ロッド状多結晶原料供給治具およびロッド状多結晶原料の供給方法
【課題】供給治具自体の破損が実質的に起こらなくて複数回使用することができるだけでなく、破損片混入による融液の固化および汚染、並びに単結晶成長の阻害が起こらない、更には、結晶原料落下による坩堝等の装置の損傷や融液の飛び跳ね、供給治具からの融液への汚染を防止して、高品質の単結晶を安定して育成することができるロッド状多結晶原料の供給治具を提供する。
【解決手段】ロッド状多結晶原料の端部を支持する底部材４０、ロッド状多結晶原料の横方向の動きを規制する円筒状や円筒籠状などの筒状ガイド部材６０、筒状ガイド部材と底部材を連結する連結部材５０、および筒状ガイド部材の上部に取り付けられた吊下げ部材７０を含む、原料を起立状態で坩堝に供給するためのロッド状多結晶原料供給治具。筒状ガイド部材がモリブデンなどの高融点材料、底部材および連結部材が原料と同じ元素の、単結晶シリコン或いは多結晶シリコンからなる。
【解決手段】ロッド状多結晶原料の端部を支持する底部材４０、ロッド状多結晶原料の横方向の動きを規制する円筒状や円筒籠状などの筒状ガイド部材６０、筒状ガイド部材と底部材を連結する連結部材５０、および筒状ガイド部材の上部に取り付けられた吊下げ部材７０を含む、原料を起立状態で坩堝に供給するためのロッド状多結晶原料供給治具。筒状ガイド部材がモリブデンなどの高融点材料、底部材および連結部材が原料と同じ元素の、単結晶シリコン或いは多結晶シリコンからなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶材を育成する際に、坩堝内に多結晶原料、特にロッド状の多結晶原料を供給するために使用されるロッド状多結晶原料供給治具、並びにこれを用いたロッド状多結晶原料の供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路や太陽電池の基板として使用される単結晶シリコンの製法としては、高品質のものを大量、且つ、安定的に供給する観点から、現在、チョコラルスキー法（以下、ＣＺ法という）と称される単結晶育成引き上げ法（以下、引き上げ法ともいう）による製造方法が主流である。
上記ＣＺ法において、製造コストを低減するため様々な観点から検討されている。その一つとして結晶原料の供給方法の改善が挙げられ、連続して結晶原料を供給（「連続チャージ」と称される）しながら長尺の単結晶シリコンを製造する方法、初期チャージの原料を溶融させた後さらに結晶原料を供給（「追いチャージ」と称される）する方法、或いは、引き上げ後の高温状態で結晶原料を供給（「リチャージ」と称される）した後再度引き上げを行う方法が開発されている。何れの原料供給方法も、単結晶育成炉を一旦冷却することなく効率的に生産しエネルギーコストを低減させる、更に高価な坩堝の熱履歴による破損を防ぎ坩堝の使用頻度を上げて坩堝コストを低減させることなどで製造コストを引き下げることを目的とするものである。
【０００３】
前記リチャージ法などの原料供給方法は、単結晶引き上げ後に坩堝内に残存する融液に結晶原料を供給するものであり、単結晶の育成に直接影響を与えない点で有利な方法である。
結晶原料として粒塊状の多結晶シリコンを用いたリチャージ法が開発されている（特許文献１）。しかしながら、粒塊状の多結晶シリコンを使用する場合には、ロッド状多結晶シリコンを粒塊状に破砕する際に汚染が避けられない、粒塊状に破砕する工程が必要であり、また、粒塊状の多結晶シリコンが融液に落下した際に融液が飛び散る等の問題を抱えている。
【０００４】
昨今、粒塊状の多結晶シリコンに代えて、多結晶シリコンの製造工程で得られたロッド状多結晶シリコンをそのままリチャージ結晶原料として使用する方法が開発されている。例えば、ロッド状多結晶シリコンをそのまま吊下げて融液中に浸漬して供給する方法が開示されている（特許文献２）。このロッド状多結晶シリコンの上部を直接支持して吊下げる方法では、ロッド状多結晶シリコンに微小クラックが入ってその破片が融液中に落下して融液が飛び跳ね周囲の部材の寿命を短くする、更にひどい場合は、坩堝（石英製）が破損して融液が漏れる危険性があった。そのため、高品質なロッド状多結晶シリコンが必要となる、掴みの部分の加工費がかかる、掴みシロの部分は最後まで溶かせないなどの問題も有った。
【０００５】
上記問題を解決するために、ロッド状多結晶原料を収納し、収納した状態で融液中に浸漬して結晶原料だけを溶融する籠状のリチャージ治具が提案されている（特許文献３）。この治具は、高融点材料（特許文献３では石英製）で作られている取り外し可能な底体が特徴である。しかし、石英が融液中に浸っている際に融液と反応して石英自体や、石英中の金属不純物が融液中に溶け出し単結晶の育成や品質に悪影響を及ぼす場合もあった。そのため、使用される石英は高純度のものが使われている。また、一度シリコン融液に底体を浸けると、底体の周囲にシリコンが固着して冷却過程において石英とシリコンの熱膨張率の差で石英の底体に亀裂やひび割れが生じ、再利用が困難となる。そのため底体は頻繁に廃棄し、新しいものと交換しなければならないという問題を有していた。
更に、場合によっては、底体が破損して融液内に落下することもある。その場合、坩堝に大量の融液を抱えたまま冷却せざるを得えなくなり、冷却途中で坩堝が割れて融液の一部が炉内に流れ出し、その融液が水冷チャンバー部まで達する可能性がある。最悪の場合は、チャンバーが破損し炉内に冷却水が噴出し、水蒸気爆発が起こる。
上記方法において、治具が、石英に代えてモリブデンやステンレス鋼などの高融点金属から作られている場合は、結晶原料が溶融し終わるまで冶具を原料融液中に存在させておく必要があるため、その間、該金属と原料融液との接触により原料融液が金属成分で汚染される問題がより大きくなる。かかる金属不純物による汚染は、半導体回路や太陽電池の性能を低下させるため好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−８３３２２号
【特許文献２】特開平０６−３１１９３号
【特許文献３】特許４６２６３０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明者らは、上記従来の技術の問題点に鑑み鋭意検討した結果、ロッド状多結晶原料をほぼ垂直に立てた状態で安定的に坩堝内に供給し、供給と並行して多結晶原料全量の溶融を行って原料融液の調製を行うことができ、しかも、融液の汚染がなく高品質の単結晶を安定して育成することができる多結晶原料供給治具、並びに多結晶原料の供給方法を完成するに到った。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
即ち、本発明により、ロッド状多結晶原料を起立した状態で坩堝に供給するためのロッド状多結晶原料供給治具であって、ロッド状多結晶原料の端部を支持する底部材、ロッド状多結晶原料の横方向の動きを規制して起立状態に維持する筒状ガイド部材、筒状ガイド部材と底部材を連結する連結部材、および筒状ガイド部材の上部に取り付けられた吊下げ部材を含み、筒状ガイド部材が高融点材料からなり、底部材および連結部材がロッド状多結晶原料と同じ元素の結晶材料からなることを特徴とする前記ロッド状多結晶原料供給治具が提供される。
上記ロッド状多結晶原料供給治具の発明において、
１）筒状ガイド部材が、少なくとも、ロッド状多結晶原料の周囲に垂直方向に設置される複数の支柱、当該複数の支柱を相互に連結する１個以上の支持部材により構成されること２）筒状ガイド部材が、少なくともその内側に、ロッド状多結晶原料との接触を防止する接触防止部材を備えること
３）接触防止部材が石英であり、高融点材料がモリブデン金属であること
４）ロッド状多結晶原料が、多結晶シリコンロッドであること
が好適である。
更に、本発明により、上記多結晶原料供給治具を用いて、当該治具内にロッド状多結晶原料を収納したのち、該治具を降下させて原料融液が充填された坩堝の底部に着地させ、底部材、連結部材並びにロッド状多結晶原料を原料融液と接触させて溶融を行うことを特徴とするロッド状多結晶原料の供給方法が提供される。
上記ロッド状多結晶原料の供給方法の発明において、ロッド状多結晶原料が、多結晶シリコンロッドであることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のロッド状多結晶原料供給治具（以下、供給治具ともいう）は、ロッド状多結晶原料の落下による坩堝等の装置の損傷や坩堝が割れることによる融液漏れの危険性が生じない。更に、その一部にロッド状多結晶原料と同元素の結晶材料を使用しているので、供給治具材料からの融液の汚染も生じず、高品質の単結晶を安定して育成することができる。
