多結晶シリコン原料のリチャージ方法
【課題】坩堝の損傷や破損を防止すると共に育成されるシリコン単結晶インゴットの単結晶化率や品質の低下を抑制しつつ、大きな塊の多結晶シリコンをリチャージすることができる多結晶シリコン原料のリチャージ方法を提供する。
【解決手段】多結晶シリコン塊のリチャージにおいて、最初にスモールサイズ多結晶シリコン塊又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２である緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂが投入され、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂが坩堝２０内のシリコン融液４０の表面４１に積層されて緩衝層５０を形成する。次いでこの緩衝層５０上に大きな大きさのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が投入されるので、緩衝層５０が落下するラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の衝撃を緩衝する。
【解決手段】多結晶シリコン塊のリチャージにおいて、最初にスモールサイズ多結晶シリコン塊又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２である緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂが投入され、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂが坩堝２０内のシリコン融液４０の表面４１に積層されて緩衝層５０を形成する。次いでこの緩衝層５０上に大きな大きさのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が投入されるので、緩衝層５０が落下するラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の衝撃を緩衝する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコン原料のリチャージ方法に関し、特に、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）を用いたシリコン単結晶インゴット（以下、インゴットという）の製造方法において、坩堝内へ原料である多結晶シリコンの塊を再度供給するための多結晶シリコン原料のリチャージ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の製造に使用される半導体基板は単結晶のシリコンウェハから製造されており、インゴットの育成にはＣＺ法が広く用いられている。ＣＺ法においては、坩堝内に多結晶シリコンを充填し、この充填された多結晶シリコンを溶解してシリコン融液とする。次いで、このシリコン融液に種結晶を接触させ、これを引き上げることによりインゴットを育成する。
【０００３】
一度使用された坩堝は再利用が困難であるため、インゴットの製造コストを低減するために、インゴットが引き上げられることにより減少したシリコン融液を補うために、坩堝内に再度原料である多結晶シリコンを供給することで坩堝を交換せずに繰り返しインゴットを引き上げるマルチプリング法が従来行われている。
【０００４】
例えば、円筒状のリチャージ管を用いて多結晶シリコンをリチャージする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このリチャージ管は、円筒状のチューブと、このチューブの下方端部に着脱可能な円錐バルブとを備える。このリチャージ管を使用したリチャージ方法においては、円錐バルブによってチューブを塞いだ状態において固形状の多結晶シリコンをチューブ内に充填し、インゴットを取り出した後に、リチャージ管を坩堝上に配置し、円錐バルブを外してチューブの下方端部を開放し、このチューブの下方端部から多結晶シリコンを坩堝内に供給する。
【０００５】
この従来のリチャージ方法においては、坩堝内のシリコン融液内にリチャージ管から多結晶シリコンが投下されるため、坩堝内のシリコン融液が飛散する。シリコン融液が坩堝外に飛び出すと、インゴット製造装置へ大きな損傷を与えることになり、インゴットの育成を中止しなければならず、インゴットの育成に甚大な損害を与えることになる。また、シリコン融液内には予め決められた割合の不純物が混入されており、シリコン融液の飛散は、坩堝内のシリコン融液中の不純物濃度を変化させることになり、所望の品質を有していないインゴットが育成され、品質の低下を招く。
【０００６】
このため、従来、リチャージに際して坩堝内のシリコン融液の飛散を防止するための方法が開示されている。
【０００７】
例えば、多結晶シリコンの投入の前に、ヒータの出力を下げて坩堝内のシリコン融液の表面を固化させ、この後にヒータの出力を上げると共にリチャージ管から原料である固体状の多結晶シリコンを投入する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第０２／０６８７３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のリチャージ方法においては、大きな塊の多結晶シリコンを投入する場合、投入された多結晶シリコンの衝撃を緩衝することができず、固化されたシリコン融液の表面を投入された多結晶シリコンが突き破り、坩堝内のシリコン融液が飛散することがあり、インゴットの製造を中止することがあった。このため、従来のリチャージ方法においては、大きな塊の多結晶シリコンを投入することができなかった。大きな塊の多結晶シリコン原料は安価に製造でき、製造コストを低減することができるという利点がある。また、大きな塊の多結晶シリコン原料を使用した場合、同じ重量において、小さな塊の多結晶シリコンを使用した場合に比べて、多結晶シリコン原料の表面積の総和が小さくなり、多結晶シリコン表面のＳｉＯ２や金属等の不純物、及び雰囲気ガスの混入等を低減させることができる。このため大きな塊の多結晶シリコン原料を使用した場合、育成されるインゴットにおいて、単結晶化率の低下、不純物汚染やピンホールの形成等の品質の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、従来のリチャージ方法においては、坩堝内のシリコン融液の表面を固化させるので、シリコン融液の表面において容積が膨張し、坩堝の内壁を押圧する力が発生し、坩堝を破損させる危険があった。
【００１１】
本発明の目的は、坩堝の損傷や破損を防止すると共に育成されるインゴットの単結晶化率や品質の低下を抑制しつつ、大きな塊の多結晶シリコンをリチャージすることができる多結晶シリコン原料のリチャージ方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法は、坩堝内に多結晶シリコン原料を充填する充填工程と、前記坩堝内において前記充填された多結晶シリコンを溶解してシリコン融液にする溶融工程と、前記シリコン融液に種結晶を接触させ、該接触させられた種結晶を引き上げることによりインゴットを育成する引上工程とを有するインゴットの製造方法において、前記溶融工程又は前記引上工程の後に多結晶シリコン原料を前記坩堝内に供給する多結晶シリコン原料のリチャージ方法であって、前記坩堝内のシリコン融液の表面に緩衝領域を形成し、該形成された緩衝領域上に前記多結晶シリコン原料を供給し、前記緩衝領域は、大きさが小さな多結晶シリコンの塊を前記坩堝内のシリコン融液の表面に投入することにより形成され、前記緩衝領域上に供給される多結晶シリコン原料は、前記小さな多結晶シリコンの塊よりも大きさが大きな多結晶シリコンの塊から成ることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法において、前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。
【００１４】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法において、前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが５ｍｍ以上であり２０ｍｍより小さい。
【００１５】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法において、前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。
【００１６】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法においては、貫通する通路を有する本体と、該本体の一端を開閉可能にする蓋体とを備えるリチャージ装置を用いて前記多結晶シリコン原料を前記坩堝内のシリコン融液に供給する。
【００１７】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法において、前記大きな多結晶シリコンの塊はその大きさが前記本体の通路内を通過可能な大きさであって５０ｍｍより大きい。
