JPH08104511A - 結晶板の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 固体材料を溶融して結晶板を製造する際に、
坩堝材料から融液内に不純物が混入して結晶板の品質を
低下するという課題があった。そこで坩堝を用いずに固
体材料を溶融することにより、結晶板の品質の向上を図
る。 【構成】 断面が円形または矩形の被溶融母材からなる
インゴット８の一面を表面から加熱することにより前記
被溶融母材の前記一面の表面を溶融して融液１７を形成
する手段と、該融液を融液面と平行方向に帯状に引き出
す手段と、前記引き出した融液を冷却固化する手段２０
と、前記インゴットを融液面の方向へ移動する手段を用
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は結晶性基板の製造方法に
関するものであり、より詳細には被溶融母材のインゴッ
トを溶融することにより結晶性の板材を製造する方法に
係わるものである。

【０００２】

【従来の技術】融液を用いる結晶板の製造方法としては
様々な方法が提案されている。シリコンの多結晶板の製
造を例として、以下に従来例を説明する。

【０００３】図１２は炭素繊維からなる網を溶融したシ
リコンの表面に接触させることによって炭素繊維網間に
シリコン液膜を形成させ、それを冷却固化することによ
って多結晶シリコン板を製造する方法の概略構成図であ
る（例えば、J. Crystal Growth, 82(1987),p10 を参
照）。

【０００４】図１２において、１と２は各々坩堝と加熱
用のヒーターであり、これにより固体のシリコン原料を
溶融して融液３を形成する。４は炭素繊維からなる網で
あり、この網４は矢印５の方向へ連続的に移動してい
る。炭素は溶融シリコンとの濡れ性が良いため、融液３
の表面に網４を接触させることによって網目間に融液３
の液膜が形成される。液膜は矢印６の方向すなわち上面
へ向かって潜熱を放出し冷却固化して帯状の多結晶板７
を形成する。

【０００５】この従来例では多結晶板７を製造する基体
として炭素繊維網４を用いているが、基体を用いない方
法として図１３に図示した方法がある（例えば、J. Cry
stalGrowth, 50(1980),p247 を参照）。

【０００６】図１３において、図１２と同一の構成要素
には同一の番号を付している。この方法は融液３に幅の
広い種結晶を接触させ、それを矢印５の方向へ引き出す
ことによって連続的に帯状の結晶板を製造するものであ
る。

【０００７】これらの従来技術を用いると、帯状の結晶
板を連続的に製造することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの技術
では坩堝内で固体原料を溶融することが基本となってい
る。しかし坩堝を使用することにより、以下に示す数多
くの課題が生じていた。

【０００９】１．シリコンは融点が1414℃と非常に高
く、これらの高融点材料を坩堝を使って溶融すると坩堝
材料が融液内に混入し、製造される結晶板の純度が低下
してしまうという重大な課題があった。

【００１０】２．上記従来例では融液の表面で結晶板を
形成しているため、融液の表面に波等の乱れが発生する
と形成する結晶板の表面にうねりが生じたり、あるいは
結晶板が途切れてしまい結晶板の製造そのものが不可能
になってしまうことがある。更に融液面を一定の高さに
保つことも重要である。一方、連続的に結晶板を製造す
るためには連続的にシリコンの固体材料を供給し溶融し
なければならない。ところが、融液面を乱すことなく固
体材料を連続的に供給することは困難であり様々なトラ
ブルの原因となっていた。

【００１１】３．坩堝内の固体原料を全て溶融する必要
があるため、所用電力量が大きい。そのために製造設備
が大がかりとなり、しかも製造コストが高くなってしま
う。

【００１２】４．坩堝内の固体原料を全て溶融するまで
の時間が長いため、製造を開始するまでに長時間を要す
る。

【００１３】５．坩堝は消耗品であり、そのコストが高
くついてしまう。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明では、断面が円形または矩形の被溶融母材からな
るインゴットの表面の一面を加熱することにより前記被
溶融母材の前記表面の一面を溶融して融液を形成する手
段と、該融液を融液面と平行方向に帯状に引き出す手段
と、前記インゴットを融液面の方向へ移動する手段を用
いる。

