JP2020503240A - ルツボおよびコンディショニング部材を含む結晶引上げシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

融液からインゴットを形成するためのシステムおよび方法が開示される。システムは、融液を受け入れるための空洞を画定するルツボと、融液の移動を阻止するための第１および第２バリアとを含む。第１通路および第２通路が、外側ゾーン内に位置する融液が移行ゾーンに入り、それを通って内側ゾーンに移動可能なように配置される。複数のコンディショニング部材が、ゾーンの少なくとも１つに配置され、融液に接触して融液中のマイクロボイドの数を低減するように配置される。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１７年１月４日出願の米国非仮特許出願第１５／３９８４０７号の優先権を主張し、その開示全体は参照により全体としてここに組み込まれる。

本開示は、一般に、融液から半導体または太陽電池(solar)材料のインゴットを形成するための単結晶引上げシステムに関し、より詳細には、ルツボと、融液と接触するようにルツボの空洞内に配置されたコンディショニング（調整）部材とを含むシステムおよび方法に関する。

チョクラルスキ（ＣＺ）法によって成長したシリコン単結晶の製造において、多結晶シリコンは、結晶引上げ装置のルツボ、例えば、石英ルツボ内で溶融して、シリコン融液を形成する。引上げ器は、種結晶を融液内に降ろし、種結晶を融液からゆっくり持ち上げ、融液を種結晶上に固化させてインゴットを形成する。

連続ＣＺ法では、多結晶シリコンが融液に添加されながら、種結晶が融液から引上げられる。多結晶シリコンの添加は、融液にマイクロボイドを発生させることがある。マイクロボイドは、一般に１０マイクロメートル未満の直径を有する。インゴット形成の際、融液中のマイクロボイドがインゴットに組み込まれことがある。従来の連続チョクラルスキシステムは、これらのマイクロボイドを除去することに成功していない。こうして融液の特性を制御しつつ、インゴット中のマイクロボイドの含有を排除するより効率的で有効なシステムおよび方法についてニーズが存在する。

この背景セクションは、以下に説明及び／又は請求される本開示の種々の態様に関連し得る技術の種々の態様を読者に紹介することを意図している。この議論は、本開示の種々の態様のより良い理解を促進する背景情報を読者に提供するのに役立つものと考えられる。従って、これらの記述はこの観点で読むべきであり、先行技術の承認として読むべきではないことは理解すべきである。

（簡潔な要旨）
一態様において、融液からインゴットを形成するためのシステムは、融液を受け入れるための空洞を画定するルツボと、融液の移動を阻止するように空洞内に配置された第１バリアとを含む。ルツボおよび第１バリアは、外側ゾーンを形成する。第１バリアは、第１通路を含む。システムはまた、空洞内に配置された第２バリアを含み、第２バリアの外側から第２バリアの内側への融液の移動を阻止する。第１バリアおよび第２バリアは、これらの間に移行ゾーンを画定する。第２バリアは、内側ゾーンを形成し、第２通路を含む。第１通路および第２通路は、外側ゾーン内に位置する融液が、移行ゾーンに入り、これを通って内側ゾーン内に移動可能なように配置される。システムはさらに、第１バリアと第２バリアとの間の移行ゾーンに位置決めされた複数のコンディショニング部材を含む。複数のコンディショニング部材は、移行ゾーン内の融液に接触し、融液中のマイクロボイドの数を低減するように配置される。

他の態様において、融液からインゴットを形成するためのシステムは、融液を受け入れるための空洞を画定するルツボアセンブリを含む。空洞は、内側ゾーン、外側ゾーン、および移行ゾーンに分離される。内側ゾーンは、インゴットのための成長エリアを画定する。システムはまた、固体原料を空洞に供給するフィーダシステムを含む。固体原料は、融液を形成するように配置される。システムはさらに、空洞の外側ゾーンに位置決めされた複数の物体をさらに含む。複数の物体は、固体原料および融液に接触し、融液中のマイクロボイドの数を低減するように配置される。

他の態様において、結晶引上げシステムにおいて融液から結晶インゴットを引上げる方法が記載される。システムは、空洞を画定するルツボを含む。方法は、空洞内に石英製(quartz)の複数の物体を配置するステップと、空洞内に原料を配置するステップとを含む。方法はまた、原料を溶融して融液を形成するステップを含む。融液ラインが、融液の表面によって定義される。複数の物体は、融液ラインに配置され、融液に接触して、融液中のマイクロボイドの数を低減する。

上述した態様に関連して言及した特徴の種々の改良が存在する。更なる特徴も上述した態様に組み込むことができる。これらの改良および追加機能は、個別にまたは任意の組合せで存在し得る。例えば、例示した実施形態のいずれかに関連して以下で説明する種々の特徴は、単独または任意の組合せで、上述した態様のいずれかに組み込むことができる。

結晶引上げシステムの概略図である。 図１に示す結晶引上げシステムの一部の概略図である。 図１に示す結晶引上げシステムの一部の平面図である。 図１に示す結晶引上げシステムの一部の断面図である。 図１に示す結晶引上げシステムの他の構成の概略図である。 図１に示す結晶引上げシステムの他の構成の概略図である。 図１に示す結晶引上げシステムの他の構成の概略図である。 図１に示す結晶引上げシステムの他の構成の概略平面図である。 図８に示す構成での結晶引上げシステムの一部の概略図である。 図１に示す結晶引上げシステムの他の構成の概略平面図である。 図１０に示す構成での結晶引上げシステムの一部の概略図である。 図１に示す結晶引上げシステムの他の構成の概略平面図である。 図１２に示す構成での結晶引上げシステムの一部の概略図である。 堰および内側ルツボを含む結晶引上げシステムの一部の概略平面図である。 図１４に示す結晶引上げシステムの一部の概略図である。 内側ルツボを含む結晶引上げシステムの概略図である。 インゴットの正規化されたエリアカウントを比較するグラフである。 インゴットの正規化されたエリアカウントのグラフである。 インゴットの正規化されたエリアカウントのグラフである。 インゴットの正規化されたエリアカウントのグラフである。 結晶引上げシステムの種々の構成について溶解した物体の質量を示すグラフである。

