CN105358743A - 单晶制造装置及单晶制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种单晶制造装置，其特征在于，具备坩埚、主腔室、提拉腔室、整流筒、籽晶夹头及保温板，所述主腔室收纳加热器；所述提拉腔室中单晶被提拉而收容；所述整流筒为圆筒状，从主腔室的顶部向下方延伸设置，具有导通单晶的开口部；所述籽晶夹头用于保持籽晶；所述保温板在加热并熔融原料时，设置于整流筒的开口部下端，在提拉单晶时，与籽晶一起被提拉，籽晶夹头具备用于安装保温板的安装件，该安装件具有使保温板可独立于籽晶夹头的旋转而旋转地进行安装的机构。由此可提供一种单晶制造装置，其能够容易地导入，能够在加热器的电力为低功率的条件下使原料熔融，能够抑制引晶时位错的产生，在提拉单晶时能够抑制单晶的位错化。

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CZ法的单晶制造装置及单晶制造方法。

背景技术

在通过CZ法制造直径为450mm以上的半导体单晶时，需要在半导体单晶制造装置内的热区或制造装置自身设置大的开口部，以使所制造的半导体单晶能够通过制造装置内。由于开口部的面积越增大，石英坩埚内的多晶硅原料相对于腔室直接露出的面积也越增大，因此在多晶硅原料熔融时，会促进多晶硅原料与腔室之间的辐射传热，使多晶硅原料的温度难以上升。

其结果，为使多晶硅原料熔融，加热器的电力需要高功率，给保持多晶硅原料的石英坩埚带来大的负荷，石英坩埚所受的损伤变大。其结果，无法进行长时间的作业，寻求能够以低功率加热器的电力进行多晶硅原料的熔融的制造装置。

另一方面，在制造大直径晶体，尤其是450mm以上的大直径的长晶体时，Dash缩颈(ダッシュネック)法对于保持收缩部细到2～3mm左右且大重量的晶体，强度较弱。因此不能采用Dash缩颈法。因此，需要通过引晶(種付)后的晶体直径可任意选择的无位错引晶法进行晶体制造。无位错引晶法是如下所述方法：预先规定能够保持所希望的晶体重量的引晶后的生长中的最小直径，使生长中的单晶直径满足其最小直径以上的范围，将顶端尖锐的籽晶缓慢浸入多晶硅原料熔融液中，然后培育成单晶。

但是，无位错引晶法如字面所示，需要无位错地进行引晶。于是，需要避免由于籽晶与多晶硅原料熔融液的温度差所引起的热冲击，导致在籽晶中位错被导入，之后的单晶生长成为有位错生长。在对引晶前的籽晶进行加热的工序中，为了缩小籽晶与原料熔融液的温度差，需要对籽晶进行加热。作为对籽晶进行加热的方法，主要使用在熔体正上方配置籽晶，利用来自熔体表面的辐射热对籽晶进行加热的方法。

但是，伴随着所制造的单晶硅的大直径化，培育中的单晶导通的开口部直径增大，因此会促进保持籽晶的籽晶夹头与腔室间的辐射传热，在对引晶前的籽晶进行加热的工序中无法充分加热籽晶，无位错引晶的成功率明显降低。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开2012-91942号公报

专利文献1：日本专利公开2006-44962号公报

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述技术问题，进行了大量的技术开发，下面示出其一例。

在专利文献1中，虽然记载了在引晶时将独立于籽晶夹头且可升降的热遮蔽板配置在原料熔融液表面附近，但为了实施该技术，需要对现有的单晶制造装置进行大幅改造，具有不能容易地导入的缺点。

