JP2002104895A - 結晶成長装置 - Google Patents

結晶成長装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単結晶８を包囲する冷却体１０を用いた高速
引上げにおいて、冷却体１０からの漏水による水蒸気爆
発を未然に防止する。 【解決手段】 冷却体１０の冷却水流入側及び流出側で
流量計１４ａ，１４ｂにより冷却水の流量Ｌａ，Ｌｂを
測定する。流量Ｌａ，Ｌｂから求められた流量差ΔＬ
（Ｌａ−Ｌｂ）が２０ｃｃ／秒を超えた場合に、開閉弁
１５ａ，１５ｂ，１５ｃを操作して、冷却体１０への給
水を停止すると共に、冷却体１０内の冷却水を外部へ排
出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料として
使用されるシリコン単結晶等の製造に用いられる結晶成
長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】シリコン単結晶を製造するには種々の方
法があるが、代表的なものとしてチョクラルスキー法
（ＣＺ法）がある。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造
では、周知のとおり、石英ルツボ内に形成されたシリコ
ン融液に種結晶を浸漬し、この状態からルツボ及び種結
晶を回転させながら、種結晶を上方へ徐々に引き上げる
ことにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶を成長さ
せる。
【０００３】このようなＣＺ法によるシリコン単結晶の
引上げでは、結晶断面における欠陥分布等が結晶成長速
度、即ち引上げ速度に支配されることが知られている。
具体的に説明すると、引上げ速度を大きくするほど、リ
ング状のＯＳＦ発生領域が外周部へ移動し、最終的には
結晶有効部分の外側へ排除される。逆に、引上げ速度を
小さくすることにより、リング状のＯＳＦ発生領域が結
晶中心部へ移動し、最終的にはその中心部で消滅する。
【０００４】ＯＳＦ発生領域の外側も内側も共に欠陥発
生領域であるが、その外側と内側とでは欠陥の種類が異
なる。また、引上げ速度を高速化すると、当然のことな
がら生産性が向上し、且つ欠陥が微細化することが知ら
れている。これらのため、結晶成長の一つの方向とし
て、引上げの高速化が追求されている。
【０００５】高速引上げを実現するための技術として熱
遮蔽体の設置が知られている。熱遮蔽体は、単結晶の周
囲を包囲するように設けられた逆台錐形状の筒状断熱部
材であり、主にルツボ内の融液やルツボの外側に配置さ
れたヒータからの輻射熱を遮ることにより、融液から引
上げられる単結晶の冷却を促進して、引上げ速度の高速
化を図る。
【０００６】また最近では、熱遮蔽体の内側に、強制的
に水冷された筒状の冷却体を設置する技術も注目されて
いる（特開昭６３−２５６５９３号公報、特開平８−２
３９２９１号公報、特開平１１−９２２７２号公報、特
開平１１−２９２６８４号公報）。強制的に水冷された
筒状の冷却体を、熱遮蔽体の内側に、単結晶の周囲を包
囲するよう設置することにより、単結晶の特に高温部分
の冷却が更に促進され、引上げ速度の一層の高速化が図
られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＣＺ法によ
る単結晶の育成では、炉内が減圧雰囲気とされる。ま
た、単結晶の落下事故等により、ルツボを始めとする各
種のホットゾーン構成部品が破損する危険性がある。
【０００８】引上げ速度の高速化を図る部品のうち、熱
遮蔽体の破損はさほど大きな問題を生じない。しかし、
冷却体が破損した場合は、内部を流通する冷却水が炉内
に漏出し、炉内で急激に膨脹することにより、水蒸気爆
発を誘発するおそれがある。また、冷却体が破損しない
場合も、経年劣化等により自然発生的に冷却水が漏出す
る懸念もある。
【０００９】これまで提案されている冷却体を用いた結
晶成長装置では、冷却体からの漏水を検知する手段が装
備されていないため、安全操業上、大きな問題があっ
た。
【００１０】本発明の目的は、冷却体を使用して引上げ
速度の高速化を図り、且つ、その冷却体からの漏水によ
る重大事故を未然に防止できる安全性に優れた結晶成長
装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の結晶成長装置は、ＣＺ法によって原料融液
から単結晶を育成する結晶成長装置において、原料融液
