(57)【要約】多結晶システムは、少なくとも３つの形態因子または形状の多結晶シリコンを備え、モールドまたはるつぼの向上された積載効率を与える。このシステムは、多結晶または単結晶シリコンを製造するための処理に使用される。【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンインゴットの製造に適した多結晶シリコンの３形態システムであって、
ロッド形態の多結晶シリコンである第１の要素（要素Ａ）と、チャンク形態の多結晶シリコンである第２の要素（要素Ｂ）と、顆粒形態の多結晶シリコンである第３の要素（要素Ｃ）とを備えることを特徴とする多結晶シリコンの３形態システム。
【請求項２】
要素Ａは、前記システムの全質量に基づいて１０から８０質量％の量で存在する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
要素Ｂは、前記システムの全質量に基づいて１０から８０質量％の量で存在する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
要素Ｃは、前記システムの全質量に基づいて１０から８０質量％の量で存在する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
要素Ａは１０から６０質量％の量で存在し、要素Ｂは１０から６０質量％の量で存在し、要素Ｃは２０から７０質量％の量で存在し、ここで要素Ａ、要素Ｂおよび要素Ｃは全体で１００％を超えない、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
要素Ａは３０から５０質量％の量で存在し、要素Ｂは１０から４０質量％の量で存在し、要素Ｃは２０から６０質量％の量で存在し、ここで要素Ａ、要素Ｂおよび要素Ｃは全体で１００％を超えない、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
ロッド形態の多結晶シリコンである要素Ａはシーメンス処理により用意されたロッド形態のポリシリコンである、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
チャンク形態の多結晶シリコンである要素Ｂはシーメンス処理により用意されたチャンク形態のポリシリコンである、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
顆粒形態の多結晶シリコンである要素Ｃは流動床処理により用意された顆粒形態のポリシリコンである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
多結晶シリコンのための方向性凝固処理であって、
方向性凝固処理を用いて多結晶シリコンを溶融して冷却するのに適したモールドを用意するステップと、
３形態システムの多結晶シリコンを前記モールド中に積載するステップと、
前記方向性凝固処理により多結晶シリコンを溶融して冷却するのに適した炉内に前記モールドを設置するステップと、
多結晶シリコンが溶融シリコン塊の所望の状態に到達するまでモールドを加熱するステップと、
モールドを冷却して溶融シリコン塊を結晶化し、単結晶シリコンインゴットを形成するステップと、
を含み、前記多結晶シリコンの３形態システムは、ロッド形態の多結晶シリコンである第１の要素（要素Ａ）と、チャンク形態の多結晶シリコンである第２の要素（要素Ｂ）と、顆粒形態の多結晶シリコンである第３の要素（要素Ｃ）とからなることを特徴とする方向性凝固処理。
【請求項１１】
要素Ａは、前記システムの全質量に基づいて１０から８０質量％の量で存在する、請求項１０に記載の処理。
【請求項１２】
要素Ｂは、前記システムの全質量に基づいて１０から８０質量％の量で存在する、請求項１０に記載の処理。
【請求項１３】
要素Ｃは、前記システムの全質量に基づいて１０から８０質量％の量で存在する、請求項１０に記載の処理。
【請求項１４】
