JP2002047093A - シリコン単結晶引上装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、チョクラルスキー法によるシリコ
ン単結晶の引上げ過程で最も重要とされる単結晶インゴ
ットのクラウン部成長工程においてフラッシュアウトの
発生を抑制し、所望形状で欠陥のないシリコン単結晶イ
ンゴットを製造することができるシリコン単結晶引上装
置を提供する。 【解決手段】 チョクラルスキー法を用いたシリコン単
結晶引上装置において、シリコン融液自由表面上からの
輻射放熱及びルツボ上部からの輻射放熱を抑制する輻射
カバー６を、前記融液自由表面とルツボ２側壁面の夫々
に近接して配設すると共に、前記ルツボ２内の底部融液
を保温する下部ヒータ７をルツボ２底面の近傍に配設し
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はチョクラルスキー法
を用いたシリコン単結晶引上装置に関し、特に、単結晶
インゴットのクラウン部（肩部）形状が良好で、無転位
の単結晶インゴットが安定的に得られるシリコン単結晶
引上装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、チョクラルスキー法を用いた従来
のシリコン単結晶引上装置は、図６に示すように、水冷
チャンバー１００と、前記水冷チャンバー１００内に配
置された石英ルツボ１０１と、前記石英ルツボ１０１を
保持するカーボンサセプタ１０２と、前記サセプタ１０
２の側面外周部を囲うカーボンヒータ１０３と、前記カ
ーボンヒータ１０３の熱放散ロスを防止する保温筒１０
４（熱遮蔽筒）とを備えている。また、前記カーボンサ
セプタ１０２の底面にはルツボ支持軸１０５が配設さ
れ、外部の図示しない駆動機構によって上下動可能、回
転可能に構成されている。したがって、このルツボ支持
軸１０５により、サセプタ１０２を介して石英ルツボ１
０１が回転、及び上下動する。

【０００３】また、前記水冷チャンバー１００には、そ
の天壁面を貫通してルツボ１０１内に垂下する引上げ用
ワイヤー１０７が配置されている。前記引上げ用ワイヤ
ー１０７は、水冷チャンバーの外部にあるプルヘッド１
０６を介して図示しない引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が取り付けられている。このシ
ード単結晶１０８は、引上げ用ワイヤー１０７によって
上下動、及び回動する。なお、図６中の符号１０９は水
冷チャンバー１００内を監視するための監視窓である。

【０００４】このように構成されたシリコン単結晶引上
装置では、石英ルツボ１０１内に収容された多結晶シリ
コン等の原料をヒータ１０３で加熱溶融し、その融液Ｌ
１中にシード単結晶１０８の先端部を懸垂させて浸け
る。そして、充分になじませた後、シード単結晶１０８
の引上げを開始する。このとき、単結晶を無転位成長さ
せる条件として、シード単結晶１０８の先端部に直径数
ｍｍ程度のシードネック１１０を作成する（この工程を
「ネッキング」工程と呼ぶ）。その後、シード単結晶１
０８を引き上げながら、単結晶を太らせてクラウン部１
１１（この部分を「シードコーン部」または「肩部」と
も呼ぶ）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イン
ゴットを育成する。

【０００５】このシリコン単結晶引上げ過程では、クラ
ウン部１１１の成長工程は最も重要な工程とされてい
る。即ち、このクラウン部のテーパ形状は、無転位成長
に影響を及ぼすことが文献等に指摘され、また、円形断
面の単結晶インゴットを得るためには、この工程での引
上げ速度やシード回転数の適切な調整が重要であること
も指摘されている（例えば、W.Zulehner,D.Huber,in;J.
Grabmaier(Ed.),Crystals 8,Silicon 、Chemical Etchi
ng, Springer,Berlin 、1982,p.7-10 ）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したようにチョク
ラルスキー法を用いたシリコン単結晶製造においては、
クラウン部（肩部）の成長工程が重要である。このクラ
ウン部（肩部）について、所望のテーパ形状及び断面形
状を得るためには、引上装置の構造、特に、前記装置の
引上げ部やホットゾーン（ヒータ、保温筒、熱遮蔽筒、
サセプタ、石英ルツボ等から構成される原料溶融のため
の構成部）の構造に合わせて、引上速度、シード回転
数、ルツボ回転数、ヒータ加熱の消費電力、ルツボ位置
等の多数の引上パラメータを調整する必要がある。

