特表 2024-538358 単結晶シリコンの製造時の石英粒子のアレイの使用

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-10-18

(54)【発明の名称】単結晶シリコンの製造時の石英粒子のアレイの使用

(51)【国際特許分類】

   C30B 29/06 20060101AFI20241010BHJP

【ＦＩ】

C30B29/06 502D

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024526894

(86)(22)【出願日】2022-10-21

(85)【翻訳文提出日】2024-07-05

(86)【国際出願番号】 US2022078477

(87)【国際公開番号】W WO2023081583

(87)【国際公開日】2023-05-11

(31)【優先権主張番号】63/276,969

(32)【優先日】2021-11-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】518112516

【氏名又は名称】グローバルウェーハズ カンパニー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＧｌｏｂａｌＷａｆｅｒｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100184343

【弁理士】

【氏名又は名称】川崎 茂雄

(72)【発明者】

【氏名】フィリップス，リチャード ジョセフ

(72)【発明者】

【氏名】ハドソン，カリシマ マリー

【テーマコード（参考）】

4G077

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077BA04

4G077CF10

4G077EG30

4G077HA12

4G077PF42

4G077PF43

(57)【要約】

インゴット成長前に石英粒子のアレイがるつぼアセンブリに追加される、単結晶シリコンインゴットを製造する方法が開示される。アレイは、連続チョクラルスキー（ＣＣｚ）プロセスのように、るつぼアセンブリの外側融液ゾーンに配置されてもよい。アレイは、連結部材によって相互に連結された石英粒子製であってもよい。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

単結晶シリコンインゴットを形成する方法であって、
固相の多結晶シリコンをるつぼアセンブリに加えること、
前記るつぼアセンブリに石英粒子のアレイを追加すること、ここで、前記アレイは、複数の石英粒子と、前記石英粒子を相互に連結する複数の連結部材とを含んでおり、
前記多結晶シリコンを加熱してシリコン融液を形成すること、
前記シリコン融液を種結晶に接触させること、
前記シリコン融液から前記種結晶を引き出して、シリコンインゴットを形成すること
を含む方法。

【請求項2】

前記多結晶シリコンを加熱して前記シリコン融液を形成する前に、前記アレイが前記るつぼアセンブリに添加される、
請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記アレイが約５０ｍｍから約７５ｍｍの間の幅と、６ｍｍから１００ｍｍの間の深さを有する、
請求項１または請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記連結部材は石英製である、
請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記石英粒子が、棒状、管状、球状、または不規則な形状を有する、
請求項１から４のいずれか１つに記載の方法。

【請求項6】

前記アレイが３Ｄ印刷によって作成される、
請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。

【請求項7】

前記アレイが３Ｄ足場を有する、
請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。

【請求項8】

前記石英粒子が、少なくとも０．１ｃｍ^２石英／石英のグラムの質量に対する表面関の比を有する、
請求項１から７のいずれか１つに記載の方法。

【請求項9】

前記石英粒子が、少なくとも０．５ｃｍ^２石英／石英のグラムの質量に対する表面積の比を有する、
請求項１から７のいずれか１つに記載の方法。

【請求項10】

前記石英粒子が、０．１ｃｍ^２石英／石英のグラムから１０ｃｍ^２石英／石英のグラムの、質量に対する表面積の比を有する、
請求項１から７のいずれか１つに記載の方法。

【請求項11】

前記石英粒子が、少なくとも１０ｃｍ^２の石英／シリコンのｋｇのシリコン装入物に対する表面積の比を有する、
請求項１から１０のいずれか１つに記載の方法。

【請求項12】

前記石英粒子が、少なくとも５０ｃｍ^２の石英／シリコンのｋｇのシリコン装入物に対する表面積の比を有する、
請求項１から１０のいずれか１つに記載の方法。

【請求項13】

前記石英粒子が、１０ｃｍ^２の石英／シリコンのｋｇから２５０ｃｍ^２の石英／シリコンのｋｇの、シリコン装入物に対する表面積の比を有する、
請求項１から１０のいずれか１つに記載の方法。

【請求項14】

前記るつぼアセンブリが、堰と、前記堰と側壁との間に外側融液ゾーンを画定する前記側壁とを備え、前記アレイが前記外側融液ゾーンに追加される、
請求項１から１３のいずれか１つに記載の方法。

