KR101485188B1

KR101485188B1 - 단결정 실리콘 제조 장치

Info

Publication number: KR101485188B1
Application number: KR20080130852A
Authority: KR
Inventors: 노보루 지꾸사; 데루히사 기따가와; 마사끼 이또오; 다까노리 이또오
Original assignee: 미쓰비시 마테리알 가부시키가이샤
Priority date: 2007-12-25
Filing date: 2008-12-22
Publication date: 2015-01-22
Also published as: CN101469444B; JP2013010691A; JP5157878B2; US20090158996A1; JP2009173530A; EP2075357B1; CN101469444A; JP5482859B2; US8313577B2; EP2075357A3; KR20090069230A; EP2075357A2

Abstract

본원 발명의 단결정 실리콘 제조 장치는, 하우징의 벽을 관통하는 회전 가능한 지지 샤프트(11)의 선단부에 설치된, 상기 유도 가열 코일에 의해 유도 가열 가능한 도전재와, 상기 도전재를 피복하는 석영 피복체를 갖는 발열 링과, 상기 지지 샤프트(11)에, 이것을 회전시킴으로써, 상기 발열 링을 상기 종결정 홀더와 다결정 홀더 사이에서 상기 유도 가열 코일에 접근시킨 가열 위치와, 이 가열 위치로부터 퇴피시킨 퇴피 위치와의 사이에서 왕복 이동시키는 조작 수단과, 상기 하우징의 벽과 상기 지지 샤프트(11)의 관통부에 설치된, 이들의 기밀을 유지하는 밀봉재(21A)와, 상기 지지 샤프트의 내부에 형성된, 냉각 매체를 유통시키는 냉각 유로(14)를 구비한다.

지지 샤프트, 밀봉재, 냉각 유로, 도전재, 발열 링, 유도 가열 코일

Description

단결정 실리콘 제조 장치 {APPARATUS FOR PRODUCING SILICON SINGLE CRYSTAL}

본 발명은 단결정 실리콘 제조 장치에 관한 것으로, 특히 FZ법에 의해 단결정으로 성장시키는 단결정 실리콘 제조 장치에 관한 것이다.

본원은 2007년 12월 25일에 출원된 일본 특허 출원 제2007-331548호에 대해 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 이러한 종류의 FZ(플로트 존)법을 이용한 단결정 실리콘 제조 장치로서, 일본 특허 출원 공개 평7-10681호 공보에 개시되는 것이 알려져 있다. 이 단결정 실리콘 제조 장치는, 내부가 불활성 가스 분위기로 되는 하우징과, 하우징 내의 상부 구동축(위치 결정 로드)에 설치되어 그 하단부에 시료로 되는 다결정 실리콘 막대가 보유 지지되는 다결정 홀더와, 하부 구동축(위치 결정 로드)에 설치되어 그 상단부에 실리콘 단결정의 종결정이 보유 지지되는 종결정 홀더와, 하우징 내의 중간 부분에 설치된 고주파 유도 가열 코일을 갖는 것이며, 상측의 다결정 홀더에 원료로 되는 다결정 실리콘 막대를 보유 지지하고, 또한 종결정 홀더에 실리콘 단결정의 종결정을 보유 지지한 상태에서, 고주파 유도 가열 코일에 의해 다결정 실 리콘의 일단부를 용융하여 종결정에 융착한 후, 다결정 실리콘 막대를 고주파 유도 가열 코일에 대해 상대 회전시키면서 축선 방향으로 상대 이동시키고, 다결정 실리콘 막대를 축방향으로 순차 대역 용해하면서, 단결정 실리콘의 막대를 제조하는 것이다.

또한, 이 단결정 실리콘 제조 장치에서는, 다결정 실리콘 막대를 가열하기 위한 가열 수단으로서 고주파 유도 가열 코일이 설치되어 있다. 다결정 실리콘 막대는 냉각되어 있을 때에는 비저항이 크기 때문에, 초기 단계에서 다결정 실리콘을 복사열에 의해 예열하기 위한 카본 등으로 이루어지는 발열 링(서셉터)이 설치되어 있다. 우선, 이 발열 링을 유도 가열하여 고온 상태로 하고, 그 복사열에 의해 다결정 실리콘 막대를 가열한다. 그리고, 다결정 실리콘 막대의 온도가 상승하여 통전 가능한 상태로 된 후에는, 그 유도 가열에 의해 다결정 실리콘이 자기 발열한다. 이와 같은 상태로 된 경우에는, 발열 링이 다결정 실리콘 막대의 둘레로부터 퇴피하고, 그 후에는 다결정 실리콘 막대가 직접 유도 가열되어, 하단부가 용융된다. 그 용융된 하단부가 종결정에 융착되어, 단결정이 성장한다.

