JPH0769775A - 粒状物質から製造された融解物の結晶化により凝固時に膨張する半導体材料からの棒またはインゴットの製造方法ならびにその実施装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 多方面に適用可能であり、かつ有利なエネル
ギーバランスで、ゲルマニウムまたは特にシリコンのよ
うな半導体材料において単結晶棒の製造も多結晶インゴ
ットの製造も許容し、超高純度の要求にも適しており、
かつ特に単結晶製造の際に、溶融ルツボの使用に頼らな
くても粒状物質形態の材料の使用を可能にする方法を提
示する。 【構成】 半導体材料の固相を覆う材料溶融相（１３、
２４）が、前記固相に対向する自由表面２３を有し該固
相を覆う半導体材料の溶融相を作り、前記自由表面２３
の中に結晶化工程の際にエネルギーが照射され、かつ浮
遊および溶融される材料が粒状物質形態で供給されるこ
とにより、対向する固／液の界面において、成長速度に
従って下方に引き下げられる固相の上に材料が成長す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、粒状物質(granular ma
terial) から製造された融解物の結晶化により凝固時に
膨張する半導体材料からの棒またはインゴットの製造方
法ならびにその実施装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンから成る単結晶または多結晶の
棒またはインゴットは、通常、チョクラルスキー法によ
るルツボ引き上げ、無ルツボ帯域引上げ法、または鋳造
工程により製造されており、前述の製造方法において、
シリコン融解物は石英またはグラファイトから成る鋳型
の中に鋳流され、かつその鋳型で配向性の凝固に従わさ
れる。その際、帯域引上げ法の場合には、細心の注意を
払って制御された条件下で慎重な気相析出により製造さ
れた多結晶貯蔵棒が必要である。ルツボ引上げ法または
鋳造工程においては、前述帯域引上げ法に比べてたしか
に少ないコストで析出された塊状の多結晶シリコンを原
材料として使用することができるが、しかし使用される
ルツボまたは鋳型は、不純物および追加コストが生ずる
原因となる可能性がある。同様の問題は、溶融シリコン
が、異なる材料から成る容器壁と長時間接触するため
に、ドイツ特許公開第２９２５６７９号公報もしくはそ
の米国対応特許第４，３１２，７００号公報による方法
の場合においても発生しており、前記方法においては、
独立の溶融ルツボの中で製造されたシリコン融解物は、
結晶化される材料が下方に引き下げられる溶融池を保持
する結晶化チャンバの中に案内されるものである。同様
のことは、ドイツ特許公開第３５３１６１０号公報によ
る方法に対しても当てはまり、この方法においては、シ
リコンに対して不活性の材料から仕上げられたローラに
よって溶融池が取り囲まれており、その際、溶融シリコ
ンは該溶融シリコンの自由表面の中に鋳流され、一方、
固化材料は前述の方法と同じように下方に引き下げられ
る。上述の鋳造方法が基本的に太陽電池の基礎材料の製
造のために使用されるのに対し、ルツボ引上げ法または
帯域引上げ法によって得られた棒は、通常、ウェハに切
断され、ほとんどの場合、前記ウェハからエレクトロニ
クス素子またはパワーエレクトロニクス素子が製造され
る。その際、個々の方法の適用範囲は制限されている。
すなわち、たとえば鋳造工程またはルツボ引上げ工程で
は、たとえば不純物の種類と成分からして帯域引上げ法
による材料に相当する材料はまったく製造することがで
きない。さらに、ほとんどの方法のエネルギーバランス
は不利である。すなわち、一方で多大なエネルギーコス
トを費やして比較的多量の融解物を準備する必要がある
のに対し、結晶化の後では冷却により同じく多量のエネ
ルギーが再び除去されなければならない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
課題は、多方面に適用可能であり、かつ有利なエネルギ
ーバランスで、ゲルマニウムまたは特にシリコンのよう
な半導体材料において単結晶棒の製造も多結晶インゴッ
トの製造も許容し、超高純度の要求にも適しており、か
つ特に単結晶製造の際に、溶融ルツボの使用に頼らなく
ても粒状物質形態の材料の使用を可能にする方法を提示
することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この課題は、半導体材料
の固相に対向する自由表面を有し該固相を覆う半導体材
料の溶融相を作り、結晶化工程において前記溶融相を保
持するために融解物の自由表面の中にエネルギーを供給
し、かつ粒状物質を連続的にまたは周期的に装入し、こ
れにより、対向融解物表面において材料が固体半導体相
の上で成長させられることを特徴とする方法により解決
される。