対応する参照文字は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を示す。

図１を参照して、結晶引上げシステムが概略的に示されており、全体として１００で示す。結晶引上げシステム１００を使用して、チョクラルスキ法によりインゴットを製造できる。

図示した結晶引上げシステム１００は、半導体または太陽電池等級の材料（例えば、シリコン）の融液１０６を含むルツボアセンブリ１０４を支持するサセプタ１０２を含む。融液１０６は、固体原料１１１を加熱することにより形成できる。システム１００の動作中、種結晶１１２は、引上げ器１１０によって融液１０６の中に降ろされ、そして融液１０６からゆっくり持ち上げられる。図示したシステム１００はまた、融液１０６からの放射熱からインゴット１０８を遮蔽し、インゴット１０８が凝固できるようにする熱シールド１１４を含む。

ルツボアセンブリ１０４は、第１ルツボ１１６と、第２ルツボ１１８と、第３ルツボ１１９とを含む。更なる実施形態において、システム１００は、第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９のいずれかに追加し、またはその代わりに１つ以上の堰(weir)を含んでもよい。適切な実施形態において、ルツボアセンブリ１０４は、システム１００が、説明したように機能できる任意の適切な材料で構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、ルツボアセンブリ１０４は石英で構成されてもよい。

第１ルツボ１１６は、第１底部１２０および第１側壁１２２を含む。第２ルツボ１１８は、第２底部１２４および第２側壁１２６を含む。第３ルツボ１１９は、第３底部１２８および第３側壁１３０を含む。図示の実施形態において、第１側壁１２２は、第１底部１２０の外周の周りに延びており、第２側壁１２６は、第２底部１２４の外周の周りに延びている。第３側壁１３０は、第３底部１２８の外周の周りに延びている。第１空洞１３２は、第１ルツボ１１６の第１側壁１２２および第１底部１２０によって形成される。第２空洞１３３は、第２ルツボ１１８の第２側壁１２６および第２底部１２４によって形成される。他の実施形態において、ルツボアセンブリ１０４は、システム１００が説明したように動作できる任意のルツボを含んでもよい。

第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９は、システム１００がここで説明したように動作できる任意の形状を有してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８及び／又は第３ルツボ１１９は、任意の適切な曲率を有する湾曲した底部を含んでもよい。

本実施形態において、第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９は、第１ルツボ１１６の空洞１３２内に第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９を配置できるサイズおよび形状を有する。さらに、第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９は、第２ルツボ１１８の第２空洞１３３内に第３ルツボ１１９を配置できるサイズおよび形状を有する。第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９の各々は、システム１００が説明したように動作できる任意の適切な直径を有してもよい。いくつかの実施形態において、第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９は、４０インチ、３６インチ、３２インチ、２８インチ、２４インチ、２０インチ、２２インチまたは１６インチの直径を有してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、第１ルツボ１１６は、３６インチの外径を有してもよく、第２ルツボ１１８は、２２インチの外径を有してもよく、第３ルツボ１１９は、１６インチの外径を有してもよい。

第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９は、外側ゾーン１３４、移行ゾーン１３６および内側ゾーン１３８を形成する。外側ゾーン１３４は、第１側壁１２２と第２側壁１２６の間の空洞１３２に形成される。内側ゾーン１３８は、第３ルツボ１１９の内部に形成される。移行ゾーン１３６は、第２ルツボ１１８と第３ルツボ１１９との間の第２空洞１３３に形成される。外側ゾーン１３４、移行ゾーン１３６および内側ゾーン１３８のサイズは、第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９のサイズによって決定される。例えば、内側ゾーン１３８は、第３ルツボ１１９の直径に等しい直径を有する。いくつかの実施形態において、内側ゾーン１３８は、少なくとも１６インチの直径を有する。さらに、本実施形態において、内側ゾーン１３８は、バリアおよび障害物が実質的に存在しない。その結果、いくつかの既知のシステムと比較して、インゴット１０８の成長エリアは増加させることができ、成長エリアからいずれかのバリア、例えば、第３側壁１３０までの距離は増加させることができる。さらに、内側ゾーン１３８は、融液１０６のためにより大きい自由表面積を提供し、いくつかの既知のシステムよりも良好な酸素放出を可能にする。

第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９は、融液１０６の表面に対して垂直に延び、外側ゾーン１３４から内側ゾーン１３８へ流れる融液１０６を制限する垂直バリアを形成する。ルツボ通路１６２，１６４は、融液１０６が外側ゾーン１３４から内側ゾーン１３８へ移動するために、第２ルツボ１１８の側壁１２６および第３ルツボ１１９の側壁１３０を通って延びている。ルツボ通路１６２，１６４は、融液１０６が進行して内側ゾーン１３８の中に移動する距離を増加させるように、第２底部１２４に沿って位置決めできる。適切な実施形態において、第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９は、任意の適切な数の通路を含んでもよい。

図示の実施形態において、バリア１４０が、第１側壁１２２と第２側壁１２６との間にある外側ゾーン１３４に設置される。バリア１４０は、融液１０６の表面に対して平行に延びており、外側ゾーン１３４を通って内側ゾーン１３８に向かう融液１０６の移動を制限する。従って、バリア１４０は、外側ゾーン１３４から内側ゾーン１３８の中に流れる融液１０６を制限する水平バリアを形成する。バリア１４０は、石英製の複数の小片(pieces)またはより広くは複数の物体１４２と、物体１４２間に画定される間隙(gap)１４４を含む。動作の際、融液１０６は、間隙１４４を通って流れることができる。本実施形態において、物体１４２は、外側ゾーン１３４内にランダムに配置され、間隙１４４は、融液１０６が流通する迷路または迂回経路を形成する。従って、バリア１４０は、外側ゾーン１３４を通る融液１０６の移動を遅くできる。他の実施形態において、物体１４２は、結晶引上げシステム１００が説明したように動作できるような任意の方法で配置できる。

