JPH09301709A - シリコン鋳造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 多結晶シリコンからなる薄い鋳造品を製造す
る場合の鋳造品および鋳型の割れを防止する。 【解決手段】 上部に加熱部２１を設け、下部に冷却部
２２を設けた凝固炉２０内で、鋳型４０を上部から下部
へ降下させることにより、鋳型４０内の溶融シリコン３
０を下部から上部へ一方向凝固させる。鋳型底部の冷却
速度が５℃／分以下となるように、鋳型４０の降下速度
を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多結晶シリコンの鋳
造方法に関し、更に詳しくはプラズマエッチング用シリ
コン電極、拡散処理用ウエーハボート等といった横幅に
比べて高さの低い偏平な多結晶シリコン製品の製造に適
したシリコン鋳造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体ディバイスの高集積度化に
伴い、プラズマエッチング用電極、拡散処理用ウエーハ
ボート等といった半導体治具にも多結晶シリコン製のも
のが多く使用されるようになった。これらの多結晶シリ
コン製品は、従来は大きなインゴットからの切り出し、
或いは気相析出により製造されたロッドからの切り出し
により製造されていた。しかし、全切削によるため歩留
りが悪く、シリコン原料のロスが多いという本質的な問
題があり、気相析出ロッドを用いる場合は、材料内部の
残留応力により加工時に割れやすいという問題もある。

【０００３】これらの問題を解決するために、最近は製
品に近い形状のものを直接鋳造することが行われている
が、多結晶シリコンの鋳造では凝固時にシリコンの体積
が増加するため、その増加分を逃がす必要がある。この
ため、一般には凝固炉内のヒーターを上下方向に分割し
た鋳造装置を用い、凝固炉内に配置された鋳型内のシリ
コンを、多段ヒーターの独立制御により下部から上部へ
一方向凝固させる方法が採用されている。また一部で
は、上部に加熱部、下部に冷却部を設けた凝固炉内で、
鋳型を上部から下部へ降下させることにより、鋳型内の
シリコンを下部から上部へ一方向凝固させる方法も用い
られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、鋳造品
がプラズマエッチング用シリコン電極、拡散処理用ウエ
ーハボート等といった横幅に比べて高さの低い偏平なも
のの場合、多段ヒーターの独立制御による一方向凝固で
は、本質的に鋳込み量が少ない上に、上下方向の長さが
短く、降温用ヒーターと昇温用ヒーターが接近して干渉
するため、鋳型内のシリコンの下部の冷却、上部の加熱
ともに不十分となる。その結果、上部が先に凝固して溶
融部分が鋳物内に閉じ込められ、その溶融部が後から凝
固する際の体積膨張により、鋳物および鋳型が破損する
などの問題があった。

【０００５】ここで、鋳造時の凝固炉内温度を下げる
と、鋳型内にシリコンを注ぎ込むと同時に、そのシリコ
ンは下部から上部へ凝固するが、内部応力が残留するた
め鋳造時やその後の加工時にクラックが入るなどの問題
が生じる。

【０００６】一方、鋳型を加熱部から冷却部へ引き出す
ことにより、鋳型内のシリコンを下部から上部へ一方向
凝固させる方法では、上面が十分加熱され、且つ温度勾
配が付きやすいために、上部が先に凝固することによる
破損は生じにくい。しかし、鋳造品が横幅に比べて高さ
の低い偏平なものの場合は、温度勾配が大きくなりす
ぎ、内部応力が残留しやすいため、鋳造時やその後の加
工時にクラックが入るなどの問題があった。

【０００７】鋳物形状を製品形状に近似させるために、
鋳型内に中子を設置する場合があるが、その中子が鋳型
の底部に取り付けられるため、鋳型を降下させて鋳型内
のシリコンを下部から冷却するときに、中子の放熱によ
る温度低下が顕著となる。そのため、中子が鋳型内のシ
リコンを貫通し、中子の上部がシリコンの上面より突出
する場合は、鋳型を加熱部から冷却部へ引き出す方法で
も、シリコンの上部が先に凝固し、溶融部分が鋳物内に
閉じ込められことにより、鋳物および鋳型が破損するな
どの問題があった。

