JP2012502879A - 溶融汚染物およびウェーハ汚染物を低減するための一方向凝固炉 - Google Patents

Abstract

一方向凝固炉は、溶融シリコンを保持するための坩堝および坩堝を覆い溶融シリコン上にて囲いを形成するための蓋を含む。また、坩堝は、溶融シリコンの汚染を防止すべく溶融シリコン上に不活性ガスを導入するための蓋の入口を含む。

Description

本発明は、一般的には一方向凝固炉(又は方向性凝固炉：ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｕｒｎａｃｅ)に関する。より具体的には、本発明は不活性ガスを炉内へと導くための装置および方法に関する。

一方向凝固炉は、しばしば多結晶シリコンの生産に使用される。原料のシリコンは、まず、石英坩堝に仕込まれる。シリコンは固塊、再利用ポリシリコン、シリコンダストあるいはこれらの組み合わせた形態を取り得る。坩堝は、典型的には石英、あるいは、実質的に不活性な状態を維持しつつ高温度に耐久可能な別の適当な材料から構成される。坩堝は、典型的には五面体状のボックスであり、その頂部は炉内にて大気開放されている。石英坩堝は、グラファイトのサポート壁によって支持されており、それによって、剛性な坩堝となっている。

坩堝にシリコンが仕込まれた後、坩堝に囲まれた領域は、外部の周囲環境から密閉され
る。外部環境から坩堝の分離が補助されるべく、坩堝は炉の一部を形成する格納容器内に置かれる。次いで、格納容器内は減圧される。また、格納容器内の雰囲気量は、モニタリングおよび制御され得る。

坩堝および仕込物は、シリコンの溶融に十分な温度にまで加熱される。仕込物が、完全に溶融した後、溶融物は、一方向凝固を得るために制御された速度で冷却される。冷却制御速度は、放射ヒーターにより加えられる熱量および熱源位置の低減、坩堝に囲まれた絶縁材の熱排出口の移動若しくは開口、冷却板を通じた冷却媒体の循環等のいずれかの組み合わせによって成り立つ。これら方法のいずれも、坩堝の表面から熱を逃がしている。もし、坩堝底部の冷却速度が坩堝側面の冷却速度よりも大きいならば、主に軸方向性温度勾配を有する比較的フラットな水平凝固等温線が生じる。その結果、インゴットは坩堝の冷却面に近い領域で凝固し、坩堝の冷却側面から離れた方向に進む。凝固する溶融物の最後の部分は、一般的にはインゴットの頂部に位置する。

一方向凝固炉内の多結晶シリコンのインゴット製造につき大きな懸念事項は、不純物を有するインゴットの汚染物(コンタミ)である。汚染物の侵入地点は、しばしば溶融物表面である。格納容器内に存在するガス状炭素若しくは、固体状炭素又は、他の汚染物は、溶融物表面から侵入し、少なくとも部分的に溶融物に吸収され、引き続いて沈殿化合物として、凝固中のインゴットに組み込まれる。炭素汚染物の発生源のいくつかは、坩堝と壁が熱せられた際に形成される一酸化炭素ガスだけでなく、酸素含有化合物の加熱絶縁材やグラファイトとの接触や、壁に囲まれた脆い絶縁材の劣化および微粒炭素汚染物を生じさせる炉の容器内部にある。一酸化炭素ガスは、次の反応によって形成される。：ＳｉＯ（ｇ）＋Ｃ（ｓ）＝＞ＳｉＣ（ｓ）＋ＣＯ（ｇ）およびＯ_２（ｇ）＋２Ｃ（ｓ）＝＞２ＣＯ（ｇ）。ガス状のＳｉＯの発生源は、２ＳｉＯ_２(ｇ)＝＞２ＳｉＯ（ｇ）＋Ｏ_２（ｇ）の反応によって、シリコン溶融物表面からの蒸発、若しくは坩堝の分解によって得られ、酸素は炉内に残存した空気若しくは炉内にある空気リーク部分から発生して良い。また、隣接した坩堝サポートによる石英坩堝の分解はある種重要な炭素源である。これはＳｉＯ_２＋２Ｃ（ｓ）＝＞ＳｉＣ（ｓ）＋ＣＯ（ｇ）のような反応によって発生する。(発生源から生み出された)一酸化炭素または二酸化炭素は次のような反応に代表されるように溶融物表面と反応する。Ｓｉ(ｌ)＋ＣＯ(ｇ)→ＳｉＯ(ｇ)＋ＣまたはＳｉ(ｌ)＋ＣＯ_２(ｇ)＝＞２ＳｉＯ(ｇ)＋Ｃ.

シリコンインゴット中の炭素汚染物は、太陽電池のようなインゴットから最終的に作られる製品に好ましくない電気分流を引き起こす。また、未使用あるいは不十分なインゴットが、しばしば新しいインゴットを形成するためにリサイクルされると、炭素が、シリコンのリサイクル流れを汚染する。結果的に、溶融物の炭素汚染物を低減することによって、リサイクル流れの炭素汚染レベルが低減される。

これまで、炉内に不活性ガス流れを導く試みが行われてきたものの、それらは非効率な流路のために十分に満足のいくものとなっていなかった。したがって、不活性ガス流れを導入してインゴットの汚染レベルを低減するための、効率的かつ効果的な装置および方法が必要とされている。

本発明のある態様では、一方向凝固炉は溶融シリコンを保持するための坩堝および坩堝を覆い、溶融シリコン上にて囲いを形成するための蓋を有して成る。また、坩堝は溶融シリコンの汚染を防止すべく溶融シリコン上に不活性ガスを導入するための蓋の入口を有して成る。

