単結晶シリコン製造装置
【課題】発熱体からの汚染を防止し、さらに支持シャフトの温度上昇を抑制することで、支持シャフト材及び支持シャフトとハウジングとの間にあるシール材からの汚染を防止し、かつシール材の劣化を防ぎ、もって高品質な単結晶シリコンを製造する。
【解決手段】ハウジングの壁を貫通する回転可能な支持シャフト１１の先端に、誘導加熱コイルによって誘導加熱可能な導電材を有する発熱リングが設けられるとともに、支持シャフト１１に、これを回転させることにより、発熱リングを種結晶ホルダーと多結晶ホルダーとの間で誘導加熱コイルに接近させた加熱位置と、この加熱位置から離間した待機位置との間で往復移動させる操作手段が設けられ、ハウジングの壁と支持シャフト１１との貫通部に、これらの気密を保持するシール材２１Ａが設けられ、支持シャフト１１の内部には、冷却媒体を流通させる冷却流路１４が形成されている。
【解決手段】ハウジングの壁を貫通する回転可能な支持シャフト１１の先端に、誘導加熱コイルによって誘導加熱可能な導電材を有する発熱リングが設けられるとともに、支持シャフト１１に、これを回転させることにより、発熱リングを種結晶ホルダーと多結晶ホルダーとの間で誘導加熱コイルに接近させた加熱位置と、この加熱位置から離間した待機位置との間で往復移動させる操作手段が設けられ、ハウジングの壁と支持シャフト１１との貫通部に、これらの気密を保持するシール材２１Ａが設けられ、支持シャフト１１の内部には、冷却媒体を流通させる冷却流路１４が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は単結晶シリコン製造装置に係り、特にＦＺ法により単結晶に成長させる単結晶シリコン製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のＦＺ（フロートゾーン）法を利用した単結晶シリコン製造装置として、特許文献１に示されるものが知られている。この単結晶シリコン製造装置は、内部が不活性ガス雰囲気とされるハウジングと、ハウジング内の上部駆動軸（位置決めロッド）に設置されてその下端部に試料となる多結晶シリコン棒が保持される多結晶ホルダーと、下部駆動軸（位置決めロッド）に設置されてその上端部にシリコン単結晶の種結晶が保持される種結晶ホルダーと、ハウジング内の中間部分に設けられた高周波誘導加熱コイルとを有するものであって、上側の多結晶ホルダーに原料となる多結晶シリコン棒を保持し、かつ種結晶ホルダーにシリコン単結晶の種結晶を保持した状態で、高周波誘導加熱コイルにより多結晶シリコンの一端を溶融して種結晶に融着した後、多結晶シリコン棒を高周波誘導加熱コイルに対して相対回転させながら軸線方向に相対移動させ、多結晶シリコン棒を軸方向に順次帯域溶融しながら、単結晶シリコンの棒を製造するものである。
【０００３】
また、この単結晶シリコン製造装置では、多結晶シリコン棒を加熱するための加熱手段として高周波誘導加熱コイルが設けられている。多結晶シリコン棒は冷えているときは比抵抗が大きいため、初期段階で多結晶シリコンを輻射熱によって予熱するためのカーボン等からなる発熱リング（サセプタ）が設けられている。まず、この発熱リングを誘導加熱して高温状態とし、その輻射熱により多結晶シリコン棒を加熱する。そして、多結晶シリコン棒の温度が上昇して通電可能な状態になった後は、その誘導加熱により多結晶シリコンが自己発熱する。このような状態となった場合には、発熱リングが多結晶シリコン棒の周りから離間し、その後は、多結晶シリコン棒が直接誘導加熱され、下端部が溶融する。その溶融した下端部が種結晶に融着し、単結晶が成長する。
【特許文献１】特開平７−１０６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した発熱リングは、多結晶シリコン棒に接近させたり、離間させたりするために、これを支持する支持シャフトがハウジングの壁に回転自在に支持されている。一方、ＦＺ法による単結晶製造プロセスにおいては、装置を構成する部材からの汚染を抑えることが必要不可欠であり、上記発明に記載された金属材料もしくは焼結材料からなるサセプタ材質（ＳｉＣコートカーボン・タンタル・モリブデン等）はサセプタ材そのものが汚染源となる。またサセプタが発熱した際に、サセプタを支持している支持シャフトも高温に加熱されるため、支持体部材からの汚染が生じる。さらに支持シャフトとハウジングの間のシール材にも熱が伝わり、シール性が低下するとともに、シール材からの汚染が発生する。シール性低下に起因した外部ガスの混入による雰囲気品質の低下などにより単結晶シリコンの品質が低下するという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、発熱体からの汚染を防止し、さらに支持シャフトの温度上昇を抑制することで、支持シャフト材及び支持シャフトとハウジングとの間にあるシール材及び外部雰囲気からの汚染を防止し、もって高品質な単結晶シリコンを製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の単結晶シリコン製造装置は、 ハウジング内に、種結晶ホルダーに保持した種結晶が、多結晶ホルダーに保持した多結晶シリコン棒と対向して配置され、その多結晶シリコン棒の周囲に配置される誘導加熱コイルによって多結晶シリコン棒が溶融した後種結晶に融着して単結晶に成長させる単結晶シリコン製造装置であって、前記ハウジングの壁を貫通する回転可能な支持シャフトの先端に、前記誘導加熱コイルによって誘導加熱可能な導電材と、該導電材を被覆する石英被覆体とを有する発熱リングが設けられるとともに、前記支持シャフトに、これを回転させることにより、前記発熱リングを前記種結晶ホルダーと多結晶ホルダーとの間で前記誘導加熱コイルに接近させた加熱位置と、この加熱位置から離間した待機位置との間で往復移動させる操作手段が設けられ、前記ハウジングの壁と前記支持シャフトとの貫通部に、これらの気密を保持するシール材が設けられ、前記支持シャフトの内部には、冷却媒体を流通させる冷却流路が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
すなわち、発熱リングの導電材が石英被覆体で被覆され、該リングを保持する支持シャフト内に冷却媒体が流通するようにしたので、誘導加熱コイルによって発熱リングを誘導加熱した際、その熱が支持シャフト内の冷却媒体で冷却されることにより、汚染の極めて少ない高品質な単結晶シリコンを製造することが可能になる。
【０００８】
本発明の単結晶シリコン製造装置において、前記支持シャフトは外管と内管とからなる二重管により形成され、前記冷却流路は、外管と内管のいずれか一方側に冷却媒体が供給され、その他方側から排出する構成とされていることを特徴とする。この二重管構造としたことにより、支持シャフト内部に連続的に冷却媒体を供給でき、支持シャフト及びシール材の効果的な冷却が可能となる。この場合、発熱リングに近い支持シャフトの先端部を有効に冷却するために、外管と内管との間から冷却媒体を供給し、支持シャフトの先端部で折り返すようにして内管内に流通させる構成とするとよい。
