JP2022164566A - 結晶成長炉 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、結晶成長炉の炉室における気体の流れを均一に改良できると共に、坩堝の周囲にある異物を効果的に炉室から排出できる、結晶成長炉を提供することを目的とする。【解決手段】炉室を備えた炉体１０と、上方排気手段５０と、上方排気手段に接続されると共に流路の開放側に設置される流れ案内手段６０とを含み、流れ案内手段は、第一吸気穴６１及び少なくとも二つの第二吸気穴６２を有し、第一吸気穴は、排気口５０２から離れた一方側に設置され、縦方向参照面は、第一吸気穴及び排気口を通過し、流れ案内手段が縦方向参照面によって第一段及び第二段に分けられ、少なくとも二つの第二吸気穴は、それぞれ、第一段及び第二段に設置され、第一吸気穴の開口面積が少なくとも二つの第二吸気穴の開口面積よりも大きく、炉室における気体は、抽気装置によって、流れ案内手段を介して上方排気手段の流路に抜けてから炉室から抜き出される。【選択図】図１

Description

本発明は、結晶成長炉に関し、特に、炉室における気体が均一に流れる結晶成長炉に関する。

典型的なＣＺ法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ、チョクラルスキー）による製作においては、シリコン材を坩堝に入れて、シリコン材を約１４１６℃の温度で液体のシリコンに融解してから、所定の結晶配向を有したシリコン種結晶を、液体シリコンの表面に接触するように下げて、適正な温度の制御によって、液体のシリコンが、シリコン種結晶において、当該シリコン種結晶の有する所定の結晶配向を有する単結晶を形成するようにし、次に、シリコン種結晶と坩堝を回転させながら徐々に引き上げ、シリコン種結晶の下方にシリコン結晶の棒を形成する。

結晶を成長させる場合には、温度を下げて異物を排除するように、結晶成長炉に不活性気体を供給すること、及び、炉室における気体を排出することが必要である。よく知られている結晶成長炉の気体については、結晶成長炉における炉体の上方に位置する吸気口を介して気体を供給し、また、結晶成長炉における炉体の下方に設けられた気体排出口を介して炉室における気体を排出する。しかしながら、このような設計によると、炉体の下方に位置する気体排出口と近い気体しか排出できず、結晶成長炉における坩堝の周囲にある異物を気体と共に排出することが難しい。従って、異物の堆積によってシリコン結晶の棒の品質に悪い影響を与える恐れがある。また、このような設計によると、坩堝の周囲にある気体の流れが乱れて不均一になりやすく、ひいては、坩堝の放熱も悪くなり、シリコン結晶の棒における結晶粒子の大きさや均一性に悪い影響を与える恐れがある。従って、如何にして、結晶成長炉の炉室における気体の流れの均一性を改良できるか、しかも、坩堝の周囲にある異物を効果的に排出できるかということは、早めに解決すべき問題となる。

このことに鑑み、本発明は、結晶成長炉の炉室における気体の流れを均一に改良できると共に、坩堝の周囲にある異物を効果的に炉室から排出できる、結晶成長炉を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明が提供する結晶成長炉は、排気管を含んだ抽気装置に接続され、当該結晶成長炉は、炉室を備えた炉体、坩堝、上方排気手段及び流れ案内手段を含み、当該坩堝は、当該炉室に設置され、当該坩堝の上方に位置する吸気通路を当該炉室に有し、当該上方排気手段は、当該炉室に設置され、当該坩堝の上方に位置して連通する流路及び排気口を有し、当該流路が当該吸気通路を囲む開放側を有し、当該排気管が当該排気口に連通し、当該流れ案内手段は、当該上方排気手段に接続されると共に当該流路の当該開放側に設置され、当該流れ案内手段は、当該排気口から離れた一方側に設置される第一吸気穴及び少なくとも二つの第二吸気穴を有し、当該第一吸気穴及び当該排気口を通過した縦方向参照面を定義すると、当該流れ案内手段が当該縦方向参照面によって第一段及び第二段に分けられ、当該少なくとも二つの第二吸気穴は、それぞれ、当該第一段及び当該第二段に設置され、当該第一吸気穴の開口面積が当該少なくとも二つの第二吸気穴の開口面積よりも大きく、当該炉室における気体は、当該抽気装置により、それぞれ、当該流れ案内手段における当該第一吸気穴及び当該少なくとも二つの第二吸気穴を介して、当該上方排気手段の当該流路に抜けてから、当該上方排気手段の当該排気口及び当該排気管を介して当該炉室から抜け出される。

