JPH04331792A - シリコン単結晶製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電磁溶解とＣＺ引き上
げ法との組合せによるシリコン単結晶製造方法に関する
。

【０００２】

【従来の技術】各種半導体や高効率な太陽電池の素材と
して、シリコン単結晶は不可欠である。工業的なシリコ
ン単結晶の製造法としては、シリコン融液より単結晶ロ
ッドを引き上げるＣＺ法と、多結晶シリコンロッドを誘
導コイル内に挿通させて単結晶化するＦＺ法とがある。

【０００３】ＣＺ法は、ＦＺ法に比して工程数が少なく
、歩留りも良いことから経済性が良好とされているが、
ＦＺ法ほどの単結晶品質は得られない。ＣＺ法で単結晶
品質を低下させている最大の原因は、シリコン融液を収
容する石英るつぼが消耗することによる石英るつぼから
の不純物汚染である。ＣＺ法での今一つの大きな問題は
、長時間の連続引き上げが難しいということである。長
時間の連続的な引き上げにより、単結晶ロッドの比抵抗
を一定にすることが原理的に可能となり、これによって
歩留りが飛躍的に向上し、しかも炉運転の効率を上げる
ことができるわけであるが、これまで、この要求を満足
させる連続化を成功させたところはない。その最大の原
因は、単結晶品質を低下させる要因と同じく、石英るつ
ぼの消耗にある。

【０００４】このような状況を背景として最近注目され
始めたのが、ＣＺ法への電磁溶解の導入である。電磁溶
解法は、周方向に分割された導電性の水冷るつぼを使用
し、電磁場によりるつぼ内の材料を浮遊状態で溶解する
言わば浮遊溶解法であり、その原理は、特開昭６１−５
２９６２号公報、特開平１−２６４９２０号公報、特開
平２−３０６９８号公報等に開示された多結晶シリコン
製造装置にも用いられている。ＣＺ法でのシリコン融液
の形成にこの電磁溶解を使用すれば、るつぼ内のシリコ
ン融液がるつぼ内面に非接触の状態に保持されるので、
原理的には、るつぼの消耗がなくなり、るつぼからの不
純物汚染が防止され、ＦＺ法に匹敵する単結晶品質が確
保されると共に、長時間の連続引き上げも可能になる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法は未だ問題が多く、工業的規模での実施は行われてい
ない。電磁溶解を用いたＣＺ法の工業化を阻害している
大きな要因は、二つあると考えられる。一つは、るつぼ
内に非接触状態で保持されたシリコン融液の攪拌現象で
ある。この攪拌現象を図３により説明する。

【０００６】誘導コイル１の内側に、周方向に分割され
た導電性のるつぼ２が設置されている。誘導コイル１を
流れる交流電流によりるつぼ２の各分割片に電流が流れ
、るつぼ２内のシリコン融液３に縦軸方向の磁界が印加
される。これにより、シリコン融液３に周方向の電流が
流れ、ジュール熱を発生させる。ところが、この磁界は
、誘導コイル１の構造上、上下に向かうほど弱くなるの
を避け得ず、この磁界の不均一分布に基づくローレンツ
力の差により、シリコン融液３に攪拌力が付加される。 そして、この攪拌力による液流動は、次の３つの不都合
が重なって非常に激しいものとなる。

【０００７】１つは、誘導コイル１に投入されるパワー
に比例した強力な攪拌力がシリコン融液３に加えられる
ことである。２つ目は、低周波域ほど攪拌力が大きくな
ることである。すなわち、シリコンの電磁溶解では、誘
導周波数が高いと、電流効率は向上するが、表皮効果が
顕著になるために、るつぼ２内のシリコン融液３の中心
部までうず電流が到達せず、中心部の溶解が不足する。 そのため、大型の単結晶ロッド４の製造では、誘導周波
数の低下が不可避であり、例えば２〜３ｋＨｚの低周波
数域が選択される。ところが、このような低周波数域で
は、電流がるつぼ２内のシリコン融液３の深層深まで達
し、シリコン融液３に強い攪拌力が生じる。これは、単
結晶ロッド４の大型化が進む昨今にあっては、極めて不
都合なことと言える。３つ目の不都合は、シリコン融液
３がるつぼ２内に浮遊し、本質的に運動しやすい状態に
あることである。