物体１４２は、融液１０６及び／又は原料１１１を調整(condition)するコンディショニング部材として機能できる。ここで使用するように、用語「調整する」とは、材料の特性を変化させることを意味し、「コンディショニング(conditioning)」とは、材料の特性を変化させるデバイスを記述するために使用される。例えば、システム１００の動作中、バリア１４０は、融液１０６の特性、例えば、融液１０６のアルゴン含有量、および融液１０６中のガス充填マイクロボイドの数などを変化させ、インゴット１０８中の欠陥を低減できる。

適切な実施形態において、物体１４２が説明したように機能することを促進するように、物体１４２は、原料１１１とは異なる特性を有してもよい。例えば、いくつかの実施形態において、物体１４２は、原料１１１よりも大きい熱抵抗を有してもよい。従って、物体１４２は、原料１１１より長い期間に渡って固体状態のままである。いくつかの実施形態において、物体１４２は、システム１００の動作中を通じて実質的に固体のままでもよい。更なる実施形態において、物体１４２は、石英で構成されてもよく、原料１１１は、チャンク（塊）ポリシリコンを含んでもよい。こうした実施形態において、物体１４２の少なくともいくつかは、原料１１１の塊の大部分よりも実質的に大きくてもよい。

適切な実施形態において、物体１４２は、外側ゾーン１３４のどこに位置決めしてもよい。本実施形態において、物体１４２は、融液１０６の表面に隣接する第１側壁１２２と第２側壁１２６の間に位置決めされる。また本実施形態において、物体１４２は、内側ゾーン１３８の内部には位置していない。物体１４２は、ランダムに配置してもよいため、システム１００の組立て時に、物体１４２の正確なアライメント（整列）および位置決めは要求されなくてもよい。さらに物体１４２の位置は、システム１４２の動作中にシフトしてもよい。

適切な実施形態において、物体１４２は、浮揚性で、融液１０６の表面近くに浮いてもよい。さらに、図１に示すように、物体１４２は、バリア１４０が融液１０６の表面の上方及び／又は下方に延びるように積み重ねてもよい。他の実施形態において、物体１４２は、システム１００のいずれかの部分を占拠して、システム１００が説明するように動作できるようにしてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、物体１４２は、外側ゾーン１３４を充填してもよい。

本実施形態において、物体１４２は、移動するのが自由である。換言すると、物体１４２は、互いに接続されず、またはルツボアセンブリ１０４にも接続されない。その結果、システム１００の組立てコストは削減できる。さらに、システム１００の動作中に破損する可能性のある結合(bond)が省略されるため、システム１００の信頼性が向上する。他の実施形態において、少なくともいくつかの物体１４２は、第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８及び／又は他の物体１４２に接続されてもよい。

物体１４２は、任意の適切な時間にシステム１００に配置してもよい。例えば、固体原料１１１が溶融する前に、物体１４２をシステム１００に配置してもよい。他の実施形態において、固体原料１１１が溶融した後に物体１４２を追加してもよく、これによりシステム１００の動作中に物体１４２の消費を削減できる。

システム１００の動作中、バリア１４０の物体１４２は、融液１０６によって消費されることがあり、バリア１４０の物体１４２を補充することが必要なことがある。従って、物体１４２は、システム１４２の動作中に連続的または断続的に追加してもよい。適切な実施形態において、物体１４２は、物体１４２の消費レートに等しいレートでバリア１４０に追加してもよい。いくつかの実施形態において、システム１００は、物体１４２を追加するための自動化手段、例えば、フィーダシステムを含んでもよい。いくつかの実施形態において、バリア１４０は、補充する必要のない物体１４２を含んでもよい。更なる実施形態において、バリア１４０は、システム１００の動作中の消費に相当する追加の物体１４２を含んでもよい。

さらに図１を参照して、結晶引上げシステム１００は、ルツボアセンブリ１０４に隣接して延びる熱シールド１１４を含む。熱シールド１１４は、内側ゾーン１３８の一部および外側ゾーン１３４の全てを覆い、固体原料１１１の追加の際、視程(line-of-sight)ポリシリコン発射体が内側融液表面に到達するのを防止する。さらに、熱シールド１１４は、外側ゾーン１３４からのガスが内側ゾーン１３８に入るのを防止する。熱シールド１１４は、脚部１４６を含む。脚部１４６は、第２ルツボ１１８と第３ルツボ１１９との間の空洞１３２の中に延びる。他の実施形態において、結晶引上げシステム１００は、結晶引上げシステム１００が説明するように動作できる任意の適切な熱シールド１１４を含んでもよい。

固体原料１１１は、フィーダ１５０から供給管１５２を介して外側ゾーン１３４に配置または供給できる。供給管１５２は、第２ルツボ１１８の外側にある場所で第１ルツボ１１６に原料１１１を供給するために、第１ルツボ１１６に近接して配置される。原料材料１１１は、周囲の融液１０６よりもかなり低い温度を有する。従って、原料１１１は、融液１０６から熱を吸収すると、原料１１１の温度が上昇し、固体原料１１１が外側ゾーン１３４で液化し、外側融液部分を形成する。固体原料１１１（時には「低温原料」と称する）が、融液１０６からエネルギーを吸収すると、周囲の融液１０６の温度は、吸収されたエネルギーに比例して低下する。バリア１４０は、固体原料１１１が外側ゾーン内で完全に溶融することを可能にし、内側ゾーン内の融液１０６の均一性を増加させる。

