JP4221797B2 - シリコン単結晶育成前の多結晶シリコンの融解方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶棒を引上げて育成する装置におけるシリコン単結晶育成前の多結晶シリコンの融解方法及びその育成装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図４に示すように、シリコン単結晶棒を育成する装置には、チャンバ１内に設けられ石英るつぼ２を包囲して支持するカーボンサセプタ３と、このサセプタ３を包囲してチャンバ内１に設けられ石英るつぼ２内の多結晶シリコン４を融解しかつ石英るつぼ２内に貯留されたシリコン融液を加熱するカーボンヒータ５と、サセプタ３の下方のチャンバ１内に設けられたスピルトレイ６とを備えたものが知られている。また、このような装置にはサセプタ３の支軸７ａを介して石英るつぼ２を上昇又は下降させるるつぼ昇降手段７と、この石英るつぼ２をカーボンヒータ５とともに包囲する保温筒８と、引上げるシリコン単結晶棒の外径より僅かに大きな内径を有する筒状の熱遮蔽体９とが更に備えられる。このシリコン単結晶の育成装置では、カーボンヒータ５で多結晶シリコン４を融解することにより石英るつぼ２内に貯留されたシリコン融液に種結晶１ａを接触させ、その種結晶１ａを引上げて種結晶１ａの下方にシリコン単結晶棒を育成している。
【０００３】
更に上記従来の装置では、石英るつぼ２の周囲に設けられたカーボンヒータ５は石英るつぼ２内のシリコン融液を加熱して所定温度に維持し、るつぼ昇降手段７は、支軸７ａを介して石英るつぼ２を上昇させることによりシリコン単結晶棒の引上げに伴うシリコン融液表面の低下を防止し、シリコン融液の表面を所定位置に維持して高品質のシリコン単結晶棒を得ている。また、熱遮蔽体９はシリコン融液の熱が引上げるシリコン単結晶棒に到達しないように遮蔽し、保温筒８は石英るつぼ２をカーボンヒータ５とともに包囲して、シリコン融液の熱が外部に放散しないように遮蔽している。
【０００４】
一方、石英るつぼ２に当初供給される多結晶シリコン４は塊状物であるため、塊状物と塊状物との間に存在する空間がその多結晶シリコン４を融解するとともに消滅し、多結晶シリコン４を融解して得られるシリコン融液の液面は石英るつぼ２に当初供給された多結晶シリコン４の上面より下降する。このため従来では、塊状物である多結晶シリコン４を一括して入れた石英るつぼ２を、シリコン融液に種結晶１ａを接触させる位置よりも下方の位置まで下降させて支持し、石英るつぼ２に当初充填された所定量の多結晶シリコン４が熱遮蔽体９と干渉することを防止しており、多結晶シリコン４がカーボンヒータ５により融解してシリコン融液が石英るつぼ２に貯留された後に、るつぼ昇降手段７は種結晶１ａを接触させるべき正規の位置まで石英るつぼ２を上昇させている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多結晶シリコン４の融解に際しるつぼ昇降手段７による石英るつぼ２の下降を可能にするためには、カーボンサセプタ３、カーボンヒータ５及びスピルトレイ６により囲まれるカーボンヒータ５が加熱すべき空間、いわゆるホットゾーンが石英るつぼ２の下降を考慮して大きく形成されなければならない。従来の多結晶シリコンの融解方法は、ホットゾーンが大きいため、石英るつぼ２に入れられたシリコン多結晶４を融解する際のカーボンヒータ５の電力消費量、及びシリコン多結晶４が融解した後のシリコン融液を所定温度に維持するための電力消費量が比較的多大になる不具合がある。また、この電力消費量の多大さに起因してカーボンヒータ５自体、及びシリコン融液を貯留する石英るつぼ２自体が熱ストレスを受けてその寿命が低下する問題点がある。
【０００６】
