(57)【要約】      （修正有）【課題】シリコンやゲルマニウムなどの半導体単結晶成長装置に固体原料を供給するときの固体原料落下による原料供給装置下部蓋の割れや固体原料のるつぼ内へ不均一な分散に基づく融液の飛散や汚染を防止できる構造の固体原料供給装置を提供する。【解決手段】るつぼの上方に装着されその内部に固体原料が積載される円筒状の本体；本体の下端に脱着可能であり、基本形状が円錐状の下部蓋；及び下部蓋を本体に対して上下移動させる連結手段；を備える固体原料供給装置において、円錐状下部蓋４１０の材質を単結晶成長させようとする半導体と同一の材質にし、また下部蓋４１０をるつぼに充填された融液と所定の離隔距離を保った状態で固体原料を充填する。また、下部蓋４１０の形状を基本的に円錐状とし、その円錐面に螺旋形の溝４１２を形成する。溝は必ずしも螺旋形にする必要はなく、例えば、溝を円錐の頂点を中心にして直線放射状に形成してもよい。【選択図】図３
2008037745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体単結晶成長装置のるつぼに上記半導体単結晶の原料となる固体原料を供給するための装置であって、
上記るつぼの上方において上記成長装置に脱着可能であり、その内部に上記固体原料が積載される円筒状の本体；
上記固体原料の落下を防ぐように上記本体の下端に脱着可能に設けられ、その基本形状が上記固体原料と対面する方に円錐の頂点が位する円錐状の下部蓋；及び
上記下部蓋を上記本体に対して相対的に上下移動可能に上記下部蓋の円錐の頂点付近に連結され上記本体の中央を貫く連結手段；を備え、
上記下部蓋の上記固体原料と対面する円錐面の表面に、上記下部蓋の円錐の頂点から下方に複数の溝が形成されていることを特徴とする固体原料供給装置。
【請求項２】
上記複数の溝は、上記下部蓋の上部から見たとき螺旋形曲線をなすことを特徴とする請求項１に記載の固体原料供給装置。
【請求項３】
半導体単結晶成長装置のるつぼに上記半導体単結晶の原料となる固体原料を供給するための装置であって、
上記るつぼの上方において上記成長装置に脱着可能であり、その内部に上記固体原料が積載される円筒状の本体；
上記固体原料の落下を防ぐように上記本体の下端に脱着可能に設けられ、その基本形状が上記固体原料と対面する方に円錐の頂点が位する円錐状の下部蓋；及び
上記下部蓋を上記本体に対して相対的に上下移動可能に上記下部蓋の円錐の頂点付近に連結され上記本体の中央を貫く連結手段；を備え、
上記下部蓋の縦断面の形状が、上記下部蓋の円錐の頂点から下方に行くほど上記下部蓋の下面に対する傾斜角が漸次大きくなる鐘形であることを特徴とする固体原料供給装置。
【請求項４】
半導体単結晶成長装置のるつぼに上記半導体単結晶の原料となる固体原料を供給するための装置であって、
上記るつぼの上方において上記成長装置に脱着可能であり、その内部に上記固体原料が積載される円筒状の本体；
上記固体原料の落下を防ぐように上記本体の下端に脱着可能に設けられ、その基本形状が上記固体原料と対面する方に円錐の頂点が位する円錐状の下部蓋；及び
上記下部蓋を上記本体に対して相対的に上下移動可能に上記下部蓋の円錐の頂点付近に連結され上記本体の中央を貫く連結手段；を備え、
上記下部蓋の縦断面の形状が、上記下部蓋の円錐の頂点から下方に行くほど上記下部蓋の下面に対する傾斜角が漸次小さくなってから大きくなるインゴットショルダー（ｉｎｇｏｔ ｓｈｏｕｌｄｅｒ）形状であることを特徴とする固体原料供給装置。
【請求項５】
半導体単結晶成長装置のるつぼに上記半導体単結晶の原料となる固体原料を供給するための装置であって、
上記るつぼの上方において上記成長装置に脱着可能であり、その内部に上記固体原料が積載される円筒状の本体；
上記固体原料の落下を防ぐように上記本体の下端に脱着可能に設けられ、その基本形状が上記固体原料と対面する方に円錐の頂点が位する円錐状の下部蓋；及び
上記下部蓋を上記本体に対して相対的に上下移動可能に上記下部蓋の円錐の頂点付近に連結され上記本体の中央を貫く連結手段；を備え、
上記下部蓋の上記固体原料と対面する円錐面の表面には、少なくとも一つの凹部または凸部が形成されていることを特徴とする固体原料供給装置。
【請求項６】
上記下部蓋の円錐面の表面には、少なくとも１対の上記凹部及び凸部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の固体原料供給装置。
【請求項７】
