(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
融液内の熱流を制御する装置であって、
融液を収容して、前記融液が露出面を有するように構成したるつぼと、
前記るつぼの第１側面の下方に配置し、前記融液を経て前記露出面まで熱を供給するように構成したヒーターと、
前記るつぼ内に配置し、また前記融液における隔離領域及び前記融液における外側領域を画定する少なくとも１つの熱拡散バリアを有し、前記露出面の下方に配置する熱拡散バリアアセンブリと、
結晶シートが前記隔離領域から引き出されるように、前記結晶シートを前記融液の前記露出面に沿って引き出すように構成した結晶引出し機と、
を備え、
前記熱拡散バリアアセンブリは、前記隔離領域が前記露出面に向かってより狭くなるように角度を付けた第１熱拡散バリア及び第２熱拡散バリアを有する、装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、前記少なくとも１つの熱拡散バリアは石英ガラスから成る、装置。
【請求項３】
請求項１記載の装置において、前記融液はシリコンから成り、前記隔離領域を経て前記露出面まで流れる前記熱の第１部分は、前記隔離領域から前記少なくとも１つの熱拡散バリアを経て前記外側領域に流れる前記熱の第２部分の第２熱流密度よりも高い第１熱流密度を有する、装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、前記熱拡散バリアアセンブリの第１壁及び前記熱拡散バリアアセンブリの第２壁を互いに平行にし、また前記露出面に直交させて配置した、装置。
【請求項５】
請求項４記載の装置において、前記ヒーターは、前記露出面に向かって前記隔離領域にわたり均一な熱流を生ずるように配置した、装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、さらに、前記ヒーターとるつぼとの間に配置したるつぼホルダーであって、前記融液に熱を供給する少なくとも２つの加熱ゾーンを生ずるように配置した少なくとも１つの断熱スペーサを有する、るつぼホルダーを備える、装置。
【請求項７】
請求項６記載の装置において、前記るつぼホルダーは熱増強器である、装置。
【請求項８】
請求項１記載の装置において、
前記熱拡散バリアアセンブリは、るつぼの表面領域に配置し、隔離領域の幅の差で互いに離れた、第１熱拡散バリア及び第２熱拡散バリアを有し、
前記ヒーターは、前記隔離領域の幅よりも広いヒーター幅にわたり前記隔離領域に流入する熱流を生ずるように構成し、
前記表面領域における熱流は、前記第１熱拡散バリアと前記第２熱拡散バリアとの間における前記隔離領域にわたり均一である、装置。
【請求項９】
請求項１記載の装置において、前記熱拡散バリアアセンブリの頂部部分は、前記露出面から１〜５ｍｍの距離をとって前記融液内に配置した平面を画定する、装置。
【請求項１０】
融液を処理する方法であって、
前記融液が露出面を有するように、るつぼに前記融液を収納するステップと、
前記露出面とは反対側の前記るつぼの第１側面を加熱することによって、前記融液を経て前記露出面まで熱を供給するステップと、
前記融液における隔離領域及び前記融液における外側領域を画定する少なくとも１つの熱拡散バリアを有する熱拡散バリアアセンブリをるつぼ内で前記露出面の下方に設けるステップであって、前記熱の第１部分が前記隔離領域を経て前記露出面まで流れ、また前記熱の第１部分が、前記隔離領域から前記少なくとも１つの熱拡散バリアを経て前記外側領域まで流れる前記熱の第２部分の第２熱流密度よりも高い第１熱流密度を有するようにする、ステップと、
結晶シートが前記隔離領域から引き出されるように、前記結晶シートを前記融液の前記露出面に沿って引き出す、ステップと、
前記隔離領域が露出面に向かってより狭くなるように角度を付けた第１熱拡散バリア及び第２熱拡散バリアとして前記熱拡散バリアアセンブリを設けるステップと、を有する、方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の方法において、前記熱拡散バリアアセンブリの第１壁及び前記熱拡散バリアアセンブリの第２壁は、互いに平行にし、また前記露出面に対して直交するように配置する、方法。
【請求項１２】
請求項１０記載の方法において、前記融液をシリコン融液とし、また、前記隔離領域の頂部部分で前記露出面へ向かう熱流が３０Ｗ／ｃｍ２〜４０Ｗ／ｃｍ２であるようにする、方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の方法において、さらに、ヒーターを配置して、前記隔離領域にわたり前記露出面に向かって均一な熱流を生ずるようにヒーターを配置するステップを有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府資金による研究開発の記載
米国政府は、本発明における一括払いライセンスと、及び、限られた状況において、特許権者に対して米国エネルギー省が授与した契約番号ＤＥ-ＥＥ００００５９５の条項によって規定されるような合理的な条件で他者へ使用許可を要求する権利と、を有する。
【０００２】
本発明の実施形態は、融液からの結晶物質の成長に関し、特に、融液からの単結晶シートの形成に関する。
【背景技術】
【０００３】
