JP2013184842A - シリコン単結晶の製造装置およびシリコン単結晶の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】るつぼに入ったシリコン融液に種結晶を浸漬してシリコン単結晶を成長させる際に、多結晶や双晶が発生するのを防止する。
【解決手段】製造装置10は、種結晶Sを、原料が融解してできたシリコン融液Mに浸漬された位置とシリコン融液Mの上方の位置との間を移動可能に保持する保持機構5と、シリコン融液Mに浸漬された種結晶Sを冷却するための冷却機構5と、を備える。冷却された種結晶Sがシリコン融液Mに浸漬されると、シリコン融液Mの周囲部から種結晶の浸漬箇所にかけての温度勾配が大きくなり、温度揺らぎの影響を受けにくくなる。
【選択図】図2
【解決手段】製造装置10は、種結晶Sを、原料が融解してできたシリコン融液Mに浸漬された位置とシリコン融液Mの上方の位置との間を移動可能に保持する保持機構5と、シリコン融液Mに浸漬された種結晶Sを冷却するための冷却機構5と、を備える。冷却された種結晶Sがシリコン融液Mに浸漬されると、シリコン融液Mの周囲部から種結晶の浸漬箇所にかけての温度勾配が大きくなり、温度揺らぎの影響を受けにくくなる。
【選択図】図2
Description
本発明は、シリコン単結晶の製造装置およびシリコン単結晶の製造方法に関する。
従来、シリコン単結晶のインゴットを製造する方法として、るつぼに保持されたシリコン融液の液面中央部にシリコンの種結晶を浸漬することにより、種結晶からシリコン単結晶を成長させるようにした、いわゆる、カイロポーラス法(以下LEK法)が知られている(特許文献1参照)。
しかしながら、従来のLEK法では、結晶成長時に多結晶や双晶が発生しやすいという問題があった。この問題について検討したところ、シリコン融液の温度揺らぎがその原因の一つであることを突き止めた。すなわち、シリコン融液の結晶成長方向の温度勾配が小さい従来のLEK法では、温度揺らぎが成長中の単結晶に与える影響が大きく、温度揺らぎによる僅かな温度変化でも結晶とシリコン融液の界面における凝固と融解の繰り返しの幅が大きくなる。そして、このことが多結晶や双晶の発生頻度を高くし、歩留まりの低下を招いていた。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、るつぼに保持されたシリコン融液に種結晶を浸漬してシリコン単結晶を成長させる際に、多結晶や双晶が発生するのを防止することを目的とする。
上記の課題を解決するため、請求項1に記載の発明は、シリコン単結晶の原料を保持する耐熱性の容器と、前記原料を任意の温度に加熱する温度制御機構と、を備えるシリコン単結晶の製造装置において、種結晶を、前記原料が融解してできたシリコン融液に浸漬された位置と前記シリコン融液の上方の位置との間を移動可能に保持する保持機構と、前記シリコン融液に浸漬された種結晶を冷却するための冷却機構と、を備えることを特徴としている。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載のシリコン単結晶の製造装置において、前記冷却機構は、前記容器の外側から前記供給手段から前記容器の内側であって前記シリコン融液に浸漬された前記種結晶の近傍まで延設されたパイプと、前記容器の外側にある前記パイプの一端が接続され、前記パイプに不活性ガスを送り込む供給手段と、を有し、前記パイプの他端から、前記供給手段によって送り込まれ不活性ガスを、前記種結晶の表面に沿って流れるように、または、前記種結晶にかかるように吹き出すことを特徴としている。
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載のシリコン単結晶の製造装置において、前記保持機構は、前記シリコン融液の上方に上下方向に延設され、下端に前記種結晶が取り付けるための取付部が設けられた棒と、前記棒および前記取付部に取り付けられた種結晶を上下方向に移動させる駆動機構を有し、前記パイプは、前記シリコン融液の上方に、前記棒が内側に通された状態で上下方向に延設されるとともに、その上端が前記供給手段に接続され、前記パイプの下端から前記不活性ガスを前記種結晶の側周面に沿って下方に流れるよう吹き出すことを特徴としている。
請求項4に記載の発明は、請求項1から3の何れか一項に記載のシリコン単結晶の製造装置において、前記シリコン融液の上方に、前記容器の内側に挿入可能な有底筒状に形成されるとともに、前記容器の内部の空間と前記容器の上方との間を上下動可能に設けられた輻射シールドを備えることを特徴としている。
