JPH06168898A

JPH06168898A - シリコンの再成長を伴うシリコンウェハーのスピン鋳造

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Publication number: JPH06168898A
Application number: JP3884492A
Authority: JP
Inventors: Franz T Geyling; ティー．ゲイリングフランツ
Original assignee: Sematech Inc
Current assignee: Sematech Inc
Priority date: 1991-01-08
Filing date: 1992-01-07
Publication date: 1994-06-14
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: DE4200283C2; DE4200283A1; JP2625310B2

Abstract

(57)【要約】【目的】単一のシリコンウェハーを鋳造する装置及び
方法を提供する。【構成】スロット付開口を有する石英ドラム１１は粒
状又は粉末状のシリコンの測定された量をるつぼ１２中
へ注入する。ヒーター１３が次に固体シリコンを溶融
し、溶融シリコンをるつぼ中に提供する。制御されたガ
ス圧力を利用して溶融シリコンをるつぼからウェハーチ
ャック４０上へ注入し、単一のシリコンウェハーを鋳造
する。その中心に配置された単結晶のシリコン種４４を
有する鋳造ウェハーはチャックの隆起した部分の頂上に
静止し且つ中心及び周辺において真空によって所定の位
置に保持される。ウェハーの下側の残りの部分は加圧さ
れた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シリコンを種から外方へ溶
融するように使用され、ウェハーを単結晶形態に成長さ
せる。

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の分野に
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】この半導体集積回路は要素シリコンに主
に基づいている。シリコン基装置は製造される半導体装
置のかなり多くのパーセンテージを占める。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含まれるよ
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。精細に制御された方法によって、軸はゆっくり上昇
される。軸がるつぼから上昇された時、液状多シリコン
は軸に付着し、るつぼから上方へ引張られる。液状シリ
コンが冷却し且つ硬化すると、該方法はるつぼから上方
及び外方へ引張られたシリコンの結晶化を提供する。単
結晶シリコン種の存在のため、シリコン材料がるつぼか
ら引張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形
成されて多数の所与の直径のシリコンウェハーを提供す
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、それは回分法である。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、かなり多くの加工時間が制御された雰囲気
中でるつぼから上方及び外方へ引張られる軸上へ結晶を
成長させるために必要とされる。典型的な加工時間は、
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加工時間を追加
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
れる結果を生じる。

【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
上で中心に定在する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
ーは単結晶の構造を種から再成長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
る円筒状の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のスロット付開口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
小出しされるのを許す。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】形成される時、石英ドラム小出し装置１１
はるつぼ１２の上方フランジ付開口２０上へ位置決めさ
れる。減少された摩擦のライニング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
上にとまり嵌めするように配置される。ドラム１１は圧
力しまり嵌合が小出し装置１１とるつぼ１２との間に維
持されるようにるつぼ１２に対して緊密に位置決めされ
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減少された摩擦の表面を提供す
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提供するために容易に適合され得
ることは注目されるべきである。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、溶融シ
リコンが、るつぼ１２から注出するために利用できる
時、鋳造ノズル２２はチャック３０の中心３３の上に配
置される。チャック３０は注出順序がシリコンウェハー
を鋳造することを開始する時に回転される。レベル２６
より上の圧力がるつぼ１２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３３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さ
れ得ることは注目されるべきである。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３０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の使用は従来技術でよく知
られており且つチャック３０を冷却するための好適なア
プローチを提供する。Ｔ_１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、単結晶のシリコン種４
４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内の圧力真空は種４２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４２の外方縁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、中心の単結晶シリコン種を有するス
ピン鋳造された多シリコンウェハー５０が再成長ウェハ
ーチャック５１の頂上に配置されて図示されている。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利用されることは理
解されるべきである。チャック５１は基本的にはチャッ
ク４０と同様な形状及び配置を有するが、その目的に関
しては完全に異なるチャックである。チャック５１は石
英から作られるが、ステンレス鋼のような他の材料が容
易に使用されることができた。更に、チャック５１はそ
の上方表面において平坦ではない。チャック５１の中心
５３並びにチャック５１の周辺５４はチャック５１の残
りの上方表面５６よりも僅かに高く隆起している。図５
の真空ライン４１と同等である真空ライン５２は中心の
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。真空ライン５２は多数の開口を周辺５４に
おいて周辺予圧室の方へ延ばしている。

