(57)【要約】  半導体材料の板を処理する方法は、半導体材料の板の各主面上に焼結可能な第１の層を形成する工程、第１の層の各々の上に第２の層を形成して、粒子被覆半導体板を形成する工程、端部部材の間に粒子被覆板を配置する工程、粒子被覆板を、第１の層を少なくとも部分的に焼結させ、半導体材料を少なくとも部分的に溶融させるのに効果的な温度に加熱する工程、および粒子被覆板を冷却して、半導体材料を固化させ、半導体材料の処理済み板を形成する工程を有してなる。
2013540091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体材料の板を処理する方法であって、
半導体材料の板の各主面上に焼結可能な第１の層を形成する工程、
前記第１の層の各々の上に第２の層を形成して、粒子被覆半導体板を形成する工程、
端部部材の間に前記粒子被覆半導体板を配置する工程、
前記粒子被覆半導体板を、前記第１の層を少なくとも部分的に焼結させ、前記半導体材料を少なくとも部分的に溶融させるのに効果的な温度に加熱する工程、および
前記粒子被覆半導体板を冷却して、前記半導体材料を固化させ、半導体材料の処理済み板を形成する工程、
を有してなる方法。
【請求項２】
粒子被覆された半導体板であって、
反対の主面を有する半導体材料の板、
前記主面の各々の上に形成された焼結可能な第１の層、および
前記第１の層の各々の上に形成された第２の層、
を含む、粒子被覆された半導体板。
【請求項３】
前記第１の層が、２０ｎｍから１００マイクロメートルの範囲の平均粒径を有する焼結可能な粒子からなる、請求項２記載の粒子被覆された半導体板。
【請求項４】
前記第１の層が石英ガラスからなる、請求項２記載の粒子被覆された半導体板。
【請求項５】
前記第２の層が、２０マイクロメートルから１ｍｍの範囲の平均粒径を有する粒子からなる、請求項２記載の粒子被覆された半導体板。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、その内容が依拠され、全てがここに引用される、２０１０年９月２３日に出願された米国仮特許出願第６１／３８５７１４号の米国法典第３５編第１１９条の下での優先権の恩恵を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、広く、半導体材料の物品を形成する方法、およびそのような方法に使用される前処理済み半導体材料に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体材料が様々な用途に使用されており、例えば、光起電装置などの電子装置に組み込まれることがある。光起電装置は、光起電力効果によって光放射を電気エネルギーに変換する。
【０００４】
半導体材料の性質は、結晶構造、固有欠陥の濃度と種類、並びにドーパントおよび他の不純物の存在と分布を含む様々な要因に依存する。半導体材料内では、例えば、粒径と粒径分布が、結果として得られる装置の性能に影響を与え得る。一例として、粒子がより大きく、より均一になるにつれて、電気伝導率、それゆえ、光電池などの半導体に基づく装置の全体的効率が一般に改善される。
【０００５】
シリコンに基づく装置について、シリコンは様々な技法を使用して形成され、その技法を用いて、インゴット、板またはリボンなどの様々な形状を形成することができる。シリコンは、下にある基板により支持されていても、支持されていなくてもよい。しかしながら、シリコンの支持された物品と支持されていない物品を製造するための従来の方法には、数多くの欠点がある。
【０００６】
シリコン板を含む、支持されていない薄い半導体材料を製造する方法は、時間がかかるか、半導体材料の供給原料を無駄遣いするであろう。支持されていない単結晶半導体材料は、例えば、チョクラルスキー法またはブリッジマン法を使用して製造できる。しかしながら、そのようなバルク法は、材料を薄い板またはウェハーに切断する場合、不都合なほど、切り口の著しい損失をもたらすであろう。支持されていない多結晶半導体材料を製造できる追加の方法としては、電磁鋳造法およびリボン成長法などの直接的な正味形状の板の成長法が挙げられる。シリコンリボン成長技術を使用して製造される多結晶シリコンリボンは、典型的に、約１〜２ｃｍ／分の速度でしか形成されない。
【０００７】
支持された半導体材料の板は、安上がりに製造されるかもしれないが、その半導体材料の板は、それが上に形成される基板により制限されるであろうし、その基板は、様々なプロセス要件と用途の要件を満たさなければならないであろうし、それらの要件は対立するかもしれない。
【０００８】
外部鋳造(exocasting)法を使用して、支持されていない多結晶半導体材料を製造する例示の方法が、その開示がここに引用される、２００９年２月２７日に出願された特許文献１、２００９年５月１４日に出願された特許文献２および２００９年１２月８日に出願された特許文献３に開示されている。
【０００９】
ここに記載するように、本出願の発明者等は今、半導体材料の支持された物品および支持されていない物品がそれにより製造される追加の方法を発見した。開示された方法は、材料の廃棄を減少させ、生産速度を増加させつつ、均一な厚さおよび所望の微細構造などの所望の特性を有する半導体材料（例えば、外部鋳造材料）の形成を促進させるであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願第１２／３９４６０８号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１２／４６６１４３号明細書
