JP2014504582A - 化学蒸着システムのためのチャックおよびその関連方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、化学蒸着中に作られるロッドを支持するウェルを有するチャックを提供する。このチャックはウェルの周りにスラットおよびウィンドウを使用し、これらのスラットおよびウィンドウのところを上限としてロッドが成長することができ、支持され得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、光起電システム内で構成要素として使用され得る半導体材料を作るために使用される化学蒸着（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＣＶＤ））システムを対象とする。より詳細には、本発明は、改良されたチャック、さらには、化学蒸着プロセスに改良されたチャックを組み込むシステムおよび方法に関する。

Ｙａｔｓｕｒｕｇｉらが、米国特許第４，１４７，８１４号において、均一な断面形状を有する高純度シリコンロッドを製造する方法を開示している。
Ｇｉｌｂｅｒｔらが、米国特許第５，２７７，９３４号において、多結晶質シリコンの製造中にスタータフィラメント（ｓｔａｒｔｅｒ ｆｉｌａｍｅｎｔ）のためのグラファイトチャックを保護するための方法を開示した。

Ｃｈａｎｄｒａらが、米国特許第６，２８４，３１２（Ｂ１）号において、ポリシリコンの化学蒸着のための方法および装置を説明しており、これはその全体があらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

Ｇｕｍらが、国際公開ＷＯ２０１０／０００８４７７号において、化学蒸着反応器内のチューブフィラメントのためのチャックおよび架橋部接続点を開示した。

本発明は、改良されたチャック、さらには、化学蒸着プロセスに改良されたチャックを組み込むシステムおよび方法を提供する。

本発明の１つまたは複数の態様は、化学蒸着システムで使用され得るチャックに関してよい。チャックは、ウェルおよびフィラメントチャネルを備える第１のセクションを有することができる。また、チャックは通常、電極チャネルを有する第２のセクションを有する。本発明の一部の構造では、ウェルは、ウェルの底部表面から第１のセクションの一方の端部まで円周方向に延在する複数のスラットによって画定され得る。複数のスラットの各々はウィンドウによって分離され得、また、本発明の一部のさらなる構造では、各ウィンドウが隣接するスラットの長さに沿って少なくとも部分的に延在してよい。本発明の一部の構造では、チャックは円筒形本体を有することができる。本発明のさらなる構造では、ウェルは、本体内で同軸に配置され得、一部の事例では、ウェルを円周方向において囲む壁により少なくとも部分的に画定される。本発明の１つまたは複数の構造では、チャックは、ウェルの周りで円周方向に配置される複数のスロットを備えることができる。複数のスロットの各々はウェルの実質的に長さに沿って延在するように構成され得る。本発明のさらなる構造では、ウェル、フィラメントチャネルおよび電極チャネルは、チャックの長手方向軸に沿って同軸に配置され得る。

本発明の１つまたは複数の態様は、化学蒸着システムを対象としてよい。この化学蒸着装置は、円錐台形セクションと第１の接触セクションとを有するチャックを備えることができ、円錐台形セクションはフィラメントチャネルを有しかつ円筒形状のウェルを同軸に囲み、フィラメントがフィラメントチャネル内で固定される１つの端部を有する。円筒形状のウェルは、通常、フィラメントチャネルのフィラメント直径より大きいウェル直径を有する。この化学蒸着システムは第２のチャックをさらに備えることができ、本発明の一部の構造では、この第２のチャックは、第２のフィラメントチャネルと、第２のウェルを円周方向において囲む第２の円錐台形セクションとを有することができる。フィラメントは第２のフィラメントチャネル内で固定される第２の端部を有することができる。本発明の一部の構造では、フィラメントは、第１の接触セクションと、第２のチャックの第２の接触セクションとを介して、電流源に電気接続される。第１の円錐台形セクションおよび第２の円錐台形セクションのいずれか一方または両方は、ウェルの内部容積を第１のチャックまたは第２のチャックのぞれぞれの外部環境に流体的に接続させる複数のウィンドウを有することができる。複数のウィンドウの各々はウェルの実質的に少なくとも一部分に沿って延在してよく、また、円錐台形セクションの長手方向軸に平行であってよい。

