[0001] 本发明涉及利用铸造法生成单晶硅的单晶硅生成装置等。

[0002] 作为生成硅的单晶的方法，通常进行丘克拉斯基(CZ)法、悬浮区熔(FZ)法。CZ法中，通过在坩埚内熔融多晶硅，与欲制作的方位的晶种共同提拉来生成单晶。此外，FZ法中，将晶种配设于棒状多晶硅的下部，并通过加热使晶种与多晶的界面部分熔融来生成单晶。在任一方法中，均可生成高品质的单晶硅，但设备昂贵，并且作业工序繁琐，是不适合太阳能面板等中使用的大型硅晶体、大量生产的技术。

[0003] 因此，为了效率良好地生成太阳能面板等中使用的大型硅晶体，使用铸造法(例如，参照专利文献1)。铸造法中，将固体硅在坩埚内熔融、冷却，从而能够大量且廉价地生成硅晶体。然而，在以往的铸造法中，主要生成多晶，因此期望利用铸造法效率良好地大量生产高纯度的单晶的技术。

[0004] 关于上述课题，专利文献2中公开了利用铸造法生成单晶硅的技术。在专利文献2所示的技术中，公开了如下技术：一边从在配置有晶种的坩埚底面配置的散热器(heat sink)抽出热，一边利用配置于散热器上所载置的坩埚的壁部的进一步加热器进行加热，从而通过在侧部区域引起晶种的生长来生成单晶硅。

[0005] 现有技术文献

[0006] 专利文献

[0007] 专利文献1：日本特开2003-267717号公报

[0008] 专利文献2：日本特表2011-528308号公报

[0038] 以下，对本发明的实施方式进行说明。本发明能够以多种不同的形态实施。此外，本实施方式的整体中相同要素赋予相同符号。

[0039] 本发明的第1实施方式

[0040] 对于本实施方式的单晶硅生成装置和使用该单晶硅生成装置的单晶硅生成方法，利用图1至图8进行说明。本实施方式的单晶硅生成装置利用铸造法制造主要用作太阳能面板的硅(Si)半导体的单晶。

[0041] 关于本实施方式的单晶硅生成装置所使用的铸造法，将固体的硅原料投入坩埚内并在高温下熔融，利用规定的方法对该熔融而成的液体硅进行冷却、固化，从而得到目标形状的硅晶体。通常，利用该铸造法固化而得的硅为多晶，但通过预先将单晶的种配置于坩埚的底部，并进行以下详细示出的冷却方法，能够生成缺陷少的高品质的单晶。

[0042] 图1的截面图表示本实施方式的单晶硅生成装置的一例。在单晶硅生成装置100中，作为用于容纳熔融的液体硅1和其一部分固化而生成的硅晶体2的容器的坩埚3、4被载置于台座5，与台座5连接且支撑该台座5的轴承台6被配设成能够上下移动。坩埚3、4、台座5和轴承台6的周围配设有加热器12-14，进行加热和冷却的温度控制。在单晶硅生成装置100的最外周，配设有用于隔绝热的隔热材7-11，其是隔绝与外部的热能的移动的构成。

[0043] 图2表示以往的一般的硅晶体生长法。图2(A)表示某一瞬间的坩埚3、4内的硅的状态，图2(B)表示从图2(A)的状态经过一段时间而进行生长时坩埚3、4内的硅的状态。以往，如图2(A)所示，一般进行的是，在坩埚3、4之中将熔融而成的液体硅从坩埚3、4的底部冷却并使其晶体生长。然后，如果在该状态下持续冷却，则如图2(B)所示，液体硅与固体硅的界面会随着硅晶体的生长而发生变动。从图2(B)可明确，如果利用以往的方法进行硅晶体的生长，则会产生单晶硅无法从晶种生长的区域(图中的点划线所示的区域)，并且在该区域中生长的硅晶体会变为多晶。

[0044] 为了消除该多晶区域，例如可考虑将单晶的晶种以覆盖坩埚3、4的整个底面的方式进行配置，但晶种的尺寸会变得非常大，从成本方面考虑，大型化也具有困难。此外，在以小的晶种进行晶体生长的情况下，如图2(A)所示，晶体生长的界面与坩埚3、4的底面所形成的角度(固体单晶硅所形成的角度)为90度以下，因此，如上所述，会产生单晶硅无法从晶种生长的区域。为了解决这样的问题，在本实施方式中，对从坩埚3、4的底面进行冷却的区域的周边区域从坩埚3、4的底面同时进行加热。

[0045] 图3是表示利用本实施方式的单晶硅生成装置实现的硅的晶体生长的图。图3(A)表示某一瞬间的坩埚3、4内的硅的状态，图3(B)表示从图3(A)的状态经过一段时间而进行生长时坩埚3、4内的硅的状态。如图3(A)所示，在本实施方式中，在对配置于坩埚3、4的底面的单晶硅的晶种区域进行冷却的同时，对该冷却的区域的周边区域同时进行加热。