【特許文献３】米国特許出願第１２／６３２８３７号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本開示の様々な例示の実施の形態によれば、半導体材料の板を処理する方法であって、その板の各主面上に焼結可能な第１の層を形成する工程、第１の層の各々の上に第２の層を形成して、粒子被覆半導体板を形成する工程、端部部材の間に粒子被覆板を配置する工程、粒子被覆板を、第１の層を少なくとも部分的に焼結させ、半導体材料を少なくとも部分的に溶融させるのに効果的な温度に加熱する工程、および粒子被覆板を冷却して、半導体材料を固化させ、半導体材料の処理済み板を形成する工程を有してなる方法が提供される。半導体材料の板を処理する前述した方法により、半導体材料の結晶粒構造および／または表面特性の少なくとも一方が改善されるであろう。板を被包できる粒子被覆を提供することによって、その板の全体的形状因子は、溶融の作業中ずっと維持することができる。実施の形態において、粒子被覆は、各層が別個の組の特性により特徴付けられる多数の層を含む。
【００１２】
加熱する工程は、半導体材料の板全体が、溶融板を形成するのに十分に加熱される単一の加熱工程を含んでよく、その後、溶融板が、溶融板の最短寸法に対して実質的に平行な方向に固化される冷却工程が行われる。さらに別の実施の形態において、加熱工程と冷却工程は各々、例えば、第１の加熱工程において、板の一表面が、その板の表面において溶融プールを形成するように局所的に加熱され、その溶融プールが、熱源を板に対して移動させることによって、板の表面を横断して平行移動される、複数の別個の工程を含んでよい。それに続く第２の加熱工程において、板全体が、半導体材料の溶融板を形成するのに十分に加熱され、その後、溶融板が、板の最短寸法に対して実質的に平行な方向に固化される冷却工程が行われる。
【００１３】
本開示による他の例示の実施の形態は、半導体材料の前処理済みの粒子被覆板であって、板の各主面上に形成された焼結可能な第１の層、および第１の層の各々の上に形成された第２の層を有する半導体材料の層を含む、半導体材料の前処理済みの粒子被覆板に関する。
【００１４】
それゆえ、本開示は、半導体材料の物品を製造するまたは処理する方法、並びにそれによって製造されるおよび／または処理される半導体材料の物品に関する。以下の説明において、特定の態様および実施の形態が明白となるであろう。本発明は、最も広い意味において、これらの態様および実施の形態の１つ以上の特徴を有さずに実施することもできることを理解すべきである。これらの態様および実施の形態は、単に例示と説明であり、特許請求の範囲に記載された本発明を制限するものではないことをさらに理解すべきである。
【００１５】
本発明の追加の特徴および利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には容易に明らかとなるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付図面を含む、ここに記載された本発明を実施することによって認識されるであろう。
【００１６】
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方とも、本発明の実施の形態を提示し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概要または骨子を提供することが意図されていることを理解すべきである。添付図面は、本発明をさらに理解を深めるために含まれ、本明細書に包含され、その一部を構成する。それらの図面は、本発明の様々な実施の形態を図解し、説明と共に、本発明の原理および動作を説明するように働く。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】１つの実施の形態による粒子被覆半導体板の説明図
【図２】１つの実施の形態による指向性固化プロセスを示す一連の説明図
【図３】連続ゾーン溶融精錬工程後のシリコン板におけるアルミニウムの分離プロファイルを示すグラフ
【図４】鋳造したままのシリコン板の断面電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）マップ
【図５】１つの実施の形態による処理済みシリコン板の断面電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）マップ
【発明を実施するための形態】
【００１８】
ここで、少なくとも一例が添付図面に図解されている、様々な例示の実施の形態を参照する。しかしながら、これらの様々な例示の実施の形態は、本開示を制限することは意図されておらず、むしろ、本発明を完全に理解できるように、様々な特定の詳細が述べられている。本発明は、これらの特定の詳細のいくつかまたは全てを含まずに実施してもよく、本開示は、代替例、改変例、および同等物を網羅することが意図されているのが、当業者には明白であろう。例えば、周知の特徴および／またはプロセス工程は、本発明の不必要に分かりにくくしないように、詳しく記載されていないであろう。添付図面において、共通の要素または類似の要素を特定するために、類似のまたは同じ参照番号が使用されている。
【００１９】
本開示は、半導体材料の処理済み板を製造する様々な方法を検討する。開示された方法は、１つ以上の板の特性を高めるために、半導体材料の先に形成された板の溶融および再結晶化を含む。当業者により認識されるであろうように、多くの半導体材料、例えば、シリコンの比較的高い表面張力のために、これらの材料には、溶融の際の表面エネルギーを最小にし、球体を形成する自然な傾向がある。ここに開示されたいくつかの実施の形態において、板が溶融されている間、その板の球状化(balling up)を防ぐために、半導体材料の元の板の一方または両方の表面上に多層粒子被覆が形成される。
