JP5585554B2 - 単結晶育成装置 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法により単結晶棒を育成させる単結晶育成装置に関する。

図２に従来のチョクラルスキー法（ＣＺ法）による単結晶育成装置の概略図を示す。従来の単結晶育成装置１０１では、原料融液１０３が充填されたルツボ１０４と、該ルツボ１０４を取り囲むように配置されたヒーター１０６を有する。このルツボ１０４中の原料融液１０３に種結晶を浸漬した後、原料融液１０３から棒状の単結晶１０５が引き上げられる。これらはメインチャンバー１０２内に格納されている。また、単結晶育成装置１０１は、上部断熱材１０９、湯漏れ受皿１１０、底部断熱材１１１、内側壁断熱材１１２を有することができる。

ヒーター１０６からの熱が直接メインチャンバー１０２に伝わると、熱的なロスが甚大な上、メインチャンバー１０２も痛んでしまうので、一般的にはメインチャンバー１０２とヒーター１０６の間には熱を遮るシールド１１６が配置される。このシールド１１６は熱ロス低減が目的であるので、高温での使用が可能であり、断熱特性に優れた炭素繊維断熱材（ヒートシールド１０８）が用いられることが多い。

しかし、炭素繊維断熱材からなるヒートシールド１０８は、シリコン蒸気を含む雰囲気では珪化されて表面が脆くなってしまう。もちろん炭素繊維断熱材からなるヒートシールド１０８の表面をコーティングなどして珪化を抑制する方法はあるが、長時間の使用に耐えられるものではない。そこで少なくともヒートシールド１０８のヒーター１０６側、すなわち高温でシリコン蒸気を含む雰囲気側に、炭素材や炭素繊維複合材からなるインナーシールド１０７を備える構造を用いることが多い。炭素材や炭素繊維複合材からなるインナーシールド１０７は炭素繊維断熱材に比較すると緻密な構造を有しており、珪化耐性が優れているので長時間の使用が可能である。

このインナーシールド１０７は特許文献１や特許文献２に概略図が示されているが、図２に示した様に、湯漏れ受皿１１０上に配置された支持部材１１３等によって支えられている。これと同じ構造ではない場合でも、基本的には何らかの構造物（支持部材）を介して、メインチャンバー１０２等と接触している構造を有している。これらインナーシールド１０７及び支持部材１１３は一般的に炭素材や炭素繊維複合材から成っており、先に述べた様に緻密である。このため、インナーシールド１０７の熱伝導率は断熱材（ヒートシールド１０８、底部断熱材１１１、内側壁断熱材１１２等）に比べて２〜３桁高く、インナーシールド１０７はヒーター１０６から熱を受け取り、支持部材１１３を通してメインチャンバー１０２等へ熱を放出してしまうため、省電力・省エネルギーという面において問題がある構造であった。また、支持部材１１３という複雑な構造を用意する必要があり、部品点数が多くなるという問題もあった。

省電力・省エネルギーという目的とは異なるが特許文献３では、メインチャンバーに突起を形成しそれでヒートシールドを支持し、更にそのヒートシールドでインナーシールドを保持する方法が開示されている。この構造を用いてインナーシールドを保持すれば、熱ロスの低減を図ることが可能である。しかしこの構造はメインチャンバーの改造を要するなど簡便でない。またこの構造ではルツボより高い位置でインナーシールドをヒートシールドにより支える構造となっている。インナーシールドは比重が重く、ヒートシールドは低密度の炭素繊維材であるため、重量負荷により断熱材（ヒートシールド）が変形・破損し、炭素繊維材のゴミが発生する可能性が高い。ルツボより高い位置で発生したゴミは、ルツボ内に落下する可能性が高く、ゴミがあると育成中の結晶が有転位化してしまい単結晶化が難しくなるという問題点がある。

一方で、特許文献４ではインナーシールドと支持部材との間を棒状の部材で支える技術が開示されている。これにより熱の経路を遮断し、熱ロスの低減を図っている。これは省電力・省エネルギーという観点から効果的な方法である。しかし、棒状部材にはインナーシールドを固定する部分に剪断する方向の応力が掛かかる。これにより、この部分でインナーシールドの全重量を支えることとなるため、応力が集中して固定部が壊れやすいという問題がある。また従来法と同様に、インナーシールドを支えるため炭素材からなる支持部材が必要となる構造のため、複雑で部品点数も多くなるという問題があった。