【０００９】
また、本発明の単結晶シリコン製造装置において、前記発熱リングは、前記導電材がカーボンによって構成されていることが好ましい。
また、本発明の単結晶シリコン製造装置において、前記発熱リングは、その周方向の一部に、前記多結晶シリコン棒を通過可能な切欠き部が形成され、前記操作手段によって前記切欠き部が前記加熱位置の中心を通るように往復移動する構成とするとよい。発熱リングを加熱位置と待機位置との間で往復移動する際に、切欠き部が多結晶シリコン棒を通過するようにして発熱リングを移動することができ、多結晶シリコン棒と種結晶との相対位置関係を変えることなく、発熱リングのみ移動が可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の単結晶シリコン製造装置によれば、発熱リングの導電材が石英被覆体で被覆され、発熱リングを保持する支持シャフト内に冷却媒体が流通するので、発熱リングの熱が支持シャフト内の冷却媒体で冷却されることにより、発熱リング、支持シャフト及び該支持シャフトとハウジングとの間にあるシール材からの汚染が抑制される。その結果、高品質な単結晶シリコンを製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る単結晶シリコン製造装置の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は一実施形態の単結晶製造装置１００の概略構成図であって、この図において符号１は、不活性ガス（アルゴンガス）が充填されるハウジングである。このハウジング１の上壁１Ａの中心部には回転駆動かつ上下方向に昇降駆動される上部駆動軸２が設けられ、また、ハウジング１の底部１Ｂには、上部駆動軸２と軸線を同じくして対向するように、回転駆動かつ上下方向に昇降駆動される下部駆動軸３が設けられている。上部駆動軸２の下端部には、モリブデン線からなる吊り具４を介して試料となる多結晶シリコン棒Ｓ１が保持される多結晶ホルダー５が設けられ、また、下部駆動軸３の上端部には、シリコン単結晶の種結晶６が保持される種結晶ホルダー７が設けられている。
【００１３】
ハウジング１内の多結晶ホルダー５と種結晶ホルダー７との間には、高周波誘導加熱コイル８及び石英によって被覆された発熱リング９が設けられている。高周波誘導加熱コイル８は全体としてリング盤状に形成されており、ハウジング１の側壁１Ｃに支持された支持棒１０によって水平に保持されている。発熱リング９は、図２及び図３に示すように全体としてリング状に形成されており、カーボンからなる導電材９Ａと、この導電材９Ａを間隔をあけて覆う石英被覆体９Ｂとから構成されている。また、この石英被覆体９Ｂにより囲まれた内部空間９Ｃは例えば１０−４〜１０−６Ｐａの真空状態に設定されている。
そして、この発熱リング９は、ハウジング１の上壁１Ａから垂下された支持シャフト１１によって高周波誘導加熱コイル８の上方位置に水平に保持されている。この支持シャフト１１は、垂直部１１Ａと水平部１１ＢとによりＬ字状に形成され、その垂直部１１Ａの上端部がハウジング１の上壁１Ａを貫通し、該上壁１Ａに回転可能及び昇降可能に支持されており、垂直部１１Ａの下端部と一体の水平部１１Ｂの先端に、発熱リング９が固定されている。また、ハウジング１の上壁１Ａから突出する垂直部１１Ａの上端部にレバー等の操作手段１１Ｃが設けられており、この操作手段１１Ｃを操作することにより、その下端部に保持した発熱リング９を若干上下移動可能であるとともに、多結晶ホルダー５と種結晶ホルダー７との間に配置される「加熱位置（図２に符号Ｅで示す位置）」と、その間から側方に離間した「待機位置（同図に符号Ｆで示す位置）」との間で往復移動させることができるようになっている。
【００１４】
また、この支持シャフト１１の少なくとも垂直部１１Ａは、図４に示すように外管１２と内管１３とからなる二重管構造とされて、内部に冷却流路１４が形成されている。この場合、外管１２の下端部は閉鎖されているが、内管１３の下端部は開放状態とされて外管１２の下端部から若干離れた位置に配置されていることにより、内管１３の内部空間と両管１２，１３の間のリング状空間とが支持シャフト１１の下端部で連通状態とされている。また、外管１２の上部の取付孔１２Ａには、冷却媒体を外部から供給する外部配管１５が接続され、内管１３の上端部には冷却水等の冷却媒体が排出される外部配管１６が接続される。つまり、二重管によって形成される冷却流路１４は、外部配管１５から外管１２と内管１３との間のリング状空間に供給された冷却媒体が支持シャフト１１の下端部で折り返すようにして内管１３内を経由し、外部配管１６から外部に排出される構成である。このような冷却媒体の流通によって、支持シャフト１１はその全体が冷却される。
【００１５】
また、この支持シャフト１１の上端部は、図５に示すようにハウジング１の上壁１Ａの一部を構成するように設けられた支持ブロック１７によって支持されている。この支持ブロック１７は、ハウジング１の上壁１Ａの上面に固定された第１ブロック体１７Ａと、該第１ブロック体１７Ａの上に固定された第２ブロック体１７Ｂとからなり、支持シャフト１１は、これらブロック体１７Ａ，１７Ｂ及びハウジング１の上壁１Ａを上下方向に貫通して配置されている。この場合、両ブロック体１７Ａ，１７Ｂの貫通孔を形成するようにスリーブ１８が両ブロック体１７Ａ，１７Ｂと一体的に設けられており、このスリーブ１８の貫通孔１８ａ内に支持シャフト１１が貫通状態に支持され、ブロック体１７Ａ及びハウジング１の上壁１Ａの孔１９，２０を通ってハウジング１内に垂下している。また、支持シャフト１１とスリーブ１８の貫通孔１８ａの内周面との間、ハウジング１の上壁１Ａの上面と支持ブロック１７の第１ブロック体１７Ａの下面との間、及びスリーブ１８と第２ブロック体１７Ｂとの間には、ハウジング１の内部の気密を保つためのＯリング等のシール材２１Ａ〜２１Ｃが設けられている。図５中、符号２２は第１ブロック体１７Ａとハウジング１の上壁１Ａとを一体に固定するビスを示している。
【００１６】
一方、種結晶ホルダー７は、タンタル（Ｔａ）により、図６及び図７に示すように全体として筒状に形成され、その下端部を除く大部分に、上端の開口３１に向けて漸次拡径する円錐形状の上部収納孔３２が形成され、その下端部には、円柱状の下部収納孔３３が形成されている。これら収納孔３２，３３は、同一軸線Ｃ1上に配置され、その上部収納孔
３２に種結晶６が収納され、下部収納孔３３には、下部駆動軸３の先端に固定された石英からなる棒状の支持部材３４が取り付けられる。
【００１７】
この種結晶ホルダー７に保持される種結晶６は、全体としては棒状に形成されるが、長さ方向の中央部から上部６ａと下部６ｂとでそれぞれ端部を先細りとした円錐形状に形成されている。また、支持部材３４は円柱状に形成されている。そして、この種結晶ホルダー７を支持部材３４の上に取り付け、上部収納孔３２に種結晶６の下部６ｂを収納した状態とすることにより、この種結晶６の軸線Ｃ２がその上方の多結晶ホルダー５によって保持される多結晶シリコン棒Ｓ１の軸線Ｃ３と同一線上に配置される。
