JP2003020295A - Ｃｚ原料供給方法及び供給用治具 - Google Patents

Ｃｚ原料供給方法及び供給用治具

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 原料費が安く、しかもクラックの危険がない
粒塊状の多結晶原料を、ルツボ内に安全に且つ安定に追
加チャージする。 【解決手段】 ＣＺ法による単結晶育成に際して、ルツ
ボ３内に多結晶原料を初期チャージする。初期チャージ
された多結晶原料の上に、耐熱性の筒状容器１０を設置
する。筒状容器１０内に追加チャージ用の粒塊状の多結
晶原料２０を充填する。ルツボ３内に初期チャージされ
た多結晶原料を溶解する。この溶解に伴う嵩密度の低下
に伴って、筒状容器１０内の多結晶原料２０がルツボ内
へ徐々に自然落下する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＺ法による単結
晶育成における原料融液の形成に用いられるＣＺ原料供
給方法及びその方法の実施に使用されるＣＺ原料供給用
治具に関し、更に詳しくは、多結晶原料の追加チャージ
に用いられるＣＺ原料供給方法及び供給用治具に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】ＣＺ法による単結晶育成においては、周
知のとおり、ルツボ内に初期チャージされた固形の多結
晶原料が、ヒータを用いた加熱によって溶解される。こ
のようにしてルツボ内に原料融液が形成されると、種結
晶をルツボ内の原料融液に浸漬し、この状態から種結晶
及びルツボを回転させながら種結晶を上昇させることに
より、種結晶の下方に円柱形状の単結晶を育成する。ル
ツボ内に初期チャージされる固形の多結晶原料として
は、多結晶のカットロッド、塊、粒等が単独又は複合で
使用される。
【０００３】このような単結晶育成においては、ルツボ
内に初期チャージされた固体原料を溶解すると、その嵩
密度が低下し、ルツボの容積に比して原料融液量が減少
することにより、生産性の低下を余儀なくされる。これ
を回避するために、ルツボ内への原料チャージ量を多く
することが考えられており、その一つとして追加チャー
ジと呼ばれる技術が開発されている。
【０００４】追加チャージでは、ルツボ内に初期チャー
ジされた固体原料を溶解した後、ルツボ内の原料融液に
固形の多結晶原料を追加投入する。ここにおける原料投
入形態の一つとして、結晶を引き上げるワイヤを用いて
ルツボ上に吊り下げた円柱形状の多結晶原料を徐々に下
降させ、ルツボ内の原料融液に浸漬していくものがあ
る。これにより、ルツボ内の原料融液量が増加し、ルツ
ボの容積が有効に活用されることにより、生産性が向上
する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の追加チャージ技術においては、円柱形状の多
結晶原料がルツボ内の原料融液に浸漬されることによ
り、その多結晶原料に軸方向及び径方向の熱歪みが生
じ、浸漬途中にクラックが発生する。その結果、しばし
ば軸方向の中間部で破断が生じ、多量の多結晶原料が一
度にルツボ内の原料融液中に落下する。このような落下
が生じると、ルツボが破壊され、大量の原料融液が炉内
へ流出する湯漏れ事故に至る危険性が高い。
【０００６】他の追加チャージ技術として、炉内に挿入
された原料供給管を用いて、粒塊状の多結晶原料をルツ
ボ内の原料融液に投下する方法もあるが、原料投下時に
融液飛沫の跳ね上がりや投下原料自体の跳ね上がり、更
には投下原料の衝突によるルツボの破損等が問題とな
る。ちなみに、原料コストは、粒塊状原料の方が、円柱
形状原料より安価である。
【０００７】本発明の目的は、原料費が安く、しかもク
ラックの危険がない粒塊状の多結晶原料を、ルツボ内に
静的に且つ安定に追加チャージできるＣＺ原料供給方法
及びその方法の実施に使用されるＣＺ原料供給用治具を
提供することにある。
【０００８】
【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ＣＺ原料供給方法は、ＣＺ法による単結晶
育成に際して、ルツボ内に初期チャージされた多結晶原
料の上方に、塊状及び／又は粒状の多結晶原料が内部に
充填された筒状容器を設置し、ルツボ内の多結晶原料の
溶解に伴って、筒状容器内の多結晶原料をルツボ内へ追
