TW201335082A - 石英坩堝、石英坩堝之製造方法及鑄造裝置 - Google Patents

Abstract

本發明之用來製造矽錠的石英坩堝(20)，其特徵在於，係具備底部(21)、以及從底部(21)的外周部豎起之側壁部(22)，且在上方具有開口，底部(21)和側壁部(22)相交之交叉部分(23)的內側往石英坩堝(20)的內側突出，而形成比底部(21)、側壁部(22)的厚度更厚之壁厚部(24)。

Description

石英坩堝、石英坩堝之製造方法及鑄造裝置

本發明係關於用來製造多晶矽錠之石英坩堝、石英坩堝之製造方法及鑄造裝置。

本申請案是根據2012年2月28日於日本申請之日本特願2012-041801號主張優先權並將其內容援用於此。

用來製造多晶矽錠之石英坩堝，一般的水平剖面呈四角形狀。其構件之底部及側壁部，因為石英材料的熱傳導率低，在可獲得作為容器的強度之範圍內，被製造成使板厚儘量薄。

作為這種石英坩堝，下述專利文獻1記載著，為了加快矽的冷卻速度，底部及側壁部分別由透明的石英玻璃所構成之坩堝。

此外，下述專利文獻2記載著，為了使底部和側壁部的散熱量成為適當，該等底部和側壁部是由互相不同的材料、或具有異向熱傳導特性的材料所構成之坩堝。

此外，下述非專利文獻1記載著，在藉由石英坩堝將多晶矽錠利用從底部之單方向凝固進行製造的情況，作為凝固界面形狀(固體/液體界面形狀)，較佳為成為中央部分 向上隆起、所謂上凸形狀。

[專利文獻1]日本特開2011-93747號公報

[專利文獻2]日本特表2006-526751號公報

[非專利文獻1]Proceeding of PVSEC-18 conference Jan 19-23 2009 CRYSALLINE FRONT CONTROL OF GROWING MULTICRYSTALLINE SI INGOTS DURING THE DIRECTIONAL SOLIDIFICATION PROCESS Y.Y. Teng

上述習知技術存在著以下的問題。

前者之專利文獻1所記載的技術，在讓矽冷卻這點雖然非常優異，但針對在製造矽錠時如何獲得適切的凝固界面形狀，則完全沒有考慮到。

此外，後者之專利文獻2所記載的技術，雖針對石英坩堝之矽熔融液的溫度梯度作改良，但在製造矽錠時，會發生難以獲得適切凝固界面形狀的情況。

本發明是有鑑於上述狀況而開發完成的，其目的是為了提供一種石英坩堝、石英坩堝之製造方法及鑄造裝置，在製造矽錠時，能使坩堝內的熔融液之凝固界面形狀成為理想的上凸形狀、或是接近理想的上凸形狀。

為了解決該問題而達成前述目的，用來製造矽錠之本發明的石英坩堝，其特徵在於，係具備底部、及從前述底部的外周部豎起之側壁部，且在上方具有開口，前述底部和前述側壁部相交之交叉部分的內側是往前述石英坩堝的內側突出，而形成比前述底部、前述側壁部的厚度更厚之壁厚部。

此外，本發明的鑄造裝置，其特徵在於，是在前述石英坩堝的上方及下方，分別配置用來加熱前述石英坩堝之加熱器。

習知之底部及側壁部分別形成為一定厚度之石英坩堝，透過該等底部及側壁部從坩堝內朝向外側的散熱量是大致一樣的。然而，在底部和側壁部相交之交叉部分，因為對於坩堝內的熔融液之散熱面積變廣，散熱量增加，而可能使該交叉部分附近的熔融液溫度降低。在此情況，製造矽錠時之坩堝內的熔融液之凝固界面形狀，成為中央比周邊凹陷之下凸形狀，而與前述適切的凝固界面形狀之上凸形狀不同。

