JP4817379B2 - 原料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶インゴットを製造する単結晶引き上げ装置に係り、特に、多結晶原料を追加供給する原料供給装置に関する。

半導体デバイスを作製するための基板として用いられる鏡面ウェーハは、単結晶インゴットを薄板部材にスライスし、その表裏面を研削・研磨等することにより得られる。この単結晶インゴットは、例えば、チョクラルスキー（ＣＺ）法（ＭＣＺ法を含む）により製造することができる。チョクラルスキー法を用いた一般的な単結晶インゴットの製造方法について以下簡単に説明する。

チョクラルスキー法では、単結晶引き上げ装置の炉内に設置された石英坩堝に原料の多結晶シリコン（多結晶原料）を充填し、石英坩堝周囲に設けられたヒータにより石英坩堝を加熱することによって、多結晶シリコンを溶融し、原料融液とする。そこに種子にあたる単結晶（種結晶）を浸して、結晶引き上げ機構を使って種結晶をゆっくりと引き上げることによって、種結晶と同じ方位配列を持った単結晶を成長させ、大きな円柱状の単結晶インゴットに仕上げる。そして、必要な大きさに成長した単結晶インゴットを炉外に取り出す。

又、ヒータによる加熱を停止して、単結晶引き上げ装置の内部を冷却した後、新たな石英坩堝と原料の多結晶シリコンの再投入を行う必要がある。通常、石英坩堝の中に原料融液が残ったままシリコンを融点以下に冷却すると、融液の凝固時の膨張により石英坩堝が壊れるため、１つの石英坩堝から１本の単結晶インゴットしか製造することができず、コストが増大することになっていた。そのため、１つの単結晶インゴットの製造工程が終了した後、装置を冷却せずに、石英坩堝の中の原料融液が凝固することを防ぎながら次の単結晶インゴット製造に用いる原料の多結晶シリコンを再投入し、再投入した多結晶シリコンを溶融して、再度単結晶インゴットを引き上げる単結晶インゴット製造方法が提案されている。原料の多結晶シリコンの供給については、次のような技術が開示されている。

例えば、特許文献１では、単結晶製造装置（単結晶引き上げ装置）内に取り入れ取り出しが簡単に行え、ナゲット状及び／または粒状（以下、「塊状」と総称する）原料を坩堝内の固化した融液面に直接投入するリチャージ管が開示されている。このリチャージ管は、リチャージに適した供給速度を実現し、短時間でスムースに効率よくリチャージを行うことで単結晶の生産性を向上させることができるとしている。リチャージ管本体の下方端部には脱着可能な円錐バルブが設けられ、この円錐バルブは、リチャージ管ワイヤーと繋がれている。リチャージ管本体と円錐バルブは共に高純度の透明石英ガラス製である。この円錐バルブを石英ガラス製とするのは、円錐バルブが原料の多結晶シリコンに直接接触するので、不必要な元素が混入することを防ぐ必要があるからである。従って、材料の機械的強度等においては、ステンレス等の金属材料がより優れているが、石英ガラスとすることが妥当である。また、透明石英ガラスだけでなく、気泡を内部に取り込んだ不透明石英ガラスも用いることができる。

特許文献２では、原料融液からの輻射熱を要因とするランプ材（原料の多結晶シリコン）の加熱により、ランプ材が底蓋上で溶融して貼りついたり、熱膨張によりブリッジを形成して落下しなくなるという問題点を改善する単結晶引き上げ装置用リチャージ装置が開示されている。このリチャージ装置は、略筒状のホッパー本体と、ホッパー本体の下端開口部を開閉し、石英ガラス棒と一体とされた底蓋（石英ガラス製）と、底蓋を吊り下げるための金属性のシャフトと、略円筒形状の石英管とを有する。石英管は、金属汚染を防止するために、シャフトと石英ガラス棒を覆うように配置されている。

このようなリチャージ装置では、例えば図８に示すように、石英ガラス棒２０１はストレートの棒状（円柱又は角柱）であり、底蓋２０３は円錐状である。この石英ガラス棒２０１と底蓋２０３は、一般に溶接により接合されている。また、石英ガラス棒２０１の直径（あるいは断面積）は、一般に２０℃における石英の引張り強度を元に安全係数（５〜１０）を掛けて決定されていた。
再公表ＷＯ２００２／０６８７３２号公報 特開２００４−２４４２３６公報