上記下部蓋の円錐面の表面には、複数対の上記凹部及び凸部が上記円錐面の円周方向に沿って交互に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の固体原料供給装置。
【請求項８】
上記下部蓋は、上記半導体と同一の材質の単結晶または多結晶半導体から成ることを特徴とする請求項１ないし請求項７のうち何れか一項に記載の固体原料供給装置。
【請求項９】
上記半導体は、シリコンまたはゲルマニウムであることを特徴とする請求項８に記載の固体原料供給装置。
【請求項１０】
上記本体及び上記下部蓋は、石英ガラスから成ることを特徴とする請求項１ないし請求項７のうち何れか一項に記載の固体原料供給装置。
【請求項１１】
上記連結手段は、モリブデン及びタングステンを含む高融点金属またはその合金から成る支持ワイヤまたは支持棒であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のうち何れか一項に記載の固体原料供給装置。
【請求項１２】
半導体単結晶の成長のための融液が所定の高さで充填されているるつぼに上記半導体単結晶の原料となる固体原料を供給するための方法であって、
円筒状の供給装置本体の一端開口部を、その基本形状が円錐状の蓋により上記本体の内側に円錐の頂点が位するように塞いだ状態で、上記本体の内部に固体原料を積載する段階；
上記るつぼの上方に上記円筒状の供給装置本体を上記蓋が上記るつぼ内の融液と対向するように装着する段階；及び
上記るつぼ内の融液と上記蓋が所定の離隔距離を保った状態で、上記蓋と本体とを相対的に移動させることで上記本体の一端開口部を開いて上記固体原料を上記るつぼ内に充填する段階；を含み、
上記蓋は、上記半導体と同一の材質の単結晶または多結晶半導体から成ることを特徴とする固体原料供給方法。
【請求項１３】
上記半導体は、シリコンまたはゲルマニウムであることを特徴とする請求項１２に記載の固体原料供給方法。
【請求項１４】
上記固体原料を上記るつぼ内に充填する段階において、上記るつぼと上記供給装置本体を０.１〜３ｒｐｍの速度で相対的に回転させることを特徴とする請求項１２に記載の固体原料供給方法。
【請求項１５】
上記固体原料は、直径が３〜３０ｍｍである粒子またはチップ状の多結晶半導体であることを特徴とする請求項１２に記載の固体原料供給方法。
【請求項１６】
上記蓋の上記固体原料と対面する円錐面の表面には上記蓋の円錐の頂点から下方に螺旋形をなす複数の溝が形成されており、
上記固体原料を上記るつぼ内に充填する段階において、上記固体原料が螺旋形の軌跡を描きながら上記るつぼ内に充填されることを特徴とする請求項１２に記載の固体原料供給方法。
【請求項１７】
上記蓋の上記固体原料と対面する円錐面の表面には、少なくとも一つの凹部または凸部が形成されており、
上記固体原料を上記るつぼ内に充填する段階において、上記固体原料が上記るつぼ内に落下するときの水平距離が、上記凹部または凸部の部分で上記凹部または凸部ではない部分と異なることを特徴とする請求項１２に記載の固体原料供給方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体原料供給装置及び方法に関するものであって、より詳しくは、シリコンやゲルマニウムなどの半導体単結晶成長装置に固体原料を充填するための固体原料供給装置及び固体原料供給方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶半導体の製造方法として、るつぼに溶融されたシリコンやゲルマニウム融液より結晶を成長させながら引き上げるチョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ ｍｅｔｈｏｄ）が広く知られている。このチョクラルスキー法では、るつぼに通常多結晶の固体原料を充填し加熱して溶融させることによって融液にした後、この融液に単結晶シード（ｓｅｅｄ）を接触させ徐々に引き上げながら所望の直径を有する単結晶インゴット（ｉｎｇｏｔ）を成長させる。
【０００３】
本発明は、このるつぼに固体原料を充填させる固体原料供給装置及び固体原料供給方法に関するものであって、るつぼに固体原料を供給する方法としては、固体原料の形態による分類として、次のような三つが知られている。第一、不定形のチップ状の固体原料をるつぼの中央上方より直下させ供給する方法、第二、粒子状の固体原料をるつぼの中央または斜め上方より直下または斜めに供給する方法、及び第三、棒状の固体原料をるつぼの中央上方より下方に徐々に供給しながら溶かす方法である。この三つの方法はそれぞれの原料の形態によってそれぞれ異なる構造の供給装置を用いることになり、それぞれ長・短所を有しているが、原料の入手が最も容易で安価であり、再生（再活用）原料を用いることができるという点で上記第一の方法が広く用いられている。この第一の方法及びその装置に関しては、次のような先行技術が知られている。
