阅读说明：本技术 单晶制造装置和单晶制造方法 (Single crystal manufacturing apparatus and single crystal manufacturing method ) 是由 进藤勇 于 2018-03-29 设计创作，主要内容包括：本发明的目的在于制造无晶粒边界的大型单晶,所述单晶是在垂直方向和水平方向上均为具有最佳添加物浓度的均质组成的高品质的单晶。单晶制造装置,其至少具备：将一定量的粒状原料供给至位于下方的粒状原料熔解单元的粒状原料供给单元,将由所述粒状原料供给单元供给的粒状原料加热并熔解成原料熔液、向位于下方的单晶制造用坩埚内供给所述原料熔液的粒状原料熔解单元,具有在底部设置种晶单晶的单晶制造用坩埚、和对所述单晶制造用坩埚内的种晶单晶的上表面照射红外线的第1红外线照射装置的结晶化单元；向对所述种晶单晶的上表面照射红外线而形成的熔液中倒入由所述粒状原料熔解单元供给的原料熔液,从所形成的混合熔液析出单晶。(the present invention aims to produce a large single crystal without grain boundaries, which is a high-quality single crystal of homogeneous composition having an optimum additive concentration both in the vertical direction and in the horizontal direction. A single crystal manufacturing apparatus at least includes: a granular raw material supply unit for supplying a predetermined amount of granular raw material to a granular raw material melting unit located below, a granular raw material melting unit for heating and melting the granular raw material supplied from the granular raw material supply unit into a raw material melt and supplying the raw material melt into a crucible for single crystal production located below, a crystallization unit including a crucible for single crystal production having a seed crystal provided at a bottom thereof, and a 1 st infrared irradiation device for irradiating an upper surface of the seed crystal in the crucible for single crystal production with infrared rays; the raw material melt supplied from the granular raw material melting means is poured into a melt formed by irradiating the upper surface of the seed crystal single crystal with infrared rays, and a single crystal is precipitated from the formed mixed melt.)

单晶制造装置和单晶制造方法

技术领域

本发明涉及将组成均质化为最佳组成并高效地制造例如直径超过1000～2000mm的大型单晶的单晶制造装置、以及使用该单晶制造装置来制造大型的最适添加物组成单晶(以下也记为“最适结晶”)的单晶制造方法。

背景技术

在利用太阳能发电以用作电能的所谓的太阳能电池产业中，作为将太阳光转换为电能的材料，研究了各种材料并进行实用化，但其中大部分市场由结晶硅占据。

使用了太阳能电池的发电成本相比以往虽大幅降低，但依然明显高于使用化石能源的火电厂、水电厂和核电厂等的发电成本，因此要求进一步削减成本。

在利用结晶硅的太阳能电池中，使用基板整体具有单一方位的单晶硅基板(以下也记为单晶基板)和包含多个粒界的多晶硅基板(以下也记为多晶基板)。多晶基板中所含的粒界部导致太阳能电池特性的劣化，单晶基板更适于高效率发电。但是，以往的单晶基板的制造方法的制造成本远高于多晶基板，因此要求开发能够以低成本制造高性能的单晶基板的新的制造方法。

为将单晶基板用作太阳能电池，添加了硼的P型或添加了磷的N型均可适用，但添加了磷的N型单晶基板因能高效发电而备受期待。

具体而言，组合使用了能够在较短波长范围内使用的非晶质硅和能够在较长波长范围内使用的添加了磷的N型单晶基板的称作HIT型的方式能够实现高转换效率。

进一步，将在基板的两面进行配置的电极仅配置在背面而能够高效利用太阳光的方式也与HIT型同样，需要N型单晶基板。

作为在太阳能电池中使用的结晶硅的制造方法，使由原料熔解而形成的熔液固化来制造单晶的属于所谓的熔液法的方法是能够最迅速地制造大型结晶的方法。作为属于熔液法的方法，已知有使熔液流入铸模以固化的铸入法(浇铸法)、使坩埚中的熔液自下方向上方固化的单向凝固法(日文：一方向凝固法)、在坩埚中的熔液中浸入种晶单晶使其增大的同时向上方提拉的提拉法(日文：引上法)、对棒状原料局部加热以形成熔体并使原料的熔解和固化持续进行的浮区熔融法(日文：浮遊帯域溶融法)等。

使用用于保持在熔液法中形成的熔液的坩埚的方式对大型单晶制造最为有利，因此在产业上广泛应用。另外，浮区熔融法具有不使用坩埚而不受来自坩埚的污染、能够制造高纯度的制品、原料的熔解和固化持续进行而使制品中的添加物浓度为均质等优点，因此单独针对研究开发用途进行使用。

作为坩埚的材质，较好是能够稳定地保持熔液且廉价的材料，但在单晶硅制造时，硅熔液的反应性高而未发现其他合适的材料，因此一直使用石英。但是，硅熔液会与石英反应生成一氧化硅(SiO)并部分固溶于制品中，因此需要注意。

作为在坩埚中形成原料熔液来制造大型单晶的方法，已知有布里奇曼法(日文：ブリッジマン法)。该方法是在坩埚的底部配置种晶单晶并使上方的原料熔液在该种晶单晶上固化以整体形成单晶的方法。

但是，如果通过该方法制造硅单晶，则存在硅熔液和石英熔接并固化、导致制品中产生龟裂的问题。该问题的原因主要在于冷却过程中硅和石英的热膨胀率的不同。

于是，在最初应用了使原料熔液流入碳制的铸模并使之固化的所谓的浇铸法(铸入法)。碳材料与硅熔液反应生成碳化硅，但是硅熔液与碳材料接触后迅速开始固化，因此碳化硅的生成仅限于铸模表面，且生成的碳化硅从作为基底的碳剥离，从而能够抑制制品中产生龟裂。

但是，熔液在碳制铸模的整个范围内开始固化，制品形成为无数个小的结晶的集合体，这种集合体称作多晶硅。

通过浇铸法制造的多晶硅块沿水平方向切割成基板使用，但在坩埚的上部和下部，单晶粒子彼此之间的边界部沿基板的垂直方向存在。另一方面，在坩埚的中心部附近，单晶粒子彼此之间的边界部沿与基板平行的方向存在。

已知在单晶粒子彼此之间的边界部，电传导性等特性会发生劣化，但该边界部相对于薄片沿垂直方向存在的情况下，除边界部以外，其他均作为单晶粒子存在。

但是，如果边界部沿与薄片平行的方向存在，则单晶粒子很少以贯通薄片的方式存在，会受到边界部的强烈影响，难以有效提取所获得的电力，因此表观转换效率会劣化。

于是进行了装置的改良，在各个坩埚的外侧配置电炉以在上下方向上形成温度梯度，使得仅从坩埚的下侧向上进行固化。使用这种改良的新装置的制造方法在结晶生长学上是称作“单向凝固法”的方法。

通过单向凝固法能够制造提高太阳能电池的效率的结晶，但是这种情况下碳制坩埚与硅熔液的反应时间在数量级上变长，由反应生成的碳化硅相的厚度与浇铸法相比大幅变厚。

碳化硅较硬，在切割加工等基板制造过程中会发生各种各样的问题，难以提高制品的产率。

之后，实际应用了在石英制坩埚(以下也记为石英坩埚)的表面涂布作为脱模剂的氮化硅以防止石英与硅的熔接、使固化的制品中不产生龟裂的方法。

到此为止的使原料熔液流入碳制坩埚内以固化的浇铸法，以及从在其之后开发的经设计以在碳制坩埚的上下方向上形成温度梯度、使得从坩埚的下方向上方持续固化的单向凝固法进一步发展的在涂布了脱模剂的石英坩埚中使硅熔解、直接使熔液从石英坩埚的下方向上方逐渐固化的制造大型结晶的单向凝固法成为了主流方法。另外，在业内有时习惯将该“单向凝固法”像以前那样称作“浇铸法(铸入法)”，但这种叫法是错误的。

该单向凝固法中，熔液开始固化的部位并不是一处，而是从坩埚的底面的整个范围内开始，因此大量的单晶粒子开始各自生长。因此，整体上是形成为由单晶粒子聚集而得的组织的多晶。

