(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料からなる出発材料を提供する工程と、
該出発材料を加熱区間に移送する工程であって、半導体材料からなる溶融物が、該出発材料を供給される工程と、
該溶融物の下端において、該半導体材料が所望の構造で結晶化すると伴に、凝固先端が形成するように、該加熱区間から該溶融物を下降させ、かつ／または該加熱区間を上昇させる工程と、
の各ステップを含んで成る、単結晶半導体材料を生成するための方法であって、
該半導体材料からなる出発材料が液体形態で提供され、そして液体形態の該溶融物に供給され、
液体の出発材料を提供するために、該半導体材料の粒子および／または該半導体材料の前駆体化合物がガス流中に供給され、該ガス流が該半導体材料の粒子を固体から液体状態および／またはガス状態に転化する程、そして／または該前駆体化合物を熱的に分解する程、充分に高温を有し、
該液体の出発材料が濃縮され、そして／または該ガス流から分離される反応炉容器中に、該ガス流が導かれ、
該反応炉が、生成される半導体材料から少なくとも部分的になる固体の底領域を有し、
該液体の出発材料が、制御された様式で該底領域を溶融することにより、反応炉容器から該溶融物中に直接供給され、
該底領域の該溶融物が、該底領域中に並べられているか、または該底領域に割り当てられている加熱手段および／または冷却手段によって、制御され、
該加熱手段および／または冷却手段が、少なくとも１種の誘導加熱システムおよび／または焦点を合わせることのできる光線および／または物質のビームを含む、方法。
【請求項２】
単結晶ケイ素を生成するための方法であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
該反応炉容器が内面を凝固した半導体材料からなる固体層によって被覆されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
該反応炉容器が、該液体の半導体材料と接触する領域において内面を、凝固した半導体材料からなる固体層によって被覆されていることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
該層の厚さが、センサーによって監視され、そして加熱媒体および／または冷却媒体によって制御されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
該層の厚さが、超音波センサーによって監視され、そして加熱媒体および／または冷却媒体によって制御されていることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
単結晶半導体材料を生成するための設備であって、
出発材料として機能する液体の半導体材料の供給源と、
該半導体材料からなる溶融物を生成し、そして／または維持するための加熱媒体と、
好ましくはまた、出発材料として機能する該液体の半導体材料の該溶融物中への制御された供給のための媒体と、
生成される該半導体材料から少なくとも部分的になる底領域を有する反応炉容器と、
生成される該半導体材料から少なくとも部分的になる該底領域を制御された様式で溶解するための加熱手段および／または冷却手段と、
を含み、
該加熱手段および／または冷却手段が、該反応炉容器の該底領域に配置されるか、または少なくとも該反応炉容器の該底領域に割り当てられ、そして少なくとも１種の誘導加熱システムおよび／または少なくとも１種の焦点を合わせることのできる光線および／または物質のビームを含む、設備。
【請求項８】
単結晶ケイ素を生成するための設備であることを特徴とする、請求項７に記載の設備。
【請求項９】
該出発材料として機能する液体の半導体材料が形成され、そして／または収集される、反応炉容器および／または収集容器を、該供給源が含むことを特徴とする、請求項７または８に記載の設備。
【請求項１０】
該出発材料として機能する液体の半導体材料の該溶融物中への制御された供給のための手段が、溝および／またはパイプ、好ましくは石英、グラファイトおよび／または窒化ケイ素から少なくとも部分的になる溝および／またはパイプを含むことを特徴とする、請求項７〜９のいずれか一項に記載の設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶半導体材料、特に単結晶ケイ素を生成するための方法に関する。さらに本発明は、かかる単結晶半導体材料を生成するための設備に関する。
