(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶シートを融液から成長させる晶析装置において、
前記融液の露出面に面した冷却ブロック表面を有する冷却ブロックであって、前記冷却ブロック表面で冷却ブロック温度を生ずるように構成し、前記冷却ブロック温度は前記露出面での前記融液の融解温度よりも低いものとする、前記冷却ブロックと、
前記冷却ブロック内に配置し、また前記露出面にガス噴射を送給するように構成したノズルであって、前記ガス噴射及び前記冷却ブロックが相互動作して、前記露出面から第１除熱速度で熱を除去するプロセスゾーンを生じ、前記第１除熱速度が、前記プロセスゾーンの外側の外側領域における前記露出面からの第２除熱速度より速い速度となる、前記ノズルと、
を備え、
前記冷却ブロック表面を前記露出面の上方に第１高さに配置し、前記ノズルの先端部を前記露出面の上方に前記第１高さより低い第２高さに配置する、晶析装置。
【請求項２】
請求項１記載の晶析装置において、前記ノズルは石英ガラスから成るものとする、晶析装置。
【請求項３】
請求項１記載の晶析装置において、前記ノズルは、細長い断面を有する開孔であって、前記断面の長軸が引出し方向に直交する横方向に沿って延在する、前記開孔を有する、晶析装置。
【請求項４】
請求項３記載の晶析装置において、前記開孔の前記引出し方向に沿う開孔長さを０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍとする、晶析装置。
【請求項５】
請求項３記載の晶析装置において、さらに、
開口を確定するエンクロージャであって、前記開口内に前記冷却ブロックを前記露出面に対向させて配置し、前記冷却ブロックの温度より高いエンクロージャ温度を有する、前記エンクロージャと、
前記エンクロージャと前記冷却ブロックとの間に配置し、また前記ガス噴射からのガスの７５％〜９５％を排出するように構成した、少なくとも１つの内部排出チャネルと、
を備える、晶析装置。
【請求項６】
請求項５記載の晶析装置において、前記少なくとも１つの内部排出チャネルは前記ガス噴射によって供給されるガスの７０％〜９０％を再利用するように構成した、晶析装置。
【請求項７】
請求項１記載の晶析装置において、さらに、前記冷却ブロック表面と前記露出面との間における高さを調整するように構成したアクチュエータを備える、晶析装置。
【請求項８】
請求項１記載の晶析装置において、前記ガス噴射は、ガス渦を前記プロセスゾーン内に生ずるように構成し、前記ガス渦が少なくとも一部の熱を前記露出面から冷却ブロックに至る対流によって除去する、晶析装置。
【請求項９】
請求項１記載の晶析装置において、前記第１除熱速度は１００Ｗ／ｃｍ２より速いものとする、晶析装置。
【請求項１０】
請求項１記載の晶析装置において、前記ノズルは、横方向に沿う幅によって画定した細長い断面を持つ開孔であって、前記ガス噴射の流速が前記横方向に沿う前記開孔の幅１センチメートルあたり毎分少なくとも１リットルとなる、前記開孔を有する、晶析装置。
【請求項１１】
融液から結晶シートを成長させる方法において、
冷却ブロックを前記融液の露出面の上方に設置するステップと、
前記融液に面する前記冷却ブロックの冷却ブロック表面に、前記露出面における前記融液の融解温度よりも低い冷却ブロック温度を生ずるステップと、
ガス噴射を前記露出面まで前記冷却ブロック内に配置したノズルを経て送給するガス噴射送給ステップであって、前記ガス噴射及び前記冷却ブロックが相互動作して、前記露出面から第１除熱速度で熱を除去するプロセスゾーンを生じ、前記第１除熱速度は、前記プロセスゾーンの外側の外側領域における前記露出面からの第２除熱速度より速い速度となるようにする、前記ガス噴射送給ステップと、
を有し、
前記冷却ブロック表面を前記露出面の上方に第１高さに配置し、前記ノズルの先端部を前記露出面の上方に前記第１高さより低い第２高さに配置する方法。
【請求項１２】
請求項１１記載の方法において、さらに、前記ガス噴射を使用して、ガス渦を前記プロセスゾーン内に生ずるガス渦発生ステップであって、前記ガス渦が対流除熱によって前記露出面から熱を除去し、前記プロセスゾーンにおける対流除熱速度が前記第１除熱速度の半分よりも速い速度となる、前記ガス渦発生ステップを有する、方法。
【請求項１３】
請求項１１記載の方法において、さらに、
前記冷却ブロックを前記露出面に対向させて配置させる開口を画定するエンクロージャを前記冷却ブロックの周りに設けるステップと、
前記冷却ブロック温度よりも高い前記エンクロージャのエンクロージャ温度を生ずるステップと、
前記エンクロージャと前記冷却ブロックとの間に少なくとも１つの内部排出チャネルを設けるステップと、
前記ガス噴射からの７５％〜９５％のガスを前記少なくとも１つの内部排出チャネルを経て排出するステップと、
を有する、方法。
【請求項１４】
前記ノズルは、開孔に沿って配置した複数のガス供給口を装備した前記開孔であって、前記複数のガス供給口は、それぞれ作動状態にあるとき個別にガスを前記開孔に送給するように構成して前記ガス噴射を形成する、前記開孔を有するものとし、また、前記少なくとも１つの内部排出チャネルは、複数の排出口であって、それぞれ作動状態にあるとき個別にガスを排出するように構成した、前記複数の排出口を有するものとした、請求項１３記載の方法において、
前記方法はさらに、
前記作動状態にあるガス供給口の数を調整して、前記プロセスゾーンの幅を目標幅まで調整するステップと、
前記少なくとも１つの内部排出チャネルにおける前記作動状態の排出口の数を調整して、前記目標幅に合致する排出幅を得るステップと、
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】
本発明は、融液からの結晶材料の成長に関し、特に、冷却ブロック及びガス噴射を使用して融液を冷却する晶析装置並びに方法に関する。
【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方法は、薄いシリコンリボンを融液から垂直方向に引き上げる方法で、このリボンを冷却して結晶シートとなるように固化する。しかし、シリコンシートの垂直方向引き上げ中に生ずる温度勾配は、結果として低品質多粒子シリコンを生ずる。シートを融液表面に沿って水平方向に引っ張る水平リボン成長（ＨＲＧ）もまた開発されている。早期の試みとしては、ガス「シャワーヘッド」を使用して冷却し、リボンを引っ張るのに必要な連続表面成長を達成するものがある。これら早期の試みは、均一な厚さを備えた信頼でき急速に引き出される幅広リボン、すなわち「生産価値のある」リボンを生産するという目標を満たすことができなかった。シリコン融液の放射冷却は、結晶シリコンの代替的形成方法として提案された。しかし、放射冷却自体は十分急速に熱を除去して適正にシリコンシートを結晶化できないため、問題が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明による改良が必要となったのは、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】
【０００５】
この概要は、詳細な説明において以下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ものである。この概要は、特許請求の範囲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、特許請求の範囲を確定する支援を意図するものでもない。
