JP2953697B2

JP2953697B2 - シリコン単結晶の引上装置

Info

Publication number: JP2953697B2
Application number: JP63251154A
Authority: JP
Inventors: 一郎山下; 康島貫; 朗樋口
Original assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Silicon Corp; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1988-10-05
Filing date: 1988-10-05
Publication date: 1999-09-27
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JPH0297481A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」本発明は、引き上げ中の単結晶を冷却するための冷却
筒を備えたシリコン単結晶の引上装置に関する。

「従来の技術」この種のシリコン単結晶の引上装置の一例として、特
開昭61−68389号公報において提案された装置を第８図
に示す。

図中符号１は炉体であり、この炉体１内にはシリコン
溶湯Ｙを保持する石英ルツボ２が黒鉛サセプタ３を介し
て回転軸４の上端に固定されている。また、ルツボ２の
周囲にはヒータ５および保温筒６が配置されるととも
に、ルツボ２の上方には図示しない引上機構が設けら
れ、引上ワイヤ７により、種結晶８を固定した種保持具
９が昇降および回転操作されるようになっている。

また、引き上げられる単結晶Ｔの周囲には間隙をあけ
て同心に冷却筒10が配置され、炉体１の上壁を貫通して
固定されている。この冷却筒10は円筒形をなし、その内
部には冷却水等を通す冷媒路（図示略）が形成されてい
る。そして、この冷却筒10の上端からArガスが炉体１内
に供給されるようになっている。

この装置によれば、冷却筒10によって引き上げ中の単
結晶Ｔへの輻射熱を防ぐとともに単結晶Ｔを冷却し、単
結晶Ｔの引上速度を高めることができる。

「発明が解決しようとする課題」ところが、上記装置を実際に使用すると、シリコン溶
湯Ｙと石英ルツボ２との反応によって生じたSiO蒸気
が、冷却筒10内のArガスの流れを遡って冷却筒10の下端
部内面に凝着し、やがてこの凝着物が溶湯Ｙ内に落下し
て単結晶Ｔの成長界面に混入し、単結晶Ｔに有転位化を
引き起こす問題があった。

そこで本発明者らは、SiO蒸気が冷却筒10内に侵入す
ることを防ぐため、Arガスの供給量を増す方法、冷
却筒10の内径を小さくする方法、をそれぞれ検討した。
ところが、前記の方法では、高価なArガスを多量に消
費するにも拘わらずSiO排除効果が小さく、またの方
法では冷却筒10の内壁面と単結晶Ｔとの距離が近すぎ
て、単結晶Ｔの僅かな外径変形や偏心によって冷却むら
が生じやすく、単結晶品質の均一化を図るうえで好まし
くないことが判明した。

「課題を解決するための手段」本発明は上記課題を解決するためになされたもので、
シリコン溶湯を保持するルツボと、このルツボ内の溶湯
から単結晶を成長させながら引き上げる引上機構と、引
き上げ中の単結晶の周囲に同心に配置され内側に所定の
気体を下降させて下端から炉体内に供給する冷却筒とを
備えたシリコン単結晶の引上装置において、前記冷却筒
は、その内部に冷媒路を有するとともに、下端部が内方
に突出し下降してきた前記所定の気体をその表面で内方
に屈折させて乱流とする膨出部を有していることを特徴
とする。

「作用」この装置では、冷却筒の下端部内壁面と単結晶との間
隙を小さくして、その開口面積を狭めるとともに、前記
間隙から噴き出す雰囲気ガスの流速を速めることによ
り、SiO蒸気が拡散して冷却筒内に侵入し、冷却筒内面
に凝着することを防止する。

同時に、冷却筒の下端部以外の内壁面と単結晶との距
離を大きくとって単結晶の冷却むらを防ぎ、さらに単結
晶下端部の冷却効率を高めることにより、一層の引上速
度向上が図り得る。

「実施例」第１図は、本発明に係わるシリコン単結晶の引上装置
の前提技術を示し、前記の従来例と同一部分には、同一
符号を付して説明を省略する。

この装置の特徴は、符号20に示す冷却筒の形状にあ
る。この冷却筒20は、その上部が炉体１の上壁に貫通固
定されたもので、その肉厚は均一で炉体１内の部分が下
方に向け窄まる截頭円錘状をなし、内部には冷媒路（後
述）が形成されている。

