CN107849732B - 单晶制造装置和单晶制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于制造无晶粒边界的大型的单晶，所述单晶是在垂直方向和水平方向上均为具有最佳添加物浓度的均质组成且负晶和出溶片晶少的高品质的单晶。本发明的单晶制造装置至少具备在底部设置种晶的石英坩埚、向所述石英坩埚内供给粉末原料的粉末原料供给元件、向介由所述粉末原料供给元件而供给至石英坩埚内的粉末原料照射红外线的红外线照射元件，从所述红外线照射元件向所述石英坩埚内照射红外线来使所述粉末原料熔融和固化，藉此在所述石英坩埚内制造单晶，所述单晶制造装置如下配置：边用所述粉末原料供给元件向石英坩埚内供给粉末原料边用红外线照射元件向所述被供给的粉末原料照射红外线，同时所述粉末原料供给元件根据熔融的粉末原料的固化分量向所述石英坩埚内连续供给所述粉末原料。

Description

单晶制造装置和单晶制造方法

技术领域

本发明涉及将组成均质化为最佳组成并高效地制造例如直径超过800～1000mm的大型的单晶的单晶制造装置、以及使用该单晶制造装置来制造大型的单晶的单晶制造方法。

背景技术

在利用太阳能发电以用作电能的所谓的太阳能电池产业中，作为将太阳光转换为电能的材料，研究了各种材料并进行实用化，但大部分市场由硅占据。

使用了太阳能电池的发电成本相比以往虽大幅降低，但依然明显高于使用化石能源的火电厂、水电厂或核电厂等的发电成本，因此要求进一步削减成本。

使用半导体硅的太阳能电池中，硅单晶基板的价格占总体的比例高，正在探索以低廉价格制造高性能的硅单晶基板的制造方法。

另一方面，也正在探讨使用硅单晶基板从太阳能中高效地提取电能的方式，最近对于向作为原料的硅中添加磷而得的N型硅单晶基板的期待越来越高。

具体而言，组合使用了能够在较短波长范围内使用的非晶质硅和能够在较长波长范围内使用的添加了磷的N型硅单晶的称作HIT型的方式能够实现高转换效率，受到的期待越来越多。

为将半导体硅用作太阳能电池，不论是添加了硼的P型或添加了磷的N型，前述的作为高效率太阳能电池而受到期待的HIT型中都需要N型硅单晶基板。进一步，将在基板的两面进行配置的电极仅配置在背面而能够高效利用太阳光的方式也与HIT型同样，需要N型硅单晶基板。

以往的使用半导体硅的太阳能电池产业中，作为原材料，整体维持相同的取向关系的单晶能够实现最高的转换效率，因此目前期望使用单晶。

但是，单晶的制造成本过高，而作为小单晶的集合体的名为多晶的制品的制造成本显著更低，因此多晶也得到了大量的利用。该多晶的情况下，小的单晶彼此的边界部(称作粒界)产生大的应力，导电性等特性也发生劣化，因此作为太阳能电池的发电效率低于使用单晶的情况。

作为硅太阳能电池基板中使用的硅结晶的制造方法，已知有浇铸法(铸入法)、单向凝固法、提拉法(日文：引上法)等。硅的反应性高，因此能够保持熔液的原材料限定为石英。如果在这种由石英制成的坩埚(石英坩埚)中使硅原料熔解和固化来制造单晶，则存在硅与石英熔接固化而导致在冷却过程中整体产生龟裂的问题。

于是开发了使熔液流入碳制的铸型并使之固化的所谓的浇铸法(铸入法)。虽然碳材料与硅熔液反应而生成碳化硅，但这仅限于铸型表面附近，因此能在固化物内部得到硅的结晶。

这种浇铸法(铸入法)是源自所谓的铸造制造法的制造方法，在初期将用大型坩埚熔解而得的原料熔液倒入小型的铸入用坩埚并使之固化，藉此制造多晶来使用。

但在这种浇铸法(铸入法)中，整个小型坩埚内的无数个单晶粒子朝向中心部生长，因此所制造的单晶在小型坩埚的中心部附近会发生导电性等特性的劣化。

于是，对温度分布进行仔细调整，使得从各个小型坩埚底部向上进行固化，实现了高效率化。

将原料熔液倒入各个小型坩埚并使之固化的方法也是浇铸法(铸入法)，但是使铸入的熔液固化时对坩埚设置温度梯度以从下方向上方缓慢固化的方法在结晶成长学上则是称作“单向凝固法”的方法。

之后，在大型的石英制坩埚的表面涂布脱模剂以防止石英坩埚与硅的熔接，不在固化的制品上产生龟裂的方法得到实用化。至此，主流的方法是先实施将熔液倒入坩埚的方法，然后实施用熔解炉直接将熔液固化来制造大型结晶的方法。这种方法毫无疑问地是“单向凝固法”。

另外，特别是在日本国内，习惯将该“单向凝固法”像以前那样称作浇铸法(铸入法)，但这种叫法是错误的。

该单向凝固法中，熔液开始固化的部位并不是一处，而是从大型坩埚的底面的整个范围内开始，因此大量的单晶开始各自生长。从而整体上不形成单晶，而是制造称作多晶的制品。

因此，作为使整体结晶化以形成单晶的方法，开发了以下方法：在底面设置倾斜以降低中心部，在其最深部安装用于容纳种晶的夹具并进行调整，使得仅有此处冷却而种晶并不完全熔解，藉此使得上方的原料完全熔解后再冷却、仅从种晶开始结晶化，从而能够制造大型的单晶。该制造方法根据开发者的姓名，命名为布里奇曼法(日文：ブリッジマン法)。

但是在硅的情况下，为了避免坩埚与硅的熔接而使用脱模剂，微结晶会从该脱模剂部分开始生长，整体不形成单晶，因此无法使用布里奇曼法。目前的太阳能电池用硅结晶的制造方法的主流为利用单向凝固法的多结晶制品和利用提拉法的单晶制品。

安装太阳能电池时，需要在有限的区域内高效地贴合太阳能电池，并且需要高效地提取所产生的电，因此硅结晶基板的形状优选为四边形。因此，太阳能电池用的硅结晶以制造为四棱柱状、从中切取出所需尺寸后切割加工成薄板状进行利用的方式来使用。

在使用单向凝固法的硅结晶的制造中，也在四边形状的大型坩埚内将原料溶解，使其直接从下方向上方结晶化。如上所述的方法中，固化后的制品整体为大量单晶的集合体，由于在各个单晶彼此的边界部，作为太阳能电池的特性发生劣化，因此，作为太阳能电池用的硅基板，期望不具有这种边界部的整体为单晶的制品。

作为单晶的制造方法，已知有提拉法以及高频区熔法、带提拉法(日文：リボン引上法)等，其中多使用提拉法。提拉法是在石英坩埚中将硅原料熔解，在其中浸入微细的硅单晶(种晶)，边使其缓缓变粗并提拉边持续进行单晶的生长，得到大型单晶。

将硅单晶用作太阳能电池时，添加硼或磷来发电，但是硅结晶中的添加物浓度如果过低则转换效率降低，如果浓度过高则由于再结合会导致转换效率的劣化。

因此，不论是使用硼或磷的情况，都分别存在最佳浓度，毫无疑问地需要在整个结晶范围内均具有最佳浓度组成的均质的制品。上述提拉法能够制造高品质的单晶，但属于将熔液整体从上方向下方固化的所谓的单向凝固法。因此，由于偏析现象而导致所得的制品中的硼和磷等添加物浓度不固定。

