(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、該ルツボを囲繞して原料融液を加熱する円筒状ヒータと、これらを格納するメインチャンバーと、該メインチャンバーの底から挿入されて前記円筒状ヒータを支持するとともに電力を供給する電極と、前記メインチャンバーの底に配設されて前記ルツボから漏れてくる原料融液を収容する湯漏れ受け皿とを具備したチョクラルスキー法による単結晶製造装置であって、
前記ルツボから漏れてくる原料融液が前記電極にかかるのを防ぐ、ルツボの全周囲にわたって拡がっているリング状の１つの湯漏れカバーが、前記ルツボの下方かつ前記電極より上方の位置に配設されているものであり、
前記湯漏れ受け皿と前記湯漏れカバーの間には、前記電極が挿通された断熱板が配設されており、
前記湯漏れカバーは、前記ルツボから漏れてくる原料融液を前記断熱板に誘導する構造を有し、該断熱板が前記湯漏れ受け皿に配設された湯漏れ検出器に原料融液を誘導する構造を有するものであることを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
前記湯漏れ受け皿に湯漏れを検出する湯漏れ検出器が配設されており、
前記湯漏れカバーは、前記ルツボから漏れてくる原料融液を前記湯漏れ検出器に誘導する構造を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
【請求項３】
前記湯漏れカバーの原料融液を誘導する構造は、上表面の周縁に設けられたリブと、該リブの一部に形成された切り欠きからなるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶製造装置。
【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（ＣＺ法）により単結晶を製造する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超高集積半導体素子の製造に使用される基板はＣＺ法により育成されたシリコン単結晶より製造した表面を鏡面に仕上げたシリコンウェーハが主に用いられている。半導体素子の製造コストの低減を目的としたシリコンウェーハの大口径化に伴い、単結晶製造装置およびその炉内部品の大型化が進んでいる。
【０００３】
ここで、例えば半導体シリコン単結晶製造に用いられる従来のＣＺ法による単結晶製造装置の一例を図４を参照して説明する。
図４に示すように、この単結晶製造装置１０１は、メインチャンバー（引上げ室）１０２と、該メインチャンバー１０２内に格納されたルツボ１０３と、ルツボ１０３を囲繞するように配置された円筒状ヒータ１０４と、ルツボ１０３を回転させるルツボ保持軸１０５及びその回転機構（不図示）と、シリコンの種結晶１０６を保持するシードチャック１０７と、シードチャック１０７を引上げるワイヤ１０８と、ワイヤ１０８を回転または巻き取る巻き取り機構（不図示）を備えて構成されている。
【０００４】
ルツボ１０３は、その内側の原料融液（湯）（ここではシリコン融液）１０９を収容する側には石英ルツボが設けられ、その外側には黒鉛ルツボが設けられている。また、円筒状ヒータ１０４の外側周囲にはヒータ断熱材１１０が設置され、底部には断熱板１１１が配置されている。
【０００５】
次に、上記の単結晶製造装置１０１による単結晶の育成法について説明する。
まず、ルツボ１０３内でシリコンの高純度多結晶原料を融点（約１４２０℃）以上に加熱して融解する。そして、ワイヤ１０８を巻き出すことにより湯面の略中心部に種結晶１０６の先端を接触または浸漬させる。その後、ルツボ保持軸１０５を適宜の方向に回転させるとともに、ワイヤ１０８を回転させながら巻き取り、種結晶１０６を引上げることにより、単結晶の育成が開始される。以後、引上げ速度と温度を適切に調節することにより略円柱形状の単結晶棒１１２を得ることができる。
【０００６】
上記した単結晶製造装置１０１における石英ルツボおよび黒鉛ルツボは、共に高い耐熱性を有しているが、やや脆く、耐衝撃性に乏しいという欠点がある。そこで、単結晶引上げに際し、多結晶原料をルツボ１０３に投入すると、その衝撃によってルツボ１０３に亀裂が入ることがあり、そこから原料融液１０９が漏れることがある。
