CN107949665B - 单晶制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明制造在垂直方向和水平方向上的组成均具有最佳添加物浓度的均质的大型单晶。本发明提供单晶制造装置，至少具备：在内部设置待制造的物质的种晶的透明石英管；设置于所述透明石英管的上部的粉末原料供给元件，其向设置在所述透明石英管内的种晶上供给粉末原料；设置于所述透明石英管的外侧的红外线照射元件，其向设置在所述透明石英管内的种晶的上表面以及通过所述粉末原料供给元件而供给至所述透明石英管内的粉末原料照射红外线；从所述红外线照射元件向所述透明石英管内照射红外线，藉此将所述种晶的上表面和粉末原料熔融，在所述种晶上使熔融后的物质固化来制造待制造的物质的单晶。

Description

单晶制造装置

技术领域

本发明涉及照射红外线将原料加热和熔解并在种晶等上使之固化来制造单晶的红外线集中加热式的单晶制造装置。

背景技术

构成该物质的原子有序排列的所谓的单晶材料用于半导体产业、光通信产业等许多领域，起到重要的作用。作为这种单晶的制造方法，已知有熔解粉末原料以使原子分散后再进行缓慢固化、制造正确地按规定排列固化而得的单晶的所谓的熔融法。

另外，还已知有利用气体的反应制造单晶的气相法、将原料熔解于熔剂后再作为固体析出以制造单晶的熔剂法等。

其中，作为能够以最高的效率制造单晶材料的方法，已知为熔液法。

作为熔液法，已知有在合适的坩埚中保持熔液并在其中浸入种晶、边使种晶变大边向上提拉的提拉法(日文：引上法)，对成形为棒状的原料棒的一部分进行局部加热来使其熔融和固化以制造单晶的浮区熔融法(日文：浮遊帯域熔融法)，在坩埚中熔解原料、直接从下方缓慢向上方固化来制造大型单晶的布里奇曼法(日文：ブリッジマン法)等。

这些制造方法中，提拉法和布里奇曼法在坩埚等容器中保持熔液，因此有时坩埚材料会熔入熔液中，使坩埚材料的一部分混入单结晶中。

另外，已知在原料熔液中加入添加物时，熔液中的添加物的浓度与固化了的单晶中的添加物的浓度并不相同，而是形成一定的比例。将该现象称作“分配”，将熔液中的浓度与从熔液固化而得的结晶中的浓度之比称作“分配系数”。

在产业中利用所培育的单晶时，例如在用作太阳能电池用基板等情况下，添加磷或硼作为添加物，各自的最佳添加物浓度是已知的，期望在单晶的整个范围内均为最佳添加物浓度。

但是，前述的提拉法和布里奇曼法在最开始就将原料全部熔解，然后再从上方或下方使整体固化，因此培育的单晶中的添加物浓度是基于上述分配系数而规定的浓度，呈现在最初浓度低、然后逐渐变浓的倾向，在整个范围内的浓度不是固定的。

另一方面，将原料加工成棒状、向下部照射红外线以熔融和固化的所谓的红外线浮区熔融法(也记为红外线FZ法)中，熔液保持于原料棒自身来持续进行熔融和固化，因此不产生来自坩埚材料等的污染，能够制造高纯度的单晶。

另外，该红外线FZ法中，原料的熔融和固化同时持续进行，因此如果使用均匀地添加了添加物而得的原料，则培育的单晶中的添加物浓度也均匀，所以是理想的制造方法。

但是，这种红外线FZ法中，能够制造的单晶的直径仅为30mm左右，不适于需要大口径单晶的工业用途，专门用作研究开发用机器。

用红外线FZ法无法制造大口径单晶的原因在于，难以形成制造大口径单晶所需的大口径的熔体。即，能够照射红外线来形成熔液意味着红外线被吸收而形成热。照此，红外线在熔液中通过的同时被吸收，因此随之能够到达深部的红外线量会减少。

另外，在红外线FZ法中，采用从水平方向照射红外线的方式，该方式下形成的熔体与下侧的固体的界面形状越靠近中心部则红外线量越少且温度越低，存在所培育的单晶相对于熔液呈凸状的倾向。

在这种情况下，在所培育的单晶的外侧部，熔液容易滴下。因此，前述的直径超过30mm的大口径的单晶的制造是极为困难的。

于是，本发明者开发了从斜上方向下方照射红外线的倾斜照射型红外线FZ法。该倾斜照射型红外线FZ法中，原料熔融形成的熔液由于重力而向下方自然流动，处于配置在下部的种晶之上。

