(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ）原料材料の溶融物を含む坩堝を提供する工程と、
ｂ）追加の原料材料を前記溶融物に連続的に供給する工程と、
ｃ）前記溶融物に入力信号を通過させる工程と、
ｄ）前記入力信号に応答して生成した前記溶融物の深さに関連する出力信号を測定する工程と、
ｅ）前記出力信号を使用して前記追加の原料材料を供給する速度を調整することにより、実質的に一定のレベルに前記溶融物の深さを維持する工程と、
ｆ）前記溶融物を固化することにより、結晶リボンを連続的に成長させる工程と、
を包含する連続結晶成長方法。
【請求項２】
前記ｃ）の工程が前記坩堝および前記溶融物に入力信号を通過させる工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ｂ）の工程が前記追加の原料材料を前記溶融物に実質的に一定の速度で連続的に供給する工程を包含する、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記ｃ）の工程が、前記坩堝に接続された第１の対のリード線を介して前記坩堝および前記溶融物に電流を通過させる工程を包含する、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ｄ）の工程が、前記坩堝に接続された第２の対のリード線を介して前記電流に応答して生成した電圧を測定する工程を包含する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記ｅ）の工程が、前記出力信号を実質的に一定に維持することによって実質的に一定のレベルで前記溶融物の深さを提供する工程を包含する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記原料材料は半導体材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
ａ）坩堝に入れられた溶融物を介して入力信号を付与する工程と、
ｂ）前記入力信号に応答して生成した前記溶融物の深さに関連する出力信号を測定する工程と、
ｃ）前記出力信号を使用して実質的に一定のレベルに前記深さを維持するように、前記溶融物中へ導入される原料材料の量を調節する工程と、
を包含する結晶成長のための溶融物の深さを制御する方法。
【請求項９】
前記ａ）の工程が、坩堝および前記坩堝内に入れられた前記溶融物を介して入力信号を付与する工程を包含する、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記ａ）の工程が、前記坩堝に接続された第１の対のリード線を介して電流を付与する工程を包含し、前記ｂ）の工程が、前記坩堝に接続された第２の対のリード線を介して電圧を測定する工程を包含する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
ａ）坩堝および前記坩堝に入れられた溶融物を介して入力信号を付与する工程と、
ｂ）前記入力信号に応答して生成した前記溶融物の深さに関連する出力信号を測定する工程と、
を包含する結晶成長のための溶融物の深さを測定する方法。
【請求項１２】
前記応答信号と前記溶融物の深さとは、作動範囲において実質的に線形関係である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
材料原料の溶融物を含む坩堝と、
第１の対のリード線を介して前記坩堝または前記溶融物のうちの一つに電気的に接続された電源と、
第２の対のリード線を介して前記坩堝または前記溶融物のうちの一つに電気的に接続されたフィードバックコントローラと、
前記フィードバックコントローラに応答して前記原料材料を前記溶融物中に連続的に導入するためのフィーダと、
を備える連続結晶成長のためのシステム。
【請求項１４】