また、多結晶原料投入時にルツボ１０３内の湯がルツボ１０３の周囲に飛散することもある。さらに使用により徐々にルツボ１０３が劣化したり、引上げ中の単結晶１１２が落下した場合には、ルツボ１０３が破壊されて湯のほぼ全量が流出してしまう危険性もある。
【０００７】
そこで、例えば特許文献１に開示された単結晶引上げ装置では、全溶融原料を収容することができる内容積を有する湯漏れ受け皿１１３をメインチャンバー１０２の底に配設している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００１／０６４９７６号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図４のような従来の単結晶製造装置１０１では、円筒状ヒータ１０４にはクランプ等を介してヒータに電力を供給するための電極１１４が連結されている。該電極１１４はメインチャンバー１０２の底から挿入されており、円筒状ヒータ１０４を下から支えている。
【００１０】
ここで本発明者はこの電極について調査を行った。単結晶製造装置の小型化や熱効率を考慮すると、円筒状ヒータと連結した電極が原料融液を収容するルツボの直下付近に位置する設計となる。この場合、ルツボから湯漏れしたときには原料融液が上方から電極にかかってしまい、水冷された金属製の電極の損傷を招く可能性を孕んでいることを本発明者は見出した。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、円筒状ヒータを支持する電極をルツボから湯漏れした原料融液から保護することができる単結晶製造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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、原料融液を収容するルツボと、該ルツボを囲繞して原料融液を加熱する円筒状ヒータと、これらを格納するメインチャンバーと、該メインチャンバーの底から挿入されて前記円筒状ヒータを支持するとともに電力を供給する電極と、前記メインチャンバーの底に配設されて前記ルツボから漏れてくる原料融液を収容する湯漏れ受け皿とを具備したチョクラルスキー法による単結晶製造装置であって、
前記ルツボから漏れてくる原料融液が前記電極にかかるのを防ぐ湯漏れカバーが、前記ルツボの下方かつ前記電極より上方の位置に配設されているものであることを特徴とする単結晶製造装置を提供する。
【００１３】
このような本発明の単結晶製造装置であれば、原料融液がルツボから漏れたとしても、湯漏れカバーによって、その漏れた原料融液が電極にかかるのを防ぐことができる。これにより原料融液から電極を保護することができ、原料融液により電極が損傷するのを抑制することができる。
また、従来の単結晶製造装置においては原料融液が円筒状ヒータと電極の連結部分に侵入して固着すると、その後に円筒状ヒータを取り外すことができなくなるため、円筒状ヒータや連結部分を破壊して取り出していた。しかしながら、湯漏れカバーによって、電極のみならずこれらにも原料融液がかかるのを防ぐことができるため、これらを破損せずに取り出すことが可能となる。
【００１４】
さらに、円筒状ヒータにおける発熱部等の上方高温部から電極あるいは電極との連結部分が見えるということは、そこには熱伝導の経路が存在し、円筒状ヒータからの輻射熱をメインチャンバー下方に逃がすことを意味する。したがって従来の製造装置では熱効率の悪化やコスト高、高環境負荷につながっていた。しかしながら、湯漏れカバーの配設によって円筒状ヒータからの熱が下方へ逃げるのを防ぐことができ、それによって原料融液を効率的に加熱することが可能である。
【００１５】
また、前記湯漏れカバーはリング状のものとすることができる。
このようなものであれば、ルツボの全周囲にわたって湯漏れカバーが配設されることになるので、原料融液がルツボから漏れる位置がどこであっても電極等、下方の部材に原料融液がかかるのを防止することができる。また、原料融液をより効率良く加熱することが可能である。
【００１６】
また、前記湯漏れ受け皿に湯漏れを検出する湯漏れ検出器が配設されており、前記湯漏れカバーは、前記ルツボから漏れてくる原料融液を前記湯漏れ検出器に誘導する構造を有するものとすることができる。
このようなものであれば、湯漏れの発生自体を検出することができ、切電する等の即応ができ、有効で適切な回避手段を迅速にとることが可能である。
【００１７】
