JPH10130088A - 一方向凝固材の製造方法および一方向凝固装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高さ方向で品質のばらつきの小さいＳｉ
インゴットを一方向凝固法により製造する。 【解決手段】 原料を収容した鋳型１と熱源３とを互い
に遠ざけるように一方または両方を特定方向に移動させ
て溶解した原料１０を一方向に凝固させる際に、移動方
向の異なる位置４０ａ、４０ｂ、４１で原料温度を測定
し、各位置の温度変化に基づいて熱源温度と鋳型移動速
度を制御する。 【効果】 移動方向における原料の温度勾配が的確に
管理され、移動方向において品質のばらつきのないイン
ゴットが得られ、製品の歩留まりも向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、Ｓｉインゴット等
の製造に適用される一方向凝固材の製造方法および一方
向凝固装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、Ｓｉインゴットの製造方法とし
て、鋳型内で溶融した原料Ｓｉをチルプレートで冷却し
て炉外に引き出すことで凝固させる一方向凝固法が知ら
れている。この方法では、チルプレート底部、すなわち
冷却端の温度を測定することによってＳｉ溶湯の温度を
観察し、その冷却速度に基づいて鋳型の引き抜き速度を
調整する制御方法が採られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、この方法では
インゴットの高さ方向での品質にばらつきが生じやす
く、そのためにインゴット製造の歩留まりが悪いという
問題がある。これは、凝固開始端の冷却速度の制御だけ
では、高さ方向の温度管理を必ずしも適切に行うことが
できるというわけではなく、その結果、高さ方向におけ
る品質にばらつきが生ずるものである。本発明は上記事
情を背景としてなされたものであり、製造中におけるＳ
ｉインゴットの温度勾配の適正化を図ることにより、Ｓ
ｉウェハーの品質の安定と歩留まりの向上を可能にする
ことを目的とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の一方向凝固材の製造方法のうち第１の発明は、
原料を収容した鋳型と熱源とを互いに遠ざけるように一
方または両方を特定方向に移動させて溶解した原料を一
方向に凝固させる一方向凝固材の製造方法において、前
記移動方向の異なる位置で原料温度を直接又は間接的に
測定し、測定によって得られる各位置の温度変化に基づ
いて熱源温度と鋳型移動速度の一方または両方を制御す
ることを特徴とする。

【０００５】第２の発明は、第１の発明において、予
め、異なる位置における温度変化の最適値を定めてお
き、この最適値を目標として熱源温度と移動速度の制御
を行うことを特徴とする。第３の発明は、第１または第
２の発明において、原料温度の測定位置の一つが、溶解
した原料の冷却開始端中央部であることを特徴とする。

【０００６】第４の発明の一方向凝固装置は、原料を収
容する鋳型と、該原料を加熱して溶解させる熱源と、前
記熱源又は鋳型を移動させる移動装置とを有し、さら
に、前記移動方向の異なる位置で鋳型内原料の温度を直
接又は間接的に測定する複数の温度測定手段と、前記熱
源の加熱温度を加減する温度調整手段と、前記移動装置
の移動速度を調整する移動速度調整手段と、前記温度測
定手段からの測定データを受け予め入力した目標データ
と比較して、その比較結果に基づいて前記温度調整手段
および移動速度調整手段を介して加熱温度および移動速
度を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

【０００７】本発明は、Ｓｉインゴットのように高品質
が要求される半導体材料（Ｓｉ等）の製造に適している
が、これに限定されるものではなく、各種材料を高品質
かつ歩留まりよく製造するものとして利用することがで
きる。また、上記インゴットの製造に際し使用される鋳
型や加熱源の構造、種別等も特に限定されるものではな
く、鋳型や加熱源の移動装置もその構造が特に限定され
るものではない。これらの具体例を示すと、加熱源とし
ては、ヒータや高周波誘導加熱コイルを挙げることがで
きる。これらの加熱源においては、出力、すなわち電圧
や電流量の調整によって加熱温度の加減を容易に行うこ
とができ、移動も容易である。また、鋳型としては、耐
熱性に優れたセラミックスを使用することができ、いわ
ゆる坩堝と称されるものも鋳型に含まれる。

