(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョコラルスキー式の単結晶引上げ装置において、坩堝と加熱源から構成される熱構成部を外界から保護遮蔽する水冷式のチャンバーを、垂直方向に分割可能な構成にするとともに、分割したチャンバーを熱構成部の上部及び前面が露出するように、水平方向に、移動または開閉できるようにしたことを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項２】
水冷式のチャンバーの内部表面を、高導電性の金属で被覆した請求項１に記載の単結晶引上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大気中または不活性ガス雰囲気中で育成される、ＬＮ，ＬＴ，ＹＡＧなどの酸化物半導体単結晶の製造に用いる単結晶引上げ装置に関し、特に単結晶を育成する坩堝や加熱装置などからなる熱構成部を、外界から保護遮蔽するための水冷式のチャンバーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にチョコラルスキー式の単結晶引上げ装置は特許文献１に示すように、ある結晶方位に従って切出された種と呼ばれる、通常は断面の一辺が数ｍｍ程度の直方体単結晶の先端を、同一組成の融液に浸潤し、回転しながら徐々に引上げることによって、種結晶の性質を伝播しながら大口径化して単結晶を製造するようにしている。
【０００３】
チョコラルスキー式の単結晶引き上げ装置のチャンバーと熱構成部の一例を図１に示す。図示したように、熱構成部を構成する白金やイリジューム製の坩堝２と加熱源となるワークコイル３はチャンバー４により遮蔽されている。そして、通常は酸化物半導体単結晶は高温で育成されるので、ワークコイル３を発振機に接続して坩堝２に誘導電流を流し、そのジュール熱で坩堝２を加熱して、坩堝２の熱で種結晶と同一組成の溶融原料１を溶解するようにした間接加熱法が採用されている。また、チャンバー４は冷却水供給管５より供給し冷却水排水部管から排水される冷却水により冷却されている。
【０００４】
このとき、融液内部に誘導電流が流れると、その誘導電流と空間磁界との間に発生する電磁力によって融液が撹拌され、単結晶育成に悪影響を与えるので、電流浸透深さを浅くして坩堝２のみに電流が流れるようにするため、通常、高周波発振機が採用される。
【０００５】
一方、チャンバー４は熱構成部を構成する坩堝２からの輻射熱や雰囲気ガスの対流によって加熱されるとともに、高周波発振機に接続されるワークコイル３からの誘導電流によるジュール熱によっても加熱されるため、チャンバー４は冷却水を循環させて冷却する水冷式にしてある。
【０００６】
また、育成された単結晶を回収し、次の新たな単結晶の育成のための熱構成を再構築する作業のために、１サイクル操業終了毎にチャンバー４を装置上部に移動し、熱構成部付近の作業空間を確保する必要がある。
【０００７】
図７は従来の引き上げ装置の一例を示したものであり、結晶の育成が終了し、徐冷が終わって水冷式のチャンバーを上部に移動した状態を示している。図において、２は原料を溶解する坩堝、３はワークコイル、４は水冷式のチャンバー、７は保温材、８はチャンバー昇降機構、９は結晶１２を吊っているフォースバー１０とフォースバー１０を回転するモーター１１を昇降する結晶引上げ機構である。
【０００８】
この水冷式のチャンバー４は大型で重量物であるため、チャンバー昇降機構９は高強度に構成する必要があり、且つ結晶の回収や熱構成再構築の作業性を良くするためには、作業の支障とならないような高い位置まで移動させなければならない。
【０００９】
さらに、結晶の回収や熱構成再構築の作業は、重量物であるチャンバー４の下で行わなければならず、非常に不安全な作業となるため、チャンバー４を上部に移動後は落下防止に万全を期する機構が必要であり、装置が大型高価となる。
【特許文献１】特開平９−１８３６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、図７に示したように作業は水冷式のチャンバー４の下部で行うことになるので、前述のように作業性をよくするためにはチャンバー４を十分上方に移動する必要があり、またこの状態を確実に保持するためには堅牢なストッパーも必要となる。しかし、重量物であるチャンバー４を上方に移動しなければならないという構造自体は、本質的には安全構造とはいえない。
