JP3526908B2 - 真空ポンプシステムおよび半導体単結晶引き上げ装置 - Google Patents

真空ポンプシステムおよび半導体単結晶引き上げ装置

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JP3526908B2
JP3526908B2 JP08602994A JP8602994A JP3526908B2 JP 3526908 B2 JP3526908 B2 JP 3526908B2 JP 08602994 A JP08602994 A JP 08602994A JP 8602994 A JP8602994 A JP 8602994A JP 3526908 B2 JP3526908 B2 JP 3526908B2
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歩 須田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、真空状態を作りだすこ
とを目的とするポンプシステムに係り、詳しくは吸引す
る気体に含まれているダストを捕集する機能を備えた真
空ポンプシステムに関する。
【0002】
【従来の技術】密閉容器内を低真空もしくは中真空の状
態に保つ手段として、各種の真空ポンプシステムが用い
られている。また、密閉容器から吸引する気体にダスト
が含まれている場合は、ダスト吸引による真空ポンプの
性能劣化ないし故障を防止するため、前記密閉容器から
真空ポンプに至る管路上にダストフィルタを設けて前記
ダストを捕集し、清浄な気体のみを真空ポンプに吸引さ
せるようにしている。
【0003】図6は、上記真空ポンプシステムの一例と
して取り上げた半導体単結晶引き上げ装置の真空ポンプ
システムの回路図である。半導体素子の基板には主とし
て高純度のシリコン単結晶が用いられているが、前記シ
リコン単結晶の製造方法の一つにチョクラルスキー法
(以下CZ法という)がある。CZ法においては、半導
体単結晶引き上げ装置の炉体内に設置した石英るつぼに
シリコン多結晶を充填し、前記石英るつぼの周囲に設け
たヒータによってシリコン多結晶を加熱溶解して融液と
した上、シードチャックに取り付けた種子結晶を前記融
液に浸漬し、シードチャックおよび石英るつぼを同方向
または逆方向に回転しつつシードチャックを引き上げて
シリコン単結晶を成長させる。石英るつぼに充填したシ
リコン多結晶が溶解すると、融液と石英るつぼとの反応
によりSiOX が発生する。アモルファスのSiO
X (以下アモルファスシリコンという)が前記石英るつ
ぼの内面や引き上げ中の単結晶の表面、炉体の内壁など
に凝縮、付着し、これが融液に落下すると成長中の単結
晶に転位が発生して歩留りを悪化させる。この問題を解
決するため、半導体単結晶引き上げ装置の上部から高純
度の不活性ガスを導入し、炉体の底部または下部に接続
した管路から前記アモルファスシリコンを不活性ガスと
ともに炉外に排出している。
【0004】上記半導体単結晶引き上げ装置において、
メカニカルブースタおよび油回転ポンプを用いた真空ポ
ンプシステムで不活性ガスを吸引することによって、炉
内圧力を低真空もしくは中真空に保つことが一般的に行
われている。その際、アモルファスシリコンがメカニカ
ルブースタのロータに付着すると、このアモルファスシ
リコンがロータとケーシングとの隙間(0.1〜0.5
mm)に噛み込んでロータが停止してしまう。一方、油
回転ポンプにおいては、潤滑油に前記アモルファスシリ
コンが混入して潤滑油の粘性が上昇するため、ポンプ性
能を著しく低下させ、最後には油回転ポンプが停止す
る。
【0005】そこで、従来の半導体単結晶引き上げ装置
に用いられている真空ポンプシステムは、上記不具合の
発生を防止するため図6に示す構造としている。すなわ
