JPWO2002068732A1

JPWO2002068732A1 - 固形状多結晶原料のリチャージ管及びそれを用いた単結晶の製造方法

Info

Publication number: JPWO2002068732A1
Application number: JP2002568821A
Authority: JP
Inventors: 淳岩崎; 竹安　志信; 志信竹安
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2001-02-28
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-02-27
Also published as: JP4103593B2; WO2002068732A1

Abstract

単結晶の生産性を向上させることができ、安価な固形状多結晶原料のリチャージ管及びそれを用いた単結晶の製造方法を提供する。結晶融液を貯留するルツボを有する単結晶製造装置に脱着可能に設けられるリチャージ管であって、内部に固形状多結晶原料を保持する略円筒状のリチャージ管本体が設けられ、このリチャージ管本体が下方端部に向かってテーパー状に広がっている。リチャージ管はさらに、リチャージ管本体の下方端部に脱着可能な円錐バルブと、リチャージ管本体の上方端部に脱着可能に設けられる蓋と、フックと、該フックと円錐バルブを繋ぐリチャージ管ワイヤーと、リチャージ管ワイヤーがリチャージ管本体の略中心を貫くように位置させるストッパーとが設けられている。

Description

技術分野
本発明は単結晶を製造する際に固形状多結晶原料を追加充填するためのリチャージ管及びそれを用いた単結晶の製造方法に関する。
背景技術
単結晶として半導体単結晶があげられ、ここでは一例としてシリコン単結晶について説明する。
半導体集積回路の基板として使用されるシリコン単結晶ウェーハは、例えばチョクラルスキー（ＣＺ）法によりシリコン単結晶を引上げて製造される。ＣＺ法では、先ず、石英ルツボ内に原料の多結晶シリコン（多結晶原料）を充填し、石英ルツボを保持する黒鉛ルツボをその外周にある円筒状の黒鉛ヒーターで加熱し、多結晶シリコンを溶融させる。次いで、種結晶をシリコン融液に浸して絞り部を形成して無転位化した後、必要な直径と長さになるまでシリコン単結晶を成長させる。
このＣＺ法において、シリコン単結晶の製造コストを低減する為に、シリコン単結晶引き上げに伴うルツボ内のシリコン融液の減少分を供給すべく、供給管を設けてルツボ内へ粒状の多結晶原料（以下、粒状原料と称す。）を、融液減少量に応じて供給する装置が知られている。この装置の一つとして、シリコン単結晶成長中のルツボ内の溶湯面に、連続的に粒状原料を供給しながら単結晶を成長させる、いわゆる連続チャージ（ＣＣＣＺ）法があり、単結晶の製造歩留まりを著しく向上させて、その製造コストを大幅に低減できる。なお、多結晶原料を追加充填することをリチャージと称す。
しかし、この方法では、シリコン単結晶成長量（通常は０．３ｇ／秒〜１．０ｇ／秒程度）と同量の粒状原料を少量づつ、ゆっくりと供給しなければならないが、ルツボ内への供給時に溶湯が飛び跳ねたり、または湯面振動を起こしたりなどの攪乱を起こすことが多い。このためシリコン単結晶成長途中でシリコン単結晶が有転位化してしまうことでシリコン単結晶の成長続行ができなくなり、製造コストの低減ができないことがしばしば起こる。これを防止するために供給管の先端を絞り込んで供給速度をある程度抑制している。これにより供給速度が制限されて粒状原料の供給時間が長くなりすぎるという不都合があった。
さらに、粒状原料の連続供給によってシリコン単結晶の成長が阻害されることを防止するために二重構造のルツボを使用すれば、シリコン単結晶の界面が内側ルツボに接近しているので低酸素化できないという欠点があり、構造が複雑となってルツボのコストが高くなるという問題があった。
