JP3603971B2

JP3603971B2 - 導電性パイプの製造方法

Info

Publication number: JP3603971B2
Application number: JP06467995A
Authority: JP
Inventors: 恭二郎金子
Original assignee: 住友チタニウム株式会社
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2019-12-22
Also published as: JPH08229924A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、シリコン等の導電性材料からなるパイプの製造方法に関し、更に詳しくは電磁鋳造による導電性パイプの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ディバイスの製造分野では、シリコンウエハを熱処理する際の容器として、汚染の少ない非金属パイプが用いられている。この非金属パイプとして代表的なものはＳｉＯ_２パイプであり、他には焼結により成形し内面にＳｉＮをコーティングしたＳｉＣパイプも用いられている。また最近ではシリコンパイプも使用され始めた。シリコンパイプの製造方法としては、中実材をダイヤモンドカッターにより中ぐりする機械加工法が実用されており、研究段階ではあるがＣＶＤ法による化学的な製造方法も知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
これら熱処理用の非金属パイプのうち、ＳｉＯ_２パイプはそれ自体のコストが安いことから最も多く使用されているが、１０００〜１１００℃に変態点があり、熱処理での加熱・冷却毎にこの変態が繰り返されるため、その使用寿命は非常に短い。熱処理用のパイプが使用限界に達すると、そのパイプを変換するわけであるが、そのときライン全体のフラッシュが必要となるため、１回の変換に要するコストが嵩み、頻繁な変換が必要なことを考え併せると、総合的な経済性はパイプ単価から期待されるほど良好とは言えない。
【０００４】
これに加えて、ＳｉＯ_２パイプにはウエハ汚染の問題がある。一方、ＳｉＣパイプはＳｉＯ_２パイプより使用寿命が長いとされているが、焼結にバインダーを使用しなければならないため、汚染の問題はＳｉＣパイプの方が大きい。
【０００５】
このような事情から最近になって高純度シリコンパイプが注目され始めた。シリコンパイプはウエハと同材質であることから、熱処理での変態点通過による機械的性質の劣化がなく、また高純度でありさえすれば汚染の心配もない。しかし、現在ディバイスメーカーに提供されているシリコンパイプの単価は余りにも高い。それは、その製造に穴ぐり加工が用いられ、加工費が嵩むためである。この加工費は製品価格の約８０％を占めるとされており、穴ぐりによる材料ロスが多いこととあいまって、製品価格を著しく高めるのである。
【０００６】
それでも一部ではシリコンパイプが使われ始めている。それは、シリコンパイプの使用寿命が長く、ライン全体をフラッシュする頻度が著しく低下するためと、汚染の問題を解決できるためである。特に、半導体ディバイスの集積度が高まるにつれ、汚染の防止は不可欠な課題になっており、ディバイスメーカーからは安価な高純度シリコンパイプの提供が強く要望されている。
【０００７】
なお、ＣＶＤ法による化学的なシリコンパイプの製造方法は、析出成長を用いるため組織構造が極端に脆弱となり、仕上げのための機械加工や熱処理で簡単に割れてしまうので、実用化の域には達していない。
【０００８】
本発明の目的は、高純度で強靱なシリコンパイプを安価に製造することができる導電性パイプの製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の方法は、軸方向の少なくとも一部が周方向に複数分割された導電性の円筒体からなる２つの異径の無底るつぼを、半径方向に間隔をあけて同心状に組み合わせると共に、その内側および外側に誘導コイルを配置し、２つの無底るつぼの間に形成された環状の隙間に投入される導電性の原料を、２つの誘導コイルを用いた電磁誘導により内側および外側から加熱して、２つの無底るつぼの対向面に対して非接触の状態で溶解し、その溶湯を環状の隙間から徐々に引き抜いて凝固させることによりパイプとなすものである。
