JP5425858B2 - 再使用が可能なシリコン溶融用二重坩堝を備える単結晶シリコンインゴット成長装置 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶シリコンインゴット成長装置技術に関するもので、より詳細には、二重坩堝構造の導入により、黒鉛坩堝からの炭素不純物がシリコン溶湯に流入することを防止するとともに、再使用が可能なシリコン溶融用二重坩堝を備える単結晶シリコンインゴット成長装置に関するものである。

シリコンインゴットは、坩堝にポリシリコンと不純物を溶融させて形成されたシリコン溶湯に、引上駆動装置を使用してシード結晶をディッピングさせた後、シード結晶と坩堝を互いに反対方向に回転させながら徐々にシード結晶を引き上げて成長させることによって製造される。

このようなシリコンインゴットを製造するためにはシリコン原料を溶融する工程が必ず行われるが、この場合に使用する黒鉛坩堝は炭素及び金属不純物の混入をもたらすので、黒鉛坩堝の内部にクォーツ坩堝を挿入した二重坩堝構造の形態を使用するための研究が活発に進められている。

しかし、二重坩堝を用いてシリコン溶融工程を進行する場合、シリコン溶融工程後、二重坩堝内に残留するシリコン溶湯の凝固時に体積が膨張するので、クォーツ坩堝の破壊を誘発するという問題がある。したがって、高価なクォーツ坩堝を１回しか使用できないという問題により、二重坩堝構造を適用するのに困難さがあった。

本発明の目的は、高価なクォーツ坩堝を少なくとも２回以上再使用できるシリコン溶融用二重坩堝を備える単結晶シリコンインゴット成長装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明の実施例に係る再使用が可能なシリコン溶融用二重坩堝を備える単結晶シリコンインゴット成長装置は、シリコン原料が装入されるシリコン溶融用二重坩堝；前記シリコン原料を溶融させてシリコン溶湯を形成するために前記シリコン溶融用二重坩堝を加熱する坩堝加熱部；前記シリコン溶融用二重坩堝の回転及び昇降運動を制御する坩堝駆動部；及び前記シリコン溶融用二重坩堝の上側に配置され、前記シリコン溶湯にディッピングされたシード結晶を引き上げてシリコンインゴットを成長させる引上駆動部；を含み、前記シリコン溶融用二重坩堝は、上側が開放される容器形態であり、底面と内壁面とを連結する傾斜面と底面を貫通する吐出口を備える黒鉛坩堝と、前記黒鉛坩堝の内側に挿入されて結合され、内部に前記シリコン原料が装入されるクォーツ坩堝と、を有し、前記シリコン溶湯が前記吐出口から下方へ吐出されることを特徴とする。

本発明に係るシリコン溶融用二重坩堝は、内部底面と内壁とを連結する傾斜面が３°以上の勾配を有するように設計することによって、二重坩堝の内部にシリコン溶湯が残留せずに吐出口から全部吐出されるようにし、単結晶シリコンインゴット製造工程の完了後、簡単な洗浄工程で洗浄することによって内部のクォーツ坩堝を少なくとも２回以上再使用できるという効果がある。

本発明の実施例に係るシリコン溶融用二重坩堝を備える単結晶シリコンインゴット成長装置を示した断面図である。 図１のシリコン溶融用二重坩堝を拡大して示した斜視図である。 図２のIII―III’線断面図である。

本発明の利点、特徴及びそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳細に説明する各実施例を参照すれば明確になるだろう。しかし、本発明は、以下で開示する各実施例に限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現可能である。ただし、本実施例は、本発明の開示を完全にし、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるもので、本発明は、特許請求の範囲の範疇によって定義されるものに過ぎない。明細書全体にわたって同一の参照符号は、同一の構成要素を示す。

以下、添付の図面を参照して本発明の好適な実施例に係る再使用が可能なシリコン溶融用二重坩堝を備える単結晶シリコンインゴット成長装置について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例に係るシリコン溶融用二重坩堝を備える単結晶シリコンインゴット成長装置を示した断面図である。

