JPH0764534B2 - 材料の分離および析出の電磁流体力学的装置および方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 材料の分離は、材料の固有の種または材料の化合物の種
へ力を加えるあるいは力の影響を及ぼすことにより達成
することができる。これらの力は、重力、電磁力、気体
（流体）の動力および／またはこれらの力の組み合わせ
である。これらの力は種へ異る加速を与え、これにより
所望の分離に対して異る空間的および一時的特性を与え
る。材料は固体、液体、蒸気またはプラズマの状態、あ
るいはそれらの組み合わせであることができるであろ
う。電磁流体力学的方法（magnetoplsmadynamic proce
ss）は、これらの状態の各々または組み合わせを包含す
る。

電磁流体力学的現象は、最初に1961年にカン（cann）に
より発見され、そして米国特許第3,243,954号に記載さ
れた。設計されかつ試験された装置は、宇宙推進の応用
に意図され、そしてイオン推進システムとして普通に知
られている。主な設計および性能の要件は、単一種の蒸
気を完全にイオン化し、そしてすべてのイオンを好まし
い高速で空間中に加速することであった。この装置は高
い推力（thrust）効率をもたなくてはならず、ここでス
ラスター（thrustor）効率は、次のように定義された： この方法で材料を分離するこ試みはなされなかった。な
ぜなら、意図した応用はその目的の開発に向けられなか
ったからである。

電磁流体力学的現象は、プラズマと、加えられた静電場
（ポテンシャル）によりプラズマが加速されるとき生ず
る誘発された磁場との制御された相互作用からなる。こ
のタイプの相互作用の現象は、以後ホール電流効果（Ha
ll Current effect）と呼ぶ。カン（cann）らの研究
の意味は、キャビティ（cavity）の陽極区域中へ制御し
て供給物または推進物質を注入することであった。適切
な電圧の選択および推進物質の注入速度は、加えた磁場
に対して平行な方向に、荷電粒子（イオンおよび電子）
のイオン化および加速を生ずる。生ずるプラズマは所望
の排出速度（exhaust velocity）に加速された。

本発明は、電磁流体力学を用いる新規な改良された方法
により、材料を分離することに関する。

本発明は、他の方法により分離できない材料の分離およ
び収集を可能とする。また、本発明の他の技術または方
法により分離できる材料を分離するが、より低いコスト
で分離するであろう。

本発明の方法および装置の重要な使用は、供給材料とし
て低いコストのシリコン化合物から半導体等級のシリコ
ンを製造することである。半導体等級のシリコンは、少
なくとも99.9999％の純度で精製技術によりつくられた
シリコンであると考えられる。シリコンの太陽電池の効
率よい操作のためには、半導体等級のシリコンは実際に
は少なくとも99.999％の純度、好ましくは少なくとも9
9.9999％の純度であるべきである。他方において、少な
くとも97％の純度のシリコンは冶金学的等級のシリコン
と考えられる。商業的に入手可能な冶金学的等級のシリ
コンはほぼ98％の純度である。半導体等級のシリコン
は、冶金学的等級のシリコンよりもコストがかなり高
い。1980年において、半導体等級のシリコンはほぼ80ド
ル/kgのコストであり、これに対して冶金学的等級のシ
リコンは１ドル/kgより低いコストである。

皮肉なことには、半導体の等級は、特定した不純物すな
わち「ドーパント（dopant）」類をシリコンへ添加する
ことを必要とする製品において通常使用されるので、価
値がある。これらのドーパントはシリコンアの導電性に
影響を及ぼし、半導体装置へドナー部分とリセプター部
分とをつくる。それゆえ、「半導体等級のシリコン（se
miconductor grade silicon）」は、この明細書にお
いて使用するとき、ドーパント類が添加された高度に純
粋なシリコンを包含すると解釈すべきである。

前述のように、半導体等級のシリコンは種々の半導体装
置、例えば、シリコンの太陽電池の製造に使用される。
太陽電池の製造コストを減少して、太陽電池の製造が太
陽電池の期待される寿命から償われるようにすることが
重要である。現在、シリコンの太陽電池は直径が約４セ
ンチメートルであり、長さがソーセージ程度であるｎ型
シリコンの単結晶から作られる。これらの結晶は遅い調
整されたペースで回転しかつ引くことにより作られる。
次いで細長い結晶をダイヤモンドのチップの円形のこぎ
りでほぼ50ミクロンの厚さのスライスに切断する。スラ
イスを研磨し、重ね（lap）、化学的に清浄し、そして
円筒形の電気炉を通して動く長い石英管から成る拡散室
内に置く。拡散室内において、結晶を三塩化ホウ素の雰
囲気中で1150℃に加熱する。ホウ素化合物から分解する
元素状ホウ素はシリコンのウェーハの外表面中に拡散
し、こうしてウェーハをドーピングして0.3ミクロンよ
り薄いｐ型層をつくる。端子をつくりかつここで中央に
サンドイッチされたｎ型シリコンを露出するために、さ
らに加工を必要とする。

この方法は小型の電気構成成分の製造には理想的である
が、含まれる工程は太陽電池のパネルの価格を発生する
電力の１キロワット当り12,000ドル以上すなわち（1973
ドル）とする。製造の理想的コストは製造の技術および
大量生産の改善に従い減少されることが期待されるが、
価格は宇宙船のような遠隔地域以外の電力の生成のため
に商業的に使用される太陽電池のパネルについてはなお
数桁大き過ぎる。また、多くの場合において、生産にお
いて消費されるエネルギーは太陽電池の期待される寿命
から回収することができない。

