JP5683744B2 - 単結晶または多結晶構造を有する材料の生成方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は単結晶または多結晶構造を有する材料を生成する装置及び方法に関する。本発明による装置と本発明による方法は好ましくは、単結晶シリコンの生成に使用される。

特に光電池において使用される半導体適合シリコンのための数多くの製造方法が先行技術から知られている。例えば、多結晶シリコンを石英坩堝の中で溶融する方法、チョクラルスキー法、帯域引き上げ法が知られている。

多結晶シリコンが石英坩堝の中で溶融された後、徐冷が行われるが、これには品質面での欠点が伴う。従って、大きさの異なる無数の結晶領域があり、その結果、初期生成物は多結晶となる。この溶融法の利点は、１回の操作で例えば８００ｋｇもの大量のシリコンを溶融させることができる点である。しかしながら、結晶化工程の終了時に単結晶がないため、多くの結晶格子変化が生じることにより、生成される多結晶の好ましい半導体特性が得られない。

坩堝引き上げ法とも呼ばれるチョクラルスキー法では、シリコンを融点より若干高い温度で坩堝の中で溶融させ、その後、結晶を、種結晶である単結晶を介して、回転させながら融液から引き上げる。これによって、石英坩堝で多結晶シリコンを溶融された場合と比較して、光電池用として実質的によりよい結晶特性を有する単結晶が得られる。

石英坩堝での溶融とチョクラルスキー法のいずれにも、多くの欠点がある。

石英坩堝内での滞留時間が長いため、酸素が石英坩堝からシリコン融液内に放出される。これらの酸素原子は結晶内に取り込まれる。保温のために坩堝にグラファイトヒータが使用される場合は、炭素原子が不活性ガス雰囲気中へと昇華し、融液内に放出される。この場合もまた、これらが結晶内に取り込まれる。それによって半導体特性に不利な影響が及び、その結果、自由電子の寿命が大幅に短縮され、それ故、この材料をもとにして製造された光電池の効率が低下する。

溶融法とチョクラルスキー法の品質面の欠点は、帯域引き上げ法により克服される。帯域引き上げ法は浮遊帯域法とも呼ばれる。

帯域引き上げ法においては、加熱が誘導加熱によって行われる。より詳しくは、多結晶シリコンロッドが誘導コイルに沿って案内される。シリコンロッドは下から上に向かって再溶融されて単結晶となる。生成される単結晶は純度が高い。帯域引き上げ法の利点は、チョクラルスキー法及び溶融法と異なり、電子の寿命に関する不利な材料特性が発生しないことである。更に、シリコンの限定的な領域だけが溶融されるため、必要なエネルギー入力が少なくて済み、従って放射損失が実質的に縮減される。

帯域引き上げ法の欠点は、開始材料として高品質の多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）ロッドが必要となる点である。それ故、帯域引き上げ法では、ポリロッドに対しては幾何学形状やひび割れがないことについての高い要求事項がある。このような高品質のポリロッドの生成には長い時間がかかり、その結果、高い製造コストが発生する。

独国特許出願公開第４２ １６５ １９ Ａ１号明細書においては、帯域引き上げ法の利点を多結晶シリコンの有利な生成工程の利点に結び付ける試みがなされている。より詳しくは、粒状シリコンが再使用可能なシリコンチューブ内に上から導入される。このシリコンは溶融帯域内に入り、これがシリコンチューブを閉鎖し、その中で誘導加熱による加熱が行われる。

独国特許出願公開第４２ １６５ １９ Ａ１号明細書による方法の欠点は、均質な材料品質に対する厳しい要求事項があり、材料追跡を十分に管理して行わなければならない点である。この材料追跡は、融液の無制限の漏出及びその後起こりうる再溶融作業全体の停止を防止するためのものである。

本発明の目的は、単結晶または多結晶構造を有する材料を生成するための、先行技術の欠点が克服された装置と方法を提供することである。特に、高品質の単結晶または多結晶材料が生成される。

更に、本発明によれば供給の変動に対する安定性が実現されることになり、好ましくは、初期材料を継続的に供給することも可能となる。本発明の特定の改良版では、単結晶シリコンロッドが、生成が複雑なポリシリコンロッドを用いずに生成されることになる。生成可能な微粒子ポリシリコン断片を有利に使用することによって、好ましい点として、コストの高い多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）ロッドの使用という不利益が回避される。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１において請求される方法と請求項５において請求される装置によって達成される。

本発明による実施形態は従属項に含まれる。

本発明の第一の態様によると、単結晶または多結晶構造を有する材料を生成する方法が提供される。この方法は、微粒子材料混合物を容器の入口に導入するステップと、材料混合物を容器の溶融帯域内で加熱するステップと、溶融帯域内の材料混合物が容器の入口と出口の間の圧力差を通じて静的に支持されるステップとを有する。

これによって材料の継続的溶融を実現できる。初期粒状ベースを持つ材料を使用でき得る点もまた有利である。

上記第一の態様による、本発明による方法において、第二の態様によると、静的な支持が容器によって分離される２つのチャンバー間で行われ、それらの間には圧力差が存在することが好ましい。このような改良版の利点は、チャンバーの各々が圧力の点で別々に調整されるか、これらのチャンバーが圧力差の調整によって相互に接続されることである。その結果、装置に関して低コストで圧力差を実現できる。

