JP2008162834A - 融液原料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】副坩堝の融解槽から表面張力の大きい融液原料を溢れ出させて主坩堝に供給するに際し、融液原料に副坩堝や外気以外の物質を直接触れさせることなく、表面張力による融液面の盛り上がりを解消し、融液原料を定量的に少量ずつ、かつ、精度良く供給時期を制御し連続的に主坩堝へ供給する融液原料供給装置を提供する。
【解決手段】融解槽１ａを有する副坩堝１と、断熱層２と、加熱手段３と、融解槽１ａに連通するように設けられる融液供給パイプ４と、固体原料供給手段５と、融液供給パイプ加熱手段６と、支持手段７と、基礎部材８と、副坩堝１を振動させる振動手段１０１とを含む融液原料供給装置１００において、振動手段１０１により副坩堝１を振動させながら、固体原料供給手段５から固体原料１０を融解槽１ａに供給し、融解槽１ａから溢れ出る融液原料９を融液供給パイプ４を介して主坩堝に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、主坩堝に融液原料を供給する融液原料供給装置に関する。さらには、主に単結晶体および多結晶体を製造する装置の主坩堝に融液原料を供給する融液原料供給装置に関する。

シリコン、ＧａＡｓなどの半導体の単結晶体および多結晶体は、ＩＣ、ＬＳＩなどの半導体デバイス材料として広く用いられている。それら単結晶体または多結晶体を作製する手段として融液原料へ種結晶を浸漬し、ゆっくりと引き上げるチョクラルスキー法を利用した製造装置などが提案されており、それに付随して融液原料を貯留した主坩堝に随時融液原料を供給する装置や方法も種々提案されている。

たとえば、単結晶引上げ装置に融液原料を供給するための融液原料供給装置であって、石英製副坩堝と、副坩堝に固体原料を供給するフィーダと、副坩堝の底面中央に鉛直方向に挿通されるパイプ状の供給管とを含み、融液原料を間欠的に主坩堝に供給する単結晶原料供給装置が知られている（たとえば特許文献１参照）。特許文献１の融液原料供給装置においては、供給管の副坩堝底面から副坩堝内に突出する部分の上端部は副坩堝の底面からの高さの１／２程度の位置にある。また、供給管の副坩堝底面から鉛直方向下方に突出する部分の下端部が単結晶製造装置の石英製主坩堝の鉛直方向上方に位置するように副坩堝およびフィーダが配置される。フィーダによって固体原料を間欠的あるいは連続的に固体原料を副坩堝に供給した場合でも、融液原料の表面張力により融液原料が供給管の開口に対して盛り上がりを作り、一度にまとまった量の融液原料が溢れだすことで、まとまった量の融液原料が間欠的に供給される。特許文献１では、まとまった量の融液原料を一度に供給する方法を採用することで、供給管にヒータを備えずとも、供給管内での融液原料の凝固を防ぐことができるとしている。

しかし、間欠的にまとまった量の融液原料を供給する方法では、融液原料の供給時に主坩堝内の融液原料の液面に揺らぎが起こる可能性があり、たとえば種結晶を融液原料中に浸漬して引き上げながら成長させる際、単結晶体または多結晶体に転位などの結晶欠陥が発生するおそれがある。

また、主坩堝で実施するプロセスにも依存するけれども、一般に融液原料の主坩堝への供給量の制御は瞬時に対応できることが好ましい。そのため、融液原料供給装置は主坩堝へ融液原料の供給時期の制御が迅速に対応でき、かつ、少量ずつ定量的、かつ、連続的に融液原料を供給する必要がある。

しかし、シリコンなどの表面張力が大きい融液原料の場合では、少量ずつ固体原料を副坩堝に供給すると融液原料の液面が供給管の開口に対して大きく盛り上がってしまい、この盛り上がりを解消するまでは主坩堝に融液原料は供給されず、やがて盛り上がった融液原料の自重により流下しようとする力が表面張力よりも大きくなったとき、供給管へと一度に融液原料が流れ込み、主坩堝に供給されてしまう。このため、フィーダからの固体原料の供給量を制御するなどの工夫をしても、間欠的な融液原料の供給では少量ずつ定量的に融液原料を主坩堝に供給することは困難である。

また、融液原料の表面張力が大きいため供給管の開口で液面が盛り上がってしまう場合に融液原料を少量ずつ主坩堝に供給する他の方法として、たとえば、融液原料より融点の高い棒状部材を予め融液原料内に浸しておき、主坩堝への融液原料の供給が必要なときに、棒状部材で融液原料をかき混ぜることで液面の盛り上がりを解消して融液原料を供給する方法が考えられる。しかし、副坩堝内に棒状部材を浸すことで棒状部材を通じての熱伝導により融液原料の温度低下が起こり、棒状部材を基点にして副坩堝内の融液原料が凝固するおそれがある。また、棒状部材を融液原料に浸すことで、融液原料へ不純物が混入するおそれがある。

