(57)【要約】【課題】単結晶の製造装置において、チャンバ内圧が急激な上昇をした場合にプルチャンバ等を浮き上がらせることなく、安全に圧力を放出することができる単結晶の製造装置を提供する。【解決手段】チョクラルスキー法による単結晶の製造装置であって、少なくとも、原料を溶融し、該溶融した原料から単結晶を引上げるメインチャンバと、前記引上げた単結晶を収納するプルチャンバと、前記メインチャンバとプルチャンバを隔離するアイソレーションバルブと、チャンバ内の圧力により開放される安全弁とを具備し、前記安全弁はその開放圧力Ｆ（ｋｇ／ｃｍ２）が、前記メインチャンバの最大シール面の断面積Ａ（ｃｍ２）と該最大シール面にかかる全重量Ｗ（ｋｇ）について、Ｆ＜Ｗ／Ａを満たすものである単結晶の製造装置。【選択図】　　　　図１
2004010363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法による単結晶の製造装置であって、少なくとも、原料を溶融し、該溶融した原料から単結晶を引上げるメインチャンバと、前記引上げた単結晶を収納するプルチャンバと、前記メインチャンバとプルチャンバを隔離するアイソレーションバルブと、チャンバ内の圧力により開放される安全弁とを具備し、前記安全弁はその開放圧力Ｆ（ｋｇ／ｃｍ２）が、前記メインチャンバの最大シール面の断面積Ａ（ｃｍ２）と該最大シール面にかかる全重量Ｗ（ｋｇ）について、Ｆ＜Ｗ／Ａを満たすものであることを特徴とする単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記安全弁は、少なくとも前記アイソレーションバルブより下部のメインチャンバに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の単結晶の製造装置。
【請求項３】
前記安全弁は、重量式安全弁、バネ式安全弁、またはマグネット吸引式安全弁であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶の製造装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の装置であって、シリコン単結晶を製造するものであることを特徴とする単結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により、単結晶棒を成長させる単結晶製造装置、特にはシリコンを成長させる装置の構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体単結晶製造に用いられる従来のＣＺ法単結晶製造装置の一例としてシリコンの場合を例にあげて図６により説明する。図６に示すように、この単結晶引上げ装置２０は、大きく分けて、原料シリコンを溶融し、溶融したシリコン融液２からシリコン単結晶を引上げるメインチャンバ３１と、引上げたシリコン単結晶１を収納するプルチャンバ３０から成る。メインチャンバ３１とプルチャンバ３０の間には、引上げたシリコン単結晶１を取出す際に常圧となるプルチャンバ３０と減圧されたメインチャンバ３１とを隔離するために、アイソレーションバルブ１４が設けられている。
【０００３】
メインチャンバ３１内には、原料シリコンを収容するルツボ３２と、ルツボ３２の周囲に配置された原料シリコンを溶融するヒータ３４と、ルツボ３２を回転させるルツボ保持軸３３及びその回転機構（図示せず）が設けられている。また、チャンバ内にガスを導入するためのガス導入口３６とチャンバ内の空気を排気するためのガス排気口３７が設けられている。シリコンの種結晶５を保持するシードチャック６と、シードチャック６を引上げるワイヤ７がプルチャンバ３０の頂部から垂下され、プルチャンバ３０の頂部にはワイヤ７を回転又は巻き取る巻取機構８が設けられている。また、ヒータ３４の外側周囲にはヒータ断熱材３５が配置されている。
【０００４】
