JP2006044962A

JP2006044962A - シリコン単結晶引上装置

Info

Publication number: JP2006044962A
Application number: JP2004224422A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Minami; 俊郎南
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-16

Abstract

【課題】構造が簡単で安価で、安全なネック直径で大重量の無転位単結晶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、石英ガラスルツボの上方に設けられシリコン単結晶が貫通する開口が形成された輻射シールドと、シードチャックに取り付けられ、種結晶が融液に接触する位置において、輻射シールドの下部近傍域に種結晶を加熱する高温空間が形成されるように、輻射シールドの開口部の面積を減じる断熱板を有する。
【選択図】図１

Description

本発明はシリコン単結晶引上装置に係り、特に輻射シールドの下部近傍域に種結晶を加熱する高温空間を形成したシリコン単結晶引上装置に関する。

チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引上げる場合、シリコン種結晶をシリコン融液に接触させた際に発生する熱衝撃により、種結晶にスリップ転位が高密度で発生する。

この転位を消滅させる方法として、直径３〜４ｍｍで一定の長さの結晶を育成するダッシュネック法が広く行われている。しかし、このダッシュネック法は直径が３００ｍｍの単結晶を引上げる場合には、ネックにかかる総重量が３００ｋｇを超えるため強度不足が問題になる。

この問題を解決するため、種結晶を加熱し熱衝撃を緩和する方法が各種提案されている（特許文献１、特許文献２）。

特許文献１には、種結晶に熱伝導用部材を嵌着し、さらに、熱伝導用部材に石英筒をかぶせて、種結晶を融液の表面に近接させ、融液と種結晶との温度差を極めて小さくし、ネッキングをすることなく単結晶の引き上げ育成を可能とするものであるが、１回の引上げ毎に熱伝導用部材及び石英筒を準備しなければならず、コストアップの要因となり、さらに、熱伝導用部材及び石英筒の下部を浸漬するため、液面振動が発生し、単結晶育成時において直径制御が難しくなり、また、不純物混入のおそれがある。

また、特許文献２には、種結晶の先端部にレーザ等により溶解した状態で種結晶をシリコン融液の中に徐々に浸漬させて引き上げることで、種結晶に転位が導入されない確率を高める単結晶の製造方法が開示されている。この場合、不純物汚染に対する影響はないが、装置改造等を必要とするためコストアップの要因となり、さらに、レーザー光を種結晶の先端部分に的確に照射するためには、種結晶先端部が、先細り形状であることが必要不可欠であり、更には、レーザ光照射において種結晶先端部の温度と、融液の温度を一定として、その温度差を極めて小さくするためには、より煩雑な制御を必要とするため、好ましくない。

なお、特許文献３には、ルツボ上方空間に開閉可能な熱遮蔽板を設け、多結晶シリコン融解時、種結晶浸着時には、閉状態とすることで、ヒーターパワーの増大による石英ルツボの劣化等を防止することができる旨が記載されている。この場合、熱遮蔽版が閉状態の時に、上記ルツボ上方空間内に種結晶が収容されるため、収納時において種結晶が加熱される効果を有するが、融液と種結晶との温度差を積極的に小さくし、融液接触時の熱衝撃を緩和させることで、ダッシュネック時のネック径を大きくすることができる旨の記載はなく、また、示唆もされていない。さらに、本装置の構成では、単結晶引上げに極めて有効な輻射シールドを用いることができない。
特開２０００−３１３６９３号公報特開２００１−１０６５９３号公報特開平１０−８１５９３号公報

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、装置の改造が容易で安価に、かつ安全なネック直径で大重量の無転位単結晶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。

