CN102187018A

CN102187018A - 晶体生长装置及晶体生长方法

Info

Publication number: CN102187018A
Application number: CN2009801413583A
Authority: CN
Inventors: 堀冈佑吉
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp; Mitsubishi Materials Techno Corp
Priority date: 2008-11-25
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2011-09-14
Also published as: TW201026912A; EP2302109B1; TWI422716B; EP2302109A4; US20110174214A1; EP2302109A1; WO2010061560A1; KR20100059691A; KR101153907B1; JP4307516B1; CA2739708A1; JP2010126377A

Abstract

本发明提供使石英坩埚的较长期使用成为可能而且能够改善工作效率的晶体生长装置及晶体生长方法。本发明的晶体生长装置包括具有石英坩埚的晶体生长炉、原料熔融炉、从所述原料熔融炉向所述石英坩埚重复供给熔融原料的供给单元。所述晶体生长炉具有供给所述熔融原料的供给口，所述供给口也可以相对于所述原料熔融炉连接分离自如。另外，在所述原料熔融炉的周围也可以配置有多个所述晶体生长炉。并且，所述原料熔融炉也可以具有不熔解物质分离单元。另外，本发明的晶体生长方法中向石英坩埚填充预先熔化的熔融原料。在本发明的晶体生长方法中，也可以在所述填充之前从所述熔融原料除去不熔解物质。

Description

晶体生长装置及晶体生长方法

技术领域

本发明涉及作为半导体材料、太阳能电池使用的硅的晶体生长装置及晶体生长方法。

背景技术

作为半导体用的硅晶体生长方法，广泛使用切克劳斯基(Czochralski)法(CZ法)及垂直梯度凝固法(VGF法)。该CZ法或垂直梯度凝固法(VGF法)在进行大口径晶体的生长方面具有优势，但是从节约资源、节能的观点考虑存在一些问题。并且，作为这样的问题中的一个，可以举出需要频繁更换每一批次的石英坩埚的问题。即，在CZ法或垂直梯度凝固法(VGF法)中，将填充于石英坩埚内的多晶硅熔解，并从该熔融液制造硅晶体，但石英坩埚的内表面暴露于高温的硅熔融液并发生老化，因此每制成一个或数个硅晶体都需要进行更换。

因此，设计了降低石英坩埚的老化、或使能够从一个石英坩埚生产的硅晶体的数目增加等降低石英坩埚的更换频率的方法。并且，作为这样的方法有例如日本特开2000-247788号公报(专利文献1)所公开的单晶硅的制造方法、日本特开2004-338978号公报(专利文献2)所公开的单晶硅提拉法。

根据上述专利文献1所公开的制造方法，通过对石英坩埚内的硅熔融液施加磁场，能够抑制石英坩埚内表面的老化，从而延长石英坩埚的寿命。并且，能够将使用石英坩埚制造硅晶体的时间长期稳定在100小时以上。

另外，根据专利文献2所公开的单晶硅提拉法，不是重复进行利用现有的再装料方法所进行的在每次提拉结束后打开提拉室并取出晶体的操作，而是能够从一个石英坩埚重复进行再装料并同时连续提拉硅晶体。另外，能够省略如现有的在每次晶体提拉结束时进行的开闭闸阀的操作和取出提拉晶体的操作，与现有技术相比工作效率提高，并且能够防止由上述开闭及取出操作造成的炉内污染，并能够进一步提高合格率。

专利文献1：日本特开2000-247788号公报

专利文献2：日本特开2004-338978号公报

发明内容

石英是坚硬的矿物，因此从机械强度方面考虑，理论上也能够较长期地使用，并且能够较长期地使用可以说是社会的要求。但是，石英坩埚只要存在在硅的熔解温度下保持的时间，就是在晶体制造工序中最高温度区域下使用，因此与硅熔融液的界面、特别是熔融液表面的接触部上的侵蚀增多，即使是上述专利文献1或专利文献2所公开的方法也不能充分降低石英坩埚的更换频率。