シリコンウェハ又はシートは、例えば、集積回路若しくは太陽電池の産業界において使用される。太陽電池に対する需要は、再生可能エネルギー源の必要性が高まるとともに高まり続ける。太陽電池における一つの主なコストは、太陽電池を作成するのに使用するウェハ又はシートである。ウェハ又はシートのコスト削減は、太陽電池のコストを低くし、またこの再生可能エネルギー技術をより普及させる。太陽電池に関する材料のコストを低くするように研究されてきた一つの期待できる方法は、水平リボン成長（ＨＲＧ）技術であって、この技術は結晶シートを融液表面に沿って水平に引っ張るものである。この方法において、融液表面の一部分を十分に冷却して、シード（結晶核）の補助で局所的に結晶化を開始し、次にこの結晶開始部分を融液表面に沿って引きずり、結晶シートを形成する。局所冷却は、結晶化が開始された融液表面の領域の上の熱を急速に除去する装置を設けることによって達成できる。適切な条件下で、結晶シートの安定した前縁をこの領域において確立することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
成長の安定性を確実にするため、結晶シート前縁の真下の融液に十分な熱流（ヒートフロー）を供給することは有用である。結晶シートの厚さを２００μｍ以下等に薄くすることも望ましく、さらに、既に形成された結晶シート部分の下側における均一な熱流も必要である。しかし、シリコン融液内に制御された熱流を達成することは、幾つかの理由により極めて困難である。まず、融解Ｓｉは、極めて高い熱伝導率を有し、融液を収容するるつぼの底部に導入したいかなる熱も、融液表面に到達する前に拡散する。加えて、シリコン融液を収容するのに使用するるつぼ材料は、石英ガラスであり、それは、高温でシリコンとの反応に対して抵抗性を有するからである。しかし、石英ガラスは良断熱材であり、したがって、シリコン融液へ十分な熱を伝導するには大きな熱勾配を必要とする。次に、このことにより、加熱されている石英ガラス製るつぼの外側の温度を融液温度よりもずっと高い温度に維持する必要がある。しかし、石英ガラスは１８８０Ｋ以上では容認できない程度まで柔化し、融液に導入できる熱流の量を制限する。したがって、現行の装置は、結晶シートの安定成長を確実にする十分な熱流を供給することができない。
【０００５】
本発明による改良が必要となったことは、これら及び他の考慮事項からである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この概要は、「詳細な説明」において以下でさらに説明する簡素化した形態における概念を選択して提示する。この概要は、特許請求した要旨の重要な特徴若しくは本質的な特徴を特定する意図はなく、又は、特許請求した要旨の範囲を確定する支援を意図するものでもない。一実施形態において、融液内における熱流を制御する装置を提供する。この装置は、融液を収容して、融液が露出面を有するように構成したるつぼを備える。この装置は、さらに、るつぼの第１側面の下方に配置し、また融液を通して露出面まで熱を供給するように構成したヒーターと、及びるつぼ内に配置した少なくとも１つの熱拡散バリアを有し、また融液における隔離領域及び融液における外側領域を画定する熱拡散バリアアセンブリと、を備える。
【０００７】
他の実施形態において、融液を処理する方法は、融液が露出面を有するように、るつぼに融液を収納するステップと、露出面とは反対側のるつぼの第１側面を加熱することによって、融液を経て露出面まで熱を供給するステップと、融液における隔離領域及び融液における外側領域を画定する少なくとも１つの熱拡散バリアを有する熱拡散バリアアセンブリをるつぼ内に設けるステップであって、熱の第１部分が隔離領域を経て露出面まで流れ、またこの熱の第１部分が、隔離領域から少なくとも１つの熱拡散バリアを経て外側領域まで流れる熱の第２部分の第２熱流密度よりも高い第１熱流密度を有するようにする、ステップと、を有する。
【０００８】
他の実施形態において、融液を処理する装置は、融液を収容するるつぼの下方に配置したヒーターであって、融液を経て融液の露出面まで熱を供給するように構成した、ヒーターを備えることができる。装置は、さらに、るつぼ内に配置し、また融液における隔離領域及び融液における外側領域を画定する第１熱拡散バリア及び第２熱拡散バリアを有する熱拡散バリアアセンブリであって、隔離領域を経て露出面まで流れる熱の第１部分が、隔離領域から少なくとも１つの熱拡散バリアを経て外側領域まで流れる熱の第２部分における第２熱流密度よりも高い第１熱流密度となるようにする、熱拡散バリアアセンブリを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】本発明の実施形態に基づく融液処理装置の断面図を示す。
【図１Ｂ】熱拡散バリアの代替的な実施形態の詳細を示す。
【図２】他の実施形態による融液処理装置の断面図を示す。
【図３Ａ】本発明のさらに他の実施形態による操作中における装置の端面方向から見た断面図を示す。
【図３Ｂ】図３Ａの装置における側面方向から見た断面図を示す。
【図３Ｃ】本発明の付加的な実施形態による構成の装置を示す。
【図４】３つの異なるジオメトリの下で行った融液の露出面における熱流シミュレーションを含む複合図を示す。
【図５Ａ】熱が融液を流れるときの熱流密度を増大させるよう熱拡散バリアアセンブリを構成した装置の一実施形態を示す。
【図５Ｂ】図５Ａの装置における一操作段階を示す。
【図５Ｃ】図５Ａの装置における他の操作段階を示す。
【図６】様々な状況における例示的熱流密度曲線を示す。
【図７】様々な付加的状況における例示的熱流密度曲線を示す。