【請求項15】

前記堰が第１堰であり、前記るつぼアセンブリが、前記第１堰に対して径方向内側に第２堰を含んでおり、前記第１堰および前記第２堰が前記第１堰と前記第２堰との間に中間融液ゾーンを画定しており、前記第２堰が前記第２堰内に内側溶融ゾーンを画定する、
請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記るつぼアセンブリが、第１堰と、前記第１堰に対して径方向内側の第２堰と、側壁とを備え、前記第１堰および前記側壁が前記第１堰と前記側壁との間の外側融液ゾーンを画定しており、前記第１堰および前記第２堰が前記第１堰と前記第２堰との間の中間融液ゾーンを画定しており、前記第２堰が前記第２堰内の内側融液ゾーンを画定しており、前記アレイが前記中間融液ゾーンに追加される、
請求項１から１３のいずれか１つに記載の方法。

【請求項17】

前記シリコンインゴットが、インゴット成長中に多結晶シリコンが前記融液に追加される連続チョクラルスキープロセスで成長させられる、
請求項１から１６のいずれか１つに記載の方法。

【請求項18】

インゴット成長中に石英が前記融液に追加されない、
請求項１７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２１年１１月０８日に出願された米国仮特許出願第６３／２７６，９６９号の利益を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本開示の分野は、連続チョクラルスキー（ＣＣｚ）による単結晶シリコンインゴットの製造方法、特に、インゴット成長前に石英粒子のアレイをるつぼアセンブリに追加する方法に関する。

【背景技術】

【0003】

連続チョクラルスキー（ＣＣｚ）は、ヒ素またはリンが相対的に多くドープされたインゴットなど、直径３００ｍｍや２００ｍｍの単結晶シリコンインゴットの形成に適している。連続チョクラルスキー法は、シリコンの融液から単結晶シリコンインゴットを形成する一方、インゴットを成長させる間、融液に固体の多結晶シリコンを連続的または間欠的に追加して融液を補充する。この方法は、ホットゾーンが温度を維持したまま（すなわち、複数のインゴットが成長する間、るつぼアセンブリ内に融液が連続的に存在した状態で）、同じ融液から複数のインゴットを形成することを含む場合がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

顧客は、連続式チョクラルスキーで成長させたウエハが、標準的なバッチ式チョクラルスキーで成長させたウエハと同じように、ボイド数が比較的少ないことを期待するようになっている。連続チョクラルスキー法は、物理的な障壁によって分離された少なくとも２つ、多くの場合３つの融液ゾーン（固体の多結晶シリコンが供給される外側融液ゾーン、融液が安定化する中間融液ゾーン、およびシリコンインゴットが引き抜かれる内側融液ゾーン）を含むるつぼアセンブリを含むことがある。固体の多結晶シリコンを融液に追加すると、融液中に不活性ガスの気泡（アルゴンの気泡など）が発生し、ボイド数に影響を与える。

【0005】

インゴットからスライスされたシリコンウエハの欠陥数を減少させ、および／または不活性ガスの気泡の消散を促進する、シリコンインゴットの形成方法に対する必要性が存在する。

【0006】

本セクションは、以下に説明および／または特許請求される本開示の様々な側面に関連し得る技術の様々な側面を読者に紹介することを意図している。この考察は、本開示の様々な側面をよりよく理解するための背景情報を読者に提供する上で有用であると考えられる。したがって、これらの記述はこのような観点から読まれるべきであり、先行技術を自認するものとして理解されるべきである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示の一態様は、単結晶シリコンインゴットを形成する方法に向けられている。固相の多結晶シリコンが、るつぼアセンブリに加えられる。石英粒子のアレイが、るつぼアセンブリに加えられる。アレイは、複数の石英粒子と、石英粒子を相互に連結する複数の連結部材とを含む。多結晶シリコンは加熱されてシリコン融液を形成する。シリコン融液は、種結晶に接触させられる。種結晶はシリコン融液から引き出されてシリコンインゴットを形成する。

【0008】

本開示の上述の側面に関連して言及された特徴の、様々な改良が存在する。本開示の上述の側面には、さらなる特徴も同様に組み込まれてもよい。これらの改良点および追加の特徴は、個々に存在してもよいし、任意の組み合わせで存在してもよい。例えば、本開示の図示された実施形態のいずれかに関連して後述される様々な特徴は、単独でまたは任意の組み合わせで、本開示の上述の態様のいずれかに組み込まれてもよい。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、固体多結晶シリコン装入物が配置されたインゴット引き抜き装置の一例の断面図である。

