(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融シリコンから単結晶シリコンインゴットを成長させるインゴット成長装置において、
前記単結晶シリコンインゴット成長装置が、石英るつぼ、加熱装置、インゴット引き上げ装置、凝固界面における温度分布を一定に保つ熱シールド、及び冷却装置を含み、前記石英るつぼ、加熱装置、インゴット引き上げ装置、熱シールド、及び冷却装置が密閉された炉または結晶成長装置内に設置され、
前記単結晶シリコンインゴット成長装置は、前記シリコンインゴットから放射される輻射熱を吸収して成長中のインゴットを冷却させるためのインゴット冷却手段を更に備え、
前記インゴット冷却手段は、内部に循環冷却管を含み、前記冷却管の外面にコーティングされたインゴット輻射熱吸収層を含む単結晶シリコンインゴット成長装置であって、
前記冷却管はステンレス鋼からなり、前記輻射熱吸収層はシリカ１０〜１５重量％、黒鉛５〜１０重量％、ＩＰＡ７５〜８５重量％を攪拌混合して製造された輻射熱吸収用コーティング材を塗布・乾燥させた後、低温焼結して形成したことを特徴とする単結晶シリコンインゴット成長装置。
【請求項２】
輻射熱を吸収して結晶成長装置または結晶成長炉の外部へ熱伝達させるための輻射熱冷却装置において、
前記輻射熱冷却装置が、内部に循環冷却管と、前記冷却管の外面に形成された輻射熱吸収層とを含み、
前記輻射熱吸収層は、シリカ１０〜１５重量％、黒鉛５〜１０重量％、ＩＰＡ７５〜８５重量％を攪拌混合して製造された輻射熱吸収用コーティング材を塗布・乾燥させて形成したことを特徴とする輻射熱冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、輻射熱吸収用コーティング材及びその製造方法、該コーティング材を用いた輻射熱冷却装置、並びに単結晶シリコンインゴット成長装置に関し、特にインゴットから放射される輻射熱を外部へ効率よく放出させてインゴットの成長速度及びインゴットの冷却速度を高めてインゴットの生産性及び品質を向上させるためのものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体回路の集積度の増加傾向に対処するために、半導体回路の素材として使用するシリコンウェーハに対する品質要求が一層厳格になりつつある。
ＣＺ法（チョクラルスキ法）により単結晶シリコンインゴットを成長させるとき、結晶の冷却速度は成長欠陥の形成に極めて大きな影響を及ぼす。従って、半導体素子形成用基板として使用される単結晶シリコンインゴットを成長させる工程では、生産性向上及び欠陥の効果的抑制が最も重要な制御技術であると言える。
【０００３】
図１は、シリコンインゴット成長時に熱平衡状態にあるインゴット成長装置を示す概略図である。シリコン結晶成長時の熱平衡関係は大略下記の式のように表現することができる。
熱平衡：ＱＲ＝ＱＣ＝ＱＬ＋ＱＭ、ここで、ＱＲは単位時間当りの結晶表面から放射される熱量、ＱＣは単位時間当りの結晶内で伝導される熱量、ＱＬは単位時間当りの結晶化潜熱量、ＱＭは単位時間当りの溶融液から結晶へ伝達される熱量である。
【０００４】
そして、結晶成長速度Ｖは、Ｖ＝(ＫＳＧＳＡ−ＫＬＧＬＡ)／（ρＳＬＡ）＝（ＱＲ−ＫＬＧＬＡ）／（ρＳＬＡ）のように表現することができる。ここで、Ｖは結晶の引き上げ速度、ＫＳは結晶の熱伝導度、ＧＳは凝固界面近傍における結晶の温度勾配、ＫＬは溶融液の熱伝導度、ＧＬは凝固界面近傍における溶融液の温度勾配、ρは結晶の密度、ＳＬは（単位質量当りの）結晶化潜熱量である。
これにより、結晶成長速度Ｖは結晶内での温度勾配及び溶融液内での温度勾配に大いに依存することが分かる。
【０００５】
一般に、従来の技術では結晶成長近傍の高温領域において断熱保温を強化する技術により結晶内の温度勾配を向上させる方法を使用してきたが、かかる技術による結晶内の温度勾配上昇には技術的に限界がある。
