JP5660019B2 - 単結晶引上げ装置 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法による単結晶引上げ装置に関する。

図１０に示すように従来のＣＺ法による単結晶の引上げ装置１０１では、育成中の単結晶落下等のトラブルにより、シリコン融液を収容するルツボ１０２が破損し、高温の融液が漏れ出た場合に備え、メインチャンバー１０３の底部に漏れ出た融液を収容する黒鉛製の湯漏れ受皿１０４が設置されている。そして、電極１０５の周囲、ルツボ軸１０６の周囲、排ガス管１０７の上部には、湯漏れ受皿１０４に収容された融液が流れ込まないように黒鉛製のスリーブ１０５ａ，１０６ａ，１０７ａが設けられ、これらスリーブの高さｈ’は湯漏れ受皿内に操業時の石英ルツボ内の最大融液量が収容できる高さとなっている。もし、これらのスリーブを越えて、融液が電極またはルツボ軸等に達すると、これら水冷されている電極等を溶損し、融液が通水に接すれば、水蒸気爆発等の可能性が考えられる。

近年、大径結晶を製造し、ルツボ１０２に収容する原料融液量が増大すると、これらのスリーブ高さｈ’も高くなってきた。また、消費電力の削減（省エネ）を図るため、特許文献１のようにルツボ１０２の底部近傍に肉厚の断熱板１０８を設けるようになると、この断熱板１０８とルツボ１０２の下部との間隔も狭くなり、ルツボ１０２を下方に移動できるストローク量が小さくなり、ルツボ１０２内の融液深さの増大に伴うストローク量の増加が確保できなくなり、ルツボ１０２に充填できるシリコン原料も制限されていた（図８、９）。ここで断熱板をルツボ底に近い位置ではなく、特許文献２のようにメインチャンバーの底部に断熱材を敷き詰める形で設置するという方法もあるが、ルツボ底部から離れてしまい省エネの効果が半減してしまうので、省エネのためには断熱板をルツボ底部に近接させる必要がある。

特開２００２−３２６８８８号公報 特開平９−２３５１８１号公報

また、ルツボ１０２に収容する融液量を増加させることで、大径単結晶を効率良く、生産性を向上させて製造できるが、湯漏れ時の安全性を確保しようとすると、湯漏れ受皿１０４内のスリーブ高さｈ’が高くなり、ルツボ１０２を下方に移動できるストローク量（昇降可能量）が小さくなる（図１０）。また、省エネを向上するためにルツボ１０２下部近傍に肉厚の断熱板１０８を設けると、その分、断熱板１０８とルツボ１０２との間隔、断熱板１０８とスリーブ１０５ａ，１０６ａ，１０７ａとの間隔が狭くなり、ルツボ１０２を下方に移動できるストローク量が小さくなる（図９）。さらに、肉厚の断熱板１０８を設けた状態で、ストローク量を確保するためにスリーブ高さｈ’を低くすると、湯漏れ時の安全性が確保できない（図８）。

生産性を向上するために、単結晶の製造前に石英ルツボ内への原料チャージ量を増加したり、または単結晶を製造後に原料を追加チャージし、複数の単結晶を製造するマルチプーリングを行う場合、石英ルツボ内の原料充填率を増やしたり、または追加チャージ（リチャージ）したりする際に、単結晶の成長中よりもルツボ１０２のストローク量が必要となる。そのため、ストローク量が少ないとルツボ１０２に収容できる最大融液量（原料チャージ量）が制限され、チャージ量を増やすことができない。具体的には、図８〜１０に示す通り、原料融液上に整流筒１０９と熱遮蔽体が存在するため、ルツボ１０２が下方に降下できないと、石英ルツボ内に投入できる原料の量が制限され、チャージ量を増加することができない。

