JPH0143718B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、単結晶リボンの形成技術に関するも
のであり、特にはシリコン結晶リボンの連続形成
の為の方法及び装置に関するものである。

様々の電子用途用の単結晶半導体ウエハは代表
的に、溶融シリコンの溜めから種晶をゆつくりと
上方に引上げることによりロツド即ち棒状物の形
態で成長せしめられている。こうして形成された
ロツドはその後薄いウエハにスライスされる。薄
いウエハは更にもつと小さな半導体素子に切断さ
れることもある。この方法はきわめて時間を要し
そして切断作業中に大量の材料が無駄に失われる
という事実により非常に高価につく。垂直引上げ
技術に固有の問題の幾つかを排除する為に、半導
体材料をリボンに直接形成し、それによりロツド
をウエハに切断することに関与する廃棄屑や時間
を排除することに多くの努力が払われてきた。薄
い単結晶リボンは、いつたん形成されると、所望
の模様に然るべく切り目をつけられてそして素子
用途に応じた幾つかの部片がリボンから分断され
る。

この薄いリボンは溶融材料プールから垂直上方
にダイにおけるスロツトを通して直接引上げられ
うるが、この過程はきわめて時間がかかる。もつ
と最近になつて、溶融半導体材料のプールの表面
から水平のリボンを引張る技術に向け試みが重ね
られた。この水平引張り技術は、結晶成長の一層
大きな固／液界面面積を与え、従つて垂直結晶成
長法よりも生産性が高い。しかし、水平引張り法
を使用して単結晶半導体リボンの成長にこれまで
使用された技術及び装置は、品質、厚さ及び巾の
一様性並びに操業の観点から満足すべきものでな
かつた。

従つて、本発明の目的は、連続ベースにおいて
結晶性リボンを形成する為の方法及び関連する装
置の改善を提供することである。

本発明の別の目的は、高い生産速度において一
様な寸法の高品質半導体リボンを製造する方法及
び装置を提供することにある。

本発明は、結晶性材料のリボンを連続ベースで
成長せしめる方法であつて、溶融材料のプールを
形成する段階と、プールの表面に結晶性種晶を置
く段階と、種晶をプール表面から小さい角度をな
してそしてメニスカス付着用壁の縁辺を越えて固
態結晶リボンの形成に対応する速度において引張
る段階と、巾及び厚さにおいて結晶形成の速度を
プール表面下で制御しそして安定化する段階とを
包含する結晶体リボン成長法を特徴とする。

本発明はまた、結晶性リボンの連続生産におい
て使用する為の装置をも特徴とし、この装置は、
所定量の溶融材料を収蔵するに適した比較的浅い
槽（トラフ）と、溶融材料の表面下に配置される
メニスカス付着手段とを包含し、メニスカス付着
手段は、その上縁が材料表面に近接して配置され
そしてメニスカス付着壁の縁辺を越えて小角度で
引出されるリボンの下面との間に持ち上つたメニ
スカスを形成するべく適応する。前縁安定化体
が、プールの表面下にそして固体リボンの前縁下
側に配置されて、引張り速度、成長速度、融体温
度その他の因子の変化を自動的に補償する。リボ
ン巾を制御する為にリボンの各側においてプール
表面下に側辺安定化体が設けられ、そして熱対流
を抑制する為にリボンと液体材料との界面下に遮
熱材が設置される。

本発明に従えば、溶融シリコンプールの上面に
種晶を置き、そしてプール表面における温度を凝
固を生成するよう調節することにより連続リボン
が形成される。種晶がその後、プール表面から小
さな角度で斜め上方に種晶の前縁の成長速度に相
応した速度において引出される。シリコンプール
が、固／液界面におけるリボンの前縁が安定状態
に保持されることを保証する為、浅い深さにおい
てそして比較的一定の水準に維持される。結晶成
長は、プール表面下の安定化体を越えてリボン前
縁を横切らせることによりリボン成長縁の進行速
度を自動的に増減することにより安定化される。
リボンはまた、リボン巾を制御するプール表面下
の両側部安定化体間を移動せしめられる。

