
ｄ．前記リアクタの外部から前記リアクタ内にある前記容器の内部への析出ガス混合物の流れを用意する段階であって、前記リアクタ内部の前記空間の前記残りの部分内を前記析出ガス混合物が流れないようにする段階と、
ｅ．前記リアクタ内にある前記容器の内部から前記リアクタの外部への排出ガスの流れを用意する段階であって、前記リアクタ内部の前記空間の前記残りの部分内を前記排出ガスが流れないようにする段階と、
ｆ．前記リアクタ内部に前記容器を配置し、前記リアクタを前記周囲空間から封止する段階と、
ｇ．前記析出面を前記容器内部に配置し、前記容器を前記リアクタ内部の前記空間の前記残りの部分から封止する段階と、
ｈ．前記析出面を加熱し、前記容器に前記析出ガス混合物を流し込み、前記容器から前記排出ガスを流し出し、その結果、前記物質のクラストが、前記析出面上に析出し、前記容器の空洞容積を実質的に充填する段階と、
ｉ．前記容器に入る前記析出ガス混合物の流れを止めそれをパージし、以下のいずれかの工程で製造サイクルを継続する段階であって、それら工程は、
ｉ．前記析出面が前記析出物質と同じ物質から作られている場合、単に、前記容器を封止解除し、前記リアクタを封止解除し、前記物質のクラストで実質的に充填されている前記容器を、以降の処理のために回収する工程、
ｉｉ．前記析出面が、製造される前記物質より高い融解温度を有する物質またはそれらの組合せから作られており、かつ固体製品が望まれている場合、
１．前記析出面を前記物質の融解温度まで、またはそれより高くさらに加熱し、それによって、前記析出面との境界面で前記物質の薄い層を液化させ、前記物質のクラストを剥離させる手順、
２．前記容器を封止解除し、前記容器内の前記物質の剥離クラストから前記加熱析出面を引き離す手順、および
３．前記リアクタを封止解除し、前記物質のクラストで実質的に充填された前記容器を、以降の処理のために回収する手順、からなる工程、
ｉｉｉ．前記析出面が、製造される前記物質より高い融解温度を有する物質またはそれらの組合せから作られており、かつ融解製品が望まれている場合、
１．前記析出面を前記物質の融解温度まで、またはそれより高くさらに加熱し、前記物質が融解するまで前記析出面を前記物質と接触状態に保つ手順、
２．前記容器を封止解除し、前記加熱析出面を前記容器内の前記融解物質から引き離す手順、および
３．前記リアクタを封止解除し、前記融解物質で実質的に充填された前記容器を、以降の処理のために回収する手順、からなる工程、および、
ｉｖ．前記析出面が、製造される前記物質より高い融解温度を有する物質またはそれらの組合せから作られており、かつ結晶製品が望まれている場合、
１．前記析出面を前記物質の融解温度まで、またはそれより高くさらに加熱し、それによって、前記析出面との境界面で前記物質の薄い層を液化させ、前記物質のクラストを剥離させる手順、
２．以下のいずれかの処置で前記物質を融解させる手順であって、
それら処置は、
ａ．前記物質が融解するまで前記加熱析出板を前記物質と接触状態に保つことにより、前記析出面を用いて融解する処置、および
ｂ．前記容器にとっては外部にあるが、前記リアクタにとっては内部にある加熱装置を用いて融解する処置であって、
その融解する処置は、
ｉ．前記容器を封止解除し、前記容器内の前記物質の剥離クラストから前記加熱析出面を引き離すこと、および、
ｉｉ．前記容器にとっては外部にあるが、前記リアクタにとっては内部にある前記加熱装置を用いて前記容器内の前記物質を融解すること、からなる処置を含む手順、
さらに、
３．以下のいずれかの処置で前記融解物質を晶化させる手順であって、
それら処置は、
ａ．前記容器を封止解除し、前記物質に特定の冷却および晶化が行われるように制御された速度で前記融解物質から前記加熱析出面を引き離す処置、
ｂ．前記容器にとっては外部にあるが、前記リアクタにとっては内部にある前記加熱装置によって、前記物質に特定の冷却および晶化が行われるように制御された速度で加熱を行う処置、
ｃ．前記容器にとっては外部にあるが、前記リアクタにとっては内部にある冷却装置を用意し、この冷却装置によって、前記物質に特定の冷却および晶化が行われるように制御された速度で冷却を行う処置、および、
