JP2002531374A - インシツ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）種注入による単結晶処理 - Google Patents

インシツ（ｉｎ−ｓｉｔｕ）種注入による単結晶処理

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エヴァンジェロス ヴェクリス、
ナイネシュ ジェイ． パテル、
ムラリ ハナベ、
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Abstract

(57)【要約】 結晶を処理するためのシステムおよび方法を開示する。このシステムは、半導体細粒を受け入れるための容器チューブを含んでいる。細粒は次に、囲いの内部に区画されたチャンバーへ導かれる。チャンバーは、半導体細粒を溶融させて溶融体の中に入れるために、加熱された不活性ガス雰囲気に維持されている。チャンバーの一方端部に配置されたノズルによって、溶融体から溶滴が作り出され、溶滴は次に、長いドロップチューブを通って落ちる。溶滴がドロップチューブを通って移動するので、溶滴から球状の半導体結晶が形成される。ドロップチューブが加熱されると、球状の半導体結晶が単結晶になる。ノズルとドロップチューブとの間に配置された誘導結合プラズマ発生装置によって溶滴は溶融するが、種はインシツに残り、または、溶滴は溶融するとともに、種はインシツで注入される。種は、それによって結晶作用を促進することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の背景） 本発明は、一般に半導体デバイスに関するものであり、より詳しくは、球状の
半導体結晶のようなデバイスを形成するための装置および方法に関するものであ
る。
【０００２】 従来の集積回路、即ち「チップ」は、平面半導体ウェーハから形成されている
。半導体ウェーハは、半導体材料製造施設でまず製造され、次いで組立施設へ送
られる。後者の施設では、半導体ウェーハの表面にいくつかの層が処理される。
いったん終わると、次いで、このウェーハは、１つ以上のチップに切り分けられ
てパッケージに組み立てられる。処理されたチップには、その上に作られたいく
つかの層が含まれているが、このチップはまだ、比較的平らなままである。
【０００３】 ウェーハの製造には、ロッド形状の多結晶半導体材料を作り出すこと、この半
導体ロッドからいくつかのインゴットを正確に切り出すこと、切り出されたイン
ゴットを洗浄するとともに乾燥させること、それらのインゴットを石英るつぼの
中で溶融させることでこのインゴットから大きい単結晶を製造すること、この結
晶の表面を研削し、エッチングし、かつ洗浄すること、この結晶からウェーハを
切り出してラッピングし、次いで研磨すること、およびそれらのウェーハを熱処
理することが必要である。更にまた、上記処理で作られたウェーハには多くの欠
陥があるのが普通である。これらの欠陥は、結晶を形成するのに使われた容器に
伴う不純物と同様に、前述の切り出し、研削および洗浄による高純度単結晶の処
理の困難性に起因すると思われる。これらの欠陥は、これらのウェーハの上に形
成された集積回路の寸法が小さければ小さいほど、いっそう一般的なものになる
。
【０００４】 １９９７年５月１６日に提出された、同時係属中の米国特許出願第０８／８５
８，００４号には、球状半導体集積回路デバイスを製造するための方法および装
置が開示されている。上記出願には、球状の結晶を作るためのいくつかの製造方
法が開示されているが、欠陥をほとんど含んでおらず、また、いっそう製造しや
すい、球状の結晶を作るための改善された方法が望まれている。
【０００５】 （発明の概要） したがって、本発明によれば、結晶を処理するための装置および方法が提供さ
れる。この目的を達するために、１つの実施形態によれば、半導体の細粒を受け
入れるための容器チューブが提供される。この細粒は、囲いの内部に区画された
チャンバーへ導かれる。このチャンバーは、この半導体細粒を溶融体に溶融させ
る加熱不活性ガス雰囲気に維持されている。このチャンバーの一方端部に配置さ
れたノズルによって、この溶融体から溶滴が作り出され、次いで、この溶滴は長
いドロップチューブを通って落下する。これらの溶滴がそのドロップチューブを
通って移動するので、球状の半導体結晶が形成される。
【０００６】 別の実施形態では、ドロップチューブは、このノズルおよびこのドロップチュ
ーブとの間に配置されて誘導結合プラズマ発生装置（トーチ）で加熱される。プ
ラズマ発生装置によって溶滴が溶融し、それによって溶滴の結晶方向の数が減少
する。
【０００７】 更に別の実施形態では、多結晶細粒から球状結晶が形成される。この多結晶細
粒は、種および溶融体の中へ溶融される。次いで、溶融体がそのインシツ(in-si
tu)種の周りで凝固する。その結果、この溶融体によって、この種の結晶方向と