【０００８】なお、一方向凝固に際しては加熱源と鋳型
とを互いに遠ざけるが、これらのいずれを移動させても
よく、また両方を移動させてもよい。移動方向として
は、一般には鋳型を下降（または熱源を上昇）させる
が、これに限定されるものではなく、例えば、水平方向
に移動させることも許容される。上記の鋳型や熱源を移
動させる移動装置としては、モータやシリンダを用いた
装置が例示される。移動装置は、単に定速での移動と停
止を選択できるものであってもよく、また連続的に速度
を可変としたものであってもよい。さらに、移動装置
は、移動、停止の選別、移動速度の大小だけでなく、反
転動作できるものであってもよい。上記移動の結果、移
動方向における鋳型の端部は、最も早く熱源から遠い位
置へと移動するので、例えば鋳型を下降させる場合には
その底部が溶湯の凝固開始点となる。この鋳型の端部
は、熱源から離れることによって冷却されるだけでなく
さらに水冷や空冷によって強制冷却されるものであって
もよい。

【０００９】また、移動方向において異なる位置で原料
の温度を測定する方法としては、通常は直接原料温度を
測定しないで、例えば鋳型の温度を測定することによっ
て間接的に原料の温度を測定することができる。この場
合でもできるだけ鋳型の内面付近の温度を測定するのが
望ましい。また、水平に鋳型や熱源を移動させる際に
は、移動方向位置毎に原料の表面観察が可能なため放射
高温計を用いて直接原料温度の測定を行うことができ
る。なお、原料は、その温度において、固体、固液体、
液体の状態になるが、温度測定に際して原料の状態が限
定されるものではなく、溶融状態から凝固状態まで測定
することができる。

【００１０】上記測定位置は、例えば鋳型を移動させる
場合には、鋳型に測定装置を固定して鋳型の移動ととも
に移動させてもよく、この場合には測定位置は原料に対
し相対的には移動しない。また、測定装置を移動を伴わ
ないように固定して鋳型の移動に随伴させないことも可
能であり、この場合には測定位置は原料に対し相対的に
は移動することになる。また、鋳型の移動の有無に拘わ
らず測定装置を移動させて鋳型との相対的な位置を移動
させることも可能である。

【００１１】なお、測定位置としては、凝固開始端の温
度変化も重要であり、これを測定位置の一つとして選択
するのが望ましい。また、移動方向の異なる位置で測定
するものとしては、移動方向における同位置の複数箇所
での測定を含んでいてもよく、例えば、凝固開始端の中
央部と周縁部とを測定することによって、移動方向と交
差する方向での温度勾配を観察することもできる。移動
方向の異なる位置での測定は、少なくとも２つは必要で
あり、適宜その数を選定することができる。なお、測定
装置としては、熱電対、放射高温計等の各種の高温計を
使用することができる。

【００１２】上記測定装置による測定データは、単にデ
ィスプレイ等に表示して、熱源温度や移動速度の制御の
参考にすることもできるが、熱源温度や移動速度を制御
対象とする制御部のフィードバックデータとして使用す
ることができる。なお、移動速度の制御においては、移
動、停止の制御であってもよく、また、速度を連続的に
変化させたり、逆方向に一時的に移動（熱源と鋳型を近
付ける）させたりするものであってもよい。上記測定デ
ータの使用においては、予め各位置での温度変化の最適
値を定めておくのが望ましい。この最適値は、特定の値
として定めるほかに、特定の範囲として定めることもで
き、また、冷却時間との関数として定めることもでき
る。そして、最適値を定める際には、各位置毎に最適値
を定める他に、または、これとともに、各位置での測定
温度に相関性を求める形で最適値を定めることもでき
る。