本発明は、その効果が、当該流れ案内手段を設置すること、及び、当該排気口の位置を設置することによって、当該炉室における気体が当該第一吸気穴及び当該少なくとも二つの第二吸気穴を介して当該上方排気手段の当該流路に流し込む時に流れ速度が均一になり、そして、結晶成長炉の炉室における気体流れを均一に改良できると共に坩堝の周囲にある異物を効果的に炉室から排出できるということにある。

本発明の好ましい第一実施例に係る結晶成長炉の模式図である。 上記好ましい実施例に係る結晶成長炉の横方向参照面の断面模式図である。 上記好ましい実施例に係る流れ案内手段の斜視図である。 他の好ましい実施例に係る横方向参照面の断面模式図である。 他の好ましい実施例に係る横方向参照面の断面模式図である。 本発明の好ましい第二実施例に係る結晶成長炉の模式図である。 本発明の好ましい第一実施例に係る気体流れ速度のシミュレーション写真である。

本発明をより明確に説明するために、好ましい幾つかの実施例を挙げて、図面を参照しながら、以下に詳しく説明する。図１に示すように、本発明の好ましい第一実施例に係る結晶成長炉１は、炉体１０、坩堝２０、加熱装置３０、昇降装置４０、上方排気手段５０及び流れ案内手段６０を含み、当該炉体１０は、炉室Ｒを有しており、当該坩堝２０は、当該炉室Ｒに設置され、結晶成長用の素材を載置することに用いられ、当該加熱装置３０は、当該坩堝２０の側方の外周に設置され、当該坩堝２０を加熱することに用いられ、当該昇降装置４０は、種結晶に接続され、種結晶を、当該坩堝２０における液体シリコンを含有する表面まで垂直に下げて、適正な引き上げの速度に基づいて、徐々に種結晶を上げて結晶を成長させる、という過程を実現するためのものである。

当該炉室Ｒには、上部輻射シールド７０が設置されている。当該上部輻射シールド７０は、円錐状を呈し、当該坩堝２０の上方に設置される。当該炉室Ｒは、当該坩堝２０の上方に位置し、当該炉室Ｒの外部から例えば不活性ガスなどの気体を吸入するための吸気通路Ｔ１を有する。当該上部輻射シールド７０は、当該吸気通路Ｔ１回りに設置され、しかも、当該吸気通路Ｔ１が当該上部輻射シールド７０における底部の開口を貫通する。当該上方排気手段５０は、当該炉室Ｒに設置されると共に当該炉体１０の炉壁回りに設置される。当該上方排気手段５０は、当該坩堝２０の上方に位置して連通する流路５０１及び排気口５０２を有し、当該流路５０１は、当該吸気通路Ｔ１を囲む開放側５０１ａを有する。当該流れ案内手段６０は、当該上方排気手段５０に接続されると共に当該流路５０１における当該開放側５０１ａに設置されることにより、当該開放側５０１ａを開閉する。当該流れ案内手段６０は、一つの第一吸気穴６１及び四つの第二吸気穴６２を備えている。当該結晶成長炉１は、抽気装置に接続されており、当該抽気装置は、排気管８０及び抽気手段を含む。当該排気管８０は、当該炉体の上部に設置されると共に当該坩堝２０よりも高い箇所に位置する。当該排気管８０は、一方端が当該排気口５０２に連通する一方、他方端が当該抽気手段に連通する。そして、当該抽気装置により当該炉室Ｒにおける気体を、それぞれ、当該流れ案内手段６０における当該第一吸気穴６１及び当該些第二吸気穴６２を介して、当該上方排気手段５０の当該流路５０１に抜けてから、当該上方排気手段５０における当該排気口５０２及び当該排気管８０を介して、当該炉室から外部へ抜き出すことが可能である。

