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JP4069682B2 - Single crystal manufacturing equipment - Google Patents
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JP4069682B2 JP2002158397A JP2002158397A JP4069682B2 JP 4069682 B2 JP4069682 B2 JP 4069682B2 JP 2002158397 A JP2002158397 A JP 2002158397A JP 2002158397 A JP2002158397 A JP 2002158397A JP 4069682 B2 JP4069682 B2 JP 4069682B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法(CZ法)により、単結晶棒を成長させる単結晶の製造装置の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体単結晶製造に用いられる従来のCZ法による単結晶製造装置の一例を図2により説明する。ここでは単結晶としてシリコンを例として示してある。シリコン単結晶の製造装置は内部に1420℃を超える高温の溶融シリコンを保有するため、一般的に装置構成部品は水冷構造となっている。例えば図2に示すように、このCZ法シリコン単結晶製造装置20は、水冷チャンバ31と、水冷チャンバ31中に設けられたルツボ32と、ルツボ32の周囲に配置されたヒータ34と、ルツボ32を支持し回転させるルツボ軸33及びその回転機構(図示せず)と、シリコンの種結晶5を保持するシードチャック6と、シードチャック6を引上げるワイヤ7と、ワイヤ7を回転又は巻き取る巻取機構(図示せず)を備えて構成されている。水冷チャンバ31は、ステンレス製の水冷ジャケット構造であり、水冷チャンバ壁内に冷却水を通して、チャンバ壁を冷却するようにされている。
【0003】
ルツボ32は、その内側に溶融シリコン(湯)2を収容する石英ルツボ32aが設けられ、その外側には黒鉛ルツボ32bが設けられている。そしてルツボ32はカーボン製のペデスタル36を介してステンレス製の水冷シャフトであるルツボ軸33により支持されている。
また、ヒータ34にはヒータに電力を供給するためにヒータ電極14が設けられており、ヒータ電極14も水冷されている。また、ヒータ34の外側周囲にはヒータ断熱材35が配置されている。
【0004】
次に、上記のシリコン単結晶製造装置20による単結晶育成方法について説明する。まず、ルツボ32内でシリコンの高純度多結晶原料を融点(約1420℃)以上に加熱して融解する。そして、ワイヤ7を巻き出すことにより溶融シリコン2の湯面3の略中心部に種結晶5の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ軸33を適宜の方向に回転させるとともに、ワイヤ7をルツボ32とは逆方向に回転させながら巻き取って種結晶5を引上げることにより、単結晶の育成が開始される。以後、ワイヤ7の引上げ速度と融液温度を適切に調節することにより略円柱形状の単結晶棒1を得ることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記した単結晶引上げ装置における石英ルツボ32aおよび黒鉛ルツボ32bは、共に高い耐熱性を有しているが、やや脆く、耐衝撃性に乏しい欠点がある。このため単結晶引上げに際し、多結晶原料をルツボ32に充填して加熱し、溶融する時に、溶融中の多結晶塊がルツボ32内で崩れ、その衝撃によってルツボ32を破損し、亀裂が入ることがあり、そこから溶融シリコン2が漏れる恐れがある。また、単結晶育成の効率化を図るため、結晶引上げ後、残留融液を固化させることなく、多結晶原料を再充填し、一つの石英ルツボから複数の単結晶棒を得る多重引上げ法(Multiple CZ Method)が広く用いられているが、この時の多結晶原料の再充填時にルツボ32を破損したり、溶融シリコン2の飛散を招く等、操業時にルツボ32外へ溶融シリコン2が流失する危険性がある。また、稀ではあるが、地震等による大きな揺れが引上げ装置にもたらされた場合は、引上げ機が左右に大きく振られることで、ルツボ32内の溶融シリコン2がルツボ32外へ流出することも思慮される。さらには、使用により徐々にルツボ32が劣化したり、引上げ中の単結晶棒1が落下した場合には、ルツボ32が破壊されて、ルツボ32内に収容されていた溶融シリコン2のほぼ全量が流出してしまう恐れもある。
【0006】
このように、高温の溶融シリコンがルツボ外へ流出、飛散すると、ルツボの周りからチャンバ31の底部に至り、チャンバ31底部やヒータ電極14あるいはルツボ軸33等の金属部、あるいはこれらを冷却するためにこれらの内壁内に配設されている下部冷却水配管等を侵食することになる。特に高温に加熱された溶融シリコン2は金属に対する侵食作用が強いため、溶融シリコン2が漏れてステンレス等から成る金属部品と接触すると、フェロシリコン生成による融点低下で水冷チャンバ等の部品が溶損し、冷却水が吹出して蒸気化し、水冷チャンバ内が高圧の水蒸気で満たされて、最悪の場合には水蒸気爆発を起こすという危険性もある。
【0007】