から育成される単結晶を包囲するように設けられ、内部
を流通する冷却水により強制的に冷却されて前記単結晶
を冷却する筒状の冷却体と、該冷却体の冷却水流入側及
び流出側に設けられ、各側で冷却水の流量を測定する流
量計とを具備している。
【００１２】本発明の結晶成長装置において、冷却体で
漏水が生じていない場合は、冷却水の冷却体への流入量
と冷却水からの流出量が一致する。冷却体で漏水が生じ
ると、冷却体への流入量に比して冷却水からの流出量が
減少し、その流量差が、流入側及び流出側に設けられた
流量計の出力から検出される。
【００１３】この流量差は、冷却体からの漏水量に対応
する。本発明者らによる調査によると、冷却体からの僅
かの漏水は炉内圧力に大きな影響を与えず、その漏水量
が所定値、具体的には２０ｃｃ／秒を超える場合に炉内
圧力が急激に上昇し、水蒸気爆発に発展する可能性の高
いことが判明した。従って、流量計としては、流量を２
０ｃｃ／秒以下で測定可能であるものが好ましい。
【００１４】また、流量差のしきい値として２０ｃｃ／
秒を用い、流量差が２０ｃｃ／秒を超えた場合に異常漏
水と判定する異常検知手段を設けることにより、異常な
漏水現象のみが選択的に確実に検知される。
【００１５】異常漏水が検知されたときの対策として
は、冷却体の冷却水流入側及び流出側にそれぞれ設けら
れた自動弁を、異常検知手段から出力される異常検知信
号により操作するのが好ましい。これにより、異常漏水
の発生時に、冷却体への給水を自動停止することができ
る。また、冷却体からの排水を速やかに行うことかでき
る。
【００１６】特に、流入側の自動弁が給水管を開閉する
開閉弁であり、流出側の自動弁が通常排水管から緊急排
水管への管路切り替えを行う切替弁である場合に、冷却
体からの排水を速やかに行うことかできる。
【００１７】流量計は、配管抵抗や水流の脈動の影響を
低減させるために、冷却体に近いところに配置するのが
よく、具体的には冷却水の配管長で３ｍ以下に設けるこ
とが好ましい。
【００１８】冷却体は、通水により強制的に冷却される
金属体からなる。その金属としては、熱伝導性が良好な
銅を主成分とする銅系金属が好ましい。冷却体の具体的
な寸法及び形状は、引上げ条件に応じて適宜設計され
る。
【００１９】冷却体は又、熱遮蔽体と組み合わせ、その
内側に配置するのが良い。熱遮蔽体と組み合わせること
により、結晶の冷却が促進されるだけでなく、冷却体自
体の温度上昇がより効果的に抑制されることになり、引
上げ速度の高速化が推進される。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の結晶成長装置の一例
についてその構成を示す引上げ炉の縦断面図、図２は同
引上げ炉の横断面図、図３は漏水検知システムの系統図
である。
【００２１】図１及び図２に示すように、引上げ炉は、
炉体として円筒形状のメインチャンバー１及びプルチャ
ンバー２を備えている。メインチャンバー１より小径で
長いプルチャンバー２は、メインチャンバー１の中心部
上に立設されている。
【００２２】メインチャンバー１内の中心部にはルツボ
３が配置されている。ルツボ３は、多結晶シリコンが充
填される内側の石英ルツボと、その外側に嵌合される黒
鉛製の支持ルツボとから構成されている。このルツボ３
は、ペディスタルと呼ばれる支持軸により回転及び昇降
駆動される。
【００２３】ルツボ１の外側には、抵抗加熱式のヒータ
４が同心円状に配置され、その更に外側には、保温筒５
がメインチャンバー１の内面に沿って配置されている。
ヒータ４は、ルツボ３内に充填された多結晶シリコンを
溶融させて、そのルツボ３内にシリコンの融液６を形成
する。
【００２４】一方、ルツボ３の上方には、引上げ軸とし
てのワイヤ７が、プルチャンバー２内の中心部を通って
吊設されている。ワイヤ７は、プルチャンバー２の上部
に設けられた引上げ機構により回転駆動されると共に、
軸方向に昇降駆動される。ワイヤ７の下端部には、種結
晶を保持するシードチャックが取付けられている。シー
ドチャックに保持された種結晶をルツボ３内の融液６に
浸漬し、その種結晶を回転させながら徐々に上昇させる
べく、ワイヤ７を駆動することにより、種結晶の下方に
シリコンの単結晶８を成長させる。
【００２５】ルツボ１の上方には又、単結晶８を包囲す
るように円筒形状の熱遮蔽体９がルツボ３内の融液６に
接近して同心円状に設けられている。熱遮蔽体９は黒鉛
からなり、ルツボ３内の融液６やヒータ４からの輻射熱
を効果的に遮るために下方から上方に向かって徐々に拡