在单向凝固法中，作为使制品整体作为单晶而结晶化的方法，已知有如上所述的布里奇曼法。但是在硅的情况下，如果为了避免石英坩埚与硅熔液的熔接而使用脱模剂，则硅的微结晶会从涂布了该脱模剂的部位开始生长，整体上不形成单晶，因此难以应用布里奇曼法。

作为单晶硅的制造方法，已知有旋转提拉法(提拉法)、高频浮区熔融法(高频FZ法)、红外线浮区熔融法(红外线FZ法)等。

提拉法是在石英坩埚中将硅原料熔解，在其中浸入微细的种晶单晶，边使其缓缓***并提拉边使单晶持续生长，得到大型单晶。

在高频FZ法中准备圆棒状的原料棒、配置于该原料棒的下部的种晶单晶，通过高频感应对该圆棒状的原料棒的下部进行加热和熔解，与下部的种晶单晶接合并将种晶单晶整体降低，持续在熔液的上侧进行原料的熔解、在下侧使单晶从熔液固化，从而制造单晶。

该高频FZ法未使用石英坩埚，因此能够制造没有石英成分混入的高纯度单晶。但是，能够制造的最大直径小，还需要经特别调整的高度致密的昂贵的原料棒，因此未用于通常的太阳能电池用单晶的制造。

红外线FZ法中，与高频FZ法同样地向圆棒状的原料照射红外线进行局部加热以形成熔液，持续在上侧进行原料熔解并在下侧使固体作为单晶析出，从而制造单晶。

该红外线FZ法中的原料棒能够应用从绝缘体到良导体的多种材料，但是能够制造的制品的最大直径小，因此未用于需要大型单晶的产业中。

将结晶硅用作太阳能电池的情况下，使用添加了硼或磷作为添加物的基板。添加物浓度如果过低则转化效率降低，浓度过高则由于再结合而导致转换效率降低，因此毫无疑问地在硼和磷的情况下均期望分别为最适浓度且在整个结晶范围内均为最适浓度组成的均质的制品。

已知上述提拉法属于使熔液整体从上方向下方固化的所谓的单向凝固法，因此具有由偏析现象导致所得的制品中的硼和磷等添加物浓度不恒定的特征。

即，熔液中的添加物浓度与固化后的结晶中的添加物浓度不同，以由物质规定的比率进行固化。将该比率称作“分配系数”，熔液中的浓度记为1时，生成的结晶中的浓度在硼的情况下为0.8左右，在磷的情况下为0.35左右。

因此，如果从含有添加物的熔液开始固化，则生成的结晶中的添加物浓度低于熔液中的浓度，差值残留于熔液中，因此随着生长的进行，熔液中的添加物浓度也逐渐升高。

熔液中的添加物浓度与生成的结晶中的添加物浓度之比由分配系数规定，因此如果随着结晶化的进行熔液中的添加物浓度升高，则生成的结晶中的添加物浓度也逐渐升高。

在用提拉法制造添加有分配系数为0.35左右的低值的磷的N型硅结晶的情况下，具有结晶中的磷的浓度变化大以及即便使坩埚中熔解的原料全部固化来制造单晶、制品中最佳组成部分也极少的根本上的问题。

即，如果仅用最佳组成的基板制造制品，则虽然太阳能电池的转换效率变高，但制造成本会变得极为高昂。

反之如果扩大组成范围来使用相比最佳组成过于稀薄的基板或过浓的基板以降低成本，则太阳能电池的转换效率会劣化。

作为通常的削减制品的制造成本的手段，有时将制品尺寸大型化并增加相同工序所能生产的数量以降低制品的单价。在太阳能电池用硅的情况下，最新的标准尺寸为对角线长220mm的制品，因此可考虑通过提拉法制造直径超过500mm的大型单晶，相当于一次制造标准尺寸的4倍的数量，藉此降低单价。

但是，如果在实践中使用提拉法制造直径超过500mm的大型单晶，则需要超大型的装置，制造成本在数量级上变得高昂。

在最开始使原料熔解后再进行固化的所谓的熔液法中，为了将添加物的浓度均质化为最适组成，应用称作“移动溶剂法(日文：溶媒移動法)”的策略是唯一的方法。

即，最适组成固体虽然仅从平衡共存的组成的溶液(将其称作溶剂)固化，但如果固化则溶液的组成会产生偏差，需要以与固化的成分相同的组成补给相同量的原料以将溶剂的组成和量始终维持在一定水平。

通过该策略，溶剂从加工成圆棒状的原料棒的单侧移动以在溶剂中熔解原料，同时固体从溶剂中析出，因此从表观上看溶剂发生了移动。因此被称作“移动溶剂法”。

溶剂的组成例如在向硅中添加磷的情况下，分配系数为0.35左右，因此是最适浓度组成结晶的大约3倍的较浓的浓度。

理论上能够制造大型单晶的布里奇曼法中，在制造单晶硅时能够使用的坩埚材料仅有石英，但是石英与硅熔接会在制品中产生龟裂，因此必需在表面涂布脱模剂。

但是，已知会从涂布有该脱模剂的部分生成新的微晶，无法形成单晶。

这意味着，如果能够抑制从涂布有脱模剂的部分的微晶的形成或抑制形成的微晶的生长，则所得的制品除了坩埚内壁附近的部分以外，整体上为大型单晶。

从而，如果开发维持基于抑制了在涂布有脱模剂的坩埚内壁的新微晶的生长的布里奇曼法的大型单晶制造方法的模式、并将原料的供给量和固体的析出量控制为相同的应用移动溶剂法的方法，则能够制造添加物浓度为最适组成且均质的大型单晶。

利用这种新的制造方法，则对以太阳能电池产业为首的通信用、医疗用等其他利用大量单晶的领域具有难以预计的贡献。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2014-076915号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

将单晶材料用于工业用途时，在很多情况下需要添加物。例如将单晶硅用作太阳能电池用的基板时，添加硼或磷后再加以利用，添加物的浓度也存在最适浓度。添加物浓度如果过低则发电效率低，添加物浓度过高则产生再结合现象，导致发电效率降低。

因此，要求单晶材料具有最适添加物浓度且为均质，作为代表性的单晶材料的制造方法的提拉法具有无法制造添加物浓度为均质的单晶的致命缺陷。

利用提拉法制造均质组成的单晶的情况下，已知有能够应用上述移动溶剂法的双坩埚提拉法。但是，在硅的情况下，能够用作坩埚材料的素材仅有石英，石英材料在硅的熔点附近会发生软化、与硅熔液的反应会加剧等多种原因导致未能成功实际应用。

本发明鉴于这种情况而完成，目的在于提供利用能够制造大型单晶的布里奇曼法的优点、可制得在垂直方向和水平方向上添加物浓度均为最适组成的均质的大型单晶的单晶制造装置，和使用该单晶制造装置的单晶制造方法。

解决技术问题所采用的技术方案

利用使原料熔解生成的熔液固化来制造单晶的所谓的熔液法制造具有最适浓度的均质单晶时，必需应用移动溶剂法。

即，提供具有从能够生成最佳浓度的结晶的组成的熔液使单晶固化、且同时向熔液中持续供给与固化的分量等量且相同组成的最佳浓度的原料熔液的功能的单晶制造装置，以及使用该单晶制造装置的单晶制造方法。

本发明人为了解决上述技术问题，发明了能够利用布里奇曼法的主要技术来制造大型单晶且能够使组成均质化为最适组成的新型单晶制造装置，以及使用该单晶制造装置的单晶制造方法。

即，以往如果想要通过作为能够制造大型单晶的方法而众所周知的布里奇曼法来制造硅单晶，则存在作为坩埚材料的石英与硅熔液熔接并固化、由于两者的热膨胀率的差异而导致制品中产生龟裂的问题。

对此，如果在石英坩埚的内壁涂布脱模剂则能够抑制龟裂的产生，但是存在涂布了脱模剂的部分会生长无数的微晶、整体形成为多晶而无法得到所期望的单晶的问题。

能够保持硅熔液且廉价的坩埚材料为石英，但是如果使用石英坩埚则需要涂布脱模剂，如果涂布脱模剂则被涂布的部分会发生微晶的生长，因此并不知晓使用涂布了脱模剂的石英坩埚的单晶制造方法。