本発明の１つまたは複数の態様は半導体ロッドを作る方法を対象としてよい。半導体ロッドを製造するこの方法は、蒸着反応器内で第１のチャックを固定することであって、この第１のチャックが、第１のフィラメントチャネルと、第１の円筒形状のウェルを同軸に囲む第１の円錐台形セクションとを有する、ことと、蒸着反応器内で第２のチャックを固定することであって、この第２のチャックが、第２のフィラメントチャネルと、第２の円筒形状のウェルを同軸に囲む第２の円錐台形セクションとを有する、ことと、第１のフィラメントチャネル内でフィラメントの第１の端部を固定しかつ第２のフィラメントチャネル内でフィラメントの第２の端部を固定することと、少なくとも１つの半導体前駆体化合物（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｐｒｅｃｕｒｓｏｒ ｃｏｍｐｏｕｎｄ）を蒸着反応器内に導入することと、少なくとも１つの半導体前駆体化合物のうちの少なくとも一部分を加熱されたフィラメント上で半導体に変換することを促進することを目的として反応温度までフィラメントを加熱するために、フィラメントを通るように電流を流すことと、を含む。本発明による方法の一部の変形形態では、第１のチャックが、円筒形状のウェルの周りに配置される複数のウィンドウを有することができる。

添付図面は正確な縮尺で描かれていない。これらの図面では、種々の図に示される各々の同一またはほぼ同一の構成要素は同様の参照符号によって示される。見易くするために、すべての図面で必ずしもすべての構成要素に符号が付けられているわけではない。

本発明の１つまたは複数の態様を実施するのに使用され得る化学蒸着システムの一部分を示す概略断面図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、チャックを示す概略斜視図である。 本発明は１つまたは複数のさらなる実施形態による、チャックを示す概略斜視図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、図３に概略的に示されるチャックを示す概略長手方向断面図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、図３に概略的に示されるチャックの第１のセクションの端部を示す概略斜視図である。 図６Ａは、多結晶質シリコン半導体材料を作るために使用される伝統的な従来技術のチャックの温度プロファイルを示す図である。 図６Ｂは、本発明の１つまたは複数の態様による、多結晶質シリコン半導体材料を作るために使用されるチャックの温度プロファイルを示す図である。 図７Ａは、多結晶質シリコン半導体材料を作るために使用される伝統的な従来技術のチャックを示す図である。 図７Ｂは、本発明の１つまたは複数の態様による、多結晶質シリコン半導体材料を作るために使用されるチャックを示す図である。

本発明の１つまたは複数の態様は、一部の蒸着条件下で起こり得る転倒（tip-over）事象の可能性を低減またはさらには排除するチャックを化学蒸着システム内で使用することを伴う。本発明は、化学蒸着プロセス中に作られるロッドを支持するウェルを有するチャックを提供することができる。チャックはウェルの周りにウィンドウおよびスラット（slat）を有することができ、ロッドは、これらのウィンドウまたはスラットのところを上限として成長することができ、支持され得る。したがって、本発明の一部の態様は、ＣＶＤ反応器内で作られるロッドが転倒しないようにするまたは転倒する可能性を低減する特徴を提供して、他の作られた、適切であるはずのロッドの成長を不完全にさせる接地事故（ground fault）を回避する。本発明のさらなる態様は、製造物がその上に蒸着されるフィラメントの周りに熱障壁を提供する特徴を有するチャックを化学蒸着プロセス中に使用することを伴ってよい。

図１は、本発明の１つまたは複数の態様により使用され得るＣＶＤシステム１０の断面図を示す。システム１０はベースプレート２３とベルジャー（bell jar）１７とを有することができる。システム１０は１つまたは複数のガス入口２０および１つまたは複数のガス出口２１をさらに有することができる。電極は通常はベースプレート２３に組み込まれる。システム１０の内部の目視検査を行うのを可能にするために、１つまたは複数のビューポート（図示せず）が使用され得る。システム１０は通常少なくとも１つのフィラメント１を使用し、その上に、作られる半導体材料が蒸着する。