그런데, 상술한 발열 링은, 다결정 실리콘 막대에 접근시키거나, 퇴피시키기 위해, 이것을 지지하는 지지 샤프트가 하우징의 벽에 회전 가능하게 지지되어 있다. 한편, FZ법에 의한 단결정 제조 프로세스에 있어서는, 장치를 구성하는 부재로부터의 오염을 억제하는 것이 필요 불가결하고, 상기 발명에 기재된 금속 재료 혹은 소결 재료로 이루어지는 서셉터 재질(SiC 코트 카본ㆍ탄탈ㆍ몰리브덴 등)은 서셉터재 그 자체가 오염원으로 된다. 또한 서셉터가 발열했을 때에, 서셉터를 지지하고 있는 지지 샤프트도 고온으로 가열되기 때문에, 지지체 부재로부터의 오염이 발생한다. 또한 지지 샤프트와 하우징 사이의 밀봉재에도 열이 전달되어, 밀봉성이 저하되는 동시에, 밀봉재로부터의 오염이 발생한다. 밀봉성 저하에 기인한 외부 가스의 혼입에 의한 분위기 품질의 저하 등에 의해 단결정 실리콘의 품질이 저하된다는 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 사정에 비추어 이루어진 것으로, 발열체로부터의 오염을 방지하고, 또한 지지 샤프트의 온도 상승을 억제함으로써, 지지 샤프트재 및 지지 샤프트와 하우징 사이에 있는 밀봉재 및 외부 분위기로부터의 오염을 방지하여, 고품질의 단결정 실리콘을 제조하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 단결정 실리콘 제조 장치는, 하우징 내에, 종결정 홀더에 보유 지지된 종결정이, 다결정 홀더에 보유 지지된 다결정 실리콘 막대와 대향하여 배치되 고, 그 다결정 실리콘 막대의 주위에 배치되는 유도 가열 코일에 의해 다결정 실리콘 막대가 용융된 후 종결정에 융착되어 단결정으로 성장시키는 단결정 실리콘 제조 장치이며, 상기 하우징의 벽을 관통하는 회전 가능한 지지 샤프트의 선단부에, 상기 유도 가열 코일에 의해 유도 가열 가능한 도전재와, 상기 도전재를 피복하는 석영 피복체를 갖는 발열 링이 설치되는 동시에, 상기 지지 샤프트에, 이것을 회전시킴으로써, 상기 발열 링을 상기 종결정 홀더와 다결정 홀더 사이에서 상기 유도 가열 코일에 접근시킨 가열 위치와, 이 가열 위치로부터 퇴피시킨 퇴피 위치 사이에서 왕복 이동시키는 조작 수단이 설치되고, 상기 하우징의 벽과 상기 지지 샤프트의 관통부에, 이들 기밀을 유지하는 밀봉재가 설치되고, 상기 지지 샤프트의 내부에는, 냉각 매체를 유통시키는 냉각 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

즉, 발열 링의 도전재가 석영 피복체로 피복되고, 상기 링을 보유 지지하는 지지 샤프트 내에 냉각 매체가 유통하도록 했으므로, 유도 가열 코일에 의해 발열 링을 유도 가열했을 때, 그 열이 지지 샤프트 내의 냉각 매체에 의해 냉각됨으로써, 오염이 매우 적은 고품질의 단결정 실리콘을 제조하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 단결정 실리콘 제조 장치에 있어서, 상기 지지 샤프트는 외부 관과 내부 관으로 이루어지는 이중관에 의해 형성되고, 상기 냉각 유로는, 외부 관과 내부 관의 어느 한쪽측에 냉각 매체가 공급되고, 그 다른 쪽측으로부터 배출하는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 이중관 구조로 한 것에 의해, 지지 샤프트 내부에 연속적으로 냉각 매체를 공급할 수 있어, 지지 샤프트 및 밀봉재의 효과적인 냉각이 가능하게 된다. 이 경우, 발열 링에 가까운 지지 샤프트의 선단 부를 유효하게 냉각하기 위해, 내부 관에 냉각 매체를 공급하고, 지지 샤프트의 선단부에서 되접어 꺾도록 하여 외부 관과 내부 관 사이에 송출하는 구성으로 하면 좋다.

또한, 본 발명의 단결정 실리콘 제조 장치에 있어서, 상기 발열 링은, 상기 도전재가 카본에 의해 구성되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 상기 도전재와 상기 석영 피복체 사이에 공간이 형성되고, 상기 공간이 진공 상태로 되어 있으면 좋다. 내부 공간이 형성됨으로써 상기 도전재와 상기 석영 피복체 사이의 열응력을 방지할 수 있다. 또한 내부 공간이 진공 상태로 됨으로써 열전달이 양호하고, 또한 도전재의 열화도 방지된다.

