(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャスト法によるシリコン結晶の成長に用いる結晶成長用ルツボにおいて、
外部の少なくとも一部に連続した凹凸形状が形成されることを特徴とする結晶成長用ルツボ。
【請求項２】
前記凹凸形状は、ルツボの外部の全面に形成されることを特徴とする請求項１記載の結晶成長用ルツボ。
【請求項３】
前記凹凸形状は、ルツボの縦方向に延びる溝が、平行に連続して複数本形成されることを特徴とする請求項１または２記載の結晶成長用ルツボ。
【請求項４】
前記凹凸形状は、ルツボの横方向に延びる溝が、平行に連続して複数本形成されることを特徴とする請求項１または２記載の結晶成長用ルツボ。
【請求項５】
前記凹凸形状は、格子形溝であることを特徴とする請求項１または２記載の結晶成長用ルツボ。
【請求項６】
前記凹凸形状の凸部の肉厚と凹部の肉厚とは、所定比率で構成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の結晶成長用ルツボ。
【請求項７】
前記凹凸形状の所定比率は、凸部の肉厚が凹部の肉厚の１．５倍以上であることを特徴とする請求項６記載の結晶成長用ルツボ。
【請求項８】
前記凹凸形状の凸部の断面形状は、四角形、台形または半円形であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の結晶成長用ルツボ。
【請求項９】
前記結晶成長用ルツボは、シリカ、黒鉛、カーボン、石英のうちの少なくともいずれか１つの材料から構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の結晶成長用ルツボ。
【請求項１０】
キャスト法によるシリコン結晶の結晶成長方法において、
外部の少なくとも一部に連続した凹凸形状が形成された結晶成長用ルツボを用いて融解した結晶材料を成長させることを特徴とする結晶成長方法。
【請求項１１】
前記結晶成長用ルツボの上に、底壁に孔を有する上部ルツボを設置し、前記上部ルツボで結晶材料を融解させ、融解した結晶成長用材料を底壁の孔から下側の結晶成長用ルツボに落下させ、下側の結晶成長用ルツボで融解した結晶材料を成長させることを特徴とする請求項１０記載の結晶成長方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程に用いる、結晶成長用ルツボおよび結晶成長方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の一般的な結晶成長用ルツボ１およびキャスト（鋳造）法による多結晶シリコンインゴットの結晶成長方法（以下、結晶成長法と略称する）を図６および図７を用いて説明する。図６（ａ）は、従来の結晶成長用ルツボ１（以下、ルツボ１と略記する）の斜視図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）の切断面線Ｘ−Ｘのから見た断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）のルツボ１の平面図である。前記ルツボ１は、上面に開口部を有する四角箱型形状であり、内部の空間が立方体または直方体形状である。前記ルツボ１は、たとえば、シリカ（二酸化珪素）などから成る。
【０００３】
前記ルツボ１を用いた結晶成長方法を図７を参照して説明する。まず、ルツボ１の内部に窒化珪素（ＳｉＮ）２をコーティングした後、焼成を行う。つぎに、焼成を行ったルツボ１にＳｉスクラップ３を投入する。そして、ルツボ１に熱を加えてＳｉスクラップ３を融解させ、その後冷却することで結晶成長を行っていた。このような、キャスト法による結晶成長法に用いられる結晶成長用ルツボおよびキャスト法による結晶成長方法は、たとえば、特開平１１−１１６２２８号公報、特開平１１−２３６２９１号公報および特開平９−７１４９７号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの公報に開示されている結晶成長用ルツボおよび結晶成長方法では、結晶成長時に温度制御を行って多結晶シリコンインゴットを結晶成長させるが、この温度制御では、結晶の内部応力が制御できない問題があった。
