JP2000203987A - 単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】石英ルツボの内表面温度の低減および均一化を
図ると共に、無転位成長及び酸素濃度制御の再現性を高
め、単結晶の歩留及び特性の変動を抑制する。 【解決手段】単結晶製造装置は、石英ルツボ２を備え、
このルツボ２内に入れた多結晶原料を加熱溶融し、その
融液Ｌ１中に浸けたシード単結晶１２を引き上げながら
融液Ｌ１を結晶化させて棒状の単結晶を製造する。この
装置は、石英ルツボ２を加熱する３つのヒータ４ａ…４
ｃと、この各ヒータ４ａ…４ｃによる加熱が行われる
間、石英ルツボ２の外表面温度を常時測定する温度測定
部（３つの熱電対２１ａ…２１ｃおよびスリップリング
２２）２０と、各熱電対２１ａ…２１ｃのそれぞれの測
定信号Ｔ１…Ｔ３に基づいて石英ルツボ２の内表面温度
を所定の温度となるように各ヒータ４ａ…４ｃの加熱電
力Ｐ１…Ｐ３を個別に調整する電力制御部（測定温度判
定部３１及び加熱電力設定部３２）３０を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、石英ルツボ内の
入れた多結晶原料を加熱溶融し、その融液中に浸けたシ
ードを引き上げることにより単結晶を育成するチョクラ
ルスキー法を用いた単結晶製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】チョクラルスキー法を用いた従来の単結
晶製造装置を図２に示す。この単結晶製造装置は、図示
のごとく水冷チャンバ１００を備え、このチャンバ１０
０内に石英ルツボ１０１、これを保持する黒鉛サセプタ
１０２、そのサセプタ１０２の径方向外周部を囲う黒鉛
ヒータ１０３、およびそのヒータ１０３の発熱ロス防止
用の保温筒１０４を配置したものである。

【０００３】チャンバ１００内の底部には、その壁面を
貫通して延びるルツボ支え軸１０５が配置され、その後
端部が外部の図示しない駆動機構に連結されると共に、
その先端部がサセプタ１０２に固定される。この支え軸
１０５により、サセプタ１０２を介して石英ルツボ１０
１が回動および上下動自在となっている。

【０００４】チャンバ１００の上部には、その壁面を貫
通してルツボ１０１内に垂下するように延びる引き上げ
用ワイヤー１０７が配置され、その後端部が外部のプル
ヘッド１０６を介して図示しない引き上げ制御機構に連
結されると共に、その先端部にシードチャック（図示し
ない）を介してシード単結晶１０８が取り付けられる。
このシード１０８は、ワイヤー１０７により上下動およ
び回動自在となっている（図中の符号１０９はチャンバ
１００内を監視するための監視窓を示す）。

【０００５】このような構成の単結晶製造装置では、石
英ルツボ１０１内に入れたシリコン等の多結晶原料をヒ
ータ１０３で加熱溶融し、その原料融液Ｌ１中にシード
１０８の先端部を懸垂させて浸け、十分になじませた
後、シード１０８の引き上げを開始する。このとき、単
結晶を無転位成長させる条件として、シード１０８の先
端部に直径数ｍｍのシードネック１１０を長めに延ばし
て作成する（これを「ネッキング」とも呼ぶ）。その後
でシード１０８を引き上げながら、その先端部と原料融
液Ｌ１との接触部で連続して単結晶を太らせてクラウン
部１１１を成長させ、引き続いて直胴部（図示しない）
を成長させることにより全体として棒状の単結晶を育成
する。

【０００６】このような単結晶引き上げ過程では、ヒー
タ１０３の温度から間接的に推定された石英ガラスルツ
ボ外表面温度に基づいて引き上げ温度条件が制御され
る。ここでヒータ１０３の温度は、図２に示すようにチ
ャンバ１００外に配置した温度測定器１２０を用いて保
温筒１０４、チャンバ１００にそれぞれ設けた貫通孔
（のぞき窓等）１２１、１２２を介して光学的に測定さ
れるようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述のチョクラルスキ
ー法により製造される単結晶の歩留および生産性は、無
転位成長および酸素濃度制御に大きく左右される。言い
換えれば、無転位成長および酸素濃度制御の条件によっ
ては、単結晶の歩留・生産性を高めるのが困難となる場
合がある。たとえば、無転位成長を途中で阻害させる要
因には石英ルツボが熱損傷により変形したりルツボ内表
面が熱的な影響で剥離したりする場合がある。また酸素
濃度制御に支障をきたす要因には石英ルツボの内表面か
ら融液への酸素溶け込み量が内表面温度に依存して不均
一になる場合等が考えられる。