半導体装置、例えば、太陽電池を他の手段により製造す
るいくつかのシステムが提案された。例えば、米国特許
第4,003,770号（Janowieck,et al.）（また、United
States Patent Office Voluntary Protest Progra
m Document No.B 65105）はｐまたはｎドープシリコ
ンを粒子をプラズマ流中に注入し、その中で粒子を蒸発
させることからなる、太陽電池の製造方法を開示してい
る。次いで、加熱された粒子をプラズマ流から基板上へ
排出して多結晶質のシリコンフィルムを形成する。加熱
およびスプレーの間、適当な雰囲気を準備して粒子を囲
んで酸化を防ぐ。しかしながら、米国特許第4,003,770
号は、この技術をシリコンの精製に使用することを示唆
していない。米国特許第2,537,255号（Walter H.Bratt
ain）は、水素と四塩化ケイ素との混合物を使用する、
シリコン光りemf電池のためのシリコンの析出を開示し
ている。しかしながら、この初期の技術はこれらの太陽
電池の製造および冶金学的等級のシリコンの半導体等級
のシリコンへの精製のいずれについても電磁流体力学的
効果を使用することを開示していない。

米国特許第3,916,034号（Tsuchimoto）は、プラズマ流
中の半導体を基板上へ移送する方法を開示している。プ
ラズマは磁場による薄いフィルムの基板上へ向けられ
る。米国特許第3,916,034号は、従来の電磁流体力学的
（magnetogasdynamic）方法の代表である。その電磁流
体力学的方法において、大量の利用効率（mass utilza
tion efficiency）は低く、この方法を大量のシリコン
の精製には無効とする。

また、電磁流体力学的アークを使用する析出システムを
作ることが可能であり、ここで磁気ノズルを磁気コイル
および／または放電の自己磁場によりつくる。この磁気
ノズルはプラズマジェット中の高いイオン濃度を可能と
し、ジェット中のシリコンの分布を良好とする。陽極付
属装置を電磁（ｊ×Ｂ）力の間拡散させるかあるいは急
速に回転させ、陽極を均一に浸食させることができる。
しかしながら、このシステムは「モードの（modal）」
性能を提供し、ここで質量流速の小さい変化はこのシス
テムの電圧の要件に臨界的に影響を及ぼす。このシステ
ムにおいて、陽極と陰極との間の絶縁体は、浸食される
か、あるいはプラズマ装置の作動中に被覆されることに
より放電をショートさせることがある。

したがって、本発明の目的は、シリコンを精製する方法
および装置、とくに冶金学的等級のシリコンをより純粋
な形態のシリコンに精製して半導体等級のシリコンを製
造する方法および装置を提供することである。

本発明の他の目的は、大きい面積の薄いフィルムの形態
の半導体等級の材料を製造し、これによりシリコン光電
太陽電池を作るための安価な基礎製品を提供することで
ある。

本発明のさらに他の目的は、電磁流体力学的技術を用い
てシリコンのような材料を精製する方法を提供すること
である。

したがって、本発明のなお他の目的は、種の分離に従来
の化学的還元法、従来の触媒法、蒸気移送法、レーザー
加熱、微分イオン化法（differential ionization）、
電子ビーム加熱または溶融結晶引上げ法に依存しない、
材料を分離する新規な改良された方法を提供することで
ある。しかしながら、本発明のそれ以上の目的は、選択
的イオン化および磁場の加速による電磁分離の新規な改
良された手段を提供することである。とくに、現在の分
離装置に関してコストが低くかつ運転のための電力が低
い方法および装置を提供することが目的である。

本発明の他の目的は、太陽電池、とくに大きい面積のシ
リコンの太陽電池に使用される大きい面積のシリコンフ
ィルムを、経済的に実施されかつ電力消費が低い方法で
形成する手段を提供することである。

本発明のなお他の目的は、太陽電池の生産コスト、とく
に生産の電力消費のコストが、太陽電池の寿命の間、太
陽電池により生成されることが期待される電力の値によ
りも有意に低い、地球上の用途において使用される太陽
電池のためのシリコンを精製することである。

したがって、本発明は、その１つの面において、材料を
層状に電着により析出して半導体装置を形成する装置に
関する。陰極、陽極、陽極に隣接する加速磁石および収
束磁石からなる電磁流体力学的発生器により、プラズマ
スプレーを真空室内で磁気的に加速する。収束磁石は束
のパターンを有する。プラズマスプレーがプラズマ発生
器から放出されるとき、この束のパターンを回転させて
プラズマスプレーを異る方向に向けることができる。本
発明の１つの面において、材料をプラズマ中に注入して
プラズマ流を発生させる手段が設けられる。これらの注
入される材料は、望ましくない不純物をプラズマスプレ
ー中のシリコンから分離するために使用するキャリヤー
を含むことができる。また、注入される材料は、半導体
のドープ層を析出させるためのドーパントを含むことが
できる。ドープ層は、いかなる所望の厚さであることも
できる。

他の面において、収束磁石をジンバル上に配置して収束
磁石の磁束場を回転させ、これにより材料をターゲット
区域の種々の部分上に均一に析出させることができる。

さらに、本発明の他の面において、装置を使用して基板
を析出した後、半導体材料を析出させる。

なお他の面において、本発明は半導体等級のシリコンの
ような半導体材料を真空の環境において製造する方法に
関する。プラズマを陰極と陽極との間に発生させる。プ
ラズヤ加速磁石を加速し、ターゲット区域上に位置する
析出区域上に収束磁石で収束させる。半導体材料、例え
ば、シリコンをプラズマ中に配置し、これによりプラズ
マ流を形成し、そしてキャリヤー物質をプラズマ流中に
注入して、半導体材料がプラズマ中に存在する間半導体
材料を精製する。