本発明の目的は、ホットゾーンを縮小してシリコン多結晶の融解時及びシリコン単結晶棒引上げ時におけるカーボンヒータによる電力消費を低減し得るシリコン単結晶育成前の多結晶シリコンの融解方法及びその育成装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、カーボンヒータによる電力消費量を低減してカーボンヒータ及び石英るつぼの劣化を抑制し得るシリコン単結晶育成前の多結晶シリコンの融解方法及びその育成装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図３に示すように、石英るつぼ１３を包囲して支持するカーボンサセプタ１４の外底面の近傍にスピルトレイ２１の上面を配置させた状態で石英るつぼ１３に所定量未満の多結晶シリコン２０を入れてカーボンヒータ１８により融解してシリコン融液１２にした後、図２に示すように、スピルトレイ２１の位置を維持した状態で所定量の残部の多結晶シリコン２０を１回又は２回以上に分けて石英るつぼ１３内に補給してカーボンヒータ１８により融解することを特徴とするシリコン単結晶育成前の多結晶シリコンの融解方法である。
カーボンヒータ１８により所定量未満の多結晶シリコン２０の融解と所定量の残部の多結晶シリコン２０の融解をスピルトレイ２１の位置を維持した状態で行うことにより、種結晶２６が接触し始めるときの石英るつぼ１３の位置から更に石英るつぼ１３を下降させることなく多結晶シリコン２０を融解する。この結果、従来多結晶シリコン２０を融解させる際に必要としていた石英るつぼ１３が下降するための空間を本発明では不要にする。
【０００９】
多結晶シリコン２０の融解からシリコン融液１２に種結晶２６が接触し始めるときまで、サセプタ１４の外底面の近傍にトレイ２１上面が位置するようにスピルトレイ２１を設たので、従来多結晶シリコン２０を融解させる際に必要としていた石英るつぼ１３が下降する範囲をなくしてカーボンヒータ１８が加熱すべき空間であるホットゾーンを縮小させる。この結果、石英るつぼ１３に入れられた多結晶シリコン２０の融解及び融解後におけるシリコン融液１２の温度を維持する際のカーボンヒータ１８の電力消費量を低減させる。
カーボンヒータ１８が加熱すべき空間を縮小させることに伴い、融解当初石英るつぼ１３に入れた多結晶シリコン２０が所定量に満たない場合には、所定量未満の多結晶シリコン２０が融解した後、原料補給装置３１により所定量の残部に相当する多結晶シリコン２０を補給する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、シリコン単結晶の育成装置１０のチャンバ１１内には、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３が設けられ、この石英るつぼ１３の外面はカーボンサセプタ１４により被覆される。石英るつぼ１３の下面はカーボンサセプタ１４を介して支軸１６の上端に固定され、この支軸１６の下部はるつぼ昇降手段１７に接続される。るつぼ昇降手段１７は図示しないが石英るつぼ１３を回転させる第１回転用モータと、石英るつぼ１３を昇降させる昇降用モータとを有し、これらのモータにより石英るつぼ１３が所定の方向に回転し得るとともに、上下方向に移動可能となっている。
【００１１】
サセプタ１４の下方のチャンバ１１の内部にはスピルトレイ２１が設けられ、スピルトレイ２１は多結晶シリコン２０（図３）の融解からシリコン融液１２に種結晶２６が接触し始めるときまで、サセプタ１４の外底面の近傍に上面が位置するように設けられる。図示しないが、スピルトレイ２１は環状のカーボンのケーシングの内部に断熱材を充填することにより作られ、スピルトレイ２１はカーボンヒータ１８からの放熱を反射しかつその熱を蓄熱し、石英るつぼ１３周囲の熱がスピルトレイ２１の下方に放散するのを防ぐように構成される。石英るつぼ１３の外周面は石英るつぼ１３から所定の間隔をあけてカーボンヒータ１８により包囲され、このカーボンヒータ１８は保温筒１９により包囲される。カーボンヒータ１８及び保温筒１９はスピルトレイ２１の上部に取付けられ、カーボンヒータ１８は石英るつぼ１３に投入された高純度のシリコン多結晶２０（図３）を加熱・融解してシリコン融液１２にする。
【００１２】