また、従来のバッチ式で原料追加を行なう場合の製造コストを低減する方法として、マルチプーリング（あるいはリチャージ引上げ（ＲＣＣＺ））法が知られている（ＦｕｍｉｏＳｈｉｍｕｒａ，ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＳｉｌｉｃｏｎＣｒｙｓｔａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｐ１７８−ｐ１７９，１９８９参照）。この方法は、抵抗規格を満足する範囲のドーパント濃度を持つシリコン単結晶を引き上げた後、引き上げ重量分の棒（ロッド）状多結晶原料（以下、ロッド状原料と称す。）を吊り下げて石英ルツボ内に残余しているシリコン融液に浸しながら、徐々に溶融させて追加充填し、再度、同様のシリコン単結晶の引き上げを繰り返すことで、一度しか使用できない石英ルツボから複数本のシリコン単結晶を製造し、製造歩留まりを向上させると共に、石英ルツボのコストを低減させようとするものである。
しかしながら、ＲＣＣＺ法では、引上げワイヤーに原料を吊り下げるのでシリコン単結晶の取り出しを行った後でないと原料供給ができないため、原料供給とシリコン単結晶の取り出しを並行して行えない問題がある。また、溶融に時間がかかることや、石英ルツボの溶解が大きいことや、重金属が濃縮してしまう等の欠点を有し、高純度シリコン単結晶育成の観点からは融液中の不純物が堆積していくので、引上げ回数が制限される。
一方、リチャージ法として、シリコン単結晶を引き上げた後、ルツボ内に残存したシリコン融液の表面を一度固化させた後、その表面に、石英ルツボ上に設けられた供給管から原料をルツボ内にリチャージする方法が開示されている（特開昭６２−２６０７９１号公報）。この方法においては、原料供給とシリコン単結晶の取り出しを並行して行うことができ、作業時間が短縮されて作業効率がよいことが記載されている。
以上のような状況から、原料供給は短時間であるほどシリコン単結晶の製造時間を短縮してシリコン単結晶の生産性を向上できるので、石英ルツボに損傷を与えない範囲で原料供給速度が速いほどよい。このため、リチャージに使用される原料としては、ロッド状原料、塊状多結晶原料（以下、ナゲット状原料と称す。）のように一度に大量に供給できる原料が一般的に使用されてきている。
ところで、特開昭６２−２６０７９１号公報の装置では、減圧可能な原料容器、ゲートバルブ、原料供給管、減圧用真空ポンプ等を従来のシリコン単結晶製造装置に取り付ける必要があり、従来のシリコン単結晶製造装置の改造、一連の原料供給装置の製作などに大きな費用が必要となる。また、最近のシリコン単結晶製造装置のメインチャンバー内上部には、結晶直径検出装置、融液温度検出器などの付帯装置が取り付けられているので、原料供給装置を容易に取り付けることができない問題があった。
また、近年、デバイスの性能や歩留まり等を向上させるため、その素材となるシリコン単結晶のより高度な高品質化が求められている。高品質シリコン単結晶を得るために、本願出願人はシリコン単結晶製造装置内にカラーを付けた熱遮蔽用の円筒を設けること（特公平０６−０３９３５１号公報）や、内部にヒーターを備えた円筒を設けること（特許２７８５６２３号公報）等を提案してきた。かかるシリコン単結晶製造装置内に融液面の上方を覆うように熱遮蔽部材を備えた構造の場合には、前記原料供給装置を取り付けて多結晶原料をルツボ内へ供給しようとすると、この熱遮蔽部材が障害物となって多結晶原料の供給が困難となる問題があった。
一方、ナゲット原料を石英ルツボ内に充填する際、ナゲット原料は室温であり、高温の融液にそのまま投入すると、融液がシリコン単結晶製造装置内で飛散し、シリコン単結晶が製造できなくなる問題があった。また、融液の飛散を防止するために融液表面を固化すると、固化の進行状況によっては石英ルツボにダメージを与えて石英ルツボの内表面を剥離させてしまい、剥離した石英屑が成長中のシリコン単結晶に付着し、シリコン単結晶に転位が発生して多結晶化してしまう現象が頻繁に発生し、シリコン単結晶の生産効率を大幅に低下させてしまうという問題があった。さらに、固化が過度に進行すると、石英ルツボがヒビ割れを起こして石英ルツボ内の融液が外側に漏れたりする問題が考えられる。
したがって、本発明の目的は、上記従来の問題点に鑑み、従来の前記原料供給装置を取り付けることなく、単結晶製造装置内に取り入れ取り出しが簡単に行え、ナゲット状及びまたは粒状（以下、固形状と称す。）原料をルツボ内の固化した融液面に直接投入することができ、しかもリチャージに適した供給速度を実現し、短時間でスムースに効率よくリチャージを行うことで単結晶の生産性を向上させることができ、安価な固形状多結晶原料のリチャージ管を提供することである。
