JPH03131590A - 単結晶シリコン引上げ用チヤンバー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、半導体工業に用いられる単結晶製造装置に係
り、特にチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製
造袋ｆｆ１Ｅ（以下、「ＣＺ炉」という）の底部、すな
わち基底部に熱伝導性の良い材料を使うことで安全性を
著しく向上させた発明に関するものである。

〔従来の技術］ 従来、ＣＺ炉のチャンバーは１種々製造販売されている
が、そのいずれにもステンレス系の鋼材が用いられ、チ
ャンバーの基底部の上には通常、グラファイト製の受皿
及びカーボンウールが備えられている。

［解決しようとする課題］ 本発明が関わる半導体分野において、ＣＺ法により製造
される単結晶シリコンには、この分野における技術の進
歩に伴ない、ますます大径のものが要求されてきており
、現在はすでに、直径約２００ｍｍ、重量９０ｋｇを超
えるものも造られるようになってきた。このような単結
晶シリコンを造るためには、直径が２０インチ以上のル
ツボに１３０ｋｇ以上の多結晶シリコンを溶かさなけれ
ばならない。

このようにして単結晶シリコンを引き上げているときに
、地震やその他の事故が発生すると、この引上中のシリ
コンが落下してルツボを破損することがある。ルツボが
破損すると、中のシリコン融液がこぼれ、とくに多量の
場合、これがルツボ下に置かれたグラファイト製の受皿
から溢れ出し、基底部へ落ちる。こぼれ落ちたシリコン
融液は基底部を溶かして、基底部内に通水されている冷
却水にふれ、熱交換して水蒸気の急激な発生による圧力
上昇や、ときとして水蒸気爆発を惹き起こす。

状況によっては、さらにヒーター等のカーボンと水蒸気
が反応して、水性ガスが発生することもある。

すなわち、地震等の事故によって単結晶シリコンの引上
げ中に引上げた単結晶シリコンが落下してルツボが破損
し、シリコン融液がこぼれ基底部に流れると、この基底
部に使われているステンレス系鋼材は、熱伝導が悪いた
め（１８−８ステンレスの熱伝導率は１９から１６Ｗ／
ｌ１ｌ−Ｋ　ａｔ５００°Ｋ）冷却効果が充分に働かず
にシリサイド化する温度に容易に到達してしまうものと
思われる。ステンレス鋼の融点（たとえば、１８−８ス
ンレスの融点は１４００〜１４２０℃）よりも低い物質
ができ、さらに、シリサイド化する際の反応熱で反応が
促進され、基底部が溶け、ついには内部に通じている冷
却水が噴出する。

シリコン融液はこのとき固まるが、高温度のシリコン、
ヒーター、及び保護筒等に冷却水が触れ、水蒸気の急激
な発生による圧力上昇を起す。シリンコとほぼ同じ融点
をもつステンレス鋼が水冷しであるのにもかかわらず、
穴が空くのはこのような理由によると考えられる。こう
した事故は、特に基底部に起り過去に頻繁に発生してい
る。

従来は、これらの事故回避するため、基底部上にカーボ
ンウールを敷いたりして対応しているが、かえって、粉
塵の発生や、吸蔵ガスによる汚染により、シリコン単結
晶の歩留り低下をきたすこととなっている。

［課題を解決するための手段］ 本発明は上記のような、従来のＣＺ炉における危険性や
、粉塵の発生等による不具合は、基底部の熱伝導を良く
することによって解決されることが種々の実験により明
らかになったことから成されたもので、チョクラルスキ
ー法による単結晶シリコン引上げ用チャンバーにおいて
、基底部を、５０００、Ｋで５０Ｗ／ｍ−に以上の熱伝
導率を有する、たとえば、銅、黄銅、ネパール黄銅、リ
ン青銅、砲金、クロム、ニッケル、鉄、またはアルミニ
ウム等の材質で構成し、かつ該基底部は、たとえばジャ
ケット構造等の水冷機構を備えたことを特徴としている
。

また、従来清浄度を重視して腐食性の少ないステンレス
系鋼材が主流であっったが、本発明は、腐食されやすい
材質、特に鉄、アルミニウム等においてはその表面にク
ロム、ニッケル等のメッキを施すことによって、腐食さ
れてできる金属不純物の粉塵の発生を抑え、清浄度に対
しても充分に対応ができる。

