(57)【要約】      （修正有）【課題】石英坩堝のより長期的な使用を可能とし、しかも稼働効率の改善を図ることができる結晶成長装置及び結晶成長方法を提供する。【解決手段】結晶成長装置は、石英坩堝１を備えた結晶成長炉９と、原料溶融炉１０と、前記原料溶融炉１０から溶融原料３を前記石英坩堝１に繰り返し供給する供給手段２２とを備える。前記結晶成長炉９は前記溶融原料３を供給する供給口を有し、前記供給口は、前記原料溶融炉１０に対し接離自在２１となっていてもよい。また、前記原料溶融炉１０の周囲に前記結晶成長炉９の複数が配置されていてもよい。更に、前記原料溶融炉１０は不溶解物質分離手段を備えていてもよい。また、結晶成長方法では、石英坩堝１に、予め溶かした溶融原料３を充填する。結晶成長方法において、前記充填の前に、前記溶融原料３から不溶解物質を除去してもよい。【選択図】図１
2010126377.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英坩堝を備えた結晶成長炉と、原料溶融炉と、前記原料溶融炉から溶融原料を前記石英坩堝に繰り返し供給する供給手段とを備えることを特徴とする結晶成長装置。
【請求項２】
前記結晶成長炉は前記溶融原料を供給する供給口を有し、前記供給口は、前記原料溶融炉に対し接離自在となっている請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記原料溶融炉の周囲に前記結晶成長炉の複数が配置されている請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
前記原料溶融炉は不溶解物質分離手段を備える請求項１、２又は３に記載の結晶成長装置。
【請求項５】
石英坩堝に、予め溶かした溶融原料を供給することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項６】
前記充填の前に、前記溶融原料から不溶解物質を除去する請求項５に記載の結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体材料、太陽電池として用いるシリコンの結晶成長装置及び結晶成長方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体用のシリコン結晶成長方法として、チョクラルスキー法（ＣＺ法）や一方向凝固法（ＶＧＦ法）が広く使用されている。このＣＺ法または一方向凝固法（ＶＧＦ法）は、大口径結晶の成長を行なう上で優れているが、省資源・省エネルギーという観点では、幾つかの問題点がある。そして、そのような問題点の一つとして、一バッチごとの石英坩堝の頻繁な交換を要することが挙げられる。すなわち、ＣＺ法または一方向凝固法（ＶＧＦ法）では、石英ルツボ内に充填した多結晶シリコンを溶解し、その融液からシリコン結晶を製造するが、石英ルツボの内表面は高温のシリコン融液に曝され劣化するため、シリコン結晶を一つ或いは数個作成する都度、交換する必要があった。
【０００３】
そこで、石英坩堝の劣化を低減し、或いは一つの石英坩堝から生産できるシリコン結晶の数を増やすなど、石英坩堝の交換頻度を低減する方法が考案されている。そして、そのような方法として、例えば、特開２０００−２４７７８８号公報（特許文献１）に開示されたシリコン単結晶の製造方法や、特開２００４−３３８９７８号公報（特許文献２）に開示されたシリコン単結晶引上方法がある。
【０００４】
上記特許文献１に開示された製造方法によれば、石英坩堝内のシリコン融液に対して磁場を印加することにより、石英坩堝内表面の劣化を抑制し、石英坩堝の寿命を長くすることができる。そして、石英坩堝を用いてシリコン結晶を製造する時間を１００時間以上に長期安定化することができる。
【０００５】
また、特許文献２に開示されたシリコン単結晶引上方法によれば、従来のリチャージ方法で行われていた引上終了毎に引上チャンバを開き、結晶を取出す操作を繰返すことなく、１個の石英坩堝から繰返しリチャージしながらシリコン結晶を連続的に引上げることができる。また、従来のように結晶引上終了毎に行われるゲートバルブの開閉操作と引上結晶の取出し操作が省略可能となり、従来に比して稼働率が向上し、かつ上記開閉及び取出し操作に起因する炉内の汚染が防止され、より良品率の高い引上が可能となる。
