JP2013144624A - シリコン製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高純度な多結晶シリコンインゴットまたは高純度なシリコンの製造コストを低く抑えることが可能なシリコン製造装置を提供すること。
【解決手段】シリコン製造装置では、気密容器内にルツボが設けられている。気密容器の内部空間には、ルツボと、ルツボ開口部および気密容器内壁に接する隔離部材と、少なくとも一部の気密容器内壁とで構成された閉空間が形成されている。閉空間を構成する気密容器内壁には、閉空間と気密容器の外部空間とを連通する貫通孔が形成されている。ガスを、閉空間と気密容器の外部空間との間を移動させるための経路が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン製造装置に関する。

近年、環境問題から、石油などの代替として自然エネルギーの利用が注目されている。太陽電池は大きな発電設備を必要とせず、稼働時に騒音などが出ないこともあり、日本および欧州などで特に積極的に導入されてきている。昨今ではカドミウムテルルなどの化合物半導体からなる太陽電池が登場してきたものの、物質自体の安全性およびこれまでの実績などから依然として結晶シリコンからなる基板を用いた太陽電池（結晶シリコン太陽電池）が大きなシェアを占めている。特に多結晶シリコンからなる基板（多結晶シリコン基板）を用いた太陽電池では、光電変換効率は単結晶シリコンからなる基板（単結晶シリコン基板）を用いた太陽電池に及ばないものの、生産性は単結晶シリコン基板を用いた太陽電池よりも高い。よって、製造コストの低下が図れるという点において、多結晶シリコン基板を用いた太陽電池は結晶シリコン太陽電池の主流となっている。

多結晶シリコン基板は多結晶シリコンインゴットをウエハ形状に切断することにより得られるが、多結晶シリコンインゴットの製造法としては以下に示すキャスト法が代表的に用いられる。

キャスト法とは、Ａｒなどの不活性ガスが充填されたチャンバ内において、ルツボ内でシリコン融液の加熱状態を保持しつつルツボの下方からルツボおよびルツボ内のシリコン融液の少なくとも一方を冷却するというものである。ルツボの下方からの冷却により、シリコン融液から凝固潜熱が奪われ、よって、多結晶シリコンインゴットが一方向に結晶成長する。チャンバは通常金属製であり、また水冷されている。しかし、チャンバ内に設けられる構成部材（たとえば、ヒーター、ヒーターなどを保持する保持部材、または断熱材など）の材料は、シリコン融点（１４１２℃）を超える高温環境下における耐熱性、断熱性、およびシリコン融液への低汚染性などを考慮して選定される。たとえば、ヒーターまたはヒーターなどを保持する保持部材には黒鉛が稠密されてなる材料（黒鉛からなる稠密材）が用いられ、断熱材には黒鉛繊維が成形されてなる材料（黒鉛からなる成形材）が用いられる。

キャスト法により得られる多結晶シリコンインゴットの品質を保つためには、シリコン融液の液面近傍でのガス環境を制御することが重要である。詳細には、シリコン融液の液面では、シリコン融液の原料そのものに含まれる酸素またはルツボなどからシリコン融液に混入された酸素により、ＳｉＯガスが発生している。シリコン融液における酸素濃度はシリコン融液の液面でのＳｉＯガスの放出とシリコン原料またはルツボ等からの酸素の供給とのバランスで決まり、得られる多結晶シリコンインゴットにおける酸素濃度はシリコン融液における酸素濃度によって決まる。したがって、ＳｉＯガスがシリコン融液の液面近傍に高濃度で滞留すると、得られる多結晶シリコンインゴットにおける酸素濃度が高くなる。酸素濃度が高い多結晶シリコンインゴットを太陽電池用シリコン材料として用いると、太陽電池の光電変換効率の低下を引き起こす。そのため、ＳｉＯガスをシリコン融液の液面近傍から速やかに除去することが好ましく、たとえばＡｒなどの不活性ガスをシリコン融液の液面へ供給しながら多結晶シリコンインゴットを結晶成長させることが好ましい。

しかし、シリコン融液の液面に存在するＳｉＯガスがチャンバ内を拡散してヒータまたは断熱材などに接触すると、ＳｉＯガスとヒータまたは断熱材の材料である黒鉛とが反応してＣＯガスが発生することがある（ＳｉＯ＋２Ｃ→ＳｉＣ＋ＣＯ）。発生したＣＯガスがシリコン融液に接すると、シリコン融液中に炭素が取り込まれることとなり、得られる多結晶シリコンインゴットには炭素が含まれることとなる。炭素を含む多結晶シリコンインゴットを太陽電池用シリコン材料として用いると、太陽電池の光電変換効率の低下を引き起こす。この不具合の発生を回避するため、たとえば特許文献１には、結晶化の際にシリコン融液の表面に不活性ガスを吹き付けて該表面をキャビティが形成される程度に揺動させることが記載されている。

ところで、多結晶シリコンインゴットの原料には、高純度のシリコンが用いられる。高純度のシリコンを得る方法として、珪石を還元して得られる純度９８％以上の金属シリコンをシラン（ＳｉＨ₄）またはトリクロルシラン（ＳｉＨＣｌ₃）などのガスに変換し、そのガスをベルジャー炉内で水素還元するという方法がある。このようにして得られたポリシリコンを単結晶成長させることにより、ＬＳＩ等の電子デバイス用のシリコンウェハを製造可能である。

電子デバイス用材料に用いられるシリコンには、純度１１Ｎという非常に高い純度が要求される。そのため、金属シリコンをシランなどのガスに変換する設備への投資およびベルジャー炉の設備投資が膨大となっても、また気相反応を利用するために高純度のシリコンの生産性がそれほど高くなくても、金属シリコンをシランなどのガスに変換してベルジャー炉内で水素還元するという方法を採用せざるを得ない。しかし、太陽電池用材料としてのシリコンには、６Ｎ程度の純度が要求される。よって、金属シリコンをシランなどのガスに変換してベルジャー炉内で水素還元するという方法により得られたシリコンでは、太陽電池用材料としての品質を十分に満たすが、コストが非常に高くなる。以上のことから、太陽電池用材料としてのシリコン（純度が６Ｎ程度のシリコン）の安価な製造技術の確立が強く求められており、凝固偏析等を利用した冶金学的手法により前述した純度９８％程度の金属シリコンを精製する手法が近年注目されている。

