JP4626424B2 - 単結晶引上げ装置 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶引上げ装置に関し、詳しくは、プルチャンバーの開口部から単結晶が外部に倒れることを防止することができる単結晶引上げ装置に関する。

図７に従来の単結晶引上げ装置を示す。
従来の単結晶引上げ装置１’は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によって原料融液２０’から単結晶１９’を成長させ、引上げるものであって、メインチャンバー２’内に、多結晶原料を収容するルツボ３’、該ルツボ３’の周囲にヒータ５’が配置され、さらにヒータ５’の周囲に断熱材６’等を収納して構成されている。また、ルツボ３’は支持軸４’で支えられ、モータ２５’により回転することができる。メインチャンバー２’の上端には引上げられた単結晶１９’を取り出すためのプルチャンバー８’が接続されている。そして、メインチャンバー２’の上端部とプルチャンバー８’との間には、メインチャンバー２’の上端の開口部を開閉するアイソレーションバルブ７’が設けられている。また、プルチャンバー８’上方には、先端に種保持具１３’が取りつけられたワイヤ１２’を巻き上げるための巻上ドラム１１’を収容するボックス１０’、すなわち巻上装置９’が設けられている。

ところで、当該単結晶引上げ装置１’においては、引上げ時においてアイソレーションバルブ７’は開状態にあって、例えば原料融液２０’と石英ルツボ３’との反応によって生じたシリコン酸化物の炉内析出と、このシリコン酸化物の落下による単結晶１９’の有転位化を防止すること、及び不活性ガスの節約のため、ガス供給管１６’、排気管１８’を通してメインチャンバー２’及びプルチャンバー８’内は減圧状態に保たれ、Ａｒガス等の不活性ガスで満たされている。

一般に、ＣＺ法を用いてシリコン単結晶１９’を製造する場合、上方から吊るされたワイヤ１２’の下端の種保持具１３’に種結晶１４’を取り付ける。そして、ヒータ５’によって加熱しながらルツボ３’を回転させるとともに、加熱溶融された原料融液２０’に種結晶１４’を浸漬あるいは接触させる。次いで、ワイヤ１２’を回転させながら徐々に巻き上げることにより原料融液２０’から単結晶１９’を成長させる。

ここで結晶成長について具体的に述べる。まず融液と種結晶を接触させた際に生じる転位を除去するために縮径する工程（絞り部形成）と、それに引き続き所定の直径まで拡径する工程（コーン部形成）と、その直径で引き続き結晶成長させる工程（直胴部形成）と、最後に成長を終了するために所定直径から縮径する工程（丸め部形成）とからなる。そして、これらの工程を経て育成された単結晶を原料融液から切り離して結晶成長を終了する。

そして、原料融液から切り離された単結晶はワイヤ１２’によりプルチャンバー８’内に巻き上げられ、プルチャンバー側壁に設けたドア（開口部）を開けて単結晶が取り出される。この際、メインチャンバー２’内の加熱状態は継続されたまま行われることがある。このときアイソレーションバルブ７’は閉じられており、その結果、メインチャンバー２’内は引上げ時と同様の減圧状態の不活性ガス雰囲気に保たれたまま、プルチャンバー８’のみを大気開放状態にしてプルチャンバー８’のドアを開き、単結晶の取り出しを行う。

上記従来法における絞り部の最小直径は４〜６ｍｍ程度であり、特に近年のシリコン単結晶の大口径化に伴って、高重量化した単結晶を支持するには強度が不十分であり、単結晶引上げ中にこの細い絞り部が破断して単結晶が落下してしまう問題があった。

そこで、特許文献１では、先端部の形状が尖った形状または尖った先端を切り取った形状をした種結晶を使用し、ネッキングを行わない無転位種付け法により単結晶を成長させるシリコン単結晶の製造方法が開示されている。

しかし、上記製造方法で単結晶を無事にプルチャンバー内に引上げることができた場合であっても、種付け後に成長した結晶の最小直径は１０ｍｍ程度にする必要があり、例えば２００〜５００ｋｇの高重量の単結晶をプルチャンバーから取り出す際に、結晶に横方向やねじれ応力が加わり、上記の結晶直径の小さい部分やワイヤが破断する危険性があった。

