CN103290473A - 石英坩埚、石英坩埚的制造方法及铸造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石英坩埚、石英坩埚的制造方法及铸造装置。本发明所涉及的用于制造硅锭的石英坩埚（20）的特征在于，具备底部（21）和从底部（21）的外周部立起的侧壁部（22），并且上方开口，底部（21）与侧壁部（22）相交的交叉部分（23）的内侧向石英坩埚（20）的内方伸展，形成厚度比底部（21）、侧壁部（22）厚的壁厚部（24）。

Description

石英坩埚、石英坩埚的制造方法及铸造装置

技术领域

本发明涉及用于制造多晶硅锭的石英坩埚、石英坩埚的制造方法及铸造装置。

本申请基于2012年2月28日于日本申请的特愿2012-041801号主张优先权，在此援用其内容。

背景技术

用于制造多晶硅锭的石英坩埚的水平剖面通常为四边形状。作为其结构部件的底部和侧壁部由于作为材料的石英的热传导率低，因此在可得到作为容器的强度的范围内板厚被制造地尽可能薄。

作为这种石英坩埚，在下述专利文献1中记载了为了加快硅的冷却速度，分别由透明的石英玻璃构成底部和侧壁部的坩埚。

另外，在下述专利文献2中记载了为了使来自于底部和侧壁部的放热量适当，而由互不相同的材料或具有各向异性热传导特性的材料构成该底部和侧壁部的坩埚。

另外，在下述非专利文献1中记载了由石英坩埚通过从底部的单向凝固制造多晶硅锭时，作为凝固界面形状（固体/液体界面形状）优选中央部分向上拱起的所谓上凸形状。

专利文献1：特开2011-93747号公报

专利文献2：特表2006-526751号公报

非专利文献1：Proceeding of PVSEC-18conference Jan19-232009CRYSALLINEFRONT CONTROL OF GROWING MULTICRYSTALLINE SI INGOTS DURING THEDIRECTIONAL SOLIDIFICATION PROCESS Y.Y. Teng

上述现有的技术存在以下课题。

前者的专利文献1中记载的技术虽然在硅的冷却这点上优异，但是当制造硅锭时，并未对得到适当的凝固界面形状进行任何考虑。

另外，后者的专利文献2中记载的技术虽然对于石英坩埚的硅熔融物的温度梯度进行了努力，但是当制造硅锭时，有时难以得到适当的凝固界面形状。

发明内容

本发明有鉴于上述情况，目的在于提供一种当制造硅锭时能够使坩埚内的熔融物的凝固界面形状成为理想的上凸形状或者能够接近理想的上凸形状的石英坩埚、石英坩埚的制造方法以及铸造装置。

为了解决这种课题并达到前述目的，用于制造硅锭的本发明所涉及的石英坩埚的特征在于，具备底部和从所述底部的外周部立起的侧壁部，并且上方开口，所述底部与所述侧壁部相交的交叉部分的内侧向所述石英坩埚的内方伸展，形成厚度比所述底部、所述侧壁部厚的壁厚部。

另外，本发明的铸造装置的特征在于，在所述石英坩埚的上方和下方分别配置有用于加热所述石英坩埚的加热器。

现有已知的底部和侧壁部分别具有固定厚度的石英坩埚，经由该底壁和侧壁部，从坩埚内向外部的放热量几乎一样。但是，在底部与侧壁部相交的交叉部分，由于对于坩埚内的熔融物的放热面积扩大，因此这部分的放热量增加，该交叉部分附近的熔融物温度有可能下降。在这种情况下，作为制造硅锭时的坩埚内的熔融物的凝固界面形状，为中央与周边相比凹陷的下凸形状，与前述的适当的凝固界面形状即上凸形状不同。

而本发明的石英坩埚通过所述底部与所述侧壁部相交的交叉部分的内侧向石英坩埚的内方伸展，从而形成厚度比所述底部和所述侧壁部厚的壁厚部，因此加厚壁厚部的壁厚的部分能够抑制来自于交叉部分的放热量。

另外，由于交叉部分的内侧伸展，因此交叉部分的外侧的形状与现有相比并无任何变化，交叉部分的放热面积不会增加。因此，与交叉部分的外侧伸展时相比，能够进一步抑制放热量。

这些结果是能够使从石英坩埚的底部中央部分的放热量与现有相同，并使从底部周边部分的放热量减少，因此石英坩埚内的熔融物的温度具有中央低并随着向周边而升高的倾向。也就是，当从底部侧通过单向凝固制造硅锭时，能够使坩埚内的熔融物的凝固界面形状接近理想的上凸形状。

