JP2008503427A - 結晶製造装置に溶融ソース材料を装入する方法および溶融装置アッセンブリ - Google Patents

Abstract

溶融装置アセンブリは、溶融したソース材料の装入材料を、結晶性の物体の製造に使用する結晶製造装置に供給する。溶融装置アセンブリは、ハウジングと、該ハウジングの中に配置されたルツボを有している。該ルツボの中に入れられた固体ソース材料を溶融させるために、ルツボに対してヒータが配置されている。ルツボが溶融したソース材料の流れを制御するためのノズルを有していることによって、溶融したソース材料の特定の流れを選択された流量で結晶製造装置へ供給することができる。結晶製造装置に溶融したソース材料を装入する方法、および１つの溶融装置アセンブリによって複数の結晶製造装置へ供給する方法を提供する。

Description

この発明は、一般に、固体のシリコンを溶かすための溶融装置アセンブリ、特に、結晶製造装置に溶融させたソース材料を装入するための方法および溶融装置アセンブリに関する。

単結晶構造を有している単結晶物質は、種々の電子部品、例えば半導体デバイスおよび太陽電池等を製造するための出発材料であって、一般に、チョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）（「Ｃｚ」）法を用いて製造される。簡単に、説明すると、チョクラルスキー法は、シリコンメルトを形成するために特に設計された炉に配置された石英ルツボの中で、多結晶のソース材料、例えば粒状のまたは塊状の多結晶のシリコン（「多結晶シリコン（polysilicon）」（またはポリシリコン）を溶融させることを伴っている。アルゴンなどの不活性ガスが、一般に炉の中を通して循環される。ルツボの上方において、比較的小さい種結晶が引上げシャフトに取り付けられ、該引上げシャフトは種結晶を上昇させたりまたは降下させたりすることができる。ルツボを回転させて、種結晶を降下させ、該ルツボ内の溶融シリコンに接触させる。種結晶が溶融し始めると、種結晶は徐々に溶融シリコンから引き上げられて、メルトからシリコンの引上げを開始して、単結晶構造を有するシリコンの成長が開始される。

太陽電池またはその他の電気素子を製造するための出発材料として用いるのに好適な大きな粒状の多結晶シリコン半導体構造は、従来技術において知られているその他の種々のプロセスにて製造することができる。チョクラルスキー法と同様に、そのような代替プロセスは、種々の装置を有しており、所望の導電的特性を有する固体の結晶性物体（例えば、インゴット、リボンなど）を製造するために、溶融させたソース材料（例えば、シリコン）を利用する。そのようなプロセスは、冷たいルツボに溶融シリコンを充填して、溶融シリコンを固化させ、多結晶物体を生成させることを含む、ブロック・キャスティング（block casting）を含むことができる。一般にエッジ規定されるフィルム成長（Edge-defined Film Growth（ＥＦＧ))方法として知られる、もう１つのプロセスは、ルツボから引上げ装置に接続された種結晶へ、溶融しているソース材料を移すことを補助するために、毛管作用を使用するキャピラリーダイ部材を使って、制御された寸法で、多様な形態の中空結晶性物体を成長させることを伴っている。また、ソース材料のメルトから引上げられる、一般に平坦な結晶性のリボン構造体を成長させることに関連する、種々のリボン成長方法も存在している。

半導体素子および太陽電池のための半導体材料を形成するための種々の既存の方法は、一般に、ルツボの中で粒状多結晶シリコンを直接的に溶融させるか、または溶融シリコンの装入材料をルツボに追加する工程を有している。ルツボの中で粒状多結晶シリコンを直接的に溶融させる方法の１つの問題点は、溶融中に水素の放出からのはねかかり（splatter）を低減させるために、多結晶シリコンの純度が非常に高く、脱水素化されていることが好ましいということである。ルツボ内でのはねかかりによって結晶製造装置のホットゾーンの種々のコンポーネントにシリコンが付着して、それにより、引上げられた結晶に不純物が生じさせたり、またはホットゾーン内のシリコン炭化物被覆されたグラファイト要素およびグラファイトに損傷を生じさせたりし得る。脱水素化された化学気相堆積（ＣＶＤ）粒状多結晶シリコンは、脱水素化されていない、より容易に入手することができるＣＶＤ多結晶シリコンに比べて高価である。従って、脱水素化された化学気相堆積（ＣＶＤ）粒状多結晶シリコンを使用することによって、シリコンウェハーまたは種々の方法によって製造されるその他の電気要素の製造コストは増大する。

追加的な操作上の問題および機械的な問題は、結晶製造装置の主たるルツボ内で、固体の多結晶シリコンを溶融させることに起因している。例えば、多結晶シリコンを溶融させるためには、液状シリコンに比べて相対的に高い熱伝導率および高い放射率のために、大量の電力が必要とされる。また、多結晶シリコンの２５０ｋｇ（５５１ポンド）の１つの装入材料を溶融させるためには、一般に１５〜１８時間を要し、主たるルツボ内で固体多結晶シリコンを溶融させることは一般に時間がかかる。さらに、固体の多結晶シリコンを溶融させるのに必要とされる高い溶融温度にさらすことによって、ルツボ内に熱的ストレス（化学的ストレスおよび機械的ストレス）が引き起こされ、ルツボ壁の粒状物質がメルト内に落下したり浮遊したりして結晶性品質を低下させたり、ルツボを早期に損傷させたりし得る。また、ルツボは、固体の多結晶シリコン粒子が頻繁にルツボ壁に擦り傷を生じさせたり、ルツボ壁を抉ったりすることによって、機械的ストレスに付され、その結果、ルツボ壁に損傷を生じさせたり、ルツボ壁から粒状物を取り去ったりして、その粒状物はシリコンメルトおよびそれから形成される結晶性物体を汚染したりし得る。

ルツボ内で多結晶シリコンを溶融させる必要性を排除するために、種々の従来技術の方法が試みられている。これら従来技術の方法は、圧力差を使用するまたは使用しない重力供給によって、結晶成長の間に、主たるルツボの中に溶融シリコンを流入させるように、多結晶シリコンを溶融させるための補助ルツボを、主たるルツボの上方に配置することを含んでいる。これら従来技術の既存の方法は、固体の多結晶シリコンを効率的および迅速に溶融させるものではなく、結晶製造装置のホットゾーンの部材へのメルトのはねかかり（splatter）を減少させるような方法で、主たるルツボに溶融したシリコンを移送するものでもない。また、既存の方法は、固体の多結晶シリコンを迅速で経済的な方法で加熱して、溶融時間を減少させたり、結晶製造装置のスループットを増大させたりすることも提供しない。従って、溶融シリコンを結晶製造装置に供給する方法であって、迅速におよび効率的に固体の多結晶シリコンを溶融させ、はねかかりを減少させた方法で装置の主たるルツボへ溶融したシリコンを移送し、得られるシリコン結晶の品質を維持するような方法に対する必要性が存在している。

（発明の概要）
この発明のいくつかの目的の中で、シリコン溶融装置アセンブリ、および溶融シリコンソース材料を結晶製造装置に装入することを容易にする操作の方法を提供すること；そのような溶融装置アセンブリと、結晶収量およびスループットを向上させる方法を提供すること；そのような溶融装置アセンブリおよび品質を増大させる方法を提供すること；そのような溶融装置アセンブリおよび固体シリコンの急速な加熱を許容する方法を提供すること；そのような溶融装置アセンブリおよびシリコンの制御された加熱を許容する方法を提供すること；そのような溶融装置アセンブリおよびメルトを結晶製造装置に添加することによって引き起こされるはねかかりを減少させる方法を提供すること；そのような溶融装置アセンブリ、および多結晶シリコンを溶融シリコン溜めに添加することによって引き起こされるメルトのスプラッシュおよび粉塵成分を分離することを含む方法を提供すること；ならびに、そのような溶融装置アセンブリ、および単一の溶融装置によって複数の結晶製造装置にチャージすることができる方法を提供することが注目される。

一般に、この発明は、溶融させたソース材料の装入材料を結晶製造装置に供給するための溶融装置アセンブリに関連する。溶融装置アセンブリは、ハウジングと該ハウジング内に配置されたルツボを有している。ルツボに対して、ルツボに受け入れられた固体ソース材料を溶融させるためのヒータが配置されている。ルツボは、溶融させたソース材料の流れを制御するために適応したノズルを有しており、溶融させたソース材料の導かれた流れ（フロー）が選択された流量で装置へ供給される。

この発明のもう１つの要旨において、結晶引上げ装置に溶融シリコンを装入する方法を提供する。方法は、成長チャンバーを規定する結晶引上げ装置の下側ハウジングから、引上げチャンバーを規定する結晶引上げ装置の上側ハウジングを取り外す工程を含んでいる。上側ハウジングの代わりに、溶融装置アセンブリが下側ハウジングに取り付けられる。溶融装置アセンブリの中で、ソース材料が溶融される。溶融されたソース材料は、溶融装置アセンブリから結晶製造装置の下側ハウジング内に配置されたルツボへ供給され、従って、単結晶インゴットを成長させるためのメルトがルツボ内に形成される。

更にもう１つの要旨において、本発明は、溶融させたソース材料の装入材料を、結晶性物体を形成させるために使用される結晶製造装置へ供給するための溶融装置アセンブリに関連する。溶融装置アセンブリは、ハウジングと、該ハウジングの中に配置されたルツボを有している。ルツボ内に受け入れられた固体ソース材料を溶融させるために、該ルツボに対してヒータが配置されている。サセプタは、ルツボを支持し、ルツボ内における固体ソース材料の加熱作用を促進する。サセプタは、上側部分と下側部分とを有しており、これらはヒータを独立して制御するために間隔をおいて配置されている。

この発明のもう１つの要旨において、結晶製造装置に溶融させたソース材料を装入する方法が提供される。この方法は、結晶製造装置のルツボに溶融シリコンを供給するために、結晶製造装置に対して溶融装置アセンブリを配置する工程を含んでいる。溶融装置アセンブリ内の上側加熱作用コイルは、溶融ルツボ内でソース材料を溶融させるように操作される。溶融装置アセンブリ内の下側加熱作用コイルは、溶融させたソース材料のストリームを結晶製造装置のルツボに供給するために、溶融させたソース材料が溶融装置アセンブリのオリフィスを通して流れることを可能にするように操作される。

本発明のもう１つの要旨では、単独の溶融装置アセンブリによって複数の結晶製造装置に供給を行う方法を提供する。この方法は、第１の結晶製造装置に対して溶融装置アセンブリを配置して、溶融させたシリコンを第１の装置のルツボに供給する工程を含んでなる。溶融装置アセンブリのヒータを操作して、溶融ルツボ内のソース材料を溶融させる。溶融させたソース材料のストリームは、溶融装置アセンブリから第１の結晶製造装置へ供給される。溶融シリコンを第２の装置のルツボに送るために、溶融装置アセンブリを第２の結晶製造装置に対して配置する。溶融させたソース材料のストリームを、溶融装置アセンブリから第２の結晶製造装置へ移す。

本発明のその他の目的および特徴は、以下の記載において明らかになったりまたは指摘されたりすることになる。
図面全体について、同じ参照符号は対応する部材を示している。