同一の結晶方向のある結晶が作り出される。
【０００８】 更なる実施形態では、多結晶細粒が溶融されて溶融体になる。溶融体は次いで
多結晶の種に接触し、種がこの溶融体の内部に埋め込まれるようになる。溶融体
は次いで、インシツ種の周りで凝固するとともに、その種の結晶方向と同一の結
晶方向のある結晶を作り出す。
【０００９】 更なる別の実施形態では、多結晶細粒は、球状結晶に形成される前に、核生成
剤で被覆される。この被覆が行われると、細粒は、完全に溶融し、次いで再凝固
する。いったん被覆されると、その結果として生じる多結晶細粒は結晶方向がい
っそう少なくなり、単結晶の種が形成される可能性が増大する。
【００１０】 異なる実施形態では、異なる構造を利用することができ、そのいくつかは、多
結晶細粒の溶滴または他の物質のいずれにも物理的に接触することがない。
【００１１】 （好ましい実施形態の説明） 図１において、参照符号１０は、球状半導体結晶および／または太陽電池結晶
を形成するための処理装置の１つの実施形態を全体として示す。これらの結晶の
形成は、本明細書で記載されたパラメータを変えることで、処理装置１０の一部
による反復処理が含まれる、異なるいくつかの方法で促進される。
【００１２】 処理装置１０は３つの部分、即ち、投入部１２、主加熱炉部１４およびドロッ
パ部１６に分けることができる。投入部１２には、細粒やガスなどのような製造
用材料を受け入れるための容器チューブ１８が含まれている。この容器チューブ
１８は、直径が約２センチメートルであり、主加熱炉部１４に位置合わせされて
いる。
【００１３】 囲い２０によって、主加熱炉部１４が取り囲まれているとともに、製造のため
の一般的環境が維持されている。この囲いは、絶縁性物質２２で満たされて、主
加熱炉部の中で作られた比較的高い温度に保たれている。囲い２０および絶縁性
物質２２によって不活性ガス雰囲気が提供されており、この雰囲気によって、絶
縁性物質２２およびこの容器の中に収容された他の構成要素のバーンアウトが防
止される。絶縁性物質の中には、るつぼ２４が配置されている。このるつぼは、
溶融した半導体材料を収容するように作用するが、その物質とは反応しない。
【００１４】 るつぼ２４の蓋２６は容器チューブ１８に接続されている。本実施形態では、
この蓋は、この容器チューブにねじ合わせ可能に係合して、様々な構成要素の取
り外しおよび分離が容易に行えるようになっている。蓋２６によれば、この囲い
の内側に不活性ガス雰囲気が更に維持される。代替実施形態では、容器チューブ
１８をるつぼ２４へ一時的にまたは永久的に固定する他の種類の蓋がいくつかあ
ってもよい。容器チューブ１８によって、原料の半導体材料が、るつぼ２４から
バッチ状にまたは連続状に供給される。それぞれの種類の供給に対して、異なる
蓋２６が必要になってもよい。
【００１５】 るつぼ２４のすぐ外側には、加熱炉３０が取り巻いている。この加熱炉は、他
の熱源を用いることができるが、本実施形態では流動熱型の加熱炉である。加熱
炉３０には、流体が通過することのできる流体ノズル３２が含まれている。この
流体ノズル３２によって、囲い２０の内側における不活性ガス雰囲気が更に維持
される。図示しないが、別の装置を使って、流体が流体ノズル３２を通過する前
にその流体を加熱することができる。また、加熱炉３０およびるつぼ２４の温度
を監視するために、熱電対のような熱測定装置３４が加熱炉３０に取り付けられ
ている。
【００１６】 囲い２０は、るつぼ２４に沿って、支持プラットホーム３６の上に載置されて
いる。プラットホームは、本明細書に開示されている様々な装置および処理を円
滑にするいくつかのアパーチャを有している。プラットホーム３６は、囲い２０
の内側が不活性ガス雰囲気に維持されている間に加熱炉３０から放射する激しい
熱に幾分か耐えることもできる。
【００１７】 図１に示されているように、るつぼ２４の底部にはドロッパ４０が取り付けら
れている。図示しないが、ドロッパ４０には、溶融半導体材料の精密な寸法にさ
れた溶滴をるつぼ２４から射出してドロッパ部１６の中へ入れるノズルが含まれ
ていてもよい。１つの実施形態では、このノズルは、耐熱性広帯域液体溶滴発生
器と名付けられた米国特許第５，５６０，５４３号によるものであってもよい。
別法として、またはこのノズルと組み合わせて、不活性ガスを供給して、精密な
量の溶融半導体材料がドロッパ部１６の中へ射出されるのを促進するようにして
もよい。
【００１８】 ドロッパ部１６には、長いドロップチューブ４２が含まれている。例えば、こ
のドロップチューブ４２は、直径が約５〜１０センチメートルであって長さが約
１０メートルであり、内面が電解研磨されたステンレス鋼からなる。ドロップチ
ューブ４２には、冷却ガス４４がその中を流れるように、いくつかの開口が含ま
れている。この冷却ガスには、半導体材料を所望水準までドープするための不純
物もまた含まれている。いくつかの実施形態では、ドロップチューブ４２に近接
