JPH1111924A - 多結晶半導体インゴットの製造方法および装置 - Google Patents
多結晶半導体インゴットの製造方法および装置Info
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- JPH1111924A JPH1111924A JP9166289A JP16628997A JPH1111924A JP H1111924 A JPH1111924 A JP H1111924A JP 9166289 A JP9166289 A JP 9166289A JP 16628997 A JP16628997 A JP 16628997A JP H1111924 A JPH1111924 A JP H1111924A
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Abstract
トの歪みを軽減し、品質を向上させる。 【解決手段】 シリコン半導体材料15は、二重構造の
るつぼ1および内側るつぼ2内に装入されて、誘導加熱
コイル7によって加熱する発熱体8からの輻射熱で上方
から加熱され、融解する。るつぼ1の底部は、冷却槽1
3からの冷却水で冷却される支持台4に乗載される。内
側るつぼ2内で溶融して、底部から凝固が開始される。
シリコン半導体材料15は、凝固するときに体積が膨張
するけれども、内側るつぼ2とるつぼ1との間には空隙
が設けられているので、内側るつぼ2がシリコン半導体
材料15とともに外側に拡大すれば、凝固の際の歪みを
軽減し、良好な多結晶半導体インゴットを得ることがで
きる。
Description
結晶半導体インゴットを歪みが少ない状態で製造するこ
とができる多結晶半導体製造方法および装置に関する。
池の材料などとして、工業生産の面からも資源の面から
も注目されている。現在、太陽光発電として実用化され
ているのは、ほとんどシリコン太陽電池である。しかし
ながら、まだコスト面で問題があり、将来のエネルギ源
としてより広範に使用するためには、より一層のコスト
低下を図る必要がある。現在の電力用太陽電池では、単
結晶や非晶質シリコンを用いるものが主流である。さら
に低コストを実現するためには、多結晶シリコンによる
太陽電池の開発が要望されている。
としては、従来からシリカ(酸化珪素:SiO2)など
によるるつぼに、固体のシリコン材料を装入して、加熱
によって一旦溶解した後で、溶融した半導体材料を黒鉛
るつぼに鋳込んで形成する方法が知られている。たとえ
ば特公昭57−21515には、独国ワッカー社から、
真空中または不活性ガス中でシリカるつぼ内でシリコン
を融解し、黒鉛等の鋳型内にるつぼを傾けて融解したシ
リコンを注入する半連続鋳造炉の先行技術が開示されて
いる。特公昭58−54115には、米国クリスタルシ
ステムズ社から、真空中でシリカるつぼ内のシリコンを
融解し、そのまま凝固させる熱交換法(Heat Exchange
Method)の先行技術が開示されている。特開昭62−2
60710には、ワッカー社の方法の改良として、シリ
コン融解るつぼに水冷した鋼板を用いる先行技術が開示
されている。
トの製造では、るつぼを用いて結晶を成長させる方法が
主流となっている。この方法では、閉込められた空間で
半導体の多結晶を成長させる必要があるため、結晶が凝
固する際に体積膨張が生じると、凝固した半導体多結晶
のるつぼ内壁との接触部分に応力が発生し、インゴット
には応力による歪みが内蔵されたままとなる。インゴッ
トに歪みが内蔵されると、品質低下を招き、半導体とし
ての光学的あるいは電気的な特性が低下し、太陽電池な
どとして用いる際の発電効率が悪くなってしまう。また
応力が大きくなると、機械的な割れなども生じてしま
う。
ンゴットを製造することができる多結晶半導体インゴッ
トの製造方法および装置を提供することである。
する半導体材料をるつぼに装入して、上方から加熱し、
下方から冷却することによって、るつぼ内で半導体材料
に下方から上方に向かう一方向凝固を行わせる多結晶半
