JP3973852B2 - 半導体基材製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、融液状の半導体材料を結晶析出させて半導体ウエハ等の基材となる半導体基材を製造する半導体基材製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体基材製造装置は、シリコン等の半導体材料を収容するルツボと、このルツボ内の半導体材料を加熱して溶解させる加熱機構と、ルツボ内の半導体材料に対して種結晶を接離可能に昇降させる昇降機構と、これら機構を内部に収容した真空タンクとを備えている。この装置を用いて半導体ウエハを製造する場合には、先ず、種結晶を昇降機構に取り付けると共にシリコン等の半導体材料をルツボに投入する。次に、真空タンク内を減圧して不活性ガス雰囲気とした後、半導体材料を加熱して溶解させ、半導体材料の全体が融液状態となったときに、種結晶を下降させて半導体材料の融液面に接触させる。そして、種結晶を緩やかに引き上げながら半導体材料を結晶析出させることによって、柱状やリボン状の半導体基材とする。この後、半導体基材が所定長に成長したときに、この半導体基材を真空タンクから取り出し、所定の厚みおよび形状に切断することによって、所望の半導体ウエハとする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、柱状やリボン状の半導体基材を切断して所定の厚みおよび形状の半導体ウエハとしたときに、切断して除去する部分がウエハの厚みと同一であるため、例えば４割が除去部分となるように大きな材料ロスが発生する。そして、この大きな材料ロスが半導体ウエハを安価に製造する際の障害になっているという問題がある。
【０００４】
従って、本発明は、半導体基材を半導体ウエハとするときの材料ロスを低減することにより半導体ウエハを安価に製造することが可能な半導体基材製造装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、密閉状態にされた処理室で半導体材料をカーボン基板の基板面に結晶析出させることによって、シート状の半導体基材を製造する半導体基材製造装置であって、前記処理室を形成する真空タンクと、前記半導体材料を融液とするように加熱しながら収容する溶解炉装置と、前記カーボン基板の複数を周方向に配置すると共に、該周方向への旋回により前記カーボン基板を前記半導体材料に順に浸漬させて一定時間後に引き上げる旋回析出機構とを有することを特徴としている。
【０００６】
上記の構成によれば、旋回析出機構の周方向に配置された複数のカーボン基板が順に半導体材料に浸漬され、一定時間後に引き上げられることによって、各カーボン基板の基板面に半導体材料が同一条件で結晶析出し、所望の厚みを有したシート状の半導体基材が順に生成される。従って、旋回析出機構の旋回によりカーボン基板が浸漬されて引き上げられるたびに、１枚単位で所望の厚みの半導体基材が生成され、真空タンクの外部に取り出して後工程に搬送することができる。これにより、後工程において、半導体基材を研磨すれば、所望の半導体ウエハを得ることができるため、材料ロスを十分に低減することができ、結果として半導体ウエハを安価に製造することが可能になる。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構は、前記カーボン基板を着脱可能に保持する取付台を有することを特徴としている。
上記の構成によれば、取付台からカーボン基板を取り外すことによって、カーボン基板と共に半導体基材を真空タンクから搬出することができるため、半導体基材をカーボン基板から剥離する処理をタンク外で容易に行うことができる。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項２に記載の半導体基材製造装置であって、前記真空タンク内の処理室と真空タンク外の大気側との間に設けられ、これら処理室および大気側に対して任意のタイミングで連通可能なロードロック室と、前記ロードロック室と前記取付台とにカーボン基板を搬送する基板搬送機構とを有することを特徴としている。
【０００９】
上記の構成によれば、ロードロック室を介してカーボン基板と共に半導体基材を取り出すことができると共に、ロードロック室を介して未使用のカーボン基板を取付台に装着することができるため、真空タンク内の処理室を常に所望の雰囲気に維持することができる。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体基材製造装置であって、前記ロードロック室には、半導体基材を結晶析出させたカーボン基板に対して冷却を行う基板冷却機構が設けられていることを特徴としている。
上記の構成によれば、ロードロック室において短時間で半導体基材を冷却することができる。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１または２に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構は、熱伝導率の低い材質からなる中間部材を介して前記カーボン基板を取り付けていることを特徴としている。
上記の構成よれば、半導体材料の結晶析出時にカーボン基板が高温状態になっても、中間部材がカーボン基板から旋回析出機構側への熱伝達を遮ることによって、旋回析出機構の過熱による不具合を防止することができる。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するカーボン製のルツボと、前記ルツボの周囲に配置された電磁誘導コイルと、前記ルツボを誘導加熱するように前記電磁誘導コイルに対して高周波電力を供給する電源装置とを備えており、前記電源装置は、前記ルツボの側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われるように、高周波電力の周波数を設定していることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、ルツボを誘導加熱することによって、効率良く半導体材料を溶解させることができる。また、ルツボの側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われることによって、半導体材料の融液の液面を波立たせないようにすることができる。これにより、安定な条件で半導体シートの析出を行うことができる。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構の旋回により前記カーボン基板が半導体材料に浸漬される前に、該カーボン基板を融液金属よりも低い温度に予熱する基板予熱装置を有することを特徴としている。
上記の構成によれば、カーボン基板を予熱することによって、半導体基材の結晶の析出条件を制御することができる。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項７に記載の半導体基材製造装置であって、前記基板予熱装置は、誘導加熱により前記カーボン基板を予熱することを特徴としている。
上記の構成によれば、カーボン基板の予熱を効率良く短時間で行うことができる。
【００１６】
請求項９の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記真空タンクの処理室を真空状態または任意の圧力での不活性ガス雰囲気とするガス処理機構を有することを特徴としている。
上記の構成によれば、半導体基材に適した製造条件に調整することが可能になる。
【００１７】
請求項１０の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボから漏出した半導体材料を受け止めるように容器状に形成された受け皿部材を有することを特徴としている。
上記の構成によれば、ルツボが破損等して高温の半導体材料が漏出したときに、この半導体材料を受け皿部材が受け止めることによって、漏出による他の構成部品への被害を最小限に抑制することができると共に、半導体材料の回収を容易に行うことができる。
【００１８】
請求項１１の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボを加熱する加熱装置と、前記ルツボの温度を検出するように該ルツボに接合された熱電対と、前記熱電対の検出温度に基づいて前記ルツボを所望の温度とするように前記加熱装置を制御するルツボ温調手段とを有することを特徴としている。
上記の構成によれば、ルツボに接合された熱電対によりルツボに対する温度制御を行うことによって、ルツボに収容された半導体材料の温度制御を間接的に行うことができる。これにより、例えば保護管付きの熱電対を半導体材料に浸漬し、直接的に半導体材料の温度制御を行う場合と比較して、半導体材料への不純物の混入による汚染を低減することができる。
【００１９】
請求項１２の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボを任意の位置に昇降可能なルツボ昇降機構と、前記半導体材料の液面高さを検出する液面高検出装置と、前記液面高検出装置からの検出信号に基づいて、半導体材料の液面高さを所定の高さ位置とするように前記ルツボ昇降機構を制御する昇降制御装置とを有することを特徴としている。
【００２０】
上記の構成によれば、半導体基材の製造を継続することによりルツボ内の半導体材料が消費されて少なくなった場合でも、ルツボを検出信号に基づいて上昇させることによって、半導体材料の液面高さを常に所定の高さ位置に維持することができる。これにより、カーボン基板が半導体材料に対して常に同じ状態で浸漬されるため、半導体基材を安定して製造することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図１０に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る半導体基材製造装置は、図１に示すように、製造装置本体１と、製造装置本体１の下方位置において水平方向（図中左右方向）に進退移動可能にされた搬送車２と、製造装置本体１および搬送車２を支持する架台３とを備えている。
【００２２】
上記の製造装置本体１は、外部から気密状態に遮断された処理室７を形成する真空タンク４を有している。真空タンク４は、水冷するように二重壁構造にされており、一方面（図中左面）が開口されたタンク本体５と、タンク本体５の一方面を開閉可能に設けられた開閉扉６とを有している。開閉扉６には、真空タンク４内をオペレータに視認させるように覗き窓６ａが設けられていると共に、開閉扉６の開閉時にオペレータにより把持される把手６ｂが設けられている。
【００２３】
一方、タンク本体５には、覗き窓５ｂ・５ｃが上面に設けられていると共に、ルツボ装着穴５ｄが下面中心部に設けられている。また、タンク本体５には、第１〜第３バルブ１２ａ〜１２ｃが並列接続されている。第１バルブ１２ａは、アルゴンガスを収容したガスボンベ１１に接続されており、開状態時にガスボンベ１１のアルゴンガスを処理室７に供給可能にする。また、第２バルブ１２ｂは、真空ポンプ１３に接続されており、開状態時に処理室７の空気を真空ポンプ１３により吸引して外部に排気可能にする。第３バルブ１２ｃは、外部に開放されており、開状態時に外部の空気を処理室７に供給可能にする。
【００２４】
そして、これらの第１〜第３バルブ１２ａ〜１２ｃは、制御装置４０により開閉動作が制御されおり、制御装置４０は、これらのバルブ１２ａ〜１２ｃを制御することによって、シリコン１６の結晶析出時に処理室７を低圧のアルゴンガス雰囲気とする。尚、アルゴンガスに代えて他の不活性ガスが用いられても良い。
【００２５】
一方、タンク本体５の上面に設けられた覗き窓５ｂ・５ｃの内側や近傍には、レーザ測長装置の発光器１４ａおよび受光器１４ｂがそれぞれ設けられている。これらの発光器１４ａおよび受光器１４ｂからなるレーザ測長装置は、グリーンレーザを発光器１４ａから後述の溶解炉装置３０に保持されたシリコン１６の液面に照射し、反射光を受光器１４ｂで受光することによりシリコン１６の液面の高さ位置を測定し、測定データを上述の制御装置４０に出力する。そして、制御装置４０は、溶解炉装置３０に対してシリコン１６の液面を所定の高さ位置に維持させるように位置指令信号を出力する。