ここで図面を参照すると、本発明に従つてシリ
コン融体から結晶性リボンを連続的に引出す為の
上記方法を実施する為の装置が例示されている。
この装置は、ある量のシリコン融体１２を収蔵す
る適した浅い層（トラフ）を画成するるつぼ１０
を主体として構成され、そしてこの融体表面から
結晶性シリコンのリボン１４がほぼ水平に近い方
向に引出される。このトラフは先行技術の装置に
較べて非常に浅く、結晶引上げ装置においてこれ
まで一般に使用された深いトラフに存在する対流
作用から生じる悪影響を大巾に軽減する。本発明
に従う結晶成長装置の形態は、リボンの成長領域
を多量の融体を貯蔵する溜めから分離したもので
ある。

るつぼ１０は好ましくは、溶融シリコンと反応
しない耐熱材料から作製される。この目的の為に
は、石英が満足すべき結果を与えることが見出さ
れた。例示具体例のるつぼは、矩形断面状であり
そして底壁１６と背の低い周囲側壁１８を含み、
ここに溶融シリコン１２が収蔵される。るつぼ自
体の内部には、リボン１４の適正な形成に寄与す
る幾つかの要素が設けられている。これら要素
は、直立壁（メニスカス付着手段）２０、前縁安
定化体２２、熱絶縁体２４及び一対の側辺安定化
体２６及び２８を含む。この装置に対する能動的
な要素は、底壁１６中に或いはその下側に代表的
に配置される熱源３０を含んでいる。更には、種
晶３４を把み、それをプール表面に保持し、種晶
３４及びリボン１４を結晶成長の方向とは反対の
方向に一定の速度で引出すに適した種晶ホルダ及
び引張り装置３２が含まれる。種晶引張り装置３
２は、プール表面における結晶形成速度に実質上
等しい速度においてリボン１４を水平面より上方
僅かの正の鋭角、代表的に5゜の角度において引出
すよう位置決めされている。

本発明の好ましい形態において、リボン１４は
壁２０の上縁を越えて引上げられる。壁２０は、
代表的に石英から形成されそして好ましい形態に
おいては直立した剛性の部材でありそしてその上
端は尖縁３６として形成されるか或いは第２図に
明示されるように側壁１８の上縁とほぼ同高であ
る。リボン１４がプール表面から浅い角度におい
てこの壁縁を越えて引出され、そして壁の背後に
且つリボンと溶融シリコン上方液体水準との間に
持ち上つたメニスカス３８が生成される。結晶形
成が起るリボン前縁は引張り方向とは逆の方向に
移動する。

リボンをプール表面から僅かの正の角度で引出
すことにより、或る種の有益な結果が得られる。
この有益な点は、リボンが真の水平路に沿つて引
出される場合には必要とされた、るつぼを僅かの
溢れ状態に満す必要性が除かれることである。融
体の溢流なくるつぼからリボンを水平に引出すこ
とを可とする水準に融体を維持することはきわめ
て困難であることが見出されていた。これと併せ
て、るつぼの縁にリボンが凝結する問題も存在し
た。リボンを僅かに上向きに引張ることにより、
これら問題は克服される。結晶が生じる前縁は弧
状をなし、ここで生成結晶は融体表面とつながつ
ている（第３及び第５図）。前縁の形状はその直
下のそしてその前方の温度分布状況によつて決定
されそしてこの温度分布は安定化体により導入さ
れる温度勾配により決定される。結晶の前縁にお
けるこの彎曲形状は、一層高品質のリボンの生成
に寄与する。その理由は、結晶形成中に発現しう
る僅かの不完全さ（欠陥）が、成長縁が真直ぐで
あるならリボン成長につれリボン長さに沿つてそ
のまま真直ぐ伸長していくのとは違つて、リボン
側縁に向つて成長するからである。例えば、第５
図において、結晶成晶欠陥が４０で示されそして
この欠陥は、リボン１４の成長が点線の進行縁に
より表わされるように生ずるにつれリボンの一側
辺に向け４２で示される進路にほぼ沿つて移行す
る。斯くして、起りうる僅かの欠陥はリボンに対
して最小限の影響しか与えずそして自己修正作用
を有する。

