JP2007112651A

JP2007112651A - シリコン単結晶原料の溶解方法

Info

Publication number: JP2007112651A
Application number: JP2005304356A
Authority: JP
Inventors: Kiwa Sakuma; 喜和佐久間; Masaki Sakuma; 正樹佐久間; Osamu Katayama; 修片山
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】ルツボへの装填率を向上させることができ、また多結晶シリコンが偏りなく溶解が進行し、溶解に要する時間を短縮することができるシリコン単結晶原料の溶解方法を提供する。
【解決手段】断面矩形状または断面円形の柱状の多結晶シリコン３の軸線が、水平かつルツボ径方向に向くようにルツボ１内に配置し、かつ前記柱状の多結晶シリコン３を複数配置して、柱状の多結晶シリコン３の配置形状を十字状または放射状になし、前記多結晶シリコンを溶解する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する際に、その製造原料である多結晶シリコンをルツボ内で溶解して、シリコン融液を生成するシリコン単結晶原料の溶解方法に関する。

ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する場合、その単結晶の引上げに先立ってルツボ内に多結晶シリコンを装填し、これを溶解して所定量のシリコン融液を得た後、その融液から単結晶の引上げが開始される。
ここで、シリコン単結晶の製造原料として使用される多結晶シリコンは、通常、製造効率に優れるとされているシーメンス法によって製造された多結晶シリコンロッドを素材としている。そして、この多結晶シリコンロッドを熱衝撃、機械的衝撃などによって破砕し、エッチング洗浄などの工程を経た後、サイズ分けしたものがシリコン単結晶の製造原料として使用されている。

そして、このシリコン単結晶原料の溶解にあっては、大重量の単結晶を製造するために、ルツボ内への原料装填量をできるだけ多くすることが求められている。
この要求に応えるために、まずルツボサイズを大きくすることが考えられる。しかしながらルツボサイズを大きくすると、溶解に要する電力費が嵩み、しかも融液温度の管理が困難となるため、ルツボのサイズを大きくすることは好ましくない。

したがって、ルツボへの原料装填量を多くするには、ルツボ内の原料装填率を高める必要があり、実操業ではサイズの異なる塊状の多結晶シリコンを用いて、できるだけ多結晶シリコン同士の隙間を埋めるような装填方法が用いられている。
しかしながら、個々の塊状の多結晶シリコンが持つ表面積が大きいために、その塊状の多結晶シリコン間に多くの隙間が残るため、このような装填方法では、原料装填率は十分ではない。
このため、ルツボ内に装填される多結晶シリコン量は依然として制限され、大重量の単結晶を製造することを困難としている。

このような事情のもと、原料装填率を向上させるために柱状の多結晶シリコンをルツボ内に横に寝かせ俵積み状態にする方法が特許文献１において提案されている。
この特許文献１に示されたシリコン単結晶原料の溶解方法について、図１２に基づいて説明する。先ず、ルツボ１０内に、シーメンス法により製造された多結晶シリコンロッドから切り出された複数本の柱状原料１３ａ，１３ｂを、俵積み状に組み合わせて装填する。そして、前記柱状原料１３ａ，１３ｂの周囲に塊粒原料１２を装填する。
特開平１１−１００２９８号公報

ところで、柱状原料１３ａ，１３ｂを俵積み状にした場合、前記柱状原料１３ａ，１３ｂが不均一に溶解され、ルツボ上部の残っていた塊粒の多結晶シリコン１２（塊粒原料）がルツボ１０の融液内に落下し、融液の飛び跳ねが起こり、ルツボ上端部付近に付着するという技術的課題があった。
また、融液の中央に柱状原料１３ａ，１３ｂが残存し、その溶融に時間がかかり、電力の増加を招くという技術的課題があった。
更に、柱状原料１３ａ，１３ｂの上に山積みにされた、ルツボ上端部に接している塊粒の多結晶シリコン１２が溶け残り、ルツボ上端部に付着するという技術的課題があった。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、ルツボへの装填率を向上させることができ、また多結晶シリコンが偏りなく溶解が進行し、溶解に要する時間を短縮することができるシリコン単結晶原料の溶解方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明にかかるシリコン単結晶原料の溶解方法は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する際、製造原料である多結晶シリコンをルツボ内で溶解するにあたり、断面矩形状または断面円形の柱状の多結晶シリコン軸線が、水平かつルツボ径方向に向くようにルツボ内に配置し、かつ前記柱状の多結晶シリコンを複数配置して、前記柱状の多結晶シリコンの配置形状を十字状または放射状になし、前記多結晶シリコンを溶解することを特徴としている。

