JP2625310B2

JP2625310B2 - シリコンウェハーの製造方法および装置

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Publication number: JP2625310B2
Application number: JP4038844A
Authority: JP
Inventors: ティー．ゲイリングフランツ
Original assignee: シマテク，インコーポレイテッド
Priority date: 1991-01-08
Filing date: 1992-01-07
Publication date: 1997-07-02
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: JPH06168898A; DE4200283A1; DE4200283C2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造技術に係り、
特にシリコン半導体ウェハーを製造する方法及び装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日の半導体集積回路は、圧倒的にシリ
コン元素に基づいている。シリコン基装置は製造される
半導体装置のかなり多くの割合を占める。シリコン基集
積回路を製作する既知の技術は金属−酸化物−半導体
（ＭＯＳ）技術と一般に言われているものを含む。ＭＯ
Ｓ技術の実施において、シリコンは基体として使用さ
れ、ドープされた区域が基体中に形成され、種々の層及
び線が基体の上に重なって形成され、集積回路チップを
製作する。

【０００３】典型的な半導体集積回路製作方法では、装
置は作られたシリコンウェハー上へ構成される。これら
のウェハーは典型的には形状が平坦であり且つ円形であ
る。ウェハーの直径はおよそ１０１．６ｍｍ（４イン
チ）から２０３．２ｍｍ（８インチ）まで変化してい
る。二三挙げると、ドーピング、移植、蒸着、エッチン
グを含むことができる多数の種々の加工技術を利用する
ことによって、多数の完成されたチップがシリコンウェ
ハー上に形成される。その後、ウェハーは各独立のチッ
プに分離するように切断され、使用のために包装され
る。半導体技術は基体上に形成される各トランジスタの
寸法を減らすために発達し且つ発達し続けている。トラ
ンジスタ、並びにトランジスタを相互連結する線の幾何
形状の減少はシリコンウェハー上で単位面積当りより多
くの装置が製作されることを許している。更に、与えら
れたウェハー上で製作され得るチップの数を増すため
に、より大きなウェハーが製作されることを許す設備及
び方法が発達している。

【０００４】シリコン半導体技術はその発端以来かなり
発達しているが、シリコンウェハーの製造技術自体は比
較的あまり発達していない。今日のシリコン半導体ウェ
ハーのほぼ全てはチョクラルスキー（ＣＺ）技術と一般
に言われている既知の結晶成長技術によって製造されて
いる。１９２０年代位早期に発達したＣＺ技術は今日で
も依然として好適な技術である。ＣＺ法は高純度多シリ
コン材料のチャンク（塊）が配置されるるつぼを有する
装置を利用する。液体形態のシリコンがるつぼ中に収容
されるように付属のヒーターがシリコン材料を溶融す
る。その後、種結晶を含む細長い軸が、るつぼ中へ降下
される。典型的には、種（種材）は液状多シリコンから
単結晶シリコンを成長させるために使用される単結晶シ
リコン材料からなる。細かく制御された方法によって、
軸はゆっくり上昇される。軸がるつぼから引き上げられ
る時、液状多シリコンが軸に付着し、るつぼから引き上
げられる。液状シリコンが冷却し且つ硬化すると、るつ
ぼから外方へ引き上げられた結晶シリコンが得られる。
単結晶シリコン種（種材としての単結晶シリコン）の存
在のため、シリコン材料がるつぼから引き上げられるに
つれて単結晶の結晶成長が起こる。結晶成長過程が終了
した時、単結晶のシリコンの固体円筒体が得られる。次
に、このシリコンの円筒体は切断されて多数の所与の直
径のシリコンウェハーになされる。ＣＺ技術は従来技術
でよく知られており且つＳ・Ｍ・チェ、マグロウヒル、
１９８８年のＶＬＳＩ技術で、特にＣ・Ｗ・ピァース著
「結晶成長及びウェハー調製」と題する第１章で詳細に
説明されている。

【０００５】ＣＺ技術はシリコンウェハーの生産のため
に充分な技術であるが、それはバッチ式である。更に、
それはこのＣＺ法をやや非能率的にする多くの不利を有
する。例えば、制御された雰囲気中でるつぼから外方へ
引き上げられる軸上へ結晶を成長させるために、かなり
長い作業時間が必要である。典型的な作業時間は、１メ
ートルの長さ及び２００ｍｍ以上の直径を有するシリコ
ンの円筒体を成長させるためにおよそ一日〜二日であ
る。シリコン円筒体のその後の切断は作業時間を追加す
る。このシリコン円筒体の切断は特殊の切断工具を必要
とし、典型的には材料の５０パーセント以上が廃棄され
る結果となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、チョクラルス
キー法よりも改良されたシリコン製造技術が望まれるこ
とは理解される。本発明は従来技術のＣＺ技術の不利の
多くを克服し且つＣＺ技術の回分式製造方法の代わりに
単一のシリコンウェハーの鋳造物を提供する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】単一のシリコンウェハー
の鋳造装置が説明される。スロット付開口を有する石英
のドラムが測定された量の粒状又は粉末状シリコンを石
英のるつぼ中へ注入するために回転する。るつぼの周り
に配置されたフラッシュヒーターが次に固体シリコンを
溶融し、るつぼ中に溶融シリコンのプールを提供する。
溶融シリコンが所定のレベルに達した時、小出し装置の
開口がその閉鎖位置へ回転される。制御されたガス圧力
を利用して、溶融シリコンは単一のシリコンウェハーを
形成するためにるつぼから回転するウェハーチャック上
に注出される。るつぼは底部にＵ字形状管を有し、そこ
で溶融シリコンの溜め部はるつぼの内部を室の周囲雰囲
気から絶縁するようにとどまる。

