(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハの作製方法であって、
a. 第1の平均粒子径を有する第1の粒子構造を有する50ミクロン超の厚さの自立構造の原半導体ウェハを提供するステップと、
b. 前記ウェハの表面全体を包囲する薄膜カプセルを提供してカプセル封入されたウェハを形成するステップと、
c. 前記原半導体ウエハが溶融し、その後前記第1の平均粒子径より大きな第2の平均粒子径の第2の粒子構造に再結晶化し、前記薄膜カプセルが損なわれない状態のままでいるような条件下で、前記カプセル封入されたウェハを加熱および冷却するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記加熱および冷却するステップが大気中で実行される、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記第1の平均粒子径が10mm2未満であって、前記第2の平均粒子径が1mm2以上である、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
前記薄膜カプセルが、加熱および再結晶化中に前記ウェハが上下動するのを防止する、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記薄膜カプセルが、再結晶化中の粒子の核形成を促進しない表面を有する、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記薄膜カプセルが、再結晶が起こる環境内での要素による前記再結晶ウェハの汚染を防止する、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
前記薄膜カプセルを除去する前記ステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
前記薄膜カプセルを提供する前記ステップが酸化膜カプセルを提供することを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
前記酸化膜カプセルは酸化シリコンである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記薄膜カプセルを提供する前記ステップが、スピンオンガラス工程、スパッタリング、物理気相成長、及び化学気相蒸着から成る群から選ばれる方法を用いて、前記原半導体ウェハ上に前記薄膜カプセルを直接蒸着し、又は、乾燥酸化物の成長及び湿潤酸化物の成長から成る群から選ばれる方法を用いて、前記原半導体ウェハ上に前記薄膜カプセルを形成することを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１１】
前記再結晶化するステップの前に、前記薄膜カプセルのうち少なくとも1つの表面に隣接する少なくとも1つの支持要素を提供することをさらに含み、前記支持要素がほぼ平坦な状態を維持するように前記半導体ウェハ及びその前記薄膜カプセルを支持し、加熱および再結晶化中に、前記薄膜カプセル、及び、前記薄膜カプセルと前記少なくとも１つの支持要素との間に提供され得る任意の剥離材料の少なくとも一方が、前記原半導体ウェハが前記少なくとも1つの支持要素に付着することを防ぐ材料を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１２】
前記剥離材料が微粒子を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも1つの支持要素が一対の支持要素を含み、そのそれぞれが前記薄膜カプセルの2つの向面の一方と隣接する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも1つの支持要素が一対の支持要素を含み、前記少なくとも1つの一対の支持要素が不均一な厚さ及び互いに異なる熱特性を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも1つの支持要素が炭化ケイ素を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも1つの支持要素を提供するステップが、前記半導体ウェハの中央面に直角な線が局所重力場に対して垂直でないように配置されるべく、前記半導体ウェハを提供することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記冷却するステップが、前記加熱されたカプセル封入ウェハ内に、液状帯と再結品半導体帯との問に凝結界面を確立することを含み、前記凝結界面が前記ウェハ中央面に関して非対称である、請求項1に記載の方法。
【請求項１８】
前記加熱および冷却するステップが、前記加熱されたウェハの前記中央面に関して非対称な冷却環境を提供することを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１９】
前記薄膜がシリコン化合物と窒素、炭素、および酸素から成る群のうち少なくとも1つとを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項２０】
前記原ウェハが50ミクロン〜400ミクロンの間の厚さを有し、前記カプセルの薄膜が0.25ミクロン〜5ミクロンの間の厚さを有する、請求項1に記載の方法。
【請求項２１】
前記原半導体ウェハを提供する前記ステップが、テクスチャ表面を有する半導体ウェハの提供を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項２２】
薄膜カプセルを提供する前記ステップが、一緒に前記原半導体ウェハのほぼ全表面を囲む複数の入れ子状薄膜カプセルを提供することを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項２３】
前記複数の入れ子状薄膜カプセルは、酸化シリコンを含む少なくとも1つの薄膜カプセル及び窒化シリコンを含む少なくとも1つの薄膜カプセルを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記支持要素を間に有する少なくとも2つの前記カプセル封入されたウェハを少なくとも2つ以上の支持要素間に積み重ねるステップをさらに含み、前記カプセル封入されたウェハを加熱および冷却するステップが、一緒に積み重ねられた少なくとも2つの前記カプセル封入されたウェハを加熱および冷却することを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項２５】
前記ウェハを加熱および冷却する前記ステップが、前記再結晶ウェハの後端部分が前記再結晶ウェハの他の部分よりも大きな不純物中央濃度を有するようにして、前記ウェハと前記ウェハ内で溶融帯を確立する加熱環境との間の相対運動を提供することを含み、前記再結晶ウェハの前記他の部分から後端部分を除去するステップをさらに含み、再結晶ウェハの噴出部が生じ、前記再結晶ウェハの前記他の部分から前記噴出部を除去するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
【背景技術】
【０００２】
結晶シリコンウェハ（単結晶と多結晶の両方）は、今日製造されている光起電モジュールの大半における基本的な構成要素である。シリコンリボンが占める小さな市場シェアを除けば、これらのウェハはすべてインゴットをソーイングすることによって作製される。ソーイング自体相当の費用がかかる上、高価なシリコン原材料の半分以上を無駄に引かれた粉塵にしてしまう。その結果、ウェハのコストが、光起電モジュールの製造コストのほぼ半分を占める。
【０００３】
一方、リボンアプローチでは、インゴットを引いたウェハほど平坦ではなく、欠陥が多い材料となる。リボンの凝固間に必要とされる高温勾配がこれを招く。よって、リボン技法は単位面積当たりのコストは低減するが、この利点はセル効率の低下により相殺される。
【０００４】
（関連特許の相互参照）
２００７年６月２６日に出願された米国特許仮出願第６０／９３７，１２９号「Ｃａｓｔｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｗａｆｅｒｓ  ｉｎ  ａ  Ｃａｐｓｕｌｅ  ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ（カプセル内の光起電シリコンウェハの鋳込および方向性凝固とその関連工程）」の利点をここに主張し、開示全体を引用により全体を本明細書に組み込む。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
よって、本明細書に開示される本発明の目的は、電子的高品質と低コストとを組み合わせることにより新たな基準を設定するシリコンウェハ作製技術を生成することである。目的は、業界基準で鋳込されソーイングされた多結晶ウェハと同等あるいはそれより優れた平坦性と欠陥密度とを有するシリコンウェハを提供することである。
【０００６】
具体的な目的は、ソーイングを必要としないシリコンウェハを製造することである。この目的の一部は、ウェハの幾何学的形状を作製し、別の工程で、所望の結晶学的構造を作製する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記発明の一態様は、ウェハの幾何学的形状の形成機能と適切な粒子構造の形成機能とを分離することである。別の目的は、第１のスループットステップでウェハの幾何学的形状を形成することである。第２のステップで、ウェハの粒子構造が、方向性凝固工程により変更される。
【０００８】
より完全な概要を、請求項に先立ち以下に記載する。図１のフローチャートに概略的に示すように、光起電基板の製造までの第１のステップでは、所望の最終的な再結晶ウェハの幾何学的形状をほぼ有するプレフォームウェハが作製される１０８。しかしながら、この原ウェハは、たとえば、急速な凝固工程１０６により急速に作製される。このプレフォーム原ウェハは、非常に小さな粒子から成ることができ、また通常そのように成り、光起電ウェハとしての使用には不適切である。シリコンが通常適した材料であるが、この手法は他の材料にも適用することができる。
【０００９】
その後、プレフォームウェハは、清浄な薄膜層から成る共形のカプセル内に収容される１１８。この使い捨て型高純度カプセルは、次のステップでシリコンを収容及び保護し、カプセル封入されたウェハは再結晶化されて１２２、光起電用途に適した再結晶粒子構造を形成する。このような薄膜カプセルは、たとえば、蒸気の存在下でシリコンウェハを加熱し、結果的にウェハの外表面全体に二酸化ケイ素を成長させることによって作製することができる。通常、１〜２ミクロンの間の厚さの層が成長させられる。その他の材料または材料層も同様に、カプセルに使用することができる。
【００１０】
次に、ウェハを炉に通過させ、溶融帯が生じる空間内の領域を生成させ、ウェハにそこを移動させて、再結晶化において新たな改善された結晶構造をもたらすことにより、ウェハの結晶構造を向上させる。炉は、加熱ロッドと断熱レンガとで構成することができる。炉の冷却帯は、熱で引き起こされた応力と、その応力による結晶欠陥とを最小限にとどめるように適切に制御されなければならない。
