JP2004517797A - 半導体サブストレート製造用磁場加熱炉およびその使用方法 - Google Patents
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Abstract
Description
当該発明は半導体サブストレート製造において、特に、磁場加熱炉使用による結晶の製造システムおよび方法に関するものである。
【0001】
デンドライトウェブリボン結晶は、その化学的純度が高く、構造上欠陥の密度が低く、長方形で、結晶が比較的薄いことから、太陽電池によく使用されている。また、デンドライトウェブ結晶プロセスによる太陽電池の光からエネルギーへの変換効率は17.3%であり、これはフローティングゾーンシリコンやその他の衆知の複雑なプロセスなど、高価なプロセスによってのみ得られる高い効率に匹敵する。
【0002】
図1に、デンドライトウェブシリコン結晶10のリボンまたはシートを示す。最初のシリコン溶融部分12Aから、単結晶としてデンドライトウェブシリコン結晶10が引き出されている。第2のシリコン溶融部分12Bは、第1のシリコン溶融部分12Aからバリヤ14によって分離される。バリヤ14は、第1と第2のシリコン溶融部分12Aと12Bの間である程度の断熱を施す目的で備えられている。バリヤ14の小さい開口部(図示されていない)を通って、溶融したシリコンが第2の溶融部分12Bから第1の溶融部分12Aへと流れる。第1溶融部分12Aをシリコンの融点のわずか下に保つことにより、結晶が第1溶融部分12A内で連続的に凝固する。第2溶融部分12Bは、融点の少し上にシリコンを加熱し、第2溶融部分12Bにシリコンペレットを機械的に送り込むことによって補充される。第1および第2溶融部分12Aおよび12Bは、るつぼ16内に収まっている。
【0003】
シリコン結晶10は、通常、約1.8 cm/分の速度で上向きに引っ張られることによって成長する。結果的に形成されたデンドライトウェブシリコン結晶10は、シリコンウェブ部分20にシリコンデンドライト部分22が結合されたものとなる。ウェブ部分20は通常、幅が3〜8 cmで、一般の正方形デンドライトの厚さ550μmに比べ、厚さは約 100 μmと薄い。上記の結晶成長を維持するために、第1溶融部分12A内のメルト表面下で、デンドライトの尖った先端部分24において、デンドライトサポート構造が連続的に形成される。
【0004】
従来のデンドライトウェブ結晶成長プロセスは、結晶成長が途中で止まってしまう原因となる「不安定性」など、いくつかの欠点を持っている。その結果、得られる結晶の長さは1〜2 mに留まるため、商業的生産には不適当である。商業性を改善した製品を製造するために、メルトに磁場を適用して結晶を成長させると、デンドライトウェブ結晶の成長が安定するなどの改善が得られることが分かった。当該発明の譲受人に譲受された特許申請「Method and System for Stabilizing Dendritic Web Crystal Growth(デンドライトウェブ結晶成長安定化の方法とシステム)」(シリーズ番号09/294,529、1999年4月19日付け)に、デンドライトウェブ結晶成長への磁場の応用に関する説明がある。そのような磁場の例を図2に示す。図2は、物理的に識別できる相対した磁極32Aと磁極32Bの対を含む、ダイポールマグネットを持った加熱炉チャンバー30を示す。磁極32Aと32Bの間にあるワーキングギャップGは、るつぼを収容している成長ハードウェア34を配置する場所である。コイル36Aと36Bがそれぞれ磁極32Aと磁極32Bの周りに巻きつけられ、(一般にX軸またはY軸に沿って)水平磁場を発生する。外部ヨーク38が磁気的に磁極32Aと磁極32Bに接続される。
【0005】
ここで、(一般にX軸またはY軸に沿った)水平磁場の代わりに、(一般にZ軸に沿った)垂直磁場を成長ハードウェア34に印加すると、多大な利点が得られることが分かった。垂直磁場を発生するためには、磁極32Aと32Bをチャンバー30の最上部と底に取り付ける必要がある。しかし、この構成はデンドライトウェブ結晶の形成を妨害する。つまり、上の磁極が、チャンバー30の最上部を通して行われるウェブの抽出を妨害することになる。従って、ウェブ結晶の形成を妨害せずにほぼ垂直の磁場を発生させるための磁場発生器が必要になる。
【0006】
(要約)
当該発明の実施例の1観点に従い、ウェブ結晶などの半導体サブストレートを製造するための装置を示す。当該装置は、チャンバーおよびチャンバー内にある結晶成長ハードウェア部分から構成される。結晶成長ハードウェアアセンブリは、サブストレートを成長させるためのものである。磁場発生器がこのチャンバー周囲を囲んでいる。磁場発生器は、結晶成長プロセス中に磁場を発生するために使用される。このチャンバーは、通常、結晶成長の縦方向として指定される縦軸(図中ではZ軸)を有する。磁場発生器は、通常この縦方向に磁場を発生する。
【0007】
磁場発生器の1実施例は、チャンバーを囲むコイルアセンブリから構成される。コイルアセンブリには、電流を流すためのコイル状エレメントが最低1個付いている。冷却板はコイルアセンブリと熱交換を行う。冷却板はコイル状エレメントを通る電流によって発生する熱を伝導させるためにある。冷却板中に置かれた冷却チューブに水を流すことによって熱が除去される。冷却チューブをコイル状エレメントから絶縁すると、電気分解を大幅に低減または完全に除去できる。
【0008】
シェルは少なくとも部分的に磁場発生器を包囲している。シェルはシェル内に磁場を閉じ込め、チャンバー内での磁気方向を制御し、さらに、結晶成長ハードウェアアセンブリにおける磁界強度を増強するために使用される。
【0009】