これを防止するために、水冷チャンバ31の下部には、一般的にカーボン製の湯漏れ受け15を設置している。しかし、ヒータ34に飛散した溶融シリコン2がヒータ34から伝わりヒータ電極14に接触したり、ルツボ32から漏れた溶融シリコン2がペデスタル36を伝わりステンレス等から成るルツボ軸33に達した場合には、これらの水冷金属部品に溶融シリコン2が直接接触することになる。また、カーボン製の湯漏れ受け15に亀裂が入った場合は、溶融シリコン2が水冷チャンバ31等の金属部品の内表面と直接接触することになる。
【0008】
特に近年のシリコン単結晶の大口径化に伴い、ルツボに収容される溶融シリコンの量が増大し、100kg以上、あるいは300kg以上に達することもある。このような大量の溶融シリコンが全量ルツボから漏れたとしても、確実に危険を回避できる方策が望まれていた。
【0009】
そこで、本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、単結晶の製造装置において、不慮の事故等によって溶融原料がルツボ外へ流出し、水冷チャンバの内表面と接触することとなっても、水冷チャンバの水蒸気爆発等の危険を防止することができるように、単結晶の製造装置をより安全な構造とし、単結晶をより安定して製造することを主たる目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、チョクラルスキー法による単結晶の製造装置であって、少なくとも、水冷チャンバと、原料多結晶を収容するルツボと、原料多結晶を溶融するヒータとを具備し、前記水冷チャンバは、前記ルツボの下部に位置する水冷チャンバの少なくとも一部の内表面を溶融原料に対して難溶融性の物質でコーティングしたものであることを特徴とする単結晶の製造装置である
【0011】
このようにルツボの下部に位置する水冷チャンバの少なくとも一部の内表面を溶融原料に対して難溶融性の物質でコーティングした単結晶の製造装置は、ルツボの破損等の事故により、溶融原料が水冷チャンバの下部に漏れ、水冷チャンバの内表面と接触したとしても、水冷チャンバを構成するステンレス部品等が溶損することを防止することができるため、水蒸気爆発の可能性を大きく低減し、単結晶の製造装置をより安全な構造として、単結晶をより安定して製造することができる。
【0012】
この場合、前記水冷チャンバのコーティングが施される少なくとも一部の内表面は、前記ルツボ内に収容された溶融原料が全て水冷チャンバの下部に漏れたときに、漏洩した溶融原料が水冷チャンバ下部に満たされて接触することになる水冷チャンバの内表面であることが好ましい
【0013】
このように、前記水冷チャンバのコーティングが施される少なくとも一部の内表面が、前記ルツボ内に収容された溶融原料が全て水冷チャンバの下部に漏れたときに、漏洩した溶融原料が水冷チャンバ下部に満たされて接触することになる水冷チャンバの内表面であれば、すなわち、例えばルツボ中の溶融原料の全ての量が水冷チャンバの下部に漏れたときの原料融液面より下の部分が少なくともコーティングされていれば、溶融原料に水冷チャンバの金属面が直接接触する危険が大きく低減されるため、単結晶の製造装置をより安全なものとすることができる。
【0014】
この場合、前記溶融原料に対して難溶融性の物質はセラミックスであるものとすることができる
このように、溶融原料、例えばシリコンに対して難溶融性の物質がセラミックスであれば、セラミックスは溶融シリコンに対して侵食されにくく、耐熱性も高いため、このような物質により水冷チャンバの内表面がコーティングされていれば、単結晶の製造装置の安全性をより向上させることができる。
【0015】
なお、例えば溶融シリコンは、あらゆる材料を溶かすと言われているが、本発明で言う溶融原料に対して難溶融性とは、このように活性な溶融原料に対し、十分に低い反応性を有するものを言う。すなわち、例えば、溶融原料と直接接触しても、その表面が侵されるだけで、全体が溶損するに至らず、その前に溶融原料が固化して活性を失うような物を指している。このような物としては、例えば溶融原料がシリコンの場合は、上記セラミックス、特に酸化セラミックス(例えば、Y)やSiC、SiN等が挙げられる。
【0016】
この場合、前記溶融原料に対して難溶融性の物質は溶射によりコーティングされたものであることが好ましい
溶射によりコーティングされたものであれば、コーティングに要するコストも安く、コーティングが剥離しにくい利点があるからである。
【0017】
この場合、さらに前記ヒータに電力を供給するヒータ電極および/または前記ルツボを支持するルツボ軸が、前記溶融原料に対して難溶融性の物質でコーティングしたものであることが好ましい
【0018】
前述のように溶融原料、例えばシリコンが漏れた場合は、ヒータに飛散した溶融シリコンが水冷されたヒータ電極に接触したり、あるいは溶融シリコンがペデスタルを伝わりステンレス製の水冷されたルツボ軸に接触することにより、これらを溶損する危険性があるが、これらのヒータ電極やルツボ軸も溶融原料に対して難溶融性の物質によりコーティングされていることにより、より安全な構造とすることができる。
【0019】
以下、本発明について詳細に説明する。
従来、単結晶の製造装置においては、溶融原料がルツボから漏れたときの対策として、前述したようにカーボン製の湯漏れ受けを設けることにより、溶融原料と製造装置の水冷された金属部品との接触を防ぐ手法が一般的であった。しかし、湯漏れ受けを設けたとしても、湯漏れ受けの破損等により、金属部品と溶融原料が直接接触する危険性は残っていた。