メッキしにくい金属は、たとえばチタン、タンタル、ジ
ルコニウム、ステンレス鋼の異種金属材料の接合を施し
ても良い。すなわち、圧延クラッド法、爆発接合法（爆
着）等を使うことによって異種間の薄い膜を被覆できる
。

このようにメッキ、クラツド鋼としても被覆が非常に薄
いので、本発明に採用される金属のもつ熱伝導性の良さ
が損なわれることはない。これらの被覆はあくまでも腐
食等によってできた粉末飛散防止のためであり、厚くす
る必要はないし、また、シリコンと反応しやすいステン
レス鋼もクラツド鋼の材質に使え、同様にニッケルもメ
ッキと２、ア俸脅るのであＡ また、シリコンと反応しにくいチタン、タンタル、モリ
ブデン等の金属板の場合、熱伝導がステンレス鋼と同程
度悪いチタン（２０Ｗ／ｍ４　ａｔ５００°Ｋ）でもこ
のような事故を起さないことは容易に推察できるが、機
械的強度を必要とするだけの厚みのある高価な板材をそ
のまま使うことは、非常に不経済であるので得策ではな
い。

なお、本発明によるチャンバーの基底部には、シリコン
融液が多量にこぼれた場合の溜として、若干のふちを設
けた方が、危険状況をつくる機会をより少なくすること
ができる。

［作用］ 本発明による単結晶シリコン引上げ用チャンバーは、そ
の底部の基底部が、熱伝導の良い材料で構成され、さら
に、この基底部内がジャケット構造になっており、これ
に通水し冷却を行なえる。

熱伝導が良好なため、事故によるシリコン融液の落下と
、それに伴うシリコン融液との反応があっても、反応に
必要な熱量の蓄積が冷却作用によす長く続かず、反応熱
の蓄積がなく、反応の進行が止んで、基底部に穴が空く
までには到らない。

勿論、前記のようにメッキやクラツド鋼にしても、これ
によって熱伝導等を悪化させることはない。

因に、ルツボ内のシリコン融液の温度を測定すると、沸
点とほぼ同じ１４３０℃程度である。一方、１８−８ス
テンレス系鋼材の融点は、１４００℃〜１４２０℃であ
るが、熱伝導がきわめて悪い（１６〜１９Ｗ／ｍ・Ｈａ
ｔ　５００″Ｋ＞、このためステンレス系の基底部には
穴が空いて、前述のような事故を惹き起こす。

実験によれば、基底部に熱伝導の良い材料を使い、これ
を冷却すると、流れ落ちてきたシリコン融液の温度が直
ちに下がり、表面のわずかな層だけが反応し、内部深く
に反応が進行しないことが確認された。これは、基底部
がシリサイド化するために要する充分な熱量が供給され
なくなるためだと考えられる。

また、胴の部分まで本発明で採用した材料を使うことは
、冷却作用が良くなるため熱損失が太きくなる。このた
め結晶育成にはかえって悪い影響を与えるので得策では
ない。

［実施例１］ 第１図は、本発明による単結晶引上げ用チャンバーの一
実施例を示す縦断面図である。

基底部８は、ジャケット構造１１を備え、水冷可能に構
成されている。ジャケット内面からチャンバー内表面ま
での厚みは５ｎ＋ｍの銅で作られ、この銅の熱伝導率は
３８５Ｗ／　ｍ−Ｋ　ａｔ５００＠にである。

この基底部８を水冷しつつ、シリコン融液を約５００ｃ
ｃ流したところ、溶けたシリコンは基底部上で直ちに固
まり、流れは止まった。そして、銅表面はわずかに侵食
されたのみであった。

なお、銅の熱伝導率は３８５Ｗ／　ｍ−Ｋ　ａｔ　５０
０゜Ｋであるが、熱伝導率が、６２Ｗ／　ｍ−Ｋ　ａｔ
５０００、Ｋの鉄で、同様の実験を試みたところ、穴は
空かなかった。これらのことから、５０００、Ｋで５０
Ｗ／ｍ−に以上の熱伝導率を有するもので、しかもこれ
を水冷すると、実用的な５ｎ＋ｏ＋厚みで、穴空きが防
げることが判った。

