JP2006273642A

JP2006273642A - シリコン単結晶引上装置

Info

Publication number: JP2006273642A
Application number: JP2005093934A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nakao; 淳中尾
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2005-03-29
Filing date: 2005-03-29
Publication date: 2006-10-12

Abstract

【課題】単結晶引上げのサイクルタイムの短縮あるいは融液流出による被害を最小限に食い止め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】本シリコン単結晶引上装置は、炉本体に内装された石英ガラスルツボ内のシリコン溶液に種結晶を浸漬してシリコン単結晶を引上げる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、前記石英ガラスルツボを支持、回転させる回転軸に不活性ガスを導入する不活性ガス導入孔が設けられ、前記不活性ガス導入孔は、不活性ガスの流入量を制御するガス導入制御手段を介して、不活性ガス供給装置に連通されている。
【選択図】図１

Description

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係り、特に、シリコン単結晶の引上げ終了後あるいは引上工程中の緊急時、炉本体下部に不活性ガスを導入し、石英ガラスルツボの下部を冷却するシリコン単結晶引上装置に関する。

シリコン単結晶引上げには、一般的にチョクラルスキー法（ＣＺ法）が用いられている。

ＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げは、チャンバーに内装された石英ガラスルツボに原料シリコンを収容し、加熱して融液にした後、この融液に種結晶を浸漬し馴染ませた後にネック部を育成し、これに続いて単結晶の引上げを行う。

近年、１回の引上げでより多くの製品部位（直胴部）を得ることのできる大チャージ・大口径化傾向にあり、引上げ終了からの冷却には多くの時間を要する。

しかし、従来のＣＺ法を用いた単結晶引上装置は、シリコン単結晶の引上工程の終了後、石英ガラスルツボ内に残留する融液が冷却するまでに長時間を要し、単結晶引上げのサイクルタイムが長くなり、生産性が低下する。

また、地震あるいは何らかの事故により融液が石英ガラスルツボから炉本体に流出した場合、従来の単結晶引上装置は、融液の冷却が自然冷却であるため、その表面から固化し、その際に体積膨張を起こし内部の固化していない融液が石英ガラスルツボから更に、流出し、石英ガラスルツボから支持軸を伝い、炉本体外に漏洩し、引上装置及び炉本体内部の部材、駆動装置等を破壊してしまうことがある。

なお、単結晶製造装置の冷却部位ごとに、それぞれ最適温度の冷却水を供給する冷却システムを設け、温度制御性すなわち応答性が向上し、結晶形状性、均一性を高め、さらに、生産性を高めることができる単結晶製造装置が数多く提案されている（特許文献１−３）。
特開平５−１４８０８１号公報特開平５−２０８８８８号公報特開平８−４８５９４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、単結晶引上げのサイクルタイムの短縮あるいは融液流出による被害を最小限に食い止め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、炉本体に内装された石英ガラスルツボ内のシリコン溶液に種結晶を浸漬してシリコン単結晶を引上げる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、前記石英ガラスルツボを支持、回転させる回転軸に不活性ガスを導入する不活性ガス導入孔が設けられ、前記不活性ガス導入孔は、不活性ガスの流入量を制御するガス導入制御手段を介して、不活性ガス供給装置に連通されていることを特徴とする。

好適には、前記ガス導入制御手段は、シリコン単結晶の育成状態を検知する育成状態検知手段により制御される。

また、好適には、前記育成状態検知手段は、育成されたシリコン単結晶の重量を検知する重量検知センサーである。

また、好適には、前記育成状態検知手段は、育成されたシリコン単結晶の直径を検知するＣＣＤカメラである。

また、好適には、前記不活性ガス導入孔は、前記石英ガラスルツボを支持する黒鉛ルツボと、前記石英ガラスルツボ内の原料シリコンを溶融するヒータの間を含んだ上方に向いた角度で設けられている。

本発明に係るシリコン単結晶の引上げ方法によれば、単結晶引上げのサイクルタイムの短縮あるいは融液流出による被害を最小限に食い止め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は本発明に係るＣＺ法を用いたシリコン単結晶の引上方法に用いられ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、本発明に用いられるシリコン単結晶引上げ装置１は、監視窓２ａを備えた気密性の炉本体２と、原料シリコン溶融用の石英ガラスルツボ３と、この石英ガラスルツボ３を支持する黒鉛ルツボ４と、原料シリコンを溶融するヒータ５と、このヒータ５、石英ガラスルツボ３および黒鉛ルツボ４を囲繞し保温する保温材６を備えている。

また、炉本体２には、この炉本体２内に不活性ガスＧを導入する不活性ガス供給装置７、ガス導入制御手段７ａ及びガス導入管７ｂと、炉本体２の炉本体底部２ｂを貫通し、ルツボ回転昇降機構８により回転昇降自在なルツボ回転軸９と、このルツボ回転軸９の周囲に位置する不活性ガスＧの排出口１０が設けられている。