加供給するものである。
【０００９】また、本発明のＣＺ原料供給用治具は、Ｃ
Ｚ法による単結晶育成に際して、ルツボ内に初期充填し
た多結晶原料の上方に設置され、塊状及び／又は粒状の
多結晶原料が内部に充填される筒状容器からなり、ルツ
ボ内の多結晶原料の溶解に伴って、筒状容器内の多結晶
原料をルツボ内へ追加供給するものである。
【００１０】本発明によると、ルツボ内の多結晶原料の
溶解に伴う嵩密度の低下に伴って、筒状容器内の多結晶
原料がルツボ内へ自重により徐々に自然降下する。これ
により、クラックの危険がない粒塊状の多結晶原料が、
融液や原料の跳ね上がりを伴うことなく、ルツボ内に静
的に且つ安定に追加チャージされる。
【００１１】前記筒状容器は耐熱材料により構成され、
具体的には重金属汚染の危険がないカーボンや、少なく
とも内面がＳｉＣでコーティングされたカーボン、Ｓｉ
Ｃからなるものが好ましい。カーボンのみでは、内部の
多結晶原料が降下する際に内面が削れ、カーボンを混入
させるおそれがあるが、ＳｉＣのコーティングにより、
このおそれが取り除かれる。
【００１２】前記筒状容器は又、周方向で複数部材に分
割されると共に、複数部材が外面側へ変位可能に結合さ
れた分割構造であることが好ましい。これにより、容器
内の多結晶原料の熱膨脹に伴って容器が拡径するように
なり、その多結晶原料の詰まりが効果的に防止される。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態を
示すＣＺ原料供給方法の概念図、図２は同ＣＺ原料供給
方法に使用される筒状容器の斜視図、図３は同筒状容器
の平面図である。
【００１４】本実施形態では、ＣＺ法によりシリコン単
結晶が製造される。その製造に使用されるＣＺ炉は、図
１に示すように、炉体としてメインチャンバ１及びプル
チャンバ２を備えている。プルチャンバ２は、メインチ
ャンバ１より小径で、メインチャンバ１の中心部上に重
ねられる。
【００１５】メインチャンバ１内の中心部にはルツボ３
及び熱遮蔽体６が配置される。ルツボ３は、内側の石英
ルツボと外側の黒鉛ルツボを組み合わせた二重構造であ
り、ペディスタルと呼ばれる支持軸４上にルツボ受け５
を介して支持される。支持軸４は、ルツボ３を軸方向及
び周方向に駆動する。熱遮蔽体６は、上方に向かって漸
次拡径した円筒体であり、ルツボ３内の原料融液から引
上げられる単結晶を包囲することにより、その冷却を促
進する。
【００１６】プルチャンバ２は、軸方向に昇降駆動さ
れ、且つ、水平方向に旋回駆動される。プルチャンバ２
内には、単結晶引上げのために、引上げ軸としてのワイ
ヤ７が垂下され、その下端にはシードチャック８が取り
付けられている。ワイヤ７は、プルチャンバ２の最上部
に設けられた駆動機構により、回転駆動され且つ昇降駆
動される。ルツボ３の外側には図示されない環状のヒー
タが配置され、その更に外側には断熱材がメインチャン
バ１の内面に沿って配置される。
【００１７】本実施形態のＣＺ原料供給方法では、ま
ず、ルツボ３内に所定の多結晶原料を初期チャージす
る。或いは、所定の多結晶原料を初期チャージしたルツ
ボ３をメインチャンバ１内にセットする。次いで、プル
チャンバ２をメインチャンバ１の側方に退避させた状態
で、ワイヤ７の下方に筒状容器１０を吊り下げ、プルチ
ャンバ２及びワイヤ７を操作することにより、ルツボ３
内の初期チャージ原料上に筒状容器１０を設置する。
【００１８】筒状容器１０は、ルツボ３より小径の円筒
体である。この円筒体は、重金属汚染の危険がないカー
ボン、ＳｉＣ等の耐熱材料からなり、周方向において断
面が半円形の２つの弧状部材１１Ａ，１１Ｂに２分割さ
れている。２つの弧状部材１１Ａ，１１Ｂは、図２及び
図３に示すように、円筒形状に組み合わされ、軸方向の
複数位置でバンド１２により固定されている。弧状部材
１１Ａ，１１Ｂの位置ずれを防止するために、弧状部材
１１Ａ，１１Ｂの両縁部には位置決め部材１３Ａ、１３
Ｂが取り付けられている。
【００１９】円筒形状に合体された弧状部材１１Ａ，１
１Ｂ、即ち筒状容器１０は、まずメインチャンバ１の側
方で、シードチャック８に挟持された逆Ｔ形の支持部材
９にワイヤにより吊り下げられる。次いで、プルチャン
バ２と共にメインチャンバ１上に移動し、ルツボ３内の