【０００５】

【実施例】半導体材料、特にシリコンの溶融相の生成お
よび保持のために必要なエネルギーは、実用上、照射エ
ネルギーの形態で供給される。前記方式のエネルギー供
給は半導体技術において通例の純度要求を問題なく満た
させ、かつそれと同時に作用範囲と照射エネルギー量が
容易に制御および可変し得るので、前記目的に対し電子
ビーム照射が特に好んで使用される。その際、溶融シリ
コン相の全自由表面に十分なエネルギーの供給を確保す
るために、溶融すべき範囲または融液に保持すべき範囲
に対して１つまたはそれ以上の照射源を作用させること
ができる。多くの場合、１つまたはそれ以上の電子ビー
ム照射による被照射面の走査が好ましいことが実証され
ており、その際、前記電子ビームのそれぞれの照射は、
前記被照射面より小さい部分面に作用するものである。
原則として、たとえばレーザ照射源または水銀ランプの
ような高エネルギー密度の光源を利用して被照射面に向
けられる光線などのようなその他の電磁放射の使用も考
慮することが可能であり、その際、場合により適切なリ
フレクタを利用した走査または焦点合せにより、面の均
一な照射を保証することができる。もう１つ別の実施形
態は、溶融相を保持するためのエネルギーを誘導加熱コ
イルを使用して供給することを考慮している。適切な誘
導加熱コイルは、たとえば帯域引上げ法の結晶製造から
知られている。

【０００６】この方法は、基本的に、凝固時に体積膨張
の現象を示すすべての半導体材料、すなわち固体状態で
は融液状態よりも小さい密度を有するすべての半導体材
料の結晶化に適している。これは、基本的には、目下の
ところエレクトロニクスと太陽電池技術分野において最
も重要な、凝固時の体積膨張率が約１０％になる半導体
材料としてのゲルマニウムおよび特にシリコンの元素半
導体である。簡略化する理由から、以下の説明ではシリ
コンにのみ関係させるが、ただしこの説明は同様の意味
においてゲルマニウムまたは凝固時に膨張するその他の
材料、特に半導体材料に適用することができる。

【０００７】この方法は、固体シリコン相を覆い、かつ
前記固体シリコン相の界面の固相に対向する自由表面を
有する溶融シリコン相が、最初の段階で生成されること
により開始される。これは、たとえば、対象とする断面
および対象とする結晶構造を有する、たとえば円形、長
方形、または正方形の単結晶または多結晶のシリコン結
晶が、同時に種結晶として作用することができ、溶融さ
れない残留結晶を覆う考慮されている高さの溶融池が生
じるまで、該シリコン結晶正面から溶融されることによ
って行うことができる。その際、前記溶融池の外側周辺
は、場合によって支持素子または成形素子により安定化
させることができる。もう１つ別の可能性は、たとえば
シリコンから成る円板状または平板状の薄板が考慮さ
れ、溶融されない固体シリコンから成るリングによって
側面を取り囲む溶融レンズが生ずる仕方で徐々に前記薄
板が溶融されるものである。前記レンズ状の溶融池の直
径は、被照射面を変化させることにより影響を与えるこ
とができ、たとえば狭くまたは広くすることができ、か
つ最終的にそこから得られた結晶断面を決定する。照射
エネルギーを吸収する自由表面に対向する溶融レンズの
表面は、たとえば、種結晶または支持結晶の装入に適し
ており、前記表面によって種結晶または支持結晶を安定
化させ、かつ結晶化を開始することができる。溶融池を
製造するためのもう１つ別の可能性は、場合によっては
適切なへこみまたはくぼみを備えた、たとえば平板状、
円板状またはブロック状の基礎結晶を、該基礎結晶の照
射源に向けられた面を粒状物質でコーティングし、かつ
この粒状物質を溶融することであり、その際、生成溶融
池の側面を取り囲む塊状シリコンから成るホルダも実用
上さらに備えることができる。また、粒状物質は完全に
溶融することができない。すなわち、特に単結晶生成物
が製造されるものではないときには、基礎結晶と本来の
溶融池との間に焼結粒状物質の中間層を製造することが
可能である。この場合には、前記中間層は、シリコンか
ら成る基礎結晶を準備することなく、実用上、冷却可能
かつ、たとえば金属またはセラミックス材料から構成さ
れる基板に直接取り付けることができる。

【０００８】この方法において装入される粒状物質は、
実用上、粒子径が０．１ないし１０ｍｍ、好ましくは１
ないし６ｍｍのものが使用され、その際、このデータ
は、その都度、選定された下限に相当するメッシュ幅を
有するふるいが、選定された上限に相当するメッシュ幅
ではもはや完全に通過されないものと理解することがで
きる。比較的小さな粒度をもつ粒状物質の場合、経験的
にレセプタクルの中で渦巻く危険があり、一方、比較的
大きい粒子は、事情によっては、溶融池の中で浸漬深さ
があまりに大きくなり、かつ結晶化正面を乱す可能性が
ある。適切な粒子サイズの分溜は、通常の分類方法によ
り、提供されている公知のシリコン粒状物質から、たと
えばふるいを利用して、前記シリコン粒状物質以外の粒
度範囲のものを分離することができる。その際、たとえ
ば０．１ｍｍのメッシュ幅をもつふるいを利用して微細
粒子分溜と、１０ｍｍのメッシュ幅をもつふるいを利用
して粗粒子分溜を分離することができ、この結果、最終
的に、前記下限および上限内で変化できる粒状物質分溜
が残ることになる。ところがこれに対して、特に単結晶
を成長させる場合または工程が広範囲に自動化されてい
る場合、より狭い限界、好ましくは１と６ｍｍの間が選
定される。というのも、このようにするとチャージされ
た粒状物質の均一な溶融挙動が見込まれるからである。
粗粒子の粒状物質は、表面が比較的小さいために、前記
粒子を取り囲む酸化膜を通して該粒状物質がシステムの
中に酸素をわずかしか持ち込まないという長所ももって
いる。粒状物質は、たとえば加熱担体物体に析出された
多結晶シリコンの機械的粉砕により製造することができ
る。同様に、材料は、流動床析出工程により製造され、
かつ典型的にほぼ球形を有する粒状物質形態が適してい
る。

