(57)【要約】  シリコンウェーハを製造するプロセスは、剥離するフロートゾーンシリコン加工物を装着するステップと、マイクロ波装置に通電して、フロートゾーンシリコン加工物の外表面層に浸透するのに十分な高エネルギービームを発生させるステップと、その高エネルギービームを用いて、フロートゾーンシリコン加工物の外表面層を剥離するステップと、剥離された外表面層を、フロートゾーンシリコン加工物から、１００マイクロメートル未満の厚さを有するシリコンウェーハとして取り外すステップとを含む。
2017508706.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンウェーハを製造する方法であって、
剥離するフロートゾーンシリコン加工物を装着するステップと、
マイクロ波装置に通電して、前記フロートゾーンシリコン加工物の外表面層に浸透するのに十分な高エネルギービームを発生させるステップと、
前記高エネルギービームを用いて、前記フロートゾーンシリコン加工物の前記外表面層を剥離するステップと、
剥離された前記外表面層を、前記フロートゾーンシリコン加工物から、１００マイクロメートル未満の厚さを含む前記シリコンウェーハとして取り外すステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記フロートゾーンシリコン加工物が、１６０〜６００μｍの厚さを有する予めカットされたフロートゾーンシリコン加工物を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記フロートゾーンシリコン加工物が、１立方センチメートル当たり１０15個未満の酸素原子を含む酸素含量を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記シリコンウェーハが２〜７０μｍの厚さを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記シリコンウェーハが４〜２０μｍの厚さを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記高エネルギービームが、約５×１０14〜５×１０16イオン／ｃｍ2の注入密度を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記シリコンウェーハをカットして複数のシリコンウェーハにするステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記複数のシリコンウェーハをそれぞれコンベヤに沿って移動させるステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記シリコンウェーハが正方形のシリコンウェーハを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記マイクロ波装置が、イオンビームまたは陽子ビームを含む前記高エネルギービームを発生させるクライストロンを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記高エネルギービームが、前記フロートゾーンシリコン加工物の幅とほぼ同じ幅を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記高エネルギービームが、前記フロートゾーンシリコン加工物に対して移動する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記フロートゾーンシリコン加工物が長方形の形状を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
シリコンウェーハを製造する方法であって、
１立方センチメートル当たり１０15酸素原子未満の酸素含量を含むフロートゾーンシリコン加工物を装着するステップと、
マイクロ波装置に通電して、前記フロートゾーンシリコン加工物の外表面層に浸透する約５×１０14〜５×１０16イオン／ｃｍ2の注入密度を含む高エネルギービームを発生させるステップと、
前記高エネルギービームを用いて、前記フロートゾーンシリコン加工物の前記外表面層を剥離するステップと、
剥離された前記外表面層を、前記フロートゾーンシリコン加工物から、１００マイクロメートル未満の厚さを含む前記シリコンウェーハとして取り外すステップと
を含む方法。
【請求項１５】
前記フロートゾーンシリコン加工物が、１６０〜６００μｍの厚さを有する予めカットされたフロートゾーンシリコン加工物を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記シリコンウェーハが４〜２０μｍの厚さを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記シリコンウェーハをカットして複数のシリコンウェーハにし、前記複数のシリコンウェーハをそれぞれコンベヤに沿って移動させるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記シリコンウェーハが、２〜７０μｍの厚さを有する正方形のシリコンウェーハを含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記マイクロ波装置が、イオンビームまたは陽子ビームを含む前記高エネルギービームを発生させるクライストロンを備え、前記高エネルギービームが、前記フロートゾーンシリコン加工物に対して移動する、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記高エネルギービームが、長方形のフロートゾーンシリコン加工物の幅とほぼ同じ幅を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
複数のシリコンウェーハを製造する方法であって、
１立方センチメートル当たり１０15酸素原子未満の酸素含量を含み、１６０〜６００μｍの厚さを有する予めカットされたフロートゾーンシリコン加工物を装着するステップと、
マイクロ波装置に通電して、前記フロートゾーンシリコン加工物の外表面層に浸透するのに十分な高エネルギービームを発生させるステップと、
前記高エネルギービームを用いて、前記フロートゾーンシリコン加工物の前記外表面層を剥離するステップであり、前記高エネルギービームが、前記フロートゾーンシリコン加工物に対して移動するステップと、
剥離された前記外表面層を、前記フロートゾーンシリコン加工物から、２〜７０マイクロメートルの厚さを含む前記シリコンウェーハとして取り外すステップと、
前記シリコンウェーハをカットして複数のシリコンウェーハにするステップと、
前記複数のシリコンウェーハをそれぞれコンベヤに沿って移動させるステップと
を含む方法。
【請求項２２】
フロートゾーンシリコン加工物から複数のシリコンウェーハを製造する装置であって、
剥離表面を有する前記フロートゾーンシリコン加工物を選択的に受け取り、保持するマウントと、
約５×１０14〜５×１０16イオン／ｃｍ2の注入密度を含む高エネルギービームを生成するマイクロ波であり、前記高エネルギービームを前記剥離表面の方向に発射するように前記マウントに対して配置されたマイクロ波と
を備え、前記マイクロ波と前記フロートゾーンシリコン加工物との相対運動が、１００μｍ未満の厚さを含むシリコンウェーハを前記剥離表面から剥離し、前記装置がさらに、
前記剥離表面から剥離された前記複数のシリコンウェーハをそれぞれ、前記フロートゾーンシリコン加工物から離れるように縦方向に運ぶコンベヤ
を備える装置。
【請求項２３】
前記マイクロ波が、クライストロンまたはＤＣ加速器を備える、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記高エネルギービームが、イオンビームまたは陽子ビームを含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２５】