即，熔液中的添加物浓度与固化后的结晶中的添加物浓度不同，以由物质规定的比率进行固化。将该比率称作分配系数，在硼的情况下为0.8左右，在磷的情况下为0.35左右。

因此，固化开始后即刻结晶中的添加物浓度低，熔液中残留有差异，因此随着结晶的生长熔液中的添加物浓度随之变浓，同时生成的结晶中的添加物浓度也随着与熔液中的浓度之比而变浓。

从而在添加有分配系数为0.35左右的低值的磷的结晶的情况下，具有结晶中的磷的浓度变化大、最佳组成部分极少的根本上的问题。即，如果仅用最佳组成品制造制品，虽然太阳能电池的转换效率变高，但制造成本会变得极为高昂。反之如果扩大组成范围来使用比最佳组成更稀薄的结晶或过浓的结晶以降低成本，则会陷入转换效率劣化的困境。

在太阳能电池用硅的情况下，最新的标准尺寸为对角线长220mm的制品，因此为了实现提拉法的制造成本的降低，可考虑例如制造直径超过450mm的大型单晶，相当于一次制造四个太阳能电池，藉此降低单价。

但是，如果在实践中使用提拉法制造直径超过450mm的大型单晶，则需要超大型的制造装置，制造成本在数量级上变得高昂。

目前的硅结晶制造业界中，能够低成本地制造太阳能电池用硅结晶基板的制造方法有单向凝固法，但至今为止的单向凝固法中，最开始在坩埚中将所有原料熔解，从下部侧(底部侧)向上方缓缓进行固化，因此与上述提拉法的情况相同，固化后添加物浓度立刻低，随着结晶的生长而添加物浓度变高的倾向也相同。

在最开始将原料全部熔解后再进行固化的方法中，作为添加物的磷的浓度均一地保持为最佳组成在原理上是不可能的。

如要将固化后的制品的全部组成均质化为最佳组成，则需要采用使原料的熔解和从熔液的固化持续进行的制造方法，即使用了所谓的“移动溶剂法(日文：溶媒移動法)”的制造方法。该情况下，将最佳浓度组成的原料的供给量和从熔液的固化量调整为相同，藉此所得的结晶的组成为最佳组成的均质。此时，由于在磷的情况下分配系数为0.35左右，因此熔液相中的添加物浓度为最佳浓度组成的约3倍的高浓度。

另外，目前的单向凝固法中，大量晶粒从坩埚的下侧整面上一起开始生长，因此制品为无数的小的单晶的块，这些小的单晶之间存在无数的粒界。

粒界的存在会对太阳能电池的特性带来负面影响，为了尽可能地减少粒界的数量，报告了例如在坩埚的底部配置大型的种晶、将其作为单晶并使之生长的尝试。

但是，薄的种晶很可能熔解，而厚的种晶的成本过高，因此这种方法是不现实的。

另外，报告了向坩埚底面的中心部输送冷气以仅将坩埚底面中心部的原料熔液固化、自此处开始整体的结晶化、藉此将粒界的数量抑制为最低限度的采用了所谓的局部冷却凝固法的方法。但是，该局部冷却凝固法中，从一个部位开始进行放射状的固化，不仅垂直方向，在水平方向上组成变动也大，因此作为制品的性能会劣化。

进一步还涉及使用石英坩埚而派生的导致性能劣化的负晶和后述的出溶片晶的形成的大问题。通常在制作硅结晶时，使用由称作西门子法(日文：シーメンス法)的方法制造的原料。该方法是在高温下对高纯度的硅烷气体进行氢还原来形成硅，在大型的反应容器内制造直径为13cm左右、高200cm左右的截面为圆形的反U字型硅棒。

该原料是小的晶粒的块形成的多晶体，通称为“多晶硅”。制品的特点在于其中包含细的针状结晶。制造单晶时，首先在石英坩埚中将该原料完全熔解后再固化以制造单晶，但针状结晶难以完全熔解。

即，为了完全熔解原料，升高温度并耗费时间即可完全熔解，但是照此升高温度并耗费时间则作为坩埚材料使用的石英(二氧化硅)与熔融硅反应，会生成大量的一氧化硅。

虽然该一氧化硅是容易蒸发的物质并且大部分从熔液表面蒸发，但即便如此也会大量混入硅结晶中形成固溶体。温度越高或时间越长，则该一氧化硅的量越多，因此为了完全熔解原料来升高温度并耗费时间反而会导致一氧化硅的混入量增加的负面效果。

从而，实际上是以一定程度的针状结晶残留在熔液中并漂浮的状态来开始结晶的制造。这意味着，石英并不满足作为适用于提拉法的坩埚材料而应当具备的特性，但是未能发现其他能够利用的材料，因此在现状下只能使用石英。

未熔解而残留的细的针状结晶如果附着于生长中的硅单晶的表面，则该部位的生长受到阻碍，慢于周围的生长，形成由熔液的表面张力保护的空间。

这种空间如果增长至一定程度，则表面张力变得不足而开始关闭，最后结晶生长继续进行，仿佛未发生任何状况，但是残留了空间。将此称作“负晶”。

另外，在硅业界将该负晶统称为COP(Crystal Originated Particle,晶体原生颗粒)，正式名称应为负晶。

该负晶的尺寸大小为次微米水平，在制造LSI存储器等情况下，电极比其更细而无法连接，形成不良品，因此是不期望的缺陷之一。

更严重的问题在于，作为固溶体混入硅结晶中的一氧化硅成分在1000℃左右的温度附近产生称作出溶(Ex-solution)的现象，在硅单晶中形成所谓的“出溶片晶(日文：離溶ラメラ)”的层状的析出层。

单晶中如果形成这种出溶片晶，则该出溶片晶周围的结晶杂乱，会形成微裂纹和无数的错位，因此导致硅单晶的特性显著劣化。

因此，寻求一种尽可能地减少作为坩埚材料的二氧化硅和作为坩埚材料与熔融硅的反应生成物的一氧化硅在制品中的混入的对策。

单向凝固法虽然是具有如上所述的多种缺点的方法，但是能够制造一边的长度达到100cm的大型的四边形结晶，作为硅结晶基板的制造方法具有制造成本最低的优点。

因此，如果开发出能够制造将该单向凝固法作为单晶制造方法、经改良的布里奇曼法的优点得到利用、并且二氧化硅和一氧化硅成分的混入少的高品质且添加物浓度为均质的大型单晶的方法，则对以太阳能电池产业为代表的利用硅单晶的领域具有难以预计的贡献度。

现有技术文献

专利文献

专利文献：日本专利特开2014-76915号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

作为高品质太阳能电池用的基板，寻求硅为单晶且具有均质的最佳添加物浓度的制品，但在现状下，单向凝固法无法得到单晶，添加物浓度也不均质。提拉法的制品为单晶，但是添加物浓度不为均质。而且两者均包含负晶和出溶片晶等缺陷，导致了性能劣化。

本发明鉴于这种情况而完成，目的在于提供可制得利用能够制造大型单晶的布里奇曼法的优点、并且在垂直方向和水平方向上添加物浓度均为均质的、负晶和出溶片晶少的单晶的单晶制造装置和单晶制造方法。

另外，制造具有最佳添加物浓度的均质的单晶时，需要具有下述功能的单晶制造装置：从能够生成最佳添加物浓度的结晶的组成的熔液中使单晶固化，同时持续供给与固化的分量等量的最佳添加物浓度的原料。

另外，在结晶制造操作的最后，随着形成的熔液相的冷却，固化后的部位的添加物浓度不固定、朝向最终点变浓，导致制品的性能差。因此，为了提高作为良品的制品的产率，希望所形成的熔液相的厚度较薄。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明者发明了下述的新型单晶制造装置和单晶制造方法，作为解决上述技术问题的技术方案。