ルツボアセンブリ１０４に追加される原料１１１の量は、コントローラ１５４からの活性化信号に応答するフィーダ１５０によって制御される。インゴット１０８の直径および成長レートは、コントローラ１５４によって正確に決定され制御される。原料１１１の追加は、ルツボ内のシリコンの質量に基づいてもよく、これは、融液の重量または液体の高さを測定することにより決定してもよい。

固体原料１１１が融液１０６に追加されると、融液１０６の表面は、攪乱されることがある。バリア１４０および第２側壁１２６は、融液１０６の外乱の内向き伝搬を防止する。さらにバリア１４０は、固体原料１１１の移動を遅くし、固体原料１１１が外側ゾーン内で完全に融解するのを促進する。

ルツボアセンブリ１０４の周りに適切な位置に配置されたヒータ１５６，１５８によって、ルツボアセンブリ１０４に熱が供給される。ヒータ１５６，１５８からの熱は、最初に固体原料１１１を溶融し、そして融液１０６を液化状態に維持する。ヒータ１５６は、略円筒形状であり、ルツボアセンブリ１０４の側面に熱を供給する。ヒータ１５８は、ルツボアセンブリ１０４の底部に熱を供給する。いくつかの実施形態において、ヒータ１５８は、略環状の形状でもよい。他の実施形態において、システム１００は、システム１００が説明するように動作できる任意のヒータを含んでもよい。

適切な実施形態において、ヒータ１５６，１５８は、コントローラ１５４に接続された抵抗ヒータでもよく、これは、ヒータに電流を制御可能に印加し、その温度を変更する。制御装置１５４によってヒータ１５６，１５８の各々に供給される電流の量は、融液１０６の熱特性を最適化するように別個に独立して選択してもよい。

上述のように、種結晶１１２は、融液１０６の上に設置された引上げ器１１０の一部に装着される。引上げ器１１０は、融液１０６の表面に対して垂直な方向に種結晶１１２の移動を提供し、種結晶１１２が融液１０６に向かってまたはその中に下降させ、または融液１０６から上昇させる。高品質のインゴット１０８を製造するために、種結晶１１２／インゴット１０８に隣接するエリアは、インゴット１０８の中に組み込まれることがある融液１０６中のマイクロボイドがないように維持する必要がある。

本実施形態において、バリア１４０および第２ルツボ１１８は、外側ゾーン１３４から成長エリアへの融液１０６の移動を制限することによって、種結晶１１２／インゴット１０８に直接隣接するエリアにおいて表面外乱および原料１１１粒子の数を制限する。さらに、バリア１４０は、成長エリアにマイクロボイドが存在しないように、融液１０６中のマイクロボイドを排除する。成長エリアは、第２ルツボ１１８の内側であり、種結晶１１２／インゴット１０８に隣接している。

図１に示すように、バリア１４０および通路１６２，１６４は、融液１０６が外側ゾーン１３４から内側ゾーン１３８に移動するための曲がりくねった経路を提供する。特に、融液１０６が外側ゾーンを通過する際、バリア１４０の間隙１４４を通過する。さらに融液１０６は、第２ルツボ１１８の通路１６２，１６４を通過して、内側ゾーン１３８内に移動する必要がある。その結果、バリア１４０および第２ルツボ１１８は、ゾーン１３４から内側ゾーン１３８に向かう融液１０６の移動を制限する。さらに通路１６２，１６４がルツボアセンブリ１０４の底部に沿って設置されるため、ゾーン１３４から内側ゾーン１３８への融液１０６の移動は、インゴット１０８が引上げられる融液１０６の上部から離間している。こうして通路１６２，１６４の位置は、固体粒子の通過を融液１０６の成長エリアにさらに制限する。

外側ゾーン１３４を通り、外側ゾーン１３４と内側ゾーン１３８との間での融液１０６の制御された移動により、外側ゾーン１３４での原料１１１は、原料１１１が外側ゾーンを通過する際に成長エリアの温度にほぼ等しい温度まで加熱できる。さらにシステム１００は、より大きな成長エリアを有することができ、より大きな単結晶インゴットを製造できる。理由は、融液１０６の移動が外側ゾーン１３４に制御され、内側ゾーン１３８にはバリアが存在しないためである。

図２は、第１ルツボ１１６、第２ルツボ１１８および第３ルツボ１１９を含む結晶引上げシステム１００の一部の概略図である。本実施形態において、物体１４２は、空洞１３２内に位置決めされる。特に、物体１４２は、固体原料１１１および融液１０６の溶融ライン１６０において外側ゾーン１３４内に位置決めされる。溶融ライン１６０は、融液１０６の表面によって定義される。物体１４２は、融液１０６中のマイクロボイドの数を低減するように配置される。図２に示すように、バリア１４０は、石英で製作された物体１４２を含む。その結果、物体１４２は、マイクロボイドの形成を抑制し、融液１０６の汚染を防止できる。他の実施形態において、システム１００は、システム１００が説明したように動作できる任意の物体１４２を含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態において、物体１４２は異なる材料でもよい。

物体１４２は、システム１００が説明したように動作できる任意のサイズおよび形状でもよい。例えば、いくつかの実施形態において、物体１４２は、直方体形状、円錐形状、円柱形状、球形状、角柱形状、角錐形状および他の適切な形状でもよい。いくつかの実施形態において、少なくともいくつかの物体１４２は、異なる形状およびサイズでもよい。例えば、適切な実施形態において、少なくともいくつかの物体１４２は、不均一な形状を有する。

