(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶性リボンを形成する方法であって、該方法は、以下：
エッジを有する上面および該上面の対向するエッジから下方に延びる一対の側壁を有するるつぼを提供する工程であって、該エッジが、該るつぼの該上面の境界を規定する、工程；
該るつぼの該上面に原料物質の融解物を形成する工程であって、該上面が該融解物の実質的にすべてを支持し、そして該上面のエッジが該融解物を濡らし、そして該融解物を該るつぼの該上面への毛管付着によって保持する、工程；および
該融解物から結晶性リボンを引き上げる工程
を包含する、方法。
【請求項２】
前記引き上げ工程が、以下：
前記融解物中に結晶種を位置決めすること；
前記結晶性リボンの前記エッジに沿って位置決めされた一対のストリングの間で、該融解物から該結晶種を引き上げ、それによって、該一対のストリングの間で該融解物を固化させて結晶性リボンを形成すること、および
該融解物から該結晶性リボンを連続的に引き上げること
を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記融解物の境界外形の少なくとも一部分が、引き上げ工程の前に、下に凹である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記融解物の境界外形の少なくとも一部分が、前記結晶性リボンの領域の外側で、下に凹である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記融解物から前記結晶性リボンを引き上げる工程が、該融解物の断面境界外形に変曲点を形成する、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記るつぼの前記エッジの上に、前記融解物の一部分を形成する工程を更に包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
２つ以上の結晶性リボンを形成する工程を更に包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記融解物の前記断面境界外形の少なくとも一部分における前記変曲点が、前記結晶性リボンを実質的に平坦に成長させる、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
連続的な結晶性成長のために、前記るつぼの前記上面に前記原料物質を補充する工程を更に包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記結晶性リボンを形成する工程の間に、前記るつぼの温度を制御する工程を更に包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
結晶性リボンを形成するための装置であって、該装置は、
該結晶性リボンを形成するための原料物質の融解物の実質的にすべてを支持するための上面を有する部材；
該部材は下面を有し；
該上面の対向するエッジから下方に延びる一対の側壁であって、該エッジが、該部材の該上面への毛管付着によって該融解物を保持するように形成され；
該上面は、該融解物の大部分を該対向するエッジよりも上に配置するように適合され；および
該上面から該下面に延びる少なくとも一対のストリング導入孔
を備える、装置。
【請求項１２】
前記ストリング導入孔を通って延びる一対のストリングを更に備え、該一対のストリングが、結晶性リボンが形成される領域を規定する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記部材が前記融解物の境界外形の一部分を、結晶性リボンを形成する前に、下に凹であるように適合させる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
前記部材が前記融解物の境界外形の一部分を、結晶性リボンの領域の外側で、下に凹であるように適合させる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記結晶性リボンが前記融解物から引き上げられる際に、前記部材が、該融解物の断面境界外形に変曲点を形成する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
前記融解物のすべてが前記エッジの上にあるように前記部材が該融解物を保持する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
前記上面および底面の間に延びる複数対のストリング導入孔を更に備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項１８】
前記るつぼが黒鉛を含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１９】
前記上面が凹部を含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項２０】
前記るつぼの幅が、約１５ｍｍと約３０ｍｍとの間である、請求項１１に記載の装置。
【請求項２１】
連続的な前記結晶性リボンの成長のために、前記るつぼの前記上面に前記融解物を補充する手段を更に備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項２２】
結晶性リボンを形成する間に、前記るつぼの温度を制御する手段を更に備える、請求項１１に記載の装置。
【請求項２３】
結晶性リボンを形成する方法であって、該方法は、以下：
エッジを有する上面および該上面の対向するエッジから下方に延びる一対の側壁を有するるつぼを提供する工程であって、該エッジが、該るつぼの該上面の境界を規定する、工程；
該るつぼの該上面に原料物質の融解物を形成する工程であって、該上面が該融解物の実質的にすべてを支持し、そして該上面の該エッジが該融解物を濡らし、そして該融解物が、少なくも一部分が下に凹である境界外形を有する、工程；および
該融解物から結晶性リボンを引き上げる工程
を包含する、方法。
【請求項２４】
前記引き上げ工程が、以下：
前記融解物中に結晶種を配置すること；
前記結晶性リボンの前記エッジに沿って位置決めされた一対のストリングの間で該融解物から該結晶種を引き上げ、それによって、該一対のストリングの間で該融解物を固化して該結晶性リボンを形成すること；および
該融解物から該結晶性リボンを連続的に引き上げること
を包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記融解物の境界外形の一部分が、前記引き上げ工程の前に、下に凹である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記融解物の境界外形の一部分が、前記結晶性リボンの領域の外側で、下に凹である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２７】
前記融解物から前記結晶性リボンを引き上げる工程が、該融解物の断面境界外形に変曲点を形成する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２８】
前記るつぼの前記エッジの上に、前記融解物の一部分を形成する工程を更に包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項２９】
２つ以上の結晶性リボンを形成する工程を更に包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３０】
前記融解物の断面境界外形の少なくとも一部分における前記変曲点が、前記結晶性リボンを実質的に平坦に成長させる、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
連続的な結晶性リボンの成長のために、前記るつぼの前記上面に前記原料物質を補充する工程を更に包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
前記結晶性リボンを形成する工程の間に、前記るつぼの温度を制御する工程を更に包含する、請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
前記るつぼの幅が、約１５ｍｍと約３０ｍｍとの間である、請求項２３に記載の方法。
【請求項３４】
前記るつぼがメサ型るつぼである、請求項２３に記載の方法。
【請求項３５】
結晶性リボンを形成する方法であって、該方法は、以下：
エッジを有する上面および該上面の対向するエッジから下方に延びる一対の側壁を有するるつぼを提供する工程であって、該エッジが、該るつぼの該上面の境界を規定する、工程；
該るつぼの該上面に原料物質の融解物を形成する工程であって、該上面が該融解物の実質的にすべてを支持し、そして該上面の該エッジが該融解物を濡らし、そして該融解物が境界外形を有する、工程；および
該融解物から結晶性リボンを引き上げ、それによって、該融解物の断面境界外形の少なくとも一部分に変曲点を形成する工程
を包含する、方法。
【請求項３６】
前記引き上げ工程が、以下：
前記融解物に結晶種を配置すること；
前記結晶性リボンの前記エッジに沿って位置決めされた一対のストリングの間で、該融解物から該結晶種を引き上げ、それによって、該一対のストリングの間で該融解物を固化して該結晶性リボンを形成すること；および
該融解物から該結晶性リボンを連続的に引き上げること
を包含する、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記融解物の境界外形の一部分が、前記引き上げ工程の前に、下に凹である、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
前記融解物の境界外形の一部分が、前記結晶性リボンの領域の外側で、下に凹である、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
前記るつぼの前記エッジの上に、前記融解物の一部分を形成する工程を更に包含する、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
２つ以上の結晶性リボンを形成する工程を更に包含する、請求項３５に記載の方法。
【請求項４１】
前記融解物の断面境界外形の少なくとも一部分における前記変曲点が、前記結晶性リボンを実質的に平坦に成長させる、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