ち、半導体単結晶引き上げ装置の炉体1から真空ポンプ
に至る管路20に金網の多段織りなどで構成したダスト
フィルタ21を取り付け、真空ポンプの機能を損なうア
モルファスシリコンを前記ダストフィルタ21で除去し
た後、メカニカルブースタ9と油回転ポンプ22とで吸
引することにしている。なお、4は手動開閉弁、5は緊
急用の自動開閉弁、6はベローズ式伸縮継手、7は自動
開閉弁、23はオイルミストトラップである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、アモル
ファスシリコンの微細粒子を確実に除去するためには、
ダストフィルタ21の空隙率を低くしなければならず、
これによるダストフィルタ前後の差圧は大きなものとな
るため、真空ポンプの性能アップが必要となる。あるい
は、著しく大きな有効面積をもつダストフィルタを設置
して前記差圧を小さくする必要がある。いずれの場合
も、真空ポンプシステムの占有面積やコストの点から解
決困難な問題点である。
【0007】また、ダストフィルタに付着するアモルフ
ァスシリコンは、単結晶引き上げ時間に比例して前記ダ
ストフィルタに積層するので、ダストフィルタ前後の差
圧も経時的に上昇してしまう。その結果、単結晶のトッ
プ形成時からテール形成時までの間に炉内圧力がかなり
上昇し、単結晶の品質もトップからテールに至るまでの
間に変動を生じてしまうことになる。従って、炉内圧力
のより大きな上昇を防ぐには、1回の単結晶引き上げご
とにダストフィルタを交換するか、またはダストフィル
タを洗浄してアモルファスシリコンを除去しなければな
らない。従って、真空ポンプシステムのメインテナンス
に多大の工数を必要としている。
【0008】本発明は上記従来の問題点に着目してなさ
れたもので、密閉容器から真空ポンプに至る管路の途中
においてダストの除去が可能で、密閉容器内の圧力を所
定の範囲に保持することができるとともに、メインテナ
ンス工数の低減が可能な真空ポンプシステムおよび真空
ポンプシステムの制御方法を提供することを目的として
いる。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本出願に係る第1の発明は、密閉容器と、該密閉容
器に管路を介して接続された真空ポンプとを有するポン
プシステムであって、前記密閉容器から真空ポンプに至
る前記管路上に遠心力集塵装置を設けたことを特徴とす
る真空ポンプシステムである。また、本出願に係る第2
の発明は、密閉容器と、該密閉容器に主管路を介して接
続された真空ポンプとを有するポンプシステムであっ
て、前記主管路は、途中で分岐して第一の分岐管路およ
び第二の分岐管路を構成した後、再度合流する構造を成
し、前記第一の分岐管路上には金網捕集式集塵装置を、
前記第二の分岐管路上には遠心力集塵装置を設けてお
り、前記第一の分岐管路または前記第二の分岐管路を二
者択一的に選択して経由することを特徴とする真空ポン
プシステムである。更に、本出願に係る第3の発明は、
密閉容器と、該密閉容器に主管路を介して接続された真
空ポンプとを有するポンプシステムであって、前記主管
路は、途中で分岐して第一の分岐管路および第二の分岐
管路を構成した後、再度合流する構造を成し、前記第一
の分岐管路上には金網捕集式集塵装置を、前記第二の分
岐管路上には遠心力集塵装置を設けており、前記金網捕
集式集塵装置または前記遠心力集塵装置を切り換えて用
いることを特徴とする真空ポンプシステムである。ま
た、本出願に係る第4の発明は、前記密閉容器には真空
計を設け、前記第一の分岐管路および前記第二の分岐管
路にはそれぞれ開閉弁を設け、前記真空計の出力信号に
基づいて前記開閉弁に指令信号を出力する制御装置を設
けたことを特徴とする第2または第3の発明に記載の真
空ポンプシステムである。更に、本出願に係る第5の発
明は、前記密閉容器内の圧力が所定圧に至るまでは、前