【０００２】
元素のケイ素は、特に光電池（太陽電池）やマイクロエレクトロニクス（半導体、コンピューターチップ）では、いろいろな程度の純度で使用される。従って元素のケイ素は、純度の程度に基づいて分類することが一般的である。例えば「ＰＰＴ」の範囲の比率の不純物を有する「電子グレードのケイ素」は、やや高率の不純物が許容される「太陽電池グレードのケイ素」とは区別される。
【０００３】
太陽電池グレードのケイ素や電子グレードのケイ素の生成では、いつも金属ケイ素（一般的に９８〜９９％の純度）が基準として考えられ、多段式の複雑な方法により精製される。例えば流動床反応炉で塩化水素を使用して、金属ケイ素をトリクロロシランに転化することが可能であり、次にこのトリクロロシランを不均化させて、四塩化ケイ素とモノシランとを生成させる。後者は熱的に分解されて、その元素構成物であるケイ素と水素とされる。対応する方法の手順は、例えば国際公開第２００９／１２１５５８号パンフレットに記載されている。
【０００４】
こうして得られるケイ素は、一般的に太陽電池グレードのケイ素として分類するのには、少なくとも充分に高い純度を有する。適宜、下流の追加精製工程により、さらに高い純度を得ることができる。同時に、多くの用途で、上記方法で生成されるケイ素は、単結晶ケイ素に転換されることが、好適かまたは必要でさえある。すなわち単結晶ケイ素からなる太陽電池は一般的に、多結晶ケイ素からなる太陽電池より有意に高い効率を有する。
【０００５】
多結晶ケイ素から単結晶ケイ素への転化は一般的に、多結晶ケイ素を溶融させ、次に種晶を用いて単結晶構造で結晶化することにより行われる。
【０００６】
特に高純度を有するケイ素の単一の結晶を生成することを可能にする単結晶ケイ素を生成する１つの方法は、いわゆる浮遊帯域法（ｆｌｏａｔ  ｚｏｎｅ  ｍｅｔｈｏｄ：ＦＺ）であり、これはＫｅｃｋ  ａｎｄ  Ｇｏｌａｙにより最初に提唱された。ＦＺ法およびかかる方法に適した装置の実施態様は、ＥＰ１５９５００６Ｂ１に記載されている。
【０００７】
特に、得られる単結晶ケイ素の純度に関する限り、ＦＺ法は、例えばチョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ  ｍｅｔｈｏｄ）のような代替法に対していくつかの大きな利点を有する。これは、ＦＺ法では結晶成長に使用されるケイ素溶融物が、るつぼ中に固定されていないためである。その代わり、多結晶ケイ素からなる棒（ｒｏｄ）の下端は、誘導加熱システムの加熱区間に下降されて、注意深く溶融される。溶融ケイ素からなる溶融物はケイ素の棒の下に蓄積され、この溶融物中に、単結晶ケイ素からなる種晶が、一般的には下からこの溶融物中に浸漬される。種晶がケイ素溶融物で湿潤されるやいなや、加熱区間からゆっくり下降されるケイ素溶融物により、結晶成長を開始することができる。同時に、溶融物の体積が実質的に一定に維持されるように、溶融されるケイ素の棒は、上から再配置しなければならない。溶融物を下降させる過程で、溶融物の下側で凝固先端が形成され、この先端に沿って液体ケイ素が所望の構造で結晶化する。
【０００８】
金属ケイ素から進行する単結晶ケイ素の生成は、非常に高エネルギーの消費を含む。これは、化学プロセスの複雑な流れと物質形態の変化が特徴である。この点で、例えば上記の国際公開第２００９／１２１５５８号パンフレットを参照されたい。そこに記載された多段階法で得られるケイ素は、熱分解反応炉中で固体の棒の形で得られ、これは適宜、粉砕し、例えばチョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ  ｍｅｔｈｏｄ）またはＦＺ法での以後のさらなる処理のために、再度溶融しなければならない。
【０００９】
本発明は、簡便化された方法の手順によって、および先行技術から知られた方法の手順に比較したエネルギー的最適化により区別される、単結晶ケイ素を生成するための新しい方法を提供する目的に基づく。
【００１０】
この目的は、請求項１の特徴を含む方法と、請求項１０の特徴を含む設備とにより達成される。本発明の方法の好適な実施態様は、従属請求項２〜９に記載されている。本発明の設備の好適な実施態様は、従属請求項１１と１２で特定される。すべての請求項の表現は、参照することにより本記載の内容に取り込まれる。