連続的な前記結晶性リボンの成長のために、前記るつぼの前記上面に前記原料物質を補充する工程を更に包含する、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
前記結晶性リボンを形成する工程の間に、前記るつぼの温度を制御する工程を更に包含する、請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
前記るつぼの幅が、約１５ｍｍと約３０ｍｍとの間である、請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
前記るつぼがメサ型るつぼである、請求項３５に記載の方法。
【請求項４６】
結晶性リボンを形成する方法であって、該方法は、以下：
エッジを有する上面および該上面の対向するエッジから下方に延びる一対の側壁を有するるつぼを提供する工程であって、該エッジが、該るつぼの該上面の境界を規定する、工程；
該るつぼの該上面に原料物質の融解物を形成する工程であって、該上面が該融解物の実質的にすべてを支持し、そして該上面の該エッジが該融解物を濡らし、そして該融解物の一部分が、該るつぼの該エッジの上にある、工程；および
該融解物から結晶性リボンを引き上げる工程
を包含する、方法。
【請求項４７】
前記引き上げ工程が、以下：
前記融解物中に結晶種を配置すること；
前記結晶性リボンの前記エッジに沿って位置決めされた一対のストリングの間で、該融解物から該結晶種を引き上げ、それによって、該一対のストリングの間で該融解物を固化して該結晶性リボンを形成すること；および
該融解物から該結晶性リボンを連続的に引き上げること
を包含する、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記融解物の境界外形の一部分が、前記引き上げ工程の前に、下に凹である、請求項４６に記載の方法。
【請求項４９】
前記融解物の境界外形の一部分が、前記結晶性リボンの領域の外側で、下に凹である、請求項４６に記載の方法。
【請求項５０】
前記融解物から結晶性リボンを引き上げる工程が、該融解物の断面境界外形に変曲点を形成する、請求項４６に記載の方法。
【請求項５１】
２つ以上の結晶性リボンを形成する工程を更に包含する、請求項４６に記載の方法。
【請求項５２】
前記融解物の断面境界外形の少なくとも一部分における前記変曲点が、前記結晶性リボンを実質的に平坦に成長させる、請求項５０に記載の方法。
【請求項５３】
連続的な前記結晶性リボンの成長のために、前記るつぼの前記上面に前記原料物質を補充する工程を更に包含する、請求項４６に記載の方法。
【請求項５４】
前記結晶性リボンを形成する工程の間に、前記るつぼの温度を制御する工程を更に包含する、請求項４６に記載の方法。
【請求項５５】
前記るつぼの幅が、約１５ｍｍと約３０ｍｍとの間である、請求項４６に記載の方法。
【請求項５６】
前記るつぼがメサ型るつぼである、請求項４６に記載の方法。
【請求項５７】
請求項１に記載の方法であって、さらに、以下：
るつぼに沿って、可動性要素を含む絶縁体を位置決めする工程；
該るつぼを炉の中に配置する工程；および
該るつぼに対して該絶縁体の可動性要素を動かすことによって、制御された熱漏れを生成する工程
を包含する、方法。
【請求項５８】
前記可動性要素に接続されたロッドが、前記炉を貫通し、該炉の外側から制御される、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
請求項１１に記載の装置であって、さらに、以下：
炉内に配置された前記るつぼ；
該るつぼに沿って配置された可動性要素を含む絶縁体；および
該るつぼに対して該絶縁体の可動性要素を動かして、制御された熱漏れを生成する手段を備える、装置。
【請求項６０】
請求項１に記載の方法であって、前記るつぼの上に前記原料物質を分配し、それによって、該原料物質を溶融するために必要な熱負荷を低減する工程をさらに包含する、方法。
【請求項６１】
前記分配工程が、以下：
前記るつぼからある距離を置いてフィーダを位置決めすること；
該るつぼに沿って第１の方向および第２の方向にフィーダを動かすこと；および
該第１の方向および該第２の方向の少なくとも一方における動きの間に、該フィーダを振動させて、その結果、そのような動きの間に、該フィーダに配置された原料物質を該るつぼ上の融解物に入れること
を包含する、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記第１の方向におけるその後の動きから前記原料物質が前記融解物に達する前に、該原料物質を溶融させる工程を更に包含する、請求項６１に記載の方法。
【請求項６３】
前記るつぼからの距離が、該るつぼの幅よりも小さい、請求項６１に記載の方法。
【請求項６４】
請求項１１に記載の装置であって、さらに、前記るつぼの上に前記原料物質を分配し、それによって、該原料物質を溶融するために必要な熱負荷を低減するための手段を備える、装置。
【請求項６５】
前記分配する手段が、以下：
るつぼからある距離を置いて位置決めされたフィーダであって、該るつぼに沿って第１の方向および第２の方向へ移動可能である、フィーダ；および
該第１の方向および該第２の方向の少なくとも一方における動きの間に、該フィーダを振動させて、その結果、そのような動きの間に、該フィーダ内に配置された原料物質を融解物に入れるための手段
を備える、請求項６４に記載の装置。
【請求項６６】
前記フィーダが、前記原料物質を前記融解物へ送達するための管を備える、請求項６５に記載の装置。
【請求項６７】
前記るつぼからの距離が、該るつぼの幅よりも小さい、請求項６５に記載の装置。
【請求項６８】
結晶性リボンを形成するための装置であって、該装置は、るつぼを備え、
該るつぼは、以下：
該結晶性リボンを形成するための原料物質の融解物の実質的にすべてを支持する上面；および
該上面の対向するエッジから下方に延びる一対の側壁であって、該エッジは、該るつぼの該上面への毛管付着によって該融解物の実質的にすべてを保持するように形成されている、一対の側壁；および
該結晶性リボンを該融解物から引き、該るつぼ本体およびその上面から離すための、引き上げ手段
を備える、装置。
【請求項６９】
結晶性リボンを形成するための装置であって、該装置は、以下：
対向するエッジを有する融解物を支持するための手段；
該融解物の大部分が該エッジよりも上に配置されるように、該融解物を毛管付着により保持するための手段；および
該融解物から垂直に結晶性リボンを引くためのストリング導入手段
を備える、装置。
【請求項７０】
請求項１に記載の方法であって、ここで、該るつぼの該エッジが該るつぼの凹型上面を規定する、方法。
【請求項７１】
請求項２３に記載の方法であって、ここで、該るつぼの該エッジが該るつぼの凹型上面を規定する、方法。
【請求項７２】
請求項３５に記載の方法であって、ここで、該るつぼの該エッジが該るつぼの凹型上面を規定する、方法。
【請求項７３】
請求項４６に記載の方法であって、ここで、該るつぼの該エッジが該るつぼの凹型上面を規定する、方法。
【請求項７４】
請求項１に記載の方法であって、ここで、前記上面の前記エッジが前記融解物の実質的にすべてを前記るつぼの該上面への毛管付着により保持する、方法。
【請求項７５】
請求項１に記載の方法であって、ここで、引き上げる工程が、複数の結晶性リボンを前記融解物から引くことを包含する、方法。
【請求項７６】
請求項７５に記載の方法であって、引き上げる工程が、以下：
複数の種を前記融解物中に配置し、それぞれの種が一対のストリングを有すること；
該融解物からストリングのそれぞれの対を引き上げて、前記複数の結晶性リボンを形成すること；および
該複数の結晶性リボンを該融解物から引くこと
を包含する、方法。
【請求項７７】
請求項１に記載の方法であって、ここで、前記結晶性リボンが前記融解物から垂直に引かれる、方法。
【請求項７８】
請求項２３に記載の方法であって、ここで、前記結晶性リボンが前記融解物から垂直に引かれる、方法。
【請求項７９】
請求項３５に記載の方法であって、ここで、前記結晶性リボンが前記融解物から垂直に引かれる、方法。
【請求項８０】
請求項４６に記載の方法であって、ここで、前記結晶性リボンが前記融解物から垂直に引かれる、方法。
【請求項８１】
請求項１７に記載の装置であって、さらに：
複数のストリング対を備え、ストリング導入孔の該対のセットがそれぞれストリング対を有する、装置。
【請求項８２】
請求項１９に記載の装置であって、ここで、前記凹部が約１ｍｍの深さである、装置。
【請求項８３】
請求項１１に記載の装置であって、ここで、前記上面が、該上面の前記エッジに平坦部分を備える、装置。
【請求項８４】
請求項１１に記載の装置であって、ここで、前記上面の前記対向するエッジが、前記融解物を濡らすように形成される、装置。
【請求項８５】
請求項１１に記載の装置であって、さらに：
前記結晶性リボンを前記融解物から引き、前記部材およびその上面から離すための、引き上げ手段
を備える、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、２００２年１０月１８日に出願された米国暫定特許出願第６０／４１９，７６９号の利益および優先権を主張する。この出願の全体の開示は、参照してここに組み込まれる。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、一般的に、結晶性または多結晶材料の成長に関する。更に具体的には、本発明は、低コストの太陽電池を作る場合に使用される結晶性または多結晶シリコンシート材料を成長させる方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
（発明の背景）
低コストの太陽電池を作る場合、シリコンシート材料またはリボンは特に重要である。シリコンリボンの連続成長は、バルクから製造されるシリコンのスライスを不必要にする。これを行う方法は、米国特許第４，５９４，２２９号、第４，６２７，８８７号、第４，６６１，２００号、第４，６８９，１０９号、第６，０９０，１９９号、第６，２００，３８３号、および第６，２１７，６４９号で説明されている。これら特許の開示は、参照して全体をここに組み込まれる。これらの特許において、シリコンリボンの連続的成長は、溶融シリコンの浅い層を含むるつぼを通して、２つの高温材料ストリングを導入することによって実行される。ストリングは成長リボンのエッジを安定化するように働き、溶融シリコンは溶融層のすぐ上で固体リボンへ凝固する。ストリングと成長リボンとの間で形成される溶融層は、溶融シリコンのメニスカスによって規定される。米国特許第６，０９０，１９９号および第６，２１７，６４９号は、連続的シリコンリボンへ供給原料物質を連続的に補充する方法および装置を説明している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低コストの太陽電池を生産し、太陽電気の大規模な電気用途を拡大するため、太陽電池製作用の低コストおよび高品質の基板材料を得ることが重要である。本発明は、シリコンリボンを成長させる新規で改善された方法および装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（発明の要旨）
