(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料融液の上方において、ルツボに収容した原料融液から引き上げられる半導体単結晶を取り囲む形で、冷却流体を流通させる強制冷却筒を配置し、強制冷却筒により引き上げた半導体単結晶からの輻射熱を除去しつつチョクラルスキー法により単結晶を育成する半導体単結晶製造装置において、
前記強制冷却筒に対し冷却流体を流通する際に、冷却流体を原料融液に近い強制冷却筒の下端部へ、該強制冷却筒の周方向の一定位置にて筒軸線方向に流下させる流下通路部により導き、その後、該強制冷却筒内に設けられた周方向流通矯正部により、筒周方向の流れを促しつつ筒下端部から上端に向けて前記冷却流体を流通させ、
前記強制冷却筒は、内筒部材と外筒部材との間に環状の冷却流体流通隙間を形成し、該冷却流体流通隙間に連通する冷却流体入口及び冷却流体出口とを設けたジャケット構造を有してなり、前記周方向流通矯正部は、筒下端部から上端に向けての前記冷却流体の流通を許容しつつ、筒軸線と交差する周方向の仕切面により前記冷却流体流通隙間を仕切る仕切り壁を含み、
前記強制冷却筒の各構成部材を接合する溶接部を、原料融液面並びに原料融液より引き上げられた半導体単結晶と対向する面に設けないことを特徴とする半導体単結晶製造装置。
【請求項２】
前記周方向流通矯正部は、前記冷却流体を前記筒下端部から上端に向けてらせん状の経路に沿って導くものとして設けられることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶製造装置。
【請求項３】
前記ジャケット構造を有する前記強制冷却筒の前記仕切り壁が、前記冷却流体流通隙間をらせん状の流通経路に仕切る形態に設けられている請求項２記載の半導体単結晶製造装置。
【請求項４】
前記強制冷却筒内部を流通する前記冷却流体の温度を測定するために、該強制冷却筒の内部に１箇所以上、温度センサを取り付けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置。
【請求項５】
前記温度センサは、前記強制冷却筒の下端部を流れる冷却流体の温度を測定する位置に少なくとも取り付けられていることを特徴とする請求項４記載の半導体単結晶製造装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体単結晶製造装置を用い、前記強制冷却筒により引き上げた半導体単結晶からの輻射熱を除去しつつチョクラルスキー法により単結晶を育成することを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
【請求項７】
前記強制冷却筒に流通する冷却流体の温度を前記温度センサにより測定するとともに、前記冷却流体の温度が所定の温度となるように該冷却流体の流通量及び／又は温度を調整して前記単結晶を育成することを特徴とする請求項６に記載の半導体単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と称する。）により半導体単結晶を育成するための単結晶製造装置及びそれを用いた半導体単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣＺ法により育成されたシリコン単結晶はシリコン半導体ウェーハに加工され、半導体素子の基板として数多く使用されている。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造においては、特開平３−９７６８８号公報や特開昭５７−４０１１９号公報等に示されているように、ルツボに収容された原料融液から引き上げられたシリコン単結晶の輻射熱を除去し、成長速度の高速化を図るため、原料融液の直上に育成した単結晶を取り囲むように、円筒状あるいは円錐状の部材を配設して、シリコン単結晶の引上げを行なう方法が多く用いられている。
【０００３】
特に、育成結晶を囲繞するように配置される円筒形状を有する冷却筒は、融液面上方から下流される不活性ガスの整流作用が大きく、原料融液からの蒸発物を効率よく炉外へと排出し、蒸発物等による育成結晶の有転位化を防止できることから、シリコン単結晶の製造装置では広く採用されている装置構成である。そして、これら円筒形状をした冷却筒や円錐形状の遮熱スクリーンは、１４００℃以上にもなる高温の原料融液の直上に配置され、育成結晶からの輻射熱を効率よく吸収し、さらには原料融液を加熱する加熱ヒータや原料融液からの輻射熱を遮る必要があることから、その多くが黒鉛材や熱伝導率の高いステンレスやモリブデンといった高融点金属で作られているのが一般的である。