図１乃至図３を参照しながらさらに説明すると、当該第一吸気穴６１を当該排気口５０２から離れた一方側に設置する。当該第一吸気穴６１及び当該排気口５０２を通過した縦方向参照面Ｓ１を定義すると、当該流れ案内手段６０が、当該縦方向参照面Ｓ１によって第一段６０１及び第二段６０２に分けられる。当該些第二吸気穴６２は、二つずつ当該第一段６０１及び当該第二段６０２に設置されると共に当該第一吸気穴６１の開口面積がこれらの第二吸気穴６２の開口面積よりも大きい。そして、当該流れ案内手段６０、当該第一吸気穴６１の開口面積が当該些第二吸気穴６２の開口面積よりも大きいこと、及び、当該排気口５０２の設置位置についての設計により、当該炉室Ｒにおける気体は、当該第一吸気穴６１及び当該些第二吸気穴６２を介して、当該上方排気手段５０の当該流路５０１に流れ込む時、当該流路５０１における当該第一吸気穴６１及び当該排気口５０２に流れ速度が均一になり、坩堝２０の周囲にある異物を効果的に炉室Ｒから排出することができる。なお、当該些第二吸気穴６２を設置することは、当該炉室Ｒにおける気体を速やかに排出でき、よく使われる結晶成長炉について、単一の排気穴を設置することにより気体の流れ速度が不均一であるという問題を解決することができる。

本実施例では、四つの第二吸気穴６２を例に挙げて説明したが、他の実施例では、第二吸気穴についてその数が二つ、三つ、又は四つ以上であってもよい。例えば、第二吸気穴は、その数が二つある場合に、それぞれ、当該第一段及び当該第二段に一つの第二吸気穴を設置してもよい。第二吸気穴は、その数が三つある場合に、当該第一段に一つの第二吸気穴を設置すると共に当該第二段に二つの第二吸気穴を設置してもよい。同様に、上記のように、当該炉室Ｒにおける気体が当該上方排気手段５０の当該流路５０１に流れ込む時、流れ速度が均一になる効果を図ることができる。

本実施例では、当該流路５０１が環状とされ、当該排気口５０２が当該流路５０１の上方に設置され、当該流れ案内手段６０が環状とされる。当該流れ案内手段６０は、高さＨが５０～１５０ｍｍであり、５５～１２０ｍｍが好ましい。当該流れ案内手段６０は、厚さＴが１０～２０ｍｍであり、１１～１８．５ｍｍが好ましい。当該流れ案内手段６０の環壁表面積Ａと、当該第一吸気穴６１及び当該些第二吸気穴６２の開口面積の総和との比例は、１０：１～２０：１であり、１２：１～１７：１が好ましい。また、当該第一吸気穴６１及び各当該第二吸気穴６２を通過した横方向参照面Ｓ２を定義すると、当該横方向参照面Ｓ２と当該第一吸気穴６１の穴壁の両側とが第一点Ｐ１及び第二点Ｐ２に交わり、当該第一点Ｐ１及び当該第二点Ｐ２と、当該流れ案内手段６０が回る中心Ｃとを線引きした線の夾角θ１は、３５度～５５度であり、３７度～４５度が好ましい。当該横方向参照面Ｓ２と各当該第二吸気穴６２の両側とが第三点Ｐ３及び第四点Ｐ４に交わり、当該第三点Ｐ３及び当該第四点Ｐ４と当該中心Ｃとを線引きした線の夾角θ２が３度～３０度であり、３度～２５度が好ましい。本実施例では、各当該第二吸気穴６２は、当該第三点Ｐ３及び当該第四点Ｐ４と当該中心Ｃとを線引きした線の夾角θ２が３度～１０度となる小型穴６２２である。そのうち、隣接する二つの当該第一吸気穴６１及び当該第二吸気穴６２における互いに近接する一方側と、当該横方向参照面Ｓ２とは、それぞれ、第五点Ｐ５及び第六点Ｐ６に交わり、また、隣接する二つの二当該第二吸気穴６２における互いに近接する一方側と当該横方向参照面Ｓ２とは、それぞれ、第五点Ｐ５及び第六点Ｐ６に交わり、当該第五点Ｐ５及び当該第六点Ｐ６と当該中心Ｃとを線引きした線の夾角θ３が２０度～５５度であり、２５度～２５．５度が好ましい。上記の夾角θ１、θ２、θ３の設置により、当該第一吸気穴６１及び当該些第二吸気穴６２の大きさと配列の位置を定義することが可能であり、ひいては、気体流れ速度を均一にする最適な配置が可能である。