また、前記湯漏れ受け皿と前記湯漏れカバーの間には、前記電極が挿通された断熱板が配設されており、前記湯漏れカバーは、前記ルツボから漏れてくる原料融液を前記断熱板に誘導する構造を有し、該断熱板が前記湯漏れ受け皿に配設された湯漏れ検出器に原料融液を誘導する構造を有するものとすることができる。
このようなものであれば、漏れてくる原料融液を電極ではなく断熱板に誘導することができ、原料融液が電極にかかるのをより確実に防ぐことができる。
また、断熱板によって上方からの熱を下方へ逃すのを防ぐことができ、原料融液の加熱をさらに効率的に行うことができる。
そして、断熱板から湯漏れ検出器へ原料融液を誘導することができ、湯漏れの発生自体を検出することができる。
【００１８】
また、前記湯漏れカバーの原料融液を誘導する構造は、上表面の周縁に設けられたリブと、該リブの一部に形成された切り欠きからなるものとすることができる。
このようなものであれば、リブによって原料融液を上表面に一時的に溜めることができ、しかも切り欠きを通して湯漏れカバーの外へ簡便に原料融液を誘導することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、本発明の単結晶製造装置によれば、ルツボから漏れてくる原料融液から電極や、電極と円筒状ヒータとの連結部分を保護することができる。また、円筒状ヒータからの熱が、ルツボが配設されている上方から下方へと逃げるのを低減することができ、原料融液の加熱を効率的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の単結晶製造装置の一例を示す概略図である。
【図２】湯漏れカバーの一例を示す概略図である。
【図３】実施例および比較例の消費電力の結果を示すグラフである。
【図４】従来の単結晶製造装置の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の単結晶製造装置について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に、本発明の単結晶製造装置の一例の概略を示す。ＣＺ法によって単結晶（例えばシリコン単結晶）を製造するための装置である。
図１に示すように、この単結晶製造装置１は、まず、メインチャンバー（引上げ室）２と、該メインチャンバー２内に格納されたルツボ３と、ルツボ３を囲繞するように配置された円筒状ヒータ（以下、単にヒータという）４と、ルツボ３を回転させるルツボ保持軸５及びその回転機構（不図示）と、シリコンの種結晶６を保持するシードチャック７と、シードチャック７を引上げるワイヤ８と、ワイヤ８を回転または巻き取る巻き取り機構（不図示）を備えて構成されている。単結晶１２はルツボ中の原料融液（湯：ここではシリコン融液）９に接触または浸漬させた種結晶６をワイヤ８で巻き上げることにより育成することができる。
【００２２】
ここでルツボ３は、その内側の原料融液９を収容する側には石英ルツボが設けられ、その外側には黒鉛ルツボが設けられている。また、ヒータ４の外側周囲にはヒータ断熱材１０が設置されている。
また、メインチャンバー２の底には全溶融原料を収容可能な内容積を有する湯漏れ受け皿１３が配設されている。
また、メインチャンバー２の底から金属製の水冷された電極１４が挿入されている。この電極１４は、上端部でクランプなどを介してヒータ４と連結されており、ヒータ４を支えているとともに電力を供給する役割を担っている。
電極１４やルツボ保持軸５はスリーブ１５によってそれらの周囲が覆われている。ルツボ３から原料融液が漏れて湯漏れ受け皿１３まで到達した場合に、その漏れた原料融液から電極１４やルツボ保持軸５を保護するためである。
【００２３】
そして、本発明の単結晶製造装置１では、ルツボ３の下方かつ電極１４の上方の位置には湯漏れカバー１６が配設されている。さらに、該湯漏れカバー１６と湯漏れ受け皿１３との間に断熱板１１を配設してもよい。
ここで、湯漏れカバー１６について詳述する。
ルツボ３と電極１４の間に湯漏れカバー１６が配設されているため、ルツボ３中の原料融液９が漏れて、電極１４に向かって垂れてきても、電極１４よりも上方の位置に配設されている湯漏れカバー１６にかかるだけである。湯漏れカバー１６の下に配置されている電極１４や、電極１４とヒータ４との連結部分に原料融液がかかるのを防ぐことができる。このように原料融液から金属製の電極１４や連結部分等を保護することができ、それらが損傷するのを防ぐことができる。このため、ヒータ４を取り出す際に、従来のように原料融液がかかって固着してしまった連結部分やヒータ４の一部を破壊する必要もない。