在专利文献2中，记载有在籽晶夹头上安装隔热板，在引晶时通过该隔热板对熔融液表面进行保温。但是，在实际应用该方法制造450mm以上的大直径单晶硅时，伴随着培育成的单晶硅导通的开口部直径的增大，覆盖开口部的隔热板的面积和重量会增加。在隔热板的面积和重量增加的影响下，隔热板的转动惯量增加，因此在用籽晶夹头提起隔热板时，会妨碍单晶硅的旋转，无法实现稳定的晶体生长。最坏的情况是导致培育中的单晶硅的位错化的问题产生。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种单晶制造装置，该单晶制造装置能够容易地导入，能够在加热器的电力为低功率的条件下将原料熔融，能够抑制引晶时位错的产生，并能够在提拉单晶时抑制单晶的位错化。

(二)技术方案

为了实现上述目的，根据本发明，提供一种单晶制造装置，其特征在于，具备坩埚、主腔室、提拉腔室、整流筒、籽晶夹头及保温板，所述坩埚收容原料；所述主腔室收纳对所述原料进行加热而做成原料熔融液的加热器；所述提拉腔室连续设置在所述主腔室的上部，培育成的单晶被提拉而收容；所述整流筒为圆筒状，从所述主腔室的顶部向下方延伸设置，并具有导通所述单晶的开口部；所述籽晶夹头可旋转，用于保持籽晶；所述保温板在加热并熔融所述原料时，设置于所述整流筒的所述开口部下端，在提拉所述单晶时，与所述籽晶一起被提拉，所述单晶制造装置一边同时提拉所述籽晶和所述保温板，一边制造所述单晶，所述籽晶夹头具备用于安装所述保温板的安装件，该安装件具有使所述保温板可独立于所述籽晶夹头的旋转而旋转地进行安装的机构。

若为这样的单晶制造装置，则能够在加热并熔融原料时，抑制从原料向腔室的辐射传热，即使加热器的电力为低功率也能够使原料熔融。另外，在引晶时，由于从原料熔融液、籽晶及籽晶夹头向腔室的辐射传热被抑制，能够充分加热籽晶并保温，因此即使为无位错引晶法，也能够抑制位错的产生。并且，在提拉单晶时，能够抑制因转动惯量大的保温板导致的单晶的转速暂时减速，能够进行稳定的晶体生长。因此，能够抑制提拉中单晶的位错化和杂质污染。另外，由于仅改造籽晶夹头即可，因此能够容易地导入现有的单晶制造装置中。

此时，优选地，所述安装件具有下凸缘及上凸缘，所述下凸缘为环状，从所述籽晶夹头的侧面延伸出；所述上凸缘为环状，放上所述保温板，可独立于所述籽晶夹头的旋转而旋转，在所述下凸缘的上表面及所述上凸缘的下表面设置有环状沟槽，通过配置在所述下凸缘的上表面的环状沟槽及所述上凸缘的下表面的环状沟槽中的三个以上的球，所述上凸缘载置于所述下凸缘上方。

若是这样，则在单晶的提拉中，保温板和上凸缘通过球独立于籽晶夹头本体进行旋转，保温板与籽晶夹头本体不会接触，因此能够抑制微小片的产生。其结果，能够切实地抑制提拉中的单晶的杂质污染。另外，若为这样的安装件，由于结构简单，因此能够更加容易地导入现有的单晶制造装置中。

另外，此时，所述下凸缘可以在最外周具有向上方突出的阻挡壁。

若是这样，则能够切实地抑制由于上凸缘与保温板接触时的摩擦力而可能产生的微小片向硅熔融液表面落下。其结果，能够进一步切实地抑制提拉中的单晶的位错化和杂质污染。

另外，根据本发明，提供一种使用了如上所述的本发明的单晶制造装置的单晶制造方法。

若为这样的单晶制造方法，则在加热并熔融原料时，能够抑制从原料向腔室的辐射传热，即使加热器的电力为低功率也能够使原料熔融。另外，在引晶时，由于从原料熔融液、籽晶及籽晶夹头向腔室的辐射传热被抑制，能够充分加热籽晶并保温，因此即使为无位错引晶法，也能够抑制位错的产生。并且，在提拉单晶时，能够抑制因转动惯量大的保温板导致的单晶的转速暂时减速，能够进行稳定的晶体生长。因此，能够抑制提拉中的单晶的位错化和杂质污染。另外，由于仅改造籽晶夹头即可，因此能够用现有的单晶制造装置容易地实施。

