JPH11292682A - シリコン単結晶の製造方法および製造装置 - Google Patents

シリコン単結晶の製造方法および製造装置

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JPH11292682A
JPH11292682A JP10704798A JP10704798A JPH11292682A JP H11292682 A JPH11292682 A JP H11292682A JP 10704798 A JP10704798 A JP 10704798A JP 10704798 A JP10704798 A JP 10704798A JP H11292682 A JPH11292682 A JP H11292682A
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single crystal
funnel
silicon single
melt
polycrystalline silicon
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JP10704798A
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Keiichi Nakazawa
慶一 中沢
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ロート部分でのブリッジの発生がなく、かつ
メルトへの酸素の混入がなく、省エネルギーで安定した
高品質のシリコン単結晶の製造を可能にしたシリコン単
結晶の製造方法および製造装置を提供すること。 【解決手段】 粒状多結晶シリコン1を、直胴部4aの
下部にロート部4bを備えた外筒容器4に供給し、ロー
ト部4b上に設けられた定量供給手段5で粒状多結晶シ
リコン1を一定量ずつロート部4bに供給し、ロート部
の下部に配置された誘導加熱コイル6により粒状多結晶
シリコン1を溶融してメルト12を形成し、ロート部4
bの下端部をシリコン単結晶16上のメルトキャップ1
7に接触させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン単結晶の
製造方法および製造装置に関し、詳しくは、原料となる
粒状多結晶シリコンを連続的に供給してシリコン単結晶
のインゴットを得るFZ法(浮遊帯域溶融法)によるシ
リコン単結晶の製造方法および製造装置に関するもので
ある。
【0002】
【従来の技術】FZ法によるシリコン単結晶の製造方法
として、シーメンス法により製造された円柱状の多結晶
原料を用いてこれを誘導加熱コイルで溶融しながら種結
晶に融着して種付けし、棒状のシリコン単結晶を製造す
る方法が一般に知られている。
【0003】このシーメンス法は、気相成長法により製
造された円柱状の多結晶であるため、外径精度が悪く、
使用に際して多結晶原料の外面を研削して直径を均一化
する必要があり、また、製造するシリコン単結晶の直径
や長さが大型化するに伴い、原料多結晶棒の保持機構や
保持室も大型化し、コスト高になるという問題があっ
た。
【0004】そこで、新しい多結晶原料として安価な粒
状多結晶シリコンを使用する方法が開発されている。こ
の粒状多結晶シリコンを使用するシリコン単結晶の製造
方法として以下のような方法が知られている。
【0005】(1)ロート状の石英管に粒状多結晶シリ
コンを外部より供給しながら石英管の管先端部を誘導加
熱コイルにより加熱して粒状多結晶シリコンを溶融し、
メルトを単結晶上に供給する。 (2)同様構造の石英管の直胴部から先端部までを誘導
加熱し、予め多量のシリコンメルトを石英管内で生成し
ながら前記単結晶上に供給する。 (3)前記単結晶上のメルトに前記石英管を接触させ、
この管を通じて粒状多結晶を直接供給する。上記(1)
および(2)の技術は特開平9−142988号公報
に、(3)の技術は特開平5−286791号公報に各
々開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記の各従来技術は次
のような問題があった。すなわち、(1)の技術は、粒
状多結晶シリコンのメルトの供給量が調節できないた
め、多量に供給され過ぎてロート部分で棚と呼ばれるブ
リッジを形成し、粒状多結晶シリコンが下方へ流れなく
なるという問題がある。
【0007】(2)の技術は、多量のメルトを生成する
ため、比較的多くの酸素が混入したり、多量の電力を消
費するという欠点と共に、FZ装置にトラブルが発生し
てもメルト供給が止められないため、多量のメルトが落
下し、既に成長した単結晶が割れてしまい大きな損失が
発生する。
【0008】(3)の技術は、メルトに粒状多結晶シリ
コンを投入する際に波が生じ、また、シリコン単結晶の
成長界面に溶け残りが接触して結晶成長を乱すため単結
晶が製造できないという問題がある。
【0009】本発明は、かかる従来技術の欠点に鑑みな
されたものであり、ロート部分でのブリッジの発生がな