【０００５】
このような問題に鑑み、結晶の内部応力を低減する結晶成長用ルツボが、たとえば、特開平１１−２４４９８８号公報および特開平１１−２４８３６３号公報に開示されている。これらの公報に開示されている結晶成長用ルツボでは、複数の層を積層して結晶成長用ルツボを形成している。このように結晶成長用ルツボを形成することで、融解したシリコンが凝固するときに積層した内側の層が引っ張られて剥離するため、結晶の内部応力が低減される。また、このように、結晶の内部応力を低減させると、結晶成長の速度が早くなる。
【０００６】
しかしながら、特開平１１−２４４９８８号公報および特開平１１−２４８３６３号公報では、結晶の内部応力は抑えられるが、結晶内部にある不純物の制御および除去はできなかった。
【０００７】
本発明の目的は、結晶品質の向上、歩留り向上および結晶成長速度の改善を図ることができる結晶成長用ルツボおよび結晶成長方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、キャスト法によるシリコン結晶の成長に用いる結晶成長用ルツボにおいて、
外部の少なくとも一部に連続した凹凸形状が形成されることを特徴とする結晶成長用ルツボである。
【０００９】
また本発明で、前記凹凸形状は、ルツボの外部の全面に形成されることを特徴とする。
【００１０】
また本発明で、前記凹凸形状は、ルツボの縦方向に延びる溝が、平行に連続して複数本形成されることを特徴とする。
【００１１】
また本発明で、前記凹凸形状は、ルツボの横方向に延びる溝が、平行に連続して複数本形成されることを特徴とする。
【００１２】
また本発明で、前記凹凸形状は、格子形溝であることを特徴とする。
【００１３】
シリコンを結晶成長用ルツボに投入し成長させると融解シリコンがルツボ側に引っ張られるが、本発明に従えば、結晶成長用ルツボの外部に連続した凹凸形状が形成されることによって、内部応力が抑えられる。したがって、ひび割れのなく、歩留りが向上した結晶を成長させることができる。また、内部応力の分散が可能となり、結晶成長速度も早くなる。
【００１４】
また本発明で、前記凹凸形状の凸部の肉厚と凹部の肉厚とは、所定比率で構成されることを特徴とする。
【００１５】
また本発明で、前記凹凸形状の所定比率は、凸部の肉厚が凹部の肉厚の１．５倍以上であることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、凹凸の所定比率は、凸部の肉厚が凹部の肉厚の１．５倍以上とすることによって、結晶に発生する内部応力を確実に抑えることができる。
【００１７】
また本発明で、前記凹凸形状の凸部の断面形状は、四角形、台形または半円形であることを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、前記凹凸形状の凸部の断面形状は、四角形、台形または半円形など、どのような形状であってもよい。
【００１９】
【００２０】
【００２１】
また本発明で、前記結晶成長用ルツボは、シリカ、黒鉛、カーボン、石英のうちの少なくともいずれか１つの材料から構成されることを特徴とする。
【００２２】
本発明に従えば、結晶成長用ルツボはシリカ、黒鉛、カーボン、石英のうち、どの材料を用いても作製することができる。
【００２３】
また本発明は、キャスト法によるシリコン結晶の結晶成長方法において、
外部の少なくとも一部に連続した凹凸形状が形成された結晶成長用ルツボを用いて融解した結晶材料を成長させることを特徴とする結晶成長方法である。
【００２４】
本発明に従えば、ルツボの外部に凹凸形状が形成される結晶成長用ルツボを用いて結晶成長を行うことによって、融解シリコンがルツボ側に引っ張られることで発生する結晶の内部応力が抑えられる。これによって、ひび割れのない結晶を成長させることができる。
