JP2009035476A - 球状のデバイスのためのジェットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】例えば直径１ｍｍの非常に小さな球状の半導体デバイスを製造するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】システムは、原料２０を融解するために使用されるチャンバ４０内へ原料２０の所定量を供給する供給システムを備える。その後、融解した原料４４は、所定量の融解した原料（液滴）を計量し、それらが冷却され球状のシリコンデバイスに凝固するドロップチューブへ液滴を放出する滴下装置５０に供給される。システムは、ドロップチューブから凝固した球状のデバイスを収容するシリコンパウダーの容器であって、シリコンパウダーを撹拌する攪拌機構を含むシリコンパウダーの容器を備える。システムはまた、デバイスが容器内へ収容された後に凝固した球状のデバイスからパウダーを分離する分離器を備える。
【選択図】図３

Description

（技術の背景）
本発明は、一般的な半導体デバイスに係り、特に、立体の半導体デバイスを製造するためのシステム及び方法に関する。

この開示は、２００１年３月２８日に提出された米国出願第６０／２７９，４８４号の利益を請求する。

引用により組み込まれた米国特許第５，９５５，７７６号において、球状の半導体集積回路デバイスを製造するための方法及び装置が開示されている。上記参照された特許において種々の処理動作を実行するための幾つかのシステム及び方法が検討されているが、動作を更に改良することが要望される。例えば、ｐｎ接合ダイオードを製造する際、第１の導電型（例えばｎ型）の外側の層は、第２の導電型（例えばｐ型）の球状の半導体基板上へ拡散される。外側の層及び内側の基板が共に、適切な形状、厚み及び拡散濃度に保たれることが要求される。

引用により組み込まれた米国特許出願第０９／４９０，６５０号及び第０９／４８９，７８２号において、非接触状態において球状基板上の材料にドープするための方法が開示されている。これらの方法は、太陽光電池の利用のための球面ｐｎ接合ダイオードを作製するために使用可能である。しかし、継続的作業（例えば単一のステップ）において、均一の大きさの球面ｐｎダイオードを作製することが要求される。

引用により組み込まれた米国特許出願第０９／３６３，４２０号及び第０９／６７２，５６６号において、単結晶デバイスを作製し、これらのデバイス上に均一な厚いｐｎ接合を作製する方法がそれぞれ開示されている。しかし、高い製造基準において、これらのデバイスの製造をより良く自動化することが要望される。

（発明の概要）
技術的な前進は、球状のデバイスを作製するための新規で改良されたジェットシステムにより達成される。一実施形態において、システムは、原料の所定量を原料の融点以上の温度で供給し、融解した原料の所定量のそれぞれの流動表面張力が融解した原料を球状のデバイスに凝固させるように、融解した原料の所定量を物理的に非接触で進行させる供給システムを含む。システムはまた、供給システムからの凝固した球状のデバイスを収容するパウダーの容器と、デバイスが収容された後に凝固した球状のデバイスからパウダーを分離するための手段とを含む。

他の実施形態において、システムは、原料を融解するために使用されるチャンバに原料の所定量を供給する供給システムを備える。融解した原料はその後、融解した原料（液滴）の所定量を計量し、液滴が冷却され球状のシリコンデバイスに凝固するためのドロップチューブ内に液滴を放出する滴下装置に供給される。システムは、ドロップチューブからの凝固した球状のデバイスを収容するシリコンパウダーの容器であって、シリコンパウダーを攪拌する攪拌機構を含む容器を含む。システムはまた、デバイスが容器内に収容された後に凝固した球状のデバイスからパウダーを分離する分離器を含む。

（詳細な説明）
本開示は、本発明の異なる特徴を実施するための種々の異なる実施形態、又は実施例を提示する。以下に、本開示を単純化するために構成要素、寸法及び配置の具体例が説明されるが、本発明を限定することを意図しない。

図１を参照して、符号１０は、概括的な、球状の半導体デバイスを製造するための処理フローの一実施形態を示す。処理フロー１０は、原料の連続的な供給を提供して、望しくない材料及び／又は流体が他の構成要素に入り込むことを防止する供給装置１２を利用する。供給装置１２は、球状の半導体デバイス製造用滴下装置１４に原料を供給する。球状の半導体デバイスは、例えば石英等の、柔軟なパウダー状の高融点収容材料を含むレシーバ１６に収容される。デバイス及び収容材料はその後、収容材料が分離されて再利用される分離装置１８に供給される。

