(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法によって単結晶シリコンインゴットを成長させるために使用されるシリコンメルトの製造方法であって、該シリコンメルトが、底、側壁、側壁に実質的に平行であり底の幾何学中心点と交差する中心線、および中心線から側壁まで延在する半径を有するルツボにおいて製造され、該方法が、
塊状ポリシリコンをルツボに装填してボウル形を有する装填物を形成し、装填物が、中心線から側壁に向かって頂部まで半径方向に上向きおよび外向きに傾斜し、次に、頂部から側壁まで下向きおよび外向きに傾斜し；
粒状ポリシリコンを、該ボウル形塊状ポリシリコン装填物の上に供給して、粒状ポリシリコンおよび塊状ポリシリコンの混合装填物を形成し；および
該混合ポリシリコン装填物を加熱して、シリコンメルトを形成する；
ことを含んで成る方法。
【請求項２】
ボウル形塊状ポリシリコン装填物を加熱して、上表面を有する溶融シリコン、および溶融シリコンの上表面より上に露出するポリシリコンの未溶融塊を含んで成る部分的に溶融した装填物を形成し、次に、粒状ポリシリコンを部分的に溶融した装填物の上に供給して、単結晶シリコンインゴットにおけるボイド欠陥の形成を防止することをさらに含んで成る請求項１に記載の方法。
【請求項３】
６〜８重量％の塊状ポリシリコンを溶融させることによって、部分的に溶融した装填物を形成する請求項２に記載の方法。
【請求項４】
中心線に近接するボウル形の部分的に溶融した装填物の上に、粒状ポリシリコンを供給する請求項２に記載の方法。
【請求項５】
混合ポリシリコン装填物が溶融した後に、ボウル形塊状ポリシリコン装填物が、側壁においてシリコンメルトの高さ以下の高さを有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
該頂部が、ボウル形塊状ポリシリコン装填物の環状リムを形成する請求項１に記載の方法。
【請求項７】
環状リムが、中心線からルツボの側壁に向かって半径方向に外向きに測定して、ルツボの半径の６／１０〜８／１０の半径を有する請求項６に記載の方法。
【請求項８】
環状リムが、ルツボの底から測定して２２ｃｍ〜２５ｃｍの高さを有する請求項６に記載の方法。
【請求項９】
環状リムの高さ／中心線に近接する装填物の高さの比が、３：１〜２.５：１である請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
粒状ポリシリコンを露出未溶融塊状ポリシリコンの上に供給し、混合ポリシリコン装填物の上に蓄積させ、粒状ポリシリコンの供給が終了した後に、側壁の上部分と接触する粒状ポリシリコンキャップを形成する請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
粒状ポリシリコンキャップが、溶融シリコンの上表面より上に存在し、粒状ポリシリコンが溶融シリコンと接触して溶融する際に、水素の放出によって生じる溶融シリコンの跳ね散りをそれさせる作用をする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
粒状ポリシリコンの添加が終了してから７５分〜１０５分後に、粒状ポリシリコンキャップがシリコンメルトに入るのを可能にする速度で、混合ポリシリコン装填物が溶融する請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
粒状ポリシリコンキャップを構成する粒状ポリシリコンを、シリコンメルトの表面と接触する前に脱水素することを可能にする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
チョクラルスキー法によって単結晶シリコンインゴットを成長させるために使用されるシリコンメルトをルツボにおいて製造する方法であって、該シリコンメルトが、底、側壁、側壁に実質的に平行であり、底の幾何学中心点と交差する中心線、および中心線から側壁まで延在する半径を有するルツボにおいて製造され、該方法が、
ポリシリコンの塊をルツボに装填してボウル形を有する装填物であって、中心線から側壁に向かって頂部まで半径方向に上向きおよび外向きに傾斜し、次に、頂部から側壁まで下向きおよび外向きに傾斜する装填物を形成し；
該ポリシリコンの塊を加熱して、上表面を有する溶融シリコン、および溶融シリコンの上表面より上に露出するポリシリコンの未溶融塊を含んで成る、部分的に溶融した装填物を形成し；
粒状ポリシリコンを、露出するポリシリコンの未溶融塊の上に供給して、粒状ポリシリコンの一部を、粒状ポリシリコンが溶融シリコンと接触するまで、ポリシリコンの未溶融塊の間に存在するスペースを通って移動させ；および
該混合ポリシリコン装填物を加熱してシリコンメルトを形成し、溶融シリコンの上表面より上に露出するポリシリコンの未溶融塊が、粒状ポリシリコンが溶融シリコンと接触して溶融する際に、水素の放出によって生じる溶融シリコンの跳ね散りをそれさせる作用をする；
ことを含んで成る方法。
【請求項１５】
チョクラルスキー法によって単結晶シリコンインゴットを成長させるために使用されるシリコンメルトをルツボにおいて製造する方法であって、該シリコンメルトが、底、上部分および下部分を有する側壁、側壁に実質的に平行であり、底の幾何学中心点と交差する中心線、および中心線から側壁まで延在する半径を有するルツボにおいて製造され、該方法が、
塊状ポリシリコンをルツボに装填し；
該塊状ポリシリコンを加熱して、上表面を有する溶融シリコン、および溶融シリコンの上表面より上に露出する未溶融塊状ポリシリコンを含んで成る、部分的に溶融した装填物を形成し；