このように、断面矩形状または断面円形の柱状の多結晶シリコンを放射状に配置することにより、ルツボの外周囲に配置されたヒータからの熱が均一に、前記柱状の多結晶シリコンに伝わるため、前記柱状の多結晶シリコンの溶解が偏りなく進行する。
その結果、融液の中央に柱状の多結晶シリコンが残存することもなく、溶解に要する時間の短縮化、電力の低減化を図ることができる。

ここで、前記柱状の多結晶シリコンを、十字状または放射状にルツボの底面に配置した後、前記柱状の多結晶シリコンの周囲に塊状の多結晶シリコンを装填し、更に前記塊状の多結晶シリコンの上に、更に断面矩形状または断面円形の柱状の多結晶シリコンを放射状に配置することが望ましい。

このように、柱状の多結晶シリコンの周囲に塊状の多結晶シリコンを装填し、更に前記塊状の多結晶シリコンの上に、断面矩形状または断面円形の柱状の多結晶シリコンを放射状に配置したため、ルツボの外周囲に配置されたヒータからの熱が均一に、多結晶シリコンに伝わり、多結晶シリコンの溶解が偏りなく進行する。
その結果、融液の中央部に柱状の多結晶シリコンが残存することもなく、溶解に要する時間の短縮化、電力の低減化を図ることができる。

特に、柱状の多結晶シリコンの周囲に塊状の多結晶シリコンを装填しているため、ルツボへの装填率が飛躍的に向上する。しかも、多結晶シリコンの隙間をより減少させることができるため、熱は効率的に伝播し、溶解に要する時間のより短縮化、電力のより低減化を図ることができる。

また、前記塊状の多結晶シリコンの上に、前記ルツボの底面に配置された前記柱状の多結晶シリコンよりも長さの長い、断面矩形状または断面円形の柱状の多結晶シリコンを配置することが望ましい。これにより、ルツボへの装填率をより向上させることができる。

また前記ルツボの上段に放射状に配置された、前記柱状の多結晶シリコンの配置中央部に、柱状の多結晶シリコンを配置することによっても、ルツボへの装填率をより向上させることができ、多結晶シリコンの隙間も減少し熱の伝播も効率よくなり、溶解に要する時間の短縮化、電力の低減化を図ることができる。

また、前記柱状の多結晶シリコンを、十字状または放射状にルツボの底面に配置した後、前記柱状の多結晶シリコンの周囲に第一の塊状の多結晶シリコンを装填し、更に前記塊状の多結晶シリコンの上に、更に柱状の多結晶シリコンを放射状に配置し、その後、前記柱状の多結晶シリコンの上に第二の塊状の多結晶シリコンを山積みすることが望ましい。

また、前記第一の塊状の多結晶シリコンは、粒径の大きなものと小さなものが混在しており、前記第二の塊状の多結晶シリコンは、前記第一の塊状の多結晶シリコンを構成している粒径の大きなものからなることが望ましい。
このように、粒径の大きなものと小さなものが混在した第一の塊状の多結晶シリコンを用いることにより、ルツボへの装填率をより向上させることができ、多結晶シリコンの隙間も減少し、熱の伝播が効率的になり、溶解に要する時間の短縮化、電力の低減化を図ることができる。
更に、第二の塊状の多結晶シリコンは、前記第一の塊状の多結晶シリコンを構成している粒径の大きなものからなるため、ルツボ上端部に接している第二の塊状の多結晶シリコンは自重で落下し、ルツボ上端部に付着するという弊害を防止できる。

以上のように、本発明によれば、ルツボへの装填率を向上させることができ、また多結晶シリコンが偏りなく溶解が進行し、溶解に要する時間を短縮することができるシリコン単結晶原料の溶解方法を得ることができる。

本発明にかかる第１の実施形態について、図１に基づいて説明する。
図１に示すように、ルツボ１の底面形状は曲面形状となっているため、まずルツボ１の底面上に、粒径（原料サイズ）５〜２０ｍｍ程度の塊状の多結晶シリコン２（以下、塊状原料２）を敷詰め、底部を平らにする。この塊状原料２の粒径（原料サイズ）は、図４に示すように１０ｍｍ〜１５ｍｍが約７０％締めている。

