JP4324937B2 - 部材の分離装置および部材の分離方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部材を分離する際に部材に生じる損傷を防止することができる部材の分離装置および分離方法に関する。また、ヒータの製作に必要な黒鉛素材量を削減することができるヒータ脚部の分離装置および分離方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＺ法（チョクラルスキー法）により単結晶シリコンを製造する装置では、ＣＺ炉内に設置された石英るつぼ内の多結晶シリコンがヒータによって加熱され溶解される。この装置に用いられるヒータは電極の上部に取り付けられており、電極に電圧が印加されることによって発熱する。ヒータの寿命によりヒータを交換する場合や、ヒータを他の装置に付け換える場合には、ヒータを電極から分離させる必要がある。このためヒータは電極から分離できるように取り付けられている。
【０００３】
従来より、分離可能なヒータの取り付け構造には、「テーパ嵌合」と「ネジ部とナットによる結合」の２種類がある。
【０００４】
シリコン単結晶ウェーハが小型の時代（直径１００〜１５０ｍｍ）には、ヒータも小型で軽量であり「テーパ嵌合」が比較的多く用いられていた。
【０００５】
「テーパ嵌合」は図４を用いて後述するようにヒータ重量が常にテーパ部に負荷されるため接触部にゆるみが発生せず接触抵抗が安定して放電等による損傷が発生しにくいという利点がある。またヒータの取り外し組み付けが容易であるという利点がある。
【０００６】
しかし近年、シリコン単結晶ウェーハが大型化（直径２００〜３００ｍｍ）してきたため一度に溶融するシリコン素材量も大量になり、るつぼの大型化とヒータの大型化、大重量化が進んでいる。ヒータ重量としては５０ｋｇ程度ないしはそれ以上に増大している。このため「テーパ嵌合」を適用すると自重による食い込み作用が強くなり、ヒータの取り外しが困難になるという問題が発生している。このため近年は「ネジ部とナットによる結合」が増えている。
【０００７】
「ネジ部とナットによる結合」は、例えば、特開２０００−２３３９８９号公報（以下、文献１という）に開示されている。図５（ａ）は従来のヒータ５０を示す図である。図５（ｂ）は電極５２にヒータ５０を取り付けた状態を示す図であり、ヒータ５０の加熱面側からみた図である。
【０００８】
図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ヒータ５０の下部には、ヒータ５０を電極５２に取り付けるための脚部５１が、Ｌ字状に形成されている。図５（ｂ）に示すように、このヒータ５０の脚部５１には垂直方向に貫通する貫通孔５１ａが設けられている。一方、電極５２の頭部には雄ネジ部５２ａが形成されている。
【０００９】
電極５２の雄ネジ部５２ａを脚部５１の貫通孔５１ａに挿通し、電極５２の雄ネジ部５２ａに雌ネジであるナット５２ａを螺合することによって、ヒータ５０の脚部５１が電極５２の上方に固定される。
【００１０】
ヒータ５０の脚部５１を電極５２から分離する際には、ナット５３が雄ネジ部５２ａから外され、ヒータ５０の脚部５１が上方へ持ち上げられる。
【００１１】
図４は「テーパ嵌合」によるヒータ取り付け構造を例示している。
【００１２】
図４は中間電極２にヒータ４０を取り付けた状態を示す図であり、ヒータ４０の加熱面側からみた図である。
【００１３】
この装置には中間電極２が使用されており、中間電極２の上部には電極挿入部２ａが設けられている。電極挿入部２ａは上部先端に進むにつれて徐々に細くなるテーパ状に形成されている。
【００１４】