即，现有的作为能够低成本地制造太阳能电池用基板而采用的单向凝固法具有不能制造高性能的单晶、仅能制造多晶的缺点。对其进行改进，引入了已知为能够制造单晶的方法的布里奇曼法的基本技术。

进一步，该布里奇曼法具有伴随着结晶的生长而添加物浓度相应地变浓、制品整体的添加物浓度无法均质化的缺点。为克服该缺点，采取了能够应用移动溶剂法的配置。

进一步，为了应用该移动溶剂法，通常使用了例如碳加热器的情况下将加热器配置在熔液相的上方，但是热从加热器向下方高效地转移是极为困难的，因此改为照射红外线来使热转移变得容易。与此同时，通过红外线照射来形成熔液相时，为了红外线的吸收而熔液相的厚度不能变厚，反倒将该点作为优点进行利用，藉此成功形成了薄的熔融相。

如果向这种薄的熔融相中供给粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)，则存在粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)在熔解前沉降而附着至下侧的结晶相的可能性，如果发生这种附着，则导致与前述的负晶的形成直接相关的制品性能的劣化，除此以外，如果以大的块状附着，则不仅负晶，新的微结晶也开始生长，存在形成多晶的可能性。

然而，发现在结晶母材粉末为例如硅粉末的情况下，固体的比重小于熔液的比重，从而不会在熔液中漂浮和沉降，因此如果以0.1～0.5mm径左右的尺寸供给粉末原料，则不会发生导致这种负晶和新的微晶的生成的多晶化。

进一步发现，从供给的粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)的上侧照射红外线能够使其熔解而形成熔液相，但是由于红外线被熔液吸收，到达所形成的熔液相的下侧的红外线的量急剧减少，加热也减弱，因此不易达到一定的厚度以上。这种情况非常有利于将所形成的熔液相维持在薄的厚度。

更进一步发现，粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)中含有大量的细微的针状结晶并在熔液中漂浮，但是这种针状结晶也容易通过红外线照射而完全熔解。

另外，粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)的熔解能够仅通过红外线照射来进行，但是，如果在石英坩埚的底部的外侧面和立壁部的外侧面设置碳制的辅助加热元件并预先加热至1300℃左右，则能够减少红外线的照射量并提高控制性。

即，本发明的单晶制造装置至少具备：

在底部设置种晶的石英坩埚、

向所述石英坩埚内供给粉末原料的粉末原料供给元件、

向介由所述粉末原料供给元件而供给至石英坩埚内的粉末原料照射红外线的红外线照射元件，

从所述红外线照射元件向所述石英坩埚内照射红外线来使所述粉末原料熔融和固化，藉此在所述石英坩埚内制造单晶，其中，

所述单晶制造装置如下配置：

边用所述粉末原料供给元件向石英坩埚内供给粉末原料边用红外线照射元件向所述被供给的粉末原料照射红外线，

同时，所述粉末原料供给元件根据熔融的粉末原料的固化分量向所述石英坩埚内连续供给所述粉末原料。

如果是这种配置，则配合单晶的培育来向石英坩埚内连续供给与结晶化的分量相同量的粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)，因此能够制造组成在垂直方向和水平方向均为最佳添加物浓度的均质化的单晶。

另外，本发明的单晶制造装置中，

在所述石英坩埚的底部的外侧面和立壁部的外侧面设置有辅助加热元件。

照此在石英坩埚的底部的外侧面和立壁部的外侧面设置有辅助加热元件，如果预先加热后再照射红外线来进行粉末原料的熔解，则能够减少红外线的照射量并提高控制性。因此，能够高效地进行粉末原料的熔融。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述粉末原料供给元件具有：

容纳所述粉末原料的料斗，

将所述料斗内的粉末原料以规定量供给至石英坩埚内的规定位置的供给调整部，

设置于所述供给调整部的下端并向所述石英坩埚内供给粉末原料的供给管。

如果是这种配置，则能够切实地向石英坩埚内供给粉末原料。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述供给调整部具有：

用于调整供给至所述石英坩埚内的所述粉末原料的供给速度的供给速度调整元件。

如果照此具有供给速度调整元件，则例如通过加快石英坩埚的中心部附近的供给速度、越接近石英坩埚的立壁部越减慢供给速度，能够抑制石英坩埚的中心部附近的粉末原料的供给量，越靠近石英坩埚的立壁部粉末原料的供给量越多，结果能够向石英坩埚内均质地供给粉末原料。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述供给调整部具有：

用于调整供给至所述石英坩埚内的所述粉末原料的供给位置的供给位置调整元件。

如果能够照此调整供给位置，则能够向石英坩埚内均质地供给粉末原料。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述容纳粉末原料的粉末原料容纳容器以可拆装的方式安装于所述料斗。

粉末原料容纳容器如果照此可拆装，则即便在启动单晶制造装置以制造单晶的过程中也能够补给新的粉末原料，即使不保有极端大型的粉末原料容纳容器，也可随时向石英坩埚内供给所需量的粉末原料，能够避免装置的大型化。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述料斗由

容纳结晶母材粉末的结晶母材粉末用料斗、和

容纳添加物粉末的添加物粉末用料斗构成。

如果照此分别在单独的料斗中容纳结晶母材粉末和添加物粉末，则能够用供给调整部容易地达成所需的组成比例。

例如，试图培育添加了磷的N型硅单晶时，最初应当投入的粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)中，磷的浓度为最佳浓度组成的3倍的浓度，投入的量与稳定状态下形成的熔液相的量为相同的量。

然后，投入具有最佳浓度组成的粉末原料(硅粉末+添加物粉末)并控制为与固化的量相同的量，藉此所制造的单晶的组成从最初就大致与最佳浓度组成一致，能够提高整体的良品率。

另外，制造含有硼的P型硅单晶时，最初投入的粉末原料(硅粉末+添加物粉末)的添加物浓度为最佳浓度组成的1.25倍，同样地以与稳定状态下形成的熔液的量相同的量导入，然后将最佳浓度组成的粉末原料(硅粉末+添加物粉末)控制成与固化的量相同的量并投入。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述料斗是

容纳由结晶母材粉末和添加物粉末混合而得的混合粉末的混合粉末用料斗。

如果是这种容纳预先将结晶母材粉末和添加物粉末混合而得的混合粉末的混合粉末用料斗，则与分别设置料斗的情况相比，能够使装置小型化，并能切实地维持一定的组成比例。

但是，这种情况下最初在石英坩埚内形成的熔液相的添加物浓度以分配系数规定比计，需为高于粉末原料中的添加物浓度的浓度。于是如果预先以高浓度向石英坩埚内供给相当于必需分量的溶剂相的粉末原料、在最开始使其熔解形成溶剂相后再开始供给其他粉末原料，则能够制造整体为均质组成的单晶。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述料斗由

容纳结晶母材粉末的结晶母材粉末用料斗、和

容纳由结晶母材粉末和添加物粉末混合而得的混合粉末的混合粉末用料斗构成。

照此分别准备和容纳结晶母材粉末和混合粉末，也能够制造在垂直方向和水平方向上的组成均为最佳添加物浓度的均质化的单晶。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述结晶母材粉末为硅粉末。

照此如果结晶母材粉末为硅粉末，则能够制造例如用于半导体关联制品的硅的单晶。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述石英坩埚的底部中心部附近形成凹部，在所述凹部内设置所述种晶。