更にまた、ロッド状多結晶原料と同元素の結晶材料として、ロッド状多結晶或いは円柱状単結晶から切り出された端材を利用できるので、これら結晶材料の有効利用が可能となり、引いては各々の製造コストの低減に寄与することができる。
当該供給治具を使用すれば、坩堝にロッド状多結晶原料を効率的、且つ、安全に再供給でき、しかも、坩堝を一度冷却することなく繰り返して使用できるので、単結晶の生産効率の向上に寄与し、その工業的価値は極めて高いものがある。
本発明の供給治具並びに供給方法は、具体的に例示された単結晶シリコンの製造だけでなく、他の無機単結晶材料の製造の際にも広く応用が可能であり、その適用範囲が広い。なお、単結晶シリコンの製造に適用した場合、底部材および連結部材としてロッド状多結晶シリコンと同じ元素からなる単結晶シリコンを使用することができるため好ましい。何故なら、単結晶シリコンは他の無機単結晶材料と比較して適度な機械的強度を有し、且つ、加工が容易であるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ロッド状多結晶原料供給治具の一例を示す概略図である。
【図２】筒状ガイド部材の他の例を示すロッド状多結晶原料供給治具の概略図である。
【図３】底部材と接合部材との接合態様を示す部分拡大図である。
【図４】底部材と接合部材との他の接合態様を示す部分拡大図である。
【図５】接触防止部材の代表的な態様を示す部分拡大図である。
【図６】支柱と、支持部材および接触防止部材との係止状態を示す断面図である
【図７】ロッド状多結晶原料供給治具を用いた原料の供給方法の概念図である。
【図８】実施例1で使用した本発明のロッド状多結晶原料供給治具の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
〔ロッド状多結晶原料供給治具〕
本発明の供給治具は、その内部にロッド状多結晶原料を収納し、坩堝内に降下させてロッド状多結晶原料を起立状態で融液と接触させ、溶融させる補助治具である。
該供給治具は、ロッド状多結晶原料の端部を支持する底部材、ロッド状多結晶原料の横方向の動きを規制して起立状態に維持する筒状ガイド部材、筒状ガイド部材と底部材を連結する連結部材、および筒状ガイド部材の上部に取り付けられ当該治具を吊下げるための吊下げ部材から基本構成される。
ロッド状多結晶原料供給治具の好適な例を図１、図２、および図８に示す。構成部材の詳細については後述する。
ロッド状多結晶原料を収納した該供給治具は、吊下げ部材を介して単結晶製造装置内に吊下げ、治具の下端部が坩堝底に着地するまで徐々に降下させる。そして、後述するように、底部材並びに連結部材が順次溶解しながら、起立状態でのロッド状多結晶原料の溶融による沈み込みを補助する。ロッド状多結晶原料の所定量が溶融した後は、吊下げ部材、筒状ガイド部材、および溶融し残った連結部材を引き上げる。その後、新たな連結部材および底部材を使用して再度該供給治具を組み立て、次の供給操作に使用する。
【００１２】
〔底部材〕
底部材は、ロッド状多結晶原料の端部を支持するための部材であり、その形状は特に制限されない。その形状は筒状ガイド部材の水平断面形状や連結部材との接合方法によって任意に設計されるものであり、円板状、四角板状、或いは図３に示すように、接合部材が嵌め込められるように切り込みを入れた形状等が例示される。育成引き上げした円柱状の単結晶の上部（トップともいう）や下部（テイルともいう）を水平に切り取り、その水平部分を上あるいは下にして底部材として使用することもできる。水平部分を上にするか、下にするかは連結部材との接合方法による。後述するような図４に示すピンを差し込んで底部材を載せる方法では、ピンが外れにくいように水平部分を下にする方が好ましい。
当該底部材の上面の表面状態も特に限定されず、必ずしも水平な表面を有する必要はない。ロッド状多結晶原料との滑りを無くすために表面に微細な凹凸を施しても良い。厚みはロッド状多結晶原料の重さに応じて適宜設計されるが、通常は２〜１０ｍｍ程度であれば強度的に十分である。
当該底部材は、後述するように連結部材と連結させて使用する。連結方法としては、連結部材と底部材側面に複数の孔を開け、その孔にピンを差し込んで両者を連結する方法や、図４に示すように連結部材に差し込んだピンの上に底部材を載せる方法が挙げられる。後者の方法は、底部材を加工する必要がないため好ましい方法である。
【００１３】
底部材は、供給治具を降下させて坩堝内の融液と接触した後、ただちに溶融が始まる。その後、該治具が坩堝底に着地して、底部材は完全に溶融して消失する。底部材が溶融して消失したあと、収納されているロッド状多結晶原料が、溶融しながら自重により下降して坩堝底に着地する。このため、底部材はロッド状多結晶原料と同じ元素の結晶材料からなることが必要である。同じ元素の結晶材料であれば、ロッド状多結晶原料と同じ品質の多結晶原料であっても、多結晶材料から育成された単結晶材料であっても良い。後者の単結晶材料の場合、結晶欠陥が非常に少ないため機械的強度が高く、坩堝に供給する際に割れたりすることがないので、底部材として大変有用である。また単結晶材料の場合、育成後のロッド状単結晶から所定の製品を切り出した後の残りの端材を使用することができるため、単結晶製品の製造コストの低減に寄与する。
無機単結晶材料が単結晶シリコンである場合は、その用途が太陽電池であれば、太陽電池用ウェハ作製過程で生じる捨てシロ部分をそのまま底部材に利用できるので大変好ましい。太陽電池用ウェハは、一旦ブロック状に一次加工した後、マルチワイヤソーでスライスして太陽電池用ウェハとする。その際、ワイヤのブレをなくし、歩留まりを上げるために通常ブロックの両端に捨てシロ部分を設ける。その捨てシロ部分はすでに当該発明の底部材として好適な形状と厚さを有しているため再加工なしでそのまま使用できる。
【００１４】
〔連結部材〕
連結部材は、前記底部材と後述する筒状ガイド部材とを連結するための部材で有り、底部材同様、融液が入った坩堝に供給治具を着地させるのと前後して溶融する必要があるために、ロッド状多結晶原料と同じ元素の結晶材料からなることが必須である。同じ元素の結晶材料であれば、多結晶原料で有っても、単結晶材料であっても良いが、底部材と同じ理由により単結晶材料が好ましい。
連結材料の形状は特に制限がなく、底部材やと筒状ガイドの接合方法、或いは端材の形状などにより任意の形状が採用され、具体的には角板状や蒲鉾状などが例示される。特に太陽電池用の単結晶シリコンの場合、一次加工によって円柱状の単結晶から断面が正方形になるように周りの４面が縦方向に切り落とされる。そのとき発生する蒲鉾状の端材を孔開け加工のみで、連結部材として使えるため経済的である。
連結材料の縦方向の長さも特に限定されない。ロッド状多結晶原料を坩堝底に安定的に着地させ溶融を補助する目的と、円筒状ガイド部材が融液と接触しないだけの十分な距離を確保する機能を勘案すれば、３０〜４００ｍｍ程度が好適である。その使用本数も特に制限されず、供給治具として必要な強度、下記底部材との連結方法、或いは後出の筒状ガイド部材との連結方法などによって適宜決定される。通常３〜６個である。
【００１５】
連結部材と底部材との連結方法は特に限定されない。以下、代表的な方法で説明する。
図３示す方法は、底部材と連結部材とに、互いの形状に合わせ各々に切り込みを入れ、立体的に嵌め込む方法である。係止具なしで、底部材と連結部材とだけで固定できるので簡便な方法である。図２に示す方法は、連結部材の下方位置に複数の孔を空け、該孔に、ロッド状多結晶原料と同じ元素の結晶材料からなるピンを通し、該ピンの上に底部材を載せ保持するものである。収納するロッド状多結晶原料の重量に合わせて、ピンの数を増減させたり、対向する連結部材を一部同一のピンで保持する態様も採用される。ピンの断面は円形でも矩形でもよい。なお、ピンは有頭であっても無頭であってもよいが、加工の手間がないことから無頭が好ましい。
