JP5059622B2 - 半導体材料からなる配向された状態で凝固されたブロックの製造方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体材料からなる配向された状態で凝固されたブロックを製造するための方法に関する。当該方法において溶融物は、配向された状態で凝固させるための処理室において坩堝に収容され、結晶化作用（Kristallisation）を利用しながら少なくとも上側から加熱される。

本発明はまた、半導体材料からなる配向された状態で凝固されたブロックを製造するための装置に関する。当該装置は溶融物が収容されている坩堝と、該坩堝を少なくとも上方および側方から囲繞するとともに少なくとも前記坩堝の上方において前記坩堝から離間されている絶縁体と、前記坩堝の上方に設けられている少なくとも一つの加熱装置とを有している。

半導体材料からなる配向された状態で凝固されたブロック、特に配向された状態で凝固されたシリコンを製造するための従来技術による方法および装置では、溶融物は坩堝に収容され、側方から、もしくは上側から加熱される。上方からの加熱には、水平方向のエネルギー分布が良好に実現されるという有利点があり、これによって凝固の際に目指される水平な相界面が得られる。上方からの加熱の不利点は、加熱素子が凝固の間に液状に保たれる半導体材料の蒸気流内に直接設けられているために、当該半導体材料、たとえばシリコンと反応することである。従来技術において通常用いられるグラファイトからなる加熱素子において、加熱素子と半導体材料が反応することは、早期の劣化とともに電気的な抵抗の変化をもたらし、相応の不都合を招くものである。

本発明の課題は、配向された状態で凝固されたブロックを製造するため、すなわち晶析法を実施するための方法および装置を提供することである。前記方法および装置は特に、金属蒸気の作用による加熱素子の劣化を回避し、さらに溶融物を確定的かつ再生可能に加熱できる可能性を提供する。

前記の課題は、半導体材料からなる配向された状態で凝固されたブロックを製造するための方法であって、当該方法では溶融物は配向された状態で凝固させるための処理室において坩堝に収容され、結晶化作用を十分に利用しながら少なくとも上側から加熱される方法において、前記坩堝の加熱は間接的に上方から、前記処理室から分離されている上部加熱室を介して間接的に行われることを特徴とする方法によって解決される。

装置に関して前記の課題は、半導体材料からなる配向された状態で凝固されたブロックを製造するための装置であって、溶融物が収容されている坩堝と、該坩堝を少なくとも上方および側方から囲繞するとともに少なくとも前記坩堝の上方において前記坩堝から離間されている絶縁体と、前記坩堝の上方に設けられている少なくとも一つの加熱装置とを有する装置において、前記絶縁体内部であって前記坩堝の上方における領域は中間カバーによって処理室と、該処理室の上方に設けられた上部加熱室とに区分されており、該上部加熱室内に少なくとも一つの加熱素子が設けられていることを特徴とする装置によって解決される。

前記方法および前記装置は、金属溶融物から排出される金属蒸気と加熱素子との間に直接的な接触が生じないことを特徴とする。

前記方法は好適に以下のように実施される。すなわち坩堝は少なくとも上側から、上部加熱室と、配向された状態で凝固させるための処理室とを介して結晶化作用を利用しながら加熱され、そのとき上部加熱素子が損なわれることはない。

特に本発明に係る装置と組み合わせて、前記方法は以下のように実施される。すなわち坩堝の上方、つまり溶融物の上方の中間カバーを介して上部加熱装置は気密に分離されており、それによって加熱された溶融物から上昇する金属蒸気、例えばシリコン蒸気は、このような能動的加熱素子から遠ざけられる。

溶融物の上方で処理室において発生するガスを、加熱室内に到達しないように排出させる措置も好適に講じられている。

さらに目指す課題を実現するために、中間カバーは好適にフレームに載置される。このようなフレームは坩堝を側方において距離を有して囲繞する。このようなフレームは絶縁材料から製造されていて、外部絶縁体に対して中間絶縁体壁部を形成すべきであろう。すなわち外部絶縁体は中間絶縁体壁部を、距離を有して、つまり中間空間部を形成しつつ囲繞する。