ｄ．前記融解物質内に浸漬し、前記物質に晶化が行われるように制御された速度でそこから引き出す回転式引抜ロッドを用いる処置、を含む手順、および、
さらに、
４．前記リアクタを封止解除し、前記結晶物質で実質的に充填された前記容器を、以降の処理のために回収する手順、からなる工程、
を含む段階と、
から構成されることを特徴とする方法およびリアクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
化学的気相成長法によって物質を製造する方法およびリアクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
本特許出願は、２００９年１０月２２日出願の米国特許出願第１２／５９７，１５１号（「’１５１特許出願）「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ−ｐｕｒｉｔｙ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｖｉａ  ｈｉｇｈ−ｓｕｒｆａｃｅ−ａｒｅａ  ｇａｓ−ｓｏｌｉｄ  ｏｒ  ｇａｓ−ｌｉｑｕｉｄ  ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ  ａｎｄ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ｖｉａ  ｌｉｑｕｉｄ  ｐｈａｓｅ」をその全体として、参照により組み込むものとする。本願は、本願と同時に出願された共願の標題「ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＣＡＲＴＲＩＤＧＥ  ＦＯＲ  ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ  ＯＦ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＶＩＡ  ＴＨＥ  ＣＨＥＭＩＣＡＬ  ＶＡＰＯＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＰＲＯＣＥＳＳ」（その出願番号 は通知されれば付け加えられる）もやはりその全体を参照により組み込むものとする。本願はさらに、２０１１年７月１日出願の米国特許仮出願第６１５０４１４８号（「’１４８特許仮出願」）「Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｃａｒｔｒｉｄｇｅ  ｆｏｒ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ−ｐｕｒｉｔｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ａｎｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ａｎｄ  ｏｔｈｅｒ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ」、および２０１１年７月１日出願の米国特許仮出願第６１５０４１４５号（「’１４５特許仮出願」）「Ｃａｒｔｒｉｄｇｅ  ｒｅａｃｔｏｒ  ｆｏｒ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｈｉｇｈ−ｐｕｒｉｔｙ  ａｍｏｒｐｈｏｕｓ  ａｎｄ  ｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ａｎｄ  ｏｔｈｅｒ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ」の特典を主張し、これらは共に、ここにそれらの全体が本明細書に組み込まれるものとする。’１５１特許出願では、用語「析出プレート」は、シリコンがその上に析出する表面として定義されるが、本特許出願において実際の物理的構成要素を記述するとき、より明確にするために、「析出面」が、物質がその上に析出する面として定義され、「析出プレート」は、その上に、好ましくは両面上および１またはそれ以上の縁部上に、物質が析出する実際の物理的平板（その縁部に比較して、かなり大きな表面積をその両面に有する物体）として定義される。したがって、析出プレートの両面および縁部が析出面である。用語「析出カートリッジ」は、配電ロッドと一枚板型析出プレートとの組合せ、または、単一の蛇行パターンの析出プレートとして定義され、そのどちらにも、絶縁層またはスペーサを組み込むことができる。用語「シーメンス・リアクタ」は、種結晶ロッドを使用するように本来設計されている析出リアクタとして定義される。