【0020】
そこで本発明者は、水冷チャンバの少なくとも一部の内表面を溶融原料に対して難溶融性の物質でコーティングすることを発想した。従来の装置においては、湯漏れ受け等を設けること(例えば特公平6−43276号公報参照)はされていても、水冷チャンバの内表面をコーティングすることまでは行われていなかった。しかし、これでは万が一湯漏れ受けの破損等の場合に、直接水冷チャンバと溶融原料との接触は避けられない。そこで、本発明者らは、事故の際、溶融原料と接触するであろう水冷チャンバの少なくとも一部の内表面をコーティングすることで、水蒸気爆発の可能性を大きく低減することができることを見出した。
【0021】
この場合、必ずしも水冷チャンバの内表面の全てをコーティングする必要はない。例えば、チャンバの内表面の内、コーティングをする部分を決めるにあたっては、少なくとも、ルツボ内に収容された溶融原料が全て水冷チャンバの下部に漏れたときに、漏洩した溶融原料が水冷チャンバ下部に満たされて接触することになる水冷チャンバの内表面をコーティングしておけば、溶融原料が漏洩した際に、溶融原料と直接接触する部分はコーティングされているため、水冷チャンバの内表面が溶損する危険を大きく低減することができ、さらにコーティングをするための時間やコストは最小限のものとすることができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図1は本発明に係るシリコン単結晶の製造装置要部の説明図である。なお、従来例と同一の機能を有する構成部品には、従来例を示す図2における符号と同一の符号を付してある。また、説明を簡単にするため、図2におけるシリコン単結晶棒1、種結晶5、シードチャック6およびワイヤ7は省略してある。
【0023】
図1に示すように、このシリコン単結晶製造装置10は、主要構成は従来の装置とほぼ同様の構造を有している。ただし、この装置ではルツボ32の下部に位置する水冷チャンバ31の一部の内表面が溶融シリコンに対して難溶融性の物質である被覆材40によりコーティングされていることが特徴である。図1の例では、この被覆材40は、耐熱性に優れたセラミックス、より具体的には酸化セラミックスであるY(酸化イットリウム)から成る。しかし、その他のセラミックス、あるいはセラミックス以外の溶融シリコンに対して難溶融性の物質を被覆材に用いる場合もあり得る。
【0024】
図1の例では、被覆材40は溶射によりコーティングされている。溶射は熱源によって溶射材料を加熱し、溶融状態で部品に吹き付けて衝突凝固させる事によって、皮膜を形成する表面処理技術である。溶射によりコーティングすることにより、コーティングのコストは安くすることができ、コーティングされた被覆材は剥離しにくくなるという利点がある。しかし、CVD法等の溶射以外の方法により、コーティングを行なうこともできる。
【0025】
図1中の破線50は、ルツボ内の溶融シリコンの全ての量が漏れたときの液面位置である。水冷チャンバ31について、少なくとも液面50より下部の内表面がコーティングされていれば、溶融シリコン2が漏洩した際に溶融シリコン2が直接接触する部分がコーティングされているため、溶損による水蒸気爆発の危険を大きく低減させることができる。また、漏洩シリコンの液面が振動することも考えられるため、水冷チャンバの液面50よりも少し上の部分にまで、被覆材40がコーティングされていることが望ましい。
【0026】
さらに、この図1の例では、ヒータ電極14、ルツボ軸33についても、被覆材40が溶射によりコーティングされており、水冷されるこれらの金属部品が、漏洩した溶融シリコン2と直接接触した場合に保護されるようにされている。これにより、さらにこの装置10は安全な構造とされている。
【0027】
また、本発明の装置では、水冷チャンバ内表面に直接コーティングが施されているため、炉内の温度分布等をほとんど変更せずに、かつ従来の装置にそのままコーティングを施すことも可能である。従って、従来の装置と同様の条件でチョクラルスキー法によりシリコン単結晶の製造を行なうことができるという利点もある。しかも、この装置10では、ルツボ32の割れ等により、ルツボ32内の溶融シリコン2が全て水冷チャンバ31の下部に漏れる事故があったとしても、少なくとも液面50より下部の水冷される金属部分は全て、溶融シリコン2に対し難溶融性の被覆材40によりコーティングされているため、溶損により冷却水が炉内に流入する可能性は低く、従来より安全にシリコン単結晶の製造を行なうことができる。
【0028】
(実験)
水冷チャンバと同材質のステンレス(SUS 316L)にセラミックによるコーティングをしたものを溶融シリコンに漬すテストを行なった。まず、φ20mm×200mmのステンレス棒を用意した。図3に示すように、このステンレス棒60は、先端部から50mmまでのところを除いて冷却水がその棒の内部を通って循環するようにされており、ステンレス棒上部を内部から水冷するようになっている。次に、このステンレス棒60にYから成る被覆材61を溶射することによりコーティングを行なった(コーティング厚約0.5mm)。次に、別途用意した単結晶引上げ装置実機の石英ルツボ内に粒状シリコン多結晶原料を仕込んだ後、ヒータで加熱して溶融した。そして、上記コーティングを行なったステンレス棒60の先端30mmをルツボ中の溶融シリコン中に30分間浸漬した後、溶融シリコンから引上げ、溶損の有無を観察した。
