(57)【要約】【課題】結晶中への気泡の混入をより高いレベルまで防ぐことができる結晶成長方法を提供する。【解決手段】 本発明に係る結晶成長方法は、固体原料を融解して溶融原料を製造する溶融工程の後、結晶を成長させる結晶成長工程の前に、溶融原料が突沸しない圧力まで減圧し、又は突沸しない温度まで昇温し、前記溶融原料に混入している気泡を前記溶融原料から放出させる脱気工程を有する。前記減圧による到達圧力は５〜２０Ｔｏｒｒが好ましい。前記溶融原料は予め融解された状態で結晶成長用坩堝に供給され、前記脱気工程は、前記溶融原料が前記結晶成長用坩堝に供給される前に行なわれてもよい。前記脱気工程において、前記溶融原料が攪拌されてもよく、この場合の攪拌は、前記溶融原料を収容する坩堝の上方に、前記溶融原料の液面に対し進退自在に設けられた石英棒で行われてもよい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体原料を融解して溶融原料を製造する溶融工程の後、結晶を成長させる結晶成長工程の前に、前記溶融原料が突沸しない圧力まで減圧し、又は突沸しない温度まで昇温し、前記溶融原料に混入している気泡を前記溶融原料から放出させる脱気工程を有することを特徴とする結晶成長方法。
【請求項２】
前記減圧による到達圧力が５〜２０Ｔｏｒｒである請求項１に記載の結晶成長方法。
【請求項３】
前記溶融原料は予め融解された状態で結晶成長用坩堝に供給され、前記脱気工程は、前記溶融原料が前記結晶成長用坩堝に供給される前に行なわれる請求項１又は２に記載の結晶成長方法。
【請求項４】
前記脱気工程において、前記溶融原料が攪拌される請求項１、２又は３に記載の結晶成長方法。
【請求項５】
前記攪拌は、前記溶融原料を収容する坩堝の上方に、前記溶融原料の液面に対し進退自在に設けられた石英棒で行われる請求項４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、半導体材料や太陽電池として用いるシリコン、或はその他工業用材料として用いるシリコンなどの結晶を得るための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ＶＧＦ法によれば、大口径の結晶を得ることができるが、その結晶には気泡が混入する場合があった。結晶に気泡が混入していると、その結晶をスライスして得られたウェハに窪みや貫通孔が形成されてしまう。そして、このように窪みや貫通孔を有するウェハは、製品として使用できないため、歩留まりが悪くなりコストの増加につながっていた。また、気泡がウェハの内部に取り込まれた場合、そのようなウェハから製造された半導体や、太陽電池セルにおいては、素子不良や、太陽電池セル不良を招いていた。そこで、製品となる結晶に悪影響を及ぼす、結晶中への気泡の混入を抑制するための手法が提案されている。
【０００３】
例えば、特開２００９−２４９２４５号公報には、石英坩堝の表面に形成される気泡等に起因する微小欠陥や単結晶の有転移化を低減できるシリコン単結晶の引上げ方法が開示されている。この引上げ方法によれば、シリコン単結晶の引上げを開始する前に、シリコン融液を収容する石英坩堝を回転させ周期的に回転方向を反転させることにより、石英坩堝とシリコン融液との界面およびその近傍においてせん断を発生させ、石英坩堝の内表面から気泡を剥ぎ取るよう除去することができる。そして、石英坩堝の内表面に順次発生する気泡が成長する前に、それらを除去することができる。
【０００４】
一方、結晶中に混入する気泡は、坩堝に起因するものの他、溶融原料に含まれる水素ガス、シラン系ガス、空気が、そのまま結晶中に取り込まれることによるものも有るが、このような溶融原料に含まれるガスを排除する手法として、例えば、特開平５−９０９７号公報に開示されているシリコン単結晶の引上方法が知られている。この引上方法によれば、多結晶シリコン原料の溶融を５〜６０ｍｂａｒの減圧下で行なうことにより、溶融原料中の気泡の浮力を増し、気体の溶解度を減らすことで、溶融原料外に気泡を揮発させ、結晶中に取り込まれる気泡の量を減らすことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２４９２４５号公報
【特許文献２】特開平５−９０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記引上げ方法を含む従来の方法でも、結晶中への気泡の混入を完全に防止することは難しく、気泡に起因して結晶に生じる問題を、産業上要望されている程度にまで解決できていないのが実情である。
【０００７】
そこで、本発明は、結晶中への気泡の混入をより高いレベルまで防ぐことができる結晶成長方法を提供すること目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る結晶成長方法は、固体原料を融解して溶融原料を製造する溶融工程の後、結晶を成長させる結晶成長工程の前に、溶融原料が突沸しない圧力まで減圧し、又は突沸しない温度まで昇温し、前記溶融原料に混入している気泡を前記溶融原料から放出させる脱気工程を有する。
【０００９】
前記減圧による到達圧力は５〜２０Ｔｏｒｒが好ましい。
【００１０】
前記溶融原料は予め融解された状態で結晶成長用坩堝に供給され、前記脱気工程は、前記溶融原料が前記結晶成長用坩堝に供給される前に行なわれてもよい。
【００１１】