【０００８】これらの不都合の相乗により、攪拌力によ
る液流動は、図３に破線で示す従来のるつぼ溶解で発生
する熱対流とは比較にならない激しいものとなる。その
結果、シリコン融液３の液面が激しく波立ち、シリコン
融液３から引き上げられる単結晶ロッド４に温度振動に
起因するスワール欠陥、転位等が生じ、その品質を低下
させる。

【０００９】電磁溶解を用いたＣＺ法の工業化を阻害し
ている今一つの要因は、電力コストの嵩むことと考えら
れる。すなわち、従来の電磁溶解を用いたＣＺ法では、
投入電力の略半分がるつぼの加熱に消費される。そのた
め、シリコンをうず電流にて直接加熱するにもかかわら
ず、期待されるほどの経済性は得られていない。

【００１０】本発明の目的は、従来の電磁溶解を用いた
ＣＺ法に比して電力消費効率が格段に高く、しかも、シ
リコン融液の攪拌を効果的に抑えることができるシリコ
ン単結晶製造方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、電磁溶解
を用いたＣＺ法での電力消費効率の向上と、シリコン融
液の攪拌抑制とを目的として、スカル溶解を用いたＣＺ
法を先に開発した（特願平２−１１２０５０号）。これ
は、誘導コイルの内面に高融点絶縁物を被覆して誘導コ
イル自体を溶解容器となし、その溶解容器内でシリコン
を溶解させて容器内面にシリコンスカル層を形成した状
態で、溶解容器内のシリコン融液から単結晶ロッドを引
き上げる単結晶製造方法である。

【００１２】スカル溶解を用いたＣＺ法によれば、誘導
コイルにて形成される磁界がるつぼを介することなく溶
解容器内のシリコンに直接作用するので、従来のるつぼ
を用いた間接電磁溶解によるＣＺ法に比して電力消費効
率が略２倍に向上する。溶解容器内のシリコン融液がシ
リコンスカル層に付着するため、シリコン融液に強い攪
拌力が作用する場合にも、シリコン融液が浮遊保持され
るときのような激しい融液攪拌がおこらない。シリコン
スカル層がインシュレータとなるために、高融点絶縁物
からの汚染が防止され、シリコン融液が浮遊保持される
場合に匹敵する純度が確保される。

【００１３】ところが、本発明者らのその後の研究から
、スカル溶解を用いたＣＺ法では、溶解容器の内面に沿
ってシリコンスカル層を形成する必要上、溶解容器内の
シリコンが固液共存の状態となり、融液部の温度が充分
に上がらないことが分かってきた。シリコン融液の温度
が低いと、単結晶引き上げの際の種がシリコン融液にな
じまず、種付けが困難になる。また、種付けができても
、単結晶ロッドの引き上げ径が大きくなるため、引き上
げ速度の制御範囲内では、その引き上げ径をコントロー
ルし得ず、引き上げに伴いロッド径が徐々に脹らみ、コ
ーン状のロッドが製造されるおそれがある。

【００１４】本発明者らは、これらの問題を解決するた
めに、誘導コイルに与えるパワーをシリコンスカル層が
消失する程度に上げた。そうすると、溶解容器内のシリ
コン融液が単結晶の引き上げに好適な温度まで加熱され
た。これと同時に、溶解容器内のシリコン融液は、シリ
コンスカル層の消失に伴ってインシュレータを失い、誘
導コイルの内面に被覆された高融点絶縁物に直接接触す
るようになるが、誘導コイルが強制的に冷却されている
状況下では、高融点絶縁物が低温に保たれ、シリコン融
液との反応が防止されるために、シリコン融液の汚染が
効果的に防止され得ることが明らかになった。