また、本発明の他の目的は、上記リチャージ管を用いて無転位の単結晶を安全に効率良く生産できる単結晶の製造方法を提供することである。
発明の開示
上記課題を解決するために、本発明の一つの局面によれば、結晶融液を貯留するルツボを有する単結晶製造装置に脱着可能に設けられ、前記ルツボに固形状多結晶原料を充填するためのリチャージ管は、内部に前記固形状多結晶原料を保持する略円筒状のリチャージ管本体と、該リチャージ管本体の下方端部に脱着可能な円錐バルブと、前記リチャージ管本体の上方端部に脱着可能に設けられ、前記固形状多結晶原料を前記リチャージ管本体に封止する蓋と、前記リチャージ管本体を吊るす為のフックと、該フックと前記円錐バルブを繋ぐリチャージ管ワイヤーと、前記蓋の中心部に設けられ、前記リチャージ管ワイヤーが前記リチャージ管本体の略中心を貫くように位置させるストッパーとが設けられ、且つ前記リチャージ管本体が下方端部に向かって外方に拡開している。
本発明のリチャージ管は、ナゲット状原料、粒状原料、又は両方を混合した原料を充填する略円筒状のリチャージ管であって、リチャージ管本体がフックにより吊るされた状態で単結晶製造装置に取り入れることができる。そして、リチャージ管ワイヤーに繋がれた円錐バルブがリチャージ管本体の下方端部から離れ、リチャージ管本体内に保持されていた固形状原料がルツボ内に充填される。ここで、固形状原料がリチャージ管本体の曲線あるいは直線で外方（例えば、テーパー状）に広がっているところに沿って落下でき、詰まったり滞ることなくスムースに固形状原料を充填できる。また、単結晶製造装置への取り入れ、取り出しも極めて容易である。
この場合、前記リチャージ管本体が下方端部に向かってテーパー状に０．５〜５．０°の角度で広がっていることが好ましい。
テーパー部の角度は、０．５°より小さいと、固形状原料、特にナゲット状原料が詰まったり滞ったりするため好ましくない。５．０°より大きいと、石英チューブのテーパー先端部の外径が大きくなり過ぎ、好ましくない。テーパー部の角度が１．０〜２．０°であると、固形状原料を均一に充填する効果と適度な外径の確保が両立でき、より好ましい。
また、この場合、リチャージ管本体と前記円錐バルブが共に高純度の透明石英ガラス製であることが好ましい。
リチャージ管本体と円錐バルブが共に高純度の透明石英ガラス製なので、その内面に接触する塊状原料への汚染を防止できる。
さらに、この場合、前記リチャージ管本体には、単結晶製造装置内で支持されるためのフランジ部がリチャージ管本体と一体化して取り付けられ、前記フランジ部が石英ガラス製であることが好ましい。
リチャージ管本体には、透明もしくは不透明の石英ガラス製のフランジ部が、溶接などによって適度な位置に一体化して取り付けられている。適度な位置とすることで、単結晶製造装置内に脱着可能に取り付けられた支持リング（支持台）の位置で、フランジ部が支えられ固形状原料を充填するリチャージ管とルツボとの間に最適な距離を保つことができる。また、フランジ部を溶接する際には、固形状原料が高重量となっても支持できるように全周を溶接で一体化することがより好ましい。
この場合、前記リチャージ管本体の内面に嵌合して前記蓋を固定させるガイドを設け、該ガイドと前記ストッパーがテトラフルオロエチレン製であることが好ましい。
ガイドとストッパーをテトラフルオロエチレン製とすることで、蓋をリチャージ管本体に密着して取り付けることができ、リチャージ管本体内部に上部から作業室内の塵埃などの異物が入ることを防止できる。
また、この場合、前記リチャージ管本体の直径が前記ルツボの直径の２５〜６０％であることが好ましい。
リチャージ管本体の直径（外径）を石英ルツボの直径（外径）の２５〜６０％とすることで、取り扱いが容易であると共に、固形状原料を均一に効率よく充填できるリチャージ管が得られる。ここで、リチャージ管本体の直径が石英ルツボの直径の２５％より小さいと、リチャージ管本体が一度に保持できる固形状原料が少なくなり好ましくない。また、６０％より大きいと、リチャージ管外周と石英ルツボ内周との間の間隔が狭くなってしまい、原料を投入できるスペースが小さくなり好ましくない。