ここで、金属シリコン中に不純物として比較的多く含まれるものには、鉄、アルミニウム、またはチタン等がある。鉄は金属シリコン中に１００〜５０００ｐｐｍｗ程度含まれており、アルミニウムは金属シリコン中に１００〜２０００ｐｐｍｗ程度含まれており、チタンは金属シリコン中に１〜１０ｐｐｍｗ程度含まれている。

鉄、アルミニウムまたはチタンなどの不純物はシリコン中の偏析係数（平衡分配係数）が小さいことで知られている。例えば、シリコン中の鉄の偏析係数値は６．４×１０^-6であり、シリコン中のアルミニウムの偏析係数値は２．８×１０^-3であり、シリコン中のチタンの偏析係数値は７．３７×１０^-6であることが報告されている。そのため、凝固偏析を利用して鉄、アルミニウムまたはチタンなどの不純物の除去が可能である。つまり、シリコン融液が凝固する際、偏析係数の小さな不純物（鉄、アルミニウムまたはチタン）がシリコン融液中に分配されて固体中にほとんど取り込まれないため、析出したシリコンにおいて上記不純物の濃度が低下する。一方向凝固法に代表される凝固偏析を利用した精製を２回または３回行うことで、鉄、アルミニウムまたはチタンなどの不純物の濃度を０．１ｐｐｍＷ以下（０．１ｐｐｍＷ以下とは、太陽電池用材料として要求される不純物濃度である）とすることが可能である。凝固偏析による不純物除去の方法については、様々な手法が提案されている。たとえば特許文献２には、溶融ケイ素を不活性ガス雰囲気中において凝固温度を超えた状態で保持してから、溶融ケイ素中で回転冷却体を回転させて当該回転冷却体の外周面に高純度のケイ素を晶出させる方法が記載されている。

特開２００１−１０８１０号公報 特公平７−５３５６９号公報

特許文献１に記載の多結晶シリコンインゴットの製造装置では、製品である多結晶シリコンインゴットの品質を保つことに着目して、チャンバ内における雰囲気ガスの流れを制御している。特許文献２に記載のシリコンの精製装置では、シリコンの酸化防止に着目して、チャンバ内に不活性ガスを導入している。

上述のように、多結晶シリコンインゴットの製造装置またはシリコンの精製装置などに使用されるヒータまたは断熱材には、黒鉛製の部材を用いることが望ましい。しかし、シリコン融液の液面で生じたＳｉＯガスがヒータまたは断熱材に接触すると、ヒータまたは断熱材の材料である黒鉛が珪化してＳｉＣとなり、以下に示す不具合を招くことがある。

たとえばヒータの材料のように黒鉛からなる稠密材であれば、稠密材の表面がＳｉＣ層で覆われる。黒鉛とＳｉＣとでは熱膨張係数が異なるため、昇降温サイクルを繰り返すと稠密材が破断に至ることがある。また、断熱材の材料のように黒鉛繊維からなる成形体であれば、黒鉛繊維がＳｉＣ化されて成形体から容易に剥落される状態となり、よって、断熱材としての機能が保持されなくなる。このような不具合の発生を防止するためには、黒鉛からなる構成部材（たとえばヒータまたは断熱材など）を定期的に交換すれば良い。しかし、黒鉛は高価な材料である。そのため、黒鉛からなる構成部材を定期的に交換すると、製品である多結晶シリコンインゴットまたは高純度のシリコンの製造コストの上昇の要因となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高純度の多結晶シリコンインゴットまたは高純度のシリコンの製造コストを低く抑えることが可能なシリコン製造装置に関する。

本発明者らは、ＳｉＯガスなどの気体の拡散は隔離部材などにより制御可能であるということに基づいて、シリコン製造装置内においてＳｉＯガスの拡散領域を限定し、よって、本発明に係るシリコン製造装置を完成させた。

本発明に係るシリコン製造装置では、気密容器内にシリコン融液を保持するためのルツボが設けられている。気密容器の内部空間には、ルツボと、ルツボ開口部および気密容器内壁に接する隔離部材と、少なくとも一部の気密容器内壁とで構成された閉空間が形成されている。閉空間を構成する気密容器内壁には、閉空間と気密容器の外部空間とを連通する貫通孔が形成されている。ガスを、閉空間と気密容器の外部空間との間を移動させるための経路が設けられている。

シリコンを、閉空間と気密容器の外部空間との間を移動させるための経路が設けられていることが好ましい。

ガスを通過させるための経路には仕切り弁が設けられていることが好ましく、シリコンを通過させるための経路には第２の仕切り弁が設けられていることが好ましい。

ルツボ開口部に接する隔離部材と気密容器内壁に接する隔離部材とは別体であることが好ましい。ルツボとルツボ開口部に接する隔離部材と気密容器内壁に接する隔離部材と少なくとも一部の気密容器内壁とにより閉空間が形成された状態を保ちながら、ルツボが上下に可動することが好ましい。

隔離部材は、黒鉛、酸化珪素、窒化珪素および炭化珪素のうちの少なくとも１つを主成分として含むことが好ましい。ここで、「隔離部材が、黒鉛、酸化珪素、窒化珪素および炭化珪素のうちの少なくとも１つを主成分として含む」とは、隔離部材が、黒鉛、酸化珪素、窒化珪素および炭化珪素のうちの少なくとも１つを９０質量％以上含むことを意味する。

本発明に係るシリコン製造装置では、高純度の多結晶シリコンインゴットまたは高純度のシリコンの製造コストを低く抑えることができる。

本発明のシリコン製造装置の一例を示す断面図である。 本発明のシリコン製造装置の別の一例を示す断面図である。 本発明のシリコン製造装置のまた別の一例を示す断面図である。 本発明のシリコン製造装置のさらに別の一例を示す断面図である。 比較例１におけるシリコン製造装置の断面図である。 比較例２におけるシリコン製造装置の断面図である。

以下、本発明のシリコン製造装置について図面を用いて説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表すものである。また、長さ、幅、厚さ、深さなどの寸法関係は図面の明瞭化と簡略化のために適宜変更されており、実際の寸法関係を表すものではない。