【００２５】
また本発明は、前記結晶成長用ルツボの上に、底壁に孔を有する上部ルツボを設置し、前記上部ルツボで結晶材料を融解させ、融解した結晶成長用材料を底壁の孔から下側の結晶成長用ルツボに落下させ、下側の結晶成長用ルツボで融解した結晶材料を成長させることを特徴とする。
【００２６】
本発明に従えば、不純物は上部ルツボのシリコンの融解液の表面部分に偏析されるため、不純物を上部ルツボに残留させることができ、下側の結晶成長用ルツボに不純物の少ない融解シリコンを堆積させることができる。したがって、結晶の均一性が向上し、結晶グレインの形状も大きくなり、また、ひび割れのない高品質な結晶が成長する。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の第１の実施形態の結晶成長用ルツボ１０（以下、ルツボ１０と略記する）について説明する。
【００２８】
図１（ａ）は、本発明の実施の一形態におけるルツボ１０の概略斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の切断面線Ｉ−Ｉから見た側壁部分の破断斜視図である。図１（ｃ）は、図１（ａ）の切断面線Ｉ−Ｉから見た底壁部分の破断斜視図である。
【００２９】
前記ルツボ１０は、上面に開口部を有し、４つの側壁４，５，６，７と底壁８とから成る四角箱型形状であり、外部の全面には連続した凹凸形状を有する。また、前記ルツボ１０の内部の空間は立方体形状であり、この内部にシリコン材料を充填し、シリコン材料を融解させ、冷やすことでシリコンを結晶成長させる。
【００３０】
前記ルツボ１０の外部の連続した凹凸形状は、各側壁４，５，６，７の外部では、底壁８に垂直な方向（縦方向）に延びる複数の凸条１１を平行に連続して形成し、凸条１１と凹溝１２とが各側壁４，５，６，７の全面に連続して形成される。また、底壁８では、側壁４，６に平行な方向に延びる複数の凸条１１が平行に連続して全面に形成される。また、前記ルツボ１０では、外部の全面に凹凸形状が形成されるが、凹凸形状は外部の一部分のみに形成されてもよい。
【００３１】
また、前記ルツボ１０では、側壁４と側壁５との角部１３では、図１（ｂ）に示すように、凸条１１が側壁４，５に連なって突出するように形成されるが、図１（ｄ）に示すように、角部１３を避けて凸条１１を形成し、角部１３が突出するように形成してもよい。
【００３２】
また、前記ルツボ１０の外部の連続した凹凸形状は、図２に示すように、各側壁４，５，６，７の外部で、底壁８に平行な方向（横方向）に延びる複数の凸条１１を平行に連続して形成して、凸条１１と凹溝１２とを各側壁４，５，６，７の全面に連続して形成してもよい。
【００３３】
このような凹凸形状を形成する場合も、図２（ａ）に示すように、凸条１１が側壁４の上端部１４および下端部１５から連なるように形成してもよく、また、図２（ｂ）に示すように、側壁４の上端部１４および下端部１５は凸条１１とせず、上端部１４および下端部１５が凹溝１２となるように、上端部１４の少し下および下端部１５の少し上から凸条１１が連なるように形成してもよい。また、前記底壁８および各側壁４，５，６，７の外部の凹凸形状は、格子形溝であってもよい。
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
図３（ａ）は、前記第１の実施形態のルツボ１０の連続した凹凸形状の一方向に延びる凸条１１に垂直な方向の断面図である。前記ルツボ１０では、凸条１１に垂直な方向の断面は四角形状であり、ルツボ１０の側壁に対する凸条１１の一側面１６の角度ａは９０°となる。この角度ａを変えて、図３（ｂ）に示すように、凸条１１の断面形状が台形となるように凹凸形状を形成してもよく、また、図３（ｃ）に示すように、凸条１１の断面形状が半円形となるように凹凸形状を形成してもよい。
【００４４】
