JP5331626B2 - 単結晶シリコンの製造装置及び単結晶シリコンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、坩堝に貯留したシリコン融液にシードを浸漬し、このシードを引き上げて単結晶シリコンを成長させる単結晶シリコンの製造装置及び単結晶シリコンの製造方法に関するものである。

近年、環境負荷の少ない発電方式として太陽電池モジュールを利用した発電が注目され、様々な分野で広く使用されている。このような太陽電池モジュールは、ｐｎ接合されたシリコンの半導体の板材からなるセルを複数備え、これらのセルが太陽電池用インターコネクタおよびバスバーによって電気的に接続された構成とされている。
このような太陽電池モジュールの普及に伴い、半導体の素材となる単結晶シリコンインゴットの需要が高まっている。

ここで、単結晶シリコンインゴットは、一般的にチョクラルスキー法により製造されている。チョクラルスキー法は、例えば特許文献１に示すように、高耐圧気密チャンバ内に配置した石英製の坩堝内に多結晶シリコンを入れて、石英坩堝内の多結晶シリコンを加熱溶融し、石英坩堝の上方に配置されたシードチャックにシード（種結晶）を取り付けるとともにこのシードを石英坩堝内のシリコン融液に浸漬し、シード及び石英坩堝を回転させながらシードを引き上げて単結晶シリコンを成長させるようになっている。

前述の単結晶シリコンの製造方法においては、石英坩堝内に収容されたシリコン原料を溶解してシリコン融液を製出するとともに、このシリコン融液を保温する必要があり、加熱（溶融）・保温のための電力コストが増加する傾向にある。また、単結晶シリコンの生産量を増加させるためには、溶融時間を短くする必要がある。このため、例えば特許文献２には、石英坩堝の周囲に断熱材を配設したものが提案されている。

特開２００１−２７８６９６号公報 特開平０１−２９４６００号公報

しかしながら、特許文献２に記載されたように、坩堝の周囲に断熱材を配設した場合であっても、ヒータによる熱が断熱材を介して外部に放散されるため、シリコン原料を溶解する時間を効果的に短縮することはできず、単結晶シリコンの製造量の増加を図ることができなかった。このため、ヒータの熱が外部に放散しないように、更なる保温性の向上が求められている。

一方、単結晶シリコンの引き上げが終了した後には、坩堝の交換やシリコン原料の装入のために、坩堝の周囲を冷却する必要がある。このため、例えば、保温性を向上させるために断熱材の断熱性を向上させた場合には、冷却にかかる時間が大幅に増加することになり、結局、単結晶シリコンの生産量の増加を図ることができなくなってしまうといった問題があった。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、シリコン原料の溶解時およびシリコン融液の保持時においてはヒータの熱を坩堝に効率的に作用させ、坩堝周辺を冷却する際には、坩堝周辺の熱を効率的に放散させることができ、単結晶シリコンの製造サイクル時間の短縮及び電力コストの低減を図ることが可能な単結晶シリコンの製造装置及び単結晶シリコンの製造方法を提供することを目的とする。

前述の課題を解決するために、本発明の単結晶シリコンの製造装置は、チャンバ内に配置された坩堝に貯留したシリコン融液にシードを浸漬し、前記シードを引き上げて単結晶シリコンを成長させる単結晶シリコンの製造装置であって、前記坩堝の外周側を包囲する保温筒部と、この保温筒部の内部に設けられた加熱ヒータと、を備えており、前記保温筒部の内周面には、熱を反射する反射板と、この反射板の露出面積を調整する反射板露出面積調整手段と、が設けられていることを特徴としている。

この構成の単結晶シリコンの製造装置によれば、保温筒部の内周面に、熱を反射する反射板と、この反射板の露出面積を調整する反射板露出面積調整手段と、が設けられているので、シリコン原料の溶解時やシリコン融液の保持時等、保温筒部の内部に設けられた加熱ヒータの熱を坩堝に作用させる場合には、反射板の露出面積を大きくすることによって、加熱ヒータによる熱を反射板で反射させて坩堝に作用させることができ、単に断熱材を配設した場合に比べて、シリコン原料の溶解時間の短縮及び電力コストの低減を図ることができる。