또한, 본 발명의 단결정 실리콘 제조 장치에 있어서, 상기 발열 링은, 그 둘레 방향의 일부에, 상기 다결정 실리콘 막대를 통과 가능한 절결부가 형성되고, 상기 조작 수단에 의해 상기 절결부가 상기 가열 위치의 중심을 통과하도록 왕복 이동하는 구성으로 하면 좋다. 발열 링을 가열 위치와 퇴피 위치 사이에서 왕복 이동할 때에, 절결부가 다결정 실리콘 막대를 통과하도록 하여 발열 링을 이동할 수 있어, 다결정 실리콘 막대와 종결정의 상대 위치 관계를 바꾸지 않고, 발열 링만 이동이 가능하다.

본 발명의 단결정 실리콘 제조 장치에 따르면, 발열 링의 도전재가 석영 피복체로 피복되고, 발열 링을 보유 지지하는 지지 샤프트 내에 냉각 매체가 유통하므로, 발열 링의 열이 지지 샤프트 내의 냉각 매체에 의해 냉각됨으로써, 발열 링, 지지 샤프트 및 상기 지지 샤프트와 하우징 사이에 있는 밀봉재로부터의 오염이 억제된다. 그 결과, 고품질의 단결정 실리콘을 제조할 수 있다.

이하, 본 발명에 관한 단결정 실리콘 제조 장치의 실시 형태를 도면을 참조하면서 설명한다.

도1은 일 실시 형태의 단결정 제조 장치(100)의 개략 구성도이며, 이 도면에서 부호 1은, 불활성 가스(아르곤 가스)가 충전되는 하우징이다. 이 하우징(1)의 상부 벽(1A)의 중심부에는 회전 구동 또한 상하 방향으로 승강 구동되는 상부 구동축(2)이 설치되고, 또한 하우징(1)의 저부(1B)에는, 상부 구동축(2)과 축선을 동일하게 하여 대향하도록 회전 구동 또한 상하 방향으로 승강 구동되는 하부 구동축(3)이 설치되어 있다. 상부 구동축(2)의 하단부에는, 몰리브덴선으로 이루어지는 현수 부재(4)를 통해 시료로 되는 다결정 실리콘 막대(S1)가 보유 지지되는 다결정 홀더(5)가 설치되고, 또한 하부 구동축(3)의 상단부에는, 실리콘 단결정의 종결정(6)이 보유 지지되는 종결정 홀더(7)가 설치되어 있다.

하우징(1) 내의 다결정 홀더(5)와 종결정 홀더(7) 사이에는 고주파 유도 가열 코일(8) 및 석영에 의해 피복된 발열 링(9)이 설치되어 있다. 고주파 유도 가열 코일(8)은 전체적으로 링 디스크(ring disc) 형상으로 형성되어 있고, 하우징(1)의 측벽(1C)에 지지된 지지 막대(10)에 의해 수평으로 보유 지지되어 있다. 발열 링(9)은, 도2 및 도3에 도시한 바와 같이 전체적으로 링 형상으로 형성되어 있고, 카본으로 이루어지는 도전재(9A)와, 이 도전재(9A)를 간격을 두고 덮는 석영 피복체(9B)로 구성되어 있다. 또한, 이 석영 피복체(9B)에 의해 둘러싸여진 내부 공간(9C)은 예를 들어 10^-4 내지 10^-6 ㎩의 진공 상태로 설정되어 있다.

그리고, 이 발열 링(9)은, 하우징(1)의 상부 벽(1A)으로부터 수직 하강된 지지 샤프트(11)에 의해 고주파 유도 가열 코일(8)의 상방 위치에 수평으로 보유 지지되어 있다. 이 지지 샤프트(11)는 수직부(11A)와 수평부(11B)에 의해 L자 형상으로 형성되고, 그 수직부(11A)의 상단부가 하우징(1)의 상부 벽(1A)을 관통하고, 상기 상부 벽(1A)에 회전 가능 및 승강 가능하게 지지되어 있고, 수직부(11A)의 하단부와 일체의 수평부(11B)의 선단부에 발열 링(9)이 고정되어 있다. 또한, 하우징(1)의 상부 벽(1A)으로부터 돌출되는 수직부(11A)의 상단부에 레버 등의 조작 수단(11C)이 설치되어 있고, 이 조작 수단(11C)을 조작함으로써, 그 하단부에 보유 지지된 발열 링(9)을 약간 상하 이동 가능한 동시에, 다결정 홀더(5)와 종결정 홀더(7) 사이에 배치되는「가열 위치(도2에 부호 E로 나타낸 위치)」와, 그 사이로부터 측방으로 이격한「퇴피 위치(도2에 부호 F로 나타낸 위치)」 사이에서 왕복 이동시킬 수 있도록 되어 있다.