【００３７】シリコンウェハー５０はチャック５１上に
配置され、種４４は中心隆起部分５３及び真空管５２の
その真空開口の上に横たわる。シリコンウェハー５０の
縁は隆起した周辺部分５４上へ配置され且つ周辺におい
て真空開口の上に横たわる。このため、真空が加えられ
ると、これはウェハーをチャック５１上でその中心及び
その周辺において保持するようにする。ウェハーがチャ
ック５１上に配置されると、ウェハーのほぼ大部分はチ
ャック５１の隆起部分５６の上に横たわる。複数個の開
口５７が凹んだ表面５６に沿って設けられ、該開口５７
は不活性ガスをウェハー５０の下にある空間５８中ヘ噴
射するためにある。

【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は種区域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６
２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３，８６５，５
６４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、区域溶融、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、それらは連続区域精錬を教示し
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
コン膜の区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】単一のシリコンウェハーを鋳造するために単結
晶シリコン種と共に用いる本発明の真空チャックを示す
図。

【図５】ウェハー製造室中で利用される時の図１の装置
及び図４のウェハーチャックを示す断面線図。

【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４１中心管４４単結晶シリコン種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５６チャックの上方表面５８チャックの凹んだ部分６０種区域６２環状レーザビーム

Claims

【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、シリコン粒状体を貯蔵し且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ために前記るつぼ
に結合された小出し装置と、前記るつぼ中の前記シリコン粒状体を溶融して前記溶融
シリコンを形成するために前記るつぼに熱エネルギを与
えるために前記るつぼに結合されたヒーターとを含み、前記るつぼは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ための注出開
口を有す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
取付け且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、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】前記るつぼ及び小出し装置が、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且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、且つ
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】前記るつぼ及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
融シリコンを板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板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】その中心に定在する単結晶シリコン種
を有するシリコンウェハーの結晶形態を再成長させる装
置であって、前記シリコンウェハーをその上に持続させることによっ
て前記シリコンウェハーを支持するチャックと、前記ウェハーを前記チャック上で物理的に保持する装置
と、単結晶の形態を前記種から前記ウェハーの他の部分へ成
長させるために前記ウェハーを前記種から外方へ加熱す
るためにエネルギビームを発生する装置とを含むシリコ
ンウェハーの結晶形態を再成長させる装置。
【請求項１７】前記ウェハーを保持する前記装置は前
記ウェハーを前記チャック上に保持するために真空を利
用する請求項１６に記載されたシリコンウェハーの結晶
形態を再成長させる装置。
【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結晶形
態を再成長させる装置。
【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結
晶形態を再成長させる装置。
【請求項２０】その中心に定在する単結晶シリコン種
を有するシリコンウェハーの結晶形態を再成長させる装
置であって、単結晶形態を前記種から前記ウェハーの他
の部分へ成長させるためにビーム状エネルギ源が前記ウ
ェハーを前記種から外方へ加熱するために使用される装
置において、前記シリコンウェハーをその上に持続させることによっ
て前記シリコンウェハーを支持するチャックであって、
前記ウェハーが隆起した表面上に持続されるようにその
上方表面より上に隆起したその中心及び周辺を有するチ
ャックと、前記チャック内に配置され、前記ウェハーを前記隆起し
た表面上に保持するために前記チャック中で前記隆起し
た表面にある開口へ結合された真空ラインと、前記チャックがガスを前記ウェハーの下側へ噴射し、前
記上方表面と物理的に接触させない複数個の開口を有
し、前記ウェハーの部分が溶融された時に前記ガスが支
持を提供することとからなるシリコンウェハーの結晶形
態を再成長させる装置。
【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結晶形態を再
成長させる装置。
【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結晶形態を
再成長させる装置。
【請求項２３】その中心に定在する単結晶シリコン種
を有する形成されたシリコンウェハーを再成長させる方
法であって、前記種の単結晶形態を前記ウェハーの他の
部分へ伸ばすためにビーム状エネルギ源が前記ウェハー
を前記種から外方へ加熱するために使用される方法にお
いて、前記ウェハーをチャック上に配置すること、前記ウェハーを前記チャック上に保持するために真空を
適用すること、前記ウェハーを前記単結晶形態に成長させるために前記
エネルギビームの作用を受けさせることからなるシリコ
ンウェハーの再成長方法。
【請求項２４】前記ウェハーが前記ビームの作用を受
ける前に前記ウェハーの部分を前記チャックの表面から
絶縁するために前記ウェハーの下側がガスの作用を受け
る段階を更に含む請求項２３に記載されたシリコンウェ
ハーの再成長方法。