半導体用ウエハ製造方法及び装置
【課題】従来のインゴット（CZ法等）によらず、シリコンウエハを含む半導体ウエハを直接製造する方法及び装置を提供する。
【解決手段】不活性ガスを充填したチャンバ１内において、長手方向に延長した保持炉３に半導体の溶融体５を保持し、前記保持炉３の上方からウエハ基板となる金属テープ２を所定の速度で供給し、下降させて供給し、前記シリコン溶融体５上面に接触させ、前記テープ２の少なくとも１面に前記半導体を凝固付着させ、該テープ２を上方に引上げ、基板で補強されたウエハを製造する。
【解決手段】不活性ガスを充填したチャンバ１内において、長手方向に延長した保持炉３に半導体の溶融体５を保持し、前記保持炉３の上方からウエハ基板となる金属テープ２を所定の速度で供給し、下降させて供給し、前記シリコン溶融体５上面に接触させ、前記テープ２の少なくとも１面に前記半導体を凝固付着させ、該テープ２を上方に引上げ、基板で補強されたウエハを製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物及びシリコン等の半導体、特にシリコンウエハを、インゴットを製造し、切断、研磨して製造する方法に代わり、直接基板となる金属テープで補強されたシリコンウエハをする方法及び装置に係る。以下本明細書においては、半導体はIC回路用のシリコン半導体、太陽電池用シリコン半導体及びGaAs等化合物半導体を含む。
【背景技術】
【０００２】
従来の太陽電池用またはIC回路用半導体用のシリコンはシリコン溶融体を1方向凝固させ、インゴットを製造し、これを切断、研磨してウエハを製造していた（以下インゴット法という）。この方法は通常ＣＺ法あるいは電磁鋳造法といわれている。高価な装置である。
【０００３】
しかし、これらの方法は高純度シリコンを一度保持炉内で溶解し、精密な引上げ装置でインゴットを引上げ、凝固し、冷却するため、多大なエネルギーを消費する（１５０Ｋｗｈ/kg）。また、製造されたインゴットを切断し、ウエハを製造するので、その歩留まりは６０から７０％である。その理由は、ウエハ厚み２５０から５００μｍ、切断厚み１５０から２００μｍ、その他頭部底部の切り代があるためである。
【０００４】
従って、太陽電池及びIC回路用等に使用されるウエハの製造費はきわめて高い。そこで、溶解温度が低いＧａ−Ａｓの結晶を製造するため液相エピタキシャル装置が開示されている（特開平３−８０１８５号公報）。この方法は、Ｇａ−Ａｓ基板を目的とする成分組成となっている溜めに基板を順次接触させ、種々の成分組成の層を積層させて、半導体を製造している。製造されるウエハは基板の面積に限定されおり、又この方法は融点の高いシリコンには適用されていない。
また、特許第３２１０３０３号公報および特開平８−３３０３１６号公報には、シリコン単結晶のインゴットを製造する条件を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−８０１８５号公報
【特許文献２】特許第３２１０３０３号公報
【特許文献３】特開平８−３３０３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在特に需要の高い太陽電池及びIC回路用半導体用のシリコンウエハを安価に大量に製造する要請がある。本発明は係る要請を解決する画期的発明を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は上記要請を解決する為に研究を進め、画期的な新しいシリコンウエハを連続的に製造する方法及び装置を着想し、完成させた。ここで、シリコンウエハは多結晶のウエハばかりでなく、製造条件を調整することにより、エピタキシャルウエハも製造できるので、従来の要請を一挙に解決するものである。
【０００８】
本願発明の基本的思想は、薄い金属シリコンの融点よりも高いテープ状金属薄板を、不活性ガスを充填したチャンバ内において、長手方向に延長した保持炉にシリコン溶融体を保持し、前記保持炉の上方からウエハ基板となる金属テープを所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向に下降させて供給し、前記シリコン溶融体上面に所定距離接触させ、前記テープの少なくとも１面又は両面に前記シリコンを凝固付着させ、
該テープをガイドしながら上方に引上げ、基板で補強されたウエハを製造する方法である。
また、テープ上に凝固したシリコンの結晶方位制御するためにはシリコン溶融体に接触する側に、予め例えば所定の結晶面を生成させたシリコンの薄膜を形成しておくとことが望ましい。テープ面で凝固したシリコンの結晶方位は、テープに予め生成している結晶方位に成長することが多いためである。
【０００９】
予めリールに巻いてある金属テープを所定の速度で供給する方法は前記テープを供給ロールではさみ、供給する方法であり、また、該金属テープを所定の速度で上方に引き上げる方法は前記テープを引上げロールではさみ、引上げる方法である。
【００１０】
上記製造方法を実施する装置は、不活性ガスを充填したチャンバと、このチャンバ内に以下の装置を収容したものである。
シリコン溶融体を保持し、該シリコンを加熱する設備を備え、長手方向に延長した保持炉と、
前記保持炉の上方からウエハ基板となる金属テープを所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向に下降供給させるテープ供給ロールと、
前記シリコン溶融体面に所定距離接触させ、前記テープの少なくとも１面に前記シリコンを凝固付着させるガイドと、