してヒータ４６が配置されている。このヒータ４６によって、その冷却過程の進
行を遅らせることで、異なる結晶成長方向の数を減らすことができる。
【００１９】 図２によれば、処理装置１０と組み合わせて１つの方法１００を用いることが
できる。ステップ１０２では、材料１０４は容器チューブ１８の中へ入れられる
。例えば、この材料にはシリコンが含まれているが、ここでは、異なった種類の
半導体材料も用いることができるものとする。この材料１０４には、アルゴンの
ような不活性キャリアガス、および１以上のドーパント材料とが含まれていても
よい。
【００２０】 ステップ１０６では、この材料１０４は、蓋２６の部分を通過して主加熱炉部
１４の中へ入る。加熱炉３０によれば、シリコンの融点（１４１０℃）をはるか
に超える約１６００℃の温度が作り出される。この高い温度によって、この材料
１０４は溶融体１０８になるようにされる。ステップ１１０では、ノズル４０に
よって、この溶融体の溶滴１１２が、るつぼ２４から出されてドロッパ部１６に
入れられる。ステップ１１４では、溶滴１１２がドロップチューブ４４を流れ落
ちる。このドロップチューブによって、この溶滴が冷やされて、多結晶構造体が
形成される。冷却ガス４４は、溶滴の冷却を促進するためのものであり、例えば
、ヘリウム、水素、アルゴンまたは窒素である。この冷却ガス４４は、溶滴１１
２の降下速度を制御するためにも用いられる。
【００２１】 いくつかの実施形態では、溶滴１１２の冷却速度が処理装置１０によって制御
される。このことは、異なる多くの方法によってなされるであろう。例えば、冷
却ガス４４は加熱してもよい。また、ドロップチューブ４２はヒータ４６によっ
て加熱してもよい。結果として、溶滴１１２は極めてゆっくりと冷えることにな
り、それによって結晶が形成されるであろう。図３に基づいて以下に考察するよ
うな更なるの実施形態では、ヒータ４６によってそれらの溶滴が実際に溶融する
。ステップ１１４では、冷却された溶滴はその後、処理のための次の操作に移さ
れる。
【００２２】 別の実施形態における図３、図３ａおよび図３ｂによれば、ドロップチューブ
４２の上方に誘導結合プラズマ（「ＩＣＰ」）発生装置１５０が配置されている
。このＩＣＰ発生装置１５０には、例えばセラミックのような高温材料から作ら
れた石英チューブ１５２が含まれている。この石英チューブ１５２を取り囲んで
いるのは冷却システム１５４である。この冷却システムには、石英チューブ１５
２が溶融するのを防止するのに役立つ水、または他のあらゆる種類の冷却剤が含
まれていてもよい。
【００２３】 また、石英チューブ１５２を取り囲んでいるのは導電コイル１５６である。本
実施形態では、この導電コイル１５６は、高周波（「ＲＦ」）エネルギー発生器
１５８に取り付けられた中空の銅コイルである。このコイル１５６は中空である
ので、空気または他の流体がそれを貫いて流れることができる。
【００２４】 石英チューブ１５２にはエントリチューブ１６０が取り付けられており、溶滴
１１２が、受け入れられるとともに、この石英チューブの中央チャンバー１６２
へ向かって導かれるようになっている。図示しないが、チューブ１６０における
プラズマからの放射損失を防止するために、シールドを設けることができる。
【００２５】 操作の際には、石英チューブ１５２の内側における大気圧でアルゴンガスが流
れる。ＲＦ発生器１５８は所望周波数で操作し、同ガスが熱せられ、それによっ
てプラズマ炎１６４が作り出される。このプラズマ炎１６４は、ガス流速および
トーチ（発生装置）の寸法によって左右される８,０００゜Ｋから１０,０００゜Ｋ
の間の温度にある。この炎の一部１６４ａは、エントリチューブ１６０の中へ延
びており、予熱部として作用する。
【００２６】 溶滴１１２がエントリチューブ１６０の中へ入ると、その溶滴は、プラズマ炎
１６４ａによって急速に予熱される。次に、溶滴１１２は、中央チャンバー１６
２へ入り、そこでプラズマ炎１６４によって溶融される。炎１６４の温度が非常
に高いので、溶滴１１２の中の不純物は気化するであろう。溶滴が中央チャンバ
ー１６２を出ると、それらは凝固して結晶１１２ａが形成される。この結晶１１
２ａは、ドロップチューブ４２を通って進み、図１および図２に基づいて先に説
明したように、そこで冷却される。
【００２７】 多くの場合、この結晶１１２ａは、安定した一様な結晶方向の備わった単結晶
細粒である。しかしながら、他の場合、この結晶１１２ａは、多数の結晶方向の
備わった多結晶細粒であってもよい。しかしながら、このドロップチューブ４２
によって生成された多結晶には、溶滴１１２に比べて、異なる結晶方向がほとん
どなく、即ち、単一の細粒には結晶構造物がほとんどないということは理解され
ている。
【００２８】 図４ａ〜図４ｄにおいて、石英チューブ１５２は、プラズマ炎１６４とその炎
の一部１６４ａとの両方に影響するであろう様々な形状および大きさをとること
