JP3846146B2 - シリコン単結晶の引上げ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶棒を引上げて育成するシリコン単結晶の引上げ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のシリコン単結晶棒を引上げる装置は、上部が開口するチャンバ本体とその上部を閉止可能に構成された蓋体とを有するチャンバと、このチャンバ内に設けられシリコン融液が貯留される石英るつぼと、石英るつぼの外周面を包囲するヒータと、ヒータの外周面を包囲する保温筒と、石英るつぼを被覆しかつ保持する黒鉛サセプタとを備えたものが知られている。また、この装置には黒鉛サセプタが上端に固定され下部が下方に突出してチャンバに上下動可能に設けられた支軸と、チャンバの下方に設けられ支軸の下部が接続され支軸を上下動可能に構成されたるつぼ昇降手段が更に備えられる。このシリコン単結晶の引上げ装置では、ヒータで石英るつぼ内に入れられた多結晶シリコンを融解した後、このシリコン融液に種結晶を接触させ、その種結晶を引上げて種結晶の下方にシリコン単結晶棒を育成する。このため、石英るつぼの周囲に設けられたヒータは石英るつぼ内のシリコン融液を加熱して所定温度に維持し、保温筒は石英るつぼをヒータとともに包囲して、シリコン融液の熱が外部に放散しないように遮蔽している。
【０００３】
ここで、ヒータで融解する多結晶シリコンはチャンバ内に装着された石英るつぼに入れられるか、又はチャンバの外部で石英るつぼに入れられてその後チャンバ内に装着されるが、近年では引上げ装置の稼働率を上昇させる観点から後者の手順により行われるのが一般的である。即ち、チャンバの外部に多結晶シリコンを入れた石英るつぼを予め保管し、一旦シリコン単結晶の引上げが終了した装置にその保管されていた石英るつぼを直ち装着し、多結晶シリコンを計量して石英るつぼに入れる作業を省くことにより、引上げが終了した時点から再度引上げを開始するまでの時間を短縮して装置の稼働率を向上させるものである。
【０００４】
一方、石英るつぼに当初供給される多結晶シリコンは塊状物であるため、塊状物と塊状物との間に存在する空間がその多結晶シリコンを融解するとともに消滅し、多結晶シリコンを融解して得られるシリコン融液の液面は石英るつぼに当初供給された多結晶シリコンの上面より下降する。このため従来では、塊状物である多結晶シリコンを一括して入れた石英るつぼを、シリコン融液に種結晶を接触させる位置よりも下方の位置まで下降させてヒータで多結晶シリコンを完全に包囲し、その多結晶シリコンをヒータにより効率よく融解させており、多結晶シリコンがヒータにより融解してシリコン融液が石英るつぼに貯留された後に、るつぼ昇降手段は種結晶を接触させるべき正規の位置まで石英るつぼを上昇させている。また、るつぼ昇降手段は、シリコン単結晶棒の引上げに際して支軸を介して石英るつぼを上昇させることにより、シリコン単結晶棒の引上げに伴うシリコン融液表面の低下を防止し、シリコン融液の表面を所定位置に維持して高品質のシリコン単結晶棒を得るようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のるつぼ昇降手段は、シリコン単結晶棒の引上げに伴うシリコン融液表面の低下を防止するものであるため、石英るつぼを上昇させる量に関しては限界があり、シリコン融液の熱の放散を遮蔽する保温筒の上縁近傍に石英るつぼの上縁が位置する程度を限界としていた。このため、シリコン単結晶の引上げが終了した装置から石英るつぼを取り出して新たに保管されていた石英るつぼを装着する作業が比較的困難である問題点があった。即ち、保温筒はシリコン融液の熱の放散を遮蔽するものであるため、その機能を十分に発揮させるため石英るつぼの外周面と僅かな隙間を持ってチャンバ内に設けられる。このため、保温筒が設けられた状態では作業者は石英るつぼを外周から保持することができず、実際の作業に際してはこの保温筒をチャンバから一旦取外した後に石英るつぼの取外し及び装着が行われている。石英るつぼが装着された後には、再びその保温筒をチャンバ内に取付ける作業が行われ、この保温筒の取外し及び取付け作業が追加される結果、従来の引上げ装置ではその稼働率を期待したほど向上できない不具合があった。
