(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料融液を収容するルツボと、該ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、該ヒーターを取り囲むように配置されたシールドとを格納するメインチャンバーを有するチョクラルスキー法による単結晶育成装置であって、
前記シールドは、炭素繊維断熱材からなるヒートシールドと、少なくとも該ヒートシールドの前記ヒーター側に炭素材又は炭素繊維複合材からなるインナーシールドとを有するものであり、
前記インナーシールドは、複数本の足を有する支持部材によって前記メインチャンバーの底部から支えられたものであることを特徴とする単結晶育成装置。
【請求項２】
前記支持部材は、炭素材又は炭素繊維複合材からなるものであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶育成装置。
【請求項３】
前記支持部材は、ねじ込み式または接着式によって前記インナーシールドに固定される一体式支持部材、または、自立可能な前記支持部材上に前記インナーシールドを載せる分離式支持部材であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の単結晶育成装置。
【請求項４】
前記単結晶育成装置は、更に、前記メインチャンバーの底部に配置された湯漏れ受皿と、前記ルツボと前記湯漏れ受皿との間に設置された断熱板とを有し、
前記支持部材の足は、前記湯漏れ受皿に配される内側壁断熱材又は前記断熱板に形成された貫通孔または切り欠きを通るものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。
【請求項５】
前記シールドは、底部に突起部を有する前記インナーシールドと、該インナーシールドの突起部により保持された前記ヒートシールドとを有するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の単結晶育成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法により単結晶棒を育成させる単結晶育成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２に従来のチョクラルスキー法（ＣＺ法）による単結晶育成装置の概略図を示す。従来の単結晶育成装置１０１では、原料融液１０３が充填されたルツボ１０４と、該ルツボ１０４を取り囲むように配置されたヒーター１０６を有する。このルツボ１０４中の原料融液１０３に種結晶を浸漬した後、原料融液１０３から棒状の単結晶１０５が引き上げられる。これらはメインチャンバー１０２内に格納されている。また、単結晶育成装置１０１は、断熱板１０９、湯漏れ受皿１１０、底部断熱材１１１、内側壁断熱材１１２を有することができる。
【０００３】
ヒーター１０６からの熱が直接メインチャンバー１０２に伝わると、熱的なロスが甚大な上、メインチャンバー１０２も痛んでしまうので、一般的にはメインチャンバー１０２とヒーター１０６の間には熱を遮るシールド１１６が配置される。このシールド１１６は熱ロス低減が目的であるので、高温での使用が可能であり、断熱特性に優れた炭素繊維断熱材（ヒートシールド１０８）が用いられることが多い。
【０００４】
しかし、炭素繊維断熱材からなるヒートシールド１０８は、シリコン蒸気を含む雰囲気では珪化されて表面が脆くなってしまう。もちろん炭素繊維断熱材からなるヒートシールド１０８の表面をコーティングなどして珪化を抑制する方法はあるが、長時間の使用に耐えられるものではない。そこで少なくともヒートシールド１０８のヒーター１０６側、すなわち高温でシリコン蒸気を含む雰囲気側に、炭素材や炭素繊維複合材からなるインナーシールド１０７を備える構造を用いることが多い。炭素材や炭素繊維複合材からなるインナーシールド１０７は炭素繊維断熱材に比較すると緻密な構造を有しており、珪化耐性が優れているので長時間の使用が可能である。
【０００５】
このインナーシールド１０７は特許文献１や特許文献２に概略図が示されているが、図２に示した様に、湯漏れ受皿１１０上に配置された支持部材１１３等によって支えられている。これと同じ構造ではない場合でも、基本的には何らかの構造物（支持部材）を介して、メインチャンバー１０２等と接触している構造を有している。これらインナーシールド１０７及び支持部材１１３は一般的に炭素材や炭素繊維複合材から成っており、先に述べた様に緻密である。このため、インナーシールド１０７の熱伝導率は断熱材（ヒートシールド１０８、底部断熱材１１１、内側壁断熱材１１２等）に比べて２〜３桁高く、インナーシールド１０７はヒーター１０６から熱を受け取り、支持部材１１３を通してメインチャンバー１０２等へ熱を放出してしまうため、省電力・省エネルギーという面において問題がある構造であった。また、支持部材１１３という複雑な構造を用意する必要があり、部品点数が多くなるという問題もあった。
【０００６】