別の態様では、一方向凝固炉は溶融シリコンを保持するための坩堝と、坩堝をサポートするための坩堝サポートを有して成る。また、一方向凝固炉は坩堝および坩堝サポートを覆い、溶融シリコン上にて囲いを形成するための蓋を有して成る。さらに、一方向凝固炉は、溶融シリコン上に不活性ガスを導入するための蓋の入口を有して成る。第１ギャップと第２ギャップは、囲いからの汚染物の除去を容易にし、また、不活性ガスを該囲いから流出することを可能とする非直線的流路を規定する。

さらに別の態様では、多結晶シリコンインゴット製造方法は、固体ポリシリコンを坩堝内に配置すること、および蓋と坩堝との間にラビリンス・ギャップを有する囲いを形成するために、坩堝上に蓋を配置することを含んで成る。さらに、多結晶シリコンインゴット製造方法は、加熱してポリシリコンを溶融させることを含んで成る。また、多結晶シリコンインゴット製造方法はガスが前記囲いから汚染物を追い出して前記ギャップからのみ出ていくことになるように不活性ガスを該囲いへと導入することを含んで成る。また、多結晶シリコンインゴット製造方法は、溶融ポリシリコンを固化してインゴットを形成することを含んで成る。

様々な改良点が、上述の態様に関して述べられる特徴に存在する。更なる特徴もまた、上述の態様に組み込まれて良い。これら改良点と付加的特徴は、個々にあるいは組み合わせで存在し得る。例えば、図示した実施態様に関して以下に説明する様々な特徴が、上述の態様に単数あるいは複数の組み合わせで組み込まれて良い。

図１は、ある態様に従った一方向凝固炉の部分断面図である。 図２は、図１の蓋、坩堝および坩堝サポートの断面図であり、シリコン溶融物上の閉鎖領域を介して流れる不活性ガス流れを模式的に示している。 図３Ａは、坩堝サポートと蓋の部分断面図である。 図３Ｂは、坩堝サポートおよび支持ブラケット上に配置された蓋の部分断面図である。 図４は、図３Ｂの線４−４に沿って切り取った断面図である。 図５Ａは、坩堝サポート上に配置された蓋の部分断面図である。 図５Ｂは、坩堝サポート上に配置された蓋の側面図である。 図６は、ある態様に従って、不活性ガス流れを溶融物表面に供給する方法を示したフローチャートである。 図７は、別の態様に従って蓋に形成されたリップの断面図である。 図８は、組み合わされた坩堝サポートと蓋とを模式的に示した斜視図である（壁の１つおよび蓋の一部は除かれている）。 図９は、シリコン・ウェーハの上側平面図である。 図１０は、ＦＴＩＲカーボン対種々のサンプルインゴットの凝固率を示したグラフである。 図１１は、ある所定の仕込条件に対する主なインゴット部分の最大炭素濃度を示したグラフである。 図１２は、組み合わされた坩堝サポートと蓋とを模式的に示した斜視図である（壁の１つおよび蓋の一部は除かれている）。

発明の詳細な説明

図１を参照すると、本発明の実施態様である一方向凝固炉は、一般に参照番号１００で表わされる。一方向凝固炉は、壁１０４(坩堝サポート壁)と坩堝底１０６とを含む坩堝サポート１０３によって支持された石英坩堝１０２を有して成る。坩堝のサポートには、他の構造および手段も考えられる。蓋１１２と共に、坩堝１０２、壁１０４および坩堝底１０６は、坩堝アッセンブリもしくは内部アッセンブリ１０５(図２)を形成する。当該内部アッセンブリ１０５はまた、坩堝底１０６の下部に配置された熱交換器１０７を含んでいても良い。ある態様では、内部アッセンブリ１０５はその中に意図的に形成された排出口やギャップ以外にはリーク部分（ｌｅａｋ）がない。同様に、炉１００はその中にリーク部分が、全くないあるいは実質上ないと言っても良い。

本発明の実施態様では、ヒーター１０８は壁１０４の周囲に配置されており、格納容器１１０内にある。ヒーター１０８は、好適には輻射ヒーターであっても良い。ヒーター１０８によって、坩堝内にある仕込材料を溶融するために必要な熱が加えられる。当該態様における仕込材料は、他のシリコン材料も考えられる。側部の絶縁材１０９は坩堝の周りに配置され、(図１の矢印に示されているように)垂直な移動により、部分的に開放され得る。一旦、シリコン仕込物が溶融すると、冷却媒体が熱交換器１０７に導かれたり、あるいは、絶縁材１０９によってシリコンの一方向凝固が助力される。ヒーター１０８の熱出力は、多くの熱が溶融物１１１に加えられないように上昇させて良く、それによって調節しても良い。また、ヒーター１０８の位置は、ヒーターが坩堝１０２から、特に坩堝底１０６から離れることによって、坩堝に対して調節されても良い。さらに、炉に囲まれた絶縁材は、より多くの熱が炉から遠くに離れることを可能とするために、炉に対して移動しても良い。インゴットの一方向凝固は、これら工程の組合せを通じて実現される。従って、坩堝底１０６の近くにある溶融物１１１の一部分が最初に凝固し、当該凝固が坩堝サポート底から一般的には順に上方へ進行する。凝固する最終部分は溶融物１１１の上面である。