【0010】

【図2】図２は、多結晶シリコン装入物の表面に配置された石英粒子のアレイを有するインゴット引き抜き装置の断面図である。

【0011】

【図3】図３は、アレイが融液内に配置されている状態の、るつぼアセンブリ内に配置された融液を有するインゴット引き抜き装置の断面図である。

【0012】

【図4】図４は、シリコン融液から引き抜かれるシリコンインゴットを示すインゴット引き抜き装置の断面図である。

【0013】

【図5】図５は、外側溶融ゾーンに配置された石英粒子のアレイを有するインゴット引き抜き装置のるつぼアセンブリの上面図である。

【0014】

【図6】図６は、石英粒子のアレイを形成するプロセスの概略図である。

【0015】

【図7】図７は、アレイに組み込むことができる石英構造の概略図である。

【0016】

【図8】図８は、アレイの石英粒子の一実施形態である。

【0017】

【図9】図９は、アレイの石英粒子の他の実施形態である。

【0018】

【図10】図１０は、アレイの石英粒子の他の実施形態である。

【0019】

【図11】図１１は、シリコン融液中の石英カレットの概略図である。

【0020】

【図12】図１２は、部分溶解後の石英カレットの概略図である。

【0021】

【図13】図１３は、融合後の石英カレットの模式図である。

【0022】

【図14】図１４は、図１１～１３のそれぞれに示されたカレット間隔について、シリコン融液中に溶解したＳｉＯの相対濃度のグラフである。

【0023】

【図15】図１５は、石英棒の長さと直径が異なる４つのケースについて、シリコン融液への浸漬時間の関数として生成されたＳｉＯ（ｇ）のモル数の増加を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0024】

対応する参照文字は、図面全体を通して対応する部分を示す。

【0025】

本開示の提供は、連続チョクラルスキー（ＣＣｚ）プロセスで単結晶シリコンインゴットを成長させる方法に関する。石英粒子のアレイがるつぼアセンブリに加えられる。アレイは、連結部材によってアレイ内で連結された石英粒子製であってもよい。アレイは、溶解の前に、固体の多結晶シリコンと共にるつぼアセンブリに置かれてもよい。

【0026】

連続チョクラルスキープロセスによってインゴット６０を製造するインゴット引き抜き装置５の一例が図４に示されている。インゴット引き抜き装置５は、半導体またはソーラグレードのシリコン材料の融液６を収容するるつぼアセンブリ１０を含む。サセプタ１３がるつぼアセンブリ１０を支持する。るつぼアセンブリ１０は、側壁４０と、融液を異なる融液ゾーンに分離する１つ以上の流体障壁２０、３０または「堰」とを有する。図示の実施形態では、るつぼアセンブリ１０は、第１堰２０を含む。第１堰２０と側壁４０は、シリコン融液６の外側融液ゾーン４２と、るつぼアセンブリ１０とを画定する。るつぼアセンブリ１０は、シリコン融液の内側融液ゾーン２２とるつぼアセンブリ１０とを画定する、第１堰２０に対して径方向内側の第２堰３０を含む。内側融液ゾーン２２は、単結晶シリコンインゴット６０が成長する成長領域である。第１堰２０と第２堰３０は、るつぼアセンブリ１０及びシリコン融液の中間融液ゾーン３２を画定しており、中間融液ゾーン３２では、融液６が内側融液ゾーン２２に向かって移動する際に安定してもよい。第１堰２０および第２堰３０はそれぞれ、溶融したシリコンが内側融液ゾーン２２の成長領域に向かって径方向内側に流れるのを許容するように、そこに画定された少なくとも１つの開口部を有する。

【0027】

図示された実施形態では、第１堰２０、第２堰３０、および側壁４０はそれぞれ、概ね環状の形状を有する。第１堰２０、第２堰３０、および側壁４０は、るつぼアセンブリ１０の底または床４５で接合される３つの入れ子式るつぼの一部であってもよい（すなわち、第１堰２０および第２堰３０は、より大きなるつぼ内に入れ子式に配置された２つのるつぼの側壁である）。図１～４に図示されているるつぼアセンブリの構成は例示的なものである。他の実施形態では、るつぼアセンブリ１０は、堰が床４５から上方に延びている単層の床を有する（すなわち、入れ子式るつぼを有さない）。任意で、床４５は湾曲というよりもむしろ平坦であってもよく、および／または堰２０、３０および／または側壁４０は直線状の側面を有してもよい。さらに、図示のるつぼアセンブリ１０は、２つの堰を有する状態で示されているが、他の実施形態では、るつぼアセンブリは１つの堰を有するか、または堰を有さないことさえあってもよい。

【0028】

供給管４６は、例えば、粒状、塊状、チップ状、またはそれらの組合せであってもよい多結晶シリコンを、インゴット６０の成長中に実質的に一定の溶融高さレベルおよび体積を維持するのに十分な速度で外側融液ゾーン４２に供給する。

【0029】

概して、インゴット６０が引き出される融液６は、多結晶シリコンをるつぼに装填して初期シリコン装入物２７（図１）を形成することによって形成される。一般に、初期装入物は、約１０キログラムから約２００キログラムの多結晶シリコンであり、粒状、塊状、チップ状、またはそれらの組み合わせである。初期装入物の質量は、所望の結晶直径とホットゾーンの設計に依存する。多結晶シリコンは結晶成長中に連続的に供給されるため、初期装入物はインゴット結晶の長さを反映しない。

