特開 2024-167510 製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024167510

(43)【公開日】2024-12-04

(54)【発明の名称】製造装置

(51)【国際特許分類】

   C30B 15/00 20060101AFI20241127BHJP

   C30B 29/06 20060101ALI20241127BHJP

   F27B 14/08 20060101ALI20241127BHJP

   F27D 9/00 20060101ALI20241127BHJP

   F27D 7/06 20060101ALI20241127BHJP

【ＦＩ】

C30B15/00 Z

C30B29/06 502Z

C30B29/06 502E

F27B14/08

F27D9/00

F27D7/06 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023083629

(22)【出願日】2023-05-22

(71)【出願人】

【識別番号】304021288

【氏名又は名称】国立大学法人長岡技術科学大学

(71)【出願人】

【識別番号】523188926

【氏名又は名称】燦栄コンサルティング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100195648

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 悠太

(74)【代理人】

【識別番号】100175019

【弁理士】

【氏名又は名称】白井 健朗

(74)【代理人】

【識別番号】100194179

【弁理士】

【氏名又は名称】中澤 泰宏

(72)【発明者】

【氏名】會田 英雄

(72)【発明者】

【氏名】原田 博文

【テーマコード（参考）】

4G077

4K046

4K063

【Ｆターム（参考）】

4G077AA02

4G077BA04

4G077CF10

4G077EG15

4G077EG19

4G077EG25

4K046AA02

4K046BA05

4K046CB05

4K046CB15

4K046CC01

4K046CD03

4K046CE09

4K046DA03

4K046EA05

4K063AA04

4K063AA12

4K063AA16

4K063BA12

4K063CA01

4K063DA19

4K063DA20

4K063DA33

4K063EA01

(57)【要約】

【課題】ヒータの消費電力を小さくすることができる製造装置を提供する。
【解決手段】結晶２を製造する結晶製造装置１０は、結晶２を加熱する加熱ヒータ１５と、加熱ヒータ１５の外側に位置する断熱材２０と、断熱材２０及び加熱ヒータ１５を収容するメインチャンバ１２と、メインチャンバ１２内から外への熱輸送を減少させる圧力調整層１７と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体又は結晶を製造する製造装置であって、
前記半導体又は前記結晶を加熱する加熱ヒータと、
前記加熱ヒータの外側に位置する断熱材と、
前記断熱材及び前記加熱ヒータを収容する炉体と、
前記炉体内から外への熱輸送を減少させる真空断熱層と、を備える、
製造装置。

【請求項2】

前記半導体又は前記結晶の原料を収容するルツボを備え、
前記加熱ヒータは、前記原料を加熱して溶融する、
請求項１に記載の製造装置。

【請求項3】

前記真空断熱層の内部の気圧を真空状態と大気圧状態の間で切り替え可能である圧力調整部を備える、
請求項１又は２に記載の製造装置。

【請求項4】

前記炉体を冷却するための冷却液が供給される冷却層と、
前記真空断熱層の内部の気圧が大気圧状態であるときに前記冷却層内に冷却液を供給する冷却液供給部と、を備える、
請求項１又は２に記載の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１、２及び３に記載のシリコン単結晶製造装置は、ルツボと、ルツボに収容された原料である多結晶シリコンを加熱することでシリコン融液とする加熱ヒータと、加熱ヒータの外側に配置される断熱材（保温筒）と、ルツボ、加熱ヒータ及び断熱材を収容する炉体（チャンバ）と、を備える。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－２０１０９４号公報

【特許文献2】特開２０１３－２３７５８６号公報

【特許文献3】特開２０２１－４２１０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１には、「高温の輻射熱から炉壁を守るために、炉壁を二重構造として隙間に冷却水を流し、強制的に炉壁を冷やす構造としたものが多く用いられている。これによって、より多くの熱が、炉壁を通して外部へと移送される。」と記載されており、炉体内から外に熱が逃げやすい構造であるため、ヒータの消費電力が大きくなるおそれがある。
例えば、上記特許文献２には、シリコン原料を２００ｋＷの高電力で溶融することが記載されている。
また、上記特許文献３には、２７９ｋＷの高電力で炉内部材を再生することが記載されている。