【図８】更なる実施形態による装置の操作の一実施例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態は、シリコン融液のような融液内における熱流を制御する装置を提供する。様々な実施形態は、有利には、シリコンのような半導体材料による連続結晶シートの水平成長の制御を容易にするよう、融液内における均一な熱流または集中した熱流をもたらす。様々な実施形態は、有利には、融液内で熱流を方向付けるよう熱流を封じ込める熱拡散バリアを設けることによって融液内における熱流を制御し、これにより、融液成長に関連する先に述べた問題を克服することができる。
【００１１】
様々な実施形態は、融液を容れて融液が露出面を有するように構成したるつぼを備える融液処理装置を提供する。シリコン融液を処理する実施形態において、るつぼは石英ガラスから構成することができる。従来装置と同様に、ヒーターは、露出面側とは反対側のるつぼにおける第１側面の下方に配置し、融液を経て露出面まで移動する熱を供給して、結晶シートの処理を実施できるようにする。従来装置とは異なり、熱拡散バリアアセンブリを設け、この熱拡散バリアアセンブリは、るつぼ内に配置した少なくとも１つの熱拡散バリアを有する。熱拡散バリアアセンブリは、融液内における隔離領域、及びこの隔離領域の外側に位置する融液における外側領域を画定することができる。このようにして、ヒーターによって隔離領域を経て露出面まで流れる熱の第１部分は、隔離領域から少なくとも１つの熱拡散バリアを経て外側領域まで流れる熱の第２部分における第２熱流密度よりも高い第１熱流密度を有することができる。この特徴は、熱流を封じ込める又は制限する働きをし、これにより、表面における熱流を、従来の融液装置によっては得られない様態に適合させる。
【００１２】
図１Ａは、本発明に基づく融液処理装置１００の断面図を示す。装置１００は、ヒーター１０２と、融液１０６を収容するるつぼ１０４とを有する。この実施形態及び他の実施形態において、ヒーター１０２は、融液１０６の露出面１０７側とは反対側のるつぼの第１側面１０５に隣接して又は下側に配置する。融液１０６は定義によると液体状態であるため、るつぼの第１側面１０５は、るつぼ１０４の底部を意味することができ、またるつぼ１０４は、さらに側壁１１２を有することができる。従って、側壁１１２及び第１側面１０５は融液１０６を収容するように機能する。操作にあたり、装置１００は、他のコンポーネント（図示せず）と併せて使用し、以下で詳述するように融液１０６から結晶シートを引き出すことができる。側壁１１２の他に、熱拡散バリアアセンブリ１０８を融液１０６内に設け、この熱拡散バリアアセンブリ１０８は、表面領域１０９でるつぼ１０４に付設することができる。
【００１３】
図１Ａの実施例において、熱拡散バリアアセンブリ１０８は、第１熱拡散バリア１１０及び第２熱拡散バリア１１１を有し、それらは図示のように互いに対向させて配置する。様々な実施形態において、るつぼ１０４並びに第１熱拡散バリア１１０及び第２熱拡散バリア１１１は、とくに、シリコン融液に使用するのに適している石英ガラスから構成する。熱拡散バリアアセンブリ１０８は、るつぼ１０４に機械的に固着する、又はるつぼ１０４の一部として一体形成することができる。様々な実施形態において、熱拡散バリアアセンブリ１０８は、例えば、０．１Ｗ／ｃｍ−Ｋ未満の低い熱伝導率を有し得る。この値は、融解シリコンよりずっと低い熱伝導率であり、融解シリコンの熱伝導率は１６８５Ｋで０．６Ｗ／ｃｍ−Ｋの範囲内と測定されている。例えば、シリコンの融点温度範囲における石英ガラスの熱伝導率は、０．０５Ｗ／ｃｍ−Ｋの範囲内と測定されており、その範囲は、シリコン融液の熱伝導率よりも一桁以上低い。この低熱伝導率の特徴は、有利にも、以下で詳述する実施形態において利用し、融液１０６のような融液に供給される熱の熱流を制限する。熱拡散バリアとして使用する他の適切な実施例は、内側部分と、及び融解シリコン接触する外殻とから成る構造を有し、外殻は石英ガラスから構成する。このようにして、外側部分は、融解シリコンに対して無反応性の材料であることを示す。図１Ｂは、熱拡散バリアの代替的な実施形態の詳細を示す。一実施例において、熱拡散バリア１２０は、全体的に石英ガラスのような単一材料から構成した中実構体とすることができる。他の実施例において、熱拡散バリア１３０は、石英ガラスのような材料から成る殻１３２を有することができ、石英ガラスは、シリコンとの反応に抵抗性があるため、シリコン融液での使用に適する。加えて、熱拡散バリア１３０は、熱拡散バリアに対して全体的に低熱伝導率を与えるように構成した内側部分１３４を有することができる。熱拡散バリア１３０のこの実施例は、石英ガラスから構成する場合の殻１３２が、石英ガラスよりも低いことすらある低熱伝導率を有する内側部分１３４を完全に包囲するものとすることができ、熱拡散バリアの熱伝導率は、例えば、０．０５Ｗ／ｃｍ-Ｋより低くなり得る。例えば、内側部分１３４は、低熱伝導率を有するガス媒体または他の媒体とすることができる。一実施例において、内側部分１３４は、シリカエーロゲル又は極低熱伝導率を有する他の構体とすることができる。この熱拡散バリア１３０の全体的熱伝導率はいくつかの例において０．０２Ｗ／ｃｍ-Ｋ、又はそれより低くなり得る。内側部分１３４は、石英ガラス殻によって封止することができるため、内側部分１３４は、さもなければ融解シリコンと反応し得る低熱伝導率材料、例えばジルコニア織成材から構成することができる。実施形態はこの内容において限定されない。
【００１４】