しかしながら、上記のようなリチャージ装置では、その使用条件によっては石英ガラス棒２０１が底蓋２０３の付け根部分で折れてしまい、底蓋２０３が落下してしまうことがあった。具体的には、リチャージ装置を台車に載せた状態でランプ材を装填した後、移動の為に台車を動かそうとしたときや、袋詰めのランプ材をリチャージ装置の上から流し込む作業のときなどに、底蓋２０３の落下が生じる場合がある。さらに、リチャージ装置の使用回数が増えると、底蓋２０３の落下の頻度が大きくなる傾向にある。この原因としては、ランプ材（材料）装填時などにおいて、ランプ材の偏りによって底蓋２０３の頂点を中心として回転方向に力（曲げ応力）がかかることが考えられる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、底蓋の落下の発生を防止する原料供給装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明における原料供給装置は、底蓋と棒状部との境界部の強度を補強する補強部を設けたことを特徴とする。

より具体的には、本発明では以下のようなものを提供することができる。

（１）単結晶育成用原料を供給する原料供給装置であって、前記原料を保持する略円筒状の原料供給管と、前記原料供給管の下方開口端に脱着可能に備えられ、円錐状の底蓋とこの円錐形状の頂部で結合される棒状部とからなる底蓋部材と、前記底蓋部材を吊り下げるための吊り棒と、を備え、前記底蓋と前記棒状部との境界部の強度を補強する補強部を設けたことを特徴とする原料供給装置。

（１）記載の原料供給装置によれば、底蓋と棒状部との境界部の強度を補強する補強部を設けたので、充填された単結晶育成用原料の偏りによって底蓋に曲げ応力が生じた場合でも、その境界部分における折れを防止することができる。

（２）前記補強部は、前記棒状部から前記頂部に向い断面積がしだいに大きくなり、側面視でＲ形状（アール形状）を呈することを特徴とする（１）記載の原料供給装置。

（３）前記補強部は、前記棒状部の外径よりも大きい外径の円柱形状であることを特徴とする（１）記載の原料供給装置。

（４）前記補強部は、円錐台形状であり、該円錐台形状の上面及び下面の直径が前記棒状部の外径よりも大きいことを特徴とする（１）記載の原料供給装置。

（５）前記補強部は、上面の直径が前記棒状部の外径と実質的に等しく、下面は上面より大きな直径を有する円錐台形状であることを特徴とする（１）記載の原料供給装置。

（２）から（５）記載の原料供給装置によれば、補強部を上記Ｒ形状、円柱形状、或いは円錐台形状として、上記境界部における折れを防止することができる。

本発明によれば、底蓋と棒状部との境界部の強度を補強する補強部を設けることにより、底蓋の落下の発生を防止する原料供給装置を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。また、以下の説明では、本発明に係る実施の態様の一例を示したに過ぎず、本発明の範囲を超えることなく、当業者の技術常識に基づいて適宜変更可能であり、本発明の技術思想はこれらの具体例に限定されるものではない。

図１は、チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶引上げ装置１０の縦断面図を示す。シリコン単結晶引上げ装置１０は、主として、石英坩堝２０と黒鉛坩堝２２とヒータ２４を囲繞するチャンバ１２と、チャンバ１２の上部に設けられ原料融液から引上げられた単結晶インゴットを保持し取り出すためのサブチャンバ１４と、種結晶またはホッパー３０を掛止するシード軸１６と、から構成される。ここで、ホッパー３０は、原料供給装置の一実施形態である。

有底円筒形状のチャンバ１２は、その底部中央から鉛直上方に向けた状態で、上下動自在な回転軸２８を配置している。回転軸２８の上端には椀状の黒鉛坩堝２２を固定しており、黒鉛坩堝２２の内部には椀状の石英坩堝２０を嵌合している。石英坩堝２０と黒鉛坩堝２２の２重構造としたのは、原料融液に直接接する坩堝はシリコンに対する汚染を防止するために、石英坩堝２０とすることが望ましいからである。一方、石英は高温で軟化すると共に、脆く破損しやすいという性質を有するため、その周囲を黒鉛坩堝２２で囲繞している。

