WO2018003386A1 - 単結晶製造装置および単結晶製造方法 - Google Patents

Abstract

[課題]結晶粒界を無くした大型の単結晶であり、さらには垂直方向，水平方向のいずれの方向に対しても組成が最適添加物濃度で均質であり負結晶や離溶ラメラの少ない高品質な単結晶を製造すること。 [解決手段]底部に種子結晶が設置される石英ルツボと、前記石英ルツボ内に粉末原料を供給する粉末原料供給手段と、前記粉末原料供給手段を介して石英ルツボ内に供給された粉末原料に赤外線を照射する赤外線照射手段と、を少なくとも備え、前記赤外線照射手段から前記石英ルツボ内に赤外線を照射することにより前記粉末原料を溶融，固化させ、前記石英ルツボ内で単結晶を製造する単結晶製造装置であって、前記単結晶製造装置は、前記粉末原料供給手段で石英ルツボ内に粉末原料を供給しながら、前記供給された粉末原料に赤外線照射手段で赤外線を照射するとともに、前記粉末原料供給手段が、溶融された粉末原料が固化した分量に応じて、前記粉末原料を前記石英ルツボ内に連続的に供給するよう構成されている。

Description

単結晶製造装置および単結晶製造方法

　本発明は、例えば直径が８００～１０００ｍｍを超えるような大型の単結晶を、組成を最適組成に均質化しながら高効率に製造する単結晶製造装置およびこの単結晶製造装置を使用して大型の単結晶を製造する単結晶製造方法に関する。

　太陽エネルギーを利用して発電し電気エネルギーとして使ういわゆる太陽電池産業においては、太陽光を電気エネルギーに変換する材料として様々な素材が検討され実用化されているが、市場の大部分はシリコンが占有している。

　太陽電池を用いた発電コストは従来よりも大幅に低減しているが、依然として化石エネルギーを使用する火力発電所，水力発電所，あるいは原子力発電所などによる発電コストに比して割高とされており、一層のコスト削減が求められている。

　半導体シリコンを用いる太陽電池においては、シリコン単結晶基板の価格が全体に占める割合は高く、高性能なシリコン単結晶基板を安価に製造する製造方法が模索されている。

　一方、シリコン単結晶基板を使用して太陽エネルギーから電気エネルギーを高効率に取り出す方式についても検討が進められており、最近では原料であるシリコンにリンを添加したＮ型シリコン単結晶基板への期待が高まっている。

　具体的には比較的短い波長領域で使用可能なアモルファスシリコンと、比較的長い波長領域で利用可能なリンを添加したＮ型シリコン単結晶と、を併用したＨＩＴ型と呼ばれる方式が、高い変換効率を達成できるとして期待が高まっている。

　半導体シリコンを太陽電池として利用するためには、ホウ素を添加したＰ型であっても、あるいはリンを添加したＮ型であっても構わないが、前述した高効率太陽電池として期待されているＨＩＴ型にはＮ型シリコン単結晶基板が必要とされている。さらには基板の両面に配置されていた電極を、裏面のみに配置して太陽光を高効率に利用可能とした方式についてもＨＩＴ型と同様にＮ型シリコン単結晶基板が必要とされている。

　従来の半導体シリコンを使用する太陽電池産業においては、素材として全体が同じ方位関係を維持する単結晶が最も高い変換効率を達成できるので、単結晶の利用が望ましいとされてきている。

　しかしながら単結晶の製造コストが割高であるのに対し、小さな単結晶の集合体である多結晶と呼ばれる製品は製造コストが割安であるため、こちらも多く利用されてきている。この多結晶の場合には、小さな単結晶同士の境界部（グレインバウンダリーと呼ばれる）では大きな歪みが発生しており、電気伝導性などの特性も劣化しているので、太陽電池としての発電効率は単結晶を使用した場合よりも低くなってしまっている。

　シリコン太陽電池基板に使用するシリコン結晶の製造方法として、キャスト法（鋳込み法）、一方向凝固法、引上法、などが知られている。シリコンは反応性が高いので融液を保持できる素材は石英に限定されている。この石英でできたルツボ（石英ルツボ）中でシリコン原料を融解し、固化させて単結晶を製造しようとすると、シリコンと石英とが融着して固化するため、冷却過程で全体的にクラックが発生してしまう問題があった。

　そこで融液をカーボン製の鋳型に流し込み固化させる、いわゆるキャスト法（鋳込み法）が開発された。カーボン材はシリコン融液と反応して炭化ケイ素を生成するが、これは鋳型表面近傍に限定されるので固化物内部はシリコンの結晶が得られる。
　このようなキャスト法（鋳込み法）は、いわゆる鋳物製造法から派生した製造方法であり、初期の頃には大型のルツボで融解した原料融液を小型の鋳込み用ルツボに流し込んで固化し、これにより多結晶を製造して使用していた。

　しかしながらこのキャスト法（鋳込み法）では、小型ルツボ全域から無数の単結晶粒子が中心部に向かって成長してしまうので、製造された単結晶は、小型ルツボの中心部近傍で電気伝導性などの特性が劣化してしまう。

　そこで個々の小型ルツボの底部から上方向に固化が進行するように温度分布を工夫して高効率化が図られていた。
　原料融液を個々の小型ルツボに流し込んで固化させる方法はキャスト法（鋳込み法）であるが、鋳込まれた融液を固化させる際にルツボに温度勾配を設けて下方から上方にゆっくりと固化させる方法は、結晶成長学的には「一方向凝固法」と呼ばれる方法である。

　その後、大型の石英製ルツボの表面に離型剤を塗布し、石英ルツボとシリコンとが溶着することを防止して、固化した製品にクラックが入らないようにした方法が実用化された。それまでの融液をルツボに流し込む方法から、溶解炉でそのまま融液を固化させ大型の結晶を製造する方法が主流となった。この方法はまぎれもなく「一方向凝固法」である。
　なお、特に日本国内ではこの「一方向凝固法」を従前通りキャスト法（鋳込み法）と呼ぶ習慣があるが、これは誤りである。

　この一方向凝固法では、融液が固化を開始する部位が一か所では無く、大型ルツボの底面全域から開始されるため、多数の単結晶がバラバラに成長を開始する。したがって全体としては単結晶にはならず、多結晶と呼ばれる製品が製造される。

　したがって全体を単結晶として結晶化させる方法として、底面に傾斜を設けて中心部を低くし、その最深部に種子結晶を収納する冶具を取り付け、ここだけを冷却して種子結晶が完全には溶け切らないように工夫し、これより上方の原料が完全に溶解してから冷却して、種子結晶からのみ結晶化が進行しないようにして、大型の単結晶を製造することのできる製造方法が開発された。この製造方法は、開発者の名前からブリッジマン法と呼ばれている。

　しかしながらシリコンの場合には、ルツボとシリコンとの融着を避けるために離型剤が使用され、この離型剤部からシリコンの微結晶が成長を開始してしまい、全体が単結晶とはならないので、ブリッジマン法の適用は無理とされている。現在の太陽電池用シリコン結晶の製造方法は、一方向凝固法による多結晶製品と引上法による単結晶製品が主流となっている。

　太陽電池を実装する際には、限られた領域内に効率的に太陽電池を貼り付ける必要があるのと、発電した電気を高効率に取り出す必要があるため、シリコン結晶基板の形状は四角形状であることが好ましい。したがって太陽電池用のシリコン結晶は、四角柱状に製造し、そこから必要なサイズ分を切り出した後、これを薄板状に切断加工して利用する方式が用いられている（例えば特許文献１）。

　一方向凝固法によるシリコン結晶の製造においても、四角形状の大型ルツボ内で原料を融解し、そのまま下方から上方に向かって結晶化させている。前述した通りこの方法では、固化した製品は全体としては多数の単結晶の集合体となっており、各単結晶同士の境界部では、太陽電池としての特性が劣化するとされているので、太陽電池用のシリコン基板としてはこのような境界部が無く、全体が単結晶である製品が望ましい。

　単結晶の製造方法として、引上法および高周波浮遊帯域法、リボン引上法などが知られているが引上法が多用されている。引上法は石英ルツボ中でシリコン原料を融解し、ここに細いシリコン単結晶（種子結晶）を浸して徐々に太らせて引き上げながら単結晶の成長を継続させ、大型単結晶を得るものである。

　シリコン結晶を太陽電池として利用するには、ホウ素もしくはリンを添加して発電するが、シリコン結晶中の添加物濃度が低過ぎると変換効率は低くなり、高く成り過ぎると再結合により変換効率が劣化してしまう。

　したがってホウ素の場合にもリンの場合にもそれぞれ最適濃度があり、結晶全域に渡って最適濃度組成で均質な製品が望ましいことは無論である。前述の引上法は、高品質な単結晶が製造可能とされているが、融液全体を上方から下方に固化させる、いわゆる一方向凝固法に属する方法である。したがって、偏析現象により得られた製品中のホウ素やリンなどの添加物濃度は一定にならない。