またチャンバ１１の上端には円筒状のケーシング２２が接続される。このケーシング２２には引上げ手段２３が設けられる。引上げ手段２３はケーシング２２の上端部に水平状態で旋回可能に設けられた引上げヘッド（図示せず）と、このヘッドを回転させる第２回転用モータ（図示せず）と、ヘッドから石英るつぼ１３の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブル２４と、上記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２４を巻取り又は繰出す引上げ用モータ（図示せず）とを有する。ワイヤケーブル２４の下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶棒２５（図１）を引上げるための種結晶２６が取付けられる。
【００１３】
引上げられるシリコン単結晶棒２５（図１）の外周面と石英るつぼ１３の内周面との間には、シリコン単結晶棒２５を包囲する筒状の熱遮蔽体２７（図１〜図３）が設けられる。熱遮蔽体２７はシリコン融液１２の熱がシリコン単結晶棒２５に到達しないようにこれを遮蔽するために設けられ、この熱遮蔽体２７の上縁には外方に略水平方向に張り出すフランジ部２７ａが連設される。このフランジ部２７ａを保温筒１９上に載置することにより熱遮蔽体２７はチャンバ１１内に固定され、熱遮蔽体２７の下縁は石英るつぼ１３に貯留されたシリコン融液１２表面から所定の距離だけ上方に位置するように構成される。
【００１４】
引上げ手段２３における引上げ用モータの出力軸（図示せず）にはロータリエンコーダ（図示せず）が設けられ、るつぼ昇降手段１７には石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の重量を検出する重量センサ（図示せず）と、支軸１６の昇降位置を検出するリニヤエンコーダ（図示せず）とが設けられる。更にこの育成装置１０にはシリコン融液１２の融液面温度を検出する図示しない温度センサが設けられる。ロータリエンコーダ、重量センサ、リニヤエンコーダ及び温度センサの各検出出力はコントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、コントローラの制御出力は引上げ手段２３の引上げ用モータ、るつぼ昇降手段１７の昇降用モータにそれぞれ接続される。またコントローラにはメモリ（図示せず）が設けられ、このメモリにはロータリエンコーダの検出出力に対するワイヤケーブル２４の巻取り長さ、即ちシリコン単結晶棒２５の引上げ長さが第１マップとして記憶され、重量センサの検出出力に対する石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面レベルが第２マップとして記憶される。コントローラは重量センサの検出出力に基づいて石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面を常に一定のレベルに保つように、るつぼ昇降手段１７の昇降用モータを制御するように構成される。
【００１５】
チャンバ１１には石英るつぼ１３に粒状の多結晶シリコン２０を補給可能に構成された原料補給装置３１が設けられる。図２及び図３に示すように、本実施の形態における原料補給装置３１は、下端が石英るつぼ１３の内部に臨むようにチャンバ１１の上部に貫通して設けられた供給管３２と、その供給管３２の上部に開口部３３ａを有する下部が接続して設けられた原料タンク３３と、その原料タンク３３に貫通して設けられ原料タンク３３の開口部３３ａを塞ぐ蓋部３４ａが下部に形成された開閉ロッド３４と、原料タンク３３内部を真空に維持する図示しない真空ポンプとを有する。この原料補給装置３１では、開閉ロッド３４を下方に移動させることにより原料タンク３３の開口部が開放され、原料タンク３３の内部に充填された粒状の多結晶シリコン２２がその開口部３３ａから放出され、供給管３２を介して石英るつぼ１３に補給されるように構成される。なお、この原料補給装置３１は図に示すものに限らず、石英るつぼ１３に多結晶シリコン２０を補給可能であればどのような構造及び形式のものでもよい。
【００１６】
このように構成された装置による本発明によるシリコン単結晶育成前の多結晶シリコンの融解方法を説明する。