如果照此形成凹部，则例如能够以竖立状态设置种晶，并且通过极力减少凹部与种晶之间的间隙，能够抑制从种晶以外的部位生成新的粗糙的结晶。

另外，本发明的单晶制造装置中，

在所述石英坩埚的底部设置向中心部降低的斜率，所述斜率在3～60度的范围内。

如果照此设置斜率，则能够使单晶从石英坩埚内的底部侧向上部侧缓缓地大型化。该斜率(倾斜角度)如果过小则中途生成其他微结晶的可能性会增加。反之如果斜率(倾向角度)过大则到达立壁部之间的固化物为非标准尺寸，使整体的制品产率劣化。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述石英坩埚容纳在碳制坩埚内。

照此，石英坩埚如果容纳在碳制坩埚内，则可通过外侧的碳制坩埚维持机械强度，藉此能够稳定地使用内侧的石英坩埚。即，单独使用石英坩埚的情况下，石英材料在结晶母材粉末的熔点附近会软化，因而难以自立，但是如果容纳在碳制坩埚内则能够改善这种状况。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述红外线照射元件具有：

将内面用作反射面的椭圆面反射镜、

设置于所述椭圆面反射镜的底部侧的第1焦点位置的红外线灯。

如果是这种红外线照射元件，则能够高效地照射红外线。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述红外线灯是卤素灯或氙灯。

照此如果是卤素灯或氙灯，则能够以低成本获得，能够抑制单晶制造装置的制造成本。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述红外线照射元件是照射所述红外线的激光的半导体激光模块。

照此如果是半导体激光模块，则能够使红外线照射元件小型化，进而能够使单晶制造装置小型化。

另外，本发明的单晶制造装置中，

设置有多个所述红外线照射元件。

照此如果设置多个红外线照射元件，则相比单个的情况，能够稳定切实地进行粉末原料的熔融。如果进一步照此设置多个，则能够将石英坩埚的熔融表面均匀地加热。

另外，如果将石英坩埚的熔融表面均匀地加热，能够制造在垂直方向和水平方向上的组成均为均质化的单晶。

另外，本发明的单晶制造装置中，

还具有独立于所述红外线照射元件的红外线局部照射元件，该红外线局部照射元件向在所述石英坩埚内形成的熔液的周边部附近照射红外线，使在所述石英坩埚内形成的熔液的周边部附近的温度高于所述石英坩埚内整个范围内的熔液的温度。

如果熔液的尺寸变化，则该红外线局部照射元件与之匹配，能够一直仅对熔液的周边部附近进行加热。

如果照此设置红外线局部照射元件，则石英坩埚的内壁的涂布有脱模剂的脱模剂涂布部的结晶化被减缓，同时，即便例如从该部位生成新的微结晶，也能够抑制其向中心方向的生长，能够防止对中心部的大型单晶的生长造成负面影响。

进一步，照此形成的熔液与坩埚材料反应生成一氧化硅，但是其生成量与将全部原料熔解的通常的单向凝固法相比，与粉末原料的熔液接触的面积小两个数量级以上，因此生成的一氧化硅的量也能够随之减少。

这种微量的一氧化硅的混入量不会导致形成上述的出溶片晶，因此能够抑制所制造的单晶的特性劣化。

另外，通过红外线局部照射元件提高的在石英坩埚内形成的熔液的周边部附近的温度优选比石英坩埚内整个范围内的温度高至少3℃以上。

另外，本发明的单晶制造装置中，

在所述红外线照射元件和所述石英坩埚之间，设置有从所述红外线照射元件和/或所述红外线局部照射元件照射的所述红外线可透射的红外线透射窗。

本装置中至关重要的是，在生长中的单晶的上侧形成薄的熔液相，在此处投入粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)并使之熔融、在熔液相的下侧使结晶化持续进行。如果照此配置，则能够通过从密闭腔室外照射红外线来高效率地形成薄的熔液相。

另外，在密闭腔室内部容纳这种红外线照射元件在原理上也是可行的，虽然具有不需要前述红外线透射窗的优点，但是在这种情况下密闭腔室会大型化，且需要抑制从熔液蒸发而来的成分在椭圆面反射镜上的附着，因此具有难以稳定使用的缺点。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述红外线透射窗的坩埚侧外周缘部具备蒸发物附着防止元件。

照此如果在红外线透射窗的坩埚侧外周缘部具备蒸发物附着防止元件，则能够防止粉末原料的熔液的蒸发物附着至红外线透射窗而减少应当到达石英坩埚内的红外线的光量。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述石英坩埚以能够旋转的方式配置。

如果照此以能够旋转的方式配置石英坩埚，则能够从红外线照射元件向粉末原料均匀地照射红外线，能够均匀地加热粉末原料。藉此能够制造在垂直方向和水平方向上的组成均为均质化的单晶。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述石英坩埚配置成能够以规定的速度沿上下方向升降。

照此如果石英坩埚能够沿上下方向升降，则红外线照射元件和红外线透射窗的位置能够始终保持固定，非常方便。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述石英坩埚和辅助加热元件容纳在能够真空排气的密闭腔室内。

如果照此容纳在密闭腔室内，则能够防止结晶母材粉末与空气反应而被氧化，能够制造不含杂质的高纯度且高品质的单晶。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述密闭腔室为水冷结构。

照此如果密闭腔室为水冷结构，则能够抑制密封部随着密闭腔室的温度升高而劣化，可高效地进行高精度的气氛控制，能够以良好的产率制造单晶。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述密闭腔室能够与配置在所述密闭腔室的外侧的所述红外线照射元件共同沿上下方向移动。

照此如果密闭腔室能够与红外线照射元件共同移动，则红外线照射元件和红外线透射窗的位置能够始终保持固定，不需要根据单晶的培育来改变红外线照射元件的照射角度，能够以良好的产率制造单晶。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述添加物是磷或硼。

照此如果添加物是磷或硼，则能够制造N型半导体硅或P型半导体硅。除了磷和硼以外还使用了例如锑、砷、镓等作为添加物的情况下，形成与各自的分配系数对应浓度的熔液，能够同样地制造均质组成的单晶。

另外，本发明的单晶制造方法是

在石英坩埚的底部设置种晶并向所述石英坩埚内供给粉末原料、之后向所述石英坩埚内照射红外线使所述粉末原料熔融和固化以制造单晶的单晶制造方法，

根据所述粉末原料在所述石英坩埚内固化的分量来向所述石英坩埚内连续供给所述粉末原料。

如果是这种单晶制造方法，则能够容易地以最佳组成制造取向与种晶一致的大型且均质化的高品质单晶。利用该方法，连续供给与单晶生长而结晶化的量相同量的粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)，并且始终将结晶与熔液的界面形状维持成平面状，藉此能够制造单晶的组成在垂直方向和水平方向上均为均质化的单晶。

具体而言，期望将红外线照射元件(卤素灯、氙灯和半导体激光模块)的位置与石英坩埚内的熔液的表面之间的距离保持固定。

因此，随着结晶化的进行，对粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)进行补给，从而熔液的液面位置变高。为将其保持固定，可使用将石英坩埚的位置向下方移动的方法和将红外线照射元件的位置向上方移动的方法中的任一种方法。

但是，如果将红外线照射元件的位置升高、将设置在密闭腔室上的红外线透射窗的位置保持原样，则在例如从斜上方向下方照射红外线的情况下，随着移动，红外线透过红外线透射窗的位置会产生偏差，需要大的尺寸，会产生不便。在这种情况下，通过使密闭腔室向上方移动，红外线照射元件和红外线透射窗的位置能够始终保持固定，非常方便。