【００１８】
また、この種結晶ホルダー７の両端部には、半径方向に沿うネジ孔３５が周方向に９０°ずつ間隔をあけて４個ずつ設けられている。これらネジ孔３５は、それぞれ種結晶ホルダー７の壁を貫通していることにより、内部の上部収納孔３２及び下部収納孔３３に連通している。そして、上部収納孔３２に収納した種結晶６は上部のネジ孔３５から止めネジ３６をねじ込むことによって固定され、下部収納孔３３に収納した支持部材３４は下部のネジ孔３５に止めネジ３６をねじ込むことによって固定される構成である。
【００１９】
そして、種結晶ホルダー７の上部収納孔３２の内周面を形成しているテーパ面３２ａは、この上部収納孔３２の軸線Ｃ１となす角度θが１０〜２５°に設定されているとともに、その面粗さが、平均粗さ（Ｒａ）で１０〜２００μｍとされている。テーパ面３２ａの角度が２５°より大きいと、種結晶６の姿勢が安定せずに、回転時に種結晶６が滑り易く、また、１０°より小さいと、芯ずれが生じ易い。より好ましくはテーパ角３２ａの角度は１７〜１８°とされる。また、面粗さが１０〜２００μｍとされていることにより、回転時に適度の摩擦力で種結晶６が保持され、その姿勢を正確に維持することができる。
【００２０】
また、種結晶ホルダー７の長さ方向中央部の外周部には、周方向に１８０°離間する対称位置にそれぞれ凹部３７が形成されている。これら凹部３７は、種結晶ホルダー７を支持部材３４に固定したり収納孔３２内に種結晶６を保持したりする際に、ペンチ等の工具の先端部を配置させるものであり、断面が矩形の溝状に形成され、工具先端部が当接可能な平面３７ａが径方向と平行に形成されている。
【００２１】
このように構成した単結晶製造装置１００を使用して単結晶シリコンを製造する方法について、以下、その工程の順序に従って説明する。
（１）種結晶ホルダー７に種結晶６が取り付けられるとともに、吊り具４が試料となる多結晶シリコン棒Ｓ１に取り付けられることにより、該多結晶シリコン棒Ｓ１が多結晶ホルダー５に支持される。このとき、種結晶ホルダー７の上部収納孔３２に種結晶６の下部６ｂを挿し込むことにより、この上部収納孔３２のテーパ面３２ａが種結晶６の外周面に接触して、自動的に芯が合わせられる。その収納状態で止めネジ３６によって固定することにより、その芯合わせ状態が保持される。
（２）同軸状に配置された種結晶６と多結晶シリコン棒Ｓ１との間の位置（加熱位置Ｅ）に発熱リング９を配置する。（３）上部駆動軸２を降下させて、試料となる多結晶シリコン棒Ｓ１を発熱リング９内に通し、試料の下端が、高周波誘導加熱コイル８の上方に近接するように多結晶シリコン棒Ｓ１を位置させる。
（４）ハウジング１のドア（図示略）を閉めて内部を密閉状態にし、真空引きを行った後に不活性ガスを充満させる。
【００２２】
（５）高周波誘導加熱コイル８に通電することで、発熱リング９が発熱し、その輻射熱によって多結晶シリコン棒Ｓ１の予熱が行われる。この予熱は多結晶シリコン棒Ｓ１の先端部が赤熱するまで行う。
（６）上部駆動軸２が図２の矢印Ａで示すように上昇して、多結晶シリコン棒Ｓ１が種結晶６から離間する。次に多結晶シリコン棒Ｓ１と種結晶６との間にできた隙間から発熱リング９が矢印Ｂで示すように移動し、ハウジング１の側壁１Ｃの近傍位置（待機位置Ｆ）に待機する。その後、上部駆動軸２を降下させることで、多結晶シリコン棒Ｓ１が高周波誘導加熱コイル８の付近まで降下する。
【００２３】
（７） 多結晶シリコン棒Ｓ１の下端部が溶融する。
（８）下部駆動軸３を上昇することで、種結晶６が多結晶シリコン棒Ｓ１に近づく。多結晶シリコン棒Ｓ１の下端部が完全に溶けたら、種結晶６と多結晶シリコン棒Ｓ１とを接触させることにより、多結晶シリコン棒Ｓ１の熱が種結晶６に伝達して種結晶６の上端面が溶融する。
（９）下部駆動軸３を回転駆動して種結晶６を回転する。
（１０）多結晶シリコン棒Ｓ１の下端の溶融部の形状を整えながら溶融部と種結晶６を十分なじませる。
（１１）上部駆動軸２と下部駆動軸３とを軸線方向に沿って同期移動させることにより、多結晶シリコン棒Ｓ１の溶融部分が、高周波誘導加熱コイル８に対して上下方向に相対移動する。これにより下部駆動軸３上に単結晶シリコンＳ２を育成する。
（１２）単結晶シリコンＳ２が十分に形成されたら、上部駆動軸２、下部駆動軸３の駆動、高周波誘導加熱コイル８の通電を停止する。その後、形成された単結晶シリコンを取り出し、急速冷却装置で冷却する。
【００２４】
以上のような単結晶製造装置１００によれば、両端部６ａ，６ｂを円錐形状とした種結晶６を種結晶ホルダー７の上部収納孔３２に挿し込むことにより、種結晶６の円錐状外周面が収納孔３２のテーパ面３２ａに全周にわたって接触する。従って両者の軸線Ｃ１，Ｃ２が正確に一致する。これにより、種結晶６の軸線Ｃ２と、その上方に配置される多結晶シリコン棒の軸線Ｃ３とが正確に一致する。つまり、種結晶６を収納孔３２に挿し込むだけで、これらの軸線Ｃ１，Ｃ２が一致した状態に収納され、その上方の多結晶シリコン棒Ｓ１との軸線Ｃ３とも一致するようになり、結果として種結晶６を取り付ける際の作業時間が大幅に短縮される。そして、この収納状態で止めネジ３６を固定することにより、種結晶６はテーパ面３２ａによって全周を保持され、さらに止めネジ３６の押圧力によって確実に固定することができる。
上部収納孔がストレートであると、種結晶を収納して止めネジで止めた場合に、そのクリアランスの範囲で種結晶が左右方向に移動し易いが、収納孔をテーパ面としたことにより、種結晶の全周がテーパ面に接触して左右方向に移動し難く、したがって、多結晶シリコン棒との芯合わせ作業が容易になる。
【００２５】
そして、この種結晶６と同軸状となるように多結晶シリコン棒Ｓ１を多結晶ホルダー７に支持する。次に、図１に示されるように多結晶ホルダー５と種結晶ホルダー７との間の「加熱位置Ｅ」に発熱リング９を配置し、この発熱リング９を高周波誘導加熱コイル８によって誘導加熱して高温状態とすることにより、この発熱リング９からの輻射熱によって多結晶シリコン棒Ｓ１が加熱される。そして、多結晶シリコン棒Ｓ１の温度が上昇して、下端部が赤熱した後は、多結晶シリコン棒Ｓ１を上方に引き上げた状態で、支持シャフト１１を回転させて、多結晶ホルダー５と種結晶ホルダー７との間から「待機位置Ｆ」に発熱リング９を待機させ、多結晶シリコン棒Ｓ１は高周波誘導加熱コイル８からの誘導加熱のみによって加熱されて、単結晶シリコンに育成するのである。発熱リング９は石英にて被覆されている為、リング部材からの汚染が極めて少なく、良好な品質の単結晶シリコンを製造することができる。
この単結晶シリコンの育成作業中に種結晶６が回転することがあるが、その際も収納孔２２のテーパ面３２ａにより種結晶６を全周で保持しているので、スリップを生じさせることなく、その芯合わせ状態が確実に維持される。この場合、テーパ面の面粗さは、平均粗さ（Ｒａ）で１０〜２００μｍとされており、面粗さをこの範囲に設定しておくことにより、収納孔のテーパ面と種結晶との摩擦力が大きくなり、回転時のスリップを確実に防止することができる。