下部的种晶的上表面如果为平坦状，则处于其上的熔液通过表面张力被维持，因此从原理上讲，即便种晶的直径变大也能在其上稳定地保持熔液，从而不会对培育的单晶的直径有所限制。因此，如果能够同时实现原料的熔解以及在形成的熔液的下方稳定地维持作为单晶的固化，则能够制造大口径的单晶(例如专利文献1)。

至今为止，已经尝试了通过倾斜照射型红外线FZ法进行硅单晶的制造，已经可以制造直径达到150mm左右的大口径的单晶。

考虑到以往的水平照射型红外线FZ法能够制造的硅单晶的直径为30mm左右，这已经是明显的进步。进一步，以往的提拉法需要使用石英制的坩埚，该石英成分会大量混入所制造的单晶中，从而由此衍生的出溶现象导致了制品性能的大幅劣化。

但是，倾斜照射型红外线FZ法不会引入这种缺陷，能够制造高纯度且高品质的单晶，对进一步的大口径化的期待越来越高。

期望用倾斜照射型红外线FZ法制造更大口径的单晶时，逐渐发现了如下所述的技术问题。

即，用于大口径的单晶制造的大口径原料棒的制造是令人困扰的技术问题。虽能使用小口径的原料棒制造大口径单晶，但在这种情况下，例如使用结晶直径的一半直径的原料棒来制造相同长度的单晶时，需使用4倍长度的原料棒，或者需要一边逐个替换4根原料棒一边持续进行单晶的制造。照此使用长条状的原料棒，则必须将单晶制造装置大型化。

另一方面，为避免单晶制造装置的大型化而使用与制品相同长度且直径为一半的原料棒的情况下，需要在中途中断制造来逐个替换原料棒。

另外，该原料棒的替换操作会在所培育的单晶上产生接合部，该接合部中容易引入各种缺陷，因此会带来不便。

进一步，如果使用大型的原料棒来制造大型的单晶，则大型的原料棒熔解所需的能量(红外线量)非常大，需要大型的红外线产生装置以及与之相应的必要的大型电力供给装置。

至今为止的用红外线FZ法制造单晶的情况下，除了如上所述的制造大口径单晶的方法以外，认为即便是直径为5～10mm左右的细的单晶，只要能够以高品质制造，则足够用于研究开发用途。

作为一般的制造方法，将粉末原料成形为圆棒状，在适当的条件下进行烧结以提高密度，之后再用作原料棒，向下端照射红外线以使其熔融，在固定于下侧的种晶上固化为单晶，制造圆棒状的单晶。

用该方法制造高品质的单晶时，重要的是稳定且连续地进行原料的熔解的单晶的固化。然而，由于原料极难进行稳定的熔解，其结果是，熔液的状态时刻在变化，结果会导致所得的单晶的组成发生变化，或发生多晶化。

例如要制造已知为高温超导物质的YBa₂Cu₃O₇单晶时，如果对该组成的粉末成形而得的原料棒照射红外线以使其熔解，则原料棒发生部分熔解，比重大的铋和钯成分与比重小的铜成分有强烈的分离倾向，难以形成稳定的熔体，从而难以制造高品质的单晶。

发现在这种情况下不是将粉末原料成形为圆棒状以作为原料棒使用，而是直接供给粉末后再照射红外线以使其熔解并固化为单晶，藉此能够稳定地制造高品质的单晶。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5279727号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

本发明鉴于该情况而完成，目的在于提供不仅能够容易地制造使用通常的圆棒状原料的方法所难以制造的物质的高品质单晶、而且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的大型单晶的单晶制造装置。

解决技术问题所采用的技术方案

为了解决上述技术问题，本发明人发明了新型的单晶制造装置。

即，发明了以粉末的方式供给原料、而不是现有方法通常采用的成形为圆棒状后进行供给的单晶制造装置。

如果利用这种本发明的单晶制造装置，则粉末原料的供给与熔液的结晶化控制分开进行、能够专注于使熔液的结晶化变得稳定，能够极为容易地进行复杂组成的高品质单晶和大型单晶的制造。

另外，完成原料的熔解所需的能量显著更少，整体上能够实现大幅的能量节约。

另外，使粉末原料(例如硅粉末原料+添加物粉末)落在熔液上以进行供给的情况下，如果粉末原料在熔液中下沉并附着至下侧的种晶上，则会以该粉末原料为起点而生成负晶和其他微结晶，作为制品的单晶的性能会发生劣化。