前記材料原料は半導体材料を含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１の対のリード線は入力信号を前記坩堝および前記溶融物に付与し、前記第２の対のリード線は前記入力信号に応答して生成した出力信号を測定する、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記入力信号は電流を含み、前記出力信号は電圧を含む、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１の対のリード線および前記第２の対のリード線は同一直線上にあり、前記坩堝の底面に取り付けられる、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１の対のリード線は前記坩堝の隣接するコーナーに配置され、前記第２の対のリード線は前記坩堝の隣接するコーナーに配置される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１９】
前記電源はＤＣ電源および電流源を含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２０】
前記坩堝はグラファイト、石英、炭化ケイ素、または窒化ケイ素のうちの一つを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項２１】
原料材料の溶融物を含む坩堝と、
入力信号を前記坩堝および前記溶融物に付与するための第１の対のリード線を介して前記坩堝または前記溶融物のうちの一つに接続された電源と、
前記入力信号に応答して生成した前記溶融物の深さに関連する出力信号を測定するための前記坩堝に取り付けられた第２の対のリード線を介して前記坩堝と連絡しているフィードバックコントローラと、
を備える結晶成長のための溶融物の深さを測定するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、概して、半導体材料の結晶成長に関し、より詳細には、太陽電池基板材料として使用するためのシリコンシートの連続結晶成長に関する。
【０００２】
（背景）
太陽光発電の大規模な発電用途を容易にする太陽電池のコスト低減のためには、太陽電池を作製するための低コストな基板材料を提供することが重要である。この目的を達成するための公知の方法は、米国特許第４，６６１，２００号、第４，６２７，８８７号、第４，６８９，１０９号、第４，５９４，２２９号に記載されているように、連続リボン成長プロセスを使用して結晶シリコンを成長させることである。
【０００３】
連続リボン成長方法によれば、２個の高温材料のストリングが、溶融シリコンの浅い層を入れた坩堝の穴を通って導入される。溶融物が、溶融物から垂直に引き上げられる間に固化する際に、結晶シリコンリボンが形成される。ストリングは、その成長しているリボンのエッジの位置を安定させる。溶融シリコンは、溶融シリコンの層のすぐ上で凝固して固体リボンになる。このリボンシリコンプロセスを連続的にするために、結晶シリコンが形成される際にさらにシリコンが溶融物に追加され、溶融物の量を一定に保つ。成長プロセスの間に溶融物の量を一定に保つことは、結晶シリコンの均一で制御された成長を達成するために重要である。冷えていくリボンの熱環境を一定に保つこともまた、重要である。わずかでも溶融物の深さが変化して、その結果固体と液体との界面の垂直方向の位置が変化すると、この熱環境がかなり変化する。例えば、溶融物の深さの約１ミリメートルよりも大きい変動は、結果として顕著な厚みの差異を引き起こし、成長したシリコンリボンに残留応力状態をもたらし得ることが見出されている。これらのすべての理由から、溶融物のレベルを一定にすることは、シリコンリボンの均一で制御された成長を確実にする際に、重要な要素である。
【０００４】
溶融物の深さを制御する一つの方策は、溶融物の深さを連続的に測定し、その測定された深さに基づいて、シリコンが溶融物に追加される速度を制御することである。溶融物の深さは、単純で、コスト効率が高く、正確で、汚染がなく、フィーダへのフィードバックループに接続可能なやり方で測定されなければならない。
【０００５】