以下の説明は、処理フロー１０において使用可能である異なる装置の多くの様々な実施形態を提示する。各々の実施形態は異なるが、類似の番号が付された類似した構成要素を含む。

図２を参照して、供給装置１２の一実施形態において、原料（シリコン、Ｓｉ）２０は、塊、パウダー、又は微粒の形状で収容装置２２に収容される。収容装置２２は、原料２０を検出して原料２０の供給システム内への連続的な供給を確保するためのセンサ２４を含む。原料２０の流れは２つのバルブ２６，２８により制御される。また、アルゴン（Ａｒ）ガスがバルブ２８，３０により制御される。

供給装置１２は、滴下装置１４のノズル（図３）内への空気の進入を除去すると同時に、滴下装置１４内に原料２０の連続的な供給を確保するように設計される。第１のバルブ２６が開くと、原料２０は第１のチューブ部３４内へ落下する。そして、第１パイプ３５を介してＡｒを導くために、第１のバルブ２６が閉じられ第３のバルブ３０が開かれる。第２のバルブ２８が開くと、原料２０はノズル内へ落下する。その後、第２のバルブ２８及び第３のバルブ３０が閉じられる。一実施形態において、滴下装置１４は、組み込まれた米国特許出願第０９／６７２，５６６号において開示されたものとする。

図３及び図４を参照して、供給装置１２の他の実施形態において、原料２０の流れは、２つのシャッタ３６、３８により制御される。図３の実施形態において、第２のＡｒパイプ３９はまた、作業にＡｒを導入することに使用される。

供給装置１２は、第１のチャンバ４０へ進む滴下装置１４に原料２０を供給する。炉４２により、純粋なＳｉの場合１４００℃付近で原料２０が液状（液体材料４４として図示）に融解する。図４に示すような幾つかの実施形態において、 チャンバ４０が、例えば圧電バイブレータ（ＰＺＴ）等の第１のバイブレータ４６を取り付けられる。第１のＰＺＴ４６は、液体材料４４を所定の率で、第１のノズル４７を介して第２のチャンバ４８内に進行させる。また、ガス（例えばＡｒ）が、第１のチャンバ４０に圧力を供給するために第１のパイプ３５を介して供給されても良く、更に第２のチャンバ４８内への液体材料４４の流れの制御を助けても良い。

第２のチャンバ４８は、第１のチャンバ４０からの液体材料４４を収容し、それを第２のバイブレータ５２により制御されるジェットノズル５０内へ供給する。それにより、ジェットノズル５０及び第２のバイブレータ５２は、所定のサイズ、例えば約１ｍｍの液滴５４を製造することができる。また、ガス（例えばＡｒ）が、第２のチャンバ４８に圧力を供給するために第２のパイプ５６を介して供給されても良く、更に液滴５４の製造の制御を助けても良い。

図５を参照して、レシーバ１６の一実施形態において、液滴５４は、非接触状態でドロップチューブ７０を介して落下することができる。液滴が進行する割合は、ドロップチューブ７０を介する圧力又は流体の進行により制御できる。この結果、液滴５４は球体７２に凝固する。球体７２の温度は１０００〜１３００℃程度（Ｓｉの融点付近）であり、比較的高い。

凝固した球体７２はその後、容器７４内に収容される。本実施形態において、容器７４は炉である。炉７４は、約１０００〜１３００℃まで加熱される粉状の高融点材料（例えば石英のパウダー、シリカ又はセラミックのパウダー）７６を含む。パウダー７６は、モータ８０に接続された石英攪拌棒７８により、継続的に撹拌される。撹拌は、できたてのパウダー７６を落下する球体７２に接触させる。それにより、パウダー７６は、球体７２のためのソフト・ランディングを提供する。

再び図１を参照して、分離装置１８は、炉７４からの球体７２及びパウダー７６を収容する。球体７２からパウダー７６を繰り返し分離する一つ以上の分離装置１８があって良いと理解される。球体７２は他の下流の処理作業に供給することができ、パウダー７６はレシーバ１６に戻されることが可能である。