另一方面，现有方法中除石英坩埚的更换频率高这样的问题外，还存在工作效率差这样的问题。例如，进行太阳能电池用的垂直梯度凝固的VGF法中存在的问题是，制造晶体时在使硅熔融的期间不能使晶体生长，从而浪费了该熔融时间。另外，垂直梯度凝固法(VGF法)在熔解时有可能产生大型坩埚的变形或破损，不能除去不熔解物质。

因此，本发明的目的在于提供使石英坩埚的较长期的使用成为可能，而且能够改善工作效率的晶体生长装置及晶体生长方法。另外，目的在于，在垂直梯度凝固法(VGF法)中，抑制熔解时大型坩埚的变形或破损，事前制作并供给熔融物，由此提高炉的安全和工作效率，并在除去不熔解物质后进行晶体生长。

本发明的晶体生长装置包括具有石英坩埚的晶体生长炉、原料熔融炉及从所述原料熔融炉向所述石英坩埚重复供给熔融原料的供给单元。

所述晶体生长炉也可以具有供给所述熔融原料的供给口，所述供给口相对于所述原料熔融炉连接分离自如。

在所述原料熔融炉的周围也可以配置有多个所述晶体生长炉。

所述原料熔融炉也可以具有不熔解物质分离单元。

本发明的晶体生长方法中向石英坩埚填充预先熔化的熔融原料。

在本发明的晶体生长方法中，也可以在所述填充之前从所述熔融原料除去不熔解物质。

发明效果

根据本发明的晶体生长装置及晶体制造方法，石英坩埚不使用于熔融用于生成晶体的原料，只接受预先熔化的熔融原料，因此内面不会损伤。即，无需接近石英的软化点温度来熔解多晶体原料，连石英的变形也少。另外，现有的再装料方法中伴随有熔解固体原料硅的无效时间，但是，本发明中能够在短时间内转移至晶体生长作业，因此能够更长期地使用石英坩埚，而且能够改善工作效率。

另外，向石英坩埚填充熔融原料前，若从那里除去伴随有杂质的不熔解物质，则在对原料进行再利用的情况下，也能够防止由不熔解物质混入熔融原料而造成的结晶不良。因此，能够降低由原料中的不熔解物质造成的晶体品质下降、晶体崩解，能够使用低成本原料并且能够长期使用石英坩埚。

并且，在本发明的晶体生长装置中，若晶体生长炉具有相对于原料熔融炉连接分离自如的供给口，则晶体生长炉和原料熔融炉能够保持仅在向石英坩埚供给熔融原料时结合并在其以外的时间分离的状态。因此，能够更准确地进行晶体生长炉中的压力管理，并能够更长期地使用石英坩埚。

并且，若在原料熔融炉的周围配置多个具有相对于原料熔融炉连接分离自如的供给口的晶体生长炉，则多个晶体生长炉能够同时工作，从而能够更加改善整个装置的工作效率。

附图说明

图1是表示本发明的晶体生长装置的概略构成并且处于结合状态的晶体提拉炉和原料熔融炉的侧视图。

图2是表示晶体提拉炉和原料熔融炉的配置关系的俯视图。

图3是表示本发明的晶体生长装置的其它实施例的概略构成并且处于结合状态的晶体提拉炉和原料熔融炉的侧视图。

标号说明

1 石英坩埚

2、12真空腔室

3 熔融原料

4 晶体

5 主闸阀

6 副闸阀

7 提拉机构

10 原料熔融炉

11 熔融坩埚

13 料斗

14 供给路

15 闸阀

20 供给装置

21 蛇管结构部

22 供给管

23 架台

30 引导件

31 监视窗

具体实施方式

图1及图2中表示本发明的晶体生长装置的主要部分的概略构成。图1是表示处于结合状态的晶体提拉炉和原料熔融炉的侧视图，图2是表示晶体提拉炉和原料熔融炉的配置关系的俯视图。另外，为了易于理解并便于说明装置的概略，各部分的大小及形状在各图中进行了适宜调整，有在各图之间不一致的情况。

