CN102639763B - 单晶制造装置及单晶制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单晶制造装置，是利用切克劳斯基法来实行的单晶制造装置，其具备：坩埚，其容置原料；主室，其容置将该原料加热成原料熔液的加热器；及副室，其连接设置于该主室的上部，用以提拉并容置培育后的单晶；所述单晶制造装置的特征在于具有：内屏蔽，其配置于所述加热器与所述主室之间，并隔绝所述加热器的辐射热；及支持构件，其从下方支持该内屏蔽；并且，所述内屏蔽在三处以上的支点处与所述支持构件接触而得以被支持，所述内屏蔽的下端在所述支点以外不与所述支持构件接触。由此，提供一种单晶制造装置，所述单晶制造装置可以通过降低由内屏蔽向支持构件的热量散失，来提高炉内保温性，省电并且减少单晶的制造时间。

Description

单晶制造装置及单晶制造方法
技术领域
本发明涉及一种利用切克劳斯基法(CzochralskiMethod，以下简略为CZ法)的单晶制造装置及单晶制造方法。
背景技术
近年来，制造超高集成半导体元件所使用的基板，主要是使用一种面加工成镜面的硅晶片，所述硅晶片是将由利用CZ法培育的硅单晶所制造而成。
此处，将表示利用习知CZ法的单晶制造装置的一例的略图，示于图5。
如图5所示，利用CZ法制造硅单晶时所使用的单晶制造装置101，通常将容置有原料熔液106的可作升降动作的坩埚109、110、及围绕该坩埚109、110配置的加热器111配置于用以培育单晶108的主室105内，并在该主室105的上部连接设置有用于容置并取出培育后的单晶108的副室(pullchamber)107。
并且，为了将炉内产生的氧化物排出至炉外等的目的，由设置于副室107上部的气体导入口116导入氩气等惰性气体，并通过石墨制成的整流筒104整流至单晶108的附近，由气体流出口117排出。并且，在加热器111的外侧，设置有用于防止由加热器111向主室105导热的绝热构件112，并且所述绝热构件112围绕在加热器111的周围，在此绝热构件112的内侧，设置有用于遮蔽加热器111的辐射热及绝热构件112的扬尘的圆筒形内屏蔽102。
作为具有在这种内屏蔽102的外侧设置有绝热构件112的构造的单晶制造装置，例如，在专利文献1中有所揭示。并且，作为内屏蔽，揭示了一种在内侧部分的下部约2/3的部分处，可以随意装卸地安装有薄壁碳纤维增强碳材料的内屏蔽(innershield)(参照专利文献2)。
并且，在单晶制造装置101中，设置有绝热环119，所述绝热环119用于防止加热器111及原料熔液106的热量直接辐射到整流筒104或单晶108上。
而且，在培育单晶108时，将安装于籽晶夹具114上的籽晶(晶种)113浸渍于原料熔液106中，之后利用提拉机构(未图示)，一边使籽晶113朝向所需方向旋转，一边缓缓地卷起提线115，使单晶108在籽晶113的前端部上成长，另一方面，为了获得所需直径与结晶品质，配合着结晶的成长，使坩埚109、110上升，来补偿因原料减少所引起的熔液面的下降量，并使熔液面的高度始终保持在一定位置。
[先行技术文献]
(专利文献)
专利文献1：日本特开平10-139581号公报
专利文献2：日本特开2002-265297号公报
发明内容
此处，内屏蔽102是使用辐射率较高的石墨材料等，如图6所示，设置为以下形式：内屏蔽102的整个下端与支撑内屏蔽102的同心圆筒形支持构件103接触。
但是，由于石墨材料的导热率较高，因此内屏蔽102直接接受加热器111的辐射，温度较高，并由内屏蔽102向支撑内屏蔽102的支持构件103导热而导致热量散失，保温效果下降。由此，在习知单晶制造装置中，热效率不佳，而且工业成本高，这也是制造时间增加的一个原因。
本发明是有鉴于如上所述的问题而完成，其目的在于提供一种单晶制造装置，所述单晶制造装置可以通过降低由内屏蔽向支持构件的热量散失，来提高炉内保温性，省电并且减少单晶的制造时间。
