(57)【要約】チョクラルスキー法にしたがって単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させるに際し用いられるシリコン粉末から溶融物を調製する方法は、上記粉末からシリコン酸化物を除去すること；空気及び他の酸化ガスを除去するため真空を付加すること；酸化物が溶解する時間間隔粉末の溶融及びその融点を超える温度に上記充填物を維持する間及びその後上記ヒータに対する上記充填物の位置を制御すること；酸化物及びシリコンのブリッジを減少させるため上記坩堝側壁と上記シリコン粉末充填物との間において除去可能なスペーサを用いることを含む。
2012508151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法にしたがって単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製するプロセスであって、
少なくとも約２０質量％のシリコン粉末を含むシリコン充填物を生成させるため、シリコン粉末の表面に一定量のシリコン酸化物が含まれるシリコン粉末粒子を含有するシリコン粉末が坩堝に投入され、該坩堝が、シリコンインゴットを引き上げるための結晶引上装置のハウジング内に配置され、
当該プロセスは、
シリコン充填物を、少なくとも約３０分間、約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで加熱し酸化物低減シリコン充填物を調製する工程と、
酸化物低減シリコン充填物を、当該充填物の融点を超える温度まで加熱しシリコン溶融物を生成させる工程と、を備えるプロセス。
【請求項２】
上記の酸化物低減シリコン充填物を調製するため、少なくとも約１時間、約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度までシリコン充填物を加熱する請求項１記載のプロセス。
【請求項３】
上記の酸化物低減シリコン充填物を調製するため、少なくとも約２時間、約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度までシリコン充填物を加熱する請求項１記載のプロセス。
【請求項４】
上記の酸化物低減シリコン充填物を調製するため、少なくとも約３０分間、約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度までアルゴンを含む大気中でシリコン充填物を加熱する請求項１記載のプロセス。
【請求項５】
シリコン酸化物を昇華させ一酸化ケイ素を生成させるため上記ハウジング内にアルゴンを供給し、上記アルゴン及び上記一酸化ケイ素ガスを上記ハウジングから除去する請求項４記載のプロセス。
【請求項６】
上記の酸化物低減シリコン充填物を調製するため、少なくとも約３０分間、約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで水素を含む大気中でシリコン充填物を加熱する請求項１記載のプロセス。
【請求項７】
シリコン酸化物と反応させ水蒸気を生成させるため上記ハウジング内に水素を供給し、上記水蒸気を上記ハウジングから除去する請求項６記載のプロセス。
【請求項８】
上記の酸化物低減シリコン充填物を調製するため、少なくとも約３０分間、約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度までシリコン充填物を加熱しながら、結晶引上装置のハウジング内において真空を維持する請求項１〜７のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９】
上記真空を制御し、周期的な真空を生じさせる請求項８記載のプロセス。
【請求項１０】
上記充填物の融点が約１４１２℃である請求項１〜９の何れかに記載のプロセス。
【請求項１１】
上記酸化物低減シリコン充填物を溶解させるため、上記シリコン充填物を、約１４１２℃〜約１５７５℃の温度まで加熱する請求項１〜１０の何れかに記載のプロセス。
【請求項１２】
上記酸化物低減シリコン充填物を調製するため、上記シリコン充填物を、少なくとも約３０分間、約１１００℃〜約１４１２℃の温度まで加熱する請求項１〜１１の何れかに記載のプロセス。
【請求項１３】
上記シリコン充填物は、シリコンを熱分解可能な化合物から化学気相成長させる際に用いられる流動層反応炉から排出されたシリコン粉末を含む請求項１〜１２の何れかに記載のプロセス。
【請求項１４】
上記シリコン充填物が、約５０μｍ未満の平均公称直径を有するシリコン粉末を含む請求項１〜１３の何れかに記載のプロセス。
【請求項１５】
上記シリコン充填物が、少なくとも約３５質量％のシリコン粉末を含む請求項１〜１４の何れかに記載のプロセス。
【請求項１６】
上記シリコン充填物が、少なくとも約５０質量％のシリコン粉末を含む請求項１〜１４の何れかに記載のプロセス。
【請求項１７】
上記シリコン充填物が、少なくとも約７５質量％のシリコン粉末を含む請求項１〜１４の何れかに記載のプロセス。
【請求項１８】
上記シリコン充填物が、少なくとも約９０質量％のシリコン粉末を含む請求項１〜１４の何れかに記載のプロセス。
【請求項１９】
上記シリコン充填物が、少なくとも約９９質量％のシリコン粉末を含む請求項１〜１４の何れかに記載のプロセス。
【請求項２０】
上記シリコン充填物が、実質的にシリコン粉末からなる請求項１〜１４の何れかに記載のプロセス。
【請求項２１】
約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度までシリコン充填物を加熱する前に、大気の一部を除去し上記ハウジング内に真空を発生させ、
上記大気の除去率が、シリコン粉末が大気中に混入することが抑制されるように制御される請求項１〜２０の何れかに記載のプロセス。
【請求項２２】
上記坩堝が側壁を有し、
シリコン充填物を上記充填物の融点を超える温度まで加熱しシリコン溶融物を生成させる前に、上記側壁の一部と上記充填物との間にギャップが存在する請求項１〜２１の何れかに記載のプロセス。
【請求項２３】
チョクラルスキー法にしたがって単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製するプロセスであって、
シリコン充填物を生成させるため、シリコン粉末が坩堝に投入され、該坩堝が、シリコンインゴットを引き上げるための結晶引上装置の、大気を含むハウジング内に配置され、
当該プロセスが、
大気の一部を除去しハウジング内に真空を発生させる工程と、
シリコン充填物の融点を超える温度まで該シリコン充填物を加熱しシリコン溶融物を生成させる工程と、を有し、
上記大気の除去率は、シリコン粉末が上記大気に混入することが抑制されるように制御されるプロセス。
【請求項２４】
大気の一部を除去し上記ハウジング内に約３００トール絶対圧力未満の真空を発生させ、
上記大気の除去率は、シリコン粉末が上記大気に混入することが抑制されるように制御される請求項２３に記載のプロセス。
【請求項２５】
大気の一部を除去し上記ハウジング内に約２５０トール絶対圧力未満の真空を発生させ、
上記大気の除去率は、シリコン粉末が上記大気に混入することが抑制されるように制御される請求項２３に記載のプロセス。
【請求項２６】
真空が付加される前の上記ハウジング内の圧力が、およそ大気圧である請求項２３記載のプロセス。
【請求項２７】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約３００トールまで変化する時間間隔が少なくとも約６０秒である請求項２６記載のプロセス。
【請求項２８】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約３００トールまで変化する時間間隔が少なくとも約９０秒である請求項２６記載のプロセス。
【請求項２９】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約３００トールまで変化する時間間隔が少なくとも約１２０秒である請求項２６記載のプロセス。
【請求項３０】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約３００トールまで変化する間、大気の除去率が約４トール／秒未満に制御される請求項２６記載のプロセス。
【請求項３１】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約３００トールまで変化する間、大気の除去率が約３トール／秒未満に制御される請求項２６記載のプロセス。
【請求項３２】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約３００トールまで変化する間、大気の除去率が約２トール／秒未満に制御される請求項２６記載のプロセス。
【請求項３３】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約２５０トールまで変化する時間間隔が少なくとも約６０秒である請求項２６記載のプロセス。
【請求項３４】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約２５０トールまで変化する時間間隔が少なくとも約９０秒である請求項２６記載のプロセス。
【請求項３５】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約２５０トールまで変化する時間間隔が少なくとも約１２０秒である請求項２６記載のプロセス。
【請求項３６】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約２５０トールまで変化する間、大気の除去率が約４トール／秒未満に制御される請求項２６記載のプロセス。
【請求項３７】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約２５０トールまで変化する間、大気の除去率が約３トール／秒未満に制御される請求項２６記載のプロセス。
【請求項３８】
上記ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約２５０トールまで変化する間、大気の除去率が約２トール／秒未満に制御される請求項２６記載のプロセス。
【請求項３９】
大気の一部を除去し上記ハウジング内に約３００トール絶対圧力未満の真空を発生させ、
上記大気の除去率は、シリコン粉末が上記大気に混入することが抑制されるように制御され、
さらに、大気の残りの部分を除去し約５トール絶対圧力の真空を発生させる工程を含む請求項２６に記載のプロセス。
【請求項４０】
大気の一部を除去し上記ハウジング内に約２５０トール絶対圧力未満の真空を発生させ、
上記大気の除去率は、シリコン粉末が上記大気に混入することが抑制されるように制御され、
さらに、大気の残りの部分を除去し約５トール絶対圧力の真空を発生させる工程を含む請求項２６に記載のプロセス。
【請求項４１】
上記充填物の融点が約１４１２℃である請求項２３〜４０のいずれかに記載のプロセス。