これは、単結晶を引上げる際には鉛直方向にしか力が加わらないので良いが、取り出しの際には単結晶を水平方向に移動させる必要があるために、上記のような細い部分に横方向に力が加わったり、また、取り出し易くするため、例えば単結晶底部を支えた時に、単結晶を吊り下げているワイヤのねじれによってねじれ応力が加わって破断の危険が増すからである。

このように、単結晶の取り出し時に、上記の結晶直径の細い部分やワイヤが破断した場合、高温、高重量の単結晶がプルチャンバーの外部の作業エリアに倒れてしまい、単結晶を破損させるだけでなく、単結晶引上げ装置に損傷を与えたり、また、安全性の面においても問題が生じ得る。

ここで、特許文献２には、単結晶の取り出し方法として自動化することが開示されているが、例えば単結晶を保持する前に破断した場合、開口部より外部に単結晶が倒れこんでしまう可能性がある。また、特許文献３には、プルチャンバーの下方から単結晶を支持する単結晶引上げ装置が開示されているが、上述したように、例えば単結晶を支持した際にねじれ応力等によって破断し、プルチャンバーの開口部側に倒れてきた場合には、単結晶をプルチャンバー内に留めておくことはできず、結晶倒れ防止対策としては不十分であった。

特開平１１−１７１６９４ 特開平４−３１４００ 特開２００１−１０８９１

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、成長した単結晶をプルチャンバーから取り出す際に、結晶直径の細い絞り部やワイヤが破断して単結晶がプルチャンバーの開口部に倒れてきた場合に、倒れてきた単結晶をプルチャンバー内に留めておくことができる単結晶引上げ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも、ルツボを収納するメインチャンバーと、該メインチャンバーの上部にアイソレーションバルブを介して連接され、成長した単結晶を取り出すための開口部を側壁に有するプルチャンバーを備えた単結晶引上げ装置であって、前記プルチャンバーの内部に、少なくとも1つ以上のバーを具備し、該バーは前記開口部と前記単結晶の間に配置されており、前記開口部から外部に倒れようとする単結晶を支持することができるものであることを特徴とする単結晶引上げ装置を提供する。

このように、プルチャンバーの内部に、少なくとも１つ以上のバーを具備し、該バーがプルチャンバー側壁の開口部と単結晶の間に配置された単結晶引上げ装置であれば、特に、高温、高重量の大口径単結晶を取り出す際、結晶直径の細い絞り部分やワイヤが破断して、単結晶がプルチャンバーのドア側、すなわち開口部側に倒れてきた場合であっても、前記バーによって開口部から外部に倒れようとする単結晶を支持することができ、プルチャンバー内に留めておくことができる。このため、単結晶及び単結晶引上げ装置を破損させることなく、また、安全に取り出し作業を進めることが可能である。

このとき、前記プルチャンバーの内部に固定され、前記バーを載せて支持する凹部を有するバー支持具を具備するものであることが望ましい。
このように、プルチャンバーの内部に固定され、前記バーを載せて支持する凹部を有するバー支持具を具備するものであれば、開口部に向かって倒れてきた単結晶を支持するバーへの荷重は主に水平方向にかかり、上方向にはかからないので、荷重のかかったバーを支持具の凹部で支持することができ、単結晶を開口部より外部に倒れさせることなく、確実にプルチャンバー内に留めておくことができる。
また、このようなバー支持具であれば、バーを支持具の凹部から簡単に取り外しをすることが可能であるので、低コストで高い安全性を確保することができる。

このとき、前記プルチャンバーは、前記バーを収納するバー収納部と、該バー収納部から前記バーを出し入れするバー出し入れ手段を具備するものであることが望ましい。
このように、プルチャンバーが、前記バーを収納するバー収納部と、該バー収納部から前記バーを出し入れするバー出し入れ手段を具備するものであれば、高温、高重量の単結晶に近づかないでバーの出し入れの操作ができるので、便利でありかつより高い安全性を確保することができる。

さらに、前記バー出し入れ手段がエアー駆動によるものであることが望ましい。
このように、前記バー出し入れ手段がエアー駆動によるものであれば、バー出し入れの操作負担が軽減し、操作がより確実なものとなる。