【０００８】好適な実施例はウェハーチャックを利用
し、該ウェハーチャックはその上で中心に定在する単結
晶のシリコン種を有する。ウェハーは種から外方で形成
される。凝固後、ウェハーは種から単結晶の形態を再成
長させるように加熱される。好適な技術では、環状レー
ザビームが鋳造されたシリコンウェハーの環状体区域を
溶融するために使用される。

【０００９】更に、単一のシリコンウェハーの鋳造及び
シリコン結晶の再成長装置が説明される。スロット付開
口を有する石英ドラムからなる単一シリコンウェハーの
鋳造装置は測定された量の粒状又は粉末状シリコンを石
英るつぼ中へ注入する。るつぼの周りに配置されたフラ
ッシュヒーターが次に固体シリコンを溶融し、溶融シリ
コンのプールをるつぼ中に提供する。溶融シリコンが所
定のレベルに達した時、小出し装置の開口がその閉鎖位
置へ回転される。制御されたガス圧力を利用して、溶融
シリコンは単一のシリコンウェハーを形成するためにる
つぼから回転するウェハーチャック上に注出される。る
つぼは底部にＵ字形状管を有し、そこで溶融シリコンの
溜め部はるつぼの内部を室の周囲雰囲気から絶縁するよ
うにとどまる。

【００１０】或る技術では、ウェハーチャックが、その
上で中心に設定された単結晶シリコン種を有し、ウェハ
ーを鋳造するために使用される。溶融シリコンは圧力制
御されたガスによってるつぼから押出され、シリコンを
種から外方で鋳造チャック上に注出する。凝固後、ウェ
ハーは単結晶組織を種（種材）から再成長（再結晶化）
させるために加熱される。

【００１１】好適な技術では、鋳造されたウェハーは再
成長を行うために特殊の石英チャック上に配置される。
種と鋳造されたウェハーの縁とはチャックの高くされた
部分の頂上に静止し且つこの第２のチャック上に真空に
よって保持される。ウェハーの下側の残りの部分はチャ
ックの上方表面上に配置された開口を通される加圧ガス
によってチャック表面から物理的に分離される。環状レ
ーザビームが次に種から外方へシリコンの輪を溶融する
ように使用され、材料を単結晶の形態に再成長させる。
圧力制御されたガスは溶融シリコンがウェハー面の下へ
沈降するのを妨げる。

【００１２】

【実施例】半導体の製作で用いる単一のシリコンウェハ
ーを製造する装置及び方法が説明される。以下の説明で
は、本発明の完全な理解を提供するために、特別の形
状、材料、方法等のような多くの特別の細目が述べられ
る。しかしながら、本発明はこれらの特別の細目なしで
実施され得ることは当業者に明らかであろう。他の例で
は、よく知られた方法及び構造は本発明を不必要に不明
瞭にしないために詳細に説明されていない。

【００１３】ウェハー鋳造図１を参照すると、単一のウェハーを鋳造するために溶
融シリコンを注出するための本発明装置１０が図示され
ている。装置１０は基本的には回転小出し装置（ドラ
ム）１１と、るつぼ１２と、ヒーター１３とからなる。
装置１０の回転小出し装置１１はその中に収容された粉
末状又は粒状シリコン１４を小出しするために利用され
る円筒形状の石英ドラムである。ドラム１１の目的は、
粉末状又は粒状シリコン１４を貯蔵するため及びシリコ
ン１４をるつぼ１２中へ小出しするための容器を提供す
ることである。ドラム１１のスロット開口１５は、ドラ
ム１１が回転され且つ開口１５が露出された時に制御さ
れた量の粉末状シリコン１４がるつぼ１２中へ小出しさ
れることを許容する。好適な実施例のドラム１１は石英
ドラムであり、石英はシリコンの容器として用いるため
によく知られた材料である。ドラム１１は平坦な端を有
する円筒状の形状であるが、小出し装置の実際の形状は
設計上の選択事項であることは注目されるべきである。

【００１４】好適な実施例のるつぼ１２は、その上方端
に拡張されたフランジ付開口２０を有し且つその下方端
にＵ字形状管構造（Ｕ字管）２１を有する垂直方向に細
長い容器である。このＵ字管２１はるつぼ１２の注ぎ口
端として開口２５を提供する鋳造ノズルを有する。るつ
ぼ１２の設計では、鋳造ノズル２２の注ぎ口開口２５
は、るつぼ１２が垂直方向に立っている時にＵ字管２１
の最下方部分よりも僅かに高い位置に配置される。本発
明のるつぼ１２は石英から構成される。石英製品は、典
型的には溶融シリコンを収容する際に遭遇するより高い
温度に耐えると同時に溶融シリコンと相互作用せず且つ
溶融シリコンを汚染しない能力のために好適とされる。