本発明の１つまたは複数の態様は、垂直方向に方向付けられるフィラメント１およびその上に蒸着される材料を機械的に支持しさらには電極までの電気接続を提供する１つまたは複数のチャック９および９’を伴う。例示として図２〜５に示されるように、チャック９はその第１のセクション（換言すれば、区分）１２３のところにウェル１２１を有することができる。また、チャック９は、第１のセクション１２３の近くにあるかまたは第１のセクション１２３に連続する第２のセクション１２５を有することができる。チャック９の第２のセクション１２５は、電極チャネル（換言すれば、通路）１２７を通常有する接触セクションであってよい。チャック９のさらなる構造は、第１のセクション１２３内に通常は配置されるフィラメントチャネル１２９をさらに伴う。例示として示されるように、チャック９は、円筒形などの実質的に円筒形状であってよく、円錐台形の第１のセクション１２３および円筒形の第２のセクション１２５を備える。さらなる例示の構造は、チャック９の長手方向軸１３１に沿って同軸に配置されかつ位置合わせされるウェル１２１と、フィラメントチャネル１２９と、電極チャネル１２７の各々を有するような、半径方向において対称な複数のチャックを伴う。やはり例示として示されるように、フィラメントチャネル１２９はウェル１２１の底部表面１３５のところに開口部１３３を有することができる。ウェルが円形断面を有しかつフィラメントチャネルが円形断面を有するような実施形態では、ウェルの直径は通常はフィラメントチャネルの直径より大きい。チャックは円形の円筒形本体を有することができ、ウェルがこの本体内に同軸に配置される。一部の事例では、ウェルは、ウェルを円周方向において囲む壁によって少なくとも部分的に画定され得る。

本発明の特定の構造は、図４および５に例示として示されるように、１つまたは複数のウィンドウまたはスロット１３７および１つまたは複数のスラット１３９を有するチャックを伴ってよい。スラット１３９は、ウェル１２１を円周方向において取り囲み、ウェル１２１を少なくとも部分的に画定してよい。１つまたは複数のウィンドウまたはスロット１３７は、第１のスラットを別のスラットから分離するようなサイズおよび構成を有してよい。また、１つまたは複数のウィンドウまたはスロット１３７は、ウェル１２１の底部表面１３５からチャック９の開口端部または先端部までなどにおいて、ウェル１２１の長さに部分的に沿うかまたは実質的にその長さに沿うようなサイズおよび構成を有することができる。図４は一実施例を示しており、ここでは、スロット１３７が、ウェル１２１の長さまたは深さの約半分である長さを有する。本発明のさらなる構造は、ウェル１２１の内部容積を円周方向において囲む複数のウィンドウまたはスロット１３７を使用することを伴ってよい。チャックは任意の数のスラットを有してよく、任意の数のスロットを有してよい。好適な実施形態は、通常、ウェル１２１を円周方向において囲む等間隔に配置されるスラットを使用することを伴う。等間隔に配置されるスロットはまた、図５に示されるようにも使用され得る。また、任意の幾何形状の１つまたは複数のいずれかのウィンドウが使用され得る。好適な実施形態は、通常、例示として示される矩形幾何形状などの均一な形態を有するスロットを対象とする。

フィラメントチャネル１２９は、通常、フィラメント１の端部を受け入れるような構成およびサイズを有する。フィラメントチャネル１２９は、フィラメント１の端部の断面形状に対応する断面幾何形状を有することができる。さらなる実施形態は、フィラメントの端部に締まり嵌めされるようなサイズを有するテーパ領域を備えるフィラメントチャネルを伴ってよい。したがって、例えば図１に示されるように、フィラメント１の第１の端部２は通常はチャック９のフィラメントチャネル１２９内で固定され、フィラメント１の第２の端部３は通常はその対応するフィラメントチャネルのところで第２のチャック９’に固定される。

通常の動作時、フィラメント１は、チャック９および９’を介して１つまたは複数の電力源（図示せず）に電気接続され、さらには、それぞれの電極チャネル１２７を介してそれぞれの電極に電気接続される。システム１０は、通常、１つまたは複数の入口２０を介して１つまたは複数の前駆体化合物の１つまたは複数の供給源に流体的に接続される。電流が１つまたは複数のフィラメント１を通過し、この１つまたは複数のフィラメント１が熱を発生させてその温度を所望の反応温度まで上昇させるが、この温度は、多結晶質シリコンの蒸着などの半導体材料の生成において好都合な温度であるかまたは温度範囲であってよい。未反応の前駆体加工物および副生成化合物は、１つまたは複数の出口ポート２１を介して、ジャー１７およびベースプレート２３内で閉じられる反応容積から除去され得る。この化学蒸着プロセスは、半導体材料が所望される量まで成長するかまたは半導体材料が半導体ロッドとして作られるまで、実施され得る。

本発明のチャックは、グラファイトなどの炭素、シリコン、または別の適切な材料で構成されてよい。好適には、本発明の一部の態様によるチャックは、炭素含有化合物から製造され得る。例えば、約１，２００℃の温度まで加熱することによりピッチ（pitch）を無定形炭素に変換することができる。この無定形炭素の中間生成物の密度は、再ベーク（ｒｅｂａｋｉｎｇ）および圧縮を行うことにより増大させることができる。次いで、この無定形炭素本体は、約３，０００℃の温度などの、結晶学的配向を促進するような一定の温度または温度範囲で黒鉛化され得る。黒鉛化された本体は、ウェルおよび１つまたは複数のウィンドウさらには他の特徴を有するように、かつ、所望される寸法となるように、機械加工され得る。