黒鉛坩堝２２の周囲はヒータ２４に囲繞されており、このヒータ２４により石英坩堝２０内に投入された多結晶シリコンのランプ材４６を溶融する。ヒータ２４の周囲にはチャンバ１２と同心円状に円筒形状の断熱材２６を配置している。断熱材２６はヒータ２４からの熱がチャンバ１２に直接輻射されることを防止している。

図１に示すように、チャンバ１２上部にはゲートバルブ（図示せず）を介して略円筒形状のサブチャンバ１４が連結されている。チャンバ１２とサブチャンバ１４とは、このゲートバルブにより連通または遮断可能となっている。一方、図示しないが、サブチャンバ１４の上端は天板により封鎖されている。なお、サブチャンバ１４の内周面には、後述のストッパー６４を掛止するための中心に向かって突出したフランジ状のゲート４０を設けている。

サブチャンバ１４上部には、図示しないシード軸引上げ装置を設けている。シード軸引上げ装置は、シード軸１６を上下動自在に保持しており、シード軸１６は天板を通して、サブチャンバ１４の中心軸に沿って吊り下げられている。シード軸１６の下端には、単結晶インゴット引上げ工程の際には種結晶が吊り下げられ、原料供給工程の際にはホッパー３０が吊り下げられる。

次に、原料供給の際にシード軸１６に掛止するホッパー３０の構成について図１を用いて説明する。ホッパー３０は、主として、原料供給管３を含むホッパー本体と、吊り棒７２と、一体に形成された底蓋５及び石英ガラス棒７６からなる底蓋部材７５とから構成される。

図１に示すように、ホッパー本体は小径略円筒形状の上部筒体３５と、大径略円筒形状の下部筒体（原料供給管）３とを上下に直列に接続した形状をしている。上部筒体３５の下端にはフランジ５６を設けている。一方、下部筒体３の上方にはフランジ５８を設けている。

下部筒体３は、シリコンへの汚染を防止するために、石英製としている。なお、下部筒体３を透明の石英で構成することにより、ホッパー３０内部に装填した多結晶シリコンのランプ材４６が全て落下したか否かを確認することができる。下部筒体３の内径は２６０ｍｍ、外径は２７０ｍｍ、長さは１２００ｍｍである。

フランジ５６の周縁部下端には略円筒形状で断面コ字型の連結器６０をボルトにより固定している。連結器６０は周方向に分割された２つの部材よりなり、フランジ５８を挟み込んで固定している。この連結器６０の下面には４つのねじ穴を設け、このねじ穴に４本のＳＵＳ製のストッパー６４を固定している。このストッパー６４は、ゲート４０に掛止させるためのものである。

このように構成されたホッパー本体の内部に、図１に示すように、シャフトを挿通している。シャフトは主として、ストッパー７０と、吊り棒（金属シャフト）７２と、連結器７４と、石英管７８と、底蓋５と石英ガラス棒（コーンシャフト）７６とが一体として成形された底蓋部材７５と、からなる。連結器７４は、吊り棒７２の下端（後述の抜止部７２ａ）を中心とする回動による石英ガラス棒７６の振り子運動のような動きが可能となるように構成されている。従って、底蓋部材７５がほぼ水平方向に微少移動可能となっている。また、連結器７４は、底蓋５が揺動可能となるように、吊り棒７２の下端部と石英ガラス棒７６の上端部とを連結する。

シャフトの上部は金属製の吊り棒７２により構成されており、その上端はシード軸１６に固定されている。上部筒体３５の天板６６には吊り棒７２が挿通するための貫通穴６８が穿設されており、吊り棒７２は、貫通穴６８を通して、ホッパー本体内部に挿通されている。吊り棒７２の中程には、円筒形状の金属製のストッパー７０が固着されている。ストッパー７０の外径は、貫通穴６８の径よりも大きくしているため、ストッパー７０によりホッパーの主要部である原料供給管３が掛止される。

このように構成することにより、ストッパー７０によりホッパー本体の全重量を支えることができる。なお、吊り棒７２は長さ調節が可能なように構成しており、ストッパー７０でホッパー本体を掛止したときに、底蓋５と下部筒体３との隙間が無くなると共に、ホッパー本体の重量が底蓋５周縁部にかからないように長さを調節している。

この吊り棒７２の下端を、連結器７４を介して石英ガラス棒７６上端と連結している。そして、金属製の吊り棒７２と石英ガラス棒７６を覆うように、上部が小径な略円筒形状の石英管７８を配置している。この石英管７８により、金属部分をカバーし、原料シリコンであるランプ材４６に対する金属汚染を防止している。