【０００３】
’１５１特許出願は、シーメンス・リアクタの限界を記載し、それには以下が含まれる。すなわち、
１．多結晶シリコン・ロッドの低い平均表面積、それは、結果として低い体積析出速度、すなわち低いシーメンス・リアクタの生産性（所与の期間中に製造される多結晶シリコンの量、通常、１年当たりのメートル・トンによって測定される）に結び付く、
２．多結晶シリコン・ロッドの低い表面積対体積比、それは、有意義な析出量を達成するのに要する長時間にわたって、析出を達成するのに必要な表面温度を維持するためにエネルギーを多大に消費する結果になる、
３．ロッド採収プロセスで大きな労力を要し、不純物が混入しやすい特性
である。
【０００４】
’１５１特許出願に記載の発明は、大表面積の電気加熱式析出プレートを用いることによってこれらの限界を克服する。シリコンが、ＣＶＤプロセスによってこれらプレート上に高い体積速度で析出され、次いで、プレートをさらに加熱することによって回収される。そのさらに加熱することによって、プレートの境界面において析出された多結晶シリコンの極めて薄い層が融解され、析出多結晶シリコンの固体クラストを、機械的に、または重力によってプレートから引き剥がすことができる。シーメンス・リアクタにおいて大型のプレートを使用すると、従来の種結晶ロッドの使用と比較してリアクタの生産性が向上し、他方、小型のプレートを使用すると、種結晶ロッドの使用と比較して同じ生産性を維持しながらリアクタのエネルギー消費量が低減する。しかし、それらに限定されないが以下を含めて、シーメンス・リアクタのさらに別の限界が残る。すなわち、
１．ロッドの他にリアクタの壁上に多結晶シリコンが析出するのを防止するために冷却しなければならないリアクタの壁への、ロッドからの高い放射エネルギー損失、
２．リアクタの総空洞容積に対して析出表面積の比率が低いために、析出ガス分子が析出表面積に接触する割合が低いことである。ガス中のシリコンのロッド上のシリコンへの実効変換率が理論変換率に対して低いのは、その事象は反応平衡によって支配されるが、接触する割合が低い結果である。
【０００５】
本発明は、水冷式リアクタの空洞内部全体ではなくて封止された坩堝の内部で析出反応を行わせることによって、上記のシーメンス・リアクタの限界を克服する。リアクタの内壁上への析出は、生産する物質の損失に通じるので望ましくないが、坩堝の内壁上への析出は、析出表面積の増加により堆積析出速度を増加させるので、実際上望ましい。坩堝自体は、カートリッジ・リアクタの内部に配置され、そのカートリッジ・リアクタは、坩堝とリアクタ壁との間にヒート・シールドを有し、それにより放射エネルギー損失を著しく低減することができる。通常、シーメンス・リアクタによって使用されるエネルギーの最大６０〜７０％が、それらリアクタの遮蔽されていない水冷式壁に奪われる。
【０００６】
さらに、坩堝内の空洞容積に対する析出表面積の比が、シーメンス・リアクタ内の総空洞容積に対するロッドの析出表面積の比より遥かに大きく、その結果、ガス分子が析出面と接触する割合が遙かに高くなる。この結果、ガス内の物質から析出面上の物質への遥かに高い実効変換率が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】カートリッジ・リアクタの主要構成要素の好ましい一実施形態の立面断面図である。
【図２】カートリッジ・リアクタの主要構成要素の好ましい一実施形態の平面断面図である。
【図３】カートリッジ・リアクタ用の析出カートリッジの好ましい一実施形態の透視図である。
【図４】底部アセンブリが下降し、坩堝が搭載された状態のカートリッジ・リアクタの好ましい一実施形態の立面断面図である。