く、かつメルトへの酸素の混入が少なく、またメルトキ
ャップ落下に伴うメルト供給制御が不能になることがな
く、安定した高品質のシリコン単結晶の製造を可能にし
たシリコン単結晶の製造方法および製造装置を提供する
ことを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
めに本発明のシリコン単結晶の製造方法は、粒状多結晶
シリコンを加熱溶融してメルトを形成しながら浮遊帯域
溶融法によりシリコン単結晶を製造する方法において、
前記粒状多結晶シリコンを、下部にロート部を備えた外
筒容器に供給し、前記ロート部上に設けられた定量供給
手段で前記粒状多結晶シリコンを一定量ずつ前記ロート
部に供給し、前記ロート部の下部に配置された誘導加熱
コイルにより前記粒状多結晶シリコンを溶融してメルト
を形成し、前記ロート部の下端部をシリコン単結晶上の
メルトキャップに接触させてメルト供給を行なうことを
特徴とする。
【0011】前記定量供給手段は、孔あきの固定板と回
転板とが重ね合わされ、下部の回転板を回転させて前記
孔の合致した部分で前記粒状多結晶シリコンを前記ロー
ト部に落下させるようにしている。また、前記ロート部
のメルト量を一定にするように、撮像装置を用いた画像
処理により前記回転板の回転数を自動制御するようにし
ている。
【0012】本発明のシリコン単結晶の製造装置は、浮
遊帯域溶融法によりシリコン単結晶を製造する装置であ
って、前記粒状多結晶シリコンを貯蔵する一次供給装置
と、該一次供給装置から供給された粒状多結晶シリコン
を溶融してメルトを形成する二次供給装置とを備え、該
二次供給装置は、下部にロート部を備えた外筒容器と、
該外筒容器内であって前記ロート部の直上に位置して設
けられた定量供給手段とからなり、前記ロート部の真下
に誘導加熱コイルを配置したことを特徴とする。
【0013】前記定量供給手段は、複数の孔が形成され
た固定板の下部に1個の孔が形成された回転板を配置
し、前記回転板には前記外筒容器の上方に突出する回転
軸を設け、該回転軸に駆動手段を連結して前記回転板を
回転させるようにしている。
【0014】また、前記固定板および回転板の孔は、上
側が狭口で下側が広口の形状であり、前記固定板の孔の
広口の直径をD2、前記回転板の狭口の直径をD3とする
と、D2<D3の関係が成立するように構成されているこ
とが好ましい。また、前記粒状多結晶シリコンの最大粒
径をdmaxとすると、D1 >3dmaxの関係が成立
するように構成されていることが好ましい。また、固定
板と回転板の間隙Hは、多結晶シリコン最小粒径をdm
inとするとH<1/2dminの関係が成立するよう
に構成されることが好ましい。
【0015】さらに本発明のシリコン単結晶の製造装置
は、前記ロート部のメルト量を検出する撮像装置と、該
撮像装置の画像を処理し、前記ロート部のメルト量が一
定になるように前記回転板の回転数を自動制御する画像
処理装置を設けるようにしている。撮像装置としては、
CCDカメラ、工業用テレビカメラ、赤外線カメラなど
が適用できる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下に図面を参照して本発明の実
施の形態を例示的に説明する。ただし、この実施の形態
に記載されている構造部品の寸法、材質、形状、相対位
置などは特に特定的な記載がない限りは、この発明の範
囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に
過ぎない。
【0017】図1および図2は、本発明の一実施の形態
である浮遊帯域溶融法によりシリコン単結晶を製造する
装置を示す。この製造装置は、粒状多結晶シリコン1を
貯蔵し、管路10を介して下方に落下させる一次供給装
置2と、該一次供給装置2から供給された粒状多結晶シ
リコン1を溶融させてメルト供給する二次供給装置3と
を備えている。
【0018】二次供給装置3は、石英からなる外筒容器
4と、該外筒容器4内に設けられた定量供給手段5とか
らなる。外筒容器4は、上部が円筒状の直胴部4a、下
部がロート部4bとなっている。ロート部4bの先端ネ
ック部4cの周囲には誘導加熱コイル6が設けられてい
る。すなわち、誘導加熱コイル6はロート部4bの真下
に位置している。
【0019】前記定量供給手段5は、上部の円板状の固
定板7、下部の円板状の回転板8を重ね合わせて前記ロ
ート部4bの直上の直胴部4aに設けたものである。固
定板7には複数個の孔12が形成されると共に、上面に
外筒容器4の蓋11まで延びるスリーブ9が一体に設け
られている。固定板7は外筒容器4の内壁に固定されて
いる。
【0020】回転板8には、1個の孔13が形成される
と共に、上面に設けられた回転軸14をスリーブ9内を
通って上部に突出させている(図2参照)。この回転軸
14にモータ等の駆動手段22を連結して所望の速度で
回転板8を回転させるようになっている。固定板7およ
びスリーブ9、回転板8および回転軸14は石英又はセ
ラミック、窒化シリコン等の非汚染物質とシリコンとで