請求項5に記載の発明は、耐熱性の容器内に保持されたシリコン融液に種結晶を浸漬することにより前記種結晶から結晶を成長させるシリコン単結晶の製造方法において、前記シリコン融液に浸漬した前記種結晶を冷却しながらシリコン単結晶を成長させることを特徴としている。
請求項6に記載の発明は、請求項5に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記シリコン融液に浸漬した前記種結晶とともに前記シリコン融液の前記種結晶を浸漬した箇所の近傍を冷却しながらシリコン単結晶を成長させることを特徴としている。
請求項7に記載の発明は、請求項5または6に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記種結晶の表面に沿って不活性ガスを流すことにより前記種結晶を冷却することを特徴としている。
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記不活性ガスを前記種結晶に向けて流す手段への前記不活性ガスの供給量を10L/分超とすることを特徴としている。
請求項9に記載の発明は、請求項5から8の何れか一項に記載の多結晶シリコンの製造方法において、前記容器を、水平方向に沿って切断したときの断面形状が正方形または長方形のものとすることを特徴としている。
請求項10に記載の発明は、請求項5から9の何れか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記シリコン融液の液面を上方から輻射シールドで覆いながらシリコン単結晶を成長させることを特徴としている。
請求項11に記載の発明は、請求項5から10の何れか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法において、前記シリコン融液の液面中央部に前記種結晶を浸漬することを特徴としている。
本発明によれば、シリコン融液に浸漬した種結晶を冷却するので、シリコン融液の種結晶が浸漬された箇所は温度が低下し、シリコン融液の最も温度の高くなる融液周囲部から種結晶が浸漬された箇所にかけての温度勾配が大きくなる。このため、成長中の単結晶が受けるシリコン融液の温度揺らぎの影響が低減され、一度凝固した結晶が融解しにくくなる。よって、るつぼに入ったシリコン融液に種結晶を浸漬してシリコン単結晶を成長させる際に、多結晶や双晶が発生するのを防止することができる。
<実施形態>
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
〔シリコン単結晶の製造装置〕
まず、本実施形態のシリコン単結晶の製造装置(以下、製造装置10)の概略構成について説明する。
本実施形態の製造装置10は、図1に示すように、本体1、るつぼ2、サセプタ3、ヒーター4、種結晶保持冷却機構5、輻射シールド6、などで構成されている。
本体1は、側壁11と、側壁11の上に設けられるチャンバーフランジ12などからなる。側壁11は、断熱材でるつぼ2、サセプタ3、ヒーター4を囲むように筒状に形成されている。チャンバーフランジ12は、側壁11の上に開閉可能に設けられた蓋である。チャンバーフランジ12が閉じられると、本体1内は気密状態となる。
まず、本実施形態のシリコン単結晶の製造装置(以下、製造装置10)の概略構成について説明する。
本実施形態の製造装置10は、図1に示すように、本体1、るつぼ2、サセプタ3、ヒーター4、種結晶保持冷却機構5、輻射シールド6、などで構成されている。
本体1は、側壁11と、側壁11の上に設けられるチャンバーフランジ12などからなる。側壁11は、断熱材でるつぼ2、サセプタ3、ヒーター4を囲むように筒状に形成されている。チャンバーフランジ12は、側壁11の上に開閉可能に設けられた蓋である。チャンバーフランジ12が閉じられると、本体1内は気密状態となる。
るつぼ2は、シリコン単結晶の原料であるシリコン融液(以下融液M)を保持するための耐熱性の容器であって、例えば石英で形成されている。また、るつぼ2は、上面が開口された有底の角筒状をなし、水平方向に沿って切断したときの断面形状は正方形または長方形となっている。
サセプタ3は、るつぼ2を保持するための部材であって、カーボンでるつぼ2を収納可能な形状(ここでは略立方体状)に形成されるとともに、本体1の内部に配置されている。
ヒーター4は、サセプタ3およびサセプタ3に保持されるるつぼ2を加熱するためのもので、例えばグラファイトで、サセプタ3の側方に、サセプタ3を囲むように設けられている。ヒーター4の加熱温度は、任意に調節できるよう構成されている。
サセプタ3は、るつぼ2を保持するための部材であって、カーボンでるつぼ2を収納可能な形状(ここでは略立方体状)に形成されるとともに、本体1の内部に配置されている。