【０００８】本発明の目的は、鋳造品が横幅に比べて高
さの低い偏平なものの場合も、凝固冷却時に鋳造品およ
び鋳型が破損する問題を解決し、合わせて加工時に鋳物
が破損する問題を解決し得るシリコン鋳造方法を提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のシリコン鋳造方
法は、上記目的を達成するために、上部に加熱部、下部
に冷却部を設けた凝固炉内で、鋳型を上部から下部へ降
下させることにより、鋳型内のシリコンを下部から上部
へ一方向凝固させる多結晶シリコンの鋳造方法におい
て、鋳型底部の冷却速度を５℃／分以下に管理するもの
である。

【００１０】鋳型底部の冷却速度を５℃／分以下に管理
すると、鋳型内のシリコンの上下方向の温度勾配が緩和
される。そのため、鋳造品が横幅に比べて高さの低い偏
平なものの場合も、内部残留応力による鋳造品の破損が
防止される。この冷却速度が５℃／分を超えると、シリ
コンの上部が先に凝固することによる鋳造品および鋳型
の破損は防止されても、内部残留応力による鋳造品の破
損は防止されない。

【００１１】加熱部はヒーターを上下方向に段階的また
は連続的に配置したものが望ましい。そのような加熱部
から冷却部へ鋳型を引き出すと、鋳型内のシリコンの上
面加熱に寄与するヒーター面積が、鋳型の引き出しに連
れて増大する。そのため、鋳型の降下中、各段のヒータ
ー出力を特に低下させなければ、鋳型の降下に伴って、
シリコン上面の受熱量が増大する。従って、鋳型内のシ
リコンの凝固が進行しても、最終凝固時までシリコンの
上面を溶融状態に維持することができる。かくして、鋳
造品が横幅に比べて高さの低い偏平なものの場合も、鋳
型内のシリコンを下部から上部へ確実に一方向凝固させ
ることができる。

【００１２】鋳型内に中子を設置する場合に、その中子
として比熱がシリコン以上のものを使用すると、中子の
放熱による温度低下が抑制されるため、中子の上部が鋳
型内のシリコンの上面より突出する場合も、シリコンの
上部が先に凝固することによる鋳造品および鋳型の破損
が防止される。ちなみに、シリコンの比熱は融点温度で
1.０Ｊ／ｇ・Ｋである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は鋳造装置の構成図、図２は
鋳型の断面図である。

【００１４】鋳造装置は、図１に示すように、溶解炉１
０と凝固炉２０とを具備する。これらは、図示されない
真空チャンバー内に設置されている。溶解炉１０は、高
純度の石英からなる坩堝１１の中にチャージされたシリ
コンを溶解する。その溶融シリコン３０は、溶解炉１０
の傾動により、凝固炉２０内の鋳型４０に注入される。

【００１５】凝固炉２０は、上面および下面が開放した
角筒状の炉体と、炉体内で鋳型４０を昇降させるための
垂直なシリンダー２６とを有する。炉体の上部は加熱部
２１、下部は冷却部２２である。加熱部２１の内部に
は、角枠状のサイドヒーター２３ａ，２３ｂ，２３ｃが
３段に配置されている。また、これらのヒーターの上方
には、角枠状をした小型のトップヒーター２４が、開口
部２５のすぐ下に位置して配置されている。

【００１６】シリンダー２６は、下方から炉体内に挿入
され、上方に４本の支柱２７を介して鋳型４０を炉体内
に支持する。そして、軸方向に駆動されることにより、
鋳型４０を炉体内で昇降させる。２８は開口部２５を閉
じる蓋である。