【特許文献１】特開２０００−２４７７８８号公報
【特許文献２】特開２００４−３３８９７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
石英は硬い鉱物であるため、機械強度的には、より長期的な使用も理論上は可能であり、より長期間の使用を可能とすることが社会的要請といえる。ところが、石英坩堝は、シリコンの溶解温度で保持する時間が存在する限り、結晶製造工程で最も高い温度域での使用となるため、シリコン融液との界面、特に融液表面の接触部における侵食が多くなり、上記特許文献１や特許文献２に開示された方法でも、石英坩堝の交換頻度を十分に低減することはできなかった。
【０００７】
一方、従来の方法には、石英坩堝の交換頻度が多いという問題の他、稼動効率が悪いという問題もあった。例えば、太陽電池用の一方向凝固を行うＶＧＦ法では、結晶を製造するにあたりシリコンを溶融させる間は結晶を成長させることができず、この溶融時間が無駄になるという問題があった。また、一方向凝固法（ＶＧＦ法）では、溶解時に大型るつぼの変形や破損が生じる可能性があり、不溶解物質の除去を行うことができなかった。
【０００８】
そこで、本発明は、石英坩堝のより長期的な使用を可能とし、しかも稼働効率の改善を図ることができる結晶成長装置及び結晶成長方法を提供することを目的とする。また、一方向凝固法（ＶＧＦ法）では、溶解時に大型るつぼの変形や破損を抑え、事前に溶融を作り、供給することで、炉の安全と稼働率向上、不溶解物質の除去を行った後結晶成長が行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る結晶成長装置は、石英坩堝を備えた結晶成長炉と、原料溶融炉と、前記原料溶融炉から溶融原料を前記石英坩堝に繰り返し供給する供給手段とを備える。
【００１０】
前記結晶成長炉は前記溶融原料を供給する供給口を有し、前記供給口は、前記原料溶融炉に対し接離自在となっていてもよい。
【００１１】
前記原料溶融炉の周囲に前記結晶成長炉の複数が配置されていてもよい。
【００１２】
前記原料溶融炉は不溶解物質分離手段を備えていてもよい。
【００１３】
本発明に係る結晶成長方法では、石英坩堝に、予め溶かした溶融原料を充填する。
【００１４】
本発明に係る結晶成長方法において、前記充填の前に、前記溶融原料から不溶解物質を除去してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る結晶成長装置及び結晶製造方法によれば、石英坩堝は結晶を生成するための原料の溶融には使用されず、予め溶かした溶融原料を受け入れるのみであるため、内面が損傷することがない。すなわち、石英の軟化点温度に近づけて多結晶原料を溶解する必要がなく、石英の変形すらも少ない。また、従来のリチャージ方法では、固体原料シリコンを溶解する無駄時間が伴うが、短時間で結晶成長作業に移行することができる従って、石英坩堝のより長期的な使用を可能とし、しかも稼働効率の改善を図ることができる。
【００１６】
また、溶融原料を石英坩堝へ充填する前に、そこから不純物を伴う不溶解物質を除去することとすれば、原料を再利用する場合にも、不溶解物質が溶融原料に混入することに起因する結晶不良を防止できる。従って、原料中の不溶解物質による結晶の品質低下、結晶崩れを低減し、低コスト原料の使用を可能とし、かつ石英坩堝の長期的な使用が可能となる。
【００１７】
更に、本発明に係る結晶成長装置において、結晶成長炉が、原料溶融炉に対し接離自在の供給口を有していれば、結晶成長炉と原料溶融炉は、石英坩堝に溶融原料を供給するときにのみ結合させ、それ以外のときには分離した状態を維持することができる。従って、結晶成長炉における圧力管理をより正確に行うことが可能となり、石英坩堝のより長期的な使用が可能となる。
【００１８】