本発明の実施態様において蓋１１２は、不活性ガス流れを含んで、その不活性ガス流れを方向付けるために、坩堝１０２の最上部に位置する。図２に示すように、不活性ガス流れは、入口管１１４を通じて蓋１１２に導かれる。次いで、溶融物１１１の表面に沿って流れた後、不活性ガス流れは、坩堝１０２の最上部の真下にあり、壁１０４と垂直板１１８との間にあるギャップ(図３Ａと３Ｂに関して以下に述べられている)を通じて出ていく。さらに以下に記載し、図２に示すように、ギャップは、排気が流れるラビリンス（迷路のように複雑）で曲がりくねった経路（“ｌａｂｙｒｉｎｔｈ ｐａｔｈ”又は“ｔｏｒｔｕｏｕｓ ｐａｔｈ”）と規定され得る。当該排気経路によって、溶融物１１１の上面近くの炭素含有ガスレベルが低減する。

図２は蓋１１２の断面図とその周囲の構造図である。蓋１１２は、４枚の垂直板１１８と水平板１２０を含む。垂直板１１８と水平板１２０の各々は、内面および外面を有する。４枚の垂直板１１８と水平板１２０は、｛とつぶ｝適当な継手(例えば、限定されないが、ピン、凸部、溝、接ぎジョイント等の継手)を用いて一体的に結合されていても良い。垂直板１１８の内面は、蓋１１２で囲まれた領域の内側と面している。一方、垂直板１１８の外面は蓋の外側に面している。蓋１１２の長さおよび幅は、実質的には同じであるが、坩堝１０２の長さおよび幅よりも僅かに大きくなっている。

ある態様では、垂直板１１８の上側側部は水平板１２０の内面に形成された凹部１２４に嵌まっている。水平板１２０の重みは、蓋の組立および分解を容易にすると共に、蓋１１２を一体的に保持するのに供する。ある態様では、複数のピンは、水平板１２０に垂直板１１８をしっかりと固定するのに使用され得る。ピンは、垂直板１１８の穴および水平板１２０の対応する穴を通して挿入される。垂直板１１８と水平板１２０との間のジョイントは、それを通じて不活性ガス流れを抑制する。当該態様では、ジョイントを介した不活性ガス流れは最小化され、閉鎖領域の不活性ガスの全体的な流れには影響を与えるものではない。

水平板１２０は、例えば製造とハンドリングを容易にするために、単一の部品若しくは複数の部品または相互に錠止する部品を有しても良い。垂直板１１８と水平板１２０とはまたモノリシックで単一部品設計であっても良い。蓋１１２は単一部品から形成される。水平板１２０は入口管１１４を受けるために形成された穴１２６を有している。ある態様では、チューブの位置合わせと封止のための穴１２６上に配置された重なる封止リング１２８が含まれる。リング１２８と入口管１１４は、互いに、蓋１１２の垂直板１１８と１２０同じように、同じあるいは類似の材料から形成されても良い。封止リング１２８は、入口管１１４と接している内面を有している。リング１２８の内径は、実質的には入口管１１４の外径と同じである。ある態様では、リング１２８の内面は、アライメントのためにその長手軸に沿ってテーパーが付けられている。内面径は、水平板１２０上のリング１２８に向かって減少している。

入口管１１４は、閉鎖領域１３０へと蓋１１２の水平板１２０を通じて不活性ガスを導くために使用される。入口管１１４は、他の態様では異形断面を含んでも良いものの、円形断面を有している。入口管１１４は、蓋１１２の他の部品の構造に使用されるものと同様の材料から構成されている。

入口管１１４の第１端１３２は、図１に示されるように、不活性ガス源１３４に接続されている。ある態様では、不活性ガスはアルゴンである。図２に示されるように、入口管１１４の第２端１３６は、上述した開口を通じて蓋１１２の水平板１２０を貫通している。入口管１１４の第２端１３６は、水平板１２０の内面と同一平面上で嵌まり合っても良く、若しくは、水平板１２０の下部にそして、閉鎖領域１３０内へと延在しても良い。閉鎖領域１３０中にある入口管１１４の第２端１３６の貫通深さは、閉鎖領域中の不活性流れの特性を変えるために調節しても良い。かかる調節は、閉鎖領域中のガス純度を変えるものではない。

本発明の実施態様では、水平板１２０中の穴１２６と入口管１１４とは、水平板１２０の中心に位置する。しかしながら、他の態様では、穴１２６と注入管１１４とは、中心に位置していなくても良い。また、穴１２６と入口管１１４の位置は、閉鎖領域１３０内にある不活性ガス流れを変えるために調節しても良い。さらには、ある態様では、閉鎖領域１３０内の不活性ガス流れの特性と分布を変えるために、複数の穴と対応する入口管とが含まれる。更に言えば、ある態様では、サイズの異なる穴および対応する入口管を使用すると共に、不活性ガス流れを操作するために流量を変えても良い。

他の態様では、４枚の垂直板１１８を使用しない（図１２参照）。かかる態様では、水平板１２０は坩堝サポート壁１０４上に直接置かれ、ギャップが壁１０４にある坩堝１０２の上端の下方に形成される。例えば、ギャップは、壁１０４に穿孔若しくは切り欠く(切り込む)こと、又は、他の方法で形成された開口部によって設けても良い。

図１〜４の態様を参照すると、垂直板１１８と水平板１２０はその構造的一体性を維持し、長時間高温下で最小の反応性を有する材料から構成されている。適当な材料は、グラファイト等の炭素形態を含んでおり、壁１０４と同様の組成であっても良い。ある態様では、垂直板１１８および１２０は、高純度の炭化ケイ素が被覆されたグラファイトから構成されている。