図４に示すように、ヒータ４０の下部には、ヒータ４０を中間電極２に取り付けるための脚部４０ａがＬ字状に形成されている。このヒータ４０の脚部４０ａの下部には、中間電極２と嵌合する電極挿入穴４０ｂが形成されている。この電極挿入穴４０ｂは、その内周面が電極挿入部２ａの外周面に倣うようにテーパ状に形成されている。また電極挿入穴４０ｂの上方には同電極挿入穴４０ｂと連通するボルト穴４０ｃが設けられている。
【００１５】
脚部４０ａの電極挿入穴４０ｂには中間電極２の電極挿入部２ａが嵌合される。このときヒータ４０の自重が加わることによって、ヒータ４０の脚部４０ａが中間電極２に固定される。
【００１６】
ヒータ４０の脚部４０ａを中間電極２から分離する際には、ボルト穴４０ｃに上方からボルト４１が螺合される。これによりボルト４１の先端部で中間電極２の電極挿入部２ａの頭頂部が押圧され、中間電極２が下方へ押し出される。
【００１７】
図４に示す構造によれば、ボルト４１をねじ込むことによってボルト４１の先端部で中間電極２の電極挿入部２ａの頭頂部を押圧し、中間電極２を下方へ押し出すようにしているため、シリコン単結晶ウェーハの大型化により「食い込み作用」が強くなったとしても、確実に分離できるという利点がある。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
ヒータや電極の材質には黒鉛が用いられている。黒鉛は金属等と比較すると強度が低い。このため図４のボルト４１とボルト穴４０ｃにおけるネジ山や図５（ｂ）の雄ネジ部５２ａにおけるネジ山は強度的に非常に脆く、ネジを回すことを繰り返して、ヒータ脚部の分離を繰り返して行うと、ネジ山が損傷するおそれがある。
【００１９】
本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、部材を分離することによって部材に生じる損傷を防ぐことを第１の解決課題とするものである。
【００２０】
ところでヒータは黒鉛の素材から削り出すことにより作成される。図５（ａ）は破線に示す黒鉛素材１００からヒータ５０を削り出す様子を示している。なお図４に示すヒータ４０についても同様である。
【００２１】
図５（ａ）に示すようにヒータ５０は、るつぼの加熱に用いられる発熱部５０ｄと、るつぼの加熱に用いられないＬ字状の脚部５１とからなる。黒鉛素材１００からヒータ５０を削りだした後、ヒータ５０の内側の一点鎖線に示す部分１０１がくり抜かれ別の部材に使用される。この場合くり抜き部分１０１は、Ｌ字状の脚部５１を避けてくり抜かれる。
【００２２】
これに対して図２はヒータ５の脚部５ｂを直線状に形成した場合を示している。黒鉛素材２００からヒータ５を削りだした後ヒータ５の内側をくり抜く際には、図５（ａ）のように「Ｌ字状」の部分を避ける必要はなく、脚部５ｂは、発熱部５ｄの一部を成していることから、図５（ａ）の黒鉛素材１００よりも少ない黒鉛素材２００を使用しながらも、図５（ａ）のくり抜き部分１０１よりも大面積のくり抜き部分２０１をくり抜くことができる。くり抜いた素材２０１は、より小さい他の部品の素材として転用が可能である。このため黒鉛素材の歩留まりを大きくしコストを削減することができる。
【００２３】
ヒータに用いられる黒鉛は高純度、高密度の等方性黒鉛であり、非常に高価であることから、歩留まりを大きくすることはコスト削減に多大な影響を与える。
【００２４】
本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、上記第１の解決課題を達成することに加えて、ヒータの製作に必要な黒鉛素材量を削減して市場に安価なヒータを提供することを第２の解決課題とするものである。
【００２５】
【課題を解決するための手段及び作用、効果】
そこで本発明の第１発明の装置では、第１の解決課題を達成するために、
チョクラルスキー法により単結晶シリコンを製造する装置に使用される黒鉛ヒータに取り付けられ、上壁面と下方に拡がるテーパ状に形成された側壁面とを有する穴が形成された黒鉛の雌部材に形成された治具挿入口と、