【００２６】
上記の溶解炉装置３０は、タンク本体５の下面中心部に形成されたルツボ装着穴５ｄに着脱可能に設けられている。溶解炉装置３０は、シリコン１６を収容するルツボ１５と、ルツボ１５を支持するルツボ支持機構３１と、ルツボ１５を誘導加熱することによりシリコン１６を加熱溶融させる電磁誘導コイル３２と、電磁誘導コイル３２に高周波電力を供給する図示しない電源装置と、ルツボ１５の温度を検出するようにルツボ１５に接合された図示しない熱電対と、この熱電対の検出温度に基づいてルツボ１５を所望の温度とするように電源装置を制御するルツボ温調手段（制御装置４０）とを備えている。
【００２７】
上記のルツボ１５は、シリコン１６との反応性が小さくて無通気性の材質、例えばカーボンにより形成されている。また、電磁誘導コイル３２は、ルツボ１５を電磁誘導加熱するように、ルツボ１５の周囲に配置されている。電磁誘導コイル３２には、図示しない電源装置が接続されている。電源装置は、制御装置４０により制御されることによって、熱電対の検出温度に基づいてルツボ１５を所望の温度にすると共に、ルツボ１５の側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われるように、高周波電力を電磁誘導コイル３２に供給する。
【００２８】
具体的には、浸透深さδと抵抗率ρ（μΩｃｍ）と周波数ｆ（Ｈｚ）とが“δ＝５０．３（ρ／ｆ）1/2 ”の関係を有することから、この関係に基づいて浸透深さδを周波数ｆを変更しながら求めることによって、ルツボ１５の側壁の厚みよりも薄い浸透深さδとな周波数ｆを所定周波数として決定する。そして、電磁誘導コイル３２は、このようにして決定された所定周波数の高周波電力が供給されることによって、ルツボ１５のみを電磁誘導加熱し、電磁力がルツボ１５内のシリコン１６に到達することによる波立ちを防止しながら、ルツボ１５を短時間および高効率で所望の温度、例えばシリコン１６の液面層を１６８０Ｋ（絶対温度）程度の過冷却状態とするように加熱する。尚、過冷却状態とは、融液シリコン２の凝固温度以下でもなお融液状態にある状態のことである。
【００２９】
一方、ルツボ１５を支持するルツボ支持機構３１は、図２に示すように、ルツボ１５の下面に断熱部材１７を介して接合された受け皿部材１８を有している。受け皿部材１８は、ルツボ１５の周縁部よりも大きなサイズに開口された容器状に形成されている。そして、受け皿部材１８は、ルツボ１５が破損等したときに、ルツボ１５から漏出した融液状のシリコン１６を受け止めることによって、高温のシリコン１６による被害の拡大を防止する。さらに、受け皿部材１８の下面には、冷却水を流通させる冷却配管１９が接合されており、冷却配管１９は、受け皿部材１８を冷却することによって、受け皿部材１８で受け止められた融液状のシリコン１６を急速に冷却固化させる。
【００３０】
また、ルツボ支持機構３１は、上記のように構成された受け皿部材１８およびルツボ１５を昇降させるルツボ昇降機構２０を備えている。ルツボ昇降機構２０は、気密シール部２１、ガイド部材２２、ボールネジ２０ａ、ナット２０ｂ、ギヤボックス２０ｃ、および減速機付モータ２０ｄを有している。気密シール部２１は、受け皿部材１８の下面中心部に先端部が接合された昇降軸２１ａを鉛直方向に昇降可能にしている。また、気密シール部２１は、図１の制御装置４０に接続されており、制御装置４０からの位置指令信号に基づいてモータ２０ｄ、ギヤボックス２０ｃ、ボールネジ２０ａを駆動し、昇降軸２１ａを昇降させることによって、受け皿部材１８を介してルツボ１５内のシリコン１６の液面を所定の高さ位置に維持可能になっている。そして、このように構成された気密シール部２１の周囲には、上述のガイド部材２２が配置されている。ガイド部材２２は、受け皿部材１８の下面コーナー部に先端部が接合されており、ルツボ１５の昇降方向を鉛直方向に規制している。
【００３１】
上記の気密シール部２１およびガイド部材２２は、水平方向に横設された平板状の支持盤２３により支持されている。支持盤２３の周囲には、側壁部材２４が立設されている。側壁部材２４の上端部には、環状の連結部材２５が設けられている。連結部材２５は、内周端部および外周端部が側壁部材２４を挟んで内側および外側にそれぞれ位置するように形成されている。
【００３２】
連結部材２５は、内周径が受け皿部材１８を挿通させる程度となるように形成されている。この内周端部の上面には、コイル台２９を介して上述の電磁誘導コイル３２が設けられている。一方、連結部材２５の外周端部には、第１締結穴２５ａと第２締結穴２５ｂとが形成されている。各締結穴２５ａ・２５ｂには、第１ボルト２６ａおよび第２ボルト２６ｂがそれぞれ貫挿されている。第１ボルト２６ａは、タンク本体５に対してルツボ支持機構３１を着脱可能に連結させており、第２ボルト２６ｂは、タンク本体５に対してコイル台２９や電磁誘導コイル３２を着脱可能に連結させている。
【００３３】
上記のように構成された溶解炉装置３０の下方には、図１に示すように、搬送車２が配置されている。搬送車２は、架台３上に水平方向に設けられたレール３３を走行する台車３４と、台車３４上に設けられ、上述の溶解炉装置３０を載置して昇降可能な載置機構３５とを備えている。
【００３４】
一方、溶解炉装置３０の上方には、シリコン１６の液面に対して垂直方向に旋回しながらシリコン１６を析出させる旋回析出機構１０が設けられている。旋回析出機構１０は、旋回軸がタンク本体５の幅方向（紙面垂直方向）に一致するように設定されており、旋回中心に設けられた旋回支持体５０と、旋回支持体５０から３方向（１２０°）に均等に配設された３台の第１〜第３旋回翼５１ａ〜５１ｃとを備えている。各旋回翼５１ａ〜５１ｃは、図３（ａ）・（ｂ）に示すように、基部が旋回支持体５０に固設された棒状支持部材５２と、棒状支持部材５２の先端部に設けられた支持台５３と、タンタル製のボルトおよびスペーサからなる中間部材５４を介して設けられた取付台５５と、取付台５５の上面に着脱可能に設けられたカーボン基板５６とを備えている。
【００３５】
上記の取付台５５とカーボン基板５６との着脱機構は、取付台５５の上面の両端にかけて形成された台形形状の溝状係合部５５ａと、カーボン基板５６の裏面の両端にかけて形成された台形形状の凸状係合部５６ａとからなっており、取付台５５の溝状係合部５５ａに沿ってカーボン基板５６の凸状係合部５６ａを移動させることによって、カーボン基板５６の着脱を可能にしている。そして、このように構成された旋回翼５１ａ〜５１ｃは、図４に示すように、取付台５５の溝状係合部５５ａが旋回析出機構１０の旋回軸に対して並行となるように設定されている。
【００３６】
上記の各旋回翼５１ａ〜５１ｃを支持する旋回支持体５０は、軸受け機構５７により回動自在に支持されながらタンク本体５を貫設されている。タンク本体５外における旋回支持体５０には、従動ギア５８が固設されている。従動ギア５８は、チェーン５９および第２ギア６０を介して駆動装置６１に連結されている。駆動装置６１は、制御装置４０からの図６の速度指令に基づいて任意の旋回速度で旋回析出機構１０を旋回可能になっている。また、旋回支持体５０の内部には、冷却水路５０ａが形成されている。冷却水路５０ａは、各旋回翼５１ａ〜５１ｃにまで連絡されており、図示しない冷却水供給系から供給された冷却水が流動されることにより旋回析出機構１０の全体を冷却する。
【００３７】
上記のように構成された旋回析出機構１０の上方には、図５に示すように、基板搬送機構６５が設けられている。基板搬送機構６５は、各旋回翼５１ａ〜５１ｃが最上端の給排位置Ａに到達したときの取付台５５の高さ位置に水平方向に配置されており、旋回析出機構１０に対して図中右側に設けられた基板供給機構６６と、旋回析出機構１０に対して図中左側に設けられた基板排出機構６７とを備えている。基板供給機構６６は、取付台５５に対してカーボン基板５６を水平方向に移動させることによって、図３に示すように、取付台５５の溝状係合部５５ａにカーボン基板５６の凸状係合部５６ａを係合させるようになっている。一方、図５に示すように、基板排出機構６７は、取付台５５に係合されたカーボン基板５６を水平方向左側に移動させることによって、図３に示すように、取付台５５の溝状係合部５５ａからカーボン基板５６の凸状係合部５６ａを抜脱させるようになっている。
【００３８】
上記の基板供給機構６６および基板排出機構６７は、タンク本体５の外部において第１ロードロック室６８および第２ロードロック室６９にそれぞれ連絡されている。これらのロードロック室６８・６９は、真空タンク４内の処理室７と真空タンク４外の大気側との間に設けられ、これら処理室７および大気側に対して任意のタイミングで連通可能にされている。また、第２ロードロック室６９の内部には、カーボン基板５６に対して冷却を行う図示しない基板冷却機構が設けられており、基板冷却機構は、第２ロードロック室６９内において短時間でカーボン基板５６を冷却するようになっている。
【００３９】
上記のロードロック室６８・６９は、カーボン基板５６を収容するのに必要最小限の容積に設定されている。また、ロードロック室６８・６９は、アルゴンガスが供給可能にされていると共に真空排気可能にされている。これにより、ロードロック室６８・６９は、タンク本体５内の処理室７と同等のアルゴンガス雰囲気とタンク本体５外の大気雰囲気とに容易且つ短時間で切換え可能になっている。
【００４０】
上記の第１ロードロック室６８に連絡された基板供給機構６６の下方には、ルツボ１５内にシリコン１６’を投入する原料投入機構７０が設けられている。原料投入機構７０は、先端部がルツボ１５の上方に位置するように形成され、シリコン１６’を載置する原料載置台７１と、原料載置台７１に載置されたシリコン１６’を押し出す押出装置７２とを有している。また、図１に示すように、ルツボ１５の斜め上方となる予熱位置Ｂには、基板予熱装置７４が設けられている。尚、予熱位置Ｂは、この予熱位置Ｂに各旋回翼５１ａ・５１ｂ・５１ｃが位置したときに、この旋回翼５１ａ・５１ｂ・５１ｃに対して旋回方向後段の旋回翼５１ｃ・５１ａ・５１ｂが給排位置Ａに位置するように設定されている。基板予熱装置７４は、ルツボ１５内のシリコン１６に浸漬する直前の旋回翼５１ａ〜５１ｃのカーボン基板５６をシリコン１６の過冷却状態の温度よりも低い温度、例えば１４８０Ｋ（絶対温度）程度に予熱する。尚、基板予熱装置７４は、カーボン基板５６を誘導加熱するようになっていても良いし、輻射熱により加熱するようになっていても良い。
【００４１】
上記の構成において、半導体基材製造装置の動作について説明する。
先ず、図１の二点鎖線で示すように、溶解炉装置３０が真空タンク４から切り離され、所定の作業位置に移動される。そして、この作業位置において、ルツボ１５等の清掃や保守点検が行われた後、図１の実線で示すように、溶解炉装置３０が真空タンク４に装着され、ルツボ１５に原料となるシリコン１６’が投入される。また、この作業と並行し、開閉扉６が開かれることによって、タンク本体５が開放状態にされる。そして、図５に示すように、タンク本体５内の各機器の保守点検等が行われると共に、原料投入機構７０の原料載置台７１にシリコン１６’が載置される。この後、開閉扉６が閉じられて密閉状態の処理室７が真空タンク４内に形成されることによって、半導体基材製造装置の準備作業が完了する。
【００４２】
次に、真空ポンプ１３が作動されると共に第２バルブ１２ｂが開栓状態にされことによって、真空タンク４内の処理室７が真空排気される。尚、真空排気は、短時間で所望の真空度に到達するように、図示しない他の真空排気系を併用して行われても良い。そして、処理室７の真空度が例えば１．３３パスカルとなったときに、第１バルブ１２ａが開栓されてアルゴンガスが処理室７に供給される。このような操作により処理室７がアルゴンガス雰囲気になると、電磁誘導コイル３２に対して図示しない電源装置から高周波電力が供給される。高周波電力が供給された電磁誘導コイル３２は、ルツボ１５の側壁の厚みよりも薄い浸透深さで交番磁場を生成し、この交番磁場によりルツボ１５を誘導加熱する。そして、ルツボ１５が高温状態に加熱されることによって、ルツボ１５内のシリコン１６が溶解して全体が融液状態にされる。
