JP3823694B2 - ルツボ支持装置および原料充填装置並びに充填方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体単結晶製造の際に使用されるルツボ支持装置および原料充填装置並びに充填方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、シリコンやＧａＡｓ等の多くの半導体単結晶が広く知られているが、シリコン単結晶とその育成方法を一例として本発明の従来例を説明する。
シリコン単結晶の育成方法としては、浮融帯域融解法（ＦＺ法）、チョクラルスキー法（ＣＺ法）とが行われている。ＦＺ法は、原料である多結晶シリコン棒の下端をヒータで加熱して融解し、種結晶を接融してヒータを徐々に上方に移動させることによりシリコン単結晶を成長させる方法であり、ＣＺ法は原料である多結晶シリコン塊又は粒状多結晶シリコンを人手により引上げ機内のルツボに充填した後、ルツボ内で融解させ、種結晶を融液に浸漬した後上方にシリコン単結晶を成長させながら引上げる方法である。
【０００３】
一般に、半導体デバイスに用いるシリコン単結晶としては、不純物酸素による機械的強度やゲッタリング効果を持つという優位性の点からＣＺ法によるシリコン単結晶が主流をなしている。
【０００４】
しかしながら、デバイスチップはバッチプロセスで製造されるため、製造歩留り等の観点からシリコンウエーハの大口径化が常に求められている。そのため、直径１２インチ（約３０ｃｍ) あるいはそれより大きい１６インチ( 約４０ｃｍ) 以上の大口径ＣＺシリコン単結晶の実現の可能性が模索されている。
【０００５】
例えば直径１６インチの大口径ＣＺシリコン単結晶を製造する場合、直径１２インチ以下のＣＺシリコン単結晶を製造する時と比べて原料の量が２倍以上にもなるため、従来のルツボでは容積が小さ過ぎる。そのため、より多くの原料を充填するために、より大型のルツボおよび引上げ機が必要になる。
【０００６】
しかしながら、ルツボおよび引上げ機が大型化すると、従来のように引上げ機内にルツボを配置してから原料多結晶を人手により充填するには大きな労力と時間がかかり、その間、引上げ機は停止しておかねばならず、生産性の低下が起きる。また、多結晶充填時に発生するシリコン塵埃が周辺の環境を汚染する恐れもある。また、ルツボおよびルツボを載置する引上げ機が大型となるため、ルツボの底の方まで十分に手がとどかず、高い密度で原料多結晶をルツボ内に並べ充填することができなくなるという問題もある。
なお、ＣＺシリコン単結晶棒の原料には、多結晶シリコン塊と呼ばれているものと、粒状多結晶シリコンと呼ばれているもの等があるが、多結晶シリコン塊とは、大きさが３〜１０ｃｍ程度、重さが５０〜２００ｇ前後のナゲット状のシリコンの塊を指し、粒状多結晶シリコンとは、直径２〜５ｍｍ程度の丸い粒状のシリコン多結晶を言う。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、半導体原料を引上げ機の外部でルツボに充填する際に用いられる充填が容易で、引上げ機の生産性を妨げることがないとともに、引上げ機回りを汚染することなく、迅速にルツボへ原料を充填できるルツボ支持装置および原料充填装置と充填方法を提供することを主たる目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係るルツボ支持装置の発明は、半導体単結晶製造に用いられるルツボへ原料を充填するために、少なくともルツボを載置するルツボ受け台と、ルツボを回転させるルツボ回転機構と、原料の重量を測る秤量機構とを具備することを特徴としている（請求項１）。
【０００９】
このようにルツボ支持装置を構成すれば、原料の重量を測る秤量機構とルツボ回転機構により所望量の原料を、原料の形態が塊状であっても、粒状であっても、簡単かつ正確にルツボに原料を充填することができる。また、引上げ機の外の離れた所で充填できるので、作業効率が良く単結晶引上げ機の生産性を妨げることがないとともに、引上げ機回りを汚染することもない。さらに充填中ルツボを回転させることで、作業者自身が移動しなくてもルツボ内の所望の位置に原料を充填することができる。さらに原料の仕込み重量を計測しながらルツボに充填するので仕込み精度が向上し、結晶の品質や直径等の安定化を図ることができる。