構成されている。そして、図3に示すように、固定板7
及び回転板8は共に2枚合わせで構成されており、両板
の摺り合わせ面を構成する7a,8aは、シリコン単結
晶若しくは多結晶を用い、粒状多結晶への汚染が無いよ
うになっている。
【0021】前記固定板7の孔12および回転板8の孔
13の形状を図3に示している。固定板7の孔12は、
上側の直径をD1、下側の直径をD2とすると、D1<D
2、すなわち、上側が狭口、下側が広口の円錐台形の形
状である。また、回転板8の孔13は、上端側の直径を
D3、下側の直径をD4とすると、D3<D4、すなわち、
上側が狭口、下側が広口の円錐台形の形状である。そし
て、D2<D3の関係が成立するようになっている。
【0022】また、粒状多結晶シリコン1の粒径(最大
粒径をdmax、最小粒径をdminとする)と孔12
の直径との関係は、D1 >3dmaxの関係が成立する
ようになっている。また固定板7と回転板8との間隙H
はH<1/2dminとなるよう構成されている。この
ように孔径を設定することにより、全ての粒状多結晶シ
リコン1が孔12、13や間隙Hを通過でき、かつ孔1
2、13に嵌まった状態で詰まることが防止できる。
【0023】次に、図4および図5に基づいて上記装置
の動作を説明する。なお、図4および図5は、理解しや
すくするため模式的に図示している。一次供給装置2か
ら供給される粒状多結晶シリコン1は二次供給装置3の
外筒容器4内に供給され、定量供給手段5の固定板7上
に落下する。回転板8の回転により孔13が固定板7の
孔12に合致すると、その合致部分の孔12、13から
粒状多結晶シリコン1がロート部4bに落下する(図4
参照)。
【0024】落下した粒状多結晶シリコン1はネック部
4cにおいて誘導加熱コイル6により溶融され、メルト
19を生成する。ロート部4bの先端ネック部4cは単
結晶シリコン16上のメルトキャップ17に僅かに接触
しており、ここからメルト19が供給される。メルトキ
ャップ17に種子結晶15を接触させ(種子付け)、こ
れを回転させつつ下方に移動させるとシリコン単結晶1
6の成長が起こる(図5参照)。
【0025】以上のように、誘導加熱コイル6の直上に
外筒容器4のロート部4bを配置し、このロート部4b
に定量供給手段5から粒状多結晶シリコン1が少しずつ
供給するので、ロート部4bで棚と呼ばれるブリッジを
形成することがなくなり、粒状多結晶シリコン1はロー
ト部4b上をスムースに下方に流れると共に、粒状多結
晶シリコン1は完全に溶融してからシリコン単結晶16
上のメルトキャップ17上に供給されるので、メルトキ
ャップ17が乱れたり、溶け残りがシリコン単結晶16
の成長界面18へ接触したりすることがなくなる。
【0026】また、図1に示すように、ロート部4b内
のメルト19をCCDカメラ20で検出し、その画像
は、画像処理装置21でコンピュータ演算され、一定量
(逆円錐部の高さが一定)となるように回転板8の回転
数にフィードバックされ、粒状多結晶シリコン供給量の
自動制御が可能となっている。また、CCDカメラ20
は、同時にシリコン単結晶16の直径も検出しており、
メルト画像と同様に画像処理装置21でコンピュータ演
算され、直径が任意の設定値となるように制御するため
に、高周波発振器23から誘導加熱コイル6への出力を
自動制御することにより、メルトキャップ17の体積を
制御している。この単結晶直径制御方法は、特開昭63
−307186号によるものと同じである。
【0027】粒状多結晶シリコン1はロート部4bの先
端部分のみで溶融するので、電力消費が少なく、酸素混
入も少なくてすむ。また、孔あきの固定板7と回転板8
の組合わせによる定量供給手段5を設けたことにより、
回転板8の回転数の調整で粒状多結晶シリコン1の供給
量を正確に設定できると共に、FZ装置のトラブル発生
時は回転板8の回転を止めることにより、速やかに粒状
多結晶シリコン1の供給を止めてメルト供給を停止し、
多量のメルト滴下を防止できる。以下に実施例により本
発明を具体的に説明する。
【0028】
【実施例】シリコン単結晶16の製造直径と、それに対
応した粒状多結晶シリコン1の供給量との関係を下記の
[表1]に示している。
【0029】
【表1】
【0030】FZ装置の具体的操業条件は下記の通りで
ある。 シリコン単結晶16の成長スピード:0〜10mm/m
in(一般的には1〜3mmmin) シリコン単結晶16の回転スピード:0〜30rpm 誘導加熱コイル6の供給パワー:10〜50kw 炉内雰囲気:不活性ガス(例えばアルゴンまたは窒素)
ドープを必要とする場合はジボラン(B26)またはホ
スフィン(PH3 )を雰囲気ガスに混合させ炉内に導入
する。また、故意に酸素ドープしたFZ単結晶を製造し
たい時は、粒状多結晶シリコンに高純度石英(SiO
2 )粉を混ぜても良い。
【0031】
【発明の効果】以上、詳述したように、本発明方法およ
び装置によれば、外筒容器の下部のロート部の真下に誘
導加熱コイルを配置し、定量供給手段により粒状多結晶