【０００４】
即ち、特許文献１や特許文献２などに開示された固体原料供給装置は、るつぼに供給するチップ状の固体原料が積載される垂直円筒状の本体、この本体の上端開口部を覆う上部蓋、本体の下端開口部を塞ぐ下部蓋、及びこの下部蓋の上端に連結され本体の内部を貫いて、下部蓋が固体原料の荷重により下に落ちることを防ぎ、下部蓋を適切に開いて固体原料の落下量及び落下速度を制御する支持棒または支持ワイヤから成る。ここで、上記本体、上下部蓋及び支持棒は、通常石英または石英ガラスから成り、上記支持ワイヤは、耐熱性金属から成る。また、上記下部蓋は、固体原料と対面する方に円錐の頂点が位する円錐形状をしており、支持棒または支持ワイヤにより上方に引っ張られた状態で上記本体の下端開口部を塞いでおり、支持棒または支持ワイヤが下に移動するに従って本体の下端開口部が開かれ固体原料がるつぼに充填される。
【０００５】
ところが、上記本体内部に積載されていた固体原料がるつぼに充填されるとき固体原料は下部蓋の表面にぶつかり、この衝撃により石英または石英ガラス材質の下部蓋が割れる現象がたびたび発生する。このように割れた下部蓋の破片は固体原料とともにるつぼの内部に落ちるようになり、これによって高純度の融液に石英成分が添加され汚染が生じるため、良質の単結晶インゴットを生産できなくなり歩留まりが低下する問題が発生する。
【０００６】
一方、上記固体原料供給装置は空いているるつぼに最初に固体原料を充填するときに用いることができるが、追加充填または再充填のときに用いるのが一般的である。即ち、単結晶インゴットの生産性は、るつぼの容積とるつぼに充填されている融液の量に比例するが、空いているるつぼに最初に固体原料を充填し溶かせば固体原料間の空隙により融液の体積が供給した固体燃料の体積に比べて遥かに減るようになる。従って、固体燃料を補う追加充填を行うことで融液の量を増やし生産性を高めるようになる。また、従来の単結晶成長方法においては、インゴットを成長させてから成長装置を冷却させインゴットを取り出すが、このときるつぼ内に残っていた融液が凝固されながら膨脹して石英材質のるつぼが割れるため、るつぼと残った融液が浪費されていた。これを克服するため、成長装置を冷却させずに残っている融液に固体原料を補う再充填を行うことで、同一のるつぼで複数回の成長を可能にする方法がたびたび用いられる。
【０００７】
このような追加充填や再充填を行うときには最初の充填とは異なり考慮すべき事項が存在する。即ち、るつぼ内に融液がある状態で充填をするため落下する固体原料により融液が飛散して成長装置や供給装置に付着し、さらには融液が飛散して単結晶の成長が不可能になる問題がある。従って、固体原料の落下速度を適切に減少させ固体原料をるつぼ内に均一に分散させ落下させる必要がある。
【０００８】
このため、前述した特許文献２においては、供給装置の円筒状本体を下端部の方に行くほど広くなるようにするか、円錐状下部蓋の大きさと頂角を調節するなどの方案を提示しているが、満足するに値する水準ではない。また、固体原料の落下速度を減らすか断続的に落下するようにする方案が考慮されるが、これは高温に加熱された成長装置内に固体原料供給装置が留まる時間を長くし、これによって供給装置の円筒状本体内に積載された固体原料が部分的に溶けるか膨脹して円滑に落下しないなどの問題を発生させる。さらに、融液の表面を凝固させた状態で固体原料を落下させることによって融液が飛散する問題を解決する方案も提示されたが、これは融液表面を凝固させるための装置と時間とが必要となり生産性が落ちるだけでなく、融液の凝固の際に石英るつぼの一部が剥離され汚染源となるなどの問題が発生する。
【０００９】
一方、固体原料による融液の飛散問題や融液表面の凝固後充填する際に発生する石英るつぼの剥離問題を解決するために、特許文献３は、下部蓋をシリコン融液に溶ける単結晶または多結晶シリコン材質にし、供給装置の本体にシリコン固体原料を積載した状態で本体を融液に浸して下部蓋が溶融されながら本体内部の固体原料が融液中に供給されるようにする方法を開示している。しかし、この方法は供給装置の下部蓋が溶けて消尽されるため使い捨て下部蓋を毎度新たに作製して装着しなければならないという問題がある。