因此，本发明的单晶制造方法能够以良好的产率制造在垂直方向和水平方向上的组成均为均质化的高品质的单晶。

另外，本发明的单晶制造方法中，

所述石英坩埚的底部中心部附近形成凹部，在所述凹部内设置所述种晶。

通过照此设置凹部，能够以竖立状态设置种晶，并且通过极力减少凹部与种晶之间的间隙，能够抑制从种晶以外的部位生成新的粗糙的微结晶。

另外，这种种晶的上部与粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)共同熔解，但是自中心部向下方维持在不熔解的温度。维持在这种状态下持续进行粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)的投入，熔液的高度随着熔解的进行而变高，如果超过10mm则从上方照射的红外线无法到达熔液的下部。

即，红外线被粉末原料的熔液吸收而转换成热，进而粉末原料被熔解，但由于红外线被吸收，因此到达熔液下方的红外线的光量相应地减少，转换的热也减少，从而抑制温度升高。

种晶随着温度的下降而开始固化，在保持单晶的取向的状态下作为单晶继续固化。此时，如果在石英坩埚的底部设置向中心部降低的斜率，则起自中心部的种晶的单晶的生长得到较好的持续。

此时，石英坩埚的内壁上涂布有用于抑制熔融硅和石英的熔接的脱膜剂，需要抑制起自涂布有该脱模剂的脱模剂部的微结晶的生长。在此处形成的熔液的周边部附近照射另外的红外线，将该部位的温度维持得比其它熔液的平均温度更高，抑制起自脱模剂部的微结晶的产生以及微结晶的生长，藉此除制品的周边部之外的大部分能够形成单晶制品。

该方法与所谓的使用种晶制造大型单晶的布里奇曼法或将其改良而得的称作斯托克巴杰法(日文：ストックバーガー法)的大型单晶制造法的基本理念相同。但是，布里奇曼法中，在最开始就将全部的粉末原料(结晶母材+添加物)全部熔解，然后从底部向上方进行单晶化，因此如前所述会伴随着上下方向的偏析而发生添加物浓度的变化。

本发明的单晶制造方法中，使用配置在石英坩埚的底部的外侧面和立壁部的外侧面的辅助加热装置，将石英坩埚内加热至1300℃左右为止，向此处照射红外线进一步加热至1450℃左右以熔解粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)，所形成的熔液的高度(厚度)维持在10～15mm左右。

从设置在密闭腔室的上盖部的操纵杆探下石英棒，测定熔液下部的固化物的位置，藉此能够测算所形成的熔液的厚度。照此继续进行粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)的投入、熔解和固化，规定的粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)的投入结束后缓慢减少红外线的光量，剩余的熔液完全固化后，将整体缓慢冷却至室温，取出制品。

藉此能够制造在垂直方向和水平方向上的添加物浓度均为均质化的单晶。

另外，本发明的单晶制造方法中，

所述粉末原料由结晶母材粉末和添加物粉末构成。

照此如果是结晶母材粉末和添加物粉末，则能够容易地达到所需的组成比例。例如，试图培育添加了磷的N型硅单晶时，最初应当投入的粉末原料中，磷的浓度为最佳浓度组成的3倍的浓度，投入的量与稳定状态下形成的熔液相的量为相同的量，然后，投入最佳浓度组成的粉末原料并控制为与固化的量相同的量，藉此所制造的单晶的组成从最开始就与最佳浓度组成始终保持基本一致，能够提高整体的良品率。

另外，本发明的单晶制造方法中，

所述结晶母材粉末为硅粉末。

照此如果结晶母材粉末为硅粉末，则能够制造例如用于半导体关联制品的硅的单晶。

另外，本发明的单晶制造方法中，

所述添加物粉末是磷或硼。

照此如果添加物是磷或硼，则能够制造N型半导体硅或P型半导体硅。关于该添加物粉末的投入，可使用预先制造含有高浓度的这些添加物的结晶并将硅粉末以及粉碎成与硅粉末相同程度的添加物粉末分别投入的方法，也可使用将硅粉末和添加物粉末混合来准备混合粉末、然后投入该混合粉末的方法。

作为添加物，除了磷和硼以外的例如锑、砷和镓等也同样形成对应各自的分配系数的熔液，将所要固化的单晶量和投入的粉末原料的量控制为相同的量，藉此能够制造均质组成的单晶。

另外，持续进行上述的粉末原料的投入和固化时，有时会从石英坩埚的立壁部生成新的微结晶。照此如果微结晶直接这样生长并进入中心部的单晶，则整体的单晶的产率变差，因此通过将中心部的单晶的周边的石英坩埚的立壁部附近的温度维持在高于中心部数度以上的温度，即便产生这种微结晶也能够将其影响限制在石英坩埚的立壁部。此时，优选使石英坩埚旋转。

另外，本发明的单晶制造方法中，

在所述添加物粉末为磷的情况下，

首先，向石英坩埚内投入为含有最佳添加物组成的3倍浓度的磷的组成、且相当于稳定状态时的熔液相的量的分量的粉末原料，

然后，调整粉末原料的分量以达到规定的最佳浓度组成，根据粉末原料固化的分量向所述石英坩埚内连续供给所述粉末原料。

特别地，使用磷作为添加物粉末来培育单晶的初期，需要使熔液组成为最佳添加物浓度的约3倍，因此将最初投入的粉末原料(结晶母材粉末+磷(添加物粉末))的浓度与该组成匹配并投入与稳定状态的熔液相的厚度匹配的粉末原料。如果之后能够继续投入与固化的结晶的量相同量的最佳浓度组成的粉末原料(结晶母材粉末+磷(添加物粉末))，则生成的结晶的组成与最佳浓度组成一致，能够以高产率获得最高品质的单晶。

另外，在结晶制造的最后阶段，粉末原料(结晶母材粉末+磷(添加物粉末))的投入结束后，使剩余的熔液固化的部位的添加物浓度逐渐变浓而无法达到均质，但是，通过使该部位的厚度变薄，能够抑制整体产率的劣化。

发明效果

通过本发明的单晶制造装置和单晶制造方法，配合单晶的培育而向石英坩埚内连续供给与结晶化的分量相同量的粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)，藉此添加物浓度在垂直方向和水平方向都为最佳浓度组成，能够达成均质化。

进一步，从液面上侧照射红外线能够将粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)完全熔解，藉此来抑制负晶的生成，并且由于所形成的熔液相的厚度薄而使得熔液和石英的反应生成的一氧化硅的产生大幅减少，藉此能够制造这些杂质的混入少的高品质且大型的单晶。

附图说明

图1是本发明的一实施例的单晶制造装置的简要剖视图。

图2是俯视观察图1所示的单晶制造装置而得的图，是用于说明粉末原料的供给管的移动的说明图。

图3是表示本发明的一实施例中使用本发明的单晶制造装置来制造单晶的工序的工序图。

具体实施方式

以下根据附图对本发明的实施方式(实施例)进行更为详细的说明。

本发明的单晶制造装置和单晶制造方法通过使组成达到最佳组成以均质化并高效地制造例如直径超过800～1000mm的大型的单晶。

另外，本说明书中的“种晶”是指使用单晶制造装置制造大口径的单晶时呈现结晶的最初形态的单晶。从该种晶培育的整体维持相同取向的结晶称作“单晶”。与之相对，各自为单晶但分别具有不同取向的结晶聚集而得的结晶称作“多晶”。

在多晶情况下，各个单晶之间的边界部结晶的取向不同，因此会产生与发电效率的劣化等相关的缺点。因此，作为高性能的硅基板，期望是整体取向相同且不含这种粒界(晶粒边界)的单晶。

＜单晶制造装置2＞

如图1所示，本实施例的单晶制造装置2中，能够将内部真空排气并保持氩气等惰性气体气氛的密闭腔室4的底部设置有构成驱动装置6的底面平板7和底座8，底座8上隔着截面大致为圆筒状的碳制坩埚22安装有同样截面为大致圆筒状的石英坩埚10。另外，密闭腔室4为水冷结构，能够高效地调整内部的温度。

