JPH09194295A - 炉に固体材料を供給するためのシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体材料をるつぼ上の同じ高さであるが異な
る半径位置に供給できる固体材料供給システムを提供す
る。 【解決手段】 固体材料を溶融炉に供給するシステム
は、るつぼの上で選択した半径位置に配置するためのロ
ーターが取り付けられた、炉内に部分的に位置する供給
チューブを有する。ローターは、熱膨張および収縮を補
償する構造であり、いずれの操作温度においても供給チ
ューブを自由に動かせ、また、粒状物により生じる動作
不能を防止する構造である。供給チューブは、固体材料
がコントロールされて閉塞しないで流れるように形成さ
れる。供給チューブと出口の形状はるつぼ内に円筒形状
のストリームを落下させる形状である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的には炉に材
料を供給するためのシステム、特に固体材料を溶融する
炉に材料を供給するための固体材料を供給するためのシ
ステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】本発明は、半導体材料を製造する分野に
おいて特に用いられるが、その分野に限定されるもので
はない。半導体材料を製造する最も一般的な製造方法
は、チョコラルスキー（Czochralski）法であり、この
方法では、高純度の多結晶シリコン（ポリシリコン、po
lysilicon）のソース材料（原料、 source material）が
炉（即ち、結晶成長炉）の中のるつぼ（坩堝、 crucibl
e）で溶融され、メルト（溶融物、 melt）が生成する。
この溶融プロセスが一旦完結すると、引っ張りワイヤ
（pull wire）の端に取り付けた種結晶を下げて回転し
ているるつぼの中のメルトと接触させる。次に、この種
結晶をソース材料からゆっくり引き上げて種結晶の周囲
で固化する単結晶のインゴットを形成する。

【０００３】１またはそれ以上のインゴットを形成する
ためにある量が取り出された後、このソース材料を補給
または交換する必要がある。ソース材料の交換は、炉の
シャットダウンを伴う場合があり、この場合、るつぼお
よび残っているソース材料を取り出して、炉に新たなる
つぼを配置する。新しい固体のソース材料がるつぼに配
置されて溶融される。必要な固体ソース材料の全てを供
給して一度にるつぼにおいてメルトを形成しないのがよ
り良い。炉の中で溶融が既に始まった後に、いくらかの
固体のソース材料をるつぼに入れるのが好ましい。この
供給方法を達成するには、炉の外部にある多結晶シリコ
ンのソースから炉内に延びる供給システムが必要であ
る。

【０００４】現在では、固定式シュート（fixed chut
e）を有する供給システムがあり、このシュートは、固
体のソース材料をるつぼに供給するために、炉の中でる
つぼの開いた頂部に延びている。しかしながら、種結晶
を下げてるつぼの中央でメルトと接触させるために、ま
た、るつぼから上向きにインゴットを引き出すために空
間が必要であるので、この固定シュートは、るつぼの片
側に配置する必要がある。従って、シュートにより供給
される固体材料は、るつぼの中央またはその付近には供
給されないことになるが、メルトを最初に形成する場合
には、この中央供給が最も望ましい。

【０００５】炉の中で延びて、また、引っ込む望遠鏡式
シュート（telescoping chute）も有り、これは、初期
のメルト形成時にるつぼの中央にシュートの端部を配置
し、また、結晶引き上げ工程のために中央からシュート
を取り去るようになっている。しかしながら、この望遠
鏡式シュートは、炉の中で同じ高さの複数の半径方向位
置でメルトに固体ソース材料を供給することができな
い。固体材料がシュートを流下するには、炉の中央に向
かって下方向の角度が必ず必要である。従って、シュー
トを引っ込めると、その出口端部はメルトの上方で益々
高い位置に移動する。固体材料は、メルトに入る時には
ね散り易く、また、多結晶シリコンはるつぼから外には
ね出易いので、メルトの遥か上方の位置から固体材料を
供給することは望ましくない。従って、実際には、望遠
鏡式シュートは、るつぼで種々の半径方向位置から選択
して固体ソース材料を供給することができない。これを
操作するには、望遠鏡式シュートは、床から比較的高い
位置に配置された固体ソース材料のフィードを保持する
ホッパーを必要とするが、これではホッパーに到達する
のが困難となる。

【０００６】メルトの補給は、インゴットをメルトから
引き上げる時と実際には同時に行なう場合があり、これ
には、結晶引き上げの過程の間および／または連続する
結晶引き上げ同士の間に、固体、典型的にはペレット状
のソース材料（例えば、流動床多結晶シリコン、fluid
bed polysilicon）をメルトに添加することが含まれ
る。このようにして、炉がまだ運転中である時に、ソー
ス材料を補給する。従って、炉をシャットダウンする必
要がなく、るつぼが必要な頻度で交換される。当然であ
るが、補給はメルトの交換に代わるものではなく、むし
ろ、交換が必要となる前にメルトの有効寿命を延ばすた
めに使用できるものであることを理解されたい。