1実施例では、シェルはシース本体を備えることができ、シース本体は、シース本体の一端から突き出す上部突縁と、それに対向してシース本体の反対の端を囲む下部突縁が付いている。シェルには強磁性体を用い、さらに、チャンバー内の結晶成長ハードウェアアセンブリの上に配置したフィールドクランプメンバーを持つことができる。フィールドクランプメンバーには、結晶成長ハードウェアアセンブリからウェブ結晶を抽出するための開口部がある。フィールドクランプメンバーは上部突縁と磁気的に伝導性があり、上部突縁はチャンバー外側に配置される。トランジションリングを使用して、上部突縁をフィールドクランプメンバーに磁気的に結合させることができる。
【0010】
別の実施例に従い、結晶成長ハードウェアアセンブリを支持するために磁場成形プレートをチャンバー内に配置することができる。磁場成形プレートは、結晶成長ハードウェアアセンブリ上の磁場を増強することができる。磁場成形プレートの厚さは変更可能で、希望の幾何学的形状を持たせることができ、磁気強度はこの幾何学的形状に依存する。
【0011】
当該発明の実施例の別の1観点に従い、デンドライトウェブ結晶製造プロセスを示す。このプロセスには、結晶成長ハードウェアアセンブリを持つチャンバーを提供する行為が含まれる。結晶成長ハードウェアアセンブリにはメルトが入っており、メルトからサブストレートを成長させ、結晶成長段階でチャンバー内での結晶成長縦方向に向かってメルトに磁場が加えられる。磁場発生器は、メルトに磁場を加えるためにチャンバー周囲を囲んでいる。
【0012】
(図の概説)
図1は、デンドライトウェブ結晶を成長させるための従来型るつぼの断面図である。
【0013】
図2は、サブストレートを生成するために使用される従来型の加熱炉チャンバーの断面図で、チャンバーには、るつぼに水平方向の磁場を加えるためのダイポールマグネットがある。
【0014】
図3は、磁気シェル付きの磁場発生器を持つ加熱炉チャンバーの実施例の横断面図である。
【0015】
図4は、磁気シェル付きの磁場発生器を持つ加熱炉チャンバーの実施例の横断面図である。
【0016】
図5は、冷却板がかぶさった磁場発生器のコイル状エレメント部分の拡大図である。
【0017】
図6は、加熱炉チャンバーに使用されるトランジションリングの実施例の上平面図である。
【0018】
図7は、加熱炉チャンバーからウェブを抽出するための開口部を持つフィールドクランプメンバーの実施例の上平面図である。
【0019】
図8は、部分的に内部を示す、加熱炉チャンバーの上平面図である。
【0020】
図9A〜Cは、磁気シェル用スペーサによって支持される磁場成形プレートの他の実施例を示す。
【0021】
図10は、デンドライトウェブ結晶製造に使用される従来型結晶成長ハードウェアアセンブリの内部透視図である。
【0022】
図11は、図10の結晶成長ハードウェアアセンブリ用るつぼの上平面図である。
【0023】
図12は、図3および図4の加熱炉チャンバー用磁気システムの計算から得られた磁束を示す。
【0024】
図13は、当該発明の1実施例における、ワーキングギャップに対するフィールドクランプメンバー開口部の狭い方の幅の幾何学的mmf 係数の変化を示すグラフである。
【0025】
図14は、図2に示すダイポールシステムのワーキングギャップに対する幾何学的mmf 係数と磁極半径の変化を示すグラフである。
【0026】
図15Aと図15Bは、当該発明の1実施例におけるシステムと加熱炉との漂遊磁界を、図2のダイポール磁気システムと比較したグラフである。
【0027】
(当該発明の実施例の詳説)
(装置)
図の参照において、同じ参照番号は同じ部品を示す。図3および図4は、単結晶や多結晶型サブストレートなどの半導体サブストレートを製造するために使用される加熱炉チャンバー100を示している。当業者は、当該発明の実施例が、Evergreen Solar 社製造のストリングリボンおよびASE Americas社製造のEFG(edge−defined film−fed growth)などのシリコンシートやシリコンリボンを製造するために使用可能であることが理解できるであろう。説明のため、当該発明の実施例にはデンドライトウェブ結晶の製造工程を取り上げる。
【0028】
チャンバー100の一般的な構造は、下部の円筒形本体104に上部チャンバーキャップ102をかぶせたものである。チャンバー100は一般にベル型を取り、たとえば、約5〜12 mmのギャップ108を囲む二重壁構造106を持たせることができる。例として(これに限られるものではないが)、下部円筒形本体104の直径は約600 mmにすることができる。チャンバー100は、楕円形、四角形など、さまざまな幾何学的形状を取ることが可能であり、説明文中または図中に示すものに限られるわけではない。ギャップ108は、水などの冷却液をギャップ108内で循環させることによりチャンバー100から熱を逃がし、温度を制御するためのものである。チャンバー100には、オーステナイト系ステンレス鋼などの非強磁性体を使用できる。チャンバー100の最上部にある覗き窓110は二重壁106を貫通しており、製造プロセス中にオペレータがデンドライトウェブ結晶を観察できるようにするためのものである。図中、覗き窓110はZ軸に対して約45°の角度に向いているためオペレータがまっすぐ覗き込むことができる。
【0029】
二重壁106の外側にある円筒形のコイルアセンブリ112は、下部円筒形本体104を囲んでいる。つまり、円筒形本体104周囲をリングのように包囲している。コイルアセンブリ112は、チャンバー100内でほぼ垂直方向に磁場を発生するために使われる。ここで、「垂直」は図中のZ軸に対してほぼ平行な方向として定義される。あるいは、「垂直」はウェブ結晶の成長の長さ方向に平行な方向として定義される。図中、コイルアセンブリ112はだいたいZ軸に中心を置いている。Z軸はチャンバー100の中心を通っているが、コイルアセンブリ112はZ軸に対して非対称的に配置してかまわない。当業者には、コイルアセンブリ112に楕円形や正方形などのその他の幾何学的形状を使用できることは明らかであろう。
【0030】
商業用実施例の1つとして、コイルアセンブリ112には、電気的に直列接続した4個のコイル状エレメント114A、114B、114C、114Dを使用できる。コイル状エレメント114A〜Dには、たとえば、厚さ0.08 mmの層間絶縁物質をはさんで1.245 mm×50.8 mmの銅条を65回巻いたものを使用できる。絶縁物質にはマイラーなどが適している。