粒状ポリシリコンを該露出未溶融塊状ポリシリコンの上に供給して、混合ポリシリコン装填物を形成し、粒状ポリシリコンが該混合ポリシリコン装填物の上に蓄積し、粒状ポリシリコンの供給が終了した後に、側壁の上部分と接触する粒状ポリシリコンキャップを形成し；および
該混合ポリシリコン装填物を溶融させて、シリコンメルトを形成する；
ことを含んで成る方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は一般に、溶融シリコンメルトからの単結晶シリコンの製造に関する。本発明は特に、塊状および粒状多結晶シリコンの混合装填物から溶融シリコンメルトを製造する方法であって、該方法において、塊状多結晶シリコンをボウル（bowl）様の形状（お椀状の形状）を形成するようにして装填し、該ボウル形の上に粒状多結晶シリコンを添加する方法に関する。
【０００２】
（背景技術）
ミクロ電子工学回路製造に使用される大部分の単結晶シリコンは、チョクラルスキー（Ｃｚ）法によって製造される。この方法において、多結晶シリコン（ポリシリコン）をルツボに溶融し、種結晶を溶融シリコンに浸漬し、インゴットに所望される直径を得るのに充分な方法で種結晶を引き上げ、その直径において単結晶を成長させることによって、単結晶シリコンインゴットを製造する。
【０００３】
溶融シリコンを形成するために溶融されるポリシリコンは一般に、Siemens法によって製造される塊状ポリシリコンである。塊状ポリシリコンは一般に、それがポリシリコンのロッドを一般に約２ｃｍ〜約１０ｃｍの長さおよび約４ｃｍ〜約６ｃｍの幅を有するより小さい片に砕くことによって製造されるという事実の結果として、形において不規則であり、鋭いきざぎざした縁を有する。あるいは、塊状ポリシリコンよりかなり小さいポリシリコンの形態であり、一般に均質な球形を有する粒状ポリシリコンを使用して、メルトを形成することもできる。粒状ポリシリコンは一般に、比較的より簡単な効率的流動床反応法によって製造される。粒状ポリシリコンは一般に、約１〜５ｍｍの直径であり、塊状ポリシリコンより約２０％高い充填密度を有する。塊状ポリシリコンおよび粒状ポリシリコンの製造および特徴が、F.Shimura、 Semiconductor Silicon Crystal Technology、p.116〜121、Academic Press(San Diego CA, 1989年)およびそこに引用されている文献に詳細に記載されている。
【０００４】
一般的Ｃｚ法によれば、ルツボに初めに塊状ポリシリコンが装填されるか、または全装填される。しかし、この方法によってルツボに装填することは、後の単結晶シリコニンゴットの製造において問題を生じる。例えば、塊状ポリシリコンの縁は一般に、鋭く、ぎざぎざである。その結果、全装填物の重量下に、塊状ポリシリコンが、ルツボ壁、特にルツボの底を引っ掻くかまたは彫る（gouge）。このような引っ掻き、および彫ることによって、ルツボに損傷を生じ、それによって、ルツボの小さい粒子が事実上、ルツボ表面から剥がれる。次に、これらの小さい粒子がシリコンメルトに懸濁し、最終的に成長結晶に組み込まれる。従って、これらの小さい粒子の存在が、単結晶中における転位形成の可能性を有意に増加させ、無転位単結晶（dislocation-free single crystals）の生産収量および処理量を減少させる。
【０００５】
ポリシリコン装填物の溶融が進む際に、塊状ポリシリコンの下部分が溶融し、メルトより上のルツボ壁に付着する未溶融材料の「ハンガー」（hunger）を残す。あるいは、ルツボ壁の向き合う面の間、およびメルト上に延在する未溶融材料の「ブリッジ」（bridge）が形成されることもある。ハンガーまたはブリッジが崩壊する場合に、溶融シリコンを跳ね散らすか、または機械的応力ダメージをルツボに与える場合がある。溶融が進む際に、単に塊状ポリシリコン装填物が移動（shift）することによっても、これらと同様の問題が生じ得る。
【０００６】
初めに１００％塊状ポリシリコンをルツボに装填することは、ルツボに生じるダメージの他に、そのような材料の低い充填密度の故に、装填し得る材料の容量を制限する。この容量制限も、無転位単結晶の生産収量および処理量に直接に悪影響を与える。
【０００７】
粒状ポリシリコンは、製造および充填密度に関して塊状ポリシリコンより有利であるが、ルツボへの粒状ポリシリコンの全容量装填およびそれの溶融も、単結晶に望ましくない不純物および欠陥を導入する。例えば、それの低い熱導電性の故に、粒状ポリシリコンを溶融させるために多量の電力が必要とされ、これは、結晶引き取り装置において今日使用されることが多いパージガスシステムの冷却効果によって増大される問題である。そのような高い溶融電力への暴露によってルツボに誘発される熱応力が、ルツボの歪みを生じ、ルツボ壁の粒子がメルトに導入され、最終的に単結晶へ組み込まれる。機械的応力と同様に、これらの熱応力が、無転位結晶の生産収量および処理量を減少させる。
【０００８】
Kimらは米国特許出願第０８／５９５０７５号において、粒状ポリシリコンの上に塊状ポリシリコンを装填することによって、パージガスの冷却効果から粒状ポリシリコンを熱的に遮蔽することを提案している。そのような方法は、装填物を溶融させるために必要とされるヒーターの電力レベルを低下させることによって、ルツボへの熱応力の可能性を制限するのに有利に作用する。しかし、そのようなメルトから成長される単結晶において、ボイド（voids）の形成の可能性が増加する。
【０００９】