【００２０】
様々な方法において、多層粒子被覆は、処理すべき板の反対の両表面に形成される。その粒子被覆は、板の各主面上に形成された焼結可能な第１の層、第１の層の各々の上に形成された第２の層を含む。
【００２１】
ある実施の形態は、半導体材料の板の各主面上に焼結可能な第１の層を形成する工程、第１の層の各々の上に第２の層を形成して、粒子被覆半導体板を形成する工程、端部部材の間に粒子被覆板を配置する工程、粒子被覆板を、第１の層を少なくとも部分的に焼結させ、半導体材料を少なくとも部分的に溶融させるのに効果的な温度に加熱する工程、および粒子被覆板を冷却して、半導体材料を固化させ、半導体材料の処理済み板を形成する工程を有してなる。加熱と冷却の作業は、１つ以上の実施の形態にしたがって行ってよい。
【００２２】
加熱と冷却の１つの手法において、半導体材料の板全体が、板を溶融するのに十分な温度に加熱され、次いで、溶融板の最短寸法に対して実質的に平行な方向に溶融板を固化するように、一方向に冷却される。
【００２３】
加熱と冷却の第２の手法において、半導体材料の板の一表面が最初に、その表面に溶融プールを形成するように第１の加熱工程において局所的に加熱される。次いで、局所加熱領域が、表面を横断して溶融プールを平行移動するように、板の表面を横切って動かされる。第２の加熱工程において、半導体材料の板全体が、板を溶融するのに十分な温度に加熱され、次いで、溶融板の最短寸法に対して実質的に平行な方向に溶融板を固化するように、一方向に冷却される。
【００２４】
図１に示されるように、半導体材料の粒子被覆板１００は、各主面１０４上に形成された多層粒子被覆１１０を有する半導体材料の板１０２を含む。多層粒子被覆１１０は、各主面１０４上に形成された焼結可能な第１の層１１６、および第１の層１１６の各々の上に形成された第２の層１１８を含む。
【００２５】
半導体材料の板は、非制限的例として、シリコン、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、および二酸化チタン、並びにそれらの合金および化合物などの、半導体特性を示す１種類以上の材料を含んでよい。様々な実施の形態において、半導体材料は、純粋（例えば、真性シリコンまたはｉ型シリコン）であっても、ドープされて（例えば、それぞれ、リンまたはホウ素などの、ｎ型またはｐ型ドーパントを含有するシリコン）いてもよい。
【００２６】
「半導体材料の板」という用語は、少なくとも１つの実質的に平らな表面を有する固体形状を含む。半導体材料の板は、例えば、約１００μｍから約３００μｍなどの約２５μｍから約５００μｍに及ぶ厚さ、並びに互いに独立して、例えば、約２５０μｍから約２５０ｃｍなどの、さらに例えば、約５００μｍから約１５ｃｍなどの約７５μｍから約５００ｃｍに及ぶ長さおよび幅を有してよい。
【００２７】
半導体材料の元の板は、当業者に公知のどの方法により形成されてもよい。半導体材料の板は、少なくとも１つの実施の形態において、その全ての内容がここに引用される、同一出願人による国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０９／０１２６８号明細書に開示されているような外部鋳造プロセスにより製造されたものなどの、正味形状のシリコン形であってよい。
【００２８】
半導体材料の元の（すなわち、鋳造されたままの）板は、多結晶質であっても、いくつかの実施の形態において、その意図する用途のために最適な結晶品質（例えば、サイズ、分布、方位、欠陥密度、表面特性など）を有していなくてもよい。ここに開示された加熱と冷却の作業前に、半導体材料の板は、２０マイクロメートルから５ｃｍの範囲の平均粒径を有する結晶粒を含んでよい。前処理済み粒子は樹枝状であってよい。それゆえ、元の板を、ここに記載された様々な方法にしたがってさらに加工してもよい。
【００２９】
多層粒子被覆は、元の板の溶融および再結晶化の最中に支持を提供し、これにより、板が、固体から液体と液体から固体への相変態を経るにもかかわらず、その形状を維持することができる。多層粒子被覆により提供される柔軟性および支持は、熱サイクルに関連する力学と動力学に対応し得、これは、半導体シリコン板について、加熱の際の固体の熱膨張、溶融の際の急激な体積減少（−１１％）、液相にある間の溶融シリコンの再分布、固化の際の体積増加、および最後に、冷却の際の固体の熱収縮を含む。
【００３０】
実施の形態において、第１の層は、２０ｎｍから１５０マイクロメートルの範囲（例えば、５０、１００または１５０マイクロメートル）の平均粒径を有する粒子層を構成する。第１の層は、半導体材料の板と直接接触して形成することができ、シリカ、アルミナ、ジルコニア、イットリア、およびハフニア、およびそれらの混合物と化合物、並びにそれらのガラス形態などの焼結可能な材料から形成することができる。第１の層を形成するために使用される粒子のサイズは、より低い温度でおよび／またはより短い時間で、粒子間結合を促進するように選択してよい。実施の形態において、第１の層は、未加工の板に見られる形状特徴の詳細を維持し、加工済み板におけるそのような詳細の複製を促進してもよい。噴霧被覆または浸漬被覆を含むどのような適切な技法を使用して、第１の層を形成してもよい。
【００３１】
第１の層は、半導体材料の板の表面上に連続層を形成してもよい。第１の層の各々の平均厚さは５００ｎｍから５０マイクロメートルの範囲（例えば、０．５、１、５、１０または５０マイクロメートル）にあってよい。あるいは、第１の層は、板の選択された部分のみの上に形成されたパターンのある層などのように不連続であってもよい。
