JP2001010892A - シリコン単結晶引上げ装置の多結晶シリコンの融解方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】多結晶シリコンの融解時におけるヒータによる
電力消費を十分に低減してシリコン単結晶棒の育成工程
における効率を向上する。 【解決手段】チャンバ１１内に設けられた石英るつぼ１
３と、石英るつぼの外周面を包囲するように設けられた
ヒータ１８と、石英るつぼ上方のチャンバ内のシリコン
単結晶棒の引上げ領域の周囲に設けられヒータからの輻
射熱を遮る筒状の熱遮蔽部材２６と、熱遮蔽部材を昇降
可能に構成された熱遮蔽部材昇降手段４１を備えたシリ
コン単結晶の引上げ装置１０の石英るつぼ１３に入れた
多結晶シリコンからなる塊状物又は粒状物４８をヒータ
１８により加熱して融解する。ヒータ１８による加熱が
開始されたときから塊状物又は粒状物４８の融解が完了
するまでの間、熱遮蔽部材昇降手段４１は融解の進行と
ともに低下する塊状物又は粒状物４８の集合体上部又は
上面近傍に熱遮蔽部材２６の下端を配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン単結晶棒
を引上げて育成するシリコン単結晶引上げ装置の多結晶
シリコンの融解方法に関する。更に詳しくは、熱遮蔽部
材と、この熱遮蔽部材を昇降可能に構成された熱遮蔽部
材昇降手段を備えたシリコン単結晶の引上げ装置の多結
晶シリコンの融解方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のシリコン単結晶引上げ装
置として、チャンバ内にシリコン融液が貯留される石英
るつぼが収容され、引上げられるシリコン単結晶棒の外
周面と石英るつぼの内周面との間にそのシリコン単結晶
棒を包囲するように熱遮蔽部材が挿入された引上げ装置
（特公昭５７−４０１１９号）が知られている。この引
上げ装置では、シリコン単結晶棒をシリコン融液から引
上げると、ヒータからの輻射熱がシリコン単結晶棒の外
周面に向うが、この輻射熱は熱遮蔽部材により遮られて
シリコン単結晶棒の外周面に達しない。この結果、引上
げ中のシリコン単結晶棒の凝固が遅延することはなく、
シリコン単結晶棒は速やかに冷却されるようになってい
る。

【０００３】一方、石英るつぼに当初供給される多結晶
シリコンは塊状物又は粒状物であるため、塊状物と塊状
物との間又は粒状物と粒状物の間に存在する空間がその
多結晶シリコンを融解するとともに消滅し、多結晶シリ
コンを融解して得られるシリコン融液の液面は石英るつ
ぼに当初供給された多結晶シリコンの上面より下降す
る。このため熱遮蔽部材を固定しているシリコン単結晶
引上げ装置では、塊状物又は粒状物である多結晶シリコ
ンを一括して入れた石英るつぼを、シリコン融液に種結
晶を接触させる位置よりも下方の位置まで下降させて支
持し、石英るつぼに当初充填された所定量の多結晶シリ
コンが熱遮蔽部材と干渉することを防止しており、多結
晶シリコンがヒータにより融解してシリコン融液が石英
るつぼに貯留された後に種結晶を接触させる正規の位置
まで石英るつぼを上昇させている。