本发明人发现了下述单晶化方法：使用大型坩埚并使在设置于大型坩埚的下部的种晶单晶的上表面形成的熔液固化以制造大型单晶时，通过提高熔液的周缘部的温度以抑制微晶生长并使整体固化来使除了熔液的周缘部以外的大部分单晶化。

进一步，通过熔液法制造均质组成单晶时必需使用“移动溶剂法”。使用该“移动溶剂法”制造单晶时，起到溶剂作用的熔液相的厚度较好是调整至所需要的最小限度且为均质。

即，最适组成的添加物浓度的固体与由分配系数规定的添加物浓度的熔液以平衡状态共存。在维持该条件的状态下制造具有最适组成且为均质的单晶时，要求在固体从熔液作为单晶析出的同时补给具有最适组成的相同量的原料熔液，将熔液相的组成和量始终维持为均质。

此时，熔液相的厚度如果薄则整体的浓度容易均质化，如果厚则需要花费时间达成均质化。因此，为使其均质化，需要减缓固体的析出速度，即减缓单晶的制造速度。

进一步，在单晶制造的收尾阶段，原料熔液的滴加结束时均质组成的单晶的制造也结束，但是剩余的熔液相也会继续固化，从而使整体固化。但是，熔液相固化的区域的组成发生偏差，无法形成精密的制品。因此，这种无法形成制品的部位的尺寸越小越好。

即，熔液相的厚度越薄越好。但是，迄今为止尚不知晓能够在坩埚的下部形成薄的熔液相的单晶制造装置和单晶制造方法。

如果向材料照射红外线，则材料吸收能高的情况下能够容易地提高材料的温度以形成熔液。此时，红外线被材料吸收，因此无法到达所形成的熔液相的底部。

例如在硅的情况下，所形成的熔液相的厚度仅为20～30mm左右。这意味着，照射红外线形成熔液相、使用移动溶剂法制造均质组成的单晶时，所形成的熔液相的厚度仅到20～30mm左右为止，从而伴随着单晶制造的熔液相的组成变动能够容易地均质化，并且能够减小单晶制造收尾阶段形成的熔液相的固化部，因此能适用于提高良品率。

照此，发明了采纳能够制造大型单晶的布里奇曼法的主要技术以及能够采用照射红外线的方式来有效地利用移动溶剂法的新型的大型单晶制造装置，以及能够制造均质组成的大型单晶的单晶制造方法。

即，本发明的单晶制造装置是在单晶制造用坩埚内设置种晶单晶、将粒状原料经粒状原料熔解单元熔融而得的原料熔液供给至所述单晶制造用坩埚内、在所述种晶单晶上使单晶作为固体析出以制造大型单晶的单晶制造装置，

所述单晶制造装置至少具备：

将一定量的所述粒状原料供给至位于下方的粒状原料熔解单元的粒状原料供给单元，

将由所述粒状原料供给单元供给的粒状原料加热并熔解成原料熔液、向位于下方的所述单晶制造用坩埚内供给所述原料熔液的粒状原料熔解单元，

具有在底部设置所述种晶单晶的单晶制造用坩埚、和对所述单晶制造用坩埚内的种晶单晶的上表面照射红外线的第1红外线照射装置的结晶化单元；

向对所述种晶单晶的上表面照射红外线而形成的熔液中倒入由所述粒状原料熔解单元供给的原料熔液，从所形成的混合熔液析出单晶。

如果照此构成，则最适组成的粒状原料(粒状结晶母材+粒状添加物)被连续地供给至粒状原料熔解单元，熔解生成的原料熔液被连续地滴加至单晶制造用坩埚(以下也简称为坩埚)内。

进一步，控制红外线的照射量、红外线的照射分布以使种晶单晶的上表面接收来自第1红外线照射装置的红外线照射、使所形成的熔液相的厚度保持固定，藉此能够使所得的单晶的组成与所滴加的最适组成的原料熔液相同，从而能够制造在垂直方向和水平方向上均具有最适浓度的均质化的单晶。

另外，结晶化单元的第1红外线照射装置优选配置在坩埚的上部。

另外，通过第1红外线照射装置照射坩埚内的种晶的上表面而得的熔液相期望具有尽可能薄的厚度。

在单晶制造的收尾阶段熔液相固化后结束，如果不向原料熔液滴加熔液相而直接固化，则该固化区域的添加物浓度随着固化的进行而变浓，超出规格。如果熔液相的厚度厚，则该超出规格的部位会增多。因此，熔液相的厚度越薄，越能提高整体为高品质的制品的回收率，因此优选。

另外，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料供给单元具有：

容纳所述粒状原料的料斗，

调整至规定的供给速度以将一定量的所述料斗内的粒状原料向下方供给的粒状原料定量供给F装置。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料供给单元具有：

将所述料斗内的粒状原料刮出并向下方供给的粒状原料刮出装置。

另外，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料供给单元具有：

将由所述粒状原料定量供给装置供给的粒状原料供给至下方的粒状原料熔解单元的规定位置的供给管。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述供给管的材质为石英。

另外，本发明的单晶制造装置的所述料斗的下部设置有开口部，

所述料斗的内部配置有能够旋转的螺旋棒。

从容纳粒状原料的料斗刮出粒状原料时，料斗内的粒状原料中形成空洞，有时会发生无法从料斗取出粒状原料的现象。

为了防止该现象的发生，稳定且连续地刮出粒状原料，可在料斗内设置螺旋棒并使其旋转，藉此防止空洞的形成。

进一步，为了稳定地从料斗内刮出粒状原料，例如将在棒的前端部设置勺状的容器而成的粒状原料刮出装置***设置在料斗下部的开口部，如果抽出则进行半旋转以使粒状原料刮出装置上的粒状原料落下，藉此能够连续且稳定地从料斗取出粒状原料。

测定由粒状原料刮出装置供给的粒状原料的重量，通过粒状原料定量供给装置准确地调整至规定的供给速度，介由供给管供给至下方的粒状原料熔解单元的规定位置。供给管的素材没有特别限定，在硅的情况下较好是石英。如果是石英则能够降低被金属杂质污染的可能性。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述料斗具有

用于拆装容纳所述粒状原料的收纳容器的拆装结构。

另外，本发明的单晶制造装置的所述拆装结构具有

任意调整所述拆装结构内和收纳容器内的气氛的气氛调整功能。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料熔解单元和结晶化单元配置在密闭腔室内。

另外，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料供给单元配置在密闭腔室内。

进一步，本发明的单晶制造装置具有连通所述料斗内部和所述密闭腔室、或将所述料斗内部和所述密闭腔室调整为相同气氛的气氛调整装置。

照此将料斗与容纳粒状原料的收纳容器连通、任意控制气氛以使收纳容器内的气氛与料斗内部相同后将内容物转移至料斗并拆装，藉此即便在单晶制造过程中也能任意地追加和补给粒状原料，因此能够使料斗的尺寸小型化。

另外，如果料斗内部和配置有结晶化单元的密闭腔室连通，则料斗内的气氛和配置有结晶化单元的密闭腔室的气氛始终相同，能够稳定地进行粒状原料的供给。而且，能够根据单晶材料的特性来将料斗内的气氛和密闭腔室内的气氛维持在最适水平，进而能够制造高纯度且高品质的单晶。

另外，具有料斗的粒状原料供给单元也可与粒状原料熔解单元和结晶化单元同样地配置在密闭腔室内。

另外，本发明的单晶制造装置的所述密闭腔室为水冷结构。

照此如果密闭腔室为水冷结构，则能够抑制密封部随着密闭腔室的温度升高的劣化等，可高效地进行高精度的气氛控制，能够以良好的产率制造单晶。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述料斗由分别容纳组成不同的粒状原料的多个料斗构成。

在从单晶制造的最初阶段开始精密地制造具有最适组成的单晶制品的情况下，分别设置粒状结晶母材用的料斗和粒状添加物用的料斗，能够分别连通粒状原料刮出装置、粒状原料定量供给装置和供给管来使用。