【００３２】
実施の形態において、第２の層も粒子層を構成する。第２の粒子層における粒子は、２０マイクロメートルから１ｍｍの範囲（例えば、２０、５０、１００、２００、５００または１０００マイクロメートル）の平均粒径を有し得る。第２の層は、第１の層と直接接触して形成することができ、シリカ、アルミナ、ジルコニア、イットリア、およびハフニア、およびそれらの混合物と化合物、並びにそれらのガラス形態などの材料から形成することができる。第２の層を形成するために使用される粒子のサイズは、加熱と冷却の作業に関連する熱力学と動力学に適応できる、開いた、機械的にコンプライアントな構造を維持する第２の層の傾向を増加させるように選択されてもよい。
【００３３】
第２の層は、一例として、粒子床、織物、不織布、例えば、耐火性材料の線維から製造されたフェルトまたはベール、上述したものの単独または組合せでの焼結されているが完全には緻密化されていない形態のような様々な形態を取ることができる。第２の層の各々の平均厚さは、５００マイクロメートルから５ｍｍの範囲にあってよい。第１と第２の層は、各々独立して、理論密度の約２０％と約８０％の間の充填密度を有するゆるく充填された粒子層であり得る。
【００３４】
実施の形態において、それぞれ第１と第２の層の粒子は、層の厚さに亘り連続的または不連続的に（例えば、段階的）変動してもよい区別できる特性（例えば、組成、粒径、粒径分布）を示す。個々の特性と特性の差の両方は、例えば、層の形成前または形成最中に、もしくは層の形成中の沈殿または拡散、取扱い、加熱、冷却などの結果としてその場で、粒子の混合を特別に設計することによって、作り出されるであろう。
【００３５】
各層における粒子の次元数は、加熱前または最中に粒子の充填に影響を与え得る。粒子形状は、半導体材料の溶融および再結晶化の最中に粒子層の機械的完全さにも影響を与え得る。それゆえ、個々の粒子は、一次元、二次元、または三次元（すなわち、三次元の粒子に加え、繊維または小板の形状）であってよい。一例として、一次元の粒子は、ウィスカーまたは繊維の形状をとり得、これらは、例えば、０．１ｍｍから３０ｍｍ以上に及ぶ全長、および２以上のアスペクト比（長さ／直径）を有し得る。さらに別の例として、二次元の粒子は、小板またはディスクとして特徴付けることができ、これらは、２つの別個の互いに垂直な軸に沿って、２以上のアスペクト比を有し得る。実施の形態において、平均の粒子寸法（すなわち、ファイバの直径、小板の厚さまたは三次元粒子の直径）は、２０から１５０マイクロメートルに及び得る。粒子層に関する粒径分布は単峰性、二峰性または多峰性であってよい。
【００３６】
粒子の一般的な性質は、滑らか、ファセットまたは鋭いと特徴付けられることもある。一般に、粗面特徴を有する粒子は、加熱中に粒子間結合を形成する傾向が強い。
【００３７】
実施の形態において、第１の層または第２の層の一方またはその両方における粒子は機能化されていてもよい。機能化された粒子は、例えば、加熱および冷却の最中に半導体材料中に含むことのできるドーパントを含んでもよい。ドーパントとしては、ホウ素、リン、ガリウムなどが挙げられるであろう。１種類以上のドーパント、または他の機能的添加剤の濃度は、０．１ｐｐｂから３０００ｐｐｂに及ぶであろう。さらに別の例として、機能化粒子は、加熱および冷却の最中に溶融した半導体材料からの汚染物質を除くことができるゲッタリング種を含んでもよい。例示のゲッタリング種としてはフッ素などのハロゲンが挙げられ、ハロゲンは、溶解イオンとして粒子中に含まれるであろう。さらに別の例において、粒子は、汚染物質が半導体材料と相互作用するのを防ぐことができるバリア材（例えば、シリカ粒子中のアルミニウム）を含んでもよい。加熱および冷却の最中に粒子の焼結または粒子間結合を促進するまたは阻止するために、添加剤を使用してもよい。そのような添加剤の例としては、ムライト、ジルコニア、Ｂ2Ｏ3、シリカスート、シリカゾルまたはシリコーンが挙げられる。加熱前に層の未焼成強度を増加させるために、水やアルコールなどの液体を粒子と組み合わせてもよい。
【００３８】
第１と第２の層は、溶融した半導体材料を閉じ込める構造枠組みを形成し得る。理論により拘束することを意図するものではないが、多層粒子被覆内で、第１の層（より微細な粒子）は、ゆるく焼結して、空気に曝露された際に表面に瞬時に形成される薄い酸化物保護層を介して、半導体材料の表面と弱い結合を形成する多孔質層を生じると考えられる。第２の層は、互いにゆるく結合して、高多孔質足場または上部構造を形成するより粗い粒子からなり、その足場または上部構造は、第１の層への結合を断続的に形成し、柔軟な支持体を提供する。
【００３９】
機械的安定性を提供するために、粒子により被覆された半導体板は、加熱サイクル中に剛性の端部部材の間に配置することができる。適切な端部部材としては、炭化ケイ素、溶融シリカ、アルミナまたはムライトの板などの不活性な耐火性材料が挙げられる。例示の板厚は、２ｍｍから６ｍｍに及び得る（例えば、４ｍｍ）。
【００４０】
端部部材は、第１と第２の層のそれぞれの上に閉じ込め力を印加するように構成されている。その力の大きさは、特定のシステムのパラメータを扱う仕事をする当業者が決めることができるが、加熱と冷却の作業中に板の元の寸法を維持するほど十分に大きいべきであり、それでも、溶融した半導体材料の粒子層中への挿入または浸透を防ぐほど十分に小さいべきである。実施の形態において、端部部材により印加される力の方向は、板の厚さ寸法に対して平行である。
【００４１】