【００４３】
上記のルツボ１５は、図示しない熱電対等の温度センサにより温度が検出されており、この温度センサの検出温度に基づいて制御装置４０は、シリコン１６の温度を監視および制御する。そして、融液状のシリコン１６が例えば１６８０Ｋ（絶対温度）程度の過冷却状態の処理温度に昇温すると、この処理温度を維持するように電磁誘導コイル３２への電力供給が制御される。
【００４４】
また、融液状のシリコン１６は、液面高さが発光器１４ａおよび受光器１４ｂからなるレーザ測長装置（液面高検出装置）により計測されており、制御装置４０（昇降制御装置）は、レーザ測長装置からの測定データに基づいてルツボ昇降機構２０に位置指令信号を出力することによって、シリコン１６の液面高さを所定の高さ位置、即ち、各旋回翼５１ａ〜５１ｃのカーボン基板５６の基板面がシリコン１６に僅かに浸漬する高さ位置に設定される。この際、電磁誘導コイル３２による交番磁場は、ルツボ１５の側壁の内部でのみ生成されているため、ルツボ１５内のシリコン１６を波立たせるように作用することはない。従って、シリコン１６の液面が鏡面状態となってレーザ光の乱反射が防止されることによって、シリコン１６の液面高さがレーザ測長装置により高精度に計測され、結果としてシリコン１６の液面高さが高精度に所定の高さ位置に位置決めされる。
【００４５】
次に、図１および図６に示すように、旋回析出機構１０が旋回され、例えば第１旋回翼５１ａが給排位置Ａに到達したときに停止される。そして、図５に示すように、基板供給機構６６により未使用のカーボン基板５６が取付台５５に供給および装着された後、図１に示すように、旋回析出機構１０が旋回されることによって、この第１旋回翼５１ａが予熱位置Ｂに移動される。
【００４６】
第１旋回翼５１ａが予熱位置Ｂに到達すると、基板予熱装置７４に電力が供給されることによって、第１旋回翼５１ａに装着されたカーボン基板５６が加熱される。尚、このカーボン基板５６の温度も図示しない熱電対等の温度センサにより検出されている。そして、制御装置４０は、この検出温度に基づいてカーボン基板５６がシリコン１６の過冷却状態の温度よりも低い温度、例えば１４８０Ｋ程度に昇温したときに予熱処理が完了したと判断し、第１旋回翼５１ａをルツボ１５方向に移動させるように旋回析出機構１０を旋回させる。
【００４７】
旋回析出機構１０が旋回することによって、第１旋回翼５１ａのカーボン基板５６がルツボ１５のシリコン１６に浸漬し始めると、浸漬時間を一定時間に調整するように、旋回速度が所定速度に維持される。カーボン基板５６がシリコン１６に浸漬されると、カーボン基板５６は、過冷却状態のシリコン１６から潜熱を吸熱することによって、カーボン基板５６の基板面を結晶の核としてシリコン１６を結晶析出させる。この際、カーボン基板５６は、過冷却状態のシリコン１６よりも低い温度に予熱されている共に、熱伝導の優れた性質を有している。従って、シリコン１６の潜熱がカーボン基板５６内に効率良く吸熱されることによって、シリコン１６がカーボン基板５６の基板面に急激に結晶析出することになる。
【００４８】
この結果、浸漬時間が短くても、図７および図８に示すように、カーボン基板５６の基板面全体においてシリコン１６の結晶組織が基板面に対して垂直方向に延びる柱状晶の形態で成長することによって、カーボン基板５６の基板面と同一サイズの長さＬおよび幅Ｈであって所定厚さｄ１のシリコン結晶シート７５が生成されることになる。
【００４９】
この後、図５に示すように、旋回析出機構１０の旋回が継続されることによって、シリコン結晶シート７５を生成させたカーボン基板５６が給排位置Ａに到達したときに停止される。そして、この給排位置Ａにおいて、基板搬送機構６５の基板排出機構６７によりカーボン基板５６がシリコン結晶シート７５と共に取付台５５から抜脱され、第２ロードロック室６９を介して外部に搬出される。この後、シリコン結晶シート７５がカーボン基板５６から剥離され、このシリコン結晶シート７５に対して研磨処理や所定形状の切断処理が施されることによって、厚さｄ１で所定形状のシリコンウエハ（半導体ウエハ）とされる。
【００５０】
そして、図６に示すように、以上の一連の処理動作が各旋回翼５１ａ〜５１ｃにおいて１／３周期ずつ前後しながら同時に行われることによって、旋回析出機構１０の１回の旋回ごとに３枚のシリコン結晶シート７５が製造される。尚、図１に示すように、以上の一連の処理動作が継続されることによりルツボ１５内のシリコン１６が消費された場合でも、上述のように、ルツボ昇降機構２０がルツボ１５を上昇させることによりシリコン１６の液面高さを所定の高さ位置に維持することによって、常に同じ品質およびサイズのシリコン結晶シート７５が製造される。
【００５１】
次いで、例えばルツボ１５を側壁に旋回翼５１ａ〜５１ｃが衝突する直前の上限位置にまでルツボ１５が上昇すると、一時的に上述の処理動作が停止される。尚、この場合において、処理室７のアルゴンガス雰囲気は維持されている。そして、図５に示すように、原料投入機構７０から所定量のシリコン１６’がルツボ１５内に投入されることにより消費分に対応した量が補充される。この後、シリコン１６’が溶解されたときに、上述の処理動作が再開される。
【００５２】
また、原料投入機構７０のシリコン１６’も消費した場合には、図１に示すように、１バッチ分の処理動作が完了したと判断され、処理動作が停止された後、第３バルブ１２ｃが開栓状態に切り換えられることによって、処理室７が大気雰囲気にされる。この後、図示二点鎖線で示すように、真空タンク４からルツボ１５等の溶解炉装置３０が切り離されて作業位置に移動されると共に、開閉扉６が開放される。但し、原料投入機構７０にロードロック室を付属させ、処理室７の雰囲気を破ることなく原料を供給し、連続的に運転することも可能である。
【００５３】
次に、本実施形態における半導体基材製造装置によりシリコン結晶シート７５が適正に製造されることを確認するため、以下の実験を行った。
【００５４】
即ち、シリコン１６を１６８０Ｋ（絶対温度）程度の過冷却状態となるように加熱した。そして、厚さｄ１＝６ｍｍ、長さＬ＝１００ｍｍ、巾Ｈ＝３０ｍｍのカーボン基板５６を準備し、過冷却状態のシリコン１６よりも低い温度の１４８０Ｋ（絶対温度）に予熱した。そして、カーボン基板５６を融液状のシリコン１６に１秒および５秒の浸漬時間ｔで浸漬し、カーボン基板５６にシリコン１６を結晶析出させた。
【００５５】
この結果、浸漬時間が１秒の条件下においては、厚さｄｌ＝０．３ｍｍ、長さＬ＝１００ｍｍ、および巾Ｈ＝３０ｍｍのシリコン結晶シート７５が得られた。一方、浸漬時間が１５秒の条件下においては、厚さｄｌ＝１．０ｍｍ、長さＬ＝１００ｍｍ、および巾Ｈ＝３０ｍｍのシリコン結晶シート７５が得られた。また、各条件下で形成された結晶シート７５の組織は、厚さｄ１方向へ延びる柱状晶であった（図８参照）。
【００５６】
これにより、熱伝導の優れたカーボン基板５６を過冷却状態のシリコン１６よりも低い温度に予熱して浸漬すると、カーボン基板５６の長さＬ×巾Ｈのシリコン結晶シート７５を形成できることが確認された。また、カーボン基板５６の浸漬時間ｔを適宜選択することによって、所望厚さｄｌのシリコン結晶シート７５を製造可能であることも確認された。
【００５７】
次に、カーボン基板５６の浸漬時間ｔとシリコン結晶シート７５の厚さｄ１との関係を検討する。
【００５８】
ここで、融液状のシリコン１６の潜熱Ｑ＝５０．６（ＫＪ／ｍｏｌ）、シリコンの密度ρＳ＝２．３３（ｋｇ／ｍ3 ）、過冷却状態のシリコン１６の温度Ｔ０＝１６８０Ｋ（絶対温度）とする。また、カーボン基板５６の断面積Ｓ＝１００×３０（ｍｍ2 ）、カーボン基板５６を構成するカーボンの密度ρＣ＝１７２０（ｋｇ／ｍ3 ）、カーボンの比熱Ｃｐ＝１９３０〔Ｊ／（ｄｅｇ・ｋｇ）〕とする。さらに、カーボン基板５６と融液状のシリコン１６との間の熱伝達率ｈ＝８０００〔Ｗ／（ｍ2 ・Ｋ）〕とする。
【００５９】
以上の条件下において、シリコン１６の結晶析出量をＭ（ｋｇ）、カーボン基板５６の温度をＴとすると、シリコン１６が結晶析出することによりシリコン１６の潜熱がカーボン基板５６に伝達する熱量は、
Ｑ×（ｄＭ／ｄｔ）＝Ｓ×ｈ×（Ｔ０−Ｔ）・・・・・・・・・・・（１）
として求められる。
【００６０】
また、カーボン基板５６へ伝達した熱量によって、カーボン基板５６が上昇する温度は、
Ｓ×ｈ×（Ｔ０−Ｔ）＝ｍ×Ｃｐ×（ｄＴ／ｄｔ）・・・・・・・・（２）
として求められる。
但し、ｍはカーボン基板５６の質量（ｍ＝Ｓ×６×ρｃ／１０００）である。
【００６１】
さらに、カーボン基板５６に結晶析出するシリコン結晶シート７５の厚さをｄ１とすると、結晶析出量Ｍは、
Ｍ＝ρＳ×Ｓ×ｄ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
となる。
【００６２】
上記式（１）〜（３）を連立させて解くと、シリコン結晶シート７５の厚さｄと浸漬時間ｔとの関係は、図９に示す曲線関数となる。この曲線関数は、浸漬時間１秒でシリコン結晶シート７５の厚さｄ１＝０．３ｍｍ、浸漬時間１５秒でシリコン結晶シート７５の厚さｄ１＝０．９６ｍｍとなり、上述の実験結果とほぼ一致している。このことから、カーボン基板５６の浸漬時間ｔを図９の曲線関数に基づいて適宜選択することによって、所望厚さｄ１のシリコン結晶シート７５を形成できることが確認された。
【００６３】
以上のように、本実施形態の半導体基材製造装置は、図１に示すように、密閉状態にされた処理室７で半導体材料であるシリコン１６をカーボン基板５６の基板面に結晶析出させることによって、シート状の半導体基材であるシリコン結晶シート７５を製造するものであり、処理室７を形成する真空タンク４と、シリコン１６を過冷却状態の融液とするように加熱しながら収容する溶解炉装置３０と、カーボン基板５６の複数を周方向に配置すると共に、この周方向への旋回によりカーボン基板５６を過冷却状態のシリコン１６に順に浸漬させて一定時間後に引き上げる旋回析出機構１０とを有した構成にされている。
【００６４】
上記の構成によれば、旋回析出機構１０の周方向に配置された複数のカーボン基板５６が順にシリコン１６に浸漬され、一定時間後に引き上げられることによって、各カーボン基板５６の基板面にシリコン１６が同一条件で結晶析出し、所定の厚みを有したシート状のシリコン結晶シート７５が順に生成される。
【００６５】
従って、旋回析出機構１０の旋回によりカーボン基板５６が浸漬されて引き上げられるたびに、１枚単位でシリコン結晶シート７５が生成され、真空タンク４の外部に取り出して後工程に搬送することができる。これにより、後工程において、シリコン結晶シート７５を研磨すれば、所望の半導体ウエハを得ることができるため、材料ロスを十分に低減することができ、結果として半導体ウエハを安価に製造することができる。
【００６６】
尚、本実施形態においては、旋回析出機構１０が旋回支持体５０に３台の第１〜第３旋回翼５１ａ〜５１ｃを設けた構成にされているが、これに限定されるものではなく、図１０に示すように、ドラム状の旋回支持体５０’の周面に多数のカーボン基板５６’を旋回方向（矢符方向）に配置すると共に、ルツボ１５’に浸漬させる直前にカーボン基板５６’を予熱するように基板予熱装置７４を配置した構成であっても良い。
【００６７】
また、本実施形態においては、半導体材料としてシリコン１６を用いた場合について説明しているが、これに限定されるものではなく、ゲルマニウム等の共有結合を持った単体の元素金属材料や、ＧａＡｓのような化合物による化合物シリコン１６を用いることができる。また、本実施形態においては、カーボン基板５６を用いた場合について説明しているが、これに限定されるものでもなく、上述したシリコン１６よりも熱伝導の優れたものであれば、如何なるものを用いても良い。
【００６８】