然后，与应当在坩埚内的种晶单晶的上表面形成的熔液相的最初的量匹配，能够分别控制无添加的粒状结晶母材与粒状添加物的供给量并供给。进一步，与随着制造的进行而增加的熔液相的量匹配并将组成维持在与熔液相相当的水平，藉此能够制造均质且为最适组成的单晶。

这种情况下，具有在种晶单晶上生长的单晶制品的组成容易从最初就均质化为最适组成的优点。

另外，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料熔解单元具有：

接收所述粒状原料的粒状原料熔解容器，

加热所述粒状原料熔解容器以熔解所述粒状原料熔解容器内的粒状原料的容器加热装置。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料熔解容器具有：

加热所述粒状原料以熔解的熔解部，

仅保持在所述熔解部生成的熔液的熔液保持部。

另外，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料熔解容器由

舟状容器、

将所述舟状容器划分为所述熔解部和熔液保持部的在下方设置有槽的隔离板构成。

作为熔解容器的实施方式，可例举如下结构：通过在下方设置有槽的隔离板将细长的舟状容器划分为“熔解部”和“熔液保持部”，分别将各个划分区域控制在最适温度，粒状原料如果熔解则将未熔解的剩余粒状原料分离，能够仅将原料熔液滴加至下方的坩埚中。

该结构中，粒状原料在隔离板的外侧被熔解，原料熔液从设置在隔离板的下部的槽向内侧移动，仅有原料熔液从原料熔液的排出口排出，滴加至下方的坩埚的熔液中。

从而，在粒状原料的比重小于粒状原料熔解而得的原料熔液的比重的情况下，粒状原料浮至原料熔液的液面，在粒状原料的比重大于原料容易的比重的情况下，粒状原料下沉至原料熔液的下方，藉此能够使粒状原料停留在熔液保持部中。

如果照此将舟状容器和隔离板组合构成熔解容器，则能够防止未熔解的粒状原料被直接供给至坩埚中，能够仅将原料熔液供给至坩埚中，进而能够制造高品质的单晶。

即，将粒状原料熔解并固化成单晶时，原料熔液中如果混入未熔解的粒状原料并附着至单晶与原料熔液的生长界面而混入制品中，则在粒状原料的粒径小的情况下导致形成负晶，在粒状原料的粒径大的情况下是导致形成新的微晶的主要原因，可能导致多晶化。

因此，熔解容器必需具有使未熔解的粒状原料停留在内部、仅将完全熔解的原料熔液滴加至下方的坩埚中的功能。

通过该结构，未熔解的粒状原料不会从熔解容器的排出口流出至外部，使未熔解的粒状原料停留在熔解容器的内部。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料熔解容器由

熔解皿、和

设置在所述熔解皿内的剖面为八字形且在下部具有槽的隔离皿构成，

在所述熔解皿和隔离皿之间划分为所述熔解部和熔液保持部。

作为熔解容器的其他实施方式，可例举在熔解皿内配置剖面为八字形且下部具有槽的隔离皿的双重结构(伞状结构)的熔解容器。该熔解皿和隔离皿之间形成“熔解部”和“熔液保持部”。

另外，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料熔解容器由

筒状部、和

设置于所述筒状部的内部且在下端具有开口的漏斗状部构成，

所述筒状部的内侧作为所述熔解部、所述筒状部的外侧与漏斗状部之间作为所述熔液保持部。

这种简易型的熔解容器特别是在诸如硅这样的粒状原料的比重小于原料熔液的比重的材料的情况下，未熔解的粒状原料浮至熔液的上方，因此粒状原料几乎不会到达熔解容器外。即使粒状原料到达外部，也浮在熔液的上方。从而，通过从上方照射的红外线被加热和熔解，附着至生长中的结晶界面而混入制品中的可能性小，即使是这种简易型也能以良好的产率制造单晶。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述容器加热装置为第2红外线照射装置。

作为加热熔解容器的容器加热装置，能够使用第2红外线照射装置。加热熔解容器时，可从熔解容器上方照射红外线，也可从横向或斜下方照射红外线。另外也可组合使用。

另外，本发明的单晶制造装置的所述容器加热装置为高频感应加热装置。

作为加热熔解容器的容器加热装置，能够使用高频感应加热装置。进一步，例如也可将熔解容器收容在碳制容器内，通过高频感应加热装置将该碳制容器维持在高温以进行粒状原料的熔解。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述容器加热装置为电阻加热装置。

作为加热熔解容器的容器加热装置，能够使用电阻加热装置。制造硅单晶时较好是使用碳电阻加热装置。

另外，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料熔解容器具有在水平方向上旋转的熔解容器旋转结构。

如果照此具有熔解容器旋转结构，则能够特别均匀地加热供给至由熔解皿和隔离皿构成的熔解容器内的粒状原料。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述粒状原料熔解容器的整体或一部分由铂、铱、石英、碳化硅、碳、石墨、使碳或石墨材料的表面碳化硅化而得的材料构成，或者由预先在碳或石墨材料的表面用碳化硅进行了涂覆的材料构成。

如果是这种素材，则能够稳定地熔解粒状原料以生成原料熔液。特别是在硅单晶制造的情况下，能够很好地使用采用了碳材料的表面被碳化硅化的素材的熔解容器。

另外，本发明的单晶制造装置具有多个所述粒状原料供给单元。

进一步，本发明的单晶制造装置具有多个所述粒状原料熔解单元。

如果照此具有多个上述单元，则能够提高大型单晶的制造速度。

另外，本发明的单晶制造装置的所述单晶制造用坩埚以在底部的中心部设置凹部、在所述凹部内配置种晶单晶的方式构成。

如果照此形成凹部，则在配置于此处的种晶单晶的上侧形成熔液相时，种晶单晶的上侧虽然熔解，但是剩余部分不熔解，容易维持固体单晶的状态。因此，通过在该种晶单晶上使固体析出，能够持续地制造单晶。

进一步，本发明的单晶制造装置在所述单晶制造用坩埚的外侧设置有辅助加热装置。

通过这种辅助加热装置将坩埚整体的温度加热并维持在比粒状原料的熔点低100～300℃左右的温度，藉此能够大幅降低来自为了在坩埚内部形成熔液而使用的第1红外线照射装置的红外线的照射量，而且能够提高控制性。

另外，本发明的单晶制造装置的所述单晶制造用坩埚的上部配置了用于加热所述单晶制造用坩埚内的熔液和/或混合熔液的周缘部附近的第3红外线照射装置。

如果配置这种第3红外线照射装置，即使坩埚内的熔液相的量增加而使熔液相的周缘部的位置发生变化也能顺应该变化来加热周缘部附近，则能够抑制周缘部附近生成微晶，或者抑制微晶生长。

因此，能够防止坩埚内的中心部的单晶种中存在其他微晶而导致多晶化。

另外，通过第3红外线照射装置提高的在坩埚内的熔液相的周缘部附近的温度优选比坩埚内整个范围内的熔液温度的平均值高至少3℃以上。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述第3红外线照射装置中，

具有使照射位置顺应熔液相变动的周缘部的位置的照射位置调整结构。

在设置有倾斜的坩埚底部的中心部所设置的种晶单晶上形成的熔液相的直径随着结晶的生长而增加。该熔液相的周缘部位置仅能够在坩埚的立壁部为止的范围内变动，但通过第3红外线照射装置的照射位置调整结构，能够始终向熔液相的周缘部照射红外线，将周缘部附近的温度维持在高水平。

藉此能够抑制从涂布了脱模剂的部分形成的微晶的生长，进而能够制造高品质的单晶。

另外，本发明的单晶制造装置的所述单晶制造用坩埚的底部朝中心向下方倾斜。

坩埚的底部如果朝中心向下方倾斜，则能够从配置在坩埚内的底部中心的种晶单晶向立壁部使单晶逐渐大型化。该倾斜角度如果过小则中途生成其他微结晶的可能性会增加。反之如果倾斜角度过大则到达立壁部为止的范围内的固化物为非标准尺寸，使整体的制品产率劣化。

另外，坩埚底部的倾斜角度优选向中心部降低3～60度的范围内。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述单晶制造用坩埚的内壁涂布有脱模剂。

