JP2014080342A - シリコン単結晶引上げ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ上壁へのシリコン酸化物（ＳｉＯｘ）の付着を抑制することで、輻射率変化を防止し、高品質なシリコン単結晶を製造可能なシリコン単結晶引上げ装置を提供する。
【解決手段】シリコン単結晶引上げ装置１は、チャンバ１０と、前記チャンバ１０の内部に配置され、シリコン融液を貯蔵するルツボ１１と、前記ルツボ１１を加熱する加熱部１４と、前記ルツボ１１の上方に設けられ、かつ、前記チャンバ１０の内部を重力方向に可動する熱遮蔽板２６と、前記熱遮蔽板２６を支持する環状部材（上端リング）２０と、前記チャンバ１０内にガスを導入するガス導入口２と、前記チャンバ１０内のガスを排出するガス排出口３と、を備え、前記環状部材２０は、該環状部材１０の重力方向上側の面に固定され、かつ、前記遮蔽板２６の外側に位置する遮蔽リング２７を有すること、を特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＺ法によるシリコン単結晶引上げ装置に関するものである。

ＣＺ法を用いた従来のシリコン単結晶引上げ装置として、図５に示される装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図５において、チャンバ１０の内部中央には石英製のルツボ１１が設けられている。ルツボ１１は黒鉛製のサセプタ１２により保持されており、サセプタ１２の下端部は、ルツボ軸１３の上端に取り付けられている。そして、ルツボ１１は、ルツボ軸１３に設置されたルツボ回転モータ（図示せず）及びルツボ昇降モータ（図示せず）により回転及び昇降されるように構成される。

また、ルツボ１１内には原料である塊状の多結晶シリコンが充填され、ルツボ１１の周囲を取り囲むように設けられた円筒状のヒータ１４によって原料が加熱融解されてシリコン融液１５となる。

更に、チャンバ１０の内壁に、円筒状の断熱筒１６が設置されている。チャンバ１０の上方には、引上げ機構（図示せず）が設けられ、その引上げ機構により引上げワイヤ１７がルツボ１１の上方で上下動される。この引上げワイヤ１７の先端には、種結晶となるシード１８が取り付けられており、シード１８をルツボ１１内のシリコン融液１５に浸した後、シード１８およびルツボ１１を回転させながらシード１８を引上げることにより、シード１８を先端部として円柱状の単結晶１９が得られる。

断熱筒１６の上端には、環状の上端リング２０が取り付けられ、上端リング２０の内縁部には熱遮蔽板２１が掛けられている。この熱遮蔽板２１は、吊り下げワイヤ２３により、ルツボ１１の上方に吊り下げられ、吊り上げ機構（図示せず）により上下動される。

塊状の多結晶シリコンを溶かすメルトプロセス時において、より多くの多結晶シリコンをルツボ１１に充填するために、熱遮蔽板２１は、チャンバ１０の最上部まで吊り上げられる。一方、単結晶１９を引上げるボディプロセスにおいては、熱遮蔽板２１は、シリコン融液１５の液面の近傍まで移動する。このシリコン単結晶引上げ装置により、シリコンの単結晶１９が製造されることが知られている。

特開２００１−１０８９２号公報

しかしながら、上記従来のシリコン単結晶引上げ装置では、メルトプロセス時において、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）が、チャンバ内部の上壁に付着することで、輻射率が変動し、高品質なシリコン単結晶を製造できない場合があるという問題があった。

この問題について図６を用いて説明する。図６は、メルトプロセス時における熱遮蔽板２１、ルツボ１１、及び上端リング２０の位置関係を示す。メルトプロセス時には、熱遮蔽板２１は、チャンバ１０の最上部まで吊り上げられる状態となるため、上端リング２０との間に隙間が開く。溶融を開始した多結晶シリコン２５からは、気体状のＳｉＯｘが発生することが知られているが、このＳｉＯｘが、熱遮蔽板２１と上端リング２０との間の隙間を通り抜け、チャンバ１０の上壁まで到達する。チャンバ１０の上壁は、ルツボ１１の周囲と比べて低温となっているため、上壁に到達したＳｉＯｘは、その位置で固化して付着する。ＳｉＯｘの付着したチャンバ１０の上壁は、その輻射率が変化するため、チャンバ１０内の温度の不安定化を引き起す。チャンバ１０内の温度の不安定化は、製造するシリコン単結晶の品質を低下させる要因となる。

