JPS62500517A - 半導体リボンの結晶性を改善する方法 - 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】 半導体リポ／の結晶性を改善する方法 発明の背景 本発明は、一般的には、半導体リボンの結晶性を改善する方法に関するものであ り、特に、複数の半導体リボンを同時に再結晶させる方法に関する。

トランジスタ、集積回路、光電装置その他の類似物のような半導体デバイスの製 造において、半導体工業は多量の半導体材料を使用し、これは普通は、薄いウエ ノ・又はシートの形をしたシリコンである。最初に単結晶半導体インゴットを成 長させ、インゴットを多くの薄いスライスに切断し、つぎに、このスライスを望 ましい（所望の）厚さ及び表面仕上にラッピング及び研摩することにより、半導 体ウェハを生産するのが普通のやりかたである。大部分の半導体デバイスに対し 、このプロセスが満足されるものであることは明らかであるが１面積の大きいあ る半導体デバイスに対しては余りに高価すぎ１％に。

面積の大きい光電素子や太陽電池に対しては高価すぎる。

事実、光電素子が実現可能な代替エネルギー源になるためには、半導体の出発材 料の価格のかなりの減少が絶対必要である。

太陽電池の生産に適当な薄い半導体材料のシートの生産用に提案され開発された 技術の一つは、所謂リボンからリボンへ（ＲＴＲ）変換プロセスである。このプ ロセスでは１間価な大きな直径のインゴツトのプロセスが不必要であり、多結晶 リボンは巨大結晶リボンに直接変換される。ＲＴＲプロセスは、多結晶リボンの 一面または両面に突き当たる１本又はそれ以上の走査ビーム・エネルギーヲ使用 し、リボンがエネルギー・ビームを通りすぎて移動するにつれて、リボンを部分 的に溶融し結晶を成長させる。溶融帯がリボンにそって移動するにつれて・溶融 帯の後部の材料は巨大結晶の形に再凝固する。巨大結晶構造は、結晶が有効な半 導体動作を可能にするのに十分な大きさの結晶構造である。それ故に、リボンが すべて単結晶である七ツクリスタル・リボンは、“巨大結晶”の用語に包含され る。こ九に関連して、′リボン”という語は、一般的に、厚さより幅が広い、長 いストＩＪツブ又はシートを意味する。代表的な寸法は、長さ１５−３０帰であ り９幅が１−１０ｃｎ１．厚さが５０−２５０マイクロメータである。

ＲＴＲ変換技術は、充電素子をつくる場合に使用する半導体基板を低価格で生産 するのに成功していることは。

既にわかって−る。しかしながら２例えば、溶融するのに必要なエネルギー量を 減少することにより、この変換プロセスの経費を更に減少させることは望ましい ことでおる。変換中に　リボンが経験する温度プロフィルを変更し、それにより 変換材料の品質を改善することは更に望ましい。

それ故に１本発明の目的は、多結晶シリコン材料を巨大結晶シリコン材料に変換 する改善されたプロセスを提供することである。

本発明の他の目的は、生産ｉｉ　（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ　）を増大し、エネル ギー費用を減少した改善されたＲＴＲプロセスを提供することである。

本発明の更に他の目的は、改善された結晶品質のシリコン・リボンを生産する。

改善されたＲＴＲプロセスを提供することである。

発明の簡単な要約 本発明の上記及び他の目的、また利点は、背中合せの２本のリボンが１間隙を保 った状態にラシ、同時にＲＴＲ処理されるプロセスの使用により達成される。レ ーザのような２つのエネルギー源からの放射エネルギーは、２つのリボンの露出 された主表面に注がれ９両リボンは各々局部的に加熱され、各々溶融帯を形成す る。２つのリボンとエネルギー源の相対運動が、リボンの縦方向に沿って溶融帯 を通過させるようにする。溶融帯が凝結（固化）する時に、材料は大きな結晶粒 度に再結晶する。再結晶するリボンの溶融帯の熱損失の大部分は輻射によるもの であるから９本発明が意図する方法で２個のリボンを変換することにより、輻射 により熱を損失する表面の数を減少することは、リボン当りの再結晶に必要なレ ーザ電力を相当量だけ減少することとなる。