析出区域をターゲット区域に沿って、収束磁石の束の配
向を変化させることにより動かすことができる。

なお他の面において、完成された半導体フィルムをター
ゲット区域からロボット手段により取り出して、引き続
いて、新しいフィルムを形成するごとに真空室をポンピ
ングすることを必要としないで、半導体フィルムを形成
することができる。

なお他の面において、本発明は、半導体等級のシリコン
のような材料を精製する方法、とくに真空の環境を準備
し、そしてプラズマを加速磁石で加速し、収束磁石でタ
ーゲット区域上へ収束することからなるシリコンの精製
に関する。精製すべき材料をプラズマ中に配置し、これ
によりプラズマ流を形成する。キャリヤー物質は精製す
べき材料中の不純物と結合する。したがって、材料はタ
ーゲット区域上へ析出され、同時に材料中に存在する不
純物はキャリヤー物質と一緒に、主としてキャリヤー物
質との化合物として、真空ポンプ手段により除去され
る。適当な材料、例えば、ドーパントの添加により、精
製された材料をプラズマ流中で、材料がターゲット区域
上に析出されるとき、変成することができる。

また、本発明は、アイソトープを優先的に分離する手段
を提供する。また、ほとんどの化合物の分離は精製など
のために実施する。

第１図を参照すると、本発明による電磁流体力学的析出
装置１は真空ハウジング11内に含有されている。電磁流
体力学的析出装置１の上部13内に加速磁石17により取り
囲まれたアーク形成区画15が存在し、そして電磁流体力
学的析出装置１の下部は析出室19を形成する。装置１の
中央部21は収束磁石23により取り囲まれている。析出室
19はアークの真下に位置する。アーク形成区画15内のプ
ラズマは加速磁石17により下方に加速されることができ
る。収束磁石23は25で全体的に表示される細いカラム内
で、プラズマが析出室19へ到達するまで、プラズマを維
持する傾向をもつ。

カラム25内のイオンの一部分が析出室19中へ投射されう
るように、真空ハウジング11内で真空を維持して、プラ
ズマのカラム25内のイオンがアーク形成区画15と析出室
19との間で他の流体により妨害されないようにすること
が必要である。好ましい実施態様において、非常に高い
真空を維持して、圧力が10^-4トル以下にする。10^-10の
真空を維持することが好ましいが、これはとくに実質的
な量のキャリヤー物質を使用する場合非経済的であるこ
とが明らかにされた。これらの高い真空を達成するため
に、従来の定温ポンプおよびイオンポンプを使用して、
低温ポンプとイオンポンプとの組み合わせを使用する。

キャリヤー物質の追加の抽出は、液体窒素−冷却コイル
のアセンブリー31により達成される。コイルのアセンブ
リー31を中央部21に位置させて、プラズマのカラム25を
取り囲む。次いでカラム25内のプラズマから逃げるガス
は、コイルのアセンブリー31上で凝縮する。

第２図に示すように、アーク形成区画15は棒様陰極41と
円筒形陽極43からなる。インゼクター45は陰極に隣接し
て取り付けられており、注入された流体は陰極の上を通
ることができる。アークが陰極41と陽極43との間におい
て確立されたとき、アークの付近の流体はイオン化さ
れ、こうしてイオン化されたプラズマを形成する。

第１図を再び参照すると、アーク形成区画15においてイ
オン化された流体は加速磁石17により加速され、そして
収束磁石23により収束されてプラズマの細かいカラム25
を形成する。しかしながら、インゼクター45により注入
される流体は異るイオン化ポテンシャルの元素および化
合物から構成されているかあるいはそれらを形成する場
合、最高のイオン化ポテンシャルをもつ元素または化合
物は、イオン化される場合、磁力により影響を受け、そ
れゆえプラズマのカラム25内のより低いイオン化ポテン
シャルをもつ元素または化合物と置換する傾向をもつで
あろう。さらに、イオン性化合物よりはむしろ二成分系
化合物が形成される場合、これらの化合物はプラズマ流
からそれら自体非常に急速に分離する傾向がある。こう
して、このような二成分系化合物は急速に抽出されう
る。換言すると、インゼクター45で流体を注入されるこ
とにより形成されたイオンは加速磁石17および収束磁石
23により形成された電磁場の影響のもとにあり、そして
制御された軌道をたどる。電磁場の影響下にない原子は
プラズマ流から自由に拡散して出る。異る軌道は材料の
種を分離する手段を提供する。

異る材料の再使用可能な異るイオン化ポテンシャルのた
め、材料は材料のすべてをイオン化することにより分離
することもできる。生ずるイオンは異る質量およびイオ
ン化ポテンシャルをもち、それゆえ加速磁石17および収
束磁石23の電磁場の影響を受けるとき、異る軌道を有す
るであろう。

後述するように、好ましい実施態様において、四塩化ケ
イ素はインゼクター45を通して注入される主材料であろ
う。元素状シリコンがアーク形成区画において化合物か
ら分離されるようになり、これにより塩素および不純物
含有塩化物が残る。ここで装置は真空ハウジング11内の
分圧（塩素の）は適切に低い値（10^-4）にとどまること
をなお確保する間、塩素をシリコンから分離する技術を
組み込まなくてはならない。シリコンと塩素のイオン化
ポテンシャルは異るため、アークはシリコンを優先的に
イオン化するであろう。シリコンのイオンは加えられた
磁場により捕捉され、そして塩素はイオンの細かいカラ
ム25から拡散して出るであろう。コイルのアセンブリー
31は低温ポンピング塔における主要な機素を構成する。
イオンのカラム25とコイルのアセンブリー31との間にバ
ッフル51が存在する。このバッフル51はコイルのアセン
ブリー31を保護し、かつコイルのアセンブリー31がプラ
ズマの細いビームを乱すのを防止するはたらきをする。