図２を参照して、円錐状の底蓋５と石英ガラス棒（棒状部）７６とからなる底蓋部材７５について説明する。図２の（ａ）は、底蓋部材７５の側面図を示す。図２の（ｂ）は、底蓋部材７５の断面図を示す。図２の（ｃ）は、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部（境界部分）を示す。底蓋５と石英ガラス棒７６とは、溶接により一体として成形されている。底蓋部材７５の長さは、原料供給管の内径の１．０〜１．５倍程度である。底蓋部材７５は、原料供給管の下方開口端に脱着可能に備えられる。

底蓋５は、石英製であり、円錐（円錐台）をくり貫いた形状である。この円錐の頂角は、４５度である。底蓋５の底面の直径は、原料供給管の内径の１．０１〜１．０４倍程度である。底蓋５の底面には、それぞれ直径が異なる２枚の円形の板状の部材と円柱の部材とからなる底部材５ａが備えられている。２枚の円形の板状の部材のうち、大きい方の部材の直径は、円錐の底面の直径と略同一である。底部材５ａは、不透明の石英により構成されている。このため、融液４８から生じた熱がホッパー本体に伝達されることを抑制することができる。石英ガラス棒７６は、底蓋５の円錐形状の頂部で結合され、連結器７４に連結（固定）するための頭部７６ａと凹部７６ｂとを備えている。石英ガラス棒７６の断面の直径は１２ｍｍ、断面積は１１３．１ｍｍ^２である。

ここで、ランプ材４６がホッパー３０内部に充填（充填量は、例えば２５ｋｇ）された状態では、充填されたランプ材４６の重さによる力は、底蓋５の円錐面上で鉛直方向に加わる。円錐の頂角は４５度であるので、その鉛直方向の力の半分は、それぞれ、底蓋５の円錐面に対し、直角方向及び平行方向に加わることになる。また、充填されるランプ材４６の長さはおよそ２０ｍｍ前後であるが、各ランプ材４６の形状が完全に同一ではないので、ホッパー３０内部にランプ材４６を均一に充填することはできるとは限らない。

したがって、ランプ材４６が充填された静的な状態において、底蓋５の円錐面全体には、全てのランプ材４６の重量に相当する鉛直方向の力がかかる。このとき底蓋５の重量は簡単のため無視できるものとする。図９（ａ）に２次元の単純な力学モデルを示す。底蓋５の円錐面に接触する個々のランプ材４６をみれば、この図に示すように、底蓋５には、Ｍ１からＭ６までの鉛直方向の力がかかっている。そしてその合力（Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３＋Ｍ４＋Ｍ５＋Ｍ６）は、石英ガラス棒７６によって支持されている。また、石英ガラス棒７６の中心軸上の付け根部２０２に関するモーメントは、Ｍ１×Ｌ１、Ｍ２×Ｌ２、Ｍ３×Ｌ３、Ｍ４×Ｌ４、Ｍ５×Ｌ５、Ｍ６×Ｌ６であり、釣り合いが取れていれば、Ｍ１×Ｌ１＋Ｍ２×Ｌ２＋Ｍ３×Ｌ３＝Ｍ４×Ｌ４＋Ｍ５×Ｌ５＋Ｍ６×Ｌ６となる。しかし、ランプ材４６の不均一充填などにより、どちらかに偏る場合は、付け根部２０２に関し右若しくは左方向の回転モーメントが残る。従って、石英ガラス棒７６は右若しくは左に傾こうとする。モーメントの釣り合いが取れているときは、付け根部２０２の左及び右の隅部２０２ａ、２０２ｂにほぼ同じ曲げ応力が働くので、一部に過度な応力がかかることがない。しかし、釣り合いが取れていないときは、全体の加重は同じでありながら、付け根部２０２の左若しくは右の隅部２０２ａ、２０２ｂのいずれかに過度な応力がかかる可能性がある。また、一般に石英ガラスは、脆性の材料とされ、外力に対し変形し難いが、応力が集中し易い。特に、図９（ｂ）に示すような円錐状の底蓋５の頂部に細い石英ガラス棒７６を取り付けたときの付け根部２０２においては、その隅部２０２ａ、２０２ｂの曲率半径が小さくなり易く、また、加工時に表面クラック２０２ｃができることもあり、そのクラック先端が先鋭となりやすいので、応力集中が更に起き易い。