【請求項４２】
上記充填物を溶解させるため、当該充填物を約１４１２℃〜約１５７５℃の温度まで加熱する請求項２３〜４１のいずれかに記載のプロセス。
【請求項４３】
上記シリコン充填物が、シリコンを熱分解可能な化合物から化学気相成長させる際に用いられる流動層反応炉から排出されたシリコン粉末を含む請求項２３〜４２のいずれかに記載のプロセス。
【請求項４４】
上記シリコン充填物が、約５０μｍ未満の平均公称直径を有するシリコン粉末粒子を含む請求項２３〜４３のいずれかに記載のプロセス。
【請求項４５】
上記シリコン充填物が、少なくとも約２０質量％のシリコン粉末を含む請求項２３〜４４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項４６】
上記シリコン充填物が、少なくとも約３５質量％のシリコン粉末を含む請求項２３〜４４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項４７】
上記シリコン充填物が、少なくとも約５０質量％のシリコン粉末を含む請求項２３〜４４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項４８】
上記シリコン充填物が、少なくとも約７５質量％のシリコン粉末を含む請求項２３〜４４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項４９】
上記シリコン充填物が、少なくとも約９０質量％のシリコン粉末を含む請求項２３〜４４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項５０】
上記シリコン充填物が、少なくとも約９９質量％のシリコン粉末を含む請求項２３〜４４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項５１】
上記シリコン充填物が、実質的にシリコン粉末からなる請求項２３〜４４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項５２】
チョクラルスキー法にしたがって単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製するプロセスであって、
シリコン充填物を生成させるため上記シリコン粉末が坩堝に投入され、上記坩堝が、上記シリコンインゴットを引き上げるための結晶引上装置のハウジング内に配置され、上記結晶引上装置は、上記シリコン充填物を溶融させるに十分な温度まで上記坩堝を加熱するための坩堝に熱的に接続されたヒータを有し、上記ヒータは、ヒータ長さと、上記ヒータの上部と下部との間の中途の軸方向中間点と、を規定する上部及び下部を有し、上記坩堝は、上記結晶引上装置の中央長手方向軸に沿って上記ハウジング内において上下することが可能であり、上記充填物が上記充填物の表面と、上記充填物の下部との間の中途に軸方向中間点を有し、
当該プロセスは、
表面を有するシリコン溶融物を生成させるため、上記坩堝によって保持されたシリコン充填物を加熱する工程を有し、上記坩堝は、上記充填物の軸方向中間点と上記ヒータの軸方向中間点との間の距離が上記ヒータ長さの約１５％未満である第１軸方向ポジションにおいて保持され、
該プロセスは、さらに、上記溶融物の表面と上記ヒータの軸方向中間点との間の距離が上記ヒータ長さの少なくとも約１５％未満である第２軸方向ポジションにおいて上記坩堝を加熱する工程と、
上記第２軸方向ポジションにおいて、少なくとも約３０分間、上記充填物の融点を超える温度に上記シリコン溶融物の温度を維持する工程と、を有するプロセス。
【請求項５３】
上記第１軸方向ポジションと上記第２軸方向ポジションとの間の位置の相違は、上記ヒータ長さの約５％未満である請求項５２記載のプロセス。
【請求項５４】
上記第１軸方向ポジションと上記第２軸方向ポジションとが実質的に同じである請求項５２記載のプロセス。
【請求項５５】
上記シリコン溶融物の温度が、上記第２軸方向ポジションにおいて、少なくとも約１時間、上記充填物の融点を超える温度に維持される請求項５２〜５４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項５６】
上記シリコン溶融物の温度が、上記第２軸方向ポジションにおいて、少なくとも約２時間、上記充填物の融点を超える温度に維持される請求項５２〜５５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項５７】
上記充填物の融点が約１４１２℃である請求項５２〜５６のいずれかに記載のプロセス。
【請求項５８】
上記シリコン溶融物の温度を、上記第２軸方向ポジションにおいて、少なくとも約３０分間、約１４１２℃〜約１５７５℃に維持する請求項５７に記載のプロセス。
【請求項５９】
上記シリコン溶融物の温度を、上記第２軸方向ポジションにおいて、少なくとも約１時間、約１４１２℃〜約１５７５℃に維持する請求項５７に記載のプロセス。
【請求項６０】
上記シリコン溶融物の温度を、上記第２軸方向ポジションにおいて、少なくとも約２時間、約１４１２℃〜約１５７５℃に維持する請求項５７に記載のプロセス。
【請求項６１】
上記溶融物の表面が、上記ヒータの上部より下方、上記ヒータ長さの約２．５％〜約２５％の位置に存在する第３軸方向ポジションまで上記坩堝を上昇させる工程をさらに備える請求項５２〜６０のいずれかに記載のプロセス。
【請求項６２】
上記ヒータ長さが少なくとも約３００ｍｍである請求項５２〜６１のいずれかに記載のプロセス。
【請求項６３】
上記ヒータ長さが少なくとも約４００ｍｍである請求項５２〜６１のいずれかに記載のプロセス。
【請求項６４】
上記シリコン充填物が、シリコンを熱分解可能な化合物から化学気相成長させる際に用いられる流動層反応炉から排出されたシリコン粉末を含む請求項５２〜６３のいずれかに記載のプロセス。
【請求項６５】
上記シリコン充填物が、約５０μｍ未満の平均公称直径を有するシリコン粉末粒子を含む請求項５２〜６４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項６６】
上記シリコン充填物が、少なくとも約２０質量％のシリコン粉末を含む請求項５２〜６５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項６７】
上記シリコン充填物が、少なくとも約３５質量％のシリコン粉末を含む請求項５２〜６５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項６８】
上記シリコン充填物が、少なくとも約５０質量％のシリコン粉末を含む請求項５２〜６５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項６９】
上記シリコン充填物が、少なくとも約７５質量％のシリコン粉末を含む請求項５２〜６５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項７０】
上記シリコン充填物が、少なくとも約９０質量％のシリコン粉末を含む請求項５２〜６５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項７１】
上記シリコン充填物が、少なくとも約９９質量％のシリコン粉末を含む請求項５２〜６５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項７２】
上記シリコン充填物が、実質的にシリコン粉末からなる請求項５２〜６５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項７３】
上記シリコン充填物を加熱してシリコン溶融物を生成させる前に、上記シリコン充填物を少なくとも約３０分間約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで加熱して酸素低減シリコン充填物を調製する請求項５２〜７２のいずれかに記載のプロセス。
【請求項７４】
上記シリコン充填物を約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで加熱する前に、大気の一部を除去し上記ハウジング内に真空を発生させ、
上記大気の除去率は、シリコン粉末が上記大気に混入することが抑制されるように制御される請求項７３記載のプロセス。
【請求項７５】
上記シリコン充填物を加熱しシリコン溶融物を生成させる前に、大気の一部を除去し上記ハウジング内に真空を発生させ、
上記大気の除去率は、シリコン粉末が上記大気に混入することが抑制されるように制御される請求項５２〜７３のいずれかに記載のプロセス。
【請求項７６】
上記坩堝が側壁を有し、
シリコン充填物を上記充填物の融点を超える温度まで加熱しシリコン溶融物を生成させる前において、上記側壁の一部と上記充填物との間にギャップが存在する請求項５２〜７５の何れかに記載のプロセス。
【請求項７７】
チョクラルスキー法にしたがって単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製するプロセスであって、
上記シリコン溶融物は、底部と、内表面を有する側壁と、を有する坩堝において調製され、
当該プロセスは、
上記坩堝の側壁の内表面に沿って、上部と下部とを有する除去可能なスペーサを挿入する工程と、
シリコン充填物を生成させるため、シリコン粉末を上記坩堝に投入する工程と、
上記坩堝の側壁と上記シリコン充填物との間にギャップを形成するため、上記坩堝から、上記除去可能なスペーサを除去する工程と、
シリコン溶融物を生成させるため、上記シリコン充填物を上記充填物の融点を超える温度まで加熱する工程と、を有するプロセス。
【請求項７８】
上記シリコン粉末は、上記スペーサが上記坩堝から取り除かれる前の時点において、上記側壁において、上記除去可能なスペーサの上部の高さ以下の高さを有する請求項７７記載のプロセス。
【請求項７９】
上記除去可能なスペーサを上記坩堝に挿入する前に、シリコン粉末を坩堝に投入し部分的なシリコン充填物を生成させ、
上記除去可能なスペーサを挿入した後に、シリコン粉末を坩堝に投入し完全なシリコン充填物を生成させる請求項７７又は７８に記載のプロセス。
【請求項８０】
上記スペーサの形状が矩形である請求項７７〜７９のいずれかに記載のプロセス。
【請求項８１】
上記スペーサが環状体である請求項７７〜８０のいずれかに記載のプロセス。
【請求項８２】
上記坩堝側壁が、内周面を有する環状体であり、
上記スペーサの長さが少なくともおよそ上記側壁の上記内周面の長さである請求項７７〜８１のいずれかに記載のプロセス。
【請求項８３】
２つの除去可能なスペーサが上記坩堝に挿入される請求項７７〜８２のいずれかに記載のプロセス。
【請求項８４】
上記スペーサが少なくとも約２０ｍｍ厚である請求項７７〜８３のいずれかに記載のプロセス。
【請求項８５】
上記充填物の融点が約１４１２℃である請求項７７〜８４のいずれかに記載のプロセス。
【請求項８６】
