JP2013043817A - Single crystal growing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チョクラルスキー法により単結晶棒を育成させる単結晶育成装置に関する。 The present invention relates to a single crystal growing apparatus for growing a single crystal rod by the Czochralski method.
図2に従来のチョクラルスキー法(CZ法)による単結晶育成装置の概略図を示す。従来の単結晶育成装置101では、原料融液103が充填されたルツボ104と、該ルツボ104を取り囲むように配置されたヒーター106を有する。このルツボ104中の原料融液103に種結晶を浸漬した後、原料融液103から棒状の単結晶105が引き上げられる。これらはメインチャンバー102内に格納されている。また、単結晶育成装置101は、上部断熱材109、湯漏れ受皿110、底部断熱材111、内側壁断熱材112を有することができる。
FIG. 2 shows a schematic diagram of a conventional single crystal growth apparatus using the Czochralski method (CZ method). A conventional single
ヒーター106からの熱が直接メインチャンバー102に伝わると、熱的なロスが甚大な上、メインチャンバー102も痛んでしまうので、一般的にはメインチャンバー102とヒーター106の間には熱を遮るシールド116が配置される。このシールド116は熱ロス低減が目的であるので、高温での使用が可能であり、断熱特性に優れた炭素繊維断熱材(ヒートシールド108)が用いられることが多い。
When the heat from the
しかし、炭素繊維断熱材からなるヒートシールド108は、シリコン蒸気を含む雰囲気では珪化されて表面が脆くなってしまう。もちろん炭素繊維断熱材からなるヒートシールド108の表面をコーティングなどして珪化を抑制する方法はあるが、長時間の使用に耐えられるものではない。そこで少なくともヒートシールド108のヒーター106側、すなわち高温でシリコン蒸気を含む雰囲気側に、炭素材や炭素繊維複合材からなるインナーシールド107を備える構造を用いることが多い。炭素材や炭素繊維複合材からなるインナーシールド107は炭素繊維断熱材に比較すると緻密な構造を有しており、珪化耐性が優れているので長時間の使用が可能である。
However, the
このインナーシールド107は特許文献1や特許文献2に概略図が示されているが、図2に示した様に、湯漏れ受皿110上に配置された支持部材113等によって支えられている。これと同じ構造ではない場合でも、基本的には何らかの構造物(支持部材)を介して、メインチャンバー102等と接触している構造を有している。これらインナーシールド107及び支持部材113は一般的に炭素材や炭素繊維複合材から成っており、先に述べた様に緻密である。このため、インナーシールド107の熱伝導率は断熱材(ヒートシールド108、底部断熱材111、内側壁断熱材112等)に比べて2〜3桁高く、インナーシールド107はヒーター106から熱を受け取り、支持部材113を通してメインチャンバー102等へ熱を放出してしまうため、省電力・省エネルギーという面において問題がある構造であった。また、支持部材113という複雑な構造を用意する必要があり、部品点数が多くなるという問題もあった。
The
省電力・省エネルギーという目的とは異なるが特許文献3では、メインチャンバーに突起を形成しそれでヒートシールドを支持し、更にそのヒートシールドでインナーシールドを保持する方法が開示されている。この構造を用いてインナーシールドを保持すれば、熱ロスの低減を図ることが可能である。しかしこの構造はメインチャンバーの改造を要するなど簡便でない。またこの構造ではルツボより高い位置でインナーシールドをヒートシールドにより支える構造となっている。インナーシールドは比重が重く、ヒートシールドは低密度の炭素繊維材であるため、重量負荷により断熱材(ヒートシールド)が変形・破損し、炭素繊維材のゴミが発生する可能性が高い。ルツボより高い位置で発生したゴミは、ルツボ内に落下する可能性が高く、ゴミがあると育成中の結晶が有転位化してしまい単結晶化が難しくなるという問題点がある。
Although different from the purpose of power saving and energy saving,
一方で、特許文献4ではインナーシールドと支持部材との間を棒状の部材で支える技術が開示されている。これにより熱の経路を遮断し、熱ロスの低減を図っている。これは省電力・省エネルギーという観点から効果的な方法である。しかし、棒状部材にはインナーシールドを固定する部分に剪断する方向の応力が掛かかる。これにより、この部分でインナーシールドの全重量を支えることとなるため、応力が集中して固定部が壊れやすいという問題がある。また従来法と同様に、インナーシールドを支えるため炭素材からなる支持部材が必要となる構造のため、複雑で部品点数も多くなるという問題があった。
On the other hand,
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、インナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができる単結晶育成装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a single crystal growth apparatus that can reduce power loss while holding an inner shield to save power.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、原料融液を収容するルツボと、該ルツボを取り囲むように配置されたヒーターと、該ヒーターを取り囲むように配置されたシールドとを格納するメインチャンバーを有するチョクラルスキー法による単結晶育成装置であって、
前記シールドは、炭素繊維断熱材からなるヒートシールドと、少なくとも該ヒートシールドの前記ヒーター側に炭素材又は炭素繊維複合材からなるインナーシールドとを有するものであり、
前記インナーシールドは、支持部材によって前記メインチャンバーの天井から吊るされたものであることを特徴とする単結晶育成装置を提供する。