本発明は、１つの実施形態において、融解物から結晶性または多結晶シート材料またはリボンを成長または引き上げる方法および装置に関する。融解物は、毛管付着によって、メサ型るつぼのエッジ特徴へ保持される。好ましい実施形態において、本発明は、ストリングリボンまたはエッジ安定化リボンと一緒に実施される。その場合、ストリングまたはファイバは、毛管付着によってリボンのエッジを安定化するために使用される。この方法によって、連続リボンを含むリボンを融解物面から直接成長させることができる。融解物はリボンの成長方向に垂直な方向で無限に広がっていてよい。リボンの成長方向は、ストリングのロケーションによって規定されるリボンの位置である。
【０００６】
１つの局面において、本発明は結晶性リボンを形成する方法を提供する。この方法は、上面を有するメサ型るつぼであってメサ型るつぼの上面の境界を規定するエッジを有するメサ型るつぼを設け、メサ型るつぼの上面に原料物質の融解物を形成することを含む。融解物のエッジは、毛管付着によってメサ型るつぼのエッジへ保持される。結晶性リボンは融解物から引き上げられる。様々な実施形態において、引き上げ工程は、融解物の中に結晶種を置き、結晶性リボンのエッジに沿って位置決めされた一対のストリングの間で融解物から結晶種を引き上げることを含む。融解物は一対のストリングの間で固化されて結晶性リボンを形成し、結晶性リボンは融解物から連続的に引き上げられる。
【０００７】
１つの実施形態において、融解物の境界外形（ｂｏｕｎｄａｒｙ  ｐｒｏｆｉｌｅ）の少なくとも一部分は、引き上げ工程の前に下へ凹である。融解物の境界外形の少なくとも一部分は、同様に結晶性リボンの領域の外側で下へ凹であってよい。１つの実施形態において、融解物から結晶性リボンを引き上げることは、融解物の断面境界外形の中に変曲点を形成する。幾つかの実施形態において、この方法は、メサ型るつぼのエッジの上に融解物の実質的な部分を形成することを含む。融解物の断面境界外形の少なくとも一部分の中の変曲点は、ほぼ平坦に成長する素因を結晶性リボンに与える。
【０００８】
様々な実施形態において、２つ以上のリボンが形成されてよい。この方法は、結晶性リボンを連続的に成長させるため、メサ型るつぼの上面に原料物質を補充することを含んでよい。幾つかの実施形態において、メサ型るつぼの温度は、結晶性リボンを形成している間に制御される。
【０００９】
別の局面において、本発明は、結晶性リボンを形成する装置を提供する。この装置は、メサ型るつぼの上面の境界を規定するエッジを有するメサ型るつぼを含む。メサ型るつぼは、毛管付着によって融解物のエッジをメサ型るつぼのエッジへ保持する。幾つかの実施形態において、結晶性リボンのエッジに沿って一対のストリングが位置決めされる。一対のストリングは、結晶性リボンが形成される領域を規定する。メサ型るつぼは黒鉛であってよい。幾つかの実施形態において、メサ型るつぼのエッジは、メサ型るつぼの凹型上面を規定する。メサ型るつぼの幅は、約１５ｍｍと約３０ｍｍとの間であってよい。
【００１０】
更に別の局面において、本発明は、結晶性リボンを形成する方法を提供する。この方法は、上面を有するるつぼであって、るつぼの上面の境界を規定するエッジを有するるつぼを設けることを含む。原料物質の融解物はるつぼの上面の上に形成され、結晶性リボンは融解物から引き上げられる。るつぼはメサ型るつぼであってよい。様々な実施形態において、融解物は、少なくとも一部分が下に凹である境界外形を有する。幾つかの実施形態において、融解物から結晶性リボンを引き上げることは、融解物の断面境界外形の少なくとも一部分の中に変曲点を形成する。融解物の実質的な部分がるつぼのエッジの上にあってよい。
【００１１】
別の局面において、本発明は、結晶性リボンを形成している間にメサ型るつぼの温度を制御する方法を提供する。この方法は、可動性要素を含む絶縁体をメサ型るつぼに沿って位置決めし、メサ型るつぼを炉の中に位置決めすることを含む。メサ型るつぼに対して絶縁体の可動性要素を動かすことによって、制御された熱漏れが作り出される。
【００１２】
更に別の局面において、本発明は、結晶性リボンを形成している間にメサ型るつぼの温度を制御する装置を提供する。この装置は、炉の中に位置決めされたメサ型るつぼ、および可動性要素を含んでメサ型るつぼに沿って位置決めされた絶縁体を含む。この装置は、更に、メサ型るつぼに対して絶縁体の可動性要素を動かし、制御された熱漏れを作り出す手段を含む。
【００１３】
別の局面において、本発明は、メサ型るつぼの上に原料物質の融解物を補充する方法を提供する。この方法は、メサ型るつぼの上に原料物質を分配し、それによって原料物質を溶融するために必要な熱負荷を低減することを含む。
【００１４】
１つの実施形態において、分配工程は、メサ型るつぼからある距離を置いてフィーダを位置決めし、メサ型るつぼに沿って第１の方向および第２の方向へフィーダを動かすことを含む。フィーダは、第１の方向および第２の方向の少なくとも１つへ動かされている間に振動され、フィーダの中に位置決めされた原料物質が、そのような動きの間にメサ型るつぼの上の融解物へ入るようにする。この方法は、第１の方向への後続の動きからの原料物質が融解物へ達する前に、原料物質を溶融することを含んでよい。様々な実施形態において、メサ型るつぼからの距離は、メサ型るつぼの幅よりも小さい。
【００１５】
更に別の局面において、本発明は、メサ型るつぼの上に原料物質の融解物を補充する装置を提供する。この装置は、メサ型るつぼの上に原料物質を分配し、それによって原料物質を溶融するために必要な熱負荷を低減する手段を含む。
【００１６】
本発明の他の局面および利点は、以下の図面、詳細な説明、および特許請求の範囲から明らかとなろう。これらの全ては、単なる例として本発明の原理を例証する。
【００１７】
前述した本発明の利点、および更なる利点は、添付の図面と組み合わせられた以下の説明を参照することによって、より良く理解されるであろう。図面において、同様の参照符号は、一般的に、異なった図面を通して同じ部品を指す。図面は必ずしも実寸どおりではなく、本発明の原理を例証するように一般的に強調されている。
【００１８】
（発明の詳細な説明）
本発明は、１つの実施形態において、結晶または多結晶シート材料を成長させる方法に関する。ここで使用される結晶の用語は、単結晶、多結晶、および半結晶物質を意味する。好ましい実施形態において、本発明は、毛管付着によってリボンのエッジを安定化するためストリングまたはファイバが使用されるストリングリボンまたはエッジ安定化リボンと一緒に実施される。この方法によって、融解物面から直接、連続リボンを含むリボンを成長させることができる。融解物は、リボンの成長方向と垂直な方向で無限の広がりであってよい。成長方向は、ストリングのロケーションによって規定されたリボンの位置である。本発明はシリコンを参照して説明されるが、他の物質も使用されてよい。他の物質は、ゲルマニウム、シリコンの合金、ゲルマニウムの合金、および一般的に液体から結晶成長によって生成される物質を含む。
【００１９】
現存する結晶成長の技法において、溶融物質を収容するため、壁付きるつぼが使用される。大きなるつぼが使用されるとき、るつぼ壁は、成長しているリボンから遠く離れており、したがってリボンは無限に大きな溶融プールから成長しているかのように振る舞う。しかし、プロセスコストを低減するため、るつぼのサイズが縮小されるにつれて、るつぼ壁は、成長しているリボンに近くなり、非平坦または樋状構造のリボンを成長させる効果を生じる。そのような非平坦成長は、他の要因、たとえば、融解物面と正確に垂直でないリボンの引き上げまたは引き出し方向からも生じる。
【００２０】
本発明は、１つの実施形態において、ストリングリボンが成長する融解物のロケーションを限定および規定するため従来のるつぼに代わる手段を提供する。この手段は、毛管付着によって融解物プールのエッジを濡れまたは半濡れ物質のエッジ特徴へ規定し、これらのエッジ特徴よりも上に融解物容積の実質的な部分を位置決めすることを含む。リボンが存在しないとき、この「メサ型」るつぼの上にある融解物面の形状は、下方へ凹形の特徴を有する。これは、リボンが存在しないとき、従来の壁付きるつぼの融解物面が上方へ凹形である特徴と対比される。リボンの外側の領域も、同様に下方へ凹形であってよい。更に、以下で更に詳細に説明するように、融解物の境界外形の断面に変曲点が形成される。この変曲点は、リボンを平坦に成長させる素因としての効果を作り出す。
【００２１】
この効果は、本質的に、リボンが非平坦形状で成長する素因を有する従来のるつぼ壁による効果の反対である。下へ凹の形状によってリボンが平坦に成長する素因は、非平坦リボンを作り出そうとするオフアクシス引き上げのような要因を緩和することができる。ここで使用される「メサ」の用語は、台地  −  概して上面が平坦で側壁が急峻  −  の一般的形態を有するるつぼを意味する。メサ型るつぼの場合、表面はメサのエッジによって規定される。好ましい実施形態において、この表面は平坦である。幾つかの実施形態において、メサのエッジは曲面または波状である。そのような屈曲は、リボンの幅を横切るメニスカスを形成し、リボンの結晶粒、構造、および応力の性質および伝搬に影響する。るつぼ自身の表面は、図１１で示されるように、たとえば約１ｍｍのオーダで、わずかな陥凹を有してよい。しかし、更に、メサの上方エッジによって規定される平面が存在する。わずかな陥凹、または隆起エッジの場合、隆起エッジは島を有してよい。
【００２２】
メサ型るつぼから結晶性リボンを成長させるとき、メニスカスの形状は自己安定的である。その場合、成長しているリボンは摂動に応答して中央へ戻る。他の利点は、メニスカスの下方エッジが液体と固体との界面から合理的に遠いことである。このことは、メニスカスがるつぼに接するメニスカス下部で粒子が成長するので好都合である。黒鉛から作られたるつぼ（好ましい実施形態）で結晶リボンが成長する間、炭化シリコンの粒子が成長し、もし酸素が存在すれば、酸化シリコンの粒子が成長する。これらの粒子は成長結晶の平面度および構造を乱し、成長を中断させることもある。メサ型るつぼを使用しているとき、メニスカスの下方エッジが成長界面から合理的に離れるにつれて、そのような粒子のインパクトは最小にされる。
【００２３】
