JPH09221381A

JPH09221381A - 単結晶引上装置の真空排気装置

Info

Publication number: JPH09221381A
Application number: JP5991496A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Hiraishi; 吉信平石
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1996-02-08
Publication date: 1997-08-26

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のコンダクタンスバルブ等を使用しなく
ても炉内圧力制御範囲を拡大し、単結晶引上装置から真
空ポンプ室までの配管スペース、設置コスト、消費電力
等を削減し且つ故障の少ない真空排気システムを提供す
る。【解決手段】単結晶引上装置１のチャンバー内圧力を
減圧維持するための真空排気システムをルーツ型真空ポ
ンプ６とドライ真空ポンプ９で構成する。単結晶引上装
置１の排気口とルーツ型真空ポンプ６の吸気口を略３ｍ
以内の配管長さで接続する。ルーツ型真空ポンプ６の排
気口とドライ真空ポンプ９の吸気口を略１００ｍ以内の
配管長さで接続する。ルーツ型真空ポンプ６は、インバ
ーター装置４により回転数可変として構成する。ルーツ
型真空ポンプ６の吸気口にはサイクロン型集塵装置５を
装着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
法によるシリコン等の半導体単結晶引上装置に用いられ
る真空排気装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チョクラルスキー法によるシリコン単結
晶の引上では、シリコン融液表面から酸化シリコン（Ｓ
ｉＯ）ガスが蒸発し、これがチャンバー内に滞留すると
凝縮してダストとなり、引上中の単結晶の固液界面に付
着して、単結晶化が妨げられる等の不具合が生ずる。こ
れを防止するためチャンバー内を真空ポンプによって排
気しつつ、アルゴンガスを供給し、略１０Ｔｏｒｒから
３０Ｔｏｒｒの減圧不活性ガス雰囲気に保持している。
このように減圧にするのは、少ないアルゴン供給量で
も、チャンバー内の流速を著しく大きくでき、酸化シリ
コンの排出が良好に行なわれるようにするためである。

【０００３】ところが、単結晶の引上工程は長時間にわ
たるため、引上が進むにつれて発生した酸化シリコンが
チャンバー排気口や配管内、真空ポンプ吸気側に配置し
たダストフィルター等にダストとして付着し、不活性ガ
スの流れが妨げられて、チャンバー内の圧力を一定に維
持することが困難になり、圧力が上昇して、その結果、
酸化シリコンの滞留が生じて単結晶化を妨げるという不
具合があった。

【０００４】また、近年、輻射スクリーンを使用した単
結晶引上装置が多くなってきたが、この装置で製造した
単結晶中の酸素濃度は、輻射スクリーン下端と融液表面
の間を流れる不活性ガスの流速に大きく影響されること
は、当該業者のよく知るところである。前記したよう
に、チャンバー内の圧力が変化すると、この流速も変化
するため、酸素濃度の再現性を悪化させるという不具合
もあった。このような不具合を改善するため、特公平７
−７７９９４号公報では、チャンバーと真空ポンプ間に
介設されたコンダクタンスバルブの開度を自動制御して
チャンバー内圧力を所定の制御パターンに従って変化さ
せることを提案している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、シリコン等の半
導体単結晶の大口径化と共に石英ルツボ口径も大きくな
り、それに伴いシリコン融液表面積の増加により酸化シ
リコンガス発生量も増大し、これを効率よく排出しよう
として、真空ポンプの大型化も進んできた。また、従
来、大型のオイルロータリーポンプを用いていたところ
をオイルミストの発生等を嫌って特開平７−３３５８１
号公報のようにドライポンプ化する傾向がある。また、
単結晶引上装置も大型化し、多数台を一つの工場に収容
する場合、従来のような大型の真空ポンプを使用する
と、単結晶引上装置の近くに設置するのが困難であるた
め、真空ポンプ専用室に設置しなければならない。