另一方面，在密闭腔室4的上方，在远离上述驱动装置6的旋转轴12的轴芯的位置隔着镜台48设置有紫外线照射元件30，镜台48通过镜台驱动元件54能够沿上下方向移动。

该红外线照射元件30中，从红外线灯32发射的红外线34在椭圆面反射镜36的内侧面反射，该反射光对石英坩埚10内部进行加热。

另外，作为红外线灯32，能够使用卤素灯、氙灯等。这种红外线照射元件30不限于1个，也可设置多个。

另外，红外线照射元件30除了由上述红外线灯32和椭圆面反射镜36构成以外，也可以是半导体激光模块(未图示)。

进一步，在石英坩埚10的立壁部11附近，优选用独立于红外线照射元件30的例如能够照射范围为5～10mm左右的红外线34的红外线局部照射元件33进行照射。通过红外线局部照射元件33向在石英坩埚10内形成的熔液的周边部附近照射红外线34，使在石英坩埚10内形成的熔液的周边部附近的温度高于石英坩埚10内整个范围内的熔液的温度。另外，通过红外线局部照射元件33提高的在石英坩埚内形成的熔液的周边部附近的温度优选比石英坩埚10内整个范围内的温度高至少3℃以上。

这种红外线局部照射元件33与上述红外线照射元件30同样设置于镜台48，能够通过镜台48的移动沿上下方向移动。另外，作为这种红外线局部照射元件33，优选使用半导体激光模块(未图示)，也可以是如上所述的红外线灯。

进一步，在密闭腔室4的上方配置粉末原料供给元件68，该粉末原料供给元件68具备：容纳粉末原料24的料斗66，将该料斗66内的粉末原料24以规定量供给至石英坩埚10内的规定位置的供给调整部64，设置于该供给调整部64的下端并向石英坩埚10内供给粉末原料24的供给管72。

供给调整部64具备用于调整供给至石英坩埚10内的粉末原料24的供给速度的供给速度调整元件62和用于调整供给位置的供给位置调整元件60，藉此能够根据单晶的培育情况调整粉末原料24的供给。

另外，料斗66在本实施方式中是容纳结晶母材粉末(硅粉末)和添加物粉末混合而得的混合粉末的混合粉末用料斗，藉此能够切实地将粉末原料24的组成比例维持在一定水平。

但是，这种情况下最初在种晶18上形成的熔液相的添加物浓度以分配系数规定比计，需为高于粉末原料24中的添加物浓度的浓度。于是如果预先以高浓度单独制造相当于必需分量的溶剂相的固态物并配置在种晶18上、在最开始使其熔解形成溶剂相后再开始供给粉末原料24，则能够制造整体为均质组成的单晶。

另外，本实施方式中，使用了混合粉末用料斗作为料斗66，但不受限于此，也可使用例如由容纳结晶母材粉末(硅粉末)的结晶母材粉末用料斗(硅粉末用料斗)和容纳添加物粉末的添加物粉末用料斗这两者构成的料斗66。

如果照此使用结晶母材粉末用料斗(硅粉末料斗)和添加物粉末用料斗这两者，则能够用供给调整部64容易地达成所需的组成比例。

例如，试图培育添加了磷的N型硅单晶时，最初应当投入的粉末原料24中，磷的浓度为最佳浓度组成的3倍的浓度，投入的量与稳定状态下形成的熔液相的量为相同的量，然后，投入最佳浓度组成的粉末原料24并控制为与固化的量相同的量，藉此所制造的单晶的组成从最开始就与最佳浓度组成始终保持基本一致，能够提高整体的良品率。

另外，也可使用结晶母材粉末用料斗(硅粉末用料斗)、以及容纳结晶母材粉末(硅粉末)和添加物粉末混合而得的混合粉末的混合粉末用料斗的组合来替代上述的结晶母材粉末用料斗(硅粉末用料斗)和添加物粉末用料斗的组合。

在这种料斗66的上端，容纳粉末原料24的粉末原料容纳容器70以可拆装的方式安装(图1是粉末原料容纳容器70拆下后的状态)。

如果使用这种粉末原料容纳容器70，则即便在启动单晶制造装置2以制造单晶的过程中也能够补给新的粉末原料24，即使在料斗66上不保有极端大型的粉末原料容纳容器70，也可随时向石英坩埚10内供给所需量的粉末原料24，能够避免单晶制造装置2的大型化。

另外，粉末原料容纳容器70优选匹配料斗66的型号，例如本实施方式所示，料斗66如果是容纳硅粉末和添加物粉末混合而得的混合粉末的混合粉末用料斗，则粉末原料容纳容器70优选容纳混合粉末。

另外，料斗66由结晶母材粉末用料斗(硅粉末用料斗)和添加物粉末用料斗组合而构成的情况下，粉末原料容纳容器70为结晶母材粉末用容器(硅粉末用容器)和添加物粉末用容器的组合即可。

进一步，粉末原料24的供给管72通过设置在供给管72的上部的供给调整部64，向石英坩埚10内的种晶18上的规定位置供给规定量的粉末原料24。

供给管72如图2所示，在石英坩埚10内的种晶18之上，能够在种晶18的上部中心的位置和立壁部11的位置之间移动。

另外，供给管72对粉末原料24的供给位置和供给量较好是使用供给调整部64的供给位置调整元件60和供给速度调整元件62来决定。

例如，如果抑制石英坩埚10的中心部附近的粉末原料24的供给量、朝向石英坩埚10的立壁部11增加供给量，则供给至石英坩埚10内的粉末原料24在任何位置都为均匀，因此能够切实地熔融，并且能够制造组成在垂直方向和水平方向上均为最佳添加物浓度的均质化的单晶。

这种供给管72的材质优选为石英制的材质。石英不吸收红外线34，因此不会吸收来自红外线源的杂光而导致温度升高，而且表面平滑，因此粉末原料24的滞留少，因此优选。

上述驱动装置6通过带14向支撑配置在密闭腔室4内的底面平板7的旋转轴12传导旋转力，设置在底座8上的石英坩埚10受到来自带14的力，以规定的速度旋转。

因此在熔融时，向石英坩埚10内投入的粉末原料24能够被均匀地加热。

上述石英坩埚10的底部设置有向中心部降低3～60度的斜率，优选设置有降低5～30度的斜率(倾斜角α)。该斜率(倾斜角α)越小则中途其他结晶开始生长的可能性越高。倾斜角α过大则到石英坩埚10的立壁部11为止的范围内的生成物形成非标准尺寸，会降低制品的产率。

上述石英坩埚10的底部中心部附近形成有筒状的凹部16。这种凹部16的内径例如为5cm，高度例如为10cm。通过设置这种凹部16，例如能够以竖立状态设置硅的种晶18，并且通过极力减少凹部16与种晶18之间的间隙，能够抑制从种晶18以外的部位生成新的粗糙的微结晶。

另外，虽未图示，该凹部16除了如图1所示直接设置于石英坩锅10以外，也可例如在石英坩埚10的底部中心部设置孔、在该孔内嵌入另行制造的石英制的截锥状的凹状构件来形成凹部16。

这种情况下，特别是在孔的周缘部形成倾斜、形成与凹状构件的外缘部大致相同的倾斜，能够极大地消除两构件之间产生的间隙。藉此，能够抑制熔液从该接合部的泄漏。

在石英坩埚10的底部的外侧面和立壁部11的外侧面设置有碳加热器20作为辅助加热元件。该碳加热器20优选设置在远离凹部16的壁面的位置，不直接对石英坩埚10内的硅的种晶18进行加热。