　すなわち、融液中の添加物濃度と固化した結晶中の添加物濃度とは同じにならず、物質によって規定された比率で固化が進む。この比率を分配係数と呼び、ホウ素の場合には０．８程度、リンの場合には０．３５程度とされている。

　したがって、固化開始直後の結晶中の添加物濃度は低く、差分は融液中に残るので成長が進むにつれて融液中の添加物濃度は次第に濃くなり、同時に生成する結晶中の添加物濃度も融液中の濃度との比にしたがって次第に濃く成る。

　よって分配係数が０．３５程度と小さいリンを添加した結晶の場合には、結晶中のリンの濃度変化が大きく、最適組成部が極めて少なくなってしまう本質的な問題がある。すなわち、最適組成品だけで製品を製造すると、太陽電池としての変換効率は高くなるが製造コストは極めて高額となってしまう。逆に組成範囲を広くして最適組成よりも薄い結晶および濃過ぎる結晶を使用してコストを低減すると、変換効率が劣化してしまうジレンマに陥る。

　太陽電池用シリコンの場合、対角線長さ２２０ｍｍ品が最近の標準サイズとされているので、引上法で製造コストの削減を実現するためには、例えば直径４５０ｍｍを超える大型の単結晶を製造し、一度に４本分を製造することで単価を下げることが考えられる。

　しかしながら実際に引上法で直径４５０ｍｍを超える大型の単結晶を製造しようとすると、製造装置は超大型となり製造コストは桁違いに高額となってしまう。
　現在のシリコン結晶の製造業界において、太陽電池用シリコン結晶基板を安価に製造することのできる製造方法は、一方向凝固法であるが、今までの一方向凝固法では、全ての原料を最初にルツボ中で融解させ、下部側（底部側）から上方に向かってゆっくりと固化させているため、上述した引上法の場合と同様、固化の直後は添加物濃度が低く、成長するにつれて次第に添加物濃度が高くなる傾向は同じである。

　全部の原料を最初に融解させてから固化させる方法で、添加物であるリンの濃度を最適組成に均一に保つことは、原理的に不可能である。
　固化した製品全部の組成を最適組成に均質化するには、原料の融解と融液からの固化を継続させる、いわゆる「溶媒移動法」を適用した製造方法を採用することが必要である。この場合には、最適濃度組成の原料を供給する量と融液から固化する量とを同一となるように制御することで、得られる結晶の組成は最適組成で均質となる。この時、融液相中の添加物濃度は、リンの場合には分配係数が０．３５程度なので最適濃度組成の約３倍の濃い濃度となっている。

　また、現状の一方向凝固法では、ルツボの下側全面から多数の結晶粒子が一斉に成長を開始してしまうので、製品は無数の小さな単結晶の塊となり、その小さな単結晶同士の粒界が無数に存在することとなる。

　太陽電池の特性上、粒界の存在はマイナスとされ、可能な限り粒界の数を減らすため、例えばルツボの底部に大型の種子結晶を配置し、これを単結晶として成長させる試みも報告されている。
　しかしながら、薄い種子結晶は融解してしまう恐れが強く、逆に厚い種子結晶はコストが高く成り過ぎてしまい、現実的ではない。

　またルツボ底面の中心部に冷気を当て、ルツボ底面中心部の原料融液のみを固化させ、ここから全体に結晶化を進めることで粒界の数を最小限に抑える、いわゆる局所冷却凝固法を適用した方法についても報告されている。しかしながらこの局所冷却凝固法は、一箇所から放射状に固化が進むことになり、垂直方向ばかりか水平方向についても組成変動が大きくなってしまうので製品としての性能が劣化してしまう。

　さらには石英ルツボを使用することから派生する性能劣化を招く負結晶と、後述する離溶ラメラの形成という大きな問題が内包されている。一般的にシリコン結晶を製造する際には、シーメンス法と呼ばれる方法で製造された原料が使用される。この方法は高純度のシランガスを高温で水素還元してシリコンとして形成させたものであり、大型の反応容器内で直径が１３ｃｍ程度、高さが２００ｃｍ程度の断面が丸状の逆Ｕ字型シリコン棒として製造される。

　この原料は小さな結晶粒子の塊で多結晶体であり、通称「ポリシリコン」と呼ばれている。製品の特長として細かな針状の結晶が内包されている。単結晶製造に際しては、まず最初にこの原料を石英ルツボ中で完全に融解させてから固化させ単結晶を製造することになるが、針状結晶を完全に融解することが困難である。

　すなわち、原料を完全に融解させるには、温度を上げて時間を掛ければ全て融解させることができるが、このように温度を上げて時間を掛けてしまうとルツボ材として使われる石英（二酸化ケイ素）と溶融シリコンが反応し、一酸化ケイ素が大量に生成してしまう。

　この一酸化ケイ素は、蒸発し易い物質であるため、大半は融液表面から蒸発するものの、それでもかなりの量がシリコン結晶中に混入して固溶体を形成する。この一酸化ケイ素の量は、温度が高いほど、また時間が長くなるほど増大するため、原料を完全に融解させるために温度を上げ、十分に時間を掛けることは一酸化ケイ素の混入量を増大させるマイナス効果を生んでしまう。

　そこで、ある程度の針状結晶が融液中に残存して浮遊している状態で、結晶製造を開始しているのが実状である。この意味において、石英は引上法に適用されるルツボ材として具備すべき特性を満足していないことになるが、他に利用可能な材料が見当たらないため、石英を使用しているのが実状である。

　溶けずに残った細かな針状結晶が、成長中のシリコン単結晶の表面に付着すると、その部位では成長が阻害され、周囲よりも成長が遅くなり融液の表面張力で守られた空間が形成される。

　このような空間は、ある程度大きくなると表面張力が足りなくなり、閉じ始め、最後には何事もなかったかの如く結晶成長は継続されるが、空間は残る。これを「負結晶」と呼ぶ。

　なお、シリコン業界ではこの負結晶を、通称としてＣＯＰ（Crystal Originated Particle）と呼んでいるが、正式には負結晶と呼ぶべきものである。
　この負結晶は、サイズがサブミクロン程度の大きさであり、ＬＳＩメモリーを製造する際などには、電極がこれより細く繋がらず不良品となってしまうので、好ましくない欠陥の一つである。

　さらに大きな問題は、固溶体としてシリコン結晶中に混入した一酸化ケイ素成分は、温度が１０００℃程度付近から離溶（Ex-solution）と呼ばれる現象を生じ、シリコン単結晶中に、「離溶ラメラ」と呼ばれる層状の析出層を形成してしまうことである。

　単結晶中にこのような離溶ラメラが形成されると、この離溶ラメラの周囲の結晶は乱れ、マイクロクラックや無数の転位が形成されてしまうので、シリコン単結晶としての特性を著しく劣化させてしまう。

　したがって、ルツボ材である二酸化ケイ素およびルツボ材と溶融シリコンとの反応生成物である一酸化ケイ素の製品中への混入をできるだけ軽減できる方策が求められる。
　一方向凝固法は、上述したように多くの欠点を有する方法ではあるものの、一辺の長さが１００ｃｍに達するような大型の四角形状結晶を製造可能な方法であり、シリコン結晶基板の製造方法として最も製造コストが低い利点がある。

　したがって、この一方向凝固法を単結晶製造方法として改良したブリッジマン法の特長を生かしつつ、二酸化ケイ素および一酸化ケイ素成分の混入の少ない高品質で添加物濃度が均質な大型単結晶を製造可能な方法が開発されれば、太陽電池業界を始めシリコン単結晶を利用する分野への貢献度は計り知れないものがある。

特開２０１４－７６９１５号公報

　高品質太陽電池用の基板としてはシリコンの単結晶であり、かつ最適添加物濃度で均質である製品が求められるが、現状の一方向凝固法では単結晶は得られず、添加物濃度も均質ではない。引上法では製品は単結晶となるが添加物濃度は均質ではない。さらには両者ともに負結晶や離溶ラメラなどの欠陥を含み性能劣化を招いている。

　本発明はこのような実情に鑑み、大型の単結晶を製造することのできるブリッジマン法の利点を生かしつつ、さらには垂直方向，および水平方向のいずれの方向に対しても添加物濃度が均質であり、負結晶や離溶ラメラの少ない単結晶を製造することのできる単結晶製造装置および単結晶製造方法を提供することを目的としている。

　なお最適添加物濃度で均質な単結晶を製造するには、最適添加物濃度の結晶を生成できる組成の融液から単結晶を固化させ、同時に固化した分量と同量の最適添加物濃度の原料を供給し続ける機能を有する単結晶製造装置が求められる。

　また結晶製造作業の終点では、形成されている融液相が冷却に伴って固化した部位の添加物濃度は一定にならず、最終点に向かって濃く成るので、製品としては劣ることになる。したがって良品としての製品の収率を高めるためには、形成される融液相の厚みは薄い方が望ましい。

　本発明者は、上記の課題を解決する手段として下記の新しい単結晶製造装置および単結晶製造方法を発明した。
　すなわち、現行の太陽電池用基板を安価に製造できるとして採用されている一方向凝固法では高性能品である単結晶は製造できず、多結晶しか製造できない欠点がある。これを改良して単結晶の製造を可能とした方法として知られるブリッジマン法の要素技術を取り入れた。