另一方面，本發明的石英坩堝，藉由使前述底部和前述側壁部相交之交叉部分的內側往石英坩堝的內側突出，而形成比前述底部及前述側壁部的厚度更厚之壁厚部，因此壁厚部的壁厚變厚，而能抑制交叉部分的散熱量。

此外，由於交叉部分的內側突出，交叉部分外側的形狀與習知完全相同，因此交叉部分的散熱面積不會增加。因此，相較於交叉部分的外側突出的情況，可更加抑制散熱量。

結果，石英坩堝之底部中央部分的散熱量與習知相同，但能讓底部周邊部分的散熱量減少，因此石英坩堝內的熔融液溫度有中央低而隨著朝向周邊變高的傾向。亦即，將矽錠利用從底部側之單方向凝固進行製造時，能使坩堝內的熔融液之凝固界面形狀成為接近理想的上凸形狀。

本發明的石英坩堝較佳為，前述壁厚部形成為，以與前述底部及前述側壁部平滑連接的方式隨著由前述交叉部分的中央朝向前述底部的中央側和前述側壁部的上端側各個其厚度逐漸變薄。

在此情況，由於壁厚部與底部及側壁部平滑地連接，與該等部分接觸之熔融液的溫度變化也是連續的，而能將作為製品之矽錠的外表面做成平滑。

此外，本發明的石英坩堝較佳為，前述壁厚部之內面形狀形成圓弧狀(朝向坩堝外側凸出之曲面狀)。

由於交叉部分的內面形狀形成圓弧狀，從坩堝內的熔融液看來，該熔融液與交叉部分之接觸面積變小。因此，基於這點也能讓熔融液的交叉部分之散熱量減少。

本發明的石英坩堝較佳為，前述形成圓弧狀之內面形狀部分的曲率半徑為50mm以上。

當形成圓弧狀之內面形狀部分的曲率半徑未達50mm時，在製造矽錠時，雖可能使坩堝內的熔融液之凝固界面形狀成為接近適切的上凸形狀，但難以成為理想的上凸形狀。然而，當形成圓弧狀之內面形狀部分的曲率半徑為50mm以上時，容易使坩堝內的熔融液之凝固界面形狀成為理想的上凸形狀。

本發明的石英坩堝之製造方法，是製造上述本發明的石英坩堝之方法，其特徵在於具備被覆膜形成步驟，該被覆膜形成步驟，是在前述底部和前述側壁部的交叉部分之內側形成石英的被覆膜，藉此形成前述壁厚部。

依據本發明的石英坩堝之製造方法，僅具備被覆膜形成步驟即可，不僅是在將石英坩堝重新製造的情況，縱使是既有的石英坩堝也能將該石英坩堝形成為期望形狀。亦即，容易將底部及側壁部分別成為一定厚度之習知石英坩堝，改變成能使坩堝內的熔融液之凝固界面形狀成為理想的上凸形狀之適當形狀。