要素Ａは１０から６０質量％の量で存在し、要素Ｂは１０から６０質量％の量で存在し、要素Ｃは２０から７０質量％の量で存在し、ここで要素Ａ、要素Ｂおよび要素Ｃは全体で１００％を超えない、請求項１０に記載の処理。
【請求項１５】
要素Ａは３０から５０質量％の量で存在し、要素Ｂは１０から４０質量％の量で存在し、要素Ｃは２０から６０質量％の量で存在し、ここで要素Ａ、要素Ｂおよび要素Ｃは全体で１００％を超えない、請求項１４に記載の処理。
【請求項１６】
ロッド形態の多結晶シリコンである要素Ａはシーメンス処理により用意されたロッド形態のポリシリコンである、請求項１０に記載の処理。
【請求項１７】
チャンク形態の多結晶シリコンである要素Ｂはシーメンス処理により用意されたチャンク形態のポリシリコンである、請求項１０に記載の処理。
【請求項１８】
顆粒形態の多結晶シリコンである要素Ｃは流動床処理により用意された顆粒形態のポリシリコンである、請求項１０に記載の処理。
【請求項１９】
単結晶シリコンを製造するためのチョクラルスキー処理であって、
多結晶シリコンを溶融するのに適したモールドを用意するステップと、
前記モールド中に３形態システムの多結晶シリコンを積載するステップと、
多結晶シリコンが所望の状態の溶融シリコン塊に到達するまで前記モールドを加熱するステップと、
シリコン種結晶を導入して単結晶シリコンを引き上げるステップと、
を含み、ロッド形態の多結晶シリコンである第１の要素（要素Ａ）、チャンク形態の多結晶シリコンである第２の要素（要素Ｂ）、顆粒形態の多結晶シリコンである第３の要素（要素Ｃ）からなることを特徴とするチョクラルスキー処理。
【請求項２０】
要素Ａは、前記システムの全質量に基づいて１０から８０質量％の量で存在する、請求項１９に記載の処理。
【請求項２１】
要素Ｂは、前記システムの全質量に基づいて１０から８０質量％の量で存在する、請求項１９に記載の処理。
【請求項２２】
要素Ｃは、前記システムの全質量に基づいて１０から８０質量％の量で存在する、請求項１９に記載の処理。
【請求項２３】
要素Ａは１０から６０質量％の量で存在し、要素Ｂは１０から６０質量％の量で存在し、要素Ｃは２０から７０質量％の量で存在し、ここで要素Ａ、要素Ｂおよび要素Ｃは全体で１００％を超えない、請求項１９に記載の処理。
【請求項２４】
要素Ａは３０から５０質量％の量で存在し、要素Ｂは１０から４０質量％の量で存在し、要素Ｃは２０から６０質量％の量で存在し、ここで要素Ａ、要素Ｂおよび要素Ｃは全体で１００％を超えない、請求項２３に記載の処理。
【請求項２５】
ロッド形態の多結晶シリコンである要素Ａはシーメンス処理により用意されたロッド形態のポリシリコンである、請求項１９に記載の処理。
【請求項２６】
チャンク形態の多結晶シリコンである要素Ｂはシーメンス処理により用意されたチャンク形態のポリシリコンである、請求項１９に記載の処理。
【請求項２７】
顆粒形態の多結晶シリコンである要素Ｃは流動床処理により用意された顆粒形態のポリシリコンである、請求項１９に記載の処理。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜関連出願の相互参照＞
この出願は、２０１１年４月１４日に出願された米国特許第１３／０８７，２５６号の一部継続出願であり、ここにその全てを参照として組み込む。
【０００２】
本発明は、３つの形態因子または形状の多結晶シリコンからなる多結晶シリコンシステム、および多結晶または単結晶シリコンを製造するための前記システムの使用に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