を備え、前記シリコンが凝固付着したテープを上方に引上げ、基板で補強されたウエハを製造する装置である。
【発明の効果】
【００１１】
この方法及び装置は、予めリールに巻いてある金属テープを連続的に供給することにより、金属テープで補強されたウエハを連続的に一定の品質で大量に製造できる利点がある。少なくとも引上げ速度が高い場合でも太陽電池級のシリコンウエハを製造できる。引上げ速度を低くすれば、エピタキシャルウエハを製造できる。また、シリコンウエハばかりでなく、ＧａＡｓ等の化合物半導体の製造にも適用できる方法及び装置である。シリコン溶融体の代わりにGaAsなどの溶融体を準備しておけば、これらの薄膜をテープ上に生成できるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明のシリコンウエハ製造装置の基本構成を示す図である。
【図２】図２は、シリコン湯面に金属テープが接触し、ウエハを形成する様子を示す概要図である。
【図３】図３は、図２に示した本発明の基本構成の他の実施態様を示し、シリコン溶融体を保持する保持炉の長手方向の中心に沿った垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発明の基本的構成を図１に示す。不活性ガス、例えばＡｒガスを1気圧程度充填したチャンバ１内に、高純度シリコン（太陽電池用のウエハを目的とする場合には１０−７の不純物濃度を含む金属シリコン、IC回路用半導体を目的とする場合には１０−１１の不純物を含む）５を、長手方向に延長した舟状の保持炉３に収容し、高周波コイルを保持炉の先頭部６と、中間部を除き、後端部にリング状に巻いたコイル７‘及び７で加熱し、約１４１５から１４３０℃のシリコン溶融体５を用意する。
前記保持炉の上方からリ−ル（図示せず）に巻いてある基板となる金属テープ２をロール４により引き出し、所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向にテープ供給ロールから下降供給する。
【００１４】
上記金属テープはシリコンの融点よりも高いＴｉまたはＮｉ、またはこれ等の合金のテープ等が望ましい。これらのテープは予め、又はシリコン湯面に供給する前に水素ガスを吹き付けて酸化膜を除去しておくのが望ましい。シリコンの湯面は高周波コイル７，７‘の電磁力により保持炉の中間部で多少数ミリ盛上がっているので、テープ２をこの盛上がり１０に接触させる。図２はシリコン湯面の盛り上がりを示す。テープとシリコン湯面の接触長さは１から１０ｍｍ程度とすればよい。この接触長さでテープに付着するシリコンの厚みを目的とする厚さ２０に制御する。また、テープ上に凝固したシリコンの結晶方位制御するためにはシリコン溶融体に接触する側に予め例えば所定の結晶面（[１００]、または [１１１]）を生成させたシリコンの薄膜を形成しておくとことが望ましい。テープ面で凝固したシリコンの結晶方位は、テープに予め生成している結晶方位に成長することが多いためである。テープの厚みは１〜２０μｍでよい。一般に（Ｓｉ）は腐食性が高いので、予めＴｉの表面にクロム（Ｃｒ）を１〜２μｍのめっきをしておくと、Ｔｉの溶解を防止し、かつＳｉの凝固の結晶方位を一定にすることが容易である。
【００１５】
本発明では、シリコンの融点を１４２０℃と仮定する（高純度シリコンの融点は１４２７度とする場合もある）。他方テープの温度は、例えば１３５０から１４００℃とし、テープがシリコン湯面に接触した際短時間で凝固層が生成するように配慮する。シリコン湯面の温度、テープの温度、テープ供給速度はシリコンの結晶粒度、結晶方位に影響するので、精密な制御が必要である。テープ供給速度制御は供給ロール４及び引上げロール６を従来の速度制御機器で制御する。
まず、基本的にはシリコンの望ましい厚みからテープ供給速度、または引き上げ速度を決定する。次に、シリコン湯面温度及びテープの温度を決定する。シリコンの湯面温度制御は、シリコン溶融体の温度を測定し、連動した高周波電力制御装置で制御する。テープの温度は湯面近傍で例えば１３５０℃から１４００℃が望ましい。テープが形成する円弧半径rは、例えば望ましい範囲、半径２０から７０ｃｍとする。
【００１６】
テープ供給側では湯面にたいして3０から９０度（反時計方向に計り）の角度でテープを供給する。テープ引出側では、湯面に対して１０から９０度（時計方向に計り）方向にテープを引き出す。
凝固したシリコンをあまり湾曲させず、最終的にフラットなウエハにするためである。
基板である金属板はウエハを補強してウエハが割れないようにする。この基板はウエハを半導体に加工する場合には、電極として利用できる。なお、電極が不要な場合には、エッチング等により剥離してもよい。
【００１７】
前記シリコンを溶融する保持炉３はたとえば石英を用いる。他の材質であるとシリコン溶湯が不純物で汚染されるからである。保持炉の中間部としてテープを浸漬する場所を１０から３０ｃｍ程度確保する。この場所は特にカバー(図せず)をかけない。その前方（テープ引き上げ方向）とその後端部にはカバーをかけてもよい。シリコンは溶解前では電気伝導度が小さいため高周波電力が入力しにくいため、温度が上昇しにくい。そこで、保持炉の外周を黒鉛のケースで周包し、他の交流は直流電力で加熱された黒鉛で保持炉内のシリコンを加熱することが望ましい。
これらの部分は垂直方向の高周波コイルを適度に巻いて、保持炉内に充填した金属シリコンを加熱する。この際高周波コイルは保持炉の長手方法と直角に巻いてあるので中央部で湯面の盛り上がりあるので、テープ表面に接触する。