前記高エネルギービームが、前記剥離表面の幅とほぼ同じ幅を有する細長いビームを含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２６】
前記フロートゾーンシリコン加工物が長方形の形状を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２７】
前記フロートゾーンシリコン加工物が、１立方センチメートル当たり１０15酸素原子未満の酸素含量を含む、請求項２２に記載の装置。
【請求項２８】
前記シリコンウェーハが２〜７０μｍの厚さを含む、請求項２２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、ウェーハを製造するプロセスおよび装置に関する。より具体的には、本発明は、インゴット（ｉｎｇｏｔ）の外部表面を剥離して、太陽電池等級（ｓｏｌａｒ  ｇｒａｄｅ）の光起電力ウェーハ（ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ  ｗａｆｅｒ）などをインゴットからより効率的に生産するプロセスおよび装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、単結晶シリコンなどのウェーハ材料は、最初に円筒形の単結晶シリコンインゴットを作製することによって、太陽電池等級の光起電力（「ＰＶ」）ウェーハに処理される。このインゴットは、石英でできたチャンバ（ｃｈａｍｂｅｒ）などの不活性チャンバ内で、高純度半導体等級のウェーハ材料を溶融させることによって作製される。この溶融したウェーハ材料に、ホウ素、リン、ヒ素、アンチモンなどの、精確な量（例えば１０13または１０16原子／ｃｍ3程度）のドーパント不純物原子を添加して、この材料を、バルクｎ型（負）またはｐ型（正）半導体として規定することができ、この添加は、ウェーハ材料に所望の電気特性を与える。次いで、ロッドに装着された種結晶を、溶融したウェーハ材料に浸し、ゆっくりと引き上げ、同時にゆっくりと回転させて、単結晶であることが好ましい円筒形のインゴットを抜き取る。温度勾配、抜き取る速度および回転速度の制御は、不必要な不安定性を痕跡量しか有しない単一のインゴットの生産を容易にする。このプロセスは通常、アルゴンなどの不活性雰囲気中で実行される。
【０００３】
個々のウェーハは基本的に、半導体材料の薄層を、このより大きなインゴットからスライスによって切り離すことにより作製される。ウェーハは正方形、長方形または円形とすることができ、ウェーハはしばしば、集積回路の製造および太陽電池パネルなどの他のマイクロデバイスまたは電子デバイスの製造で使用される。一例では、直径約２０マイクロメートルのダイヤモンド被覆ワイヤ（ｄｉａｍｏｎｄ  ｃｏａｔｅｄ  ｗｉｒｅ）によって、円筒形のインゴットの端から円形のウェーハがスライスによって切り離される。この生産方法の問題は、このダイヤモンドワイヤが、インゴットの一部分を削って、ダイヤモンド被覆ワイヤの直径に等しい厚さのダストにすることである。したがって、作製される円形のウェーハごとに、少なくとも２０マイクロメートルのウェーハ材料がダスト残留物として無駄になる。
【０００４】
しかし、これらの円形のウェーハを太陽電池パネルで使用することは好ましくない。正方形または長方形のウェーハの方が、太陽光エネルギーにさらされる表面積を最大にするためである。正方形または長方形のウェーハを作るためには、その代わりに、最初に、この円筒形のストックインゴットを四角く削って、長さ約１．５メートルの細長い長方形のボックス形にする。四角く削るこのプロセスは、直径２０マイクロメートルの同様の従来のダイヤモンド被覆ワイヤを使用する。上記の説明と同様に、長方形のブロックを形成するためにダイヤモンドワイヤがインゴットの部分をカットするときに、インゴットの外部の部分がダストとして失われる。さらに、四角く削るこのプロセスでは、貴重で高価なウェーハ材料の比較的に大きな塊を切り落として、円筒形のインゴットを四角にする必要がある。ここから、長方形の半導体ブロックの端から、正方形のまたはいくぶん長方形の個々のウェーハを、円形のウェーハに関して上で説明したとおりにスライスする。この長方形の半導体ブロックから、厚さ１６０〜２００マイクロメートルの範囲の比較的に正方形または長方形の数百枚のウェーハをスライスすることができるが、ウェーハをカットするごとに、半導体ブロックをカットしているダイヤモンドワイヤの幅に等しい量のウェーハ材料を無駄にする。ダイヤモンド被覆ワイヤによってウェーハをカットすることの他の欠点は、ソー（ｓａｗ）が、ウェーハに対する表面損傷を引き起こすことがあり、その表面損傷を修復する必要があることである。
【０００５】
最近、上で説明したシリコンインゴットまたは長方形のシリコンブロックからカットされた既存のウェーハから、より薄い追加のウェーハを作製するより新しい技術が開発された。例えば、Ｇｌａｖｉｓｈ他の米国特許第７，９３９，８１２号、Ｓｍｉｃｋ他の第７，９８２，１９７号、Ｇｌａｖｉｓｈ他の第７，９８９，７８４号およびＲｙｄｉｎｇ他の第８，０４４，３７４号は、シリコンウェーハを剥離して、結晶性半導体材料のより薄いラミナ（ｌａｍｉｎａ）を生産する目的に使用される水素イオン注入装置（ｈｙｄｒｏｇｅｎ  ｉｏｎ  ｉｍｐｌａｎｔｅｒ）を開示している。これらのそれぞれの文献の内容は、その全体が参照によって本明細書に組み込まれる。この点に関して、このイオン注入装置は、シリコンウェーハの表面にある深さまで浸透する。次いで、シリコンのこの浸透された層を、シリコンウェーハから剥がす（すなわち剥離する）ことができる。元のシリコンウェーハを加工物として使用して、より薄いシリコンウェーハを効果的に作製する。この剥離プロセスを使用すると、１６０〜２００マイクロメートル程度のシリコンウェーハ加工物を使用して、約２０マイクロメートルの厚さを有する８〜１０枚の新たなシリコンウェーハを作製することができ、このプロセスの間にシリコン材料はほとんど無駄にならない。この着想に関して、ともにＰｕｒｓｅｒ他に発行された米国特許第８，０５８，６２６号および第８，０８９，０５０号は、基板の表面にイオンを注入する前述のプロセスで使用する、ビーム方向に対して垂直な細長い断面を有する変更されたリボン形のイオンビームを生み出す実施形態を開示している。これらの文献の内容はともに参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００６】
上で説明したプロセスなどの現行の剥離プロセスは、剥離されたウェーハ材料のシートを作製するのに２つのステップを必要とする。より具体的には、１つの処理ステップでインゴットから個々のウェーハを剥離し、次いで、第２の処理ステップで、剥離された層またはウェーハをインゴットから取り外す。この従来のツーステッププロセスは、その多ステップ性により、コストおよび時間がかかる。さらに、この従来のプロセスは、ウェーハ材料の剥離された個々のシートを多数、生産し、これらのシートの取扱いおよび個々のウェーハへのスタンピングには比較的に大きなコストがかかる。
【０００７】