ルツボに初めに塊状ポリシリコンが装填るかまたは粒状ポリシリコンが装填されるかにかかわらず、多くの方法において、供給または計量システムを使用してポリシリコンをメルトに追加して、溶融シリコンの量を増加させるのが好ましい。そのような「チャージ・アップ」（charge-up）ポリシリコンの追加装填の使用は、回分、半連続または連続工程システムに関して既知である。回分システムにおいては、例えば、初期ポリシリコン装填物が溶融した後に起こる容量の減少によって、既に存在するメルトに追加シリコンを装填して全ルツボ容量を得る。日本実用新案出願第５０−１１７８８号（１９７５年）は、それを例示するものである。半連続および連続チョクラルスキーシステムにおいては、追加ポリシリコンをシリコンメルトに装填して、単結晶シリコンインゴットが成長する際に引き上げられるシリコンを補充する。例えば、F. Shimura、Semiconductor Silicon Crystal Technology、p.175〜83、Academic Press（San Diego CA,1989年）参照。
【００１０】
粒状ポリシリコンは一般に、その容易流動形態の故に、回分、半連続および連続チョクラルスキーシステムに補充するために選択される材料であるが、不利な点を有さないわけではない。Kajimotoらによって米国特許第５０３７５０３号に開示されているように、シラン工程によって製造される粒状ポリシリコンは、それらが溶融シリコンに浸漬される際に、シリコン粒子（silicon granules）を破裂させる（burst）かまたは爆発させる（expolde）のに充分な量の水素を含有する。ポリシリコン粒子の爆発または破裂は、溶融シリコン液体粒子を跳ね散らさせる。これらの液体粒子が、結晶引き取り装置におけるルツボおよび他の成分の表面に蓄積し、それらが後に溶融シリコンメルトに落ち、結晶成長を妨げる。
【００１１】
この問題の解決法として、Ｈ2濃度が７.５重量ｐｐｍ（２１０ｐｐｍａ）またはそれ以下になるまで、分離加熱装置によって不活性ガス雰囲気中で粒状ポリシリコンを予め加熱することによって、粒状ポリシリコンの水素含有量を減少させることをKajimotoらは提案している。この方法は粒子が爆発する力を減少させる傾向はあるが、その現象を除くことはできない。実際に、１重量ｐｐｍ（２８ｐｐｍａ）未満の水素濃度を有する粒状ポリシリコンよっても爆発現象が経験される場合がある。
【００１２】
この問題の他の解決法が米国特許第５５８８９９３号に開示されており、それにおいて、塊状ポリシリコンを部分的に溶融させ、次に、粒状ポリシリコンを、塊状ポリシリコンの露出未溶融部分の上に供給する。粒状ポリシリコンを、それが約１２００℃より高い温度に到達し得るようにする速度において供給し、溶融するまで、その温度において約３０秒間維持する。このような方法において粒状ポリシリコンを加熱することは、溶融シリコンメルトに浸漬する前に、それを脱水素することを可能にする。
【００１３】
そのような方法における問題は、水素爆発現象に伴う効果を避けるために、溶融が起こる前に脱水素を可能にするのに充分に遅い速度で、粒状ポリシリコンを供給しなければならないことである。これは、特に粒状ポリシリコンの平均水素含有量が約１０ｐｐｍａを越える場合に、１００ｋｇの溶融シリコンメルトを製造するために必要とされる工程時間を約１０時間にし、従って結晶引き取り装置の処理量を減少させる。
【００１４】
粒状ポリシリコンの爆発およびそれに伴って生じる溶融シリコンの跳ね散りに伴う問題は、複雑なホットゾーンデザインを有する結晶引き取り装置が使用される場合に、かなり重大な問題となる。パージガスシステムが使用され、グラファイトシールド（graphite shielding）がルツボ上方に存在するそのようなデザインは、優れた特性を有する結晶が得られる故に、単結晶の製造においてより一般的になりつつある。しかし、より多くの表面がメルト上方に存在し、跳ね散ったシリコン粒子が該表面に蓄積し、最終的にメルトに落ちる故に、そのようなデザインは、成長結晶に欠陥を導入する追加的機会を与える。
【００１５】
その結果、シリコン粒子の跳ね散りを防止する方法で複雑なデザインのホットゾーンにおいてシリコンメルトを製造することができ、その一方で、これらのメルトから製造される無転位単結晶シリコンインゴットの処理量および収量を向上させる方法が、今なお必要とされている。
【００１６】
（発明の開示）
従って、本発明の目的は、ルツボにおける機械的応力および熱応力を減少させ、メルト中の水素濃度を最少限にし、ルツボの底におけるアルゴンの存在によって生じる単結晶中のボイドの存在を最少限にし、初期装填におけるポリシリコンの容量を最大限にし、および、粒状ポリシリコンの添加の間の水素爆発効果を防止することによって、無転位単結晶シリコンインゴットの生産収量および処理量を向上させるのに好適な溶融シリコンメルトの製造方法を提供することである。他の目的は、多くの追加の工程コスト、器具、または時間を必要とせずに、向上した無転位成長および処理量を有する単結晶シリコンインゴットを製造するのに好適な溶融シリコンメルトを製造する方法を提供することである。本発明のさらに他の目的は、完全な（complete）デザインのホットゾーンを有する結晶引き取り装置において、前記の事柄を達成することである。
【００１７】
従って、簡単に言えば、本発明は、底、側壁構成物（a sidewall formation）、側壁構成物に実質的に平行であり底の幾何学中心点と交差する中心線、および中心線から側壁構成物に延在する半径を有するルツボにおいて、チョクラルスキー法によって単結晶シリコンインゴットを成長させるために使用される、溶融シリコンメルトを製造する方法に関する。該方法は、ルツボに塊状ポリシリコンを装填してボウル形を有する装填物を形成することを特徴とし、該ボウル形装填物において、初めに装填物が一般に、中心線から側壁構成物に向かって頂部まで半径方向に上向きおよび外向きに傾斜し、次に、頂部から側壁構成物まで一般に下向きおよび外向きに傾斜する。ボウル形の塊状ポリシリコン装填物を加熱して、部分的に溶融した装填物を形成する。粒状ポリシリコンを部分的に溶融した装填物の上に供給して、塊状ポリシリコンおよび粒状ポリシリコンの混合装填物を形成する。