【００１３】なお、熱源や移動装置に対し、適当な操作
量を送出する熱源温度調整手段や移動速度調整部は、例
えば適当な電圧や電流を熱源や移動装置に加える各種回
路によって構成することができる。また、熱源や移動装
置を制御する制御手段としては、例えば、予め各測定位
置での温度変化の最適値を記録する記録部と、この最適
値と実際の測定手段によって得られた測定値とを比較す
る比較部と、比較結果に基づいて所定の手順で熱源温度
調整手段及び移動速度調整手段に必要な制御データを送
出する制御部とを有しているものが挙げられる。

【００１４】本発明によれば、鋳型または熱源の移動方
向の異なる位置で原料の温度が測定されるので、原料の
複数位置での温度変化と移動方向における温度勾配が的
確に把握される。これを基に熱源の温度や鋳型と熱源と
が離れる速度を調整することにより、原料の温度変化を
最適に保つことができる。従来、凝固材製造中の鋳型内
の凝固速度や固液界面の位置は、炉内温度の安定のため
にリアルタイムで視覚によって把握することは困難であ
ったが、本発明により温度の変化として捕らえること
で、間接的ながら凝固材の成長速度を知ることができる
ため、凝固装置の運転条件の最適化が可能になる。これ
により凝固材に凝固方向において品質のばらつきが生ず
るのを防止でき、製品の歩留まりも向上する。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施形態を添付
図面に基づき説明する。有底筒形状からなる鋳型１は、
移動装置としての機能を有する昇降可能な鋳型台２上に
載置されており、鋳型１の周囲には熱源として環状にヒ
ータ３が配置されている。また、前記鋳型１の底部の中
央部と周縁部とに温度測定手段として熱電対４０ａと４
０ｂが埋設されており、さらに、鋳型１の側壁に同じく
温度測定手段として熱電対４１が埋設されており、鋳型
１の上方には熱電対４２が臨ませてある。なお、この実
施形態では熱電対４２による測定温度は凝固装置の制御
には利用せず、参考データとして利用している。

【００１６】これらの熱電対の入力は、制御手段５０の
一構成要素である比較部５１に入力されている。また、
制御手段５０には、予め各位置での温度変化の最適値を
入力しておく記憶部５２を有しており、さらに制御対象
に操作データを送出する制御部５３を有している。上記
比較部５１や制御部５３は、コンピュータのＣＰＵで構
成することができ、記憶部５２としては、メモリやＦ
Ｄ、ＨＤ等の記録装置を用いることができる。制御部５
３には、ヒータ３への電圧を出力する変圧装置３ａが熱
源温度調整手段として接続されているとともに、さらに
鋳型台２への稼動電圧のオンオフを行う切換装置２ａが
移動速度調整手段として接続されている。

【００１７】次に、上記装置による凝固材の製造方法に
ついてフローチャートを使用して説明する。先ず、原料
１０として純Ｓｉを用意し、必要量を鋳型１内に収容す
る。次いで、変圧装置３ａを調整してヒータ３に所定の
電力を供給し、所定温度にまで昇温させて原料１０を溶
解させる（ステップＳ１）。このとき、熱電対４０ａ、
４０ｂ、４１では原料の温度を間接的に測定しており、
制御部５３では、記憶部５２によるデータに基づき、比
較部５１でこれらの温度が原料の融点を越えたかどうか
が判定される（ステップＳ２）。なお、フローチャート
では熱電対４０ａによる測定温度をＴ１ａ、熱電対４０
ｂによる測定温度をＴ１ｂ、熱電対４１による測定温度
をＴ２で示している。

【００１８】いずれの温度も融点を越えたことが確認さ
れると、制御部５３から変圧装置３ａを通してヒータの
加熱温度を調整して、Ｔ１ｂおよびＴ２は融点を越えた
状態が維持され、Ｔ１ａのみが融点に等しくなるように
する（ステップＳ３、Ｓ４）。この温度状態が得られた
ならば、制御部５３によって切換装置２ａを作動させ鋳
型台２の定速下降を開始する（ステップＳ５）。これに
より、鋳型１内で溶解している原料１０は、鋳型１の下
部に接した下端より徐々に上方に向けて凝固を開始す
る。なお、引き続き、比較部５２では測定温度を観察し
つつ、予め定めた最適値と比較する。この最適値では、
Ｔ１ｂ、Ｔ２がＴ１ａよりも大きくなることが要求され
ており、いずれかがＴ１ａと等しい温度の場合には、冷
却が過度であるとして、鋳型台２の下降を停止し、上記
温度の条件に至るまで待機する（ステップＳ６ａ）。