また、ランプ材４６の充填（袋詰めの素材をホッパーの上から流し込む作業）時の場合、或いはランプ材４６が充填された状態において底蓋５を下方に移動させ、ランプ材４６を石英坩堝２０内に投入する場合には、ランプ材４６が不規則に底蓋５の円錐面に衝突する。このため、振動や衝撃荷重により、曲げ破壊につながるかもしれない、微少クラックの生成や振動が助長されるおそれがあり、衝撃荷重により底蓋５の付け根部２０２近傍に過大な曲げ応力が生じるおそれがある。また、ホッパーを台車に載せた状態で素材を装填した後、移動の為に台車を動かす際には、底蓋５、石英ガラス棒７６が揺れることにより、短い時間ではあってもより大きな曲げ応力が境界部である付け根部２０２近傍に加わる場合がある。

図２の（ｃ）に示すように、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部には、石英ガラス棒７６から底蓋５の円錐の頂部に向い断面積がしだいに大きくなり、側面視でＲ形状（アール形状）を呈するＲ加工部７７が設けられている。このＲ加工部７７のＲ（曲率半径）は２０ｍｍである。Ｒ加工部７７の底面の直径は１７ｍｍであり、底面積は２２７．０ｍｍ^２である。Ｒ加工部７７の底面積は、石英ガラス棒７６の断面積の２．０１倍である。Ｒ加工部７７を設けることにより、最も大きな曲げ応力が加わる底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部の強度を高めることができる。なお、連結器７４は、吊り棒７２の下端を支点として水平方向に底蓋５が移動可能に構成されているので、Ｒ加工部７７にかかる曲げ応力を抑えることができる。

図３〜図５を参照して、連結器７４について説明する。図３は、連結器７４の断面図である。図４は、連結部材８０の構成を示す図である。図５は、筒状部材９０の構成を示す図である。

連結器７４は、連結部材８０と筒状部材９０とにより構成される。連結部材８０は、連結部材用分割体（半割れ部品）８０ａ，８０ｂを組み合わせて一体化された構成である。連結部材８０の長さは、６１ｍｍである。筒状部材９０は、筒状の形状であり、ネジを装通可能なネジ切りを有する孔設部９１ａ，９１ｂを備えている。筒状部材９０は、連結部材８０を覆うように設けられる。孔設部９１ａ，９１ｂにネジを挿入することにより、連結部材用分割体８０ａ，８０ｂを一体化させることができる。筒状部材９０の長さは４８ｍｍ、内径は３０．５ｍｍ、外径は３８ｍｍである。

連結部材８０は、吊り棒通し孔８１と、係止部８２と、収納部８３と、凸部８４と、受け部８５とを備えている。吊り棒通し孔８１は、内径が１４ｍｍの円筒状の空間であり、吊り棒７２を通す。係止部８２は、円錐台状の空間であり、下方拡がり状のテーパ状の傾斜面を有する。すなわち、係止部８２は、吊り棒通し孔８１に連通する。また、係止部８２は、吊り棒通し孔８１に向かって径が小さくなるように傾斜し、吊り棒７２の下端に設けられた抜止部７２ａの曲面部を摺動可能に受けるテーパ状の傾斜面を備える。この傾斜面は、抜止部７２ａの上に凸の曲面部を摺動可能（摺動自在）に受ける。収納部８３は、内径が２６ｍｍの円筒状の空間であり、吊り棒７２の下端に設けられた抜止部７２ａと、石英ガラス棒７６の頭部７６ａとを収納する。

凸部８４は、内径が２１ｍｍの円筒状の空間であり、石英ガラス棒７６の凹部７６ｂが嵌め込まれ、石英ガラス棒７６は、連結部材８０により拘束される。すなわち、石英ガラス棒７６と連結部材８０とは、凸部と凹部との嵌合により接続される。石英ガラス棒７６の頭部７６ａの外径（２５ｍｍ）は凸部８４の内径よりも大きく、石英ガラス棒７６は、連結部材８０で固定される。受け部８５は、連結部材８０の外周面の下方で突出し、筒状部材９０の下端を受ける。この受け部８５には、筒状部材９０の下端が当接し、連結器７４の組み立てが容易になる。