【００１８】
以下、多結晶またはエピタキシャル結晶成長の条件が成立しているかを検証する。
先に引用した先行特許文献２を参照すと、シリコン単結晶をＣＺ法で引上げる場合の種結晶引上げ条件としてＶ／Ｇ（ｒ）≧１．３・１０−3ｃｍ２／Ｋｍｉｎ（Ｖ：引き上げ速度、Ｇ：界面温度勾配）であることを要求する。そして、Ｖは２から８ｍｍ/minとしている。Ｖを５ｍｍとするとＧ≧３８４．６Ｋ／ｍｍである。また、先行特許文献３では、単結晶の引き上げ速度は1〜2ｍｍ/minとしている。
【００１９】
本発明で、 テープに付着するシリコン凝固層の厚みを０．０５ｍｍ（５0μｍ）、シリコン湯面温度１４２０℃、テープの温度１４００℃とすれば、温度勾配は４００度Ｃ/ｍｍである。従って、上方への引き抜き速度Ｖは０．５２ｃｍ／ｍｉｎであり、水平の移動速度は１０４mm/ｍｉｎである。また、上方への引上げ速度を２ｍｍ/minとすると、水平の移動速度は４１mm/ｍｉｎである。この程度の水平移動速度で単結晶、少なくとも多結晶の生成は可能である。上記言及はエピタキシャル成長が可能であるＣＺ法における一般的温度条件が本発明においても実現されていることを説明するための説明に過ぎず、先行技術を本願発明で利用していることを主張するものでない。
【００２０】
金属テープは、供給側と引き上げ側ともに適当な間隔で設けたロールで供給または引上げる。必要によりテープをガイドするガイド８を設けことが出来る。ウエハを引上げるとシリコンは徐々に減少するので、保持炉の一方から金属シリコンを新たに供給し、湯面の位置を一定に保持すればよい。引上げたウエハエは適宜切断し、外部に取り出し保存する。ウエハの表面が全く平滑でないときは、必要により研磨機で平滑にする。
ウエハの厚みはその後利用するため、２５０から５００μｍとなるように引き上げ速度、シリコン湯面温度、テープの予熱温度を制御する。原則としては金属テープの一面のみにシリコンを付着すればよいが、テープ両面にシリコンを付着させてもよい。
【００２１】
上記方法を実施する装置は、不活性ガスを充填したチャンバ１内に、
前記シリコン溶融体５を保持し、該シリコンを加熱する設備を備えた長手方向に延長した保持炉３と、
前記保持炉の上方からウエハ基板となる金属テープ２を所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向に下降供給させるテープ供給装置４と、
前記シリコン溶融体面に所定距離接触させ、前記テープの１面又は両面に前記シリコンを凝固付着させたテープと所定の方向に必要によりガイドするガイド８を備え、
前記シリコンが凝固付着したテープを上方に引上げ、基板２で補強されたウエハを製造する装置である。
【００２２】
不活性ガスとしては高純度Ａｒガス、Ｈｅ、Ｎｅガスも利用できる。ただし、熱容量の大きいＡｒガスが装置の冷却効果が大きい。シリコン溶融体を保持する船型保持炉は、テープの幅が１０ｃｍの場合には例えば断面が２０ｃｍ×２５ｃｍ、長さ５０から７０ｃｍ、壁厚み３０ｍｍ程度のシリカで構成する。約７０ｋｇのシリコンを保持する。保持炉の幅は使用するテープの幅に応じて大きくする。
長手方向の前方（引上げ側）に例えば１０００サイクルの３から１０ターンの高周波コイル７‘を巻く。同じく長手方向の後端部にも同じ高周波コイル７を巻く。シリコンを溶解するには最初は約２００ｋｗ、シリコンが溶解したら約５０ｋｗ程度で、１４２０から１４５０℃の温度を維持する。
【００２３】
供給側金属テープの温度はシリコン湯面から２０ｃｍ程度高い場所に高周波電力を供給するコイル９を設け、金属テープを囲み２０ｋｗ程度の電力で加熱し、常温から所定の温度、例えば１４００℃に加熱する。金属テープは高周波電力で急激に加熱すると変形することがあるので、その場合には予め他の方法で、予熱することが望ましい。
また、シリコンを付着させたテープにも同じような高周波加熱装置（図示せず）を設け、加熱処理をするとシリコンの結晶粒度を一般的には拡大させ、シリコンの電気的性質を望ましくする。
【００２４】
図３には、図２に示した装置概要の他の実施例を示す。シリコンの溶融体５は長い箱形の保持炉３に保持されている。中心部に堰き３５があり、図の左右から高周波電力によって堰きに付き当たった溶融体が上方に流れ、盛り上がり１０を形成する。堰は盛り上がり１０の位置を固定する作用がある。保持炉には、最初細かくした金属シリコンを充填してあるので、コイル７‘及び７からの電力が、入力されにくい。そこで、箱型の保持炉の外周を凹型の黒鉛のケースで囲んでいる。保持炉３の先頭部と後端部は保温のためカバーで覆われている。一旦溶融体が形成されると、溶融体の電気伝導度が上がり、高周波電力がインプットされ易くなり、加熱が容易となる。シリコンの凝固厚みをＸ線厚み測定器３４等で常時測定することは望ましい。
【００２５】
保持炉５の中心部は、図２に示したように、金属テープ２が上方から供給され、シリコンの湯面盛り上がり１０に接触し、前方に引上げられる。この際ガイド８と、ロールはテープの移動を容易にする。供給ロール４と引上げロール６（図６）又は４０（図３）は連動し金属テープを移動させる。金属テープ２にシリコンを均一に付着させるためには、溶融体の湯面を正確に一定位置に制御することが重要である。そこで、保持炉５の後端に減少するシリコンを供給するための溶解炉を保持炉５に接続させる。溶解炉は断面が円形または四角形の石英ルツボで、外周を黒鉛の加熱体でカバーし、さらに高周波コイルで巻き、電力を供給し、新たに供給されるシリコンを溶解する。
【００２６】