【0030】

多結晶シリコンの供給源としては、例えば、流動床リアクタにおけるシランまたはハロシランの熱分解によって製造された粒状多結晶シリコンや、シーメンスリアクタで製造された多結晶シリコンなど、様々なものを使用できる。以下に説明されるように、石英粒子（すなわち、本明細書では石英粒子またはガラス粒子と称することがあり、溶融石英粒子を含むことを意味する）のアレイは、るつぼアセンブリ１０の外側融液ゾーン４２または内側融液ゾーン３２において、固相多結晶シリコンの初期装入物２７に、多結晶シリコンの初期装入物２７を溶融する前に（または、より大きなシリコンの塊を供給できるシステムなどで、より小さなアレイが追加された場合、その後に）、追加されてもよい。

【0031】

多結晶シリコン（および石英粒子のアレイ）がるつぼアセンブリ１０に追加されて装入物２７を形成すると、装入物２７はシリコンの溶融温度（例えば、約１４１２℃）あたりを超える温度に加熱されて装入物を溶融させ、それによって溶融シリコンを有するシリコン融液６（図３）を形成する。シリコン融液６は、溶融シリコンの初期体積を有し、初期融液高さレベルを有し、これらのパラメータは、初期装入物２７のサイズによって決定される。いくつかの実施形態では、シリコン融液６を有するるつぼアセンブリ１０は、少なくとも約１４２５℃、少なくとも約１４５０℃、あるいは少なくとも約１５００℃の温度に加熱される。

【0032】

インゴット引き抜き装置５は、内部融液ゾーン２２内の融液からインゴット６０を成長させて引き抜くための引き抜き機構１１４（図４）を含む。引き抜き機構１１４は、引き抜きケーブル１１８と、引き抜きケーブル１１８の一端に結合された種ホルダまたは種チャック１２０と、種ホルダまたは種チャック１２０に結合された、結晶成長を開始させるための、種結晶１２２とを含む。引き抜きケーブル１１８の一端は持ち上げ機構（例えば、従動プーリまたはドラム、あるいは他の適切なタイプの持ち上げ機構）に接続されており、他端は種結晶１２２を保持するチャック１２０に接続されている。作動中、種結晶１２２は、内側融液ゾーン２２内の融液６に接触するように下降させられる。引き抜き機構１１４を作動させることにより、種結晶１２２を引き抜き軸Ａに沿って上昇させる。これによって単結晶インゴット６０が融液６から引き抜かれる。

【0033】

多結晶シリコンの装入物２７（図１）が液化されて溶融シリコンを有するシリコン融液６（図３）を形成すると、シリコン種結晶１２２（図４）は、内側融液ゾーン２２内で融液６に接触するように下降させられる。その後、シリコン種結晶１２２は、シリコンが付着した状態で融液６から引き出されて、ネック５２を形成し、それによって融液６の表面近傍または表面に融液－固体界面を形成する。

【0034】

引き抜き機構１１４は、種結晶１２２とそれに接続されたインゴット６０を回転させてもよい。るつぼ駆動ユニット４４は、サセプタ１３およびるつぼアセンブリ１０を回転させてもよい。いくつかの実施形態では、シリコン種結晶１２２とるつぼアセンブリ１０は反対方向に回転、すなわち逆回転させられる。逆回転はシリコン融液６の対流を実現する。種結晶１２２の回転は主に、対称的な温度プロファイルを提供し、不純物の角度バラつきを抑制し、結晶融液界面形状を制御するために使用される。

【0035】

ネック５２の形成後、ネック５２に隣り合う外側に膨らんだシードコーン部５４（または「クラウン」）が成長する。一般に、引き抜き速度は、ネック部の引き取り速度から、外側に膨らんだシードコーン部５４を成長させるのに適した速度まで低下させられる。シードコーン部分が目標直径に達すると、インゴット６０の本体５６または「一定径部分」が成長する。いくつかの実施形態では、インゴット６０の本体５６は、約１５０ｍｍ、少なくとも約１５０ｍｍ、約２００ｍｍ、少なくとも約２００ｍｍ、約３００ｍｍ、少なくとも約３００ｍｍ、約４５０ｍｍ、またはさらに少なくとも約４５０ｍｍの直径を有する。