吊り棒７２の下端に設けられた抜止部７２ａは、略円盤状であり、抜止部７２ａの径は、吊り棒通し孔８１の径よりも大きく、収納部８３の径よりも小さい。抜止部７２ａの周縁の内周面は、上に凸（凸状）の曲面になっている。係止部８２は、抜止部７２ａと線接触しており、接触抵抗が小さくなっており、連結器７４を保持して吊り下げる。

したがって、底蓋部材７５は、連結器７４を介し、抜止部７２ａを中心にして、垂直に設けられた吊り棒７２に対して所定の角度（例えば、５度）をなすように円滑に移動することができる。また、底蓋部材７５は、水平方向であれば任意の方向に移動することが可能である。すなわち、底蓋５及び石英ガラス棒７６は、吊り棒７２と直交（略直交）する方向に変位可能（揺動可能）に連結される。このため、底蓋５と石英ガラス棒７６は、ランプ材４６の充填、或いはランプ材４６の石英坩堝２０内への投入により、上記水平方向の力が生じた場合に、その力の方向に移動することができるので、Ｒ加工部７７にかかる力を抑えることができる。

ここで、抜止部７２ａの上面（曲面部）と連結部材８０の係止部８２との間は摺動により摩擦が生じるので、これらの表面粗さは、Ｒａで１．６μｍ以下が好ましい。また、抜止部７２ａの上面の曲面のＲ及び係止部８２のテーパ状の傾斜面のテーパは、石英ガラス棒７６が最大に傾いたときであっても、抜止部７２ａの上面の曲面と係止部８２の傾斜面との摺動により、枢軸若しくはピボット軸のような本来の自由度を確保できるのであれば、それらの寸法や角度等は限定されない。

図１と図６を参照して、原料供給工程及び連結器７４の機能について説明する。初めに、原料となる多結晶シリコンのランプ材４６をホッパー３０に装填した後に、サブチャンバ蓋を開き、ホッパー３０をシード軸１６に吊り下げる。この状態では、ホッパー本体はストッパー７０により掛止されているが、底蓋５とホッパー本体との間に隙間が開かないように調整される。このため、原料を供給していない状態では、底蓋５及び石英ガラス棒７６は、吊り棒７２に対して所定の角度をなすように移動することはできない。

次に、サブチャンバ蓋を閉じ、サブチャンバ１４を密閉する。その後、サブチャンバ１４を減圧し、サブチャンバ１４内部を不活性雰囲気で満たす。次に、ゲートバルブ（図示せず）を開き、チャンバ１２とサブチャンバ１４とを連通する。この状態で、シード軸１６を下降させることにより、シード軸１６と共に、シード軸１６に吊り下げられたホッパー３０が下降する。このとき、底蓋５はホッパーの主要部である原料供給管３の下方端の開口部に装着されているので、多結晶シリコンのランプ材４６は落下しない。

ホッパー３０が下降していくと、ストッパー６４がゲート４０に当接する。この状態から更にシード軸１６を下降させると、ゲート４０によりホッパー本体の下降が阻止され、シャフト（吊り棒７２を含む）と底蓋５が更に下降する（図６参照）。すると、ホッパーの主要部である原料供給管３と、底蓋５との間に隙間ができ、この隙間から多結晶シリコンのランプ材４６が自重により石英坩堝２０内に落下する。すなわち、底蓋部材７５の装着により閉じられた下方開口端を有する原料供給管３内に保持された原料であるランプ材４６は、底蓋部材７５の装脱により開かれた下方開口端から放出される。

ここで、図６では、ランプ材４６の落下の仕方が不均一であることにより、底蓋５及び石英ガラス棒７６が連結器７４とともに図の左側の方向に傾いている様子（移動している様子）を示している。連結器７４を設けることにより、ランプ材４６の落下の際に底蓋５に対して上記水平方向の力が生じた場合に、その力の方向に移動することができるので、Ｒ加工部７７にかかる力を抑えることができる。

ホッパー３０内部に装填された全ての多結晶シリコンのランプ材４６が、石英坩堝２０内に投入された後、シード軸１６を上昇させる。すると、シード軸１６と共にシャフトと底蓋５が上昇する。シャフトが一定距離上昇し、ストッパー７０が天板６６に接触することにより、ホッパー本体が掛止される。この状態から更にシード軸１６を上昇させると、シード軸１６と共に、シャフト，底蓋５，ホッパー本体が一体となって上昇する。