【００１８】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法においては、前記リチャージ装置の本体の一端を前記蓋体により閉鎖し、前記本体内に前記小さな多結晶シリコンの塊を充填し、該充填された小さな多結晶シリコンの塊の上に前記大きな多結晶シリコンの塊を充填し、前記蓋体を開放して前記多結晶シリコン原料を前記坩堝内のシリコン融液に供給する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法によれば、大きな塊の多結晶シリコン原料をリチャージしても、坩堝内のシリコン融液の表面に形成された緩衝領域が衝撃緩衝部材として機能して、坩堝内のシリコン融液が飛散することを防止し、また、坩堝の損傷や破損を防止することができる。さらに、大きな塊の多結晶シリコンをシリコン融液の飛散なしにリチャージすることができることにより、育成されるインゴットの単結晶化率や品質の低下をより防止することができ、さらに、大きな塊の多結晶シリコン原料は安価に製造できるため、インゴットの製造コストを低減することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を実施するためのリチャージ装置を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を示す図である。
【図３】リチャージ装置の本体の配置位置の一例を示す図である。
【図４】原料としての多結晶シリコン塊の種類を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を実施するためのリチャージ装置を示す断面図である。
【００２３】
図１に示すように、リチャージ装置１０は、図示しないインゴット製造装置の内部に配置された坩堝２０の上方に配設されている。このインゴット製造装置においてはＣＺ法が実施される。ＣＺ法においては、坩堝内に原材料である多結晶シリコンが充填され、不活性ガス、例えばＡｒガスの雰囲気において、坩堝内に充填された多結晶シリコンが溶解されてシリコン融液とされ、このシリコン融液に種結晶が接触され、接触させられた種結晶を引き上げることによりインゴットが育成される。図１に示すように、坩堝２０は外周においてヒータ３０に囲まれており、ヒータ３０は、坩堝２０内を加熱し、坩堝内に充填された多結晶シリコンの塊（以下、多結晶シリコン塊ともいう）を溶融するために用いられる。坩堝２０は例えば石英から製造された石英坩堝であり、ヒータ３０は例えばグラファイトヒータである。
【００２４】
リチャージ装置１０は、両方の端部１ａ，１ｂが外部に開口する貫通する通路を有した中空円筒状の本体１と、この本体１の一方の端部１ａを開閉可能にする蓋体２とを備える。本体１は、例えば石英から製造されている。蓋体２は、円錐面２ａを備える円錐状の形状を有しており、円錐面２ａが本体１の端部１ａの周辺に密接可能になっている。蓋体２にはワイヤー３が取り付けられており、ワイヤー３は本体１の内部を端部１ａから端部１ｂに向かって貫通しており、リチャージ装置１０の図示しない開閉装置に接続されている。尚、本体１の形状は円筒状に限るものではなく、柱状等の他の形状であってもよい。また、蓋体２の形状も同様に角錐形等の他の形状であってもよい。
【００２５】
リチャージ装置１０において、本体１の端部１ａの閉鎖及び開放は、図示しない開閉装置によってワイヤー３を繰り出したり、繰り寄せたりすることによって、蓋体２を上下動させることにより行われる。
【００２６】
以下、上述のリチャージ装置１０を用いた本発明の第1の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を説明する。図２（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を示す図である。
【００２７】
リチャージは、インゴット製造の際に、多結晶シリコン塊の溶融工程後、又はインゴット引上工程後に行われる。先ず、リチャージ装置１０の本体１の端部１ａを蓋体２によって閉鎖する。次いで、本体１内に多結晶シリコン原料を充填する。この多結晶シリコン原料の充填の際、リチャージ装置１０の姿勢は、例えば、本体１の軸方向が鉛直方向に向くような姿勢である。また、リチャージ装置１０の姿勢は、図３に示すように、例えば支持体４を用いて、本体１の軸方向が鉛直方向に対して所定の角度、例えば４５°をなすように本体１を傾けた姿勢であってもよい。
【００２８】
ここで、多結晶シリコン原料である多結晶シリコン塊は、その大きさに基づいて、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２、及びラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の３つの種類に分類されている。図４に示すように、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１は、塊の大きさが小さな多結晶シリコン塊であり、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２は、塊の大きさが中くらいの多結晶シリコン塊であり、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３は、塊の大きさが大きな多結晶シリコン塊である。塊の大きさは、塊における最大幅ｈによって規定されており、最大幅ｈが２０ｍｍよりも小さい多結晶シリコン塊がスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１であり、最大幅ｈが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の多結晶シリコン塊がミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２であり、最大幅ｈが５０ｍｍよりも大きい多結晶シリコン塊Ｓ３がラージサイズ多結晶シリコン塊である。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、本体１内への多結晶シリコン原料の充填は、先ず、後述する緩衝層を形成するための緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂから行われる。緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとしては、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が用いられる。つまり、多結晶シリコン原料が充填されていない本体１内へ所定量のスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２を充填する。緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂの充填量は、坩堝２０の直径等に基づいており、坩堝２０内のシリコン融液４０の表面４１全体が緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂによって覆われるような量である。本実施の形態においては、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとしてミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２を用いる。
【００３０】
次いで、図２（ｃ）に示すように、本体１内へミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２より大きな多結晶シリコン塊が、つまりラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が充填される。これにより、本体１内において、下方の端部１ａ側からミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２、次いでミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２上にミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２より大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が積載される。
【００３１】
本体１内への多結晶シリコン塊の充填に際しては、上述のように、図３に示すように、本体１を鉛直方向に対して所定の角度傾斜させるようにしてもよい。これにより、多結晶シリコン塊の本体１内への充填の際に、多結晶シリコン塊が本体１へ与える衝撃を緩和することができる。特に、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の充填に際しては、先行してミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が本体１の底部に積載されており、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が緩衝材としてラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の落下による衝撃を吸収する。
【００３２】
本体１内への多結晶シリコン塊Ｓの充填が終了したら、リチャージ装置１０を坩堝２０の上方の所定の位置に配置する。リチャージ装置１０の配置位置は、図２（ａ）に示すように、坩堝２０の上方において、本体１の軸方向が鉛直方向と一致するような位置である。
【００３３】