坩堝１０２、入口管１１４および他の関連する要素(部品)は、溶融物１１１に対して多量の炭素をもたらすことが求められていない。しかしながら、グラファイト成分は脆く、ＳｉＯとの高温反応若しくは飛散液体シリコンに起因した、炭化ケイ素の表面化学変換によって破砕され得る。破砕グラファイト面は炭素粒子を放出し得るので、グラファイト成分は溶融物に炭素が供されないように被覆されていても良い。

図３Ａは、蓋１１２の１つの垂直板１１８の断面図である。図３Ｂはサポートブラケット１３８上にある蓋１１２の１つの垂直板１１８の断面図である。上述したように、坩堝１０２は対応する壁１０４によって囲まれている。第１ギャップ１１６と第２ギャップ１１７は、図３Ａおよび３Ｂに示されている。第２ギャップ１１７は、坩堝１０２と垂直板１１８との間に規定される。第２ギャップ１１７は幅Ｂを有している。坩堝１０２の一部は、高さＡの分だけ壁１０４を越えて上方へと垂直方向に延在している。ある態様では、高さＡは３８ｍｍ、幅Ｂは９．５ｍｍであり、それゆえＡとＢとの比が約４：１になる。他の態様では、ＡとＢとの比が約２：１〜約１１：１であって良いし（すなわちＢに対するＡの比は約２〜約１１である)、また他の態様では、ＡとＢとの比は約３：１〜約１０：１であっても良いし（すなわちＢに対するＡの比は約３〜約１０である)、さらに他の態様では、ＡとＢとの比が約４：１と等しいかそれよりも大きいものであって良い(すなわちＢに対するＡの比は約４以上である)。

第１ギャップ１１６は、壁１０４と垂直板１１８との間に規定される。第１ギャップ１１６は、垂直板１１８の幅と同じ幅Ｃを有しており、また、垂直板の端部と壁１０４との間の距離に等しい高さＤを有している。ある態様では、幅Ｃは９．５ｍｍで、高さＤは１．６ｍｍであり、それゆえＣのＤに対する比率が５．９４になる(すなわち約６である)。他の態様では、ＣとＤとの比が約４：１〜約１３：１であって良いし（すなわちＤに対するＣの比は約４〜約１３である)、また他の態様では、ＣとＤとの比は約５：１〜約１２：１であって良いし（すなわちＤに対するＣの比は約５〜約１２である)、さらに他の態様では、ＣとＤとの比は約６：１と等しいかそれよりも大きいものであって良い(すなわちＤに対するＣの比は約６以上である)。

ある態様では、第１ギャップ１１６の幅Ｃと高さＤは、アルゴン入口面積と同じ垂直断面積を得るために選択される(水平に配向された図２参照)。他の態様では、ギャップは、インゴット炭素レベルに基づいて選択若しくは適応される。具体的態様では、壁１０４は坩堝１０２の下部で終わるので、蓋１１２が所定の位置にない時坩堝の一部がさらされる。他の態様では、壁１０４は坩堝１０２の下部で終わらないので、蓋が所定の位置にない時、坩堝のどの部分もさらされない。

別の態様では、第１ギャップ１１６は、５ｍｍ以下であり、壁１０４と坩堝１０２との間に規定される。当該態様では、第１ギャップ１１６は、アルゴン入口面積と同じ垂直断面積すなわち、入口管１１４を得るために選択される。ギャップ断面積と入口断面積の比は、約０．５から約１０若しくは、別の態様では約０．８から約１．２また他の態様では約１であっても良い。当該態様では、ギャップは、インゴット炭素レベル(例えば、インゴット炭素測定フィードバック)に基づき選択若しくは適応されおよび/若しくは逆流を抑制するための十分な排気流速度を得るために選択若しくは適応される。

複数のサポートブラケット１３８は、図３Ｂに示すように壁１０４の中に挿入されている。サポートブラケット１３８は大きな構造劣化をせずにもしくは大気と反応せずに、高温に耐え得る適当な材料から構成されている。ある態様では、サポートブラケット１３８は、モリブデンから構成されている。別の態様では、サポートブラケットは、炭化ケイ素に転化したグラファイトから構成されている。

サポートブラケット１３８の各々は、そこから延在するウェブ１４４とピン１４０を有して成る。ピン１４０は、壁１０４の水平部分(例えばその頂上部)にある対応する穴に嵌まり合っている。サポートブラケット１３８は、一般的にブラケットのウェブ１４４から上に延在する炭素チャンネルを形成する２枚の壁１４２を有したＵ字形である。２枚の壁１４２間の長さは、実質的には蓋１１２の垂直板１１８の厚さと同等である。次いで、蓋１１２の垂直板１１８は、２枚の壁１４２間と接合しており、サポートブラケット１３８のウェブ１４４上にある。垂直板１１８が２枚の壁１４２と一体となっている場合には、ギャップを配置した凹部（すなわち、継手配置）を加えた位置合わせは垂直板１１８に食い込んで良い（図示されていない）。これによって、第１ギャップ１１６の高さＤを低減させることが可能となると共に、サポートブラケット１３８のウェブ１４４と同じ厚さを維持することが可能である。凹部の深さは、第１ギャップ１１６の高さを操作するために調整され得る。また、第１ギャップ１１６に影響を与える他の手段を使用し得る。例えば、第１ギャップ１１６は、ピン上で機械加工され、もしくはピンの上部に配置された第１ギャップ１１６の望ましい高さＤの間隔であるワッシャーを有する壁１０４と垂直蓋板１１８の中に挿入するピンによって作り出されて良い。別の例は、蓋板１１８の底縁から第１ギャップ１１６をカットし、第１ギャップ１１６にセットするタブ(図示されていない)を含む。