【図５】底部アセンブリが上昇し、リアクタが不活性ガスで加圧された状態のカートリッジ・リアクタの好ましい一実施形態の立面断面図である。
【図６】坩堝が上昇し、析出カートリッジが予熱されている状態のカートリッジ・リアクタの好ましい一実施形態の立面断面図である。
【図７】析出シーケンス中のカートリッジ・リアクタの好ましい一実施形態の立面断面図である。
【図８】リアクタ内に不活性ガスが存在する状態で方向性凝固中のカートリッジ・リアクタの好ましい一実施形態の立面断面図である。
【図９】冷却およびエア・パージ中のカートリッジ・リアクタの好ましい一実施形態の立面断面図である。
【図１０】底部アセンブリが下降し、坩堝が取り下ろされている状態のカートリッジ・リアクタの好ましい一実施形態の立面断面図である。
【図１１】リアクタ上部アセンブリの好ましい一実施形態の側方立面断面図である。
【図１２】リアクタ上部アセンブリの好ましい一実施形態の前方立面断面図である。
【図１３】リアクタ上部アセンブリの好ましい一実施形態の平面断面図（下視）である。
【図１４】ガスのフロー・パターンを示す、析出中の坩堝の好ましい一実施形態の側方立面断面図である。
【図１５】物質のクラストを示す、析出後の坩堝の好ましい一実施形態の平面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
ＣＶＤ法によって物質を製造するカートリッジ・リアクタ５０の好ましい一実施形態の主要構成要素が、図１に示されている。この実施形態では、リアクタ上部アセンブリ１は、析出カートリッジ２（同カートリッジは、’１４８および’１４５特許出願、ならびに本願と同時出願の「ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＣＡＲＴＲＩＤＧＥ  ＦＯＲ  ＰＲＯＤＵＣＴＩＯＮ  ＯＦ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＶＩＡ  ＴＨＥ  ＣＨＥＭＣＩＡＬ  ＶＡＰＯＲ  ＤＥＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＰＲＯＣＥＳＳ」に記載されている）を支持し、析出ガス混合物を析出カートリッジ２の析出面上に行き渡らせ、排出ガスを取り除き、排出ガスと析出ガス混合物との熱交換を行う働きをする。析出カートリッジ２のアレイは、好ましくは、望みの最終製品が単結晶物質であれば４角形の平断面を、望みの最終製品が単結晶物質であれば円形の平断面を有する。リアクタ上部アセンブリ１は、気密シールを組み込んだリアクタ・フランジ９によってリアクタ中間アセンブリ３に取り付けられる。リアクタ中間アセンブリ３は、晶化加熱装置４を収容する。リアクタ中間アセンブリ３まで上昇させ、そこから下降させることができるリアクタ底部アセンブリ６は、方向性凝固に際し坩堝を冷却するための底部冷却装置１０が装備された、垂直方向に移動することができる坩堝台５を収容する。リアクタの全てのアセンブリには、放射エネルギー損失を最低限に抑えるためにヒート・シールドが組み込まれている。
【０００９】
図２に示されるように、リアクタ上部アセンブリ１、リアクタ中間アセンブリ３、およびリアクタ底部アセンブリ６のリアクタ壁３５は、好ましくは、平断面が円形であり、好ましくは、さらに水冷却されている。ヒート・シールド１３、析出カートリッジ２のアレイ、晶化加熱装置４、および底部冷却装置１０の平断面は、多結晶物質を望むのであれば、好ましくは４角形であり、単結晶物質を望むのであれば、好ましくは円形である。
【００１０】
図３は、リアクタ上部アセンブリに取り付けられる析出カートリッジ２のアレイの好ましい一実施形態の透視図である。析出カートリッジ２は、それらの電極タブ５３を通して、電極ブラケット５７によって配電バー３２に接続されている。１６個の析出カートリッジ２があり、それらは、約５ｃｍ離隔して配置され、高さが約４２ｃｍ、長さが約７５ｃｍである。析出カートリッジ２および坩堝の内壁上に約２ｃｍの厚さの析出クラストを想定すると、この好ましい実施形態の析出カートリッジ２のアレイは、それに限定されないが多結晶シリコンを含む析出物質の晶化に通常使用される８５ｃｍ×８５ｃｍの坩堝の内側に適合するように設計されている。