【０００４】
しかし、例えば特開平３−９７６８８号公報に示されているような黒鉛材で作られた冷却筒では、引き上げた単結晶を取り囲むように冷却筒を配置したことにより、育成結晶の冷却効果は高まるものの、単結晶からの輻射熱を積極的に吸収するものではないために、結晶の成長速度を高めるには自ずと限界があった。特に、直径が２００ｍｍを超えるような大型のシリコン単結晶を育成する場合には、育成結晶そのものの熱容量も大きくなることから、より効率の高い冷却方法が求められている。
【０００５】
そこで、最近ではこの問題を解決するための一つの方法として、特開昭６１−６８３８９号公報や特開平４−３１７４９１号公報、或は特願平１２−２１２４１号に示されるような、上述の冷却筒や遮熱スクリーンに水等の冷却流体を流通し、積極的に育成結晶からもたらされる輻射熱を吸収して、育成炉外部へと熱を移送することにより、単結晶の冷却効率を可能な限り高めた強制冷却筒を備えたシリコン単結晶の製造装置も開発されてきている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、上述した冷却流体を流通し育成結晶からの輻射熱を炉外へと移送する冷却機構を備えた強制冷却筒では、冷却流体を流通させる経路は強制冷却筒の壁を二重構造として隙間を作り、その隙間に冷却流体を流すジャケット方式のものと、強制冷却筒の壁にシームレスパイプ等を溶接して、パイプに冷却流体を流通することによって強制冷却筒を冷却する方法が良く知られている。
【０００７】
しかし、冷却筒壁を二重構造としたジャケット方式のものでは、冷却流体を強制冷却筒に流通させる際に、冷却筒内で冷却流体のショートカットが起こりやすく、強制冷却筒の高温となる部位で冷却流体に滞留が生じ、部分的に高温となる場所ができやすくなる問題がある。これは、単結晶の冷却効率を悪化させ、また、強制冷却筒の過昇温による損傷などにもつながる。
【０００８】
一方、パイプ方式の冷却構造のものでは、強制冷却筒の冷却パイプを溶接した部分とそうでない部分に温度ムラができやすくなり、強制冷却筒全体に渡って均一な冷却効果を得ることが難しい等の問題もある。また、冷却パイプから接合部への熱伝導が関与するためジャケット方式ほどの冷却効率は期待できず、冷却効果の不足やムラ等を生じやすい問題がある。
【０００９】
本発明の課題は、育成される半導体単結晶をムラなく高い効率で冷却できるようにし、半導体単結晶の生産性を高めると同時に、均一で安定した冷却雰囲気を形成することにより、結晶全体に渡って品質の安定したバラツキの少ない半導体単結晶を製造できる装置及びそれを用いた半導体単結晶の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
上記の課題を解決するために、本発明の装置は、原料融液の上方において、ルツボに収容した原料融液から引き上げられる半導体単結晶を取り囲む形で、冷却流体を流通させる強制冷却筒を配置し、強制冷却筒により引き上げた半導体単結晶からの輻射熱を除去しつつチョクラルスキー法により単結晶を育成する半導体単結晶製造装置において、強制冷却筒に対し冷却流体を流通する際に、冷却流体を原料融液に近い強制冷却筒の下端部へ導き、その後、該強制冷却筒内に設けられた周方向流通矯正部により、筒周方向の流れを促しつつ筒下端部から上端に向けて冷却流体を流通させるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の半導体単結晶の製造方法は、上記の装置を用い、強制冷却筒により引き上げた半導体単結晶からの輻射熱を除去しつつチョクラルスキー法により単結晶を育成することを特徴とする。
【００１２】