【０００４】しかし、多結晶シリコンの融解に際し石英
るつぼの下降を可能にするためには、ヒータが加熱すべ
き空間を石英るつぼの下降を考慮して大きく形成されな
ければならず、この空間が比較的大きいため、石英るつ
ぼに入れられた多結晶シリコンを融解する際のヒータの
電力消費量が比較的多大になる不具合がある。この点を
解消するために、従来、熱遮蔽部材を昇降可能に構成さ
れた熱遮蔽部材昇降手段を備えたシリコン単結晶の引上
げ装置が提案されている（特開平４−２０２０８５）。
この熱遮蔽部材昇降手段を備えた引上げ装置では、石英
るつぼに多結晶シリコンからなる塊状物又は粒状物を入
れる際及び塊状物又は粒状物の融解時に熱遮蔽部材昇降
手段により熱遮蔽部材を上昇させておくことにより、石
英るつぼを下降させることを不要にしてヒータが加熱す
べき空間を縮小させ、多結晶シリコンの融解時における
ヒータによる電力消費を低減するとともに、多結晶シリ
コンの融解に要する時間を短縮できるようになってい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、多結晶シリコ
ンからなる塊状物又は粒状物の融解時に熱遮蔽部材を上
昇させておくだけでは十分にヒータの電力消費を低減
し、及び多結晶シリコンの融解に要する時間を短縮でき
ない不具合がある。即ち、遮蔽部材を上昇させた状態で
多結晶シリコンを融解することは、石英ルツボ上方の遮
蔽部材が上昇した空間に熱が放散され、石英るつぼに入
れられた多結晶シリコンを融解する際のヒータの電力消
費量が十分に低減できず、多結晶シリコンの融解に要す
る時間を十分に短縮できない不具合がある。特に今日の
引上げる単結晶棒の大口径化と長尺化に伴い比較的多量
の多結晶シリコンを融解させるときに融解時間を十分に
短縮できない場合には、シリコン単結晶棒の育成工程に
おける効率低下という不具合を招くおそれがある。本発
明の目的は、多結晶シリコンの融解時におけるヒータに
よる電力消費を十分に低減してシリコン単結晶棒の育成
工程における効率を向上し得るシリコン単結晶引上げ装
置の多結晶シリコンの融解方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、チャンバ１１内に設けられた石英る
つぼ１３と、石英るつぼ１３の外周面を包囲するように
設けられたヒータ１８と、石英るつぼ１３上方のチャン
バ１１内のシリコン単結晶棒の引上げ領域の周囲に設け
られヒータ１８からの輻射熱を遮る筒状の熱遮蔽部材２
６と、熱遮蔽部材２６を昇降可能に構成された熱遮蔽部
材昇降手段４１を備えたシリコン単結晶の引上げ装置１
０の石英るつぼ１３に入れた多結晶シリコンからなる塊
状物又は粒状物４８をヒータ１８により加熱して融解す
る方法の改良である。その特徴ある点は、ヒータ１８に
よる加熱が開始されたときから塊状物又は粒状物４８の
融解が完了するまでの間、熱遮蔽部材昇降手段４１は融
解の進行とともに低下する塊状物又は粒状物４８の集合
体上部又は上面近傍に熱遮蔽部材２６の下端を配置する
ところにある。この請求項１に記載されたシリコン単結
晶引上げ装置の多結晶シリコンの融解方法では、塊状物
又は粒状物４８の集合体上部又は上面近傍に熱遮蔽部材
２６の下端を配置することにより、熱遮蔽部材２６がシ
リコン単結晶棒の育成中における熱遮蔽の役割に加え、
多結晶シリコンの融解時に熱遮蔽部材２６より上方の空
間へのヒータ１８の熱の放散を防止する役割も果す。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図１〜図４に示すように、シリコン
単結晶の引上げ装置１０のチャンバ１１内には、シリコ
ン融液１２（図３及び図４）を貯留する石英るつぼ１３
が設けられ、この石英るつぼ１３の外面は黒鉛サセプタ
１４により被覆される。石英るつぼ１３の下面は上記黒
鉛サセプタ１４を介して支軸１６の上端に固定され、こ
の支軸１６の下部はるつぼ駆動手段１７に接続される。
るつぼ駆動手段１７は図示しないが石英るつぼ１３を回
転させる第１回転用モータと、石英るつぼ１３を昇降さ
せる昇降用モータとを有し、これらのモータにより石英
るつぼ１３が所定の方向に回転し得るとともに、上下方
向に移動可能となっている。石英るつぼ１３の外周面は
石英るつぼ１３から所定の間隔をあけてヒータ１８によ
り包囲され、このヒータ１８は保温筒１９により包囲さ
れる。ヒータ１８は石英るつぼ１３に投入された高純度
の多結晶シリコンを加熱・溶融してシリコン融液にす
る。