図面の簡単な説明 第１図及び第２図は１本発明の２つの実施例にもとづき半導体リボンを変換する 装！ｔを図示する。

第６図は、リボノ−リボン再結晶の間、リボンが受ける温度プロフィルを図示す る。

第４図及び第５図は９本発明にもとづき再結晶ざ九る２つのリボンの溶融帯の位 置ぎめの概略図でおる。

好ましい実施例の詳細説明 第１図は９本発明にもとづきリボン−リボン（ＲＴＲ）変換プロセス（方法ンを 実施する装置を概略的に示す。そのプロセス（方法ンは、一般的には多数の異な る半導体材料の変換に適用出来るが、特に、多結晶リボンを大きい結晶粒度を有 する巨大結晶シリコン・リボンに変換するのに適切でｂる。。

ＲＴＲ変換装置及びリボンは、第１因に断面で図示さｎる。その装置は、その中 で処理雰囲気が制御される石英ジャケットのような管球容器（ｅｎｖｅｌｏｐｅ 　）　１０を具える。管球容器は、予熱索子１６．後段加熱素子１７．及び、絶 縁体１８を含む炉１２の中に置かれる。炉は、リボン２０　と２２が炉を通過し 処理されるときに、予熱と後段加熱を加わえる。開口２４及び２６は炉１２の向 い合った位置に設けられ、リボンの広い表面に入射エネルギーが集中出来るよう な“窓″となる。ソース（図示せず）からのエネルギー・ビーム２８及び６０は 、各リボンに集中される。類似の装置を通り１本のリボンが処理された在来技術 では。

２つのエネルギー・ビームは同じリボンの向き合った面に集中された。本発明に もとづきここでは、２個のエネルギー源が使用さ几るが、１本ではなく、２本の リボンが同時に処理される。エネルギー・ビームは２例工ば。

レーザ、′＠子ビーム、イオン・ビーム、集束白熱光、または、類似物でも使用 可能である。図示説明のみの目的で、エネルギー源はレーザとして、今後説明さ れるであろう。

予熱し九浄化ガス（ｐｕｒｇｉｎｇ　ｇａｓｅｓ）が９例えば１位置３２゜３４ において管球容器１０に導入される。例えば、窒素。

アルゴン、または類似物である予熱浄化ガスは１位置３２゜５４から上方及び下 方に流れ、管球容器の両端及び窓２４゜２６から外部に流出する。管球容器は完 全に気密ではないが、浄化ガスが、リボンの処理のための制御された雰囲気を与 える。矢印３６で示すように、浄化ガスは装置の中を流れる。

本発明にもとづき２つのリボン２０　、２２は、第１図に図示する装置において 同時に処理される。側面図で図示される２つのリボンは、リボンの広い面を背中 合せにし。

間隙を保った状態で保持される。エネルギー・ビーム２８　、３０は、対面する リボンの広い面に外側より衝突するように向けられ、各リボンに溶融帯を形成す る。リボン２０の溶融帯より再放射される輻射は９例えば、２部分に別けら九る 。１部分は表面５８エリ輻射され、損失となる。他の部分は表面４０より輻射さ れ、リボン２２の非常に接近した表面４２に突き当たる。同様に、リボン２２の 溶融帯から輻射さ几るエネルギーの１部は損失となるが、他の部分はリボン２０ に突ぎ当たり、そのリボンの加熱に加わる。従って、普通は溶融帯から輻射によ り失わｎるエネルギーの約半分は、隣接するリボンにニジ保持される。

リボンの間の間隙は最小に保つのが望ましい。しかし。

リボン表面の不規則性や溶融帯のふくらみのため、約α１ミ１）ｌ−トルの間隙 が実際の最低限度である。リボンの間のエネルギーの有効な結合を保証するため 、リボンの間隙は、約α２−α３ミ１Ｊｉ−１−ルな超過しないことが望ましい 。その間隙寺は、リボンの間に石英や類似物のスペーサをｉ＜ことにエリ効果的 にすることが可能である。