溶融物の深さを測定するいくつかの方法が公知である。例えば、一つの方法は、薄いグラファイトのロッドからなる発振プローブを使用する。発振プローブは、プローブが溶融シリコンに触れる際に電気接続をオンまたはオフする接点を有し、溶融物の表面の垂直方向の位置を与える。これは、アクチュエータ機構、位置センサおよび溶融物への垂直方向の障害物のない接近を必要とする。しかしながら、成長技術の一つの実施は、リボンの冷えていく外形を整えるために正確に位置決めされた断熱シールドに負うところが大きいので、この方法には問題がある。機構的リンク機構のための空間を考慮に入れることは、これらの断熱シールドの設計と配置との望ましくない拘束条件である。
【０００６】
他の公知の方法は、溶融物の表面から反射されたレーザービームを利用する。この技術は、金属鋳造作業において、溶融物の深さの測定のために使用されている。しかしながら、この方法の問題点は、溶融物の表面への障害物のない光路を提供することが、断熱部品の設計を妨げることである。さらに、蒸着によって堆積したシリコン酸化物がありふれている環境で障害物のない観察窓を維持することは困難である。
【０００７】
第３の方法はより間接的であり、成長した結晶の重量およびサイズを測定し、シリコンの坩堝から失われた量を追跡することを伴う。この技術は、米国特許第４，９３６，９４７号に記載されている。この方法の主な欠点は、その複雑さに加えて、バッチモードでの個々の結晶成長の用途のものであり、連続的な成長には適用しにくいことである。
【０００８】
上述した方法は、コスト効率が高い太陽電池基板材料を作製するための必要な基準を満たすという点において、不適切である。従って、本発明の目的は、これらの基準を十分に満たす方法を提供することである。
【０００９】
（発明の要旨）
本発明は、連続結晶成長プロセスにおける溶融した半導体プール（「溶融物」）の深さの測定と調節とにおいて、向上した精度を提供するための装置および方法を特徴とする。
【００１０】
一つの局面では、本発明は、連続結晶成長の方法を特徴とする。原料材料の溶融物を含んだ坩堝が提供され、追加の原料材料がその溶融物に連続的に供給される。深さを測定するために、坩堝および溶融物に入力信号を通過させ、その入力信号に応答して生成した出力信号が測定される。その出力信号は、溶融物の深さに関連している。溶融物の深さは、その出力信号を使用して追加の原料を供給する速度を調節することにより、実質的に一定のレベルに維持される。結晶リボンは、溶融物を固体と液体との界面において固化することにより、連続的に成長される。原料材料は、半導体材料を含み得る。
【００１１】
一つの実施形態では、溶融物の深さを測定するために、坩堝に接続された第１の対のリード線を介して坩堝および溶融物に電流を通過させ、その電流に応答して生成した電圧が、坩堝に接続された第２の対のリード線を介して測定される。
【００１２】
他の実施形態では、追加の原料材料が、溶融物に、実質的に一定の速度で連続的に供給される。さらに他の実施形態では、溶融物の深さは、出力信号を実質的に一定のレベルに維持することによって、実質的に一定のレベルで提供される。
【００１３】
本発明はまた、結晶成長のための溶融物の深さを制御する方法を特徴とする。坩堝と、坩堝に入れられた溶融物とを介して入力信号が付与され、その入力信号に応答して生成した出力信号が測定される。その出力信号は、溶融物の深さに関連している。溶融物中に導入される原料材料の量は、その出力信号を使用して実質的に一定のレベルにその深さを維持するように、調節される。
【００１４】
一つの実施形態では、溶融物の深さを制御するために、坩堝に接続された第１の対のリード線を介して電流が付与され、第１の対のリード線の間に配置され、坩堝に接続された第２の対のリード線を介して、応答電圧が測定される。
【００１５】
本発明はさらに、結晶成長のための溶融物の深さを測定する方法を特徴とする。坩堝と、坩堝に入れられた溶融物とを介して入力信号が付与され、その入力信号に応答して生成した出力信号が測定される。その出力信号は、溶融物の深さに関連している。一つの実施形態では、応答信号と溶融物の深さとは、作動範囲において、実質的に線形関係である。
【００１６】
他の局面では、本発明は連続結晶成長のためのシステムを特徴とする。そのシステムは、原料材料の溶融物を含んでいる坩堝と、第１の対のリード線を介して坩堝に電気的に接続された電源と、第２の対のリード線を介して坩堝に電気的に接続されたフィードバックコントローラと、フィードバックコントローラに応答して原料材料を溶融物中に連続的に導入するためのフィーダとを備えている。原料材料は、半導体材料を含み得る。