【０００８】またチャンバ１１の上端には円筒状のケー
シング２１が接続される。このケーシング２１には引上
げ手段２２が設けられる。引上げ手段２２はケーシング
２１の上端部に水平状態で旋回可能に設けられた引上げ
ヘッド（図示せず）と、このヘッドを回転させる第２回
転用モータ（図示せず）と、ヘッドから石英るつぼ１３
の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブル２３と、
上記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２３を巻取り又
は繰出す引上げ用モータ（図示せず）とを有する。ワイ
ヤケーブル２３の下端にはシリコン融液１２に浸してシ
リコン単結晶棒２５（図４）を引上げるための種結晶２
４が取付けられる。

【０００９】またシリコン単結晶棒２５の外周面と石英
るつぼ１３の内周面との間にはシリコン単結晶棒２５の
外周面を包囲する二重構造で中空の熱遮蔽部材２６が設
けられる。二重構造の内部には断熱性の高いカーボン材
を充填しても良い。この熱遮蔽部材２６は円筒状に形成
されヒータ１８からの輻射熱を遮る筒部２６ａと、この
筒部２６ａの上縁に連設され外方に略水平方向に張り出
すフランジ部２６ｂと、筒部２６ａの下縁に連設され下
方に向うに従って開口径が小さくなるように下向きに傾
斜したコーン状の放熱抑制部２６ｃとを有する。上記フ
ランジ部２６ｂは後述する熱遮蔽部材昇降手段４１にお
ける支持棒４２の下端に取付けられ、シリコン単結晶棒
２５の引上げ時には放熱抑制部２６ｃの下端がシリコン
融液１２表面から所定の距離だけ上方に位置するように
熱遮蔽部材２６がチャンバ１１内に固定される（図
４）。

【００１０】熱遮蔽部材昇降手段４１はチャンバ１１の
上部にケーシング２１を挟むように２つ又は３つ以上設
けられる。熱遮蔽部材昇降手段４１はチャンバ１１の上
部に設けられた駆動ギヤと、チャンバ１１の上部に取付
台４４を介して設けられ駆動ギヤを駆動する駆動モータ
４６と、チャンバ１１の上部からチャンバ１１を貫通し
てチャンバ１１の内部に吊り下げられ駆動ギヤに歯合す
るラックギヤが周囲に形成された支持棒４２とを有す
る。駆動ギヤはチャンバ１１の上部に設けられたギヤボ
ックス４３に内蔵される。熱遮蔽部材昇降手段４１は、
駆動モータ４６による回転軸４６ａの回転によりギヤボ
ックス４３に内蔵された図示しない駆動ギヤが回転し、
支持棒４２を上下動させることにより熱遮蔽部材２６を
昇降可能に構成される。

【００１１】一方、引上げ手段２２における引上げ用モ
ータの出力軸（図示せず）にはロータリエンコーダ（図
示せず）が設けられ、るつぼ昇降手段１７には石英るつ
ぼ１３内のシリコン融液１２の重量を検出する重量セン
サ（図示せず）と、支軸１６の昇降位置を検出するリニ
ヤエンコーダ（図示せず）とが設けられる。また、チャ
ンバ１１には石英るつぼ１３に入れた多結晶シリコンか
らなる塊状物又は粒状物の集合体の上部位置を検出する
位置センサ（図示せず）が設けられる。ロータリエンコ
ーダ、重量センサ、リニヤエンコーダ及び位置センサの
各検出出力はコントローラ（図示せず）の制御入力に接
続され、コントローラの制御出力は引上げ手段２２の引
上げ用モータ、るつぼ昇降手段１７の昇降用モータ及び
熱遮蔽部材昇降手段４１の駆動モータ４６にそれぞれ接
続される。

【００１２】またコントローラにはメモリ（図示せず）
が設けられ、このメモリには位置センサの検出出力に対
する駆動モータ４６の回転位置、即ち熱遮蔽部材２６の
下端の位置が第１マップとして記憶される他に、ロータ
リエンコーダの検出出力に対するワイヤケーブル２３の
巻取り長さ、及び重量センサの検出出力に対する石英る
つぼ１３内のシリコン融液１２の液面レベルが第２マッ
プ及び第３マップとして記憶される。