そこで本発明は、上記従来の問題を鑑み、チャンバ１０の上壁へのＳｉＯｘの付着を抑制することで、高品質なシリコン単結晶を製造可能な、シリコン単結晶引上げ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のシリコン単結晶引上げ装置は、チャンバと、前記チャンバの内部に配置され、シリコン融液を貯蔵するルツボと、前記ルツボを加熱する加熱部と、前記ルツボの上方に設けられ、かつ、前記チャンバの内部を重力方向に可動する熱遮蔽板と、前記熱遮蔽板を支持する環状部材と、前記チャンバ内にガスを導入するガス導入口と、前記チャンバ内のガスを排出するガス排出口と、を備え、前記環状部材は、該環状部材の重力方向上側の面に固定され、かつ、前記遮蔽板の外側に位置する遮蔽リングを有することを特徴とする。

本発明のシリコン単結晶引上げ装置は、環状部材に設置した遮蔽リングにより、ＳｉＯｘのチャンバ上壁への付着を抑制でき、高品質なシリコン単結晶を製造することが可能である。

本発明の実施の形態１におけるシリコン単結晶引上げ装置の（ａ）メルトプロセス時の概略構成を示す模式図、（ｂ）ボディプロセス時の概略構成を示す模式図 本発明の実施の形態１における熱遮蔽板の（ａ）上面の一部を示す模式図、（ｂ）断面の一部を示す模式図 本発明の実施の形態１におけるシミュレーションの結果を示す図 本発明の実施の形態２におけるシリコン単結晶引上げ装置の（ａ）メルトプロセス時の概略構成を示す模式図、（ｂ）ボディプロセス時の概略構成を示す模式図 従来のシリコン単結晶引上げ装置を示した概略図 従来のシリコン単結晶引上げ装置のメルトプロセス時の概略図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同じ構成には同じ符号を付して、適宜説明を省略している。

（実施の形態１）
本実施の形態１に係る図１（ａ）のシリコン単結晶引上げ装置１は、チャンバ１０と、チャンバ１０の内部に配置されるルツボ１１と、ルツボ１１を加熱する加熱部の一例であるヒータ１４と、ルツボ１１の上方に設けられ、かつ、チャンバ１０の内部を重力方向に可動する熱遮蔽板２６と、熱遮蔽板２６を支持する環状部材の一例である上端リング２０と、上端リング２０に固定され、かつ、熱遮蔽板２６の外側に配置された遮蔽リング２７と、を備える。更に、シリコン単結晶引上げ装置１は、ルツボ１１の上方に設けられ、かつ、チャンバ１０内にガスを導入するガス導入口２と、上端リング２０よりも下方に配置され、かつ、チャンバ１０内のガスを排出するガス排出口３と、を備える。そして、シリコン単結晶引上げ装置１は、熱遮蔽板２６の最外周部に設けられたガス遮蔽壁２６ｂを備える。

以下、シリコン単結晶引上げ装置１の要部構成について、従来と異なる点の詳細を説明する。

図１（ａ）は、ルツボ１１に充填された多結晶シリコン２５を加熱して溶融させるメルトプロセス時のシリコン単結晶引上げ装置１の要部構成を示す模式図である。メルトプロセス時において、チャンバ１０内には、ガス導入口２から不活性ガスの一例であるアルゴンガスが導入される。導入されたアルゴンガスは、熱遮蔽板２６の中心部に設けられた開口部２６ａを矢印Ａの向きに通過して、多結晶シリコン２５に噴射される。

その後、アルゴンガスは、溶融を開始した多結晶シリコン２５から発生するＳｉＯｘガスと共に、ガス排出口３からチャンバ１０の外部へと排出される。このとき、一部のアルゴンガスやＳｉＯｘガスが、ガス遮蔽壁２６ｂ及び遮蔽リング２７で反射して、矢印Ｂのような進路を取り、ガス排出口３へと向かう。これにより、チャンバ１０の上壁にＳｉＯｘが付着するのを防止できる。