導体インゴットの製造方法において、半導体材料の固化
時の膨張による歪みを緩和可能なるつぼを用いることを
特徴とする多結晶半導体インゴットの製造方法である。
入して上方から加熱し、下方から冷却することによっ
て、半導体材料は下方から上方に向かって一方向凝固
し、固化時に体積が膨張する。膨張による歪みはるつぼ
によって緩和可能であるので、歪みの少ない高品質な多
結晶半導体インゴットを製造することができる。
側のるつぼと外側のるつぼとの間に空隙を設け、内側の
るつぼが半導体の膨張に合わせて拡大して、歪みを緩和
することを特徴とする。
のつるぼと外側のるつぼとの間に空隙が設けられ、半導
体材料が凝固時に膨張しても、内側のるつぼが膨張に合
わせて拡大し、歪みを緩和するので、高品質の多結晶半
導体インゴットを得ることができる。
についたてを設け、ついたてを外方に移動可能にしてお
くことを特徴とする。
方のついたて内で半導体材料を融解し、凝固させること
によって、凝固時の体積膨張はついたてが外方に移動し
て吸収し、応力を緩和して高品質な多結晶半導体インゴ
ットを得ることができる。
割可能で、るつぼの各部分は、底面でくし形に組合わさ
れ、径方向の外方に摺動変位可能であることを特徴とす
る。
割可能で、底面でくし形に組合わされて径方向の外方に
摺動変位可能であるので、るつぼ内部で溶解された半導
体材料が凝固する際に膨張しても、るつぼの各部分が径
方向の外方にそれぞれ摺動変位して歪みを緩和し、高品
質の多結晶半導体インゴットを得ることができる。
装入する前に、るつぼの底面に半導体の種結晶を配置
し、種結晶から多結晶を成長させることを特徴とする。
は、るつぼの底面に配置した種結晶から成長させるの
で、種結晶の加熱時の熱膨張による歪みをるつぼによっ
て緩和し、歪みの少ない状態一方向凝固を開始させ、高
品質の多結晶半導体インゴットを得ることができる。
コンであることを特徴とする。
ンを用いて一方向凝固の多結晶インゴットを高品質な状
態で得ることができる。
保ちうる密閉容器と、密閉容器内に配置され、半導体材
料を装入するためのるつぼと、るつぼの上部を加熱して
半導体材料を融解させる加熱手段と、るつぼの底部を乗
載し、回転および昇降変位が可能な支持台と、支持台を
冷却する冷却手段とを含み、るつぼには、半導体の固化
時の膨張による歪みを緩和する歪み緩和手段が備えられ
ることを特徴とする多結晶半導体インゴットの製造装置
である。
保ちうる密閉容器内にるつぼを配置し、るつぼ内に半導
体材料を装入して、るつぼの上部から加熱し、るつぼの
底部を冷却して、下方から上方に向かって一方向凝固す
る多結晶半導体インゴットを得ることができる。半導体
の固化時の膨張による歪みは、るつぼに備えられる歪み
緩和手段によって緩和されるので、歪みの影響の少ない
高品質な多結晶半導体インゴットを製造することができ
る。
手段として、二重構造を有し、二重構造の内側と外側と
の間に空隙を有することを特徴とする。
のるつぼと外側のるつぼとの間には空隙が設けられるの
で、内側のるつぼが半導体の凝固時の膨張に合わせて変
形し、膨張による歪みを緩和して高品質な多結晶半導体
インゴットを製造することができる。
材料よりも高融点で、溶融した半導体材料との濡れ性が
悪い金属材料で形成されることを特徴とする。
材料よりも高融点の金属材料で形成するので、溶融した
半導体を貯留し、下方から上方に向けて一方向に凝固さ
せることができる。るつぼの材料は、溶融した半導体材
料との濡れ性が悪いので、半導体材料が凝固する際に固
液界面付近の溶融した半導体材料を上方に押上げること
ができ、凝固時の体積膨張を緩和して高品質の多結晶半
導体インゴットを製造することができる。
た形状の周壁を有することを特徴とする。
材料が凝固時に膨張しても、屈曲した形状の周壁が容易
に変形して歪みを緩和し、高品質の多結晶半導体インゴ
ットを製造することができる。
内方に、外方に移動可能なついたてを有することを特徴
とする。
を融解させ、凝固時の膨張の際についたてが外方に移動