金属テープに付着させるシリコンの厚みを一定にするためには、基本的にはシリコン溶融体の湯面を一定に保持することが重要である。そのためには湯面の位置を精度高いレーザ距離計で測定し、制御器を介して、細粒のシリコンを収容するホッパの開閉弁を開閉器で制御することが望ましい。
太陽電池用ウエハの場合には、基板である金属テープ上には通常Ｐ型半導体を形成しているので、保持炉内のシリコン溶融体を予め３価のＢ等をドープしてＰ型半導体とすることがのぞましい。要は基板と接する半導体がＰ型の場合は３価のドープ材を、Ｎ型の場合には５価のＰをドープしておくと、シリコン溶融体の電気伝導度が高くなるので、高周波による加熱・溶解が促進される。
【００２７】
次にシリコンの結晶粒の方位をのべる。一般にＣＺ法で一方向凝固したインゴットは例えば[100] の方向がインゴットの長手方向に揃っている。Ｔｉテープで製造したウエハの結晶方位を調べた。従来、インゴットを引上げるとき引上げ前の金属の結晶方位がそのまま延長するように引上げ速度等を選択する。実験の結果、テープの移動速度が遅いときには金属テープ面の結晶方位によらず、ウエハの結晶方位[100]（ウエハ面の法線方向）は抜熱方向と一致することが判明した。結晶の[100]方向は比較的に原子が祖に配置されているため冷却速度が遅い場合には抜熱方向（テープ面の法線方向）と一致したためと推定される。なお、この理由は不明な点が残されている。従って、凝固開始前記のTiテープの結晶方位が必ずしもウエハの結晶方位と同じことは要しない。
【００２８】
比較的凝固速度が遅い場合には、一般に凝固開始前の結晶方位を引き継ぐことがあるが、凝固速度が早い場合には抜熱方法に種々の結晶方位が混在することも判明した。
また、テープの表面に予め望ましい結晶方位を有するシリコン、ＧａＰ，ＡｌＰ，ＣａＦ２等、Ｓｉの格子定数に近い物質の薄膜（厚み２μｍ程度）を種結晶として形成しておくのは望ましい。シリコンは公知の方法（特開２００６−２４5326号公報）などにより金属テープ表面に予め形成することが出来る。
【実施例１】
【００２９】
実施態様で述べた装置を用い、巾１０ｍｍのTiテープ（例えば厚み１０μｍ）を半導体用の高純度シリコンの湯面に接触させて、ウエハを製造した。実験用のチャンバは巾２ｍ、長さ４ｍ、高さ３ｍでArを充満させたチャンバである。
シリコンの湯面温度は最初１４２５℃、その後１４１７℃とした。引上げ速度（水平移動速度）は1２0ｍｍ/min とした。付着したシリコンの厚みは最初２００μｍであったが、シリコン浴の温度を１４１６℃としたところ５００μｍとなった。次に結晶方位を調べたところ、テープ法線方向に[100]が約９０％揃っていた。このウエハは完全ではないが、ほぼ半導体用に使用可能であった。
【実施例２】
【００３０】
実施例１と同じ条件で、ただし太陽電池用のシリコン溶湯を溶解し、テープ引き上げ速度を５０ｍｍ/minとした。この場合には、結晶方位は[100] と [111]とが混合していた。このウエハは太陽電池用シリコンとして使用可能であった。
【実施例３】
【００３１】
実施例１と同じ条件で、ただし太陽電池用のシリコン溶湯を溶解し、テープ引き上げ速度を５０ｍｍ/minとした。この場合予めＴｉテープの１面にシリコン薄膜（厚み２μｍの多結晶または[100]面が形成されている）を形成したテープを使用した。結晶方位は[100] と [111]とが混合していた。このウエハは太陽電池用シリコンとして使用可能であった。
【符号の説明】
【００３２】
１・・・・装置全体を囲むチャンバ ２・・・・金属テープ、基板
３・・・・シリコン溶融体のための保持炉
４・・・・テープ供給ロール ４０・・・・テープ引上げロール
５・・・・シリコン溶融体 ７・・・・高周波コイル
７‘・・・高周波コイル ８・・・・テープガイド
９・・・・テープ加熱用高周波コイル
１０・・・湯面の盛り上がり
２０・・・テープに付着したシリコンウエハ
３４・・・X線厚み計 ３５・・・・堰
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化合物及びシリコン等の半導体、特にシリコンウエハを、インゴットを製造し、切断、研磨して製造する方法に代わり、直接基板となる金属テープで補強されたシリコンウエハをする方法及び装置に係る。以下本明細書においては、半導体はIC回路用のシリコン半導体、太陽電池用シリコン半導体及びGaAs等化合物半導体を含む。
【背景技術】
【０００２】
従来の太陽電池用またはIC回路用半導体用のシリコンはシリコン溶融体を1方向凝固させ、インゴットを製造し、これを切断、研磨してウエハを製造していた（以下インゴット法という）。この方法は通常ＣＺ法あるいは電磁鋳造法といわれている。高価な装置である。
【０００３】
しかし、これらの方法は高純度シリコンを一度保持炉内で溶解し、精密な引上げ装置でインゴットを引上げ、凝固し、冷却するため、多大なエネルギーを消費する（１５０Ｋｗｈ/kg）。また、製造されたインゴットを切断し、ウエハを製造するので、その歩留まりは６０から７０％である。その理由は、ウエハ厚み２５０から５００μｍ、切断厚み１５０から２００μｍ、その他頭部底部の切り代があるためである。
【０００４】
従って、太陽電池及びIC回路用等に使用されるウエハの製造費はきわめて高い。そこで、溶解温度が低いＧａ−Ａｓの結晶を製造するため液相エピタキシャル装置が開示されている（特開平３−８０１８５号公報）。この方法は、Ｇａ−Ａｓ基板を目的とする成分組成となっている溜めに基板を順次接触させ、種々の成分組成の層を積層させて、半導体を製造している。製造されるウエハは基板の面積に限定されおり、又この方法は融点の高いシリコンには適用されていない。