【0036】

インゴット６０が融液６から引き抜かれる間、固体のポリシリコンの供給原料が、管４６または他のチャネルを通して外側融液ゾーン４２に加えられ、インゴット成長装置５内の融液６を補充する。固体多結晶シリコンは、多結晶シリコン供給システム６６から追加されてもよく、融液レベルを維持するようにインゴット引き抜き装置５に連続的または間欠的に追加されてもよい。一般に、多結晶シリコンは、当業者に利用可能な任意の方法でインゴット引き抜き装置５に計量して供給されてもよい。

【0037】

いくつかの実施形態では、ドーパントもインゴット成長中に融液６に追加される。ドーパントは、ドーパント供給システム７２から導入されてもよい。ドーパントは気体または固体として追加されてもよく、外側融液ゾーン４２に追加されてもよい。

【0038】

装置５は、成長するインゴット６０がその凝固潜熱および融液６からの熱流束を放射することを可能にするために、インゴット６０の周囲に配置された熱シールド１１６を含んでもよい。熱シールド１１６は、少なくとも部分的に円錐形状であってもよく、インゴット６０が配置される環状の開口を形成するように斜め下方に角度を付けてもよい。アルゴンなどの不活性ガスの流れは、通常、成長する結晶の長さに沿って供給される。インゴット６０は、周囲の大気から密閉された成長チャンバ７８を通して引き抜かれる。

【0039】

独立して制御される複数の環状底ヒータ７０が、るつぼアセンブリ１０の下方に放射状パターンで配置されてもよい。環状底ヒータ７０は、るつぼアセンブリ１０のベース表面全体にわたって、相対的に制御された分布で熱を加える。環状底ヒータ７０は、個別に制御された平面抵抗発熱要素であってもよい。装置５は、融液６を通る温度分布を制御するために、るつぼアセンブリ１０の径方向外側に配置された１つ以上の側部ヒータ７４を含んでもよい。

【0040】

図１～４に示されており本明細書に記載されているインゴット成長装置５は例示的なものであり、一般に、特に記述のない限り、連続チョクラルスキー法によって結晶インゴットが調製される任意のシステムが使用されてもよい。

【0041】

本開示の実施形態によれば、インゴット６０が成長する前に、石英粒子のアレイ３１（図２）がるつぼアセンブリ１０に取り付けられる。アレイ３１は、多結晶シリコン２７を加熱してシリコン融液６を形成する前に、るつぼアセンブリ１０に加えられてもよい。アレイ３１は、多結晶シリコン２７の初期装入物２７上に位置してもよく、又は装入物２７内に配置されてもよい（例えば、装入物の上下に多結晶シリコンが配置された状態）。

【0042】

外側融液ゾーン４２に配置される石英粒子のアレイ３１の例が図５に示されている。アレイ３１は、複数の石英粒子３３と、隣り合う石英粒子３３を連結する複数の連結部材３７とを含む。連結部材３７は石英製であってもよい。アレイ３１は、３Ｄ印刷または他の適切な方法により作成されてもよい。３Ｄ印刷を伴う方法では、アレイはベースから上方に構築され、層ごとに構造が連結または融合される。３Ｄ印刷法では、成膜ヘッドまたは融解物源は、アレイの最終状態または「グリーン」状態への連結を効果的に行うために、ｘ－ｙ平面内で並進する能力があってもよい。使用され得る好適な３Ｄ印刷法の例としては、ｖｏｎ Ｗｉｔｚｅｎｄｏｒｆｆ他著「Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ Ｇｌａｓｓ：ＣＯ２－Ｌａｓｅｒ Ｇｌａｓｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ」、Ｐｒｏｃｅｄｉａ ＣＩＲＰ ７４（２０１８）、２７２－２７５と、Ｌｕｏ他著「Ａｄｄｉｔｉｖｅ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ Ｇｌａｓｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、１３６巻、０６１０２４：１－６（２０１４）が挙げられており、これらの両方は、全ての関連する一貫した目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

【0043】

いくつかの実施形態では、３Ｄ印刷は、複合材料である、および／またはドープされた材料を組み込んだ、アレイを形成するために使用される。例えば、アレイ３１は、溶融シリカの表面結晶化を抑えるためにシリコンでドープした石英製であってもよい。

【0044】

アレイ３１の別の実施形態が図６に示されている。アレイ３１は、足場（櫓、骨格、スカフォード）として構築される連結部材３７を含む。アレイ３１の連結部材３７は、積み重ねられて連結して３Ｄ足場を形成してもよい、単位セル４９（例えば、平行六面体）製であってもよい。各足場は、石英の表面積を有する（例えば、多孔性または別の構造による）第２構造を組み込んでもよい。単位セル４９の連結部材３７は、連結部材内に（すなわち、中実棒ではなく）構造を含んでもよい。例えば、そこに形成された石英粒子３３を有する図７に示す構造体４１は連結部材３７内に組み込まれてもよい。