本発明の単結晶引上げ装置であれば、成長した単結晶、特に、高温、高重量の大口径の単結晶をプルチャンバーから取り出す際、結晶直径の細い絞り部分や、単結晶を吊り下げているワイヤが破断して、プルチャンバーの開口部に向かって単結晶が倒れてきた場合であっても、開口部と単結晶の間に配置したバーによって単結晶を支持することができ、プルチャンバー内に確実に留めておくことができる。このため、単結晶取り出し時の安全性を確保することができ、また、単結晶および単結晶引上げ装置等の設備の破損等を防止することが可能である。

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
従来の単結晶引上げ装置では、成長して引上げられてプルチャンバー内に格納された単結晶の取り出しを行う際に、横方向の応力やねじれ応力により、結晶直径の細い部分やワイヤが破断してしまい、単結晶がプルチャンバーの開口部から外部に倒れてしまう可能性があった。

この単結晶の取り出しにおいて、自動化させたり、プルチャンバー下方より単結晶の底部を支持する単結晶引上げ装置が開示されているが、上記部分の破断による単結晶の倒れ込みの防止対策としては不十分であった。

そこで、本発明者等は、プルチャンバー内部において、少なくとも１つ以上のバーを、単結晶取り出しのための側壁に開けた開口部と単結晶の間に配置すれば、たとえ開口部側に単結晶が倒れてきたとしても、バーによって単結晶を支持でき、単結晶がプルチャンバーの外部に倒れることを防止し、内部に留めておくことができることを見出し、本発明を完成させた。

以下では、本発明の実施の形態について図を用いて具体的に説明をする。
まず、図１は本発明の単結晶引上げ装置の一例を示す断面概略図である。この単結晶引上げ装置１は、ステンレス製のメインチャンバー２とプルチャンバー８を有しており、アイソレーションバルブ７を介して両チャンバー２、８は連接されている。

メインチャンバー２の内部には、石英製のルツボ３が支持軸４によって上下動自在に支持されており、支持軸４を介してモータ２５により所定の速度で回転駆動することができる。ルツボ３の周囲には、炭素材からなる円筒状のヒータ５が配され、さらにヒータ５の周囲には断熱材６が配置されている。ルツボ３内には、ヒータ５によって原料の多結晶シリコンが加熱溶融された原料融液２０が収容されている。

一方、プルチャンバー８は、メインチャンバー２上に同心的に立設されており、引上げられた単結晶１９を収容し、且つ取り出すための空間を形成している。
そして、本発明では、プルチャンバー８の内部に、単結晶が外部に倒れるのを防止するためのバー２１が水平に配置されている。バー２１の材質は例えばステンレスが好適であるが、高純度で耐熱性に優れ、結晶重量に耐えることができる材質であれば構わない。
さらに、単結晶１９の長さは１〜３ｍ程度であるので、この単結晶１９の中央部より上方を支持できるようバー２１が設置されていることが好ましい。単結晶１９が長い場合には、バー２１を複数用意して設置することが好ましい。

メインチャンバー２の下部にはガス排気管１８が設けられ、プルチャンバー８の上部にはガス供給管１６が設けられており、単結晶引上げの際には、両チャンバー２、８の内に例えばアルゴンガス等の不活性ガスをプルチャンバー８から供給し、炉内を流通後、メインチャンバー２の下部から排気できるようになっている。

また、プルチャンバー８の上方には、単結晶引上げ手段として巻上装置９が設けられており、巻上装置９のボックス１０内には、回転駆動される巻上ドラム１１が回転自在に収容されている。そして、巻上ドラム１１にはワイヤ１２が巻回されていて、ワイヤ１２の下端には種保持具１３により種結晶１４が取り付けられており、さらに種結晶１４の先端には原料融液２０より引上げられて成長した単結晶１９が形成されている。

ここで、図２〜６を用いて、本発明についてさらに詳述する。
図２は本発明の単結晶引上げ装置のプルチャンバーの一例を示す正面概略図である。また、図３はバーを配置したプルチャンバーの一例を示す平面図であり、図４は別のプルチャンバーの一例を示す平面図である。図５の（ａ）は、バー支持具がバーを支持する様子を示す平面図、及び（ｂ）は（ａ）のＡ矢視図である。そして図６では、絞り部分が破断し、倒れかかった単結晶をバーが支持している様子を示している。