また、特許第３２１０３０３号公報および特開平８−３３０３１６号公報には、シリコン単結晶のインゴットを製造する条件を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−８０１８５号公報
【特許文献２】特許第３２１０３０３号公報
【特許文献３】特開平８−３３０３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在特に需要の高い太陽電池及びIC回路用半導体用のシリコンウエハを安価に大量に製造する要請がある。本発明は係る要請を解決する画期的発明を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は上記要請を解決する為に研究を進め、画期的な新しいシリコンウエハを連続的に製造する方法及び装置を着想し、完成させた。ここで、シリコンウエハは多結晶のウエハばかりでなく、製造条件を調整することにより、エピタキシャルウエハも製造できるので、従来の要請を一挙に解決するものである。
【０００８】
本願発明の基本的思想は、薄い金属シリコンの融点よりも高いテープ状金属薄板を、不活性ガスを充填したチャンバ内において、長手方向に延長した保持炉にシリコン溶融体を保持し、前記保持炉の上方からウエハ基板となる金属テープを所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向に下降させて供給し、前記シリコン溶融体上面に所定距離接触させ、前記テープの少なくとも１面又は両面に前記シリコンを凝固付着させ、
該テープをガイドしながら上方に引上げ、基板で補強されたウエハを製造する方法である。
また、テープ上に凝固したシリコンの結晶方位制御するためにはシリコン溶融体に接触する側に、予め例えば所定の結晶面を生成させたシリコンの薄膜を形成しておくとことが望ましい。テープ面で凝固したシリコンの結晶方位は、テープに予め生成している結晶方位に成長することが多いためである。
【０００９】
予めリールに巻いてある金属テープを所定の速度で供給する方法は前記テープを供給ロールではさみ、供給する方法であり、また、該金属テープを所定の速度で上方に引き上げる方法は前記テープを引上げロールではさみ、引上げる方法である。
【００１０】
上記製造方法を実施する装置は、不活性ガスを充填したチャンバと、このチャンバ内に以下の装置を収容したものである。
シリコン溶融体を保持し、該シリコンを加熱する設備を備え、長手方向に延長した保持炉と、
前記保持炉の上方からウエハ基板となる金属テープを所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向に下降供給させるテープ供給ロールと、
前記シリコン溶融体面に所定距離接触させ、前記テープの少なくとも１面に前記シリコンを凝固付着させるガイドと、
を備え、前記シリコンが凝固付着したテープを上方に引上げ、基板で補強されたウエハを製造する装置である。
【発明の効果】
【００１１】
この方法及び装置は、予めリールに巻いてある金属テープを連続的に供給することにより、金属テープで補強されたウエハを連続的に一定の品質で大量に製造できる利点がある。少なくとも引上げ速度が高い場合でも太陽電池級のシリコンウエハを製造できる。引上げ速度を低くすれば、エピタキシャルウエハを製造できる。また、シリコンウエハばかりでなく、ＧａＡｓ等の化合物半導体の製造にも適用できる方法及び装置である。シリコン溶融体の代わりにGaAsなどの溶融体を準備しておけば、これらの薄膜をテープ上に生成できるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は本発明のシリコンウエハ製造装置の基本構成を示す図である。
【図２】図２は、シリコン湯面に金属テープが接触し、ウエハを形成する様子を示す概要図である。
【図３】図３は、図２に示した本発明の基本構成の他の実施態様を示し、シリコン溶融体を保持する保持炉の長手方向の中心に沿った垂直断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
発明の基本的構成を図１に示す。不活性ガス、例えばＡｒガスを1気圧程度充填したチャンバ１内に、高純度シリコン（太陽電池用のウエハを目的とする場合には１０−７の不純物濃度を含む金属シリコン、IC回路用半導体を目的とする場合には１０−１１の不純物を含む）５を、長手方向に延長した舟状の保持炉３に収容し、高周波コイルを保持炉の先頭部６と、中間部を除き、後端部にリング状に巻いたコイル７‘及び７で加熱し、約１４１５から１４３０℃のシリコン溶融体５を用意する。
前記保持炉の上方からリ−ル（図示せず）に巻いてある基板となる金属テープ２をロール４により引き出し、所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向にテープ供給ロールから下降供給する。
【００１４】
