TW201445015A - 單晶矽生成裝置、單晶矽生成方法 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種利用鑄造法而可容易地生成高品質且大型之單晶矽的單晶矽生成裝置。本發明之單晶矽生成裝置具備：坩堝3、4，其等於底面部之一部分之區域保持單一之單晶矽之晶種，並且保持固體及/或液體之矽；吸熱部，其將配置於坩堝3、4內之單晶矽之晶種之區域自坩堝3、4之底面部吸熱；及加熱部，其藉由較坩堝3、4之底面部更下方之熱源對經吸熱部冷卻之區域之周邊區域進行加熱；且利用吸熱部之熱通量之向量A與利用加熱部之熱通量之向量B被控制為保持A×B＜0之關係。
Description
本發明係關於一種利用鑄造法而生成單晶矽之單晶矽生成裝置等。
作為生成單晶矽之方法，通常進行丘克拉斯基(Czochralski)(CZ)法或浮域(floating zone)(FZ)法。CZ法係於坩堝內熔融多晶矽，與欲製成之方位之晶種一起提拉而生成單晶者。又，FZ法係於棒狀之多晶矽之下部配設晶種，藉由加熱而熔融晶種與多晶之晶界部分從而生成單晶者。於任一方法中均可生成高品質之單晶矽，但設備變得昂貴並且作業步驟繁瑣，係不適於太陽能面板等中使用般之大型者或大量生產的技術。
因此，為效率良好地生成用於太陽能面板等之大型之矽晶體而使用有鑄造法(例如，參照專利文獻1)。鑄造法係藉由將固體之矽於坩堝內進行熔融並冷卻，而可大量廉價地生成矽晶體。然而，此習知之鑄造法中主要生成多晶，故而期待有利用鑄造法而效率良好地大量生產高純度之單晶的技術。
關於上述課題，於專利文獻2中揭示有利用鑄造法生成單晶矽的技術。於專利文獻2所示之技術中揭示有如下技術：一面自配置於配置有晶種之坩堝底面之散熱器(heat sink)抽出熱，一面藉由載置於散熱器上之配置於坩堝之壁部之進一步之加熱器進行加熱，藉此，於側部區域引
起晶種之成長而生成單晶矽。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2003-267717號公報
[專利文獻2]日本特表2011-528308號公報
然而，專利文獻2所示之技術中，必須使晶種之大小為相當於坩堝之底面整體之大小，故而招致成本之增大而非常難以進行大型化。又，假若縮小晶種，則關於未配置晶種之部分具有如下課題：由於無晶種故而不會傳遞晶種之資訊，生成多晶矽而無法生成高品質之單晶矽。
又，存在將坩堝之底面分割為複數個區塊，並於各個區塊配設晶種使其成長的方法，但有於各區塊間成長衝突而導致缺陷的問題。
本發明提供一種利用鑄造法而可容易地生成高品質且大型之單晶矽的單晶矽生成裝置。
本發明之單晶矽生成裝置具備：坩堝，其於底面部之一部分之區域保持單一之單晶矽之晶種，並且保持固體及/或液體之矽；吸熱部，其對上述坩堝內之矽熔融液自包含至少上述晶種之區域且上述坩堝之下方進行吸熱；及加熱部，其對經上述吸熱部冷卻之區域之周邊區域進行加熱；且利用上述吸熱部之熱通量之向量A與利用上述加熱部之熱通量之向量B被控制為保持A×B<0之關係。
如此，於本發明之單晶矽生成裝置中，利用吸熱部之熱通量
之向量A與利用加熱部之熱通量之向量B被控制為保持A×B<0之關係、即熱之流動方向為反向之關係，藉此取得如下效果：進行自晶種向上方向之成長之同時，亦可實現自晶種向橫方向之結晶成長，即便為較小之晶種亦可對全部成長方向確實地傳遞晶種之資訊，從而可生成將多晶之含有抑制為最小限度之高品質之單晶矽。