プラズマの細いビーム25が析出室へ入るとき、イオンは
ターゲット53上にイオンの細いビームを残し、こうして
層すなわち半導体装置を形成する。究極的に半導体材料
は装置１の外側で使用されることが望まれるので、半導
体装置、例えば、シリコンはターゲット区域から取り出
し可能でなくてはならない。これを達成するいくつかの
方法が存在する： １、シリコンが接着しない半永久的層または一時的な層
をターゲット区域にわたって配置することができる。こ
の型の材料の１例は窒化ホウ素である。界面温度に依存
して、窒化ホウ素はある程度分解し、そしてホウ素は窒
化ホウ素上に析出したシリコンのフィルム中に拡散する
であろう。これは高度のドーピングを生じ、シリコンの
底面を導電性（ほぼ＝10^-3オーム/cm）とする。これに
より、底面は半導体材料から形成されるであろう半導体
装置のための裏面導体（back conductor）として作用
することができる。

２、耐火材料、例えば、モリブデンまたはタングステン
の再使用可能な支持シート上にシリコンを析出させるこ
とができる。支持体の熱サイクルを適切に制御すること
により、その上に析出されたシリコンは、２種類の材料
の熱膨張の差により、耐火性シートから破壊して開放さ
せることができる。

３、シリコンは高密度の「レーキ（lake）」、すなわ
ち、スズのような低い蒸気圧の液体金属の表面上に析出
させることができる。

シリコンを固体材料上へ析出させる場合（１および２の
場合のように）、ターゲット材料にみぞを刻んで、ター
ゲット材料上に析出する金属結晶の方向をもった生長を
促進させることが望ましいことがある。これらのみぞは
深さが５〜19ミクロン、幅が５〜10ミクロンであり、隣
接みぞ間の中心対中心の分離が10〜15ミクロンであるこ
とができる。これはシリコンの析出間に形成する結晶の
核化中心の整列を促進し、これにより大きい結晶または
さらには単結晶フィルムを生成させる。

ドーパントの注入 ドーパント材料をプラズマ流中に注入して、ドープ層の
深さおよび密度を制御しながら、半導体材料上にドープ
層を形成することが可能である。これはドーパントを主
要な半導体材料と同時に、同一の注入口からあるいは別
々に、注入することにより実施する。こうして、半導体
イオンが析出するとき、プラズマの細かいカラム25内に
配置されるドーパントは、シリコンがターゲット53上へ
析出するとき、シリコン中へ拡散する。

また、前述のように、シリコンを窒化ホウ素上へ析出さ
せるとき、シリコンのホウ素のドーピングは、ことにシ
リコンと窒化ホウ素との間の界面付近において起こる。
支持体およびフィルムの温度はホウ素の濃度およびシリ
コン中へのホウ素の浸透を決定するであろう。

下表はこのシステムにより注入される種々の材料の物理
的性質を記載する。理想的には、注入される材料は液体
の形態である。析出させるべき元素のイオン化ポテンシ
ャルは比較的高く、そしてキャリヤー材料のイオン化ポ
テンシャルは比較的低くあるべきである。材料の融点お
よび沸点は、低温材料をコイルのアセンブリー31に通過
させることにより材料を抽出する目的に対して重要であ
る。

方法の自動化の考察 １つの真空ポンプ−ダウン操作（vacuumpump−down op
eration）で多数平方メートルの半導体等級のシリコン
のフィルムを製造するために、支持体および／またはタ
ーゲット材料を動かすある方法を案出しなくてはならな
い。固体の支持体をターゲット区域に使用する実施態様
において、ターゲット53上に析出される大陽電池のフィ
ルムをターゲット53から取り出し、真空ハウジング11内
に貯蔵し、これにより引き続くフィルムがターゲット53
上に析出されるようにする。

ロボット55を使用して引き続くフィルムをターゲット53
から持ち上げる。次いで、複数の完成されたフィルム57
をロボット55により析出室19内においてターゲット53お
よびプラズマのカラム25から離れたところに貯蔵する。
完成されたフィルム57の貯蔵は装置１が引き続くフィル
ムを連続して析出できるようにさせることが理解できる
であろう。

装置による各フィルムの析出前に、ターゲット53上に予
備成形された支持体（図示せず）をターゲット53に配置
させることも可能である。こうして、完成されたフィル
ム57の各々はそれら自体のための支持体を有し、各支持
体はフィルムとともに持ち上げられるから、あるいは後
にフィルムから分離されることができる。

シリコンが液体金属の表面上に析出される場合におい
て、ロボット55を使用してフィルムを液体の表面に沿っ
て引くことができる。フィルムは連続的に析出され、そ
して切断手段、例えば、レーザー（図示せず）を使用し
てフィルムを所望の長さに裁断し、次いで裁断されたも
のを完成されたフィルム57として貯蔵する。

第４図は、陰極41、陽極43、加速磁石17、収束磁石23及
びターゲツト53の相対的位置関係を示している。

操作 第３図を参照すると、シリコンを精製する方法はシステ
ム中に注入される異る材料、ならびにアーク制御および
プラズマ収束のパラメーターを注意して制御することに
より実施される。圧力制御装置61からの圧力を四塩化ケ
イ素源63へ加える。四塩化ケイ素をアーク形成区画15へ
蒸発器および流れ制御装置65により注入する。水素源77
からの水素を注入して、追加のキャリヤーガスを供給し
て不純物を除去しかつプラマズマスプレーの形成を促進
することができる。アーク形成区画15において形成され
る種々のガスは真空ポンプ区画79において抜き出され
る。アーク形勢区画15から放出されるイオンは優先的に
イオン化されて、ブロック81により表わされる工程にお
いてターゲット53（第１図）に析出されるべきシリコン
および他の材料を向ける。これは真空ポンプ区画79なら
びに収束磁石23によりなされるガス放出により達成され
る。収束磁石は、工程83により表わされるように、析出
室19内のターゲット53へイオンを向ける。工程85におい
て、支持体を準備してイオンのカラム25を受ける。この
工程は支持体を熱加工して、適切な温度において支持体
を、必要に応じて、析出した材料へ接着させるかあるい
はそれから徐々に分離させる。これはブロック87により
支持体の加工の一部分として表わされている。イオン
は、ターゲットへ衝突すると、工程89で表わされる結晶
質フィルムを形成する。77において供給される水素を使
用してプラズマを形成し、シリコンを熱加工し、かつシ
リコン層を受容するようにシリコンを準備することがで
きる。これはブロック91で表わされている。

