JP5425421B2 - モールディングおよび方向性結晶化によって半導体物質のウェハを製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は、るつぼと、お互いに離れて間隔をあけた複数の介在要素によって形成されたモールドと、を含む装置を用いたこの物質の融液のモールディングおよび方向性結晶化によって半導体物質のウェハを製造する方法に関し、その方法は、るつぼの中への半導体物質の原料の挿入と、モールドの中でのそれらの溶融および方向性結晶化と、シードと凝固半導体物質との分離と、を含む。

現在、太陽電池の大部分は、単結晶または多結晶シリコンから作られている。広く知られた結晶シリコンの製造方法のほとんどは、液状シリコン槽からインゴットの凝固を実施する。インゴットは、その次に、太陽電池へと変形され得るウェハに切断される。

別のアプローチは、直接液体凝固プロセスからシリコン・ウェハを製造する工程から成る（典型的な厚さは、１００乃至５００μｍに含まれる）。これらのプロセスは、たいていは、引き上げ工程と呼ばれるプロセス、すなわち、液状シリコン膜が溶融槽から引き上げられ、その次に、凝固されるプロセスである。この方法によって得られたシリコン・リボンは、自立し得るか、外部の支持体上に引き上げられ得るか、の何れかである。

特許２９４７５２９号は、モールディングおよび凝固によって多数のシリコン・ウェハを同時に製造することについて述べている。溶融シリコンを伴うモールドの異なるプレート同士の間に位置している容積の充填は、ピストンを用いて達成される。得られたインゴットの結晶化は、十分ではない。さらに、黒鉛または石英のモールドの使用は、ウェハをモールドから容易に取り除けないようにする。

欧州特許０１１５７１１号は、複数の平行なプレートによって形成された可動性のモールドを使用して、るつぼ内にシリコン・ウェハを準備するための方法について述べている。シリコンよりも低い融点を有し、高い濡れ性の追加物質は、溶融シリコンとるつぼおよびモールドの内壁との間のいかなる接触も避けるために使用されている。シリコンの凝固が行われるときには、シリコンとるつぼおよびモールドの内壁との間のいかなる寄生的な相互作用もそれによって取り除かれる。より良い結晶構造が、それによって得られる。このアプローチは、とりわけ、低い融点および高い濡れ性の追加物質の使用および制御を必要とするという欠点を有する。このことは、単結晶シリコン・ウェハを経済的に製造できないようにする。加えて、粒子配向およびこの配向性の再現性は、制御が極めて困難である。実際には、この場合には、粒子配向は、良い結晶化度を得るのに十分でない温度勾配によってのみ制御される。その上、シリコン・ウェハは、それらの表面上の微量の追加物質を取り除くために、使用される前に清浄化されなければならない。

本発明の目的は、これらの欠点を示さない半導体物質のウェハを製造する方法を提供することであって、とりわけ、良い結晶学的性質を保証し、且つ、高い凝固速度を達成できるようにすると同時に、実施が容易である方法を提供することである。

本発明に係る方法は、装填体（ｃｈａｒｇｅ）が挿入される前にシードがるつぼの底部に配置され、シードが液体と接する表面に存在し、装填体（ｃｈａｒｇｅ）の溶融が行われた後に、シードの表面は、密集していない結晶面に沿った配向性を有することを特徴とする。

他の利点および特徴は、非限定的な例としてのみ与えられ、添付の図面に表されている本発明の特定の実施形態の以下の記述からよりはっきりと明らかになるであろう。

図１および図２に示すように、半導体物質のウェハを製造するための装置１は、底部３および側壁４を有するるつぼ２を含んでいる。装置１は、お互いに離れて間隔をあけ、可動性の支持体７にそれらのトップ・エンドで固定された平行な介在要素６によって形成されたモールド５も含んでいる。介在要素６は、たとえば、平行か、溝もしくは形成されるべき半導体物質のウェハの寸法に対応する端部を有するか、の何れかであるプレートによって形成されている。

半導体物質のシード８は、るつぼ２の底部に位置している。半導体物質の原料、好ましくは、ミクロ電子または光起電性の性質を有するものは、シード８上のるつぼ２に置かれている。半導体物質の原料は、たとえば、シリコン、ゲルマニウム、またはゲルマニウム合金によって形成されている。シード８は、装填体（ｃｈａｒｇｅ）と同じ物質の中に形成されていることが有利である。シード８は、単結晶構造または多結晶構造、好ましくは、大きな結晶粒構造である。シード８、すなわち、単結晶または多結晶の結晶化度の選択は、要求されているウェハの結晶化度に依存する。シードは、原料と接触する表面上の原料の密集していない結晶学の平面に続く結晶配向を示すことが有利である。このシードは、たとえば、＜１１２＞平面を伴うシリコンであっても良い。