【０００７】しかしながら、従来のシリコン単結晶引上
装置では、引上げる単結晶インゴットの径やそれに伴う
ホットゾーン容積が大きくなるに従い、このクラウン部
成長工程での調整が困難になる傾向がある。その結果、
ホットゾーンの構造やパラメータ調整の如何によって
は、例えば、図７（ａ）に示すように、前記クラウン部
１１１の成長途中でその直径が急激に張り出し拡大した
フラッシュアウト１１２が発生する。そして、その横断
面形状は図７（ｂ）に示すように花びら状に変形する。
なお、図７（ｂ）は図７（ａ）のａ−ａ’断面図であ
る。このようにフラッシュアウト１１２が発生し、その
横断面が花びら状に変形した場合には、シリコン単結晶
の無転位成長が崩れる確率が非常に高くなり好ましくな
い。

【０００８】前記したフラッシュアウトが発生すると、
その矯正は、前記パラメータ調整だけでは充分に達成で
きない場合が多く、この場合には、過去の経験を頼りに
試行錯誤によるホットゾーン構成の変更が必要となる。

【０００９】本発明者等は、上記課題の解決を目的とし
て、先ず、前記クラウン部成長工程で生ずるフラッシュ
アウトの発生原因を究明すべく、前記工程時におけるル
ツボ内シリコン融液の温度分布の測定と融液流れの計算
機解析を実施した。この結果、図８に示すように、引上
げられるシリコン単結晶の凝固界面近傍の位置に、局所
的に周辺よりも低温となる領域（図８において符号Ａで
示された部分）が認められた。そして、このような局所
的に低温領域を有する状態の融液から単結晶を引上げる
と、前記したフラッシュアウトが発生することが判明し
た。本発明者等は、上記知見に基づき、凝固界面近傍に
局所的に出現する低温領域の発生解消手段を鋭意検討し
た結果、本発明を完成するに至ったものである。

【００１０】本発明は、チョクラルスキー法によるシリ
コン単結晶の引上げ過程で最も重要とされる単結晶イン
ゴットのクラウン部成長工程においてフラッシュアウト
の発生を抑制し、所望形状で欠陥のないシリコン単結晶
インゴットを製造することができるシリコン単結晶引上
装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するためになされたものであり、チョクラルスキー法を
用いたシリコン単結晶引上装置において、シリコン融液
自由表面上からの輻射放熱及びルツボ上部からの輻射放
熱を抑制する輻射カバーを、前記融液自由表面とルツボ
側壁面の夫々に近接して配設すると共に、前記ルツボ内
の底部融液を保温する下部ヒータをルツボ底面の近傍に
配設したことを特徴としている。

【００１２】このように、輻射カバーが前記融液自由表
面とルツボ側壁面の夫々に近接して配設され、前記ルツ
ボ内の底部融液を保温する下部ヒータをルツボ底面の近
傍に配設したため、シリコン単結晶引上げ過程のクラウ
ン部（肩部）成長工程において、フラッシュアウトの発
生が抑制され、所望のテーパ及び円形の横断面形状に制
御することができる。その結果、結晶欠陥の生成が抑制
された良品質のシリコン単結晶を得ることができる。

【００１３】即ち、シリコン単結晶引上装置におけるル
ツボ中心から径方向のシリコン融液面温度分布を示した
線図（図８）を参照することにより明らかなように、従
来の装置では、凝固界面近傍で局所に周囲よりも低温と
なる領域（図８において符号Ａで示された部分）が見ら
れる。そして、前記融液の温度分布を有する従来の装置
からシリコン単結晶を引上げた場合、そのクラウン部引
上げ工程において高確率でフラッシュアウト及び花びら
変形が発生する。

