JP4259285B2 - 単結晶引上げ装置の冷却装置 - Google Patents
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Description
本発明は、チョクラルスキー法により単結晶を引上げる装置に設けられてその引上げられる単結晶を冷却する単結晶引上げ装置の冷却装置に関するものである。
シリコン単結晶を製造するには種々の方法があるが、代表的なものとしてチョクラルスキー法（以下「ＣＺ法」とする。）がある。このＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では石英ルツボ内に形成されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、この状態からルツボ及び種結晶を回転させながら、種結晶を上方へ徐々に引上げることにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶を成長させるものである。このＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げでは、結晶断面における欠陥分布等が結晶成長速度、即ち引上げ速度に支配されることが知られている。具体的に説明すると、引上げ速度を大きくするほど、リング状のＯＳＦ発生領域が外周部へ移動し、最終的には結晶有効部分の外側へ排除される。逆に、引上げ速度を小さくすることにより、リング状のＯＳＦ発生領域が結晶中心部へ移動し、最終的にはその中心部で消滅する。
ＯＳＦ発生領域の外側も内側も共に欠陥発生領域であるが、その外側と内側とでは欠陥の種類が異なる。また、引上げ速度を高速化すると、当然のことながら生産性が向上し、且つ欠陥が微細化することが知られている。これらのため、結晶成長の一つの方向として、引上げの高速化が追求されており、この高速引上げを実現するための技術として熱遮蔽材の設置が知られている。熱遮蔽材は、単結晶の周囲を包囲するように設けられた逆台錐形状の筒状断熱部材であり、主にルツボ内の融液やルツボの外側に配置されたヒータからの輻射熱を遮ることにより、融液から引上げられる単結晶の冷却を促進して、引上げ速度の高速化を図るようになっている。そして最近では、熱遮蔽材の内側に、強制的に水冷された結晶冷却用筒体を設置する技術が注目されている（例えば、特許文献１〜４参照。）。これらの結晶冷却用筒体はパイプを螺旋状に巻回することにより作られ、このパイプ内部に冷却水を流通させることにより結晶冷却用筒体を強制的に水冷し、この冷却された結晶冷却用筒体で単結晶の周囲を包囲することにより単結晶の冷却が促進され、単結晶の引上げ速度の一層の高速化が図られることが期待されている。
しかし、ＣＺ法による単結晶の育成では、炉内が減圧雰囲気とされてその温度変化も激しいことから、結晶冷却用筒体が破損するおそれがある。即ち、結晶冷却用筒体を製造する際になされる溶接時にガスが取り込まれて溶接箇所にブローホールが形成されたような場合には、繰り返される温度変化によりブローホールからその溶接箇所が劣化して破損する。また、溶接時の高温により溶接部周囲の組成が変化して耐酸化性が劣化して破損に至ることも考えられる。このように結晶冷却用筒体が破損して内部を流通する冷却水が炉内に漏出すると、その冷却水が炉内で急激に膨脹して水蒸気爆発を誘発するおそれがある。この点を解消するために、結晶冷却用筒体の冷却水流入側及び流出側に流量計を設けた結晶成長装置が提案されている（例えば、特許文献５参照。）。この結晶成長装置では、冷却水流入側の流量に比較して流出側の流量が低下したときに結晶冷却用筒体が破損して冷却水の漏れが生じていると認識して冷却水の供給を止め、冷却水が炉内に漏出するような事態を回避するようになっている。
特開昭６３−２５６５９３号公報
特開平８−２３９２９１号公報
特開平１１−９２２７２号公報
特開平１１−２９２６８４号公報
特開２００２−１０４８９５号公報（特許請求の範囲、図１）
しかし、結晶冷却用筒体の冷却水流入側及び流出側における冷却水の流量の差により異常を検出する上記従来の装置では、異常と判断される以前に若干の冷却水の漏れを回避することができない未だ解決すべき課題が残存していた。
また、パイプを螺旋状に巻回して構成された結晶冷却用筒体は強度的にも弱く、パイプ間に空間が存在することに起因してその冷却性能が低下する不具合もあった。
本発明の目的は、冷却水のチャンバ内への漏水を防止できる安全性に優れた単結晶引上げ装置の冷却装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、機械的強度が高くかつ冷却性能に優れた単結晶引上げ装置の冷却装置を提供することにある。
また、パイプを螺旋状に巻回して構成された結晶冷却用筒体は強度的にも弱く、パイプ間に空間が存在することに起因してその冷却性能が低下する不具合もあった。
本発明の目的は、冷却水のチャンバ内への漏水を防止できる安全性に優れた単結晶引上げ装置の冷却装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、機械的強度が高くかつ冷却性能に優れた単結晶引上げ装置の冷却装置を提供することにある。
請求項１に係る発明は、図１及び図３に示すように、引上げられる単結晶２４を包囲するようにチャンバ１１内に設けられ内部に冷却水路３１ａを有する単結晶冷却用筒体３１と、冷却水路３１ａに連通接続しチャンバ１１外から水路３１ａに冷却水を所定の圧力で供給する供給管３２と、冷却水路３１ａに連通接続しチャンバ１１外に水路３１ａの冷却水を排出する排出管３３とを備えた単結晶引上げ装置の冷却装置の改良である。
その特徴ある構成は、筒体３１が単結晶２４に対面する金属製内筒３４と内筒３４の外側に溶接により接合された金属製外筒３６とを備え、内筒３４の外筒３６に対面する側に第１凹溝３４ａが形成され、凹溝３４ａを塞いで冷却水路３１ａを形成するように内筒３４に第１蓋３４ｂが溶接され、内筒３４と外筒３６との溶接により第１蓋３４ｂの外面と外筒３６の内面との間に第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1（図１の拡大図）を包含する第１密閉空間３７が形成されたところにある。