上述した目的を達成するため、本発明に係るシリコン単結晶引上装置は、チャンバと、前記チャンバ内に設けられ原料シリコンが収納される石英ガラスルツボと、前記石英ガラスルツボを周囲から加熱するヒータと、前記石英ガラスルツボの上方に設けられ、育成したシリコン単結晶が貫通するための開口が形成された輻射シールドと、前記輻射シールドを貫通し種結晶を保持するためのシードチャックと、前記シードチャックに取り付けられ、昇降可能な引上げ用ワイヤを具備するシリコン単結晶引上装置において、前記シードチャックに取り付けられ、前記輻射シールドの開口部の面積を減じるように設けられた断熱板を有し、前記輻射シールドの降下に伴ってこの輻射シールドの下部近傍域に種結晶を加熱する高温空間が形成されかつ、この断熱板と前記輻射シールドの開口部の係合状態において、前記断熱板は前記シードチャックから外れることを特徴とする。

本発明に係るシリコン単結晶引上装置によれば、装置の改造が容易で安価に、かつ安全なネック直径で大重量の無転位単結晶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ができる。

以下、本発明に係るシリコン単結晶引上装置の一実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶引上装置の概念図である。

図１に示すように、本実施形態に係るシリコン単結晶引上装置１は、チャンバ２と、このチャンバ２内に設けられ原料シリコンが収納される石英ガラスルツボ３と、この石英ガラスルツボ３を周囲から加熱し、原料シリコンを溶融し、融液Ｍとするヒータ４と、石英ガラスルツボ３の上方の引上領域を囲むように設置され不活性ガスの流れを整流し、育成したシリコン単結晶が貫通する開口部５ａが形成された輻射シールド５と、この輻射シールド５を貫通する種結晶Ｓを保持するシードチャック６と、このシードチャック６が取り付けられ昇降可能な引上げ用ワイヤ７と、このワイヤ７を巻取るワイヤ巻取機構８と、シードチャック６に取り付けられ、輻射シールド５の開口部５ａの面積を減じるように設けられ、通気孔９ｂが設けられた断熱板９を有している。

さらに、チャンバ２の上方には、不活性ガス供給口１０が設けられ、また、チャンバ２の底部には不活性ガス排出口１１が設けられており、図中実線矢印で示すように、不活性ガス供給口１０から供給された不活性ガスが、断熱板９の通気孔９ｂ、輻射シールド５の開口部５ａ、融液液面Ｍａ近傍、ヒータ４近傍を流れ、不活性ガス排出口１１からチャンバ２外に排出されるようになっている。

また、輻射シールド５は、例えば熱伝導性が小さく断熱性に優れた黒鉛基材からなり、その表面はクリーンな雰囲気を保つように炭化珪素で被覆されており、上記開口部５ａが設けられシリコン単結晶Ｉｇを囲うように配置された中空筒状、例えば中空截頭円錐状をなしている。

図２及び図３に示すように、断熱板９は、輻射シールド５と同材質で形成され、円板形状をなし、中央部には、断熱板９をシードチャック６に着脱自在に取り付けるために、このシードチャック６の截頭円錐状の係合部６ａに上下に着脱自在に係合する截頭円錐状の取付ボス９ａと、この取付ボス９ａの周囲に設けられ扇状をなす３個の通気孔９ｂが設けられている。なお、断熱板９は汚染の少ない石英ガラスもその材質として用いてもよい。

このように円板形状をなす断熱板９は、図４（ａ）に示すように、断熱板９が輻射シールド５の上部近傍に位置するときは、断熱板９はシードチャック６に取り付けられているが、断熱板９と輻射シールド５の内周面５ｂ間には間隙が形成されているので、断熱板９がシードチャック６とともに回転している場合でも、断熱板９と輻射シールド５が擦れることがなく、発塵などがない。さらに、断熱板９の存在によりシードチャック６が下降中も、融液からの熱により、効率的に種結晶Ｓを加熱できるため効率がよい。

また、シードチャック６の降下により断熱板９の外周が、輻射シールド５の内周面５ｂに当接され、さらに、シードチャック６を下降させることで、シードチャック６の係合部６ａと断熱板９の取付けボス９ａとが離間、図４（ｂ）に示すように、断熱板９と、輻射シールド５と、液面Ｍａで輻射シールドの下部近傍域に種結晶を加熱する高温空間Ａが形成される。従って、このような構成にすることで、引き上げ中でも断熱板９と輻射シールド５が擦れるという不具合は発生しない。最後に図４（ｃ）に示すように、シードチャック６がさらに降下させた状態で、加熱続けられた種結晶Ｓが融液Ｍに接触する。