特别是在制造硅单晶时，通过在坩埚的内壁涂布脱模剂，能够抑制所制造的大型单晶在冷却过程中产生龟裂。

另外，本发明的单晶制造装置在所述单晶制造用坩埚的外侧设置有碳制保持工具。

特别是在坩埚材质为石英的情况下，优选在石英制的坩埚的外侧设置碳制保持工具。通过碳制保持工具能够稳定地使用内侧的石英制坩埚。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述单晶制造用坩埚具有在水平方向上旋转的坩埚旋转结构。

照此坩锅如果能够旋转，则容易将所形成的熔液相的表面温度始终维持在一定水平，对熔液相的周缘部附近加热时也能够减少加热导致的温度不均。

另外，本发明的单晶制造装置的所述单晶制造用坩埚具有以规定速度沿上下方向升降的升降单元。

照此坩埚如果能够沿上下方向升降，则能够将形成的熔液相的表面位置始终维持在一定水平，能够将从红外线照射装置到熔液相的表面为止的距离始终保持为一定水平。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述第1红外线照射装置、第2红外线照射装置、第3红外线照射装置是激光照射装置。

照此如果是照射激光的激光照射装置，则能够实现单晶制造装置的小型化并提高操作性。

另外，本发明的单晶制造装置的所述第1红外线照射装置、第2红外线照射装置、第3红外线照射装置具备将内面用作反射面的椭圆面反射镜、和

设置于所述椭圆面反射镜的底部侧的第1焦点位置的红外线灯。

如果是照此构成的红外线照射装置，则能够高效地照射红外线。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述红外线灯是卤素灯或氙灯。

照此如果是卤素灯或氙灯，则能够以低成本获得，能够降低单晶制造装置的制造成本。

另外，本发明的单晶制造装置的所述第1红外线照射装置、第2红外线照射装置、第3红外线照射装置分别设置有多个。

照此如果设置多个红外线照射装置，则相比单个的情况，能够稳定切实地进行粒状原料的熔融和单晶的制造。进一步，如果照此设置多个，则能够将坩埚的熔液相的表面均匀地加热。

另外，如果将坩埚内的熔液相的表面均匀地加热，则能够使所形成的固液界面的形状平坦化，进而能够制造制品中的添加物浓度在垂直方向和水平方向上的组成均为均质化的单晶。

例如，如果以顺应大致圆形的熔液相的周缘部的方式配置多个第3红外线照射装置，则加热熔液相的周缘部时，能够适宜地提高该周缘部的温度，并能切实地防止温度不均。

进一步，本发明的单晶制造装置的所述单晶制造用坩埚和粒状原料熔解容器、与

所述第1红外线照射装置、第2红外线照射装置、第3红外线照射装置之间设置有所述红外线可透射的红外线透射窗。

照此如果设置红外线透射窗，则即使坩埚内出现原料熔液的蒸发物，蒸发物也不会到达各红外线照射装置，因此不会减少红外线的光量，能够长期稳定地使用单晶制造装置。

另外，在例如蒸发物附着于红外线透射窗的情况下，优选在红外线透射窗的外周缘部设置蒸发物附着防止单元。作为蒸发物附着防止单元，可例举例如向红外线透射窗喷射气氛气体的装置。

另外，本发明的单晶制造方法是用粒状原料熔解单元将待制造的单晶材料的最适添加物组成的粒状原料熔解、将所得的原料熔液供给至下方的单晶制造用坩埚内、在设置于所述单晶制造用坩埚内的种晶单晶上使单晶作为固体析出以制造大型单晶的单晶制造方法，至少包括：

介由设置于所述单晶制造用坩埚的上部的粒状原料供给单元将必要量的所述粒状原料供给至粒状原料熔解单元的工序，

通过粒状原料熔解单元将供给至所述粒状原料熔解单元的粒状原料熔解成原料熔液、将所述原料熔液供给至下方的所述单晶制造用坩埚内的工序，

对设置于单晶制造用坩埚内的底部的种晶单晶的上表面照射红外线以形成熔液，进一步仅加热熔液相的周缘部以将所述熔液相的周缘部的温度维持在比除所述熔液相的周缘部以外的部分的温度更高的温度，从向所述熔液相中滴加原料熔液而得的混合熔液相的下侧在所述种晶单晶上使单晶作为固体析出的工序。

进一步，本发明的单晶制造方法的所述粒状原料由粒状结晶母材和粒状添加物构成。

另外，本发明的单晶制造方法中，在制造添加有添加物的单晶时，

控制照射至所述种晶单晶的上表面的红外线的强度以使所述种晶单晶上形成的熔液的厚度始终为规定的厚度。

这里以按最适组成添加了磷的N型硅单晶的制造工序为例进行说明。

将粒状原料供给至粒状原料熔解单元的工序中，将无添加的硅的粒状原料与以平均组成为最适添加物浓度的10倍的高浓度添加了磷的粒状原料混合以制备最适组成的粒状原料，将其容纳于料斗内。

驱动粒状原料刮出装置和粒状原料定量供给装置，介由供给管从料斗内将规定量的粒状原料供给至下方的粒状原料熔解单元的熔解容器内。

将粒状原料供给至下方的坩埚内的工序中，首先通过粒状原料熔解单元将供给至粒状原料熔解单元的粒状原料熔解成原料熔液。

在粒状原料熔解单元中，通过容器加热装置对熔解容器加热，将从上方供给的粒状原料熔解。

或者从上方或上方及横向朝熔解容器照射红外线以加热，从上方向该加热过的熔解容器中投入粒状原料以熔解。然后仅将所得的原料熔液滴加至下方的坩埚中。

然后，在使单晶析出的工序中，在设置于坩埚中心部的种晶单晶上配置形成熔液相所需量的粒状原料，将密闭腔室内真空排气后再导入氩气。

进一步驱动配置于坩埚外侧的辅助加热装置，达到规定温度后将密闭腔室内维持在规定的减压下，旋转坩埚的同时驱动用于加热坩埚内部的第1红外线照射装置，形成熔液相。在形成的熔液相的周缘部附近通过第3红外线照射装置照射红外线以加热。

然后，开始从坩埚的上方滴加原料熔液，降低坩埚的位置以使与滴加量一致的量的固体的析出。

从密闭腔室的上部向坩埚内探入石英棒，测定熔液相下部的固体的位置，检查熔液相的厚度的同时，控制红外线的照射量以使厚度始终恒定。

规定的粒状原料的投入结束后，停止粒状原料刮出装置、粒状原料定量供给装置、熔解容器旋转结构、容器加热装置的运行，停止坩埚的下降并逐渐降低坩埚加热用的第1红外线照射装置的功率，使熔液相完全固化。

停止红外线的照射，控制配置在坩埚外侧的辅助加热装置，用规定的冷却时间将坩埚温度冷却至室温后停止所有可动部件的运行，打开密闭腔室的门以取出单晶制品。

即，红外线被坩埚内的原料熔液吸收而转换成热，原料熔液虽被加热，但由于红外线被吸收，因此到达熔液下方的红外线的光量相应地减少，转换的热也减少，从而抑制温度升高。

这种单晶制造方法与所谓的使用种晶单晶制造大型单晶的称作布里奇曼法的制造方法的基本理念相同。但是，布里奇曼法中，在最开始就将全部的原料熔解，然后从坩埚底部向上方进行单晶化，因此会伴随着上下方向的偏析而发生制品中添加物浓度的变化。

本发明的单晶制造方法中，向坩埚内照射红外线以形成熔液相。此时，上侧的温度高于下侧的温度，下侧的与单晶的固液界面温度与固相从该熔液相的析出温度相同。

照此向形成的熔液相中供给原料熔液而形成的混合熔液相的厚度如果增加，则红外线被混合熔液相吸收，因此到达混合熔液相的下部的红外线量减少，温度降低，开始从混合熔液相析出固相。

照此持续进行粒状原料向熔解容器的投入、熔解、向坩埚内的滴加、坩埚内固相从混合熔液相的析出(即单晶生长)，向熔解容器投入规定的粒状原料结束后缓慢减少红外线的光量，剩余的混合熔液相完全固化后，将整体缓慢冷却至室温，取出制品。

