JP2010532570A - 薄膜カプセル内の半導体ウェハの再結晶化およびその関連工程 - Google Patents
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Abstract
通常、シリコンである原ウェハは、所望の端部PVウェハの形状を有する。原ウェハは、急速凝固またはCVDにより作製することができる。原ウェハは小さな粒子を有する。再結晶化される際にシリコンを収容および保護する清浄な薄膜内にカプセル封入され、より大きな粒子構造を形成する。カプセルは、酸素または蒸気の存在下でウェハを加熱して、外表面上に通常1〜2ミクロンの二酸化ケイ素を生成させることにより作製することができる。さらに加熱すると、ウェハが移動する空間内の溶融帯が形成されて、より大きな粒子径の再結晶が生じる。カプセルは再結晶化中に溶融材料を収容し、不純物から保護する。再結晶は大気中で行うことができる。支持板を介した熱転写が、応力および欠陥を最小限にとどめる。再結晶化後、カプセルが除去される。
【選択図】図1
Description
2007年6月26日に出願された米国特許仮出願第60/937,129号「Casting and Directional Solidification of Photovoltaic Silicon Wafers in a Capsule and Related Processes(カプセル内の光起電シリコンウェハの鋳込および方向性凝固とその関連工程)」の利点をここに主張し、開示全体を引用により全体を本明細書に組み込む。
ウェハの形成
(部分的概要)
Claims (109)
- 半導体ウェハの作製方法であって、
a.第1の平均粒子径を有する第1の粒子構造の原半導体ウェハを提供するステップと、
b.前記ウェハのほぼ全表面に薄膜カプセルを提供してカプセル封入されたウェハを形成するステップと、
c.前記原ウェハが溶融し、その後前記第1の平均粒子径より大きな第2の平均粒子径の第2の粒子構造に再結晶化し、前記薄膜がほぼ完全な状態のままでいるような条件下で、前記カプセル封入されたウェハを加熱および冷却するステップと、
を含む、方法。 - 前記加熱および冷却するステップが大気中で実行される、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の平均粒子径が1mm2超である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の平均粒子径が10mm2未満である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の平均粒子径が1mm2未満であり、前記第2の平均粒子径が1mm2超である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の平均粒子径が1mm2であり、前記第2の平均粒子径が10mm2超である、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜が、加熱および再結晶化中に前記ウェハが上下動するのを防止する、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜が、再結晶化中の粒子の核形成を強力に促進しない表面を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜が、再結晶化中の粒子の核形成を既知な程度まで促進する表面を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜が、再結晶が起こる前記環境内での要素による前記再結晶ウェハの汚染を防止する、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜を除去する前記ステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 薄膜を提供する前記ステップが酸化膜を提供することを含む、請求項1に記載の方法。
- 酸化膜を提供する前記ステップが、薄酸化物層が前記原ウェハのほぼ全表面上に形成するように、酸素を含有する環境下で前記原ウェハを加熱することを含む、請求項12に記載の方法。
- 酸化膜を提供する前記ステップが、乾燥酸化物の成長を含む、請求項12に記載の方法。
- 酸化膜を提供する前記ステップが、湿潤酸化物の成長を含む、請求項12に記載の方法。
- 酸化物層が形成されるように酸素を含有する環境内で前記原ウェハを加熱する前記ステップを、前記原ウェハが再結晶化される条件下で、かつ同じ加熱環境下で、前記カプセル封入されたウェハを加熱する前記ステップの直前に実行することをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 酸化物層が形成されるように酸素を含有する環境内で前記原ウェハを加熱する前記ステップを、前記原ウェハが溶融する条件下で、かつ前記原ウェハが溶融する炉内で、前記カプセル封入されたウェハを加熱する前記ステップの直前に実行することをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 薄酸化物層が形成されるように酸素を含有する環境内で前記原ウェハを加熱する前記ステップを、前記原ウェハが再結晶化されるのとは異なる条件下で、前記カプセル封入されたウェハを加熱するステップの相当前に実行することをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 前記環境が大気を含む、請求項13に記載の方法。