その特徴ある構成は、筒体３１が単結晶２４に対面する金属製内筒３４と内筒３４の外側に溶接により接合された金属製外筒３６とを備え、内筒３４の外筒３６に対面する側に第１凹溝３４ａが形成され、凹溝３４ａを塞いで冷却水路３１ａを形成するように内筒３４に第１蓋３４ｂが溶接され、内筒３４と外筒３６との溶接により第１蓋３４ｂの外面と外筒３６の内面との間に第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1（図１の拡大図）を包含する第１密閉空間３７が形成されたところにある。
この請求項１に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、金属製内筒３４の外側に金属製外筒３６を溶接により接合することにより単結晶冷却用筒体３１が作られ、その内筒３４に形成された第１凹溝３４ａを第１蓋３４ｂにより塞ぐことにより冷却水路３１ａを形成するので、この単結晶冷却用筒体３１は、パイプを螺旋状に巻回して構成された従来の結晶冷却用筒体に比較してその機械的強度は高く、冷却水路３１ａと冷却水路３１ａの間に空間が生じることがないのでその冷却性能を従来よりも向上させることができる。
また、第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1（図１の拡大図）が破損して亀裂が生じ、冷却水路３１ａにおける冷却水がこの亀裂から漏れ出たとしても、その冷却水は第１密閉空間３７に流出するにとどまり、冷却水が炉内に漏出することを有効に防止することができる。
また、第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1（図１の拡大図）が破損して亀裂が生じ、冷却水路３１ａにおける冷却水がこの亀裂から漏れ出たとしても、その冷却水は第１密閉空間３７に流出するにとどまり、冷却水が炉内に漏出することを有効に防止することができる。
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、図４に示すように、外筒３６の内筒３４に対面する側に第２凹溝３６ａが形成され、第２凹溝３６ａを塞いで冷却水路３１ａを形成するように外筒３６に第２蓋３６ｂが溶接され、内筒３４と外筒３６との溶接により第１蓋３４ｂの外面と第２蓋３６ｂの内面との間に第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1及び第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2を包含する第２密閉空間３７ａが形成されたことを特徴とする。
この請求項２に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、冷却水路３１ａの断面積が拡大して筒体３１の冷却性能を更に向上させることができる。また、第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2が破損して亀裂が生じ、冷却水路３１ａにおける冷却水がこの亀裂から漏れ出たとしても、その冷却水は第２密閉空間３７ａに流出するにとどまり、冷却水が炉内に漏出することを有効に防止することができる。
この請求項２に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、冷却水路３１ａの断面積が拡大して筒体３１の冷却性能を更に向上させることができる。また、第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2が破損して亀裂が生じ、冷却水路３１ａにおける冷却水がこの亀裂から漏れ出たとしても、その冷却水は第２密閉空間３７ａに流出するにとどまり、冷却水が炉内に漏出することを有効に防止することができる。
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａに連通する管路３８の一端が単結晶冷却用筒体３１に接続され、管路３８の他端がチャンバ１１外に延びて設けられたことを特徴とする。
この請求項３に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、管路３８を介して得られる第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａの情報により第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常の有無を判定することができる。例えばそれらの溶接箇所Ｓ1、Ｓ2が破損して冷却水が第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａに漏れ出ると、その管路３８の他端から冷却水が漏れ出るようになり、このことから第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常の有無を判定することができる。
この請求項３に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、管路３８を介して得られる第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａの情報により第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常の有無を判定することができる。例えばそれらの溶接箇所Ｓ1、Ｓ2が破損して冷却水が第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａに漏れ出ると、その管路３８の他端から冷却水が漏れ出るようになり、このことから第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常の有無を判定することができる。
請求項４に係る発明は、請求項３に係る発明であって、管路３８の他端が封止され、第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａの圧力を検出する圧力センサ３９又は圧力計を管路３８に備え、圧力センサ３９又は圧力計の検出値に基づき第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常の有無を判定するように構成されたことを特徴とする。