また、本実施形態において、溶解炉装置３０は、シリコン１６を収容するカーボン製のルツボ１５と、ルツボ１５の周囲に配置された電磁誘導コイル３２と、ルツボ１５を誘導加熱するように電磁誘導コイル３２に対して高周波電力を供給する図示しない電源装置とを備えており、電源装置は、ルツボ１５の側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われるように、高周波電力の周波数を設定した構成にされている。
【００６９】
上記の構成によれば、ルツボ１５を誘導加熱することによって、効率良くシリコン１６を溶解させることができる。また、ルツボ１５の側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われることによって、シリコン１６の融液の液面を波立たせないようにすることができる。これにより、安定な条件でシリコン結晶シート７５を析出させることができる。
【００７０】
尚、本実施形態における溶解炉装置３０は、電磁誘導コイル３２に高周波電力を供給することによって、ルツボ１５を誘導加熱することにより昇温させているが、これに限定されることはなく、抵抗ヒータに電力を供給して輻射熱によりルツボ１５を加熱するようになっていても良い。
【００７１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、密閉状態にされた処理室で半導体材料をカーボン基板の基板面に結晶析出させることによって、シート状の半導体基材を製造する半導体基材製造装置であって、前記処理室を形成する真空タンクと、前記半導体材料を融液とするように加熱しながら収容する溶解炉装置と、前記カーボン基板の複数を周方向に配置すると共に、該周方向への旋回により前記カーボン基板を前記半導体材料に順に浸漬させて一定時間後に引き上げる旋回析出機構とを有する構成である。
【００７２】
上記の構成によれば、旋回析出機構の周方向に配置された複数のカーボン基板が順に半導体材料に浸漬され、一定時間後に引き上げられることによって、各カーボン基板の基板面に半導体材料が同一条件で結晶析出し、所定の厚みを有したシート状の半導体基材が順に生成される。従って、旋回析出機構の旋回によりカーボン基板が浸漬されて引き上げられるたびに、１枚単位で半導体基材が生成され、真空タンクの外部に取り出して後工程に搬送することができる。これにより、後工程において、半導体基材を研磨すれば、所望の半導体ウエハを得ることができるため、材料ロスを十分に低減することができ、結果として半導体ウエハの安価な製造が可能になる。
【００７３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構は、前記カーボン基板を着脱可能に保持する取付台を有する構成である。
上記の構成によれば、取付台からカーボン基板を取り外すことによって、カーボン基板と共に半導体基材を真空タンクから搬出することができるため、半導体基材をカーボン基板から剥離する処理をタンク外で容易に行うことができる。
【００７４】
請求項３の発明は、請求項２に記載の半導体基材製造装置であって、前記真空タンク内の処理室と真空タンク外の大気側との間に設けられ、これら処理室および大気側に対して任意のタイミングで連通可能なロードロック室と、前記ロードロック室と前記取付台とにカーボン基板を搬送する基板搬送機構とを有する構成である。
【００７５】
上記の構成によれば、ロードロック室を介してカーボン基板と共に半導体基材を取り出すことができると共に、ロードロック室を介して未使用のカーボン基板を取付台に装着することができるため、真空タンク内の処理室を常に所望の雰囲気に維持することができる。
【００７６】
請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体基材製造装置であって、前記ロードロック室には、半導体基材を結晶析出させたカーボン基板に対して冷却を行う基板冷却機構が設けられている構成である。
上記の構成によれば、ロードロック室において短時間で半導体基材を冷却することができる。
【００７７】
請求項５の発明は、請求項１または２に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構は、熱伝導率の低い材質からなる中間部材を介して前記カーボン基板を取り付けている構成である。
上記の構成よれば、半導体材料の結晶析出時にカーボン基板が高温状態になっても、中間部材がカーボン基板から旋回析出機構側への熱伝達を遮ることによって、旋回析出機構の過熱による不具合を防止することができる。
【００７８】
請求項６の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するカーボン製のルツボと、前記ルツボの周囲に配置された電磁誘導コイルと、前記ルツボを誘導加熱するように前記電磁誘導コイルに対して高周波電力を供給する電源装置とを備えており、前記電源装置は、前記ルツボの側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われるように、高周波電力の周波数を設定している構成である。
【００７９】
上記の構成によれば、ルツボを誘導加熱することによって、効率良く半導体材料を溶解させることができる。また、ルツボの側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われることによって、半導体材料の融液の液面を波立たせないようにすることができる。これにより、安定な条件で半導体シートの析出を行うことができる。
【００８０】
請求項７の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構の旋回により前記カーボン基板が半導体材料に浸漬される前に、該カーボン基板を融液金属よりも低い温度に予熱する基板予熱装置を有する構成である。
上記の構成によれば、カーボン基板が予熱されることによって、半導体基材の結晶の析出を効率良く行わせることができる。
【００８１】
請求項８の発明は、請求項７に記載の半導体基材製造装置であって、前記基板予熱装置は、誘導加熱により前記カーボン基板を予熱する構成である。
上記の構成によれば、カーボン基板の予熱を効率良く行うことができる。
【００８２】
請求項９の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記真空タンクの処理室を真空状態または任意の圧力での不活性ガス雰囲気とするガス処理機構を有する構成である。
上記の構成によれば、半導体基材に適した製造条件に調整することが可能になる。
【００８３】
請求項１０の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボから漏出した半導体材料を受け止めるように容器状に形成された受け皿部材を有する構成である。上記の構成によれば、ルツボが破損等して高温の半導体材料が漏出したときに、この半導体材料を受け皿部材が受け止めることによって、漏出による他の構成部品への被害を最小限に抑制することができると共に、半導体材料の回収を容易に行うことができる。
【００８４】
請求項１１の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボを加熱する加熱装置と、前記ルツボの温度を検出するように該ルツボに接合された熱電対と、前記熱電対の検出温度に基づいて前記ルツボを所望の温度とするように前記加熱装置を制御するルツボ温調手段とを有する構成である。
上記の構成によれば、ルツボに接合された熱電対によりルツボに対する温度制御を行うことによって、ルツボに収容された半導体材料の温度制御を間接的に行うことができる。これにより、例えば保護管付きの熱電対を半導体材料に浸漬し、直接的に半導体材料の温度制御を行う場合と比較して、半導体材料への不純物の混入による汚染を低減することができる。
【００８５】
請求項１２の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボを任意の位置に昇降可能なルツボ昇降機構と、前記半導体材料の液面高さを検出する液面高検出装置と、前記液面高検出装置からの検出信号に基づいて、半導体材料の液面高さを所定の高さ位置とするように前記ルツボ昇降機構を制御する昇降制御装置とを有する構成である。
上記の構成によれば、半導体基材の製造を継続することによりルツボ内の半導体材料が消費されて少なくなった場合でも、ルツボを検出信号に基づいて上昇させることによって、半導体材料の液面高さを常に所定の高さ位置に維持することができる。これにより、カーボン基板が半導体材料に対して常に同じ状態で浸漬されるため、半導体基材を安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体基材製造装置を正面視したときの概略構成図である。
【図２】半導体基材製造装置の正面視したときの要部拡大図である。
【図３】第１〜第３旋回翼の概略構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図４】半導体基材製造装置を側面視したときの要部拡大図である。
【図５】半導体基材製造装置を側面視したときの概略構成図である。
【図６】第１〜第３旋回翼の動作状態を示す説明図である。
【図７】カーボン基板にシリコン結晶シートが結晶析出した状態を示す説明図である。
【図８】シリコン結晶シートの内部構造を示す説明図である。
【図９】カーボン基板の浸漬時間と結晶析出厚さとの関係を示すグラフである。
【図１０】旋回析出機構の斜視図である。
【符号の説明】
１ 製造装置本体
２ 搬送車
３ 架台
４ 真空タンク
５ タンク本体
６ 開閉扉
７ 処理室
８ 真空ホース
９ ガス処理機構
１０ 旋回析出機構
１１ ガスボンベ
１３ 真空ポンプ
１５ ルツボ
１６ シリコン
１７ 断熱部材
１８ 受け皿部材
１９ 冷却配管
２０ ルツボ昇降機構
２１ 気密シール部
２２ ガイド部材
３０ 溶解炉装置
３１ ルツボ支持機構
３２ 電磁誘導コイル
４０ 制御装置
４３ 連結部材
５０ 旋回支持体
５１ａ〜５１ｃ 第１〜第３旋回翼
５２ 棒状支持部材
５３ 支持台
５５ 取付台
５６ カーボン基板
７０ 原料投入機構
７４ 基板予熱装置
７５ シリコン結晶シート
【発明の属する技術分野】
本発明は、融液状の半導体材料を結晶析出させて半導体ウエハ等の基材となる半導体基材を製造する半導体基材製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体基材製造装置は、シリコン等の半導体材料を収容するルツボと、このルツボ内の半導体材料を加熱して溶解させる加熱機構と、ルツボ内の半導体材料に対して種結晶を接離可能に昇降させる昇降機構と、これら機構を内部に収容した真空タンクとを備えている。この装置を用いて半導体ウエハを製造する場合には、先ず、種結晶を昇降機構に取り付けると共にシリコン等の半導体材料をルツボに投入する。次に、真空タンク内を減圧して不活性ガス雰囲気とした後、半導体材料を加熱して溶解させ、半導体材料の全体が融液状態となったときに、種結晶を下降させて半導体材料の融液面に接触させる。そして、種結晶を緩やかに引き上げながら半導体材料を結晶析出させることによって、柱状やリボン状の半導体基材とする。この後、半導体基材が所定長に成長したときに、この半導体基材を真空タンクから取り出し、所定の厚みおよび形状に切断することによって、所望の半導体ウエハとする。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の構成では、柱状やリボン状の半導体基材を切断して所定の厚みおよび形状の半導体ウエハとしたときに、切断して除去する部分がウエハの厚みと同一であるため、例えば４割が除去部分となるように大きな材料ロスが発生する。そして、この大きな材料ロスが半導体ウエハを安価に製造する際の障害になっているという問題がある。
【０００４】