本実施例では、当該些第二吸気穴６２について、開口の面積が等しい四つの小型穴６２２を例に説明したが、実際に、当該些第二吸気穴６２は、当該少なくとも二つの第二吸気穴における少なくとも一つの開口面積と当該少なくとも二つの第二吸気穴における他方の開口面積とが異なるという条件を満たされればよい。例に挙げると、当該些第二吸気穴６２は、複数の中型穴６２１及び複数の小型穴６２２を含んでもよい。例えば、図４に示す一つの第一吸気穴６１、二つの中型穴６２１及び二つの小型穴６２２を含んでよい。そのうち、中型穴６２１の開口面積が小型穴６２２の開口面積よりも大きい。小型穴６２２における当該第三点Ｐ３及び当該第四点Ｐ４と当該中心Ｃとを線引きした線の夾角θ２は、３度～１０度であり、中型穴６２１における当該第三点Ｐ３及び当該第四点Ｐ４と当該中心Ｃとを線引きした線の夾角θ２は、１５度～３０度であり、しかも、各小型穴６２２間の開口面積が異なってもよいし、各中型穴６２１間の開口面積が異なってもよい。さらに説明するべきことは、これらの第二吸気穴６２が複数の中型穴６２１を含んでもよい。例えば、図５に示す一つの第一吸気穴６１及び六つの中型穴６２１を含んでもよい。図７を参照すると、図７は、図２に示される当該第一吸気穴６１及び当該些第二吸気穴６２の大きさ及び配列位置について、気体流れ速度をシミュレーションした写真である。図７に示されるシミュレーション結果から、気体の流れ速度について、当該流路５０１における当該第一吸気穴６１及び当該排気口５０２に、その気体の流れ速度の相違が小さく、しかも、当該流路５０１における気体の流れ速度が均一に保持され得ることが分かる。

図６は、本発明の好ましい第二実施例に係る結晶成長炉２を示す。当該結晶成長炉２は、上記の好ましい第一実施例に係る結晶成長炉１とほぼ同じの構成を有することから、ここで重複して説明しないが、相違点は、当該結晶成長炉２は、当該炉室Ｒに設置されると共に当該坩堝２０の下方に位置する下方排気通路Ｔ２を備え、当該下方排気通路Ｔ２は、外部抽気装置に連通されることから、当該外部抽気装置により、当該炉室Ｒにおける気体を当該下方排気通路Ｔ２から排出することができる、ということにある。なお、本発明の好ましい第二実施例に係る結晶成長炉２における当該流れ案内手段６０は、複数の邪魔板９０を含み、当該些邪魔板９０は、当該第一吸気穴６１及び当該些第二吸気穴６２の開口を開閉するように制御可能であり、当該第一吸気穴６１又は各当該第二吸気穴６２が各当該邪魔板９０によって遮られる場合に、当該炉室Ｒにおける気体が、邪魔板９０によって遮られた第一吸気穴６１又は第二吸気穴６２から当該流路５０１に流れ込むことができず、そして、内部の気体の流れ方向を調整することができる。

以上を纏めると、本発明に、当該流れ案内手段６０、当該第一吸気穴６１の開口面積が当該些第二吸気穴６２の開口面積よりも大きいこと、及び、当該排気口５０２を設置する位置についての設計により、当該炉室Ｒにおける気体が、当該第一吸気穴６１及び当該些第二吸気穴６２を介して、当該上方排気手段５０の当該流路５０１に流し込む時に、流れ速度が均一になると共に、当該坩堝２０の周囲にある異物を効果的に当該炉室Ｒから排出でき、そして、従来の結晶成長炉に単一の排気穴を設置することにより気体流れ速度が均一でないという問題を解決することが可能である。