次に、上記のＣＺ法単結晶引上げ装置２０による単結晶育成方法について説明する。まず、メインチャンバ３１およびプルチャンバ３０の空気を、ガス排気口３７から排気することにより、数十〜数百ｍｂａｒの真空度にまで減圧する。ガス導入口３６よりアルゴン等の不活性ガスを導入し、チャンバ内を所望の圧力に保つ。次に、ルツボ３２内でシリコンの高純度多結晶原料を融点（約１４２０°Ｃ）以上に加熱して融解する。そして、巻取機構８によりワイヤ７を巻き出すことによりシリコン融液２の湯面３の略中心部に種結晶５の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸３３を適宜の方向に回転させるとともに、ワイヤ７をルツボ３２とは同方向又は逆方向に回転させながら巻き取って種結晶５を引上げることにより、単結晶育成が開始される。以後、ワイヤ７の引上げ速度と融液温度を適切に調節することにより略円柱形状のシリコン単結晶１を得ることができる。引上げられたシリコン単結晶はプルチャンバ３０に収容され、アイソレーションバルブ１４を閉鎖して、メインチャンバ３１とプルチャンバ３０とを隔離した後、プルチャンバにある不図示のシリコン単結晶取出し口から、シリコン単結晶を取出す。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したような単結晶の製造装置におけるメインチャンバ３１は、完全に一体型の密閉容器から成るものではない。すなわち、原料やルツボの充填、取り出し、あるいはチャンバ内の部品を出し入れしてメンテナンス等を行なう関係から、メインチャンバ３１は、必ずそのいずれかの箇所において開いて内部を開放できるようにされており、図６の装置では、そのシール面１２から分割して内部を開放できるようにされている。そして、メインチャンバ３１は、シリコン単結晶製造時には、チャンバ内を真空ポンプ等により減圧するためにシール面１２においてＯリング１５等により封止される。そして、この部分はシリコン単結晶製造時にはチャンバ内は減圧状態とされ、外部からの大気圧により圧迫されることから、通常ボルト等で固定することなく単純な合わせのみとなっており、その上のプルチャンバ３０やアイソレーションバルブ１４等の上部構造物の重量により封止される。
【０００６】
しかし、チャンバ内が減圧されて密封状態とされているときにチャンバ内の水漏れ等で内部に水がかかったりした場合は、水蒸気が発生するためチャンバ内圧は急激に上昇し、その重量だけで封止されたプルチャンバ等の上部構造物はシール面から浮き上がり、加熱された蒸気が噴出することになり、チャンバ等を破損してしまう恐れがある。このような問題は特に、大口径結晶（例えば直径３００ｍｍ以上）を育成するために充填する原料の重量（例えば１７０ｋｇ以上）が増え、万一湯漏れがあってチャンバを腐食して水もれを引き起こす場合に発生する水蒸気が膨大な量となるため、特に問題となる。一方、プルチャンバの浮上がりを防止するために、シール面をボルト等で完全に固定してしまうと、チャンバ内の圧力を放出できないため、安全上問題がある。このようなチャンバ内に発生した圧力を安全に放出するため、従来機ではメインチャンバの合わせ面をクランプで押え破裂板を設置したり、エアバックを装備したりしているが、いずれもチャンバの開閉等の操作上面倒であり、また装置の製作コストのアップとなるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、単結晶の製造装置において、チャンバ内圧が急激な上昇をした場合にプルチャンバを浮き上がらせることなく、安全に圧力を放出することができる単結晶の製造装置を提供することを主たる目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、チョクラルスキー法による単結晶の製造装置であって、少なくとも、原料を溶融し、該溶融した原料から単結晶を引上げるメインチャンバと、前記引上げた単結晶を収納するプルチャンバと、前記メインチャンバとプルチャンバを隔離するアイソレーションバルブと、チャンバ内の圧力により開放される安全弁とを具備し、前記安全弁はその開放圧力Ｆ（ｋｇ／ｃｍ２）が、前記メインチャンバの最大シール面の断面積Ａ（ｃｍ２）と該最大シール面にかかる全重量Ｗ（ｋｇ）について、Ｆ＜Ｗ／Ａを満たすものであることを特徴とする単結晶の製造装置である（請求項１）。
【０００９】
このように、チョクラルスキー法による単結晶の製造装置であって、チャンバ内の圧力により開放される安全弁を具備し、前記安全弁はその開放圧力Ｆ（ｋｇ／ｃｍ２）が、前記メインチャンバの最大シール面の断面積Ａ（ｃｍ２）と該最大シール面にかかる全重量Ｗ（ｋｇ）について、Ｆ＜Ｗ／Ａを満たすものであれば、チャンバ水漏れ時等で炉内圧が急激な上昇をした場合でも、プルチャンバが浮上がる前に安全弁が開放されるため、プルチャンバ等が浮上がるようなことはなく、安全かつ簡単に圧力を放出できる。そのため、メインチャンバに破裂板を設置したりエアバッグを装備するような必要もなくなるため、装置のチャンバ開閉等の操作も簡便なものとなり、装置製作上のコストも低減することができる。
【００１０】