【００１８】
該方法はさらに、粒状ポリシリコンの一部が、ポリシリコンの未溶融塊の間に存在するスペースを通過して、溶融シリコンメルトの面と接触することも特徴とする。溶融シリコンメルトと接触した粒状ポリシリコンは急激に溶融し、その結果として水素が急激に放出される。メルトの上方に存在する未溶融塊状ポリシリコンが、跳ね散る可能性のある溶融シリコンをそれさせる（deflect）働きをする。
【００１９】
該方法はさらに、溶融していない塊状ポリシリコンを覆う、粒状ポリシリコンのキャップが形成されるまで、粒状ポリシリコンの添加を継続することも特徴とする。キャップの下の混合ポリシリコン装填物が溶融する際に、キャップが、生じる可能性のある溶融ポリシリコンの跳ね散りをそれさせる働きをする。さらに、キャップを構成する粒状ポリシリコンの温度を、それが溶融シリコンメルトと接触する前に効果的にそれを脱水素するのに充分な時間で、ある高さに上昇させる。
【００２０】
本発明の他の目的および特徴が、一部は明らかであり、一部は下記に記載される。
【００２１】
本発明の方法によれば、初めに塊状ポリシリコンをチョクラルスキールツボに装填し、溶融させて、溶融シリコンおよび未溶融塊状ポリシリコンの両方を含有する部分的に溶融した装填物を形成する。ルツボの特定の形状は限定されないが、ルツボは一般に、溶融シリコンのような液体を含有するかそうでなければ保持することができる少なくとも部分的に開放した構造を規定する内表面および外表面を有する。図１を参照すると、例示的なシリカルツボ１０が一般に、内表面１２、外表面１４、中心線１６、および上部縁１８を有する。内表面１２は、塊状ポリシリコンがその中に装填される開放キャビティを規定する。ルツボ１０は、底部分２２、コーナー部分２４、および側壁構成物２６を有し、それらは以後、それぞれルツボの、底２２、コーナー２４、側壁２６と称される。ルツボは、中心線１６から側壁２６の内表面まで半径方向に外向きに測定される半径Ｒを有する。ルツボ１０は、装填物を溶融させるのに使用される、上部縁２８ｂを有する筒状サイドヒーター２８ａ、およびボトムヒーター２９によって囲まれている。
【００２２】
この例示実施態様において、側壁２６はほぼ鉛直であり、上部分２６ａおよび下部分２６ｂを包含する実質的に鉛直な円周領域を規定し、上部分２６ａおよび下部分２６ｂがそれぞれ、側壁の全表面積の約５０％を包含する。上部分と下部分の間のおよその分割は一般に、線３０によって示される。底２２は一般に、垂直成分より実質的に大きい水平成分を有する傾斜を有する放物形である。コーナー２４は、側壁２６および底２２の交差部分に近接する湾曲環状境界領域である。一般に線３２で示されるように、コーナーの湾曲が終わる部分で、コーナー２４が側壁１６と交差する。コーナー２４は、上半分および下半分を有し、それぞれがコーナーの全表面積の約半分を包含し、上半分は側壁２６により近く、下半分は底２２により近い。ルツボ１０の中心線１６は、側壁２６に実質的に平行であり、底２２の幾何学中心点と交差する。
【００２３】
本発明の方法は、例えば、断熱材（insulation）、ガスパージ管、および／または熱反射器がルツボの上方に配置されて、結晶引き上げ温度が好ましい範囲に維持されるようにするのを補助する、複雑なデザインのホットゾーンを有する結晶引き取り装置において使用するのに最適に適合される。そのような複雑なデザインを有するホットゾーンの１つの実施態様が図１に示されており、それにおいて、熱反射器４０がルツボ１０の上方に配置されている。ホットゾーンのデザインおよびそれの材料は、本発明の方法の範囲を逸脱せずに、本明細書に記載する以外のものであってもよいことに注意すべきである。
【００２４】
ルツボの初期装填に関しては、不規則な形を有する塊状ポリシリコンが、より小さく、より均一な粒状ポリシリコンより好ましい。その理由は、粒状ポリシリコンの初期使用が、比較的低い生産収量、および単結晶シリコンインゴットにおける大きいボイド欠陥形成の多発生を招くからである。特定の理論に縛られるわけではないが、ルツボの底において、アルゴンまたは水素のようなガスを粒状ポリシリコンが捕捉し、これらのガスが後に、結晶成長の際に気泡としてシリコンメルトに放出されると考えられる。いくらかの気泡が成長界面において結晶に付着し、従ってボイド欠陥を形成する。初期装填に関する塊状ポリシリコンの使用は、これらの欠陥の形成を防止し、一般に高収量を与える。
【００２５】
次に図２を参照すると、ルツボ１０に初期装填される塊状ポリシリコン４２の量は一般に、単結晶シリコンインゴットの品質および生産処理量に関して最適にされる。例えば、前記のように、多すぎる塊状ポリシリコンがルツボに装填される場合に、ルツボへの機械的応力が増加する。さらに、装填物の移動（charge shifting）、あるいはブリッジまたはハンガーの形成の可能性も増加する。従って、装填物の移動によって生じるルツボダメージの可能性を抑制するために、塊（chunk）の平坦面（flat sides）４４がルツボの底２２および／または側壁２６に隣接するように、塊状ポリシリコンの初期装填物をルツボ１０に配置するのが好ましい。ポリシリコンの塊が移動する場合に、塊の先端（points）がルツボの側壁または底に衝突してダメージを生じる可能性を減少させるために、そのような配置が好ましい。
【００２６】