【０００６】
１つの実施形態において、融液から結晶シートを成長させる晶析装置は、融液の露出面に面する冷却ブロック表面を有する冷却ブロックを備え、冷却ブロックは、露出面における融液の融解温度より低い冷却ブロック表面における冷却ブロック温度を生ずるように構成する。この晶析装置は、さらに、冷却ブロック内に配置してガス噴射を露出面に送給するノズルを備え、ガス噴射及び冷却ブロックが相互動作して、露出面から第１除熱速度で熱を除去するプロセスゾーンであって、第１熱除去速度が、プロセスゾーンの外側の外側領域における露出面からの第２除熱速度より速い速度となる、プロセスゾーンを生ずる。
【０００７】
他の実施形態において、融液から結晶シートを成長させる方法は、融液の露出面上方に冷却ブロックを配置するステップと、融液に面する冷却ブロックの冷却ブロック表面において露出面での融液の融解温度より低い冷却ブロック温度を生ずるステップと、を有する。この方法は、さらに、冷却ブロック内に配置したノズルを経てガス噴射を露出面に送給するガス噴射ステップを有し、このガス噴射ステップにおいて、ガス噴射及び冷却ブロックが相互動作して、融液表面から第１除熱速度で熱を除去するプロセスゾーンであって、第１除熱速度が、プロセスゾーンの外側の領域における融液表面からの第２除熱速度より速い速度となる、プロセスゾーンを生ずる。
融液から結晶シートを成長させる晶析装置及び方法において、ガス噴射を供給して融液表面と冷却ブロックとの間に対流領域を生ずる晶析装置の使用は、極めて高速な除熱を促進する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本発明の実施形態によるシステムの垂直断面図を示す。
【図１Ｂ】図１Ａのシステムにおける一部の底面図を示す。
【図１Ｃ】図１Ａのシステムにおける一部を拡大した垂直断面図である。
【図１Ｄ】図１Ａのシステムにおける一部を拡大した水平断面図である。
【図２Ａ】図１Ａのシステムにおける操作の一段階であって、結晶シート成長中の垂直断面図を示す。
【図２Ｂ】図２Ａに示す操作段階の拡大垂直断面図を示す。
【図３Ａ】本発明の他の実施形態による他のシステムの垂直断面図を示す。
【図３Ｂ】図３Ａのシステムにおける操作の一段階であって、結晶シート成長中の垂直断面図を示す。
【図４】図４Ａは、図３Ａのシステムにおける一部の二次元複合側面図であり、モデル化した流動場及び温度プロファイルを示す。図４Ｂは、図４Ａのシステムにおける４つの異なる構造に対する除熱速度プロファイルを示す。
【図５】図５Ａは、低温に保持する冷却ブロックが融液表面に近接するときの、例示的な二次元のシミュレートした温度及び流動マップを示す２次元複合側面図である。図５Ｂは、高温に保持する冷却ブロックが融液表面に近接するときの、例示的な二次元のシミュレートした温度及び流動マップを示す２次元複合側面図である。図５Ｃは、冷却ブロックを２つの異なる温度に維持するときの、対流除熱速度プロファイルを示す。
【図６】図６Ａは、ガスを内部排出することなくガスが融液に向かうときの、ガス流パターンの上面図を示す。図６Ｂは、ガスを内部排出してガスが融液に向かうときの、ガス流パターンの上面図を示す。
【図７】内部排出の割合の関数として表した例示的な除熱プロファルを示す。
【図８Ａ】本発明の実施形態に基づくノズルの斜視図を示す。
【図８Ｂ】図８Ａのノズルの上面図を示す。
【図８Ｃ】図８Ａのノズルにおける操作の一段階を示す。
【図８Ｄ】図８Ａのノズルにおける操作の他の段階を示す。
【図９】ノズル開孔に沿って設けたス噴射の数が変化するとき、融液表面からの除熱速度プロファイルのシミュレーション結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の実施形態は、シリコンのような半導体材料から成る連続的な結晶シートを融液から水平成長を使用して成長させるシステム及び装置を提供する。特に、本明細書で開示するシステムは、連続的な結晶シート又はシリコンリボンの成長を融液表面上で開始し、また持続させるように構成し、形成したシートは、単一結晶（単結晶）で、幅広く、均一な厚さで、融液から速い速度、例えば１秒あたり１ミリメートルより速い速度で引き出す。様々な実施形態において、流体冷却晶析装置は、強除熱の狭い帯域又はゾーンを形成するプロセスゾーンを生成する制御した、また、均一な様態で融液表面を冷却するように構成する。様々な実施形態において、シリコン融液からの除熱のピーク速度は、１００Ｗ／ｃｍ２を超え、場合によっては、５００Ｗ／ｃｍ２より速い。以下で説明するように、この高除熱速度は、高品質の単結晶シリコンリボンを成長させるのに特に有利であり、それは、融液表面におけるシリコンの結晶成長の性質によるからである。
【００１０】
図１Ａは、本発明の実施形態に基づく、融液からの結晶シートの水平成長に関するシステム１００の側面図を示す。システム１００は、晶析装置１０２及びるつぼ１２６を備えるが、るつぼの下側部分のみを簡単に示している。さらに、この図面及びそれに続く他の図面において、様々なコンポーネントは、互いに又は異なる方向に縮尺通りに描いていない。るつぼ１２６は、シリコン融液のような融液１１２を容れることができる。晶析装置１０２若しくはるつぼ１２６、又はその双方が、図示したデカルト座標系のＹ軸に平行な方向に沿って移動可能とし、晶析装置１０２を融液１１２の上面から所望距離離れた位置に位置決めできるようにし、融液１１２の上面は露出面１１４として表す。露出面１１４は、システム１００における大気に隣接する表面を示し、るつぼ１２６の中実表面に隣接する融液１１２の表面とは反対側である。このシステム１００は、さらに、ヒーター１２２のような１つ又は複数のヒーターを有し、これらヒーターは、るつぼ１２６、またひいては融液１１２に熱を供給することができる。これらヒーター１２２には、個別に電力を供給し、同量の熱又は異なる量の熱をＸ-Ｚ平面に沿う異なるポイントに供給することができる。熱は、融液１１２を経て、図１ＡにおけるＹ軸に沿う熱流の少なくとも上向きの成分を有して流れることができる。
【００１１】
以下で詳述するように、ヒーター１２２から生じた熱流、及び露出面１１４からの熱流速度（本明細書では「除熱速度」と称する）は、露出面で融解表面を維持するように設定することができ、ただし結晶化が起こる特定領域は除外する。特に、以下で詳述するように、結晶化は、晶析装置１０２に隣接した領域又はプロセスゾーン（図１Ａにおいては図示せず）において起こる。本発明の実施形態において、晶析装置１０２は、プロセスゾーンにおいて除熱速度を生じ、この除熱速度は、十分急速で露出面近傍領域又は露出面で結晶材料を形成する。以下で詳述するように、除熱は、露出面１１４の一部上でのみ制御された様態で局所的に起こり、その結果、所望厚さ及び低レベルの欠陥を有する単結晶シリコンを形成する。「除熱」は、露出面１１４から放出される熱流を促進する処理を意味する。晶析装置１０２のような「除熱」を促進するコンポーネントがなくても、熱は露出面１１４から上方に流れ出ることができる。しかし、晶析装置１０２は、露出面１１４の一部で除熱を行うことができ、この部分における除熱は露出面１１４の他の部分における熱流よりもずっと多く、これにより、結晶化は晶析装置１０２に隣接して局在する。