図３と図４に示すように、物体１４２は、第１ルツボ１１６と第２ルツボ１１８との間の外側ゾーン１３４内に位置決めされる。特に、物体１４２は一緒にしっかりと詰められ、物体１４２は第１ルツボ１１６から第２ルツボ１１８まで連続的に延びる。他の実施形態において、物体１４２は、システム１００が説明するように動作できる任意の方法で位置決めしてもよい。

図５は、システム１００の他の構成の概略図である。図５に示す構成において、物体１４２は、溶融ライン１６０に位置決めされるが、溶融ライン１６０の上方には実質的に延びていない。その結果、システム１００の動作中に物体１４２の消費を低減できる。さらに、融液１０６の表面での変動性を低減でき、物体１４２に起因したドーピング効率の変化を低減できる。

図６は、システム１００の他の構成の概略図である。図６に示す構成において、物体１４２は、溶融ライン１６０の下方に間隔をあけて配置される。その結果、システム１００の動作中に物体１４２の消費は、物体１４２が溶融ライン１６０まで延びている構成と比べて減少する。

図７は、システム１００の他の構成の概略図である。図７に示す構成において、物体１４２は、移行ゾーン１３６内に位置決めされる。その結果、システム１００の動作中に物体１４２の消費レートは減少する。さらに、移行ゾーン１３６の体積は外側ゾーン１３４の体積より小さいため、移行ゾーン１３６に配置される物体１４２の量は、他の構成において外側ゾーン１３４に配置される物体１４２の量よりも少ない。さらに、物体１４２を移行ゾーン１３６内に位置決めすることは、外側ゾーン１３４を、原料を位置決めし空洞１３２内にドーパントを供給するために専ら使用することを可能にする。その結果、システム１００で使用されるドーパントの効率の変動性が減少する。さらに、融液１０６の表面状態の一貫性が向上する。

図７に示す構成において、第２ルツボ１１８は、第１通路１６２を含み、第３ルツボ１１９は、第２通路１６４を含む。第１通路１６２および第２通路１６４は、原料１１１および融液１０６が、外側ゾーン１３４から移行ゾーン１３６の中に、移行ゾーン１３６を通って、そして移行ゾーン１３６から内側ゾーン１３８の中に移動するのを可能にする。他の実施形態において、システム１００は、システム１００が説明するように動作できる任意の通路を含んでもよい。

本実施形態において、第１通路１６２は、融液１０６の表面近くに位置決めされ、第２通路１６４は、第３ルツボ１１９の底部近くに位置決めされる。従って、融液１０６は、図７に示すシステム１００の配向に対してほぼ下向き方向に移行ゾーン１３６を通って流れる。その結果、融液１０６は、移行ゾーン１３６内で、増加した数の物体１４２と接触する。

図８と図９は、システム１００の他の構成の概略図である。システム１００はさらに、支持体１６６を含む。本実施形態において、支持体１６６および物体１４２は、移行ゾーン１３６内に位置決めされる。特に、支持体１６６は、第１通路１６２に近接して位置決めされ、物体１４２と融液１０６との間の接触を増加させる。支持体１６６は、移行ゾーン１３６内で第１通路１６２の両側に離間している。従って、支持体１６６は、第１通路１６２に近接する位置に物体１４２を維持する。さらに、物体は、第１通路１６２に近接した移行ゾーン１３６の部分だけに位置決めされるため、支持体１６６は、システム１００で使用される物体１４２の量を低減する。他の実施形態において、物体１４２および支持体１６６は、システム１００が説明するように動作できる任意の方法で配置される。

本実施形態において、支持体１６６は中空円筒であり、第２ルツボ１１８と第３ルツボ１１９との間の距離にほぼ等しい直径を有する。さらに支持体１６６は、移行ゾーン１３６内の融液１０６の深さより大きい長さを有する。他の実施形態において、支持体１６６は、異なる形状およびサイズを有してもよい。また支持体１６６は、任意の材料から構成してもよい。本実施形態において、支持体１６６は、融液１０６の汚染を低減するために石英から構成される。

図１０と図１１は、システム１００の他の構成の概略図である。システム１００はさらに、支持体１６８を含む。支持体１６８および物体１４２は、外側ゾーン１３４内に位置決めされる。特に、物体１４２は、第１通路１６２に近接して位置決めされ、物体１４２と融液１０６との間の接触を増加させる。支持体１６８は、外側ゾーン１３４内で第１通路１６２の両側に離間している。従って、支持体１６８は、第１通路１６２に近接する位置に物体１４２を維持する。さらに、物体１４２は、第１通路１６２に近接した外側ゾーン１３４の部分だけに配置されるため、支持体１６６は、システム１００で使用される物体１４２の量を低減する。他の実施形態において、物体１４２および支持体１６６は、システム１００が説明するように動作できる任意の方法で配置される。

本実施形態において、支持体１６８は中空円筒であり、第１ルツボ１１６と第２ルツボ１１８との間の距離にほぼ等しい直径を有する。本実施形態において、支持体１６８は、第１ルツボ１１６の底部に近接して、融液１０６の表面の上方に延びている。さらに、いくつかの実施形態において、支持体１６８は、外側ゾーン１３４内の融液１０６の深さよりも大きい長さを有する。他の実施形態において、支持体１６８は、異なる形状およびサイズを有してもよい。また支持体１６８は、任意の材料から構成してもよい。本実施形態において、支持体１６８は、融液１０６の汚染を低減するために石英から構成される。