第１蓋３４ｂ又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ1又はＳ2が破損して亀裂が生じ、冷却水路３１ａにおける冷却水がこの亀裂から第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａに漏れ出ると、第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａにおけるガスが占める容積が減少してその圧力は上昇する。従って、この請求項４に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、圧力センサ３９又は圧力計の検出値が上昇するようなものである場合に第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2に異常が生じたものと判定することができる。
第１蓋３４ｂ又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ1又はＳ2が破損して亀裂が生じ、冷却水路３１ａにおける冷却水がこの亀裂から第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａに漏れ出ると、第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａにおけるガスが占める容積が減少してその圧力は上昇する。従って、この請求項４に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、圧力センサ３９又は圧力計の検出値が上昇するようなものである場合に第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2に異常が生じたものと判定することができる。
請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明であって、チャンバ１１内の温度を検出する温度センサ４１と、温度センサ４１及び圧力センサ３９の各検出出力を制御入力とするコントローラ４２とを更に備え、コントローラ４２は、チャンバ１１内の昇温による第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａの管路３８の標準的圧力変動を記憶するメモリ４２ａを有し、かつ標準的圧力変動と圧力センサ３９の検出値とを比較して第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常の有無を判定するように構成されたことを特徴とする。
この請求項５に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、コントローラ４２は温度センサ４１の検出出力に対応する標準的圧力変動と圧力センサ３９の検出値とを比較して第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａの圧力が標準圧力を超えて高い値を示したときに第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2に異常が生じたと判定するので、その判断を自動化させることができる。
この請求項５に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、コントローラ４２は温度センサ４１の検出出力に対応する標準的圧力変動と圧力センサ３９の検出値とを比較して第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａの圧力が標準圧力を超えて高い値を示したときに第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2に異常が生じたと判定するので、その判断を自動化させることができる。
請求項６に係る発明は、請求項３に係る発明であって、図５に示すように、管路３８の他端に常閉バルブ６１を介して冷却水の水圧より高圧の不活性ガスの供給源６２が接続され、第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａの不活性ガスの圧力を検出する圧力センサ３９又は圧力計を管路に備え、圧力センサ３９又は圧力計の検出値に基づき第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常の有無を判定するように構成されたことを特徴とする。
この請求項６に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、筒体３１の溶接箇所が破損して亀裂が生じると、第１又は第２密閉空間３７，３７ｂにおける不活性ガスはこの亀裂から冷却水路３１ａに侵入する。従って、第１又は第２密閉空間３７，３７ａにおける不活性ガスの圧力は低下することから、コントローラ６４は第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2に異常が生じたと判定することができる。
この請求項６に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、筒体３１の溶接箇所が破損して亀裂が生じると、第１又は第２密閉空間３７，３７ｂにおける不活性ガスはこの亀裂から冷却水路３１ａに侵入する。従って、第１又は第２密閉空間３７，３７ａにおける不活性ガスの圧力は低下することから、コントローラ６４は第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2に異常が生じたと判定することができる。
請求項７に係る発明は、請求項６に係る発明であって、圧力センサ３９の検出出力を制御入力とし、常閉バルブ６１を開放操作を制御出力とするコントローラ６４を更に備え、コントローラ６４は、第１密閉空間３７又は第２密閉空間３７ａの不活性ガスの圧力を所定範囲に維持するように常閉バルブ６１を制御し、かつ常閉バルブ６１の制御回数、制御間隔又は開放時間に基づき第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常の有無を判定するように構成されたことを特徴とする。