従来の太陽電池は通常、チョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ）プロセスによって生産されたシリコンから製造され、このプロセスによって生産すると、坩堝を使用する結果として、酸素含量が望ましくないほどに高くなる（例えば１立方センチメートル当たり１０18酸素原子）。シリコンウェーハ中の酸素などの不純物は、太陽電池の電圧および電流容量を低下させる。そのため、フロートゾーンシリコン（ｆｌｏａｔ  ｚｏｎｅ  ｓｉｌｉｃｏｎ：「ＦＺシリコン」）などのより低酸素含量のシリコンがより望ましい。ＦＺシリコンの方がより効率的な太陽電池を生産するためである。ＦＺシリコンは、垂直ゾーンメルティング（ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｚｏｎｅ  ｍｅｌｔｉｎｇ）と呼ばれるプロセスで作られる。このプロセスでは、超高純度の電子工学等級（ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｇｒａｄｅ）のシリコンの多結晶ロッドをＲＦ加熱コイルに通して、限局された溶融ゾーンを生み出す。ロッドの一端で種結晶を使用して、結晶インゴット成長を開始させる。この垂直ゾーンメルティングプロセスは、排気されたチャンバ内または不活性ガスパージ内で実施される。チョクラルスキープロセスとは違い、成長の間、溶融したゾーンが、シリコンインゴットからの酸素などの不純物を含み（これは例えば、大部分の不純物は、結晶中よりも溶融物中でより可溶性であるためである）、それによってシリコンインゴット中の不純物濃度を低減させる。そのため、ＦＺシリコンは、チョクラルスキープロセスによって作られたシリコンに比べて相対的に純粋である。しかし、ＦＺシリコンの問題は、所望のウェーハサイズよりも厚く（例えば３００〜５００μｍ程度の厚さに）カットしなければならないことである。これは、堅い材料特性が、知られている方法（例えばダイヤモンドワイヤ）によって材料をより薄くカットすることを妨げるためである。したがって、ＦＺシリコンなどから作られたシリコンウェーハは現在、材料コストおよびウェーハの現在使用可能な最小製造厚さに関する限界のため、コストが極端に高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、当技術分野には、ＦＺシリコンストックインゴットから正方形のウェーハおよび長方形のウェーハをより効率的に生産するプロセスおよび関連装置に対する重大な必要性が存在する。このようなプロセスおよび関連装置は、正方形または長方形のＦＺシリコンインゴットを装着するステップと、インゴットの外表面の選択された層に浸透するステップと、長方形または正方形のＦＺシリコンインゴットの１つまたは複数の側面に沿って、ウェーハ材料のこの衝撃された層を剥離するステップと、その材料ストリップをプレス（ｐｒｅｓｓ）に運んで、個々のウェーハにスライスするステップとを含むことができ、これらは全て、ダイヤモンドソーを用いてインゴットをカットまたはスライスして個々のウェーハにすることに関連した廃棄物を生じない。このようなプロセスおよび装置をさらに、ウェーハ材料の単一の連続シートをインゴットから剥離し、同時に取り外すことができるものとすることができる。本発明は、これらの必要性を満たし、関連した追加の利点を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
シリコンウェーハを製造する本明細書に開示された１つの方法は、剥離するフロートゾーンシリコン加工物を装着すること、マイクロ波装置に通電して、フロートゾーンシリコン加工物の外表面層に浸透するのに十分な高エネルギービーム（ｅｎｅｒｇｉｚｅｄ  ｂｅａｍ）を発生させること、その高エネルギービームを用いて、フロートゾーンシリコン加工物の外表面層を剥離すること、および剥離された外表面層を、フロートゾーンシリコン加工物から、１００マイクロメートル未満の厚さ、より好ましくは２〜７０μｍもしくは４〜２０μｍの厚さを有するシリコンウェーハとして取り外すことを含む。一実施形態では、フロートゾーンシリコン加工物が、１６０〜６００μｍの厚さおよび１立方センチメートル当たり１０16酸素原子未満の酸素含量を有する予めカットされたフロートゾーンシリコン加工物である。
【００１０】
この方法は、シリコンウェーハをカットして複数のシリコンウェーハにするステップと、それらの複数のシリコンウェーハをそれぞれコンベヤに沿って移動させ、またはフロートゾーンシリコン加工物から運び去るステップとをさらに含む。一実施形態では、シリコンウェーハが正方形である。別の実施形態では、シリコンウェーハが長方形であり、長方形のフロートゾーンシリコン加工物から剥離される。さらに、マイクロ波装置は、イオンビームまたは陽子ビームを含み、フロートゾーンシリコン加工物の幅にほぼまたがることができる高エネルギービームを発生させるクライストロン（ｋｌｙｓｔｒｏｎ）を含むことが好ましい。一実施形態では、高エネルギービームが、フロートゾーンシリコン加工物に対して移動し、約５×１０14〜５×１０16イオン／ｃｍ2の注入密度を含む。
【００１１】
代替実施形態では、シリコンウェーハを製造する方法が、１立方センチメートル当たり１０16酸素原子未満の酸素含量を有するフロートゾーンシリコン加工物を装着すること、マイクロ波装置に通電して、フロートゾーンシリコン加工物の外表面層に浸透する約５×１０14〜５×１０16イオン／ｃｍ2の注入密度を有する高エネルギービームを発生させること、高エネルギービームを用いて、フロートゾーンシリコン加工物の外表面層を剥離すること、および剥離された外表面層を、フロートゾーンシリコン加工物からシリコンウェーハとして取り外すことを含む。このシリコンウェーハは、１００マイクロメートル未満の厚さ、より具体的には４〜２０μｍの厚さを有することが好ましい。さらに、シリコンウェーハをカットして複数のシリコンウェーハにすることができ、コンベヤに沿って加工物から移動させることができる。
さらに、フロートゾーンシリコン加工物は、１６０〜６００μｍの厚さを有する予めカットされたフロートゾーンシリコン加工物を含むことができ、この予めカットされたフロートゾーンシリコン加工物は、２〜７０μｍの厚さを有する正方形のシリコンウェーハを形成することができる。この実施形態では、マイクロ波装置が、高エネルギービームを発生させるクライストロンを含むことができ、この高エネルギービームは、イオンビームまたは陽子ビームを含むことができる。高エネルギービームはさらに、フロートゾーンシリコン加工物に対して移動することができ、または、高エネルギービームを、長方形のフロートゾーンシリコン加工物とほぼ同じ幅とすることができる。
【００１２】
別の代替方法では、複数のシリコンウェーハを製造することが、１立方センチメートル当たり１０16酸素原子未満の酸素含量を有し、１６０〜６００μｍの厚さを有する予めカットされたフロートゾーンシリコン加工物を装着するステップと、マイクロ波装置に通電して、フロートゾーンシリコン加工物の外表面層に浸透するのに十分な高エネルギービームを発生させるステップと、高エネルギービームを用いて、フロートゾーンシリコン加工物の外表面層を剥離するステップであり、高エネルギービームが、フロートゾーンシリコン加工物に対して移動するステップと、剥離された外表面層を、フロートゾーンシリコン加工物から、２〜７０マイクロメートルの厚さを含むシリコンウェーハとして取り外すステップと、シリコンウェーハをカットして複数のシリコンウェーハにするステップと、前記複数のシリコンウェーハをそれぞれコンベヤに沿って移動させるステップとを含む。
【００１３】
フロートゾーンシリコン加工物から複数のシリコンウェーハを製造する、本明細書に開示された装置は、剥離表面を有するフロートゾーンシリコン加工物を選択的に受け取り、保持するマウント（ｍｏｕｎｔ）を含むことができる。マイクロ波は、約５×１０14〜５×１０16イオン／ｃｍ2の注入密度を有する高エネルギービームを生成することができる。このマイクロ波は、高エネルギービームを剥離表面の方向に発射するようにマウントに対して配置されることが好ましく、このマイクロ波とフロートゾーンシリコン加工物との相対運動が、１００μｍ未満の厚さを有するシリコンウェーハを剥離する。次いで、コンベヤが、剥離表面から剥離された前記複数のシリコンウェーハをそれぞれ、フロートゾーンシリコン加工物から離れるように縦方向に運ぶ。