このピンとしては、単結晶育成初期に形成されるネック部を、再加工がほとんどいらずに再利用することができる。ベルジャーと呼ばれる釣鐘状の析出炉（反応器）内に塩素化シランガスやモノシランガスと水素を所定の混合比で送り、高純度のシリコンで作った棒状の芯線に電流を流して加熱し、芯線表面にシリコンを析出させる、いわゆるベルジャー法による多結晶シリコンの製造において得られる多結晶シリコンは、当該発明のロッド状多結晶原料に好適に使用される。あわせて、得られた高純度の多結晶シリコンを棒状の芯線に加工する際に出てくる短い端材は、前記ピンとして使用することができ有用である。連結部材と筒状ガイド部材との連結方法については後述する。
【００１６】
〔筒状ガイド部材〕
筒状ガイド部材は、ロッド状多結晶原料の横方向の動きを規制して、底部材上に起立
した状態に維持するものである。具体的には、ロッド状多結晶材料が傾いた状態で底部材上に起立し、当該筒状ガイド部材の一部とロッド状多結晶材料の一部が接触して起立状態が維持される態様、或いは、ロッド状多結晶材料が、当該筒状ガイド部材とは接触しないで底部材上に自立している態様があり、何れも本発明においては、起立した状態と云う。
筒状ガイド部材は、供給治具の降下時、更には坩堝内でロッド状多結晶原料が下部から溶融して沈み込む際に起立状態を維持して坩堝内に供給する働きをなす。該筒状ガイド部材は、前出の連結部材と連結され供給治具の一部を構成するが、基本的には、坩堝内の融液と接触することはない。しかしながら、融液が入った坩堝近傍の高温域で使用するので、耐熱性の観点から高融点の材料からなるものであることが必要である。
従って、高融点材料は、原料融液の種類により異なる。例えば、多結晶原料が多結晶シリコンである場合、融点は１４１４℃であるので、高融点材料としては、モリブデン（溶融温度２６２３℃）、タングステン（溶融温度３４２２℃）、石英（軟化点１６００℃）などが用いられる。特に、機械的強度が高いこと、加工の容易性の観点からモリブデンが好ましい。
上記機能を発揮する限り、その形状は特に限定されず、例えば、図２に示す円筒状、その他三角筒、四角筒等の多角筒、或いは図１に示す籠状の形状が採用される。該筒状ガイド部材の垂直方向の長さは、収納するロッド状多結晶原料の長径に合わせて適宜決定されるが、通常２００〜１５００ｍｍ程度である。筒状ガイド部材の内部の大きさ（水平断面積）は、ロッド状多結晶原料が円滑に収納できる限り特に制限はない。好ましくは、ロッド状多結晶原料の収納時の円滑性、溶融時の自重による沈み込みの容易性、および起立時の傾き度合いの観点から、該原料の最大水平断面積の１．１〜１．７倍の断面積を有する形状に設計される。
【００１７】
籠状の場合は、通常、少なくとも、ロッド状多結晶原料の周囲に垂直方向に設置される複数の支柱と、当該複数の支柱を相互に連結する１個以上の支持部材とにより構成される。
支柱は、設計される供給治具の垂直方向の長さに応じた棒状の高融点材料である。この支柱の複数本が、支柱同士を相互に連結する高融点材料からなる支持部材により連結されて籠形状を形成するものである。支持部材がリング状であれば円筒状の籠になり、支持部材が、多角環状板で有れば、その板の形状に合わせて三角筒、四角筒などの多角形の筒状籠になる。多角環状板に代えて、複数の棒状または板状の支持部材を組み合わせて多角形の筒状籠を作製することもできる。
支柱の数は特に制限はなく、供給治具の強度や各支柱の間隔等から決定される。好適には３〜１２本である。各支柱の間隔は、ロッド状多結晶原料を確実に保持することができるように、好ましくは、該結晶原料の直径より小さくする。支柱の形状は、円柱状や角柱状などから、支持部材との連結方式を勘案して決定される。
支持部材の数も特に制限はなく、強度及び製造コストの観点から、２〜４本とするのが好ましい。当該支柱と支持部材とは、通常支柱にネジを切ってボルト・ナット形式で連結される。図５に、リング状支持部材と支柱とを用いた場合の代表的な連結状態を示す。
前出の連結部材と当該筒状ガイド部材との連結方法は特に制限されない。例えば、図１に示すように、筒状ガイド部材の籠を構成する支柱の坩堝側の末端部分をＬ字形状にして外向きに配置し、連結部材に設けられた孔と嵌合させる方法が挙げられる。その他、棒、ボルト、ワイヤ等の係止具を用いて連結させる方法も採用される。
【００１８】
〔接触防止部材〕
前記筒状ガイド部材は、底部材上に起立状態で支持されたロッド状多結晶原料が直接筒状ガイド部材に接触するのを防ぐ働きをなす。ロッド状多結晶原料が筒状ガイド部材と接触することにより該筒状ガイド部材の成分或いは不純物が原料に付着して、原料融液が汚染されることを防止するものである。この問題を解決するために、筒状ガイド部材の少なくとも内側に、接触防止部材を配設することが好ましい。この接触防止部材の材料としては、石英、シリコンなどが挙げられるが、加工の容易性の観点から石英が好適である。
接触防止部材の配置形態は特に限定されない。例えば、図５に示す如く、高融点材料からなる支柱を石英管で覆う方法、図６（ａ）に示す如く、リング状の石英筒を筒状ガイド部材の内側に水平に配設する方法、図６（ｂ）に示すように、棒状の石英棒を筒状ガイド部材の内側に垂直に配設する方法などが挙げられる。
【００１９】
〔吊下げ部材〕
吊下げ部材は、ワイヤやシャフトを介して単結晶製造装置内に供給治具を吊下げるものであり、筒状ガイド部材の上端部に設置される。具体的には、筒状ガイド部材が籠状である場合は、支柱或いは支持部材に連結して設けることができる。吊下げ部材の形状、大きさ、数は特に制限なく、供給治具および収納するロッド状多結晶原料の重量を勘案し、筒状ガイド部材の形状や上端部の構造に応じて任意に設計される。当該吊下げ部材の材料は特に制限はないが、耐熱性の観点から筒状ガイド部材と同じ材質の高融点材料を使用するが好ましい。
【００２０】
〔ロッド状多結晶原料の供給方法〕
本発明の多結晶原料供給治具は、単結晶の育成を目的として原料の多結晶材料の溶融操作時に使用するものであるが、使用される坩堝、ヒータ、断熱材、坩堝昇降機等の装備は、単結晶の育成引き上げ装置に使用されるものを何ら制限なく利用できる。
また、本発明のロッド状多結晶原料の供給方法は、溶融した多結晶原料が坩堝に存在する状態で、ロッド状多結晶原料をその融液に接触せしめて供給する方法であり、前記リチャージ、追いチャージ等の公知の供給方法を全て含むものである。本発明のロッド状多結晶原料の供給方法は、かかる原料供給方法において、前記本発明の多結晶原料供給治具を用いることに最大の特徴がある。
具体的には、坩堝に融液がある状態で本発明の多結晶原料供給治具内にロッド状多結晶原料を収納し、吊下げ部材を通して単結晶育成引き上げ装置内に吊下げて、該治具を坩堝内に導入する。次いで、該治具を降下させて残存原料融液が含まれる坩堝の底部に着地させる。残存原料融液と接触後直ちに、融液と同じ材料からなる底部材および連結部材は溶融を始める。少なくとも底部材が完全に溶融した後、ロッド状多結晶原料の下端部が一部は溶融しながら、自重により融液内に徐々に沈み込んでいく。その後、ロッド状多結晶原料は下部から溶融して原料融液となる。
【００２１】
底部材と坩堝底とは、図３に示すように接合部材が下方に突き出ている場合は、通常、５〜２０ｍｍ程度の空隙を有しているが、この程度の空隙であれば、自重で沈み込むロッド状多結晶原料が坩堝底と衝突して坩堝が破損したり、融液が飛び散ることは起こらない。ロッド状多結晶原料は、融液中では連結部材で囲まれて輻射熱が遮られているので、当該原料に比べて連結部材が先に溶融するが、連結部材の筒状ガイドとの接合上端部は、融液に浸漬しないので残存する。
供給時の温度は、多結晶材料の融点以上の温度、好ましくは多結晶原料供給治具が着地するまでに底部材が溶融消失してロッド状多結晶原料が融液内を落下しないように温度制御する必要がある。例えば多結晶シリコン材料の場合は、通常１４２０〜１５５０℃に維持される。供給時の雰囲気は、水分や酸素の混入を防ぐために、結晶育成と同じ雰囲気、例えば単結晶シリコンの場合、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下、或いは窒素、真空などの非酸化性雰囲気下とすることが好ましい。
ロッド状多結晶原料を筒状ガイド部材で倒れ防止する必要がなくなるまで溶融した後、供給治具を引き上げて、単結晶育成引き上げ装置から取り出す。
上記一連の操作を繰り返して、所定の量までロッド状多結晶原料を供給する。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。また、実施例の中で説明されている特徴の組み合わせすべてが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。