【0045】

アレイ３１の他の実施形態は、石英粒子を組み込んだモノリシックディスクを含む。アレイ３１は、「バスケット織り」パターン又は「鳥の巣」パターン（図５）などの多孔質パターンを組み込んでもよい。

【0046】

一般に、アレイ３１に組み込まれる石英粒子３３は、アレイ３１が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の適切なサイズおよび形状を有してもよい。例えば、石英粒子３３は、棒状、管状、球状、または不規則な形状に形作られてもよい。いくつかの実施形態では、粒子は１０μｍ５００ｍｍの間のサイズ（すなわち、最大寸法）を有する。粒子は、融液による浸食と融液の所望のコンディショニングに依存する足場の残存可能性に基づく大きさとされてもよい。

【0047】

いくつかの実施形態では、アレイ３１の石英粒子３３は比較的高い表面積を有する。例えば、石英粒子は、少なくとも０．１ｃｍ^２石英／石英のグラムまたは少なくとも０．５ｃｍ^２石英／石英のグラム（例えば、０．１ｃｍ^２石英／グラムから１０ｃｍ^２石英／石英のグラム）の質量に対する表面積比を有してもよい。いくつかの実施形態では、アレイ３１の石英粒子３３は、少なくとも１０ｃｍ^２石英／シリコンのｋｇまたは少なくとも５０ｃｍ^２石英／シリコンのｋｇ（例えば、１０ｃｍ^２石英／シリコンのｋｇから２５０ｃｍ^２石英／シリコンのｋｇ）など、るつぼ内のシリコン量に対して比較的高い表面積を有する。

【0048】

アレイ３１は、本明細書で説明されるようにアレイを機能させることを可能とする任意のサイズおよび形状であってよい。本開示のいくつかの実施形態によれば、石英粒子のアレイ３１は、アレイ３１が、るつぼアセンブリ１０の側壁４０から第１堰２０まで連続的に延びるような十分な幅を有してもよい。他の実施形態では、アレイ３１は、るつぼアセンブリ１０の側壁４０と第１堰２０との間の距離よりも小さい幅を有する。いくつかの実施形態では、アレイ３１は、約５０ｍｍから約７５ｍｍの間の幅、および／または６ｍｍから１００ｍｍの間の高さ（すなわち、深さ）を有する。

【0049】

アレイ３１に使用する石英粒子３３の一実施形態が図７に示されている。石英粒子３３は、その中に開口部５１が形成された中空の球体として形状付けされている。図８に示される実施形態では、石英粒子３３は、構造体のコアから延びる尖頭を含む。図９に示される実施形態では、石英粒子は、粒子３３の表面積を増大させるディンプルを含む。

【0050】

アレイ３１はより低い密度その後融液６であってもよく、それにより、アレイ３１の一部が融液６の上方に配置された状態でアレイ３１が融液上に浮くことを可能にする。他の実施形態では、アレイ３１は、アレイ３１が融液６に浸漬される（または部分的に浸漬される）ように、融液により類似した密度を有してもよい。

【0051】

いくつかの連続チョクラルスキープロセスでは、ホットゾーン（すなわち、るつぼアセンブリ１０およびサセプタ１３などの装置５の下部）が、るつぼアセンブリ１０内でシリコン融液６が連続的である状態で加熱されたままである間に、複数のインゴットが成長される。このような方法では、第１インゴットを目標長さまで成長させ、成長が終了し、インゴットがインゴット引き抜き装置から取り出され、次に種結晶が融液中に降下させられて第２単結晶シリコンインゴットの成長を開始させる（すなわち、第１インゴットが引き出されたのと同じ融液を使用する）。後続するインゴットが、ホットゾーンがそのままの状態で、かつ、るつぼアセンブリ１０内にシリコンの連続した融液が存在する温度で（例えば、るつぼアセンブリの冷却および劣化した構成要素の交換を必要とするなど、ホットゾーンの１つ以上の構成要素が劣化するまで）成長させられてもよい。例えば、少なくとも１個、２個、３個、４個、５個、６個、１０個、または２０個以上のインゴットが成長さえられてもよい。インゴット粒子３３のアレイ３１は、後続して成長するインゴットの１つ以上（またはホットゾーンが損なわれていない状態である間に後続して成長するすべてのインゴット）の成長の間に、るつぼアセンブリ１０内に存在してもよい。

【0052】

いくつかの実施形態では、アレイ３１がるつぼアセンブリ内に位置する後、さらなる石英（例えば、石英粒子の第２アレイまたは自由浮遊石英）が、るつぼアセンブリ１０に追加されない。例えば、ホットゾーンが損なわれていない全期間中（例えば、後続するインゴットの成長中）、さらなる石英は追加されない。他の実施形態では、インゴット成長中（例えば、最初のインゴットが成長した後）に追加量の石英が追加される。