強制冷却筒に冷却水等の冷却流体を流通させる際に、水の滞留部分が生じると、冷却水が滞留している部分で高温となって強制冷却筒を傷めたり、冷却筒の温度分布にむらが出て均等な結晶冷却が困難となり、安定した品質並びに高速で単結晶を引き上げるのが難しくなったりする。そこで、本発明においては、強制冷却筒内に設けられた周方向流通矯正部により、筒周方向の流れを促しつつ筒下端部から上端に向けて冷却流体を流通させるようにしたので、強制冷却筒の周方向及び軸線方向の双方において冷却流体を均一に流通させることが可能となり、ひいては冷却流体の滞留等による強制冷却筒の過昇温や冷却効率低下を効果的に防止ないし抑制できる。また、強制冷却筒の下端側から冷却流体が流通されることから、融液から引き上げられる単結晶の、より高温となる下側部分に、より低温の（つまり冷却による熱吸収の進んでいない）冷却流体が供給されるため冷却効率を高くすることができる。また、単結晶の上側部分には、下側部分の冷却によりある程度温上昇した冷却流体が供給されるので、引き上げられる単結晶の軸線方向の温度勾配が過度に急となることを防止することができる。周方向流通矯正部は、冷却流体を筒下端部から上端に向けてらせん状の経路に沿って導くものとして設けておくと、上記の効果を更に高めることができる。
【００１３】
強制冷却筒は、内筒部材と外筒部材との間に環状の冷却流体流通隙間を形成し、該流体流通隙間に連通する冷却流体入口及び冷却流体出口とを設けたジャケット構造を有するものとして構成できる。ジャケット構造の強制冷却筒は、内筒部材の全面に冷却流体を接触させることができるため、冷却効率が高い反面、ジャケット内の冷却流体流通隙間において、冷却流体の短絡（ショートカット）が生じやすくなり、冷却流体の滞留が特に発生しやすかった。そこで、本発明ではジャケット構造を採用する場合、周方向流通矯正部を、筒下端部から上端に向けての冷却流体の流通を許容しつつ、筒軸線と交差する周方向の仕切り面により冷却流体流通隙間を仕切る仕切り壁を含むものとして構成する。これにより、冷却流体のショートカットひいては冷却流体滞留が極めて生じ難くなり、冷却ムラの防止及び冷却効率のさらなる向上を図ることができる。この場合、ジャケット構造を有する強制冷却筒の仕切り壁が、冷却流体流通隙間をらせん状の流通経路に仕切る形態に設けられていると、効果を一層高めることができる。
【００１４】
次に、強制冷却筒の各構成部材を接合する溶接部は、原料融液面並びに原料融液より引き上げられた半導体単結晶と対向する面に設けないことが望ましい。冷却筒を作る際に、冷却筒の構成部材を溶接により接合するが、この溶接部は単結晶や加熱ヒータ等からの高温の熱輻射に曝されると劣化しやすくなり、延いては強制冷却筒の損傷にもつながる。しかしながら、溶接部を原料融液面並びに原料融液より引き上げられた半導体単結晶と対向する面に設けないようにすることにより、例えば、ジャケット構造の冷却筒で、全ての溶接部を冷却流体流通隙間側に生ずるように構成することで、上記の不具合を効果的に防止できる。
【００１５】
例えば、従来、原料融液面近くでは１４００℃以上もの高温に曝されるため冷却筒を配置するのは難しく、原料融液面近くの単結晶の高温部を効果的に冷却するのは困難なものとみなされていたので、強制冷却筒の配置位置にも制約があった。しかし、本構造の採用により該配置位置の自由度が増し、温度分布調整のための炉内レイアウト改善やコンパクト化なども容易に行なうことができる。具体的には、高温に曝される面、例えば熱輻射により５００℃以上に昇温することが見込まれる面に溶接部を設けないことで、強制冷却筒の耐久性と信頼性の向上を図ることができる。また、炉内のより高温部分（原料融液面に更に近い位置）に、強制冷却筒を配置（延長）することができる。これによって、単結晶からの輻射熱の除去効果が高まる。また、強制冷却筒の内面（結晶と対向する面に溶接部を持たないので、内表面の凹凸が無くなり不活性ガスの整流作用が妨げられなくなる利点も生ずる。なお、原料融液面並びに原料融液より引き上げられた半導体単結晶と位置的には対向していても、十分遠方にあるため上記温度以上に昇温する懸念が生じない部位には、本発明の主旨において当然、溶接部が設けられることを妨げるものではない。従って、本明細書では、このような部位は、請求項でいう「原料融液面並びに原料融液より引き上げられた半導体単結晶と対向する面」に属するものとはみなさない。
【００１６】
また、強制冷却筒内部を流通する冷却流体の温度を測定するために、該強制冷却筒の内部に１箇所以上、温度センサを取り付けることができる。これによって強制冷却筒の内部温度をモニタでき、過昇温等の発生を早期に発見できるようになる。この場合、温度センサは、融液に最も近く、過昇温等の特に生じやすい、強制冷却筒の下端部を流れる冷却流体の温度を測定する位置に少なくとも取り付けされていることが望ましい。
【００１７】