一方、坩堝周辺を冷却する際には、反射板の露出面積を小さくすることによって、坩堝周辺の熱が反射板によって反射されることを防止でき、保温筒部の外方へと熱を放散させることが可能となる。
よって、シリコン原料の溶解時間及び坩堝周辺の冷却時間をともに短縮することが可能となり、単結晶シリコンの製造サイクル時間を大幅に短縮することができ、単結晶シリコンの製造量の増加を図ることができる。

ここで、前記反射板露出面積調整手段は、前記反射板の前記坩堝側に積層配置され、スライド移動することによって前記反射板の露出面積を調整するシャッタ部材であることが好ましい。
この場合、反射板の坩堝側に積層配置されたシャッタ部材をスライド移動させることによって、反射板の露出面積を簡単に、かつ、確実に調整することが可能となる。

また、前記保温筒部の下部には、前記坩堝の底部からの熱を反射する第２の反射板と、この第２の反射板の露出面積を調整する第２の反射板露出面積調整手段と、が設けられていることが好ましい。
この場合、第２の反射板によって熱を反射することにより、坩堝の底部からの熱の放散を防止して、シリコン原料の溶解時間の短縮及び電力コストの削減を図ることができる。また、坩堝周辺を冷却する際には、第２の反射板の露出面積を小さくすることによって、坩堝周辺の熱が第２の反射板によって反射されることを防止して、熱の放散を促進することができ、坩堝周辺の冷却時間を短縮することが可能となる。

本発明の単結晶シリコンの製造方法は、チャンバ内に配置された坩堝に貯留したシリコン融液にシードを浸漬し、前記シードを引き上げて単結晶シリコンを成長させる単結晶シリコンの製造方法であって、前述の単結晶シリコンの製造装置を用いて、前記坩堝内に収容されたシリコン原料を溶融させる場合には、前記反射板露出面積調整手段によって前記反射板の露出面積を大きく設定し、前記単結晶シリコンの引き上げが終了した後に前記坩堝周辺を冷却する場合には、前記反射板露出面積調整手段によって前記反射板の露出面積を小さく設定することを特徴としている。

この構成の単結晶シリコンの製造方法によれば、坩堝内に収容されたシリコン原料を溶融させる場合には、前記反射板露出面積調整手段によって前記反射板の露出面積を大きく設定し、前記単結晶シリコンの引き上げが終了した後に前記坩堝周辺を冷却する場合には、前記反射板露出面積調整手段によって前記反射板の露出面積を小さく設定するので、シリコン原料の溶解時間及び坩堝周辺の冷却時間をともに短縮することが可能となり、単結晶シリコンの製造サイクル時間を大幅に短縮することができ、単結晶シリコンの製造量の増加を図ることができる。

本発明によれば、シリコン原料の溶解時およびシリコン融液の保持時においてはヒータの熱を坩堝に効率的に作用させ、坩堝周辺を冷却する際には、坩堝周辺の熱を効率的に放散させることができ、単結晶シリコンの製造サイクル時間の短縮及び電力コストの低減を図ることが可能な単結晶シリコンの製造装置及び単結晶シリコンの製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態である単結晶シリコンの製造装置を示す説明図である。 図１に示す単結晶シリコンの製造装置に備えられた保温筒部の概略説明図である。 図１に示す単結晶シリコンの製造装置に備えられた第１シャッタ部材の開状態を示す概略説明図である。 図１に示す単結晶シリコンの製造装置に備えられた第１シャッタ部材の閉状態を示す概略説明図である。 図３に示す第１反射板及び第１シャッタ部材の上面図である。 図４に示す第１反射板及び第１シャッタ部材の上面図である。 図１に示す単結晶シリコンの製造装置に備えられた第２シャッタ部材の開状態を示す説明図である。 図１に示す単結晶シリコンの製造装置に備えられた第２シャッタ部材の閉状態を示す説明図である。

以下に、本発明の実施の形態について添付した図面を参照して説明する。
本実施形態である単結晶シリコンの製造装置１０においては、図１に示すように、耐圧気密に構成されたチャンバ１１と、シリコン融液Ｍが貯留される石英坩堝２０と、この石英坩堝２０を支持する坩堝支持台２２と、石英坩堝２０を加熱する加熱ヒータ４０と、石英坩堝２０の周囲を包囲する保温筒部５０と、種結晶（シード）を保持するシードチャック２７と、このシードチャック２７を駆動するシードチャック駆動機構３０と、を備えている。