次いで、図２（ｄ）に示すように、図示しない開閉装置により、ワイヤー３を繰り出して伸ばすことにより、蓋体２を下方に移動させて本体１の端部１ａを開放する。これにより、先ず、本体１において下方に積載されていたミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が坩堝２０内のシリコン融液４０上に供給される。ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２は、大きさが小さいため、シリコン融液４０の表面４１に浮遊する。このため、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２は、シリコン融液４０の表面４１に積層され、表面４１を覆う。次いで、図２（ｅ）に示すように、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２より大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が坩堝２０の多結晶シリコン融液４０上に供給される。この際、本体１の端部１ａの開放幅を拡げるために蓋体２を更に下方に移動させてもよい。この時、シリコン融液４０の表面４１は、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２に覆われており、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３は、シリコン融液４０の表面４１上に浮遊するミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２の層上に落下するため、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の落下による衝撃はこの浮遊するミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２層によって吸収される。つまり、最初に坩堝２０内に供給されたミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２は、多結晶シリコン融液４０の表面４１に積層されて緩衝領域である緩衝層５０を形成する。そして、図２（ｆ）に示すように、リチャージ装置１０の本体１内に充填された多結晶シリコン塊の全てが坩堝２０内に供給され、リチャージが終了する。
【００３４】
リチャージされた多結晶シリコン塊は、ヒータ３０により加熱されて溶融し、シリコン融液となる。これにより、所望の量のシリコン融液が坩堝２０内に供給されることになる。
【００３５】
次いで、本発明の第２の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を説明する。
【００３６】
本発明の第２の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法は、上述の第１の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法に対して、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとして、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２ではなく、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１を用いる点においてのみ異なる。つまり、本発明の第２の実施の形態に係るリチャージ方法においては、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１が坩堝２０のシリコン融液４０の表面４１において緩衝層５０を形成し、この緩衝層５０上にラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が供給される。本発明の第２の実施の形態に係るリチャージ方法は、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとしてスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１を用いる点においてのみ第１の実施の形態に係るリチャージ方法と異なり、その他の処理は同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００３７】
次に、上述の本発明の第1及び第２の実施の形態に係る多結晶シリコン原料の、本体１から坩堝２０への供給方法について説明する。ワイヤー３の長さを調整することにより、初めにスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２である緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂが坩堝２０内に供給され、全ての緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂが坩堝２０内に供給されてシリコン融液４０の表面４１に緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂによる緩衝層５０が形成された後に、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が緩衝層５０上に投入されるようにすることが好ましい。例えば、本体１から坩堝２０への多結晶シリコン塊の供給において、先ず、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂが通過可能であり、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が通過できない幅だけ本体１の端部１ａを開放するように蓋体２を下降させ、充填された緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂの全てが坩堝２０内に供給された後に、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が通過できるように蓋体２を更に下方に移動させる。
【００３８】
リチャージ装置１０の本体１内に充填される多結晶シリコン塊の量は、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂ及びラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の合計がリチャージしたい多結晶シリコンの量に対応するようにすることが好ましい。
【００３９】
上述のように、本発明の実施の形態に係るリチャージ方法によれば、多結晶シリコン塊のリチャージにおいて、最初に小さなスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が投入され、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が坩堝２０内のシリコン融液４０の表面４１に積層されて緩衝層５０を形成する。次いでこの緩衝層５０上に大きな大きさのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が投入されるので、緩衝層５０が落下するラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の衝撃を吸収する。このため、落下する大きな多結晶シリコン塊の衝撃により坩堝２０内のシリコン融液４０が飛散することを防止することできる。
【００４０】
また、緩衝層５０が形成されることにより、従来リチャージすることができなかったより大きな大きさのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をシリコン融液４０の飛散なしにリチャージすることができる。
【００４１】
また、緩衝層５０はシリコン融液４０上を浮遊するスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２から形成されており、緩衝層５０を形成することにより、坩堝２０に力が掛かることがなく、坩堝２０を損傷や破損させることはない。
【００４２】
このように、本発明の実施の形態に係るリチャージ方法によれば、大きな多結晶シリコン塊をリチャージする場合、大きな多結晶シリコン塊は原料が安価に製造できるという利点があるため、インゴットの製造コストを低減することができ、多結晶シリコン原料の表面積の総和が小さくなり、多結晶シリコン表面のＳｉＯ２や金属等の不純物、及び雰囲気ガスの混入等を低減させることができる。このため、育成されるインゴットにおいて単結晶化率の低下、不純物汚染、ピンホールの形成等の品質の悪化を抑制することができる。このため、リチャージされる多結晶シリコンは、従来のリチャージ方法においてはシリコン融液が飛散されることなく坩堝内にリチャージすることができなかった、大きさの大きいラージサイズ多結晶シリコン塊が好ましい。
【００４３】
上述の緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとしてのスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１の大きさは、インゴットにおけるピンホールの形成等の不具合の発生を防止するために、５ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００４４】
また、坩堝２０において形成された緩衝層５０上に投入されるラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の最大の大きさは、リチャージ装置１０の本体１の通路内を通過可能な大きさである。例えば、本体１の通路の直径が２００ｍｍである場合は、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の最大の大きさは２００ｍｍである。但し、本体１への多結晶シリコン塊の投入の際は、衝撃による本体１の破損防止を考慮することが好ましく、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の大きさは２００ｍｍ以下であることが好ましい。但し、本体１の破損防止を考慮したラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の大きさの最大値は、本体１の材質や寸法等によるものであり、これに限るものではない。