本発明は、これらの問題に鑑みてなされたもので、ルツボストロークを十分に確保して生産性を向上でき、その上、湯漏れ時の安全性の確保と省エネを達成できる単結晶引上げ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前記原料融液を加熱するヒーターとを格納するメインチャンバーを具備し、該メインチャンバーの底部に前記ルツボから漏れてきた融液を収容する湯漏れ受皿と、前記ヒーターに電力を供給する電極と、前記ルツボをルツボ受皿を介して支持するルツボ軸と、前記メインチャンバーからガスを排出する排ガス管とを有するチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置であって、
前記ルツボと前記湯漏れ受皿との間に上下に昇降可能な断熱板を有し、
前記湯漏れ受皿内に、前記電極の周囲への前記融液の接触・流入を防止する電極スリーブ、前記ルツボ軸の周囲への前記融液の接触・流入を防止するルツボ軸スリーブ、及び前記排ガス管への前記融液の流入を防止する排ガス管スリーブを有し、
前記湯漏れ受皿は、前記ルツボ内に収容される前記原料融液の最大容量以上の容積を有し、かつ
前記断熱板上に前記ルツボの下部を囲繞できるサブ断熱板を有し、該サブ断熱板は前記ルツボ受皿の外径より大きい内径を有す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。

このような単結晶引上げ装置であれば、サブ断熱板の中央内にルツボ底部分が収納できる構造を有するためルツボを下方に移動するストローク量を必要十分に確保でき、これにより、ルツボに充填するシリコン原料を増やすことができる。その上、本発明の単結晶引上げ装置は湯漏れ受皿内に収容できる融液量を増加するためにスリーブ高さを高くすることができるので湯漏れ時の安全を確保することができ、かつ、ルツボ底近傍にサブ断熱板と断熱板を設置することができるので高い省エネ効果を有するものとなる。その上、メインチャンバー内径のサイズアップという単結晶引上げ装置自体の大型化をすることなく、従来の引上げ装置において、ルツボの原料充填量と共に湯漏れ受皿の融液収容量を増加して、かつ、断熱板厚みを増加しても、十分なルツボストロークを確保することが低コストでできる単結晶引上げ装置となる。

また、前記断熱板は、ヒーターと一緒に上下に昇降できるようにヒーターのクランプ上に絶縁物を介して載せられたものであり、
前記断熱板は、ルツボ軸スリーブが貫通することができる中央の開口部、電極スリーブが貫通することができる２か所以上の開口部、及び排ガス管スリーブが貫通することができる１か所以上の開口部を有するものであることが好ましい。

これにより、省エネ効果を高めるためにルツボ底近傍に肉厚の断熱板を設置した場合でも、断熱板にスリーブが貫通できるためルツボを下方に移動するストローク量をより十分に確保することができる。その上、メインチャンバー内径のサイズアップという単結晶引上げ装置自体の大型化をすることなく、従来の引上げ装置において、ルツボの原料充填量と共に湯漏れ受皿の融液収容量を単に増加して、かつ、断熱板厚みを増加しても、十分なルツボストロークを確保することができる単結晶引上げ装置となる。

以上説明したように、本発明の単結晶引上げ装置であれば、ルツボを下方に移動するストローク量を十分に確保できるのでチャージ量を増加して生産性を向上することができ、湯漏れ受皿内のスリーブ高さが高くできるため湯漏れ時の安全を確保することができ、かつ、肉厚の断熱板をルツボ下部に設置できるので省エネを向上することができるものとなる。

これにより単結晶引上げ装置のサイズ自体を大きくすることなく、従来の引上げ装置において従来よりもチャージ量を増加し、湯漏れ時の安全を確保しながら、省エネでき、生産性向上と電力コストの削減をすることができる。

本発明の単結晶引上げ装置のチャンバー底部を示す概略断面図である。 本発明に係る断熱板を示す概略上面図である。 本発明に係るサブ断熱板を示す概略上面図である。 本発明の単結晶引上げ装置のチャンバー底部を示す他の概略断面図である。 本発明の単結晶引上げ装置におけるクランプ部を示す図である。 単結晶引上げ中の本発明の単結晶引上げ装置を示す概略断面図である。 多結晶原料を充填中の本発明の単結晶引上げ装置を示す概略断面図である。 従来の単結晶引上げ装置の第１態様を示す概略断面図である。 従来の単結晶引上げ装置の第２態様を示す概略断面図である。 従来の単結晶引上げ装置の第３態様を示す概略断面図である。

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。上述のように、ルツボストロークを十分に確保して生産性を向上でき、その上、湯漏れ時の安全性の確保と省エネを達成できる単結晶引上げ装置が望まれていた。

本発明者らは、上記問題点について鋭意検討を重ねた結果、断熱板の中央内にルツボ底部分が収納できる構造を有する単結晶引上げ装置であれば、ルツボストロークを十分に確保して生産性を向上でき、その上、湯漏れ時の安全性の確保と省エネを達成できることを見出して、本発明を完成させた。以下、添付の図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