【００１１】
本発明の方法により、原理的に、単結晶形の多種類の半導体材料を得ることが可能である。特に本発明の方法は、単結晶ケイ素を生成するのに適している。この場合、本発明の方法は少なくとも以下の工程を含む：
【００１２】
１．  １つの工程で、出発材料として半導体材料が提供される。半導体材料は好ましくはケイ素である。
【００１３】
２．  さらなる工程で、出発材料は加熱区間に移送される。この加熱区間中に半導体材料からなる溶融物が存在し、この溶融物には出発材料が供給されている。例えば、欧州特許第１５９５００６Ｂ１号明細書に記載されている方法である従来のＦＺ法のように、溶融物は「自由に浮遊する溶融物」である。これは、るつぼのような容器の壁に接触していない溶融物を意味すると理解すべきである。その代わりに、その安定性は非接触の様式で維持されるが、これは後で詳細に考察する。
【００１４】
３．  加熱区間から溶融物を下降させるか、または加熱区間を上昇させることにより、半導体材料が所望の単結晶構造で結晶化すると伴に、溶融物の下端において凝固先端の生成をもたらすことが可能である。原理的に、加熱区間からの溶融物の下降と上記の加熱区間の上昇はまた、同時に行うことができる。
【００１５】
本発明の方法は、半導体材料からなる出発材料が液体形態で提供され、そしてまた液体形態の溶融物に供給されるという事実により、特に区別される。
【００１６】
従って本発明の方法は、従来のＦＺ法といくつかの共通点を有し、特に上記の「自由に浮遊する溶融物」という共通点を有する。特に、加熱区間から溶融物を下降させることによる溶融物の維持および安定化と溶融物の冷却とは、原理的に、例えば、欧州特許第１５９５００６Ｂ１号明細書に言及および記載されるように、先行技術から公知の方法に従って、行うことができる。従来のＦＺ法と比較して、固体の半導体材料（特に最初に記載した固体のケイ素の棒）を再配置することによっては、溶融物は供給されない。むしろ溶融物は、溶融物より上で最初に直接溶融されるのではなく、すでに液体形態である出発材料が提供される。
【００１７】
所望の単結晶構造を生成するために、単結晶の半導体材料からなる種、特に単結晶ケイ素からなる種を、溶融物に与えることが好ましく、これは、特に下から溶融物中に浸漬されることができる。溶融物は対応して、冷却中、その下端で凝固先端に沿って単結晶構造で凝固する。
【００１８】
ファイル参照名独国特許第１０２０１００１１８５３．２号明細書の出願人名での未公開のドイツ国特許出願と、ファイル参照名ＰＣＴ／ＥＰ２００９／００８４５７の国際公開第２０１０／０６０６３０号パンフレットとして公開されている国際出願はそれぞれ、ケイ素が液体形態で得られる、ケイ素を得るための方法を記載する。本願に記載された発明は、これらの方法に基づく。ＰＣＴ／ＥＰ２００９／００８４５７の内容は、参照することにより本明細書に取り込まれる。
【００１９】
好適な実施態様において、液体の出発材料を供給するために、引用した２つの特許出願に記載されているように、半導体材料の粒子および／または半導体材料の前駆体化合物が、ガス流中に供給される。半導体材料の粒子と半導体材料の前駆体化合物との両方は、適宜ガス流中に供給することができる。ガス流は、半導体材料の粒子を固体から液体状態および／またはガス状態に転化する程、および／または前駆体化合物を熱的に分解する程、充分に高温を有する。
【００２０】
半導体材料の前駆体化合物は、原理的に、直接加熱して、例えば静電界または電磁界から前駆体化合物に供給されるエネルギーにより、前駆体化合物の熱分解が起きて、前駆体化合物をプラズマ状状態に転化できるようにすることもできる。しかし好ましくは、前駆体化合物は分解のために、高温に加熱したガス流中に供給される。
【００２１】
半導体材料の粒子は、特に、例えばケイ素ブロックを切り取って、ケイ素からなる薄いウェーハー片を生成する場合に、多量に得ることができるような金属ケイ素粒子である。ある状況では、粒子は表面が少なくともわずかに酸化されていてもよい。
【００２２】
半導体材料の前駆体化合物は、好ましくはケイ素−水素化合物であり、特に好ましくはモノシラン（ＳｉＨ4）である。しかし他のケイ素含有化合物、特にクロロシラン類、例えば特にトリクロロシラン（ＳｉＨＣｌ3）の使用も可能である。
【００２３】