【００１１】
カートリッジ・リアクタ５０のこの好ましい実施形態は、以下の好ましい７つの段階で作動する。
１．坩堝搭載段階が図４に示されている。好ましくは、リアクタ底部アセンブリ６を下降させ、好ましくは石英製である坩堝１１を、坩堝台５上に正確に配置する。
２．不活性ガス・パージ段階が図５に示されている。好ましくは、リアクタ底部アセンブリ６を上昇させ、リアクタ底部アセンブリおよびリアクタ中間アセンブリ３の気密リアクタ・フランジ６同士を封止する。リアクタ空洞を、リアクタ・ガス入口１８ならびにリアクタ上部アセンブリ１のガス入口および出口を用いて、不活性ガス、好ましくは窒素によってパージする。好ましくは、カートリッジ・リアクタ５０を、さらに作動圧力まで上げる（好ましくは６バールの範囲内で）。
３．予熱段階が図６に示されている。好ましくは、坩堝１１の上方縁部がガス・シール１９を押圧し、気密シールを形成するように、坩堝台５を上昇させる。好ましくは、次いで、析出カートリッジ２を最適析出温度まで電気的に予熱し、その最適予熱温度は、好ましくは、析出物質が多結晶シリコンのとき、８５０℃〜１，１５０℃の範囲である。カートリッジ・リアクタ５０のヒート・シールド１３は、放射エネルギー損失を最小限に抑え、水冷式リアクタ壁３５の冷却仕事を最小化する。
４．析出シーケンス段階が図７に示されている。好ましくは、析出物質が多結晶シリコンのとき、析出ガス混合物、好ましくはトリクロロシランおよび水素、またはモノシランをリアクタ上部アセンブリ１のガス入口から坩堝１１にポンプ送入し、同時に、不活性ガス、好ましくは窒素を、坩堝の外側の空洞の残りの部分内に維持する。好ましくは、安全のために、ガス・シール１９が万一漏洩した場合に、可燃性析出ガス混合物が坩堝１１から漏れ出すのではなく不活性ガスが坩堝１１に漏れ込むように、不活性ガスは、析出ガスより僅かに高い圧力になっている。あるいはこの好ましい実施形態では、リアクタ・フランジ９に漏洩があった場合、可燃性析出ガス混合物がカートリッジ・リアクタ５０から漏れ出すのではなく、不活性ガスがカートリッジ・リアクタ５０から漏れ出し、それが、シーメンス・リアクタに勝るさらに別の安全性改善である。ガス・シール１９は、好ましくは、比較的高い温度に耐えるように選択され、それに関しては、炭素系材料など好ましいシール材があり、他方、ガス・シールは、好ましくは、比較的小さな差圧を受ける。好ましくは、坩堝１１にポンプ送入された析出ガス混合物は、析出カートリッジ２の加熱析出面と接触し、析出反応を行い、排出ガスに変換され、リアクタ上部アセンブリ１のガス出口を通って取り除かれる。この好ましい実施形態では、このプロセスは、物質クラスト１４が析出面に堆積し、その結果、坩堝１１内部の空間が殆ど一杯になるまで続く。この殆ど一杯になった時点で、坩堝１１の内側および外側共に適切な不活性ガス、好ましくはアルゴンによってパージされ、好ましくは、坩堝１１の内側および外側共に真空に引かれる。次いで、析出面を物質の融点まで、またはそれ以上にさらに加熱し、析出カートリッジ２の析出面で物質の薄い層を液化させ、物質クラストを析出カートリッジ２から剥離させる。
５．晶化段階が図８に示されている。好ましくは、坩堝１１および物質クラスト１４を担持する坩堝台５を、リアクタ中間アセンブリ３内に下降させ、物質クラスト１４を、液状物質１５になるまで晶化加熱装置４によってさらに加熱する。好ましくは、ヒート・シールド１３は、放射エネルギー損失を最小限に抑える反射層を組み込み、伝導および対流エネルギー損失を最小限に抑える断熱層を反射層の外側に組み込むことができる。この好ましい実施形態では、方向性凝固が、底部冷却装置１０の作動、晶化加熱装置４の制御、および／または晶化加熱装置４から離れる方向への坩堝台５の移動を含めて、１またはそれ以上の手段によって達成される。この晶化段階中、回転ヒート・シールド１２は、エネルギー損失を最低限に抑えるために、坩堝１１の上部を蔽って断熱するように閉じられる。凝固前面１６が、液状物質１５の中を上方へ移動し、その後ろに結晶物質インゴット１７を形成する。