坩堝は支持プレートに担持され、本発明に係る装置のさらなる形成において支持プレートの縁領域には、マウントの部材としての縁取り部が設けられている。このようなマウントの縁取り部によって支持プレートは中間絶縁体に対して気密にシールされている。

絶縁体を備えた坩堝全体は真空室に設けられる。

坩堝の支持プレートを側方において囲繞するマウントの枠部は同時に、場合によって坩堝からあふれ出る溶融物に対する受け皿あるいは受け皿の一部を形成している。この受け皿に対して、坩堝を側方において囲繞する枠部は受け皿の側壁を形成することができる。また受け皿の底部は、マウントに嵌入された坩堝の支持プレートによって形成されてよい。

マウントはグラファイトまたはグラファイトプレートおよび／あるいはグラファイトシートの組み合わせから構成されるのが好適である。受け皿の側壁を、シリコンを受容する黒鉛フェルトから形成することも有利であろう。

水平方向における幾何学的な溶融面の投影図において、マウントには放熱開口部としての噴出口または突破口が設けられてよい。

本発明に係る装置の内部室から溶融物または溶融物の蒸気が排出されるのを防止するためには、シリコンが流出または排出される可能性のある間隙部をラビリンス状に展開する階段部として実現するべきであろう。

坩堝もしくは坩堝を担持する支持プレートが支持されている、すなわち載置されている支持構造体は同時に、ガス供給部として形成されていてよい。このために好適に少なくとも一つの支持梁部が設けられ、支持梁部の坩堝底部に対向する側にはノズル開口部などのガス排出開口部が設けられており、これらの開口部を介して冷却ガスを坩堝の底部プレートもしくは支持プレートの下側に導くことができる。加熱された冷却ガスは好適に循環装置内で熱交換器を介して再び冷却され、ポンプによって支持梁部に再び供給される。

坩堝の底部の下方、正確には支持梁部の下方には、距離を有して下方の能動的加熱素子およびその下方に設けられた冷却管を備えた冷却プレートが設けられており、それによって下方からも有効に坩堝を加熱および冷却することができ、特に上部加熱室に設けられている上部加熱素子との相互作用において加熱および冷却を行うことができる。

最終的に外部絶縁体および中間絶縁体の側壁を貫通する側方ガス排出開口部を設けることができる。

本発明の詳細および特徴は以下の実施の形態の説明に記載されている。以下の説明は唯一の図を示す図面に基づいて行われ、図は本発明に係る装置の概略断面図である。

図に示されている装置は、半導体材料、特にシリコン溶融物からなる配向された状態で凝固されたブロックを製造するために用いられる。当該装置は坩堝１を有し、この坩堝は外部絶縁体２によって上方および側方から囲繞されている。この外部絶縁体２は坩堝１の側壁および上側から離間している。

外部絶縁体２を備えたこの坩堝１は真空室３に設けられており、真空室において支持梁部４を介して保持されている。支持梁部については以下により詳しく説明する。

坩堝１の上方には中間カバー５が挿入されており、中間カバーは坩堝１の上方にある空間を処理室６と上部加熱室７とに区分する。上部加熱室７において中間カバー５と絶縁体２の上方カバー部との間には、能動的な加熱素子８が水平方向に延在した状態で設けられている。中間カバー５はまた、空間を形成しながら中間絶縁体１０の上に載置されるとともに支持されている。中間絶縁体は坩堝１の側壁の側方に対して距離を有するとともに、
外部絶縁体２に対して距離を有して、それぞれに中間空間部を形成する状態で設置されている。

上部加熱室７は処理室６に対して中間カバー５を介して概ね気密にシールされている。

坩堝１は支持プレート９に担持され、支持プレートは同時に外部絶縁体２の底面を形成している。図に見られる通り、支持プレート９はいわゆるマウント１１に嵌入されており、マウントは支持プレート９の縁領域において、支持プレートを中間絶縁体１０に対して概ね気密にシールする。

本発明に係る装置の上方領域には管状の噴射ガス供給部１２が設けられており、当該噴射ガス供給部は中間カバー５と外部絶縁体２の上方カバー部とを貫通して設けられ、真空室３内でもう一方の端部によって終結する。