なお、本発明でいう最大シール面とは、メインチャンバが部品の出し入れ等のため、分離、開放され、装置の使用時には封止される面をいい、そのような面が１つの場合はこれを最大シール面とし、メインチャンバに複数ある場合には、その内の最大のものをいう。例えば図１および図６においては、メインチャンバ３１の上部に設けられた合わせ目においてＯリング１５によって封止されるシール面１２を最大シール面をいう。
そして、最大シール面の断面積Ａとは、そのような最大シール面によって横断されるメインチャンバの全断面積をいい、例えば図１および図６においては、最大シール面１２によって横断されるメインチャンバ３１の断面積、すなわち、Ｏリング１５によって囲まれた断面積をいう。
また、本発明でいう最大シール面にかかる全重量Ｗとは、例えば図１および図６においては、最大シール面１２にかかる全重量である当該最大シール面１２より上部のメインチャンバ３１の部分、プルチャンバ３０、およびアイソレーションバルブ１４等の部品の重量を合わせた全重量をいう。
【００１１】
この場合、前記安全弁は、少なくとも前記アイソレーションバルブより下部のメインチャンバに設けられていることが好ましい（請求項２）。
このように、安全弁が少なくともアイソレーションバルブより下部のメインチャンバに設けられていれば、アイソレーションバルブを開放して単結晶を引上げ成長させる場合に、チャンバ内の圧力が急激に上昇したときに圧力を放出することができるし、引上げた単結晶をプルチャンバに収納し、アイソレーションバルブでメインチャンバとプルチャンバとを隔離した場合であっても、減圧中のメインチャンバ内の圧力が急激に上昇したときに圧力を放出することができるため、いずれの場合においても安全な構造とすることができる。ただし、必要に応じてアイソレーションバルブの上部と下部の両方に安全弁を設けることもできる。
【００１２】
そしてこの場合、前記安全弁は、重量式安全弁、バネ式安全弁、またはマグネット吸引式安全弁とすることができる（請求項３）。
このように、本発明における安全弁は、例えば重量式安全弁、バネ式安全弁、またはマグネット吸引式安全弁とすることができ、簡単に構成することができるものである。
【００１３】
また、本発明の装置は、シリコン単結晶を製造するものとすることができる（請求項４）。
このように本発明の装置は、ＣＺ法により大量に生産されているシリコン単結晶を製造する装置に適用することができ、シリコン単結晶を安全に製造することができるものとなる。
【００１４】
以下、本発明について詳細に説明する。
従来機において使用されていた、チャンバのシール面をクランプで押え破裂板を設置したり、エアバッグを装備したものは、チャンバの開閉等の操作上面倒であり、又は装置の製作コストの上昇につながるという欠点があった。
【００１５】
そこで、本発明者は装置のいずれかの箇所に安全弁を設け、そこから安全にチャンバ内で生じた圧力を放出することを発想した。このような構造であれば、より安全かつ低コストでチャンバ内圧を開放することができる。しかし、この安全弁を設けるためには、その開放圧力を定める基準が重要となる。開放圧力を大きく設定し過ぎた場合は、チャンバ内で生じた圧力を開放する前にプルチャンバ等が浮上がってしまうことになるし、開放圧力を小さく設定し過ぎた場合は、チャンバ内で生じた軽微な圧力変動でチャンバを開放させてしまうことになり、チャンバ内の気密状態をしばしば損ない、作業効率を低下させることとなる。
【００１６】
そこで本発明者は、安全弁の開放圧力を定めるにあたって、メインチャンバの最大シール面の断面積Ａ（ｃｍ２）および最大シール面にかかる全重量Ｗ（ｋｇ）を基準とすることとした。すなわち、チャンバ内に生じた圧力によりシール面からプルチャンバ等の上部構造物が浮上がるためには、最大シール面にかかる全重量Ｗ（ｋｇ）以上の力が加わる必要がある。この力がチャンバ内からの圧力により生じる場合は、そのチャンバ内の圧力が加わる面積は、図１および図６に示すようにメインチャンバの最大シール面の断面積Ａ（ｃｍ２）である。したがって、プルチャンバ等を浮上がらせるためには、（最大シール面にかかる全重量Ｗ（ｋｇ））／（メインチャンバの最大シール面の断面積Ａ（ｃｍ２））となる圧力が必要となる。よって、安全弁の開放圧力Ｆ（ｋｇ／ｃｍ２）が、この圧力より低い、Ｆ＜Ｗ／Ａを満たすものであれば、プルチャンバ等が浮上がる前に安全弁が開放され、安全にチャンバ内圧力を開放することができることとなる。
【００１７】