メルトプロセスは、多結晶シリコン２５を溶融させるためのプロセスであり、単結晶を引き上げるボディプロセスよりも高電力且つ高温のプロセスとなる。そのため、メルトプロセス時には、石英製のルツボ１１から大量の酸素が溶け出し、この酸素により多くのＳｉＯｘが発生する。本実施の形態に係るシリコン単結晶引上げ装置１では、ガス遮蔽壁２６ｂと遮蔽リング２７とを設けることで、多量に発生するＳｉＯｘを効率よくチャンバ１０の外部に排出できる。

ところで、環状の遮蔽リング２７は、熱遮蔽板２６と上端リング２０との間から漏れ出したＳｉＯｘを遮蔽するために、上端リング２０上に固定され、かつ、熱遮蔽板２６のガス遮蔽壁２６ｂを覆うように配置される。

ここで、熱遮蔽板２６と上端リング２０との間からＳｉＯｘが漏れ出す理由を説明する。

熱遮蔽板２６は、重力方向に対して可動となるように構成される。この可動領域の下端の位置は、上端リング２０で決定される。具体的には、ガス遮蔽壁２６ｂの一部の領域に、重力方向に溝が形成されており、この溝と、上端リング２０とが嵌合することで、熱遮蔽板２６の位置が固定される。この場合、上端リング２０には差込穴が形成されており、この挿入穴に、ガス遮蔽壁２６ｂが挿入される。

メルトプロセス時には、熱遮蔽板２６は可動領域の上端付近に位置するため、上述の溝等は開放されている。この開放された溝等から、ＳｉＯｘが漏れ出すことになる。この漏れ出したＳｉＯｘがチャンバ上端に付着するのを防止するために、本実施の形態では、固定された遮蔽リング２７を、ガス遮蔽壁２６ｂの外周部に配置している。

このように、遮蔽リング２７により、ＳｉＯｘがチャンバ１０の上壁に到達し得る通路を遮蔽することで、チャンバ１０の上壁へのＳｉＯｘの付着を防止できる。

この場合、熱遮蔽板２６の移動を妨げないために、遮蔽リング２７は、上端リング２０の上面に対して垂直に設置されることが望ましい。合わせて、ガス遮蔽壁２６ｂも上端リング２０と平行に配置するのが望ましい。

また、遮蔽リング２７の高さ（重力方向の長さ）を、ガス遮蔽壁２６ｂの高さ（重力方向の長さ）よりも高く形成するのが望ましい。これにより、ＳｉＯｘガスの流路をより高精度に遮蔽できる。

ここで、熱遮蔽板２６の具体的な形状を図２に示す。図２（ａ）は熱遮蔽板２６の上面の一部を表す模式図（図１（ａ）の矢印Ａの方向から見た模式図）、図２（ｂ）は熱遮蔽板２６を側面方向から見た断面図を表す。熱遮蔽板２６は重力下方に向かって縮径する逆円錐台形状の筒状物である。

続いて、図１（ｂ）を用いて、ボディプロセス時におけるシリコン単結晶引上げ装置１について説明する。

ボディプロセス時において、熱遮蔽板２６は、単結晶１９に対するシリコン融液１５やルツボ１１、ヒータ１４からの直接的な輻射熱を遮断する機能を有する。熱遮蔽板２６は、特に、固液界面近傍における単結晶１９の軸方向の温度勾配を大きくして単結晶１９の成長を促進することにより、引上げ速度の向上を図るために設けられる。このため、熱遮蔽板２６の形状を、上端リング２０の内縁からシリコン融液１５の液面に向かって、シリコン融液１５の液面の垂線に対して鋭角になるように縮径させ、かつ、熱遮蔽板２６の下端部において、縮径の割合が大きくなるように設計されている。そして、熱遮蔽板２６の下端部をシリコン融液１５の液面近傍に配置するため、メルトプロセス時よりも、熱遮蔽板２６の位置を下方に配置する。熱遮蔽板２６の重力方向への移動は、図示しない駆動装置により実現される。