ホッパー３０が、サブチャンバ１４まで完全に上昇した後に、ゲートバルブを閉め、チャンバ１２とサブチャンバ１４とを遮断する。これにより、チャンバ１２内を不活性雰囲気に保持し、原料融液４８の高温を保った状態で、サブチャンバ１４内を常圧に戻す。その後、ホッパー３０を取り出す。以上により原料供給工程が終了する。

単結晶インゴット引上げ工程と、上記原料供給工程とを繰り返すことにより、石英坩堝２０を交換することなく単結晶インゴットを連続して製造することができる。

図７の（ａ）〜（ｃ）を参照して、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部にＲ加工部７７とは別の補強部１０１〜１０３を設けた例について説明する。各補強部は、溶接により、底蓋５、石英ガラス棒７６と一体として成形されている。なお、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部の構造以外の部分は、基本的に図１〜図６に示すシリコン単結晶引上げ装置１０の構造と同じである。

図７の（ａ）では、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部に補強部１０１が設けられている。補強部１０１は、円柱形状であり、この円柱形状の断面の直径は１４ｍｍであり、断面積は１５３．９ｍｍ^２である。ここで、図７の（ａ）の場合には、図１〜図６、図７の（ｂ）、図７の（ｃ）の場合と異なり、石英ガラス棒７６の断面の直径は１１ｍｍ、断面積は９５．０ｍｍ^２である。補強部１０１の断面積は、石英ガラス棒７６の断面積の１．６２倍である。補強部１０１の外径は、石英ガラス棒７６の外径よりも大きい。なお、図１〜図６、図７の（ｂ）、図７の（ｃ）の場合には、石英ガラス棒７６の断面の直径は１２ｍｍ、断面積は１１３．１ｍｍ^２である。

図７の（ｂ）では、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部に補強部１０２が設けられている。補強部１０２は、円錐台形状であり、この円錐台形状の底面の直径は１６ｍｍであり、底面積は２０１．１ｍｍ^２である。補強部１０２の底面積は、石英ガラス棒７６の断面積の１．７８倍である。補強部１０２は、２つの面（上面及び下面）の直径のいずれもが石英ガラス棒７６の外径よりも大きい。また、底蓋５につながる下面の直径は、石英ガラス棒７６につながる上面の直径よりも大きい。

図７の（ｃ）では、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部に補強部１０３が設けられている。補強部１０３は、円錐台形状であり、この円錐台形状の底面の直径は１４ｍｍであり、底面積は１５３．９ｍｍ^２である。補強部１０３の底面積は、石英ガラス棒７６の断面積の１．３６倍である。補強部１０３は、一つの面（底蓋５につながる下面）の直径が石英ガラス棒７６の外径よりも大きく、もう一つの面（石英ガラス棒７６につながる上面）の直径が石英ガラス棒７６の外径と同じである（実質的に等しい）。

このように、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部にいずれかの補強部を設けることにより、ランプ材４６をホッパー３０内部に充填する場合、ホッパー３０内部に充填されたランプ材４６を石英坩堝２０内に投入する場合、ランプ材４６が充填されたホッパーを台車に載せた状態で台車を動かす場合などにおいて、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部に大きな曲げ応力が加わったとしても、その境界部が補強部により補強されているので、その曲げ応力により境界部で折れることを防止することができる。

表１は、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部の形状、及び連結部の有無に応じた付け根部折れ発生頻度の実験結果を示す。表１における「連結部」は、連結器７４を示す。「角度不変」は、連結器７４を設けないという条件を示す。「角度可変」は、連結器７４を設けるという条件を示す。「シャフト部」は、石英ガラス棒７６を示す。「付け根部」は、図２のＲ加工部７７の場合はＲ加工部７７の底面部、図７の（ａ）〜（ｃ）の補強部１０１〜１０３の場合は補強部の底面部、図８の場合は底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部を示す。「付け根部折れの発生頻度」は、シリコン単結晶引上げ装置１０を用いて単結晶シリコンの引き上げを行った場合に、「付け根部」で折れが発生するまでの間に単結晶シリコンを引上げることができた回数を示す。