本発明による方法の第三の態様の改良版によれば、本態様のそれぞれは、材料混合物、好ましくは溶融帯域内の材料混合物と、接種用結晶との接触が、容器の出口において、またはその付近で起こる点で発展させることができる。その結果、材料生成において帯域引き上げ法の利点を実現することができる。更に、それ故溶融のための帯域と結晶を引き上げる帯域を分離することもでき、それによって、引き上げを行う容器を、これが連続流型容器でない場合、大きな容量とすることが可能となる。

第四の態様によれば、上記３つの態様のうちの１つの場合では、単結晶半導体シリコンロッドを形成するために、接種用結晶又は種結晶を溶融帯域から引き出してもよい。それ故、装置に関して低コストで高純度のシリコンを入手できる。

第一から第三の態様のうちの１つを発展させた第五の態様によれば、材料は半導体材料、接続型半導体及び／または金属合金である。それ故、装置に関して低コストで溶融材料の連続供給が可能となる。

第四の態様を発展させた第六の態様によれば、微粒子材料混合物は微粒子シリコンを有していてもよく、生成される半導体材料は多結晶シリコンであってもよい。それ故、従来の帯域引き上げ法の代わりに、効率的に、差圧支持による方法を採用することができる。

第四の態様を発展させた本発明の第七の態様は、微粒子シリコンの形態の微粒子材料混合物を有していてもよい。更に、この中で、生成される半導体材料は単結晶シリコンであり、これは、第八の態様によれば、好ましくはシリコンロッドの形態である。それ故、これは従来の帯域引き上げ法の代替とすることができる。

上記８つの態様の１つに対応する方法において、第九の態様によれば、差圧調整によって差圧の設定を行ってもよい。それ故、装置に関して低コストで、容器内の融液の高さを特定の数値に保つことができる。

第九の態様の代替案として、第十の態様によれば、第一から第八の上記態様のうちの１つを、差圧が２つの絶対圧制御装置を通じて設定される点で発展させてもよい。この利点は、容器の両側の圧力領域が完全に分離される点である。

第十一の態様によれば、第一から第十の態様のうちの１つを、容器内の材料の量が高さ測定によって測定される点で発展させてもよい。それによって、円錐状の坩堝が使用される場合、溶融坩堝内の液面レベルは直径の測定によって判断できる。

本発明の第十二の態様によれば、本発明による装置は、単結晶または多結晶構造を有する材料を生成するために設計されてもよい。この装置は、そこから微粒子材料混合物を導入できる入口を有する容器と、それによって材料混合物を容器の溶融帯域内で加熱できる加熱装置と、容器の入口と出口の間に圧力差を発生させる圧力生成装置であって、この圧力差を通じて溶融帯域内の材料混合物を静的に支持できることになるような圧力生成装置と、を備えていてもよい。その結果、容器内の融液の高さは、装置に関して低コストで設定できる。更に、生成される材料の構造は、高純度で生成できる。

第十二の態様による装置は、容器によって分離される２つのチャンバーを備え、それらの間に圧力差が生じる点で発展させてもよい。その結果、装置に関して低コストで、高純度の材料の連続的な生成が可能となる。

第十四の態様によれば、第十二及び第十三の態様による装置は、差圧調整装置を備え、それを通じて２つのチャンバー間の差圧を調整できる点で発展させてもよい。それによって、２つの真空容器間の差圧を設定するための差圧調整が可能となる。そのための制御に関わるコストは低い。

第十四の態様による差圧調整の代替案として、第十二と第十三の態様による装置を発展させた第十五の態様において、２つの絶対圧調整装置が設置されてもよく、これらはそれぞれのチャンバーに割り当てられ、これらを通じて２つのチャンバー間の差圧を調整できる。２つの絶対圧調整装置によって、２つの完全に分離されたチャンバーを提供でき、これらを通じて、容器内の溶融帯域内の液面レベルの高さを有利に設定できる。

第十二から第十五の態様のうちの１つによる装置では、接種用結晶又は種結晶を備え、それを通じて材料混合物、好ましくは溶融帯域内の材料混合物を、容器の出口において、またはその付近で接触させることができ、またそれを通じて半導体材料を溶融帯域から引き出すことができる。それ故、帯域引き上げ法において、例えば単結晶シリコンを形成するために、材料の連続流を単純な方法で生成でき、更に使用できる。更に、それ故、溶融のための帯域と結晶を引き上げるための帯域を分離することもでき、それによって、引き上げを行う容器を、これが連続流型容器でない場合、大きな容量とすることが可能となる。

第十二から第十五の態様のうちの１つを発展させた第十六の態様によれば、材料は半導体材料、接続型半導体及び／または金属合金である。それ故、異なる材料の場合、装置に関して単純な構成で、純度の高い初期生成物が得られる。

第十二から第十六の態様による装置を発展させた、本発明の第十八の態様による装置において、微粒子材料混合物は微粒子シリコンであり、生成される半導体材料は多結晶シリコンである。それ故、材料を連続的に、高い生産率と均質性で生成できる。

第十八の態様の代替案として、第十二から第十六の態様のうちの１つによる装置を発展させた第十九の態様において、微粒子材料混合物は微粒子シリコンを有し、生成される半導体材料は単結晶シリコンである。それ故、単結晶シリコンを連続的に、装置に関して低コストで、高純度で生成できる。

この場合、第二十の態様によれば、第十九の態様の単結晶半導体材料がシリコンロッドであることが好ましい。本発明による装置はそれ故、有利な点として、帯域引き上げ法において、それに対応する装置の代わりに使用できる。

