JPH0412083A - シリコン単結晶製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、ＣＺ引き上げ法によるシリコン単結晶製造方
法に関する。

〔従来の技術］ 各種半導体や高効率な太陽電池の素材として、シリコン
単結晶は不可欠である。工業的なシリコン単結晶の製造
法としては、シリコン融液より単結晶ロッドを引き上げ
るＣＺ法と、多結晶シリコン単結晶を誘導コイル内に挿
通させて単結晶化するＦＺ法とがある。ＣＺ法は、ＦＺ
法に比して工程数が少なく、歩留りも良いことから経済
性が良好とされているが、ＦＺ法はどの単結晶品質は得
られない。ＣＺ法で単結晶品質を低下させている最大の
原因は、ソリコン融液を収容する石英るつぼが消耗する
ことによる石英るつぼからの不純物汚染である。

ＣＺ法では、更に、長時間の連続引き上げも重要とされ
る。これは、連続的な引き上げにより、単結晶ロッドの
比抵抗を一定することが原理的Ａｍ可能となり、これに
よって歩留りが飛躍的に向上し、しかも炉運転の効率を
上げることができるからである。しかし、これまで、こ
の要求を満足させる連続化を成功させたところはない。

その最大の原因は、単結晶品質を低下させる要因と同し
く、石英るつぼの消耗にある。

このような状況を背景として最近注目され始めたのが、
ＣＺ法への電Ｍ１溶解の導入である。電磁溶解法は、周
方向に分割された導電性の水冷るつぼを使用し、電磁場
によりるつぼ内の材料を浮遊状態で溶解する言わば浮遊
溶解法であり、その原理は、特開昭６１−５２９６２号
公報、特開平１２６４９２０号公報、特開平１３０６９
Ｂ号公報等に開示された多結晶シリコン製造装置にも用
いられている。ＣＺ法にこの電磁溶解を導入すれば、る
つぼ内のシリコン融液がるつぼ内面に非接触の状態に保
持されるので、原理的には、るつぼの消耗がなくなり、
るつぼからの不純物汚染が防止され、ＦＺ法に匹敵する
単結晶品質が確保されると共に、長時間の連続引き上げ
も可能になる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この方法は未だ問題が多く、工業的規模
での実施は行われていない。！磁溶解を用いたＣＺ法の
工業化を阻害している一つの要因は、るつぼ内に非接触
状態で保持されたシリコン融液の攪拌現象である。

すなわち、シリコンの電磁溶解では、誘導周波数が高い
と、電流効率は向上するが、表皮効果が顕著になるため
に、るつぼ内のシリコンの中心部までうず電流が到達せ
ず、中心部の溶解が不足する。そのため、単結晶ロッド
の大型化が進む昨今にあっては、誘導周波数の低下が不
可避であり、通常は２〜３ｋＨｚの低周波数域が選択さ
れる。

ところが、このような低周波数域では、電流が溶解シリ
コンの表面深くまで達し、この電流と磁場が作用して力
が働くために、るつぼ内のシリコン融液に強い攪拌力が
生しる。るつぼ内のシリコン融液は、るつぼ内に浮遊状
態で保持されているために、顕著な攪拌現象を生じ、そ
の結果、シリコン融液の液面が波立ち、シリコン融液か
ら引き上げられた単結晶ロッドに温度振動に起因するス
ワール欠陥、転位等が生じるのである。

その上、従来の電磁溶解を用いたＣＺ法では、投入電力
の略半分がるつぼの加熱に消費される。

そのため、シリコンをうず電流にて直接加熱するにもか
かわらず、期待されるほどの経済性は得られていない。

本発明の目的は、従来の１ｉ磁溶解を用いたＣＺ法に比
して電力消費効率が格段に高く、しかもシリコン融液に
攪拌の生しるおそれがないシリコン単結晶製造方法を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段］ 本発明のシリコン単結晶製造方法は、内部に保持された
シリコンを発熱溶解させるべく、該シリコンに電磁場を
作用させる誘導コイルを、その内面に高融点絶縁物を被
覆して溶解容器となし、該溶解容器内でシリコンを溶解
させて容器内面にシリコンスカル層を形成した状態で、
溶解容器内のシリコン融液から単結晶口、ドを引き上げ
ることを特徴としてなる。