【００１５】本発明のシリコン単結晶製造方法は、内部
に保持されたシリコンを発熱溶解させるべく、該シリコ
ンに交流磁界を作用させる誘導コイルの内面に高融点絶
縁物を薄膜状に被覆して溶解容器となし、誘導コイルを
強制的に冷却しながら、該溶解容器内でシリコンを溶解
させ、且つ、溶解容器内のシリコン融液を高融点絶縁物
に直接接触する状態に加熱して、該シリコン融液から単
結晶ロッドを引き上げることを特徴としてなる。

【００１６】望ましくは、溶解容器内のシリコン融液に
対し、シリコン加熱用の交流磁界とは別に、シリコン融
液の流動に伴ってその流動を抑えるローレンツ力がシリ
コン融液に作用する磁界を印加する。

【００１７】

【作用】本発明のシリコン単結晶製造方法においては、
誘導コイルが溶解容器を兼ね、溶解容器内のシリコンに
磁界が直接作用する。溶解容器内のシリコン融液が容器
内面に付着し、シリコン融液の攪拌が抑えられる。シリ
コン融液と容器内面との間にシリコンスカル層が介在せ
ず、融液温度が上がる。誘導コイルが強制冷却されるこ
とにより、高融点絶縁物にシリコン融液が直接接触する
にもかかわらず、高融点絶縁物からシリコン融液への不
純物の汚染が防止される。

【００１８】以下に本発明の実施例を説明する。

【００１９】図１は本発明法の実施に適した装置の概略
断面図である。図１の装置は、溶解容器４０および磁極
５０，５０を収容する気密容器１０を備えている。

【００２０】気密容器１０は、円筒状の溶解室１１と、
その上方に同心状に突設された引上室１２とよりなる。 溶解室１１は、不活性ガス導入口１１ａおよび排気口１
１ｂを有し、上方には、真空弁１１ｃを介して電子ビー
ム銃２０が設けられている。また、引上室１２の上方に
は、ワイヤ３１を有する引上手段３０が設けられている
。

【００２１】溶解容器４０は、気密容器１０の溶解室１
１内の中心部に設置されている。この溶解容器４０は、
図２に示すように、環状の誘導コイル４１と、その底を
閉塞する定盤４２とを有する。これらは、内部に冷却水
が通され、強制冷却される。誘導コイル４１の内周面お
よび定盤４２の上面には、ＳｉＯ２　、Ｓｉ３　Ｎ４　
等の高融点絶縁物からなる絶縁膜４３が被覆されている
。絶縁膜４３を形成する高融点絶縁物としては、電気絶
縁性、熱伝導性および融点が高く物性の安定なシリコン
系化合物が望ましく、ＳｉＯ２　が特に良い。ＳｉＯ２
　からなる絶縁膜４３は、例えば次のようにして形成さ
れる。

【００２２】シリコーン油を塗る。これは、３００〜４
００℃でメチル基が分解し、無機化したＳｉＯ２　から
なる絶縁薄膜（〜０．３ｍｍ）を形成する。この薄膜の
上にＳｉＯ２　の粉末とシリコーン油との混合物を１ｍ
ｍ以下の厚みに塗る。このようにして形成された絶縁膜
４３は、電気的な絶縁性が高く、しかも、薄くて熱伝導
が良い。そのため、裏側から強制冷却されていれば、表
面にシリコン融液が接しても低温に維持され、シリコン
融液との反応がないため、汚染物質の溶出がない。同様
の絶縁膜４３は、誘導コイル４１の層間にも介在されて
いる。絶縁膜４３の厚みは、絶縁性等が確保されれば薄
いほうがよい（好ましくは１．０ｍｍ以下）。

【００２３】磁極５０，５０は、溶解容器４０の両側に
対向配置され、コイル５１，５１により溶解容器４０内
に水平方向の直流磁界を通過させる。磁極５０，５０の
背面同志は、図示されないヨークにより連結されている
。

【００２４】本発明法は、上記装置を用いて次のように
実施される。

【００２５】まず、溶解容器４０内に多結晶シリコンか
らなる塊状、粒状の原料シリコンを装入する。次いで、
気密容器１０内が電子ビーム照射に必要な真空度になる
まで、気密容器１０内を排気口１１ｂより排気する。気
密容器１０内が排気されると、電子ビーム銃２０を作動
させて、溶解容器４０内に装入された原料シリコンに電
子ビームを照射し、原料シリコンを局部的に溶解させる
と共に、溶解容器４０の誘導コイル４１に通電を行う。 誘導コイル４１および定盤４２は水冷されている。