（好ましい態様についての説明）
図１および２を参照すると、全体として符号１で示される、本発明の溶融装置アセンブリを、従来技術において一般的に知られている種々の結晶製造装置へ溶融させたソース材料を供給するために用いることができる。そのような結晶製造装置の１つには、チョクラルスキー法に従って単結晶シリコンインゴット（例えば、図２に示すインゴットＩ）を成長させるために用いられるタイプの、一般にＣＰ（crystal puller）と称される、常套の結晶引上げ装置がある。結晶引上げ装置は、図２において、シリコンインゴットＩを製造するように構成された装置として示されている。本発明の溶融装置アセンブリによって供給される溶融させたソース材料は、シリコンまたはその他のソース材料、例えば、アルミナ、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、イットリウム・アルミニウム・ガーネット、ゲルマニウム、ガリウム、ヒ化ガリウムなどの、結晶製造装置において固体の結晶物体（solid crystalline bodies）を製造するために用いられる材料であってよい。

結晶引上げ装置ＣＰは、図２において部分的に示されているが、上側の引き上げチャンバーＰＣを取り囲む上側ハウジングＵＨと、下側の結晶成長チャンバーＧＣを取り囲む下側ハウジングＬＨとを有する水冷式のハウジングを有している。上側ハウジングＵＨと下側ハウジングＬＨとは、フランジ付きの接続部ＦＣとロッキングデバイスＬＤとによって取り外し自在に接続される。上側ハウジングＵＨと下側ハウジングＬＨとは、ゲート分離弁ＧＶによって分離（または絶縁）されている。ハウジングの内部に真空状態（または減圧状態）を導入するために、ポンプ（図示せず）またはその他の適当な手段を設けることもできる。図３に示すように、溶融装置アセンブリ１は、結晶引上げ装置ＣＰの下側ハウジングＬＨの上に、上側ハウジングＵＨの代わりに取り付けることができ、そして重力式フィーダＧＦからの固体の粒状多結晶シリコンを受け入れることができる。以下において更に詳細に説明することになるが、溶融装置アセンブリ１は、固体の多結晶シリコンを溶融させて、溶融シリコンを結晶引上げ装置ＣＰまたはその他の結晶製造装置へ重力を利用する供給によって移送する。

再び図２を参照すると、結晶引上げ装置ＣＰは、チョクラルスキー法に従って単結晶シリコンインゴットＩを製造する、常套の結晶引上げ装置である。図示する態様例において、結晶引上げ装置ＣＰは、Ｋａｙｅｘ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（アメリカ合衆国、ニューヨーク州、ロチェスター）によって製造されたＭｏｄｅｌ Ｎｏ．ＦＸ１５０結晶成長炉であるが、その他の結晶引上げ装置を、この発明の範囲を逸脱することなく用いることができるということが理解されるであろう。結晶成長チャンバーＧＣを取り囲む下側ハウジングＬＨは全体としてドーム形状をした上側壁部ＵＷを有しており、グラファイトサセプタＳの中に設置された石英結晶成長ルツボＣＣを包囲している。ルツボＣＣには、単結晶シリコンインゴットＩがそこから成長させられる溶融させたソース材料Ｍが入れられている。サセプタＣＳは、結晶引上げ装置ＣＰの長手方向の中心軸まわりで、サセプタＳおよびルツボＣＣを回転させるためのターンテーブルＴの上に取り付けられている。インゴットＩが成長して、ソース材料がメルトから失われる際に、溶融させたソース材料Ｍの表面が一般に一定のレベルに維持されるように、ルツボＣＣも成長チャンバーＧＣの中で上昇することが可能である。

電気抵抗ヒータＨＣがルツボＣＣを取り囲んでおり、ルツボを加熱してソース材料Ｍを溶融した状態に維持する。引き上げプロセスの間にわたって溶融させたソース材料Ｍの温度が正確に制御されるように、外部の制御システム（図示せず）によってヒータＨＣが制御される。溶融させたソース材料Ｍの上側の成長チャンバーＧＣに熱絶縁アセンブリＨＳが取り付けられている。熱絶縁アセンブリＨＳは、ソース材料からインゴットＩが引き上げられる際に、インゴットを取り囲むような寸法および形状の中央開口部を有している。結晶成長ルツボを取り囲む下側ハウジングＬＨのエリアは、一般に、引上げ装置ＣＰの「ホットゾーン（hot zone）」と称される。ホットゾーンの部分は、サセプタＳ、ヒータＨＣ、熱絶縁アセンブリＨＳおよび熱リフレクタまたは絶縁材Ｉを有しており、絶縁ルツボＣＣのまわりでの熱伝達、および成長する結晶の冷却速度を制御することができる。

引き上げ機構ＰＭから下方に引き上げシャフトＰＳが延びており、この機構によって引き上げシャフトＰＳは上昇したり、降下したりまたは回転したりすることができる。結晶引上げ装置ＣＰは、引上げ装置のタイプに応じて、シャフトＰＳの代わりに引上げワイヤ（図示せず）を有することができる。引き上げシャフトＰＳは、引き上げチャンバーＰＣの中を通って下方へ延び、種結晶チャックＳＣで終端している。種結晶チャックＳＣは、単結晶インゴットＩを成長させるための種結晶Ｃを保持する。図２では、引き上げシャフトＰＳは、その上側部分とチャックＳＣに接触する部分の両方について、その大部分を省略している。インゴットＩを成長させる際に、引上げ機構ＰＭは種結晶Ｃを、その種結晶Ｃが溶融しているソース材料Ｍの表面に接触するまで降下させる。種結晶Ｃがいったん溶けはじめると、引上げ機構ＰＭは、成長チャンバーＧＣおよび引き上げチャンバーＰＣの中を通して、種結晶Ｃをゆっくりと上昇させて、単結晶インゴットＩを成長させる。引き上げ機構ＰＭが種結晶Ｃを回転させる速度、および引き上げ機構ＰＭが種結晶ＳＣを上昇させる速度は、外部の制御システム（図示せず）によって制御される。結晶引上げ装置ＣＰの一般的な構成および操作は、以下において更に詳細に説明する事項を除いて、常套のものであって、当業者に知られている事項である。さらに、結晶引上げ装置ＣＰは、本発明の範囲を逸脱することなく、その他の形態及び／又は構成を有することができることも理解されるであろう。

図１および３に示すように、溶融装置アセンブリ１は、全体として符号５で示される溶融容器と、結晶引上げ装置ＣＰの下側ハウジングＬＨに接続するための、溶融容器の底部から下方へ延びるドッキングカラー９を有している。溶融容器５は環状のフロア１３を有しており、そのフロア１３から上向きに、間隔をおいて配置された内側の壁部材１７と外側の壁部材１９とによって形成されている、全体として符号１５で示される筒状の側壁が突き出して延びている。溶融容器５の頂部壁部は、全体としてドーム形を有しており、全体として符号２３で示されているが、間隔をおいて配置された内側の壁部材２５と外側の壁部材２７とによって形成されている。筒状の壁部１５および頂部壁部２３の間隔をおいて配置されている壁部材はキャビティ３１を規定しており、そのキャビティ３１の中を通って冷却水を循環させることができる。容器５の頂部壁部２３における中央フィードポータル３５は、重力式フィーダＧＦのフィードチューブ４３を受け入れるスリーブ３９を有している。溶融装置アセンブリ１および重力式フィーダＧＦの中で雰囲気をシールするために、中央フィードポータル３５は真空シール４７を有している。フィーダおよび溶融装置アセンブリの雰囲気は、結晶引上げ装置ＣＰ内の雰囲気と実質的に同じ圧力および組成を有している。フィードチューブ４３とスリーブ３９との間の嵌め合わせ（fit）は約１３ｍｍ（１／２インチ）の径方向のクリアランスを有するルーズフィット（または隙間嵌め）であるべきであって、溶融装置アセンブリ１の中でのメルトの飛散やダストを含むことができる。溶融容器５の頂部壁部２３および筒状の壁部１５はそれぞれの係合するフランジ５１および５３を有しており、ファスナー５７を受け入れることによって、頂部壁部と筒状の壁部とは一体に接続される。溶融容器５の内部へアクセスすることができるように、頂部壁部２３は取り外すことができる。溶融容器５は側方のアクセスポート５９を有しており、そのアクセスポート５９を通して電力線（６０、６３）および冷却用配管（図示せず）を容器５の中に入れることができる。側方のアクセスポート５９は、容器５内の雰囲気の圧力および組成が維持されるように、アクセスポート５９の中を通る電力線６０、６３および配管チューブを包囲する真空シール（図示せず）を有している。

溶融容器５は全体として符号６５で示される溶融ルツボを有しており、その溶融ルツボ６５は好適な材料、例えば石英ガラス（またはフューズドシリカ）などによって形成されている。そして溶融ルツボ６５は、全体として符号６９で示されるグラファイトサセプタアセンブリに設置されている。サセプタアセンブリ６９は、プラットフォーム７７の上に取り付けられているセラミックベース７３によって支持されている。プラットフォーム７７は、溶融容器５の環状のフロア１３における開口部８１を覆っている。プラットフォーム７７と環状のフロア１３との間の固いシールによって、メルトの飛散物およびダストが溶融容器５からドッキングカラー９を通して結晶引上げ装置ＣＰの中に入ることが防止される。溶融ルツボ６５は、ルツボ本体部分８９に連絡しており、全体として符号８５で示されるノズルであって、溶融ルツボからの、結晶引上げ装置ＣＰ内の結晶成長ルツボＣＣへ溶融シリコンを流入させることができるノズルを有している。サセプタアセンブリ６９は、溶融ルツボ６５の本体部分８９およびノズル８５の両者に適合して包囲する。溶融装置アセンブリ１は、ルツボ６５およびサセプタアセンブリ６９の上側部分のまわりの上側の誘導コイル９５と、ルツボノズル８５およびサセプタの下側部分のまわりの下側の誘導コイル９９を有している。上側の誘導コイル９５および下側の誘導コイル９９はそれぞれ、（図１および３において模式的に示されている）電源１００および１０１に接続されている。両電源１００および１０１は、各コイルに、各コイルを通って流れることができる電流を提供する。上側のコイル９５および下側のコイル９９は独立して制御することができるので、他方のコイルを通って流れる電流とは関係なしに、各コイルを通って流れる電流をモニターし、および調節することができる。溶融ルツボ６５およびサセプタ６９の上側部分および下側部分のまわりの２つのコイル９５、９９の配置によって、溶融ルツボの上側部分および下側部分を独立して温度調節することができる。

図１および４を参照すると、溶融ルツボ６５の本体部分８９は一般に円筒形形状を有しており、開口する頂部１０３と、円錐形態の底部壁１０７とを有している。ノズル８５は、円錐形態の底部壁１０７に連絡しており、本体部分８９と同軸である。１つの態様において、溶融シリコンのノズル８５への流入を容易にするために、ルツボ６５の底部壁１０７の内側の表面は約１度から約６０度、より好ましくは、約１０度の範囲の傾斜を有している。図示する態様例において、円錐形態の底部壁１０７を含むルツボ６５の本体部分８９は、一体ものとして製造されており、底部ノズル８５は石英チューブにより形成されて、ルツボの底部壁に融着されている。本発明の範囲の中では、その他の構成を用いることもできる。

