TWI422716B - 長晶方法 - Google Patents

Description

長晶方法

本發明係關於一種作為半導體材料、太陽電池而使用的矽之長晶裝置及長晶方法。

半導體用之矽長晶方法，係廣泛使用柴氏法(CZ法)或一方向凝固法(VGF法)。雖然此CZ法或一方向凝固法(VGF法)，在實行大口徑結晶之成長上有優點，但是在省資源、省能源之觀點，有幾個問題點。於是，此等問題點之一可舉出，需要頻繁地更換每一批量的石英坩堝。即，在CZ法或一方向凝固法(VGF法)，雖然係將填充於石英坩堝內的多結晶矽加以熔解，而從其熔液製造矽結晶，但是石英坩堝之內表面曝露於高溫之矽熔液而劣化，因此每作成一個或數個矽結晶時，即有更換的必要。

因而，有提案來減少石英坩堝的更換頻率，以降低石英坩堝的劣化，或增加可由一個石英坩堝生產的矽結晶之數量等之方法。於是，作為該種方法，有例如揭示於日本特開2000-247788號公報(專利文獻1)的矽單結晶之製造方法、或揭示於日本特開2004-338978號公報(專利文獻2)的矽單結晶提拉方法。

依照揭示於上述專利文獻1的製造方法的話，便能藉由對石英坩堝之矽熔液施加磁場，而抑制石英坩堝內表面的劣化，而可使石英坩堝的壽命變長。因此，可將使用石英坩堝製造矽結晶的時間，長期穩定化於100小時以上。

又，依照揭示於專利文獻2的矽單結晶之提拉方法的話，還不須要重複以從前的再填充(recharge)方法所進行的每當提拉完成時打開提拉室以取出結晶的操作，而可重複從1個石英坩堝一面進行再填充一面連續地提拉矽結晶。又，可省略如以往般在每當提拉完成時所進行的閘閥的開閉操作及提拉結晶的取出操作，與以往比較，運轉率提高且可防止上述開閉及取出操作所引起的爐內之污染，使良品率更高之提拉變成可能。

[專利文獻1]日本特開2000-247788號公報

[專利文獻2]日本特開2004-338978號公報

由於石英為硬的礦物，在機械強度上來看，更長期的使用在理論上亦為可能，作成可更長期間之使用可說是社會的盼望。但是，石英坩堝只要存在有於矽之熔解溫度下保持的時間，就會成為在結晶製造步驟之最高溫度範圍使用，因此與矽熔液之界面，尤其是在熔液表面之接觸部的侵蝕變多，即使在揭示於上述專利文獻1或專利文獻2的方法中，亦無法充分地減少石英坩堝的更換頻度。

另一方面，在以往的方法中，除了石英坩堝的更換頻度多之問題以外，亦有運轉效率差的問題。例如，在進行太陽電池用之一方向凝固的VGF法中，當製造結晶而使矽熔融的期間無法使結晶成長，而有浪費此熔融時間的問題。又，一方向凝固法(VGF法)中，在熔解時有產生大型坩堝之變形或破損的可能性，而無法進行不熔解物質的去除。

因而，本發明之目的係提供一種長晶裝置及長晶方法，使石英坩堝之更長期的使用變成可能，而且可謀求運轉效率之改善。又，在一方向凝固法(VGF法)中，其目的係抑制熔解時大型坩堝之變形或破損，在事前進行熔融而供給，藉以實行爐的安全及運轉率之提高、進行不熔解物質之去除的後長晶。

