JP2006256898A - シリコン単結晶引上装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 遮蔽筒とシリコン融液の液面との距離を正確に設定することで、品質が一定のシリコン単結晶インゴットを効率的に得ることが可能なシリコン単結晶引上装置を提供する。
【解決手段】 遮蔽筒３１の底部３１ａには、シリコン融液７に向けて延びる検出冶具３３が備えられている。こうした検出冶具３３は、例えばシリコン融液７に接しても溶融しない石英などで形成されれば良く、遮蔽筒３１の底部３１ａから先端３３ａまでが予め正確に設定された所定の長さＬに形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、シリコン等の半導体単結晶を形成するための単結晶引上装置に関するものである。

半導体デバイスなどの基板として用いられる単結晶シリコンウェハは、シリコン単結晶インゴットをスライスして、鏡面加工等を行うことにより製造される。こうしたシリコン単結晶インゴットの製造方法としては、例えば、チョクラルスキー法（ＣＺ法）やフローティングゾーン法（ＦＺ法）などが挙げられる。このうち、ＣＺ法は、大口径の単結晶インゴットを得やすいことや、欠陥の制御が比較的容易であるなどの理由により、シリコン単結晶インゴットの製造の大部分を占める。

こうしたシリコン単結晶インゴットの引き上げにおいて、引き上げ過程でインゴットがルツボから受ける輻射熱や、ルツボのシリコン融液の液面付近における不活性ガスの流れは、引上げたシリコン単結晶インゴットの性質に大きな影響を及ぼす。こうしたルツボから受ける輻射熱やリコン融液の液面付近における不活性ガスの流れを適正に制御するために、ルツボの上面に、シリコン単結晶の周面と前記シリコン融液の液面とを隔てる遮蔽筒（遮蔽板）を備えたシリコン単結晶引上装置が知られている（例えば特許文献１）。
特開昭６４−６１３８３号公報

上述したような遮蔽筒（遮蔽板）は、その下端とシリコン融液の液面との間隔（距離）が引上げたシリコン単結晶インゴットの性質に大きく影響をもたらすことが知られている。特に、遮蔽筒下端付近を通過するガス流量が引き上げる単結晶特性に大きな影響を与えることも知られている。このため、こうした遮蔽筒とシリコン融液の液面との間隔は、インゴットの引上げ開始時に正確に設定される必要がある。しかしながら従来は、密閉された高温の引上げ装置内で、高温で溶融しているシリコン融液の液面と遮蔽筒の下端との距離を、目視で確認しつつルツボを上昇させ、遮蔽筒との位置あわせを行っていた。このため、シリコン融液の液面と遮蔽筒との距離が正確に把握できず、遮蔽筒がシリコン融液に着いてしまう、あるいは、作業者によって設定にばらつきがあるなどして、シリコン単結晶インゴットの性質を一定に保つ上で課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、遮蔽筒と原料融液の液面との距離を正確に設定することで、品質が一定の単結晶インゴットを効率的に得ることが可能な単結晶引上装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、原料（シリコン）融液を収容するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを上下動させるリフトとを有し、チョクラルスキー法により単結晶を引上げるシリコン単結晶引上装置であって、前記ルツボの上部に形成され、引上げられた単結晶が挿通される開口を有し、単結晶の周面と前記原料（シリコン）融液の液面とを隔てる遮蔽筒と、前記遮蔽筒から前記原料融液の液面に向かって延び、前記リフトによる前記ルツボの上昇で前記原料融液の液面に先端が接することで前記遮蔽筒と前記原料融液の液面との距離が所定値に達したことを検出する検出冶具とを備えたことを特徴とする単結晶引上装置が提供される。

前記検出冶具は、前記原料融液に接しても溶融しない材料で形成されていればよい。また、前記検出冶具は、石英から形成されていてもよい。

本発明の単結晶引上装置によれば、検出冶具を用いて原料（シリコン）融液の液面を正確に検出することで、遮蔽筒と原料融液の液面との実際の距離を予め最適条件として設定した距離と正確に一致させられることにより、原料融液の温度、融液中の酸素やドーパントなどの濃度に影響を与える原料融液表面付近のガス流量や、原料融液やヒーターから引き上げた単結晶への輻射熱量等、遮蔽筒と原料融液の液面との間隙に影響を受けるパラメータを正確に制御することができ、原料融液の表面の残留酸素量や、原料融液から蒸発した原料（シリコン）蒸気などを正確に制御でき、目的とした高品質の単結晶インゴットを引上げることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は、本発明の単結晶引上装置の概略を示す一部破断斜視図である。シリコン単結晶引上装置（単結晶引上装置）１０は、略円筒形の外殻１１を備え、内部にシリコンを溶融して貯留する石英ルツボ１２を収容する。外殻１１は、例えば内部に一定の隙間を形成した二重壁構造であればよく、この隙間に冷却水１３を流すことによって、石英ルツボ１２を加熱した際に外殻１１が高温化することを防止する。