特開平１１−２５５５８８号公報

本発明の目的は、表面張力の大きい融液原料に対して、副坩堝の融解槽から融液原料を溢れ出させて主坩堝に供給するに際し、融液原料に副坩堝や外気以外の物質を直接触れさせることなく、表面張力による融液の液面の盛り上がりを解消し、融液原料を定量的に少量ずつ、かつ、供給時期を精度良く制御して連続的に主坩堝へ供給できる融液原料供給装置を提供することである。

本発明は、主坩堝に融液原料を供給する融液原料供給装置であって、
融液原料または融液原料と固体原料とを貯留する凹所である融解槽を有する副坩堝と、
一端が副坩堝の融解槽に連通するように設けられて融液原料を主坩堝に供給する融液供給パイプと、
副坩堝の周囲に設けられる加熱手段と、
副坩堝の融解槽に固体原料を供給する固体原料供給手段と、
副坩堝を振動させる振動手段とを含むことを特徴とする融液原料供給装置である。

また本発明は、前述の融液供給パイプは、
一端が副坩堝に連結され、他端が主坩堝の鉛直方向上方に配置され、その軸線が副坩堝から主坩堝の鉛直方向上方に向けて下降勾配になるように設けられることを特徴とする。

また本発明は、前述の融液供給パイプは、
その内部空間が、副坩堝の融解槽内における融液原料の液面付近またはその鉛直方向上方において融解槽に連通するように設けられることを特徴とする。

また本発明は、前述の振動手段は、
往復運動可能に設けられるピストンと、その内部にピストンが往復可能に挿入されるエアシリンダと、ピストンの往復運動を伝達するピストンロッドと、ピストンロッドによって伝達される往復運動により副坩堝を振動させる振動伝達部材と、エアシリンダ内部に圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段とを含むことを特徴とする。

また本発明は、前述のピストンは、
エアシリンダ内において融解槽と融液供給パイプとの連通部に近接する方向と、融解槽と融液供給パイプとの連通部から離反する方向とを往復運動し、融解槽と融液供給パイプとの連通部に近接する方向への移動速度が融解槽と融液供給パイプとの連通部から離反する方向への移動速度よりも遅いことを特徴とする。

また本発明は、前述の振動手段は、
脈流を通電される電磁石と、
電磁石から発生する磁界によって脈動する可動手段と、
電磁石および可動手段を支持する枠体と、
電磁石に脈流を供給する脈流供給手段とを含むことを特徴とする。

また本発明は、前述の振動手段は、
融解槽に貯留される融液原料の液面に対して、水平または融解槽と融液供給パイプとの連結部近傍の液面が鉛直方向においてそれ以外の液面よりも高くなるように副坩堝に振動を付与することを特徴とする。

また本発明は、前述の融液供給パイプの周囲に設けられる加熱手段をさらに含むことを特徴とする。

また本発明は、前述の融液原料の表面張力が７０ｍＮ／ｍ以上であることを特徴とする。
また本発明は、前述の融液原料および固体原料がシリコンを含むことを特徴とする。

本発明によれば、融液原料または融液原料と固体原料とを貯留する凹所である融解槽を有する副坩堝と、一端が副坩堝の融解槽に連通するように設けられて融液原料を主坩堝に供給する融液供給パイプと、副坩堝の周囲に設けられる加熱手段と、固体原料を融解槽に供給する固体原料供給手段と、副坩堝を振動させる振動手段とを含む融液原料供給装置が提供される。この融液原料供給装置によれば、振動手段により副坩堝を振動させることにより、融液原料は融解槽と融液供給パイプとの連通部近傍に集まり易くなり、融液原料の表面張力による液面の盛り上がりを解消できるので、定量的に少量ずつ、かつ、供給時期を精度良く制御して融液原料を主坩堝に連続的に供給することができる。また、この融液原料供給装置によれば、融液原料に副坩堝や外気以外の物質を直接触れさせることがない。すなわち、融液原料に副坩堝や外気以外の物質を直接触れさせることなく、主坩堝に融液原料を定量的、かつ、連続的に供給することができるので、主坩堝内の融液の液面揺れを抑制することができ、主坩堝における融液原料の消費状況などに応じて供給時期を精度良く融液原料を主坩堝に供給できる。

本発明によれば、融液供給パイプの一端が副坩堝に連結され、他端が主坩堝の鉛直方向上方に配置され、その軸線が副坩堝から主坩堝の鉛直方向上方に向けて下降勾配になるように設けられる。この構成により、融液原料を主坩堝に円滑に供給できる。また、副坩堝の主坩堝に対する配置が簡易になり、融液原料供給装置の設計の自由度が大幅に向上するとともに、融液原料を効率的に主坩堝に供給できる。