塊状ポリシリコンの初期装填の量は、ルツボのデザイン、ホットゾーンのデザイン、および製造される結晶生成物の種類によって変化し得る。例えば、２２インチのルツボを使用する１００ｋｇ全装填量に関しては、約５０〜６５ｋｇの塊状ポリシリコンの初期装填が好ましく、約５５ｋｇの装填が最も好ましい。これに対して、２４インチのルツボを使用する１２０ｋｇ全装填量に関しては、約５０〜７０ｋｇの初期装填が好ましく、約５５ｋｇの装填が最も好ましい。その結果、図２に示すように、特定のルツボ、ホットゾーン、または結晶生成物に関して、シリコンメルトの製造が終了した後に、線４５で一般に示されるシリコンメルトの全体の高さを越えないように、塊状ポリシリコン４２が一般に初期装填される。これに関して、塊状ポリシリコンの形の不規則性の故に、装填物の一般的な高さは、ルツボ１０の底２２から塊状ポリシリコン装填物の最も高い点までを測定することによって求められることに注意すべきである。
【００２７】
塊状ポリシリコンをこのように装填して、ハンガーまたはブリッジの形成の可能性を制限する。従って、装填物の高さが全シリコンメルトの高さの約０.６〜約１倍になるように、塊状ポリシリコンが配置される。好ましくは、装填物の高さが全シリコンメルトの高さの約０.７〜約０.８倍になるように、塊状ポリシリコンが配置される。
【００２８】
次に図３を参照すると、装填物をルツボ１０に配置した後に、ポリシリコンの塊を装填物の中心から除去し、ルツボの側壁２６に向かって積み上げて、装填物がボウル形または巣の形になるようにする。言い換えれば、中心線１６からルツボの側壁２６に向かって移動する装填物が一般に、頂部まで半径方向に上向きおよび外向きに傾斜し、その頂部において、装填物が一般に半径方向に下向きおよび外向きに傾斜するように、塊状ポリシリコン４２を配置する。装填物の初めの上向きの傾斜、および後の下向きの傾斜は、塊状ポリシリコンの安息角にほぼ等しい。一般に４６で示される環状リム（annular rim）は、ボウル形装填物配置の頂部によって形成される。
【００２９】
ボウル形装填物の配置において、溶融ポリシリコンメルトの形成が終了した後に一般に線４５によって示されるメルトの最終高さを、ルツボの側壁２６における装填物の高さが越えないのが好ましいことに注意すべきである。装填物の溶融が進む際のハンガーまたはブリッジの形成を防止するために、側壁における装填物の高さがメルトの高さを越えないのが好ましい。
【００３０】
塊状ポリシリコン４２の不規則な形の故に、装填物の表面が均一でなく、それは、装填物の傾斜が、装填物の特定の部分と他の部分とでいくらか異なること意味するということにも注意すべきである。その結果、最良適合線（best-fit line）４７は、ボウル形装填物の一般的傾斜に近似することを意味する。しかし、装填物の正確な傾斜は、本発明の範囲を逸脱せずに、線４７で一般に示される以外の傾斜であってもよい。
【００３１】
ボウル形装填物の環状リム４６は、中心線１６からルツボの側壁２６に向かって半径方向に外向きに測定される半径ｒを有し、この半径は一般に、ルツボの半径Ｒの約５／１０〜約９／１０である。該リムが、ルツボの半径の約６／１０〜約８／１０の半径を有するのが好ましい。しかし、塊状ポリシリコン４２の不規則な形の故に、基準点として使用されるリムの環の位置に依存して、リム４６の実際の半径はいくらか異なる。従って、リムの半径は、中心線１６から、半径方向に外向きに、中心線から最も遠いボウル形装填物の頂部における点までを測定することによって求められる。
【００３２】
一般に、環状リム４６におけるボウル形装填物の高さは、中心線１６におけるかまたはその近くにおける装填物の高さより大きい。一般に、環状リムの高さ／中心線におけるかまたはその近くにおける高さの比は、約３.５：１〜約１.２５：１、好ましくは約３：１〜約２.５：１である。例えば、２２インチの直径のルツボおよび１００ｋｇ装填量に関しては、ルツボ１０の底２２から測定される、環状リム４６におけるボウル形装填物の高さは、約１８ｃｍ〜約２５ｃｍ、好ましくは約２２ｃｍ〜約２５ｃｍである。これもまたルツボの底から測定される、中心線１６におけるかまたはその近くにおける装填物の高さは一般に約８ｃｍ〜約１６ｃｍ、好ましくは約８ｃｍ〜約１０ｃｍである。さらに、中心線１６におけるかまたはその近くにおける装填物より上に、約６ｃｍ〜約１２ｃｍ、より好ましくは約１０ｃｍ〜約１２ｃｍでリムが延在するのが好ましい。
【００３３】
環状リムにおける装填物の高さ、および中心線におけるかまたはその近くにおける装填物の高さは、ルツボの直径、装填量の大きさ、およびホットゾーンのデザインによって変化し得る。例えば、ホットゾーンのデザインが抑制的でない（not prohibitive）ことを条件として、ルツボの直径が増加すると、ボウル形装填物の深さ、即ち、中心線におけるかまたはその近くにおける装填物より上にリムが延在する距離が、増加する。その結果として、環状リムにおける、および中心におけるかまたはその近くにおける、装填物の高さは、本発明の範囲を逸脱せずに本明細書に記載する以外の高さであってもよいと理解すべきである。
【００３４】
リム４６および中心線１６における装填物の高さは、塊状ポリシリコン４２の不規則な形の故に、いくらか異なる場合もあることにも注意すべきである。従って、リムにおける、および中心線におけるかまたはその近くにおける高さは、リムにおいて、あるいは中心線において、またはその近くにおいて、最も高い装填物の点と、ルツボ１０の底２２との間の距離を測定することによって求められる。さらに、中心線における装填物より上にリムが延在する距離は、中心線におけるかまたはその近くにおける装填物の最も高い点と、リムにおける装填物の最も高い点との間の距離を測定することによって求められる。
【００３５】