本発明のこれらの実施形態および他の実施形態の機能および利点は、本発明の１つまたは複数のシステムおよび技術の利益および／または利点を示すが本発明の全範囲を例示するものではない以下の実施例により、さらに理解され得る。

この実施例は、多結晶質シリコンを作るための従来のチャックと比較した、本発明によるチャック特性化研究の結果を提示する。この実施例では、約６ｍｍの直径を有するフィラメントを、約２０Ｋｇ／ｈｒから約１８０Ｋｇ／ｈｒまでの範囲の種々の流速、および、約１７ｍ／ｓから約１５２ｍ／ｓまでの範囲の噴射率で、単一の中央噴射ノズルを有するＣＶＤシステム内で評価した。ロッドの表面温度は約１，１５０℃となるように設定した。図６Ａは従来のチャックの温度プロファイルを示し、図６Ｂは、本発明によるウェルを有するチャックの温度プロファイルを示す。見られるように、図６Ｂのフィラメントは長手方向軸に沿って温度勾配を有することが見込まれ、ウェルの端部付近の領域は、作られたロッドを支持するチャック内への蒸着及び成長を促進するような蒸着温度であるかまたはそれ以上の温度であることが見込まれた。対照的に、従来のチャックは、作られるロッドを成長中に支持するような特徴を一切有さず、流体流れ経路などからロッド表面の方を向く力により座屈したり側方に変位したりし易い。

この実施例は、従来のチャックと比較した、本発明によるチャックの別の研究の結果を提示する。この実施例では、各々が約７ｍｍの直径を有する６つのフィラメントを、多結晶質シリコンの６つのロッドを作るために図３に例示的に示されるようにチャックを含むＣＶＤシステム内で使用した。ウェルを有さない従来のチャックも含まれた。このＣＶＤシステムは単一の中央噴射ノズルを有し、反応物を約１２Ｋｇ／ｈｒの速度で導入した。フィラメント／ロッドの各々を約１，０５０℃まで電気的に加熱した。

図７Ａおよび７Ｂに示されるように、従来のチャック（図７Ａ）を使用するロッドの形成では、その端部領域のところが支持されないような多結晶質シリコンロッドを得ることができるが、本発明の態様によるチャックを使用する場合は、支持された多結晶質シリコンロッド（図７Ｂ）を作ることができる。

ここまで本発明の一部の例示の実施形態を説明してきたが、単に例として提示されてきた上記は単に例示であり限定的ではないことを当業者には明白であろう。多数の修正形態および他の実施形態が当業者の範囲内にあり、本発明の範囲内にあるものとしてみなされる。詳細には、本明細書で提示される実施例の多くは方法の行為またはシステムの要素の特定の組み合わせを伴うが、これらの行為およびこれらの要素が同様の目的を達成するために他の形で組み合わされてもよいことを理解されたい。

本明細書で説明されるパラメータおよび構造が例示であること、および、実際のパラメータおよび／または構造が、本発明のシステムおよび技術が使用される特定の用途に応じて決定されることを当業者であれば認識するであろう。また、当業者であれば、通常の実験のみを使用して、本発明の特定の実施形態に対する均等物を理解するかまたは認識することができるであろう。したがって、本明細書で説明される実施形態が単に例として提示されること、ならびに、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内で、本発明が、具体的に説明された手法とは異なる手法で実施され得ることを理解されたい。

さらに、本発明が、本明細書で説明される各特徴、システム、サブシステムまたは技術、および、本明細書で説明される２つ以上の特徴、システム、サブシステムまたは技術の任意の組み合わせを対象とすること、さらには、このような特徴、システム、サブシステムおよび技術が相互に矛盾しない場合には、２つの以上の特徴、システム、サブシステムおよび／または方法の任意の組み合わせが、特許請求の範囲で具体化される本発明の範囲内にあると考えられることを認識されたい。さらに、一実施形態のみに関連させて考察した行為、要素および特徴は、他の実施形態において同様の役割から排除されることを意図されない。