また、さらに進んでは、強制冷却筒に流通する冷却流体の温度を温度センサにより測定するとともに、冷却流体の温度が所定の温度となるように該冷却流体の流通量及び／又は（例えばヒータ等により）温度を調整して単結晶を育成することも可能である。例えば温度センサによる測定により冷却流体の異常昇温が認められた場合は、冷却流体の流通量を増加させて冷却能力を増強し、正常な温度を維持することが可能となる。また、冷却流体の流通量及び／又は温度調整により、より安定した冷却雰囲気を形成することができ、より品質の揃った単結晶の育成が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、ＣＺ法によるシリコン半導体単結晶製造に適用した場合を例にとり、図面を参照しながら説明する。なお、本発明はこれらシリコン単結晶の成長のみに限定されるものではなく、例えば、本発明の装置は化合物半導体等の他の単結晶育成においても利用可能なものである。
【００１９】
図１は、本発明に係る半導体単結晶製造装置（以下、単に単結晶製造装置ともいう）の一例を示す概略構成の断面図である。該単結晶製造装置２０は、一般的な単結晶製造装置と同様、原料、例えば原料融液４を収容するルツボ５，６、多結晶シリコン原料を加熱・溶融するためのヒータ７などがメインチャンバ１内に格納され、メインチャンバ１上に連設された引上げチャンバ２の上部には、育成された単結晶を引き上げる引き上げ機構（図示せず）が設けられている。
【００２０】
引上げチャンバ２の上部に取り付けられた引き上げ機構からは、引上げワイヤ１６が巻き出されており、その先端には、種結晶１７を取り付けるための種ホルダ１８が接続され、種ホルダ１８の先に取り付けられた種結晶１７を原料融液４に浸漬し、引上げワイヤ１６を引き上げ機構によって巻き取ることで種結晶１７の下方にシリコン半導体単結晶（以下、単に単結晶ともいいう）３を形成する。
【００２１】
なお、上記ルツボ５，６は、原料融液４を直接収容する石英ルツボ５が内側、該石英ルツボ５を支持するための黒鉛ルツボ６が外側に配された構造となっている。ルツボ５，６は、単結晶製造装置２０の下部に取り付けられた回転駆動機構（図示せず）によって回転昇降動自在なルツボ回転軸１９に指示されており、単結晶製造装置中の融液面の変化によって結晶品質が変わることのないよう、融液面を一定位置に保つため、結晶と逆方向に回転させながら単結晶３の引き上げに応じて融液が減少した分だけルツボを上昇させている。
【００２２】
また、ルツボ５，６を取り囲むように加熱ヒータ７が配置されており、この加熱ヒータ７の外側には、ヒータ７からの熱がメインチャンバに直接輻射されるのを防止するための断熱部材８が周囲を取り囲むように設けられている。また、チャンバ１，２内部には、炉内に発生した不純物を炉外に排出する等を目的とし、引上げチャンバ２上部に設けられたガス導入口１０からアルゴンガス等の不活性ガスが導入され、引き上げ中の単結晶３、融液４上部を通過してチャンバ１，２内部を流通し、ガス流通口９から排出される。なお、メインチャンバ１及び引上げチャンバ２は、ステンレス等の耐熱性、熱伝導性に優れた金属により形成されており、冷却管（図示せず）を通して水冷されている。
【００２３】
次に、単結晶製造装置２０では、強制冷却筒１１が、引上げ中の単結晶３を取り囲むように前記メインチャンバ１の少なくとも天井部から原料溶液表面に向かって延伸する形態で設けられている。該強制冷却筒１１内には、冷却流体導入路形成部をなす導入管１２から冷却流体Ｗが導入され、該冷却流体は、強制冷却筒１１内を循環して強制冷却筒１１を強制冷却した後、冷却流体出口３０（図２）から外部に排出される。なお、冷却流体Ｗとしては、従来から冷却流体として使用されている液体あるいは気体を使用することができるが、冷却特性のほか、取り扱い性、コスト面等からも水を使用するのが好適である。また、これら強制冷却筒１１内に流す冷却流体の流量や温度を必要に応じて調節すれば、強制冷却筒１１の除去熱量を変化させることができるので、これにより単結晶成長速度にあわせた所望の冷却雰囲気を作り出すことが可能である。これについては後述する。
【００２４】