【0053】

単結晶シリコンインゴットを形成する従来の方法と比較して、本開示の方法にはいくつかの利点がある。如何なる特定の理論に束縛されることなく、るつぼアセンブリの外側融液ゾーンに多結晶シリコンを添加することは、不活性ガス（例えば、アルゴン）の比較的小さな気泡（例えば、１０μｍ未満）を生じさせ、この気泡が各堰内の開口部を通って融液によって運ばれ、気泡がシリコン－融液界面に到達できると考えられる。石英粒子のアレイは、不活性ガスの気泡が凝集するための表面積と核生成点を提供し、それによって気泡のサイズを増大させて、気泡の浮力を大きくすることを可能とする。アレイまたは粒子は、融液の表面に石英のモノリシックな層を提供する（例えば、アレイ化されていない石英カレットに比べて隙間が少ない）。アレイは融液形成後に一定量溶解し、溶解した石英は融液から不活性ガスを除去するのに役立つ。アレイは、ホットゾーンが温度上昇する前に、比較的容易にるつぼアセンブリ内に配置されてもよい（例えば、多結晶シリコンの初期装入物上に配置される）。アレイを使用することによって、石英粒子を分散させ、融液にさらされる表面積が増大し、それによってアルゴンの融液を取り去る。石英粒子は、石英カレットと比較して比較的高い表面積を有するように構成されてもよい。相互に接続された小さな特徴のサイズは、（表面積の増加により）ＳｉＯ_２溶解の増加を可能にするが、融合は限定的である。

【0054】

アレイが３Ｄ印刷によって作成される実施形態では、石英粒子の表面積が増大してもよく、粒子がアレイ内で相互接続されてもよい。３Ｄ印刷によって、ガラス製造に使用されるバインダを除去することが可能になる。３Ｄ印刷により、融液の自由表面に近接しているために溶解が速いアレイの領域が、構造の完全性とＳｉＯの発生量に関して最適化できるように、アレイの厚みに沿って調整することを可能とし、一方で、融液によって浸される部分は、融液による溶解が構造を不安定にさせないように、間隔と断面を有するようにも調整されてもよい。断面のテーパは、シリカの生産を最適化するのに十分な表面を提供するために、構造体の連結性を維持するように調整され得る（例えば、接合点ではより厚く、周辺部ではより薄くして、それによってアレイをそのまま維持しアレイの間隔を維持する）。３Ｄ印刷によって、より大きな壁構造を製造でき、この場合、壁の実際の構造はＳｉＯ（ｇ）発生装置および粒子フィルタとして機能し得る。逆に、より小さなマクロ寸法の球体が製造され得、それえによってＳｉＯ（ｇ）を高速で生成する空隙率を維持できる。３Ｄ印刷は、多孔質構造（例えば、結晶成長中のアレイの進化に応じて、多孔質の内核を持つ完全に高密度の外殻、または逆に、多孔質の外殻を持つ完全に高密度の内殻）と統合される可能性のある、完全に高密度の材料を得るために使用される可能性がある。

【実施例】

【0055】

本開示のプロセスは、以下の実施例によってさらに説明される。これらの例は、限定的な意味で捉えられるべきではない。
実施例１：従来法における石英粒子間隔の増大

【0056】

図１１～１３は、シリコン融液（例えば、るつぼアセンブリの外側融液ゾーン）への追加後の従来の円柱状石英粒子を概略的に示している。図１１では、カレットの追加後、表面の自然な詰まり（パッキング）による開口した多孔性を有する石英の深部がある。結晶の引き抜き成長が進むと（図１２）、石英表面の断面が小さくなり、石英片間の距離が広がる。石英の融液への溶解が進むと（図１３）、カレットが融合し始める。融合によって、シリコン融液の通り道がより開かれることになる。

【0057】

石英（ＳｉＯ_２）は溶解して溶解ＳｉＯを生成し、それがＳｉＯ気泡の核となり得るため、図１１と図１２の石英形状の間のハイライトされた領域に示されているように、相互作用体積が画定され得る。いわゆる相互作用体積は、アルゴンを捕捉し、融液の自由表面で消滅するＳｉＯの気泡を十分に生成することを可能にする。形状が溶解するにつれて断面積が減少し、形状が十分に小さくなって移動可能になると、形状が融合することがわかる（図１３）。これにより、形状間の間隔が開き、クラスタが生じる。溶融と融合という物理的現象は、相互作用体積で表される融液中の溶解ＳｉＯの濃度に変化をもたらし、気泡核生成によるアルゴン除去の効果を変化させる。