【０００７】補給は、固体ソース材料をるつぼの中央の
上方のある位置だけに供給する供給システムでは実施で
きない。中央空間は、結晶の引き上げのために空けたま
まにしておく必要がある。現在では、るつぼの開いた頂
部の半径外側部分に固定式シュートが配置される。しか
しながら、これらのシュートは、るつぼの中央近辺に固
体のソース材料を供給するのがより良いメルトの交換に
使用できるという融通性を持たない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って、現在、固体ソ
ース材料をるつぼ上の同じ高さであるが異なる半径位置
に供給することができる固体ソース材料を供給するシス
テムが必要とされている。更に、固体ソース材料の流れ
が詰まらず、固体材料がるつぼに落下する時に、固体ソ
ース材料が垂直な下向きの速度成分のみを実質的に有す
る供給システムも必要である。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の幾つかの目的お
よび特徴の中で、固体ソース材料をるつぼに落下させる
半径方向位置を変えるように選択的に調節できるように
すること；るつぼの上で同じ高さを維持しながら、半径
方向の調節ができるような供給システムを提供するこ
と；半径方向の調節を可能にする要素の実質的な温度変
動に拘わらず、半径方向の調節ができるような供給シス
テムを提供すること；供給システムの可動要素において
粒状物およびダストがたまる結果として、ジャムを起こ
す（jam、例えば詰まったり、動かなくなる）傾向が実
質的に減るような供給システムを提供すること；粒状物
およびダストが可動要素を通過できるような供給システ
ムを提供すること；粒状固体材料をフィードチューブお
よび供給チューブ内に実質的に含むような供給システム
を提供すること；および使用が容易であるような供給シ
ステムを提供することに着目できる。

【００１０】一般的に、本発明の原理に基づいて構成さ
れる固体材料を溶融する場合に使用する炉システムは、
炉シェルを有して成り、この炉シェルはその内部を実質
的に隔離する。溶融すべき固体材料を保持するために炉
シェルの内部に配置するるつぼは、その頂部を経由して
材料を受容するような構造になっている。炉シェルの熱
源は、るつぼを加熱し、固体材料を溶融する。流動可能
な固体材料を供給する固体材料供給システム（solid ma
terial delivery system）は、一般的にるつぼの上方で
炉シェル内に少なくとも部分的に配置された供給チュー
ブ（delivery tube）を有して成る。この供給チューブ
は出口を有し、炉シェルの外側のソース（材料源）から
固体材料を受け取るような構造になっている。炉シェル
に対して相対的にスウィング動作（swing motion、回転
または振り動作）するために手段が供給チューブに配置
され、その動作により、るつぼの頂部に対して相対的に
供給チューブの出口の半径位置を選択的に変えることが
できる（即、軸回転できる）。供給チューブの出口を半
径方向に選択的に位置決めするように、アクチュエータ
ーが供給チューブのスウィング動作を始動させる。

【００１１】本発明のもう１つの要旨では、供給チュー
ブは、センターライン（中心線）を有する上方端部分お
よびその上方端部分から横方向外向きにある角度で延び
るセンターラインを有する角度付き部分を有して成る。
上方端部分のセンターラインと角度付き部分のセンター
ラインとの間の角度は、９０°に固体材料の安息角より
大きい角度を加えたものである。

【００１２】本発明の更にもう１つの要旨では、供給チ
ューブは、上方部分、上方部分からある角度で横方向外
向きに延びる角度付き部分および角度付き部分からある
角度でほぼ下向きに延びる出口部分を有して成る。出口
部分の長さの直径に対する割合は、少なくとも約１であ
る。

【００１３】本発明の更にもう１つの要旨では、供給チ
ューブは、上方部分、上方部分からある角度で横方向外
向きに延びる角度付き部分および角度付き部分から有る
角度でほぼ下向きに延びる出口部分を有して成る。この
角度付き部分は、出口部分より拡がった球根状（ふくら
んだ）端部（bulbous end）を有する。

【００１４】本発明の他の目的および特徴は、部分的に
は明らかであり、また、部分的には以下において指摘す
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】図面、特に図１を参照すると、引
用番号１０により一般的に示される結晶成長炉を示して
いるが、これは、半導体ウエハーを製造するために加工
される単結晶半導体インゴット（図示せず）を成長させ
るために使用する種類のものである。結晶成長炉に取り
付けられた（引用番号１２により一般的に示される）固
体材料供給システムは、ペレットまたは粒状形態の高純
度の多結晶シリコンを炉１０に供給できる。ここで説明
する態様は、流動床多結晶シリコンを使用する場合を引
用する。しかしながら、流動できる他の粒状形態の多結
晶シリコンも使用できると理解すべきである。同時に、
炉１０および供給システム１２は、好ましい態様におい
て、炉システムを構成すると理解すべきである。ここで
説明する好ましい態様は半導体製造に関するが、本発明
の原理はもっと広範な用途を有すると理解すべきであ
る。

【００１６】結晶成長炉１０は、炉の内部を周囲の環境
から実質的に隔離できるシェル１４を含む。シェル１４
の中に引き上げチャンバー１６および結晶成長チャンバ
ー１８が形成され、これらは相互に隔離できる。結晶成
長チャンバー１８内のるつぼ２０は、固体の多結晶シリ
コンおよび溶融したシリコンにより形成されるメルトを
保持できる。るつぼ２０は好ましくは石英で作られ、る
つぼ内で保持される多結晶シリコンを汚染しないように
なっており、また、るつぼの頂部はその中に固体シリコ
ンを受け入れるために開いている。るつぼ２０は、シェ
ル１４内で回転させるためにターンテーブル２２により
支持される。グラファイトヒーターならびにるつぼ２０
およびターンテーブル２２に隣接する断熱材を、それぞ
れ、図１にて２４および２６で示している。ここで説明
する炉１０は、チョコラルスキー法により単一の結晶シ
リコンの結晶を成長させるために当該分野において周知
である種類のものである。そのような炉の例は、ケイエ
ックス社（Kayex Corporation）（ジェネラル・シグナ
ル・コーポレイション（General Signal Corporation）
のユニット、ニューヨーク州、ロチェスター（Rocheste
r））により製造されているハムコ（Hamco）・モデル２
０００ＣＧである。