この冷媒筒20の下端内径は、製造すべき単結晶Ｔの外
面との間隙Ｐが単結晶直径Ｄの10〜70％になるように設
定されている。この範囲未満では、単結晶Ｔと冷却筒20
との距離変動が生じた場合に単結晶Ｔの冷却効率が大き
く変化し、単結晶Ｔの品質に悪影響を及ぼすおそれが生
じる。逆に前記範囲よりも大きいと十分なSiO排除効果
が得られない。ただし、上記の値はArガス供給量が従来
装置と同等（約10〜200l/分:10Torr）の場合であり、ガ
ス供給量が変化した場合には、冷却筒20の下端開口部か
ら流出するガス速度が５〜70cm/秒となるようにする。
この範囲であれば良好な排除効果が得られる。

一方、冷却筒20の下端と溶湯Ｙ上面との距離Ｑは、回
転軸４の昇降操作により単結晶直径Ｄの５〜80％に保た
れることが望ましい。この範囲未満では、冷却筒20を通
して供給されるArガスが単結晶Ｔの成長界面近傍の溶湯
Ｙに直接吹き付けられ、ここを冷却しすぎるため、成長
界面の熱歪により単結晶Ｔの転位を誘発するおそれがあ
る。逆に、Ｑが前記範囲より大きいと、冷却筒20本来の
冷却効果が十分に得られなくなる。

一方、冷却筒20の壁面のテーパ角度αは３°以上であ
ることが望ましい。これは本発明者らが種々の角度を有
する冷却筒を試作し、実験により突き止めたもので、３
°未満ではP,Qの値が前記条件を満たしていても、単結
晶Ｔの冷却むらが生じやすい。一方、角度αの上限は、
装置の構造によって決定されるべきものである。

さらに冷却筒20は、Mo,SUS製等の筒体を２重に重ねて
均等に空隙をあけ端部を封止した中空構造をなし、前記
空隙内に第２図または第３図のような同材質の仕切り21
を形成し、冷媒路22を画成したものである。そしてこの
冷媒路22には、１対の供給管23を通じて冷却水等の冷媒
が供給されるようになっている。なお、冷媒路22の形状
は図示形状のみに限られないことは勿論である。

上記構成からなるシリコン単結晶の引上装置によれ
ば、冷却筒20の下端部内壁面と単結晶Ｔとの間隙を小さ
くし、その開口面積を狭めるとともに、前記間隙から噴
き出すArガスの流速を速め、SiO蒸気が冷却筒20内に侵
入して内面に凝着することが防止できる。これにより、
冷却筒20の内面に凝着したSiOが溶湯Ｙに落下して単結
晶Ｔに有転位化を引き起こすおそれをなくし、高品質の
単結晶インゴットの製造が可能である。なお、この例に
おいても、冷却筒20の外周面にはSiOが凝着するが、こ
のSiOはArガスの流れによりルツボ２の外に運ばれるた
め、溶湯Ｙに落下することはない。

またこの装置では、冷却筒20の下端部以外の内面と単
結晶Ｔとの距離を大きくとれるので、単結晶Ｔの偏心や
直径変化による冷却効率の変化が少なく、冷却むらが生
じにくい。同時に、引き上げられる単結晶Ｔの下端部の
冷却効率を高めることにより、一層の引上速度向上が図
り得る。

なお、第１図に示した装置、および冷却筒20以外は全
く同構成の従来装置（第８図参照）を用いて、それぞれ
10バッチのシリコン単結晶引き上げを試みた。

引き上げ条件は、単結晶直径D:6インチ、Arガス供給
量:10〜200l/分、本発明の装置の冷却筒20の下端開口
径:200cm（単結晶との間隙Ｐ＝直径Ｄの17％）、冷却筒
20の炉体１内におけるテーパ角度α:3°、比較例の装置
の冷却通の内径:400cm（単結晶との間隙＝直径Ｄの83
％）とした。

その結果、比較例の装置では６バッチで異物落下によ
る有転位化が発生したのに対し、前提技術の装置では全
く発生しなかった。

次に、第４図は本発明の実施例を示し、この例では、
円筒形の冷却筒30の下端全周に亙って内方に突出する膨
出部31を一体形成したことを特徴とする。この膨出部31
の上縁は下方内方に向かう傾斜面31Aをなし、図中P,Q,D
の関係は前記前提技術と同様でよい。