本發明的長晶裝置具備有：長晶爐，具有石英坩堝；原料熔融爐；及供給手段，從上述原料熔融爐反覆地將熔融原料供給上述石英坩堝。

上述長晶爐具有供給上述熔融原料的供給口，上述供給口係作成對上述原料熔融爐自由地接離，上述原料熔融爐及上述長晶爐可分別地進行單獨之壓力調整。

亦可在上述原料熔融爐之周圍，配置複數個上述長晶爐。

上述原料熔融爐亦可具備有不熔解物質分離手段。

本發明之長晶方法，在從具備上述石英坩堝的長晶爐所分離的原料熔融爐內，以比上述長晶爐內壓力更高的壓力而將預先熔解的熔融原料，供給至用於長晶的石英坩堝。其後，在上述供給完成之後，將上述長晶爐從上述原料熔融爐分離，在上述長晶爐內以比上述原料熔融爐內壓力更低的壓力使長晶。

在本發明之長晶方法中，亦可在上述供給之前，將不熔解物質從上述熔融原料除去。

依照本發明之長晶裝置及長晶方法，石英坩堝並不使用在用於產生結晶的原料之熔融，而係僅接受預先熔解的熔融原料，因此不會有內面損傷。即，不須要靠近石英之軟化點溫度來熔解多結晶原料，連石英之變形亦少。又，在以往之再填充方法中，會伴隨有熔解固體原料矽之浪費時間，但依照能以短時間移行至長晶作業，可使石英坩堝之更長期的使用變可能，而且亦可謀求運轉效率之改善。

又，僅在將熔融原料供給石英坩堝時，使長晶爐與原料熔融爐加以結合，在其他時間則維持分離之狀態，因此，能使便正確地進行長晶爐之壓力管理變成可能，使石英坩堝之更長期的使用成為可行。

再者，在將熔融原料填充至石英坩堝之前，若從該處將伴隨雜質的不熔解物質加以除去的話，則即使是在將原料加以再利用情況下，亦能防止因不熔解物質混入熔融原料所引起的結晶不良。因而，減少因原料中之不熔解物質所引起的結晶之品質降低、結晶崩潰，使低成本原料之使用成為可能，且使石英坩堝之長期的使用成為可行。

更進一步，若將具有對原料熔融爐自由地接離之供給口的複數個長晶爐，配置在原料熔融爐之周圍的話，便可一次運轉複數個長晶爐，而能更進一步改善裝置全體之運轉效率。

第1圖及第2圖顯示本發明之長晶裝置之關鍵部的概略構成。第1圖係顯示處在已結合狀態的結晶提拉爐及原料熔融爐的側面圖，第2圖係顯示結晶提拉爐與原料熔融爐的配置關係之俯視圖。此外，為了容易理解裝置之概略而加以說明的方便，在各圖中適宜地調整各部之大小或形狀，在各圖間有不一致之情形。

此裝置，具備有利用CZ法進行結晶之提拉的4個結晶提拉爐9。此結晶提拉爐9係由石英坩堝1、及收容此石英坩堝1的真空室2所構成，在氦氣、氬氣等之惰性氣體的環境，可進行熔融原料3之維持、結晶4之提拉操作。在真空室2中設置有主閘閥5及副閘閥6，其在進行已提拉結晶4之取出、及對石英坩堝1之原料填充之時進行開閉。再者，在真空室2之內部設置有結晶4之提拉機構7。

又，此裝置具備有原料熔融爐10。原料熔融爐10係由熔融坩堝11、及收容此熔融坩堝11的真空室12所構成。在氦氣、氬氣等之惰性氣體的環境，能將結晶的原料在熔融坩堝11加以熔解。又，在熔融坩堝11的上方，設置有用於供給固形原料(多晶矽等)到熔融坩堝11的料斗(hopper) 13。通過由此料斗13的下部所延伸的供給通路14，固形原料被供給到熔融坩堝11。另一方面，原料熔融爐10之真空室12，係成為設置有用於填充固形原料的閘閥15，一旦料斗內之固形原料變少，便透過此閘閥15進行原料補充之構造。此外，閘閥15為了在原料補充時不使爐內環境惡化，而具有未圖示之空氣鎖(Air Lock)構造。