通常、インゴット成長装置の輻射熱を吸収する領域である成長炉の内壁は、ステンレス鋼のような高反射率および低輻射率を有する金属性物質からなるため、インゴットから放射される輻射熱を効率よく吸収できず、再びインゴットへ反射してしまうためインゴットの冷却速度を増加させることが技術的に困難である。
【０００６】
成長炉内壁の輻射率を高めるために、輻射率の高い素材で内壁を形成すれば良いが、単結晶シリコンインゴットを生産する成長炉に適用でき、かつ、多くの制約を克服する好適な素材が未だに見つかっていない。また、成長炉外壁を輻射率の高い素材でコーティングする方法が考えられるが、室温から高温（１０００℃以内）領域まで及ぶ広い温度範囲内でコーティング面とコーティング材との間の熱伝達係数の差による熱衝撃の問題を解消すると同時に、ステンレス鋼に強く付着可能なコーティング材料もまだ発見されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、室温から高温領域（１０００℃以内）まで及ぶ広い温度範囲でステンレス鋼に強く付着し、かつ、高い輻射率を有するコーティング材を提供することである。
本発明のコーティング材は、シリカマトリックスおよび高い輻射熱吸収率を有する黒鉛を含み、経済的に大量生産可能である。
本発明の他の目的は、室温から高温領域（１０００℃以内）まで及ぶ広い温度範囲でステンレス鋼に強く付着し、かつ、高い輻射率を有するコーティング材を製造する方法を提供することである。
【０００８】
また、本発明の別の目的は、インゴットから放射される輻射熱を効果的に吸収してインゴットが冷却されやすくしてインゴットの生産性を高めることができる単結晶シリコンインゴット成長装置を提供することである。
本発明のまた別の目的は、高温領域の断熱強化技術を使用せずに、インゴットから放射される輻射熱を効果的に吸収して成長結晶上部からの放熱効果を極大化することで、結晶冷却速度を改善することができる輻射熱冷却装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するための本発明による輻射熱吸収用コーティング材は、シリカ１０〜１５重量％、黒鉛５〜１０重量％、ＩＰＡ（イソプロピル・アルコール）７５〜８５重量％を含む。
ＩＰＡは乾燥によって揮発し、黒鉛の粒子はシリカ・ゲルによってステンレス鋼材に付着することが好ましい。
本発明の別の態様においては、輻射熱吸収用コーティング材の製造方法は、シリカ１０〜１５重量％、黒鉛５〜１０重量％、ＩＰＡ７５〜８５重量％を攪拌混合するステップを含む。
【００１０】
本発明のさらに別の態様、すなわち、溶融シリコンから単結晶シリコンインゴットを成長させるインゴット成長装置において、この単結晶シリコンインゴット成長装置は、石英るつぼ、加熱装置、インゴット引き上げ装置、凝固界面において一定の温度分布を維持する熱シールド、および冷却装置を含み、前記石英るつぼ、加熱装置、インゴット引き上げ装置、熱シールド、及び冷却装置は、密閉された炉または結晶成長装置内に設置され、前記単結晶シリコンインゴット成長装置は、さらに、シリコンインゴットから放射される輻射熱を吸収して成長中のインゴットを冷却するためのインゴット冷却手段を更に備え、前記インゴット冷却手段は内部に循環冷却管を有し、前記冷却管の外面にコーティングされたインゴット輻射熱吸収層を含む。
【００１１】
冷却管はステンレス鋼製で、輻射熱吸収層は、シリカ１０〜１５重量％、黒鉛５〜１０重量％、ＩＰＡ７５〜８５重量％を攪拌混合して製造された輻射熱吸収用コーティング材を塗布・乾燥させた後、低温焼結して形成されることが好ましい。