省電力・省エネルギーという目的とは異なるが特許文献３では、メインチャンバーに突起を形成しそれでヒートシールドを支持し、更にそのヒートシールドでインナーシールドを保持する方法が開示されている。この構造を用いてインナーシールドを保持すれば、熱ロスの低減を図ることが可能である。しかしこの構造はメインチャンバーの改造を要するなど簡便でない。またこの構造ではルツボより高い位置でインナーシールドをヒートシールドにより支える構造となっている。インナーシールドは比重が重く、ヒートシールドは低密度の炭素繊維材であるため、重量負荷により断熱材（ヒートシールド）が変形・破損し、炭素繊維材のゴミが発生する可能性が高い。ルツボより高い位置で発生したゴミは、ルツボ内に落下する可能性が高く、ゴミがあると育成中の結晶を有転位化してしまい単結晶化が難しくなるという問題点がある。
【０００７】
一方で、特許文献４ではインナーシールドと支持部材との間を棒状の部材で支える技術が開示されている。これにより熱の経路を遮断し、熱ロスの低減を図っている。これは省電力・省エネルギーという観点から効果的な方法である。しかし、棒状部材をインナーシールドに固定する部分に剪断する方向の応力が掛かかる。これにより、この部分でインナーシールドの全重量を支えることとなるため、応力が集中して固定部が壊れやすいという問題がある。また従来法と同様に、インナーシールドを支えるため炭素材からなる支持部材が必要となる構造のため、複雑で部品点数も多くなるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２９３６９１号公報
【特許文献２】特開２００２−３２１９９７号公報
【特許文献３】特開平１０−２７９３８１号公報
【特許文献４】特開２０１１−１１６６００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、インナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができる単結晶育成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、原料融液を収容するルツボと、該ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、該ヒーターを取り囲むように配置されたシールドとを格納するメインチャンバーを有するチョクラルスキー法による単結晶育成装置であって、
前記シールドは、炭素繊維断熱材からなるヒートシールドと、少なくとも該ヒートシールドの前記ヒーター側に炭素材又は炭素繊維複合材からなるインナーシールドとを有するものであり、
前記インナーシールドは、複数本の足を有する支持部材によって前記メインチャンバーの底部から支えられたものであることを特徴とする単結晶育成装置を提供する。
【００１１】
このような支持部材であれば、インナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができる単結晶育成装置となる。特に、このような支持部材はインナーシールドを支えても壊れにくく、また単純な構造で部品点数も少なくてすむ。
【００１２】
また、前記支持部材は、炭素材又は炭素繊維複合材からなるものであることが好ましい。
【００１３】
このような材質であれば、高温で安定であり、更に取扱中に破壊されてしまう心配の少ないものとなる。
【００１４】
さらに、前記支持部材は、ねじ込み式または接着式によってインナーシールドに固定される一体式支持部材、または、自立可能な支持部材上にインナーシールドを載せる分離式支持部材とすることができる。
【００１５】
このような構造にすれば、支持部材の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上するものとなる。
【００１６】
また、前記単結晶育成装置は、メインチャンバーの底部に配置された湯漏れ受皿と、ルツボと湯漏れ受皿との間に設置された断熱板とを有し、
前記支持部材の足は、湯漏れ受皿に配される内側壁断熱材又は断熱板に形成された貫通孔または切り欠きを通るものであることが好ましい。
【００１７】
このように貫通孔または切り欠きの中を支持部材の足が通るように設計することで、より熱ロスを低減して省電力化を図ることが可能である。
【００１８】
さらに、前記シールドは、底部に突起部を有するインナーシールドと、該インナーシールドの突起部により保持されたヒートシールドとを有するものであることが好ましい。
【００１９】
このような構造にすれば、ヒートシールドとインナーシールドとを一体物として取り扱うことが可能となり、部品の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上する。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明の単結晶育成装置であれば、インナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の単結晶育成装置の一例を示す図である。
【図２】従来の単結晶育成装置の一例を示す図である。
【図３】本発明の単結晶育成装置のインナーシールドを複数本の足を有する支持部材で支える模式図である。
【図４】本発明の単結晶育成装置の断熱板の一例を示す図である。
【図５】本発明の単結晶育成装置の断熱板の他の例を示す図である。
【図６】本発明の単結晶育成装置の湯漏れ受皿の内側壁断熱材の一例を示す図である。
【図７】本発明の単結晶育成装置の湯漏れ受皿の内側壁断熱材の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２３】