従って、本発明は、半導体基材を半導体ウエハとするときの材料ロスを低減することにより半導体ウエハを安価に製造することが可能な半導体基材製造装置を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、密閉状態にされた処理室で半導体材料をカーボン基板の基板面に結晶析出させることによって、シート状の半導体基材を製造する半導体基材製造装置であって、前記処理室を形成する真空タンクと、前記半導体材料を融液とするように加熱しながら収容する溶解炉装置と、前記カーボン基板の複数を周方向に配置すると共に、該周方向への旋回により前記カーボン基板を前記半導体材料に順に浸漬させて一定時間後に引き上げる旋回析出機構とを有することを特徴としている。
【０００６】
上記の構成によれば、旋回析出機構の周方向に配置された複数のカーボン基板が順に半導体材料に浸漬され、一定時間後に引き上げられることによって、各カーボン基板の基板面に半導体材料が同一条件で結晶析出し、所望の厚みを有したシート状の半導体基材が順に生成される。従って、旋回析出機構の旋回によりカーボン基板が浸漬されて引き上げられるたびに、１枚単位で所望の厚みの半導体基材が生成され、真空タンクの外部に取り出して後工程に搬送することができる。これにより、後工程において、半導体基材を研磨すれば、所望の半導体ウエハを得ることができるため、材料ロスを十分に低減することができ、結果として半導体ウエハを安価に製造することが可能になる。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構は、前記カーボン基板を着脱可能に保持する取付台を有することを特徴としている。
上記の構成によれば、取付台からカーボン基板を取り外すことによって、カーボン基板と共に半導体基材を真空タンクから搬出することができるため、半導体基材をカーボン基板から剥離する処理をタンク外で容易に行うことができる。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項２に記載の半導体基材製造装置であって、前記真空タンク内の処理室と真空タンク外の大気側との間に設けられ、これら処理室および大気側に対して任意のタイミングで連通可能なロードロック室と、前記ロードロック室と前記取付台とにカーボン基板を搬送する基板搬送機構とを有することを特徴としている。
【０００９】
上記の構成によれば、ロードロック室を介してカーボン基板と共に半導体基材を取り出すことができると共に、ロードロック室を介して未使用のカーボン基板を取付台に装着することができるため、真空タンク内の処理室を常に所望の雰囲気に維持することができる。
【００１０】
請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体基材製造装置であって、前記ロードロック室には、半導体基材を結晶析出させたカーボン基板に対して冷却を行う基板冷却機構が設けられていることを特徴としている。
上記の構成によれば、ロードロック室において短時間で半導体基材を冷却することができる。
【００１１】
請求項５の発明は、請求項１または２に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構は、熱伝導率の低い材質からなる中間部材を介して前記カーボン基板を取り付けていることを特徴としている。
上記の構成よれば、半導体材料の結晶析出時にカーボン基板が高温状態になっても、中間部材がカーボン基板から旋回析出機構側への熱伝達を遮ることによって、旋回析出機構の過熱による不具合を防止することができる。
【００１２】
請求項６の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するカーボン製のルツボと、前記ルツボの周囲に配置された電磁誘導コイルと、前記ルツボを誘導加熱するように前記電磁誘導コイルに対して高周波電力を供給する電源装置とを備えており、前記電源装置は、前記ルツボの側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われるように、高周波電力の周波数を設定していることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、ルツボを誘導加熱することによって、効率良く半導体材料を溶解させることができる。また、ルツボの側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われることによって、半導体材料の融液の液面を波立たせないようにすることができる。これにより、安定な条件で半導体シートの析出を行うことができる。
【００１４】
請求項７の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構の旋回により前記カーボン基板が半導体材料に浸漬される前に、該カーボン基板を融液金属よりも低い温度に予熱する基板予熱装置を有することを特徴としている。
上記の構成によれば、カーボン基板を予熱することによって、半導体基材の結晶の析出条件を制御することができる。
【００１５】
請求項８の発明は、請求項７に記載の半導体基材製造装置であって、前記基板予熱装置は、誘導加熱により前記カーボン基板を予熱することを特徴としている。
上記の構成によれば、カーボン基板の予熱を効率良く短時間で行うことができる。
【００１６】
請求項９の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記真空タンクの処理室を真空状態または任意の圧力での不活性ガス雰囲気とするガス処理機構を有することを特徴としている。
上記の構成によれば、半導体基材に適した製造条件に調整することが可能になる。
【００１７】
請求項１０の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボから漏出した半導体材料を受け止めるように容器状に形成された受け皿部材を有することを特徴としている。
上記の構成によれば、ルツボが破損等して高温の半導体材料が漏出したときに、この半導体材料を受け皿部材が受け止めることによって、漏出による他の構成部品への被害を最小限に抑制することができると共に、半導体材料の回収を容易に行うことができる。
【００１８】
請求項１１の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボを加熱する加熱装置と、前記ルツボの温度を検出するように該ルツボに接合された熱電対と、前記熱電対の検出温度に基づいて前記ルツボを所望の温度とするように前記加熱装置を制御するルツボ温調手段とを有することを特徴としている。
上記の構成によれば、ルツボに接合された熱電対によりルツボに対する温度制御を行うことによって、ルツボに収容された半導体材料の温度制御を間接的に行うことができる。これにより、例えば保護管付きの熱電対を半導体材料に浸漬し、直接的に半導体材料の温度制御を行う場合と比較して、半導体材料への不純物の混入による汚染を低減することができる。
【００１９】
請求項１２の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボを任意の位置に昇降可能なルツボ昇降機構と、前記半導体材料の液面高さを検出する液面高検出装置と、前記液面高検出装置からの検出信号に基づいて、半導体材料の液面高さを所定の高さ位置とするように前記ルツボ昇降機構を制御する昇降制御装置とを有することを特徴としている。
【００２０】
上記の構成によれば、半導体基材の製造を継続することによりルツボ内の半導体材料が消費されて少なくなった場合でも、ルツボを検出信号に基づいて上昇させることによって、半導体材料の液面高さを常に所定の高さ位置に維持することができる。これにより、カーボン基板が半導体材料に対して常に同じ状態で浸漬されるため、半導体基材を安定して製造することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図１ないし図１０に基づいて以下に説明する。
本実施の形態に係る半導体基材製造装置は、図１に示すように、製造装置本体１と、製造装置本体１の下方位置において水平方向（図中左右方向）に進退移動可能にされた搬送車２と、製造装置本体１および搬送車２を支持する架台３とを備えている。
【００２２】
上記の製造装置本体１は、外部から気密状態に遮断された処理室７を形成する真空タンク４を有している。真空タンク４は、水冷するように二重壁構造にされており、一方面（図中左面）が開口されたタンク本体５と、タンク本体５の一方面を開閉可能に設けられた開閉扉６とを有している。開閉扉６には、真空タンク４内をオペレータに視認させるように覗き窓６ａが設けられていると共に、開閉扉６の開閉時にオペレータにより把持される把手６ｂが設けられている。
【００２３】
一方、タンク本体５には、覗き窓５ｂ・５ｃが上面に設けられていると共に、ルツボ装着穴５ｄが下面中心部に設けられている。また、タンク本体５には、第１〜第３バルブ１２ａ〜１２ｃが並列接続されている。第１バルブ１２ａは、アルゴンガスを収容したガスボンベ１１に接続されており、開状態時にガスボンベ１１のアルゴンガスを処理室７に供給可能にする。また、第２バルブ１２ｂは、真空ポンプ１３に接続されており、開状態時に処理室７の空気を真空ポンプ１３により吸引して外部に排気可能にする。第３バルブ１２ｃは、外部に開放されており、開状態時に外部の空気を処理室７に供給可能にする。
【００２４】
そして、これらの第１〜第３バルブ１２ａ〜１２ｃは、制御装置４０により開閉動作が制御されおり、制御装置４０は、これらのバルブ１２ａ〜１２ｃを制御することによって、シリコン１６の結晶析出時に処理室７を低圧のアルゴンガス雰囲気とする。尚、アルゴンガスに代えて他の不活性ガスが用いられても良い。
【００２５】
一方、タンク本体５の上面に設けられた覗き窓５ｂ・５ｃの内側や近傍には、レーザ測長装置の発光器１４ａおよび受光器１４ｂがそれぞれ設けられている。これらの発光器１４ａおよび受光器１４ｂからなるレーザ測長装置は、グリーンレーザを発光器１４ａから後述の溶解炉装置３０に保持されたシリコン１６の液面に照射し、反射光を受光器１４ｂで受光することによりシリコン１６の液面の高さ位置を測定し、測定データを上述の制御装置４０に出力する。そして、制御装置４０は、溶解炉装置３０に対してシリコン１６の液面を所定の高さ位置に維持させるように位置指令信号を出力する。
【００２６】
上記の溶解炉装置３０は、タンク本体５の下面中心部に形成されたルツボ装着穴５ｄに着脱可能に設けられている。溶解炉装置３０は、シリコン１６を収容するルツボ１５と、ルツボ１５を支持するルツボ支持機構３１と、ルツボ１５を誘導加熱することによりシリコン１６を加熱溶融させる電磁誘導コイル３２と、電磁誘導コイル３２に高周波電力を供給する図示しない電源装置と、ルツボ１５の温度を検出するようにルツボ１５に接合された図示しない熱電対と、この熱電対の検出温度に基づいてルツボ１５を所望の温度とするように電源装置を制御するルツボ温調手段（制御装置４０）とを備えている。
【００２７】
上記のルツボ１５は、シリコン１６との反応性が小さくて無通気性の材質、例えばカーボンにより形成されている。また、電磁誘導コイル３２は、ルツボ１５を電磁誘導加熱するように、ルツボ１５の周囲に配置されている。電磁誘導コイル３２には、図示しない電源装置が接続されている。電源装置は、制御装置４０により制御されることによって、熱電対の検出温度に基づいてルツボ１５を所望の温度にすると共に、ルツボ１５の側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われるように、高周波電力を電磁誘導コイル３２に供給する。
【００２８】
具体的には、浸透深さδと抵抗率ρ（μΩｃｍ）と周波数ｆ（Ｈｚ）とが“δ＝５０．３（ρ／ｆ）1/2 ”の関係を有することから、この関係に基づいて浸透深さδを周波数ｆを変更しながら求めることによって、ルツボ１５の側壁の厚みよりも薄い浸透深さδとな周波数ｆを所定周波数として決定する。そして、電磁誘導コイル３２は、このようにして決定された所定周波数の高周波電力が供給されることによって、ルツボ１５のみを電磁誘導加熱し、電磁力がルツボ１５内のシリコン１６に到達することによる波立ちを防止しながら、ルツボ１５を短時間および高効率で所望の温度、例えばシリコン１６の液面層を１６８０Ｋ（絶対温度）程度の過冷却状態とするように加熱する。尚、過冷却状態とは、融液シリコン２の凝固温度以下でもなお融液状態にある状態のことである。