【００１７】
一つの実施形態では、第１の対のリード線は、入力信号を坩堝および溶融物に付与し、第２の対のリード線は、その入力信号に応答して生成した出力信号を測定する。その入力信号は、電流を含み得、その出力信号は、電圧を含み得る。
【００１８】
一つの詳細な実施形態では、第１の対のリード線と第２の対のリード線とは、同一直線上にあり、坩堝の底面に取りつけられる。他の実施形態では、第１の対のリード線は、坩堝の隣接するコーナーに配置され、第２の対のリード線は、坩堝の隣接するコーナーに配置され得る。
【００１９】
本発明はまた、結晶成長のための溶融物の深さを測定するためのシステムを特徴とする。そのシステムは、原料材料の溶融物を含んでいる坩堝と、入力信号をその坩堝およびその溶融物に付与するための第１の対のリード線を介してその坩堝に接続された電源と、その入力信号に応答して生成した出力信号を測定するための坩堝に取り付けられた第２の対のリード線を介してその坩堝と連絡しているフィードバックコントローラとを備えている。その出力信号は、溶融物の深さに関連している。
【００２０】
（詳細な説明）
図１および図２を参照すると、連続リボン成長システム１０は、溶融シリコンのプール（「溶融物」）１４が入っている坩堝１２と、坩堝１２を突き抜けて延びる一対のストリング１６とを含む。シリコンの薄い多結晶シート１８は、メニスカス１９の上部においてより冷たい液体シリコンが結晶化するにつれて、坩堝１４からゆっくりと引き上げられる。坩堝１２の底の穴（図示せず）を通るストリング１６は、結晶シート１８に組み込まれ、結晶シート１８のエッジ境界を画定する。ストリング１６は、シート１８が成長する際に、エッジを安定させる。シリコンの表面張力は、ストリング１６が通っている坩堝１２の穴を通って漏れが起こることを防ぐ。連続リボン成長システム１０では、溶融物１４および坩堝１２は、溶融シリコンの酸化を防ぐために、不活性ガスで満たされたハウジング（図示せず）に収められている。ローラ（図示せず）は、シート１８が成長するにつれてシート１８を垂直方向に移動させ続ける。坩堝１２は、溶融物１４中のシリコンを溶融した状態に保つために、加熱され続ける。
【００２１】
溶融物１４の深さが測定され、この情報はフィーダ２６に提供される。これにより、結晶成長の間に溶融物の深さを一定に保つためにシリコンを溶融物１４中に導入する速度が調節される。フィーダ２６は、シリコンペレットを溶融物１４に追加し、溶融物１４から結晶シート１８が成長する際に溶融物１４から失われるシリコンを補う。溶融物１４の深さは、坩堝１２および溶融物１４に入力信号を通過させ、その入力信号に応答して生成した出力信号を測定することによって、測定される。その出力信号は、溶融物の深さを示している。
【００２２】
一つの実施形態では、電流ＩNが、電極ＡおよびＢの対を介して坩堝１２と溶融物１４とのコンビネーションに付与され、その結果として生じる電位が測定される。結果として生じる電位ＶOUTは、電極ＣおよびＤの対を介して、差動増幅器２２によって測定され、バルク抵抗信号を提供する。結果として生じる電位は、フィードバック回路部２４に供給される。フィードバック回路部２４は、フィーダ２６の供給速度を制御する制御信号を生成する。フィードバック回路部２４は、結果として生じる電位を所望の溶融物の高さに相当する一定のレベルに保つように設定されている。一つの実施形態では、電極ＣおよびＤの対は、電極ＡおよびＢの対の間に配置されている。
【００２３】
溶融物の深さと、入力信号に応答した測定された出力信号との間の関係は、以下のように説明される。本発明の深さ測定の方法は、半導体と、通常使用される坩堝の材料（例えば、グラファイト）との独特の特性を利用する。例えば、室温において、シリコンは通常は半導体である。しかし、融点では、他の半導体と同様に、シリコンは金属とほとんど同じくらいに電気をよく通す導電体になる。グラファイトもまた、導電体である。ただし、溶融シリコンの導電率はグラファイトの導電率よりも大きいので、並列に測定した場合には溶融シリコンの導電率が支配的である。
【００２４】