図１２と図１３は、システム１００の他の構成の概略図である。この構成において、システム１００は、支持体１６６および支持体１６８を含む。支持体１６６は、移行ゾーン１３６内に位置決めされ、支持体１６８は、外側ゾーン１３４内に位置決めされる。物体１４２は、移行ゾーン１３６内で支持体１６６の間に位置決めされる。さらに物体１４２は、外側ゾーン１３４内で支持体１６８の間に位置決めされる。移行ゾーン１３６および外側ゾーン１３４内では、物体１４２は、第１通路１６２に近接して位置決めされる。本実施形態において、物体は、第１通路１６２を通って流れる融液１０６と接触するため、支持体１６６，１６８および物体１４２は、融液１０６と物体１４２との間で増加した接触を提供する。さらに、物体１４２は、第１通路１６２に近接した外側ゾーン１３４および移行ゾーン１３６の部分だけに位置決めされるため、支持体１６６，１６８は、システム１００で使用される物体１４２の量を低減する。他の実施形態において、物体１４２および支持体１６６，１６８は、システム１００が説明するように動作できる任意の方法で配置してもよい。

図１４は、結晶引上げシステム４００の一部の概略平面図である。図１５は、結晶引上げシステム４００の一部の概略図である。本実施形態において、システム４００は、外側ルツボ４０２、堰(weir)４０４および内側ルツボ４０６を含む。外側ルツボ４０２は、融液４０８を受け入れるように配置され、空洞４１４を画定する底部４１０および側壁４１２を含む。内側ルツボ４０６および堰４０４は、ルツボ４０２の空洞４１４内に設置される。内側ルツボ４０６は内側ゾーン４１６を取り囲む。内側ルツボ４０６および堰４０４は、両者間に移行ゾーン４１８を画定する。さらに、堰４０４および外側ルツボ４０２は、両者間に外側ゾーン４２０を画定する。

動作の際、結晶引上げシステム４００は、内側ゾーン４１６の成長エリア内で種結晶を下降および上昇させることによって、融液４０８からインゴットを形成する。通路４２２は、融液４０８が移行ゾーン４１８から内側ゾーン４１６の中に移動するように、内側ルツボ４０６を通じて画定される。さらに通路４２４は、融液４０８が外側ゾーン４２０から移行ゾーン４１８の中に移動するように、堰４０４を通じて画定される。従って、堰４０４および内側ルツボ４０６は、外側ゾーン４２０、移行ゾーン４１８および内側ゾーン４１６の間の融液４０８の移動を制御する。

システム４００はさらに、移行ゾーン４１８内に位置決めされ、融液４０８中のマイクロボイドを低減するように配置された物体４２６をさらに含む。他の実施形態において、物体４２６は、堰４０４と内側ルツボ４０６との間に積み重ねられる。物体４２６は、移行ゾーン４１８内で層状に緩く配置される。他の実施形態において、物体４２６は、システム４００が説明するように動作できる任意の方法で配置してもよい。

本実施形態において、支持体４２８は、移行ゾーン４１８内で堰４０４と内側ルツボ４０６との間に位置決めされる。支持体４２８は、移行ゾーン４１８内に位置決めされる物体４２６の量を低減し、物体４２６の位置を維持する。支持体４２８は、移行ゾーン４１８全体に離間している。特に支持体４２８は、物体４２６が通路４２２，４２４と整列し、近接して位置決めされるように、通路４２２，４２４からオフセットしている。他の実施形態において、支持体４２８は、システム４００が説明するように動作できる任意の方法で位置決めされる。

システム４００は、システム４００が説明するように動作できる任意の支持体４２８を含んでもよい。本実施形態において、支持体４２８は中空円筒である。いくつかの実施形態において、支持体４２８は、堰４０４と内側ルツボ４０６との間の距離にほぼ等しい直径を有する。さらに、いくつかの実施形態において、支持体４２８は、移行ゾーン４１８内の融液４０８の深さよりも大きい長さを有する。他の実施形態において、支持体４２８は、異なる形状およびサイズを有してもよい。また支持体４２８は、任意の材料から構成してもよい。本実施形態において、支持体４２８は、融液４０８の汚染を低減するために石英から構成される。

図１６は、少なくとも１つのバリアリング５０２を含む結晶引上げシステム５００の概略図である。結晶引上げシステム５００はまた、第１ルツボ５０４および第２ルツボ５０６を含む。結晶引上げシステム５００は、第１ルツボ５０４および第２ルツボ５０６に収容された融液からインゴットを形成するために使用できる。第２ルツボ５０６およびバリアリング５０２は、第１ルツボ５０４の空洞内に配置され、第１ルツボ５０４、第２ルツボ５０６および外側バリアリング５０２がこれらの間に外側ゾーン５１０を形成している。さらに、第１ルツボ５０４、第２ルツボ５０６およびバリアリング５０２は、移行ゾーン５１１を形成する。本実施形態において、結晶引上げシステム５００は、３つの移行ゾーン５１１を形成する３つのバリアリング５０２を含む。詳細には、バリアリング５０２は、外側移行ゾーン５１１、中間移行ゾーン５１１および内側移行ゾーン５１１を形成する外側バリアリング５０２、中間バリアリング５０２および内側バリアリング５０２を含む。バリアリング５０２は、減少する直径の順に互いに入れ子(nest)になっている。他の実施形態において、結晶引上げシステム５００は、結晶引上げシステム５００が説明するように動作できる任意の移行ゾーン５１１を形成する任意の数のバリアリング５０２を含んでもよい。

融液が加熱されると、融液は外側ゾーン５１０から移行ゾーン５１１を通って、インゴットが形成される内側ゾーン５１２に向かって移動する。バリアリング５０２は、第２ルツボ５０６の底部に隣接して延びており、融液が外側ゾーン５１０から内側ゾーン５１２に移動するのを阻止する。バリアリング５０２および第２ルツボ５０６は、融液が外側ゾーン５１０から移行ゾーン５１１を通って内側ゾーン５１２の中に流れるための個々の通路５１４を含む。適切には、バリアリング５０２および第２ルツボ５０６での通路５１４は、融液が外側ゾーン５１０から内側ゾーン５１２への迂回経路を通って流れるようにオフセットしている。他の実施形態において、システム５００は、システム５００が説明するように動作できる任意の好適な通路を含んでもよい。

