JP2015508745A5

JP2015508745A5 - 溶融体から水平リボンを成長させ、溶融体からの第１材料のリボンを形成する方法

Info

Publication number: JP2015508745A5
Application number: JP2014557627A
Authority: JP
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2016-02-04
Anticipated expiration: 2032-12-12

Description

水平なリボンの成長のシナリオを示す図である。異なる熱流量条件についての、シリコン成長挙動の計算値のグラフ表現を提示する図である。本実施形態による、溶融体からシリコンを成長させるための成長レジメをさらに詳細に表すグラフである。結晶シリコンシードをシリコン溶融体の表面領域に配置するシナリオを表す図である。シリコン成長シナリオを概略的に表す図である。本実施形態による、シリコンシードが異方性結晶成長を開始することの概略表現を示す図である。図７Ａ及び７Ｂは、シリコン溶融体上に冷温プレートを配置した、シリコン成長のシミュレーションを表す図である。図８Ａ及び８Ｂは、シリコン成長の他のシミュレーションの結果を提示する図である。本実施形態による、シリコンリボン幅を制御する手順の態様を表す図である。

全文を参照する形で本明細書に含める比較の開示”Apparatus for Achieving Sustained Anisotropic Crystal Growth on the Surface of a Silicon Melt”では、本明細書に開示する方法を実現する装置が詳述されている。

図１に、表面１０４内に形成することのできる固体シリコンリボン１０２を含む、シリコン溶融体１００用の好適な水平リボン成長法を示す。図示するように、シリコンリボン１０２は、冷温プレートの下に形成して引き出すことができる。点線１０８は、固体リボンの先行エッジを線引きし、先行エッジでは、シリコンリボン１０２がシリコン溶融体１００との境界面を表面１０４に有する。点線１０８の右側では、溶融体を通る熱流量ｑ_y ^”が、シリコン溶融体１００から、シリコンリボン１０２の固体シリコン材料内に導かれる。シリコンリボンの放射率ε_s＝〜０．６に基づく、より高レベルの熱流量が、シリコンリボン１０２から冷温プレート１０６内に放射される。溶融体を通る熱流量ｑ_y ^”とシリコンリボン１０２から放射される熱との差が、シリコンの固化のための潜熱を規定し、放射冷却が、次式に示す伝導熱流量よりも大きいものとすれば、この潜熱は、固体シリコン相の成長の速度Ｖ_gに関係付けることができる。
ここに、Ｔ_hは溶融体の最下部の温度であり、Ｔ_mは平衡溶融温度であり、Ｔ_cは冷温プレートの温度であり、ｋ₁は液体（溶融体）の伝導率であり、ｄは溶融体の深さであり、σはステファン−ボルツマン定数であり、ρは固体リボンの密度であり、Ｌは溶融の潜熱であり、ε_sは固体リボンの放射率であり、ε_cは冷温プレートの放射率である。

図２は、異なる熱流量条件についての、シリコン成長挙動の計算値のグラフ表現を提示する。特に、溶融体を通る熱流量（ｑ_y ^”）を、溶融体に近接した冷温プレートの温度の関数としてプロットしてある。図２では、冷温プレート温度Ｔ_cを、シリコン溶融体温度と冷温プレート温度との差Ｔ_c−Ｔ_mとして表している。上述したように、溶融体を通る熱は、表面から冷温プレートへ放射させることができ、冷温プレートは、この放射に対するヒートシンクとして機能することができる。曲線２０２、２０４、２０６は、固体リボンの異なる成長速度Ｖ_gについての、溶融体の熱流量と冷温プレート温度との関係を計算値で示す。これらの計算値は、０．６の固体放射率ε_s及び０．２の液体放射率ε_lに基づき、シリコンの溶融温度（１６８５Ｋ、または１４１２℃）における特性を近似する。特に、成長速度Ｖ_gは、異なる冷温プレート温度Ｔ_cと共に変化し、式(2)より決定することができる。式(2)より明らかなように、シリコンから放射される熱を除去するに当たり、比較的低い冷温プレート温度の方が、比較的高い冷温プレート温度よりも有効であり、溶融体を通る熱流量の所定値に対して、Ｖ_gのより高い値を生じさせる。換言すれば、冷温プレートに近接したシリコンから熱を除去するに当たり、より低温の冷温プレートの方が、より高温の冷温プレートよりも有効である。