　さらにはこのブリッジマン法では結晶の成長に伴って添加物濃度が次第に濃くなってしまい、製品全域の添加物濃度が均質化できない欠点がある。これを克服するために溶媒移動法を適用可能な構成とした。
　さらにはこの溶媒移動法を適用するには通常の例えばカーボンヒーターなどを用いたのではヒーターは融液相の上方に配置することになるが、ヒーターからの熱を下方に効率的に移動させることが極めて困難であることから、代わりに赤外線を照射して熱移動を容易にする。これと同時に、赤外線照射によって溶液相を形成させる際に、赤外線の吸収に伴い、溶液相の厚みを大きくできない点を逆に利点として利用することにより、薄い溶融相を形成させることに成功した。

　このような薄い溶融相中に粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）を供給すると、粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）が融解する前に沈んで下側の結晶相に付着してしまう恐れがあり、このような付着が生じると前述した負結晶の形成に直結して製品の性能劣化を招くほか、大きな塊で付着すると負結晶ばかりか新たな微結晶が成長し始めてしまい、多結晶となってしまう恐れがある。

　しかるに結晶母材粉末が例えばシリコン粉末の場合には、固体の比重は融液の比重よりも小さいので融液に浮き、沈むことは無いので、粉末原料のサイズを０．１～０．５ｍｍ径程度として供給すると、このような負結晶や新たな微結晶の生成に起因する多結晶化が生じないことを見出した。

　さらに供給された粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）には、上側から赤外線を照射して融解させて融液相を形成させることが可能であるが、形成される融液相の下側では赤外線が融液に吸収されて急激に到達する赤外線量が少なくなり、加熱も少なくなるので一定の厚み以上には容易にはならないことを見出した。このことは形成される融液相の厚みを薄く維持するためには極めて好都合であった。

　さらには粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）中には微細な針状結晶が多数含まれ、これが融液中に浮遊しているがこのような針状結晶も赤外線照射により完全に融解することが容易にできることを見出した。

　なお、粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）の融解を赤外線照射のみで行うことも可能ではあるが、石英ルツボの底部の外側面および立壁部の外側面にカーボン製の補助加熱手段を設け、予め１３００℃程度まで加熱しておくと赤外線の照射量を軽減し、かつ制御性を高めることが可能であった。

　すなわち、本発明の単結晶製造装置は、
　底部に種子結晶が設置される石英ルツボと、
　前記石英ルツボ内に粉末原料を供給する粉末原料供給手段と、
　前記粉末原料供給手段を介して石英ルツボ内に供給された粉末原料に赤外線を照射する赤外線照射手段と、
　を少なくとも備え、
　前記赤外線照射手段から前記石英ルツボ内に赤外線を照射することにより前記粉末原料を溶融，固化させ、前記石英ルツボ内で単結晶を製造する単結晶製造装置であって、
　前記単結晶製造装置は、
　前記粉末原料供給手段で石英ルツボ内に粉末原料を供給しながら、前記供給された粉末原料に赤外線照射手段で赤外線を照射するとともに、
　前記粉末原料供給手段が、溶融された粉末原料が固化した分量に応じて、前記粉末原料を前記石英ルツボ内に連続的に供給するよう構成されていることを特徴とする。

　このように構成されていれば、単結晶の育成に合わせて結晶化した分と同量の粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）が連続的に石英ルツボ内に供給されるため、組成を垂直方向，水平方向のいずれに対しても最適添加物濃度で均質化した単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記石英ルツボの底部の外側面および立壁部の外側面には、補助加熱手段が設けられていることを特徴とする。

　このように石英ルツボの底部の外側面および立壁部の外側面に補助加熱手段が設けられていれば、予め加熱をしておいてから赤外線を照射して粉末原料の融解を行うと、赤外線の照射量を減らすことができ、かつ制御性を高めることができる。したがって、粉末原料の溶融を効率的に行うことができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記粉末原料供給手段が、
　前記粉末原料を収容するホッパーと、
　前記ホッパー内の粉末原料を石英ルツボ内の所定位置に所定量供給する供給調整部と、
　前記供給調整部の下端に設けられ、前記石英ルツボ内に粉末原料を供給する供給管と、
　を有することを特徴とする。
　このように構成すれば、石英ルツボ内に確実に粉末原料を供給することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記供給調整部が、
　前記石英ルツボ内に供給される前記粉末原料の供給速度を調整する供給速度調整手段を有することを特徴とする。
　このように供給速度調整手段を有すれば、例えば石英ルツボの中心部近傍では、供給速度を速め、石英ルツボの立壁部に近づくにつれて供給速度を遅くすることで、石英ルツボの中心部近傍で粉末原料の供給量を抑え、石英ルツボの立壁部に近づくにつれて粉末原料の供給量を増すようにすることができ、結果的には均質に粉末原料を石英ルツボ内に供給することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記供給調整部が、
　前記石英ルツボ内に供給される前記粉末原料の供給位置を調整する供給位置調整手段を有することを特徴とする。
　このように供給位置を調整することができれば、均質に粉末原料を石英ルツボ内に供給することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記ホッパーには、
　前記粉末原料を収容する粉末原料収容容器が着脱自在に取り付けられるよう構成されていることを特徴とする。
　このように粉末原料収容容器が着脱自在であれば、単結晶製造装置を起動して単結晶を製造している最中であっても、新たに粉末原料を補給することができ、極端に大型の粉末原料収容容器を保持しなくても、随時、必要量の粉末原料を連続的に石英ルツボ内に供給可能となり、装置の大型化を避けることができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記ホッパーが、
　結晶母材粉末を収容する結晶母材粉末用ホッパーと、
　添加物粉末を収容する添加物粉末用ホッパーと、から構成されていることを特徴とする。
　このように結晶母材粉末と添加物粉末の収容を、それぞれ別々のホッパーで行えば、供給調整部にて容易に所望の組成割合とすることができる。
　例えばリンを添加したＮ型シリコン単結晶を育成しようとする際、最初に投入されるべき粉末原料（シリコン粉末＋添加物粉末）は、リンの濃度が最適濃度組成の３倍の濃度とし、その量を定常状態に形成される融液相の量と同一の量として投入する。
　次いで最適濃度組成の粉末原料（シリコン粉末＋添加物粉末）を固化の量と同一に制御して投入することにより、製造される単結晶の組成を、最初から概ね最適濃度組成に合致させ、全体の良品率を向上させることができる。

　なお、ホウ素を含有するＰ型シリコン単結晶を製造する場合には、最初に投入する粉末原料（シリコン粉末＋添加物粉末）の添加物濃度は最適濃度組成の１．２５倍の濃度とし、同様に定常状態に形成される融液の量と同一まで導入し、次いで最適濃度組成の粉末原料（シリコン粉末＋添加物粉末）を固化の量と同一に制御して投入する。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記ホッパーが、
　結晶母材粉末および添加物粉末とが混合された混合粉末を収容する混合粉末用ホッパーであることを特徴とする。
　このように予め結晶母材粉末と添加物粉末とを混合した混合粉末を収容する混合粉末用ホッパーであれば、ホッパーを別々に設ける場合に比べ、装置を小型化することができ、また一定の組成割合を確実に維持することができる。
　ただし、この場合には最初に石英ルツボ内で形成される融液相の添加物濃度は、粉末原料中の添加物濃度よりも分配係数で規定された比で高い濃度が必要となる。そこで予め高い濃度で必要な分量の溶媒相相当分の粉末原料を石英ルツボ内に供給し、これを最初に融解して溶媒相を形成させてから、別の粉末原料の供給を開始すれば、全域に渡って均質組成の単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記ホッパーが、
　結晶母材粉末を収容する結晶母材粉末用ホッパーと、
　結晶母材粉末および添加物粉末とが混合された混合粉末を収容する混合粉末用ホッパーと、から構成されていることを特徴とする。
　このように結晶母材粉末と混合粉末とを別々に用意して収容するようにしても、組成を垂直方向，水平方向のいずれに対しても最適添加物濃度で均質化した単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記結晶母材粉末が、シリコン粉末であることを特徴とする。
　このように結晶母材粉末がシリコン粉末であれば、例えば半導体関連製品に用いられるシリコンの単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記石英ルツボの底部中心部近傍に凹部が形成され、前記凹部内に前記種子結晶が設置されることを特徴とする。

　このように凹部が形成されていれば、例えば種子結晶を立てた状態に設置することができ、また凹部と種子結晶との隙間を極力少なくすることにより、種子結晶以外の部位から新たに粗雑な結晶が生成するのを抑止することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記石英ルツボの底部には、中心部に向かって下がる勾配が設けられ、前記勾配は３～６０度の範囲内であることを特徴とする。