【0005】

本発明は、上記実状を鑑みてなされたものであり、ヒータの消費電力を小さくすることができる製造装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明に係る製造装置は、半導体又は結晶を製造する製造装置であって、前記半導体又は前記結晶を加熱する加熱ヒータと、前記加熱ヒータの外側に位置する断熱材と、前記断熱材及び前記加熱ヒータを収容する炉体と、前記炉体内から外への熱輸送を減少させる真空断熱層と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、ヒータの消費電力を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明の第１実施形態に係る結晶製造装置の概略図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る圧力調整室の圧力状態と冷却液の供給状態を示すタイミングチャートである。

【図3】本発明の第３実施形態に係るメインチャンバの部分的な概略断面図である。

【図4】本発明の第４実施形態に係る真空構造物と炉壁の部分的な概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る製造装置について、図面を参照して説明する。本実施形態の製造装置は、例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により、結晶（例えば、シリコン単結晶）を製造する結晶製造装置である。
図１に示すように、結晶製造装置１０は、炉体であるメインチャンバ１２と、引上げチャンバ１３と、引上げワイヤ８と、ルツボ１４と、加熱ヒータ１５と、断熱材２０と、支持軸１１と、真空ポンプ３１と、冷却液供給部３２と、大気開放弁３３と、制御部３４と、を備える。

【0010】

メインチャンバ１２は、金属製であり、ルツボ１４、加熱ヒータ１５、断熱材２０、支持軸１１を収容する収容空間を有する中空形状をなす。メインチャンバ１２の天井部には、開口部１２Ｈが形成されている。メインチャンバ１２の壁部内には、図１の右下に拡大して示すように、圧力調整層１７と冷却層１８が形成されている。圧力調整層１７と冷却層１８については後述する。

【0011】

引上げチャンバ１３は、金属製であり、上下方向に延びる円筒状をなし、メインチャンバ１２の開口部１２Ｈを囲むように、メインチャンバ１２の上面に連結されている。引上げチャンバ１３内には、引上げワイヤ８が収容されている。引上げチャンバ１３の上部には、引上げワイヤ８を引き上げることができる引上げ機構（図示せず）が設けられている。引上げワイヤ８の下端部には種結晶９が取り付けられている。種結晶９は、ルツボ１４内で加熱された原料（例えば、多結晶シリコン塊）の融液３（例えば、シリコン融液）に浸漬されて、引上げワイヤ８が引上げ機構により引き上げられる。これにより、種結晶９の下方に結晶２が育成される。

【0012】

ルツボ１４は、メインチャンバ１２内に位置し、開口部１２Ｈに向けて開口する容器である。ルツボ１４は、椀形状をなす。ルツボ１４は、二重構造をなしている。すなわち、ルツボ１４は、石英内容器１４Ａと、黒鉛外容器１４Ｂと、を備える。石英内容器１４Ａは、石英により形成され、融液３を収容し、黒鉛外容器１４Ｂの内側に重ねられている。黒鉛外容器１４Ｂは、黒鉛により形成され、石英内容器１４Ａの外面に沿うように形成されている。黒鉛外容器１４Ｂは、高温下で石英内容器１４Ａが軟化した状態で融液３に押されても石英内容器１４Ａの形状を保つように機能する。

【0013】

支持軸１１は、上下方向に沿って延びる。支持軸１１の上端はルツボ１４（黒鉛外容器１４Ｂ）の外側底面の中央に固定されている。支持軸１１は、図示しない回転駆動部によりルツボ１４とともに支持軸１１の中心軸を回転軸として回転し、図示しない昇降駆動部により上下方向に昇降する。

【0014】

加熱ヒータ１５は、黒鉛により形成され、ルツボ１４の外周面に位置する。加熱ヒータ１５は、制御部３４による制御のもと、電源から電力が供給されて発熱する。加熱ヒータ１５の発熱により、ルツボ１４内の温度が原料の融点よりも高い温度まで高まり、ルツボ１４に収容される原料が融解した融液３となる。

【0015】

引上げチャンバ１３内には、図示しないガス供給手段により、不活性ガス、例えば、アルゴン（Ａｒ）ガスが供給される。不活性ガスは、引上げチャンバ１３内からメインチャンバ１２内を通って外部に排出される。