【００１４】
好ましい一実施形態では、マイクロ波が、クライストロンまたはＤＣ加速器（ＤＣ  ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）を含み、高エネルギービームが、イオンビームまたは陽子ビームを含み、高エネルギービームが、剥離表面の幅とほぼ同じ幅を有する細長いビーム（ｅｌｏｎｇａｔｅｄ  ｂｅａｍ）である。さらに、フロートゾーンシリコン加工物は長方形の形状を含むことができ、１立方センチメートル当たり１０16酸素原子未満の酸素含量を有することができる。フロートゾーンシリコン加工物から剥離されたシリコンウェーハは、２〜７０μｍの厚さを有することが好ましい。
【００１５】
追加の代替実施形態では、ウェーハを製造する本明細書に開示されたプロセスが、縦の回転軸を軸とした回転を可能にするような方式でインゴットを加工物として装着するステップと、縦の回転軸を軸にインゴットを回転させるステップとを含む。インゴットは円筒形の形状を有し、その縦の回転軸を軸とした円筒形のインゴットの回転を容易にするロータに装着可能な回転可能なシャフトによって担持されることが好ましい。インゴットは、単結晶または多結晶シリコンから作ることができる。次いで、回転しているインゴットの外表面層に浸透するのに十分な高エネルギービームを発生させるマイクロ波装置に通電する。これに応じて、回転しているインゴットの外表面層を、高エネルギービームを用いて剥離する。インゴットが回転し続けると、次いで、剥離された外表面層を、インゴット加工物から、連続した平らなストリップとして取り外すことができ、このストリップをカットしてウェーハとすることができる。この時点で、回転しているインゴットの角速度とほぼ同じ速度で移動しているコンベヤ、好ましくは回転しているインゴットの角速度と実質的に同期して移動しているコンベヤに沿って、この連続した平らなストリップを輸送することができる。インゴットをインクリメンタルに（ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌｌｙ）回転させる場合、コンベヤも、同様のインクリメンタルな移動で、連続した平らなストリップを、順方向へインクリメンタルに移動させるであろう。言うまでもなく、この連続したストリップをプレスによってカットまたはスタンピングして、複数のウェーハにすることができる。
【００１６】
加えて、このウェーハ製造プロセスはさらに、局所温度の増大の結果としてインゴット材料の化学特性が変化することを防ぐために、前記インゴットの外表面層を高エネルギービームが衝撃する浸透点のところでインゴットを冷却するステップを含むことができる。このような冷却ステップは、０．１５〜１．７メガ電子ボルトの間のエネルギーレベルで高エネルギービームが作用するときに特に好ましいことがある。このマイクロ波装置は、陽子ビームまたはイオンビームを含む高エネルギービームを発生させるクライストロンとすることができる。マイクロ波装置は、Ｑ値を最大にするように較正されていることが好ましい。さらに、この高エネルギービームは、複数の高エネルギービームを含むことができ、これらの複数の高エネルギービームは、回転しているインゴットの対応するそれぞれの外表面層を同時に剥離して、複数の対応するそれぞれの剥離された外表面層を同時に生み出し、それらの複数の剥離された外表面層は、インゴット加工物から剥がしまたは取り外すことができる。一実施形態では、高エネルギービームが、完成したウェーハ製品の幅とほぼ同じ幅である。例えば、このウェーハは正方形とすることができ、１６０〜２００ｍｍの間の幅を有することができ、外表面層の厚さは３〜３０マイクロメートルの間とすることができる。
【００１７】
ウェーハを製造する本明細書に開示された他のプロセスでは、円筒形に形成され、回転可能なシャフトによって担持されたインゴットを、ロータに装着する。このロータは、円筒形のインゴットをその縦の回転軸を軸に回転させることができる。次に、ロータが起動し、円筒形のインゴットを、マイクロ波装置によって生成された高エネルギービームが、回転しているインゴットの所定の外表面層に浸透することができるような態様で回転させる。これによって、この製造プロセスは、回転しているインゴットと同期したコンベヤに沿って、外表面層を、円筒形のインゴット加工物から、連続した平らなストリップとして剥離することができる。限局された温度の増大の結果としてインゴット材料の化学特性が変化することを防ぐため、高エネルギービームが外表面層を衝撃する浸透点のところで、この円筒形のインゴット加工物を冷却することができる。次いで、この連続したストリップをスタンピングして、例えば太陽電池パネル内などで使用可能な複数のウェーハにする。
【００１８】
０．１５〜１．７メガ電子ボルトの間のエネルギーレベルを有する高エネルギービームが、回転している円筒形のインゴットの外表面に効率的に浸透するように、このマイクロ波装置を較正してＱ値を最大にすることができる。一実施形態では、このマイクロ波装置が、陽子またはイオンの高エネルギービームを発生させるクライストロンである。他の実施形態では、このマイクロ波装置が、電子サイクロトロン共鳴を利用して高電流イオンを生成する。さらに、このプロセスは、回転しているインゴットの対応するそれぞれの外表面セクションを同時に剥離する複数の高エネルギービームを使用して、インゴットの外表面を、その垂直高さの全体に沿って、より効率的に剥離することを含むことができる。高エネルギービームは、１６０〜２００ｍｍの間など、ウェーハ製品の幅とほぼ同じ幅であることが好ましい。円筒形のインゴットは、単結晶または多結晶シリコンから作ることができ、ほぼ３〜３０マイクロメートルの間の外表面層の厚さが剥離されるように、インクリメンタルに回転させることができる。
ウェーハを製造する装置は、インゴット加工物を選択的に装着可能に受け取り、そのインゴット加工物を縦の回転軸を軸に回転させるように構成された回転体（ｒｏｔａｔｏｒ）を含む。インゴットは円筒形であることが好ましく、単結晶または多結晶シリコンから作ることができる。高エネルギービームを生成するマイクロ波が、発射された高エネルギービームが、回転しているインゴットの縦の回転軸と整列する態様で、回転体に対して配置される。この高エネルギービームは、回転しているインゴットの外表面層に浸透するのに十分なエネルギーレベルを有することが好ましい。高エネルギービームがインゴットの外表面層を衝撃する浸透点の近くに配置された水冷却器または空気冷却器が、この製造中、インゴットの表面温度を制御することができる。剥離された外表面層を、連続した平らなストリップとして、回転しているインゴットから横方向に運ぶため、この装置はさらに、回転しているインゴットと同期したコンベヤを含む。次いで、この連続した平らなストリップをカッティング機構によってカットして、１枚または複数枚のウェーハにする。この点に関して、このようなカッティング機構は、連続したストリップをストロークごとにカットして複数のウェーハにするスタンピングダイを含むことができる。最終的なウェーハ製品は、１６０〜２００ｍｍの間の幅および３〜３０マイクロメートルの間の厚さを有することが好ましい。特に好ましい実施形態では、マイクロ波が、エネルギー加速器を含むクライストロンである。このために、高エネルギービームをイオンビームまたは陽子ビームとすることができ、高エネルギービームは、前記ウェーハの幅とほぼ同じ幅を有する細長いビームであることが好ましい。
【００１９】
本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を例として示す以下のより詳細な説明を、添付図面ともに検討したときに明白となる。
【００２０】
添付図面は本発明を例示する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ウェーハを製造する方法およびプロセスに関連して使用されるステップを示す流れ図である。