【００１５】ヒーター１３は粉末状シリコン１４を溶融
するために必要な熱エネルギを与えるためにるつぼ１２
の垂直方向部分に沿って配置される。多様な加熱装置が
ヒーター１３として利用されることができるが、好適な
実施例のヒーター１３は、るつぼ１２の垂直方向部分の
外側の周りに近接して細長い様態で配置された加熱要素
を有する電気フラッシュヒーターである。

【００１６】組立ての際、石英ドラム小出し装置１１
が、るつぼ１２の上方フランジ付開口２０上に位置決め
される。低摩擦ライニング１６がフランジ付領域に沿っ
て設けられ、且つドラム１１がライニング１６上に密着
係合するように配置される。ドラム１１は圧力嵌合状態
が小出し装置１１とるつぼ１２との間に維持されるよう
にるつぼ１２に対して密嵌状態で位置決めされる。ライ
ニング１６は、石英ドラム１１がるつぼ１２に関して回
転されるために低摩擦表面を提供する。好適な実施例で
は、テフロン（商標）（テフロンはＥ．Ｉ．デュポン・
ド・ネモアース・アンド・カンパニーの登録商標であ
る）のようなテトラフルオロエチレン重合体がライニン
グ１６として使用される。圧力緊密シールを形成するた
めにドラム１１をるつぼ１２上へ結合する構造は図面に
示されていないが、種々の従来技術の結合装置がこの作
用を与えるために容易に採用され得ることに留意すべき
である。本発明の実施において、るつぼ１２は室内で所
定の位置に機械的に保持され、ドラム１１は回転軸によ
って所定の位置に機械的に保持される。更に、小出し装
置を回転する装置は、モータのような種々の従来技術の
装置が小出し装置１１を回転するために容易に適合され
ることができるので図示されていない。好適な実施例で
は、ドラム１１の一端に結合された中心の回転軸１８は
ドラム１１の回転運動を提供する。

【００１７】フランジ付領域２０に近接してるつぼ１２
の上方部分にガスライン２３が結合されており、該ガス
ラインはるつぼ１２の内部への開口２４を有する。ガス
ライン２３の目的は選択されたガスをるつぼの内部領域
へ所定の時間に供給することである。

【００１８】動作中、ドラム１１は高純度シリコンの粉
末又は粒状体１４で満たされる。本発明と共に用いるそ
のようなシリコン材料の１つの例は、ルイジアナ州バト
ンルージのエチル・コーポレーションによって商業的に
分配されているシリコン球状体である。

【００１９】バルク・シリコンのドーピングがシリコン
粉末の製造時に行われることができ、又は代替的にドー
ピングがバルク・シリコンの製造後で装置１０へのバル
ク・シリコン１４の導入前に行われることは理解される
べきである。バルク・シリコン１４が小出し装置１１中
へ装填されると、装置１０全体は選択されたガス周囲雰
囲気中に配置される。種々の不活性ガスが利用されるこ
とができるが、好適な実施例はアルゴンガス周囲雰囲気
を利用する。シリコン１４の装填中、スロット付開口１
５は閉鎖位置にある。即ち、スロット１５はるつぼの内
部に対面していない。次に、シリコン１４が開口１５通
してるつぼ１２中へ重力で小出しされるように回転ドラ
ム１１は回転される。与えられた寸法の開口１５に対し
て、小出しされるシリコン１４の量は開口１５が開いて
維持される時間を制御することによって制御されること
ができる。開口１５は開口１５を静止した解放位置へ回
転することによって、ドラム１１を連続的に回転するこ
とによって、又は前後運動によってシリコン１４を小出
しするように作られることができることは注目されるべ
きである。

【００２０】シリコン粒状体１４がるつぼ１２中へ小出
しされる時、ヒーター１３はシリコン１４を溶融するよ
うに付勢される。溶融シリコン１７のプールがるつぼ１
２の底部に形成され始めると、それはその後のシリコン
粉末１４を接触によって溶融させる。粒状シリコン１４
は所定のレベル２６に達するまでるつぼ１２中へ小出し
される。この所定のレベル２６は開口２４より下に位置
決めされる。種々の従来技術の監視技術の１つが溶融シ
リコン１７のレベル、特に上方レベル２６及び下方閾値
レベル２７を監視するために使用される。好適な実施例
は溶融シリコン１７のレベルが上方レベル２６に達する
時を検出するために光学センサを利用する。溶融シリコ
ン１７が鋳造ノズル２２の開口２５を通して解放される
のを妨げるために、ガス供給部２３からの圧力は、ノズ
ル２２における外部ガス圧力がノズル２２における溶融
シリコンによって加えられる内部圧力を平衡させるに充
分であるように減少される。

【００２１】溶融シリコン１７が上方レベル２６に達す
ると、ドラム１１は開口１５を閉じるように回転され
る。即ち、開口１５はシリコン１５がるつぼ１２中へ更
に小出しされることができないようにライニング１６に
隣接して位置決めされる。レベル２６における溶融シリ
コン１７のレベル状態で、装置１０はいまシリコンウェ
ハーの鋳造状態にある。ガス、好ましくは周囲と同じガ
スがガスライン２３によって開口２４を通してるつぼ１
２へ供給され、それにより溶融シリコン１７のレベルよ
り上のるつぼの区域中の圧力を増加する。この圧力は溶
融シリコン１７が開口２５から流出する時に連続的に増
加され、そのレベルがレベル２６より下に降下する時に
溶融物中の静水頭の損失を補償する。