また、外殻１１には、給排気管２１が備えられ、シリコン単結晶の引上時にはシリコン単結晶引上装置１０の内部にアルゴンなどの不活性ガスが導入される。外殻１１の頂部には、引上駆動装置１４が備えられる。引上駆動装置１４は、シリコン単結晶インゴット５の成長核となる種結晶６およびそこから成長するシリコン単結晶インゴット５を回転させつつ上方に引上げる。

外殻１１の内側には、保温筒１５が備えられる。保温筒１５は、例えば黒鉛で形成されれば良く、石英ルツボ１２の加熱中の温度低下を軽減するとともに、外殻１１の昇温を抑制する役割りを果たす。

保温筒１５の内側には、略円筒形の側面ヒータ１６が備えられる。側面ヒータ１６は、石英ルツボ１２の円筒形の胴部１２ａを加熱する。この側面ヒータ１６の内側に、石英ルツボ１２およびルツボ支持体（黒鉛ルツボ）１７が収容される。石英ルツボ１２は、全体が石英で一体に形成され、上方が開放面１２ｃを成す略円筒形の胴部１２ａおよびこの胴部１２ａの下方を閉塞するすり鉢状の底部１２ｂとからなる。

石英ルツボ１２には、固形のシリコンを溶融したシリコン融液７が貯留される。ルツボ支持体１７は、例えば全体が黒鉛で形成され、石英ルツボ１２を包むように密着して支持する。ルツボ支持体１７は、シリコンの溶融時に軟化した石英ルツボ１２の形状を維持し、石英ルツボ１２を支える役割りを果たす。

ルツボ支持体１７の下側にはルツボ支持装置（リフト）１９が備えられる。ルツボ支持装置１９は、ルツボ支持体１７および石英ルツボ１２を下側から支えるとともに、育成に伴って変化するシリコン融液７の液面位置に対応して、石英ルツボ１２の位置を上下動させる。

図２は図１に示すシリコン単結晶引上装置の要部側面断面図である。石英ルツボ１２の上面には、シリコン融液７の上面を覆うように遮蔽筒３１が形成されている。遮蔽筒３１は、例えばすり鉢状に形成された断熱板からなり、底部に引上げたシリコン単結晶インゴット５が挿通する開口３２が形成されている

こうした遮蔽筒３１は、引上げたシリコン単結晶インゴット５が石英ルツボ１２のシリコン融液７から輻射熱を受けて熱履歴が変化し、品質が劣化することを防止する。また、こうした遮蔽筒３１は、シリコン単結晶引上装置１０の内部を満たすアルゴンなどの不活性ガスをシリコン融液７の方向に誘導することによって、シリコン融液７の表面の残留酸素量や、シリコン融液７から蒸発したシリコン蒸気などを制御し、シリコン単結晶インゴット５が目的の品質になるように制御する。シリコン単結晶インゴット５が目的の品質になるように、遮蔽筒３１とシリコン融液７の液面との距離は正確に設定される必要がある。

遮蔽筒３１の底部（下端部）３１ａには、シリコン融液７に向けて延びる検出冶具３３が備えられている。こうした検出冶具３３は、例えばシリコン融液７に接しても溶融しない石英などで形成されれば良く、遮蔽筒３１の底部３１ａから検出冶具３３の先端３３ａまでが予め正確に設定された所定の長さＬの柱状検出部３３ｂとして形成されている。この長さＬに形成された遮蔽筒３１の検出部３３ｂの基部には遮蔽筒３１に検出治具３３を取り付ける取り付け部３３ｃが設けられ、検出治具３３は略Ｌ字状に形成されている。
なお、検出冶具３３は、シリコン融液７に接しても溶融しない石英にも、シリコン融液７に溶解しても、引上げるシリコン単結晶インゴット５に影響を与えないシリコンで形成されているのも好ましい。また、検出部３３ｂの先端３３ａ付近のシリコン融液７に接触する部分およびその周辺部分は石英ルツボ１２の内表面と同等の表面処理が施され、シリコン融液７に不純物等が混入しないようになっている。この検出部３３ｂはφ５〜１０ｍｍ、例えば、φ６ｍｍ程度に設定されており、この範囲外の場合、細すぎると製造上・ハンドリング上の困難性が高まり、また、太すぎるとシリコン融液７へ不純物の混入可能性・接触するシリコン融液７の対流阻害や検出部３３ｂ付近での固化等の温度状態悪化可能性があり好ましくない。

次に、こうした検出冶具３３を備えた遮蔽筒３１を有するシリコン単結晶引上装置１０の作用を説明する。シリコン単結晶インゴットの引き上げにあたっては、まず、図２に示すように、側面ヒータ１６によって石英ルツボ１２内に投入された原料シリコンを溶融し、シリコン融液７を形成する。