The present invention has been made in order to solve the above-described problem, and includes a crucible for containing a raw material melt, a heater disposed so as to surround the crucible, and a shield disposed so as to surround the heater. A Czochralski method for growing a single crystal having a main chamber for storing
The shield has a heat shield made of a carbon fiber heat insulating material, and an inner shield made of a carbon material or a carbon fiber composite material at least on the heater side of the heat shield,
The inner shield is hung from a ceiling of the main chamber by a support member.
このような支持部材であれば、インナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができる単結晶育成装置となる。特に、このような支持部材はインナーシールドを支えても壊れにくく、また単純な構造で部品点数も少なくてすむ。 With such a support member, the single crystal growth apparatus can reduce power loss while holding the inner shield and can save power. In particular, such a supporting member is not easily broken even when the inner shield is supported, and the number of parts can be reduced with a simple structure.
また、前記支持部材は、ワイヤー形状又は棒状であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the said supporting member is a wire shape or a rod shape.
このような形状であれば、支持部材からの熱の伝導経路をより細く限定することができ、またインナーシールドを吊すのにより適した支持部材となる。 With such a shape, the heat conduction path from the support member can be more narrowly limited, and the support member is more suitable for hanging the inner shield.
さらに、前記支持部材がワイヤー形状の場合は、インナーシールド上端部に設けられた穴、又は、インナーシールド上端部にねじ込み式若しくは接着式によって固定されたアイボルトを通じてインナーシールドを吊るすものであることが好ましく、前記支持部材が棒状の場合は、インナーシールド上端部に設けられた穴にねじ込み式又は接着式によって直接インナーシールドを吊るすものであることが好ましい。 Further, when the support member is in the shape of a wire, it is preferable that the inner shield is suspended through a hole provided in the upper end portion of the inner shield, or an eyebolt fixed to the upper end portion of the inner shield by screwing or bonding. In the case where the support member is rod-shaped, it is preferable that the inner shield is directly hung in a hole provided in the upper end portion of the inner shield by screwing or bonding.
このような構造にすれば、支持部材の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上するものとなる。 With such a structure, workability is improved even when the support member is attached or detached.
また、前記ヒートシールド及び前記インナーシールドの上部に更に上部断熱材が配されたものであり、
前記支持部材は、シールド上部に配された上部断熱材に形成される貫通孔または切り欠きを通るものであることが好ましい。
Moreover, an upper heat insulating material is further disposed on the heat shield and the inner shield.
It is preferable that the support member pass through a through hole or a notch formed in the upper heat insulating material disposed on the upper part of the shield.
このように上部断熱材を有し、その貫通孔または切り欠きの中を支持部材が通るように設計することで、より熱ロスを低減して省電力化を図ることが可能である。 Thus, it has an upper heat insulating material, and it is possible to aim at a power saving by reducing a heat loss more by designing so that a support member may pass through the through-hole or notch.