上記充填物を形成するため、上記充填物を約１４１２℃〜約１５７５℃の温度まで加熱する請求項８５記載のプロセス。
【請求項８７】
上記シリコン充填物が、シリコンを熱分解可能な化合物から化学気相成長させる際に用いられる流動層反応炉から排出されたシリコン粉末を含む請求項２３〜４２のいずれかに記載のプロセス。
【請求項８８】
上記シリコン充填物が、約５０μｍ未満の平均公称直径を有するシリコン粉末粒子を含む請求項７７〜８７のいずれかに記載のプロセス。
【請求項８９】
上記シリコン充填物が、少なくとも約２０質量％のシリコン粉末を含む請求項７７〜８８のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９０】
上記シリコン充填物が、少なくとも約３５質量％のシリコン粉末を含む請求項７７〜８８のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９１】
上記シリコン充填物が、少なくとも約５０質量％のシリコン粉末を含む請求項７７〜８８のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９２】
上記シリコン充填物が、少なくとも約７５質量％のシリコン粉末を含む請求項７７〜８８のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９３】
上記シリコン充填物が、少なくとも約９０質量％のシリコン粉末を含む請求項７７〜８８のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９４】
上記シリコン充填物が、少なくとも約９９質量％のシリコン粉末を含む請求項７７〜８８のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９５】
上記シリコン充填物が、実質的にシリコン粉末からなる請求項７７〜８８のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９６】
上記シリコン充填物を加熱しシリコン溶融物を生成させる前に、シリコン充填物を約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで少なくとも約３０分間加熱し酸化物低減シリコン充填物を調製し、
シリコン充填物を約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで加熱する前に、大気の一部を除去し上記ハウジング内に真空を発生させ、
上記大気の除去率は、シリコン粉末が上記大気に混入することが抑制されるように制御される請求項７７〜９５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９７】
上記シリコン充填物を加熱してシリコン溶融物を生成させる前に、大気の一部を除去し上記ハウジング内に真空を発生させ、
上記大気の除去率は、シリコン粉末が上記大気に混入することが抑制されるように制御される請求項７７〜９５のいずれかに記載のプロセス。
【請求項９８】
チョクラルスキー法にしたがって単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製するプロセスであって、
当該プロセスは、
シリコン粉末を、底部と、内表面を有する側壁と、を備える坩堝に投入し、シリコン充填物を生成させる工程を有し、上記シリコン粉末は、それらの表面において一定量のシリコン酸化物を有するシリコン粉末粒子を含み、
該プロセスは、
上記坩堝側壁の内表面に沿って、上部と下部とを有する除去可能なスペーサを挿入する工程と、
上記坩堝側壁と上記シリコン充填物との間にギャップを形成するため、上記坩堝から上記除去可能なスペーサを除去する工程と、
上記シリコンインゴットを引き上げるための結晶引上装置のハウジング内に上記坩堝を投入する工程と、を有し、
上記ハウジングは大気を含み、上記結晶引上装置は、上記シリコン充填物を溶融させるに十分な温度まで上記坩堝を加熱するため、上記坩堝に熱的に接続されたヒータを有し、上記ヒータは、ヒータ長さ、及び、上記ヒータの上部と下部との間の中途の軸方向中間点を規定する上部と下部とを有し、上記坩堝は、上記結晶引上装置の中央長手方向軸に沿って上記ハウジング内において上下することが可能であり、上記充填物は、当該充填物の表面と上記充填物の下部との間の中途の軸方向中間点を有し、
該プロセスは、
大気の一部を除去し上記ハウジング内に真空を発生させる工程を有し、上記大気の除去率は、シリコン粉末が上記大気に混入することが抑制されるように制御され、
該プロセスは、シリコン充填物を少なくとも約３０分間約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで加熱し酸化物低減シリコン充填物を調製する工程と、
上記酸化物低減シリコン充填物を上記充填物の融点を超える温度まで加熱し、表面を有するシリコン溶融物を生成させる工程と、を有し、上記坩堝は、上記充填物の軸方向中間点と上記ヒータの軸方向中間点との間の距離が上記ヒータ長さの約１５％未満である第１軸方向ポジションにおいて保持され、
該プロセスは、上記溶融物の表面と、上記ヒータの軸方向中間点との間の距離が、上記ヒータ長さの約１５％未満である第２軸方向ポジションに上記坩堝を配置する工程と、
上記第２軸方向ポジションにおいて、上記シリコン溶融物の温度を少なくとも約３０分間上記充填物の融点を超える温度に維持する工程と、を有するプロセス。
【請求項９９】
上記シリコン充填物が、シリコンを熱分解可能な化合物から化学気相成長させる際に用いられる流動層反応炉から排出されたシリコン粉末を含む請求項９８記載のプロセス。
【請求項１００】
上記シリコン充填物が、約５０μｍ未満の平均公称直径を有するシリコン粉末粒子を含む請求項９８又は９９に記載のプロセス。
【請求項１０１】
上記シリコン充填物が、少なくとも約２０質量％のシリコン粉末を含む請求項９８〜１００のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１０２】
上記シリコン充填物が、少なくとも約３５質量％のシリコン粉末を含む請求項９８〜１００のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１０３】
上記シリコン充填物が、少なくとも約５０質量％のシリコン粉末を含む請求項９８〜１００のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１０４】
上記シリコン充填物が、少なくとも約７５質量％のシリコン粉末を含む請求項９８〜１００のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１０５】
上記シリコン充填物が、少なくとも約９０質量％のシリコン粉末を含む請求項９８〜１００のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１０６】
上記シリコン充填物が、少なくとも約９９質量％のシリコン粉末を含む請求項９８〜１００のいずれかに記載のプロセス。
【請求項１０７】
上記シリコン充填物が、実質的にシリコン粉末からなる請求項９８〜１００のいずれかに記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野は、概して、シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製することに関し、より詳細には、単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを生産する際に利用されるシリコン粉末の溶融物を調製することに関する。
【背景技術】
【０００２】
超小型電子回路の作製のために用いられる大抵の単結晶シリコンは、チョクラルスキー（”Ｃｚ”）プロセスにより調製される。当該プロセスにおいて、単結晶シリコンインゴットは、坩堝において多結晶シリコン（”ポリシリコン”）を融解させ、当該溶融シリコンにシード結晶を浸漬し、当該インゴットに要求される直径を達成するために十分な方法で上記シード結晶を引き上げ、上記単結晶を上記直径まで成長させることにより作製される。
【０００３】
上記溶融シリコンを形成するために溶融された多結晶シリコンは、典型的には、シーメンスプロセスにより調製された塊状多結晶シリコンや流動層反応プロセスにより調製された粒状多結晶シリコンである。塊状多結晶シリコンは、多結晶シリコンのロッドを小片（典型的には、長さが約２ｃｍ〜約１０ｃｍに及び、幅が約４ｃｍ〜約６ｃｍに及ぶ）に分割することにより作製されるという事実により、形状が実質的に不均一であり、シャープでギザギザなエッジを有する。粒状多結晶シリコンは、上記塊状多結晶シリコンよりも極めて小さく、概して、上記溶融物を生成させるために使用されうる不均一な球形状を有する。粒状多結晶シリコンは、典型的には直径が約０．５ｍｍ〜約５ｍｍである。塊状及び粒状多結晶シリコンの両方の調製方法及び特徴は、さらに、Ｆ．シムラ、半導体シリコン結晶技術、１１６〜１２１頁、アカデミックプレス（サンディエゴ、カリフォルニア、１９８９年）及び本件において引用された参考文献に詳述されている。当該引用文献は、関連づけ一貫させる目的で本件に引用して援用する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
太陽電池（すなわちソーラーセル）に対する要求が大きくなることにより、多結晶は不足してきており、単結晶シリコン及び多結晶シリコンの両方を作製するため、シリコンソースを最大限利用すること（具体的には、塊状多結晶シリコン及び粒状多結晶シリコン以外のフィードストックを用いること）がより望まれるようになってきている。そのため、非従来型のシリコンフィードストックを用いる製造プロセスであって、そのような非従来型のフィードストックを用いることによりもたらされる技術的困難を認識し克服するような製造プロセスに対してニーズが存在する。
【０００５】
粒状シリコン流動層プロセスの副生成物であるシリコン粉末は、例えば製鉄における添加剤等、価値が低い産業上利用分野において概して用いられている。結果として、シリコン粉末は、粒状及び塊状の多結晶シリコンに比して大幅にディスカウントされて販売されている。単結晶若しくは多結晶シリコン等のより価値の高い製品を作製するためのフィードストックとしてシリコン粉末を用いることを可能にする製造プロセスに対するニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一の態様は、チョクラルスキー法に従って単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製するためのプロセスに関する。シリコン粉末は、坩堝に投入され、少なくとも２０質量％シリコン粉末を含むシリコン充填物(silicon charge)が生成される。シリコン粉末は、それらの表面において、ある量のシリコン酸化物とともにシリコン粉末粒子を含む。坩堝は、シリコンインゴットを引き上げるための結晶引上装置のハウジング内に配置される。シリコン充填物は、当該充填物からシリコン酸化物を取り除くため、約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで、少なくとも３０分間加熱される。シリコン充填物は、シリコン溶融物を生成させるため、当該充填物の融点以上の温度まで加熱される。
