JP6022000B2 - 半導体材料の結晶を作製するための装置およびプロセス - Google Patents

Description

発明は、半導体材料の結晶を作製するための装置およびプロセスに関する。装置は、坩堝と、半導体材料の供給原材料を溶融するためかつ半導体材料の成長中の結晶を覆う半導体材料の融液を安定化させるために設けられる誘導加熱コイルとを備える。

電子部品または太陽電池の生産のために、結晶形態の大量の半導体材料、特にシリコンの必要性が存在する。結晶は、断面が円形、矩形、または方形の単結晶または多結晶グレードで入手可能である。断面が非円形である結晶の作製は、とりわけ、特許文献１および特許文献２に記載される。

断面が円形である単結晶は、特にＣＺプロセスおよびＦＺプロセスを用いて工業規模で作製される。ＣＺプロセスは、坩堝中に保持される融液から、種結晶からぶら下がる単結晶を引くことを備える。融液は、坩堝を半導体材料の塊で満たし、坩堝の周りに配設される抵抗加熱手段を用いて当該塊を溶融することによって生成される。

ＦＺプロセスは、誘導加熱コイルを用いて種結晶と供給原材料ロッドとの間に溶融半導体材料のゾーンを生成することを備える。誘導加熱コイルは、ある直径を有する穴を真ん中に形成するコイル本体を備える平らなコイルである。種結晶および供給原材料ロッドの下降により、溶融ゾーンが供給原材料ロッドの中に移動し、供給原材料ロッドから溶融した半導体材料が種結晶上で結晶化する。まずネック部分が結晶化するようにされ、転位のない半導体材料を得る。その後半導体材料の単結晶が成長して、径が拡大していく円錐状部分を形成し、最終的にはほぼ一定の直径の円筒状部分を形成する。ＦＺプロセスは、たとえば、特許文献３に詳細に記載される。

ＦＺプロセスと同様の、しかし固体のロッドの代わりに半導体材料ペレットの供給原材料を用いる点で異なるプロセスの記載もある。そのようなプロセスの代表例が特許文献４であり、これは、単結晶および多結晶の作製を記載する。工業規模でこれらのプロセスのうち任意のものを用いることができるとはまだ証明されていない。この理由の１つが、坩堝から外への融液の搬送の制御の難しさである。

米国特許出願公開第２００５／０１８８９１８号明細書 欧州特許第２６９２９０８号明細書 欧州特許第２６７９７０６号明細書 米国特許第５，３６７，９８１号明細書

本発明の目的は、これを改善し、かつ工業規模で半導体材料から結晶を作製するためのより大きな有用潜在性を有する装置およびプロセスを提案することである。

当該目的は、半導体材料の結晶を作製するための装置によって達成され、装置は、坩堝底部および坩堝壁を備える坩堝を備え、坩堝底部は、頂面と、下側と、坩堝壁と坩堝底部の中心との間に配設される多数の開口とを有し、坩堝底部の頂面および下側上に配設される凸部が存在し、装置はさらに、坩堝の下に配設され、かつ半導体材料を溶融しかつ半導体材料の成長中の結晶を覆う半導体材料の融液を安定化させるために設けられる誘導加熱コイルを備える。

当該目的は、半導体材料の結晶を作製するためのプロセスによってさらに達成され、プロセスは、上述の装置を設けることと、坩堝底部の頂面上に半導体材料の供給による層を生成することと、誘導加熱コイルを用いて半導体材料の層を溶融し、坩堝底部の頂面から坩堝底部中の開口を通して坩堝底部の下側へ溶融した半導体材料を通し、半導体材料の成長中の結晶を覆いかつ融液ゾーンの領域である融液へと、坩堝底部の下側上の凸部の下を通過させることとを備える。

プロセスは、ＦＺプロセスに非常によく似るように設計される。ＦＺプロセスと比較した相違点から生じる問題はこのように軽微である。坩堝の形状および構成がここでは特定の役割を果たす。たとえば、誘導加熱コイルの真ん中の穴の中にまたは誘導加熱コイルの下に配設されかつ成長中の結晶を覆う融液ゾーンの領域の中に突出する坩堝の構成要素は存在しない。供給原材料からの溶融半導体材料は結晶が成長する界面に流れ、用いられる供給原材料が供給原材料ロッドである場合と同様の経路を取る。さらに、供給原材料は、粉体化が排除されかつ融液ゾーン振動および溶融半導体材料の噴霧が回避されるように与えられる。使用済みの坩堝を、まず費用がかかりかつ不便なメンテナンスを必要とせずに、再使用することができる。