本発明のもう一つの局面によれば、リチャージ管を用いて固形状原料の充填を行うにあたり、成長させた単結晶を単結晶製造装置内より取り出し、固形状原料を保持したリチャージ管を前記単結晶製造装置内に取り入れ、ルツボ内の残余融液の全表面をヒーターの加熱電力を下げることにより固化させた後にヒーターの加熱電力を上げながら前記固化表面上に前記リチャージ管内の固形状原料を充填し、リチャージ管を前記単結晶製造装置内より取り出した後、前記ルツボ内の固形状原料を全て溶融し、再び単結晶成長を行うことで複数本の単結晶を成長させて単結晶を製造する。
ここで、単結晶を成長させた後の石英ルツボ内に残余した融液表面を固化させる際のヒーターの加熱電力（固化パワー）は、原料溶融時の電力（溶融パワー）の４０〜７０％程度であり、融液表面を全面固化した後に加熱電力を一気に溶融パワーまで上昇させることで、固化が過度に進行することを防止し、石英ルツボ内面へのダメージを軽減し、剥離した石英屑によって単結晶に転位が発生して多結晶化してしまう現象を低減することができる。この操作により無転位の単結晶を安全に効率良く製造することができる。
この場合、前記リチャージ管による固形状原料の充填を行う際に、前記単結晶製造装置内に着脱可能に設けられた金属製の支持リング（支持台）部に前記リチャージ管を支持し、固化した融液表面と前記リチャージ管先端部の円錐バルブとを前記ルツボを上昇させることで接触させた後、前記ルツボを降下させることで固形状原料を充填することが好ましい。
支持リングをリチャージ管本体と同じ石英ガラス製とすることも可能であるが、欠けや割れが生じ易く、金属製（例えばステンレス製）とすることでリチャージ管本体を支持するための十分な強度が得られる。また、この支持リングを単結晶製造装置内で脱着可能としておけば、破損やリチャージ管本体の直径が変わった時等の保全改修が容易になるのでより好ましい。このようにして設けた支持リングにリチャージ管のフランジ部が載ることでリチャージ管が静止する。さらに、固化させた融液表面を石英ルツボを上昇させることでリチャージ管先端部の円錐バルブに接触させ、リチャージ管のワイヤーを吊るす負荷を緩めた後、石英ルツボを降下させることによりリチャージ管内の固形状原料が石英ルツボ内の固化表面上にスムースに充填される。
さらに、前記リチャージ管による固形状原料の充填操作を複数回繰り返して固形状原料を追加充填することが好ましい。
投入した固形状原料が全量溶融するまでの時間内に、単結晶製造装置内へのリチャージ管の取り付け、固形状原料の充填、リチャージ管の取り出しまでの一連の操作を１〜２回繰り返すことで、比較的小容量のリチャージ管でも充分に原料投入ができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、図１〜５を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１に示すように、リチャージ管２０は、内部にシリコン多結晶からなる固形状原料を保持するための略円筒状の石英チューブ２１（リチャージ管本体）と、石英チューブ２１の下方端部に脱着可能な円錐バルブ２２と、石英チューブ２１の上方端部に脱着可能に設けられ、固形状原料を石英チューブ２１に封止する蓋２３と、石英チューブ２１の内面に嵌合して蓋２３を石英チューブ２１に固定するためのガイド２４と、石英チューブ２１をシリコン単結晶製造装置１０の引き上げワイヤーに吊るす為のフック２６と、フック２６と円錐バルブ２２を繋ぐタングステン製のリチャージ管ワイヤー２７と、蓋２３の中心部に配設され、リチャージ管ワイヤー２７が石英チューブ２１の略中心を貫くように位置させるストッパー２５と、シリコン単結晶製造装置１０内で石英チューブ２１が支持されるためのフランジ部２８とを備える。
石英チューブ２１は、高純度の透明石英ガラス製であり、下方端部に向かって拡巾するテーパー部２１ａが形成されている。テーパー部２１ａの長さＬ２はリチャージ管２０全長Ｌ１の約２０〜４０％が好ましい。テーパー部につける角度θ１は０．５〜５．０°が好ましく、０．５〜３．０°がより好ましい。
