JP4894749B2 - Single crystal silicon production equipment - Google Patents
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Description
本発明は単結晶シリコン製造装置に係り、特にFZ法により多結晶シリコン棒を溶融しながら単結晶に成長させる単結晶シリコン製造装置に関する。 The present invention relates to a single crystal silicon manufacturing apparatus, and more particularly to a single crystal silicon manufacturing apparatus that grows a polycrystalline silicon rod into a single crystal by FZ method.
従来、この種のFZ(フロートゾーン)法を利用した単結晶シリコン製造装置として、特許文献1に示されるものが知られている。この単結晶シリコン製造装置は、不活性ガス雰囲気とされるハウジングと、ハウジング内の上部駆動軸(位置決めロッド)に設置されてその下端部に試料となる多結晶シリコン棒が保持される多結晶ホルダー(素材ホルダー)と、下部駆動軸(位置決めロッド)に設置されてその上端部にシリコン単結晶の種結晶が保持される種結晶ホルダーと、ハウジング内の中間部分に設けられた高周波誘導加熱コイルとを有するものであって、上側の多結晶ホルダーに原料となる多結晶シリコン棒を保持し、かつ種結晶ホルダーにシリコン単結晶の種結晶を保持した状態で、高周波誘導加熱コイルにより多結晶シリコンの一端を溶融して種結晶に融着した後、多結晶シリコン棒を高周波誘導加熱コイルに対して相対回転させながら軸線方向に相対移動させ、多結晶シリコン棒を軸方向に順次帯域溶融しながら、単結晶シリコンの棒を製造するものである。
Conventionally, what is shown by
また、多結晶ホルダーは、多結晶シリコン棒を吊り下げ状態に保持する下端部と、上部駆動軸に連結された上端部とを有しているとともに、種結晶ホルダーは、種結晶を上向き姿勢に保持する上端部と、下部駆動軸に連結された下端部とを有しており、これら両ホルダーは、種結晶ホルダーにより保持した種結晶の鉛直上方に多結晶シリコン棒が配置されるように同一軸線上に配置されている。そして、これら上部駆動軸及び下部駆動軸はそれぞれ昇降駆動及び回転駆動されるようになっている。
ところで、これら多結晶シリコン棒と種結晶とは正確に同一軸線上に配置する必要があるが、種結晶は、溶融状態の多結晶シリコン棒の下端部に融着する際に高速で回転させられ、そのときに種結晶ホルダーとの間でスリップ等が生じないように、止めネジによって強固に固定される。この場合、止めネジは種結晶ホルダーの軸線と直交する方向に設けられるため、種結晶を径方向に押圧することになり、その際に種結晶が収納孔の軸線からずれ易く、このため、この種結晶の固定と多結晶シリコン棒との芯合わせとの微妙な調整作業が必要になる。 By the way, the polycrystalline silicon rod and the seed crystal need to be arranged on the same axis exactly, but the seed crystal is rotated at a high speed when fused to the lower end portion of the molten polycrystalline silicon rod. At that time, it is firmly fixed by a set screw so that no slip or the like occurs with the seed crystal holder. In this case, since the set screw is provided in a direction orthogonal to the axis of the seed crystal holder, the seed crystal is pressed in the radial direction. At this time, the seed crystal is easily displaced from the axis of the storage hole. Subtle adjustment work is required between fixing the seed crystal and aligning the core with the polycrystalline silicon rod.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、種結晶を多結晶シリコン棒と正確に芯合わせした状態に簡単に保持することができる単結晶シリコン製造装置の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a single crystal silicon manufacturing apparatus that can easily hold a seed crystal in a state where it is accurately aligned with a polycrystalline silicon rod.