【００２９】
一方、ルツボ１５を支持するルツボ支持機構３１は、図２に示すように、ルツボ１５の下面に断熱部材１７を介して接合された受け皿部材１８を有している。受け皿部材１８は、ルツボ１５の周縁部よりも大きなサイズに開口された容器状に形成されている。そして、受け皿部材１８は、ルツボ１５が破損等したときに、ルツボ１５から漏出した融液状のシリコン１６を受け止めることによって、高温のシリコン１６による被害の拡大を防止する。さらに、受け皿部材１８の下面には、冷却水を流通させる冷却配管１９が接合されており、冷却配管１９は、受け皿部材１８を冷却することによって、受け皿部材１８で受け止められた融液状のシリコン１６を急速に冷却固化させる。
【００３０】
また、ルツボ支持機構３１は、上記のように構成された受け皿部材１８およびルツボ１５を昇降させるルツボ昇降機構２０を備えている。ルツボ昇降機構２０は、気密シール部２１、ガイド部材２２、ボールネジ２０ａ、ナット２０ｂ、ギヤボックス２０ｃ、および減速機付モータ２０ｄを有している。気密シール部２１は、受け皿部材１８の下面中心部に先端部が接合された昇降軸２１ａを鉛直方向に昇降可能にしている。また、気密シール部２１は、図１の制御装置４０に接続されており、制御装置４０からの位置指令信号に基づいてモータ２０ｄ、ギヤボックス２０ｃ、ボールネジ２０ａを駆動し、昇降軸２１ａを昇降させることによって、受け皿部材１８を介してルツボ１５内のシリコン１６の液面を所定の高さ位置に維持可能になっている。そして、このように構成された気密シール部２１の周囲には、上述のガイド部材２２が配置されている。ガイド部材２２は、受け皿部材１８の下面コーナー部に先端部が接合されており、ルツボ１５の昇降方向を鉛直方向に規制している。
【００３１】
上記の気密シール部２１およびガイド部材２２は、水平方向に横設された平板状の支持盤２３により支持されている。支持盤２３の周囲には、側壁部材２４が立設されている。側壁部材２４の上端部には、環状の連結部材２５が設けられている。連結部材２５は、内周端部および外周端部が側壁部材２４を挟んで内側および外側にそれぞれ位置するように形成されている。
【００３２】
連結部材２５は、内周径が受け皿部材１８を挿通させる程度となるように形成されている。この内周端部の上面には、コイル台２９を介して上述の電磁誘導コイル３２が設けられている。一方、連結部材２５の外周端部には、第１締結穴２５ａと第２締結穴２５ｂとが形成されている。各締結穴２５ａ・２５ｂには、第１ボルト２６ａおよび第２ボルト２６ｂがそれぞれ貫挿されている。第１ボルト２６ａは、タンク本体５に対してルツボ支持機構３１を着脱可能に連結させており、第２ボルト２６ｂは、タンク本体５に対してコイル台２９や電磁誘導コイル３２を着脱可能に連結させている。
【００３３】
上記のように構成された溶解炉装置３０の下方には、図１に示すように、搬送車２が配置されている。搬送車２は、架台３上に水平方向に設けられたレール３３を走行する台車３４と、台車３４上に設けられ、上述の溶解炉装置３０を載置して昇降可能な載置機構３５とを備えている。
【００３４】
一方、溶解炉装置３０の上方には、シリコン１６の液面に対して垂直方向に旋回しながらシリコン１６を析出させる旋回析出機構１０が設けられている。旋回析出機構１０は、旋回軸がタンク本体５の幅方向（紙面垂直方向）に一致するように設定されており、旋回中心に設けられた旋回支持体５０と、旋回支持体５０から３方向（１２０°）に均等に配設された３台の第１〜第３旋回翼５１ａ〜５１ｃとを備えている。各旋回翼５１ａ〜５１ｃは、図３（ａ）・（ｂ）に示すように、基部が旋回支持体５０に固設された棒状支持部材５２と、棒状支持部材５２の先端部に設けられた支持台５３と、タンタル製のボルトおよびスペーサからなる中間部材５４を介して設けられた取付台５５と、取付台５５の上面に着脱可能に設けられたカーボン基板５６とを備えている。
【００３５】
上記の取付台５５とカーボン基板５６との着脱機構は、取付台５５の上面の両端にかけて形成された台形形状の溝状係合部５５ａと、カーボン基板５６の裏面の両端にかけて形成された台形形状の凸状係合部５６ａとからなっており、取付台５５の溝状係合部５５ａに沿ってカーボン基板５６の凸状係合部５６ａを移動させることによって、カーボン基板５６の着脱を可能にしている。そして、このように構成された旋回翼５１ａ〜５１ｃは、図４に示すように、取付台５５の溝状係合部５５ａが旋回析出機構１０の旋回軸に対して並行となるように設定されている。
【００３６】
上記の各旋回翼５１ａ〜５１ｃを支持する旋回支持体５０は、軸受け機構５７により回動自在に支持されながらタンク本体５を貫設されている。タンク本体５外における旋回支持体５０には、従動ギア５８が固設されている。従動ギア５８は、チェーン５９および第２ギア６０を介して駆動装置６１に連結されている。駆動装置６１は、制御装置４０からの図６の速度指令に基づいて任意の旋回速度で旋回析出機構１０を旋回可能になっている。また、旋回支持体５０の内部には、冷却水路５０ａが形成されている。冷却水路５０ａは、各旋回翼５１ａ〜５１ｃにまで連絡されており、図示しない冷却水供給系から供給された冷却水が流動されることにより旋回析出機構１０の全体を冷却する。
【００３７】
上記のように構成された旋回析出機構１０の上方には、図５に示すように、基板搬送機構６５が設けられている。基板搬送機構６５は、各旋回翼５１ａ〜５１ｃが最上端の給排位置Ａに到達したときの取付台５５の高さ位置に水平方向に配置されており、旋回析出機構１０に対して図中右側に設けられた基板供給機構６６と、旋回析出機構１０に対して図中左側に設けられた基板排出機構６７とを備えている。基板供給機構６６は、取付台５５に対してカーボン基板５６を水平方向に移動させることによって、図３に示すように、取付台５５の溝状係合部５５ａにカーボン基板５６の凸状係合部５６ａを係合させるようになっている。一方、図５に示すように、基板排出機構６７は、取付台５５に係合されたカーボン基板５６を水平方向左側に移動させることによって、図３に示すように、取付台５５の溝状係合部５５ａからカーボン基板５６の凸状係合部５６ａを抜脱させるようになっている。
【００３８】
上記の基板供給機構６６および基板排出機構６７は、タンク本体５の外部において第１ロードロック室６８および第２ロードロック室６９にそれぞれ連絡されている。これらのロードロック室６８・６９は、真空タンク４内の処理室７と真空タンク４外の大気側との間に設けられ、これら処理室７および大気側に対して任意のタイミングで連通可能にされている。また、第２ロードロック室６９の内部には、カーボン基板５６に対して冷却を行う図示しない基板冷却機構が設けられており、基板冷却機構は、第２ロードロック室６９内において短時間でカーボン基板５６を冷却するようになっている。
【００３９】
上記のロードロック室６８・６９は、カーボン基板５６を収容するのに必要最小限の容積に設定されている。また、ロードロック室６８・６９は、アルゴンガスが供給可能にされていると共に真空排気可能にされている。これにより、ロードロック室６８・６９は、タンク本体５内の処理室７と同等のアルゴンガス雰囲気とタンク本体５外の大気雰囲気とに容易且つ短時間で切換え可能になっている。
【００４０】
上記の第１ロードロック室６８に連絡された基板供給機構６６の下方には、ルツボ１５内にシリコン１６’を投入する原料投入機構７０が設けられている。原料投入機構７０は、先端部がルツボ１５の上方に位置するように形成され、シリコン１６’を載置する原料載置台７１と、原料載置台７１に載置されたシリコン１６’を押し出す押出装置７２とを有している。また、図１に示すように、ルツボ１５の斜め上方となる予熱位置Ｂには、基板予熱装置７４が設けられている。尚、予熱位置Ｂは、この予熱位置Ｂに各旋回翼５１ａ・５１ｂ・５１ｃが位置したときに、この旋回翼５１ａ・５１ｂ・５１ｃに対して旋回方向後段の旋回翼５１ｃ・５１ａ・５１ｂが給排位置Ａに位置するように設定されている。基板予熱装置７４は、ルツボ１５内のシリコン１６に浸漬する直前の旋回翼５１ａ〜５１ｃのカーボン基板５６をシリコン１６の過冷却状態の温度よりも低い温度、例えば１４８０Ｋ（絶対温度）程度に予熱する。尚、基板予熱装置７４は、カーボン基板５６を誘導加熱するようになっていても良いし、輻射熱により加熱するようになっていても良い。
【００４１】
上記の構成において、半導体基材製造装置の動作について説明する。
先ず、図１の二点鎖線で示すように、溶解炉装置３０が真空タンク４から切り離され、所定の作業位置に移動される。そして、この作業位置において、ルツボ１５等の清掃や保守点検が行われた後、図１の実線で示すように、溶解炉装置３０が真空タンク４に装着され、ルツボ１５に原料となるシリコン１６’が投入される。また、この作業と並行し、開閉扉６が開かれることによって、タンク本体５が開放状態にされる。そして、図５に示すように、タンク本体５内の各機器の保守点検等が行われると共に、原料投入機構７０の原料載置台７１にシリコン１６’が載置される。この後、開閉扉６が閉じられて密閉状態の処理室７が真空タンク４内に形成されることによって、半導体基材製造装置の準備作業が完了する。
【００４２】
次に、真空ポンプ１３が作動されると共に第２バルブ１２ｂが開栓状態にされことによって、真空タンク４内の処理室７が真空排気される。尚、真空排気は、短時間で所望の真空度に到達するように、図示しない他の真空排気系を併用して行われても良い。そして、処理室７の真空度が例えば１．３３パスカルとなったときに、第１バルブ１２ａが開栓されてアルゴンガスが処理室７に供給される。このような操作により処理室７がアルゴンガス雰囲気になると、電磁誘導コイル３２に対して図示しない電源装置から高周波電力が供給される。高周波電力が供給された電磁誘導コイル３２は、ルツボ１５の側壁の厚みよりも薄い浸透深さで交番磁場を生成し、この交番磁場によりルツボ１５を誘導加熱する。そして、ルツボ１５が高温状態に加熱されることによって、ルツボ１５内のシリコン１６が溶解して全体が融液状態にされる。
【００４３】
上記のルツボ１５は、図示しない熱電対等の温度センサにより温度が検出されており、この温度センサの検出温度に基づいて制御装置４０は、シリコン１６の温度を監視および制御する。そして、融液状のシリコン１６が例えば１６８０Ｋ（絶対温度）程度の過冷却状態の処理温度に昇温すると、この処理温度を維持するように電磁誘導コイル３２への電力供給が制御される。
【００４４】
また、融液状のシリコン１６は、液面高さが発光器１４ａおよび受光器１４ｂからなるレーザ測長装置（液面高検出装置）により計測されており、制御装置４０（昇降制御装置）は、レーザ測長装置からの測定データに基づいてルツボ昇降機構２０に位置指令信号を出力することによって、シリコン１６の液面高さを所定の高さ位置、即ち、各旋回翼５１ａ〜５１ｃのカーボン基板５６の基板面がシリコン１６に僅かに浸漬する高さ位置に設定される。この際、電磁誘導コイル３２による交番磁場は、ルツボ１５の側壁の内部でのみ生成されているため、ルツボ１５内のシリコン１６を波立たせるように作用することはない。従って、シリコン１６の液面が鏡面状態となってレーザ光の乱反射が防止されることによって、シリコン１６の液面高さがレーザ測長装置により高精度に計測され、結果としてシリコン１６の液面高さが高精度に所定の高さ位置に位置決めされる。
【００４５】
次に、図１および図６に示すように、旋回析出機構１０が旋回され、例えば第１旋回翼５１ａが給排位置Ａに到達したときに停止される。そして、図５に示すように、基板供給機構６６により未使用のカーボン基板５６が取付台５５に供給および装着された後、図１に示すように、旋回析出機構１０が旋回されることによって、この第１旋回翼５１ａが予熱位置Ｂに移動される。
【００４６】