上記の晶化段階の別の好ましい実施形態では、坩堝１１を一杯に上昇させた位置のままで、物質クラスト１４を、析出カートリッジ２によって完全に融解することができる。次いで、坩堝１１を制御しながら下降させ、その間、析出カートリッジ２に液状シリコンを加熱し続けさせ、底部冷却装置１０を作動させて方向性凝固を開始させることができる。この好ましい実施形態は、晶化プロセスを加速できると同時に、凝固前面１６をより平坦に保つことによってより高品質の結晶シリコンを生産できる可能性を有する。上記の好ましい実施形態は両方とも、多結晶物質を製造することになり、析出カートリッジ２のアレイ、坩堝１１、および底部冷却装置１０に関し４角形の平断面形状が好ましい。一方、別の好ましい実施形態では、この平断面形状が円形であり、リアクタ上部アセンブリ１から液状物質１５内への回転式引抜ロッドを導入すれば、チョクラルスキ晶化プロセスによって、単結晶インゴットを製造することもできる。最後に、別の好ましい実施形態では、この晶化段階全体を省略することができ、カートリッジ・リアクタ５０を使用して坩堝にアモルファス物質だけを製造し、他の場所でそれ以降の処理を行うことができる。
６．冷却およびエア・パージ段階が図９に示され、その段階では、対流冷却のために、循環する不活性ガス、好ましくはアルゴンによって真空を置き換える。その後の取扱いを容易にするために坩堝を十分に冷却した後、リアクタ底部アセンブリ６の封止を解除し下降させる準備として、不活性ガスを空気でパージする。晶化段階が省略される好ましい実施形態では、その後の処理段階でのエネルギー消費を適宜最小限に抑えることができるように、坩堝１１および物質クラスト１４の冷却を省略することもできる。
７．坩堝取卸し段階が図１０に示されている。好ましくは、リアクタ底部アセンブリを封止解除し下降させ、結晶物質インゴット１７が入った坩堝１１を取卸す。
【００１２】
カートリッジ・リアクタ５０の好ましい実施形態の一特徴は、リアクタ上部アセンブリ１内で達成される析出ガス混合物の効果的な分布および予熱である。リアクタ上部アセンブリ１の側方立面断面図である図１１では、析出ガス混合物が、析出ガス混合物入口２０を通って析出ガス混合物入口マニホルド２９に入る。この好ましい実施形態では、析出ガス混合物が、多数の析出ガス混合物入口ノズル２４に導き入れられ、そのノズル２４は下方に延出し、リアクタ上部アセンブリ１の底面位置で析出カートリッジ２の真上に開口する。析出ガス混合物は、各析出ガス混合物ノズル２４を通って射出され、析出カートリッジ２の間を下方に流れ、坩堝１１の底にぶつかる。坩堝１１の底にぶつかる析出ガス混合物の隣接する流れ同士のブロック効果が、析出ガス混合物の横への広がりを最小限に抑え、析出ガス混合物を、析出ガス混合物ノズル２４から出る好ましくは下方に流れる析出ガス混合物と析出カートリッジ２との間を、好ましくは渦運動または乱流運動で、主として上に戻るように流れさせる（さらに図１２、１３、および特に１４を参照されたい）。この乱流の流れが、好ましくは、析出ガス混合物を析出カートリッジ２とより完全に接触させ、それにより、析出ガス混合物内の物質を析出面上の物質へより完全に変換させる。
【００１３】
この好ましい実施形態では、排出ガスは、析出ガス混合物入口ノズル２４を取り巻く、唯一の逃げ道である排出ガス出口環状部２５を通って、それが除去されるところへ上方に流れ続ける。排出ガス出口環状部２５を通って上方に流れるこの加熱されている排出ガスは、析出ガス混合物ノズル２４の中を通って下方に流れる析出ガス混合物を加熱する。その排出ガスはまた、排出ガス・アフタクーラ２６内の排出ガス出口環状部の外側を流れる冷却水も加熱する。析出ガス混合物分布様式の別の好ましい実施形態としては、個々の交互入口および出口ノズル、または交互入口および出口ノズルの列がある。
【００１４】
排出ガスは、排出ガス出口マニホルド２７内で多数の排出ガス出口環状部２５から単一の流れに集められ、排出ガス出口２２を通ってリアクタ上部アセンブリから出る。一方では、排出ガス・アフタクーラ２６内で加熱された冷却水は、析出ガス混合物予熱装置２８へ流れていき、そこで、析出ガス混合物入口ノズル２４から入って来たばかりの析出ガス混合物に対して初期加熱を行う。この冷却水は、次いで、冷却水出口２１を通ってリアクタ上部アセンブリ１から出て行く。