【００２３】
実施例１
図８に示す本発明の供給治具を、以下に示す手順で作製した。筒状ガイド部材６０は内径１３７ｍｍ、高さ１．２ｍですべてモリブデン製である。支柱６１は直径５ｍｍで等間隔で１２本並んでおり、支柱６１の上部は内径１３７ｍｍ、外形１５４ｍｍのリング状の板を支持部材６２として使用して支柱６１とナット６３で固定した。また下部の支持部材６２は内形が１３７ｍｍの円形状、外形が正方形をしており、外側面に直径５ｍｍの棒を水平方向に一辺当たり２本差し込んだ構造とした。なお、接触防止部材８０として内径６ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの高純度石英管中に支柱６１を通した構造とした。
吊り下げ部材７０として、モリブデン製の棒状の板を十字形に組み、単結晶育成引き上げ装置の引き上げワイヤの先端の治具に接合した。なお、十字型に組んだ棒状の板で上部の支持部材６２を挟み込むようにして接合した。
連結部材５０として、直径２０３ｍｍの単結晶シリコンの側面を縦方向に切り落とした際に発生した蒲鉾状の板を使用した。幅は１１５ｍｍ、長さは４００ｍｍ、厚さは１８ｍｍ（最大部）で、上部と下部にそれぞれ６ｍｍの穴を２箇所ずつ開けた。前述の下部の支持部材６２へ差し込んだ２本の棒に蒲鉾状の連結部材５０をはめ込んで、連結させた。
底部材４０は、直径２０３ｍｍの単結晶シリコンをブロック状に一次加工した後、マルチワイヤソーでスライスした際に発生した捨てシロ部分、すなわち厚さ５ｍｍ、一辺が１５６ｍｍの略正方形状の板（角が丸い形状）を使用した。ピンは単結晶育成後、不要となった直径５〜６ｍｍのネック部を長さ２０ｍｍに切断したものを使用した。前述の連結部材５０の下部の２箇所の孔にそのピンを半分程度さし込み、その上に底部材４０を載せた。
【００２４】
上記供給治具にロッド状多結晶原料３０として、直径１３０ｍｍ、長さ１２００ｍｍ、重量約３７ｋｇを充填し、吊り上げて単結晶育成引き上げ装置内に導入した。なお、装置内の坩堝（口径約５００ｍｍ）には単結晶シリコン1本を引上げた後の融液約５ｋｇが残存していた。このときシリコンの液面から坩堝底面までの深さはおよそ４０ｍｍであった。吊り下げたロッド状多結晶原料３０を徐々に下げ、坩堝に投入し、全量溶融した。同じ供給操作を２回繰り返し、合計約９０ｋｇの融液を確保した。その後、種結晶を取り付け、単結晶シリコンを引き上げた。
上記供給方法を繰り返し実施して、５０本の単結晶シリコンを引き上げたが、供給操作中に供給治具が破損して落下するトラブルは発生しなかった。
【００２５】
比較例１
連結部材および底部材以外は実施例１と同様に、筒状ガイド部材６０、支柱６１、上部と下部の支持部材６２、接触防止部材８０、吊り下げ部材７０を作製し、供給治具を構成した。
連結部材５０として高純度石英製の板を使用した。幅は１１５ｍｍ、長さは４００ｍｍ、厚さは１０ｍｍで、上部と下部にそれぞれ６ｍｍの穴を２箇所ずつ開けた。前述の下部の支持部材６２へ差し込んだ２本の棒に連結部材５０をはめ込んで、連結させた。底部材４０として厚さ１０ｍｍ、一辺が１５６ｍｍの正方形状且つ高純度石英製の板を使用した。ピンは直径５．５ｍｍ、長さ２０ｍｍの高純度石英製の丸棒を使用した。前述の連結部材５０の下部の２箇所の孔にそのピンを半分程度さし込み、その上に底部材４０を載せた。
【００２６】
この供給治具にロッド状多結晶原料３０として、直径１３０ｍｍ、長さ１２００ｍｍ、重量約３７ｋｇを充填し、吊り上げて単結晶育成引き上げ装置内に導入した。なお、装置内の坩堝（口径約５００ｍｍ）には単結晶シリコン1本を引上げた後の融液約５ｋｇが残存していた。このときシリコンの液面から坩堝底面までの深さはおよそ４０ｍｍであった。吊り下げたロッド状多結晶原料３０を徐々に下げ、坩堝に投入し、全量溶融した。その後、供給治具を融液から引き上げたところ、底部材、連結部材の下部、およびピンにシリコンが固着した様子が単結晶育成引き上げ装置ののぞき窓から観察された。さらに供給治具を引き上げ、装置内から取り出したところ、底部材、連結部材の下部、およびピンのシリコンが固着した箇所およびその周辺部にひび割れが生じていた。
この供給治具に再度ロッド状多結晶原料約３７ｋｇを載せたところ、底部材、連結部材およびピンが破損し、再利用はできなかった。そこで、底部材、連結部材およびピンを交換し、ロッド状多結晶原料約３７ｋｇを載せて単結晶育成引き上げ装置内に導入し、ロッド状多結晶原料を全て溶融した。その後、種結晶を取り付け、単結晶シリコンを引き上げた。
【００２７】
比較例２
比較例１と全く同様の供給治具を用い、同じ供給操作にて６回繰り返したが、全て底部材、連結部材の下部、およびピンにシリコンが固着し、ひび割れが生じた。そのうち１回は、供給治具を融液から取り出して引き上げ中に、シリコンがピンに固着したことによりピンが折れて底部材が外れて融液内に落下した。幾度か融液表面に浮いた底部材を回収しようと試みたが不可能であった。そのため、坩堝に大量の融液を抱えたまま冷却せざるを得えなかった。冷却後、装置内を開放したところ、坩堝が割れて融液の一部が炉内に流れ出していた。融液は水冷チャンバーまで達しておらず、最悪の状態である水蒸気爆発は免れたものの、カーボン製炉材のほとんどを交換せざるを得なかった。
【００２８】
比較例３
比較例１において、連結部材５０として幅１１０ｍｍ、長さ４００ｍｍ、厚さ５ｍｍのモリブデン製の板（上部と下部にそれぞれ６ｍｍの穴を２箇所ずつ開けたもの）、および底部材４０として厚さ５ｍｍ、一辺が１５６ｍｍの正方形状且つモリブデン製の板を使用した以外は、全て同様にして供給治具を構成した。
この供給治具にロッド状多結晶原料３０として、直径１３０ｍｍ、長さ１２００ｍｍ、重量約３７ｋｇを充填し、吊り上げて単結晶育成引き上げ装置内に導入した。なお、装置内の坩堝（口径約５００ｍｍ）には単結晶シリコン1本を引上げた後の融液約５ｋｇが残存していた。このときシリコンの液面から坩堝底面までの深さはおよそ４０ｍｍであった。吊り下げたロッド状多結晶原料３０を徐々に下げ、坩堝に投入し、全量溶融した。その後、供給治具を取り出したところ、底部材、連結部材、およびピンのうち、融液に浸漬していた部分が全て溶融してなくなっており、再利用ができなかった。モリブデンは高融点材料であるが、シリコンとの反応性が高いため短時間で溶融したものと推測される。
【符号の説明】
【００２９】
１０ 坩堝
２０ ヒータ
３０ ロッド状多結晶原料
４０ 底部材
５０ 連結部材
６０ 筒状ガイド部材
６１ 支柱
６２ 支持部材
６３ ナット
７０ 吊下げ部材
８０ 接触防止部材
９０ ピン
１００ 原料融液
１１０ 吊下げ具
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶材を育成する際に、坩堝内に多結晶原料、特にロッド状の多結晶原料を供給するために使用されるロッド状多結晶原料供給治具、並びにこれを用いたロッド状多結晶原料の供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路や太陽電池の基板として使用される単結晶シリコンの製法としては、高品質のものを大量、且つ、安定的に供給する観点から、現在、チョコラルスキー法（以下、ＣＺ法という）と称される単結晶育成引き上げ法（以下、引き上げ法ともいう）による製造方法が主流である。
上記ＣＺ法において、製造コストを低減するため様々な観点から検討されている。その一つとして結晶原料の供給方法の改善が挙げられ、連続して結晶原料を供給（「連続チャージ」と称される）しながら長尺の単結晶シリコンを製造する方法、初期チャージの原料を溶融させた後さらに結晶原料を供給（「追いチャージ」と称される）する方法、或いは、引き上げ後の高温状態で結晶原料を供給（「リチャージ」と称される）した後再度引き上げを行う方法が開発されている。何れの原料供給方法も、単結晶育成炉を一旦冷却することなく効率的に生産しエネルギーコストを低減させる、更に高価な坩堝の熱履歴による破損を防ぎ坩堝の使用頻度を上げて坩堝コストを低減させることなどで製造コストを引き下げることを目的とするものである。
【０００３】
前記リチャージ法などの原料供給方法は、単結晶引き上げ後に坩堝内に残存する融液に結晶原料を供給するものであり、単結晶の育成に直接影響を与えない点で有利な方法である。