【００２６】
そして、この単結晶製造の間、二重管構造の支持シャフト１１には、その内部の冷却流路１４に冷却媒体が流通されることから、高周波誘導加熱コイル８によって発熱リング９が加熱されたとしても、その熱が、支持シャフト１１とハウジング１との間をシールするシール材２１Ａに伝達されることを防止することができる。その結果、支持シャフト１１からの汚染が防止されるとともに、シール材２１Ａが過熱されず、該シール材２１Ａの劣化、性能低下を防止することができ、該シール材２１Ａからの汚染も防止され、さらにシール材２１Ａの長寿命化を図ることができる。
【００２７】
発熱リング９自体も、カーボンからなる導電材９Ａが石英被覆体９Ｂによって覆われているため、作業雰囲気への汚染が防止される。また、これら導電材９Ａと石英被覆体９Ｂとの間の空間９Ｃが真空状態とされることにより、空気雰囲気の場合の残留水分に起因する導電材の劣化も防止される。さらに、導電材９Ａと石英被覆体９Ｂとが離間していることにより、両者の熱伸縮差に伴う応力発生も防止できる。
また、上記の単結晶製造装置１００によれば、支持シャフト１１を内管１２と外管１３とからなる二重管により形成し、これら内管１２と外管１３のいずれか一方側に冷却媒体を供給し、これら内管１２、外管１３の他方側を通じて冷却媒体を排出するようにしたので、支持シャフト１１に対して連続的に冷却媒体を供給でき、シール材の効果的な冷却が可能となる。
これらの相乗効果により、単結晶製造装置としての健全性を長期にわたって維持することができる。
【００２８】
図８は本発明の他の実施形態を示している。この実施形態では、発熱リング４１が図１〜図３に示す一実施形態の発熱リング９と異なり、周方向の一部に切欠き部４２が形成されている。この切欠き部４２は、その間隔Ｗが多結晶シリコン棒Ｓ１の直径よりも大きく形成され、切欠き部４２を多結晶シリコン棒Ｓ１が通過できる構造である。また、この切欠き部４２の位置は、操作レバー１１Ｃを操作して発熱リング４１を往復移動したときに、切欠き部４２が加熱位置Ｅの中心（種結晶ホルダー７の軸線Ｃ１及び多結晶ホルダー５の支持中心に等しい）を通るように配置されている。
したがって、先の実施形態では製造工程の（６）において、加熱位置Ｅから待機位置Ｆに発熱リング９を移動する前に、多結晶シリコン棒Ｓ１が上昇して種結晶６から離間することにより、多結晶シリコン棒Ｓ１と種結晶６との間に発熱リングが通過可能な間隔を確保する必要があったが、本実施形態においては、多結晶シリコン棒Ｓ１を上昇させることなく、発熱リング４１が図８の矢印Ｃに示すように移動するだけで、加熱位置Ｅから鎖線で示す待機位置Ｆに移動することができる。従って、多結晶シリコン棒Ｓ１の先端部が赤熱した状態を維持したまま次工程に移行できるため、作業性が良い。
【００２９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、一実施形態の支持シャフト１１の冷却流路１４では、まず外管１２に外部から冷却媒体を供給した後、内管１３から排出するようにしたが、逆に、外部から冷却媒体を内管１３に供給した後、外管１２から排出するようにしても良い。また、支持シャフト１１の回転及び昇降の操作のためにレバー等の操作手段を設けたが、電動機、減速機等を組み合わせた駆動機構からなる操作手段としてもよい。さらに、発熱リングの導電材は、誘導加熱コイルによって誘導加熱可能かつその融点がシリコンよりも高温である導電材からなるものであれば、カーボン、モリブデン等を適用することができる。
また、一実施形態の種結晶ホルダー７では、上部収納孔３２を開口まで連続するテーパ面３２ａに形成したが、種結晶の外周の全周に接触可能なテーパ面が少なくとも一部に形成されていればよく、開口付近は円筒状としてもよい。また、この収納孔に挿入した種結晶を４本の止めネジで固定する構造としたが、３本の止めネジによって固定するものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態における単結晶製造装置の全体を示す概略断面図である。
【図２】図１における発熱リングとその支持シャフトを示す斜視図である。
【図３】図１における発熱リングの縦断面図である。
【図４】図１の支持シャフトの内部構造を示す縦断面図である。
【図５】図１のハウジングに対する支持シャフトの取付状態を示す縦断面図である。
【図６】図１における種結晶ホルダーに種結晶を保持した状態を拡大して示す縦断面図である。
【図７】図６の種結晶ホルダーの外観を示す斜視図である。
【図８】本発明の他の実施形態における発熱リングとその支持シャフトを示す図２同様の斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ ハウジング
２ 上部駆動軸
３ 下部駆動軸
４ 吊り具
５ 多結晶ホルダー
６ 種結晶
６ａ 上端部
６ｂ 下端部
７ 種結晶ホルダー
８ 高周波誘導加熱コイル
９ 発熱リング
９Ａ 導電材
９Ｂ 石英被覆体
９Ｃ 空間
１０ 支持棒
１１ 支持シャフト
１１Ｃ 操作手段
１２ 内管
１３ 外管
１４ 冷却流路
１５ 外部配管
１６ 外部配管 １７ 支持ブロック
１８ スリーブ
２１Ａ〜２１C シール材
３１ 開口
３２ 上部収納孔
３２ａ テーパ面
３３ 下部収納孔
３４ 支持部材
３５ ネジ孔
３６ 止めネジ
Ｓ１ 多結晶シリコン棒
【技術分野】
【０００１】
本発明は単結晶シリコン製造装置に係り、特にＦＺ法により単結晶に成長させる単結晶シリコン製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のＦＺ（フロートゾーン）法を利用した単結晶シリコン製造装置として、特許文献１に示されるものが知られている。この単結晶シリコン製造装置は、内部が不活性ガス雰囲気とされるハウジングと、ハウジング内の上部駆動軸（位置決めロッド）に設置されてその下端部に試料となる多結晶シリコン棒が保持される多結晶ホルダーと、下部駆動軸（位置決めロッド）に設置されてその上端部にシリコン単結晶の種結晶が保持される種結晶ホルダーと、ハウジング内の中間部分に設けられた高周波誘導加熱コイルとを有するものであって、上側の多結晶ホルダーに原料となる多結晶シリコン棒を保持し、かつ種結晶ホルダーにシリコン単結晶の種結晶を保持した状態で、高周波誘導加熱コイルにより多結晶シリコンの一端を溶融して種結晶に融着した後、多結晶シリコン棒を高周波誘導加熱コイルに対して相対回転させながら軸線方向に相対移動させ、多結晶シリコン棒を軸方向に順次帯域溶融しながら、単結晶シリコンの棒を製造するものである。
【０００３】
また、この単結晶シリコン製造装置では、多結晶シリコン棒を加熱するための加熱手段として高周波誘導加熱コイルが設けられている。多結晶シリコン棒は冷えているときは比抵抗が大きいため、初期段階で多結晶シリコンを輻射熱によって予熱するためのカーボン等からなる発熱リング（サセプタ）が設けられている。まず、この発熱リングを誘導加熱して高温状態とし、その輻射熱により多結晶シリコン棒を加熱する。そして、多結晶シリコン棒の温度が上昇して通電可能な状態になった後は、その誘導加熱により多結晶シリコンが自己発熱する。このような状態となった場合には、発熱リングが多結晶シリコン棒の周りから離間し、その後は、多結晶シリコン棒が直接誘導加熱され、下端部が溶融する。その溶融した下端部が種結晶に融着し、単結晶が成長する。