【００１０】
この場合、ルツボ受け台は、ルツボを水平方向に移動してルツボ搬送装置との間でルツボを受け渡し可能とするルツボ水平移動機構を備えるようにすることができ（請求項２）、このルツボ水平移動機構は、ルツボ受け台をスライドさせるローラーコンベアまたは溝付きレールとすることができる（請求項３）。
【００１１】
ルツボ受け台をこのように構成すれば、ルツボを水平方向に移動してルツボ搬送装置との間でルツボの受け渡しが可能となり、原料を充填した高重量のルツボを簡単に搬送装置に載せることができ、複雑な移載装置を使用する必要がなくなる。また、１台のルツボへの原料充填装置で複数のルツボ搬送装置と複数の単結晶引上げ機に対応可能であり、自動化も容易で単結晶引上げ工程における省力化と生産性を一層向上させることができる。
【００１２】
そしてこの場合、ルツボ回転機構は、ルツボ受け台をボールベアリングを介して回転自在としたもの、またはルツボ受け台保持軸を回転駆動するものとすることができる（請求項４）。
このように主として手動操作の場合は、ルツボ受け台をボールベアリングを介して回転自在とし、自動の場合は、ルツボ受け台保持軸を電動回転させればよく、ルツボ内の円周に沿って原料を順次充填することができる。
【００１３】
さらにこの場合、秤量機構が、測定値表示器を具備した機械式秤またはロードセルであることが好ましい（請求項５）。
秤量機構をこのようにすると、原料の重量を精度よく測ることができ、測定値を目視できるので検量に便宜である。また、測定値を単結晶生産管理システムに入力して、自動化に資することができる。また、当然のことながらこの測定値を用いて秤量操作および原料投入装置による原料投入の自動化も可能である。
【００１４】
本発明に係るルツボ支持装置の発明は、ルツボ受け台を上下動させるルツボ昇降機構を具備するのが好ましく（請求項６）、ルツボ昇降機構が、油圧または空気圧による流体シリンダ装置、リンク機構を利用してルツボ受け台を上下移動させるリンク装置、またはボールネジを用いてルツボ受け台を上下移動させるボールネジ機構から選択される１種であるものとすることができる（請求項７）。
このようにルツボ受け台を上下動できるものとすれば、原料の充填量やルツボの大きさ、あるいは作業者の背丈等に応じてルツボの高さ位置を調節することができるので、作業負担の軽減に極めて効果的である。また、ルツボ搬送装置との間の高さの調節が可能となり、円滑にルツボの受け渡しが可能となる。
【００１５】
さらに、この場合、ルツボは、石英ルツボを黒鉛ルツボに嵌め込んだものとすることができる（請求項８）。
このように、ＣＺ法では原料を直接収容する石英ルツボを支持するため、その外側に黒鉛ルツボ（サセプターとも呼ばれる）を用いることがあり、本発明では、あらかじめ石英ルツボを黒鉛ルツボに嵌め込んだ状態で原料を充填するようにしてもよい。
【００１６】
そしてこの場合、ルツボの回転速度および昇降速度は、多結晶の充填速度に応じて可変速、制御可能とすることができる（請求項９）。
このようにすれば、ルツボへの原料の充填において、充填位置や充填量を制御することができ、原料の充填を完全に自動化することができる。
【００１７】
本発明に係る原料充填装置の発明は、ルツボ支持装置とルツボへの原料投入装置を具備していることが好ましく（請求項１０）、このルツボへの原料投入装置が、少なくとも１つの関節を有する原料導出路から成るものとすることができる（請求項１１）。
このように原料充填装置を、ルツボ支持装置と原料投入装置を具備したものとすれば、連続的、定量的にルツボへ原料を極めて簡単に短時間で投入することができる。さらに少なくとも１つの関節を有する原料導出路を使用すれば、原料導出路の先端をルツボ底面に接近させることができるので、原料導出路の先端から落下する原料の落下衝撃を緩和させることができるし、原料の充填量に合わせて高さ位置を調節することができる。また、原料導出路として、ベルトコンベアが適しているが、金属やプラスチック製の円筒または円筒を半割にした半円筒のものであってもよい。