【0031】
1実施例では、隣接して配置された各コイル状エレメント114A〜Dの間に、3枚の環状冷却板116A、116B、116Cをはさむ。冷却板116A〜Cにはアルミニウムなど任意の適材を用いることができ、たとえば、10 mmなどの適切な厚さとすることができる。たとえば、20 mm厚のアルミニウムなどを用いた、より厚く強固で頑強な冷却板116Dと116Eを使って、コイル状エレメント114Aと114Dの上と下を塞ぐことができる。冷却板116A〜Eは、コイル状エレメント114A〜Dを通過する電流によって発生する熱を除去または発散するためのものである。たとえば冷却板116A〜Eに挿入した銅管などの冷却チューブを通して、冷却板116A〜Eに水などの冷却液を循環させてもよい。ここに説明する構造的実施例における重要な点は、コイル状エレメント114A〜Dから冷却チューブを電気的に絶縁することである。水冷の場合、コイル状エレメント114A〜Dから冷却チューブを電気的に絶縁すると、電気分解が大幅に軽減され、脱イオン水を使用する必要性が減る結果、運用経費とメンテナンスの必要性が最小となる。
【0032】
図5は、コイル状エレメント114Aに冷却板116Dがかぶさっている部分を拡大して示している。冷却チューブ118は冷却板116Dの部分にある。マイラーなどの電気的絶縁物115をはさみ、銅条113を使ってコイル状エレメント114Aを形成する。1実施例では、コイル状エレメント114A〜Dを冷却板116A〜Eから電気的に絶縁するために、ファイバーグラスを織り込んだ布117を使用できる。コイルアセンブリ全体112に、ファイバーグラス製テープを巻きつけてから、エポキシ樹脂で真空含浸し、単一の硬質、不浸透性のコイルアセンブリ112を形成する。コイルアセンブリ112は、稼動時の熱膨張収縮によるストレスに対し、高い耐性を備えていなければならない。樹脂を含浸したファイバーグラスを、コイル状エレメント114A〜Dの端と隣接する冷却板116A〜Eの間にはさむことにより、効率の面で十分な高さの熱伝導性が得られる。
【0033】
コイルアセンブリ112の実施例は、上述のものに限定されない。当業者が、実使用可能な任意の数のコイル状エレメント114A〜Dおよび冷却板116A〜E(たとえば、それぞれ2個と3枚)、コイル状エレメント114A〜Dに使用されるアルミニウムなどのその他の適材、 オーステナイトステンレス鋼など冷却板116A〜Eに使用されるその他の適切な非強磁性体材料など、さまざまに具体化できることが明らかであろう。さらに、コイル状エレメント114A〜Dには、薄い条片ではなく、長方形、正方形、あるいは固形の銅またはアルミニウム線を使用できる。別の実施例では、冷却板116A〜Eに熱を伝えて間接的に冷却するのではなく、熱伝導材料でできたチューブ内に脱イオン冷却液を流すことによって直接冷却することが可能な長方形、正方形、円形などの銅またはアルミニウムチューブを使ってコイル状エレメント114を作成することも考えられる。
【0034】
層間絶縁には、導体を絶縁テープで巻く、導体に絶縁スリーブをかぶせる、または、導体をエナメル銅またはアルマイトなどの絶縁フィルムでコーティングするなどの別の方法や材料を使用することもできる。
【0035】
上述の構造は、導電性を持つ導体を使った電気抵抗性のあるコイルに適用される。超電導コイルを使用してもよい。ただし、この場合はコイルにおける電力損失がゼロになる一方、今日の超電導体では、超電導コイルを−260℃未満という超低温に維持する必要性と経費とが問題となりうる。
【0036】
1実施例では、図中120として示すように、軟らかい強磁性体(つまり、炭素含有量が低い鉄鋼など、容易に磁化できる材料)のシェルが下部円筒形本体104およびコイルアセンブリ112を包囲する。その他の適切な材料については、L.J. Giacoletto著「 Electronic Designers’ Handbook, 2nd Ed. 」(1977年発行)を参照のこと。強磁性体シェル120の役割は、ここに記述するものに限定されないが、シェル120内に磁場を封じ込めることにより漂遊外部磁界を低減すること、チャンバー100内の磁気の方向を制御してチャンバー100の中心部分における磁界強度を増強することなどがある。
【0037】
1実施例では、シェル120は、円筒形シース122、円筒形シース122から突き出している上部突縁124、上部突縁124に対向し、円筒形シース122から突き出している下部突縁126などから構成される。
【0038】
軟らかい強磁性体のトランジションリング128は、二重壁106の外側にある上部突縁124と、チャンバー100内部にある軟らかい強磁性体フィールドクランプメンバー130とを磁気的に接続するための結合媒体として機能する。トランジションリング128は、上部チャンバーキャップ102および下部円筒形本体104の間を連結する。図6に示すようにトランジションリング128には、周囲に沿って設けられている開口部129があり、ギャップ108において上部チャンバーキャップ102から下部円筒形本体104へと水などの冷却液を循環させることができる。トランジションリング128には、さらに、トランジションリング128をフィールドクランプメンバー130に固定するための固定用穴131が付いている。
【0039】
冷却液はチャンバー100で発生する熱を吸収する。冷却液はまた、トランジションリング128およびフィールドクランプメンバー130を冷却し、磁気特性の劣化を防ぐためそれらを低温(例:50℃〜300℃)に保つ。軟炭素鋼より高価であるが、トランジションリング128にマルテンサイト系磁性ステンレス鋼を使用すると冷却水による有害な腐食を大幅に防止できる。
【0040】
図3および図8を参照すると、コイルアセンブリ112の巻き線の最初と最後に接続されているねじ込み式端子132は、円筒形シース122の開口部134から操作できる。コイル冷却板116A〜Eへの接続部分136も開口部134から操作できる。開口部134から漏れる漂遊磁界は、円筒形シース122を通過する磁束が分岐して開口部134の両側を通ることからほとんど無視できる。