リボン１４は、第４図に示されるように、断面
において、平担な下面とほぼ平担ではあるが両縁
において僅かに丸みのついた上面を有する。一般
に、リボンの厚さは、部分的には、リボンがどの
位の時間融体と接触しているかそしてどの位の速
さで下方に成長していくかに依存する。

本発明に従えばそして第１２図に明示されるよ
うに、トラフ１０がリボン１４を形成する融体の
非常に浅い深さに維持されるように、融体の大半
は溜め４２内に格納することによつて結晶成長領
域とは分離される。

様々の融体補給設備が本発明と併用されうる。
第１２図はその一例を示すが、他の設備も利用し
うる。第１２図において、トラフ１０はハウジン
グ４４上に設置される。ハウジング４４は好まし
くは石英製の外側箱４６から成る。外側箱内に納
められるるつぼ４８はトラフ１０に溶融シリコン
を補給する為のその溜め４２として働く。箱４６
はその上面を横切つて位置決め用板５２を含み、
そして板５２は箱により画成される圧力室に対す
る圧力シールを提供しそして圧力室とトラフ１０
との間を繋ぐ給送管５４を支持する役割を為す。
給送管５４の下端は、融体５０の表面下に伸びそ
してるつぼ４８の底面上方に終端している。給送
管の上端は曲げられてトラフ１０の上端を横切つ
て伸びて、溜め４２からトラフ１０へ溶融シリコ
ンを送出する出口を形成する。箱内のるつぼ室
は、支持管５６と箱の内壁に沿つて伸びそして支
持管５６と連通する通路６０と整列するスロツト
５８を通して送給される圧力下のガスにより加圧
されうる。補助加熱器６２が供給溶融シリコンの
溶融状態を維持する為給送管５４上端に近接して
設けられうるし、また輻射遮蔽体６４が図示のよ
うに加熱器６２の上方に設置されうる。

リボンを成長せしめるのに浅いトラフを使用す
ることは、深いるつぼに固有の作業不安定化特性
の或る種の因子を排除する。特に、溶融シリコン
の深いプールにおいて存在する対流が排除される
ことは有益である。

リボンの中央部の輪郭は僅かに彎曲しており、
そしてこれは、シリコン厚さの増大が融解熱の放
散速度における僅かの減少をもたらすから、自然
に起る。これは、固体表面を覆つて可変的な熱シ
ンク（熱逃し）を配置することにより或いはシリ
コン融体への熱供給を変えることにより制御され
うる。

本発明の望ましい具体例は、リボンの前縁と最
大リボン厚が得られる地点との間の距離を最大限
にせんとするものである。これは、固／液界面の
表面積を最大限にするという効果を有し、成長速
度の最大限化及び（或いは）凝固シリコン材料が
通過せねばならない温度勾配の最小限化をもたら
す。後者は塑性流れ範囲において応力の減少をも
たらしその結果としてリボン材料の品質の改善を
与える。

所望される大きな固／液界面を得る為に要求さ
れる本装置系に対しての考慮事項に加えて、ある
種の望ましい操作特性により決定される他の条件
も存在する。その一つは複合的な縁辺管理であ
る。これは２段階で達成される。第１に、対流熱
伝達の問題は浅いトラフにおいて凝固を行わしめ
ることより制限される。第２に、所定の熱勾配を
維持する２つの技術が示されている。第１の場合
においては、第６及び第７図に示されるように、
側部加熱器６６が凝固中のリボン縁に完全に可変
的な熱投入を与える。第８〜１０図に示される第
２の技術において、トラフの床は結晶化が起る帯
域下で厚くされており、傾斜路６８を定義してい
る。底部加熱器７０がトラフ床に一様に熱を供給
し、そして床厚の変化により成長領域はもつと高
温の帯域により取囲まれて、これによりリボン巾
が制限される。縁辺部において熱遮蔽体を付加す
ることもこの効果を助成しうる。

操作上、本装置は大巾な簡易化を提供する。全
トラフ温度が凝固速度由り減少されるから、成長
速度を増大して巾を僅かに増大しうる。必要なら
加熱器を更に付加することもできよう。