特開２００２−２９３６９１号公報 特開２００２−３２１９９７号公報 特開平１０−２７９３８１号公報 特開２０１１−１１６６００号公報

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、インナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができる単結晶育成装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、原料融液を収容するルツボと、該ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、該ヒーターを取り囲むように配置されたシールドとを格納するメインチャンバーを有するチョクラルスキー法による単結晶育成装置であって、
前記シールドは、炭素繊維断熱材からなるヒートシールドと、少なくとも該ヒートシールドの前記ヒーター側に炭素材又は炭素繊維複合材からなるインナーシールドとを有するものであり、
前記インナーシールドは、支持部材によって前記メインチャンバーの天井から吊るされたものであることを特徴とする単結晶育成装置を提供する。

このような支持部材であれば、インナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができる単結晶育成装置となる。特に、このような支持部材はインナーシールドを支えても壊れにくく、また単純な構造で部品点数も少なくてすむ。

また、前記支持部材は、ワイヤー形状又は棒状であることが好ましい。

このような形状であれば、支持部材からの熱の伝導経路をより細く限定することができ、またインナーシールドを吊すのにより適した支持部材となる。

さらに、前記支持部材がワイヤー形状の場合は、インナーシールド上端部に設けられた穴、又は、インナーシールド上端部にねじ込み式若しくは接着式によって固定されたアイボルトを通じてインナーシールドを吊るすものであることが好ましく、前記支持部材が棒状の場合は、インナーシールド上端部に設けられた穴にねじ込み式又は接着式によって直接インナーシールドを吊るすものであることが好ましい。

このような構造にすれば、支持部材の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上するものとなる。

また、前記ヒートシールド及び前記インナーシールドの上部に更に上部断熱材が配されたものであり、
前記支持部材は、シールド上部に配された上部断熱材に形成される貫通孔または切り欠きを通るものであることが好ましい。

このように上部断熱材を有し、その貫通孔または切り欠きの中を支持部材が通るように設計することで、より熱ロスを低減して省電力化を図ることが可能である。

さらに、前記支持部材は、高融点金属又は炭素繊維材からなるものであることが好ましい。また、前記高融点金属は、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）、又はＴｉ（チタン）であることが好ましい。

このような材質であれば、高温で安定であり、更に取扱中に破壊されてしまう心配の少ないものとなる。

また、前記シールドは、底部に突起部を有するインナーシールドと、該インナーシールドの突起部により保持されたヒートシールドとを有するものであることが好ましい。

このような構造にすれば、ヒートシールドとインナーシールドとを一体物として取り扱うことが可能となり、部品の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上する。

以上説明したように、本発明の単結晶育成装置であれば、インナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができるものとなる。また、上記のような支持部材はインナーシールドを吊り下げても壊れにくく、また単純な構造で部品点数も少なくてすむものとなるので低コストであり、さらに、取り付けや取り外しの際の作業性も向上させることができるものとなる。

本発明の単結晶育成装置の一例を示す図である。 従来の単結晶育成装置の一例を示す図である。 本発明の単結晶育成装置のインナーシールドをワイヤー形状又は棒状の支持部材で吊した模式図である。 本発明の単結晶育成装置のシールド上部に配された上部断熱材の一例を示す図である。 本発明の単結晶育成装置のシールド上部に配された上部断熱材の他の例を示す図である。

以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明者らはインナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができる単結晶育成装置について鋭意検討を重ねた結果、インナーシールドを支持部材によってメインチャンバーの天井から吊すことで熱ロスを低減して省電力化を図ることができることを見出し、また、このような支持部材であれば簡単な構造であり応力集中により壊れること等を回避できることを見出して、本発明を完成させた。以下、図を参照して本発明をより詳細に説明する。

図１は本発明の単結晶育成装置の一例を示す図である。図１に示すように、本発明のＣＺ法単結晶育成装置１の基本的な構造は、メインチャンバー２内に原料融液３を収容するルツボ４と、そのルツボ４を取り囲むように配置された原料融液３を加熱するためのヒーター６と、そのヒーター６を取り囲むように配置された熱ロスを低減するためのシールド１６とを格納するものである。更に、この単結晶育成装置１は、シールド１６を構成するヒートシールド８及びインナーシールド７の上部に配された上部断熱材９、メインチャンバー２の底部に配置された湯漏れ受皿１０、湯漏れ受皿１０の底部に配置された底部断熱材１１、湯漏れ受皿１０に配置された内側壁断熱材１２等を有していてもよい。このルツボ４中の原料融液３に種結晶を浸漬した後、原料融液３から棒状の単結晶５が引き上げられる。