図３に示すように、塊状物である多結晶シリコン２０を所定量未満入れた石英るつぼ１３を、シリコン融液１２に種結晶２６を接触させる位置、即ちカーボンサセプタ１４の外底面の近傍にスピルトレイ２１の上面を配置させるようにるつぼ昇降手段１７が支軸１６を介して支持する。この状態で石英るつぼ１３に入れられた所定量未満の多結晶シリコン２０をカーボンヒータにより融解する。最初に所定量未満の多結晶シリコン２０を石英るつぼ１３に入れて融解させることにより、石英るつぼ１３の必要以上の下降を不要にしつつ石英るつぼ１３に充填された多結晶シリコン２０が熱遮蔽体２７と干渉することを防止する。
【００１７】
図２に示すように、所定量未満の多結晶シリコン２０が融解してシリコン融液１２が石英るつぼ１３に貯留された後、カーボンサセプタ１４の位置を維持した状態で所定量の残部として粒状の多結晶シリコン２０を原料供給装置３１から１回又は２回以上に分けて石英るつぼ１３内に補給してカーボンヒータ１８により融解する。原料供給装置３１から所定量の残部の粒状の多結晶シリコン２０を補給することにより当初投入された所定量未満の多結晶シリコン２０が融解したシリコン融液１２の液面を上昇させる。この所定量未満の塊状の多結晶シリコン２０の融解及び所定量の残部の粒状の多結晶シリコン２０の融解を、石英るつぼ１３を移動させることなくカーボンサセプタ１４の外底面の近傍にスピルトレイ２１の上面を配置させた状態で行うことにより、いわゆるホットゾーンを従来より縮小し、石英るつぼ１３に当初入れられた所定量未満の多結晶シリコン２０及びその後補給された所定量の残部の多結晶シリコン２０を融解する際のカーボンヒータ１８の電力消費量を低減させる。
【００１８】
シリコン多結晶が融解して石英るつぼ１３にシリコン融液１２が貯留された後、図１の実線矢印で示すように供給管３２を引上げ、シリコン単結晶棒２５を引上げるシリコン融液１２の融液面温度を所定の温度に調整する。この温度調整は、カーボンヒータ１８による所定時間の加熱により行われるが、ホットゾーンが従来より縮小していることに起因してカーボンヒータ１８の電力消費量は従来より低減する。
【００１９】
シリコン融液１２の融液面温度を調整した後、引上げ手段の図示しない引上げ用モータによりワイヤ２４を繰出して種結晶２６を降下させてその先端部をシリコン融液１２に接触させる。その後種結晶２６を徐々に引上げて種絞り部２５ａを形成した後、図１に示すように、更に種結晶２６を引上げて種絞り部２５ａの下部にシリコン単結晶棒２５を育成させる。なお、シリコン単結晶棒２５の育成とともにシリコン融液１２は減少し、この融液１２の量に応じて図示しない昇降用モータはるつぼ１３を上昇させ、種結晶２６の引上げとともに低下するシリコン融液１２の表面を所定位置に維持させる。
【００２０】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１〜図３に示すように、内径が２４インチの石英るつぼ１３を有するシリコン単結晶の育成装置１０に原料供給装置３１を設けた。多結晶シリコン２０の融解からシリコン融液１２に種結晶２６が接触し始めるときまでのサセプタ１４の外底面の近傍にトレイ２１上面が位置するようにスピルトレイ２１を設けた。このスピルトレイ２１は円板状の断熱材の表面にカーボンをコーティングすることにより作られたものを使用した。このように構成された育成装置１０を実施例１とした。
＜比較例１＞
図４に示すように、多結晶シリコン４の融解に際し石英るつぼ２が下降する凹部６ａをスピルトレイ６に形成したこと、及び原料補給装置を設けないことを除いて、育成装置を上記実施例１と同一に構成した。この育成装置を比較例１とした。
【００２１】
＜比較試験及び評価＞
実施例１の育成装置では、予め所定量未満の６０ｋｇの塊状の多結晶シリコン２０を入れた石英るつぼ１３をカーボンヒータ１８により融解してシリコン融液１２にした後、原料供給装置３１により所定量の残部である５０ｋｇの粒状の多結晶シリコン２０を１回で石英るつぼ１３内に補給してカーボンヒータ１８により所定量である１１０ｋｇの多結晶シリコンを融解させた。