【0029】
観察の結果、コーティングがされたステンレス棒60は、30分経過後も溶損は認められなかった。また、このステンレス棒60の浸漬した部分を切断して、横断面を観察したところ、コーティングされたYの内側のステンレスの部分には変化は見られず、コーティングにより溶損を防止することができていることが判った。通常、漏洩した溶融シリコンは10分間程度であれば確実に固化して活性を失うため、このようなコーティングを水冷チャンバに施せば、漏洩した溶融シリコンによる溶損を十分に防止できる。
また比較のため、図4に示すように、コーティングがなされていないステンレス棒70の先端30mmを同様に溶融シリコン中に10分間浸漬した後、溶融シリコンから引上げた。コーティングがなされていないステンレス棒70は、浸漬した部分が全て数分で溶融シリコンに溶けてしまっていた。
【0030】
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。
【0031】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶融原料の漏洩発生時における水冷チャンバの溶損トラブル、特に水蒸気爆発という危険を確実に防ぐことができ、例え大容量の溶融原料を用いる場合であっても安全かつ安定して単結晶の製造を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係るシリコン単結晶の製造装置を示した説明図である。
【図2】従来のシリコン単結晶の製造装置を示した説明図である。
【図3】実験で用いたコーティングをされたステンレス棒を示す概略図である。
【図4】実験で用いたコーティングをされていないステンレス棒を示す概略図である。
【符号の説明】
1…シリコン単結晶棒、 2…溶融シリコン(湯)、 3…湯面、 5…種結晶、 6…シードチャック、 7…ワイヤ、
10、20…シリコン単結晶製造装置、
14…ヒータ電極、 15…湯漏れ受け、
31…水冷チャンバ、 32…ルツボ、 32a…石英ルツボ、
32b…黒鉛ルツボ、 33…ルツボ軸、 34…ヒータ、
35…ヒータ断熱材、 36…ペデスタル、
40…被覆材、
50…ルツボ内の溶融シリコンの全ての量が漏れたときの液面。
60、70…ステンレス棒、 61…被覆材。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the structure of a single crystal manufacturing apparatus for growing a single crystal rod by the Czochralski method (CZ method).
[0002]
[Prior art]
An example of a conventional single crystal manufacturing apparatus using the CZ method used for manufacturing a semiconductor single crystal will be described with reference to FIG. Here, silicon is shown as an example of a single crystal. Since a silicon single crystal manufacturing apparatus has high-temperature molten silicon exceeding 1420 ° C. inside, the apparatus components generally have a water-cooled structure. For example, as shown in FIG. 2, the CZ method silicon single crystal manufacturing apparatus 20 includes a water cooling chamber 31, a crucible 32 provided in the water cooling chamber 31, a heater 34 disposed around the crucible 32, and a crucible 32. A crucible shaft 33 that supports and rotates the rotating shaft (not shown), a seed chuck 6 that holds the silicon seed crystal 5, a wire 7 that pulls up the seed chuck 6, and a winding that rotates or winds the wire 7. A take-off mechanism (not shown) is provided. The water cooling chamber 31 has a stainless steel water cooling jacket structure, and cools the chamber wall by passing cooling water through the water cooling chamber wall.