【０００７】
本発明のさらに別の態様は、チョクラルスキー法に従って単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製するプロセスに関する。シリコン粉末は、シリコン充填物を生成させるため、坩堝に投入される。当該坩堝は、シリコンインゴットを引き上げるための結晶引上装置のハウジング内に配置される。該ハウジングは、大気を含む。大気の一部は、該ハウジング内において真空を発生させるため除去される。大気の除去率は、シリコン粉末が当該大気に混入することが抑制されるように制御される。シリコン充填物は、シリコン溶融物を生成させるため、当該充填物の融点を超える温度まで加熱される。
【０００８】
当該他の態様に係る、チョクラルスキー法に従って単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製するプロセスにおいて、シリコン粉末は、シリコン充填物を形成するため、坩堝に投入される。当該坩堝は、シリコンインゴットを引き上げるための結晶引上装置のハウジング内に配置される。当該結晶引上装置は、シリコン充填物を溶融させるに十分な温度まで坩堝を加熱するため、当該坩堝に熱的に接続されたヒータを備える。当該ヒータは、上部と下部とを有し、これらの上部と下部は、ヒータ長さを規定し、そして、ヒータの上部と下部との間の中途の軸方向中間点を規定する。当該坩堝は、結晶引上装置の中央長手方向軸に沿って、上記ハウジング内において、上下させることが可能である。当該充填物は、当該充填物の表面と充填物の下部との間の中途の軸方向中間点を有する。坩堝により保持されたシリコン充填物は、表面を有するシリコン溶融物を生成させるため加熱され、一方、坩堝は、充填物の軸方向中間点とヒータの軸方向中間点との間の距離が、ヒータ長さの約１５％未満となる第１軸方向位置において保持される。坩堝は、上記溶融物の表面とヒータの軸方向中間点との間の距離がヒータ長さの約１５％未満となる第２軸方向位置に配置される。シリコン溶融物の温度は、少なくとも約３０分間、上記第２軸方向位置において、当該充填物の融点を超える温度に維持される。
【０００９】
本発明のさらに別の態様は、チョクラルスキー法に従って単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製するためのプロセスに関する。シリコン溶融物は、下部と、内表面を有する側壁とを有する坩堝内において調製される。取り外し可能なスペーサが、坩堝側壁の内表面に沿って挿入される。当該スペーサは、上部と下部とを有する。シリコン粉末が、シリコン充填物を生成させるため、坩堝に投入される。取り外し可能なスペーサが、当該坩堝の側壁とシリコン充填物との間にギャップを形成するため、当該坩堝から取り除かれる。シリコン充填物は、シリコン溶融物を生成させるため、当該充填物の融点を超える温度まで加熱される。
【００１０】
チョクラルスキー法に従って単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させる際に用いられるシリコン粉末の溶融物を調製するためのさらに別の態様において、シリコン粉末は、シリコン充填物を形成するため、下部と、内表面を有する側壁とを有する坩堝に投入される。シリコン粉末は、それらの表面において、ある量のシリコン酸化物とともにシリコン粉末粒子を含む。取り外し可能なスペーサが坩堝の側壁の内表面に沿って挿入される。当該スペーサは、上部と下部とを有する。取り外し可能なスペーサは、坩堝の側壁とシリコン充填物との間にギャップを形成するため、当該坩堝から取り除かれる。当該坩堝は、シリコンインゴットを引き上げるための結晶引上装置のハウジング内に投入される。当該ハウジングは、大気を有する。当該結晶引上装置は、シリコン充填物を溶融させるに十分な温度まで坩堝を加熱するため、当該坩堝に熱的に接続されたヒータを有する。当該ヒータは、上部と下部とを有し、これら上部及び下部はヒータ長さを規定し、ヒータの上部と下部との間の中途の軸方向中間点を規定する。当該坩堝は、当該ハウジング内において、結晶引上装置の中央長手方向軸に沿って上下することが可能である。当該充填物は、当該充填物の表面と、当該充填物の下部との間の中途の軸方向中間点を有する。大気の一部が、当該ハウジング内に真空を発生させるために除去される。大気の除去率は、シリコン粉末が大気中に混入することが抑制されるように制御される。シリコン充填物は、当該充填物からシリコン酸化物を除去するため、少なくとも約３０分間、約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで加熱される。シリコン充填物は、表面を有するシリコン溶融物を形成するため、当該充填物の融点を超える温度まで加熱される一方、坩堝は、充填物の軸方向中間点とヒータの軸方向中間点との間の距離がヒータ長さの約１５％未満である第１軸方向位置に保持される。当該坩堝は、上記溶融物の表面と上記ヒータの軸方向中間点との間の距離が、ヒータ長さの約１５％未満である第２軸方向位置に配置される。シリコン溶融物の温度は、少なくとも約３０分間、第２軸方向位置において、当該充填物の融点を超える温度に維持される。
【００１１】
本発明の上記様々な態様に関連して述べた特徴に対して様々な限定が存在する。本発明の上記態様に別の特徴を追加しても良い。これらの限定及び付加的な特徴は、個々に若しくは任意の組み合わせで存在しうる。例えば、本発明の図示された実施の形態のいずれかに関連して以下に詳述された様々な特徴は、本発明の上述した態様のいずれかに、単独で若しくはいずれかと組み合わせて組み込んでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、引上装置に搭載された坩堝内におけるシリコン粉末の充填物の断面図である。
【図２】図２は、ヒータに対する第１軸方向位置での、坩堝内におけるシリコン粉末充填物の断面図である。
【図３】図３は、ヒータに対する第２軸方向位置での、坩堝内におけるシリコン溶融物の断面図である。
【図４】図４は、ヒータに対する第３軸方向位置での、坩堝内におけるシリコン溶融物の断面図である。
【図５】図５は、引上装置において、シリコン溶融物から引き上げられるシリコンインゴットの断面図である。対応する参照記号は、いくつかの図面を通して、対応する部材を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の方法は、結晶成長において用いられるシリコン粉末の溶融物を調製することに関する。当該方法には、粉末からシリコン酸化物を除去することを提供すること；より効果的に充填物を溶融させるため当該充填物の溶融の間、ヒータに対する充填物の位置を制御すること、及び酸化物を溶解させることができるようにするため、一定期間、融点を超える温度に充填物を維持しつつ当該ヒータに対する充填物の位置を制御すること；坩堝側壁とシリコン粉末充填物との間の除去可能なスペーサを使用することが含まれる。
【００１４】
シリコン粉末は、従来、粒状多結晶シリコンの製造において価値の低い副生成物と考えられてきた。粒状多結晶シリコンは、流動層反応炉において、化学気相成長メカニズムにより生成されるであろう。熱的に分解可能な化合物、例えばシラン若しくはハロシランを含む流動ガスが流動層反応炉の反応チャンバに導入され、当該反応チャンバにおいてシリコン粒子を浮遊させる。シリコンは、当該反応チャンバにおいて、熱的に分解可能なシリコン化合物からシリコン粒子へ析出する。当該シリコン粒子は、当該反応炉から多結晶シリコン生成物（すなわち、”粒状の”多結晶シリコン）として取り除かれるまで、サイズが連続的に大きくなる。
【００１５】
様々な反応が、粒状多結晶生成プロセスの間、当該反応チャンバにおいて起こりうる。シラン系において、シランは、上記成長する結晶粒子上に不均一に析出し、分解されてシリコン蒸気が生成される。シリコン蒸気は、不所望のシリコン粉末（同義的に、シリコン”ダスト”とも称する）の形成のため、均一に核形成される。シリコンは、シランから、成長中のシリコン粒子上に析出されるため、水素がシラン分子から放出される。
【００１６】
シリコン粉末は、水素ガス、未反応のシラン、並びに、反応炉から排出されたシラン（集合的に”使用済みガス”と称する）とともに反応炉に典型的に付加されたキャリアガスとともに反応炉から排出される。シリコン粉末は、例えば、バック濾過、サイクロン分離、若しくは液体スクラバにより、上記反応炉から排出される使用済みガスから分離される。典型的に、シリコン粉末粒子の平均公称直径は、約５０μｍ未満である。
【００１７】
本発明の実施の形態に係るプロセスにより、シリコン粉末を、単結晶シリコン若しくは多結晶シリコンのインゴット（同義的に”ロッド”と称する）の作製のためのフィードストックとして用いることができる。単結晶シリコン若しくは多結晶シリコンを生産するため、多結晶シリコンのインゴットを更に処理してもよい。
【００１８】
シリコン粉末をフィードストックとして用いる際に直面する困難
シリコン粉末を単結晶シリコン成長若しくは多結晶シリコン成長のためのシリコンソースとして用いることにより、数多くの課題に直面する。例えば、シリコン粉末の粒子サイズが小さいため、シリコン充填物を生成させるために坩堝内に形成されたシリコン粉末は、一般的に空気で満たされた広大なオープンスペースを含んでいる。シリコン粉末の溶融時、空気中の酸素と反応して、シリコン酸化物が生成されうる。インゴット内に構造欠陥（具体的には、陥入及びずれ）を発生させるシリコン酸化物が成長シリコンインゴット内に取り込まれるようになる。
【００１９】
化学気相成長流動層プロセスによる粒状多結晶シリコンの製造の後、粒状シリコン及び流動ガスから分離されたシリコン粉末の両方が空気に接触し、その結果、粒状多結晶シリコン及びシリコン粉末粒子の表面上にシリコン酸化物の薄い層が形成される。当該粒子の表面上のシリコン酸化物の薄い層は、約２０μｍ〜約４０μｍの厚さを有する。シリコン粉末の粒子サイズが小さいため、当該粉末表面上のシリコン酸化物は、粒状多結晶シリコン粒子よりも高い質量パーセントのシリコン粉末粒子を構成し、シリコン酸化物の量はシリコン粉末の約１質量％である。一旦シリコン粉末の充填物が溶融し始めると、これらの酸化物は、溶融物表面及び該溶融物表面より下側において凝集して固体形成される。これらの固体形成は、インゴット成長の間、固体−融液界面と相互作用を起こし、当該成長中インゴット内において単結晶構造を失わせる。もしくは、結果物である半導体ウェハにおいて構造及び電子欠陥（具体的には陥入及びずれ）を引き起こすシリコン酸化物が溶融物に取り込まれ、インゴットに取り込まれるようになる。
【００２０】