強制冷却筒１１（後述する内筒部材３５、外筒部材３２及び仕切り壁部３３;図２参照）の材質としては、耐熱性があり、熱伝導性に優れたものであれば特に限定されないが、具体的には、鉄（例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等））、ニッケル、銅、チタン、モリブデン、タングステン、もしくはこれらの金属を含む合金から作製することができる。また、前記金属もしくは合金をチタン、モリブデン、タングステン、もしくは白金族金属で被覆して構成してもよい。このような金属あるいは合金を使用することにより、強制冷却筒１１の耐熱性が非常に優れたものとなり、熱伝導性も非常に高くなるので、単結晶棒から放熱された熱を吸収したあと、強制冷却筒１１内部を循環する水等の冷却流体に効率よく伝え、結晶周囲の温度を低下させるので、単結晶の冷却速度を向上させることができる。
【００２５】
また、単結晶製造装置２０には、強制冷却筒１１より下方に延伸し、円筒または下方に向かって縮径された形状の冷却補助部材１３を有している。本実施形態では、強制冷却筒１１の下端部から原料融液面近傍に延伸する円筒状の冷却補助部材１３が設けられている。冷却補助部材１３は、引き上げられた直後の、高温の単結晶３の周囲を囲んでおり、ヒータ７あるいは融液４等からの輻射熱を遮って単結晶３を冷却する効果を有する。また、強制冷却筒１１が融液面の直上まで近づくことが防がれ安全性が確保されるとともに、融液上方から結晶近傍を下流する不活性ガスの整流効果が発揮される。
【００２６】
上記冷却補助部材１３の材質としては、耐熱性に非常に優れるとともに、高い熱伝導性を有するものが好ましく、具体的には、黒鉛、モリブデン、またはタングステンとするのがよい。特に黒鉛は、ヒータや融液等からの輻射熱を効率よく遮蔽し、熱伝導率も比較的高いので好適である。また、表面を保護被膜（例えば熱分解炭素被膜あるいは炭化ケイ素被膜等）で被覆したものを使用してもよい。このようにすれば、冷却補助部材への蒸発物の付着による悪影響が軽減され耐久性が向上するとともに、冷却補助部材の不純物汚染もより抑制できる。
【００２７】
上記のように耐熱性に優れるとともに熱伝導率の高い材質からなる冷却補助部材１３を使用することで、冷却補助部材１３に吸収された熱は強制冷却筒１１へと伝わり、さらに強制冷却筒１１内を循環する冷却流体を通じて外部へ排出される。そして、強制冷却筒１１と冷却補助部材１３を組み合わせて設けることにより、融液４から成長した直後の非常に高温の単結晶３が、まず冷却補助部材１３によってヒータ７等からの輻射熱が遮られて効果的に冷却され、さらに引き上げられることで強制冷却筒１１と相対し、少なくともメインチャンバ１の天井部まで強制冷却筒１１により冷却されるので、結晶の広範囲にわたって効率よく冷却される。そのため、結晶からの流出熱量を確実に除去し、冷却効果を最大限に発揮するので、結晶を非常に速い成長速度で引き上げることが可能となる。
【００２８】
以下、強制冷却筒１１における本発明の特徴に関して、以下に詳述する。
図２に強制冷却筒１１の構造の詳細を示しており、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図である。その構造上の特徴は、冷却流体Ｗを流通する際に、冷却流体Ｗを原料融液に近い強制冷却筒１１の下端部へ導き、その後、該強制冷却筒１１内に設けられた周方向流通矯正部３３により、筒周方向の流れを促しつつ筒下端部から上端に向けて冷却流体Ｗを流通させるようにした点にある。
【００２９】
本実施形態において強制冷却筒１１は、円筒状の内筒部材３１と、これと同心的に配置された円筒状の外筒部材３２との間に、環状の冷却流体流通隙間ＣＬが形成され、該媒体流通隙間ＣＬに連通する冷却流体入口３６及び冷却流体出口３０とを設けたウォータージャケット構造を有している。そして、周方向流通矯正部３３は、筒下端部から上端に向けての冷却流体Ｗの流通を許容しつつ、筒軸線と交差する周方向の仕切り面により冷却流体流通隙間ＣＬを仕切る仕切り壁（以下、仕切り壁３３と記載する）からなる。
【００３０】
ジャケット構造を有する上記強制冷却筒１１の仕切り壁３３は、図３に示すように、冷却流体流通隙間ＣＬをらせん状の流通経路３４に仕切る形態に設けられている。図１に示すように、強制冷却筒１１はメインチャンバ１の天井部に配置されており、より具体的には、引上チャンバ２とメインチャンバ１とにまたがる形態にて配置されている。そして、導入管１２による強制冷却筒１１への冷却流体の供給経路の接続位置は、導入管１２が融液４や引き上げられた単結晶３の輻射熱に直接さらされないよう強制冷却筒１１の上端部、本実施形態では、引上チャンバ２の下端部であって導入管１２が引上チャンバ２の外に配置されるように設定されている。