【００１０】
【作用】
本発明の方法では、原料からパイプが電磁鋳造により直接製造されるので、穴ぐり加工が不要になる。製造されるパイプは、鋳造空間を形成する２つの無底るつぼに対して非接触であるため、鋳造時の汚染が少なく、高純度となる。また、鋳造組織であるため、析出成長パイプより格段に強靱となる。従って、シリコンパイプについても高純度で強靱なものが安価に製造される。
【００１１】
【実施例】
以下に本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本発明の方法を実施するのに適したパイプ鋳造装置の概要を示す断面図、図２は実施例で用いた鋳造部の詳細を示す斜視図、図３はパイプ鋳造の概要を示す斜視図、図４は誘導電流の方向を示す平面図、図５は被加熱材の半径方向における電流分布を示すグラフである。
【００１３】
本鋳造装置は、図１に示すように、分割組立式の気密容器１を具備し、その中で粒塊状の高純度シリコン１７を原料として方向性凝固組織を有するシリコンパイプ１８を製造する。
【００１４】
気密容器１は上面に原料装入口２を有し、側面に真空引きのため排気口３とアルゴン供給のための給気口４とを有する。気密容器１内には、内外径が異なる２つの無底るつぼ６ａ，６ｂが、中心軸を鉛直方向に向けて配置されている。無底るつぼ６ａ，６ｂは、図２および図３に示すように、銅等の導電性材料からなる円筒体であって、半径方向に所定の間隔をあけて同心状に組み合わされ、いずれも最上部を残して周方向に複数分割されている。
【００１５】
外側に位置する大径の無底るつぼ６ａの外側には、中心軸を鉛直方向に向けた大径の誘導コイル７ａが、無底るつぼ６ａに対して同心状に配置されている。また、内側に位置する小径の無底るつぼ６ｂの内側には、中心軸を鉛直方向に向けた小径の誘導コイル７ｂが、無底るつぼ６ａに対して同心状に配置されている。誘導コイル７ａ，７ｂは、２つの無底るつぼ６ａ，６ｂの分割部外側および内側に位置し、その分割部の軸方向一部を外側および内側から包囲している。
【００１６】
無底るつぼ６ａ，６ｂの下方には、円筒状の保温炉８と引抜きシャフト１２とが同心状に設けられている。保温炉８は、外側の無底るつぼ６ａとほぼ同じ内径のグラファイトからなる導電スリーブ９を有する。導電スリーブ９の上端部を除く部分は保温材１０により外側から覆われ、導電スリーブ９の上端部上側には誘導コイル１１が配置されている。引抜きシャフト１２は、シール機構１３を介して気密容器１内に下方から挿入され、上方にグラファイトからなる円筒状のダミーブロック１４を支持し、図示されない容器外の駆動装置により上下方向に昇降駆動される。ダミーブロック１４は保温炉８内を通って、無底るつぼ６ａ，６ｂの隙間に下方より挿入され得る。
【００１７】
一方、無底るつぼ６ａ，６ｂの上方には、その隙間に原料１７を装入するためのダクト１５と、隙間に装入された原料１７を予熱するためのグラファイトからなる昇温助材１６とが設けられている。なお、無底るつぼ６ａ，６ｂおよび誘導コイル７ａ，７ｂは、いずれも冷却のための通水孔を有する。
【００１８】
本鋳造装置を使用して高純度シリコンからなる内径２００ｍｍ、外径２５０ｍｍの方向性凝固パイプを製造した結果を以下に説明する。
【００１９】
無底るつぼ６ａ，６ｂおよび誘導コイル７ａ，７ｂの寸法は図２の通りである。無底るつぼ６ａ，６ｂの分割数は外側が３２、内側が２４とした。誘導コイル７ａ，７ｂの下端レベルは、無底るつぼ６ａ，６ｂの下端レベルより４０ｍｍ上方とした。また、無底るつぼ６ａ，６ｂの対向面は、パイプ１８の引抜きを容易にするため、下方に向かって間隔が徐々に増大するテーパー面とし、本実施例ではこのテーパーを０．５度とした。すなわち、無底るつぼ６ａ，６ｂの隙間は下方に向かって徐々に広がる幅広がりの空間である。
【００２０】