【図２Ａ】不活性チャンバ内での高純度半導体等級のウェーハ材料およびドーパントの溶融を示す略図である。
【図２Ｂ】回転可能なシャフトの一端に装着された種結晶を溶融した混合物中へ下ろしている様子を示す略図である。
【図２Ｃ】種結晶に対する溶融した混合物の触媒結晶化を示す略図である。
【図２Ｄ】混合物からの種結晶の制御された取出しによるインゴットの形成を示す略図である。
【図２Ｅ】溶融した混合物からのインゴットの完全な形成を示す略図である。
【図３】回転体へのインゴットの一端の装着を示す略透視図である。
【図４】代替として２つの回転体に結合されたときのインゴットの縦軸を軸にしたインゴットの回転を示す略透視図である。
【図５Ａ】１つまたは複数のビームを用いたインゴットの外表面の衝撃を示す、一部が切り取られた略透視図である。
【図５Ｂ】１つまたは複数の細長いビームを用いたインゴットの外表面の衝撃を示す、一部が切り取られた代替の略透視図である。
【図６】インゴットの外表面に所定の深さまで浸透している陽子を示すインゴットの略側面図である。
【図７】インゴットの剥離を示すインゴットの略側面図である。
【図８Ａ】単層剥離を示す、衝撃されたインゴットの略上面図である。
【図８Ｂ】多層剥離を示す、衝撃されたインゴットの代替の略上面図である。
【図９】剥離された層をインゴットから運び去る様子を示す略側面図である。
【図１０】剥離された層をカットして個々のウェーハにする様子を示す略側面図である。
【図１１】ダイヤモンドワイヤを用いて円筒形のインゴットをカットして正方形または長方形のインゴットにすることを示す略図である。
【図１２Ａ】細長いビームを用いた、図１１の四角に削られたインゴットの外側の前被削面（ｆｒｏｎｔ  ｗｏｒｋ  ｓｕｒｆａｃｅ）の衝撃を示す、略透視図である。
【図１２Ｂ】細長いビームを用いた、図１１の四角に削られたインゴットの外側の側被削面（ｓｉｄｅ  ｗｏｒｋ  ｓｕｒｆａｃｅ）の衝撃を示す、略透視図である。
【図１３Ａ】図１２Ａで剥離した前被削面から剥がれた、剥離された層を示す略透視図である。
【図１３Ｂ】図１２Ｂで剥離した側被削面から剥がれた、剥離された層を示す略透視図である。
【図１４】コンベヤによって加工物から運び去られている剥離された層を示す略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
例示のためのこれらの図面に示されているように、ウェーハを製造する改良されたプロセスに関する本発明は、その全体が図１の流れ図に関して示されており、図２〜１０には、この製造プロセスの操作がより詳細に示されている。より具体的には、最初のステップは、図１に示されているように、インゴットを作製するステップ１００である。好ましい一実施形態では、このインゴット１００が、円筒形の単結晶シリコンインゴットである。しかしながら、このインゴット１００は、剥離するのに適した、多結晶シリコンを含む任意の材料とすることができ、多角形の断面形状など任意の断面形状を有することができる。本明細書に開示された一組のプロセスおよび装置は、とりわけ、太陽電池パネルなどで使用する正方形または長方形のシリコンウェーハを作製するための加工物として使用する円筒形インゴットを正方形に切削することに関連した廃棄物を減らすことを目指している。さらに、本明細書に開示されたプロセスおよび装置は、前述のダイヤモンド被覆ワイヤを使用して個々のウェーハをスライスする必要性を排除することで、作製されるウェーハごとに、無駄になるウェーハ材料を、少なくとも１桁さらに低減させることができる。したがって、太陽電池等級の単結晶光起電力材料を生産する際のこれらの無駄の多い両方のステップを排除することは、同じ大きさのコスト節減に対応する。したがって、後により詳細に説明するが、生産される太陽光ＰＶ材料の量は、伝統的なまたは従来の製造方法によって使用された同じインゴットの少なくとも２０倍になる。このことが、原料コストの非常に大きな節減に対応することは明らかである。さらに、後により詳細に説明するが、ウェーハ材料の連続シートをインゴットから剥離し、同時に取り外すことは、相対的によりコスト集約的なツーステップ剥離プロセスの必要性を排除し、先行技術で知られている、剥離されたウェーハ材料の多数の個々のシートを取り扱うことに関連したコストを低下させる。
【００２３】
図２Ａに示されているように、石英から作られたチャンバなどの不活性チャンバ１２内で、高純度半導体等級のウェーハ材料１０を溶融させる。ウェーハ材料１０は、剥離するのに適した任意の材料とすることができるが、好ましいウェーハ材料は単結晶シリコンである。ウェーハ材料１０に不純物、好ましくは１０13または１０16原子／ｃｍ3程度の不純物を添加して、ｎ型（負）半導体またはｐ型（正）半導体としての極性を組成物に与えるため、溶融したウェーハ材料１０にドーパント１４（例えばホウ素、リン、ヒ素またはアンチモン）を加える。次いで、結晶化プロセスを開始するため、図２Ｂに示されているように、この溶融したウェーハ材料１０とドーパント１４との多少なりとも不純な混合物２０の中に、回転可能なシャフト１８の一端に装着された種結晶１６を下ろす。図２Ｃに示されているように混合物２０に浸されると、種結晶１６は、シャフト１８の周りの溶融したウェーハ材料混合物２０の結晶化を始める触媒の働きをする。次いで、シャフト１８をゆっくりと引き上げ、それと同時にゆっくりと回転させて、この溶融物から大きなインゴット２２を抜き取る。インゴット２２は、円筒形の単結晶インゴットであることが好ましいが、多結晶インゴットまたは当技術分野で知られている他の組成物とすることもできる。混合物２０から形成されるインゴット２２のこの結晶化は、図２Ｃから図２Ｅに進むにつれて、不活性チャンバ１２内の混合物２０の量が減っていることによって示されている。この点に関して、図２Ｅは、本明細書に開示されたプロセスで使用する１つのインゴット２２を示している。
【００２４】
ステップ１００に従ってインゴット２２を作製する上述のプロセスは、ウェーハの所望の用途および最終特性に応じて変更することができることを当業者は容易に理解するであろう。例えば、溶融したウェーハ材料１０の組成、溶融したウェーハ材料１０に導入し溶融したウェーハ材料１０と混合するドーパント１４の量および／またはタイプ、不活性チャンバ１２内の温度、シャフト１８の回転の角速度、ならびに種結晶１６を抜き取る速度を変更することができる。この点に関して、ウェーハ材料作製プロセス１００は、当業者によく知られていると考えるべきである。特に好ましい実施形態では、インゴット２２中の不純物、特に酸素不純物の数を減らすために、インゴット２２が、垂直ゾーンメルティングプロセスによって作られたＦＺシリコンインゴットである。
【００２５】
ステップ１００中にインゴット２２を作製した後、図１に基づく次のステップ１０２は、剥離プロセスの準備としてインゴット２２を装着するステップである。この好ましい実施形態では、装着された後もインゴット２２は静止したままである。別の実施形態では、インゴット２２が、図３に示された回転体２４に装着される。一実施形態では、回転体２４がシャフト１８に結合するか、またはインゴット２２の本体から延出した他の延長部分に結合する。この実施形態では、図３に関して示された全体に水平の位置にあるインゴット２２を、回転体２４が保持し回転させることができることが好ましい。あるいは、図４に示されているように、一対の回転アーム２６、２６’が、回転体（全体が符号２４として示されている）から延出し、または回転体の一部分を構成し、インゴット２２の一対の平らな端面２８、２８’に接続される。ここで、回転アーム２６、２６’は、グリップ、クランプまたは他の装置の形態の取付け機構３０を含むことができ、取付け機構３０は、取付け機構３０間にインゴット２２を（例えば圧縮ばめによって）保持するための高摩擦表面を有する。この点に関して、回転体２４と接続した状態でインゴット２２を支持することができ、安定した一定の速度でインゴット２２を回転させることができるものであれば、当技術分野で知られているどの取付け機構３０でも十分である。さらに、回転体２４、回転アーム２６、２６’または取付け機構３０を、個別にまたは互いに組み合わせて利用して、後により詳細に説明するように、装着されたインゴット２２を、イオン注入プロセス中に、インゴット２２の回転軸３２を軸にして両方向に回転させることもできる。