【0041】
コイルアセンブリ112および強磁性体シェル120の方向と物理的配置とによって、結晶成長を安定させるために十分な強度の垂直磁場(例:500〜3000ガウス)が得られる。フィールドクランプメンバー130を含むシェル120は比較的軽量(例:350〜450 kg)にできるが、最低1500ガウスの必要最大磁場において発生する磁束によって完全に磁化したり磁気飽和することがないように、十分な厚さにする必要がある。適切な厚みT1(図3および図4)の例としては、約8 mmから約40 mm、より厳格には約12 mmから約25 mmなどがある。フィールドクランプメンバー130を含むシェル120には、炭素含有量が少ない鉄鋼など、適当な軟らかい強磁性体を使用できる。
【0042】
別の実施例に関して、図3および図4を参照すると、磁気シェル120にはさらにスペーサ140で支持される磁場成形プレート138を含むことができる。磁場成形プレート138は、チャンバー100のほぼ中心に置かれる結晶成長ハードウェアアセンブリ142を支持する。磁場成形プレート138の役割は、ここに記述するものに限定されないが、シリコンメルト上(図1の12A)に磁場を集中し、シリコンメルトに沿ってX軸上の磁気強度の変動を制御するなどがある。磁場成形プレート138とスペーサ140にも、炭素鋼などの軟らかい強磁性体を使用できる。磁場成形プレート138の典型的な厚さT2は、約25 mmから約40 mmにできる。スペーサ140は、下部突縁126の上の面から磁場成形プレート138の底面の間に約30 mmから約100 mm、より厳格には約50 mmから約70 mmの隙間を持たせるためのものである。スペーサ140の役割は、ここに記述するものに限定されないが、磁場成形プレート138と下部突縁126の間の効率的な磁気結合、磁場成形プレート138の下にヒーターフィラメントを置くためのスペースの確保、コイルアセンブリ112を収容するためにシェル120内に大きい縦の空間を持たせることにより必要なコイル電力を低減することなどがある。
【0043】
図9A、9B、および9Cに示すように、磁場成形プレート138の厚みを変化させて上面を曲面にできる。図9Aを参照すると、磁場成形プレート138の中央部は他の部分に比べて薄くなっている。このような構造は、メルト中央に比べてシリコンメルトの両端における磁場を強化させる。逆に、図9Bに示すように、外側部分より中央が厚いと、シリコンメルトの端部分の磁場が中央部分よりも減少する。別の実施例では、図9Cに示すように、磁場成形プレート138を曲面にして、シリコンメルト上の磁場を選択的に変化させることもできる。
【0044】
フィールドクランプメンバー130、磁場成形プレート138、スペーサ140を含む強磁性体シェル120は、約500〜3000ガウスの磁場を発生し、コイルではそれに対応して約170〜6300 Wの電力が消費される。
【0045】
図3に代表されるように、ハードウェアアセンブリ142はグラファイトエレメント144などの断熱材によって部分的に包囲される。グラファイトエレメント144はハードウェアアセンブリ142の底部および側面を囲むことによって断熱を施し、るつぼエレメント146(図10参照)を必要な動作温度(例:約1400℃)に維持するために必要な電力を最小限に抑えることができる。
【0046】
参考として添付する、当該発明の譲受人に譲受された特許申請書「Method and System for Stabilizing Dendritic Web Crystal Growth(デンドライトウェブ結晶成長安定化の方法とシステム)」(シリーズ番号09/294,529、1999年4月19日付け)に、るつぼエレメント146に関する説明がある。図10および図11に簡単に示すように、るつぼエレメント146は、第2溶融部分148Bに囲まれた第1溶融部分148Aを持っている。第1溶融部分148Aはバリヤ150によって第2溶融部分148Bから分離されている。バリヤ150の小さい開口部(図示されていない)を通って、シリコンなどの溶融したコンパウンドが第2の溶融部分148Bから第1の溶融部分148Aへと流れる。第1の溶融部分148Aをシリコン結晶の融点(1412°C)のわずか下に保つことにより、結晶が第1溶融部分148A内で連続的に凝固する。第1溶融部分148Aは、結晶の融点の少し上に第2溶融部分を加熱し、フィード穴152から第2溶融部分142Bにシリコンペレットを機械的に送り込むことによって補充される。るつぼエレメント146はモリブデン(Mo)などの蓋154およびシールド156で覆われる。ハードウェアアセンブリ142からデンドライトウェブ結晶158を引き出すために、蓋154およびシールド156に開口部(番号なし)が設けられている。シールド156は蓋154からの熱損を減少させるもので、温度変化によるストレスを最小限に抑えながらデンドライトウェブ結晶158を冷却するために、デンドライトウェブ結晶158上に垂直の温度分布を形成する。抵抗加熱器160はサセプター162を囲んで十分な熱エネルギーを伝達し、結晶成長時にハードウェアアセンブリ142の構成部品と成長中のデンドライトウェブ結晶158とを適切な温度に保つ。図3に戻ると、下部突縁126のフィードスルーカップリング164を通して電力が抵抗加熱器160に送られている。
【0047】