この下方凹形融解物面の形状および平坦リボンの成長を導く効果によって、融解物プールのエッジをリボンへ非常に接近させることができ、融解物プールのサイズを最小にすることができる。融解物プールの小さなサイズは、るつぼ壁が不要になることと一緒になって、るつぼ材料の必要量およびるつぼの機械加工成形に関連する費用の劇的な低減を導く。更に、融解物プールおよびメサ型るつぼを適切な温度に維持するために必要な電力が少なくなる。これらの要因は、生産されるリボンの製造コストの低減を生じる。同時に、融解物面の形状によって誘導された「平坦化」効果は、より平坦で高品質のリボンを生じる。この改善されたリボンの平面度は、リボンの後続処理で高い歩留まりを生じる。メサ型るつぼによる解決法のさらなる利点は、るつぼを更に長くすることによって、ただ１つのるつぼから複数のリボンを成長させるようにスケーリング可能であることである。
【００２４】
ストリングリボンの従来の実施では、水平距離が十分に大きな融解物プールからリボンが成長するので、成長するリボンにとっては無限の距離があるかのように見える。そのような場合、融解物と成長界面との間に形成されるメニスカスは、毛管および自由融解物面上の界面の高さによって決定される形状を有する。曲率はラプラス方程式を使用して計算される。
【００２５】
【数１】
0004527538.tif 000002
【００２６】
ここで、ΔＰは液体と気体との界面（メニスカス面）を横切る圧力差であり、γは液体の表面張力であり、Ｒ１およびＲ２はメニスカスの主曲率半径である。
【００２７】
この界面の所与の点における液体と気体との界面を横切る圧力差は、「自由融解物面」上のこの点の高さから見出される。自由融解物面において、液体／気体界面の曲率はゼロであり、液体／気体界面を横切る圧力降下は存在しない。メニスカスは自由融解物面の上にあるから、その中の圧力は、それを取り巻く気体の中よりも低い。自由融解物面上の高さｙにおける液体と気体との界面を横切る圧力差は、次式によって与えられる。
【００２８】
【数２】
0004527538.tif 000003
【００２９】
ここで、ｇは重力加速度であり、ρは溶融シリコンの密度である。
【００３０】
図１は、自由融解物面３から垂直に成長している平坦リボン１を示す。図面の目盛りは概略的なもので、リボンは５００ミクロンである。これは、約２００〜３００ミクロンの厚さである典型的なリボンよりも厚いが、例証を助けるために高い値が使用される。更に、コンセプトは、３０〜１００ミクロン厚の薄いリボンの成長を含む広い範囲にわたって使用可能である。薄いリボンは、低コスト、高効率、および／または可撓性太陽電池に有用である。平坦リボンの場合、式（１）の主曲率半径の１つは無限である（たとえば、Ｒ２は無限にされる）。数値計算は、有限差分法のような手法を使用して行われ、メニスカスの表面に沿った各々の点でメニスカスの曲率が計算され、結果の形状が積分される。この計算は、１１°の成長界面における固体シリコンと液体シリコンとの間の既知の平衡角７を初期位置として使用することによって、固体シリコンと液体シリコンとの界面５で便宜的にスタートされる。界面がどこにあるかについて推測が行われ、数値計算がメニスカスの形状を生成する。推測は、融解物面で適切な境界条件が満たされるまで、即ち、メニスカスが０の傾斜（水平）を有する前溶融面の高さに達するまで純化される。そのような手法を使用することによって、広いシリコンリボンの中央で、融解物面上の界面の高さが約７．１０ｍｍであることを発見することができる。図１は、そのような有限差分法によって計算されたメニスカスの形状の目盛り図である。
【００３１】
あるいは、近似法を使用して、メニスカスの曲率が一定であってＲ’の値を有する（自由融解物面上の高さの関数ではない）ものと仮定することができる。更に、固体シリコンと液体シリコンとの間の平衡角は０°であると近似される。したがって、メニスカスの高さは、図２で示されるように、メニスカスの曲率半径Ｒ’の大きさに等しくなる（再び、厚さ５００ミクロンのリボンの場合）。最終的近似によって、液体／気体界面を横切る圧力降下は、メニスカスの高さの半分のところに存在するものと等しくされる。式２のｙにＲ’／２の値を代入すると、ΔＰ＝ρｇＲ’／２となる（メニスカスの中の圧力はメニスカスの外側よりも低い）。式（１）でΔＰのこの値を代入し、またＲ１にＲ’／２の値を代入すると、次式が得られる。
【００３２】
【数３】
0004527538.tif 000004
【００３３】
式３を再配列し、メニスカスの高さをｓで表すと、次式が得られる：
【００３４】
【数４】
0004527538.tif 000005
【００３５】
ここで、αは、便宜的にγ／ｐｇとして定義される。
【００３６】
γ＝０．７Ｎ／ｍ、ρ＝２３００ｋｇ／ｍ３、および溶融シリコンの重力加速度ｇに９．８ｍ／ｓｅｃ２の値を代入すると、この近似解析は７．８８ｍｍのメニスカス高を生成することが分かる。したがって、近似解析は数値解析にかなり近い結果を生成する。これらの２つの方法は、以下のように本発明を記述するため修正されて使用される。
【００３７】
成長の間、ストリングリボンは幾つかの影響を受け、これらの影響は理想に満たない成長状態を導く。たとえば、もしリボンを引き上げる装置（「プーラ」）が、リボンが成長する領域の直上から少し変位した位置に置かれると、リボンは融解物に関して小さな角度を形成して引き上げられる。
【００３８】
図３は、メニスカスの上方領域、成長リボンの下方領域、および液体と固体との界面をクローズアップした一連の図面を示す。図面は、融解物面から成長しているシリコンリボンについて近似的に目盛られている。図面の目盛りは約１０：１であって（図面は実際のサイズよりも約１０倍大きい）、リボンの厚さは０．５ｍｍである。自由融解物面の位置は図３に示されるが、メニスカスをこのレベルまで描くと、図面の目盛りによって、多くの線が相互に横切り、図面の解釈を困難にする。
【００３９】
図３ａにおいて、リボン１は図１と同じように融解物３から垂直に成長していることが示される。図３ｂは、垂直線から１０度の角度で引き上げられている成長リボンを示し、メニスカスの形状および成長リボンへの界面を支配する物理現象のみを考慮している。１０度は極端な角度であって、整列しないプーラのために生じる角度よりもはるかに大きく、例証のために選択されたことに注意されたい。図３ｂにおいて、以下で説明される熱伝達の考慮は考慮されない。これらの熱伝達の考慮は、図３ｂとは異なるようにリボンを成長させるであろう。図３ｂにおいて、「下側」にあるメニスカス高１００は、「上側」にあるメニスカス高１０２よりも高いことに注意すべきである。この高さの差の原因は、「下側」では、界面の熱力学的に決定された角度でリボンの上で屈曲してリボンと出会うためメニスカスの高さが大きくなる必要があるからである。その結果、液体と固体との界面１０４はリボンに関して急峻な角度で傾斜する。この状況は、前述したラプラス方程式の積分によってモデル化することができるが、今度は初期角度条件が変化している。したがって、もしリボンが垂直線から１０°の角度で引き上げられていれば、「下側」メニスカスの表面角度は、メニスカスがリボンと出会う垂直線から１°の角度である（１１°の平衡固体／液体角から１０°の引き上げ角を減じたもの）。「上側」メニスカスの表面角度は、メニスカスがリボンと出会う垂直線から２１°の角度である（１１°の平衡固体／液体角に１０°の引き上げ角を加えたもの）。垂直線からある角度で引き上げられることに起因するメニスカス高の変化は、次のように引き上げ角に関連づけられる。
【００４０】
【数５】
0004527538.tif 000006
【００４１】
ここで、Δｓは垂直リボンを引き上げるときの値からのメニスカス高の変化であり、ｒはメニスカス上部の曲率半径であり、θは垂直線から測定した引き上げ角である。メニスカス上部の曲率半径は、自由融解物面上の高さｓにおけるラプラス方程式から見出される（ｒ＝γ／ρｇｓ）。この近似結果において、固体シリコンと液体シリコンとの間の１１°の平衡角は無視される。垂直線から１０°で引き上げられる場合、式５はΔｓ＝０．７８ｍｍを与える。したがって、「下側」メニスカスは垂直リボンのメニスカスよりも０．７８ｍｍだけ高く、「上側」メニスカスは垂直リボンのメニスカスよりも０．７８ｍｍだけ低い。前述した有限差分数値アプローチを使用すると、メニスカス上部のメニスカス角について異なった境界条件からスタートして、非常に類似した結果を得ることができる。
【００４２】
しかし、前述したように、熱伝達の考慮は、図３ｂの状況が持続することを許さないであろう。図３ｃは、リボンを上って表面から出る熱流束の方向および近似的大きさを示すことに注意されたい。界面からリボンの「上側」１０６へは、実質的な流束が存在することに注意されたい（定義によって、界面はシリコンの融点にあり、リボンの表面は冷えているから、そうでなければならない）。しかし、リボンの２つの側面は環境へほぼ同じ量の熱を放出するから（リボンの傾斜によって、上面は、わずかに多い熱を失うが、それほど多くはない）、界面からリボン上面へ移動する高い熱流束をサポートできる方法は存在しない。結果として、上面に達する余分の熱は、リボンを再び溶融しようとし、リボンの上面でメニスカス高の増加を導く。類似の論証によって、下面１０８のリボンは、垂直に引き上げられるリボンよりも一時的に早く成長するという結論になり、以下のように、リボンの下面でメニスカス高が減少することになる。図３ｂの界面の傾斜は、リボンの上面へ向かって熱が伝達されることを導く。リボンの垂直成長の場合よりも少ない熱がリボンの下面へ向かう。したがって、リボンは下面で速く固化し、メニスカス高は減少する。このようにして、熱の考慮は、メニスカスが図３ｄのように表されるようにする。図３ｄにおいて、図３ｃと比較してメニスカス高は上側および下側で等価に近い。しかし、図３ｄの状態は長続きしない。なぜなら、成長する固体に関する融解物の平衡角度要件が満たされていないからである。
【００４３】
図３ｄのメニスカスは、遷移期間の間、引き上げ方向とは異なった角度でリボンを成長させる。成長の方向は、効果の連鎖によって決定される。ラプラスの方程式は、メニスカスの形状を決定する。熱条件はメニスカスの高さに影響する。形状と組み合わせられた高さは、（メニスカスが固体シリコンと出会う）メニスカス上部でメニスカス角を決定する。液体シリコンおよび固体シリコンは、界面で１１度の平衡角を維持しなければならない。こうして、リボン表面の角度が決定される。図３ｅは、引き上げ方向を点線で示し、垂直線に関して（引き上げ方向の角度よりも小さい）角度で成長しているリボン１１０を示す。結果として、リボンは融解物面上を図３ｅで示される矢印方向へ進行する。この成長は、より高いメニスカスを有するリボン側へ向かう。これは、融解物に対してある角度でリボンを引き上げる場合以外の場合に適用可能な一般的結果である。結果は、リボンの１つの側のメニスカスを、他の側のメニスカスよりも高くしようとする状況は、高い方のメニスカス高によって決定される方向へリボンを成長させることになる。