図６を参照して、一実施形態において、分離装置１８は、入口１１４、及び第１〜第３の出口１１６，１１８，１２０を有する筐体１１２を備える。出口１１６は、入口１１４の正反対側に位置する。筐体１１２は、２つのチャンバ１２２，１２４を規定する。チャンバ１２２は、球体７２及びパウダー７６の供給を受け取るための分離チャンバであり、チャンバ１２４は、分離されたパウダー７６を受け取り、格納して、第２の出口１１８を介して放出する貯蔵器である。チャンバ１２２及び貯蔵器１２４は、首部１２８により接続される。

鉛直に延伸する導管１３０は、チャンバ１２２、貯蔵器１２４及び首部１２８に同軸で配列される。導管１３０は、出口１１６と分離チャンバ１２２内に位置する分離器１３２との間に経路を与える。本実施形態にとって、分離器１３２は、上戸形状に形成されたワイヤメッシュである。ワイヤメッシュ１３２は、球体７２の直径の半分より小さい直径を有する複数の開口を含む。ワイヤメッシュ１３２は、入口１１４に通じ、球体７２及びパウダー７６の供給を受け取る開口１３４を備える。ワイヤメッシュ１３２はまた、導管１３０に通じる出口１３６を含む。

図示を省略するが、貯蔵器１２４、首部１２８及び分離チャンバ１２２の内側に負の圧力を供給するために、出口１２０に真空源が接続されている。負の圧力は、球体７２又はパウダー７６を持ち上げるほど高くない。

参考のために、流体分離処理装置１８内の幾つかの箇所での圧力を示す。圧力Ｐ１は貯蔵器１２４内の圧力を表し、圧力Ｐ２は首部１２８内の圧力を表し、圧力Ｐ３は分離チャンバ１２２内の圧力を表し、圧力Ｐ４は導管１３０での圧力を表し、圧力Ｐ５は入口１１４での圧力を表す。異なる圧力Ｐ１〜Ｐ５の間には、以下の相互関係がある：
Ｐ１ ＜ Ｐ２ (１)
Ｐ２ ＜ Ｐ３ 及び Ｐ５ (２)
Ｐ４ ＞ Ｐ３ 及び Ｐ５ (３)
作業中に、球体７２及びパウダー７６の供給は、入口１１４内に導入される。球体７２は、一般的な球状が好ましく、上記の引用により組み込まれた米国特許出願第０８／８５８，００４号において開示された技術にしたがって形成された同じ型であっても良い。パウダー７６は、成分又は液体の流れ等であっても良い。一例のために、パウダー７６は従来の方法からの高い粘性の液体である。

球体７２及びパウダー７６が分離チャンバ１２２に入ると、それらはワイヤメッシュ１３４と接触し、出口１３６の方へ進行する。好ましい実施形態において、圧力Ｐ３がこの進行する動作を促進するが、他の実施形態では、球体７２及びパウダー７６の運動量、又は他の力が促進しても良い。

パウダー７６が出口１３６の方へ推進されるとき、パウダー７６はワイヤメッシュ１３４を介して流れる。圧力Ｐ３は、ワイヤメッシュ１３４を介してパウダー７６を引き込むことを促進する。幾つかの実施形態において、導管１３０からの（より高い）圧力Ｐ４はまた、パウダー７６をワイヤメッシュ１３４を介して進行させる。このことにより、ワイヤメッシュ１３４の狭い開口に関わらず、高い粘着性の流体であっても、ワイヤメッシュ１３４を介して引き込まれる。流体はその後、重力、圧力Ｐ２、又はそれら両方により首部１２８内に引き込まれ、更に（重力及び／又は圧力Ｐ１により）貯蔵器１２４内に引き込まれる。貯蔵器１２４は導管１３０の内壁から物理的に分離されるので、パウダー７６は導管１３０に入らないことに留意する。貯蔵器１２４は、パウダー７６の一部を維持すると同時に、第２の出口１１８を介してパウダー７６の他の一部を引き込む。

球体７２が開口１３６の方へ進むとき、それらはワイヤメッシュ１３４を介して進行することができない。その代わりに、球体７２は導管１３０内へ進行し、それから出口１１６を介して放出される。