図２は、他の実施形態による融液処理装置２００の断面図を示す。この実施形態は、以下で示すものを除いて装置１００と同一コンポーネントを共有する。特に、るつぼホルダー２０２を設け、それは熱増強器としても機能できる。いくつかの実施形態において、るつぼホルダーは、図２の実施例のような少なくとも１つの断熱スペーサを含み、図２の実施例では、るつぼホルダー２０２に断熱スペーサ２０４を設け、いくつかの事例においてこれら断熱スペーサは、第１熱拡散バリア１１０及び第２熱拡散バリア１１１に整列させることができる。るつぼホルダーは、いくつかの実施形態において炭化ケイ素から構成でき、また、ヒーター１０２によって生じた熱を融液１０６に向って流れるように封じ込めることができる。例えば、ヒーター１０２によって生じた熱は、図示したデカルト座標系のＹ軸と平行の方向に上方に流れることができ、また、第１熱拡散バリア１１０と第２熱拡散バリア１１１との間の領域に封じ込めることができる。したがって、ヒーター１０２から生じた熱流の大半は、熱拡散バリアアセンブリ１０８の上方領域で融液１０６の露出面２０６から外方に流れることができる。以下で詳述するように、いくつかの実施形態において、熱拡散バリアアセンブリ１０８の適切な設計によって、熱流は露出面２０６に集中させることができる。例えば、４０Ｗ／ｃｍ２の熱流を露出面２０６で実現することができる。他の実施形態において、熱流は、露出面２０６で均一にすることができる。
【００１５】
図２において更に示すように、装置２００は、晶析装置２０８を有するものとし、この晶析装置２０８は、露出面２０６から流れる熱を急速に除去するのを支援するヒートシンクとして機能することができる。熱が露出面２０６まで流れるとき、シートを結晶化するため、熱を局所的に急速に除去することができ、これにより露出面２０６から流出する熱流が露出面２０６に流入する熱流より大きくなる。例えば、晶析装置２０８は、ヒートシンクとして機能する冷却ブロックを設けることによって熱を除去することができる、または、ガスを露出面２０６に供給して熱を除去できる。実施形態はこの状況に限定されない。この熱急速除去の結果、結晶化領域を形成でき、この結晶化領域において融液１０６の材料を凝固し、後述するように水平リボン成長技術を使用して結晶シートを融液から引き出すことができる。様々な実施形態は、熱拡散バリアアセンブリを設けることによってこのプロセスを容易にし、この熱拡散バリアアセンブリは、熱流を露出面２０６に十分に集中させ、成長する結晶シートを安定化する。熱流が熱拡散バリアアセンブリ１０８によって露出面２０６まで均一に導かれる他の実施形態において、この均一な熱流は、例えば、既に形成した結晶シートを処理するのに用いることができる。
【００１６】
異なる実施形態において、熱拡散バリアアセンブリは、るつぼ内に異なる向きにして設けることができることに留意されたい。ここで使用する慣例において、結晶シートを引っ張る方向は、Ｚ軸に平行な方向に位置することができる。図１Ａ及び２において示すように、装置１００または装置２００の図は、Ｙ-Ｚ平面（側面図）、又は代替的にはＸ-Ｚ平面（端面図）に位置すると考えることができ、Ｚ軸は、結晶シートを引っ張る方向に平行に位置するものとする。更に、第１熱拡散バリア１１０及び第２熱拡散バリア１１１のＹ軸に対する向きは、異なる実施形態において変化することができる。特に、均一な加熱を生ずるのに適切な実施形態において、第１熱拡散バリア１１０及び第２熱拡散バリア１１１は、Ｙ軸に平行に向き決めすることができ、従って、図３Ａ〜４につき以下で詳述するように、露出面２０６に直交する壁を有することができる。集中した熱流を生ずるのに適切な実施形態において、第１熱拡散バリア１１０及び第２熱拡散バリア１１１は、必ずしもではないが、図５Ａ〜８に関連して以下で詳述するように、Ｙ軸に対してゼロではない角度に指向させることができる。
【００１７】
次に図３Ａにつき説明すると、本発明の他の実施形態による装置３００の操作中における端面方向から見た断面図を示す。図３Ｂは、装置３００の側面方向から見た断面図を示す。図示のように、装置３００は、るつぼ３３０及びるつぼホルダー２０２を有し、つぼホルダー２０２の操作については上述している。この実施形態において、熱拡散バリアアセンブリ３３１は、第１熱拡散バリア３３２及び第２熱拡散バリア３３４を有し、それらバリアはるつぼ３３０の表面３２０に隣接する。第１熱拡散バリア３３２及び第２熱拡散バリア３３４は、Ｙ軸に平行に指向し、従って、融液１０６の露出面３２２に対して直交する。特に、第１熱拡散バリア３３２は、第１壁３２６を有し、第２熱拡散バリア３３４は第１壁３２６に対面する第２壁３２８を有し、第１壁３２６及び第２壁３２８は、隔離領域３０４の側面を画定する。第１壁３２６は、第２壁３２８と平行に位置し、また露出面３２２に直交する方向に延在することができる。
【００１８】
操作中、ヒーター３１２は熱流３０２を生じ、熱流３０２は、るつぼホルダー２０２、るつぼ３３０を経て、融液１０６内に進入する。上述したように、融液はシリコンであり、第１熱拡散バリア３３２及び第２熱拡散バリア３３４は、石英ガラスから構成することができ、石英ガラスは、シリコンの融点でシリコンよりもずっと低い熱伝導率を有する。従って、熱流３０２を、第１熱拡散バリア３３２及び第２熱拡散バリア３３４によって画定される隔離領域３０４内に封じ込めることができる。融解シリコンから構成できる隔離領域３０４を経る熱流密度は、隔離領域３０４から融液１０６の外側領域３２４に向かって外側に流れ出る熱の熱流密度の１０倍より大きくすることができる。外側領域に流れ出す熱流は、図３Ａにおいて明確には示さない。更に、ヒーター３１２を適正に配置することによって、熱流密度は隔離領域３０４にわたり均一にすることができ、これにより隔離領域３０４の頂部から外方に向かう熱流密度は、ポイントＡとＢとの間で同じ値とすることができる。