【００１５】あるいは他の方法として、円柱状または円
板状の被溶融母材からなるインゴットを該インゴットの
円形面の中心を通る中心軸を中心として回転する手段
と、前記インゴットの側面を加熱することにより前記被
溶融母材の側面を溶融して融液を形成する手段と、該融
液を融液面に対して接線方向に帯状に引き出す手段と、
前記回転する中心軸を帯状に引き出す部分の方向へ移動
する手段を用いる。

【００１６】また被溶融母材の表面を溶融する手段とし
て、被溶融母材より高い融点を有する板状の金属材料ま
たはセラミック材料を前記被溶融母材の溶融する面に対
向して配置し、炭化水素を成分とする燃料の燃焼炎によ
り前記金属材料またはセラミック材料を加熱して発する
熱輻射を用いて前記被溶融母材の表面を溶融する手段も
用いる。

【００１７】更に被溶融母材の表面を溶融する他の手段
として、被溶融母材より高い融点を有する管状の金属材
料またはセラミック材料を前記被溶融母材の溶融する面
に対向して配置し、前記管状の金属材料またはセラミッ
ク材料の内部で炭化水素を成分とする燃料を燃焼し、該
燃焼炎により前記管状の金属材料またはセラミック材料
を加熱して発する熱輻射を用いて前記被溶融母材の表面
を溶融する手段も用いる。

【００１８】

【作用】上記構成により、坩堝を用いることなく母材の
融液を形成し、さらに融液面の位置を一定に保持するこ
とが可能となる。また、燃焼炎を用いて母材を溶融でき
るため、大がかりな電力設備を不要とすることができ
る。

【００１９】

【実施例】以下、本発明を従来例と同様にシリコンの多
結晶板の製造に適用した場合の実施例を、図１から図１
１を参照しながら説明する。

【００２０】［実施例１］図１と図２は本発明の第一の
実施例による結晶板製造装置の概略構成図であり、図１
は側面図を、また図２は上面図を示したものである。

【００２１】図１において、８は原料となる直径１２ｃ
ｍの円柱状の多結晶シリコンのインゴットである。この
インゴットはシリコンウエハの製造原料となるチャンク
と呼ばれるものである。９はこのインゴット８の表面を
加熱し溶融するためのランプヒーターであり、ランプヒ
ーター９から発した熱線は反射鏡１０を用いて矢印１１
の方向に集光され、インゴット８を効率的に加熱するよ
うに設計されている。集光され加熱される位置はインゴ
ット８の円形面の中心から偏心した部分（図示Ａ部）と
している。

【００２２】１２は第一の従来例で示したものと同様の
炭素繊維網であり、従来例と同様にこれに溶融したシリ
コンの液膜を形成して多結晶板を製造する基体となるも
のである。インゴット８のランプヒーター９に対向した
面および炭素繊維網１２は石英容器１３内に配置され、
ガス供給口１４からアルゴンガスを供給することによっ
て不活性な雰囲気に置かれている。また、１５はインゴ
ット８を回転し、更に上方へ移動させるための駆動装置
であり、１６はその駆動軸である。

【００２３】アルゴンガスを供給して石英容器１３内の
空気を置換した後、ランプヒーター９を点灯するとイン
ゴット８の表面が加熱され溶融し、シリコンの融液１７
を形成する。インゴット８は駆動装置１５により回転し
ているため、その表面はほぼ均一に加熱されて融液１７
で覆われる。ただし、インゴット８表面のＡ部はランプ
ヒーター９により直接加熱されているのに対し、Ｂ部は
直接加熱されておらず放熱のためにＡ部に比べて低温な
融液となっている。Ｂ部の融液の温度はランプヒーター
９の加熱量やインゴット８の回転速度を調節することに
より、融点程度または多少過冷却な温度に設定すること
が望ましい。

【００２４】融液が形成された後、炭素繊維網１２を融
液１７の表面に接触させて矢印１８の方向へ移動させ
る。これによりＡ部で炭素繊維網１２の網目間にシリコ
ン融液の液膜が形成される。形成された液膜はＢ部で直
ちに矢印１９の方向へ潜熱を放熱して冷却固化し多結晶
板２０となる。