【００１７】鋳型４０は、図２に示すように、プラズマ
エッチング用多結晶シリコン電極を製造するためのもの
であり、台４１の上に分割可能な皿状のシリコン保持部
４２を載せ、その中に薄い中子４３を敷いた構造になっ
ている。シリコン保持部４２内に溶融シリコン３０を注
入すると、中子４３はその溶融シリコン３０の中に完全
に浸漬する。シリコン保持部４２の材質はカーボン、中
子４３の材質もカーボンである。

【００１８】次に、上記鋳造装置を用いた操業例につい
て説明する。鋳造操業では、まずチャンバー内を約１３
３Ｐａまで真空引きする。この状態で坩堝１１内に仕込
まれたシリコン原料を溶解する。一方、凝固炉２０で
は、鋳型４０を加熱部２１内の中段位置に支持し、加熱
部２１内に設置されたヒーター２３ａ，２３ｂ，２３ｃ
および２４の温度を１４５５℃まで上げて、鋳型４０を
予熱する。

【００１９】鋳型４０の予熱温度については、低温、例
えば１４００℃以下では、シリコンの凝固時に内部残留
応力が発生し、最悪の場合はシリコン鋳造品にクラック
が発生するので、一般にはシリコンの融点以上の温度を
必要とし、鋳造品がプラズマエッチング用多結晶シリコ
ン電極のように薄い場合は、熱容量が小さいので、放熱
による鋳型温度の低下を抑えるために、少し高めの１４
５０℃以上とすることが望まれる。

【００２０】鋳型４０が所定温度に予熱されると、坩堝
１１内の溶融シリコン３０を鋳型４０内に鋳込む。鋳込
みが終了すると、鋳型４０内のシリコンの上面が加熱部
２１からでるまで、鋳型４０を徐々に降下させる。

【００２１】これにより、鋳型４０は加熱部２１内の中
段位置から下段位置に移動し、更に加熱部２１内から冷
却部２２内に引き出される。その結果、鋳型４０は底部
から徐々に冷却される。一方、鋳型４０内のシリコン上
面は、当初は最上段に配置された上面加熱用のトップヒ
ーター２４と上段のサイドヒーター２３ａとにて加熱さ
れるが、鋳型４０が下がるに連れて中段のサイドヒータ
ー２３ｂおよび下段のサイドヒーター２３ｃによる加熱
も受けるようになり、受熱量が増大する。

【００２２】かくして、鋳型４０内に注入された溶融シ
リコン３０は、下部から徐々に放熱し冷却されることに
より、下部から上部へ一方向凝固し、その上面は最終凝
固時まで溶融状態に維持される。

【００２３】このとき、鋳型４０の降下速度を３ｍｍ／
分とした。これにより、鋳型４０の底部の冷却速度は５
℃／分以下の4.２℃／分となった。鋳込み量は3.５ｋ
ｇ、鋳型４０の降下量は２９０ｍｍである。この場合、
鋳造時に鋳造品および鋳型４０は破損しなかった。鋳造
後、鋳造品をプラズマエッチング用多結晶シリコン電極
に加工したが、加工時にも鋳造品は破損しなかった。

【００２４】比較のために、鋳型４０の降下速度を５ｍ
ｍ／分とした。これにより、鋳型４０の底部の冷却速度
は５℃／分を超える5.９℃／分となった。この場合は、
鋳型４０から取り出した鋳造品は、急冷凝固による内部
残留応力のために破損していた。

【００２５】別の比較例として、鋳込み終了後、鋳型４
０を加熱部２１内の中段位置に固定し、トップヒーター
２４および上段のサイドヒーター３２ａは１４５５℃を
維持し、中段のサイドヒーター２３ｂは２７５℃／Ｈの
速度で降温し、下段のサイドヒーター２３ｃはオフとな
るように、各段のヒーターを制御して、鋳型４０内のシ
リコンを凝固させた。ところが、ヒーター間の温度干渉
のため、実際のヒーター温度は、トップヒーター２４お
よび上段のサイドヒーター３２ａでは１４２０℃に下が
り、中段のサイドヒーター２３ｂでは４００℃／Ｈの速
度で降温した。鋳造後に鋳型４０から鋳造品を取り出し
たところ、その鋳造品は上面が先に凝固したことによる
溶融部の封じ込めのために破損していた。