又，於利用鑄造法僅進行熱控制之簡易之作業步驟中，可由單一之較小之晶種生成高品質且大型之單晶矽，故而取得如下效果：可以廉價之設備進行大量生產。
本發明之單晶矽生成裝置中，上述吸熱部自上述坩堝之底面部將上述坩堝內冷卻之同時，上述加熱部藉由配設於較上述坩堝之底面部更下方之熱源對經上述吸熱部冷卻之區域之周邊區域進行加熱。
如此，於本發明之單晶矽生成裝置中，一面將單晶矽之晶種之區域自坩堝之底面部吸熱，一面藉由配設於較坩堝之底面更下方之熱源對因該吸熱而冷卻之區域之周邊區域進行加熱，藉此取得如下效果：進行自晶種向上方向之成長之同時，亦可實現向橫方向之結晶成長，可由較小之晶種生成不含多晶之高品質之單晶矽。
本發明之單晶矽生成裝置具備控制上述吸熱部及上述加熱部之熱通量之控制手段，且上述控制手段係以上述單晶矽之至少一部分作為晶種維持固體的方式，控制上述吸熱部及上述加熱部之熱通量，調整上述晶種之區域之溫度。
如此，於本發明之單晶矽生成裝置中，以單晶矽之至少一部分作為晶種維持固體的方式，控制吸熱部及加熱部之熱通量，調整晶種之區域之溫度，故而取得如下效果：自晶種確實地進行資訊傳遞而可生成不含多晶之高品質之單晶矽。
本發明之單晶矽生成裝置具備控制上述吸熱部及上述加熱
部之熱通量之控制手段，且上述控制手段係以上述單晶矽之成長面及上述坩堝之底面構成之經固化之上述單晶矽之角度被維持為大於90°的方式，控制上述吸熱部及上述加熱部之熱通量。
如此，於本發明之單晶矽生成裝置中，以單晶矽之成長面及上述坩堝之底面構成之經固化之上述單晶矽之角度被維持為大於90°(即，維持為於橫方向上成長之矽晶體之固體/液體之界面相對於坩堝之底面於成長方向上未達90度)的方式，控制吸熱部及加熱部之熱通量，故而取得如下效果：自晶種確實地進行資訊傳遞而可生成不含多晶之高品質之單晶矽。
本發明之單晶矽生成裝置具備：溫度檢測手段，其檢測出上述坩堝內之既定部位之溫度；及控制手段，其根據檢測出之上述溫度，控制上述吸熱部及/或上述加熱部之熱通量。
如此，於本發明之單晶矽生成裝置中，檢測出坩堝內之既定部位之溫度，並根據檢測出之溫度，控制吸熱部及/或加熱部之熱通量，故而取得如下效果：可生成不含多晶之高品質之單晶矽，並且可效率良好地進行作業。
本發明之單晶矽生成方法包含：原料投入步驟，其向坩堝內之底面部投入單晶矽之晶種，並投入成為所生成之矽晶體之原料之固體之矽；熔融步驟，其對上述原料進行加熱熔融；及晶體生成步驟，其將經熔融之上述原料自包含至少上述晶種之區域且上述坩堝之下方吸熱之同時，加熱該吸熱區域之周邊區域而生成矽晶體；且利用上述吸熱之熱通量之向量A與利用上述加熱之熱通量之向量B保持A×B<0之關係而實行。
本發明之單晶矽生成方法中，上述晶體生成步驟係自上述坩堝之底面部將上述坩堝內冷卻之同時，藉由配設於較上述坩堝之底面部更下方之熱源對該經冷卻之區域之周邊區域進行加熱。
本發明之單晶矽生成方法中，上述晶體生成步驟係以上述單
晶矽之至少一部分作為晶種維持固體的方式，控制上述吸熱及上述加熱之熱通量，調整上述晶種之區域之溫度。
本發明之單晶矽生成方法中，上述晶體生成步驟係以上述單晶矽之成長面及上述坩堝之底面構成之上述單晶矽之角度被維持為大於90°的方式，控制上述吸熱及上述加熱之熱通量而實行。
本發明之單晶矽生成方法中，上述晶體生成步驟係根據在上述坩堝內之既定部位檢測出之溫度，控制上述吸熱及/或上述加熱之熱通量而實行。
1‧‧‧液體矽
2‧‧‧矽晶體
3-4‧‧‧坩堝
