JP7460010B1 - シリコン単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス排気配管が取り回し易く、配管同士の間のシール材の劣化を防止することができるＣＺシリコン単結晶製造装置を提供する。【解決手段】石英ルツボと、該石英ルツボ内のシリコン多結晶原料を加熱溶融して原料融液とするヒーターとが内部に配置されるチャンバーと、ガス導入配管と、ガス排気配管とを備えており、ＣＺ法によってシリコン単結晶を製造する装置であって、ガス排気配管は、各々が継ぎ手部を有する複数の配管と、冷却水の通水により液冷可能な配管クランプとを有しており、複数の配管の継ぎ手部同士がシール材を間に挟んで対向しており、かつ、該対向した継ぎ手部同士が前記配管クランプにより挟まれていることで、複数の配管同士が接続されており、配管クランプの液冷により、継ぎ手部同士の間のシール材の冷却が可能なものであるシリコン単結晶製造装置。【選択図】図１

Description

本発明はチョクラルスキー法（ＣＺ法）によりシリコン単結晶を製造する装置に関する。

半導体集積回路の基本材料であるシリコン単結晶の製造方法としてチョクラルスキー法がある。ＣＺ法においてはチャンバー内に設けられた石英ルツボ内に高純度のシリコン多結晶原料を投入し、石英ルツボの外周に配置されたヒーターにより加熱してシリコン多結晶原料を溶融させる。この原料融液（シリコン溶融液）に種結晶を浸し、該種結晶を回転しながら引上げることで単結晶を成長させ、円柱状のシリコン単結晶が製造される。

ＣＺ法では、シリコン単結晶の製造装置（引上げ機）にガス排気配管を介して真空ポンプが接続されており、真空ポンプにより、引上げ機に導入された不活性ガス（例えばＡｒガス）を吸引する構成が排気方法として知られている（特許文献１）。

特開２０１７－１１４７０９号公報

上記のような構成での製造装置においては、ガス排気配管は複数の配管が接続されて成っており、その継ぎ手部の間にシール材（例えばＯリング）を介して接続されている。そしてシリコン単結晶を製造する場合、チャンバー内の不活性ガスはヒーターによって加熱されるため、不活性ガスは高温となる。高温となった不活性ガスを真空ポンプにて排気するが、ガス排気配管の継ぎ手部を介し、シール材に熱が伝わり劣化し、シリコン単結晶製造中に不活性ガスがリークする恐れがある。リークがある場合、シリコン単結晶製造装置のチャンバー内の真空が保たれず、品質に影響を及ぼす場合がある。

リークが発生した場合、リーク発生箇所の特定とシール材の交換を行う必要があるが、配管継ぎ手部は多数あるため、点検には時間を要し、その間はシリコン単結晶を製造することができない。

また、シリコン単結晶製造中にはシリコン酸化物が発生し、ガス排気配管内にシリコン酸化物が堆積する為、シリコン単結晶の製造後にはガス排気配管を取り外してシリコン酸化物を除去している。掃除のため、ガス排気配管（複数の配管）は軽量で取り回しやすく、且つ取り外しの容易な構造が望まれていた。

図３は従来技術のガス排気配管１１０の冷却機構の一例を示した説明図である。図３の左図はガス排気配管１１０の軸方向から見た構成説明図であり、右図は左図のＢ-Ｂ’の断面における構成説明図である。隣接する２つの配管１１２（１１２ａ、１１２ｂ）の継ぎ手部１１５同士がシール材１１４を介して円環状に２分割された配管クランプ１１３（１１３ａ、１１３ｂ）をボルトで締め付けることにより接続されている。従来技術では継ぎ手部１１５が高温にならないようにガス排気配管１１０の管本体（つまり、配管１１２の管本体）の外周に水冷配管１２０を巻き付けて溶接しており、水冷配管１２０に通水することでガス排気配管１１０が高温にならないようにしていた。