＜シリコン製造装置＞
本発明のシリコン製造装置は、たとえば、シリコンを精製するための装置（以下では「シリコン精製装置」と記す）および多結晶シリコンインゴットを製造するための装置（以下では「インゴット製造装置」と記す）などに適用できる。以下では、図１〜図２を用いてシリコン精製装置を説明し、図３〜図４を用いてインゴット製造装置を説明する。

＜シリコン精製装置＞
図１は、本発明のシリコン製造装置の一例（シリコン精製装置）を示す断面図である。図１に示すシリコン精製装置は、気密容器１内に設けられたルツボ３、加熱部材５、および断熱部材７を備える。ルツボ３内では、加熱部材５によりシリコン融液１５の溶融状態が維持されており、シリコン融液１５内には、回転冷却体１７が挿入される。回転冷却体１７の表面温度はシリコン融液１５の温度よりも低いため、シリコン融液１５は回転冷却体１７の表面で抜熱されて回転冷却体１７の表面に析出する。このとき、凝固偏析の原理に従ってシリコン塊１８が回転冷却体１７の表面に析出するため、シリコン塊１８はシリコン融液１５よりも高純度となる。シリコン融液１５は、ルツボ３内でシリコン原料を溶融することにより得られたものであっても良いし、ルツボ３とは異なる装置内でシリコン原料を溶融することにより得られたものであっても良い。

気密容器１の内部空間には、ルツボ３と、ルツボ開口部および気密容器内壁に接する隔離部材と、少なくとも一部の気密容器内壁とで構成された閉空間Ｓ１が形成されている。これにより、シリコン塊１８の製造中にシリコン融液１５の液面でＳｉＯガスが発生しても、発生したＳｉＯガスは閉空間Ｓ１内から外側空間Ｓ２（気密容器１の内部空間内において閉空間Ｓ１よりも外側に位置する空間）内へ拡散しにくい。したがって、ＳｉＯガスが外側空間Ｓ２内に位置する加熱部材５および断熱部材７に接触することを防止できるので、ＳｉＯガスが加熱部材５および断熱部材７に含まれる黒鉛と反応することを防止できる。その結果、シリコン塊１８の製造が進むにつれて加熱部材５および断熱部材７が劣化することを防止できるので、シリコン塊１８の製造中における加熱部材５および断熱部材７の交換頻度を低く抑えることができる。加熱部材５および断熱部材７の好ましい材料は黒鉛であるので、加熱部材５および断熱部材７は高価である。以上より、シリコン塊１８の製造コストを低く抑えることができる。

隔離部材の一部は、気密容器１内に設けられて仕切り部材として機能することが好ましい。仕切り部材として機能する隔離部材９はルツボ開口部と気密容器１の内面（好ましくはルツボ開口部に対向する気密容器１の内面）とを接続するように設けられているとともに、ルツボ３の上方に位置する断熱部材７の部分の上にも設けられている。

仕切り部材として機能する隔離部材９とルツボ開口部および気密容器１の内面との間に若干の隙間が存在していても良い。隙間を設けることなく仕切り部材として機能する隔離部材９をルツボ開口部上および気密容器１の内面上に設けることは、実際上、困難である。閉空間Ｓ１の内圧と外側空間Ｓ２の内圧との差が小さく且つ仕切り部材として機能する隔離部材９とルツボ開口部および気密容器１の内面との間の隙間が十分小さければ、ＳｉＯガスが閉空間Ｓ１内から外側空間Ｓ２内へ拡散する量を少なく抑えることができる。よって、加熱部材５および断熱部材７の劣化を防止できるので、上記効果つまりシリコン塊１８の製造コストの低減という効果を得ることができる。

隔離部材の一部は、ガスを、閉空間Ｓ１と気密容器１の外部空間との間を移動させるための経路（ガス用経路）であることが好ましい。ガス供給用経路として機能する隔離部材１１は給気用孔１０内に挿通されていることが好ましく、ガス排気用経路として機能する隔離部材１３は排気用孔１２内に挿通されていることが好ましい。

閉空間Ｓ１を構成する気密容器内壁には、閉空間Ｓ１と気密容器１の外部空間とを連通する貫通孔が形成されている。この貫通孔の一例として、たとえば、上記給気用孔１０または上記排気用孔１２などを挙げることができる。給気用孔１０は、アルゴンガスなどの不活性ガスを気密容器１の外部空間から閉空間Ｓ１へ供給するための貫通孔である。排気用孔１２は、閉空間Ｓ１内のＳｉＯガスなどを気密容器１の外部空間へ排出するための貫通孔である。これにより、給気用孔１０から導入された不活性ガスをキャリアガスとして、シリコン塊１８の製造中に発生したＳｉＯガスを気密容器１の外へ排出させることができる。よって、閉空間Ｓ１内に残留するＳｉＯガスの量が少なくなるため、ＳｉＯガスが閉空間Ｓ１内から外側空間Ｓ２内へ拡散することをさらに抑制できる。したがって、上記効果つまり低コストでシリコン塊１８を製造することができるという効果を有効に得ることができる。

ガス供給用経路として機能する隔離部材１１には仕切り弁１１１が設けられていることが好ましく、ガス排気用経路として機能する隔離部材１３には仕切り弁１１３が設けられていることが好ましい。これにより、気密容器１の外部空間内に存在する不純物などが閉空間Ｓ１内に混入することを防止できる。

閉空間Ｓ１を構成する気密容器内壁に形成された貫通孔の別の例としては、たとえば、シリコン供給用孔（不図示）またはシリコン取り出し用孔１６などを挙げることができる。シリコン供給用孔は、シリコン原料およびシリコン融液の少なくとも一方を閉空間Ｓ１へ供給するための貫通孔である。シリコン取り出し用孔１６は、シリコン塊１８をルツボ３から取り出すための貫通孔であり、回転冷却体１７が挿通されていることが好ましい。

シリコン供給用孔には仕切り弁（不図示）が設けられていることが好ましく、シリコン取り出し用孔１６には仕切り弁１１６が設けられていることが好ましい。これにより、気密容器１の外部空間内に存在する不純物などが閉空間Ｓ１内に混入することを防止できる。なお、シリコン塊１８が析出した回転冷却体１７をシリコン融液１５内から取り出してから仕切り弁１１６でシリコン取り出し用孔１６を蓋するため、図１には仕切り弁１１６を破線で記している。