一般而言，如果将某一物质的固体的比重与熔液的比重进行比较，则多数情况下固体的比重更大。但例外的是冰和水，熟知的是冰的比重更小。半导体硅的情况下也同样是固体的比重更小，因此固体浮在熔液上。

这种供给至熔液上的粉末原料以漂浮状态存在的情况下，能够容易地直接向漂浮的粉末原料照射红外线以熔融，因此用浮区熔融法制造单晶的情况下，该方法极为便利。

另外，固体的比重大、粉末原料基本上在熔液中下沉并向下方移动的情况下，难以将供给的粉末原料熔解。发现这种情况下，通过对所要供给的粉末原料的粒径或粒子的形状进行适当选择，有时能够在所供给的粉末原料在熔液中下沉之前通过红外线照射将其完全熔解。

具体而言，发现体积密度小的形状的粉末原料其表观密度小于熔液，因此即便落在熔液上，也不会立即下沉，而是漂浮。期间照射红外线使粉末原料熔解，藉此能够没有任何问题地连续进行粉末原料的供给以及利用熔解和固化的单晶的制造。

另外，如果要使粉末原料落在熔液上进行供给并使粉末原料熔融，则会面临如下所述的技术问题。

1)如果所供给的粉末原料在熔液中下沉并附着至下部的固相(种晶)，则生长界面会附着固体的粉末原料。固体的粉末原料的尺寸足够小的情况下，会以此为起点而形成负晶。另外，固体的粉末原料的尺寸如果过大则会以此为起点而开始新的微结晶的生长，从而整体形成多晶。

2)为熔解所供给的粉末原料而从周围的熔液供给熔融所需的热量，但这种情况下需要提高周围的熔液的温度。照此，则必然会导致熔液下部的固相(种晶)的溶出，难以连续进行单晶的制造。

由于存在这种技术问题，认为用供给粉末原料并使之熔解和固化的方法来替代对原料棒局部加热以使之熔解和固化来制造单晶时所用的原料棒是难以成功的。

而且，以往的红外线FZ法中，主流方式是从水平方向照射红外线，因此实际问题在于，通过使用粉末状的原料成形为圆棒状的烧结体而形成的熔液利用熔液的表面张力而保持在配置于上方的原料棒上的方式是最简便且稳定的能够成形和保持熔体的方法，因此从一开始便没有意识到直接以粉末状供给原料的必要性。

红外线FZ法被确立为将作为对象的物质的粉末原料形成为圆棒状来使用的常用方法，适用于各种物质的单晶制造并获得了大量成功。但是，逐渐发现存在用红外线FZ法完全无法制造高品质单晶的物质。

例如，在高温超导物质中，La₂CuO₄能够比较容易地通过红外线FZ法制造单晶，而Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O₁₀难以形成稳定的熔体，难以制造高品质单晶。

另一方面，最近开发了不像以往一样从水平方向进行照射、而是从斜上方向下方照射的倾斜照射型红外线FZ法，能够制造以往的水平照射型红外线FZ法所无法制造的大口径单晶，从而对于原料的供给方式，也逐渐发现如以往方法的将粉末原料成形为棒状或使用棒状的原料棒的方式存在限制。

用红外线FZ法制造单晶是指用熔解并固化原料的熔液法来制造单晶的方法。这种情况下，如果要制造大型单晶，则需要同等以上的大型原料棒。即，如果要制造直径300mm、长1000mm的单晶，在实际情况下由于要保持原料棒并固定在装置上，因此原料棒的保持部分无法作为原料使用，是仅用于保持的部分。

于是，作为原料棒，如果是同样的直径300mm的制品，则原料棒的长度需在1200mm以上。这种大型的原料棒的熔解需要极为大量的热量。即，虽然仅使大型的原料棒的下端熔解即可，但为了熔解原料棒的下端，需要包括在原料棒中传导而散逸的热量、作为热辐射而散逸的热量在内的作为总量的热量。从而导致需要极为大型的红外线发生装置和用于驱动该装置的大型的电力供给装置。

为解决该问题，例如使用直径减半的原料棒，则原料棒熔解所需的热量会大幅减少。但是，由于直径减半的原料棒在整体上需要具有4倍的长度，因此要么采用使用极长的原料棒的大型装置，要么使用4根原料棒而在制造过程中多次重复临时中断单晶的培育操作以将使用完毕的原料棒替换为新的原料棒的操作。而且即使在制造操作中断时也不能中断加热，因此总体上会消耗更多的能量。