【００１７】流動床多結晶シリコン供給システム１２
は、貯蔵ホッパー３０から結晶成長炉１０のシェル１４
を経由してるつぼ２０に多結晶シリコンを供給する。ホ
ッパー３０は既知の構造のものであり、ホッパーからの
多結晶シリコンの流れを計量することができ、ホッパー
内の多結晶シリコンの純度を（例えば石英をライニング
することにより）維持できる。従って、ホッパー３０の
出口部分のみを図示している。供給システム１２および
ホッパー３０は、周辺環境から隔離でき、炉１０内のメ
ルトまたは環境の汚染を防止できる。流動床多結晶シリ
コンは、固体であるが、ホッパー３０から供給システム
１２を通ってるつぼ２０に重力で流れることができる。

【００１８】図１および図２を参照すると、供給システ
ム１２は供給チューブ（一般的に３２で示す）を有して
成り、これは、結晶成長炉１０のシェル１４の外部の位
置から炉への口３４を通ってその内部に延びている。こ
の供給チューブ３２は上方部分（一般的に３６で示
す）、上方部分からある角度で延びる角度付き部分３８
および出口部分４０を有して成る（図８参照）。出口部
分４０はるつぼ２０の開口頂部の上に配置され、るつぼ
内に流動床多結晶シリコンを落下させる。供給チューブ
３２の上方端部４２はベル形状で外向きに広がり、フィ
ードチューブ（feedtube）４４の下方端部分を受容する
ようになっている。フィードチューブ４４は、ホッパー
３０まで上方に延び、流動床多結晶シリコンをホッパー
から供給チューブまで供給するようになっている。供給
チューブ３２は、好ましい態様では石英から作られる
が、特定の用途に応じてシリコンまたは他の適当な材料
からできていてよい。フィードチューブ４４は石英から
できているが、他の適当な材料、例えばケイ素（シリコ
ン）またはシリコン被覆グラファイトからできていても
よい。

【００１９】ローター（回転機構、rotor）アッセンブ
リハウジング５０内に配置されたローターアッセンブリ
（一般的に４８で示す）が供給チューブ３２に配置さ
れ、それにより、一般的に垂直である軸の回りでシェル
１４に対してチューブがスウィング動作をするようにな
っている。このスウィング動作により、図１において示
す実線および破線にて示す供給チューブのように、供給
チューブ３２の出口部分４０の半径位置をるつぼ２０に
対して選択的に変更できるようになっている。ローター
アッセンブリハウジング５０は、適当な締結手段、例え
ばボルト５２により入口部分３４に取り付けられる。ロ
ーターアッセンブリ４８は、ローター（一般的に５４に
て示す）を含み、これは、第１シーブ（sheave、綱車）
５６および第２シーブ（全体を引用番号５８で示す）を
有して成り、これらの間において、ローターの周囲で間
隔を隔てて配置された３つのベアリングローラー（bear
ingroller）６０の周状縁部分を受容する空間が規定さ
れる（図４参照）。このベアリングローラー６０は、ロ
ーターアッセンブリハウジング５０に取り付けられて、
実質的に平行な軸を有する回転軸６２でハウジングに対
して回転するようになっており、ローター５４はその中
央軸の回りで回転できる。好ましい態様では、ベアリン
グローラー６０は強靭な耐熱性プラスチックでできてい
るが、他の適当な材料に代えてもよい。供給チューブ３
２は、（一般的に６４で示す）スリーブにより第１シー
ブ５６に接続され、ローター５４と一緒に回転するよう
になっている（より詳細には後述する）。

【００２０】第１シーブ５６は中央のチューブ状ハブ部
分６６および外向きに突出する環状フランジ６８を有
し、第２シーブ５８に対して対向するように位置する。
第２シーブは、ハブ部分６６の上方部分を中央開口部を
介して滑動的に受容する。ハブ部分６６の下方部分は、
シェル１４の入口部分３４に配置されたチューブ状アダ
プター７０内の向かい合う孔内に延びている。アダプタ
ー７０は、ローターアッセンブリハウジング５０に溶接
され、ハウジングの一部を構成する。このアダプター７
０および入口部分３４は、冷却液体が循環するチャンネ
ル７２を有する。第１シーブ５６のフランジ６８の下側
にある溝内に受容される封止リング７４により、アダプ
ター７０との封止を維持しながら、第１シーブがロータ
ーアッセンブリハウジング５０に対して回転できる。

【００２１】第２シーブ５８は、第２シーブにある穴を
通って延び、第２プーリーには固定的に接続されていな
い締結手段７６（１つのみ図示）により第１プーリーに
接続される。各締結手段の下方端部は第１シーブ５６の
穴にネジにより受容され、第１プーリーに固定して接続
される。第２シーブ５８の穴において向かい合う孔に入
れられたベルビルワッシャー（belleville washer、皿
形ワッシャー）７８は、締結手段７６のヘッドを上向き
にバイアスし（bias、片寄らせようとし）、これが第１
シーブ５６および第２シーブ５８を相互に向かって引っ
張り、ベアリングローラー６０を押し付ける。第１シー
ブ５６および第２シーブ５８のより大きい範囲の動作が
必要であれば、締結手段７６のヘッドの下で向かい合う
孔において複数のベルビルワッシャー（図示せず）を使
用してよい。本発明から逸脱することなく、ベルビルワ
ッシャー以外のスプリング要素を使用することも可能で
あると理解すべきである。第１シーブ５６および第２シ
ーブ５８ならびにベアリングローラー６０の周囲は、相
補的にはすに切られ（角度が付けられ）、第１シーブ５
６および第２シーブ５８がベアリングローラーと回転可
能に係合できる。従って、炉１０からの熱のためにロー
ター５４が膨張すると、第１シーブ５６および第２シー
ブ５８はベルビルワッシャー７８のスプリングの力に抗
して更に離れるように動作することにより力を平衡させ
ることができ、その結果、ローターはベアリングローラ
ー６０に対して動かなくならない。ローターの膨張およ
び収縮に関係なく、ベアリングローラー６０の配置によ
ってローター５４の回転軸は一定のままである（即ち、
供給チューブ３２の上方部分３６のセンターラインと同
軸である）。