【００１１】
薄膜カプセルは、再結晶化中に溶融材料を含む。また、該カプセルは原ウェハの形状を維持するのを助けるが、生成物の平坦性を確立するために、サポートまたは支持板を設けることができる。薄膜カプセルは、不純物がウェハに入るのを防ぐ拡散バリアとしての役割を果たす。カプセルは、粒子の制御された核形成により、結果的に生じる最終のウェハの結晶構造を決定する重要な役割を果たす。いくつかのカプセル材料の場合、炉は大気環境下で作動させることができる。たとえば、シリカがシリコンウェハ上のカプセル材料である場合、大気内の動作がカプセル内の欠陥を修復する。カプセルの薄い性質が、ウェハとカプセル材料間の熱膨張係数の不一致による応力がウェハにほとんどかからないように保証する。再結晶化後、薄膜カプセルが、たとえばエッチングにより除去される１２３。損傷があるために従来のソーイング形成後に行われていたように、損傷をエッチングする必要がない。
【００１２】
本明細書に開示され請求される発明のいくつかの目的は、添付の図面を参照すればより理解が深まるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】光起電用途に適した粒子構造のシリコンウェハを形成する本発明の工程を概略的に示すフローチャートである。
【図２】原ウェハプレフォームの全周への薄膜カプセルの形成を示す概略図である。
【図３】カプセルに囲まれたプレフォームウェハの概略図である。
【図４Ａ】全体が固体の原結晶形態の、炉内のウェハの概略図である。
【図４Ｂ】炉内に沿って、後端部分がまだ固体の原結晶形態で、先端部分が液状である図４Ａのウェハを概略的に示す図である。
【図４Ｃ】炉内に沿って、後端部分がまだ固体の原結晶形態で、中央部分が液状で、先端部分が再結晶固体である図４Ａのウェハを概略的に示す図である。
【図４Ｄ】炉内に沿って、後端部分が液状で、先端部分が再結晶固体である図４Ａのウェハを概略的に示す図である。
【図４Ｅ】炉内に沿って、全体が再結晶固体である図４Ａのウェハを概略的に示す図である。
【図５Ａ】全体積がほぼ同時に融点に導かれ、全体が液状である炉内のウェハを概略的に示す図である。
【図５Ｂ】炉内から外に移動されながら、後端部分が液状で、先端部分が再結晶固体である図５Ａのウェハを概略的に示す図である。
【図６Ａ】再結晶化後のウェハの概略図である。
【図６Ｂ】再結晶化後、およびカプセルを除去するエッチング後の、図６Ａに概略的に示されるウェハに似たウェハのデジタル画像であり、上面を示す図である。
【図６Ｃ】再結晶化後、およびカプセルを除去するエッチング後の、図６Ａに概略的に示されるウェハに似たウェハのデジタル画像であり、下面を示す図である。
【図７】結晶が右手側で凝固し、左手側で液体に成長しつつあるウェハの三次元概略図であり、ウェハは矢印Ｐの右方向に引っ張られ、結晶成長凝固前線ＦＡは液体に向かって凹型となっている。
【図７ＡＩ】熱流パターンを示す、図７の線Ａ−Ａに沿った概略断面図である。
【図７ＡＩＩ】図７ＡＩに示す凝固前線ＦＡと関連付けられる結晶成長パターンを示す概略図である。
【図７ＢＩ】熱流パターンを示す有益な形状の凝固前線ＦＢの概略断面図である。
【図７ＢＩＩ】図７ＢＩに示すウェハの概略図であり、図７ＢＩに示す凝固前線ＦＢと関連付けられる結晶成長パターンを示す。
【図７Ｃ】図７ＢＩに示すものよりも好ましくないが、まだいくらかの有用性がある凝固前線ＦＣの概略断面図である。
【図７Ｄ】図７ＢＩに示すものよりも好ましくないが、図７Ｃに示すものよりも有益な凝固前線ＦＤの概略断面図であり、小さい方の界面角度は約９０度に等しい。
【図８Ａ】本発明のカプセル封入されたウェハの製造装置を概略的に示し、上側および下側ヒータは異なる熱出力を有し、処理中のウェハから等しい距離だけ離して配置されている。
【図８Ｂ】本発明のカプセル封入されたウェハの製造装置を概略的に示し、上側および下側ヒータは同等の熱出力を有し、処理中のウェハから不均等な距離だけ離して配置されている。
【図８Ｃ】本発明のカプセル封入されたウェハの製造装置を概略的に示し、上側および下側ヒータは同等の熱出力を有し、処理中のウェハを支持する支持板は不均一な厚さを有する。
【図８Ｄ】本発明のカプセル封入されたウェハの製造装置を概略的に示し、断熱素子がヒータと処理中のウェハの間に配置されている。
【図９】ウェハ表面に沿って延びる溝および頂部を有するテクスチャプレフォームの概略図である。
【図１０】多層カプセルにカプセル封入されたウェハプレフォームの概略図である。
【図１１】固体の下側支持板と粉末の上側支持要素とを使用する本発明の実施形態を示す概略図である。
【図１２】２つのウェハと３つの支持板との積み重ねを示す概略図である。
【図１３】３つのウェハと４つの支持板との積み重ねを示す概略図である。
【図１４Ａ】一対のロッド上に置かれた状態で、支持板なしで再結晶化されたカプセル封入ウェハを上から見たデジタル画像であり、ロッドも示す。
【図１４Ｂ】ウェハがどのように支持ロッドの周囲で落ち込んでいるかを示す、下から見た図１４Ａに示す再結晶ウェハのデジタル画像である。
【図１５】後端部分がまだ固体の原結晶形態で、中央部が液状で、先端部分が再結晶固体であり、炉を図４Ｃに示すように水平ではなく垂直に通過するように配置された炉内のウェハの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書に開示の一つのアプローチは、まずウェハの幾何学的形状を形成し、次に別の工程で、所望の結晶学的構造を形成することによって、ソーイングを必要とせずにシリコンウェハを製造することである（順序は、結晶学的構造が形成され、次にソーイングにより幾何学的形状が形成されるインゴット方法の逆である）。
【００１５】
フローチャート形式の図１と、製造の各種段階工程の概要を図２および図３により示す。図１に示すように、ウェハの幾何学的形状はステップ１０８で作製することができる。たとえば、急速な凝固手法１０６を後述するように利用することができる。もしくは、化学気相蒸着手法１０４を利用することができる。この結果、約１０ｍｍ２未満、通常、約１ｍｍ２未満の平均粒子径の原ウェハができる。
【００１６】
図２および図３に概略的に示すように、重要なステップで、超清浄な薄膜カプセル３２０が、原ウェハ２１６の周囲に形成される１１８。これは酸素を含有する大気と共に炉内で実行することができる。最小限の表面積を酸素含有大気との完全接触から阻止する支持要素（図示せず）でウェハ２１６を支持することが簡便である。このカプセル３２０は、ｉ）後に続く再結晶化ステップ１２２中にシリコンとその形状を保持する、ｉｉ）粒子の核形成の制御と幾何学的形状制御のための環境を提供する、および、ｉｉｉ）シリコンの純度を維持する化学的バリアとして働く機能を果たす。たとえば、カプセル３２０は、二酸化ケイ素の成長または蒸着によって作製することができる。さらに、該カプセルは複数層から成ることにより、特化した内側層を介して粒子の核形成を制御し、特化した外側層を介して強度を加えることができる。カプセルは、別の方法で形成することもできる。このすべては後述する。ウェハおよびカプセルは、カプセル封入されたウェハアセンブリ３１９を形成する。
【００１７】
図４Ａ〜図４Ｅに概略的に示すように、所望の結晶構造を帯の再結晶化により形成することができる。一実施形態によると、原ウェハ４１６は、上側剛体支持板４２４と下側剛体支持板４２６（通常ＳｉＣ）との間に挟まれる。両板は、カプセル４２０（および、したがって最終のウェハ）を平坦になるように拘束し、ウェハ自体とは別に熱除去のための路も提供する。粉末（通常、シリカ粉末）の薄層４２８は、支持板４２４、４２６からのカプセル４２０の剥離を促進する。ウェハ、カプセル、および支持板は共に４１８、本明細書ではサンドイッチと称することもある。放射ヒータ４３２、４３４は、溶融液状帯Ｌを生成する。少なくとも１つの上側ヒータ４３２はサンドイッチの中心線から距離ｄｕをおいて配置され、少なくとも１つの下側ヒータ４３４は反対側に距離ｄｌをおいて配置される（冷却プロファイルを調整するために、図示しない追加のヒータおよびその他を設けてもよい）。スペーサ４１０は、最終のウェハのための所望の寸法を維持し、上側支持板にかかる重力および固定素子４１１からの締付力によって印加される力からの締付け作用に対抗するために任意で設けることができ、該固定素子は、後述するように、特にウェハが溶融する際、サンドイッチ４１８および移送機構４１２を完全な状態に維持するために設けられる。固定素子は、大きなＣ字状締め金などのように一体化させることができる。あるいは、２つ以上の個々に動作可能な素子の間にウェハを固定させることができる。
【００１８】
処理中のウェハ４１６は、図４Ａ〜図４Ｅの矢印Ｐで示すように、左から右へ移動する。移送機構は、一対のローラ４１２により概略的に示される。適切な移送機構は、当技術分野において既知な、プッシャ炉または移動ビーム運搬装置やベルト運搬装置などを含むが、これらに限定されない本発明の一部とみなすことができる。運搬装置は図４Ａ〜４Ｅに示すように横型であってもよいし、後述するように別の形であってもよい。
【００１９】
図４Ａに示すように、最初、原ウェハ４１６は完全に固体であり、小結晶が優勢な望ましくない結晶構造を有する。ウェハ４１６が加熱素子４３２、４３４に近い炉内に移動するにつれ（図４Ｂに概略的に示す）、ウェハの先端が溶融し、後端は融解しないままである。溶融帯Ｌがウェハ内に形成される。溶融界面Ｍが、下流の溶融帯Ｌと上流の固体帯Ｓとの間に形成される。具体的な形状の溶融界面Ｍが図示されている。しかしながら、形状は熱入力の条件に応じて異なる場合があり、本明細書の工程に大きな影響を及ぼさない。
【００２０】
加熱された後、冷却されたウェハ４１６は、図４Ｃの矢印Ｐの方向に前進する（右に）につれ、最終的に熱源４３２、４３４から十分遠くまで移動するため、溶融していた部分は冷却され、新たな結晶構造で凝固する。新たな凝固部分Ｃと液体部分Ｌとの間に、凝結界面Ｆがあり、図示されるように液体材料が後端側Ｌ（左）、固体材料が先端部分Ｃにある。
【００２１】
概して、凝結界面Ｆと溶融界面Ｍ、および、その間の溶融帯Ｌの空間位置は、ヒータ４３２、４３４などの炉素子に対してほぼ固定される。ウェハ４１６は、上述の固定的な空間位置に対して移動する。よって、移動するウェハ４１６の各部分は、最初の固体から液体に、その後再び固体の再結晶形態に変化する。よって、ウェハは、空間位置に沿って移動し、そこで溶融帯Ｌが形成され、その後冷却されて、再結晶化および凝固が生じる。
【００２２】
図４Ｄに概略的に示すように、ウェハ４１６が右方へ前進するにつれ、残りの原結晶構造部分はすべて液化し、溶融界面がなくなり凝結界面Ｆのみとなる。最後に、図４Ｅに示すように、ウェハが凝結界面Ｆを通過し、溶融界面も凝結界面もなく、すべてが再結晶固体Ｃとなる。
【００２３】
ウェハ（単結晶と多結晶の両方）は酸化され、再結晶化されている。図６Ａは、酸化物カプセルが完全な状態にある再結晶ウェハを概略的に示す。
【００２４】
カプセルは、乾燥酸化物、湿潤酸化物、および酸化物の層状組み合わせで構成されている。
【００２５】