【００２５】なお、駆動軸１６は内部が二重管となって
おりその中を冷却水が流れている。２１はこの冷却水に
よって冷却される冷却板で、これによりインゴット８の
底面を冷却している。インゴット８の底面を冷却する理
由は、インゴット８の縦方向に温度分布を発生させてイ
ンゴット８の表面のみを溶融するためである。

【００２６】駆動装置１５の作用は前述したようにイン
ゴット８の表面全体を溶融するためであるが、それ以外
にも重要な作用がある。インゴット８である多結晶シリ
コンのチャンクは比較的安価に入手することができる
が、その製造方法に起因して形状は円柱状となってい
る。このインゴット８の表面を溶融して炭素繊維網１２
を接触させ続けるとインゴット８表面の接触部に凹みが
生じ、平らな多結晶板２０の製造が困難になってしま
う。そのためにインゴット８を回転して炭素繊維網１２
が融液１７の表面にむらなく接触するようにしているの
である。また駆動装置１５を用いてインゴット８を上方
へ移動するのは、帯状の多結晶板２０として減少した量
のシリコンを供給して融液１７の表面を一定の高さに保
つためである。

【００２７】本技術では坩堝を使用しないため、従来の
技術のように融液内に坩堝材料が混入し結晶板の純度を
低下させるという問題が生じない。しかも溶融する部分
はインゴットの表面のみであるため所用電力が小さく、
溶融に要する時間も短時間である。またインゴットを連
続的に上昇しているので融液面を乱すことなく常に固体
原料を供給することができ、従来例のような固体原料の
供給に伴うトラブルも発生せず、安定して多結晶板を製
造することができる。なお、坩堝を使用しないため当然
低コスト化を図ることができる。

【００２８】［実施例２］本発明の第二の実施例を図３
と図４を参照しながら説明する。図３と図４は本発明の
第二の実施例による結晶板製造装置の概略構成図であ
り、図３は側面図を、また図４は上面図を示したもので
ある。

【００２９】図３、４において図１、２と同等の構成要
素には同一の番号を付している。本実施例が第一の実施
例と異なる点は、インゴット２２に四角柱の形状を有す
るものを用い、ランプヒーター９を複数用いている点
と、駆動軸を回転していない点である。本実施例のよう
に、多結晶板２０の幅とインゴット２２の幅がほぼ同程
度であればインゴット２２の表面に部分的に凹みが生じ
ることがないため、インゴット２０を回転させなくても
よい。そのため駆動装置１４の構成を簡単にすることが
できる。

【００３０】［実施例３］本発明の第三の実施例を図５
と図６を参照しながら説明する。図５と図６は本発明の
第三の実施例による結晶板製造装置の概略構成図であ
り、図５は側面図を、また図６は上面図を示したもので
ある。

【００３１】図５、６においても図１、２と同等の構成
要素には同一の番号を付している。本実施例は多結晶板
の製造に炭素繊維網を用いることなく、従来技術の第二
の例のように融液１６から直接に帯状の多結晶板２０を
引き出して製造している。この方法では炭素繊維網を用
いないため、より低コスト化を図ることができる。

【００３２】［実施例４］本発明の第四の実施例を図７
と図８を参照しながら説明する。図７と図８は本発明の
第四の実施例による結晶板製造装置の概略構成図であ
り、図７は側面図を、また図８は下面図を示したもので
ある。

【００３３】図５、６において２３は円柱状の多結晶シ
リコンのインゴットであり、図示したように中心軸を水
平にして矢印２４の方向へ回転し、同時に矢印２５の方
向へ移動している。２６、２７、２８は前述の実施例で
説明したものと同様のランプヒーターと反射鏡と炭素繊
維網である。インゴット２３と炭素繊維網２８は石英容
器２９内に配置され、ガス導入口３０からアルゴンガス
を供給することにより内部を不活性雰囲気としている。

【００３４】アルゴンガスを供給した後、インゴット２
３を回転させランプヒーター２６を点灯するとインゴッ
トの表面が溶融し融液３１が形成される。この融液３１
に炭素繊維網２８を矢印３２の方向へ移動させながら接
触させることにより、シリコンの液膜が炭素繊維網２８
に形成される。液膜は矢印３３の方向へ放熱し冷却固化
して帯状の多結晶板３４となる。 インゴット２３とし
ては前述したものと同様にシリコンのチャンクが利用で
きる。一般にこのチャンクは直径１２ｃｍ程度の円柱状
であるが、その長さは数メートル程度あるため、本実施
例のようにインゴット２３の側面を溶融する方法を用い
れば幅の広い多結晶板を製造することができる。