次に図４を参照すると、装填物が筒状サイドヒーター２８ａにおいてほぼ中央に配置されるようにルツボ１０を配置することによって、塊状ポリシリコン４２を加熱する。これに関して、ルツボの正確な位置は、使用されるルツボおよびホットゾーのデザイン、ならびに初期塊状ポリシリコン装填量の大きさによって変化することに注意すべきである。塊状ポリシリコン４２を、それが溶融し始めるまで加熱し、上表面４９を有する溶融シリコンの層４８および溶融シリコンメルトの上表面より上に露出する未溶融塊状ポリシリコン４２の両方を含んで成る、部分的に溶融した装填物を形成する。約４〜１０重量％、好ましくは約６〜８重量％の塊状ポリシリコンを溶融することによって、ルツボの底２２を覆うのに充分な溶融シリコンの層４８が形成されるように、加熱速度が調節される。一般に約６０〜約１２０分、好ましくは約８５〜約９５分間加熱することによって、部分的シリコンメルトが形成されることを確実にするために、サイドヒーター２８ａおよびボトムヒーター２９に関して初期ヒーター電力が選択される。
【００３６】
次に図５を参照すると、溶融シリコンの層４８がルツボ１０の底２２に形成された後に、反射器４０の中央に位置する開口５６の上方に位置する供給管５４によって、粒状ポリシリコン５２を露出未溶融塊状ポリシリコン４２の上に供給することによって混合装填物が形成される。粒状ポリシリコンの装填の前にまたはその間に、供給管をルツボ１０の中央の上方に、およびボウル形装填物の中央の直ぐ上に、可動的に配置する。粒状ポリシリコンは一般に、ルツボ１０の中心線１６の近くにおいて、ボウル形塊状ポリシリコン装填物の中央または底に供給される。供給管５４はノズル５５を有し、該ノズルは、粒状ポリシリコンの添加が終了した後に、形成された粒状ポリシリコンの山の頂点から約１ｃｍ〜約２ｃｍの位置にノズルの先端が存在することを確実にするように選択される長さを一般に有する。一般に、ノズルは約８ｃｍ〜約１２ｃｍの長さを有する。ノズル５５はボウル形装填物の壁と共に、この添加の間にボウル形装填物の底およびルツボから跳ね出る粒状ポリシリコンの量を減少させる働きをする。
【００３７】
使用されるルツボの直径、ならびに塊状ポリシリコンおよび粒状ポリシリコンの両方を含有するポリシリコン装填物の合計量に依存して変化する速度において、粒状ポリシリコンを装填物に供給する。例えば、２０インチまたは２２インチの直径のルツボおよび約７５ｋｇ〜約１００ｋｇの装填量に関しては、粒状ポリオシリコンが一般に約１５〜約２５ｋｇ／時、好ましくは約１９〜約２１ｋｇ／時の速度において供給される。２４インチの直径のルツボおよび約１２０ｋｇ〜約１４０ｋｇの装填量に関しては、供給速度は一般に約２０〜約３０ｋｇ／時、好ましくは約２４〜約２６ｋｇ／時である。３２インチの直径のルツボおよび約１５０ｋｇまたはそれ以上の装填量に関しては、供給速度は一般に約４０〜約６０ｋｇ／時である。
【００３８】
初期装填される塊状ポリシリコン／未溶融塊上に供給される粒状ポリシリコンの重量比は、約１：２〜約２：１、好ましくは約２：３〜約３：２である。例えば、２２インチのルツボにおける１００ｋｇの合計装填量に関しては、前記の係数に基づいて約５５ｋｇの塊状ポリシリコンを装填し、その他が粒状ポリシリコンであるのが最も好ましい。
【００３９】
粒状ポリシリコンの添加の前に、ルツボの底に溶融シリコンの層を形成することは、ルツボの底に存在するアルゴンガスが捕捉されるのを防止する作用をする。その理由は、加熱工程を開始する際に、ルツボに装填されたポリシリコン塊の間に存在する一般に６０で示されるスペースまたはチャンネルを通ってアルゴンが放出し得るからである。従って、ポリシリコンがこれらのスペースを満たし、アルゴンを捕捉し、それの放出を防止する故に、溶融シリコンの層が形成されるまでは、粒状ポリシリコンの添加を開始しないことが重要である。
【００４０】
粒状ポリシリコンの添加の初期において、結晶引き取り装置内の圧力を一般に約１トルに維持する。この圧力を約１６０分〜約２００分間、好ましくは約１７０分〜約１９０分間にわたって維持する。結晶引き取り装置内におけるこの圧力の維持は、ルツボの底に捕捉されるアルゴンの量を減少させる作用をする。アルゴンガスを放出させることによって、成長工程の間に単結晶シリコンインゴットにボイドが形成されない。
【００４１】
次に図６を参照すると、粒状ポリシリコンおよび塊状ポリシリコンの混合装填物を形成する初期段階の間に、粒状ポリシリコン５２がボウル形装填物の底に供給される。次に、ポリシリコン塊の不規則な形の故に、粒状ポリシリコンが、ルツボ１０の底２２の溶融シリコン４８に到達するまで、ポリシリコン塊の間に存在するスペース６０を通って進む（pass）かまたは「徐々に進む」（trickle）。ボウル形装填物は、粒状ポリシリコンをルツボの底に向かって漏斗に通すように進ませる作用をし、および、粒状ポリシリコンが底に到達する前に、塊状ポリシリコン間のスペースが詰まるかまたは満たされるのを防止する作用もする。
【００４２】
前記のように、粒状ポリシリコン５２が融点に加熱される際に、粒状ポリシリコンに含有される水素が放出される。粒状ポリシリコンが溶融シリコンと接触するのが早すぎる場合は、粒状ポリシリコンの温度が急激に上昇し、その結果、それが含有する水素の急激な放出を生じる。このような水素の急激な放出は、結果的に溶融シリコンを跳ね散らす。図６において一般に６２で示されるように、溶融シリコンの面より上に存在するポリシリコンの未溶融塊が、溶融シリコンの跳ね散らされた液体粒子をそれさせる作用し、従って、該液体粒子がルツボから放出して、ルツボの上方のホットゾーン内の他の領域、例えば反射器４０または供給管５４に付着するのを防止する。
【００４３】
次に図７を参照すると、粒状ポリシリコン５２の供給を継続して、最終的に、ルツボ１０の底２２に存在するポリシリコンの塊の間に存在するスペース６０を満たすのに充分な量が添加される。その結果、粒状ポリシリコンが、混合ポリシリコン装填物の上に蓄積し、中心線１６から半径方向に外向きおよび下向きに延在して、それの下の塊状ポリシリコンおよび粒状ポリシリコンを覆う粒状ポリシリコンキャップ６４を形成する。これに関して、キャップを構成する粒状ポリシリコンが一般に、側壁２６の上部分２６ａおよび下部分２６ｂの間の分割を意味する線３０またはそれより上において存在することに注意すべきである。言い換えるならば、粒状ポリシリコンキャップは一般に、側壁の上部分と接触している。