本発明におけるシールド１６は、熱ロスを抑制する炭素繊維断熱材からなるヒートシールド８と、少なくとも該ヒートシールド８のヒーター６側に断熱材の劣化を抑制するための炭素材又は炭素繊維複合材からなるインナーシールド７とを有するものである。

このインナーシールド７は、支持部材１４によってメインチャンバー２の天井から吊されたものである。インナーシールド７はヒーター６の周囲に配されており、ヒーター６の近傍がインナーシールド７内で最も高温部分となる。この高温部分が断熱材以外の高熱伝導部材と接触すると、熱ロスが大きくなってしまう。そこでインナーシールド７を支持部材１４で吊す構造とすることで熱の伝導経路が支持部材１４のみに限定され、熱ロス低減可能な構造を実現することができる。特に、熱の伝導経路を細く限定するには、支持部材がワイヤー形状又は棒状であることが好ましい。具体的な実施形態を図１及び図３に示した。

支持部材１４の材質としては、特に限られることなく、高温で安定なものが好ましく適用可能である。特に、高融点金属または炭素繊維複合材からなる支持部材１４が好ましく、このような材質であれば高温で安定であり、更に取扱中に破壊されてしまう心配が少ない。また、このような高融点金属としてはＭｏ、Ｗ、又はＴｉが好ましい。より好ましい材質は、熱伝導率が低くて高温で安定な材質である。その点では、ガラス材等も壊れやすい点を除けば適用することができる。熱伝導率が低く高温で安定な材質であればここで示した材質に限らず用いることが可能である。なお、図３では３本のワイヤー形状又は棒状の支持部材１４の例を描いているが、本数及び形状はこれに限るものではない。

支持部材１４がワイヤー形状の場合は、インナーシールド７上端部に設けられた穴１７、又は、インナーシールド７上端部にねじ込み式若しくは接着式によって固定されたアイボルトを通じてインナーシールド７を吊るすものであることが好ましく、支持部材１４が棒状の場合は、インナーシールド７上端部に設けられた穴１７にねじ込み式又は接着式によって直接インナーシールド７を吊るすものであることが好ましい。このような構造にすれば、支持部材１４の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上するものとなる。

さらに、上述した支持部材１４を断熱材で遮蔽することでより熱ロスの低減を図ることができる。具体的には、ヒートシールド８及びインナーシールド７の上部に更に上部断熱材９が配された場合には、支持部材１４が、図４及び図５に示すような、上部断熱材９に形成された貫通孔９ａ（図４）または切り欠き９ｂ（図５）を通るものであることが好ましい。このように設計することでより熱ロスを低減することが可能である。

例えば、インナーシールド７の内径がシールド１６の上部断熱材９の内径より大きい場合であれば、図４に示したような貫通孔９ａを有する上部断熱材９を用いることが好ましい。またインナーシールド７の内径が上部断熱材９の内径と同等であれば、図５に示したような切り欠き９ｂを有する上部断熱材９を用いることが好ましい。

また、図１に示したように、例えばインナーシールド７の底部にツバ状の突起部１５を設け、ヒートシールド８の下部をこの突起で受ける構造とすることによって、ヒートシールド８をインナーシールド７で保持することが可能である。このような構造にすれば、ヒートシールド８とインナーシールド７とを一体物として取り扱うことが可能となり、部品の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上する。

なお、本発明における支持部材１４の形状は、インナーシールド７をメインチャンバー２の天井から吊すものであれば特に制限はされない。このような形状であれば支持部材１４からの熱ロスを抑えることができ、また支持部材１４の局所に応力が集中しにくく壊れにくい形状となる。このような形状としては、例えば図１、図３に示すようにメインチャンバー２の天井から垂直にインナーシールド７を吊す形状が挙げられる。なお、支持部材１４がワイヤー形状又は棒状である場合の本数（２本から約１００本）、形状（丸棒状、多角柱状等）、及び太さはインナーシールド７の重量や材質、及び支持部材１４からの熱ロス等を考慮して適宜選択することができる。

以下、本発明の実施例および比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。

〔実施例〕
炭素材からなるインナーシールドを図３に示したようなタングステンワイヤー３本からなる支持部材で吊るし、ヒートシールド及びインナーシールドの上部に更に上部断熱材を配して切り欠きを設けて図５に示したような形状とし、この切り欠きに上記支持部材を通した他は図１のような単結晶育成装置を準備した。このとき、タングステンワイヤーの直径を３．５ｍｍとし、インナーシールドの厚さは１０ｍｍとした。