この請求項７に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、コントローラ６４が溶接箇所における異常の有無を判定するので、その判断を自動化させることができる。
請求項８に係る発明は、請求項５又は７に係る発明であって、コントローラ４２，６４は、第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常を有すると判定したときに警報を発するように構成されたことを特徴とする。
この請求項８に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、異常時に警報が発せられるので、この警報により作業員はその異常を認識することができる。
この請求項７に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、コントローラ６４が溶接箇所における異常の有無を判定するので、その判断を自動化させることができる。
請求項８に係る発明は、請求項５又は７に係る発明であって、コントローラ４２，６４は、第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常を有すると判定したときに警報を発するように構成されたことを特徴とする。
この請求項８に係る単結晶引上げ装置の冷却装置では、異常時に警報が発せられるので、この警報により作業員はその異常を認識することができる。
本発明の単結晶引上げ装置の冷却装置では、筒体が単結晶に対面する金属製内筒と内筒の外側に溶接により接合された金属製外筒とを備え、内筒の外筒に対面する側に第１凹溝を形成し、凹溝を塞いで冷却水路を形成するように内筒に第１蓋を溶接したので、パイプを螺旋状に巻回して構成された従来の結晶冷却用筒体に比較してその機械的強度を向上させることができ、冷却水路と冷却水路の間に空間が生じないのでその冷却性能を従来よりも向上させることができる。
また、内筒と外筒との溶接により第１蓋の外面と外筒の内面との間に第１蓋の溶接箇所を包含する第１密閉空間を形成したので、第１蓋の溶接箇所が破損して亀裂が生じ、冷却水路における冷却水がこの亀裂から漏れ出たとしても、その冷却水は第１密閉空間に流出するにとどまり、冷却水が炉内に漏出することを有効に防止することができる。
また、内筒と外筒との溶接により第１蓋の外面と外筒の内面との間に第１蓋の溶接箇所を包含する第１密閉空間を形成したので、第１蓋の溶接箇所が破損して亀裂が生じ、冷却水路における冷却水がこの亀裂から漏れ出たとしても、その冷却水は第１密閉空間に流出するにとどまり、冷却水が炉内に漏出することを有効に防止することができる。
また、外筒の内筒に対面する側に第２凹溝を形成し、第２凹溝を塞いで冷却水路を形成するように外筒に第２蓋を溶接すれば、冷却水路の断面積が拡大して筒体の冷却性能を更に向上させることができる。この場合でも、第２蓋の溶接箇所が破損して亀裂が生じ、冷却水路における冷却水がこの亀裂から漏れ出たとしても、その冷却水は密閉空間に流出するにとどまり、冷却水が炉内に漏出することを有効に防止することができる。
また、密閉空間に連通する管路の一端を単結晶冷却用筒体に接続し、その管路の他端をチャンバ外に延びて設ければ、管路を介して得られる密閉空間の情報により第１蓋の溶接箇所又は第２蓋の溶接箇所における異常の有無を判定することができる。そして、管路の他端を封止して、密閉空間の圧力を検出する圧力センサ又は圧力計を備えれば、その圧力センサ又は圧力計の検出値に基づき異常の有無を判定することができる。また、チャンバ内の温度を検出する温度センサと、温度センサ及び圧力センサの各検出出力を制御入力とするコントローラとを更に備え、コントローラがそれらの検出出力により異常の有無を判定するようにすれば、その判断を自動化させることができる。
また、密閉空間に連通する管路の一端を単結晶冷却用筒体に接続し、その管路の他端をチャンバ外に延びて設ければ、管路を介して得られる密閉空間の情報により第１蓋の溶接箇所又は第２蓋の溶接箇所における異常の有無を判定することができる。そして、管路の他端を封止して、密閉空間の圧力を検出する圧力センサ又は圧力計を備えれば、その圧力センサ又は圧力計の検出値に基づき異常の有無を判定することができる。また、チャンバ内の温度を検出する温度センサと、温度センサ及び圧力センサの各検出出力を制御入力とするコントローラとを更に備え、コントローラがそれらの検出出力により異常の有無を判定するようにすれば、その判断を自動化させることができる。
一方、管路の他端に常閉バルブを介して冷却水の水圧より高圧の不活性ガスの供給源を接続し、密閉空間の不活性ガスの圧力を検出する圧力センサ又は圧力計を管路に備え、圧力センサ又は圧力計の検出値に基づき第１蓋の溶接箇所又は第２蓋の溶接箇所における異常の有無を判定するように構成することもできる。この場合、圧力センサの検出出力を制御入力とし、常閉バルブを開放操作を制御出力とするコントローラを更に備え、コントローラは、密閉空間の不活性ガスの圧力を所定範囲に維持するように常閉バルブを制御し、かつ常閉バルブの制御回数、制御間隔又は開放時間に基づき第１蓋の溶接箇所又は第２蓋の溶接箇所における異常の有無を判定するように構成することもできる。そして、コントローラは、第１蓋の溶接箇所又は第２蓋の溶接箇所における異常を有すると判定したときに警報を発するように構成すれば、異常時に発せられる警報により作業員がその異常を認識することもできる。
次に本発明を実施するため第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図３に示すように、シリコン単結晶引上げ装置１０のチャンバ１１内には、シリコン融液１２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。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の下部はるつぼ駆動手段１７に接続される。るつぼ駆動手段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。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シリコン多結晶体を加熱・溶融してシリコン融液にする。