ができる。したがって、石英チューブ１５２ａ〜１５２ｄのような異なる石英チ
ューブを利用して、ヒータ４６の異なるいくつかの要求に対処することができる
。
【００２９】 図５において、上記装置および方法で単結晶物質の形成を促進するために、イ
ンシツ（in-situ)種供給処理２００を用いることができる。この材料の凝固は、
単一方向のものではなく、および、それゆえ、多結晶のものであるので、非接触
処理によって単結晶物質を形成することは難しい。一様な結晶方向は、種または
結晶核生成剤を用いて促進される。インシツ種供給処理２００には、種がその種
物質の溶融制御によってその物質の中へインシツで導入される非接触処理を利用
することができる。
【００３０】 図６ａ〜図６ｆは、インシツ種供給処理２００のそれぞれのステップについて
中間物質構成の例示および実施例を提供している。更にまた、典型的な処理の詳
細が図６ａ〜図６ｆによって提供されている。しかしながら、図６ａ〜図６ｆの
例示および実施例は、明瞭にするためにだけ提供されたものであり、本発明をど
のような点でも限定することを意図したものではないことは理解されている。
【００３１】 図５に記載のステップ２０２で、単結晶シリコン球体を形成する第１ステップ
は、多結晶細粒を得るためのものである。
【００３２】 また、図６ａによれば、多結晶細粒の例示が参照符号２０４ａで表わされてい
る。多結晶細粒２０４ａは、いくつかの結晶構造物２０５からなり、この処理の
１つまたは別の処理によっていっせいに生成することができる。１つの実施例に
ついての図１によれば、処理装置１０を使って、図１において溶滴１１２として
表わされている多結晶細粒２０４ａを生成することができる。
【００３３】 図５に記載のステップ２０６では、多結晶細粒を被覆して被覆細粒を生成する
ために、核生成剤が供給される。この核生成剤は、外部の供給源から供給するこ
とができ、また、その多結晶細粒の上に噴霧することができる。
【００３４】 また、図６ｂによれば、被覆細粒の例示が参照符号２０４ｂで表わされている
。種供給粉末の形態にある核生成剤２０８が多結晶細粒２０４ａの周りに供給さ
れて、被覆細粒２０４ｂが生成される。例えば、その種供給粉末は、窒化ホウ素
であってもよく、または石英であってもよい。良好な核生成部位をもたらすとと
もに、液体シリコンにおける最少の溶解度を有する物質が望ましいが、他の核生
成剤を用いることができる。例えば、図３において、核生成剤２０８はエントリ
チューブ１６０の中で供給することができる。
【００３５】 図５に記載のステップ２１０では、被覆細粒は、加熱帯を通過することで、完
全に溶融される。
【００３６】 また、図６ｃによれば、完全に溶融した細粒の例示が参照符号２０４ｃで表わ
されている。例えば、溶融した細粒２０４ｃは、図３に関して記載されているよ
うな制御された速度でＩＣＰ発生装置を通過してもよい。溶融した細粒２０４ｃ
は、非接触処理によって、極めて純度が高い。非接触処理技術には、電磁誘導、
音響、静電気、空力、プラズマ、または組み合わせ型のようなエネルギー源によ
って被覆細粒２０４ｂを浮揚させることも含まれている。電磁浮揚処理およびプ
ラズマ浮揚処理の場合には、その浮揚エネルギーは溶融のためにも用いてもよい
。図示しないが、溶融した細粒２０４ｃの外側の周りには、核生成用被膜がまだ
存在している。
【００３７】 図５に記載のステップ２１２では、溶融した細粒が凝固して、比較的少ない数
の多結晶からなる、粒子の粗い細粒が形成される。
【００３８】 また、図６ｄによれば、凝固した、粒子の粗い細粒の例示が参照符号２０４ｄ
で表わされている。この細粒２０４ｄは、図１に表わされたドロップチューブ４
２のようなチューブを通って落ちる間に凝固する。凝固のための温度は、そのチ
ューブを取り巻いているヒータによって制御され、また、アルゴン、ヘリウム、
またはこれら両方の混合物の環境は、そのチューブの中で維持される。粒子の粗
い細粒２０４ｄは複数の多結晶２１４を有している。しかしながら、多結晶２１
４の数は図６ｂに記載の多結晶２０５の数よりも少ない。これは、細粒２０４ｄ
が凝固すると、方向の数が限られた状態で、核生成剤２０８によって結晶成長の
ための種が供給されるからである。
【００３９】 図５に記載のステップ２１６では、凝固した、粒子の粗い細粒が、再び溶融さ
れる。しかしながら、この時、この物質が一部溶融するとともに、種がインシツ
に、即ちその場に残される。溶融した物質の内側にこの種が「浮く」と思われる
ので、この種はインシツにあると思われる。また、ステップ２１２からの粒子の
粗い細粒が、比較的少ない数の多結晶からなるので、その種が、単一の成長方向
のある単結晶であるということは、ありそうなことである。上記ステップ２１２
と同様に、その物質を再溶融させるためにどのような種類の加熱および溶融も用
いることができるということは理解されている。
【００４０】 また、図６ｅによれば、一部溶融した細粒の例示が参照符号２０４ｅで表わさ