[0003]
The crucible 32 is provided with a quartz crucible 32a for containing molten silicon (hot water) 2 on the inner side, and a graphite crucible 32b on the outer side. The crucible 32 is supported by a crucible shaft 33 which is a stainless steel water-cooled shaft through a carbon pedestal 36.
The heater 34 is provided with a heater electrode 14 for supplying electric power to the heater, and the heater electrode 14 is also water-cooled. A heater heat insulating material 35 is disposed around the outside of the heater 34.
[0004]
Next, a single crystal growth method using the silicon single crystal manufacturing apparatus 20 will be described. First, a high-purity polycrystalline silicon raw material of silicon is heated to a melting point (about 1420 ° C.) or higher in the crucible 32 and melted. Then, by unwinding the wire 7, the tip of the seed crystal 5 is brought into contact with or immersed in the approximate center portion of the molten metal surface 3 of the molten silicon 2. Thereafter, the crucible shaft 33 is rotated in an appropriate direction, and the wire 7 is wound in a direction opposite to the crucible 32 and the seed crystal 5 is pulled up to start growing a single crystal. Thereafter, the single crystal rod 1 having a substantially cylindrical shape can be obtained by appropriately adjusting the pulling speed of the wire 7 and the melt temperature.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Both the quartz crucible 32a and the graphite crucible 32b in the single crystal pulling apparatus described above have high heat resistance, but are somewhat brittle and have the disadvantage of poor impact resistance. For this reason, when pulling the single crystal, when the polycrystalline raw material is filled in the crucible 32 and heated and melted, the molten polycrystal lump is broken in the crucible 32, and the crucible 32 is broken by the impact and cracks are generated. There is a possibility that the molten silicon 2 leaks from there. In order to increase the efficiency of single crystal growth, a multiple pulling method (multiple pulling method) in which a polycrystalline raw material is recharged without solidifying the residual melt after pulling up to obtain a plurality of single crystal rods from one quartz crucible. CZ Method) is widely used, but the risk of the molten silicon 2 flowing out of the crucible 32 during operation, such as breakage of the crucible 32 during refilling of the polycrystalline material at this time, or scattering of the molten silicon 2, etc. There is sex. In addition, although rarely, when a large shake caused by an earthquake or the like is brought to the pulling device, the molten silicon 2 in the crucible 32 may flow out of the crucible 32 by swinging the pulling machine to the left or right. It is thought. Further, when the crucible 32 gradually deteriorates due to use or the single crystal rod 1 being pulled falls, the crucible 32 is destroyed and almost all the molten silicon 2 contained in the crucible 32 is contained. There is also a risk of leaking.
[0006]
Thus, when high-temperature molten silicon flows out of the crucible and scatters, it reaches the bottom of the chamber 31 from around the crucible, and cools the bottom of the chamber 31, the metal part such as the heater electrode 14 or the crucible shaft 33, or the like. Therefore, the lower cooling water pipes and the like disposed in these inner walls are eroded. In particular, since the molten silicon 2 heated to a high temperature has a strong erosion action on the metal, when the molten silicon 2 leaks and comes into contact with a metal part made of stainless steel or the like, parts such as a water-cooled chamber are melted down due to a lowering of the melting point due to ferrosilicon generation There is also a risk that the cooling water is blown out and vaporized, the water cooling chamber is filled with high-pressure steam, and in the worst case, a steam explosion occurs.
[0007]
In order to prevent this, a carbon hot water leak receiver 15 is generally installed in the lower part of the water cooling chamber 31. However, when the molten silicon 2 scattered on the heater 34 is transmitted from the heater 34 and contacts the heater electrode 14, or when the molten silicon 2 leaking from the crucible 32 reaches the crucible shaft 33 made of stainless steel through the pedestal 36, The molten silicon 2 comes into direct contact with these water-cooled metal parts. Further, if the carbon hot water leak receiver 15 is cracked, the molten silicon 2 comes into direct contact with the inner surface of a metal part such as the water cooling chamber 31.
[0008]
In particular, with the recent increase in the diameter of silicon single crystals, the amount of molten silicon accommodated in the crucible increases and may reach 100 kg or more, or 300 kg or more. Even if such a large amount of molten silicon leaks from the crucible, there has been a demand for a method that can reliably avoid danger.