半導体材料の粒子および／または半導体材料の前駆体化合物が供給されるガス流は、一般的に少なくとも１種のキャリアーガスを含む。好適な実施態様において、ガス流はかかるキャリアーガスからなる。少なくとも１種のキャリアーガスを有する混合物中において、半導体材料の前駆体化合物により構成される比率は、特に好ましくは５質量％〜９９質量％、特に５質量％〜５０質量％、特に好ましくは５質量％〜２０質量％である。適切なキャリアーガスは水素であり、特にこれは、前駆体化合物がケイ素−水素化合物である場合に有利である。さらなる好適な実施態様において、キャリアーガスはまたキャリアーガス混合物でもよく、例えば水素と希ガス（特にアルゴン）からなるキャリアーガス混合物でもよい。希ガスは、好ましくは１％〜５０％の比率でキャリアーガス混合物中に含有される。
【００２４】
ガス流は好ましくは５００℃〜５０００℃、特に好ましくは１０００℃〜５０００℃、特に２０００℃〜４０００℃の温度を有する。かかる温度においては、まず例えばケイ素の粒子は液体化されるか、または少なくとも部分的にガス流中で蒸発されることさえある。ケイ素−水素化合物および半導体材料の他の考え得る前駆体化合物はまた、一般的にかかる温度ではその元素構成物に容易に分解される。
【００２５】
特に好ましくは、ガス流は、プラズマ、特に水素プラズマである。知られているようにプラズマは、イオンや電子のような自由電荷のキャリアーを高率に含む、部分的にイオン化されたガスである。プラズマはいつも、特に、熱励起、放射線照射励起、または静電界もしくは電磁界による励起による、外部エネルギーの供給により得られる。特に後者の励起法は、本件において好適である。対応するプラズマ発生器は市販されており、本出願に関連して詳述する必要は無い。
【００２６】
半導体材料の粒子および／または半導体材料の前駆体化合物をガス流中に供給する工程の後に、生じるガス状の半導体材料をガス流から濃縮し（必要であれば）、また生じるガス状および／または液体の半導体材料を、キャリアーガス成分から適宜分離することが必要である。このために好適な実施態様では、半導体材料の粒子および／または半導体材料の前駆体化合物、または、これらからなる対応するガス状および／または液体の以後の生成物を有するガス流が導入される反応炉容器が使用される。かかる反応炉容器は、液体のおよび／またはガス状の半導体材料を捕集、および適宜濃縮するために役立つ。特にこれは、キャリアーガス、半導体材料（液体および／またはガス）、および適宜ガス状分解生成物の混合物を分離するために提供される（この混合物は、本発明の方法の好適な実施態様で現れる）。
【００２７】
本発明の方法に関連して、こうして得られる液体の出発材料は好ましくは、半導体材料からなる溶融物中に、反応炉容器から直接供給される。しかし、液体の出発材料はまた、ガス流からの濃縮または分離後に、高い熱安定性を有する捕集容器中に移送されることができ、この捕集容器中で、この材料は一時的に保存される。半導体材料からなる溶融物はまた、この捕集容器から供給されることができる。
【００２８】
導入部分で既に記載したように、ＦＺ法の大きな利点は、例えばチョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ  ｍｅｔｈｏｄ）の場合のように、例えば液体ケイ素が、結晶化中に、るつぼの壁と接触しないことである。るつぼの壁が、非常に高い熱安定性を有する材料、例えば石英から生成されても、比較的長期間にわたって少なくとも液体ケイ素と接触するなら、酸素のような不純物元素は反応炉の壁から液体ケイ素中に拡散し、その性質に影響を与える場合がある。原理的に、液体ケイ素のような液体の半導体材料中への不純物原子の拡散はまた、上記の反応炉容器の壁からおよび／または上記の捕集容器の壁から進行することができるであろう。従って、液体の半導体材料は、この壁と直接接触しないか、または少なくとも比較的長期間接触しないなら、好ましいであろう。
【００２９】
従って好適な実施態様において、反応炉容器および／または捕集容器は、凝固した半導体材料からなる固体層（「スカル」とも言う）で内面が被覆される。これは特に、液体の半導体材料と直接接触できる内壁の領域、すなわち、例えば濃縮した液体ケイ素が、適宜蓄積する容器の底領域について言える。凝固した半導体材料からなる固体層は、液体の半導体材料から容器の壁を保護し（逆も真である）、そしてそれによって液体の半導体材料への不純物の永続的な拡散は防止される。
【００３０】