【０００６】このため、単結晶引上装置と真空ポンプと
の距離は本装置の配置によっては略３０ｍから５０ｍに
も達し、したがって、本装置と真空ポンプを結ぶ真空配
管の長ざもこれ以上となる。一般に真空配管のコンダク
タンスＣはＣ＝Ｋ・ｄ^４・＜Ｐ＞／ｌで表わされる。こ
こで、ｄは配管直径、ｌは配管長さ、＜Ｐ＞は配管内の
平均圧力である。これより、コンダクタンスは配管直径
に著しく影響を受けることが解る。通常、４０ｍ程度の
配管長さで配管による圧力上昇を１Ｔｏｒｒ以下にする
ためには、内径１００ｍｍ以上の配管としなければなら
ない。通常は鉄パイプに真空フランジを溶接して、リー
クの生じないように注意深く施工しなければならない。
前述したように、工場の規模が大きくなるとこの配管を
施工するためのスペース、コスト等が無視できなくな
る。

【０００７】また、単結晶中の酸素濃度の再現性を向上
する目的で、真空配管にコンダクタンスバルブを設置
し、その開度を自動制御して炉内圧力を設定値に維持す
る方法が特公平７−７７９９４号公報に提案されている
が、前述したように配管内には酸化シリコンを主成分と
したダストが多量に流入するため、該ダストがコンダク
タンスバルブの駆動軸の軸受けや真空シール部に入り込
み、この部分に故障を発生させたり、寿命を著しく短く
させたりすることがあった。

【０００８】さらに、コンダクタンスバルブによらない
圧力制御方法として、ルーツ型真空ポンプの回転数を可
変にして排気速度を制御する方法も知られているが、圧
力制御範囲が狭く、また、前述のように真空配管の長さ
が大きくなった場合には応答が遅く、十分な制御精度が
得られない等の問題点を有していた。

【０００９】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
で、従来のコンダクタンスバルブ等を使用しなくても炉
内圧力制御範囲を拡大させること、および、単結晶引上
装置から真空ポンプ室までの配管スペース、設置コス
ト、消費電力等を削減でき且つ故障の少ない真空排気シ
ステムを提供することを目的としたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明にあっては、チャンバー内に不活性ガスを
供給しながら、該チャンバー内に収容されたルツボ内の
原料融液から単結晶を引上げ成長させる単結晶引上装置
において、該単結晶引上装置のチャンバー内圧力を減圧
維持するための真空排気システムを、該単結晶引上装置
の排気口と略３ｍ以内の配管長さで吸気口を介して接続
されたルーツ型真空ポンプと、該ルーツ型真空ポンプの
排気口と略１００ｍ以内の配管長さで吸気口を介して接
続されたドライ真空ポンプとにより構成されることを特
徴とする。

【００１１】また、前記ルーツ型真空ポンプは、チャン
バー内の圧力を設定圧力に等しくなるように自動的に回
転数を制御する制御手段を備えたインバーター装置によ
り回転数可変として構成することができる。さらに、前
記ルーツ型真空ポンプの吸気口にはサイクロン型集塵装
置を装脱可能に装着させた構成によっても良い。

【００１２】本発明に係る単結晶引上装置の真空排気装
置にあっては、ルーツ型真空ポンプを単結晶引上装置の
至近に設置し、圧力を上げてから従来の略１／２〜１／
３程度の直径の配管によりポンプ室のドライ真空ポンプ
まで配管する。これによって、従来に比較して略１／２
以下のスペースとコストで真空配管設備を施工すること
ができる。この配管の小径化により差圧は増大するが、
ルーツ型真空ポンプの排気側であるため、その電力消費
量は若干増加するが真空ポンプシステムとしての性能は
従来と殆ど変わらない。また、このシステムでルーツ型
真空ポンプの回転数を可変にして炉内圧力を制御する
と、ルーツ型真空ポンプから単結晶引上装置までの配管
距離が極めて短いため、応答速度が速く、十分な制御精
度を得ることができる。ルーツ型真空ポンプは小型低電
力で大きな排気速度が得られるため、単結晶引上装置の
至近に設置しても、振動、発熱等の不具合を生じること
もない。