図３〜６に提示した分析の妥当性を検証するために、市販の熱伝達ソフトウェア・パッケージを用いて有限要素モデル化を行った。このモデル化は、伝導、対流、及び放射による熱伝達を、液相及び固相の材料の放射率を含めて計算するシミュレーションを含む。図７Ａ及び７Ｂは、シリコン成長のシミュレーションを表し、ここれは、シリコン溶融体１００の表面にシリコンシード７０２を含むシリコン溶融体１００の上方に冷却プレート１０６が配置されている。シリコン溶融体温度と冷温プレート温度との差Ｔ_m−Ｔ_cは６０℃に設定され、シリコン溶融体の最下部の温度（ΔＴ_m）は、Ｔ_mより５Ｋだけ上に設定されている。シリコンシード７０２及びシリコン溶融体１００の二次元温度プロファイルを、シリコンシード７０２を溶融体中に配置した際（０．０３秒）の第１瞬時（図７Ａ）、及び第１瞬時の約７０秒後の第２瞬時（図７Ｂ）について示す。シリコンシード７０２は、１ｍｍ／ｓの速度で水平方向右向きに引き出され、これにより、図７Ａに表す瞬時と図７Ｂに表す瞬時との間に、シリコンシード７０２の左エッジ７０６が約７０ｍｍ右側に移動する。図７Ａ、７Ｂのシミュレーションの条件下で、シリコンシード７０２の一部分７０４が、約０．７ｍｍから約１ｍｍまで厚くなることが観測され、等方性成長を示している。しかし、持続的な引き出しは観測されず、異方性成長のための条件は満足していないことを示している。なお、これらのＴ_m−Ｔ_c及びΔＴ_mの値は、図３に規定する領域２２２に相当し、これにより、この領域が等方性シリコン成長を生じさせることが確認される。

図８Ａ及び８Ｂにシミュレーションの結果を提示し、ここでは、ΔＴ_mを２Ｋに設定したこと以外は、すべての条件が図７Ａ及び７Ｂと同じである。ΔＴ_mを５Ｋから２Ｋに低下させることの１つの効果は、シリコン溶融体を通る熱流量ｑ_y ^”を低減し、これにより、処理条件が今度は図３の成長レジメ２２４に相当することである。図８Ａには、シリコン溶融体１００中に配置した直後のシリコンシード８０２を示す。図８Ｂに提示する結果によって確認されるように、１０１秒後には、薄いシリコンシート８０６が、シリコン溶融体１００の元の左エッジ８０４の左側に形成される。この薄いシリコンシート８０６は、異方性結晶成長を示す。図に示す条件下では、薄いシリコンシート８０６の先行エッジ８０６が点Ｐに静止したままであり、これにより、図示する１ｍｍ／ｓでの持続的な（連続した）シリコンシート（リボン）の引き出しが促進される。シリコンシード８０２が冷温プレート１０６の右エッジ８１０を通過した後に、薄いシリコンシート８０６の定常的な厚さに達する。