上記金属テープはシリコンの融点よりも高いＴｉまたはＮｉ、またはこれ等の合金のテープ等が望ましい。これらのテープは予め、又はシリコン湯面に供給する前に水素ガスを吹き付けて酸化膜を除去しておくのが望ましい。シリコンの湯面は高周波コイル７，７‘の電磁力により保持炉の中間部で多少数ミリ盛上がっているので、テープ２をこの盛上がり１０に接触させる。図２はシリコン湯面の盛り上がりを示す。テープとシリコン湯面の接触長さは１から１０ｍｍ程度とすればよい。この接触長さでテープに付着するシリコンの厚みを目的とする厚さ２０に制御する。また、テープ上に凝固したシリコンの結晶方位制御するためにはシリコン溶融体に接触する側に予め例えば所定の結晶面（[１００]、または [１１１]）を生成させたシリコンの薄膜を形成しておくとことが望ましい。テープ面で凝固したシリコンの結晶方位は、テープに予め生成している結晶方位に成長することが多いためである。テープの厚みは１〜２０μｍでよい。一般に（Ｓｉ）は腐食性が高いので、予めＴｉの表面にクロム（Ｃｒ）を１〜２μｍのめっきをしておくと、Ｔｉの溶解を防止し、かつＳｉの凝固の結晶方位を一定にすることが容易である。
【００１５】
本発明では、シリコンの融点を１４２０℃と仮定する（高純度シリコンの融点は１４２７度とする場合もある）。他方テープの温度は、例えば１３５０から１４００℃とし、テープがシリコン湯面に接触した際短時間で凝固層が生成するように配慮する。シリコン湯面の温度、テープの温度、テープ供給速度はシリコンの結晶粒度、結晶方位に影響するので、精密な制御が必要である。テープ供給速度制御は供給ロール４及び引上げロール６を従来の速度制御機器で制御する。
まず、基本的にはシリコンの望ましい厚みからテープ供給速度、または引き上げ速度を決定する。次に、シリコン湯面温度及びテープの温度を決定する。シリコンの湯面温度制御は、シリコン溶融体の温度を測定し、連動した高周波電力制御装置で制御する。テープの温度は湯面近傍で例えば１３５０℃から１４００℃が望ましい。テープが形成する円弧半径rは、例えば望ましい範囲、半径２０から７０ｃｍとする。
【００１６】
テープ供給側では湯面にたいして3０から９０度（反時計方向に計り）の角度でテープを供給する。テープ引出側では、湯面に対して１０から９０度（時計方向に計り）方向にテープを引き出す。
凝固したシリコンをあまり湾曲させず、最終的にフラットなウエハにするためである。
基板である金属板はウエハを補強してウエハが割れないようにする。この基板はウエハを半導体に加工する場合には、電極として利用できる。なお、電極が不要な場合には、エッチング等により剥離してもよい。
【００１７】
前記シリコンを溶融する保持炉３はたとえば石英を用いる。他の材質であるとシリコン溶湯が不純物で汚染されるからである。保持炉の中間部としてテープを浸漬する場所を１０から３０ｃｍ程度確保する。この場所は特にカバー(図せず)をかけない。その前方（テープ引き上げ方向）とその後端部にはカバーをかけてもよい。シリコンは溶解前では電気伝導度が小さいため高周波電力が入力しにくいため、温度が上昇しにくい。そこで、保持炉の外周を黒鉛のケースで周包し、他の交流は直流電力で加熱された黒鉛で保持炉内のシリコンを加熱することが望ましい。
これらの部分は垂直方向の高周波コイルを適度に巻いて、保持炉内に充填した金属シリコンを加熱する。この際高周波コイルは保持炉の長手方法と直角に巻いてあるので中央部で湯面の盛り上がりあるので、テープ表面に接触する。
【００１８】
以下、多結晶またはエピタキシャル結晶成長の条件が成立しているかを検証する。
先に引用した先行特許文献２を参照すと、シリコン単結晶をＣＺ法で引上げる場合の種結晶引上げ条件としてＶ／Ｇ（ｒ）≧１．３・１０−3ｃｍ２／Ｋｍｉｎ（Ｖ：引き上げ速度、Ｇ：界面温度勾配）であることを要求する。そして、Ｖは２から８ｍｍ/minとしている。Ｖを５ｍｍとするとＧ≧３８４．６Ｋ／ｍｍである。また、先行特許文献３では、単結晶の引き上げ速度は1〜2ｍｍ/minとしている。
【００１９】
本発明で、 テープに付着するシリコン凝固層の厚みを０．０５ｍｍ（５0μｍ）、シリコン湯面温度１４２０℃、テープの温度１４００℃とすれば、温度勾配は４００度Ｃ/ｍｍである。従って、上方への引き抜き速度Ｖは０．５２ｃｍ／ｍｉｎであり、水平の移動速度は１０４mm/ｍｉｎである。また、上方への引上げ速度を２ｍｍ/minとすると、水平の移動速度は４１mm/ｍｉｎである。この程度の水平移動速度で単結晶、少なくとも多結晶の生成は可能である。上記言及はエピタキシャル成長が可能であるＣＺ法における一般的温度条件が本発明においても実現されていることを説明するための説明に過ぎず、先行技術を本願発明で利用していることを主張するものでない。
【００２０】
金属テープは、供給側と引き上げ側ともに適当な間隔で設けたロールで供給または引上げる。必要によりテープをガイドするガイド８を設けことが出来る。ウエハを引上げるとシリコンは徐々に減少するので、保持炉の一方から金属シリコンを新たに供給し、湯面の位置を一定に保持すればよい。引上げたウエハエは適宜切断し、外部に取り出し保存する。ウエハの表面が全く平滑でないときは、必要により研磨機で平滑にする。
ウエハの厚みはその後利用するため、２５０から５００μｍとなるように引き上げ速度、シリコン湯面温度、テープの予熱温度を制御する。原則としては金属テープの一面のみにシリコンを付着すればよいが、テープ両面にシリコンを付着させてもよい。
【００２１】
上記方法を実施する装置は、不活性ガスを充填したチャンバ１内に、
前記シリコン溶融体５を保持し、該シリコンを加熱する設備を備えた長手方向に延長した保持炉３と、
前記保持炉の上方からウエハ基板となる金属テープ２を所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向に下降供給させるテープ供給装置４と、
前記シリコン溶融体面に所定距離接触させ、前記テープの１面又は両面に前記シリコンを凝固付着させたテープと所定の方向に必要によりガイドするガイド８を備え、