この第２実施例によれば、前記前提技術のようにテー
パ状としたものよりも、冷却筒30の製造コストが安く済
む利点がある。また、冷却筒30内を層流状態で下降して
きたArガスが前記傾斜面31Aで内方に屈折し、乱流とな
って単結晶Ｔの下端部に吹き付けられるので、この下端
部での冷却効果を一層向上できる。

また、膨出部31の変形例としては、第５図ないし第７
図に示す形状も可能である。これは皆、膨出部31近傍に
おけるArガスの流れがそれぞれ異なり、例えば、第５図
のものはArガスが層流、第６図のものは乱流になる傾向
が強い。また、第７図のものではその中間の性向を有す
る。したがって、これらを適宜選択して使用することに
より、単結晶Ｔの下端部冷却効果やSiOの排除効果を微
妙に調節可能である。なお、以上の図では冷却筒の下端
が角張っているが、丸みを帯びた形状に加工してもよ
い。その場合にはArガスの層流傾向が強まる。

また、以上の実施例ではいずれも、冷却筒20,30が炉
体１の上壁に固定されていたが、本発明はこれに限ら
ず、支持ロッド等の支持体を介して冷却筒を炉体１に固
定したり、冷却筒をフランジ部等を介して保温筒６の上
端に固定したり、さらには冷却筒を昇降機構を介して炉
体１に取り付け、昇降操作可能とすることも可能であ
る。ただしいずれの場合にも、冷却筒を通してArガスを
供給する構成とすべきである。

さらにまた、冷却筒に結晶成長部観察用の窓を形成し
たり、冷却筒の内面に熱交換効率向上用の突条や溝等を
形成してもよい。

「発明の効果」以上説明したように、本発明に係わるシリコン単結晶
の引上装置は、シリコン溶湯を保持するルツボと、この
ルツボ内の溶湯から単結晶を成長させながら引き上げる
引上機構と、引き上げ中の単結晶の周囲に同心に配置さ
れ内側に所定の気体を下降させて下端から炉体内に供給
する冷却筒とを備えたシリコン単結晶の引上装置におい
て、前記冷却筒は、その内部に冷媒路を有するとともに
下端部が内方に突出し下降してきた前記所定の気体をそ
の表面で内方に屈折させて乱流とする膨出部を有してい
るものなので、冷却筒の下端部内壁面と単結晶との間隙
を小さくし、その開口面積を狭めるとともに、前記間隙
から噴き出す雰囲気ガスの流速を速め、SiO蒸気が冷却
筒内に侵入して内面に凝着することが防止できる。これ
により、凝着SiOが溶湯に落下して単結晶に有転位化を
引き起こすおそれがなく、高品質の単結晶インゴットが
製造できる。

また、冷却筒の下端部以外の内面と単結晶との距離を
大きくとることができるため、単結晶の偏心や直径変化
による冷却効率の変化が少なく、冷却むらのおそれがな
い。同時に、引き上げられる単結晶の下端部における冷
却効率が相対的に高くなり、引上速度を一層向上でき
る。

さらに、冷却筒内を加工してきた所定の気体が膨出部
で内方に屈折し、乱流となって単結晶の下端部に吹き付
けられるので、この下端部での冷却効果を一層向上でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わるシリコン単結晶の引上装置の第
１実施例を示す縦断面図、第２図および第３図は同装置
における冷却筒を示す正面図、第４図は本発明の第２実
施例の縦断面図、第５図ないし第７図は本発明の他の実
施例の冷却筒を示す縦断面図、第８図は従来装置の縦断
面図である。Ｙ…シリコン溶湯、Ｔ…単結晶、１…炉体、２…ルツ
ボ、20…冷却筒、22…冷媒路、23…冷媒供給管、30…冷
却筒、31…膨出部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者島貫康埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地三菱金属株式会社中央研究所内 (72)発明者樋口朗兵庫県朝来郡生野町口銀谷字猪野々985 ―１三菱金属株式会社生野工場内 (56)参考文献特開昭62−240143（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−138384（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン溶湯を保持するルツボと、このル
ツボ内の溶湯から単結晶を成長させながら引き上げる引
上機構と、引き上げ中の単結晶の周囲に同心に配置され
内側に所定の気体を下降させて下端から炉体内に供給す
る冷却筒とを備えたシリコン単結晶の引上装置におい
て、前記冷却筒は、その内部に冷媒路を有するとともに、下
端部が内方に突出し下降してきた前記所定の気体をその
表面で内方に屈折させて乱流とする膨出部を有している
ことを特徴とするシリコン単結晶の引上装置。