また、前記ルツボ１０の凹凸形状では、凸部（凸条１１）の肉厚１７は凹部（凹溝１２）の肉厚１８の１．２〜２．０倍とし、前記第１の実施形態のルツボ１０では、約１．５倍としている。このように構成することによって、製造が容易となり、確実に内部応力を抑えることができる。ここで、凸部の肉厚１７とは、凹凸の無い反対側の表面から凸部の上端表面までの高さであり、凹部の肉厚とは、凹凸の無い反対側の表面から凹部の底面までの高さである。
【００４５】
前記ルツボ１０の作製にあたっては、鋳型を形成して、そこにシリカを流し込み、鋳造方式で形成した。鋳造形成されたルツボ１０には、内部に窒化珪素をコーティングした後、約９００℃で焼成を行い冷却した後、結晶成長を行う。
【００４６】
次に、前記ルツボ１０を用いた結晶成長方法について説明する。
まず、前記ルツボ１０にシリコン材料を投入し、熱を加える。そして、シリコン材料が融解した後、冷却することで結晶を成長させた。また、ルツボ１０の他に、図６に示すような、外部および内部に凹凸形状を形成していない従来のルツボを用いて、同様な条件にて結晶成長を行った。この結晶成長条件を表１に示す。
【００４７】
【表１】
0003934868.tif 000002
【００４８】
次に、成長した結晶の評価を行った。成長した結晶の評価手段としては、各サンプルのウエハの厚みを３５０μｍ±１０μｍに統一し、割れ率を調べる方法を用いた。各ルツボによって結晶成長させたシリコンの評価（割れ率）を表２に示す。
【００４９】
【表２】
0003934868.tif 000003
【００５０】
表２から前記第１の実施形態のルツボ１０を用いて結晶成長させたシリコンインゴットは、従来の結晶成長用ルツボを用いて結晶成長させたシリコンインゴットよりも、割れ率が低下していることがわかる。これにより、内部応力が緩和されていると考えられる。
【００５１】
以上のように、前記ルツボ１０により結晶成長を行うことによって、ひび割れがなく、歩留りが向上したシリコンインゴットを結晶成長させることができる。また、結晶の内部応力を低減できるので、結晶成長速度が早くなる。このため、シリコンインゴットの作製において大幅なコストダウンが可能となる。
【００５２】
次に、前記ルツボ１０を用いた他の結晶成長方法について説明する。図４は、ルツボ１０を用いた他の結晶成長方法を説明するための図である。
【００５３】
まず、底壁２３に、底壁２３の厚み方向に貫通して形成される貫通孔である孔２２を有する上部ルツボ２１の底壁２３の下側に、前記ルツボ１０の開口部が配置されるように、ルツボ１０を距離をおいて配置した。
【００５４】
次に、前記上部ルツボ２１にシリコン材料を充填する。このとき、上部ルツボ２１の底壁２３の孔２２を覆い隠すぐらいのシリコン材料の固まりを、まず、この孔２２の上に置いて、その周囲にシリコン材料を充填する。そして、上部ルツボ２１の上面部から徐々に熱を加えると上部ルツボ２１の上面部のシリコン材料が融解し始める。その後、熱を加え続けると、最終的には底壁２３の孔２２を覆っているシリコン材料の固まりが融解し、この孔２２を通して上部ルツボ２１の下側に設置されているルツボ１０に落下する。この落下したシリコン融解液は冷却され、結晶が成長する。シリコン材料が融解し、冷却されて結晶ができるまでの時間は、前記結晶成長方法より５時間短く、約５０時間とすることができた。
【００５５】
このような方法で結晶成長させたシリコンインゴットと従来の方法で結晶成長させたシリコンインゴットとをライフタイム測定器を用いて比較評価した結果を図５に示す。成長時間以外の結晶の成長条件は、前記実施形態の表１に示す結晶成長条件と同様である。図５から、ライフタイム特性が向上したことがわかる。
【００５６】
【００５７】
以上のように、結晶成長を行うと、結晶の内部応力が抑えられ、さらに結晶内の不純物を取り除くことができる。したがって、結晶の均一性が向上し、また、ひび割れがなく、歩留りが向上した高品質なシリコンインゴットを結晶成長させることができる。また、結晶の内部応力が低減されるので、結晶成長速度が早くなる。このため、シリコンインゴットの製造において大幅なコストダウンが可能となる。
【００５８】
【００５９】
【００６０】
【００６１】