更にまた、原料溶融炉に対し接離自在の供給口を有する結晶成長炉の複数を原料溶融炉の周囲に配置すれば、複数の結晶成長炉を一度に稼動でき、装置全体の稼動効率を更に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１及び図２に本発明に係る結晶成長装置の要部の概略構成を示す。図１は結合された状態にある結晶引上炉と原料溶融炉を示す側面図、図２は結晶引上炉と原料溶融炉の配置関係を示す平面図である。なお、装置の概略を理解しやすく説明する便宜上、各部の大きさや形状は各図において適宜調整されており、各図間で一致しない場合がある。
【００２０】
この装置は、ＣＺ法による結晶の引き上げを行う４つの結晶引上炉９を備える。この結晶引上炉９は、石英坩堝１と、この石英坩堝１を収容する真空チャンバ２で構成され、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガスの雰囲気で、溶融原料３の維持や、結晶４の引き上げ操作を行うことができるものとなっている。真空チャンバ２には、引き上げられた結晶４の取り出しと、石英坩堝１への原料充填を行う際に開閉するメインゲートバルブ５及びサブゲートバルブ６が設けられている。更に、真空チャンバ２の内部には、結晶４の引き上げ機構７が設けられている。
【００２１】
また、この装置は、原料溶融炉１０を備える。原料溶融炉１０は、溶融坩堝１１と、この溶融坩堝１１を収容する真空チャンバ１２で構成され、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガスの雰囲気で、結晶の原料を、溶融坩堝１１で溶かすことができる。また、溶融坩堝１１の上方には、溶融坩堝１１に固形原料（多結晶シリコンなど）を供給ためのホッパー１３が設けられ、このホッパー１３の下部から伸びる供給路１４を経て、固形原料が溶融坩堝１１に供給されている。一方、原料溶融炉１０の真空チャンバ１２は、固形原料を充填するためのゲートバルブ１５が設けられ、ホッパー内の固形原料が少なくなると、このゲートバルブ１５を介し、原料補充を行う構造となっている。なお、ゲートバルブ１５は、原料補充の際に炉内雰囲気を悪化させないための、図示しないエアーロック構造を有する。
【００２２】
前記結晶引上炉９は、図２に示すように、原料溶融路１０を中心とし、その周囲に等間隔で配置されている。そして、結晶引上炉９と原料溶融炉１０の間には、溶融原料３の供給装置２０が設けられている。供給装置２０は、結晶引上炉９と原料溶融炉１０を気密に連結する蛇管構造部２１と、蛇管構造部２１内で溶融坩堝３から石英坩堝１に至る供給管２２とで構成される。供給管２２は、透明石英管の外周に加熱コイルを巻き断熱材で覆ったもので、架台２３により、原料溶融炉１０の内部で鉛直方向及び水平方向（図１の矢線方向）に移動自在に支持されている。この場合、原料溶融炉１０が結晶成長炉方向に移動可能となる構造としても良い。また、蛇管構造部２１の結晶成長炉９側の端部には、供給管２２が原料溶融炉１０内部に収容された状態において、結晶引上炉９と原料溶融炉１０を絶縁するための図示しない遮断機能（本発明の供給口に相当）、例えば縁切バルブを有する。そして、原料溶融炉１０を一定角度回転し、４つの結晶引上炉９の各々に溶融原料３を供給することができる構造となっている。この場合も、接続時にあたってエアーロック構造とすることで連結や分離が自在に行い得る。
【００２３】
更に、結晶引上炉９と原料溶融炉１０の各々には、炉内の排気量を調整するための図示しない減圧弁が設けられており、この減圧弁の開閉量を変化させることで、炉内圧力が調整できる構造となっている。
【００２４】
上記構成からなる結晶成長装置を使用した結晶成長方法は、以下の手順で実施することができる。
【００２５】
まず、結晶を成長させる工程に入る前に、原料溶融炉１０において原料を溶かし、溶融原料３を製造する。この溶融原料３の製造工程では、ゲートバルブ１５を開け固形原料をホッパー１３に充填した後、ゲートバルブ１５を閉める。そして、不活性ガス雰囲気で溶融坩堝１１を加熱することにより、溶融原料３を製造することができる。なお、溶融原料の製造工程では、原料溶解炉１０の圧力を通常結晶成長時に比較し高く設定し、例えば、２５Ｔｏｒから６５０Ｔｏｒする。このように通常結晶成長の圧力条件を高めに設定することで、ヒータからの伝熱を改善することができる。なお、２５Ｔｏｒ以下で短時間溶融を行うべく高温加熱すると突沸現象を生ずる可能性が高く好ましくない。圧力の調整は、前記減圧弁により行うことになる。