　このように勾配が設けられていれば、石英ルツボ内の底部側から上部側に向かって徐々に単結晶を大型化していくことができる。この勾配（傾斜角度）は小さすぎると途中で別の微結晶が生成してしまう恐れが増える。逆に勾配（傾斜角度）を大きくし過ぎると立壁部に到達する間の固化物はサイズが規格外となるため、全体の製品歩留まりを劣化させてしまう。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記石英ルツボは、カーボン製ルツボ内に収められていることを特徴とする。
　このように、石英ルツボがカーボン製ルツボ内に収められていれば、外側のカーボン製ルツボで機械的強度を維持することができ、これにより内側の石英ルツボの安定的な使用が可能となる。すなわち、石英ルツボが単独で用いられている場合には、石英材料は結晶母材粉末の融点近傍では軟化してしまうので自立が困難になってしまうが、カーボン製ルツボ内に収められていればこのようなことを改善することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記赤外線照射手段が、
　内面を反射面として使用する楕円面反射鏡と、
　前記楕円面反射鏡の底部側の第１焦点位置に設けられた赤外線ランプと、
　を備えることを特徴とする。
　このような赤外線照射手段であれば、効率的に赤外線を照射することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記赤外線ランプが、
　ハロゲンランプまたはキセノンランプであることを特徴とする。
　このようにハロゲンランプまたはキセノンランプであれば、安価に入手可能であり、単結晶製造装置の製造コストを抑えることができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記赤外線照射手段が、
　前記赤外線のレーザ光を照射する半導体レーザモジュールであることを特徴とする。
　このように半導体レーザモジュールであれば、赤外線照射手段を小型化することができ、単結晶製造装置の小型化に寄与することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記赤外線照射手段が、複数設けられていることを特徴とする。
　このように赤外線照射手段が複数設けられていれば、単数の場合よりも、粉末原料の溶融を安定して確実に行うことができる。さらにこのように複数設けられていれば、石英ルツボの溶融表面を均質に加熱することができる。
　なお、石英ルツボの溶融表面を均質に加熱すれば、組成を垂直方向，水平方向のいずれに対しても均質化した単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記赤外線照射手段とは別に、前記石英ルツボ内に形成される融液の周辺部近傍に赤外線を照射して、前記石英ルツボ内に形成される融液の周辺部近傍の温度を前記石英ルツボ内全域の融液の温度よりも高める赤外線局所照射手段をさらに有することを特徴とする。

　この赤外線局所照射手段は、融液の大きさが変化すればそれに合致させて常に融液の周辺部近傍のみを加熱できるようにしている。
　このように赤外線局所照射手段が設けられていれば、石英ルツボの内壁の離型剤が塗布された離型剤塗布部からの結晶化を遅らせると同時に、例えこの部位から新たな微結晶が生成してもそれが中心方向に向かって成長することを抑止することができ、中心部の大型の単結晶の成長に悪影響を及ぼすことを防止することができる。

　さらにこのようにして形成された融液は、ルツボ材と反応して一酸化ケイ素を生成するが、その生成量は全ての原料を融解してしまう通常の一方向凝固法と比べると、粉末原料の融液と接している面積は２桁違いに少なくなるので、生成する一酸化ケイ素の量もそれに伴って少なくすることができる。
　このような微量の一酸化ケイ素の混入量では、前述の離溶ラメラは形成されないため、製造される単結晶の特性劣化を抑止することができる。
　なお、赤外線局所照射手段によって高められる石英ルツボ内に形成される融液の周辺部近傍の温度は、石英ルツボ内全域の温度よりも少なくとも３℃以上であることが好ましい。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記赤外線照射手段と前記石英ルツボとの間には、前記赤外線照射手段および／または前記赤外線局所照射手段から照射された前記赤外線を透過する赤外線透過窓が設置されていることを特徴とする。

　本装置では成長している単結晶の上側に薄い融液相を形成させ、ここに粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）を投入して溶融し、融液相の下側では結晶化を継続させることが肝要である。このように構成されていれば密閉チャンバー外からの赤外線照射によって、薄い融液相を高効率に形成させることができる。

　なお、このような赤外線照射手段を密閉チャンバー内部に収めることも原理的には可能であり、前述の赤外線透過窓が不必要となる利点があるが、この場合には密閉チャンバーが大型化することと、融液から蒸発して来る成分の楕円面反射鏡への付着を抑止することが必要となるので、安定的な使用が困難となるマイナスがある。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記赤外線透過窓のルツボ側外周縁部には、蒸発物付着防止手段が具備されていることを特徴とする。

　このように蒸発物付着防止手段が赤外線透過窓のルツボ側外周縁部に具備されていれば、粉末原料の融液の蒸発物が、赤外線透過窓に付着して石英ルツボ内へ届くべき赤外線の光量が減少してしまうことを防止することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記石英ルツボが、回転可能に構成されていることを特徴とする。
　このように石英ルツボが回転可能に構成されていれば、赤外線照射手段からの赤外線を粉末原料に均一に照射することができ、粉末原料をまんべんなく加熱することができる。これにより組成を垂直方向，水平方向のいずれに対しても均質化した単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記石英ルツボが、所定の速度で上下方向に昇降可能に構成されていることを特徴とする。
　このように石英ルツボが上下方向に昇降可能であれば、赤外線照射手段と赤外線透過窓の位置を常に一定に維持することができ、好都合である。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記石英ルツボおよび補助加熱手段は、真空排気可能な密閉チャンバー内に収容されていることを特徴とする。

　このように密閉チャンバー内に収容されていれば、結晶母材粉末が空気と反応して酸化されることを防止することができ、不純物を含まない高純度で高品質な単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記密閉チャンバーは、水冷構造であることを特徴とする。
　このように密閉チャンバーが水冷構造であれば、密閉チャンバーの温度上昇に伴うシール部の劣化などを抑止して高精度の雰囲気制御を効率的に行うことができ、単結晶を歩留まり良く製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記密閉チャンバーは、前記密閉チャンバーの外側に配置された前記赤外線照射手段とともに上下方向に移動可能に構成されていることを特徴とする。

　このように密閉チャンバーが赤外線照射手段とともに移動可能であれば、赤外線照射手段と赤外線透過窓の位置を常に一定に維持することができ、単結晶の育成に応じて赤外線照射手段の照射角度を変化させる必要がなく、歩留まり良く単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造装置は、
　前記添加物が、リンまたはホウ素であることを特徴とする。
　このように添加物がリンまたはホウ素であれば、Ｎ型半導体シリコンあるいはＰ型半導体シリコンを製造することができる。添加物としてリン、ホウ素以外の例えばアンチモン、ヒ素、ガリウム、などを使用する場合も、それぞれの分配係数に対応した濃度の融液を形成させ、同様にして均質組成の単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造方法は、
　石英ルツボの底部に種子結晶を設置するとともに、前記石英ルツボ内に粉末原料を供給し、その後、前記石英ルツボ内に赤外線を照射して前記粉末原料を溶融，固化させて単結晶を製造する単結晶製造方法であって、
　前記粉末原料は、前記石英ルツボ内で固化した分量に応じて前記石英ルツボ内に連続的に供給されることを特徴とする。

　このような単結晶製造方法であれば、種子結晶の方位通りの大型の単結晶を最適組成で均質化した高品質単結晶を容易に製造することができる。この方法によれば単結晶が成長するにしたがって、結晶化した量と同量の粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）を連続的に供給し、かつ結晶と融液との界面形状を常に平面状に維持することにより、単結晶の組成を垂直方向，水平方向のいずれに対しても均質化させた単結晶を製造することができる。

　具体的には赤外線照射手段（ハロゲンランプ，キセノンランプ，半導体レーザモジュール）の位置と石英ルツボ内の融液の表面との距離を、一定に保持することが望ましい。
　したがって結晶化が進むと粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）が補給されるので融液の液面の位置は高くなる。これを一定に保持するためには石英ルツボの位置を下方に移動させる方法と、赤外線照射手段の位置を上方に移動させる方法の、どちらも可能である。

　ただし、赤外線照射手段の位置を上げて密閉チャンバーにセットされた赤外線透過窓の位置をそのままに維持すると、例えば赤外線を斜め上方から下方に照射する場合、移動に伴って赤外線透過窓を赤外線が通過する位置がズレてしまい、大きなサイズが必要となり不都合が生じる。このような場合には密閉チャンバーを上方に移動させることにより、赤外線照射手段と赤外線透過窓の位置は常に一定に維持でき、好都合である。
　したがって、本発明の単結晶製造方法では、組成を垂直方向，水平方向のいずれに対しても均質化した高品質な単結晶を、歩留まり良く製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造方法は、
　前記石英ルツボの底部中心部近傍に凹部が形成され、前記凹部内に前記種子結晶が設置されることを特徴とする。

　このように凹部を設けておくことにより、種子結晶を立てた状態に設置することができ、また凹部と種子結晶との隙間を極力少なくすることにより、種子結晶以外の部位から新たに粗雑な微結晶が生成するのを抑止することができる。

　なお、このような種子結晶は、上部が粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）と一緒に融解されるものの、中心部から下方は融解しない温度に維持される。このような状態を維持したまま粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）の投入を続け、融解が進むと融液の高さが次第に高くなり、１０ｍｍを超えると次第に上方から照射されている赤外線が融液の下部まで届かなくなる。