中間電極である雄部材の先端が前記穴に挿入されて前記雄部材と前記雄部材とが嵌合状態のときに、該雌部材の穴の上壁面と該雄部材の先端部の上端面との間に形成される隙間部と、
前記治具挿入口から前記隙間部へ挿入可能に形成され自身がその軸線を中心に回転することで前記雌部材と前記雄部材とを分離する治具と、を備えたこと
を特徴とする。
また第２発明の装置では、
チョクラルスキー法により単結晶シリコンを製造する装置に使用される黒鉛ヒータに取り付けられ、上壁面と下方に拡がるテーパ状に形成された側壁面とを有する穴が形成される黒鉛の雌部材と、
前記雌部材を介して前記黒鉛ヒータに電圧を印加する中間電極であり、前記雌部材の穴に先端部が嵌合する黒鉛の雄部材と、
を備え、前記雌部材と前記雄部材とを分離する部材の分離装置において、
前記雌部材の穴に前記雄部材の先端が挿入され、前記雌部材と前記雄部材とが嵌合状態のときに、該雌部材の穴の上壁面と該雄部材の先端部の上端面との間に形成される隙間部と、
前記雌部材に形成され、水平方向に貫通する治具挿入口と、
前記治具挿入口から前記隙間部へ挿入可能であって長径と短径の断面を有する挿入部が形成され、該挿入部が、短径が垂直方向になるように前記隙間部に挿入され、該挿入部の長手方向の軸を中心にして回転され長径が垂直方向にされることによって、前記雌部材と前記雄部材とを分離する治具と、を備えたこと
を特徴とする。
【００２６】
第１、第２発明によれば、図３（ａ）に示すように、治具３を、嵌合状態の雄部材２と雌部材１との間に形成された隙間４ａ以下の径３ｃにして、隙間４ａに挿入し、同図３（ｂ）に示すように、挿入後に治具３を隙間４ａよりもｄだけ大きい径３ｄにすると、雄部材２と雌部材１とを分離することができる。
【００２７】
第１、第２発明によれば、雄部材２と雌部材１とを分離するに際して、図４や図５の場合と異なり、ネジを回す必要がない。このため雄部材２と雌部材１の材質が強度的に脆い黒鉛であったとしても、これら部材の損傷を防ぐことができる。
【００２８】
第３発明の装置では、第２の解決課題を達成するために、第１、第２発明において、
前記雌部材は、前記黒鉛ヒータの脚部に固定されており、該脚部が直線状に形成されていること
を特徴とする。
【００２９】
第３発明によれば、図３で説明したように第１、第２発明と同様の効果が得られる。また図２に示すように、ヒータ５の脚部５ｂを直線状に形成しているので、黒鉛素材２００からヒータ５を削りだした後ヒータ５の内側をくり抜く際には、図５（ａ）のように「Ｌ字状」の部分を避ける必要はなく、脚部５ｂは、発熱部５ｄの一部を成していることから、図５（ａ）の黒鉛素材１００よりも少ない黒鉛素材２００を使用しながらも、図５（ａ）のくり抜き部分１０１よりも大面積のくり抜き部分２０１をくり抜くことができる。このため黒鉛素材の歩留まりを大きくし材料のコストを削減することができる。このためヒータの製作に必要な黒鉛素材量を削減でき市場に安価なヒータを提供することができる。
【００３１】
第４発明の方法では、第１の解決課題を達成するために、
チョクラルスキー法により単結晶シリコンを製造する装置に使用される黒鉛ヒータに取り付けられ、上壁面と下方に拡がるテーパ状に形成された側壁面とを有する穴が形成される黒鉛の雌部材と、
前記雌部材を介して前記黒鉛ヒータに電圧を印加する中間電極であり、前記雌部材の穴に先端部が嵌合する黒鉛の雄部材と、
前記雌部材の穴に前記雄部材の先端が挿入され、前記雌部材と前記雄部材とが嵌合状態のときに、該雌部材の穴の上壁面と該雄部材の先端部の上端面との間に形成される隙間部と、
前記雌部材に形成され、水平方向に貫通する治具挿入口と、
前記治具挿入口から前記隙間部へ挿入可能であって長径と短径の断面を有する挿入部が形成された治具と、
を備えた装置の部材の分離方法であって、
前記治具の挿入部を、短径が垂直方向になるように前記隙間部に挿入し、該挿入部の長手方向の軸を中心にして回転させて長径を垂直方向にして、前記雌部材と前記雄部材とを分離すること