可能であるので、膨張による歪みを緩和し、高品質の多
結晶半導体インゴットを製造することができる。
てとの間に、緩衝手段を設けることを特徴とする。
固する際の体積膨張に対し、ついたての移動は緩衝手段
によって調整されるので、急激な応力の変化を与えるこ
となく高品質の多結晶半導体インゴットを製造すること
ができる。初期には、種結晶の位置を正確に保つことも
できる。
であることを特徴とする。
粒状耐火物をついたてとるつぼとの間に緩衝手段として
配置するので、高温の雰囲気下でも円滑についたての移
動に対する調整を行って、半導体の凝固時の体積膨張に
対する歪みを緩和して、高品質の多結晶半導体インゴッ
トを製造することができる。
分割可能で、るつぼの各部分は、底面でくし形に組合わ
され、径方向の外方に摺動変位可能であることを特徴と
する。
後、凝固する際にるつぼが複数の部分に分かれて半導体
の膨張を吸収し、歪みを緩和することができるので、高
品質の多結晶半導体インゴットを製造することができ
る。
ンであることを特徴とする。本発明に従えば、るつぼの
材料がカーボンであるので、底面のくし形に組合わされ
ている部分が円滑に摺動変位して半導体材料の凝固時の
膨張を緩和することができる。
ある多結晶シリコンインゴット製造装置の概略的な構成
を示す。るつぼ1は、大略的に円筒または角筒などの筒
状であり、シリカ製である。グラファイト、窒化珪素、
窒化ほう素などの耐火物や、タンタル、モリブデンある
いはタングステンなどの高融点金属などから形成され
る。内側るつぼ2は、タンタル、モリブデンあるいはタ
ングステンなどの高融点金属で形成することもできる。
内側るつぼ2は、底部が外側のるつぼ1の底面に乗載さ
れ、内側るつぼ2の外周面と外側のるつぼ1の内周面と
の間には空隙が設けられる。外側のるつぼ1の外周面
は、上部を残してグラファイトから成るカバー3で覆わ
れる。外側のるつぼ1の底部は水平な支持台4に乗載さ
れる。支持台4は、回転変位可能で、かつ昇降変位可能
な台座5に取付けられる。外側のるつぼ1の底面の温度
は、熱電対6によって検出される。
熱コイル7が配置され、誘導加熱コイル7に高周波電流
を流すと、グラファイトやカーボンファイバなどによる
発熱体8が誘導加熱される。発熱体8は、るつぼ1の上
方に間隔をあけて配置され、発熱体8が加熱されると輻
射熱でるつぼ1を上方から加熱する。発熱体8の下方お
よび外側には、グラファイトやカーボンファイバによる
熱絶縁体9が設けられる。内側るつぼ2の内部に対し、
上方からパイロメータ10が臨むように取付けられる。
発熱体8の温度は、制御用熱電対11によって検出され
る。熱電対6および制御用熱電対11の出力は、制御装
置12に入力され、誘導加熱コイル7による加熱状態が
制御される。
水などによって冷却可能である。他の冷媒を用いること
もできる。台座5は、駆動手段14によって、るつぼ1
の中心を通る鉛直線まわりの回転と、鉛直線方向への昇
降変位が可能である。内側るつぼ2内にシリコン半導体
材料15を装入し、誘導加熱コイル7によって内側るつ
ぼ2上方から加熱すれば、シリコン半導体材料15を上
方から底部に向かって融解させることができる。この際
に、駆動手段14によって台座5を回転させれば、内側
るつぼ2内のシリコン半導体材料15を均一に加熱して
融解させることができる。冷却槽13からの冷却水で台
座5を冷却すれば、内側るつぼ2内のシリコン半導体材
料15は底部から凝固を開始する。駆動手段14によっ
て、台座5を下降させ、内側るつぼ2内のシリコン半導
体材料15から発熱体8が遠ざかるようにすれば、内側
るつぼ2内の底部から上部に向かう一方向凝固を促進す
ることができる。融解しているシリコン半導体材料15
内に、酸素ガスや窒素ガスなどが入り込まないように、
装置全体は密閉容器16内で外部と密閉され、密閉容器
16内には真空または不活性ガスなどの不活性な雰囲気
に保たれる。
による二重構造を示す。半導体材料として装入されるシ
リコンは、1チャージ当たり140kg程度とする。製