本発明によれば、融液供給パイプの内部空間が、副坩堝の融解槽内における融液原料の液面付近またはその鉛直方向上方において融解槽に連通するように設けられる。この構成により、副坩堝の融解槽から溢れ出る融液原料が融解槽と融液供給パイプとの連通部近傍のみに選択的に集まって、融液供給パイプを流過し、融液原料が融液供給パイプ以外に溢れ出ることが防止できる。したがって、融液原料を歩留まり良く主坩堝に供給できる。また、融液供給パイプのみに高温の融液原料が溢れ出すので装置内の部材が損傷、または、汚染されることもない。

本発明によれば、振動手段は、往復運動可能に設けられるピストンと、その内部にピストンが往復可能に挿入されるエアシリンダと、ピストンの往復運動を伝達するピストンロッドと、ピストンロッドによって伝達される往復運動により副坩堝を振動させる振動伝達部材と、エアシリンダ内部に圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段とを含み、ピストンの往復運動を利用した機構を含む。圧縮空気を供給するだけで駆動させることができるので、装置コストおよびランニングコストを低減することができる。

本発明によれば、前述のピストンは、エアシリンダ内において融解槽と融液供給パイプとの連通部に近接する方向と、融解槽と融液供給パイプとの連通部から離反する方向とを往復運動し、融解槽と融液供給パイプとの連通部に近接する方向への移動速度が融解槽と融液供給パイプとの連通部から離反する方向への移動速度よりも遅くなるように往復運動する。この往復運動により、融液原料は融解槽と融液供給パイプとの連通部近傍に急激に集まり、融液供給パイプ以外の部分に融液原料が溢れ出すことを確実に防止し、融解槽と融液供給パイプとの連通部近傍から融液供給パイプ内へ融液原料をほぼ定量的に少量ずつ供給できる。

本発明によれば、前述の振動手段は、脈流を通電される電磁石と、電磁石から発生する磁界によって脈動する可動手段と、電磁石および可動手段を支持する枠体と、電磁石に脈流を供給する脈流供給手段とを含む。電磁石による可動手段の振動は、振動の周波数をさらに高めるのに効果がある。また、可動手段を介して間接的に副坩堝に振動を伝えることにより、融解槽と融液供給パイプとの連通部近傍での融液原料の盛り上がりが抑制され、融液原料はより定量的に少量ずつ、かつ、連続的に融解槽と融液供給パイプとの連通部近傍へ溢れ出し、主坩堝に供給される。

本発明によれば、前述の振動手段は融解槽に貯留される融液原料の液面に対して、水平または融解槽と融液供給パイプとの連結部近傍の液面が鉛直方向においてそれ以外の液面よりも高くなるように副坩堝に振動を付与する。このような構成にすることで、融解槽内の融液原料は融解槽と融液供給パイプとの連通部近傍に選択的に集まって融液供給パイプを流過し、融液原料を定量的に少量ずつ、かつ、供給時期を精度良く制御して主坩堝に連続的に供給することができる。

本発明によれば、融液供給パイプの周囲に高周波誘導加熱などの加熱手段が配置される。融液供給パイプを加熱することにより、融液原料が常時高温に晒されているので、融液供給パイプを流下する融液原料が冷却されて凝固することがない。すなわち、主坩堝に供給される融液原料がたとえ少量であったとしても、融液供給パイプ中で凝固することなく主坩堝に融液原料を供給できる。

本発明によれば、本発明の融液原料供給装置を用いれば、融液原料の表面張力が７０ｍＮ／ｍ以上の物質であっても、融解槽と融液供給パイプとの連通部近傍での融液原料の盛り上がりを制御することができ、より確実に融液原料を定量的に少量ずつ、かつ、供給時期を精度良く制御して主坩堝に連続的に供給することができる。

本発明によれば、融液原料および固体原料としてシリコンのような表面張力の高い物質を含む場合でも、融解槽と融液供給パイプとの連通部近傍における融液原料の盛り上がりを抑制し、融液原料を効率よく定量的に少量ずつ、かつ、供給時期を精度良く制御して主坩堝に連続的に供給できる。すなわち、本発明の融液原料供給装置によれば、融液原料および固体原料の表面張力が高くても、融液原料の主坩堝への供給を容易に実施できる。

図１は、本発明の実施の第１形態である融液原料供給装置１００の構成を模式的に示す断面図である。融液原料供給装置１００は、副坩堝１と、断熱層２と、加熱手段３と、融液供給パイプ４と、固体原料供給手段５と、融液供給パイプ加熱手段６と、支持手段７と、基礎部材８と、振動手段１０１とを含む。

副坩堝１は、その上面の少なくとも一部に、その上面から鉛直方向下方に向けて形成される融解槽１ａを含む。融解槽１ａは鉛直方向上方に向けて開口する凹所であり、融液原料９および固体原料１０を貯留する。副坩堝１には、たとえば、石英あるいは高純度化処理を施したグラファイトで形成されたものが使用される。