第二十一の態様によれば、第十二から第二十の態様のうちの１つの装置は、絞り装置によって発展され、これはチャンバー間で最大差圧を固定できるような大きさである。それによって、容器内の融液が溢れないようにすることができる。

第二十一の態様に対応する装置は、第二十二の態様によれば、絞り装置に並列に接続される差圧調整弁を有するように発展させてもよく、これを通じてチャンバー間の差圧を減少させることができる。それ故、容器内の融液の高さを、工程の実際の過程により近くなるように設定できる。

第十二から第二十二の態様のうちの１つを発展させた第二十三の態様によれば、微粒子シリコンは、辺長が最大で２０ｍｍ、より好ましくは１０ｍｍ未満、最も好ましくは５ｍｍ以下であるシリコン粒子を有する。それ故、粗い破砕シリコンを使って、装置に関して低コストで単結晶シリコンを生成し、高純度を実現することができる。

第十二から第二十三の態様のうちの１つを発展させた第二十四の態様によれば、容器は円錐形に設計され、それ故、融液が確実に容器の出口へと効果的に流れる。更に、容器内の高さ測定は単純な方法で実現できる。

第二十五の態様によれば、容器内の材料の量の測定は高さ測定によって行われる。第十二から第二十四の態様のうちの１つがそれによって発展される。その結果、融液の量を測定するためのコストを削減できる。

第十二から第二十五の態様のうちの１つにおいて、容器の容積は最大で１ｄｍ^３であってもよい。それ故、本発明の改良版によれば、良好な高さ調整は、小さな容積しか必要でなく、それでもなお高い精度での溶融帯域からの連続流が確保されることを意味する。その結果、溶融坩堝の、または圧力領域周辺からの材料が容器に与える影響を削減できる。

第十二から第二十六の態様のうちの１つを発展させた第二十七の態様によれば、容器の好ましい材料は、１４３０℃の温度まで耐えられる材料である。それ故、容器内の融液と容器材料との相互作用が最小限となる。

第十二から第二十七の態様のうちの１つを発展させた第二十八の態様によれば、容器は、好ましくは炭化ケイ素または窒化ケイ素を有するコーティングを有する。この種のコーティングによって、容器と溶融帯域内の材料との相互作用を更に減少させることができる。

第十二から第二十八の態様のうちの１つを発展させた第二十九の態様によれば、容器内の材料の量の測定が、容器内の材料の直径の測定を通じて行われる。それによって、量の測定のためにカメラ装置を使用でき、この場合、容器の円錐状の内面により、量を直径から推測してもよい。

第十二から第二十九の態様のうちの１つを発展させた第三十の態様によれば、装置は差圧調整装置（６２）を備え、それを通じて２つのチャンバー間の差圧を制御または調整でき、好ましくは、２つのチャンバーを接続する差圧制御装置を備え、それを通じて２つのチャンバー間の差圧を制御または調整できる。それ故、差圧を単純な方法で設定できる。

以下に、図面を参照して好ましい例示的実施形態によって本発明を説明する。

第一の例示的実施形態による材料生成装置の要素の概略図を示す。

第一の例示的実施形態による図１の詳細部Ａを示す。

第一の例示的実施形態による図１の詳細部Ａの改良版を示す。

第二の例示的実施形態による材料生成装置の概略図を示す。

第三の例示的実施形態による材料生成装置の要素の概略図を示す。

第四の例示的実施形態による材料生成装置の要素の概略図を示す。

第五の例示的実施形態による材料生成装置の要素の概略図を示す。

好ましくは単結晶または多結晶構造を有する材料を生成するための装置と方法を、５つの例示的実施形態とこれらの改良版に関して以下により詳しく説明する。

本発明は、ゲルマニウムやシリコン等の半導体材料の生成にしか使用できないのではなく、例えばリン化インジウムやガリウムヒ素等の接続型半導体の生成にも、また実際に、結晶、金属及びこれらの合金の生成にも使用できる。わかりやすくするために、以下において、例示的実施形態の説明は単結晶シリコンの生成について行う。しかしながら、これは一切限定的と解釈すべきではなく、本発明はまた、上で例に挙げたその他の材料の生成にも使用できる。

好ましくは、本発明による方法によって、好ましくはマイクロエレクトロニクス及び光起電技術で使用される単結晶の高純度半導体シリコンが生成される。そのような要求事項のために、シリコン中へのドーピング元素として適当な元素による不純物を臨界値以下にしなければならない。

本発明は、好ましくは、シリコン粒子の使用を可能にしようとしている。これらは、粗く不規則な粒状性を有する。本発明による方法によって、破砕シリコンの特性と同様の特性を有する表面を持つシリコンを使用することもまた可能となる。特に、辺長が最大２０ｍｍ、より好ましくは最大１０ｍｍ、最も好ましくは粒径最大５ｍｍの破片を使用することが有利である。

シリコンを使用する用途における生産工程では、本発明は、多結晶の（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）最高純度のシリコンを分離した後に用いられ、好ましくは単結晶シリコンの生成に使用できる。

本発明は、従来は不純物原子をシリコンコラムの端に析出させ、これらの不純物原子を冷却後に除去する帯域引き上げ法を発展させる。

従来の帯域引き上げ法とは異なり、本発明では２つの圧力領域、好ましくは超過圧力領域１と２が使用され、これらは図１に示されるように、坩堝４によって相互に分離されている。圧力領域１と２の圧力が異なることによって、本発明の初期材料の融液は、この例では坩堝４として構成されている容器の上に静的に支持される。