有用な半導体材料は、特に、シリコンまたはゲルマニウムまたはその混合物を含む。半導体材料がシリコンである場合が特に好ましい。半導体材料は好ましくは、ペレットもしくは塊の形態で、またはペレットと塊との混合の形態で用いられる。ペレットの平均径は好ましくは０．２ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。それにも係わらず、たとえば、ペレットまたは塊とともに半導体材料の粉体などの半導体材料のより小さな粒子を溶融することもできる。

発明に従って作製される結晶は好ましくは、単結晶または多結晶（ポリクリスタル）である。シリコンの単結晶が特に好ましい。発明に従って作製される結晶は、断面が円形、矩形、または方形である。断面形状は、本質的に、成長中の結晶が回転されるか否かに依存する。成長中の結晶がＦＺプロセスでは通常であるように回転されると、単結晶または多結晶であり得る、断面が円形の結晶が形成される。回転が行なわれない場合、たとえば、特許文献１または特許文献２に記載のように、溶融した半導体材料を結晶化することにより、断面が矩形または方形の結晶を作製することもできる。

坩堝は、坩堝の壁によって境界を定められた、好ましくは円形の周を有する坩堝底部を有する。坩堝底部の直径は好ましくは、誘導加熱コイルの真ん中の穴の直径よりも大きい。坩堝底部には多数の開口が設けられる。開口は好ましくは断面が円形である。開口は鉛直方向にまたは傾斜して坩堝底部を貫通することができる。傾斜して坩堝を通る場合、開口の鉛直方向軸と成長中の結晶の鉛直方向軸との間の距離は、坩堝底部からの距離が大きくなるにつれて下向きに大きくなる傾斜姿勢が好ましい。開口の断面が円形である場合、開口の直径は好ましくは０．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下である。

坩堝底部は頂面および下側を有し、頂面および下側上に凸部が存在する。凸部は、頂面上に上向きにかつ下側上に下向きに突出する材料の突出部である。凸部のために、坩堝の頂面および下側は水平よりもむしろ構造化される。開口は好ましくは凸部同士の間に配設される。凸部は好ましくは、交差せず、円形または螺旋のパターンを形成する軌道に沿って延在する。坩堝底部の中心の周りに同心円のパターンを形成する軌道に沿って配設される凸部が特に好適である。しかしながら、交差して、たとえば菱形または市松のパターンを形成する軌道も好ましい。交差しない軌道に沿って配設される、隣接する凸部の真ん中同士の間の距離が、好ましくは２ｍｍ以上１５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以上６ｍｍ以下であることがさらに好ましい。凸部の最も高い点と隣接する開口の端縁との間の高低差は、好ましくは、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下である。

好ましくは、坩堝底部の頂面および下側の外側端縁にある凸部と、坩堝底部の中心に径方向により近い対応の凸部との間には傾斜がある。傾斜は、好ましくは、１°以上４５°以下、より好ましくは１°以上５°以下の傾斜角を有する。

坩堝底部の中心の坩堝底部の下側に、下向きに突出し、かつ誘導加熱コイルの中心の穴の上方に配設される突起が存在することが好ましい。突起はたとえば水滴形状である。

坩堝底部の頂面および下側ならびに好ましくは坩堝のすべての他の表面は、液体の半導体材料に接しても熱的に安定しており、かつ不純物による液体半導体材料の汚染をほとんど生じさせないセラミック材料からなる。坩堝は、セラミック材料で被覆された母体構造からなることができる。坩堝全体がセラミック材料からなることもできる。母体構造のための構成の可能な材料は、熱安定性が高く、かつたとえば金属および炭素などの、セラミック材料で被覆可能な破壊耐性のある材料である。炭素の母体構造が特に好ましい。セラミック材料は好ましくは、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、窒化ホウ素（ＢＮ）、六硼化ランタン（ＬａＢ₆）、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、または石英（ＳｉＯ₂）などの材料である。炭化珪素が特に好ましい。

断面が円形のシリコンの単結晶を作製する例を参照して、発明をより特定的に記載する。

用いられる供給原材料は、ペレットの形態または塊の形態またはペレットと塊との混合の形態のシリコンである。ペレットは特に、流動層で生成される多結晶シリコンの粒である。ペレットは好ましくは平均径が０．２ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。塊は、たとえば、多結晶シリコンの棒の粉砕によって得ることができる。塊は好ましくは、最大長手方向長さが０．２ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。供給原材料は坩堝中の層の形態で与えられる。層は好ましくはさらなる量の供給原材料で補充される。補充される量は好ましくは、単結晶の成長を維持するために溶融される層の量に対応する。補充されるべき量は、好ましくは、さらなる供給原材料が層に流れ落ちるのを許容することによって与えられる。供給原材料およびさらなる供給原材料は、シリコンだけではなく１つ以上の電気的に活性のドーパントも備えることができる。