【００１８】
そして本発明に係る原料充填装置の発明は、集塵装置を具備することが好ましく（請求項１２）、この集塵装置が、ルツボ上方に位置する集塵フードと集塵ダクトと集塵機から成るものとすることができる（請求項１３）。
このようにすれば、ルツボへの原料充填中に発生する粉塵やダストは殆ど確実に集塵され、作業場環境を汚染することはないとともに、ルツボ内に異物、不純物が混入することを防止することができる。
【００１９】
本発明に係る原料充填方法の発明は、前記に記載した装置を使用して原料をルツボへ充填することを特徴としている（請求項１４）。
このように本発明のルツボ支持装置や原料充填装置を使用してルツボへ原料を充填すれば、ルツボがいかに大口径化しても、また原料が塊状あるいは粒状であっても、効率よく所望の充填率で所定の充填量に充填することができ、さらに原料や作業場環境を汚染することもなく、単結晶引上げ機の生産性と歩留りの向上を図ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、石英ルツボに原料として多結晶シリコンを充填する場合を例にして具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
ここで、図１は本発明のルツボ支持装置の構成例を示す概要説明図であり、図２は本発明の別の構成例を示す概要説明図である。
【００２１】
本発明者等は、半導体単結晶製造に用いられるルツボに原料多結晶を充填する際に使用するルツボ支持装置および原料充填装置並びに原料充填方法について、種々調査、検討を重ねた結果、少なくともルツボを載置するルツボ受け台と、ルツボを回転させるルツボ回転機構と、多結晶の重量を測る秤量機構とを具備するものとすれば、１バッチの単結晶引上げに必要とする原料多結晶を短時間に正確な重量でルツボに充填できることを知見し、諸条件を精査して本発明を完成させたものである。
【００２２】
すなわち、図１に示すように、本発明のルツボへの原料充填装置１は、例えば、ルツボ３をルツボ受け台４に載置し、ルツボ受け台４はルツボ受け台保持軸１１で保持され、ルツボ回転機構５で回転自在、変速自在に回転され、ルツボ昇降機構８により上下方向に移動可能となっている。そしてルツボ受け台４はこれらの機構５、８を介して基台１０上に設置された秤量機構６上に設置されている。この基台１０には、底面に不図示のキャスターを取り付け、そのまま搬送できるようにしてもよい。
【００２３】
ここで原料を充填するルツボ３は、多結晶半導体シリコンを溶融するために原料多結晶４０を汚染せず、かつ適度な強度を備え、高温加熱に適したものがよく、例えば、石英ルツボが挙げられる。また、原料を充填する時に、石英ルツボを予めカーボンルツボに嵌め込んだものとしてもよい。但し、本発明では半導体単結晶の製造に適したルツボであれば、これらに限定されるものではない。
【００２４】
ルツボ回転機構５は、ルツボ受け台４を保持するルツボ受け台保持軸１１をモーター１２で回転駆動する方式（図１参照）、あるいは図２に示したように、ルツボ受け台４をボールベアリング１７を介して回転自在とし、作業者が手動で把手部材を押してルツボ受け台４を回転できるようにした方式でもよい。この場合、ギア回転または摩擦回転を利用して自動化することもできる。また、ルツボ回転機構５の回転速度を制御する制御手段を設け、多結晶原料の充填時にルツボの中心からルツボの外周まで順次所定の充填率になるように回転速度を制御することができる。例えば、多結晶シリコン塊を原料とした時には、ルツボの中心の方に原料を並べる時は比較的速く、また、ルツボの周辺に原料を並べる時は比較的ゆっくりとルツボ３を回転させれば、能率良く原料の充填作業が可能である。原料が粒状多結晶シリコンである場合は、粒状多結晶シリコンをルツボにそそぎ込むように原料を充填するため、そそぎ込んだ原料が一箇所に偏らないように一定速度でルツボを回転させながら作業を行うのがよい。
【００２５】