【0016】

断熱材２０は、加熱ヒータ１５の外周面を囲むように筒状、本例では円筒状に形成されている。断熱材２０は、加熱ヒータ１５とメインチャンバ１２の内周面の間に位置し、加熱ヒータ１５からメインチャンバ１２への熱輸送を減少させる。このように、断熱材２０はメインチャンバ１２への熱輸送を減少させてはいるが、メインチャンバ１２内の温度は非常に高温となるため、メインチャンバ１２に熱が伝わることによる熱的なロスは無視できないものである。

【0017】

次に、圧力調整層１７と冷却層１８について説明する。
圧力調整層１７と冷却層１８は、圧力調整層１７が内側層、冷却層１８が外側層として、互いに重なって２層で形成されている。
圧力調整層１７は、互いに隙間を持って対面する内壁部１７Ａ及び外壁部１７Ｂを備える。各壁部１７Ａ，１７Ｂの間には圧力調整室１７Ｃが形成されている。圧力調整室１７Ｃは、接続口１７Ｅを備える。接続口１７Ｅは、接続管を介して真空ポンプ３１と大気開放弁３３に接続されている。

【0018】

圧力調整室１７Ｃ内の気圧は、真空ポンプ３１と大気開放弁３３の動作により、真空状態と大気圧状態の間で切り替え可能に構成されている。
圧力調整層１７は、圧力調整室１７Ｃ内の気圧が真空状態となっているときに、真空断熱層として断熱機能を発揮する。真空状態での真空度は、高真空（１０^－１Ｐａ～１０^－５Ｐａ）に設定されている。

【0019】

冷却層１８は、メインチャンバ１２の熱を冷却液Ｃが回収することによりメインチャンバ１２の温度を下げる水冷ジャケットである。
冷却層１８は、冷却液Ｃが流れる流路１８Ａと、冷却液供給部３２から冷却液Ｃが流路１８Ａ内に流入する流入口１８Ｂと、流路１８Ａを通過して熱を回収した冷却液Ｃを流路１８Ａから排出するための流出口１８Ｃと、を備える。流路１８Ａは、圧力調整層１７の外側全域にわたって管状に形成されている。

【0020】

真空ポンプ３１は、制御部３４による制御のもと、圧力調整室１７Ｃ内の圧力を真空状態にする。
大気開放弁３３は、制御部３４による制御のもと開閉する。大気開放弁３３は、閉じることにより真空ポンプ３１による圧力調整室１７Ｃ内の圧力調整を可能とし、開くことにより圧力調整室１７Ｃ内が大気に開放される。

【0021】

冷却液供給部３２は、制御部３４による制御のもと、流入口１８Ｂを介して冷却液Ｃを流路１８Ａ内に供給する。冷却液供給部３２は、貯蔵タンクから冷却液Ｃを汲み出して流入口１８Ｂに供給するポンプからなる。

【0022】

制御部３４は、加熱ヒータ１５、真空ポンプ３１、大気開放弁３３及び冷却液供給部３２等を制御する。

【0023】

制御部３４は、大気開放弁３３を閉じつつ、一定時間（圧力調整室１７Ｃ内の真空引きに必要な時間）にわたって真空ポンプ３１を駆動させることにより圧力調整室１７Ｃ内を真空状態とする。制御部３４は、真空状態において、大気開放弁３３を開くことにより圧力調整室１７Ｃ内を大気圧状態とする。
制御部３４は、図２に示すように、メインチャンバ１２内の温度を高める必要がある断熱期間Ｔ１においては、圧力調整室１７Ｃ内を真空状態としつつ、冷却液供給部３２からの冷却液Ｃの供給を停止した状態とする。断熱期間Ｔ１は、加熱ヒータ１５の発熱によりルツボ１４に収容される原料を融解する期間と、融液３から結晶２を育成する期間を含む。断熱期間Ｔ１は、例えば、加熱ヒータ１５が発熱している期間に設定される。断熱期間Ｔ１においては、圧力調整室１７Ｃの真空断熱機能が発揮され、メインチャンバ１２の保温性能が高まり、原料の融解と結晶２の育成に必要となる加熱ヒータ１５の消費電力を小さくすることができる。また、真空断熱により、メインチャンバ１２の外側が高温となりづらいため、メインチャンバ１２の熱的なダメージを減らすことができる。
なお、本例に限らず、断熱期間Ｔ１において、冷却液Ｃの供給を継続状態としてもよい。