最後の処理はブロック97において実施される。この処理
は薄いヒ素の層を析出して、得られる光電池の感光特性
を改良することを包含できる。最後に工程99において、
最後のシリコンフィルムが形成した後、完成されたフィ
ルム57を析出室19から取り出す。

磁石の統合 大きい面積のフィルム支持体を望む場合、ターゲット53
をプラズマの細いカラム25に関して統合することが必要
である。この統合（articulation）は、プラズマのカラ
ム25を単に拡散できるようにするよりも大きいスプレー
のパターンをターゲット53上に提供する。

前述のように、プラズマの細いカラム25を液体金属の支
持体上へ収束する場合において、ロボット55を使用して
析出した材料を液体金属の「レーキ」に沿って引き、こ
うしてプラズマの細いカラム25に関してターゲット53を
効果的に取り出すことができる。

しかしながら、固体の支持体を使用するとき、ターゲッ
ト53またはプラズマのカラム25を動かすことが必要であ
る。ターゲット53を特定した位置に保持しようとする場
合、プラズマの細いカラム25は収束磁石23の磁場をシフ
トさせることにより統合することができる。これは収束
磁石23の統合部分101を設けることにより達成すること
ができる。統合部分101は収束磁石23の一部分として機
能するが、その磁石の軸をシフトさせるかあるいはその
束のパターンをシフトさせて、プラズマがターゲット53
へ到達するとき、プラズマの細いビーム25を角度的にそ
らすことができる。これは統合部分101の一部分を選択
的に活かすか、あるいは統合部分101をジンバル装置上
で物理的に回転させることにより実施することができ
る。

本発明を好ましい実施態様であると信じられるものを記
憶したが、それ以上の変更を行って電磁流体力学的精製
技術の操作効率を増大することが考えられる。例えば、
サンドイッチに似た方式でフィルムの間に可動の支持体
または使い捨ての支持体を配置させてターゲット53上に
複数のシリコンフィルムを析出させることが可能であ
る。他の元素状半導体、例えば、ゲルマニウムをシリコ
ンの代わりに使用することができる。したがって、本発
明は好ましい実施態様に従い説明されたが、それにより
限定されない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による電磁流体力学的装置の略図であ
る。 第２図は、本発明の好ましい実施態様のアーク形成区域
の略図である。 第３図は、本発明による半導体フィルムを形成する方法
を表わすブロック線図である。 第４図は、陰極、陽極、加速磁石、収束磁石及びターゲ
ツトの相対的位置関係を示す略図である。 １……電磁流体力学的析出装置 11……真空ハウジング 13……上部 15……アーク形成区画、ホール電流加速装置、冷たいシ
リコンまたは熱いタングステンの陽極 17……加速磁石 19……析出室 21……中央部 23……収束磁石 25……細いカラム 31……液体窒素−冷却コイルのアセンブリー 41……棒様陰極 43……円筒形陽極 45……インゼクター 51……バッフル 53……ターゲット 55……ロボット 57……完成されたフィルム 61……圧力制御装置 63……四塩化ケイ素源 65……蒸発器＋ソニックオリフィスまたは質量流検知手
段装置 77……水素源、H₂槽 79……真空ポンプ区画、低温ポンプ、支持体におけるバ
ックグラウンド＜10^-4 81……微分イオン化＋場内のシリコンの捕捉 83……ビームの直径＋低温ポンプを通って析出室へ入る
チャンネルのイオンの調整 85……支持体の処理 87……支持体の熱処理 89……シリコンフィルムを析出させて大きい多結晶10〜
30μを形成する 91……シリコンフィルムをH₂で熱処理する 97……被膜の析出 99……完成されたフィルムの取り出し 101……収束磁石の統合部分