【００１３】コントローラは石英るつぼ１３に入れたこ
の実施の形態における塊状の多結晶シリコン４８（図１
及び図２）をヒータ１８により加熱して融解する際に、
位置センサの検出出力に基づいて塊状の多結晶シリコン
４８の集合体上部又は上面近傍に熱遮蔽部材２６の放熱
抑制部２６ｃの下端を配置するように駆動モータ４１を
制御する。具体的には、集合物の上部又は上面より約１
〜５ｃｍ上方に離してその下端が位置するように熱遮蔽
部材２６を配置する。塊状の多結晶シリコン４８の融解
後、シリコン単結晶棒引上げ時にコントローラは、重量
センサの検出出力に基づいて石英るつぼ１３内のシリコ
ン融液１２の液面を常に一定のレベルに保つように、る
つぼ昇降手段１７の昇降用モータを制御するように構成
される。

【００１４】このように構成された装置による本発明の
多結晶シリコンの融解方法を説明する。先ず、石英るつ
ぼ１３をるつぼ駆動手段１７により下降させて支持し、
石英るつぼ１３に塊状の多結晶シリコン４８を供給す
る。この際に熱遮蔽部材２６を熱遮蔽部材昇降手段４１
により上昇させておく。熱遮蔽部材２６の上昇により石
英るつぼ１３に当初充填された所定量の塊状の多結晶シ
リコン４８が熱遮蔽部材２６と干渉することは防止され
る。石英るつぼ１３に所定量の塊状の多結晶シリコン４
８が充填された後、熱遮蔽部材昇降手段４１は熱遮蔽部
材２６を図１の実線矢印で示すように下降させ、塊状の
多結晶シリコン２４の集合体上部近傍に熱遮蔽部材２６
の放熱抑制部２６ｃの下端を配置し、ヒータ１８による
加熱を開始する。

【００１５】塊状物と塊状物との間に存在する空間はヒ
ータ１８の加熱による融解とともに消滅し、塊状の多結
晶シリコン４８の融解の進行とともに塊状物の集合体上
部は、石英るつぼ１３に当初供給された塊状の多結晶シ
リコン４８の上部より低下する。この低下は位置センサ
により検出され、この検出出力に基づいて図示しないコ
ントローラは駆動モータ４６及びるつぼ駆動手段１７の
図示しない昇降用モータを制御する。これにより石英る
つぼ１３は上昇するとともに、図２の実線矢印で示すよ
うに、熱遮蔽部材昇降手段４１は融解の進行とともに低
下する塊状物の集合体上部又は上面近傍に熱遮蔽部材２
６のコーン状の放熱抑制部２６ｃの下端を配置する。放
熱抑制部２６ｃはヒータ１８の熱が熱遮蔽部材２６を越
えて熱遮蔽部材２６より上方の空間に放散されることを
防止する蓋の役割を果して塊状の多結晶シリコン４８を
融解する際のヒータ１８の電力消費量を低減させる。

【００１６】図３に示すように、塊状の多結晶シリコン
４８が融解して石英るつぼ１３にシリコン融液１２が貯
留された後、シリコン単結晶棒２５を引上げるシリコン
融液１２の融液面温度を所定の温度に調整する。シリコ
ン融液１２の融液面温度を調整し、放熱抑制部２６ｃの
下端をシリコン融液１２表面から所定の距離だけ上方に
配置した後、引上げ手段の図示しない引上げ用モータに
よりワイヤ２４を繰出して種結晶２６を降下させてその
先端部をシリコン融液１２に接触させる。その後図４に
示すように、種結晶２６を徐々に引上げて種絞り部２５
ａを形成した後、更に種結晶２６を引上げて種絞り部２
５ａの下部に肩部２５ｂ及び直胴部２５ｃを形成してシ
リコン単結晶棒２５を育成させる。なお、シリコン単結
晶棒２５の育成とともにシリコン融液１２は減少し、こ
の融液１２の量に応じて図示しない昇降用モータはるつ
ぼ１３を上昇させ、種結晶２６の引上げとともに低下す
るシリコン融液１２の表面を所定位置に維持させる。

