JP2013107808A - 単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非単結晶原料から単結晶をチョクラルスキー法により製造する単結晶製造装置において、坩堝を支持し、かつ、回転させる回転軸の交換によるコストを抑制可能な単結晶製造装置を提供する。
【解決手段】非結晶原料が充填される坩堝１２と、坩堝１２を回転可能に支持する回転軸１５とを備える単結晶製造装置１０において、回転軸１５は、この回転軸１５の軸方向に並んで互いに着脱可能に組み合わされた複数の係合部材１５ａ，１５ｂ，１５ｃから構成される。このため、複数の係合部材のいずれかが劣化して破損した場合に、その破損した係合部材のみを交換することにより復旧することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶製造装置に関する。

多結晶や非晶質などの単結晶に比べて結晶性の乏しい非単結晶原料から単結晶を製造する方法としてチョクラルスキー（ＣＺ）法がある。ＣＺ法による単結晶製造装置では、原料を充填するルツボを回転軸により支持する。シリコンなどの高融点材料の単結晶を製造する際には、一般的に回転軸の素材として高強度性および高耐熱性を有するカーボンが用いられている。

シリコンなどの高融点材料の単結晶製造装置において、坩堝を支持し、かつ、回転させる回転軸は、高温に曝されるとともに繰り返し熱応力および回転力が負荷される。そのため、回転軸の一部が劣化して破損することがある。回転軸の破損は、他構成部材と接触する上端もしくは下端、または、上端もしくは下端の付近で発生しやすいことが分かっている。破損した回転軸は交換する必要があり、単結晶の製造コストを上げる一因となっている。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、回転軸を部分的に交換可能に構成することにより、回転軸の交換によるコストを抑制可能な単結晶製造装置を提供することを目的とする。

本発明に基づく単結晶製造装置は、非単結晶原料から単結晶をチョクラルスキー法により製造する単結晶製造装置である。単結晶製造装置は、非単結晶原料が充填される坩堝と、坩堝を回転可能に支持する回転軸とを備える。回転軸は、この回転軸の軸方向に並んで互いに着脱可能に組み合わされた複数の係合部材を含む。

本発明の一形態においては、複数の係合部材のうちの１つの係合部材が、上記軸方向の一端に凸部を有する。複数の係合部材のうちの他の１つの係合部材が、上記軸方向の他端に凹部を有する。凸部と凹部とが係合することにより、上記１つの係合部材と上記他の１つの係合部材とが組み合わされる。

本発明の一形態においては、上記凸部の高さと上記凹部の深さとが異なり、上記１つの係合部材と上記他の１つの係合部材との間に隙間が形成されている。

本発明の一形態においては、上記凸部の幅と上記凹部の幅が異なり、上記１つの係合部材と上記他の１つの係合部材との間に隙間が形成されている。

本発明の一形態においては、回転軸が中空構造を有する。
本発明の一形態においては、回転軸の内部に、断熱部材が位置する。

本発明によれば、回転軸を部分的に交換でき、部材交換コストを低減することができる。

本発明の実施形態１に係る単結晶製造装置の構成を示す断面図である。 同実施形態に係る回転軸の構造を示す断面図である。 同実施形態の第１変形例に係る回転軸の構造を示す一部断面図である。 同実施形態の第２変形例に係る回転軸の構造を示す一部断面図である。 同実施形態の第３変形例に係る回転軸の構造を示す一部断面図である。 同実施形態の第４変形例に係る回転軸の構造を示す一部断面図である。 同実施形態の第５変形例に係る回転軸の構造を示す一部斜視図である。 本発明の実施形態２に係る単結晶製造装置の構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施形態１に係る単結晶製造装置について説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