第１旋回翼５１ａが予熱位置Ｂに到達すると、基板予熱装置７４に電力が供給されることによって、第１旋回翼５１ａに装着されたカーボン基板５６が加熱される。尚、このカーボン基板５６の温度も図示しない熱電対等の温度センサにより検出されている。そして、制御装置４０は、この検出温度に基づいてカーボン基板５６がシリコン１６の過冷却状態の温度よりも低い温度、例えば１４８０Ｋ程度に昇温したときに予熱処理が完了したと判断し、第１旋回翼５１ａをルツボ１５方向に移動させるように旋回析出機構１０を旋回させる。
【００４７】
旋回析出機構１０が旋回することによって、第１旋回翼５１ａのカーボン基板５６がルツボ１５のシリコン１６に浸漬し始めると、浸漬時間を一定時間に調整するように、旋回速度が所定速度に維持される。カーボン基板５６がシリコン１６に浸漬されると、カーボン基板５６は、過冷却状態のシリコン１６から潜熱を吸熱することによって、カーボン基板５６の基板面を結晶の核としてシリコン１６を結晶析出させる。この際、カーボン基板５６は、過冷却状態のシリコン１６よりも低い温度に予熱されている共に、熱伝導の優れた性質を有している。従って、シリコン１６の潜熱がカーボン基板５６内に効率良く吸熱されることによって、シリコン１６がカーボン基板５６の基板面に急激に結晶析出することになる。
【００４８】
この結果、浸漬時間が短くても、図７および図８に示すように、カーボン基板５６の基板面全体においてシリコン１６の結晶組織が基板面に対して垂直方向に延びる柱状晶の形態で成長することによって、カーボン基板５６の基板面と同一サイズの長さＬおよび幅Ｈであって所定厚さｄ１のシリコン結晶シート７５が生成されることになる。
【００４９】
この後、図５に示すように、旋回析出機構１０の旋回が継続されることによって、シリコン結晶シート７５を生成させたカーボン基板５６が給排位置Ａに到達したときに停止される。そして、この給排位置Ａにおいて、基板搬送機構６５の基板排出機構６７によりカーボン基板５６がシリコン結晶シート７５と共に取付台５５から抜脱され、第２ロードロック室６９を介して外部に搬出される。この後、シリコン結晶シート７５がカーボン基板５６から剥離され、このシリコン結晶シート７５に対して研磨処理や所定形状の切断処理が施されることによって、厚さｄ１で所定形状のシリコンウエハ（半導体ウエハ）とされる。
【００５０】
そして、図６に示すように、以上の一連の処理動作が各旋回翼５１ａ〜５１ｃにおいて１／３周期ずつ前後しながら同時に行われることによって、旋回析出機構１０の１回の旋回ごとに３枚のシリコン結晶シート７５が製造される。尚、図１に示すように、以上の一連の処理動作が継続されることによりルツボ１５内のシリコン１６が消費された場合でも、上述のように、ルツボ昇降機構２０がルツボ１５を上昇させることによりシリコン１６の液面高さを所定の高さ位置に維持することによって、常に同じ品質およびサイズのシリコン結晶シート７５が製造される。
【００５１】
次いで、例えばルツボ１５を側壁に旋回翼５１ａ〜５１ｃが衝突する直前の上限位置にまでルツボ１５が上昇すると、一時的に上述の処理動作が停止される。尚、この場合において、処理室７のアルゴンガス雰囲気は維持されている。そして、図５に示すように、原料投入機構７０から所定量のシリコン１６’がルツボ１５内に投入されることにより消費分に対応した量が補充される。この後、シリコン１６’が溶解されたときに、上述の処理動作が再開される。
【００５２】
また、原料投入機構７０のシリコン１６’も消費した場合には、図１に示すように、１バッチ分の処理動作が完了したと判断され、処理動作が停止された後、第３バルブ１２ｃが開栓状態に切り換えられることによって、処理室７が大気雰囲気にされる。この後、図示二点鎖線で示すように、真空タンク４からルツボ１５等の溶解炉装置３０が切り離されて作業位置に移動されると共に、開閉扉６が開放される。但し、原料投入機構７０にロードロック室を付属させ、処理室７の雰囲気を破ることなく原料を供給し、連続的に運転することも可能である。
【００５３】
次に、本実施形態における半導体基材製造装置によりシリコン結晶シート７５が適正に製造されることを確認するため、以下の実験を行った。
【００５４】
即ち、シリコン１６を１６８０Ｋ（絶対温度）程度の過冷却状態となるように加熱した。そして、厚さｄ１＝６ｍｍ、長さＬ＝１００ｍｍ、巾Ｈ＝３０ｍｍのカーボン基板５６を準備し、過冷却状態のシリコン１６よりも低い温度の１４８０Ｋ（絶対温度）に予熱した。そして、カーボン基板５６を融液状のシリコン１６に１秒および５秒の浸漬時間ｔで浸漬し、カーボン基板５６にシリコン１６を結晶析出させた。
【００５５】
この結果、浸漬時間が１秒の条件下においては、厚さｄｌ＝０．３ｍｍ、長さＬ＝１００ｍｍ、および巾Ｈ＝３０ｍｍのシリコン結晶シート７５が得られた。一方、浸漬時間が１５秒の条件下においては、厚さｄｌ＝１．０ｍｍ、長さＬ＝１００ｍｍ、および巾Ｈ＝３０ｍｍのシリコン結晶シート７５が得られた。また、各条件下で形成された結晶シート７５の組織は、厚さｄ１方向へ延びる柱状晶であった（図８参照）。
【００５６】
これにより、熱伝導の優れたカーボン基板５６を過冷却状態のシリコン１６よりも低い温度に予熱して浸漬すると、カーボン基板５６の長さＬ×巾Ｈのシリコン結晶シート７５を形成できることが確認された。また、カーボン基板５６の浸漬時間ｔを適宜選択することによって、所望厚さｄｌのシリコン結晶シート７５を製造可能であることも確認された。
【００５７】
次に、カーボン基板５６の浸漬時間ｔとシリコン結晶シート７５の厚さｄ１との関係を検討する。
【００５８】
ここで、融液状のシリコン１６の潜熱Ｑ＝５０．６（ＫＪ／ｍｏｌ）、シリコンの密度ρＳ＝２．３３（ｋｇ／ｍ3 ）、過冷却状態のシリコン１６の温度Ｔ０＝１６８０Ｋ（絶対温度）とする。また、カーボン基板５６の断面積Ｓ＝１００×３０（ｍｍ2 ）、カーボン基板５６を構成するカーボンの密度ρＣ＝１７２０（ｋｇ／ｍ3 ）、カーボンの比熱Ｃｐ＝１９３０〔Ｊ／（ｄｅｇ・ｋｇ）〕とする。さらに、カーボン基板５６と融液状のシリコン１６との間の熱伝達率ｈ＝８０００〔Ｗ／（ｍ2 ・Ｋ）〕とする。
【００５９】
以上の条件下において、シリコン１６の結晶析出量をＭ（ｋｇ）、カーボン基板５６の温度をＴとすると、シリコン１６が結晶析出することによりシリコン１６の潜熱がカーボン基板５６に伝達する熱量は、
Ｑ×（ｄＭ／ｄｔ）＝Ｓ×ｈ×（Ｔ０−Ｔ）・・・・・・・・・・・（１）
として求められる。
【００６０】
また、カーボン基板５６へ伝達した熱量によって、カーボン基板５６が上昇する温度は、
Ｓ×ｈ×（Ｔ０−Ｔ）＝ｍ×Ｃｐ×（ｄＴ／ｄｔ）・・・・・・・・（２）
として求められる。
但し、ｍはカーボン基板５６の質量（ｍ＝Ｓ×６×ρｃ／１０００）である。
【００６１】
さらに、カーボン基板５６に結晶析出するシリコン結晶シート７５の厚さをｄ１とすると、結晶析出量Ｍは、
Ｍ＝ρＳ×Ｓ×ｄ１・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（３）
となる。
【００６２】
上記式（１）〜（３）を連立させて解くと、シリコン結晶シート７５の厚さｄと浸漬時間ｔとの関係は、図９に示す曲線関数となる。この曲線関数は、浸漬時間１秒でシリコン結晶シート７５の厚さｄ１＝０．３ｍｍ、浸漬時間１５秒でシリコン結晶シート７５の厚さｄ１＝０．９６ｍｍとなり、上述の実験結果とほぼ一致している。このことから、カーボン基板５６の浸漬時間ｔを図９の曲線関数に基づいて適宜選択することによって、所望厚さｄ１のシリコン結晶シート７５を形成できることが確認された。
【００６３】
以上のように、本実施形態の半導体基材製造装置は、図１に示すように、密閉状態にされた処理室７で半導体材料であるシリコン１６をカーボン基板５６の基板面に結晶析出させることによって、シート状の半導体基材であるシリコン結晶シート７５を製造するものであり、処理室７を形成する真空タンク４と、シリコン１６を過冷却状態の融液とするように加熱しながら収容する溶解炉装置３０と、カーボン基板５６の複数を周方向に配置すると共に、この周方向への旋回によりカーボン基板５６を過冷却状態のシリコン１６に順に浸漬させて一定時間後に引き上げる旋回析出機構１０とを有した構成にされている。
【００６４】
上記の構成によれば、旋回析出機構１０の周方向に配置された複数のカーボン基板５６が順にシリコン１６に浸漬され、一定時間後に引き上げられることによって、各カーボン基板５６の基板面にシリコン１６が同一条件で結晶析出し、所定の厚みを有したシート状のシリコン結晶シート７５が順に生成される。
【００６５】
従って、旋回析出機構１０の旋回によりカーボン基板５６が浸漬されて引き上げられるたびに、１枚単位でシリコン結晶シート７５が生成され、真空タンク４の外部に取り出して後工程に搬送することができる。これにより、後工程において、シリコン結晶シート７５を研磨すれば、所望の半導体ウエハを得ることができるため、材料ロスを十分に低減することができ、結果として半導体ウエハを安価に製造することができる。
【００６６】
尚、本実施形態においては、旋回析出機構１０が旋回支持体５０に３台の第１〜第３旋回翼５１ａ〜５１ｃを設けた構成にされているが、これに限定されるものではなく、図１０に示すように、ドラム状の旋回支持体５０’の周面に多数のカーボン基板５６’を旋回方向（矢符方向）に配置すると共に、ルツボ１５’に浸漬させる直前にカーボン基板５６’を予熱するように基板予熱装置７４を配置した構成であっても良い。
【００６７】
また、本実施形態においては、半導体材料としてシリコン１６を用いた場合について説明しているが、これに限定されるものではなく、ゲルマニウム等の共有結合を持った単体の元素金属材料や、ＧａＡｓのような化合物による化合物シリコン１６を用いることができる。また、本実施形態においては、カーボン基板５６を用いた場合について説明しているが、これに限定されるものでもなく、上述したシリコン１６よりも熱伝導の優れたものであれば、如何なるものを用いても良い。
【００６８】
また、本実施形態において、溶解炉装置３０は、シリコン１６を収容するカーボン製のルツボ１５と、ルツボ１５の周囲に配置された電磁誘導コイル３２と、ルツボ１５を誘導加熱するように電磁誘導コイル３２に対して高周波電力を供給する図示しない電源装置とを備えており、電源装置は、ルツボ１５の側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われるように、高周波電力の周波数を設定した構成にされている。
【００６９】
上記の構成によれば、ルツボ１５を誘導加熱することによって、効率良くシリコン１６を溶解させることができる。また、ルツボ１５の側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われることによって、シリコン１６の融液の液面を波立たせないようにすることができる。これにより、安定な条件でシリコン結晶シート７５を析出させることができる。
【００７０】
尚、本実施形態における溶解炉装置３０は、電磁誘導コイル３２に高周波電力を供給することによって、ルツボ１５を誘導加熱することにより昇温させているが、これに限定されることはなく、抵抗ヒータに電力を供給して輻射熱によりルツボ１５を加熱するようになっていても良い。
【００７１】
【発明の効果】
請求項１の発明は、密閉状態にされた処理室で半導体材料をカーボン基板の基板面に結晶析出させることによって、シート状の半導体基材を製造する半導体基材製造装置であって、前記処理室を形成する真空タンクと、前記半導体材料を融液とするように加熱しながら収容する溶解炉装置と、前記カーボン基板の複数を周方向に配置すると共に、該周方向への旋回により前記カーボン基板を前記半導体材料に順に浸漬させて一定時間後に引き上げる旋回析出機構とを有する構成である。
【００７２】
上記の構成によれば、旋回析出機構の周方向に配置された複数のカーボン基板が順に半導体材料に浸漬され、一定時間後に引き上げられることによって、各カーボン基板の基板面に半導体材料が同一条件で結晶析出し、所定の厚みを有したシート状の半導体基材が順に生成される。従って、旋回析出機構の旋回によりカーボン基板が浸漬されて引き上げられるたびに、１枚単位で半導体基材が生成され、真空タンクの外部に取り出して後工程に搬送することができる。これにより、後工程において、半導体基材を研磨すれば、所望の半導体ウエハを得ることができるため、材料ロスを十分に低減することができ、結果として半導体ウエハの安価な製造が可能になる。