断熱層２は、副坩堝１の側面および底面に接し、副坩堝１の上面を除く外周全域を被覆するように設けられる。断熱層２は副坩堝１の放熱を抑制する。断熱層２には、たとえば、カーボンフェルトなどが使用される。

加熱手段３は、断熱層２の鉛直方向の側面の外周に沿って、外周に対して間隙を有して離隔するように設けられる。加熱手段３は融解槽１ａに供給される固体原料１０を加熱して融解させるとともに、融解槽１ａに貯留される融液原料９の凝固を防止する。本実施の形態では、加熱手段３として誘導加熱コイルを含む高周波誘導加熱装置を使用する。加熱手段３である誘導加熱コイルは副坩堝１の周囲に数回巻き付けられる。また、誘導加熱コイルは図示しない耐火煉瓦などの耐火材で被覆され、輻射熱から保護される。本実施の形態では高周波誘導加熱装置を使用するけれども、抵抗加熱装置を使用しても良い。抵抗加熱装置とは抵抗体に電流を流すことによって発熱することを利用した加熱手段である。ここで、抵抗体にはカーボンヒータなどを使用できる。

融液供給パイプ４は、一端が副坩堝１に連結されて、その内部空間が融解槽１ａの内部空間と連通し、他端が図示しない主坩堝の融液原料貯留槽の鉛直方向上方に位置するように設けられる。また、融液供給パイプ４は、その内部空間が副坩堝１における融解槽１ａの鉛直方向側面において、融液原料の液面付近またはその鉛直方向上方で融解槽１ａの内部空間に連通する融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂを有するよう設けられる。また、融液供給パイプ４はその軸線が副坩堝１から主坩堝の鉛直方向上方に向けて下降勾配になるように設けられる。これによって、融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂから溢れ出る融液原料９が融液供給パイプ４を介して図示しない主坩堝に供給される。さらに融液供給パイプ４の外周には図示しない断熱層が設けられる。断熱層には、たとえば、カーボンフェルトなどが使用される。

固体原料供給手段５は、たとえば、シュータを使用できる。シュータは固体原料１０を確実に融解槽１ａに供給する装置であり、融解槽１ａの鉛直方向上方に設置される。また、シュータは、その鉛直方向上端部に図示しないゲートバルブが設けられ、鉛直方向下部が鉛直方向に対して角度を有して傾斜し、下端部が融解槽１ａの融液原料９の液面を臨むように設けられる中空状部材である。固体原料１０は図示しないゲートバルブを介してシュータに供給され、シュータ内面を滑り落ちて、シュータの鉛直方向下端部の開口から排出される。シュータの鉛直方向下端部は、融解槽１ａの円周近傍部分の鉛直方向上方に位置し、前記下端部から排出される固体原料１１が供給されると、融解槽１ａ内の融液原料９の液面高さが固体原料１０の容積分上昇し、融解槽１ａから、融液原料９が溢れ出す。ここで、融液原料９および固体原料１０とは、半導体材料、金属材料などである。本発明の実施例では融液原料９および固体原料１０にシリコンを用いたが、その融解した原料の表面張力が７０ｍＮ／ｍ以上ならば、本実施の形態にかかわらず、本発明は効果的に作用する。シリコンの融液の表面張力は、約７００ｍＮ／ｍである。

融液供給パイプ加熱手段６は、融液供給パイプ４の外周に沿って、外周に対して間隙を有して離隔するように設けられ、融液供給パイプ４を流過する融液原料９が融液供給パイプ４内で凝固するのを防止する。本実施の形態では、融液供給パイプ加熱手段６として、前記と同様の高周波誘導加熱装置を用いるけれども、それに限定されず、前記と同様の抵抗加熱装置を使用してもよい。融液供給パイプ加熱手段６の周囲には、図示しない断熱層が設けてもよい。断熱層は、たとえば、耐火煉瓦などの耐火材によって形成される。これによって、融液供給パイプ６は、輻射熱から保護される。

支持手段７は断熱層２の底面に接するように設けられ、副坩堝１、断熱層２および加熱手段３などを支持する板状部材である。支持手段７には耐火材を使用するのが好ましい。本実施の形態では支持手段７に耐火煉瓦を用いる。

基礎部材８は、支持手段７の鉛直方向下面に接するように設けられて、副坩堝１、断熱層２および加熱手段３などを支持する受け皿状部材である。基礎部材８は、受け皿状の形状を有することによって、副坩堝１が割れるなどの事故が起こった場合に融液原料９の漏れを一時的に受けて他の機器への被害を抑制できる。本実施の形態では基礎部材８として受け皿状の金属製トレイを使用する。