【０００８】したがって単結晶の歩留・生産性を高める
には、石英ルツボの熱損傷、内表面の剥離、内表面温度
の不均一性を解消すること、すなわち石英ルツボへの熱
負荷を少なくしてその内表面温度の低減および均一化を
図ることが重要となる。

【０００９】この対策として、たとえば炉の構成や保温
材の材質等を改善する方法が考えられる。しかしなが
ら、このような方法では仮に適正な炉の構成や材質が設
定できたとしても、ヒータを含めた炉の構成材は引き上
げ毎に劣化して形状や特性が変化するため、部材交換時
等に毎回同じ条件で初期化すなわちイニシャライズする
ことが非常に困難となる。したがって無転位成長および
酸素濃度制御の再現性が悪くなり、単結晶の歩留や特性
のある程度の変動を避けることができないといった問題
があった。

【００１０】またチャンバの外側からヒータの温度を測
定する方法では、ヒータの温度を所定の温度にすること
はできても、黒鉛サセプタを介して加熱される石英ルツ
ボさらには石英ルツボを介して加熱される融液の温度条
件を毎回同じ条件とするのは難しい。なぜなら、測定さ
れたヒータの温度から石英ガラス外表面温度を推定する
にはヒータ反対表面の温度や黒鉛サセプタの厚さ等を勘
案する必要があり、このようなヒータや黒鉛サセプタの
特性は毎回異なるためにそれに応じて変動も生じるため
である。

【００１１】この発明は、このような従来の問題を考慮
してなされたもので、石英ルツボの内表面温度の低減お
よび均一化を図ると共に、無転位成長および酸素濃度制
御の再現性を高め、単結晶の歩留及び特性の変動を抑制
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明にかかる単結晶製造装置は、単結晶引き上
げ用の石英ルツボを加熱する複数のヒータと、石英ルツ
ボの外表面部の互いに異なる複数の測定位置に個別に配
置され且つその各測定位置における温度を単結晶引き上
げ工程中に常時測定する複数の熱電対と、この複数の熱
電対により測定された測定信号のそれぞれに基づいて石
英ルツボの内表面温度が所定の温度となるように複数の
ヒータの加熱電力を制御する加熱電力制御手段とを備え
ている。

【００１３】この発明で好ましくは、前記複数の熱電対
により測定された測定信号のそれぞれを単結晶引き上げ
工程中に信号伝送するスリップリングをさらに備え、こ
のスリップリングを前記石英ルツボの支え軸に取り付け
たものとする。

【００１４】前記加熱電力制御手段は、好ましくは前記
複数の熱電対により測定された測定信号のそれぞれに相
当する各温度とあらかじめ設定された設定温度とを個別
に比較する手段と、この手段による比較結果に基づいて
前記石英ルツボの内表面温度が所定の温度となるように
前記加熱電力を設定する手段とを備えたものとする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明にかかる単結晶製
造装置の実施の形態を図１を参照して説明する。

【００１６】図１に示すチョクラルスキー法を用いた単
結晶製造装置は、水冷チャンバ１内の胴体中央部に石英
ルツボ２、保持用の黒鉛サセプタ３、加熱部４、および
その発熱ロス防止用の保温筒５を配置したものである。
この内、加熱部４は石英ルツボ２の軸方向の異なる位置
すなわち底部、側面部、および上部の各外側周囲にそれ
ぞれ独立して三重に配置される黒鉛製ヒータ、すなわち
ベースヒータ４ａ、サイドヒータ４ｂ、およびアッパー
ヒータ４ｃで構成される。