超高純度シリコンは、光起電力産業あるいは半導体電子産業のための部品の用意を含む様々な産業用途を有している。典型的には、産業は、シリコンを単結晶あるいは多結晶構造とすることができるシリコンインゴットから用意されたウェーハの形態で使用する。単結晶構造のウェーハは用意するのによりコストがかかるが、それらは最終用途操作においてより効率的であるため、一般的には好ましい。典型的には、単結晶シリコンは、チョクラルスキー処理により多結晶シリコンを精製することにより用意される。一方、多結晶シリコンは、直接凝固処理を用いて精製することにより用意される。これらの処理は、装置および操作に関して明確に異なっているが、双方に共通するのは基本的な固体多結晶シリコン開始材料であり、それぞれの処理に適したるつぼまたはモールド中に積載して詰め込む必要がある。その結果、双方に共通する問題は、コストを最小化して生産性を最大化するために、いかにして、るつぼまたはモールドに積載できる固体多結晶シリコンの量を最大化するかにある。
【０００４】
多結晶シリコンは、シーメンス処理により用意されたロッドの形態で、そして、ロッドを制御して破砕または切断することにより得られたチャンクまたはチップの形態で入手可能である。最近、多結晶シリコンは、改良され実装された流動床製造処理により、基本的に球形顆粒の形態で商業量入手可能となった。シリコンインゴットのバッチを形成する処理コストの変動は、モールド中に含められる多結晶シリコンの実際の重量とは全く無関係である。従って、所与の電力、時間、および労力量に対して、所与のモールド中により多くの多結晶シリコンを詰め込んで処理できれば、多結晶シリコンインゴット１キログラム当たりのコストが低減される。モールドまたはるつぼに様々な形態の多結晶シリコンを積載して詰め込むことに関する議論および教示が特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５および特許文献６を含む文献に報告されている。積載効率は、多結晶シリコンの形態因子、並びにモールドまたはるつぼの形状およびサイズにも依存する。モールドおよびるつぼの積載効率の更なる向上に対する継続する要望がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許５８１４１４８号公報
【特許文献２】米国特許６１１０２７２号公報
【特許文献３】米国特許６６０５１４９号公報
【特許文献４】米国特許７１４１１１４号公報
【特許文献５】欧州特許１１５１１５４号公報
【特許文献６】特開２００１−０１０８９２号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここで、多結晶シリコンの結晶性の精製時の多結晶シリコン形態の組み合わせ、特に３形態システムの使用により、使用されるモールドおよびるつぼの積載効率の驚くべき著しい向上が与えられることが明らかとなった。
【０００７】
第１の態様において、本発明は、シリコンインゴットの製造に適した、ロッド形態の多結晶シリコンである第１の要素（要素Ａ）、チャンク形態の多結晶シリコンである第２の要素（要素Ｂ）、顆粒形態の多結晶シリコンである第３の要素（要素Ｃ）からなる多結晶シリコンの３形態システムに関する。
【０００８】
別の態様において、本発明は、方向性凝固処理を用いて多結晶シリコンを溶融して冷却するのに適したモールドを用意するステップと、３形態システムの多結晶シリコンを前記モールド中に積載するステップと、前記方向性凝固処理により多結晶シリコンを溶融して冷却するのに適した炉内に前記モールドを設置するステップと、多結晶シリコンが、溶融シリコン塊の所望の状態に到達するまでモールドを加熱するステップと、モールドを冷却して、溶融シリコン塊を結晶化して単結晶シリコンインゴットを形成するステップとを含み、前記多結晶シリコンの３形態システムは、ロッド形態の多結晶シリコンである第１の要素（要素Ａ）、チャンク形態の多結晶シリコンである第２の要素（要素Ｂ）、顆粒形態の多結晶シリコンである第３の要素（要素Ｃ）からなることを特徴とする、多結晶シリコンを製造するための方向性凝固処理に関する。
【０００９】