ヒーター4は、サセプタ3およびサセプタ3に保持されるるつぼ2を加熱するためのもので、例えばグラファイトで、サセプタ3の側方に、サセプタ3を囲むように設けられている。ヒーター4の加熱温度は、任意に調節できるよう構成されている。
種結晶保持冷却機構5は、種結晶Sを保持、冷却および移動させるためのものである。種結晶保持冷却機構5は、チャンバーフランジ12の上に設けられる軸上下動機構51と、軸上下動機構51の上に設けられる軸回転機構52、軸回転機構52から鉛直方向下方に延びるガスパイプ(パイプ)53、ガスパイプ53の内側に通された状態で上下方向に延設されたプルロッド(棒)54、図示しない不活性ガス供給機構からなる。ガスパイプ53は、下端に吹き出し口(下側開口)53aを有し、駆動機構51により上下動可能となっている。プルロッド54は、下端に設けられた保持部54aで種結晶Sを保持し、駆動機構51によりガスパイプ53とは独立して上下動可能となっている。プルロッド54が上方に移動すると、種結晶Sが融液Mの上方に位置し、プルロッド54が下方に移動すると、種結晶Sがサセプタ3に保持されたるつぼ2の中にある融液Mの中央部に浸漬されるようになっている。
軸回転機構52は、ガスパイプ53の上端に接続され、不活性ガス供給機構から不活性ガス(例えば窒素(N2)、アルゴン(Ar))の供給を受け、その不活性ガスをガスパイプ53に送り出すよう構成されている。すなわち、ガスパイプ53は、軸回転機構52を介して不活性ガス供給機構と接続されている。供給された不活性ガスは、図2に示すように、ガスパイプ53とプルロッド54との間にできる空間53bを通り、ガスパイプ53の吹き出し口53aから吹き出すようになっている。吹き出し口53aから吹き出した不活性ガスは、種結晶Sの側周面に沿って下方に流れるようになっている。この不活性ガスの流れによって種結晶Sの熱が奪われて種結晶Sが冷却される。
図1の説明に戻る。輻射シールド6は、ヒーター4からの輻射熱を遮るとともに、融液M周囲部の液面から熱が逃げるのを防ぐためのもので、上部が開口した有底角筒状に形成されている。輻射シールド6の底壁62中央部には孔62aが形成されており、ガスパイプ53およびプルロッド54を通すことができるようになっている。輻射シールド6は、上下動可能に構成されており、最も上に移動したときはるつぼ2およびサセプタ3の上方に位置する。また、輻射シールド6が最も下に移動したときは、その下部がサセプタ3に取り付けられたるつぼ2の内側に僅かに隙間を開けて挿入され、側壁61によってヒーター4とるつぼ2内部の空間とが仕切られる。そして、融液M周囲部の液面が底壁62で上方から覆われた状態となる。
〔シリコン単結晶の製造方法〕
次に、本実施形態のシリコン単結晶の製造方法について説明する。
本実施形態では、上記の製造装置10を用い、カイロポーラス法によってシリコン単結晶を製造する。具体的には、まず、原料を入れるるつぼ2の内面に離型材R(図3参照)を形成し、原料が直接るつぼ2に接触しないようにする。そして、原料となるシリコンおよび不純物(例えばホウ素)をるつぼ2に充填する。そして、るつぼ2をサセプタ3にセットし、本体1内を所定圧力の不活性ガスで満たす。そして、ヒーター4でシリコンを融点よりも高い温度となるように加熱し、シリコンを融解させる。
次に、本実施形態のシリコン単結晶の製造方法について説明する。
本実施形態では、上記の製造装置10を用い、カイロポーラス法によってシリコン単結晶を製造する。具体的には、まず、原料を入れるるつぼ2の内面に離型材R(図3参照)を形成し、原料が直接るつぼ2に接触しないようにする。そして、原料となるシリコンおよび不純物(例えばホウ素)をるつぼ2に充填する。そして、るつぼ2をサセプタ3にセットし、本体1内を所定圧力の不活性ガスで満たす。そして、ヒーター4でシリコンを融点よりも高い温度となるように加熱し、シリコンを融解させる。
シリコンが融解し融液Mとなった後、ヒーター4の加熱温度をシリコンの融点よりやや高い温度に設定し、輻射シールド6を下ろして、融液Mの温度を安定させる。温度が安定した後も、ヒーター4から熱が加えられたり、融液Mの液面から熱が逃げたりするため、融液Mにはある程度の対流が生じる。特に、本実施形態のように角筒型のるつぼ2を用いる場合、本体1における断熱部材等の最適化が充分でない、ヒーター4による炉内温度分布に偏りがあるなどの理由により、融液Mの温度分布に、るつぼ2の一端側が高く他端側が低くなるような偏りが生じ易くなり、その対流は、図3に示すように、るつぼの一端側から他端側へ流れる偏った流れになることがある。