【００２６】
図１に示されている次のステップは、軸３２を軸にしてインゴット２２が回転しているときにマイクロ波装置に通電するステップ１０６であり、このマイクロ波装置は、インゴット２２の外表面に浸透することができる高エネルギー陽子または高エネルギーイオンのビームを生成する。ここで、図５Ａおよび５Ｂは、本明細書に開示されたプロセスで使用するこのようなマイクロ波装置の２つの例を示す。例えば、図５Ａでは、マイクロ波装置が、クライストロン３４（すなわちマイクロ波領域の電磁放射を速度変調によって発生させまたは増幅する目的に使用される電子管）を含み、クライストロン３４は、インゴット２２の外表面４０に向かって導かれる陽子ビーム３６（図５Ａ）または細長い陽子ビーム３７（図５Ｂ）を加速器３８から発生させる。クライストロン３４は、直流銃（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｇｕｎ）またはペレトロン加速器（Ｐｅｌｌｅｔｒｏｎ  ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）３８を含むことが好ましいが、高周波（「ＲＦ」）加速器など、当技術分野で知られている他の匹敵する加速装置を使用することもできる。加速器３８（例えばＲＦ共振空胴）は、クライストロン源３４からのマイクロ波を共振空胴内へ誘導して、所望のエネルギーレベルまで陽子を加速させる高勾配電磁場を生成する。このことは、マイクロ波装置のサイズを最小化（高ｅＶ／ｍ）し、同時に高いプロダクションバリュー（ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｖａｌｕｅ）を維持する。この点に関して、交差する電磁式ウェーブガイドのハイウェイ（ｈｉｇｈｗａｙ）を使用することによって、１つのクライストロン３４を、多くのＲＦ共振加速空洞（例えば図５Ａに示された追加の加速器３８’、３８”）に取り付けることができる。したがって、ＰＶ材料の年間生産ごとに工場全体が産出するギガワットは、ただ１つのクライストロン３４によって供給することができる。これらの共振空胴は、クオリティファクター（ｑｕａｌｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）すなわちＱ値を最大にするように、したがってマイクロ波源の必要な入力エネルギーを最小化するように設計される。
【００２７】
図１に示されている次のステップは、インゴット２２の選択された層に浸透するステップである。インゴット２２が回転している実施形態では、この浸透が、インゴット２２の回転軸１０８に対してほぼ平行に起こることが好ましい。ウェーハ材料の選択された表面深さに浸透し、本質的に剥離する当技術分野で知られている例示的な装置が例えば、前述のＧｌａｖｉｓｈ他の米国特許第７，９３９，８１２号、Ｓｍｉｃｋ他の第７，９８２，１９７号、Ｇｌａｖｉｓｈ他の第７，９８９，７８４号およびＲｙｄｉｎｇ他の第８，０４４，３７４号に示され、記載されている。ここで、提案された方法は、高エネルギー陽子を有する陽子ビーム３６、３７で、インゴット２２の外表面４０を、所定の深さ４２（図６）まで衝撃する。この高エネルギー陽子は、０．２〜２．５メガ電子ボルト（「ＭｅＶ」）の範囲のエネルギーレベルを有することが好ましい。これに応じて、陽子は、約３〜３０マイクロメートルの表皮深さ（ｓｋｉｎ  ｄｅｐｔｈ）４２まで、インゴット２２に浸透する。インゴット２２がその軸３２を軸にして回転すると、陽子ビーム３６、３７は、外表面４０の新たな層に連続的にエネルギーを与える。言うまでもなく、深さ４２は、マイクロ波装置のタイプ、陽子加速器３８内で発生させるエネルギーレベルなどに応じて変更することができる。図７にその全体が示されているように、この陽子衝撃ステップ１０８は、衝撃された表面４０の層４４が、インゴット２２の本体から剥がされまたは剥離されて、連続コンベヤ４６に載せられることを可能にする。表皮深さ４２は、注入する陽子のエネルギーに応じて３〜３０マイクロメートルの範囲にある。
【００２８】
ステップ１０８の間に、インゴット２２の衝撃された表面の温度は、陽子ビーム３６、３７の結果として増大する。そのため、冷却機構を利用してインゴット２２の外表面４０を冷却し、それによって、加熱に起因するインゴット２２の材料特性の不利なまたは予想外の変化を防ぐことが好ましい。この点に関しては、剥離されているインゴット２２の内部および周囲のエリアを冷却することが特に重要である。インゴット２２の直接冷却または間接冷却も提供するため、本明細書に開示されたプロセスとともに、水循環ベースまたは空気循環ベースの冷却装置を使用することができる。
【００２９】
例示の目的上、図６および７では、剥離された層４４の厚さが誇張されている。この点に関して、この剥離された層４４の相対的な厚さは、ステップ１００に従って作られたインゴット２２の初期の太さよりもはるかに小さいことを当業者は容易に理解するであろう。一実施形態では、インゴット２２の軸３２を軸にしてインゴット２２が連続的に剥離されるにつれて、インゴット２２の直径が小さくなり、剥離される層４４の深さ４２に対するインゴット２２の直径の相対的なサイズ差も小さくなる。
【００３０】
一般に、ビーム３６または細長いビーム３７は、結果として得られるウェーハの所望の幅に従って、インゴット２２のその長さに沿ったインゴット２２の一部分にエネルギーを与える必要がある。このプロセスは、ビーム３６、３７のタイプおよびステップ１００で作製したインゴット２２の長さに応じて変更することができる。例えば、図５Ａは、１つの加速器３８から単一のビーム３６が発射される一実施形態を示す。ここで、ビーム３６は、外表面４０の一部分と単一の点で接触する。幅４８を有する層４４（図８Ａ、８Ｂ）を作製するため、ビーム３６は、インゴット２２の縦軸に沿って（すなわちインゴット２２の高さまたは軸３２に対して平行に）左から右へおよび右から左へ移動して、インゴット２２の幅４８の全体にエネルギーを与えることができる。この実施形態では、ビーム３６が幅４８を首尾よく横断することを可能にするために、インゴット２２が、インクリメンタルに回転することができる。これを実行した後、インゴット２２は順方向に回転し、外表面４０の次のインクリメントにエネルギーを与え、インゴット２２の本体から剥離することができる。インゴット２２の全幅を同時に処理および剥離して、例えば図８Ｂに示された層４４、４４’、４４”を作製することができるように、クライストロン３４とともに、追加のビーム３６’、３６”、３６nを生成する追加の加速器３８’、３８”、３８nを含めることができる。あるいは、ビーム３６、３６’、３６n、加速器３８、３８’、３８nまたはクライストロン３４のうちの任意の１つを移動させる代わりに、インゴット２２自体が左右に移動してもよい。
【００３１】