为了达成所述目的，根据本发明，提供一种单晶制造装置，是利用切克劳斯基法来实行的单晶制造装置，其具备：坩埚，其容置原料；主室，其容置将该原料加热成原料熔液的加热器；及副室，其连接设置于该主室的上部，用以提拉并容置培育后的单晶；所述单晶制造装置的特征在于具有：内屏蔽，其由石墨材料形成，配置于所述加热器与所述主室之间，并隔绝所述加热器的辐射热；支持构件，其从下方支持该内屏蔽；绝热构件，围绕在所述内屏蔽的周围；并且，所述内屏蔽在三处以上的支点处与所述支持构件接触而得以被支持，所述内屏蔽的下端在所述支点以外不与所述支持构件接触，在所述内屏蔽的下端具有不与所述支持构件接触的部分，在所述支持构件的上端具有不与所述内屏蔽接触的部分，所述内屏蔽与所述支持构件经由碳材料或碳复合材料构成的棒状构件而作接触，该棒状构件的横截面积总计为200cm2以下。
这样一来，如果具有：内屏蔽，其配置于所述加热器与所述主室之间，并隔绝所述加热器的辐射热；及支持构件，其从下方支持该内屏蔽；并且，所述内屏蔽在三处以上的支点处与所述支持构件接触而得以被支持，所述内屏蔽的下端在所述支点以外不与所述支持构件接触，那么可以减小内屏蔽向支持构件的传热面积，并降低由内屏蔽向支持构件的热量散失，还可以提高炉内保温性。其结果为，可以省电并且减少原料的熔化时间，从而可以减少单晶的制造时间。
此时，优选为，所述内屏蔽与所述支持构件经由棒状构件而作接触，该棒状构件的横截面积总计为200cm2以下。
这样一来，所述内屏蔽与所述支持构件经由棒状构件而作接触，由此，由内屏蔽向支持构件的传热则取决于棒状构件的横截面积，如果该棒状构件的横截面积总计为200cm2以下，则可以更确实地减低由内屏蔽向支持构件的热量散失。
又，此时，可以使所述棒状构件由碳材料或碳复合材料所构成。
这样一来，如果所述棒状构件是由碳材料或碳复合材料所构成，可以充分提高支持内屏蔽的支点的强度，可以进一步减小棒状构件的横截面积。
又，此时，所述棒状构件的端部具有细微的段差，该细端部侧可以搭载于所述支持构件上。
这样一来，如果所述棒状构件的端部具有细微的段差，该细端部侧搭载于所述支持构件上，那么当搭载于支持构件上的棒状构件及内屏蔽在水平方向上偏移移动时，可以通过简单的构造，利用段差来限制此移动量。其结果为，可以防止发生以下事项：内屏蔽偏移，使得与加热器的间隔变窄，而产生放电。又，利用调整段差的位置，即使当内屏蔽的直径精度较差时，也可以将因其偏移所导致的位置的偏差抑制在一定范围内。
又，此时，优选为，更具有围绕在所述内屏蔽周围的绝热构件。
这样一来，如果更具有围绕在所述内屏蔽周围的绝热构件，就可以进一步提高炉内保温性，并可以进一步提高省电效果。
又，根据本发明，提供一种使用本发明的单晶制造装置来制造单晶的单晶制造方法。
这样一来，通过使用本发明的单晶制造装置来制造单晶，可以高热效率地进行单晶的培育，并可以减少耗电量，降低制造成本，减少原料的熔化时间，从而减少制造时间。
在本发明的单晶制造装置中，具有：内屏蔽，其配置于加热器与主室之间，并隔绝所述加热器的辐射热；及支持构件，其从下方支持该内屏蔽；并且，所述内屏蔽在三处以上的支点处与所述支持构件接触而得以被支持，所述内屏蔽的下端在所述支点以外不与所述支持构件接触，因此可以减小由内屏蔽向支持构件的传热面积，降低由内屏蔽向支持构件的热量散失，并可以提高炉内保温性。其结果为，可以省电并且减少原料的熔化时间，减少单晶的制造时间，并可以提高生产率。
附图说明
图1是表示本发明的单晶制造装置的一例的略图。
图2是表示本发明的单晶制造装置的内屏蔽的一例的略图。
图3是表示本发明的单晶制造装置的棒状构件的一例的略图。
图4是表示本发明的单晶制造装置的内屏蔽及绝热构件的一例的略图。
图5是表示习知单晶制造装置的一例的略图。
图6是表示习知单晶制造装置的内屏蔽的一例的略图。
具体实施方式
以下，说明本发明的实施形态，但本发明并不限定于此实施形态。