在本发明的石英坩埚中，优选地，所述壁厚部被形成为与所述底部和所述侧壁部平滑相连，并随着从所述交叉部分的中央分别向所述底部的中央侧与所述侧壁部的上端侧厚度逐渐变薄。

在该情况下，由于壁厚部与底部和侧壁部平滑相连，因此与这部分接触的熔融物的温度变化也连续，能够平滑地完成制品即硅锭的外表面。

另外，在本发明的石英坩埚中，优选地，所述壁厚部中的内表面形状被形成为R状（凸向坩埚外方的曲面状）。

由于交叉部分的内表面形状被形成为R状，因此从坩埚内的熔融物来看，该熔融物与交叉部分的接触面积进一步缩小。因此，这点也能够使熔融物从交叉部分的放热量减少。

在本发明的石英坩埚中，优选地，形成为所述R状的内表面形状部分的曲率半径为50mm以上。

形成为R状的内表面形状部分的曲率半径小于50mm时，当制造硅锭时，虽然能够使坩埚内的熔融物的凝固界面形状接近适当的上凸形状，但是难以成为理想的上凸形状。然而，形成为R状的内表面形状部分的曲率半径为50mm以上时，易于使坩埚内的熔融物的凝固界面形状成为理想的上凸形状。

本发明的石英坩埚的制造方法为制造上述的本发明的石英坩埚的方法，其特征在于，具备通过在所述底部与所述侧壁部的交叉部分的内侧形成石英的涂膜从而形成所述壁厚部的涂膜形成工序。

根据本发明的石英坩埚的制造方法，由于仅具备涂膜形成工序，因此不仅对于新制造石英坩埚的情况，即使对于已有的石英坩埚也能够使该石英坩埚形成希望的形状。即，能够容易地将底部和侧壁部分别具有固定厚度的现有的石英坩埚变更为适于使坩埚内的熔融物的凝固界面形状成为理想的上凸形状的形状。

根据本发明，当制造硅锭时，能够使坩埚内的熔融物的凝固界面形状成为理想的上凸形状、或者能够接近理想的上凸形状。

附图说明

图1是本发明的铸造装置的实施方式的概要剖视说明图。

图2是表示使用于图1所示的铸造装置的本发明所涉及的石英坩埚的主要部分的剖视图。

图3是表示壁厚部中被形成为R状的内表面形状部分的曲率半径与制造硅锭时的坩埚中央位置和坩埚周边位置的凝固界面高度之差的关系表。

图4A是表示使用本发明所涉及的石英坩埚使硅熔融时的熔融物的温度分布图。

图4B是表示使用于熔融物的温度分布图的网点与温度的关系图。

图5是表示使用现有的石英坩埚使硅熔融时的熔融物的温度分布图。

符号说明

3 硅熔液

10 铸造装置

20 石英坩埚

21 底部

21a 底部的厚度

22 侧壁部

22a 侧壁部的厚度

23 交叉部分

24 壁厚部

24a 壁厚部的厚度

33 下部加热器

43 上部加热器

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施方式的铸造装置、石英坩埚进行说明。

图1表示本发明所涉及的铸造装置的实施方式。本实施方式的铸造装置10具备使内部保持气密状态的腔室11、贮留硅熔液3的有底方筒状的石英坩埚20、载置该石英坩埚20的矩形板状的冷硬板31、位于该冷硬板31的下方的下部加热器33、位于石英坩埚20的上方的上部加热器43、载置在石英坩埚20的上端的矩形板状的盖部50、以及对石英坩埚20与盖部50之间的空间导入惰性气体（例如氩气）的沿铅直方向延伸的气体供给管42。

另外，在石英坩埚20的外周侧（水平方向外侧）配设有方筒状的绝热壁12，在上部加热器43的上方配设有绝热顶板13，在下部加热器33的下方配设有绝热底板14。即，本实施方式的铸造装置10以包围石英坩埚20、上部加热器43、下部加热器33等的方式配设有绝热材料（绝热壁12、绝热顶板13、绝热底板14）。另外，在绝热底板14中设置有排气孔15。

上部加热器43和下部加热器33分别与电极棒44、34连接。连接于上部加热器43的电极棒44贯穿绝热顶板13并延伸至石英坩埚20的上部附近。连接于下部加热器33的电极棒34贯穿绝热底板14并延伸至石英坩埚20的底部附近。