【特許文献１】特開平７−１０６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述した発熱リングは、多結晶シリコン棒に接近させたり、離間させたりするために、これを支持する支持シャフトがハウジングの壁に回転自在に支持されている。一方、ＦＺ法による単結晶製造プロセスにおいては、装置を構成する部材からの汚染を抑えることが必要不可欠であり、上記発明に記載された金属材料もしくは焼結材料からなるサセプタ材質（ＳｉＣコートカーボン・タンタル・モリブデン等）はサセプタ材そのものが汚染源となる。またサセプタが発熱した際に、サセプタを支持している支持シャフトも高温に加熱されるため、支持体部材からの汚染が生じる。さらに支持シャフトとハウジングの間のシール材にも熱が伝わり、シール性が低下するとともに、シール材からの汚染が発生する。シール性低下に起因した外部ガスの混入による雰囲気品質の低下などにより単結晶シリコンの品質が低下するという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、発熱体からの汚染を防止し、さらに支持シャフトの温度上昇を抑制することで、支持シャフト材及び支持シャフトとハウジングとの間にあるシール材及び外部雰囲気からの汚染を防止し、もって高品質な単結晶シリコンを製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の単結晶シリコン製造装置は、 ハウジング内に、種結晶ホルダーに保持した種結晶が、多結晶ホルダーに保持した多結晶シリコン棒と対向して配置され、その多結晶シリコン棒の周囲に配置される誘導加熱コイルによって多結晶シリコン棒が溶融した後種結晶に融着して単結晶に成長させる単結晶シリコン製造装置であって、前記ハウジングの壁を貫通する回転可能な支持シャフトの先端に、前記誘導加熱コイルによって誘導加熱可能な導電材と、該導電材を被覆する石英被覆体とを有する発熱リングが設けられるとともに、前記支持シャフトに、これを回転させることにより、前記発熱リングを前記種結晶ホルダーと多結晶ホルダーとの間で前記誘導加熱コイルに接近させた加熱位置と、この加熱位置から離間した待機位置との間で往復移動させる操作手段が設けられ、前記ハウジングの壁と前記支持シャフトとの貫通部に、これらの気密を保持するシール材が設けられ、前記支持シャフトの内部には、冷却媒体を流通させる冷却流路が形成されていることを特徴とする。
【０００７】
すなわち、発熱リングの導電材が石英被覆体で被覆され、該リングを保持する支持シャフト内に冷却媒体が流通するようにしたので、誘導加熱コイルによって発熱リングを誘導加熱した際、その熱が支持シャフト内の冷却媒体で冷却されることにより、汚染の極めて少ない高品質な単結晶シリコンを製造することが可能になる。
【０００８】
本発明の単結晶シリコン製造装置において、前記支持シャフトは外管と内管とからなる二重管により形成され、前記冷却流路は、外管と内管のいずれか一方側に冷却媒体が供給され、その他方側から排出する構成とされていることを特徴とする。この二重管構造としたことにより、支持シャフト内部に連続的に冷却媒体を供給でき、支持シャフト及びシール材の効果的な冷却が可能となる。この場合、発熱リングに近い支持シャフトの先端部を有効に冷却するために、外管と内管との間から冷却媒体を供給し、支持シャフトの先端部で折り返すようにして内管内に流通させる構成とするとよい。
【０００９】
また、本発明の単結晶シリコン製造装置において、前記発熱リングは、前記導電材がカーボンによって構成されていることが好ましい。
また、本発明の単結晶シリコン製造装置において、前記発熱リングは、その周方向の一部に、前記多結晶シリコン棒を通過可能な切欠き部が形成され、前記操作手段によって前記切欠き部が前記加熱位置の中心を通るように往復移動する構成とするとよい。発熱リングを加熱位置と待機位置との間で往復移動する際に、切欠き部が多結晶シリコン棒を通過するようにして発熱リングを移動することができ、多結晶シリコン棒と種結晶との相対位置関係を変えることなく、発熱リングのみ移動が可能である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の単結晶シリコン製造装置によれば、発熱リングの導電材が石英被覆体で被覆され、発熱リングを保持する支持シャフト内に冷却媒体が流通するので、発熱リングの熱が支持シャフト内の冷却媒体で冷却されることにより、発熱リング、支持シャフト及び該支持シャフトとハウジングとの間にあるシール材からの汚染が抑制される。その結果、高品質な単結晶シリコンを製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る単結晶シリコン製造装置の実施形態を図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１は一実施形態の単結晶製造装置１００の概略構成図であって、この図において符号１は、不活性ガス（アルゴンガス）が充填されるハウジングである。このハウジング１の上壁１Ａの中心部には回転駆動かつ上下方向に昇降駆動される上部駆動軸２が設けられ、また、ハウジング１の底部１Ｂには、上部駆動軸２と軸線を同じくして対向するように、回転駆動かつ上下方向に昇降駆動される下部駆動軸３が設けられている。上部駆動軸２の下端部には、モリブデン線からなる吊り具４を介して試料となる多結晶シリコン棒Ｓ１が保持される多結晶ホルダー５が設けられ、また、下部駆動軸３の上端部には、シリコン単結晶の種結晶６が保持される種結晶ホルダー７が設けられている。
【００１３】
ハウジング１内の多結晶ホルダー５と種結晶ホルダー７との間には、高周波誘導加熱コイル８及び石英によって被覆された発熱リング９が設けられている。高周波誘導加熱コイル８は全体としてリング盤状に形成されており、ハウジング１の側壁１Ｃに支持された支持棒１０によって水平に保持されている。発熱リング９は、図２及び図３に示すように全体としてリング状に形成されており、カーボンからなる導電材９Ａと、この導電材９Ａを間隔をあけて覆う石英被覆体９Ｂとから構成されている。また、この石英被覆体９Ｂにより囲まれた内部空間９Ｃは例えば１０−４〜１０−６Ｐａの真空状態に設定されている。