振動手段１０１は、融液原料供給装置１００の鉛直方向下方において、融液原料供給装置１００の底面すなわち基礎部材８の底面の中央付近から、融液原料供給装置１００の外方に向けて水平方向に延びるように配置される。振動手段１０１は、ピストン１１と、エアシリンダ１２と、ピストンロッド１３と、振動伝達部材１４と、圧縮空気供給手段１５と、図示しない電磁バルブと、図示しないスピードコントロールバルブとを含む。エアシリンダ１２は一方向に延びる円柱状部材であり、長手方向の一端面１２ａには、他端面１２ｂに向けて延びるようにピストン挿入孔１２ｃが形成される。ピストン挿入孔１２ｃには後述するピストン１１が挿入される。また、エアシリンダ１２の長手方向における両端の周面には、それぞれ、エアシリンダ１２の厚み方向においてピストン挿入孔１２ｃに貫通する圧縮空気注入排出孔１６、１７が形成される。圧縮空気注入排出孔１６、１７を介して、ピストン挿入孔１２ｃ内に圧縮空気が注入される。圧縮空気供給手段１５はエアシリンダ１２の外部に設けられて圧縮空気を製造し、圧縮空気注入排気孔１６、１７のいずれか一方からピストン挿入孔１２ｃに圧縮空気を供給する。また、エアシリンダ１２のシリンダ筐体の両端には、図示しない電磁バルブと図示しないスピードコントロールバルブが接続されており、ピストンロッド１３の往復運動の速度および振動数を制御する。振動伝達手段１８は、ピストン１１と、ピストンロッド１３と、振動伝達部材１４とを含む。ピストンロッド１３によって支持され、エアシリンダ１２のピストン挿入孔１２ｃに挿入される。ピストン１１は、エアシリンダ１２周面の融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂから相対的に離反する位置にある圧縮空気注入排出孔１６からピストン挿入孔１２ｃ内に圧縮空気が注入されると、ピストン１１は融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂから近接する方向に移動する。また、融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂに相対的に近接する位置にある圧縮空気注入排出孔１７からピストン挿入孔１２ｃ内に圧縮空気が注入されると、ピストン１１は融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂから離反する方向に移動する。このようにして、ピストン１１は融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂに近接する方向およ融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂから離反する方向、すなわち、矢符１０６の方向に往復運動する。ピストンロッド１３はエアシリンダ１２と同じ方向に延びるように設けられる棒状部材であり、一端にピストン１１が接続され、他端に振動伝達部材１４が接続される。ピストンロッド１３の移動速度は特に制限されないが、ピストンは、融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂに近接する方向への移動速度が融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂから離反する方向への移動速度よりも遅いほうが好ましい。ピストンロッド１３はピストン１１の往復運動を振動伝達部材１４に伝える。振動伝達部材１４は、基礎部材８の底面の中心部またはその近傍に固定され、その側面にはピストンロッド１３が接続される。振動伝達部材１４はピストンロッド１３を介してピストン１１の往復運動の伝達を受け、その往復運動を基礎部材８に伝えることによって、副坩堝１を振動させる。

また、振動手段１０１の振動と停止とを制御することにより、振動手段１０１を常時振動させるよりも融液原料９の供給状況を向上することができる。振動手段１０１を常時振動させるか、あるいは、主坩堝における融液原料９の消費に対応して振動と停止を制御するかは、主坩堝での多結晶体または単結晶体製造プロセスあるいは装置コストなどに応じて決定できる。

本実施の形態では、たとえば、高さ２０ｃｍ、外形φ２０ｃｍ、融解槽１ａの高さ１８ｃｍおよび内径φ１６ｃｍである副坩堝１を振動させる際に、ピストン１１のストロークが０．５〜１０ｍｍ、振動数が１〜１０Ｈｚになるように設定する。

この振動により、融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂ近傍では、融液原料９の表面張力による盛り上がりが解消され、融液原料９は融液供給パイプ４内を流過して図示しない主坩堝に供給される。

また、副坩堝１を振動させない場合は、表面張力により融解槽１ａ内で融液原料９の液面が融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂで盛り上がってしまうため、副坩堝１への固体原料１０の供給量によっては、主坩堝に融液原料９を供給する時期であっても、融液供給パイプ４に融液原料９が溢れ込まず、主坩堝に供給できない場合がある。また、融解槽１ａ内の融液原料９の液面が盛り上がった状態で固体原料１０を供給すると、融液原料９の盛り上がりが一気に解消されて融液原料９が融液供給パイプ４に溢れ出し、多量の融液原料９が一度に主坩堝に供給されてしまい、融液原料９の主坩堝への供給量が制御できない。また、図示しない主坩堝内の融液原料の液面を揺らすことにもなる。

このように、融液原料供給装置１００によれば、固体原料供給手段５から副坩堝１の融解槽１ａに供給される固体原料１０が加熱手段３による加熱を受けて融液原料９となる。振動手段１０１が基礎部材８を介して副坩堝１を間接的に振動させることで、融解槽１ａ内の融液原料９が、融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂに集まり、融液原料９の表面張力による液面の盛り上がりが解消される。その結果、融液原料９を、供給時期を制御しつつ、少量ずつ定量的、かつ、連続的に主坩堝に供給することができる。