载置石英坩埚20的冷硬板31被设置在插通下部加热器33的支撑部32的上端。该冷硬板31为中空结构，经由设置在支撑部32的内部的供给路径（未图示）对内部供给氩气。

盖部50具备载置在石英坩埚20的侧壁部22的上端的载置部51、在石英坩埚20的全周从石英坩埚20的侧壁部22的外边缘向外侧（水平方向外侧）以固定宽度突出的檐部52、供前述的气体供给管42***的圆形的***孔53、以及在厚度方向上贯穿并排出石英坩埚20内的气体的未图示的开口部。

此外，代替在盖部50上形成气体排出用的开口部，还可以使盖部50自身与石英坩埚20的侧壁部22隔开间隙（例如铅直方向上固定的间隙）配置，利用该间隔排出石英坩埚20内的气体。另外，还可以在气体供给管42的外周面与***孔53的内周面之间在全周形成固定的间隙，将该间隙用作排出石英坩埚20内的气体的开口部。

该盖部50优选由碳系材料构成，本实施方式中由碳化硅构成。

气体供给管42例如为钼制或碳制的圆管状部件，在其基端侧（图1中上端侧）连接有未图示的气体供给部。气体供给管42沿着铅直方向延伸配置，被配置为贯穿腔室11的顶板部进而通过盖部50的***孔53，其前端（图1中下端侧）延伸至石英坩埚内的上部、即贮留在石英坩埚20内的硅熔液3的液面附近。另外，气体供给管42被配置为其前端位于石英坩埚20的水平方向上的中心。从所述气体供给部导入的惰性气体从气体供给管42的前端向硅熔液3的上方空间供给。

石英坩埚20的水平剖面形状为方形，在本实施方式中，水平剖面形状呈正方形。即，石英坩埚20形成为有底方筒状，并形成为随着从其下部向上部在水平方向上的宽度逐渐增大。此外，石英坩埚20的水平方向上的宽度也可以在铅直方向上固定不变。该石英坩埚20由石英构成，具备与冷硬板31接触的正方形板状的底部21和从该底部21的外周部向上方立起的矩形板状的侧壁部22。石英坩埚20被形成为在底部21的上方开口。另外，侧壁部22的水平剖面为矩形环状。

图2是石英坩埚20的底部21与侧壁部22相交的交叉部分23的放大剖视图。此外，图2是与交叉部分23延伸的方向（图2纸面垂直方向、即由底部21与侧壁部22形成的底边延伸的方向）正交的方向上的剖视图。如该图所示，底部21与侧壁部22相交的交叉部分23的内侧伸展，形成具有与底部21、侧壁部22的厚度21a、22a相比更厚的厚度24a的壁厚部24。此外，在图2中由底部21与侧壁部22形成并位于石英坩埚20的内方侧的角度为钝角（大于90°）。

壁厚部24的伸展是指与底部21的上表面的延长部分以及侧壁部22的内表面的延长部分相比向坩埚内方伸展的伸展部分。即，交叉部分23的内侧通过向石英坩埚20的内方伸展，从而在交叉部分23的位置形成壁厚部24。

在该实施方式中，壁厚部24被形成为与底部21和侧壁部22平滑相连并随着从交叉部分23的中央（图2中的交叉部分23的中央部分）分别向底部21的中央侧（图2的右侧）与侧壁部22的上端侧（图2的上侧）厚度逐渐变薄的呈R状的内表面形状（带圆角）。此外，R状的内表面形状是指壁厚部24在与底部21和侧壁部22相交的交叉部分23延伸的方向（纸面垂直方向）正交的方向上的内表面的剖面形状被形成为凸向坩埚外方的圆弧状。优选地，形成为R状的内表面形状部分的曲率半径为50mm以上。

此外，作为壁厚部24的内表面形状并不必须形成为R状，例如还可以为阶梯状且连结其各顶点部分的形状呈R状，或者也可以坩埚的内表面呈平坦的倾斜面。即，壁厚部24被形成为与底部21和侧壁部22平滑相连并随着从交叉部分23的中央分别向底部21的中央侧与侧壁部22的上端侧厚度逐渐变薄即可。