【００４４】
融解物に対してある角度で引き上げられるリボンの場合、リボンの中央部分は、より高いメニスカスを有するリボンの方向へ成長させられるが、リボンのエッジはストリングのロケーションによって定位置に固定される。その結果、図４で示されるように、リボン１２０は融解物１２２から樋の形状で成長する傾向がある。垂直線から小さな角度で引き上げる場合、樋の平衡形状に達して、それが維持される。樋の平衡形状は、樋自身がリボンの両側でメニスカス高を変化させることから生じる。メニスカス面の曲率は、全ての点でラプラス方程式である式１に従わなければならない。前述したように、平坦リボンの場合、主曲率半径の１つであるＲ２は無限の長さであり、したがって式１から除かれる。しかし、リボンが樋として成長するとき、リボンの凹側（図４の上側）は、Ｒ２の有限値を有し、Ｒ１と同じ符号である。その結果、Ｒ１は平坦リボンの値から増加（大きさで）しなければならない。リボンの凸側、即ち、図４の下側では、樋はＲ２の有限値を生じるが、Ｒ１とは反対の符号である。その結果、Ｒ１は平坦リボンの場合よりも大きさにおいて小さい値を取らなければならない。結果として、樋は凸側で短いメニスカスを生じ（融解物に対してある角度で引き上げられるリボンの下側に対応する）、凹側で高いメニスカスを生じる（融解物に対してある角度で引き上げられるリボンの上側に対応する）。樋に起因するメニスカス高の変化はメニスカス高の変化を生じ、これはある角度で引き上げる効果と反対に作用する。
【００４５】
式３および４の近似に到達するために使用される定曲率近似法は、樋の場合に拡張することができる。この誘導において、リボンは、融解物面から垂直に成長しているが樋を有する場所のスナップショットで検査される。そのような状況は永続しないから、この場合、樋とメニスカス高との関係は、解析するのに最も容易である。式３の誘導のように、Ｒ’は垂直面におけるメニスカスの曲率半径である。便宜上、凹であるＲ’は正の値とする。この場合、Ｒ＊は樋の曲率半径である（これは正および負の値を取ることができる）。再び、メニスカスを横切る圧力降下は、メニスカス高の半分のところで取られる。更に、液体は角度の不連続なしに固体と出会うという近似のもとで、メニスカス高はＲ’と等しい。したがって、
【００４６】
【数６】
0004527538.tif 000007
【００４７】
Ｒ’について解き、メニスカス高に等置すると、次の式が得られる。
【００４８】
【数７】
0004527538.tif 000008
【００４９】
式７の第１項は、垂直リボン成長の場合のメニスカス高である。第２項は、樋に起因するメニスカス高の変化である。前述したように、樋の凹側（Ｒ＊の正の値）はメニスカス高の増加を経験するが、凸側はメニスカス高の減少を経験する。この問題は、数値方法によっても処理され、これらの予測は良好な正確度で式７の近似結果とマッチする。
【００５０】
樋形状リボンの成長は、角度外れで引き上げることへの反応であり、小さい引き上げ角では安定した成長状態を導く。事象の連鎖は、垂直線に対してある角度で引き上げることによって始まる。これはメニスカスの形状を変える。しかし、熱効果が入り、より高いメニスカスの方向へリボンを成長させる。リボンの中央は動くことができるが、エッジは動くことができず、樋が生じる。他方では、樋がリボンの下側のメニスカス高を低くし上側のメニスカス高を高くするようにメニスカスの形状を変える。これは、垂直線からある角度で引き上げる効果の正反対である。もし引き上げ角が小さければ（垂直線に近い）、樋は、角度外れで引き上げる効果を完全に相殺し、リボンの両側でほぼ等しいメニスカス高を生じるのに十分であるかも知れない。
【００５１】
図５（リボンの断面についての垂直図を示している）で示されているように、幅ｗのリボン１２４については、次のように樋の深さσへ樋の半径Ｒ＊を関連づけることができる。
【００５２】
【数８】
0004527538.tif 000009
【００５３】
例として、もし垂直線から１°の角度でリボンを引き上げるならば、式５を使用して、リボンの上側のメニスカス高が約７８ミクロンだけ減少し、リボンの下側のメニスカス高が約７８ミクロンだけ増加することを計算できる。リボンの中央は高いメニスカスの方向へ移動し、リボンは樋の形状で成長する。樋は、式７によって予測されたメニスカス高の変化が、式５によって予測された変化を相殺するまで深くなる。結果は半径Ｒ＊＝０．４ｍの樋となる。もしリボンの幅が、たとえば６０ｍｍであれば、樋の深さは式８から１．１ｍｍとして計算される。これは平面度からの相当な偏倚である。樋は、式８に従ってリボン幅が増加するにつれて深くなる。
【００５４】
現実のシステムでは、たとえば、リボンが垂直線に関して小さな角度で引き上げられる結果として、常にシステム内である誤差またはノイズが存在する。この説明から分かるように、そのような外乱を補償するため、リボンは平坦リボンの所望の状態から外れることによって応答する。平面度を回復させようとする樋の傾向は、平衡位置から引き上げられるスプリングからの回復力と類似すると考えることができる。この「回復」傾向は、数量的に、リボンの１つの側のメニスカス高の変化として表される。この変化は、リボンの平坦位置からリボンの中央が変位することによって誘導される。したがって、樋形状のリボン成長の場合、この回復力は次のように表される。
【００５５】
【数９】
0004527538.tif 000010
【００５６】
式７を分子で使用し、式８を分母で使用すると、
【００５７】
【数９Ａ】
0004527538.tif 000011
幅ｗ＝５６ｍｍのシリコンリボンについては、式９Ａからの回復傾向は０．０８の値を有する。したがって、５６ｍｍ幅のリボンが１ｍｍの樋の深さを有する樋形状で成長する場合、凹側のメニスカス高は０．０８ｍｍだけ上昇し、凸側では０．０８ｍｍだけ下降する。８１．２ｍｍの幅を有するシリコンリボンは、より低い「回復傾向」を生じて成長する。
【００５８】
リボンが非平坦構成で成長を始めるとき、新しい外乱が導入されるかも知れない。たとえば、樋形状のリボンが引き上げ装置へ入るとき、曲げモーメントがリボンに働き、成長への更なる外乱を生じるかも知れない。ここで呈示される解析は、プロセスの基本的局面に関する理解を提供するためである。
【００５９】
理解すべきは、本発明に先だって、リボンの引き上げ軸を、リボンが樋形状曲線で成長する傾向に関連づける観察が行われたことである。しかし、この現象の物理的メカニズムも量的理解も知られていない。
【００６０】
実用システムにおいて、るつぼおよび溶融プールのサイズを最小にすることが重要である。このサイズを最小にすることは、使用される消費材料、たとえば、るつぼに使用される黒鉛を減らす。更に、るつぼを機械加工するのに要する時間が少なくなる。更に、炉を運転するために必要なエネルギーが最小にされる。
【００６１】
したがって、所望されるケースは、るつぼ１３０を狭くすること、即ち、図６ａで示されるように、るつぼ壁１３２を、融解物１３６から引き上げられているリボン１３４の平面へ近くすることである。しかし、この配列は、リボンが平坦になる可能性が少なくなるか、限界において平坦にならない状態を導く。図６ｂは、リボン１３４が中央から外れて移動し、したがって他の壁１４０よりも１つの壁１３８へ近くなるとき何が起こるかを示す。壁で維持される境界条件は、るつぼ壁に対するメニスカスの濡れ角が一定に維持されることである。本質的に、るつぼ壁への毛管付着は、メニスカスに上方への力を生じる。リボンが１つの壁へ近くなるにつれて、この上方への力は、リボンのこの側でより大きな効果を有し、その側でより高いメニスカス高を生じる。前述した数値アプローチを、この場合に拡張することができる。たとえば、壁の間が６０ｍｍだけ分離されたるつぼでは、もしリボンが１ｍｍだけ中央を外れて移動すると、リボンの１つの側と他の側とのメニスカス高の差は、約１５ミクロンとなる。この効果は、前記の樋の安定化効果を説明するために使用された同種の比で表すことができる。この場合（下記の理由によって）、るつぼ壁までのリボンの距離の変化に対する、リボンの１つの側のメニスカス高の変化の比として表されるものは、不安定化効果である。表Ｉは、異なったるつぼ幅について、この不安定化効果を示す。関連する寸法は、リボンとるつぼ内壁との間の寸法である。
【００６２】
（表Ｉ．狭いるつぼの不安定化効果）
【００６３】
【表１】
0004527538.tif 000012
【００６４】
効果は不安定化効果である。なぜなら、リボンが１つの壁の方へ移動するにつれて、その壁に近いリボン側のメニスカス高は増加し、その壁から遠いリボン側のメニスカス高は減少するからである。リボン内部の熱伝達は、前述したように、高いメニスカスの方向へリボンを成長させる。これは、近い方の壁へ向かってリボンを連続的に成長させる。この成長は、壁に達するまで、この方向で継続するであろう。したがって、樋形状リボンの構成における成長は安定化効果であり、るつぼ壁をリボンの平面へ近づけることは不安定化効果であることが分かる。双方の効果は、少なくとも小さな距離について、リボンの中央が元の成長平面から移動する距離に比例する。
【００６５】
もし、これら２つの効果が大きさで等しければ、それらは相互に打ち消して、リボンがるつぼ壁の方へ成長するか平坦に成長する素因を生じない。前述したように、５６ｍｍ幅のリボンの回復傾向は０．０８である。したがって、このリボン幅について、効果は、約１５〜２０ｍｍのリボン／るつぼ壁値で相互に打ち消す。もし近くのるつぼ壁からの不安定化効果が大きければ、リボンは樋へ成長する傾向を有し、平面度でますます悪くなる。もし樋からの安定化効果が大きければ（遠いるつぼ壁に対応する）、リボンは原理的に平坦に成長する。るつぼ壁の不安定化の影響は、垂直線から外れて引き上げられるような外乱を拒絶するリボン能力を低減するかも知れない。８１．２ｍｍのリボンは、安定化のために広いるつぼから成長する。
【００６６】
要するに、るつぼ壁をリボン平面へ近づけると、プロセスの経済性を改善する可能性はあるが、平面度が小さいリボンを生じる有害効果がある。
【００６７】
もし自由融解物面（リボンが存在しない溶融シリコンの表面）が上に凸となるように形成されるならば、成長リボンの上に平面度安定化効果が生成されることを示すことができる。
【００６８】