図１を参照すると、単結晶シリコンインゴット成長装置１００は、シリコン溶融用二重坩堝１２０、坩堝加熱部１４０、坩堝駆動部１６０及び引上駆動部１８０を含む。

シリコン溶融用二重坩堝１２０は、シリコン原料貯蔵部（図示せず）から一定量のシリコン原料を受ける。

このようなシリコン溶融用二重坩堝１２０は、黒鉛坩堝１２２と、前記黒鉛坩堝１２２の内部に挿入されて結合されるクォーツ坩堝１２４とを含んで構成することができる。前記黒鉛坩堝１２２は、内部底面に吐出口１２６が形成され、上側が開放される容器形態であり、内部底面と内壁とを連結する傾斜面を備えることができる。一方、クォーツ坩堝１２４は、黒鉛坩堝１２２の内部に挿入されて結合され、内部にシリコン原料が装入される。このようなシリコン溶融用二重坩堝１２０の構造については、後で詳細に説明する。

坩堝加熱部１４０は、シリコン原料を溶融させてシリコン溶湯Ｌを形成するためにシリコン溶融用二重坩堝１２０を加熱する。前記坩堝加熱部１４０は、シリコン溶融用二重坩堝１２０の外壁を取り囲むコイル１４２を備えており、このようなコイル１４２を用いてシリコン原料が装入されたシリコン溶融用二重坩堝１２０を加熱するようになる。このようなコイル１４２は、誘導加熱方式、抵抗加熱方式などの多様な方式でシリコン溶融用二重坩堝１２０を加熱することができ、以下では、誘導加熱方式を一例として説明する。

前記シリコン溶融用二重坩堝１２０内で誘導加熱されるシリコン溶湯Ｌの表面温度は、１３００〜１５００℃に維持することができる。このとき、シリコンの場合、金属とは異なり、約７００℃以下の温度では電気伝導度が低いので、電磁気誘導による直接加熱が難しい。したがって、シリコン原料は、二重坩堝１２０の熱による間接溶融方式で溶融することができる。シリコン溶融用二重坩堝１２０の外側に配置される黒鉛坩堝１２２の材質である黒鉛の場合、非金属材質であるにもかかわらず、電気伝導度及び熱伝導度が非常に高いので、電磁気誘導によって容易に加熱することができる。

坩堝駆動部１６０は、シリコン溶融用二重坩堝１２０の回転及び昇降運動を制御する。

坩堝駆動部１６０は、シリコン溶融用二重坩堝１２０の下側を支持する支持チャック１６２と、前記支持チャック１６２の回転及び昇降運動を制御する支持チャック駆動ユニット１６４とを含むことができる。

このような坩堝駆動部１６０は、シリコン溶湯ＬからシリコンインゴットＧを成長させる過程中、支持チャック１６２と、支持チャック１６２によって支持されるシリコン溶融用二重坩堝１２０とを支持チャック駆動ユニット１６４を用いて第１の方向に回転運動させるようになる。

このとき、坩堝駆動部１６０は、支持チャック１６２と支持チャック駆動ユニット１６４の内部を貫通するように加工された吐出ホール１６６を備えることができる。このような吐出ホール１６６については、後で詳細に説明する。

引上駆動部１８０は、シリコン溶融用二重坩堝１２０の上側に配置され、誘導加熱によって溶融されるシリコン溶湯Ｌにシード結晶Ｄをディッピングさせた後、これを引き上げることによってシリコンインゴットＧを成長させる。

引上駆動部１８０は、下側端部にシード結晶Ｄを固定させるために設置されるシード結晶固定軸１８２と、前記シード結晶固定軸１８２と連結され、前記シード結晶固定軸１８２の回転及び昇降運動を制御する固定軸駆動ユニット１８４とを含むことができる。

シード結晶Ｄは、シリコン溶湯ＬからシリコンインゴットＧを成長させるためのシードとしての役割をする。このとき、シード結晶固定軸１８２はシード結晶Ｄを固定させ、固定軸駆動ユニット１８４によって回転及び昇降運動が制御される。