在习知单晶制造装置中，内屏蔽是使用石墨材料等辐射率较高的材料，并设置为内屏蔽的整个下端与支撑内屏蔽的支持构件接触。此种石墨材料等的内屏蔽的导热率也较高，因此，内屏蔽直接接受加热器的辐射，变成高温，并由内屏蔽向支持构件导热而导致热量散失，保温效果下降。由此，在习知单晶制造装置中，热效率不佳，而且工业上的成本高，这成为制造时间增加的一个原因。
因此，本发明人为了解决此种问题而反复努力研究。结果想到：如果以减小由内屏蔽向支持构件的传热面积的方式来支持内屏蔽，就可以降低由内屏蔽向支持构件的热量散失。并且发现：如果使内屏蔽与支持构件通过碳材料或碳复合材料的棒状构件而接触，可以提高支点的强度，并进一步减小棒状构件的横截面积，从而完成本发明。
图1是表示本发明的单晶制造装置的一例的略图。
如图1所示，单晶制造装置1，将容置原料的坩埚9、10、及用于加热原料并使其熔解成原料熔液6的加热器11等，容置于主室5内，并在连接设置于主室5上的副室(提拉室)7的上部，设置有一边使培育后的单晶8旋转一边提拉的提拉机构20。
从安装于此副室7的上部的提拉机构20中绕出提线15，在此提线15的前端连接有用于安装籽晶13的籽晶夹具14，将安装于籽晶夹具14的前端的籽晶13浸渍于原料熔液6中，利用提拉机构20卷取提线15，从而在籽晶13的下方形成单晶8。
另外，坩埚9、10是由直接容置原料熔液6的内侧的石英坩埚9、及用于支持该坩埚9的外侧的石墨坩埚10所构成。坩埚9、10受坩埚旋转轴18支持，所述坩埚旋转轴18安装于单晶制造装置1的下部，并可以随意旋转升降，为了使结晶直径或结晶品质不因单晶制造装置1中的熔液面的变化而改变，利用坩埚旋转升降驱动机构(未图示)，一边使坩埚9、10向与单晶8相反的方向旋转，一边使坩埚9、10以熔液因提拉单晶8而减少的量上升，而将熔液面保持在一定位置。
又，围绕着培育的单晶8，设置有圆筒形整流筒4。
此处，整流筒4是使用石墨材料，并可以隔绝加热器11或原料熔液6对单晶8的辐射热。
而且，为了将炉内产生的氧化物排出至炉外等，由设置于副室7上部的气体导入口16导入氩气等惰性气体，并通过整流筒4的内侧，整流至提拉中的单晶8的附近，通过原料熔液6表面，并通过坩埚9、10的上端边缘的上方，由气体流出口17排出。由此，可以利用气体使提拉中的单晶8冷却，并且可以防止在整流筒4的内侧、及坩埚9、10的上端边缘等处堆积氧化物。
又，设置有绝热环19，其从此整流筒4的下端部，围绕整流筒4向外部上方扩径并延伸。利用此绝热环19，可以隔绝加热器11及原料熔液6的热量，防止热量直接辐射至整流筒4。
另外，主室5及副室7是由不锈钢等耐热性、导热性优异的金属形成，并通过冷却管(未图示)进行水冷。
又，加热器11围绕着坩埚9、10配置。在此加热器11与主室5之间，围绕在加热器11的周围设置有内屏蔽2，利用此内屏蔽2可以隔绝加热器11的辐射热。又，支持构件3从下方支持内屏蔽2。并且，在内屏蔽2的外侧配置有绝热构件12，可以防止因加热器11的热量而变成高温的内屏蔽2向主室5导热。又，内屏蔽2还有遮蔽绝热构件12的扬尘的效果。内屏蔽2与绝热构件12既可以如图1所示地分离，还可以消除两者之间的间隔而接触。
此处，将内屏蔽2的一例的略图，示于图2中。如图2所示，内屏蔽2在三处以上的支点21(棒状构件)处与支持构件3接触而得以被支持。并且，内屏蔽2的下端在此支点21以外不与支持构件3接触(参照图2的A)。这样一来，通过设置三处以上的支点21，可以在稳定的状态下支持内屏蔽2。此处，内屏蔽2的材料可以是辐射率较高的材料，例如石墨材料，但并不特别限定于此，也可以采用例如强度更高的碳复合材料。
如果是具有此种构造的内屏蔽2的单晶制造装置，可以减小由内屏蔽2向支持构件3的传热面积，降低由内屏蔽2向支持构件3的热量散失，并可以提高炉内保温性。其结果为，由于可以减少耗电量，因此可以降低单晶的制造成本。而且，由于还可以减少原料的熔化时间，因此也可以减少单晶的制造时间，并且还可以降低对石英坩埚的损伤。又，由于减少了内屏蔽2与支持构件3接触处的使用构件，因此还可以降低单晶制造装置本身的成本。
此时，如果具有足以支持内屏蔽2的强度，优选为，尽量减小内屏蔽2与支持构件3的传热面积，以进一步降低由内屏蔽2向支持构件3的热量散失。为此，可以根据内屏蔽2及支持构件3的材料或大小、形状等，适当调整支点的三处以上的数量。