このような隔離部材の材料は特に限定されないが、耐熱性、断熱性、およびシリコン融液１５への低汚染性などを考慮して、黒鉛、酸化珪素、窒化珪素および炭化珪素の少なくとも１つを主成分として含むことが好ましい。

たとえば黒鉛製の隔離部材を用いた場合、ＳｉＯガスによる隔離部材の劣化を防止することは難しい。しかし、隔離部材は加熱部材５および断熱部材７とは異なり小型であるので、隔離部材の価格を低く抑えることができる。よって、シリコン塊１８の製造中に隔離部材を頻繁に交換しても、シリコン塊１８の製造コストの上昇を防止できる。

一方、酸化珪素、窒化珪素または炭化珪素などを主成分とする隔離部材は、黒鉛製の隔離部材よりも高価格になることが多い。しかし、酸化珪素、窒化珪素または炭化珪素などを主成分とする隔離部材は、黒鉛製の隔離部材に比べて、ＳｉＯガスによる劣化が抑えられるので長期間使用可能である。初期コストとランニングコストとを勘案して隔離部材の材料を選定すればよい。

仕切り部材として機能する隔離部材９は、図２に示すように構成されていても良い。図２は、本発明のシリコン製造装置の別の一例（シリコン精製装置）を示す断面図である。

図２に示す仕切り部材として機能する隔離部材１９は、ルツボ開口部と気密容器１の内面（好ましくはルツボ開口部に対向する気密容器１の内面）とを接続するように設けられている。このとき、断熱部材７の一部を仕切り部材として機能する隔離部剤１９の一部とみなせばルツボ内面を含む領域が閉空間として形成される。よって、図２に示すシリコン精製装置においても、仕切り部材として機能する隔離部材が設けられていないシリコン精製装置（たとえば図５に示すシリコン精製装置）に比べて、ＳｉＯガスが断熱部材７に含まれる黒鉛と反応することを抑制できるので、高価な断熱部材７の交換頻度が低下し、したがって、シリコン塊１８の製造コストが低下する。

以上、図１および図２を用いてシリコン精製装置の構成を説明したが、図１および図２に示すシリコン精製装置において気密容器１、ルツボ３、加熱部材５、断熱部材７、回転冷却体１７の各構成は特に限定されない。

たとえば、気密容器１は、気密容器１内の気体が気密容器１の外へ漏れることを防止可能に構成されていることが好ましい。気密容器１の材料は特に限定されない。たとえば、気密容器１は、ＳＵＳなどの金属からなり且つ水冷されていることが好ましい。気密容器１の大きさおよび形状は図１などに示す大きさおよび形状に限定されない。しかし、気密容器１内には、ルツボ３と加熱部材５と断熱部材７などとが設けられるため、気密容器１は、ルツボ３と加熱部材５と断熱部材７などとを収容可能な大きさおよび形状に構成されていることが好ましい。

ルツボ３はシリコン融液１５を保持可能に構成されていることが好ましく、ルツボ３の大きさおよび形状は図１などに示す大きさおよび形状に限定されない。ルツボ３の材料は、特に限定されないが、シリコンの融点（たとえば１４１２℃）以上の温度で安定な材料であることが好ましく、黒鉛、シリカ、石英、炭化ケイ素、アルミナ、またはムライトなどが好適であり、黒鉛、シリカ、石英、または炭化ケイ素などがより好適である。ルツボ３が黒鉛、シリカ、石英、または炭化ケイ素などからなれば、ルツボ３からシリコン融液１５への不純物の混入を抑制できる。

加熱部材５は、ルツボ３の外側に設けられており、好ましくは外側空間Ｓ２内に設けられており、ルツボ３およびルツボ３内に保持されたシリコン融液１５の少なくとも一方を加熱する。加熱部材５は、シリコン融液１５の溶融状態が保持されるようにルツボ３およびシリコン融液１５の少なくとも一方を加熱できるのであれば特に限定されず、たとえば、抵抗加熱を利用した加熱装置であることが好ましい。加熱部材５の材料は、特に限定されないが、シリコンの融点（たとえば１４１２℃）以上の温度で安定な材料であることが好ましく、黒鉛が好適であり、黒鉛からなる稠密材がより好適である。加熱部材５が黒鉛からなれば、加熱部材５からシリコン融液１５への不純物の混入を抑制できる。

加熱部材５は、断熱部材７よりも外側に配置されていても良い。この場合には、加熱部材５としては、誘導加熱を利用した加熱装置を用いることが好ましい。

断熱部材７は、ルツボ３の外側に設けられており、好ましくは外側空間Ｓ２内に設けられており、ルツボ３および加熱部材５からの熱の少なくとも一部が気密容器１へ伝わることを防止する。よって、断熱部材７は、加熱部材５の外側に設けられていることが好ましく、気密容器１の内面上に設けられていることがより好ましい。断熱部材７の材料は、特に限定されないが、ルツボ３および加熱部材５からの熱の少なくとも一部が気密容器１へ伝わることを防止可能な材料であることが好ましく、またシリコンの融点（たとえば１４１２℃）以上の温度で安定な材料であることが好ましい。たとえば、断熱部材７の材料は、黒鉛からなる成形体が好適である。断熱部材７が黒鉛からなる成形体からなれば、断熱部材７からシリコン融液１５への不純物の混入を抑制できる。

回転冷却体１７は、回転冷却体１７の表面をシリコンの融点温度よりも低い温度に保持可能に構成されていることが好ましく、たとえば冷却流体（液体であっても良いし気体であっても良い）が回転冷却体１７の内部に設けられたノズルから回転冷却体１７の内面へ向かって噴出可能に構成されていることが好ましい。回転冷却体１７の材料は特に限定されないが、たとえば黒鉛であることが好ましい。また、回転冷却体１７は、設定された回転数で回転可能に構成されていることが好ましく、たとえば回転冷却体１７の回転数を制御するモータなどが回転冷却体１７に接続されていることが好ましい。

＜インゴット製造装置＞
図３は、本発明のシリコン製造装置のまた別の一例（インゴット製造装置）を示す断面図である。図３に示すインゴット製造装置は、気密容器２１内に設けられたルツボ２３、加熱部材２５、および断熱部材２７を備える。図３に示すインゴット製造装置では、加熱部材２５によりシリコン融液３５の溶融状態をルツボ２３内で維持しつつ、ルツボ２３およびシリコン融液３５の少なくとも一方をルツボ２３の下方から冷却する。これにより、多結晶シリコンインゴットが一方向に結晶成長される。