【実施例】
【００４５】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【００４６】
上述の本発明の第１の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を用いて、多結晶シリコン塊のリチャージを行った（実施例１〜４）。
【００４７】
実施例１においては、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３として最大幅ｈが６０ｍｍの多結晶シリコン塊を使用し、実施例２においてはラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３として最大幅ｈが１００ｍｍの多結晶シリコン塊を使用し、実施例３においては、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３として最大幅ｈが１５０ｍｍの多結晶シリコン塊を使用し、実施例４においては、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３として最大幅ｈが２００ｍｍの多結晶シリコン塊を使用した。また、実施例１〜４のいずれにおいても、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂであるミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２として、最大幅ｈが５０ｍｍの多結晶シリコン塊を使用した。また、リチャージ装置１０は、本体１の通路の直径が２００ｍｍより若干大きいものとした。
【００４８】
また、比較例として、従来の多結晶シリコン原料のリチャージ方法を用いて、多結晶シリコン塊のリチャージを行った（比較例１〜４）。従来のリチャージ方法は、本発明の実施の形態に係るリチャージ方法とは異なり、緩衝層を形成しないで多結晶シリコン塊をリチャージするものである。つまり、同一の大きさの多結晶シリコン塊をリチャージ装置１０から坩堝２０内に夫々投入した。
【００４９】
比較例１においては、最大幅ｈが６０ｍｍのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージし、比較例２においては、最大幅ｈが１００ｍｍのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージし、比較例３においては、最大幅ｈが１５０ｍｍのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージし、比較例４においては、最大幅ｈが２００ｍｍのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージした。
【００５０】
また、参考例として、上記従来の多結晶シリコン原料のリチャージ方法を用いて、最大幅ｈが３０ｍｍのミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２をリチャージし（参考例１）、また、最大幅ｈが５０ｍｍのミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２をリチャージした（参考例２）。
【００５１】
実施例１〜４、比較例１〜４、及び参考例１，２において、多結晶シリコン塊の投入の際のシリコン融液の飛散状況を観察した。その結果を以下の表に示す。
【００５２】
【表１】
表１において、○記号は坩堝外への融液の飛散がなかったことを表し、△記号は坩堝外への融液の飛散はあったが坩堝の損傷や破損はなかったことを表し、×記号は坩堝外への融液の飛散があり坩堝の損傷や破損があったことを表している。
【００５３】
表１から分かるように、本発明の実施の形態に係るリチャージ方法によれば、シリコン融液の飛散なしに大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージすることができる。しかしながら、従来のリチャージ方法においては、大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージする場合、シリコン融液が飛散してしまう。また、参考例から分かるように、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２のリチャージにおいては、従来のリチャージ方法であっても、シリコン融液が飛散することはない。
【００５４】
上述のように、本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法によれば、大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージする場合であっても、シリコン融液が飛散することがない。このため、従来リチャージすることができなかった大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をシリコン融液の飛散なしにリチャージすることができる。また、リチャージによる坩堝の損傷や破損を防止することができ、加えて、育成されるインゴットの単結晶化率や品質の低下をより防止することができる。さらに、大きな塊の多結晶シリコン原料は安価に製造でき、インゴットの製造コストを低減することができるという利点がある。
【００５５】
尚、本発明の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法においては、リチャージ装置１０を用いて多結晶シリコン塊を坩堝２０に投入するものとしたが、多結晶シリコン塊の投入の方法は、これに限られるものではない。多結晶シリコン塊の投入方法は、上述のように緩衝層が形成されるようなものであればよく、例えば異なる形態のリチャージ装置を用いてもよく、また、リチャージ装置を用いずに多結晶シリコン塊を投入してもよい。
【００５６】
また、本発明の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法においては、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとして、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２を使用するものとしたが、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとしては、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１とミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２とを混合した多結晶シリコン塊を使用してもよい。
【００５７】
さらに、本発明の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法はＣＺ法に適用可能であるとしたが、ＣＺ法は上述のものに限らず、例えば、磁界を用いたＭＣＺ法やシリコン以外の材料への適用も可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 本体
１ａ，１ｂ 端部
２ 蓋体
２ａ 円錐面
３ ワイヤー
４ 支持体
１０ リチャージ装置
２０ 坩堝
３０ ヒータ
４０ シリコン融液
４１ 表面
５０ 緩衝層
Ｓ１ スモールサイズ多結晶シリコン塊
Ｓ２ ミドルサイズ多結晶シリコン塊
Ｓ３ ラージサイズ多結晶シリコン塊
Ｓｂ 緩衝層形成多結晶シリコン塊
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多結晶シリコン原料のリチャージ方法に関し、特に、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）を用いたシリコン単結晶インゴット（以下、インゴットという）の製造方法において、坩堝内へ原料である多結晶シリコンの塊を再度供給するための多結晶シリコン原料のリチャージ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の製造に使用される半導体基板は単結晶のシリコンウェハから製造されており、インゴットの育成にはＣＺ法が広く用いられている。ＣＺ法においては、坩堝内に多結晶シリコンを充填し、この充填された多結晶シリコンを溶解してシリコン融液とする。次いで、このシリコン融液に種結晶を接触させ、これを引き上げることによりインゴットを育成する。
【０００３】
一度使用された坩堝は再利用が困難であるため、インゴットの製造コストを低減するために、インゴットが引き上げられることにより減少したシリコン融液を補うために、坩堝内に再度原料である多結晶シリコンを供給することで坩堝を交換せずに繰り返しインゴットを引き上げるマルチプリング法が従来行われている。
【０００４】
例えば、円筒状のリチャージ管を用いて多結晶シリコンをリチャージする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。このリチャージ管は、円筒状のチューブと、このチューブの下方端部に着脱可能な円錐バルブとを備える。このリチャージ管を使用したリチャージ方法においては、円錐バルブによってチューブを塞いだ状態において固形状の多結晶シリコンをチューブ内に充填し、インゴットを取り出した後に、リチャージ管を坩堝上に配置し、円錐バルブを外してチューブの下方端部を開放し、このチューブの下方端部から多結晶シリコンを坩堝内に供給する。
【０００５】