酸化ウェハは、大気、アルゴン、アルゴン／水素形成ガス中で再結晶化されている。三つのいずれの場合も満足のゆく結果が得られた。しかしながら、不活性および還元性雰囲気下で実行された再結晶化では、カプセルにいくつかの亀裂が生じた。これらの亀裂により、溶融シリコンがカプセル外に漏れた。大気中での再結晶化ではこのような欠陥は生じなかった。大気中で焼成した際、カプセルは露出したシリコンの再酸化により自己回復した。よって、再結晶化用の炉は、自然の大気雰囲気下で完全に有効に作動させることができる。不活性またはその他の特別な雰囲気下で作動させる必要はない。
【００２６】
一例として、原ウェハは、３５０μｍ厚の鋳造多結晶シリコンであった。ウェハは大気中で２４時間酸化させられ、上述するように再結晶化した。再結晶サンプルでは、最終の粒子構造（図６Ｂ、図６Ｃ）は元の構造（図示せず）と異なり、酸化物カプセルが、原粒子構造に存在していた同じ粒子を再核形成させないことを実証している。すなわち、酸化物カプセルは、再結晶粒子構造に記憶効果を及ぼさない。さらに、再結晶化から生じる粒子の配向は、ＰＶ装置の良好な電子的性能にとって好ましい。それぞれ図６Ｂの上面図および図６Ｃの下面図に見られるように、粒子構造は上から下まで同様である（たとえば、各画像のアスタリスクで示す粒子とその周囲の粒子に注目されたい）。この上から下までの類似性は、粒子境界が主にウェハ面と平行ではなく、ウェハ面と垂直に生じることを示唆するものである。ウェハ面と平行な粒子境界は、粒子境界が可動電荷担体にとって再結合の中心として機能するため（このような望ましくない状態は、どの図にも示さず）、太陽電池の電子的性能を低下させる。さらに、再結晶ウェハが非常に平坦であり、全体にわたり約１０％に収まる、適度に均一な厚さを有し、約２５％内の平坦性均一度を持つと考えられる鋳造およびソーイングされた結晶の基準よりも著しく優れている。面内粒子境界を最小限にとどめる方法を後述する。
【００２７】
再結晶化されたウェハは、再結晶前のプレフォームよりも大きな平均粒子径を有する。上述したように、プレフォームは、約１０ｍｍ２未満、通常約１ｍｍ２未満の平均粒子径を有する。再結晶ウェハは、約１ｍｍ２超、通常約１０ｍｍ２超の平均粒子径を有する。絶対寸法は、プレフォームの性質および工程に依存する。重要な特徴は、再結晶ウェハの第２の平均粒子径が、プレフォームの第１の平均結晶粒子径より大きいことである。
【００２８】
別の有益な特徴は、転位などの欠陥密度が大幅に低減されることである。状況によっては、たとえ粒子径に改善がなくても、転位密度の改善が有益である。
【００２９】
酸化物カプセルなしで再結晶化されるウェハは、激しく上下動する。液体の大きな上下動を防止する酸化物カプセルの能力は、図６Ｂおよび図６Ｃに示される平坦な形状に注目すれば極めて明らかである。
【００３０】
この工程は薄ウェハにも働きかけることができる。厚さ１５０ミクロン、直径２インチ［５０ｍｍ］の［１００］単結晶ウェハが酸化および再結晶化され（およびエッチングされ）て、同様に上述したような粒子構造に至る。粒子構造はウェハの上部と下部で同様であり、粒子境界がウェハ表面と平行でないことを示す。概して、この工程は、約５０〜４００ミクロンの間の厚さ、好ましくは、約１００〜約２５０ミクロンの間の厚さのプレフォームウェハで使用することができる。
【００３１】
最初に先端が冷却し、したがって凝固する。図６Ｂおよび図６Ｃに示すデジタル画像では、最初に凝固するウェハの部分が右側に示され、最後に凝固する部分が左側に示される。凝結時のシリコンの体積膨張によって、シリコンの噴出部６４４が生じる。噴出部は、原酸化物カプセルを通る溶融材料の偏位である。
【００３２】
再結晶化工程の重要な側面は、凝固が指向性であるとき、再結晶ウェハが開始プレフォームよりも高い化学的純度（不純物がより少ない）を有することができることである。これは、不純物が凝結界面で拒絶され液体内に集中するために帯の純化が行われるからである。この不純物分離は、不純物の大部分、特に金属不純物が液体内よりも固体内での溶解性が低いためである。このように、不純物は、再結晶ウェハの端部に向かって濃縮させられる。ウェハ端部の小量を切り取ることによって、濃縮不純物を除去し、より純粋な最終ウェハを残すことができる。この目的で、プレフォームにはいくらか余分の長さを設けることができる。上述したようにシリコンの膨張から生じる噴出部は、非常に濃縮された不純物を含む。噴出部のみの切断で、純化を達成するのに十分な材料を除去することができる。
【００３３】
図６Ａ、図６Ｂ、および図６Ｃは、平坦な支持板間で処理されるウェハを示す。支持板なしであっても、酸化物カプセルはその形状を充分に保持する。図１４Ａおよび図１４Ｂはそれぞれ、一対の円柱状支持ロッド１４５２上に直接置かれた状態で、炉内で再結晶化されたカプセル封入ウェハ１４１９の上面図と下面図である。カプセル１４２０内のウェハ１４１６はロッド１４５２の周囲で落ち込んだが、特にカプセルなしで生じた上下動した塊（図示せず）に比べると、全体の形状は概して平坦である。下側支持板で支持されるが、蓋をする上側の支持板なしで再結晶化されたウェハは、図１４Ａおよび図１４Ｂに示される支持板なしで処理されたウェハよりも平坦であるが、上面、特に外周辺りにはある程度の屈曲が示される（この種の生成物の画像はない）。
【００３４】
ウェハを平坦に維持するための支持部を、たとえば、支持板とカプセルの固有の強度とを個々にあるいは組み合わせた下側支持素子によって設けることができる。たとえば、いくつかの比較的強靭なカプセルでは、支持板を使わずに、ロッドなどの別個の素子上にカプセル封入されたウェハを支持することができる。
【００３５】
粒子の境界の配向および密度は、ウェハの移動する環境の加熱、特に冷却を制御することによって調整することができる。溶融シリコンＬと固体再結晶シリコンＣ間の凝結界面Ｆは、熱流の考慮がいかに粒子の形成に影響を及ぼすかを理解する鍵である。図７、７ＡＩ、および７ＡＩＩに概略的に示すように、凝結界面Ｆは、液体シリコンＬが凝結して固体再結晶シリコンＣになる面である。凝結界面Ｆの全範囲がシリコンの融点であるため、界面Ｆは等温線である。この等温線の形状は、熱が冷却ウェハ７１６からいかに除去されるかにより決定される。次に、この形状は、凝固が継続するにつれ、粒子構造がどのようにウェハの再結晶部分Ｃに伝播するかに影響を及ぼす。溶融シリコン部分Ｌを凝結させ、その後冷却するには、熱を除去しなければならない。実際、単にシリコン融解の高熱のため、シリコンの凝固を達成するには、大量の熱を凝結界面Ｆから除去しなければならない。この熱は最初に固体シリコンＣおよび支持板７２４、７２６を通って伝達させてから、環境内に逃がす必要がある。熱流の方向は、成長界面である等温線を含め等温線に垂直である（これは、等温線が均一温度であり、熱がそれに沿って流れることができないからである）。最初に、対称熱流パターンについて説明し、その後で、より好ましいいくつかの熱流パターンを説明する。対称的な場合も、状況によっては有用である。たとえば、カプセルの交差部分および凝結界面Ｆで結晶成長の核形成がほとんどないか全くない場合、対称凝結界面に関連する後述の結晶成長方位の問題は生じない。
【００３６】
図７は、再結晶化中の液体部分Ｌと固体部分Ｃ間の凝結界面を三次元で概略的に示す。該界面は複合曲率を有する。ウェハの面Ｗ内の曲率Ｆｕは、この図面では説明のために誇張されていることに注意されたい。界面ＦＡの主曲率は、図７ＡＩに示す断面に見られる曲率である。この曲率を以下の説明のテーマとする（これらの図面に溶融界面は示されていない。あるとすれば、図面に示される部分の外の左側にある）。
【００３７】
図７ＡＩは、再結晶化中の、支持板７２４、７２６とカプセル７２０に封入されたウェハ７１６とのサンドイッチ７１８の断面を示す。熱はウェハ７１６の上面および下面から対称に失われ、ウェハを通じて伝達されなければならないため、ウェハの中央面ＭＰは、ウェハの平坦で無端の主両面と平行でその中間にある面である。それは、ウェハが冷却する領域において、温度が最も高い場所である。界面ＦＡは、図示される対称な形状を有する。矢印Ｈは、熱流の局所的方向を示す。熱は界面ＦＡに垂直に流れるが、粒子が界面ＦＡと垂直に伝播する傾向にあることも事実である。おそらく粒子が生じるのは、図７ＡＩＩの点７１７ｕおよび７１７ｌでの、ウェハ７１６と薄膜カプセル７２０との境界で起こる核形成によってである。この界面で核形成された粒子７１５は、ウェハの中央面に向かって内方に伝播する傾向がある。粒子は上側境界７１７ｕと下側境界７１７ｌの両方から同時に伝播して行くことができるため、粒子境界がたとえば７２１で一致する機会があり、その結果、比較的小さく、ウェハ７１６の全厚さに及ばない粒子となる。さらに、２つ以上の成長する結晶の衝突から生じる粒子境界は、ウェハ中央面と平行な成分を多く有する傾向がある。このことは、含まれる結晶がウェハの全厚さにまたがるのを防ぐため、電気的特性を低下させる。
【００３８】
粒子の核形成の発生が非常に遅い場合、２つの粒子が衝突し、たとえば７２１などに望ましくない粒子境界を形成するように成長し始める可能性は比較的低いことが分かる。よって、非常に遅い、または粒子を核形成する傾向がないカプセルが使用される場合、図７ＡＩに示す対称凝結界面ＦＡが許容可能な結果をもたらすことができる。
【００３９】
しかしながら、冷却および凝結中、Ｃで再結晶化中のウェハ７１６から流れ出る熱は、ウェハの上部または下部のいずれかの方に意図的に偏らせ、図７ＢＩに示すように非対称冷却プロファイルおよび凝結界面ＦＢを生成することができる。これは、対称界面ＦＡから生じる構造と比較して、改善された粒子構造をもたらすことができる。界面ＦＢでの非対称の影響は、界面がわずかに湾曲する図７ＢＩに示す理想的な場合を検討することにより最も良く理解できる。角度αおよびβは、液体内で測定されたカプセルの各表面の面に対する界面の角度である。これらの角度は本明細書では界面角度と称する。図７ＢＩでは、界面角度βは９０度未満であり、角度αは９０度超である。対照的に、図７ＡＩの２つの対応する界面角度はどちらも９０度超であることに注意されたい。凝結界面ＦＢは、大きな熱流を有する面（図７ＢＩに示すように下面）が最初に凝固する（すなわち、図７ＢＩに示すように、上流の左側）ように傾斜している。
【００４０】
界面角度が９０度超であるとき、対応する面で核形成された粒子は、図７ＢＩＩに示すように、凝固中のウェハ内へと伝播する傾向にある。しかしながら、界面角度が９０度未満であるとき、対応する面で核形成された粒子は、成長し、成長中のウェハ内には伝播しない傾向にある。その結果、粒子構造は、一方の面からの伝播によってのみ決定される。その結果、図７ＢＩに示すような凝結界面ＦＢの場合、ウェハの中央面ＭＰにほぼ平行なウェハ内の粒子境界は仮にあってもごくわずかであるため、粒子境界の悪影響を回避する。
【００４１】
図７Ｃおよび図７Ｄは図７ＡＩに示すような対称プロファイルから生じる粒子構造よりも優れた粒子構造をもたらす、様々な非対称界面形状ＦＣおよびＦＤ内のカプセル封入されたウェハ７１９の部分を示す。これらの形状の非対称は冷却プロファイル中の非対称によって引き起こされ、ＦＣからＦＤへ冷却プロファイルにおける非対称が増大する順で界面形状ＦＣ、ＦＤが示される。図７Ｃの界面角度はどちらも９０度より大きいが、αはβよりもずっと大きい。その結果、界面角度αがより大きい面７５１αＣから線ＡＣに沿って伝播する粒子構造は、線ＢＣに沿って他方の面７５１βＣから伝播する粒子構造を圧倒することが多い。すなわち、面７５１αＣから始まる結晶は、面７５１βＣから始まる結晶よりも遠く中央面を超え、さらにはおそらくウェハ厚全体に及ぶ。その結果、図７ＡＩＩに示す対称の場合よりも、ウェハにほぼ平行に延びる粒子境界が少なくなる。