以上に記載したのは、本発明の好ましい実施可能な実施例に過ぎず、本発明における明細書及び特許請求の範囲に基づく均等置換は、いずれも、本発明の特許の範囲に含まれる。

１、２ 結晶成長炉
１０ 炉体
２０ 坩堝
３０ 加熱装置
４０ 昇降装置
５０ 上方排気手段
５０１ 流路
５０１ａ 開放側
５０２ 排気口
６０ 流れ案内手段
６０１ 第一段
６０２ 第二段
６１ 第一吸気穴
６２ 第二吸気穴
６２１ 中型穴
６２２ 小型穴
７０ 上部輻射シールド
８０ 排気管
９０ 邪魔板
Ｃ 中心
Ｈ 高さ
Ｐ１ 第一点
Ｐ２ 第二点
Ｐ３ 第三点
Ｐ４ 第四点
Ｐ５ 第五点
Ｐ６ 第六点
Ｒ 炉室
Ｓ１ 縦方向参照面
Ｓ２ 横方向参照面
Ｔ１ 吸気通路
Ｔ２ 下方排気通路
Ｔ 厚さ
Ａ 表面積

Claims (10)

1. 排気管を含んだ抽気装置に接続される結晶成長炉であって、
   炉室を備えた炉体と、
   当該炉室に設置された坩堝であって、当該坩堝の上方に位置する吸気通路を当該炉室に有する坩堝と、
   当該炉室に設置された上方排気手段であって、当該坩堝の上方に位置して連通する流路及び排気口を有し、当該流路が当該吸気通路を囲む開放側を有し、当該排気管が当該排気口に連通する上方排気手段と、
   当該上方排気手段に接続されると共に当該流路における当該開放側に設置される流れ案内手段と、を含み、
   当該流れ案内手段は、当該排気口から離れた一方側に設置される第一吸気穴及び少なくとも二つの第二吸気穴を有し、当該第一吸気穴及び当該排気口を通過した縦方向参照面を定義すると、当該流れ案内手段が当該縦方向参照面によって第一段及び第二段に分けられ、当該少なくとも二つの第二吸気穴は、それぞれ、当該第一段及び当該第二段に設置され、当該第一吸気穴の開口面積が当該少なくとも二つの第二吸気穴の開口面積よりも大きく、
   当該炉室における気体は、当該抽気装置により、それぞれ、当該流れ案内手段における当該第一吸気穴及び当該少なくとも二つの第二吸気穴を介して、当該上方排気手段の当該流路に抜けてから、当該上方排気手段の当該排気口及び当該排気管を介して当該炉室から抜き出される、ことを特徴とする結晶成長炉。
2. 当該流れ案内手段は、環状とされ、当該流れ案内手段における環壁の表面積と当該第一吸気穴及び当該少なくとも二つの第二吸気穴の開口面積の総和との比例が１０：１～２０：１である、ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長炉。
3. 当該第一吸気穴及び各当該第二吸気穴を通過した横方向参照面を定義すると、当該横方向参照面と当該第一吸気穴の穴壁の両側とが第一点及び第二点に交わり、当該第一点及び当該第二点と当該流れ案内手段が回る中心とを線引きした線の夾角が３５度～５５度であり、当該横方向参照面と各当該第二吸気穴の両側とが第三点及び第四点に交わり、当該第三点及び当該第四点と当該中心とを線引きした線の夾角が３度～３０度である、ことを特徴とする請求項２に記載の結晶成長炉。
4. 隣接する二つの当該第一吸気穴及び当該第二吸気穴、或いは、隣接する二つの当該第二吸気穴における互いに近接する一方側と、当該横方向参照面とがそれぞれ第五点及び第六点に交わり、当該第五点及び当該第六点と当該中心とを線引きした線の夾角が２０度～５５度である、ことを特徴とする請求項３に記載の結晶成長炉。
5. 当該流れ案内手段は、高さが５０～１５０ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長炉。
6. 当該流れ案内手段は、厚さが１０～２０ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長炉。
7. 当該少なくとも二つの第二吸気穴における少なくとも一つの開口面積と、当該少なくとも二つの第二吸気穴における他方の開口面積とが異なる、ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長炉。
8. 当該流れ案内手段は、当該第一吸気穴及び当該少なくとも二つの第二吸気穴の開口を開閉するように制御可能である、複数の邪魔板を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長炉。
9. 当該流路は、環状とされ、当該排気口は、当該流路の上方に設置される、ことを特徴とする請求項２に記載の結晶成長炉。
10. 当該炉室に設置されると共に当該坩堝の下方に位置する下方排気通路が含まれている、ことを特徴とする請求項１に記載の結晶成長炉。

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