シリコン溶融物の導電率は、シリコン溶融物の断面積に正比例する。溶融シリコンの溶融物の深さの変化は、シリコン溶融物の断面積を変化させ、その結果、導電率を、逆に言えば、抵抗を変化させる。坩堝１２の２点（すなわち、電極ＡおよびＢ）を電気的に接続することにより電流を坩堝１２と溶融物１４との両方に通過させる場合、溶融物１４と坩堝１２の壁とは、並列な抵抗経路を形成する。従って、付与された電流に応答して現われる電位は、坩堝１２の溶融物１４の深さに影響される。坩堝１２の２点（すなわち、電極ＣおよびＤ）の間で行われる電圧測定は、溶融物１４とグラファイトの坩堝１２との合成抵抗を表す信号を提供し、従って、この電圧測定は、坩堝１２の中の溶融物１４の高さ（すなわち深さ）を表す。半導体プロセスの坩堝を作るために使用される通常のグラファイト材料のバルク抵抗率は、約１ミリオーム・センチメートルである。溶融シリコンのバルク抵抗率は、２０倍小さいオーダーである。従って、坩堝の断面積が通常の溶融物の断面積の２０倍よりもかなり小さければ（通常はそうである）、溶融シリコンは、抵抗率の高いグラファイト層の上の「短絡層」とみなすことができる。その場合、溶融物が全体の導電率に支配的であるので、測定は、溶融物の抵抗を考慮することが好ましい。図３は、図１および図２の連続リボン成長システム１０の回路図を示す。
【００２５】
図４を参照すると、連続リボン成長システム１０’は、溶融物１４’を入れている坩堝１２’を含む。この図は、坩堝１２’がグラファイト、石英、炭化ケイ素または窒化ケイ素のような絶縁体材料から作られている場合の、別の実施形態を示す。この実施形態では、溶融物１４’に直接的に接触している電極ＡおよびＢの対を介して入力信号を通過させ、これも溶融物１４’に直接的に接触している電極ＣおよびＤの対を介して、その結果として生じる出力信号を測定することにより、溶融物１４’の深さが測定される。一つの実施形態では、入力信号は電流であり、出力信号は電圧である。
【００２６】
図５に示されるように、測定された出力信号（すなわち、電圧）と、溶融物１４の深さとの間の関係は、図１〜３のシステムについて必ずしも線形ではない。しかしながら、通常の作動範囲はこの曲線の実質的に直線の部分なので、作動点からの小さなずれ（約０．１２インチのずれ）について、直線の当てはめが制御の目的のためには適切である。非線形性は、幾何学的関係、坩堝１２のグラファイト材料の導電率および坩堝１２上の電極ＡとＢとの配置に依存する。坩堝１２’が絶縁体材料（例えば、石英）から形成されており、接触が溶融物１４’に直接的になされている図４の実施形態では、応答信号は線形である。しかしながら、図１〜３のシステムの非線形性は、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）のソフトウェアに組み込むことのできる単純な式によって、調節され、記述され得る。実際の溶融物の深さ対電圧出力のプロットおよびデータを適切に記述する単純な式（すなわち、Ｃ1（ボルト）-1.5＋Ｃ2）が、図６に示されている。Ｃ1およびＣ2は、所与のプローブ間隔および作動点の構成について一意である。一つの実施形態では、Ｃ1の代表的な値は０．０６８であり、Ｃ2は使用において決定される。このソフトウェアの使用は、公称の作動点からの非常に大きいずれから溶融物の深さを復元することが必要な場合にのみ必要である。しかしながら、システムは、測定された電圧を所定の値に維持するように設計されているので、実際のほとんどの状況で、非線形性はほとんど重要ではない。従って、空間電気伝達関数（ｓｐａｔｉａｌ−ｔｏ−ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）は、フィードバックループの速度と安定性とを設計する目的のために、作動点の周りで線形として近似され得る。
【００２７】
図７を参照すると、電極ＡおよびＢは坩堝１２に電流を付与し、電極ＣおよびＤはその付与された電流に応答して生成した電圧を測定する。図示されるように、電極Ａは電流源５０に接続され、電極ＢはＤＣ電源５２に接続されている。電源５２および電流源５０はまた、互いに電気的に接続されており、ともに電流を坩堝１２に付与する。電流源５０は、坩堝１２への電流の流れをある値（例えば、２アンペア未満）に制限する。電流は、５６ｍΩの検知抵抗によって検知され、その検知抵抗の両端の電圧降下が差動増幅器に入力される。増幅器からの電圧出力は、基準電圧と比較される。電圧出力は、プッシュプルトランジスタの対に作用する。プッシュプルトランジスタの対は、パワーＦＥＴのゲートを制御し、そのＦＥＴを通る電流を制御する働きをする。入力信号に応答して生成した出力信号は、検知プローブＣおよびＤによって検知され、２段信号増幅回路部５４の増幅器に伝達される。応答出力信号は、１μＶの範囲内である。出力信号はフィルタリングされ、増幅されて約１Ｖの出力信号が生成される。