このように、輻射シールド５の開口部５ａの面積を減じるような断熱板９を設けることにより、種結晶Ｓを加熱する高温空間Ａを簡単な構造で安価に形成することができる。

次に本発明に係わるシリコン単結晶引上装置を用いたシリコン単結晶の引上方法について説明する。

図１及び図５（ａ）に示すように、原料ポリシリコンを石英ガラスルツボ３に充填し、不活性ガスをチャンバ２の上方の不活性ガス供給口１０からチャンバ２内に流入させ、ヒータ４により、石英ガラスルツボ３を加熱し、原料ポリシリコンを融液Ｍとし、ルツボ回転用モータを付勢して、このモータに結合されたルツボ回転軸により石英ガラスルツボ３を回転させる。

しかる後、ワイヤ巻取機構８を回転させて、引上用ワイヤ７を徐々に降下させ、シードチャック６を降ろしていく。このシードチャック６の降下に伴い、このシードチャック６に取り付けられた断熱板９も降下する。この断熱板９により、この断熱板９と輻射シールド５の内周面５ｂに形成される間隙は徐々に狭められ、断熱板９の働きで輻射シールド５内空間の温度がより高くなり、断熱板９の下方に位置し、シードチャック６の降下と共に降下する種結晶Ｓは徐々に加熱されていく。

次に、図５（ｂ）に示すように、シードチャック６及び輻射シールド５が降下して、断熱板９が輻射シールド５に当接すると、開口部５ａの面積が減じ、この結果、輻射シールド５の下部近傍域に種結晶Ｓを加熱する高温空間Ａが形成される。さらに、図５（ｃ）に示すように、シードチャック６がさらに降下した状態で、加熱続けられた種結晶Ｓが融液Ｍに接触する。

一般的に種結晶Ｓは、液面Ｍａおよび融液上に露出している石英ガラスルツボ３の側面からの輻射熱で加温されるが、種結晶Ｓが融液温度よりも低くなるのは、種結晶Ｓ内の熱が温度の低い上方に放冷しているからである。そこで、上方への放冷を抑制し、種結晶Ｓを加熱するため、断熱板９を設け高温空間Ａを形成する。

種結晶Ｓの温度は、断熱板を設けない従来の種結晶の温度に比べて、著しく高温域まで上昇しており、融液Ｍと種結晶Ｓとの温度差を極めて小さくすることができる。

このような高温空間が形成される過程及び高温空間が形成された時点で種結晶Ｓは十分に加熱されている。そのため、融液Ｍに種結晶Ｓを浸漬させるときの熱衝撃が大幅に緩和され、種結晶に発生するスリップを大幅に低減できる。従って、高重量に耐える太いネック直径でも無転位単結晶を得ることが可能となる。

次に、図５（ｄ）に示すように、種結晶Ｓを融液Ｍになじませた後、シードチャック６を上昇させて、単結晶Ｉｇを成長させる。種結晶Ｓの下端に成長する単結晶Ｉｇには溶液に接触させた際に発生する熱衝撃によるスリップ転位発生が抑制されているので、大重量に耐える太いネック直径でも無転位単結晶を得ることができる。

なお、断熱板９は、シードチャック６の上昇とともに、輻射シールド５の内周面５ｂに当接された状態から、シードチャック６に係合された状態になり、内周面５ｂから離間し、シードチャック６と共に上昇していく。なお、この過程においてもシードチャック６との係合、輻射シールドとの離間が瞬時に行われるため、輻射シールド５と断熱板９とが、シードチャック６の回転により擦れて発塵を発生させることはない。