【０００９】この方法の第１段階は、溶融池が望みの幅
と深さに達し、かつ融液相と固相との間の相境界が、該
相境界の位置で安定化したときに終了する。融解物と結
晶との間の熱力学的平衡に相当する上述の状態を理想的
に保持するためには、他方でたとえば照射損失などによ
り自由溶融表面からエネルギーが取り出される範囲で、
前記自由溶融表面を介して融解物にエネルギーを供給す
ることで十分である。したがって実際上、融解物内で
は、照射エネルギーを吸収する比較的高温の自由表面
と、シリコンの溶融温度の温度に相当する比較的低温の
固体／融液の対向する相境界面との間に温度落差が存在
する。粒状物質の密度が比較的小さいために表面に浮遊
しながら残る該粒状物質が、融液相の自由表面を介して
追加補給されながら平衡状態が妨げられるとき、まず最
初にこれが融解物の中で温度特性の変化を引き起こし、
その結果として、固相に対向する相境界において、融解
物から成る材料の晶出が始まる。すなわち、固相が前に
押し出され、かつ融液相で覆われた結晶が成長すること
になる。粒状物質が溶融状態において移行するに従っ
て、対向する相境界において結晶化工程が進行する。こ
の成長は、粒状物質がすべて溶融し、かつ融液相と覆わ
れた固相との間に新たな平衡状態が達成されたときに終
了する。

【００１０】したがって本来の結晶製造工程は、第１の
工程段階で製造された溶融相の自由表面の中にシリコン
粒状物質が装入される仕方で開始および継続することが
できる。この粒状物質の補給は、連続的にまたは周期的
に行うことができ、その際、均一な結晶化速度と、そこ
から生ずる一定の引上げ速度もしくは下降速度の理由か
ら、連続的な補給が優先される。その際、粒状物質は、
たとえばふるい機または振動コンベヤもしくは回転コン
ベヤのような公知の供給装置および配量装置を利用して
装入することができる。その都度守られる補給率は、目
的に応じて計算で見積もられ、および／または前実験で
算出され、その際、補給される自由表面のサイズのほか
に、主として自由表面に対向する固体シリコン相への移
行範囲の中で可能な成長速度もしくは結晶化速度のよう
な融解物の中に存在するエネルギー量も考慮される。溶
融相が、誘導加熱コイルを利用して保持される場合、粒
状物質は、好ましくは誘導加熱コイルの環状開口部また
は、誘導加熱コイルと溶融相の表面との間のギャップを
通して装入される。

【００１１】シリコン融解物の十分な高さと十分な熱容
量を保証するために、実用上、融解物の温度は自由表面
の範囲において最高約２００℃まで、好ましくは５０な
いし１５０℃だけシリコンの溶融温度（約１４２０℃）
を越える値に維持される。これと同時に自由溶融表面の
過熱は、再装入された粒状物質粒子が望みの速度で溶融
されることを保証する。これによって、他方で欠陥の少
ないまたは無欠陥の棒またはインゴットの成長のために
まだ許容される結晶化速度よりも大きい溶融速度を達成
するために、溶融相のエネルギー含量を十分にすること
を保証することができる。これは、たとえば融解物の体
積が、その都度、不溶融状態で融解物の中に浮遊する再
装入された粒状物質粒子の体積よりも明らかに大きく維
持されるように互いに調整される工程パラメータにより
支援することができる。場合により、粒状物質は予熱さ
れた状態でも使用することができる。

【００１２】自由表面の溶融温度は、ルツボ引上げ法ま
たは帯域引上げ法からも知られている温度測定装置を利
用して監視することができる。適切な前述の装置例とし
て、高温計を挙げておくことにする。