【００２６】
溶融原料３を製造したら、続いて、石英坩堝１１への供給を行う。この供給作業では、まず、予め減圧され不活性ガス雰囲気とされている結晶引上炉９に、蛇管構造部２１を介し、原料溶融炉１０を接続する。結晶引上炉９と原料溶融炉１０を接続したら、原料溶融炉１０と結晶引上炉９の炉内圧力や雰囲気条件が同等となるように圧力調整する。その上で、縁切バルブを開き、架台２３を動かして、供給管２２の一端が溶融坩堝１１の溶融原料３に浸かった状態と、他端が石英坩堝１内に配置された状態となるように調整する。この際、溶融坩堝１１は石英坩堝１よりも高い位置となるように調整し、両坩堝１、１１の高低差を利用して、溶融坩堝１１から石英坩堝１へ溶融原料３の供給を行う。供給管２２の透明石英管はシリコンの場合、１０００℃から１４２０℃程度に維持することが好ましい。供給が終了したら、再び架台２３を動かして、供給管２２の全体が蛇管機構部２１に収容された状態とし、縁切りバルブを閉じる。そして、原料溶融炉１０を回転させ、別の結晶引上炉９に対しても、同様の供給を行う。
【００２７】
なお、結晶引上炉９の圧力は、結晶に不連続部が形成される原因となるＳｉＯの生成の排気スムーズに行える減圧状態とするため、１０Ｔｏｒから３０Ｔｏｒの減圧レベルに調整することが好ましい。そのため、原料溶融炉１０と結晶引上炉９とが連結された際、両炉９、１０の間には圧力差が生じないように、結晶引上炉９側の炉内圧力に原料溶融炉１０炉内圧力を合わせ、炉間圧力差による縁切りバルブの開閉時に炉間の乱流が、生じないようにする。従って、両炉９、１０の圧力が同一になったことを確認の上、縁切りバルブの開閉を行う。
【００２８】
石英坩堝１へ溶融原料３を供給したら、続いて、結晶４の生成を行う。この結晶生成工程では、真空チャンバ２の内部に設けられた引き上げ機構７を使用し、溶融原料３から結晶４の引き上げを行う。なお、その内容は公知のＣＺ法と同様であるため詳細な説明は省略する。また、結晶引上炉９は、一方向凝固法（ＶＧＦ法）を行う一方向凝固炉（ＶＧＦ炉）でも良い。この場合も結晶成長坩堝を変形や破損事故を低減し、溶解時間の短縮や安全操業を容易に行える。
【００２９】
結晶４の生成が終了したら、最後に、結晶４の回収を行う。この回収工程では、真空チャンバ２のサブゲートバルブ６を閉めることで、石英坩堝１を不活性ガス雰囲気に保ったまま、結晶４を真空チャンバ２から取り出すことができる。
【００３０】
以後、結晶生成工程と、供給工程を繰り返すことで、石英坩堝１を長期間使用しながら結晶４を製造できる。
【００３１】
溶融原料３は、通常、多結晶の固体原料を溶かすことで得られるが、溶融原料３には極めて高い純度が求められるため、その元となる固体原料の純度もできるだけ高いものが好ましい。しかしながら、結晶４を加工した際に発生するくずなどを再利用する場合等、固体原料の純度が低くならざるを得ない状況もある。そのような場合は、溶融坩堝１１から、不純物を含む不溶解物質を取り除いてから、石英坩堝１に供給すればよい。
【００３２】
図３に不溶解物質を取り除くための原理を示す。不溶解物質は、溶融原料３の表面に浮いてくるため、溶融坩堝１１の表面から不溶解物質を流出させるためのガイド３０を設けることで、不溶解物質を極めて容易に取り除くことができる。この際、不溶解物質が除去されているかどうかを確認するために、監視窓３１を設けておくことが好ましい。
【００３３】
このように、石英坩堝１を原料の溶融に使用せず、原料の溶融は石英坩堝１と別体の溶融坩堝１１で行うことにより、不純物を取り除くことが可能となり、純度の低い原料を使用した場合でも石英坩堝１の長期的な使用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る結晶成長装置の概略構成を示し結合された状態にある結晶引上炉と原料溶融炉の側面図である。
【図２】結晶引上炉と原料溶融炉の配置関係を示す平面図である。