【特許文献１】特開２００４−２４４２３６号公報
【特許文献２】国際公開第２００２／０６８７３２号パンフレット
【特許文献３】米国特許第６,９０８,５０９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、半導体単結晶成長装置に固体原料を供給するとき融液の飛散や汚染を防止できる構造の固体原料供給装置を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の目的は、半導体単結晶成長装置に固体原料を供給するとき融液の飛散や汚染を防止できる固体原料供給方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を果たすために本発明者らは研究を重ねた結果、上記下部蓋の材質と形状とを変更することで融液の飛散や汚染を防止し最適の充填効率を果たすことができることを見出し本発明を完成するに至った。
【００１３】
即ち、本発明の固体原料供給方法は、上記円錐状下部蓋の材質を単結晶成長させようとする半導体と同一の材質にし、また下部蓋をるつぼに充填された融液に浸さずに所定の離隔距離を保った状態で固体原料を充填することで、下部蓋を繰り返して用いることができるようにし、たとえ下部蓋が固体原料の落下による衝撃で割れても融液を汚染させないようにする。
【００１４】
具体的に、本発明の実施例による固体原料供給方法は、半導体単結晶成長のための融液が所定の高さで充填されているるつぼに上記半導体単結晶の原料となる固体原料を供給するための方法であって、円筒状の供給装置本体の一端開口部を、その基本形状が円錐状の蓋により本体の内側に円錐の頂点が位するように塞いだ状態で、本体の内部に固体原料を積載する段階；上記るつぼの上方に円筒状の供給装置本体を上記蓋がるつぼ内の融液と対向するように装着する段階；上記るつぼ内の融液と蓋とが所定の離隔距離を保った状態で蓋と本体とを相対的に移動させることで本体の一端開口部を開いて上記固体原料をるつぼ内に充填する段階；を含み、上記蓋は上記半導体と同一の材質の単結晶または多結晶半導体から成ることを特徴とする。
【００１５】
ここで、上記固体原料を上記るつぼ内に充填する段階においては、るつぼと供給装置本体とを０.１〜３ｒｐｍの速度で相対的に回転させることで、固体原料がるつぼ内に均一に分散して充填されるようにすることが望ましい。
【００１６】
また、上記固体原料は、直径が３〜３０ｍｍである粒子またはチップ状の多結晶半導体にすることで、上記蓋に及ぼす落下衝撃を低減し融液の飛散を防止することが望ましい。
【００１７】
なお、本発明の固体原料供給装置は、上記下部蓋の形状を基本的に円錐状にし、その具体的な形状と構造とを多様に変更することで下部蓋が割れることを防止し、固体原料がるつぼ内に均一に分散して充填されるようにして融液の飛散を防止する。
【００１８】
具体的に、本発明の実施例による固体原料供給装置は、半導体単結晶成長装置のるつぼに上記半導体単結晶の原料となる固体原料を供給するための装置であって、上記るつぼの上方において成長装置に脱着可能であり、その内部に固体原料が積載される円筒状の本体；固体原料の落下を防ぐように本体の下端に脱着可能に設けられ、その基本形状が固体原料と対面する方に円錐の頂点が位する円錐状の下部蓋；及び下部蓋を本体に対して相対的に上下移動可能に上記下部蓋の円錐の頂点付近に連結され上記本体の中央を貫く連結手段；を備え、上記下部蓋の固体原料と対面する円錐面の表面に、下部蓋の円錐の頂点より下方に複数の溝が形成されていることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の他の実施例によると、上記下部蓋の縦断面の形状は、下部蓋の円錐の頂点より下方に行くほど下部蓋の下面に対する傾斜角が漸次大きくなる鐘形であり得る。
【００２０】
また、本発明のさらに他の実施例によると、上記下部蓋の縦断面の形状は、下部蓋の円錐の頂点より下方に行くほど下部蓋の下面に対する傾斜角が漸次小さくなってから漸次大きくなるインゴットショルダー（ｉｎｇｏｔ ｓｈｏｕｌｄｅｒ）形状であり得る。
【００２１】
また、本発明のさらに他の実施例によると、下部蓋の上記固体原料と対面する円錐面の表面には、少なくとも一つの凹部または凸部が形成されていることもできる。
【００２２】