前記脱気工程において、前記溶融原料が攪拌されてもよく、この場合の攪拌は、前記溶融原料を収容する坩堝の上方に、前記溶融原料の液面に対し進退自在に設けられた石英棒で行われてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る結晶成長方法によれば、結晶を成長させる結晶成長工程の前に設けられた脱気工程において溶融原料に混入している気泡を溶融原料から放出させることで、結晶中への気泡の混入を極めて高いレベルまで防ぐことが可能となる。しかも、固体原料（ポリシリコンなど）を融解して溶融原料を製造する溶融工程とは異なる脱気工程を設けることにより、溶融工程を、脱気に適した圧力よりも高い、最適な圧力条件下で行なうことができ、エネルギー効率を高めることが可能となり、コスト的に有利となる。なお、溶融工程と結晶成長工程を高い圧力で行なう場合、脱気工程も高い圧力で行なうことにより、圧力の調整範囲を小さくすることができ、エネルギー効率や安全性の面から好ましい。そこで、脱気工程の圧力を高める必要がある場合は、溶融原料の温度を、圧力とのバランスで突沸しないように上げることで、溶融原料に混入している気泡を溶融原料から放出させることができる。
【００１３】
脱気工程における圧力は、溶融原料がシリコンの場合その融点が１４１４℃であることを考慮し、５〜２０Ｔｏｒｒとすることが好ましい。
【００１４】
また、溶融原料を予め融解された状態で結晶成長用坩堝に供給し、脱気工程は、溶融原料が結晶成長用坩堝に供給される前に行なうこととすれば、結晶成長工程を行なう間に、次の結晶成長工程のための溶融原料の脱気工程を同時に行なうことができる。従って、脱気工程のための無駄時間を伴うことなく、短時間で結晶成長作業に移行することができる。
【００１５】
更に、脱気工程において溶融原料を攪拌することで、溶融原料中の気体の放出を促し、脱気工程に要する時間を短縮することができる。なお、溶融原料を攪拌する方法に制限はないが、例えば、溶融原料を収容する坩堝の上方に、溶融原料の液面に対し進退自在に設けられた石英棒を攪拌用に使用すれば、極めて簡易な構造で行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る結晶成長方法に好適な結晶成長装置の概略構成を示す側断面図である。
【図２】結晶引上炉に結合された原料溶融炉から結晶引上炉の結晶成長坩堝に溶融原料が供給されている状態を示す側断面図である。
【図３】結晶引上炉に結合された原料溶融炉から結晶引上炉の結晶成長坩堝に溶融原料が供給される工程を示し、（ａ）は溶融原料が供給されている状態を示す平断面図、（ｂ）は供給作業が終了し原料溶融炉と結晶引上炉の結合が解除された状態の平断面図である。
【図４】原料溶融炉における溶融原料供給機構の概略構成図である。
【図５】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６】結晶引上炉と原料溶融炉の他の配置関係を示す平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１〜５に、本発明に係る結晶成長方法に好適な結晶成長装置を示す。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。
【００１８】
この結晶成長装置は、原料溶融炉１０と、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。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を備え、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、石英坩堝１の周囲には加熱用のヒータ８が配置されている。そして、結晶引上炉９は、図５に示すように、原料溶融炉１０の移動経路となる摺動レール３０と平行に等間隔で配置されている。
【００１９】
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を備え、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）を供給するためのホッパー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。また、溶融坩堝１１の周囲には加熱用のヒータ１８が配置されている。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。更に、ホッパー１３の排出口にもゲートバルブ１７が設けられている。そして、このゲートバルブ１７と前記ゲートバルブ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備えるものとなっている。
【００２０】
原料溶融炉１０は、また、図４に示す溶融原料供給機構を内包している。なお、図１〜３では、図示の便宜上、溶融原料供給機構は省略されている。この溶融原料供給機構は、水平方向に伸びる第一ガイドレール２２と第二ガイドレール２４を備えている。そして、溶融坩堝１１は、基部２３を介し、第一ガイドレール２２に沿って摺動自在に取り付けられている。また、溶融原料３の供給管２１は、吊上部２５を介し、第二ガイドレール２４の長さ方向及び幅方向（長さ方向に直交する方向）に移動自在に取り付けられている。
【００２１】
供給管２１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、結晶引上炉９と原料溶融炉１０の連結管２０の内部に配置されると、溶融坩堝３から石英坩堝１に至る状態となる。
【００２２】