【００１９】
さらに図３Ａにおいて示すように、装置３００は、表面３２２から熱を除去できる晶析装置３０６を有するものとする。装置３００は、さらに、結晶引出し機（図示せず）を有することができる。熱流が表面３２２から十分急速に逃げるとき、融液１０６からの結晶化を開始でき、結晶引出し機がＺ軸に平行な引出し方向３１５に沿って結晶シート３０８を引きずり出すことができる。図３Ｂに示すように、第１熱拡散バリア３２２及び第２熱拡散バリア３３４は、るつぼ３３０内に位置し、引出し方向３１５に引き出されるとき、隔離領域３０４は結晶シート３０８の一部分の下方に位置する。結晶シート３０８を固化し、また図３Ｂで見て右方に引き出すとき、結晶シート３０８は、Ｙ軸に平行な方向に所望厚さより厚い厚さとなることがあり得る。この場合、ヒーター３１２を用いて、隔離領域３０４内に熱流３０２を発生させ、結晶シート３０８の一部を戻し融解してその厚さを減少させることができる。結晶シートが隔離領域３０４から引き出されるにつれ、熱流３０２は、例えば結晶シート３０８に隣接する融液１０６における温度を、結晶シート３０８の下面に沿って結晶シート３０８を融解させるのに十分な温度にするものであり得る。その後、結晶シート３０８の厚さは、図示のように隔離領域３０４から引き出すにつれ、徐々に減少することができる。装置３００は、熱流を隔離領域３０４内に封じ込めることができるため、均一熱流を結晶シート３０８に供給することができ、これにより結晶シートの厚さをポイントＡとＢとの間で均一に減少させるという利点をもたらす。
【００２０】
図３Ａ及び図３Ｂの実施形態において、他のヒーターをるつぼ３３０の他の部分の下方に設けて、少なくとも２つの加熱ゾーンにおける融液１０６に熱を供給し、隔離領域２０４の外側における融液１０６の他の部分で所望融点を維持できるようにする。しかし、第１熱拡散バリア３３２及び第２熱拡散バリア３３４が熱流を隔離領域３０４内に制限するため、熱流の方向を露出面３２２に直交する方向に経路付けることができ、また熱流密度を隔離領域３０４にわたり均一の値に維持することができ、この熱流密度は、外側領域３２４とは異なるものにすることができる。
【００２１】
熱流を隔離領域内に整合させるため、ヒーター及び熱拡散バリアアセンブリのジオメトリ（構成配置形態）を調整することができる。図３Ｃは、本発明の更なる実施形態により構成した装置３５０を示す。説明を簡潔にするため、装置３５０は、るつぼホルダーなしで示すが、様々な実施形態において、るつぼホルダーを備えることができる。図示のように、装置３５０は、るつぼ３６４と、第１熱拡散バリア３５６及び第２熱拡散バリア３５８を有する熱拡散バリアアセンブリ３６６とを備え、これらバリアは、図３Ａ及び３Ｂの実施形態に関して上述したようにＹ軸に平行に延在することができる。均一な熱源として機能するヒーター３５２は、図示のように、ヒーター幅ｄ２を有するように設ける。ヒーター３５２は熱流３５４を生じ、この熱流３５４は、融液１０６の表面３６２に向かって、第１熱拡散バリア３３２及び第２熱拡散バリア３３４が画定する隔離領域３６０を経て進む。熱流３５４の隔離領域３６０内での均一性を高めるため、また、ポイントＣとＤとの間における露出面３６２での熱流の均一性を高めるため、隔離領域の幅ｄ１をヒーター幅ｄ２に対して調整することができる。幾つかの事例において、ヒーター幅ｄ２は隔離領域の幅ｄ１よりも広くすることができる。
【００２２】
図４は、３つの異なるジオメトリの下で深さ１３ｍｍの融液の露出面における熱流シミュレーションを有する複合図を示す。これら結果は、コンピュータによる流体力学計算に基づき、この計算は、均一な熱源４０４を融液の下端縁に沿って設けるシリコン融液に適用する。熱拡散バリア４０２は、５ｍｍの幅（Ｘ軸に沿う）及び１０ｍｍの高さ（Ｙ軸に沿う）を有する石英ガラスから構成し、図４に示すように、６０ｍｍの全幅及びひいては３０ｍｍの半分幅を有する隔離領域に隣接して配置する。熱流密度（ｑ″）は、全てジオメトリに関して融液底部（Ｙ軸に沿う）で１０Ｗ／ｃｍ２である。曲線４０６は、熱拡散バリアが融液に存在しないときの、対称形状プロファイルの半分における熱流密度プロファイルを示し、Ｘ軸に平行な融液表面に沿う位置の関数として示す。図示のように、中心領域（Ｘ＝０）における融液表面の熱流密度は、融液の底部の１０Ｗ／ｃｍ２である初期熱流に極めて近似する。熱流密度は、均一熱源の端縁に向かって進む方向に徐々に減少し、これにより依然として均一熱源４０４の直上に位置していても、熱流密度はＸ＝３０ｍｍで７Ｗ／ｃｍ２未満である。曲線４０８は、熱拡散バリア４０２が存在し、かつ均一熱源４０４がＸ＝３０ｍｍで隔離領域４１２の端縁まで延在するときの、熱流プロファイルを示す。図示のように、熱流密度はより均一で、２５ｍｍの位置まで９〜１０Ｗ／ｃｍ２の間の値を維持する。曲線４１０は、熱拡散バリア４０２が存在し、かつ均一な熱源が隔離領域４１２の端縁を越えてＸ＝３５ｍｍの位置まで延在するときの、熱流密度プロファイルを示す。図示のように、熱流密度は更により均一で、２５ｍｍの位置まで１０Ｗ／ｃｍ２に近似する値を維持する。図４の結果からわかるように、融液表面での均一な熱流は、熱源と組み合わせて熱拡散バリアを適切に設置することによって所望の幅に調整することができる。このことを、装置において結晶シートの成長のために活用でき、この場合、均一熱流量領域の幅を、結晶シートの引出し方向に直交する横方向に沿って処理すべき結晶シートの幅にわたるように構成する。このことを、図４において半幅が２５ｍｍである結晶シート４２０によって示し、これにより結晶シート４２０を図示のように設置するとき、全幅（図示しない他方の半幅は、Ｘ＝０の位置の左側となる）を同一熱流にさらすことができる。