ここで、上記下部蓋は、シリコンやゲルマニウムなどの結晶成長させようとする半導体と同一の材質から成ることが望ましいが、固体原料の落下衝撃を低減する構造と形状とを有しているため石英ガラスからなっていても問題はない。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によると、円錐状下部蓋の材質を単結晶成長させようとする半導体と同一の材質にし、また下部蓋をるつぼに充填された融液に浸さずに所定の離隔距離を保った状態で固体原料を充填することで、下部蓋を繰り返して使用することができ、たとえ下部蓋が固体原料の落下による衝撃で割れても融液を汚染させることがない。
【００２４】
また、本発明によると、下部蓋の形状を基本的に円錐状にし、その具体的な形状と構造とを多様に変更することで、下部蓋が割れることを防止し、固体原料がるつぼ内に均一に分散して充填されるようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、添付した図面を参照しながら本発明の実施例を詳しく説明する。
【００２６】
これに先立って、本明細書及び請求範囲に用いられた用語や単語は通常的や辞書的な意味に限って解釈されてはいけず、発明者は自分の発明を最も最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義できるという原則に即して本発明の技術的思想に符合する意味と概念とに解釈されるべきである。従って、本明細書に記載された実施例と図面とに示された構成は本発明の最も望ましい一実施例に過ぎず、本発明の技術的思想を全て代弁するものではないため、本出願時点においてこれらに代替できる多様な均等物と変形例とがあり得ることを理解すべきである。
【００２７】
図１は、本発明の実施例による固体原料供給装置を示す断面図である。本実施例において単結晶成長させようとする半導体はシリコンとして説明されるが、本発明はゲルマニウムなどの他の半導体を結晶成長させる場合にも同じく適用できることは言うまでもない。また、本実施例において供給される固体原料は不定形（チップ状の）多結晶シリコンとして説明されるが、本発明は粒子状の多結晶シリコンや再生シリコンを供給する場合にも適用できることは言うまでもない。さらに、本実施例においては、るつぼ内に融液が残っている状態で固体原料を追加充填または再充填する場合を例に挙げて説明するが、本発明は空いているるつぼに固体原料を充填する場合にも同じく適用できることは言うまでもない。
【００２８】
図１に示したように、本実施例の固体原料供給装置２００は、単結晶成長装置１００のるつぼ１２０にチップ状の多結晶シリコン原料２１０を供給するように成長装置のゲート１７０に装着され用いられる。固体原料供給装置２００は、内部に多結晶シリコン原料２１０が積載される円筒状の本体３００、本体下端の開口部を塞ぐ円錐状の下部蓋４００、本体３００上端の開口部を塞ぐ上部蓋５００、及び下部蓋４００の頂点付近に連結され本体３００の内部を貫く連結手段４５０を備える。
【００２９】
上記本体３００は、内部に多結晶シリコン原料２１０を積載する円筒状の構造を有し、多結晶シリコン原料の落下を容易にするために下端部の方が少し広くなるテーパー形状にすることができる。一方、本体３００の外周面には連続または不連続的に突出されたストッパー３１０が形成される。このストッパー３１０は、単結晶成長装置１００の上部に本実施例の固体原料供給装置２００を装着するとき、ゲート１７０にストッパー３１０がかかるようにして本体３００を一定の位置に固定させる役割を果たす。本体３００は通常高熱に強く汚染が少なくて透明な石英ガラスを原料として作製する。
【００３０】
上記下部蓋４００は、円錐状で下端面の直径が本体３００の下端開口部の直径より少し大きくして円錐の頂点が本体３００の内部に向けるようにして装着されたとき本体の下端開口部を完全に閉塞するようにする。本実施例において、この下部蓋４００は上記多結晶シリコン原料２１０と同一または実質的に同等な純度と濃度とを有する単結晶または多結晶シリコンで作製する。
【００３１】
上記連結手段４５０は、下部蓋４００の円錐の頂点付近に連結され本体３００の内部と上部蓋５００を貫いて図示しないシードコネクター（ｓｅｅｄ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）に連結されることで、下部蓋４００が多結晶シリコン原料２１０の荷重により下方に落下することを防止する支持ワイヤまたは支持棒の役割を果たす。また、連結手段４５０は、るつぼ１２０に多結晶シリコン原料２１０を充填するとき本体３００の下端開口部が開かれるように下部蓋４００を下方に移動させる役割をも果たす。この連結手段４５０は支持ワイヤから成る場合モリブデンやタングステンなどの汚染に強く高温機械的強度が強い高融点金属やその合金から成り、支持棒の場合も同じく高融点金属やその合金、または本体３００と同一の石英ガラスから作製することができる。