種々の実施形態では、シリコン溶融体からの放射を受けるために使用する冷温プレートのサイズ、あるいは冷温プレートによって生成される冷温領域のサイズを制御することによって、シリコンリボンの幅を制御することができる。図９Ａ〜９Ｄは、本実施形態による、シリコンリボン幅を制御する手順の態様を表す。図９Ａ〜９Ｄには、シリコン溶融体１００の表面領域上に配置されたシリコンシード９０２の図を含む上面図を示す。図９Ａ〜９Ｄは、シリコンリボンの形成を、Ｔ₀からＴ₆までの種々の瞬時について示す。図示するように、シリコンシード９０２は、右方向９０４に引き出される。時系列９０６は、種々の瞬時におけるシリコンシードの左エッジ９０８の位置を示すためにも設ける。例えば、図９Ａはｔ₀における状況を示し、ここでは、左エッジ９０８が冷温領域９１０の真下に位置し、冷温領域９１０は上述した冷温プレートとすることができる。その代わりに、冷温領域は、冷温プレートにおいて所望温度Ｔ_cに維持された部分とすることができ、冷温プレートの他の部分は、シリコン溶融体１００の溶融表面の温度のようなより高温にすることができる。従って、冷温領域９１０の幅Ｗ₂、並びに冷温領域の面積Ｗ₂×Ｌ₂は、一般に、シリコン溶融体に近接して配置された冷温プレートのそれぞれ幅及び面積よりも小さい。図に示す冷温領域では、冷温領域９１０の温度とシリコン溶融温度との差、並びにシリコン溶融体１００を通る熱流量のような処理条件が、図３の成長レジメ２２４内に入るものと考えられ、ここでは、冷温プレート温度に関して上述したように、冷温領域９１０の温度がＴ_cである。このようにして、シリコンシード９０２をシリコン溶融体１００に沿って引き出す際に、冷温領域９１０とシリコン溶融体との温度差が異方性結晶成長を誘発する。

Ｔ₀では、冷温領域９１０を、溶融した表面に近接した、シリコンシード９０２の左エッジ９０８の上方に設けることができる。時刻ｔ₀後に、シリコンシード９０２が右向きに引き出されると共に、シリコンリボン９１２が異方性成長によって形成される。図９Ｂに、時刻ｔ₁におけるシミュレーションを示し、ここでは、図９Ａのシナリオに対して、左エッジ９０８が右側に引き出されている。シリコンリボン９１２の幅Ｗ₁は、冷温領域９１０の幅Ｗ₂によって決定することができる。シリコン溶融体１００における冷温領域９１０の真下にない部分については、溶融体を通る熱流量が小さく、溶融体の異方性結晶化を生じさせない。図示するように、シリコンリボンの幅Ｗ₁は、冷温領域の幅Ｗ₂よりも小さくすることができる、というのは、冷温領域９１０のエッジは、冷温領域９１０の中心に比べて、シリコン溶融体１００から熱を吸収する効果が小さいからである。リボンの狭い幅をある期間だけ維持して、初期のシードからの成長により生じる転位を取り除くことが望ましいことがある。

その後に、シリコンリボン９１２の幅を、幅Ｗ₁を超えて増加させて例えば基板用の目標サイズを満足することが望ましいことがある。図９Ｃに、時刻ｔ₄なる他の瞬時におけるシナリオを示し、ここでは、シリコンリボン９１２が処理されて、その幅が増加している。時刻ｔ₄では、広幅の冷温領域９１４が、シリコン溶融体１００に近接して導入されている。広幅の冷温領域９１４は、幅Ｗ₂よりも大きい幅Ｗ₃を有し、これにより、シリコンリボン９１２と一体化された広幅のリボン部分９１６を生成する。広幅の冷温領域９１４は第２温度Ｔ_c2を有して、Ｔ_c2とシリコン溶融温度との差、並びにシリコン溶融体１００を通る熱流量は、図３の成長レジメ２２４内に入るものと考えることができる。換言すれば、Ｔ_c2とＴ_mとの差により、ｑ^” _rad-liquidがｑ_y ^”より大きくなり、ｑ_y ^”は、シリコン溶融体１００の結晶化中の溶液の偏析によって特徴付けられる構造的不安定性のレジメを上回る値を有する。