このとき、シリコンインゴットを成長させる過程は、誘導加熱によってシリコン原料が適正な水準に溶融されることによってシリコン溶湯が形成されると、シード結晶固定軸１８２に固定されるシード結晶Ｄをこれらと連動する固定軸駆動ユニット１８４を用いてシリコン溶湯Ｌにディッピングさせた後、前記シード結晶Ｄを徐々に引き上げ、シード結晶Ｄの端部からシリコン単結晶を成長させることによってシリコンインゴットＧを製造できるようになる。このとき、シード結晶固定軸１８２は、シリコンインゴットＧの荷重を支える部分であって、その材質としては弾性体を用いることが望ましい。

このようなシリコンインゴットの成長過程時、引上駆動部１８０は、シリコンインゴットＧを引き上げる引上作動と共に、第１の方向と相反する第２の方向への回転運動を行うようになる。

一方、本発明の実施例に係るシリコンインゴット成長装置１００は、ゲートバー１９０をさらに含むことができる。ゲートバー１９０は、位置運動が可能になるように設計され、シリコン溶融用二重坩堝１２０の吐出口１２６を開閉する役割をする。この場合、ゲートバー１９０は、上下及び左右方向への位置運動が可能になるように設計することができる。

このとき、ゲートバー１９０は、単結晶シリコンインゴットの成長過程時、シリコン溶融用二重坩堝１２０からシリコン溶湯Ｌが流れ落ちないように吐出口１２６を閉鎖するようになる。この場合、ゲートバー１９０は、支持チャック１６２とシリコン溶融用二重坩堝１２０との間に配置され、支持チャック駆動ユニット１６４によって支持チャック１６２及びシリコン溶融用二重坩堝１２０と共に回転運動を行うようになる。

このとき、支持チャック１６２と支持チャック駆動ユニット１６４の内部を貫通するように加工された吐出ホール１６６は、シリコン溶融用二重坩堝１２０の吐出口１２６に対応する位置に設計することが望ましい。

すなわち、このようなゲートバー１９０は、単結晶シリコンインゴットの成長過程時、シリコン溶融用二重坩堝１２０からシリコン溶湯Ｌが流れ落ちないように吐出口１２６を閉鎖するようになる。その一方、単結晶シリコンインゴットの成長過程が完了した後は、シリコン溶融用二重坩堝１２０の再使用のためにゲートバー１９０を用いて吐出口１２６を開放し、二重坩堝１２０の内部に残留するシリコン溶湯Ｌを吐出口１２６と吐出ホール１６６を通して坩堝駆動部１６０の下部に全て吐出できるようになる。シリコン溶湯Ｌがほぼ残っていない二重坩堝１２０は、簡単な洗浄作業を行うことによって再使用することができる。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例に係るシリコン溶融用二重坩堝についてより具体的に説明する。

図２は、図１のシリコン溶融用二重坩堝を拡大して示した斜視図で、図３は、図２のIII―III’線断面図である。

図２及び図３を参照すると、シリコン溶融用二重坩堝１２０は、黒鉛坩堝１２２及びクォーツ坩堝１２４を含む。

黒鉛坩堝１２２は、上側が開放され、内部の底面Ｂと内壁Ｉとを連結する傾斜面Ｓを備える。このような黒鉛坩堝１２２は、上側が開放される容器形態を有することができる。この場合、黒鉛坩堝１２２は、平面上で見ると、多角形、円形、楕円形などの多様な形態に設計することができる。

このとき、黒鉛坩堝１２２は、壁面の一部が縦方向に切開された複数のスリット１２８を備えることができる。このようなスリット１２８は、外壁Ｏと内壁Ｉを切開する形態で形成することができる。したがって、前記黒鉛坩堝１２２は、複数のスリット１２８によってそれぞれのセグメント１２９に分割される。

また、黒鉛坩堝１２２は、内部底面Ｂを貫通する吐出口１２６を備えることができる。

クォーツ坩堝１２４は、黒鉛坩堝１２２の内側に挿入されて結合され、内部にシリコン原料が装入される。このとき、クォーツ坩堝１２４は、黒鉛坩堝１２２と類似する形態で加工される。このようなクォーツ坩堝１２４の材質であるクォーツは、黒鉛に比べて耐熱性に優れ、熱膨張が少なく、化学的に安定した特性を有する。