上述結晶提拉爐9，如第2圖所示，係以原料熔融爐10作為中心，而等間隔地配置在其周圍。其後，在結晶提拉爐9與原料熔融爐10之間，設置有熔融原料3之供給裝置20。供給裝置20係由氣密地聯結結晶提拉爐9及原料熔融爐10之蛇管構造部21、及在蛇管構造部21內從熔融坩堝3至石英坩堝1的供給管22所構成。供給管22係將加熱線圈捲繞在透明石英管之外周而以隔熱材加以覆蓋者，在原料熔融爐10之內部以可在垂直方向及水平方向上(第1圖之箭頭方向)自由移動的方式由架台23所支撐。在此情況下，原料熔融爐10亦可作成可在長晶爐方向上移動的構造。又，在蛇管構造部21之長晶爐9側的端部，在供給管22被收容於原料熔融爐10內部之狀態，具有用於將結晶提拉爐9與原料熔融爐10加以絕緣之未圖示的遮斷功能(相當於本發明之供給口)，例如絕緣閥(automatically operated valve)。其後，將原料熔融爐10以一定角度旋轉，而成為可個別地供給熔融原料3到4個結晶提拉爐9之構造。在此情況，亦利用在連接時作成空氣鎖的構造，可自由地進行連結或分離。

更進一步，在各個結晶提拉爐9及原料熔融爐10，設有用於調整爐內之排氣量的未圖示之減壓閥，藉由變化此減壓閥之開閉量，而成為可調整爐內壓力的構造。

使用由上述構成所形成的長晶裝置之長晶方法，能藉由以下的順序實施。

首先，在進入長晶之步驟之前，在原料熔融爐10中將原料加以熔融，而製造熔融原料3。在此熔融原料3之製造步驟中，在打開閘閥15而將固形原料填充到料斗13之後，將閘閥15關閉。其後，藉由在惰性氣體之環境將熔融坩堝11加熱，可製造熔融原料3。此外，在熔融原料之製造步驟中，相較於通常長晶時，將原料熔融爐10之壓力設定為高，例如設定成自25Tor至650Tor。藉由如此地設定為將通常長晶之壓力條件提高，可改善來自加熱器的傳熱。此外，當在25Tor以下欲進行短時間熔解的高溫加熱時，產生突沸現象之可能性高而不佳。壓力之調整係利用上述減壓閥進行。

製造熔融原料3後，接著進行對石英坩堝1之供給。在此供給作業中，首先予以減壓而在作成惰性氣體環境之結晶提拉爐9，透過蛇管構造部21連接原料熔融爐10。在將結晶提拉爐9與原料熔融爐10連接後，以使原料熔融爐10與結晶提拉爐9的爐內壓力或環境條件成為同等的方式，進行壓力調整。其後，打開絕緣閥，使架台23移動，以成為供給管22的一端浸入熔融坩堝11之熔融原料3的狀態、及另一端被配置在石英坩堝1內的狀態之方式進行調整。此時，熔融坩堝11係以使位置比石英坩堝1高之方式來調整，利用兩坩堝1、11之高低差而進行熔融原料3從熔融坩堝11朝石英坩堝1之供給。供給管22之透明石英管為矽之情況，較佳為維持自1000℃至1420℃左右。在供給完成後，再度移動架台23而成為供給管22之全體被收容在蛇管構造部21之狀態，並關閉絕緣閥。其後，使原料熔融爐10轉動，也對另外的結晶提拉爐9進行同樣的供給。

此外，結晶提拉爐9之壓力，為了形成能平穩地將所生成之SiO排氣的減壓狀態(所生成的SiO會成為在結晶中形成不連續部的原因)，所以較佳為調整成自10Tor至30Tor之減壓程度。因此，在連結原料熔融爐10與結晶提拉爐9時，以在兩爐9、10之間不產生壓力差的方式，使原料熔融爐10之爐內壓力與結晶提拉爐9側之爐內壓力成為一致，而使當絕緣閥開關時，由爐間壓力差所產生之爐間亂流不會產生。因而，在確認兩爐9、10之壓力成為相同後，進行絕緣閥的開關。