微粒子シリコンは貯蔵容器６から搬送装置８を通じて坩堝４へと通過し、その中でシリコンが溶融される。シリコンは出口を通じて坩堝４から流出し、単結晶シリコンとしての種結晶１２上で溶融される。微粒子シリコンは、例えば、丸い粒に似た粒状品質を有していても、破砕シリコンであってもよい。

種結晶１２は、種結晶ホルダー１４の上に載せられ、後者を介して回転されるか、下方に引っ張られる。種結晶１２が引っ張られると、坩堝４から溶融流として出たシリコンは、搬送装置８を介して貯蔵容器６から連続的に置き換えられる。

坩堝４は動的バッファの機能を有し、これを通じて、単結晶種結晶１２の方向へのできるだけ一定の溶融流が可能となる。それによって、搬送側の外乱変数の分離が実現される。

坩堝４において、圧力領域１である坩堝の上側、即ち充填側と、溶融シリコンが坩堝から出る、圧力領域２である坩堝の下側との間の圧力分離が行われる。その結果、圧力領域１と圧力領域２の間に坩堝を介して圧力差が発生する。この圧力差は、坩堝４の中に所定の量の溶融シリコンを貯蔵する機能と、それによって動的バッファを形成する機能を有する。

種結晶ホルダー１４は、駆動システム１６を通じて回転される。

坩堝４の加熱は好ましくは誘導コイル１８を通じて行われ、これは誘導発電機２０を通じて電源供給される。

圧力領域２は、入口２４を有する下側圧力容器２２の中にあり、この入口から制御弁２６を通じて流体が供給される。

本発明において、使用される流体は好ましくは不活性ガス、例えばアルゴンガス等である。しかしながら、坩堝４の上の圧力差を保持できる他のどのような流体を使用してもよい。この流体は、生成される材料とまったく相互作用しないか、少なくとも僅かしか相互作用しないことが好ましい。わかりやすくするために、以下において、流体を不活性ガスと呼ぶ。

圧力領域２の中の不活性ガスの圧力は、圧力測定装置２８を通じて測定される。圧力領域２と上側圧力領域１は、後述の接続システム３０を通じて相互に流体接続される。圧力領域１は、出口３４を有する上側圧力容器３２の中に画定される。出口における圧力は、制御弁３６によって設定できる。圧力測定装置３８は、上側圧力領域１の中の圧力を測定する。図１では、圧力測定装置２８、３０、３８が制御装置４０に接続されているように示されている。好ましくは制御弁２６及び／または３６と接続システム３０の中の制御装置もまた、制御装置４０を通じて作動され、或いは信号を後者に供給する。

坩堝４の中の融液の液面レベルに関する高さ信号を受け取る高さ信号センサー４２と、坩堝４の中の融液の温度を測定するための温度信号センサー４４が設けられ、これらは上側圧力領域１に面している。高さ信号センサー４２は好ましくはカメラ装置であり、これを通じて測定信号をピックアップでき、これによって坩堝４の中の融液の液面レベルの高さを推測できる。温度信号センサー４４は好ましくは高温計である。

図１の、第一の実施形態に対応する坩堝４の周辺領域が、図２Ａにおいて拡大して示されている。坩堝４は、連続流型坩堝として設計され、フランジ部４６を有し、これを通じて分離装置４８と液密、好ましくは気密接続することができ、分離装置は上側圧力領域１と下側圧力領域２を分離する。分離装置４８は冷却され、それによって坩堝と分離装置４８の間の有効な密閉が可能となる。坩堝はフランジ部４６から出口１０に向かって円錐状に先細となる。オリフィスの形態の出口１０が種結晶１２の縦軸に対して直角に配置される。出口の直径は、例えば１〜２センチメートルであってもよいが、工程に応じてこれより大きくしてもよい。溶融シリコンは、出口１０を通じて坩堝から出る。連続流型坩堝を坩堝４として使用することによって、丸い粒子のそれに似た粒子品質を有する微粒子シリコンだけでなく、破砕シリコンの特徴を有する微粒子シリコンも使用できる。

坩堝に関する材料特性と幾何学的製造公差について、以下に更に言及する。坩堝の材料は、供給される予定の材料、即ちこの例示的実施形態ではシリコンの融点に耐えられなければならない。即ち、シリコンを用いる用途の場合、融点の１４３０℃に耐えられなければならない。坩堝の材料によって、シリコン融液内への不純物原子の拡散が最小限となり、それ故、これは坩堝の材料の純度に厳しい要求を設け、使用可能な坩堝のコーティングに影響を与える。例えば、坩堝に用いられる材料はフュームドシリカの形態の石英であり、坩堝のコーティングが用いられる。これは例えば厚さ０．２〜０．３ｍｍの炭化ケイ素であり、好ましくはＰＶＤ（物理的気相成長）蒸着方法によって塗布される。或いは、例えば窒化珪素も坩堝のコーティングに使用できる。

坩堝の円錐部分５０の容量は最大１ｄｍ^３であるが、この数値より大きくてもよい。坩堝の容量はできるだけ小さい方が好ましい。坩堝の容量の設計はシリコン粒子の溶融時間に依存し、これは粒径に依存する。供給されるシリコン粒子が大きいほど、溶融時間が長くなる。