さらに、前記支持部材は、高融点金属又は炭素繊維材からなるものであることが好ましい。また、前記高融点金属は、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、又はTi(チタン)であることが好ましい。 Furthermore, the support member is preferably made of a refractory metal or a carbon fiber material. The refractory metal is preferably Mo (molybdenum), W (tungsten), or Ti (titanium).
このような材質であれば、高温で安定であり、更に取扱中に破壊されてしまう心配の少ないものとなる。 Such a material is stable at a high temperature and is less likely to be destroyed during handling.
また、前記シールドは、底部に突起部を有するインナーシールドと、該インナーシールドの突起部により保持されたヒートシールドとを有するものであることが好ましい。 The shield preferably includes an inner shield having a protrusion at the bottom and a heat shield held by the protrusion of the inner shield.
このような構造にすれば、ヒートシールドとインナーシールドとを一体物として取り扱うことが可能となり、部品の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上する。 With such a structure, it becomes possible to handle the heat shield and the inner shield as an integrated object, and workability is improved even when components are attached or detached.
以上説明したように、本発明の単結晶育成装置であれば、インナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができるものとなる。また、上記のような支持部材はインナーシールドを吊り下げても壊れにくく、また単純な構造で部品点数も少なくてすむものとなるので低コストであり、さらに、取り付けや取り外しの際の作業性も向上させることができるものとなる。 As described above, with the single crystal growth apparatus of the present invention, heat loss can be achieved by reducing heat loss while holding the inner shield. In addition, the support member as described above is not easily broken even when the inner shield is suspended, and it has a simple structure and requires a small number of parts. It can be improved.
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited thereto.
本発明者らはインナーシールドを保持しながら熱ロスを低減して省電力化を図ることができる単結晶育成装置について鋭意検討を重ねた結果、インナーシールドを支持部材によってメインチャンバーの天井から吊すことで熱ロスを低減して省電力化を図ることができることを見出し、また、このような支持部材であれば簡単な構造であり応力集中により壊れること等を回避できることを見出して、本発明を完成させた。以下、図を参照して本発明をより詳細に説明する。 As a result of intensive studies on a single crystal growth apparatus that can reduce heat loss and save power while holding the inner shield, the inventors suspended the inner shield from the ceiling of the main chamber by a support member. And found that it is possible to save power by reducing heat loss, and found that such a support member has a simple structure and can be prevented from being broken due to stress concentration, thereby completing the present invention. I let you. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
図1は本発明の単結晶育成装置の一例を示す図である。図1に示すように、本発明のCZ法単結晶育成装置1の基本的な構造は、メインチャンバー2内に原料融液3を収容するルツボ4と、そのルツボ4を取り囲むように配置された原料融液3を加熱するためのヒーター6と、そのヒーター6を取り囲むように配置された熱ロスを低減するためのシールド16とを格納するものである。更に、この単結晶育成装置1は、シールド16を構成するヒートシールド8及びインナーシールド7の上部に配された上部断熱材9、メインチャンバー2の底部に配置された湯漏れ受皿10、湯漏れ受皿10の底部に配置された底部断熱材11、湯漏れ受皿10に配置された内側壁断熱材12等を有していてもよい。このルツボ4中の原料融液3に種結晶を浸漬した後、原料融液3から棒状の単結晶5が引き上げられる。