この塊状原料２の敷詰めが終わると、図１（ａ）（ｂ）に示すように、その上に柱状の多結晶シリコン３（以下、柱状原料３）の軸線を水平にして、かつ柱状原料３の軸線がルツボ１の径方向に向くようにし、複数本の柱状原料３をルツボ１の外周に放射状（十字状）に並べる。
尚、前記柱状原料３は、直径１００ｍｍ〜１５０ｍｍ、長さ６０ｍｍ〜１２０ｍｍの円柱状形状あるいは断面の縦が１００ｍｍ〜１５０ｍｍ、断面の横が１００ｍｍ〜１５０ｍｍであって、長さが６０ｍｍ〜１２０ｍｍの四角柱形状であっても良い。

そして、柱状原料３を並べ終わると、次にその柱状原料３がほぼ埋まるように塊状原料２と、粒径（原料サイズ）：２０〜１３０ｍｍ程度の塊状の多結晶シリコン４（以下、塊状原料４）とを混在させながら装填する。この塊状原料４の粒径（原料サイズ）は、図５に示すような分布を有している。したがって、塊状原料４の間に、塊状原料２が隙間なく装填される。

その装填後、更にその上に、図２に示すように柱状原料３の軸線が水平、かつルツボ１の径方向に向くように、複数本の柱状原料３を放射状に並べる。また、前記放射状に並べられた柱状原料３の配置中央部にも、柱状原料３を並べる。このように、複数本の柱状原料３の配置中央部に、柱状原料３を並べることによって装填率をより向上させることができる。

その後、図３に示すように、塊状原料２と塊状原料４で隙間を埋めるように装填し、柱状原料３がほぼ見えなくなった以降、塊状原料４のみで山積みし所定の重量まで装填する。
尚、このように、粒径の大きな塊状原料４のみで装填を行なうのは、ルツボ１上方に溶け残りの塊状原料の付着を防止するためである。即ち、粒径の小さな塊状原料２で装填した場合、ルツボ１の上端部に接して塊状原料２が装填される。このため、粒径の小さな塊状原料２の溶け残りが、ルツボ１の上端部から落下することなく付着し、ルツボを変形させる力として作用する。一方、粒径の大きな塊状原料４は、自重さによりルツボ内の下方に移動し、ルツボ１の上端部に付着することもない。

そして、ルツボ１内への原料装填が終わると、ルツボの周囲に配置されたヒータに通電を行なって、ルツボ１内の原料を溶解する。

このように、柱状原料３を放射状に配置することによって、ヒータからの熱が均一に原料２，３，４に伝わることから、溶解が偏りなく進行し、溶け残り等の問題が低減する。
また、柱状原料３の周囲に塊状原料２、４を装填しているため、装填率も向上することから、原料間の隙間も減少し、熱の伝播も効率的になり、溶解に要する時間の短縮も図られる。
更に、柱状原料３の最下段の中央部には、柱状原料３が配置されていないため、ルツボ中心に柱状の柱状原料３が残存することもない。一方、柱状原料３の上段の配置された柱状原料３の中央部には柱状原料を配置することにより、ルツボ内の原料装填率をより向上させることができる。

尚、前記実施形態にあっては、円柱状の多結晶シリコンを使用しているが角状であっても変わりはなく、さらに柱状原料３の使用個数を１４個としているが、これに限定されないことは言うまでもない。

次に、第２の実施形態を図６に基づいて説明する。
この第２の実施形態にあっては、ルツボ１の内底部に柱状原料３を配置したのち、その隙間を塊状原料２，４で装填し、その上にさらに前記柱状原料３より長さの長い第２の柱状原料５を俵積み状に配置する点に顕著な特徴を有する。

第２の実施形態にあっては、前記した第１の実施形態と同様に、塊状原料２を敷詰め、塊状原料２の敷詰めが終わると、図６（ａ）（ｂ）に示すように、その上に柱状原料３の軸線を水平にして、かつルツボ１の径方向に向くようにし、複数の柱状原料３を配置して、放射状（または十字状）に並べる。
そして、柱状原料３を並べ終わると、次にその柱状原料３がほぼ埋まるように塊状原料２と、塊状原料４を混在させながら装填する。

その装填後、更にその上に、図６（ｃ）に示すように第２の柱状原料５を、その軸線がルツボ１の径方向に向くように並べる。
その後、図６（ｄ）に示すように、塊状原料２と塊状原料４で隙間を埋めるように装填し、柱状原料５がほぼ見えなくなった以降、塊状原料４のみで山積みし所定の重量まで装填する。
そして、ルツボ１内への原料装填が終わると、ルツボの周囲に配置されたヒータに通電を行なって、ルツボ１内の原料を溶解する。