本発明の単結晶シリコン製造装置は、ハウジング内に、種結晶ホルダーに保持した種結晶と、多結晶ホルダーに保持した多結晶シリコン棒とを対向して配置し、その多結晶シリコン棒を加熱溶融しながら種結晶に融着させて単結晶に成長させる単結晶シリコン製造装置であって、前記種結晶ホルダーは、種結晶の一端部を直立姿勢で保持する収納孔が形成されるとともに、該収納孔に収納した種結晶の一端部を固定する止めネジが収納孔の軸線に直交して設けられ、前記収納孔の内周面は、その開口に向けて漸次拡径するテーパ面とされていることを特徴とする。 In the single crystal silicon production apparatus of the present invention, a seed crystal held in a seed crystal holder and a polycrystalline silicon rod held in the polycrystalline holder are arranged opposite to each other in a housing, and the polycrystalline silicon rod is heated and melted. An apparatus for producing single crystal silicon that is fused to a seed crystal to grow into a single crystal while the seed crystal holder is formed with a storage hole that holds one end of the seed crystal in an upright posture, and the storage A set screw for fixing one end of the seed crystal accommodated in the hole is provided orthogonal to the axis of the accommodation hole, and the inner peripheral surface of the accommodation hole is a tapered surface that gradually increases in diameter toward the opening. It is characterized by that.
すなわち、種結晶ホルダーの収納孔の内周面をテーパ面として、そのテーパ面で種結晶を保持するようにしたものである。ストレートの収納孔であると、種結晶を収納して止めネジで止めると、そのクリアランスの範囲で種結晶が左右方向に移動し易いが、収納孔をテーパ面としたことにより、種結晶の全周がテーパ面に接触して左右方向に移動し難く、したがって、多結晶シリコン棒との芯合わせ作業が容易になる。また、種結晶を回転させる際にも、種結晶が全周でテーパ面に保持されるのでスリップし難くなる。 That is, the inner peripheral surface of the accommodation hole of the seed crystal holder is a tapered surface, and the seed crystal is held by the tapered surface. If the storage hole is straight, when the seed crystal is stored and fastened with a set screw, the seed crystal can easily move in the horizontal direction within the clearance range. It is difficult for the circumference to contact the tapered surface and move in the left-right direction, and therefore, the centering operation with the polycrystalline silicon rod is facilitated. In addition, when the seed crystal is rotated, the seed crystal is held on the tapered surface all around, so that it is difficult to slip.
本発明の単結晶シリコン製造装置において、前記テーパ面は、収納孔の軸線となす角度が10〜25°に設定されていることを特徴とする。テーパ面をこの角度範囲に形成することにより、種結晶を直立姿勢に安定して保持することができるとともに、回転時にも適度な摩擦力を付与することができる。 In the single crystal silicon manufacturing apparatus of the present invention, the tapered surface has an angle formed with the axis of the storage hole set to 10 to 25 °. By forming the tapered surface within this angular range, the seed crystal can be stably held in an upright posture and an appropriate frictional force can be applied even during rotation.
また、本発明の単結晶シリコン製造装置において、前記テーパ面の面粗さは、平均粗さ(Ra)で10〜200μmとされていることを特徴とする。つまり、面粗さをこの範囲に設定しておくことにより、収納孔のテーパ面と種結晶との摩擦力が大きくなり、回転時のスリップを確実に防止することができる。 Moreover, the single crystal silicon manufacturing apparatus of this invention WHEREIN: The surface roughness of the said taper surface is 10-200 micrometers in average roughness (Ra), It is characterized by the above-mentioned. That is, by setting the surface roughness within this range, the frictional force between the tapered surface of the storage hole and the seed crystal increases, and slipping during rotation can be reliably prevented.
本発明の単結晶シリコン製造装置によれば、種結晶ホルダーの収納孔をテーパ面としたことにより、種結晶の全周がテーパ面に接触して左右方向に移動し難く、多結晶シリコン棒との芯合わせ作業が容易になる。また、種結晶を回転させる際にも、種結晶の全周でテーパ面に保持されるのでスリップし難くなる。したがって、種結晶を直立姿勢に安定して保持することができ、高品質の単結晶シリコンを製造することができる。 According to the single crystal silicon manufacturing apparatus of the present invention, by making the accommodation hole of the seed crystal holder into a tapered surface, the entire circumference of the seed crystal is in contact with the tapered surface and hardly moves in the left-right direction. The centering work becomes easier. Further, when the seed crystal is rotated, it is difficult to slip because the tape is held on the entire circumference of the seed crystal. Therefore, the seed crystal can be stably held in an upright posture, and high-quality single crystal silicon can be manufactured.