凝固した半導体材料からなる層の厚さは、好ましくはセンサーにより監視される。この層は理想的にはある最小の厚さを有するべきであるが、同時に無抑制に大きくなってはならないため、これは非常に重要である。従って、容器内、特に容器の壁の領域で熱平衡を維持することが必要である。この目的のために、特に壁内に、加熱媒体および／または冷却媒体を提供することが可能であり、これは理想的には、対応する手段により、起こり得る厚さの変動に対抗できるようにするために、コントローラーにより上記センサーに結合される。特に超音波センサーがセンサーとして適している。これはまた、伝導度測定ができると考えられる。
【００３１】
好適な実施態様において、反応炉容器および／または捕集容器は、生成される半導体材料、特に高純度ケイ素から少なくとも部分的になる底領域を有する。特に反応炉容器および／または捕集容器は、凝固した半導体材料からなるプラグにより阻止される出口である、液体の半導体材料の出口を底領域に有することができる。好適な実施態様において、液体の半導体材料を溶融物中に供給するために、生成される半導体材料（特に、上記出口を阻止する凝固した半導体材料からなる「プラグ」）から少なくとも部分的になる底領域は、制御された様式で溶融される。このように、溶融物中に供給される液体の半導体材料の量を制御することができる。
【００３２】
溶融物自体を安定に維持するためには、溶融物に液体の半導体材料を供給し過ぎないことが必要である。すなわち溶融物に供給される半導体材料の量の制御が非常に重要である。これは、溶融物中の静水圧がその高さに正比例するためである。従ってこの高さは、非常に狭く規定された範囲に維持するべきである。こうして溶融物の体積は、実質的に一定に維持されることが好ましい。供給される液体の半導体材料の量は、溶融物の下端で同時に凝固する量を超えてはならない。
【００３３】
これとは別に、あるいはさらに、溶融物に供給される液体の半導体材料の量は、当然上記の高温に加熱したガス流中に供給される半導体材料の粒子および／または半導体材料の前駆体化合物の量を、対応して計量することにより制御されることができる。例えばガス流中に供給される前駆体化合物の量は、非常に細かく計量されることができる。従って、正確に定義した量の液体の半導体材料を、連続的に生成することが可能である。溶融区間の安定性を維持するために、この操作は極めて有利であり、さらに反応炉容器からの液体の半導体材料流出の複雑な制御が、絶対に必要というわけではない。
【００３４】
高純度半導体材料から少なくとも部分的になる底領域の融解は、好ましくは反応炉容器の底領域に配置されたか、または少なくともそこに割り当てられた加熱媒体および／または冷却媒体により制御される。この場合、加熱媒体および／または冷却媒体は好ましくは、少なくとも１種の誘導加熱システムを含み、このシステムにより、反応炉容器の底領域および／または捕集容器を加熱することができる。好適な実施態様において冷却媒体は、反応炉容器の底領域および／または捕集容器に組み込むことができ、特に液体の半導体材料の上記出口の周りに並べることができる。
【００３５】
さらに好適な実施態様において、加熱媒体および／または冷却媒体はまた、少なくとも１種の焦点を合わせることのできる光線および／または物質のビームを、特に、上記の少なくとも１種の誘導加熱システムに加えて、または適宜、その代替として含むことができる。かかる焦点を合わせることのできる光線および／または物質のビームは、特にレーザーまたは電子ビームでもよい。これにより、局所的に限定された方法で、例えば、生成される半導体材料からなる反応炉容器の底領域および／または捕集容器の、または凝固した半導体材料からなる阻止プラグの部分的領域を、標的化した方法で液化することができ、これにより、液体の半導体材料が存在できるようにする出口を開くことができる。光線および／または物質のビームの強度を変化させ、焦点を合わせることにより、液化領域の大きさに影響を与えることができる。こうして、液体ケイ素の無抑制の排出を避けることができる。
【００３６】
半導体材料からなる溶融物が並べられる加熱区間は、好ましくは少なくとも１種の加熱媒体を含み、これは特に、誘導加熱システム、および／または焦点を合わせることのできる光線および／または物質のビームでもよい。好適な実施態様において、同じ加熱媒体、特に同じ誘導加熱システムが、加熱区間中の溶融物の維持と、反応炉容器の底領域および／または捕集容器の加熱との両方に機能し得る。