このように、黒鉛坩堝１２２の内側にクォーツ坩堝１２４が挿入されるシリコン溶融用二重坩堝１２０によると、誘導加熱によってシリコン原料が約１４１２℃以上の温度に加熱されるとしても、黒鉛坩堝１２２の内側に挿入されるクォーツ坩堝１２４が、黒鉛坩堝１２２からの炭素及び金属不純物がシリコン溶湯に流入することを遮断する遮断膜としての役割をし、シリコン溶湯の汚染を防止できるようになる。

特に、クォーツ坩堝１２４は、黒鉛坩堝の内面全体を覆って形成することが望ましい。このように設計する場合、黒鉛坩堝１２２からの炭素不純物がシリコン溶湯に流入することを根本的に防止できるという効果がある。

一方、前記傾斜面Ｓは、黒鉛坩堝１２２の内部底面Ｂに対して３°以上の勾配θを有するように設計することが望ましい。この場合、勾配θの上限は、限定される必要はないが、内部底面Ｂと内壁Ｉの最大勾配が９０°であることを勘案すると、９０°未満に設計することが望ましい。

傾斜面Ｓの勾配θが３°未満に設計される場合、シリコン溶湯が吐出口１２６に移動する駆動力が大きくないので、シリコン溶湯の一部が二重坩堝１２０内に残留するという問題をもたらすおそれがある。

このように、３°以上の勾配θを有するように傾斜面Ｓを形成する場合、重力によってシリコン溶湯が吐出口１２６に移動する駆動力が増加し、クォーツ坩堝１２４の内部にシリコン溶湯が残留せずに吐出口１２６を通して全て吐出されるようになる。

したがって、シリコン薄板の製造工程後、シリコン溶融用二重坩堝の内部にはシリコン溶湯が残留せずに吐出口に全て吐出されるので、簡単な洗浄工程で洗浄することによって、内部のクォーツ坩堝を少なくとも２回以上再使用できるという効果がある。

この結果、シリコン溶融用二重坩堝を含む単結晶シリコンインゴット成長装置を用いて製造されるシリコンインゴットをスライシングして形成されるシリコンウエハーは、シリコン溶融用二重坩堝の再使用回数とは関係なく８０〜２００Ω／ｓｑｕａｒｅの面抵抗を有することができる。これについては、下記の表１を参照してより具体的に説明する。

表１は、実施例１〜７及び比較例１によって製造される単結晶シリコンウエハーの面抵抗及び標準偏差をそれぞれ測定して示したものである。このとき、実施例１〜７では、再使用回数が１〜７回であるシリコン溶融用二重坩堝が装着された単結晶シリコンインゴット成長装置を用いて単結晶シリコンインゴットをそれぞれ製造した後、それぞれの単結晶シリコンインゴットを０．３ｍｍの厚さにスライシングして単結晶シリコンウエハーを製造した。また、比較例１では、黒鉛坩堝のみが装着された単結晶シリコンインゴット成長装置を用いて単結晶シリコンインゴットを製造した後、単結晶シリコンインゴットを０．３ｍｍの厚さにスライシングして単結晶シリコンウエハーを製造した。

表１を参照すると、実施例１〜７の場合、再使用回数とは関係なく面抵抗が数百Ω／ｓｑｕａｒｅにそれぞれ測定されることを確認することができる。実施例１〜７の標準偏差は１．４、１．６、１．１、２．１、１．４、１．２、２．５％で、比較例１の標準偏差は０．１％であった。

一方、比較例１のようにクォーツ坩堝を使用せずに黒鉛坩堝のみを使用する場合、単結晶シリコンウエハーの面抵抗が数Ω／ｓｑｕａｒｅ、具体的には３Ω／ｓｑｕａｒｅに急激に低下することを確認することができる。これは、黒鉛坩堝からの炭素及び金属不純物がシリコン溶湯に混入し、単結晶シリコンウエハーの汚染をもたらしたためであると見なすことができる。