第１ギャップ１１６と第２ギャップ１１７によって、閉鎖領域１３０から不活性ガス流れを放出若しくは排出することが可能である。第１ギャップ１１６の総表面積は、実質的には閉鎖領域１３０全体にわたって、一様な流れと圧力を与えるために入口管１１４の断面積と同等である。

閉鎖領域１３０内の不活性ガス流れの一般的な経路は、図２に示すとおりである。不活性ガスは、ラビリンスのような経路を通って流れる。流路１２２に示す矢印は、例示目的にすぎず、不活性ガスの実際の流路は、実質的にはいくつかの要因に基づき変化し得る。一般的に、不活性ガスは、水平板１２０、蓋１１２の垂直板１１８、坩堝１０２および溶融物１１１の上頂面によって規定される閉鎖領域１３０へと入口管１１４を通じて導入される。不活性ガスは、ギャップ１１６、１１７を通じて流出する前に、閉鎖領域１３０を通じて流れる。

不活性ガスが閉鎖領域１３０を流出する際の不活性ガス流路は、溶融物１１１の表面に向かって汚染物の逆流を最小限にするためにラビリンスな流路となっている。図３Ａ、３Ｂにより明確に示すように、不活性ガスは、第２ギャップ１１７および第１ギャップ１１６を通じて非直線性のルート若しくは経路に沿って進む。当該非直線性のルートは、少なくとも各々第１ギャップ１１６および第２ギャップ１１７を通じて進む経路に対応する第１のセグメントおよび第２のセグメントを有する。第１セグメントおよび第２セグメントの各々は、縦横の要素を有する。非直線性ルートは、一旦不活性ガスが第２ギャップ１１７に入ると、その中に含まれる汚染物がコースを逆行し、溶融物１１１の表面と接触し得ないようにする。非直線性の不活性ガス流路は、不活性ガス流れに混入した汚染物が逆流し得ないようにする。さもないと、汚染物が逆流し、溶融物１１１の表面と接触もしくは汚染する。

ある態様では、溶融物１１１の表面に囲まれた領域(閉鎖領域１３０)はリーク部分のない、若しくは実質的にリーク部分なく密閉されているので、不活性ガス流れは汚染物から溶融物１１１をより効果的に保護し得る。溶融物１１１表面の近くにある汚染物は、不活性ガス流れによって閉鎖領域１３０から除去される。

図４は図３Ｂの線４−４に沿った断面図を示している。図５Ａは、図３Ｂと同様の断面図を示しているが、サポートブラケット１３８は示されておらず、第１ギャップ１１６がより明確に示されている。

図３Ａおよび３Ｂは一様な高さを有した第１ギャップ１１６を示している一方、他の態様では図５Ｂおよび８で図示されているように一様でないギャップ高さを有して良い。溶融物１１１表面にわたる一様な流れは、一定の汚染物低減プロファイルを与えることに役立つ。しかしながら、当該態様の坩堝１０２は、実質的には横断面が長方形であり、例えば正方形であるので、一様な不活性ガス流れを得ることは入口管１１４から蓋１１２の周囲までの距離が離れるにつれて難しくなり、対応する第１ギャップ１１６は一様でない。蓋１１２の周囲に沿ってギャップ高を変えることによって、不活性ガス流れ(例えば、流速と圧力場)を操作し得る。一様でない流れは、第１ギャップ１１６が蓋１１２の周囲に沿って一様な高さである場合、坩堝１０２のコーナー部において特に顕著となる。

例えば、第１ギャップ１１６の高さは、蓋１１２のコーナー部へ不活性ガス流れを増やす為に、蓋１１２のコーナー部で増して良い。ある態様では、高さを対称的に増して良いし、他の態様では非対称的に増して良い。第１ギャップ１１６の高さの増加は、壁１０４の高さが増すことによって、若しくは蓋１１２の垂直板１１８に入る凹部の深さが減少することによって、又は、この２つの任意の組み合わせによって得られる。図５Ｂおよび８に示されるように、非対称的にギャップ高を変えるために、蓋１１２の垂直板１１８若しくは壁１０４の上仰角は一様でない高さプロファイルであって良い。例えば、垂直板１１８の底高は増やして良いし、若しくは、壁１０４の高さはコーナー部に向かって減少させて良い。当該態様では、非対称なギャップの大きさを第１ギャップ１１６を通じて、より一様な放射状ガスを与え、およびシリコン溶融物１１１上の閉鎖領域１３０中により一様な圧力を与えるために設計し得る。このような態様では、第１ギャップ１１６中の設計されたバリエーションは、ギャップがガス流れおよびガス状の炭素化合物の除去効果に影響を与えるので、最小化される。

図８は、中に坩堝１０２を有した組み立てられた蓋と坩堝サポート１０３を示している。なお、坩堝壁１０４の一部、垂直板１１８の一部および入口管１１４は、明確にするために図８から除かれている。