この状態で、不活性ガス供給機構から軸回転機構52を介してアルゴンなどの不活性ガスをガスパイプ53に送り込みつつ種結晶Sを下降させる。すると、プルロッド54の先端に保持された種結晶Sの側周面に沿って不活性ガスが下方に向かって流れ、種結晶Sが冷却される。このとき、輻射シールド6の側壁61によって、ヒーター4からるつぼ2の内側に入り込もうとする輻射熱が遮られるので、不活性ガスが加熱されて冷却効果が低下するのを防ぐことができる。そして、冷却された種結晶Sが融液Mの液面中央部に浸漬される。すると、ガスパイプ53から吹き出す不活性ガスは、種結晶Sだけでなく、融液Mの種結晶Sが浸漬された箇所の近傍(周囲)にも吹きかけられる。融液Mの中央部は、冷却された種結晶Sと直接吹きかけられる不活性ガスとによって冷却される。不活性ガスの供給量や供給の継続時間は、シリコン単結晶の成長具合や融液M全体の温度に応じて加減する。
融液M中央部が冷却されると、融液M周囲部の温度が相対的に高まるので、融液Mの、周囲部から中央部にかけての温度勾配が大きくなる。これにより、当初融液Mに図3に示したような対流が生じていたとしても、その対流は図4に示すように、るつぼ側壁付近で上昇し中央で沈み込む流れに変化する。このため、融液Mの中央部において多少の温度揺らぎが生じたとしても、種結晶Sと融液Mの界面における単結晶の凝固と融解の繰り返し幅は小さくなり、種結晶Sから安定的にシリコン単結晶が成長していく。また、種結晶Sから成長した単結晶も不活性ガスにより冷却されることになるので、上記の原理でシリコン単結晶がいつまでも成長することになる。更に、輻射シールド6の底壁62によって融液M周囲部の液面から熱が逃げにくくなるので、融液M周囲部の温度の偏りが低減され、そこに生じる対流は最低限に抑えられる。このため、シリコン単結晶がより成長し易くなる。
〔輻射シールドの効果〕
ここで、不活性ガスを供給する際の輻射シールドの役割とその効果について説明する。
まず、炉内温度1530℃、炉内圧力100kPaの状態で、不活性ガスを供給しない場合、不活性ガスを2L/分、10L/分、12L/分の異なる3段階の供給量で供給する場合について、融液Mの液面と輻射シールド6の底壁62との間の空間であって、種結晶Sからるつぼ側壁に向かって水平方向に35mm、75mm離れた箇所の温度を、熱電対を用いて計測した。
計測の結果、図5(a)に示すように、不活性ガスの流量が0,2L/分の場合には、35mm位置および75mm位置においてそれぞれ微小な温度降下が見られた。すなわち、融液Mの液面と輻射シールド6の底壁62との間の空間においては、何れの位置であっても等しく温度降下が生じている。そして、不活性ガスの供給量を10L/分超とした場合には、当該空間の冷却の度合いが顕著になることが確認できた。
ここで、不活性ガスを供給する際の輻射シールドの役割とその効果について説明する。
まず、炉内温度1530℃、炉内圧力100kPaの状態で、不活性ガスを供給しない場合、不活性ガスを2L/分、10L/分、12L/分の異なる3段階の供給量で供給する場合について、融液Mの液面と輻射シールド6の底壁62との間の空間であって、種結晶Sからるつぼ側壁に向かって水平方向に35mm、75mm離れた箇所の温度を、熱電対を用いて計測した。
計測の結果、図5(a)に示すように、不活性ガスの流量が0,2L/分の場合には、35mm位置および75mm位置においてそれぞれ微小な温度降下が見られた。すなわち、融液Mの液面と輻射シールド6の底壁62との間の空間においては、何れの位置であっても等しく温度降下が生じている。そして、不活性ガスの供給量を10L/分超とした場合には、当該空間の冷却の度合いが顕著になることが確認できた。
また、熱電対を初期位置(融液Mの液面と輻射シールド6の底壁62との間の空間の高さ)から鉛直上方向へ80mm移動させ、輻射シールド6の底壁62の上方における空間温度を計測した場合、図5(b)に示すように、プルロッド54から水平方向に35mm離れた位置では不活性ガス流量が2L/分でも温度降下が見られ、融液面中央部から水平方向に75mm離れた位置では逆に温度上昇が見られた。これは、この高さにおいては、るつぼ2内側の空間に不活性ガスの対流による温度揺らぎが発生するためであると考えられる。
以上の計測結果から、不活性ガスが種結晶S付近に導入された状態でも、輻射シールド6が融液Mの液面と輻射シールド6の底壁62との間の空間における不活性ガスの対流を抑え、それに伴う融液面付近における温度揺らぎが低減されていることが確認できる。なお、図示は省略するが、本体1内の圧力を95kPaにした状態で同様の実験を行っても同様の結果が得られた。