図3と図4で明らかなように、デンドライトウェブ結晶158は、フィールドクランプメンバー130の開口部166と加熱炉チャンバー100の開口部168とを通し、加熱炉チャンバー100の最上部からZ軸に沿って機械的に引き出される。図7は、円形本体170に長方形の開口部166があるフィールドクランプメンバー130を上から見た平面図である。図中の長方形開口部166は、長さLがX軸に沿い、幅WがY軸に沿って描かれている。長さLと幅Wには任意の適切な値を使用すればよいが、Wをできるだけ小さくして開口部166からの漏れ磁束を防ぎ、シリコンメルト部分で最強の磁場が得られるようにすることが望ましい。例として、長さLには約150 mm〜約350 mm、より厳格には約250 mm〜約300 mmが考えられる。また、デンドライトウェブ結晶形成の様子をまっすぐに観察できるような長さが適切である。例として、幅Wには約50 mm〜約180 mm、より厳格には約80 mm〜約120 mmが考えられる。図10に示すように、デンドライトウェブ結晶158の幅がX軸に、長さがZ軸に、厚さがY軸に沿っている。
【0048】
当業者には、当該発明を応用したその他のさまざまな実施例が考えられるであろう。たとえば、コイルアセンブリ112はコイルにそれほどの電力を必要としない上、優れた自己磁気遮蔽を持つ。従って、フィールドクランプメンバー130の開口部166は、幾何学的なmmf 係数k またはコイル電力、あるいは外部漂遊磁界を急激に増加させずにY軸方向に大きくすることができる。フィールドクランプメンバー130の開口部166には、楕円形や円形など、他の形状を持たせることもできる。そのような実施例には、デンドライトウェブ結晶の垂直の温度分布を制御できるという利点がある。
【0049】
(垂直磁場)
コイルアセンブリ112および磁気シェル120の方向と物理的配置によって、結晶の成長を安定させるように磁場を垂直方向に発生させる。その他の利点は、ここに記述するものに限定されないが、製品の製造に同等の有益な結果をもたらすために必要なコイル電力とコイルサイズを低減できること、結晶の平均の長さがより長いこと、結晶成長ハードウェア142と図11に示すクォーツるつぼ146を含み、溶融シリコンが入っているチャンバー100の構成部品の腐食の防止などがある。当該発明の実施例における磁気システム構成は、従来のダイポール磁気システムとは大きく異なる。図2に示すように、従来式のダイポールマグネットは、XまたはY方向に水平の磁場を発生する。従来式のダイポールマグネットは、物理的にまったく同じ磁極32Aと磁極32Bの対を持ち、それぞれコイル36Aと36Bが磁極32Aと32Bに巻きつけられている。磁極32Aと磁極32Bの間の空間であるワーキングギャップGには結晶成長ハードウェア34が入っている。外部ヨーク38が磁気的に磁極32Aと磁極32Bを接続する。
【0050】
そのような従来式双磁極を使って垂直(Z方向)磁場を発生するのは非常に困難である。このような配置にすると、つまり、1磁極がチャンバー30の最上部にあり、別の磁極がチャンバー30の底にある場合、上の磁極とコイルとがチャンバー30上部を通してのウェブ抽出を妨害する可能性がある。簡単に言えば、上の磁極とコイルとがチャンバー30の最上部で物理的な妨害物となり、ウェブを引き出すのが困難になる。
【0051】
当該発明の実用磁気システムでは、1つのコイルアセンブリ112だけがチャンバー100を囲んでいる。その結果、対向する磁極対を使用することが不要となる。スペーサ140と磁場成形プレート138とによる残留磁極があるのがせいぜいである。Z軸に沿った垂直磁場の発生には、チャンバー100の最上部に磁極を置く必要がなく、ウェブを引き出すために十分な大きさで、また、結晶形成を観察するときに視野をさえぎらないような適切な大きさの開口部166を設けることができる。
【0052】
図4および図12を参照すると、磁場成形プレート138の上面(z=z1 における)から、結晶成長ハードウェアアセンブリ142が入っているワーキングギャップ を横切って、フィールドクランプメンバー130の開口部166の下端(y=y1 における)へと磁束を発生させるために必要なコイルのアンペア回数 、つまり、 起磁力(mmf )は次のように求められる。アンペアの法則によると[J. C. Slater and N. H. Frank, Electromagnetism, McGraw−Hill, 1947, pp. 59−62]:
【0053】
【数1】
【0054】
シェルが完全に磁化されない、つまり、磁気的に飽和しないようにするのに十分強磁性体シェル120が厚ければ、磁束を強磁性体シェル120中を通すために必要な磁界強度は、式(1)によって得られる、磁束をワーキングギャップに通すために必要な起磁力 J に比較するとほとんど問題にならない程小さい。
【0055】
ワーキングギャップ中の磁界 B は通常Z軸方向であるため、磁束 Φ はフィールドクランプメンバー130と上部突縁124の上の領域に渡るBz の積分として概算される。つまり、
【0056】
【数2】
【0057】
ここで、B0 はウェブメルトインターフェイスの(つまり、z = 0における)磁界のz 成分で、Dc はコイルアセンブリ112の平均直径である。Ds がシース122の平均直径で、Bs がシース122中の制限磁束密度である場合、磁気飽和を防ぐためのシース122の最小の厚みは、
【0058】
【数3】
【0059】
図3に示す加熱炉と磁場発生器に対する代表的な値は、
B0 = 3 kG
Dc = 668 mm
Ds = 835 mm
Bs = 18 kG
ここで、シース122の最小厚み Tmin は 22.3 mmとする。
【0060】
磁気飽和を防ぐために、上部突縁124、下部突縁126、フィールドクランプメンバー130も、その外周付近の厚みが最小でなければならない。
【0061】
図7を見ると、ビデオカメラを使って加熱炉のオペレータが結晶形成と成長を観察できるようにするには、フィールドクランプの開口部166のX軸方向の長さがY軸方向の長さより大きいことが実際上重要である。式(1)の第2項を最小にしてmmfを最小にするために、y1 の値を小さくしてあることに注意されたい。 y1 の値を小さくするもう1つの理由は、開口部を通る外部環境への磁場の漏れを最小に押さえるためである。
【0062】
式(1)を次の形に書き換えるとより理解しやすい。
【0063】
【数4】
【0064】
ここで、 k はシェル120の詳細な構造に依存し、コイルの構造にもある程度依存する幾何学的mmf 係数である。式(1)と式(4)を比較すると次のようになる。