本明細書で使用される「ｐｌｕｒａｌｉｔｙ」という用語は、２つの以上の項目または構成要素を指す。「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｃａｒｒｙｉｎｇ」、「ｈａｖｉｎｇ」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」および「ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ」という用語は、記載される説明および特許請求の範囲などのいずれにおいても、非限定的な用語であり、すなわち「含むが限定しない」ということを意味する。したがって、このような用語が使用されることは、その後ろに列記される項目と、その均等物と、さらには、追加の項目とを包含することを意味する。「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｏｆ」および「ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ ｏｆ」という移行句のみが、特許請求の範囲を基準として、それぞれ限定的または半限定的な移行句となる。特許請求の範囲の要素を修飾するための特許請求の範囲内での「第１」、「第２」および「第３」などの序数句が使用されることは、それ自体のみで、別の要素に対する１つの特許請求の要素の優先度、先行度または順序、あるいは、方法が実施されるときの行為の時間順序を一切暗示するものではなく、特許請求の範囲の複数の要素を区別することを目的として、特定の名称を有する特許請求の範囲の１つの要素を同じ名称を有する別の要素（序数句が使用される場合）から区別するための標識として単に使用されるものである。

Claims (15)

1. ウェルおよびフィラメントチャネルを備える第１のセクションと、
   電極チャネルを有する第２のセクションと
   を備えるチャック。
2. 前記ウェルは、前記ウェルの底部表面から前記第１のセクションの一方の端部まで円周方向に延在する複数のスラットによって画定される、請求項１に記載のチャック。
3. 前記複数のスラットの各々がウィンドウによって分離され、各ウィンドウが隣接するスラットの長さに少なくとも部分的に沿って延在する、請求項２に記載のチャック。
4. 円筒形本体を有し、前記ウェルが、前記本体内で同軸に配置され、かつ、前記ウェルを円周方向において囲む壁によって少なくとも部分的に画定される、請求項１に記載のチャック。
5. 前記ウェルの周りで円周方向に配置される複数のスロットをさらに備える、請求項１に記載のチャック。
6. 前記複数のスロットの各々が前記ウェルの実質的に長さに沿って延在する、請求項５に記載のチャック。
7. 前記ウェル、前記フィラメントチャネルおよび前記電極チャネルが、前記チャックの長手方向軸に沿って同軸に配置される、請求項１に記載のチャック。
8. 円錐台形セクションおよび接触セクションを有し、前記円錐台形セクションがフィラメントチャネルを有しかつ円筒形状のウェルを同軸に囲むチャックと
   前記フィラメントチャネル内で固定される端部を有するフィラメントと
   を備える化学蒸着システム。
9. 前記円筒形状のウェルが、前記フィラメントチャネルの直径より大きい直径を有する、請求項８に記載の化学蒸着システム。
10. 第２のチャックをさらに備え、前記第２のチャックが、接触セクションと、フィラメントチャネルと、ウェルを円周方向において囲む円錐台形セクションとを有し、前記フィラメントが、前記第２のチャックの前記フィラメントチャネル内で固定される第２の端部を有する、請求項９に記載の化学蒸着システム。
11. 前記フィラメントが、前記第１のチャックおよび前記第２のチャックの前記接触セクションを介して電流源に電気接続される、請求項１０に記載の化学蒸着システム。
12. 前記円錐台形セクションが、前記ウェルの内部容積を前記チャックの外部環境に流体的に接続させる複数のウィンドウを有する、請求項８に記載の化学蒸着システム。
13. 前記複数のウィンドウの各々が、前記円錐台形セクションの長手方向軸に平行である前記ウェルの実質的に少なくとも一部分に沿って延在する、請求項１２に記載の化学蒸着システム。
14. 半導体ロッドを作る方法であって、
    フィラメントチャネルと、円筒形状のウェルを同軸に囲む円錐台形セクションとを有する第１のチャックを、蒸着反応器内で固定するステップと、
    フィラメントチャネルと、円筒形状のウェルを同軸に囲む円錐台形セクションとを有する第２のチャックを、前記蒸着反応器内で固定するステップと、
    前記第１のチャックの前記フィラメントチャネル内でフィラメントの第１の端部を固定しかつ前記第２のチャックの前記フィラメントチャネル内で前記フィラメントの第２の端部を固定するステップと、
    少なくとも１つの半導体前駆体化合物を前記蒸着反応器内に導入するステップと、
    前記フィラメントを反応温度まで加熱するように前記フィラメントを通して電流を流し、これにより、前記少なくとも１つの半導体前駆体化合物のうちの少なくとも一部分を、加熱された前記フィラメント上で前記半導体に変換することを促進する、ステップと
    を含む方法。
15. 前記第１のチャックが前記円筒形状のウェルの周りに配置される複数のウィンドウを有する、請求項１４に記載の方法。

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