ノズル８５は、一般にノズルのセンターラインと位置合わせされたパスに沿って導かれる溶融容器５からの流れを形成するように構成されている。ルツボ６５から流出する液状シリコンは、結晶引上げ装置ＣＰの要素へのはねかかったり、しぶきがかかったりすることを低減して導かれるストリームであることが重要である。液状シリコンがはねかかったり、しぶきがかかったりすることは、ホットゾーンのパーツ（例えば、熱絶縁アセンブリＨＳ、ルツボＧＣ、サセプタＳなど）を損傷したり、シリコンの遊離した粒状物が生成したりして、これが結晶成長中のルツボの中に入ると結晶の品質を損なうことになり得るため、結晶引上げ装置ＣＰのホットゾーンの中では望ましいものではない。図９において最も良好に示しているが、溶融ルツボノズル８５は、ルツボ６５の底部壁１０７における第１のより大きい直径の部分１０９、より小さな直径を有しており、大きな直径の部分の下流側のノズルのオリフィスを形成している第２の部分１１１、およびオリフィスの下流において中間の寸法の直径を有する第３の部分１１５を有している。以下により詳細に説明するが、ノズル８５の全体の長さ、および第１の部分１０９、第２の部分１１１および第３の部分１１５の対応する長さおよび直径は、最適な流量でルツボ６５から流出して、時期尚早な注ぎを防止する溶融シリコンのストリームを維持するような寸法に維持される。ルツボ６５から流出する溶融シリコンのストリームは、液体のコヒーレントな連続した流れであることが好ましいが、このストリームは、ノズル８５のセンターラインに沿って全体として導かれるルツボ６５から流出する小滴の流れをも含み得ると理解されたい。ノズル８５からの溶融シリコンの流れはノズルのセンターラインから逸脱する可能性があって、「全体として導かれる（generally directed）」という用語の意味から離れることなく、ノズルのパスに沿って全体として導かれると理解されたい。１つの態様において、溶融シリコンの流れは、約４０ｍｍ（１．６インチ）の最大の距離でノズル８５のセンターラインを逸脱することができるが、これは「全体として導かれる」の意味の中に含まれる。

図４〜８に示すように、サセプタアセンブリ６９は３つの部分：全体として符号１２１で示され、全体として円筒形形状であって、溶融ルツボ６５を支持する上側部分（ルツボサポート）、溶融ルツボ６５の円錐形態の底部壁１０７をサポートし、溶融を開始させるための円錐形態でワンピースの中間の部分（メルト−イン・サセプタ）１２５、および溶融ルツボ６５のノズル８５を受け入れる下側のアウトレット部分（ノズルサセプタ）１２９を有している。上側部分１２１および下のアウトレット部分１２９は、それぞれ環状のギャップ１３０および１３１によって、中間の部分１２５から間隔をおいて配置されている。図示する態様例において、上側部分１２１は、一般に符号１２３（図６）で示される４つの半径方向のセクションを有しており、それぞれ半径方向のギャップ１３２によって分離されている。１つの態様において、環状のギャップ１３０、１３１および半径方向のギャップ１３２は、約３ｍｍ（１／８インチ）から約６ｍｍ（１／４インチ）に及んでいる。ギャップ１３０、１３１、１３２は、下のアウトレット部分１２９が下側コイル９９から誘導される電流によって加熱され、中間の部分１２５が上側コイル９５から誘導される電流によって加熱され、上側部分１２１はいずれのコイルから誘導される電流によっても加熱されないように、電流が上側コイル９５および下側コイル９９によってサセプタアセンブリ６９内に誘導される電流を隔離する。上側コイル９５および下側コイル９９はセラミック本体部（図示せず）に組み立てられており、セラミック本体部は、サセプタアセンブリの各部分１２１、１２５および１２９の間の環状のギャップ１３０、１３１の中に、グラファイトファイバ絶縁体（図示せず）を有し、サセプタアセンブリの上側部分１２１の各部分１２３の間の半径方向のギャップ１３２の間にもグラファイトファイバ絶縁体（図示せず）を有すると理解されたい。絶縁体は、他の材料、例えばケイ砂、セラミックの耐火物繊維、ガラス質の耐火物繊維、またはその他の高温で熱および電気絶縁性の絶縁材料などをも含み得ると理解されたい。

図５および６に示すように、上側部分１２１は、上側部分の中でギャップ１３７を形成するために周方向に間隔をおいて配置される一連のフィンガ１３３を有している。フィンガ１３３どうしの間のギャップ１３７、および上側部分１２１の部分１２３のどうしの間のギャップ１３２は、上側部分が上側の誘導コイル９５と電気的に結合することを防止し、ならびに、サセプタアセンブリ６９のフィンガに誘導電流が流れることを防止する。図示する態様例において、１６個のフィンガ１３３が示されているが、サセプタ６９はこの発明の範囲を逸脱することなくその他の構成を有することができると理解されたい。半径方向のギャップ１３２はそれぞれ１つのフィンガ１３３を半分に分割しており、ギャップは互いに約９０度の間隔をおいて配置されている。フィンガ１３３どうしの間のギャップ１３７は、約３ｍｍ（１／８インチ）〜約６ｍｍ（１／４インチ）の範囲に及ぶことが好ましい。サセプタアセンブリ６９のフィンガ１３３にはいずれの電流も誘導されないので、サセプタの上側部分１２１が大量の抵抗加熱を生成することはない。上側コイル９５および下側コイル９９からの誘導電流からのサセプタアセンブリ６９の下側部分の抵抗加熱によって、ルツボの下側部分の固体の多結晶シリコンおよび溶融ルツボ６５が加熱される。フィンガ１３３は誘導加熱に付されず、ルツボ内のシリコンが上側コイル９５によって加熱される際に、放射および伝導のみによって加熱される。

図５〜８に示すように、サセプタアセンブリ６９の円錐形態の中間部分１２５および下側のアウトレット部分１２９は、上側および下側の誘導コイル９５、９９がサセプタのこれらの領域の個それぞれの部分に電気的に結合されるように、中実の構造を有している。上側コイル９５が下側のアウトレット部分に電流を誘導したりせず、および下側コイル９９が中間の部分に電流を誘導したりしないように、サセプタアセンブリ６９において中間の部分１２５とアウトレット部分１２９との間のギャップ１３１は、これら２つの部分を電気的に分離（または隔離）している。上側コイル９５へ供給された電流は、フィンガ１３３の下側のサセプタアセンブリ６９の中間の部分１２５において電流を流れさせる、交番磁場を作り出す。下側コイル９９へ供給される電流は、サセプタ６９の下側のアウトレット部分１２９において電流を流れさせる、交番磁場を作り出す。サセプタアセンブリ６９において誘導された電流は、コイル９５、９９内の流れる電流の流れる向きとは逆方向にサセプタの中を通って流れ、サセプタに抵抗加熱を生じさせる。グラファイトサセプタアセンブリ６９の中実の部分の誘導加熱がルツボ６５の底部壁１０７に放射加熱および伝導加熱を生じさせることによって、ルツボ６５の底部壁１０７の上に載置されている固体の多結晶シリコンが溶融する。

ルツボ６５内の固体の多結晶シリコンの底部部分が抵抗加熱および誘導加熱によって溶融した後、上側コイル９５の磁界は、電気的伝導性の液状シリコンの中に電流を誘導し、それによって液状シリコンを更に加熱し、液状シリコンからの放射熱および伝導熱によって、ルツボの中に残存する固体の多結晶シリコンの溶融速度を向上させる。１つの態様において、コイル９５および９９に供給される交流電流の周波数は、約３ｋＨｚから約１５ｋＨｚの範囲であり、出力の大きさは約１５ｋＷから約１６０ｋＷの範囲である。１つの態様において、上側コイル９５の電流は、約１０ｋＨｚの周波数と約１６０ｋＷの出力を有しており、下側コイル９９中の電流は約３ｋＨｚの周波数と約１５ｋＷの出力を有している。各電源１００および１０１は、出力コンバータ、電動発電機、パルス幅変調器インバータまたはコイルに交流電流を供給するためのその他のいずれかの方法を有することができると理解されたい。

１つの態様において、サセプタアセンブリ６９の円筒形の本体部１２１は、約３８ｃｍ（１５インチ）の高さ、約２０ｃｍ（８インチ）の内径、および約１３ｍｍ（１／２インチ）の壁厚さを有することができる。サセプタ６９の円錐形態の部分１２５の底部壁は、ルツボ６５の角度付けされた底部壁１０７に対応して角度付けされていてよく、この発明の範囲を逸脱することなく、約１度から約６０度、より好ましくは、約１０度の範囲であってよい。サセプタ６９の下側のアウトレット部分１２９は、約１６．５ｃｍから３０ｃｍ（６．５インチから約１２インチ）の程度で、サセプタの円錐形態の部分１２５の底部の壁から延びていてよい。寸法は例示のためのものであって、本発明の範囲を逸脱することなく、ルツボ６５とサセプタ６９はそれ以外の寸法を有することができると理解されたい。

上側コイル９５を流れる電流は、ルツボ６５内のメルトの温度を調節するために変動させることができ、下側コイル９９を流れる電流は、ルツボノズル８５を通過するメルトの温度を調節するために変動させることができる。例えば、溶融ルツボ６５内のメルトの温度は、結晶引上げ装置ＣＰの結晶成長ルツボＣＣの中に注がれるメルトが、溶融ルツボから結晶成長ルツボの中へ落下する間にもシリコンの融点以上の温度を保つように、シリコンの融点（即ち、１４１４℃）よりも十分に高いことが必要とされる。約５フィート（１．５メートル）の自由落下高さＦ（図３）に基づけば、溶融ルツボノズルの大きな直径の部分１０９と、結晶引上げ装置ＣＰの結晶成長ルツボＣＣにおけるメルトＭの表面との間の全体の距離について、シリコンのストリームが液状を保ったままでいるためには、ノズル８５を通過するシリコン液体は少なくとも２０℃で過熱されていることが必要である（下、約１４３４℃の最低温度に対応する）。同様に、溶融ルツボ６５の石英ノズル８５を通過する溶融シリコンの温度は、過熱された液状シリコンの流れがノズルを通るために、ノズルが過度なアブレーション（ablation）を受けることを防止するために、約１４６５℃を越えるべきではない。ノズル８５を通過する溶融シリコンが１４６５℃を越える温度で流される場合には、第１のノズル１１１および第２のノズル１１５は、時期尚早に大きくなり過ぎて、液状シリコンの質量流量は多結晶シリコンの所望の溶融速度を上回ることになる。一般に結晶成長ルツボＣＣに充填する間は、ルツボ内のメルトの高さが一定の高さを保つように、ノズル８５を通る液状シリコンの質量流量は、ルツボ６５内における多結晶シリコンの所望の溶融速度に等しいかまたはそれ以下であるべきである。ルツボ６５からの流量が多結晶シリコンの溶融レートを越える場合には、結晶成長ルツボＣＣに充填する間に、ルツボ６５内のメルト高さが降下して、ノズル８５における静圧の低下を引き起こすことになる。ノズル８５の静圧が所定のレベルを下回る場合には、ノズルを通過する液状シリコンのストリームは、導かれない状態（即ち、ノズルのセンターラインに沿って全体として導かれない状態）になって、結晶成長ルツボＣＣ内で過度にはねかかったり、しぶきがかかったりすることになり得る。

結晶成長生産性（crystal growth productivity）の少なくとも約１０％〜３５％の向上を達成するために必要とされるメルト調製時間（melt preparation time）を短くするため、溶融装置アセンブリ１は約５０ｋｇ／時間〜約１４０ｋｇ／時間の範囲の好ましい質量流量で、液状シリコンを送るべきである。実験を通して、溶融装置アセンブリ１からの液状シリコンのより望ましい質量流量は、約８５ｋｇ／時間であることが見出されている。オリフィス１１１は、約２５０ｍｍ（１０インチ）である、ルツボ６５の底部アウトレット８５の上方の初期メルト高さＨ（図１４）に基づいた約８５ｋｇ／時間の液状シリコンの最適な質量流量を提供する初期直径を有するような寸法とされている。オリフィス１１１の上方のオリフィス直径とメルト高さＨは、溶融ルツボ６５の直径とおよび高さ、ならびに溶融装置アセンブリ１からの所望の質量流量に基づいて変動することになると、理解されたい。