【0065】
【数5】
【0066】
k の重要性はここで明らかになる。y1 = 0 であり、磁場が完全に均一 (Bz = B0) であるような理想的な場合、k の式の第2項はなくなり、第1項は1となる。従って、
k≧1 (6)
また、式(4)で与えられるmmf をできるだけ小さくするという観点では、k が1に近いほどより理想的な構造が得られる。
【0067】
k の値は、「POISSON/SUPERFISH, LA−UR−87−115, 1987 Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545」のようなコードを使用して理論的に算出できる。図3および図4の実施例に対する計算結果を図12に示す。等高線180は等間隔での磁束を示している。k の値対 y1/G のグラフを図13に示す。図4に示すように、y1 = 56 mm および G = 200 mmに対して、
k=1.12 (7)
図2に示す従来式ダイポールの場合、磁極半径をR とすると、図14に示すようにR/Gに対するk の値ははるかに高い。たとえば、図3に示す加熱炉では、G = 500 mmのとき、
k=1.57 (8)
ここで、磁極半径はR = 125 mm である。
【0068】
シェル120がコイルアセンブリ112を包囲し、磁場を効果的に封じ込めている様子を図12に示す。顕著な磁場の漏れは、フィールドクランプメンバー130の開口部166からのものだけである。当該システムの構造に起因するものとして、開口部182など、システムに存在する他の開口部でもわずかな磁気漏れが起こりうる。図15Aと図15Bに示すように、当該発明の実施例では、同じ加熱炉に水平磁場を印加した場合に比較し、漂遊磁界を10〜100倍程度減少させることができる。図15Aでは、AからLで示す縦軸が、チャンバー100の最上部から底までの、チャンバー100内のZ軸に沿った物理的位置を示している。図15Bでは、AからFが横方向位置で、z = 0においてチャンバー100の前面を横切るX軸に沿っている。
【0069】
コイルの電力損を低くすることは、製造工場における運用経費および資本経費に直接影響するため、商用システムにおいて重要である。巻きの平均の長さがL で、銅断面積がA の円筒形コイルの場合、電力損Pは、
【0070】
【数6】
【0071】
ここで、( がコイル巻き線の導電率である。資本経費の点から見ると、コイル巻き線の量 V も重要である。
【0072】
V = LA (10)
下表に示すように、垂直磁場マグネットの場合に、コイル電力2.8 kW、銅体積0.038 m3は、シリコンメルトにおいて2000ガウスの磁場を発生する。これは、従来式水平磁場ダイポールマグネットを使って、同じ磁場を発生させるために必要な電力の40% で、必要な銅の量の60% である。 垂直磁場マグネットの質量 M も大幅に小さくなる。
【0073】
【表1】
【0074】
当該発明のさまざまな応用によって、この他にも結晶成長に関する商業的に大きい利点が得られうる。たとえば、同じ結晶成長ハードウェアを使った場合に、1500ガウスの磁場によって結晶成長を安定化できるのに対し、図2に示すような従来式配置の場合には2000ガウスが必要である。式(9)を見ると、安定化に必要な磁場が低いことから、コイル電力が2.80 kWから1.58 kWへと43%減少する。
【0075】
別の代表的利点として、結晶の平均長がより長くなる。たとえば、現在商業的に実現可能な4.5 mをはるかに上回る9.4 mの長さの結晶が得られた。
【0076】
もう1つの代表的利点として、クォーツるつぼの腐食率が50%減少した。実例として、壁の厚さが2 mmのるつぼが、図2の構成によるシステムでは使用日数が9日間であるのに比べ、18日間使用することができた。
【0077】
加熱炉チャンバー100の実際の容積 Vw は、係数Sを使いチャンバー100の寸法を立体的に拡大縮小することによってより大きくまたは小さくできる。この場合、
Vw ∞ S3 (11)
式(9)に従うと、コイル電力係数Pσ / B2 はSに伴って変化する。つまり、
Pσ / B2 ∞ S ∞ Vw 1/3 (12)
式(3)に従うと、磁気飽和を防止するために、強磁性体シェル120の質量はS3 に伴って変化させる必要がある。コイルアセンブリ112の質量も、また、S3 に伴って変化するため、磁場発生器の全体の質量がS3 に伴って変化する。つまり、
M ∞ S3 ∞ Vw (13)
上述の係数の関係を考慮すると、当該発明のさまざまな応用において、拡大率に独立の効果尺度 fm は、
fm = B2 Vw 4/3 / PMσ (14)
σ を下げるために冷凍冷却を使用する場合、電力Pには巻き線の消費電力だけでなく冷凍機の消費電力も加える必要がある。
【0078】
コイル電力Pと磁場発生器の質量Mは、それぞれ事実上の運用経費と資本経費の尺度となる。任意の磁場Bに対してこれらが減少するにつれ、効果尺度 fm は対応して増加する。
【0079】
図3を参照すると、下部円筒形本体104で囲まれている実用上の円筒形体積 Vw の値は、代表的な寸法である直径585 mmと高さ300 mmを使用すると、
Vw = 0.7854 x 300 x 5852 = 8.0635 x 107 mm3
ここで、銅の巻き線の導電率が
σ = 5.8 x 104 mm/Ω
さらに、上記の表から得られる値、B = 2,000 ガウス、P = 2,800 W、M = 890 kgを使用すると式(15)から得られる効果尺度は、
fm = 0.964 Ohm Gs2 mm3/kg W
比較すると、表中の従来式水平マグネットの効果尺度はfm = 0.137 と、垂直磁場マグネットの場合の6分の1以下になる。当該発明を利用すると、約0.5以上の効果尺度fm を得ることが可能である。
【0080】