(実施形態１)
図１は、本発明の実施形態１に係る単結晶製造装置の構成を示す断面図である。図１に示すように、本発明の実施形態１に係る単結晶製造装置１０は、チャンバー１１を有し、チャンバー１１の内部に多結晶または非晶質などの単結晶に比べて結晶性の乏しい非単結晶原料が充填される坩堝が配置されている。チャンバー１１の内側は、断熱材１８で覆われている。

本実施形態においては、坩堝は、２重構造を有しており、内側の石英製の坩堝１２と外側のカーボン製の坩堝１３とから構成されている。坩堝は、坩堝１３の下部に取り付けられた受け皿１４を介して円柱状の外形を有する回転軸１５により回転可能に支持されている。

回転軸１５は、回転軸１５の軸方向に並んで互いに着脱可能に組み合わされた複数の係合部材を含む。回転軸１５は、カーボンで形成されている。本実施形態においては、上部係合部材１５ａ、中部係合部材１５ｂおよび下部係合部材１５ｃの３つの中実の係合部材から回転軸１５が構成されている。ただし、複数の係合部材の数は３つに限られず、複数であればよい。

回転軸１５は、金属シャフト１６上に設置されている。金属シャフト１６が回転駆動されることにより、回転軸１５が回転する。坩堝の上方には、製造された単結晶１を引き上げるためのワイヤまたはシャフト１９が配置されている。

図２は、本実施形態に係る回転軸の構造を示す断面図である。図２に示すように、上部係合部材１５ａは、回転軸１５の軸方向の下端に凹部１５２を有する。中部係合部材１５ｂは、回転軸１５の軸方向の上端に円柱状の凸部１５１および下端に凹部１５２を有する。下部係合部材１５ｃは、回転軸１５の軸方向の上端に円柱状の凸部１５１を有する。

本実施形態においては、凸部１５１の高さと凹部１５２の深さとは略等しい。また、凸部１５１の幅と凹部１５２の幅とは略等しい。

上部係合部材１５ａの凹部１５２と中部係合部材１５ｂの凸部１５１とが係合することにより、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとが組み合わされる。中部係合部材１５ｂの凹部１５２と下部係合部材１５ｃの凸部１５１とが係合することにより、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとが組み合わされる。このように、着脱可能な３つの係合部材から回転軸１５が構成されている。

なお、凸部１５１と凹部１５２とは、互いに逆向きに形成されていてもよい。すなわち、上部係合部材１５ａは、回転軸１５の軸方向の下端に凸部を有し、中部係合部材１５ｂは、回転軸１５の軸方向の上端に凹部および下端に凸部を有し、下部係合部材１５ｃは、回転軸１５の軸方向の上端に凹部を有してもよい。

上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとの間、および、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとの間には、坩堝などの重さにより互いの間に摩擦力が働く。この摩擦力により、回転軸１５が一体で回転する。

回転軸１５を着脱可能な複数の係合部材で構成することにより、複数の係合部材のいずれかが劣化して破損した場合に、その破損した係合部材のみを交換することにより復旧することができる。

また、回転軸１５を複数の係合部材で構成することにより、係合部材同士の間の界面で伝熱抵抗が発生するため、回転軸１５を伝わって拡散する熱量を低減することができる。その結果、回転軸１５の下端または下端付近での熱応力が抑制され、回転軸１５の破損頻度を低減することができる。また、ヒータ１７の消費電力を低減することができる。

図３は、本実施形態の第１変形例に係る回転軸の構造を示す一部断面図である。図３に示すように、第１変形例においては、凸部１５１ａの高さＬ₁と凹部１５２ａの深さＬ₂とが異なる。具体的には、Ｌ₂＞Ｌ₁である。または、Ｌ₁＞Ｌ₂であってもよい。

その結果、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとの間に隙間が形成される。同様に、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとの間に隙間が形成される。この形成された隙間により、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとの接触面積、および、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとの接触面積が低減するため、回転軸１５を伝わって拡散する熱量をさらに低減することができる。