前記従来技術の手法ではガス排気配管の管本体の外周部を冷却するため、継ぎ手部やシール材付近は冷却されにくいことからシール材を熱で劣化させる場合があった。また、ガス排気配管の掃除の際にはばらして配管を取り外す必要がある。しかし配管には上記のように水冷配管を溶接しているため重く、作業性が悪化する。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、ガス排気配管が取り回し易く、配管同士の間のシール材の劣化を防止することができるＣＺシリコン単結晶製造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に、本発明は、シリコン多結晶原料を収容する石英ルツボと、該石英ルツボ内の前記シリコン多結晶原料を加熱溶融して原料融液とするヒーターとが内部に配置されるチャンバーと、
該チャンバー内に不活性ガスを導入するためのガス導入配管と、
前記チャンバー内に導入された前記不活性ガスを排気するためのガス排気配管とを備えており、
前記原料融液からチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造するシリコン単結晶製造装置であって、
前記ガス排気配管は、各々が継ぎ手部を有する複数の配管と、冷却水の通水により液冷可能な配管クランプとを有しており、
前記複数の配管の継ぎ手部同士がシール材を間に挟んで対向しており、かつ、該対向した継ぎ手部同士が前記配管クランプにより挟まれていることで、前記複数の配管同士が接続されており、
前記配管クランプの液冷により、前記継ぎ手部同士の間の前記シール材の冷却が可能なものであることを特徴とするシリコン単結晶製造装置を提供する。

このような本発明のシリコン単結晶製造装置であれば、配管クランプの液冷により、ガス排気配管での継ぎ手部同士の間のシール材を効果的に冷却することができ、シール材の熱による劣化を防止することができる。このため、従来装置においてシール材の劣化により必要となっていた、リーク点検、シール材の交換の必要性を無くす、あるいは少なくともその頻度を低減することができる。その結果、整備コストを下げることができるし、リーク発生を起因とするシリコン単結晶の品質低下が生じるのを防いでシリコン単結晶の製造ロスを低減することができる。

また、従来装置のようにシール材の劣化防止用として水冷配管を配管の管本体の外周に溶接しなくとも十分にシール材を冷却することができるため、ガス排気配管を構成する複数の配管自体の軽量化を図ることができて取り回し易い。したがって配管内の堆積物の除去の際でも簡便に作業をすることができる。しかも、この液冷型の配管クランプを用いた改造費用の方が、従来の水冷タイプ（配管外周への水冷配管の溶接）の改造費用よりも安くすることができる。

本発明のシリコン単結晶製造装置であれば、ガス排気配管におけるシール材の熱による劣化を防止することができる。そのため、劣化したシール材を起因とするガスのリークの発生を防ぐことができ、リークに伴う各種の作業の必要性やそれに要するコストの発生、単結晶品質の低下を防ぐことができる。しかも、配管自体も軽量なものとなり、配管内の掃除において作業性を向上させることができる。

本発明のシリコン単結晶製造装置の一例を示す概略側面図である。 ガス排気配管の構成の一例を示す説明図である。左図は軸方向から見た構成説明図である。右図は左図のＡ－Ａ’の断面における構成説明図である。 従来装置におけるガス排気配管の冷却機構の一例を示す説明図である。左図は軸方向から見た構成説明図である。右図は左図のＢ－Ｂ’の断面における構成説明図である。

図１に本発明のチョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造装置の一例を示す。このシリコン単結晶製造装置１は、チャンバー２を有している。チャンバー２内に配置された黒鉛ルツボ３内の石英ルツボ４の内部に原料融液５が満たされており、シリコン単結晶６はこの原料融液５から引き上げられる。原料融液５を加熱するためのヒーター７はチャンバー２内で黒鉛ルツボ３の外周に設置され、このヒーター７の外周にはヒーター７からの熱を断熱するために断熱部材８が設置されている。