本発明のさらに別の態様、すなわち、輻射熱を吸収して結晶成長装置または結晶成長炉外へ熱伝達させるための冷却装置において、この輻射熱冷却装置は内部に循環冷却管と、冷却管の外面に形成された輻射熱吸収層を含み、輻射熱吸収層はシリカ１０〜１５重量％、黒鉛５〜１０重量％、ＩＰＡ７５〜８５重量％を攪拌混合して製造された輻射熱吸収用コーティング材を塗布・乾燥させて形成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明による輻射熱吸収用コーティング材は、シリカ１０〜１５重量％、黒鉛５〜１０重量％、ＩＰＡ(イソプロピル・アルコール)７５〜８５重量％を含んでなる。
まず、本発明で用いられる物質はシリカ(ＳｉＯ２)、黒鉛、ＩＰＡである。
【００１３】
シリカはゲル状で、５〜３０ｎｍの粒度分布を有し、耐熱性及び吸着性が極めて強い特性をもつ材料であり、室温から高温（１０００℃以下）領域までの広い温度範囲でステンレス鋼に強く付着可能で、内部に黒鉛粒子が均一に含まれるシリカマトリックスを含むため、吸収率が高い黒鉛がコーティング面にうまく付着する。
黒鉛は、９９．９９％以上の純度及び１０μｍ以下の粒度分布を有するものを用いて、シリカマトリックスに均一に分布させることにより、吸収率が高い黒色のコーティング膜を形成することができる。
【００１４】
これは、一般に、インゴット成長装置の輻射熱を吸収する部分は、ステンレス鋼のような高反射率の金属性素材で形成されているため、輻射熱を反射させないように吸収率が高いコーティング膜が形成される。インゴットから放射される輻射熱が輻射熱吸収部に反射しないようにするために、黒色の物質をコーティングして輻射熱の吸収を最大にする。本発明では黒色の黒鉛を用いる。
【００１５】
シリカゲルと黒鉛とをよく混ぜ合わせるための溶媒としてＩＰＡを使用する。IＰＡはシリカと黒鉛とをよく混ぜ合わせ、コーティング面に本発明のコーティング材を容易にコーティングできるようにする。また、ＩＰＡは揮発性が非常に強い物質であるため、コーティング後揮発しコーティング層上に残らない。
ＩＰＡを使用するコーティングプロセスを実行する方法はたくさんあり、例えば、ブラシを用いたコーティング、スプレーを用いたコーティング、容器を用いた浸し塗りなどによってコーティングプロセスを実行できる。各方法はコーティングしようとする部位又は部品のサイズに応じて効果的に適用できる。
最後に、コーティング膜を形成するシリカおよび黒鉛は、ＣＺ法によるシリコン結晶成長に使用される断熱材や原料などの構成成分と同じなので、新しい汚染に対する恐れを排除できるばかりでなく、高温でも使用可能な耐熱性を十分に備えているため、現在の量産工程でも直ちに使用することができる。
【００１６】
次に、本発明による輻射熱吸収用コーティング材の製造方法を詳しく説明する。
まず、シリカ１０〜１５重量％、黒鉛５〜１０重量％、ＩＰＡ７５〜８５重量％をそれぞれ準備する。
準備された各材料を容器に入れて混合して混合液を作る。混合は、攪拌器に入れて機械で一定時間攪拌混合しても良く、少ない量を製造する場合は、密閉容器に収めて、準備された材料がよく混ざり合うように揺すってもよい。
【００１７】
本発明によるコーティング材の塗布は次のように実施する。
まず、本発明によるコーティング材を、コーティングされる面にコーティングした後、自然乾燥及び加熱乾燥して輻射熱吸収層を形成する。自然乾燥後、約３００℃の温度で加熱乾燥することにより、自然乾燥後輻射熱吸収層に存在する構造水を取り除き、シリカゲルを低温焼結してアモルファスシリカ状態でコーティング面に堅固にコーティングされる。
輻射熱吸収層の厚さはコーティングする回数によって可変的であり、１０〜１０００μｍが望ましい。
【００１８】
結晶成長装置内の高温断熱領域より上部の内壁または結晶冷却装置の内壁の一部または全部に、本発明による混合コーティング材を塗布・乾燥させた後、低温焼結すれば、黒色の輻射熱吸収層が形成される。