造するインゴットは、底面が55cm角となるようにす
る。前述のように、外側のるつぼ1はシリカ(石英)製
であり、内側るつぼ2はタンタルなどの高融点金属を使
用する。内側るつぼ2の材料としては、高耐熱性でシリ
コンとの濡れ性が悪いことが好ましい。タンタルのほか
にモリブデンやタングステンでも同様な効果が得られる
ことが確認されている。
1を設ける。予備実験で、空隙21の大きさを15,1
8,20mmと変えて、シリコンインゴットを作製した
ところ、空隙21が初め15mmや18mmの場合、イ
ンゴットの凝固時には空隙21が消失し、外側のるつぼ
1に歪みが生じている。空隙21が初め20mmのとき
にも、最終的に空隙21は消失しているけれども、外側
のるつぼ1には歪みが生じていない。このことから、空
隙21は、20mm以上必要であることがわかる。
シリコンのインゴット15bになるときに、体積が膨張
し、従来のようにるつぼ1内で直接凝固するときには、
周囲のるつぼ1で膨張が規制され、インゴット15bに
は応力による歪みが生じる。図2に示すように、内側る
つぼ2がインゴットとともに膨張可能であると、応力を
緩和して歪みの影響を軽減させることができる。
るつぼ31の内側に径方向に移動可能なシリカ製のつい
たて32を配置し、インゴットが固化するときの熱膨張
に応じてついたて32が移動し、歪みを緩和することが
できるスライド式を示す。四角柱状のるつぼ31の底面
には溝33が形成され、4枚のついたて32を組合わせ
る。各ついたて32は、図5に示すように側方にかぎ形
の凹凸34を有する。隣接するついたて32で、凹凸3
4同士を組合わせると、4枚のついたて32は、四角柱
状の形状を保ったまま拡大することができる。なお、図
4に示すような状態でるつぼ1とついたて32との間の
空隙35の間隔は、図3と同様に20mmとする。図6
に示すように、ついたて32の高さの半分程度まで、空
隙には砂や石英粒などの粒状耐火物36を入れておく。
これによって、初期の固化時に底の大きさを一定にする
ことができる。
て、分割式のるつぼ41の構造を示す。るつぼ41は、
2つの半るつぼ42a,42bが底面でくし形部43を
形成して組合わされる。図7(a)は、組合わされた状
態の側面断面を示し、図7(b)は、組合わされた状態
のくし形部43を示す。図7(a)に示すように種結晶
45を底面上に敷詰めておけば、半るつぼ42a,42
bが離れる方向にくし形部43が摺動変位して隙間が大
きくなっても、溶融したシリコンが漏れる恐れはなくな
る。また、種結晶45が重りとしても作用するので、半
るつぼ42a,42bの材料として、シリコンよりも比
重の小さいカーボンなどを用いることもできる。
ットを製造する標準的な作業手順としては、図8に示す
ようになる。ステップa0から手順を開始し、ステップ
a1では、内側るつぼ2内に、ポリシリコンを約140
kg挿入して充填する。ここで内側るつぼ2は、前述の
ように底面が55cm角であり、外側のるつぼ1との空
隙の大きさは20mmとする。ステップa2ではポリシ
リコンが充填されたるつぼ1を支持台4上に置き、その
支持台4を台座5の上に乗せて加熱準備を行う。台座5
は、冷媒槽13からの冷却水によって水冷される。
7kHzの周波数の交流電流を流し、誘導加熱を開始
し、発熱体8の温度を上昇させる。発熱体8からの輻射
熱によって、るつぼ1およびポリシリコンが加熱され
る。シリコンの融解温度である約8,420℃以上にま
で温度が上昇すると、ポリシリコンは上部から下部に向
かって融解が進む。本実施形態では、るつぼ1の上側に
加熱手段があり、下側に冷却手段がある構造であるの
で、ポリシリコンは上部から下部に向かって融解する。
つぎにステップa4では、炉内の温度が一定になるよう
に、誘導加熱コイル7に供給する電力を制御して温度制
御を行う。ステップa5ではパイロメータ10によって
ポリシリコンの融解を確認し、ステップa6で内側るつ
ぼ2内の温度を徐々に下げながら、同時に台座5を降下
させ、凝固を開始させる。パイロメータ10は、ポリシ