　すなわち、赤外線は粉末原料の融液に吸収され熱となり、粉末原料は融解されるものの赤外線は吸収されるので、融液の下方に届く赤外線の光量は次第に少なくなり、熱に変換されることも少なくなり、温度上昇が抑えられる。

　種子結晶は温度の下降につれて固化が開始されるが、単結晶の方位のままに単結晶として固化が継続される。この時、石英ルツボの底部に、中心部に向かって下がる勾配が設けられていると、中心部の種子結晶からの単結晶の成長が好適に持続されることとなる。
　この際、石英ルツボの内壁には、溶融シリコンと石英の溶着を抑止するための離型剤が塗布されており、この離型剤が塗布された離型剤部からの微結晶の成長を抑止する必要がある。そこで形成される融液の周辺部近傍には別に赤外線を照射して、この部位の温度を他の融液の平均温度よりも高く維持し、離型剤部からの微結晶の発生および微結晶の成長を抑止することにより、製品の周辺部を除く大部分は単結晶製品とすることが可能となる。

　この方法はいわゆる種子結晶を使用して大型単結晶を製造するブリッジマン法もしくはこれを改良したストックバーガー法と呼ばれる大型単結晶製造法の基本理念と同一である。ただし、ブリッジマン法では全部の粉末原料（結晶母材＋添加物）を始めに全て融解させてから底部から上方に単結晶化を進めるので、前述した通り上下方向に偏析に伴う添加物濃度の変動が生じてしまう。

　本発明の単結晶製造方法では、石英ルツボの底部の外側面および立壁部の外側面に配置した補助加熱装置を用いて、石英ルツボ内を１３００℃程度まで加熱しておき、ここに赤外線を照射してさらに１４５０℃程度まで加熱し粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）を融解しているが、形成される融液の高さ（厚み）は１０～１５ｍｍ程度に維持される。

　形成される融液の厚みは、密閉チャンバーの上蓋部に設けたジョイスティックから石英棒を降ろし、融液下部の固化物の位置を実測して計測することができる。このようにして粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）の投入，融解，固化を継続させ、所定の粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）の投入が終了したら赤外線の光量を徐々に減らし残った融液が完全に固化したら、全体を室温まで徐冷して製品を取り出す。
　これにより、添加物濃度を垂直方向，水平方向のいずれに対しても均質化した単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造方法は、
　前記粉末原料が、結晶母材粉末と添加物粉末とからなることを特徴とする。
　このように結晶母材粉末と添加物粉末であれば、容易に所望の組成割合とすることができる。例えばリンを添加したＮ型シリコン単結晶を育成しようとする際、最初に投入されるべき粉末原料は、リンの濃度が最適濃度組成の３倍の濃度とし、その量を定常状態に形成される融液相の量と同一の量を投入し、次いで最適濃度組成の粉末原料を固化の量と同一に制御して投入することにより、製造される単結晶の組成を概略、最初から最適濃度組成に合致させ、全体の良品率を向上させることができる。

　また、本発明の単結晶製造方法は、
　前記結晶母材粉末が、シリコン粉末であることを特徴とする。
　このように結晶母材粉末がシリコン粉末であれば、例えば半導体関連製品に用いられるシリコンの単結晶を製造することができる。

　また、本発明の単結晶製造方法は、
　前記添加物粉末が、リンまたはホウ素であることを特徴とする。
　このように添加物がリンまたはホウ素であれば、Ｎ型半導体シリコンあるいはＰ型半導体シリコンを製造することができる。この添加物粉末の投入については予め高濃度にこれら添加物を含有する結晶を作成しておき、シリコン粉末と同一の程度まで粉砕した添加物粉末を、シリコン粉末とは別に投入する方法と、シリコン粉末と添加物粉末とを混合した混合粉末を用意し、この混合粉末を投入する方法とが可能である。
　添加物としてはリン、ホウ素以外の例えばアンチモン、ヒ素、ガリウムなども同様にしてそれぞれの分配係数に対応した融液を形成させ固化する単結晶量と、投入する粉末原料の量とを同一の量に制御することにより、均質組成の単結晶製造が可能である。

　また上記の粉末原料の投入と固化とを継続している際に、石英ルツボの立壁部から新たな微結晶が生成してしまう場合がある。このような微結晶がこのまま成長して中心部の単結晶に入り込んでしまうと、全体の単結晶としての歩留まりが劣化するので、中心部の単結晶の周辺の石英ルツボの立壁部近傍の温度を、中心部よりもさらに数度以上高く維持することにより、このような微結晶が生じてもその影響を石英ルツボの立壁部に限定させることが可能となる。この際、石英ルツボは回転させておくことが好ましい。

　また、本発明の単結晶製造方法は、
　前記添加物粉末がリンの場合には、
　はじめに最適な添加物組成の３倍の濃度のリンを含有する組成で、定常状態時の融液相の量に相当する分量の粉末原料を石英ルツボ内に投入し、
　次いで所定の最適な濃度組成になるように分量を調整した粉末原料を、固化した分量に応じて前記石英ルツボ内に連続的に供給することを特徴とする。

　特に、添加物粉末としてリンを用いた単結晶の育成の初期には、融液組成が最適添加物濃度の約３倍であることが必要なので、最初に投入する粉末原料（結晶母材粉末＋リン（添加物粉末））の濃度を、この組成に合わせ、かつ定常状態の融液相の厚みに合わせた融液量を投入する。次いで固化した結晶の量と同一の量の最適濃度組成の粉末原料（結晶母材粉末＋リン（添加物粉末））の投入を継続できれば、生成する結晶の組成は最適濃度組成に合致し、最高品質の単結晶が高収量で得られる。

　また結晶製造の最終期、粉末原料（結晶母材粉末＋リン（添加物粉末））の投入が終了後、残った融液を固化させた部位の添加物濃度は、次第に濃く成り均質にはならないが、この部位の厚みを薄くしておくことで全体の歩留まりを劣化させることを抑止することができる。

　本発明の単結晶製造装置および単結晶製造方法によれば、単結晶の育成に合わせて結晶化した分と同量の粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）が石英ルツボ内へ連続的に供給され、これにより添加物濃度を垂直方向，水平方向のいずれに対しても最適濃度組成で均質化することが可能となる。

　さらには液面上側からの赤外線照射により粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）を完全に融解させることが可能となったことで負結晶の生成を抑え、かつ形成される融液相の厚みが薄いので融液と石英との反応により生成する一酸化ケイ素の発生を大幅に減じることにより、これら不純物の混入が少ない高品質で大型の単結晶を製造することができる。

図１は本発明の一実施例における単結晶製造装置の概略断面図である。 図２は、図１に示した単結晶製造装置の上面視方向から見た図であり、粉末原料の供給管の移動について説明するための説明図である。 図３は本発明の一実施例において、本発明の単結晶製造装置を用いて単結晶を製造する工程を示した工程図である。

　以下、本発明の実施の形態（実施例）を図面に基づいてより詳細に説明する。
　本発明の単結晶製造装置および単結晶製造方法は、例えば直径が８００～１０００ｍｍを超えるような大型の単結晶を、組成を最適組成に均質化しながら高効率に製造するためのものである。

　また、本明細書中で「種子結晶」とは、単結晶製造装置を使用して大口径の単結晶を製造するに当たり、結晶の最初の形態を指すものであり単結晶が使用される。この種子結晶から育成され全体が同一の方位を維持したものを「単結晶」と呼ぶ。これに対して個々には単結晶だがそれぞれが別の方位を有するものが集合したものを「多結晶」と呼ぶ。

　多結晶の場合には個々の単結晶同士の境界部では結晶としての方位がズレているので、発電効率の劣化に繋がるなどの不都合が生じる。したがって高性能なシリコン基板としては、全体が同一の方位でこのような結晶粒界（グレインバウンダリー）を含まない単結晶であることが望ましい。

＜単結晶製造装置２＞
　図１に示したように、本実施例の単結晶製造装置２は、内部を真空排気しアルゴンガスなどの不活性ガス雰囲気を保持することが可能にされた密閉チャンバー４の底部に、駆動装置６を構成する下面テーブル７と台座８とが設置されており、台座８の上に、断面略円筒状のカーボン製ルツボ２２を介して、同じく断面略円筒状の石英ルツボ１０がセットされている。なお、密閉チャンバー４は水冷構造であり、内部の温度調整を効率的に行えるものである。

　一方、密閉チャンバー４の上方には、上述した駆動装置６の回転軸１２の軸芯から外れた位置にミラーステージ４８を介して赤外線照射手段３０が設置されており、ミラーステージ４８はミラーステージ駆動手段５４により、上下方向に移動可能に構成されている。

　この赤外線照射手段３０では、赤外線ランプ３２から発せられた赤外線３４が楕円面反射鏡３６の内側面で反射し、その反射光が石英ルツボ１０内を加熱するようになっている。

　なお赤外線ランプ３２としては、ハロゲンランプ、キセノンランプなどが使用可能である。このような赤外線照射手段３０は、１つに限定されず、複数個設けても良いものである。