この従来のリチャージ方法においては、坩堝内のシリコン融液内にリチャージ管から多結晶シリコンが投下されるため、坩堝内のシリコン融液が飛散する。シリコン融液が坩堝外に飛び出すと、インゴット製造装置へ大きな損傷を与えることになり、インゴットの育成を中止しなければならず、インゴットの育成に甚大な損害を与えることになる。また、シリコン融液内には予め決められた割合の不純物が混入されており、シリコン融液の飛散は、坩堝内のシリコン融液中の不純物濃度を変化させることになり、所望の品質を有していないインゴットが育成され、品質の低下を招く。
【０００６】
このため、従来、リチャージに際して坩堝内のシリコン融液の飛散を防止するための方法が開示されている。
【０００７】
例えば、多結晶シリコンの投入の前に、ヒータの出力を下げて坩堝内のシリコン融液の表面を固化させ、この後にヒータの出力を上げると共にリチャージ管から原料である固体状の多結晶シリコンを投入する方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第０２／０６８７３２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来のリチャージ方法においては、大きな塊の多結晶シリコンを投入する場合、投入された多結晶シリコンの衝撃を緩衝することができず、固化されたシリコン融液の表面を投入された多結晶シリコンが突き破り、坩堝内のシリコン融液が飛散することがあり、インゴットの製造を中止することがあった。このため、従来のリチャージ方法においては、大きな塊の多結晶シリコンを投入することができなかった。大きな塊の多結晶シリコン原料は安価に製造でき、製造コストを低減することができるという利点がある。また、大きな塊の多結晶シリコン原料を使用した場合、同じ重量において、小さな塊の多結晶シリコンを使用した場合に比べて、多結晶シリコン原料の表面積の総和が小さくなり、多結晶シリコン表面のＳｉＯ２や金属等の不純物、及び雰囲気ガスの混入等を低減させることができる。このため大きな塊の多結晶シリコン原料を使用した場合、育成されるインゴットにおいて、単結晶化率の低下、不純物汚染やピンホールの形成等の品質の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、従来のリチャージ方法においては、坩堝内のシリコン融液の表面を固化させるので、シリコン融液の表面において容積が膨張し、坩堝の内壁を押圧する力が発生し、坩堝を破損させる危険があった。
【００１１】
本発明の目的は、坩堝の損傷や破損を防止すると共に育成されるインゴットの単結晶化率や品質の低下を抑制しつつ、大きな塊の多結晶シリコンをリチャージすることができる多結晶シリコン原料のリチャージ方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法は、坩堝内に多結晶シリコン原料を充填する充填工程と、前記坩堝内において前記充填された多結晶シリコンを溶解してシリコン融液にする溶融工程と、前記シリコン融液に種結晶を接触させ、該接触させられた種結晶を引き上げることによりインゴットを育成する引上工程とを有するインゴットの製造方法において、前記溶融工程又は前記引上工程の後に多結晶シリコン原料を前記坩堝内に供給する多結晶シリコン原料のリチャージ方法であって、前記坩堝内のシリコン融液の表面に緩衝領域を形成し、該形成された緩衝領域上に前記多結晶シリコン原料を供給し、前記緩衝領域は、大きさが小さな多結晶シリコンの塊を前記坩堝内のシリコン融液の表面に投入することにより形成され、前記緩衝領域上に供給される多結晶シリコン原料は、前記小さな多結晶シリコンの塊よりも大きさが大きな多結晶シリコンの塊から成ることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法において、前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが５ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。
【００１４】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法において、前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが５ｍｍ以上であり２０ｍｍより小さい。
【００１５】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法において、前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。
【００１６】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法においては、貫通する通路を有する本体と、該本体の一端を開閉可能にする蓋体とを備えるリチャージ装置を用いて前記多結晶シリコン原料を前記坩堝内のシリコン融液に供給する。
【００１７】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法において、前記大きな多結晶シリコンの塊はその大きさが前記本体の通路内を通過可能な大きさであって５０ｍｍより大きい。
【００１８】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法においては、前記リチャージ装置の本体の一端を前記蓋体により閉鎖し、前記本体内に前記小さな多結晶シリコンの塊を充填し、該充填された小さな多結晶シリコンの塊の上に前記大きな多結晶シリコンの塊を充填し、前記蓋体を開放して前記多結晶シリコン原料を前記坩堝内のシリコン融液に供給する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法によれば、大きな塊の多結晶シリコン原料をリチャージしても、坩堝内のシリコン融液の表面に形成された緩衝領域が衝撃緩衝部材として機能して、坩堝内のシリコン融液が飛散することを防止し、また、坩堝の損傷や破損を防止することができる。さらに、大きな塊の多結晶シリコンをシリコン融液の飛散なしにリチャージすることができることにより、育成されるインゴットの単結晶化率や品質の低下をより防止することができ、さらに、大きな塊の多結晶シリコン原料は安価に製造できるため、インゴットの製造コストを低減することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を実施するためのリチャージ装置を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を示す図である。
【図３】リチャージ装置の本体の配置位置の一例を示す図である。
【図４】原料としての多結晶シリコン塊の種類を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は、本発明の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を実施するためのリチャージ装置を示す断面図である。
【００２３】
図１に示すように、リチャージ装置１０は、図示しないインゴット製造装置の内部に配置された坩堝２０の上方に配設されている。このインゴット製造装置においてはＣＺ法が実施される。ＣＺ法においては、坩堝内に原材料である多結晶シリコンが充填され、不活性ガス、例えばＡｒガスの雰囲気において、坩堝内に充填された多結晶シリコンが溶解されてシリコン融液とされ、このシリコン融液に種結晶が接触され、接触させられた種結晶を引き上げることによりインゴットが育成される。図１に示すように、坩堝２０は外周においてヒータ３０に囲まれており、ヒータ３０は、坩堝２０内を加熱し、坩堝内に充填された多結晶シリコンの塊（以下、多結晶シリコン塊ともいう）を溶融するために用いられる。坩堝２０は例えば石英から製造された石英坩堝であり、ヒータ３０は例えばグラファイトヒータである。
【００２４】
リチャージ装置１０は、両方の端部１ａ，１ｂが外部に開口する貫通する通路を有した中空円筒状の本体１と、この本体１の一方の端部１ａを開閉可能にする蓋体２とを備える。本体１は、例えば石英から製造されている。蓋体２は、円錐面２ａを備える円錐状の形状を有しており、円錐面２ａが本体１の端部１ａの周辺に密接可能になっている。蓋体２にはワイヤー３が取り付けられており、ワイヤー３は本体１の内部を端部１ａから端部１ｂに向かって貫通しており、リチャージ装置１０の図示しない開閉装置に接続されている。尚、本体１の形状は円筒状に限るものではなく、柱状等の他の形状であってもよい。また、蓋体２の形状も同様に角錐形等の他の形状であってもよい。
【００２５】
リチャージ装置１０において、本体１の端部１ａの閉鎖及び開放は、図示しない開閉装置によってワイヤー３を繰り出したり、繰り寄せたりすることによって、蓋体２を上下動させることにより行われる。
【００２６】
以下、上述のリチャージ装置１０を用いた本発明の第1の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を説明する。図２（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を示す図である。
【００２７】
リチャージは、インゴット製造の際に、多結晶シリコン塊の溶融工程後、又はインゴット引上工程後に行われる。先ず、リチャージ装置１０の本体１の端部１ａを蓋体２によって閉鎖する。次いで、本体１内に多結晶シリコン原料を充填する。この多結晶シリコン原料の充填の際、リチャージ装置１０の姿勢は、例えば、本体１の軸方向が鉛直方向に向くような姿勢である。また、リチャージ装置１０の姿勢は、図３に示すように、例えば支持体４を用いて、本体１の軸方向が鉛直方向に対して所定の角度、例えば４５°をなすように本体１を傾けた姿勢であってもよい。
【００２８】