【００１４】この局所的な低温領域は、図９から明らか
ように、ルツボ壁の高温部（図９において符号Ｂで示さ
れた部分）から内側（中心部）ヘ移動しつつ上昇し、凝
固界面で温度低下した後に、融液自由表面を外周に向か
う流動が、ルツボ壁に沿って上昇し融液自由表面で中心
に向かう別の流動と衝突して滞留する結果生じる。従っ
て、上記の局所的な低温領域の発生を抑制するには、凝
固界面近傍の融液自由表面で衝突する上記二つの流動
（融液表面を外周に向かう流動とルツボ壁に沿って上昇
し融液表面で中心に向かう流動）を生じさせないことが
必要である。

【００１５】従来の装置のルツボ内融液が図９に示した
ような複数の流動セルに分岐した流動状態を示す原因に
としては、以下のことが推定される。即ち、図６に示し
た装置にあっては、ヒータの発熱分布及びヒータからル
ツボ内部側への入熱分布が均一ではなく、ヒータの発熱
中心に近い部分の入熱が最大となる。その結果、入熱最
大の部分にあたるルツボ壁及びその壁に接触する融液の
温度が高くなる（例えば、図９でのＢ部）。

【００１６】この高温部（図９のＢ部）とルツボ中心
部、ルツボ上部との温度差が大きい場合には、融液の対
流は前記高温部（Ｂ部）を起点として融液内側に向かっ
て上昇し、凝固界面で温度低下した後に、融液表面を外
周に向かう流動が発生する。同時に、同じ高温部（Ｂ
部）を起点として、ルツボ壁に沿って上昇し融液表面で
中心に向かう流動も発生する。そして、上記二つの流動
が衝突する結果、融液が表面近傍に部分的に滞留する部
分が生じ、これが局所的な低温領域（図９でのＡ部）と
なる。

【００１７】従って、図９のＢ部を起点とする分岐流動
する複数の流動セルの発生を抑え、凝固界面近傍の局所
的な低温領域（Ａ部）の生成を抑制するには、高温部で
あるＢ部に対する局所的な過加熱を低減することが必要
である。その方法として、ヒータからの入熱を、融液自
由表面、ルツボ上部、ルツボ底部から放熱させないこと
が効果的である。即ち、上記放熱を抑制することによっ
て、ルツボと融液の接触部の温度が均一になり、その結
果、Ｂ部のような過加熱による高温部が解消される。

【００１８】以上のように、本発明は、融液自由表面上
及び石英ルツボ上部からの輻射放熱を抑制するための輻
射カバーと、ルツボ底部の融液を保温するための下部ヒ
ーターとを組み合わせ、夫々を前記所定位置に設けるこ
とにより上記作用効果を奏させ、本発明の目的を達成し
たものである。

【００１９】特に、前記輻射カバーが、引上げられるシ
リコン単結晶の直胴部径より大径の開口を有する基底板
部と、前記基底板部の外周縁から上方に延びる筒部と、
前記筒部の上端に設けられたフランジ部とを備え、前記
輻射カバーの基底板部の下面と前記融液自由表面との距
離が１０〜５０ｍｍの範囲に、かつ前記輻射カバーの筒
部の外周面とルツボ側壁面との距離が１０〜５０ｍｍの
範囲に夫々位置するように、輻射カバーが配設されるこ
とが望ましい。前記融液自由表面からの輻射放熱と石英
ルツボ上部からの輻射放熱をいずれも効果的に抑制する
ことができる。