【００２８】
一つの実施形態では、坩堝とシリコン溶融物とのコンビネーションの抵抗測定は、４線式に行われる。４線式の測定では、図１および図２に示されるように、坩堝１２上の第１の対の接点ＡおよびＢに接続することにより坩堝／シリコン溶融物のコンビネーションに電流を通過させ、坩堝１２上の第２の対の接点ＣおよびＤにおいて電圧が測定される。抵抗測定が４線式で測定される場合、４個の接点の互いに対する空間的配置は重要でないので、接点は、機構的および熱的な都合に従って配置され得る。例えば、４個の接点は、坩堝の底に沿って同一直線上であり得、または、電流が２個の隣接するコーナーの間に印加され、電圧が他の２個の隣接する坩堝のコーナーの間で測定されるＶａｎ  ｄｅｒ  Ｐａｕｗ式の抵抗測定のように並べられ得る。実際には、関連する測定を行う際に最高の信号対雑音比を提供するように、接点が空間的に並べられることが望ましい。絶対的な信号レベルと、溶融物の高さの変化に対する信号レベルの感受性とが重要である。
【００２９】
機構的に都合のよい、（信号対雑音比の観点からは）理想的でない電極の配置を用いた本発明の初期的な実施は、２アンペアの入力電流を使用して、溶融物の高さをプラスマイナス２．５ミル以内に調節するために適切な信号対雑音比を可能にした。
【００３０】
本発明の一つの実施形態は、測定中のＤＣオフセットドリフトの影響を避けるために、パルス化ＤＣ測定を使用する。他の実施形態は、６０Ｈｚの高調波を避けて選択される周波数での、電流の変調と電圧信号の同期的な検出とを利用する。他の実施形態は、変調された電流と、電圧信号をモニタリングするための狭帯域通過フィルタとを利用する。測定された抵抗への温度変動の影響は、溶融物および坩堝の温度がモニタリングされれば補償され得る。溶融物および坩堝の温度の独立した厳格な調整が成長プロセスのために必要であり、これにより抵抗測定の補償が不要になる。
【００３１】
本発明により測定された溶融物の深さは、シリコン原料材料を坩堝の中に供給する速度を制御するために使用され、それにより、溶融物の深さが一定に維持され、制御された均一な結晶成長が達成される。図８を参照すると、原料材料を導入する速度を制御するフィーダの電力が、時間の経過に伴って、溶融物の深さの測定に応答している。
【００３２】
（均等物）
本発明は特に特定の好ましい実施形態を参照して図示され、説明されたが、添付の請求の範囲に規定される本発明の意図および範囲から逸脱することなく、形態および詳細における種々の変更が本発明になされ得ることが、当業者には理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の連続結晶成長システムの一つの実施形態の模式図である。
【図２】１’−１”線で切断され、坩堝と溶融物だけを示す、図１の結晶成長システムの断面図である。
【図３】図１および図２の結晶成長システムの抵抗を示す回路図である。
【図４】本発明の結晶成長システムの他の実施形態の断面図である。
【図５】溶融物の深さと、応答出力信号との間の概略の関係を示すグラフである。
【図６】実験データと、溶融物の深さと応答出力信号との間の関係のプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）モデル関数とを比較するグラフである。
【図７】本発明の結晶成長システムの一つの実施形態の電流源と増幅システムとの回路図である。
【図８】溶融物の深さと、フィーダ電力との間の関係を時間の経過に伴って示すグラフである。
【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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