ルツボ２３内に供給されるシリコン原料におけるホウ素およびリンなどの不純物濃度は低いことが好ましい。これにより、高純度の多結晶シリコンインゴットを得ることができる。シリコン融液３５を得るために用いるシリコン原料は、たとえば、図１または図２に示すシリコン精製装置を用いて得られたシリコン塊１８を用いることが可能である。

気密容器２１の内部空間には、ルツボ２３と、ルツボ開口部および気密容器内壁に接する隔離部材と、少なくとも一部の気密容器内壁とで構成された閉空間Ｓ１が形成されている。これにより、多結晶シリコンインゴットの結晶成長中にシリコン融液３５の液面でＳｉＯガスが発生しても、発生したＳｉＯガスは閉空間Ｓ１内から外側空間Ｓ２内へ拡散しにくい。したがって、ＳｉＯガスが外側空間Ｓ２内に位置する加熱部材２５および断熱部材２７に接触することを防止できるので、ＳｉＯガスが加熱部材２５および断熱部材２７に含まれる黒鉛と反応することを防止できる。その結果、多結晶シリコンインゴットの結晶成長が進むにつれて加熱部材２５および断熱部材２７が劣化することを防止できるので、多結晶シリコンインゴットの結晶成長中における加熱部材２５および断熱部材２７の交換頻度を低く抑えることができる。加熱部材２５および断熱部材２７の好ましい材料は黒鉛であるので、加熱部材２５および断熱部材２７は高価である。以上より、多結晶シリコンインゴットの製造コストを低く抑えることができる。

隔離部材の一部は、気密容器２１内に設けられて仕切り部材として機能することが好ましい。仕切り部材として機能する隔離部材２９はルツボ開口部と気密容器２１の内面（好ましくはルツボ開口部に対向する気密容器２１の内面）とを接続するように設けられているとともに断熱部材２７の内面上にも設けられている。

仕切り部材として機能する隔離部材２９とルツボ開口部および気密容器２１の内面との間に若干の隙間が存在していても良い。閉空間Ｓ１の内圧と外側空間Ｓ２の内圧との差が小さく且つ仕切り部材として機能する隔離部材２９とルツボ開口部および気密容器２１の内面との間の隙間が十分小さければ、ＳｉＯガスが閉空間Ｓ１内から外側空間Ｓ２内へ拡散する量を少なく抑えることができる。よって、加熱部材２５および断熱部材２７の劣化を防止できるので、上記効果つまり多結晶シリコンインゴットの製造コストの低減という効果を得ることができる。

隔離部材の一部は、ガスを、閉空間Ｓ１と気密容器２１の外部空間との間を移動させるための経路（ガス用経路）であることが好ましい。ガス供給用経路として機能する隔離部材３１は給気用孔３０内に挿通されていることが好ましく、ガス排気用経路として機能する隔離部材３３は排気用孔３２内に挿通されていることが好ましい。

閉空間Ｓ１を構成する気密容器内壁には、閉空間Ｓ１と気密容器２１の外部空間とを連通する貫通孔が形成されている。この貫通孔の一例として、たとえば、上記給気用孔３０または上記排気用孔３２などを挙げることができる。

給気用孔３０は、アルゴンガスなどの不活性ガスを気密容器２１の外部空間から閉空間Ｓ１内へ供給するための貫通孔である。排気用孔３２は、閉空間Ｓ１内のＳｉＯガスなどを気密容器２１の外部空間へ排出するための貫通孔である。これにより、給気用孔３０から導入された不活性ガスをキャリアガスとして、多結晶シリコンインゴットの結晶成長中に発生したＳｉＯガスを気密容器２１の外へ排出させることができる。よって、閉空間Ｓ１内に残留するＳｉＯガスの量が少なくなるため、ＳｉＯガスが閉空間Ｓ１内から外側空間Ｓ２内へ拡散することをさらに抑制できる。したがって、上記効果つまり低コストで多結晶シリコンインゴットを製造することができるという効果を有効に得ることができる。

ガス供給用経路として機能する隔離部材３１には仕切り弁１３１が設けられていることが好ましく、ガス排気用経路として機能する隔離部材３３には仕切り弁１３３が設けられていることが好ましい。これにより、気密容器２１の外部空間内に存在する不純物などが閉空間Ｓ１内に混入することを防止できる。

このような隔離部材の材料については、図１に示すシリコン精製装置において述べたとおりである。

インゴット製造装置の中には、ルツボおよびシリコン融液の少なくとも一方を冷却する能力を調整するためにルツボを昇降可能な装置があり、またシリコン融液の面内における均熱性を確保するために又はルツボ内におけるシリコン融液の流れを制御するためにルツボを回転可能な装置がある。このようなインゴット製造装置において仕切り部材として機能する隔離部材は、図４に示すように構成されていることが好ましい。

図４に示すインゴット製造装置では、仕切り部材として機能する隔離部材４９のうち、ルツボ開口部に接する隔離部材４９Ａと気密容器内壁に接する隔離部材４９Ｂとは別体である。そして、ルツボ２３が上下に可動しても、ルツボ２３とルツボ開口部に接する隔離部材４９Ａと気密容器内壁に接する隔離部材４９Ｂと少なくとも一部の気密容器内壁とで構成された閉空間Ｓ１が形成された状態が維持される。具体的には、ルツボ開口部に接する隔離部材４９Ａは、ルツボ開口部上から気密容器内壁へ向かって延びている。気密容器内壁に接する隔離部材４９Ｂは、気密容器内壁上に設けられているとともに気密容器内壁上からルツボ開口部へ向かって延びている。そして、ルツボ２３が上下に可動しても、ルツボ開口部に接する隔離部材４９Ａの上面は気密容器内壁に接する隔離部材４９Ｂの下面よりも上側に位置している。これにより、図４に示すインゴット製造装置では、仕切り部材として機能する隔離部材が設けられていないインゴット製造装置（たとえば図６に示すインゴット製造装置）に比べて、多結晶シリコンインゴットの製造中に発生したＳｉＯガスが閉空間Ｓ１内から外側空間Ｓ２内へ拡散することを防止できるので、そのＳｉＯガスが加熱部材２５および断熱部材２７に接触することを防止でき、よって、ＳｉＯガスが加熱部材２５および断熱部材２７に含まれる黒鉛と反応することを防止できる。したがって、図４に示すシリコン精製装置では、仕切り部材として機能する隔離部材が設けられていないインゴット製造装置（たとえば図６に示すインゴット製造装置）に比べて、高価な加熱部材２５および断熱部材２７の交換頻度が低下するので、多結晶シリコンインゴットの製造コストが低下する。