【００２０】また、前記下部ヒータがルツボ支持軸を中
心にして対称に配設される共に、前記下部ヒータの消費
電力がルツボ側面に配置された主ヒータの消費電力の１
０〜４０％に制御されることが望ましい。石英ルツボ底
部の融液の保温作用が得られるため望ましい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかるシリコン単
結晶引上装置の実施の形態を図面を参照して更に詳細に
説明する。なお、図１は、本発明のチョクラルスキー法
を用いたシリコン単結晶引上装置の構成を示す概略図で
ある。図１に示されたシリコン単結晶引上装置は、水冷
チャンバー１と、前記水冷チャンバー１内部に収容され
た石英ルツボ２と、前記石英ルツボ２を保持するカーボ
ンサセプタ３と、前記カーボンサセプタ３の側壁外側に
設けられた溶融加熱用主ヒータ４と、前記主ヒータ４の
外側に設けられた放熱を防止するための保温筒５と、前
記石英ルツボ２に収容されたシリコン融液の自由表面上
及び石英ルツボ上部からの輻射放熱を抑制するための輻
射カバー６と、前記石英ルツボ２の底部保温するための
下部ヒータ７と、下部ヒータ７の下方に設けられた放熱
を防止する下部保温板８とを備えている。

【００２２】また、前記カーボンサセプタ３の底面には
ルツボ支持軸９が配設され、外部の図示しない駆動機構
によって上下動可能、回転可能に構成されている。した
がって、このルツボ支持軸９により、サセプタ３を介し
て石英ルツボ２が回転、及び上下動する。

【００２３】前記水冷チャンバー１には、その天壁面を
貫通して石英ルツボ２内に垂下する引上げ用ワイヤー１
０が配置されている。前記引上げ用ワイヤー１０は、水
冷チャンバー１の外部にあるプルヘッド１１を介して図
示しない引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１２が取り付けられている。このシード単結晶１２
は、引上げ用ワイヤー１０によって上下動、及び回動す
る。なお、図１中の符号１３は水冷チャンバー１００内
を監視するための監視窓である。

【００２４】また、前記輻射カバー６の好適な形態を、
図４、図５に示す。図示したように、前記輻射カバー
が、引上げられるシリコン単結晶の直胴部径より大径の
開口を有する円環状の基底板部４１、５１と、前記基底
板部の外周縁から上方に延びる筒部４２、５２と、前記
筒部４２、５２の上端に設けられた円環状フランジ部４
３、５３とから構成されている。なお、図４に示した輻
射カバー６は、筒部４２の上方にテーパ面４２ａを有す
る点において、図５に示した輻射カバー６と異なる。

【００２５】この装置を稼働してシリコン単結晶を引上
げるには、先ず、石英ルツボ２内にシリコン多結晶等の
原料を入れ、これを主ヒータ４で加熱溶融させてシリコ
ン融液Ｌ１を形成する。このとき、下部ヒータ７を加熱
溶融のための補助ヒータとして用いても、用いなくても
良いが、溶融後のシード付け以前には通電しておき、石
英ルツボ２の底部の融液を保温する。また、加熱溶融時
には原料多結晶のチャージ面よりも充分に上方に待機さ
せていた輻射カバー６を、融液自由表面と石英ルツボ２
の側壁面の夫々に近接して配設する。

【００２６】この状態における融液流動状態の解析結果
は、図２に示すように石英ルツボ２の底部から石英ルツ
ボ壁に沿って上方に流動する大きなセル流が認められる
だけで、図９に見られたような二つの流動セルの衝突現
象は見られない。しかも、シリコン融液の温度分布の測
定においても、図３に示されているように、図８に見ら
れたような凝固界面近傍の局所的な低温領域（図８のＡ
部）も発生していない。

【００２７】上記のように、二つの流動セルの衝突現象
及び局所的な低温領域が抑制されたのは、輻射カバー６
と下部ヒータ７とを共に設置したためと考えられ、図１
の装置において、例えば輻射カバー６が配設されていな
い場合には、図９に示されたＢ部が石英ルツボ２上部に
移動するだけで、局所的な低温領域Ａ部が凝固界面近傍
に発生する状態は変わらない。他方、下部ヒータ７を使
用しない場合には、過加熱されたＢ部は上記の場合とは
逆に石英ルツボ２下部に移動し、局所的な低温領域Ａ部
が凝固界面近傍に発生する状態は、同様に変わらない。
即ち、本発明の目的とする効果を充分に奏するために
は、図１に示すように輻射カバー６と下部ヒータ７とを
共に、夫々の所定位置に配設することが必須である。