１つの実施形態において、上に凸または下に凹の形状は、融解物シリコンによって濡らされない壁を有するるつぼを使用することによって生成される。濡らされない壁とは、９０°よりも大きな接触角を有する壁であると定義される。類推的に、ガラス容器に入れられた水銀のプールは、溶融水銀がガラスを濡らさない事実に起因して上に凸である自由液面を有する。るつぼの全体を、そのような濡らされない物質から作るか、濡らされない物質の小さな部品を、融解物が壁を濡らするつぼ壁の場所へ挿入してよい。たとえば、溶融シリコンの場合、濡らされない物質として熱分解チッ化ホウ素を使用することができる。
【００６９】
本発明の好ましい実施形態において、下に凹の形状は、濡らされたエッジの上に融解物の全部または一部を位置決めし、毛管現象と組み合わせた重力に自由融解物面の形状を決定させることによって作り出される。図７は、上部に溶融シリコン３０２のプールを有し、濡らされる物質から成る平坦シート３００の断面を示す。濡らされるシートは、壁がなく表面に融解物を含む「メサ型」るつぼの例である。融解物は毛管現象によって収容され、実質的にメサ３０４の濡らされたエッジの上にある。このシリコンはシートのエッジを濡らすが、融解物の形状は重力場の存在で毛管作用によって決定される。メサ型るつぼの外壁は、図７ａで示されるように垂直であるか、図７ｂで示されるように異なった角度で配列され得る。図７ｂで示されるような凹角は、融解物がるつぼの側面を越えて溢れることに大きな抵抗を示すが、製造が不便で、耐久性が幾分少ない。より浅い角度も可能であるが、垂直な側壁よりも融解物の溢れに対する抵抗が少ない。メニスカスのエッジは、図９でも示されるように、メサのエッジで広い範囲の角度を取るメニスカスの能力に部分的に起因して、広い範囲の融解物高および融解物量について安定である。これについては、以下で説明する。図７ｃは、図７ａのメサ型るつぼの１つのエッジの詳細を示す。注意すべきこととして、エッジが完全に急な角度である必要はなく、図７ｃのような半径を有することができる。実際、一般的に、るつぼは、「ハード」な角度として機械加工されるにしても、小規模であれ、そのような半径を有する。更に、もし製造コストまたは耐久性の点で利点があると考えられるならば、故意に半径をるつぼへ機械加工することができる。半径上のメニスカスのスポットまたはロケーションは、液体とるつぼ材料との濡れ角条件を満足させることによって決定される。図７ｃの場合、この角度は約３０度であり、濡れシステムの典型的な角度である。
【００７０】
前述したように、メニスカス形状を計算する有限差分数値法は、リボンが存在しないときメサ型るつぼ上の自由融解物面の形状を計算するために拡張されてよい。所与の幅のメサについて、メサの中央における融解物の高さが仮定される。この高さは、メサのエッジによって規定される平面から測定される。次に、メサの上部中央における融解物の曲率半径について推測が行われる。次に、融解物の形状が計算される。融解物がメサのエッジを通過するまで、反復が実行される。たとえば、もし上部中央における半径があまりに大きく想定されるならば、第１の反復は、融解物面がエッジの上を通り越す結果を生成する。したがって、より小さな曲率半径を使用して第２の反復を行うことができる。メニスカスがメサのエッジを切り取る点で特定の角度とマッチする必要はない。なぜなら、液体はこの点で広い範囲の角度を取ることができるからである。実際、これは、広い範囲の条件でメサ型るつぼを安定にする部分である。異なった幅のメサおよび異なった高さの融解物について、このタイプの解析を反復することができる。メサの上部における融解物プールは、広い範囲の融解物高について安定である。安定性の限界は、メサのエッジにおける液体の濡れ角から生じる。もし融解物プールがあまりに浅ければ、濡れ角はメサ材料上の平衡濡れ角よりも小さく、プールはエッジから離れて縮むかも知れない。以下で詳細に説明される図１１および図１２において、この危険を実質的に低減する凹所がるつぼの中に作られる。もしプールがあまりに深ければ、プール壁はエッジで垂直線を超過し、不安定になりやすい。原理的には、プール壁はエッジで垂直線を幾分超過してもよいが（たとえば、図７ｂ）、これは好ましい実施形態ではない。たとえば、全体の幅が６０ｍｍ（リボンの各々の面から３０ｍｍ）であるメサでは、メサのエッジによって規定される平面の上で約８ｍｍの高さへシリコンが達するまで、メサはシリコンを保持するであろう。全体の幅が２０ｍｍのメサでは、メサのエッジによって規定される平面の上で約６ｍｍの高さへシリコンが達するまで、メサはシリコンを保持するであろう。図７は、中央における融解物高が５ｍｍである場合、全体の幅が２０ｍｍであるメサの上の溶融シリコンのプールの形状を示す。
【００７１】
表ＩＩは、２つのメサ幅および２つの融解物高についての表である。４つの組み合わせの各々において、４つの計算が要約される。「角度」とは、メニスカスがメサのエッジと出会う場所のメニスカス角であり、水平線から測定される。「曲率半径」とは、メサの中央の上にあって、メニスカス上部における融解物の曲率半径を意味する。「圧力」とは、メニスカス上部でメニスカスを横切る圧力差を意味し、メサ上部のメニスカスの曲率半径を使用してラプラス方程式から計算される。「高さ、周囲圧力」は、以下で説明される。
【００７２】
（表ＩＩ．融解物高およびメサ幅の４つの組み合わせについて、リボンが定位置にない場合のメサ上の融解物の４つの特性）
【００７３】
【表２】
0004527538.tif 000013
【００７４】
図８は、メサ型るつぼ８０２の上部にあるプールから成長している成長リボン８００が定位置にある図である。注意すべきこととして、米国特許第４，６２７，８８７号で説明されるように、ストリング導入管８０４がメサ型るつぼの底に挿入されており、エッジを規定するストリング８０６がるつぼの底から上方へ通過することを可能にしている。前述した有限差分数値法を使用して、メサの上部にある液体メニスカス８０８の形状を計算することができる。この計算において、メサ幅は与えられている。有限差分計算は、成長界面からスタートし、メサのエッジへ向かって伝搬する。成長界面において、液体シリコンと固体シリコンとの間の平衡角は、垂直線から１１°であると仮定される。メサのエッジの上の界面の高さについて、初期の推測が行われる。
【００７５】
この計算には、１つの最終的情報が必要である。即ち、ある指定された高さにおけるメニスカス内の圧力である。これは、リボンから遠く離れた表面が曲率を有せず、リボンの直下の液体が周囲の気体と同じ圧力である無限融解物プールの場合と対照的である。便宜的アプローチは、圧力が周囲の圧力と等しい液体シリコンの高さを取ることである。成長リボンが成長していないメサ型るつぼの説明で述べたように、自由融解物面の上部における曲率は、融解物プール上部で液体の内圧を生じる。したがって、圧力が周囲と等しい融解物プールにおける高さは、リボンが成長している領域の外側の自由融解物面の高さを取り、その高さへ、圧力を周囲へ下降させるために必要なシリコンの高さを加えることによって計算されてよい。この高さは表ＩＩに記載され、「高さ、周囲圧力」として示される。たとえば、メサ幅が２０ｍｍであり、融解物の高さが５ｍｍである場合、融解物上部で曲率によって生じた圧力差は３８．８パスカルである。これはシリコンの１．７ｍｍと等しい。したがって、５＋１．７＝６．７ｍｍの高さの液体シリコンの柱が周囲圧力で必要である。
【００７６】
数値解決法は、メニスカスがメサのエッジを通過するまで、メニスカス高のスタート値を選択することによって反復されてよい。図９Ａ〜図９Ｄは、２つのメサ幅および２つの異なった融解物高に対応する４つの異なったメニスカスの幾何学的形状を示す。これらのプロットは、リボン表面からの水平位置の関数としてのメニスカス高を示す。注意すべきは、各々の場合に、メニスカス面が変曲点を有することである。変曲点は、下に凹（メサのエッジの近く）から下に凹（成長界面の近く）へ曲率が変化する点である。変曲点は、結晶リボンが引き上げられるにつれて融解物の断面境界外形で形成される。図９のプロットにおいて、垂直軸はリボン面を表す（これらのプロットは、リボンがメサ幅に関して非常に薄いことを仮定している）。したがって、垂直軸とメニスカス外形との切片は、常に、成長シリコン結晶によって要求される１１度の平衡値を有する。水平軸と外形との切片は、メサのエッジで起こる。この角度は、図９の４つのプロットの各々について異なることに注意されたい。エッジにおける付着は、広範囲の角度を可能にし、これはメサ上部にある液体プールを、広い範囲の融解物高にわたって安定にする。
【００７７】
メサからの成長は平面度安定化効果を生じる。メサの中央から離れるリボンの動きは、中央へ戻る成長傾向を生じる。リボンがメサの中央から摂動を起こすにつれて、リボンの１つの面はメサの１つのエッジへ近くなり、他の面は対応するエッジから遠くなる。近い面は低い平衡メニスカス高を有するが、遠い面は高い平衡メニスカス高を有する。前と同じように、メニスカスの形状と結合された熱効果は、高いメニスカスによって規定された方向へリボンを成長させる。したがって、メサからの成長は回復力を生じ、リボンを平坦に成長させメサ上で心出しさせる。
【００７８】
２つの要因を検査することによって、メサのエッジへ近づく面の平衡メニスカス高の低減を質的に理解することができる。第１に、メサ上部の自由融解物面は、エッジへ近くなるにつれて降下する。第２に、自由面の角度は、エッジへ近くなるにつれて変化する。この角度は、メニスカスが自由融解物面と結合する境界条件として考えることができ、境界条件におけるこの変化の効果は、更に、平衡メニスカス高を低くする。
【００７９】
メサの平面度安定化効果は、メサに心出しされたリボンおよび中央から少し外れたリボンについて平衡メニスカス高を計算することによって数値解決法から計算されてよい。表ＩＩＩは、これらの手段によって計算された回復力を示す。回復力は、前記と同じように、リボンが中央から外れるときのリボンの１つの側のメニスカス高の変化Δｓを、リボンが中央から外れた距離で除したものとして定義される。
【００８０】
【数１０】
0004527538.tif 000014
【００８１】
表ＩＩＩは、表ＩＩで記述された同じ４つの場合について、この回復傾向を記述する。融解物の高さは、成長リボンから相当に離れたメサ上の融解物領域における高さである。２つの値が各々の記述区分で与えられる。即ち、前述した「回復傾向」および融解物内の圧力が周囲と同じメサ上の高さである（これは表ＩＩと同じものである）。
【００８２】
（表ＩＩＩ．メサ幅および融解物の高さの４つの組み合わせについての回復傾向）
【００８３】
【表３】
0004527538.tif 000015
【００８４】