さらに別の態様において、本発明は、多結晶シリコンを溶融するのに適したモールドを用意するステップと、前記モールド中に３形態システムの多結晶シリコンを積載するステップと、多結晶シリコンが所望の状態の溶融シリコン塊に到達するまで前記モールドを加熱するステップと、シリコン種結晶を導入して単結晶シリコンを引き上げるステップとを含み、ロッド形態の多結晶シリコンである第１の要素（要素Ａ）、チャンク形態の多結晶シリコンである第２の要素（要素Ｂ）、顆粒形態の多結晶シリコンである第３の要素（要素Ｃ）からなることを特徴とする、単結晶シリコンの製造のための「チョクラルスキー処理」に関する。
【００１０】
上記および別の目的、特徴および利点は、以下の発明の詳細な説明からより明確になるだろう。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
ここに開示する３形態システムは、３形態因子または形状を組み合わせた多結晶シリコンを備える。第１の形態因子である要素Ａはロッド形態のものであり、第２の形態因子である要素Ｂはチャンク形態のものであり、第３の形態因子である要素Ｃは基本的には球形の顆粒形態のものである。有利に、そして独立に、要素Ａは、システムの全質量に基づいて、少なくとも１０質量％の量で存在し、８０質量％以下の量で存在し、つまり１０〜８０質量％の量で存在し、有利には１０〜６０質量％であり、より有利には３０〜５０質量％であり、要素Ｂは、少なくとも１０質量％の量で存在し、８０質量％以下の量で存在し、つまり１０〜８質量％で存在し、有利には１０〜６０質量％で存在し、より有利には１０〜４０質量％で存在し、要素Ｃは、少なくとも１０質量％の量で存在し、８０質量％以下の量で存在し、つまり１０〜８０質量％の範囲の量で存在し、有利には２０〜７０質量％で存在し、より有利には２０〜６０質量％で存在し、ここで、任意の組み合わせについて常に、要素Ａ、ＢおよびＣのパーセントの和は１００％を超えない。
【００１２】
要素Ａは、簡潔に述べると、シリコン含有ガス、典型的にはモノシランまたはトリクロロシランの熱分解、および熱分解生成物をフィラメント上への堆積し、一般的には円筒形の該表面を有し、断面が円形の大きなロッドの製造を伴うシーメンス処理を用いて多結晶シリコンを用意することにより得られる。初期ロッドの長さおよび径はシーメンス装置に依存し、直径は５０から２００ｍｍまで、長さは５００から２０００ｍｍまで変化しうる。この初期ロッドは、積載されて一般的に操作を容易にするように、るつぼまたはモールドのサイズおよびジオメトリに基づいて、切断または機械にかけられて、より小さな長さおよび径にされる。本明細書においては、要素Ａは４０ｍｍから２００ｍｍまでの長さ、有利には４０ｍｍから１４０ｍｍまでの径を有し、５０ｍｍから５００ｍｍまでの長さ、有利には１００ｍｍから５００ｍｍまで、より有利には１５０から４００ｍｍまでの長さするロッド形態の多結晶セグメントとして特徴付けることができる。ロッド形態の最適なサイズは、積載されるるつぼまたはモールドのサイズおよびジオメトリに左右される。
【００１３】
要素Ｂも、シーメンス処理を用いて多結晶シリコンを用意することにより得られ、このように得られた大きなロッドは次いで破砕および切断されて不規則なサイズおよび形状のより小さなチャンクとなる。ここでの議論のために、本明細書においては、要素Ｂは、最大のサイズが直径３ｍｍから２００ｍｍの範囲にある多結晶シリコンのランダム片として特徴付けることができる。サイズ分布は変化しうるが、少なくとも９５％のランダム片が直径１０ｍｍから１００ｍｍの範囲にあることが有利である。通常、しかし常にではないが、チャンク多結晶シリコンは不規則な形状を有し、それらが典型的にはずっと大きなロッドに由来し切断される結果、鋭利な鋸歯状のエッジを有することが多い。鋭利なエッジは取り扱い時に注意を必要とし、さらに装置にダメージを与えうる。チャンクシリコンは、より小さく不規則で鋭利にエッジが立った汚染生成物を伴い、このようなより小さな材料は、チップ多結晶シリコンとしばしば参照される。このような「チップ」多結晶シリコンも、開示されたシステムの要素Ｂを表す「チャンク」多結晶シリコンとともに存在しうる。