そして、この発熱リング９は、ハウジング１の上壁１Ａから垂下された支持シャフト１１によって高周波誘導加熱コイル８の上方位置に水平に保持されている。この支持シャフト１１は、垂直部１１Ａと水平部１１ＢとによりＬ字状に形成され、その垂直部１１Ａの上端部がハウジング１の上壁１Ａを貫通し、該上壁１Ａに回転可能及び昇降可能に支持されており、垂直部１１Ａの下端部と一体の水平部１１Ｂの先端に、発熱リング９が固定されている。また、ハウジング１の上壁１Ａから突出する垂直部１１Ａの上端部にレバー等の操作手段１１Ｃが設けられており、この操作手段１１Ｃを操作することにより、その下端部に保持した発熱リング９を若干上下移動可能であるとともに、多結晶ホルダー５と種結晶ホルダー７との間に配置される「加熱位置（図２に符号Ｅで示す位置）」と、その間から側方に離間した「待機位置（同図に符号Ｆで示す位置）」との間で往復移動させることができるようになっている。
【００１４】
また、この支持シャフト１１の少なくとも垂直部１１Ａは、図４に示すように外管１２と内管１３とからなる二重管構造とされて、内部に冷却流路１４が形成されている。この場合、外管１２の下端部は閉鎖されているが、内管１３の下端部は開放状態とされて外管１２の下端部から若干離れた位置に配置されていることにより、内管１３の内部空間と両管１２，１３の間のリング状空間とが支持シャフト１１の下端部で連通状態とされている。また、外管１２の上部の取付孔１２Ａには、冷却媒体を外部から供給する外部配管１５が接続され、内管１３の上端部には冷却水等の冷却媒体が排出される外部配管１６が接続される。つまり、二重管によって形成される冷却流路１４は、外部配管１５から外管１２と内管１３との間のリング状空間に供給された冷却媒体が支持シャフト１１の下端部で折り返すようにして内管１３内を経由し、外部配管１６から外部に排出される構成である。このような冷却媒体の流通によって、支持シャフト１１はその全体が冷却される。
【００１５】
また、この支持シャフト１１の上端部は、図５に示すようにハウジング１の上壁１Ａの一部を構成するように設けられた支持ブロック１７によって支持されている。この支持ブロック１７は、ハウジング１の上壁１Ａの上面に固定された第１ブロック体１７Ａと、該第１ブロック体１７Ａの上に固定された第２ブロック体１７Ｂとからなり、支持シャフト１１は、これらブロック体１７Ａ，１７Ｂ及びハウジング１の上壁１Ａを上下方向に貫通して配置されている。この場合、両ブロック体１７Ａ，１７Ｂの貫通孔を形成するようにスリーブ１８が両ブロック体１７Ａ，１７Ｂと一体的に設けられており、このスリーブ１８の貫通孔１８ａ内に支持シャフト１１が貫通状態に支持され、ブロック体１７Ａ及びハウジング１の上壁１Ａの孔１９，２０を通ってハウジング１内に垂下している。また、支持シャフト１１とスリーブ１８の貫通孔１８ａの内周面との間、ハウジング１の上壁１Ａの上面と支持ブロック１７の第１ブロック体１７Ａの下面との間、及びスリーブ１８と第２ブロック体１７Ｂとの間には、ハウジング１の内部の気密を保つためのＯリング等のシール材２１Ａ〜２１Ｃが設けられている。図５中、符号２２は第１ブロック体１７Ａとハウジング１の上壁１Ａとを一体に固定するビスを示している。
【００１６】
一方、種結晶ホルダー７は、タンタル（Ｔａ）により、図６及び図７に示すように全体として筒状に形成され、その下端部を除く大部分に、上端の開口３１に向けて漸次拡径する円錐形状の上部収納孔３２が形成され、その下端部には、円柱状の下部収納孔３３が形成されている。これら収納孔３２，３３は、同一軸線Ｃ1上に配置され、その上部収納孔
３２に種結晶６が収納され、下部収納孔３３には、下部駆動軸３の先端に固定された石英からなる棒状の支持部材３４が取り付けられる。
【００１７】
この種結晶ホルダー７に保持される種結晶６は、全体としては棒状に形成されるが、長さ方向の中央部から上部６ａと下部６ｂとでそれぞれ端部を先細りとした円錐形状に形成されている。また、支持部材３４は円柱状に形成されている。そして、この種結晶ホルダー７を支持部材３４の上に取り付け、上部収納孔３２に種結晶６の下部６ｂを収納した状態とすることにより、この種結晶６の軸線Ｃ２がその上方の多結晶ホルダー５によって保持される多結晶シリコン棒Ｓ１の軸線Ｃ３と同一線上に配置される。
【００１８】
また、この種結晶ホルダー７の両端部には、半径方向に沿うネジ孔３５が周方向に９０°ずつ間隔をあけて４個ずつ設けられている。これらネジ孔３５は、それぞれ種結晶ホルダー７の壁を貫通していることにより、内部の上部収納孔３２及び下部収納孔３３に連通している。そして、上部収納孔３２に収納した種結晶６は上部のネジ孔３５から止めネジ３６をねじ込むことによって固定され、下部収納孔３３に収納した支持部材３４は下部のネジ孔３５に止めネジ３６をねじ込むことによって固定される構成である。
【００１９】
そして、種結晶ホルダー７の上部収納孔３２の内周面を形成しているテーパ面３２ａは、この上部収納孔３２の軸線Ｃ１となす角度θが１０〜２５°に設定されているとともに、その面粗さが、平均粗さ（Ｒａ）で１０〜２００μｍとされている。テーパ面３２ａの角度が２５°より大きいと、種結晶６の姿勢が安定せずに、回転時に種結晶６が滑り易く、また、１０°より小さいと、芯ずれが生じ易い。より好ましくはテーパ角３２ａの角度は１７〜１８°とされる。また、面粗さが１０〜２００μｍとされていることにより、回転時に適度の摩擦力で種結晶６が保持され、その姿勢を正確に維持することができる。
【００２０】
また、種結晶ホルダー７の長さ方向中央部の外周部には、周方向に１８０°離間する対称位置にそれぞれ凹部３７が形成されている。これら凹部３７は、種結晶ホルダー７を支持部材３４に固定したり収納孔３２内に種結晶６を保持したりする際に、ペンチ等の工具の先端部を配置させるものであり、断面が矩形の溝状に形成され、工具先端部が当接可能な平面３７ａが径方向と平行に形成されている。
【００２１】
このように構成した単結晶製造装置１００を使用して単結晶シリコンを製造する方法について、以下、その工程の順序に従って説明する。
（１）種結晶ホルダー７に種結晶６が取り付けられるとともに、吊り具４が試料となる多結晶シリコン棒Ｓ１に取り付けられることにより、該多結晶シリコン棒Ｓ１が多結晶ホルダー５に支持される。このとき、種結晶ホルダー７の上部収納孔３２に種結晶６の下部６ｂを挿し込むことにより、この上部収納孔３２のテーパ面３２ａが種結晶６の外周面に接触して、自動的に芯が合わせられる。その収納状態で止めネジ３６によって固定することにより、その芯合わせ状態が保持される。
（２）同軸状に配置された種結晶６と多結晶シリコン棒Ｓ１との間の位置（加熱位置Ｅ）に発熱リング９を配置する。（３）上部駆動軸２を降下させて、試料となる多結晶シリコン棒Ｓ１を発熱リング９内に通し、試料の下端が、高周波誘導加熱コイル８の上方に近接するように多結晶シリコン棒Ｓ１を位置させる。
（４）ハウジング１のドア（図示略）を閉めて内部を密閉状態にし、真空引きを行った後に不活性ガスを充満させる。
【００２２】
（５）高周波誘導加熱コイル８に通電することで、発熱リング９が発熱し、その輻射熱によって多結晶シリコン棒Ｓ１の予熱が行われる。この予熱は多結晶シリコン棒Ｓ１の先端部が赤熱するまで行う。
（６）上部駆動軸２が図２の矢印Ａで示すように上昇して、多結晶シリコン棒Ｓ１が種結晶６から離間する。次に多結晶シリコン棒Ｓ１と種結晶６との間にできた隙間から発熱リング９が矢印Ｂで示すように移動し、ハウジング１の側壁１Ｃの近傍位置（待機位置Ｆ）に待機する。その後、上部駆動軸２を降下させることで、多結晶シリコン棒Ｓ１が高周波誘導加熱コイル８の付近まで降下する。
