JP2007204305A

JP2007204305A - 単結晶引上装置

Info

Publication number: JP2007204305A
Application number: JP2006024183A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Abe; 吉亮安部
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】単結晶引上装置において、輻射シールド下端とシリコン融液との間の距離寸法が大きい場合においても、炉体内を流れるガス流を整流して歩留まりを向上し、所望の特性を有する単結晶を容易に得ることのできる単結晶引上装置を提供する。
【解決手段】ルツボ３の上方で単結晶Ｃの周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成されて設けられ、単結晶Ｃに対する輻射熱を遮蔽する輻射シールド６と、前記輻射シールド６の上方から下方に向けて不活性ガスＧを供給するガス供給手段１３と、前記輻射シールド６と前記ルツボ３との間に形成される空間に設けられ、前記ガス供給手段１３によりルツボ３内に供給されルツボ３外に導出される不活性ガスＧの流路を、該流路の高さ方向に分割する整流板７とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によって単結晶を育成しながら引上げる単結晶引上装置に関する。

シリコン単結晶の育成に関し、ＣＺ法が広く用いられている。この方法は、ルツボ内に収容されたシリコンの溶融液の表面に種結晶を接触させ、ルツボを回転させるとともに、この種結晶を反対方向に回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶の下端に単結晶を形成していくものである。

図３に示すように、従来のＣＺ法を用いた引上げ法は、先ず、石英ガラスルツボ５１に原料シリコンを装填し、ヒータ５２により加熱してシリコン融液Ｍとする。しかる後、引上げ用のワイヤ５０に取り付けられた種結晶Ｐをシリコン融液Ｍに接触させてシリコン結晶Ｃを引上げる。

一般に、引上げ開始に先立ち、シリコン融液Ｍの温度が安定した後、図４に示すように、種結晶Ｐをシリコン融液Ｍに接触させて種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングを行う。ネッキングとは、種結晶Ｐをシリコン融液Ｍに接触させることで発生するサーマルショックによりシリコン単結晶に生じる転位を除去する不可欠の工程である。このネッキングによりネック部Ｐ１が形成される。また、このネック部Ｐ１は、一般的に、直径が３〜４ｍｍで、その長さが３０〜４０ｍｍ以上必要とされている。

また、引上げ開始後の工程としては、ネッキング終了後、直胴部直径にまで結晶を広げるクラウン工程、製品となる単結晶を育成する直胴工程、直胴工程後の単結晶直径を除除に小さくするテール工程が行われる。
尚、このＣＺ法を用いたシリコン単結晶の製造方法については、例えば特許文献１に記載されている。

ところで近年、デバイスの微細化技術が進み、リング状ＯＳＦ（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−ＩｎｄｕｃｅｄＳｔａｃｋｉｎｇＦａｕｌｔ；酸化誘起積層欠陥）やＣＯＰ（ＣｒｙｓｔａｌＯｒｉｇｉｎａｔｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ；結晶起因パーティクル）といったシリコン単結晶育成時に発生する欠陥の存在が無視できないものとなっている。これらを抑制するためには、単結晶成長速度を速くすることが有効であり、そのためには結晶側温度勾配を大きくする、即ち結晶が急速に冷えやすい環境を提供することが重要である。

このため、一般的には図３に示すように、石英ガラスルツボの上方且つ近傍に、育成中の単結晶Ｃにヒータ、ルツボ等からの余計な輻射熱を与えないようにするため、シールド部材としての輻射シールド５３が設けられている。この輻射シールド５３は、図示するように成長中の単結晶Ｃを包囲するように設けられる。
また、ルツボが収容された炉体内には、炉体内雰囲気中の異物除去、酸素蒸発の調整等の目的のため、図５に示すように上方から下方に向けて不活性ガスＧが供給され、前記輻射シールド５３は、この不活性ガスＧの流れを整流する手段としても機能する。
特開２００５−９７０４９号公報

ところで、育成して得られるシリコン単結晶の特性は、引上速度や、輻射シールドと融液面との距離（ギャップと称呼する）等の要素によって変化する。このため、単結晶引上装置において様々な品質の単結晶を育成する場合には、引上速度やギャップの設定値が重要なパラメータとなる。