図１及び図４に本発明の単結晶引上げ装置のチャンバー底部を示す。ここで、図１は断熱板を示す図２のＡ’’ＯＡ’矢視図であり、図４は図２のＡＯＡ’’矢視図である。また、図６に単結晶引上げ中の単結晶引上げ装置を示し、図７に多結晶原料が充填された単結晶引上げ装置を示す。図１、４、６、７に示すように、本発明は原料融液１２を収容するルツボ２と前記原料融液１２を加熱するヒーター１１とを格納するメインチャンバー３を具備し、該メインチャンバー３の底部に前記ルツボ２から漏れてきた融液を収容する湯漏れ受皿４と、前記ヒーター１１に電力を供給する電極５と、前記ルツボ２をルツボ受皿６ｃを介して支持するルツボ軸６と、前記メインチャンバー３からガスを排出する排ガス管７とを有するチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置１である。さらに、ルツボ２上に整流筒９と熱遮蔽体を設置できる。

また、本発明の単結晶引上げ装置１は、メインチャンバー３の底部に湯漏れ受皿４が配置され、湯漏れ受皿４内で黒鉛製の電極アダプターとペディスタル６ｂが昇降する。電極アダプターは銅電極５に接続され、ペディスタル６ｂはルツボ軸６に接続されている。電極５及びルツボ軸６は水冷されたものであることが好ましい。電極５と電極アダプターの周囲には電極５の周囲への融液の接触・流入を防止するために電極スリーブ５ａが取付けられ、ルツボ軸６とペディスタル６ｂの周囲にはルツボ軸６の周囲への融液の接触・流入を防止するためにルツボ軸スリーブ６ａが取付けられている。また、排ガス管７上には排ガス管７への融液の流入を防止するために排ガス管スリーブ７ａが取付けられている。なお、これらスリーブは黒鉛製であることが好ましい。また、特に制限されないが、排ガス管スリーブ７ａは上端近くに横穴が設けられ、上端は漏れ出た融液が排ガス管７内に落ちないように閉じられているものとすることもできる。

図７に示すように、ペディスタル６ｂの上に黒鉛ルツボ２ａが配置され、その中に石英ルツボ２ｂがセットされ、石英ルツボ２ｂ中にシリコン多結晶が原料として充填され、周囲の黒鉛製のヒーター１１で加熱され、シリコン原料融液１２となる（図６）。図５は図４の単結晶引上げ装置のＢ矢視図である。図４及び図５に示すように、ヒーター１１は、クランプ５ｃを介して電極アダプターに接続され、クランプ５ｃとヒーター１１はクランプボルト５ｄで固定されている。なお、クランプ５ｃ、クランプボルト５ｄは黒鉛製であることが好ましい。また、クランプ５ｃは絶縁物支持部５ｅを有し、その上に円板状の絶縁物５ｆを有することにより絶縁物５ｆ上に断熱板８を載せることができるものとすることができる。さらに、図５に示すように絶縁物支持部５ｅは電極スリーブ５ａの上端位置より低い位置とすることが好ましく、これにより更にルツボストロークを確保することができる。

また、本発明の単結晶引上げ装置１の湯漏れ受皿４は、ルツボ２内に収容される原料融液の最大容量以上の容積を有するので、湯漏れ時の安全性が確保される。融液の流入を防止するにはスリーブが一定高さｈ以上であることが必要となるが、これはルツボ２内に収容される原料融液の最大容量に応じて適宜高くすることができる。

単結晶引上げ装置１は、ルツボ２と湯漏れ受皿４との間に上下に昇降可能な断熱板８を有する。図２に示すように、断熱板８には電極スリーブ５ａの貫通できる開口部８ｂ（切り欠き部）が２か所以上あり、また、排ガス管スリーブ７ａの貫通できる開口部８ｃ（切り欠き部）が１か所以上あることが好ましい。尚、メインチャンバー内の構造によっては、これらの開口部８ｂ，８ｃを設けなくてもルツボストロークが確保できる場合もある。また、断熱板８中央にはルツボ軸スリーブ６ａの貫通できる開口部８ｄ（穴）が開いていることが好ましい。このような開口部８ｂ，８ｃ，８ｄを有することでスリーブの高さが高くともルツボストロークを確保することができる。