【００１４】
要素Ｃは、顆粒で一般的には球形の因子を有する多結晶シリコンであり、流動床下で行われる、シリコン含有ガス、典型的には、モノシランまたはトリクロロシランの熱処理により得られ、熱生成物がシリコン種結晶上に堆積して、基本的には滑らかで一般的には球状の多結晶シリコン顆粒または粒子が生成される。本明細書において、要素Ｃは、０．１ｍｍから２０ｍｍまでの直径を有する顆粒または粒子として特徴付けることができる。典型的には、このような顆粒は５ｍｍ以下の直径を有する。要素Ｃの顆粒または粒子は、０．１５ｍｍから１５ｍｍまでの、有利には０．１５ｍｍから１０ｍｍまでの、より有利には０．１５ｍｍから５ｍｍまでの、さらにより有利には０．１５ｍｍから４ｍｍまでの、さらにより有利には０．１５ｍｍから１．５ｍｍまでの平均直径を有する。大部分について、顆粒の多結晶シリコンは、上記範囲内の（ピークが２つの）バイモーダルな粒径プロファイルは向上された積載および詰め込み効率を提供できるかもしれないが、一般的には、（ピークが１つの）モノモーダル粒径分布を有するだろう。
【００１５】
本発明の主要な目的の１つである、モールドまたはるつぼの詰め込みまたは積載効率を向上することは、充填される多結晶シリコン塊の形状およびサイズを考慮し、３形態混合物の要素の相対比率をバランスさせることにより達成できる。詰め込み密度は、多結晶シリコンの様々な形態間で変化する。例えば、チャンク多結晶シリコンは、おおよそ５０％の比較的低い詰め込み密度を有している。比較として、チップ多結晶シリコンは、チップの実際のサイズ、形状および違いに依存するものの、おおよそ５７％の好ましい詰め込み密度を有している。所定の体積の完全な球形物体に対する可能な最大の詰め込み密度は、７４％（面心立方配置に対応）と６５％（ランダム疎充填に対応）の範囲にわたる。しかし、不完全な真球度、および流動床処理により製造された顆粒多結晶シリコンの多孔性により、顆粒多結晶シリコンは、おおよそ６０から６５％の詰め込み密度を示している。「詰め込み効率」により、モールドの内部容量により表される体積のような、所定の体積が与えられると、多結晶シリコンは、単独でこのような体積中に積載されると、平均で、モールドの全内部容量に置き換わる多結晶シリコンの固体ブロックの重さのおおよそ５０％の重さとなることが理解される。
【００１６】
有利な実施形態において、要素Ａは、１０から６０質量％、より有利には３０から５０質量％の範囲に存在する。要素Ｂについては、１０から６０質量％、より有利には１０から４０質量％の範囲に存在する。要素Ｃについては、２０から７０質量％、より有利には２０から６０質量％の範囲に存在する。
【００１７】
非常に有利な実施形態において、３形態混合物は、システムの全質量に基づいて、要素Ａが３０から５０質量％の量にあり、要素Ｂは１０から４０質量％存在し、要素Ｃは２０から６０質量％にあり、ここでＡ、ＢおよびＣの量の和は１００％を超えない。
【００１８】
要素Ａは、インゴットの準備の前にシリコン溶融に有利に働くため、混合物においてこの材料を理にかなった量だけ保持することは有利である。釣り合いから、より少ない量の要素Ｂを使うのが有利であり、これは、不規則な形状およびエッジにより所望でないダメージをるつぼまたはモールドに引き起こしうるため、あるいはその製造方法および取り扱い方法は所望でない金属汚染を引き起こすためである。要素Ｃは、取り扱いが容易であり流れやすいため、典型的には要素Ｂよりも多く存在するのが有利である。
【００１９】
述べたように、３形態多結晶シリコンシステムは、多結晶シリコンシステムの融液から結晶を引き上げることにより単結晶シリコンを形成することにおいて有用である。一般的にはチョクラルスキープロセスと呼ばれるこの技術は当業者に周知であり、広く文献化されている。要約すると、それは、多結晶シリコンとともにるつぼを積載するステップと、多結晶システムの融液が得られるまでるつぼを加熱するステップと、種結晶を導入して融液に接触させるステップと、制御された条件下で融液から単結晶を引き上げて冷却するステップとを含む。単結晶とは、連続的で完全であり、その端部に粒界のないシリコン本体を意味する。産業においては、このような単結晶は、典型的には、長さ２メートル、直径数センチメートルまでなり得るロッドまたはシリンダである。単結晶シリコンは、特にシリコンウェーハの製造のための電子産業に有用である。