［実施例２コ 基底部８に、実施例１と厚みは同一で鉄で製作したジャ
ケット構造のチャンバー内表面に、０．１ｍｍのチタン
膜を爆着によって接合した材料を使って、実施例１と同
様の実験をくりかえしおこなったが、穴は空かなかった
。

［実施例３］ 基底部８に、実施例２と同様、鉄で製作したジャケット
構造のチャンバー内表面に、０．１ｍｍのニッケルメッ
キを施した材料を使って、実施例１と同様の実験をくり
かえしおこなったが、穴は空かなかった。

［実施例４］ 基底８５８に、実施例１と厚みは同一で、アルミニウム
（融点６６０℃、熱伝導率４１０１１１／ｍ−Ｋ　ａｔ
５００’　Ｋ）とタンタルとのクラツド銅で製作した材
料を使つて、実施例１と同様の実験をくりかえし行なっ
たが、穴は空かなかった。

［実施例５］ 基底部８に、クロムメッキを施した鉄を用い、第１図の
本発明による単結晶引上げ用チャンバーと、カーボンウ
ールを敷いた第２図の従来の単結晶引上げ用チャンバー
とで、チャンバー内の粉塵の発生の比較を行なった。す
なわち、アルゴンガスな流しながら、パーティクルカウ
ンターにてチャンバー１２内の粉塵の量を測定した。従
来のものは粉塵飛散が多く、測定範囲をはるかに越えて
計れなかったが、メッキを施した本発明によるものは、
０．５μ以上の塵が、１００個／ｃｆ以内でクラス１０
０並の値を得た。本発明の単結晶引上げ用チャンバーに
よれば、粉塵の発生が著しく少ないことが確認された。

［発明の効果］ 本発明の単結晶シリコン引上げ用チャンバーによれば、
その基底部が、５００’　Ｋで５０Ｗ／ｍ−に以上の熱
伝導の良い材料で構成され、かつ水冷可能に構成されて
いるため、たとえ、ルツボ割れに伴いシリコン融液がこ
ぼれ落ちても、直ちに冷却され、ステンレス系の材料の
ように水冷部分に穴が空いたり、それによる、水蒸気の
急激な発生で圧力上昇が生じたりずようなことがなく、
安全が保たれる。

また、本発明の単結晶シリコン引上げ用チャンバーよれ
ば、単結晶の育成に悪影響を及ぼす５発塵のもとになっ
たり、吸蔵ガスによる汚染源になったりするカーボンウ
ール等を入れる必要がないため、歩留りの向上にも寄与
する。

さらに、本発明を実施するに当たっても、新たな設備を
設けることなくチャンバーを製作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の単結晶シリコン引上げ用チャンバー
の縦断面図。 第２図は、従来の単結晶シリコン引上げ用チャンバーの
縦断面図。 １・・・・石英ルツボ ２・・・・シリコン融液 ３・・・・カーボンルツボ ４・・・・ヒーター Ｓ・・・・保温筒 ６・・・・グラファイト受皿 ７・・・・カーボンウール ８・・・・基底部 ９・・・・電極 １０・・・・ルツボ回転軸 １１・・・・ジャケット構造 １２・・・・チャンバー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、チョクラルスキー法による単結晶シリコン引上げ用
   チャンバーにおいて、基底部が、５０００、Ｋで５０Ｗ
   ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有する材料で構成され、かつ
   該基底部に水冷機構を備えたことを特徴とする単結晶シ
   リコン引上げ用チャンバー。 ２、基底部が、銅、黄銅、ネパール黄銅、リン青銅、砲
   金、クロム、ニッケル、鉄、またはアルミニウムで構成
   されていることを特徴とする請求項１記載の単結晶シリ
   コン引上げ用チャンバー。 ３、基底部の表面にクロムまたはニッケルのメッキを施
   すことを特徴とする請求項１記載の単結晶シリコン引上
   げ用チャンバー。 ４、基底部の表面に、チタン、タンタル、ジルコニウム
   または、ステンレス銅で異種材料の接合を施すことを特
   徴とする請求項１記載の単結晶シリコン引上げ用チャン
   バー。