図１２に図示するような別の態様では、垂直板１１８と壁１０４との間のギャップ(第１ギャップ１１６)はない。さらに、垂直板１１８は当該態様では使用されていない。その代わりに、壁１０４が蓋１１２の水平板１２０に至るまで上方に延在している。それ故、不活性ガスが通気口を通じて流出するために、複数の通気口１３１が壁に設けられている。図１〜５の態様に示すように、垂直板１１８を含む他の態様では、通気口１３１は垂直板および/若しくは壁１０４に設置されている。図１２の態様では、通気口１３１は、溶融物１１１上に一様な不活性ガス流れを得るために壁１０４に作られ、設置されている。通気口１３１は、ある態様では、実質的には横断面で円形若しくは卵形であって良い。さらに、垂直板１１８若しくは壁１０４内の通気口１３１を垂直板１１８と壁１０４との間の第１ギャップ１１６と共に使用して良い。

ある態様では、坩堝アッセンブリ若しくは内部アッセンブリ１０５は、実質的にはその中に意図的に形成された通気口若しくはギャップに比べリーク部分がない。同様に、炉１００もその中にリーク部分がない若しくは実質的にはリーク部分がないと言って良い。

坩堝および入口並びにその他関連する要素(部品)は、溶融物に対して多量の炭素をもたらすことが求められていない。しかしながら、グラファイト成分は脆く、ＳｉＯとの高温反応若しくは飛散液体シリコンに起因した、炭化ケイ素の表面化学変換によって破砕され得る。破砕グラファイト面は炭素粒子を放出し得るので、グラファイト成分は溶融物に炭素が供されないように被覆されていても良い。

図６は、溶融物一面上に不活性ガス流れを導入し、制御する方法を示したフローチャートである。当該方法は、ステップ１４６で坩堝内に凝固シリコンを配置することから始まる。シリコンは、それについて固塊、粒状多結晶シリコン若しくは粉末又は任意の組み合わせの形であっても良い。また、ドーパントはシリコン若しくは原材料に添加されて良い。実質的には、炭素は液融面から気化しないので、シリコンは低炭素の結果を望むならば低炭素部材であるべきである。

太陽電池製造の為に、低炭素はインゴット有効部分の沈降制限の下で規定される。９０％が凝固すると、炭素は固体で６〜８ｐｐｍａ若しくは融液中で７５〜１００ｐｐｍａ以下であるべきである。分離によって、当該炭素レベルは、インゴットのプライム部分の凝固の間、常に炭素沈降はないことを確実にするであろう。図１１に示されるように、この事は１．０ｐｐｍａ未満の炭素濃度である未使用の原材料を使用したテストで得られている。また、標準トップスクラッププロトコルが次の場合(インゴットの上頂面３〜４％がリサイクルされていない場合)には、炭素レベルは、例えば３０％の標準リサイクル率である炭素で、リサイクル流れを強化するには十分ではない程低い。

ステップ１４８では、次いで蓋は坩堝アッセンブリ若しくはサポートの上頂面に配置される。蓋は、坩堝サポート壁の上面に置かれたサポートブラケット上にある。それによって蓋は、蓋および坩堝並びに坩堝サポートとの間のラビリンスなギャップを有する囲いを形成するために坩堝上に設置される。

ステップ１５０では、不活性ガスは蓋、溶融物表面、坩堝および坩堝サポート壁によって閉鎖された領域に導かれる。当該態様であるガス流れは、低炭素レベルを維持するため、十分に高率で十分に純度がある。不活性ガスは、ある態様によればステップ１５２の熱使用前に、実質的には一斉に若しくは少し導かれても良い。不活性ガスは、蓋の中に入口管を通じて導かれる。不活性ガスは、少なくとも２つの機能に役立つ。第１に、溶融物表面と坩堝若しくは坩堝アッセンブリ外側に存在する汚染物との間の障壁として役立つ。これら汚染物質は、しばしば熱せられ、若しくは上昇温度の下で坩堝と反応する際に、坩堝サポート壁から炭素放出によって生成した一酸化炭素ガスである。また、不活性ガス流れは、鉄のような上昇温度で他の気相汚染物質をブロックする。また、なお、蓋は他の気相汚染物質をブロックするのに役立つということである。

次いで、熱はステップ１５２でその中身を溶融するために坩堝へ用いられる。熱は坩堝周囲に配置された１つ若しくは２つ以上のヒーターによって供給されて良い。また、酸素は次の囲いから取り除かれて良い。(例えば、酸素は送り出され、アルゴンはもとに戻される)

ステップ１５４では、当該ガスは、溶融物表面近くに流入し、壁１０４と蓋１１２との間のギャップ間より流出する。入口管から下降し、溶融物表面に向い、そして、蓋の垂直板と坩堝サポート壁との間のギャップを通じて出て行く不活性ガスを方向づけることによって、溶融物表面への一酸化炭素ガスの流れおよび他の汚染物を効果的に低減し得る。不活性ガスは、汚染物の逆流を最小限にするためのラビリンスな流れを形成するために、坩堝の上端部下に壁と垂直板との間のギャップを通じて出て行く前に閉鎖領域を通じて流れる。溶融物表面に囲まれた領域を閉鎖することによって、不活性ガス流れは、効果的に汚染物から溶融物表面を保護し得る。さらに、溶融物表面(汚染物は、閉鎖領域内に生成されて良い)近くにある汚染物は、不活性ガス流れによって閉鎖領域から除去される。