5‧‧‧台座
6‧‧‧軸承台
7-11‧‧‧隔熱材
12-14‧‧‧加熱器
100‧‧‧單晶矽生成裝置
圖1係第1實施形態之單晶矽生成裝置之剖面圖。
圖2係表示習知通常之矽晶體成長法之圖。
圖3係表示以第1實施形態之單晶矽生成裝置實現之矽之結晶成長的圖。
圖4係表示來自習知之熱源之加熱之一例及來自第1實施形態之單晶矽生成裝置中之熱源之加熱之一例的示意圖。
圖5係表示第1實施形態之單晶矽生成方法之次序的流程圖。
圖6係表示以第1實施形態之單晶矽生成方法使單晶矽成長之情形時之成長過程的圖。
圖7係表示以第1實施形態之單晶矽生成方法生成之矽之單晶與多晶之分布的圖。
圖8係表示於第1實施形態之單晶矽生成方法中於坩堝底面及成長面之間矽熔融液構成之角度與成長時間之關係的圖。
以下，對本發明之實施形態進行說明。本發明可以多數不同之形態實施。又，貫通本實施形態之整體對相同要素標註相同符號。
(本發明之第1實施形態)
使用圖1至圖8，對本實施形態之單晶矽生成裝置及使用有該單晶矽生成裝置之單晶矽生成方法進行說明。本實施形態之單晶矽生成裝置係可利用鑄造法製造主要被用作太陽能面板之矽(Si)半導體之單晶者。
本實施形態之單晶矽生成裝置中使用之鑄造法係藉由將固體之矽原料投入至坩堝內於高溫下進行熔融，並將經該熔融之液體之矽以既定之方法加以冷卻固化，而獲得設為目標之形狀之矽晶體者。通常利用該鑄造法固化而成之矽成為多晶，但藉由預先將單晶之晶種配置於坩堝之底部，並進行如以下詳細所示之冷卻方法，而可生成缺陷較少之高品質之單晶。
將本實施形態之單晶矽生成裝置之一例示於圖1之剖面圖。於單晶矽生成裝置100中，作為用以將熔融之液體矽1及藉由其一部分固化而生成之矽晶體2收納之容器的坩堝3、4被載置於台座5，與台座5連接而支持該台座5之軸承台6被可上下移動地配設。於坩堝3、4、台座5及軸承台6之周圍配設有加熱器12-14，進行加熱及冷卻之溫度控制。於單晶矽生成裝置100之最外周配設有用以遮斷熱之隔熱材7-11，係遮斷與外部之熱能之移動之構成。
圖2表示習知通常之矽晶體成長法。圖2(A)表示某一瞬間坩堝3、4內之矽之狀態，圖2(B)表示自圖2(A)之狀態經過時間進行成長之情形時之坩堝3、4內之矽之狀態。習知，如圖2(A)所示，通常進行如下：於坩堝3、4之中將經熔融而成之液體之矽自坩堝3、4之底部進行冷卻而使之結晶成長。而且，若於該狀態下持續冷卻，則如圖2(B)所
示，液體矽與固體矽之界面伴隨矽晶體之成長而發生變動。根據圖2(B)明確，若以習知之方法進行矽晶體之成長，則產生無法自單晶矽之晶種成長之區域(圖中之一點鏈線表示之區域)，且於該區域成長之矽晶體成為多晶。
為使該多晶之區域消失，例如考慮將單晶之晶種以覆蓋坩堝3、4之底面整體之方式配置，但晶種之尺寸變得非常大，亦包含成本方面在內對大型化而言具有困難。又，於以較小之晶種使之結晶成長之情形時，如圖2(A)所示，結晶成長之界面與坩堝3、4之底面構成之角度(固體之單晶矽構成之角度)為90度以下，故而如上所述，產生無法自單晶矽之晶種成長之區域。為解決此種問題，於本實施形態中，將自坩堝3、4之底面受到冷卻之區域之周邊區域自坩堝3、4之底面同時進行加熱。
圖3係表示以本實施形態之單晶矽生成裝置實現之矽之結晶成長的圖。圖3(A)表示某一瞬間坩堝3、4內之矽之狀態，圖3(B)表示自圖3(A)之狀態經過時間進行成長之情形時之坩堝3、4內之矽之狀態。如圖3(A)所示，於本實施形態中，對配置於坩堝3、4之底面之單晶矽之晶種之區域進行冷卻之同時，對該受到冷卻之區域之周邊區域同時進行加熱。