【００４４】
ルツボへの装填およびシリコンメルトの形成の間を通じて、塊状ポリシリコン装填物をサイドヒーター２８ａにおいてほぼ中央に配置する位置に、ルツボ１０を維持するのが好ましい。しかし、粒状ポリシリコンキャップ６４の形成により、キャップが反射器４０と接触するのを防止するために、ルツボ１０を降下させる必要がある場合もある。ルツボを降下させなければならない場合に、その位置は、サイドヒーター２８ａの上部縁２８ｂかまたはそれより上に、上部縁１８を維持するような位置であるのが好ましい。これに関して、ルツボを降下する必要があるか、またはその必要がある場合はどのレベルまで降下しなければならないかは、ルツボのデザイン、ホットゾーンのデザイン、および装填量の大きさによって決まることに注意しなければならない。その結果、ポリシリコンキャップ６４が反射器４０と接触するのを防止するために、ルツボ１０の上部縁１８をサイドヒーター２８ａの上部縁２８ｂより下に降下させることを、これらの要因が指示する場合もある。このような場合は、キャップが反射器と接触するのを防止するのに充分な量のポリシリコン装填物が溶融した後に直ぐ、ルツボを上昇させなければならない。
【００４５】
次に図８を参照すると、装填量の残りがルツボに装填されるまで、粒状ポリシリコンの供給を継続する。例えば、約５５ｋｇの塊状ポリシリコンの初期装填を有する１００ｋｇの合計装填量に関しては、残りの装填量の約４５ｋｇの粒状ポリシリコンが装填される。残りの粒状ポリシリコンが、混合ポリシリコン装填物の上に蓄積し、および、一般に側壁２６の上部分２６ａと接触し、線３０より上にある粒状ポリシリコンによって形成される粒状ポリシリコンキャップ６４の全体的なサイズ、形、および傾斜に付加される。キャップを構成する粒状ポリシリコンの最終傾斜は一般に、添加される粒状ポリシリコンの安息角にほぼ等しい。ルツボ１０の底２２において混合ポリシリコン装填物が溶融を継続する際に、未溶融塊４２、および溶融シリコン４８の上方の粒状ポリシリコンキャップ６４の両方が、シールドとして作用して、水素の急激な放出によって跳ね散る溶融シリコン液体粒子をそれさせ、従って、液体粒子がルツボから放出するのを防止する。
【００４６】
粒状ポリシリコンの添加が終了した後、粒状ポリシリコンキャップ６４が溶融する速度を調節するために、ヒーター電力を監視する。次に図９を参照すると、ヒーター電力をこの範囲に維持して、キャップ６４の下にある塊状ポリシリコン４２および粒状ポリシリコン５２の混合装填物、即ち線３０またはそれより下に存在し、側壁２６の下部分２６ｂと一般に接触するポリシリコンが、溶融シリコンメルトにキャップが徐々に入るようにする速度において溶融し、それによって溶融シリコンのルツボ壁への跳ね散りまたはホットゾーン部品への垂れ下がりを防止することを確実にする。言い換えれば、キャップを構成する粒状ポリシリコン、即ち、側壁の上部分と一般に接触するポリシリコンが、シリコンメルトに入る速度を調節するために、ヒーター電力を維持する。一般に、約６０分〜約１２０分、好ましくは約７５分〜約１０５分、最も好ましくは約９０分間で、キャップがシリコンメルトに徐々に入るようにする速度において、ポリシリコンが溶融する。
【００４７】
図１０を参照すると、管理加熱が、キャップ６４が上表面４９より下にゆっくり降下して、溶融シリコンメルト４８に入ることを可能にし、従って、キャップがメルトに入って溶融シリコンがルツボから放出するのを防止する。これに関して、本発明の方法は、複雑なデザインのホットゾーンを有する結晶引き取り装置に特に適している。複雑なホットゾーンは、粒状ポリシリコンキャップ６４に関してそのようなデザインがより優れた溶融制御を行うことができ、従って、キャップがメルトに入る際に溶融シリコンが跳ね散る可能性を抑制するので、好ましい。
【００４８】
粒状ポリシリコン５２および塊状ポリシリコン４２の混合装填物がキャップ６４より下において溶融する際に、キャップを構成する未溶融粒状ポリシリコンの温度が上昇する。キャップ６４が最終的に溶融シリコンメルトに入る時間を調節することによって、キャップを構成する粒状ポリシリコンが、溶融シリコンに浸漬される前に脱水素されるようにするのに充分な時間で、温度レベルに暴露される。脱水素は、ポリシリコンの結晶構造を通る、捕捉された水素分子（Ｈ2）または原子（Ｈ）の拡散を意味する。従って、脱水素に影響を与える要因は、水素の温度依存性拡散係数、結晶構造から出るために水素が拡散しなければならない距離、および時間を包含する。一般に、ポリシリコン塊また特定の粒度のポリシリコン粒子に関して、温度が増加すると、拡散係数は増加し、水素が拡散するのに要する時間は減少する。
【００４９】
粒状ポリシリコンの添加の際にルツボが降下された場合は、ポリシリコンキャップ６４が充分に溶融シリコンメルト４８に入った後に、ルツボ１０を初期位置に戻す。ここでもまた、ポリシリコン装填物がサイドヒーター２８ａにおいて中央に配置されるように、ルツボを配置するのが好ましい。
【００５０】
前記ヒーター電力レベルおよび時間範囲は、下記の経験的ガイドラインを使用して、装填量の大きさおよびルツボの直径に関して最適化し得ることに注意すべきである。キャップがメルトにゆっくり入ることを可能にする速度において、キャップの下の塊状ポリシリコンおよび粒状ポリシリコンの混合装填物が溶融することが重要である。キャップの下の塊状ポリシリコンおよび粒状ポリシリコンの溶融が速すぎると、キャップが溶融シリコンメルトに降りる距離が大きくなりすぎて、溶融シリコンがルツボから跳ね散らされる。これが生じる場合は、サイドヒーターの合計電力が高すぎるので、次のシリコンメルトを製造する際に、粒状ポリシリコンの供給の間および供給後の両方において、約１ｋＷ〜約２ｋＷで減少させなければならない。