又，此时，如图2所示，内屏蔽2与支持构件3可以通过棒状构件21接触，例如可以将棒状构件21配置为朝向内屏蔽2的外侧延伸为放射状。通过采用此种构造，由于由内屏蔽2向支持构件3的传热取决于棒状构件21的横截面积，因此可以通过减小棒状构件21的总计横截面积，来减小传热面积。此处，棒状构件21可以是方柱形，也可以是圆柱形。并且如上所述，可以适当决定棒状构件21的材料或大小、形状、数量，以使棒状构件21的强度足以支持内屏蔽2，例如，可以使材料为碳材料或碳复合材料。这样一来，如果棒状构件21是由碳材料或碳复合材料构成，就可以提高支持内屏蔽2的支点的强度，并进一步减小棒状构件21的横截面积，因此较好。
又，此时，优选为，使三个以上的复数个棒状构件21的横截面积总计为200cm2以下，为此，可以调整棒状构件21的数量、长度及宽度。这样一来，如果横截面积总计为200cm2以下，就可以充分地减小由内屏蔽2向支持构件3的传热面积，更确实地降低由内屏蔽2向支持构件3的热量散失。
此处，棒状构件21可以将其两端分别安装并固定于内屏蔽2的下端及支持构件3的上端这两者上。或者，还可以只安装并固定于内屏蔽2的下端，使另一端部并非固定于支持构件3上，而是搭载于上端上，或只安装并固定于支持构件3的上端，使另一端部并非固定于内屏蔽2上，而是搭载于内屏蔽2上，这样一来，既可以降低用于固定的成本，在例如只交换内屏蔽2等情况下，也可以易于进行维修。
此时，内屏蔽2及固定于内屏蔽2上的棒状构件21可能会在支持构件3上往水平方向移动并偏移，但是如果此移动量较小就不会产生问题。因此，优选为，进行例如限制棒状构件21的移动量的加工，以减小此移动量。例如，如图3所示，可以在棒状构件21的端部设置细微的段差(参照图3的B)，使其细端部侧搭载于支持构件3上。而且，可以将三个以上的此种棒状构件21，分别以等间隔安装于内屏蔽2的下端的外周上。
如果是此种棒状构件21，可以利用段差，将支持构件3上的移动量限制在图3中所示的间隙D的范围内。而且，如果调整间隙D，就可以防止以下事项：例如，内屏蔽2偏移，使得与加热器11的间隔变窄，而产生放电，导致内屏蔽或加热器受损，或操作上产生障碍。即使当内屏蔽2的直径精度较差时，也可以将因其偏移所导致的位置的偏差抑制在一定范围内。
又，此时，如图4所示，可以围绕着内屏蔽2的周围，配置绝热构件12。此处，当使内屏蔽2与支持构件3经由棒状构件21而作接触时，可以在绝热构件12上设置凹部或孔22，并使此凹部或孔22与固定于内屏蔽2上的棒状构件21、或载置或固定于支持构件3上的棒状构件21卡合，从而将绝热构件12配置成覆盖内屏蔽2。
这样一来，如果围绕着内屏蔽2的周围，配置绝热构件12，就可以进一步提高炉内保温性，并提高省电效果。并且，由于本发明的单晶制造装置的内屏蔽2的下端具有不与支持构件3接触的部分，因此也可以通过绝热构件12来覆盖此部分，与内屏蔽2的整个下端与支持构件3接触的习知单晶制造装置相比，可以利用绝热构件12来覆盖内屏蔽2的下端，从而提高由配置绝热构件12所起到的省电效果。
又，此时，如图1所示，可以具备磁场施加装置23，其对原料熔液6施加磁场，并由例如永久磁铁或电磁铁所构成。如果像这样具有对原料熔液6施加磁场的磁场施加装置23，就可以控制原料熔液6中的对流，防止要制造的单晶8产生位错，并且更高精度地进行杂质浓度的控制。
接着，说明本发明的单晶制造方法。在本发明的单晶制造方法中，使用如上所述的本发明的单晶制造装置来制造单晶。此处，对使用如图1所示的本发明的单晶制造装置的情况进行说明。
如图1所示，首先，在坩埚9、10内，将硅的高纯度多结晶原料加热到熔点(约1420℃)以上，并使其熔解成为原料熔液6。而且，通过绕出提线15，使籽晶13的前端接触或浸渍于液面的大致中心部分。