藉由如此，如圖3(A)所示液體矽與固體矽之界面以形成大致橢圓體之方式進行單晶矽之成長。即，結晶成長之界面與坩堝3、4之底面構成之角度(固體之單晶矽構成之角度)大於90度，如圖3(B)所示，即便為以較小之晶種使之成長之情形，亦不會產生如圖2(B)所示之無法自單晶矽之晶種成長的區域，即便為橫方向之成長亦將晶種之資訊正確地傳遞而可生成高品質之單晶矽。
圖4係表示來自熱源之加熱之一例之圖。圖4(A)表示習知之來自坩堝之側面之加熱之一例，圖4(B)表示本實施形態中之來自坩
堝之底面之加熱之一例。根據圖4可知，於坩堝底部，向熱源A之熱通量a朝下，向熱源B之熱通量b傾斜向下，故而熱通量a與b之關係成為a×b≧0。即，如圖4(A)所示，於結晶成長之界面與坩堝3、4之底面之間單晶矽構成之角度成為90度以下，如上所述，產生多晶矽成長之區域。
另一方面，於以本實施形態之單晶矽生成裝置實現之矽之結晶成長之情形時，如圖4(B)所示，熱通量a與熱通量b之朝向互相朝向反方向，因此成為a×b<0之關係。即，於結晶成長之界面與坩堝3、4之底面之間單晶矽構成之角度大於90度，如上所述，將晶種之資訊正確地傳遞而可生成高品質之單晶矽。
其次，對使用有本實施形態之單晶矽生成裝置之單晶矽生成方法進行說明。圖5係表示本實施形態之單晶矽生成方法之次序之流程圖。首先，向坩堝3、4中投入單晶矽之晶種，配置於坩堝3、4之底面部(S1)。再者，此時，晶種較佳為配置於坩堝3、4之底面部之中心附近，但未必必須為中心附近，只要為實現利用吸熱部之吸熱之位置即可。例如，於坩堝3、4之底面部為矩形之情形時，亦可配置於其任一個角。又，將晶種分割為複數個而配置於複數個區域之情形欠佳，較佳為將一個晶種配置於一個區域。若晶種得到配置，則將成為生成之單晶矽之原料投入至坩堝3、4內(S2)。藉由加熱器12-14將坩堝3、4內加熱而將矽原料熔融(S3)。此時，晶種之至少一部分係以維持為固體之方式進行加熱。
若原料受到熔融，則自坩堝3、4之底面部冷卻晶種之區域，並且一面對該經冷卻之區域之周邊區域同時進行加熱一面將原料固化(S4)。此時，晶種之區域係自坩堝3、4之底面部之熱源A受到吸熱，該經冷卻之區域之周邊區域係藉由較坩堝3、4之底面更下方之熱源B而受到加熱。藉由如此，可使熱源A之熱通量a與熱源B之熱通量b之關係為a×b<0，結晶成長之界面與坩堝3、4之底面構成之角度(單晶矽構成之角度)
大於90度，將晶種之資訊正確地傳遞而可生成高品質之單晶矽。又，此時，監視坩堝3、4整體之溫度進行熱通量之控制。一面監視坩堝3、4整體之溫度，一面於既定之時點分別停止加熱及吸熱(S5、S6)，完成單晶矽之生成。再者，加熱及吸熱之停止係根據坩堝3、4之形狀或熔液之深度進行控制。
圖6係表示以上述中說明之方法使單晶矽成長之情形時之成長過程的圖。自圖6(A)起矽晶體依次成長，最終成長至圖6(H)而單晶矽之生成結束。由圖6可知，成長以晶種為中心呈放射狀(圓柱體(marshmallow)狀、球體狀、橢圓體狀)地進行，最終如圖7所示，雖一部分形成多晶但可使大部分以單晶之形式生成。
圖8係表示以上述方法使單晶矽成長之情形時之成長時間、與於結晶成長之界面及坩堝3、4之底面之間矽原料之熔融液構成之角度的關係之圖。圖中之各墨點(a)~(h)對應於圖6之(A)~(H)。於各步驟中，根據坩堝整體之溫度控制吸熱與加熱，藉此將於結晶成長之界面及坩堝3、4之底面之間熔融液構成之角度(相當於圖8中之縱軸)設為未達90度。即，可知於結晶成長之界面及坩堝底面之間矽晶體構成之角度始終保持90度以上，結晶之成長呈蜀葵狀(球體狀、橢圓體狀)地進行。