【００４２】
図７Ｄは、界面角度βのうちの１つが約９０度である場合を示す。カプセル７５１βＤの対応面で核形成された粒子は、この面に沿って表面ＦＤと垂直に伝播するため、ウェハ内には伝播しない。
【００４３】
この上部−下部温度プロファイルの様々な部分を、下記の方法のいずれかを用いて熱流を偏らせることにより捕捉することができる。
【００４４】
支持板は、再結晶化中の応力を低減することで、転位の形成および応力が引き起こすその他の欠陥を低減するのに大いに役立つ。図７ＡＩと図７ＢＩの両方に示すように、凝結界面ＦＡ、ＦＢから離れて伝達される熱（矢印Ｈで示す）は主に、支持板７２４、７２６に向かって、かつウェハ７１６の中央面と垂直に流れる。重要な点として、この熱のごくわずかな部分が、ウェハの中央面と平行に伝達される。その結果、再結晶ウェハに沿った温度勾配および曲率は小さくなり、処理中の応力が小さくなるため、低い転位密度と高い電子的品質が得られる。これは、熱の大半を成長するリボンに沿って伝達させなければならないＥＦＧやストリングリボン法などの垂直リボン成長手法における状況とは対照的である。その違いは、熱伝導性支持板７２４、７２６の存在にある。これらはウェハに非常に近く、熱は、ウェハ７１６とそのカプセル７２０および支持板７２４、７２６間に存在するガス（通常、大気）の薄層を通って、放熱および伝熱／対流の両方により流れることができる。大気は、多孔粉末剥離層７２８の微粒子間の開放空間内に存在する。あるいは、剥離層が存在しない場合、名目上平坦だが理想的には平坦でない支持板表面と薄膜カプセルとの間に十分な大気が存在する。工程の設計者は、ウェハの面と垂直な熱流を、所与の再結晶化速度での応力を低減するか、あるいは所与の応力レベルでの再結晶化速度を高めるか、あるいは両者を組み合わせるために使用することができる。図７ＡＩおよび図７ＢＩにそれぞれ示すように、対称の場合でも非対称の場合でも効果は存在する。非対称の場合、凝結界面ＦＢの範囲を延長する熱流パターンを与えることによって、効果をさらに増大させることが可能かもしれない。再結晶化中に存在する低応力も結果的に、最終的なウェハにおいて低残留応力をもたらす。
【００４５】
再結晶化中のウェハに上下のバイアスをかける最も単純な方法は、再結晶炉内の上側および下側加熱素子を作動させて、Ｑ１＞Ｑ２という異なる熱流Ｑ１，Ｑ２を生成することによって達成することができる。これは、加熱素子を異なる温度で作動することにより最も簡単に実行することができる。このようにして、図８Ａに示すように、温度の高い方の上側加熱素子８３２ａは、Ｑ１から比較的大きな熱を生じさせるため、ウェハ８１６の上面に局地的に大きな溶融帯Ｌを生じさせる。比較的小さな熱流Ｑ２とウェハの温度の低い下面上の狭い溶融帯とを結合させると、このバイアスの結果、角度のある凝固前線Ｆが生じる。
【００４６】
再結晶化中のウェハからの熱流にバイアスをかける関連手段は、積み重ねの上側または下側のいずれかに表面積の大きい加熱素子を置くことを含む。表面積が大きければ、加熱素子は、同じ温度で少量の熱Ｑ２を放射する小面積の加熱素子よりも、多量の熱Ｑ１を支持板に放射する。このようにして、図８Ａに示されるのと同じ所望の角度付き凝固前線を達成することができる。同様に、ウェハの単位長さ当たりより多くのヒータを、積み重ねの上側または下側のいずれかに配置することができる。
【００４７】
再結晶化中のウェハからの熱流にバイアスをかける別の関連手段は、上部と下部で異なって積み重ねから離して加熱素子を配置することを含む。図８Ａは、ウェハ中央面ＭＰから等しい距離ｄｕおよびｄｌ分だけ離して配置されたヒータ８３２ａ、８３４ａの対称位置を示す。図８Ｂに示すように、加工物から下側ヒータ８３４ｂと異なる距離ｄｕの位置に上側ヒータ８３２ｂを配置することが可能であり、下側ヒータ８３４ｂはより大きな距離ｄｌ分離れて配置されている。一方は上流、他方は下流に二対のヒータ（図示せず）を備えることも可能である。同様に、上流および下流ヒータは、単独ヒータやウェハから異なる距離のヒータに関して上述したように、異なる熱出力を備えることができる。
【００４８】
再結晶化中のウェハからの熱流に上下バイアスをかける別の手段は、厚さ、熱拡散性、放射率、またはその組み合わせなどによって決定される異なる熱特性を持つ支持板を使用することを含む。たとえば、図８Ｃに示すように、下側支持板８２６Ｃは上側支持板８２４Ｃよりも大幅に厚い。ヒータは、各支持板８２４Ｃおよび８２６Ｃの最も近い表面から等しい距離ｚｕ＝ｚｌに配置することができる。使用する支持板の熱特性に応じて（すなわち、面内伝導性熱伝達と面外放射熱伝達のどちらが優勢か）、ウェハの上面または下面のいずれかからより大きな熱が引き出されて、熱の非対称性を課す。凝固界面Ｆは上述したように界面角度αおよびβでウェハに対して傾斜しており、それは望ましい作用である。界面Ｆは、角度βが角度αより大きく傾斜するように示されている。しかしながら、非対称の熱特性がどのように熱流に影響を及ぼすかに応じて、α＞βで傾斜させることもできる。
【００４９】
図８Ｄを参照すると、別の可能な方法によると、ヒータ８３２ｄ、８３４ｄの一方または他方とウェハ８１６との間に非対称に配置することのできる熱拡散または熱遮断する断熱体やその他の種類の熱素子などの熱遮蔽体８４０を変化させる。遮蔽体８４０は、両ヒータ８３２ｄ、８３４ｄおよびウェハ８１６に対する位置に応じて、断熱や熱拡散またはその他の伝熱性能を変化させることができる。さらに、遮熱素子は、ヒータまたはウェハ、またはその両方に対して可動にすることができる。たとえば、遮熱素子は、いくらかの範囲にわたり移動するウェハに沿って移動し、その後最初の位置に戻り、再び上流のウェハと共に移動する。
【００５０】
冷却プロファイルバイアスを確立するもう一つの方法は、ウェハの単位長さに関し、一方の面よりも他方の面に向く加熱素子が多くなるように、ウェハの上下でヒータの位置を変動させることである。
【００５１】
上記の説明は、ヒータが独立ロッド８３２ａ、８３４ａのように比較的個別の素子であることを想定している。ウェハの一面または両面に対して分布熱源を使用することもでき、熱出力の分布は、上面と下面に関して非対称とすることができる。
【００５２】
これらの手法は単独で使用することができ、すべてではないが大部分が、他の一部または全部と組み合わせて使用することができる。さらに、言及しておらず後に開発される類似の手法も、単独でまたは組み合わせて使用することができる。
【００５３】
ウェハまたはヒータの運動に関して、ウェハを溶解させ、再結晶化するまで凝固させることのできる配置は様々ある。大抵の状況では、ウェハが熱源に対して移動しても、熱源が固定ウェハに対して移動しても、物理的／機械的および熱力学的にも同等である。あるいは、もちろん、どちらも両者間の相対速度で移動することができる。以下の説明では、簡潔化のために、熱源が固定的で、ウェハが移動すると推定する。しかし、これは必ずしも当てはまらない。究極の利益が得られるのは、両者間の相対速度である。概して、本明細書に説明する手法はすべて帯域凝固の形を取っている。
【００５４】
図４Ａ〜図４Ｅに図示した上述の構造では、固体ウェハは炉へと次第に移動する。ウェハの先端は溶融するが、後端は溶融されないままで、溶融帯Ｌがウェハ内に生じる。
【００５５】
概して、ウェハは運動規模に沿って１５〜３００ｃｍの長さとすることができる。このうち、いずれかの時点で、０．５ｃｍ〜５ｃｍが溶融し、上流の部分が原固体で、下流の部分が結晶固体となる。
【００５６】
図５Ａおよび図５Ｂに概略的に示すように、固体ウェハを提供し、その後、ウェハ全体が液化するようにほぼ均一に加熱することも可能である。次に、カプセル５２０内に保持される酸化物などのこの液体ウェハ材料５１６は、図５Ｂに示すように、液体から固体への凝結界面Ｆが生じるように、次第に概して同じように熱源５３２、５３４から遠ざけていくことができる。
【００５７】
図５Ａおよび図５Ｂに示されるバッチ法の利点の一つは、図４Ａ〜図４Ｅに示すような移動溶融帯法よりもウェハを速く製造できることである。バッチ法の考えられる欠点の１つは、カプセル５２０がウェハ５１６の溶融材料に接触して、溶融材料が比較的長い期間、幾分反応することである。
【００５８】
帯冷却を使わず一斉に、図４Ｃに示す帯冷却よりも急速に、十分に加熱されたウェハのプレフォームを冷却することもできる。結晶成長はいくつかの場所で核成形するが、核形成箇所の数は比較的少なく、結果として生じる結晶構造は許容可能である。このようなバッチ冷却法の利点は、帯冷却法よりも認識可能なほど高速なことである。
【００５９】
二酸化ケイ素（シリカ）が、本明細書に記載の再結晶化ステップで使用されるカプセル材料である。しかしながら、別の材料も使用可能である。シリカはいくつかの理由で、薄膜カプセルにとって特に魅力的な選択肢である。シリカはウェハ上で成長させることも、多くの利用可能な手法により高純度な形態で蒸着させることもできる。良質なウェハは、溶融状態でシリカと接触するシリコンで製造することができることが既知である（たとえば、シリカ坩堝がＣＺ成長において使用される）。シリカは構造上非晶質であるため、再結晶化中に粒子の核形成を最小限に抑えると予測される。シリカは、露出したシリコンの現位置での酸化により、大気中の高温処理中に自己回復する。この自己回復が工程に頑強性を与える。大気中で処理できることは、低コスト処理に役立つ。シリカをドープして、粘度や薄膜が粒子を核形成する習性、および現位置でのドーピングの可能性を制御することができる。最後に、シリカは選択的エッチングにより、ウェハから比較的容易に除去される。
【００６０】
シリカの成長及び蒸着手法は様々ある。可能な手法は、たとえば、乾燥酸化物成長（大気または酸素環境を含む）、湿潤酸化物成長（蒸気環境を含む）、スピンオンガラス、スパッタリングなどの物理気相成長手法、および酸化物のＣＶＤ蒸着（非ドープおよびボロンドープの両方）などである。
【００６１】
酸化物被覆は、不純物がウェアに侵入するのを防ぐ拡散バリアとしての役割を果たすこともできる。
【００６２】
ドープ酸化膜（再結晶化温度でより軟らかくなる）は核形成する粒子を少なくする可能性がある（それは有益である）。重要なことに、ドープされた軟らかな薄膜は、主に核形成工程中およびその直後に粘着性のスリップを可能とするため、非ドープ膜よりも再結晶化中のシリコン上での熱膨張不一致による引張りを受けにくい。さらに、ドープシリコンの熱膨張係数は、シリカの熱膨張係数よりもシリコンに近く一致する（もう一つの考えられる利点は、ｐ＋裏面電界を形成する現位置でのドーピングである）。
【００６３】
カプセルの薄膜性質により、カプセルを異なる材料の複数層で構成することができる。たとえば、図１０に概略的に示すように、ウェハ１０１６内の結晶の核形成を低減／排除するために、ドープ酸化物の内側層１０２０ａを設けることができる。このより軟らかな層は、蒸着された酸化物や窒化ケイ素などのその他の材料による力で裏打ちすることができる１０２０ｂ。このような組み合わせは多数存在する。図１０のアセンブリ１０１９を見ると、中央のシリコンウェハ１０１６が、上記の目的のいずれか、または追加の適切な目的のために追加のカプセル封入層１０２０ａ、１０２０ｂ、および１０２０ｃに囲まれている。