図２のように、プルチャンバー８の側壁には開口部２３が開けられており、成長した単結晶１９の取り出し時にはドア２４を開けて、開口部２３から単結晶１９を搬出することができるようになっている。図２〜４から判るように、単結晶１９と開口部２３の間にはバー２１が配置されている。このバー２１は、上述のように例えば単結晶１９の長さに合わせて複数設けることができる。図２では、バー２１’をバー２１の上にさらに配置している。

また、図３、５のように、プルチャンバー８の内部にはバー２１を支持するバー支持具２７がプルチャンバー８に固定して設けられている。バー支持具２７は上方に凹部３０を有しており、バー２１を凹部３０に上方から載せることができる。凹部３０の深さはバー２１の直径よりも深ければ良く、どのような形状、寸法であっても構わない。そして、このバー支持具２７自体も、単結晶１９が倒れてバー２１にもたれかかってきた場合であっても、バー２１を確実に支持することができるものであれば良く、特に限定されない。例えばバー２１の先端部を嵌め込んで保持することのできる穴を有する形態の支持具であっても良い。バー支持具２７の材質はステンレスが好ましいが、バー２１と同様、特に限定されるものではない。

ここで、図６に示すように、倒れ掛かった単結晶をバーおよびバー支持具２７が支持するとき、両者にかかる荷重Ｆは、単結晶１９の重量をＷとし、単結晶１９の傾き角度をθとしたとき、Ｆ＝Ｗ×ｓｉｎθで求められる。単結晶の重量は、近年の大口径の進展に伴い、直径３００ｍｍの場合、２００〜５００ｋｇｆに及び、すなわち最大で５００ｋｇｆとなる。また、傾き角度は５°程度であるので、このときのバー２１およびバー支持具２７にかかる荷重Ｆはおよそ４４ｋｇｆである。
上記荷重は一例であるが、このような荷重に耐えられることができるようなバー２１およびバー支持具２７であればよく、上述したように、特に限定されるものではないことを再度述べておく。

そして図４には本発明の別の形態を示した。このプルチャンバー８には、バー２１を収めることのできるバー収納部２２が取りつけられている。そして、バー収納部２２からバー２１を出し入れすることのできるバー出し入れ手段２９を有している。図４から判るように、プルチャンバー８の外部に収納部２２を取りつけ、バー２１のプルチャンバー８への出し入れのためにプルチャンバー８の側壁に孔を開け、シールしてある。シール２８には例えばオイルシール又はＯリングシールを用いるのが好ましい。そして、本例ではバー出し入れ手段２９をエアー駆動によるものとし、エアシリンダーを用いたが、収容部２２および出し入れ手段２９は特に限定されるものではなく、例えば手動で出し入れしてもよく、バー２１をプルチャンバー８内に出し入れすることのできるものであれば構わない。

このような本発明の単結晶引上げ装置１であれば、上記のような高温、高重量の大口径単結晶をプルチャンバー８から取り出す際に、例えば直径の細い絞り部分やワイヤ１２が破断して、開口部２３に向かって倒れてきても、バー２１で単結晶１９を支持することができ、開口部２３からプルチャンバー８の外部へ倒れることを確実に防止することができる。

すなわち、図６のように、単結晶１９をプルチャンバー８内に留めておくことが可能であり、安全に単結晶１９の取り出しを行うことができる。また、単結晶１９や、単結晶引上げ装置１等の設備の破損の防止にもつなげることができる。
そして、図２に示すように、単結晶１９が例えば長い場合には、バー２１を複数設置することにより、より安全に、確実に外部に倒れるのを防止することが可能である。バー２１の設置する数は、例えば、１〜１０本とすることができ、単結晶１９の長さや重量等から適宜判断すれば良い。

また、プルチャンバー８の内部に固定されており、バー２１を載せて支持する凹部３０を有するバー支持具２７が具備されていれば、単結晶１９を確実にプルチャンバー８内に留めておくことができる。単結晶１９を支持する際、バー２１やバー支持具２７の上方向には荷重はかからない。したがって、凹部３０にバー２１を載せて支持することによって、バー２１は支持具２７から外れることもなく、より安定して単結晶１９を支持することが可能である。
そして、凹部３０にバー２１を載せるような構造であるため、バー２１を極簡単に設置したり、取り外しをすることができ、コストをかけることなく高い安全性を確保することが可能である。