【００２６】鋳型４０として、図３に示すウエーハボー
ト用のものを使用した。この鋳型４０は、電極用のもの
と異なり、シリコン保持部４２内の溶融シリコン３０を
貫通する中子４３を有する。シリコン保持部４２は、分
割式の円筒部４２ａと、その下部内に嵌合する底板４２
ｂとからなり、上下の固定リング４４，４５により一体
化されている。中子４３は底板４２ｂの上に載り、その
材質はカーボン材とした。カーボン材の比熱はシリコン
融点温度で2.０２Ｊ／ｇ・Ｋである。なお、４６は環状
の湯漏れ受けである。

【００２７】最初の方法と同じ方法（鋳型降下速度は３
ｍｍ／分，鋳型底部の冷却速度は4.５℃／分）で2.０ｋ
ｇのウエーハボート用鋳造品を製造した。中子４３の上
部がシリコンの上に突出するにもかかわらず、中子４３
の蓄熱により、シリコンの上面が先に凝固する事態が回
避されたため、鋳造品は破損しなかった。

【００２８】比較のために、中子４３の材質を窒化珪素
（シリコン融点温度での比熱は0.７Ｊ／ｇ・Ｋ）に変更
したところ、中子４３からの放熱によりシリコンの上面
が先に凝固したため、鋳造品は破損していた。

【００２９】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明のシリコン
鋳造方法は、上部に加熱部、下部に冷却部を設けた凝固
炉内で、鋳型を上部から下部へ降下させることにより、
鋳型内のシリコンを下部から上部へ凝固させる多結晶シ
リコンの鋳造方法において、鋳型底部の冷却速度を５℃
／分以下に管理することにより、鋳造品が横幅に比べて
高さの低い偏平なものの場合も、鋳型内のシリコンの上
部が先に凝固することによる鋳造品および鋳型の破損を
防止することができ、合わせて残留応力に起因する鋳造
品の破損を防止することができる。

【００３０】比熱がシリコン以上の中子を鋳型内に設置
したときは、その中子の上部が鋳型内のシリコンの上面
より突出する場合も、シリコンの上部が先に凝固するこ
とによる鋳造品および鋳型の破損が防止される。

【００３１】従って、本発明のシリコン鋳造方法によ
り、製品に近い形の多結晶シリコン鋳造品が、歩留りよ
く経済的に製造される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシリコン鋳造方法に使用する鋳造装置
の１例についてその構造を示す模式図である。

【図２】鋳型の構造をプラズマエッチング電極用のもの
について例示する縦断面図である。

【図３】鋳型の構造をウエーハボート用のものについて
例示する縦断面図である。

【符号の説明】

１０ 溶解炉 ２０ 凝固炉 ２１ 加熱部 ２２ 冷却部 ２３，２４ ヒーター ３０ 溶融シリコン ４０ 鋳型 ４２ シリコン保持部 ４３ 中子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 健治 兵庫県尼崎市東浜町１番地 住友シチック ス株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部に加熱部、下部に冷却部を設けた凝
   固炉内で、鋳型を上部から下部へ降下させることによ
   り、鋳型内のシリコンを下部から上部へ一方向凝固させ
   る多結晶シリコンの鋳造方法において、鋳型底部の冷却
   速度を５℃／分以下に管理することを特徴とするシリコ
   ン鋳造方法。
2. 【請求項２】 鋳型内のシリコンの上面加熱に寄与する
   ヒーター面積を、鋳型の降下に伴って増大させることに
   より、最終凝固時まで、鋳型内のシリコンの上面を溶融
   状態に維持することを特徴とする請求項１に記載のシリ
   コン鋳造方法。
3. 【請求項３】 鋳型内に中子を設置する場合に、その中
   子として比熱がシリコン以上のものを使用することを特
   徴とする請求項１または２に記載のシリコン鋳造方法。