以上の計測結果から、不活性ガスが種結晶S付近に導入された状態でも、輻射シールド6が融液Mの液面と輻射シールド6の底壁62との間の空間における不活性ガスの対流を抑え、それに伴う融液面付近における温度揺らぎが低減されていることが確認できる。なお、図示は省略するが、本体1内の圧力を95kPaにした状態で同様の実験を行っても同様の結果が得られた。
〔不活性ガスの好ましい供給量〕
ところで、融液Mの液面と輻射シールド6の底壁62との間の空間における水平方向の温度分布は、融液面における温度分布に対応している。このため、空間温度の低下は、その下方の融液Mの液面の温度が低下したことを示す。つまり、図5に示した結果から、10L/分以下では種結晶付近における融液Mの冷却効果は低く、十分な冷却効果が得られない。そして、融液Mを充分に冷却するためには、不活性ガスの供給流速を10L/分超とすることが好ましいということになる。
なお、冷却の原理上、不活性ガスの流量を10L/分から多くするほど冷却効果は高まることになるので、冷却することのみを考えれば供給量の上限を定める必要は無い。しかし、供給量を上げすぎると、融液Mの冷やし過ぎとなったり、不活性ガスの対流が増大したりして、結晶の成長に影響が出る畏れがあるので、そのような問題が生じない範囲で適宜設定すればよい。
ところで、融液Mの液面と輻射シールド6の底壁62との間の空間における水平方向の温度分布は、融液面における温度分布に対応している。このため、空間温度の低下は、その下方の融液Mの液面の温度が低下したことを示す。つまり、図5に示した結果から、10L/分以下では種結晶付近における融液Mの冷却効果は低く、十分な冷却効果が得られない。そして、融液Mを充分に冷却するためには、不活性ガスの供給流速を10L/分超とすることが好ましいということになる。
なお、冷却の原理上、不活性ガスの流量を10L/分から多くするほど冷却効果は高まることになるので、冷却することのみを考えれば供給量の上限を定める必要は無い。しかし、供給量を上げすぎると、融液Mの冷やし過ぎとなったり、不活性ガスの対流が増大したりして、結晶の成長に影響が出る畏れがあるので、そのような問題が生じない範囲で適宜設定すればよい。
〔本発明の製造方法によるシリコン単結晶の育成〕
次に、本実施形態の製造方法の具体例、従来の製造方法の一例、および各製造方法によって製造されたシリコンインゴットの差異について説明する。
本実施形態の製造方法では、まず、水平方向の断面が100mm〜200mm四方の正方形をした角筒型のるつぼに原料であるシリコンフレークを入れた。そして、そのるつぼを本体1内に設置し、該本体1内を所定圧力の不活性ガスで満たした。その後、ヒーターでシリコン原料を1500℃以上に加熱して融解させた。融解後、融液Mの液面を観察したところ、図3に示したような対流が生じていた。ここで、輻射シールドを下ろし、融液Mを一定時間保持してから結晶成長温度まで下げて温度の安定を待った。
次に、本実施形態の製造方法の具体例、従来の製造方法の一例、および各製造方法によって製造されたシリコンインゴットの差異について説明する。
本実施形態の製造方法では、まず、水平方向の断面が100mm〜200mm四方の正方形をした角筒型のるつぼに原料であるシリコンフレークを入れた。そして、そのるつぼを本体1内に設置し、該本体1内を所定圧力の不活性ガスで満たした。その後、ヒーターでシリコン原料を1500℃以上に加熱して融解させた。融解後、融液Mの液面を観察したところ、図3に示したような対流が生じていた。ここで、輻射シールドを下ろし、融液Mを一定時間保持してから結晶成長温度まで下げて温度の安定を待った。
融液Mの温度が安定した後、ガスパイプに不活性ガスを5〜30L/min流し、種結晶を融液Mの液面中央部に浸漬し、種結晶とその近傍の融液Mの液面を冷却した。すると、種結晶から下方および側方へとシリコン結晶粒が対流の下流方向および下方に向かって成長し始めた。その後、一定の速度で融液Mの温度を下げていきながらシリコン単結晶の成長を継続した。本体1内が室温まで冷えてから結晶インゴットを取り出して観察したところ、種結晶からシリコン単結晶が成長しているのが見られた。
〔従来の製造方法との比較〕
また、比較のため、種結晶保持冷却機構5の冷却機能および輻射シールド6を用いない従来の製造方法による結晶成長を行った。まず、上記実施例と同じ材料をるつぼに入れ、同じ温度制御でシリコンを融解させたところ、融液Mに図3に示したような対流が生じた。ここで、種結晶を融液Mの液面中央部に浸漬した。すると、種結晶から結晶粒が対流の下流方向に向かって成長し始めたが、ある程度成長したところで結晶粒が種結晶から離れ、対流によってるつぼ他端の壁面に流されてしまった。流された結晶粒は、その後もるつぼ他端の壁面で成長し続けた。結晶粒が流された後、種結晶から下方へ成長する結晶は見られたが、側方への成長は見られなかった。本体1内が室温まで冷えてから結晶インゴットを取り出て観察したところ、種結晶からシリコン単結晶は成長しておらず、多結晶や双晶が発生しているのが確認された。