【００１１】
また、この構造は装置を据え付ける部屋の天井を高くする必要があり、建造物が高価になるとともに、内容積が大きくなった建物は空調設備が大型となる欠点がある。
【００１２】
一方、図８に示したようにチャンバーを上方へ移動させる構造にせず、チャンバー４の一部に開閉可能な扉Ｄを設けた扉型チャンバーとしたものもある。このように周囲を囲う構造の場合は、加熱によってチャンバーが変形するおそれは少ない。しかしながら、部分的に開放するだけでは結晶の回収や熱構成構築の際の作業性が悪く、量産用としては適さないので、通常は図７に示すような円筒型の水冷式のチャンバーを上下方向に移動させる方法が採用されている。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、水冷式のチャンバーの形状を改良し、結晶の回収や熱構成構築作業の安全性と良好な作業性を確保し、且つ装置を小型安価にして、ひいては据え付ける建造物の高さを低くし、付帯機器も小型化できるような単結晶引上げ装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明の単結晶引上げ装置はチョコラルスキー式の単結晶引上げ装置において、坩堝と加熱源から構成される熱構成部を外界から保護遮蔽する水冷式のチャンバーを、垂直方向に分割可能な構成にするとともに、分割したチャンバーを熱構成部の上部及び前面が露出するように、水平方向に、移動または開閉できるようにしたものである。
【００１５】
また、本発明の単結晶引上げ装置は前記に加え、水冷式のチャンバーの内部表面を、高導電性の金属で被覆したものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る単結晶引上げ装置は、水冷式のチャンバーを垂直方向に分割して水平方向に移動可能としたので、結晶の回収や熱構成構築作業での安全性と良好な作業性を確保できる。さらに、且つ装置を小型安価にして、ひいては据え付ける建造物の高さを低くし、付帯機器も小型化できるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
水冷式のチャンバーを垂直方向に分割可能とし、分割したチャンバーを水平方向に移動または開閉可能な構造にする。なお、分割方法としては図５に示すように左右対称に２分割してもよいし、あるいはそれ以上に分割数を増やしてもよい。また、垂直方向に１か所は分離して分割可能とし、もう１か所は分離せずに左右方向に開閉可能に連結し、連結部において回動可能としてもよい。
【００１８】
このようにすると、結晶の回収、熱構成の構築の作業時にはチャンバーが左右に開くので、熱構成部の上部及び前面に構造物がなく、本質的に安全な作業環境と良好な作業性が得られる。さらに、重量物のチャンバーを上部に移動する機構が不要となる。
【００１９】
また、好ましくは、チャンバーの被加熱体面となるチャンバー内部表面に高導電性の金属を被覆する。従来のように水冷式のチャンバーの形状を円筒一体型にして熱構成部に対して同心円状に配置しておくと、熱的にも電気的にも軸対称になって、誘導電流もチャンバー表面に均等に流れる。しかし、本発明のようにチャンバーを垂直方向に分割した場合は、曲率の小さな分割角部は、エッジ効果によって誘導電流が集中して局部的に加熱されるとともに、分割した垂直部分は冷却水が閉鎖され、特に角部は冷却水が行き渡り難くなる。
【００２０】
このため、左右のチャンバーの突き合わせ部分は局部過熱と冷却不足によって変形し、チャンバーの上下部分に隙間が発生して外界とチャンバー内部の遮蔽を困難にするおそれがある。そこで、被加熱体面となるチャンバー内部表面に高導電性の金属を被覆することによって、前記の現象を防ぐことができるので、水冷式のチャンバーを垂直方向に分割することにより生じるおそれがある問題の解決が可能となる。
【００２１】
誘導電流が表皮効果によって表面から３６．７％に減衰する浸透深さをＰ（ｃｍ）とすると、チャンバーの抵抗率ρ（μΩ・ｃｍ）、チャンバーの比透磁率μ、周波数ｆ（Ｈｚ）との間には次の関係がある。