【００１３】溶融相の自由表面への粒状物質の添加と該
粒状物質を徐々に溶融することにより、液体／固体の対
向する相境界で固相の成長が始まり、これによって前記
固相は、成長速度に対応しつつ融解物の方向に進行す
る。ここで原則として、場合により回転されている棒ま
たはインゴットを、一定の位置に放置しておく可能性が
あり、この結果、前記固相の成長に基づいて溶融相がま
すます上に移行することになる。上記工程のヴァリエー
ションは、照射源と装入装置が融解物の前述の移行運動
に連結され、かつそれと同時に成長する結晶に対応しつ
つ上に移動することが前提にされる。ところが、このよ
うな方法には装置的なコストがかかる。したがって、別
の方法を導入することが好ましく、その方法において
は、照射源、装入装置および溶融相が基本的に固定され
た位置にとどまり、一方、基本的にシリコンの成長速度
に対応する速度で固相が下げられるものである。この速
度は、それぞれ目標としている生成物の種類に応じて変
化させることができる。すなわち、たとえば、太陽電池
のための基礎材料として利用される多結晶シリコンから
成るインゴットは、エレクトロニクス構造素子製造用の
ウェハを製造するための単結晶棒よりも速い成長速度で
製造することができる。典型的な成長速度と、これに伴
う下降速度は、多結晶材料の場合、毎分０．５ないし５
ｍｍの範囲にあり、一方、単結晶材料の場合、通常、毎
分０．２ないし３ｍｍの値を達成することができる。次
いで、それぞれ具体的な場合において調整された下降速
度と、固体形状で溶融相から移動した前記下降速度から
生ずるシリコン量から、たとえば、その都度装入されな
ければならない必要粒状物質量も算出することができ
る。またこれと逆に、装入可能の粒状物質量が限定因子
を表す場合でも、下降速度はこれに対応させて適合させ
ることができる。

【００１４】場合により回転させることもでき、かつ成
長シリコン棒またはシリコンインゴットの保持と目標を
定めた垂直運動を許容する下降可能の基板が知られてお
り、これは、たとえば冒頭に挙げた特許文献の中に説明
されている。たとえば、引上げ軸に接続され、かつ場合
により冷却可能のプレートが適切であって、前記プレー
ト上に、前置きされ、かつ、たとえば溶融相のための基
板として利用されるシリコンが載っており、このシリコ
ンから成長工程が進行する。たとえば、小さな種結晶が
比較的大きい直径を有する成長結晶のための周囲支持装
置を備えた保持器の中に固定されている、無ルツボ帯域
引上げ法から知られている棒保持装置および棒支持装置
または緊締具の方式におけるホルダも、使用することが
できる。

【００１５】この方法は、通常の場合、適切な作業環境
の調整と維持を許容するレセプタクルの中で実施され
る。前記作業環境は、他の結晶成長法から知られている
方式において、その都度使用されているエネルギー源お
よび／または望みのドーピング効果または洗浄効果に応
じて選定および調整することができる。その際、原則と
して真空から超高圧範囲までの圧力範囲ないし過圧範囲
の中で作業することができる。

【００１６】この方法ならびにその実施に適している装
置は、２つの図を利用して例と図式により説明する。そ
の際、図１は、単結晶丸棒の製造を示し、図２は、正方
形断面をもつ多結晶インゴットの製造を示す。

【００１７】図１は、見易くするために図式だけで示さ
れた、不活性材料、好ましくはシリコンから成る遮へい
１によって取り囲まれる装入室および溶融チャンバ２を
示し、該溶融チャンバの基底面において、シリコンから
成る工程の開始時にはまだ完全に固定されている密閉プ
レートおよび支持プレート３によって前記溶融チャンバ
が遮断される。前記チャンバの中には、支持プレート３
に向けられた電子ビーム源４がある。さらに、ここには
装入ダクト５が合流し、これによって、ここに図示され
ていない外側に置かれた、かつ場合によって温度調節可
能のシリコン貯蔵器によって粒状物質６が支持プレート
の基底面に装入することができる。

【００１８】密閉プレートおよび支持プレートの下側に
は結晶化チャンバ７があり、種結晶９が固定され、かつ
生成結晶棒の収容と安定化に利用される目的に応じて追
加される支持器１０に取り付けられる垂直移動式および
旋回可能の結晶ホールダ８が前記結晶化チャンバの中に
備えられる。

【００１９】結晶化工程の開始にあたり、種結晶は、該
結晶化工程の開始位置に高く上げられ、前記開始位置
は、好ましくはまだ完全に閉じられている固定密閉プレ
ートおよび支持プレート３の中心のすぐ下に在る。ここ
で、電子ビーム源４を利用して、最初に種結晶が、下か
ら接触することができる極く小さな溶融レンズが生じる
まで、中心からゆっくり溶融される。たとえばルツボ引
上げ法から知られている方式において、最初に混合を除
去するために、ここで狭さく１１（いわゆる“ダッシュ
ネック”）を製造することができ、これは被照射面を拡
大することにより、溶融レンズ径が最終的に結晶の定格
直径を達成するために徐々に拡大されるまで行われる。
この工程において、好ましくは種結晶は、回転され、か
つゆっくり下げられ、その際、それと同時に溶融レベル
を維持するために、溶融相の被照射自由表面の中にすで
に粒状物質を装入する必要が出てくる可能性がある。