更に、坩堝に関して、坩堝内の融液の滞留時間を短く保つべきであるという要求事項があり、そうすることによって坩堝の壁から、坩堝のコーティングを通って融液中に入る不純物原子、例えば酸素の拡散による汚染が最小限となる。本発明による装置にとって、粒子供給の変動が溶融流の連続性に影響を与えないことが好ましい。引き上げ速度が毎分２ｍｍであると仮定すると、これは直径１５０ｍｍのシリコン結晶の場合に毎分０．０４ｄｍ^３の溶融流に対応し、坩堝の容量が１ｄｍ^３の坩堝の中の滞留時間は平均２５分となる。

誘導コイル１８は坩堝４の外側に配置され、基本的に坩堝の円錐部分５０においてリングの形態で後者を取り囲む役割を果たし、誘導発電機の形態の加熱装置２０を通じて電源供給される。この誘導コイル１８はシリコン粒子の溶融に使用される。

材料生成工程を開始するためには、シリコンを、例えば約６００℃まで、例えば放射加熱によって加熱する必要がある。後者は、坩堝４の上に配置しても、坩堝４の下に配置してもよい。

高温計の形態の温度信号センサー４４は溶融温度を検出し、好ましくは上側圧力容器３２に取り付けられる。

カメラ装置４２は、坩堝４の中のシリコン融液の液面レベルの高さをそこから検出できる測定信号を通じて、シリコン融液の直径を検出する。このカメラ装置４２の後に画像評価装置（図示せず）があり、これを通じてシリコン融液の直径によって融液の高さを計算の形で推測することが可能となる。カメラ装置４２と画像評価装置は好ましくは制御装置４０に連結され、それによって、融液の高さが測定された後に、搬送装置８を通じた供給量の設定を行うことができる。坩堝４の中の融液液面レベルを一定に保つための調整を、供給量の設定を通じて実現できる。このような調整によって、本発明によれば、独国特許出願公開第４２ １６５ １９ Ａ１号明細書で使用される最大１ｍｍの粒径より大きいシリコン粒子でさえも変換することが可能である。

供給量の好ましい設定のために、貯蔵容器６は圧力領域１に隣接させて、即ち坩堝４の上に位置付けられる。貯蔵容器６は、搬送装置８による供給ラインを通じて坩堝４に接続される。好ましくは、貯蔵容器６の中には多結晶（ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ）シリコン粒子があり、貯蔵容器６と搬送装置８は好ましくは、圧力領域１、即ち坩堝４の上の空間に割り当てられる。従って、貯蔵容器６内の圧力は、圧力領域１内の圧力と同じ圧力Ｐ_ｔｏｐである。

坩堝４の出口１０における種結晶１２は好ましくは、実験室条件下で生成される単結晶であり、出口１０において所望の育成結晶と同じ結晶軸方向を有する接種用結晶を有する。

坩堝の出口１０における内径が種結晶１２の外径より大きいと有利である。種結晶１２はそれ故、坩堝の出口１０における内側凹部の中に移動させることができ、それによって密閉状態を形成できる。

種結晶１２は、坩堝４の出口１０の下方にある種結晶ホルダー１４上に設置される。種結晶ホルダー１４は、引張シャフトを通じて駆動システム１６に連結されている。引張シャフト及び従って種結晶ホルダーには、駆動システム１６を通じて回転が加えられる。引張シャフトは、高さ制御装置（図示せず）を通じて高さ調整できる。

本発明による装置において、シリコンロッドの直径の調整と、出口１０におけるシリコンまたは坩堝４の中の融液の温度の調整は、帯域引き上げ法に従って動作する従来の装置と同じ方法で実行される。この直径及び温度調整に加えて、本発明においては、圧力領域１と２の間の差圧調整と、坩堝４内の融液の融液液面レベル調整も実行することが好ましい。融液液面レベル調整について、以下により詳しく説明する。本発明において、坩堝４は圧力緩衝容器として動作し、その中で融液液面レベルの高さには圧力領域１と圧力領域２の間の差圧調整によって影響が与えられ、それによって、坩堝４内の融液の液面レベルが一定の融液液面レベルから上下に変動する可能性がある。融液液面レベルの調整によって、シリコン粒子の供給が滞った場合に、融液液面レベルは若干下降するが、溶融流は停止しないことが可能になる。溶融流は減少するだけであり、それ故、短時間、種結晶１２上の結晶生育が低下する。結晶生育の低下は標的速度を遅くすることによって補償できる。

その後、坩堝４に再び十分なシリコンが供給されると、坩堝４内の融液液面レベルが上昇し、溶融流は所望の数値で安定する。融液液面レベルの調整の結果として、圧力緩衝容器の形態の坩堝は溶融帯域のための減衰部材として機能し、それによって、供給に変動があった場合のシステム全体の反応が改善される。

図２Ａによる改良版では、微粒子シリコンがライン５４を通じて坩堝４に供給される。供給ライン５４の端は坩堝の円錐部分５０の円周のある部分に設置されているため、不均一に溶融された粒子が坩堝４内の融液の外周に存在する。

図２Ｂに示されるような第一の実施形態の変形版では、供給ライン５６の端が概して種結晶１２の軸上にある。供給ライン５６の端と坩堝４の間には、分配装置５８が設置され、これを通じてシリコン粒子が供給ライン５６の端から出て、坩堝４内の融液の少なくとも２つの外周部分で坩堝４の中に入ることができる。これは、図２Ｂの例においては、２つの傾斜部分の形態で実現される。これらの傾斜部分は、例えば３６０°にわたって回転対称に設けてもよい。図２Ｂの分配装置５８によって、坩堝４の中での粒子をより均一に溶融させることができる。分配装置の別の利点は、融液の放射損失を低減できる点である。