最後に、図５（ｅ）に示すように、単結晶Ｉｇを所定の長さまで育成していき、縮径部１２を形成した後に、融液Ｍから切り離す。このように高温空間Ａが形成されている状態から高温空間Ａが無くなるため、単結晶Ｉｇは急激に冷却される。そのため、単結晶Ｉｇの冷却速度が大きくなるため、これに起因するＣＯＰの発生を抑制することができる。

なお、融液接触時における熱衝撃をより小さく抑制できるならば、前述したダッシュネック工程を行うことなく、無ネックで単結晶を育成することができる。

上記のように本実施形態のシリコン単結晶引上装置によれば、断熱板により輻射シールドの開口部の面積を減じ、輻射シールドの下部近傍域に種結晶を加熱する高温空間を形成し、この高温空間が形成される過程及び高温空間が形成された時点で種結晶を十分に加熱することで、融液に種結晶を浸漬させるときの熱衝撃を大幅に緩和して、転位の発生がなく、高重量に耐える太いネック直径でも、無転位結晶を得ることが可能となり、構造が簡単で安価にかつ、大重量の無転位単結晶を安全に製造することができる。

図１に示すような本発明に係るシリコン単結晶引上装置を用い、チャージ量３００ｋｇでネック部を振って形成して直径が３００ｍｍのシリコン単結晶を長さ１．５ｍ引上げ、単結晶化率（ＤＦ率）を評価した。なお、従来例として図１に示す断熱板を設けないで、その他は実施例と同じ条件で行い単結晶化率を評価した。

結果を表１に示す。

表１からもわかるように、断熱板が設けられネック部最小直径が４ｍｍの実施例１は、ＤＦ率が９２％と比較的高いが、引上げ中の落下の可能性があり、安全性に不安を残す。

断熱板が設けられネック部最小直径が６ｍｍの実施例２は、引上げ中の落下の可能性が小さく、安全であり、ＤＦ率も９０％と実施例１とほぼ同じ高いＤＦ率を保つ。

これに対して、断熱板が設けられず、ネック部最小直径が４ｍｍの従来例１は、ＤＦ率が９５％と高いが、引上げ中の落下の可能性が非常に大きく、安全性に大きな不安を残す。

また、断熱板が設けられず、ネック部最小直径が６ｍｍの従来例２は、転位が発生しＤＦ率は０％であった。

本発明に係るシリコン単結晶引上装置の概念図。本発明に係るシリコン単結晶引上装置に用いられる断熱板の平面図。本発明に係るシリコン単結晶引上装置を用いたシードチャックと断熱板の係合状態を示す概念図。本発明に係るシリコン単結晶引上装置を用いたシードチャックと輻射シールドと断熱板の係合状態を示す概念図。本発明に係るシリコン単結晶引上装置を用いた単結晶引上げ工程を示す説明図。

符号の説明

１シリコン単結晶引上装置
２チャンバ
３石英ガラスルツボ
４ヒータ
５輻射シールド
５ａ開口部
６シードチャック
７引上げ用ワイヤ
８ワイヤ巻取機構
９断熱板
９ａ取付部
９ｂ通気孔
１０不活性ガス供給口
１１不活性ガス排出口

Claims

チャンバと、
前記チャンバ内に設けられ原料シリコンが収納される石英ガラスルツボと、
前記石英ガラスルツボを周囲から加熱するヒータと、
前記石英ガラスルツボの上方に設けられ、育成したシリコン単結晶が貫通するための開口が形成された輻射シールドと、
前記輻射シールドを貫通し種結晶を保持するためのシードチャックと、
前記シードチャックに取り付けられ、昇降可能な引上げ用ワイヤを具備するシリコン単結晶引上装置において、
前記シードチャックに取り付けられ、前記輻射シールドの開口部の面積を減じるように設けられた断熱板を有し、
前記輻射シールドの降下に伴ってこの輻射シールドの下部近傍域に種結晶を加熱する高温空間が形成されかつ、この断熱板と前記輻射シールドの開口部の係合状態において、前記断熱板は前記シードチャックから外れることを特徴とするシリコン単結晶引上装置。
前記断熱板は凹凸係合により前記シードチャックに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上装置。