【００１２】
このシステム１００は、さらに、結晶引出し機（図示せず）を備え、この結晶引出し機は、シード１１６をＺ軸に平行な引出し方向１２０に沿って引き出し、結晶シリコンの連続シートを図示の右方に引っ張るように構成することができる。晶析装置１０２に隣接する除熱速度、ヒーター１２２によって生じた熱、及び引出し方向１２０に沿う引出し速度を制御することによって、所望厚さ及び品質の結晶シートを得ることができる。特に、結晶化を制御するために、晶析装置１０２に冷却ブロック１０６を設け、この冷却ブロック１０６は、冷却ブロック温度を冷却ブロック表面で生ずるように構成し、この冷却ブロック温度は、冷却ブロック表面に面する露出面１１４の部分における融液の融解温度よりも低いものにする。詳述するように、晶析装置１０２は、さらに、冷却ブロック１０６内に配置し、ガス噴射を露出面１１４に送給するように構成したノズル１０４を有する。ガス噴射及び冷却ブロックは、相互動作して、露出面１１４から第１除熱速度で熱を除去するプロセスゾーンであって、第１除熱速度が、プロセスゾーンの外側の領域における露出面からの第２除熱速度より速い速度となる、該プロセスゾーンを生ずる。ノズル及び冷却ブロックの適切な配置並びに操作によって、よく画定した均一なプロセスゾーンは、極めて狭い領域上で生じ、欠陥の少ない単結晶シートの良好な成長を促進する。
【００１３】
図１Ａの実施形態において、晶析装置１０２は、露出面１１４にガス噴射を供給するように構成したノズル１１４を備え、「ガス噴射」は、以下に詳述するように、急速な速度で狭い開口を通るガス流れを意味する。ガス噴射は、ガス制御システム１５０によって供給でき、このガス制御システム１５０は、ガスをノズル１０４内に所定速度で指向させる。様々な実施形態において、ノズル１０４は、高温環境、特に、融解シリコンを含む環境における劣化に抵抗する材料から成る。ノズルは、石英ガラス（溶融水晶）から構成することができ、この石英ガラスは、例えば、シリコンによる浸食に対する化学的抵抗性を有し、また、シリコンの融点（〜１６８５Ｋ）で熱的に安定である。露出面１１４に供給したガスは、晶析装置１０２に近接するプロセス領域において露出面１１４からの除熱速度を速くするのに使用できる。幾つかの実施形態において、ノズル１０４を経て供給したガスは、ヘリウム若しくは不活性ガスとする、又は水素とすることができる。実施形態は、この文脈内容に限定されない。
【００１４】
図１Ａにおいて示すように、ノズル１０４は、冷却ブロック１０６内に配置して、水又はエチレングリコールのような流体によって冷却することができ、この流体は、冷却ブロッック１０６におけるキャビティ（図示せず）内に流入するよう指向させる。従って、冷却ブロック１０６は、融液１１２よりも相当低い温度に維持することができる。例えば、融液１１２が純粋なシリコンである場合、露出面１１４の温度は１６８５Ｋの前後数度内に維持して、露出面１１４を融解状態に維持できるようにする。同時に、冷却水を冷却ブロック１０６に供給するとき、冷却ブロック１０６は、３００Ｋ〜４００Ｋの範囲内の温度で維持できる。一実施形態において、冷却ブロック１０６は、ニッケルから作製することができ、このニッケルは、高熱伝導性及び高融点を有し、冷却ブロックとして高温融液と密に近接して動作するのに適している。説明したように、ノズル１０４及び冷却ブロックは、相互動作して、狭いプロセスゾーンを生じ、このプロセスゾーンでは、除熱速度が、露出面１１４で又は露出面１１４近傍で所望結晶化を生ずるのに十分な高速であるとともに、プロセスゾーンの外側領域は融解状態のままとなる。さらに図１Ａに示すように、晶析装置１０２はエンクロージャ１０８を備え、このエンクロージャ１０８は、冷却ブロック１０６の温度よりも高いエンクロージャ温度に維持できる。エンクロージャ１０８は、断熱体及びヒーターを含む複数のコンポーネントを有し、それらはエンクロージャ１０８を高温に維持するのに使用する。例えば、エンクロージャ１０８は、露出面１１４の温度前後５０Ｋ以内の温度に維持することができる。エンクロージャ１０８は開口を画定し、この開口において、冷却ブロック１０６の冷却ブロック表面を露出面１１４に対向させて配置する。言い換えれば、エンクロージャによって画定した開口内で、冷却ブロック１０６の冷却ブロック表面は、融液１１２の露出面１１４に対面する。この開口エリアは、図１Ｂにつき後述するように、冷却ブロック１０６の底面を含む。従って、エンクロージャ１０８に近接する露出面１１４の領域に対する除熱速度は、冷却ブロック１０６に近接するプロセスゾーンの除熱速度よりも遅くすることができる。この図面及び以下の他の図面において、晶析装置１０２の頂部部分は簡単のため図示しないことを付記する。
【００１５】
様々な実施形態において、ノズル１０４及び冷却ブロック１０６は、Ｘ-Ｚ平面において細長い断面を有することができる。図１Ｂは、様々な実施形態による晶析装置１０２の底面図を示し、ノズル１０４及び冷却ブロック１０６は、Ｘ軸に平行な方向に細長い。この方向は、後述するように、結晶シートを引っ張る引出し方向に交差することを示す横方向と称することができる。また、図１Ｂに示すように、開孔１１０は、ノズル１０４に設け、また、横方向に沿って延在する長軸を有するＸ-Ｚ平面において細長い断面を有する。開孔１１０は、単一の狭い開口であり、この狭い開口を経てガス噴射を露出面１１４に供給することができる。図１Ａに示すように、開孔１１０は、ノズル１０４の全高にわたり貫通し、ガスをノズル１０４頂部から露出面１１４の直ぐ上方の領域まで導く。後述するいくつかの実施形態において、複数の小さいガス供給口を開孔１１０の頂部においてＸ軸に平行に直線状に配列し、ガス噴射を露出面１１４に供給できるようにする。後述するように、Ｘ軸に沿うノズル１０４、開孔１１０、及び冷却ブロック１０６の寸法、並びに使用するガス供給口の数によって、図１Ａに示す引出し方向１２０に沿って引っ張る結晶シートの幅を画定することができる。
【００１６】
図１Ｃ及び図１Ｄは、晶析装置１０２の一部分の、それぞれ側面図及び上面図を示す。特に、図１Ｃ及び図１Ｄは、冷却ブロック１０６及びノズル１０４の、融液１１２の露出面１１４に最も近い部分を示す。簡明にするため、エンクロージャ１０８は図示しない。
【００１７】
様々な実施形態において、冷却ブロック、ノズル及び融液露出面の幾何学的構成配置関係は、表面から急速に除熱する狭いプロセスゾーン生成を促進するように配置する。特定の実施形態において、ノズルは露出面上方に第１距離離して配置し、また冷却ブロック表面は露出面上方に第１距離よりも長い第２距離離して配置する。言い換えれば、ノズルは、隣接する冷却ブロックの下方に突出し、またそれによって、融液の表面により接近して位置決めされる。
【００１８】
図１Ｃの実施例において、冷却ブロック１０６及びノズル１０４は、露出面１１４から所望高さに位置決めし、所望の結晶化処理を行うことができるようにする。この高さは、露出面１１４に直交する方向に沿う距離を示す第１高さｈ１によって画定でき、この第１高さｈ１は、露出面１１４を冷却ブロック１０６の底面１３２から隔てる。底面１３２は、融液１１２の露出面１１４に面する冷却ブロック表面であり、露出面１１４から流れ出す熱用のシンクとして機能する。説明するように、冷却ブロック１０６の他の表面は、図１Ｃには示さないエンクロージャ１０８によって包囲される。この高さはまた、第２高さｈ２によって画定でき、この第２高さｈ２は、露出面１１４をノズル１０４の底部から隔てる距離を示す。図１Ｃに示すように、この実施形態及び他の実施形態において、ノズルは底面１３２の下方に、ｈ２＜ｈ１となるように突出することができる。様々な実施形態において、ｈ１は０．２５ｍｍ〜５ｍｍとし、また距離ｈ２は０．１ｍｍ〜３ｍｍとすることができるが、この実施形態はこの文脈内容に限定されない。値ｈ２又はｈ１の調整は、図１Ａに示す一実施形態にける晶析装置１０２に連結したアクチュエータ１１８を使用して実施することができる。