【００６４】
カプセル層１０２０ａ、１０２０ｂなどのすべてが、ウェハ、または当該カプセル層内のウェハを完全に封入する必要はない。ウェハ１０１６は完全にカプセル封入されなければならないが、いずれか１つの層により完全にカプセル封入される必要はない。たとえば、外側層１０２０ｃは上面および下面１０２０Ｃｔ、１０２０Ｃｂの一方または両方の上に存在し、支持板からの剥離層としての役割を果たし得るが、縁部１０２０Ｃｅ上に存在する必要はない。このような不完全なカプセル層を貼付する様々な方法が実行可能である。複数層のカプセルは、一方または両方の支持板を使用する必要性を排除するのに十分な力を提供することができる。
【００６５】
状況によっては、プレフォームウェハの全部ではなく一部のみの周囲を覆う薄膜を提供することも可能である。たとえば、薄膜が単にウェハの一つの主面または一つの主面とその４つの縁部を覆う場合や、主面のうちの１つが露出しないように、薄膜が支持面上に平坦に置かれるウェハ上に蒸着される場合である。このように部分的に覆う薄膜は、ウェハが上下動して、その結果部分的な膜被覆にウェハが接着するのを防止する力を与えることができ、再結晶ウェハの支持板からの剥離を簡易化する。
【００６６】
薄膜カプセルは通常、約０．２５ミクロン〜５ミクロンの間の厚さ、好ましくは約０．５〜約２ミクロンの間の厚さである。これらの手法により可能な限り極限まで薄くされた膜は、さらなる利点を提供する。薄膜カプセル３２０はカプセルが覆うウェハ２１６よりもずっと薄いため、両者がウェハの再結晶を通じて加熱され、その後冷却される際に、カプセルの存在がウェハへの応力を引き起こさない。仮に薄膜がウェハと同様の厚さであれば、許容不能な高応力が生じてウェハを破損する可能性がある。概して、薄膜は非常に薄いので、曲げることができる。しかしながら、薄膜の面内での伸長や圧縮に耐え得る。よって、収容された溶融シリコンが上下動しようとしても、薄膜は伸長したり膨張したりせず、図１４Ａおよび図１４Ｂに示し、上述したように、湾曲や皺にもかかわらず概して平面状を保つ。
【００６７】
さらに、薄膜カプセルは非常に薄いので、ウェハの表面形状と完全に共形である。テクスチャプレフォームも本発明の方法によって処理し、表面テクスチャを保持する再結晶ウェハを形成することができる。
【００６８】
図９に示すように、約２０ミクロンの深さの溝９１７を有する、２０ミクロンピッチの線形テクスチャのウェハ９１６を酸化して、全体形状を全く変形させずにすべての表面に沿う約１ミクロンの厚さの薄膜を得た。その後で、それを再結晶化した。カプセルは、この微細規模構造の大半を保持するのに十分な強度を有していたが、適合度はいくらか失われた。よって、必要な目的に応じて、テクスチャを設けることができる。たとえば、２００７年２月１５日に出願された米国特許仮出願第６０／９０１，５１１号と２００８年１月２３日に出願され米国を指定国とする米国特許仮出願６１／０１１，９３３号とに対して優先権を主張する、Ｅｍａｎｕｅｌ  Ｍ．ＳａｃｈｓおよびＪａｍｅｓ  Ｆ．Ｂｒｅｄｔの名義で２００８年２月１５日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／００２０５８号「ＳＯＬＡＲ  ＣＥＬＬ  ＷＩＴＨ  ＴＥＸＴＵＲＥＤ  ＳＵＲＦＡＣＥＳ（テクスチャ表面を有する太陽電池）」に、反射防止および接触溝形成の目的が記載および開示されており、該出願は参照によりその全体を本明細書に組み込む。その他の機能または同じ機能を実現するテクスチャを設けることもできる。
【００６９】
シリコン化合物と窒素、炭素、および酸素のすべてが、代替のカプセル材料として有用であろう。これらは窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、炭化ケイ素、およびオキシ炭化ケイ素を含む。これらの化合物は、シリコンウェハの気相反応あるいは化学的または物理的蒸着法のいずれかによって作製することができる。
【００７０】
これらの代替材料は、適切な物理的一体性と最小限の粒子核形成を提供しなければならない。さらに、これらの薄膜は、再結晶化１２２後、比較的容易にウェハ２１６から除去されなければならない。
【００７１】
カプセル封入層、たとえば上述したような酸化物は、工程中のいくつかの異なる時点のうちの１点で貼付することができる。カプセル封入ステップ用にのみ特別に設計された位置に、および機器を用いて、たとえば数時間または数日前から比較的長時間貼付させることができる。もしくは、カプセル封入ステップは再結晶化ステップの直前に実行し、同一の炉内および同一の単純な大気環境下で実行することができる。統合アプローチは、スループットを高め、材料の処理、保存、準備等を低減するのに適している。しかしながら、シリコンの上下動を回避することに注意を払うべきである。
【００７２】
支持板４２４および４２６は、再結晶化１２２中に薄膜カプセル４２０を拘束する平坦な基板である。本明細書において、上側支持板４２４はキャッピング板と称されることもある。好適な状況では、薄膜カプセル４２０を形成する材料から清浄に剥離し分離する支持板材料が使用される。しかしながら、離型剤層が有利なこともある。シリカまたはその他の粉末（図４Ａ）の薄層４２８がこの機能を果たすことができる。
【００７３】
以下の考察は、所与の状況での支持板材料の選択と支持板の設計をガイドすることができる。支持板は、純粋な形態で入手可能であり、ウェハに汚染の脅威を与えない耐熱材で作製すべきである（カプセルは拡散バリアとしての役割を果たすが、完璧であると頼るべきではなく、金属類を避けるべきである）。広範な再使用を可能とするため、支持板は塑性変形しても、再結晶化中に亀裂が入ってもならない。支持板は、使用の際に熱応力で歪められてはならない。平坦を維持すべきである。支持板材料は、再結晶化中の加熱および冷却プロファイルによって生じる熱応力を最小限にするために、比較的低い熱膨張係数を有するべきである。高い熱伝導率は、局所的加熱点を平滑化し、高局所的熱応力を回避する。支持板は好ましくは大気中での焼成に適する。
【００７４】
上記の作業は、ニューヨーク州ナイアガラフォールズのＳａｉｎｔ  Ｇｏｂａｉｎ社製、商標名「Ｈｅｘｏｌｏｙ  ＳＥ」で販売されている常圧焼結アルファ炭化ケイ素製の支持板を用いて実行した。この材料は多くの利点を有する。薄シートで入手しやすく、妥当な価格である。低ＣＴＥ（４×１０−６  １／Ｋ）、高熱伝導率（＞５０Ｗ／ｍＫ）、および高強度（３８０ＭＰａ）を有する。最大１６５０℃までの温度、すなわち、現用途の需要より２００℃高い温度で延長サービスに耐えることが知られている。化学的純度は許容可能であり、総金属は重量で２００ｐｐｍ未満、その大半がアルミニウムである（鉄とニッケルを合わせて重量で１０ｐｐｍ未満、約３ｐｐｍａ）。Ｈｅｘｏｌｏｙ  ＳＡの性能は、他の材料との比較の好適なベンチマークとなる。
【００７５】
該材料は、予想されるものの代表的な温度勾配下にある間、広い面積にわたり平坦性を保持すべきである。
【００７６】
支持板の代替材料は、ＳｉＣのαおよびβ形態の両方を含み、化学気相蒸着によって作製される広範囲の市販炭化ケイ素材料を含む。
【００７７】
場合によっては、多孔質支持板は、歪みを内部で吸収することができるため、熱衝撃と面外変形を回避するのに役立つ。
【００７８】
窒化ケイ素、ムライト、およびアルミナも支持板材料の候補である。アルミナは容易に入手することができ、コストも低い。しかしながら、外方拡散を許容しなければならない。
【００７９】
支持板、たとえば、マイクロエレクトロニクス製造のＣＶＤ圧プラテンに使用される種類のＳｉＣ被覆グラファイトなども、グラファイトも支持板として可能である。ＳｉＣ層が酸化を防いで封止する場合、グラファイトの低係数は、温度勾配を受けた際に低い面内応力が生成されることを意味するため、グラファイトは魅力的な材料である。
【００８０】
重要な要件は、カプセル封入された再結晶ウェハが、清浄に支持板から剥離することである。これが特化した離型剤層なしで達成できれば最も好都合である。これは、支持板材料、支持板表面テクスチャ、およびウェハカプセル材料の選択肢の組み合わせによって対処される。当該温度（１４２０℃）で、大部分の材料は、少なくとも小程度に互いに反応する。たとえば、炭化ケイ素は酸化してシリカの外層を形成し、その後、ウェハのカプセル材料との反応に利用される。よって、離型剤層なしで成功するかどうかはむしろ動力学の問題である。すなわち、再結晶化中、容易な剥離を可能とするのに十分なほど相互作用が最小であり得るかどうかである。再結晶化期間が長すぎれば、容易な剥離を生み出す組み合わせはほとんどない。設計された粗さなど、支持板状に表面テクスチャを生成することが、支持板とウェハ間の相互作用の機会を局所化するのに役立つかもしれない。
【００８１】
しかしながら、ほとんどではないが多くの場合、離型剤層４２８が図４Ａに示すように必要とされるであろう。一つの手段は、細かい粉末、たとえば、シリカ粉末の薄層（理想的には単一粒子厚）を貼付することである。貼付は静電粉末被覆により行うことができる。離型剤層はカプセル層とほぼ同じ厚さであるか、あるいはカプセル層よりもずっと厚い。粉末は潤滑剤としての役割を果たし、支持板とウェハ間の移動を可能とする。よって、これらの温度で、粉末は共に小量焼結し、ウェハ上のカプセルにも焼結するが、粉末層内の間隙は十分あり、焼結の接合箇所は小さく容易に剥離できる程度である。シリカは溶融シリコンによってあまり湿らされていないので、粉末の層はカプセルの汚染を守る第２のバリアとしての役割を果たす。最後に、カプセルに接着した粉末の除去は通常、カプセルのエッチング除去間にアンダーカットすることで行う。しかし、シリカの場合、（必要に応じて）粉末自体がエッチングされるようにエッチング液に長時間浸漬させることによって確実に除去することができる。
【００８２】
他の可能な剥離層は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、あるいはグラファイトまたはカーボンブラック粉末で構成することができる。炭素ベースの粉末の場合、離型剤層は燃焼してウェハを剥離するように設計することができるが、これは再結晶化を非酸化雰囲気に限定する場合がある。
【００８３】
剥離層は金属（溶融スズなど）であってもよい。薄膜カプセルが、液体剥離層とウェハ材料との相互作用を防ぐ拡散バリアとしての役割を果たすことが重要である。
【００８４】
状況によっては、上側支持板４２４を除去することが可能である。図１１に示すように、固体支持板を使用するのではなく、微粒子材料または粉末の層１１２４をウェハ１１１６の上面に使用することができる。カプセル封入されたウェハ１１１９の片面または両面に微粒子支持要素を有する微粒子剥離層１１２８も使用することができる。支持板の一つの問題は、歪みがちおよび／または湾曲しがちなことである。粒子の非連続体、あるいは軽く焼結させた連続体または部分的連続体を使用する場合、平坦性が維持されやすい。特に重要なのは、ウェハおよびカプセル１１２０に対面する多量の粒子などの支持要素が平坦を維持することである。許容可能な結果は粉末で得られることが分かっている。ウェハを再結晶炉内に配置する前に、ウェハ上部で粉末を焼結させることができる。ウェハの両側に粉末支持要素を使用することもできる。
【００８５】