れている。この細粒２０４ｅには、かなり大きい部分を占める溶融物質２１８、
およびその中に浮いている小さい種２２０がある。溶融処理は、図２に関して上
記で用いられたのと同じ処理であってもよいが、ただし、その細粒を浮揚させる
ことはなく、図１のドロップチューブ４２のようなドロップチューブを通して落
下させることができる。凝固のための温度は、ヒータ４６のようなヒータによっ
て制御することができるとともに、チューブ４２の内部は、アルゴンおよび／ま
たはヘリウムの雰囲気に維持することができる。
【００４１】 図５に記載のステップ２２２では、一部溶融した細粒が制御された速度で冷却
される。この細粒には、インシツでの種が含まれるので、結晶パターンは、この
種から決定されるであろう。この種が、所望のように単結晶であれば、この細粒
は、より大きい単結晶装置の中で冷却されるであろう。
【００４２】 また、図６ｆによれば、単結晶半導体デバイスの例示が参照符号２０４ｆで表
わされている。このデバイス２０４ｆには、図６ｅからの種２２０（ファントム
で示されている）のグレイン方向と一致しているグレイン方向がある。このデバ
イス２０４ｆは形状が完全な球状ではない、ということは理解されている。説明
のために、このデバイス２０４ｆは、「涙滴」形状を有しているとして図示され
ている。この涙滴形状が容認できない場合には、様々な研磨技術を用いてこのデ
バイス２０４ｆを滑らかなものにし、いっそう完全な球にすることができる。
【００４３】 その結果、この単結晶半導体デバイス２０４ｆは、非接触処理およびインシツ
種供給の使用とによって、極めて純度が高い。また、何らかの理由で、ステップ
２１６で生成された種が多結晶であるときには、この処理法２００を繰り返して
、ステップ２１６で始めることができる。
【００４４】 さて、図７によれば、別の方法３００を用いて、上述した装置および方法で単
結晶物質の形成を促進することができる。この方法３００には、１９９７年５月
１６日に提出された同時係属中の米国特許出願第０８／８５８，００４号におけ
るのと同様に、上述したシステムおよび方法が用いられる。なお、この出願は、
引用によって本明細書に挿入される。
【００４５】 ステップ３０２では、ここに挿入された米国特許出願第０８／８５８，００４
号の方法を用いて、エピタキシャル成長によるような、小さい単結晶粒子が形成
される。ステップ３０４では、この単結晶粒子が次に、流動床反応器の中へ送り
込まれて、シリコンの融点に一致するかまたはそれを超える温度まで加熱される
。流動床反応器の１つの実施例は、本明細書に挿入された米国特許出願第０８／
８５８，００４号に開示されている。ステップ３０６では、モノシランおよびア
ルゴンからなるようなガス混合物がこの反応器の中へ送り込まれる。ステップ３
０８では、このモノシランガスが臨界温度になると、それはシリコン蒸気と水素
とに分解する。ステップ３１０では、このシリコン蒸気は、単結晶粒子の上に付
着するとともに、細粒としての寸法に成長する。この温度が充分高いときには、
エピタキシャル成長が起こるとともに、結果として生じる細粒は単結晶であろう
。もしそうでなければ、結果として生じる細粒は単結晶の芯がある多結晶であろ
う。
【００４６】 ステップ３１２では、この細粒は、外側の多結晶層が溶融するように、一部が
溶融される。この点は図５に記載のステップ２１６に類似している。溶融しなか
った単結晶の芯は、ここでは、溶融シリコンが載置される箇所のための種として
作用する。凝固が起きると、一部溶融したその細粒は単結晶に変わる。この点は
図５に記載のステップ２２２に類似している。
【００４７】 さて、別の実施形態における図８によれば、上述した装置および方法で単結晶
の形成を促進するために、インシツ種注入処理４００を用いることができる。こ
のインシツ種注入処理４００によれば、図５に関して記載されたインシツ種供給
処理２００の場合と同様に、非接触処理による単結晶物質の形成が促進される。
このインシツ種注入処理４００には非接触処理を利用することができるが、この
非接触処理技術では、単結晶の種を半導体材料の液体試料の中へ注入することに
よって、種がその物質の中へインシツで導入される。
【００４８】 図９ａ〜図９ｅは、インシツ種注入処理４００におけるそれぞれのステップに
ついて中間物質構成の例示および実施例を提供している。更にまた、典型的な処
理法の詳細が図９ａ〜図９ｅによって提供されている。しかしながら、図９ａ〜
図９ｅの例示および実施例は、明瞭にするためにだけ提供されたものであり、本
発明をどのような点でも限定することを意図したものではないことは理解されて
いる。
【００４９】 図８に記載のステップ４０２で、単結晶シリコン球体を形成する第１ステップ
は、多結晶細粒および単結晶種を得るためのものである。
【００５０】 また、図９ａによれば、多結晶細粒の例示が、図６ａに関して記載されたよう
に、参照符号２０４ａで表わされている。単結晶種の例示が参照符号４１４で表