あるいは、図５Ｂに示されているように、クライストロン３４は、完成した所望のウェーハの幅４８に等しいビーム幅を有する細長いビーム３７を生成することもできる。ビーム３６に関する上記の説明と同様に、複数の細長いビーム３７、３７’、３７n（図５Ｂに追加のビーム３７’、３７nは示されていない）を使用して、図８Ｂに関する上記の説明と同様に、インゴット２２の全幅の部分または実質的に全幅を剥離することができる。１つまたは複数の細長いビーム３７を使用する利点は、インゴット２２の軸３２を軸としたインゴット２２の回転を停止させたりまたはインゴット２２をインクリメンタルに回転させたりする必要がない場合があることである。この点に関して、ビーム３７は、通常なら、ビーム３６がするようなインゴット２２の長さに沿った縦運動を必要としないと考えられるため、インゴット２２の回転および冷却のタイミングを調整して、連続剥離を特に容易にすることができる。
【００３２】
図１に示されている次のステップは、浸透されたウェーハ材料の層をインゴットから取り外すステップ１１０である。一実施形態に関して上で説明したとおり、インゴット２２は、ビーム３６、３７が、表面４０の以前に衝撃されたエリアと重ならないように、回転軸３２を軸にして角回転することができる。この衝撃プロセスが継続するにつれて、剥離された材料の層４４はインゴット２２から剥がれて、コンベヤ４６に載る。図７に全体が示されているが、コンベヤ４６は、剥離された層４４を把持しまたはインゴット２２から引き離すのに十分な高い摩擦係数を有する金属基板５０または他の匹敵する表面を含むことができる。これは、インゴット２２が回転したときに、剥離された層４４が、表面４０の近くでひだを作ることを防ぐ。
【００３３】
インゴット２２の回転は、剥離された材料を、単一の連続シートとして剥離し、同時に取り外すことを可能にする。より具体的には、インゴット２２が回転すると、インゴット２２の角位置が変化するにつれて、インゴット２２の外表面４０の剥離されている部分が変わる。同時に、この回転によって、インゴット２２が回転するにつれて、剥離されたウェーハの材料の層４４がインゴット２２から剥がされる。剥離された層４４は、インゴット２２の角位置が変わるにつれてインゴット２２から連続的に剥がれるため、ウェーハ材料の単一の連続シートが生産される。すなわち、回転しているインゴット２２が、紙ロールまたは金属コイルと同じように「ほどける」。剥離されたウェーハ材料の連続シートが生産されるため、このプロセスは、従来の剥離プロセスを上回る大きな節減を提供する。
【００３４】
取外しステップ１１０は、衝撃陽子エネルギーに応じた厚さ３〜３０マイクロメートルのウェーハ材料の（例えば図８Ｂに示されているような）１つまたは複数の基板層４４、４４’、４４nのリボンを生産することができる。インゴット２２は、剥離してコンベヤ４６の金属基板５０上に載せるのに正確に十分な材料を生み出す金属基板の幅に等しい距離だけ順方向へ移動する。金属基板の幅は、衝撃されたインゴット表面の幅４８に対応し、１６０〜２００ｍｍの範囲とすることができる。
【００３５】
次いで、後続の個々のウェーハへのスタンピング１１４（図１）のため、ステップ１１２の間に、ＰＶ材料を有する金属基板のこの新たなリボンまたは層４４を、インゴット２２から運び去る。この点に関して、図９は、インゴット２２から離れてプレス５２に向かう剥離されたウェーハ材料の層またはストリップ４４の移動を示す。プレス５２は、リボンまたは層４４を特定の間隔でカットまたは剪断して個々のウェーハ５８（図１０）にするように設計された１つまたは複数のブレード５６を備えるダイ５４を有する。例えば、図１０に示されているようにプレス５２がダイ５４を下方へ延ばすと、ブレード５６は、ウェーハ材料のストリップ４４と接触し、１６０〜２００ｍｍごとなどの間隔でストリップ４４をカットして、複数のウェーハ５８にし、それによって１６０×１６０ｍｍウェーハまたは２００×２００ｍｍウェーハを生産する。これらのサイズは、平均的な正方形のＰＶウェーハの現行の寸法とすることができるが、ウェーハ５８のサイズはそのようなサイズだけに限定されるべきではない。すなわち、ウェーハ５８の結果としてのサイズは、層４４をカットして個々のウェーハ５８にするのに使用する技術に応じて、これよりも大きくまたは小さくすることができる。さらに、代替のスタンピング機構またはソーイング（ｓａｗｉｎｇ）機構など、ウェーハ材料のストリップをスライスまたはカットする当技術分野で知られている装置を利用して、ストリップまたは層４４からウェーハ５８を作製することもできる。好ましくは、このようなカッティングまたはソーイングステップは、可能な限り少ない残留ウェーハ材料廃棄物を生み出すべきである。この時点で、最終的な製品は、正方形または長方形のＰＶウェーハ５８であり、このウェーハ５８を、従来の配線およびパッケージング機械に通して、住宅規模、商業規模または公共事業規模の太陽エネルギー生産で使用する完成した太陽電池パネルを生産することができる。
【００３６】
言うまでもなく、上で説明したプロセスおよび装置を、単結晶シリコンインゴットとともに使用することだけに限定すべきではない。このようなプロセスおよび装置は、ＦＺシリコンを含む、本明細書に開示されたとおりにさらに処理するのに適した形状に鋳造された任意のタイプの金属材料など、さまざまな形状、サイズおよび材料のインゴットに対して適用することができる。
【００３７】
例えば、インゴット２２は多角形の断面を有することができる。このような形状を有するインゴットは、インゴットの縦軸を軸に、円筒形のインゴットと同じように回転させることができる。回転させながら処理される大部分の加工物（すなわち回転体または旋盤上で回される加工物）は円筒形でなければならず、そのため、工具（すなわち旋盤カッタ）は、その３６０度の回転の全体にわたって加工物と接触し続ける。しかしながら、この剥離プロセスでは、位置が固定された工具がインゴットと常に接触し続ける必要はない。その代わりに、非円形の回転する物体の変化する回転直径に対応することができる高エネルギービームが、加工物インゴットを処理することが好ましい。すなわち、回転しているインゴットの直径が、角度によって変化する多角形の断面を有するとしても、高エネルギービームは、インゴットの外表面に衝撃を与え、ウェーハ材料の層に浸透する。したがって、上でより詳細に論じた円筒形のインゴットと同じ方式で、多角形の断面を有するインゴットを剥離することができる。
【００３８】
さらに、ウェーハ材料は単結晶シリコンだけに限定されない。限定はされないが、フロートゾーンシリコン（「ＦＺシリコン」）、多結晶シリコン、テルル化カドミウム、サファイヤ結晶およびセレン化銅インジウムガリウムを含む、ウェーハを構築するのに適した当技術分野で知られている任意の材料を使用することができる。その上、ウェーハ材料はｎ型材料とすることもまたはｐ型材料とすることもできる。ウェーハ材料の選択に応じて、ドーパントのタイプおよび濃度ならびに温度などの特定の処理パラメータを変更することができることは明白である。
【００３９】
本明細書に開示された実施形態の他の代替の態様では、ウェーハを製造する改良されたプロセスが、フロートゾーンシリコンすなわちＦＺシリコンの使用を含むことができる。この点に関して、この製造プロセスは、ステップ（１００）〜（１１４）に関して上で説明した装置およびプロセスと同様とすることができる。あるいは、図３〜１０に示された円筒形のインゴット２２を使用する代わりに、最初にインゴット２２を、ダイヤモンドワイヤ６０または他の匹敵するカッティング機構によってカットしまたは四角く削って、図１１に全体的に示されているような全体に長方形のシリコンブロック６２を形成することができる。言うまでもなく、シリコンブロック６２は、長方形または正方形としてカットすることができ、希望に応じていくつかの異なるサイズまたは形状にカットすることができる。図１１に示された実施形態では、シリコンブロック６２が、前被削面６４（および同様に形づくられた後被削面（ｂａｃｋ  ｗｏｒｋ  ｓｕｒｆａｃｅ）６４’）ならびに長さ最大３フィートの側被削面６６（および対応する他の側被削面６６’〜６６’’’）を有する。これらの被削面は全て、本明細書に記載された実施形態に従って剥離する準備ができていることが好ましい。単純にするため、以下では、前被削面６４および側被削面６６に関してこの剥離プロセスを説明するが、この剥離プロセスは、単独でまたは被削面６４’および６６’〜６６’’’のうちの１つまたは複数の被削面と同時に等しく良好に機能することができる。