発明者らは、液体シリコンの搬送を容易にするには凸部が必要であることを見出した。凸部が存在しないと、液体シリコンの搬送がうまくいかない。この理由は、液体シリコンによる坩堝底部の材料の適度な濡れ性である。平らな坩堝底部を用いる結果、ゆっくり移動する液体シリコンのアイランドが形成されるが、これは流れるための傾斜をほぼ全く示さない。坩堝底部の頂面および下側の構造化は、液体シリコンの流動挙動をはっきりと向上させる。アイランド形成はもはや観察されない。頂面上で、溶融したシリコンが開口を通ってまた凸部の上も流れる。坩堝底部の下側に達しかつ坩堝底部の中心までの径方向距離が相対的に大きいところにある溶融シリコン分が内向きに流れ、当初は表面張力によって坩堝底部に近接して保持され、凸部の下を通って、坩堝底部の下側の中心の突起に到達し、またこの領域中の溶融ゾーンの縮小した径のために溶融ゾーンネックとしても公知の溶融ゾーンの領域の中に到達する。

溶融した材料の溶融ゾーンネックへの到達の仕方は基本的にＦＺプロセスとは異ならない。坩堝底部の下側と供給原材料ロッドの底部端側とは非常に類似している。両方の表面は同等のトポグラフィを有し、これらの表面の上を溶融ゾーンネックへと流れる溶融シリコンはこのように、同様の挙動を呈する。

坩堝底部の頂面上の供給原材料の層は好ましくは、溶融ゾーンが形成される前に生成される。頂面上に供給原材料を積み上げて円錐状の層を形成することが特に好ましい。層は、好ましくはさらなる供給原材料が層に流れ落ちるのを許容することによって、必要に応じて、さらなる供給原材料で補給される。この目的のため、さらなる供給原材料で充填された管が層に対して保持され、したがって自由落下距離を克服する必要なく、さらなる供給原材料が層に到達することができる。

単結晶は、補給用のさらなる供給原材料を内蔵する管が好ましくは静止したままの状態で坩堝を回転させることによって作製される。坩堝回転の向きを、成長中の単結晶が回転されている回転の向きに一致させることができる。坩堝および単結晶を逆に回転させることもできる。さらに、単結晶、または単結晶および坩堝の交互の回転を与えることもできる。交互の回転は、時間間隔をおいて回転の向きを反転させることを備える。

坩堝を初めて用いる際は、坩堝底部の頂面上に層を生成する際に開口が供給原材料によって確実に塞がれるように留意する。これは、坩堝底部を覆う層の少なくとも第１の層が、開口を通って落下できるには大き過ぎるペレットまたは塊からなることを確実にすることによって、有利に達成される。使用済みの坩堝を再使用する際は、開口は既に固化した残留融液によって既に塞がれているので、そのような方策は不要である。

層から徐々に供給原材料を溶融するのに、坩堝の下に配設される誘導加熱コイルが用いられる。供給原材料の導電性を増大させるために、電気的に活性のドーパントでドープすることができる。

単結晶の結晶化を実行させるためにまずシリコンを溶融する。溶融したシリコンは、坩堝底部の下側の中心から下向きに突出する突起に集まる。種結晶がそれに接触され、ネック部分が結晶化する。そのためのおよびネック部分上に成長する単結晶の結晶化のために必要な量のシリコンは、誘導加熱コイルを用いて、層として坩堝底部の頂面上に配設される供給原材料から徐々に溶融されてなくなる。層の容積はほぼ一定のままである。なぜなら、補償のために、さらなる供給原材料が筒から流れ出て層を補給するからである。成長中の単結晶の円筒状部分が所望の長さに達すると、別の円錐状の端部分が結晶化するようにされる。誘導加熱コイルが一旦スイッチオフされて単結晶が除かれると、坩堝底部の頂面および下側を濡らす溶融シリコンが固化する。次に坩堝は、まずメンテナンスを要件とすることなく、それを再使用可能な状態になる。同じように、さらなる供給原材料での補給を中断することができ、坩堝底部の頂面上の供給原材料を本質的に使い尽くすと、単結晶の成長が終了した。次に坩堝は、未使用状態と同様の状態になる。