依據本發明，在製造矽錠時，能使坩堝內的熔融液之凝固界面形狀成為理想的上凸形狀、或是接近理想的上凸形狀。

3‧‧‧矽熔融液

10‧‧‧鑄造裝置

20‧‧‧石英坩堝

21‧‧‧底部

21a‧‧‧底部的厚度

22‧‧‧側壁部

22a‧‧‧側壁部的厚度

23‧‧‧交叉部分

24‧‧‧壁厚部

24a‧‧‧壁厚部的厚度

33‧‧‧下部加熱器

43‧‧‧上部加熱器

第1圖係本發明的鑄造裝置之實施方式的概略剖面說明圖。

第2圖係顯示第1圖所示的鑄造裝置所使用之本發明的石英坩堝的主要部分之剖面圖。

第3圖係顯示，壁厚部之形成圓弧狀的內面形狀部分之曲率半徑、和製造矽錠時之坩堝中央位置及坩堝周邊位置的凝固界面高度差之關係的圖表。

第4A圖係顯示使用本發明的石英坩堝讓矽熔融時之熔融液的溫度分布圖。

第4B圖係顯示熔融液的溫度分布圖所使用之網點和溫度的關係圖。

第5圖係顯示使用習知石英坩堝讓矽熔融時之熔融液的溫度分布圖。

以下，針對本發明的實施方式之鑄造裝置、石英坩堝，參照所附圖式作說明。

第1圖顯示本發明的鑄造裝置之實施方式。本實施方式之鑄造裝置10具備有：內部保持氣密狀態之腔室11、用來貯留矽熔融液3之有底角筒狀的石英坩堝20、用來載置該石英坩堝20之矩形板狀的冷卻板31、位於該冷卻板31的下方之下部加熱器33、位於石英坩堝20的上方之上部加熱器43、載置於石英坩堝20的上端之矩形板狀的蓋部50、以及用來在石英坩堝20和蓋部50間 的空間導入非活性氣體(例如氬氣)而朝鉛直方向延伸之氣體供給管42。

此外，在石英坩堝20的外周側(水平方向外側)配設角筒狀的隔熱壁12，在上部加熱器43的上方配設隔熱天花板13，在下部加熱器33的下方配設隔熱地板14。亦即，本實施方式之鑄造裝置10，是以包圍石英坩堝20、上部加熱器43、下部加熱器33等的方式配設有隔熱材(隔熱壁12、隔熱天花板13、隔熱地板14)。此外，在隔熱地板14設有排氣孔15。

上部加熱器43及下部加熱器33，分別與電極棒44,34連接。連接於上部加熱器43之電極棒44，貫穿隔熱天花板13而延伸到石英坩堝20的上部附近。連接於下部加熱器33之電極棒34，貫穿隔熱地板14而延伸到石英坩堝20的底部附近。

用來載置石英坩堝20之冷卻板31，設置在插通於下部加熱器33之支承部32的上端。該冷卻板31形成為中空構造，構成為透過設置於支承部32內部之供給路徑(未圖示)對其內部供給氬氣。

蓋部50具備有：載置於石英坩堝20之側壁部22的上端之載置部51、從石英坩堝20之側壁部22的外緣往外側(水平方向外側)遍及石英坩堝20全周而以一定寬度突出之凸緣部52、讓前述氣體供給管42插入之圓形的插入孔53、以及貫穿厚度方向而用來將石英坩堝20內的氣體排出之未圖示的開口部。

又，取代在蓋部50形成氣體排出用的開口部，將蓋部50本身配置成，與石英坩堝20的側壁部22隔著間隙(例如鉛直方向的一定間隙)，利用該間隙作為石英坩堝20內的氣體排出用亦可。此外，在氣體供給管42的外周面和插入孔53的內周面之間遍及全周形成一定的間隙，利用該間隙作為排出石英坩堝20內的氣體之開口部亦可。

該蓋部50較佳為碳系材料所構成，本實施方式是由碳化矽構成。

氣體供給管42，例如是鉬製或碳製的圓管狀構件，在其基端側(第1圖中的上端側)連接未圖示的氣體供給部。氣體供給管42配置成朝鉛直方向延伸，貫穿腔室11的頂部而進一步通過蓋部50的插入孔53，使其前端(第1圖中的下端側)延伸到石英坩堝內的上部、亦即石英坩堝20內所貯留的矽熔融液3之液面附近。此外，氣體供給管42配置成，使其前端位於石英坩堝20之水平方向的中心。從氣體供給管42的前端，將從前述氣體供給部導入的非活性氣體朝向矽熔融液3的上方空間供給。

石英坩堝20的水平剖面形狀呈方形，在本實施方式，其水平剖面形狀呈正方形。亦即，石英坩堝20形成為有底角筒狀，且形成為隨著由下部朝向上部在水平方向的寬度逐漸變大。又石英坩堝20之水平方向的寬度，在鉛直方向成為一定亦可。該石英坩堝20是由石英構成，係具備：與冷卻板31接觸之正方形板狀的底部21、以及從該底部21的外周部朝向上方豎起之矩形板狀 的側壁部22。石英坩堝20形成為在底部21的上方具有開口。此外，側壁部22的水平剖面呈矩形環狀。