このようにすれば、メインチャンバに別途破裂板やエアバッグを装備する必要はなく、チャンバの開閉等の操作は容易なものとなる。また、この場合の安全弁装置は弁自体は通常の簡便な構造のものとすることができるため、装置の製作コストにはそれほど影響はなく、低コストなものとすることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、シリコン単結晶を製造する装置について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１は本発明に係るシリコン単結晶の製造装置の概略図である。なお、従来例と同一の機能を有する構成部品には同一の符号を付してある。このシリコン単結晶製造装置１０は、従来の装置と同様に、プルチャンバ３０、メインチャンバ３１、アイソレーションバルブ１４等から構成されるものである。そして、本発明に係る装置１０には、アイソレーションバルブ１４より下部のメインチャンバ３１には、安全弁１１が設けられている。
【００１９】
この安全弁１１は、その開放圧力Ｆ（ｋｇ／ｃｍ２）が、メインチャンバ３１の最大シール面の断面積Ａ（ｃｍ２）と最大シール面１２にかかる全重量Ｗ（ｋｇ）について、Ｆ＜Ｗ／Ａを満たすものとされている。そのため、例えばメインチャンバ内で水漏れ等で内部に水がかかり、水蒸気が発生してチャンバ内圧が急激に上昇したような場合であっても、安全弁１１がプルチャンバ３０等が浮上がる前に開放され、安全に内部圧力を放出することができる。特に直径３００ｍｍ以上の大口径結晶を育成するために充填する原料が１７０ｋｇ以上となる場合において、万一湯漏れがあってチャンバ冷却水部分を腐食して水もれを引き起こす場合に発生する膨大な量の水蒸気に対しても安全に内部圧力を放出することができる。なお、図１の例では、メインチャンバ３１は略円筒形状であり、最大シール面１２のＯリング１５で囲まれる部分の直径はＤ（ｃｍ）であるから、最大シール面の断面積Ａ（ｃｍ２）は、Ａ＝（π／４）×Ｄ２（ｃｍ２）となる。また、最大シール面にかかる全重量Ｗ（ｋｇ）は、図１の例では、メインチャンバ３１の上部、プルチャンバ３０、およびアイソレーションバルブ１４等の重量の合計となる。
【００２０】
この図１の例では、安全弁１１はアイソレーションバルブ１４より下部のメインチャンバ３１に設けられている。そのため、アイソレーションバルブ１４を開放してメインチャンバ３１でシリコン単結晶１を引上げる際に、チャンバ内圧が水漏れ等で急激に上昇した場合に、圧力を安全に安全弁１１から放出できる。また、シリコン単結晶１をプルチャンバ３０に収容してから、アイソレーションバルブ１４を閉鎖し、メインチャンバ３１とプルチャンバ３０を隔離してシリコン単結晶を取出す際において、メインチャンバ３１内で急激な内圧上昇があった場合においても、安全に圧力を放出して内圧上昇に対処できる。しかし、アイソレーションバルブ１４閉鎖時にプルチャンバ３０においても、減圧中に急激に内圧が上昇することはあり得るので、アイソレーションバルブ１４の上部と下部の両方に安全弁１１を設けるようにしても良い。
【００２１】
本発明の装置で用いられる安全弁は、例えば、重量式安全弁、バネ式安全弁、またはマグネット吸引式安全弁とすることができる。
図２は、本発明の重量式安全弁の一例を示す概略図である。この安全弁６０は、チャンバ壁から突出した円筒形状のボディ４１にちょうつがい４３によりシールプレート４２が取付けられている。シールプレート４２は、チャンバ内が加圧状態にないときは、その自重によりボディ４１に押付けられ、Ｏリング４５により封止されるようにされている。そして、所定の開放圧力Ｆがチャンバ内部からかかると、破線に示すように、シールプレート４２は開放されるようにされている。なお、チャンバ内部の高圧によりちょうつがい４３が破断してもシールプレート４２が飛んでいかないように、シールプレート４２にはチェーン４４が取付けられており、チェーン４４のもう一方の端は製造装置本体等に取付けられる。
【００２２】
図３は、本発明に係る重量式安全弁の別の一例を示す説明図である。この安全弁６１は、チャンバ壁から円筒状に突出たボディ４１にシールプレート４２が載せられており、その自重によりボディ４１に押付けられ、Ｏリング４５により封止されるようにされている。この安全弁６１では、シールプレート４２は貫通穴を設けられ、シャフト４７を通されており、シャフト４７に沿って上下動できるようにされている。シャフト４７の上部には固定プレート４６が取付けられており、固定プレート４６にはネジ式のナールド・ノブ４８が取付けられている。ナールド・ノブ４８は軸部にネジ山を切られているため、シリコン単結晶の製造時にはネジを弛め、安全弁を開放可能にすることができ、必要なときは、ネジを締めて安全弁を開放しないようにすることができる。この安全弁６１も、図２の重量式安全弁と同様に開放圧力Ｆ以上の圧力で開放されるようにされている。このような安全弁６１は、例えばプルチャンバ側に取付けるのに都合がよく、気密試験等を行なう際にも使用することができる。