コーティング後、コーティング材に含まれたＩＰＡは完全に揮発して輻射熱吸収層には残らない。
本発明による輻射熱吸収層は、熱吸収率が高い黒色で形成され、結晶成長時に結晶から放射される熱を速やかに吸収するのに役立ち、結晶の冷却速度向上に大きく寄与する。
【００１９】
次に、図２を参照して、本発明によるコーティング材を用いた実施の形態を説明する。
図２は本発明によるコーティング材が適用されたインゴット成長装置の中間部の断面図であり、インゴット引き上げ装置を備える上方部、石英るつぼを回転させる駆動部、制御部、パワー部、底部を有する脚部などは省略されている。
【００２０】
次に、本発明による単結晶シリコンインゴット成長装置について説明する。
単結晶シリコンインゴット成長装置は溶融シリコンから単結晶シリコンインゴットを成長させるものであり、内部が真空状態の炉１０または結晶成長装置内に、石英るつぼ１２、加熱装置１４、インゴット引き上げ装置１６、凝固界面における温度分布を一定にする熱シールド１８、及び炉１０または結晶成長装置の一部としてインゴットを冷却する役割も果たす冷却装置１９を含み、シリコンインゴットから放出される輻射熱を吸収して成長中のインゴット２２を冷却するインゴット冷却手段を更に含む。
【００２１】
この場合、インゴット冷却手段はその内部に循環冷却管２０を有し、冷却管２０の外面にコーティングされたインゴット輻射熱吸収層２４を含む。
また、冷却管２０はステンレス鋼のような金属で形成され、冷却管の外面にコーティングされたインゴット輻射熱吸収層２４は、シリカ１０〜１５重量％、黒鉛５〜１０重量％、ＩＰＡ７５〜８５重量％を攪拌混合して製造された輻射熱吸収用コーティング材を塗布・乾燥させた後、低温焼結して形成される。
乾燥プロセスにおいて、輻射熱吸収用コーティング材内のＩＰＡは揮発して輻射熱吸収層２４には残らない。黒鉛粒子がシリカにより取り囲まれ、シリカはステンレス鋼に堅固に付着する。これにより、輻射熱吸収層は冷却管表面に強く付着する。
【００２２】
また、本発明によるコーティング材がコーティングされた輻射熱吸収装置は、輻射熱を吸収する輻射熱吸収層２４と、吸収された輻射熱を外部へ放出するために設けられた冷却管２０とを含む。輻射熱吸収層２４は、シリカ１０〜１５重量％、黒鉛５〜１０重量％、ＩＰＡ７５〜８５重量％を攪拌混合して製造された輻射熱吸収用コーティング材を塗布・乾燥させて形成する。乾燥プロセスにおいて、輻射熱吸収用コーティング材内のＩＰＡは揮発して輻射熱吸収層２４には残らない。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の方法によって製造された黒色のコーティング材は、結晶成長時にインゴットから放出される輻射熱の吸収に役立ち、結晶の冷却速度を速めることができる。
また、コーティング材として用いられる材料は、断熱材や原料と同一なので、追加的な汚染を発生させることがない。また、室温から１０００℃までの広い範囲の温度でも耐えられ、したがって高温でのシリコン成長装置などの使用に適している。
なお、本発明によるコーティング材は経済的で、量産適用が容易であり、現在の量産工程にも直ちに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シリコンインゴット成長時インゴット成長装置内の熱平衡状態を示す概略図である。
【図２】本発明によるコーティング材が適用されたインゴット成長装置の中間部の断面を示す概略図である。
【符号の説明】
１０：炉
１２：石英るつぼ
１４：加熱装置
１６：インゴット引き上げ装置
１８：熱シールド
１９：冷却装置
２０：冷却管
２２：インゴット
２４：インゴット輻射熱吸収層
【図１】
0004162950.tif 000002
【図２】
0004162950.tif 000003