図９を参照すると、ルツボ６５のノズル８５のオリフィス１１は、約８５ｋｇ／時間の液状シリコン流量および約２５０ｍｍ（１０インチ）の初期メルト高さＨ（図１４）に対応して、約２．３ｍｍ（０．０９インチ）の初期直径Ｄ１を有している。連続的結晶引上げ装置ＣＰに溶融シリコンを充填することに溶融装置アセンブリ１が使用される場合、ルツボノズル８５の壁の厚みがその中を通る液状シリコンの流れによってアブレーションを受けるため、オリフィス直径Ｄ１は増大することになると理解されたい。従って、液状シリコンの最適な質量流量を維持するために、オリフィスの直径が増大するに従って、オリフィス１１１上の初期メルト高さＨが低下することが好ましい。オリフィス１１１を通る液状シリコンの質量流量は、オリフィスを出る液体の速度（ｖ）が、オリフィス（ｈ）上の高さｈの２倍に、重力定数（ｇ）を乗じた値の平方根に等しいという、トリチェリの法則（Ｔｏｒｒｉｃｅｌｌｉ'ｓ Ｌａｗ）：即ち、
ｖ＝（２×ｈ×ｇ）^１／２
［式中、ｖはオリフィスを通過する液体の速度であり、ｈはメルト高さＨであり、およびｇは重力定数（ｇｒａｖｉｔａｔｉｏｎａｌ ｃｏｎｓｔａｎｔ）である。］
で示される法則を適用することによって、求められる。そして、オリフィス１１１を通って流れる液体の質量流量は、上記の式からの液体の速度に、オリフィスの面積および液体の密度を乗じることによって計算される。

ノズル８５のオリフィス１１１の相対的な寸法は、溶融装置アセンブリ１の連続した操作の間に、ルツボ６５からの液状シリコンの所望の質量流量を維持するために必要とされるメルトＨを調整することによってモニターされる。オリフィス１１１がアブレートされて、液状シリコンの所望の質量流量が、達成し得る溶融速度を越えるようになると、ルツボ６５は交換される。１つの態様において、オリフィス直径Ｄ１は、溶融ルツボ６５が交換される前に、３．０ｍｍ（０．１２インチ）まで増大することが許容される。約３．０ｍｍ（０．１２インチ）のオリフィス直径Ｄ１にて、８５ｋｇ／時間の液状シリコン流量を維持するためには、メルト高さＨは約１７７ｍｍ（７．０インチ）まで下がらなければならない。

結晶成長ルツボＣＣ内のメルトプールＭに液状シリコンが衝突する際に、液状シリコンが過剰にはねることを防止するため、ルツボノズル８５から結晶成長ルツボに内のメルトへ、液状シリコンの導かれたストリームが流れることが必要である。約８５ｋｇ／時間の液状シリコン流量にて、種々のノズルデザインをテストした結果に基づいて、好ましいデザインの溶融ルツボノズル８５が求められた。好ましいデザインの溶融ルツボノズル８５は、約６〜１４ｍｍ（０．２４インチから０．５５インチまで）まで、より好ましくは約１０ｍｍ（０．３９インチ）の第１の部分１０９についての初期直径Ｄ２と、約５０から６０ｍｍ（１．９６インチから２．４インチまで）、より好ましくは約５５ｍｍ（２．１６インチ）の第１の部分の長さＬ１とを有するということが求められた。ノズル８５のオリフィス１１１は、約２．１から２．３ｍｍ（０．０８から０．０９インチ）の範囲、または好ましくは、約２．２ｍｍ（０．０８７インチ）の初期内径Ｄ１と、約８から１２ｍｍ（０．３９から０．４７インチ）の範囲、またはより好ましくは約１０ｍｍ（０．３９インチ）の長さＬ２とを有することができる。第３の部分１１５は、約３から８ｍｍ（０．１２から０．３１インチ）の範囲、より好ましくは約３ｍｍ（０．１２インチ）の内径Ｄ３と、約７６ｍｍから２１０ｍｍ（３．０インチから８．３インチ）、好ましくは、約１１８ｍｍ（４．６インチ）の範囲の長さＬ３を有することができる。ノズル８５の第３の部分１１５の好ましい長さＬ３は、以下の式：
Ｌ３＝５０＋（５０×Ｄ３／Ｄ１）
からミリメートル単位で計算することができるということが、見出された。上記の式は、約５０ｋｇ／時間から約１４０ｋｇ／時間の範囲の液状シリコンの質量流量のための、ノズル８５の第３の部分１１５の好ましい長さＬ３を決定するために用いることができる。ノズル８５の第１の部分１０９、第２の部分１１１、および第３の部分１１５の好ましい形態は、液状シリコンの所望の質量流量を含めて、種々のファクターに依存するということが認められる。従って、本発明は、本明細書に挙げたノズル８５の特定の寸法に限定されるものではない。

図３に示すように、スプラッシュガードアセンブリ（ｓｐｌａｓｈ ｇｕａｒｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ）は全体として符号１５１で示され、スプラッシュガード１５５と、そのスプラッシュガード１５５から上方に延びる４本のケーブル１６３、１６５（２本だけを示す）、およびその４本のケーブルによって接続される４つの滑車１５９、１６１を有しており、ドッキングカラー９によって支持されている。滑車１５９、１６１は、ドッキングカラー９の外側からアクセスすることができるハンドル１７３を有するシャフト１６９に接続されている。ハンドル１７３は、手操作で回すことによりシャフト１６９を回転させて、溶融装置アセンブリ１の操作の間に、スプラッシュガード１５５を上昇させたりまたは降下させたりすることができる。スプラッシュガード１５５は、逆にされたボウル形状を有しており、溶融シリコンがスプラッシュガードを通過することができるように、開口した頂部および底部を有している。スプラッシュガード１５５は、石英ガラス、溶融石英、シリコン炭化物被覆されたグラファイト、またはその他の好適な材料によって形成することができる。図３において鎖線によって示すように、スプラッシュガード１５５は結晶引上げ装置ＣＰの熱遮断材ＨＳの内側に適合するような寸法に形成されており、スプラッシュガード１５５は結晶成長ルツボＣＣの中でメルトＭの表面の近くまで降下させることができる。スプラッシュガードアセンブリ１５１は、溶融装置アセンブリ１と結晶成長ルツボＣＣとの間で液体を位相する間に、結晶引上げ装置ＣＰ内での液状シリコンがスプラッシュやしぶきから、熱遮断材ＨＳおよびその他のホットゾーンの要素を保護する。

使用に際して、本発明の溶融装置アセンブリ１は、重力式フィーダＧＦから受け入れた多結晶シリコンを効率的に溶融させ、注入する。溶融装置アセンブリ１は、結晶成長ルツボＣＣに液状シリコンを再充填するために結晶引上げ装置ＣＰに容易に接続することができ、その後、シリコンインゴットＩを製造するために上側引上げチャンバーＰＣに取り付けるために結晶引上げ装置ＣＰから取り外すことができるように構成されたモジュール式の構成を有している。溶融装置アセンブリ１の持ち運びできる構成によれば、複数の（例えば８個の）結晶引上げ装置ＣＰに対応して供給することができる（service）単独の溶融装置アセンブリのみを必要とすることによって、著しいコスト削減がもたらされる。

溶融ルツボ６５が空の状態で、冷却水（図示せず）、電力（図示せず）およびパージガス（図示せず）が、溶融装置アセンブリ１に接続される。次に、下側ハウジングＬＨ（図２）内のゲート分離弁ＧＶが閉じられて下側ハウジングが分離され、結晶引上げ装置ＣＰの上側のハウジングＵＨが下側ハウジングから取り外されて、図３に示すように、溶融装置アセンブリ１に置き換えられる。溶融装置アセンブリ１のドッキングカラー９と下側ハウジングＬＨとの間のフランジ接続部ＦＣを締めた後で、溶融装置アセンブリは多結晶シリコンフィーダＧＦに接続される。フィーダＧＦを溶融装置アセンブリ１に接続した後で、溶融装置アセンブリ内の空気が真空ポンプによって除去されて、溶融装置アセンブリ内の圧力が結晶引上げ装置ＣＰの圧力（約１０〜３０ｔｏｒｒ）とほぼ等しくなるように、不活性ガス（例えばアルゴンガス）に置換される。溶融装置アセンブリ１内の圧力を上昇させた後、結晶引上げ装置ＣＰ内の雰囲気が溶融装置アセンブリ１に浸透するように、ゲート分離弁ＧＶが開かれる。

図１０に示すように、溶融ルツボ６５の中に粒状多結晶シリコンＧＰを添加して、２０ｃｍ（８インチ）の内径を有する溶融ルツボ内での最初の溶融のための粒状多結晶シリコンＧＰとして約４〜７ｋｇの初期装入材料を提供する。２０ｃｍ（８インチ）内径の溶融ルツボについての適切な初期装入材料質量は約５ｋｇである。電源１００からの出力をオンにして（作動させて）、サセプタ６９まわりの上側コイル９５に１０ｋＷの交流電流を供給する。図１１に示すように、ルツボ内の多結晶シリコンＧＰの初期装入材料はメルト−インサセプタ１２５からの熱のために溶融して、全体として、粒状多結晶シリコンの初期装入材料の底部の近くであって、ルツボ６５底部のノズル８５内の固体多結晶シリコンＧＰの溶融していないプラグの上方で溶融シリコンＬＳの形成を開始する。図１１の初期溶融段階において、溶融していない多結晶シリコンＧＰの頂部層は、液状多結晶シリコンおよび固体状多結晶シリコンの半溶融状態混合物を含む中間の層ＳＬによって、溶融シリコンＬＳから分離されている。中間の層ＳＬは、溶融ルツボ６５の円錐形態の壁１０７に隣接する環状のボイドＡＶによって、溶融するシリコンから分離されている。粒状多結晶シリコンＧＰが溶ける際に、溶融していない粒状多結晶シリコンと液状シリコン（ＬＳ）との間の密度差によって、溶融ルツボ６５内にボイドＡＶが生じる。図１１Ａに示すように、コイル９５に約１２〜１６ｋＷの出力を供給して、ルツボ６５内の溶融を続行させて、溶融シリコンの頂部の上方に間隔をおいて存在する固体多結晶シリコンのクラスト（crust）ＣＬを除いて、初期の粒状多結晶シリコンＧＰの全体を溶融させて溶融シリコンＬＳとする。クラストＣＬは、溶融シリコンＬＳの熱を抑え、コイル９５からの誘起力によってルツボ内で動く間に、ルツボ６５から液状シリコンがはねかかることを防止する。溶融プロセスにおけるこの段階で、ボイドスペースＶＳはルツボ内の液状シリコンＬＳからクラストＣＬを隔てている。図１２に示すように、上側コイル９５への出力を短い時間的間隔（例えば２０〜３０秒）で、約６０〜７０ｋＷまで増大させることにより、上側コイル９５をパルス化して、クラストに開口部ＯＧが生じ、コイルからの誘起力により液状シリコンＬＳのレベルが上昇し、クラストＣＬを通って接触し溶融する。短い時間的間隔でのコイル９５のパルス化は、クラストＣＬが溶融するまで約２〜５分続けられる。