　また赤外線照射手段３０は、上記した赤外線ランプ３２および楕円面反射鏡３６から成るもの以外に、半導体レーザモジュール（図示せず）であっても構わないものである。
　さらに、石英ルツボ１０の立壁部１１近傍は、赤外線照射手段３０とは別に、例えば、照射域が５～１０ｍｍ程度である赤外線３４を照射可能な赤外線局所照射手段３３で照射することが好ましい。赤外線局所照射手段３３により、石英ルツボ１０内に形成される融液の周辺部近傍に赤外線３４を照射し、石英ルツボ１０内に形成される融液の周辺部近傍の温度を、石英ルツボ１０内全域の融液の温度よりも高められる。なお、赤外線局所照射手段３３によって高められる石英ルツボ１０内に形成される融液の周辺部近傍の温度は、石英ルツボ１０内全域の温度よりも少なくとも３℃以上高いことが好ましい。

　このような赤外線局所照射手段３３は、上記した赤外線照射手段３０と同様、ミラーステージ４８に設置され、ミラーステージ４８の移動により、上下方向に移動可能に構成されている。なお、このような赤外線局所照射手段３３としては、半導体レーザモジュール（図示せず）を用いることが好ましいが、上述したような赤外線ランプでも構わないものである。

　さらに密閉チャンバー４の上方には、粉末原料供給手段６８が配設され、この粉末原料供給手段６８は、粉末原料２４を収容するホッパー６６と、このホッパー６６内の粉末原料２４を石英ルツボ１０内の所定位置に所定量供給する供給調整部６４と、この供給調整部６４の下端に設けられ、石英ルツボ１０内に粉末原料２４を供給する供給管７２と、を備えている。

　供給調整部６４は、石英ルツボ１０内に供給される粉末原料２４の供給速度を調整する供給速度調整手段６２と、供給位置を調整する供給位置調整手段６０を備えており、これにより単結晶の育成具合に応じて粉末原料２４の供給調整をすることができる。

　またホッパー６６は、本実施形態においては結晶母材粉末（シリコン粉末）と添加物粉末とが混合された混合粉末を収容する混合粉末用ホッパーであり、これにより粉末原料２４の組成割合を確実に一定に維持することができる。

　ただし、この場合には種子結晶１８上に最初に形成される融液相の添加物濃度は、粉末原料２４中の添加物濃度よりも分配係数で規定された比で高い濃度が必要となる。そこで予め高い濃度で必要な分量の溶媒相相当分の固形物を別に作成して種子結晶１８上に配置し、これを最初に融解して溶媒相を形成させてから粉末原料２４の供給を開始すれば、全域に渡って均質組成の単結晶を製造することができる。

　なお本実施形態ではホッパー６６として混合粉末用ホッパーを用いたが、これに限定されるものではなく、例えば結晶母材粉末（シリコン粉末）を収容する結晶母材粉末用ホッパー（シリコン粉末用ホッパー）と、添加物粉末を収容する添加物粉末用ホッパーと、の両方からなるホッパー６６を用いても良いものである。

　このように結晶母材粉末用ホッパー（シリコン粉末用ホッパー）と添加物粉末用ホッパーの両方を用いれば、供給調整部６４にて容易に所望の組成割合とすることができる。
　例えばリンを添加したＮ型シリコン単結晶を育成しようとする際、最初に投入されるべき粉末原料２４は、リンの濃度が最適濃度組成の３倍の濃度とし、その量を定常状態に形成される融液相の量と同一の量を投入し、次いで最適濃度組成の粉末原料２４を固化の量と同一に制御して投入することにより、製造される単結晶の組成を概略、最初から最適濃度組成に合致させ、全体の良品率を向上させることができる。

　また上記した結晶母材粉末用ホッパー（シリコン粉末用ホッパー）と添加物粉末用ホッパーの組合せの代わりに、結晶母材粉末用ホッパー（シリコン粉末用ホッパー）と結晶母材粉末用ホッパー（シリコン粉末用ホッパー）および添加物粉末とが混合された混合粉末を収容する混合粉末用ホッパーの組み合わせを用いても良いものである。

　このようなホッパー６６の上端には、粉末原料２４を収容する粉末原料収容容器７０が着脱自在に取り付けられるようになっている（図１は、粉末原料収容容器７０が取り外された状態である）。

　このような粉末原料収容容器７０を用いれば、単結晶製造装置２を起動して単結晶を製造している最中であっても、新たに粉末原料２４を補給することができ、極端に大型の粉末原料収容容器７０をホッパー６６上で保持しなくても、随時、必要量の粉末原料２４を連続的に石英ルツボ１０内に供給可能となり、単結晶製造装置２の大型化を避けることができる。

　なお、粉末原料収容容器７０は、ホッパー６６の仕様に合わされて構成されることが好ましく、例えば本実施形態のように、ホッパー６６がシリコン粉末と添加物粉末とが混合された混合粉末を収容する混合粉末用ホッパーであれば、粉末原料収容容器７０は、混合粉末が収容される構成であることが好ましい。

　また、ホッパー６６が結晶母材粉末用ホッパー（シリコン粉末用ホッパー）と添加物粉末用ホッパーの組合せからなるような場合には、粉末原料収容容器７０を結晶母材粉末用容器（シリコン粉末用容器）と添加物粉末用容器の組合せとすれば良い。

　さらに粉末原料２４の供給管７２は、供給管７２の上部に設けられた供給調整部６４によって、粉末原料２４を石英ルツボ１０内の種子結晶１８上の所定位置に所定量供給するようになっている。

　供給管７２は、図２に示したように、石英ルツボ１０内の種子結晶１８上であり、種子結晶１８の上部中心の位置から立壁部１１の位置の間を移動可能に構成されている。
　なお、供給管７２による粉末原料２４の供給位置や供給量については、供給調整部６４の供給位置調整手段６０や供給速度調整手段６２を用いて決められるようにすることが望ましい。

　例えば、石英ルツボ１０の中心部付近では粉末原料２４の供給量を抑え、石英ルツボ１０の立壁部１１に向かうにつれて、供給量を増すようにするなどすれば、石英ルツボ１０内に供給される粉末原料２４がどの位置でも偏ることがないため、確実に溶融させることができ、また組成を垂直方向，水平方向のいずれに対しても最適添加物濃度で均質化した単結晶を製造することができる。

　このような供給管７２の材質は、石英製であることが好ましい。石英は赤外線３４を吸収しないので赤外線源からの迷光を吸収して温度が上がってしまうことが無く、また表面が滑らかなので粉末原料２４の滞留を少なくすることができ好ましい。

　上記した駆動装置６は、密閉チャンバー４内に配置された下面テーブル７を支持している回転軸１２に、ベルト１４を介して回転力を伝達するものであり、台座８上に設置された石英ルツボ１０は、ベルト１４からの力を受けて所定の速度で回転する。

　したがって溶融時には、石英ルツボ１０内に投入された粉末原料２４をまんべんなく加熱することができる。
　上記石英ルツボ１０の底部には、中心部に向かって３～６０度下がる、好ましくは５～３０度下がる勾配（傾斜角α）が設けられている。この勾配（傾斜角α）を小さくするほどに途中から別の結晶が成長を開始してしまう恐れが増大する。傾斜角αを大きくし過ぎると石英ルツボ１０の立壁部１１までの間の生成物は、規格サイズ外となるので製品歩留まりが劣化してしまう。

　上記石英ルツボ１０の底部中心部近傍には筒状の凹部１６が形成されている。このような凹部１６の内径は例えば５ｃｍ、高さは例えば１０ｃｍである。このような凹部１６を設けておくことにより、例えば、シリコンの種子結晶１８を立てた状態に設置することができ、また凹部１６と種子結晶１８との隙間を極力少なくすることにより、種子結晶１８以外の部位から新たに粗雑な微結晶が生成するのを抑止することができる。

　なお、この凹部１６は図１に示したように石英ルツボ１０に直接設ける以外にも、図示しないが、例えば石英ルツボ１０の底部中心部に穴を設け、この穴内に別途製造しておいた石英製で切頭円錐状の凹状部材を嵌入することで凹部１６を形成しても構わないものである。

　この場合、特に穴の周縁部にテーパーを付し、凹状部材の外縁部にも略同じテーパーを付することで、両部材間に生ずる隙間を極力無くすことができる。これにより、この接合部からの融液の漏れを抑止することが可能となる。

　石英ルツボ１０の底部の外側面および立壁部１１の外側面には、補助加熱手段として、カーボンヒーター２０が設置されている。このカーボンヒーター２０は、石英ルツボ１０の内方のシリコンの種子結晶１８に直接熱が加わらないように、凹部１６の壁面から離反して設置されることが好ましい。

　一方、石英ルツボ１０と赤外線照射手段３０との間には、赤外線透過窓４６が設置されている。赤外線透過窓４６は、赤外線照射手段３０および赤外線局所照射手段３３による赤外線３４の照射通路上に設ければ良い。なお、赤外線透過窓４６の材質は、赤外線３４を透過可能な材質で有れば特に限定されないものであるが、例えば石英製であることが好ましい。