図３に示すように、シリコン単結晶引上げ装置１０のチャンバ１１内には、シリコン融液１２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。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の下部はるつぼ駆動手段１７に接続される。るつぼ駆動手段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。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シリコン多結晶体を加熱・溶融してシリコン融液にする。
またチャンバ１１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２２ａと、上記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２２ａ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。ワイヤケーブル２２ａの下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶２４を引上げるための種結晶２３が取付けられる。
またシリコン単結晶２４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２４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は円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とを有する。上記フランジ部２６ｂを保温筒１９上に載置することにより、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。この筒部２６ａは上方に向かうに従って直径が大きくなるコーン状に形成される。
この単結晶引上げ装置１０には引上げられる単結晶２４を冷却する冷却装置３０が設けられる。この冷却装置３０は、引上げられる単結晶２４を包囲するようにチャンバ１１内に設けられ内部に冷却水路３１ａを有する単結晶冷却用筒体３１と、その冷却水路３１ａに連通接続しチャンバ１１外からその水路３１ａに冷却水を所定の圧力で供給する供給管３２と、その冷却水路３１ａに連通接続しチャンバ１１外にその水路３１ａの冷却水を排出する排出管３３とを備える。筒体３１と供給管３２と排出管３３は全て同一の金属により作られ、この金属としては銅やステンレス鋼等が挙げられる。銅は非磁性体であり熱伝導率が良いという利点がある。また、ステンレス鋼は機械的強度が高く、特にＭＣＺ法などの磁場中引上げを行う場合には、オーステナイト系ステンレス鋼を選択すると、磁場の影響を受けなくて良い。具体的には、ＳＵＳ３１６Ｌなどは耐食性も良く、磁性も小さいので好適である。更に、ハステロイやインコネルも特性的には問題が無く好ましい。なお、供給管３２と排出管３３の端部には水路３１ａに冷却水を所定の圧力で供給しかつ排出する冷却水給排手段が接続される。
図１に示すように、筒体３１は単結晶２４に対面する金属製内筒３４とその内筒３４の外側に溶接により接合された金属製外筒３６とを備え、その内筒３４の外筒３６に対面する側に後に第１凹溝３４ａが形成される。内筒３４及び外筒３６はそれぞれ金属の塊から旋盤、フライス盤等で円筒形状に削り出すことにより作られ、第１凹溝３４ａにあってもフライス盤等により削り出されて作られる。凹溝３４ａは蛇行しつつ内筒３４の全周に連続して形成され（図２）、この凹溝３４ａは内筒３４に溶接された第１蓋３４ｂにより塞がれて冷却水路３１ａが形成される。そして、内筒３４と外筒３６とは溶接され、その溶接により第１蓋３４ｂの外面と外筒３６の内面との間には第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1を包含する第１密閉空間３７が形成される。
単結晶冷却用筒体３１には第１密閉空間３７に連通するように管路３８の一端が接続され、その管路３８の他端はチャンバ１１外に延びて設けられる。この管路３８の他端は封止されて第１密閉空間３７の圧力を検出する圧力センサ３９がその管路３８の他端に備えられる。また、チャンバ１１内の温度を検出する温度センサ４１がチャンバ１１に設けられ、温度センサ４１及び圧力センサ３９の各検出出力を制御入力とするコントローラ４２が備えられる。このコントローラ４２にはメモリ４２ａが設けられ、このメモリ４２ａにはチャンバ１１内の昇温による第１密閉空間３７の管路３８の標準的圧力変動が記憶される。そして、このコントローラ４２はメモリ４２ａに記憶された温度センサ４１の検出出力に対応する標準的圧力変動と圧力センサ３９の検出値とを比較して第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1における異常の有無を判定するように構成される。そして、コントローラ４２の出力端子にはスピーカ４３が接続され、第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1における異常を有すると判定したときにそのスピーカ４３から警報を発するように構成される。
図３に示すように、チャンバ１１にはこのチャンバ１１のシリコン単結晶２４側に不活性ガスを供給しかつ上記不活性ガスをチャンバ１１のるつぼ内周面側から排出するガス給排手段５１が接続される。ガス給排手段５１は一端がケーシング２１の周壁に接続され他端が上記不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続された供給パイプ５１ａと、一端がチャンバ１１の下壁に接続され他端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ５１ｂとを有する。供給パイプ５１ａ及び排出パイプ５１ｂにはこれらのパイプ５１ａ，５１ｂを流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁５１ｃ，５１ｄがそれぞれ設けられる。