テーパー部２１ａの角度θ１を０．５°より小さくすると、固形状原料、特にナゲット原料が詰まったり滞ったりするため好ましくない。一方、テーパー部２１ａの角度θ１を５．０°より大きくすると、石英チューブ２１のテーパー部２１ａ先端での外径が大きくなり、単結晶製造装置１０内に取り付ける支持リング１２ｄを抜けるためには、必然的に石英チューブ２１の直径を小さくすることになり、石英チューブ２１の内容積を小さくせざるを得なくなって、固形状原料の充填量が少なくなり好ましくない。また、テーパー部２１ａの角度θ１を大きくすると必然的にフランジ部２８の石英チューブ２１からの突出寸法を大きく取る必要があり、強度的な問題を解決しようとすると肉厚の厚い大きなフランジが必要となり、リチャージ管２０の製作が煩雑となる。さらに、テーパー部２１ａの角度θ１が３．０°より大きいと、石英チューブ２１の製作費が高価になる割には、それ以下の場合と比較して固形状原料の詰まりや滞留の防止効果のさほどの向上は望めない。テーパー部２１ａの角度θ１が１．０〜２．０°であると、固形状原料の詰まりや滞留が効果的に防止できるとともに、内容積の減少及び製作費の高騰を極力抑えることが可能となる。このような点を考慮して、本実施形態では、テーパー部２１ａの長さＬ２はリチャージ管全長Ｌ１の約３０％、角度θ１を１．１５°としている。
ここで、リチャージ管２０の材質である透明石英ガラスの純度について、一例を示すと、Ａｌが１４ｐｐｍ（重量百万分率、以下同様）、Ｃａが０．４ｐｐｍ、Ｃｕが０．０５ｐｐｍ以下、Ｆｅが０．２ｐｐｍ、ＫとＬｉが各々０．６ｐｐｍ、Ｎａが０．７ｐｐｍ、Ｔｉが１．１ｐｐｍ、ＯＨが５ｐｐｍ以下である。純度については、勿論前記数値より小さいことが好ましいことは言うまでもない。また、物理特性について、一例を示すと、密度が２．２×１０^３ｋｇ／ｍ^３、引張り強度が４．９×１０^６ｋｇｆ／ｍ^２（４．８０×１０^７Ｐａ）、圧縮強度が１．１×１０^８ｋｇｆ／ｍ^２（１．０８×１０^９Ｐａ）、軟化点が１６８３℃である。
石英チューブ２１の直径（外径）Ｒ１は、石英ルツボ１１ａの直径（外径）Ｒ１１に対し２５〜６０％の寸法に設計されている。２５％より小さいと、石英チューブ２１が一度に保持できる固形状原料が少なくなり、この場合、リチャージを繰り返せばよいが、リチャージを繰り返す回数が多くなり好ましくない。６０％より大きいと、固形状原料が左右に隔たって充填される場合があると共に、石英チューブ２１の外周と石英ルツボ１１ａの内周との間隔が狭められ、固形状原料を投入するスペースが小さくなり好ましくない。本実施の形態では、例えば石英ルツボ１１ａの直径Ｒ１１が２４インチ（０．６０９６ｍ）であると、石英チューブ２１の直径Ｒ１は４０％、９．６インチ（０．２４３８ｍ）である。
円錐バルブ２２は、高純度の透明石英ガラス製であり、円錐バルブ２２を石英チューブ２１の下方端部に装着して塞いだ状態で、石英チューブ２１に固形状原料が充填される。円錐バルブ２２の周面２２ａの母線と底面２２ｂとがなす角度θ２は４０〜７０°とすることが好ましい。
角度θ２が４０°より小さいと、図３に示すように、リチャージ管ワイヤー２７を下降させると円錐バルブ２２Ａが四方に揺れやすくなり、原料が偏って充填されてしまうために好ましくない。一方、角度θ２が７０°より大きいと、図４に示すように、円錐バルブ２２Ｂの全高Ｌ１１が高くなり、円錐バルブ２２Ｂを降下させて原料を充填する際、固形状原料が一気に落下してしまい、固化させた融液に衝撃を与え、石英ルツボ１１ａを傷つけてしまう場合も考えられる。
以上を考慮すると、角度θ２が４５〜６０°であると、固形状原料投入時に石英ルツボ１１ａへの衝撃を軽減できることと、固形状原料を石英ルツボ１１ａ内により均等に充填できることを両立できるため、特に好ましい。本実施の形態では、円錐バルブ２２の角度θ２は５４°となっている。また、石英チューブ２１が下方に向かって外側にテーパー状に拡がっていることと合わせて、固形状原料をスムースに均一に石英ルツボ１１ａへ充填することができる。なお、符号Ｌ３は円錐バルブ２２の全高を示している。
ガイド２４はテトラフルオロエチレン製であり、図１に示すように、ネジ２４ａにより蓋２３の背面に一体的に取り付けられる。ガイド２４により石英チューブ２１と蓋２３とを密着させて取り付けられる。なお、ガイド２４は石英チューブ２１の上端部にネジなどにより固定して取り付けてもよい。
ストッパー２５はテトラフルオロエチレン製であり、リチャージ管ワイヤー２７がほぼ中心を貫くように取り付けられる。ストッパー２５およびリチャージ管ワイヤー２７は、蓋２３の円周上の一個所から中心に至る切り欠き（図示せず）に沿って移動させて蓋２３のほぼ中心に固定される。これにより、リチャージ管ワイヤー２７が石英チューブ２１のほぼ中心を貫くように位置する。