リボン−リボン変換方法の実行する場合に、２つのリボンは衝突する放射エネル ギー源を通り移動される。放射エネルギーはリボンを局部的に溶融場せ、熱源を 通過するリボンの移動は９局部的溶融帯がリボンの長さ方向に沿って通りぬける ようにする。第１図において１例えば、リボンが上方に移動されるとすれば、加 熱器１６の下方バンク（ｂａｎｋ　）は予熱器として作用し、リボンの温度を半 導体材料の融点に近い温度まで上昇させる。加熱器１７の上部パンクは後段加熱 器として機能し、再凝固し改善された半導体材料を適切に焼鈍（ａｎｎｕａｔ） する。本装置による加熱プロフィルは、後でよシ十分に説明される。

第２図は本発明の他の実施例を図示する。この発明の実施例を実行するのに使用 される装置は、第１図に図示される装置と実質的に同様である。この実施例にお いて。

熱ディフューザ４６は、リボン４８　、５０の間に配置される。

熱ディフューザは、２つのリボンに形成される溶融帯の幅に等しいか、または広 い幅を持つ材料の薄いシート又はリボンでおる。ディフューザ材料は、溶融半導 体材料の温度では溶解しない。シリコン・リボンの場合には。

例えば、ディフューザは約１４００℃の温度に耐えなければならない。その材料 は溶融シリコンに近接しており、ドーパント又は汚染物質として作用してはいけ ないので。

更に非汚染性でなけ九ばならない。ディフューザは、２つのリボンの熱結合に適 応するのに十分薄くする必要がある。ディフューザは９例えば、リボン自体の厚 さと同じ程度の厚さでよい。ディフューザとリボンの間隔は最小に保たれるべき で、ディフューザを介し各リボンＬり反対側のリボンへのエネルギーの結合を長 野に確保するため、約０２−０３ミリメートル以下であるのが好ましい。

熱ディフューザは、グラファイト、シリコン・カーバイト、シリコン又は類似物 、及びシリコン・カーバイトを被覆したグラファイトのような材料の結合で工い 。

熱ディフューザの目的は、変換のあいだにリボンが受ける熱勾配の非直線性を最 小にすることでおる。これらの非線形性は欠陥の発生の原因となり、太陽電池性 能を低下する結果となることはよく知られている。さらに。

熱ディフューザは各リボンの溶融帯のかなりの輻射に露出されるので、熱ディフ ューザ材料の適切な選定は、この入射エネルギーを成長中のリボンに熱的に再放 射する結果となり、かぐして結晶成長に必要なレーザ電力を減少する。

熱ディフューザは、′また。リボンに破損又は貫通孔のある場合に、リボンの間 のビーム停止として作用することも出来る。リボンの処理の間において、１本の リボンの割れ目や薄い部分は、リボンの孔とナリ、エネルギーの入射ビームはこ れを通るので、２つのビームは直接に他方のリボンを加熱する。２本のビームで １本のリボンを直接に加熱するようなプログラム外の加熱は、　ＲＴＲプロセス を混乱させ、結晶粒度の向上を妨げ、処理装置の損傷を起こすことがある。軌道 を逸脱したビームは熱ディフューザに衝突し１反対側のリボンにはあたらないの で、熱衝撃に耐えることが可能な熱ディフューザの使用は、この問題を軽減する ことになる。

熱ディフューザの使用は、更に、成長するリボンの断面の溶融温度の均等化を可 能にし、それを使用しなければ、溶融帯の中心部は温度が高いのが普通である。

溶融温度の均等化は、熱ディフューザの幅間の熱伝導性の変化例えば、熱ディフ ューザの厚さを変化することによる変化を生ずる。リボンの溶融温度の均等化は 、その結果である巨大結晶リボンの厚さの均一性や制御によい結果をもたらす。

ＲＴＲ再結晶をうける２本のリボンの端部より外に熱ディフューザを伸長するこ とによりプロセスを開始する時と停止する時の熱過渡の強度が減少することにな るので。

リボンの開始部分と最終部分の応力（ｇｔｒｔｓｇ　）を減少することになる。

例えば、溶融帯を設定する前及び溶融帯が凝固する後のエネルギー・ビームの電 力を制御的に減少し、同時に熱ディフューザにエネルギーを結合することにより 過渡熱は減少される。