発明の１つの実施形態を図面を参照して以下に説明する。

発明に従う装置の概略断面図である。 図１に従う坩堝の斜視図である。

図１は、結晶が成長中の時点での好ましく構成される坩堝１を有する装置を示す。溶融ゾーンは、成長中の結晶を覆う領域２と、ネック領域３と、坩堝底部５に近接する領域４とからなる。溶融ゾーンのネック領域３は、誘導加熱コイル７の真ん中の穴６を通って延在する。誘導加熱コイルは、坩堝１の坩堝底部５と成長中の結晶を覆う溶融ゾーンの領域２との間に配設される。坩堝１は、坩堝底部５および坩堝壁８から本質的になる。坩堝底部５は、頂面９と、下側１０と、坩堝壁８と坩堝底部の中心との間に配設され、かつ坩堝底部５を貫通する多数の開口１１とを有する。坩堝底部５の頂面９および下側１０は、その上に配設される凸部１２を有する。開口１１は凸部１２同士の間に配設される。坩堝底部５の下側１０上の坩堝底部５の中心に、下向きに突出する突起１３が配設される。坩堝底部の頂面９の上には、円錐状の層１４を形成するように固体半導体材料の供給原材料が積み上がっている。円錐状層１４の近くに、さらなる供給原材料で補給するための機器が保持され、当該機器はさらなる供給原材料１６で充填された管１５を備える。

図２に示されるように、坩堝１は、坩堝底部５の中心の周りに同心円のパターンを形成する軌道に沿って延在する凸部１２を有する。隣接する凸部１２の真ん中同士の間の距離は一定である。

１ 坩堝、２ 領域、３ ネック領域、４ 領域、５ 坩堝底部、６ 穴、７ 誘導加熱コイル、８ 坩堝壁、９ 頂面、１０ 下側、１１ 開口、１２ 凸部、１３ 突起、１６ 供給原材料

Claims (12)

1. 半導体材料の結晶を作製するための装置であって、
   坩堝底部および坩堝壁を備える坩堝を備え、前記坩堝底部は、頂面と、下側と、前記坩堝壁と前記坩堝底部の中心との間に配設される多数の開口とを有し、前記坩堝底部の前記頂面および前記下側上に配設される複数の凸部が存在し、さらに
   前記坩堝の下に配設され、半導体材料を溶融しかつ半導体材料の成長中の結晶を覆う半導体材料の融液を安定化させるために設けられる誘導加熱コイルを備える、装置。
2. 前記複数の凸部は、円形、螺旋、菱形、または市松のパターンを形成する軌道に沿って延在することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 交差しない前記軌道に沿って配設される、隣接する前記複数の凸部の真ん中同士の間の距離は２ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 前記坩堝底部の前記中心の前記坩堝底部の前記下側上に、下向きに突出し、かつ前記誘導加熱コイルの真ん中の穴の上に配設される突起が存在することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
5. 前記坩堝底部の前記頂面および前記下側はセラミック材料からなることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 半導体材料の結晶を作製するためのプロセスであって、
   請求項１から５のいずれかに記載の前記装置を設けることと、
   前記坩堝底部の前記頂面上に半導体材料の供給による層を生成することと、
   前記誘導加熱コイルを用いて前記半導体材料の層を溶融し、溶融した前記半導体材料を前記坩堝底部の前記頂面から前記坩堝底部中の前記開口を通って前記坩堝底部の前記下側へ通し、半導体材料の成長中の結晶を覆いかつ溶融ゾーンの領域である融液へと、前記坩堝底部の前記下側上の前記複数の凸部の下を通過させることとを備える、プロセス。
7. 前記半導体材料の層を溶融する前に、前記坩堝底部中の前記開口は前記半導体材料の層でまたは固化した半導体材料で塞がれることを特徴とする、請求項６に記載のプロセス。
8. 半導体材料の供給により生成された前記層は、本質的に、半導体材料のペレットまたは半導体材料の塊または半導体材料のペレットと塊との混合を備えることを特徴とする、請求項６および７のいずれかに記載のプロセス。
9. 前記層は、さらなる供給原材料が前記層へと流れ落ちるのを許容することによってさらなる供給原材料で補給されることを特徴とする、請求項６から８のいずれかに記載のプロセス。
10. 前記半導体材料はシリコンであることを特徴とする、請求項６から９のいずれかに記載のプロセス。
11. 前記結晶は単結晶または多結晶であることを特徴とする、請求項６から１０のいずれかに記載のプロセス。
12. 前記結晶の断面は円形、矩形、または方形であることを特徴とする、請求項６から１１のいずれかに記載のプロセス。

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