또한, 이 지지 샤프트(11)의 적어도 수직부(11A)는, 도4에 도시한 바와 같이 외부 관(12)과 내부 관(13)으로 이루어지는 이중관 구조로 되어, 내부에 냉각 유로(14)가 형성되어 있다. 이 경우, 외부 관(12)의 하단부는 폐쇄되어 있으나, 내부 관(13)의 하단부는 개방 상태로 되어 외부 관(12)의 하단부로부터 약간 이격된 위치에 배치되어 있음으로써, 내부 관(13)의 내부 공간과 양 관(12, 13) 사이의 링 형상 공간이 지지 샤프트(11)의 하단부에서 연통 상태로 되어 있다. 또한, 외부 관(12)의 상부의 장착 구멍(12A)에는, 냉각 매체를 외부로부터 공급하는 외부 배관(15)이 접속되고, 내부 관(13)의 상단부에는 냉각수 등의 냉각 매체가 배출되는 외부 배관(16)이 접속된다. 즉, 이중관에 의해 형성되는 냉각 유로(14)는, 외부 배관(15)으로부터 외부 관(12)과 내부 관(13) 사이의 링 형상 공간에 공급된 냉각 매체가 지지 샤프트(11)의 하단부에서 되접어 꺾어지도록 하여 내부 관(13) 내를 경유하고, 외부 배관(16)으로부터 외부로 배출되는 구성이다. 이와 같은 냉각 매체의 유통에 의해, 지지 샤프트(11)는 그 전체가 냉각된다.

또한, 이 지지 샤프트(11)의 상단부는, 도5에 도시한 바와 같이 하우징(1)의 상부 벽(1A)의 일부를 구성하도록 설치된 지지 블록(17)에 의해 지지되어 있다. 이 지지 블록(17)은, 하우징(1)의 상부 벽(1A)의 상면에 고정된 제1 블록체(17A)와, 상기 제1 블록체(17A) 상에 고정된 제2 블록체(17B)로 이루어지고, 지지 샤프트(11)는, 이들 블록체(17A, 17B) 및 하우징(1)의 상부 벽(1A)을 상하 방향으로 관통하여 배치되어 있다. 이 경우, 양 블록체(17A, 17B)의 관통 구멍을 형성하도록 슬리브(18)가 양 블록체(17A, 17B)와 일체적으로 설치되어 있고, 이 슬리브(18)의 관통 구멍(18a) 내에 지지 샤프트(11)가 관통 상태로 지지되고, 블록체(17A) 및 하우징(1)의 상부 벽(1A)의 구멍(19, 20)을 통해 하우징(1) 내에 수직 하강하고 있다. 또한, 지지 샤프트(11)와 슬리브(18)의 관통 구멍(18a)의 내주면과의 사이, 하우징(1)의 상부 벽(1A)의 상면과 지지 블록(17)의 제1 블록체(17A)의 하면 사이 및 슬리브(18)와 제2 블록체(17B)와의 사이에는, 하우징(1)의 내부의 기밀을 유지 하기 위한 O링 등의 밀봉재(21A 내지 21C)가 설치되어 있다. 도5 중, 부호 22는 제1 블록체(17A)와 하우징(1)의 상부 벽(1A)을 일체로 고정하는 나사를 나타내고 있다.

한편, 종결정 홀더(7)는, 탄탈(Ta)에 의해, 도6 및 도7에 도시한 바와 같이 전체적으로 통 형상으로 형성되고, 그 하단부를 제외한 대부분에, 상단부의 개구(31)를 향해 점차 직경이 확대되는 원뿔 형상의 상부 수납 구멍(32)이 형성되고, 그 하단부에는, 원기둥 형상의 하부 수납 구멍(33)이 형성되어 있다. 이들 수납 구멍(32, 33)은 동일 축선 C₁ 상에 배치되어, 그 상부 수납 구멍(32)에 종결정(6)이 수납되고, 하부 수납 구멍(33)에는, 하부 구동축(3)의 선단부에 고정된 석영으로 이루어지는 막대 형상의 지지 부재(34)가 장착된다.

이 종결정 홀더(7)에 보유 지지되는 종결정(6)은, 전체적으로는 막대 형상으로 형성되나, 길이 방향의 중앙부로부터 상단부(6a)와 하단부(6b)에서 각각 단부가 끝이 가늘게 된 원뿔 형상으로 형성되어 있다. 또한, 지지 부재(34)는 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 그리고, 이 종결정 홀더(7)를 지지 부재(34) 상에 장착하고, 상부 수납 구멍(32)에 종결정(6)의 하단부(6b)를 수납한 상태로 함으로써, 이 종결정(6)의 축선 C₂가 그 상측의 다결정 홀더(5)에 의해 보유 지지되는 다결정 실리콘 막대(S1)의 축선 C₃과 동일선상에 배치된다.