〔作　　用］ 本発明のシリコン単結晶製造方法では、溶解容器が誘導
コイルを兼ね、誘導コイルにて形成される電磁場がるつ
ぼを介することなく溶解容器内のシリコンに直接作用す
るので、従来の電磁溶解を用いたＣ７法に比して電力消
費効率が略２倍に向上する。

誘導コイルを兼ねた溶解容器内でシリコンが溶解される
と、シリコン融液が溶解容器内面に接触する。シリコン
は加熱と共に比抵抗が低下し、液層では良導電体になる
。そのため、シリコン融液が誘導コイルに直接接触する
と、誘導コイルが短絡するが、本発明のシリコン単結晶
製造方法では、誘導コイルの内面に絶縁物が被覆されて
いるので、誘導コイルの短絡を生しることなく、溶解容
器内のソリコン融液が溶解容器による冷却器こより凝固
し、容器内面に沿ってシリコンスカル層を生じる。

ソリコンスカル層は、溶解容器を保護すると共に、誘導
コイル内面に被覆された絶縁物によってシリコンスカル
層内側のシリコン融液が汚染されるのを防く。しかも、
シリコンスカル層の内側に保持されたシリコン融液は、
シリコンスカル層に付着しているために、るつぼ内のシ
リコン融液に強い攪拌力が作用する場合にも、シリコン
融液が浮遊保持されるときのような融液撹拌現象はおこ
らない。従って、本発明のシリコン単結晶製造方法では
、シリコン融液から引き上げられた単結晶ロッドの高品
質が保証される。

〔実施例〕

以下に本発明の詳細な説明する。第１図は本発明方法の
実施に適した装置の概略断面図である。

第１図の装置は、溶解容器４０および磁気シールド５０
を収容する気密容器ｌＯを備えている。

気密容器ｌＯは、円筒状の溶解室１１と、その上方に同
心状に突設された引上室１２とよりなる。

溶解室１１は、不活性ガス導入口１１ａおよび排気口１
１ｂを有し、上方には、真空弁１１ｃを介して電子ビー
ム銃２０が設けられている。また、引上室１２の上方に
は、ワイヤ３１を有する引上手段３０が設けられている
。

溶解容器４０は、気密容器１０の溶解室１１内の中心部
に設置されている。この溶解容器４０は、環状の誘導コ
イル４１と、その底を閉塞する円盤状の耐火性底板４２
とを有する。誘導コイル４１の内周面および耐火性底板
４２の上面には、絶縁層４３が被覆されている。この絶
縁層４３は、Ｓｉ、Ｎ、　、５ｉ０２などのシリコンよ
り融点が高いシリコン系化合物よりなり、誘導コイル４
１の線間にも介在されている（第２図参照）。溶解容器
４０の内面における絶縁層４３の厚みは、０゜１５ｍ以
上が望ましいが０．２５ｍ＋＋を超える必要も特にない
。

前記電子ビーム銃２０は、溶解容器４０内に電子ビーム
を照射するように設置されている。

磁気シールド５０は、水冷されたアルミニウム、銅等の
導電性材料あるいは水冷されないモリブデン、グラファ
イトなどよりなる環状体で、溶解容器４０の内径より若
干小さい外径を有し、気密容器１０の溶解室１１内を昇
降して、必要時に溶解容器４０内に上方より差し込まれ
るようになっている。

本発明方法は、上記装置を用いて例えば次のように実施
される。

まず、磁気シールド５０を溶解容器４０の上方に退避さ
せた状態で、溶解容器４０内に多結晶シリコンからなる
塊状、粒状の原料シリコンを装入する０次いで、気密容
器１０内が電子ビーム照射に必要な真空度になるまで、
気密容器１０内を排気口ｌｌｂより排気する。気密容器
ｌＯ内が排気されると、電子ビーム銃２０を作動させて
、溶解容器４０内に装入された原料シリコンに電子ビー
ムを照射し、原料シリコンを局部的に溶解させると共に
、溶解容器４０の誘導コイル４１に通電を行う。誘導コ
イル４１は適宜水冷される。