シリコン粉末から生成された大量のシリコン充填物はオープンスペースを含むため、溶融シリコンの体積は、当初のシリコン粉末充填物の体積未満である。このため、シリコン溶融の間、複雑なものとなる。例えば、溶融の間、シリコンヒータ近傍の充填物の下部におけるシリコン粉末（すなわち、坩堝側壁に接触する粉末）は、ヒータから内側へ溶融する。当該シリコン粉末は、坩堝の中央において粉末のカラムを形成する。溶融の後半のステージに向かうにしたがって、当該粉末充填物は、粉末のカラム及び重い上部キャップによりマッシュルーム形状を有することとなる。極めて大量の液体が、当該上部キャップにウィック(wick)され再凝固させる。一旦上部キャップが、凝固液体により飽和されるようになると、溶融物のプールが坩堝の下部において形成される。当該溶融プールは、カラムを脆弱化させ、徐々に、カラム及び上部キャップを強く崩壊させる（犠牲の大きい坩堝破壊をもたらす事象であり、ここで”ハードドロップ”と称する）。
【００２１】
例えば、米国特許第６,７９７,０６２号（関連づけ一貫させる目的で本願に引用して援用する）に示され記載された上部熱シールドを有しない結晶引上装置において、溶融中、粉末充填物の下部が溶けて無くなり、当該溶融物の上方において坩堝の壁に突き刺さった未溶融材料の”ハンガー”がそのまま残る。別の態様では、未溶融材料の”ブリッジ”が形成されても良く、当該ブリッジは坩堝の壁部の対向する側面間であって溶融物の上方に延在する。別の溶融シリコンをブリッジ中に毛管摂取後、当該ブリッジは重くなり、坩堝の熱機械的バックリングを引き起こしうる。もし、ハンガー若しくはブリッジが崩壊すると、それは、溶融シリコンを飛び散らせるか、若しくは、坩堝に対する機械的応力ダメージを引き起こしうる。さらに、当該ハンガー若しくはブリッジと溶融シリコンとの間のプールサーマルコンタクトのため、全シリコン充填物を溶融させるためには長い時間を要する。上部熱シールドが存在することにより、これらの事象の両方が低減されるけれども、当該充填物において粉末の全体積が制限され、プロセスガスフローに混入される粉末が増加する。
【００２２】
シリコン粉末フィードストック
本発明のある実施の形態では、シリコン粉末充填物を調製するために使用されるシリコン粉末フィードストックは、シリコンを熱分解可能化合物から化学気相成長させる際に用いられる流動層反応炉から回収された粉末を含む。他の実施の形態では、シリコン粉末フィードストック及び結果物である充填物は、公称直径において約５０μｍ未満のシリコン粉末粒子を含む。
【００２３】
シリコン粉末充填物は、シリコン粉末に加えて、ある量の粒状若しくは塊状ポリシリコンを含んでいても良い。本発明のある実施の形態では、当該シリコン粉末充填物は、少なくとも約２０質量％のシリコン粉末を含む。他の実施の形態では、当該充填物は、少なくとも約３５質量％のシリコン粉末を含み、さらに別の実施の形態によれば、少なくとも約５０質量％のシリコン粉末を、さらに別の態様によれば、少なくとも約７５質量％のシリコン粉末を含む。ある実施の形態では、当該シリコン充填物は、少なくとも約９０質量％のシリコン粉末を含み、若しくは別の態様では約９９質量％のシリコン粉末を含む。さらに別の実施の形態では、シリコン充填物は、実質的に、シリコン粉末からなる。
【００２４】
シリコン粉末の充填物の調製
粒状の若しくは塊状の多結晶シリコンを用いることを含むシリコン結晶製造方法において、塊状若しくは粒状のシリコンを坩堝に投入し、塊状若しくは粒状の粒子を直接坩堝側壁に接触させる。シリコン粉末が坩堝内に同じ方法で投入されるとき、シリコン粉末のハードドロップ、ハンガー、及びブリッジが通常生じることが分かってきた。本発明の一態様によれば、ハードドロップの発生を抑制し、ハンガー及びブリッジの形成を抑制するため、坩堝側壁とシリコン粉末充填物の一部との間にギャップが形成される。除去可能なスペーサを坩堝に坩堝側壁に接触した状態で挿入することによりギャップが形成される。シリコン粉末を坩堝に投入し、シリコン粉末と坩堝側壁との間にギャップを形成するために当該スペーサを取り除く。
【００２５】
当該除去可能なスペーサは、様々な種類の材料から構成されていても良く、ある実施の形態では、シリコン粉末が坩堝に投入されるため、シリコン粉末の重量に対抗してその形状を維持することができるような材料から構成されるが、湾曲した坩堝側壁に適合させるため十分柔軟である。適切な材料には、変形可能な材料（例えばポリウレタン若しくはポリエチレン発泡材）やハード材料（例えば様々な熱可塑性物質）が含まれる。当該スペーサの形状は矩形であってもよく、若しくは当該スペーサの両端が接合され環状体が形成されていてもよい。
【００２６】
ある実施の形態では、スペーサの長さは、少なくとも、およそ坩堝の内周の長さと同じである。別の態様では、複数のスペーサを使用しても良く、当該スペーサの長さの合計は、少なくとも坩堝の内周の長さと同じである。ある実施の形態では、当該スペーサは、坩堝の底部から少なくともシリコン粉末充填物の上部まで延在する。
【００２７】
上記スペーサは、当該スペーサが上記坩堝から取り除かれた後、シリコン粉末の充填物の上部の、坩堝側壁への接触を防止することができるような厚さを有していても良い。ある実施の形態では、当該スペーサは、少なくとも約１０ｍｍ厚を有し、他の実施の形態では、少なくとも約２０ｍｍ厚を有する。シリコン粉末の充填物と坩堝側壁との間のギャップが、当該充填物の表面において形成されている限り、当該スペーサを如何なる方法で坩堝に挿入・除去してもよい。ある実施の形態では、スペーサの上部は、シリコン粉末の完全な充填物が坩堝に添加された後、露出され、これにより、上記スペーサは、容易に除去される。すなわち、シリコン粉末は、スペーサが坩堝から取り除かれる前のある時点において、当該スペーサの上部の高さ以下の高さを側壁において有する。
【００２８】
ある実施の形態では、スペーサが坩堝側壁に沿って挿入される前に、シリコン粉末を、坩堝に部分的に投入し、部分シリコン充填物を生成させる。除去可能なスペーサを挿入した後、シリコン粉末の残りの部分を、その後、坩堝に投入し、完全なシリコン充填物を生成させる。以下に、さらに詳細に述べるように、スペーサが除去される前にシリコン粉末を圧縮してもよい。
【００２９】
本発明に係る使用に適した坩堝は、溶融若しくは焼結石英を含む、数多くの従来からの材料により構成されていても良い。例えば、米国特許第５,９７６,２４７号において開示されている坩堝を表面処理してもよい。関連づけ一貫させる目的で、当該米国特許第５,９７６,２４７号の全内容は、本願において引用して援用する。ある実施の形態では、坩堝は、内表面を有する底部と側壁とを含み、当該スペーサは、側壁の内表面に沿って坩堝に挿入される。
【００３０】
シリコン粉末が坩堝に投入されると、シリコン粉末を圧縮することによりシリコン粉末の体積を減少させてもよい。別の態様では、坩堝に添加する前にシリコン粉末を圧縮してもよい。粉末において真空引きしその後圧縮圧力を加えることにより、シリコン粉末の体積を約４０％減少させてもよい。当該粉末の密度は、当該方法において、約０．７から約０．９ｇ／ｃｍ３、約１．２ｇ／ｃｍ３、約１．６ｇ／ｃｍ３まで増加させても良い。当該圧縮圧力を超音波、振動若しくはガス圧力により生じさせても良い。
【００３１】
ある実施の形態では、約７０トールから約１ミリトールの絶対圧力を当該粉末に加えても良い（すなわち、真空を加えても良い）。この点、本開示内容において圧力若しくは真空の度合についての全ての言及は、他に示された場合を除き、絶対圧力を加えることを意味することに留意すべきである。その後、例えば、バッフルディスクプレートを介して急速に当該粉末に正圧を生じさせることにより、圧縮圧力を粉末に加える。バッフルディスクプレートは、不意に圧力が直接粉末に当たることを回避する。当該圧力は、シリコン粉末粒子を、空気若しくは他の事前に捕捉されたガスが回収された空間に押し込むことにより粉末を凝縮する。シリコン粉末を坩堝の中で若しくは坩堝に加える前に圧縮しても良い。もしシリコン粉末が坩堝内で圧縮される場合、圧縮前に、除去可能なスペーサを坩堝に挿入しても良い。任意ではあるが、さらにシリコン粉末を追加し、その後、坩堝に充填されるある量のシリコン粉末が最大化されるように、さらに圧縮してもよい。最終圧縮が完了した後、シリコン粉末と坩堝側壁との間にギャップを形成するため、当該スペーサを除去しても良い。
【００３２】
ある実施の形態では、当該シリコン粉末は、坩堝に充填されるある量の粉末を最大化させるため、圧縮前にドーム状に成形してもよい。しかしながら、以下の実施例５に示すように、初期においてドーム状に成形されずに圧縮された粉末は、圧縮前にドーム状に成形された粉末よりも、当該坩堝内において、より高くより平坦なままである。
【００３３】
いくつかの実施の形態において、充填物の表面から坩堝の底部までの全距離の少なくとも一部、ある実施の形態では全距離の全部に亘って延在する一以上のホールが充填物内に形成されている。ロッド若しくはダボ（dowel）を粉末に挿入し当該ロッド若しくはダボを粉末から取り除くことにより当該ホールを形成しても良い。当該ホールは、以下にさらに詳細に述べるシリコン酸化物除去工程の間、シリコン酸化物が充填物から散逸するのを助力する。ホールの数、ホールの直径、充填物の表面から坩堝まで延びるホールの距離は、本発明の範囲を逸脱しない範囲で変更することができる。当該ホールは粒状の多結晶シリコンで埋め戻されていてもよいし、若しくはオープンのままであってもよい。
【００３４】
シリコン粉末充填物が坩堝内において調製された後、坩堝をシリコンインゴット引上装置に搭載し、当該引上装置を密閉しても良い。坩堝はプラスティックで被覆されていても良いし、フィットされた坩堝カバーを移送の間使用して、浮遊している粉末に対して人体をさらすことを最小化させるため粉末の大気中への散逸を防止する。
【００３５】
以下、図面を、特に図１を参照する。チョクラルスキー法にしたがって単結晶若しくは多結晶シリコンインゴットを成長させるために用いられるタイプの、本発明の方法に係る使用のための結晶引上装置を参照番号２３により示している。結晶引上装置２３は、ハウジング２５を含み、当該ハウジング２５は、結晶成長チャンバ１６と、当該結晶成長チャンバより小さい横断面を有する引上チャンバ２０と、を規定する。成長チャンバ１６は、成長チャンバ１６から、狭小化された引上チャンバ２０まで遷移する実質的にドーム状の壁部４５を有する。結晶引上装置２３は、入口７及び出口１１を有し、これらは、結晶成長の間、ハウジング２５へ選択的に大気を導入しハウジング２５から選択的に大気を除去するために使用しても良い。
【００３６】