【図３】本発明に係る結晶成長装置の他の実施例の概略構成を示し結合された状態にある結晶引上炉と原料溶融炉の側面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１    石英坩堝
２、１２    真空チャンバ
３    溶融原料
４    結晶
５    メインゲートバルブ
６    サブゲートバルブ
７    引き上げ機構
１０  原料溶融炉
１１  溶融坩堝
１３  ホッパー
１４  供給路
１５  ゲートバルブ
２０  供給装置
２１  蛇管構造部
２２  供給管
２３  架台
３０  ガイド
３１  監視窓
【図１】
2010126377.tif 000003
【図２】
2010126377.tif 000004
【図３】
2010126377.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成21年3月17日(2009.3.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英坩堝を備えた結晶成長炉と、原料溶融炉と、前記原料溶融炉から溶融原料を前記石英坩堝に繰り返し供給する供給手段とを備え、前記結晶成長炉は前記溶融原料を供給する供給口を有し、前記供給口は、前記原料溶融炉に対し接離自在とされ、前記原料溶融炉と前記結晶成長炉はそれぞれ単独での圧力調整が可能となっていることを特徴とする結晶成長装置。
【請求項２】
前記原料溶融炉の周囲に前記結晶成長炉の複数が配置されている請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記原料溶融炉は不溶解物質分離手段を備える請求項１又は２に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
結晶成長に用いる石英坩堝に、前記石英坩堝を備えた結晶成長炉から分離された原料溶融炉内で前記結晶成長炉内圧力よりも高い圧力で予め溶かした溶融原料を供給し、前記供給が終了した後、前記結晶成長炉を前記原料溶融炉から分離し、前記結晶成長炉内で前記原料溶融炉内圧力よりも低い圧力で結晶を成長させることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項５】
前記供給の前に、前記溶融原料から不溶解物質を除去する請求項４に記載の結晶成長方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
前記結晶成長炉は前記溶融原料を供給する供給口を有し、前記供給口は、前記原料溶融炉に対し接離自在とされ、前記原料溶融炉と前記結晶成長炉はそれぞれ単独での圧力調整が可能となっている。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明に係る結晶成長方法では、結晶成長に用いる石英坩堝に、前記石英坩堝を備えた結晶成長炉から分離された原料溶融炉内で前記結晶成長炉内圧力よりも高い圧力で予め溶かした溶融原料を供給する。そして、前記供給が終了した後、前記結晶成長炉を前記原料溶融炉から分離し、前記結晶成長炉内で前記原料溶融炉内圧力よりも低い圧力で結晶を成長させる
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
本発明に係る結晶成長方法において、前記供給の前に、前記溶融原料から不溶解物質を除去してもよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、結晶成長炉と原料溶融炉を、石英坩堝に溶融原料を供給するときにのみ結合させ、それ以外のときには分離した状態を維持するため、結晶成長炉における圧力管理をより正確に行うことが可能となり、石英坩堝のより長期的な使用が可能となる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
更に、溶融原料を石英坩堝へ充填する前に、そこから不純物を伴う不溶解物質を除去することとすれば、原料を再利用する場合にも、不溶解物質が溶融原料に混入することに起因する結晶不良を防止できる。従って、原料中の不溶解物質による結晶の品質低下、結晶崩れを低減し、低コスト原料の使用を可能とし、かつ石英坩堝の長期的な使用が可能となる。