【００１９】
幾つかの実施形態において、Ｚ軸に沿う開孔１１０の開孔長さｄ２は０．０５ｍｍ〜０．５ｍｍとすることができる。ノズル１０４を石英ガラスから形成した実施形態において、ノズル１０４は、２個のパーツ、すなわちノズル部分１０４ａ及びノズル部分１０４ｂから構成することができる。幾つかの実施形態において、これら２個のパーツは、接合部分（インターフェース）１３４を画定するよう組み立て、この接合部分１３４は、ノズル１０４を組み立ててシステム１００内に配置するときに、露出面１１４に直交する方向に延びる。代案として、これら２個のパーツを接合部分１３４が画定されるように組み立てて、この接合部分１３４は、ノズル１０４を組み立ててシステム１００内に配置するとき、露出面１１４に直交する方向に対してゼロではない角度をなして延びるようにする。接合部分１３４は、開孔１１０を画定することができ、その開孔長さｄ２は、ノズル部分１０４ａ及びノズル部分１０４ｂのそれぞれに凹部を形成し、またそれらノズル部分を凹部が互いに対向するように配置することによって作成することができる。この結果、システム１００において動作するとき公差範囲を上回って変動しない、正確にサイズ決めした寸法を有する開孔１１０となる。石英ガラスは、この目的のために特に有用であり、それはすなわち、正確に機械加工することができ、また低熱膨張係数を有するからであり、従って、開孔１１０の寸法を、温度が大きな範囲にわたり変動する環境下であっても維持することを確実にする。加えて、石英ガラス（溶融水晶）は、融液シリコンで湿潤せず、これにより、ノズル１０４が融液１１２に不慮に接触した状況下においてシリコンが開孔１１０内に沁み上がらないことを確実にする。
【００２０】
さらに図１Ｃ及び図１Ｄに示すように、底面１３２は、Ｘ-Ｚ平面に平行であり、また露出面１１４に平行に位置することができる。様々な実施形態において、底面１３２は、Ｘ軸に平行な横方向に沿って細長い。底面１３２のＸ軸に沿う幅ｗ１は、横方向に直交する方向に引っ張る結晶シートの最終的な幅を画定することができる。この後者の方向は、本明細書では「引出し方向（pull direction）」と称し、それは、結晶シートを引っ張る方向と一致するからである。詳述するように、底面１３２及びノズル１０４は、それぞれ、露出面１１４の上方に第１距離及び第２距離離れて配置するとき、底面１３２は、さらに、第２方向に沿って露出面１１４に平行なノズル１０４から第１距離よりも長い第３距離にわたり延在することができる。言い換えれば、図１Ｄに示すように、底面１３２は、Ｚ軸に平行な方向、すなわち引出し方向に沿って、ノズル１０４から距離ｄ１にわたり外方に延在することができるとともに、晶析装置１０２は、ｄ１＞ｈ１となるように露出面１１４の上方に位置決めする。幾つかの実施形態において、ｄ１は３ｍｍとし、ｈ１は３ｍｍ未満とする。この特定ジオメトリ（構成配置）は、以下に詳述するようにより一層急速な除熱を促進する。
【００２１】
図１Ｄの特定の図面において、上面図は、平面Ｐから透視して示すものであり、冷却ブロック１０６の底面１３２と一致して位置決めされる。従って、冷却ブロック１０６のエリアは、底面１３２のエリアを示し、露出面１１４の上方に数ミリメートル又はそれ未満の距離離れて位置決めすることができる。冷却ブロック１０６を水のような冷却流体によって冷却するとき、冷却ブロック１０６は、４８５Ｋ未満の冷却ブロック温度、すなわち、露出面１１４の融点（シリコン融液を処理するいくつかの例において１６８５Ｋである）より１２００Ｋ又はそれ以上低い冷却ブロック温度を有することができる。冷却ブロック１０６がノズル１０４によって供給されるガス噴射とともに存在するため、露出面１１４から流れ出る熱の除熱は、狭い帯域に集中させることができ、強除熱去を引き起こす。この強熱除去は、幾つかの例において、１００Ｗ／ｃｍ２以上の除熱速度によって特徴付けることができ、また特定の実施形態においては、１０００Ｗ／ｃｍ２又はそれ以上である。さらに、この除熱速度は、露出面１１４で外方に流れ出る熱流（幾つかの実施例において、５〜５０Ｗ／ｃｍ２のような１０Ｗ／ｃｍ２のオーダーとすることができる）を大幅に超えることができる。
【００２２】
強熱除去の領域は、図１Ｄにおけるプロセスゾーン１３０として示す。プロセスゾーン１３０において、露出面１１４からの除熱速度は、露出面１１４の外側領域１３１、すなわちプロセスゾーン１３０の外側に位置する領域における露出面１１４からの除熱速度を超えることができる。様々な実施形態によれば、ガスは開孔１１０を経るよう十分な流量速度で指向させることができ、除熱速度は開孔の下でピークとなる。さらに、以下で詳述するように、除熱速度は、引出し方向１２０に沿う狭いピークによって特徴付けることができ、これにより半値全幅（ＦＷＨＭ）は、２ミリメーターの範囲又はそれ以下であり、また、幾つかの実施例においては０．５ｍｍ未満である。この結果、１０００Ｗ／ｃｍ２又はそれ以上の除熱速度にも達する最大除熱速度値となる。このように高速の除熱速度がこのように狭いプロセスゾーンに送給されるとき、シートの結晶化は、引出し方向１２０に沿う高速引出し速度でさえも改善したシートの結晶品質を生ずるように制御することができる。
【００２３】
図２Ａは、結晶シート２０６を形成するシステム１００の使用の一例を示す。この実施例において、ヒーター１２２は、融液１１２を経て、露出面１１４で融液１１２の外方へ流れ出す熱１２４を供給する。熱１２４は、融液１１２を融解状態に維持することができ、ただし、結晶シート２０６を結晶引出し機（図示せず）によって引き出される部分を除く。プロセスゾーン１３０の外側の融液表面からの熱流速度は、幾つかの例において５〜５０Ｗ／ｃｍ２の範囲内であり得る。しかし、この実施形態はこの文脈内容に限定されない。図２Ａに示すように、ガス噴射２０２は、開孔１１０を経て供給し、ガス制御システム１５０（図１Ａに示す）によって制御することができる。ガス噴射２０２は、Ｙ軸に平行な方向に沿って、又はＹ軸に対してゼロではない角度をなす方向に沿って、指向させることができ、また露出面１１４に衝突させ、排ガス２０４として流出させることができる。様々な実施形態において、ガス流速は、Ｘ軸に沿う開孔幅のセンチメートル当たりの流速によって特徴付けることができる。特定の実施形態において、ガス流速は、開孔１１０の毎分センチメートル幅当たり１Ｌ／分〜１０Ｌ／分（Ｌ／（ｍ-ｃｍ）の間とすることができる。詳述するように、露出面１１４からの晶析装置１０２の離間、並びにガス噴射２０２におけるガス流を制御することによって、多量の熱を露出面１１４からプロセスゾーン１３０における対流除熱を介して除去することができる。このことは、上述したように、極めて高速の除熱速度を生ずる能力を増進する。
【００２４】