結晶引上装置２３内の坩堝２２はシリコン充填物１４を含む。坩堝２２の側壁においてギャップを有するシリコン充填物１４が示されている。以下、図５を参照する。シリコン溶融物４４を生成させるためシリコン充填物を溶融させる。単結晶若しくは多結晶シリコンインゴット１２を上記シリコン溶融物４４から成長させる。坩堝２２は、結晶引上装置２３の中央長手方向軸Ｘを中心として坩堝を回転させるため、ターンテーブル２９に搭載されている。インゴット１２が成長するにしたがって、成長チャンバ１６内において坩堝２２を上昇させることが可能であり、溶融物４４の表面が実質的に一定の水準に維持される。坩堝内においてシリコン粉末充填物１４を溶融させるため、坩堝２２は電気抵抗ヒータ３９により囲繞されている。ヒータ３９は、溶融物４４の温度が引上プロセスを介して正確に制御されるように、外部制御システム（不図示）により制御される。ヒータ３９を囲繞する絶縁体（不図示）は、ハウジング２５を介して熱損失の量を低減することができる。例えば、米国特許第６,７９７,０６２号により詳細に記載されているように、結晶引上装置２３は、坩堝２２の熱からインゴット１２をシールドするため、溶融表面上に熱シールドアセンブリ（不図示）を含み、固体−融液界面において軸方向温度勾配を増加させる。米国特許第６,７９７,０６２号の全内容は、関連づけ一貫させる目的で、本願において引用して援用する。
【００３７】
引上機構（不図示）が、当該機構から下方に延びる引上ワイヤ２４に取付けられている。当該引上機構は、引上ワイヤ２４を上下させることができる。結晶引上装置２３は、引上装置のタイプに依存して、ワイヤではなく引上シャフトを有していてもよい。引上ワイヤ２４は、シード結晶塊３２で終了する。当該シード結晶塊３２は、単結晶若しくは多結晶シリコンインゴット１２を成長させるために使用されるシード結晶１８を保持する。インゴット１２を成長させる際、引上機構は、シード結晶１８が溶融シリコン４４の表面Ｍに接触するまでこれを降下させる（図４）。シード結晶１８が溶解し始めると、引上機構は、シード結晶を成長チャンバ１６及び引上チャンバ２０を介してゆっくりと上へ引き上げ、単結晶若しくは多結晶インゴット１２を成長させる（図５）。引上機構がシード結晶１２を回転させる速度及び引上機構がシード結晶を上昇させる速度（すなわち、引上速度ｖ）は、外部制御システムにより制御される。
【００３８】
上述した結晶引上装置は、チョクラルスキータイプ結晶成長装置の一のタイプを例示的に示す目的で与えられている。チョクラルスキー結晶引上装置の他のタイプ若しくは結晶成長のさらに別のタイプ、例えば、米国特許第６,３７８,８３５号に示されたような一方向性凝固多結晶（direct solidification multicrystals）を調製するために使用されるものを本発明の一以上の実施の形態において使用しても良い。
【００３９】
充填物から空気若しくは他の酸化剤の除去
シリコン粉末の充填物１４及び坩堝２２が単結晶シリコンインゴット引上装置２３に投入され当該引上装置が密閉されると、充填物内の空気及び／又は他の酸化ガスを除去してもよいし、不活性ガス例えばアルゴンで置き換えてもよい。空気若しくは他の酸化ガスが除去されない場合において、シリコン酸化物は、シリコン溶融物に取り込まれ、その結果、成長するシリコンインゴットに取り込まれるようになる。これにより、インゴット内に構造欠陥が形成される。これに加えて、又はこれに替えて、もし大きな酸化物がインゴットの外面に取り付いている場合、インゴット除去若しくは自動直径制御は困難になるであろう。
【００４０】
結晶引上装置２３のハウジング２５内の大気は、ハウジング２５に真空を適用することにより除去しても良い。入口７を密閉し出口１１に真空を適用することにより、真空引きしてもよい。例えば、真空ポンプを使用することを含む、技術分野において良く知られている方法のいずれかにより真空引きを行っても良い。真空ポンプは、シリコン粉末の充填物１４内の大気を当該充填物からポンプへ抜き出す。
【００４１】
ハウジング内に真空が付加されると、シリコン粉末充填物１４内のシリコン粉末が当該充填物から引き抜かれ、大気に混入する。混入したシリコン粉末は、ガス入口１１を介して流下し真空ポンプにダメージを与えプロセスラインを塞ぐ可能性がある。さらに、真空は、シリコン充填物が凝固されていない状態にすることができる。本発明のあるプロセスによれば、ハウジング２５内においてシリコン粉末が大気に混入することが抑制されるように大気の除去率が制御される。ある実施の形態において、大気の一部は除去され、シリコン粉末が大気に混入することが抑制されるように大気の除去率が制御されたハウジング２５内において約３００トール未満の絶対圧力の真空を発生させる。他の実施の形態において、大気の一部が除去され、シリコン粉末が大気に混入することが抑制されるように大気の除去率が制御されたハウジング内において約２５０トール未満の絶対圧力の真空を発生させる。
【００４２】
例えば、真空が付加される前のハウジング２５内の圧力がおよそ大気圧と同じである場合、ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約３００トールまで変化する時間間隔が少なくとも約６０秒となるように大気の除去を制御してもよい。また、真空ポンプにより発生させた真空度を制御する制御装置を用いること、若しくは、真空源とハウジング２５との間に配置されたバルブの位置を制御する制御装置を用いることを含む、技術分野において良く知られた方法によりハウジング２５内の大気の除去を制御しても良い。これに替えて、バルブアウトプットを手動で制御しても良い。ある実施の形態において、ハウジング２５に付加される真空の制御は、十分小さな直径を有するスロットルプロセスパイプを使用することにより調整され、所望の真空圧力が徐々に達成されるように、散逸する大気とパイプとの間に大きな障害物が形成されている。いくつかの実施の形態では、ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約３００トールまで変化する時間間隔が、少なくとも約９０秒、いくつかの実施の形態において少なくとも約２０秒となるように大気の除去が制御される。ある実施の形態において、ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約３００トールまで変化する時間間隔において、真空が付加される速度は約４トール／秒未満、他の実施の形態では、約３トール／秒未満、さらに別の態様では、約２トール／秒未満に制御される。
【００４３】
ある実施の形態では、大気の除去は、ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約２５０トールに変化する時間間隔が少なくとも約６０秒、他の態様では、少なくとも約９０秒、さらに別の態様では、少なくとも約１２０秒となるように制御される。ある実施の形態では、ハウジング内の圧力がおよそ大気圧から約２５０トールまで変化する時間間隔において、真空が付加される速度は約４トール／秒未満、他の態様では、約３トール／秒、さらに別の態様では、約２トール／秒未満に制御しても良い。
【００４４】
結晶引上装置２３のハウジング２５に適用される真空度を制御することにより、大気の除去とともにシリコン粉末が大気に混入することを抑制することができる。ある実施の形態において、約３００トールから約２５０トールの絶対圧力は、中程度の真空であり、中程度の真空に達した後さらに真空引きしてもよい。一旦、中程度の真空である約３００トール若しくは約２５０トールの絶対圧力に達すると、約５トール未満の絶対圧力の最終真空を付加しても良い。およそ中程度の真空から約５トールの絶対圧力の最終真空までの遷移の間、シリコン粉末は、ハウジング２５から散逸する大気に混入しなくなることが分かってきた。したがって、約５トール絶対圧力未満の最終圧力が付加される速度を制御する必要がない。一旦、約３００トール絶対圧力の中程度の真空が付加された後、十分な量の空気若しくは他の酸化ガスをシリコン粉末充填物から除去し、アルゴン等の不活性ガスをハウジング２５内に導入しても良い。いくつかの実施の形態では、約１トール未満の最終絶対圧力をハウジングに付加しても良い。例えば水素を含むアルゴン以外に若しくはこれに加えて他の不活性ガスを使用しても良い。坩堝及びシリコン充填物を回転させながら、真空を付加し当該充填物に均一な真空を発生させても良い。
【００４５】
シリコン酸化物の除去
シリコン粉末粒子の表面上のシリコン酸化物は、シリコン酸化物が凝集しインゴット成長の間固体−融液界面と相互作用を起こすことを防止するため除去すべきであることが分かってきた。本発明のあるプロセスによれば、シリコン酸化物は、シリコン充填物を、約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで少なくとも約３０分間、少なくとも約１時間、若しくはさらに好ましくは少なくとも約２時間加熱することにより除去する。シリコン酸化物を除去するための熱処理期間は、存在する酸化物の量及びシリコン粉末が加熱される温度に依存して変更してもよい。溶融物が、シリコンを熱分解可能な化合物から化学気相成長させる際に用いられる流動層反応炉から回収されたシリコン粉末に由来する場合、充填物を約３０分間加熱して、シリコン酸化物を当該充填物から十分除去する。坩堝及びシリコン充填物を回転させながら、シリコン充填物を加熱し均一な温度場を形成してもよい。
【００４６】
充填物を予め加熱することにより、粉末粒子の表面においてある量のシリコン酸化物を当該充填物から除去しても良く、酸素低減シリコン充填物を生成させる。当該ステップの間、水素、不活性ガス（アルゴン等）、若しくはこれらの混合物を入口７を介してハウジング２５に導入しても良く、ガスは出口１１から排出される。アルゴン若しくは他の不活性ガスを用いる場合、シリコン粉末粒子の表面におけるシリコン酸化物のいくらかは昇華し一酸化ケイ素ガスとして除去される。水素が用いられる場合、水素ガスはシリコン酸化物と反応し、水蒸気が生成され、当該水蒸気は出口１１から除去される。ある実施の形態において、水素は酸化物と容易に反応し、それにより、アルゴンに比して急速に充填物から酸化物を除去することができるため、酸素除去ガスとして水素を用いる。しかしながら、水素はその燃焼特性のため、多くの結晶成長装置において安全上のリスクとなりえ、好適には不活性ガスを用いる。
【００４７】
水素若しくは不活性ガスを様々な速度でハウジングに導入しても良いが、しかしながら、ある実施の形態では、少なくとも約２０標準リットル／分の速度で導入する。
【００４８】
ハウジング２５内の圧力は、約３０トールから約１トールの絶対圧力の真空に維持され、酸化物が除去される。いくつかの実施の形態において、ハウジング２５内の圧力を周期変動(cycle)させ、充填物内において昇華した酸化物を不活性ガス若しくは水素で置き換えることを助力する。ハウジング２５においてある量の真空を周期変動させることにより、酸化物は、充填物の低温の上面に維持されず、粉末充填物から取り除かれる。いくつかの実施の形態において、ハウジング内の圧力は、酸素除去の間実質的に一定である。
【００４９】
いくつかの実施の形態において、少なくとも９５％の酸化物が、シリコン充填物から除去され、他の実施の形態では、少なくとも約９８％、いくつかの実施の形態では、少なくとも約９９％の酸化物がシリコン充填物から除去される。酸素低減シリコン充填物を調製した後、当該溶融物を得るため、充填物の融点を超える温度まで酸素低減シリコン充填物を加熱してもよい。