- 酸化膜を提供する前記ステップが、薄酸化物層が形成されるように蒸気を含む環境で前記原ウェハを加熱することを含む、請求項12に記載の方法。
- 薄膜を提供する前記ステップが、前記原ウェハ上に薄膜を直接蒸着することを含む、請求項1に記載の方法。
- 直接蒸着する前記ステップが、スピンオンガラス工程を含む、請求項21に記載の方法。
- 直接蒸着する前記ステップが、スパッタリングを含む、請求項21に記載の方法。
- 直接蒸着する前記ステップが、物理気相成長を含む、請求項21に記載の方法。
- 直接蒸着する前記ステップが、化学気相蒸着を含む、請求項21に記載の方法。
- 前記再結晶化するステップの前に、前記薄膜のうち少なくとも1つの表面に隣接する少なくとも1つの支持要素を提供することをさらに含み、前記支持要素がほぼ平坦な状態を維持するように前記薄膜を支持する、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜が、加熱および再結晶化中に、原ウェハが前記少なくとも1つの支持要素に付着するのを防ぐ材料を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記薄膜と前記少なくとも1つの支持要素との間に剥離材料を提供するステップをさらに含む、請求項26に記載の方法。
- 前記剥離材料が微粒子を含む、請求項28に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの支持要素が一対の支持要素を含み、そのそれぞれが前記薄膜の2つの対向面の一方と隣接する、請求項26に記載の方法。
- 前記一対の支持要素が均一な厚さを有する、請求項30に記載の方法。
- 前記一対の支持要素が不均一な厚さを有する、請求項30に記載の方法。
- 前記一対の支持要素が互いに異なる熱特性を有する、請求項30に記載の方法。
- 少なくとも1つの支持要素を提供する前記ステップが、カプセル封入されたウェハを、その一方の面を重力により上向きでほぼ水平位置に提供し、前記一対の支持要素が前記カプセル封入されたウェハの上下に配置されることを含む、請求項30に記載の方法。
- 前記支持要素が炭化ケイ素を含む、請求項26に記載の方法。
- 前記支持要素がほぼ平坦な板を含む、請求項34に記載の方法。
- さらに、前記ウェハ上にある前記支持要素が、多量の微粒子材料を含む、請求項34に記載の方法。
- 前記薄膜と前記微粒子材料支持要素との間に剥離材料を提供するステップをさらに含む、請求項37に記載の方法。
- 前記多量の微粒子材料が焼結微粒子材料を含む、請求項37に記載の方法。
- 少なくとも1つの支持要素を提供する前記ステップが、前記ウェハ中央面に直角な線が局所重力場に対して垂直でない成分を含むような位置に前記ウェハを提供することを含む、請求項30に記載の方法。
- 少なくとも1つの支持要素を提供する前記ステップが、ウェハ中央面に直角な線が局所重力場に対して水平であるような位置に前記ウェハを提供することを含む、請求項30に記載の方法。
- 前記冷却するステップが、前記加熱されたカプセル封入ウェハ内に、液状帯と再結晶半導体帯との間に凝結界面を確立することを含み、前記凝結界面が前記ウェハ中央面に関して非対称である、請求項1に記載の方法。
- 前記冷却するステップが、前記加熱されたカプセル封入ウェハ内に、液状帯と再結晶半導体帯との間に凝結界面を確立することを含み、前記凝結界面が前記ウェハ中央面に関して対称であることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記加熱するステップが、前記カプセル封入されたウェハ全体をほぼ同時に加熱することを含む、請求項42に記載の方法。
- 前記加熱するステップが、前記カプセル封入されたウェハ全体をほぼ同時に加熱することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記加熱するステップが、加熱された帯に対してカプセル封入されたウェハを移動させ、全範囲より小さなウェハ部分を溶解させることを含む、請求項42に記載の方法。
- 前記冷却するステップが、前記加熱されたウェハ内に、液状帯と再結晶半導体帯との間に凝結界面を確立することを含み、前記凝結界面が前記液状帯に向かって凹型であり、前記加熱されたウェハ中央面に関して非対称であり、第1の位置で液状帯に向かって90度超の界面角度で、かつ第2の位置で前記液状帯に向かって90度以下の界面角度で前記薄膜と接する、請求項1に記載の方法。
- 前記加熱および冷却するステップが、前記加熱されたウェハの前記中央面に関して非対称な冷却環境を提供することを含む、請求項1に記載の方法。