概して、シリカ、炭化ケイ素、窒化ケイ素など、固体支持板に適しているものと同じ材料が、微粒子充填素子にとっても有用である。離型剤層１１２８も有益であるかもしれない。
【００８６】
支持板が歪む習性を低減するもう一つの可能性は、ウェハとは違う方を向く支持板の面にリブを追加することにより強度を増大することである。リブは、ウェハが移動する方向に沿って、あるいはそれとは垂直に、あるいはその両方（たとえば直線グリッド）またはその他の方向に配列させることができる。
【００８７】
図１２に示すように、加熱の一つまたはそれ以上の段階で、互いの上にウェハ１２１６ｕ、１２１６ｌおよび支持板１２２４、１２２５、１２２６を積み重ねることができる。このように、各ウェハに対して２つより少ない支持板を使用することができる。たとえば、２つのウェハが互いに積み重ねられる場合、４つではなく３つの支持板のみが必要とされる。積み重ねることは、各ウェハを単独で処理しなければならない場合よりも、より多くのウェハをより短い時間で処理できるという利点を有する。図１３に示すように、３つ以上のウェハを積み重ねることもでき、ウェハ１３１６ｕ、１３１６ｍ、１３１６ｌの積み重ね１３１８は４つの支持板１３２３、１３２４、１３２５、１３２６を有する。また、素子１３２５および１３２６よりも厚い素子１３２３および１３２４で示されるように、異なる厚さや熱特性の支持要素を提供することによって非対称冷却プロファイルを確立することができる。
【００８８】
ちょうど２つのウェハの積み重ねは、単独のウェハサンドイッチおよび３つ以上のウェハの積み重ねを超える特別な利点を提供する。
【００８９】
図１２に示すように、間に支持板１２２５を有する２つのウェハ１２１６ｍおよび１２１６ｌの積み重ね１２１８は、ウェハ対を囲む加熱環境が一定であるとしても、各ウェハ内に有益な非対称冷却プロファイルを自動的に確立する。これは、支持板１２２５の中央面ＭＰに関する２つのウェハ状況の対称性が、中央支持板１２２５を横断する熱流を生じさせないからである。よって、熱は、ウェハ１２１６ｕおよび１２１６ｌのそれぞれから中央支持板を離れて外方へ流れる。その後、各ウェハから離れて所望の形状の非対称冷却プロファイルを確立し、その結果、所望の配向の粒子境界をもたらす。
【００９０】
表面テクスチャを有するウェハが望まれる状況があることに言及した。光トラップ、処理目的、またはその他の目的で表面テクスチャを設けることができる。場合によっては、適切なテクスチャ表面を有する支持板を提供することにより、結果として得られたウェハにテクスチャを設けることができる。このような場合、支持板は型または型枠としての役割を果たし、テクスチャが再結晶加熱ステップ中に生じる。
【００９１】
基本帯再結晶炉は、本明細書に開示する発明を実行するのに適する。炭化ケイ素加熱ロッドのクラスタは、溶融帯を生じさせるための局所的加熱を提供する。ロッドは高純度高密度炭化ケイ素から成る。加熱素子の高化学的純度は、シリコンウェハの金属汚染のリスクを最小限にするために必要である（従来の炭化ケイ素成分は高ドープされており、金属不純物が多い）。本明細書の例で使用されるロッドは商標名ＨｅｘｏｌｏｙＴＭで市販されており、ニューヨーク州ナイアガラフォールズのＳａｉｎｔ  Ｇｏｂａｉｎ社で入手可能である。
【００９２】
純炭化ケイ素が半導体であるため、負の抵抗率温度係数を有する。炉は、自続温度傾斜まで電力を提供される前に余熱を必要とするが、一旦その温度に達すれば、負の温度係数により、ヒータの長さに沿って加熱が一定になるよう確保される。平均よりわずかに涼しく動作する加熱素子の領域は、より抵抗性が高いため、より多くの熱を生成し、温度を上昇させる。この自己補正熱均一性が、炉の温度プロファイルにおける横方向の均一性を確保する助けとなる。
【００９３】
加熱ロッドは、高純度多孔炭化ケイ素製の高温絶縁体でできた構造により支持される。本発明者によって開発された絶縁体の製造方法は、超高純度炭化ケイ素粉末と混合したプレセラミックポリシラザン液状ポリマを使用する。該粉末はＳａｉｎｔ  Ｇｏｂａｉｎ社から供給され、Ｃｒｙｓｔａｒ（商標）系の製品で使用される。断熱炉要素は、光静水圧プレスで単純な型枠に成形されてから焼成される。セラミック体は、毛管現象により粒子と粉末との間で分布されるプレセラミックポリマーの熱分解によって形成される。その産物が、超高純度で非常に優秀な絶縁品質を有する多孔質炭化ケイ素体である。
【００９４】
ＳｉＣ断熱の断熱特性を向上させるには、低密度構造が有益である。焼成時に燃やし尽くし、高多孔性構造を残すことのできる一過性粉末を未硬化混合物に添加することができる。グラファイト粉末は、相当高い焼成温度（約７００℃）まで一体性を維持した後、きれいに燃え尽きるため、一過性粉末として妥当な選択肢である。アクリルおよびポリスチレンなどのポリマ粉末も使用することができる。
【００９５】
支持板４２４、４２６は、十分高密度なＳｉＣ板で、厚さは約１ｍｍ〜約１０ｍｍ、好ましくは約１ｍｍ〜約４ｍｍの厚さとすることができる。下記の例では、シリカ粉末（約１ミクロンの厚さ）の薄層４２８が、静電粉末被覆法を用いて支持板上に被覆される。支持板４２４、４２６とカプセル４２０内のウェハ４１６とのサンドイッチアセンブリ４１８は、炉の高温帯を通って送りネジサーボ駆動を介しアセンブリを移動させるセラミック搬送ロッド上に支持される。再結晶炉の正確な構造および動作により、再結晶化工程の大規模な並列化が可能となる。斜視図で各種項目を描くと、典型的なサンドイッチアセンブリ４１８の場合、支持板は約２ｍｍの厚さとすることができる。支持板間のウェハは約２００ミクロン（０．２０ｍｍの厚さ）である。酸化物カプセル４２０は、粉末剥離層４２８のように約１ミクロンの厚さとすることができる。よって、本実施例の支持板は、被覆ウェハの約１０倍の厚さ、一つの面で酸化物層の約２００倍の厚さを有する。
【００９６】
温度制御の重要な要因は、加熱ロッド自体、炉環境、およびウェハ／支持板の良好な温度測定にある。加熱ロッドの温度は、その場で測定されるロッドの抵抗から類推することができる。炉環境とウェハ／支持板アセンブリに関しては、放射温度測定が利用される。
ウェハの形成
【００９７】
これらの工程で使用され、薄膜３２０内にカプセル封入される原プレフォームウェハ２１６は、任意の適切な方法で製造することができる。ここでは代表的な二つについて言及する。ただし、適切な方法はいずれも本明細書に開示される発明に含まれるものと意図される。これら二つの方法は急速凝固法と化学気相蒸着である。通常、該ウェハは、小さい平均粒子径、たとえば、所望の３ｍｍ２未満、特に約１ｍｍ２未満の粒子径を有することができる。
【００９８】
急速凝固法は、シリコンを溶融させた後、シリコンを急速に凝結させる冷却基板に急にシリコンを提供することによって、開始原プレフォームウェハ２１６を生成するために使用することができる。当技術分野において既知な急速凝固の２つの手法は溶融旋回と噴霧蒸着である。溶融旋回では、溶融材料の流れを、ディスク状の冷却された回転ホイールの周囲に対して噴射する。ジェットの衝撃により、液体は回転するディスクにぶつかって薄くなる。薄い液膜はディスク内の熱伝導により急速に冷却することで、急速に（通常１ミリ秒未満）凝固する。この急速な凝固のために、液体がディスクに結合または接着するのを防ぐ。
【００９９】
噴霧蒸着では、小滴の溶融材料を（たとえばプラズマ溶射ガンから）冷却基板に方向づけて急速凝固を得ることができる。これらの方法およびその適切な変更を利用して、シリコンを溶融し薄シートに凝固させることができる。たとえば、シリコンを容器内で溶融させた後、容器の底面の穴から強制的に噴射させるように液体の最上部にガス圧を印加することによって、溶融シリコンを噴射することができる。回転ディスクを、噴射下で移動するベルト、または密に間隔をおいて配置された一連の板状基板に置き換えることもできる。
【０１００】
概して、他の形式の急速凝固が、上記手法で使用されてきた。これらは、本明細書に開示する発明で使用される種類のプレフォームウェハを製造するのに適する。
【０１０１】
開始原プレフォームウェハ２１６は、シリコン含有ガスから化学気相蒸着（ＣＶＤ）により作製することもできる。ＣＶＤを使用して、シランまたはトリクロロシランからシリコンのロッドまたはペレットを作製し、後で溶融してインゴットを作製するポリシリコン原料を生成する。通常シリコンウェハ上にシリコン薄膜をエピタキシャル蒸着して、マイクロエレクトロニクス業界で使用される半導体装置用の高品質シリコン層を作製する。独立シリコン体は、非シリコン基板上にＣＶＤを施して、その後非シリコン基板から除去することにより作製することができる。たとえば、シリコンはグラファイト基板上に蒸着させることができる。形成される結合は弱く、冷却中、熱収縮の差異が、シリコンを基板から除去するのに役立つ。さらに、シリコン上のシリコンエピタクシーは単独の結晶成長を伝播させるため高温で行わねばならないが、極小の粒子径が許容可能であるため、独立シートを低温で蒸着させることができる。
【０１０２】
カプセルの全部または一部は、ガスを単なるシリコン含有ガスからＳｉＯ２、ＳｉＮｉ、ＳｉＣ、またはその他の適切なカプセル材料を蒸着させるガスに変更することによって、化学気相蒸着により原プレフォームウェハ上に蒸着させることができる。
【０１０３】
各種半導体（単にＳｉだけではない）のウェハは、ウェハ表面上のソーイング損傷領域をエッチングすることにより、ソーイングおよび除去の費用なしで作製することができる。シリコンの利用が改善され、廃棄物流が低減される。たとえば、これらの手法は、ゲルマニウムおよびその他の元素半導体や、ヒ化ガリウムなどの半導体化合物などを含むがそれらに限定されないその他の半導体に対しても使用することができる。薄膜カプセルの一体性は、化合物の化学量論組成を維持するのに役立つ。さらに、金属やセラミックなどのその他材料の結晶ウェハをこの方法で生成することができる。
【０１０４】
薄膜カプセル４２０は、再結晶化中、ウェハ４１６の材料と形状を保持する。また、加工中に不純物がウェハ４１６に入るのを防ぐ拡散バリアも提供する。
【０１０５】
ウェハ４１６は、平坦性を保証し、冷却ウェハから熱を除去する路を提供する支持板４２４、４２６上に支持する、あるいは該支持板４２４、４２６によって囲むことができる。これらの熱除去路は、ウェハ自体の伝導によって除去しなければならない熱の量を低減するので、冷却中の応力低減を可能にする。さらに、欠陥の形成（特に転位）も低減する。連続的ストリップが対称性を考慮して成長方向に沿った、および成長方向に垂直な主応力を有する一方、個別のウェハは他の応力状態を有することができるため、ウェハ（連続的ストリップではなく）個別のウェハの製造は冷却中の応力を低減することができる。
【０１０６】
ウェハの粒子径および構造は、薄膜カプセル４２０の材料の選択と炉内の熱状態との組み合わせによって制御される。カプセル材料は、その構造により粒子を核形成する傾向のあるものを選択することができる。非晶質材料であるシリカがその一例である。もしくは、所望されれば、意図的に粒子を核形成するカプセル材料を選択することができる。粒子をウェハの一方の面からのみ伝播させることによって、ウェハの厚さに粒子境界が確実に存在しない（あるいはわずかしか存在しない）ように、熱環境をウェハの両側で意図的に異ならせることができる。
【０１０７】