図２Ｂに示される改良版では、例えば、分配装置の中に半径方向の１つの間隙または半径方向の複数の間隙が設けられていてもよく、それを通じて坩堝４内の融液の程度を視覚的に検出することが可能となる。

その代わりに、分配装置の直径を、融液が高さ信号センサー４２によって上から視覚的に検出できるように構成してもよい。

上側圧力領域１と下側圧力領域２の間の接続システム３０について、以下により詳しく説明する。接続システム３０の機能は、坩堝４にシリコン融液が充填されると、上側圧力領域１と下側圧力領域２の間のガス流が坩堝４の出口１０からは不可能になることから必要となる。接続システム３０を通じて、圧力領域１と２の圧力を保持することができる。不活性ガスは、図１に示される制御弁２６を通じて下側圧力領域２に所定の単位時間当たり量で供給できる。すると、ガスは下側圧力領域２から出て、接続システム３０を通って上側圧力領域１へと流れる。ガスは上側圧力領域１から、制御弁３６を通じて出る。

図１の第一の例示的実施形態に対応する改良版において、接続システム３０は、並列に接続された絞り隔膜６０と差圧調整弁６２と差圧測定装置６４を有する。差圧測定装置６４は必ず設けなければならないわけではなく、これは、絞り隔膜６０の前後の圧力が、少なくとも桁のレベルで、圧力測定装置２８と３８の測定信号からも測定できるからである。絞り隔膜６０の寸法決定については以下の検討事項が有益である。差圧調整弁６２が閉状態であると、圧力領域１と２の間に所定の最大圧力差が発生する。すると、絞り隔膜の寸法は、坩堝内の融液の最大許容高さから決まる。

次に、差圧調整弁が誤動作で閉じた場合、絞り隔膜６０がないと、上側圧力領域１の方向にガスが流れない。その結果、下側圧力領域２の圧力が上昇し、その一方で、上側圧力領域１の圧力は下降するであろう。その結果、坩堝４の上の差圧が急速に無制限に上昇し、これによって融液が坩堝４から溢れることになる。例えば、坩堝の高さが１０ｃｍであると、１０・２３０Ｐａ＝２３００Ｐａの差圧で融液が溢れる（以下の計算を参照）。この場合、絞り隔膜６０が、あるガス側方浸透流で、圧力調整弁６２が閉じている時に、２０００Ｐａの最大差圧が発生するような寸法であれば有利であろう。その結果、調整弁または制御弁が実際に故障した場合に、発生する差圧は２０００Ｐａとなる。

差圧の計算に関するより詳細な検討事項について、以下に説明する。

種結晶１２による引き上げ中、連続的な溶融流があり、それによって静圧に対抗する動圧差が生じる。その結果、不活性ガスを通じて生成されるべき差圧について、以下の等式が得られる。
Ｐ_ｄｉｆｆ＝Ｐ_ｓｔａｔ−Ｐ_ｄｙｎ

融液を静的状態に、即ち溶融流が停留した状態にするために必要な圧力領域１と２の間の差圧については、以下の等式が得られる。
Ｐ_ｓｔａｔ ＝ｈ^＊ｐ_{ｓｉｌｉｃｏｎ} ^＊ｇ

それ故、静圧は融液の高さとシリコンの比重に比例する。それ故シリコンは、融液の高さ１ｃｍあたり、２３０Ｐａ（Ｎ／ｍ^２）の静圧を発生させ、その結果、融液の高さが５ｃｍであれば、約１１５０Ｐａが得られる。

動圧フラクションは以下の等式から得られる。
Ｐ_ｄｙｎ＝ｖ^＊８^＊η^＊ｈ／Ｒ^２

この動圧フラクションを推定可能にするために、以下を前提とする：融点での液体金属の平均粘度のη＝１^＊１０^−３Ｐａ・ｓ。ここで、溶融流が６．６７・１０^−７ｍ^３／秒とすると（直径１５０ｍｍのロッドについての引き上げ速度を２ｍｍ／分として得られる）、坩堝の出口断面積が３ｃｍ^２である場合、流速ｖ＝２．２^＊１０^−３ｍ／秒となる。更に、坩堝の中空の円柱形オリフィスが動圧の低下にとって重要であり、この部分の高さが２ｃｍとすると、計算により、動圧フラクションは３ｍＰａの範囲であると示すことができ、即ち、静圧よりかなり低い。

しかしながら実際には、動圧フラクションは、坩堝から流出した融液が結晶化帯域に衝突するため、これより高くなり、即ち、融液の粘度がこの領域で急激に増大し、それ故、溶融流にブレーキがかかる。

それ故、差圧を全体的に考えて、融液液面レベルが５ｃｍと仮定し、溶融流が６．６７・１０^−７ｍ^３／秒とすると、理論上の数値は最大で１１５０Ｐａとなり、これは現実には、粘度の上昇によって低くなる。

図３は、本発明による、第二の例示的実施形態に対応する装置を示し、この第一の例示的実施形態の装置との違いは接続システム１３０の構成だけである。第二の例示的実施形態による接続システム１３０は、並列に接続された絞り隔膜６０と差圧測定装置６４を有する。差圧調整弁６２は設けられていない。第一の実施形態における絞り隔膜の構成に関する上記の検討事項によって、この場合、差圧調整は不活性ガスの質量流量を変化させることを通じて行われる。装置に関するコスト削減がこの場合に有利である。しかしながら、ここでは、ガスの流れを一定に保つことができないという、変数に対する不利な影響があり、従って、工程に関連する不利な影響が生じる。