以下、本発明に係る単結晶シリコン製造装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an embodiment of a single crystal silicon manufacturing apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は一実施形態の単結晶製造装置100の概略構成図であって、この図において符号1は、不活性ガス(アルゴンガス)が充填されるハウジングである。このハウジング1の上壁1Aの中心部には回転駆動かつ上下方向に昇降駆動される上部駆動軸2が設けられ、また、ハウジング1の底部1Bには、上部駆動軸2と軸線を同じくして対向するように、回転駆動かつ上下方向に昇降駆動される下部駆動軸3が設けられている。上部駆動軸2の下端部には、モリブデン線からなる吊り具4を介して試料となる多結晶シリコン棒S1が保持される多結晶ホルダー5が設けられ、また、下部駆動軸3の上端部には、シリコン単結晶の種結晶6が保持される種結晶ホルダー7が設けられている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a single
ハウジング1内の多結晶ホルダー5と種結晶ホルダー7との間には、高周波誘導加熱コイル8及び石英によって被覆された発熱リング9が設けられている。高周波誘導加熱コイル8は全体としてリング盤状に形成されており、ハウジング1の側壁1Cに支持された支持棒10によって水平に保持されている。発熱リング9は、図2に示すように全体としてリング状に形成されており、ハウジング1の上壁1Aから垂下された支持シャフト11によって高周波誘導加熱コイル8の上方位置に水平に保持されている。
Between the
この支持シャフト11は、ハウジング1の上壁1Aに回転及び昇降可能に支持されているとともに、その上端部にレバー等の操作手段11Aが設けられており、この操作手段11Aを操作することにより、その下端部に保持した発熱リング9を若干上下移動させるとともに、多結晶ホルダー5と種結晶ホルダー7との間に配置される加熱位置と、その間から側方に離間した退避位置との間で往復移動させることができるようになっている。
The
一方、種結晶ホルダー7は、タンタル(Ta)により、図2及び図3に示すように全体として筒状に形成され、その下端部を除く大部分に、上端の開口21に向けて漸次拡径する円錐形状の上部収納孔22が形成され、その下端部には、ストレートの円柱状の下部収納孔23が形成されている。これら収納孔22,23は、同一軸線C1上に配置され、その上部収納孔22に種結晶6が収納され、下部収納孔23には、下部駆動軸3の先端に固定された石英からなる棒状の支持部材24が収納されるようになっている。
On the other hand, the
この種結晶ホルダー7に保持される種結晶6は、全体としては棒状に形成されるが、長さ方向の中央部から上端部6aと下端部6bとでそれぞれ端部を先細りとした円錐形状に形成されている。また、支持部材24はストレートの円柱状に形成されている。そして、この種結晶ホルダー7を支持部材24の上に取り付け、上部収納孔22に種結晶6の下端部6bを収納した状態とすることにより、この種結晶6の軸線C2をその上方の多結晶ホルダー5によって保持される多結晶シリコン棒S1の軸線C3と同一線上に配置することができるようになっている。
The
また、この種結晶ホルダー7の両端部には、半径方向に沿うネジ孔25が周方向に90°ずつ間隔をあけて4個ずつ設けられている。これらネジ孔25は、それぞれ種結晶ホルダー7の壁を貫通していることにより、内部の上部収納孔22及び下部収納孔23に連通している。そして、上部収納孔22に収納した種結晶6を上部のネジ孔25から止めネジ26をねじ込むことによって固定し、下部収納孔23に収納した支持部材24を下部のネジ孔25に止めネジ26をねじ込むことによって固定する構成である。
Further, four
そして、種結晶ホルダー7の上部収納孔22の内周面を形成しているテーパ面22aは、この上部収納孔22の軸線C1となす角度θが10〜25°に設定されているとともに、その面粗さが、平均粗さ(Ra)で10〜200μmとされている。テーパ面22aの角度が25°より大きいと、種結晶6の姿勢が安定せずに、いわゆる「座りが悪い」状態となるともに、回転時に種結晶6が滑り易く、また、10°より小さいと、芯ずれが生じ易い。より好ましくは17〜18°の角度とされる。また、面粗さが10〜200μmとされていることにより、回転時に適度の摩擦力で種結晶6を保持することができ、その姿勢を正確に維持することができる。