結晶原料として粒塊状の多結晶シリコンを用いたリチャージ法が開発されている（特許文献１）。しかしながら、粒塊状の多結晶シリコンを使用する場合には、ロッド状多結晶シリコンを粒塊状に破砕する際に汚染が避けられない、粒塊状に破砕する工程が必要であり、また、粒塊状の多結晶シリコンが融液に落下した際に融液が飛び散る等の問題を抱えている。
【０００４】
昨今、粒塊状の多結晶シリコンに代えて、多結晶シリコンの製造工程で得られたロッド状多結晶シリコンをそのままリチャージ結晶原料として使用する方法が開発されている。例えば、ロッド状多結晶シリコンをそのまま吊下げて融液中に浸漬して供給する方法が開示されている（特許文献２）。このロッド状多結晶シリコンの上部を直接支持して吊下げる方法では、ロッド状多結晶シリコンに微小クラックが入ってその破片が融液中に落下して融液が飛び跳ね周囲の部材の寿命を短くする、更にひどい場合は、坩堝（石英製）が破損して融液が漏れる危険性があった。そのため、高品質なロッド状多結晶シリコンが必要となる、掴みの部分の加工費がかかる、掴みシロの部分は最後まで溶かせないなどの問題も有った。
【０００５】
上記問題を解決するために、ロッド状多結晶原料を収納し、収納した状態で融液中に浸漬して結晶原料だけを溶融する籠状のリチャージ治具が提案されている（特許文献３）。この治具は、高融点材料（特許文献３では石英製）で作られている取り外し可能な底体が特徴である。しかし、石英が融液中に浸っている際に融液と反応して石英自体や、石英中の金属不純物が融液中に溶け出し単結晶の育成や品質に悪影響を及ぼす場合もあった。そのため、使用される石英は高純度のものが使われている。また、一度シリコン融液に底体を浸けると、底体の周囲にシリコンが固着して冷却過程において石英とシリコンの熱膨張率の差で石英の底体に亀裂やひび割れが生じ、再利用が困難となる。そのため底体は頻繁に廃棄し、新しいものと交換しなければならないという問題を有していた。
更に、場合によっては、底体が破損して融液内に落下することもある。その場合、坩堝に大量の融液を抱えたまま冷却せざるを得えなくなり、冷却途中で坩堝が割れて融液の一部が炉内に流れ出し、その融液が水冷チャンバー部まで達する可能性がある。最悪の場合は、チャンバーが破損し炉内に冷却水が噴出し、水蒸気爆発が起こる。
上記方法において、治具が、石英に代えてモリブデンやステンレス鋼などの高融点金属から作られている場合は、結晶原料が溶融し終わるまで冶具を原料融液中に存在させておく必要があるため、その間、該金属と原料融液との接触により原料融液が金属成分で汚染される問題がより大きくなる。かかる金属不純物による汚染は、半導体回路や太陽電池の性能を低下させるため好ましくない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−８３３２２号
【特許文献２】特開平０６−３１１９３号
【特許文献３】特許４６２６３０３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願発明者らは、上記従来の技術の問題点に鑑み鋭意検討した結果、ロッド状多結晶原料をほぼ垂直に立てた状態で安定的に坩堝内に供給し、供給と並行して多結晶原料全量の溶融を行って原料融液の調製を行うことができ、しかも、融液の汚染がなく高品質の単結晶を安定して育成することができる多結晶原料供給治具、並びに多結晶原料の供給方法を完成するに到った。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
即ち、本発明により、ロッド状多結晶原料を起立した状態で坩堝に供給するためのロッド状多結晶原料供給治具であって、ロッド状多結晶原料の端部を支持する底部材、ロッド状多結晶原料の横方向の動きを規制して起立状態に維持する筒状ガイド部材、筒状ガイド部材と底部材を連結する連結部材、および筒状ガイド部材の上部に取り付けられた吊下げ部材を含み、筒状ガイド部材が高融点材料からなり、底部材および連結部材がロッド状多結晶原料と同じ元素の結晶材料からなることを特徴とする前記ロッド状多結晶原料供給治具が提供される。
上記ロッド状多結晶原料供給治具の発明において、
１）筒状ガイド部材が、少なくとも、ロッド状多結晶原料の周囲に垂直方向に設置される複数の支柱、当該複数の支柱を相互に連結する１個以上の支持部材により構成されること２）筒状ガイド部材が、少なくともその内側に、ロッド状多結晶原料との接触を防止する接触防止部材を備えること
３）接触防止部材が石英であり、高融点材料がモリブデン金属であること
４）ロッド状多結晶原料が、多結晶シリコンロッドであること
が好適である。
更に、本発明により、上記多結晶原料供給治具を用いて、当該治具内にロッド状多結晶原料を収納したのち、該治具を降下させて原料融液が充填された坩堝の底部に着地させ、底部材、連結部材並びにロッド状多結晶原料を原料融液と接触させて溶融を行うことを特徴とするロッド状多結晶原料の供給方法が提供される。
上記ロッド状多結晶原料の供給方法の発明において、ロッド状多結晶原料が、多結晶シリコンロッドであることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のロッド状多結晶原料供給治具（以下、供給治具ともいう）は、ロッド状多結晶原料の落下による坩堝等の装置の損傷や坩堝が割れることによる融液漏れの危険性が生じない。更に、その一部にロッド状多結晶原料と同元素の結晶材料を使用しているので、供給治具材料からの融液の汚染も生じず、高品質の単結晶を安定して育成することができる。
更にまた、ロッド状多結晶原料と同元素の結晶材料として、ロッド状多結晶或いは円柱状単結晶から切り出された端材を利用できるので、これら結晶材料の有効利用が可能となり、引いては各々の製造コストの低減に寄与することができる。
当該供給治具を使用すれば、坩堝にロッド状多結晶原料を効率的、且つ、安全に再供給でき、しかも、坩堝を一度冷却することなく繰り返して使用できるので、単結晶の生産効率の向上に寄与し、その工業的価値は極めて高いものがある。
本発明の供給治具並びに供給方法は、具体的に例示された単結晶シリコンの製造だけでなく、他の無機単結晶材料の製造の際にも広く応用が可能であり、その適用範囲が広い。なお、単結晶シリコンの製造に適用した場合、底部材および連結部材としてロッド状多結晶シリコンと同じ元素からなる単結晶シリコンを使用することができるため好ましい。何故なら、単結晶シリコンは他の無機単結晶材料と比較して適度な機械的強度を有し、且つ、加工が容易であるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ロッド状多結晶原料供給治具の一例を示す概略図である。
【図２】筒状ガイド部材の他の例を示すロッド状多結晶原料供給治具の概略図である。
【図３】底部材と接合部材との接合態様を示す部分拡大図である。
【図４】底部材と接合部材との他の接合態様を示す部分拡大図である。
【図５】接触防止部材の代表的な態様を示す部分拡大図である。
【図６】支柱と、支持部材および接触防止部材との係止状態を示す断面図である
【図７】ロッド状多結晶原料供給治具を用いた原料の供給方法の概念図である。
【図８】実施例1で使用した本発明のロッド状多結晶原料供給治具の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
〔ロッド状多結晶原料供給治具〕
本発明の供給治具は、その内部にロッド状多結晶原料を収納し、坩堝内に降下させてロッド状多結晶原料を起立状態で融液と接触させ、溶融させる補助治具である。
該供給治具は、ロッド状多結晶原料の端部を支持する底部材、ロッド状多結晶原料の横方向の動きを規制して起立状態に維持する筒状ガイド部材、筒状ガイド部材と底部材を連結する連結部材、および筒状ガイド部材の上部に取り付けられ当該治具を吊下げるための吊下げ部材から基本構成される。
ロッド状多結晶原料供給治具の好適な例を図１、図２、および図８に示す。構成部材の詳細については後述する。
ロッド状多結晶原料を収納した該供給治具は、吊下げ部材を介して単結晶製造装置内に吊下げ、治具の下端部が坩堝底に着地するまで徐々に降下させる。そして、後述するように、底部材並びに連結部材が順次溶解しながら、起立状態でのロッド状多結晶原料の溶融による沈み込みを補助する。ロッド状多結晶原料の所定量が溶融した後は、吊下げ部材、筒状ガイド部材、および溶融し残った連結部材を引き上げる。その後、新たな連結部材および底部材を使用して再度該供給治具を組み立て、次の供給操作に使用する。