記制御装置によって第一の分岐管路を選択し、前記密閉
容器内の圧力が所定圧以下になったときは、前記制御装
置によって第二の分岐管路を選択することを特徴とする
第4の発明に記載の真空ポンプシステムである。また、
本出願に係る第6の発明は、前記真空計によって検出さ
れる密閉容器内の圧力が100〜200Torrに至る
間は、前記制御装置によって、前記第二 の分岐管路に設
けた開閉弁を閉じ、前記第一の分岐管路に設けた開閉弁
を開いて前記金網捕集式集塵装置による集塵を行い、前
記真空計によって検出される密閉容器内の圧力が100
〜200Torr以下になったときは、前記制御装置に
よって、前記第一の分岐管路に設けた開閉弁を閉じ、前
記第二の分岐管路に設けた開閉弁を開いて前記遠心力集
塵装置による集塵を行うことを特徴とする第4の発明に
記載の真空ポンプシステムである。
【0010】
【0011】
【作用】上記構成によれば、密閉容器内を低真空もしく
は中真空にするため、前記密閉容器から真空ポンプに至
る管路上に遠心力集塵装置を設けることとし、具体的に
は、主管路上に遠心力集塵装置を、分岐管路上に金網捕
集式集塵装置をそれぞれ設け、制御装置によって作動す
る2個の自動開閉弁によって前記管路を切り換えること
にした。真空ポンプシステムの一例として取り上げた半
導体単結晶引き上げ装置の場合、炉体内の真空引き開始
から圧力が100〜200Torrに下がるまでの間は
金網捕集式集塵装置でダストを捕集し、炉内圧力が更に
下がった後は遠心力集塵装置に切り換える。前記切り換
え後、アモルファスシリコンの粒子を含んだ不活性ガス
は遠心力集塵装置内で旋回し、その旋回径が排出部の口
径と同じか小さくなった時点で排出部から出ていく。そ
の際、アモルファスシリコンの粒子は前記不活性ガスの
旋回運動の間に分離され、粉塵堆積部に落下する。これ
により、不活性ガスからアモルファスシリコンを除去す
ることができ、従来のダストフィルタのように目詰まり
を起こすおそれがないので、炉内圧力を所定の範囲に保
持することができる。また、アモルファスシリコンの粒
子は前記粉塵堆積部下部に落下して堆積するので、取り
出しが容易であり、メインテナンスが簡素化される。
【0012】上記遠心力集塵装置は一般に常圧で使用さ
れているが、導入部における気体の流速を速くすること
が困難であるため、捕集限界粒子径が大きく、かつ高濃
度に粒子を含んだ気体でないと除去効率が悪いという欠
点を持っている。しかし、本発明のように真空引きライ
ンで使用した場合、遠心力集塵装置の導入部における気
体の流速は圧力に反比例して速くなるので、高速化は容
易であり、前記除去効率を上げることができる。この点
について理論的に説明すると、捕集限界粒子径dp は次
の式で表すことができる。 ただし、K :遠心力集塵装置の形状係数
ηt :気体の粘性係数 ρp :固体の密度(粒子) ρt :気体の
密度 Ut :導入部における流速 上記(1)式において、Kは遠心力集塵装置によって決
まる係数である。気体の粘性係数ηt は圧力によってあ
まり変化せず、固体の密度ρp も同様である。圧力によ
って大きく変動するのは、気体の密度ρt および導入部
における流速Utである。ρt はρp に比べると無視で
きるほど微小であるので、捕集限界粒子径dp は流速U
t によって決まる。このUt は下記の式で表される。 ただし、K′:導入部の形状係数
t :気体の流量 Pt :真空圧力 従って、導入部における流速Ut は真空圧力Pt が低い
ほど大きくなる。常圧1013mbarに対して半導体
単結晶引き上げ装置の実用圧力は約1〜30mbarで
あるから、流速Ut は常圧の30〜1000倍の速度と
なる。
【0013】図5は、遠心力集塵装置における圧力と流
速との関係および圧力と捕集粒径との関係を示すグラフ
である。同図で明らかなように、遠心力集塵装置を常圧