表ＩＩＩから分かるように、回復傾向はメサ幅の強関数であり、メサ幅が減少するにつれて増加する。実際、メサに起因する回復傾向は、リボンが樋の中で成長することによって誘導することのできる回復力を容易に超過する。たとえば、５６ｍｍ幅のリボンの樋に起因する回復傾向は０．０８である。しかし、２０ｍｍ幅のメサの回復傾向は、表ＩＩＩを参照することによって分かるように、リボンから遠いメサ上の融解物の高さ＝５ｍｍであるときに０．１５９である。したがって、メサ誘導回復傾向は、より平坦なリボンの成長を導く非常に大きな効果である。更に、メサに起因する回復傾向は、リボンの幅と一緒に変化しない。対照的に、樋に起因する回復傾向は、リボンの幅が増加するにつれて減少する。したがって、メサは平坦で広いリボンを成長させるために使用されてよい。注意すべきは、メサの回復傾向および樋の効果は加算されて、平坦リボンの成長を更に促進することである。
【００８５】
表ＩＩＩを参照することによって分かるように、「回復傾向」は、メサ幅および「リボンから遠いメサ上の融解物の高さ」と一緒に変化する。便宜上、「リボンから遠いメサ上の融解物の高さ」は、この説明では、単純に融解物高と呼ぶことにする。メサ幅が減少し、融解物高ｔが増加するにつれて、回復傾向は増加する。メサ幅の選択は、妥協として行われる。メサが狭くなると、それだけ回復傾向は大きくなり、リボンの平面度は良好になる。メサが広くなると、それだけエッジ、およびエッジで累積する粒子は、成長界面から遠くに離される。適切な妥協は、２０ｍｍのメサ幅である。融解物高の選択も妥協として行われる。融解物高の値が高くなると、それだけ回復傾向は高くなる。しかし、融解物高が低い値になると、融解物がメサのエッジを越えて溢れないようにする安全性の余裕が、それだけ大きくなる。特に、リボンが融解物から分離して、メニスカスの液体内容がメサに沿って再配分される場合にそうである。融解物上の適切な高さは１〜３ｍｍである。注意すべきは、メサからのリボンの成長は、融解物がゼロの高さでも安定していることである（たとえば、２０ｍｍのメサの場合、この条件での回復傾向は約０．０５５である）。実際、２０ｍｍのメサについて、平面度の観点からリボンが不安定になる前に、融解物高が少しマイナスになることがある（１ｍｍを少し超える程度）。これは、もし成長の間に融解物の補充が一時的に中断することがあれば（融解物高の低下を生じる）、製造中に安全性の余裕を提供する。しかし、これは好ましい作業モードではない。なぜなら、平面度安定化が大いに危うくされるからである。メサが少しのマイナス融解物高（メサのエッジによって規定される平面よりも下）で使用される場合でも、成長の間、リボンの分離は、成長するリボンのメニスカス液体の再分配を生じ、典型的にはプラスの値へ融解物高を増加させるであろう。
【００８６】
別の関心事は、メニスカスに含まれる液体の量およびメニスカスの分離効果である。定期的に、メニスカスは成長リボンから分離して落下する。これは、たとえば、プーラが、所望よりも高いレートで瞬間的に引き上げるときに生じる。メニスカスの中には溶融シリコンの相当の量が存在し、この量はメサ上部の溶融プールの中へ落ちる。メサ型るつぼは、そのような分離を許容して、前にメニスカスに含まれた溶融シリコンを追加しなければならない。必要であるが十分ではない条件は、メサが、静止段階に達した後、そのシリコン量を供給できることである。この条件は、成長リボンの下の液体量を計算し、それが再配分された後の自由融解物面の量を計算することによって計算されてよい。たとえば、リボンから遠い融解物高が２ｍｍである場合（図９ａの場合）、２０ｍｍ幅のメサから成長するリボンのメニスカスに含まれるシリコン量は、１センチメートルのリボン幅につき０．７６立方センチメートルである。しかし、２０ｍｍ幅のメサは約６ｍｍまでの高さで溶融シリコンを保持することができ、その高さで、融解物の量は１センチメートルのメサの長さ当たり約０．９５立方センチメートルである。したがって、もしリボンのメニスカスが縮むと、メサは追加の融解物を供給することができる。この計算は、リボンがメサの全長に伸長する極端な場合である。通常、成長リボンの外側に補助メサ区域が存在し、この区域は縮んだメニスカスから融解物を更に供給することができる。注意すべきこととして、もし成長中の融解物高が、メサが保持できる最大の高さへ近づきすぎると、縮んだメニスカスからの融解物がメサの側面を越えて溢れる結果となる。
【００８７】
分離したメニスカスが落下してメニスカスが縮むとき、メニスカスの中の液体はある速度を得る事実から、更に厳しい条件が生じる。この流体の運動量は小さな波を生成し、この波はメサのエッジまで伝搬する。メサは、エッジを越える溢れを生じることなく、この波の衝撃を吸収できなければならない。実験的には、メサはこの波の衝撃に全く耐えることが発見された。これは、メニスカスがリボンの全幅で同時に分離せず、分離は１つの点で始まり、リボンの幅を横切って伝搬する事実によるのかも知れない。したがって、この分離のインパクトは小さい。
【００８８】
メサの平面度安定化局面の別の使用は、垂直線からある角度でリボンを誤って引き上げるときの不安定化効果を緩和または完全に補償することである。前述したように、大きな融解物プールから、垂直線からのある角度で引き上げることは、リボンの下側でメニスカス高の増加を生じ、これはリボンの中央が引き上げ方向へ向かって成長するようにし、図４で示されるような樋形状リボンを生じる。大きな融解物プールでは、この樋が相当の深さへ達し、リボンの２つの側の曲率の差がリボンの２つの側でメニスカス高を等しくするのに十分であるときにのみ樋は安定する。しかし、メサは強い安定化要因を活動させる。なぜなら、リボンの中央がメサの中央から離れるように移動すると、中央に近いリボン側ではメニスカスを高くし、中央から離れた側では低くするからである。この効果は、リボンの２つの側でメニスカス高を素早く等しくし、リボンの中央が平坦条件からの小さな偏差を有するにすぎない。
【００８９】
しかし、融解物からある角度で引き上げられる意図されない引き上げが存在するときでも、高度の平面度を達成することは可能である。もし、リボンが融解物に対してある角度で引き上げられ、ストリングの位置がオリフィスの通過によって規定されるならば、リボンの成長位置はメサの中央から変位する。前述したように、メサの中央からのそのような変位は、メサの中央に近いリボン側のメニスカスを、中央から離れたリボン側のメニスカスよりも高くする。しかし、引き上げ角度によって、中央に近い側のメニスカスは、中央から離れたリボン側のメニスカスよりも低くされる。もし適切な幾何学的形状が選択されるならば、これら２つの効果は相互に打ち消すことができ、融解物へのある角度で平坦リボンが成長する。
【００９０】
図１０は、垂直線に対して小さな角度でメサ８０２から引き上げられているリボン８１０を示し、関連する３つの幾何学的パラメータを定義する。垂直線に関するリボンの角度はθで示される。成長界面とストリング制限点１０００との間の垂直の高さはＨで示される。第３のパラメータは、メサの中央とリボンの中央との間の水平距離であって、中央からの距離として示される。これらのパラメータは次の関係を有する。
【００９１】
【数１１】
0004527538.tif 000016
【００９２】
式５で使用した類似の方法で、引き上げ角をメニスカス高の差Δｓと関連づけることができる。
【００９３】
【数１２】
0004527538.tif 000017
【００９４】
ここで、ｒはメニスカス上部の曲率半径であり、ｂは、成長界面と、融解物内の圧力が液体外の周囲圧力と同じである高さとの間の垂直距離である。
【００９５】
垂直線からのある角度で引き上げると、不安定化傾向、即ち、樋へ成長する傾向を生成する。式１１によって引き上げ角を中央からの距離へ関連づけることができる場合、この不安定化傾向は、次のように式１０と類似の方法で定義することができる。
【００９６】
【数１３】
0004527538.tif 000018
【００９７】
式１１および１２を式１３へ代入すると、次式が得られる。
【００９８】
【数１４】
0004527538.tif 000019
【００９９】
しかし、メサ自身は、表ＩＩＩで要約されるように回復傾向を有する。式１４の不安定化傾向が、大きさでメサの回復傾向と等しければ、正味の結果は、リボンが融解物に対してある角度で成長し、平坦に維持されることになる。こうして、融解物へのある角度で、意図しない引き上げが行われても、樋状リボンは形成されない。
【０１００】
図１１は、黒鉛メサ型るつぼの等角図である。図１１で示されるメサ型るつぼの幅は２０ｍｍである。作業中、シリコンは、エッジ１２００によって規定される平面の上で、典型的には約１〜２ｍｍの高さまで、このるつぼに満ち溢れる。上部１２０２の小さな陥凹は、シリコンのレベルがエッジ１２００のレベルまで下降するときでも、シリコンがエッジを濡らしたままであることを可能にする。平坦な上部のメサは、融解物の高さが下降するにつれて濡れなくなるが、このるつぼは濡れなくなることはない。ストリングはストリング導入孔１２０４を上方へ通過し、リボンは導入孔の間で引き上げられる。るつぼの底にある１／４円形カットアウト１２０８は、るつぼの各々の側で１つのヒータを受け入れる。支持耳１２１０はるつぼを支持する。
【０１０１】
前述したように、メサ型るつぼは、上面、およびメサ型るつぼの上面の境界を規定するエッジを有する。融解物はメサ型るつぼの上面に形成され、融解物のエッジはメサ型るつぼのエッジへの毛管付着によって保持される。こうして、結晶リボンは融解物から引き上げられる。様々な実施形態において、融解物の中に結晶種が置かれ、結晶リボンのエッジに沿って位置決めされた一対のストリングの間で、結晶種が融解物から引き上げられる。融解物は一対のストリングの間で固化し、結晶リボンを形成する。結晶リボンは融解物から連続的に引き上げられてよい。
【０１０２】