【００３２】
上記上部蓋５００は、本体３００の上端に脱着可能に設けられる蓋であって、上部蓋５００は観察が容易で、高温に耐えられ汚染防止のために通常石英ガラスから作製する。
【００３３】
一方、上記固体原料供給装置２００が設けられる単結晶成長装置１００は、下部チャンバ１３０と上部チャンバ１４０とにより外部と密閉される。下部チャンバ１３０内にはるつぼ１２０、ヒーター１５０及び断熱材１６０が配置される。また、るつぼ１２０にはるつぼを上下に昇降させるか回転させる駆動機構（図示せず）を連結することができる。上部チャンバ１４０は下部チャンバ１３０より上部に延長され、るつぼ１２０の上部に円筒状に設けられ、ゲート１７０を通じて上記固体原料供給装置２００を設けるか単結晶インゴットを引き上げさせるための空間を提供する。
【００３４】
次いで、このように構成される本実施例の固体原料供給装置２００を用いて単結晶成長装置１００内のるつぼ１２０に固体原料の多結晶シリコン原料２１０を充填する方法に関して詳しく説明する。
【００３５】
まず、固体原料供給装置２００の本体３００の下端開口部を下部蓋４００の円錐の頂点が本体内部に向けるようにして塞いだ状態で、固体原料の多結晶シリコン原料２１０を積載する。このとき固体原料の多結晶シリコン原料２１０は不定形のチップ状や粒子状のものであってその直径が３〜３０ｍｍであることが望ましい。直径が３ｍｍ未満であれば固体原料を積載した状態で固体原料供給装置２００を運ぶか単結晶成長装置１００に装着する過程において、本体３００と下部蓋４００間の意図しなかった隙間から漏出する恐れがあり、３０ｍｍを超えれば積載または落下時に下部蓋４００に過度の衝撃を与えて下部蓋４００を破損させるか、充填時にるつぼ１２０内の融液を飛散させる恐れがある。しかし、ここで提示する直径の範囲はあくまでも例示的なものであって、本体３００と下部蓋４００との寸法精度が高いかその大きさなどに起因する耐衝撃強度が充分大きい場合には、上記直径の範囲は上記で提示した範囲を外れることもできる。
【００３６】
次いで、内部に多結晶シリコン原料２１０が積載された状態の固体原料供給装置２００を単結晶成長装置１００に装着する。具体的に、下部蓋４００を下方にして連結手段４５０の下部蓋と反対側端部をシードコネクター（図示せず）に連結し、徐々に上部チャンバ１４０とゲート１７０とを貫いて下部チャンバ１３０の内側に下降させる。すると、上部チャンバ１４０の内壁に突出され形成されたゲート１７０に本体３００の外周面に形成されたストッパー３１０がかかり、本体３００はそれ以上下降することができず一定の位置に止まる。このとき、るつぼ１２０には多結晶シリコン原料を最初充填した後溶融させたか単結晶成長した後残っているシリコン融液１１０が充填されている。
【００３７】
次いで、連結手段４５０をさらに下降させれば本体３００はストッパー３１０によってそれ以上下降することができないが、下部蓋４００はさらに下降して本体の下端開口部が開かれるようになる。すると、図２に示したように、本体３００内に積載された多結晶シリコン原料２１０が本体３００と下部蓋４００間の隙間からるつぼ１２０内に落下することで固体原料が充填される。
【００３８】
このとき、下部蓋４００はるつぼ１２０内に充填されている融液１１０に直接当たらずに所定の離隔距離を有するように下降距離が調節される。上記所定の離隔距離は、落下する多結晶シリコン原料２１０により融液１１０が飛散せず、また多結晶シリコン原料２１０の充填により高くなる融液１１０の液面が下部蓋４００とは当たらないほどの距離であって、固体原料の大きさや落下時間、るつぼの容積などを考慮して適切に最適化することができる。また、必要に応じて所定の離隔距離を保つために多結晶シリコン原料２１０の充填中に持続的にまたは断続的に本体３００及び下部蓋４００とるつぼ１２０とを相対的に移動させて下部蓋とるつぼ間の離隔距離を増加させることもできる。ここで相対的に移動させるということは、本体３００と下部蓋４００を固定した状態でるつぼ１２０を図示しない駆動手段により下降させることもでき、るつぼ１２０を固定した状態で本体３００と下部蓋４００とを上昇させることもできるということを意味する。同じく、本体３００と下部蓋４００間の移動も相対的な概念であって、以上では本体３００がストッパー３１０により固定された状態で下部蓋４００を連結手段４５０を用いて下降させることで本体の下端開口部を開くことで説明したが、下部蓋４００の位置を固定させた状態で本体３００を上昇させることで本体の下端開口部を開くこともできる。