前記シリコンが凝固付着したテープを上方に引上げ、基板２で補強されたウエハを製造する装置である。
【００２２】
不活性ガスとしては高純度Ａｒガス、Ｈｅ、Ｎｅガスも利用できる。ただし、熱容量の大きいＡｒガスが装置の冷却効果が大きい。シリコン溶融体を保持する船型保持炉は、テープの幅が１０ｃｍの場合には例えば断面が２０ｃｍ×２５ｃｍ、長さ５０から７０ｃｍ、壁厚み３０ｍｍ程度のシリカで構成する。約７０ｋｇのシリコンを保持する。保持炉の幅は使用するテープの幅に応じて大きくする。
長手方向の前方（引上げ側）に例えば１０００サイクルの３から１０ターンの高周波コイル７‘を巻く。同じく長手方向の後端部にも同じ高周波コイル７を巻く。シリコンを溶解するには最初は約２００ｋｗ、シリコンが溶解したら約５０ｋｗ程度で、１４２０から１４５０℃の温度を維持する。
【００２３】
供給側金属テープの温度はシリコン湯面から２０ｃｍ程度高い場所に高周波電力を供給するコイル９を設け、金属テープを囲み２０ｋｗ程度の電力で加熱し、常温から所定の温度、例えば１４００℃に加熱する。金属テープは高周波電力で急激に加熱すると変形することがあるので、その場合には予め他の方法で、予熱することが望ましい。
また、シリコンを付着させたテープにも同じような高周波加熱装置（図示せず）を設け、加熱処理をするとシリコンの結晶粒度を一般的には拡大させ、シリコンの電気的性質を望ましくする。
【００２４】
図３には、図２に示した装置概要の他の実施例を示す。シリコンの溶融体５は長い箱形の保持炉３に保持されている。中心部に堰き３５があり、図の左右から高周波電力によって堰きに付き当たった溶融体が上方に流れ、盛り上がり１０を形成する。堰は盛り上がり１０の位置を固定する作用がある。保持炉には、最初細かくした金属シリコンを充填してあるので、コイル７‘及び７からの電力が、入力されにくい。そこで、箱型の保持炉の外周を凹型の黒鉛のケースで囲んでいる。保持炉３の先頭部と後端部は保温のためカバーで覆われている。一旦溶融体が形成されると、溶融体の電気伝導度が上がり、高周波電力がインプットされ易くなり、加熱が容易となる。シリコンの凝固厚みをＸ線厚み測定器３４等で常時測定することは望ましい。
【００２５】
保持炉５の中心部は、図２に示したように、金属テープ２が上方から供給され、シリコンの湯面盛り上がり１０に接触し、前方に引上げられる。この際ガイド８と、ロールはテープの移動を容易にする。供給ロール４と引上げロール６（図６）又は４０（図３）は連動し金属テープを移動させる。金属テープ２にシリコンを均一に付着させるためには、溶融体の湯面を正確に一定位置に制御することが重要である。そこで、保持炉５の後端に減少するシリコンを供給するための溶解炉を保持炉５に接続させる。溶解炉は断面が円形または四角形の石英ルツボで、外周を黒鉛の加熱体でカバーし、さらに高周波コイルで巻き、電力を供給し、新たに供給されるシリコンを溶解する。
【００２６】
金属テープに付着させるシリコンの厚みを一定にするためには、基本的にはシリコン溶融体の湯面を一定に保持することが重要である。そのためには湯面の位置を精度高いレーザ距離計で測定し、制御器を介して、細粒のシリコンを収容するホッパの開閉弁を開閉器で制御することが望ましい。
太陽電池用ウエハの場合には、基板である金属テープ上には通常Ｐ型半導体を形成しているので、保持炉内のシリコン溶融体を予め３価のＢ等をドープしてＰ型半導体とすることがのぞましい。要は基板と接する半導体がＰ型の場合は３価のドープ材を、Ｎ型の場合には５価のＰをドープしておくと、シリコン溶融体の電気伝導度が高くなるので、高周波による加熱・溶解が促進される。
【００２７】
次にシリコンの結晶粒の方位をのべる。一般にＣＺ法で一方向凝固したインゴットは例えば[100] の方向がインゴットの長手方向に揃っている。Ｔｉテープで製造したウエハの結晶方位を調べた。従来、インゴットを引上げるとき引上げ前の金属の結晶方位がそのまま延長するように引上げ速度等を選択する。実験の結果、テープの移動速度が遅いときには金属テープ面の結晶方位によらず、ウエハの結晶方位[100]（ウエハ面の法線方向）は抜熱方向と一致することが判明した。結晶の[100]方向は比較的に原子が祖に配置されているため冷却速度が遅い場合には抜熱方向（テープ面の法線方向）と一致したためと推定される。なお、この理由は不明な点が残されている。従って、凝固開始前記のTiテープの結晶方位が必ずしもウエハの結晶方位と同じことは要しない。
【００２８】
比較的凝固速度が遅い場合には、一般に凝固開始前の結晶方位を引き継ぐことがあるが、凝固速度が早い場合には抜熱方法に種々の結晶方位が混在することも判明した。
また、テープの表面に予め望ましい結晶方位を有するシリコン、ＧａＰ，ＡｌＰ，ＣａＦ２等、Ｓｉの格子定数に近い物質の薄膜（厚み２μｍ程度）を種結晶として形成しておくのは望ましい。シリコンは公知の方法（特開２００６−２４5326号公報）などにより金属テープ表面に予め形成することが出来る。
【実施例１】
【００２９】
実施態様で述べた装置を用い、巾１０ｍｍのTiテープ（例えば厚み１０μｍ）を半導体用の高純度シリコンの湯面に接触させて、ウエハを製造した。実験用のチャンバは巾２ｍ、長さ４ｍ、高さ３ｍでArを充満させたチャンバである。
シリコンの湯面温度は最初１４２５℃、その後１４１７℃とした。引上げ速度（水平移動速度）は1２0ｍｍ/min とした。付着したシリコンの厚みは最初２００μｍであったが、シリコン浴の温度を１４１６℃としたところ５００μｍとなった。次に結晶方位を調べたところ、テープ法線方向に[100]が約９０％揃っていた。このウエハは完全ではないが、ほぼ半導体用に使用可能であった。