チャンバ１１は、メインチャンバ１２と、メインチャンバ１２の上方に接続されたトップチャンバ１８と、トップチャンバ１８の上方に接続されたプルチャンバ１９とを備え、メインチャンバ１２は底部１３と底部１３に立設する筒状部１５とから構成され、中心部には石英坩堝２０が配置され、排気孔に図示しない真空ポンプが接続されてチャンバ１１内を減圧又は真空状態とすることが可能な構成とされている。

また、メインチャンバ１２の底部１３には、スピルトレイ１６が配置されていて、石英坩堝２０が破損してシリコン融液Ｍが流出することがあった場合に、シリコン融液Ｍが底部１３と直接接触して、チャンバ１１が破損するのを防止する構成とされている。
プルチャンバ１９は、略円筒形状に形成され、引き上げられた単結晶シリコンＴを収納する空間を有しており、トップチャンバ１８によってメインチャンバ１２と接続されている。

シードチャック２７は、その先端側がカーボンにより形成されたカーボンチャック部２８とされ、カーボンチャック部２８の先端面中央には、先端側から基端側に向かって孔が形成されており、孔にはシード（種結晶）Ｓが挿入されて、固定されている。
シードチャック２７は、基端側がワイヤＷに接続され、ワイヤＷがシードチャック駆動機構３０に接続されることにより、シードＳがメインチャンバ１２に対して相対的に回転及び昇降自在とされている。

シードチャック駆動機構３０は、プルチャンバ１９の上部に設けられ、ワイヤＷの基端側が接続されるとともに巻回されるプーリ３１と、ワイヤＷを回転軸線Ｏとしてプルチャンバ１９に対して相対的に回転可能とされる回転駆動部３２とを備えている。また、このプーリ３１を駆動させてワイヤＷを巻き取る引上駆動モータ３３と、回転駆動部３２を回転させる回転駆動モータ３４と、を備えており、プーリ３１がワイヤＷを巻き取ることによりシードチャック２７が昇降し、回転駆動部３２が回転することによりシードチャック２７が軸線Ｏ回りに回転するようになっている。

石英坩堝２０は、その凹部に単結晶シリコンＴの原料である塊状の多結晶シリコン（シリコン原料）を保持可能とするとともに多結晶シリコンが加熱、溶融されて生成したシリコン融液Ｍを貯留可能とされている。ここで、石英坩堝２０は、黒鉛サセプタ２１に収納されている。
黒鉛サセプタ２１は、坩堝支持台２２の上面に配置されたペディスタル２４に保持されることにより一体に組み合わせて形成されている。坩堝支持台２２はその支持軸２３がメインチャンバ１２の底部１３の中心部にて底部１３及びスピルトレイ１６を貫通して形成された貫通孔１４に挿入されており、支持軸２３に接続された駆動モータ２５によって、メインチャンバ１２に対して相対的に回転及び昇降が可能とされている。

また、黒鉛サセプタ２１の周囲には円筒状の加熱ヒータ４０と、加熱ヒータ４０の外方に、円板状のロアリング４５及び円板状のアッパリング４６によって上下方向に挟持された円筒状の保温筒部５０とが配置されている。
加熱ヒータ４０は、下方が電極継手４１にボルト４２で固定され、電極継手４１はスピルトレイ１６に形成された貫通孔に配置された黒鉛電極４３を介して図示しない電源と接続されている。
また、保温筒部５０の上端にはアッパリング４６、アダプタ４７を介してフロー管４８が取り付けられている。このフロー管４８は、下端開口部より上端開口部が大径とされた逆円錐台形状の中空筒とされ、黒鉛またはＳｉＣにより形成されている。

保温筒部５０は、図２に示すように、円筒状の多孔質黒鉛からなる保温筒本体５１と、この保温筒本体５１の内周側に位置する第１反射板５２と、この第１反射板５２の露出面積を調整する第１シャッタ部材５３と、を備えている。
第１反射板５２は、例えば金属光沢のあるステンレス板で構成されており、保温筒部５０の内周側の熱を反射するように構成されている。
第１シャッタ部材５３は、図５及び図６に示すように二重構造とされており、外周側に配設された固定筒５４と、固定筒５４の内周側に積層配置され、固定筒５４に対して摺動移動可能なスライド筒５５と、を備えている。このスライド筒５５が固定筒５４に対してスライド移動することによって、第１反射板５２の露出面積が調整される構成とされている。