【００６２】
【００６３】
【００６４】
【００６５】
【００６６】
以上のように、前記第１の実施形態の結晶成長用ルツボおよび結晶成長方法によって結晶成長させたシリコンインゴットは、たとえば、太陽電池用パネルなどに用いられる。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、結晶成長用ルツボの外部に連続した凹凸形状が形成されることによって、内部応力が抑えられるので、ひび割れのなく、歩留りが向上した結晶を成長できる。また、内部応力の分散が可能となり、結晶成長速度も早くなる。このため、シリコンインゴットの製造において、大幅なコストダウンが可能となる。
【００６８】
また本発明によれば、凹凸の所定比率は、凸部の肉厚が凹部の肉厚の１．５倍以上とするので、結晶に発生する内部応力を確実に抑えることができる。
【００６９】
また本発明によれば、前記凹凸形状の凸部の断面形状は、四角形、台形または半円形など、どのような形状であってもよい。
【００７０】
【００７１】
また本発明によれば、結晶成長用ルツボはシリカ、黒鉛、カーボン、石英のうち、どの材料を用いても作製することができる。
【００７２】
また本発明によれば、ルツボの外部に凹凸形状が形成される結晶成長用ルツボを用いて結晶成長を行うことによって、融解シリコンがルツボ側に引っ張られることで発生する結晶の内部応力が抑えられる。これによって、ひび割れのない結晶が成長できる。このため、シリコンインゴットの製造において、大幅なコストダウンが可能となる。
【００７３】
また本発明によれば、不純物は上部ルツボのシリコンの融解液の表面部分に偏析されるため、不純物を上部ルツボに残留させることができ、下側の結晶成長用ルツボに不純物の少ない融解シリコンを堆積させることができる。したがって、結晶の均一性が向上し、結晶グレインの形状も大きくなり、また、ひび割れのない、歩留りが向上した高品質な結晶が成長する。このため、シリコンインゴットの製造において、大幅なコストダウンが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は、本発明の第１の実施形態における結晶成長用ルツボ１０の概略斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の切断面線Ｉ−Ｉから見た側壁部分の破断斜視図であり、（ｃ）は、（ａ）の切断面線Ｉ−Ｉから見た底壁部分の破断斜視図であり、（ｄ）は、外部に形成される凹凸形状の他の例を示す図である。
【図２】  （ａ），（ｂ）は、図１の結晶成長用ルツボ１０の外部に形成される凹凸形状の他の例を示す破断斜視図である。
【図３】  （ａ），（ｂ），（ｃ）は、結晶成長用ルツボ１０に形成される凹凸形状の例を示す断面図である。
【図４】  図１のルツボ１０を用いた結晶成長方法の例を示す図である。
【図５】  図４の結晶成長方法によって結晶成長させたシリコンインゴットと従来の方法によって結晶成長させたシリコンインゴットを比較したライフタイム測定の結果を示す図である。
【図６】  （ａ）は、従来の結晶成長用ルツボ１の斜視図であり、（ｂ）は切断面線Ｘ−Ｘから見た断面図であり、（ｃ）は、結晶成長用ルツボ１の平面図である。
【図７】  図６の結晶成長用ルツボ１を用いたシリコンの結晶方法を示す図である。
【符号の説明】
１，１０  結晶成長用ルツボ
２  窒化珪素
３  シリコン材料
４，５，６，７  側壁
８，２３  底壁
１１  凸条
１２  凹溝
１３  角部
１６  凸部側面
１７  凸部の肉厚
１８  凹部の肉厚
２１  上部ルツボ
２２  孔
【図１】
0003934868.tif 000004
【図２】
0003934868.tif 000005
【図３】
0003934868.tif 000006
【図４】
0003934868.tif 000007
【図５】
0003934868.tif 000008
【図６】
0003934868.tif 000009
【図７】
0003934868.tif 000010