　赤外線照射手段３０および赤外線局所照射手段３３からの赤外線３４が、常に赤外線透過窓４６から石英ルツボ１０内に入射されるよう、石英ルツボ１０は単結晶の育成速度に合わせて、所定の速度で上下方向に昇降可能であることが好ましい。

　また、同様に密閉チャンバー４は、密閉チャンバー４の外側に配置された赤外線照射手段３０とともに上下方向に移動可能に構成されることが好ましい。
　このような場合には、駆動装置６に石英ルツボ１０の上下動と密閉チャンバー４の上下動の機能を付与しておけば良い。

　また、このような赤外線透過窓４６の内面には、石英ルツボ１０中の蒸発物が付着し易いため、赤外線透過窓４６のルツボ側外周縁部には、蒸発物付着防止手段４４が具備されることが好ましい。

　このような蒸発物付着防止手段４４は、赤外線透過窓４６の周囲にガス噴出手段を設けておき、そこからアルゴンガスなどを赤外線透過窓４６に吹き付けるよう構成されたものである。
　本発明の一実施例に係る単結晶製造装置２は上記のように構成されているが、以下に、単結晶製造装置２を用いた単結晶製造方法について説明する。なお、図３において、粉末原料２４を楕円状としているが、図示しやすいよう便宜上そのようにしたものであって、粒径や粒形、粒子の大きさを限定するものではないものである。

＜単結晶製造方法＞
　先ず、石英ルツボ１０の底部中心部近傍に設けた凹部１６内に、図３（ａ）に示したように、シリコンの種子結晶１８が設置される。

　次いで密閉チャンバー４を密閉し、図示しない排気手段により密閉チャンバー４の内部の雰囲気が真空排気され、さらに蒸発物付着防止手段４４の機能を兼ね備えたガス噴出手段からアルゴンガスなどの不活性の雰囲気ガスが密閉チャンバー４内に導入される。

　一方、石英ルツボ１０の底部の外側面および立壁部１１の外側面に設けたカーボンヒーター２０の駆動が開始され、これにより、石英ルツボ１０の下部側が１３００℃程度に加熱される。このとき、カーボンヒーター２０は石英ルツボ１０の凹部１６から離反して設置されているので、種子結晶１８に大きな熱が加えられることはない。

　なお、石英ルツボ１０内側表面に、窒化ケイ素からなる剥離剤を塗布しておくことが好ましい。これにより最終的に製造されたシリコンの単結晶を石英ルツボ１０から剥離させる際に、剥離させ易くすることができる。

　次いで、粉末原料供給手段６８から、予め所定の組成割合にシリコン粉末と添加物粉末とが混合された混合粉末（粉末原料２４）が、石英ルツボ１０内に供給される。
　これにより、図３（ｂ）に示したように、石英ルツボ１０の底部に、粉末原料２４が蓄積される。

　さらに石英ルツボ１０の上方に位置する赤外線照射手段３０の赤外線ランプ３２から石英ルツボ１０内へ赤外線３４を照射して粉末原料２４を融解させる。なお、これらの融解は石英ルツボ１０を回転させながら行う。

　そして、融解が開始してしばらくの間は、粉末原料供給手段６８からの粉末原料２４の供給が行われる。

　赤外線照射手段３０からの赤外線３４の照射により、石英ルツボ１０の上部側で粉末原料２４を融解させて液状化させ、そこへ未だ融解していない粉末原料２４を供給すると、液状化した原料融液５０上に粉末原料２４が浮くようになる。そして、また液状化した原料融液５０上に浮いた粉末原料２４を融解させることで、徐々に融液の液面を上げ、図３（ｃ）に示したように、融解した原料融液５０が石英ルツボ１０内に次第に貯まっていく。

　原料融液５０の厚さが、例えば１０ｍｍを超えると、その下方には赤外線３４が届かなくなるので原料融液５０の温度が低下し、その結果、図３（ｄ）に示したように、石英ルツボ１０の中心部に配置した種子結晶１８の上側から固化が始まる。

　このまま図３（ｅ）に示したように、シリコン粉末原料および添加物粉末からなる粉末原料２４の投入、融解、下部での固化が継続され、石英ルツボ１０の立壁部１１に達すると上方への固化が継続される。この際、赤外線局所照射手段３３を作動させ石英ルツボ１０の立壁部１１の温度を周辺よりも数度、高くなるように維持する。

　所定量の粉末原料２４を投入し終え、図３（ｆ）に示したように完全に融解したら、赤外線照射手段３０および赤外線局所照射手段３３のランプパワーを徐々に下げる。

　そして図３（ｇ）に示したように、全体を固化物５２（単結晶）とする。
　全体の固化が完了したら、徐々に温度を下げ、室温まで冷却してから密閉チャンバー４が開かれて、石英ルツボ１０内の固化物５２（単結晶）が取り出される。

　なお本実施例では、全製造工程を通して固化物５２の表面形状ができるだけ平坦に維持できるよう、赤外線３４の照射量分布を工夫している。それと同時に融液の石英ルツボ１０と接する部位（立壁部１１近傍）には、赤外線局所照射手段３３により、石英ルツボ１０内全域を温める赤外線照射手段３０の照射光量の２～７％程度高い光量、好ましくは２～５％程度高い光量を照射することにより、石英ルツボ１０の立壁部１１近傍の温度を、例えば石英ルツボ１０内全域の温度よりも３℃以上、好ましくは５℃以上高めて、石英ルツボ１０の表面部位からの結晶化を遅らせることが好ましい。

　これにより、例えこの部位から新たな微結晶の成長が開始されてもそれよりも内側の大型の単結晶の成長が先に進むので、後から遅れて来る微結晶が内側の大型の単結晶の成長に悪影響を及ぼすことを防止することができる。

　以上のように、本発明の単結晶製造装置２および単結晶製造方法では、原料であるシリコン粉末原料と添加物粉末からなる粉末原料２４の石英ルツボ１０内への供給と、これらの融解から固化までを連続的に行っている。すなわち、固化した分と同量の粉末原料２４を連続的に石英ルツボ１０内へ供給しながら単結晶を製造していくため、結晶中の組成を均質化させることができる。

　これにより、太陽光発電に使用した際に最高の変換効率を実現できる添加物濃度で均質な組成の高品質単結晶が製造可能となり、最適組成の単結晶を歩留まり良く製造することができ、ひいては製造コストのコストダウンに寄与することができる。
　以上、本発明の単結晶製造装置２およびこの単結晶製造装置２を使用した単結晶製造方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。

　例えば、上記実施例では、カーボンヒーター２０を石英ルツボ１０の下面に設置して補助加熱手段としたが、補助加熱手段はカーボンヒーター２０に何ら限定されない。またカーボンヒーター２０に代わる他の補助加熱手段により、石英ルツボ１０の外側面の一部を加熱することもできるものである。

　さらに石英ルツボ１０は、略円筒状として説明したが、これについても限定されるものではなく、略四角筒状とした石英ルツボ１０であっても良く、本発明の目的を逸脱しない範囲での種々の変更が可能なものである。

　また、上記実施例では、Ｎ型半導体を製造する場合にはシリコン粉末原料に添加物粉末としてリンを、Ｐ型半導体を製造する場合にはシリコン粉末原料に添加物粉末としてホウ素を、混入させて粉末原料２４としている。また、シリコン粉末原料と、リンやホウ素などの添加物粉末とを別々に供給すれば、添加物の濃度を適宜変更できるという利点がある。しかしながら、多くの場合、最適濃度は既知であるため、それに合わせた組成比の粉末原料（シリコン粉末原料＋添加物粉末）２４を作成し、一度に供給することが効率的である。

　このようにシリコン粉末原料と添加物粉末とを予め混合した粉末原料２４を一度に供給するようにすれば、効率的であり生産性が向上する。
　また、上記実施例では、粉末原料２４等の粒度については特に言及していないが、これらの粒度が大きすぎると融解させるのに時間がかかり、かつ石英ルツボ１０内に落下した際に融液相を通過して沈み、下方の固化物５２の表面に到着してしまうことがある。仮に固化物５２の表面に粉末原料２４等が到着してしまうと、その粉末原料２４等が固化物５２に取り込まれ、ここから別の結晶が成長を開始してしまう傾向がある。

　一方、粉末原料２４等の粒度があまりに細かすぎると、石英ルツボ１０に向かって落下させた際に周辺に舞い散ることになるので、制御性が劣化する。したがって、予め混合された粉末原料２４の粒子の直径は０．１～０．５ｍｍ程度の大きさであることが好ましい。

　また、上記実施例においては詳述していないが、石英ルツボ１０内に粉末原料２４を供給する場合には、石英ルツボ１０の円形の平面に対し、円の中心部から円の外周面近傍に亘って均一に供給することが必要である。