【００２３】
図４（ａ）（ｂ）は、本発明の装置に係るバネ式安全弁の例を示した図である。これらの安全弁６２、６３は、図２および３に示した安全弁と同符号の部品は、ほぼ同等の機能を有する。図４（ａ）に示す安全弁６２では、シールプレート４２は板バネ４９によりボディ４１に押付けられ、Ｏリング４５により封止されている。そして、所定の開放圧力Ｆにより開放されるようになっている。図４（ｂ）に示す安全弁６３はコイルバネ式であり、シールプレート４２はバネ支え５１に取付けられたコイルバネ５０により、ボディ４１に押付けられ、Ｏリング４５によって封止される。そして、所定の開放圧力Ｆによりバネ５０が縮み開放されるようにされている。
【００２４】
図５は、本発明の装置に係るマグネット吸引式安全弁の例を示した図である。この安全弁６４では、ボディ４１に図２〜４の装置におけるシールプレート４２に対応する盲フランジ５２が嵌め込まれている。ボディ４１には強力マグネット５４が設けられ、盲フランジ５２には磁性体である吸引ネジ５３がネジ止めされており、磁力により盲フランジ５２はボディ４１に押付けられ、Ｏリング４５により封止されるようにされている。この安全弁６４も、強力マグネット５４の磁力により所定の開放圧力Ｆにより開放されるようにされている。なお、この例においても盲フランジ５２には、フランジ５２飛散防止のためのチェーン４４が設けられている。
以上、説明したような各種の安全弁は、既存の単結晶製造装置にも取付けることができるものであり、比較的低コストで製造、改修することが可能なものである。
【００２５】
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。
【００２６】
例えば、上記実施形態においては、シリコン単結晶の製造装置について中心に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、チョクラルスキー法により、例えばＧａＡｓ、ＧａＰ等の化合物半導体や酸化物単結晶を製造する装置においても適用できるものである。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の単結晶の製造装置によれば、適切な開放圧力である安全弁が設置されていることにより、チャンバ内の水漏れ等でチャンバ内圧が急激な上昇をした場合、プルチャンバ等を浮上がらせることなく、圧力を安全に放出することができる。そのため、従来の装置に設けられていた破裂板やエアバック等は不要となるため、装置のチャンバ開閉等の操作は容易となり、装置製作コストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコン単結晶の製造装置を示した概略図である。
【図２】本発明における重量式安全弁の一例を示す概略図である。
【図３】本発明における重量式安全弁の別の一例を示す概略図である。
【図４】本発明におけるバネ式安全弁の例を示す概略図であり、（ａ）は板バネ式の例を示すものであり、（ｂ）はコイルバネ式の例を示す図である。
【図５】本発明におけるマグネット吸引式安全弁の一例を示す概略図である。
【図６】従来のシリコン単結晶の製造装置を示した説明図である。
【符号の説明】
１…シリコン単結晶、　２…シリコン融液、　３…湯面、　５…種結晶、
６…シードチャック、　７…ワイヤ、　８…巻取機構、
１０、２０…シリコン単結晶製造装置、
１１…安全弁、　１２…最大シール面、　１４…アイソレーションバルブ、
１５…Ｏリング
３０…プルチャンバ、　３１…メインチャンバ、　３２…ルツボ、
３３…ルツボ保持軸、　３４…ヒータ、　３５…ヒータ断熱材、
３６…ガス導入口、　３７…ガス排気口、
４１…ボディ、　４２…シールプレート、　４３…ちょうつがい、
４４…チェーン、　４５…Ｏリング、　４６…固定プレート
４７…シャフト、　４８…ナールド・ノブ、　４９…板バネ、
５０…コイルバネ、　５１…バネ支え、　５２…盲フランジ、
５３…吸引ネジ、　５４…強力マグネット、
６０，６１，６２，６３，６４…安全弁。
【図１】
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【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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