第2圖顯示石英坩堝20的底部21和側壁部22相交之交叉部分23的擴大剖面圖。又第2圖係與交叉部分23的延伸方向(第2圖之紙面垂直方向，亦即底部21和側壁部22所形成的底邊之延伸方向)正交的方向之剖面圖。如該圖所示般，底部21和側壁部22相交之交叉部分23的內側突出，而形成具有厚度24a之壁厚部24，該厚度24a比底部21、側壁部22的厚度21a、22a更厚。又第2圖中，由底部21和側壁部22所形成而位於石英坩堝20的內側之角度成為鈍角(比90°大)。

壁厚部24之突出是指，比底部21的上面之延長部分及側壁部22的內面之延長部分更往坩堝內側突出之突出部分。亦即，藉由使交叉部分23的內側往石英坩堝20的內側突出，而在交叉部分23的位置形成壁厚部24。

在本實施方式，壁厚部24形成為，以與底部21及側壁部22平滑連接的方式，隨著由交叉部分23的中央(第2圖的交叉部分23的中央部分)朝向底部21的中央側(第2圖的右側)和側壁部22的上端側(第2圖的上側)各個厚度逐漸變薄之呈圓弧狀的內面形狀(帶有圓角)。又，圓弧狀的內面形狀是指，在與底部21和側壁部22相交之交叉部分23延伸方向(紙面垂直方向)正交的方向上，壁厚部24之內面的剖面形狀形成為朝向坩堝外側凸出之圓弧狀。形成圓弧狀之內面形狀部分的曲率半徑宜為 50mm以上。

又壁厚部24的內面形狀不一定要形成圓弧狀，例如，呈階梯狀而將其等的各頂點部分所連結成的形狀成為圓弧狀亦可，或是坩堝的內面成為平坦的傾斜面亦可。亦即，壁厚部24只要形成為，以與底部21及側壁部22平滑連接的方式，隨著由交叉部分23的中央朝向底部21的中央側和側壁部22的上端側各個厚度逐漸變薄即可。

此外，壁厚部24的內面形狀之圓弧狀，並不侷限於剖面形狀為構成圓的一部分之形狀，剖面形狀為構成橢圓狀的一部分之形狀亦可。

上述構造的坩堝20之製造方法，可使用其內面(鑄模面)配合前述石英坩堝20的外形之鑄模，在該鑄模中讓作為材料的石英熔解而進行澆鑄的製造方法。此外，在將習知之在底部和側壁部相交之交叉部分未形成壁厚部之石英坩堝的形狀予以變更的情況，可採用以下製造方法，亦即藉由在習知的石英坩堝成型後進行被覆膜形成步驟，在底部21和側壁部22的交叉部分23的內側形成石英被覆膜，藉此在交叉部分23形成壁厚部24。

接下來說明，使用上述鑄造裝置10之矽錠之製造方法。

首先，對石英坩堝20內供給矽原料。作為矽原料，是使用將11N(純度99.999999999)的高純度矽粉碎所獲得之被稱為「chunk」的塊狀物。該塊狀矽原料的粒徑例如為30mm至100mm。

接著，藉由對上部加熱器43及下部加熱器33通電，將供給石英坩堝20內的矽原料加熱，讓矽原料熔融而生成矽熔融液3。這時，石英坩堝20內之矽熔融液3的液面設定在比石英坩堝20之側壁部22上端更低的位置。

接下來，讓石英坩堝20內的矽熔融液3凝固。首先，停止對下部加熱器33通電，透過支承部32之供給路徑對冷卻板31內部供給氬氣。藉此，讓冷卻板31溫度降低而將石英坩堝20的底部21冷卻。這時，繼續對上部加熱器43通電，在石英坩堝20內產生由底部21朝向上方之溫度梯度，利用該溫度梯度，使矽熔融液3朝向上方開始進行單方向凝固。接著，逐漸減少對上部加熱器43的通電，使石英坩堝20內的矽熔融液3朝向上方進行凝固而生成矽錠。