本発明の目的は、石英るつぼの取外し及び装着を比較的容易にして稼働率を十分に向上しうるシリコン単結晶の引上げ装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図３に示すように、上部が開口するチャンバ本体１１ａとその上部を閉止可能に構成された蓋体１１ｂとを有するチャンバ１１と、チャンバ１１内に設けられシリコン融液１２が貯留される石英るつぼ１３と、石英るつぼ１３の外周面を包囲するヒータ１８と、ヒータ１８の外周面を包囲する保温筒１９と、石英るつぼ１３を被覆しかつ保持する黒鉛サセプタ１４が上端に固定され下部が下方に突出してチャンバ１１に上下動可能に設けられた支軸１６と、チャンバ１１の下方に設けられ支軸１６の下部が接続され支軸１６を上下動可能に構成されたるつぼ昇降手段１７とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置の改良である。
その特徴ある構成は、図１に示すように、るつぼ昇降手段１７はチャンバ本体１１ａの上縁を越えて石英るつぼ１３が上昇するように支軸１６を上昇可能に構成されたところにある。
【０００７】
この請求項１に記載されたシリコン単結晶の引上げ装置では、蓋体１１ｂを開いてチャンバ本体１１ａの上部開口部を開放し、るつぼ昇降手段１７により支軸１６を上昇させてチャンバ本体１１ａの上縁を越えて石英るつぼ１３を上昇させると、石英るつぼ１３の外周に保温筒１９は存在せず、石英るつぼ１３は黒鉛サセプタ１４に保持された状態で保温筒１９上方に位置する。このため、保温筒１９をチャンバ１１から取外すことなくその石英るつぼ１３を黒鉛サセプタ１４から取外し、多結晶シリコン２０を入れた状態で予め保管されていた別の石英るつぼ１３を直ちその黒鉛サセプタ１４に装着できる。このため、従来行われてきた保温筒１９の取外し及び取付け作業が不要になり、引上げが終了した時点から再度引上げを開始するまでの時間を従来より短縮する。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、シリコン融液１２から引上げられるシリコン単結晶棒２５の外周面を包囲しかつ下端がシリコン融液１２表面から間隔をあけて上方に位置するように構成されヒータ１８からの輻射熱を遮る熱遮蔽部材２６が蓋体１１ｂに設けられたシリコン単結晶の引上げ装置である。
この請求項２に記載されたシリコン単結晶の引上げ装置の熱遮蔽部材２６は、図３に示すようにシリコン単結晶棒２５の引上げに際し、ヒータ１８からの輻射熱を遮ることにより引上げられたシリコン単結晶棒２５の外周面における温度上昇を抑制するものであるが、この熱遮蔽部材２６を蓋体１１ｂに設けるので、蓋体１１ｂを開いた段階で熱遮蔽部材２６もその蓋体１１ｂとともに石英るつぼ１３の上方から移動し、石英るつぼ１３を上昇させることの妨げにならない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、シリコン単結晶の引上げ装置１０のチャンバ１１内には、シリコン融液１２（図３）を貯留する石英るつぼ１３が設けられ、この石英るつぼ１３の外面は黒鉛サセプタ１４により被覆される。チャンバ１１は上部が開口するチャンバ本体１１ａとその上部を閉止可能に構成された蓋体１１ｂとを有し、蓋体１１ｂはチャンバ本体１１ａにヒンジ１１ｃを介して接続され、蓋体１１ｂはこのヒンジ１１ｃによりチャンバ本体１１ａの上部開口部を開閉可能に構成される。石英るつぼ１３の外周面は石英るつぼ１３から所定の間隔をあけてヒータ１８により包囲され、このヒータ１８は保温筒１９により包囲される。ヒータ１８は石英るつぼ１３に投入された高純度の多結晶シリコン２０（図１及び図２）を加熱・溶融してシリコン融液１２（図３）にする。また、チャンバ１１の上端、即ち蓋体１１ｂの上端には円筒状のケーシング２１が接続される。このケーシング２１には図３に示す引上げ手段２２が設けられる。引上げ手段２２はケーシング２１の上端部に水平状態で旋回可能に設けられた引上げヘッド（図示せず）と、このヘッドを回転させる第２回転用モータ（図示せず）と、ヘッドから石英るつぼ１３の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブル２３と、上記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２３を巻取り又は繰出す引上げ用モータ（図示せず）とを有する。
【００１０】