【0058】

図１１－１３の３つのケース（それぞれ「ａ」、「ｂ」、「ｃ」）と一致する、仮説プロファイルの概略図が図１４に示される。図１４は、石英形状の間隔を変えた場合の、シリコン融液中に溶解したＳｉＯの相対濃度を示している。気泡が核生成、成長、アルゴンガスの収集、空隙における成長の減少を行うことができない、臨界濃度（［ＳｉＯ］＊臨界）が存在する。図１４に示されるように、溶解する石英形状の空間レイアウトは、ボイド減少のための作動可能なメカニズムを維持する粒子の能力に影響を与える。

【0059】

ＳｉＯの生成は、石英の形状とシリコン液体との間の以下の反応によって進行する。
Ｓｉ（ｌ） ＋ ＳｉＯ_２（ｓ） ＝＞ ２ＳｉＯ（ｇ）

【0060】

シリコン融液に溶解するＳｉＯ_２の質量は、生成するＳｉＯ（ｇ）の量に比例する。シリコン液体中へのＳｉＯ_２の溶解の文献平均値１０μｍ／ｈｒを用いて、全浸漬経過時間におけるモル生成増加速度を、追加した石英形材の総質量および形材の表面積の関数として計算した。図１５のシミュレーションでは、総質量５ｋｇの石英形材を使用し、棒の直径及び長さについての特徴のサイズが、それぞれＤとＬで示されている。ＬとＤについて、２ｃｍ、１．２ｃｍ、０．６ｃｍ、０．３ｃｍの４つのケースが示されている。ＳｉＯ（ｇ）の生成率は、特徴のサイズが小さいほど高くなる。しかしながら、妥協的な状況として、ＳｉＯ（ｇ）のコンディショニング作用をバイパスして大面積のボイド欠陥を減らすことができる、シリコン融液における領域を可能とする融合効果がある。

【0061】

本明細書において、寸法、濃度、温度または他の物理的もしくは化学的性質もしくは特性の範囲と共に使用される場合、用語「約」、「実質的に」、「本質的に」および「おおよそ」は、例えば、丸め、測定方法または他の統計的変動に起因する変動を含む、性質または特性の範囲の上限および／または下限に存在し得る変動をカバーすることを意味する。

【0062】

本開示の要素またはその実施形態を紹介する場合、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」は、要素が１つ以上あることを意味することを意図している。用語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」、「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ」、「ｈａｖｉｎｇ」という用語は、包括的であることを意図しており、列挙された要素以外の追加要素が存在する可能性があることを意味する。特定の方向を示す用語の使用（例：「頂部」、「底部」、「側部」など）は、説明の便宜のためであり、説明された物品の特定の方向を要求しない。

【0063】

本開示の範囲から逸脱することなく、上記の構成および方法において様々な変更がなされ得るので、上記の説明に含まれ、添付の図面に示される全ての事項は、例示的なものとして解釈され、限定的な意味において解釈されないことが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【手続補正書】

【提出日】2024-07-09

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0030】

多結晶シリコンの供給源としては、例えば、流動床リアクタにおけるシランまたはハロシランの熱分解によって製造された粒状多結晶シリコンや、シーメンスリアクタで製造された多結晶シリコンなど、様々なものを使用できる。以下に説明されるように、石英粒子（すなわち、本明細書では石英粒子またはガラス粒子と称することがあり、溶融石英粒子を含むことを意味する）のアレイは、るつぼアセンブリ１０の外側融液ゾーン４２または中間融液ゾーン３２において、固相多結晶シリコンの初期装入物２７に、多結晶シリコンの初期装入物２７を溶融する前に（または、より大きなシリコンの塊を供給できるシステムなどで、より小さなアレイが追加された場合、その後に）、追加されてもよい。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0046】

一般に、アレイ３１に組み込まれる石英粒子３３は、アレイ３１が本明細書に記載されるように機能することを可能にする任意の適切なサイズおよび形状を有してもよい。例えば、石英粒子３３は、棒状、管状、球状、または不規則な形状に形作られてもよい。いくつかの実施形態では、粒子は１０μｍと５００ｍｍとの間のサイズ（すなわち、最大寸法）を有する。粒子は、融液による浸食と融液の所望のコンディショニングに依存する足場の残存可能性に基づく大きさとされてもよい。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５０

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0050】

アレイ３１は融液６よりも密度が低くてもよく、それにより、アレイ３１の一部が融液６の上方に配置された状態でアレイ３１が融液上に浮くことを可能にする。他の実施形態では、アレイ３１は、アレイ３１が融液６に浸漬される（または部分的に浸漬される）ように、融液により類似した密度を有してもよい。

【国際調査報告】