【００２２】数学的な表現では、シリコン粒状体１４は
ヒーター１３によって提供される熱エネルギの導入のた
めにＴ_０（周囲の温度）からＴ_１（溶融シリコン１７の
温度）への温度変換を受ける。

【００２３】Ｔ_０は、Ｔ_０＝Ｔ_Ｍ−ｘＣ°として確立さ
れ、式中Ｔ_Ｍはおよそ１４１２Ｃ°であるシリコンの溶
融点であり、ｘは任意の定数である。Ｔ_１は、Ｔ_１＝Ｔ
_Ｍ＋ｙＣ°として規定され、式中ｙは任意の定数であ
る。Ｔ_０はシリコン粒状体１４を最小の熱エネルギ入力
で容易に溶融するために１０００〜１１００Ｃ°の温度
範囲に維持される。Ｔ_１は溶融シリコン１７が放出され
た時に迅速な冷却及び凝固を許すためにＴ_Ｍよりも１０
〜２０Ｃ°高く維持される。

【００２４】図２、図３を参照すると、シリコンウェハ
ーを鋳造するための基本的なチャック３０が図示されて
いる。ウェハーチャック３０は、いろいろな種類の半導
体加工のためにウェハーをその上に配置するために利用
される種々の従来技術のウェハーチャックと同様であ
る。チャック３０は形状が円形である平坦な上方表面３
１を有する。軸３２はチャック３０の下側から延びてい
る。従来技術では、ウェハーチャックはウェハーのその
後の加工がその上に集積回路装置を製作するために製造
されたシリコンウェハーをその上に配置するために利用
される。本例の場合、チャック３０は溶融シリコン１７
を鋳造することによってシリコンウェハーをその上に形
成するために利用される。

【００２５】図１、図２及び図３を参照すると、るつぼ
１２から溶融シリコンを注出する際、鋳造ノズル２２が
チャック３０の中心３３の上に配置される。シリコンウ
ェハーを鋳造するために注出が開始される時にチャック
３０が回転される。レベル２６より上の圧力がるつぼ１
２内で増加される時、溶融シリコン１７はノズル２２の
開口２５から制御可能に押出される。溶融シリコン１７
がノズル２２から流出すると、ノズル２２の位置は図３
で矢線３４によって示したようにチャック３０の中心３
３から離れる方へ移動される。チャック３０の外方周辺
の方へのノズルの相対的運動はチャックを静止したノズ
ルに対して移動することによって又は代替的に装置１０
を静止した（しかし回転している）チャック３０に対し
て移動することによって達成できることに留意すべきで
ある。チャック３０の回転の正確な制御、中心３３から
チャック３０の周辺の方へのノズルの相対的運動３４、
及びノズル２２から溶融シリコン１７の均一な流量によ
って、ほぼ平らな円形のシリコンウェハーがチャック３
０の上方表面３１上に形成される。

【００２６】装置１０はチャック３０上へ鋳造される溶
融シリコン１７の一定の所定の量を提供するように設計
され、該量は所望のウェハーの寸法、直径及び厚さに依
存する。設計されたように、鋳造方法は溶融シリコンが
るつぼ中で下方レベル２７に達する時に完了される。こ
の点において、溶融シリコン１７より上のガス圧力は増
加するのを停止し、それによりシリコン１７の流出を停
止する。下方レベル２７は溶融シリコン１７の障壁を維
持するためにＵ字管２１の上方部分よりも上に維持され
ることは注目されるべきである。即ち、開口２５におけ
る周囲のガスはるつぼ（おそらく丁度ノズル２２におけ
る以外）へ入らず、それによりるつぼ１２の内部を周囲
汚染がないように維持する。必ずしも必要とされない
が、好適な実施例はＵ字管２１の周りに配置された補助
ヒーター１９を使用し、残留シリコンを選択された温度
Ｔ_１に維持し、それによりＵ字管中に溶融シリコン障壁
を維持すると同時にこのシリコンを溶融状態に次の鋳造
のための粒状シリコンのその後の小出しのために維持す
る。

【００２７】更に、チャック３０は溶融シリコンがチャ
ック上で鋳造された時に溶融シリコンを迅速に冷却する
ために若干の形態の冷却構造を設けている。ウェハーチ
ャックを冷却するために流体を使用することは従来技術
でよく知られており、チャック３０を冷却する上で好適
である。Ｔ_ｌがＴ_Ｍに近いことはチャック３０上に鋳造
された時に溶融シリコン１７の迅速な凝固を許す。

【００２８】図４を参照すると、単一ウェハーを形成す
る別の技術が図示されている。図３のチャック３０の代
わりに、別のチャック４０が利用される。チャック４０
はチャック３０と同等であるが、中心の管４１は中心の
軸を貫通しており、チャック４０の上方表面に開口４２
を有する。鋳造加工に先立って、単結晶シリコン種（種
材としての単結晶シリコン）４４がチャック４０の中心
に配置され、開口４２の上に重なる。管４１内の真空圧
が種４４をチャック４０の表面上の所定の位置に保持さ
せる。次に、鋳造加工が開始する時、ノズル２２は最初
に種４４の外縁４５に位置決めされ、ノズル２２はチャ
ック４０の周辺の方へ外方へ相対的に移動されてほぼ平
坦な円形ウェハーを形成し、該ウェハーはその中心に埋
設された単結晶の種を有する。種の形状はウェハーの形
成に重要ではないが、好適な実施例は溶融シリコンが注
入された時に同心性を提供するために円形の種を用い
る。