【００２０】この開始段階に次いで、本来の引上げ工程
が接続される。その際、照射エネルギーを利用して最高
２００℃までの温度、好ましくは融点の上方５０ないし
１５０℃に維持された溶融相１３の自由表面１２の中
に、装入ダクト５を介して粒状物質６が連続的にまたは
周期的に供給される。これと同時に、溶融相１３と固
相、結晶１５との間で対向する界面１４において、融液
状態から固体状態に材料が移行し、かつ結晶１５の上で
成長する。材料が装入され、かつ結晶の上で成長するに
従って同時に回転する結晶ホールダ８を下降させること
により、溶融相のレベルが密閉プレートおよび支持プレ
ート３の高さに一定に維持され、一方、成長結晶は融解
物から下方に引き下げられる。その際、支持プレート３
と結晶１５との間に形成され、かつたとえば回転を可能
にする溶融相１３の自由側メニスカス１６の長さは、前
記メニスカスが引きちぎられ、かつ融解物が流出する許
容限界値を越えないことにも注意する必要がある。この
限界値は、たとえばシリコンの場合、経験的に約８ｍｍ
である。

【００２１】結晶の制御冷却を可能にし、かつ熱応力の
発生を防止するために、結晶化チャンバ７の中に補助再
加熱器１７を備えることができる。ここに図示した実施
形態において、溶融チャンバ２と結晶化チャンバ７は互
いに気密に維持することができるので、さまざまな作業
圧力を調整することもできる。たとえば一方で溶融チャ
ンバ２の中では電子ビーム照射のためにすでに可能なか
ぎり良好な真空、好ましくは１０^-1ないし１０^-5ｍｂａ
ｒの真空が調整されるのに対し、結晶化チャンバ７の中
の圧力は、たとえば特定の気体を含む雰囲気が望まれる
場合、好ましくは明らかに高い１ないし５０ｍｂａｒの
値に維持することもできる。これは、たとえばアルゴン
などのような不活性ガスの洗浄ガスの流れを通して、高
温結晶の中で不純物の拡散が低減され、または添加ドー
ピングガスを利用して溶融相を通してドーピングが実施
されなければならないとき、この場合となる可能性があ
る。この圧力差は、溶融相の自由側メニスカス１６が支
持および安定化されるという長所も持ち合わせている。

【００２２】考慮されている結晶長さを達成する場合、
引上げ工程は、照射された面が徐々に縮小され、この結
果、結晶の直径がこれに対応しながら減少し、かつ最終
的に先端を先細にされた結晶が残留溶融レンズから引き
上げられることによって好ましく終了される。これに続
いて、残留融解物は、たとえば照射出力をさらに低減す
ることにより、完全に固化させることができる。これに
より、溶融チャンバおよび結晶化チャンバは再びこの工
程の開始時のように、固定密閉プレートおよび支持プレ
ートから分離され、この結果、製造された結晶の抽出後
に、場合によっては支持プレートの交換と種結晶を準備
した後に、次の引上げ工程が同様の方法で開始されるこ
とができる。

【００２３】図２に、インゴット状の結晶製造に適して
いるこの方法の実施形態ならびにその実施に適している
装置を図式的に示す。見やすくするために、ここに図示
されていない実用上気密または真空可能のレセプタクル
の中に、１つまたはそれ以上の、たとえば２つの電子ビ
ーム加熱源２０、２１ならびに装入ダクト２２が設けら
れ、前記電子ビーム加熱源を利用して溶融相２４の自由
表面２３が均一に加熱され、かつ粒状物質２５を供給す
ることができる。対向表面において、下降可能、加熱ま
たは冷却可能の保持プレート２８の上に載っている結晶
２７の中で溶融相が界面２６を介して移行する。

【００２４】結晶化工程において、図１で説明した方式
と同様に、エネルギー供給下で粒状物質２５が融解物の
自由表面２３に装入され、ここで溶融され、かつこれと
同時に液／固の対向界面において結晶２７を成長させ
る。成長速度に対応しながら保持プレート２８が下げら
れ、この結果、最終的に溶融相が同じレベルにとどま
り、一方、徐々に成長する結晶が下方に引き下げられ
る。

【００２５】結晶化工程を開始するために、第１段階に
おいては、保持プレート２８が、開始位置まで上に運ば
れる。その際、前記保持プレートは、たとえば単結晶種
結晶プレート２９で覆うことができ（図２左半分に図
示）、次いで、前記単結晶種結晶プレートは、溶融相を
製造するために、場合によってすでに粒状物質を供給し
ながら融解される。前記方法の変形において、さらに結
晶化させる場合、基本的に周辺帯域３０にのみ多結晶範
囲を有する単結晶インゴットを製造することができる。
粗結晶の種結晶プレートが使用される場合、結晶学的な
優先配向性をもつ単結晶範囲から成る多結晶柱状構造を
有するインゴットも得られる。