リコンの表面の放射温度を検出しているけれども、液体
と固体とでの放射率の変化も検出する。冷却速度は、た
とえば1℃/hである。降下速度は、10mm/hで行
う。また固化中は、温度分布が生じる影響を低減させる
ために、1rpmの速度で台座を回転させる。ステップ
a7では固化が完了しているか否かを、冷却速度の変化
などに基づいて判断する。固化が完了すると、ステップ
a8で冷却を開始し、冷却が終了するとステップa9で
製造されたインゴットを取出す。ステップa9で手順を
終了する。
ロックを16本取れるようにカッティングする状態を斜
線を付して示す。カッティングは、4辺の切りしろを等
間隔にするために行う。図10(a)は、切りしろが除
去された16本のブロックを示す。各ブロックの側面の
向きをN,W,S,Eとする。図10(b)は、図10
(a)に示す2番のブロックについて、S面における底
部から100mmの場所でライフタイムを測定するため
の測定場所を示す。従来のような膨張緩和を考慮してい
ない場合のライフタイム値は5〜7μsであるけれど
も、本発明によればブロックのライフタイム値は10〜
15μsと高くなっている。なお図10(a)に斜線を
施して示すセンタブロックでの比較では、両方とも10
〜15μsと同じ値が得られている。
態ばかりでなく、スライド式や、分割式のるつぼでも同
様に得られる。また、シリコンとは異なる半導体材料に
も同様に適用することができる。
上方に向けて一方向凝固させるるつぼが、半導体の固化
時の膨張による歪みを緩和可能であるので、歪みの影響
を緩和した高品質の多結晶半導体インゴットを製造する
ことができる。
用いて、半導体の凝固時の膨張による歪みの影響を緩和
し、高品質の多結晶半導体インゴットを製造することが
できる。
って半導体の凝固時の熱膨張による歪みの影響を緩和
し、高品質な多結晶半導体インゴットを製造することが
できる。
れるるつぼを用いて、凝固時の熱膨張の影響を緩和し、
高品質な多結晶半導体インゴットを製造することができ
る。
した種結晶から上方に向かって一方向凝固した、歪みの
少ない高品質な多結晶半導体インゴットを製造すること
ができる。
コンインゴットを製造することができる。
器内の雰囲気を不活性な雰囲気に保って、支持台でるつ
ぼを回転させながら、加熱手段でるつぼ内に装入した半
導体材料を上方から加熱し、冷却手段で支持台を冷却す
ることによって、るつぼ内の下方から上方に向けて半導
体材料を一方向凝固させることができる。るつぼは、半
導体の固化時の膨張による歪みを緩和する歪み緩和手段
を備えるので、均質で歪みの少ない、高品質の多結晶半
導体インゴットを得ることができる。
料を融解して一方向凝固させるるつぼが二重構造を有す
るので、凝固時の熱膨張の影響を吸収し、歪みの少ない
高品質の多結晶半導体インゴットを製造することができ
る。
つぼは高融点金属で、融解した半導体材料との濡れ性が
悪いので、半導体材料の凝固時の熱膨張による応力歪み
を緩和し、高品質な多結晶半導体インゴットを製造する
ことができる。
の内側のるつぼ内で半導体材料が凝固する際に膨張して
も、屈曲した形状の周壁が変形して発生する歪みを緩和
し、高品質の多結晶半導体インゴットを製造することが
できる。
料が凝固する際に膨張しても、ついたての移動によって
歪みの影響を緩和し、高品質な多結晶半導体インゴット
を製造することができる。
によって凝固開始時にはついたてが内方寄りの状態を保
ち、凝固の進行とともに外方寄りに移動して膨張を緩和
させることができる。
も円滑についたての移動を行わせることができる。
分割されて凝固時の膨張による歪みの影響を緩和するこ
とができるので、高品質な多結晶半導体インゴットを製
造することができる。
し形に組合わされているるつぼの各部分を、円滑に摺動
変位させて半導体材料の凝固時の歪みを有効に緩和し、
高品質の多結晶半導体インゴットを製造することができ
る。
略化した正面断面図である。
構造を示す簡略化した断面図である。
させるときに、体積膨張によって歪みが発生する状態を
