JP4894749B2 - 単結晶シリコン製造装置 - Google Patents

Description

本発明は単結晶シリコン製造装置に係り、特にＦＺ法により多結晶シリコン棒を溶融しながら単結晶に成長させる単結晶シリコン製造装置に関する。

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、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（素材ホルダー）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。

また、多結晶ホルダーは、多結晶シリコン棒を吊り下げ状態に保持する下端部と、上部駆動軸に連結された上端部とを有しているとともに、種結晶ホルダーは、種結晶を上向き姿勢に保持する上端部と、下部駆動軸に連結された下端部とを有しており、これら両ホルダーは、種結晶ホルダーにより保持した種結晶の鉛直上方に多結晶シリコン棒が配置されるように同一軸線上に配置されている。そして、これら上部駆動軸及び下部駆動軸はそれぞれ昇降駆動及び回転駆動されるようになっている。
特開平７−１０６８１号公報

ところで、これら多結晶シリコン棒と種結晶とは正確に同一軸線上に配置する必要があるが、種結晶は、溶融状態の多結晶シリコン棒の下端部に融着する際に高速で回転させられ、そのときに種結晶ホルダーとの間でスリップ等が生じないように、止めネジによって強固に固定される。この場合、止めネジは種結晶ホルダーの軸線と直交する方向に設けられるため、種結晶を径方向に押圧することになり、その際に種結晶が収納孔の軸線からずれ易く、このため、この種結晶の固定と多結晶シリコン棒との芯合わせとの微妙な調整作業が必要になる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、種結晶を多結晶シリコン棒と正確に芯合わせした状態に簡単に保持することができる単結晶シリコン製造装置の提供を目的とする。

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と、多結晶ホルダーに保持した多結晶シリコン棒とを対向して配置し、その多結晶シリコン棒を加熱溶融しながら種結晶に融着させ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、前記種結晶ホルダーは、種結晶の一端部を直立姿勢で保持する収納孔が形成されるとともに、該収納孔に収納した種結晶の一端部を固定する止めネジが収納孔の軸線に直交して設けられ、前記収納孔の内周面は、その開口に向けて漸次拡径するテーパ面とされていることを特徴とする。

すなわち、種結晶ホルダーの収納孔の内周面をテーパ面として、そのテーパ面で種結晶を保持するようにしたものである。ストレートの収納孔であると、種結晶を収納して止めネジで止めると、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。また、種結晶を回転させる際にも、種結晶が全周でテーパ面に保持されるのでスリップし難くなる。

本発明の単結晶シリコン製造装置において、前記テーパ面は、収納孔の軸線となす角度が１０〜２５°に設定されていることを特徴とする。テーパ面をこの角度範囲に形成することにより、種結晶を直立姿勢に安定して保持することができるとともに、回転時にも適度な摩擦力を付与することができる。

また、本発明の単結晶シリコン製造装置において、前記テーパ面の面粗さは、平均粗さ（Ｒａ）で１０〜２００μｍとされていることを特徴とする。つまり、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。

本発明の単結晶シリコン製造装置によれば、種結晶ホルダーの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、多結晶シリコン棒との芯合わせ作業が容易になる。また、種結晶を回転させる際にも、種結晶の全周でテーパ面に保持されるのでスリップし難くなる。したがって、種結晶を直立姿勢に安定して保持することができ、高品質の単結晶シリコンを製造することができる。

以下、本発明に係る単結晶シリコン製造装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。

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。

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に示すように全体としてリング状に形成されており、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、ハウジング１の上壁１Ａに回転及び昇降可能に支持されているとともに、その上端部にレバー等の操作手段１１Ａが設けられており、この操作手段１１Ａ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を若干上下移動させるとともに、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と、その間から側方に離間した退避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。

一方、種結晶ホルダー７は、タンタル（Ｔａ）により、図２及び図３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２１に向けて漸次拡径する円錐形状の上部収納孔２２が形成され、その下端部には、ストレートの円柱状の下部収納孔２３が形成されている。これら収納孔２２，２３は、同一軸線Ｃ₁上に配置され、その上部収納孔２２に種結晶６が収納され、下部収納孔２３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２４が収納されるようになっている。

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端部６ａと下端部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２４はストレートの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２４の上に取り付け、上部収納孔２２に種結晶６の下端部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Ｃ_２を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Ｃ_３と同一線上に配置することができるようになっている。

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２５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２５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２２及び下部収納孔２３に連通している。そして、上部収納孔２２に収納した種結晶６を上部のネジ孔２５から止めネジ２６をねじ込むことによって固定し、下部収納孔２３に収納した支持部材２４を下部のネジ孔２５に止めネジ２６をねじ込むことによって固定する構成である。