ルツボ回転軸９は、その上部には炉本体２下部に不活性ガスを導入する不活性ガス導入孔９ａが多数設けられており、この不活性ガス導入孔９ａは、ルツボ回転軸９はその下端部に設けられた気密カップリング１１、不活性ガスの流入量を制御する下部ガス導入制御手段７ｃを介して不活性ガス供給装置７に連通されている。さらに、不活性ガス導入孔９ａは、黒鉛ルツボ４と、ヒータ５の間を含んだ上方に向いた角度で設けられている。

また、炉本体２の上部には引上げ機構１２が設けられ、さらに、この引上げ機構１２には種結晶Ｓを固定するチャック１３を具備するワイヤー１４が昇降自在に設けられている。また、石英ガラスルツボ３の上方にはルツボ壁３ａに対向して輻射シールド１５が設けられ、この輻射シールド１５は、引上げられるシリコン単結晶を同心円の軸として取り囲んでいる。

また、シリコン単結晶引上げ装置１には制御装置１６が設けられ、この制御装置１６にはヒータ５への入力を制御するヒータ入力制御器５ａ、ルツボ回転昇降機構８を制御するルツボ回転昇降制御器８ａ、引上げ機構１２を制御する引上げ機構制御器１２ａ、引上げ機構１２に取付けられ、引上げられるシリコン単結晶の重量を検知する育成状態検知手段としての重量検知センサー１２ｂ、育成されたシリコン単結晶の直径を検知し育成状態検知手段としても機能するＣＣＤカメラ１７、シリコン融液の流出を検出するシリコン融液検出器１８が接続されている。

なお、ガス導入制御手段７ａ及び下部ガス導入制御手段７ｃは例えばいずれも電磁開閉弁からなり、制御装置１６からの開閉制御入力信号により開閉され、特に下部ガス導入制御手段７ｃは、シリコン単結晶の育成状態を検知する重量検知センサー１２ｂ、制御装置１６を介して制御されるようになっている。

また、育成状態検知手段として重量検知センサー１２ｂを用い、予め育成されたシリコン単結晶の重量と育成状態の相関を求め制御装置１６に記憶させておき、シリコン単結晶の重量検知することで、育成状態を検知することができる。

なお、育成状態検知手段として、上記のように重量検知センサーを用いることに換えて、単結晶の直径を検知するＣＣＤカメラを用いてもよい。

なお、このシリコン融液検出器１８はシリコン融液が石英ガラスルツボから流出するのを検出するもので、炉本体底部２ｂに取付けられているがこれに限定されるものではない。例えば、融液の温度を検出する温度センサーあるいは重量を検出する重量センサーなどを用い、また、作業者が監視窓２ａから目視で確認するようにすれば、必ずしも必要なものではない。

次に本発明に係るシリコン単結晶引上げ方法について説明する。

図１に示すように、石英ガラスルツボ３に原料シリコンを充填し、石英ガラスルツボ３の周囲に配置されたヒータ５により加熱して、融液Ｍにする。

しかる後、ガス導入制御手段７ａを制御し、ガス導入管７ｂを介して不活性ガス供給装置７から炉本体２に不活性ガスＧを導入し、ルツボ回転昇降機構８により石英ガラスルツボ３を回転させ、引上げ機構１２のワイヤー１４に設けられたチャック１３に取付けられた種結晶を降下させて、融液Ｍに浸漬した後、引上げ機構１２によりワイヤー１４を巻取りチャック１３を回転させながらシリコン単結晶の育成を行う。

この育成過程において、ＣＣＤカメラ１７によりシリコン単結晶の直径を検知し、制御装置１６を介して、単結晶引上げ速度、石英ガラスルツボ３の回転、上昇を制御して、ネック部、肩部、直胴部及び、テール部を育成する。また、重量検知センサー１２ｂは、育成されたシリコン単結晶の重量を検知し、予め重量とネック部、肩部、直胴部及び、テール部との相関が記憶された制御装置１６によりシリコン単結晶の育成状態が判断される。テール部の育成の終了が検知されて、シリコン単結晶の引上工程の終了が検知されると、制御装置１６は、下部ガス導入制御手段７ｃを介して不活性ガス供給装置７を作動させ、不活性ガス導入孔９ａを介して不活性ガスＧ_１を炉本体下部に導入し、黒鉛ルツボ４の下部等を冷却する。このとき不活性ガス導入孔９ａから炉本体下部に導入される不活性ガス量は、ガス導入管７ｂを介して炉本体２ａに導入される不活性ガスを含む全体のガス量の５０〜７０％を導入するのが好ましい。