図３および図４に示すインゴット製造装置には、冷却機構が設けられていることが好ましい。冷却機構は、ルツボ２３の下方からルツボ２３およびルツボ２３内に保持されたシリコン融液３５の少なくとも一方を冷却する。そのため、冷却機構は、ルツボ２３よりも下に設けられていることが好ましい。これにより、シリコン融液３５はルツボ２３の下面から抜熱され、多結晶シリコンインゴットが結晶成長する。

冷却機構は、その構成に特に限定されず、ルツボ２３およびルツボ２３内に保持されたシリコン融液３５の少なくとも一方をシリコンの融点よりも低い温度にまで冷却可能に構成されていることが好ましい。冷却機構は、たとえば、ルツボ２３の底部に設けられたカーボンブロックをルツボ２３とともに下降させ、ルツボ２３よりも下方の冷却された領域に移動させるというものであっても良い。これにより、ルツボ２３およびルツボ２３内に保持されたシリコン融液３５の少なくとも一方は、表面から輻射放熱され、よって冷却される。また、冷却機構は、ルツボ２３の下方に断熱材からなるシャッタを設け、シャッタを解放するというものであっても良い。これにより、ルツボ２３およびルツボ２３内に保持されたシリコン融液３５の少なくとも一方は、輻射放熱され、よって冷却される。

以上、図３および図４を用いてインゴット製造装置の構成を説明したが、図３および図４に示すシリコン精製装置において気密容器２１、ルツボ２３、加熱部材２５、および断熱部材２７の各構成は特に限定されない。

以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。実施例１および比較例１では高純度のシリコンの製造方法について示し、実施例２および比較例２では多結晶シリコンインゴットの製造方法について示す。

＜実施例１＞
実施例１では、図２に示すシリコン精製装置を用いてシリコンを精製した。図２に示すシリコン精製装置の具体的な構成を示す。ＳＵＳ製の水冷された気密容器１の内周面上に、成形材（成形材は黒鉛繊維が成形されてなる）からなる断熱部材（厚さ１００ｍｍ）７が設けられており、断熱部材７の内側には、等方性黒鉛材製の加熱部材５（抵抗加熱ヒーター）が設けられていた。気密容器１の中央であって加熱部材５の内側には、等方性黒鉛材製の円筒形状のルツボ（外径６３０ｍｍ）３が設けられており、このルツボ３は、４００ｋｇのシリコン融液を保持可能に構成されていた。黒鉛製の回転冷却体１７がルツボ３の直上からルツボ３内のシリコン融液１５に浸漬されており、回転冷却体１７はその内部において窒素ガス（冷却流体）を流通させることが可能に構成されていた（窒素ガスを流通させる構造は図示せず）。気密容器１内には、ガス供給用経路として機能する隔離部材１１によりＡｒが導入され、Ａｒは、シリコン融液１５の表面から発生するＳｉＯガスとともにガス排気用経路として機能する隔離部材１３内を通って気密容器１の外へ排気された。ルツボ３上には、黒鉛製のリング状の隔離部材（仕切り部材として機能する隔離部材）１９（厚み２０ｍｍ）が設けられており、仕切り部材として機能する隔離部材１９の上端は、隙間を設けることなく断熱部材７の内面に接していた。

シリコン原料としては、Ｆｅ（不純物）を１００ｐｐｍｗ含むシリコンを用いた。このシリコン原料をルツボ３内に供給してから、加熱部材５によりシリコン原料をルツボ３内で融解させた。これにより、４００ｋｇのシリコン融液１５が得られた。なお、シリコン原料を大気中に放置しているだけでもシリコン原料の表面には自然酸化膜が形成され、その自然酸化膜からシリコン原料に酸素が供給され、シリコン原料に供給された酸素はシリコン原料が溶融した後にはシリコン融液の表面からＳｉＯとして放出された。

シリコン融液１５が得られたら、回転冷却体１７をシリコン融液１５内に挿入し、回転冷却体１７を回転させた。そして、回転冷却体１７の表面に１５ｋｇのシリコン塊１８が析出したら、回転冷却体１７をシリコン融液１５から取り出して、シリコン塊１８を回収した。その後、回転冷却体１７をシリコン融液１５内に再び浸漬させた。シリコン融液１５内への回転冷却体１７の浸漬、シリコン塊１８の析出、およびシリコン塊１８の回収を１サイクルとして、１２サイクル行なった。

ルツボ３内のシリコン融液１５の質量が２２０ｋｇまで減少したところで、１８０ｋｇのシリコン原料をルツボ３に補充し、補充したシリコン原料を溶融した。そして、ルツボ３内のシリコン融液１５の質量を４００ｋｇとして、上記サイクルを行なった。

上記サイクルおよびシリコン原料の補充を繰り返し行なうと、ルツボ３内に残留するシリコン融液において不純物が濃縮され、その結果、凝固偏析を利用してシリコンを精製しても純度に優れたシリコン塊を得にくくなった。得られたシリコン塊における不純物濃度が高くなった時点で、加熱部材５による加熱を停止し、気密容器１内の温度が低下してから、気密容器１の蓋を開けてルツボ３を交換した。そして、気密容器１の蓋を開けたとき、加熱部材５および断熱部材７の劣化状況を調査した。

黒鉛製の加熱部材５に関しては、ＳｉＯガスと加熱部材５に含まれる黒鉛とが反応すると、加熱部材５の表面に珪化層が形成される。加熱部材５の表面における珪化層が厚くなるほど、冷却時または次回昇温時の加熱部材５の破損可能性が高まる。次回昇温時早々に加熱部材５が破損してしまうと、加熱が停止してしまう。加熱の停止によりルツボ内に保持されたシリコン融液が凝固するため、一旦、加熱されたルツボの再利用は不可能となる。ルツボ３を再利用できなくなると、シリコン塊１８の製造コストの上昇を招く。また、加熱部材５の破損によりルツボ３およびルツボ３内のシリコン融液１５が急激に冷却されると、シリコン融液１５が保持された状態でルツボ３が破損するおそれがあり、シリコン融液１５が気密容器１内で飛び散ることとなる。これらのことを踏まえて、本実施例では、加熱部材５の表面における珪化層の厚みが２００μｍとなった時点で加熱部材５を交換することとした。気密容器１の蓋を最初に開けたときには加熱部材５の表面における珪化層の厚みは２００μｍ未満であり、加熱部材５の交換は不要と判断した。