図２は、本発明の実施の第１形態である融液原料供給装置１００における、融解槽１ａ内に貯留される融液原料９の液面の挙動を模式的に示す断面図である。図２（ａ）は、静止状態にある融解槽１ａにおける融液原料９の液面の状態を示す断面図である。図２（ｂ）および図２（ｃ）は、矢符１０６の方向に振動する融解槽１ａにおける融液原料９の液面の状態を示す断面図である。図２（ｄ）は、振動付与を停止した直後の融解槽１ａにおける融液原料９の液面の状態を示す断面図である。

図２（ａ）に示すように、振動手段１０１による振動が副坩堝１に伝わっていないときは、融解槽１ａに固体原料１０を供給しても、融解槽１ａに貯留されている融液原料９の液面は表面張力によって盛り上がり、盛り上がった融液原料９の自重により流過しようとする力が表面張力よりも大きくなるまでは盛り上がりは解消されない。

振動手段１０１によって融液原料供給装置１００に振動を付与し、間接的に副坩堝１を振動させると、図２（ｂ）に示すように、融液原料９の融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂ近傍での融液原料９の盛り上がりが解消され、融液原料９は融液供給パイプ４を流過して主坩堝に供給される。振動手段１０１による振動の付与によって副坩堝１が振動している間は、図２（ｃ）に示すように、融液原料９は融液供給パイプ４を流過し続ける。

振動手段１０１による振動の付与を停止すると、図２（ｄ）に示すように、融液原料９の主坩堝への供給は停止する。なお、振動付与を停止した直後では、融液原料９の液面は盛り上がりを形成しない。

このように、振動手段１０１による副坩堝１の振動は、融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂ近傍での融液原料９の盛り上がりを解消し、融液原料９を主坩堝へ連続的に供給するように作用する。また、実際には融解槽１ａには一定量ずつの固体原料１０が連続的に供給されるため、振動手段１０１によって振動が付与される間は図２（ｂ）に示す状態が続くことになり、主坩堝へは定量的に少量ずつ、かつ、連続的に融液原料９が供給される。

このようにして本発明の融液原料供給装置１００は融解槽１ａに貯留される融液原料９を定量的に少量ずつ、かつ、主坩堝における融液原料９の消費に対応して連続的に主坩堝へ供給することができる。

図３は、本発明の実施の第２形態である融液原料供給装置２００の構成を模式的に示す断面図である。融液原料供給装置２００は支持手段２０７を有することを特徴とする。さらに融液原料供給装置２００は、融液原料供給装置１００に類似の構造を有し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

支持手段２０７は、その上面が融液供給パイプ４から相対的に離反する位置から相対的に近接する方向に向けて鉛直方向下方に徐々に下降する斜面になるように設けられる。その底面は水平方向に平行に設けられる支持手段２０７を用いることによって、支持手段２０７に支持される副坩堝１の融液供給パイプ４が接続される側の一端部が、副坩堝１の軸線を介して前記一端部に対向する他端部よりも鉛直方向において下方に位置するように副坩堝１を傾けて配置できる。支持部材２０７の上面の水平方向に対する傾斜角θを適宜選択することによって、副坩堝１の傾きを調節できる。本実施の形態では、傾斜角θは５〜２０°の範囲から選択される。５°未満では副坩堝を１を傾斜配置する効果が不十分になる。２０°を超えると、融液供給パイプ４以外の部分から融液原料９が溢れ出るおそれがある。

融液原料供給装置２００によれば、振動手段２０１により、副坩堝１を水平方向に振動させると、融液原料９は融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂに向かって溢れ出やすくなり、表面張力による盛り上がりをさらに解消され易くなり、融液原料９を定量的に少量ずつ、かつ、供給する時期をより正確に制御して制御して主坩堝に供給することができる。

図４は、本発明の実施の第３形態である融液原料供給装置３００の構成を模式的に示す断面図である。融液原料供給装置３００は振動手段１０１に代えて振動手段３０１を有することを特徴とする。さらに融液原料供給装置３００は、融液原料供給装置１００に類似の構造を有し、対応する部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。

振動手段３０１は基礎部材８の底面に接するように設けられて、電磁石１９と、可動手段２０と、枠体２１と、図示しない脈流供給手段とを含む。

電磁石１９は、たとえば、図示しないマグネットコイルを内蔵し、枠体２１によって支持される。また、電磁石１９はその上面が融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂから相対的に離反する位置から相対的に近接する方向に向けて鉛直方向下方に徐々に下降する斜面になるように設けられ、底面は後述する枠体２１によって支持される。電磁石１９は、内蔵するマグネットコイルに脈流供給手段から半波整流された脈流の通電を受けることによって、脈流における電流値の変化に応じて、周期的に磁力が変化する磁界を発生させる。