[0009]
Therefore, the present invention has been made in view of such conventional problems, and in a single crystal manufacturing apparatus, the molten raw material flows out of the crucible due to an accident or the like, and contacts the inner surface of the water cooling chamber. Even so, the main purpose is to make the single crystal production apparatus more safe and to produce the single crystal more stably so that the danger of steam explosion in the water cooling chamber can be prevented.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The present invention for solving the above-mentioned problems is an apparatus for producing a single crystal by the Czochralski method, comprising at least a water-cooled chamber, a crucible containing raw material polycrystal, and a heater for melting the raw material polycrystal. The single-crystal manufacturing apparatus is characterized in that the water-cooling chamber is obtained by coating the inner surface of at least a part of the water-cooling chamber located below the crucible with a material that is hardly meltable with respect to the molten raw material. It is .
[0011]
As described above, the single crystal manufacturing apparatus in which the inner surface of at least a part of the water-cooling chamber located at the lower part of the crucible is coated with a material that is hardly meltable with respect to the molten raw material has a molten raw material due to an accident such as breakage of the crucible. Even if it leaks into the lower part of the water cooling chamber and comes into contact with the inner surface of the water cooling chamber, it can prevent the stainless steel parts constituting the water cooling chamber from being melted down. Thus, the production apparatus can be made a safer structure, and a single crystal can be produced more stably.
[0012]
In this case, at least a part of the inner surface to which the coating of the water cooling chamber is applied is such that when all of the molten raw material contained in the crucible leaks into the lower part of the water cooling chamber, the leaked molten raw material enters the lower part of the water cooling chamber. It is preferably the inner surface of the water cooling chamber that will be filled and contacted .
[0013]
Thus, when at least a part of the inner surface to which the coating of the water cooling chamber is applied leaks all the molten raw material contained in the crucible into the lower part of the water cooling chamber, the leaked molten raw material is lower in the lower part of the water cooling chamber. If the inner surface of the water-cooled chamber is filled with, i.e., the amount of the molten raw material in the crucible leaks to the lower part of the water-cooled chamber, for example, at least the portion below the raw material melt surface If it is coated, the risk of the metal surface of the water-cooled chamber coming into direct contact with the molten raw material is greatly reduced, so that the single crystal manufacturing apparatus can be made safer.
[0014]
In this case, the material that is hardly meltable with respect to the melting raw material may be ceramics .
In this way, if a material that is difficult to melt with respect to a molten raw material, such as silicon, is ceramic, the ceramic is less likely to be eroded by molten silicon and has high heat resistance. If it is coated, the safety | security of the manufacturing apparatus of a single crystal can be improved more.
[0015]
Note that, for example, molten silicon is said to dissolve all materials. However, in the present invention, the difficulty of melting with respect to the molten raw material has a sufficiently low reactivity with respect to such an active molten raw material. Say things. That is, for example, even if it is in direct contact with the molten raw material, the surface is only eroded and the whole does not melt, and before that, the molten raw material solidifies and loses its activity. Examples of such a material include the above-mentioned ceramics, particularly oxide ceramics (for example, Y 2 O 3 ), SiC, SiN, and the like when the melting raw material is silicon.
[0016]
In this case, it is preferable that the hardly fusible substance with respect to the molten raw material is coated by thermal spraying .
This is because if the coating is performed by thermal spraying, the cost required for coating is low and the coating is difficult to peel off.
[0017]
In this case, it is preferable that the heater electrode for supplying electric power to the heater and / or the crucible shaft for supporting the crucible is coated with a hardly meltable material on the molten raw material .
[0018]
As described above, when a molten raw material such as silicon leaks, the molten silicon scattered in the heater contacts the water-cooled heater electrode, or the molten silicon travels through the pedestal and contacts the stainless steel water-cooled crucible shaft. However, these heater electrodes and crucible shafts are also coated with a material that is hardly meltable with respect to the molten raw material, so that a safer structure can be obtained.
[0019]
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
Conventionally, in a single crystal manufacturing apparatus, as a countermeasure when a molten raw material leaks from a crucible, by providing a carbon hot water leak receiver as described above, the molten raw material and the water-cooled metal part of the manufacturing apparatus are provided. Techniques to prevent contact were common. However, even if a hot water leak receiver is provided, there still remains a risk that the metal parts and the molten raw material are in direct contact due to damage of the hot water leak receiver.
[0020]
Accordingly, the present inventor has conceived that at least a part of the inner surface of the water-cooled chamber is coated with a material that is hardly meltable on the molten raw material. In the conventional apparatus, even if a hot water leak receiver or the like is provided (for example, see Japanese Patent Publication No. 6-43276), the inner surface of the water cooling chamber has not been coated. In this case, however, in the unlikely event that the hot water leak receiver is damaged, direct contact between the water cooling chamber and the molten raw material is inevitable. Therefore, the present inventors have found that the possibility of steam explosion can be greatly reduced by coating at least a part of the inner surface of the water-cooled chamber that will come into contact with the molten raw material in the event of an accident. .