【００１７】なお、上述した実施の形態では塊状の多結
晶シリコン２４を石英るつぼ１３に充填したが、図示し
ないが粒状の多結晶シリコンを石英るつぼに充填しても
良い。粒状の多結晶シリコンを石英るつぼに充填する
と、粒状物と粒状物の間に存在する空間はヒータの加熱
による融解とともに消滅し、粒状の多結晶シリコンの融
解の進行とともに粒状物の集合体上部は、石英るつぼに
当初供給された集合体上部より低下する。熱遮蔽部材昇
降手段は融解の進行とともに低下する粒状物の集合体上
部又は上面近傍に熱遮蔽部材の下端を配置することによ
りヒータの熱が熱遮蔽部材を越えて熱遮蔽部材より上方
の空間に放散されることを防止してヒータの電力消費量
を低減させる。

【００１８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、ヒ
ータによる加熱が開始されたときから塊状物又は粒状物
の融解が完了するまでの間、熱遮蔽部材昇降手段は融解
の進行とともに低下する塊状物又は粒状物の集合体上部
又は上面近傍に熱遮蔽部材の下端を配置するので、塊状
物又は粒状物の集合体上部又は上面近傍に下端が配置さ
れた熱遮蔽部材は、熱遮蔽部材を越えて熱遮蔽部材より
上方の空間にヒータの熱が放散することを防止する。こ
の結果、ヒータは有効に多結晶シリコンからなる塊状物
又は粒状物を融解することができ、多結晶シリコンの融
解時におけるヒータによる電力消費を十分に低減するこ
とができるとともに、多結晶シリコンの融解時間の短縮
からシリコン単結晶棒の育成工程における効率を向上す
ることができる。また、ヒータの消費電力が低減するこ
とによりカーボンヒータ及び石英るつぼの劣化も抑制す
ることができ、石英るつぼが長時間の引上げに耐えられ
ることになり、比較的大型の石英るつぼを使用して大口
径のシリコン単結晶棒を育成することもスムーズに行
え、シリコン融液の歩留りを向上させることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】多結晶シリコンが石英るつぼに充填された状態
を示す引上げ装置の断面構成図。

【図２】多結晶シリコンの融解過程を示す図１に対応す
る引上げ装置の断面構成図。

【図３】多結晶シリコンの融解が完了した状態を示す図
１に対応する引上げ装置の断面構成図。

【図４】シリコン融液からシリコン単結晶棒を引上げる
状態を示す図１に対応する引上げ装置の断面構成図。

【符号の説明】

１０ 引上げ装置 １１ チャンバ １３ 石英るつぼ １８ ヒータ ２６ 熱遮蔽部材 ４１ 熱遮蔽部材昇降手段 ４８ 多結晶シリコン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐々木 斉 東京都千代田区大手町１丁目５番１号 三 菱マテリアルシリコン株式会社内 (72)発明者 内藤 宣正 東京都千代田区大手町１丁目５番１号 三 菱マテリアルシリコン株式会社内 (72)発明者 符 森林 東京都千代田区大手町１丁目５番１号 三 菱マテリアルシリコン株式会社内 Ｆターム(参考） 4G077 AA02 BA04 CF07 EG18 EG19 EG20 PA10

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャンバ(11)内に設けられた石英るつぼ
   (13)と、前記石英るつぼ(13)の外周面を包囲するように
   設けられたヒータ(18)と、前記石英るつぼ(13)上方の前
   記チャンバ(11)内のシリコン単結晶棒の引上げ領域の周
   囲に設けられ前記ヒータ(18)からの輻射熱を遮る筒状の
   熱遮蔽部材(26)と、前記熱遮蔽部材(26)を昇降可能に構
   成された熱遮蔽部材昇降手段(41)を備えたシリコン単結
   晶の引上げ装置(10)の前記石英るつぼ(13)に入れた多結
   晶シリコンからなる塊状物又は粒状物(48)を前記ヒータ
   (18)により加熱して融解する方法において、 前記ヒータ(18)による加熱が開始されたときから前記塊
   状物又は粒状物(48)の融解が完了するまでの間、熱遮蔽
   部材昇降手段(41)は融解の進行とともに低下する前記塊
   状物又は粒状物(48)の集合体上部又は上面近傍に前記熱
   遮蔽部材(26)の下端を配置することを特徴とするシリコ
   ン単結晶引上げ装置の多結晶シリコンの融解方法。