わされている。この多結晶細粒およびこの種は、同一の材料からなるべきである
が、これらは異なる方法によって生成されることもできる。例えば、この多結晶
細粒は半導体グレードのシリコンからなることができ、一方、この種は単結晶性
になるどのような技術によっても生成されることができる。また、この種は、ド
ープすることができ、したがって、この試料の中へ不純物（即ちドーパント）を
導入するための媒介物として役立つ。本明細書では、種が供給された細粒の組成
は、熱処理によって後で均質なものにすることができる。
【００５１】 図８に記載のステップ４０４では、多結晶細粒は、加熱帯を通過することで、
完全に溶融される。例えば、多結晶細粒は、図３に関して記載されたように、制
御された速度でＩＣＰ発生装置を通過してもよい。
【００５２】 また、図９ｂによれば、完全に溶融した細粒の例示が参照符号４１２ａで表わ
されている。この溶融細粒は、非接触処理技術によって、極めて純度が高いが、
このような技術の実施例は、図６ｃに関して説明されている。
【００５３】 図８に記載のステップ４０６では、種が、溶融細粒に接触するようになるとと
もに、この溶融細粒の中に入り込む。
【００５４】 また、図９ｃによれば、溶融細粒４１２ａが種４１４へ移動し、また、この種
がこの溶融粒子へ移動することの例示が、溶融細粒および種の両方の移動方向を
表示する矢印によって表わされている。この種４１４は、いくつかの方法で溶融
細粒４１２ａへ導入することができる。例えば、図３に関して、種は、ＩＣＰ発
生装置のアルゴン供給ラインの中へ導入することができ、したがって、溶融細粒
が落ちるとこの溶融細粒に接触するようになるが、このことは細粒がプラズマ発
生装置領域を励起した後であるのが好ましい。また、例えば、図３に関して、種
は、溶融細粒が内部で浮遊しているＩＣＰ発生装置の先端の中に導入することが
できる。この種は、プラズマ炎を通って落ち、そして、その炎の下方に浮揚して
いる溶融細粒に接触するようになる。溶融細粒を浮揚させることで、種が混入さ
れると、この溶融細粒は、存在しているガス流によって浮揚されるにはかさがあ
って重くなり過ぎ、したがって、種が供給された溶融細粒は、下方のドロップチ
ューブの中へ自動的に落ちる。種は、多くの相異なる混入処理の際に幾分溶融す
るが、少なくともその一部は、その溶融細粒の内部に埋め込むために固体状態に
とどまる。
【００５５】 図８に記載のステップ４０８では、種は、それ自体、溶融細粒の内部に埋め込
まれる。この種は、図５に記載のステップ２１６に関して記載されたように、そ
の溶融細粒の内部にインシツで（即ち、その場で）とどまるであろう。この種が
その埋め込みの際に幾分溶融するのに対して、少なくとも一部は、その溶融細粒
の内部にインシツで固体にとどまる。
【００５６】 また、図９ｄによれば、埋め込まれた種４１４（ファントムで示されている）
による溶融細粒の例示が参照符号４１２ｄで表わされている。注入された種によ
って、溶融細粒が単結晶状態に周りで凝固することのできる核生成面にその溶融
細粒がもたらされる。
【００５７】 図８に記載のステップ４１０では、溶融細粒が種の周りに凝固する。この細粒
にはインシツに種が含まれているので、結晶パターンは、図５に記載のステップ
２２２に関して記載されたように、この種から決定されるであろう。
【００５８】 また、図９ｅによれば、単結晶半導体デバイスの例示が参照符号４１２ｅで表
わされている。このデバイス４１２ｅには、図９ｄからの種４１４（ファントム
で示されている）のグレイン方向と一致しているグレイン方向がある。このデバ
イス４１２ｅは形状が完全な球状ではない、ということが理解されている。説明
のために、このデバイス４１２ｅは、「涙滴」形状を有しているとして図示され
ている。この涙滴形状が容認できない場合には、様々な研磨技術を用いてそのデ
バイス４１２ｅを滑らかなものにし、いっそう完全な球にすることができる。そ
の結果、この単結晶半導体デバイス４１２ｅは、非接触処理とインシツ種注入の
使用とによって、極めて純度が高い。
【００５９】 図１０によれば、図３に関して記載されているようなＩＣＰ発生装置は、図９
ｃに関して説明されたように、第１実施例による操作に用いられる。この単結晶
種４１４は、アルゴン供給ラインを通して中央チャンバー１６２に入る。この単
結晶種４１４は、次いで、溶融細粒４１２ａと接触するようになり、また、溶融
細粒４１２ａの内部に埋め込まれ、すべてが中央チャンバー１６２の内側にあり
、好ましくはプラズマ炎１６４の下方の点にある。種を供給された細粒４１２ｄ
が中央チャンバー１６２を出ると、この細粒は凝固して、結晶４１２ｅが形成さ
れる。結晶４１２ｅは、図３に関して記載されたように、ドロップチューブ４２
を通って進む。溶融細粒４１２ａおよび種４１４が途切れることなく移動するの
で、この過程は高速非接触処理のために適しており、途切れることのない種４１