[0021]
In this case, it is not always necessary to coat the entire inner surface of the water cooling chamber. For example, in determining the portion of the inner surface of the chamber to be coated, at least when the molten raw material contained in the crucible leaks to the lower part of the water cooling chamber, the leaked molten raw material fills the lower part of the water cooling chamber. If the inner surface of the water-cooled chamber that is to be contacted is coated, when the molten raw material leaks, the portion that is in direct contact with the molten raw material is coated, so the inner surface of the water-cooled chamber may be damaged. And the time and cost for coating can be minimized.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
FIG. 1 is an explanatory view of a main part of a silicon single crystal manufacturing apparatus according to the present invention. Note that components having the same functions as those of the conventional example are denoted by the same reference numerals as those in FIG. For the sake of simplicity, the silicon single crystal rod 1, the seed crystal 5, the seed chuck 6 and the wire 7 in FIG. 2 are omitted.
[0023]
As shown in FIG. 1, the silicon single crystal manufacturing apparatus 10 has a structure that is substantially the same as that of a conventional apparatus. However, this apparatus is characterized in that a part of the inner surface of the water cooling chamber 31 located under the crucible 32 is coated with a coating material 40 which is a material that is hardly meltable with respect to molten silicon. In the example of FIG. 1, the coating material 40 is made of ceramics excellent in heat resistance, more specifically, Y 2 O 3 (yttrium oxide) which is an oxide ceramic. However, other ceramics or a material that is hardly meltable with respect to molten silicon other than ceramics may be used for the coating material.
[0024]
In the example of FIG. 1, the covering material 40 is coated by thermal spraying. Thermal spraying is a surface treatment technique in which a thermal spray material is heated by a heat source, sprayed onto a component in a molten state, and solidified by collision to form a coating. By coating by thermal spraying, the cost of coating can be reduced, and the coated coating material has an advantage that it is difficult to peel off. However, coating can also be performed by a method other than thermal spraying such as a CVD method.
[0025]
A broken line 50 in FIG. 1 is a liquid level position when all the amount of molten silicon in the crucible leaks. If at least the inner surface below the liquid level 50 is coated in the water-cooled chamber 31, the portion where the molten silicon 2 directly contacts when the molten silicon 2 leaks is coated. The danger can be greatly reduced. Further, since the liquid level of the leaking silicon may be vibrated, it is desirable that the covering material 40 is coated even slightly above the liquid level 50 of the water cooling chamber.
[0026]
Further, in the example of FIG. 1, the heater electrode 14 and the crucible shaft 33 are also coated with the coating material 40 by thermal spraying, and these metal parts to be water-cooled are in direct contact with the leaked molten silicon 2. Protected. As a result, the device 10 has a safe structure.
[0027]
Moreover, in the apparatus of the present invention, since the coating is directly applied to the inner surface of the water cooling chamber, it is possible to apply the coating to the conventional apparatus as it is without changing the temperature distribution in the furnace. Accordingly, there is an advantage that a silicon single crystal can be produced by the Czochralski method under the same conditions as those of the conventional apparatus. Moreover, in this apparatus 10, even if there is an accident in which all of the molten silicon 2 in the crucible 32 leaks to the lower part of the water cooling chamber 31 due to cracking of the crucible 32, at least the metal part to be water cooled below the liquid level 50 is Since all of the molten silicon 2 is coated with the hardly meltable coating material 40, the possibility of cooling water flowing into the furnace due to melting damage is low, and it is possible to manufacture a silicon single crystal more safely than before. it can.
[0028]
(Experiment)
A test was conducted in which a stainless steel (SUS 316L) of the same material as the water-cooled chamber was coated with ceramic and immersed in molten silicon. First, a φ20 mm × 200 mm stainless steel rod was prepared. As shown in FIG. 3, the stainless steel rod 60 is configured such that cooling water circulates through the inside of the rod except for a portion up to 50 mm from the tip, so that the upper portion of the stainless steel rod is cooled from the inside. It has become. Next, coating was performed by spraying a coating material 61 made of Y 2 O 3 on the stainless rod 60 (coating thickness of about 0.5 mm). Next, a granular silicon polycrystalline raw material was charged into a quartz crucible of a single crystal pulling apparatus that was separately prepared, and then melted by heating with a heater. And after immersing the tip 30mm of the stainless rod 60 which performed the said coating in the molten silicon in a crucible for 30 minutes, it pulled up from the molten silicon and observed the presence or absence of melt | dissolution.