表１に示すように、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部にＲ加工部７７（図２）、補強部１０１〜１０３（図７）を設けた場合には、「角度不変」の条件の下、単結晶シリコンの引き上げを５０回行っても「付け根部の折れ」は発生しなかった。他方、図８の従来例（底蓋５と石英ガラス棒７６との間にＲ加工部７７及び補強部のいずれも設けない態様）の「角度不変」の条件の場合には、１回〜２０回程度で「付け根部の折れ」が発生した。

したがって、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部にＲ加工部７７又はいずれかの補強部を設けることにより、境界部に大きな曲げ応力が加わったとしても、その曲げ応力により境界部で折れることを防止できたことがわかる。ここで、図２のＲ加工部７７、図７の補強部の場合には、「角度不変」の条件で「付け根部の折れ」が発生していないので、「角度可変」で実験をしても「付け根部の折れ」が発生しないことが予想できるので「角度可変」の条件では実験をしていない。

従来例の図８の「角度不変」の条件の場合には、１回〜２０回程度で「付け根部の折れ」が発生したが、「角度可変」の条件の場合には、単結晶シリコンの引き上げを５０回行っても「付け根部の折れ」は発生しなかった。したがって、連結器７４を設け、底蓋５及び石英ガラス棒７６が吊り棒７２に対して所定の角度をなすように任意の水平方向に移動可能にしたことにより、底蓋５と石英ガラス棒７６との境界部に生じる曲げ応力を軽減できたことがわかる。

以上、発明の実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定はされず、本発明の要旨を変更しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。

例えば、底蓋５の円錐の頂角を９０度としているが、６０度から９０度の範囲内にするのが好ましい。また、係止部８２は、抜止部７２ａの曲面部を摺動可能に受けるテーパ状の傾斜面を備えるが、この斜面を略球面状の面とし、この球面状の面で抜止部７２ａの曲面部を摺動可能に受けるようにしてもよい。また、吊り棒７２の下端に設けられた抜止部７２ａは、上に凸の曲面部を有していればよく、その曲面部以外の形状は任意に定めることができる。

チョクラルスキー法を用いたシリコン単結晶引上げ装置の縦断面図である。 底蓋部材を示す図である。 連結器の断面図である。 連結部材を示す図である。 筒状部材を示す図である。 原料を供給する様子を示す断面図である。 底蓋部材の別の態様を示す側面図である。 従来技術の底蓋部材を示す図である。 ２次元の単純な力学モデルを示す。

符号の説明

３ 下部筒体
５ 底蓋
１０ 単結晶引き上げ装置
１２ チャンバ
１４ サブチャンバ
１６ シード軸
２０ 石英坩堝
２２ 黒鉛坩堝
２４ ヒータ
２６ 断熱材
２８ 回転軸
３０ ホッパー
４０ ゲート
４６ ランプ材
４８ 原料融液
７４ 連結器
７５ 底蓋部材
７６ 石英ガラス棒
７７ Ｒ加工部
８０ 連結部材
９０ 筒状部材

Claims (5)

1. 単結晶育成用原料を供給する原料供給装置であって、
   前記原料を保持する略円筒状の原料供給管と、
   前記原料供給管の下方開口端に脱着可能に備えられ、円錐状の底蓋とこの円錐形状の頂部で結合される棒状部とからなる石英製の底蓋部材と、
   前記底蓋部材を前記棒状部を用いて吊り下げるための吊り棒と、
   前記吊り棒の下端部と前記棒状部の上端部とを連結する連結器と、を備え、
   前記連結器は、前記底蓋が揺動可能となるように、前記吊り棒と前記棒状部とを連結し、
   前記底蓋部材は、前記底蓋と前記棒状部との境界部の強度を補強する補強部を備えることを特徴とする原料供給装置。
2. 前記補強部は、前記棒状部から前記頂部に向い断面積がしだいに大きくなり、側面視でＲ形状を呈することを特徴とする請求項１記載の原料供給装置。
3. 前記補強部は、前記棒状部の外径よりも大きい外径の円柱形状であることを特徴とする請求項１記載の原料供給装置。
4. 前記補強部は、円錐台形状であり、該円錐台形状の上面及び下面の直径が前記棒状部の外径よりも大きいことを特徴とする請求項１記載の原料供給装置。
5. 前記補強部は、上面の直径が前記棒状部の外径と実質的に等しく、下面は上面より大きな直径を有する円錐台形状であることを特徴とする請求項１記載の原料供給装置。

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