FIG. 1 is a diagram showing an example of a single crystal growth apparatus of the present invention. As shown in FIG. 1, the basic structure of the CZ method single
本発明におけるシールド16は、熱ロスを抑制する炭素繊維断熱材からなるヒートシールド8と、少なくとも該ヒートシールド8のヒーター6側に断熱材の劣化を抑制するための炭素材又は炭素繊維複合材からなるインナーシールド7とを有するものである。
The
このインナーシールド7は、支持部材14によってメインチャンバー2の天井から吊されたものである。インナーシールド7はヒーター6の周囲に配されており、ヒーター6の近傍がインナーシールド7内で最も高温部分となる。この高温部分が断熱材以外の高熱伝導部材と接触すると、熱ロスが大きくなってしまう。そこでインナーシールド7を支持部材14で吊す構造とすることで熱の伝導経路が支持部材14のみに限定され、熱ロス低減可能な構造を実現することができる。特に、熱の伝導経路を細く限定するには、支持部材がワイヤー形状又は棒状であることが好ましい。具体的な実施形態を図1及び図3に示した。
The
支持部材14の材質としては、特に限られることなく、高温で安定なものが好ましく適用可能である。特に、高融点金属または炭素繊維複合材からなる支持部材14が好ましく、このような材質であれば高温で安定であり、更に取扱中に破壊されてしまう心配が少ない。また、このような高融点金属としてはMo、W、又はTiが好ましい。より好ましい材質は、熱伝導率が低くて高温で安定な材質である。その点では、ガラス材等も壊れやすい点を除けば適用することができる。熱伝導率が低く高温で安定な材質であればここで示した材質に限らず用いることが可能である。なお、図3では3本のワイヤー形状又は棒状の支持部材14の例を描いているが、本数及び形状はこれに限るものではない。
The material of the
支持部材14がワイヤー形状の場合は、インナーシールド7上端部に設けられた穴17、又は、インナーシールド7上端部にねじ込み式若しくは接着式によって固定されたアイボルトを通じてインナーシールド7を吊るすものであることが好ましく、支持部材14が棒状の場合は、インナーシールド7上端部に設けられた穴17にねじ込み式又は接着式によって直接インナーシールド7を吊るすものであることが好ましい。このような構造にすれば、支持部材14の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上するものとなる。
When the
さらに、上述した支持部材14を断熱材で遮蔽することでより熱ロスの低減を図ることができる。具体的には、ヒートシールド8及びインナーシールド7の上部に更に上部断熱材9が配された場合には、支持部材14が、図4及び図5に示すような、上部断熱材9に形成された貫通孔9a(図4)または切り欠き9b(図5)を通るものであることが好ましい。このように設計することでより熱ロスを低減することが可能である。
Furthermore, heat loss can be further reduced by shielding the
例えば、インナーシールド7の内径がシールド16の上部断熱材9の内径より大きい場合であれば、図4に示したような貫通孔9aを有する上部断熱材9を用いることが好ましい。またインナーシールド7の内径が上部断熱材9の内径と同等であれば、図5に示したような切り欠き9bを有する上部断熱材9を用いることが好ましい。
For example, if the inner diameter of the
また、図1に示したように、例えばインナーシールド7の底部にツバ状の突起部15を設け、ヒートシールド8の下部をこの突起で受ける構造とすることによって、ヒートシールド8をインナーシールド7で保持することが可能である。このような構造にすれば、ヒートシールド8とインナーシールド7とを一体物として取り扱うことが可能となり、部品の取り付けや取り外しの際にも作業性が向上する。
Further, as shown in FIG. 1, for example, a flange-
なお、本発明における支持部材14の形状は、インナーシールド7をメインチャンバー2の天井から吊すものであれば特に制限はされない。このような形状であれば支持部材14からの熱ロスを抑えることができ、また支持部材14の局所に応力が集中しにくく壊れにくい形状となる。このような形状としては、例えば図1、図3に示すようにメインチャンバー2の天井から垂直にインナーシールド7を吊す形状が挙げられる。なお、支持部材14がワイヤー形状又は棒状である場合の本数(2本から約100本)、形状(丸棒状、多角柱状等)、及び太さはインナーシールド7の重量や材質、及び支持部材14からの熱ロス等を考慮して適宜選択することができる。
The shape of the
以下、本発明の実施例および比較例を挙げてさらに詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although the Example and comparative example of this invention are given and demonstrated further in detail, this invention is not limited to the following Example.