该装置具有进行基于CZ法的晶体提拉的四个晶体提拉炉9。该晶体提拉炉9由石英坩埚1和容纳该石英坩埚1的真空腔室2构成，能够在氦气、氩气等惰性气体的气氛中进行保持熔融原料3、提拉晶体4的操作。真空腔室2中设置有在取出被提拉的晶体4和向石英坩埚1填充原料时进行开闭的主闸阀5及副闸阀6。另外，在真空腔室2的内部设置有晶体4的提拉机构7。

另外，该装置具有原料熔融炉10。原料熔融炉10由熔融坩埚11和容纳该熔融坩埚11的真空腔室12构成，能够在氦气、氩气等惰性气体的气氛中使晶体的原料在熔融坩埚11中熔化。另外，在熔融坩埚11的上方设置有用于向熔融坩埚11供给固形原料(多晶硅等)的料斗13，固形原料经由从该料斗13的下部伸出的供给路14被供给至熔融坩埚11。另一方面，原料熔融炉10的真空腔室12具有如下结构：设置有用于填充固形原料的闸阀15，在料斗内的固形原料变少时通过该闸阀15补充原料。另外，闸阀15具有用于在补充原料时不使炉内气氛恶化的未图示的气闸结构。

如图2所示，所述晶体提拉炉9以原料熔融路10为中心并在其周围以等间隔的方式进行配置。并且，在晶体提拉炉9和原料熔融炉10之间设置有熔融原料3的供给装置20。供给装置20由以气密方式连结晶体提拉炉9和原料熔融炉10的蛇管结构部21、和在蛇管结构部21内从熔融坩埚3到达石英坩埚1的供给管22构成。供给管22是在透明石英管的外周卷绕有加热线圈并由绝热材料覆盖而成，在原料熔融炉10的内部以在铅直方向及水平方向(图1的箭头方向)上自如移动的方式由架台23支撑。此时，原料熔融炉10也可以是能够在晶体生长炉方向上移动的结构。另外，在蛇管结构部21的晶体生长炉9一侧的端部具有未图示的切断功能(相当于本发明的供给口)例如隔离阀，所述切断功能用于在供给管22容纳于原料熔融炉10内部的状态下将晶体提拉炉9和原料熔融炉10隔离。并且，具有使原料熔融炉10旋转一定角度而能够向四个晶体提拉炉9的每一个供给熔融原料3的结构。此时，也能够在连接时通过形成气闸结构而自如地连结或分离。

而且，在晶体提拉炉9和原料熔融炉10的每一个中都设置有用于调整炉内的废气量的未图示的减压阀，形成能够通过改变该减压阀的开闭量来调整炉内压力的结构。

使用了由上述结构构成的晶体生长装置的晶体生长方法，能够通过以下的步骤来实施。

首先，在进入使晶体生长的工序前，在原料熔融炉10中使原料熔化，制造熔融原料3。在该熔融原料3的制造工序中，打开闸阀15向料斗13填充固形原料后关闭闸阀15。并且，通过在惰性气体气氛下加热熔融坩埚11能够制造熔融原料3。另外，在熔融原料的制造工序中，将原料熔解炉10的压力设定成与通常晶体生长时相比较高，例如，设定为25Tor至650Tor。这样通过将通常晶体生长的压力条件设定得较高，能够改善来自加热器的传热。另外，若在25Tor以下为了进行短时间熔融而进行高温加热，则产生突沸现象的可能性高，因而不优选。通过所述减压阀来调整压力。