を特徴とする。
【００３２】
第４発明は、第２発明の装置の発明を方法の発明に置換したものである。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明に係る部材の分離装置および分離方法の実施の形態について説明する。なお本実施形態では、分離させる各部材として、「単結晶シリコン製造装置に用いられるヒータの脚部」と「このヒータに電力を供給する電極」の各部材を想定している。
【００３８】
図１〜図３を参照して本実施形態の構成について説明する。
【００３９】
図１は実施形態のヒータ脚部の分離装置を示す図であり、ヒータの加熱面側からみた図である。図２はヒータのみを加熱面側からみた図である。図３（ａ）、（ｂ）は図１の分離装置をＸ−Ｘ′断面でみた図である。
【００４０】
図１に示すように、本実施形態の分離装置は、チャンバ８に固定され、内部に金属電極１１を収容する中間電極２と、ヒータ５の脚部５ｂに取り付けられた着座部材１とで構成される。この分離装置では中間電極２が雄部材として機能し、着座部材１が雌部材として機能する。ここでヒータ５の材質には高純度、高密度の等方性黒鉛が用いられ、着座部材１及び中間電極２の材質にも同黒鉛が用いられるものとする。
【００４１】
ヒータ５の脚部５ｂは、図２に示すように直線状に形成されている。脚部５ｂには水平方向に貫通する貫通孔５ａが設けられている。ヒータ５の材質には高純度、高密度の等方性黒鉛が用いられる。
【００４２】
図１に示すように、着座部材１は固定ボルト５ｃによってヒータ５の脚部５ｂに固定されている。すなわち着座部材１の上部には水平方向に貫通するボルト穴１ｂが設けられている。固定ボルト５ｃを、脚部５ｂの貫通孔５ａと着座部材１のボルト穴１ｂに螺合することで、着座部材１がヒータ５の脚部５ｂに固定される。
【００４３】
中間電極２は着座部材１に嵌合することによって中間電極２は着座部材１に電気的に接続している。すなわち着座部材１の下部には、中間電極２が挿入されて同中間電極２が嵌合する電極挿入穴１ａが形成されている。電極挿入穴１ａは上壁面１ｃと、テーパ状に形成された側壁面１ｄとを有する。上壁面１ｃには、円筒内周形状の切欠部１ｅが形成されている。
【００４４】
着座部材１には、水平方向に貫通する治具挿入口４が設けられている。
【００４５】
中間電極２の上部には電極挿入部２ａが形成されている。電極挿入部２ａは上端面２ｂを有し、側面が着座部材１の電極挿入穴１ａの側壁面１ｄに倣うようにテーパ状に形成されている。
【００４６】
着座部材１の電極挿入穴１ａに、中間電極２の電極挿入部２ａが挿入され、中間電極２が着座部材１に嵌合される。このときヒータ５の自重が加わることによって、雌部材である着座部材１が雄部材である中間電極２に固定される。
【００４７】
雌部材である着座部材１と雄部材である中間電極２とが嵌合状態のとき、電極挿入穴１ａの上壁面１ｃと電極挿入部２ａの上端面２ｂとの間つまり着座部材１の切欠部１ｅと中間電極２の上端面２ｂとの間には、距離Ｄの隙間４ａが形成される。
【００４８】
中間電極２の内部には、金属電極１１の上部が収容されている。金属電極１１は、導電率が比較的高い銅、銅合金、ステンレス鋼等の金属で構成されている。
【００４９】
る。
【００５０】
金属電極１１の下部はチャンバ８に固定ナット１０によって固定されている。固定ナット１０によって固定する際金属電極１１とチャンバ８との間には絶縁スリーブ７、絶縁材９が介在されて金属電極１１とチャンバ８を電気的に絶縁している。
【００５１】
金属電極１１の下端には冷却水供給口１２と冷却水排出口１３とが設けられている。冷却水供給口１２には冷却水が供給され金属電極１１を冷却する。冷却水供給口１２から供給された電極冷却用の冷却水は、金属電極１１内部の図示しない冷却水通路を通って冷却水排出口１３から排出される。