【0024】

制御部３４は、断熱期間Ｔ１から、メインチャンバ（炉体）１２の温度を下げる冷却期間Ｔ２に移行すると、大気開放弁３３を開き、圧力調整室１７Ｃ内を大気圧状態としつつ、冷却液供給部３２を動作させることにより流路１８Ａへの冷却液Ｃの供給を開始する。冷却期間Ｔ２においては、冷却液供給部３２から冷却液Ｃを流路１８Ａへ供給し続ける。冷却期間Ｔ２は、結晶２の全ての引き上げ完了後に炉体の冷却を待つ期間である。そして、制御部３４は、冷却期間Ｔ２が経過すると、冷却液供給部３２の動作を停止する。冷却液Ｃの供給により、炉体の冷却待ち時間を短縮することができる。制御部３４は、タイマにより冷却期間Ｔ２が経過したことを判別してもよいし、温度センサにより検出されたチャンバ内温度が常温近くに設定される閾値以下となったときに冷却期間Ｔ２が経過したと判別してもよい。

【0025】

以上、説明した第１実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）結晶２を製造する製造装置の一例である結晶製造装置１０は、結晶２を加熱する加熱ヒータ１５と、加熱ヒータ１５の外側に位置する断熱材２０と、断熱材２０及び加熱ヒータ１５を収容する炉体の一例であるメインチャンバ１２と、メインチャンバ１２の壁部内に位置し、メインチャンバ１２内（収容空間）から外への熱輸送を減少させる真空断熱層の一例である圧力調整層１７と、を備える。
この構成によれば、圧力調整層１７の内部が真空状態とされることにより、結晶２の製造時（原料の融解時と結晶２の育成時）における、メインチャンバ１２内から外への熱輸送が減少される。よって、メインチャンバ１２内の温度低下が抑制され、加熱ヒータ１５の消費電力を小さくすることができる。また、メインチャンバ１２の炉壁への熱的なダメージを小さくすることができる。

【0026】

（２）結晶製造装置１０は、結晶２の原料を収容するルツボ１４を備える。加熱ヒータ１５は、原料を加熱して溶融する。
この構成によれば、結晶２の製造時における加熱ヒータ１５の消費電力を小さくすることができる。

【0027】

（３）結晶製造装置１０は、圧力調整層１７の内部の圧力調整室１７Ｃの気圧を真空状態と大気圧状態の間で切り替え可能である圧力調整部の一例である真空ポンプ３１及び大気開放弁３３を備える。
この構成によれば、結晶２の製造時には、圧力調整室１７Ｃを真空状態とすることにより、メインチャンバ１２内の温度低下が抑制され、加熱ヒータ１５の消費電力を小さくすることができる。また、結晶２の冷却時には、圧力調整室１７Ｃを大気圧状態とすることにより、メインチャンバ１２内の温度を迅速に低下させることができる。

【0028】

（４）結晶製造装置１０は、圧力調整層１７の外側に位置し、メインチャンバ１２を冷却する冷却液Ｃが供給される冷却層１８と、圧力調整室１７Ｃの気圧が大気圧状態であるときに冷却層１８内に冷却液Ｃを供給する冷却液供給部３２と、を備える。
この構成によれば、冷却層１８の冷却液Ｃがメインチャンバ１２から熱を回収することによりメインチャンバ１２を迅速に冷却することができる。このため、結晶２の冷却待ち時間を短縮することができる。また、メインチャンバ１２を輻射熱から守ることができる。

【0029】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る結晶製造装置は、上記第１実施形態の結晶製造装置１０から冷却層１８と冷却液供給部３２が省略されて構成されている。
本実施形態では、上記（１）と（２）に記載の効果を奏することができる。

【0030】

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る結晶製造装置は、上記第１実施形態の結晶製造装置１０から冷却層１８、冷却液供給部３２、真空ポンプ３１、冷却液供給部３２、大気開放弁３３及び制御部３４が省略されて構成される。
図３に示すように、本実施形態に係る結晶製造装置のメインチャンバ６２は、真空断熱層５７を備える。真空断熱層５７は、内壁部１７Ａ及び外壁部１７Ｂと、各壁部１７Ａ，１７Ｂの間に形成される真空室１７Ｄと、を備える。真空室１７Ｄは、真空状態に常時維持されている。
本実施形態では、上記（１）に記載の効果を奏することができる。