Claims (48)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】真空中で磁気的に加速されたプラズマスプ
   レーを使用することにより半導体材料を精製する装置で
   あって、 ａ） 真空室および関連する真空ポンプ装置； ｂ） 電磁流体力学的ホール効果のプラズマ発生器、こ
   こでこのプラズマ発生器は 軸を有する陰極、 軸を有する陽極、 該陰極及び陽極は相互に間隔をへだてて軸を共通にして
   配置されており、該陽極は陰極に隣接した側面と、陰極
   の反対側の側面を有する、 該陰極及び陽極と共軸の軸を有する加速磁石、 該加速磁石は陰極の少なくとも一部の周り、及び陽極の
   少なくとも一部の周りにそれらから間隔をへだてて配置
   されている、及び 陽極、陰極及び加速磁石と共軸の軸を有する収束磁石、 該収束磁石の少なくも一部は該陽極の陰極とは反対の側
   で軸方向に延びている、 を具備し； ｃ） プラズマ発生器の支持構造体、ここでこの支持構
   造体は真空室内において前記プラズマ発生器を支持して
   いる； ｄ） 前記プラズマ発生器に電力を供給する手段、ここ
   でこの電力は主として直流であり、そして電力は前記プ
   ラズマ発生器にプラズマを発生することができるように
   させる； ｅ） ターゲツト表面、ここでこのターゲツト表面は収
   束磁石の陰極および陽極とは反対の側で収束磁石の軸上
   に位置している； ｆ） 材料をプラズマ中に注入してプラズマ流を発生さ
   せる手段； ｇ） 外部から真空室内に接近可能とする改め口、ここ
   でこの改め口は密封手段を有し、それによって前記注入
   された材料は前記プラズマ発生器により優先的にイオン
   化され、これにより材料中の不純物はプラズマ流中に存
   在する間に分離される； からなることを特徴とする装置。
2. 【請求項２】材料をプラズマ中に注入する手段はキヤリ
   ヤー材料を受け取ることができ、前記キヤリヤー材料は
   プラズマ流中の半導体材料中に存在する不純物と結合し
   て、半導体材料がターゲツト区域において析出する前
   に、半導体材料から不純物を分離するために有効であ
   り、こうして半導体材料は析出前の半導体材料の純度よ
   り大きい純度の状態で析出することができる特許請求の
   範囲第１項記載の装置。
3. 【請求項３】材料をプラズマ中に注入する手段はさらに
   ドーパント材料を注入することができ、これにより前記
   ドーパント材料は、半導体材料がターゲツト区域へ適用
   されるとき、半導体材料へ適用される特許請求の範囲第
   ２項記載の装置。
4. 【請求項４】ドーパントはキヤリヤー材料と混合される
   特許請求の範囲第３項記載の装置。
5. 【請求項５】ロボツト手段をさらに含み、そしてこのロ
   ボツト手段は材料をターゲツト区域へ動かしかつそこか
   ら取り出すために操作することができる特許請求の範囲
   第２項記載の装置。
6. 【請求項６】陰極は熱イオン陰極である特許請求の範囲
   第５項記載の装置。
7. 【請求項７】元素状シリコンを、装置の運転の間に、プ
   ラズマ発生器中に液体として注入する特許請求の範囲第
   ２項記載の装置。
8. 【請求項８】材料を注入する手段は材料を陰極に隣接さ
   せて注入する特許請求の範囲第２または３項記載の装
   置。
9. 【請求項９】陰極は熱イオン陰極である特許請求の範囲
   第１または３項記載の装置。
10. 【請求項１０】装置の運転の間にシリコンをプラズマ発
    生器へ注入する特許請求の範囲第１または２項記載の装
    置。
11. 【請求項１１】シリコンは液体化合物として注入される
    特許請求の範囲第10項記載の装置。
12. 【請求項１２】シリコンは陽極に注入される特許請求の
    範囲第10項記載の装置。
13. 【請求項１３】シリコンは陰極に注入される特許請求の
    範囲第10項記載の装置。
14. 【請求項１４】真空ポンプ装置は低温真空ポンプおよび
    イオン真空ポンプ装置からなる特許請求の範囲第１また
    は２項記載の装置。
15. 【請求項１５】注入される材料はシリコンからなり、そ
    して優先的イオン化および半導体材料からの不純物の分
    離はターゲット表面に析出される半導体等級のシリコン
    を生成する特許請求の範囲第１項記載の装置。
16. 【請求項１６】コイルアセンブリーがプラズマ流から逃
    げる材料を凝縮させるために設けられている特許請求の
    範囲第１または15項記載の装置。
17. 【請求項１７】プラズマ発生器は加速磁石により取り囲
    まれており、この加速磁石はプラズマを加速し、これに
    よりプラズマ中の材料はプラズマ発生器から離れる方向
    に移送される特許請求の範囲第１または15項記載の装
    置。
18. 【請求項１８】真空中で磁気的に加速されたプラズマス
    プレーにより半導体接合装置の形成に使用する半導体金
    属を精製する装置であって、 ａ） 真空室および関連する真空ポンプ装置； ｂ） 電磁流体力学的ホール効果のプラズマ発生器、こ
    こでこのプラズマ発生器は、 熱イオン陰極と、 陽極と、 前記陰極に隣接して位置する加速磁石と、 収束磁石、ここでの収束磁石の少なくとも一部分は該陽
    極の陰極とは反対の側に位置している、 を具備し； ｃ） プラズマ発生器の支持構造体、ここでこの支持構
    造体は真空室内において前記プラズマ発生器を支持して
    いる； ｄ） 前記プラズマ発生器に電力を供給する手段、ここ
    でこの電力は主として直流であり、そして電力は前記プ
    ラズマ発生器に前記熱イオン陰極からのイオンを有する
    プラズマ流を発生することができる； ｅ） 半導体材料を前記プラズマ発生器へ供給する手
    段、ここでこの半導体材料は半導体に要求される純度よ
    り低い純度を有する； ｆ） ターゲツト区域、ここでこのターゲツト区域は真
    空室内に位置し、これによりプラズマ流は前記プラズマ
