JPS6111914B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、帯状シリコン結晶製造装置の改良に
関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近時、結晶成長技術の一つとして帯状シリコン
結晶の成長方法が注目されている。この帯状シリ
コン結晶は薄板状であるため、その得られた形状
のままで太陽電池用基板として用いることができ
る。チヨクラルスキー法で得られたインゴツト状
のシリコン結晶を切断・加工しウエハ状にする際
に生じるような大きな材料損失がなく、加工費も
極めて少ないことから、安価なシリコン結晶基板
として注目されている。

帯状シリコン結晶は従来EFG法（Edge−
defined Filn−fed Growth法）に代表されるよう
にスリツトを有するキヤピラリ・ダイを用いる方
法により製造されていた。しかしながら、この方
法で帯状シリコン結晶を製造する場合、次のよう
な大きな欠点があつた。すなわち、キヤピラリ・
ダイの下部が浸漬されているシリコン融液の自由
液面からキヤピラリ・ダイの上端部までの距離を
例えば〔cm〕とし、厚さ0.5〔cm〕の帯状シリコ
ン結晶を製造する場合、メニスカス（キヤピラ
リ・ダイ上端と帯状シリコン結晶下端の固液界面
との間のシリコン融液）の高さが結晶の中央部で
は高々0.4〔cm〕、結晶両端部では高々0.25〔cm〕
と極めて低い。温度が下がると、メニスカスの高
さも低下するが、上記のようにもともとのメニス
カス高さが低いため、温度降下が僅か１〔℃〕で
も生じると結晶端部とキヤピラリ・ダイが固着す
る。逆に、温度が僅かでも上ると結晶の幅が細く
なると云うように長時間、安定して結晶成長を行
うことは困難であつた。

上述の欠点はメニスカスの高さが低いことに起
因するものであり、この欠点を解決するものとし
て本発明者等は第１図に示す如き構造の帯状シリ
コン結晶製造装置を考案した。第１図中１はルツ
ボであり、このルツボ１内にはシリコン融液２が
収容されている。３ａ，３ｂはそれぞれルツボ１
内のシリコン融液２中から上方に突出した一対の
構造物であり、ルツボ１に取り付けられている。
以下、これらの構造物を結晶成長用ダイと称す
る。なお、図には示さないがルツボ１の底部には
シリコン融液２を加熱するヒータが設けられ、さ
らにダイ３ａ，３ｂの側部には、ダイ３ａ，３ｂ
をそれぞれ加熱するヒータが設けられている。こ
れらのヒータはルツボ及びダイ３ａ，３ｂにおい
てシリコンが融解される温度をとるようにするも
のである。

この装置で帯状シリコン結晶を製造する際の概
念図を第２図に示した。一対のダイ３ａ，３ｂ間
のシリコン融液２に種結晶４をなじませ、この種
結晶４を図中矢印Ａ方向に引上げるとダイ３ａ，
３ｂの間隔で略規定された幅をもつ帯状シリコン
結晶５が得られる。この際注目すべき点はシリコ
ン融液２の自由液面上に生じたメニスカスの高さ
Ｈは結晶中央部で略８〔mm〕と高く、かつ固液界
面６が凹形となり、ダイ３ａ，３ｂとシリコン結
晶５との間に生成されたメニスカスの幅Ｗが略１
〔mm〕と大きいことである。このため±５〔℃〕
程度の温度変化が生じても結晶５がダイ３ａ，３
ｂと固着することはなく、さらに結晶の先細りも
起こりにくく安定した結晶成長を続けることがで
きる。

上述の装置において、製造される結晶の幅は一
対のダイ３ａ，３ｂの間隔により規定されること
は既に述べた。結晶幅がダイ３ａ，３ｂにより一
定に保たれるのは大きな利点であるが、同時に不
都合な点をも有する。すなわち、ある所望の幅の
結晶を製造するためのルツポ及び引上げ用ダイを
設定すると、その幅と同じ幅を持つ種結晶が必要
なことである。種結晶には通常単結晶シリコンウ
エハを切断したものを用いるが、100〔mm〕程度
以上の広い幅を持つ結晶を得るには、４インチウ
エハを半分に切断したものを種結晶としたり、径
の小さいウエハを複数枚並べて使用しなければな
らない。このため、種結晶の費用や加工の手数が
大きくなつてしまう。また、小さい種結晶から
徐々に幅を広くしようとしても、結晶がダイに到
達するまでは帯状とならず断面が略円形のチヨク
ラルスキー法による如き結晶となり、材料損失が
大きいばかりか、ルツボを結晶の厚さ方向にも十
分大きくしておかなければならない。また、小さ
い種結晶を用い、引上げ当初から帯状シリコン結
晶を成長させ幅を広げていくようなルツボ内の温
度分布を得るのは極めて困難であり、したがつて
所望の幅の種結晶を用いるのが妥当な手法であ
る。