또한, 이 종결정 홀더(7)의 양단부에는, 반경 방향을 따르는 나사 구멍(35)이 둘레 방향으로 90°씩 간격을 두고 4개씩 설치되어 있다. 이들 나사 구멍(35) 은, 각각 종결정 홀더(7)의 벽을 관통하고 있음으로써, 내부의 상부 수납 구멍(32) 및 하부 수납 구멍(33)에 연통하고 있다. 그리고, 상부 수납 구멍(32)에 수납한 종결정(6)은 상부의 나사 구멍(35)으로부터 고정 나사(36)를 돌려 넣음으로써 고정되고, 하부 수납 구멍(33)에 수납한 지지 부재(34)는 하부의 나사 구멍(35)에 고정 나사(36)를 돌려 넣음으로써 고정되는 구성이다.

그리고, 종결정 홀더(7)의 상부 수납 구멍(32)의 내주면을 형성하고 있는 테이퍼면(32a)은, 이 상부 수납 구멍(32)의 축선 C₁과 이루는 각도(θ)가 10 내지 25°로 설정되어 있는 동시에, 그 면 거칠기가, 평균 거칠기(Ra)로 10 내지 200 ㎛로 되어 있다. 테이퍼면(32a)의 각도가 25°보다 크면, 종결정(6)의 자세가 안정되지 않아, 회전시에 종결정(6)이 미끄러지기 쉽고, 또한 10°보다 작으면, 중심의 어긋남이 발생하기 쉽다. 더 바람직하게는 테이퍼면(32a)의 각도는 17 내지 18°로 된다. 또한, 면 거칠기가 10 내지 200 ㎛로 되어 있음으로써, 회전시에 적절한 마찰력으로 종결정(6)이 보유 지지되어, 그 자세를 정확하게 유지할 수 있다.

또한, 종결정 홀더(7)의 길이 방향 중앙부의 외주부에는, 둘레 방향으로 180°이격하는 대칭 위치에 각각 오목부(37)가 형성되어 있다. 이들 오목부(37)는, 종결정 홀더(7)를 지지 부재(34)에 고정하거나 수납 구멍(32) 내에 종결정(6)을 보유 지지할 때에, 펀치 등의 공구의 선단부를 배치시키는 것이고, 단면이 직사각형의 홈 형상으로 형성되고, 공구 선단부가 접촉 가능한 평면(37a)이 직경 방향과 평행하게 형성되어 있다.

이와 같이 구성한 단결정 제조 장치(100)를 사용하여 단결정 실리콘을 제조하는 방법에 대해, 이하 그 공정의 순서에 따라서 설명한다.

(1) 종결정 홀더(7)에 종결정(6)이 장착되는 동시에, 현수 부재(4)가 시료로 되는 다결정 실리콘 막대(S1)에 장착됨으로써, 상기 다결정 실리콘 막대(S1)가 다결정 홀더(5)에 지지된다. 이때, 종결정 홀더(7)의 상부 수납 구멍(32)에 종결정(6)의 하단부(6b)를 삽입함으로써, 이 상부 수납 구멍(32)의 테이퍼면(32a)이 종결정(6)의 외주면에 접촉하여, 자동적으로 센터링이 행해진다. 그 수납 상태에서 고정 나사(36)에 의해 고정함으로써, 그 센터링 상태가 유지된다.

(2) 동축 형상으로 배치된 종결정(6)과 다결정 실리콘 막대(S1) 사이의 위치[가열 위치(E)]에 발열 링(9)을 배치한다.

(3) 상부 구동축(2)을 강하시켜, 시료로 되는 다결정 실리콘 막대(S1)를 발열 링(9) 내에 통과시키고, 시료의 하단부가, 고주파 유도 가열 코일(8)의 상방에 근접하도록 다결정 실리콘 막대(S1)를 위치시킨다.

(4) 하우징(1)의 도어(도시 생략)를 폐쇄하여 내부를 밀폐 상태로 하고, 진공 배기를 행한 후에 불활성 가스를 충만시킨다.

(5) 고주파 유도 가열 코일(8)에 통전함으로써, 발열 링(9)이 발열하고, 그 복사열에 의해 다결정 실리콘 막대(S1)의 예열이 행해진다. 이 예열은 다결정 실리콘 막대(S1)의 선단부가 빨갛게 달구어질 때까지 행한다.

(6) 상부 구동축(2)이 도2의 화살표 A로 나타낸 바와 같이 상승하여, 다결정 실리콘 막대(S1)가 종결정(6)으로부터 이격한다. 다음에 다결정 실리콘 막대(S1) 와 종결정(6) 사이에 생긴 간극으로부터 발열 링(9)이 화살표 B로 나타낸 바와 같이 이동하여, 하우징(1)의 측벽(1C)의 근방 위치[퇴피 위치(F)]로 퇴피한다. 그 후, 상부 구동축(2)을 강하시킴으로써, 다결정 실리콘 막대(S1)가 고주파 유도 가열 코일(8)의 부근까지 강하한다.

(7) 다결정 실리콘 막대(S1)의 하단부가 용융된다.