図７の態様に示されるように、リップ１６２は蓋１１２の垂直板１１８の内面に形成される。当該リップ１６２は、坩堝アッセンブリに囲まれた炉容積から、若しくは坩堝と溶融物１１１への坩堝サポートとの間の反応から、一酸化炭素若しくは他の汚染物の逆流をより抑制するために役立つ。リップは、シリコン粒子からギャップ１１６、１１７を保護するため、若しくは実質的な分解を抑制し、若しくはパーツに損傷を与え得る溶融からの飛沫を保護するためにより役立つ。リップ１６２は、垂直板１１８の内面から外側に延在し、坩堝１０２の第２端１６４の真上に設置される。坩堝１０２の第２端１６４とリップ１６２との間のギャップは、垂直板１１８と壁１０４との間のギャップ１１６に相当する。リップ１６２は、縦方向に垂直板１１８の長さの少なくとも一部に沿って、および水平方向に坩堝１０２の壁の第２端１６４上に延在する。次いで、不活性ガスは、垂直板１１８と壁１０４との間の第１ギャップ１１６を通じて流出する前にリップ１６２と坩堝１０２の壁の第２端１６４との間に流れる必要がある。これによって、炭素化合物の逆拡散の改善障壁となる、ラビリンスで若しくは曲がりくねった延在した経路を与える。

図６を参照すると、第２に、不活性ガス流れは溶融物表面から汚染物を除去する。例えば一酸化炭素および炭素を含む他の炭素化合物である汚染物が溶融物表面の近くにある場合、不活性ガス流れは、溶融物表面から汚染物を除去するために役立つ。汚染物は、効果的に溶融物表面から不活性ガス流れによって、蓋の垂直板と坩堝サポート壁との間のギャップを通じて外部に運ばれる。

ある例では、約６．６Ｌ/時の一酸化炭素が炉内に生成する。不活性ガスは、シリコン溶融温度(１４００℃) および６００ｍＢａｒの圧力で、５０ＳＬＰＭの公称率若しくは約４７２Ｌ/分の規模率(運転条件)で導入される。一酸化炭素源が他になくとも、その際のギャップ内のガス状炭素体積濃度は約０．０２３％である。別の態様では、炉は体積で０．０３％以下のガス状炭素化合物があり、および別の態様では、０．５％以下若しくはさらに別の態様では５％以下である。

ガスがギャップを通じて閉鎖領域から出た後、後の再使用のため収集し、再利用されて良い。また、ガスは大気内に安全に排出することによって処理されて良い。

一旦シリコンが溶融すると、凝固過程が始まる(ステップ１５６)。上記のとおり、一方向凝固炉では、インゴットはまず低面で凝固し、凝固は凝固面に対しほぼ垂直方向に進む。熱エネルギー(すなわち熱)が坩堝底から移動するにつれて、例えば上記に示す熱交換器若しくは他の手段によって、次いで溶融物は坩堝底で凝固し始め、凝固は融液上面方向へ進む。シリコンがインゴット(例えば多結晶シリコンインゴット)に凝固した後、凝固したインゴットは、ステップ１５７で冷却される。蓋はステップ１５８で取り外され、インゴットはステップ１６０で坩堝から取り外される。通常産業では、インゴットは、図９に示すウェーハＷのような多結晶ウェーハにスライスされる。

記載の態様によって、溶融物若しくはインゴット内の炭素汚染物を低減し若しくは抑制するために溶融物表面上に不活性ガス流れを方向付けるための装置および方法を提供する。

図１０に示されるように、新しい方法およびシステムによって製造されるインゴットは、実質的には先行技術方法によって製造されるものよりも炭素が少ない。３０％リサイクル多結晶シリコン(ポリ)原材料を使用する先行技術工程は、４８ｐｐｍａの初期溶融炭素濃度を有し、図のようにインゴット(インゴットの中間部)に炭素沈殿物を生じさせる比較的高炭素量のものである。先行技術工程にある１．０ｐｐｍａ以下の原材料のポリを使用することによって、図に示すように１９ｐｐｍａの初期溶融濃度になる。最後に、原材料のポリを使用して、エアーリーク部分なしに図１〜５の態様は、最低炭素量を得た。炭素濃度測定値は、シリコン内の非沈降炭素のみを表示する。したがって、ＦＴＩＲ炭素測定値は、一旦沈殿が始まると沈殿限界近くのままである。

当該工程によって生産されたウェーハもしくは複数のウェーハは、図１０および１１に図示されるように、先行技術にあるウェーハよりもより低炭素であろう。その結果、ウェーハは、太陽電池のように、生産された製品に電気分流を起こし得る組み込まれた炭化ケイ素沈殿物を有するおそれが少ない。例えば３２％の典型的なリサイクル率でも、プライムインゴットの最大予測炭素レベルは、図１１にプロットされた分離モデルによって予測されているように、６．０ｐｐｍａの沈殿レベルを超えないであろう。

本発明を様々な特有の態様の観点から説明してきたが、本発明は、クレームの概念と範囲内で変更して実施できるものである。

ある発明若しくは態様の要素を導く際、冠詞“ａ”“ａｎ”“ｔｈｅ”および“ｓａｉｄ”は１つの若しくはそれ以上の要素があるという事を意味する。用語“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”および“ｈａｖｉｎｇ”は含んだという意図であり、記載した要素以外に追加要素があっても良い事を意味する。特定の方向(例えば“ｔｏｐ”“ｂｏｔｔｏｍ”および“ｓｉｄｅ”等)を示す用語の使用は、説明に便利であり、記載事項に特定の方向を要求するものではない。

発明の範囲から逸脱せずに構造および方法の点で種々の変更を行うことができるので、上記説明に含まれ、および添付図に示されたすべての事項は例示として解釈されるべきであり、限定された意味で解釈されるべきではない。