で使用するよりも真空状態で使用した方が気体の流速は
速くなる。これに反比例して捕集粒径が小さくなり、粒
子の捕集効率が良くなる。また、遠心力集塵装置は構造
が簡単であり、他の集塵装置に比べて圧力損失が最も小
さい。
【0014】また、本発明による真空ポンプシステムの
制御方法は、密閉容器内の圧力を接点付き真空計によっ
て検出し、圧力に応じて金網捕集式集塵装置から遠心力
集塵装置に切り換える構成とした。この方法によれば、
真空引きの当初、気体の流速が低いときには荒引き用と
して金網捕集式集塵装置を用い、真空度がある程度高く
なった時点で遠心力集塵装置に切り換えるので、前記遠
心力集塵装置の利点を活かした効率の良い集塵を行うこ
とができる。前記集塵装置の切り換えは、主管路と分岐
回路とに設けた自動開閉弁を制御装置が開閉することに
よって自動的に行われるので、人手を必要としない。
【0015】
【実施例】以下に、本発明に係る真空ポンプシステムの
実施例について、図面を参照して説明する。図1は、一
例として取り上げた半導体単結晶引き上げ装置の真空ポ
ンプシステムの回路図である。半導体単結晶引き上げ装
置の炉体1の底部と遠心力集塵装置2とは第1主管路3
によって接続され、前記第1主管路3には手動開閉弁4
と緊急用の自動開閉弁5とが設けられている。前記遠心
力集塵装置2はベローズ式伸縮継手6、自動開閉弁7、
第2主管路8を介してメカニカルブースタ9に接続され
ている。前記メカニカルブースタ9とドライポンプ10
とは管路11によって接続され、ドライポンプ10から
出る管路12は逆止弁13を介して大気に開放されてい
る。前記ドライポンプ10に代えて油回転ポンプを用い
てもよい。
【0016】上記第1主管路3には、遠心力集塵装置2
の手前で分岐する分岐管路14が接続され、この分岐管
路14は荒引き用の金網捕集式集塵装置15と自動開閉
弁16とを介して第2主管路8に接続されている。ま
た、ドライポンプ10には、ダイヤフラム式圧力調整弁
17および自動開閉弁18を介して前記ドライポンプ1
0にN2 ガスを供給する管路19が接続されている。
【0017】炉体1には図示しない接点付き真空計が装
着され、炉内圧力を検出する。前記接点付き真空計の出
力信号は図示しない制御装置に入力され、制御装置は前
記接点付き真空計の出力信号に応じて自動開閉弁7,1
6の開閉切り換えを行う指令信号を出力する。
【0018】図2は遠心力集塵装置の概略構造を示す部
分砕断面図、図3は図2のA−A線に沿う断面図であ
る。遠心力集塵装置2の導入部2aは、円筒部2bの接
線方向に取着され、排出部2cは前記円筒部2bの上方
から円筒部2b内に挿入されている。また、円筒部2b
の下部は円錐状で次第に細くなり、その下端に粉塵堆積
部2dが取り付けられている。
【0019】アモルファスシリコンの微細粒子を含む不
活性ガスは、炉体から吸引され、遠心力集塵装置2の導
入部2aを経て円筒部2bの中に入る。このとき、前記
不活性ガスは円筒部2bの内壁に沿って旋回しつつ下方
に沈降していく。そして不活性ガスは、その旋回径が排
出部2cの口径以下になったところで排出部2cから排
出される。前記不活性ガスに含まれていたアモルファス
シリコンの微細粒子は、その自重により不活性ガスから
分離され、円筒部2bの内壁に沿って落下した後、粉塵
堆積部2d内に堆積する。
【0020】以下に、本発明の真空ポンプシステムの制
御方法について説明する。炉体1内の真空引き開始に当
たり、まず制御装置を作動させる。制御装置は、炉体1
に装着した接点付き真空計の出力信号に基づいて自動開
閉弁16を開き、自動開閉弁7を閉じる。次に、メカニ
カルブースタ9とドライポンプ10を駆動した後、手動
開閉弁4を開く。炉体1内の不活性ガスはメカニカルブ
ースタ9とドライポンプ10とによって吸引され、第1
主管路3、分岐管路14、第2主管路8を流れる。真空