一方、前記第１図に示す装置では、結晶成長用
ダイの間隔が予め規定されているため、CZ法や
チヨクラルスキー法で結晶性向上のための手段と
して用いられる所謂ネツクダウンを行うことはで
きない。このため、今一歩結晶性が悪く、結晶粒
径（この場合結晶粒径が結晶引上げ方向に沿つて
走つているので結晶粒径というより結晶粒の幅）
が200〔μｍ〕程度にしかならないと云う問題が
あつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、帯状シリコン結晶の幅方向両
端部における固液界面と結晶成長用ダイとの距離
を大きくすることができ、かつ小さい種結晶を用
いて幅の広い帯状シリコン結晶を製造することが
でき、結晶成長の長時間安定化及び製造コストの
低減化をはかり得る帯状シリコン結晶製造装置を
提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、結晶成長用ダイを成長すべき
帯状シリコン結晶の幅方向に沿つて移動可能に設
け、結晶成長時にダイ間隔を可変することにあ
る。

すなわち本発明は、ルツボ内に収容されたシリ
コン融液に種結晶を接触させ、この種結晶を引上
げることにより帯状シリコン結晶を成長せしめる
帯状シリコン結晶製造装置において、成長すべき
帯状シリコン結晶の幅方向両端部の外側に該端部
と対向するよう一対の結晶成長用ダイを配置する
と共に、これらのダイを加熱する加熱機構を設
け、かつ上記ダイを上記結晶の幅方向に沿つて移
動可能となるよう設けたものである。

〔発明の効果〕

本発明によれば、結晶成長用ダイの間隔を結晶
成長時に調節、例えば種結晶より僅かに広い間隔
から所望の結晶幅に対応する間隔まで徐々に広げ
ることによつて、小さい種結晶から幅の広い帯状
シリコン結晶を容易に成長形成することができ
る。このため、種結晶の費用及び加工の手間が少
なくて済み、製造コストの低減化をはかり得る。
しかも、ダイの操作により所謂ネツクダウンも行
うことができ、帯状シリコン結晶の結晶性向上を
はかり得る。また、固液界面とダイとの距離を大
きくできることから、結晶成長を長時間安定に行
い得る等の効果が得られるのは勿論である。

〔発明の実施例〕

第３図は本発明の一実施例に係わる帯状シリコ
ン結晶製造装置を示す概略構成図である。図中１
１はグラフアイト製のルツボであり、このルツボ
１１内にはシリコン融液１２が収容されている。
ルツボ１１の上方には一対の結晶成長用ダイ１３
ａ，１３ｂが設置されている。ダイ１３ａ，１３
ｂはルツボ１１の外部に設けられた筒状の支持具
１４ａ，１４ｂにそれぞれ取り付けられ、その下
面はルツボ１１内のシリコン融液１２に浸漬され
ている。また、ルツボ１１の底部にはルツボ１１
を加熱するヒータ（図示せず）が設けられ、これ
とは別にダイ１３ａ，１３ｂをそれぞれ独立に加
熱するヒータ１５ａ，１５ｂが支持具１４ａ，１
４ｂ内に設けられている。上記ヒータはルツボ１
１及びダイ１３ａ，１３ｂをシリコンの融点
（1420℃）以上に加熱できるものであるのは言う
までもなく、本装置ではヒータ材質として炭化シ
リコンを用いた。

前記支持具１４ａは、第４図に示す如く絶縁支
持台１６ａを介して操作板１７ａ上に固定されて
いる。操作板１７ａは図示しないガイドレールに
よりガイドされ矢印Ｘ方向（成長すべき帯状シリ
コン結晶の幅方向）のみに移動自在に設けられて
いる。同様に、前記支持具１４ｂも上記Ｘ方向に
移動可能な操作板１７ｂ（図示せず）上に固定さ
れている。そして、操作板１７ａ，１７ｂの操作
により前記ダイ１３ａ，１３ｂの間隔が０〜100
〔mm〕の範囲で可変せられるものとなつている。

なお、図中１８はヒータ１５ａ，１５ｂを通電
加熱するための電流リード、１９はリード１８を
絶縁保護する石英管、さらに２０は支持具１４
ａ，１４ｂの側部からの熱放射によりルツボ温度
が乱されないようにするための熱シールド、２１
はダイ１３ａ，１３ｂを通すための窓部である。
また、以上述べた全ての構成要素はアルゴンガス
を充満させた金属容器（図示せず）の中に収納さ
れており、さらに容器の上方には帯状シリコン結
晶を上方に引上げるための引上げ駆動部（図示せ
ず）が配設されるものとなつている。

第５図ａ〜ｃは本実施例装置を用いた帯状シリ
コン結晶の成長工程を示す模式図である。第５図
ａはシリコン融液１２に種結晶３０を接触さてた
状態、所謂種付け状態を示している。種結晶３０
には、単結晶シリコンウエハを幅５〔mm〕に切断
したものを用いた。種結晶３０の上端は金属板等
に挾まれ、この金属板は引上げ駆動部に達してい
る。ここで、幅５〔mm〕程度の単結晶シリコンは
容易に入手できる上、１枚のウエハから多数切り
出すことができるものである。また、ダイ間隔は
上記種結晶３０の幅より僅かに広く設定してお
く。