図７を参照して、他の実施形態においては、分離装置１８は、入口１４４、及び２つの出口１４６、１４８を有する筐体１４２を備える。出口１４６は、入口１４４の反対側にある。筐体１４２は、チャンバ１５２及び貯蔵器１５４を規定する。チャンバ１５２は、球体７２及びパウダー７６の供給を受け取る分離チャンバであり、貯蔵器１５４は分離されたパウダー７６を受け取り、格納して、出口１４８を使用して放出する。分離チャンバ１５２及び貯蔵器１５４は、溝部１５６により接続される。

鉛直に延伸する導管１５８は、分離チャンバ１５２の端部１６０に接続されて、貯蔵器１５４に通じている。導管１５８は、溝部１５６の端部１６０での出口１４６と開口１６２との間に経路を与える。本実施形態にとって、溝部１５６は、（開口１６２を除いて）球体７２の直径より小さいが、そこを介して流れるパウダー７６が通過するのに十分に大きい直径を有する開口を与えることにより分離器として振る舞う。

図示を省略するが、貯蔵器１５４、溝部１５６及び分離チャンバ１５２内に負の圧力を供給するために出口１４８に真空源が接続されている。また、図示を省略するが、複数の吸気口が、分離チャンバ１５２内に与えられても良い。複数の吸気口が、窒素（Ｎ_２）ガス等の乾燥した不活性ガスをチャンバ１５２に供給しても良い。

参考のために、流体分離処理装置１８内の幾つかの箇所の圧力を示す。圧力Ｐ１０は貯蔵器１５４内の圧力を表し、圧力Ｐ１１は分離チャンバ１５２内の圧力を表し、圧力Ｐ１２は導管１５８での圧力を表す。異なる圧力Ｐ１０〜Ｐ１２の間には、以下の相互関係がある：
Ｐ１０ ＜ Ｐ１１ 及び Ｐ１２ (４)
作業中に、球体７２及びパウダー７６の供給は、端部１６０の反対側の入口１４４内に導入される。球体７２及びパウダー７６が分離チャンバ１５２に入るとき、それらは溝部１５６に接触して、端部１６０で開口１６２の方へ進行する。

溝部１５６は十分に小さいので、球体７２は貯蔵器１５４に落下できないが、パウダー７６は落下することができる。圧力Ｐ１０及び不活性な乾燥空気は、溝部１５６を介してパウダー７６を引き込むことを促進する。幾つかの実施形態において、導管１３０からの圧力Ｐ１２は、パウダー７６が導管１５８に入ることを防止するために高くても良い。貯蔵器１５４が導管１５８の内壁から物理的に分離されるので、パウダー７６が導管１５８に入ることができないことに留意する。貯蔵器１５４は、出口１４８を介してパウダー７６を排出する。

前述において、幾つかの変形例がなされても良いことが理解される。例えば、処理フロー１０の異なる部分において異なる加熱ステップが用いられても良い。他の例として代替及び代用はまた前述の開示において示され、幾つかの例において、本発明の幾つかの特徴は、他の特徴の使用と一致せずに採用されるであろう。したがって、本発明は幅広く解釈されることが適当である。

本発明の一実施形態に係る球状のデバイスを製造するための新規で改良された処理フローのフローチャートである。 図１の処理フローにおいて使用可能な供給装置の図である。 図１の処理フローにおいて使用可能な滴下装置の図である。 図１の処理フローにおいて使用可能な滴下装置の図である。 図１の処理フローにおいて使用可能な収容装置の図である。 図１の処理フローにおいて使用可能な分離装置の図である。 図１の処理フローにおいて使用可能な分離装置の図である。

Claims (20)