クラストＣＬを通って溶融した後、ルツボ６５に追加の粒状多結晶シリコンＧＰが追加される（図１３）。溶融プロセスにおけるこの時点で、ノズル８５の第１の部分１０９の中に延びており、溶融したシリコンＬＳがルツボ６５から出ることを防止している固体プラグＯＰは、ルツボがドレーンされる（内容物が排出される）前に、メルト高さＨを所望のレベルへ上昇させることができる。図１３Ａに示すように、粒状多結晶シリコンＧＰをほぼ最大の割合（例えば、約７０〜８５ｋｇ／時間）で添加して、メルト高さの上昇を開始させ、およびクラスト層ＣＬの残存物を溶融させ続ける。この段階で、コイルへの出力は、約７０〜８５ｋｇ／時間の粒状多結晶シリコンＧＰの最大流量のために、約１６０ｋＷまで増大する。図示する態様例において、溶融物のこの段階におけるメルト高さＨは、約３８ｍｍ〜８９ｍｍ（１．５インチ〜３．５インチ）である（図１３Ａ）。

粒状多結晶シリコンＧＰの初期装入材料を溶融させた後、追加の粒状多結晶シリコンがルツボに追加され（図１３および１３Ａ）、およびメルト高さＨは約２５０ｍｍ（１０インチ）まで上昇した（図１４）。次に、スプラッシュガード１５５が結晶引上げ装置ＣＰのホットゾーンの中へ降下され、結晶成長ルツボＣＣの中で、（図３において鎖線で示すように）一般にシリコンメルトＭの表面の近くに配置される。スプラッシュガード１５５を降下させた後（図３）、電源１０１から下側コイル９９へ電力を供給して、ルツボの底部壁１０７の温度を上昇させ、ルツボノズル８５内の固体プラグＯＰを溶融させ始める（図１４）。この段階で、上側コイル９５へ供給される電力は、液状シリコンＬＳが過熱されることを防止するために、減少される。下側コイル９９における誘起力によって固体プラグＯＰが溶融すると、溶融シリコンＬＳはノズル８５から流れ始め、該ノズルの中心軸に全体として沿う導かれたフローストリームにて、ノズルの第１の部分１０９、第２の部分１１１、および第３の部分１１５の中を通過する（図１５）。液状シリコンＬＳがルツボ６５から流出し始めると、フィーダＧＦは約８５ｋｇ／時間の多結晶シリコンの目標フィード流量に設定されることが必要とされる。ルツボ６５から溶融シリコンＬＳが流れる間に、ルツボ内の液状シリコンのメルト高さＨはモニターされ、高さＨをオリフィス１１１の直径Ｄ１に対応する最適なレベルに維持するように、粒状多結晶シリコンＧＰの供給レートがそれに応じて調節される必要がある。メルト高さＨが最適値の上方へ上昇すると、多結晶シリコン供給レートは下げられるべきであり、メルト高さが最適な値を下回るならば、供給レートは増大させられるべきである。ルツボ６５から溶融シリコンＬＳが流出する間、ルツボノズル８５を出る液状シリコンの（例えば、少なくとも約２０℃での）過熱の最適な程度を維持するように、上側コイル９５および下側コイル９９への出力を適合させるべきである。

フィーダＧＦから目標量の粒状多結晶シリコンＧＰが供給されると、粒状多結晶シリコンフィードはオフにされて、上側コイル９５への出力は約１２ｋＷまで減らされる。この段階で、ルツボ６５はドレーン（または排出）されている（図１６）。必要な場合には、パージガス（例えばアルゴンガス）を溶融装置アセンブリに加えて、アセンブリの中で圧力を増大させて、ルツボノズルに残存しているシリコンを適切なレートで排出することもできる。ルツボ６５内のメルト高さＨが降下すると、ルツボのアウトレット８５を通過する液状シリコンＬＳの質量流量も減少する。パージガスを用いて、ルツボ６５内に残存している液状シリコンＬＳに圧力を加えることによって、ルツボのノズル８５から液状シリコンが十分な速度で流出して、ノズルの中心軸に沿って全体として導かれるフローストリームを維持させることができる。液状シリコンＬＳの所望の質量流量を維持するためには、メルト高さＨが１０ｍｍ（０．４インチ）降下する毎に、溶融装置アセンブリ１と結晶引上げ装置ＣＰとの間で、約２ｔｏｒｒ（０．０４ｐｓｉ）の圧力差が望ましいということが求められている。液状シリコンＬＳの溶融物が完全に排出された後、上側コイル９５および下側コイル９９への出力がオフにされて、スプラッシュガード１５５はドッキングカラー９の中へ上昇させられる。下側ハウジングＬＨのゲート分離弁が閉められて、成長チャンバーＧＣが隔離される。次に、溶融装置アセンブリ１に雰囲気圧にて空気が充填されて、溶融装置アセンブリ中に存在する酸化ケイ素が酸化させられ、結晶引上げ装置から溶融装置アセンブリを分離する際における酸化ケイ素の制御されない燃焼を防止する。溶融装置アセンブリ１に空気を満たした後、該アセンブリは結晶引上げ装置ＣＰから切り離されて、溶融と排出サイクルとの間で保管されたりすることもできるし、または他の結晶引上げ装置に再装入するために直ちに準備させられたりすることもできる。溶融装置アセンブリ１が取り外された後、結晶引上げ装置ＣＰの上側ハウジングＵＨが交換されて、引上げ装置はメルトＭからシリコンインゴットＩを製造する準備がされている。

本発明の溶融装置アセンブリ１の操作によって、約５時間〜５と１／２時間の結晶引上げ装置ＣＰの結晶成長ルツボＣＣ内における多結晶シリコンソース材料の全体の溶融および充填時間が得られる。常套の結晶引上げ装置ＣＰの結晶成長ルツボＣＣ内における溶融プール調製時間は、２５０ｋｇ（５５１ポンド（ｌｂｓ))装入材料について約１８時間を要する。本発明の溶融装置アセンブリ１を使用することによる著しい時間的節約によって、溶融装置アセンブリ１により満たされた個々の結晶引上げ装置ＣＰのインゴットＩ製造が著しく増大する。また、多結晶シリコンの溶融が溶融アセンブリ１内で分離されており、結晶引上げ装置ＣＰのホットゾーンでは行われないことによって、より高い水素含量を有する多結晶シリコンを加えることによるスプラッシュやしぶきは溶融装置アセンブリの中に含まれるため、あまり高価ではなく、脱水素化されていない多結晶シリコンソース材料を使用することができる。

図２９に示すように、本発明の溶融装置アセンブリ１を使用することによって、複数の結晶製造装置（例えば結晶引上げ装置ＣＰ）に対応して供給（service）することができる。溶融装置アセンブリ１は上述のように、溶融させたソース材料ＬＳの装入材料を結晶引上げ装置ＣＰへ供給し、その後、引上げ機構（図示せず）を上昇させることによって移動させられ、隣接する結晶引上げ装置に取り付けられるように操作することができる。溶融装置アセンブリ１による供給を受けるために、４台の結晶引上げ装置ＣＰが示されているが、溶融装置アセンブリは、この発明の範囲を逸脱することなく、４台以上またはそれ以下の数の結晶引上げ装置に対応して供給し得るということが理解されるべきである。

溶融装置アセンブリ１は、最初に、第１の結晶引上げ装置ＣＰに対して配置され、上記説明したように操作されて、第１の結晶引上げ装置のルツボＣＣに溶融シリコンＬＳを供給する。上述したように、ヒータの上側コイル９５および下側コイル９９は、溶融ルツボ６５内のソース材料を溶融させて、溶融させたソース材料のストリームを溶融装置アセンブリ１のノズル８５を通して第１の結晶引上げ装置ＣＰの主ルツボＣＣへ流れさせるように操作される。第１の結晶引上げ装置ＣＰに対応して供給した後、第２の結晶引上げ装置の引き上げチャンバーＰＣを包囲している上側のハウジングＵＨが取り外されて、溶融装置アセンブリ１は、第２の引上げ装置の下側ハウジングＬＨを隔離しているゲート分離弁ＧＶの上方に配置される。溶融装置アセンブリ１は、クレーン（図示せず）またはその他の昇降機構によって、第１および第２の結晶引上げ装置ＣＰに対して配置することができる。溶融装置アセンブリを第２の結晶引上げ装置の上方の位置に移すことができるように、第１の結晶引上げ装置ＣＰの上方で溶融装置アセンブリ１を上昇させるのにクレーンを用いることができる。第２の結晶引上げ装置ＣＰに対して溶融装置アセンブリ１を配置した後、第２の結晶引上げ装置の下側ハウジングＬＨに溶融装置アセンブリが接続される。溶融装置アセンブリを結晶引上げ装置に接続した後、溶融装置アセンブリを操作して、溶融させたソース材料のストリームを第２の結晶製造装置へ供給することができる。この発明の範囲を逸脱することなく、本明細書に記載するいずれかの態様例の結晶製造装置またはその他のいずれかの結晶製造装置にも、複数の結晶製造装置にサービスする（または対応して供給する）方法を適用することができると理解されたい。さらに、溶融および充填サイクルの完了後、溶融装置アセンブリ１を静置させ、溶融装置アセンブリに対して結晶引上げ装置ＣＰを移動させ、第２の結晶引上げ装置と交換し得るということも理解されたい。この結晶引上げ装置を使用して、図２９に示されている４台よりも多い数または少ない数の結晶引上げ装置ＣＰに対応して供給することができると、理解されたい。

図１７には、本発明の第１の態様例の溶融アセンブリ１と実質的に同様である、全体として符号２０１で示されるもう１つの溶融アセンブリが示されている。図１７の溶融アセンブリ２０１は、閉じられた頂部壁部２０７を有する溶融ルツボ２０３を有している。溶融ルツボ２０３の閉じられた頂部壁部２０７は、ルツボ内の溶融シリコンＬＳに粒状多結晶シリコンＧＰが加えられる場合に生じ得るスプラッターを有している。また、頂部壁部２０７は、粒状多結晶シリコンＧＰが溶融ルツボ２０３中に装入される際に生じる多結晶シリコンの粉塵成分（dust）を含んでいる。

図１８は、全体として符号２１５で示される、更にもう１つの態様の溶融装置アセンブリを示しており、これは誘導電流を供給して固体の多結晶シリコンＧＰを溶融させるための、上側コイル２１９、中間のコイル２２１、および下側コイル２２３を有している。この態様例の構成は閉じた頂部壁部２３１を有している点では前の態様例と同様であるが、この態様例の構成も、この発明の範囲を逸脱することなく、頂部の開かれたルツボの構成に含まれ得るということも理解されたい。この態様例の３コイル形態は、上側コイル２１９、中間コイル２２１および下側コイル２２３へ供給される電流を制御することによって、メルトの温度を制御することができる。各コイル２１９、２２１、２３３は独立してそれ自身の電源に接続されており、各コイルを流れる電流を独立して制御することができる。３つのコイル２１９、２２１、２２３のそれぞれによって生成される加熱出力の程度は、独立して調節することができる。

中間のコイル２２１を付加したこの構成では、中間のコイルを通って流れる電流を調節することによって、ルツボ２２７の中間部分におけるシリコンメルトの加熱を独立して制御することができる。この構成の独立した下側コイル２２３は、下側コイルを通って流れる電流の周波数を調節することによって、アウトレット２３５を通って流れるシリコンの熱を独立して制御することができる。また、下側コイル２２３を使用して、アウトレット２３５内に磁界を形成し、アウトレット２３５の内径よりも小さい直径にシリコンの流れを制限することもできる。アウトレット２３５の中を通過するフローストリームの直径を縮小することによって、ルツボ２２７からのメルトの流量を制御することができ、アウトレットを通過する液状シリコンと、該アウトレットの内側表面との間の接触を減らし、その結果として、アウトレットのアブレーションの割合を低下させることができる。