【００２２】第２シーブ５８にボルト８４（１つのみを
図示）により堅固に接続されたギヤプレート（gear pla
te）８２は、シャフト８８の下方端部に配置された駆動
ギヤ（drive gear）８６と噛み合わされている。このシ
ャフト８８は、ベアリング８７によりローターアッセン
ブリハウジング５０に配置され、ハウジングに対して回
転するようになっている。ローターアッセンブリハウジ
ング５０の溝に配置されたＯ−リング８９は、シャフト
８８との真空封止を保持する。シャフト８８は、ロータ
ーアッセンブリハウジング５０の外部に延び、そこで、
その上方端部において、オペレーター（図示せず）が握
って回転させるように配置されたハンドル９０に接続さ
れている。ハンドル９０および駆動ギヤ８６は、図示し
た態様では「アクチュエーター」を構成する。供給チュ
ーブ３２は、ハンドル９０を回転することによりるつぼ
２０の上で選択された半径位置に向かってスウィングさ
せることができる。炉１０のシェル１４内にあるるつぼ
２０の上の供給チューブ３２の位置は、シェルの覗き窓
９２（図１参照）を用いて視覚的に、またはハンドル９
０の下でローターアッセンブリハウジング５０の外部に
張り付けたマーク（図示せず）により決めることができ
る。

【００２３】ローターアッセンブリ４８は、熱膨張およ
び収縮を補償できるだけでなく、流動床多結晶シリコン
からのダストおよび粒状物が集まることにより生じるジ
ャム、作動不能（例えばロック）を避けることができ
る。供給システム１２を周期的に遮断する場合、結晶成
長炉１０は、ローターアッセンブリハウジング５０の上
にあるプレート９８によって配置されたボールバルブ９
６によりホッパーから隔離する。供給システム１２が開
いた状態にある場合、フィードチューブ４４がボールバ
ルブ９６を通って延び、供給チューブ３２のベル形状上
方端部４２においてつながっている（いわゆるドッキン
グ（docking）した状態となる）。供給システム１２を
閉じてホッパーから炉１０を隔離するには、フィードチ
ューブ４４を供給チューブ３２からボールバルブ９６の
丁度上の位置まで軸方向に引き出す。

【００２４】フィードチューブ４４は、ボールバルブ９
６から外にボールバルブ９６から上方向に整列プレート
（alignment plate）１００、継手１０２およびチュー
ブ状部材１０４を通って長手方向に膨張および収縮可能
なベローズ（蛇腹、bellows）１０６内に延びる。継手
１０２は、フィードチューブ４４の周囲に環状の溝１０
８を有し、これは、ダストおよび漏洩する流動床多結晶
シリコンを捕捉してフィードチューブが動かなくなる
（またはジャムする）のを防止するスピル・トラップ
（spill trap、こぼれたもの用のトラップ）として作用
する。継手１０２は、シールリング１１０によりチュー
ブ部材１０４に封止的に接続されている。フィードチュ
ーブ４４の上方端部（図示せず）は、フィードチューブ
の軸方向の移動ができるようにキャリー・プレート（支
持プレート）１１２（図１参照）に操作可能に接続され
ている。このキャリー・プレート１１２は、下方端部が
整列プレート１００に取り付けられたアライメント・ロ
ッド（alignment rod）１１６にスライダー（slider）
１１４により接続されている。キャリー・プレート１１
２の上方では、フィードチューブは、もう１つのベロー
ズ１１７およびホッパー３０に接続されたもう１つの継
手１１９を通って延びる。このキャリー・プレート１１
２は、スライダー１１４に接続されたアクチュエーター
（図示せず）により上下方向に移動でき、供給チューブ
３２のつながった状態（図２、ドッキング状態）とボー
ルバルブの直ぐ上で間隔を隔てたつながっていない状態
（図３、非ドッキング状態）との間でフィードチューブ
４４を移動させることができる。

【００２５】ボールバルブ９６およびローターアッセン
ブリ４８の操作は多結晶シリコンペレットおよびダスト
の存在に対して敏感である。フィードチューブ４４と供
給チューブ３２との間の接続部は、多結晶シリコンがボ
ールバルブ９６および／またはローターアッセンブリ４
８の中に洩れ出す主たる部位である。石英は、細かい許
容誤差内に維持することはできないので、フィードチュ
ーブ４４と供給チューブ３２の内壁との間に有る程度の
空間を残す必要がある。フィードチューブ４４と供給チ
ューブ３２との間の最小限の空間は、最も大きい粒状の
流動床多結晶シリコンの寸法が供給チューブ内に戻るこ
とができるのに十分な大きさである必要がある。供給チ
ューブ３２の上方端部４２から漏れ出すダストおよび粒
子は、できるだけ減らすのが好ましい。従って、フィー
ドチューブ４４が供給チューブ３２内に延びる距離は、
接続部からのダストの漏れ出しを最小限にするように選
択されている。流動床多結晶シリコンは、非常に弾性を
有し、従って、動き出すとコントロールすることが困難
である。図９に示すように、フィードチューブ４４が供
給チューブ３２の上方端部４２に挿入される距離Ｄは、
フィードチューブの外側表面と供給チューブの内側表面
との間の最大の半径方向間隔Ｓの約３０倍であるのが好
ましい。図示した例では、最大半径方向間隔Ｓは約２.
５ｍｍであり、フィードチューブ４４が供給チューブ３
２に挿入される距離Ｄは約７５ｍｍである。最大半径方
向間隔Ｓは、供給チューブ３２を通って送られる材料の
最大粒子寸法より大きくなるように選択するのが好まし
い。