【００２６】誘導コイル４１に通電を行うことにより、
溶解容器４０内の原料シリコンに直接磁界が作用する。 ただし、原料シリコンが固体の状態では、溶解に至るほ
どのうず電流は生じない。しかし、原料シリコンに電子
ビームが照射されてプールが形成されると、そのプール
に充分なうず電流が流れ、ジュール熱による自己発熱に
てプールが拡大し始める。原料シリコンに所定のプール
が形成されると、電子ビームの照射を停止する。

【００２７】溶解容器４０に装入された原料シリコンが
溶解されると、シリコン融液７０が溶解容器４０の内面
に接触するが、溶解容器４０の内面が絶縁膜４３で被覆
されているので、誘導コイル４１がシリコン融液７０に
よって短絡されることはない。

【００２８】溶解容器４０内がシリコン融液７０で満た
されると、磁極５０，５０によりシリコン融液７０に直
流磁界を印加した状態で、引上手段３０を作動させ、そ
のワイヤ３１により、シリコン融液７０を回転状態で液
面から円柱状に凝固させながら引き上げて単結晶ロッド
７２となす。電子ビームの照射が終了した後の適当な段
階で、気密容器１０内にガス導入口１１ａよりアルゴン
等の不活性ガスを導入して大気圧操業に切り換える。溶
解容器４０内には、気密容器１０内のホッパー（図示せ
ず）から原料シリコンが適宜補充される。

【００２９】原料シリコンとしては、例えば、流動造粒
法にて製造された顆粒状の多結晶シリコンが、原料の添
加方法の簡便さ等の点から望ましい。

【００３０】本発明法は、従来のるつぼを用いた間接電
磁溶解によるＣＺ法に比して次のような利点を有する。

【００３１】誘導コイル４１が溶解容器４０の構成要素
になっているので、誘導コイル４１にて発生される磁界
が溶解容器４０内のシリコンに直接作用する。従って、
シリコンと誘導コイルとの間に水冷るつぼが介在する従
来法に比して電力消費効率が略２倍に向上する。

【００３２】溶解容器４０内にシリコンスカル層が存在
せず、シリコン融液７０のみが存在する。そのため、シ
リコン融液７０の温度が上がり、引き上げに際しての種
付けが容易になる。また、温度コントロール時の昇温お
よび降温が速やかにできるようになり、引き上げに際し
ての単結晶ロッド７２の脹らみあるいは細りが抑えられ
る。その結果、引き上げ速度の制御範囲内で単結晶ロッ
ド７２の直径が管理され、単結晶ロッド７２が全長にわ
たって均一な直径となる。

【００３３】溶解容器４０内のシリコン融液７０の底面
および外周面が絶縁膜４３に付着しているので、シリコ
ン融液７０の攪拌が生じ難い。攪拌が生じた場合は、磁
極５０，５０間に形成される直流磁界により、攪拌を防
止する方向のローレンツ力がシリコン融液７０に作用す
る。これらにより、シリコン融液７０に強い攪拌力が作
用する大パワー低周波操業の場合にも、従来法のような
シリコン融液７０の激しい攪拌は生じない。その結果、
シリコン融液７０の液面の波立ちが抑制され、シリコン
融液７０から引き上げられる単結晶ロッド７２における
スワール欠陥、転位等が、従来法に比して大幅に減少す
る。

【００３４】溶解容器４０内のシリコン融液７０は、溶
解容器４０の絶縁膜４３に直接接触しているが、絶縁膜
４３は厚みが薄く、且つ熱伝導が良く、背後から強制的
に水冷された誘導コイル４１および定盤４２により冷却
されているので、汚染物質の溶出がなく、シリコン融液
７０を高純度に保ち、且つ、溶解容器４０の消耗を防ぐ
。