さらに、単結晶引上げ装置１は、断熱板８上にルツボ２の下部を囲繞できるサブ断熱板８ａを有し、このサブ断熱板８ａはルツボ受皿６ｃの外径より大きい内径を有する。これによりサブ断熱板８ａの内側に黒鉛ルツボ２ａ下部のルツボ受皿６ｃが降下できる構造となっている。そのため、ルツボ２下部に肉厚のサブ断熱板８ａを設けてもルツボストロークを十分に確保することができる。なお、ルツボ受皿６ｃは黒鉛製であることが好ましい。これにより、下部の断熱効果が大幅に向上する。

また、サブ断熱板８ａの形状は特に制限されないが、例えば、図３（ａ），（ｂ）に示すように２分割されたリング形状とすることができる。また、図３（ｂ）に示すように、サブ断熱板８ａの断熱板８の開口部８ｂ，８ｃ，８ｄに対応する部分に開口部を設けることもできる。これにより一層ルツボのストロークを長くすることが可能となる。

さらに、断熱板８は、ヒーター１１と一緒に上下に昇降できるようにヒーター１１のクランプ５ｃ上に絶縁物５ｆを介して載せられたものであることが好ましい。特に制限されないが、例えば、図２の断熱板８裏側の開口部８ｂ横の２か所ずつの破線円で示した箇所で、絶縁物５ｆを介してクランプ５ｃ上に載せられることができ、その断面図は図２の断熱板８の断面ＡＯＡ’’矢視図である図４のようになる。ここで示されるように、絶縁物支持部５ｅに円板状の絶縁物５ｆを載せ、その上に断熱板８を載せたものとすることができる。このような構造により、断熱板８は、ヒーター１１の昇降に合わせ、同期して一緒に昇降することが可能となる。

以上の構造により、ヒーター１１と一緒に上下に昇降可能な肉厚の断熱板８をルツボの下部近傍に位置させ、ルツボ底部の断熱性を高め、電力ロスを減少させ、省電力化を高めることができる。

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〕
図７に示すような、直径２０インチ（５０．８ｃｍ）のルツボを装備した単結晶引上げ装置において、最大初期チャージ量を従来の７０ｋｇより１００ｋｇにアップした。これに伴い１００ｋｇの融液量を湯漏れ受皿内に収容できるようにするため、スリーブ高さを５０ｍｍアップした。図７に示すようにルツボ下部の断熱板は従来と構造を変え、上下２段重ねの断熱板の内、下段の断熱板は従来の厚みを３０ｍｍとし、上段のサブ断熱板は形状を図３のようにし、２分割されたリング形状で厚みを４０ｍｍとした。上下の断熱板を合わせた厚みが７０ｍｍとなったが、上段のサブ断熱板の内側にルツボ下部が収容できる構造であり、また、湯漏れ受皿内のスリーブが断熱板を貫通できる構造であったため、図７のようにルツボ内にシリコン原料１００ｋｇを一度に仕込んだ状態でも、ルツボ内の原料と整流筒との間隔を十分に確保でき、追加チャージすることなく、１００ｋｇの原料を一括で溶融することができた。また、ルツボが下方に降下できるストロークが十分にあるため、リチャージ量を７５ｋｇまで増加することができ、１００ｋｇチャージで７５ｋｇのシリコン単結晶をマルチプーリングで３本製造できた。なお、断熱板はヒーターのクランプ上に絶縁物を介して載せられているものとした。

〔比較例１〕
図８に示すような、直径２０インチ（５０．８ｃｍ）ルツボを装備した従来の単結晶引上げ装置において、最大初期チャージ量を７０ｋｇとし、最大リチャージ量を５０ｋｇとし、５０ｋｇのシリコン単結晶をマルチプーリングで３本製造した。ここで７０ｋｇのシリコン原料を仕込んだ状態を図８に示すが、ルツボ内の原料と整流筒との間隔が５０ｍｍ以上確保され、リチャージが支障なく、実施できていた。しかしながら、その分スリーブの高さが短くなり、原料融液の最大容量以上の容積を有することができず、湯漏れ時の安全性が確保されていなかった。なお、ルツボ下部の断熱板は従来と同構造のまま、厚み６０ｍｍでヒーターのクランプ上に絶縁物を介して載せられている。