【００１７】チャンバ１の底部には、石英ルツボ２をサ
セプタ３を介して支持するルツボ支え軸６が配置されて
いる。このルツボ支え軸６はチャンバ１外の駆動機構
（図示しない）の動力を受けて駆動することにより、サ
セプタ３および石英ルツボ３を自在に回動および上下動
させる。一方、チャンバ１の上部には単結晶引き上げ用
ワイヤー８がルツボ２内に垂下する状態で配置されてい
る。このワイヤー８は、チャンバ１外の引き上げ駆動機
構（図示しない）の動力を受けてプルヘッド９を介して
駆動することにより、先端部のシードチャック（図示し
ない）に取り付けたシード単結晶１０を自在に上下動お
よび回動させる（図中の符号１１はチャンバ１内を監視
するための監視窓を示す）。

【００１８】またこの単結晶製造装置は、３つのヒータ
４ａ…４ｃによる加熱が行われる間、石英ルツボ２の外
表面温度を常時測定する温度測定部２０と、この温度測
定部２０による測定信号に基づいて３つのヒータ４ａ…
４ｃの各加熱電力を個別に制御する電力制御部（本発明
の加熱電力制御手段をなす）３０とを備えている。

【００１９】温度測定部２０は、温度センサとしてルツ
ボ支え軸７を介して石英ルツボ２の底部、角部（小Ｒ
部）、および側面部の融液初期表面高さに相当する部分
の各外側表面上に個別にセットされる３対の熱電対２１
ａ…２１ｃと、この各熱電対２１ａ…２１ｃによる測定
信号Ｔ１…Ｔ３をルツボ支え軸７を介して炉外に取り出
すスリップリング２２とを備えている。このスリップリ
ング２２により、石英ルツボ２の回転中でも測定信号Ｔ
１…Ｔ３の炉外への連続伝送が行われる。

【００２０】電力制御部３０は、たとえばフリップフロ
ップ等を搭載したデジタル回路（または同様の機能を有
するＣＰＵを搭載したコンピュータあるいはアナログ回
路等）で構成され、機能上、各測定信号Ｔ１…Ｔ３とあ
らかじめ設定された各設定温度との間の大小関係を判定
する測定温度判定部３１と、その測定部３１による判定
信号Ｓ１に基づいて熱電対をセットしたルツボ２外表面
の３個所の温度が所定の設定温度となるように３つのヒ
ータ４ａ…４ｃの加熱電力Ｐ１…Ｐ３を個別に設定する
加熱電力設定部３２とで構成される。

【００２１】ここで、この実施の形態の全体動作を説明
する。

【００２２】まず石英ルツボ１内のシリコン等の多結晶
原料を入れ、これを３つのヒータ４ａ…４ｃで加熱溶融
させて融液Ｌ１を形成する。この加熱溶融が行われる
間、３つの熱電対２１ａ…２１ｃにより石英ルツボ２の
外側表面温度が測定され、その測定信号Ｔ１…Ｔ３がス
リップリング２２を介して電力制御部３０にリアルタイ
ムに送られる。

【００２３】そこで電力制御部３０により各熱電対２１
ａ…２１ｃが置かれた石英ルツボ２の各外表面温度が所
定の温度となるように各ヒータ４ａ…４ｃの加熱電力が
個別に調整される。その結果、石英ルツボ２の外表面温
度はその測定位置に対してルツボ壁を挟んで対向する内
表面位置での相対温度をほぼ表しているため、全体の内
表面温度分布も初期の分布状態にたもたれる。この状態
で石英ルツボ２内に入れた多結晶原料の溶融化が完成す
る。

【００２４】その後、シード付け及びネッキング以下の
各工程を移行する。ここでの融液温度調整については、
たとえば主にサイドヒータ４ｂの加熱電力を調整して行
い、その他のベースヒータ４ａおよびアッパーヒータ４
ｂの加熱電力はほぼ一定とする。

【００２５】そこで原料融液Ｌ１中にシード１０の先端
部を懸垂させて浸け、十分になじませた後、シード１０
の引き上げを開始する。このとき、単結晶を無転位成長
させる条件として、シード１０の先端部に直径数ｍｍの
シードネック１２を長めに延ばしてネッキングする。こ
のシード１０を引き上げながら、その先端部と原料融液
Ｌ１との接触部で連続して単結晶を太らせてクラウン部
１３を成長させた後、引き続いてそこから延びる直胴部
（図示しない）を成長させ、全体として棒状の単結晶を
育成する。