    発生器により排出され、次いで前記プラズマ流中の材料
    はターゲット区域において析出することができる； ｇ） キヤリヤー材料をプラズマ流中に注入する手段； ｈ） 真空室の改め口、ここでこの改め口は真空室の外
    部から真空室内に接近可能としかつ密閉手段を有し、こ
    こで前記キヤリヤー材料は、前記キヤリヤー材料および
    半導体材料がプラズマ流中に存在するとき、半導体材料
    中の不純物と結合し、そして前記材料は優先的にイオン
    化され、これにより不純物は前記材料がプラズマ流中に
    存在する間に半導体材料から分離される； からなることを特徴とする装置。
19. 【請求項１９】ロボツト手段をさらに含み、ここでこの
    ロボツト手段は材料をターゲツト区域へ動かしかつそこ
    から取り出すために操作することができる特許請求の範
    囲第18項記載の装置。
20. 【請求項２０】半導体材料はシリコンであり、そしてシ
    リコンは陽極に注入される特許請求の範囲第18項記載の
    装置。
21. 【請求項２１】半導体材料はシリコンであり、そしてシ
    リコンは陰極に隣接して注入される特許請求の範囲第18
    項記載の装置。
22. 【請求項２２】真空ポンプ装置は低温真空ポンプおよび
    イオン真空ポンプ装置からなる特許請求の範囲第18項記
    載の装置。
23. 【請求項２３】プラズマ発生器へ供給される半導体材料
    は冶金学的等級のシリコンであり、そして優先的イオン
    化および半導体材料からの不純物の分離はターゲット区
    域に析出される半導体等級のシリコンを生成する特許請
    求の範囲第18項記載の装置。
24. 【請求項２４】コイルアセンブリーはプラズマ流から逃
    げる材料を凝縮させるために設けられている特許請求の
    範囲第18または23項記載の装置。
25. 【請求項２５】プラズマ発生器は加速磁石により取り囲
    まれており、この加速磁石はプラズマを加速し、これに
    よりプラズマ中の材料はプラズマ発生器から離れる方向
    に移送される特許請求の範囲第18または23項記載の装
    置。
26. 【請求項２６】真空中で磁気的に加速されたプラズマス
    プレーにより半導体接合装置の形成に使用する半導体金
    属を精製する装置であって、 ａ） 真空室および関連する真空ポンプ装置； ｂ） 電磁流体力学的プラズマ発生器、ここでこのプラ
    ズマ発生器は、 軸を有する陰極、 軸を有する陽極、 該陰極及び陽極は相互に間隔をへだてて軸を共通にして
    配置されており、該陽極は陰極に隣接した側面と、陰極
    の反対側の側面を有する、 該陰極及び陽極と共軸の軸を有する加速磁石、 該加速磁石は陰極の少なくとも一部の周り、及び陽極の
    少なくとも一部の周りにそれらから間隔をへだてて配置
    されている、及び 陽極、陰極及び加速磁石と共軸の軸を有する収束磁石、 該収束磁石の少なくも一部は該陽極の陰極とは反対の側
    で軸方向に延びている、 を具備し； ｃ） プラズマ発生器の支持構造体、ここでこの支持構
    造体は真空室内において前記プラズマ発生器を支持して
    いる； ｄ） 前記プラズマ発生器に電力を供給する手段、ここ
    でこの電力は主として直流であり、そして電力は前記プ
    ラズマ発生器にプラズマを発生することを可能とする； ｅ） ターゲツト表面、ここでこのターゲツト表面は収
    束磁石の陰極および陽極とは反対側で収束磁石の軸上に
    位置する； ｆ） 材料をプラズマ中に供給してプラズマ流を発生さ
    せる手段； ｇ） 外部から改め室の内部に接近可能とする改め口、
    ここでこの改め口は密封手段を有する； ｈ） コイルアセンブリー、ここでこのコイルアセンブ
    リーは前記収束磁石内に実質的に同心的に位置しかつ前
    記プラズマから逃げるガスを冷却しこれにより前記ガス
    を凝縮する；および ｉ） バツフルアセンブリー、ここでこのバツフルアセ
    ンブリーは前記コイルアセンブリー内に実質的に同心的
    に位置しかつ前記プラズマを取り囲んで前記コイルアセ
    ンブリーを前記プラズマから保護しかつ前記プラズマか
    ら分離する； からなることを特徴とする装置。
27. 【請求項２７】真空中で磁気的に加速されたプラズマス
    プレーにより半導体接合装置の形成に使用する半導体金
    属を精製する装置であって、 ａ） 真空室および関連する真空ポンプ装置； ｂ） 電磁流体力学的プラズマ発生器、ここでこのプラ
    ズマ発生器は、 軸を有するイオン陰極、 軸を有する陽極、 該陰極及び陽極は相互に間隔をへだてて軸を共通にして
    配置されており、該陽極は陰極に隣接した側面と、陰極
    の反対側の側面を有する、 該陰極及び陽極と共軸の軸を有する加速磁石、 該加速磁石は陰極の少なくとも一部の周り、及び陽極の
    少なくとも一部の周りにそれらから間隔をへだてて配置
    されている、及び 陽極、陰極及び加速磁石と共軸の軸を有する収束磁石、 該収束磁石の少なくとも一部は該陽極の陰極とは反対の
    側で軸方向に延びている、 を具備し； ｃ） プラズマ発生器の支持構造体、ここでこの支持構
    造体は真空室内において前記プラズマ発生器を支持して
    いる； ｄ） 前記プラズマ発生器に電力を供給する手段、ここ
    でこの電力は主として直流であり、そして電力は前記プ
    ラズマ発生器に前記熱イオン陰極からのイオンを有する
    プラズマを発生することを可能とする； ｅ） ターゲツト区域、ここでこのターゲツト区域は真
    空室内に位置し、これによりプラズマ流は前記プラズマ
    発生器により排出され、次いで前記プラズマ流中の材料
    はターゲツト区域において析出することができる； ｆ） 材料をプラズマ流中に注入する手段； ｇ） 真空室の改め口、ここでこの改め口は真空室の外
    部から真空室内に接近可能としかつ密閉手段を有する； ｈ） コイルアセンブリー、ここでこのコイルアセンブ