　したがって、図２に示したように、例えば円形の石英ルツボ１０に対し、石英ルツボ１０を回転させながら例えば粉末原料供給手段６８の供給管７２が、石英ルツボ１０の中心部近傍では移動速度を早くし、立壁部１１近傍に近づくにつれて移動速度を遅くするよう速度を制御することにより、石英ルツボ１０の全面に均等に粉末原料（結晶母材粉末＋添加物粉末）２４を供給することが可能となる。

　また上記実施形態では、結晶母材粉末としてシリコン粉末を用いた場合を例に説明をしたが、これに限定されるものではなく、製造しようとする物質に合わせて用意した粉末を用いることができる。
　このように本発明の単結晶製造装置２は、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能なものである。

２       単結晶製造装置
４       密閉チャンバー
６       駆動装置
７       下面テーブル
８       台座
１０     石英ルツボ
１１     立壁部
１２     回転軸
１４     ベルト
１６     凹部
１８     種子結晶
２０     カーボンヒーター
２２     カーボン製ルツボ
２４     粉末原料
３０     赤外線照射手段
３２     赤外線ランプ
３３     赤外線局所照射手段
３４     赤外線
３６     楕円面反射鏡
４４     蒸発物付着防止手段
４６     赤外線透過窓
４８     ミラーステージ
５０     原料融液
５２     固化物
５４     ミラーステージ駆動手段
６０     供給位置調整手段
６２     供給速度調整手段
６４     供給調整部
６６     ホッパー
６８     粉末原料供給手段
７０     粉末原料収容容器
７２     供給管
α       傾斜角

Claims (32)

1. 　底部に種子結晶が設置される石英ルツボと、
   　前記石英ルツボ内に粉末原料を供給する粉末原料供給手段と、
   　前記粉末原料供給手段を介して石英ルツボ内に供給された粉末原料に赤外線を照射する赤外線照射手段と、
   　を少なくとも備え、
   　前記赤外線照射手段から前記石英ルツボ内に赤外線を照射することにより前記粉末原料を溶融，固化させ、前記石英ルツボ内で単結晶を製造する単結晶製造装置であって、
   　前記単結晶製造装置は、
   　前記粉末原料供給手段で石英ルツボ内に粉末原料を供給しながら、前記供給された粉末原料に赤外線照射手段で赤外線を照射するとともに、
   　前記粉末原料供給手段が、溶融された粉末原料が固化した分量に応じて、前記粉末原料を前記石英ルツボ内に連続的に供給するよう構成されていることを特徴とする単結晶製造装置。
2. 　前記石英ルツボの底部の外側面および立壁部の外側面には、補助加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. 　前記粉末原料供給手段が、
   　前記粉末原料を収容するホッパーと、
   　前記ホッパー内の粉末原料を石英ルツボ内の所定位置に所定量供給する供給調整部と、
   　前記供給調整部の下端に設けられ、前記石英ルツボ内に粉末原料を供給する供給管と、
   　を有することを特徴とする請求項１または２に記載の単結晶製造装置。
4. 　前記供給調整部が、
   　前記石英ルツボ内に供給される前記粉末原料の供給速度を調整する供給速度調整手段を有することを特徴とする請求項３に記載の単結晶製造装置。
5. 　前記供給調整部が、
   　前記石英ルツボ内に供給される前記粉末原料の供給位置を調整する供給位置調整手段を有することを特徴とする請求項３または４に記載の単結晶製造装置。
6. 　前記ホッパーには、
   　前記粉末原料を収容する粉末原料収容容器が着脱自在に取り付けられるよう構成されていることを特徴とする請求項３～５のいずれかに記載の単結晶製造装置。
7. 　前記ホッパーが、
   　結晶母材粉末を収容する結晶母材粉末用ホッパーと、
   　添加物粉末を収容する添加物粉末用ホッパーと、から構成されていることを特徴とする請求項３～６のいずれかに記載の単結晶製造装置。
8. 　前記ホッパーが、
   　結晶母材粉末および添加物粉末とが混合された混合粉末を収容する混合粉末用ホッパーであることを特徴とする請求項３～６のいずれかに記載の単結晶製造装置。
9. 　前記ホッパーが、
   　結晶母材粉末を収容する結晶母材粉末用ホッパーと、
   　結晶母材粉末および添加物粉末とが混合された混合粉末を収容する混合粉末用ホッパーと、から構成されていることを特徴とする請求項３～６のいずれかに記載の単結晶製造装置。
10. 　前記結晶母材粉末が、シリコン粉末であることを特徴とする請求項７～９のいずれかに記載の単結晶製造装置。
11. 　前記石英ルツボの底部中心部近傍に凹部が形成され、前記凹部内に前記種子結晶が設置されることを特徴とする請求項１～１０のいずれかに記載の単結晶製造装置。
12. 　前記石英ルツボの底部には、中心部に向かって下がる勾配が設けられ、前記勾配は３～６０度の範囲内であることを特徴とする請求項１～１１のいずれかに記載の単結晶製造装置。
13. 　前記石英ルツボは、カーボン製ルツボ内に収められていることを特徴とする請求項１～１２のいずれかに記載の単結晶製造装置。
14. 　前記赤外線照射手段が、
    　内面を反射面として使用する楕円面反射鏡と、
    　前記楕円面反射鏡の底部側の第１焦点位置に設けられた赤外線ランプと、
    　を備えることを特徴とする請求項１～１３のいずれかに記載の単結晶製造装置。
15. 　前記赤外線ランプが、
    　ハロゲンランプまたはキセノンランプであることを特徴とする請求項１４に記載の単結晶製造装置。
16. 　前記赤外線照射手段が、
    　前記赤外線のレーザ光を照射する半導体レーザモジュールであることを特徴とする請求項１～１３のいずれかに記載の単結晶製造装置。
17. 　前記赤外線照射手段が、複数設けられていることを特徴とする請求項１～１６のいずれかに記載の単結晶製造装置。
18. 　前記赤外線照射手段とは別に、前記石英ルツボ内で形成される融液の周辺部のみに赤外線を照射して、前記石英ルツボ内で形成される融液の周辺部近傍の温度を前記石英ルツボ内全域の融液の温度よりも高める赤外線局所照射手段をさらに有することを特徴とする請求項１～１７のいずれかに記載の単結晶製造装置。
19. 　前記赤外線照射手段と前記石英ルツボとの間には、前記赤外線照射手段および／または前記赤外線局所照射手段から照射された前記赤外線を透過する赤外線透過窓が設置されていることを特徴とする請求項１８に記載の単結晶製造装置。
20. 　前記赤外線透過窓のルツボ側外周縁部には、蒸発物付着防止手段が具備されていることを特徴とする請求項１９に記載の単結晶製造装置。
21. 　前記石英ルツボが、回転可能に構成されていることを特徴とする請求項１～２０のいずれかに記載の単結晶製造装置。
22. 　前記石英ルツボが、所定の速度で上下方向に昇降可能に構成されていることを特徴とする請求項１～２１のいずれかに記載の単結晶製造装置。
23. 　前記石英ルツボおよび補助加熱手段は、真空排気可能な密閉チャンバー内に収容されていることを特徴とする請求項２～２２のいずれかに記載の単結晶製造装置。
24. 　前記密閉チャンバーは、水冷構造であることを特徴とする請求項２３に記載の単結晶製造装置。
25. 　前記密閉チャンバーは、前記密閉チャンバーの外側に配置された前記赤外線照射手段とともに上下方向に移動可能に構成されていることを特徴とする請求項２３または２４に記載の単結晶製造装置。
26. 　前記添加物粉末が、リンまたはホウ素であることを特徴とする請求項１～２５のいずれかに記載の単結晶製造装置。
27. 　石英ルツボの底部に種子結晶を設置するとともに、前記石英ルツボ内に粉末原料を供給し、その後、前記石英ルツボ内に赤外線を照射して前記粉末原料を溶融，固化させて単結晶を製造する単結晶製造方法であって、
    　前記粉末原料は、前記石英ルツボ内で固化した分量に応じて前記石英ルツボ内に連続的に供給されることを特徴とする単結晶製造方法。
28. 　前記石英ルツボの底部中心部近傍に凹部が形成され、前記凹部内に前記種子結晶が設置されることを特徴とする請求項２７に記載の単結晶製造方法。
29. 　前記粉末原料が、結晶母材粉末と添加物粉末とからなることを特徴とする請求項２７または２８に記載の単結晶製造方法。
30. 　前記結晶母材粉末が、シリコン粉末であることを特徴とする請求項２９に記載の単結晶製造方法。
31. 　前記添加物粉末が、リンまたはホウ素であることを特徴とする請求項２９または３０に記載の単結晶製造方法。
32. 　前記添加物粉末がリンの場合には、
    　はじめに最適な添加物組成の３倍の濃度のリンを含有する組成で、定常状態時の融液相の量に相当する分量の粉末原料を石英ルツボ内に投入し、
    　次いで所定の最適な濃度組成になるように分量を調整した粉末原料を、固化した分量に応じて前記石英ルツボ内に連続的に供給することを特徴とする請求項３１に記載の単結晶製造方法。

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