(三)有益效果

若为本发明的单晶制造装置，即使加热器的电力为低功率，也能够熔融原料，在引晶时，由于能够充分加热籽晶并保温，因此能够抑制位错的发生。另外，在将保温板安装至籽晶夹头上时，能够抑制单晶的转速暂时减速。其结果，能够抑制单晶的位错化。另外，由于仅改造籽晶夹头即可，因此能够容易地导入现有的单晶制造装置中。

附图说明

图1是表示本发明的引晶时的单晶制造装置的一例的剖视图。

图2是表示本发明的提拉单晶时的单晶制造装置的一例的剖视图。

图3是表示本发明的具有安装件的籽晶夹头的一例的剖视图。

图4是表示本发明的具有安装件的籽晶夹头的一例的立体图。

具体实施方式

下面，对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于此。

近年来，在大直径的单晶、尤其是450mm以上的大直径的长单晶的制造中，在原料熔融或引晶时，需要用保温板堵塞整流筒的开口部，对热区进行保温。但是，在用籽晶夹头提起保温板时，具有妨碍单晶硅的旋转，培育中的单晶硅发生位错化的问题。

于是，本发明人等为解决这样的问题进行了深入研究。其结果，想到若在将保温板安装到籽晶夹头上的安装件上，设置使保温板可独立于籽晶夹头的旋转而旋转地进行安装的机构，几乎不会妨碍单晶硅的旋转，而能够抑制培育中的单晶硅的位错化，并完成了本发明。

下面，参照图1、图2、图3及图4，对本发明的单晶制造装置的一例进行说明。

如图1、图2所示，本发明的制造装置1在主腔室6内收纳有收容原料的坩埚2、3，以及对原料进行加热而做成原料熔融液4的加热器5。在主腔室6的上部连续设置的提拉腔室7的上部，设置有用于提拉单晶8的线绳9。此外，坩埚2、3由石英坩埚2和石墨坩埚3构成，所述石英坩埚2在内侧用于直接收容原料熔融液4，所述石墨坩埚3在外侧用于支承该石英坩埚2。

另外，还设置有整流筒10和籽晶夹头12，所述整流筒10为圆筒状，从主腔室6的顶部向下方延伸设置，具有单晶8导通的开口部；所述籽晶夹头12可旋转，用于在线绳9的前端保持籽晶11。如图2所示，将安装在该籽晶夹头12的前端的籽晶11浸入原料熔融液4中，通过卷绕线绳9来提拉籽晶夹头12，在籽晶11的下方形成单晶8。

另外，加热器5以包围坩埚2、3的方式配置。在该加热器5与主腔室6之间，以包围加热器5周围的方式设置有隔热材料16，能够通过该隔热材料16隔绝来自加热器5的辐射热。进一步地，在隔热材料16的内侧配置有隔热材料保护部件17。

在本发明中，籽晶夹头12具备用于安装保温板13的安装件14，该安装件14具有使保温板13可独立于籽晶夹头12的旋转而旋转地进行安装的机构。

此时，如图3、图4所示，安装件14所具有的机构优选具有下凸缘18和上凸缘19，所述下凸缘18为环状，从籽晶夹头12的侧面延伸出，所述上凸缘19为环状，放上保温板13，可独立于籽晶夹头12本体的旋转而旋转。并且优选地，在下凸缘18的上表面和上凸缘19的下表面设置有环状的沟槽20、21，通过配置在下凸缘18的上表面的环状沟槽20及所述上凸缘19的下表面的环状沟槽21中的三个以上的球22，上凸缘19载置于下凸缘18上方。