半導体材料の処理済み物品、例えば、正味形状のシリコン板（例えば、１５ｃｍ×１５ｃｍ×２００マイクロメートル）を形成できる方法は、粒径、欠陥密度などを改良するために使用できる１つ以上の改良工程から、正味形状の最初の作製を切り離す工程を含む。
【００４２】
粒子被覆された半導体板を形成し、その粒子被覆された半導体板を支持端部部材の間に配置した後、その板を１つ以上の工程において加熱（および冷却）して、処理済み板を形成する。加熱工程中、粒子被覆された半導体板は、部分的にまたは完全に溶融され、次いで、半導体材料が再結晶化するように再固化する。ここに開示された加熱と冷却の作業後、半導体材料の処理済み板は、５０マイクロメートルから５ｃｍの範囲の平均粒径を有する結晶粒を含むであろう。処理済み粒子は実質的に等軸であってよい。半導体材料の処理済み板は、加熱および冷却の作業前の半導体材料の板の全厚変動性より少なくとも５０％小さい全厚変動性を有し得る。
【００４３】
１つの実施の形態において、半導体板を部分的にまたは完全に溶融し、その後、溶融板の最短寸法（すなわち、厚さ）に対して実質的に平行な方向における固化が続いてよい。
【００４４】
理論により拘束することを意図するものではないが、最終的な微細構造（すなわち、粒径、配向性など）および半導体材料の処理済み板の欠陥密度を制御するために、指向性固化が少なくとも一部使用されると考えられる。これらの性質の両方とも、固体・液体界面形状および固体・液体界面速度（すなわち、固化速度）に強く依存するので、指向性固化速度を適切に制御することによって、半導体材料の処理済み板は、柱状粒子がより大きく、欠陥密度がより低く、成長させられるであろう。
【００４５】
少なくとも１つの実施の形態において、指向性固化中に、固体・液体界面は、半導体材料の溶融板の最短寸法に対して実質的に垂直なままである。固体・液体界面は、例えば、板の最短寸法（すなわち、厚さ）に対して実質的に垂直なままでいながら、溶融板の少なくとも１つの表面から反対の表面へ、またその逆に移動するであろう。さらに別の実施の形態において、固体・液体界面は、熱エネルギーの供給源にかかわらず、少なくとも１つの表面および少なくとも１つの追加の表面（例えば、２つ以上の側面からの指向性固化）から同じまたは変動する速度で移動するであろう。少なくともいくつかの実施の形態において、固体・液体界面が、指向性固化工程中の任意の時点で最短寸法に対して実質的に垂直のままであることを確実にするために、横方向の温度分布をできるだけ均一にすることが重要であろう。
【００４６】
ここに記載された加熱および指向性固化プロセスの例示の実施の形態が、図２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび２Ｄに示されている。図２Ａに示された例示の実施の形態において、半導体材料１０２の粒子被覆板１００が支持部材２０２の間に配置されており、結果として得られたアセンブリ５００が随意的なプラテン２０４上に配置されている。例示のプラテンは高温セラミック材料であり、これは、蓄熱体３００と接触しているのが示されている。蓄熱体３００の温度は、所望の速度で変えられるであろう。
【００４７】
図２Ｂおよび２Ｃに示された加熱および指向性固化プロセスは、半導体材料の任意の粒子被覆板に適用してもよく、当業者は、例えば、半導体材料の板の組成と寸法、処理済み板に望まれる性質、および／または熱源の性質に依存して、もしあれば、どのようなバリエーションが必要であるかを容易に決定できるであろう。
【００４８】
図示した実施の形態において、上部ヒータ４００がアセンブリ５００の上に配置されている。上部ヒータ４００は、半導体材料の板を完全に溶融するように適応されている。図２Ｂの上部ヒータ４００は半導体材料の融点よりも高い温度に設定されており、上部ヒータ４００および蓄熱体３００の両方の温度は、板全体を完全に溶融するのに十分な期間に亘り保持されるが、他の実施の形態において、半導体材料１０２は、部分的にしか溶融されなくてもよい。溶融された板１０２ｂが図２Ｂに示されている。
【００４９】
図２Ｃに示されるように、蓄熱体３００の温度は、下部から上部に向かって、すなわち、溶融板の最短寸法に対して実質的に平行な方向に、溶融した半導体材料を一方向に固化するようにその後、低下させられるであろう。指向性固化中、固体・液体界面１５０は、部分的に再固化した板１０２ｃを溶融板１０２ｂから隔てる。図２Ｄに示されるように、半導体材料の処理済みの完全に再固化した板１０２ｄが、固化が完了した際に形成される。
【００５０】
指向性固化は、溶融板の上面および／または下面から始まってよい。図２Ｃに示されるような、固化が下面から始まる実施の形態において、指向性固化は、ヒータ４００の温度も制御しながら、蓄熱体３００の温度を低下させることによって行われるであろう。
【００５１】
様々な実施の形態において、固化速度および方向は精密に制御されるであろうし、したがって、固体・液体界面は、同様に、形態的に不安定な臨界速度よりも低い速度で成長するように制御されるであろう。理論により拘束することを意図するものではないが、溶融板の最短寸法に対して実質的に垂直な細胞状界面および亜粒界の形成は、ここに記載された指向性固化プロセスによって防がれるかまたは最小にされ、それによって、より品質の高い粒子構造がもたらされるであろうと考えられる。温度勾配を板の最短寸法に対して実質的に平行な方向に維持することによって、柱状粒子は、最短寸法に対して実質的に平行に成長するであろう。最短寸法に対して実質的に平行な柱状粒子は、傾いた粒界による導電性種（例えば、空孔および電子）の妨害を最小にし、それによって、処理済み板を備えた装置の効率を増加させるであろう。
【００５２】