次に図２Ｂにつき説明すると、図２Ａに示した動作中におけるシステム１００の一部分の拡大図である。図２Ｂに示すように、ガス噴射２０２は、露出面１１４に向けて指向され、露出面１１４及び冷却ブロック１０６及びノズル１０４の間に位置するガス渦２１０を生成する。ガス渦２１０は、以下に詳述するように、露出面１１４から熱を急速に除去する媒体を提供する。特に、ガス渦２１０は、露出面１１４から冷却ブロック１０６へ、少なくとも一部は対流によって熱を除去することができる。ガス渦２１０によって得られる除熱は、幾つかの例において、最大１０００Ｗ／ｃｍ２又はそれ以上にもなる数１００Ｗ／ｃｍ２のピーク除熱速度を生ずるのに十分である。これは、シリコンのシートを欠陥の少ない単結晶シートとして結晶化するのに特に有用であり得る。本発明は、Ｘ-Ｙ平面に平行な（１００）結晶面を有して成長したシリコンの単結晶シートにおいて、前縁は（１１１）結晶ファセット（小平面）によって特徴付けられ、この結晶ファセットは、Ｚ軸又は引出し方向１２０に対して５４度の角度をなす。このファセットを有する前縁を適切に成長させるため、極めて高速の除熱速度が、前縁における極めて狭い領域内で必要となる。幾つかの推定において、（１１１）ファセットを有する前縁を適切に成長させるピーク除熱速度は、１００Ｗ／ｃｍ２よりずっと速く、この値は、シリコンの結晶シートを形成するのに使用する従来装置によって達成する除熱速度より相当速い速度である。
【００２５】
さらに、結晶シート２０６の厚さが厚さの所望上限を超えないように制御するためには、このような高除熱速度を結晶シート２０６の前縁における狭い領域に集中させるのが望ましいものであり得る。幾つかの実施形態において、システム１００は、３ｍｍ未満の幅である、強除熱を狭い領域又は帯域に送給することができ、除熱のピーク速度は、閾値、例えば、１００Ｗ／ｃｍ２を超えるものとする。これに関して、引出し方向１２０に沿うプロセスゾーン１３０のサイズは、便利なメトリック（計量体系）に従って、除熱速度が、閾値、又は以下に詳述するように除熱速度におけるピークのＦＷＨＭを超える領域の幅のようなものとして規定することができることに留意されたい。プロセスゾーン１３０の範囲を特徴付けるのに使用する正確なメトリックに無関係に、様々な実施形態において、除熱速度は、開孔１１０の直下のポイントＡで、１００Ｗ／ｃｍ２〜１５００Ｗ／ｃｍ２の範囲にわたるものとすることができるとともに、引出し方向１２０に沿ってポイントＡから３ｍｍ以上離れた距離における除熱速度は２０Ｗ／ｃｍ２未満とすることができる。
【００２６】
上述したように、様々な実施形態において、ガス噴射２０２はヘリウム（Ｈｅ）から構成することができ、このヘリウムは、高熱伝導性を備えるとともに、不活性であり、またシステム１００の他のコンポーネントに対して無反応性を示す。しかし、水素のような他のガスも可能である。幾つかの実施例において、ガス噴射２０２のガスを再循環させるのが有用であり、例えば、Ｈｅをガス噴射２０２において使用するときのような場合に有用である。このことによれば、全体的な消耗物出費を減らすことができる。さらに図２Ｂに示すように、ガス噴射２０２は、少なくとも一部を排ガス２０８として冷却ブロック１０６に隣接して設けた排出チャネル（図示せず）を経て排出することができる。以下に詳述するように、冷却ガスを保存することの他に、このことには、ガス噴射の均一性が、ガスを単にエンクロージャ１０８の下側に向かう排ガス２０４として排出する装置と比較して、改善されるという利点をもたらす。
【００２７】
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システム３００の一部の側面図を示す。システム３００は、ノズル１０４、冷却ブロック１０６を備え、また、その動作については上述した結晶引出し機（図示せず）を備えることができる。加えて、システム３００は、ガス制御システム、及びその動作については上述したが簡単のため省略するヒーターを備える。さらに、システム３００は、以下に詳述するように複数のコンポーネントを有するエンクロージャ３５０を備える。エンクロージャ３５０は、冷却ブロック１０６に隣接し、またグラファイト又は炭化ケイ素でコーティングしたグラファイトから形成したライナー３０６を有することができる。図３Ａの実施形態において、冷却ブロック１０６とライナー３０６との間に配置した少なくとも１つの内部排出チャネル３０４を設ける。一実施形態において、内部排出チャネルは入口を有し、この入口はＺ軸方向に平行な長さが１ｍｍである。
【００２８】
断熱材料３０８をライナー３０６の周りに設け、補償ヒーター３１０を図示のように断熱材料３０８に隣接して設ける。補償ヒーター３１０は、エンクロージャ３５０の温度を調整するのに使用し、これにより、エンクロージャ３５０は、露出面１１４の温度前後１０〜５０Ｋ内の温度に維持することができる。最終的に、他のコンポーネントを囲むシェル３１２を設ける。
【００２９】
次に図３Ｂにつき説明すると、システム３００の動作の一段階を示す。この実施例において、ガス噴射３２０は、開孔１１０を経るようガス制御システムによって供給する。熱流３２８は、融液１１２を経るようヒーター（図示せず）によって供給する。ガス噴射３２０は、ガス渦３２６を冷却ブロック１０６と融液１１２の露出面１１４との間に発生する。ガス渦３２６は、露出面１１４から放出される熱を急速に除去するのに使用することができ、これにより、ピークの除熱速度は１００Ｗ／ｃｍ２を超える。加えて、ガス噴射３２０は、Ｘ-Ｚ軸平面に平行な方向に沿って進行する側方排ガス３２４、並びに内部排出チャネル３０４を経て進行する内部排ガス３２２として排出することができる、内部排出チャネル３０４は、図示のように１対のチャネルとすることができる。以下の図面につき説明するように、様々な実施形態において、融液１１２の露出面１１４のような表面上におけるガス流の流体動力学は、ガス流速度、融液表面からの晶析装置の離間距離、並びに表面に衝突した後のガス排出、他のパラメータを制御することによって制御することができる。次に、このガス流制御を利用して、プロセスゾーンの幅を調整することができ、このプロセスゾーンでは、熱が急速に除去され、また、ピーク除熱速度並びに除熱の均一性を調整することができる。さらに図３Ｂに示すように、シード１１６をＺ軸に平行な引出し方向に沿って引きずるとき、結晶シート３３０を引き出し、結晶シート３３０の前縁は、静止状態で、またガス渦３２６に近接して位置する。
【００３０】
図４Ａは、システム３００の一部の２次元複合側面図であり、例示的な温度の２次元的にシミュレートした、晶析装置３０２内で生じ得る温度マップ及びＨｅガス流パターンを示す。図示の結果は、コンピュータによる流体力学（ＣＦＤ）モデリングに基づく。このシミュレーションにおいて、エンクロージャ３５０のコンポーネントは熱く、露出面１１４とシェル３１２との間の温度は１６００Ｋより高い。しかし、冷却ブロック１０６及びノズル１０４は、４００Ｋ未満の温度に維持される。ガス噴射は、ノズル１０４を経るように速度１００ｍ／ｓで指向させ、ノズル１０４は、融液の露出面１１４（図示せず）上に１ｍｍに等しい距離ｈ２離れて位置決めする。加えて、引出し方向１２０に沿うノズルの開孔長さd２は、０．１ｍｍとする。図示のように、強いガス渦であるガス渦４０２を、一方での露出面１１４と、他方での冷却ブロック１０６及びノズル１０４との間に形成する。このことは、露出面１１４と晶析装置３０２との間における対流熱伝導速度が速いことを示す。加えて、ガス排出４０４は内部排出チャネル３０４に指向する。この状況下で、除熱速度も引出し方向１２０（図３参照）に沿う位置（パラメータdとして示す）の関数としてシミュレートする。このシミュレーションの結果を図４Ｂにプロットし、除熱速度（ｑ″）を４つの異なる値ｈ２の関数として示し、この場合、ｈ２＝１ｍｍである図４Ａの実施例を含む。図４Ｂの実施例において、ガス流速度は、図１Ｄに示すように、Ｘ軸に平行な方向に沿う開孔１１０の幅（ｗ１）センチメートルにつき毎分６リットルである。従って、４ｃｍ幅開孔につきガス流は毎分２４リットル（Ｌ／ｍ）である。