また、断熱部材７に関しては、断熱部材７が成形材からなるので、断熱部材７の表面において珪化が進行すると自らの形状を保てないほどに断熱部材７の強度が低下する。そのため、断熱部材７の表面から成形体が剥落し、珪化が進行していない断熱部材７の面が露出する。すると、断熱部材７の露出した面でＳｉＯガスによる珪化が進み、剥落が進行する。このように、断熱部材７では、剥落と珪化とを繰り返すため、断熱部材７の厚みが薄くなり、よって、断熱部材７の断熱性の機能低下などの不具合が発生する。それだけでなく、断熱部材７からの剥落片がシリコン融液１５内に落下した結果、その剥落片がシリコン塊１８内に混入するなどの不具合が生じる。これらのことを踏まえて、本実施例では、断熱部材７の表面に金属棒の先端面（先端面の面積は１ｃｍ²）を押し付けて５Ｎの力を断熱部材７に加えたときの断熱部材７の破壊具合を調べることにより、断熱部材７の交換要否を判断した。断熱部材７が破損しなかったときには、断熱部材７において珪化反応が進行していないと判断した。金属棒の先端が接触した部分において断熱部材７が破壊して金属棒が断熱部材７に刺さり込んだときには、断熱部材７の表面が珪化していると判断した。そして、断熱部材７への金属棒の刺さり込み深さが２０ｍｍを超えた時点で、断熱部材７を交換することとした。気密容器１の蓋を最初に開けたときには断熱部材７への金属棒の刺さり込み深さが２０ｍｍ以下であり、断熱部材７の交換は不要と判断した。

＜比較例１＞
比較例１では、図５に示す装置を用いたことを除いては上記実施例１と同様の方法にしたがってシリコンを精製してシリコン塊７８を得、上記実施例１と同様の方法にしたがって加熱部材６５および断熱部材６７の交換の要否を判断した。図５は、比較例１におけるシリコン精製装置の断面図である。

具体的には、比較例１におけるシリコン精製装置は、気密容器６１内に設けられたルツボ６３、加熱部材６５、および断熱部材６７を備え、ガス供給管７１、ガス排気管７２、および回転冷却体７７をさらに備えていた。気密容器６１、ルツボ６３、加熱部材６５、断熱部材６７、および回転冷却体７７は、それぞれ、上記実施例１における気密容器１、ルツボ３、加熱部材５、断熱部材７、および回転冷却体１７と同一に構成されていた。また、ルツボ６３内で保持されるシリコン融液７５も上記実施例１におけるシリコン融液１５と同一に構成されていた。一方、ガス供給用経路として機能する隔離部材１１に変え、ガス供給管７１を設けた。また、ガス排気用経路として機能する隔離部材１３に変え、ルツボ６３と断熱部材６７との間に位置する空間（加熱部材６５が設けられている空間）から気密容器６１の外へ向かって延びるようにガス排気管７２を設けた。また、比較例１におけるシリコン精製装置には、上記実施例１における仕切り部材として機能する隔離部材１９に相当する部材は設けられていなかった。

１ヶ月毎に気密容器１の蓋を開けて加熱部材および断熱部材の交換の要否を検討した結果を表１に示す。

表１に示すように、実施例１では、比較例１よりも加熱部材５および断熱部材７の交換頻度が低下し、仕切り部材として機能する隔離部材１９の追加によるコスト増よりも加熱部材５および断熱部材７の交換頻度の低下によるコスト減の方が大きくなった。よって、実施例１では、シリコン塊１８の製造コストが低下すると考えられる。

実施例１において加熱部材５および断熱部材７の交換頻度が低下した理由としては、実施例１では、気密容器１の内部空間には、ルツボ３と、ルツボ開口部および気密容器内壁に接する隔離部材と、少なくとも一部の気密容器内壁とで構成された閉空間Ｓ１が形成されているので、高純度のシリコンの製造中に生じたＳｉＯガスが加熱部材５および断熱部材７に接触しにくくなり、その結果、ＳｉＯガスが加熱部材５および断熱部材７に含まれる黒鉛と反応しにくくなることが挙げられる。

なお、比較例１では、高純度のシリコンの製造中に生じたＳｉＯガスは、ルツボ６３の内部空間内からルツボ６３と断熱部材６７との間に位置する空間内へ拡散してから、ガス排気管７２内を通って気密容器６１の外へ排気された。

＜実施例２＞
実施例２では、図４に示すインゴット製造装置を用いて多結晶シリコンインゴットを製造した。図４に示すインゴット製造装置の具体的な構成を示す。黒鉛製のサセプターで囲われたシリカ（酸化シリコン）製のルツボ２３（内寸８３０ｍｍ×８３０ｍｍ）内にシリコン（固形）４５０ｋｇを供給し、気密容器２１内に設けた。気密容器２１内には加熱部材２５および断熱部材２７が設けられていたが、加熱部材２５および断熱部材２７は上記実施例１における加熱部材５および断熱部材７と同様であった。また、気密容器２１内には、仕切り部材として機能する隔離部材（黒鉛製）４９が設けられていた。

ルツボ２３を気密容器２１内に配置してから気密容器２１の蓋を閉め、ガス供給用経路として機能する隔離部材３１を介してＡｒを供給しながらルツボ２３およびルツボ２３内のシリコン（固形）を昇温させた。これにより、シリコン融液３５が得られた。ルツボ２３の内面にはシリコンとの融着防止のために窒化珪素の層が形成されているが、酸素がルツボ２３からシリコン融液３５内へ供給された。それだけでなく、酸素は、シリコン（固形）の表面上に形成された自然酸化膜からもシリコン融液３５内に混入され、シリコン融液３５の表面からＳｉＯとして放出された。また、ルツボ２３の内部空間内に存在するＳｉＯガスなどの気体はガス排気用経路として機能する隔離部材３３内を通って気密容器２１の外へ排気された。