装置の第２の特徴は、成長中のリボンが装置に
凝着することを防止することと関係する。本装置
においては、凝固帯域はリボンの巾の管理に寄与
する小さな高温帯域により取囲まれている。リボ
ンが上方を越えて引出される壁の縁辺はほとんど
液体シリコンにより覆われている。温度は、この
地点において、生成シリコンリボンの継続的な凝
固よりむしろごく僅かの量のトラフへの融け戻し
を与えるよう調節されるべきである。実際上、適
正な熱的な独立制御域を与える為に底部加熱器は
２つの別個に制御される要素とされうる。これに
より、トラフ底は所望の温度分布様相を適正に提
供しうる。但し、一つだけでも充分に実施しう
る。凝着が起つた場合でも、スクレーパは高温液
体領域により取囲まれており、凝着状態後の融解
に際してシリコンの溢出の可能性を排除するよう
容易な融け戻しを与える。

操作において、トラフ１０が溶融シリコン１２
で充満された後、温度がシリコン固態領域（以下
島と呼ぶ）の形成が始るまで降下される。以降の
操作の為の加熱器及び熱遮蔽体の調節はこの島の
形状に基礎を置く。その後、融体の温度が島が丁
度融けるまで注意深く昇温される。その後、シリ
コン種晶３４が島が形成された領域において融体
に接触するよう挿入される。リボンの縁が壁２０
から離れて成長するにつれ、リボン１４が壁を越
えて引張られる。引張り装置３２の引張り速度
は、トラフ温度が減少されるにつれ増大され、結
晶の成長縁を最初の島が出現した領域に維持す
る。結晶成長をこの領域を越えて拡大せしめるこ
とは、高温保護帯域が凝固温度に近づきつつある
ことを示しそしてトラフ温度が僅かに昇温される
べきことを示す。

安定化体２２は、壁２０の後方に位置づけられ
そして底壁１６から垂直上方にトラフを横断して
伸延している。安定化体２２の上面は前面から背
面へと下方に傾斜され、そしてその上縁辺は融体
表面より僅か下にそしてリボンが融体表面と出会
うリボン前縁の下側に位置づけられている。もつ
と複雑な輪郭もまた使用されうる。安定化体の作
用は、リボンがプールから引出されるにつれリボ
ンの引張り速度の僅かの変動を補償することであ
る。定常引張り状態及び安定温度条件において
は、問題は全く生じない。しかし、もし引張り速
度Ｓが△Ｓ増大するなら、リボンの前縁は前方に
即ち第１１図で見て右方に距離△Ｘ移動するの
で、△Ｔは△T₁から△T₂まで減少し、これは前
縁の成長速度を△Ｓだけ増加するに充分のもので
ある。このように、安定化体は、引張り速度、成
長速度、融体温度、発散熱等の変動に応答する。
リボンの前進速度はＳ＝f1（１／△Ｔ）に等しく、
ここで△Ｔ＝f2（△Ｘ）であり、従つてＳ＝f1（f2
（△Ｘ））である。

斯くして、リボン前縁はある範囲の引張り速度
び温度内で安定して維持される。同様に、側部安
定化体２６及び２８の使用をもつて、リボン巾は
実質上安定に保持される。安定な前縁範囲内で、
引張速度は生産性に加えてリボンの厚さのみを管
理すればよい。