腐食したるつぼを交換し、付着したシリコンを除去し、加熱炉の内部ハードウェアのメンテナンスを行うために、加熱炉チャンバー100内部に簡単にアクセスできることが重要である。図3に示すように、スクリューリフトやウィンチなどの機械的装置を使用して、チャンバー100、コイルアセンブリ112、シェル120、パーツ122、124、126を合わせて一体化したサブアセンブリとして持ち上げると、結晶成長ハードウェアアセンブリ142にアクセスできる。持ち上げた後、クリーニングやメンテナンスのために、X軸またはY軸の周りに90度回転して、チャンバー100内部にアクセスしやすいようにする。図3に示すように、ステンレス鋼などの任意の適材でできた下部突縁184をチャンバー100の底部に溶接し、一体化した部品のサブアセンブリを持ち上げやすいようにする。コイルアセンブリ112が下部突縁184に、たとえば、下部冷却板116Dに固定された6本のM12ボルトを使って固定される。一体化したサブアセンブリを持ち上げて回転させるための機械装置は、シース120と下部突縁184にボルトで固定できる。トランジションリング128の外面と、上部突縁124の内面の間に約1 mmのクリアランスがある。このクリアランスは、加熱炉とマグネットコンポーネントの組み立てを容易にするためのものである。この程度のわずかなギャップは、必要なmmf やコイル電力、または、外部漂遊磁界をそれほど増加させることはない。
【0081】
(操作および使用)
デンドライトウェブ結晶を生成するための加熱炉チャンバー100とコイルアセンブリ112の操作方法を次に例を使って説明する。ここでの例は、当該発明の実施例の範囲を制限するものと解釈されてはならない。最初にクォーツるつぼ16(図1)に275 g の純度の高いシリコンペレットを入れてから、結晶成長アセンブリ142のモリブデンサセプター162(図10)内に置く。モリブデン製蓋154とモリブデン製シールドスタック156(図10)を所定の場所に配置する。結晶成長アセンブリ142が完成すると、加熱炉チャンバー100の上部が所定位置に下げられる。次に、チャンバー100内部が空にされ、チャンバー100に外部環境への漏れがないことを確認するためにテストされる。漏れがないことが確認された後、チャンバー内が不活性アルゴンガスで満たされる。次に、シリコン材料を溶融するために、ヒーター160(図10)が22 kWで起動される。 シリコンを室温から、融点である1412°Cより上まで上げるには約45分かかる。シリコンが融けるとヒーター160への電力が約9 kWに下がり、シリコンが溶融状態に保たれる。次に、コイル112 (図3)への冷却水の送水が開始され、シリコンメルトの中央部分で1250ガウスの磁界強度が得られるように、コイルの電力が5分間に渡って徐々に2 kWへと下げられる。デンドライトウェブ結晶の成長を安定化させるには、1250ガウスが適していることが判明している。通常2週間の結晶成長実行中、磁界強度は1250ガウスに一定して保たれる。
【0082】
結晶の成長は、デンドライトシード18(図1)を溶融シリコン中に滴下し、シード18が溶けることも凝固することもない状態で、融点の1412°Cを「維持する」ように温度調整されることによって開始される。次に、シリコンが単結晶シード上に凝着し、固体のシリコン「ウィング(翼)」がデンドライトシード18の外側に向かって、メルト表面に直線的な形で成長し始めるように、シリコンメルトの温度が数度下げられる。この「ウィングアウト」が約4 cmに達すると、デンドライトシード18が上向きに引っ張られ、「ウィングアウト」の端に境界デンドライトが形成される。これらの境界デンドライトと上部「ウィングアウト」の間に溶融シリコンのフィルムが形成され、このフィルムが凝固して薄い(100 mm)単結晶シリコンリボンを形成する。約1.8 cm/分の速度でメルトからウェブ結晶が安定して引き出されるように、引き出す速度とメルトの温度を調節する。固体の結晶が引き出されるのを補うために、領域12B(図1)に落下して溶融するシリコンペレットによってメルトが補充される。ウェブ結晶は2〜3 mの長さに渡って自然に6 cm広がり、その後、結晶成長中安定した状態に維持される。何らかの理由で結晶の成長が終了した場合、上記の説明に従って別の結晶の成長を開始する。通常2週間を要する結晶成長の期間全体に渡って、垂直の磁界強度が一定に保たれる。成長工程が終了すると、ヒーターはゼロに下がり、シリコンメルトは凝固する。この時点で、コイル112への電力もゼロに下がり、チャンバーが室温にまで冷えて、クリーニングと次回の実行を開始できるようになる。
【0083】
当該発明の特定の実施例をここに示して説明したが、当業者には、広い意味での当該発明の実施例の範疇から逸脱することなしに変更や修正を加えることができることが明白であろう。たとえば、当該発明の方法とシステムによって得られる利点は、デンドライトウェブシリコン結晶の成長のみに限定されない。ゲルマニウムなど、さまざまな他の化合物を含むデンドライトウェブ結晶も、当該発明の方法とシステムを使って成長させることができる。従って、添付のクレームは、そのようなすべての変更、同等、改変を、当該発明の具体化の本来的意味と範囲内に包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】
デンドライトウェブ結晶を成長させるための従来型るつぼの断面図である。
【図2】
サブストレートを生成するために使用される従来型の加熱炉チャンバーの断面図で、チャンバーには、るつぼに水平方向の磁場を加えるためのダイポールマグネットがある。
【図3】
磁気シェル付きの磁場発生器を持つ加熱炉チャンバーの実施例の横断面図である。
【図4】
磁気シェル付きの磁場発生器を持つ加熱炉チャンバーの実施例の横断面図である。
【図5】
冷却板がかぶさった磁場発生器のコイル状エレメント部分の拡大図である。
【図6】
加熱炉チャンバーに使用されるトランジションリングの実施例の上平面図である。
【図7】
加熱炉チャンバーからウェブを抽出するための開口部を持つフィールドクランプメンバーの実施例の上平面図である。
【図8】
部分的に内部を示す、加熱炉チャンバーの上平面図である。
【図9】
図9A〜Cは、磁気シェル用スペーサによって支持される磁場成形プレートの他の実施例を示す。