また、比較のため、種結晶保持冷却機構5の冷却機能および輻射シールド6を用いない従来の製造方法による結晶成長を行った。まず、上記実施例と同じ材料をるつぼに入れ、同じ温度制御でシリコンを融解させたところ、融液Mに図3に示したような対流が生じた。ここで、種結晶を融液Mの液面中央部に浸漬した。すると、種結晶から結晶粒が対流の下流方向に向かって成長し始めたが、ある程度成長したところで結晶粒が種結晶から離れ、対流によってるつぼ他端の壁面に流されてしまった。流された結晶粒は、その後もるつぼ他端の壁面で成長し続けた。結晶粒が流された後、種結晶から下方へ成長する結晶は見られたが、側方への成長は見られなかった。本体1内が室温まで冷えてから結晶インゴットを取り出て観察したところ、種結晶からシリコン単結晶は成長しておらず、多結晶や双晶が発生しているのが確認された。
以上のように、本実施形態のシリコン単結晶の製造装置10は、保持された種結晶Sを冷却するための保持冷却機構5(冷却機構)を有するので、融液Mに種結晶Sを浸漬した際にこの保持冷却機構5を作動させることにより、種結晶Sおよびその近傍の融液Mが冷却され、融液Mの最も温度の高い融液周囲部から種結晶が浸漬されている箇所にかけての温度勾配が大きくなる。このため、成長中の単結晶が受ける融液Mの温度揺らぎの影響が低減され、一度凝固した結晶は融解しにくくなる。このため、シリコン単結晶を安定的に成長させることができ、その歩留まりを向上させることができる。
また、本実施形態の製造装置10は、ガスパイプ53(パイプ)の他端から供給手段によって送り込まれた不活性ガスを、種結晶Sの表面に沿って流れるようにしているので、保持冷却機構5を簡単に構成することができ、製造装置10を安価なものとすることができる。
また、ガスパイプ53は、融液Mの上方に、プルロッド54(棒)が内側に通された状態で上下方向に延設されるとともに、その上端が不活性ガス供給機構(供給手段)に接続され、吹き出し口53a(ガスパイプ53の下端)から不活性ガスを種結晶Sの側周面に沿って下方に流れるよう吹き出すので、種結晶Sの冷却と融液Mの冷却を同時かつ容易に行うことができる。
また、ガスパイプ53は、融液Mの上方に、プルロッド54(棒)が内側に通された状態で上下方向に延設されるとともに、その上端が不活性ガス供給機構(供給手段)に接続され、吹き出し口53a(ガスパイプ53の下端)から不活性ガスを種結晶Sの側周面に沿って下方に流れるよう吹き出すので、種結晶Sの冷却と融液Mの冷却を同時かつ容易に行うことができる。
また、本実施形態の製造装置10は、融液Mの上方に、るつぼ2の内側に挿入可能な有底筒状に形成されるとともに、るつぼ2の上方とるつぼ2の内部の空間との間を上下動可能に設けられた輻射シールドを備えている。このため、一つの駆動機構で輻射シールド6および石英シールド7を上下動させることができるので、製造装置10を簡素な構成とすることができるし、製造工程を短縮することもできる。また、輻射シールド6が下降したときに、輻射シールド6の側壁がヒーター4からの輻射熱を遮るとともに、底壁が融液Mの液面から熱が逃げるのを防ぐので、融液Mを対流の少ないより安定した状態とすることができる。
また、本実施形態のシリコン単結晶の製造方法では、融液Mに浸漬した種結晶Sを冷却するので、融液Mの最も温度の高い融液周囲部から種結晶が浸漬されている箇所にかけての温度勾配が大きくなる。このため、成長中の単結晶が受ける融液Mの温度揺らぎの影響が低減され、一度凝固した結晶は融解しにくくなる。このため、シリコン単結晶を安定的に成長させることができ、その歩留まりを向上させることができる。
また、種結晶Sとともに融液Mの種結晶Sを浸漬した箇所の近傍を冷却するので、種結晶Sのみを冷却する場合よりも融液Mの周囲部から中央部にかけての温度勾配を大きくすることができ、シリコン単結晶を更に安定的に成長させることができる。
また、種結晶Sとともに融液Mの種結晶Sを浸漬した箇所の近傍を冷却するので、種結晶Sのみを冷却する場合よりも融液Mの周囲部から中央部にかけての温度勾配を大きくすることができ、シリコン単結晶を更に安定的に成長させることができる。
また、本実施形態の製造方法では、種結晶Sの表面に沿って不活性ガスを流すことにより種結晶Sを冷却するので、種結晶Sの冷却を容易に行うことができる。