【００２３】
（７） 多結晶シリコン棒Ｓ１の下端部が溶融する。
（８）下部駆動軸３を上昇することで、種結晶６が多結晶シリコン棒Ｓ１に近づく。多結晶シリコン棒Ｓ１の下端部が完全に溶けたら、種結晶６と多結晶シリコン棒Ｓ１とを接触させることにより、多結晶シリコン棒Ｓ１の熱が種結晶６に伝達して種結晶６の上端面が溶融する。
（９）下部駆動軸３を回転駆動して種結晶６を回転する。
（１０）多結晶シリコン棒Ｓ１の下端の溶融部の形状を整えながら溶融部と種結晶６を十分なじませる。
（１１）上部駆動軸２と下部駆動軸３とを軸線方向に沿って同期移動させることにより、多結晶シリコン棒Ｓ１の溶融部分が、高周波誘導加熱コイル８に対して上下方向に相対移動する。これにより下部駆動軸３上に単結晶シリコンＳ２を育成する。
（１２）単結晶シリコンＳ２が十分に形成されたら、上部駆動軸２、下部駆動軸３の駆動、高周波誘導加熱コイル８の通電を停止する。その後、形成された単結晶シリコンを取り出し、急速冷却装置で冷却する。
【００２４】
以上のような単結晶製造装置１００によれば、両端部６ａ，６ｂを円錐形状とした種結晶６を種結晶ホルダー７の上部収納孔３２に挿し込むことにより、種結晶６の円錐状外周面が収納孔３２のテーパ面３２ａに全周にわたって接触する。従って両者の軸線Ｃ１，Ｃ２が正確に一致する。これにより、種結晶６の軸線Ｃ２と、その上方に配置される多結晶シリコン棒の軸線Ｃ３とが正確に一致する。つまり、種結晶６を収納孔３２に挿し込むだけで、これらの軸線Ｃ１，Ｃ２が一致した状態に収納され、その上方の多結晶シリコン棒Ｓ１との軸線Ｃ３とも一致するようになり、結果として種結晶６を取り付ける際の作業時間が大幅に短縮される。そして、この収納状態で止めネジ３６を固定することにより、種結晶６はテーパ面３２ａによって全周を保持され、さらに止めネジ３６の押圧力によって確実に固定することができる。
上部収納孔がストレートであると、種結晶を収納して止めネジで止めた場合に、そのクリアランスの範囲で種結晶が左右方向に移動し易いが、収納孔をテーパ面としたことにより、種結晶の全周がテーパ面に接触して左右方向に移動し難く、したがって、多結晶シリコン棒との芯合わせ作業が容易になる。
【００２５】
そして、この種結晶６と同軸状となるように多結晶シリコン棒Ｓ１を多結晶ホルダー７に支持する。次に、図１に示されるように多結晶ホルダー５と種結晶ホルダー７との間の「加熱位置Ｅ」に発熱リング９を配置し、この発熱リング９を高周波誘導加熱コイル８によって誘導加熱して高温状態とすることにより、この発熱リング９からの輻射熱によって多結晶シリコン棒Ｓ１が加熱される。そして、多結晶シリコン棒Ｓ１の温度が上昇して、下端部が赤熱した後は、多結晶シリコン棒Ｓ１を上方に引き上げた状態で、支持シャフト１１を回転させて、多結晶ホルダー５と種結晶ホルダー７との間から「待機位置Ｆ」に発熱リング９を待機させ、多結晶シリコン棒Ｓ１は高周波誘導加熱コイル８からの誘導加熱のみによって加熱されて、単結晶シリコンに育成するのである。発熱リング９は石英にて被覆されている為、リング部材からの汚染が極めて少なく、良好な品質の単結晶シリコンを製造することができる。
この単結晶シリコンの育成作業中に種結晶６が回転することがあるが、その際も収納孔２２のテーパ面３２ａにより種結晶６を全周で保持しているので、スリップを生じさせることなく、その芯合わせ状態が確実に維持される。この場合、テーパ面の面粗さは、平均粗さ（Ｒａ）で１０〜２００μｍとされており、面粗さをこの範囲に設定しておくことにより、収納孔のテーパ面と種結晶との摩擦力が大きくなり、回転時のスリップを確実に防止することができる。
【００２６】
そして、この単結晶製造の間、二重管構造の支持シャフト１１には、その内部の冷却流路１４に冷却媒体が流通されることから、高周波誘導加熱コイル８によって発熱リング９が加熱されたとしても、その熱が、支持シャフト１１とハウジング１との間をシールするシール材２１Ａに伝達されることを防止することができる。その結果、支持シャフト１１からの汚染が防止されるとともに、シール材２１Ａが過熱されず、該シール材２１Ａの劣化、性能低下を防止することができ、該シール材２１Ａからの汚染も防止され、さらにシール材２１Ａの長寿命化を図ることができる。
【００２７】
発熱リング９自体も、カーボンからなる導電材９Ａが石英被覆体９Ｂによって覆われているため、作業雰囲気への汚染が防止される。また、これら導電材９Ａと石英被覆体９Ｂとの間の空間９Ｃが真空状態とされることにより、空気雰囲気の場合の残留水分に起因する導電材の劣化も防止される。さらに、導電材９Ａと石英被覆体９Ｂとが離間していることにより、両者の熱伸縮差に伴う応力発生も防止できる。
また、上記の単結晶製造装置１００によれば、支持シャフト１１を内管１２と外管１３とからなる二重管により形成し、これら内管１２と外管１３のいずれか一方側に冷却媒体を供給し、これら内管１２、外管１３の他方側を通じて冷却媒体を排出するようにしたので、支持シャフト１１に対して連続的に冷却媒体を供給でき、シール材の効果的な冷却が可能となる。
これらの相乗効果により、単結晶製造装置としての健全性を長期にわたって維持することができる。
【００２８】
図８は本発明の他の実施形態を示している。この実施形態では、発熱リング４１が図１〜図３に示す一実施形態の発熱リング９と異なり、周方向の一部に切欠き部４２が形成されている。この切欠き部４２は、その間隔Ｗが多結晶シリコン棒Ｓ１の直径よりも大きく形成され、切欠き部４２を多結晶シリコン棒Ｓ１が通過できる構造である。また、この切欠き部４２の位置は、操作レバー１１Ｃを操作して発熱リング４１を往復移動したときに、切欠き部４２が加熱位置Ｅの中心（種結晶ホルダー７の軸線Ｃ１及び多結晶ホルダー５の支持中心に等しい）を通るように配置されている。
したがって、先の実施形態では製造工程の（６）において、加熱位置Ｅから待機位置Ｆに発熱リング９を移動する前に、多結晶シリコン棒Ｓ１が上昇して種結晶６から離間することにより、多結晶シリコン棒Ｓ１と種結晶６との間に発熱リングが通過可能な間隔を確保する必要があったが、本実施形態においては、多結晶シリコン棒Ｓ１を上昇させることなく、発熱リング４１が図８の矢印Ｃに示すように移動するだけで、加熱位置Ｅから鎖線で示す待機位置Ｆに移動することができる。従って、多結晶シリコン棒Ｓ１の先端部が赤熱した状態を維持したまま次工程に移行できるため、作業性が良い。
【００２９】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、一実施形態の支持シャフト１１の冷却流路１４では、まず外管１２に外部から冷却媒体を供給した後、内管１３から排出するようにしたが、逆に、外部から冷却媒体を内管１３に供給した後、外管１２から排出するようにしても良い。また、支持シャフト１１の回転及び昇降の操作のためにレバー等の操作手段を設けたが、電動機、減速機等を組み合わせた駆動機構からなる操作手段としてもよい。さらに、発熱リングの導電材は、誘導加熱コイルによって誘導加熱可能かつその融点がシリコンよりも高温である導電材からなるものであれば、カーボン、モリブデン等を適用することができる。