【００２９】図３のチャック３０はウェハーを鋳造する
ために使用されることができるが、図４のチャック４０
は本発明と共に使用するために好適である。おそらく、
注入されたシリコンは多シリコン結晶構造を有する。こ
れは商業的に入手可能なシリコン粉末が多シリコンの形
態であるのでそのとおりである。しかしながら、単結晶
のウェハーが基体材料として所望される故に、種４４が
鋳造されたウェハーを単結晶の形態に再成長させるため
に使用されることができるように、ウェハーをチャック
４０上に形成するために種４４を使用することは好適と
される。この再成長を行うための１つの構造は別の見出
しのもとで後で説明される。

【００３０】図５を参照すると、同図は室４９中の装置
１０及びチャック４０を示しており、該室４９中に周囲
雰囲気が限定される。溶融シリコンは上述した技術に従
って移動する装置１０から回転するチャック４０上へ鋳
造され、ウェハー５０をチャック４０上に形成する。

【００３１】装置の設計は製造されるシリコンウェハー
の寸法並びに他の加工仕様に依存するが、１つの例の実
施例を以下で説明する。ドラム１１は石英材料から製作
され且つ直径８〜１０センチメートル（ｃｍ）及び幅約
２ｃｍである。ドラム１１は外側を精密研磨され、単一
の排出スロット１５を有する。ドラム１１の一端はドラ
ム１１を回転する中心軸１８へ結合されている。ドラム
１１の他端はシリコン粉末１４の補充のための中心供給
管へ結合されている。このようにして、測定された量の
シリコン粉末１４が各別々の鋳造物のためにドラム１１
を満たすためにドラム１１中へ供給されることができ
る。別の構造では、中心供給管の代わりに、開口１５が
るつぼの上方唇部の上方の位置へ回転され、そこでシリ
コン粒状体が漏斗形状の供給ホッパを通してこの露出さ
れた開口１５中へ供給される。るつぼ１２の上方端は直
径２〜３ｃｍ及び長さおよそ１０ｃｍである。るつぼ１
２は石英から製作され、るつぼ１２の上方単とドラム１
１との間に嵌合するライニング１６はテフロン（商標）
で作られている。

【００３２】ヒーター１３はるつぼ１２全体をシリコン
の融点より上に保つように設計された電気ヒーターであ
り、およそ１キロワット（ｋＷ）のオーダーの電力定格
を有する。補助ヒーター１９はＵ字形状区域中の液状シ
リコン溜め部を液体の形態で維持するためにるつぼ１２
のＵ字形状区域２１に隣接して配置されている。アルゴ
ン雰囲気は１気圧又はそれ以下に保たれる。チャック４
０は石英で形成され且つ液体冷却されている。溶融シリ
コン及びるつぼ１２中の溶融シリコン１７より上の制御
圧力は雰囲気圧力以下の範囲内に調整されている。

【００３３】鋳造板３０及び（又は）４０は従来技術の
ウェハーチャックを作るように用いられた材料で製作さ
れることができるが、石英は好適な実施例では熱衝撃に
耐えるように且つ汚染を減らすように使用される。チャ
ック及び種４４の典型的な寸法は２００ミリメートル
（ｍｍ）のウェハー鋳造物に対してそれぞれ２２ｃｍ及
び２ｃｍである。

【００３４】更に、図面に示されていないが、従来技術
でよく知られた電気光学的センサのような監視装置がる
つぼ１２中の溶融シリコンの感知を提供するために容易
に適合されることができる。加えて、他の従来技術のセ
ンサが装置、チャック、及び図５に示したような室と関
連した温度及び圧力を測定するために容易に適合される
ことができる。

【００３５】その後、鋳造されたウェハーを再加熱する
ことによって、単結晶構造が生じるようになされること
ができ、再成長が種から外方へ起こる。多様な技術が利
用されることができるが、１つの技術を以下で説明す
る。

【００３６】単結晶シリコンの再成長図６を参照すると、中央部に単結晶シリコン種材を有す
るスピン鋳造された多結晶シリコンウェハー５０が再成
長ウェハーチャック５１の上に置かれた状態で示されて
いる。ウェハーチャック５１は、図５のウェハーが装置
１０及びチャック４０を用いて鋳造された後に使用され
る。チャック５１は、基本的にはチャック４０と同様な
形状、構造を有するが、その目的に関しては全く異なる
チャックである。チャック５１は石英で作られるが、ス
テンレス鋼のような他の材料も容易に使用できる。ま
た、チャック５１の上表面は平坦でない。チャック５１
の中央部５３およびチャック５１の周辺部５４はチャッ
ク５１の残りの上表面５６よりも僅かに高く隆起してい
る。図５の真空吸引管（真空ライン）４１と同等である
真空吸引管５２は中央部の隆起部分５３において開くよ
うにチャック４０の軸を貫通している。真空吸引管５２
は周辺部５４に位置して多数の開口を有する周辺通気室
へ伸長している。