径し、その下部をルツボ３内に挿入してルツボ３内の融
液６の上方に位置させる。
【００２６】熱遮蔽体９の内側には、円筒形状の冷却体
１０が同心円状に設けられている。冷却体１０は、熱伝
導性の良好な銅系金属からなり、同じく銅系金属からな
る通水配管１１ａ，１１ｂを通して内部に供給される冷
却水により強制的に冷却される。この冷却体１０は、熱
遮蔽体９の下部内に配置され、単結晶８の特に凝固直後
の高温部分を包囲することにより、その高温部分の冷却
を促進する。なお、冷却体１０も熱遮蔽体９と同様に下
方から上方に向かって徐々に拡径したテーパ形状とされ
ている。通水配管１１ａ，１１ｂは、冷却体１０に荷重
がかからない状態で溶接されている。
【００２７】冷却体１０を炉体内に支持する支持部材
は、ここでは炉体内の引上げ軸回りに放射状に配置され
た複数の支持アーム１２・・からなる。支持アーム１２
・・は、メインチャンバー１の上部内面から炉内中心に
向かって水平に延出し、途中から下方へ湾曲した略逆Ｌ
字形状の棒材からなり、冷却体１０は、その上縁部が、
複数の支持アーム１２・・の各先端部にボルト１３によ
って着脱可能に連結されている。各支持アーム１２は、
ここではステンレス鋼からなり、冷却体１０とは別系統
の通水により強制的に冷却されている。
【００２８】図３に示すように、通水配管１１ａ，１１
ｂの一方は、冷却体１０に冷却水を供給する給水管であ
り、他方は冷却体１０から冷却水を排出する排水管であ
る。給水管１１ａには、流量計１４ａ及び自動式の開閉
弁１５ａが設けられている。流量計１４ａは配管長で冷
却体１０から３ｍ以内のところに設けられており、開閉
弁１５ａは流量計１４ａの流入側に設けられている。同
様に、排水管１１ｂには、流量計１４ｂ及び自動式の開
閉弁１５ｂが設けられている。流量計１４ｂは配管長で
冷却体１０から３ｍ以内のところに設けられており、開
閉弁１５ｂは流量計１４ｂの流出側に設けられている。
【００２９】排水管１１ｂには又、緊急時に使用する排
水管１１ｃが取付けられている。この排水管１１ｃは、
流量計１４ｂと開閉弁１５ｂの間から分岐し、専用の自
動式の開閉弁１５ｃを装備している。
【００３０】自動式の開閉弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃは
制御部１６により操作される。制御部１６は、流量計１
４ａ，１４ｂで測定された流量Ｌａ，Ｌｂについてのデ
ータから流量差ΔＬ（Ｌａ−Ｌｂ）を求め、この流量差
ΔＬをしきい値（２０ｃｃ／秒）と比較する。そして、
流量差ΔＬがしきい値（２０ｃｃ／秒）を超えた場合に
開閉弁１５ａ，１５ｂを開状態から閉状態に切り替え、
開閉弁１５ｃを閉状態から開状態へ切り替える。
【００３１】流量計１４ａ，１４ｂは、いずれも２０ｃ
ｃ／秒以下で流量を測定できる感度を有し、ここでは５
ｃｃ／秒以下の流量を測定できるものを使用している。
【００３２】次に、上記の引上げ炉を用いた結晶成長の
操業例について説明する。
【００３３】ルツボ３内に多結晶シリコン原料を１００
ｋｇ装填し、その後、チャンバー内を２００ＰａのＡｒ
雰囲気とする。ルツボ３の外側に設けられたヒータ４に
より、ルツボ３内の多結晶シリコン原料を溶融し、１０
０方位の種結晶を用いて、その下方に直径２００ｍｍの
単結晶８を成長させる。
【００３４】このとき、ルツボ３内の融液６の液面レベ
ルが一定に維持されるように、結晶成長に従ってルツボ
３を徐々に上昇させる。また、単結晶８の回転方向と同
方向又は反対方向にルツボ３を回転させる。
【００３５】開閉弁１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、通常の
状態では１５ａ，１５ｂが開状態、１５ｃが閉状態とさ
れる。これにより、給水管１１ａ及び排水管１１ｂを通
して冷却体１０に冷却水が流通し、強制的に冷却される
ことにより、単結晶８の特に凝固直後の高温部分が強制
的に冷却される。その結果、単結晶８の引上げ速度とし
て２ｍｍ／分以上を達成できた。ちなみに、冷却体１０
を使用しない場合の達成引上げ速度は１ｍｍ／分程度で
ある。
【００３６】操業中、給水管１１ａ及び排水管１１ｂを
通過する冷却水の流量Ｌａ，Ｌｂが流量計１４ａ，１４
ｂにより測定される。冷却体１０で漏水が生じると、そ
の漏水量が、流量差ΔＬ（Ｌａ−Ｌｂ）として制御部１
６に検出される。この流量差ΔＬが２０ｃｃ／分を超え
ると、開閉弁１５ａ，１５ｂが閉状態に操作され、開閉
弁１５ｃが開状態に操作される。これにより、冷却体１