本発明を例示の具体例ついて説明したが、本発
明の範囲内で多くの改変が為しうる。例えば、本
発明は主に結晶性シリコンンリボンの形成と関連
して記載されたが、本発明は融体から直接調製さ
れる他の様々の結晶物質のリボン形成においても
有益に使用されうる。そのような物質は、電導性
でも、非電導性でもまた半導性でもよくそして
様々の異つた用途を持つ。例えば、サフアイア窓
がこの方法で形成しうるしまたバブルメモリ材料
即ちガドリウム、ガリウム及びガーネツトがリボ
ン形態で作製しうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う結晶リボン成長装置の正
面から見た部分断面図であり、第２図はその一部
の拡大詳細図であり、第３図は第２図の上面図で
あり、第４図は第３図の４−４線に沿うリボン断
面図であり、第５図は本発明に従つて作製される
リボンの成長特性を示すリボン上面図であり、第
６図は本明の改変例の上面図であり、第７図は第
６図７−７線に沿う断面図であり、第８図は本発
明の別の改変例の上面図であり、第９図は第８図
の９−９線に沿う断面図であり、第１０図は第８
図の具体例の一部の斜視図であり、第１１図は第
１図の一部の拡大図であり、そして第１２図は本
発明の別の改変例を示す正面から部分断面図であ
る。 １０：るつぼ、１２：融体、１４：リボン、２
０：メニスカス付着手段、２２：前縁安定化体、
２４：熱絶縁体、２６，２８：側辺安定化体、３
０：熱源、３４：種晶、３２：種晶ホルダ及び引
張り装置、３８：メニスカス、４４：ハウジン
グ、４６：外側箱、４８：るつぼ、５４：給送
管。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 融体から結晶性リボンを形成する方法であつ
   て、 (a) るつぼ内で融体を加熱する段階と、 (b) 融体表面上に結晶性種晶を置く段階と、 (c) リボンを形成するべく種晶の自由縁において
   融体の凝固を可能ならしめるよう融体の温度を
   制御し、同時に種晶を融体からリボンの長手方
   向成長と相応する速度で融体表面に対して上方
   に鋭角で引出す段階と、 (d) リボンが融体表面を離れるに際してリボンの
   下面から融体により形成されるメニスカスに対
   する別個の付着場を提供して、融体のこぼれ及
   び凝固を減ずる段階と、 (e) 融体表面からのリボンの成長端を、上方前方
   部分を上方後方部分より融体表面に近づけて具
   備する安定化体上方で引張ることによりリボン
   の移動速度の変化に対してリボン成長速度を調
   節する段階と を包含する結晶性リボン形成方法。 ２ リボンを引出す融体が比較的浅いプールとし
   て形成される特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ リボンの巾を制御する為リボンの両側縁下側
   の融体中で融体温度が選択的に制御される特許請
   求の範囲第１項記載の方法。 ４ るつぼ内に実質上一定の融体水準を維持する
   為るつぼに融体が補給される特許請求の範囲第１
   項記載の方法。 ５ 融体がシリコンである特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ６ リボンの成長端がリボン成長の他の部分から
   別個に形状及び速度に関して制御される特許請求
   の範囲第１項記載の方法。 ７ 融体から結晶性リボンを形成する為の装置で
   あつて、 (a) 所定量の融体を収蔵する比較的浅いるつぼ
   と、 (b) 融体の温度を制御する為前記るつぼと関連し
   て設けられる加熱手段と、 (c) 種晶を融体表面から融体表面に対して上方に
   鋭角でリボンとしてリボンの端における融体の
   凝固速度と相応する長手方向速度において引出
   す為、前記るつぼと関連して設置される種晶ホ
   ルダ及び引張り装置と、 (d) 融体により形成されるメニスカスを付着せし
   める為の安定した下方縁を与えるよう融体表面
   とリボン下縁との間でるつぼに設けられるメニ
   スカス付着手段と、 (e) 前記引張り装置の速度に応じてリボン成長速
   度を選択的に増減する為リボンの凝固端下方で
   前記るつぼに設けられる成長縁安定化手段と を包含する結晶性リボン形成装置。 ８ 安定化手段が、るつぼの底面に取付けられる
   直立部材を含み、そして該直立部材にその上端前
   方部分の方が後方部分より融体表面に近く配置さ
   れているような形状の上面が形成してあるような
   特許請求の範囲第７項記載の装置。 ９ リボンの巾を制御する為リボン縁辺の下側の
   るつぼ内に側辺安定化手段が配置されている特許
   請求の範囲第７項記載の装置。 １０ メニスカス付着手段がメニスカス付着の安
   定した場を与える為リボン行路下側を横断して伸
   延する水平の真直ぐな縁において終端する直立部
   材である特許請求の範囲第７項記載の装置。