図１９は、全体として符号２５１で示されており、重力式フィーダＧＦのアウトレットを収容するための、２つの４５度のベンド２６５、２６７を有する多結晶シリコン供給インレット２６３を有する、閉じた頂部壁部２５９を有するルツボ２５５を含む溶融装置アセンブリのもう１つの態様例を示している。この構成は、固体の多結晶シリコンをルツボに移送することから生じる多結晶シリコン粉塵成分、および多結晶シリコンがルツボ内で衝突する際に頻繁に生じるメルトスプラッシュの両者を含んでいる。２つのベンドは、多結晶シリコンのスプラッシュが重力式フィーダに到達することを防止するねじれたパスを形成している。また、２つのベンドは、フィーダを、異なる位置から溶融装置アセンブリに接続することができるように、溶融装置アセンブリのセンターラインからオフセットしている重力式フィーダに対応することができる。

図２０および２１は、全体として３０５で示されるルツボと複数のチャンバーを有し、全体として符号３０１で示される更にもう１つの溶融装置アセンブリを示している。ルツボ３０５は、底部ノズル３１１を有する外側ボウル３０９、外側ボウル３０９に溶接接続されており、溶融シリコンＬＳを流入させるための（図では２つだけが示されている）ポート３１７、および底部ノズルの寸法に対応する大きさの内側のシリンダ堰３２１を有している。シリンダ堰３２１は、ボウル３０９およびフィルタシリンダ３１５よりも短い寸法を有しており、ノズル３１１を包囲しているので、シリンダ堰の内側の液状シリコンＬＳはルツボ３０５のノズルから排出される。この構成における溶融ルツボ３０５は、ボウル３０９とフィルタシリンダ３１５との間のスペースによって規定される溶融チャンバー３２５、フィルタシリンダ３１５と堰３２１との間の制御チャンバー３２９、およびシリンダ堰３２１の内側のスペースによって規定されるドレインチャンバー３３３を有している。

ノズル３１１は上述したノズル８５と同様に構成することができ、抵抗加熱されるメルトフローガイド３３７と組み合わせて使用することができる。フローガイド３３７は、溶融ルツボ３０５から該フローガイドの外側表面に沿って、成長ルツボＣＣの中へ導くことによって、溶融ルツボ３０５からの液状シリコンの流れを制御する。図２０および２１Ａに示す態様例では、メルトフローガイド３３７は、外側ボウル３０９のノズル３１１を通して受けられる石英ガラスチューブの形態を有しており、ドレインチャンバー３３３に軸方向に位置合わせされている。メルトフローガイド３３７は、そのチューブの内側に発熱エレメント３３９を有しており、これによってフローガイドの温度を、シリコンの融点（約１４１４℃）にほぼ等しいかまたはそれより多少高い温度に維持する。図２１Ａに示すように、フローガイド３３７は、結晶引上げ装置ＣＰ（図２）の結晶成長ルツボの中へ下方に延びて、溶融アセンブリ３０１からの結晶引上げ装置への溶融シリコンの流入を容易にすることができる。これによって、結晶成長ルツボ内でのスプラッシュやしぶきを低減させることができる。フローガイド３３７は、この発明の範囲を逸脱することのない範囲で、種々の適当な物質（例えば、溶融石英、石英ガラス、シリコン炭化物被覆されたグラファイトなど）によって形成することができる。発熱エレメント３３９は、モリブデン、タングステンまたはグラファイト抵抗ヒータと共に使用するための電気抵抗発熱エレメントであってよい。別法として、フローガイド３３７は、モリブデン、タングステンまたはグラファイトサセプタを有する誘導加熱によって加熱することもできる。

図２１Ｂは、溶融ルツボ３０５のノズル３１１を受け入れるチューブの形態を有する、フローガイド３４１の変更された態様例を示している。フローガイド３４１はチューブの外側に発熱エレメント３４３を有しており、溶融シリコンＬＳはノズル３１１からチューブの中に流入する。前の態様例と同様に、フローガイド３４１は、溶融ルツボ３０５からの溶融シリコンＬＳの流れを、結晶引上げ装置ＣＰ（図２）の成長ルツボＣＣへ案内する。前の態様例と同様に、フローガイド３４１は抵抗加熱、誘導加熱、またはその他の加熱方法によって加熱することができる。

図２１Ｃは、溶融ルツボ３０５のノズル３１１を受け入れるフローガイド３４５のもう１つの態様例を示している。フローガイド３４５は、ノズルから流れる溶融シリコンＬＳのコヒーレントなストリームがフローガイドの壁部に接触しないような寸法を有している。溶融シリコンがフローガイド３４５の壁に接触しないので、前の態様例のように、ガイドは発熱エレメントを有していない。フローガイド３４５は、ノズル３１１からのフローストリームが成長ルツボ内の液状シリコンのプールに入る際に、成長ルツボＣＣからの液状シリコンＬＳが結晶引上げ装置のホットゾーンコンポーネントに接触することを防止する。

図２０および２１の構成において、粒状多結晶シリコンＧＰが溶融チャンバー３２５に加えられ、多結晶シリコンは上述した第１の態様例（すなわち、ルツボ３０５まわりの誘導コイル３４１による誘導加熱）と同様にして溶かされる。溶融チャンバー３２５内において粒状多結晶シリコンＧＰが溶融すると、溶融シリコンＬＳはフィルタシリンダ３１５内のポート３１７を通って流れて、ルツボ３０５の制御チャンバー３２９を満たす。制御チャンバー３２９内の溶融シリコンＬＳのレベルがシリンダ堰３２１の高さに達すると、溶融シリコンは堰の頂部の上を流れて、ルツボ３０５のノズル３１１から出始める。溶融シリコンＬＳはフローガイド３３７に接触して、結晶成長ルツボＣＣまで、遅い制御された速度にて、そして全体としてノズル３１１と軸方向に位置合わせされて、流れる。このようにして、結晶引上げ装置ＣＰのホットゾーン部分への液状シリコンのはねかけを減少させる方法で、溶融装置アセンブリ３０１は溶融シリコンＬＳの制御された流れを結晶成長ルツボＣＣへ供給する。フィルタシリンダ３１５において、ポート３１７は、液状シリコンに浮遊し得る溶融していないシリコンが溶融チャンバー３２５からアセンブリ３０１の制御チャンバー３２９へ移動し得ないように、液状シリコンＬＳの表面の下側に配置されている。

図２２は、単独の内部チャンバー３５７を有する溶融ルツボ３５５を有すること以外は、上記の態様例と同様の、全体として符号３５１で示される溶融装置アセンブリを示している。ルツボ３５５は、ルツボ内で多結晶シリコンを溶融させるために溶融誘導コイル３６１によって取り囲まれている。ルツボ３５５のアウトレット３６３は溶融ガイド３６７を受け入れており、電源（図示せず）からの交流電流を流れさせるための下側誘導コイル３７１によって取り囲まれている。下側誘導コイル３７１（また浮揚バルブ（levitation valve）とも称される）は、ルツボ３５５の外側で液状シリコンＬＳの流れを制御するノズルバルブとして機能する。電流が下側誘導コイル３７１を通って流れる際に、液状シリコンＬＳの流れ経路に引き起こされた磁界は、ルツボ３５５からの液状シリコンの流れを塞ぐのに十分な程度の強さを有している。ルツボ３５５からの液状シリコンＬＳの流れは、下側の誘導コイル３７１へ供給される電流のオンとオフとを切り替えることによって制御される。

図２３は、全体として符号３８１で示される、もう１つの態様の溶融装置アセンブリを示している。溶融装置アセンブリが、溶融ルツボ３８５の頂部壁部３８３を越えて液状シリコンを注ぐことによって、液状シリコンＬＳを結晶成長ルツボＣＣの中に移すように構成されていること以外は、上述の態様例と同様である。溶融装置アセンブリ３８１は、結晶引上げ装置ＣＰとは独立して制御された環境にて、溶融ルツボ３８５を加熱して、固体の多結晶シリコンを溶融させるためのヒータ３８９を有している。ヒータ３８９は、この発明の範囲を逸脱することなく、上述したような誘導コイル、抵抗ヒータまたはその他の好適なヒータを有することができる。固体の多結晶シリコンが溶融した後、溶融ルツボ３８５は結晶成長ルツボＣＣの上方に配置され、液状シリコンＬＳが該ルツボの頂部壁部を越えて注がれ、結晶成長ルツボを満たすように傾斜される。結晶成長ルツボＣＣは、結晶引上げ装置の操作の間中に連続的に充填することもできるし、または結晶引上げセッションの終わりに、バッチ式の充填プロセスによって充填することもできる。

図２４は、全体として符号ＧＡで示される、エッジ規定されるフィルム成長（Edge-defined Film Growth（ＥＦＧ))方法の形態の、従来技術におけるもう１つの結晶製造装置を示している。図示する特定の装置は、中空の八面の多結晶のシリコン物体（8-sided polycrystalline silicon bodies）（図示せず）を成長させるために構成されている。但し、この装置は、その他の形態を有する結晶物体を形成するように設定することもできると理解されたい。装置ＧＡは、結晶成長チャンバーＧＣ１を取り囲む下側ハウジングＬＨ１と、引き上げチャンバーＰＣ１を取り囲む上側ハウジングＵＨ１とを有している。図２４において、上側ハウジングＵＨ１は、大部分が破断して示されている。図示する態様例において、下側ハウジングＬＨ１は、成長ルツボＧＣ１、キャピラリーダイＣＤ１、サセプタＳ１、内側ヒータアセンブリＩＨ１、および外側ヒータアセンブリＨＡ１を含むルツボ／キャピラリーダイシステムを取り囲んでいる。

ルツボＧＣ１は、溶融させたソース材料ＳＭ１（例えば、多結晶シリコン）の装入材料を含んでおり、ルツボ内のソース材料を加熱するためのラジオ周波数加熱コイルＨＣ１によって取り囲まれている。ルツボＧＣ１は、全体として符号ＥＦ１で示される端面を有しており、そこには、全体としてルツボの周囲端部の近くに位置して、キャピラリーギャップＣＧ１を有している。キャピラリーギャップＣＧ１およびルツボＧＣ１は、装置ＧＡによって形成される結晶物体の断面形状に対応する形状を有している。ルツボＧＣ１は、溶融シリコンＳＭ１がキャピラリーギャップＣＧ１に流入して、キャピラリー作用（毛管作用）によって上昇することができるように、ルツボの内側壁に形成されたスロットＳＴ１を有している。図示する態様例において、装置ＧＡは、キャピラリーギャップＣＧ１の形態に対応して、八角形の形態（octagonally shaped）を有する種結晶ＳＣ１を有している。種結晶ＳＣ１が、キャピラリーギャップＣＧ１内の溶融シリコンＳＭ１に接触するように、降下されて、成長シーケンスが開始される。種結晶ＳＣ１がキャピラリーダイＣＤ１から上昇すると、ギャップＣＧ１内の溶融シリコンＳＭ１がダイから引き出され、キャピラリーギャップ内で毛管作用によって、ルツボＧＣ１から溶融シリコンが上昇して、ルツボから除かれた材料が補給される。米国特許第５，１５６，９７８号、同第４，６４７，４３７号、同第４，４４０，７２８号、同第４，２３０，６７４号、および同第４、０３６、６６６号を参照することができ、常套のＥＦＧ結晶製造装置に関するその他の情報についても、それらの開示事項は参照することによってこの明細書に組み込まれる。