【００５２】
図３（ａ）、（ｂ）は、上記治具挿入口４に挿入される治具３を示している。治具３は、ハンドル３ａと、ハンドル３ａに接続され断面が略半月形状の挿入部３ｂとで構成されている。
【００５３】
挿入部３ｂの断面は長径３ｄと短径３ｃとを有する。長径３ｄは、上述した距離Ｄの隙間４ａよりも距離ｄだけ長く、短径３ｃは距離Ｄの隙間４ａ以下の長さに設定されている。なお治具３の材質にはＳＵＳが用いられる。
【００５４】
次に、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施形態の分離時の態様について説明する。図３（ａ）は着座部材１と中間電極２とが嵌合している状態を示す図であり、治具３が挿入前の状態を示している。図３（ｂ）は治具３が挿入されて着座部材１と中間電極２とが分離される様子を示す図である。
【００５５】
図３（ａ）に示すように、雌部材である着座部材１と雄部材である中間電極２とが嵌合状態のとき、着座部材１の切欠部１ｅと中間電極２の上端面２ｂとの間には、距離Ｄの隙間４ａが形成されている。
【００５６】
この状態で治具３の挿入部３ｂを、短径３ｃが垂直方向になるように治具挿入口４に挿入する（Ａ−Ａ′断面参照）。
【００５７】
短径３ｃは距離Ｄの隙間４ａ以下の長さに設定されているので、治具３の挿入部３ｂを隙間４ａに挿入させることができる。
【００５８】
挿入部３ｂの隙間４ａに挿入されると、ハンドル３ａを操作して、挿入部３ｂを、その長手方向の軸を回転中心にして９０°回転させる。すると図３（ｂ）に示すように、治具３の挿入部３ｂの長径３ｄが垂直方向に位置する（Ｂ−Ｂ′断面参照）。
【００５９】
長径３ｄは距離Ｄの隙間４ａよりも距離ｄだけ長く設定されているので、挿入部３ｂが回転すると、中間電極２の上端面２ｂは距離ｄだけ下方に押し出される。これにより中間電極２と着座部材１とが分離される。
【００６０】
以上のように本実施形態によれば、断面略半月形状の治具３を用いて中間電極２と着座部材１とを分離しており、中間電極２と着座部材１とを分離するに際して、図４や図５の場合と異なり、ネジを回す必要がない。このため中間電極２と着座部材１の材質が強度的に脆い黒鉛であったとしても、これら部材の損傷を防ぐことができる。
【００６１】
また本実施形態によれば、図２に示すようにヒータ５の脚部５ｂを直線状に形成しているので、黒鉛素材２００からヒータ５を削りだした後ヒータ５の内側をくり抜く際には、図５（ａ）のように「Ｌ字状」の部分を避ける必要はなく、脚部５ｂは、発熱部５ｄの一部を成していることから、図５（ａ）の黒鉛素材１００よりも少ない黒鉛素材２００を使用しながらも、図５（ａ）のくり抜き部分１０１よりも大面積のくり抜き部分２０１をくり抜くことができる。このため黒鉛素材の歩留まりを大きくし材料のコストを削減することができる。このためヒータの製作に必要な黒鉛素材量を削減でき市場に安価なヒータを提供することができる。
【００６２】
また本実施形態によれば、治具３を着座部材１に挿入した状態で中間電極２と着座部材１とを分離させることができるので、分離中に中間電極２と着座部材１とが再び嵌合されることがなく、ヒータ５の交換作業や付け換え作業を容易に行うことができる。
【００６３】
また本実施形態では、治具３の断面形状を略半月形状にしているが、このような形状に限定されるわけではなく、回転することによって径が拡大し得る形状であればよく、たとえば断面を楕円などの長円形状に形成してもよい。
【００６４】
また本実施形態では、断面略半月形状の治具３を回転させることによって、治具３の径を隙間４ａ以下の径３ｃから、隙間４ａよりも大きい径３ｄにしているが、本発明の治具としては、必ずしも「断面が略半月形状のもので、回転させることによって径を変化させるもの」に限定されるわけではない。たとえば治具３の断面を円形となし、この円形の直径が拡がるように治具３を構成し、挿入時には治具３の断面の直径を隙間４ａ以下の直径にし、分離する際に治具２の断面の直径を隙間４ａよりも大きい直径に拡大してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明に係るヒータ脚部の分離装置の実施形態を示す図である。