【００２８】また、融液自由表面及び石英ルツボ上部か
らの輻射放熱を効果的に抑制するためには、前記輻射カ
バー６を、融液自由表面上及び石英ルツボ２側壁に近接
して配置することが好ましく、例えば、融液自由表面に
対向する輻射カバー６基底部下面と融液表面との距離は
５０ｍｍ以下であることが好ましい。但し、前記輻射カ
バー６の基底部下面を融液表面に近接し過ぎると、融液
表面に波立ちが生じた場合に融液と接触してしまう危険
があるため、両者間には１０ｍｍ以上の距離をおくこと
が好ましい。

【００２９】また、上記と同様な理由により、前記輻射
カバー６の側壁部（短筒外周部）と石英ルツボ側壁部と
の間隔も５０ｍｍ以下が好ましく、更に、１０ｍｍ以下
に近づけると石英ルツボ２が加熱軟化して変形した場合
に、輻射カバー６と石英ルツボ２が接触する危険がある
ため、両者の間は１０ｍｍ以上の距離をおくことが好ま
しい。

【００３０】また、下部ヒータ７は、可能な限り石英ル
ツボ２の底部に近接させて配設するのが保温効果上好ま
しいが、石英ルツボ２自身が引上工程中に上下動するた
め、水冷チャンバー１下部の有効空間やカーボンサセプ
タ３の底部形状、肉厚等との関係からその設置位置は自
ずと限定される。一般的には、石英ルツボ２の底部外面
と前記下部ヒータ７上面との距離は、引上開始時２００
〜３００ｍｍ程度に設定される。また、下部ヒータ７
は、ルツボ支持軸を中心にして対称に配設され、石英ル
ツボ２の底部を均一に保温するように構成されている。

【００３１】更に、下部ヒータ７の保温熱量の調整は、
主としてその消費電力を調整制御することにより達成さ
れる。一般に、この下部ヒータの消費電力は主ヒータ４
の消費電力の１０〜４０％程度に制御されることが保温
が適正かつ効果的に奏される点から好ましい。前記下部
ヒータ７の消費電力が大きすぎると石英ルツボ２下部が
過加熱状態となり、その結果、石英ルツボ２内の融液Ｌ
1 の上下方向の対流が増加し、単結晶中の酸素濃度の増
加や不均一な取り込みが起こる。具体的に、主ヒータ４
と下部ヒータ７について述べると、例えば、 円筒形主ヒータ ：内径６７５ｍｍ×高さ５４０ｍｍ、
発熱長４００ｍｍ、１６００℃での抵抗値７３ｍΩ 円板形下部ヒータ：直径４６５ｍｍ、厚さ３２ｍｍ、１
６００℃での抵抗値３２ｍΩであって、ヒータ部が渦巻
き状（蚊取り線香型に形成されたものを用いることがで
きる。

【００３２】

【実施例】「実施例１」図１の構成を備えた本発明のシ
リコン単結晶引上装置により、石英ルツボ（内径６１０
ｍｍ）内に１５０ｋｇのシリコン多結晶原料を投入し、
次いで溶融して、深さ２４０ｍｍの融液を調製した。輻
射カバー６の基底板部と融液表面との距離は３０ｍｍ、
輻射カバー６の外周面（側壁部）と石英ルツボ２の側壁
部との距離は４０ｍｍ、主ヒータ４の加熱電力（消費電
力）は１００ｋｗ、下部ヒータ７は、石英ルツボ２の底
部の下方２００ｍｍに配設され、その加熱電力（消費電
力）は２０ｋｗであった。

【００３３】図２に、その際の石英ルツボ内の融液流動
状態の解析結果を、図３に石英ルツボ内の融液自由表面
のルツボ中心から径方向の温度分布測定の結果を、夫々
示した（図２、図３は、いずれも石英ルツボ縦断面右半
分の状態を示す）。