【００１９】そして、上記最適値を満たすに至ると、Ｔ
２＝Ｔ１ａを最適値として測定温度を観察する（ステッ
プＳ８）。ここでＴ２がＴ１ａよりも温度が低い場合に
は、熱源温度が低すぎるためヒータ３の温度を上げ（ス
テップＳ８ａ）、Ｔ２がＴ１ａよりも温度が高い場合に
は、熱源温度が高すぎるためヒータ３の温度を下げる
か、あるいはるつぼの下降速度を早くして（ステップＳ
８ｂ）、Ｔ２とＴ１ａとが等しくなるように調整しつつ
一方向凝固を継続させる。そして、鋳型台２が予定して
いる最下端位置にまで下降したならば鋳型台２の下降を
停止させるとともに、変圧装置３の出力を下げてヒータ
３の加熱温度を約１０℃／ｈ程度のゆっくりとした速度
で低下させる（ステップＳ１０）。この際には、上記と
同様に各位置での温度の測定がなされており、最適値で
あるＴ２＝Ｔ１ａとの比較がなされる（ステップＳ１
１）。そして、上記と同様にＴ２＜Ｔ１ａの場合はヒー
タ３の温度を上げ（ステップＳ１１ａ）、Ｔ２＞Ｔ１ａ
の場合はヒータの温度を下げて（ステップＳ１１ｂ）、
Ｔ２とＴ１ａとが温度が等しくなるように調整しつつ凝
固させる。そして、Ｔ２の温度が融点よりも低くなった
時には、加熱温度をさらに２〜５倍の速度で下げて冷却
をして凝固処理を終了させる（ステップＳ１２）。

【００２０】以上のように、鋳型の中心、外壁底、外壁
中央に複数の熱電対４０ａ、４０ｂ、４１を配置するこ
とで、凝固しはじめたＳｉの広がり及び、成長速度をシ
ミュレートし、既存のデータを元に熱源温度および鋳型
の引下げ速度をコントロールすることにより、適正な一
方向凝固を実現する事ができ、高さ方向における品質の
ばらつきを極力小さくすることができる。そして、上記
手順により、リアルタイムで熱源温度および鋳型の移動
速度を制御でき、より適正な一方向凝固を達成できる。

【００２１】なお、図５、６は、他の実施形態を示すも
のであり、鋳型１の側壁に、縦溝１ａを形成するととも
に、鋳型１の側壁近傍に熱電対支持材１１を配置し、こ
の支持材１１に固定された熱電対４１ａ、４１ｂを上記
縦溝１ａに配置したものである。この実施形態によれ
ば、鋳型１の下降に伴って熱電対４１ａ、４１ｂによる
測定位置が相対的に上昇することになる。これにより、
原料の高さ方向での温度が位置を変えながら連続的に観
察できることになり、上記と同様に適切な一方向凝固を
達成することができる。また、熱電対４１ａ、４１ｂと
熱源（ヒータ３）の位置関係が固定であるため炉内温度
変動が少なくなることや、必ず熱電対４１ａと４１ｂの
間に固液界面があるので、同様の計測のために縦方向に
一定間隔で複数本の熱電対４１の設置を必要とする上記
方法よりも少ない熱電対で精密な凝固速度を測定するこ
とができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の一方向凝
固材の製造方法によれば、原料を収容した鋳型と熱源と
を互いに遠ざけるように一方または両方を特定方向に移
動させて溶解した原料を一方向に凝固させる一方向凝固
材の製造方法において、前記移動方向の異なる位置で原
料温度を直接又は間接的に測定し、測定によって得られ
る各位置の温度変化に基づいて熱源温度と鋳型移動速度
の一方または両方を制御するので、移動方向における原
料の温度勾配を適切に管理して移動方向において品質の
ばらつきのない良質の凝固材を得ることができ、製品の
歩留まりも向上する。