Ｐ＝５．０３・［ρ／( μ・ｆ）］1/2  （ｃｍ）
この式に仮に８００℃の銅、周波数２００ＫＨｚの例を当てはめてみるとＰは約０．２５ｍｍとなる。
【００２２】
この現象を利用して水冷式のチャンバーの被加熱体面に適当な厚さの高導電性の金属を密着被覆しておくと、誘導電流は低抵抗の被覆金属にだけ流れて発熱量を抑えることができて、同時に高導電性の金属体は高熱伝導性でもあるため、発生した熱は高温部から低温部に速やかに移動して局部過熱を防ぎ変形を防ぐことができる。
【実施例】
【００２３】
次に本発明の実施例を、図１〜図６に基づいて説明する。
図１に示した熱構成部とチャンバーの構成については前記した通りである。結晶の引き上げ中は図２に示す状態でありチャンバー４は閉じている。図３はチャンバー４を開いた状態を示したものである。
【００２４】
単結晶引上げ装置設置台座Ｂのほぼ中央部に、坩堝２やワークコイル３などから構成される熱構成部が取り付けてある熱構成部取付水冷台座３４が配設してある。また、単結晶引上げ装置設置台座Ｂには、熱構成部取付水冷台座３４を挟んでその前後に平行にレールＲが配設してある。レールＲの上には、熱構成部取付水冷台座３４を挟んでその左右にチャンバー４が配設してあり、チャンバー４はその下部に取り付けたローラーＷによりレールＲ上を移動可能となっている。そして、チャンバー４は閉じた時には図２に示す状態となり、開いた時には図３に示す状態となる。
【００２５】
イリジューム製の坩堝２はワークコイル３からの高周波誘導電流で加熱されるようになっており、保温材７で保温されている。フォースバー１０の先端の結晶１２は、結晶回転モーター１１により回転し、結晶引上げ機構９によって、結晶１２の成長速度に合わせて上部に移動し、その間に結晶１２が育成される。
【００２６】
また、チャンバー４内の雰囲気を外界から遮蔽するために、結晶引上げ機構９側にフォースバー１０を中心に通すように取り付けたシール用蛇腹１３とその下端に蛇腹側フランジ１４が取り付けられている。そして、水冷式のチャンバー４が閉じているときは、チャンバー側フランジ１５と蛇腹側フランジ１４がボルトで結合されている。
【００２７】
図４は図２に使用されている水冷式のチャンバーの詳細を示す一例で、左右のチャンバーが閉じた状態を示したものである。
左右のチャンバーは基本的には対称に製作されており、それぞれ半円筒状と半円状の部材を組み合わせてあり、図において、左側のチャンバーは左半筒水冷式チャンバー１９と左上蓋水冷式チャンバー１６により、右側のチャンバーは右半筒水冷式チャンバー２７と右上蓋水冷式チャンバー２３により構成されている。また、図示した例では右上蓋水冷式チャンバー２３に不活性ガス給気口２６が設けてあり、閉じられたチャンバー内に窒素、アルゴン等のガスを供給してチャンバー内の雰囲気を保つように構成されている。
【００２８】
次に、チャンバー内の外界からの遮蔽方法を図５に基づいて説明する。
左右のチャンバーは、ボルトやクランプなどにより結合されているとともに、左上蓋水冷式チャンバー１６に埋め込まれた上蓋シールＯリング２２と、分割突き当て面の垂直方向に取り付けたパッキン３０と、坩堝２及びワークコイル３を含む熱構成部を取り付ける熱構成部取付水冷台座３４の円周に埋め込まれた台座シールＯリング３３でシールされている。また、フォースバー１０が貫通する上部のチャンバー側フランジ１５は図２に示すように、蛇腹側フランジ１４とボルトにより結合されシール用蛇腹１３によってシールされている。
【００２９】
次にチャンバーの冷却方法を図４に基づいて説明する。
左上蓋水冷式チャンバー１６は左上蓋給水口１７から冷却水が供給され、左上蓋排水口１８から排出されて冷却される。
また、左半筒水冷式チャンバー１９は下部に設けた左半筒給水口２１から冷却水が供給され、上部に設けた左半筒排水口２０から排出されて冷却される、
【００３０】
右上蓋水冷式チャンバー２３は右上蓋給水口２４から冷却水が供給され、右上蓋排水口２５から排出されて冷却される。
また、右半筒水冷式チャンバー２７は下部に設けた右半筒給水口２９から冷却水が供給され、上部に設けた右半筒排水口２８から排出されて冷却される、
【００３１】
熱構成部取付水冷台座３４は台座給水口３１から冷却水が供給され、台座排水口３２から排水されて冷却される。
【００３２】