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、るつぼ駆動手段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引上げコントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、引上げ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駆動手段１７の昇降用モータにそれぞれ接続される。また引上げ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２２ａの巻取り長さ、即ちシリコン単結晶２４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。引上げ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、るつぼ駆動手段１７の昇降用モータを制御するように構成される。
このように構成されたシリコン単結晶引上げ装置の動作を説明する。
ワイヤケーブル２２ａの下端に取付けられた種結晶２３をシリコン融液１２に浸して引上げると、種結晶２３の下端にシリコン単結晶２４が形成されて引上げられる。このように引上げられたシリコン単結晶２４はその後熱遮蔽材２６の筒部２６ａの中央を通過する。この熱遮蔽材２６では、筒部２６ａが単結晶２４の周囲を包囲することによりルツボ１３内の融液１２やルツボ１３の外側に配置されたヒータ１８からの輻射熱を遮ることにより、その融液１２から引上げられる単結晶２４の冷却を促進する。次にシリコン単結晶２４は単結晶冷却用筒体３１の中央を通過する。この筒体３１の冷却水路３１ａには冷却水が流通しており、筒体３１自体は強制的に水冷される。従って、この冷却された筒体３１で単結晶２４の周囲を包囲することにより単結晶２４の冷却は更に促進され、単結晶２４の引上げ速度の一層の高速化が図られる。
ワイヤケーブル２２ａの下端に取付けられた種結晶２３をシリコン融液１２に浸して引上げると、種結晶２３の下端にシリコン単結晶２４が形成されて引上げられる。このように引上げられたシリコン単結晶２４はその後熱遮蔽材２６の筒部２６ａの中央を通過する。この熱遮蔽材２６では、筒部２６ａが単結晶２４の周囲を包囲することによりルツボ１３内の融液１２やルツボ１３の外側に配置されたヒータ１８からの輻射熱を遮ることにより、その融液１２から引上げられる単結晶２４の冷却を促進する。次にシリコン単結晶２４は単結晶冷却用筒体３１の中央を通過する。この筒体３１の冷却水路３１ａには冷却水が流通しており、筒体３１自体は強制的に水冷される。従って、この冷却された筒体３１で単結晶２４の周囲を包囲することにより単結晶２４の冷却は更に促進され、単結晶２４の引上げ速度の一層の高速化が図られる。
一方、単結晶冷却用筒体３１は金属製内筒３４の外側に金属製外筒３６を溶接により接合することにより作られ、その内筒３４に形成された第１凹溝３４ａを第１蓋３４ｂにより塞ぐことにより冷却水路３１ａが形成される。従って、この単結晶冷却用筒体３１は、パイプを螺旋状に巻回して構成された従来の結晶冷却用筒体に比較してその機械的強度は高く、冷却水路３１ａと冷却水路３１ａの間に空間が生じることがないのでその冷却性能は従来よりも向上する。
また、この単結晶冷却用筒体３１では、冷却水路３１ａから冷却水が漏れるような破損は、第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1に生じることになる。しかし、本発明の単結晶冷却用筒体３１は、内筒３４と外筒３６との溶接により第１蓋３４ｂの外面と外筒３６の内面との間に第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1を包含する第１密閉空間３７を形成しているので、仮に、第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1が破損して亀裂が生じ、冷却水路３１ａにおける冷却水がこの亀裂から漏れ出たとしても、その冷却水は第１密閉空間３７に流出するにとどまり、冷却水が炉内に漏出することを防止して水蒸気爆発の危険性を有効に回避することができる。
また、単結晶２４を引上げている際のチャンバ１１内部は比較的高温であり、第１密閉空間３７におけるガスも熱膨張してその圧力も上昇する。この第１密閉空間３７における圧力は管路３８の封止された他端に設けられた圧力センサ３９により検出される。ここで、第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1が破損して亀裂が生じ、冷却水路３１ａにおける冷却水がこの亀裂から第１密閉空間３７に漏れ出ると、第１密閉空間３７におけるガスが占める容積が減少してその圧力は更に上昇する。チャンバ１１内部の温度は温度センサ４１により検出され、コントローラ４２はメモリ４２ａに記憶された標準圧力変動によりチャンバ１１内の昇温による第１密閉空間３７の圧力を把握できる。従って、コントローラ４２は温度センサ４１の検出出力に対応する標準的圧力変動と圧力センサ３９の検出値とを比較して第１密閉空間３７の圧力が標準圧力を超えて高い値を示したときに第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1に異常が生じたと判定する。そして、コントローラ４２はその出力端子に接続されたスピーカ４３から警報を発する。これにより、作業員はその異常を認識することができる。