初期チャージ原料上に、接触状態又は僅かの隙間をあけ
て同心状に設置される。
【００２０】このようにして初期チャージ原料上への筒
状容器１０のセットが終わると、筒状容器１０を支持し
た状態で、ワイヤ７を下方へ引き出しながらプルチャン
バ２を上昇させることにより、プルチャンバ２の下方に
筒状容器１０を露出させる。そして、柔軟性のあるガイ
ドスリーブ等を用いて、追加チャージ用の多結晶原料２
０を筒状容器１０内に充填する。この多結晶原料２０と
しては、ランプと呼ばれる塊状原料、又はチップと呼ば
れる粒塊状原料、若しくはその両方が使用される。
【００２１】ちなみに、ランプとは４０〜８０ｍｍ径サ
イズ程度の塊状原料を言い、チップとは５〜４０ｍｍ径
サイズ程度の粒塊状原料を言う。
【００２２】筒状容器１０内へ充填された多結晶原料２
０は、ルツボ３内の初期チャージ原料により下方から支
持され、筒状容器１０内に保持される。筒状容器１０内
への原料充填が終わると、筒状容器１０を支持した状態
で、ワイヤ７を上方へ巻き上げながらプルチャンバ２を
下降させることにより、メインチャンバ１にプルチャン
バ２を合体させる。しかる後、所定の手順を経て、ルツ
ボ３内の初期チャージ原料を溶解する。
【００２３】ルツボ３内の初期チャージ原料の溶解が始
まると、その嵩密度が低下する。これに伴って、筒状容
器１０内の追加チャージ用多結晶原料２０が徐々に下降
し、ルツボ３内に順次供給される。筒状容器１０内から
の原料排出を促進するために、適宜筒状容器１０を上昇
或いはルツボ３を下降させてもよいが、筒状容器１０を
過度に上昇させた場合には、筒状容器１０内の追加チャ
ージ用の多結晶原料２０と熱遮蔽体６の下端部との接触
による金属汚染が懸念されるため、ルツボ３を下降させ
ることが望ましい。
【００２４】このとき、筒状容器１０内の追加チャージ
用多結晶原料２０は、ルツボ３内の原料加熱に伴う輻射
熱により加熱され、熱膨脹を生じることにより、筒状容
器１０内でブリッジ状態になり、ルツボ３内の初期チャ
ージ原料が沈んでも筒状容器１０内に留まる危険性があ
る。しかるに、本実施形態では、筒状容器１０が弧状部
材１１Ａ，１１Ｂに２分割され、軸方向の複数位置でバ
ンド１２により固定されているため、多結晶原料２０の
熱膨脹に伴って弧状部材１１Ａ，１１Ｂが外面側へ変位
する。この拡径により、多結晶原料２０の熱膨脹による
降下不良が回避される。
【００２５】本実施形態では、更に、弧状部材１１Ａ，
１１Ｂが上部でバンド１２により固定されているため、
下部ほど大きくテーパ状に開く。このため、筒状容器１
０内からの原料排出性が特に良好となる。この排出性
は、ランプよりチップの方が良好である。
【００２６】このようにして、原料費が安く、しかもク
ラックの危険がない粒塊状の多結晶原料２０が、融液飛
沫の跳ね上がりや投下原料の跳ね上がり、更には投下原
料の衝突によるルツボの破損を生じることなく、ルツボ
３内に追加チャージされる。この追加チャージにより、
ルツボ３内に多量の原料融液が形成される。
【００２７】追加チャージが終わると、プルチャンバ２
及びワイヤ７を操作して、筒状容器１０をプルチャンバ
２の外へ排出し、シードチャック８に種結晶を装着す
る。その後、再びプルチャンバ２をメインチャンバ１に
合体させて、単結晶の引上げ操作を開始する。
【００２８】
【実施例】次に、本発明の実施結果を説明する。
【００２９】直径が１８インチの石英ルツボを使用して
直径が５インチのシリコン単結晶を育成するに当たり、
上述した方法により原料供給を行った。具体的には、石
英ルツボ内に４０ｋｇのランプを初期チャージした。ま
た、筒状容器を用いて、２０ｋｇのランプを追加チャー
ジした。筒状容器としては、２分割したＳｉＣ管を用い
た。
【００３０】この追加チャージでは、筒状容器内に充填
されたランプの全量がスムーズに石英ルツボ内に投入さ
れた。この結果、円柱形状の多結晶原料を追加チャージ
する場合に比べて、クラックの発生による落下事故の危
険がなくなり、安全性が著しく向上した。また、原料費
が５％削減され、追加チャージ量を増すことで更なる原
料費削減を図ることができる。更に、溶解時間も２時間
短縮された。
【００３１】溶解時間が短縮される理由は定かではない
が、おそらく、追加チャージ量は同じでも、円柱形状の
多結晶原料よりもランプ原料の方が表面積が大きいこと