【００３７】シリコンウェハー５０をチャック５１上に
置くと、種（種材）４４が、中央隆起部分５３と、真空
吸引管５２の真空吸引開口の上に位置する。シリコンウ
ェハー５０の縁は、隆起した周辺部５４上へ配置され
て、周辺部分における真空吸引開口の上に位置する。こ
のため、真空吸引力が働くと、チャック５１上の中央部
およびその周辺部でウェハーが保持される。ウェハーを
チャック５１上に置くと、ウェハーのほぼ大部分がチャ
ック５１の凹表面５６の上に位置づけられる。ウェハー
５０の下の空間５８内へ不活性ガスを噴射するために、
複数の開口５７が凹表面５６に沿って設けられている。

【００３８】ウェハー５０がチャック５１上で所定の場
所に保持されると、それは種から始まるようにシリコン
構造を単結晶の形態に再成長させるためにウェハー５０
を溶融するように熱源の作用を受ける。再成長のために
多シリコンを溶融するために種々の熱源が利用さること
ができるが、好適な実施例は環状レーザビーム６２を利
用する。環状ビーム６２は種材領域６０から開始し且つ
周辺の方へ半径方向外方向６１へ広がる。レーザビーム
６２の幅を制御することによって、ウェハー５０の溶融
部分の幅が所定の寸法に制御されることができる。環状
レーザビームを利用する技術は従来技術でよく知られて
おり、１つのそのような技術は米国特許第３，８６５，
５６４号で説明されている。更に、種から単結晶材料を
成長させるために多結晶シリコンを溶融する技術は従来
技術でよく知られている。

【００３９】この技術を教示する多数の刊行物が入手し
得るが、特にその１つは、帯域溶融、ウイリアム・Ｇ・
ファン著、ジョン・ウイリー・アンド・サンズ社、ニュ
ーヨーク、１９５８年及び１９６６年である。また、米
国特許第２，８５２，３５１号及び同第２，９２６，０
７５号も関連しており、それらは連続帯域精錬を教示し
ており、更に、「種付け凝固による横方向エピタクシー
を用いるＳｉＯ_２上での大面積単一結晶Ｓｉの成長のた
めの改良された技術」、ツァウルほか著、アプライド・
フィジックス・レター、３９巻７号、１９８１年１０
月、５６１〜５６３頁、並びに「１０μｍ厚多結晶シリ
コン膜の帯域溶融再結晶での不純物の役割」、メルテン
スほか著、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジック
ス６３（８）、１９８８年４月１５日、２６６０〜２６
６８頁も関連している。

【００４０】再結晶処理中、不活性ガスが溶融シリコン
に対する底部支持を提供するために凹んだ区域５８中へ
押込まれる。液状シリコンを支持するために区域５８中
にこのガス圧力がないと、溶融物質は凹んだ区域５８中
へ流れ込むであろう。液状シリコンを支持するために且
つ溶融部分を上方へ泡だたせるように過大でなく緊密に
制御される。再成長処理は図４に示したチャックのよう
な平坦なチャックを用いて行われることができるが、チ
ャック５１は液状シリコンと表面５６との間に不活性ガ
ス障壁を維持するために好適とされることは理解され
る。チャック５１の表面５６への溶融シリコンの表面接
触を防止することによって、接触汚染及び結晶欠陥が抑
制され又は防止される。

【００４１】再成長処理が完了すると、ウェハー５０は
次にチャック５１から取外されることができる。この単
一のウェハーは、それが従来技術のＣＺ法でシリコンブ
ールから切断された後の単一のウェハーと同等である。
ＣＺ法によるように、その後の平面化及び（又は）研磨
は半導体製造のためにウェハーを調製するために必要と
されよう。更に、周辺においてチャック上に静止するシ
リコンの外方縁は所望により除去されることができ、又
はウェハーの取扱い縁部として使用されることができ
る。

【００４２】

【発明の効果】従来技術より優れた本発明の利点の若干
を以下で検討する。本発明の１つの利点はＣＺ法よりも
高い純度を均一に有するシリコン粉末を使用することで
ある。ウェハーはフレッシュな（すなわち、再使用のな
い）シリコンを用いて鋳造されるのに対して、ＣＺ法で
は未使用のシリコンが時には再使用されねばならない。
更に、シリコンの供給は、るつぼ中での保持時間が最小
に保たれるのでＣＺ法のシリコンよりもはるかに短い時
間の間溶融状態で保持される。ＣＺ法は本質的に回分法
であるのに対して、本発明は単一ウェハー法であり、そ
れはウェハーをはるかに短い時間で製造する。開始から
終了までウェハー製造のこの短縮された時間の全ては汚
染の導入を減らす。加えて、薄切りが必要とされない故
に、本発明は切断のために廃棄されるシリコンを回避す
る。

【００４３】このように、単一シリコンウェハーの鋳造
及び単結晶基体へのその再成長を説明した。

【図面の簡単な説明】

【図１】シリコン粒状体をるつぼへ供給し且つその後る
つぼから溶融シリコンを注出するための本発明の装置を
示す図。

【図２】単一のシリコンウェハーを形成するために図１
の装置と共に用いられるウェハーチャックを示す図。

【図３】溶融シリコンの注入のために用いられる図２の
チャックの断面図。

【図４】単一のシリコンウエハーを鋳造するために単結
晶シリコン種材と共に用いる本発明の真空吸引式チャッ
クを示す図。

【図５】ウェハー製造室中で利用される場合における、
図１に示した装置及び図４に示したウェハーチャックの
断面線図。

【図６】図３のチャックを利用して鋳造された硬化した
シリコンウェハーが次にこのチャック上で加熱され、シ
リコンの結晶形態を単結晶種の結晶形態へ変える本発明
の別のウェハーチャックの断面線図。