【００２０】
同様に、３形態多結晶シリコンシステムは、方向性凝固による多結晶シリコンシステムの融液からの多結晶シリコンインゴットの形成に有用である。この技術もまた、当業者には周知であり、広く文献化されている。要約すると、この処理は、多結晶シリコンをモールド中に積載するステップと、前記モールドを前記多結晶シリコンを溶融するのに適した炉内に設置するステップと、前記モールドを多結晶シリコンが溶融シリコン塊の所望の状態に到達するまで加熱するステップと、前記モールドを冷却して溶融シリコン塊を結晶化して単結晶シリコンインゴットを形成するステップとを含む。典型的には、この方法により得られたインゴットは多結晶構造のものであり、単結晶シリコンを要求しない用途に極めて有用である。
【００２１】
以下、発明の詳細な説明に引き続き、実施例について説明する。
【００２２】
（実施例１）
標準的な卵形で丸底の６０ｋｇの石英製チョクラルスキーるつぼに手動で異なる配合のシーメンスロッドセグメント、シーメンスチャンクおよびＦＢＲ顆粒状多結晶シリコンを、内容物がるつぼの縁と同じ高さになるまでを充填した。形態型およびそれぞれの比率は以下の表１に示されている。積載１〜５は比較例を、積載６は本発明の３形態システムを示している。
【００２３】
要素Ａは、ロッド形態の多結晶シリコンである。ロッドは直径が約１００ｍｍであり、サンプル片は、長さが１００ｍｍから３８０ｍｍまで変化する。
【００２４】
要素Ｂは、多結晶シリコンロッドを破砕することにより得られたチャンク形態の多結晶シリコンである。サンプル片はランダムで不規則な形状であり、サイズ分布は３ｍｍから２００ｍｍまでである。３ｍｍ未満のより小さなサンプル片が存在しうるが、存在したとしても２質量％以下の量である。
【００２５】
要素Ｃは、毛粒形状の多結晶シリコンであり、流動床処理により製造されたものである。顆粒は、一般的には、球形の形状であり、粒子のサイズ分布は、０．１５ｍｍ未満のものが質量全体の５質量％未満であり、０．１５〜４ｍｍのものが少なくとも９０質量％であり、４ｍｍを超える粒子は５質量％未満であった。
【００２６】
上記全ての形状の多結晶シリコンは、ＲＥＣシリコン（米国ワシントン州、モーゼズレイク、ロードＮ  ＮＥ  ３３２２）市販されている。
【００２７】
積載試験の前にるつぼが採寸され、測定された内径は４３２ｍｍ、縁からドームの最も低い点までの内部高さは３４２ｍｍ、縁からドームの遷移部までの内部高さは２４０ｍｍである。るつぼの質量は、スタンドを含めて２１．８４ｋｇと測定された。るつぼの体積は約４４０００ｃｍ３と確認された。よって、るつぼが１００％の積載または詰め込み効率で多結晶で満たされると、るつぼは理論的には１０２．５ｋｇの多結晶シリコンを含むはずである。
【００２８】
【表１】
2014514238.tif 000002
【００２９】
挿入する時に３形態システムの多結晶シリコンを使用することにより、るつぼは驚くべき短期間で著しく向上された積載効率を与える。溶融およびインゴット形成または単結晶引き上げのために多結晶シリコンをるつぼにより多く積載できる能力は、るつぼを積載する時間を低減できるため、製造業者に著しい経済的な利益を表している。
【００３０】
開示された処理の原理が適用できる多くの可能な実施形態を考慮すると、説明された実施形態は単なる例にすぎず、発明の範囲を限定するものではないことを認識されたい。
【国際調査報告】
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2014514238.tif 000004