４の流れを、同期した方法で、落ちていく溶融細粒４１２ａの途切れない流れの
通路の中へ送ることができる。
【００６０】 いくつかの利点が上記実施形態から得られる。１つについて述べると、材料は
、他のどのような装置または処理装置１０とも物理的に接触することはまずない
。材料を物理的接触することなく溶融させることで、汚染物質の侵入がいっそう
少なくなる。また、この材料は、落ちたり浮揚したりするので、表面張力のため
に球状になる。更にまた、単結晶は、材料の制御された溶融および冷却によるか
、または単結晶をその材料の中に注入することによって、形成することができる
。更にその上、多くの結晶は、途切れずに続いて再充填されるるつぼ２４で急速
に連続して作ることができる。
【００６１】 前述の事項にはいくつかの変形を作ることができるということは理解されてい
る。例えば、この処理装置の異なる部品に、異なる加熱ステップを用いることが
できる。更にその上、材料を収容して加熱過程または冷却過程を促進するために
、キャッチャー（図示しない）は含まれてもよい。このキャッチャーは、更なる
処理のために前述の材料を加熱炉部へ戻すのに用いることもできる。他の修正、
変更および置き換えもまた、前述の開示に意図されており、いくつかの場合、本
発明のいくつかの特徴を、他の特徴の対応する使用によることなく、使用される
であろう。したがって、特許請求の範囲を広く、かつ、本発明の範囲と一致した
方法で解釈することは適切である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の１つの実施形態による処理装置の切欠側面図を示している。
【図２】 図１に記載の処理装置を使って球状の結晶デバイスを作るための方法のフロー
チャートである。
【図３】 図１に記載の処理装置とともに使うためのプラズマ発生装置を示している。
【図３ａ】 図１に記載の処理装置とともに使うためのプラズマ発生装置を示している。
【図３ｂ】 図１に記載の処理装置とともに使うためのプラズマ発生装置を示している。
【図４】 図４ａ〜図４ｄは、図３のプラズマ発生装置とともに使うための石英チューブ
の異なる形状の実施例である。
【図５】 球状の単結晶デバイスを作るための方法のフローチャートである。
【図６】 図６ａ〜図６ｆは、図５に記載の方法によって生成された球状の単結晶デバイ
スの異なる段階の説明図である。
【図７】 本発明の様々な実施形態の装置および方法を使う多結晶物質の形成を促進する
ために用いることのできる別の方法の説明図である。
【図８】 インシツ種注入によって球状の単結晶デバイスを作るための方法のフローチャ
ートである。
【図９】 図９ａ〜図９ｅは、図８に記載の方法によって生成された球状の単結晶デバイ
スの異なる段階の説明図である。
【図１０】 本発明の１つの実施形態による、図１に記載の処理装置とともに使うために、
インシツ種注入によって球状の単結晶デバイスを作るための方法が組み込まれて
いるプラズマ発生装置を示している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＪＰ (72)発明者 ハナベ、 ムラリ アメリカ合衆国 75025 テキサス州 プ ラノ ナンバー1334 アルマ ドライブ 7401 Ｆターム(参考） 4G077 AA01 BA04 CD07 EC02 EE05 MB14

Claims (22)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１多結晶細粒を受け入れる手段と、 前記第１多結晶細粒を溶融させて、種および第１溶融体にする手段と、 前記第１溶融体が、前記種の結晶方向と同一の結晶方向を作り出すように、前
    記種を用いて前記第１溶融体を凝固させるための非接触環境 とからなることを特徴とする球状の単結晶を作るためのシステム。
  2. 【請求項２】 比較的大きい数の結晶方向を有している第２多結晶の細粒を
    受け入れる手段と、 前記第２多結晶細粒を核生成剤で被覆する手段と、 被覆された前記第２多結晶細粒を溶融させて、第２溶融体にする手段と、 前記第２溶融体を凝固させて前記第１多結晶を形成する手段 とを更に有することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  3. 【請求項３】 前記被覆された第２多結晶細粒を溶融させる手段、および前
    記第１多結晶細粒を溶融させる手段が、共通の構造体を共有することを特徴とす
    る請求項２に記載のシステム。
  4. 【請求項４】 前記第１多結晶細粒が、比較的小さい数の結晶方向を有して
    いることを特徴とする請求項２に記載のシステム。
  5. 【請求項５】 前記被覆された第２多結晶細粒を溶融させる手段が、前記第
    ２多結晶細粒を非接触法によって浮揚させる手段を含んでいることを特徴とする
    請求項２に記載のシステム。
  6. 【請求項６】 前記種および前記球状結晶が、両方とも単結晶であることを