【００５０】
シリコン粉末充填物の溶融
シリコン粉末を充填物の融点を超える温度まで、典型的には少なくとも約１４１２℃まで加熱することによりシリコン充填物を溶融させてもよい。当該充填物は、坩堝にダメージを与える温度まで加熱すべきでなく、すなわち、典型的には充填物は約１４１２℃〜約１５７５℃の温度まで加熱する。
【００５１】
以下、図１を参照する。充填物１４を溶融させるために使用されるヒータ３９は、坩堝２２に熱的に接続されており、シリコン充填物を溶融させるに十分な温度まで坩堝を加熱することができる。ヒータ１４は、上部と下部とを有し、これらの上部及び下部はヒータ長さを規定し、ヒータの上部と下部との間の中途の軸方向中間点を規定する。ここで使用されているように、ヒータの長さとは、典型的には、大抵のパワーを放射状に拡散させるヒータの部分の長さである。従来のヒータにおいては、大抵のパワーを放射状に拡散させるヒータの部分は蛇行した部分(serpentine portion)である。蛇行した部分を有するヒータの具体例が米国特許第６,０９３,９１３号に示されている。関連づけ一貫させる目的で、米国特許第６,０９３,９１３号の全内容を、本願において引用して援用する。いくつかの実施の形態において、ヒータの長さは、少なくとも約３００ｍｍであり、他の実施の形態では、少なくとも約４００ｍｍである。充填物１４は、表面と、下部と、充填物の表面と下部との間の中途における軸方向中間点Ｃを有する。
【００５２】
以下、図２を参照する。溶融の間、坩堝２２は、充填物１４の軸方向中間点Ｃとヒータ３９の軸方向中間点Ｈとの間の距離がヒータ長さの約１５％未満である第１軸方向位置に保持される。これにより、ヒータ３９から発せられる熱を充填物１４の中心に集中させることができる。当該位置において、十分な量の熱が充填物の上部に向かって集中し、溶融した充填物は、坩堝を崩壊させ損傷を与える可能性があるシリコン粉末のカラム及びキャップを形成しない。残りの未溶融のシリコン充填物が、その下にある溶融物に徐々に沈降し若しくは滑り落ちる。さらに、充填物１４の軸方向中間点Ｃと、ヒータ３９の軸方向中間点Ｈとの間の距離がヒータ長さの約１５％未満である位置に坩堝２２を維持することにより、充填物の上部は絶縁体として機能し、過剰量の熱が充填物の上部に向かって集中しなくなるため、過剰なヒートロスを防止することができる。
【００５３】
充填物１４のサイズ及び初期温度、並びに抵抗ヒータ３９のパワーアウトプットに依存するが、充填物を溶融させるのに少なくとも約２時間掛かるであろう。抵抗ヒータのアウトプットは、充填物が約２時間未満で溶解しないように、ある実施の形態では、約４時間未満で溶解しないように制御され、確実に、粉末中に残存するあらゆる酸化物を溶解し及び／又は溶融物から蒸発させるため、より長い時間が与えられる。均一な温度場を形成し均質な溶融物を得るため、坩堝２２及び溶融しているシリコン充填物１４を回転させながらシリコン充填物を加熱してもよい。
【００５４】
以下、図３を参照する。充填物１４が溶解すると、坩堝２２は、充填物１４の表面Ｍとヒータ３９の軸方向中間点Ｈとの間の距離がヒータの長さの約１５％未満となる第２軸方向位置に配置され、シリコン溶融物の温度は、上記第２軸方向位置において少なくとも３０分間充填物の融点を超える温度に維持される。当該ステップにより、固体として凝集していた大抵のシリコン酸化物を溶融させ液体とし、蒸発させることができる。いくつかの実施の形態において、溶融物４４の表面Ｍとヒータ３９の軸方向中間点Ｈとの間の距離はヒータ長さの約１５％未満であり、シリコン溶融物の温度は、第２軸方向位置において、少なくとも約１時間、いくつかの実施の形態においては、少なくとも２時間以上、充填物の融点を超える温度に維持される。典型的には、シリコン溶融物は、坩堝が熱的にダメージを受けるのを防止するため、第２の軸方向位置において、約１５７５℃を超える温度に維持されない。
【００５５】
シリコン溶融物４４の体積は、シリコン粉末充填物におけるシリコン粉末粒子間の空隙のため、典型的には、溶融物を調製するために使用されるシリコン粉末１４の充填物の体積未満である。いくつかの実施の形態において、シリコン溶融物４４の体積は、溶融物を調製するために用いられるシリコン充填物１４の体積の約２５％未満であり、いくつかの実施の形態においては約４０％未満、さらには約５０％未満である。したがって、坩堝２２に対する溶融物４４の表面Ｍは、坩堝に対するシリコン粉末充填物１４の表面より低い。いくつかの実施の形態において、坩堝２２に対する溶融物４４の表面Ｍの位置は、充填物の溶融前の、坩堝２２に対する充填物１４の軸方向中間点Ｃの位置に近い。したがって、いくつかの実施の形態において、坩堝は、第１軸方向位置から第２軸方向位置における坩堝の位置まで低下させる必要がない。いくつかの実施の形態において、第１軸方向位置と第２軸方向位置との間のポジションの相違は、ヒータ長さの約５％未満であり、いくつかの実施の形態では、第１軸方向位置と第２軸方向位置とは実質的に同じである。
【００５６】
溶融物４４が第２軸方向位置において少なくとも約３０分間充填物の融点を超える温度に維持された後、坩堝を、結晶引上装置の始動に適した第３軸方向位置まで上昇させても良い。ある実施の形態では、結晶引上プロセスの始動の間坩堝の第３軸方向位置は、溶融プロセスの第１軸方向位置と実質的に同じである。ある実施の形態では、図４に示されているように、結晶引上プロセスの開始期において、溶融物４４の表面Ｍは、ヒータ３９の上面Ｔの下方、ヒータ長さの約２．５％〜約２５％の距離のところにある。当該溶融物の位置は、溶融物表面においてシリコンの固化が防止されるように、確実に溶融物表面がヒータの放射熱に曝されるよう助力する。他の坩堝２２を第３軸方向位置に配置した後、引上機構のシード１８を溶融物の表面Ｍまで下降させ、インゴットをシリコン溶融物から引き上げるために上昇させる。
【００５７】
シリコンインゴットの引上げ
本発明の様々な特徴、すなわち、坩堝側壁とシリコン粉末充填物との間において除去可能なスペーサを用いること；空気若しくは他の酸化ガスを除去するため真空を適用すること；酸化物を除去するため粉末を加熱すること；溶融の間又は後においてヒータに対する充填物の位置を制御すること；を単独で又はいずれかと組み合わせて使用しても良い。例えば、坩堝において除去可能なスペーサを用いることは、真空を適用すること及び／又は加熱により酸化物を除去すること及び／又は溶融の間及び後に坩堝の位置を制御することと組み合わせてもよく；真空を適用することは、除去可能なスペーサを用いること及び／又は加熱により酸化物を除去すること及び／又は溶融の間及び後に坩堝の位置を制御することと組み合わせてもよく；加熱による酸化物の除去は、除去可能なスペーサを用いること及び／又は真空を適用すること及び／又は溶融の間及び後に坩堝の位置を制御することと組み合わせてもよく；溶融の間及び後坩堝の位置を制御することは、除去可能なスペーサを使用すること、及び／又は真空を適用すること、及び／又は加熱により酸化物を除去することと組み合わせても良い。
【００５８】
チョクラルスキー法により単結晶シリコンインゴット若しくは多結晶シリコンインゴットを調製するため、好適には、上記した一以上の方法により作製された溶融物４４を結晶引上装置２３に用いてもよい。単結晶シリコン若しくは多結晶シリコンを作製するための結晶成長条件は従来のものであり、当該技術分野において良く知られている。坩堝２２、シリコン溶融物４４、及び成長するシリコンインゴット１２を回転させながら結晶を引上げてもよく、均一な温度場を溶融物及び成長するインゴット内に形成する。
【００５９】
シリコンインゴットの引上げの間、単結晶成長条件が維持されるように単結晶シリコンが要求される場合、当該充填物中の大抵の酸化物を除去することが重要である。いくつかの実施の形態において、酸化物の少なくとも約９５％が単結晶シリコン成長の前に除去され、他の実施の形態では、酸化物の少なくとも約９８％、いくつかの実施の形態では、少なくとも約９９％が単結晶シリコン成長前に除去される。
【００６０】
意図的であっても意図的でなくてもよいが、多結晶シリコンインゴットがシリコン溶融物から引き上げられる場合、多結晶シリコンインゴットを分割し、小さい小片若しくは”塊”としてもよい。多結晶シリコンの塊は、多結晶シリコンを作製するため一方向性凝固炉に導入してもよいし、若しくは、単結晶シリコンインゴットを作製するため坩堝に導入し、結晶引上装置内で溶融させても良い。
【実施例】
【００６１】
実施例１：シリコン粉末及びリサイクルされたウェハの溶融物からシリコンインゴットを調製すること
当該実施例は、単結晶シリコン引上装置内において真空を徐々に加えることを例示しており、溶融前に酸素を除去する必要性を示している。
【００６２】
結晶引上装置（約３５５ｍｍのヒータ長さを有するハムコＣＧ２０００Ｒ／Ｃ−３０）に新たなバルブを取り付け、真空が加えられる速度を制限し粉末の損失を抑制する。ほとんど閉まった真空バルブとアルゴンの僅かなフロー（〜５ＳＣＦＭ）とにより、ポンプダウン速度を最初の１０ポンドの真空（〜１／３大気圧）において１．５分に制限した。連続するポンプダウンを可能とするためアルゴンフローを下方調整した。真空バルブを完全に開放しアルゴンフローを停止させることにより、最終的に低圧（５０ミリトール）に達した。完全なポンプダウンの後、ポンプソレノイドバルブ及び手動式絞り弁を閉じフィルタキャニスタブリードバルブを開放しフィルタを埋め戻し酸化させた。粉末がポンプダウンの間坩堝から除去されないことを確認するため、当該フィルタを取り除き、他の新しいフィルタを取付けた。
【００６３】
２つのＧＥ（モメンティブ）溶融坩堝それぞれに約１７ｋｇの粉末を充填し、熱反射材であるＰ−リサイクルウェハ約１ｋｇを散布する。各充填物について、全質量は２６ｋｇであり、ウェハの上部から坩堝の上部までの距離はあるケースでは０．５”であり、他のケースでは１”であった。充填後プラスティックカバー及びラバーバンドを坩堝の上部に戻し、粉末の露出を制限した。
【００６４】
坩堝を結晶引上装置に搭載するため、当該坩堝を１つのサセプタ半体に配置し、傾け、その後もう一方のサセプタ半体を坩堝の下でスライドさせた。サセプタ半体を幅広いプラスティックタイに近づけて固定し、その後、炉内に一緒にリフトした。投入後、ヒータ歪み（１０４ラン）のため、ヒータとサセプタとの間のギャップが小さい（１／８”に近づいている）ことが分かった。ヒータにアーク放電が発生するリスクを減少させるため坩堝とサセプタとの配置を操作した。
【００６５】
厳密な検査でも、ポンプダウンフェーズ(pump down phase)を介して粉末が移動することの証拠は見られなかった。加えて、ポンプダウンフィルタを取り除いたとき、極めてクリーンであるように見え、シリコン粉末は表面において見られない。
【００６６】
溶融の手順を以下の表１に示す。”坩堝位置”は、鉛直方向に移動可能（インチ）であり、坩堝の上部がヒータの上部と同じ水準のポイントをゼロとする。
【表１】
2012508151.tif 000003
【００６７】