引き開始後、炉体1内の真空度が100〜200Tor
rに下がる間に不活性ガスとともに排出される炉内ダス
トは、金網捕集式集塵装置15で捕集される。炉内圧力
が100〜200Torr以下に下がった時点で前記制
御装置が自動開閉弁16を閉じ、自動開閉弁7を開いて
遠心力集塵装置2による集塵を開始する。このとき、遠
心力集塵装置2に流入する不活性ガスの流速は、常圧で
使用する場合の3.8倍〜7.6倍以上に上昇し、炉内
圧力の低下に反比例して更に上昇を続ける。金網捕集式
集塵装置15または遠心力集塵装置2を通過した不活性
ガスは、メカニカルブースタ9とドライポンプ10とを
経て大気に放出される。前記ドライポンプ10には、ポ
ンプ内のクリーニングおよび防爆のため、配管19を介
してN2 ガスが供給される。
【0021】遠心力集塵装置は上述のように構造が簡単
であり、他の集塵装置に比べて圧力損失が最も小さい。
実際の差圧データとしては、不活性ガスを83Nl/m
in流したとき、2.4mbarの差圧しか発生しな
い。これに対しダストフィルタを用いた従来の真空ポン
プシステムの場合は、前記と同じ条件で6mbar前後
の差圧が発生する。図4は半導体単結晶引き上げ装置に
おいて、単結晶引き上げ時の炉内圧力の経時変化につい
て本発明による真空ポンプシステムと従来の真空ポンプ
システムとを比較したグラフである。従来の真空ポンプ
システムによる圧力変動曲線Bよりも本発明の真空ポン
プシステムによる圧力変動曲線Aの方が炉内圧力上昇率
は明らかに小さくなっている。本発明の真空ポンプシス
テムによる炉内圧力の上昇量aは、従来の真空ポンプシ
ステムにおける炉内圧力上昇量bの50%程度に過ぎな
いことが分かる。なお、単結晶引き上げ経過時間を同一
の時間(図4では1000時間)で比較すると、炉内圧
力上昇量は従来の真空ポンプシステムの27%に過ぎな
い。
【0022】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、真空度が
高くなると遠心力集塵装置に流入する気体の流速が増大
する点に着目し、密閉容器と真空ポンプとを結ぶ管路に
遠心力集塵装置と荒引き用金網捕集式集塵装置とを設置
し、密閉容器内の圧力が所定の値まで下がった後、遠心
力集塵装置を用いる構成とし、前記圧力を検出して自動
開閉弁を操作する制御装置により前記集塵装置を切り換
える真空ポンプシステムとしたので、下記の効果が得ら
れる。 (1)遠心力集塵装置に流入する気体の流速が、常圧の
もとで使用する場合に比べて著しく上昇するので、捕集
限界粒子径が小さくなり、気体中のダスト捕集効率を飛
躍的に向上させることができる。 (2)気体中のダスト捕集効率の向上により真空ポンプ
に流入するダスト量が激減するので、前記真空ポンプの
性能低下が抑えられるとともに、耐用寿命が延びる。 (3)遠心力集塵装置はダスト堆積による目詰まりを起
こさないので、密閉容器内の圧力を所定の範囲に保持す
ることができる。 (4)主として遠心力集塵装置を用いることにより、真
空ポンプシステムのメインテナンス周期を延長すること
ができるとともに、捕集したダストの排出が容易である
ため、前記メインテナンス工数の大幅な低減が可能とな
る。従って、たとえばCZ法による半導体単結晶の生産
能率を著しく向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】半導体単結晶引き上げ装置に用いる本発明の真
空ポンプシステムの回路図である。
【図2】遠心力集塵装置の概略構造を示す部分砕断面図
である。
【図3】図2のA−A線に沿う断面図である。
【図4】半導体単結晶引き上げ経過時間に対する炉内圧
力の変化について、従来の真空ポンプシステムと本発明
による真空ポンプシステムとを比較した結果を示すグラ
フである。
【図5】遠心力集塵装置における圧力と流速との関係お