図９Ｃに示すリボン構造９１８は、次のように形成することができる。図９Ｃに示すように、シリコンリボン９１２の先行エッジ９２０は、図８Ａ〜８Ｂに関して上述した理由で、冷温領域９１０の真下の位置Ｐ₁に静止したままである。時刻ｔ₂において、リボンが右向きに引き出されると、冷温領域９１０から引き出しの向きに距離Ｌ₁をおいて位置する広幅の冷温領域９１４が、シリコン溶融体１００に近接して導入される。広幅の冷温領域９１４は可変の幅を有することができ、これにより、時刻ｔ₂には、広幅の冷温領域９１４が、図９Ｃに示す冷温領域９２２を生成するための幅Ｗt₂しか有しない。図に示す例では、幅Ｗ_t2がＷ₂と同じであり、時刻ｔ₃までの時間にわたって増加する。時刻ｔ₃には、冷温領域の幅がＷ_t3であり、図に示す例の幅Ｗ₃と同等である。冷温領域をＷ₂からＷ₃まで単調に広げることにより、結晶が、狭幅のリボンから外向きに成長し（即ち、広がり）、これにより、シードの結晶構造を、リボンの幅全体にわたって維持することができ、転位のない単結晶リボンの成長を可能にすることが重要であると認められる。こうした（ｔ₂とｔ₃の間の）拡幅プロセスが、不均一な厚さの拡幅されたシートを生じさせることも、認めるべきである。その後に、広幅の冷温領域９１４の幅Ｗ_t3（Ｗ₃）を、図９Ｃ中の時刻ｔ₄まで一定に保持する。ｔ₃〜ｔ₄の時間中には、Ｗ_t3も一定に保持されるので、リボンの広幅部分９１６を一定のままにすることができ、リボン構造９１８が生じる。

図９Ｄに、瞬時ｔ₄に後続する瞬時ｔ₆におけるリボン構造９１８についてのシナリオを示す。図９Ｄに示す瞬時には、冷温領域９１０及び広幅の冷温領域９１４が「ターンオフ」されている。換言すれば、冷温プレートまたは同様のデバイスを、参照番号９１０ｂ及び９１４ｂで示す位置から除去することができる。一部の実施形態では、冷温プレートを除去することができるのに対し、他の実施形態では、冷温プレートの温度を増加させて、冷温プレートがもはや冷温領域９１０及び９１４の効果を生じないようにすることができる。これに加えて、図９Ｄのシナリオでは、継続的な冷温領域９２４が、シリコン溶融体１００に近接して導入され、冷温領域９１０から引き出しの向きに、Ｌ₁より大きい距離Ｌ₂をおいている。この例では、継続的な冷温領域Ｗ₃が、広幅冷温領域９１４と同様の幅Ｗ₃を有し、これにより、リボンの広幅部分９１６内に均一な幅Ｗ₄を生じさせる。継続的な冷温領域９２４は第３温度Ｔ_c3を有して、Ｔ _c3とシリコン溶融温度との差、並びにシリコン溶融体１００を通る熱流量は、図３の成長レジメ２２４内に入るものと考えることができる。一部の実施形態では、Ｔ_c3をＴ_c及び／またはＴ_c2に設定することができる。なお、継続的な冷温領域９２４は、一定の幅及び一定の冷却効果を有して、均一な厚さのリボンを生成する。一部の実施形態では、継続的な冷温領域９２４が「ターンオン」されるのと同時に、冷温領域９１０及び広幅の冷温領域９１４が「ターンオフ」され、このことは、瞬時ｔ₄とｔ₆の間の瞬時ｔ₅に発生し得る。従って、図９Ｄのシナリオに示すように、継続的な冷温領域９２４の左側にあるあらゆる結晶リボン部分を、その後に、冷温領域９１０、９１４の除去後に溶融体の表面からこれらの領域内に導入されるより低い熱流量により加熱して、再融解させることができる。このことは、リボンの広幅部分９１６に新たな先行エッジ９２６を生じさせる。代案の実施形態では、広幅の冷温領域及び継続的な冷温領域９２４を単一位置に設け、これにより、一旦、所望の幅Ｗ₄に達すると、広幅の／継続的な冷温領域が定位置に留まる。

Claims

前記ｑ_y ^”が、前記溶融体の最下部から前記溶融体の表面に至る方向に沿った温度勾配ｄＴ／ｄｘを次式のように生じさせ、
ここに、Ｃ ₀は前記溶融体中の溶質濃度であり、Ｄは前記溶融体中の溶質の拡散速度であり、ｋは偏析係数であり、ｍは液化曲線の傾きであり、νは成長速度であることを特徴とする請求項６に記載の方法。