【００１２】
〔底部材〕
底部材は、ロッド状多結晶原料の端部を支持するための部材であり、その形状は特に制限されない。その形状は筒状ガイド部材の水平断面形状や連結部材との接合方法によって任意に設計されるものであり、円板状、四角板状、或いは図３に示すように、接合部材が嵌め込められるように切り込みを入れた形状等が例示される。育成引き上げした円柱状の単結晶の上部（トップともいう）や下部（テイルともいう）を水平に切り取り、その水平部分を上あるいは下にして底部材として使用することもできる。水平部分を上にするか、下にするかは連結部材との接合方法による。後述するような図４に示すピンを差し込んで底部材を載せる方法では、ピンが外れにくいように水平部分を下にする方が好ましい。
当該底部材の上面の表面状態も特に限定されず、必ずしも水平な表面を有する必要はない。ロッド状多結晶原料との滑りを無くすために表面に微細な凹凸を施しても良い。厚みはロッド状多結晶原料の重さに応じて適宜設計されるが、通常は２〜１０ｍｍ程度であれば強度的に十分である。
当該底部材は、後述するように連結部材と連結させて使用する。連結方法としては、連結部材と底部材側面に複数の孔を開け、その孔にピンを差し込んで両者を連結する方法や、図４に示すように連結部材に差し込んだピンの上に底部材を載せる方法が挙げられる。後者の方法は、底部材を加工する必要がないため好ましい方法である。
【００１３】
底部材は、供給治具を降下させて坩堝内の融液と接触した後、ただちに溶融が始まる。その後、該治具が坩堝底に着地して、底部材は完全に溶融して消失する。底部材が溶融して消失したあと、収納されているロッド状多結晶原料が、溶融しながら自重により下降して坩堝底に着地する。このため、底部材はロッド状多結晶原料と同じ元素の結晶材料からなることが必要である。同じ元素の結晶材料であれば、ロッド状多結晶原料と同じ品質の多結晶原料であっても、多結晶材料から育成された単結晶材料であっても良い。後者の単結晶材料の場合、結晶欠陥が非常に少ないため機械的強度が高く、坩堝に供給する際に割れたりすることがないので、底部材として大変有用である。また単結晶材料の場合、育成後のロッド状単結晶から所定の製品を切り出した後の残りの端材を使用することができるため、単結晶製品の製造コストの低減に寄与する。
無機単結晶材料が単結晶シリコンである場合は、その用途が太陽電池であれば、太陽電池用ウェハ作製過程で生じる捨てシロ部分をそのまま底部材に利用できるので大変好ましい。太陽電池用ウェハは、一旦ブロック状に一次加工した後、マルチワイヤソーでスライスして太陽電池用ウェハとする。その際、ワイヤのブレをなくし、歩留まりを上げるために通常ブロックの両端に捨てシロ部分を設ける。その捨てシロ部分はすでに当該発明の底部材として好適な形状と厚さを有しているため再加工なしでそのまま使用できる。
【００１４】
〔連結部材〕
連結部材は、前記底部材と後述する筒状ガイド部材とを連結するための部材で有り、底部材同様、融液が入った坩堝に供給治具を着地させるのと前後して溶融する必要があるために、ロッド状多結晶原料と同じ元素の結晶材料からなることが必須である。同じ元素の結晶材料であれば、多結晶原料で有っても、単結晶材料であっても良いが、底部材と同じ理由により単結晶材料が好ましい。
連結材料の形状は特に制限がなく、底部材やと筒状ガイドの接合方法、或いは端材の形状などにより任意の形状が採用され、具体的には角板状や蒲鉾状などが例示される。特に太陽電池用の単結晶シリコンの場合、一次加工によって円柱状の単結晶から断面が正方形になるように周りの４面が縦方向に切り落とされる。そのとき発生する蒲鉾状の端材を孔開け加工のみで、連結部材として使えるため経済的である。
連結材料の縦方向の長さも特に限定されない。ロッド状多結晶原料を坩堝底に安定的に着地させ溶融を補助する目的と、円筒状ガイド部材が融液と接触しないだけの十分な距離を確保する機能を勘案すれば、３０〜４００ｍｍ程度が好適である。その使用本数も特に制限されず、供給治具として必要な強度、下記底部材との連結方法、或いは後出の筒状ガイド部材との連結方法などによって適宜決定される。通常３〜６個である。
【００１５】
連結部材と底部材との連結方法は特に限定されない。以下、代表的な方法で説明する。
図３示す方法は、底部材と連結部材とに、互いの形状に合わせ各々に切り込みを入れ、立体的に嵌め込む方法である。係止具なしで、底部材と連結部材とだけで固定できるので簡便な方法である。図２に示す方法は、連結部材の下方位置に複数の孔を空け、該孔に、ロッド状多結晶原料と同じ元素の結晶材料からなるピンを通し、該ピンの上に底部材を載せ保持するものである。収納するロッド状多結晶原料の重量に合わせて、ピンの数を増減させたり、対向する連結部材を一部同一のピンで保持する態様も採用される。ピンの断面は円形でも矩形でもよい。なお、ピンは有頭であっても無頭であってもよいが、加工の手間がないことから無頭が好ましい。
このピンとしては、単結晶育成初期に形成されるネック部を、再加工がほとんどいらずに再利用することができる。ベルジャーと呼ばれる釣鐘状の析出炉（反応器）内に塩素化シランガスやモノシランガスと水素を所定の混合比で送り、高純度のシリコンで作った棒状の芯線に電流を流して加熱し、芯線表面にシリコンを析出させる、いわゆるベルジャー法による多結晶シリコンの製造において得られる多結晶シリコンは、当該発明のロッド状多結晶原料に好適に使用される。あわせて、得られた高純度の多結晶シリコンを棒状の芯線に加工する際に出てくる短い端材は、前記ピンとして使用することができ有用である。連結部材と筒状ガイド部材との連結方法については後述する。
【００１６】
〔筒状ガイド部材〕
筒状ガイド部材は、ロッド状多結晶原料の横方向の動きを規制して、底部材上に起立
した状態に維持するものである。具体的には、ロッド状多結晶材料が傾いた状態で底部材上に起立し、当該筒状ガイド部材の一部とロッド状多結晶材料の一部が接触して起立状態が維持される態様、或いは、ロッド状多結晶材料が、当該筒状ガイド部材とは接触しないで底部材上に自立している態様があり、何れも本発明においては、起立した状態と云う。
筒状ガイド部材は、供給治具の降下時、更には坩堝内でロッド状多結晶原料が下部から溶融して沈み込む際に起立状態を維持して坩堝内に供給する働きをなす。該筒状ガイド部材は、前出の連結部材と連結され供給治具の一部を構成するが、基本的には、坩堝内の融液と接触することはない。しかしながら、融液が入った坩堝近傍の高温域で使用するので、耐熱性の観点から高融点の材料からなるものであることが必要である。
従って、高融点材料は、原料融液の種類により異なる。例えば、多結晶原料が多結晶シリコンである場合、融点は１４１４℃であるので、高融点材料としては、モリブデン（溶融温度２６２３℃）、タングステン（溶融温度３４２２℃）、石英（軟化点１６００℃）などが用いられる。特に、機械的強度が高いこと、加工の容易性の観点からモリブデンが好ましい。
上記機能を発揮する限り、その形状は特に限定されず、例えば、図２に示す円筒状、その他三角筒、四角筒等の多角筒、或いは図１に示す籠状の形状が採用される。該筒状ガイド部材の垂直方向の長さは、収納するロッド状多結晶原料の長径に合わせて適宜決定されるが、通常２００〜１５００ｍｍ程度である。筒状ガイド部材の内部の大きさ（水平断面積）は、ロッド状多結晶原料が円滑に収納できる限り特に制限はない。好ましくは、ロッド状多結晶原料の収納時の円滑性、溶融時の自重による沈み込みの容易性、および起立時の傾き度合いの観点から、該原料の最大水平断面積の１．１〜１．７倍の断面積を有する形状に設計される。
【００１７】
籠状の場合は、通常、少なくとも、ロッド状多結晶原料の周囲に垂直方向に設置される複数の支柱と、当該複数の支柱を相互に連結する１個以上の支持部材とにより構成される。
支柱は、設計される供給治具の垂直方向の長さに応じた棒状の高融点材料である。この支柱の複数本が、支柱同士を相互に連結する高融点材料からなる支持部材により連結されて籠形状を形成するものである。支持部材がリング状であれば円筒状の籠になり、支持部材が、多角環状板で有れば、その板の形状に合わせて三角筒、四角筒などの多角形の筒状籠になる。多角環状板に代えて、複数の棒状または板状の支持部材を組み合わせて多角形の筒状籠を作製することもできる。