【図10】
図10は、デンドライトウェブ結晶製造に使用される従来型結晶成長ハードウェアアセンブリの内部透視図である。
【図11】
図11は、図10の結晶成長ハードウェアアセンブリ用るつぼの上平面図である。
【図12】
図12は、図3および図4の加熱炉チャンバー用磁気システムの計算から得られた磁束を示す。
【図13】
図13は、当該発明の1実施例における、ワーキングギャップに対するフィールドクランプメンバー開口部の狭い方の幅の幾何学的mmf 係数の変化を示すグラフである。
【図14】
図14は、図2に示すダイポールシステムのワーキングギャップに対する幾何学的mmf 係数と磁極半径の変化を示すグラフである。
【図15A】
図15Aは、当該発明の1実施例におけるシステムと加熱炉との漂遊磁界を、図2のダイポール磁気システムと比較したグラフである。
【図15B】
図15Bは、当該発明の1実施例におけるシステムと加熱炉との漂遊磁界を、図2のダイポール磁気システムと比較したグラフである。
Claims (24)
- (a)チャンバーと、
(b)上記チャンバー内に置かれ、サブストレートを成長させるために使用する結晶成長ハードウェアアセンブリと、
(c)上記チャンバー周囲を囲み、結晶成長時に必要な磁場を発生する磁場発生器と、を含む半導体サブストレート製造装置。 - サブストレートがデンドライトウェブシリコンまたはデンドライトウェブゲルマニウムである請求項1の装置。
- 上記磁場発生器が垂直方向に磁場を発生するものである請求項1の装置。
- 上記磁場発生器が、上記チャンバー周囲を取り囲むコイルアッセンブリを含むことを特徴とした請求項1の装置。
- さらに、コイルアセンブリからの熱を伝えるための冷却板を具備している請求項4の装置。
- 上記冷却板を使用して、上記コイルアセンブリを通過する電流によって発生する熱が伝えられ、上記熱が上記冷却板内に置かれた冷却チューブ内に水を流すことによって伝えられており、
上記冷却チューブがコイルアセンブリから電気的に絶縁され、電気分解が大幅に低減されることを特徴とした請求項5の装置。 - コイルアセンブリが冷却板から電気的に絶縁されていることを特徴とした請求項5の装置。
- コイルアセンブリがエポキシ樹脂で覆われ、ファイバーグラステープで巻かれていることを特徴とした請求項4の装置。
- さらに、シェル内に磁場を閉じ込めるために、少なくとも部分的に磁場発生器を包囲するシェルを具備している請求項1の装置。
- さらに、チャンバー内の磁場の方向を制御するために、少なくとも部分的に磁場発生器を包囲するシェルを具備している請求項1の装置。
- さらに、結晶成長アセンブリの位置において磁界強度を強化するために、少なくとも部分的に磁場発生器を包囲するシェルを具備している請求項1の装置。
- さらに、強磁性体でできており、少なくとも部分的に磁場発生器を包囲するシェルを具備している請求項1の装置。
- さらに、チャンバー壁に対して磁場発生器を囲んでいるシェルを備え、上記シェルがシース本体を含み、上記シース本体がシース本体の一端から突き出している上部突縁と、上部突縁の反対側でシース本体の他方の端を覆っている下部突縁を備えている請求項1の装置。
- さらに、上記シェルがチャンバー内で結晶成長ハードウェアアセンブリ上に配置されたフィールドクランプメンバーを備え、上記フィールドクランプメンバーが上記結晶成長ハードウェアアセンブリからサブストレートを引き出すための開口部を備えており、フィールドクランプメンバーがチャンバー外側にある上記上部突縁と磁気伝導性を持つ請求項13の装置。
- トランジションリングが前述の上部突縁と上記フィールドクランプメンバーとを磁気的に結合することを特徴としたクレーム14の装置。
- チャンバーが、下部チャンバー本体にかぶさる上部チャンバーキャップを含み、
上記上部チャンバーキャップおよび上記下部チャンバー本体がギャップをはさんだ二重壁構造により形成され、
上記ギャップが二重壁構造中に冷却液を循環させてチャンバーから発生する熱を除去するためのものであり、
上記トランジションリングが、上部チャンバーキャップと下部チャンバー本体を結合し、二重壁構造中に冷却液を循環させるために上述のギャップにあわせた開口部を設けたものである、請求項15の装置。 - さらに、結晶成長ハードウェアアセンブリを支持するために磁場成形プレートをチャンバー内に備え、上記磁場成形プレートが結晶成長ハードウェアアセンブリの上の磁場を増強することを特徴とした請求項1の装置。
- さらに、結晶成長ハードウェアアセンブリを支持するために磁場成形プレートをチャンバー内に備え、上記磁場成形プレートが選択された幾何学的構成となるように異なる厚みを持つことを特徴とした請求項1の装置。
- 上記加熱炉チャンバー内にある磁場を発生するためのコイルアセンブリと、
上記加熱炉チャンバー内にある上記の通常垂直方向である磁場を本質的に封じ込めるための強磁性体シェルと、を含むデンドライトウェブ結晶製造用の加熱炉チャンバー磁場システム。 - 上記コイルアセンブリが、少なくともコイル状エレメント1個と、上記コイル状エレメントとの間に熱伝導性を持つ冷却板とを備えた請求項19の磁場発生器。
- 上記コイルアセンブリが上記加熱炉チャンバーの周りを囲むように配置された請求項19の磁場発生器。
- (a)メルトを入れる結晶成長ハードウェアアセンブリを備えたチャンバーを提供することと、
(b)上記メルトからサブストレートを成長させることと、
(c)結晶成長時にメルトに磁場を印加するための磁場発生器を使用し、
上記磁場がサブストレートの成長の長さ方向に加えられ、
上記磁場発生器が前述のチャンバー周囲を取り囲むことと、を含む半導体サブストレート製造プロセス。 - 請求項22の方法によって形成されるデンドライトウェブ結晶。
- さらに、前述のチャンバー内にほとんどの磁場を封じ込めるための強磁性体シェルを使用することを特徴とする請求項22の方法。
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