藉此能够得到在垂直方向和水平方向上的添加物浓度均为最适组成的均质化且高品质的大型单晶。

通过本制造方法制造均质组成的单晶需要将混合熔液相的组成和量以及温度维持为固定水平。与规定温度相比如果过高则混合熔液相的厚度增加，过低则混合熔液相的厚度变薄。即便如此，如果将红外线的照射量维持在固定水平，则混合熔液相的厚度也仅为20～30mm左右，因此能够迅速达到与该温度条件匹配的稳定状态。

在稳定状态中，单晶以与所投入的原料熔液的组成和量匹配的组成和量进行固化，因此所得的单晶的组成为均质的规定组成。此为本制造方法的最大优点，表明是控制性极高的制造方法。

另外，在结晶制造的最后阶段，即粒状原料向熔解容器的投入结束后，剩余的混合熔液固化的部位的添加物浓度逐渐变浓而无法达到均质，但是该部位的厚度仅为30mm左右，因此能够抑制制品整体产率的劣化。

发明效果

利用本发明的单晶制造装置和单晶制造方法，通过以规定的供给速度供给均匀地含有最适组成的添加物的粒状原料，能够制造在垂直方向和水平方向上均为最适浓度组成的均质化的大型单晶。

进一步，将粒状原料熔解容器的温度维持在最适水平的同时，使粒状原料熔解容器形成为具有熔解部和熔液保持部的结构，藉此能够防止未熔解粒状原料被供给至坩埚内。

原料熔液中如果存在未熔解的粒状原料，则粒状原料尺寸足够小的情况下，在附着至结晶生长界面的部位的结晶生长被抑制，有可能导致形成负晶。在粒状原料的尺寸大的情况下，新的微晶有可能从此处开始生长，导致整体形成为多晶。

因此，使粒状原料熔解容器形成为具有熔解部和熔液保持部的结构以防止未熔解粒状原料被供给至坩埚内，对于获得最高品质的单晶而言是非常重要的。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的单晶制造装置的简图。

图2是本发明的另一实施方式的单晶制造装置的简图。

图3是本发明的一实施方式的舟型粒状原料熔解容器的简图。

图4是本发明的另一实施方式的二重结构(伞状结构)的粒状原料熔解容器的简图。

图5是本发明的另一实施方式的简易型的粒状原料熔解容器的简图。

图6是使用本发明的单晶制造装置来制造单晶的工序图。

具体实施方式

以下基于附图对本发明的实施方式(实施例)进行更详细的说明。

本发明的单晶制造装置和单晶制造方法用于使组成均质化为最适组成并高效地制造例如直径超过1000～2000mm的大型的单晶。

另外，本说明书中的“种晶单晶”是指使用单晶制造装置制造大口径的单晶时，呈现结晶的最初形态的结晶。从该种晶单晶培育的整体维持相同取向的结晶称作“单晶”。与之相对，各自为单晶但分别具有不同取向的结晶聚集而得的结晶称作“多晶”。

在多晶情况下，各个单晶彼此之间的边界部结晶的取向不同，因此会产生与发电效率的劣化等相关的缺点。因此，作为高性能的硅基板，期望是整体取向相同且不含这种粒界(晶粒边界)的单晶。

进一步，本说明书中，“粒状原料”是指作为待制造的单晶的来源的原料经粉末(颗粒)化而得的原料。另外，“粒状原料”包含粒状结晶母材和粒状添加物。

另外，制造含有添加物的单晶的情况下，结晶中的添加物浓度与析出该浓度的结晶(固体)的熔液的组成不一致，该熔液中的浓度与从该熔液析出的固体中的添加物浓度之比称作分配系数。在硅的情况下，使用磷作为添加物时磷的分配系数为0.35左右。

进一步，在图中，表示粒状原料的颗粒的尺寸和形状、表示原料熔液67的液滴的尺寸和液滴的形状没有特别限定。

＜单晶制造装置10＞

如图1所示，本实施例的单晶制造装置10是设想为制造最适添加物组成的硅单晶时的装置。

单晶制造装置10中，在能够将内部真空排气并保持氩气等惰性气体气氛的密闭腔室11的底部设置有坩埚台19、坩埚旋转结构20和坩埚上下移动结构22，在坩埚台19上设置剖面形状为大致圆形的作为单晶制造用坩埚的石英制石英坩埚12、位于该石英坩埚12的外侧的机械地保持石英坩埚12的碳制保持工具16。

进一步在碳制保持工具16的外侧设置有加热石英坩埚12的辅助加热装置17，辅助加热装置17的外侧配置有绝热材料18。密闭腔室11为水冷结构，能够高效地调整内部的气氛。

另一方面，在密闭腔室11内的上方配置有用于容纳粒状原料52的料斗33。料斗33在下方具有开口部，在内部设置有带旋转结构的由聚丙烯被覆的螺旋棒(未图示)，在使用中常时旋转。通过该螺旋棒的旋转，能够抑制料斗33内的粒状原料52中形成空洞而无法稳定供给的所谓的空洞化现象的发生。

另外，料斗33的下部的开口部与密闭腔室11直接相连，料斗33内部与密闭腔室11内部始终为相同气氛。

进一步在料斗33的开口部的侧方设置有粒状原料刮出装置(以下也简称为刮出装置)48。刮出装置48在棒的前端部安装有由丙烯被覆的勺状的容器，向料斗33的开口部***该棒，以粒状原料52载置于容器上的状态抽出并使棒半旋转，藉此能够将容器内的粒状原料52供给至位于料斗33的下部的粒状原料定量供给装置(以下也简称为定量供给装置)50上。

定量供给装置50在测定粒状原料52的重量的同时调整规定的供给量，以规定的供给量向下方的具有供给位置调整功能的供给管51供给。图中，符号60是位置调整结构。

另外，料斗33在本实施方式中容纳无添加粒状硅、以高浓度添加了添加物的粒状原料以最适组成混合而得的粒状混合物，藉此能够切实地将粒状原料52的组成比例维持在一定水平。

此外，本实施方式中单独使用了料斗33，但是不限于此，例如也可分别设置容纳无添加粒状硅的料斗和容纳以高浓度添加了添加物的粒状原料的料斗。

在该料斗33的上端设置有公知的拆装结构46，使得容纳粒状原料52的收纳容器47以可拆装的方式安装。另外，拆装结构46具备任意调整拆装结构46内部和收纳容器47内部的气氛的气氛调整功能。图1是从料斗33拆下了收纳容器47的状态。

如果对该料斗33使用能够拆装的收纳容器47，则在启动单晶制造装置10以制造单晶的过程中，也能随时根据需要向料斗33内补给粒状原料52。因此，无需使用大型料斗33，能够实现单晶制造装置10的小型化。

由刮出装置48供给的粒状原料52使用具有测定重量的同时能够调整供给量的功能的定量供给装置50，介由供给管51将规定分量的粒状原料52供给至粒状原料熔解单元的粒状原料熔解容器(以下也称作熔解容器)62的规定位置。

供给管51上附加有调整供给管51的下端的出射口位置的位置调整结构60。

作为熔解粒状原料52的熔解容器62，优选具有划分为熔解粒状原料52的“熔解部”和保持所形成的熔液的“熔液保持部”的多重结构，具有避免将未熔解的粒状原料52与原料熔液67一起向下方供给的功能。

作为熔解容器62的形状，例如能够利用如图1和图3所示的舟型熔解容器62以及如图2和图4所示的二重结构(伞状结构)的熔解容器62。进一步，在制造硅单晶的情况下，也能够使用如图5所示的简易型的熔解容器62。

首先，舟型的熔解容器62如图3所示，接收从供给管51供给的粒状原料52的舟状容器61安装在高频感应加热装置55的内部，舟状容器61内部设置了在下方具有槽66的隔离板63，通过隔离板63将舟状容器61划分为“熔解部”和“熔液保持部”。

另外，介由供给管51被供给至舟状容器61内的粒状原料52直接供给至舟状容器61内即可，使用粒状原料用漏斗53供给至舟状容器61内时容易供给至规定的位置，因此优选。