よび圧力と捕集粒径との関係を示すグラフである。
【図6】半導体単結晶引き上げ装置に用いられている従
来の真空ポンプシステムの回路図である。
【符号の説明】
1 炉体 2 遠心力集塵装置 3 第1主管路 4 手動開閉弁 5,7,16,18 自動開閉弁 8 第2主管路 9 メカニカルブースタ 10 ドライポンプ 14 分岐管路 15 金網捕集式集塵装置
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI C30B 35/00 C30B 35/00 // C30B 15/00 15/00 Z (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B01J 3/00 - 3/04 H01L 21/00 - 21/98 F04C 25/00 - 25/02

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】炉体と、該炉体に管路を介して接続された
    真空ポンプとを有する半導体単結晶引き上げ装置であっ
    て、 前記炉体から真空ポンプに至る前記管路上に遠心力集塵
    装置を設けたことを特徴とする半導体単結晶引き上げ装
    置。
  2. 【請求項2】密閉容器と、該密閉容器に主管路を介して
    接続された真空ポンプとを有するポンプシステムであっ
    て、 前記主管路は、途中で分岐して第一の分岐管路第二の
    分岐管路を構成した後、再度合流する構造を成し、 前記第一の分岐管路上には金網捕集式集塵装置を、前記
    第二の分岐管路上には遠心力集塵装置を設けており、 前記第一の分岐管路前記第二の分岐管路を二者択一的
    選択することを特徴とする真空ポンプシステム。
  3. 【請求項3】密閉容器と、該密閉容器に主管路を介して
    接続された真空ポンプとを有するポンプシステムであっ
    て、 前記主管路は、途中で分岐して第一の分岐管路第二の
    分岐管路を構成した後、再度合流する構造を成し、 前記第一の分岐管路上には金網捕集式集塵装置を、前記
    第二の分岐管路上には遠心力集塵装置を設けており、前記第一の分岐管路と前記第二の分岐管路を二者択一的
    に選択し、これに応じて 前記金網捕集式集塵装置前記
    遠心力集塵装置を切り換えて用いることを特徴とする真
    空ポンプシステム。
  4. 【請求項4】前記密閉容器には真空計を設け、 前記第一の分岐管路前記第二の分岐管路にはそれぞれ
    開閉弁を設け、 前記真空計の出力信号に基づいて前記開閉弁に指令信号
    を出力する制御装置を設けたことを特徴とする請求項2
    または3に記載の真空ポンプシステム。
  5. 【請求項5】前記密閉容器内の圧力が所定圧に至るまで
    は、前記制御装置によって第一の分岐管路を選択し、 前記密閉容器内の圧力が所定圧以下になったときは、前
    記制御装置によって第二の分岐管路を選択することを特
    徴とする請求項4に記載の真空ポンプシステム。
  6. 【請求項6】前記真空計によって検出される密閉容器内
    の圧力が100〜200Torrに至る間は、前記制御
    装置によって、前記第二の分岐管路に設けた開閉弁を閉
    じ、前記第一の分岐管路に設けた開閉弁を開いて前記金
    網捕集式集塵装置による集塵を行い、 前記真空計によって検出される密閉容器内の圧力が10
    0〜200Torr以下になったときは、前記制御装置
    によって、前記第一の分岐管路に設けた開閉弁を閉じ、
    前記第二の分岐管路に設けた開閉弁を開いて前記遠心力
    集塵装置による集塵を行うことを特徴とする請求項4に
    記載の真空ポンプシステム。
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