JPS5845191A - 結晶性リボンを製造するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ａ［Ｋ関するものである。

様々の電子用途用の単結晶リボンウェハは代表的に１溶
融シリコンの溜めから種晶をゆっくりと上方に引上げる
ことＫよりロン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四ツドはその後薄いウェハに
スライスされる。薄いウェ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轡中に大量の材料が無駄に失ゎれる
という事実により非常に高価にっく。垂直引上げ技術に
固有の問題の幾つかを排除する為に１半導体材料をリボ
ンに＊後形成し、それｋよりｐラドをウェハに切断する
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、いったん形成
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
おけるスロッ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。もっと最近になって、溶融
半導体材料のプールの表面から水平に９ボンを引張る技
術に向は試みが重ねられた。この水平引張り技術は、結
社成長の一層大きな固／液界向面積を与え、従って垂直
結晶盛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タンの成長にこれまで使用さ
れた技術及び装置は５品質、厚さ及び巾の一様性並びに
操業の安定性の観点から満足すべきものでなかった。

従って、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
るととにある。

本７発明は、結晶性材料のリボンを連続ペースで成長せ
しめる方法であって、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９＆ンの形成に対応する速
度において引張る段階と、中及び厚さにおいて結晶形成
の速度をケ 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方法を特徴とする。

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。

用足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スクレーパと
を包ｔし、スクレーパは、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ったメニス
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
１１１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、壁体の上縁部の縁辺を越えて小さな鋭角でプー
ル表面から引張り方向に反対方向における結晶の前縁の
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ＫＭ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測
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１本発明に従ってシリコン融体
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天いる。

この装置は、ある量のシリコン融体１２を収蔵するに適
した浅い槽（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がは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ぺて非常に浅り、結晶引上げ
装置Ｎ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
を多量の融体な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、矩形断面状でありセして底壁１６と背の低い周
囲側壁１．８を含み、ここに溶融シリコン１２が収蔵さ
れる。るつば自体の内部には、リボン１４の適正な形成
に寄与する幾つかのＩＦ票が設けられている。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１
６中に或いはその下側に代表的に配置される熱源５０を
含んでいる。更には、種晶５４を把み、それをプール表
面に保持し、種晶５４＆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５２
は、プール表面におゆ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５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２ｏ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＠Ｉ！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な越えて引出され、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
上ったメニスカス５８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。

゛　リボンなプ〒ル表面から僅かの正の角度で引出すと
とｋより、成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って引出され
る場合には必要とされた、るつぼを僅かの溢れ状１１１
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
体な維持すること−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とと
Ｋ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ってい
る（第３及び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っ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く欠陥）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ってそのま
ま真直ぐ伸長していくのとは違って、すｌン側縁に向っ
て成長するからである。例えば、第５図において、結晶
成品欠陥が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で示される進路にはげ沿
って移行する。

斯くして、起りうる僅かの欠陥はリボンに対して最小限
つ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！ＩＣ、断面にお
いて、平担な下面とほば平担ではあるが両縁において僅
かに九人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、）
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１融体の大半は溜め４２内に格納す
ることによって結晶成長領域とは分離される。

機前の融体補給設備が本発明と併用されうる。

Ｍ１２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ば４Ｂ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はその上面を横切って位置決め用板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との閣を繋ぐ
給送管５４を支持する役目を為す。

給送管５４の下端は、融体５０の表面下に伸びそしてる
つば４Ｂ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の上端を横切って伸びて、溜め４２
からトラフ１０へ溶融シリ；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と箱の内壁に沿って
伸びそして支持管５６と連通する通路６０と整列するス
ロット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の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５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
、保いるつばに固有の作業不安定化特性の成る種の因子
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。

リボンの中央部の一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
体表面を覆って可変的、な熱シンク（熱逃し）を配置す
るととＫより或いはシリフン融体への熱供給を変えるこ
とＫ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。Ｋ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ととＫ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７図に
示されるよ５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！Ｉ！ＪＫ
示される第２の技術において、トラ７の床は結晶化が起
る帯域下で厚くされており、傾斜路６ｓ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、これによりリボン中が制限される。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５る。

操作上１本装置は大巾な簡易化を提供する。全トラフｉ
！度が凝固速度に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５る。必要なら加熱器を更に付加
することもできよさ。

装置の第２の特徴は、成長中のリボンが装ｆｆ１Ｋ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
は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Ｋ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。

凝着が起った場合でも、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
の湿田の可能性を排除するｉ５容易な融は戻しを与える
。

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Ｋっれ、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２７を横断して伸延している。

安定化体２２の上面は画面から背向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Ｋ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ΔＳ増大するな
ら、リボンの前縁は両方に即ち第１１図で見て右方に距
離ΔＸ移動するので、６丁はΔ丁１からΔＴ、まで減少
し、これは前縁の成長速度をΔＳだけ増加するに充分の
ものである。このように１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１進速度は５＝ｆｌ（１／ΔＴ）Ｋ等しく、ここでΔ
Ｔ−１２（Δｘ）であり、従って８＝ｆｌ（ｆ２（ΔＸ
））である。

斯くして、リボン前縁はある範囲の引張り速度及び温度
内で安定して維持される。同様に、一部安定化体２６及
び２８の使用でもって、リボン中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について説明したが、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
して様々の異った用途を持つ。例えば、サファイア窓が
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ットがリボン形態で作製し
うる。

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
に従っ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図は本発明の改変例の上面図であり、第
７図は第６図の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
す正面からの部分断面図である。

１０：るつぼ １２：融体 １４：リボン ２０：メニスカス付着手段 ２２：前縁安定化体 ２４：熱絶縁体 ２６．２８　：＠辺安定化体 ３０：熱源 ３４：種晶 ３２二種晶ホルダ及び引張り装置 ３８：メニスカス ４４ニーウジ″□レグ ４６：外側箱 ４８：るつぼ ５４：給送管 同　　倉横　　暎、・栓・、゛ ｉｉ＋１

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って、 （ａ）　　るつぼ内で融体な加熱する段階と、（ｂ）　
   　融体表面上に結晶性種晶を置く段階と、（ｅ）　　’
   ）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陵で融体
   表面に対して正の鋭角において引出す段階と。 （ｄ）　　！Ｊ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する
   段階と、 （・）融体表面からのリボンの成長端を、上方前方部分
   を上方後方偏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な詞節する段階と 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）すメ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。 リ　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袖の部分から別個に
   形状及び速度に関して制御される特許請求の範Ｓ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って
   。 （ａ）　　所定量の融体な収薫する比較的浅いるつぼと
   、 伽）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、 （ｅ）　　種晶を融体表面針ら融体表面に対して小さな
   正の角度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１°る長手方向速度において引出す為、前
   記る−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
   下縁との間でるつばＫｆｆｌられるメニスカス付着手段
   と。 （・）　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Ｐ
   ｉに設ゆ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ＩｔｌＫ近く配置されている
   ような形状の上面が形成しで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。