另外，作为壁厚部24的内表面形状的R状，剖面形状并不限于呈圆的一部分的形状，剖面形状还可以为呈椭圆状的一部分的形状。

作为上述结构的坩埚20的制造方法，有使用具有沿着前述的石英坩埚20的外形的内表面（铸型表面）的铸型，在该铸型中熔化并注入作为材料的石英来制造的方法。另外，还有对现有已知的并未在底部与侧壁部相交的交叉部分形成壁厚部的石英坩埚的形状进行变更时，通过在现有的石英坩埚成型后进行的涂膜形成工序，在底部21与侧壁部22的交叉部分23的内侧形成石英的涂膜，据此，在交叉部分23形成壁厚部24的制造方法。

接着，对使用上述的铸造装置10的硅锭的制造方法进行说明。

首先，对石英坩埚20内供给硅原料。作为硅原料，使用粉碎11N（纯度99.999999999）的高纯度硅得到的被称为“块”的块状物质。该块状的硅原料的粒径例如为30mm到100mm。

接着，通过对上部加热器43和下部加热器33通电从而加热供给到石英坩埚20内的硅原料，使硅原料熔融生成硅熔液3。此时，石英坩埚20内的硅熔液3的熔液面被设定在低于石英坩埚20的侧壁部22的上端的位置。

接着，使石英坩埚20内的硅熔液3凝固。首先，停止对下部加热器33的通电，经由支撑部32的供给路径对冷硬板31的内部供给氩气。据此，使冷硬板31的温度下降并冷却石英坩埚20的底部21。此时，继续上部加热器43的通电，由此在石英坩埚20内从底部21向上方产生温度梯度，通过该温度梯度，硅熔液3开始向上方单向凝固。进而，通过使对上部加热器43的通电缓慢地减少，石英坩埚20内的硅熔液3向上方凝固并生成硅锭。

在该凝固工序中，经由气体供给管42和***孔53，对石英坩埚20内的硅熔液3的熔液面与盖部50之间的空间中例如供给氩气作为惰性气体。

从***盖部50的平面中心的***孔53的气体供给管42的前端部供给的氩气放射状地扩散的同时通过石英坩埚20内的硅熔液3上，从盖部50的开口部（未图示）、或者盖部50与侧壁部22之间的间隙向石英坩埚20的外部排出，并从石英坩埚20的外部进一步通过设置在绝热底板14上的排气孔15向腔室11的外侧排气。

如此，利用单向凝固法制造硅锭。该硅锭例如为用作太阳能电池用基板的硅晶片或其他硅部件的素材。

如以上所示，根据本实施方式的石英坩埚20，由于石英坩埚20的底部21与侧壁部22相交的交叉部分23的内侧伸展并形成壁厚部24，因此加厚壁厚部24的壁厚的部分能够抑制从交叉部分23的放热量。

另外，虽然交叉部分23的内侧伸展，但是交叉部分23的外侧的形状与现有的石英坩埚相比并无任何变化，交叉部分23的放热面积不会增加。因此，与通过使交叉部分的外侧伸展来增加交叉部分（壁厚部）的壁厚时相比，能够进一步抑制放热量。

这些结果是能够使从石英坩埚20的底部中央部分的放热量与现有相同，并使从底部周边部分的放热量减少，因此石英坩埚内的熔融物的温度具有中央低并随着向周边而升高的倾向。也就是，当制造硅锭时，能够使坩埚内的熔融物的凝固界面形状接近理想的上凸形状。

另外，在本实施方式的石英坩埚20中，将壁厚部24形成为与底部21和侧壁部22平滑相连并随着从交叉部分23的中央分别向底部21的中央侧与侧壁部22的上端侧厚度逐渐变薄的呈R状的内表面形状。因此，从石英坩埚20内的熔融物来看，该熔融物与交叉部分23的接触面积进一步缩小。因此，这点也能够使熔融物的从交叉部分23的放热量减少。

另外，由于壁厚部24与底部21和侧壁部22平滑相连，因此与这部分接触的熔融物的温度变化也连续，能够平滑地完成制品即硅锭的外表面。

以上对本发明的实施方式的石英坩埚、石英坩埚的制造方法及铸造装置进行了说明，但并不限定于此，还能够适宜进行设计变更。

另外，在所述实施方式中，以石英坩埚20的水平剖面为方形为例进行了说明，但并不限定于此，例如本发明还能够应用于水平剖面为圆状的石英坩埚。在这种情况下，底部被形成为圆形板状，侧壁部被形成为圆筒状。

另外，在所述实施方式中，底部21与侧壁部22的厚度21a、22a被设定为几乎相同程度，但并不限定于此，本发明还能够应用于底部21与侧壁部22的厚度不同的石英坩埚。