本発明者らはインナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができる単結晶育成装置について鋭意検討を重ねた結果、インナーシールドを複数本の足を有する支持部材によってメインチャンバーの底部から支えることで熱ロスを低減して省電力化を図ることができることを見出し、また、応力集中により支持部材が壊れること等を回避できることを見出して、本発明を完成させた。以下、図面を参照して本発明をより詳細に説明する
【００２４】
図１は本発明の単結晶育成装置の一例を示す図である。図１に示すように、本発明のＣＺ法単結晶育成装置１の基本的な構造は、メインチャンバー２内に原料融液３を収容するルツボ４と、そのルツボ４を取り囲むように配置された原料融液３を加熱するためのヒーター６と、そのヒーター６を取り囲むように配置された熱ロスを低減するためのシールド１６とを格納するものである。更に、この単結晶育成装置１は、メインチャンバー２の底部に配置された湯漏れ受皿１０、ルツボ４と湯漏れ受皿１０との間に設置された断熱板９、湯漏れ受皿１０の底部に配置された底部断熱材１１、湯漏れ受皿１０に配置された内側壁断熱材１２等を有していてもよい。このルツボ４中の原料融液３に種結晶を浸漬した後、原料融液３から棒状の単結晶５が引き上げられる。
【００２５】
本発明におけるシールド１６は、熱ロスを抑制する炭素繊維断熱材からなるヒートシールド８と、少なくとも該ヒートシールド８のヒーター６側に断熱材の劣化を抑制するための炭素材又は炭素繊維複合材からなるインナーシールド７とを有するものである。
【００２６】
このインナーシールド７は、複数本の足を有する支持部材１４によってメインチャンバー２の底部から支えられたものである。インナーシールド７はヒーター６の周囲に配されており、ヒーター６の近傍がインナーシールド７内で最も高温部分となる。この高温部分が断熱材以外の高熱伝導部材と接触すると、熱ロスが大きくなってしまう。そこでインナーシールド７を複数本の足を有する支持部材１４で支える構造とすることで熱の伝導経路が細い足のみに限定され、熱ロス低減可能な構造を実現することができる。具体的な実施形態を図１及び図３に示した。
【００２７】
支持部材１４の材質としては、特に限られることなく、高温で安定なものが好ましく適用可能である。特に、炭素材または炭素繊維複合材からなる支持部材１４が好ましく、このような材質であれば高温で安定であり、更に取扱中に破壊されてしまう心配が少ない。より好ましい材質は、熱伝導率が低くて高温で安定な材質である。その点では、ガラス材等も壊れやすい点を除けば適用することができる。熱伝導率が低く高温で安定な材質であればここで示した材質に限らず用いることが可能である。なお、図３では３本の足を有する支持部材１４の例を描いているが、足の本数及び形状はこれに限るものではない。
【００２８】
この支持部材１４は、ねじ込み式または接着式等によってインナーシールド７に固定される一体式支持部材であっても良いし、支持部材がそれ自体自立可能となっており、その上にインナーシールド７を載せるという分離式支持部材であっても良い。このような構造にすれば、支持部材の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上するものとなる。
【００２９】
さらに、上述した支持部材１４の足を断熱材で遮蔽することでより熱ロスの低減を図ることができる。具体的には、単結晶育成装置１が、更に、メインチャンバー２の底部に配置された湯漏れ受皿１０と、ルツボ４と湯漏れ受皿１０との間に設置された断熱板９とを有する場合には、支持部材１４の足が、図４〜７に示すような、湯漏れ受皿１０に配される内側壁断熱材１２又は断熱板９に形成された貫通孔９ａ（図４）、１２ａ（図６）または切り欠き９ｂ（図５）、１２ｂ（図７）を通るものであることが好ましい。このように設計することでより熱ロスを低減することが可能である。
【００３０】
例えば、図１における断熱板９の外形をこれより大きくして貫通孔９ａまたは切り欠き９ｂを形成し、図４に示した貫通孔９ａや図５に示した切り欠き９ｂに支持部材１４の足を通すことで、より熱ロスを低減可能な構造が実現できる。
【００３１】
また、例えば、図１において、湯漏れ受皿１０の内側壁断熱材１２の内径を小さくして貫通孔１２ａまたは切り欠き１２ｂを形成し、図６に示した貫通孔１２ａや図７に示した切り欠き１２ｂに支持部材１４の足を通すことで、より熱ロス低減可能な構造が実現できる。
【００３２】
また、図１に示したように、例えばインナーシールド７の底部にツバ状の突起部１５を設け、ヒートシールド８側にこの突起を受ける構造を形成することによって、ヒートシールド８をインナーシールド７で保持することが可能である。このような構造にすれば、ヒートシールド８とインナーシールド７とを一体物として取り扱うことが可能となり、部品の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上する。
【００３３】
なお、本発明における複数本の足を有する支持部材１４の形状は、インナーシールド７をメインチャンバー２の底部から支える足を有するものであれば特に制限はされない。このような形状であれば支持部材１４からの熱ロスを抑えることができ、また支持部材１４の局所に応力が集中しにくく壊れにくい形状となる。このような形状としては、例えば図１、図３に示すようにメインチャンバー２の底部から垂直にインナーシールド７を支える形状が挙げられる。なお、支持部材１４の足の本数（２本から約１００本）、形状（丸棒状、多角柱状等）、及び太さはインナーシールド７の重量や材質、及び支持部材１４からの熱ロスを考慮して適宜選択することができる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の実施例および比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００３５】