そして、種結晶ホルダー７の上部収納孔２２の内周面を形成しているテーパ面２２ａは、この上部収納孔２２の軸線Ｃ_１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２２ａの角度が２５°より大きいと、種結晶６の姿勢が安定せずに、いわゆる「座りが悪い」状態となるともに、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１７〜１８°の角度とされる。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を保持することができ、その姿勢を正確に維持することができる。

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２７が形成されている。これら凹部２７は、種結晶ホルダー７を支持部材２４に固定したり収納孔２２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２７ａが径方向と平行に形成されている。

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、その順序に従って説明する。
（１）種結晶ホルダー７に種結晶６を取り付けるとともに、吊り具４を試料となる多結晶シリコン棒Ｓ１に取り付けることにより、該多結晶シリコン棒Ｓ１を多結晶ホルダー５に支持させる。このとき、種結晶ホルダー７には、その上部収納孔２２に種結晶６の下端部６ｂを挿し込むことにより、この上部収納孔２２のテーパ面２２ａが種結晶６の外周面に接触して、自動的に芯合わせされ、その収納状態で止めネジ２６によって固定することにより、その芯合わせ状態に保持される。
（２）このようにして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）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、不活性ガスを充満させる。

（５）高周波誘導加熱コイル８を駆動することで、発熱リング９を発熱させ、その輻射熱によって多結晶シリコン棒の予熱を行う。この予熱は発熱リング９が赤くなるのを確認するまで行う。
（６）上部駆動軸２を上昇して、多結晶シリコン棒Ｓ１を種結晶６から離間させ、これにより多結晶シリコン棒Ｓ１と種結晶６との間にできた隙間から発熱リング９を移動させて、ハウジング１の側壁１Ｃの近傍位置（退避位置）に退避させる。その後、上部駆動軸２を降下し、多結晶シリコン棒Ｓ１を高周波誘導加熱コイル８の付近まで降下させる。

（７） 高周波誘導加熱コイル８の出力を上げて多結晶シリコン棒Ｓ１の先端部を溶融させる。
（８）下部駆動軸３を上昇して、種結晶６を多結晶シリコン棒Ｓ１に近づける。多結晶シリコン棒Ｓ１の先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の熱を種結晶６に伝達して種結晶６を溶融する。
（９）下部駆動軸３を回転駆動して種結晶６を高速で回転させる。
（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の溶融部分を、高周波誘導加熱コイル８に対して上下方向に相対移動させ、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、高周波誘導加熱コイル８の駆動を停止する。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。

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２２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２２のテーパ面２２ａに全周にわたって接触して両者の軸線Ｃ_１，Ｃ_２を正確に一致させることができ、これにより、種結晶６の軸線Ｃ_２と、その上方に配置される多結晶シリコン棒の軸線Ｃ_３とが正確に一致させられる。つまり、種結晶６を収納孔２２に挿し込むだけで、これらの軸線Ｃ_１，Ｃ_２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Ｃ_３とも一致するように芯合わせを行うことができ、種結晶６を取り付ける際の作業時間を大幅に短縮することができる。そして、この収納状態で止めネジ２６を固定することにより、種結晶６はテーパ面２２ａによって全周を保持されているので、止めネジ２６の押圧力によって左右に動くことがなく、その芯合わせ状態に確実に固定することができる。

そして、単結晶シリコンの育成作業中に種結晶６を回転させることがあるが、その際も収納孔２２のテーパ面２２ａ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、その芯合わせ状態を確実に維持することができ、したがって、高品質の単結晶シリコンを製造することができるものである。

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、一実施形態の種結晶ホルダー７では、上部収納孔２２を開口まで連続するテーパ面２２ａ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、開口付近はストレートの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。

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２の種結晶ホルダーの外観を示す斜視図である。

符号の説明

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（一端部）
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
１０ 支持棒
１１ 支持シャフト
１１Ａ 操作手段
２１ 開口
２２ 上部収納孔（収納孔）
２２ａ テーパ面
２３ 下部収納孔
２４ 支持部材
２５ ネジ孔
２６ 止めネジ
Ｓ１ 多結晶シリコン棒

Claims (3)

1. ハウジング内に、種結晶ホルダーに保持した種結晶と、多結晶ホルダーに保持した多結晶シリコン棒とを対向して配置し、その多結晶シリコン棒を加熱溶融しながら種結晶に融着させ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、
   前記種結晶ホルダーは、種結晶の一端部を直立姿勢で保持する収納孔が形成されるとともに、該収納孔に収納した種結晶の一端部を固定する止めネジが収納孔の軸線に直交して設けられ、
   前記収納孔の内周面は、その開口に向けて漸次拡径するテーパ面とされていることを特徴とする単結晶シリコン製造装置。
2. 前記テーパ面は、収納孔の軸線となす角度が１０〜２５°に設定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。
3. 前記テーパ面の面粗さは、平均粗さ（Ｒａ）で１０〜２００μｍと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。

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