支柱の数は特に制限はなく、供給治具の強度や各支柱の間隔等から決定される。好適には３〜１２本である。各支柱の間隔は、ロッド状多結晶原料を確実に保持することができるように、好ましくは、該結晶原料の直径より小さくする。支柱の形状は、円柱状や角柱状などから、支持部材との連結方式を勘案して決定される。
支持部材の数も特に制限はなく、強度及び製造コストの観点から、２〜４本とするのが好ましい。当該支柱と支持部材とは、通常支柱にネジを切ってボルト・ナット形式で連結される。図５に、リング状支持部材と支柱とを用いた場合の代表的な連結状態を示す。
前出の連結部材と当該筒状ガイド部材との連結方法は特に制限されない。例えば、図１に示すように、筒状ガイド部材の籠を構成する支柱の坩堝側の末端部分をＬ字形状にして外向きに配置し、連結部材に設けられた孔と嵌合させる方法が挙げられる。その他、棒、ボルト、ワイヤ等の係止具を用いて連結させる方法も採用される。
【００１８】
〔接触防止部材〕
前記筒状ガイド部材は、底部材上に起立状態で支持されたロッド状多結晶原料が直接筒状ガイド部材に接触するのを防ぐ働きをなす。ロッド状多結晶原料が筒状ガイド部材と接触することにより該筒状ガイド部材の成分或いは不純物が原料に付着して、原料融液が汚染されることを防止するものである。この問題を解決するために、筒状ガイド部材の少なくとも内側に、接触防止部材を配設することが好ましい。この接触防止部材の材料としては、石英、シリコンなどが挙げられるが、加工の容易性の観点から石英が好適である。
接触防止部材の配置形態は特に限定されない。例えば、図５に示す如く、高融点材料からなる支柱を石英管で覆う方法、図６（ａ）に示す如く、リング状の石英筒を筒状ガイド部材の内側に水平に配設する方法、図６（ｂ）に示すように、棒状の石英棒を筒状ガイド部材の内側に垂直に配設する方法などが挙げられる。
【００１９】
〔吊下げ部材〕
吊下げ部材は、ワイヤやシャフトを介して単結晶製造装置内に供給治具を吊下げるものであり、筒状ガイド部材の上端部に設置される。具体的には、筒状ガイド部材が籠状である場合は、支柱或いは支持部材に連結して設けることができる。吊下げ部材の形状、大きさ、数は特に制限なく、供給治具および収納するロッド状多結晶原料の重量を勘案し、筒状ガイド部材の形状や上端部の構造に応じて任意に設計される。当該吊下げ部材の材料は特に制限はないが、耐熱性の観点から筒状ガイド部材と同じ材質の高融点材料を使用するが好ましい。
【００２０】
〔ロッド状多結晶原料の供給方法〕
本発明の多結晶原料供給治具は、単結晶の育成を目的として原料の多結晶材料の溶融操作時に使用するものであるが、使用される坩堝、ヒータ、断熱材、坩堝昇降機等の装備は、単結晶の育成引き上げ装置に使用されるものを何ら制限なく利用できる。
また、本発明のロッド状多結晶原料の供給方法は、溶融した多結晶原料が坩堝に存在する状態で、ロッド状多結晶原料をその融液に接触せしめて供給する方法であり、前記リチャージ、追いチャージ等の公知の供給方法を全て含むものである。本発明のロッド状多結晶原料の供給方法は、かかる原料供給方法において、前記本発明の多結晶原料供給治具を用いることに最大の特徴がある。
具体的には、坩堝に融液がある状態で本発明の多結晶原料供給治具内にロッド状多結晶原料を収納し、吊下げ部材を通して単結晶育成引き上げ装置内に吊下げて、該治具を坩堝内に導入する。次いで、該治具を降下させて残存原料融液が含まれる坩堝の底部に着地させる。残存原料融液と接触後直ちに、融液と同じ材料からなる底部材および連結部材は溶融を始める。少なくとも底部材が完全に溶融した後、ロッド状多結晶原料の下端部が一部は溶融しながら、自重により融液内に徐々に沈み込んでいく。その後、ロッド状多結晶原料は下部から溶融して原料融液となる。
【００２１】
底部材と坩堝底とは、図３に示すように接合部材が下方に突き出ている場合は、通常、５〜２０ｍｍ程度の空隙を有しているが、この程度の空隙であれば、自重で沈み込むロッド状多結晶原料が坩堝底と衝突して坩堝が破損したり、融液が飛び散ることは起こらない。ロッド状多結晶原料は、融液中では連結部材で囲まれて輻射熱が遮られているので、当該原料に比べて連結部材が先に溶融するが、連結部材の筒状ガイドとの接合上端部は、融液に浸漬しないので残存する。
供給時の温度は、多結晶材料の融点以上の温度、好ましくは多結晶原料供給治具が着地するまでに底部材が溶融消失してロッド状多結晶原料が融液内を落下しないように温度制御する必要がある。例えば多結晶シリコン材料の場合は、通常１４２０〜１５５０℃に維持される。供給時の雰囲気は、水分や酸素の混入を防ぐために、結晶育成と同じ雰囲気、例えば単結晶シリコンの場合、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下、或いは窒素、真空などの非酸化性雰囲気下とすることが好ましい。
ロッド状多結晶原料を筒状ガイド部材で倒れ防止する必要がなくなるまで溶融した後、供給治具を引き上げて、単結晶育成引き上げ装置から取り出す。
上記一連の操作を繰り返して、所定の量までロッド状多結晶原料を供給する。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。また、実施例の中で説明されている特徴の組み合わせすべてが本発明の解決手段に必須のものとは限らない。
【００２３】
実施例１
図８に示す本発明の供給治具を、以下に示す手順で作製した。筒状ガイド部材６０は内径１３７ｍｍ、高さ１．２ｍですべてモリブデン製である。支柱６１は直径５ｍｍで等間隔で１２本並んでおり、支柱６１の上部は内径１３７ｍｍ、外形１５４ｍｍのリング状の板を支持部材６２として使用して支柱６１とナット６３で固定した。また下部の支持部材６２は内形が１３７ｍｍの円形状、外形が正方形をしており、外側面に直径５ｍｍの棒を水平方向に一辺当たり２本差し込んだ構造とした。なお、接触防止部材８０として内径６ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの高純度石英管中に支柱６１を通した構造とした。
吊り下げ部材７０として、モリブデン製の棒状の板を十字形に組み、単結晶育成引き上げ装置の引き上げワイヤの先端の治具に接合した。なお、十字型に組んだ棒状の板で上部の支持部材６２を挟み込むようにして接合した。
連結部材５０として、直径２０３ｍｍの単結晶シリコンの側面を縦方向に切り落とした際に発生した蒲鉾状の板を使用した。幅は１１５ｍｍ、長さは４００ｍｍ、厚さは１８ｍｍ（最大部）で、上部と下部にそれぞれ６ｍｍの穴を２箇所ずつ開けた。前述の下部の支持部材６２へ差し込んだ２本の棒に蒲鉾状の連結部材５０をはめ込んで、連結させた。
底部材４０は、直径２０３ｍｍの単結晶シリコンをブロック状に一次加工した後、マルチワイヤソーでスライスした際に発生した捨てシロ部分、すなわち厚さ５ｍｍ、一辺が１５６ｍｍの略正方形状の板（角が丸い形状）を使用した。ピンは単結晶育成後、不要となった直径５〜６ｍｍのネック部を長さ２０ｍｍに切断したものを使用した。前述の連結部材５０の下部の２箇所の孔にそのピンを半分程度さし込み、その上に底部材４０を載せた。
【００２４】
上記供給治具にロッド状多結晶原料３０として、直径１３０ｍｍ、長さ１２００ｍｍ、重量約３７ｋｇを充填し、吊り上げて単結晶育成引き上げ装置内に導入した。なお、装置内の坩堝（口径約５００ｍｍ）には単結晶シリコン1本を引上げた後の融液約５ｋｇが残存していた。このときシリコンの液面から坩堝底面までの深さはおよそ４０ｍｍであった。吊り下げたロッド状多結晶原料３０を徐々に下げ、坩堝に投入し、全量溶融した。同じ供給操作を２回繰り返し、合計約９０ｋｇの融液を確保した。その後、種結晶を取り付け、単結晶シリコンを引き上げた。
上記供給方法を繰り返し実施して、５０本の単結晶シリコンを引き上げたが、供給操作中に供給治具が破損して落下するトラブルは発生しなかった。
【００２５】
比較例１
連結部材および底部材以外は実施例１と同様に、筒状ガイド部材６０、支柱６１、上部と下部の支持部材６２、接触防止部材８０、吊り下げ部材７０を作製し、供給治具を構成した。
連結部材５０として高純度石英製の板を使用した。幅は１１５ｍｍ、長さは４００ｍｍ、厚さは１０ｍｍで、上部と下部にそれぞれ６ｍｍの穴を２箇所ずつ開けた。前述の下部の支持部材６２へ差し込んだ２本の棒に連結部材５０をはめ込んで、連結させた。底部材４０として厚さ１０ｍｍ、一辺が１５６ｍｍの正方形状且つ高純度石英製の板を使用した。ピンは直径５．５ｍｍ、長さ２０ｍｍの高純度石英製の丸棒を使用した。前述の連結部材５０の下部の２箇所の孔にそのピンを半分程度さし込み、その上に底部材４０を載せた。