半導体物質の原料、たとえばシリコンは、その次に、シード８を溶融しないように注意しながら、適当な技術によって達成され得る加熱手段（図示せず）によって溶融される。原料は、たとえば誘導的な巻回で横方向に加熱されることが有利である。この方法では、液状シリコン相９は、その次に、シード８の上方であってシード８に接触するように形成され、温度勾配が、シード８と液状シリコン９との間に創出される。

装置１は、通常では、熱抽出手段（図示せず）を含む冷却システム、たとえば、水循環による冷却システムであって、るつぼ２の下に設けられた冷却システムを含むことが有利である。装置１は、さらに有利には、装置の筐体（図示せず）内に真空を創出するための手段を含む。

好ましくは可動性の支持体７上に固定された複数の介在要素６を含むモールド５は、その次に、るつぼ２に挿入される。介在要素６は、成形されるべきウェハの寸法を画定するために機能する。モールド５の介在要素６は、通常では、複数のシリコン・ウェハの同時製造を可能にする。このように形成されたシリコン・ウェハは、一般的には、１００乃至５００μｍに含まれる厚さを有する。ウェハは、たとえば、長方形または正方形とすることもできるし、典型的には、５０×５０乃至２５０×２５０ｍｍ^２に含まれる表面積を有することもできる。

モールド５の物質は、液状シリコン９の化学汚染の危険を最小限に制限するために、溶融シリコン９と化学的に反応しないように選択される。介在要素６を含むモールド５を製造するために使用される物質は、たとえば、黒鉛またはアルミニウム、シリコン・ナイトライド、もしくはシリコン・カーバイドのようなその他のセラミックである。これらの物質は、シリコンに対して非粘着性の堆積物（図示せず）でそれらの表面上が覆われていることが有利である。この非粘着性の堆積物は、たとえば、シリコン・ナイトライド・パウダーベースの堆積物でも良く、その製造方法は、Ｈｉｄｅ（“Ｍｏｕｌｄ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ Ｗｉｔｈ ａ Ｍｏｕｌｄ Ｃｏａｔｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌ ｂｙ ｔｈｅ Ｓｐｉｎｎｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ” Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａ Ｇｒｏｗｔｈ ７９（１９８６） ５８３−５８９）およびＳａｉｔｏ（“Ａ Ｎｅｗ Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ Ｆｏｒ Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ Ｓｏｌａｒ Ｇｒａｄｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ” ＸＶ ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， １９８１， ｐ． ５７６）によって特に述べられている。るつぼ２は、同じ非粘着性の堆積物で覆われていることが有利である。この種類のコーティングは、モールド５をその他のシリコン・ウェハの連続的な製造のために再生できるという利益をもたらす。

さらに、モールド５の介在要素６は、シリコンよりも熱伝導性のある物質、たとえば黒鉛から作られていることが有利である。

従来と同様に、モールドは、ピストンを用いて溶融シリコン９で充填され得る。一例として、図２に示すように、ピストンは、モールド支持体７によって形成されている。このように、介在要素６がるつぼ２の中に進行的に降下するに従って、モールド５は、溶融シリコン９で充填される。モールド５の充填は、モールド５が液状シリコン９内に完全に埋没したときに終了する。液状シリコン９内のそれの挿入の前に、モールド５は、好ましくは、シリコンの融点より高い温度で加熱される。

図３に示す代替的な実施形態では、モールド５は、るつぼ２のシード８に直接接触するような状態に最初に至り、半導体物質の原料は、モールド５の介在要素６の上方に最初に配置される。溶融シリコン９でモールド５を充填することは、その次に、装置１内の圧力差を創出すること、たとえば、溶融シリコン９の槽の自由表面上にガスの超過気圧を印加するか、介在要素６の底部から吸引することによって達成される。

このモールド５の充満期の間中、液相９とシード８との間に存在する熱勾配は、固相のシード８を保つように制御される。

溶融シリコン９がモールド５を充填するときに、良い結晶品質を得るために、典型的には、０．０１乃至１ｃｍ／ｍｉｎに含まれる範囲の低速で方向性の方法によって凝固される。方向性凝固は、制御された加熱システムおよび／または冷却システムを動かすことによって行われ得る。冷却システムは、熱流束をシリコン・ウェハの平面で、シード８の表面に対して垂直に無向方法によって取り除けるようにする。無向性加熱抽出の使用は、シード８が多結晶である場合には、熱機械応力を最小化することができるようにし、柱状粒子構造を導く肉眼的に平行な凝固先端を得られるようにする。