また、この保温筒部５０の内周側の下方には、図１に示すように、円板状をなす第２反射板６２と、この第２反射板６２の露出面積を調整する第２シャッタ部材６３とが、配置されている。これら第２反射板６２と第２シャッタ部材６３とは積層配置されており、坩堝支持台２２の支持軸２３（軸線Ｏ）に対して直交する方向に延在するように配設されている。そして、第２反射板６２は、石英坩堝２０の底部に対向するように配置されている。
第２シャッタ部材６３は、固定板６４とこの固定板６４の上方に積層配置されたスライド板６５と、を備えており、スライド板６５が固定板６４に対してスライド移動することによって、第２反射板６２の露出面積が調整される構成とされている。

次に、単結晶シリコンの製造装置１０を用いた単結晶シリコンの製造方法について説明する。
まず、原料となる塊状の多結晶シリコンを石英坩堝２０に充填し、加熱ヒータ４０で石英坩堝２０を加熱して多結晶シリコンを溶解して１４２０℃のシリコン融液Ｍとし、シードＳを浸漬する部分近傍のシリコン融液Ｍを過冷却状態とする。
このとき、第１シャッタ部材５３は、図３及び図５に示すように、固定筒５４の内周側にスライド筒５５が積層されるように配置され、第１反射板５２の露出面積が大きく設定される。また、第２シャッタ部材６３は、図７に示すように、固定板６４の上にスライド板６５が位置するように配置され、第２反射板６２の露出面積が大きく設定されることになる。

次に、カーボンチャック部２８にシードＳを挿入して固定し、シードチャック駆動機構３０を駆動して、シードチャック２７を下降させてシードＳをシリコン融液Ｍに浸漬し、シードＳをシリコン融液Ｍになじませる。
そして、シードＳがシリコン融液Ｍになじんだら、シードチャック２７を、例えば５ｒｐｍから１５ｒｐｍで平面視右回転させながら、０．５ｍｍ／分から７．０ｍｍ／分の速度で上昇させる。
このとき、石英坩堝２０は、例えば０．２ｒｐｍから６．０ｒｐｍで平面視左回転されている。

このようにしてシードＳを引き上げて単結晶シリコンＴを析出させることにより、断面円形をなす単結晶シリコンＴが成長していくことになる。

そして、単結晶シリコンＴの引き上げが終了した後には、単結晶シリコンＴを取り出して、次の単結晶シリコンの製造準備を行うために、チャンバ１１内の温度を低下させることになる。
このとき、第１シャッタ部材５３は、図４及び図６に示すように、固定筒５４の内周側に積層配置されていたスライド筒５５がスライド移動されて、第１反射板５２の露出面積が小さく設定されることになる。また、第２シャッタ部材６３は、図８に示すように、固定板６４の上に配置されていたスライド板６５がスライド移動され、第２反射板６２の露出面積が小さく設定されることになる。

以上のような構成とされた本実施形態である単結晶シリコンの製造装置１０及び単結晶シリコンの製造方法によれば、保温筒部５０の内周面に、ステンレス板からなる第１反射板５２と、この第１反射板５２の露出面積を調整する第１シャッタ部材５３と、が設けられているので、石英坩堝２０内に装入した多結晶シリコン（シリコン原料）を溶解するときに、第１反射板５２の露出面積を大きくすることによって、加熱ヒータ４０による熱を第１反射板５２で反射させて石英坩堝２０に作用させることが可能となり、多結晶シリコン（シリコン原料）の溶解時間を大幅に短縮することができる。

また、単結晶シリコンＴの引き上げが終了した後に、次の単結晶シリコンの製造の準備のために、石英坩堝２０周辺、すなわち、保温筒部５０の内周側部分を冷却する際に、第１シャッタ部材５３によって第１反射板５２の露出面積を小さくすることにより、石英坩堝３０周辺（保温筒部５０の内周側部分）の熱が第１反射板５２によって反射されることを防止でき、保温筒部５０の外方へと熱を効率的に放散させることが可能となる。
よって、多結晶シリコン（シリコン原料）の溶解時間及び石英坩堝２０周辺の冷却時間を、ともに短縮することが可能となり、単結晶シリコンＴの製造サイクル時間を大幅に短縮することができ、単結晶シリコンＴの製造量の増加を図ることができる。