于是，如果能够将刚好所需量的原料直接以粉末状供给至透明石英管内并使之熔解和固化，则能够极大程度地减少所需的热量。该事项是在想通过倾斜照射型红外线FZ法制造大型单晶时首次提出的必须考虑的重要技术。

在这种情况下，面对供给粉末状的原料的单晶制造装置的开发的必要性，本发明人首次例如在制作硅单晶时将各种粒径的硅粉末原料供给至透明石英管内并对其状况进行了观察。

使用本发明的单晶制造装置将直径100mm的硅的棒状种晶的上部熔解并在此处投下精细粉碎的粉末原料，研究了在熔液表面的动态以及熔融性状。

最担心的情况是所投下的硅的粉末原料未熔解而直接在熔液中下沉并到达下部的固相(种晶)、在固相(种晶)上附着而产生微结晶，从而形成多晶。但最终并未发生这种情况，所投下的粉末原料在数秒～数十秒内熔解。

确认到，虽然如果继续投下粉末原料则熔液会增加，但如果相应地将硅的种晶降至下方则能够保持固定的液面位置，结果是能够用该新型的粉末原料投下法来制造大口径的单晶。

进一步研究了对种晶的上表面整面的粉末原料的供给与红外线照射量的分布之间的关系。

即，在实践中将单晶作为器件使用时，需要以必要的量添加了必需添加物而得的单晶。例如，如果要将硅单晶用作太阳能电池用基板，则需要添加了磷的N型单晶或添加了硼的P型单晶。

如果要制造添加了磷的N型单晶基板，则磷在熔液中的浓度和从该浓度的熔液固化的单晶中的磷的浓度不相同，将熔液中的浓度记为1，则单晶中的磷的浓度为0.35。将该比例称作“分配系数”，且该分配系数不取决于磷的浓度，而是呈固定的值。另外，作为单晶，期望在整体范围内的添加物浓度为均质。

将粉末原料熔解后再使之固化以制造单晶的熔液法中，为了制作均质浓度的单晶，需要引入一种称作“移动溶剂法(日文：溶媒移動法)”的策略。

即，如果将共存有组成C0的单晶的熔液的组成记为C1，则由于仅从组成C0的该组成C1的熔液进行固化，因此制造组成C0的均质组成单晶时，使一定量的组成C1的熔液共存并向组成C1的熔液中投入和补给组成C0的原料，该原料的量与从该熔液生成的组成C0的单晶为相同的分量。

藉此，均质组成的原料通过溶剂相而生成均质组成的单晶，因此能够制造整体范围内为均质组成的单晶。如果要实施这种方案，显而易见的是，为了制造组成最为均质的制品，便利的是在处于种晶上的熔液的整体范围内均质地供给粉末原料并使之熔解和固化。

但是确认到，如果要在实践中实施上述方案，则会产生各种各样的不便。

即，在单晶的制造中，种晶的外侧部端面处，熔液由于熔液自身的表面张力而保持在种晶的上表面。该部位的温度即便时稍微变化也容易使熔液落下，从而导致单晶制造的失败。

于是，特别是在种晶的外部侧，需要尽可能地避免温度变化以保持熔液的稳定。因此，粉末原料的投入限定在种晶的中心部附近，在此处使粉末原料熔解并且熔液自然地流至种晶的外侧部，这样的话看上去粉末原料的熔解和固化在稳定地进行，但实际上种晶的外侧部没有新的粉末原料的供给，熔液从中心部附近开始流动，在形态上保持为稳定状态，但在组成方面，随着从中心部附近的固化的进行，在中心部附近熔解的粉末原料的剩余熔液流至外侧部。

如上所述，添加物粉末的熔液中的组成与固化形成的结晶中的添加物的组成并不相同，而是由所谓的“分配系数”的比例进行限定。

因此，培育中的单晶的中心部附近与外侧部会产生越靠近单晶的外侧部则添加物浓度越浓的倾向。

单晶多加工成平板状进行使用。这种情况下，对于平板的平面内的添加物浓度的不均一性，虽然基于器件制造方的个别情况而不固定，但一般为5％左右的容许范围，在严格情况下为3％左右的容许范围。