〔実施例１〕
インナーシールドに図３に示したような炭素繊維複合材で形成した３本の足を有する支持部材を取付け、内側壁断熱材の内径を縮径してそこに貫通孔を設けて図６のような形状とし、この貫通孔に上記支持部材の足を通した他は図１のような単結晶育成装置を準備した。このとき、支持部材の足の一本一本は円筒状としその直径を１５ｍｍとし、インナーシールドの厚さは１０ｍｍとした。
【００３６】
この単結晶育成装置内のホットゾーン（ＨＺ）に直径８１ｃｍ（３２インチ）のルツボに原料融液を収容し、磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）により直径３０ｃｍ（１２インチ）のシリコン単結晶を育成した。より詳細には、ルツボ中の原料融液に種結晶を浸漬した後、溶融液から棒状の単結晶を引き上げながら、結晶成長軸方向に昇降可能なルツボを結晶成長中に結晶化して減少した融液の液面下降分を補うように上昇させ、融液表面の高さを一定に保ちながら行った。
【００３７】
この単結晶育成装置を用いて問題なく結晶を育成することができた。この単結晶育成装置はインナーシールドを支える支持部材からの熱ロスを抑制することができ、更に支持部材は湯漏れ受皿の内側壁断熱材の貫通孔を通るため、熱ロスが一層小さいものであったので、下記比較例と比較して約１０％の省電力を達成することができた。
【００３８】
〔実施例２〕
インナーシールドに図３に示したような炭素繊維複合材で形成した３本の足を有する支持部材を取付けた図１のような単結晶育成装置を準備した。このとき、内側壁断熱材の内径の縮経は行わず、支持部材の足の一本一本は円筒状としその直径を１５ｍｍとし、インナーシールドの厚さは１０ｍｍとした。
【００３９】
この単結晶育成装置内のホットゾーン（ＨＺ）に直径８１ｃｍ（３２インチ）のルツボを装備して、実施例１と同様に磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）により直径３０ｃｍ（１２インチ）のシリコン単結晶を育成した。
【００４０】
この単結晶育成装置を用いた場合にも問題なく結晶を育成することができた。この単結晶育成装置はインナーシールドを支える支持部材からの熱ロスを抑制することができ、熱ロスが小さいものであったので、下記比較例と比較して約５％の省電力を達成することができた。
【００４１】
〔比較例〕
図２に示したように足を有さない支持部材でインナーシールドを支える単結晶育成装置を準備した。このとき、インナーシールドは、図２に示したようにメインチャンバー底部に設置された炭素材で形成された湯漏れ受皿の上に、炭素材で形成された延長筒形状の支持部を載せ、その上に炭素繊維複合材で形成されたドーナツ形状の円盤によって保持する構造とした。また、このときインナーシールドの厚さは１０ｍｍ、支持部材の厚さは１５ｍｍとした。
【００４２】
この単結晶育成装置内のホットゾーン（ＨＺ）に直径８１ｃｍ（３２インチ）のルツボを装備して、実施例１と同様に磁場印加チョクラルスキー法（ＭＣＺ法）により直径３０ｃｍ（１２インチ）のシリコン単結晶を育成した。
【００４３】
この単結晶育成装置を用いた場合にも問題なく結晶を育成することができた。しかし、インナーシールドからの熱ロスが大きく省電力を達成することができなかった。
【００４４】
なお、実施例１〜２の複数本の足を有する支持部材では圧縮応力のみしかかからないため壊れにくいものであった。
【００４５】
ここではシリコン結晶育成を例に説明を行ったが、本発明はシリコン単結晶の製造に用いられる単結晶育成装置に限られるものではなく、化合物半導体や酸化物単結晶などのＣＺ法を用いた単結晶育成装置に適用可能である。
【００４６】
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。
【符号の説明】
【００４７】
１…単結晶育成装置、  ２…メインチャンバー、  ３…原料融液、  ４…ルツボ、  ５…単結晶、  ６…ヒーター、  ７…インナーシールド、  ８…ヒートシールド、  ９…断熱板、  ９ａ…貫通孔、  ９ｂ…切り欠き、  １０…湯漏れ受皿、  １１…底部断熱材、  １２…内側壁断熱材、  １２ａ…貫通孔、  １２ｂ…切り欠き、  １４…支持部材、  １５…突起部、  １６…シールド、  １０１…単結晶育成装置、  １０２…メインチャンバー、  １０３…原料融液、  １０４…ルツボ、  １０５…単結晶、  １０６…ヒーター、  １０７…インナーシールド、  １０８…ヒーターシールド、  １０９…断熱板、  １１０…湯漏れ受皿、  １１１…底部断熱材、  １１２…内側壁断熱材  １１３…支持部材
【図１】
0005500134.tif 000002
【図２】
0005500134.tif 000003
【図３】
0005500134.tif 000004
【図４】
0005500134.tif 000005
【図５】
0005500134.tif 000006
【図６】
0005500134.tif 000007
【図７】
0005500134.tif 000008