次に、ルツボ支持装置（リフト）１９を動作させて石英ルツボ１２を遮蔽筒３１に向けて上昇させる。図３に示すように、石英ルツボ１２が上昇してシリコン融液７の液面Ｓに遮蔽筒３１の底部３１ａから延びる検出冶具３３の先端３３ａが接すると、シリコン融液７の液面に波紋Ｗが生じる。シリコン融液７の液面を観察して、検出冶具３３の先端３３ａがシリコン融液７接した時に生じる波紋Ｗを確認した時点で石英ルツボ１２の上昇を停止させれば、遮蔽筒３１の底部３１ａからシリコン融液７の液面Ｓまでの距離は、予め正確に測定された検出冶具３３の長さＬと同じになる。

この後、図４に示すように、予め予定している遮蔽筒３１の底部３１ａとシリコン融液７の液面との距離ｔになるように、検出冶具３３の長さＬと距離ｔとの差分だけ石英ルツボ１２を降下させれば、遮蔽筒３１とシリコン融液７の液面との距離は、予め最適条件として設定した距離ｔに正確に合わせることが可能になる。

このように、検出冶具３３を用いてシリコン融液７の液面を検出することで、遮蔽筒３１とシリコン融液７の液面との実際の距離を予め最適条件として設定した距離と正確に一致させられることにより、遮蔽筒３１とシリコン融液７の液面との実際の距離によって大きな影響を受けるシリコン融液７の表面を流れる不活性ガスの流れＧを制御することが可能となる。また、シリコン融液の温度、融液中の酸素やドーパントなどの濃度に影響を与えるシリコン融液表面付近のガス流量を正確に制御することができことにより、残留酸素量や、シリコン融液７から蒸発したシリコン蒸気などを正確に制御でき、目的とした高品質のシリコン単結晶インゴット５を引上げることができる。なお、検出冶具３３の先端３３ａとシリコン融液７の液面との接触の検出は、目視による以外にも、各種光学的検出方法などを用いてもよい。

なお、本実施形態では検出治具３３が遮蔽筒３１下端部３１ａの下側に取り付けられるようにしたが、図５に示すように、遮蔽筒３１下端部３１ａ付近の側部に取付穴３１ｂを略水平に設け、Ｌ字柱状とされた検出治具３３の基部３３ｃを挿入して取り付けることもできる。この際、検出部３３ｂの方向設定手段として、例えば垂直下向きとされる検出部３３ｂの取り付け方向を固定するように、取付穴３１ｂの下側で遮蔽筒３１内側側面に鉛直方向に固定溝３１ｃを設けることができる。
このようにすることで、取り付けの構成を簡略化して、高い取り付け作業性と、遮蔽筒３１とシリコン融液７の液面との距離設定の高正確性とを同時に実現するとともに、不純物による汚染を極めていやがるチャンバー中に設置することが必要な構成を簡単にして、取付穴３１ｂや検出治具３３への不純物付着可能性を抑制し、単結晶特性に影響を与えやすい石英ルツボ１２直上に設けても、シリコン融液７に欠陥の原因となるゴミが入ることを防止して、引き上げる単結晶特性を所望の状態にすることができる。

また、取付穴３１ｂを貫通状態とすることができる。また、取付穴３３ｂを奥に向かって多少下降させ、基部３３ｃが抜け落ちないようにすることができ、基部３３ｃと検出部３３ｂとの為す角度を取付穴３３ｂの下降角度に即して対応させることもできる。また、検出部３３ｂの方向設定手段として、固定溝３１ｃのかわりに検出部３３ｂの取り付け位置両側に固定凸部を設けることもできる。また、シリコン単結晶のみならず、ＣＺ法などによる半導体単結晶などの引き上げ装置にも適用可能である。

図１は、本発明の単結晶引上装置の概略を示す一部破断斜視図である。 図２は、本発明の単結晶引上装置の概略を示す正断面図である。 図３は、本発明の単結晶引上装置の動作を示す正断面図である。 図４は、本発明の単結晶引上装置の動作を示す正断面図である。 図５は、本発明の単結晶引上装置の検出治具３３の取り付けを示す一部断面視した拡大正面図である。

符号の説明

７ 原料（シリコン）融液７
１０ シリコン単結晶引上装置
１２ 石英ルツボ
１６ 側面ヒータ
１９ ルツボ支持装置（リフト）
３１ 遮蔽筒
３３ 検出冶具

Claims (3)

1. 原料融液を収容するルツボと、前記ルツボを加熱するヒータと、前記ルツボを上下動させるリフトとを有し、チョクラルスキー法により半導体単結晶を引上げる単結晶引上装置であって、
   前記ルツボの上部に形成され、引上げられた単結晶が挿通される開口を有し、単結晶の周面と前記原料融液の液面とを隔てる遮蔽筒と、前記遮蔽筒から前記原料融液の液面に向かって延び、前記リフトによる前記ルツボの上昇で前記原料融液の液面に先端が接することで前記遮蔽筒と前記原料融液の液面との距離が所定値に達したことを検出する検出冶具とを備えたことを特徴とする単結晶引上装置。
2. 前記検出冶具は、前記原料融液に接しても溶融しない材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上装置。
3. 前記検出冶具は、石英から形成されていることを特徴とする請求項２に記載の単結晶引上装置。

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