そして、それぞれの水冷式のチャンバー内は図示しない水路が形成され、冷却効果が偏らないように構成されている。
【００３３】
また、水冷式の左右のチャンバーの被加熱体面となるチャンバー内部表面は高い導電性の銅を１ｍｍ厚さ溶射処理した銅溶射面３５で覆われている。なお、高導電性の金属体は銅に限るものではなく、高い導電性の金属であればその他のものでもよい。また、被覆する厚さは前記した計算式により必要となる厚さを計算し、それに基づき適切な厚さを決定すればよく、被覆方法も溶射処理に限定されるものではない。
【００３４】
次に、本発明の単結晶引上げ装置により単結晶を育成した結果について述べる。
直径６５０ｍｍ、高さ１０００ｍｍの分割水冷式のチャンバーで構成した引上げ装置を製作し、ＹＡＧ結晶をＮ２ガスを供給しながら不活性雰囲気で育成して引上げたところ、分割チャンバーは局部過熱で変形することなくＮ２ガス雰囲気を保って、直径５０Φ、長さ２００ｍｍの単結晶を育成することができた。
【００３５】
引上げを終了し徐冷後、チャンバーをレールに沿って左右に移動して作業空間を確保し、結晶を回収した後、熱構成の再構築作業を行ったが、従来のように上方に邪魔物がなくその作業性は極めて良好であった。
【００３６】
なお、図８に示すように本装置を従来の分割していない同じ大きさの円筒型水冷式のチャンバーで構成した引上げ装置と比較し、その高さの差Ｈを計測したところ、本装置はチャンバーの高さ相当分の約１ｍ低く製作することができた。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】単結晶引き上げ装置の水冷式のチャンバーの熱構成部を示す説明図である。
【図２】本発明の単結晶引き上げ装置の分割型チャンバーの閉じた状態を示す正面図である。
【図３】図２の分割型チャンバーの開いた状態を示す正面図である。
【図４】本発明で用いる分割型チャンバーの拡大正面図である。
【図５】図４の分割型チャンバーの開いた状態を示す斜視図である。
【図６】本発明の単結晶引き上げ装置と従来の単結晶引上げ装置の比較図である。
【図７】従来の単結晶引上げ装置の説明図である。
【図８】扉型チャンバーの正面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１        溶融原料
２        坩堝
３        ワークコイル
４        チャンバー
５        冷却水供給管
６        冷却水排水管
７        保温材
８        チャンバー昇降機構
９        結晶引上げ機構
１０        フォースバー
１１        結晶回転モーター
１２        結晶
１３        シール用蛇腹
１４        蛇腹側フランジ
１５        チャンバー側フランジ
１６        左上蓋水冷式チャンバー
１７        左上蓋給水口
１８        左上蓋排水口
１９        左半筒水冷式チャンバー
２０        左半筒排水口
２１        左半筒給水口
２２        上蓋シールＯリング
２３        右上蓋水冷式チャンバー
２４        右上蓋給水口
２５        右上蓋排水口
２６        不活性ガス給気口
２７        右半筒水冷式チャンバー
２８        右半筒排水口
２９        右半筒給水口
３０        パッキン
３１        台座給水口
３２        台座排水口
３３        台座シールＯリング
３４        熱構成部取付水冷台座
３５        銅溶射面
Ｄ        扉
Ｂ        単結晶引上げ装置設置台座
Ｒ        レール
Ｗ        ローラー
【図１】
0004858412.tif 000002
【図２】
0004858412.tif 000003
【図３】
0004858412.tif 000004
【図４】
0004858412.tif 000005
【図５】
0004858412.tif 000006
【図６】
0004858412.tif 000007
【図７】
0004858412.tif 000008
【図８】
0004858412.tif 000009