    リーは前記収束磁石内に実質的に同心的に位置しかつ前
    記プラズマから逃げるガスを冷却しこれにより前記ガス
    を凝縮する；および ｉ） バツフルアセンブリー、ここでこのバツフルアセ
    ンブリーは前記コイルアセンブリー内に実質的に同心的
    に位置しかつ前記プラズマを取り囲んで前記コイルアセ
    ンブリーを前記プラズマから保護しかつ前記プラズマか
    ら分離する； からなることを特徴とする装置。
28. 【請求項２８】真空中で磁気的に加速されたプラズマス
    プレーにより金属を精製する装置であって、 ａ） 真空室； ｂ） 電磁流体力学的プラズマ発生器、ここでこのプラ
    ズマ発生器は、 １） 軸を有する陰極、 ２） 軸を有する陽極、 該陰極及び陽極は相互に間隔をへだてて軸を共通にして
    配置されており、該陽極は陰極に隣接した側面と、陰極
    の反対側の側面を有する、 ３） 該陰極及び陽極と共軸の軸を有する加速手段、 該加速手段は陰極の少なくとも一部の周り、及び陽極の
    少なくとも一部の周りにそれらから間隔をへだてて配置
    されている、及び ４） 陽極、陰極及び加速手段と共軸の軸を有する収束
    手段、 該収束手段の少なくとも一部は該陽極の陰極とは反対の
    側で軸方向に延びている、 ５） 前記プラズマ発生器は前記真空室内において支持
    されている； を具備する； ｃ） 前記プラズマ発生器に電力を供給し、これにより
    前記プラズマ発生器にプラズマ流を発生することを可能
    とする手段； ｄ） 真空室内に位置して前記プラズマ流中に含有され
    る材料を受け取るターゲツト区域； ｅ） 材料をプラズマ流中に注入する手段；および ｆ） コイルアセンブリー、ここでこのコイルアセンブ
    リーは前記プラズマ流に関して取り囲まれて位置しかつ
    前記プラズマから逃げるガスを冷却し、これにより前記
    ガスを凝縮する； からなることを特徴とする装置。
29. 【請求項２９】前記陰極は熱イオン陰極からなる特許請
    求の範囲第28項記載の装置。
30. 【請求項３０】前記プラズマ加速手段は磁石からなる特
    許請求の範囲第28項記載の装置。
31. 【請求項３１】前記プラズマ収束手段は磁石からなる特
    許請求の範囲第28または30項記載の装置。
32. 【請求項３２】前記電力は主として直流からなる特許請
    求の範囲第28項記載の装置。
33. 【請求項３３】真空室の改め口をさらに含み、ここでこ
    の改め口は真空室の外部から真空室内に接近可能としか
    つ密閉手段を含む特許請求の範囲第28または32項記載の
    装置。
34. 【請求項３４】バツフルアセンブリーをさらに含み、こ
    こでこのバツフルアセンブリーは前記コイルアセンブリ
    ー内に実質的に同心的に位置しかつ前記プラズマ流を取
    り囲んで前記コイルアセンブリーを前記プラズマ流から
    保護しかつ前記プラズマ流から分離する特許請求の範囲
    第28項記載の装置。
35. 【請求項３５】前記コイルアセンブリーは前記収束手段
    内に実質的に同心的に位置する特許請求の範囲第28また
    は34項記載の装置。
36. 【請求項３６】前記収束手段は磁石からなる特許請求の
    範囲第35項記載の装置。
37. 【請求項３７】前記加速手段は磁石からなる特許請求の
    範囲第36項記載の装置。
38. 【請求項３８】半導体材料を精製する方法であって、 ａ） 真空の環境を準備し； ｂ） 陽極と陰極との間にプラズマを確立し； ｃ） プラズマを加速磁石で加速し； ｄ） 半導体金属を含有する物質をプラズマ中に配置
    し、これによりプラズマ流を形成し、 ｅ） プラズマ流を収束磁石で析出区域上へ収束し； ｆ） キヤリヤー物質をプラズマ流中に注入し、ここで
    このキヤリヤー物質はプラズマ流中の半導体材料中に存
    在する不純物と化学的に結合し、これにより半導体金属
    は前記析出前にプラズマ流中の不純物から解離される； ことを特徴とする方法。
39. 【請求項３９】半導体材料をプラズマ中へ注入する特許
    請求の範囲第38項記載の方法。
40. 【請求項４０】半導体材料を液体の形態の元素として注
    入する特許請求の範囲第39項記載の方法。
41. 【請求項４１】半導体材料をプラズマ中に熱イオン陰極
    の形態で配置する特許請求の範囲第38項記載の方法。
42. 【請求項４２】半導体材料はシリコンである特許請求の
    範囲第38項記載の方法。
43. 【請求項４３】シリコンを精製する方法であって、 ａ） 真空の環境を準備し； ｂ） 陰極と陽極との間にプラズマを確立し； ｃ） プラズマを加速磁石で加速し； ｄ） プラズマをターゲツト区域に位置する析出区域上
    へ収束磁石で収束し； ｅ） 半導体材料をプラズマ中に配置し、これによりプ
    ラズマ流を形成し； ｆ） キヤリヤー物質をプラズマ流中に注入し、ここで
    このキヤリヤー物質はプラズマ流中の半導体材料中に存
    在する不純物と化学的に結合し； ｇ） キヤリヤー物質および不純物を真空室から真空
    ポンプにより抜き出す； ことを特徴とする方法。
44. 【請求項４４】陰極を前記半導体材料から作られた熱イ
    オン陰極として形成することにより、半導体材料をプラ
    ズマ中に配置する特許請求の範囲第43項記載の方法。
45. 【請求項４５】半導体材料を注入手段によりプラズマ中
    に配置する特許請求の範囲第43項記載の方法。
46. 【請求項４６】真空ポンプは低温ポンプとイオンポンプ
    との組み合わせからなる特許請求の範囲第43または45項
    記載の方法。
47. 【請求項４７】半導体材料はシリコンである特許請求の
    範囲第45項記載の方法。
48. 【請求項４８】ドーパントをプラズマ流中に選択的に注
    入する工程をさらに含み、これにより精製されたシリコ
    ンがドープ層を有するようにする特許請求の範囲第47項
    記載の方法。