【００５１】
これと反対に、キャップの下の塊状ポリシリコンおよび粒状ポリシリコンの溶融が遅すぎると、キャップが最終的にブリッジを形成し、溶融シリコンメルトの表面から分離し、キャップとメルトの間に存在する熱伝導路を失う。その結果、粒状ポリシリコンの供給が終了した後、約９０分〜約１００分以内でキャップがメルトに降りることができない場合は、約１ｋＷをサイドヒーター電力に追加しなければならない。供給終了から約１２０分後にキャップがメルトに降りていない場合は、約２ｋＷの電力を追加しなければならない。約１５０分後にキャップがメルトに降りていない場合は、２ｋＷの電力を追加しなければならない。
【００５２】
粒状ポリシリコンの供給が終了してから１８０分後にキャップがメルトに降りていない場合は、ブリッジが形成されたと考えられる。これが起こる場合は、大きい溶融シリコンスプラッシュ（a large molten silicon splash）の形成の有意な可能性があり、キャップをルツボから解放して、メルトに降ろさなければならない。そのような状況によって生じる危険性の故に、その装填物を捨てて、新たなメルトを製造するのが好ましく、その場合に、サイドヒーター合計電力を少なくとも３ｋＷ〜４ｋＷで増加させる。
【００５３】
本発明の方法によれば、粒状ポリシリコンが塊状ポリシリコンより容易流動性である故に、粒状ポリシリコンのボウル形塊状ポリシリコン装填物への添加が一般に好ましい。粒状ポリシリコンが無塵（dust free）であり、約９０％重量の粒子であり、約４００μ〜約１４００μｍの範囲の粒度分布を有するのが好ましい。塊状ポリシリコンおよび粒状ポリシリコンキャップによって、跳ね散りがルツボ内に包含されるという事実によって、粒状ポリシリコンの水素濃度は限定されない。キャップを構成する粒状ポリシリコンを、溶融シリコンメルトに浸漬される前に脱水素し得るという事実によっても、水素濃度が限定されない。従って、本発明は、最高約２００ｐｐｍａの平均濃度を包含する、広範囲の平均水素濃度を有する粒状ポリシリコンを使用する手段を提供する故に、先行技術の方法より有利である。しかし、粒状ポリシリコンの平均水素濃度は、好ましくは約５０ｐｐｍａ未満、より好ましくは２０ｐｐｍａ未満である。
【００５４】
本発明の方法は、溶融シリコンメルトを製造するために必要な時間を短縮し、その一方で、成長する単結晶シリコンインゴットに欠陥を導入し得る前記問題を防止し、従って、無転位単結晶製造の全体的収量および処理量を向上させる手段を提供する。例えば、所定の結晶引き取り装置において１００ｋｇの溶融シリコンメルトを形成するために必要とされる合計時間が、約６.５時間〜約７.５時間である。前記範囲の時間内にキャップがメルトに入るが、装填物を充分に溶融させるのに要する時間が７.５時間を越える場合は、次のメルトを製造する際に、約５.５時間後のヒーターの電力レベルを約１ｋＷで増加しなければならないことに注意すべきである。それと反対に、装填物を充分に溶融させるのに要する時間が約６.５時間未満である場合は、約５.５時間後のヒーターの電力レベルを約１ｋＷで減少しなければならない。
【００５５】
粒状ポリシリコンをルツボに装填する速度を、前記範囲に維持しなければならないことに注意することが重要である。供給速度が前記下限より低い場合は、多すぎる塊状ポリシリコンが、粒状ポリシリコンキャップの形成前に溶融する可能性がある。このようなことが起こった場合は、溶融する粒状ポリシリコンから水素が放出する際に、溶融シリコンをそれさせるのに充分な塊状ポリシリコンが存在しない故に、溶融シリコンがルツボから跳ね散る。これと反対に、供給速度が前記上限を越える場合に、装填物を溶融させるために、ヒーター電力を増加する必要がある。ヒーター電力の増加は、キャップの下の粒状ポリシリコンおよび塊状ポリシリコンの混合装填物をあまりに急激に溶融させ、その結果、キャップがメルトに入る際に溶融シリコンの跳ね散りを生じる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  空のチョクラルスキールツボの断面図である。
【図２】  塊状ポリシリコンの初期装填を示す、チョクラルスキールツボの断面図である。
【図３】  ボウル形装填物を形成するように配置された塊状ポリシリコンを示す、チョクラルスキールツボの断面図である。
【図４】  部分的に溶融した装填物の形成を示す、チョクラルスキールツボの断面図である。
【図５】  粒状ポリシリコン添加の初期段階を示す、チョクラルスキールツボの断面図である。
【図６】  粒状ポリシリコンの連続添加、およびポリシリコン塊の間に存在するスペースを通る粒状ポリシリコンの移動を示す、チョクラルスキールツボの断面図である。
【図７】  粒状ポリシリコンの添加を継続し、ポリシリコン塊の間のスペースが満たされる際の、粒状ポリシリコンキャップの形成を示す、ルツボの断面図である。
【図８】  粒状ポリシリコンの添加の終了、および粒状ポリシリコンキャップの形成を示す、チョクラルスキールツボの断面図である。
【図９】  粒状ポリシリコンおよび塊状ポリシリコンの連続溶融を示す、チョクラルスキールツボの断面図である。
【図１０】  溶融シリコンメルトに入る粒状ポリシリコンキャップを示す、チョクラルスキールツボの断面図である。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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