【００２６】前述のインゴットは、より簡単な別の方法
の変形により、開始段階に初期位置に在る保持プレート
２８に粒状物質が装入され、次いで、十分な層厚が達成
された後で照射出力が上昇され、かつ焼結層を覆う溶融
相が製造される前に、前記粒状物質がまず初めに中間層
３１まで焼結される。次いで本来の結晶化工程が、太陽
電池の製造に特に良好に適している上述の多結晶材料を
もたらす。この方法の変形を図２の右半分に図示する。

【００２７】好ましくは正方形、四角形または六角形の
結晶２７の断面と、その側面３２は、その都度好ましく
は望みの形に配置される冷却可動式セグメント３３によ
りあらかじめ決定される。シリコン融解物と接触する好
ましくは引上げ方向に拡張される前記セグメントの表面
３４は、汚染の危険を少なくするために、好ましくはシ
リコンから製造される。驚くべきことに、前記表面は、
エネルギー照射およびセグメントから出る冷却効果に制
限されて、表面流が装入された粒状物質を部分的に溶融
相の周辺に輸送し、そこで融解物とセグメントの直接接
触を防止する冷却セグメントに焼結層が形成されるの
で、溶融層によって濡れることがない。

【００２８】たとえば実用上抵抗加熱プレートから成る
再加熱器３５も備えられ、前記再加熱器は、本来の結晶
化帯域から流出後の結晶を取り囲み、均一かつゆるやか
な冷却と、これとともに最終的に応力が少ない生成物の
最終状態を保証することに利用される。得られたインゴ
ットは、場合により妨げとなる周辺範囲を分離した後、
たとえば個々のインゴットに切断することができ、次い
で該インゴットをたとえばワイヤ鋸または往復動鋸を利
用して、太陽電池の基礎材料としてのウェハに切断する
ことができる。

【００２９】本発明による方法は、丸い基礎断面と、多
角形の、好ましくは正方形、四角形または六角形の基礎
断面を有するシリコンまたはゲルマニウムのような、凝
固時に膨張する半導体材料からの結晶製造を可能にす
る。この方法は、大きい基礎断面、すなわち最高約２０
０ｍｍまでの直径または最高約５００ｍｍまでのエッジ
長さを有する結晶の製造のために特に良好に適してい
る。この長所は、主として、溶融ルツボも鋳型も必要で
はないため、無汚染の結晶成長が可能になることであ
る。さらに、結晶化は、広範囲に平らな結晶化正面で行
われ、これは、たとえば、多結晶材料において特に均一
化された単結晶範囲の配向性と均質的なドーパント分布
を生じさせる。さらに、帯域洗浄と同様に、溶離効果
は、特に純粋な生成物が得られることに寄与している。
特にこの方法においては、含炭素材料または補助剤の使
用を広範囲に省くことができるので、炭素の持ち込みを
大幅に制限することができる。これと並んで、溶融相は
石英容器壁と接触する必要がまったく無く、かつ酸素減
損圧力条件のもとで作業することができるので、低酸素
含有量も達成することができる。もう１つ別の長所は、
原料としてコストがかかる析出前成形棒はまったく必要
ではなく、たとえば流動床炉内の析出から得ることがで
きる容易に再装入可能の粒状物質を使用できることであ
る。最後に、容易に制御可能の工程パラメータを通して
行われるさらに達成可能の高い結晶化率と、応力が少な
い結晶冷却と、問題のないプロセス制御を挙げておくこ
とにする。とりわけ、全工程中には少量の溶融材料を準
備する必要があるだけであり、かつ凝固時に得られた結
晶化熱が装入された粒状物質を溶融するために使用でき
ることに基づくこの方法の好ましいエネルギーバランス
を指摘しておくことにする。

【００３０】以下に、実施例を用いてこの方法をより詳
しく説明する。 例１ 図１に対応する配置において、垂直の位置には電子ビー
ム源が、約１００ｃｍの距離にある密閉プレートおよび
支持プレートの中央に、電子ビームを垂直に向けること
ができる仕方で調整された。この支持プレートは、厚さ
約７．５ｍｍのシリコンウェハから構成され、かつ直径
約２０ｃｍの溶融チャンバの下限と、直径約３０ｃｍの
結晶化チャンバの上限を形成した。溶融チャンバは、圧
力１０^-6ｍｂａｒで真空にされ、一方、結晶化チャンバ
の中で一定のアルゴン流を利用して約１ｍｂａｒの圧力
が調節された。中心の下方では、シリコン（直径約３ｍ
ｍ、（１００）配向）から成る単結晶種結晶を有する結
晶ホルダが支持プレートに対しナロウギャップまで上に
移動された。