【００２３】
他の実施形態において、熱拡散バリアの特性を活用して、融液表面に供給する熱流に集中させることができる。図５Ａは、熱拡散バリアアセンブリ５０１を、熱が融液１０６を経て移動するときに熱流密度が高くなるように構成した装置５００の一実施形態を示す。この装置は、ヒーター５０２、ヒーター５０４、及びヒーター５０６を備え、それらヒーターはるつぼ５１４の個別部分の下方に配置する。るつぼホルダー５１０は、るつぼ５１４とヒーターとの間に配置する。るつぼホルダー５１０は、るつぼ５１４の底部に沿って個別領域を画定する断熱スペーサ５１２を有し、これら個別領域をヒーター５０２、ヒーター５０４、又はヒーター５０６によって別個に加熱することができる。ヒーター５０２は、熱拡散バリアアセンブリ５０１の下方に配置し、この熱拡散バリアアセンブリ５０１は、第１熱拡散バリア５１６及び第２熱拡散バリア５１８から成る。第１熱拡散バリア５１６及び第２熱拡散バリア５１８それぞれは、融液１０６の露出面５２４に対して角度を付け、それらバリアの間の離間距離が、熱拡散バリアアセンブリ５０１の、露出面５２４に近接する部分と比較して露出面５２４から遠ざかる部分でより大きくなるようにする。図５Ａに更に示すように、第１熱拡散バリア５１６及び第２熱拡散バリア５１８は、露出面５２４の下方に配置し、熱拡散バリアアセンブリの頂部部分は、融液内１０６内に位置する平面５２２を画定する。幾つかの実施例において、融液１０６のＹ軸に平行な方向に沿う深さｈｍは、１０ｍｍ〜２０ｍｍとすることができ、平面５２２と露出面５２４との間の距離ｈ１は、１ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。装置５００は、さらに、熱拡散バリアアセンブリ５０１の上方に配置する晶析装置５２０を有する。留意されたいのは、幾つかの実施形態において、第１熱拡散バリア５１６及び第２熱拡散バリア５１８が露出面５２４に対して同一角度をなすものとすることができ、他の実施形態において、第１熱拡散バリア５１６が、露出面５２４に対して第１角度をなし、この第１角度は、第２熱拡散バリア５１８によって露出面５２４に対してなす第２角度とは異なるものとすることができる点である。第１熱拡散バリア５１６及び第２熱拡散バリア５１８のこのような非対称指向性は、非対称熱流束分布を発生させるべき場合に有用である。
【００２４】
操作にあたり、装置５００は、ヒーター５０２、ヒーター５０４、及びヒーター５０６の任意な組み合わせを用いて、融液１０６を加熱することができる。ヒーター５０２が機能しているとき、融液１０６まで到達する熱流は、露出面５２４で集中することができる。集中した熱流は、露出面５２４上又はその近傍で生ずる結晶シートの成長を安定化させるのに使用することができる。結晶化を生ずるため、露出面５２４に供給される集中熱流よりも一層急速に熱を除去することができる。
【００２５】
図５Ｂは、装置５００の操作の１つの実施例を示す。この実施例において、ヒーター５０２が機能し、また融液１０６に熱を供給する。ヒーター５０４及びヒーター５０６も機能することができるが、ここでは説明を簡潔にするため考慮しない。一実施例において、融液１０６はシリコンとし、また露出面５２４の温度はシリコンの融点である１６８５Ｋであると仮定することができる。図示のように、熱流５３０は、上側にるつぼホルダー５１０を経て上方に移動し、熱拡散バリアアセンブリ５０１（図５Ａ参照）によって画定した隔離領域５３４内に進入する。熱拡散バリアアセンブリ５０１は、外方の外側領域５３６に向かう熱流に対するバリアを呈する。従って、集中した熱流５３２が、熱拡散バリアアセンブリ５０１の上方部分で発生する。
【００２６】
先述したように、るつぼ５１４に適切な材料は石英ガラスであり、これは、シリコン融液との反応に対する抵抗性、及び汚染をもたらす金属種をシリコン融液に導入しないという事実に起因する。しかし、以下で詳述するように、石英ガラス製るつぼの軟化点及び熱インピーダンスは、るつぼ５１４の底部を経て流れる許容可能な熱流を制限する。この制限は、一部には石英ガラスが低熱伝導率を有し、またひいてはるつぼの外側から内側への大きな温度降下を生ずることに起因する。石英ガラスの熱伝導率（１７００Ｋで〜０．５Ｗ／ｃｍ-Ｋ）を考えると、２０Ｗ／ｃｍ２を印加するとき、４ｍｍの厚さのるつぼは、１６０Ｋの温度降下を生じ、この２０Ｗ／ｃｍ２の熱流印加は、シリコン融液を融液底部で１６８５Ｋの融解温度に維持するため、るつぼの外側で少なくとも１８４５Ｋの温度にするのに必要なものである。しかし、融液が１２ｍｍのような有限深さを有すると仮定すると、更なる温度降下が融液の底部と頂部との間で生じ、それは１５Ｗ／ｃｍ２〜２０Ｗ／ｃｍ２の熱流で３０〜４０Ｋの範囲であり、これにより融液の底部での融液温度は、しばしば少なくとも１７１５Ｋ〜１７２５Ｋとなり、融液表面温度を１６８５Ｋにする。
【００２７】