ルツボ昇降機構８としては、油圧または空気圧による流体シリンダ装置や、リンク機構を利用してルツボ受け台４を上下移動させるリンク装置１５（図２参照）、あるいはボールネジ１３を用いてモーター１８でルツボ受け台４を上下移動させるボールネジ機構（図１参照）等から選択された方式を用いると良い。この場合、ルツボ昇降機構８の昇降速度を制御する制御手段を設け、多結晶原料の充填時にルツボの底の方からルツボの上縁まで順次所定の充填率になるように昇降速度を制御したり、作業者の背丈あるいはルツボを単結晶引上げ機に移す時などの場合に、搬送装置の高さに応じて調節するとよい。
【００２６】
そしてこの場合、ルツボ３の回転速度および昇降速度は、多結晶４０の充填速度に応じて可変速、制御可能とすることができる。
このようにすれば、ルツボへの多結晶の充填を所定の充填率になるように、また所定の充填量になるように制御することができ、原料充填を人手によることなく、完全に自動化することができる。
【００２７】
多結晶の重量を測る秤量機構６は、例えば測定値表示器９を具備した機械式秤またはロードセルから選ぶことができる。この場合、好ましくはルツボに充填される多結晶の重量を制御する制御手段を設け、空ルツボの重量（風袋の重量）を測り終えたらルツボへの多結晶投入装置の運転を開始し、多結晶が所定の重量に達したら、ルツボへの多結晶投入装置の運転を停止する等の操作が行えるようにするのが良い。
このように単結晶引上げ機の外部で原料を秤量しながら充填できるので、引上げ機にルツボをセットした状態で原料を仕込んでいた時に比べて仕込み精度が著しく向上するとともに、作業効率が良く引上げ機の生産性を妨げることがなく、引上げ機回りを汚染することもない。さらに仕込み精度の向上により、結晶の品質や直径等の安定化を図ることができる。
【００２８】
さらにルツボ支持装置１の基台１０は、走行用の車輪またはキャスターを具備してもよい。原料多結晶充填済のルツボは高重量になるため、基台１０自身に駆動装置を設けることで、ルツボ３の移送を円滑に行うことができる。また多結晶投入装置２０との位置関係を調整することができ、ルツボへの投入位置を自由に設定することができる（図３参照）。
【００２９】
次に本発明の別の実施形態を図２と図４に示して詳細に説明するが、本発明はこの実施形態のみに限定されるものではないことは言うまでもない。
図２は、本発明のルツボ支持装置２であって、ルツボ３を多結晶４０を充填し易い所望の位置に高さを上げた状態を示している。また図４は、図２に示した本発明のルツボ支持装置２を使用してルツボ搬送装置５０との間でルツボ３の受け渡しを行っている状態を示す説明図である。
【００３０】
本発明のルツボ支持装置２は、例えば、ルツボ３をルツボ受け台４に載置し、ルツボ受け台４は、ルツボ３を水平方向に移動してルツボ搬送装置５０との間でルツボ３を受け渡し可能とするルツボ水平移動機構７を備えており、ルツボ回転機構５で回転方向左右自在、変速自在に回転され、ルツボ昇降機構８により上下方向に移動可能としている。そしてルツボ受け台４はこれら機構５、７を介してルツボ昇降機構８上に設置された秤量機構６上に設置されている。そして、ルツボ昇降機構８は、原料充填に際し、ルツボ３の高さ調整を必要とする時以外は、ピット１６内に納めおさめられている。
【００３１】
ここでルツボ水平移動機構７は、ルツボ受け台４をスライドさせるローラーコンベア１４または溝付きレール（不図示）等が例示され、図４（ａ）に示すように、ルツボ搬送装置（ローラーコンベア付き台車）５０上の空のルツボ３とルツボ受け台４をルツボ支持装置２のローラーコンベア１４上に移設して、原料多結晶４０を充填し、充填を完了したら多結晶を充填したルツボ３とルツボ受け台４を図４（ｂ）に示すようにルツボ搬送装置５０のローラーコンベア１４上に移動し、引上げ機あるいは一時保管庫等まで搬送することができるようになっている。このルツボ水平移動機構によれば、ルツボの受け渡しが極めて容易に行え、ルツボの搬送を能率化することができる。
【００３２】
この例では、ルツボ回転機構５にルツボ受け台４をボールベアリング１７を介して回転自在とした方式を採用し、ルツボ昇降機構８にはリンク機構を利用してルツボ受け台４を上下移動させるリンク装置１５を採用した。また、秤量機構６については前記実施の形態と同様、ロードセル等を使用することができる。