The
また、種結晶ホルダー7の長さ方向中央部の外周部には、周方向に180°離間する対称位置にそれぞれ凹部27が形成されている。これら凹部27は、種結晶ホルダー7を支持部材24に固定したり収納孔22内に種結晶6を保持したりする際に、ペンチ等の工具の先端部を配置させるものであり、断面が矩形の溝状に形成され、工具先端部が当接可能な平面27aが径方向と平行に形成されている。
Further, in the outer peripheral portion of the center portion in the length direction of the
このように構成した単結晶製造装置100を使用して単結晶シリコンを製造する方法について、以下、その順序に従って説明する。
(1)種結晶ホルダー7に種結晶6を取り付けるとともに、吊り具4を試料となる多結晶シリコン棒S1に取り付けることにより、該多結晶シリコン棒S1を多結晶ホルダー5に支持させる。このとき、種結晶ホルダー7には、その上部収納孔22に種結晶6の下端部6bを挿し込むことにより、この上部収納孔22のテーパ面22aが種結晶6の外周面に接触して、自動的に芯合わせされ、その収納状態で止めネジ26によって固定することにより、その芯合わせ状態に保持される。
(2)このようにして同軸状に配置された種結晶6と多結晶シリコン棒S1との間の位置(加熱位置)に発熱リング9を配置する。
(3)上部駆動軸2を降下させて、試料となる多結晶シリコン棒S1を発熱リング9内に通し、試料の下端が、高周波誘導加熱コイル8の上方に近接するように多結晶シリコン棒S1を位置させる。
(4)ハウジング1のドア(図示略)を閉めて内部を密閉状態にし、不活性ガスを充満させる。
A method of manufacturing single crystal silicon using the single
(1) The
(2) The
(3) Lower the
(4) The door (not shown) of the
(5)高周波誘導加熱コイル8を駆動することで、発熱リング9を発熱させ、その輻射熱によって多結晶シリコン棒の予熱を行う。この予熱は発熱リング9が赤くなるのを確認するまで行う。
(6)上部駆動軸2を上昇して、多結晶シリコン棒S1を種結晶6から離間させ、これにより多結晶シリコン棒S1と種結晶6との間にできた隙間から発熱リング9を移動させて、ハウジング1の側壁1Cの近傍位置(退避位置)に退避させる。その後、上部駆動軸2を降下し、多結晶シリコン棒S1を高周波誘導加熱コイル8の付近まで降下させる。
(5) By driving the high frequency induction heating coil 8, the
(6) The
(7) 高周波誘導加熱コイル8の出力を上げて多結晶シリコン棒S1の先端部を溶融させる。
(8)下部駆動軸3を上昇して、種結晶6を多結晶シリコン棒S1に近づける。多結晶シリコン棒S1の先端部が完全に溶けたら、種結晶6と多結晶シリコン棒S1とを接触させることにより、多結晶シリコン棒S1の熱を種結晶6に伝達して種結晶6を溶融する。
(9)下部駆動軸3を回転駆動して種結晶6を高速で回転させる。
(10)多結晶シリコン棒S1の下端の溶融部の形状を整えながら溶融部と種結晶6を十分なじませる。
(11)上部駆動軸2と下部駆動軸3とを軸線方向に沿って同期移動させることにより、多結晶シリコン棒S1の溶融部分を、高周波誘導加熱コイル8に対して上下方向に相対移動させ、これにより下部駆動軸3上に単結晶シリコンS2を育成する。
(12)単結晶シリコンS2が十分に形成されたら、上部駆動軸2、下部駆動軸3、高周波誘導加熱コイル8の駆動を停止する。その後、形成された単結晶シリコンを取り出し、急速冷却装置で冷却する。
(7) Increase the output of the high frequency induction heating coil 8 to melt the tip of the polycrystalline silicon rod S1.