    特徴とする請求項２に記載のシステム。
  7. 【請求項７】 前記溶融させる手段が、前記第１多結晶細粒に決して物理的
    接触しないことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
  8. 【請求項８】 小さい単結晶粒子を形成するステップと、 前記単結晶粒子へシリコン蒸気を施して、単結晶芯のあるシリコン細粒を形成
    するステップと、 前記シリコン細粒を溶融させて、前記単結晶芯から形成された種および第１溶
    融体を形成するステップと、 前記第１溶融体が、前記種の結晶方向と同一の結晶方向を作り出すとともに、
    前記凝固が、非接触環境で起きるように、前記第１溶融体を前記種を用いて凝固
    させるステップ とからなることを特徴とする球状のシリコン結晶を作るための方法。
  9. 【請求項９】 前記小さい単結晶粒子が、エピタキシャル成長を用いて形成
    されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記シリコン蒸気を施すステップが、流動床反応器を利用
    するものであることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記球状の結晶が、単結晶であることを特徴とする請求項
    ８に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記溶融させるステップが、前記シリコン細粒との物理的
    接触なしに起きることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記シリコン蒸気を施す前に、前記小さい単結晶粒子を加
    熱するステップを更に備えていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 多結晶細粒を受け入れるステップと、 単結晶種を受け入れるステップと、 前記多結晶細粒を完全に溶融させて溶融体にするステップと、 前記単結晶種を前記溶融体に接触させることで、前記単結晶種が前記溶融体の
    内部に埋め込まれるようにするステップと、 前記溶融体が、前記単結晶種の結晶方向と同一の結晶方向を作り出して球状の
    結晶を形成するとともに、前記凝固が非接触環境で起きるように、前記埋め込ま
    れた単結晶種の周りの溶融体を凝固させるステップ とからなることを特徴とする球状の結晶を処理するための方法。
  15. 【請求項１５】 前記多結晶細粒および前記単結晶種が、両方とも同じ種類
    の材料から作られていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記種は、前記溶融体が凝固する時に前記球状の結晶が前
    記種からドーパントを含むように、ドープされることを特徴とする請求項１４に
    記載の方法。
  17. 【請求項１７】 前記溶融させるステップが、前記多結晶細粒との物理的接
    触なしに起きることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 多結晶細粒を受け入れる手段と、 単結晶種を受け入れる手段と、 前記多結晶細粒を完全に溶融させて溶融体にする手段と、 前記溶融体および前記単結晶種を接触させることで、その単結晶種がその溶融
    体の内部に埋め込まれるようにする手段と、 前記溶融体が、前記単結晶種の結晶方向と同一の結晶方向を作り出して球状の
    単結晶を形成するように、前記埋め込まれたその単結晶種の周りの溶融体を凝固
    させるための非接触環境 とからなることを特徴とする球状の単結晶を作るためのシステム。
  19. 【請求項１９】 前記多結晶細粒および前記単結晶種が、同じ種類の材料か
    ら作られていることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
  20. 【請求項２０】 前記単結晶種が、ドーパントを前記溶融体へ導入するため
    に不純物を含んでいることを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
  21. 【請求項２１】 前記溶融させる手段が、前記多結晶細粒と決して物理的接
    触しないことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。
  22. 【請求項２２】 前記多結晶細粒を受け入れる手段および前記単結晶種を受け
    入れる手段が、多数の球状の単結晶を作るための、途切れることなく連続した処
    理フローを促進するように配置されていることを特徴とする請求項１８に記載の
    システム。
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