誘導コイル４１に通電を行うことにより、溶解容器４０
内の原料シリコンに直接ｔＶＡ場が作用する。ただし、
原料シリコンが固体の状態では、溶解に至るほどのうず
電流は生しない。しかし、原料シリコンに電子ビームが
照射されてプールが形成されると、そのプールに充分な
うず電流が流れ、ジュール熱による自己発熱にてプール
が拡大し始める。原料シリコンに所定のプールが形成さ
れると、電子ビームの照射を停止する。

溶解容器４０に装入された原料シリコンが溶解されると
、シリコン融液６０が溶解容器４０内面に接触するが、
溶解容器４０の誘導コイル４１内面が絶縁層４３で被覆
されているので、シリコン融液６０が誘導コイル４１に
直接接触するおそれはない。従って、誘導コイル４１が
シリコン融液６０によって短絡されることなく、溶解容
器４０内面に接する部分から、シリコン溶液６０が冷却
凝固されてシリコンスカル層６１を生じる。シリコンス
カル層６１は絶縁体で、ジュール発熱が事実上なく、再
溶解はない。溶解容器４０内には、必要に応して気密容
器ｌＯ内のホッパー（図示せず）から原料シリコンが補
充される。

溶解容器４０内がシリコン融液６０で満たされると、引
上手段３０を作動させてそのワイヤ３１によりシリコン
融液６０を、回転状態で液面から円柱状に凝固させなが
ら引き上げて単結晶ロッド６２となす。電子ビームの照
射が終了した後の適当な段階で、気密容器ｌＯ内にガス
導入口１１ａよりアルゴン等の不活性ガスを導入して大
気圧操業に切り換える。

本方法は、従来の電磁溶解を用いたＣＺ法に比して次の
ような利点を有する。

誘導コイル４１が溶解容器４０の構成要素になっている
ので、誘導コイル４１にて発生される電磁場が溶解容器
４０内のシリコンに直接作用する。

従って、シリコンと誘導コイルとの間に水冷るつぼが介
在する従来法に比して電力消費効率が略２倍に向上する
。

溶解容器４０がソリコンスカル層６１にて保護されるの
で、溶解容器４０の消耗は、シリコン融液が水冷るつぼ
内に浮遊保持される従来法と実質的に変わらない。

溶解容器４０の内層として設けられた絶縁層４３は、シ
リコンより高融点のシリコン系化合物からなるので、そ
れ自体がシリコンを汚染する危険性が少ない上に、絶縁
層４３とシリコン融液６０との間に、シリコン融液６０
が凝固したシリコンスカル１６１が介在するので、溶解
容器４０からの不純物汚染についても、シリコン融液が
水冷るつぼ内に浮遊状態で保持される従来法に匹敵する
レベルに抑えられる。

溶解容器４０内のシリコン融液６０の底面および外周面
がシリコンスカル層６１に付着しているので、シリコン
融液６０に強い攪拌力が作用する低周波数操業の場合に
も、従来法のようなシリコン融液６０の攪拌現象は生し
ない。その結果、シリコン融液６０の液面の波型ちが抑
制され、シリコン融液６０から引き上げられる単結晶口
・ノド６２におけるスワール欠陥、転位等が、従来法に
比して大幅に減少する。

シリコン融液６０の攪拌に起因する液面の波型が残る場
合には、シリコン融液６０の液面に接近するまで、溶解
容器４０内に磁気シールド５０を挿入する。溶解容器４
０内に挿入された磁気シール＃ＳＯは、単結晶ロッド６
２の引き上げに伴ってシリコン融液６０の液面が低下す
るに従い徐々に降下される。こうすることにより、引き
上げの全期間にわたって、シリコン融液６０の液面波立
ちがほぼ完全に防止され、単結晶ロッド６２の品質がさ
らに向上する。