【００３１】
図４Ｂの結果に示すように、除熱速度は、ノズル１０４の開孔直下の位置であるｄ＝０ｍｍで最大値を有する。２ｍｍ又はそれより長い距離で、除熱速度は２０Ｗ／ｃｍ２の範囲の背景レベルに近似し、この背景レベルは、プロセスゾーンの外側の露出面１１４からの除熱速度に対応する。従って、図３Ａに示すように、ノズル１０４及び冷却ブロック１０６の対称形態において、除熱速度は、ゼロに対してｄの負の距離と同様に減少する。図４Ｂに示すように、ピークでの除熱速度の値は、ｈ２が減少すると強大に増加する。例えば、ｈ２＝２ｍｍでは、曲線４１０に示すように、ピーク値は５４０Ｗ／ｃｍ２であるとともに、ｈ２＝０．２５ｍｍでは、曲線４１６に示すように、ピーク値は１４８０Ｗ／ｃｍ２である。ｈ２＝１．０ｍｍでの曲線４１２は、８４０Ｗ／ｃｍ２のピーク値を示すとともに、ｈ２＝０．５ｍｍでの曲線４１４は、１２００Ｗ／ｃｍ２のピーク値を示す。加えて、曲線４１０、曲線４１２、曲線４１４及び曲線４１６の各曲線が対称的ピークの半分を表すと仮定すると、ＦＷＨＭはｈ２＝２ｍｍでの１．２ｍｍ（２×０．６ｍｍ）からｈ２＝０．２５ｍｍでの０．３ｍｍ（２×０．１５ｍｍ）まで減少する。他の興味を引くメトリックとしては、除熱速度が所定値又は閾値を超える除熱のプロセスゾーンのサイズｄｚがある。例えば、プロセスゾーンは、除熱速度が１００Ｗ／ｃｍ２を超えるゾーンとして定義するのが都合がよい。先に述べたように、適正な（１１１）ファセットを有する高品質シリコンシートを形成するためには、シートの成長界面における高速の除熱が必要である。１００Ｗ／ｃｍ２より速い（＞１００Ｗ／ｃｍ２）除熱速度のこのメトリックを使用すると、ｄｚ値はｈ２＝２ｍｍでの３ｍｍ（２×１．５ｍｍ）からｈ２＝０．２５ｍｍでの１．２ｍｍ（２×０．６ｍｍ）まで減少する。図４Ａに示すようにｈ２＝１ｍｍで、ｄｚ値は２．５ｍｍ（２×１．２５ｍｍ）である。従って、融液表面上のノズル高さを調整することは、表面からの除熱速度、並びに表面からの除熱が閾値を超える領域を表すプロセスゾーンのサイズ（引出し方向又は引出し方向１２０に沿う）に大きく影響を与える。
【００３２】
ガス噴射を融液表面自体内に供給すると、表面からの大幅な除熱を生ずることができる。しかし、本発明の実施形態は、ガス噴射を供給するノズルに隣接して冷却ブロックを設けることによって、ガス噴射単独で得られるよりも、除熱速度を速くする。冷却ブロックは、熱に対する効果的なヒートシンクとして機能し、熱は融液表面から対流によって除去する。図５Ａは、２次元複合側面図であり、例示的な２次元シミュレートした、冷却ブロックを融液表面５０４上から３ｍｍ離れる距離ｈ１に維持するときに生ずる、温度マップ及びＨｅガス流量パターンを示す。このシミュレーションにおいて、冷却ブロック５０２は３００Ｋの範囲における温度に維持するとともに、表面５０４の温度は１６８０Ｋの範囲内に維持する。３０ｍ／ｓの流速を有する室温のＨｅガス噴射は、開孔長さｄ２＝０．２ｍｍを有する開孔からｄ＝０ｍｍの位置に供給する。図示のように、強烈な渦５０６を生じ、この強烈渦５０６は、d＜０．２ｍｍにおける急激な温度低下によって示されるように、表面５０４から熱を除去するのに効果的である。
【００３３】
図５Ｂは、２次元複合側面図であり、冷却ブロック５０２を１６００Ｋの範囲内の温度に維持することを除いて、図５Ａと同一条件下で生じ得る、例示的な２次元シミュレートした温度マップ及びガス流量パターンを示す。言い換えれば、図５Ｂのシミュレーションは、ノズルに隣接した冷却ブロックがなく、冷却はノズルからの冷却ガス流によって行う条件を表す。図示のように、強烈な渦５０８が生ずるが、渦の温度は図５Ａの場合よりも相当高い、例えば１０００Ｋ〜１４００Ｋにおける温度を維持し、表面５０４からの除熱は相当少ない。
【００３４】
図５Ａ及び図５Ｂに示した２つの条件下で、除熱速度は、やはり引出し方向１２０（図３Ａ参照）に沿う位置（パラメータｄとして示す）の関数として計算した。このシミュレーションの結果を図５Ｃにプロットし、この図５Ｃは、冷却ブロック５０２を３００Ｋ（曲線５１０）及び１６００Ｋ（曲線５１２）に維持するときのｄの関数として対流除熱速度を示す。図５Ｃに示すように、冷却ブロック５０２を３００Ｋに維持する図５Ａのシナリオに対して、対流除熱におけるピークは１６５Ｗ／ｃｍ２であるとともに、冷却ブロック５０２を１６００Ｋに維持する図５Ｂのシナリオに対して、対流除熱におけるピークは８６Ｗ／ｃｍ２である。上述の実施例に従って、除熱速度は１００Ｗ／ｃｍ２を超えるのが望ましい場合、冷却ブロック５０２を１６００Ｋに維持するときにはこの除熱速度を満足させないことがわかる。しかし、冷却ブロック５０２を３００Kに設定するとき、ｄ＝１．８ｍｍ（２×０．９ｍｍ）のプロセスゾーンを生ずる。
【００３５】
さらなるシミュレーションを実施して、Ｈｅガスを冷却ブロックに局所的に、例えば図３に示した内部排出チャネル３０４等で排出するか否かによっては、除熱量が大きく影響されないことを決定した。加えて、上述した実施形態は、ガス噴射を融液表面に対して直交するように指向させる対称的な晶析装置を適用できるものであるが、他の実施形態において、ガス噴射は、融液表面に直交する方向に対してゼロではない角度をなして供給することができる。この場合において。ノズル位置に対する除熱の分布が非対称となり得る。さらに、幾つかの実施形態において、各内部排出チャネル３０４は独立して機能することができ、除熱の非対称分布を生じ、一方の排出チャネル３０４において他方の排出チャネル３０４と対比して、より多くの量のガスを排出することができる。
【００３６】
先に述べたように、様々な実施形態は、冷却ブロックに隣接した内部排出チャネルを有する晶析装置を提供する。この特徴は、結晶化シートフロントからの、引出し方向に直交する方向に沿うより均一な除熱を生ずる上で有利であり得る。図６Ａは、融液６００の表面、及びＨｅガスが融液に向かって（図の紙面内方に）ノズルの開孔１１０を経て（特に図示せず）指向するときのガス流パターンの上面図を示す。図示のように、開孔１１０は、細長いスリットのＸ-Ｚ平面における断面形状を有する。開孔１１０の例示的な寸法は、Ｚ軸に沿って０．１〜０．３ｍｍ、及びＸ軸に沿って２０ｍｍ〜２００ｍｍである。加熱したエンクロージャを融液６００の上方に設け、このエンクロージャは、開孔１１０の周りに長方形の冷却領域を画定する開口を有する。図６Ａの実施例において、内部排出チャネルは、ヘリウムガスを局所的に排出する開孔１１０の近傍に設けない。
【００３７】