なお、上述した第１の実施の形態では、内筒３４に形成された第１凹溝３４ａを第１蓋３４ｂにより塞ぐことにより冷却水路３１ａを形成して外筒３６を溶接したが、図４に示すように、外筒３６の内筒３４に対面する側にも第２凹溝３６ａを形成し、その第２凹溝３６ａを塞いで冷却水路３１ａを形成するように外筒３６に第２蓋３６ｂを溶接しても良い。この場合、第１蓋３４ｂの外面と第２蓋３６ｂの内面との間に第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1及び第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2を包含する第２密閉空間３７ａが形成されるように内筒３４と外筒３６とを溶接する必要があり、この第２密閉空間３７ａに連通するように管路３８の一端を単結晶冷却用筒体３１に接続することも必要である。
また、上述した第１の実施の形態では、管路３８の他端を封止して第１密閉空間３７の圧力を検出する圧力センサを管路３８に備えてこの圧力センサの検出値に基づきコントローラ４２が異常の有無を判定するように構成された場合を示したが、管路３８の他端を封止して第１又は第２密閉空間３７，３７ａの圧力を検出する図示しない圧力計を管路３８に備え、この圧力計の検出値に基づき作業員が第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常の有無を判定するように構成しても良く、管路３８の他端を封止せずにこの管路３８の他端から冷却水が漏れ出ることにより第１蓋３４ｂの溶接箇所Ｓ1又は第２蓋３６ｂの溶接箇所Ｓ2における異常の有無を判定するようにしても良い。
更に、この第１の実施の形態では、冷却筒体３１の冷却水路を蛇行して形成したが、冷却水路を螺旋状に形成してもよい。
更に、この第１の実施の形態では、冷却筒体３１の冷却水路を蛇行して形成したが、冷却水路を螺旋状に形成してもよい。
次に本発明め第２の実施の形態を図面に基づいて説明する。図面中上述した第１の実施の形態と同一符号は同一部品を示し、繰り返しての説明を省略する。
図５に示すように、この第２の実施の形態における冷却装置６０は冷却水の水圧より高圧の不活性ガスの供給源６２が備えられる。この供給源６２は、第１密閉空間３７に連通するように一端が単結晶冷却用筒体３１に接続された管路３８の他端に常閉バルブ６１を介して接続される。また、管路３８には、第１密閉空間３７の不活性ガスの圧力を検出する圧力センサ３９と、その管路３８には何らかの異常が発生して管路３８内部の不活性ガスの圧力が著しく上昇した場合にその管路３８内部から不活性ガスを排出して管路３８の破損を防止するリリーフバルブ６３が設けられる。
図５に示すように、この第２の実施の形態における冷却装置６０は冷却水の水圧より高圧の不活性ガスの供給源６２が備えられる。この供給源６２は、第１密閉空間３７に連通するように一端が単結晶冷却用筒体３１に接続された管路３８の他端に常閉バルブ６１を介して接続される。また、管路３８には、第１密閉空間３７の不活性ガスの圧力を検出する圧力センサ３９と、その管路３８には何らかの異常が発生して管路３８内部の不活性ガスの圧力が著しく上昇した場合にその管路３８内部から不活性ガスを排出して管路３８の破損を防止するリリーフバルブ６３が設けられる。
また、この第２の実施の形態における冷却装置６０はコントローラ６４を備え、このコントローラ６４には圧力センサ３９の検出出力が制御入力として接続され、制御出力には常閉バルブ６１が接続される。そして、このコントローラ６４は、圧力センサ３９の検出値に基づき、第１密閉空間３７の不活性ガスの圧力を所定範囲に維持するように常閉バルブ６１を制御し、かつ常閉バルブ６１の制御回数、制御間隔又は開放時間に基づき第１蓋３４ｂの溶接箇所における異常の有無を判定するように構成される。そして、コントローラ６４の出力端子にはスピーカ４３が接続され、第１蓋３４ｂの溶接箇所における異常を有すると判定したときにそのスピーカ４３から警報を発するように構成される。
このように構成されたシリコン単結晶引上げ装置の動作を説明する。
単結晶２４を引上げる際にコントローラ６４は常閉バルブ６１を開放して冷却水の水圧より高圧の不活性ガスをその供給源６２から第１密閉空間３７に供給する。そしてその圧力は圧力センサ３９により検出され、コントローラ６４は圧力センサ３９の検出出力を制御入力として常閉バルブ６１を開放制御し、第１密閉空間３７における不活性ガスの圧力を冷却水の水圧より高圧の所定の値に維持させる。
ここで、第１蓋３４ｂの溶接箇所が破損して亀裂が生じると、第１密閉空間３７における不活性ガスの圧力は冷却水の水圧より高圧であるので、第１密閉空間３７における不活性ガスはこの亀裂から冷却水路３１ａに侵入する。この結果、第１密閉空間３７における不活性ガスの圧力は低下し、この圧力低下は圧力センサ３９により検出され、コントローラ６４は第１密閉空間３７の不活性ガスの圧力を所定範囲に維持するように常閉バルブ６１を開放制御し、不活性ガスをその供給源６２から第１密閉空間３７に供給する。
単結晶２４を引上げる際にコントローラ６４は常閉バルブ６１を開放して冷却水の水圧より高圧の不活性ガスをその供給源６２から第１密閉空間３７に供給する。そしてその圧力は圧力センサ３９により検出され、コントローラ６４は圧力センサ３９の検出出力を制御入力として常閉バルブ６１を開放制御し、第１密閉空間３７における不活性ガスの圧力を冷却水の水圧より高圧の所定の値に維持させる。
ここで、第１蓋３４ｂの溶接箇所が破損して亀裂が生じると、第１密閉空間３７における不活性ガスの圧力は冷却水の水圧より高圧であるので、第１密閉空間３７における不活性ガスはこの亀裂から冷却水路３１ａに侵入する。この結果、第１密閉空間３７における不活性ガスの圧力は低下し、この圧力低下は圧力センサ３９により検出され、コントローラ６４は第１密閉空間３７の不活性ガスの圧力を所定範囲に維持するように常閉バルブ６１を開放制御し、不活性ガスをその供給源６２から第１密閉空間３７に供給する。
従って、第１蓋３４ｂの溶接箇所が破損して亀裂が生じると、常閉バルブ６１の制御回数、制御間隔及び開放時間は通常状態よりも増加し、これらが増加したことからコントローラ６４は第１蓋３４ｂの溶接箇所に異常が生じたと判定する。そして、コントローラ６４はその出力端子に接続されたスピーカ４３から警報を発し、これにより作業員はその異常を認識することができる。
なお、上述した第２の実施の形態では、第１密閉空間３７の圧力を検出する圧力センサを管路３８に設け、コントローラ６４が異常の有無を判定する場合を示したが、第１又は第２密閉空間３７，３７ａの圧力を検出する図示しない圧力計を管路３８に備え、この圧力計の検出値に基づきコントローラではなく作業員が第１蓋３４ｂの溶接箇所又は第２蓋３６ｂの溶接箇所における異常の有無を判定するように構成しても良い。