ストッパー２５が付いていないと、リチャージ管２０が横揺れを起こしアイソレーションバルブ１３（シリコン単結晶製造装置１０はシリコン単結晶の取り出しを行うプルチャンバー１２と石英ルツボ１１ａを中心とする結晶成長炉１１ｂを含んだメインチャンバー１１とで構成され、該アイソレーションバルブ１３により各チャンバー間を遮断することができる）のところを通過できない場合もある（図５参照）。リチャージ管２０のほぼ中心にストッパー２５を付けることにより、リチャージ管２０が横揺れを起こすことなく、バランスを崩すこともなく、傾斜して降下することも防止され、固形状原料が石英ルツボ１１ａに均等に充填される。
フランジ２８は石英ガラス製であり、図２に示すように、石英チューブ２１と石英ルツボ１１ａとの間に、固形状原料を均一に充填するための最適な間隔Ｐが保たれるよう、また、高重量を支持できるように適切な位置に全周を溶接で一体化される。
以下、本発明のリチャージ管２０を使ったリチャージについてさらに説明する。
まず、リチャージ管２０内に原料を保持する。この時、原料として純度が高く溶解速度の早いナゲット状原料のみが用いられることも多いが、純度が要求されないシリコン単結晶を育成する場合は安価な粒状原料を適宜ナゲット状原料に混ぜることもあり、粒状原料のみも場合によっては存在する。ナゲット状原料のみ、ナゲット状原料および粒状原料、粒状原料のみの場合があるが、いずれも固形状原料と呼ぶ。
そして、シリコン単結晶をシリコン単結晶製造装置１０から取り出した後、固形状原料を保持したリチャージ管２０をシリコン単結晶製造装置１０に取り入れる。この時、アイソレーションバルブ１３は閉塞されており、メインチャンバー１１内部は大気から遮断されている。リチャージ管２０がシリコン単結晶製造装置１０内に入るとプルチャンバー１２内の空気が排気され、大気を遮断した状態でリチャージ管２０をメインチャンバー１１内に入れることが可能となる。
シリコン単結晶製造装置１０内のアイソレーションバルブ１３の上の方に支持リング１２ｄが配設されており、リチャージ管２０のフランジ部２８が支持リング１２ｄに載ると固形状原料を投入できるようになる。固形状原料を投入する際、石英ルツボ１１ａ内に残っているシリコン融液（残余融液）は表面のみ固化されていて、固化表面Ａ上に原料が充填される。この時、円錐バルブ２２が固化表面Ａに接触していると最も好ましい状態で固形状原料を充填することができ、石英ルツボ１１ａを降下させることにより、よりスムースに固形状原料が充填される。
ここで、石英ルツボ１１ａ内の残余融液の全表面は、成長させたシリコン単結晶をシリコン単結晶製造装置１０内より取り出し、固形状原料を保持したリチャージ管２０をシリコン単結晶製造装置１０内に取り入れている間に、ヒーターの加熱電力を原料溶融時の電力（溶融パワー）の５０％程度に下げることにより、固化される。残余融液の表面が全面固化した後に加熱電力を一気に溶融パワーまで上昇させることで、固化が過度に進行することを防止する。こうすることで、石英ルツボ１１ａ内面へのダメージを軽減し、剥離した石英屑によって単結晶に転位が発生して多結晶化してしまう現象を低減することができる。この操作により無転位の単結晶を安全に効率良く製造することができる。
固形状原料の充填が終了すると、リチャージ管ワイヤー２７が巻き上げられ、円錐バルブ２２が石英チューブ２１の下方端部に収容され、リチャージ管２０が取り出せるようになる。
実施例
直径２２インチ（５５．８８ｃｍ）の石英ルツボ１１ａに１００ｋｇの多結晶原料を充填し、ヒーターの加熱電力（溶融パワー）を１５０ｋｗとして多結晶原料を溶融し、その後、直径８インチ（２０．３４ｃｍ）で質量８０ｋｇのシリコン単結晶を成長させ、シリコン単結晶製造装置１０内より取り出した。次に、ナゲット状原料４０ｋｇを保持したリチャージ管２０をシリコン単結晶製造装置１０内に取り入れ、リチャージ管２０のフランジ部２８を支持リング１２ｄに載せて静止させる作業の間に、ヒーターの加熱電力（固化パワー）を９０ｋｗにまで降下した。その後、残余融液の表面が固化し、ほぼ全表面が固化した直後、加熱電力を溶融パワーにまで上昇させた。この時、石英ルツボ１１ａは下方に位置しているので、固化表面Ａとリチャージ管２０の円錐バルブ２２とを接触させるため石英ルツボ１１ａを上昇させ、固化表面Ａと円錐バルブ２２とを接触させた後、吊り下げているリチャージ管ワイヤー２７の負荷を緩め、石英ルツボ１１ａを降下させることにより、リチャージ管２０内のナゲット状原料を固化表面Ａ上に徐々に投入した。