【００１５】
図１１，１３は、配電バー３２に取り付けられている析出カートリッジ２の間の空隙の真上に析出ガス混合物入口ノズル２４が配置されている状態のリアクタ上部アセンブリ１の好ましい一実施形態を示す。図１１，１３はまた、配電バー３２を介して並列に電気接続された析出カートリッジ２を示し、それら配電バー３２自体は、排出ガス・アフタクーラ２６の側壁に対して電気絶縁式気密シールを形成する配電バー電極３１を介して電源に接続されている。別の好ましい実施形態では、電極タブ５３または電極ブラケット５７を、絶縁鋼管に通して、上方に延ばしリアクタ上部アセンブリ１の頭部を貫通して外に出すことができ、リアクタ上部アセンブリ１の頭部上の接点で電源に接続することができる。
【００１６】
析出、および析出カートリッジ２からの分離後の坩堝１１の好ましい一実施形態が、図１５に示されている。坩堝１１の内壁および析出カートリッジ２の析出面上に析出した物質が、坩堝の容積の大部分を満たし、析出カートリッジ２の代わりに細い析出カートリッジ空洞３６が残っている。
【００１７】
このカートリッジ・リアクタのシーメンス・リアクタに勝る好ましい利点は、以下の通りである。
１．析出に関する表面積がより大きいことによる、より速い体積析出速度。
２．析出ガス混合物包含容積に対する析出表面積の比がより大きいこと、ならびに、析出カートリッジ形状とガス入口ノズル形状との組合せによって可能になる、析出ガス混合物が析出面とより完全に接触することの結果得られる、析出ガス混合物中の物質の析出面上の物質へのより高い実効変換率。
３．析出カートリッジ外形から生じる放射熱損失を最小限に抑えることによるエネルギーの節減。加熱析出面から射出される放射熱の大部分は、隣接する析出面によって吸収される。
４．水冷式リアクタ壁への放射、伝導、および対流熱損失を最小限に抑えることによるエネルギーの節減。析出は封止された坩堝内部で行われるので、坩堝の外側のリアクタ壁はヒート・シールドによって遮蔽することができる。
５．晶化のための物質の融解を環境温度からではなく析出温度から行うことによるエネルギーの節減。晶化が、カートリッジ・リアクタ内で行われようと、別の晶化装置内で行われようと、物質は、既に坩堝に入っており、直接取り扱う必要はなく、したがって、環境温度まで冷却する必要はない。
６．取扱いによる物質の汚染の排除、および、酸エッチングなど、取扱いによる汚染修復のための工程の排除。
７．坩堝に詰めるために物質を扱いやすい大きさの塊に砕く工程の排除。
８．析出カートリッジを融解シリコンから制御下で引き抜くことによる、より迅速でより高品質な晶化。
９．析出ガス混合物を排出ガスへより完全に変換し、その結果、カートリッジ・リアクタの下流で処理する排出ガスが減ることによる生産設備の削減。
１０．シーメンス・リアクタにおけるロッド対ごとの個別の電極対に比較して、諸析出カートリッジを並列または直列に接続する単一の電極対からなる簡単化された電気システム。
１１．可燃性析出ガス混合物を坩堝の追加壁内に封じ込め、リアクタ空洞内の不活性ガスを坩堝内の析出ガス混合物より僅かに高い圧力に維持することによる安全性の向上。
１２．容易に大きさが変えられる設計。より多数の析出ガス混合物入口ノズルおよびより多数のより長い析出カートリッジを備えるのにカートリッジ・リアクタの平面断面を大きくするだけで済み、また、析出カートリッジの高さを増やせば、カートリッジ・リアクタの他の部分を大きく再設計せずに、カートリッジ・リアクタの生産能力を著しく増加することができる。方向性凝固の大きさを容易に変えることを、それは融解物質の外部加熱では難題になるであろうが、融解シリコンからの析出カートリッジを加熱し制御下で引き抜くことによって達成することができる。
【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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【国際調査報告】
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