【００２６】フィードチューブ４４の下方端部と上方端
部４２の角度付き内側表面との間のギャップＧは、最小
限であるのが好ましい。しかしながら、石英要素を形成
する現在の技術に固有の誤差のためにギャップをゼロに
はできない。好ましくは、ギャップＧは最小の粒子の寸
法より小さく、これは、大まかには最大の粒子の寸法の
大まかには１／１０である。別の言い方をすれば、ギャ
ップＧの寸法は、最大の半径方向間隔Ｓの１／１０の寸
法にほぼ等しい。勿論、多結晶シリコンは、ダストおよ
びより小さい寸法の他の粒状物を含むが、ギャップは、
多結晶シリコンの最も小さい形成されたペレットの寸法
より小さい必要がある。好ましい態様では、フィードチ
ューブの外径は、上方端部より下の供給チューブの内径
にほぼ等しく、またはそれより供給チューブの材料の許
容誤差に等しい量だけ小さくてもよい。

【００２７】流動床多結晶シリコンの幾らかがフィード
チューブ４４および供給チューブ３２から逃げることを
避けることはできない。逃げた多結晶シリコンが石英供
給チューブ３２と供給システム１２の何らかの取り付け
た要素との間で溜まる場合、供給チューブが動かなくな
ることになり、その半径的調節が阻害される。本発明で
は、ダストが供給チューブ３２の周囲でローターアッセ
ンブリ内に溜まるのではなく、ローターアッセンブリ４
８を通って降下できる。この点に関して、スリーブ６４
が供給チューブ３２を保持して結合状態で回転できるよ
うな構造になっており、他方、流動床多結晶シリコン
は、ローターアッセンブリ４８を通ってスリーブと供給
チューブとの間で流れることができる。このスリーブ６
４は、その上方端部付近にフランジ１２０を有し、これ
は、第１シーブ５６のハブ（hub、中心）部分６６にある
反対側の穴に載置され、ハブ部分にネジ１２２（１つの
みを図示）により接続されている。図５において理解で
きるように、スリーブ６４は、一般的にその長手方向に
延びる間隔を隔てて配置された内側リブ（筋状物、ri
b）１２４を有する。このリブ１２４は、供給チューブ
の上方部分３６の部分と係合するが、これは非常に小さ
い表面積の係合である。図５から理解できるように、隣
接するリブ１２４は、その間で比較的大きい空間を規定
し、これは、逃げた流動床多結晶シリコンが供給チュー
ブ３２とスリーブとの間でスリーブ６４を通過できるよ
うにする。

【００２８】供給チューブ３２は、ローターアッセンブ
リ４８に対して緊密な接続を達成しながら、逃げた流動
床多結晶シリコンが流れることができるように形成され
ている。スリーブ６４の内側リブ１２４は、上方部分３
６で２つの軸方向に離れた位置において供給チューブ３
２に係合する。第１位置は、供給チューブ３２のベル形
状上方端部４２の外側表面にある。第２位置は、例えば
供給チューブ３２に石英リングを融着するような、適当
な方法で形成された下方部分１２６の外側表面にある。
供給チューブ３２の外径は、その上方部分３６に沿って
変化するが、上方端部４２より下方の内径は、出口部分
１４０まで実質的に一定のままである。ベル形状上方端
部４２と下方端部１２６との間の中間部分１２８はより
小さい外径を有し、リブ１２４に接触しない。２つの離
れた位置における供給チューブ３２とのリブ１２４の接
触は、スリーブ６４が上方部分３６を垂直状態で保持し
て、ローター５４内で供給チューブが斜めになるのを防
止するのを助ける。しかしながら、供給チューブ３２お
よびスリーブ６４の上に位置する領域の大部分の間には
実質的な空間が存在し、流動床多結晶シリコンが供給チ
ューブの外側でスリーブを通過できるようになってい
る。

【００２９】供給チューブ３２のスリーブ６４へのリリ
ース（取り外し）可能な接続は、供給チューブに半径方
向で突出する３つのペグ（peg、 栓状物）１３２（図７
参照）およびスリーブの下方端部の３つの逆Ｊ字形状ス
ロット（一般的に１３４で示す）（図１０参照）を有し
て成るコネクター要素を有する差し込み式接続部を用い
て達成される。ペグ１３２は、供給チューブの周囲で角
度的に離れた位置にて供給チューブ３２の中間部分に配
置され、スリーブ６４に装着した場合、逆Ｊ字形状スロ
ット１３４の先部分１３６に載置される。スリーブ６４
から供給チューブ３２を外すには、チューブ３２を引き
上げてペグ１３２を先部分１３６から移動させ、ペグが
スロットのまっすぐな部分１３８に来るように回転し、
その後、下げてスリーブの外に出す。新しい供給チュー
ブのスリーブ６４への接続は、上述の工程を逆に実施す
ることにより行う。