メサ型るつぼ、および、ここで説明された全てのコンセプトは、ただ１つの炉から複数のリボンを同時に成長させる場合に応用できる。この場合、るつぼは長くされるが、近似的な幅および高さは維持される。図１２は、複数のリボン、たとえば４つのリボンを成長させるのに適した黒鉛メサ型るつぼの等角図を示す。各々のリボンの幅は８１．３ｍｍであり、隣接したリボンの間は３８．１ｍｍである。メサはエッジ１３０４によって規定され、２０ｍｍの幅および６５０ｍｍの長さである。メサのコーナー１３１４は、るつぼの耐久性を増加し、鋭いコーナーで漏れが起こる可能性を減少するように丸められている。８つのストリング導入孔１３０２が存在し、各々のリボンに２つの導入孔がある。等角図では、最も左側のリボンに対応する最も左側の２つが符号で示される。るつぼは、タング１３００によって炉の中に支持される。セクション１は、ストリング間の領域の断面を示す。この同じ断面が、るつぼの大部分に当てはまる。セクション２は、ストリングを導入するために使用される８つの孔の１つを通る断面を示す。メサの全長を走る凹所１３０６は、約１ｍｍの深さであり、シリコンがエッジを濡らすことを保証するのを助ける。この凹所は、更に、液体シリコンのわずかな余分の深さを提供し、補充の間に粒状シリコン供給原料物質を受け取る。セクション１およびセクション２から注意すべきことは、メサのエッジが「ナイフエッジ」である必要はなく、セクション１の上方左側コーナーの拡大である「詳細Ａ」で明らかなように、小さな平坦部分（または島）１３１８を有して耐久性を改善できることである。典型的には、この平坦部分は０．２５ｍｍ幅である。融解物の補充は、１３１６としてマークされた一般領域で粒状材料を落下することによって達成され、一般的に、その材料は、前述したように約１００ｍｍのるつぼの長さにわたって分配される。融解物の補充は、図１２で想定されるように、るつぼの１つの端で実行されてよい。代替的に、融解物の補充は、るつぼの中央で実行され、２つ以上のリボンが両側で成長する。更に、メサは、全体の長さに沿って均一幅である必要はない。もっとも、均一の幅は製造を経済的にする。具体的には、融解物の補充が実行される領域は、異なった幅、特に、リボンが成長する領域よりも広くてよい。このようにして、メサ型るつぼの「回復傾向」を減少させることなく、供給原料物質の溶融が容易になる。カットアウト１３１０はヒータの収納に使用される。シリコンリボンの成長に使用される適切な黒鉛等級は、トーカイ（Ｔｏｋａｉ）から入手可能な等級Ｇ５３０、およびエスジーエルカーボン（ＳＧＬ  Ｃａｒｂｏｎ）から入手可能な等級Ｒ６６５０を含む。長いるつぼの場合、るつぼを平らにして、融解物が長さに沿って均一に分散し、実質的に１つの端に累積しないようにすることが特に重要であることが分かる。典型的には、るつぼは、長さに沿って少なくとも０．２ｍｍ内にならされる。
【０１０３】
新しい充填シリコンは、領域１２０５へ連続的に落とされる。典型的には、リボンが成長するにつれて融解物を連続的に補充するため、シランの熱分解を使用する流動床によって作られメムク社（ＭＥＭＣ  Ｃｏｒｐ．）によって提供されるシリコン「ＢＢ」が使用される。もっとも、当技術分野で知られているように、他の粒状形態のシリコンを使用することができる。「ＢＢ」の場合、サイズは約１ｍｍの直径から４ｍｍの直径までの範囲である。図１３は、メサ型るつぼの融解物補充を達成する手法を示す。この手法はシステムへの機械的（たとえば、跳ね飛ばし）および熱外乱を最小にする。メサ型るつぼ１４０４は、金属炉殻１４０２の内部に保持される（るつぼはエンドタングによって保持される。エンドタングの１つは図１３で明らかであるが、これらのエンドタングと接続する支持体は示されていない）。絶縁１４００は、るつぼの温度維持を助ける。粒状シリコンの供給原料物質は、水平または実質的に水平な管１４０６を介して炉の中へ搬送される。管は、任意の耐火材料で作られてよいが、シリコンの結晶成長には石英管が良好な選択である。なぜなら、石英管は化学的に適合性があり、経済的で、熱衝撃に良好な耐性を有するからである。更に、石英の弾性係数は合理的に高く、これは以下で説明するように役立つ。管１４０６は、クランプ１４２６によって樋１４１４の中へ固定される。樋／管アセンブリは、当技術分野で知られるような振動形フィーダ１４１６の上に支持される。振動形フィーダは左右に動くことができる（それは、図示されていないトラックの上に置かれ、当技術分野で良く知られているように、モータによって動かされる）。図１３ａは、炉において最も外側の、最も右の位置にある管／樋／振動アセンブリを示す。図１３ｂは、炉において最も内側の、最も左の位置にある管／樋／振動アセンブリを示す。装置１４１２によって計量された粒状供給原料物質を保持するため、ホッパ１４１０が使用される。適切な計量方法は、米国特許第６，０９０，１９９号および第６，２１７，６４９号で説明される。エンクロージャ１４１８は内容を空気から隔離し、囲われた容量は、管１４０６が貫通する１４０２の孔を介して炉の内部と連通する。図１３ａおよび図１３ｂは、明瞭にするためシリコン不在のハードウェアを示す。
【０１０４】
図１３ｃおよび図１３ｄは、供給のとき使用されるサイクルを示す。管が炉から引き出されるにつれて、バイブレータがオンにされ、シリコン供給原料物質が管から下へ落とされ、融解物１４２０の上に落ちる。融解物１４２０はメサ型るつぼの上にある。管および樋は一体となって一緒に動き、振動が良好に規定されるように、管は、十分に堅くて軽く、剛体としての動きを強制するものでなければならない（ここに、高弾性係数の利点がある）。管の剛性と重量との比は、管の外径を増加し、壁厚を同じに保つことによっても増加することができる。しかし、管はそれほど大きく作ることができないから、管を下って炉の外へ出る熱損失が大きくなりすぎるか、落ちるときのＢＢのロケーションが不良に規定されすぎて、メサ上への着地が保証されない。２０ｍｍ幅のメサの場合、外径が１４ｍｍで壁が１ｍｍの石英管が適切であることが発見された。振動の振幅は、ＢＢが管を下る移動時間が、１つのイン／アウトサイクルを完了するのに必要な時間と同じオーダであるか、この時間よりもあまりに大きくならないように調整される。この時間がかなり短く維持される限り、管は、計量された供給原料物質を迅速に搬送してバックアップし、管の詰まりは防止される。同時に、振動の振幅があまりに高いと、ＢＢは端から「飛び散り」、必ずしも意図された所へ落下しない。管から融解物への落下は小さく、典型的には、１０ｍｍである。これは、飛び散りおよび液体シリコン上の波動を防止する助けとなる。更に、それはＢＢが融解物中の他のＢＢから跳ね返り、メサの外側に落下する機会を最小にする。ＢＢが他のＢＢの上に落下する可能性は、供給の間に管を引き出し、開けた融解物上に大部分のＢＢを落下させることによって低減される。メサの長さに沿ってＢＢを分散することは、更に、ＢＢの冷却効果を分散する利点を有し、ＢＢを溶融するためるつぼで必要な過熱が低減される。注意すべきは、（液体シリコンと比較して）固体シリコンが低い密度であるために、また表面張力効果のために、シリコンＢＢが融解物面で浮動することである。ＢＢは、融解物の曲率およびメサを横切る温度勾配の方向を含む要因に依存して、メサの中央に止まるか、エッジの方へ進もうとする。
【０１０５】
図１３ｄでは、バイブレータをオフにし、ＢＢの衝突数を最小にするためシリコンを供給しないで、管／樋／バイブレータが炉の中へ戻される。融解物上に残った少数のＢＢは、この段階でほとんど完全に溶融され、次の引き出し行程で最も右の位置へ管が戻るまでに完全に溶融される。典型的には、供給／引き出し行程は約５秒を要し、戻り行程は約１秒を要し、管の中のＢＢの移動時間は約１０秒を要する。計量装置およびホッパは固定されてよく、管／樋／バイブレータと一緒に移動する必要はない。この場合、樋は移動の全体にわたってＢＢを捕獲するように十分長いことが必要である。
【０１０６】
るつぼの長さに沿って温度制御を十分に維持し、予測可能で首尾一貫した厚さのリボンを成長させなければならないことが分かる。これは、るつぼの下に、るつぼの長さに沿って、小さな「トリミング」ヒータ要素を位置決めすることによって達成される。そのような方法は、高温炉の設計技術で良く知られている。るつぼの長さに沿って温度を維持する他の方法は、図１４で示されるように、るつぼを取り巻く絶縁パックの移動可能部分を設けることである。メサ型るつぼ１５００は、炉殻１５０４の中に位置決めされ、図示されていない支持体によって定位置に保持される。下方の絶縁パック１５０６が示されるが、るつぼの上方にある絶縁の全ては、明瞭にするため省略されている。補充供給管１５０２は、参考までに示される。下方絶縁パック１５０６は開口１５２０を有する。３つの移動可能絶縁要素が示され、これらの要素はロッド１５０８、１５１０、１５１２によって炉の外側から作動される。最も右の可動性要素を検査すると、作動ロッド１５１２へ取り付けられたプレート１５１６の上部に絶縁部品１５１４があるのが分かる。プレート１５１６は、もろい絶縁を支持するように働く。最も右の可動性要素は完全な上方位置にあり、最小の熱損失を生じる。中央の要素は完全な下位にあり、最大の熱損失を生じる。最も左の要素は中央にあり、中間の熱損失状態を生じる。ロッドは、手作業で位置決めされるか、当技術分野で知られている電気機械位置決めメカニズムによって位置決めされてよい。後者の場合、位置決めの自動制御が可能である。
【０１０７】
本発明は、ここで説明されたように、ストリングリボンに関して説明された。しかし、メサ型るつぼは、リボンおよびシートを成長させる他の方法に応用されてよい。そのような方法は、結晶リボンのエッジ限定薄膜供給成長（ＥＦＧ）法を含むが、それに限定されない。たとえば、閉鎖多角形のメサ型るつぼを使用して、そのような中空、多角形、結晶リボンを成長させることができる。
【０１０８】
本発明は、特定の例証的実施形態を参照して具体的に図示および説明されたが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細について様々な変更が行われてよい。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】図１は、自由融解物面から垂直に成長する平坦リボンを示す。
【図２】図２は、メニスカス高の定曲率近似を示す。
【図３】図３Ａ〜図３Ｅは、融解物に対してある角度で引き上げる場合、界面の高さにどのような変化が生じるかを示す。
【図４】図４は、融解物面から樋の形状で成長するリボンの３次元図を示す。
【図５】図５は、リボンの幅、樋の半径、および樋の深さの間の関係を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、狭いるつぼの中央から成長するリボンを示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、狭いるつぼの中央から変位して成長するリボンを示す。
【図７】図７Ａ〜図７Ｃは、メサ型るつぼの上部にある融解物プールの例示的実施形態を示す。
【図８】図８は、メサ型るつぼから成長するリボンを示す。
【図９】図９Ａ〜図９Ｄは、リボンがメサ型るつぼから成長するときのメニスカス形状の４つの例を示す。
【図１０】図１０は、垂直線への少しの角度でメサ型るつぼから成長するリボンを示す。
【図１１】図１１は、メサ型るつぼの等角図を示す。
【図１２】図１２は、複数リボンの成長に適した黒鉛メサ型るつぼの等角図を示す。
【図１３】図１３は、メサ型るつぼに融解物を補充する間、システムへの機械的および熱外乱を最小にする装置を示す。
【図１４】図１４は、メサ型るつぼの温度を制御する装置を示す。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図３】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１３】
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