ここで、単結晶の取り出しにおいては、例えば図３に示したようなプルチャンバー８では、予めバー支持具２７にバー２１を手動等でセットしておき、その後プルチャンバー８内に成長した単結晶１９を引上げて格納し、その後でプルチャンバードア２４を開き、開口部２３から搬出するための装置で単結晶１９を保持等して確実に固定してから、バー２１を支持具２７から取り外し、単結晶１９を取り出すことができる。

また、図４に示すように、バー２１の収納部２２と収納部２２からバー２１を出し入れするための出し入れ手段２９を具備したチャンバー８であれば、作業員が単結晶１９に近接することなく、出し入れ手段２９によってバー２１の操作ができ、単結晶１９の外部への倒れこみを防止することができるので、より安全に取り出し工程を行うことが可能である。

具体的には、例えば、単結晶１９をプルチャンバー８内に巻上げ、アイソレーションバルブ７を閉じて、バー２１を出し入れ手段２９によって単結晶１９と開口部２３の間に出すことができる。搬出装置等で単結晶１９を保持した後は、バー２１をバー出し入れ手段２９でバー収納部２２に収め、単結晶１９を安全に取り出すことが可能である。
そして、この出し入れ手段２９をエアー駆動によるものとすることができ、自動で出し入れしてもよい。本例ではエアシリンダーを用いたが、これにより例えば手動に比べて簡便で作業負担が軽減されるとともに、確実にバー２１の出し入れを行うことが可能である。

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。

本発明の単結晶引上げ装置の一例を示す断面概略図である。 本発明の単結晶引上げ装置のプルチャンバーの一例を示す正面概略図である。 バーを配置したプルチャンバーの一例を示す平面図である。 バーを配置したプルチャンバーの別の一例を示す平面図である。 （ａ）バー支持具がバーを支持する様子の一例を示す平面図である。（ｂ）図５（ａ）のＡ矢視図である。 絞り部分が破断した単結晶をバーが支持する様子の一例を示す断面概略図である。 従来の単結晶引上げ装置の一例を示す断面概略図である。

符号の説明

１…本発明の単結晶引上げ装置、 １’…従来の単結晶引上げ装置、
２、２’…メインチャンバー、 ３、３’…ルツボ、
４、４’…支持軸、 ５、５’…ヒータ、 ６、６’…断熱材、
７、７’…アイソレーションバルブ、 ８、８’…プルチャンバー、
９、９’…巻上装置、 １０、１０’…ボックス、
１１、１１’…巻上ドラム、 １２、１２’…ワイヤ、
１３、１３’…種保持具、 １４、１４’…種結晶、
１６、１６’…ガス供給管、 １８、１８’…ガス排気管、
１９、１９’…単結晶、 ２０、２０’…原料融液、
２１、２１’…バー、 ２２…バー収納部、 ２３…プルチャンバー開口部、
２４…プルチャンバードア、 ２５、２５’…モータ、
２７…バー支持具、 ２８…シール、 ２９…バー出し入れ手段、
３０…凹部、 Ｆ…単結晶からバーにかかる荷重、
Ｗ…単結晶の重量、 θ…単結晶の鉛直方向に対する傾き角度。

Claims (3)

1. 少なくとも、ルツボを収納するメインチャンバーと、該メインチャンバーの上部にアイソレーションバルブを介して連接され、成長した単結晶を取り出すための開口部を側壁に有するプルチャンバーを備えた単結晶引上げ装置であって、前記プルチャンバーの内部に、少なくとも1つ以上のバーを具備し、該バーは前記開口部と前記単結晶の間に配置されており、前記開口部から外部に倒れようとする単結晶を支持することができ、前記プルチャンバーは、前記バーを収納するバー収納部と、該バー収納部から前記バーを出し入れするバー出し入れ手段を具備するものであることを特徴とする単結晶引上げ装置。
2. 前記プルチャンバーの内部に固定され、前記バーを載せて支持する凹部を有するバー支持具を具備するものであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上げ装置。
3. 前記バー出し入れ手段がエアー駆動によるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の単結晶引上げ装置。

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