第３図は、リボンが変換装置を通り受ける温度プロフィルを示す。全部のカーブ にたいして、リボンの前面端に対する相対的な成長方向は矢印６６で示される。

溶融温度は温度領域６５により表示される。カーブ６０は、予熱と後段加熱炉の みで作られた温度プロフィルを図示し。

他の入射ビーム・エネルギーは加えられていない。温度プロフィルのくぼみは、 予熱器と後段加熱器の間の間隔から生じたもので、予熱器と後段加熱器をできる 限り接近させることによりなるべく狭く出来る。カーブ６２　、６４は、１本の リボンがＲＴＲプロセスにより処理されるときに受ける温度プロフィルを示した ものである。カーブ６２゜６４のへこみは、予熱炉及び後段加熱炉を入射ビーム 溶融領域に接近できる限度にＬり生じたものである。結晶成長する境界面（イン タフェース）に２ける温度傾斜のさびしさは、溶融領域を右へ、即ち、後段加熱 器の方にオフセットすることで減少さルる。溶融領域の成長側の温度勾配の減少 は、終局的にはＲＴＲ成長速度能力を減少するが、遜成さｎたリボンの品質を改 善する。カーブ６８゜７０は１本発明にもとづき背中合せ形式で２本のリボンが 同時に処理さｎた時に実現される改善された温度プロフィルな示す。溶融方向、 成長方向の温度傾斜はともに減少する。カーブ６８　、７０は、カーブ６２　、 ６４の浴融領域のオフセットと同様に、溶融領域をオフセットしたプロフィルを 表示する。本発明にもとづ＜　ＲＴＲ変換では、温度傾斜の減少は、温度プロフ ィル（図示せず）の対称の中心に溶融領域をもどすのでちる。

第４図は９本発明にもとづ（ＲＴＲ変換の間の２本のリボン９０　、９１の１部 分を断面で示したものである。２本のリボンが背中合せに配置ちれたこの構成の 利点は、同い合うリボン表面から放射されるエネルギーが捕促姑れ。

失われない故に、必要輻射エネルギーは殆んど５ｏ％だけ減少され、また、１す 述した説明のように、２つの溶融帯９２　、９３は非常に接近し、これは９両方 の溶融帯の温度プロフィルを穏かにする結果となる。第４図の溶融帯は。

互に整列して（ａムｇｎｒｏｅｎｔ）図示されているが、こルは、２つの放射エ ネルギー源が一直線に配置され、２本のリボンが矢印９５で示す方向に共に移動 されるとぎに、よく起こるものである。

第５図に図示する本発明の他の実施例にもとづけば。

２つの溶１ｔａ帯９２　、９３は、変位されているので、それらは整列されてい ない。２本のリボン９０　、９１が同じ方向に動かされる場合には、ビーム・エ ネルギー源を変位させることにより、変位された溶融帯が達成され、２本のリボ ンが受ける溶融に近Ａ熱プロフィルは異なるであろう。少なくとも１本のリボン に対する利点は、改善された熱プロフィルにＬつ′〔、そのようなプロセスを正 当化するのに十分でおる。しかしながら、もし２本のリポｙが反対方向に動かさ れ几は、溶融帯はプロファイリング（ｐｒｏｆ　ｉｊｉｎｇ　）炉の中で対称に 置かれるので、各リボンは同じ熱的変遷（ｈｉ　５ｔｏｒｙ　）を受けるであろ う。相対運動は、矢印１００及び１０２で示さ几る２方向のいづれでもよい。相 対運動１００は９両方のリボンに対し、溶融側のプロフィルを穏かにし、凝固（ 同化）側のプロフィルを鋭くし。

相対運動１０２はその反対の作用をする。

第３図にもどつ゛〔、カーブ７２　、６４は、第５図のように溶融帯を変位させ 、リボン間では相対運ｆｉ１００を有し。

予熱及び後段加熱炉に対して溶融帯が対称である２本のリボンが受ける熱プロフ ィルを表示している。同様に。

カーブ６２　、７４は、相対運動１０２により予熱及び後段加熱炉に対し対称に 位置する溶融帯を具える第５図の２本のリボンが受ける熱７０フイルを図示する 。

溶融帯の変位の程度及びプロフィル炉の間隔は、このように詳細な温度ブａフィ ル形を決定するのに利用可能である。＋１ａ応性ある部分的にずらしｆｃ溶融帯 配列の概念は、　ＲＴＲ再結晶サイクルの選択さｎた部分の間の好ましい熱勾配 を達成するため溶融帯の変位の変化を可能にし。