粒子径およびその配置に対する制御と共に、低減された応力と低転位とを組み合わせることで、超高品質ウェハを作製することができる。カプセル４２０と支持板４２４、４２６との組み合わせによる支持は、薄ウェハの作製によって、シリコン消費を低減しセル効率を向上させることができることを意味する。
【０１０８】
カプセルによって幾何学的形状が画定されることで、先のステップから所望の微細構成を有するテクスチャウェハの再結晶化が可能になる。これは、たとえば、太陽電池内の光トラップ特性を生成するのに役立てることができる。
【０１０９】
炉は大気環境下で作動し、格納容器やその冷却の必要がないので、炉構造自体がその大部分において簡易である。炉は、断熱レンガおよび空気適合性加熱ロッドで構成することができる。断熱レンガもヒータもいずれも、たとえば炭化ケイ素で作製することができる。
【０１１０】
その方法は、製造の際に拡大させることができる。第一に、炉が簡易であることは、多数の炉を構築できることを意味する。第二に、２つ以上のウェハの積み重ねを、通常は支持板をその間に挟んで所与の炉内で加工することができる。積み重ねられた２つのウェハは、両者が同一の熱環境を受けるので特に有益である。
【０１１１】
溶融帯Ｌ（図４Ｃ）がウェハ４１６を通過する場所で（通常、ウェハが空間内のある位置を通過すると、その位置にあるウェハの一部が溶融する）、その工程を実施することができる。図５Ａおよび図５Ｂに示すように、ウェハ全体を溶融させてから、一方向に凝固させることも可能である。この方法は、同時に加工される多数のウェハが並ぶ炉構造を簡易化することができる。
【０１１２】
本発明は、広範囲の寸法および形状の原ウェハプレフォーム２１６で実行することができる。現在、業界基準のセル寸法は１５６×１５６ｍｍである。プレフォームはこの寸法にすることができる。たとえば、レーザ切断により再結晶化後に必要な正確な寸法まで切断できるように、わずかに大きめにすることができる。ただし、プレフォームは正方形にする必要はない。たとえばストリップ状にすることができる。ストリップを再結晶化した後、必要に応じて個々のウェハに切断することができる。ストリップを再結晶化させる利点は、扱う片が少ないことである。欠点は、移動する凝固によって掃引される不純物が長い距離に凝集して、純化の効果が低減する可能性があることである。短い長さでの再結晶化と所望される小さな最終セル寸法とは、再結晶化中の熱応力を低減する効果もある。長いストリップまたは連続的な長さが再結晶化される場合、冷却中の応力は対称性を考慮して特定の形状を取らなければならない。しかしながら、短い片は、冷却段階で幅広い応力構造を取ることができる。この余剰の柔軟性が、冷却中の低応力および低欠陥密度を可能にする。
【０１１３】
直線的な縁部がまずヒータに提供されると仮定して、正方形または矩形のウェハの加熱および再結晶化を上述してきた。正方形のプレフォームを加工する際、最初に隅をヒータに投入することもでき、これはいくつかの利点を備える。直線状縁部が最初に提供されると、縁部の全長に沿った各位置が、粒子の望まざる核形成が起こり得る箇所となる。隅が最初に提供されると、高温部までの粒子の核形成が起こり得る箇所が少なくなる。よって、直線状縁部ではなく隅が最初に溶融帯に投入されると、単結晶が生じる可能性が高い。
【０１１４】
カプセル４２０を伴うウェハプレフォーム４１６を概して水平に方向づける装置および方法を上述した。すなわち、ウェハの薄い次元（厚さ）を垂直に配置し、２つの大きい方の次元（幅および長さ）で水平面を画定した。その後、プレフォームは、炉を通る概して水平な経路に沿って移動し、他の段階に移行する。しかしながら、図１５に示すように、薄い次元を水平に、長い、通常は最も長い次元を垂直にしてプレフォーム１５１６を配置し、上向きあるいは下向きに炉を通って該プレフォームを垂直に移動させることも可能である。垂直な向きの装置では、支持要素１５２４、１５２６は、ウェハ１５１６が溶融して再結晶化するときにカプセル１５２０の壁に必要な支持を与えて、カプセル封入されたウェハが平坦な表面で所望の形状を有するように配置されなければならない。
【０１１５】
ウェハを固定して長手方向に移動させる固定素子１５１１、１５１２と、ウェハが締付力の影響で押しつぶされるのを防止するスペーサとを含むことのできる移送機構を設けることが通常有用である。固定素子は、大きなＣ字状締め金などのように一体化させることができる。あるいは、２つ以上の個々に動作可能な素子の間にウェハを固定させることができる。
【０１１６】
同様に、ほぼ水平または垂直に配向させるのではなく、本明細書に開示する工程の段階を通過するにつれ、垂直と水平の間の任意の方向にウェハを配置することもできる。
【０１１７】
本明細書に開示する方法は、従来製造された多結晶ウェハの結晶構造を改善するために使用することもできる。図２やその他すべての図面に示すように、それらを原ウェハプレフォーム２１６の代わりに使用して、結晶構造を本明細書に記載の比較的大きな平均結晶サイズ構造を有するように改善することができる。
（部分的概要）
【０１１８】
本発明の好適な実施形態は、第１の平均粒子径を有する第１の粒子構造の原半導体ウェハを提供するステップと、ウェハのほぼ全表面に薄膜カプセルを提供してカプセル封入されたウェハを形成するステップと、原ウェハが溶融し、その後第１の平均粒子径より大きな第２の平均粒子径の第２の粒子構造に再結晶化し、薄膜がほぼ完全な状態のままでいるような条件下で、カプセル封入されたウェハを加熱および冷却するステップと、を含む半導体ウェハの作製方法である。
【０１１９】
加熱および冷却するステップは大気中で行うことができる。
【０１２０】
第２の平均粒子径は通常、約１ｍｍ２より大きいが、約１０ｍｍ２より大きいと有益であり得る。第１の平均粒子径は、約１０ｍｍ２未満、通常約１ｍｍ２未満とすることができる。第１の平均粒子径は通常約１ｍｍ２で、第２の平均粒子径は約１０ｍｍ２超が有益であり得る。
【０１２１】
薄膜は１つまたはそれ以上の機能を果たす。本発明の重要な一態様によると、薄膜は、ウェハが加熱および再結晶化中に上下動するのを防ぐ。別の態様によると、薄膜は、再結晶化中に粒子の核形成を強力に促進しない表面を有する。さらに別の態様によると、薄膜は、再結晶化中に既知の程度まで粒子の核形成を促進する表面を有する。本発明の他の重要な実施形態では、薄膜は、再結晶化が起こる環境内の素子による再結晶ウェハの汚染を防ぐ。
【０１２２】
本発明の基本的実施形態は薄膜除去ステップをさらに含む。
【０１２３】
薄膜は酸化膜であってもよい。酸化膜を提供するステップは、薄酸化物層が原ウェハのほぼ全表面を形成するように酸素を含有する環境内で原ウェハを加熱するステップを含むことができる。酸化物を提供するステップは乾燥酸化物成長を含むことができる。
【０１２４】
異なる実施形態では、酸化物を提供するステップは湿潤酸化物成長を含む。
【０１２５】
有益な実施形態の場合、酸化物層が形成されるように酸素を含有する環境内で原ウェハを加熱するステップは、原ウェハが再結晶化される条件下で、同じ加熱環境下でカプセル封入されたウェハを加熱するステップの直前に実行される。酸化は、原ウェハが溶融するような条件下で、原ウェハが溶融する炉内で実行させることができる。
【０１２６】
本発明の別の実施形態では、酸化物層が形成されるように酸素を含有する環境内で原ウェハを加熱するステップは、原ウェハが再結晶化されるのとは異なる条件下で、カプセル封入されたウェハを加熱するステップの相当前に実行される。
【０１２７】
ウェハを加熱する環境は、大気または蒸気を含むことができる。
【０１２８】
本発明のさらに別の好適な実施形態では、薄膜を提供するステップが、スピンオンガラス、スパッタリング、物理気相成長、または化学気相蒸着などにより、原ウェハ上に直接薄膜を蒸着するステップを含む。
【０１２９】
本発明のさらに別の重要な実施形態では、再結晶化ステップの前に、少なくとも１つの支持要素が薄膜の少なくとも１つの表面に隣接して提供され、支持要素が、ほぼ平坦を維持するように薄膜を支持する。有益なことに、薄膜は、加熱および再結晶化中に原ウェハが少なくとも１つの支持要素に付着するのを防ぐ材料を含む。
【０１３０】
関連の実施形態は、薄膜と少なくとも１つの支持要素との間に剥離材料を提供することをさらに含む。剥離材料は微粒子を含むことができる。
【０１３１】
少なくとも１つの支持要素は一対の支持要素を含むことができ、各支持要素は薄膜の２つの対向面のうち一方に隣接する。一対の支持要素は、均一な厚さまたは不均一な厚さを有することができる。また、これらの支持要素は、互いに異なる熱特性を有することができる。
【０１３２】
典型的な実施形態では、少なくとも１つの支持要素を提供するステップは、カプセル封入されたウェハを、その一方の面を重力により上向きにほぼ水平位置で提供し、一対の支持要素をカプセル封入されたウェハの上下に配置するステップを含む。ウェハは垂直に配置してもよい。
【０１３３】
支持要素は炭化ケイ素を含むことができる。支持要素はほぼ平坦な板であってもよい。ウェハ上の支持要素は、多量の微粒子材料を含むことができる。剥離材料を、薄膜と微粒子材料の支持要素との間に設けることができる。多量の微粒子材料は有用に焼結微粒子材料を含むことができる。
【０１３４】
本発明の別の有益な実施形態によると、ウェハは、ウェハ中央面に直角な線が局所重力場に対して垂直でない成分を含むような位置に提供することができる。あるいは、ウェハは、ウェハ中央面に直角な線が局所重力場に対して水平であるような位置に提供することができる。
【０１３５】
本発明の非常に重要な実施形態の場合、冷却ステップが、加熱されたカプセル封入ウェハ内に液状帯と再結晶半導体帯との間の凝結界面を確立するステップを含み、凝結界面はウェハ中央面に関して非対称である。異なる状況下では、凝結界面はウェハ中央面に関して対称である。
【０１３６】
本発明のある非常に有益な実施形態によると、カプセル封入されたウェハ全体がほぼ同時に加熱される。あるいは、加熱ステップは、加熱された帯に対してカプセル封入されたウェハを移動させ、全体範囲よりも小さいウェハの部分を溶解させるステップを含むことができる。
【０１３７】
本発明の別の好適な実施形態は、加熱されたウェハ内に、液状帯と再結晶半導体帯との間の凝結界面を確立する冷却ステップを含み、凝結界面は液状帯に向かって凹型であり、加熱されたウェハ中央面に関して非対称であり、第１の位置で液状帯に向かって９０度超の界面角度で、および第２の位置で液状帯に向かって９０度以下の界面角度で薄膜に接する。
【０１３８】
非対称冷却環境を提供する方法は多数ある。
【０１３９】
一方法によると、それは、加熱されたウェハの一方の面に向かって、対向面と比較してより大きな熱流を確立する少なくとも１つのヒータを提供することによって達成される。熱源と加熱されたウェハとの間に、加熱されたウェハの中央面に関して非対称に配置される断熱素子を提供することも可能である。非対称性を達成するもう一つの方法は、加熱されたウェハの中央面に関して非対称に、ヒータを加熱されたウェハの単位長さ分間隔をおいて配置することである。非対称冷却環境は、加熱されたウェハの中央面から離して非対称に配置される、熱出力の均一な一対のヒータを提供することによって確立することができる。
【０１４０】