高いスループットが望ましい様々な実施の形態において、低い固化速度（約１００マイクロメートル／秒）は、少なくともいくつかの実施の形態において、ここに記載された指向性固化を実施することによって、スループットを損なわずに達成されるであろう。例えば、固化速度が約１００マイクロメートル／秒である間、固化距離は、例えば、処理時間が約２秒しか必要ないように、厚さ方向に約２００マイクロメートルなど、比較的短いであろう。この例は、高いスループットを維持しながら、固化を比較的遅く速度で達成できることを示す。
【００５３】
さらに別の実施の形態において、半導体板を最初に局所的に加熱して、板の表面に溶融物プールを形成しても差し支えない。次いで、局所的に加熱された領域を、溶融物プールが表面を横切って平行移動するように板の表面に亘り移動させることができる。溶融物プールを形成し、平行移動させた後、半導体材料の板全体を、第２の加熱工程で加熱し、溶融することができる。この工程は、上述したような板の最短寸法に対して実質的に平行な方向に溶融板を一方向に冷却させる工程を含む。
【００５４】
ここに用いたように、「溶融物プール」という用語は、半導体材料の板の上またはその内部に形成された液体の半導体材料の容積を称し、この液体材料は、固体の板を固体から液体への相変態を誘発するのに効果的な温度に局所的に加熱することによって形成される。「溶融した(melted)」、「溶融した(molten)」という用語とその変形は、ここでは交換可能に使用される。
【００５５】
溶融物プールの形成および平行移動により、指向性固化を含む第２の加熱工程の前に、半導体材料の区画溶融物改良(zone melt refining)（ＺＭＲ）を促進することができる。第２の加熱工程の態様が先に開示されている。区画溶融物改良において、板の小容積のみが任意の時間で溶融され、溶融区域が板に沿って動かされる（実際には、板がヒータに通されて引っ張られる）。溶融物プールの平行移動が進行するにつれて、溶融物プールの前縁で不純な固体が溶融され、より純粋な材料の跡が溶融物プールの後縁で固化される。液相中で濃縮された不純物は、板の周辺部分に掃引される。１つの実施の形態において、区画溶融物改良後、第２の加熱工程前に、板の周辺部分を除去することができる。
【００５６】
１つの実施の形態において、溶融物プールの平行移動速度は、１００マイクロメートル／秒から１０ｍｍ／秒に及び得る。溶融物プールの平行移動方向に沿った温度勾配は、１０から１０００℃／ｃｍに及び得る。
【００５７】
シリコン板中のアルミニウム不純物の正規化沈降プロファイルを、図３に示されるように、１回、２回、および３回のＺＭＲ通過後に計算した。図３において、Ｃ0はアルミニウムの初期濃度であり、Ｃは理論濃度である。これらの計算値は、シリコン板の１つの縁（この場合には、右縁）にアルミニウム原子を著しく沈積させることが可能であり、板面積の大半に亘りアルミニウム濃度を相当減少させられることを示唆している。
【００５８】
局所的な加熱と溶融は、水素トーチを使用して行ってもよく、この場合、溶融領域の面積は、全体的な火炎形状および温度の関数である。溶融物プールの面積は、数平方ミリメートルから１０平方センチメートルまで様々であってよい。そのような局所的な溶融および付随する固化を実施するために、どのような集束熱源（放射または対流／伝導）を使用してもよい。溶融物プールの形成は１つだけの事象である必要がないことも理解すべきである。例えば、半導体材料の板に同時にまたは連続して、そのようなプールを多数施してもよい。多数の同時に形成されたプールは、重複してもしなくてもよい。
【００５９】
区画溶融物改良（ＺＭＲ）を含む加熱および冷却工程は、多層粒子被包と最終的な再結晶化プロセスとの間の中間の不純物精製プロセスとして働くことができる。統合されたインシチュー法として、この実施の形態は、半導体板の被包、板の表面に沿った溶融物プールの横走査、高い不純物濃度を有する縁材料の随意的な除去、およびまだ粒子被覆されている板の完全な溶融と、その後の垂直（すなわち、厚さ方向）の再固化を含む。
【００６０】
溶融板の熱含量は、当業者に公知のどのような様式で導き出してもよい。例えば、１つの実施の形態において、全体の熱含量を減少させるために、下面からの熱流束を増加させることに加え、またはその代わりに、上面への熱流束を減少させてもよい。別の実施の形態において、溶融板の熱含量は、熱源と板との間の距離を増加させることによって、導き出してもよい。別の実施の形態において、溶融板の熱含量は、局所的な熱源の焦点を移動させることによって、導き出してもよい。別の例示の実施の形態において、熱源が火炎を含む場合のように、熱含量の引出しは、板のより広い表面積に亘り火炎を扇ぐことによって行ってもよい。さらに別の実施の形態において、溶融板の熱含量は、熱源の温度を減少させること、プラテンが使用される場合、プラテンの温度を制御すること、および積極的に冷却すること、の内の少なくとも１つにより、導き出してもよい。
【００６１】
「半導体材料の処理済み板」という用語は、ここに記載された加熱および冷却工程が施された半導体材料の板から形成された半導体材料の物品を意味する。処理済み板は、半導体材料の元の板の全体の組成、外形(geometry)、形状、および／または形態を維持するであろう。
【００６２】
様々な例示の実施の形態によれば、ここに開示された加熱および冷却の作業は、周囲条件下、例えば、空気中で行うことができ、または例えば、アルゴン、水素、またはそれらの混合物を含有する囲い（例えば、グローブボックス）中などの制御された環境内で実施してもよい。
【００６３】