如此，根據本發明之單晶矽生成裝置及使用有該裝置之單晶矽生成方法，由晶種可實現橫方向上之結晶成長而並非上方向上之結晶成長，由較小之晶種可生成不含多晶之高品質之單晶矽。又，於利用鑄造法僅進行來自坩堝底面之熱控制之簡易之作業步驟中，可生成高品質且大型之矽晶體，故而可以廉價之設備進行大量生產。
3、4‧‧‧坩堝
Claims (10)
- 一種單晶矽生成裝置，其特徵在於具備：坩堝，其於底面部之一部分之區域保持單一之單晶矽之晶種，並且保持固體及/或液體之矽；吸熱部，其對該坩堝內之矽熔融液自包含至少該晶種之區域且該坩堝之下方進行吸熱；及加熱部，其對經該吸熱部冷卻之區域之周邊區域進行加熱；利用該吸熱部之熱通量之向量A與利用該加熱部之熱通量之向量B被控制為保持A×B<0之關係。
- 如申請專利範圍第1項之單晶矽生成裝置，其中，該吸熱部自該坩堝之底面部將該坩堝內冷卻之同時，該加熱部藉由配設於較該坩堝之底面部更下方之熱源對經該吸熱部冷卻之區域之周邊區域進行加熱。
- 如申請專利範圍第1或2項之單晶矽生成裝置，其具備控制該吸熱部及該加熱部之熱通量之控制手段；該控制手段係以該單晶矽之至少一部分作為晶種維持固體的方式，控制該吸熱部及該加熱部之熱通量，調整該晶種之區域之溫度。
- 如申請專利範圍第1至3項中任一項之單晶矽生成裝置，其具備控制該吸熱部及該加熱部之熱通量之控制手段；該控制手段係以該單晶矽之成長面及該坩堝之底面構成之經固化之該單晶矽之角度被維持為大於90°的方式，控制該吸熱部及該加熱部之熱通量。
- 如申請專利範圍第1至4項中任一項之單晶矽生成裝置，其具備：溫度檢測手段，其檢測出該坩堝內之既定部位之溫度；及控制手段，其控制該吸熱部及該加熱部之熱通量；根據利用該溫度檢測手段檢測出之該溫度，控制該吸熱部及/或該加熱部之熱通量。
- 一種單晶矽生成方法，其特徵在於包含： 原料投入步驟，其向坩堝內之底面部投入單晶矽之晶種，並投入成為所生成之矽晶體之原料之固體之矽；熔融步驟，其對該原料進行加熱熔融；及晶體生成步驟，其將經熔融之該原料自包含至少該晶種之區域且該坩堝之下方吸熱之同時，加熱該吸熱區域之周邊區域而生成矽晶體；該晶體生成步驟係利用該吸熱之熱通量之向量A與利用該加熱之熱通量之向量B保持A×B<0之關係而實行。
- 如申請專利範圍第6項之單晶矽生成方法，其中，該晶體生成步驟係自該坩堝之底面部將該坩堝內冷卻之同時，藉由配設於較該坩堝之底面部更下方之熱源對該經冷卻之區域之周邊區域進行加熱。
- 如申請專利範圍第6或7項之單晶矽生成方法，其中，該晶體生成步驟係以該單晶矽之至少一部分作為晶種維持固體的方式，控制該吸熱及該加熱之熱通量，調整該晶種之區域之溫度。
- 如申請專利範圍第6至8項中任一項之單晶矽生成方法，其中，該晶體生成步驟係以該單晶矽之成長面及該坩堝之底面構成之經固化之該單晶矽之角度被維持為大於90°的方式，控制該吸熱及該加熱之熱通量而實行。
- 如申請專利範圍第6至9項中任一項之單晶矽生成方法，其中，該晶體生成步驟係根據在該坩堝內之既定部位檢測出之溫度，控制該吸熱及/或該加熱之熱通量而實行。
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