このような実施形態においては、第１の実施形態の場合よりも効果は劣るものの、従来に比べて、溶解に要する時間の短縮を図ることができる。

（実験例１）
２２インチサイズの石英ルツボを使用して多結晶シリコンの溶解を行う際に、図７に示すように多結晶シリコンとして、図４，５の粒径分布を有する塊状原料２，４のみを使用し、かつ粒径の大きい塊状原料４をルツボ底部に装填し、粒径の小さな塊状原料２をルツボの上方に装填した場合（比較例１）と、図８に示すように粒径の大きい塊状原料４をルツボ上方に装填し、粒径の小さな塊状原料２をルツボの底部に装填し、更に塊状原料２，４以外に柱状原料５を使用し、それを横に寝かせて俵積み状にした場合（比較例２）と、図１に示すように柱状原料３、塊状原料２，４を配置した場合（実施例１）ついて、溶融時間及び装填率の検証を行なった。なお、溶融時間の結果を図１０に示す。

実験に用いた多結晶シリコン原料については、柱状の多結晶シリコン３は、長さ７５〜１００ｍｍ（平均値８８ｍｍ、標準偏差値４ｍｍ）、直径φ１１５〜１３５ｍｍ（平均値φ１２５ｍｍ、標準偏差値５ｍｍ）、柱状の多結晶シリコン５は、長さ１５０〜２００ｍｍ（平均値１７５ｍｍ、標準偏差値４ｍｍ）、直径φ１１５〜１３５ｍｍ（平均値φ１２５ｍｍ、標準偏差値５ｍｍ）、塊状の多結晶シリコン２（サイズ：５〜２０ｍｍ程度、粒度分布は図４参照）、塊状の多結晶シリコン４（サイズ：２０〜１３０ｍｍ程度、粒度分布は図５参照）を使用した。

ここで、比較例１の塊状原料２，４のみを使用して装填を行った場合（比較例１）、装填重量は最大で１２０ｋｇであり、また溶解に要する時間はヒータ電力を１５０ＫＷとした場合で約８時間であった。また、塊状原料２のルツボ上端部２への付着が認められた。
尚、ヒータ電力を上げると溶解に要する時間は短縮されるが、ルツボの変形を招くなどルツボへのダメージが大きく耐久性を損なうので、溶解に要する時間を短縮する手段としてヒータ電力の増大は採用できない。

これに対して、塊状原料以外に柱状原料を使用し、それを横に寝かせて俵積み状にした場合（比較例２）と、本発明の方法で装填を行なった場合（実施例１）の原料装填は、いずれの場合も１５０ｋｇであった。また溶解に要する時間は同一のヒータ電力で、比較例２では約７時間、実施例１では約６時間であり、短縮できることが認められた。

また、比較例２の柱状原料を俵積み状にした場合においては，溶解の際にルツボの円周上において溶解の度合いに差が見られ、それと同時にルツボ中央に柱上の多結晶シリコンが残存し、それが溶解した際にルツボ上部に残っていた多結晶シリコンが一気にルツボの融液内に落下して、融液の飛び跳ねが起こり、溶け残りがルツボ上端部付近に残ってしまう現象が見られた。
一方、実施例１にあっては、溶解の様子もルツボ全体に均一で、柱状の多結晶シリコンが残存することもなく、極めて安定して溶解を完了した。

また実施例２として、２２インチサイズの石英ルツボを用いて、図６に示すように、２段目以降に長さの長い柱状の多結晶シリコンを積んで溶融時間及び装填率の検証を行なった。
まず、ルツボ１の底面上に塊状原料２を敷詰める。塊状原料２の敷詰めが終わると、その上に柱状原料３を横にして放射状に並べる（図６（ａ）（ｂ））。
柱状原料３を並べ終わると、次にその柱状原料３がほぼ埋まるように塊状原料２と塊状原料４を混ぜながら装填する。そして、その上にさらに長さの長い柱状の多結晶シリコン５を並べる（図６（ｃ））。
その後、塊状原料２と塊状原料４で隙間を埋めるように装填し、柱状原料５がほぼ見えなくなったら塊状原料４のみで所定の重量まで装填する（図６（ｄ））。

溶融条件は実施例１と同じヒータ電力１５０ＫＷで行なった。その結果、２段目に長さの長い柱状原料５を並べて配置したため、溶解の度合が部分的に不均一になったが、柱状の多結晶シリコンが残存することもなく、図１０に示すように約７時間で溶融を完了した。