本実施形態において、システム５００はさらに、外側ゾーン５１０および移行ゾーン５１１に配置された物体５１８を含む。本実施形態において、物体５１８は、外側バリアリング５０２に近接してその内側に、外側移行ゾーン５１１に位置決めされる。従って、物体５１８が通路５１４に近接した空洞の部分にのみ位置決めされるため、システム５００で使用される物体５１８の量は低減できる。さらに、システム５００の動作中に物体５１８の消費は減少する。他の実施形態において、システム５００は、システム５００が説明するように動作できる任意の物体５１８を含んでもよい。

適切な実施形態において、物体５１８およびバリアリング５０２は、システム５００が説明するように動作できる任意の材料から構成してもよい。本実施形態において、バリアリング５０２および物体５１８は、融液の汚染を低減するために石英から構成される。

図１７は、インゴットの正規化されたエリアカウント(area count)を比較するグラフである。第１曲線６０２は、コンディショニング部材を含む結晶引上げシステムを用いて形成されたインゴットの正規化されたエリアカウントを表す。第２曲線６０４は、コンディショニング部材なしの結晶引上げシステムを用いて形成されたインゴットを表す。図１７に示すように、第１曲線６０２は、第２曲線６０４よりも実質的に少ないエリアカウントを有する。エリアカウントは、マイクロボイド形態(morphology)を表示したため、これらのエリアカウントの大部分は、融液中のマイクロボイドが原因であると考えられる。

第２曲線６０４は、第１部分６０６および第２部分６０８を含む。第１部分６０６では、エリアカウントはほぼ安定したレートで増加する。第２部分６０８では、エリアカウントはほぼ一定である。従って、初期のインゴット成長中に、融液はマイクロボイドが存在しない。しかしながら、第２曲線６０４で表されるシステムでは、原料がシステムに導入されるとマイクロボイドが形成され、マイクロボイドの数は増加して定常状態値に到達する。これに対して第１曲線６０２はほぼ一定であり、これは、コンディショニング部材を含むシステムの動作中にマイクロボイドが形成されないこと、またはもし形成されたとしても排除されたことを示す。

第１曲線６０２は、第２曲線６０４よりもかなり少ない数のエリアカウントを有する。従って、ウエハ当りの平均エリアカウントは、第２曲線６０４で表されるインゴットよりも第１曲線６０２で表されるインゴットの方が実質的に少なくなる。例えば、第１インゴットは、０．０５正規単位未満の平均エリアカウントを有するウエハを製造できる。これに対して第２インゴットは、定常状態の本体成長中に約０．４から約１の正規単位の範囲にある平均エリアカウントを有するウエハを製造することがある。

図１８〜図２０は、説明した実施形態を用いて形成されたインゴットの正規化エリアカウントを比較するグラフである。各グラフは、１〜１００のウエハ番号を持つＸ軸と、０〜０．１５の正規単位のエリアカウントを持つＹ軸を含む。曲線７０２，７０４，７０６は、第１インゴット、第２インゴットおよび第３インゴットの中間セクションから形成されたウエハについてのエリアカウントを示す。

第１インゴットは、石英物体を含むシステムを用いて形成した。曲線７０２は、第１インゴットから形成したウエハのエリアカウントが０．０５正規単位未満であることを示す。第２インゴットは、石英物体を補充することなく第１インゴットと同じシステムを用いて形成した。従って、石英物体の大部分は、第２インゴットの形成前に消費された。曲線７０４は、第２インゴットから形成されたウエハが、第１インゴットから形成されたウエハよりも高いエリアカウントを有することを示す。しかしながら、第２インゴットから形成されたウエハは、約０．１正規単位またはそれ以下のエリアカウントを依然として有していた。第３インゴットは、第１インゴットおよび第２インゴットと同じシステムを用いて形成され、石英物体が第２インゴットの形成後にシステムに追加された。しかしながら、石英物体は、第３インゴットの形成中に少なくとも部分的に消費された。従って、第３インゴットから形成されたウエハのエリアカウントは、最初は０．０５未満であるが、インゴットの形成に相関して増加する。第３インゴットから形成されたウエハの最大エリアカウントは０．１５未満である。従って、石英物体は、明らかにマイクロボイド性能および形成されたインゴットのエリアカウントに対する影響を有する。特に、石英物体を含むシステムは、石英物体なしのシステムと比較して減少したエリアカウント有するインゴットを製造する。

図２１は、結晶引上げシステムの種々の構成について溶解した物体の質量を示すグラフである。図２１に示すように、物体の消費レートは、融液の表面からの物体の深さに対して変化する。特に、消費レートと深さは反比例する。換言すると、物体の深さが減少すると、消費レートは増加する。各システムについて、物体が融液の表面に浮いている場合、最高の消費レートが生じた。従って、いくつかの実施形態において、物体の消費を減少させるには、物体をより大きい深さに配置できる。こうした実施形態において、物体は、融液の表面に配置されることなく、マイクロボイドの形成を制限できる。更なる実施形態において、物体は、融液の表面により接近して配置してもよく、システムの動作中に増加した消費レートに相当するように追加してもよい。

上述した例に係るシステムおよび方法は、既知のシステムおよび方法と比較して優れた結果を達成する。開示したシステムおよび方法は、結晶引上げシステムの動作中に融液中のマイクロボイドの数を低減する。開示したシステムおよび方法は、融液中のマイクロボイドの形成を抑制でき、融液中に形成されたマイクロボイドを除去できる物体を含む。

また、上述したシステムおよび方法は、システムのコストを最小化しつつ、シリコン単結晶のためのより大きな成長エリアを提供する。その結果、システムによって形成されるシリコン単結晶のサイズは、いくつかの既知のシステムと比較して増加できる。