【００３０】供給チューブ３２は、多結晶シリコンの閉
塞または漏れを伴うことなく、流動床多結晶シリコンが
流れるのを容易ならしめ、また、その出口部分４０から
実質的に円柱状のストリームで多結晶シリコンを落下さ
せる構造である。供給チューブ３２の内径が上方端部４
２の下方で実質的に一定であることにより、非常に弾性
の多結晶シリコンがリバウンドして（はね返って）供給
チューブの開口した上方端部から出るのを防止するのを
助長する。内径が変化することにより、チューブ３２を
通る多結晶シリコンの流れの方向に当たる表面が提供さ
れ、そのために、これらの表面から多結晶シリコンがリ
バウンドしてしまうことになるであろう。図示した態様
では、供給チューブ３２の内径は実質的に上方端部４２
から出口部分４０まで変化しない。好ましくは、内径
は、ホッパー３０から落下させた時に、多結晶シリコン
粒子がリバウンドする距離より大きい距離で一定である
（例えば内径の１０倍またはそれ以上である）。

【００３１】図６に示すように、供給チューブの上方部
分３６は、供給チューブをローターアッセンブリ４８に
装着した場合に、ほぼ垂直方向に向くセンターラインＣ
１を有する。角度付き部分３８のセンターラインＣ２
は、上方部分３６のセンターラインＣ１から角度αで横
方向外向きに延びる。センターラインの間の角度αは、
９０°＋流動床多結晶シリコンの安息角よりいくらか大
きい角度に等しい。安息角は、材料が流れ出す前に自体
支持できる（自立性の）角度で最大のものであり、流動
床多結晶シリコンの場合はおおまかに２６°である。角
度付き部分３８が水平方向（線Ｈにより示す）と為す角
度βは、安息角より大きいが、安息角＋約１０°より小
さくなるように選択するのが好ましい。角度βは、約５
°以下の量だけ安息角より大きいのがより好ましく、約
２°以下の量だけ安息角より大きいのが最も好ましい。
従って、角度付き部分３８は、ローターアッセンブリ４
８により保持される場合、角度付き部分にある流動床多
結晶シリコンが、角度付き部分を初めて流下し始める水
平方向からの角度βで支持されるような構造である。

【００３２】図８を参照すると、供給チューブ３２の出
口部分４０は、センターラインＣ３を有し、これは、角
度付き部分３８のセンターラインＣ２に対してある角度
で一般的に下向きに延びる。好ましくは、この出口部分
のセンターラインＣ３はほぼ垂直方向に向いている。理
解できるように、出口部分４０は、角度付き部分３８の
端部から相当下向きに突出する。出口部分４０の直径に
対する長さの比は、少なくとも約１、好ましくはそれよ
り幾らか大きい。出口部分４０が長くなっていることに
より、実質的に円柱状に流れるように供給チューブ３２
からるつぼ２０に流動床多結晶シリコンを再度向き決め
することができる。

【００３３】流動床多結晶シリコンの流れのコントロー
ルは、供給チューブ３２の角度付き部分３８にあるバル
ブ状（例えば球根状）端部１４０により容易になる。こ
の球根状端部１４０は、角度付き部分３８のセンターラ
インＣ２と出口部分４０のセンターラインＣ３の交点に
おいて中心を有し、角度付き部分の内側半径に均しい半
径Ｒを有する一般的に球状のセクションである。球根状
端部１４０の寸法および形状は、流動床多結晶シリコン
が殆ど専ら下向きの速度を有するように再度向き決めす
るのを助長し、出口部分４０における閉塞を防止する。

【００３４】るつぼ２０内に多結晶シリコンの比較的大
きい塊を配置することにより、るつぼ２０内で多結晶シ
リコンのメルトを最初に生成する。結晶成長炉のシェル
１４の内部は、真空圧力に減圧され、アルゴンのような
不活性気体が内部で循環される。グラファイトヒーター
２４を可動させて塊を加熱し、それにより、塊が溶融し
始める。塊が幾らか溶融すると、追加の多結晶シリコン
を供給システム１２により加える。最初、図３に示すよ
うに、ボールバルブ９６を閉じて、フィードチューブ４
４をボールバルブの上方に位置させる。不活性気体雰囲
気においてホッパー３０および供給システム１２を真空
圧力にし、ボールバルブを開く。図２に示すように、フ
ィードチューブ４４を下げて供給チューブ３２のベル形
状上方端部４２にドッキング状態、即ち、つながった状
態とする。

【００３５】ハンドル９０を回すことにより、るつぼ２
０の開口頂部に対して選択した半径位置で出口部分４０
を配置するように供給チューブ３２をスウィングさせ
る。典型的には、出口部分４０は、（図１に示すよう
に）るつぼ２０のほぼ中央上の配置させる。次に、流動
床多結晶シリコンをホッパー３０からフィードチューブ
４４に、更に、供給チューブ３２に落下させてるつぼ２
０に供給する。フィードチューブ４４が供給チューブ３
２に挿入される距離Ｄにより、流動床多結晶シリコンが
供給チューブから逃げるのが防止される。しかしなが
ら、フィードチューブ４４または供給チューブ３２から
逃げる多結晶シリコンの粒子は、スリーブ６４と供給チ
ューブとの間でローターアッセンブリ４８を通って流れ
ることができる。このように、多結晶シリコンは、ロー
ターアッセンブリ４８内で容易にたまらず、更にロータ
ーアッセンブリの作動不能が防止される。

【００３６】供給チューブ３２に入る多結晶シリコン
は、チューブの角度付き部分３８を穏やかに流下する
が、閉塞は生じない。それは、角度付き部分が水平方向
と為す角度βが材料の安息角より大きいからである。供
給チューブ３２の出口部分４０および球根状部分１４０
は、多結晶シリコンを垂直パス（通路）に再度向き決め
し、その結果、多結晶シリコンは、実質的に円柱状スト
リームで出口部分を出る。このようにすると、流動床多
結晶シリコンは、るつぼ２０からはね出る可能性は殆ど
なくなる。また、球根状部分は、出口部分４０における
閉塞を防止する。