【００３３】
次に本発明の原料充填装置６０に付属する原料投入装置および集塵装置を図３に基づいて説明する。
図３に示したように、ルツボへの原料投入装置２０は、少なくとも１つの関節２５を有するベルトコンベア２１から成り、好ましくは、これに原料多結晶を貯蔵するホッパー２３、供給を開閉するゲートバルブ２４、定量供給を可能とする振動フィーダー２２を具備するものとすることができる。原料投入装置をこのように構成すれば、多結晶の形状が粒状でも塊状であっても、ルツボへの多結晶の充填を人手を介することなく、極めて簡単かつ正確に行うことができる。なお、この原料投入装置は例えば原料導出路としてベルトコンベアの代わりに金属やプラスチック製の断面が円筒または半円筒のような前記とは別の実施の形態にも当然のことながら適用できるものである。また、原料導出路の代わりの形態として、ロボットのアームで原料を投入するものでもよい。
【００３４】
さらに少なくとも１つの関節を有するベルトコンベア２１を使用すれば、コンベアの先端をルツボ底面に接近させることができるので、コンベアの先端から落下する多結晶の落下衝撃を緩和させることができ、ルツボの破損や発塵を防止することができる。
【００３５】
集塵装置３０は、ルツボ３の上方に位置する集塵フード３１と集塵ダクト３２と集塵機３３から成り、主として前記原料投入装置のベルトコンベア先端からルツボ内に落下する際に発生する粉塵を集塵し、作業場回りに飛散、汚染するのを防止すると共にルツボ内に異物、汚染物質の混入を防止しようとするものである。
【００３６】
以上詳細に説明した本発明のルツボ支持装置や原料充填装置を使用して、半導体単結晶製造に用いられるルツボに原料を充填する方法は、例えば、ルツボ搬送装置上のルツボとルツボ受け台をルツボ水平移動機構によりルツボ支持装置の多結晶の重量を測る秤量機構上に受け取り、ルツボとルツボ受け台の重量（風袋）を測定した後、ルツボ回転機構によりルツボを所定の速度で回転させ、ルツボ昇降機構によりルツボの高さを調節しつつ原料投入装置の角度可変関節付きベルトコンベアを起動し、ルツボの底から順次ルツボの内円周に沿って多結晶を投入する。所定量まで充填を完了した時点で原料投入装置の運転を停止し、次いで原料を充填したルツボとルツボ受け台の重量を測定して、原料の充填量を確定した後、原料充填ルツボとルツボ受け台をルツボ水平移動機構によりルツボ搬送装置に移送し、単結晶引上げ機まで搬送するようにすることができる。
【００３７】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００３８】
例えば上記では、主としてＣＺ法によりシリコン単結晶を引上げる場合に用いる石英ルツボ中に多結晶シリコンを充填する場合を例として説明したが、本発明はこれには限定されず、他の半導体結晶を製造するために、ルツボに原料を投入する場合にも適用できるものであることは言うまでもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、半導体原料を引上げ機の外部において、ルツボに所定の充填率で効率良く短時間に所定量を充填することができるルツボ支持装置および原料充填装置と充填方法を提供することができる。これにより、作業効率および生産性の向上を図ることができるとともに、原料の塵埃で作業場回りを汚染することもないし、充填操作の自動化も極めて容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例に係るルツボ支持装置の概要説明図である。
【図２】本発明の実施の形態の別の例に係るルツボ支持装置の概要説明図である。
【図３】図１に示した本発明のルツボ支持装置に原料投入装置と集塵装置を具備した状態を示す原料充填装置の概要説明図である。
【図４】図２に示した本発明のルツボ支持装置を使用してルツボ搬送装置との間でルツボの受け渡しを行っている状態を示す説明図である。
（ａ）ルツボ搬送装置からルツボ支持装置へルツボを水平移動させる状態を示す説明図である。