本発明またはその実施形態の要素を導入する場合、冠詞「a」、「an」、「the」および「said」は、１つ以上の要素が存在することを意味することを意図している。用語「備える(comprising)」、「含む(including)」および「有する(having)」は、包括的であることを意図しており、列挙した要素以外に追加の要素が存在し得ることを意味する。特定の配向を示す用語（例えば、「上部(top)」、「下部(bottom)」、「側方(side)」など）の使用は、説明の便宜上のものであり、説明した物品の特定の配向を要求していない。

本発明の範囲から逸脱することなく、上記の構造および方法種々の変更を行うことが可能であり、上記の説明に含まれ、添付図面に示される全ての事項は、限定する意味ではなく、例示的なものとして解釈すべきである。

Claims (20)

1. 融液からインゴットを形成するためのシステムであって、
   融液を受け入れるための空洞を画定するルツボと、
   融液の移動を阻止するように空洞内に配置された第１バリアとを備え、
   ルツボおよび第１バリアは、外側ゾーンを形成し、
   第１バリアは、第１通路を含み、
   システムはさらに、空洞内に配置された第２バリアであって、第２バリアの外側から第２バリアの内側への融液の移動を阻止する第２バリアを備え、
   第１バリアおよび第２バリアは、これらの間に移行ゾーンを画定し、
   第２バリアは、内側ゾーンを形成し、第２通路を含み、
   第１通路および第２通路は、外側ゾーン内に位置する融液が移行ゾーンに入って通過し、内側ゾーン内に移動可能なように配置され、
   システムはさらに、第１バリアと第２バリアとの間の移行ゾーンに位置決めされた複数のコンディショニング部材を含み、
   複数のコンディショニング部材は、移行ゾーン内の融液に接触し、融液中のマイクロボイドの数を低減するように配置される、システム。
2. 複数のコンディショニング部材は、石英で構成された物体を含む請求項１に記載のシステム。
3. 移行ゾーンに位置決めされ、複数のコンディショニング部材を移行ゾーン内に支持するように配置されたスペーサをさらに備える請求項１に記載のシステム。
4. 第１通路および第２通路は、ルツボの底部に近接して位置決めされる請求項１に記載のシステム。
5. 第１通路および第２通路の少なくとも一方は、融液の表面に近接して位置決めされる請求項１に記載のシステム。
6. 融液からインゴットを形成するためのシステムであって、
   融液を受け入れるための空洞を画定するルツボアセンブリを備え、
   空洞は、内側ゾーン、外側ゾーンおよび移行ゾーンに分離され、
   内側ゾーンは、インゴットのための成長エリアを画定し、
   システムはさらに、固体原料を空洞に供給するフィーダシステムを備え、
   固体原料は、融液を形成するように配置され、
   システムはさらに、空洞の外側ゾーンに位置決めされた複数の物体をさらに備え、
   複数の物体は、融液および固体原料に接触し、融液中のマイクロボイドの数を低減するように配置される、システム。
7. ルツボアセンブリは、外側ゾーンを形成する第１ルツボおよび第２ルツボを含み、
   第２ルツボは、外側ゾーン内に位置する融液が内側ゾーンに向かって移動できる通路を含む請求項６に記載のシステム。
8. 複数の物体は、融液の表面によって定義される融液ラインにおいて、第１ルツボから第２ルツボまでの外側ゾーン全体に位置決めされ、固体原料が溶融すると、融液が物体と接触するようにした請求項７に記載のシステム。
9. 複数の物体は、融液ラインの上方に延びるようにさらに配置される請求項８に記載のシステム。
10. 複数の物体は、融液ラインの下方に延びるようにさらに配置される請求項８に記載のシステム。
11. ルツボアセンブリは、内側ゾーンを形成する第３ルツボを含み、
    移行ゾーンは、第３ルツボおよび第２ルツボによって形成される請求項７に記載のシステム。
12. ルツボアセンブリは、外側ゾーン、移行ゾーンおよび内側ゾーンを分離する堰を含み、
    堰は、外側ゾーン内に位置する融液が内側ゾーンの中に移動できる通路を含み、
    内側ゾーンは、インゴットのための成長エリアを画定し、
    複数の物体は、外側ゾーンに位置決めされる請求項６に記載のシステム。
13. 複数の物体は、融液の汚染を防止する石英を含む請求項６に記載のシステム。
14. 外側ゾーンに位置決めされ、複数の物体を外側ゾーン内に支持するように配置されたスペーサをさらに備える請求項６に記載のシステム。
15. 複数の物体は、直方体形状、円錐形状、円柱形状、球形状、角柱形状および角錐形状の少なくとも１つを含む請求項６に記載のシステム。
16. 複数の物体は、不均一な形状を有する請求項６に記載のシステム。
17. 結晶引上げシステムにおいて融液から結晶インゴットを引上げる方法であって、
    システムは、空洞を画定するルツボを含み、
    該方法は、空洞内に石英製の複数の物体を配置するステップと、
    空洞内に原料を配置するステップと、
    原料を溶融して融液を形成するステップとを含み、
    融液ラインが、融液の表面によって定義され、
    複数の物体は、融液ラインに配置され、融液に接触して、融液中のマイクロボイドの数を低減する、方法。
18. 空洞内に複数の物体を配置するステップは、空洞内に複数の物体を配置することを含み、さらに、原料を溶融しながら複数の物体を空洞に配置することを含む請求項１７に記載の方法。
19. 空洞内に複数の物体を配置するステップは、第１バリアとルツボとの間に画定された外側ゾーン全体に空洞内に複数の物体を配置することを含む請求項１７に記載の方法。
20. 複数の物体が融液の融液ラインを越えて延びるように複数の物体を配置することをさらに含む請求項１７に記載の方法。

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