開孔１１０の中間領域において、ガス流跡輪郭６０２は、Ｘ軸、即ち開孔の長手方向に対してほぼ直交することが分かる。しかし、開孔１１０の両端に向かって外方に進むにつれて、ガス流跡輪郭６０２の形状は湾曲し、領域６０８のような開孔１１０に直ぐ隣接する領域であっても開孔１１０の長手方向に対して直交しなくなる。さらに、ガス流跡輪郭６０２による集合体のパターンは、開孔１１０に隣接した除熱の均一性を定性的に表すことができる。したがって、ガス流跡輪郭６０２がＸ軸に直交する中間領域Ｍにおける除熱は、ガス流跡輪郭６０２が「Ｕ」型を有する領域６０８における除熱と異なる。このガス流パターンは、加熱したエンクロージャによって生じた熱流パターンの結果であり、開孔１１０に沿う位置に基づく３次元効果に起因して変化する。したがって、両側の端部Ｅの近傍領域では、Ｈｅ流は外方に向うにつれて中間領域Ｍよりもインピーダンスが少ない。したがって、図６Ａの構成は、Ｘ軸に平行に進むとき、開孔１１０に隣接して可変の除熱速度を生ずる。形成しているシートの結晶化フロントがＸ軸に平行であるため、結晶化は前縁に沿って不均一に生起することが予想され、その結果、所望均一性よりも低い均一性のシートとなり得る。
【００３８】
図６Ｂも、ヘリウムガスをノズルの開孔１１０経由で融液に指向させるときの、融液６００の表面及びガス流パターンの上面図を示す。しかし、図６Ｂの実施例においては、２つの内部排出チャネル６１２を、開孔１１０に平行に延在するように設ける。一実施例において、内部排出チャネル６１２は、Ｚ軸に沿って開孔１１０から３ｍｍの距離を空けることができる。図６Ｂの実施例において、開孔１１０を経て供給するガスの９０％が内部排出チャネル６１２を経て排出されるとともに、例えば、図２Ｂに示すように、１０％が融液６００の表面に沿って排出されると推定できる。内部排出チャネル６１２の存在は、ガス流跡輪郭６０２と比較すると、ガス流跡輪郭６１４のパターンを変える。ガス流跡輪郭６１４は、端部Ｅ寄りの領域におけるように幾分の曲率を示すことがあり得るが、内部排出チャネル６１２によって区切られる領域内では、開孔１１０の全幅ｗａに沿って、各ガス流跡輪郭６１４は、開孔１１０の長手方向、即ちＸ軸に対して直交する。したがって、内部排出チャネル６１２相互間の領域において、除熱速度は、開孔に隣接して両側の端部Ｅ相互間における開孔１１０に沿う任意なポイントでも均一になり得る。とりわけ、両側の端部Ｅ相互間及び内部排出チャネル６１２相互間の領域６１６は、冷却ブロックが融液６００の表面の近傍に延在する領域を表し、この領域において、最速の除熱速度が生起する。したがって、除熱速度が相当速いプロセスゾーンは領域６１６に位置し得る。この領域６１６の外側は、ガス流跡輪郭６１４が湾曲し、除熱速度は十分に緩慢で、Ｘ軸に沿ういかなる変動も、前縁の結晶化に知覚できるほどには寄与しないであろう。従って、図６Ｂのシナリオの下で形成したシートの結晶化は全幅ｗａに沿って均一になり得る。
【００３９】
図７は、内部排出チャネル経由で排出するガス量の変化が除熱のプロファイルに与える効果をｄの関数として示す。０％のガスが内部排出チャネル経由で排出（再利用）されるときの曲線７０２から、９０％のガスが内部排出チャネル経由で排出されるときの曲線７０６への変化で分かるように、ピークの除熱速度は単に２〜３％しか減少しない。曲線７０４は、５０％のガスが内部排出チャネル経由で排出されるときを示す。さらに有利なことに、ＦＨＨＭは、９０％排出で減少して、除熱はｄが低い値になるにつれてより集中し、それによってプロセスゾーンの幅を減少させる。しかし、ガス噴射から送給されるガスの一部分、例えば１０％を融液表面に沿う方向に排出し、このシステムから出るＳｉＯまたはＡｒのような何らかの汚染物質を排除することが望ましい点に留意されたい。特にＳｉＯ汚染物質の排除は、融液内におけるＳｉＯ粒子形成を回避することができ、このＳｉＯ粒子は、融液から成長する結晶シートの品質を低下させる。従って、様々な実施形態において、内部排出チャネルは、ガス噴射で供給されるガスの７５％〜９５％の間のガスを排出するように構成することができる。内部排出チャネル経由で排出するガスの少なくとも一部は幾つかの実施形態において再利用することができる。幾つかの実施形態において、内部排出チャネルは、ガス噴射で供給されるガスの７０％〜９０％を再利用するように構成することができる。このことは、ガス噴射がヘリウムからなるときのような材料コストを削減するのに役立てることができる。
【００４０】
様々な更なる実施形態において、強除熱用のプロセスゾーンの幅は、シート引出し中に変化させることができる。シリコンの幅広単結晶シートを産出するためには、狭い単一の結晶シードを使用して結晶化を開始し、したがって、単結晶シートの幅は、初期的には所望幅よりも狭くなる。例えば、１５０ｍｍの幅を有するシリコンリボンを生じて、同様の幅を有するサブストレート（substrate）を生ずるようにするのが望ましい。しかし、シート引出しの初期段階においては、シートの初期幅は相当狭い幅、例えば２０ｍｍ程度であり、その幅は、その後引出し後段階中に増大し得る。このことによって、初期的に生じた転位が成長するリボンを修復させることができ、それはすなわち、転位が狭いシート端縁に達するまで移動する距離が比較的小さいからである。結晶引出し中にシートを幅広にするため、プロセス領域の幅を徐々に増大することができる。本発明の実施形態において、このことは、ガス噴射をサブストレートに供給する領域の幅を増大することによって達成できる。
【００４１】
ノズル内のガス噴射の有効幅は、様々な方法で増大することができる。本発明の更なる実施形態に基づくノズル８００の、図８Ａは透視図、図８Ｂは上面図をそれぞれ示す。ノズル８００は、上述のように晶析装置に展開することができるが、図面を分かり易くするため冷却ブロックのような他のコンポーネントは図示しない。しかし、冷却ブロックは、例えば図１Ａ及び図１Ｂに示すようにノズル８００を包囲するものと理解されたい。ノズル８００は、Ｘ軸に平行な横方向に沿って細長く、また開孔８０４を有し、この開孔８０４は、ノズル８００に貫通し、融液の表面８１０にガス噴射を供給する。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、ノズル８００は複数のガス供給口８０２を有することができ、これらガス供給口８０２は、個別のガス噴射を開孔８０４の頂部に指向させるように配列する。複数のガス供給口８０２は、ガスを開孔に送給して、作動（アクティブ）状態にあるときガス噴射を形成するように個別に構成することができる。例えば、様々な実施形態において、ガス制御システム１５０（図１Ａ参照）のようなコントローラは、開孔に沿って設けたガス供給口の任意な組み合わせに指向させるべきガスを個別に制御することができる。例えば、作動状態において、ガス供給口はガスを開孔８０４に送給するように構成するとともに、不作動（非アクティブ）状態において、ガス供給口は開孔８０４にガスを送給しないものとすることができる。例えば、ガス制御システム１５０におけるコントローラ８３０は、ガスを送給する作動状態にあるガス供給口の数を変化させて、長軸に沿うプロセスゾーンの幅を変化させるように構成でき、これによりプロセスゾーンの幅は、結晶シートを引き出す所定段階中に目標幅を獲得できるようになる。
【００４２】