なお、上述した第２の実施の形態では、第１密閉空間３７の圧力を検出する圧力センサを管路３８に設け、コントローラ６４が異常の有無を判定する場合を示したが、第１又は第２密閉空間３７，３７ａの圧力を検出する図示しない圧力計を管路３８に備え、この圧力計の検出値に基づきコントローラではなく作業員が第１蓋３４ｂの溶接箇所又は第２蓋３６ｂの溶接箇所における異常の有無を判定するように構成しても良い。
１１ チャンバ
２４ 単結晶
３１ 単結晶冷却用筒体
３１ａ 冷却水路
３２ 供給管
３３ 排出管
３４ 金属製内筒
３４ａ 第１凹溝
３４ｂ 第１蓋
３６ 金属製外筒
３６ａ 第２凹溝
３６ｂ 第２蓋
３７ 第１密閉空間
３７ａ 第２密閉空間
３８ 管路
３９ 圧力センサ
４１ 温度センサ
４２ コントローラ
４２ａ メモリ
６１ 常閉バルブ
６２ 不活性ガスの供給源
６４ コントローラ
Ｓ1 第１蓋の溶接箇所
Ｓ2 第２蓋の溶接箇所
２４ 単結晶
３１ 単結晶冷却用筒体
３１ａ 冷却水路
３２ 供給管
３３ 排出管
３４ 金属製内筒
３４ａ 第１凹溝
３４ｂ 第１蓋
３６ 金属製外筒
３６ａ 第２凹溝
３６ｂ 第２蓋
３７ 第１密閉空間
３７ａ 第２密閉空間
３８ 管路
３９ 圧力センサ
４１ 温度センサ
４２ コントローラ
４２ａ メモリ
６１ 常閉バルブ
６２ 不活性ガスの供給源
６４ コントローラ
Ｓ1 第１蓋の溶接箇所
Ｓ2 第２蓋の溶接箇所
Claims (8)
- 引上げられる単結晶(24)を包囲するようにチャンバ(11)内に設けられ内部に冷却水路(31a)を有する単結晶冷却用筒体(31)と、前記冷却水路(31a)に連通接続し前記チャンバ(11)外から前記水路(31a)に冷却水を所定の圧力で供給する供給管(32)と、前記冷却水路(31a)に連通接続し前記チャンバ(11)外に前記水路(31a)の冷却水を排出する排出管(33)とを備えた単結晶引上げ装置の冷却装置において、
前記筒体(31)が前記単結晶(24)に対面する金属製内筒(34)と前記内筒(34)の外側に溶接により接合された金属製外筒(36)とを備え、
前記内筒(34)の前記外筒(36)に対面する側に第１凹溝(34a)が形成され、
前記凹溝(34a)を塞いで前記冷却水路(31a)を形成するように前記内筒(34)に第１蓋(34b)が溶接され、
前記内筒(34)と前記外筒(36)との溶接により前記第１蓋(34b)の外面と前記外筒(36)の内面との間に前記第１蓋(34b)の溶接箇所(S1)を包含する第１密閉空間(37)が形成された
ことを特徴とする単結晶引上げ装置の冷却装置。 - 外筒(36)の内筒(34)に対面する側に第２凹溝(36a)が形成され、前記第２凹溝(36a)を塞いで冷却水路(31a)を形成するように前記外筒(36)に第２蓋(36b)が溶接され、前記内筒(34)と前記外筒(36)との溶接により第１蓋(34b)の外面と前記第２蓋(36b)の内面との間に第１蓋(34b)の溶接箇所(S1)及び前記第２蓋(36b)の溶接箇所(S2)を包含する第２密閉空間(37a)が形成された請求項１記載の冷却装置。
- 第１密閉空間(37)又は第２密閉空間(37a)に連通する管路(38)の一端が単結晶冷却用筒体(31)に接続され、前記管路(38)の他端がチャンバ(11)外に延びて設けられた請求項１又は２記載の冷却装置。
- 管路(38)の他端が封止され、第１密閉空間(37)又は第２密閉空間(37a)の圧力を検出する圧力センサ(39)又は圧力計を前記管路(38)に備え、前記圧力センサ(39)又は圧力計の検出値に基づき第１蓋(34b)の溶接箇所(S1)又は第２蓋(36b)の溶接箇所(S2)における異常の有無を判定するように構成された請求項３記載の冷却装置。
- チャンバ(11)内の温度を検出する温度センサ(41)と、前記温度センサ(41)及び圧力センサ(39)の各検出出力を制御入力とするコントローラ(42)とを更に備え、前記コントローラ(42)は、前記チャンバ(11)内の昇温による第１密閉空間(37)又は第２密閉空間(37a)の管路(38)の標準的圧力変動を記憶するメモリ(42a)を有し、かつ前記標準的圧力変動と前記圧力センサ(39)の検出値とを比較して第１蓋(34b)の溶接箇所(S1)又は第２蓋(36b)の溶接箇所(S2)における異常の有無を判定するように構成された請求項４記載の冷却装置。
- 管路(38)の他端に常閉バルブ(61)を介して冷却水の水圧より高圧の不活性ガスの供給源(62)が接続され、第１密閉空間(37)又は第２密閉空間(37a)の不活性ガスの圧力を検出する圧力センサ(39)又は圧力計を前記管路に備え、前記圧力センサ(39)又は圧力計の検出値に基づき第１蓋(34b)の溶接箇所(S1)又は第２蓋(36b)の溶接箇所(S2)における異常の有無を判定するように構成された請求項３記載の冷却装置。
- 圧力センサ(39)の検出出力を制御入力とし、常閉バルブ(61)を開放操作を制御出力とするコントローラ(64)を更に備え、前記コントローラ(64)は、第１密閉空間(37)又は第２密閉空間(37a)の不活性ガスの圧力を所定範囲に維持するように前記常閉バルブ(61)を制御し、かつ前記常閉バルブ(61)の制御回数、制御間隔又は開放時間に基づき第１蓋(34b)の溶接箇所(S1)又は第２蓋(36b)の溶接箇所(S2)における異常の有無を判定するように構成された請求項６記載の冷却装置。
- コントローラ(42,64)は、第１蓋(34b)の溶接箇所(S1)又は第２蓋(36b)の溶接箇所(S2)における異常を有すると判定したときに警報を発するように構成された請求項５又は７記載の冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003386749A JP4259285B2 (ja) | 2003-11-17 | 2003-11-17 | 単結晶引上げ装置の冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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