ナゲット状原料が全量投入された後、リチャージ管ワイヤー２７を巻き上げ、円錐バルブ２２を石英チューブ２１の下方端部に収容した後、リチャージ管２０をシリコン単結晶製造装置１０より取り出した。
再度、ナゲット状原料４０ｋｇを保持したリチャージ管２０をシリコン単結晶製造装置１０内に取り入れ、前述と同様にして未溶融の原料の上にナゲット状原料を充填し、初期の充填量と同じ１００ｋｇの原料とした。
その後、直径８インチ（２０．３４ｃｍ）で質量８０ｋｇの２本目のシリコン単結晶を成長した。その後、前述同様のリチャージを行い、さらに３本目のシリコン単結晶を成長した。
製造したシリコン単結晶は３本共に無転位の単結晶となり、製造終了後に石英ルツボ１１ａの内面を観察したが、固化面近傍でのヒビ、欠けなどは無く、また、固化面近傍と他の部分とで内面の浸食に大きな差は無かった。
比較例１
残余融液を固化した後の加熱電力上昇のタイミングをリチャージ終了後とした以外は実施例と同じ条件で３本のシリコン単結晶を製造した。製造したシリコン単結晶は２本目、３本目が有転位化していた。固化が過度に進行したため石英ルツボ１１ａ内表面にダメージを与え、固化面及びその近傍で石英ルツボ１１ａ内表面が剥がれ、融液表面を漂う石英屑が育成中のシリコン単結晶に付着してシリコン単結晶を有転位化したものと思われる。
実施例及び比較例１の結果から、残余融液の表面が固化し、ほぼ全表面が固化した直後に加熱電力を溶融パワーにまで上昇させることで、無転位のシリコン単結晶を安全に効率良く生産できることがわかる。
比較例２
原料投入時のリチャージ管２０の円錐バルブ２２と固化表面Ａの距離を４〜５ｃｍ離れるように石英ルツボ１１ａを静止させ、リチャージ管ワイヤー２７を下げるとともに石英ルツボ１１ａも下降させることでナゲット状原料を充填した以外は、実施例と同じ条件で３本のシリコン単結晶を製造した。製造したシリコン単結晶は３本目が有転位化していた。ナゲット状原料を投入する際、ナゲット状原料が自由落下により固化表面Ａに充填されるが、リチャージ管２０内部に保持されたナゲット状原料の最上部は、固化表面Ａから１ｍ程度の高さになっており、ナゲット状原料が固化表面Ａを突き抜けて融液を飛散させ、石英ルツボ１１ａ内面上部の数箇所に飛散した湯滴が付着して固化する場合がある。この固化したところは小さな突起部になり、湯面から蒸発するシリコン酸化物が析出することで、酸化物の屑となって湯面に落ち、融液表面を漂って育成中のシリコン単結晶に付着してシリコン単結晶を有転位化したものと思われる。
実施例及び比較例２の結果から、固化表面Ａと円錐バルブ２２とを接触させた状態でリチャージ管２０内のナゲット状原料を固化表面Ａ上に徐々に投入することで、無転位のシリコン単結晶を安全に効率良く生産できることがわかる。
以上の本発明の実施の形態によれば、シリコン単結晶を成長してシリコン融液が残り少なくなった石英ルツボ１１ａに固形状原料を充填する際、リチャージ管２０に固形状原料を保持し、前記リチャージ管２０をシリコン単結晶製造装置１０内に容易に取り入れ取り出しが行え、石英ルツボ１１ａに固形状原料をスムースに充填するものであり、こうすることにより一つの石英ルツボから複数本のシリコン単結晶を育成することができる。
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。
例えば、上記説明においては、主にＣＺ法によってシリコン単結晶を製造する場合につき説明したが、本発明は例えば、ＭＣＺ法にも適用できるものである。すなわち、ＭＣＺ法においても有効であることは言うまでもないし、また石英チューブ２１の直径や長さ等についても随時選定できるものであって、これに限られるものではない。
産業上の利用可能性