【００３５】［実施例５］本発明の第五の実施例を図９
と図１０を参照しながら説明する。図９と図１０は本発
明の第五の実施例による結晶板製造装置の概略構成図で
あり、図９は側面図を、また図１０は加熱部を示したも
のである。

【００３６】本発明の技術ではインゴットの表面のみを
溶融しているので、電気ヒーターを用いて溶融するため
の所用電力は従来の技術に比べて少なくてすむ。しかし
直径１２ｃｍ程度のシリコンインゴットの表面を溶融す
るには数十ｋＷ程度の電力を要し、大きな電力設備が必
要となる。そこで本実施例は前記第一の実施例の加熱方
法に新たな技術を導入したものである。なお図９、１０
においては、加熱方法に関する構成要素以外のものにつ
いては第一の実施例と同一の番号を付している。

【００３７】図９、１０において、３５は酸素−アセチ
レンバーナーでありこの燃焼炎３６の温度はは最高３０
００℃程度に達する。３７は融点が３３８２℃と高いタ
ングステン板であり、インゴット８の溶融する面に対向
して配置している。バーナー３５は図１０に示すように
複数の火炎３６を並べて発生できるように構成されてお
り、これにより長尺なタングステン板３７を均一に加熱
できるようになっている。なお、３８は酸素ガスとアセ
チレンガスの導入口である。インゴット８の表面を溶融
するには、先ず燃焼炎３６によりタングステン板３７を
シリコンの融点以上に加熱する。加熱されたタングステ
ン板３７からは高温の熱輻射３９が発生し、この熱輻射
３９を受けてインゴット８の表面が溶融する。本実施例
では図１０に示したように長尺なバーナー３５と長尺な
タングステン板３７を用いているため、あたかも第一の
実施例で示したランプヒーター９のように長尺な方向に
ほぼ均一に加熱することができる。

【００３８】本実施例ではインゴット８を溶融する熱源
として酸素−アセチレンバーナーを用いているために大
がかりな電力設備を必要とせず、安価な設備で結晶板を
製造することができる。

【００３９】［実施例６］本発明の第六の実施例を図１
１を参照しながら説明する。本実施例は上記第五の実施
例と同様に酸素とアセチレンの燃焼炎を加熱方法とし
た、本発明になる加熱方法を用いた加熱装置部の概略構
成図である。

【００４０】図１１において、４０はタングステンから
なる燃焼管であり、その一方のガス導入口４１から酸素
とアセチレンの混合ガスが供給され、排出口４２から排
出される。４３は被溶融母材の溶融面であり、燃焼管４
０はこの溶融面４３に対向して配置している。４４は第
一の実施例の図１に示したものと同等の反射鏡である。

【００４１】混合ガスは燃焼管４０内で燃焼し、燃焼管
４０を高温に加熱する。そのため燃焼管４０からは高温
の熱輻射４５が発生し、反射鏡４４で収束されて溶融面
４３を加熱することができる。本実施例では燃焼管４０
の表面から発する熱輻射４５を熱源としている点に特徴
がある。そのため、あたかも第一の実施例で示したラン
プヒーター９のように、反射鏡４４等を用いて熱輻射４
５を収束し、加熱を効率的に行うことができるという特
徴を有している。

【００４２】なお、第５および第６の実施例では加熱源
として酸素とアセチレンの混合ガスを用いたが、燃料そ
のものはこれに限るものではなく、高温でしかも必要量
の熱量を発生できるものであればよい。なお、当然ラン
プヒーターや通常のヒーター、あるいは電磁方式による
加熱方法を併用してもよい。また、本実施例ではバーナ
ーで直接加熱される材料としてタングステンを用いた
が、この材料は被溶融母材の融点より高い融点を有する
材料であれば、他の金属材料やセラミック材料でもよ
い。例えば、モリブデン等の高融点金属や酸化ジルコニ
ウム等のセラミックスでもよい。