在該凝固步驟，透過氣體供給管42及插入孔53對石英坩堝20內之矽熔融液3的液面和蓋部50間的空間供給非活性氣體，例如氬氣。

從插入蓋部50的平面中心的插入孔53之氣體供給管42的前端部所供給的氬氣，以呈放射狀擴展的狀態通過石英坩堝20內的矽熔融液3上，從蓋部50的開口部(未圖示)、或蓋部50和側壁部22間的間隙往石英坩堝20外部排出，進一步通過設置於隔熱地板14之排氣孔15而往腔室11外側進行排氣。

如此般，利用單方向凝固法製造出矽錠。該 矽錠，例如成為作為太陽電池用基板使用之矽晶圓或其他矽元件的材料。

依據以上所述之本實施方式的石英坩堝20，由於石英坩堝20的底部21和側壁部22相交之交叉部分23的內側突出而形成壁厚部24，壁厚部24的壁厚變厚，而能抑制交叉部分23的散熱量。

此外，交叉部分23的內側突出，但交叉部分23的外側形狀與習知的石英坩堝完全相同，因此交叉部分23的散熱面積不會增加。因此，相較於使交叉部分的外側突出而讓交叉部分(壁厚部)的壁厚增加的情況，可進一步抑制散熱量。

結果，石英坩堝20之底部中央部分的散熱量與習知相同，但能讓底部周邊部分的散熱量減少，因此石英坩堝內之熔融液的溫度有中央低而隨著朝向周邊變高的傾向。亦即，在製造矽錠時，能使坩堝內之熔融液的凝固界面形狀接近理想的上凸形狀。

此外，在本實施方式的石英坩堝20，壁厚部24形成為，以與底部21及側壁部22平滑連接的方式隨著由交叉部分23的中央朝向底部21的中央側和側壁部22的上端側各個厚度逐漸變薄之呈圓弧狀的內面形狀。因此，從石英坩堝20內的熔融液看來，該熔融液和交叉部分23的接觸面積變小。因此，基於這點也能讓熔融液的交叉部分23之散熱量減少。

此外，由於壁厚部24與底部21及側壁部22平滑地 連接，與該等部分接觸之熔融液的溫度變化也是連續的，而能將作為製品之矽錠的外表面做成平滑。

以上雖是針對本發明的實施方式之石英坩堝、石英坩堝之製造方法、及鑄造裝置作說明，但並不限定於此，能夠適宜地進行設計變更。

例如，在前述實施方式，石英坩堝20之水平剖面是舉方形者為例作說明，但並不限定於此，本發明也能適用於例如水平剖面呈圓形的石英坩堝。在此情況，底部是形成圓形板狀，側壁部形成為圓筒狀。

此外，在前述實施方式，底部21和側壁部22的厚度21a、22a設定成大致相同程度，但並不限定於此，本發明也能適用於底部21和側壁部22的厚度不同的石英坩堝。

[實施例]

為了確認本發明的效果而進行模擬。

在該模擬，是使用與第2圖所示的實施方式所說明之石英坩堝20同樣的坩堝，亦即具有壁厚部24，該壁厚部24形成為，由交叉部分23的中央朝向底部21的中央側和側壁部22的上端側各個厚度逐漸變薄之呈圓弧狀的內面形狀。準備複數個將圓弧狀的曲率半徑(R(mm))作各種改變的石英坩堝，調查使用該等石英坩堝製造矽錠時之坩堝中央位置及石英坩堝周邊位置的凝固界面高度的差(△Z(mm))。結果如第3圖所示。

又△Z為負值時，表示坩堝中央位置的凝固界面高度 比坩堝周邊位置的凝固界面高度更低時的值，△Z為正值時，表示坩堝中央位置的凝固界面高度比坩堝周邊位置的凝固界面高度更高時的值。