此时，为了消除当籽晶13接触原料熔液6时所产生的位错，暂且将成长初期的结晶缩径到3～5mm左右，并在位错消失处，将直径扩大为所需直径，使目标直径及品质的单晶8成长。或者，也可以不进行此种籽晶缩径，而应用无位错籽晶安装法来培育单晶8，即，使用前端较尖的籽晶13，使该籽晶13缓缓地接触原料熔液6，浸渍成为指定直径，然后进行提拉。
然后，使坩埚旋转轴18朝向适当的方向旋转，并且使提线15一边旋转一边卷取，来提拉籽晶13，由此开始培育单晶8。而且，一边控制单晶8的提拉速度或加热器11的电力，一边进行单晶8的提拉，以便获得所需直径、品质。
这样一来，如果使用本发明的单晶制造装置来制造单晶，由于可以提高炉内保温性，并制造单晶，因此可以减少原料的熔化时间，从而减少制造时间。又，可以减少单晶制造中的耗电量，从而降低制造成本。
[实施例]
以下，示出本发明的实施例及比较例，更具体地说明本发明，但是本发明并不限定于此。
(实施例)
使用如图1所示的本发明的单晶制造装置，来制造直径为300mm的硅单晶。使用如图2所示的经由棒状构件与支持构件接触的内屏蔽，将12个如图3所示的在直径为24mm的圆柱形构件的端部上具有16mm的细微段差的棒状构件，以等间隔固定于内屏蔽的下端，并将棒状构件的细端部搭载于支持构件上。此时，内屏蔽与支持构件的接触面积是54cm2，也就是与整个内屏蔽接触时的约10％左右。此处，内屏蔽及棒状构件是使用碳复合材料。又，如图4所示，使用一种覆盖内屏蔽的周围而配置的绝热构件。
首先，将500kg的硅多晶原料装入直径为91cm的石英坩埚中，并熔解此原料。又，利用磁场施加装置施加水平磁场，并使中心强度为0.4T，经过原料熔液的成熟步骤后，将具有<100>面的籽晶浸渍于原料熔液中。此时，由气体导入口导入氩(Ar)，并将其流量设为200L/min。又，通过在排气管处设置阻力，将单晶制造装置内的压力调整为75Torr(约10kPa)。
而且，利用无位错籽晶安装法，将单晶的直径扩大为300mm，然后，提拉作为产品的硅单晶，所述硅单晶是将直胴部的比电阻调整为10Ω·cm，并掺杂有硼，且直径为300mm。
测定此时的单晶制造装置的耗电量、及原料的熔化时间，从而可以确认：与后述比较例的结果相比，共减少约5％左右。
这样一来，可以确认：本发明的单晶制造装置及单晶制造方法，利用降低由内屏蔽向支持构件的热量散失，可以提高炉内保温性，可以省电，又，可以减少原料的熔化时间，从而减少单晶的制造时间。
(比较例)
使用如图5所示的习知单晶制造装置，其具有如图6所示的整个下端与支持构件接触的内屏蔽，除此以外，在与实施例相同的条件下制造硅单晶，并与实施例同样地，评价单晶制造装置的耗电量、及原料的熔化时间。
结果可以确认：与实施例相比，耗电量、熔化时间均增加约5％左右。
另外，本发明并不限定于所述实施形态。所述实施形态为例示，具有与本发明的权利要求所述的技术思想实质上相同的构成，并发挥相同作用效果的所有发明均包含在本发明的技术范围内。

Claims (3)

1.一种单晶制造装置，是利用切克劳斯基法来实行的单晶制造装置，其具备：坩埚，其容置原料；主室，其容置将该原料加热成原料熔液的加热器；及副室，其连接设置于该主室的上部，用以提拉并容置培育后的单晶；所述单晶制造装置的特征在于具有：
内屏蔽，其由石墨材料形成，配置于所述加热器与所述主室之间，并隔绝所述加热器的辐射热；支持构件，其从下方支持该内屏蔽；绝热构件，围绕在所述内屏蔽的周围；并且，所述内屏蔽在三处以上的支点处与所述支持构件接触而得以被支持，所述内屏蔽的下端在所述支点以外不与所述支持构件接触，在所述内屏蔽的下端具有不与所述支持构件接触的部分，在所述支持构件的上端具有不与所述内屏蔽接触的部分，所述内屏蔽与所述支持构件经由碳材料或碳复合材料构成的棒状构件而作接触，该棒状构件的横截面积总计为200cm2以下。
2.如权利要求1所述的单晶制造装置，其中，所述棒状构件的端部具有细微的段差，该细端部侧搭载于所述支持构件上。
3.一种单晶制造方法，其是使用如权利要求1或2所述的单晶制造装置来制造单晶。
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