図３に示すように、ワイヤケーブル２３の下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶棒２５を引上げるための種結晶２４が取付けられる。また、シリコン単結晶棒２５の外周面と石英るつぼ１３の内周面との間にはシリコン単結晶棒２５の外周面を包囲する熱遮蔽部材２６が設けられる。この熱遮蔽部材２６は上方に向かって直径が拡大する筒状に形成されヒータ１８からの輻射熱を遮る筒部２６ａと、この筒部２６ａの上縁に連設され外方に略水平方向に張り出すフランジ部２６ｂとを有し、筒部２６ａの下部には引上げるシリコン単結晶棒２５の直径より僅かに大きい孔が形成されたドーナツ状の円板２６ｃが形成される。フランジ部２６ｂは蓋体１１ｂの内周面に固着され、筒部２６ａの下縁がシリコン融液１２表面から所定の距離だけ上方に位置するように熱遮蔽部材２６がチャンバ１１内に固定される。この熱遮蔽部材２６はシリコン融液１２から引上げられるシリコン単結晶棒２５の外周面を筒部２６ａが包囲しかつ下端がシリコン融液１２表面から間隔をあけて上方に位置しヒータからの輻射熱を遮るように構成される。
【００１１】
石英るつぼ１３の下面は上記黒鉛サセプタ１４を介して支軸１６の上端に固定され、この支軸１６の下部はるつぼ昇降手段１７に接続される。るつぼ昇降手段１７は図示しないが石英るつぼ１３を回転させる第１回転用モータと、石英るつぼ１３を昇降させる昇降用モータとを有し、これらのモータにより石英るつぼ１３が所定の方向に回転し得るとともに、上下方向に移動可能となっている。本発明の特徴ある構成は、図１に示すように、このるつぼ昇降手段１７がチャンバ本体１１ａの上縁を越えて石英るつぼ１３を上昇するように支軸１６を上昇可能に構成されたところにある。
【００１２】
なお、引上げ手段２２における引上げ用モータの出力軸（図示せず）にはロータリエンコーダ（図示せず）が設けられ、るつぼ昇降手段１７には石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の重量を検出する重量センサ（図示せず）と、支軸１６の昇降位置を検出するリニヤエンコーダ（図示せず）とが設けられる。ロータリエンコーダ、重量センサ及びリニヤエンコーダの各検出出力はコントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、コントローラの制御出力は引上げ手段２２の引上げ用モータ及びるつぼ昇降手段１７の昇降用モータにそれぞれ接続される。またコントローラにはメモリ（図示せず）が設けられ、このメモリにはロータリエンコーダの検出出力に対するワイヤケーブル２３の巻取り長さ、即ちシリコン単結晶棒２５の引上げ長さが第１マップとして記憶され、重量センサの検出出力に対する石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面レベルが第２マップとして記憶される。コントローラは重量センサの検出出力に基づいて石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面を常に一定のレベルに保つように、るつぼ昇降手段１７の昇降用モータを制御するように構成される。
【００１３】
このように構成された装置によるシリコン単結晶棒の引上げ、およびその引上げが終了した後に石英るつぼを取り出して新たに保管されていた石英るつぼを装着する作業について説明する。
図３に示すように、シリコン単結晶棒２５の引上げは、ヒータ１８の加熱により石英るつぼ１３内に貯留されたシリコン融液１２に種結晶２４を接触させ、その種結晶２４を引上げて種結晶２４の下方にシリコン単結晶棒２５を育成する。この際、石英るつぼ１３の周囲に設けられたヒータ１８は石英るつぼ１３内のシリコン融液１２を加熱して所定温度に維持し、保温筒１９は石英るつぼ１３をヒータ１８とともに包囲して、シリコン融液１２の熱が外部に放散しないように遮蔽する。熱遮蔽部材２６はシリコン融液１２から引上げられるシリコン単結晶棒２５の外周面を筒部２６ａが包囲しヒータ１８からの輻射熱を遮り、引上げられたシリコン単結晶棒２５の外周面における温度上昇を抑制する。るつぼ昇降手段１７は、シリコン単結晶棒２５の引上げに際して支軸１６を介して石英るつぼ１３を上昇させることにより、シリコン単結晶棒２５の引上げに伴うシリコン融液１２表面の低下を防止し、シリコン融液１２の表面を所定位置に維持して高品質のシリコン単結晶棒２５を得る。
【００１４】
シリコン単結晶棒２５が引上げられた後には、引上げられたシリコン単結晶棒２５をチャンバ１１から取り出し、図１に示すように、蓋体１１ｂを開いてチャンバ本体１１ａの上部開口部を開放する。その後るつぼ昇降手段１７により支軸１６を上昇させ、チャンバ本体１１ａの上縁を越えて石英るつぼ１３を上昇させる。この際、蓋体１１ｂに設けられた熱遮蔽部材２６は、蓋体１１ｂを開いた段階でその蓋体１１ｂとともに石英るつぼ１３の上方から移動するので、石英るつぼ１３を上昇させることの妨げにならない。チャンバ本体１１ａの上縁を越えて石英るつぼ１３が上昇した状態では、石英るつぼ１３の外周に保温筒１９は存在せず、石英るつぼ１３は黒鉛サセプタ１４に保持された状態で保温筒１９上方に位置する。このため、保温筒１９をチャンバ１１から取外すことなくその石英るつぼ１３を黒鉛サセプタ１４から取外し、多結晶シリコン２０を入れた状態で予め保管されていた別の石英るつぼ１３を直ちその黒鉛サセプタ１４に装着できる。