若是这样，在提拉中，上凸缘19和保温板13通过球22独立于下凸缘18进行旋转，保温板13与籽晶夹头12的本体不会接触，因此能够抑制因摩擦而产生微小片。其结果，能够抑制产生的微小片附着在培育中的单晶8表面上，或向原料熔融液4的表面落下，并切实地抑制单晶8的位错化和杂质污染。另外，如图3、图4所示，若为这样的安装件14，由于结构简单，因此能够更加容易地导入现有的单晶制造装置中。

另外，球22的个数进一步优选为，使球22旋转，并以上凸缘19能够总是维持水平的程度铺满。

另外，此时，如图3、图4所示，可以使下凸缘18在最外周具有向上方突出的阻挡壁23。

若是这样，能够切实地抑制因上凸缘19与保温板13接触时的摩擦力而可能产生的微小片向原料熔融液4表面落下，或微小片附着在提拉中的单晶8表面上。其结果，能够进一步切实地抑制提拉中的单晶的位错化和杂质污染。

在加热并熔融原料时，为了对原料周边进行保温，取下籽晶11的状态的籽晶夹头12设置在原料的正上方，保温板13载置于安装在整流筒10开口部下端的隔热环15上。

另外，如图1所示，在引晶时，为了对籽晶11、籽晶夹头12及原料熔融液4进行保温，保温板13载置于隔热环15上。此外，在本实施方式中，在加热并熔融原料时，以及引晶时，保温板13载置于整流筒10开口部的隔热环15上，但并不限定于此。例如，即使是不具有隔热环15的单晶制造装置，若保温板13设置在整流筒10的开口部下端，则与本发明同样，能够对原料、原料熔融液4、籽晶11及籽晶夹头12进行保温。

另外，如图2所示，在提拉单晶8时，保温板13通过安装件14安装在籽晶夹头12上，与籽晶夹头12和籽晶11一起被提拉。

若为这样的单晶制造装置1，则在加热并熔融原料时，保温板13能够抑制从原料向腔室的辐射传热，即使供给至加热器的电力为低功率，也能够使原料熔融。另外，在引晶时，通过保温板13，从原料熔融液4、籽晶11及籽晶夹头12向腔室的辐射传热被抑制。其结果，能够对籽晶11进行充分加热并保温，因此能够抑制因原料熔融液4与籽晶11的温度差导致的热冲击为原因的位错的发生。因此，能够提高无位错引晶法的成功率。并且，在单晶8的提拉中，能够抑制因重的保温板13导致的单晶8的转速暂时减速。其结果，能够抑制提拉中单晶8的位错化。另外，由于仅改造籽晶夹头12即可，因此能够容易地导入现有的单晶制造装置中。

接着，关于本发明的单晶制造方法，对使用上述的本发明的单晶制造装置来制造单晶的情况进行说明。

首先，在坩埚2、3内收容原料。接着，将取下籽晶11的状态的籽晶夹头12设置于原料的正上方，将保温板13设置在安装于整流筒10下端的隔热环15上，提高原料周边的保温性。在该状态下，用加热器5加热并熔融原料，做成原料熔融液4。接着，在籽晶夹头12上安装顶端尖锐的籽晶11，绕出线绳9，使籽晶夹头12下降，使籽晶11接近原料熔融液4。然后，在原料熔融液4正上方，用来自原料熔融液4表面的辐射热加热籽晶11并保温。此时，如图1所示，保温板13载置于隔热环15上。

在籽晶11被充分加热后，使籽晶11静止地与原料熔融液4接触并浸渍，直至达到规定的直径。此后，通过一边使线绳9旋转一边卷绕，一边使籽晶夹头12旋转一边提拉，由此开始培育单晶8。并且，为获得所希望的直径、品质，一边控制单晶8的提拉速度和加热器5的电力，一边进行单晶8的提拉。