【００７３】
請求項２の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構は、前記カーボン基板を着脱可能に保持する取付台を有する構成である。
上記の構成によれば、取付台からカーボン基板を取り外すことによって、カーボン基板と共に半導体基材を真空タンクから搬出することができるため、半導体基材をカーボン基板から剥離する処理をタンク外で容易に行うことができる。
【００７４】
請求項３の発明は、請求項２に記載の半導体基材製造装置であって、前記真空タンク内の処理室と真空タンク外の大気側との間に設けられ、これら処理室および大気側に対して任意のタイミングで連通可能なロードロック室と、前記ロードロック室と前記取付台とにカーボン基板を搬送する基板搬送機構とを有する構成である。
【００７５】
上記の構成によれば、ロードロック室を介してカーボン基板と共に半導体基材を取り出すことができると共に、ロードロック室を介して未使用のカーボン基板を取付台に装着することができるため、真空タンク内の処理室を常に所望の雰囲気に維持することができる。
【００７６】
請求項４の発明は、請求項３に記載の半導体基材製造装置であって、前記ロードロック室には、半導体基材を結晶析出させたカーボン基板に対して冷却を行う基板冷却機構が設けられている構成である。
上記の構成によれば、ロードロック室において短時間で半導体基材を冷却することができる。
【００７７】
請求項５の発明は、請求項１または２に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構は、熱伝導率の低い材質からなる中間部材を介して前記カーボン基板を取り付けている構成である。
上記の構成よれば、半導体材料の結晶析出時にカーボン基板が高温状態になっても、中間部材がカーボン基板から旋回析出機構側への熱伝達を遮ることによって、旋回析出機構の過熱による不具合を防止することができる。
【００７８】
請求項６の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するカーボン製のルツボと、前記ルツボの周囲に配置された電磁誘導コイルと、前記ルツボを誘導加熱するように前記電磁誘導コイルに対して高周波電力を供給する電源装置とを備えており、前記電源装置は、前記ルツボの側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われるように、高周波電力の周波数を設定している構成である。
【００７９】
上記の構成によれば、ルツボを誘導加熱することによって、効率良く半導体材料を溶解させることができる。また、ルツボの側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われることによって、半導体材料の融液の液面を波立たせないようにすることができる。これにより、安定な条件で半導体シートの析出を行うことができる。
【００８０】
請求項７の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記旋回析出機構の旋回により前記カーボン基板が半導体材料に浸漬される前に、該カーボン基板を融液金属よりも低い温度に予熱する基板予熱装置を有する構成である。
上記の構成によれば、カーボン基板が予熱されることによって、半導体基材の結晶の析出を効率良く行わせることができる。
【００８１】
請求項８の発明は、請求項７に記載の半導体基材製造装置であって、前記基板予熱装置は、誘導加熱により前記カーボン基板を予熱する構成である。
上記の構成によれば、カーボン基板の予熱を効率良く行うことができる。
【００８２】
請求項９の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記真空タンクの処理室を真空状態または任意の圧力での不活性ガス雰囲気とするガス処理機構を有する構成である。
上記の構成によれば、半導体基材に適した製造条件に調整することが可能になる。
【００８３】
請求項１０の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボから漏出した半導体材料を受け止めるように容器状に形成された受け皿部材を有する構成である。上記の構成によれば、ルツボが破損等して高温の半導体材料が漏出したときに、この半導体材料を受け皿部材が受け止めることによって、漏出による他の構成部品への被害を最小限に抑制することができると共に、半導体材料の回収を容易に行うことができる。
【００８４】
請求項１１の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボを加熱する加熱装置と、前記ルツボの温度を検出するように該ルツボに接合された熱電対と、前記熱電対の検出温度に基づいて前記ルツボを所望の温度とするように前記加熱装置を制御するルツボ温調手段とを有する構成である。
上記の構成によれば、ルツボに接合された熱電対によりルツボに対する温度制御を行うことによって、ルツボに収容された半導体材料の温度制御を間接的に行うことができる。これにより、例えば保護管付きの熱電対を半導体材料に浸漬し、直接的に半導体材料の温度制御を行う場合と比較して、半導体材料への不純物の混入による汚染を低減することができる。
【００８５】
請求項１２の発明は、請求項１に記載の半導体基材製造装置であって、前記溶解炉装置は、前記半導体材料を収容するルツボと、前記ルツボを任意の位置に昇降可能なルツボ昇降機構と、前記半導体材料の液面高さを検出する液面高検出装置と、前記液面高検出装置からの検出信号に基づいて、半導体材料の液面高さを所定の高さ位置とするように前記ルツボ昇降機構を制御する昇降制御装置とを有する構成である。
上記の構成によれば、半導体基材の製造を継続することによりルツボ内の半導体材料が消費されて少なくなった場合でも、ルツボを検出信号に基づいて上昇させることによって、半導体材料の液面高さを常に所定の高さ位置に維持することができる。これにより、カーボン基板が半導体材料に対して常に同じ状態で浸漬されるため、半導体基材を安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体基材製造装置を正面視したときの概略構成図である。
【図２】半導体基材製造装置の正面視したときの要部拡大図である。
【図３】第１〜第３旋回翼の概略構成を示すものであり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。
【図４】半導体基材製造装置を側面視したときの要部拡大図である。
【図５】半導体基材製造装置を側面視したときの概略構成図である。
【図６】第１〜第３旋回翼の動作状態を示す説明図である。
【図７】カーボン基板にシリコン結晶シートが結晶析出した状態を示す説明図である。
【図８】シリコン結晶シートの内部構造を示す説明図である。
【図９】カーボン基板の浸漬時間と結晶析出厚さとの関係を示すグラフである。
【図１０】旋回析出機構の斜視図である。
【符号の説明】
１ 製造装置本体
２ 搬送車
３ 架台
４ 真空タンク
５ タンク本体
６ 開閉扉
７ 処理室
８ 真空ホース
９ ガス処理機構
１０ 旋回析出機構
１１ ガスボンベ
１３ 真空ポンプ
１５ ルツボ
１６ シリコン
１７ 断熱部材
１８ 受け皿部材
１９ 冷却配管
２０ ルツボ昇降機構
２１ 気密シール部
２２ ガイド部材
３０ 溶解炉装置
３１ ルツボ支持機構
３２ 電磁誘導コイル
４０ 制御装置
４３ 連結部材
５０ 旋回支持体
５１ａ〜５１ｃ 第１〜第３旋回翼
５２ 棒状支持部材
５３ 支持台
５５ 取付台
５６ カーボン基板
７０ 原料投入機構
７４ 基板予熱装置
７５ シリコン結晶シート
Claims (12)
- 密閉状態にされた処理室で半導体材料をカーボン基板の基板面に結晶析出させることによって、シート状の半導体基材を製造する半導体基材製造装置であって、
前記処理室を形成する真空タンクと、
前記半導体材料を融液とするように加熱しながら収容する溶解炉装置と、
前記カーボン基板の複数を周方向に配置すると共に、該周方向への旋回により前記カーボン基板を前記半導体材料に順に浸漬させて一定時間後に引き上げる旋回析出機構と
を有することを特徴とする半導体基材製造装置。 - 前記旋回析出機構は、前記カーボン基板を着脱可能に保持する取付台を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体基材製造装置。
- 前記真空タンク内の処理室と真空タンク外の大気側との間に設けられ、これら処理室および大気側に対して任意のタイミングで連通可能なロードロック室と、 前記ロードロック室と前記取付台とにカーボン基板を搬送する基板搬送機構とを有することを特徴とする請求項２に記載の半導体基材製造装置。
- 前記ロードロック室には、半導体基材を結晶析出させたカーボン基板に対して冷却を行う基板冷却機構が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の半導体基材製造装置。
- 前記旋回析出機構は、
熱伝導率の低い材質からなる中間部材を介して前記カーボン基板を取り付けていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基材製造装置。 - 前記溶解炉装置は、
前記半導体材料を収容するカーボン製のルツボと、
前記ルツボの周囲に配置された電磁誘導コイルと、
前記ルツボを誘導加熱するように前記電磁誘導コイルに対して高周波電力を供給する電源装置とを備えており、
前記電源装置は、前記ルツボの側壁の厚みよりも薄い浸透深さで誘導加熱が行われるように、高周波電力の周波数を設定していることを特徴とする請求項１に記載の半導体基材製造装置。 - 前記旋回析出機構の旋回により前記カーボン基板が半導体材料に浸漬される前に、該カーボン基板を融液金属よりも低い温度に予熱する基板予熱装置を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体基材製造装置。
- 前記基板予熱装置は、誘導加熱により前記カーボン基板を予熱することを特徴とする請求項７に記載の半導体基材製造装置。
- 前記真空タンクの処理室を真空状態または任意の圧力での不活性ガス雰囲気とするガス処理機構を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体基材製造装置。
- 前記溶解炉装置は、
前記半導体材料を収容するルツボと、
前記ルツボから漏出した半導体材料を受け止めるように容器状に形成された受け皿部材を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体基材製造装置。 - 前記溶解炉装置は、
前記半導体材料を収容するルツボと、
前記ルツボを加熱する加熱装置と、
前記ルツボの温度を検出するように該ルツボに接合された熱電対と、
前記熱電対の検出温度に基づいて前記ルツボを所望の温度とするように前記加熱装置を制御するルツボ温調手段と
を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体基材製造装置。 - 前記溶解炉装置は、
前記半導体材料を収容するルツボと、
前記ルツボを任意の位置に昇降可能なルツボ昇降機構と、
前記半導体材料の液面高さを検出する液面高検出装置と、
前記液面高検出装置からの検出信号に基づいて、半導体材料の液面高さを所定の高さ位置とするように前記ルツボ昇降機構を制御する昇降制御装置と
を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体基材製造装置。
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