將熔融原料3供給石英坩堝1後，接著進行結晶4之生成。在此結晶生成步驟中，係使用設於真空室2內部的提拉機構7，從熔融原料3提拉結晶4。此外，由於其內容係與公知的CZ法相同，故省略詳細之說明。又，結晶提拉爐9亦可為實行一方向凝固法(VGF法)的一方向凝固爐(VGF爐)。此情況，亦可減少長晶坩堝之變形或破損事故，且容易地進行熔解時間之縮短或安全操作

在結晶4之生成完成後，最後進行結晶4之回收。在此回收步驟中，藉由將真空室2的副閘閥6加以關閉，能在將石英坩堝1保持在惰性氣體環境狀態下，將結晶4從真空室2取出。

以後，藉由重複地進行結晶生成步驟、及供給步驟，可一面長期使用石英坩堝1、一面製造結晶4。

雖然，熔融原料3通常係利用將多結晶之固體原料加以熔融而獲得，但熔融原料3被要求極高的純度，因此較佳為其本來的固體原料之純度儘可能地高。然而，在再利用當加工結晶4時所產生的碎屑之情況等，亦有固體原料之純度不得不變低之狀況。如此之情況，最好從熔融坩堝11將含有雜質之不熔解物質除去後，供給到石英坩堝1。

第3圖顯示用於將不熔解物質除去的原理。為了使不熔解物質浮在熔融原料3之表面，而設有用於使不熔解物質從熔融坩堝11之表面流出的導件(guide) 30，藉此能極容易地將不熔解物質加以除去。此時，為了確認不熔解物質是否被除去，較佳為設置有監視窗31。

如此，不使用石英坩堝1來熔融原料，原料之熔融係在與石英坩堝1分開之熔融坩堝11進行，藉此使雜質之除去變成可能，即使是在使用純度低之原料的情況，亦使石英坩堝1之長期的使用變成可能。

1．．．石英坩堝

2、12．．．真空室

3．．．熔融原料

4．．．結晶

5．．．主閘閥

6．．．副閘閥

7．．．提拉機構

9．．．結晶拉製爐

10．．．原料熔融爐

11．．．熔融坩堝

13．．．料斗

14．．．供給通路

15．．．閘閥

20．．．供給裝置

21．．．蛇管構造部

22．．．供給管

23．．．架台

30．．．導件

31．．．監視窗

第1圖係顯示本發明之長晶裝置的概略構成，處在已結合狀態的結晶提拉爐及原料熔融爐的側面圖。

第2圖係顯示結晶提拉爐與原料熔融爐的配置關係之俯視圖。

第3圖係顯示本發明之長晶裝置的另一實施例之概略構成，處在已結合狀態的結晶提拉爐及原料熔融爐的側面圖。

1．．．石英坩堝

2,12．．．真空室

3．．．熔融原料

4．．．結晶

5．．．主閘閥

6．．．副閘閥

7．．．提拉機構

9．．．結晶提拉爐

10．．．原料熔融爐

11．．．熔融坩堝

13．．．料斗

14．．．供給通路

15．．．閘閥

20．．．供給裝置

21．．．蛇管構造部

22．．．供給管

23．．．架台

Claims (2)

1. 一種長晶方法，其特徵為：在與具備用於長晶之石英坩堝的長晶爐分離的原料熔融爐內，以比進行長晶的壓力更高且熔融原料不會突沸的壓力製造該熔融原料；在使該原料熔融爐內壓力與該長晶爐內壓力一致以使爐間壓力差消失的狀態下，連接該原料熔融爐與該長晶爐；利用該長晶爐的該石英坩堝與該熔融爐內的熔融坩堝之高低差，將該熔融原料供給到該石英坩堝；在該供給完成後，將該長晶爐從該原料熔融爐分離，在該長晶爐內使結晶成長。
2. 如申請專利範圍第1項之長晶方法，其中在該供給之前，將不熔解物質從該熔融原料除去。