【００１３】また、ルーツ型真空ポンプは異物等の吸引
により故障するのを防ぐため、吸入口直前にダストフィ
ルターを装着して使用ずるのが一般的である。ダストフ
ィルターのコンダクタンス特性はオリフィスと同様の特
性となり、Ｃ＝Ｋ・Ｓ_１ ^２・＜Ｐ＞・・・（１）と表わ
せる。ここでＳ_１は等価オリフィス面積、＜Ｐ＞は平均
圧力、Ｋは定数である。これより、アルゴン流量をＱ、
ポンプ排気速度をＥ、として炉内圧力Ｐ_Ｆを求める式を
導出すると、Ｐ_Ｆ＝√｛（Ｑ／Ｅ）^２＋（２Ｑ／ＫＳ_１
^２）｝・・・（２）となる。これに対してサイクロンの
場合の差圧ΔＰは、ΔＰ＝ＪＱ^３／２Ｓ_２ ^２Ｅ・・・
（３）で表わされる。これよりサイクロンを使用した場
合の炉内圧力Ｐｃを求める式を導出すると、Ｐｃ＝（Ｊ
Ｑ^３／２Ｓ_２ ^２＋Ｑ）／Ｅ・・・（４）となる。ここ
で、Ｓ_２はサイクロン入口管路面積である。式（２）と
式（４）を比較すると、式（４）ではＥが極めて大きい
ときはＰｃはＯに近ずくのに対して、式（２）では、一
定値√（２Ｑ／ＫＳ_１ ^２）に近ずく。

【００１４】図２に示すように、Ｅ＝２００００ｌ／ｍ
ｉｎ、アルゴンガス流量８０Ｎｌ／ｍｉｎ時に同一の炉
内圧力を指すフィルターとサイクロンを使用してＥを変
化させた時の炉内圧力の変化を示した。サイクロンを使
用した場合、フィルターに比較して極めて大きな変化範
囲を得ることができる。Ｅはルーツ型真空ポンプの回転
数に略比例するため、インバーターによりポンプ回転数
を変化させることで広い圧力制御範囲を得ることが可能
になる。以上のように、ドライ真空ポンプを工場レイア
ウト上適当な位置に設置して、これを従来の略１／２〜
１／３程度の直径の配管で接続することにより、配管ス
ペースや設置コストを大幅に削減し、このルーツ型真空
ポンプにサイクロン型集塵装置を装着し、インバーター
により駆動することで従来のような故障し易いモータ駆
動のコンダクタンスバルブによることなく、炉内圧力の
広範囲な制御を充分な応答速度で行なうことを可能にさ
せる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明するに、図において示される符号１は、
チョクラルスキー法によるシリコン等の半導体の単結晶
引上装置であり、装置全体はクリーンルーム１１中に設
置されている。５はサイクロン式集塵装置である。本実
施の形態ではアルゴンガス流量８０Ｎｌ／ｍｉｎにおい
て、サイクロン流入速度を６０ｍ／ｓｅｃに設定した。
これによりコンパクトな設計が可能になり、単結晶引上
装置の至近に設置することが可能とった。６はルーツ型
真空ポンプとしての所謂メカニカルブースターポンプで
あり、制御盤２の中のインバーター４によりモータの回
転数を制御させている。この回転数は、炉内圧力測定器
７およびＰＩＤコントローラー３により自動的に制御さ
れ、制御盤２内のプロセス制御コンピューターから指示
された炉内圧力に自動的に維持される。単結晶引上装置
からメカニカルブースターポンプ６の吸入口までの配管
長さは略２・５ｍであり、略２０Ｔｏｒｒ付近での圧力
制御の応答速度は略０．５ｓｅｃ以下であった。また、
この部分の配管の内径は略１００ｍｍであった。８はメ
カニカルブースターポンプ６の排気側配管であり、内径
略５０ｍｍ、長さ略４０ｍであった。９はドライ型真空
ポンプであり、１０はドライ型真空ポンプ９の排気側配
管で、ポンプ室１２の外に開放されている。１３は逆止
弁である。