【００３１】
図４（ａ）に示すように、仕切り壁３３は、幅方向の片側の縁が内筒部材３１の外周面に対しフィレット状の溶接部Ｙにより結合・一体化されている。この溶接部Ｙは冷却流体流通隙間ＣＬ側に面していて、引き上げられた高温の単結晶３や、融液４（図１）と対向する面（以下、熱暴露面という）には露出していない。他方、これと反対の縁は、外筒部材３２の内周面と密着しているが、図４（ｂ）に示すように、仕切り壁３３を挟んで隣接する上下の流通経路３４間において、冷却流体Ｗの漏洩がそれほど大きくならないのであれば、外筒部材３２の内周面と仕切り壁３３との間に多少の隙間が開いていても差し支えない。
【００３２】
他方、図２（ａ）に示すように、冷却流体流通隙間ＣＬの底を塞ぐ環状の底面形成部材３１ｂも、内筒部材３１の下端面に対し、冷却流体流通隙間ＣＬに面するフィレット状の溶接部Ｙにより接合されている。すなわち、仕切り壁３３の溶接部も含め、強制冷却筒１１には、熱暴露面に溶接部が形成されていない構造が実現されている。
【００３３】
図２に示すように、導入管１２からの冷却流体は、例えば内筒部材３５内に形成された流下通路部３５内を流下した後、内筒部材３５の下端部に開口する冷却流体入口３６から媒体流通隙間ＣＬに流入するようになっている。そして、図５（ｂ）に示すように、仕切り壁３３によりらせん状に形成された流通経路３４内を周回しながら筒上部に向けて上昇し、外筒部材３２の上端部に形成された冷却流体出口３０から強制冷却筒１１の外に排出される。図５（ａ）は、強制冷却筒１１内に流入した冷却流体が流通経路３４内を移動する際の、筒軸線方向及び周方向位置の推移を示すものである。最初▲１▼において、周方向の一定位置にて流下通路部３５内を筒軸線Ｏ（図２参照）の方向に流下した後、一定勾配の仕切り壁３３に沿った周回を重ねる毎に筒軸線方向に連続的に上昇してゆく様子（図５▲２▼）を模式的に概念的に表している。なお、図２（ｂ）において、符号３０ｂは、冷却流体出口３０に向けて冷却流体Ｗをガイドするガイド仕切り壁である。
【００３４】
なお、仕切り壁３３の配設の便宜を図るために、図５（ｃ）のように構成することも可能である。すなわち、軸線方向位置がそれぞれ固定された複数枚のフィン状のセグメント４０を一定間隔で配設し、各セグメント４０を挟んで隣接する空間を、該セグメント４０の周方向の一部を切り欠く形で連通させ、さらに、隣り合うセグメント４０，４０同士を、上記切欠位置にて連結壁４１により順次接続する。これにより、セグメント４０と連結壁４１とにより形成された階段状の流通経路３４を形成することができる。図５▲２▼’に示すように、冷却流体Ｗは、周回を重ねる毎に筒軸線方向に段階的に上昇してゆくこととなる。なお、符号１３３は、冷却流体入口３６から流入する冷却流体Ｗの逆流を阻止する仕切り壁である。
【００３５】
上記のようなジャケット構造の強制冷却筒１１は、内筒部材３１の全面に冷却流体Ｗを接触させることができるため、冷却効率が高い。そして、本発明では、らせん状の仕切り壁３３により冷却流体流通隙間ＣＬにて仕切ることにより、冷却流体Ｗの短絡（ショートカット）を効果的に防止でき、ひいてはそのらせん形態の流通経路３４に沿う形で、強制冷却筒１１の周方向及び軸線方向の双方において冷却流体を均一に流通させることができる。その結果、冷却ムラの防止及び冷却効率の向上を図ることができる。
【００３６】
なお、図６（理解を容易にするために、流通経路３４は直線状に展開して描いている）に示すように、冷却流体出口３０から流出した冷却媒体Ｗは、戻り管路５１を経て流通経路３４に戻すことにより、循環流を形成することができる。この循環流は、循環経路上に配置された送液手段としてのポンプ５２により形成することができる。また、戻り管路５１上にて放熱手段をなすクーリングタワー６０により、昇温した冷却流体を冷却することができる。
【００３７】
次に、図２に戻り、強制冷却筒１１の内部を流通する冷却流体Ｗの温度を、該強制冷却筒１１の内部、具体的には冷却流体流通隙間ＣＬに設けた温度センサ５７により測定することができる。強制冷却筒１１に過昇温等を生じた場合、上記温度センサ５７によりこれをすぐに検出することができる。過昇温を生じやすいのは、融液４に面した強制冷却筒１１の下端部であるから、これに対応する冷却流体流通隙間ＣＬの下端位置に温度センサ５７を配置しておけば、過昇温を一層検出しやすくなる。ただし、図中に一点鎖線で示すように、冷却流体流通隙間ＣＬの軸線方向中間位置や上端部など、複数個の温度センサ５７を分散して配置しておき、各々温度検出を行なうようにすれば、より鋭敏な過昇温検出を行なうことができるほか、強制冷却筒１１内の温度分布も知ることができるので、冷却ムラ等の発生をモニタすることも可能となる。なお、温度センサとしては、熱電対の他、サーミスタなど公知のものを使用できる。