また、シリコン融液Ｍを保持して単結晶シリコンＴの引き上げを行っているときにおいても、第１反射板５２の露出面積を大きくすることによって、加熱ヒータ４０による熱を第１反射板５２で反射させることで石英坩堝２０の温度を保持することができ、電力コストの低減を図ることができる。このように、第１反射板５２によって熱を反射することによって、多結晶シリコン（シリコン原料）の溶解及びシリコン融液Ｍの保持に掛かる電力コストを大幅に削減することができる。

また、保温筒部５０の内周側の下方に、熱を反射する第２反射板６２と、この第２反射板６２の露出面積を調整する第２シャッタ部材６３とが設けられているので、第２反射板６２によって、石英坩堝２０の底部側から放散される熱を反射することが可能となり、多結晶シリコン（シリコン原料）の溶解時間の短縮及び電力コストの削減を図ることができる。一方、石英坩堝２０周辺を冷却する際には、第２反射板６２の露出面積を小さくすることによって、石英坩堝２０の底部側からの熱の放散を促進することができ、石英坩堝２０周辺の冷却時間を短縮することが可能となる。

以上、本発明の一実施形態である単結晶シリコンの製造装置及び製造方法について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、第１反射板及び第２反射板として、ステンレス板からなるものとして説明したが、これに限定されることはなく、他の金属板等の熱を反射するものであれば良い。特に、モリブデン（Ｍｏ）板やタンタル（Ｔａ）板は、耐熱性が良好なため、反射板として適している。

また、摺動移動する第１シャッタ部材及び第２シャッタ部材によって、第１反射板及び第２反射板の露出面積を調整するものとして説明したが、これに限定されることはなく、例えば反射板自体を駆動させて露出面積を調整する等、他の構造であってもよい。
さらに、チャンバ、シードチャック及びシードチャック駆動機構の構成は、本実施形態に記載されたものに限定されることはなく、適宜設計変更してもよい。

１０ 単結晶シリコンの製造装置
１１ チャンバ（気密チャンバ）
２０ 石英坩堝（坩堝）
４０ 加熱ヒータ
５０ 保温筒部
５２ 第１反射板（反射板）
５３ 第１シャッタ部材（シャッタ部材／反射板露出面積調整手段）
６２ 第２反射板（第２の反射板）
６３ 第２シャッタ部材（シャッタ部材／第２の反射板露出面積調整手段）

Claims (4)

1. チャンバ内に配置された坩堝に貯留したシリコン融液にシードを浸漬し、前記シードを引き上げて単結晶シリコンを成長させる単結晶シリコンの製造装置であって、
   前記坩堝の外周側を包囲する保温筒部と、この保温筒部の内周側に設けられた加熱ヒータと、を備えており、
   前記保温筒部には、熱を反射する反射板と、この反射板の露出面積を調整する反射板露出面積調整手段と、が設けられていることを特徴とする単結晶シリコンの製造装置。
2. 前記反射板露出面積調整手段は、前記反射板の前記坩堝側に積層配置され、スライド移動することによって前記反射板の露出面積を調整するシャッタ部材であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶シリコンの製造装置。
3. 前記保温筒部の下部には、前記坩堝の底部からの熱を反射する第２の反射板と、この第２の反射板の露出面積を調整する第２の反射板露出面積調整手段と、が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の単結晶シリコンの製造装置。
4. チャンバ内に配置された坩堝に貯留したシリコン融液にシードを浸漬し、前記シードを引き上げて単結晶シリコンを成長させる単結晶シリコンの製造方法であって、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の単結晶シリコンの製造装置を用いて、前記坩堝内に収容されたシリコン原料を溶融させる場合には、前記反射板露出面積調整手段によって前記反射板の露出面積を大きく設定し、
   前記単結晶シリコンの引き上げが終了した後に前記坩堝周辺を冷却する場合には、前記反射板露出面積調整手段によって前記反射板の露出面積を小さく設定することを特徴とする単結晶シリコンの製造方法。

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