通过高频感应加热装置55的感应加热，舟状容器的温度升高，粒状原料52被加热并熔解，仅有所得的原料熔液67通过隔离板63下方的槽66移动至相邻侧(在图3中为右侧)并停留。另外，熔解粒状原料52时，在比硅粒状原料的熔点高100℃以上的高温下迅速进行熔解。

此时，在粒状原料52的比重小于原料熔液67的情况下，粒状原料52在原料熔液67中漂浮，因此可避免通过下方的槽66。反之在粒状原料52的比重大于原料熔液67的比重的情况下，粒状原料52停留在原料熔液67的下部。

从而，停留在舟状容器61内的原料熔液67如果到达设置于舟状容器61的排出口68的高度，则从排出口68向外部流出，滴加至下方的石英坩埚12内。另外，从排出口68流出的原料熔液67也可如图3所示介由原料熔液用漏斗54被滴加至下方的石英坩埚12内。

此时，这种舟型的熔解容器62能够抑制未熔解的粒状原料52与原料熔液67共同滴加至下部。

另外，本单晶制造装置10中，即使滴加至石英坩埚12中的原料熔液67中残留有未熔解的粒状原料52，最终也能够与种晶单晶14上形成的熔液形成混合熔液。在种晶单晶14上，未熔解的粒状原料52浮至熔液的上方，接收来自上方的红外线的照射，因此在此处熔解而完全消失。

其结果是，沉入熔液下部并附着至生长的单晶与熔液的界面、包含在单晶中而形成负晶、或导致形成新的微晶的可能性变得极低。

另一方面，双重结构(伞状结构)的熔解容器62如图4所示由熔解皿64和在其上以八字形剖面重叠的隔离皿65构成，熔解皿64和隔离皿65之间划分为熔解粒状原料52的熔解部和保持所形成的原料熔液67的熔液保持部。

另外，作为加热供给至熔解皿64内的粒状原料52的容器加热装置，如图2所示使用第2红外线照射装置72和82，从第2红外线照射装置72和82向熔解容器62照射红外线74和85。

第2红外线照射装置72、82优选如图2所示配置在熔解容器62的上方和侧方，也可配置在上方和侧方中的任一方。作为这种第2红外线照射装置72、82，优选使用激光照射装置，除了激光照射装置以外，也可使用电阻加热装置(特别是在制造硅单晶时，使用碳电阻加热装置)，也可以是其他的例如从红外线灯发出的红外线在椭圆反射镜的内侧面反射的构成的照射单元。这种情况下，作为红外线灯，能够使用卤素灯、氙灯等。

二重结构(伞状结构)的熔解容器62的情况下，仅有利用来自第2红外线照射装置72、82的红外线的照射来加热并熔解粒状原料52而得的原料熔液67通过设置于隔离皿65下端的槽66，移动至中心部并停留在隔离皿65内。

此时，在粒状原料52的比重小于原料熔液67的情况下，粒状原料52在原料熔液67中漂浮，因此可避免通过下方的槽66。

反之在粒状原料52的比重大于原料熔液67的比重的情况下，粒状原料52停留在原料熔液67的下部。

从而，停留在隔离皿65内的原料熔液67如果滞留在中心部并到达设置于中心部的导管的排出口68的高度，则从排出口68向导管内部流出，滴加至下方的石英坩埚12内。此时，能够抑制未熔解的粒状原料52与原料熔液67共同滴加至下部。

进一步，简易型的熔解容器62如图5所示，通过上端部容纳粒状原料52，下端部由***石英坩埚12内的种晶单晶14的上表面的混合熔液91中的筒状部57、设置于该筒状部57的内部并在下端具有开口的漏斗状部58构成。

这种简易型的熔解容器62特别是在诸如硅这样的粒状原料52的比重小于原料熔液67的比重的材料的情况下，未熔解的粒状原料52浮至筒状部57内的熔液的上方，因此粒状原料52几乎不会到达熔解容器62外。

即使在例如粒状原料52到达外部的情况下，也会浮至熔液的上方，因此被从上方照射的红外线加热并熔解，附着于生长中的结晶界面并混入制品中的可能性极小。

另外，作为加热熔解容器62的容器加热装置，使用与图2所示的二重结构(伞状结构)的熔解容器62的情况相同的第2红外线照射装置72、82即可。

作为这种舟型熔解容器62、二重结构(伞状结构)的熔解容器62、简易型的熔解容器62的素材，全部或一部分可根据材料选择使用铂、铱、石英、碳化硅、碳、石墨、使碳或石墨材料的表面碳化硅化而得的素材、或者由预先在碳或石墨材料的表面用碳化硅进行了涂覆的素材等。

另外，二重结构(伞状结构)的熔解容器62具有通过熔解容器旋转结构70在水平方向上旋转的功能。如果二重结构(伞状结构)的熔解容器62照此旋转，则由供给管51供给的粒状原料52被均匀地供给至熔解容器62中，因此能够切实地熔解粒状原料52。

配置于密闭腔室11内的熔解容器62的下部的石英坩埚12的底部设置有朝中心降低的斜率，在底部的中心部设置有容纳种晶单晶14的凹部13。

设置于石英坩埚12的底部的斜率是朝中心部降低3～60度的斜率(倾斜角)，优选是降低5～30度的斜率(倾斜角)。该斜率(倾斜角)越小则中途其他结晶开始生长的可能性越高。斜率(倾斜角)过大则到石英坩埚12的立壁部为止的范围内的生成物形成非标准尺寸，会降低制品的产率。

另外，设置于石英坩埚12的底部的中心部的凹部13优选例如内径为20cm左右、高度为20cm左右。设置于此处的种晶单晶14的上部被从上方照射的红外线28熔解，但是下方保持为未熔解的状态。照此进行控制，调整熔解的范围以使种晶单晶14不被完全熔解而残留，仅从残留的种晶单晶14持续进行单晶的生长，能够制造大型单晶。

本实施方式中，使用石英坩埚12作为单晶制造用坩埚，但坩埚材料可根据待制造的单晶的材料进行选择，其他例如可使用铂、钼、铱、碳等。特别是在制造硅单晶的情况下，如本实施方式那样使用在内侧涂布了脱模剂的石英坩埚12。

另外，配置了石英坩埚12的坩埚台19通过坩埚旋转结构20以规定的速度旋转，藉此能够减轻照射至石英坩埚12内的红外线的照射不均，进而能够使石英坩埚12内形成的熔液相的温度均质化。

进一步，通过坩埚台19的坩埚上下移动结构22，能够将石英坩埚12内形成的熔液相的高度方向的位置始终控制在最适位置。

设置于石英坩埚12内的种晶单晶14的上表面被由第1红外线照射装置(本实施方式中为激光照射装置)26照射的红外线28熔解而形成熔液相。

进一步在制造含有添加物的材料的单晶时，使用调整至最适添加物浓度的原料，将必要量的调整至与该最适添加物浓度的固体以平衡状态共存的熔液相的组成的原料块配置在种晶单晶14上，在最开始将该原料块和种晶单晶14的上部一起熔解形成混合熔液相，向其中滴加原料熔液67以进一步形成混合熔液，开始持续进行单晶制造，藉此能够制造所需的均质组成的单晶。

此处，设置在石英坩埚12内的种晶单晶14上形成的混合熔液相如果根据石英坩埚12的底部的斜率维持为一定的厚度并持续进行单晶制造，则混合熔液相的周缘部的位置变动至离开中心的位置。

进一步，密闭腔室11的上部配置有局部加热用的第3红外线照射装置(本实施方式中为激光照射装置)30。控制第3红外线照射装置30的照射位置，以使第3红外线照射装置30照射的红外线32的照射位置顺应混合熔液相的周缘部的位置变动。藉此能够将石英坩埚12内形成的混合熔液相的周缘部维持在高于周围温度的温度。

另外，如图6(a)～图6(f)所示，混合熔液91的周缘位置在单晶制造初期位于坩埚中心部附近，随着单晶制造的进行向外侧移动，到达石英坩埚12的立壁部后变为稳定状态。

因此，该局部加热用的第3红外线照射装置30具有改变照射位置以顺应混合熔液相的周缘部位置的功能。

另一方面，石英坩埚12与红外线照射装置26、30、72、82之间分别设置有红外线透射窗27、31、73、84。另外，红外线透射窗27、31、73、84的材质只要是红外线能够透射的材质即可，无特别限定，优选例如为石英制。