1. 原料の所定量を前記原料の融点以上の温度で供給し、融解した前記原料の前記所定量の各々の流動表面張力が、融解した前記原料を球状のデバイスに凝固させるように、融解した前記原料の前記所定量を物理的に非接触で進行させる供給システムと、
   前記供給システムからの前記凝固した球状のデバイスを収容するパウダーの容器と、
   前記デバイスが収容された後に前記凝固した球状のデバイスから前記パウダーを分離するための手段
   とを備える、球状のデバイスを製造するためのシステム。
2. 前記供給システムは、
   前記原料を液状で収納する第１のチャンバと、
   前記第１のチャンバに通じ、融解した前記原料の前記所定量を形成する第１の滴下装置
   とを備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記供給システムは、前記第１の滴下装置による融解した前記原料の前記所定量の形成を促進するガスを受け取る入口を更に備える、請求項２に記載のシステム。
4. 前記供給システムは、前記第１の滴下装置に接続され、前記第１の滴下装置による融解した前記原料の前記所定量の形成を促進するバイブレータを更に備える、請求項２に記載のシステム。
5. 前記供給システムは、
   前記原料を液状で収納する第２のチャンバと、
   前記第１のチャンバに通じ、前記融解した原料を前記第１のチャンバに供給し、前記第１のチャンバにおける融解した前記原料の比較的一定した供給を維持する第２の滴下装置
   とを備える、請求項２に記載のシステム。
6. 前記容器は、前記凝固した球状のデバイスを収容する前記パウダーをかき混ぜ、前記パウダー及び前記デバイスを前記分離手段の方へ進行させる手段を備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記分離装置は、
   前記収容材料及び前記球状のデバイスを収容する入口、前記デバイスを放出する第１の出口、及び前記収容材料を放出する第２の出口を含む筐体と、
   前記筐体の範囲内で規定される第１及び第２のチャンバであって、前記入口及び前記第１の出口に通じる第１のチャンバと、前記第２の出口に通じる第２のチャンバと、
   前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間に位置する分離器であって、前記デバイスのサイズより小さく前記収容材料のサイズより大きいサイズの少なくとも一つの開口を有する前記分離器と、
   前記収容材料を前記第１のチャンバから前記少なくとも一つの開口を介して前記第２のチャンバ内に進行させることを促進する負の圧力を前記第２のチャンバに供給するための手段
   とを備える、請求項１に記載のシステム。
8. 前記分離装置がワイヤメッシュを含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記ワイヤメッシュは、前記デバイスの半分のサイズより小さく、前記収容材料のサイズより大きいサイズの複数の開口を含む、請求項８に記載のシステム。
10. 前記分離装置は、前記圧力手段を前記第２のチャンバに通じさせる第３の出口を更に備える、請求項７に記載のシステム。
11. 前記第１の出口は、前記第２のチャンバの前記負の圧力に比べて正の圧力を有する、請求項７に記載のシステム。
12. 前記第２のチャンバは、分離された前記収容材料を前記容器へ戻すことを促進する、請求項７に記載のシステム。
13. 融解した原料から球状の半導体デバイスを製造する方法であって、
    前記融解したシリコン原料の所定量をドロップチューブ内に滴下し、
    前記所定量の各々の流動表面張力が前記原料に球状のデバイスを形成させるように、前記ドロップチューブ内で前記所定量を凝固させ、
    前記凝固した球状のデバイスをシリコンパウダーの容器内に受け取る
    ことを備える、方法。
14. 前記デバイスが収容された後に前記凝固した球状のデバイスから前記パウダーを分離することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
15. 加圧ガス及び滴下装置を用いて前記融解した原料の所定量を形成することを更に備える、請求項１３に記載の方法。
16. 滴下装置に接続されたバイブレータを用いて前記所定量を形成することを更に備える、請求項１３に記載の方法。
17. 前記凝固した球状のデバイスを収容する前記パウダーをかき混ぜることを更に含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記凝固した球状のデバイスを収容する前記パウダーを撹拌することを更に含む、請求項１３に記載の方法。
19. 原料の所定量をチャンバに供給するための供給システムと、
    前記原料を融解させるための前記チャンバと、
    前記融解した原料（液滴）の所定量を計量し、前記液滴をドロップチューブ内に放出する滴下装置と、
    前記液滴を受け取り、前記液滴を凝固した球状のシリコンデバイスに冷却する前記ドロップチューブと、
    前記ドロップチューブからの前記凝固した球状のデバイスを収容するシリコンパウダーの容器であって、前記シリコンパウダーをかき混ぜる攪拌機構を含む前記容器と、
    前記デバイスが前記容器内に収容された後に前記凝固した球状のデバイスから前記パウダーを分離する分離器
    とを備える、球状のシリコンデバイスを製造するためのシステム。
20. 前記容器の前記攪拌機構は同時に、前記収容された球状のデバイス、及び前記シリコンパウダーの一部を前記分離器の方へ進行させることを促進する、請求項１９に記載のシステム。

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