前記中間絶縁体１０は同時に、マウント１１および坩堝の支持プレート９と組み合わせることによって、場合によって坩堝１からあふれ出る溶融物に対する受け皿として用いられる。マウント１１はグラファイトまたはグラファイトプレートおよび／あるいはグラファイトシートの組み合わせから、例えば好適な方法で層状に設けられて形成されていてよい。受け皿の側壁は、本図に示す実施の形態では中間絶縁体１０であるが、この側壁はシリコンを受容する黒鉛フェルトから形成することもできる。

図に示す断面図では詳細に表されていないが、マウント１１は記号１３で表される、水平方向における幾何学的な溶融面の投影において、放熱開口部としての噴出口を有している。

シリコンもしくは坩堝１内で溶融された溶融物が流出する可能性のある全ての間隙部がラビリンス状の階段部として実現されている点を指摘すべきであろう。このようなラビリンス状の階段部は、受け皿から溶融物があふれ出た場合に溶融物によって次々と充填され、溶融物は熱を排出されることにより漸進的に凝固し、これらの間隙をその後確実に密閉する。

支持梁部４は管状に形成されており、同時にガス供給部として用いられる。このために管状の端部１４は真空室３の壁部を介して、図では右側において外部に導かれ、ガス供給管１５に連結されている。支持梁部４の坩堝底部に対向する側には、ノズル開口部１６が設けられており、これらのノズル開口部から、管状の支持梁部４を介して冷却ガスが支持プレート９の下側およびそれとともに坩堝１の底部プレートに流れ着くことができる。冷却ガスは循環装置において冷却ガス排出部１７から流れを示す矢印１８の方向に、熱交換器１９および冷却ガス循環ポンプ２０を介して還流される。

支持梁部４の下方には該支持梁部に対して距離を有して下部能動加熱素子２１が設けられている。この加熱素子２１の下方には冷却プレート２２が設けられ、該冷却プレートの下側には冷却管２３が設けられ、該冷却管は相応の冷却液を供給しながら、本発明に係る装置の下部領域の能動的な冷却を可能にする。

上部加熱素子８と、下部能動加熱素子２１と、支持梁部４および下部冷却プレート２２を介して行われるガス供給とによって、加熱と冷却が相応に行われることにより、溶融物を配向された状態で凝固させることができる。

処理室６のガス抜きを効果的に行うために、下部領域において坩堝１の壁部と中間絶縁体１０との間に脱気開口部２４が設けられており、該脱気開口部は真空室３によって画定された空間を介して外部に通じている。

本発明に係る装置の概略断面図である。

符号の説明

１ 坩堝
２ 絶縁体
３ 真空室
４ 支持梁部
５ 中間カバー
６ 処理室
７ 加熱室
８ 上部能動加熱素子
９ 支持プレート
１０ 中間絶縁体（フレーム）
１１ マウント
１２ 噴射ガス供給部
１３ 溶融面
１４ ガス供給部（管状端部）
１５ ガス供給管
１６ ノズル開口部
１７ 冷却ガス排出部
１８ 流れを示す矢印
１９ 熱交換器
２０ 冷却ガス循環ポンプ
２１ 下部能動加熱素子
２２ 下部冷却プレート
２３ 冷却管
２４ 脱気開口部

Claims (27)

