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。
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