【符号の説明】

１０鋳造装置１１回転小出し装置（ドラム）１２るつぼ１３ヒーター１４粉末状又は粒状シリコン１５，２０，２４，２５，４２，５７開口１６ライニング１７溶融シリコン１８，３２軸２１Ｕ字形状管２２，３４ノズル２３ガスライン３０，４０，５１チャック３１チャックの平坦な上方表面３３，５３チャックの中心（中央部）４１中心管４４単結晶シリコン種（種材）４９室５０多シリコンウェハー５２真空ライン５４チャックの周辺部５６チャックの上表面（上方表面）５８チャックの凹んだ空間部６０種材領域６２環状レーザビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/268 Ｈ０１Ｌ 21/268 Ｚ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコンウェハーを形成するために、回
転する板体上に溶融シリコンを注出する装置であって、前記溶融シリコンを保持するるつぼと、シリコン粒状体を保有するとともに、測定された量の前
記シリコン粒状体を前記るつぼ中へ小出しするために前
記るつぼに接続された小出し装置と、前記るつぼに熱エネルギを与えることにより前記るつぼ
中の前記シリコン粒状体を溶融させて前記溶融シリコン
を形成するために前記るつぼに結合されたヒーターとを
含み、前記るつぼが、前記シリコンウェハーを形成するために
前記溶融シリコンを前記るつぼから注出する注出開口を
有するとともに、前記回転する板体の中心近傍の出発位
置から前記回転する板体の周囲に向かって外方に可動で
ある溶融シリコン注出装置。
【請求項２】前記るつぼは、前記小出し装置を一端に
取付け、かつ前記注出開口を他端に配置している請求項
１に記載された溶融シリコン注出装置。
【請求項３】前記小出し装置が回転可能であり、かつ
スロットを有し、該スロットは該スロットが前記るつぼ
の内部に対面するように回転された時に前記シリコン粒
状体を小出しする請求項２に記載された溶融シリコン注
出装置。
【請求項４】前記小出し装置は、ドラム形状を有する
請求項３に記載された溶融シリコン注出装置。
【請求項５】前記小出し装置が回転する無摩擦表面を
提供するように、前記るつぼと前記小出し装置との間に
配置された無摩擦ライニングを更に含む請求項４に記載
された溶融シリコン注出装置。
【請求項６】前記るつぼが、前記小出し装置を有する
前記端に近接して配置されたガス入口開口を有し、前記
開口は前記溶融シリコンを前記注出開口から押出すため
に圧力制御されたガスを前記るつぼ中へ噴射する請求項
５に記載された溶融シリコン注出装置。
【請求項７】前記るつぼおよび小出し装置が、石英で
形成されている請求項６に記載された溶融シリコン注出
装置。
【請求項８】シリコンウェハーを鋳造するために溶融
シリコンを回転する板体上に注出する装置において、その上方端にフランジ付開口を有し且つその下方端に注
ぎ口開口を有し、前記溶融シリコンを保持するためのる
つぼと、前記るつぼの前記下方端がＵ字形状に造形されており、
それにより前記注ぎ口開口は前記Ｕ字形状の一端を形成
し、前記るつぼの内部は前記Ｕ字形状の他端を形成し、
更に前記るつぼの最下方部分によって連結され、前記る
つぼの前記最下方部分中に残る溶融シリコンの溜め部は
前記注ぎ口開口における周囲ガスが前記るつぼの内部へ
侵入するのを防止する液体障壁を提供することと、固体シリコン粒状体を貯蔵しかつ前記シリコン粒状体の
測定された量を前記るつぼ中へ小出しする小出し装置で
あって、前記るつぼの前記フランジ付開口に結合された
小出し装置と、前記シリコン粒状体が前記るつぼ中へ小出しされた時に
前記シリコン粒状体を溶融するために前記るつぼの内部
へ熱エネルギを提供するために前記るつぼに結合された
ヒーターと、前記るつぼが前記フランジ付開口に近接して配置された
ガス入口開口を有し、前記溶融シリコンが前記るつぼ中
で所定の上方レベルに達した時に前記溶融シリコンより
上で前記るつぼ中へ圧力制御されたガスを噴射する前記
開口は前記溶融シリコンを前記注ぎ口開口から押出し、
それにより前記溶融シリコンは前記回転する板体と接触
する際に凝固して前記シリコンウェハーを形成すること
とからなる溶融シリコン注出装置。
【請求項９】前記小出し装置が回転可能であり且つス
ロットを有し、該スロットは該スロットが前記るつぼの
内部に対面するように回転された時に前記シリコン粒状
体を小出しする請求項８に記載された溶融シリコン注出
装置。
【請求項１０】前記小出し装置がドラムであり、かつ
前記フランジ付開口内で回転する請求項９に記載された
溶融シリコン注出装置。
【請求項１１】前記ドラムの回転を容易にするために
前記フランジ付開口と前記ドラムとの間に配置された無
摩擦ライニングを更に含む請求項１０に記載された溶融
シリコン注出装置。
【請求項１２】前記るつぼおよび小出し装置が石英で
形成されている請求項１１に記載された溶融シリコン注