【実施例２】
【００３０】
実施例１と同じ条件で、ただし太陽電池用のシリコン溶湯を溶解し、テープ引き上げ速度を５０ｍｍ/minとした。この場合には、結晶方位は[100] と [111]とが混合していた。このウエハは太陽電池用シリコンとして使用可能であった。
【実施例３】
【００３１】
実施例１と同じ条件で、ただし太陽電池用のシリコン溶湯を溶解し、テープ引き上げ速度を５０ｍｍ/minとした。この場合予めＴｉテープの１面にシリコン薄膜（厚み２μｍの多結晶または[100]面が形成されている）を形成したテープを使用した。結晶方位は[100] と [111]とが混合していた。このウエハは太陽電池用シリコンとして使用可能であった。
【符号の説明】
【００３２】
１・・・・装置全体を囲むチャンバ ２・・・・金属テープ、基板
３・・・・シリコン溶融体のための保持炉
４・・・・テープ供給ロール ４０・・・・テープ引上げロール
５・・・・シリコン溶融体 ７・・・・高周波コイル
７‘・・・高周波コイル ８・・・・テープガイド
９・・・・テープ加熱用高周波コイル
１０・・・湯面の盛り上がり
２０・・・テープに付着したシリコンウエハ
３４・・・X線厚み計 ３５・・・・堰
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不活性ガスを充填したチャンバ内において、
長手方向に延長した保持炉に半導体の溶融体を保持し、
前記保持炉の上方からウエハ基板となる金属テープを所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向に下降させて供給し、
前記金属テープを前記半導体の溶融体上面に所定距離接触させ、前記テープの少なくとも１面に前記半導体を平面的に凝固付着させ、
該テープを上方に引上げ、基板で補強されたウエハを製造する方法。
【請求項２】
前記金属テープは、予めシリコンの薄膜を形成した金属テープであることを特徴とする請求項１記載のウエハを製造する方法。
【請求項３】
前記金属テープを所定の速度で供給する方法及び前記金属テープを所定の速度で上方に引き上げる方法は、前記テープを供給ロールではさみ供給又は引上げる方法であることを特徴とする請求項１記載のウエハを製造する方法。
【請求項４】
不活性ガスを充填したチャンバ内に、
前記半導体の溶融体を保持し、該半導体の溶融体を加熱する設備を備えた長手方向に延長した保持炉と、
前記保持炉の上方からウエハ基板となる金属テープを所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向に下降供給させるテープ供給装置と、
前記半導体溶融体面に所定距離接触させ、前記テープの少なくとも1面に前記半導体を凝固付着させたテープを上方に引上げる引上げ装置を備える、基板で補強されたウエハを製造する装置。
【請求項５】
前記半導体はシリコンであることを特徴とする請求項４に記載のウエハを製造する装置。
【請求項１】
不活性ガスを充填したチャンバ内において、
長手方向に延長した保持炉に半導体の溶融体を保持し、
前記保持炉の上方からウエハ基板となる金属テープを所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向に下降させて供給し、
前記金属テープを前記半導体の溶融体上面に所定距離接触させ、前記テープの少なくとも１面に前記半導体を平面的に凝固付着させ、
該テープを上方に引上げ、基板で補強されたウエハを製造する方法。
【請求項２】
前記金属テープは、予めシリコンの薄膜を形成した金属テープであることを特徴とする請求項１記載のウエハを製造する方法。
【請求項３】
前記金属テープを所定の速度で供給する方法及び前記金属テープを所定の速度で上方に引き上げる方法は、前記テープを供給ロールではさみ供給又は引上げる方法であることを特徴とする請求項１記載のウエハを製造する方法。
【請求項４】
不活性ガスを充填したチャンバ内に、
前記半導体の溶融体を保持し、該半導体の溶融体を加熱する設備を備えた長手方向に延長した保持炉と、
前記保持炉の上方からウエハ基板となる金属テープを所定の速度で供給し、前記長手方向と同じ方向に下降供給させるテープ供給装置と、
前記半導体溶融体面に所定距離接触させ、前記テープの少なくとも1面に前記半導体を凝固付着させたテープを上方に引上げる引上げ装置を備える、基板で補強されたウエハを製造する装置。
【請求項５】
前記半導体はシリコンであることを特徴とする請求項４に記載のウエハを製造する装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１１−９３７８５（Ｐ２０１１−９３７８５Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２１６５３９（Ｐ２０１０−２１６５３９）
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（５０３０７０６０５）有限会社三和知財研究所 (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月２８日（２０１０．９．２８）
【出願人】（５０３０７０６０５）有限会社三和知財研究所 (2)
【Ｆターム（参考）】
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