另一方面，石英坩埚10与红外线照射元件30之间设置有红外线透射窗46。红外线透射窗46设置在红外线照射元件30和红外线局部照射元件33的红外线34的照射通路上即可。另外，红外线透射窗46的材质只要是红外线34能够透射的材质即可，无特别限定，优选例如石英制的材质。

石英坩埚10优选能够匹配单晶的培育速度以规定的速度沿上下方向升降，以使来自红外线照射元件30和红外线局部照射元件33的红外线34一直能够透过红外线透射窗46照射至石英坩埚10内。

另外，密闭腔室4同样地优选能够与配置在密闭腔室4的外侧的红外线照射元件30共同沿上下方向移动。

在这种情况下，驱动装置6具有使石英坩埚10上下移动并使密闭腔室4上下移动的功能即可。

另外，这种红外线透射窗46的内面容易附着石英坩埚10中的蒸发物，因此红外线透射窗46的坩埚侧外周缘部优选具备蒸发物附着防止元件44。

这种蒸发物附着防止元件44配置成在红外线透射窗46的周围设置喷气元件，从该喷气元件向红外线透射窗46喷射氩气等。

本发明的一个实施例的单晶制造装置2为上述构成，以下对使用了单晶制造装置2的单晶制造方法进行说明。另外，图3中，为了方便图示而将粉末原料24表示为椭圆状，但粉末原料的粒径、粒形和粒子的大小没有限定。

＜单晶制造方法＞

首先，如图3(a)所示，在石英坩埚10的底部中心部附近设置的凹部16内设置硅的种晶18。

然后将密闭腔室4密闭，通过未图示的排气元件将密闭腔室4的内部的气氛抽真空排气，进一步从兼具蒸发物附着防止元件44的功能的喷气元件向密闭腔室4内导入氩气等惰性气体。

另一方面，设置在石英坩埚10的底部的外侧面和立壁部11的外侧面的碳加热器20开始驱动，藉此将石英坩埚10的下部侧加热至1300℃左右。此时，碳加热器20远离石英坩埚10的凹部16而设置，因此不会对种晶18施加大量的热。

另外，石英坩埚10的内侧表面上优选涂布有由氮化硅构成的剥离剂。藉此将最终制造的硅的单晶从石英坩埚10剥离时，能够容易地剥离。

然后，从粉末原料供给元件68将硅粉末与添加剂粉末预先以规定的组成比例混合而得的混合粉末(原料粉末24)供给至石英坩埚10内。

藉此，如图3(b)所示，粉末原料24在石英坩埚10的底部积蓄。

进一步，从位于石英坩埚10的上方的红外线照射元件30的红外线灯32向石英坩埚10内照射红外线34，使粉末原料24熔解。另外，边旋转石英坩埚10边进行熔解。

然后，熔解开始不久后，用粉末原料供给元件68进行粉末原料24的供给。

照射来自红外线照射元件30的红外线34，使石英坩埚10的上部侧的粉末原料24熔解并液化，向该处供给还未熔解的粉末原料24，则粉末原料24漂浮在液化的原料熔液50上。然后，再使漂浮在液化的原料熔液50上的粉末原料24熔解，缓缓升高熔液的液面，如图3(c)所示，熔解的原料熔液50逐渐在石英坩埚10内储存。

原料熔液50的厚度如果超过例如10mm，则红外线34无法达到其下方，因此原料熔液50的温度降低，其结果是，如图3(d)所示，从配置在石英坩埚10的中心部的种晶18的上侧开始固化。

照此如图3(e)所示，持续进行由硅粉末原料和添加物粉末构成的粉末原料24的投入、熔解和在下部的固化，如果到达石英坩埚10的立壁部11，则继续向上方固化。此时，运行红外线局部照射元件33，将石英坩埚10的立壁部11的温度维持在比周围高数度的水平。

规定量的粉末原料24的投入结束、如图3(f)所示完全熔解后，缓缓降低红外线照射元件30以及红外线局部照射元件33的灯功率。

然后如图3(g)所示，整体形成固化物52(单晶)。

整体的固化结束后，缓缓降低温度并冷却至室温，之后打开密闭腔室4，取出石英坩埚10内的固化物52(单晶)。

另外，本实施例中，对红外线34的照射量分布进行仔细调整，以尽可能地在整个制造工序中维持固化物52的表面形状的平坦。与此同时，通过红外线局部照射元件33向溶液的与石英坩埚10接触的部位(立壁部11附近)照射相当于加热石英坩埚10内整个范围的红外线照射元件30的照射光量的2～7％左右的高光量，优选照射2～5％左右的高光量，藉此将石英坩埚10的立壁部11附近的温度升得比例如石英坩埚10内整个范围的温度高3℃以上，优选5℃以上，从而减缓从石英坩埚10的表面部位的结晶化。

藉此，例如即使新的微结晶开始从该部位生长，也是内侧的大型的单晶的生长在其之前进行，因此能够防止之后生长的微结晶对内侧的大型的单晶的生长造成负面影响。

如上所述，本发明的单晶制造装置2和单晶制造方法能够连续地进行作为原料的由硅粉末原料和添加物粉末构成的粉末原料24向石英坩埚10内的供给以及它们从熔解到固化的全部过程。即，一边连续向石英坩埚10内供给与固化的分量相同量的粉末原料24一边制造单晶，因此能够使结晶中的组成均质化。

藉此，能够制造具有用于太阳光发电时能够实现最高的转换效率的添加物浓度的均质组成的高品质单晶，能够以良好的产率制造最佳组成的单晶，进而能够实现制造成本的降低。

以上，针对本发明的单晶制造装置2以及使用了该单晶制造装置2的单晶制造方法进行了说明，但本发明不限于上述实施方式。

例如，上述实施例中，将碳加热器20设置于石英坩埚10的下方作为辅助加热元件，但辅助加热元件并不限于碳加热器20。另外，通过碳加热器20以外的其他辅助加热元件，也能够对石英坩埚10的外侧面的一部分进行加热。

进一步，对大致圆筒状的石英坩埚10进行了说明，但不限于此，也可以是大致四边形筒状的石英坩埚10，在不偏离本发明的目的的范围内可进行各种变化。

另外，上述实施例中，制造N型半导体时向硅粉末原料中混入磷作为添加物粉末，制得粉末原料24，在制造P型半导体时向硅粉末原料中混入硼作为添加物粉末，制得粉末原料24。另外，如果分别供给硅粉末原料和磷、硼等添加物粉末，则具有能够适当改变添加物的浓度的优点。但是，在多数情况下，最佳浓度是已知的，因此高效率的是制备与之相应的组成比的粉末原料(硅粉末原料+添加物粉末)24并一次性供给。

如果照此对预先混合硅粉末原料和添加物粉末而得的粉末原料24进行一次性供给，则效率高且生产性得到提高。

另外，上述实施例中，并未特别提及粉末原料24等的粒度，但是如果其粒度过大则熔解需要耗费时间，且有时落入石英坩埚10内时会经过熔液相并沉降，到达下方的固化物52的表面。假设粉末原料24等到达固化物52的表面，则该粉末原料24等被并入固化物52，存在其他结晶开始从此处生长的倾向。

另一方面，如果粉末原料24等的粒度过细，则向石英坩埚10落下时会向周边飞散，从而控制性变差。因此，预先混合而得的粉末原料24的粒子的直径优选为0.1～0.5mm左右的尺寸。

另外，上述实施例中虽未进行详述，但在向石英坩埚10内供给粉末原料24的情况下，相对于石英坩埚10的圆形的平面，需要在从圆的中心部到圆的外周面附近的范围内均匀地进行供给。