(8) 하부 구동축(3)을 상승함으로써, 종결정(6)이 다결정 실리콘 막대(S1)에 근접한다. 다결정 실리콘 막대(S1)의 하단부가 완전히 용융되면, 종결정(6)과 다결정 실리콘 막대(S1)를 접촉시킴으로써, 다결정 실리콘 막대(S1)의 열이 종결정(6)에 전달되어 종결정(6)의 상단부면이 용융된다.

(9) 하부 구동축(3)을 회전 구동하여 종결정(6)을 회전한다.

(10) 다결정 실리콘 막대(S1)의 하단부의 용융부의 형상을 가지런히 하면서 용융부와 종결정(6)을 충분히 융화시킨다.

(11) 상부 구동축(2)과 하부 구동축(3)을 축선 방향을 따라 동기 이동시킴으로써, 다결정 실리콘 막대(S1)의 용융 부분이, 고주파 유도 가열 코일(8)에 대해 상하 방향으로 상대 이동한다. 이에 의해 하부 구동축(3) 상에 단결정 실리콘(S2)을 육성한다.

(12) 단결정 실리콘(S2)이 충분히 형성되면, 상부 구동축(2), 하부 구동축(3)의 구동, 고주파 유도 가열 코일(8)의 통전을 정지한다. 그 후, 형성된 단결정 실리콘을 취출하고, 급속 냉각 장치에서 냉각한다.

이상과 같은 단결정 제조 장치(100)에 따르면, 양 단부(6a, 6b)를 원뿔 형상 으로 한 종결정(6)을 종결정 홀더(7)의 상부 수납 구멍(32)에 삽입함으로써, 종결정(6)의 원뿔 형상의 외주면이 수납 구멍(32)의 테이퍼면(32a)에 전체 둘레에 걸쳐 접촉한다. 따라서 양자의 축선 C₁, C₂가 정확하게 일치된다. 이에 의해, 종결정(6)의 축선 C₂와, 그 상측에 배치되는 다결정 실리콘 막대의 축선 C₃이 정확하게 일치된다. 즉, 종결정(6)을 수납 구멍(32)에 삽입하는 것만으로, 이들 축선 C₁, C₂가 일치된 상태로 수납되고, 그 상방의 다결정 실리콘 막대(S1)와의 축선 C₃과도 일치하게 되어, 결과적으로 종결정(6)을 장착할 때의 작업 시간이 대폭 단축된다. 그리고, 이 수납 상태에서 고정 나사(36)를 고정함으로써, 종결정(6)은 테이퍼면(32a)에 의해 전체 둘레가 보유 지지되고, 또한 고정 나사(36)의 압박력에 의해 확실하게 고정할 수 있다.

상부 수납 구멍이 직선이면, 종결정을 수납하여 고정 나사로 고정한 경우에, 그 간극의 범위에서 종결정이 좌우 방향으로 이동하기 쉬우나, 수납 구멍을 테이퍼면으로 한 것에 의해, 종결정의 전체 둘레가 테이퍼면에 접촉하여 좌우 방향으로 이동하기 어렵고, 따라서 다결정 실리콘 막대와의 센터링 작업이 용이해진다.

그리고, 이 종결정(6)과 동축 상태로 되도록 다결정 실리콘 막대(S1)를 다결정 홀더(7)에 지지한다. 다음에, 도1에 도시된 바와 같이 다결정 홀더(5)와 종결정 홀더(7) 사이의「가열 위치(E)」에 발열 링(9)을 배치하고, 이 발열 링(9)을 고주파 유도 가열 코일(8)에 의해 유도 가열하여 고온 상태로 함으로써, 이 발열 링(9)으로부터의 복사열에 의해 다결정 실리콘 막대(S1)가 가열된다. 그리고, 다 결정 실리콘 막대(S1)의 온도가 상승하여, 하단부가 빨갛게 달구어진 후에는, 다결정 실리콘 막대(S1)를 상방으로 끌어올린 상태에서, 지지 샤프트(11)를 회전시켜, 다결정 홀더(5)와 종결정 홀더(7) 사이로부터「퇴피 위치(F)」로 발열 링(9)을 퇴피시키고, 다결정 실리콘 막대(S1)는 고주파 유도 가열 코일(8)로부터의 유도 가열에 의해서만 가열되어, 단결정 실리콘으로 육성하는 것이다. 발열 링(9)은 석영으로 피복되어 있기 때문에, 링 부재로부터의 오염이 매우 적고, 양호한 품질의 단결정 실리콘을 제조할 수 있다.

이 단결정 실리콘의 육성 작업 중에 종결정(6)이 회전하는 일이 있으나, 그 때도 수납 구멍(22)의 테이퍼면(32a)에 의해 종결정(6)을 전체 둘레에서 보유 지지하고 있으므로, 슬립을 발생시키지 않고, 그 센터링 상태가 확실하게 유지된다. 이 경우, 테이퍼면의 면 거칠기는, 평균 거칠기(Ra)로 10 내지 200 ㎛로 되어 있고, 면 거칠기를 이 범위로 설정해 둠으로써, 수납 구멍의 테이퍼면과 종결정의 마찰력이 커져, 회전시의 슬립을 확실하게 방지할 수 있다.