【００１５】
その後るつぼ昇降手段１７により支軸１６を下降させて多結晶シリコンをヒータ１８で完全に包囲し、図２に示すように蓋体１１ｂを閉じてチャンバ本体１１ａの上部開口部を閉止する。その後多結晶シリコン２０をヒータ１８により融解させ、図３に示すようにシリコン融液１２が石英るつぼ１３に貯留された後に、るつぼ昇降手段１７は種結晶２４を接触させるべき正規の位置まで石英るつぼ１３を上昇させ、再びシリコン単結晶棒２５の引上げを開始する。このため、石英るつぼ１３の交換に際して従来行われてきた保温筒１９の取外し及び取付け作業が不要になり、引上げが終了した時点から再度引上げを開始するまでの時間は従来より短縮する。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、るつぼ昇降手段はチャンバ本体の上縁を越えて石英るつぼが上昇するように支軸を上昇可能に構成したので、チャンバ本体の上縁を越えて上昇した石英るつぼの外周に保温筒は存在せず、石英るつぼは黒鉛サセプタに保持された状態で保温筒上方に位置する。このため、保温筒をチャンバから取外すことなくその石英るつぼを交換することができる。この結果、石英るつぼの取外し及び装着は比較的容易になり、石英るつぼの交換に際して従来行われてきた保温筒の取外し及び取付け作業が不要になり、引上げが終了した時点から再度引上げを開始するまでの時間は従来より短縮され、装置の稼働率を向上させることができる。
また、引上げられたシリコン単結晶棒の外周面における温度上昇を抑制するためにヒータからの輻射熱を遮る熱遮蔽部材を設ける場合には、その熱遮蔽部材をチャンバの蓋体に設けることにより、蓋体を開いた段階で熱遮蔽部材もその蓋体とともに石英るつぼの上方から移動するので、石英るつぼを上昇させることの妨げになることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】チャンバ本体の上縁及び保温筒の上縁を越えて石英るつぼが上昇するようにるつぼ昇降手段が支軸を上昇させた本発明の引上げ装置を示す断面構成図。
【図２】多結晶シリコンを入れた石英るつぼがチャンバの内部に装着された本発明の引上げ装置を示す断面構成図。
【図３】シリコン単結晶棒が引上げられた本発明の引上げ装置を示す断面構成図。
【符号の説明】
１０ 引上げ装置
１１ チャンバ
１１ａ チャンバ本体
１１ｂ 蓋体
１２ シリコン融液
１３ 石英るつぼ
１６ 支軸
１７ るつぼ昇降手段
１８ ヒータ
１９ 保温筒
２５ シリコン単結晶棒
２６ 熱遮蔽部材

Claims (2)

1. 上部が開口するチャンバ本体(11a)とその上部を閉止可能に構成された蓋体(11b)とを有するチャンバ(11)と、前記チャンバ(11)内に設けられシリコン融液(12)が貯留される石英るつぼ(13)と、前記石英るつぼ(13)の外周面を包囲するヒータ(18)と、前記ヒータ(18)の外周面を包囲する保温筒(19)と、前記石英るつぼ(13)を被覆しかつ保持する黒鉛サセプタ(14)が上端に固定され下部が下方に突出して前記チャンバ(11)に上下動可能に設けられた支軸(16)と、前記チャンバ(11)の下方に設けられ前記支軸(16)の下部が接続され前記支軸(16)を上下動可能に構成されたるつぼ昇降手段(17)とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置において、
   前記るつぼ昇降手段(17)は前記チャンバ本体 (11a) の上縁を越えて前記石英るつぼ(13)が上昇するように前記支軸(16)を上昇可能に構成されたことを特徴とするシリコン単結晶の引上げ装置。
2. シリコン融液(12)から引上げられるシリコン単結晶棒(25)の外周面を包囲しかつ下端が前記シリコン融液(12)表面から間隔をあけて上方に位置するように構成されヒータ(18)からの輻射熱を遮る熱遮蔽部材(26)が蓋体(11b)に設けられた請求項１記載のシリコン単結晶の引上げ装置。

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