【００３８】
また、図６に示すように、温度センサ５７の温度検出信号をコンピュータ等で構成された制御部５０によりモニタし、予め定められた目標値から検出温度が外れた場合に、予め設けられた温度調整機構を制御部５０により自動制御して、温度センサ５７の検出温度が前記目標値に近づくように冷却流体の温度を調整することができる。この中でも特に有用な態様として、冷却流体の過昇温が検出された場合、これを適正温度域に低下させる制御形態を例示することができる。図６に示す実施形態では、温度センサ５７が過昇温を検出したとき、制御部５０は、強制冷却筒１１内を流れる冷却流体Ｗの流量を増大させて冷却を促進するように動作する。具体的には、冷却流体Ｗの循環主経路ＭＣから分岐する形でバイパス経路５３を設けておき、循環主経路ＭＣとバイパス経路５３との流量分配比率を、バルブ５４により調整するようにしている。なお、ここでは、循環主経路ＭＣとバイパス経路５３とのそれぞれにバルブ５４，５４を設け、それらバルブ５４，５４の開き量及び／又は開き時間の調整により、流量分配比率を調整するようにしているが、これに限られるものではない。
【００３９】
なお、冷却流体の温度は、流量調整以外にも、例えばヒータによる強制過熱により調整することも可能である．この場合、ヒータ加熱と流量調整とを組み合わせることももちろん可能である。例えば、より微妙で迅速な温度調整が必要な場合は、流量調整とは別に、又は流量調整に加え、ヒータ加熱を採用したほうが都合のよい場合がある。また、過昇温の場合には冷却流体の流量増加が有効であるが、逆に強制冷却筒の温度が下がりすぎた場合は、流量減少のみでは対応しきれない場合もある。
【００４０】
図７は、流通経路３４内にヒータ５６を設けた例であり、電源５５により該ヒータ５６を発熱させることができる。制御部５０は、温度センサ５７の温度検出値が目標温度に近づくように、電源５５のヒータ５６に対する通電出力を加減する。この実施形態では、バルブ５４の作動調整により流量調整も併用する形となっているが、これは省略してもよい。また、ヒータ５６は、流通経路３４の略全長にわたって配置されているが、流通経路３４の、冷却流体の加熱に適した一部区間にのみヒータ５６を設けてもよい。例えば、強制冷却筒１１の下端部付近の温度が問題になる場合は、温度センサ５７と同様、該部分に対応する区間にのみ（つまり、流通経路３４の入口３６に近い側の端部付近にのみ）、ヒータ５６を設けるようにしてもよい。
【００４１】
また、ヒータ５６による冷却流体Ｗの加熱は流通経路３４外にて行なうようにしてもよい。例えば図８は、流通経路３４の上流側に温度調整室３４ａを設け、該温度調整室３４ａ内にヒータ５６を配置して、その発熱により冷却流体Ｗの温度を予備調整してから流通経路３４内に導くようにしている。
【００４２】
さらに、冷却筒の温度分布にむらが生じた場合、これを解消するために局所的な温度調整をきめ細かく行ないたい場合もありうる。そこで、図９に示すように、流通経路３４に沿ってヒータ５６を分散配置し、各々独立に出力制御できるようにしておけば、このような対応も簡単に行なうことができる。この場合、流通経路３４に沿って温度センサ５７を分散配置しておき、温度検出値の目標値からのずれが大きくなった温度センサ５７の位置に応じて、予め定められた位置のヒータ５６の出力を選択的に調整するようにする。
【００４３】
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求項に記載された概念を逸脱しない範囲において、種々の改良あるいは変形を付加することができ、これらも当然、本発明の技術的範囲に属するものである。例えば、図１０（ａ）に示すように、ジャケット構造を採用せず、らせん状に巻きまわした金属製の冷却管１１３を、例えば内筒部材１１１ａの外周面に溶接固着した構造の強制冷却筒１１１を採用することも可能である。この場合、冷却管１１３に対し、冷却筒１１１の下端側の入り口部１１２から冷却流体を導入し、上端側の出口部１１４から排出させるようにする。
【００４４】