【００３９】
また、多結晶シリコン原料２１０をるつぼ１２０に充填するときるつぼ１２０を徐々に回転させることで落下された多結晶シリコン原料２１０がるつぼ内に均一に分散して充填されるようにすることが望ましい。このときるつぼの回転速度は、多結晶シリコン原料２１０の粒子サイズと量、本体３００と下部蓋４００の直径、るつぼ１２０の容積、多結晶シリコン原料２１０の水平落下距離などを考慮して適切に最適化することができる。例えば、るつぼ１２０は多結晶シリコン原料２１０の充填中に０.１〜３ｒｐｍの速度で回転させることができる。るつぼ１２０の回転速度が０.１ｒｐｍ未満の場合、多結晶シリコン原料２１０の総落下時間に比べて回転速度が遅すぎるため、多結晶シリコン原料の分散効果が少なく、３ｒｐｍを超える場合、融液１１０が飛散する恐れがあるため望ましくない。一方、ここではるつぼ１２０を回転させることで説明したが、るつぼ１２０を固定させ本体３００を回転させることで同様の効果を得ることができることは言うまでもない。
【００４０】
このようにして本体３００内に積載された多結晶シリコン原料２１０が全てるつぼ１２０内に充填されれば本体３００を含む固体原料供給装置２００を上部チャンバ１４０の方に上昇させ取り出し、単結晶成長のためのシードをシードコネクター（図示せず）に連結させ本格的な単結晶シリコン成長工程を進める。
【００４１】
以上のように、本実施例によると、上記下部蓋４００が融液と同一のシリコン成分から作製されているため、シリコン多結晶原料２１０が下部蓋４００にぶつかって下部蓋の一部が割れても何ら汚染の問題が生じない。
【００４２】
また、シリコンから作製された下部蓋４００は、前述した米国特許第６,９０８,５０９号の技術とは異なり、融液１１０に直接当たらないので繰り返して使用が可能である。さらに、本実施例の下部蓋４００は石英から作製された従来の場合に比べて物質の弾性に優れているため下部蓋４００の使用寿命が長くなる長所がある。
【００４３】
次いで、図３ないし図６を参照しながら、上記下部蓋の構造及び形状に対して多様な実施例を説明する。
【００４４】
まず、図３にその正面図が示された下部蓋４１０は、基本的に円錐状になり、その円錐面には螺旋形の溝４１２が形成されている。従って、固体原料が下部蓋４１０の円錐面に沿って落下しながらるつぼ１２０内に充填されるとき、螺旋形溝４１２に沿って落下する固体原料は螺旋形の軌跡を描きながら落下するようになるので、前述した実施例においてるつぼ１２０を回転させたことと類似の効果を奏する。結果的に、図３に示された下部蓋４１０を用いれば螺旋形溝のない下部蓋を用いた場合に比べて固体原料がさらに分散して落下することでさらに均一に充填される。
【００４５】
一方、図３において、溝４１２は、下部蓋４１０の円錐面に沿って螺旋形に形成されたと示され説明されたが、溝を必ず螺旋形にする必要はない。例えば、溝を円錐の頂点を中心にして直線放射状に形成しても、前述した螺旋形の落下軌跡を得ることはできないが、溝を通る固体原料と溝が形成されない円錐面を通る固体原料の水平落下距離が異なるようになって、溝のない下部蓋を用いた場合に比べて水平的に分散度がさらに大きくなる。
【００４６】
但し、螺旋形溝４１２であっても直線放射状溝であっても溝を下部蓋４１０の下端の角まで形成することは避けるべきである。これは、もし溝を下部蓋４１０の下端の角まで形成すれば、図１のように下部蓋により本体３００の下端開口部が塞がれた状態で下部蓋と本体間に溝４１２による隙間が生じ、この隙間から固体原料が漏出され得るからである。従って、溝は少なくとも下部蓋が本体３００と接触する地点より内側までに形成されるようにすることが望ましい。
【００４７】
一方、溝の幅と深さ、断面形状、個数などは特に限定されず、固体原料の粒子サイズ、下部蓋の直径などを考慮して適切に最適化すればいい。また、下部蓋４１０の材質は、図１及び図２を参照しながら説明した実施例の効果を考慮すれば充填する固体原料と同一のものが望ましいが、従来のように石英ガラスや高融点金属またはその合金からなってもいい。
【００４８】