ここで、多結晶シリコン原料である多結晶シリコン塊は、その大きさに基づいて、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２、及びラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の３つの種類に分類されている。図４に示すように、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１は、塊の大きさが小さな多結晶シリコン塊であり、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２は、塊の大きさが中くらいの多結晶シリコン塊であり、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３は、塊の大きさが大きな多結晶シリコン塊である。塊の大きさは、塊における最大幅ｈによって規定されており、最大幅ｈが２０ｍｍよりも小さい多結晶シリコン塊がスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１であり、最大幅ｈが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下の多結晶シリコン塊がミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２であり、最大幅ｈが５０ｍｍよりも大きい多結晶シリコン塊Ｓ３がラージサイズ多結晶シリコン塊である。
【００２９】
図２（ｂ）に示すように、本体１内への多結晶シリコン原料の充填は、先ず、後述する緩衝層を形成するための緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂから行われる。緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとしては、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が用いられる。つまり、多結晶シリコン原料が充填されていない本体１内へ所定量のスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２を充填する。緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂの充填量は、坩堝２０の直径等に基づいており、坩堝２０内のシリコン融液４０の表面４１全体が緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂによって覆われるような量である。本実施の形態においては、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとしてミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２を用いる。
【００３０】
次いで、図２（ｃ）に示すように、本体１内へミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２より大きな多結晶シリコン塊が、つまりラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が充填される。これにより、本体１内において、下方の端部１ａ側からミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２、次いでミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２上にミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２より大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が積載される。
【００３１】
本体１内への多結晶シリコン塊の充填に際しては、上述のように、図３に示すように、本体１を鉛直方向に対して所定の角度傾斜させるようにしてもよい。これにより、多結晶シリコン塊の本体１内への充填の際に、多結晶シリコン塊が本体１へ与える衝撃を緩和することができる。特に、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の充填に際しては、先行してミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が本体１の底部に積載されており、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が緩衝材としてラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の落下による衝撃を吸収する。
【００３２】
本体１内への多結晶シリコン塊Ｓの充填が終了したら、リチャージ装置１０を坩堝２０の上方の所定の位置に配置する。リチャージ装置１０の配置位置は、図２（ａ）に示すように、坩堝２０の上方において、本体１の軸方向が鉛直方向と一致するような位置である。
【００３３】
次いで、図２（ｄ）に示すように、図示しない開閉装置により、ワイヤー３を繰り出して伸ばすことにより、蓋体２を下方に移動させて本体１の端部１ａを開放する。これにより、先ず、本体１において下方に積載されていたミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が坩堝２０内のシリコン融液４０上に供給される。ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２は、大きさが小さいため、シリコン融液４０の表面４１に浮遊する。このため、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２は、シリコン融液４０の表面４１に積層され、表面４１を覆う。次いで、図２（ｅ）に示すように、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２より大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が坩堝２０の多結晶シリコン融液４０上に供給される。この際、本体１の端部１ａの開放幅を拡げるために蓋体２を更に下方に移動させてもよい。この時、シリコン融液４０の表面４１は、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２に覆われており、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３は、シリコン融液４０の表面４１上に浮遊するミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２の層上に落下するため、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の落下による衝撃はこの浮遊するミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２層によって吸収される。つまり、最初に坩堝２０内に供給されたミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２は、多結晶シリコン融液４０の表面４１に積層されて緩衝領域である緩衝層５０を形成する。そして、図２（ｆ）に示すように、リチャージ装置１０の本体１内に充填された多結晶シリコン塊の全てが坩堝２０内に供給され、リチャージが終了する。
【００３４】
リチャージされた多結晶シリコン塊は、ヒータ３０により加熱されて溶融し、シリコン融液となる。これにより、所望の量のシリコン融液が坩堝２０内に供給されることになる。
【００３５】
次いで、本発明の第２の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を説明する。
【００３６】
本発明の第２の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法は、上述の第１の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法に対して、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとして、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２ではなく、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１を用いる点においてのみ異なる。つまり、本発明の第２の実施の形態に係るリチャージ方法においては、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１が坩堝２０のシリコン融液４０の表面４１において緩衝層５０を形成し、この緩衝層５０上にラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が供給される。本発明の第２の実施の形態に係るリチャージ方法は、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとしてスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１を用いる点においてのみ第１の実施の形態に係るリチャージ方法と異なり、その他の処理は同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００３７】