그리고, 이 단결정을 제조하는 동안, 이중관 구조의 지지 샤프트(11)에는, 그 내부의 냉각 유로(14)에 냉각 매체가 유통되기 때문에, 고주파 유도 가열 코일(8)에 의해 발열 링(9)이 가열되었다고 해도, 그 열이, 지지 샤프트(11)와 하우징(1) 사이를 밀봉하는 밀봉재(21A)에 전달되는 것을 방지할 수 있다. 그 결과, 지지 샤프트(11)로부터의 오염이 방지되는 동시에, 밀봉재(21A)가 과열되지 않아, 상기 밀봉재(21A)의 열화, 성능 저하를 방지할 수 있고, 상기 밀봉재(21A)로부터의 오염도 방지되고, 또한 밀봉재(21A)의 장기 수명화를 도모할 수 있다.

발열 링(9) 자체도, 카본으로 이루어지는 도전재(9A)가 석영 피복체(9B)에 의해 덮여 있기 때문에, 작업 분위기로의 오염이 방지된다. 또한, 이들 도전재(9A)와 석영 피복체(9B) 사이의 공간(9C)이 진공 상태로 됨으로써, 도전재(9A)로부터 석영 피복체(9B)로 신속하게 열이 전달되고, 다결정 실리콘 막대(S1)에 대한 가열 효과가 높은 동시에, 공기 분위기의 경우의 잔류 수분에 기인하는 도전재의 열화도 방지된다. 또한, 도전재(9A)와 석영 피복체(9B)가 이격되어 있음으로써, 양자의 열신축의 차에 수반하는 응력 발생도 방지할 수 있다.

또한, 상기한 단결정 제조 장치(100)에 따르면, 지지 샤프트(11)를 내부 관(13)과 외부 관(12)으로 이루어지는 이중관에 의해 형성하고, 이들 내부 관(13)과 외부 관(12)의 어느 한쪽측에 냉각 매체를 공급하고, 이들 내부 관(13), 외부 관(12)의 다른 쪽측을 통해 냉각 매체를 배출하도록 했으므로, 지지 샤프트(11)에 대해 연속적으로 냉각 매체를 공급할 수 있어, 밀봉재의 효과적인 냉각이 가능하게 된다.

이들 상승 효과에 의해, 단결정 제조 장치로서의 건전성을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있다.

도8은 본 발명의 다른 실시 형태를 도시하고 있다. 본 실시 형태에서는, 발열 링(41)이 도1 내지 도3에 도시한 일 실시 형태의 발열 링(9)과 달리, 둘레 방향의 일부에 절결부(42)가 형성되어 있다. 이 절결부(42)는, 그 간격(W)이 다결정 실리콘 막대(S1)의 직경보다도 크게 형성되어, 절결부(42)를 다결정 실리콘 막대(S1)가 통과할 수 있는 구조이다. 또한, 이 절결부(42)의 위치는, 조작 레 버(11C)를 조작하여 발열 링(41)을 왕복 이동했을 때에, 절결부(42)가 가열 위치(E)의 중심[종결정 홀더(7)의 축선 C₁ 및 다결정 홀더(5)의 지지 중심과 동등함]을 통과하도록 배치되어 있다.

따라서, 앞의 실시 형태에서는 제조 공정의(6)에 있어서, 가열 위치(E)로부터 퇴피 위치(F)로 발열 링(9)을 이동하기 전에, 다결정 실리콘 막대(S1)가 상승하여 종결정(6)으로부터 이격함으로써, 다결정 실리콘 막대(S1)와 종결정(6) 사이에 발열 링이 통과 가능한 간격을 확보할 필요가 있었으나, 본 실시 형태에 있어서는, 다결정 실리콘 막대(S1)를 상승시키지 않고, 발열 링(41)이 도8의 화살표 C로 나타낸 바와 같이 이동하는 것만으로, 가열 위치(E)로부터 쇄선으로 나타낸 퇴피 위치(F)로 이동할 수 있다. 따라서, 다결정 실리콘 막대(S1)의 선단부가 빨갛게 달구어진 상태를 유지한 상태로 다음 공정으로 이행할 수 있기 때문에 작업성이 좋다.

또한, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 변경을 가하는 것이 가능하다. 예를 들어, 일 실시 형태의 지지 샤프트(11)의 냉각 유로(14)에서는, 우선 외부 관(12)에 외부로부터 냉각 매체를 공급한 후, 내부 관(13)으로부터 배출하도록 했으나, 반대로 외부로부터 냉각 매체를 내부 관(13)에 공급한 후, 외부 관(12)으로부터 배출하도록 해도 좋다. 또한, 지지 샤프트(11)의 회전 및 승강의 조작을 위해 레버 등의 조작 수단을 설치했으나, 전동기, 감속기 등을 조합한 구동 기구로 이루어지는 조 작 수단으로 해도 좋다. 또한, 발열 링의 도전재는, 유도 가열 코일에 의해 유도 가열 가능 또한 그 융점이 실리콘보다도 고온인 도전재로 이루어지는 것이면, 카본, 몰리브덴 등을 적용할 수 있다.