可動手段２０は、電磁石１９の鉛直方向上方において、電磁石１９に対向するように設けられて、電磁石１９から発生する周期的に磁力が変化する磁界の影響を受けて脈動する。可動手段２０は、磁界の影響を受けて振動する材料からなるものであれば特に制限されず、たとえば、金属製板状可動子などを使用できる。また可動手段２０は、その底面が電磁石１９の上面に平行になるように融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂから相対的に離反する位置から相対的に近接する方向に向けて鉛直方向下方に徐々に下降する斜面になるように設けられる。その上面は後述する枠体２１によって支持される。可動手段２０の底面の水平方向に対する傾斜角θは、０〜２０°の範囲から適宜選択することができる。傾斜角θが０°未満では振動手段３０１によって伝動される融液原料９への移動力の方向が融液供給パイプ４から相対的に離反する方向に向うおそれがある。また、傾斜角θが２０°を超えると、融液供給パイプ４以外の部分から融液原料９が溢れ出るおそれがある。

枠体２１は、上部部材２１ａと下部部材２１ｂと電磁石支持部材２１ｃと振動吸収部材２１ｄとを含み、内部空間を有する容器状部材であり、その内部空間に少なくとも電磁石１９、および可動手段２０を収容して支持する。また、枠体２１は、電磁石１９から発生する周期的に磁力が変化する磁界の影響を受けて脈動する可動手段２０の脈動を、副坩堝１および基礎部材８に伝動する構成をとる。

上部部材２１ａは、一端が基礎部材８と可動手段２０との間に狭持され、他端が鉛直方向下方に向けて延びるように設けられ、湾曲部を有する板状部材である。上部部材２１ａの一端は、鉛直方向（厚み方向）の上面が基礎部材８の底面に接し、下面が可動手段２０の上面に接するように設けられ、可動手段２０を振動自在に支持する。上部部材２１ａは基礎部材８のみに接する位置から湾曲して鉛直方向下方に延びる。この鉛直方向下方に延びる部分が他端である。下部部材２１ｂは、一端が電磁石支持部材２１ｃの底面に接し、かつ、他端が鉛直方向上方に延びるように設けられ、湾曲部を有する板状部材であり、電磁石支持部材２１ｃを支持する。下部部材２１ｂの一端は、その鉛直方向（厚み方向）の上面が電磁石支持部材２１ｃの底面に接して電磁石支持部材２１ｃを支持する。下部部材２１ｂの他端は、下部部材２１ｂの一端から水平方向に延びて湾曲しさらに鉛直方向上方に延び、上部部材２１ａの他端と対向する。電磁石支持部材２１ｃは、内部空間を有し、かつ、その上部が鉛直方向上方に向けて開口する受け皿状部材であり、その内部空間を臨む底面に電磁石１９が載置される。振動吸収部材２１ｄは、一端が上部部材２１ａの他端に接続され、かつ、他端が下部部材２１ｂの他端に接続される板状部材である。また電磁石支持部材２１ｃはその側面の鉛直方向上面が可動手段２の底面に平行になるように振動吸収部材２１ｄは、上部部材２１ａを介して伝わる可動手段２０の振動（脈動）の少なくとも一部を吸収し、下部部材２１ｂひいては電磁石１９および電磁石支持部材２１ｃに伝わる振動を軽減するかまたは振動を遮断する。

脈流供給手段は、図示しない電源と、図示しない整流手段とを含む。電源は整流手段を介して電磁石１９に電気的に接続される。整流手段は、電源から供給される電流を半波整流して脈流とし、この脈流を電磁石１９に供給する。

振動手段３０１によれば、電磁石１９が脈流の通電を受けることによって周期的に磁力が変化する磁界を発生させ、この磁界によって可動手段２０が脈動し、この脈動による振動が基礎部材８を介して副坩堝１に伝達される。その一方で、可動手段２０の脈動によって発生する振動は、振動伝達部材２３によって吸収されることによって、電磁石１９にはほとんどまたは全く伝達されない。

このような構成を有する振動手段３０１は、たとえば、電磁フィーダなどに利用されるものと同様である。本実施の形態では、可動子２１の振動数を３０〜６０Ｈｚに設定する。また、本実施の形態では、副坩堝１および基礎部材８に水平な面に対し、可動手段２０の底面が傾斜角θを有する構成を示したが、この構成に限定されず、基礎部材８の底面ひいては副坩堝１に対して、基礎部材８の底面中央から融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂに向う方向、すなわち鉛直方向斜め上方に向う矢符３０６の方向に振動を付与できる構成であればよい。

これによって、融解槽１ａに貯留される融液原料９の液面に対して、融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂ近傍の液面がそれ以外の液面よりも鉛直方向上方に位置するように構成できる。