したがって、上述の考察により、最低温度を１８８５Ｋの範囲に設定し、従来装置のシリカ製るつぼに供給される２０Ｗ／ｃｍ２の熱流密度を印加するとき、１６８５Ｋのシリコン融解温度に維持する。しかし、従来装置に対する２０Ｗ／ｃｍ２の熱流密度制限は、結晶シリコンの成長シートを安定させるのに不十分な場合があり得る。熱拡散バリアアセンブリ５０１は、熱流を露出面５２４に向けて集中させることで、この問題を解決する。１つの特別な実施例において、るつぼ５１４の底部を経て、隔離領域５３４の底部（ここでは隔離領域５３４の面積がＡ１である）に伝導される熱流は１５Ｗ／ｃｍ２であると仮定する。説明目的のため、熱拡散バリアアセンブリ５０１は角度付けしたものとすることができ、これにより平面５２２での隔離領域の面積はＡ１／３であり、熱流５３２は〜４５Ｗ／ｃｍ２の値となるように熱流を増強する。シリコンの熱伝導率（０．６Ｗ／ｃｍ-Ｋ）を考えると、温度勾配は、融液５０６の底部における〜３Ｋ／ｍｍから平面５２２における〜７Ｋ／ｍｍに変化し、平均すると〜５Ｋ／ｍｍとなる。従って、るつぼ５１４の底部から熱拡散バリアアセンブリ５０１の頂部までの正味温度差は、熱拡散バリアアセンブリ５０１は１０ｍｍの高さであると仮定すると、５０Ｋである。平面５２２が露出面５２４の３ｍｍ下方に位置する実施例において、融液１０６の平面５２２での温度は、３ｍｍ×７Ｋ／ｍｍ、すなわち２１Ｋに等しく、これは、露出面５２４の温度よりも高く、るつぼ底部温度を露出面５２４の温度よりも７１Ｋ高くする。従って、融液１０６の底部温度は、１６８５Ｋ＋７１Ｋ、すなわち１７５６Ｋに維持できる。
【００２８】
石英ガラスの熱伝導率（１７００Ｋで〜０．０５Ｗ／ｃｍ-Ｋ）を考えると、ヒーター５０２から供給した１５Ｗ／ｃｍ２の熱流密度に関してるつぼ５１４を経る熱流は、〜３０Ｋ／ｍｍの温度勾配になる。４ｍｍの十分なるつぼ厚さに関しては、るつぼ５１４の底面５３８を、融液１０６の底部における温度、すなわち１７５６Ｋ＋１２０Ｋ＝１８７６Ｋよりも、３０Ｋ／ｍｍ×４ｍｍ、すなわち１２０Ｋ高い温度にすることになる。この温度は、るつぼ５１４の深刻な軟化を起こす温度範囲よりも低い。
【００２９】
従って、単に１５Ｗ／ｃｍ２の熱流密度をるつぼ５１４の底部に発生するだけで済むため、装置５００は、るつぼの完全性を損なうことなく、〜４５Ｗ／ｃｍ２の熱流を平面５２２に送給することができ、それは従来装置を使用することによっては不可能である。るつぼ底部内への所定熱流に関して、角度付き熱拡散バリアアセンブリの使用によって、熱拡散バリアを使用しない従来装置より高い平均熱勾配を生じ得ることに留意されたい。例えば、１５Ｗ／ｃｍ２を供給する従来装置は、融液全体にわたり〜３Ｋ／ｍｍの熱勾配を生ずるが、上述の本発明実施形態においては、平均熱勾配は５Ｋ／ｍｍであった。しかし、融液表面で４５Ｗ／ｃｍ２を生ずるためには、従来装置は、融液底部で４５Ｗ／ｃｍ２を発生する必要があり、このことは、４ｍｍ厚さのるつぼにわたる９０Ｋ／ｍｍの温度勾配又は３６０Ｋの温度降下をもたらす。加えて、４５Ｗ／ｃｍ２の熱流密度は、シリコン融液において７Ｋ／ｍｍを上回る熱勾配を生じ、１０ｍｍ深さの融液を経て７０Ｋの温度降下をもたらす。従って、るつぼの外側における温度は、少なくとも１６８５Ｋ＋７０Ｋ＋３６０Ｋ、すなわち２１１５Ｋである必要があって、それは、融液表面で１６８５Ｋの温度を生ずるために必要である。しかし、石英シリカ製るつぼの完全性は、２１１５Ｋでは維持されず、これは、このような高温では深刻な軟化又は流動を招くことに起因する。
【００３０】
図５Ｃは、晶析装置５２０が露出面５２４から熱流５３７として示す熱量を除去する、装置５００の操作の他の段階を示す。熱流５３７の熱量は、熱流５３２の熱量を超え、したがって、熱拡散バリアアセンブリ５０１の上方の露出面５２４で結晶化が起こる。結晶引出し装置（図示せず）は、図示のように引出し方向５１５に沿って動かすことによって、結晶シート５４０を引き出すことができる。結晶シートを形成する装置５００によって得られる利点は、装置５００が融液表面で２０Ｗ／ｃｍ２を上回る、例えば、３０Ｗ／ｃｍ２〜５０Ｗ／ｃｍ２のような高い熱流密度を生ずることができる点であり、このレベルは従来装置によっては達成されない。本発明の発明者は、このような高レベルの熱流密度が、本明細書で開示するような水平成長装置における結晶シートの成長を安定化させるのに有効であることを認識した。
【００３１】
融液表面に沿う結晶材料シート形成に適応するため、熱拡散バリアアセンブリ５０１を融液表面の下方に配置することに留意されたい。しかし、熱拡散バリアアセンブリが表面にまで延在していないときでさえも、高熱流密度を依然として融液の表面まで送給することができる。図６は、様々なシナリオにおける例示的な熱流密度曲線を示す。この結果は、コンピュータによる流体力学的計算であって、１５Ｗ／ｃｍ２の熱流を深さが１３ｍｍの融液底部に供給するシリコン融液に適用した計算に基づく。熱拡散バリアアセンブリの頂部は、融液表面の３ｍｍ下方にあると仮定することができる。曲線６０２は、熱拡散バリアアセンブリが存在しない場合を示す。この場合において、熱流密度における幅広いピークが、１２Ｗ／ｃｍ２未満のピーク値で起こる。曲線６０４は、角度付き熱拡散バリアアセンブリが存在し、熱流密度を熱拡散バリアアセンブリの頂部で計算した場合を示す。この場合において、５ｍｍ〜６ｍｍの範囲において半値全幅（ＦＷＨＭ）を有する狭いピークを観察でき、熱拡散バリアアセンブリを使用することによってもたらされる熱流密度増進を示す３５Ｗ／ｃｍ２のピーク値を有する。曲線６０６は、角度付き熱拡散バリアアセンブリが存在し、熱流密度が融液表面の１ｍｍ下方で計算した場合を示す。この場合において、狭いピークを観察でき、熱流密度が依然として存続していることを示す３０Ｗ／ｃｍ２のピーク値を有する。曲線６０８は、角度付き熱拡散バリアアセンブリが存在し、熱流密度を融液表面で計算した場合を示す。この場合において、狭いピークを観察でき、角度付き熱拡散バリアアセンブリによって発生した熱流密度増進の大部分を示す２８．５Ｗ／ｃｍ２のピーク値を有する。