様々な例示の実施の形態において、半導体材料の粒子被覆板は、少なくとも１つの熱源によって加熱してもよい。例えば、１つの実施の形態において、加熱は、固体の板の下面または上面を熱源に曝露する工程を含む。別の実施の形態において、加熱は、板の上面を第１の熱源に曝露し、板の下面を第２の熱源に曝露する各工程を含む。
【００６４】
当業者は、粒子被覆板を加熱する（および冷却する）ための加熱技法および加熱パラメータを決定することができる。様々な例示の実施の形態において、熱源は、半導体材料の板を部分的にまたは完全に溶融するために十分な熱流束で、局所的または全体的に施してもよい。例えば、米国特許出願第１２／１５６４９９号明細書に開示された加熱方法などの、十分な熱流束を提供することのできる任意の加熱方法を使用してよい。
【００６５】
例示の加熱方法としては、燃焼熱源（例えば、トーチ）、放電源（例えば、プラズマ）、赤外線放射（例えば、抵抗素子、バルブ）およびそれらの組合せが挙げられる。熱源は、様々な例示の実施の形態において、蓄熱体（すなわち、例えば、黒鉛ブロックを含む、加熱できる任意の材料）、水素／酸素トーチ、水素／ハロゲントーチ（例えば、水素／塩素トーチ）、必要に応じて二酸化ケイ素被包タングステン電極を備えた、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）トーチ、例えば、ハロゲンランプおよびレーザアレイなどのＩＲランプ、アルゴンまたはヘリウムプラズマトーチ、放電源、アーク灯、および炭素が半導体材料に侵入するまたは他の様式で汚染するのを防ぐために必要に応じて被包された、ＲＦ加熱炭素棒などの、炭素棒、並びにそれらの組合せから選択されるであろう。
【００６６】
半導体材料の板を溶融するための適切な加熱パラメータは、任意の特定の実施の形態について、当業者が容易に決定できる。例えば、当業者は、半導体材料の板のサイズおよび／または形状、溶融物プールの所望のサイズ、またはその両方と比例するように熱源のサイズおよび／または形状を選択するであろう。その上、熱の流量および熱が施される時間は、例えば、作製すべき溶融物プールのサイズ、制御すべき熱流束、および本発明を実施する当業者が容易に決定できる他の要因にしたがって、変えてもよい。熱源は、いくつかの実施の形態において、例えば、アレイ状に配列された多数の熱源などの、多数の熱源を備えてもよい。熱源は、固定されていても、可動式であってもよい。熱源は、様々な実施の形態において、組み合わされていてもよい、すなわち、「ハイブリッド型熱源」であってもよい。非限定的例として、ハイブリッド型熱源は、トーチまたはアークと組み合わされたＩＲランプからなってもよい。
【００６７】
溶融物プールを作製するためのまたは板全体を溶融するための適切な温度は、例えば、半導体材料の溶融温度以上であってよい。例えば、半導体材料の板は、約９００℃から約１６５０℃以上に及ぶ温度まで加熱してよい。非限定的例として、半導体材料は、約１３５０℃から約１４５０℃まで加熱してよい。さらに別の非限定的例として、半導体材料がシリコンである１つの実施の形態において、半導体材料は１４１４℃から約１６５０℃まで加熱してよい。適切な温度は、例えば、半導体材料の正確な組成、それが加熱される条件などの要因に依存して様々であろうことが当業者に認識されるであろう。
【００６８】
任意の特定の実施の形態による、所望の加熱方法および加熱に関するパラメータは、例えば、半導体材料の選択、ドープされているか否か、部分的にまたは完全な溶融が望ましいか否か、半導体材料の処理済み板の所望の性質、および当業者の決定し評価する能力の十分に範囲内にある他のパラメータに依存するであろう。
【００６９】
別の例示の実施の形態において、部分的のまたは完全な溶融および指向性固化工程を一度以上繰り返すことが望ましいであろう。少なくとも１つの例示の実施の形態において、連続的な溶融および指向性固化のプロセスは、所望なだけ多く繰り返してもよく、半導体材料の処理済み板の結晶構造および／または表面特性をさらに改善するであろう。
【実施例】
【００７０】
外部鋳造により形成された多結晶シリコン板（５ｃｍ×５ｃｍ×０．５ｍｍ厚）を、１００ｎｍから１０マイクロメートルの範囲の粒径を有する非晶質シリカおよび水からなるスラリー中で浸漬被覆した。浸漬被覆した板を乾燥させて、シリコン板上に第１の粒子層を形成した。
【００７１】
次いで、第１の層を有する浸漬被覆したシリコン板を、高純度溶融シリカ（ＨＰＦＳ）の対向する層の間に配置して、各第１の層上にそれぞれ第２の粒子層を形成した。この高純度溶融シリカは、１００マイクロメートルから数ミリメートルまでの様々な粒径を有する、比較的粗く研削された溶融シリカを含んだ。
【００７２】
次いで、粒子被覆された半導体板を、対向する炭化ケイ素板の間に配置した。この炭化ケイ素板が機械的支持を与えた。
【００７３】
支持され粒子被覆された半導体板を、予熱した炉（１２００℃）に入れた。炉の温度を、約１５℃／分の加熱速度で１４３０℃の設定点まで増加させ、約７分間に亘り１４３０℃に保持し、次いで、約４０℃／分の冷却速度で低下させた。
【００７４】
冷却後、上部のＳｉＣ板を取り除き、露出された砂の層をブラシで払い、処理済み板を回収した。必要に応じて、表面から残留するシリカ粒子を除去するために、処理済み板を洗浄（例えば、エッチング）しても差し支えない。適切なエッチング液はＨＦである。
【００７５】
処理済み板は、元の板の形状を維持し、亀裂がなかった。周囲の厚さがある程度薄くなっているのが観察されたが、著しい薄化または球状化は生じなかった。
【００７６】