【００２６】本発明者のおこなった実験によれば、従来
と比べて無転位成長および酸素濃度制御に関して高い再
現性が得られ、単結晶の歩留および生産性がともに２５
％程と格段に上昇することが確認されている。上記の電
力制御部による制御条件として、サセプタ等の部材が引
き上げ毎の交換等により熱伝導が微妙に変化すること
や、ヒータなどの寿命による交換毎に各ヒータの加熱電
力が微妙に変化すること等を考慮に入れる場合には、単
結晶の歩留・生産性をより一層向上させることができ
る。

【００２７】なお、この実施形態では三重ヒータを用い
てあるが、ヒータの構成はこれに限定されるものではな
く、たとえばサイドヒータおよびベースヒータの二重ヒ
ータを用いて石英ルツボの小Ｒ部および底部の２点の温
度の均一化をはかるようにしてもよい。ルツボ内表面温
度の均一化の趣旨に反しない範囲であれば、ヒータ数や
その配置箇所もとくに限定されるものではない。熱電対
構成に関しても、この発明の思想に反しない範囲であれ
ば、その数や配置箇所はとくに限定されるものではな
い。

【００２８】このことは電力制御部の構成に関しても同
様であり、この発明における電力制御手段の思想に反し
ない範囲であれば、たとえば既存の熱電対測定回路やヒ
ータ加熱回路の一部の変更や機能追加で構成する、また
は別体の制御ユニットを作成する、あるいは既存のＰＣ
（パーソナル・コンピュータ）を組み合わせる等の自由
な設計が可能であることは言うまでもない。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
石英ガラスルツボの外表面温度を直接測定して石英ルツ
ボの内表面温度を常時モニタリングし、その結果に基づ
いて石英ガラスルツボの内表面温度分布が所定の分布と
なるように構成したため、単結晶の引き上げ工程毎のイ
ニシャライズが可能となり、これによって無転位成長お
よび酸素濃度制御の再現性を格段に高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる単結晶製造装置の全体構成を
示す概略図。

【図２】従来の単結晶製造装置の全体構成を示す概略
図。

【符号の説明】

１ 水冷チャンバ ２ 石英ルツボ ３ 黒鉛サセプタ ４ 加熱部 ４ａ 黒鉛ベースヒータ ４ｂ 黒鉛サイドヒータ ４ｃ 黒鉛アッパーヒータ ５ 保温筒 ６ ルツボ支え軸 ８ 引き上げ用ワイヤー ９ プルヘッド １０ シード単結晶 １１ 監視窓 １２ シードネック １３ クラウン部 ２０ 温度測定部 ２１ａ…２１ｃ 熱電対 ２２ スリップリング ３０ 電力制御部 ３１ 測定温度判定部 ３２ 加熱電力設定部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶引き上げ用の石英ルツボを加熱す
   る複数のヒータと、前記石英ルツボの外表面部の互いに
   異なる複数の測定位置に個別に配置され且つその各測定
   位置における温度を単結晶引き上げ工程中に常時測定す
   る複数の熱電対と、この複数の熱電対により測定された
   測定信号のそれぞれに基づいて前記石英ルツボの内表面
   温度が所定の温度となるように前記複数のヒータの加熱
   電力を制御する加熱電力制御手段とを備えた単結晶製造
   装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の発明において、前記複数
   の熱電対により測定された測定信号のそれぞれを単結晶
   引き上げ工程中に信号伝送するスリップリングをさらに
   備え、このスリップリングを前記石英ルツボの支え軸に
   取り付けた単結晶製造装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の発明において、
   前記加熱電力制御手段は、前記複数の熱電対により測定
   された測定信号のそれぞれに相当する各温度とあらかじ
   め設定された設定温度とを個別に比較する手段と、この
   手段による比較結果に基づいて前記石英ルツボの内表面
   温度が所定の温度となるように前記加熱電力を設定する
   手段とを備えた単結晶製造装置。