シリコンをロート部に少しずつ供給しながら溶融するの
で、ロート部で粒状多結晶シリコンのブリッジを形成す
ることがなく、粒状多結晶シリコンはロート部上をスム
ースに下方に流れると共に、粒状多結晶シリコンは完全
に溶融してからシリコン単結晶上のメルトキャップ上に
供給されるので、メルトキャップが乱れたり、溶け残り
がシリコン単結晶の成長界面へ接触したりすることがな
くなり、安定した品質のシリコン単結晶を得ることがで
きる。
【0032】また、粒状多結晶シリコンはロート部の先
端部分のみで溶融するので、電力消費が少なく、酸素混
入も少なくてすむ。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るシリコン単結晶の製
造装置を概念的に示す斜視図である。
【図2】実施の形態に係るシリコン単結晶の製造装置の
縦断側面図である。
【図3】定量供給手段の固定板と回転板の断面図であ
る。
【図4】シリコン単結晶の製造工程を説明する図であ
る。
【図5】シリコン単結晶の製造工程を説明する図であ
る。
【符号の説明】
1 粒状多結晶シリコン 2 一次供給装置 3 二次供給装置 4 外筒容器 4a 直胴部 4b ロート部 5 定量供給手段 6 誘導加熱コイル 7 固定板 8 回転板 12 固定板の孔 13 回転板の孔 14 回転軸 15 種子結晶 16 シリコン単結晶 17 メルトキャップ 18 成長界面 19 メルト

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 粒状多結晶シリコンを加熱溶融してメル
    トを形成しながら浮遊帯域溶融法によりシリコン単結晶
    を製造する方法において、 前記粒状多結晶シリコンを、下部にロート部を備えた外
    筒容器に供給し、前記ロート部上に設けられた定量供給
    手段で前記粒状多結晶シリコンを一定量ずつ前記ロート
    部に供給し、前記ロート部の下部に配置された誘導加熱
    コイルにより前記粒状多結晶シリコンを溶融してメルト
    を形成し、前記ロート部の下端部をシリコン単結晶上の
    メルトキャップに接触させてメルト供給を行なうことを
    特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
  2. 【請求項2】 前記定量供給手段は、孔あきの固定板と
    回転板とが重ね合わされ、下部の回転板を回転させて前
    記孔の合致した部分で前記粒状多結晶シリコンを前記ロ
    ート部に落下させることを特徴とする請求項1記載のシ
    リコン単結晶の製造方法。
  3. 【請求項3】 前記ロート部のメルト量を一定にするよ
    うに、撮像装置を用いた画像処理により前記回転板の回
    転数を自動制御することを特徴とする請求項2記載のシ
    リコン単結晶の製造方法。
  4. 【請求項4】 浮遊帯域溶融法によりシリコン単結晶を
    製造する装置であって、 前記粒状多結晶シリコンを貯蔵する一次供給装置と、該
    一次供給装置から供給された粒状多結晶シリコンを溶融
    してメルトを形成する二次供給装置とを備え、該二次供
    給装置は、下部にロート部を備えた外筒容器と、該外筒
    容器内であって前記ロート部の直上に位置して設けられ
    た定量供給手段とからなり、前記ロート部の真下に誘導
    加熱コイルを配置したことを特徴とするシリコン単結晶
    の製造装置。
  5. 【請求項5】 前記定量供給手段は、複数の孔が形成さ
    れた固定板の下部に1個の孔が形成された回転板を配置
    し、前記回転板には前記外筒容器の上方に突出する回転
    軸を設け、該回転軸に駆動手段を連結して前記回転板を
    回転させるようにしたことを特徴とする請求項4記載の
    シリコン単結晶の製造装置。
  6. 【請求項6】 前記固定板および回転板の孔は、上側が
    狭口で下側が広口の形状であり、前記固定板の孔の広口
    の直径をD2 、前記回転板の狭口の直径をD3 とする
    と、D2<D3の関係が成立するように構成されているこ
    とを特徴とする請求項5記載のシリコン単結晶の製造装
    置。
  7. 【請求項7】 前記粒状多結晶シリコンの最大粒径をd
    max、最小粒径をdminとすると、D1 >3dma
    xの関係が成立するように構成されていること、及び固
    定板と回転板の間隙HをH<1/2dminとなるよう
    に構成されていることを特徴とする請求項6記載のシリ
    コン単結晶の製造装置。
  8. 【請求項8】 前記ロート部のメルト量を検出する撮像
    装置と、該撮像装置の画像を処理し、前記ロート部のメ
    ルト量が一定になるように前記回転板の回転数を自動制
    御する画像処理装置を設けたことを特徴とする請求項5
    ないし7記載のシリコン単結晶の製造装置。
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