またチャンバー２の上部にはガス導入配管９が配設されており、下部にはガス排気配管１０が配設されている。そしてそのガス排気配管１０の先には真空ポンプ１１が接続されている。ガス導入配管９からはチャンバー２内を満たすアルゴン等の不活性ガスが導入され、そのガスは下方へ流動し、ガス排気配管１０を通して真空ポンプ１１によって外部へ排気されるようになっている。

シリコン単結晶６の製造の際には、まず、シリコン多結晶原料を石英ルツボ４内に収容し、ヒーター７による加熱で原料融液５にする。ワイヤで吊るした種結晶Ｓを原料融液５に浸漬した後にワイヤを引き上げてシリコン単結晶６を育成する。なお、チャンバー２内にはガス導入配管９から不活性ガスを導入するとともに、ガス排気配管１０から排出している。

ここで本発明のシリコン単結晶製造装置１におけるガス排気配管１０の構成について説明する。図２にガス排気配管１０の構成の一例を示す。図２の左図はガス排気配管１０の軸方向から見た構成説明図であり、右図は左図のＡ－Ａ’の断面における構成説明図である。

ガス排気配管１０は主に複数の配管１２（１２ａ、１２ｂ）、液冷可能な配管クランプ１３、シール材１４を有している。
配管１２自体は端部に継ぎ手部（フランジなど）１５を有していればよい。図２では特に右図からわかるように管本体から継ぎ手部１５にかけて段差が設けられているが、本発明の配管１２の形状はこれに限定されず、この段差が存在していなくともよい。
またシール材１４としては例えばＯリングが挙げられるがこれに限定されない。
図２の左図に示すように、隣接する複数の配管１２（１２ａ、１２ｂ）において、それぞれの継ぎ手部１５同士がシール材１４を間に挟んだ状態で対向している。そして右図に示すように、その対向した継ぎ手部１５同士が配管クランプ１３のクランプ部１８により挟まれていることで、隣接する複数の配管１２同士が接続されている。
なお、左図において円形の実線および点線がほぼ同心円状に描かれているが、これらは配管１２やクランプ部１８の部位を表している。左図の最内周の円形の実線は右図に示す配管１２の内周面１２ｓを表しており、左図の最外周の円形の点線は右図に示すクランプ部１８の内底面１８ｓを表している。

配管クランプ１３は配管１２（継ぎ手部１５）から着脱可能なものとすることができる。着脱可能であることで、配管クランプ１３自体も配管１２自体も共に取り扱いやすくなるし、配管１２の内部を掃除する際に簡便である。一例としては図２の左図に示すように二分割構造のものとすることができ（１３ａ、１３ｂ）、熱伝導率の良い材質（例えばアルミニウム）で製作されている。もちろん分割数は特に限定されず、配管１２の太さ等により適宜決定することができる。

また配管クランプ１３には冷却水の通水による液冷機構を有しており、例えば冷却水を内部に流すための貫通穴１６が設けられている。そして貫通穴１６の入口は、外部から冷却水送液配管１７を接続するためのテーパーネジ形状となっている。つまり、貫通穴１６の入口がめねじになっており、そこに挿入する冷却水送液配管１７がおねじになっている。
貫通穴１６の大きさ（太さ）は特に限定されないが、例えば配管クランプ１３の厚さの４０～５０％のサイズとすることができる。貫通穴１６の太さがこの程度あれば、より効率の良い液冷が可能である。また、テーパーネジ（おねじ、めねじ）については互いにそのサイズに合ったものとすることができる。
図２の貫通穴１６は上下に通水させる直線形状となっているが、この形状も特に限定されず、冷却の効率性等を考慮して種々の形状とすることができる。
なお、ここでは貫通穴１６と冷却水送液配管１７とを接続するタイプについて説明したが、これとは別に例えば冷却水送液配管１７を配管クランプ１３の内部に貫通させるタイプとすることもできる。