溶解容器４０に装入された原料シリコンを電磁溶解前に
局部溶解させる初期溶解として、本方法では電子ビーム
照射を用いている。従来法としては、容器内のシリジン
にグラファイト、モリブデン等の高融点導電体を接触さ
せた状態で、容器内に電磁場を形成して高融点導電体を
先に加熱し、その熱で周囲のシリコンにプールを形成す
る方法が、前記特開平１２６４９２０号公報および特開
平１−３０６９８号公報に開示されている。従来法によ
る初期溶解では、高融点導電体からの不純！１１７１汚
染を避は得ないが、本方法に採用されている電子ビーム
による初期溶解では、こうした不純物汚染も防止され、
単結晶ロッド６２の品質がより一層向上する。

かくして、本方法では、従来の電磁溶解を用いたＣＺ法
に比して単結晶品質も向上する。

原料シリコンとしては、流動造粒法にて製造された顆粒
状の多結晶シリコンが、原料の添加方法の簡便さ等の点
から望ましい。

次に、本発明者らが行った比較試験の結果を説明し、本
発明の効果を明らかにする。

第１図の装置を用いた直接溶解によるＣ７法により、直
径が５０ｍ１ｌの単結晶シリコンロッドを製造した。初
期溶解は、グラファイトと電子ビームの２通りで行った
。磁気シールＦ′は使用しなかった。電磁溶解条件およ
び引き上げ条件を第１表に示す。比較のために、同一寸
法の単結晶ソリコンロ、ドをＦＺ法と、従来の間接溶解
によるＣＺ法とで製造した。従来の間接溶解によるＣＺ
法では、初期溶解はグラファイトにより行った。製造さ
れた各単結晶シリコンスカルの品質を第２表に示す。

直接溶解と間接溶解との間では、電力使用量および容器
消耗状態の比較も行った。

第２表かられかるように、直接溶解法を採用することに
より、電力使用量が間接溶解法に比べて約４０％に節約
された。また、誘導周波数が３ｋＨｚと低周波であるに
もかかわらず、シリコン融液の表面が安定し、比抵抗値
の分布が均一になった。そして更に、電子ビームによる
初期溶解を採用することにより、単結晶中の炭素汚染も
なくなり、この結果、育成されたシリコン単結晶の品質
は従来のＦＺ法と並ぶ水準に達した。

ｈ〆 第　　１ 表 上記実施例に使用された溶解容器４０は、誘導コイル４
１の底を耐火性底板４２で閉塞した構造になっているが
、第３図に示すように、底板として誘導コイル４５を用
いた構造であってもよい。

第３図の溶解容器４０では、誘導コイル４５が側壁を構
成する誘導コイル４１と同方向に巻かれたパンケーキ状
コイルとされ、溶解容器４０に収容されたシリコンの加
熱促進に寄与する。この誘導コイル４５にも、誘導コイ
ル４１と同様に、絶縁ｊ［ｉ４３が設けられている。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明のシリコン単結
晶製造方法は、従来の電磁溶解を用いたＣＺ法に比して
電力利用効率が著しく高く、しかも、単結晶品質に優れ
、なおかつ容器の消耗がないという優れた利点を有する
。従って、高品質なシリコン単結晶が低コストで提供さ
れ、高効率太陽電池の開発等に与える効果は極めて大き
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施に適した装置の概略断面図、
第２圓はその溶解容器の一部を拡大した断面図、第３図
は別の溶解容器の概略断面図である。 ｌＯ；気密容器、２０・電子ビーム銃、３゜引上手段、
４０；ン容解容器、４１．４５：誘導コイル、４３：絶
縁層。 出　願　人　　大阪チタニウム製造株式会社第 図 第 図 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に保持されたシリコンを発熱溶解させるべく
   、該シリコンに電磁場を作用させる誘導コイルを、その
   内面に高融点絶縁物を被覆して溶解容器となし、該溶解
   容器内でシリコンを溶解させて容器内面にシリコンスカ
   ル層を形成した状態で、溶解容器内のシリコン融液から
   単結晶ロッドを引き上げることを特徴とするシリコン単
   結晶製造方法。