【００４３】上記第１、第２、第４、第５の実施例では
多結晶板を形成する基体として炭素繊維網を用いたが、
本発明はこの網の形状や素材等を何ら限定するものでは
なく、単純な繊維状のものや石英製のもの等でもよい。

【００４４】

【発明の効果】本発明により坩堝を用いずに母材を溶融
できるため、坩堝材料が融液内に混入し製造される結晶
板の純度が低下してしまうという問題を解消することが
でき、当然坩堝に要する費用も発生しない。また、原料
となる固体の供給が非常に容易でしかも安定しているた
め、融液面を乱すこともなく平滑な板状結晶を安定して
製造することができる。さらに本発明の技術では固体を
溶融するのはインゴットの表面のみであるため、従来の
坩堝内の固体原料を全て溶融する方法に比べて消費電力
が極めて小さく、しかも溶融し製造を開始するまでの時
間も大幅に短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の結晶板の製造装置の側
面図

【図２】本発明の第一の実施例の結晶板の製造装置の上
面図

【図３】本発明の第二の実施例の結晶板の製造装置の側
面図

【図４】本発明の第二の実施例の結晶板の製造装置の上
面図

【図５】本発明の第三の実施例の結晶板の製造装置の側
面図

【図６】本発明の第三の実施例の結晶板の製造装置の上
面図

【図７】本発明の第四の実施例の結晶板の製造装置の側
面図

【図８】本発明の第四の実施例の結晶板の製造装置の上
面図

【図９】本発明の第五の実施例の結晶板の製造装置の側
面図

【図１０】本発明の加熱装置の概略構成図

【図１１】本発明の加熱装置の概略構成図

【図１２】従来の結晶板の製造装置の斜視図

【図１３】従来の結晶板の製造装置の斜視図

【符号の説明】

８ シリコンインゴット ９ ランプヒーター １２ 炭素繊維網 １５ 駆動装置 １７ 融液 ２１ 冷却板

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】断面が円形または矩形の被溶融母材からな
   るインゴットの表面の一面を加熱することにより前記被
   溶融母材の前記表面の一面を溶融して融液を形成する手
   段と、該融液を融液面と平行方向に帯状に引き出す手段
   と、前記インゴットを融液面の方向へ移動する手段を有
   する結晶板の製造方法。
2. 【請求項２】インゴットの円形面を加熱溶融し該融液面
   に垂直な中心軸を中心として回転する手段を有する請求
   項１記載の結晶板の製造方法。
3. 【請求項３】円形面の中心から偏心した部分を他の部分
   に比べて強く加熱する手段を有する請求項１又は２記載
   の結晶板の製造方法。
4. 【請求項４】インゴットの被加熱面以外の面を冷却する
   手段を有する請求項１、２又は３記載の結晶板の製造方
   法。
5. 【請求項５】円柱状または円板状の被溶融母材からなる
   インゴットを該インゴットの円形面の中心を通る中心軸
   を中心として回転する手段と、前記インゴットの側面を
   加熱することにより前記被溶融母材の側面を溶融して融
   液を形成する手段と、該融液を融液面に対して接線方向
   に帯状に引き出す手段と、前記回転する中心軸を帯状に
   引き出す部分の方向へ移動する手段を有する結晶板の製
   造方法。
6. 【請求項６】被溶融母材より高い融点を有する板状の金
   属材料またはセラミック材料を前記被溶融母材の溶融す
   る面に対向して配置し、炭化水素を成分とする燃料の燃
   焼炎により前記金属材料またはセラミック材料を加熱し
   て発する熱輻射を用いて前記被溶融母材の表面を溶融す
   る請求項１又は５記載の結晶板の製造方法。
7. 【請求項７】被溶融母材より高い融点を有する管状の金
   属材料またはセラミック材料を前記被溶融母材の溶融す
   る面に対向して配置し、前記管状の金属材料またはセラ
   ミック材料の内部で炭化水素を成分とする燃料を燃焼
   し、該燃焼炎により前記管状の金属材料またはセラミッ
   ク材料を加熱して発する熱輻射を用いて前記被溶融母材
   の表面を溶融する請求項１又４記載の結晶板の製造方
   法。
8. 【請求項８】インゴット材料として多結晶シリコンを用
   いる請求項１から７のいずれかに記載の結晶板の製造方
   法。