【实施例】

进行了确认本发明的效果的模拟。

在该模拟中，使用与图2所示的实施方式中说明的、将壁厚部24形成为随着从交叉部分23的中央分别向底部21的中央侧与侧壁部22的上端侧厚度逐渐变薄的呈R状的内表面形状的石英坩埚20同样的坩埚。准备多个分别改变了R状的曲率半径（R（mm））的石英坩埚，调查了使用这些石英坩埚制造硅锭时的、坩埚中央位置和石英坩埚周边位置的凝固界面高度之差（ΔZ（mm））。图3示出其结果。

此外，ΔZ为负时，表示坩埚中央位置的凝固界面高度低于坩埚周边位置的凝固界面高度时的值，ΔZ为正时，表示坩埚中央位置的凝固界面高度高于坩埚周边位置的凝固界面高度时的值。

另外，进行模拟时的条件为石英坩埚20的底部21与侧壁部22的厚度均为20mm，石英坩埚20的内径为700mm，室温为20℃。

由该表可知，R状的曲率半径为0mm、15mm、30mm时，各个ΔZ为负值，坩埚中央位置的凝固界面高度低于坩埚周边位置的凝固界面高度。R状的曲率半径为50mm时，ΔZ为0值，坩埚中央位置的凝固界面高度与坩埚周边位置的凝固界面高度为相同值。另外，R状的曲率半径为100mm、150mm时，ΔZ为正值，坩埚中央位置的凝固界面高度高于坩埚周边位置的凝固界面高度。

根据这些结果，使石英坩埚的壁厚部的R状的曲率半径为50mm以上时，当制造硅锭时能够使坩埚内的熔融物的凝固界面形状为理想的上凸形状或接近理想的上凸形状。

图4A是表示使用本发明所涉及的石英坩埚使硅熔融时的坩埚中央的纵剖面位置中的熔融物的温度分布图，是表示R状的曲率半径为100mm时的熔融物的温度分布图。图4B是表示使用于熔融物的温度分布图的网点与温度的关系图。图5是表示使用现有的石英坩埚使硅熔融时的坩埚中央的纵剖面位置中的熔融物的温度分布图，是表示R状的曲率半径为0mm时的熔融物的温度分布的、本发明的比较例的图。

根据图4A所示的使用本发明的石英坩埚使硅熔融时的坩埚中央的纵剖面位置中的熔融物的温度分布，可知中央部分的温度低，随着向周边部温度升高。即，可知当制造硅锭时，坩埚内的熔融物的凝固界面形状为理想的上凸形状。

另一方面，根据图5所示的使用现有的石英坩埚使硅熔融时的坩埚中央的纵剖面位置中的熔融物的温度分布，可知中央部分的温度高，随着向周边部温度降低。即，可知当制造硅锭时，坩埚内的熔融物的凝固界面形状为下凸形状。

由以上事项确认了使石英坩埚的壁厚部的R状的曲率半径为50mm以上（更优选为100mm以上）时，当制造硅锭时，能够使坩埚内的熔融物的凝固界面形状为理想的上凸形状、或者接近理想的上凸形状。

Claims (6)

1.一种石英坩埚，用于制造硅锭，其特征在于，

所述石英坩埚具备底部和从所述底部的外周部立起的侧壁部，并且上方开口，

所述底部与所述侧壁部相交的交叉部分的内侧向所述石英坩埚的内方伸展，形成厚度比所述底部、所述侧壁部厚的壁厚部。

2.根据权利要求1所述的石英坩埚，其特征在于，所述壁厚部被形成为与所述底部和所述侧壁部平滑相连，并随着从所述交叉部分的中央分别向所述底部的中央侧与所述侧壁部的上端侧厚度逐渐变薄。

3.根据权利要求2所述的石英坩埚，其特征在于，所述壁厚部中的内表面形状被形成为R状。

4.根据权利要求3所述的石英坩埚，其特征在于，形成为所述R状的内表面形状部分的曲率半径为50mm以上。

5.一种石英坩埚的制造方法，制造权利要求1～4中任一项所述的石英坩埚，其特征在于，具备通过在所述底部与所述侧壁部的交叉部分的内侧形成石英的涂膜从而形成所述壁厚部的涂膜形成工序。

6.一种铸造装置，其特征在于，在权利要求1～4中任一项所述的石英坩埚的上方和下方分别配置有用于加热所述石英坩埚的加热器。

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