为满足该条件，研究了需要使粉末原料的供给位置以何种程度靠近种晶的外侧部。

结果确认，在制造向硅中添加了磷的N型硅单晶的情况下，如果在种晶直径的90％的位置为止的范围内投入粉末原料，则能够安全地溶解粉末原料，并且熔液保持稳定、所制造的单晶中的添加物浓度的不均一性能够控制在3％以内。

能够在这种情况下实现粉末原料的熔解和固化的原因之一在于，用倾斜照射型的红外线照射元件进行了红外线的照射，从而明确了本发明的单晶制造装置的实用性。

另一方面，除了如上所述的大口径单晶的制造以外，证实了例如在直径5mm左右的小型的单晶制造时，在采用原料棒难以稳定熔解的物质的情况下，不将粉末原料成形为圆棒状而是直接以粉末状进行供给，藉此也能够稳定地制造单晶。

即，从斜上方朝配置于下侧的种晶的上表面照射红外线使其熔解，熔液由于自身的表面张力而处于种晶上，在该状态下供给粉末原料并使其落至熔液上。此时，粉末原料的体积密度减少，维持在熔液上漂浮的状态，对粉末原料照射红外线以使其熔解。

生成熔液则熔液量增加，如果放任其照此增加则会落下，因此将下侧的保持种晶的台板的位置向下移动，与下侧的种晶接触的熔液固化成单晶，从而熔液量保持固定，藉此能够连续进行粉末原料的供给、熔解和固化以制造单晶。

即，本发明的单晶制造装置至少具备：

透明石英管，在其内部设置种晶；

设置于所述透明石英管的上部的粉末原料供给元件，其向设置在所述透明石英管内的种晶上供给粉末原料；

设置于所述透明石英管的外侧的红外线照射元件，其向设置在所述透明石英管内的种晶的上表面以及通过所述粉末原料供给元件而供给至所述透明石英管内的粉末原料照射红外线；

从所述红外线照射元件向所述透明石英管内照射红外线，藉此使所述种晶的上表面和粉末原料熔融，使熔融后的物质在所述种晶上固化来制造单晶。

如果照此配置，则所供给的粉末原料接收红外线而熔解，形成熔液。在培育中的单晶上表面形成的熔体的量随着粉末原料的熔解而增加，在下侧的单晶(种晶)的外侧部，熔液相应地向外侧扩张。

如果以该状态进行，则最终熔液的量会过度增加而落下，因此在此之前降低下侧的设置有单晶的台板，调整台板的下降速度以使随着固化的进行而固化的量与供给的量相同，藉此能够维持稳定的状态。另外，能够培育具有与所供给的具有规定的添加物浓度的粉末原料相同的最佳添加物浓度的单晶，进而能够制造在整体范围内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，

设置有对所述种晶的外侧部进行加热的辅助加热元件。

照此在透明石英管的外侧设置辅助加热元件，如果预先加热种晶的外侧部后再用红外线照射元件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。辅助加热元件可以从透明石英管的外侧照射红外线来加热的方式设置，也可以设置成在透明石英管的内侧于制造中的单晶的周围配置圆筒状的电阻加热式电炉以加热至规定的温度。

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透明石英管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，则能够切实地向透明石英管内供给粉末原料。

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透明石英管内的所述粉末原料的供给速度的供给速度调整元件。

如果照此配置，则例如圆柱状的种晶的上表面的中心部附近的供给速度加快、越靠近种晶的外侧部则供给速度越慢，藉此能够抑制种晶的上表面的中心部附近的粉末原料的供给量，越靠近外侧部则粉末原料的供给量越多，结果能够向种晶上均匀地供给粉末原料。

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透明石英管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，则能够向种晶上均匀地供给粉末原料。

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，也可随时向透明石英管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，

所述供给管为石英制。

供给管如果照此为石英制，则具有石英管由于不吸收红外线而不会被加热、而且由于表面顺滑而粉末原料的附着滞留也少的优点。

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，本发明的单晶制造装置中，

所述料斗为

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。

如果照此以预先混合的混合粉末的方式容纳结晶母材粉末和添加物粉末，则与分别设置料斗的情况相比，能够使装置小型化，并能确定地维持一定的组成比例。

但是，这种情况下最初在种晶上形成的熔液相的添加物浓度以分配系数规定比计，需为高于的粉末原料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上、在最开始使其熔解形成溶剂相后再开始供给粉末原料，则能够制造在整体范围内为均质组成的单晶。

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，

所述粉末原料供给元件如下设置：

向所述种晶的直径的90％以内的范围内供给所述粉末原料。

如果照此向种晶的直径的90％以内的范围内供给粉末原料，则粉末原料安全地熔解且熔液保持稳定，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。