図４に示されている、本発明による、第三の例示的実施形態に対応する装置は、第一と第二の例示的実施形態のそれらとは、圧力領域２０１と２０２の間に接続システムが設けられていないという点で異なる。それ以外では、装置の構成は第一と第二の例示的実施形態の構成に対応する。

接続システムの代わりに、第三の例示的実施形態においては、入口制御弁２２６と出口制御弁２２７が下側圧力領域２０２に向かって設けられ、入口制御弁２３５と出口制御弁２３６が上側圧力領域２０１に向かって設けられている。第一と第二の例示的実施形態と同様に、圧力測定装置２２８、２３８が第三の例示的実施形態に設けられている。坩堝４内の融液の高さの設定は、第三の例示的実施形態においては、弁２２６、２２７と２３５、２３６または、これらのうちの少なくとも２つを作動させることによって行われる。この場合、使用される測定変数は、圧力測定装置２２８、２３８の初期変数である。

本発明による、単結晶または多結晶構造を有する材料を生成するための方法の例示的説明を、第一の例示的実施形態を例にとって以下に示す。この方法は、調整を加えて、第二及び第三の例示的実施形態の改良版にも適当に応用でき、これはシリコンに限定されず、また前述のその他の材料にも相応に応用できる。

（１．再溶解作業の開始）
再溶解作業を開始するにはまず、プラントを空にして、その後プラントに不活性ガスを大量に送り込む。所定の質量流量の設定は、下側制御弁２６を通じて行われる。過圧範囲内での所望の圧力範囲の設定は、上側圧力領域で制御弁３６を通じて行われる。差圧調整弁６２は、この場合、閉位置にある。

続いて引張シャフトを、取り付けられた種結晶１２とともに、種結晶１２が坩堝４の出口１０を閉じるまで上方に移動させる。前回の引張動作によって、残留シリコンがまだ坩堝４の中にある場合、種結晶１２は手で坩堝４の中に、坩堝または坩堝中にある残留融液との衝突が防止される程度まで移動される。

その後、貯蔵容器６を通じて坩堝４への部分的な充填を行い、坩堝４内の液面レベルが所望の標的液面レベルより低いことが予想できるようにする。この場合、シリコンの供給の制御は、プラントオペレータによって手作業で行われる。図１には示されていない補助的加熱源により、シリコンを約６００℃まで加熱する。この中間温度は、誘導加熱とシリコンの間の電磁結合にとって必要である。約６００℃または他の材料にとってのこれと同等の数値の中間温度に到達した後、溶融は、関連する誘導コイル１８による誘導加熱を通じて続けられ、温度調整が高温計として設計された温度信号センサー４４を通じて行われる。

融点、即ちシリコンの場合は１４３０℃に到達し、溶融が終了すると、シリコン融液によって気密プラグが坩堝４に形成される。この状態は、一方で、プラントオペレータがこの状態に気付くことで認識可能であるか、または画像処理システムと高温計から推測できる。

その代わりに、この状態はまた、特定の圧力上昇の認識による差圧測定を通じても認識できるが、これは、２つの圧力領域１と２の間の全体的な流れ抵抗が上昇するからである。

気密プラグの形成の工程状態が認識されると、差圧調整と融液液面レベル調整が作動される。その後、坩堝４内で所望の液面高さに到達するまで、更にシリコンが自動的に搬送される。この所望の液面高さはカメラ装置４２と画像処理システムを通じて検出される。差圧は、Ｐ_ｓｔａｔ＝ｈ^＊ｐ_{ｓｉｌｉｃｏｎ} ^＊ｇの条件を満たさなければならない。

種結晶１２上での溶融は溶融作業中に起こり、プラントオペレータが手作業で円錐部をシリコンロッドの標的直径になるまで引く。所望の標的直径に到達すると、引張動作は自動的に継続される。

ロッドの引き上げ動作中、直径調整と温度調整が有効となる。坩堝４内の差圧と融液液面レベルは、一定の所望の数値まで調整される。

所望の標的長さに到達できるように、貯蔵容器に十分なシリコン粒子が貯蔵されていなければならない。この背景にある理由は、作業途中で貯蔵容器に補給を行うことによって工程が不要に妨害され、これが溶融流の中断の原因となりうることである。

引き上げ動作は、ロッドが種結晶１２の所望の長さに到達したところで終了する。手作業によるシリコンロッドの直径の縮小はその後、駆動システム１６の前進速度を上げることによって行われる。円錐部の引張が終了したら、搬送装置８を通じた粒子の供給を停止する。下側圧力領域２内の圧力が上昇し、誘導コイル１８による加熱が縮小される。その後、坩堝内に残っているシリコンが固化し、坩堝内に密閉プラグが形成される。

単に例として単結晶シリコンの生成に関して上述した本発明によるこの方法によって、高純度の単結晶シリコンを生成することができる。上記の方法はまた、前述のその他の材料の生成にも応用できる。