【００３５】溶解容器４０に装入された原料シリコンを
電磁溶解前に局部溶解させる初期溶解として電子ビーム
照射を用いている。従来の初期溶解法としては、容器内
のシリコンにグラファイト、モリブデン等の高融点導電
体を接触させた状態で、容器内に電磁場を形成して高融
点導電体を先に加熱し、その熱で周囲のシリコンにプー
ルを形成する方法が、前記特開平１−２６４９２０号公
報および特開平２−３０６９８号公報に開示されている
。このような初期溶解法では、高融点導電体からの不純
物汚染を避け得ないが、本発明法に採用されている電子
ビームによる初期溶解では、こうした不純物汚染も防止
され、単結晶ロッド７２の品質がより一層向上する。

【００３６】次に、本発明者らが行った比較試験の結果
を説明し、本発明の効果を明らかにする。

【００３７】図１の装置において、スカル層なしの直接
電磁溶解を用いたＣＺ法により、直径が５０ｍｍの単結
晶シリコンロッドを製造した。電磁溶解条件および引き
上げ条件を表１に示す。比較のために、同一寸法の単結
晶シリコンロッドを、スカル層ありの直接電磁溶解を用
いたＣＺ法、従来の間接電磁溶解によるＣＺ法およびＦ
Ｚ法で製造した。製造された各単結晶シリコンロッドの
品質を表２に示す。直接溶解と間接溶解との間では、電
力使用量および容器消耗状態の比較も行った。

【００３８】表２からわかるように、直接電磁溶解法を
採用することにより、電力使用量が間接電磁溶解法に比
べて約４０％に節約された。また、誘導周波数が６ｋＨ
ｚと低周波であるにもかかわらず、シリコン融液の表面
が安定し、特に、シリコン融液に直流磁界を作用させる
ことによって、比抵抗値の分布が均一になった。スカル
層をなくしたことにより、溶融シリコンの温度制御が容
易になり、また、スカル層が存在しないにもかかわらず
、不純物が少ない。そして、直流磁界を作用させた場合
は、溶融シリコンの乱れた対流も大幅に抑えられ、結晶
成長を均質に行えるようになった結果、育成されたシリ
コン単結晶の品質はＦＺ法と並ぶ水準に達した。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】なお、溶解容器４０を構成する定盤４２は
、誘導コイル４１と同方向に巻かれたパンケーキ状コイ
ルとすることもできる。

【００４２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のシリコン単結晶製造方法は、るつぼを介さない直接電
磁溶解を用いるので、従来のるつぼを用いた間接電磁溶
解によるＣＺ法に比して電力利用効率が著しく高い。し
かも、融液攪拌の抑制により、優れた単結晶品質を確保
する。更に、容器からの汚染がなく、容器の消耗もない
。従って、高品質なシリコン単結晶を低コストで提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明法の実施に適した装置の概略断面図であ
る。

【図２】溶解容器の断面図である。

【図３】シリコン融液の攪拌現象を説明するための模式
図である。

【符号の説明】

１０　　気密容器 ３０　　引上手段 ４０　　溶解容器 ４１　　誘導コイル ４３　　絶縁膜 ６０　　磁極 ７０　　シリコン融液

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　内部に保持されたシリコンを発熱溶解
   させるべく、該シリコンに交流磁界を作用させる誘導コ
   イルの内面に高融点絶縁物を薄膜状に被覆して溶解容器
   となし、誘導コイルを強制的に冷却しながら、該溶解容
   器内でシリコンを溶解させ、且つ、溶解容器内のシリコ
   ン融液を高融点絶縁物に直接接触する状態に加熱して、
   該シリコン融液から単結晶ロッドを引き上げることを特
   徴とするシリコン単結晶製造方法。
2. 【請求項２】　　溶解容器内のシリコン融液に対し、シ
   リコン加熱用の交流磁界とは別に、シリコン融液の流動
   に伴ってその流動を抑えるローレンツ力がシリコン融液
   に作用する磁界を印加することを特徴とする請求項１の
   シリコン単結晶製造方法。
3. 【請求項３】　　高融点絶縁物がＳｉＯ２　である請求
   項１または２のシリコン単結晶製造方法。