【００２４】
また、湯漏れカバー１６の配設によって、ヒータ４からの輻射熱がメインチャンバー２内の下方へと逃げるのを抑制することができる。したがって、ルツボ３内の原料融液を効率良く加熱することができ、製造時にかかる電力を低減することが可能になる。このためコストの低減や環境負荷の低減を図ることができる。
【００２５】
湯漏れカバー１６の配設位置はルツボ３の下方かつ電極１４の上方の位置であればよく、その具体的な位置は特に限定されない。例えばルツボ３よりも下方に１０ｍｍ以上間隔をあけた位置であり、かつ、電極１４よりも上方、例えば電極１４とヒータ４との連結部分よりも上方に１０ｍｍ以上間隔をあけた位置とすることができる。このような位置であれば、湯漏れカバー１６が操業中にルツボ３や電極１４、連結部分等と互いに干渉することもないし、短絡によるスパークを防止することができる。
【００２６】
この他、湯漏れカバー１６の大きさ、形状等についても特に限定されない。漏れてくる原料融液から電極１４を保護できる程度の大きさ、形状を備えたものであれば良い。例えば電極１４の上方のみ覆う必要最低限の大きさのものとすることもできるし、図２に示すようなリング状のものとしてルツボ３の全周囲にわたって拡がっている形状のものとすることもできる。
【００２７】
ここで図２に示す例ではリング状であるため、中心の穴の部分にはルツボ保持軸５が挿通可能であるし、上方に配設されたルツボ３のどの位置から原料融液９が漏れてもそのままメインチャンバー２内の下方へ落ちるのを防ぐことができる。さらには、円筒状であるヒータ４に対し、周方向のどの位置においても輻射熱を下方へ逃しにくくすることができるので、より効率的に原料融液９を加熱することができる。しかもルツボ３の周方向において均一な熱分布のもと加熱を行うことができる。
【００２８】
また、湯漏れカバー１６は、それよりも下方に配設されていて電極１４が挿通等されている断熱板１１と一体的になっている。ここでは、高さ位置の調整のために適当な厚さを有する部材１７を別個用意しており、断熱板１１の上に高さ位置調整用部材１７を載せ、さらにその上に湯漏れカバー１６が載せられている。これらの部材には適宜嵌合部を形成しておき、互いに位置ズレしないように嵌合部を嵌め合せて固定されている。
図２に示すように断熱板１１には電極挿通口２２が形成されており、電極１４が挿通可能な構造となっている。
湯漏れカバー１６は黒鉛材、高さ位置調整用部材１７は断熱材または黒鉛材からなるものとすることができる。
【００２９】
また、このような高さ位置調整用部材１７を介することもなく、湯漏れカバー１６や断熱板１１の厚さや、それらの位置を適宜調整することによって、湯漏れカバー１６と断熱板１１とを直接的に一体化させることもできる。
また、湯漏れカバー１６と断熱板１１とを別個独立して配設することも可能である。
これらを一体化して配設するか、別個独立して配設するか等はメインチャンバー２の大きさや他の部材との位置関係等により適宜決定することができる。
これら断熱板１１と湯漏れカバー１６との違いは電極１４の上方を覆うか否かにある。
【００３０】
また、湯漏れカバー１６の上表面には、周縁に沿ってリブ１８が設けられている。このようなリブ１８が設けられているため、湯漏れカバー１６上に落ちてくる原料融液を一時的に溜めることが可能である。
そして該リブ１８の一部には切り欠き１９が形成されている。このため、リブ１８で囲まれた領域内に溜まっている原料融液を切り欠き１９からさらに下方へ流すことができる。該切り欠き１９の形成位置を調整するとともに、原料融液を流そうとする所望の位置の直上に切り欠き１９が位置するようにして湯漏れカバー１６を配設することで、切り欠き１９を通してその所望の位置に原料融液を誘導して流すことができる。
【００３１】
湯漏れカバー１６における、このような漏れた原料融液の誘導構造２０は図２の例に限定されず、適宜決定することができる。他の例としては、例えば湯漏れカバー１６に貫通孔等を形成することにより、そこから原料融液を流し落とすものとすることも可能である。
電極１４や連結部分等にかからないように原料融液を所望の位置に誘導できる構造であれば良い。
【００３２】