〔実施例〕
炭素材からなるインナーシールドを図3に示したようなタングステンワイヤー3本からなる支持部材で吊るし、ヒートシールド及びインナーシールドの上部に更に上部断熱材を配して切り欠きを設けて図5に示したような形状とし、この切り欠きに上記支持部材を通した他は図1のような単結晶育成装置を準備した。このとき、タングステンワイヤーの直径を3.5mmとし、インナーシールドの厚さは10mmとした。
〔Example〕
The inner shield made of carbon material is hung by a support member made of three tungsten wires as shown in FIG. 3, and an upper heat insulating material is further arranged on the upper part of the heat shield and the inner shield to provide a notch as shown in FIG. A single crystal growing apparatus as shown in FIG. 1 was prepared except that the support member was passed through the notch. At this time, the diameter of the tungsten wire was 3.5 mm, and the thickness of the inner shield was 10 mm.
この単結晶育成装置内のホットゾーン(HZ)に直径81cm(32インチ)のルツボに原料融液を収容し、磁場印加チョクラルスキー法(MCZ法)により直径30cm(12インチ)のシリコン単結晶を育成した。より詳細には、ルツボ中の原料融液に種結晶を浸漬した後、溶融液から棒状の単結晶を引き上げながら、結晶成長軸方向に昇降可能なルツボを結晶成長中に結晶化して減少した融液の液面下降分を補うように上昇させ、融液表面の高さを一定に保ちながら単結晶の成長を行った。 The raw material melt is accommodated in a crucible having a diameter of 81 cm (32 inches) in a hot zone (HZ) in this single crystal growth apparatus, and a silicon single crystal having a diameter of 30 cm (12 inches) is obtained by a magnetic field application Czochralski method (MCZ method). Nurtured. More specifically, after the seed crystal is immersed in the raw material melt in the crucible, the crucible that can be moved up and down in the direction of the crystal growth axis is crystallized during crystal growth while pulling up the rod-shaped single crystal from the melt. A single crystal was grown while keeping the height of the melt surface constant to raise the liquid level to compensate for the liquid level drop.
この単結晶育成装置を用いて問題なく結晶を育成することができた。この単結晶育成装置はインナーシールドを吊す支持部材からの熱ロスを抑制することができ、更にヒートシールド及びインナーシールドの上部に配された断熱材の切り欠きを通る支持部材からの熱ロスを一層小さいものとすることができたので、下記比較例と比較して約8%の省電力を達成することができた。 Using this single crystal growing apparatus, it was possible to grow crystals without problems. This single crystal growing apparatus can suppress heat loss from the support member that suspends the inner shield, and further reduce heat loss from the support member that passes through the heat shield and the notch of the heat insulating material disposed on the upper part of the inner shield. Since it was able to be made small, about 8% of power saving was able to be achieved compared with the following comparative example.
〔比較例〕
図2に示したように支持部材で炭素材からなるインナーシールドを下から支える単結晶育成装置を準備した。このとき、インナーシールドは、図2に示したようにメインチャンバー底部に設置された炭素材で形成された湯漏れ受皿の上に、炭素材で形成された延長筒形状の支持部を載せ、その上に炭素繊維複合材で形成されたドーナツ形状の円盤によって保持する構造とした。また、このときインナーシールドの厚さは10mm、支持部材の厚さは15mmとした。
[Comparative Example]
As shown in FIG. 2, a single crystal growth apparatus for supporting an inner shield made of a carbon material from below with a support member was prepared. At this time, as shown in FIG. 2, the inner shield is placed on a hot water leak receiving tray made of carbon material installed at the bottom of the main chamber, and an extended cylindrical support portion made of carbon material is placed on the inner shield. It was made the structure hold | maintained by the donut-shaped disk formed with the carbon fiber composite material on the top. At this time, the thickness of the inner shield was 10 mm, and the thickness of the support member was 15 mm.