【００３７】メルトが完了すると、ハンドル９０を用い
てるつぼ２０の開口頂部の周囲部分を越えて供給チュー
ブ３２をスウィングさせることができる。このようにす
ると、成長チャンバー１８の中央は、メルトから単結晶
シリコンインゴットを成長させるために開口した状態と
なる。供給チューブ３２は、るつぼ２０の開口頂部の周
辺部分付近に配置することもでき、複数の結晶を成長さ
せる過程（「連続再供給チョコラルスキー（Continuous
Recharge Czochralski）」）においてメルトに流動床
多結晶シリコンを更に加えることができる。るつぼ２０
の開口頂部でのいずれかの半径位置への供給チューブ３
２の動きは、同じ水平面内に出口部分４０の端部を維持
した状態で、達成できる。従って、多結晶シリコンは、
半径位置に関係なく、るつぼ２０上に同じ高さから落下
させることができる。更に、供給チューブ３２の動作の
ためには、炉１０内において最小限の空間が必要となる
だけである。

【００３８】上述の事項に鑑み、本発明の上述の目的が
達成され、また、他の有利な結果も達成できることが理
解されよう。本発明の範囲から逸脱することなく、上述
の構成において種々の変更を為し得るので、上述の説明
または添付図面に示した全ての事項は例示であって、限
定する意味のものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、固体材料供給システムを含む炉シス
テムの前面の模式的立面図であり、炉システムのシェル
の一部分を切除して内部構造が判るようにしてある。

【図２】 図２は、炉システムの拡大した部分的な垂直
断面であり、材料供給構造における供給システムの詳細
を示す。

【図３】 図３は、炉システムの拡大した部分的な垂直
断面であり、閉じた状態の供給システムを示す。

【図４】 図４は、図２の線４−４により示される見方
をした場合の供給システムのギヤプレートおよび駆動ギ
ヤの模式的平面図である。

【図５】 図５は、図２の線５−５を含む面の断面を示
す。

【図６】 図６は、内部構造を示すために部分的に切除
した供給システムの供給チューブの立面図である。

【図７】 図７は、図６の線７−７を含む面の断面を示
す。

【図８】 図８は、供給チューブの部分的な垂直断面で
あり、その出口端部を示す。

【図９】 図９は、供給チューブにおいてつながってい
る供給システムのフィードチューブの拡大した部分図で
ある。

【図１０】 図１０は、内部構造を示すために部分的に
切除した供給システムのスリーブの立面図である。

【符号の説明】

１０…結晶成長炉、１２…多結晶シリコン供給システ
ム、１４…シェル、１６…引き上げチャンバー、１８…
結晶成長チャンバー、２０…るつぼ、２２…ターンテー
ブル、２４…グラファイトヒーター、２６…断熱材、３
０…ホッパー、３２…供給チューブ、３４…入口部分、
３６…上方部分、３８…角度付き部分、４０…出口部
分、４２…上方端部、４４…フィードチューブ、４８…
ローターアッセンブリ、５０…ローターアッセンブリハ
ウジング、５２…ボルト、５４…ローター、５６…第１
シーブ、５８…第２シーブ、６０…ベアリングローラ
ー、６２…回転軸、６４…スリーブ、６６…ハブ部分、
６８…環状フランジ、７０…アダプター、７２…チャン
ネル、７４…封止リング、７６…締結手段、７８…ベル
ビルワッシャー、８２…ギヤプレート、８４…ボルト、
８６…駆動ギヤ、８７…ベアリング、８８…シャフト、
８９…Ｏ−リング、９０…ハンドル、９２…覗き窓、９
６…ボールバルブ、９８…プレート、１００…整列プレ
ート、１０２…継手、１０４…チューブ状部材、１０６
…ベローズ、１０８…溝、１１０…シールリング、１１
２…キャリー・プレート、１１４…スライダー、１１６
…アライメント・ロッド、１１７…ベローズ、１１９…
継手、１２０…フランジ、１２２…ネジ、１２４…内側
リブ、１２６…下方部分、１２８…中間部分、１３２…
ペグ、１３４…逆Ｊ字形状スロット、１３６…逆Ｊ字形
状スロットの先部分、１３８…スロットのまっすぐな部
分、１４０…球根状部分、Ｃ１…センターライン、Ｃ２
…センターライン、Ｃ３…センターライン。