此外，作為進行模擬時的條件，石英坩堝20的底部21和側壁部22的厚度都是20mm，石英坩堝20內徑為700mm，室溫為20℃。

根據該圖表可知，圓弧狀的曲率半徑為0mm、15mm、30mm時，各個△Z都成為負值，表示坩堝中央位置的凝固界面高度比坩堝周邊位置的凝固界面高度更低。當圓弧狀的曲率半徑為50mm時，△Z成為0，表示坩堝中央位置的凝固界面高度成為與坩堝周邊位置的凝固界面高度相同的值。此外，當圓弧狀的曲率半徑為100mm、150mm時，△Z成為正值，表示坩堝中央位置的凝固界面高度比坩堝周邊位置的凝固界面高度更高。

基於該等結果可知，當石英坩堝之壁厚部的圓弧狀的曲率半徑為50mm以上時，在製造矽錠時能使坩堝內的熔融液之凝固界面形狀成為理想的上凸形狀、或接近理想的上凸形狀。

第4A圖顯示使用本發明之石英坩堝讓矽熔融時之坩堝中央的縱剖面位置之熔融液溫度分布，係顯示圓弧狀曲率半徑為100mm時的熔融液溫度分布。第4B圖顯示熔融液的溫度分布圖所使用之網點和溫度的關係圖。第5圖顯示使用習知石英坩堝讓矽熔融時之坩堝中央的縱剖面位置之熔融液溫度分布，係顯示圓弧狀的曲率半徑為 0mm時之熔融液溫度分布，是相對於本發明之比較例的圖。

依據第4A圖所示之使用本發明的石英坩堝讓矽熔融時之坩堝中央的縱剖面位置之熔融液溫度分布可知，中央部分的溫度低，隨著朝向周邊部溫度變高。亦即可知，在製造矽錠時，會使坩堝內的熔融液之凝固界面形狀成為理想的上凸形狀。

另一方面，依據第5圖所示之使用習知石英坩堝讓矽熔融時坩堝中央的縱剖面位置之熔融液溫度分布可知，中央部分的溫度高，隨著朝向周邊部溫度變低。亦即，在製造矽錠時，會使坩堝內的熔融液之凝固界面形狀成為下凸形狀。

根據以上說明可確認出，當石英坩堝的壁厚部之圓弧狀曲率半徑為50mm以上(更佳為100mm以上)時，在製造矽錠時，能使坩堝內的熔融液之凝固界面形狀成為理想的上凸形狀、或是接近理想的上凸形狀。

20‧‧‧石英坩堝

21‧‧‧底部

21a‧‧‧底部的厚度

22‧‧‧側壁部

22a‧‧‧側壁部的厚度

23‧‧‧交叉部分

24‧‧‧壁厚部

24a‧‧‧壁厚部的厚度

Claims (6)

1. 一種石英坩堝，是用來製造矽錠之石英坩堝，其特徵在於，係具備底部、及從前述底部的外周部豎起之側壁部，且在上方具有開口，前述底部和前述側壁部相交之交叉部分的內側是往前述石英坩堝的內側突出，而形成比前述底部、前述側壁部的厚度更厚之壁厚部。
2. 如申請專利範圍第1項所述之石英坩堝，其中，前述壁厚部形成為，以與前述底部及前述側壁部平滑連接的方式，隨著自前述交叉部分的中央朝向前述底部的中央側和前述側壁部的上端側各個其厚度逐漸變薄。
3. 如申請專利範圍第2項所述之石英坩堝，其中，前述壁厚部之內面形狀形成圓弧狀。
4. 如申請專利範圍第3項所述之石英坩堝，其中，前述形成圓弧狀的內面形狀部分之曲率半徑為50mm以上。
5. 一種石英坩堝之製造方法，是用來製造如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的石英坩堝之製造方法，其特徵在於，具備被覆膜形成步驟，該被覆膜形成步驟是在前述底部和前述側壁部的交叉部分的內側形成石英的被覆膜，藉此形成前述壁厚部。
6. 一種鑄造裝置，其特徵在於，是在如申請專利範 圍第1至4項中任一項所述的石英坩堝之上方及下方分別配置：用來將前述石英坩堝加熱之加熱器。