（ｂ）ルツボ支持装置で多結晶充填を終えたルツボをルツボ搬送装置に水平移動させる状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１、２…ルツボ支持装置、 ３…ルツボ、 ４…ルツボ受け台、
５…ルツボ回転機構、 ６…秤量機構、 ７…ルツボ水平移動機構、
８…ルツボ昇降機構、 ９…測定値表示器、 １０…基台、
１１…ルツボ受け台保持軸、 １２、１８…モーター、
１３…ボールネジ機構、 １４…ローラーコンベア、 １５…リンク装置、
１６…ピット、 １７…ボールベアリング、
２０…原料投入装置、 ２１…関節付きベルトコンベア、
２２…振動フィーダー、 ２３…ホッパー、 ２４…ゲートバルブ、
２５…関節、
３０…集塵装置、 ３１…集塵フード、 ３２…集塵ダクト、
３３…集塵機、
４０…多結晶、 ５０…ルツボ搬送装置、 ６０…原料充填装置。

Claims (14)

1. 半導体単結晶製造に用いられるルツボに原料を充填する際に使用するルツボへ原料を充填するために、少なくともルツボを載置するルツボ受け台と、ルツボを回転させるルツボ回転機構と、原料の重量を測る秤量機構とを具備することを特徴とするルツボ支持装置。
2. 前記ルツボ受け台は、ルツボを水平方向に移動してルツボ搬送装置との間でルツボを受け渡し可能とするルツボ水平移動機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載したルツボ支持装置。
3. 前記ルツボ水平移動機構が、ルツボ受け台をスライドさせるローラーコンベアまたは溝付きレールであることを特徴とする請求項２に記載したルツボ支持装置。
4. 前記ルツボ回転機構は、ルツボ受け台をボールベアリングを介して回転自在としたもの、またはルツボ受け台保持軸を回転駆動するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載したルツボ支持装置。
5. 前記秤量機構が、測定値表示器を具備した機械式秤またはロードセルであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載したルツボ支持装置。
6. 前記ルツボ受け台を上下動させるルツボ昇降機構を具備することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載したルツボ支持装置。
7. 前記ルツボ昇降機構が、油圧または空気圧による流体シリンダ装置、リンク機構を利用してルツボ受け台を上下移動させるリンク装置、またはボールネジを用いてルツボ受け台を上下移動させるボールネジ機構から選択される１種であることを特徴とする請求項６に記載したルツボ支持装置。
8. 前記ルツボは、石英ルツボを黒鉛ルツボに嵌め込んだものであることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載したルツボ支持装置。
9. 前記ルツボの回転速度および／または昇降速度は、原料の充填速度に応じて可変速、制御可能としたことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載したルツボ支持装置。
10. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載したルツボ支持装置にルツボへの原料投入装置を具備することを特徴とする原料充填装置。
11. 前記ルツボへの原料投入装置が、少なくとも１つの関節を有する原料導出路から成ることを特徴とする請求項１０に記載した原料充填装置。
12. 請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載したルツボ支持装置またはルツボへの原料投入装置に集塵装置を具備することを特徴とする原料充填装置。
13. 前記集塵装置が、ルツボ上方に位置する集塵フードと集塵ダクトと集塵機から成ることを特徴とする請求項１２に記載した原料充填装置。
14. 請求項１ないし請求項１３のいずれか１項に記載した装置を使用して原料をルツボへ充填することを特徴とする原料充填方法。

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