や、ルツボ内に初期チャージしたランプ原料の上面部
が、追加原料を仕込んだ筒状容器によって覆われるた
め、ルツボ内ランプ原料の上面部からのチャンバー上方
への放熱が抑えられ、ルツボ内の保温効果が増すことな
どが影響しているものと考えられる。
【００３２】なお、本発明例で使用した筒状容器のサイ
ズは、外径１７０ｍｍ、肉厚４ｍｍ、長さ１２００ｍｍ
としたが、何らこのサイズに限定されるものではなく、
使用する単結晶引上げ装置の大きさに応じて適宜設定す
ればよい。具体的には、プルチャンバ−内径や熱遮蔽体
内径、及びルツボ容量を加味したチャージ量を考慮して
設定すればよい。また、筒状容器の形状も円筒形状に限
られるものではなく、基本的に、内部に粒塊状原料を収
容できる上下或いは少なくとも下が開放した筒形状であ
れば、どのような形状であってもよい。
【００３３】
【発明の効果】以上に説明したとおり、本発明のＣＺ原
料供給方法は、ＣＺ法による単結晶育成に際して、ルツ
ボ内に初期チャージされた多結晶原料の上方に、塊状及
び／又は粒状の多結晶原料が内部に充填された筒状容器
を設置し、ルツボ内の多結晶原料の溶解に伴って、筒状
容器内の多結晶原料をルツボ内へ追加供給することによ
り、円柱状の多結晶原料と比べて原料費が安く、しかも
クラックの危険がない粒塊状の多結晶原料を、融液飛沫
の跳ね上がりやチャージ原料の跳ね上がり、更にはチャ
ージ原料の衝突によるルツボの破損を生じることなく、
ルツボ内に追加チャージすることができる。
【００３４】また、本発明のＣＺ原料供給用治具は、Ｃ
Ｚ法による単結晶育成に際して、ルツボ内に初期充填し
た多結晶原料の上方に設置され、塊状及び／又は粒状の
多結晶原料が内部に充填される筒状容器からなり、ルツ
ボ内の多結晶原料の溶解に伴って、筒状容器内の多結晶
原料をルツボ内へ追加供給することにより、円柱状の多
結晶原料と比べて原料費が安く、しかもクラックの危険
がない粒塊状の多結晶原料を、融液飛沫の跳ね上がりや
チャージ原料の跳ね上がり、更にはチャージ原料の衝突
によるルツボの破損を生じることなく、ルツボ内に追加
チャージすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すＣＺ原料供給方法の
概念図である。
【図２】同ＣＺ原料供給方法に使用される筒状容器の斜
視図である。
【図３】同筒状容器の平面図である。
【符号の説明】
１ メインチャンバ ２ プルチャンバ ３ ルツボ ４ 支持軸 ５ ルツボ受け ６ 熱遮蔽体 ７ ワイヤ ８ シードチャック ９ 支持部材 １０ 筒状容器 １１ 弧状部材 １２ バンド １３ 位置決め部材 ２０ 追加チャージ用の多結晶原料

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＣＺ法による単結晶育成に際して、ルツ
    ボ内に初期チャージされた多結晶原料の上方に、塊状及
    び／又は粒状の多結晶原料が内部に充填された筒状容器
    を設置し、ルツボ内の多結晶原料の溶解に伴って、筒状
    容器内の多結晶原料をルツボ内へ追加供給することを特
    徴とするＣＺ原料供給方法。
  2. 【請求項２】 ルツボ内の多結晶原料の溶解に伴う嵩密
    度の低下に伴って、筒状容器内の多結晶原料をルツボ内
    へ徐々に降下させることを特徴とする請求項１に記載の
    ＣＺ原料供給方法。
  3. 【請求項３】 ＣＺ法による単結晶育成に際して、ルツ
    ボ内に初期充填した多結晶原料の上方に設置され、塊状
    及び／又は粒状の多結晶原料が内部に充填される筒状容
    器からなり、ルツボ内の多結晶原料の溶解に伴って、筒
    状容器内の多結晶原料をルツボ内へ追加供給することを
    特徴とするＣＺ原料供給用治具。
  4. 【請求項４】 前記筒状容器は、カーボン、少なくとも
    内面がＳｉＣでコーティングされたカーボン、又はＳｉ
    Ｃからなる請求項３に記載のＣＺ原料供給用治具。
  5. 【請求項５】 前記筒状容器は、周方向で複数部材に分
    割されると共に、複数部材が外面側へ変位可能に結合さ
    れた分割構造であることを特徴とする請求項３又は４に
    記載のＣＺ原料供給用治具。
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