因此，如图2所示，例如相对于圆形的石英坩埚10，一边使石英坩埚10旋转，一边对例如粉末原料供给元件68的供给管72进行控制，使得在石英坩埚10的中心部附近的移动速度变快，越靠近立壁部11则移动速度越慢，藉此能够在石英坩埚10的整个范围内均等地供给粉末原料(结晶母材粉末+添加物粉末)24。

另外，上述实施方式中，将使用硅粉末作为结晶母材粉末的情况作为示例进行了说明，但不限于此，可根据所要制造的结晶来准备相应的粉末。

照此，本发明的单晶制造装置2在不偏离本发明的目的的范围内能够进行各种改变。

符号说明

2 单晶制造装置

4 密闭腔室

6 驱动装置

7 底面平板

8 底座

10 石英坩埚

11 立壁部

12 旋转轴

14 带

16 凹部

18 种晶

20 碳加热器

22 碳制坩埚

24 粉末原料

30 红外线照射元件

32 红外线灯

33 红外线局部照射元件

34 红外线

36 椭圆面反射镜

44 蒸发物附着防止元件

46 红外线透射窗

48 镜台

50 原料熔液

52 固化物

54 镜台驱动元件

60 供给位置调整元件

62 供给速度调整元件

64 供给调整部

66 料斗

68 粉末原料供给元件

70 粉末原料容纳容器

72 供给管

α 倾斜角

Claims (31)

1.单晶制造装置，该单晶制造装置至少具备在底部设置种晶的石英坩埚、向所述石英坩埚内供给粉末原料的粉末原料供给元件、

向介由所述粉末原料供给元件而供给至石英坩埚内的粉末原料照射红外线的红外线照射元件，

从所述红外线照射元件向所述石英坩埚内照射红外线来使所述粉末原料熔融和固化，藉此在所述石英坩埚内制造单晶，其特征在于，

所述单晶制造装置如下配置：

边用所述粉末原料供给元件向石英坩埚内供给粉末原料边用红外线照射元件向所述被供给的粉末原料照射红外线，

同时，所述粉末原料供给元件根据熔融的粉末原料的固化分量向所述石英坩埚内连续供给所述粉末原料，

还具有独立于所述红外线照射元件的红外线局部照射元件，该红外线局部照射元件仅向在所述石英坩埚内形成的熔液的周边部照射红外线，使在所述石英坩埚内形成的熔液的周边部附近的温度高于所述石英坩埚内整个范围内的熔液的温度。

2.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，在所述石英坩埚的底部的外侧面和立壁部的外侧面设置有辅助加热元件。

3.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述粉末原料供给元件具有：

容纳所述粉末原料的料斗，

将所述料斗内的粉末原料以规定量供给至石英坩埚内的规定位置的供给调整部，

设置于所述供给调整部的下端并向所述石英坩埚内供给粉末原料的供给管。

4.如权利要求3所述的单晶制造装置，其特征在于，所述供给调整部具有：

用于调整供给至所述石英坩埚内的所述粉末原料的供给速度的供给速度调整元件。

5.如权利要求3所述的单晶制造装置，其特征在于，所述供给调整部具有：

用于调整供给至所述石英坩埚内的所述粉末原料的供给位置的供给位置调整元件。

6.如权利要求3所述的单晶制造装置，其特征在于，所述容纳粉末原料的粉末原料容纳容器以可拆装的方式安装于所述料斗。

7.如权利要求3所述的单晶制造装置，其特征在于，所述料斗由

容纳结晶母材粉末的结晶母材粉末用料斗、和

容纳添加物粉末的添加物粉末用料斗构成。

8.如权利要求3所述的单晶制造装置，其特征在于，所述料斗是容纳由结晶母材粉末和添加物粉末混合而得的混合粉末的混合粉末用料斗。

9.如权利要求3所述的单晶制造装置，其特征在于，所述料斗由

容纳结晶母材粉末的结晶母材粉末用料斗、和

容纳由结晶母材粉末和添加物粉末混合而得的混合粉末的混合粉末用料斗构成。

10.如权利要求7所述的单晶制造装置，其特征在于，所述结晶母材粉末是硅粉末。

11.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述石英坩埚的底部中心部附近形成凹部，在所述凹部内设置所述种晶。

12.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，在所述石英坩埚的底部设置向中心部降低的斜率，所述斜率在3～60度的范围内。

13.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述石英坩埚收纳在碳制坩埚内。

14.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述红外线照射元件具备：

将内面用作反射面的椭圆面反射镜、

设置于所述椭圆面反射镜的底部侧的第1焦点位置的红外线灯。

15.如权利要求14所述的单晶制造装置，其特征在于，所述红外线灯是卤素灯或氙灯。

16.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述红外线照射元件是照射所述红外线的激光的半导体激光模块。

17.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，设置有多个所述红外线照射元件。

18.如权利要求17所述的单晶制造装置，其特征在于，在所述红外线照射元件和所述石英坩埚之间，设置有从所述红外线照射元件和/或所述红外线局部照射元件照射的所述红外线可透射的红外线透射窗。

19.如权利要求18所述的单晶制造装置，其特征在于，在所述红外线透射窗的坩埚侧外周缘部具备蒸发物附着防止元件。

20.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述石英坩埚以能够旋转的方式配置。

21.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述石英坩埚以能够按规定的速度沿上下方向升降的方式配置。

22.如权利要求2所述的单晶制造装置，其特征在于，所述石英坩埚和辅助加热元件容纳在能够真空排气的密闭腔室内。

23.如权利要求22所述的单晶制造装置，其特征在于，所述密闭腔室为水冷结构。

24.如权利要求22所述的单晶制造装置，其特征在于，所述密闭腔室能够与配置在所述密闭腔室的外侧的所述红外线照射元件共同沿上下方向移动。

25.如权利要求7～9中任一项所述的单晶制造装置，其特征在于，所述添加物粉末是磷或硼。

26.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，在所述石英坩埚的内壁设置有涂布脱模剂而成的脱模剂部。

27.单晶制造方法，它是在石英坩埚的底部设置种晶并向所述石英坩埚内供给粉末原料、之后向所述石英坩埚内通过红外线照射元件照射红外线使所述粉末原料熔融和固化以制造单晶的单晶制造方法，

根据所述粉末原料在所述石英坩埚内固化的分量来向所述石英坩埚内连续供给所述粉末原料，

所述粉末原料由结晶母材粉末和添加物粉末构成，所述结晶母材粉末是硅粉末，

通过独立于所述红外线照射元件的红外线局部照射元件仅向在所述石英坩埚内形成的熔液的周边部照射红外线，使在所述石英坩埚内形成的熔液的周边部附近的温度高于所述石英坩埚内整个范围内的熔液的温度。

28.如权利要求27所述的单晶制造方法，其特征在于，所述石英坩埚的底部中心部附近形成凹部，在所述凹部内设置所述种晶。

29.如权利要求27所述的单晶制造方法，其特征在于，所述添加物粉末是磷或硼。

30.如权利要求29所述的单晶制造方法，其特征在于，在所述添加物粉末为磷的情况下，

首先，向石英坩埚内投入为含有最佳添加物组成的3倍浓度的磷的组成、且相当于稳定状态时的熔液相的量的分量的粉末原料，

然后，调整粉末原料的分量以达到规定的最佳浓度组成，根据粉末原料固化的分量向所述石英坩埚内连续供给所述粉末原料。

31.如权利要求27所述的单晶制造方法，其特征在于，在所述石英坩埚的内壁涂布有脱模剂。

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