【００２６】
この供給治具にロッド状多結晶原料３０として、直径１３０ｍｍ、長さ１２００ｍｍ、重量約３７ｋｇを充填し、吊り上げて単結晶育成引き上げ装置内に導入した。なお、装置内の坩堝（口径約５００ｍｍ）には単結晶シリコン1本を引上げた後の融液約５ｋｇが残存していた。このときシリコンの液面から坩堝底面までの深さはおよそ４０ｍｍであった。吊り下げたロッド状多結晶原料３０を徐々に下げ、坩堝に投入し、全量溶融した。その後、供給治具を融液から引き上げたところ、底部材、連結部材の下部、およびピンにシリコンが固着した様子が単結晶育成引き上げ装置ののぞき窓から観察された。さらに供給治具を引き上げ、装置内から取り出したところ、底部材、連結部材の下部、およびピンのシリコンが固着した箇所およびその周辺部にひび割れが生じていた。
この供給治具に再度ロッド状多結晶原料約３７ｋｇを載せたところ、底部材、連結部材およびピンが破損し、再利用はできなかった。そこで、底部材、連結部材およびピンを交換し、ロッド状多結晶原料約３７ｋｇを載せて単結晶育成引き上げ装置内に導入し、ロッド状多結晶原料を全て溶融した。その後、種結晶を取り付け、単結晶シリコンを引き上げた。
【００２７】
比較例２
比較例１と全く同様の供給治具を用い、同じ供給操作にて６回繰り返したが、全て底部材、連結部材の下部、およびピンにシリコンが固着し、ひび割れが生じた。そのうち１回は、供給治具を融液から取り出して引き上げ中に、シリコンがピンに固着したことによりピンが折れて底部材が外れて融液内に落下した。幾度か融液表面に浮いた底部材を回収しようと試みたが不可能であった。そのため、坩堝に大量の融液を抱えたまま冷却せざるを得えなかった。冷却後、装置内を開放したところ、坩堝が割れて融液の一部が炉内に流れ出していた。融液は水冷チャンバーまで達しておらず、最悪の状態である水蒸気爆発は免れたものの、カーボン製炉材のほとんどを交換せざるを得なかった。
【００２８】
比較例３
比較例１において、連結部材５０として幅１１０ｍｍ、長さ４００ｍｍ、厚さ５ｍｍのモリブデン製の板（上部と下部にそれぞれ６ｍｍの穴を２箇所ずつ開けたもの）、および底部材４０として厚さ５ｍｍ、一辺が１５６ｍｍの正方形状且つモリブデン製の板を使用した以外は、全て同様にして供給治具を構成した。
この供給治具にロッド状多結晶原料３０として、直径１３０ｍｍ、長さ１２００ｍｍ、重量約３７ｋｇを充填し、吊り上げて単結晶育成引き上げ装置内に導入した。なお、装置内の坩堝（口径約５００ｍｍ）には単結晶シリコン1本を引上げた後の融液約５ｋｇが残存していた。このときシリコンの液面から坩堝底面までの深さはおよそ４０ｍｍであった。吊り下げたロッド状多結晶原料３０を徐々に下げ、坩堝に投入し、全量溶融した。その後、供給治具を取り出したところ、底部材、連結部材、およびピンのうち、融液に浸漬していた部分が全て溶融してなくなっており、再利用ができなかった。モリブデンは高融点材料であるが、シリコンとの反応性が高いため短時間で溶融したものと推測される。
【符号の説明】
【００２９】
１０ 坩堝
２０ ヒータ
３０ ロッド状多結晶原料
４０ 底部材
５０ 連結部材
６０ 筒状ガイド部材
６１ 支柱
６２ 支持部材
６３ ナット
７０ 吊下げ部材
８０ 接触防止部材
９０ ピン
１００ 原料融液
１１０ 吊下げ具
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロッド状多結晶原料を起立した状態で坩堝に供給するためのロッド状多結晶原料供給治具であって、
ロッド状多結晶原料の端部を支持する底部材、ロッド状多結晶原料の横方向の動きを規制して起立状態に維持する筒状ガイド部材、筒状ガイド部材と底部材を連結する連結部材、および筒状ガイド部材の上部に取り付けられた吊下げ部材を含み、
筒状ガイド部材が高融点材料からなり、底部材および連結部材がロッド状多結晶原料と同じ元素の結晶材料からなることを特徴とする前記ロッド状多結晶原料供給治具。
【請求項２】
筒状ガイド部材が、少なくとも、ロッド状多結晶原料の周囲に垂直方向に設置される複数の支柱、当該複数の支柱を相互に連結する１個以上の支持部材により構成されることを特徴とする請求項１に記載のロッド状多結晶原料供給治具。
【請求項３】
筒状ガイド部材が、少なくともその内側に、ロッド状多結晶原料との接触を防止する接触防止部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のロッド状多結晶原料供給治具。
【請求項４】
接触防止部材が石英であり、高融点材料がモリブデン金属であることを特徴とする請求項３に記載のロッド状多結晶原料供給治具。
【請求項５】
ロッド状多結晶原料が、多結晶シリコンロッドであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のロッド状多結晶原料供給治具。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のロッド状多結晶原料供給治具を用いて、当該治具内にロッド状多結晶原料を収納したのち、該治具を降下させて原料融液が充填された坩堝の底部に着地させ、底部材、連結部材並びにロッド状多結晶原料を原料融液と接触させて溶融を行うことを特徴とするロッド状多結晶原料の供給方法。
【請求項７】
ロッド状多結晶原料が、多結晶シリコンロッドであることを特徴とする請求項６に記載のロッド状多結晶原料の供給方法。
【請求項１】
ロッド状多結晶原料を起立した状態で坩堝に供給するためのロッド状多結晶原料供給治具であって、
ロッド状多結晶原料の端部を支持する底部材、ロッド状多結晶原料の横方向の動きを規制して起立状態に維持する筒状ガイド部材、筒状ガイド部材と底部材を連結する連結部材、および筒状ガイド部材の上部に取り付けられた吊下げ部材を含み、
筒状ガイド部材が高融点材料からなり、底部材および連結部材がロッド状多結晶原料と同じ元素の結晶材料からなることを特徴とする前記ロッド状多結晶原料供給治具。
【請求項２】
筒状ガイド部材が、少なくとも、ロッド状多結晶原料の周囲に垂直方向に設置される複数の支柱、当該複数の支柱を相互に連結する１個以上の支持部材により構成されることを特徴とする請求項１に記載のロッド状多結晶原料供給治具。
【請求項３】
筒状ガイド部材が、少なくともその内側に、ロッド状多結晶原料との接触を防止する接触防止部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載のロッド状多結晶原料供給治具。
【請求項４】
接触防止部材が石英であり、高融点材料がモリブデン金属であることを特徴とする請求項３に記載のロッド状多結晶原料供給治具。
【請求項５】
ロッド状多結晶原料が、多結晶シリコンロッドであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のロッド状多結晶原料供給治具。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のロッド状多結晶原料供給治具を用いて、当該治具内にロッド状多結晶原料を収納したのち、該治具を降下させて原料融液が充填された坩堝の底部に着地させ、底部材、連結部材並びにロッド状多結晶原料を原料融液と接触させて溶融を行うことを特徴とするロッド状多結晶原料の供給方法。
【請求項７】
ロッド状多結晶原料が、多結晶シリコンロッドであることを特徴とする請求項６に記載のロッド状多結晶原料の供給方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１０３８５９（Ｐ２０１３−１０３８５９Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４８７００（Ｐ２０１１−２４８７００）
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００３１８２）株式会社トクヤマ (839)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００３１８２）株式会社トクヤマ (839)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]