更なる実施形態において、内部排出チャネル経由でガスを排出する排出ゾーンの幅は調整することができる。例えば、複数の排出口を内部排出チャネルに沿って設け、排出口が作動状態にあるときガスを排出する。幾つかの実施形態において、排出チャネルの排出ゾーンの幅はコントローラによってプロセスゾーン幅の調整と協調させて調整でき、プロセスゾーン幅の調整は、作動状態にあるガス供給口の数を個別に調整することによって達成する。特に、コントローラ８３０は、ガスを受け入れるように作動状態にするガス供給口の数を個別に調整するように設けることができ、これにより、横方向に沿うプロセスゾーンの幅を調整してプロセスゾーンの目標幅を獲得する。これと同時に、コントローラ８３０は、少なくとも１つの排出チャネルにおいて作動状態にある排出口の数を協調して調整し、目標幅に合致させることができる。例えば、一実施において、ｗ２が３．５ｍｍと等しいものとし、ガス供給口８０２の数は図示のように７に等しいものとすることができる。結晶引出しの初期段階では、互いに５ｍｍ離れる２つのガス供給口８０２を作動状態にするとともに、他のガス供給口８０２は不作動状態にし、ノズル開孔の一部における横方向に沿う１センチメートルのプロセスゾーンを生ずるようにする。これと同時に、互いに５ｍｍ離れる内部排出チャネル（図示せず）内における２つの対応する排出口を使用して、１センチメートルの排出幅を有する排出ゾーンを生ずることができる。後段階で、作動状態にするガス供給口の数は７にまで増やすことができるとともに、作動状態にする排出口の数も７にまで増やし、それによってプロセスゾーンの幅を３０ｍｍまで広げ、排出ゾーンを広げてプロセスゾーンの幅に合致させることができる。
【００４３】
次に図９につき説明すると、これは、開孔に沿って設けるガス噴射の数が変化するときの位置（ｗ）の関数として、融液表面からの除熱速度のシミュレーション結果を示す。図９のシミュレーションにおいて、少なくとも６個のガス供給口が、図面のＸ軸に平行な方向に対応する幅ｗに沿って等間隔に離れていることと仮定する。曲線９０２は、ガスを表面に供給するのに使用するｗ＝０の位置に配置した単一の第１供給口にガス噴射を指向させるときの除熱を示す。実験的なシミュレートしたガス噴射流条件に対して、除熱速度の最速値はほぼ１２０Ｗ／ｃｍ２であり、またｗ＝０ｍｍで起こり、ｗ＝６ｍｍで除熱速度は１００Ｗ／ｃｍ２未満に低下する。曲線９０４は、第１ガス供給口に加えて、ガス噴射を第１ガス供給口に隣接して配置した第２ガス供給口に指向させるときの、除熱を示す。この場合において、除熱の最速値は１３５Ｗ／ｃｍ２でありまたｗ＝０ｍｍで起こるが、ｗ＝１３ｍｍで除熱速度は１００Ｗ／ｃｍ２未満に低下する。曲線９０６は、第１ガス供給口及び第２ガス供給口に加えて、ガス噴射を第２ガス供給口に隣接して設置した第３ガス供給口に指向させるときの、除熱を示す。この場合において、除熱の最速値は１４０Ｗ／ｃｍ２であり、またｗ＝０ｍｍで起こるが、ｗ＝２０ｍｍまでは除熱速度が１００Ｗ／ｃｍ２未満に低下しない。曲線９０８は、第１ガス供給口から第３ガス供給口までのガス供給口に加えて、ガス噴射を第３ガス供給口に隣接して配置した第４ガス供給口に指向させるときの、除熱を示す。この場合において、除熱の最速値は依然として約１４０Ｗ／ｃｍ２であり、またｗ＝０ｍｍで起こるが、ｗ＝２７ｍｍまででは除熱速度が１００Ｗ／ｃｍ２未満に低下しない。曲線９１０は、第１ガス供給口から第４ガス供給口までのガス供給口に加えて、ガス噴射を第４ガス供給口に隣接して配置した第５ガス供給口に指向させるときの、除熱を示す。この場合において、除熱の最速値は依然として約１４０Ｗ／ｃｍ２であり、またｗ＝０ｍｍで起こるが、ｗ＝３３ｍｍまででは除熱速度は１００Ｗ／ｃｍ２未満に低下しない。曲線９１２は、第１ガス供給口から第５ガス供給口までのガス供給口に加えて、ガス噴射を第５ガス供給口に隣接して配置した第６ガス供給口に指向させるときの、除熱を示す。この場合において、除熱の最速値は依然として約１４０Ｗ／ｃｍ２であり、またｗ＝０ｍｍで起こるが、ｗ＝４２ｍｍまででは除熱速度は１００Ｗ／ｃｍ２未満に低下しない。加えて、除熱速度はｗ＝３３ｍｍまで変化しない。従って、除熱速度が所定の閾値を超える領域の幅は、開孔に沿って配置するガス供給口の数を増やしてガス噴射を指向させることにより都合よく増大することができる。加えて、除熱が均一である領域の幅は増大するが、それは、より多くのガス供給口を使用してガスを融液表面に指向させるからである。
【００４４】
図９において示した結果を用いて、図８Ｃ及び図８Ｄは、幅広の結晶シートを形成するようにノズル８００を動作させる１つのシナリオにおける２つの異なる段階を示す。図８Ｃはシート成長の早期段階を示し、この段階において、ガス噴射８１４はガス供給口８０２のような単一のガス供給口に指向させたガスから成り、この単一ガス供給口は開孔８０４に沿う任意の位置にあるものとすることができる。ガス噴射８１４は、開孔８０４を通過するときにノズル８００の高さに基づいて拡散することができる。しかし、ガス噴射８１４が融液表面８１０に到達するとき、図８Ｂに示した開孔８０４の幅ｗ２の一部においても依然として高除熱速度を生ずることができる。この結果、図８Ｂにおいて示すように、幅ｗ３がｗ２よりも大幅に狭いプロセスゾーン（図示せず）を形成することになる。次に、結晶シード８１６を方向８２０に沿って引っ張るとき、その結果できたシートである結晶シート８１８の幅もｗ３に近いものになり得る。結晶シート８１８の幅を増大するため、プロセスゾーンの幅を増大させるが、この増大は、より多くの数のガス供給口８０２を作動状態にし、このより多い数の供給口８０２経由でガスを開孔８０４内に指向させることによって行う。このことは、一実施例において単調に行うことができ、すなわち、ガスをノズル８００に送給するのに使用するガス供給口の数を時間とともに単調に増加させて行うことができる。図８Ｄに示すその後の段階で、ガスが各ガス供給口８０２を経て送給するように各ガス供給口８０２を作動状態にし、幅広のガス噴射である、ガス噴射８１５を形成し、その結果、結晶シート８１８よりも幅の広い部分８２２を生ずるより幅広プロセスゾーンとなり、この部分８２２は、やはり図８Ｂに示す幅ｗ４を有する。すべてのガス供給口８０２が作動状態にあるとき、連続的に引っ張る結果、ｗ４のような所望幅を有する均一に幅広い結晶となる。
【００４５】
要約すると、本発明の実施形態は、融液から結晶シートを成長させる従来装置よりも多くの利点を提供する。ガス噴射を供給して融液表面と冷却ブロックとの間に対流領域を生ずる晶析装置の使用は、１００Ｗ／ｃｍ２〜１５００Ｗ／ｃｍ２のような極めて高速な除熱を促進する。従来認識されていなかったが、これら高除熱速度は、単結晶シリコンシートの適切な成長のための条件を生じ、この条件において、（１１１）ファセットを成長するシート前縁で形成する。内部排出チャネルを冷却ブロックに隣接して設けることにより、融液表面上のガス流パターンがより均一になり、成長シートの幅にわたり成長条件のより高い均一性をもたらすことになる。加えて、個別に制御可能な複数のガス供給口及び排出口を使用して融液表面にガス噴射を指向させることは、高品質の結晶シートの成長を促進し、この促進は、結晶牽引は結晶シートの幅を制御した状態で増大させる結晶引出し中にプロセスゾーンの幅を均一に拡大可能にすることによって得られる。
【００４６】
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、先に述べた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から解釈すべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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