ガス排気配管１０を組み立てる際は、複数の配管１２（１２ａ、１２ｂ）の継ぎ手部１５同士をそれらの間にシール材１４としてＯリング等を挟み込んだ状態で対向させ、その対向させた継ぎ手部１５同士の外周に対し、図２の左図に示すように二分割されている配管クランプ１３ａ、１３ｂを左右から寄せる。そして図２の右図に示すように、配管クランプ１３ａ、１３ｂのクランプ部１８内に、対向させた継ぎ手部１５同士を挿入して嵌め合わせ、図２の左図に示すように配管クランプ１３ａ、１３ｂ同士をボルト１９で締め付けることでシールする。図２の左図では左右の２つの配管クランプ１３ａ、１３ｂとの隙間に継ぎ手部１５が見えている。
そして配管クランプ１３に冷却水送液配管１７を接続し、図２の場合では冷却水を上側から下側へと通水するが、逆方向であっても良い。なお冷却水の温度は例えば２０℃程度とすることができるが、この限りではない。冷却水の温度は、ガス排気配管１０内のガスの温度やチャンバー２からの距離等に応じて適宜決定することができる。この冷却水の通水によって配管クランプ１３自体が液冷され、該配管クランプ１３が挟んでいる継ぎ手部１５同士の間のシール材１４を効果的に冷却可能である。

従来装置のガス排気配管における冷却機構では、複数の配管の継ぎ手部同士（シール材が介在）の両側に位置する管本体の外周に溶接した水冷配管を利用して水冷していた。しかしながら、本発明の製造装置での冷却機構は上述したように配管の継ぎ手部同士（シール材が介在）を挟み込む配管クランプを液冷タイプのものとし、該配管クランプを冷却水により液冷することで、把持している継ぎ手部同士、さらにはその間のシール材を冷却するものである。

ガス排気配管がこのような冷却機構を備えていることで、従来よりも配管自体の軽量性や取り回し性が優れているとともに、従来よりも極めて効果的にシール材を冷却可能であり、ガス排気配管を通る高温ガスの熱によるシール材の劣化を防ぐことができる。このため、配管内の堆積物の掃除作業が楽になるだけでなく、シール材の劣化のせいでガスのリークが発生するのを防止可能である。したがってリークが発生した場合の点検等の種々の作業やシール材の交換などの整備コストを削減することができるし、製造するシリコン単結晶の品質がガスリーク起因で低下してしまうのを防ぐことができる。

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…本発明のシリコン単結晶製造装置、 ２…チャンバー、 ３…黒鉛ルツボ、
４…石英ルツボ、 ５…原料融液、 ６…シリコン単結晶、 ７…ヒーター、
８…断熱部材、 ９…ガス導入配管、 １０…ガス排気配管、
１１…真空ポンプ、 １２（１２ａ、１２ｂ）…配管、 １２ｓ…配管の内周面、
１３（１３ａ、１３ｂ）…配管クランプ（液冷型）、 １４…シール材、
１５…継ぎ手部、 １６…貫通穴、 １７…冷却水送液配管、
１８…クランプ部、 １８ｓ…クランプ部の内底面、 １９…ボルト、
Ｓ…種結晶。

Claims (1)

1. シリコン多結晶原料を収容する石英ルツボと、該石英ルツボ内の前記シリコン多結晶原料を加熱溶融して原料融液とするヒーターとが内部に配置されるチャンバーと、
   該チャンバー内に不活性ガスを導入するためのガス導入配管と、
   前記チャンバー内に導入された前記不活性ガスを排気するためのガス排気配管とを備えており、
   前記原料融液からチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造するシリコン単結晶製造装置であって、
   前記ガス排気配管は、各々が継ぎ手部を有する複数の配管と、冷却水の通水により液冷可能な配管クランプとを有しており、
   前記複数の配管の継ぎ手部同士がシール材を間に挟んで対向しており、かつ、該対向した継ぎ手部同士が前記配管クランプにより挟まれていることで、前記複数の配管同士が接続されており、
   前記配管クランプの液冷により、前記継ぎ手部同士の間の前記シール材の冷却が可能なものであることを特徴とするシリコン単結晶製造装置。
   

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