【００３７】
本発明の方法は原則的に、出発材料として機能する液体の半導体材料の供給源と、半導体材料からなる自由に浮遊する溶融物（この溶融物は、加熱区間に配置されている）を生成および／または維持するための加熱媒体と、加熱領域から溶融物を下降させるための媒体、および／または加熱区間を上昇させるための媒体と、好ましくは出発材料として機能する液体の半導体材料の溶融物への制御された供給のための媒体とを含む、すべての設備で実施することができる。かかる設備はまた、本発明の主題の一部である。
【００３８】
出発材料として機能する液体の半導体材料の供給源は、好ましくは、液体ケイ素用の上記の反応炉容器および／または上記の捕集容器である。これらは一般的に、耐熱性内部を含む。後者（特に反応炉容器の場合）が上記の高温に加熱されたガス流により破壊されないようにするために、容器は一般的に、高い熱安定性を有する対応する材料で内面が被覆される。高温に耐性の適切な材料は、当業者に知られている。
【００３９】
反応炉容器内では特に、生成された蒸気、例えば適宜、ケイ素蒸気の、液相への転化の問題が極めて重要である。もちろん反応槽の内壁の温度が、この問題では重要な因子である。これは好ましくはケイ素の融点の範囲内であるが、とにかくケイ素の沸点より低い温度である。好ましくは壁の温度は、比較的低いレベル、特にケイ素の融点より低いレベルで維持される。これは特に、凝固した半導体材料（特に凝固したケイ素）からなる層が、上記のように反応炉容器の内部で生成することを目的とする場合に、あてはまる。この目的に必要な温度を設定するために、反応炉容器は、適切な絶縁媒体、加熱媒体、および／または冷却媒体を有することができる。
【００４０】
液体の半導体材料は、反応炉の底に蓄積できることがこのましい。このために、反応炉の底は、液体の半導体材料の排出を促進するために、最も深い点で流出するように円錐形に組み立てることができる。液体の半導体材料の制御された排出のために、反応炉容器は、例えば生成される半導体材料から少なくとも部分的になる既に記載した底領域を有し、特に、凝固した半導体材料からなるプラグにより阻止される液体の半導体材料用の出口を有する。この出口または底領域は、追加の阻止媒体を割り当てられることができ、これにより、液体の半導体材料が無抑制に流れ出ることを防ぐことができる。この阻止媒体は好ましくは、高周波誘導によって加熱されないか、または高周波誘導により少なくともケイ素ほどうまく加熱されない材料からなる。特に、ケイ素より高い融点を有する材料が好ましい。阻止媒体は、例えば液体の半導体材料用の出口を塞ぐのに使用できるプレートまたはスライドとして具体化できる。
【００４１】
さらにもちろん、反応炉容器に導入されるガス、または適宜分解によりそこで生成されるガスも、再度排出しなければならない。さらにガス流の供給ライン以外に、この目的のために一般的に、対応するガス排出ラインが提供される。
【００４２】
反応炉容器内での良好な旋回を確保するために、ガス流は、好ましくは比較的高速で反応炉容器中に導入される。好ましくは、標準的圧力よりわずかに高い圧力、特に１０１３〜２０００ミリバール（ｍｂａｒ）の圧力が、反応炉容器中に行き渡っている。
【００４３】
好適な実施態様において、反応炉の内部の少なくとも１つのセクションは、実質的に円筒形で組み立てされる。ガス流は、内部につながるチャネルを介して導入することができる。このチャネルの開口部は、特に内部の上部領域、好ましくは実質的に円筒形セクションの上端に並べられる。
【００４４】
出発材料として機能する液体の半導体材料の溶融物への制御された供給用の媒体は、好ましくは溝および／またはパイプである。これらにより、液体の半導体材料は、適宜、捕集容器を介して迂回することにより、反応炉容器から加熱区間へ移送されることができる。溝および／またはパイプは、例えば、石英から、グラファイトから、または窒化ケイ素から生成されることができる。液体の半導体材料が輸送中に凝固するのを防ぐために、加熱装置を、適宜これらの媒体に割り当てることができる。好適な実施態様において媒体はまた、上記の反応炉容器の場合のように液体の半導体材料と接触する領域中で、凝固した半導体材料からなる固体層で被覆されることができる。このためにまた、本発明の設備は、適切な加熱媒体および／または冷却媒体を含んでよい。
【００４５】