第１変形例に係る回転軸１５においては、回転軸１５の径方向において、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとが互いにずれることを防止できる。同様に、回転軸１５の径方向において、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとが互いにずれることを防止できる。

図４は、本実施形態の第２変形例に係る回転軸の構造を示す一部断面図である。図４に示すように、第２変形例においては、凸部１５１ｂの幅Ｗ₁と凹部１５２ｂの幅Ｗ₂とが異なる。具体的には、Ｗ₂＞Ｗ₁である。

その結果、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとの間に隙間が形成される。同様に、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとの間に隙間が形成される。この形成された隙間により、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとの接触面積、および、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとの接触面積が低減するため、回転軸１５を伝わって拡散する熱量をさらに低減することができる。

図５は、本実施形態の第３変形例に係る回転軸の構造を示す一部断面図である。図５に示すように、第３変形例においては、凸部１５１ｃの幅Ｗ₁と凹部１５２ｃの幅Ｗ₂とが異なる。具体的には、Ｗ₂＞Ｗ₁である。ただし、凹部１５２ｃは窪みを有しており、窪みの幅はＷ₁と略同等である。また、凸部１５１ｃの高さＬ₁と凹部１５２ｃの深さＬ₂とが異なる。具体的には、Ｌ₁＞Ｌ₂である。凸部１５１ｃと凹部１５２ｃの窪みとは嵌め合っている。

その結果、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとの間に隙間が形成される。同様に、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとの間に隙間が形成される。この形成された隙間により、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとの接触面積、および、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとの接触面積が低減するため、回転軸１５を伝わって拡散する熱量をさらに低減することができる。

第３変形例に係る回転軸１５においては、回転軸１５の径方向において、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとが互いにずれることを防止できる。同様に、回転軸１５の径方向において、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとが互いにずれることを防止できる。

図６は、本実施形態の第４変形例に係る回転軸の構造を示す一部断面図である。図６に示すように、第４変形例においては、凸部１５１ｄの幅Ｗ₁と凹部１５２ｄの幅Ｗ₂とが異なる。具体的には、Ｗ₂＞Ｗ₁である。ただし、凸部１５１ｄは肩を有しており、肩幅はＷ₂と略同等である。また、凸部１５１ｄの肩の高さＬ₃と凹部１５２ｄの深さＬ₂とが異なる。具体的には、Ｌ₂＞Ｌ₃である。凸部１５１ｄの肩と凹部１５２ｄとは嵌め合っている。

その結果、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとの間に隙間が形成される。同様に、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとの間に隙間が形成される。この形成された隙間により、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとの接触面積、および、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとの接触面積が低減するため、回転軸１５を伝わって拡散する熱量をさらに低減することができる。

第４変形例に係る回転軸１５においては、回転軸１５の径方向において、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとが互いにずれることを防止できる。同様に、回転軸１５の径方向において、中部係合部材１５ｂと下部係合部材１５ｃとが互いにずれることを防止できる。

図７は、本実施形態の第５変形例に係る回転軸の構造を示す一部斜視図である。図７に示すように、第５変形例においては、上部係合部材１５ａは、回転軸１５の軸方向の下端に雌螺子部１５２ｅを有する。中部係合部材１５ｂは、回転軸１５の軸方向の上端に雄螺子部１５１ｅおよび下端に雌螺子部１５２ｅを有する。

上部係合部材１５ａの雌螺子部１５２ｅと中部係合部材１５ｂの雄螺子部１５１ｅとが螺合することにより、上部係合部材１５ａと中部係合部材１５ｂとが組み合わされる。このように構成した場合にも、着脱可能な複数の係合部材から回転軸１５を構成することができる。

以下、本発明の実施形態２に係る単結晶製造装置について説明する。本実施形態に係る単結晶製造装置２０は、回転軸の構成のみ実施形態１に係る単結晶製造装置１０と異なるため、他の構成については説明を繰り返さない。