また、本実施形態の製造方法では、ガスパイプ(不活性ガスを種結晶Sに向けて流す手段)への不活性ガスの供給量を10L/分超としているので、充分な冷却効果を得ることができる。
また、るつぼ(容器)を、水平方向に沿って切断したときの断面形状が正方形または長方形のものとしているので、角柱形のインゴットが製造され、このインゴットからは正方形または長方形のウエハーが切り出される。太陽電池セルなどの素子は、正方形または長方形をしているので、正方形または長方形のウエハーからは、同面積の円形ウエハーよりも大きいまたは多くの素子を製造することができる。
また、本実施形態の製造方法では、ガスパイプ(不活性ガスを種結晶Sに向けて流す手段)への不活性ガスの供給量を10L/分超としているので、充分な冷却効果を得ることができる。
また、るつぼ(容器)を、水平方向に沿って切断したときの断面形状が正方形または長方形のものとしているので、角柱形のインゴットが製造され、このインゴットからは正方形または長方形のウエハーが切り出される。太陽電池セルなどの素子は、正方形または長方形をしているので、正方形または長方形のウエハーからは、同面積の円形ウエハーよりも大きいまたは多くの素子を製造することができる。
また、本実施形態の製造方法では、融液Mの液面を上方から輻射シールド6で覆うので、融液Mの液面から熱が逃げにくくなり、温度揺らぎも低減できる。さらに、融液Mの温度が偏りにくくなる。このため、融液Mの対流が弱まり、シリコン単結晶を成長させ易くすることができる。
また、冷却された種結晶Sを融液Mの液面中央部に浸漬するので、融液Mの対流が、周囲部で上昇し、周囲部から中央部に向かい、中央部で沈下する理想的な流れに変化する。このため、対流の偏りが生じ易い円筒形以外の形状(例えば角筒型等)のるつぼ(容器)を用いた場合であっても、容易にシリコン単結晶を成長させることができる。
また、冷却された種結晶Sを融液Mの液面中央部に浸漬するので、融液Mの対流が、周囲部で上昇し、周囲部から中央部に向かい、中央部で沈下する理想的な流れに変化する。このため、対流の偏りが生じ易い円筒形以外の形状(例えば角筒型等)のるつぼ(容器)を用いた場合であっても、容易にシリコン単結晶を成長させることができる。
<変形例>
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、本実施形態では、ガスパイプ53の中にプルロッド54を通し、ガスパイプ53とプルロッド54との間の空間53bに不活性ガスを通したが、プルロッド54自体を筒状に形成し、プルロッド54の中に不活性ガスを通すようにしてもよいし、プルロッド54から離れた位置にプルロッド54と並行してガスパイプ53を配設するようにしてもよい。
また、本実施形態では、不活性ガスを種結晶Sの側周面に沿って下方に流れるようにしたが、不活性ガスが種結晶Sの表面に直接吹きかかるようにしてもよい。
また、本実施形態では、種結晶Sを不活性ガスで冷却しながら下降させ、シリコン融液Mに浸漬するようにしたが、種結晶Sを予めある程度冷却してから浸漬するようにしてもよいし、種結晶Sを融液Mに浸漬してから冷却を開始するようにしてもよい。
また、本実施形態では、不活性ガスを種結晶Sの側周面に沿って下方に流れるようにしたが、不活性ガスが種結晶Sの表面に直接吹きかかるようにしてもよい。
また、本実施形態では、種結晶Sを不活性ガスで冷却しながら下降させ、シリコン融液Mに浸漬するようにしたが、種結晶Sを予めある程度冷却してから浸漬するようにしてもよいし、種結晶Sを融液Mに浸漬してから冷却を開始するようにしてもよい。
また、本実施形態では、種結晶Sを融液Mに浸漬させたときに、ガスパイプ53の吹き出し口53aから吹き出す不活性ガスが融液Mの浸漬箇所近傍にもかかるようになっていたが、種結晶Sにかけられた後の不活性ガスが側方または上方に流れるよう構成することにより、種結晶Sのみを冷却するようにしてもよい。そうすれば、不活性ガスで融液面が揺らされるのを防ぐことができる。
今回開示された実施の形態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。
10 製造装置
3 るつぼ(容器)
5 種結晶保持冷却機構(保持機構、冷却機構)
51 軸上下動機構
52 軸回転機構
53 ガスパイプ(パイプ)
54 プルロッド(棒)
54a 保持部
6 輻射シールド
62 底壁
62a 孔
M シリコン融液
S 種結晶
3 るつぼ(容器)
5 種結晶保持冷却機構(保持機構、冷却機構)
51 軸上下動機構
52 軸回転機構
53 ガスパイプ(パイプ)
54 プルロッド(棒)
54a 保持部
6 輻射シールド
62 底壁
62a 孔
M シリコン融液
S 種結晶