(8) The
(9) The
(10) The molten part and the
(11) By moving the
(12) When the single crystal silicon S2 is sufficiently formed, the driving of the
以上のような単結晶製造装置100によれば、両端部6a,6bを円錐形状とした種結晶6を種結晶ホルダー7の上部収納孔22に挿し込むことにより、種結晶6の円錐状外周面が収納孔22のテーパ面22aに全周にわたって接触して両者の軸線C1,C2を正確に一致させることができ、これにより、種結晶6の軸線C2と、その上方に配置される多結晶シリコン棒の軸線C3とが正確に一致させられる。つまり、種結晶6を収納孔22に挿し込むだけで、これらの軸線C1,C2が一致した状態に収納され、その上方の多結晶シリコン棒S1との軸線C3とも一致するように芯合わせを行うことができ、種結晶6を取り付ける際の作業時間を大幅に短縮することができる。そして、この収納状態で止めネジ26を固定することにより、種結晶6はテーパ面22aによって全周を保持されているので、止めネジ26の押圧力によって左右に動くことがなく、その芯合わせ状態に確実に固定することができる。
According to the single
そして、単結晶シリコンの育成作業中に種結晶6を回転させることがあるが、その際も収納孔22のテーパ面22aにより種結晶6を全周で保持しているので、スリップを生じさせることなく、その芯合わせ状態を確実に維持することができ、したがって、高品質の単結晶シリコンを製造することができるものである。
The
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、一実施形態の種結晶ホルダー7では、上部収納孔22を開口まで連続するテーパ面22aに形成したが、種結晶の外周の全周に接触可能なテーパ面が少なくとも一部に形成されていればよく、開口付近はストレートの円筒状としてもよい。また、この収納孔に挿入した種結晶を4本の止めネジで固定する構造としたが、3本の止めネジによって固定するものでもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention. For example, in the
1 ハウジング
2 上部駆動軸
3 下部駆動軸
4 吊り具
5 多結晶ホルダー
6 種結晶
6a 上端部
6b 下端部(一端部)
7 種結晶ホルダー
8 高周波誘導加熱コイル
9 発熱リング
10 支持棒
11 支持シャフト
11A 操作手段
21 開口
22 上部収納孔(収納孔)
22a テーパ面
23 下部収納孔
24 支持部材
25 ネジ孔
26 止めネジ
S1 多結晶シリコン棒
DESCRIPTION OF
7 seed crystal holder 8 high frequency
22a Tapered
Claims (3)
前記種結晶ホルダーは、種結晶の一端部を直立姿勢で保持する収納孔が形成されるとともに、該収納孔に収納した種結晶の一端部を固定する止めネジが収納孔の軸線に直交して設けられ、
前記収納孔の内周面は、その開口に向けて漸次拡径するテーパ面とされていることを特徴とする単結晶シリコン製造装置。 In the housing, the seed crystal held in the seed crystal holder and the polycrystalline silicon rod held in the polycrystalline holder are arranged to face each other, and the polycrystalline silicon rod is fused to the seed crystal while being heated and melted. A single crystal silicon manufacturing apparatus for growing a crystal,
The seed crystal holder has a storage hole for holding one end of the seed crystal in an upright posture, and a set screw for fixing the one end of the seed crystal stored in the storage hole is perpendicular to the axis of the storage hole. Provided,
The single crystal silicon manufacturing apparatus according to claim 1, wherein an inner peripheral surface of the storage hole is a tapered surface that gradually increases in diameter toward the opening.
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