另外，本发明的单晶制造装置中，

所述红外线照射元件如下设置：

向所述种晶的直径的90％以内的范围内照射红外线。

如果照此对种晶的直径的90％以内的范围进行加热，则粉末原料安全地熔解且熔液保持稳定，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。

另外，本发明的单晶制造装置中，

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。

如果是这种红外线照射元件，则能够高效地向粉末原料照射红外线。

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，则能够将熔融表面均匀地加热。

另外，如果将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，

所述透明石英管的下方设置有用于设置所述种晶的台板。

如果照此在台板上载置种晶，则根据单晶的培育情况适度移动台板，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，

所述台板具有旋转驱动元件。

如果照此以能够旋转的方式配置台板，则能够从红外线照射元件均匀地照射红外线，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，

所述台板具有以规定速度沿上下方向升降的升降元件。

照此如果台板能够沿上下方向升降，则能够使粉末原料的供给量与单晶的生长量一直，较为便利。

另外，本发明的单晶制造装置具有

对所述透明石英管中的气氛进行真空排气和/或形成惰性气体的气氛控制元件。

如果照此对透明石英管中的气氛进行真空排气和/或形成惰性气体，则即便是可氧化的材料也能够防止其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。

发明效果

本发明的单晶制造装置能够连续地供给与单晶的培育相应的结晶化的分量相同量的粉末原料(结晶母材粉末(例如硅粉末)+添加物粉末)，因此不必像以往一样限制原料棒的直径、长度等，能够制造具有任意直径和任意长度的单晶。

进一步，与使用原料棒的以往的单晶制造装置相比，能够大幅降低单晶制造中所需的能量，进而能够抑制制造成本。

另外，能够以低成本制造在垂直方向和水平方向上的组成均为均质化的大型单晶。

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范围的说明图。

图3是使用了本发明的单晶制造装置的单晶制造工序的工序图，图3(a)是显示在台板上载置了种晶的状态的图，图3(b)是显示在种晶的周围配设了透明石英管的状态的图，图3(c)是显示红外线加热元件和辅助加热元件的红外线照射的状态的图。

图4是使用了本发明的单晶制造装置的单晶制造工序的工序图，图4(a)是显示向种晶上供给了粉末原料的状态的图，图4(b)是显示用升降元件降低台板的同时培育单晶的状态的图，图4(c)是显示停止红外线加热元件和辅助加热元件的红外线照射、制得了单晶的状态的图。

具体实施方式

以下基于附图对本发明的实施方式进行更详细的说明。

本发明的单晶制造装置用于避免杂质的混入以高纯度使组成均质化为最佳组成并高效地制造例如直径超过200～300mm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结晶。从该种晶培育的整体维持相同取向的结晶称作“单晶”。

＜单晶制造装置10＞

如图1所示，本实施例的单晶制造装置10具备：透明石英管12，在其内部设置硅的种晶30；设置于该透明石英管12的上部的粉末原料供给元件14，其向设置在透明石英管12内的种晶30上供给由硅粉末和添加物粉末构成的粉末原料24；设置于透明石英管12的外侧的红外线照射元件16，其从斜上方向下方对通过粉末原料供给元件14供给至透明石英管12内的粉末原料24照射红外线18。

另外，本发明的单晶制造装置10中，在透明石英管12的外侧设置有对种晶30的外侧部加热的辅助加热元件32。

辅助加热元件32用于预先加热种晶30的外侧部60，如果在种晶30的外侧部60经加热的状态下用红外线照射元件16照射红外线18来进行粉末原料24的熔解，则能够减少红外线18的照射量并提高控制性。

作为向粉末原料24照射红外线18的红外线照射元件16和加热种晶30的外侧部60的辅助加热元件32，可使用配置成例如从红外线灯20和46发射的红外线18在椭圆面反射镜22和48的内侧面反射的元件。

作为红外线灯20和46，能够使用卤素灯、氙灯等。卤素灯或氙灯能够以低成本获得，能够抑制单晶制造装置10的制造成本。这种红外线照射元件16和辅助加热元件32不限于1个，也可设置多个。设置多个的情况下，以种晶30为中心在圆周方向上等间隔设置则能均等加热，因此优选。