上記誘導構造は、湯漏れ受け皿１３に配設した湯漏れ検出器２１に誘導するものとすることができる。湯漏れ受け皿１３としては、単にルツボ３から漏れてくる原料融液を収容するだけのものとすることもできるが、図１に示す例では湯漏れを自動的に検出できるように湯漏れ検出器２１をさらに配設している。このようなものであれば、湯漏れの発生自体を検出し、切電する等の有効な対応を即時にとることが可能である。湯漏れ検出器２１によって湯漏れ受け皿１３における温度を常時検出し、検出値の変化から湯漏れを判断することが可能である。
【００３３】
前述した湯漏れカバー１６の誘導構造２０が、原料融液を湯漏れ検出器２１の付近に直接流れるように誘導するものであれば、従来ではヒータ４と電極１４との連結部材等に流れていた原料融液も湯漏れ検出器２１へ誘導することができる。したがって、たとえ湯漏れ検出器を配設していても、従来では連結部材等に流れてしまい検出できなかった湯漏れを検出できたり、あるいは従来よりも早く湯漏れを検出することが可能である。
【００３４】
また、湯漏れカバー１６の誘導構造２０として、原料融液を断熱板１１に誘導し、断熱板１１を介して湯漏れ検出器２１の付近に流れるように誘導するものとすることができる。この場合、断熱板１１も湯漏れカバー１６と同様の誘導構造を備えたものとするのが良い。
このような湯漏れカバー１６や断熱板１１であれば、ルツボ３から漏れた原料融液９を、湯漏れカバー１６および断熱板１１の誘導構造２０によって最終的に湯漏れ検出器２１へ誘導することができる。したがって、やはり湯漏れの検出機能が優れたものとすることができる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示す黒鉛材の湯漏れカバーを設置した本発明の単結晶製造装置１を用いてシリコン単結晶を製造した。
１４０ｋｇのシリコン多結晶を直径６１ｃｍの石英ルツボにチャージし、シリコン多結晶を溶解した。水平磁場を中心強度が０．４Ｔとなるように印加し、シリコンメルトの熟成工程を経て、（００１）面を有する種結晶をシリコンメルトに浸した。
このときのＡｒ流量は１２０Ｌ／ｍｉｎ、単結晶製造装置内の圧力は排気管に抵抗を設けることにより７５ｔｏｒｒ（９９９９Ｐａ）に調整した。ネッキング後に所望の直径２００ｍｍまで拡径させ、その後、製品部である定径の比抵抗が１０Ω・ｃｍに調整されたボロンドープの直径２００ｍｍのシリコン単結晶を育成した。
【００３６】
このシリコン単結晶の育成に要した平均消費電力について調べた。その結果を図３に示す。図３に示すように９５ｋＷであった。後述する比較例に比べて平均消費電力が少なかった。これは従来の単結晶製造装置を用いた比較例とは異なり、実施例では湯漏れカバーを電極の上方へ配設しており、湯漏れカバーより下方に、さらには断熱板の電極挿通口からメインチャンバーの下方に、ヒータの輻射熱が逃げるのを防いで効率良くシリコンメルトの加熱を行うことができたためと考えられる。
【００３７】
（比較例）
湯漏れカバーが配設されていない図４に示す従来の単結晶製造装置１０１を用いてシリコン単結晶を製造した。
他の操業条件については実施例と同様とした。
【００３８】
図３に示すように、このシリコン単結晶の育成に要した平均消費電力は１００ｋＷであった。本発明を実施した実施例よりも平均消費電力がかかってしまった。
【００３９】
なお、ランニング操業時において湯漏れが発生した場合があった。比較例の単結晶製造装置１０１では電極等に原料融液がかかってしまったが、実施例の単結晶製造装置１では湯漏れカバーにより電極を原料融液から保護することができた。
【００４０】
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】
【００４１】
１…単結晶製造装置、  ２…メインチャンバー、  ３…ルツボ、
４…円筒状ヒータ、  ５…ルツボ保持軸、  ６…種結晶、
７…シードチャック、  ８…ワイヤ、  ９…原料融液、
１０…ヒータ断熱材、  １１…断熱板、  １２…単結晶、
１３…湯漏れ受け皿、  １４…電極、  １５…スリーブ、
１６…湯漏れカバー、  １７…高さ位置調整用部材、  １８…リブ、
１９…切り欠き、  ２０…誘導構造、  ２１…湯漏れ検出器、
２２…電極挿通口。
【図１】
0005891959.tif 000002
【図２】
0005891959.tif 000003
【図３】
0005891959.tif 000004
【図４】
0005891959.tif 000005