さらに、出発材料として機能する液体の半導体材料の、溶融物への制御されない供給のための媒体はまた、すでに上記の加熱媒体および／または冷却媒体を含んでよく、これにより、高純度半導体材料から少なくとも部分的になる底領域の溶融が制御される。特にこれらは、自由に浮遊する溶融物を維持するための、かつ反応炉容器の底領域を加熱するための誘導加熱システムと、同時に少なくとも１種の焦点を合わせることのできる光線および／または物質のビームとを、組合せて含むことができ、これらを用いることにより、局所的に限定された様式で、半導体材料からなる反応炉容器の底領域および／または捕集容器の部分的領域を、目的の様式で液化することができる。
【００４６】
既に記載したように液体の半導体材料は、高温に加熱したガス流中に供給される、半導体材料の粒子および／または半導体材料の前駆体化合物の量の対応する変動により、反応炉容器中で必要に応じて生成されることができる。特にこの場合、液体の半導体材料が濃縮され、そして／またはガス流から分離される反応炉容器への移送手段の結合を、例えばサイホン状のパイプの連結により行うことができる。生じる液体の半導体材料は、反応炉容器中に蓄積され、対応する静水圧を発生する。サイホン状のパイプの連結により、この圧力に支配される様式で、液体の半導体材料が制御された様式で、反応炉容器から排出されるか、または溶融物に供給されることが可能であり、ここで、液体の半導体材料の固体層状態への移行が起きて単結晶の結晶構造が生成する。
【００４７】
本発明の方法は、単結晶半導体材料を得るための従来法に対して、明らかな利点を与える。エネルギー的観点から、液体形態で発生する半導体材料が、多結晶半導体材料を介する迂回をすることなく、単結晶形に直接転化されることが、極めて有利である。さらに、大幅に短縮された方法の手順により、半導体材料は、可能性のある汚染源が非常に少ない経路を通過する。従って、非常に高純度の半導体材料を生成することができる。
【００４８】
本発明のさらなる特徴は、従属クレームとともに、単結晶半導体材料を生成するための本発明の設備の好適な実施態様の以下の記載から明らかであろう。この場合個々の特徴は、それ自体を個々に、または互いに組合せて複数体として実現することができる。記載の好適な実施態様は、本発明の説明とより良好な理解のためだけであり、決して限定的なものではない。
【００４９】
図１は、本発明の設備１００の好適な実施態様の略図であり、これは単結晶半導体材料を生成するために機能する。
【００５０】
出発材料として機能する液体の半導体材料の供給源として、この設備は反応炉容器１０１を有する。断面図で示した反応炉容器は、反応炉の内壁１０２により水平に区切られた円筒形セクションを含む。円筒形セクションより上の反応炉の部分は示していない。この部分は特に、ケイ素含有プラズマ用の入り口と、反応炉からガスを排出するための出口とを含む。プラズマは、反応炉容器１０１の上流に配置した装置中でキャリアーガスから発生し、半導体材料の粒子および／または半導体材料の前駆体化合物と混合される。円筒形セクションより下では、反応炉の内部が出口１０３に向かって細くなり、この出口を介して、液体の半導体材料１０４が反応炉容器１０１から出ていく。反応炉の内部のこの部分の形状を、特に反応炉内壁１０２の下側に隣接したＬ型の冷却壁／底要素１０５により示す。これらは、反応炉容器１０１中に含まれる半導体材料の融点より低い温度で維持される。この材料は対応して、凝固した被覆層１０６を生成し、これは適宜、出口１０３を超えて伸長することができ、従って出口を阻止する。従って反応炉容器１０１は、生成される半導体材料から少なくとも部分的になる底領域を有する。反応炉の外壁１０７は、反応炉の内壁１０２とＬ型の冷却壁／底要素１０５の周りに並べられる。この反応炉の外壁は、加熱媒体、絶縁媒体、および／または冷却媒体を含むことができる。
【００５１】
加熱区間１０８は、反応炉容器１０１の下に並べられ、半導体材料からなる溶融物１０９はこの加熱区間中に存在する。加熱区間１０８は、加熱媒体として、誘導加熱システム１１０を含むことができ、これは、溶融物１０９のまわりに環状に並べられる。この溶融物のために、種晶１１１が基板として機能する。これは、適切な媒体により加熱区間１０８から溶融物１０９とともに下降させられ、そのため、溶融物１０９の下端において、半導体材料が末端円錐形１１１の単結晶構造で結晶化すると伴に、凝固先端が形成される。
【００５２】