- 非対称冷却環境を提供する前記ステップが、前記加熱されたウェハの一方の面に向かって、前記対向面と比較してより大きな熱流を確立する少なくとも1つのヒータを提供することを含む、請求項48に記載の方法。
- 非対称冷却環境を提供する前記ステップが、前記加熱されたウェハの前記中央面に関して非対称に、熱源と前記加熱されたウェハの対向面との間に配置される断熱素子を提供することを含む、請求項48に記載の方法。
- 非対称冷却環境を提供する前記ステップが、前記加熱されたウェハの単位長さ分間隔をおいて、前記加熱されたウェハの前記中央面に関して非対称にヒータを提供することを含む、請求項48に記載の方法。
- 非対称冷却環境を提供する前記ステップが、前記加熱されたウェハの前記中央面から非対称に間隔をおいて均一な熱出力の一対のヒータを提供することを含む、請求項48に記載の方法。
- 前記冷却するステップが、前記ウェハ内に、液状帯と再結晶半導体帯との間に凝結界面を確立することを含み、前記凝結界面が前記加熱されたウェハ中央面に関して非対称であり、前記少なくとも1つの支持要素が、大量の熱が前記再結晶ウェハから前記再結晶ウェハを離れて前記支持要素に流れ込むように配置される、請求項26に記載の方法。
- 前記半導体がシリコンを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜がドープ二酸化ケイ素を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜が窒化ケイ素を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜がシリコン化合物と窒素、炭素、および酸素から成る群のうち少なくとも1つとを含む、請求項1に記載の方法。
- 原ウェハを提供する前記ステップが、急速な凝固手法により前記ウェハを形成することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記急速な凝固手法が溶融旋回を含む、請求項58に記載の方法。
- 前記急速な凝固手法が噴霧蒸着を含む、請求項58に記載の方法。
- 原ウェハを提供する前記ステップが、シリコン含有ガスから化学気相蒸着により前記ウェハを形成することを含む、請求項1に記載の方法。
- 薄膜を提供する前記ステップが、化学気相蒸着により薄膜を貼付することを含む、請求項61に記載の方法。
- 原ウェハを提供する前記ステップが多結晶ウェハを提供することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記再結晶ウェハが、その範囲にわたり10%に収まる均一性を有する、請求項1に記載の方法。
- 前記原ウェハが50ミクロン〜400ミクロンの間の厚さを有する、請求項1に記載の方法。
- 前記原ウェハが100ミクロン〜250ミクロンの間の厚さを有する、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜層が0.25ミクロン〜5ミクロンの間の厚さを有する、請求項65に記載の方法。
- 前記薄膜層が0.5ミクロン〜2ミクロンの間の厚さを有する、請求項65に記載の方法。
- 原ウェハを提供する前記ステップが、テクスチャ表面を有するウェハの提供を含む、請求項1に記載の方法。
- 薄膜を提供する前記ステップが、それぞれが前記原ウェハのほぼ全表面を囲む複数の入れ子状薄膜を提供することを含む、請求項1に記載の方法。
- 薄膜を提供する前記ステップが、一緒に前記原ウェハのほぼ全表面を囲む複数の入れ子状薄膜を提供することを含む、請求項1に記載の方法。
- 薄膜を提供する前記ステップが、前記原ウェハの全表面に満たない表面を囲む複数の入れ子状薄膜の少なくとも1つを提供することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記薄膜と前記少なくとも1つの支持要素のうち少なくとも1つとの間に剥離材料を提供するステップをさらに含む、請求項26に記載の方法。
- 前記剥離材料が微粒子を含む、請求項73に記載の方法。
- 支持要素を間に有する少なくとも2つのカプセル封入されたウェハを少なくとも2つ以上の支持要素間に積み重ねるステップをさらに含み、前記ウェハを加熱および冷却する前記ステップが、一緒に積み重ねられた前記少なくとも2つのカプセル封入されたウェハを加熱および冷却する、請求項26に記載の方法。
- 前記支持要素のすべてが均一な厚さを有する、請求項75に記載の方法。
- 前記支持要素のうち少なくとも2つが不均一な厚さを有する、請求項75に記載の方法。
- 前記支持要素のうち少なくとも2つが異なる熱特性を有する、請求項75に記載の方法。
- 前記ウェハを加熱および冷却する前記ステップが、前記ウェハと前記ウェハ内で溶融帯を確立する加熱環境との間の相対運動を提供することを含み、前記再結晶ウェハの後端部分が前記再結晶ウェハの他の部分よりも大きな不純物中央濃度を有するようにする、請求項1に記載の方法。