【００２３】また、上記において、予め各位置における
温度変化の最適値を定めておき、この最適値を目標とし
て熱源温度と移動速度の制御を行えば、これらの制御を
容易かつ速やかに行うことができ、原料の温度管理をよ
り適切に行うことができる。

【００２４】さらに上記において、原料温度の測定位置
の一つを溶解した原料の冷却開始端とすれば、冷却開始
端から高さ方向の異なる位置に至る温度勾配が把握さ
れ、凝固の状態がより適切に把握できる。

【００２５】また、本発明の一方向凝固装置によれば、
原料を収容する鋳型と、該原料を加熱して溶解させる熱
源と、前記熱源又は鋳型を移動させる移動装置とを有
し、さらに、前記移動方向の異なる位置で鋳型内原料の
温度を直接又は間接的に測定する複数の温度測定手段
と、前記熱源の加熱温度を加減する温度調整手段と、前
記移動装置の移動速度を調整する移動速度調整手段と、
前記温度測定手段からの測定データを受け予め入力した
目標データと比較して、その比較結果に基づいて前記温
度調整手段および移動速度調整手段を介して加熱温度お
よび移動速度を制御する制御手段とを有するので、上記
効果が得られるとともに、リアルタイムに凝固状態が把
握され、加熱温度および移動速度を適切かつ速やかに制
御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態を示す正面断面図であ
る。

【図２】 同じく、制御系統を示すブロック図である。

【図３】 同じく制御手順の一部を示すフローチャート
図である。

【図４】 同じく制御手順の一部を示すフローチャート
図である。

【図５】 他の実施形態を示す正面断面図である。

【図６】 他の実施形態を示す一部を断面した側面図で
ある。

【符号の説明】

１ 鋳型 ２ 鋳型台 ２ａ 切換装置 ３ ヒータ ３ａ 変圧装置 １０ 原料 ４０ａ 熱電対 ４０ｂ 熱電対 ４１ 熱電対 ４２ 熱電対 ５０ 制御手段 ５１ 比較部 ５２ 記憶部 ５３ 制御部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料を収容した鋳型と熱源とを互いに遠
   ざけるように一方または両方を特定方向に移動させて溶
   解した原料を一方向に凝固させる一方向凝固材の製造方
   法において、前記移動方向の異なる位置で原料温度を直
   接又は間接的に測定し、測定によって得られる各位置の
   温度変化に基づいて熱源温度と鋳型移動速度の一方また
   は両方を制御することを特徴とする一方向凝固材の製造
   方法
2. 【請求項２】 予め、各位置における温度変化の最適値
   を定めておき、この最適値を目標として熱源温度と移動
   速度の制御を行うことを特徴とする請求項１記載の一方
   向凝固材の製造方法
3. 【請求項３】 原料温度の測定位置の一つは、溶解した
   原料の冷却開始端であることを特徴とする請求項１また
   は２に記載の一方向凝固材の製造方法
4. 【請求項４】 原料を収容する鋳型（１）と、該原料
   （１０）を加熱して溶解させる熱源（３）と、前記熱源
   （３）又は鋳型（１）を移動させる移動装置（２）とを
   有し、さらに、前記移動方向の異なる位置で鋳型内原料
   の温度を直接又は間接的に測定する複数の温度測定手段
   （４０ａ、４０ｂ、４１）と、前記熱源（３）の加熱温
   度を加減する温度調整手段（３ａ）と、前記移動装置
   （２）の移動速度を調整する移動速度調整手段（２ａ）
   と、前記温度測定手段からの測定データを受け予め入力
   した目標データと比較して、その比較結果に基づいて前
   記温度調整手段および移動速度調整手段を介して加熱温
   度および移動速度を制御する制御手段（５０）とを有す
   ることを特徴とする一方向凝固装置