誘導加熱システム１１０は特に、加熱区間１０８中に溶融物１０９を維持するために機能する。しかし、さらにこれはまた、反応炉容器１０１の底領域も加熱する。出口１０３上に焦点を合わせることができるように、溶融物１０９中への、出発材料として機能する液体の半導体材料の制御された供給のための媒体として並べられたレーザー１１２の作動させることにより、適宜、溶融物１０９が制御された様式で液体の半導体材料を供給されるように、出口１０３を阻止する半導体材料を溶融することが可能である。
【００５３】
反応炉容器１０１からの無抑制の排出を防ぐために、本発明の設備１００は、安全装置として、スライドである阻止手段１１３を含み、これにより出口１０３を閉じることができる。スライドは好ましくは、高周波誘導が加熱できないかまたはわずかに加熱できる材料からなる。
（態様１）
半導体材料からなる出発材料を提供する工程と、
該出発材料を加熱区間に移送する工程であって、半導体材料からなる溶融物が、該出発材料を供給される工程と、
該溶融物の下端において、該半導体材料が所望の構造で結晶化すると伴に、凝固先端が形成するように、該加熱区間から該溶融物を下降させ、かつ／または該加熱区間を上昇させる工程と、
の各ステップを含んで成る、単結晶半導体材料、特に単結晶ケイ素を生成するための方法であって、
該半導体材料からなる出発材料が液体形態で提供され、そして液体形態の該溶融物に供給される、方法。
（態様２）
液体の出発材料を提供するために、該半導体材料の粒子および／または該半導体材料の前駆体化合物がガス流中に供給され、該ガス流が該半導体材料の粒子を固体から液体状態および／またはガス状態に転化する程、そして／または該前駆体化合物を熱的に分解する程、充分に高温を有することを特徴とする、態様１に記載の方法。
（態様３）
該液体の出発材料が濃縮され、そして／または該ガス流から分離される反応炉容器中に、該ガス流が導かれること、および該液体の出発材料が、反応炉容器から該半導体材料からなる溶融物中に、直接供給されることを特徴とする、態様２に記載の方法。
（態様４）
該反応炉容器が内面を凝固した半導体材料からなる固体層によって被覆されていること、特に該液体の半導体材料と接触する領域において、内面を凝固した半導体材料からなる固体層によって被覆されていることを特徴とする、態様３に記載の方法。
（態様５）
該層の厚さが、センサーによって、特に超音波センサーによって監視され、そして加熱媒体および／または冷却媒体によって制御されていることを特徴とする、態様４に記載の方法。
（態様６）
該反応炉が、生成される半導体材料から少なくとも部分的になる、固体の底領域を有することを特徴とする、態様３〜５のいずれか一項に記載の方法。
（態様７）
該液体の半導体材料を該溶融物中に供給するために、該生成される半導体材料から少なくとも部分的になる底領域が、制御された様式で溶融する工程を特徴とする、態様６に記載の方法。
（態様８）
該溶融する工程が、該底領域中に並べられているか、または該底領域に割り当てられている加熱媒体および／または冷却媒体によって、制御されることを特徴とする、態様７に記載の方法。
（態様９）
該加熱媒体および／または冷却媒体が、少なくとも１種の誘導加熱システムおよび／または焦点を合わせることのできる光線および／または物質のビーム、例えば、レーザーまたは電子ビームを含むことを特徴とする、態様８に記載の方法。
（態様１０）
単結晶半導体材料、特に単結晶ケイ素を生成するための設備であって、出発材料として機能する液体の半導体材料の供給源、該半導体材料からなる溶融物を生成し、そして／または維持するための加熱媒体、および好ましくは、出発材料として機能する該液体の半導体材料の該溶融物中への制御された供給のための媒体をまた含んで成る、設備。
（態様１１）
該出発材料として機能する液体の半導体材料が形成され、そして／または収集される、反応炉容器および／または収集容器を、該供給源が含むことを特徴とする、態様１０に記載の設備。
（態様１２）
該出発材料として機能する液体の半導体材料の該溶融物中への制御された供給のための手段が、溝および／またはパイプ、好ましくは石英、グラファイトおよび／または窒化ケイ素から少なくとも部分的になる溝および／またはパイプを含むことを特徴とする、態様１０または１１に記載の設備。
【図１】
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