保温炉８の導電スリーブ９は、内径２６０ｍｍ、外径２９０ｍｍ、高さ７００ｍｍのグラファイトスリーブであり、外側の無底るつぼ６ａとの間に隙間が生じないように設置した。保温用の誘導コイル１１は、内径３００ｍｍ、外径３４０ｍｍの２ターンコイルであり、保温材１０としてはグラファイト綿を５０ｍｍの厚さに積層した。
【００２１】
ダミーブロック１４はグラファイトからなり、円筒部の寸法を内径２０１ｍｍ、外径２４９ｍｍ、高さ１５０ｍｍとした。
【００２２】
シリコンパイプの製造においては、まず、引抜きシャフト１２を上昇させ、ダミーブロック１４の上端から４０ｍｍの部分を無底るつぼ６ａ，６ｂの隙間に下方から挿入した。ダミーブロック１４の上には、内径２０５ｍｍ、外径２４５ｍｍ、高さ５０ｍｍに切り出した初期溶解用のシリコンリングを載せた。ダミーブロック１４の上端面には、シリコンリングの融着を防ぐため、部分的に窒化珪素の微粉末を塗布した。一方、無底るつぼ６ａ，６ｂの上からは、その隙間に昇温助材１６をシリコンリングの上方５ｍｍまで挿入した。昇温助材１６は、ここでは内径２１０ｍｍ、外径２４０ｍｍ、高さ２００ｍｍ、中心角１２０度の湾曲グラファイト板とした。
【００２３】
以上の準備が終了したのち、気密容器１内をアルゴンで満たすために、排気口３から気密容器１内を真空ポンプによって０．１Ｔｏｒｒ以下まで排気し、その後に給気口４からアルゴンを１気圧まで気密容器１内に流入させた。気密容器１が１気圧に満たされたのちも、アルゴンを流量約３０リットル／ｍｉｎで気密容器１内に流入させ、気密容器１内を１気圧に保持するために余剰のアルゴンを排気口３から気密容器１の外に排出させた。
【００２４】
気密容器１がアルゴン気体で満たされたのち、誘導電源の出力スイッチを入れて誘導コイル７ａ，７ｂに高周波を通電し、シリコンリングの誘導加熱および溶解を開始した。誘導周波数は後で詳しく説明するが、ここでは２０ｋＨｚとした。
【００２５】
誘導電源の出力が１００ｋＷ程度の段階で、グラファイト昇温助材１６の赤熱が始まり、しばらくするとシリコンリングも赤熱された。シリコンリングが赤熱状態になったのちにグラファイト昇温助材１６を２つの無底るつぼ６ａ，６ｂの間から上方に引抜き、誘導電源の出力を１８０ｋＷまで増大させた。誘導加熱されたシリコンリングは徐々に昇温され、やがてシリコンリングの外面側と内面側から溶解が始まり、ついにはシリコンリング全体が完全に溶解した。
【００２６】
このとき、２つの無底るつぼ６ａ，６ｂの間に形成されたシリコン溶湯１９には、図４に示すように、誘導コイル７ａ，７ｂに電流Ａ，Ｂが流れることにより、内外逆向きの表層電流ａ，ｂが誘導される。これらの誘導電流と、無底るつぼ６ａ，６ｂの対向表面層に流れる電流によって誘導される磁界との相互作用によって、シリコン溶湯１９は無底るつぼ６ａ，６ｂとは非接触の状態で安定的に保持される。
【００２７】
また、保温用の誘導コイル１１に通電を開始して、保温炉８を昇温させ、保温炉８の上端部の温度を約１０００℃に保持した。
【００２８】
シリコンリングが完全に溶解したのちに、原料装入ダクト１５からシリコン原料１７を２つの無底るつぼ６ａ，６ｂの間に装入し始めた。無底るつぼ６ａ，６ｂ間の溶湯深さが５０ｍｍになったときに、引抜きシャフト１２を気密容器１の外の駆動装置によって下降させた。
【００２９】
引抜きシャフト１２を下降させると、シリコン溶湯１９の下部は溶解用の１組の誘導コイル７ａ，７ｂの下端から引き抜かれ、引き抜かれた溶湯部分は誘導電力が減衰するために温度が下降して凝固が始まった。シリコン溶湯１９の上部では原料装入ダクト１５から装入されたシリコン原料１７が新たに溶解された。こうして、シリコンパイプ１８が連続的に鋳造された。
【００３０】
保温炉８では、その上端で温度約１０００℃に保たれているが、下端では温度約５００℃になって、温度が下方に向かって緩やかに下降し、この温度勾配により鋳固部の熱歪みが防止され、良好な方向性凝固組織が得られる。
【００３１】
シリコンパイプ１８の長さが７００ｍｍに達するまで鋳造を継続し、その後にシリコン原料１７の装入を停止した。シリコン原料１７の装入を停止したのち、引抜きシャフト１２の下降を継続しながら、同時に溶解用の誘導電源の出力を漸次減少させた。引抜きシャフト１２の下降にともなって、シリコン溶湯１９は溶解帯の下部から漸次凝固が進み、ついにはシリコンの全量が凝固した。