【００１６】前記したようにサイクロン流入速度を大き
く設定しているため、略５μｍ程度のダストについて
も、略５０％程度の補集効率が得られる。このため、ド
ライ型真空ポンプ９排気中のダストの量は１ｍ^３当り略
５ｍｇ以下であり、そのまま大気中に放出しても問題の
ないレベルであるが、サイレンサーあるいはスクラバー
等を付加して、排気による騒音を低減するのが望まし
い。以上述べた真空排気システムは従来に比較して略１
／２以下の配管スペースとコストで施工が可能であっ
た。また、メカニカルブースターポンプ６は小型、低消
費電力で大排気量であるため、ドライ型真空ポンプ９と
の組合わせで使用する場合、ドライ型真空ポンプ９単段
で排気するのに比較して、同一排気量では電力で１／２
〜１／４以下、設置スペースでｌ／４以下となる。

【００１７】また、サイクロン式集塵装置５を使用した
ため、ダストフィルターに比較して略１０倍程度の大き
な圧力制御範囲を得ることができた。これは図２に示す
ように、ポンプ排気速度の変化に対して、サイクロン式
集塵装置５の差圧が大きく変化するためである。本実施
の形態で使用したメカニカルブースターポンプ６は、６
０Ｈｚで２００００ｌ／ｍｉｎの性能であったが、炉内
圧力２０Ｔｏｒｒに制御している時の回転数は９００〜
１２００回転／分であった。これに対して従来のダスト
フィルターを使用したものでは、略２０〜２００回転程
度で大きく変動し、炉内圧力も不安定であった。また、
単結晶の引上に伴ってフィルターにダストが付着し、圧
力損失が大きくなり制御範囲を超えるため、１バッチ毎
にフィルターの清掃が必要となった。また、コンダクタ
ンスバルブ等を使用しないため、故障も生じず、極めて
安定した稼動が可能であった。

【００１８】図２に示すグラフにおいてサイクロン式集
塵装置５付の場合、炉内圧力が略４０Ｔｏｒｒ付近で一
定となっているのは、メカニカルブースターポンプ６の
排気速度が０ｌ／ｍｉｎになってもドライ真空ポンプ９
が定格性能で運転されているためである。ドライ真空ポ
ンプ９にもインバーター４を取付けて、メカニカルブー
スターポンプ６と同様な可変速度運転を行なわせるよう
にすれば、さらに広い圧力制御範囲を得ることができ
る。

【００１９】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されており、
特に単結晶引上装置のチャンバー内圧力を減圧維持する
ための上記した真空排気システムによれば、単結晶引上
装置から真空ポンプ室までの配管スペースおよびコスト
を従来の略１／２程度に低減できる。また、コンダクタ
ンスバルブを用いずに広い範囲の圧力制御を可能とした
ため、故障の少ない真空排気システムが得られる。さら
に、単段の真空ポンプを使用する場合に比較して略１／
２〜１／４程度の消費電力、設置スペースが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示した単結晶引上装置の
真空排気装置の概略配置図である。

【図２】同じく真空排気装置による炉内圧（Ｔｏｒｒ）
と排気速度（ｌ／ｍｉｎ）との関係を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…単結晶引上装置２…制御盤３…ＰＩＤコントローラー４…インバーター５…サイクロン式集塵装置６…メカニカルブースターポンプ７…炉内圧測定器８…排気側配管９…ドライ真空ポンプ１０…排気側配管１１…クリーンルーム１２…ポンプ室１３…逆止弁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンバー内に不活性ガスを供給しなが
ら、該チャンバー内に収容されたルツボ内の原料融液か
ら単結晶を引上げ成長させる単結晶引上装置において、
該単結晶引上装置のチャンバー内圧力を減圧維持するた
めの真空排気システムを、該単結晶引上装置の排気口と
略３ｍ以内の配管長さで吸気口を介して接続されたルー
ツ型真空ポンプと、該ルーツ型真空ポンプの排気口と略
１００ｍ以内の配管長さで吸気口を介して接続されたド
ライ真空ポンプとにより構成されることを特徴とする単
結晶引上装置の真空排気装置。
【請求項２】前記ルーツ型真空ポンプは、チャンバー
内の圧力を設定圧力に等しくなるように自動的に回転数
を制御する制御手段を備えたインバーター装置により回
転数可変とした請求項１記載の単結晶引上装置の真空排
気装置。
【請求項３】前記ルーツ型真空ポンプの吸気口にはサ
イクロン型集塵装置を装脱可能に装着させた請求項１ま
たは２記載の単結晶引上装置の真空排気装置。