この単結晶育成装置内のホットゾーン(HZ)に直径81cm(32インチ)のルツボを装備して、実施例と同様に磁場印加チョクラルスキー法(MCZ法)により直径30cm(12インチ)のシリコン単結晶を育成した。 Equipped with a crucible with a diameter of 81 cm (32 inches) in the hot zone (HZ) in this single crystal growth apparatus, and with a magnetic field application Czochralski method (MCZ method), silicon with a diameter of 30 cm (12 inches) as in the examples. Single crystals were grown.
この単結晶育成装置を用いた場合にも問題なく結晶を育成することができた。しかし、インナーシールドからの熱ロスが大きく省電力を達成することができなかった。 Even when this single crystal growing apparatus was used, crystals could be grown without any problem. However, the heat loss from the inner shield was so great that power saving could not be achieved.
ここではシリコン単結晶育成を例に説明を行ったが、本発明はシリコン単結晶の製造に用いられる単結晶育成装置に限られるものではなく、化合物半導体や酸化物単結晶などのCZ法を用いた単結晶育成装置に適用可能である。 Here, silicon single crystal growth has been described as an example, but the present invention is not limited to a single crystal growth apparatus used for manufacturing a silicon single crystal, and uses a CZ method such as a compound semiconductor or an oxide single crystal. The present invention can be applied to a single crystal growing apparatus.
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。 The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.
1…単結晶育成装置、 2…メインチャンバー、 3…原料融液、 4…ルツボ、 5…単結晶、 6…ヒーター、 7…インナーシールド、 8…ヒートシールド、 9…上部断熱材、 9a…貫通孔、 9b…切り欠き、 10…湯漏れ受皿、 11…底部断熱材、 12…内側壁断熱材、 14…支持部材、 15…突起部、 16…シールド、 17…穴、 101…単結晶育成装置、 102…メインチャンバー、 103…原料融液、 104…ルツボ、 105…単結晶、 106…ヒーター、 107…インナーシールド、 108…ヒートシールド、 109…上部断熱材、 110…湯漏れ受皿、 111…底部断熱材、 112…内側壁断熱材、 113…支持部材、 116…シールド
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記シールドは、炭素繊維断熱材からなるヒートシールドと、該ヒートシールドの前記ヒーター側に炭素材又は炭素繊維複合材からなるインナーシールドとを有するものであり、
前記インナーシールドは、支持部材によって前記メインチャンバーの天井から吊るされたものであることを特徴とする単結晶育成装置。 A Czochralski method single crystal growth apparatus having a main chamber for storing a crucible containing a raw material melt, a heater arranged so as to surround the crucible, and a shield arranged so as to surround the heater. And
The shield has a heat shield made of a carbon fiber heat insulating material, and an inner shield made of a carbon material or a carbon fiber composite material on the heater side of the heat shield,
The single crystal growth apparatus, wherein the inner shield is suspended from the ceiling of the main chamber by a support member.
前記支持部材が棒状の場合は、前記インナーシールド上端部に設けられた穴にねじ込み式又は接着式によって直接前記インナーシールドを吊るすものであることを特徴とする請求項2に記載の単結晶育成装置。 When the support member is in a wire shape, the inner shield is suspended through a hole provided in the upper end portion of the inner shield, or an eyebolt fixed to the upper end portion of the inner shield by screwing or bonding.
3. The single crystal growth apparatus according to claim 2, wherein, when the support member is rod-shaped, the inner shield is directly hung by a screwing type or an adhesive type in a hole provided in an upper end portion of the inner shield. .
前記支持部材は、前記シールド上部に配された断熱材に形成される貫通孔または切り欠きを通るものであることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の単結晶育成装置。 An upper heat insulating material is further disposed on top of the heat shield and the inner shield,
4. The single crystal according to claim 1, wherein the support member passes through a through hole or a notch formed in a heat insulating material disposed on the shield upper part. 5. Training device.
The said shield has the said inner shield which has a projection part in a bottom part, and the said heat shield hold | maintained by the projection part of this inner shield, The any one of Claim 1 thru | or 6 characterized by the above-mentioned. The single crystal growing apparatus according to item.
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