このような炉本体下部への不活性ガスの導入により、石英ガラスルツボ３内の残留融液の冷却を促進し、単結晶引上げのサイクルタイムを短縮することができる。また、炉本体下部への導入はルツボ回転軸９の不活性ガス導入孔９ａを設け、不活性ガスの流入量を制御するガス導入制御手段を介して、不活性ガス供給装置に連通させることで可能となるため、新たに特別な装置を必要とせず、さらに、導入される不活性ガス量が増加することがない。

また、シリコン単結晶育成工程中に、何らかの事故が発生して育成を中止する場合にも、炉本体下部に不活性ガスＧ_１を導入し、黒鉛ルツボ４の下部を冷却し、石英ガラスルツボ３内の融液の冷却を促進し、単結晶引上げのサイクルタイムを短縮することができる。

さらに、シリコン単結晶育成工程中に、石英ガラスルツボ３から融液が流出した場合には、シリコン融液検出器１８によりあるいは作業員の目視により、炉本体下部に不活性ガスＧ_１を導入し、流出した融液を急速に冷却して固化させ、ルツボ回転軸９を伝い炉体内下方へ流出するのを防止することができ、融液流出による引上装置の被害を最小限に食い止めることができる。

上記不活性ガス導入孔９ａは、図１に示すように、黒鉛ルツボ４と、ヒータ５の間を含んだ上方に向いた角度で設けられていることが好ましい。このような構成とすることで、ヒータ５と同時に黒鉛ルツボ４を同時に冷却することができるので、単結晶引上げのサイクルタイムの短縮を抑制することができる。更に、融液流出による場合は、黒鉛ルツボ４と、ヒータ５の間で食い止めることができると共に、さらに、地震等により引上げている単結晶が落下し、石英ガラスルツボ３及び、黒鉛ルツボ４が割れた場合でも、その割れ目より融液の流出を抑制することができる。

上記実施形態のシリコン単結晶引上装置によれば、シリコン単結晶の引上工程の終了後、あるいは育成の緊急中止時、または、融液の石英ガラスルツボからの流出時、炉本体下部に不活性ガスを導入して、石英ガラスルツボの下部を冷却し、融液の冷却の促進を図り、単結晶引上げのサイクルタイムを短縮あるいは融液流出による被害を最小限に食い止めることが可能になる。

図１に示す単結晶引上げ装置を用いて、初期シリコン溶融量２５０ｋｇの単結晶引上げにおいて、引上げ作業が終了した後（シリコン引上げ単結晶２００ｋｇ）、下記のように条件を変え、冷却時間を調べた。
１）実施例：引上げ終了後炉内上方から不活性ガスの流入を毎分６５リットルにし、回転軸の上部に設けたφ１０〜１５ｍｍのガス流入口から毎分６５リットルを流した。
２）比較例：引上げ終了後炉内上方のみから通常通り毎分１３０リットルの不活性ガスを流した。

結果：ルツボ内に固化した残留シリコンが１００℃になるまでの時間は、実施例が６時間、比較例が１０時間で、実施例は従来例に比べて４時間サイクルタイムが短縮された。

本発明に係るシリコン単結晶引上げ装置の概念図。

符号の説明

１シリコン単結晶引上装置
２炉本体
２ｂ炉本体底部
３石英ガラスルツボ
５ヒータ
７不活性ガス供給装置
８ルツボ回転昇降機構
９ルツボ回転軸
９ａ不活性ガス導入孔
１２引上げ機構
１２ｂ重量検知センサー
１６制御装置
１７ＣＣＤカメラ
１８シリコン融液検出器

Claims

炉本体に内装された石英ガラスルツボ内のシリコン溶液に種結晶を浸漬してシリコン単結晶を引上げる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、前記石英ガラスルツボを支持、回転させる回転軸に不活性ガスを導入する不活性ガス導入孔が設けられ、前記不活性ガス導入孔は、不活性ガスの流入量を制御するガス導入制御手段を介して、不活性ガス供給装置に連通されていることを特徴とするシリコン単結晶引上装置。
前記ガス導入制御手段は、シリコン単結晶の育成状態を検知する育成状態検知手段により制御され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。
前記育成状態検知手段は、育成されたシリコン単結晶の重量を検知する重量検知センサーであることを特徴とする請求項２に記載のシリコン単結晶引上装置。
前記育成状態検知手段は、育成されたシリコン単結晶の直径を検知するＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項２に記載のシリコン単結晶引上装置。
前記不活性ガス導入孔は、前記石英ガラスルツボを支持する黒鉛ルツボと、前記石英ガラスルツボ内の原料シリコンを溶融するヒータの間を含んだ上方に向いた角度で設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに１項に記載のシリコン単結晶引上装置。