介在要素６がシリコンよりも熱伝導性の良い物質内に形成されるので、ウェハの加熱は、横方向に抽出され、介在要素６を用いて、るつぼ２の底部３に伝えられる。シリコン装填体（ｃｈａｒｇｅ）がほとんど不純物を含んでいない場合には、凝固速度は、凝固／液体先端の重大な形態学的不安定化速度よりも低いままである。これらの条件下では、最大凝固速度は、装置１の熱流束抽出能力によってのみ制限される。シリコンより熱伝導性の良い介在要素６を示すモールドの使用は、インゴットのような結晶体と比較して熱流束抽出能力を増加させる。このように、シリコンの同じ結晶品質であれば、モールド５に関連付けられたシード８の使用は、シードからインゴットを結晶化させる方法よりも早い凝固速度を使用可能とする。

その上面上の密集していない結晶学の平面に沿った配向性を示すシード８の使用は、密集した平面に沿った方向を向くシード８と比較して、シリコンの減速過冷却を導く。密集していない結晶学の平面に沿った方向を向くシード８は、それによって、より早い凝固速度を使用可能にするが、同時に、凝固先端の前に不均一な発芽という結果をもたらすよりも低い値に液体の過冷却を制限するので、等軸成長を可能とする。

介在要素６同士の間のシリコンの結晶化の間に、モールディング素子を形成する介在要素６同士の間の低減された空間の大きさは、液状シリコン９を良く攪拌できないようにする。種の分離、特に、ドーパント種の分離が制限される。このことは、たとえばドーパントの分配をもたらし、リンの例では、特にインゴットの結晶化の間に、それ以外の技術のほとんどより（垂直）凝固方向に沿って一様となる。したがって、この装置は、ｎ型ドープされたシリコン・ウェハを有利に製造するのに十分に適している。

凝固の後は、シリコン・ウェハは、シード８に確実に接続される。それらは、その次に、たとえばレーザ切断によってシード８から分離される。シード８は、このように、新しいシリコン・ウェハの形成のために再生され得る。それらがシード８から解放された後、必要ならば、それらの表面に対して固まっている非粘着性のコーティングの一部が取り除かれた後に、ウェハはすぐに使用可能になる。

融液相の間の本発明に係る方法の実施形態を断面で概略的に示している。 固相の間の本発明に係る方法の実施形態を断面で概略的に示している。 本発明に係る方法の代替的な実施形態を断面で概略的に示している。

Claims (13)

1. るつぼ（２）と、お互いに離れて間隔をあけた複数の介在要素（６）によって形成されたモールド（５）と、を含む装置を用いて、モールディングおよび半導体物質の液体（９）の方向性結晶化によって半導体物質のウェハを製造する方法であって、前記るつぼ（２）の中への半導体物質の原料の挿入と、前記モールド（５）の中でのそれらの溶融および方向性結晶化と、シード（８）と凝固半導体物質との分離と、を含み、装填体（ｃｈａｒｇｅ）が挿入される前にシード（８）が前記るつぼ（２）の底部に配置され、前記シード（８）が液体（９）と接触する表面に存在し、前記原料の溶融が行われた後に、前記シード（８）の表面は、密集していない結晶面に沿った配向性を有することを特徴とする方法。
2. 前記モールド（５）は、可溶性のない非粘着性の堆積物で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記モールド（５）は、前記介在要素（６）が固定され、溶融半導体物質（９）で前記モールド（５）を充填するためのピストンを構成する可動性の支持体を含む請求項１または２に記載の方法。
4. 前記溶融半導体物質（９）は、前記モールド（５）の上方に最初に配置され、前記装置は、溶融半導体物質（９）で前記モールドを充填するために前記装置（１）内に圧力差を創出する手段を含む請求項１または２に記載の方法。
5. 前記介在要素（６）は、前記半導体物質よりも高い熱伝導性を示すことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記介在要素（６）は、黒鉛で作られることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の方法。
7. 前記シード（８）は、単結晶型であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法。
8. 前記シード（８）は、多結晶型であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の方法。
9. 前記半導体物質は、シリコンおよび／またはゲルマニウムから作られることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法。
10. 前記半導体物質は、光起電用シリコンから作られることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の方法。
11. 凝固速度は、０．０１乃至１ｃｍ／ｍｉｎの範囲内に含まれることを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
12. 前記半導体物質の原料は、前記シード（８）の上方に最初に配置され、前記モールド（５）は、前記モールドの降下によって前記溶融半導体物質で充填されることを特徴とする請求項９乃至１１の何れか１項に記載の方法。
13. 前記半導体物質の原料は、前記モールド（５）の前記介在要素（６）の上方に最初に配置され、前記モールド（５）は、圧力差の創出によって前記溶融半導体物質で充填されることを特徴とする請求項９乃至１１の何れか１項に記載の方法。

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