（実験例２）
２８インチサイズの石英ルツボを用いて実施例１と同様の実験を行なった。
石英ルツボのサイズのみ変更し、比較例１と同様に塊状原料２，４のみを使用して装填を行った場合（比較例３）、装填重量は最大で２７０ｋｇであり、また溶解に要する時間はヒータ電力を１７０ＫＷとした場合、図１１に示すように約１５時間であった。
また、石英ルツボのサイズのみ変更し、比較例２と同様に塊状原料２，４以外に柱状原料５を使用し、それを横に寝かせて俵積み状にした場合（比較例４）、３３０ｋｇの原料装填が可能になり、溶解に要する時間は、図１１に示すように同一ヒータ電力で約１３時間であった。
これに対して、図９に示すように、下段に８個の柱状原料３を装填し、上段に１６個の柱状原料３を装填した場合（実施例３）、３３０ｋｇの原料装填が可能になり、溶解に要する時間は、図１１に示すように同一ヒータ電力で約１２時間に短縮された。

また、比較例３では、塊状原料２のルツボ上端部２への付着が認められ、比較例４では、溶解の際にルツボの円周上において溶解の度合いに差が見られた。
それに比べて、実施例３では、溶解の様子もルツボ全体に均一で、柱状の多結晶シリコンが残存することもなく、極めて安定して溶解を完了した。

本発明は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する際に好適に用いることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかるシリコン単結晶原料の溶解方法における最下段の柱状原料の配置状態を示す図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。図２は、積み重ねた柱状原料の配置状態を示す平面図である。図３は、図２に示した状態から更に塊状原料を積み上げた状態を示す断面図である。図４は、粒径が小さな塊状原料の原料サイズ分布を示す図である。図５は、粒径が大きな塊状原料の原料サイズ分布を示す図である。図６は、本発明の第２の実施形態にかかるシリコン単結晶原料の溶解方法における工程を示す図である。図７は、比較例１を示す図である。図８は、比較例２を示す図である。図９は、本発明の第３の実施形態にかかるシリコン単結晶原料の溶解方法における工程を示す図である。図１０は、比較例１、２、実施例１，２の溶融時間を示す図である。図１１は、比較例３、４、実施例３の溶融時間を示す図である。図１２は、従来例を示す図である。

符号の説明

１ルツボ
２塊状の多結晶シリコン（塊状原料）
３柱状の多結晶シリコン（柱状原料）
４塊状の多結晶シリコン（塊状原料）
５柱状の多結晶シリコン（柱状原料）

Claims

ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する際、製造原料である多結晶シリコンをルツボ内で溶解するにあたり、
断面矩形状または断面円形の柱状の多結晶シリコン軸線が、水平かつルツボ径方向に向くようにルツボ内に配置し、かつ前記柱状の多結晶シリコンを複数配置して、前記柱状の多結晶シリコンの配置形状を十字状または放射状になし、前記多結晶シリコンを溶解することを特徴とするシリコン単結晶原料の溶解方法。
前記柱状の多結晶シリコンを、十字状または放射状にルツボの底面に配置した後、前記柱状の多結晶シリコンの周囲に塊状の多結晶シリコンを装填し、更に前記塊状の多結晶シリコンの上に、更に断面矩形状または断面円形の柱状の多結晶シリコンを放射状に配置することを特徴とする請求項１に記載されたシリコン単結晶原料の溶解方法。
前記柱状の多結晶シリコンを、十字状または放射状にルツボの底面に配置した後、前記柱状の多結晶シリコンの周囲に塊状の多結晶シリコンを装填し、更に前記塊状の多結晶シリコンの上に、前記ルツボの底面に配置された前記柱状の多結晶シリコンよりも長さの長い、断面矩形状または断面円形の柱状の多結晶シリコンを配置することを特徴とする請求項１に記載されたシリコン単結晶原料の溶解方法。
前記ルツボの上段に放射状に配置された、前記柱状の多結晶シリコンの配置中央部に、柱状の多結晶シリコンを配置したことを特徴とする請求項２に記載されたシリコン単結晶原料の溶解方法。
前記柱状の多結晶シリコンを、十字状または放射状にルツボの底面に配置した後、前記柱状の多結晶シリコンの周囲に第一の塊状の多結晶シリコンを装填し、更に前記塊状の多結晶シリコンの上に、更に柱状の多結晶シリコンを放射状に配置し、その後、前記柱状の多結晶シリコンの上に第二の塊状の多結晶シリコンを山積みすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載されたシリコン単結晶原料の溶解方法。
前記第一の塊状の多結晶シリコンは、粒径の大きなものと小さなものが混在しており、前記第二の塊状の多結晶シリコンは、前記第一の塊状の多結晶シリコンを構成している粒径の大きなものからなることを特徴とする請求項５に記載されたシリコン単結晶原料の溶解方法。