Claims (11)
- シリコン単結晶の原料を保持する耐熱性の容器と、前記原料を任意の温度に加熱する温度制御機構と、を備えるシリコン単結晶の製造装置において、
種結晶を、前記原料が融解してできたシリコン融液に浸漬された位置と前記シリコン融液の上方の位置との間を移動可能に保持する保持機構と、
前記シリコン融液に浸漬された種結晶を冷却するための冷却機構と、を備えることを特徴とするシリコン単結晶の製造装置。 - 前記冷却機構は、前記容器の外側から前記供給手段から前記容器の内側であって前記シリコン融液に浸漬された前記種結晶の近傍まで延設されたパイプと、前記容器の外側にある前記パイプの一端が接続され、前記パイプに不活性ガスを送り込む供給手段と、を有し、
前記パイプの他端から前記供給手段によって送り込まれた不活性ガスを、前記種結晶の表面に沿って流れるように吹き出すことを特徴とする請求項1に記載のシリコン単結晶の製造装置。 - 前記保持機構は、前記シリコン融液の上方に上下方向に延設され、下端に前記種結晶が取り付けるための取付部が設けられた棒と、前記棒および前記取付部に取り付けられた種結晶を上下方向に移動させる駆動機構を有し、
前記パイプは、前記シリコン融液の上方に、前記棒が内側に通された状態で上下方向に延設されるとともに、その上端が前記供給手段に接続され、
前記パイプの下端から前記不活性ガスを前記種結晶の側周面に沿って下方に流れるよう吹き出すことを特徴とする請求項2に記載のシリコン単結晶の製造装置。 - 前記シリコン融液の上方に、前記容器の内側に挿入可能な有底筒状に形成されるとともに、前記容器の内部の空間と前記容器の上方との間を上下動可能に設けられた輻射シールドを備えることを特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載のシリコン単結晶の製造装置。
- 耐熱性の容器内に保持されたシリコン融液に種結晶を浸漬することにより、前記種結晶から結晶を成長させるシリコン単結晶の製造方法において、
前記シリコン融液に浸漬した前記種結晶を冷却しながらシリコン単結晶を成長させることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。 - 前記シリコン融液に浸漬した前記種結晶とともに前記シリコン融液の前記種結晶を浸漬した箇所の近傍を冷却しながらシリコン単結晶を成長させることを特徴とする請求項5に記載のシリコン単結晶の製造方法。
- 前記種結晶の表面に沿って不活性ガスを流すことにより前記種結晶を冷却することを特徴とする請求項5または6に記載のシリコン単結晶の製造方法。
- 前記不活性ガスを前記種結晶に向けて流す手段への前記不活性ガスの供給量を10L/分超とすることを特徴とする請求項7に記載のシリコン単結晶の製造方法。
- 前記容器を、水平方向に沿って切断したときの断面形状が正方形または長方形のものとすることを特徴とする請求項5から8の何れか一項に記載の多結晶シリコンの製造方法。
- 前記シリコン融液の液面を上方から輻射シールドで覆いながらシリコン単結晶を成長させることを特徴とする請求項5から9の何れか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
- 前記シリコン融液の液面中央部に前記種結晶を浸漬することを特徴とする請求項5から10の何れか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2012049920A JP2013184842A (ja) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | シリコン単結晶の製造装置およびシリコン単結晶の製造方法 |
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JP2012049920A Pending JP2013184842A (ja) | 2012-03-07 | 2012-03-07 | シリコン単結晶の製造装置およびシリコン単結晶の製造方法 |
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JP2017024946A (ja) * | 2015-07-23 | 2017-02-02 | 日本電信電話株式会社 | 単結晶成長方法およびその装置 |
-
2012
- 2012-03-07 JP JP2012049920A patent/JP2013184842A/ja active Pending
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