引上げが実行され、単結晶１９が形成され始めると、シリコン融液１５の液量が低下し、液面の位置が下降する。単結晶１９の成長を促進するためには、熱遮蔽板２６の位置を液面の下降に追従させる必要がある。この場合、熱遮蔽板２６を、遮蔽リング２７と、ガス遮蔽壁２６ｂとを接触させつつ、重力方向に可動となる構成に設計することで、熱遮蔽板２６を移動させても、ＳｉＯｘがチャンバ１０の上部へと流入するのを防止し、チャンバ１０の上壁にＳｉＯｘが付着するのを抑制できる。

一方、生産性を向上させるために、引上げた単結晶１９の冷却を促進する必要がある。本実施の形態では、チャンバ１０の上壁を、高輻射率部材２４で覆うことで、単結晶１９の熱をチャンバ１０外に効率よく放出させ、単結晶１９の冷却促進を実現している。高輻射率部材２４は、シリコンカーボネートやカーボンシート等で構成される。

高輻射率部材２４にＳｉＯｘが付着すると、その熱輻射率が大きく変化し、単結晶１９の冷却作用に強く影響を及ぼす。単結晶１９の冷却状態は、その品質に強く影響を与えるため、一定に保つことが必要である。本実施の形態において、ＳｉＯｘが、高輻射率部材２４に付着するのを防止できるため、単結晶１９の冷却状態を一定に保つことが可能であり、これにより、高品質なシリコン単結晶を製造することができる。

なお、熱遮蔽板２６、ガス遮蔽壁２６ｂを、空隙率が高く、断熱性の高いカーボン成形品で構成することで、引き上げた単結晶１９に、ルツボ１１からの放射熱が伝導するのを防止しても良い。この場合、ガス遮蔽壁２６ｂが下方に突出しているため、ルツボ１１の保温効果の向上、つまりメルトプロセスにおける原料の溶融時間の短縮も見込むことが出来る。

また、チャンバ１０の壁面へ熱の移動を促して、単結晶１９の冷却効果を高めるために、遮蔽リング２７及び上端リング２０ともに異方性のあるカーボンコンポジット材料で構成するのが望ましい。この場合、遮蔽リング２７には垂直方向の熱伝導性が高くなるように、上端リング２０には水平方向の熱伝導性が高くなるように、それぞれカーボンコンポジット材料を配置することが望ましい。

ここで、本実施の形態において、チャンバ１０の上壁へのＳｉＯｘの付着を抑制する効果を確認するために、メルトプロセス後のチャンバ１０の上壁において、ＳｉＯｘの一例であるＳｉＯの数密度分布のシミュレーション結果を図３に示す。図３のグラフは、横軸をチャンバ１０の上壁に沿った位置（ｍｍ）、縦軸にＳｉＯの数密度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）を表しており、チャンバ１０の熱的定常状態におけるＳｉＯの数密度分布図を示す。比較の為に、図５に示した従来のシリコン単結晶引上げ装置のシミュレーション結果も図３中に示す。

シミュレーションとしては、ヒータ１４の出力を９０ｋＷとした場合のメルトプロセスを想定しており、熱遮蔽板２６の材料として、１０００℃での熱伝導率が０．１Ｗ／ｍ・Ｋのカーボン断熱材を採用している。図３より、本実施の形態に係るシリコン単結晶引上げ装置１の方が、従来に比べて、ＳｉＯの数密度が全体的に低く、約２０％、ＳｉＯの付着量を低減できる効果が認められる。

以上より、ガス遮蔽壁２６ｂと遮蔽リング２７とを設けることにより、ＳｉＯｘのチャンバ１０上壁への付着を抑制でき、本実施の形態に係るシリコン単結晶引上げ装置１により高品質なシリコン単結晶を製造することが可能である。

なお、上端リング２０と、遮蔽リング２７とは一体成形されたものでもよい。両者が別体／一体、双方の場合を含め、上端リング２０の重力方向上側の面に遮蔽リング２７が固定されると表現する場合がある。また、熱遮蔽板２６とガス遮蔽壁２６ｂとは一体成形されたものでもよい。