- 前記ウェハを加熱および冷却する前記ステップが、前記ウェハと前記ウェハ内に溶融帯を確立する加熱環境との間の相対的運動を提供することを含み、前記再結晶ウェハの後端部分が前記再結晶ウェハの他の部分よりも大きな平均不純物密度を有するように帯域精製が生じるようにする、請求項1に記載の方法。
- 前記再結晶ウェハの前記他の部分から後端部分を除去するステップをさらに含む、請求項79に記載の方法。
- さらに、再結晶ウェハの噴出部が生じ、前記再結晶ウェハの前記他の部分から前記噴出部を除去するステップを含む、請求項79に記載の方法。
- 前記加熱するステップが、炭化ケイ素加熱素子を使用することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記加熱するステップが、プレセラミックポリマー液体と混合された炭化ケイ素粉末を含む多孔絶縁体を有する炉内で加熱することを含む、請求項1に記載の方法。
- 半導体ウェハの作製方法であって、
a.第1の平均欠陥密度の第1の粒子構造を有する原半導体ウェハを提供するステップと、
b.前記ウェハのほぼ全表面に薄膜カプセルを提供してカプセル封入されたウェハを形成するステップと、
c.前記原ウェハが溶融し、その後前記第1の平均欠陥密度より小さな第2の平均欠陥密度の第2の粒子構造で再結晶化し、前記薄膜がほぼ完全な状態を保持するような条件下で前記カプセル封入されたウェハを加熱および冷却するステップと、
を含む、方法。 - 半導体ウェハの作製方法であって、
a.第1の平均粒子径の第1の粒子構造を有する原半導体ウェハを提供するステップと、
b.前記ウェハの全表面に満たない薄膜被覆を提供して、部分的に被覆されたウェハを形成するステップと、
c.前記原ウェハが溶融した後、前記第1の平均粒子径より大きな第2の平均粒子径の第2の粒子構造で再結晶化し、前記薄膜がほぼ完全な状態を維持するような条件下で、前記部分的に被覆されたウェハを加熱および冷却するステップと、
を含む、方法。 - 原ウェハを提供する前記ステップが、シリコン含有ガスから化学気相蒸着により前記ウェハを形成することを含む、請求項86に記載の方法。
- さらに、薄膜を提供する前記ステップが、化学気相蒸着により薄膜を貼付することを含む、請求項87に記載の方法。
- 半導体ウェハであって、
a.2つのほぼ平坦な対向面と10mm2未満の平均結晶粒子径の結晶構造とを有する半導体ウェハを有する本体部と、
b.前記本体部をほぼ完全に囲む薄膜カプセルであって、前記薄膜が複数の入れ子状薄膜を含む薄膜カプセルと、
を含む、半導体ウェハ。 - 前記半導体がシリコンを含み、前記薄膜カプセルのうち少なくとも1つの薄膜が二酸化ケイ素を含む、請求項89に記載の半導体ウェハ。
- 前記平坦な本体表面のうち少なくとも1つがテクスチャ表面を備える、請求項89に記載の半導体ウェハ。
- 前記半導体がシリコンを含む、請求項89に記載のウェハ。
- 前記カプセルのうち少なくとも1つの薄膜がドープ二酸化ケイ素を含む、請求項92に記載のウェハ。
- 前記カプセルのうち少なくとも1つの薄膜が窒化ケイ素を含む、請求項92に記載のウェハ。
- カプセルのうち少なくとも1つの薄膜が、シリコンと窒素、炭素、および酸素から成る群のうち少なくとも1つとの化合物を含む、請求項92に記載のウェハ。
- 前記ウェハが50ミクロン〜400ミクロンの間の厚さを有する、請求項89に記載のウェハ。
- 前記ウェハが100ミクロン〜250ミクロンの間の厚さを有する、請求項89に記載のウェハ。
- 前記入れ子状薄膜層が0.25ミクロン〜5ミクロンの間の厚さを有する、請求項96に記載のウェハ。
- 前記薄膜層が0.5ミクロン〜2ミクロンの間の厚さを有する、請求項96に記載のウェハ。
- 複数の薄膜のそれぞれが前記ウェハのほぼ全表面を囲む、請求項89に記載のウェハ。
- 複数の入れ子状薄膜が一緒に前記ウェハのほぼ全表面を囲む、請求項89に記載のウェハ。
- 複数の入れ子状薄膜のうち少なくとも1つが前記ウェハの全表面に満たない表面を囲む、請求項101に記載のウェハ。
- 半導体ウェハアセンブリであって、
a.2つのほぼ平坦な対向面と10mm2未満の平均結晶粒子径の結晶構造とを有する半導体ウェハを有する本体部と、
b.前記本体部をほぼ完全に囲む薄膜カプセルとを含み、さらに
c.前記酸化膜の少なくとも1つの表面に隣接する少なくとも1つの支持要素と、
を含む、半導体ウェハアセンブリ。 - 前記少なくとも1つの支持要素が一対の支持要素を含み、そのそれぞれが前記薄膜層の2つの対向面のうちの一方に隣接する、請求項103に記載のウェハアセンブリ。
- 前記ウェハが、その一方の面が重力により上向きでほぼ水平位置にあり、前記一対の支持要素が前記ウェハの上下に配置される、請求項104に記載のウェハアセンブリ。
- 前記支持要素が炭化ケイ素を含む、請求項103に記載のウェハアセンブリ。
- 前記支持要素がほぼ平坦な板を含む、請求項105に記載のウェハアセンブリ。
- 前記ウェハ上にある前記支持要素が多量の微粒子材料を含む、請求項105に記載のウェハアセンブリ。
- 前記多量の微粒子材料が焼結微粒子材料を含む、請求項108に記載のウェハアセンブリ。
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