振動手段３０１によって、鉛直方向斜め上方への振動を副坩堝１に与えることで、副坩堝１の融解槽１ａに貯留された融液原料９は、融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂにさらに集まり易くなる。これによって、融液原料９が融解槽１ａと融液供給パイプ４との連通部１ｂに向かって溢れやすくなり、表面張力による盛り上がりをさらに抑制し、融液原料９をより正確に定量的に少量ずつ、かつ、供給する時期をより正確に制御して主坩堝に供給することができる。

本実施の形態では、振動手段として前述の振動手段１０１、３０１を用いるけれども、それに限定されず、たとえば、リニアガイドと、ボールネジと、電気モータとを含む直動機構を有する振動手段を用いても良い。

本発明の融液原料供給装置は、単結晶体および多結晶体製造装置などにおける融液原料貯留用主坩堝に、融液原料を補充追加する供給装置として好適に使用できる。

本発明の実施の第１形態である融液原料供給装置の構成を模式的に示す断面図である 本発明の実施の第１形態である融液原料供給装置１００における、融解槽１ａ内に貯留される融液原料９の液面の挙動を模式的に示す断面図である。図２（ａ）は静止状態にある融解槽における融液原料の液面の状態を示す断面図である。図２（ｂ）および図２（ｃ）は、矢符の方向に振動する融解槽における融液原料の液面の状態を示す断面図である。図２（ｄ）は振動付与を停止した直後の融解槽における融液原料の液面の状態を示す断面図である。 本発明の実施の第２形態である融液原料供給装置の構成を模式的に示す断面図である。 本発明の実施の第３形態である融液原料供給装置の構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ 副坩堝
２ 断熱材
３ 加熱手段
４ 融液供給パイプ
５ 固体原料供給手段
６ 融液供給パイプ加熱手段
７，２０７ 支持手段
８ 基礎部材
９ 融液原料
１０ 固体原料
１１ ピストン
１２ エアシリンダ
１３ ピストンロッド
１４ 振動伝達部材
１５ 圧縮空気供給手段
１６，１７ 圧縮空気注入排出孔
１８ 振動伝達手段
１９ 電磁石
２０ 可動手段
２１ 枠体
１００，２００，３００ 融液原料供給装置
１０１，３０１ 振動手段
１０６，３０６ 振動伝達手段の往復運動の方向を表す矢符

Claims (10)

1. 主坩堝に融液原料を供給する融液原料供給装置であって、
   融液原料または融液原料と固体原料とを貯留する凹所である融解槽を有する副坩堝と、
   一端が副坩堝の融解槽に連通するように設けられて融液原料を主坩堝に供給する融液供給パイプと、
   副坩堝の周囲に設けられる加熱手段と、
   副坩堝の融解槽に固体原料を供給する固体原料供給手段と、
   副坩堝を振動させる振動手段とを含むことを特徴とする融液原料供給装置。
2. 融液供給パイプは、
   一端が副坩堝に連結され、他端が主坩堝の鉛直方向上方に配置され、その軸線が副坩堝から主坩堝の鉛直方向上方に向けて下降勾配になるように設けられることを特徴とする請求項１記載の融液原料供給装置。
3. 融液供給パイプは、
   その内部空間が、副坩堝の融解槽内における融液原料の液面付近またはその鉛直方向上方において融解槽に連通するように設けられることを特徴とする請求項１または２記載の融液原料供給装置。
4. 振動手段は、
   往復運動可能に設けられるピストンと、その内部にピストンが往復可能に挿入されるエアシリンダと、ピストンの往復運動を伝達するピストンロッドと、ピストンロッドによって伝達される往復運動により副坩堝を振動させる振動伝達部材と、エアシリンダ内部に圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段とを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の融液原料供給装置。
5. ピストンは、
   エアシリンダ内において融解槽と融液供給パイプとの連通部に近接する方向と、融解槽と融液供給パイプとの連通部から離反する方向とを往復運動し、融解槽と融液供給パイプとの連通部に近接する方向への移動速度が融解槽と融液供給パイプとの連通部から離反する方向への移動速度よりも遅いことを特徴とする請求項４記載の融液原料供給装置。
6. 振動手段は、
   脈流を通電される電磁石と、
   電磁石から発生する磁界によって脈動する可動手段と、
   電磁石および可動手段を支持する枠体と、
   電磁石に脈流を供給する脈流供給手段とを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の融液原料供給装置。
7. 振動手段は、
   融解槽に貯留される融液原料の液面に対して、水平または融解槽と融液供給パイプとの連結部近傍の液面が鉛直方向においてそれ以外の液面よりも高くなるように副坩堝に振動を付与することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の融液原料供給装置。
8. 融液供給パイプの周囲に設けられる加熱手段をさらに含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の融液原料供給装置。
9. 融液原料の表面張力が７０ｍＮ／ｍ以上であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の融液原料供給装置。
10. 融液原料および固体原料がシリコンを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の融液原料供給装置。

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