特に多結晶リボンの端部に工９条件が影響される場合。

成長の開始や終了における変化を可能にする。

かくして１本発明にもとづき、削に述べられた目的や利点に十分に適合する半導 体リボン及びシートの再結晶や結晶粒度の向上のための、改善された方法が提供 されたのは明らかである。本発明は特定の実施例を８照して説明されたが１本発 明はその：うに限定されることは意図していない。当業技術者は、説明された実 施例以外で本発明の精神を逸脱しない多数の変更や修正が可能であるとは理解さ れるでおろう。例えば１本発明は特に、多結晶シリコン・リボンに関連して説明 さ几ているが、これは、他の多くの半導体材料のシートやリボンにも同様に適用 出来る。さらに、衝突するレーザ・ビームを利用し５シリコン・リボンを局部的 に加熱することに特に言及したが、ンーザ・ビームと集中した白熱光源の組合せ のような混合ソースを含む他の形のエネルギーも使用可能であることが意図され る。さらに本発明は、固定位置のエネルギー源に対し〔、半導体リボンが移動さ れる方法に限定されるものでない。例えば、炉やエネルギー源が固定半導体リボ ンに対して、相対的に移動することもありうる。したがって、すべてのこの工つ な変更や修正は、添付請求の範囲の意図と範囲に包含されることが意図される。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．各々第１及び第２の主表面を有する２本の半導体リボンを与える工程， 前記第１主表面が離隔した背中合せで関係にあるように前記２本のリボンを配置 する工程， ２つのエネルギ−源を提供する工程， 前記２つのエネルギ−源からのエネルギーを前記２本のリボンの前記第２の王表 面に衝突させるように向け，前記２本のリボンを局部的に加熱し，前記２本のリ ボンの各々に溶融領域を形成する工程， 前記２本のリボンと前記２つのエネルギ−源の間に相対連動をおこし，前記溶融 帯を前記２本のリボンに沿つて移動させる工程，よりなる，半導体リボン材料の 結晶性を改善するための方法。 ２前記エネルギ−源が，レーザ，電子ビーム源，イオン・ビーム源，集束された 白熱光源及びその組合せ，より選択される，請求の範囲第１項記載の方法。 ３．前記２本のリボンの前記溶融領域は，相互に変位している請求の範囲第１項 記載の方法。 ４．前記溶融領域は，互に一直線に整列している請求の範囲第１項記載の方法。 ５．細長いリボン形式の半導体材料を提供する工程，前記２本のリボンを離隔し て背中合せ関係に配置する工程， 前記リボンの間に熱デイフユーザを挿入する工程，前記リボンの各々に局部的な 領域を照射し，そこに溶融帯を形成する工程， 前記リボンを移動して，前記溶融帯をリボンに沿つて移動させる工程，よりなる 半導体材料の局部的溶融及び再結晶により前記材料の結晶性を改善する方法。 ６．前記耐火性材料は，グラフアイト，シリコン・カーバイト，シリコン，また はその混合物よりなる請求の範囲第５項記載の方法。 ７．前記照射の工程は，エネルギ−源のエネルギーを前記材料の表面部分に向け る工程を含む請求の範囲第５項記載の方法。 ８．２つの細長い半導体リボンを提供する工程，前記リボンを離隔して背中合せ 関係に配置する工程，２つのエネルギー源を与える工程， 前記第１のエネルギ−源のエネルギーを前記２本のリボンの一方の局部的表面部 分に向け，第１の溶融領域を形成する工程， 第２の前記エネルギ−源のエネルギーを前記２本のリボンの他方の局部的表面部 分に向け，そこに第２溶融領域を形成する工程， 前記リボンを前記エネルギ−源に対し相対的に，また相互に相対的に移動し，前 記溶融領域を前記リボンに沿つて移動する工程，より成る半導体材料の局部的溶 融及び再結晶により半導体材料の結晶性を改善する方法。 ９．前記第１及び第２溶融領域は，相互に正常位置からずれている請求の範囲第 ８項記載の方法。 １０．前記２本のリボンの間に熱デイフユーザを挿入する工程を更に具える請求 の範囲第８項記載の方法。