図２５は、図２４のＥＦＧ結晶製造装置ＧＡ１の上側に取り付けられた本発明の溶融装置アセンブリ１を示している。引き上げチャンバーＰＣ１を包囲する上側のハウジングＵＨ１を除去し、および溶融装置アセンブリのドッキングカラー９を結晶製造装置の下側ハウジングにおけるフランジＦＡ１に接続することによって、溶融装置アセンブリ１は装置ＧＡ１に接続されていると理解されたい。それから、溶融装置アセンブリ１は、ＥＦＧ結晶製造装置ＧＡ１のルツボＧＣ１に溶融シリコンＳＭ１を充填する上述の方法と同様の方式で操作される。ＥＦＧ結晶製造装置ＧＡ１のルツボＧＣ１が溶融シリコンＳＭ１で満たされると、溶融装置アセンブリ１は取り外され、結晶製造装置の操作のために、上側ハウジングＵＨ１に置き換えられる。

図２６は、全体として符号ＧＡ２で示される、従来技術におけるもう１つの結晶製造装置を示している。図２６の結晶製造装置ＧＡ２は、固体結晶リボンＣＲ２を製造するストリング・スタビライズド成長（String Stabilized Growth（ＳＳＧ))方法を用いる結晶引上げ装置であって、ルツボＧＣ２内に含まれるメルトＳＭ２から成長が行われる。この結晶製造装置ＧＡ２は、太陽電池もしくはその他の半導体デバイスの製造に好適な単結晶シリコンまたは大きなグレインの、薄く幅広いシート状の多結晶シリコンを製造することができる。

図２６に示すように、装置ＧＡ２は、２つの間隔をおいて配置されているストリングＳＳ１およびＳＳ２を有しており、ストリングＳＳ１およびＳＳ２はルツボＧＣ２およびその中に含まれているメルトＳＭ２の中を通過している。ルツボＧＣ２に電気的に接続されている直流電源（図示せず）によって、メルトＳＭ２内に電流が誘導される。ルツボＧＣ２内の中空のバリアＨＢ２は、そこから結晶ＣＲ２が成長するメルト深さを減少させ、結晶の品質を向上させる。供給チューブＳＴ２を経て固体の多結晶シリコン（図示せず）がルツボＧＣ２に追加されて、その中で溶融して、メルトＳＭ２を形成することができると理解されたい。ルツボ内のメルトＳＭ２および固体のソース材料を加熱するために、加熱作用コイルＨＣ２（図２７）がルツボＧＣ２を包囲している。メルトＳＭ２が不純物を含むようになった後に、ルツボを空にして、メルトを新鮮なソース材料に置換することができるように、ルツボＧＣ２はメルトチューブＭＴ２を有している。ストリングＳＳ１、ＳＳ２がルツボＧＣ２から上方に引き上げられると、両ストリングの間の液状シリコンもルツボから引き上げられ、冷却されながら固化して、固体の多結晶シリコンのリボンＣＲ２が形成される。図２６の装置は、ルツボＧＣ２を取り囲む下側ハウジングＬＨ２（図２７を参照）と、ストリングおよびリボンＣＲ２を引き上げるための引上げ装置を取り囲む上側ハウジング（図示せず）とを有し得ると理解されたい。米国特許第４，６８９，１０９号、同第４，６６１，２００号、および同第４，６２７，８８７号を参照することができ、ＳＳＧ結晶製造装置に関するその他の情報についても、それらの開示事項は参照することによってこの明細書に組み込まれる。

図２７に示すように、本発明の溶融装置アセンブリ１は、ルツボに溶融シリコンＳＭ２を再チャージするためのＳＳＧ結晶引上げ装置ＧＡ２のルツボＧＣ２の上方の上側ハウジングに置換して配置させることができる。溶融装置アセンブリ１は、溶融シリコンＳＭ２をＳＳＧ結晶引上げ装置ＧＡ２に供給する上述の態様例と同様の方法で操作することができる。

図２８に示すように、本発明の溶融装置アセンブリ１は、全体として符号ＧＡ３で示される、固体の結晶インゴットＳＩ３をキャスティングするためのキャスティング装置に溶融させたソース材料ＳＭ３を供給するために用いることができる。図２８に示す態様例において、キャスティング装置ＧＡ３は、全体として符号ＭＤ３で示されるモールドの下側に、格納し得る（retractable）サポートメンバーＳＰ３を有する連続的キャスティング装置である。図示する態様例において、モールドＭＤ３は、間隔をおいて配置される一連のルツボフィンガＣＦ３を有しており、該ルツボフィンガＣＦ３はＲＦコイルＲＣ３によって包囲されている。ＲＦコイルＲＣ３は、ルツボフィンガＣＦ３内に電流を誘導して、溶融ソース材料ＳＭ３とは反対に荷電された電流を誘導し、溶融材料はルツボフィンガから反発されて、キャスティング装置ＧＡ３の中に含まれる。ルツボフィンガＣＦ３の中を通して冷却液体（図示せず）が循環し、溶融させたソース材料ＳＭ３の冷却を支援する。

ルツボフィンガＣＦ３から離れてサポートメンバーＳＰ３を降下させることによって、キャスティング装置ＧＡ３内で固体のシリコンインゴットＳＩ３が形成される。格納し得るサポートメンバーＳＰ３がルツボフィンガＣＦ３の底部から離れてゆっくりと降下すると、溶融した材料ＳＭ３の底部部分において誘導される電流は徐々に減少して、溶融した材料はルツボフィンガから離れながら冷却される。サポートメンバーＳＰ３が降下すると、インゴットＳＩ３がキャスティングされ、ルツボフィンガＣＦ３から取り出される溶融ソース材料ＳＭ３が冷却されおよび凝固する。一般に、装置ＧＡ３の頂部から加えられる固体のソース材料（図示せず）は、装置内で溶融されて、格納し得るサポートメンバーＳＰ３が降下する際に、取り出される溶融したソース材料ＳＭ３が補給される。図２８に示すように、本発明の溶融装置アセンブリ１をルツボフィンガＣＦ３の上方に取り付けて、固体のインゴットＳＩ３のキャスティングに用いられる溶融ソース材料ＳＭ３の量を補充（または補給）することができる。

溶融装置アセンブリ１は、上述したのと同様の方法で操作して、キャスティング装置ＧＡ３に溶融ソース材料ＳＭ３の導かれた流れを提供することができる。図示する態様例において、ルツボフィンガＣＦ３によって形成されたモールドＭＤ３に、溶融させたソース材料ＳＭ３を提供されることができるように、溶融装置アセンブリ１は、最初に、キャスティング装置の上方に配置される。粒状多結晶シリコンＧＰ（図１０）を溶融装置アセンブリ１に加えた後で、溶融装置アセンブリ内の上側加熱作用コイル９５を操作して、溶融ルツボ６５内のソース材料を溶融させる。下側加熱コイル９９を操作して、ルツボノズル８５上の固体プラグＯＰを溶融させて、溶融ソース材料ＬＳを溶融装置アセンブリ１のオリフィス１１１を通して流れさせると、溶融させたソース材料の導かれたストリームを結晶製造装置ＧＡ３のルツボＧＣ３へ供給することができる。結晶製造装置のルツボＧＣ３が充填された後、下側加熱コイル９９の操作を中断すると、溶融装置アセンブリ内で凝固したソース材料の固体プラグＯＰを形成することができる。固体プラグＯＰは溶融装置アセンブリ１から溶融させたソース材料ＬＳが流出することを防止する一方で、キャストインゴットＳＩ３はキャスティング装置ＧＡ３から取り出されるか、または次の多結晶体を製造するために新たなキャスティング装置が溶融装置アセンブリの下側に配置される。

図２９に示されるキャスティング装置ＧＡ３は、この発明の範囲を逸脱することなく、バッチ式の固体インゴットをキャスティングするための固体壁を有する、常套の冷たいルツボモールドに置き換えられることもできると理解されたい。米国特許第４，７６９，１０７号、同第４，５７２，８１２号、および同第４，１７５，６１０号を参照することができ、本発明の溶融装置アセンブリ１を利用することが可能なキャスティングプロセスに関するその他の情報についても、それらの開示事項は参照することによってこの明細書に組み込まれる。

本発明またはその好ましい態様例の要素について、「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」および「前記（ｓａｉｄ）」という記載は、１又はそれ以上の要素があることを意味している。「含んでなる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という語句は、包括的な意味であって、言及した要素以外の要素が存在してもよいことを意味することを意図している。

上述した事項を考慮すると、発明のいくつかの目的が達成されており、その他の利点も達成されていると理解されるであろう。

本発明の範囲を逸脱することなく、上述した構成の中で種々の変更を行うことができるので、本明細書の説明の中に含まれているすべての事項または添付図面に示される事項はすべて、例示を目的とするものであって、この発明がそれらに限定されるものではないということが意図されている。

図１は、本発明の溶融装置アセンブリの模式的な垂直断面図である。 図２は、結晶引上げ装置の形態の従来技術における結晶製造装置の模式的な一部破断断面図である。 図３は、結晶引上げ装置の下側ハウジングに取り付けられた溶融装置アセンブリの模式的な一部破断断面図である。 図４は、溶融装置アセンブリから独立している溶融ルツボ、サセプタおよび誘導コイルを示す模式的な垂直断面図である。 図５は、溶融装置アセンブリから独立している溶融ルツボ、サセプタおよび誘導コイルの立面図である。 図６は、図５における６−６線を含む面についての横断面図である。 図７は、図５における７−７線を含む面についての横断面図である。 図８は、サセプタの分解した垂直断面図である。 図９は、溶融ルツボのノズルを示す拡大した一部破断断面図である。 図１０は、図４と同様の模式的な垂直断面図であって、溶融ルツボがフィーダからの固体多結晶シリコンによって充填されている状態を示している。 図１１は、図１０と同様の状態であって、溶融ルツボ内での固体多結晶シリコンの初期溶融状態を示している。 図１１Ａは、図１１と同様の状態であって、溶融ルツボ内で固体の多結晶シリコンを更に溶融させた状態を示している。 図１２は、図１１と同様の状態であって、溶融ルツボ内で固体の多結晶シリコンを更に溶融させた状態を示している。 図１３は、図１２と同様の状態であって、溶融ルツボの中に固体の多結晶シリコンフィードを付加する状態を示している。 図１３Ａは、図１３と同様の状態であって、溶融ルツボ内で固体多結晶シリコンを更に溶融させた状態を示している。 図１４は、図１２と同様の状態であって、溶融ルツボ内で固体の多結晶シリコンを更に溶融させた状態を示している。 図１５は、図１４と同様の状態であって、溶融ルツボのアウトレットを通って流れる液状シリコン、およびルツボの中に固体の多結晶シリコンを添加する状態を示している。 図１６は、図１５と同様の状態であって、溶融ルツボ内でメルト高さが降下する状態を示している。 図１７は、図１５と同様の状態であって、溶融ルツボのもう１つの態様を示している。 図１８は、本発明のもう１つの態様の溶融装置アセンブリの模式的な断面図である。 図１９は、本発明のもう１つの態様の溶融装置アセンブリの拡大し破断した模式図である。 図２０は、本発明のもう１つの態様の溶融装置アセンブリの模式図である。 図２１は、図２０の態様の溶融ルツボの破断した断面図である。 図２１Ａは、１つの態様例のメルトフローガイドの模式的な断面図である。 図２１Ｂは、第２の例のメルトフローガイドの模式的な断面図である。 図２１Ｃは、第３の例のメルトフローガイドの模式的な断面図である。 図２２は、結晶製造装置に取り付けられて示されている溶融装置アセンブリのもう１つの態様の模式的な断面図である。 図２３は、液状シリコンが溶融ルツボと結晶製造装置の主たるルツボの間で移されている状態を示す、溶融装置アセンブリのもう１つの態様の模式的な断面図である。 図２４は、ＥＦＧ結晶引上げ装置の形態の、従来技術における結晶製造装置の模式的な一部破断断面図である。 図２５は、図２４の結晶製造装置の下側ハウジングに取り付けられている溶融装置アセンブリの模式的な一部破断断面図である。 図２６は、従来技術のリボン成長結晶製造装置の部分的斜視図である。 図２７は、図２６の結晶製造装置の下側ハウジングに取り付けられた溶融装置アセンブリの模式的な一部破断断面図である。 図２８は、キャスティングルツボの形態である従来技術の結晶製造装置の上方に取り付けられた溶融装置アセンブリの模式的な一部破断断面図である。 図２９は、一連の結晶引上げ装置の中の第１の結晶引上げ装置に対応して供給するように配置された溶融装置アセンブリの模式図である。