示す簡略化した断面図である。
断面図である。
状耐火物36を緩衝手段として装入する状態を示す簡略
化した断面図である。
化した正面断面図と平面図である。
ットを製造する手順を示すフローチャートである。
トから16個のブロックを切出す状態を示す図である
ロックに番号を付した状態の簡略化した平面図と、第2
番目のブロックについてライフタイムを測定する箇所を
示す斜視図である。
Claims (15)
- 【請求項1】 固化時に膨張する半導体材料をるつぼに
装入して、上方から加熱し、下方から冷却することによ
って、るつぼ内で半導体材料に下方から上方に向かう一
方向凝固を行わせる多結晶半導体インゴットの製造方法
において、 半導体材料の固化時の膨張による歪みを緩和可能なるつ
ぼを用いることを特徴とする多結晶半導体インゴットの
製造方法。 - 【請求項2】 るつぼを二重構造とし、内側のるつぼと
外側のるつぼとの間に空隙を設け、内側のるつぼが半導
体の膨張に合わせて拡大して、歪みを緩和することを特
徴とする請求項1記載の多結晶半導体インゴットの製造
方法。 - 【請求項3】 るつぼの周壁面よりも内方についたてを
設け、ついたてを外方に移動可能にしておくことを特徴
とする請求項1記載の多結晶半導体インゴットの製造方
法。 - 【請求項4】 るつぼは、複数の部分に分割可能で、 るつぼの各部分は、底面でくし形に組合わされ、径方向
の外方に摺動変位可能であることを特徴とする請求項1
記載の多結晶半導体インゴットの製造方法。 - 【請求項5】 前記半導体材料をるつぼに装入する前
に、るつぼの底面に半導体の種結晶を配置し、種結晶か
ら多結晶を成長させることを特徴とする請求項1〜4の
いずれかに記載の多結晶半導体インゴットの製造方法。 - 【請求項6】 前記半導体材料は、ポリシリコンである
ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載に多結
晶半導体インゴットの製造方法。 - 【請求項7】 内部を不活性な雰囲気に保ちうる密閉容
器と、 密閉容器内に配置され、半導体材料を装入するためのる
つぼと、 るつぼの上部を加熱して半導体材料を融解させる加熱手
段と、 るつぼの底部を乗載し、回転および昇降変位が可能な支
持台と、 支持台を冷却する冷却手段とを含み、 るつぼには、半導体の固化時の膨張による歪みを緩和す
る歪み緩和手段が備えられることを特徴とする多結晶半
導体インゴットの製造装置。 - 【請求項8】 前記るつぼは、前記歪み緩和手段とし
て、 二重構造を有し、 二重構造の内側と外側との間に空隙を有することを特徴
とする請求項7記載の多結晶半導体インゴットの製造装
置。 - 【請求項9】 前記内側のるつぼは、半導体材料よりも
高融点で、溶融した半導体材料との濡れ性が悪い金属材
料で形成されることを特徴とする請求項8記載の多結晶
半導体インゴットの製造装置。 - 【請求項10】 前記内側のるつぼは、屈曲した形状の
周壁を有することを特徴とする請求項8または9のいず
れかに記載の多結晶半導体インゴットの製造装置。 - 【請求項11】 前記るつぼは、周壁面よりも内方に、
外方に移動可能なついたてを有することを特徴とする請
求項7記載の多結晶半導体インゴットの製造装置。 - 【請求項12】 前記るつぼと、前記ついたてとの間
に、緩衝手段を設けることを特徴とする請求項11記載
の多結晶半導体インゴットの製造装置。 - 【請求項13】 前記緩衝手段は、粒状耐火物であるこ
とを特徴とする請求項12記載の多結晶半導体インゴッ
トの製造装置。 - 【請求項14】 前記るつぼは、複数の部分に分割可能
で、 るつぼの各部分は、底面でくし形に組合わされ、径方向
の外方に摺動変位可能であることを特徴とする請求項7
記載の多結晶半導体インゴットの製造装置。 - 【請求項15】 前記るつぼの材質は、カーボンである
ことを特徴とする請求項14記載の多結晶半導体インゴ
ットの製造装置。
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