また、一実施形態の種結晶ホルダー７では、上部収納孔３２を開口まで連続するテーパ面３２ａに形成したが、種結晶の外周の全周に接触可能なテーパ面が少なくとも一部に形成されていればよく、開口付近は円筒状としてもよい。また、この収納孔に挿入した種結晶を４本の止めネジで固定する構造としたが、３本の止めネジによって固定するものでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態における単結晶製造装置の全体を示す概略断面図である。
【図２】図１における発熱リングとその支持シャフトを示す斜視図である。
【図３】図１における発熱リングの縦断面図である。
【図４】図１の支持シャフトの内部構造を示す縦断面図である。
【図５】図１のハウジングに対する支持シャフトの取付状態を示す縦断面図である。
【図６】図１における種結晶ホルダーに種結晶を保持した状態を拡大して示す縦断面図である。
【図７】図６の種結晶ホルダーの外観を示す斜視図である。
【図８】本発明の他の実施形態における発熱リングとその支持シャフトを示す図２同様の斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１ ハウジング
２ 上部駆動軸
３ 下部駆動軸
４ 吊り具
５ 多結晶ホルダー
６ 種結晶
６ａ 上端部
６ｂ 下端部
７ 種結晶ホルダー
８ 高周波誘導加熱コイル
９ 発熱リング
９Ａ 導電材
９Ｂ 石英被覆体
９Ｃ 空間
１０ 支持棒
１１ 支持シャフト
１１Ｃ 操作手段
１２ 内管
１３ 外管
１４ 冷却流路
１５ 外部配管
１６ 外部配管 １７ 支持ブロック
１８ スリーブ
２１Ａ〜２１C シール材
３１ 開口
３２ 上部収納孔
３２ａ テーパ面
３３ 下部収納孔
３４ 支持部材
３５ ネジ孔
３６ 止めネジ
Ｓ１ 多結晶シリコン棒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に、種結晶ホルダーに保持した種結晶が、多結晶ホルダーに保持した多結晶シリコン棒と対向して配置され、その多結晶シリコン棒の周囲に配置される誘導加熱コイルによって多結晶シリコン棒が溶融した後種結晶に融着して単結晶に成長させる単結晶シリコン製造装置であって、
前記ハウジングの壁を貫通する回転可能な支持シャフトの先端に、前記誘導加熱コイルによって誘導加熱可能な導電材と、該導電材を被覆する石英被覆体とを有する発熱リングが設けられるとともに、前記支持シャフトに、これを回転させることにより、前記発熱リングを前記種結晶ホルダーと多結晶ホルダーとの間で前記誘導加熱コイルに接近させた加熱位置と、この加熱位置から離間した待機位置との間で往復移動させる操作手段が設けられ、前記ハウジングの壁と前記支持シャフトとの貫通部に、これらの気密を保持するシール材が設けられ、前記支持シャフトの内部には、冷却媒体を流通させる冷却流路が形成されていることを特徴とする単結晶シリコン製造装置。
【請求項２】
前記支持シャフトは外管と内管とからなる二重管により形成され、前記冷却流路は、外管と内管のいずれか一方側から冷却媒体が供給され、その他方側より排出される構成とされていることを特徴とする請求項１記載の単結晶シリコン製造装置。
【請求項３】
前記発熱リングは、前記導電材がカーボンによって構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の単結晶シリコン製造装置。
【請求項４】
前記発熱リングは、その周方向の一部に、前記多結晶シリコン棒を通過可能な切欠き部が形成され、前記操作手段によって前記切欠き部が前記加熱位置の中心を通るように往復移動することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の単結晶シリコン製造装置。
【請求項１】
ハウジング内に、種結晶ホルダーに保持した種結晶が、多結晶ホルダーに保持した多結晶シリコン棒と対向して配置され、その多結晶シリコン棒の周囲に配置される誘導加熱コイルによって多結晶シリコン棒が溶融した後種結晶に融着して単結晶に成長させる単結晶シリコン製造装置であって、
前記ハウジングの壁を貫通する回転可能な支持シャフトの先端に、前記誘導加熱コイルによって誘導加熱可能な導電材と、該導電材を被覆する石英被覆体とを有する発熱リングが設けられるとともに、前記支持シャフトに、これを回転させることにより、前記発熱リングを前記種結晶ホルダーと多結晶ホルダーとの間で前記誘導加熱コイルに接近させた加熱位置と、この加熱位置から離間した待機位置との間で往復移動させる操作手段が設けられ、前記ハウジングの壁と前記支持シャフトとの貫通部に、これらの気密を保持するシール材が設けられ、前記支持シャフトの内部には、冷却媒体を流通させる冷却流路が形成されていることを特徴とする単結晶シリコン製造装置。
【請求項２】
前記支持シャフトは外管と内管とからなる二重管により形成され、前記冷却流路は、外管と内管のいずれか一方側から冷却媒体が供給され、その他方側より排出される構成とされていることを特徴とする請求項１記載の単結晶シリコン製造装置。
【請求項３】
前記発熱リングは、前記導電材がカーボンによって構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の単結晶シリコン製造装置。
【請求項４】
前記発熱リングは、その周方向の一部に、前記多結晶シリコン棒を通過可能な切欠き部が形成され、前記操作手段によって前記切欠き部が前記加熱位置の中心を通るように往復移動することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の単結晶シリコン製造装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１０６９１（Ｐ２０１３−１０６９１Ａ）
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−２３２０９０（Ｐ２０１２−２３２０９０）
【出願日】平成２４年１０月１９日（２０１２．１０．１９）
【分割の表示】特願２００８−３２３５８４（Ｐ２００８−３２３５８４）の分割
【原出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１７日（２０１３．１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１０月１９日（２０１２．１０．１９）
【分割の表示】特願２００８−３２３５８４（Ｐ２００８−３２３５８４）の分割
【原出願日】平成２０年１２月１９日（２００８．１２．１９）
【出願人】（０００００６２６４）三菱マテリアル株式会社 (4,417)
【Ｆターム（参考）】
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