本发明的单晶制造装置10的构成如上所述，特别地使用舟型熔解容器62、二重结构(伞状)的熔解容器62和简易型的熔解容器62，使粒状原料52形成为原料熔液67，仅将原料熔液67供给至石英坩埚12内，因此能够制造负晶和出溶片晶少的高品质的单晶，该单晶是没有粒界的大型单晶，而且在垂直方向和水平方向上的组成均为最适添加物浓度的均质。

＜单晶制造方法＞

接着，对使用本发明的单晶制造装置10的单晶制造方法进行说明。

如图6(a)所示，在密闭腔室11内配置石英坩埚12。石英坩埚12的内表面涂布有脱模剂。藉此能够抑制最终制得的硅单晶中产生龟裂。

然后，首先在设置于石英坩埚12的底部中心部附近的凹部13内配置硅种晶单晶14、和在种晶单晶14上形成与最适添加物浓度的固体共存的熔液相所需的组成和量的粒状原料块15。

将密闭腔室11密闭，通过排气部(未图示)将密闭腔室11的内部的气氛抽真空排气，向密闭腔室11内导入氩气等惰性气体。

另一方面，石英坩埚12通过辅助加热装置17开始加热，藉此将石英坩埚12的外侧周围温度加热至1300℃左右。此时，辅助加热装置17稍稍远离石英坩埚12的凹部13设置，因此不会对种晶单晶14施加大量的热。

然后，如图6(b)所示从第1红外线照射装置26向石英坩埚12中心部的种晶单晶14上照射红外线28，形成熔液相90。此时，调整红外线28的照射强度，使得配置的种晶单晶14的上表面也一起熔解。

熔液相90形成后，从第3红外线照射装置30向熔液相90的周缘部照射红外线32，将该周缘部的温度维持在比周围温度至少高3℃以上的温度。

启动上方的粒状原料刮出装置48、定量供给装置50、第2红外线照射装置72和82，将料斗33内的最适组成的粒状原料52刮出，以规定的供给速度从供给管51投入熔解容器62中，将生成的原料熔液67滴加至石英坩埚12中。

滴加的原料熔液67与种晶单晶14上形成的熔液形成为混合熔液91。该混合熔液91的厚度如果达到规定的厚度，则从第1红外线照射装置26照射的红外线28难以到达其下方，从而混合熔液91的下方的固液界面附近的温度降低。

其结果是，如图6(c)所示，从在配置于石英坩埚12的凹部13的种晶单晶14的上表面形成的混合熔液91析出固相，即开始制造单晶92。此时，从第3红外线照射装置30向在种晶单晶14的上表面形成的混合熔液91的周缘部照射红外线32，维持抑制种晶单晶14以外的微晶的生成，或者即使生成了微晶也抑制其生长、使起自单晶的生长为主导的状态。

进一步如图6(d)所示，持续向熔解容器62中投入最适添加物组成的粒状原料52。石英坩埚12的混合熔液91的下部持续析出固相，单晶92持续生长。

接着如图6(e)所示，规定的粒状原料52的供给结束后，逐渐降低红外线照射装置26、30、72、82的功率。

然后如图6(f)所示，整体形成完整的单晶92。

单晶92完成后，逐渐降低温度，冷却至室温后打开密闭腔室11，取出石英坩埚12内的单晶92作为制品。

另外，本实施方式中，对红外线28的照射量分布进行仔细调整，以尽可能地在整个制造工序中维持单晶92的表面形状的平坦。与此同时，用第3红外线照射装置30向混合熔液91的周缘部照射红外线32，藉此使混合熔液91的周缘部的温度比混合熔液91的整体平均温度高3℃以上，优选高5℃以上。

藉此能够延迟从石英坩埚12的内壁的涂布有脱模剂的部分开始的微晶的形成，或延迟形成的微晶的生长。

本发明的单晶制造装置10和单晶制造方法中，使用了粒状结晶母材(粒状硅)和粒状添加物以最适组成混合而得的粒状原料52。将该混合后的最适组成的粒状原料容纳在料斗33中，使用粒状原料刮出装置48、定量供给装置50从此处由供给管51向熔解容器62内倒入粒状原料52，仅将形成的原料熔液67滴加至下方的石英坩埚12中，藉此连续进行粒状原料52的供给、熔解，直至固化为单晶。

即，在稳定状态下，向熔解容器62内连续供给粒状原料52并加热熔解以得到原料熔液67，将其供给至石英坩埚12内以析出单晶92，从而所得的单晶92的组成与最适组成的粒状原料52的组成相同。

因此，生成的单晶92的组成能够以最适组成达到均质化。

藉此，能够以良好的产率制造具有用于太阳能发电时能够实现高转换效率的添加物浓度的均质组成的高品质单晶，进而能够实现制造成本的降低。

以上，针对本发明的单晶制造装置10以及使用该单晶制造装置10的单晶制造方法进行了说明，但本发明不限于上述实施方式。

另外，在上述实施方式中，制造N型半导体时，使用无添加的高纯度硅的粒状原料、以高浓度添加了磷的粒状原料以达到规定的最适组成的方式混合而得的混合粒状原料。

制造P型半导体时，使用无添加的高纯度硅的粒状原料、以高浓度添加了硼的粒状原料以达到规定的最适组成的方式混合而得的混合粒状原料。

进一步，如果分别供给高纯度无添加粒状硅和以高浓度添加了磷、硼等的粒状原料，则具有能够适当改变制品中的添加物的浓度的优点。但是，在多数情况下，最适浓度是已知的，因此高效率的是制备与之相应的组成比的粒状原料(粒状硅+粒状添加物)并一次性供给。

另外，在上述实施方式中，未特别提及粒状原料52的粒度，但如果粒状原料52的粒度过大，则粒状原料52的熔解有可能需要耗费时间。反之，如果过小则容易发生在供给中飞散等不良情况。

因此，粒状原料52的粒子的直径优选为0.1～0.5mm左右的尺寸。

另外，上述实施方式中，将使用高纯度无添加硅的粒状原料的情况作为示例进行了说明，但不限于此，可根据所要制造的物质来准备相应的粒状原料52。

进一步在上述实施方式中，照射红外线的红外线照射装置26、30、72、82以及熔解容器62、定量供给装置50、粒状原料刮出装置48、供给管51等各构成要素的数量以设置一个的情况为例进行了说明，但各构成要素的数量可根据所培育的单晶的尺寸来设置多个，进行适当设定即可。

另外，上述实施方式中，舟状的熔解容器62采用了三重结构的样式，但也可为其他结构，例如可以是图4所示的熔解容器62。

进一步在上述实施方式中，作为粒状原料供给单元，使用了粒状原料刮出装置48和供给管51，根据情况也可不使用这些单元，在该情况下直接从定量供给装置50向熔解容器62供给粒状原料52即可。

照此，本发明的单晶制造装置10和单晶制造方法在不偏离本发明的目的的范围内能够进行各种改变。

符号说明

10 单晶制造装置

11 密闭腔室

12 石英坩埚

13 凹部

14 种晶单晶

15 粒状原料块

16 碳制保持工具

17 辅助加热装置

18 绝热材料

19 坩埚台

20 坩埚旋转结构

22 坩埚上下移动结构

26 第1红外线照射装置

27 红外线透射窗

28 红外线

30 第3红外线照射装置

31 红外线透射窗

32 红外线

33 料斗

46 拆装结构

47 收纳容器

48 粒状原料刮出装置

50 粒状原料定量供给装置

51 供给管

52 粒状原料

53 粒状原料用漏斗

54 原料熔液用漏斗

55 高频感应加热装置

57 筒状部

58 漏斗状部

60 位置调整装置

61 舟状容器

62 粒状原料熔解容器

63 隔离板

64 熔解皿

65 隔离皿

66 槽

67 原料熔液

68 排出口

70 熔解容器旋转结构

72 第2红外线照射装置

82 第2红外线照射装置

73 红外线透射窗

74 红外线

84 红外线透射窗

85 红外线

90 熔液相

91 混合熔液

92 单晶