此时，在本发明的单晶制造方法中，如图2所示，通过籽晶夹头12所具备的安装件14，将保温板13与籽晶11一起提拉。

若为这样的单晶制造方法，通过籽晶夹头12和保温板13来提高原料周边的保温性，由此，即使加热器的电力为低功率，也能够将原料熔融。在引晶时，由于能够充分加热籽晶11并保温，因此能够抑制因原料熔融液4与籽晶11的温度差所导致的热冲击为原因的位错的发生。并且，由于在单晶8提拉中，能够抑制单晶8的转速暂时减速，因此能够抑制提拉中单晶8的位错化。另外，由于仅改造籽晶夹头12即可，因此能够用现有的单晶制造装置容易地实施。

实施例

下面，示出本发明的实施例及比较例，更具体地说明本发明，但本发明并不限定于此。

(实施例)

使用如图1所示的单晶制造装置及本发明的单晶制造方法制造单晶硅。首先，在口径为40英寸(1016mm)的石英坩埚中投入多晶硅原料500kg。然后，在将保温板载置于隔热环上的状态下，一边控制加热器的熔融功率一边熔融多晶硅原料，使得以30小时完成熔融。在多晶硅原料熔融结束后，通过无位错引晶法，使单晶的直径扩大至450mm，并提拉单晶硅。在进行该提拉时，使用如图3、图4所示的安装件，将保温板与籽晶一起提拉。

(比较例1)

除了使用不具备保温板的单晶制造装置之外，在与实施例相同的条件下制造直径为450mm的单晶硅。

(比较例2)

除了使用如下单晶制造装置之外，在与实施例相同的条件下制造直径为450mm的单晶硅，所述单晶制造装置使用了不具有使保温板可独立于籽晶夹头的旋转而旋转地进行安装的机构的安装件。

其结果，直至多晶硅原料熔融结束所需的功率在实施例、比较例2中为151kW，在比较例1中为192kW。实施例、比较例2与比较例1相比，多晶硅原料熔融所需的功率减少约21％。另外，在将能够无位错地生长至直体为10cm的情况评价为无位错引晶成功的情况下，无位错引晶的成功率在实施例中为79％，在比较例1中为54％，在比较例2中为67％。另外，与比较例2相比，实施例的单晶硅的位错化率和杂质污染率分别减少12％、8％。

此外，本发明并不限定于上述实施方式。上述实施方式为例示，具有与本发明的权利要求书所记载的技术思想实质性相同的结构，并起到同样作用效果的任何方式，均包含在本发明的技术范围内。

Claims (4)

1.一种单晶制造装置，其特征在于，具备坩埚、主腔室、提拉腔室、整流筒、籽晶夹头及保温板，所述坩埚收容原料；所述主腔室收纳对所述原料进行加热而做成原料熔融液的加热器；所述提拉腔室连续设置在所述主腔室的上部，培育成的单晶被提拉而收容；所述整流筒为圆筒状，从所述主腔室的顶部向下方延伸设置，并具有导通所述单晶的开口部；所述籽晶夹头可旋转，用于保持籽晶；所述保温板在加热并熔融所述原料时，设置于所述整流筒的所述开口部下端，在提拉所述单晶时，与所述籽晶一起被提拉，所述单晶制造装置一边同时提拉所述籽晶和所述保温板，一边制造所述单晶，

所述籽晶夹头具备用于安装所述保温板的安装件，该安装件具有使所述保温板可独立于所述籽晶夹头的旋转而旋转地进行安装的机构。

2.根据权利要求1所述的单晶制造装置，其特征在于，所述安装件具有下凸缘及上凸缘，所述下凸缘为环状，从所述籽晶夹头的侧面延伸出；所述上凸缘为环状，放上所述保温板，可独立于所述籽晶夹头的旋转而旋转，在所述下凸缘的上表面及所述上凸缘的下表面设置有环状沟槽，通过配置在所述下凸缘的上表面的环状沟槽及所述上凸缘的下表面的环状沟槽中的三个以上的球，所述上凸缘载置于所述下凸缘上方。

3.根据权利要求2所述的单晶制造装置，其特征在于，所述下凸缘在最外周具有向上方突出的阻挡壁。

4.一种单晶制造方法，其特征在于，使用权利要求1至3中任意一项所述的单晶制造装置来制造单晶。