しかし、実施例１〜７の場合、再使用回数とは関係なく面抵抗が類似する水準で測定されるので、シリコン溶融用二重坩堝のクォーツ坩堝を再使用するのに何ら問題がないことが分かる。

以上では、本発明の実施例を中心に説明したが、本発明の属する技術分野で通常の知識を有する技術者の水準で多様な変更や変形が可能である。このような変更と変形は、本発明が提供する技術思想の範囲を逸脱しない限り、本発明に属するものといえる。したがって、本発明の権利範囲は、以下で記載する特許請求の範囲によって判断しなければならない。

１００：単結晶シリコンインゴット成長装置、１２０：シリコン溶融用二重坩堝、１２２：黒鉛坩堝、１２４：クォーツ坩堝、１２６：吐出口、１２８：スリット、１２９：セグメント、１４０：坩堝加熱部、１４２：コイル、１６０：坩堝駆動部、１６２：支持チャック、１６４：支持チャック駆動ユニット、１６６：吐出ホール、１８０：引上駆動部、１８２：シード結晶固定軸、１８４：固定軸駆動ユニット、１９０：ゲートバー

Claims (9)

1. シリコン原料が装入されるシリコン溶融用二重坩堝；
   前記シリコン原料を溶融させてシリコン溶湯を形成するために前記シリコン溶融用二重坩堝を加熱する坩堝加熱部；
   前記シリコン溶融用二重坩堝の回転及び昇降運動を制御する坩堝駆動部；及び
   前記シリコン溶融用二重坩堝の上側に配置され、前記シリコン溶湯にディッピングされたシード結晶を引き上げてシリコンインゴットを成長させる引上駆動部；を含み、
   前記シリコン溶融用二重坩堝は、上側が開放される容器形態であり、底面と内壁面とを連結する傾斜面と底面を貫通する吐出口を備える黒鉛坩堝と、前記黒鉛坩堝の内側に挿入されて結合され、内部に前記シリコン原料が装入されるクォーツ坩堝と、を有し、
   前記シリコン溶湯が前記吐出口から下方へ吐出される、
   ことを特徴とする単結晶シリコンインゴット成長装置。
2. 前記坩堝加熱部は、前記シリコン溶融用二重坩堝の外壁を取り囲むコイルを有することを特徴とする、請求項１に記載の単結晶シリコンインゴット成長装置。
3. 前記引上駆動部は、
   シード結晶を固定させるシード結晶固定軸と、
   前記シード結晶固定軸と連結され、前記シード結晶固定軸の回転及び昇降運動を制御する固定軸駆動ユニットと、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の単結晶シリコンインゴット成長装置。
4. 前記坩堝駆動部は、
   前記シリコン溶融用二重坩堝の下側を支持する支持チャックと、
   前記支持チャックの回転及び昇降運動を制御する支持チャック駆動ユニットと、を含むことを特徴とする、請求項１に記載の単結晶シリコンインゴット成長装置。
5. 前記黒鉛坩堝は、壁面の一部が縦方向に切開された複数のスリットを備えることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶シリコンインゴット成長装置。
6. 前記シリコンインゴット成長装置は、前記シリコン溶融用二重坩堝と坩堝駆動部との間に配置され、前記吐出口を開閉するゲートバーをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の単結晶シリコンインゴット成長装置。
7. 前記黒鉛坩堝の傾斜面は、黒鉛坩堝の内部底面に対して３°以上の勾配を有することを特徴とする、請求項１に記載の単結晶シリコンインゴット成長装置。
8. 前記クォーツ坩堝は、少なくとも２回以上再使用されることを特徴とする、請求項１に記載の単結晶シリコンインゴット成長装置。
9. 前記クォーツ坩堝は、黒鉛坩堝とシリコン原料との接触を遮断するために前記黒鉛坩堝の内面全体を覆って形成することを特徴とする、請求項１記載の単結晶シリコンインゴット成長装置。

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