(実施形態２)
図８は、本発明の実施形態２に係る単結晶製造装置の構成を示す断面図である。図８に示すように、本発明の実施形態２に係る単結晶製造装置２０においては、回転軸２５が中空構造を有する。

本実施形態においては、上部係合部材２５ａ、中部係合部材２５ｂおよび下部係合部材２５ｃの３つの係合部材から回転軸２５が構成されている。上部係合部材２５ａ、中部係合部材２５ｂおよび下部係合部材２５ｃの各々は中空構造を有しており、互いの係合構造は実施形態１に係る回転軸１５と同様である。

このように、回転軸２５を中空構造にすることにより、上部係合部材２５ａと中部係合部材２５ｂとの接触面積、および、中部係合部材２５ｂと下部係合部材２５ｃとの接触面積が低減するため、回転軸２５を伝わって拡散する熱量をさらに低減することができる。または、中空構造にすることにより、各係合部材内での上部から下部への熱伝導が抑制され、回転軸２５を伝わって拡散する熱量をさらに低減することができる。

また、本実施形態においては、回転軸２５の内部に断熱部材２１が充填されている。断熱部材２１は、たとえば、高珪酸ガラス繊維またはカーボンフェルトなどから構成されている。上部係合部材２５ａの内部に上部断熱部材２１ａが充填されている。中部係合部材２５ｂの内部に中部断熱部材２１ｂが充填されている。下部係合部材２５ｃの内部に下部断熱部材２１ｃが充填されている。

このように、回転軸２５の内部に断熱部材２１を充填することにより、回転軸２５を伝わって拡散する熱量を低減することができる。その結果、回転軸下端または下端付近での熱応力が抑制され、回転軸の破損頻度を低減することができる。また、ヒータ１７の消費電力を低減することができる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 単結晶、２ 融液、１０，２０ 単結晶製造装置、１１ チャンバー、１２，１３ 坩堝、１４ 受け皿、１５，２５ 回転軸、１５ａ，２５ａ 上部係合部材、１５ｂ，２５ｂ 中部係合部材、１５ｃ，２５ｃ 下部係合部材、１６ 金属シャフト、１７ ヒータ、１８ 断熱材、１９ ワイヤまたはシャフト、２１ 断熱部材、２１ａ 上部断熱部材、２１ｂ 中部断熱部材、２１ｃ 下部断熱部材、１５１，１５１ａ，１５１ｂ，１５１ｃ，１５１ｄ 凸部、１５１ｅ 雄螺子部、１５２，１５２ａ，１５２ｂ，１５２ｃ，１５２ｄ 凹部、１５２ｅ 雌螺子部。

Claims (6)

1. 非単結晶原料から単結晶をチョクラルスキー法により製造する単結晶製造装置であって、
   非単結晶原料が充填される坩堝と、
   前記坩堝を回転可能に支持する回転軸と
   を備え、
   前記回転軸は、該回転軸の軸方向に並んで互いに着脱可能に組み合わされた複数の係合部材を含む、単結晶製造装置。
2. 前記複数の係合部材のうちの１つの係合部材が、前記軸方向の一端に凸部を有し、
   前記複数の係合部材のうちの他の１つの係合部材が、前記軸方向の他端に凹部を有し、
   前記凸部と前記凹部とが係合することにより、前記１つの係合部材と前記他の１つの係合部材とが組み合わされる、請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. 前記凸部の高さと前記凹部の深さとが異なり、
   前記１つの係合部材と前記他の１つの係合部材との間に隙間が形成された、請求項２に記載の単結晶製造装置。
4. 前記凸部の幅と前記凹部の幅が異なり、
   前記１つの係合部材と前記他の１つの係合部材との間に隙間が形成された、請求項２に記載の単結晶製造装置。
5. 前記回転軸が中空構造を有する、請求項１から４のいずれかに記載の単結晶製造装置。
6. 前記回転軸の内部に、断熱部材が位置する、請求項５に記載の単結晶製造装置。

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