【図２】図２はヒータ全体を加熱面側からみた図である。
【図３】図３（ａ）は本実施形態の嵌合時の態様を示す図であり、同図３（ｂ）は本実施形態の分離時の態様を示す図である。
【図４】図４は中間電極にヒータを取り付けた状態を示す図である。
【図５】図５（ａ）は従来のヒータを示す図であり、図５（ｂ）は電極にヒータを取り付けた状態を示す図である。
【符号の説明】
１…着座部材（雌部材）
２…中間電極（雄部材）
３…治具
４ａ…隙間

Claims (4)

1. チョクラルスキー法により単結晶シリコンを製造する装置に使用される黒鉛ヒータに取り付けられ、上壁面と下方に拡がるテーパ状に形成された側壁面とを有する穴が形成された黒鉛の雌部材に形成された治具挿入口と、
   中間電極である雄部材の先端が前記穴に挿入されて前記雄部材と前記雄部材とが嵌合状態のときに、該雌部材の穴の上壁面と該雄部材の先端部の上端面との間に形成される隙間部と、
   前記治具挿入口から前記隙間部へ挿入可能に形成され自身がその軸線を中心に回転することで前記雌部材と前記雄部材とを分離する治具と、を備えたこと
   を特徴とする部材の分離装置。
2. チョクラルスキー法により単結晶シリコンを製造する装置に使用される黒鉛ヒータに取り付けられ、上壁面と下方に拡がるテーパ状に形成された側壁面とを有する穴が形成される黒鉛の雌部材と、
   前記雌部材を介して前記黒鉛ヒータに電圧を印加する中間電極であり、前記雌部材の穴に先端部が嵌合する黒鉛の雄部材と、
   を備え、前記雌部材と前記雄部材とを分離する部材の分離装置において、
   前記雌部材の穴に前記雄部材の先端が挿入され、前記雌部材と前記雄部材とが嵌合状態のときに、該雌部材の穴の上壁面と該雄部材の先端部の上端面との間に形成される隙間部と、
   前記雌部材に形成され、水平方向に貫通する治具挿入口と、
   前記治具挿入口から前記隙間部へ挿入可能であって長径と短径の断面を有する挿入部が形成され、該挿入部が、短径が垂直方向になるように前記隙間部に挿入され、該挿入部の長手方向の軸を中心にして回転され長径が垂直方向にされることによって、前記雌部材と前記雄部材とを分離する治具と、を備えたこと
   を特徴とする部材の分離装置。
3. 前記雌部材は、前記黒鉛ヒータの脚部に固定されており、該脚部が直線状に形成されていること
   を特徴とする請求項１乃至２いずれか記載の部材の分離装置。
4. チョクラルスキー法により単結晶シリコンを製造する装置に使用される黒鉛ヒータに取り付けられ、上壁面と下方に拡がるテーパ状に形成された側壁面とを有する穴が形成される黒鉛の雌部材と、
   前記雌部材を介して前記黒鉛ヒータに電圧を印加する中間電極であり、前記雌部材の穴に先端部が嵌合する黒鉛の雄部材と、
   前記雌部材の穴に前記雄部材の先端が挿入され、前記雌部材と前記雄部材とが嵌合状態のときに、該雌部材の穴の上壁面と該雄部材の先端部の上端面との間に形成される隙間部と、
   前記雌部材に形成され、水平方向に貫通する治具挿入口と、
   前記治具挿入口から前記隙間部へ挿入可能であって長径と短径の断面を有する挿入部が形成された治具と、
   を備えた装置の部材の分離方法であって、
   前記治具の挿入部を、短径が垂直方向になるように前記隙間部に挿入し、該挿入部の長手方向の軸を中心にして回転させて長径を垂直方向にして、前記雌部材と前記雄部材とを分離すること
   を特徴とする部材の分離方法。

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