次いで、第５図ｂに示す如く種結晶３０を引上
げると共にダイ１３ａ，１３ｂの間隔を徐々に広
くし、ダイ間隔が100〔mm〕となつた時点でダイ
１３ａ，１３ｂの移動を停止した。このとき、引
上げられる帯状シリコン結晶３１はその幅を徐々
に広げられ、最終的には第５図ｃにおけるダイ間
隔100〔mm〕より僅かに狭いものとなる。本発明
者等の実験によれば、結晶引上げ速度を18〔mm／
min〕、ダイ間隔の広げ速度を約10〔mm／min〕と
し、結晶引上げを行つたところ、厚さ約0.5
〔mm〕、幅約98〔mm〕の帯状シリコン結晶が得ら
れ、またその結晶粒径は10〜200〔μｍ〕程度で
あつた。

第６図ａ〜ｃは本実施例装置を用いた帯状シリ
コン結晶製造工程の他の例を示す模式図である。
種付けは前記第５図ａと同様にし、種結晶にはや
はり幅５〔mm〕の単結晶シリコンウエハを用い
た。次いで、種結晶３０を引上げると共に、第６
図ａに示す如くダイ１３ａ，１３ｂの間隔を徐々
に狭く（約３mm）とした。これは所謂ネツクダウ
ン操作であり、この場合引上げ速度を１〔mm／
min〕と遅くし、この状態を10分間持続させた。

次いで、第６図ｂに示す如くダイ１３ａ，１３
ｂの間隔を徐々に広くし、ダイ間隔が100〔mm〕
となつた時点でダイ１３ａ，１３ｂの移動を停止
した。このとき、引上げられる帯状シリコン結晶
３１は、先に説明した例と同様にその幅を徐々に
広げられ、最終的には第６図ｃにおけるダイ間隔
100〔mm〕より僅かに狭いものとなる。本発明者
等の実験によれば、第６図ｂ，ｃにおける引上げ
速度を18〔mm／min〕としたところ、厚さ約0.5
〔mm〕、幅約98〔mm〕の帯状シリコン結晶が得ら
れ、またその粒径は最大５〔mm〕と極めて大きく
なつた。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるも
のではない。例えば、結晶成長用ダイを移動させ
る手段は、操作板やガイドレール等を用いるもの
に限らず、ダイ間隔を可変できる機構であればよ
い。また、ダイ間隔は初期状態では使用する種結
晶に応じて、さらに定常状態では成長すべき帯状
シリコン結晶の幅に応じて適宜定めればよい。ま
た、ルツボやヒータ等の料は何ら実施例に限定さ
れるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能で
ある。さらに、抵抗加熱のヒータの代りに高周
波、光或いは超音波を利用しでダイやルツボを加
熱するようにしてもよい。その他、本発明の要旨
を逸脱しない範囲で、種種変形して実施すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の帯状シリコン結晶製造装置を示
す概略構成図、第２図はこの装置を用いた結晶製
造の状態を示す模式図、第３図は本発明の一実施
例に係わる帯状シリコン結晶製造装置を示す概略
構成図、第４図は上記実施例装置の要部構成を示
す図、第５図ａ〜ｃ及び第６図ａ〜ｃはそれぞれ
上記実施例装置を用いた帯状シリコン結晶製造工
程を示す模式図である。 １１……ルツボ、１２……シリコン融液、１３
ａ，１３ｂ……結晶成長用ダイ、１４ａ，１４ｂ
……支持具、１５ａ，１５ｂ……ヒータ、１６
ａ，１６ｂ……絶縁支持台、１７ａ，１７ｂ……
操作板、１８……電流リード、１９……石英管、
２０……熱シールド、２１……窓、３０……種結
晶、３１……帯状シリコン結晶。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ルツボ内に収容されたシリコン融液に種結晶
   を接触させ、この種結晶を引上げることにより帯
   状シリコン結晶を成長せしめる装置において、成
   長すべき帯状シリコン結晶の幅方向両端部の外側
   に、該端部と対向するよう配置された一対の結晶
   成長用ダイと、これらのダイを加熱する手段とを
   具備し、上記各ダイは上記帯状シリコン結晶の幅
   方向と平行に移動自在に設けられたものであるこ
   とを特徴とする帯状シリコン結晶製造装置。 ２ 前記各ダイを加熱する手段は、前記ルツボ内
   のシリコンを加熱する加熱機構とは別の加熱機構
   により上記ダイを加熱するものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の帯状シリコン
   結晶製造装置。 ３ 前記結晶成長用ダイは、種結晶接触時からそ
   の間隔を徐々に広げられ、引上げられる帯状シリ
   コン結晶が所望幅となる時点で上記間隔を固定さ
   れるものであることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の帯状シリコン結晶製造装置。 ４ 前記結晶成長ダイは、種結晶接触時からその
   間隔を徐々に狭められ、引上げられる帯状シリコ
   ン結晶の幅を狭くしたのち上記間隔を徐々に広げ
   られ、引上げられる帯状シリコン結晶が所望幅と
   なる時点で上記間隔を固定されるものであること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の帯状シ
   リコン結晶製造装置。