０への給水が停止されると共に、冷却体１０内の冷却水
が排水管１１ｃを通して外部へ排出され、漏水による水
蒸気爆発が未然に防止される。
【００３７】異常漏水を検知するための漏水量のしきい
値として２０ｃｃ／秒が有効なことを実証するために、
水を炉内に意図的に漏出させた。露出量は５ｃｃ／秒、
１０ｃｃ／秒、２０ｃｃ／秒、３０ｃｃ／秒、４０ｃｃ
／秒とした。それぞれの場合の炉内圧力の変動を調査し
た結果を表１に示す。
【００３８】
【表１】
【００３９】漏水量が２０ｃｃ／秒までは、その漏水に
よる炉内圧力の増大は僅かであるが、漏水量が２０ｃｃ
／秒を超えると、急激に炉内圧力の増大が顕著となる。
従って、漏水量のしきい値としては２０ｃｃ／秒が好適
であり、また流量計としては流量を２０ｃｃ／秒以下で
測定可能であるものが好ましい。
【００４０】また、流量計１４ａ，１４ｂから冷却体１
０までの管路長を変化させた。漏水がない場合でも、こ
の管路長が３ｍを超えると開閉弁１５ａ，１５ｂ，１５
ｃが誤動作した。従って、流量計１４ａ，１４ｂの設置
位置としては、冷却体１０までの管路長で３ｍ以下が好
適である。
【００４１】
【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明の結晶成
長装置は、冷却体を使用して引上げ速度の高速化を図る
場合に、冷却体の冷却水流入側及び流出側で流量を測定
することにより、冷却体からの漏水に起因する重大事故
の発生を未然に検知し、これを確実に防止することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶成長装置の一例についてその構成
を示す引上げ炉の縦断面図である。
【図２】同引上げ炉の横断面図である。
【図３】漏水検知システムの系統図である。
【符号の説明】
１ メインチャンバー ２ プルチャンバー ３ ルツボ ４ ヒータ ６ 融液 ７ ワイヤ ８ 単結晶 ９ 熱遮蔽体 １０ 冷却体 １１ 通水配管 １２ 支持アーム １３ ボルト １４ 流量計 １５ 開閉弁 １６ 制御部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅野 浩 佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地 住友金属工業株式会社シチックス事業本部 内 (72)発明者 辻野 明 兵庫県尼崎市東浜町１番地 株式会社住友 シチックス尼崎内 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CF10 EG20 EH10 HA12 5F053 AA12 BB60 DD01 FF04 GG01 HH04 RR20

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 チョクラルスキー法によって原料融液か
    ら単結晶を育成する結晶成長装置において、原料融液か
    ら育成される単結晶を包囲するように設けられ、内部を
    流通する冷却水により強制的に冷却されて前記単結晶を
    冷却する筒状の冷却体と、該冷却体の冷却水流入側及び
    流出側に設けられ、各側で冷却水の流量を測定する流量
    計とを具備することを特徴とする結晶成長装置。
  2. 【請求項２】 前記流量計は流量を２０ｃｃ／秒以下で
    測定可能である請求項１に記載の結晶成長装置。
  3. 【請求項３】 前記冷却体の冷却水流入側と流出側で測
    定された冷却水流量からその流量差を求め、その流量差
    から異常漏水を検知する異常検知手段を具備することを
    特徴とする請求項１又は２に記載の結晶成長装置。
  4. 【請求項４】 前記冷却体の冷却水流入側及び流出側に
    それぞれ設けられ、前記異常検知手段から出力される異
    常検知信号により操作される自動弁を具備することを特
    徴とする請求項３に記載の結晶成長装置。
  5. 【請求項５】 流入側の自動弁は給水管を開閉する開閉
    弁であり、流出側の自動弁は通常排水管から緊急排水管
    への管路切り替えを行う切替弁である請求項４に記載の
    結晶成長装置。
JP2000292472A 2000-09-26 2000-09-26 結晶成長装置 Expired - Fee Related JP3685026B2 (ja)

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