出装置。
【請求項１３】シリコンウェハーを鋳造するために溶
融シリコンを回転する板体上に注出する方法であって、固体シリコン粒状体を小出し装置からるつぼ中へ小出し
する段階、前記固体シリコン粒状体を溶融させるために前記るつぼ
を加熱する段階、前記シリコンウェハーを鋳造するために、前記回転する
板体の中心近傍の出発位置から前記回転する板体の周囲
に向かって外方に、前記るつぼを相対的に動かすことに
よって、前記回転する板体上に前記溶融シリコンを注出
する段階、以上の各段階からなる溶融シリコン注出方法。
【請求項１４】シリコンウェハーを鋳造するために回
転するチャック上に溶融シリコンを注出する方法であっ
て、固体シリコン粒状体を回転する小出し装置からるつぼ中
へ小出しすること、前記シリコン粒状体を溶融するために前記るつぼを加熱
すること、前記溶融シリコンを前記るつぼから押出すために前記溶
融シリコンより上で前記るつぼ中へ加圧されたガスを噴
射すること、前記シリコンウェハーを鋳造するために前記溶融シリコ
ンを前記チャック上に注出することの各段階からなる溶
融シリコン注出方法。
【請求項１５】溶融シリコンが所定のレベルに達し、
その点において前記シリコン粒状体がもはや小出しされ
なくなるまで、小出し及び加熱段階がほぼ同時に起こる
請求項１４に記載された溶融シリコン注出方法。
【請求項１６】中央位置に種材としての単結晶シリコ
ンを存在させたシリコンウェハーを再結晶化させる装置
において、前記シリコンウェハーを載せて支持するチャックと、前記チャック上で前記シリコンウェハーを保持する装置
と、前記種材から外方へ向かって前記シリコンウェハーを加
熱することにより、前記種材の単結晶形態を前記シリコ
ンウェハーの他の部分へ成長させるためのエネルギービ
ーム発生装置と、前記シリコンウェハーの一部が溶融せしめられた時に、
溶融シリコンの重量に対抗してこれを支えるために前記
シリコンウェハーの下側にガスを噴射する装置とを含む
シリコンウェハーの再結晶化装置。
【請求項１７】前記ウェハー保持装置は、真空吸引力
を利用して前記チャック上に前記シリコンウェハーを保
持するようになっている請求項１６に記載されたシリコ
ンウェハーの再結晶化装置。
【請求項１８】前記エネルギビームがレーザビームで
ある請求項１７に記載されたシリコンウェハーの再結晶
化装置。
【請求項１９】前記エネルギビームが環状レーザビー
ムである請求項１７に記載されたシリコンウェハーの再
結晶化装置。
【請求項２０】中央位置に種材としての単結晶シリコ
ンを存在させたシリコンウェハーを再結晶化させる装置
であって、前記種材から外方へ向かって前記シリコンウ
ェハーを加熱することにより、前記種材の単結晶形態を
前記シリコンウェハーの他の部分へ成長させるためにビ
ーム状エネルギ源が使用される装置において、前記シリコンウェハーを載せて支持するチャックであっ
て、局所的に隆起した部分である中央部分および周辺部
分をその頂面に有し、該隆起した部分の表面上に前記シ
リコンウェハーが載せられる該チャックと、前記隆起した表面上に前記シリコンウェハーを保持する
ために、前記チャック内に配設されて、前記チャックの
前記隆起した表面に設けられた開口に結合された真空ラ
インとを有し、前記チャックが、その頂面における非隆起部分に複数の
開口を有しており、前記シリコンウェハーの一部が溶融
せしめられた時に、該溶融部分が前記非隆起部分に接触
しないように、該開口を通じて前記シリコンウェハーの
下側にガスが噴射されるようになされているシリコンウ
ェハーの再結晶化装置。
【請求項２１】前記チャックは、形状が円形である請
求項２０に記載されたシリコンウェハーの再結晶化装
置。
【請求項２２】前記チャックが石英で形成されている請
求項２１に記載されたシリコンウェハーの再結晶化装
置。
【請求項２３】中央位置に種材としての単結晶シリコ
ンを存在させて形成したシリコンウェハーを再結晶化さ
せる方法であって、ビーム状エネルギ源を使用して、前
記種材から外方へ向かって前記シリコンウェハーを加熱
することにより、前記種材の単結晶形態を前記シリコン
ウェハーの他の部分へ広げる方法において、その上面中央部および周辺部に位置する隆起部分を有す
るチャックの上に前記シリコンウェハーを配置して、前
記種材部分を前記隆起部分で直接支持する段階、前記隆起部分に開口を有する真空ラインを通じて作用す
る真空吸引力を利用して前記シリコンウェハーを前記チ
ャック上で保持する段階、前記シリコンウェハーを前記単結晶形態に成長させるた
めに、前記シリコンウェハーに前記エネルギービーム処
理を施す段階と、前記シリコンウェハーに前記エネルギービーム処理を施
す前および該処理を施している間を通じて、前記シリコ
ンウェハーと、前記隆起部分以外の前記チャックの上面
との接触を防ぐために前記シリコンウェハーをその下側
からガス圧で支える段階とを含むシリコンウェハーの再
結晶化方法。