原料溶融炉１０は、更に、溶融原料供給機構による溶融坩堝１１と供給管２１の動きに追随して、これらに継続的に電力を供給するための電力供給機構が設けられている。そして、この電力供給機構として、溶融坩堝１１の周囲に配置されたヒータ１８への電力供給には、真空チャンバ１２の周壁に対し移動自在に取り付けられた電極棒２６が採用されている。一方、供給管２１への電力供給には、第二ガイドレール２４に沿って伸縮するとともに吊上部２５を経て供給管２１に接続されている電力線２７が採用されている。これら電極棒２６及び電力線２７の端部は、真空チャンバ１２の外で水冷フレキシブルケーブル２８及び２９にそれぞれ連結され、これら水冷フレキシブルケーブル２８、２９を経て電力が供給されるものとなっている。
【００２３】
連結管２０は、その結晶成長炉９側は前記サブゲートバルブ６により遮断され、原料溶融炉１０側は絶縁バルブ１６により遮断される構造となっている。そして、原料溶融炉１０を摺動レール３０に沿って移動させ（図５の白抜矢線の方向）、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を自在に行うことができる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１８からの伝熱を改善する。
【００２７】
次に、溶融原料３の溶融状態を維持できる温度に保ちながら、原料溶融炉１０の炉内圧力を、溶融原料３の突沸を避けながら徐々に下げ、５〜１５Ｔｏｒｒの範囲とする。この際、圧力の調整は、前記減圧弁により行うことになる。そして、原料溶融炉１０の炉内圧力が十分に下がったら、溶融原料３の溶融状態を維持し、溶融原料３に含まれている水素ガスなどの気体を溶融原料３から放出させる。なお、この作業は、本発明の脱気工程に相当するが、溶融原料３を攪拌することで、溶融原料中の気体の放出を促してもよい。その場合、脱気工程に要する時間を短縮することができる。
【００２８】
溶融原料３の脱気工程が終了したら、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、連結管２０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、サブゲートバルブ６及び縁切バルブ１６を開き、供給装置を動かして、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、再び供給装置を動かして、供給管２１の全体が原料溶融炉１０に収容された状態とし、サブゲートバルブ６及び縁切バルブ１６を閉じる。そして、原料溶融炉１０を移動させ、別の結晶引上炉９に対しても、同様の供給を行う。
【００２９】
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、炉間圧力差によるサブゲートバルブ６及び縁切バルブ１６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、サブゲートバルブ６及び縁切バルブ１６の開閉を行う。
【００３０】
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うことが可能となる。
【００３１】
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のメインゲートバルブ５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。
【００３２】
なお、溶融原料３の製造は、結晶引上炉９の石英坩堝１で行なうこともできる。その場合も、脱気工程は、溶融工程の後、結晶を引き上げる前に行なう。
【００３３】
脱気工程の圧力に制限はなく、溶融工程と結晶成長工程を高い圧力で行なう場合は、脱気工程の圧力もそれら工程に合わせて上げてもよい。圧力の調整範囲を小さくすることができ、エネルギー効率や安全性の面から好ましいが、その場合、脱気工程の圧力を高めるとともに、溶融原料の温度を、圧力とのバランスで突沸しないように上げる必要がある。
【００３４】
また、電力供給機構の形態にも制限はなく、例えば、原料溶融炉１０に対する電力供給は、摺動レール３０を介して行なってもよい。この場合、水冷フレキシブルケーブル２８、２９は不要となり、原料溶融炉１０の移動をより円滑に行なうことができる。
【００３５】
更に、結晶引上炉９の原料溶融炉１０に対する配置に制限はなく、設置状況に応じた配置とすることができる。例えば、図５に示すように、原料溶融炉１０を中心とし、その周囲に等間隔で配置してもよい。この場合、結晶引上炉９に対する溶融原料３の供給は、原料溶融炉１０を回転させて行なうことができ、原料溶融炉１０の移動距離を短くすることができる。
【符号の説明】
【００３６】
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
８、１８  ヒータ
９    結晶引上炉
１０  原料溶融炉
１１  溶融坩堝
１３  ホッパー
１４  供給路
１５、１７  ゲートバルブ
２０  連結管
２１  供給管
２２  第１ガイドレール
２３  基部
２４  第２ガイドレール
２５  吊上部
２６  電極棒
２７  電力線
２８、２９  水冷フレキシブルケーブル
３０  摺動レール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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