（実施の形態２）
図４（ａ）（ｂ）は、本発明の異なる実施の形態におけるシリコン単結晶引上げ装置４の概略構造を示す模式図である。図４（ａ）（ｂ）において、熱遮蔽板２９に設けられたガス遮蔽壁２９ａ以外の構成は図１と同一であるため、説明を省略する。

図４において、ガス遮蔽壁２９ａには、ガスが流れるための空孔２９ｂが設けられている。図４（ｂ）に示すボディプロセス時において、ガス遮蔽壁２９ａがガスの流れを遮り、結果的に、熱遮蔽板２９に対するＳｉＯｘのアタックの頻度が増し、熱遮蔽板２９の劣化が加速する可能性がある。そこで、空孔２９ｂを設けることで、この問題を回避する。

この空孔２９ｂは、図４（ａ）に示すメルトプロセス時において、遮蔽リング２７によって塞がれるため、チャンバ１０上部へのＳｉＯｘの流入は防ぐことが出来る。

なお、空孔２９ｂは、ガス遮蔽壁２９ａに複数設けることが好ましい。特に、重力方向に複数の空孔２９ｂを形成するのが望ましい。この場合、位置によって異なる大きさの空孔２９ｂを設けると良い。具体的には、重力方向の下側に位置するほど空孔２９ｂの大きさを大きく形成する。つまり、複数の空孔２９ｂのうち、重力方向上側に位置する空孔２９ｂよりも重力方向下側に位置する空孔２９ｂのサイズが大きくなるように、複数の空孔２９ｂを形成する。こうすることで、チャンバ１０上部へのＳｉＯｘの流入を遮蔽する効果を高めつつ、ＳｉＯｘのチャンバ１０の下方への移動を促すことができ、より、チャンバ１０の上壁にＳｉＯｘが付着するのを防止できる。

なお、熱遮蔽板２６とガス遮蔽壁２９ａとは一体成形されたものでもよい。

なお、前記の様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明のシリコン単結晶引上げ装置は、太陽電池用や半導体用のシリコン単結晶を製造する用途に有用である。

１、４ シリコン単結晶引上げ装置
２ ガス導入口
３ ガス排出口
１０ チャンバ
１１ ルツボ
１２ サセプタ
１３ ルツボ軸
１４ ヒータ
１５ シリコン融液
１６ 断熱筒
１７ 引上げワイヤ
１８ シード
１９ 単結晶
２０ 上端リング
２４ 高輻射率部材
２５ 多結晶シリコン
２６、２９ 熱遮蔽板
２６ｂ、２９ａ ガス遮蔽壁
２７ 遮蔽リング

Claims (5)

1. チャンバと、
   前記チャンバの内部に配置され、シリコン融液を貯蔵するルツボと、
   前記ルツボを加熱する加熱部と、
   前記ルツボの上方に設けられ、かつ、前記チャンバの内部を重力方向に可動する熱遮蔽板と、
   前記熱遮蔽板を支持する環状部材と、
   前記チャンバ内にガスを導入するガス導入口と、
   前記チャンバ内のガスを排出するガス排出口と、を備え、
   前記環状部材は、該環状部材の重力方向上側の面に固定され、かつ、前記遮蔽板の外側に位置する遮蔽リングを有すること、を特徴とするシリコン単結晶引上げ装置。
2. 前記熱遮蔽板は、その最外周部に環状のガス遮蔽壁を有し、
   前記熱遮蔽板は、前記遮蔽リングと、前記ガス遮蔽壁とを接触させつつ、前記重力方向に可動する、請求項１に記載のシリコン単結晶引上げ装置。
3. 前記熱遮蔽板は、前記ガス遮蔽壁に空孔を有する、請求項２に記載のシリコン単結晶引上げ装置。
4. 前記空孔は、前記ガス遮蔽壁に複数個設けられる請求項３に記載のシリコン単結晶引上げ装置。
5. 前記複数の空孔のうち、重力方向上側に位置する空孔より重力方向下側に位置する空孔のサイズが大きい、請求項４に記載のシリコン単結晶引上げ装置。

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