[0046] 由此，如图3(A)所示，液体硅与固体硅的界面以形成略椭圆体的方式进行单晶硅的生长。即，晶体生长的界面与坩埚3、4的底面所形成的角度(固体单晶硅所形成的角度)大于90度，如图3(B)所示，即使是以小的晶种进行生长的情况，也不产生图2(B)那样的单晶硅无法从晶种生长的区域，即使是横方向的生长，也能够通过正确传达晶种的信息而生成高品质的单晶硅。

[0047] 图4是表示由热源进行加热的一例的图。图4(A)表示以往从坩埚的侧面进行加热的一例，图4(B)表示从本实施方式的坩埚的底面进行加热的一例。从图4可知，在坩埚底部，朝向热源A的热通量a向下，来自热源B的热通量b斜向下，因此热通量a与b的关系为a×b≥0。即，如图4(A)所示，在晶体生长的界面与坩埚3、4的底面之间，单晶硅所形成的角度为90度以下，如上所述，会产生生长硅多晶的区域。

[0048] 另一方面，对于利用本实施方式的单晶硅生成装置实现的硅的晶体生长的情况，如图4(B)所示，热通量a与热通量b的方向互为反方向，因此形成a×b＜0的关系。即，在晶体生长的界面与坩埚3、4的底面之间，单晶硅所形成的角度大于90度，如上所述，能够通过正确传达晶种的信息而生成高品质的单晶硅。

[0049] 接下来，对于使用本实施方式的单晶硅生成装置的单晶硅生成方法进行说明。图5是表示本实施方式的单晶硅生成方法的顺序的流程图。首先，向坩埚3、4中投入单晶硅的晶种，并配置于坩埚3、4的底面部(S1)。予以说明的是，此时，晶种优选配置于坩埚3、4的底面部的中心附近，但无需一定为中心附近，只要是吸热部能够进行吸热的位置即可。例如，在坩埚3、4的底面部为矩形的情况下，可配置于任一角。此外，不优选将晶种分割为多份而配置于多个区域，优选将一个晶种放置于一个区域。如果配置了晶种，则向坩埚3、4内投入作为将生成的单晶硅的原料(S2)。利用加热器12-14对坩埚3、4内进行来使硅原料熔融(S3)。此时，以维持晶种的至少一部分为固体的方式进行加热。

[0050] 如果原料熔融，则一边从坩埚3、4的底面部对晶种区域进行冷却，并且对该冷却的区域的周边区域同时进行加热，一边使原料固化(S4)。此时，从坩埚3、4的底面部的热源A对晶种区域进行吸热，利用比坩埚3、4的底面更下方的热源B对该冷却的区域的周边区域进行加热。由此，能够使热源A的热通量a与热源B的热通量b的关系成为a×b＜0，晶体生长的界面与坩埚3、4的底面所形成的角度(单晶硅所形成的角度)大于90度，能够通过正确传达晶种的信息而生成高品质的单晶硅。此外，此时，通过监视坩埚3、4整体的温度来进行热通量的控制。在监视坩埚3、4整体的温度的同时，以规定的时间点分别停止加热和吸热(S5，S6)，从而完成单晶硅的生成。予以说明的是，加热和吸热的停止根据坩埚3、4的形状、熔液的深度来控制。

[0051] 图6是表示利用上述说明的方法使单晶硅生长时的生长过程的图。从图6(A)开始硅晶体依次生长，最终生长至图6(H)，结束单晶硅的生成。从图6可知，生长以晶种为中心、以放射状(棉花糖(marshmallow)状、球体状、椭圆体状)进行，最终如图7所示，虽然一部分形成多晶，但能够使大部分生成为单晶。

[0052] 图8是利用上述方法使单晶硅生长时的生长时间与在晶体生长的界面和坩埚3、4的底面之间硅原料的熔融液所形成的角度的关系的图。图中各黑点(a)～(h)对应图6的(A)～(H)。在各工序中，基于坩埚整体的温度来控制吸热和加热，从而使在晶体生长的界面和坩埚3、4的底面之间熔融液所形成的角度(相当于图8中的纵轴)小于90度。即，可知在晶体生长的界面和坩埚底面之间硅晶体所形成的角度始终保持90度以上，晶体的生长以棉花糖状(球体状、椭圆体状)进行。

[0053] 这样，根据本发明的单晶硅生成装置和使用该装置的单晶硅生成方法，不仅能够从晶种进行上方向的晶体生长，而且能够进行横方向的晶体生长，从而能够由小的晶种生成不含多晶的高品质的单晶硅。此外，利用铸造法仅以从坩埚底面进行热控制的简单的作业工序，就能够生成高品质且大型的硅晶体，因此能够以廉价的设备的进行大量生产。

[0054] 符号说明

[0055] 1 液体硅

[0056] 2 硅晶体

[0057] 3-4 坩埚

[0058] 5 台座

[0059] 6 轴承台

[0060] 7-11 隔热材

[0061] 12-14 加热器

[0062] 100 单晶硅生成装置