Claims (32)

1. 溶融させたソース材料の装入材料を結晶製造装置へ供給するための溶融装置アセンブリであって、
   ハウジング；前記ハウジング内に配置されたルツボ；前記ルツボの中に入れられた固体ソース材料を溶融させるためにルツボに対して配置されたヒータを有してなり、
   溶融させたソース材料の流れを制御することに適応化されたノズルをルツボが有していることによって、溶融させたソース材料の導かれた流れを選択された流量にて結晶製造装置へ供給することができることを特徴とする溶融装置アセンブリ。
2. 前記導かれた流れは、溶融させたソース材料のコヒーレントなストリームである請求項１に記載の溶融装置アセンブリ。
3. 前記ノズルは、相対的に大きい直径の第１の部分、相対的に小さい直径の第２の部分、および中間の直径の第３の部分を有してなり、該ノズルの第３の部分の長さが該ノズルの第１の部分および第２の部分の長さよりも長い請求項１に記載の溶融装置アセンブリ。
4. ノズルの第３の部分の長さは、ミリメートル単位で、第３の部分の直径を第２の部分の直径にて除して５０倍した数値に５０ミリメートルを加えた数値に実質的に等しく、前記選択された流量は約５０ｋｇ／ｈｒ〜約１４０ｋｇ／ｈｒの範囲である請求項３に記載の溶融装置アセンブリ。
5. 前記ヒータは、前記ルツボの上側部分の全体のまわりの第１の誘導コイルを有しており、該第１の誘導コイルは電源に接続されて、前記第１の誘導コイルに電流を供給することに適応化されている請求項１に記載の溶融装置アセンブリ。
6. 前記ヒータは前記ルツボの下側部分の全体のまわりの第２の誘導コイルを有しており、該第２の誘導コイルはもう１つの電源に接続されて、前記ルツボの下側部分のソース材料に熱を供給することに適応化されている請求項５に記載の溶融装置アセンブリ。
7. 第１および第２の誘導コイルとルツボとの間に配置されたサセプタをさらに有してなり、該サセプタは、前記第１の誘導コイルによる誘導加熱を防止するための、周方向について間隔をおいて配置された複数のフィンガを有する上側部分と、該サセプタの誘導加熱を促進する下側部分とを有する請求項６に記載の溶融装置アセンブリ。
8. 前記サセプタは、円錐形態の中間部分と、ギャップによって隔てられた下側のアウトレット部分とを有しており、前記中間部分と前記上側部分とはギャップによって隔てられている請求項７に記載の溶融装置アセンブリ。
9. 溶融装置アセンブリから結晶製造装置へ降下することに適応化されているスプラッシュガードであって、前記溶融装置アセンブリから結晶製造装置の中へ溶融させたソース材料を流入させる間に結晶製造装置を保護するスプラッシュガードを更に有する請求項１に記載の溶融装置アセンブリ。
10. エッジ規定されるフィルム成長（ＥＦＧ）方法に従って中空多結晶シリコン物体を成長させるために適応化された結晶引上げ装置、および鋳造多結晶シリコン物体を形成するために適応化したルツボを有する結晶製造装置と組み合わせられる請求項１に記載の溶融装置アセンブリ。
11. ルツボから結晶製造装置へ溶融させたソース材料の流れを案内するメルトフローガイドを更に有してなり、前記メルトフローガイドは前記ノズルによって受けられた少なくとも１つのチューブと、該ノズルを受け入れるチューブとを有する請求項１に記載の溶融装置アセンブリ。
12. 前記メルトフローガイドは、結晶製造装置とノズルとの間を流れる間に溶融したシリコンを加熱させるための加熱エレメントを有してなる請求項１１に記載の溶融装置アセンブリ。
13. 溶融装置アセンブリを結晶製造装置に対して配置して、該装置のルツボに溶融させたシリコンを供給する工程；
    溶融装置アセンブリの上側加熱コイルを操作して、溶融ルツボの中でソース材料を溶融させる工程；および
    溶融装置アセンブリの下側加熱コイルを操作して、溶融させたソース材料を溶融装置アセンブリのオリフィスの中を通して流れさせて、溶融させたソース材料のストリームを結晶製造装置のルツボへ供給する工程
    を含んでなる溶融させたソース材料を結晶製造装置に装入する方法。
14. 成長チャンバーを規定する結晶製造装置の下側ハウジングから、引上げチャンバーを規定する結晶製造装置の上側ハウジングを取り外す工程、および前記上側ハウジングに代えて、下側ハウジングに溶融装置アセンブリを取り付ける工程を含んでなる請求項１３に記載の方法。
15. 下側ハウジングから溶融装置アセンブリを取り外し、該下側ハウジングに上側ハウジングを再度取り付け、前記溶融装置アセンブリから下側ハウジング内のルツボに供給されたメルトから単結晶インゴットを成長させることを更に含んでなる請求項１３に記載の方法。
16. 結晶製造装置は第１の結晶引上げ装置を構成しており、方法は下側ハウジングから第２の結晶引上げ装置の上側ハウジングを取り外すこと、および前記上側ハウジングの代わりに前記下側ハウジングに溶融装置アセンブリを取り付けることを含んでなる請求項１４に記載の方法。
17. 結晶製造装置の下側ハウジングに溶融装置アセンブリを取り付ける工程の後で、ソース材料を溶融させる工程を行う請求項１４に記載の方法。
18. 下側加熱コイルを動作させるのと同時に、溶融装置アセンブリの中へ追加の固体ソース材料を供給する工程を含んでなり、固体ソース材料の質量流量を溶融装置アセンブリから流出する溶融させたソース材料の質量流量と等しくなるように制御することを更に含んでなる請求項１３に記載の方法。
19. 上側の加熱コイルを動作させる工程の前に、溶融装置アセンブリの中に所定量の固体ソース材料を供給する工程を有してなり、上側の加熱コイルを動作させる工程は、溶融装置アセンブリのノズルを塞ぐための溶融していないソース材料のプラグ部分を外すことを含んでなる請求項１３に記載の方法。
20. 下側の加熱コイルを操作する工程が、ソース材料のプラグ部分を溶融させてノズルの閉塞を外すことを含んでなる請求項１９に記載の方法。
21. 下側の加熱コイルを操作する工程が、ソース材料の融点より高い過熱を維持して、結晶引上げ装置の下側ハウジング内のルツボに供給する間にソース材料が固化することを防止する工程を含んでなる請求項１３に記載の方法。
22. 上側の加熱コイルを動作させる工程が、所望される質量流量の溶融シリコンを供給するための溶融装置アセンブリのアウトレット上方においてメルト高さを確定することを含んでなり、前記方法は、結晶引上げ装置に対して溶融装置アセンブリを加圧して溶融シリコンの所望される質量流量を維持することを含んでなる請求項１３に記載の方法。
23. 溶融装置アセンブリを加圧する工程は、メルト高さの降下について約２ｔｏｒｒ／センチメートルで溶融装置アセンブリに不活性ガスを加えることを含んでなる請求項２２に記載の方法。
24. 下側加熱コイルの操作を停止して、オリフィスからソース材料が流れることを防止するソース材料の固体プラグを生じさせることによって、オリフィスを通る溶融シリコンの流れを停止させることを更に含んでなる請求項１３に記載の方法。
25. 結晶製造装置のルツボに供給されたメルトから単結晶インゴットを成長させること、および結晶製造装置のルツボに供給されたメルトから多結晶物体を形成することの少なくとも１つを更に含んでなる請求項１３に記載の方法。
26. 前記多結晶物体は、エッジ規定されるフィルム成長（ＥＦＧ）方法に従って形成される中空の多角形のシリコン物体、多結晶シリコンのリボン、およびキャストされたシリコン物体の少なくとも１つである請求項２５に記載の方法。
27. １つの溶融装置アセンブリによって複数の結晶製造装置に対応して供給を行う方法であって、
    第１の装置のルツボに溶融シリコンを供給するために、第１の結晶製造装置に対して溶融装置アセンブリを配置する工程；
    溶融装置アセンブリのヒータを操作して溶融ルツボ内でソース材料を溶融させる工程；
    溶融装置アセンブリから第１の結晶製造装置へ溶融させたソース材料のストリームを供給する工程；
    第２の装置のルツボに溶融シリコンを供給するために、第２の結晶製造装置に対して溶融装置アセンブリを配置する工程；ならびに
    溶融装置アセンブリから第２の結晶製造装置へ溶融させたソース材料のストリームを供給する工程
    を含んでなる方法。
28. ソース材料を溶融させるために溶融装置アセンブリのヒータを操作することは、ヒータの上側誘導コイルに電力を供給することを含んでなり、ならびに、溶融させたソース材料のストリームを供給することは、ヒータの下側誘導コイルに電力を提供して、溶融装置アセンブリのオリフィスを通る流れを開始させることを含んでなる請求項２７記載の方法。
29. ヒータの操作を停止して、溶融ルツボからの流れを防止するソース材料の固体プラグを形成することによって、溶融ルツボからの溶融させたソース材料の流れを停止させることを更に含んでなる請求項２７に記載の方法。
30. 溶融装置アセンブリのルツボに供給されたソース材料から単結晶インゴットを成長させることを更に含んでなる請求項２７に記載の方法。
31. 溶融装置アセンブリのルツボに供給されたソース材料から多結晶物体を成長させることを更に含んでなり、前記多結晶物体は、エッジ規定されるフィルム成長（ＥＦＧ）方法に従って形成される中空の多角形のシリコン物体、多結晶シリコンのリボン、およびキャストされたシリコン物体の少なくとも１つである請求項２７に記載の方法。
32. 第２の結晶製造装置に対して溶融装置アセンブリを配置することは、溶融装置アセンブリを持ち上げること、および溶融装置アセンブリを第２の結晶製造装置の上方の位置に移動させることを含んでなる請求項２７に記載の方法であって、
    更に、第２の結晶製造装置に溶融させたソース材料のストリームを供給する前に、第２の結晶製造装置の下側ハウジングに溶融装置アセンブリを接続することを含んでなる方法。

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