図４に、その正面図が示された下部蓋４２０は、基本的に円錐状に近いがさらに具体的に見れば、下部蓋４２０の頂点より下方に行くほど下部蓋の下面に対する傾斜角が漸次大きくなる鐘形の形状を有する。図４の下部蓋４２０は従来技術欄で説明した下部蓋の割れる現象を防止するのに有効である。即ち、単純円錐状下部蓋において落下する固体原料の衝撃に最も弱い部位は下部蓋の下端の角である。ところが、本実施例の下部蓋４２０は下方に行くほど下面に対する傾斜角が漸次大きくなるので、下端の角では落下する固体原料が殆ど斜めに行くようになりその衝撃量が遥かに低減する。従って、従来の単純円錐状下部蓋に比べて、割れて汚染源となり下部蓋の寿命が短縮されるなどの問題が殆どなくなる。
【００４９】
このように、図４の下部蓋４２０は割れる問題が解消されるため石英ガラスや高融点金属またはその合金から作製しても良く、充填される固体原料と同一の材質から作製してもいい。
【００５０】
図５に、その正面図が示された下部蓋４３０は、図４の下部蓋４２０と基本的にその形状及び効果が類似である。ところが、さらに具体的に見れば、図５に示された下部蓋４３０はその頂点より下方に行くほど下部蓋の下面に対する傾斜角が漸次小さくなってから大きくなるインゴットショルダー（ｉｎｇｏｔ ｓｈｏｕｌｄｅｒ）形状を有する。これは主に作製の容易のためであって、前述した実施例の下部蓋は鋳造などの別途の加工を要するが、図５の下部蓋４３０は通常捨てられる部分であるインゴットショルダー部分を下部蓋としてそのまま用いることができるため、作製のための別途の装備や費用を必要としないながらも充填される固体原料と同一の材質の下部蓋を容易に用意できるだけでなく、半導体材料のリサイクルという面においても望ましい。
【００５１】
図６の（a）は、下部蓋４４０の上面から見た平面図であり、図６の（b）は、（a）においてｂ‐ｂ線に沿って見た断面図である。図６に示された下部蓋４４０は、基本的に円錐状であり、円錐の頂点４４１を基準として円錐面上に凸部４４３と凹部４４５とが円周方向に沿って交互に形成されている。図６の下部蓋４４０は主に分散充填のためのものであって、凸部４４３を通る固体原料と凹部４４５を通る固体原料の水平落下距離が異なるようになって、単純円錐状の下部蓋を用いた場合に比べて水平的に分散度がさらに大きくなる。
【００５２】
一方、図６において、凸部４４３と凹部４４５とは交互に二対が形成されたものとして示されたが、凸部と凹部の数や配置は示された例に限定されない。また、単純円錐状の円錐面に凸部のみが形成されるか凹部のみが形成されていても、凸部または凹部を通る固体原料と円錐面を通る固体原料間の水平落下距離の差により水平分散度を高めることができる。さらに、凸部や凹部を不規則に形成してもるつぼと下部蓋とを相対的に回転させることで分散度を高めることができる。
【００５３】
図６に示された下部蓋４４０も、前述したような多様な材質から作製することができる。但し、特に凹部４４５の下端の角が衝撃に相対的に脆弱であるという点を考慮すれば充填する固体原料と同一の材質で作製することが望ましい。
【００５４】
以上のように、本発明はたとえ限られた実施例と図面とにより説明されたが、本発明はこれによって限定されず本発明が属する技術分野において通常の知識を持つ者によって本発明の技術思想と特許請求の範囲の均等範囲内で多様な修正及び変形が可能であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施例による固体原料供給装置を示した断面図である。
【図２】本発明の実施例による固体原料供給装置を用いて、るつぼに固体原料が充填される様子を示した断面図である。
【図３】本発明の実施例による固体原料供給装置の下部蓋の多様な例を示す図面である。
【図４】本発明の実施例による固体原料供給装置の下部蓋の多様な例を示す図面である。
【図５】本発明の実施例による固体原料供給装置の下部蓋の多様な例を示す図面である。
【図６】本発明の実施例による固体原料供給装置の下部蓋の多様な例を示す図面である。
【符号の説明】
【００５６】
１００  単結晶成長装置
１１０  融液
１２０  るつぼ
１３０  下部チャンバ
１４０  上部チャンバ
１７０  ゲート
２００  固体原料供給装置
２１０  固体原料
３００  本体
３１０  ストッパー
４００、４１０、４２０、４３０、４４０  下部蓋
４５０  連結手段
５００  上部蓋
【図１】
2008037745.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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