【0031】

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態に係る結晶製造装置は、図４に示すように、メインチャンバ（炉体）１２Ｗとは別体で構成される真空断熱層を有する真空構造物８７を備える。本実施形態では、上記第１実施形態と異なり、メインチャンバ１２Ｗの壁部内には、圧力調整層１７と冷却層１８が形成されていない。真空構造物８７は、メインチャンバ１２Ｗの内側の収容空間（断熱材２０等が収容される空間と同一の空間）に位置し、断熱材２０の周囲を囲む筒状をなす。真空構造物８７は、断熱材２０とメインチャンバ１２Ｗの間に位置する。
真空構造物８７は、内壁部８７Ａ及び外壁部８７Ｂと、各壁部８７Ａ，８７Ｂの間に形成される真空室８７Ｄと、を備える。真空室８７Ｄは、真空状態に常時維持されている。真空室８７Ｄは、上記第１実施形態における真空状態の圧力調整室１７Ｃと同様に、真空断熱機能を発揮する。

【0032】

以上、説明した第４実施形態によれば、以下の効果を奏する。
結晶２を製造する製造装置の一例である結晶製造装置１０は、結晶２の原料を収容するルツボ１４と、原料を加熱する加熱ヒータ１５と、ルツボ１４及び加熱ヒータ１５を収容するメインチャンバ１２Ｗと、メインチャンバ１２Ｗの収容空間に位置し、内部の真空室８７Ｄの気圧が真空状態であることによりメインチャンバ１２Ｗ内から外への熱輸送を減少させる真空構造物８７と、を備える。
この構成によれば、真空構造物８７により、メインチャンバ１２Ｗ内から外への熱輸送が減少される。よって、加熱ヒータ１５の消費電力を小さくすることができる。また、メインチャンバ１２の炉壁への熱的なダメージを小さくすることができる。

【0033】

なお、本発明は以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。以下に、変形の一例を説明する。

【0034】

（変形例）
上記各実施形態においては、結晶製造装置（半導体製造装置）は、半導体としても用いられるシリコン単結晶を製造していたが、このシリコン単結晶に限らず、その他の結晶又は半導体を製造してもよい。例えば、リン化ガリウム（ＧａＰ）結晶等の化合物半導体等を製造してもよいし、半導体以外にサファイア等の結晶（単結晶と多結晶の何れも含む）を製造してもよい。また、結晶製造装置１０は、融液３に磁場を印加しながら結晶又は半導体を育成するＭＣＺ法（Magnetic Field AppliedCzochralski Method、磁界下引上法）を用いて結晶又は半導体を製造してもよいし、ＣＺ法以外の方法、例えば、ＥＦＧ（Edge-defined Film-fed Growth）法、キロプロス法、るつぼ溶融法等により結晶又は半導体を製造してもよい。
また、半導体製造装置は、半導体基板を加熱するウェーハ熱処理装置であってもよく、この場合、炉体は、ウェーハ熱処理炉であってもよい。

【0035】

上記第４実施形態においては、真空構造物８７内の気圧は真空状態に保たれていたが、上記第１実施形態と同様に、真空ポンプと大気開放弁により真空状態と大気圧状態の間で切り替え可能であってもよい。また、上記第４実施形態においては、真空構造物８７の外周側又はメインチャンバ１２Ｗの外周側に上記第１実施形態と同様の冷却層が設けられていてもよい。
上記第１実施形態において、上記第４実施形態の真空構造物８７がメインチャンバ１２内に設けられていてもよい。

【符号の説明】

【0036】

２…結晶、３…融液、８…引上げワイヤ、９…種結晶、１０…結晶製造装置、１１…支持軸、１２，１２Ｗ，６２…メインチャンバ、１２Ｈ…開口部、１３…引上げチャンバ、１４…ルツボ、１４Ａ…石英内容器、１４Ｂ…黒鉛外容器、１５…加熱ヒータ、１７…圧力調整層、１７Ａ，８７Ａ…内壁部、１７Ｂ，８７Ｂ…外壁部、１７Ｃ…圧力調整室、１７Ｅ…接続口、１７Ｄ，８７Ｄ…真空室、１８…冷却層、１８Ａ…流路、１８Ｂ…流入口、１８Ｃ…流出口、２０…断熱材、３１…真空ポンプ、３２…冷却液供給部、３３…大気開放弁、３４…制御部、５７…真空断熱層、８７…真空構造物、Ｃ…冷却液、Ｔ１…断熱期間、Ｔ２…冷却期間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】