Claims (31)

1. 溶融シリコンを保持するための坩堝、
   坩堝を覆い、溶融シリコン上にて囲いを形成するための蓋、および
   溶融シリコンの汚染を防止すべく溶融シリコン上に不活性ガスを導入するための蓋の入口
   を有して成る一方向凝固炉。
2. 蓋が、周辺部を有しており、また、溶融シリコン上から不活性ガスを排出し、溶融シリコン上にて不活性ガスの一様な流れ形成を促進するための複数のギャップを有している、請求項１に記載の一方向凝固炉。
3. 溶融シリコン上から不活性ガスを排出するための複数のギャップが形成されるように坩堝と蓋との間に配置されたブラケットを更に有して成る、請求項１に記載の一方向凝固炉。
4. 蓋は、複数のギャップ以外にリーク部分を実質的に有していない、請求項２に記載の一方向凝固炉。
5. 複数のギャップが坩堝の上端より下方に位置している、請求項２に記載の一方向凝固炉。
6. 蓋が、溶融シリコン上から不活性ガスを排出し、溶融シリコン上の不活性ガスの一様な流れ形成を促進するための複数の穴を含む、請求項１に記載の一方向凝固炉。
7. 蓋は、炭化ケイ素が被覆されたグラファイトを含んだ耐熱材料の１つまたはそれよりも多いプレートを有して成る、請求項１に記載の一方向凝固炉。
8. 入口が、入口管および封止リングを含んでいる、請求項１に記載の一方向凝固炉。
9. 入口管および封止リングは、炭化ケイ素が被覆されたグラファイトから形成されている、請求項８に記載の一方向凝固炉。
10. 蓋が、耐熱材料から成る少なくとも４つの部品から形成されている、請求項１に記載の一方向凝固炉。
11. 蓋が、水平プレートおよび４枚の垂直側壁を含んでいる、請求項１０に記載の一方向凝固炉。
12. 蓋が、汚染物の逆流を抑制し、また、複数のギャップを溶融シリコンから保護するための内部水平リップを含んでいる、請求項２に記載の一方向凝固炉。
13. 坩堝の断面が正方形である、請求項１に記載の一方向凝固炉。
14. 溶融シリコンを保持するための坩堝、
    坩堝を支持するための坩堝サポート、
    坩堝および坩堝サポートを覆い、溶融シリコン上にて囲いを形成するための蓋、溶融シリコン上に不活性ガスを導入するための蓋の入口、ならびに
    蓋に隣接して設けられた第１ギャップおよび第２ギャップ
    を有して成り、
    第１ギャップおよび第２ギャップは前記囲いからの汚染物除去を容易にするための非直線的流路を規定し、また、不活性ガスを該囲いから流出することを可能とする、一方向凝固炉。
15. 第１ギャップおよび第２ギャップが、蓋の外周縁部と坩堝サポートとの間に設けられている、請求項１４に記載の一方向凝固炉。
16. 第１ギャップおよび入口の各々が断面積を有しており、入口断面積に対する第１ギャップ断面積の比が０．５〜１０である、請求項１５に記載の一方向凝固炉。
17. 第１ギャップおよび入口の各々が断面積を有しており、入口断面積に対する第１ギャップ断面積の比が０．８〜１．２である、請求項１５に記載の一方向凝固炉。
18. 第１ギャップおよび入口の各々が断面積を有しており、入口断面積に対する第１ギャップ断面積の比が１である、請求項１５に記載の一方向凝固炉。
19. 第１ギャップが蓋と坩堝サポートとの間に設けられており、第２ギャップが蓋と坩堝と坩堝サポートとの間に設けられている、請求項１７に記載の一方向凝固炉。
20. 第１ギャップの高さは第１ギャップの長さ方向に沿って一定していない、請求項１９に記載の一方向凝固炉。
21. 第１ギャップにつき、高さに対する幅の比が約４〜約１３となっている、請求項１５に記載の一方向凝固炉。
22. 第１ギャップにつき、高さに対する幅の比が約６となっている、請求項１５に記載の一方向凝固炉。
23. 第２ギャップにつき、幅に対する高さの比が約２〜約１１となっている、請求項１５に記載の一方向凝固炉。
24. 第２ギャップにつき、幅に対する高さの比が約４となっている、請求項１５に記載の一方向凝固炉。
25. 多結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
    固体ポリシリコンを坩堝内に置くこと、
    坩堝上に蓋を配置し、それによって、蓋と坩堝との間にラビリンス・ギャップを有する囲いを形成すること、
    加熱してポリシリコンを溶融させること、
    ガスが前記囲いから汚染物を追い出して前記ギャップからのみ出ていくことになるように不活性ガスを該囲いへと導入すること、
    溶融ポリシリコンを固化してインゴットを形成すること
    を含んで成る、多結晶シリコンインゴットの製造方法。
26. 蓋の入口管を介して不活性ガスを導入する、請求項２５に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。
27. 不活性ガスの導入に先立って、前記囲いから酸素を追い出すことを更に含んで成る、請求項２６に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。
28. 前記囲いからのガスを流出するに際して、該ガスを回収することを更に含んで成る、請求項２７に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。
29. 回収したガスを再利用することを更に含んで成る、請求項２８に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。
30. ポリシリコンの固化には、坩堝から熱エネルギーを除去することが含まれる、請求項２６に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。
31. インゴットをウェーハにスライスすることを更に含んで成る、請求項２６に記載の多結晶シリコンインゴットの製造方法。

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