【００３４】この状態で、シード付け工程、ネッキング
工程と順次工程を以降させた後、クラウン部（肩部）成
長工程に進み、前記工程を引上速度を調整しながら行っ
た。シード回転、ルツボ位置等、その他のパラメータの
全てについて、通常インゴットの直胴部を育成するとき
の値（従来値）に設定した。その結果、引上げられた単
結晶インゴットのクラウン部にはフラッシュアウトや花
びら変形は発生せず、所望のテーパ形状を得ることがで
きた。そして、そのまま無転位で直胴部に移行し、最終
的に目的とする直径３００ｍｍの無転位の単結晶インゴ
ットを作製した。更に、上記と同様の条件で同様の操作
工程を繰り返し３０回実施したが、いずれも極めて良好
な結果を得ることができ、再現性が極めて良好であっ
た。

【００３５】

【発明の効果】上述したとおり、本発明のシリコン単結
晶引上装置によれば、クラウン部成長工程でのフラッシ
ュアウトや花びら変形の発生を抑制でき、形状の良好な
インゴットを無転位で容易に育成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明にかかるシリコン単結晶引上装
置の実施形態を示す概略図である。

【図２】図２は、図１に示したシリコン単結晶引上装置
のクラウン部成長工程での流動融液の流速ベクトルを示
した図である。

【図３】図３は、図１に示したシリコン単結晶引上装置
のクラウン部成長工程での融液表面の温度分布を示す図
である。

【図４】本発明にかかるシリコン単結晶引上装置で用い
られる輻射カバーの一例を示す概略図であって、（ａ）
は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。

【図５】本発明にかかるシリコン単結晶引上装置で用い
られる輻射カバーの他の例を示す概略図であって、
（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。

【図６】図６は、従来のシリコン単結晶引上装置の全体
の構成を示す概略図である。

【図７】図７は、従来装置のクラウン部引上げの際に生
ずる変形を示す図であって、（ａ）はフラッシュアウ
ト、（ｂ）はその横断面を示す図である。

【図８】図８は、従来装置のクラウン部成長工程での融
液表面の温度分布を示す図である。

【図９】図９は、従来装置のクラウン部成長工程での流
動融液の流速ベクトルを示す図である。

【符号の説明】

１ 水冷チャンバー ２ 石英ルツボ ３ カーボンサセプタ ４ 主ヒータ ５ 保温筒 ６ 輻射カバー ７ 下部ヒータ ８ 下部保温板 ９ ルツボ支持軸 １０ 引上げ用ワイヤー １１ プルヘッド １２ シード単結晶 １３ 監視窓 １４ シードネック １５ クラウン部 ４１、５１ 基底板部 ４２、５２ 筒部 ４３、５３ フランジ部 Ｌ１ 融液

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チョクラルスキー法を用いたシリコン単
   結晶引上装置において、 シリコン融液自由表面上からの輻射放熱及びルツボ上部
   からの輻射放熱を抑制する輻射カバーを、前記融液自由
   表面とルツボ側壁面の夫々に近接して配設すると共に、
   前記ルツボ内の底部融液を保温する下部ヒータをルツボ
   底面の近傍に配設したことを特徴とするシリコン単結晶
   引上装置。
2. 【請求項２】 前記輻射カバーが、引上げられるシリコ
   ン単結晶の直胴部径より大径の開口を有する基底板部
   と、前記基底板部の外周縁から上方に延びる筒部と、前
   記筒部の上端に設けられたフランジ部とを備え、 前記輻射カバーの基底板部の下面と前記融液自由表面と
   の距離が１０〜５０ｍｍの範囲に、かつ前記輻射カバー
   の筒部の外周面とルツボ側壁面との距離が１０〜５０ｍ
   ｍの範囲に夫々位置するように、輻射カバーが配設され
   ることを特徴とする請求項１に記載されたシリコン単結
   晶引上装置。
3. 【請求項３】 前記下部ヒータがルツボ支持軸を中心に
   して対称に配設される共に、前記下部ヒータの消費電力
   がルツボ側面に配置された主ヒータの消費電力の１０〜
   ４０％に制御されることを特徴とする請求項１または請
   求項２に記載されたシリコン単結晶引上装置。