他方、ジャケット構造を採用する場合、流通経路３４は必ずしもらせん状を呈しているものに限定されない。図１０（ｂ）は、その一例を示すものであり、互いに分離した鍔状の仕切り壁１４３を、強制冷却筒１１の軸線方向に所定間隔で配置し、仕切り壁１４３に流通孔１４３ａ（あるいは、外筒部材３２と仕切り壁１４３の外縁との間に形成した狭い隙間であってもよい）を形成ようにしている。隣接する仕切り壁１４３，１４３間に環状の空間を形成することで周方向の流体流れが促進され、かつ軸線方向に仕切り壁１４３が断続的に配置しているので、ショートカット等も抑制される。
【００４５】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために行なった実験の結果について説明する。
単結晶の育成は、図１に示す装置を用いて行なった。具体的には、口径６０ｃｍの石英製ルツボにシリコン単結晶の原料である多結晶シリコンを１５０ｋｇ充填しヒータを加熱して融解した後に、一定径を有する結晶定径部の直径が２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。なお、図２に示すように、強制冷却筒１１の下端部に取り付けた温度センサ５７により、結晶引き上げ中における冷却水温度をモニタした。なお、温度センサの検出目標温度は３０℃とした。その結果を図１１に示す。すなわち、本発明の装置の採用により、単結晶育成中は温度バラツキが５℃以下と安定した状態で冷却水温度が推移し、略一定の冷却効果が得られていることがわかる。特に、単結晶定径部の育成中は温度変化が殆んど無く、安定した雰囲気で結晶成長が行われていることがわかる。
【００４６】
また、図１２は、軸線方向に適宜の間隔にて配置した温度センサにより測定した、定径部引き上げ時と略同一条件下での冷却筒の内面軸線方向（縦方向）の温度分布を示すものである。実線が本発明の装置を用いた場合であり、破線は、仕切り壁部を排除したジャケット構造の強制冷却筒を使用した比較例である。これによると、本発明の装置を用いた場合、比較例よりも軸線方向全域に渡って温度が低く、均一で良好な冷却効果が得られていることがわかる。また、軸線方向における温度勾配も、本発明の装置のほうが緩やかになっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る半導体単結晶製造装置の一例を示す断面模式図。
【図２】図１の装置における強制冷却筒の詳細構造の一例を示す縦断面図及び横断面図。
【図３】図２の強制冷却筒の内部構造を示す斜視図。
【図４】仕切り壁と内筒部材及び外筒部材との関係を、変形例とともに示す図。
【図５】図２の強制冷却筒及びその変形例の強制冷却筒の作用説明図。
【図６】強制冷却筒の温度調整を、冷却流体の流量調整により制御可能とした装置の一例を概念的に示す図。
【図７】強制冷却筒の温度調整を、ヒータ発熱量により制御可能とした装置の一例を概念的に示す図。
【図８】図７の装置における、ヒータの配置形態の変形例を示す図。
【図９】同じく別の変形例を示す図。
【図１０】強制冷却筒のいくつかの変形例を示す断面模式図。
【図１１】実施例にて行なった実験における、冷却流体の温度変化推移の測定結果を示すグラフ。
【図１２】実施例にて行なった実験における、強制冷却筒内面の縦方向温度分布の測定結果を、比較例と対比して示すグラフ。
【符号の説明】
３  半導体単結晶
４  原料融液
５，６  ルツボ
１１  強制冷却筒
２０  半導体単結晶製造装置
３０  冷却流体出口
３１  内筒部材
３２  外筒部材
３３  仕切り壁（周方向流通矯正部）
３６  冷却流体入口
Ｙ  溶接部
５７  温度センサ
【図１】
0003952356.tif 000002
【図２】
0003952356.tif 000003
【図３】
0003952356.tif 000004
【図４】
0003952356.tif 000005
【図５】
0003952356.tif 000006
【図６】
0003952356.tif 000007
【図７】
0003952356.tif 000008
【図８】
0003952356.tif 000009
【図９】
0003952356.tif 000010
【図１０】
0003952356.tif 000011
【図１１】
0003952356.tif 000012
【図１２】
0003952356.tif 000013