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体材料をソースからそれを溶融するた
   めの炉に供給するための固体材料供給システムであっ
   て、 炉は、炉シェルの内部を実質的に隔離するための炉シェ
   ルを有し、溶融すべき固体材料を保持するためにるつぼ
   が炉シェル内に配置され、るつぼはその頂部を介して材
   料を受け取るような構造であり、また、るつぼを加熱す
   るために熱源が炉シェル内に配置された固体材料供給シ
   ステムであって、 供給システムの供給チューブは、一般的にるつぼの上方
   で炉シェル内において少なくとも部分的に配置されるよ
   うになっており、供給チューブは出口を有し、炉シェル
   の外部のソースから固体材料を受け取る構造であり、 炉シェルに対してスウィング動作させるように、取付手
   段が供給チューブを取り付けることができ、そのスウィ
   ング動作によって、るつぼの頂部に対する供給チューブ
   の出口の半径位置を選択的に変更でき、 アクチュエーターが供給チューブの出口を選択的に半径
   方向に位置させるように、供給チューブのスウィング動
   作を起こす構造であることを特徴とするシステム。
2. 【請求項２】 取付手段は、供給チューブの一部分を軸
   の回りで回転するように取り付け、この取付手段は、炉
   の運転により生じる熱的な力によって取付手段が変形す
   るのを補償して、炉の全ての操作温度においてスウィン
   グ動作ができるように供給チューブが自由であるように
   維持するように構成されている請求項１記載のシステ
   ム。
3. 【請求項３】 該取付手段は、 接合状態で回転できるように供給チューブの一部分に操
   作可能に接続されたローターが、ローターが自由に回転
   できる状態を保持するように取付手段の熱的変形を補償
   する構造であり、 ベアリング手段が炉シェルに対して回転するようにロー
   ターを支持し、 ローターが第１シーブおよび第２シーブを有して成り、
   これらの間でベアリング手段の一部分を受容するように
   シーブの間で空間を規定するような構造であり、第１シ
   ーブおよび第２シーブはその間の空間の寸法を変えるよ
   うに相対的な動作ができ、 バイアス手段が第１シーブおよび第２シーブを相互に向
   かってバイアスさせ、 該ベアリング手段は、実質的に平行な軸の回りで回転す
   るように取り付けた複数のホイール（wheel、 車状物）
   を有して成り、これらホイールは、各ホイールの一部分
   がローターの第１シーブと第２シーブとの間で受容され
   てそれらと係合することを特徴とする請求項２記載のシ
   ステム。
4. 【請求項４】 該取付手段は、そのジャム防止手段が該
   取付手段において粒状固体材料が蓄積するのを防止する
   ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
5. 【請求項５】 該ジャム防止手段は、 そのスリーブが、粒状の固体材料が該取付手段を通過す
   ることを許容しながら、スリーブとの接合回転をするた
   めに供給チューブを保持するような構造であり、 このスリーブは、供給チューブに係合するように、スリ
   ーブの長手方向に延びる間隔を隔てて離れた内側リブを
   有し、 隣接するリブは、供給チューブとスリーブとの間で粒状
   固体材料がスリーブを通過するように空間をリブの間で
   規定することを特徴とし、供給チューブは、 そのベル形状上方端部が、スリーブの一端に一般的に隣
   接するスリーブの内側リブに係合する外側表面を有し、 下方部分が、スリーブの反対の端部に一般的に隣接する
   スリーブの内側リブに係合する外側表面を有し、 供給チューブの上方端部と下方部分との間の中間部分
   は、いずれの部分でもスリーブの内側リブから空間を隔
   てて隔たっていることを特徴とする請求項４記載のシス
   テム。
6. 【請求項６】 供給チューブは、 供給チューブの角度付き部分が該取付手段から横方向外
   向きかつ下向きに延び、該角度付き部分が水平方向とな
   す下向きの角度が固体材料の安息角より大きく、固体材
   料の安息角＋約５°より小さくなるように、角度付き部
   分が該取付手段により保持されていることを特徴とする
   請求項１記載のシステム。
7. 【請求項７】 供給チューブは、 供給チューブの角度付き部分がセンターラインを有し、
   供給チューブの出口部分が、角度付き部分のセンターラ
   インに対して一般的に下向きに延びるセンターラインを
   有し、出口部分の直径に対する長さの割合は少なくとも
   約１であることを特徴とする請求項１記載のシステム。
8. 【請求項８】 供給チューブの角度付き部分は、出口部
   分より広がった球根状端部を有し、この球根状端部は、
   出口部分および角度付き部分のセンターラインの交差点
   に中心を有し、角度付き部分の半径に等しい半径を有す
   る一般的に球状のセクションであることを特徴とする請
   求項７記載のシステム。
9. 【請求項９】 固体材料のソースは、固体材料をソース
   から供給チューブに供給するためのフィードチューブに
   よって供給チューブに操作可能に接続され、フィードチ
   ューブは、それが供給チューブの上方端部内に延びるつ
   ながった状態と、フィードチューブが供給チューブの上
   方端部から隔たっているつながっていない状態との間で
   一般的に軸方向の動作をするように配置されていること
   を特徴とする請求項１記載のシステム。
10. 【請求項１０】 供給チューブの上方端部は、一般的に
    ベル形状であり、 供給チューブのベル形状上方端部の下方の供給チューブ
    の内径は、供給チューブの内径の約１０倍に等しい距離
    にわたって実質的に一定であり、 供給チューブの上方端部の内側表面およびフィードチュ
    ーブの外側表面は、ソース材料の最大粒子寸法より大き
    くなるように選択された最大半径間隔をつながった状態
    で有し、 つながった状態におけるフィードチューブは、該最大半
    径間隔の約３０倍に等しい距離で供給チューブの上方端
    部内に挿入され、 つながった状態におけるフィードチューブと供給チュー
    ブとの間の最も小さいギャップは、最大半径間隔の１／
    １０にほぼ等しく成るように選択され、 フィードチューブの外径は、上方端部の下方の供給チュ
    ーブの内径にほぼ等しい量より供給チューブの材料の許
    容誤差に等しい量だけ少ない請求項９記載のシステム。
11. 【請求項１１】 固体材料を溶融する、炉内のるつぼに
    固体材料を供給するための固体材料供給システムに使用
    するための供給チューブであって、センターラインを有
    する上方部分および該上方部分からある角度で横断方向
    外向きに延びるセンターラインを有する角度付き部分を
    有して成り、上方部分のセンターラインと角度付き部分
    のセンターラインとの間の角度は、９０°＋（固体材料
    の安息角より大きいが、安息角＋約１０°より小さい
    量）であるチューブ。