図４および５は、それぞれ、外部鋳造したままのシリコン板と処理済みのシリコン板に関する断面電子後方散乱回折（ＥＢＳＤ）を示す。これらの画像は、外部鋳造したままのシリコン板と比べて、処理済みのシリコン板において相当な粒子成長を示す。粒径は、約１００マイクロメートルの平均サイズから、数ミリメートルの平均値まで増加した。
【００７７】
エッチング技法を使用して、微細構造の展開の追加の証拠を提供した。この技法において、再結晶化させた板を、ＮａＯＨを使用してエッチングした。結果として得られたファセットが、増加した粒径を示した。上述した実施例は、元の形状因子を維持しながら、半導体板の微細構造の変化を示した。
【００７８】
元の半導体板と処理済みの半導体板に関する不純物含有量（質量ｐｐｂ）が表１に要約されている。これらのデータは、処理済み（すなわち、再結晶化した）サンプルの全体的な不純物レベルが、鋳造したままの板において測定したレベルに匹敵することを示している。
【表１】
2013540091.tif 000003
【００７９】
比較例
比較例において、２マイクロメートル厚のＰＥＣＶＤのＳｉＯ2層を、実施例に使用した種類の多結晶シリコン板の両方の主面上にキャッピング層として形成した。上述した熱サイクルを使用した加熱と冷却後、半導体板は、粒子成長を示したが、シリコン材料は、キャッピング層の間で相当な再分布を経たので、形状を著しく変えた。比較実験は、鋳造したままの板の元の粗さが、ＳｉＯ2キャッピング層が溶融シリコンの形状をうまく維持するのを妨げたことを示した。
【００８０】
第１と第２の層の形成は、例えば、自動化分配および浸漬被覆装置を使用して、自動化できることが認識されよう。同じような文脈で、粒子被覆された半導体板を加熱し冷却するための装置を備えて、第１の加熱工程（局所加熱）および第２の加熱工程（全体加熱）の両方の最中に、同時に多数のサンプルを処理することができる。
【００８１】
再結晶化プロセスの前にも最中にもキャッピング層が形成されない、多結晶シリコン板などの半導体材料の板を溶融し再結晶化させるプロセスが開示されている。緻密なキャッピング層の代わりに、多層粒子被覆が使用される。
【００８２】
本開示の様々な例示の方法は、半導体材料の板の各主面上に焼結可能な第１の層を形成し；第１の層の各々の上に第２の層を形成して、粒子被覆半導体板を形成し；端部部材の間に粒子被覆板を配置し；粒子被覆板を、第１の層を少なくとも部分的に焼結させ、半導体材料を少なくとも部分的に溶融させるのに効果的な温度に加熱し；粒子被覆板を冷却して、半導体材料を固化させ、半導体材料の処理済み板を形成することによって、半導体材料の板の結晶粒構造および表面特性の内の少なくとも一方を改善するであろう。
【００８３】
ここに用いたように、単数形は、そうではないと内容が明白に示していない限り、複数の対象を含む。それゆえ、例えば、「金属」への言及は、そうではないと内容が明白に示していない限り、そのような「金属」を２種類以上有する例を含む。
【００８４】
範囲は、ここで、「約」ある特定の値から、および／または「約」別の特定の値までと表すことができる。そのような範囲が表現された場合、例は、そのある特定値からおよび／または他の特定の値までを含む。同様に、値が、先行詞「約」の使用により近似として表されている場合、特定の値は別の態様を形成することが理解されよう。範囲の各々の端点は、他の端点に関連してと、他の端点とは独立しての両方で有意であることがさらに理解されよう。
【００８５】
別記しない限り、ここに述べられたどの方法も、その工程が特定の順序で行われることを要求するものと解釈されることは決して意図されていない。したがって、方法の請求項が、その工程がしたがうべき順序を実際に挙げていない、または工程が特定の順序に制限されるべきであることが請求項または説明に他の様式で具体的に述べられていない場合、特定の順序が推測されることは決して意図されていない。
【００８６】
ここでの列挙が、特定の様式で機能するように「構成されている」または「適応されている」と本発明の構成要素を称することにも留意されたい。この点に関して、そのような構成要素は、特定の性質を具体化するように「構成されている」または「適応されている」、もしくはそのような列挙が、意図する使用の列挙ではなく構造的列挙である、特定の様式で機能する。より詳しくは、ある構成要素が「構成されている」または「適応されている」様式へのここでの言及は、その構成要素の既存の物理的状態を意味し、それゆえ、その構成要素の構造的特徴の明確な列挙と解釈すべきである。
【００８７】
本発明の精神および範囲から逸脱せずに、本発明に様々な改変および変更を行えることが当業者には明白であろう。本発明の精神および本質を含む開示された実施の形態の改変、組合せ、下位の組合せ、および変種が当業者に想起されるであろうから、本発明は、付随の特許請求の範囲およびその同等物に全てを含むと解釈すべきである。
【符号の説明】
【００８８】
１００    粒子被覆板
１０２    半導体材料
１５０    固体・液体界面
２０２    支持部材
２０４    プラテン
３００    蓄熱体
４００    上部ヒータ
５００    アセンブリ
【図１】
2013540091.tif 000004
【図２Ａ】
2013540091.tif 000005
【図２Ｂ】
2013540091.tif 000006
【図２Ｃ】
2013540091.tif 000007
【図２Ｄ】
2013540091.tif 000008
【図３】
2013540091.tif 000009
【図５】
2013540091.tif 000010
【図４】
2013540091.tif 000011
【国際調査報告】
2013540091.tif 000012
2013540091.tif 000013
2013540091.tif 000014