〔比較例２〕
図９に示すような、直径２０インチ（５０．８ｃｍ）ルツボを装備した従来の単結晶引上げ装置において、最大初期チャージ量を従来の７０ｋｇより１００ｋｇにアップした。１００ｋｇの融液量を湯漏れ受皿内に収容できるようにするため、スリーブ高さを５０ｍｍアップした。ここで７０ｋｇのシリコン原料を仕込んだ状態を図９に示す。ルツボ下部の断熱板は従来と同構造のまま、厚み６０ｍｍでヒーターのクランプ上に絶縁物を介して載せられている。ルツボの最下端位置において、ルツボ内の原料と整流筒との間隔が５０ｍｍ狭くなり、リチャージ時にルツボを十分に下降できなくなり、マルチプーリングができなくなってしまった。このため、１００ｋｇチャージから９５ｋｇのシリコン単結晶を１本引きで引き上げて、単結晶の製造を終了した。

〔比較例３〕
図１０に示すような、直径２０インチ（５０．８ｃｍ）のルツボを装備した従来の単結晶引上げ装置において、最大初期チャージ量を７０ｋｇより１００ｋｇにアップし、断熱板厚みを半分の３０ｍｍとして、ルツボをさらに３０ｍｍ下降できるようにした。しかしながら、最大リチャージ量が従来５０ｋｇから６５ｋｇまでが限界となった。このため、１本目に７５ｋｇのシリコン単結晶を製造した後、２本目以降は９０ｋｇチャージとし、チャージ量を減らしてマルチプーリングを行った。その結果、断熱板の厚みを半分としたため実施例１、比較例１、２と比べて電力消費が増大した。

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…単結晶引上げ装置、 ２…ルツボ、 ２ａ…黒鉛ルツボ、 ２ｂ…石英ルツボ、 ３…メインチャンバー、 ４…湯漏れ受皿、 ５…電極、 ５ａ…電極スリーブ、 ５ｃ…クランプ、 ５ｄ…クランプボルト、 ５ｅ…絶縁物支持部、 ５ｆ…絶縁物、 ６…ルツボ軸、 ６ａ…ルツボ軸スリーブ、 ６ｂ…ペディスタル、 ６ｃ…ルツボ受皿、 ７…排ガス管、 ７ａ…排ガス管スリーブ、８…断熱板、 ８ａ…サブ断熱板、 ８ｂ，８ｃ，８ｄ…開口部、 ９…整流筒、 １１…ヒーター、 １２…原料融液、 ｈ…スリーブの高さ
１０１…単結晶引上げ装置、 １０２…ルツボ、 １０３…メインチャンバー、 １０４…湯漏れ受皿、 １０５…電極、 １０５ａ…電極スリーブ、 １０６…ルツボ軸、 １０６ａ…ルツボ軸スリーブ、 １０７…排ガス管、 １０７ａ…排ガス管スリーブ、 １０８…断熱板、 １０９…整流筒、 ｈ’…スリーブの高さ

Claims (1)

1. 原料融液を収容するルツボと前記原料融液を加熱するヒーターとを格納するメインチャンバーを具備し、該メインチャンバーの底部に前記ルツボから漏れてきた融液を収容する湯漏れ受皿と、前記ヒーターに電力を供給する電極と、前記ルツボをルツボ受皿を介して支持するルツボ軸と、前記メインチャンバーからガスを排出する排ガス管とを有するチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置であって、
   前記ルツボと前記湯漏れ受皿との間に上下に昇降可能な断熱板を有し、
   前記湯漏れ受皿内に、前記電極の周囲への前記融液の接触・流入を防止する電極スリーブ、前記ルツボ軸の周囲への前記融液の接触・流入を防止するルツボ軸スリーブ、及び前記排ガス管への前記融液の流入を防止する排ガス管スリーブを有し、
   前記湯漏れ受皿は、前記ルツボ内に収容される前記原料融液の最大容量以上の容積を有し、かつ
   前記断熱板上に前記ルツボの下部を囲繞できるサブ断熱板を有し、該サブ断熱板は前記ルツボ受皿の外径より大きい内径を有するものであり、
   前記断熱板は、前記ヒーターと一緒に上下に昇降できるように前記ヒーターのクランプ上に絶縁物を介して載せられたものであり、
   前記断熱板は、前記ルツボ軸スリーブが貫通することができる中央の開口部、前記電極スリーブが貫通することができる２か所以上の開口部、及び前記排ガス管スリーブが貫通することができる１か所以上の開口部を有するものであることを特徴とする単結晶引上げ装置。

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