この単結晶育成装置内のホットゾーン（ＨＺ）に直径８１ｃｍ（３２インチ）のルツボに原料融液を収容し、磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）により直径３０ｃｍ（１２インチ）のシリコン単結晶を育成した。より詳細には、ルツボ中の原料融液に種結晶を浸漬した後、溶融液から棒状の単結晶を引き上げながら、結晶成長軸方向に昇降可能なルツボを結晶成長中に結晶化して減少した融液の液面下降分を補うように上昇させ、融液表面の高さを一定に保ちながら単結晶の成長を行った。

この単結晶育成装置を用いて問題なく結晶を育成することができた。この単結晶育成装置はインナーシールドを吊す支持部材からの熱ロスを抑制することができ、更にヒートシールド及びインナーシールドの上部に配された断熱材の切り欠きを通る支持部材からの熱ロスを一層小さいものとすることができたので、下記比較例と比較して約８％の省電力を達成することができた。

〔比較例〕
図２に示したように支持部材で炭素材からなるインナーシールドを下から支える単結晶育成装置を準備した。このとき、インナーシールドは、図２に示したようにメインチャンバー底部に設置された炭素材で形成された湯漏れ受皿の上に、炭素材で形成された延長筒形状の支持部を載せ、その上に炭素繊維複合材で形成されたドーナツ形状の円盤によって保持する構造とした。また、このときインナーシールドの厚さは１０ｍｍ、支持部材の厚さは１５ｍｍとした。

この単結晶育成装置内のホットゾーン（ＨＺ）に直径８１ｃｍ（３２インチ）のルツボを装備して、実施例と同様に磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）により直径３０ｃｍ（１２インチ）のシリコン単結晶を育成した。

この単結晶育成装置を用いた場合にも問題なく結晶を育成することができた。しかし、インナーシールドからの熱ロスが大きく省電力を達成することができなかった。

ここではシリコン単結晶育成を例に説明を行ったが、本発明はシリコン単結晶の製造に用いられる単結晶育成装置に限られるものではなく、化合物半導体や酸化物単結晶などのＣＺ法を用いた単結晶育成装置に適用可能である。

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。

１…単結晶育成装置、 ２…メインチャンバー、 ３…原料融液、 ４…ルツボ、 ５…単結晶、 ６…ヒーター、 ７…インナーシールド、 ８…ヒートシールド、 ９…上部断熱材、 ９ａ…貫通孔、 ９ｂ…切り欠き、 １０…湯漏れ受皿、 １１…底部断熱材、 １２…内側壁断熱材、 １４…支持部材、 １５…突起部、 １６…シールド、 １７…穴、 １０１…単結晶育成装置、 １０２…メインチャンバー、 １０３…原料融液、 １０４…ルツボ、 １０５…単結晶、 １０６…ヒーター、 １０７…インナーシールド、 １０８…ヒートシールド、 １０９…上部断熱材、 １１０…湯漏れ受皿、 １１１…底部断熱材、 １１２…内側壁断熱材、 １１３…支持部材、 １１６…シールド

Claims (6)

1. 原料融液を収容するルツボと、該ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、該ヒーターを取り囲むように配置されたシールドとを格納するメインチャンバーを有するチョクラルスキー法による単結晶育成装置であって、
   前記シールドは、炭素繊維断熱材からなるヒートシールドと、該ヒートシールドの前記ヒーター側に炭素材又は炭素繊維複合材からなるインナーシールドとを有するものであり、
   前記インナーシールドは、支持部材によって前記メインチャンバーの天井から吊るされたものであることを特徴とする単結晶育成装置。
2. 前記支持部材は、ワイヤー形状又は棒状であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶育成装置。
3. 前記支持部材がワイヤー形状の場合は、前記インナーシールド上端部に設けられた穴、又は、前記インナーシールド上端部にねじ込み式若しくは接着式によって固定されたアイボルトを通じて前記インナーシールドを吊るすものであり、
   前記支持部材が棒状の場合は、前記インナーシールド上端部に設けられた穴にねじ込み式又は接着式によって直接前記インナーシールドを吊るすものであることを特徴とする請求項２に記載の単結晶育成装置。
4. 前記ヒートシールド及び前記インナーシールドの上部に更に上部断熱材が配されたものであり、
   前記支持部材は、前記シールド上部に配された断熱材に形成される貫通孔または切り欠きを通るものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。
5. 前記支持部材は、高融点金属又は炭素繊維材からなるものであり、前記高融点金属は、Ｍｏ、Ｗ、又はＴｉであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。
6. 前記シールドは、底部に突起部を有する前記インナーシールドと、該インナーシールドの突起部により保持された前記ヒートシールドとを有するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。

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