制造熔融原料3后，接着，向石英坩埚11供给。该供给作业中，首先，经由蛇管结构部21将原料熔融炉10与预先减压且成为惰性气体气氛的晶体提拉炉9连接。连接晶体提拉炉9和原料熔融炉10后，调整压力以使原料熔融炉10和晶体提拉炉9的炉内压力、气氛条件变得相同。然后，打开隔离阀并使架台23活动来进行调整，以形成供给管22的一端浸入熔融坩埚11的熔融原料3中的状态、和另一端配置于石英坩埚1内的状态。此时，进行调整以使熔融坩埚11处于比石英坩埚1高的位置，并利用两坩埚1、11的高低差从熔融坩埚11向石英坩埚1供给熔融原料3。在供给管22的透明石英管为硅的情况下，优选保持为约1000℃至约1420℃。供给结束后，再次使架台23活动，使整个供给管22成为容纳于蛇管机构部21中的状态，并关闭隔离阀。并且，使原料熔融炉10旋转，对其它晶体提拉炉9也进行同样的供给。

另外，晶体提拉炉9的压力，为了形成能够顺利地进行成为晶体中形成不连续部的原因的SiO的生成的排气的减压状态，优选调整至10Tor至30Tor的减压等级。因此，将原料熔融炉10与晶体提拉炉9连结时，使原料熔融炉10的炉内压力与晶体提拉炉9一侧的炉内压力一致，以在两炉9、10之间不产生压力差，使得在基于炉间压力差的隔离阀的开闭时不产生炉间的紊流。因此，在确认两炉9、10的压力变为相同之后，使隔离阀开闭。

向石英坩埚1供给熔融原料3后，接着，生成晶体4。该晶体生成工序中，使用设置于真空腔室2内部的提拉机构7，从熔融原料3提拉晶体4。另外，该内容与公知的CZ法相同，因此省略详细说明。另外，晶体提拉炉9也可以是进行垂直梯度凝固法(VGF法)的垂直梯度凝固炉(VGF炉)。在该情况下也能够降低使晶体生长坩埚变形或破损的事故，并可容易地缩短熔解时间、进行安全作业。

晶体4的生成结束后，最后，回收晶体4。在该回收工序中，通过关闭真空腔室2的副闸阀6，能够在保持石英坩埚1为惰性气体气氛的状态下从真空腔室2取出晶体4。

以后，通过重复进行晶体生成工序和供给工序，能够在长期使用石英坩埚1的同时制造晶体4。

熔融原料3通常通过熔化多晶体的固体原料获得，但由于对熔融原料3要求极高的纯度，因此优选作为其原料的固体原料的纯度也尽可能地高。但是，也存在将加工晶体4时产生的碎屑等再利用的情况等固体原料的纯度不得不降低的状况。这样的情况下，从熔融坩埚11除去含有杂质的不熔解物质后向石英坩埚1供给即可。

图3中表示用于除去不熔解物质的原理。由于不熔解物质漂浮于熔融原料3的表面，因此，通过设置用于从熔融坩埚11的表面使不熔解物质流出的引导件30，能够极容易地除去不熔解物质。此时，为了确认不熔解物质是否已除去，优选设置监视窗31。

这样，通过不将石英坩埚1使用于原料的熔融而利用与石英坩埚1不同的熔融坩埚11进行原料的熔融，而能够除去杂质，并且即使在使用纯度低的原料的情况下，也能够长期使用石英坩埚1。

Claims

1.一种晶体生长装置，其特征在于，包括具有石英坩埚的晶体生长炉、原料熔融炉及从所述原料熔融炉向所述石英坩埚重复供给熔融原料的供给单元。

2.如权利要求1所述的晶体生长装置，其中，所述晶体生长炉具有供给所述熔融原料的供给口，所述供给口相对于所述原料熔融炉连接分离自如。

3.如权利要求2所述的晶体生长装置，其中，在所述原料熔融炉的周围配置有多个所述晶体生长炉。

4.如权利要求1～3中任一项所述的晶体生长装置，其中，所述原料熔融炉具有不熔解物质分离单元。

5.一种晶体生长方法，其特征在于，向石英坩埚供给预先熔化的熔融原料。

6.如权利要求5所述的晶体生长方法，其中，在所述填充之前从所述熔融原料除去不熔解物质。