또한, 일 실시 형태의 종결정 홀더(7)에서는, 상부 수납 구멍(32)을 개구까지 연속하는 테이퍼면(32a)에 형성했으나, 종결정의 외주의 전체 둘레에 접촉 가능한 테이퍼면이 적어도 일부에 형성되어 있으면 좋고, 개구 부근은 원통 형상으로 해도 좋다. 또한, 이 수납 구멍에 삽입한 종결정을 4개의 고정 나사로 고정하는 구조로 했으나, 3개의 고정 나사에 의해 고정하는 것이라도 좋다.

도1은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서의 단결정 제조 장치의 전체를 도시하는 개략 단면도.

도2는 도1에 있어서의 발열 링과 그 지지 샤프트를 도시하는 사시도.

도3은 도1에 있어서의 발열 링의 종단면도.

도4는 도1의 지지 샤프트의 내부 구조를 도시하는 종단면도.

도5는 도1의 하우징에 대한 지지 샤프트의 장착 상태를 도시하는 종단면도.

도6은 도1에 있어서의 종결정 홀더에 종결정을 보유 지지한 상태를 확대하여 도시하는 종단면도.

도7은 도6의 종결정 홀더의 외부 관을 도시하는 사시도.

도8은 본 발명의 다른 실시 형태에 있어서의 발열 링과 그 지지 샤프트를 도시하는 도2와 같은 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 하우징

2 : 상부 구동축

3 : 하부 구동축

4 : 현수 부재

5 : 다결정 홀더

6 : 종결정

6a : 상단부

6b : 하단부

7 : 종결정 홀더

8 : 고주파 유도 가열 코일

9 : 발열 링

9A : 도전재

9B : 석영 피복체

9C : 공간

10 : 지지 막대

11 : 지지 샤프트

11C : 조작 수단

12 : 외부 관

13 : 내부 관

14 : 냉각 유로

15, 16 : 외부 배관

17 : 지지 블록

18 : 슬리브

21A 내지 21C : 밀봉재

31 : 개구

32 : 상부 수납 구멍

32a : 테이퍼면

33 : 하부 수납 구멍

34 : 지지 부재

35 : 나사 구멍

36 : 고정 나사

S1 : 다결정 실리콘 막대

Claims

하우징 내에, 종결정 홀더에 보유 지지된 종결정이, 다결정 홀더에 보유 지지된 다결정 실리콘 막대와 대향하여 배치되고, 그 다결정 실리콘 막대의 주위에 배치되는 유도 가열 코일에 의해 다결정 실리콘 막대가 용융된 후 종결정에 융착되어 단결정으로 성장시키는 단결정 실리콘 제조 장치이며,

상기 하우징의 벽을 관통하는 회전 가능한 지지 샤프트의 선단부에 설치된, 상기 유도 가열 코일에 의해 유도 가열 가능한 도전재와, 상기 도전재를 피복하는 석영 피복체를 갖는 발열 링과,

상기 지지 샤프트에, 이것을 회전시킴으로써, 상기 발열 링을 상기 종결정 홀더와 다결정 홀더 사이에서 상기 유도 가열 코일에 접근시킨 가열 위치와, 이 가열 위치로부터 퇴피시킨 퇴피 위치 사이에서 왕복 이동시키는 조작 수단과,

상기 하우징의 벽과 상기 지지 샤프트와의 관통부에 설치된, 이들 기밀을 유지하는 밀봉재와,

상기 지지 샤프트의 내부에 형성된, 냉각 매체를 유통시키는 냉각 유로를 구비하고,

상기 도전재와 상기 석영 피복체 사이에 공간이 형성되고, 상기 공간이 진공 상태로 되어 있는 단결정 실리콘 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 지지 샤프트는 외부 관과 내부 관으로 이루어지는 이중관에 의해 형성되고, 상기 냉각 유로는, 외부 관과 내부 관 중 어느 한쪽측으로부터 냉각 매체가 공급되고, 그 다른 쪽측으로부터 배출되는 구성으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 발열 링은, 상기 도전재가 카본에 의해 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조 장치.
제1항에 있어서, 상기 발열 링은, 그 둘레 방향의 일부에, 상기 다결정 실리콘 막대를 통과 가능한 절결부가 형성되고, 상기 조작 수단에 의해 상기 절결부가 상기 가열 위치의 중심을 통과하도록 왕복 이동하는 것을 특징으로 하는 단결정 실리콘 제조 장치.
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