【００３２】
融液表面での熱流密度増進の正確な量は、熱拡散バリアの角度及び融液表面からの距離を調整することによって適合できることに留意されたい。図７は、様々な異なるシナリオに対する例示的な熱流密度曲線を示し、これらシナリオにおいて、熱拡散バリアアセンブリ頂部での熱拡散バリアのギャップ又は離間距離を変化させる。図７において、全ての熱流密度曲線は、るつぼ底部に隣接する底部における２５ｍｍの離間距離を有する熱拡散バリアアセンブリに基づいた計算を反映する。熱拡散バリアの壁の角度を調整することによって、熱拡散バリアアセンブリ頂部でのギャップを調整する。曲線７０２は、熱拡散バリアアセンブリ頂部でのギャップが２５ｍｍである場合を示し、隔離領域は一定の幅を有する。この例において、２６．３Ｗ／ｃｍ２の最大値を有する幅広いピークが発生する。曲線７０４は、熱拡散バリアアセンブリ頂部でのギャップが１２ｍｍである場合を示す。この例において、３７．４Ｗ／ｃｍ２の最大値を有する狭いピークが発生する。曲線７０６は、熱拡散バリアアセンブリ頂部でのギャップが８ｍｍである場合を示す。この例において、４２．４Ｗ／ｃｍ２の最大値を有するさらに狭いピークが発生する。曲線７０８は、熱拡散バリアアセンブリ頂部でのギャップが４ｍｍである場合を示す。この例において、４４．１Ｗ／ｃｍ２の最大値を有するさらに狭いピークが発生する。曲線７１０は、熱拡散バリアアセンブリ頂部でのギャップが３ｍｍである場合を示す。この例において、４２．９Ｗ／ｃｍ２の最大値を有するさらに狭いピークが発生する。曲線７１２は、熱拡散バリアアセンブリ頂部でのギャップが２ｍｍである場合を示す。この例において、４０．６Ｗ／ｃｍ２の最大値を有するさらに狭いピークが発生する。曲線７１４は、熱拡散バリアアセンブリ頂部でのギャップが１ｍｍである場合を示す。この例において、３５Ｗ／ｃｍ２の最大値を有するさらに狭いピークが発生する。４ｍｍ未満のギャップに対する最大熱流束の減少は、熱が高熱伝導率の融解シリコン内に導く減少したギャップによって生ずる増加した熱インピーダンスに起因すると考えることができる。
【００３３】
上述の結果から、熱拡散バリアアセンブリに角度を付けて熱拡散バリアアセンブリ頂部のギャップを２５ｍｍから４ｍｍまで減らすと、熱流束密度のピーク値を増加する効果を有することが観察できる。ギャップが４ｍｍの時に最大ピーク値が起こり、それより小さいギャップで減少することが更に観察できる。従って、これらの結果は、熱拡散バリアアセンブリの頂部及び底部におけるギャップの相対サイズを調整することによって、熱流密度を調整できることを実証する。さらに、上述の結果から、ＦＷＨＭのような熱流束密度ピークの幅は、狭いゾーンに熱を送給する狭いピークを維持するように調整することができ、この狭いゾーンは、シリコンシートの前縁を安定化させるのに適していることに留意されたい。
【００３４】
他の実施形態において、融液処理装置は、多重熱拡散バリアアセンブリを含む。特定の実施形態において、装置は、融液表面で集中した熱流を生ずる第１熱拡散バリアアセンブリと、融液の標的領域に均一な熱流を生ずる第２熱拡散バリアとを含む。図８は、装置８００の操作の一実施例を示し、この装置８００は、上述した装置５００及び装置３００の熱拡散バリアアセンブリのコンポーネントを含む。これらの熱拡散アセンブリのコンポーネントは、るつぼを用いて異なる向きにして設けることができる。特に、熱拡散バリアアセンブリ５０１が動作して、上述したように集中した熱流５３２を生ずる。この熱流は、例えば、３０Ｗ／ｃｍ２を超え、結晶シート８０４の前縁８０６の成長を安定化させるように用いる。これは、熱流５３６を晶析装置５２０によって露出面５２４から除去し、また結晶化が起こる時に発生する。装置８００は、さらに、ヒーター３５２及び熱拡散バリアアセンブリ３６６を備え、その操作は、図３Ｃにつき上述している。特に、熱拡散バリアアセンブリ３６６及びヒーター３５２は、結晶シート８０４に向けてＹ軸に沿って熱流を供給でき、この熱流の熱流密度は、図３Ｃ及び４において大まかに示すようにＸ軸に平行な結晶シート８０４の幅にわたり均一である。従って、熱拡散バリアアセンブリ３６６は、図８で示唆するように、結晶シートの幅にわたり均一に結晶シート８０４の一部を融液に戻すことができる。これによって、装置８００は、結晶シートの前縁を安定化させる改善した熱流と、並びに結晶シートの幅にわたり均一な融液戻しを生ずるよう結晶シートを均一に処理する均一熱流との双方を供給する。
【００３５】
本発明は、上述した特定の実施形態によって範囲が限定されるものではない。実際、本発明の他の様々な実施形態及び変更は、上述の実施形態に加えて、先述の説明及び添付図面から当業者には明らかであろう。従って、他の実施形態及び変更は本発明の範囲内にあることを意図する。さらに、本発明は、特定の実施の背景において特定の環境において特定の目的のためにここで説明しているが、当業者は、その有効性がそれらに限定されず、本発明が多数の環境において多数の目的のために有益に実施できることを認識するであろう。従って、特許請求の範囲の請求項は、上述するように本発明の全幅範囲及び精神の観点で解すべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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