【００４０】
あるいは、本明細書に開示された剥離プロセスを、当技術分野で知られている方法によって既に２００〜６００μｍ程度の厚さにカットされたフロートゾーンシリコンウェーハと一緒に使用することもできる。この点に関して、これらの既存のまたは予めカットされたウェーハを剥離して、２〜７０マイクロメートル程度の、より好ましくは４〜２０マイクロメートル程度のより薄い複数のウェーハを形成することができる。例えば、３００マイクロメートルの予めカットされたフロートゾーンウェーハを、本明細書に開示されたプロセスによって剥離して、２５マイクロメートルの厚さを有する１２枚のフロートゾーンウェーハを生産することができる。このような予めカットされたフロートゾーンウェーハは、後により詳細に説明するシリコンブロック６２に代わる加工物として本質的に使用されるであろう。
【００４１】
当技術分野で知られている方法を使用してシリコンブロック６２を作製したら、剥離プロセスの準備のために、ブロック６２を、上で説明した実施形態または当技術分野で知られている他の実施形態に従って装着することができる。１つの違いは、円筒形のシリコンインゴット２２に関する上記の説明とは違い、シリコンブロック６２を回転させる必要がないことである。これは、平らなウェーハ材料を生産するにはその軸を中心にして回転させる必要がある丸められたまたは円筒形の被削面とは対照的に、被削面６４、６６が平らな剥離表面を提供するためである。
【００４２】
この点に関して、図１２Ａおよび１２Ｂは、上で説明した外側の被削面６４、６６を剥離する２つの方法を示す。例えば、図１２Ａでは、クライストロン３４が、前被削面６４の幅に関して接触する細長い陽子ビーム３７を生成する。方向矢印によって示されているように、ビーム３７は、上から下へ移動させることが好ましい。図１２Ｂは、クライストロン３４が、同様の細長い陽子ビーム３７を生成する同様の実施形態を示し、細長い陽子ビーム３７は、側被削面６６の幅にまたがり、方向矢印によって示されているように上から下へ移動することが好ましい。この点に関しては、図１３Ａおよび１３Ｂに示されているように、シリコン材料の剥離された層６８、６８’が、上で説明した実施形態に従ってシリコンブロック６２から剥離または剥がれ始める。同様に、この剥離された層６８または６８’をコンベヤ４６などによって加工物６２から運び去ることができる（図１４）。この剥離プロセスは、例えば、結果として生じるシリコンウェーハ５８の所望の寸法に一致した前被削面６４を剥離することによって、または、（例えば側被削面６６を通る）より大きなエリアを剥離し、次いでその後に、剥離された層４４に関して上で説明したのと同様に、剥離されたシリコンのストリップをカットしてストリップにすることによって、個々のシリコンウェーハ５８を作製することができる。
【００４３】
本明細書に開示された実施形態の１つの特定の利点は、この剥離プロセスが、比較的に低い酸素含量（例えば１立方センチメートル当たり１０15酸素原子）を有するフロートゾーン（すなわち「ＦＺ」シリコン）または他のシリコン材料と一緒に使用されることである。一方で、太陽電池パネルで使用するようにサイズが決められたシリコンウェーハを作製するために使用されている現行の太陽電池等級のシリコン材料は、比較的に高い酸素含量（例えば１立方センチメートル当たり１０18酸素原子）を有し、チョクラルスキープロセスによって生産される。これらのシリコンウェーハの効率は１９％〜２０％でしかないが、経済的に生産することができる。他方、比較的に低い酸素含量、したがってより高い効率を有するシリコン材料（例えばフロートゾーンシリコンウェーハの効率は約２４．７％である）は、所望のサイズよりも大きく（例えば厚さ３００〜５００μｍ程度に）カットしなければならない。これは、堅い材料特性が、知られている方法（例えばダイヤモンドワイヤ）によって材料をより薄くカットすることを妨げるためである。したがって、フロートゾーンシリコンなどから作られたシリコンウェーハは現在、材料コストおよびウェーハの現在使用可能な最小製造厚さのため、コストが極端に高い。
【００４４】
したがって、上で説明した剥離プロセスは、比較的に低い酸素含量およびより小さな厚さ（例えば２〜７０μｍ、好ましくは４〜２０μｍ。１００＋μｍとは対照をなす）を有するより高い等級のシリコン材料（例えばフロートゾーンシリコン）からシリコンウェーハを経済的に生産する際に特に有用である。これは、前述のイオン注入法を用いて、フロートゾーンシリコンの表面エリア構造を、ＤＣ加速器または強化されたエネルギーレベルを有する他のビームなどによって衝撃することによって達成される。この表面エリア衝撃は、知られている方法に比べて特に好ましい。これは、より高純度のシリコン材料の表面エリア張力が、（例えばダイヤモンドワイヤによる）ソーイングによってウェーハを、経済的な厚さ（例えば１００μｍ未満）に物理的に切削するのを妨げるためである。
【００４５】
図１３Ａ、１３ｂおよび１４に示されているように、剥離された層６８または６８’は、その表面を衝撃しているイオンのエネルギーレベルによって決定される厚さだけ、シリコンブロック６２から剥がれる。この点に関して、ビーム３７のエネルギーレベルを増大させると、表面レベル浸透はより深く、ウェーハ５８はより厚くなり、ビーム３７のエネルギーレベルを低くすると、表面レベル浸透はより浅く、ウェーハ５８はより薄くなる。より具体的には、約５×１０14〜５×１０16イオン／ｃｍ2の注入密度を使用すると、２〜７０μｍ、好ましくは４〜２０μｍの相対厚さを有するウェーハ５８を生産するのに十分な深さまで、フロートゾーンシリコンの表面レベルに浸透する。これらの比較的に薄いウェーハ５８を、ウェーハ５８が生産されるたびにウェーハ５８をシリコンブロック６２から引き離す導電性表面またはバッキング７０を含む表面を有するコンベヤ４６上に置くことができる。
【００４６】
例示のため、いくつかの実施形態を詳細に説明したが、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなくさまざまな変更を加えることができる。したがって、添付の特許請求の範囲による場合を除いて、本発明は限定されない。
【図１】
2017508706.tif 000003
【図２Ａ】
2017508706.tif 000004
【図２Ｂ】
2017508706.tif 000005
【図２Ｃ】
2017508706.tif 000006
【図２Ｄ】
2017508706.tif 000007
【図２Ｅ】
2017508706.tif 000008
【図３】
2017508706.tif 000009
【図４】
2017508706.tif 000010
【図５Ａ】
2017508706.tif 000011
【図５Ｂ】
2017508706.tif 000012
【図６】
2017508706.tif 000013
【図７】
2017508706.tif 000014
【図８Ａ】
2017508706.tif 000015
【図８Ｂ】
2017508706.tif 000016
【図９】
2017508706.tif 000017
【図１０】
2017508706.tif 000018
【図１１】
2017508706.tif 000019
【図１２Ａ】
2017508706.tif 000020
【図１２Ｂ】
2017508706.tif 000021
【図１３Ａ】
2017508706.tif 000022
【図１３Ｂ】
2017508706.tif 000023
【図１４】
2017508706.tif 000024
【国際調査報告】
2017508706.tif 000025