溶融後、坩堝の底部を加熱するため坩堝を上昇させ、坩堝の底部から酸化物を放出した。これらの浮遊酸化物をシードに付着させ、取り除いた。インゴット成長の間、酸素粒子は、シード表面から出たりシードに衝突したりを繰り返し、テイパーを成長させた。クラウンとボディとを介して、複数の酸化物が結晶の表面から出たり結晶に衝突するであろう。シリコンは、低い熱勾配及び利用しやすい酸化物核形成ポイントにより坩堝壁部で固化し、溶融物を有しない結晶が突然現われた。結晶の直径は６”（６．０７”実測）に非常に近かったが、しかしながら、大きな酸化物突出部においては、半径は、０．６７”増加した。当該フラットレッジは、相当結晶直径７．４１”を有し、結晶が上昇するにしたがってスロートに捕捉されると考えられ、それによりシードが破壊される。短い結晶が、鉛直方向に、凝固した溶融物表面上に落下した。
【００６８】
過剰の酸化物形成を考慮すると、シリコン粉末の溶融前に酸化物が実質的に存在する場合において、例えば、シリコン充填物を約１１００℃からシリコン充填物のおよそ融点未満の温度までの範囲の温度まで加熱することにより酸化物をシリコン粉末の溶融前に除去すべきである。
【００６９】
実施例２：シリコン粉末の溶融物からのシリコンインゴットの調製
実施例２は、どのようにして、急速なポンプダウンにより、シリコン粉末が散逸ガスに混入するようになるのかを例示しており、坩堝において粉末のブリッジを形成することを抑制する方法の必要性を例示する。
【００７０】
ＧＥ（モメンティブ）溶融坩堝に約１７ｋｇの粉末を充填し、当該坩堝をサセプタに導入した。中央位置及び四分割位置において粉末を除去することによりホールを形成し、粒状多結晶シリコン７００ｇを用いて当該ホールを埋め戻した。当該粒状多結晶シリコンを所定の位置に何度か詰め込んだ。当該粒状多結晶シリコンは、溶融の間酸素を散逸させる弁として機能すると考えられた。
【００７１】
充填後でかつ真空付加前において、粉末は坩堝上部の下方１／２”にあった。実施例１において使用された手動バルブに対する必要性を試験するため、急速に結晶引上装置に真空を付加した。粉末粒子間のポケットに存在するガスが、当該スペースから散逸するよりも速く拡散したため、急速なポンプダウンの間坩堝がオーバーフローし始める。全充填物は均一に上昇し、ポンプダウンは、連続したオーバーフローを防止するため中断させた。最初の急速なポンプダウンの間、粒状の多結晶シリコンは、いくつかのホールにおいて、粉末表面から下方数インチのところまで降下した。これは、開口ホールが酸化物の換気を可能にする際に有効であることを示している。クリーンアップ後、実施例１における段階的なポンプダウンを実行した。坩堝はオーバーフローしなかった。
【００７２】
溶融の手順を以下の表２に示す。当該実施例において、引上装置大気ガスと酸化ガスとをより効率的に交換するため、最初の加熱の間、圧力を何度か変更し、アルゴンフローによるポンプダウンを変更した。
【表２】
2012508151.tif 000004
【００７３】
溶融におけるあるポイントにおいて、粉末ブリッジの全表面（下に液体を有するのみ）は、粉末焼結及び酸化物析出によりシールされているようである。当該粉末ブリッジの表面は非常に硬く、シード結晶との接触後破壊されない。当該ブリッジは、坩堝の回転を停止させ、当該シードにテイパーを与え、ヒータのパワーアウトプットを１０５ｋＷまで増加させることにより崩壊させた。当該手順により、坩堝エッジに沿った約４分の１回転の間に当該壁部から酸化物が焼成除去され、ブリッジを崩壊させ当該溶融物に落下させることができる。
【００７４】
さらに一時間の溶融の後、ベーキングが必要とされ、酸化物を溶融物表面から除去した。溶融が完了した後、溶融物表面において酸化物は観察されず、結晶成長の間、酸化物は視認できる程表面から突出しなかった。酸化物のリムは、坩堝の表面に存在したままであった。２つのネック攻撃を行い、レートクラウン(late crown)をルーズにする第２の攻撃によりゼロ歪み成長を試みる。多結晶直径は、成長の間、通常の炉のオートメーションを用いて制御した。
【００７５】
充填物間にギャップを形成するため除去可能なスペーサを用いることにより、坩堝にブリッジが形成されることを防止することができたであろう。溶融の間、坩堝のポジションを制御し、及び充填物温度を充填物の融点を超える温度に少なくとも約３０分間維持することにより、酸化物の形成を低減することができるであろう。
【００７６】
実施例３：より低い坩堝位置を用いたシリコン粉末の溶融物からのシリコンインゴットの調製
実施例３は、シリコン粉末ブリッジ形成を最小化するため、より低い坩堝ポジションを用いることを例示する。
【００７７】
坩堝（ＳＥＨ）に１７．２ｋｇの粉末を投入した。粉末ブリッジの構造的完全性を脆弱化させるため、充填物の上部にホール及び一様でない表面を形成した。ほとんどのポンピングサイクルの間、ポンプダウン速度を制限するため、スロットルバルブを用いた。
【００７８】
酸化物の安定性に関する当該変数の効果を決定するため圧力変化を生じさせなかった。大部分の酸化物除去ステージの間、当該坩堝は、実施例２の坩堝より低かった。粉末充填物に面するレフレクター下面にモリブデンを有する水晶リフレクターをシード塊からつり下げ、粉末上部温度を増加させ、酸化物のレベルを制限するレフレクター能力を試験した。当該リフレクターは、粉末上部表面の約１８％を示した。酸化物の除去を改善するため、６５ｋｗの減少したサイドヒータパワーを用いた。
【００７９】
薄い粉末ブリッジが落下する前に酸化物は溶解物上において視認できなかった。炉内圧力がより高い場合（２０〜３０トールの絶対圧力ではなく４０〜５０トールの絶対圧力）、酸化物を完全に溶解させることができず、結晶成長前にこれを浸漬された。坩堝壁部においてシリコンが固化しているため、溶融物からインゴットを除去する前、１１．４ｋｇのインゴットを１７．２ｋｇ粉末充填物から成長させた。
【００８０】
充填物間にギャップを形成するために除去可能なスペーサを使用することにより、坩堝におけるブリッジ形成が防止されるであろう。溶融の間坩堝のポジションを制御し、少なくとも約３０分間充填物の融点を超える温度に充填物温度を維持することにより、酸化物の形成は低減されるであろう。
【００８１】
実施例４：シリコン粉末ブリックの溶融物からのシリコンインゴットの調製
実施例４は、シリコン粉末ブリックの溶融を例示し、溶融の間坩堝ポジションがより高いことによる効果を例示する。
【００８２】
試験前数ヶ月、水（〜２０体積％）と粉末とをバケツ（５ガロン）において混合し、ペーストを作成した。当該ペーストをゴム加工されたケーキパンに配置し、ケーキパンをプラスティックに変換した。その後、形成されたブリックを数ヶ月間プラスティックシートの下において空気乾燥させた。
【００８３】
最初、１７．２ｋｇの粉末ブリックの全部を完全コート坩堝（ＳＥＨ）に充填した。より良いスタッキングのため、いくつかのブリッジが破壊された。もし、より多くのブリックが利用可能であれば、より大きな充填物を入手可能である。
【００８４】
ポンプダウンを階段状（−５”Ｈｇ真空まで排出し、２分待機し、−１０”Ｈｇ真空まで排出し、２分待機し、−２０”Ｈｇ真空まで排出し、２分待機し、その後−２８”Ｈｇ真空まで排出する）に行った。当該方法を使用すると、ブリック拡散、ダメージ若しくはロスが観察されなかった。溶融の間圧力変化が生じなかった。大部分の酸化物除去ステージにおいて、坩堝は、実施例２の坩堝より高かった。６５ｋｗのサイドヒータパワーを用いて酸化物除去が改善された。
【００８５】
当該実験において、坩堝の酸化物形成が観察された。溶融のハイパワーステージにおいてこれらの酸化物は溶融物に落下し、フローティングラフトを形成した。酸化物レベルは、実行された第１粉末溶融と同様であった。より高い炉内圧力（２０〜３０トールの絶対圧力に代えて４０〜８０トールの絶対圧力）は、酸化物が完全に溶解されるのを抑制する；すなわち、結晶成長前、酸化物を浸漬された。溶融の間酸化物を散逸させる、ブリックと坩堝壁部との間のギャップにより、溶融の間、ブリッジが形成されなかった。
【００８６】
酸化物による溶融物からの除去及びシリコン固化の前において、１１．１ｋｇインゴットを１７．２ｋｇ粉末充填物（６４．５％）から成長させた。
【００８７】
インゴット成長前、少なくとも３０分間充填物の融点を超える温度に充填温度を維持することにより、酸化物形成を減少させるであろうことに留意すべきである。
【００８８】
実施例５：ドーム成形の有無によるシリコン粉末焼結の比較
当該実施例は、粉末圧縮を用いることを例示する。シリコン粉末を坩堝に投入し、ドーム状に成形し圧縮した。シリコン粉末を第２坩堝に投入したが、圧縮前においてドーム状に成形しなかった。最初ドーム状に成形することなく圧縮された粉末は、圧縮前においてドーム状に成形された粉末よりも坩堝においてより高くより平坦のままであった。
【００８９】
実施例６：圧縮及び除去可能なスペーサを用いたシリコン粉末の溶融物からのシリコンインゴットの調製
当該実施例は、坩堝側壁と粉末との間のギャップの形成が如何にして粉末ブリッジの形成を排除するかを示している。
【００９０】
４つの坩堝が部分的にシリコン粉末で充填されており、ラバーフォームスペーサを坩堝の側壁の全周面に沿って坩堝内に挿入した。さらに、シリコン粉末を坩堝に添加し、各シリコン充填物を圧縮した。圧縮後、坩堝側壁に沿った充填物の高さは、スペーサの上部より低かった。その後、当該スペーサを坩堝から取り除いた。
【００９１】
各シリコン粉末充填物を炉（約４３２ｍｍのヒータ長さを有するレイボールドＥＫＺ２０００）内において高いアルゴンガスフロー（１００ｓｌｐｍ）により溶解させた。より大きなホットゾーン効率及び充填物と坩堝との間のギャップを用いたことにより事前の溶融より短かった。当該ギャップはシリコン酸化物のための排出ルートとして機能するため、溶融は酸化物除去を要求しない。３つの１５”インゴット（２３．３ｋｇ；２３．１ｋｇ；２１．４ｋｇ）をそれぞれ多結晶シリコン収率９４％、９３％、及び８６％で形成した。１８”インゴットを７８％収率で形成した（３７．５ｋｇ）。
【００９２】
本発明若しくはその好ましい実施の形態の構成要素を導入する際、冠詞”ａ”、”ａｎ”、”ｔｈｅ”及び”ｓａｉｄ”は１以上の構成要素が存在することを意味することが意図されている。用語”含む”、”包含する”、及び”有する”は、包括的であることが意図され、列挙された構成要素以外の付加的な構成要素が存在しても良いことを意味することが意図されている。
【００９３】
本発明の範囲から離れない限り様々な変更が上記装置及び方法において可能であるため、上記記載に含まれ添付の図面に示された全ての事項は例示であり限定するものではないと解釈されるべきであることを意図している。
【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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【国際調査報告】
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