図５と６は、第四と第五の例示的実施形態に対応する装置と方法を示す。これらの例示的実施形態に共通しているのは、種結晶が容器から引き出される位置が、その上に圧力差が生じる坩堝ではなく、その代わりに、坩堝４から出た後の融液が運ばれる容器３０３であることである。この種の構成の利点は、容器３０３を大きな容量とすることができ、種結晶をその中に、重力の作用の方向と反対に導入できる点である。それ故、例えば、帯域引き上げ法において有利な１５０または２００ｍｍの直径が実現できるだけでなく、坩堝からの引き上げにより、例えば、３００ｍｍまたは更には４５０ｍｍの直径も実現できる。容器３０３は連続流型坩堝である必要はないため、例えば１ｔの質量でもこれに収容することができる。それ故、第四と第五の例示的実施形態による坩堝４は、溶融の機能を有する。

本発明によれば、単結晶または多結晶構造を有する材料を生成するための装置と方法が提供され、その中で、容器が２つの圧力領域間に配置され、容器内の融液の高さの設定が、圧力領域間の差圧の設定を通じて行われる。その結果、粒子状材料であっても、容器の中に継続的に供給し、均一に溶融させることができる。高純度の供給材料もまた、容器から取り出すことができる。

１：圧力領域、２：圧力領域、４：坩堝、６：貯蔵容器、８：搬送装置、１０：出口、１２：種結晶、１４：種結晶ホルダー、１６：駆動システム、１８：誘導コイル、２０：加熱装置、２２：下側圧力容器、２４：入口、２６：制御弁、２８：圧力測定装置、３０：接続システム、３２：上側圧力容器、３４：出口、３６：制御弁、３８：圧力測定装置、４０：制御装置、４２：高さ信号センサ／カメラ装置、４４：温度信号センサ、４６：フランジ部、４８：分離装置、５０：坩堝の円錐部分、５４：供給ライン、５６：供給ライン、５８：分配装置、６０：絞り隔膜、６２：差圧調整弁、６４：差圧測定装置、１３０：接続システム、２０１：圧力領域、２０２：圧力領域、２２６：入口制御弁、２２７：出口制御弁、２３５：入口制御弁、２３６：出口制御弁、２２８：圧力測定装置、２３８：圧力測定装置、３０３：容器、３０５：第１溶融装置、３０７：第２溶融装置

Claims (10)

1. 単結晶または多結晶構造を有する材料を生成する方法において、
   ａ）微粒子材料混合物を坩堝として構成された容器の入口に導入するステップと、
   ｂ）前記材料混合物の融液を供給するために、誘導コイルによって前記材料混合物を前記容器の溶融帯域内で加熱するステップと、
   を含み、
   前記容器は、前記材料混合物の前記融液が前記容器の出口に向かって順次確実に流れるように円錐形に設計されており、
   前記誘導コイルは、前記容器の外側に配置され、前記容器の円錐部分において基本的にリングの形態で前記容器を取り囲む役割を果たし、
   前記容器の前記溶融帯域内の前記材料混合物が前記容器の前記入口と前記出口の間の圧力差を通じて静的に支持されており、
   前記圧力差は前記融液の高さに比例しており、
   前記静的な支持が、前記容器によって分離される２つのチャンバー間で行われ、それらの間には前記圧力差が存在しており、
   前記チャンバーの各々が圧力の点で別々に調整されるか、これらのチャンバーが前記圧力差の調整によって相互に接続されることを特徴とする方法。
2. ステップｂ）の後に、
   ｃ）前記材料混合物を、種結晶と、前記容器の前記出口において、またはその付近で接触させるステップ
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記材料混合物は、前記溶融帯域内に存在する、請求項２に記載の方法。
4. 前記種結晶は、接種用結晶である、請求項２または３に記載の方法。
5. ステップｃ）の後に、
   ｄ）単結晶半導体シリコンロッドを形成するために、前記接種用結晶を前記溶融帯域から引き出すステップ
   を更に含む、請求項４に記載の方法。
6. 単結晶または多結晶構造を有する材料を生成する装置において、
   坩堝として設計されており、そこから微粒子材料混合物を導入できる入口を有する容器であって、前記材料混合物の融液が前記容器の出口に向かって順次確実に流れるように円錐形に設計されている容器と、
   前記材料混合物の融液を供給するために、前記容器の外側に配置され、前記容器の円錐部分において基本的にリングの形態で前記容器を取り囲む役割を果たす誘導コイルによって前記材料混合物を前記容器の溶融帯域内で加熱できる加熱装置と、
   前記容器の前記入口と前記出口の間に圧力差を発生させる圧力生成装置であって、この圧力差を通じて前記容器の前記溶融帯域内において前記材料混合物を静的に支持できることになるような圧力生成装置と、を備え、
   前記圧力差は前記融液の高さに比例し、前記静的な支持は前記容器によって分離される２つのチャンバー間で行われ、それらの間には前記圧力差が存在しており、前記チャンバーの各々が圧力の点で別々に調整されるか、これらのチャンバーが前記圧力差の調整によって相互に接続されることを特徴とする装置。
7. 種結晶を備え、それを通じて半導体材料の形態の前記材料混合物を、前記容器の出口において、またはその付近で接触させることができ、またそれを通じて前記半導体材料を前記溶融帯域から引き出すことができる、請求項６に記載の装置。
8. 前記材料混合物は、前記溶融帯域内において半導体材料の形態で存在する、請求項７に記載の装置。
9. 前記材料が半導体材料、化合物半導体及び／または金属合金である、請求項６に記載の装置。
10. 前記容器内の前記材料の量の測定を、前記容器内の前記材料の直径の測定を通じて行い、前記量の測定のためにカメラ装置を使用する、請求項６〜９の何れか１項に記載の装置。
    

Images