1. 半導体材料からなる配向された状態で凝固されたブロックを製造するための方法であって、溶融物は配向された状態で凝固させるための処理室において坩堝に収容され、結晶化作用を利用しながら少なくとも上側から加熱され、
   前記坩堝の前記加熱は間接的に上方から、前記処理室から分離されている上部加熱室を介して行われる方法において、
   前記上部加熱室（７）は前記処理室（６）に対して前記中間カバー（５）を介して概ね気密に閉鎖されていることを特徴とする方法。
2. 前記上部加熱室と配向された状態での凝固を行うための前記処理室は、結晶化作用を利用しながら少なくとも上側から加熱されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 半導体材料からなる配向された状態で凝固されたブロックを製造するための装置であって、溶融物が収容されている坩堝と、該坩堝を少なくとも上方および側方から囲繞するとともに少なくとも前記坩堝の上方において前記坩堝から離間されている絶縁体と、前記坩堝の上方に設けられている少なくとも一つの加熱装置とを有し、
   前記絶縁体（２）内部であって前記坩堝（１）の上方の領域は中間カバー（５）によって処理室（６）と、該処理室の上方に設けられた上部加熱室（７）とに区分されており、該上部加熱室内に少なくとも一つの加熱素子（８）が設けられている装置において、
   前記上部加熱室（７）は前記処理室（６）に対して前記中間カバー（５）を介して概ね気密に閉鎖されていることを特徴とする装置。
4. 前記坩堝（１）は支持プレート（９）に担持されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記中間カバー（５）はフレーム（１０）に載置され、該フレームは前記坩堝（１）を側方において距離を有して囲繞することを特徴とする請求項３または４に記載の装置。
6. 前記フレームは中間絶縁体壁部（１０）を形成するとともに絶縁材料から形成されていることを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記フレーム（１０）は前記絶縁体（２）に対して距離を有して設けられているとともに中間空間部を形成していることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記坩堝の支持プレート（９）はマウント（１１）に嵌入されていることを特徴とする請求項４に記載の装置。
9. 前記マウント（１１）はグラファイトから形成されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 前記マウント（１１）はグラファイトプレートおよび／あるいはグラファイトシートの組み合わせから形成されていることを特徴とする請求項８に記載の装置。
11. 前記マウント（１１）の縁領域は前記フレーム（１０）に対して前記支持プレート（９）を概ね気密にシールすることを特徴とする請求項８に記載の装置。
12. 噴射ガス供給部（１２）が設けられており、該噴射ガス供給部は前記処理室（６）の上部領域を起点とすることを特徴とする請求項３から１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 前記噴射ガス供給部（１２）は前記中間カバー（５）を介して設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 絶縁体を備えた前記坩堝（１）は真空室（３）に設けられていることを特徴とする請求項３から１３のいずれか１項に記載の装置。
15. 前記噴射ガス供給部（１２）は前記処理室（６）を前記真空室（３）に直接的に連通させることを特徴とする請求項１３または１４に記載の装置。
16. 前記マウント（１１）と組み合わされた前記フレーム（１０）と、前記坩堝の支持プレート（９）は同時に漏れ出す溶融物に対する受け皿として形成されていることを特徴とする請求項５または８に記載の装置。
17. 前記受け皿の側壁部は前記フレーム（１０）によって形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
18. 前記受け皿の底部は前記マウント（１１）に嵌入された前記坩堝の支持プレート（９）によって形成されていることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
19. 前記受け皿の前記側壁部はシリコンを受容する黒鉛フェルトから形成されていることを特徴とする請求項１７に記載の装置。
20. 前記マウント（１１）は水平方向における幾何学的な溶融面（１３）の投影において、放熱開口部としての噴出口を有していることを特徴とする請求項８に記載の装置。
21. 間隙部であって該間隙部を介してシリコンが漏れ出し得る間隙部はラビリンス状の階段部として実現されていることを特徴とする請求項３から２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 前記支持プレート（９）は少なくとも一つの支持梁部（４）によって支持されていることを特徴とする請求項４から２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 前記支持梁部（４）は同時にガス供給部（１４，１６）として形成されていることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
24. 前記支持梁部（４）の前記坩堝底部に対向する側には、ノズル開口部（１６）が設けられており、該ノズル開口部を介してガス供給部として形成された前記支持梁部（４）を介して冷却ガスが前記坩堝底部または前記坩堝支持プレートの下側に方向付けられることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. 前記冷却ガスは循環装置において熱交換器（１９）を介して再び冷却され、ポンプ（２０）によって前記支持梁部（４）に供給されることを特徴とする請求項２４に記載の装置。
26. 前記坩堝（１）の前記支持プレート（９）の下方に該支持プレートに対して距離を有して下部能動加熱素子（２１）が設けられていることを特徴とする請求項４から２５のいずれか１項に記載の装置。
27. 前記加熱素子（２１）の下方に冷却装置（２２，２３）が設けられていることを特徴とする請求項２６に記載の装置。

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