比較例１の育成装置では、所定量の１１０ｋｇの塊状の多結晶シリコン４一括して入れた石英るつぼ２を下降させた状態で支持し、カーボンヒータ５により融解してシリコン融液１２にした。
【００２２】
この場合のそれぞれのカーボンヒータ５及び１８による電力消費量を熱伝導解析プログラムにてシミュレーション計算して比較を行った。この結果、実施例１のカーボンヒータ１８における電力消費量が約６３．５ｋＷであったのに対して、比較例１のカーボンヒータ５の消費電力量は約８４．８ｋＷであった。
このように実施例１のカーボンヒータ１８の電力消費量が比較例１のカーボンヒータ５の消費電力量より小さくなったのは、実施例１のカーボンヒータ１８が加熱すべき空間が、比較例１のカーボンヒータ５が加熱すべき空間より小さいことに起因するものと考えられる。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、石英るつぼに所定量未満の多結晶シリコンを入れてシリコン融液にした後、多結晶シリコンの残部を１回又は２回以上に分けて石英るつぼ内に補給して融解させるので、所定量未満の多結晶シリコン及び所定量の残部の多結晶シリコンの融解をサセプタの位置を維持した状態で行うことができる。このため、種結晶が接触し始めるときの石英るつぼの位置から更に石英るつぼを下降させることなく多結晶シリコンを融解することができる。この結果、従来多結晶シリコンを融解させる際に必要としていた石英るつぼが下降する空間を不要にしてホットゾーンを小さくすることができる。
【００２４】
また、石英るつぼに多結晶シリコンを補給可能に構成された原料補給装置を設け、多結晶シリコンの融解からシリコン融液に種結晶が接触し始めるときまで、サセプタの外底面の近傍にトレイ上面が位置するようにスピルトレイを設けたので、従来多結晶シリコンを融解させる際に必要としていた石英るつぼが下降する範囲をなくしてカーボンヒータが加熱すべき空間であるホットゾーンを縮小させることができる。この結果、石英るつぼに入れられた多結晶シリコンの融解及び融解後におけるシリコン融液の温度を維持する際のカーボンヒータの電力消費量を低減させることができ、カーボンヒータによる電力消費量が低減することによりカーボンヒータ及び石英るつぼの劣化を抑制することもできる。また、石英るつぼの劣化を抑制できる結果、石英るつぼが長時間の引上げに耐えられることになり、比較的大型の石英るつぼを使用して大口径のシリコン単結晶棒を育成することもスムーズに行えるとともに、シリコン融液の歩留りを向上させることもできる。
更に、本発明により不要になった石英るつぼが下降する空間にまで断熱材であるスピルトレイを厚く形成すれば、ホットゾーンの保温性を更に向上させることができ、それに伴い小型のカーボンヒータを使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の育成装置のシリコン単結晶棒引上げ時における断面構成図。
【図２】原料補給装置の多結晶シリコンの補給状態を示す図１に対応する断面構成図。
【図３】所定量未満の多結晶シリコンの融解状態を示す図１に対応する断面構成図。
【図４】従来例を示す育成装置の断面構成図。
【符号の説明】
１０ シリコン単結晶の育成装置
１１ チャンバ
１２ シリコン融液
１３ 石英るつぼ
１４ カーボンサセプタ
１８ カーボンヒータ
２０ 多結晶シリコン
２１ スピルトレイ
２５ シリコン単結晶棒
２６ 種結晶
３１ 原料補給装置

Claims (1)

1. 石英るつぼ(13)を包囲して支持するカーボンサセプタ(14)の外底面の近傍にスピルトレイ(21)の上面を配置させた状態で前記石英るつぼ(13)に所定量未満の多結晶シリコン(20)を入れてカーボンヒータ(18)により融解してシリコン融液(12)にした後、前記スピルトレイ(21)の位置を維持した状態で所定量の残部の多結晶シリコン(20)を１回又は２回以上に分けて前記石英るつぼ(13)内に補給して前記カーボンヒータ(18)により融解することを特徴とするシリコン単結晶育成前の多結晶シリコンの融解方法。

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