【００３２】
なおも、引抜きシャフト１２の下降を継続させながら凝固したシリコンパイプ１８を１組の無底るつぼ６ａ，６ｂ間から完全に引き抜き、シリコンパイプ１８を保温炉８の中で停止させた。溶解用の高周波電源の出力を停止するとともに保温用の高周波電源の出力を漸次減少させて、保温炉８の温度降下を緩慢に行なった。保温炉８の温度が室温まで降下したのち、気密容器１を解体してシリコンパイプ１８を取り出すことにより、方向性凝固組織を有する外径２５０ｍｍ、内径２００ｍｍ、長さ７００ｍｍの高純度鋳造シリコンパイプ１８が割れなしで製造された。
【００３３】
ところで本発明の方法では、図４に示した通り、無底るつぼ６ａ，６ｂの隙間に存在する導電性の材料が、誘導コイル７ａ，７ｂによる誘導電流ａ，ｂにより外面側および内面側から加熱される。ここで、外側の誘導コイル７ａによる誘導電流ａと内側の誘導コイル７ｂによる誘導電流ｂとは、図５に示すように、誘導周波数が低くなると材料の厚さ方向中央部で重合し、その重合部分では互いに打ち消し合うため加熱に寄与しなくなる。そして、誘導電流の浸透深さは誘導周波数と材料の導電率とによって決まり、材料の導電率が一定の場合は、誘導周波数が低くなるほど表皮効果が小さくなるため、加熱に寄与しない重合部分が増大する。
【００３４】
そのため本発明の方法では、誘導周波数を高くし、材料の内外表層部を加熱することが重要になる。具体的には、電流浸透深さが材料の厚さｔの半分の更に１／３以下になるよう、材料の導電率を考慮して誘導周波数を選択することが望まれる。ただし、電流浸透深さが極端に小さくなると周波数が極端に高くなり、高周波発振回路の制約からコイル端の電圧が高くなり、溶解時の放電が起きやすくなる。同時に、材料の表面層のみが加熱されるために、材料全体を昇温・加熱する効率が低下する。そのため、電流浸透深さの下限としては材料厚さｔの半分の１／１０以上が望ましい。上記実施例では材料がシリコンであることを考慮して、誘導周波数を２０ｋＨｚとし、電流浸透深さが材料厚さｔの半分の１／３以下となるようにした。
【００３５】
同様にして、外径２５０ｍｍ、内径２００ｍｍ、長さ７００ｍｍの高純度チタンパイプを製造することもできた。その場合、初期溶解用シリコンリング、ダミーブロックはチタン製のものに代えた。昇温助材および保温炉は不要であった。誘導電源出力はシリコンの場合より高い２２０ｋＷとし、誘導周波数はシリコンの場合と同じ２０ｋＨｚとした。また、他の導電性パイプの製造に本発明を適用できることは言うまでもない。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明の導電性パイプの製造方法は、外面側および内面側からの電磁誘導加熱による非接触鋳造により、高純度で強靱なシリコンパイプを経済的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法の実施に適したパイプ鋳造装置の概要を示す断面図である。
【図２】実施例で用いた鋳造部の詳細を示す斜視図である。
【図３】鋳造方法の概要を示す斜視図である。
【図４】電流の方向を示す平面図である。
【図５】被加熱材の半径方向における電流分布を示すグラフである。
【符号の説明】
１気密容器
６ａ，６ｂ無底るつぼ
７ａ，７ｂ誘導コイル
８保温材
１７原料
１８パイプ
１９溶湯

Claims

軸方向の少なくとも一部が周方向に複数分割された導電性の円筒体からなる２つの異径の無底るつぼを、半径方向に間隔をあけて同心状に組み合わせると共に、その内側および外側に誘導コイルを配置し、２つの無底るつぼの間に形成された環状の隙間に投入される導電性の原料を、２つの誘導コイルを用いた電磁誘導により内側および外側から加熱して、２つの無底るつぼの対向面に対して非接触の状態で溶解し、その溶湯を環状の隙間から徐々に引き抜いて凝固させることによりパイプとなすことを特徴とする導電性パイプの製造方法。
２つの誘導コイルによって無底るつぼ間の材料に生じる２種類の誘導電流の各浸透深さが、材料厚さの半分の１／３以下となるように、各誘導コイルにおける誘導周波数を選択することを特徴とする請求項１に記載の製造方法。