シリコン（固体）の溶融が完了すれば、シリコン融液３５の溶融状態を維持できるように加熱部材２５の出力を制御した。そののち、ルツボ２３を徐々に下降させ、ルツボ２３を下方から冷却した。これにより、ルツボ２３の下面から一方向に結晶成長が開始した。シリコン融液３５の凝固が完全に終了すれば、アニール工程を行なった。その後、気密容器２１内を冷却してから気密容器２１の蓋を開け、得られた多結晶シリコンインゴットを取り出した。上記実施例１と同様の基準で加熱部材２５および断熱部材２７の劣化具合を調査してこれらの交換時期を判断したが、シリコン（固形）をルツボ２３に供給してから多結晶シリコンインゴットを取り出すまでに要した期間は３日であったため、加熱部材２５および断熱部材２７の劣化はほとんど確認されなかった。

その後、新たなシリコン（固形）をルツボ２３内に供給してから、多結晶シリコンインゴットの製造を行なった。そして、加熱部材２５および断熱部材３５の劣化具合の調査を、気密容器２１の蓋を開けるたびに行なうのではなく１カ月毎に行なった。

＜比較例２＞
比較例２では、図６に示す装置を用いたことを除いては上記実施例２と同様の方法にしたがって多結晶シリコンインゴットを製造して、上記実施例２と同様の方法にしたがって加熱部材および断熱部材の交換の要否を判断した。図６は、比較例２におけるインゴット製造装置の断面図である。

具体的には、比較例２におけるインゴット製造装置は、気密容器８１内に設けられたルツボ８３、加熱部材８５、および断熱部材８７を備え、ガス供給管９１およびガス排気管９２をさらに備えていた。気密容器８１、ルツボ８３、加熱部材８５、および断熱部材８７は、それぞれ、上記実施例２における気密容器２１、ルツボ２３、加熱部材２５、および断熱部材２７と同一に構成されていた。また、ルツボ８３内で保持されるシリコン融液９５も上記実施例２におけるシリコン融液３５と同一に構成されていた。一方、ガス供給用経路として機能する隔離部材３１に変え、ガス供給管９１を設けた。また、ガス排気用経路として機能する隔離部材３３に変え、ルツボ８３と断熱部材８７との間に位置する空間から気密容器８１の外へ向かって延びるようにガス排気管９２を設けた。また、比較例２におけるインゴット製造装置には、上記実施例２における仕切り部材として機能する隔離部材４９に相当する部材は設けられていなかった。

１ヶ月毎に気密容器１の蓋を開けて加熱部材および断熱部材の交換の要否を検討した結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例２では、比較例２よりも加熱部材２５および断熱部材２７の交換頻度が低下し、仕切り部材として機能する隔離部材の追加によるコスト増よりも加熱部材２５および断熱部材２７の交換頻度の低下によるコスト減の方が大きくなった。よって、実施例２では、多結晶シリコンインゴットの製造コストが低下すると考えられる。

実施例２において加熱部材２５および断熱部材２７の交換頻度が低下した理由としては、実施例２では、気密容器２１の内部空間には、ルツボ２３と、ルツボ開口部および気密容器内壁に接する隔離部材と、少なくとも一部の気密容器内壁とで構成された閉空間Ｓ１が形成されているので、多結晶シリコンインゴットの製造中に生じたＳｉＯガスが加熱部材２５および断熱部材２７に接触しにくくなり、その結果、ＳｉＯガスが加熱部材２５および断熱部材２７に含まれる黒鉛と反応しにくくなることが挙げられる。

なお、比較例２では、多結晶シリコンインゴットの製造中に生じたＳｉＯガスは、ルツボ８３の内部空間内からルツボ８３と断熱部材８７との間に位置する空間内へ拡散してから、ガス排気管９２内を通って気密容器８１の外へ排気された。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，２１，６１，８１ 気密容器、３，２３，６３，８３ ルツボ、５，２５，６５，８５ 加熱部材、７，２７，６７，８７ 断熱部材、９，１９，２９，４９ 仕切り部材として機能する隔離部材、１０，３０ 給気用孔、１１，３１ ガス供給用経路として機能する隔離部材、１２，３２ 排気用孔、１３，３３ ガス排気用経路として機能する隔離部材、１５，３５，７５，９５ シリコン融液、１６ シリコン取り出し用孔、１７，７７ 回転冷却体、１８ シリコン塊、４９Ａ ルツボ開口部に接する隔離部材、４９Ｂ 気密容器内壁に接する隔離部材，７１，９１ ガス供給管、７２，９２ ガス排気管、１１１，１１３，１１６，１３１，１３３ 仕切り弁。

Claims (6)

1. 気密容器内に、シリコン融液を保持するためのルツボが設けられ、
   前記気密容器の内部空間には、前記ルツボと、ルツボ開口部および気密容器内壁に接する隔離部材と、少なくとも一部の気密容器内壁とで構成された閉空間が形成され、
   前記閉空間を構成する気密容器内壁には、前記閉空間と前記気密容器の外部空間とを連通する貫通孔が形成され、
   ガスを、前記閉空間と前記気密容器の外部空間との間を移動させるための経路が設けられているシリコン製造装置。
2. シリコンを、前記閉空間と前記気密容器の外部空間との間を移動させるための経路が設けられている請求項１に記載のシリコン製造装置。
3. 前記ガスを通過させるための経路には仕切り弁が設けられている請求項１または２に記載のシリコン製造装置。
4. 前記シリコンを通過させるための経路には第２の仕切り弁が設けられている請求項２に記載のシリコン製造装置。
5. 前記ルツボ開口部に接する隔離部材と前記気密容器内壁に接する隔離部材とは別体であり、
   前記ルツボと前記ルツボ開口部に接する隔離部材と前記気密容器内壁に接する隔離部材と前記少なくとも一部の気密容器内壁とにより前記閉空間が形成された状態を保ちながら、前記ルツボが上下に可動する請求項１または３に記載のシリコン製造装置。
6. 前記隔離部材は、黒鉛、酸化珪素、窒化珪素および炭化珪素のうちの少なくとも１つを主成分として含む請求項１〜５のいずれかに記載のシリコン製造装置。

Images