本発明によれば、従来の前記原料供給装置を取り付けることなく、単結晶装置内へのリチャージ管の取り入れ、取り出しが簡単に行え、さらにナゲット原料をルツボ内にスムースに効率よく投入できるようにし、また、充填される多結晶原料の汚染を防止できるリチャージ管を提供できる。従って、リチャージに適した供給速度を実現し、短時間でスムースに効率よくリチャージを行うことで単結晶の生産性を向上させることができ、安価な固形状多結晶原料のリチャージ管、及びそのリチャージ管を用いて無転位の単結晶を安全に効率良く生産できる単結晶の製造方法を提供できる。ゆえに、本発明の固形状多結晶原料のリチャージ管及びそれを用いた単結晶の製造方法は、固形状多結晶原料を用いる単結晶の製造に特に適している。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明の固形状原料のリチャージ管２０を示す概略断面図であり、
図２は本発明の多結晶原料のリチャージ装置を使って石英ルツボに多結晶原料を充填したところを示す概略断面図であり、
図３は円錐バルブが異なるリチャージ装置を使って石英ルツボに多結晶原料を充填したところを示す概略断面図であり、
図４は円錐バルブがさらに異なるリチャージ装置を使って石英ルツボに多結晶原料を充填しているところを示す概略断面図であり、
図５はストッパーを備えていないリチャージ装置を使って石英ルツボに多結晶原料を充填したところを示す概略断面図である。

Claims

結晶融液を貯留するルツボを有する単結晶製造装置に脱着可能に設けられ、前記ルツボに固形状多結晶原料を充填するためのリチャージ管であって、
内部に前記固形状多結晶原料を保持する略円筒状のリチャージ管本体と、
該リチャージ管本体の下方端部に脱着可能な円錐バルブと、
前記リチャージ管本体の上方端部に脱着可能に設けられ、前記固形状多結晶原料を前記リチャージ管本体に封止する蓋と、
前記リチャージ管本体を吊るす為のフックと、
該フックと前記円錐バルブを繋ぐリチャージ管ワイヤーと、
前記蓋の中心部に設けられ、前記リチャージ管ワイヤーが前記リチャージ管本体の略中心を貫くように位置させるストッパーとが設けられ、
且つ前記リチャージ管本体が下方端部に向かって外方に拡開していることを特徴とする固形状多結晶原料のリチャージ管。
前記リチャージ管本体が下方端部に向かってテーパー状に０．５〜５．０°の角度で広がっていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の固形状多結晶原料のリチャージ管。
前記リチャージ管本体と前記円錐バルブが共に高純度の透明石英ガラス製であることを特徴とする請求の範囲第１項または第２項に記載の固形状多結晶原料のリチャージ管。
前記リチャージ管本体には、単結晶製造装置内で支持されるためのフランジ部がリチャージ管本体と一体化して取り付けられ、前記フランジ部が石英ガラス製であることを特徴とする請求の範囲第１項から第３項のいずれか１つに記載の固形状多結晶原料のリチャージ管。
前記リチャージ管本体の内面に嵌合して前記蓋を固定させるガイドを設け、該ガイドと前記ストッパーがテトラフルオロエチレン製であることを特徴とする請求の範囲第１項から第４項のいずれか１つに記載の固形状多結晶原料のリチャージ管。
前記リチャージ管本体の直径が前記ルツボの直径の２５〜６０％であることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のいずれか１つに記載の固形状多結晶原料のリチャージ管。
リチャージ管を用いて固形状原料の充填を行うにあたり、成長させた単結晶を単結晶製造装置内より取り出し、固形状原料を保持したリチャージ管を前記単結晶製造装置内に取り入れ、ルツボ内の残余融液の全表面をヒーターの加熱電力を下げることにより固化させた後にヒーターの加熱電力を上げながら前記固化表面上に前記リチャージ管内の固形状原料を充填し、リチャージ管を前記単結晶製造装置内より取り出した後、前記ルツボ内の固形状原料を全て溶融し、再び単結晶成長を行うことで複数本の単結晶を成長させることを特徴とする単結晶の製造方法。
前記リチャージ管による固形状原料の充填を行う際に、前記単結晶製造装置内に着脱可能に設けられた金属製の支持リング部に前記リチャージ管本体を支持し、固化した融液表面と前記リチャージ管先端部の円錐バルブとを前記ルツボを上昇させることで接触させた後、前記ルツボを降下させることで固形状原料を充填することを特徴とする請求の範囲第７項に記載の単結晶の製造方法。
前記リチャージ管による固形状原料の充填操作を複数回繰り返して固形状原料を追加充填することを特徴とする請求の範囲第７項又は第８項に記載の単結晶の製造方法。