红外线照射元件16和辅助加热元件32除了由上述红外线灯20和46以及椭圆面反射镜22和48构成以外，也可以是半导体激光模块(未图示)。如果是半导体激光模块(未图示)，则能够使红外线照射元件16和辅助加热元件32小型化，进而能够实现单晶制造装置10的小型化。

本实施方式的单晶制造装置10中，透明石英管12配设于密闭腔室26内，在密闭腔室26内的透明石英管12的外侧设置有红外线照射元件16和辅助加热元件32。但是，辅助加热元件32不限于此，也可以是配设于种晶30的外部并在透明石英管12内的圆筒状的电阻加热式电炉(未图示)。

另外，透明石英管12内通过气氛控制元件(未图示)将内部真空排气，保持为氩气等惰性气体气氛。如果将透明石英管12内的气氛真空排气来形成惰性气体气氛，则即便是可氧化的材料也能够防止其与空气反应而被氧化。

另一方面，种晶30载置于设置在透明石英管12的下部的台板50上，该台板50介由旋转驱动元件52来旋转。照此旋转台板50，则能够从红外线照射元件16均匀地对粉末原料24照射红外线18，能够均匀地加热粉末原料24。

另外，台板50通过升降元件54以能够自由升降的方式配置，如后文所述，随着单晶的培育的进行来降低台板50，藉此能够使单晶大型化。

另一方面，在透明石英管12的上方配置粉末原料供给元件14，该粉末原料供给元件14具备：容纳粉末原料24的料斗40，将该料斗40内的粉末原料24以规定量供给至透明石英管12的规定位置的供给调整部42，设置于该供给调整部42的下端并向透明石英管12内供给粉末原料24的供给管44。

供给调整部42具备用于调整供给至透明石英管12内的粉末原料24的供给速度的供给速度调整元件34和用于调整供给位置的供给位置调整元件36，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40在本实施方式中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，藉此能够确定地将粉末原料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30上形成的熔液相的添加物浓度以分配系数规定比计，需为高于的粉末原料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30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，则能够制造在整体范围内为均质组成的单晶30a。

另外，本实施方式中，使用了混合粉末用料斗作为料斗40，但不受限于此，也可使用例如由容纳硅粉末的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40。

如果照此使用硅粉末用料斗和添加物粉末用料斗这两者，则能够用供给调整部42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30a的组成从最开始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，也可使用硅粉末用料斗、以及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的组合来替代上述硅粉末用料斗和添加物粉末用料斗的组合。

在这种料斗40的上端，容纳粉末原料24的粉末原料容纳容器56以可拆装的方式安装(图1是粉末原料容纳容器56拆下后的状态)。

如果使用这种粉末原料容纳容器56，则即便在启动单晶制造装置10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40上不保有极端大型的粉末原料容纳容器56，也可随时向透明石英管12内连续供给所需量的粉末原料24，能够避免单晶制造装置10的大型化。

另外，粉末原料容纳容器56优选匹配料斗40的型号，例如本实施方式所示，料斗40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56优选容纳混合粉末。

另外，料斗40由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56为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44通过设置在供给管44的上部的供给调整部42，向透明石英管12的种晶30上的规定位置供给规定量的粉末原料24。

供给管44如图2所示，在透明石英管12内的种晶30之上，能够在种晶30的上部中心的位置和外侧部60的位置之间移动。

此处，从供给管44供给的粉末原料24优选供给至种晶30的直径的90％以内的区域A。如果照此在粉末原料24到达种晶30的外侧部60之前停止粉末原料的供给，则粉末原料24安全地熔解且熔液保持稳定，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30a。

另外，供给管44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42的供给位置调整元件36和供给速度调整元件34来决定。

例如，如果抑制种晶30的中心部附近的粉末原料24的供给量、越接近石英坩埚30的外侧部60越增加供给量，则供给至种晶30上的粉末原料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30a。

这种供给管44的材质优选为石英制的材质。石英不吸收红外线18，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。

另外，本发明的单晶制造装置10中，用红外线照射元件16加热粉末原料24时，优选向种晶30的直径的90％以内的范围照射红外线18。

这与由供给管44供给的粉末原料24的供给位置也相同，如果在到达种晶30的外侧部60之前停止加热，则培育中的单晶的表面形状能够维持平坦状，而且粉末原料24安全地熔解且熔液保持稳定，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30a。