次に、上述の本発明の第1及び第２の実施の形態に係る多結晶シリコン原料の、本体１から坩堝２０への供給方法について説明する。ワイヤー３の長さを調整することにより、初めにスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２である緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂが坩堝２０内に供給され、全ての緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂが坩堝２０内に供給されてシリコン融液４０の表面４１に緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂによる緩衝層５０が形成された後に、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が緩衝層５０上に投入されるようにすることが好ましい。例えば、本体１から坩堝２０への多結晶シリコン塊の供給において、先ず、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂが通過可能であり、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が通過できない幅だけ本体１の端部１ａを開放するように蓋体２を下降させ、充填された緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂの全てが坩堝２０内に供給された後に、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が通過できるように蓋体２を更に下方に移動させる。
【００３８】
リチャージ装置１０の本体１内に充填される多結晶シリコン塊の量は、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂ及びラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の合計がリチャージしたい多結晶シリコンの量に対応するようにすることが好ましい。
【００３９】
上述のように、本発明の実施の形態に係るリチャージ方法によれば、多結晶シリコン塊のリチャージにおいて、最初に小さなスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が投入され、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２が坩堝２０内のシリコン融液４０の表面４１に積層されて緩衝層５０を形成する。次いでこの緩衝層５０上に大きな大きさのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３が投入されるので、緩衝層５０が落下するラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の衝撃を吸収する。このため、落下する大きな多結晶シリコン塊の衝撃により坩堝２０内のシリコン融液４０が飛散することを防止することできる。
【００４０】
また、緩衝層５０が形成されることにより、従来リチャージすることができなかったより大きな大きさのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をシリコン融液４０の飛散なしにリチャージすることができる。
【００４１】
また、緩衝層５０はシリコン融液４０上を浮遊するスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２から形成されており、緩衝層５０を形成することにより、坩堝２０に力が掛かることがなく、坩堝２０を損傷や破損させることはない。
【００４２】
このように、本発明の実施の形態に係るリチャージ方法によれば、大きな多結晶シリコン塊をリチャージする場合、大きな多結晶シリコン塊は原料が安価に製造できるという利点があるため、インゴットの製造コストを低減することができ、多結晶シリコン原料の表面積の総和が小さくなり、多結晶シリコン表面のＳｉＯ２や金属等の不純物、及び雰囲気ガスの混入等を低減させることができる。このため、育成されるインゴットにおいて単結晶化率の低下、不純物汚染、ピンホールの形成等の品質の悪化を抑制することができる。このため、リチャージされる多結晶シリコンは、従来のリチャージ方法においてはシリコン融液が飛散されることなく坩堝内にリチャージすることができなかった、大きさの大きいラージサイズ多結晶シリコン塊が好ましい。
【００４３】
上述の緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとしてのスモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１の大きさは、インゴットにおけるピンホールの形成等の不具合の発生を防止するために、５ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００４４】
また、坩堝２０において形成された緩衝層５０上に投入されるラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の最大の大きさは、リチャージ装置１０の本体１の通路内を通過可能な大きさである。例えば、本体１の通路の直径が２００ｍｍである場合は、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の最大の大きさは２００ｍｍである。但し、本体１への多結晶シリコン塊の投入の際は、衝撃による本体１の破損防止を考慮することが好ましく、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の大きさは２００ｍｍ以下であることが好ましい。但し、本体１の破損防止を考慮したラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３の大きさの最大値は、本体１の材質や寸法等によるものであり、これに限るものではない。
【実施例】
【００４５】
以下に、本発明の実施例について説明する。
【００４６】
上述の本発明の第１の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法を用いて、多結晶シリコン塊のリチャージを行った（実施例１〜４）。
【００４７】
実施例１においては、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３として最大幅ｈが６０ｍｍの多結晶シリコン塊を使用し、実施例２においてはラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３として最大幅ｈが１００ｍｍの多結晶シリコン塊を使用し、実施例３においては、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３として最大幅ｈが１５０ｍｍの多結晶シリコン塊を使用し、実施例４においては、ラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３として最大幅ｈが２００ｍｍの多結晶シリコン塊を使用した。また、実施例１〜４のいずれにおいても、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂであるミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２として、最大幅ｈが５０ｍｍの多結晶シリコン塊を使用した。また、リチャージ装置１０は、本体１の通路の直径が２００ｍｍより若干大きいものとした。
【００４８】
また、比較例として、従来の多結晶シリコン原料のリチャージ方法を用いて、多結晶シリコン塊のリチャージを行った（比較例１〜４）。従来のリチャージ方法は、本発明の実施の形態に係るリチャージ方法とは異なり、緩衝層を形成しないで多結晶シリコン塊をリチャージするものである。つまり、同一の大きさの多結晶シリコン塊をリチャージ装置１０から坩堝２０内に夫々投入した。
【００４９】
比較例１においては、最大幅ｈが６０ｍｍのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージし、比較例２においては、最大幅ｈが１００ｍｍのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージし、比較例３においては、最大幅ｈが１５０ｍｍのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージし、比較例４においては、最大幅ｈが２００ｍｍのラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージした。
【００５０】
また、参考例として、上記従来の多結晶シリコン原料のリチャージ方法を用いて、最大幅ｈが３０ｍｍのミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２をリチャージし（参考例１）、また、最大幅ｈが５０ｍｍのミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２をリチャージした（参考例２）。
【００５１】
実施例１〜４、比較例１〜４、及び参考例１，２において、多結晶シリコン塊の投入の際のシリコン融液の飛散状況を観察した。その結果を以下の表に示す。
【００５２】
【表１】
表１において、○記号は坩堝外への融液の飛散がなかったことを表し、△記号は坩堝外への融液の飛散はあったが坩堝の損傷や破損はなかったことを表し、×記号は坩堝外への融液の飛散があり坩堝の損傷や破損があったことを表している。
【００５３】
表１から分かるように、本発明の実施の形態に係るリチャージ方法によれば、シリコン融液の飛散なしに大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージすることができる。しかしながら、従来のリチャージ方法においては、大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージする場合、シリコン融液が飛散してしまう。また、参考例から分かるように、ミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２のリチャージにおいては、従来のリチャージ方法であっても、シリコン融液が飛散することはない。