[0029]
As a result of observation, the coated stainless steel rod 60 showed no melting damage even after 30 minutes. Further, by cutting the immersed portion of the stainless steel rod 60, observation of the cross section, change the inner portion of the stainless steel Y 2 O 3 coated was not observed to prevent erosion by a coating I found that I was able to. Usually, the leaked molten silicon is solidified and loses its activity for about 10 minutes. Therefore, if such a coating is applied to the water-cooled chamber, it is possible to sufficiently prevent the molten silicon from being melted.
For comparison, as shown in FIG. 4, the tip 30 mm of the uncoated stainless rod 70 was similarly immersed in molten silicon for 10 minutes and then pulled up from the molten silicon. The stainless steel rod 70 that was not coated had all the immersed parts dissolved in the molten silicon in a few minutes.
[0030]
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.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to reliably prevent the trouble of melting failure of the water-cooled chamber at the time of occurrence of leakage of the molten raw material, particularly the danger of steam explosion, for example, when using a large volume of molten raw material. However, it is possible to produce a single crystal safely and stably.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a silicon single crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory view showing a conventional silicon single crystal manufacturing apparatus.
FIG. 3 is a schematic view showing a coated stainless steel rod used in the experiment.
FIG. 4 is a schematic view showing an uncoated stainless steel rod used in the experiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon single crystal rod, 2 ... Molten silicon (hot water), 3 ... Hot water surface, 5 ... Seed crystal, 6 ... Seed chuck, 7 ... Wire,
10, 20 ... Silicon single crystal manufacturing equipment,
14 ... heater electrode 15 ... hot water leak receiver,
31 ... Water-cooled chamber, 32 ... Crucible, 32a ... Quartz crucible,
32b ... graphite crucible, 33 ... crucible shaft, 34 ... heater,
35 ... heater insulation, 36 ... pedestal,
40 ... covering material,
50: Liquid level when all of the molten silicon in the crucible leaks.
60, 70 ... stainless steel bar, 61 ... coating material.

Claims (4)

チョクラルスキー法による単結晶の製造装置であって、少なくとも、水冷チャンバと、原料多結晶を収容するルツボと、原料多結晶を溶融するヒータとを具備し、前記水冷チャンバは、前記ルツボの下部に位置する水冷チャンバの少なくとも一部の内表面を溶融原料に対して難溶融性のセラミックスであるY 、SiC、SiNのいずれかでコーティングしたものであることを特徴とする単結晶の製造装置。An apparatus for producing a single crystal by the Czochralski method, comprising at least a water cooling chamber, a crucible containing raw material polycrystals, and a heater for melting the raw material polycrystals, wherein the water cooling chamber is a lower part of the crucible A single crystal characterized in that at least a part of the inner surface of the water-cooled chamber located in the substrate is coated with one of Y 2 O 3 , SiC, and SiN, which are ceramics that are hardly fusible to the melting raw material Manufacturing equipment. 前記水冷チャンバのコーティングが施される少なくとも一部の内表面は、前記ルツボ内に収容された溶融原料が全て水冷チャンバの下部に漏れたときに、漏洩した溶融原料が水冷チャンバ下部に満たされて接触することになる水冷チャンバの内表面であることを特徴とする請求項1に記載の単結晶の製造装置。  At least a part of the inner surface to which the coating of the water cooling chamber is applied is such that when all of the molten raw material contained in the crucible leaks to the lower part of the water cooling chamber, the leaked molten raw material is filled in the lower part of the water cooling chamber. The single crystal manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the single crystal manufacturing apparatus is an inner surface of a water-cooled chamber to be contacted. 前記溶融原料に対して難溶融性のセラミックスであるY 、SiC、SiNは溶射によりコーティングされたものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の単結晶の製造装置。The molten material Y 2 O 3 is hardly meltable ceramic respect, SiC, single crystal manufacturing apparatus according to claim 1 or claim 2, wherein the SiN are those coated by spraying . さらに前記ヒータに電力を供給するヒータ電極および/または前記ルツボを支持するルツボ軸が、前記溶融原料に対して難溶融性のセラミックスであるY 、SiC、SiNのいずれかでコーティングしたものであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の単結晶の製造装置。Further, a heater electrode for supplying electric power to the heater and / or a crucible shaft for supporting the crucible is coated with one of Y 2 O 3 , SiC, and SiN which is a hardly fusible ceramic with respect to the melting raw material. The apparatus for producing a single crystal according to any one of claims 1 to 3 , wherein the apparatus is a single crystal.
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