同様の重要な実施形態は、ウェハ内に、液状帯と再結晶半導体帯との間の凝結界面を確立し、凝結界面が加熱されたウェハ中央面に関して非対称であり、多量の熱が再結晶ウェハから再結晶ウェハを離れて支持要素に流れ込むように少なくとも１つの支持要素が配置されるステップを含む冷却ステップを有する。
【０１４１】
主要な実施形態では、該半導体はシリコンを含む。
【０１４２】
薄膜は、ドープ二酸化ケイ素、または窒化ケイ素、またはシリコンと窒素、炭素、および酸素から成る群のうち少なくとも１つとの化合物であってもよい。
【０１４３】
本発明のいくつかの重要な態様は原ウェハの形成に関する。原ウェハは急速な凝固手法、たとえば、溶融旋回や噴霧蒸着によって形成することができる。
【０１４４】
あるいは、本発明の有益な実施形態によると、ウェハはシリコン含有ガスから化学気相蒸着によって形成することができる。この場合、化学気相蒸着により薄膜を貼付することにより薄膜を提供することが非常に簡便である。
【０１４５】
原ウェハは従来の多結晶ウェハであってもよい。
【０１４６】
再結晶ウェハがその範囲にわたり約１０％に収まる厚さの均一性を有することが非常に有用であり、それは本発明の実施形態で可能である。原ウェハは、約５０ミクロン〜４００ミクロン、好ましくは約１００ミクロン〜２５０ミクロンの間の厚さを有することができる。これに関連して、有益な実施形態では、薄膜層が約０．２５ミクロン〜５ミクロン、好ましくは約０．５ミクロン〜２ミクロンの間の厚さを有する。
【０１４７】
薄膜が非常に薄く、ウェハがテクスチャ表面を有し、薄膜がその表面に適合することが非常に有用である。
【０１４８】
本明細書の方法発明のいくつかの重要な実施形態では、薄膜を提供するステップが、それぞれが原ウェハのほぼ全表面を囲う複数の入れ子状薄膜を提供することを含む。
【０１４９】
あるいは、薄膜を提供するステップが、一緒に原ウェハのほぼ全表面を囲む複数の入れ子状薄膜を提供するステップを含むことができる。複数の入れ子状薄膜のうち少なくとも１つが、原ウェハの表面全体に満たない表面を囲むこともできる。
【０１５０】
支持板が使用される場合、しばしば有用なように、薄膜と少なくとも１つの支持要素のうち少なくとも１つとの間に剥離材料を提供することができ、剥離材料は微粒子であってもよい。
【０１５１】
方法発明の実施形態の重要なファミリは、少なくとも２つ以上の支持要素を間に挟んで、少なくとも２つのカプセル封入されたウェハを積み重ねることをさらに含む。この場合、ウェハを加熱および冷却するステップは、一緒に積み重ねられた少なくとも２つのカプセル封入されたウェハを加熱および冷却するステップを含む。支持要素はすべて均一な厚さであってよいが、必ずしもその必要はない。支持要素は異なる熱特性を有していてもよい。
【０１５２】
ウェハを加熱および冷却するステップは、再結晶ウェハの後端部分が再結晶ウェハの他の部分よりも大きな不純物中央濃度を有するように、ウェハとウェハ内で溶融帯を確立する加熱環境との間の相対運動を提供するステップを有益に含むことができる。これは一種の帯域精製である。この精製の有用な活用は、この後端部分を再結晶ウェハの他の部分から除去することをさらに含む。再結晶ウェハの噴出が通常生じ、噴出部は、ウェハの他の部分よりも高レベルの不純物を有する。再結晶ウェハの他の部分から噴出部を除去することは有用である。
【０１５３】
加熱環境の態様は、炭化ケイ素加熱素子を使用する加熱を含む方法発明の態様である。加熱ステップは、プレセラミックポリマー液体と混合した炭化ケイ素粉末を含む多孔質断熱体を有する炉内で有益に実行される。
【０１５４】
本発明のさらに別の好適な実施形態は、第１の平均欠陥密度の第１の粒子構造を有する原半導体ウェハを提供するステップと、ウェハのほぼ全表面に薄膜カプセルを提供してカプセル封入されたウェハを形成するステップと、原ウェハが溶融した後、第１の平均欠陥密度より小さい第２の平均欠陥密度の第２の粒子構造で再結晶化し、薄膜がほぼ完全な状態を維持するような条件下で、カプセル封入されたウェハを加熱および冷却するステップと、を含む半導体ウェハの作製方法である。
【０１５５】
本発明のさらに別の好適な実施形態は、第１の平均粒子径の第１の粒子構造を有する原半導体ウェハを提供するステップと、ウェハの全表面未満を覆い被覆されたウェハを形成する薄膜カプセルを提供するステップと、原ウェハが溶融した後、粒子径または欠陥密度またはその両方において第１の粒子構造から改良された第２の粒子構造で再結晶化し、薄膜がほぼ完全な状態で維持されるような条件下で、被覆されたウェハを加熱および冷却するステップと、を含むことを特徴とする半導体ウェハの作製方法である。
【０１５６】
本発明のさらに別の好適な実施形態は、２つのほぼ平坦な対向面と約１０ｍｍ２未満の平均結晶粒子径の結晶構造とを有する半導体ウェハを含む本体部を備える半導体ウェハである。薄膜カプセルが本体部をほぼ完全に覆う。薄膜は複数の入れ子状薄膜を含む。
【０１５７】
半導体は有益にシリコンを含み、薄膜カプセルの少なくとも１つの薄膜は二酸化ケイ素を含む。カプセルの少なくとも１つの薄膜はドープ二酸化ケイ素を含むことができる。カプセルの少なくとも１つの薄膜は窒化ケイ素を含むことができる。より一般的に、カプセルの少なくとも１つの薄膜は、シリコンと窒素、炭素、および酸素から成る群のうち少なくとも１つとの化合物を含むことができる。
【０１５８】
平坦本体表面の少なくとも１つはテクスチャ表面を含むことができる。
【０１５９】
有益な実施形態では、ウェハは、約５０ミクロン〜約４００ミクロンの間、好ましくは約１００ミクロン〜約２５０ミクロンの間の厚さを有することができる。
【０１６０】
通常、本発明の別の好適な実施形態では、入れ子状薄膜層は、約０．２５ミクロン〜約５ミクロンの間、好ましくは約０．５ミクロン〜約２ミクロンの間の厚さを有する。
【０１６１】
一つの変形例では、複数の薄膜のそれぞれが、ウェハのほぼ全表面を囲む。複数の入れ子状薄膜は一緒に、ウェハのほぼ全表面を囲むことができる。あるいは、複数の入れ子状薄膜のうちの少なくとも１つが、ウェハの全表面に満たない表面を囲むことができる。
【０１６２】
本発明のやや異なる好適な実施形態は、２つのほぼ平坦な対向面と約１０ｍｍ２未満の平均結晶粒子径の結晶構造とを有する半導体ウェハを含む本体部を備える半導体ウェハアセンブリである。薄膜カプセルは、ほぼ完全に本体部を囲む。ウェハアセンブリは、酸化膜の少なくとも１つの表面に隣接する少なくとも１つの支持要素をさらに備える。
【０１６３】
少なくとも１つの支持要素は、それぞれが薄膜層の２つの対向面のうち一方の面に隣接する一対の支持要素を有することができる。ウェハはほぼ水平位置に置くことができ、一方の面面が重力により上を向き、一対の支持要素がウェハの上下に配置される。支持要素は有益に炭化ケイ素を含むことができる。支持要素はほぼ平坦な板であってもよい。ウェハの上の支持要素は、焼結することのできる多量の微粒子材料を含むことができる。
【０１６４】
本発明の多くの手法および態様を本明細書で説明した。これらの手法の多くは、具体的に使用法を説明していないが、他の開示される手法と共に使用することができることを、当業者は理解するであろう。たとえば、粒子径または欠陥密度、またはその両方が改善される適切な原ウェハ材料を使用することができる。カプセルは、完全に、あるいは部分的にのみ覆うことができる。カプセルは酸化物であっても、あるいは他の適切な薄膜であってもよい。カプセルは成長または蒸着させる、あるいは他の方法で設けることができる。支持板は必要に応じて設けても設けなくてもよい。支持板は、固体または微粒子またはその組み合わせとすることができる。剥離層、通常は微粒子を使用することができる。薄膜、剥離層、支持板材料の組み合わせは、再結晶化中に提供されるどんな支持要素からもカプセル封入されたウェハを剥離させることができるべきである。原ウェハプレフォームを形成する任意の適切な手段を使用することができ、カプセルを提供する任意の適切な方法を使用することができる。ＣＶＤを利用してウェハを形成し、薄膜を提供するなどの、開示された組み合わせは使用する必要はない。粒子の核形成が許容可能に少ない場合、凝結界面は対称であってもよい、あるいは非対称であってもよい。非対称である場合、非対称冷却プロファイル、ひいては凝結界面を確立するために示した多くの方法のいずれも使用することができる、かつ後に開発することができる。２つの支持板から成る単独のウェハサンドイッチは、開示される炉構造、ウェハ材料、薄膜材料のいずれと合わせても使用することができる。あるいは、複数のウェハの積み重ねは、材料または形成方法の変形のいずれと合わせても使用することができる。所与のスループット需要と品質トレードオフに合わせて、適宜、バッチまたは連続生産を利用することができる。
【０１６５】
本開示は２つ以上の発明を説明し開示している。本発明は、本開示に基づくすべての特許出願の手続き中に提出および展開された、本明細書の請求項および関連文書に記載されている。発明者らは、後に判定されるように、先行技術によって許可された限定に対して、各種発明のすべてを請求することが意図される。本明細書に記載される特徴は、本明細書に開示される各発明にとって必須ではない。よって、発明者らは、本明細書に開示されているが、本開示に基づく特許の具体的な請求項では請求されていない特徴を、上記請求には組み込まないことが意図される。
【０１６６】
ハードウェアのアセンブリまたはステップ群は、本明細書では発明と称する。しかしながら、これは、上記アセンブリや群が必然的に、一件の特許出願で審査される発明の数、すなわち、発明の単一性に関する法律や規則により具体的に企図されるような、特許可能な個々の発明であることを認めるものではない。発明の実施形態の略称であると意図される。
【０１６７】
要約書を本明細書と共に提出する。本要約は、審査官やその他の調査を行う者が技術的開示の主題を急速に確認できるように要約を要求する規則に従い提出されていることを強調しておく。本要約は、特許庁規則で約束されるように、請求項の範囲または意味を解釈または限定するために使用されないという認識の下に提出されている。
【０１６８】
以上の説明は例示的なものと理解すべきであって、いかなる意味においても限定的であるとみなすべきではない。本発明は好適な実施形態を参照して具体的に図示および説明したが、当業者であれば、請求項によって定義される本発明の精神と範囲から逸脱せずに、形式および詳細に様々な変更を加えることができると了解するであろう。
【０１６９】
下記請求項内のすべての手段またはステッププラス機能要素の対応する構造、材料、動作および等価物は、具体的に請求されるその他の請求項要素と組み合わせて機能を実行する構造、材料または動作を含む。
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図７ＡＩ】
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【図７ＡＩＩ】
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【図７ＢＩ】
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【図７ＢＩＩ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１】
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