【００５４】
上述のように、本発明に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法によれば、大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をリチャージする場合であっても、シリコン融液が飛散することがない。このため、従来リチャージすることができなかった大きなラージサイズ多結晶シリコン塊Ｓ３をシリコン融液の飛散なしにリチャージすることができる。また、リチャージによる坩堝の損傷や破損を防止することができ、加えて、育成されるインゴットの単結晶化率や品質の低下をより防止することができる。さらに、大きな塊の多結晶シリコン原料は安価に製造でき、インゴットの製造コストを低減することができるという利点がある。
【００５５】
尚、本発明の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法においては、リチャージ装置１０を用いて多結晶シリコン塊を坩堝２０に投入するものとしたが、多結晶シリコン塊の投入の方法は、これに限られるものではない。多結晶シリコン塊の投入方法は、上述のように緩衝層が形成されるようなものであればよく、例えば異なる形態のリチャージ装置を用いてもよく、また、リチャージ装置を用いずに多結晶シリコン塊を投入してもよい。
【００５６】
また、本発明の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法においては、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとして、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１又はミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２を使用するものとしたが、緩衝層形成多結晶シリコン塊Ｓｂとしては、スモールサイズ多結晶シリコン塊Ｓ１とミドルサイズ多結晶シリコン塊Ｓ２とを混合した多結晶シリコン塊を使用してもよい。
【００５７】
さらに、本発明の実施の形態に係る多結晶シリコン原料のリチャージ方法はＣＺ法に適用可能であるとしたが、ＣＺ法は上述のものに限らず、例えば、磁界を用いたＭＣＺ法やシリコン以外の材料への適用も可能である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 本体
１ａ，１ｂ 端部
２ 蓋体
２ａ 円錐面
３ ワイヤー
４ 支持体
１０ リチャージ装置
２０ 坩堝
３０ ヒータ
４０ シリコン融液
４１ 表面
５０ 緩衝層
Ｓ１ スモールサイズ多結晶シリコン塊
Ｓ２ ミドルサイズ多結晶シリコン塊
Ｓ３ ラージサイズ多結晶シリコン塊
Ｓｂ 緩衝層形成多結晶シリコン塊
【特許請求の範囲】
【請求項１】
坩堝内に多結晶シリコン原料を充填する充填工程と、前記坩堝内において前記充填された多結晶シリコンを溶解してシリコン融液にする溶融工程と、前記シリコン融液に種結晶を接触させ、該接触させられた種結晶を引き上げることによりシリコン単結晶インゴットを育成する引上工程とを有するシリコン単結晶インゴットの製造方法において、前記溶融工程又は前記引上工程の後に多結晶シリコン原料を前記坩堝内に供給する多結晶シリコン原料のリチャージ方法であって、
前記坩堝内のシリコン融液の表面に緩衝領域を形成し、該形成された緩衝領域上に前記多結晶シリコン原料を供給し、
前記緩衝領域は、大きさが小さな多結晶シリコンの塊を前記坩堝内のシリコン融液の表面に投入することにより形成され、前記緩衝領域上に供給される多結晶シリコン原料は、前記小さな多結晶シリコンの塊よりも大きさが大きな多結晶シリコンの塊から成ることを特徴とする多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項２】
前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項３】
前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが５ｍｍ以上であり２０ｍｍより小さいことを特徴とする請求項２記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項４】
前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項５】
貫通する通路を有する本体と、該本体の一端を開閉可能にする蓋体とを備えるリチャージ装置を用いて前記多結晶シリコン原料を前記坩堝内のシリコン融液に供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項６】
前記大きな多結晶シリコンの塊はその大きさが前記本体の通路内を通過可能な大きさであって５０ｍｍより大きいことを特徴とする請求項５記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項７】
前記リチャージ装置の本体の一端を前記蓋体により閉鎖し、前記本体内に前記小さな多結晶シリコンの塊を充填し、該充填された小さな多結晶シリコンの塊の上に前記大きな多結晶シリコンの塊を充填し、前記蓋体を開放して前記多結晶シリコン原料を前記坩堝内のシリコン融液に供給することを特徴とする請求項５又は６記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項１】
坩堝内に多結晶シリコン原料を充填する充填工程と、前記坩堝内において前記充填された多結晶シリコンを溶解してシリコン融液にする溶融工程と、前記シリコン融液に種結晶を接触させ、該接触させられた種結晶を引き上げることによりシリコン単結晶インゴットを育成する引上工程とを有するシリコン単結晶インゴットの製造方法において、前記溶融工程又は前記引上工程の後に多結晶シリコン原料を前記坩堝内に供給する多結晶シリコン原料のリチャージ方法であって、
前記坩堝内のシリコン融液の表面に緩衝領域を形成し、該形成された緩衝領域上に前記多結晶シリコン原料を供給し、
前記緩衝領域は、大きさが小さな多結晶シリコンの塊を前記坩堝内のシリコン融液の表面に投入することにより形成され、前記緩衝領域上に供給される多結晶シリコン原料は、前記小さな多結晶シリコンの塊よりも大きさが大きな多結晶シリコンの塊から成ることを特徴とする多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項２】
前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが５ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項３】
前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが５ｍｍ以上であり２０ｍｍより小さいことを特徴とする請求項２記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項４】
前記小さな多結晶シリコンの塊はその大きさが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項２記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項５】
貫通する通路を有する本体と、該本体の一端を開閉可能にする蓋体とを備えるリチャージ装置を用いて前記多結晶シリコン原料を前記坩堝内のシリコン融液に供給することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項６】
前記大きな多結晶シリコンの塊はその大きさが前記本体の通路内を通過可能な大きさであって５０ｍｍより大きいことを特徴とする請求項５記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【請求項７】
前記リチャージ装置の本体の一端を前記蓋体により閉鎖し、前記本体内に前記小さな多結晶シリコンの塊を充填し、該充填された小さな多結晶シリコンの塊の上に前記大きな多結晶シリコンの塊を充填し、前記蓋体を開放して前記多結晶シリコン原料を前記坩堝内のシリコン融液に供給することを特徴とする請求項５又は６記載の多結晶シリコン原料のリチャージ方法。
【図１】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図３】
【図４】
【図２−１】
【図２−２】
【図２−３】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−１４０２９１（Ｐ２０１２−１４０２９１Ａ）
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２９４１７０（Ｐ２０１０−２９４１７０）
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００１１１０９６）シルトロニック・ジャパン株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月２６日（２０１２．７．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２８日（２０１０．１２．２８）
【出願人】（０００１１１０９６）シルトロニック・ジャパン株式会社 (23)
【Ｆターム（参考）】
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