【００３１】最初にエネルギーの照射とともに開始さ
れ、かつ上部直径約１２ｍｍおよび下部直径約４ｍｍと
なる溶融レンズが支持ウェハの中心に製造された。ここ
で種結晶が装入され、かつ毎分約１０回転に設定するこ
とができた。結晶ホルダを徐々に下降させながら、ここ
でいわゆる“ダッシュネック”が形成され、かつ無転移
の成長が達成されるまで、まず最初に溶融レンズが狭め
られた。その後で、円錐引上げの段階で細心の注意を払
いながら監視し、かつ結晶ホルダの下降速度を適応させ
ながら、希望する引上げ結晶の定格直径約１５０ｍｍが
達成されるまで、溶融レンズ径が常時拡大された。この
段階の進行は、本来の厚さを有する外部範囲によって取
り囲まれる比較的薄い移行範囲が、ほぼ希望する結晶の
定格直径まで近接するように厚くされた中心部を有する
支持プレートが設けられることにより簡単にすることが
できる。円錐引上げの最終段階において、溶融相の深さ
を一定に維持するために、粒状物質供給を通して、すで
にシリコン粒状物質（粒径１−５ｍｍ、比抵抗約１Ωｃ
ｍ）が融解物の自由表面の中に装入された。

【００３２】これに続く成長段階の間に、自由表面は、
出力約４０Ｗ／ｃｍ² の照射により、約１５４０−１５
５０℃の温度に維持された。溶融相の高さは、約１２ｍ
ｍであり、自由側メニスカスは約７ｍｍの長さをもって
いた。上述の仕様の粒状物質は、毎分約４１ｇの割合で
装入され、かつ結晶成長と、これにより毎分約１ｍｍの
引上げ速度を可能にした。結晶ホルダの回転速度は、毎
分約１０回転であった。熱応力を除去するために、結晶
化の後で約１０００℃に維持された直径約１８ｃｍの加
熱リング形状の中で結晶はさらに長さ約５ｃｍの追加加
熱範囲を通過した。

【００３３】長さ約３０ｃｍに達したとき、被照射面は
連続的に縮小され、かつ粒状物質供給が抑制され、これ
によって、最終的に結晶先端と残留溶融レンズとの間の
接続が切り離されるまで、結晶直径を円錐状に減少させ
ることができた。エネルギー供給は、ここで停止され、
支持プレートが完全に凝固させられ、かつ最終的に結晶
が抽出された。得られた結晶は単結晶であり、かつ無転
移であった。得られた材料は、ｐ型導体であり、その
際、比導伝率は、結晶長さにわたり約１Ωｃｍであっ
た。

【００３４】例２ 図２に対応する構成の配置は、エッジ長さ約３００ｍｍ
をもつ正方形の保持プレートが備えられ、前記保持プレ
ートは銅から製造され、かつ該保持プレート内部に水を
供給する冷却システムが提供されている。当初、保持プ
レートは完全に上方に移動され、かつ、その際外側に傾
斜したシリコンプレートで被覆された同様に水冷式のセ
グメントの内壁とともに、深さ約５ｃｍの中空を取り囲
んだ。

【００３５】ここで粒状物質供給が開始され、かつ粒状
物質（例１と同じ仕様）が保持プレートに装入された。
約３ｃｍの流床深さに達した後、エネルギー供給は、２
つの電子ビーム源を介して開始され（初めの出力約２７
ｋＷ）、かつこれにより粒状物質とともに焼結が生じ
た。ここで、連続的に粒状物質を供給しながら、粒状物
質が上から溶融を開始するまで照射出力が上げられた。
これと同時に、溶融表面を一定の高さに保つために、保
持プレートはゆっくり下げられた。最後に、溶融相が形
成され、その深さは中心で約５０ｍｍとなり、一方、セ
グメント表面の接触範囲で粒状物質が収集され、かつ溶
融相を外側に遮蔽した薄い焼結層が形成された。

【００３６】ここで本来の成長段階が開始され、一定の
エネルギー照射のもとで溶融相の自由表面の中に、毎分
約２４ｇの割合で粒状物質（あらかじめ約１２０℃に温
度調整）が装入された。ここから液／固の対向する相境
界における成長速度は、毎分約２ｍｍが出され、この速
度で保持プレートも下げられた。結晶成長は、最高約５
ｍｍまでの結晶の大きさをもつ柱状構造を有する多結晶
を生じさせた。

【００３７】インゴットの高さが約４０ｃｍに達したと
き、粒状物質供給が停止され、かつエネルギー照射を徐
々に縮小させながらインゴットは完全に凝固させられ
た。垂直温度差を徐々に取り除くために、約６時間の冷
却段階が過ぎてからインゴットが取り出され、室温で冷
却され、かつ焼結された粒状物質を含む周辺範囲が分離
された。

【００３８】これに続く材料試験では、１０³ ないし１
０⁵ ／ｃｍ² の優れた値の転移密度がもたらされた。炭
素含有量は、約１０¹⁶Ｃ原子／ｃｍ³ で原料粒状物質の
範囲にあり、これはインゴット製造時に汚染がまったく
生じなかったことを示している。酸素含有量は、初期値
に比べて明らかに減少しており、５・１０¹⁵０原子／ｃ
ｍ³ の範囲であった。ここから、この方法は、太陽電池
のための原料としてのシリコンインゴットを製造するた
めの優れた適性をもつことが明らかである。