本发明的一个实施例的单晶制造装置10为上述构成，以下对使用了单晶制造装置10的单晶制造方法进行说明。

＜单晶制造方法＞

首先，如图3(a)所示，在密闭腔室26内的台板50上设置种晶。

然后如图3(b)所示，在种晶30的外侧配设透明石英管12以围住种晶30，通过气氛控制元件(未图示)将透明石英管12内的气氛排真空，进一步根据所培育的单晶的种类将氩气等惰性气体或氧等气氛气体导入透明石英管12内。

在该状态下，如图3(c)所示，之后从配置在种晶30的斜上方的红外线照射元件16向种晶30的上方照射红外线，同时从配置在种晶30的侧面方向的辅助加热元件32向种晶30的侧面照射红外线18，对种晶30加热。此时，载有种晶30的台板50绕圆周方向旋转。

然后如图4(a)所示，种晶30的上部熔解后，通过供给管44向此处供给少量的粉末原料24。在该状态下连续进行粉末原料24的投入、熔解和下部的种晶30上的固化，从而连续进行单晶的培育。接着如图4(b)所示，根据单晶的培育速度向下方降低台板50，藉此使单晶缓慢大型化。

将单晶培育至规定尺寸后，如图4(c)所示，逐渐减少来自红外线照射元件16和辅助加热元件32的红外线18的照射，最终完全停止照射。

整体的固化完成且温度降至室温后，将密闭腔室26打开，取出透明石英管12内的单晶(固化物)30a，藉此完成单晶30a的制造。

以上，本发明的单晶制造装置10连续进行粉末原料24向透明石英管12内的供给、以及原料从熔解到固化的过程，边向透明石英管12内连续供给与固化的分量相同量的粉末原料24边制造单晶，因此能够使结晶中的组成均质化。

另外，针对本发明的单晶制造装置10以及使用了该单晶制造装置10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，可根据所要制造的物质来准备相应的粉末。

另外，并未特别提及粉末原料(硅粉末+添加物粉末)24的粒度，但是如果其粒度过大则熔解需要耗费时间，且有时落入透明石英管12内时会经过熔液相并沉降，到达下方的固化物的表面。

假设粉末原料24到达固化物的表面，则该粉末原料24被并入固化物，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的粒度过细，则向透明石英管12内落下时会向周边飞散，从而控制性变差。因此，粉末原料24的粒子的直径优选为0.5mm左右的尺寸。

照此，本发明的单晶制造装置10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

10 单晶制造装置

12 透明石英管

14 粉末原料供给元件

16 红外线照射元件

18 红外线

20 红外线灯

22 椭圆面反射镜

24 粉末原料

26 密闭腔室

30 种晶

30a 单晶

32 辅助加热元件

34 供给速度调整元件

36 供给位置调整元件

40 料斗

42 供给调整部

44 供给管

46 红外线灯

48 椭圆面反射镜

50 台板

52 旋转驱动元件

54 升降元件

56 粉末原料容纳容器

60 外侧部

A 区域

Claims (16)

1.单晶制造装置，该单晶制造装置至少具备：透明石英管，在其内部设置种晶；

设置于所述透明石英管的上部的粉末原料供给元件，其向设置在所述透明石英管内的种晶上供给粉末原料；

设置于所述透明石英管的外侧的红外线照射元件，其从斜上方向下方向设置在所述透明石英管内的种晶的上表面以及通过所述粉末原料供给元件而供给至所述透明石英管内的粉末原料照射红外线；

从所述红外线照射元件向所述透明石英管内照射红外线，藉此使所述种晶的上表面和粉末原料熔融，使熔融后的物质在所述种晶上固化来制造单晶；

所述粉末原料供给元件向所述种晶的直径的90％以内的范围内供给所述粉末原料；

所述红外线照射元件向所述种晶的直径的90％以内照射红外线，

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、和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。

2.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，设置有对所述种晶的外侧部进行加热的辅助加热元件。

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透明石英管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管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透明石英管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透明石英管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，所述料斗中，容纳所述粉末原料的粉末原料容纳容器以可拆装的方式安装。

7.如权利要求3所述的单晶制造装置，其特征在于，所述供给管为石英制。

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。

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。

10.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。

11.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述红外线灯是卤素灯或氙灯。

12.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。

13.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述透明石英管的下方设置有用于设置所述种晶的台板。

14.如权利要求13所述的单晶制造装置，其特征在于，所述台板具有旋转驱动元件。

15.如权利要求13所述的单晶制造装置，其特征在于，所述台板具有以规定速度沿上下方向升降的升降元件。

16.如权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，具有对所述透明石英管中的气氛进行真空排气和/或形成惰性气体的气氛控制元件。

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