【００３９】以下、本発明の好適な実施態様を例示す
る。 １． 粒状物質から製造された融解物の結晶化により凝
固時に膨張する半導体材料から棒またはインゴットを製
造する方法であって、半導体材料の固相に対向する自由
表面を有し該固相を覆う半導体材料の溶融相を作り、結
晶化工程において溶融相を保持するために前記自由表面
の中にエネルギーを供給し、かつ連続的にまたは周期的
に粒状物質を装入し、これにより対向溶融表面において
前記固相の上で半導体材料が成長させられることを特徴
とする方法。

【００４０】２． エネルギー供給が、照射、特に電子
ビーム照射により行われることを特徴とする前記１に記
載の方法。

【００４１】３． 半導体材料としてシリコンを使用す
ることを特徴とする前記１または２に記載の方法。

【００４２】４． 結晶化工程において、場合により、
本質的に半導体材料の成長速度に対応する速度で、固相
が溶融相に対して回転されながら下げられることを特徴
とする前記１ないし３の何れか１に記載の方法。

【００４３】５． 溶融相の自由表面が、側面から取り
囲む固体半導体材料により安定化されることを特徴とす
る前記１ないし４の何れか１に記載の方法。

【００４４】６． 溶融相の高さおよび装入された粒状
物質の粒径が、溶融相の中で粒状物質粒子の最大浸漬深
さの少なくとも２倍の高さになるように調整されること
を特徴とする前記１ないし５の何れか１に記載の方法。

【００４５】７． 溶融相の高さが最大５０ｍｍとなる
ことを特徴とする前記１ないし６の何れか１に記載の方
法。

【００４６】８． 平均粒子径が０．１ないし１０ｍ
ｍ、好ましくは１ないし６ｍｍの粒状物質が使用される
ことを特徴とする前記１ないし７の何れか１に記載の方
法。

【００４７】９． 溶融相内の温度差が最高２００℃に
なることを特徴とする前記１ないし８の何れか１に記載
の方法。

【００４８】１０． 前記１ないし９の何れか１項に記
載の方法を実施するための装置であって、 ａ） 自由表面を有し固体半導体相を覆う溶融半導体相
の生成および保持を許容する少なくとも１つのエネルギ
ー源と、 ｂ） 溶融相の自由表面を側面から取り囲む半導体材料
からなる固体部分と、 ｃ） 融解物の自由表面の中に粒状物質を供給するため
の少なくとも１つの供給装置と、 ｄ） 溶融半導体材料によって覆われる固相のための下
降可能かつ場合により旋回可能のホルダとからなること
を特徴とする装置。

【００４９】

【発明の効果】以上、本発明の方法により、単結晶また
は多結晶の棒またはインゴットを得ることができる。こ
のプロセスの主な長所は、溶融容器がなくても作業する
ことができ、粒状物質の使用が可能であり、かつ溶融量
が少ないためにエネルギーバランスが有利になることで
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】単結晶丸棒の製造を示す図である。

【図２】正方形断面をもつ多結晶インゴットの製造を示
す図である。

【符号の説明】

１ 遮へい ２ 溶融チャンバ ３ 支持プレート ４ 電子ビーム源 ５、２２ 装入ダクト ６ 粒状物質 ７ 結晶化チャンバ ８ 結晶ホールダ ９ 種結晶 １０ 支持器 １１ 狭さく １２、２３ 自由表面 １３ 溶融相 １６ 自由側メニスカス ２０、２１ 電子ビーム加熱源 ２４ 溶融相 ２５ 粒状物質 ２６ 界面 ２７ 結晶 ２８ 保持プレート ２９ 単結晶種結晶プレート ３０ 周辺帯域 ３２ 側面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヨハシム・ゲイセラー ドイツ連邦共和国 スタムハム、ロゼンシ ュトラーセ 24 (72)発明者 ウルリッヒ・アングレス ドイツ連邦共和国 マークトル、ソンネン シュトラーセ 21

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒状物質から製造された融解物の結晶化
   により凝固時に膨張する半導体材料から棒またはインゴ
   ットを製造する方法であって、半導体材料の固相に対向
   する自由表面を有し該固相を覆う半導体材料の溶融相を
   作り、結晶化工程において溶融相を保持するために前記
   自由表面の中にエネルギーを供給し、かつ連続的にまた
   は周期的に粒状物質を装入し、これにより対向溶融表面
   において前記固相の上で半導体材料が成長させられるこ
   とを特徴とする方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の方法を実施するための
   装置であって、 ａ） 自由表面を有し固体半導体相を覆う溶融半導体相
   の生成および保持を許容する少なくとも１つのエネルギ
   ー源と、 ｂ） 溶融相の自由表面を側面から取り囲む半導体材料
   からなる固体部分と、 ｃ） 融解物の自由表面の中に粒状物質を供給するため
   の少なくとも１つの供給装置と、 ｄ） 溶融半導体材料によって覆われる固相のための下
   降可能かつ場合により旋回可能のホルダとからなること
   を特徴とする装置。