しかしながら、輻射シールド下端と融液面とのギャップを大きく設定した場合、輻射シールド５３の下方で不活性ガスＧの流れが滞り、さらに図５に示すように不活性ガスＧが逆流し、その結果、炉体内雰囲気中の異物が炉体外へ流れず、シリコン融液Ｍや単結晶Ｃを汚染し、これらの異物により結晶が有転位化するという課題があった。
即ち、前記ギャップが大きい場合に得られる特性の単結晶の品質が悪化し、歩留まりが低下するという課題があった。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、単結晶引上装置において、輻射シールド下端とシリコン融液との間の距離寸法が大きい場合においても、炉体内を流れるガス流を整流して歩留まりを向上し、所望の特性を有する単結晶を容易に得ることのできる単結晶引上装置を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するために、本発明に係る単結晶引上装置は、チョクラルスキー法によってルツボから単結晶を引上げる単結晶引上装置において、前記ルツボの上方で単結晶の周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成されて設けられ、単結晶に対する輻射熱を遮蔽する輻射シールドと、前記輻射シールドの上方から下方に向けて不活性ガスを供給するガス供給手段と、前記輻射シールドと前記ルツボとの間に形成される空間に設けられ、前記ガス供給手段によりルツボ内に供給されルツボ外に導出される不活性ガスの流路を、該流路の高さ方向に分割する整流板とを備えることに特徴を有する。

このように構成することにより、輻射シールドの下端とシリコン融液との距離寸法（ギャップ）が大きくても、整流板が設けられているため、輻射シールドの下方での不活性ガスの流路が該流路の高さ方向に分割され、分割された夫々の流路高さが狭くなる。その結果、不活性ガスの流速が速くなり、ガスの滞留や逆流現象が生じることが無い。したがって、炉体内雰囲気中の異物を確実に排出して歩留まりを向上することができ、所望の特質を有する単結晶を容易に得ることができる。

また、前記ルツボの底面コーナー部は、所定の曲率半径を有するように形成され、前記整流板の下部は、前記ルツボの底面コーナー部と同じ曲率半径を有するよう形成されていることが望ましい。
このように整流板の下部がルツボの底部コーナー部の曲率半径と同じ曲率半径となるように形成されることにより、輻射シールド（の形状）による整流効果に悪影響を与えず、また、シリコン融液が少ない場合に輻射シールド及び整流板を融液面に対し接近させても、整流板がルツボに接触しないようにすることができる。

また、前記整流板は、透明石英ガラスにより形成されていることが望ましい。
このように、整流板が透明石英ガラスのような熱遮断性の小さい材質で形成されることにより、従来からの引上条件を変更せずに所望の結晶特性を得ることができる。

本発明によれば、単結晶引上装置において、輻射シールド下端とシリコン融液との間の距離寸法が大きい場合においても、炉体内を流れるガス流を整流して歩留まりを向上し、所望の特性を有する単結晶を容易に得ることのできる単結晶引上装置を得ることができる。

以下、本発明に係る単結晶引上装置の実施の形態について図面に基づき説明する。図１は本発明に係る単結晶引上装置１の全体構成を示すブロック図である。
この単結晶引上装置１は、メインチャンバ２ａの上にプルチャンバ２ｂを重ねて形成された炉体２と、炉体２内に設けられた石英ガラスルツボ３と、石英ガラスルツボ３に装填された半導体原料（原料シリコン）Ｍを溶融するヒータ４と、育成される単結晶Ｃを引上げる引上げ機構５とを有している。引上げ機構５は、モータ駆動される巻取り機構５ａと、この巻取り機構５ａに巻き上げられる引上げワイヤ５ｂを有し、このワイヤ５ｂの先端に種結晶Ｐが取り付けられている。

また、メインチャンバ２ａ内において、石英ガラスルツボ３の上方且つ近傍には、単結晶Ｃの周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成され、育成中の単結晶Ｃにヒータ４等からの余計な輻射熱を与えないようにするための輻射シールド６が設けられている。尚、シールド下端面と融液表面との間の距離寸法（ギャップ）は、育成する単結晶の所望の特性に応じて所定の距離（例えば２５ｍｍ）に設定されている。

また、プルチャンバ２ｂの上方には、不活性ガス供給口１３（不活性ガス供給手段）が設けられており、メインチャンバ２ａの底面には、不活性ガス排出口１４が設けられている。即ち、不活性ガス供給口１３から供給された不活性ガスＧが上方から下方に向けて流れ、石英ガラスルツボ３内において単結晶Ｃの周りを通過後、不活性ガス排出口１４から排出されるようになされている。

また、輻射シールド６と石英ガラスルツボ３との間に形成された空間には、不活性ガスＧを整流するための整流板７が設けられる。この整流板７は、輻射シールド６と同様に単結晶Ｃの周囲を包囲するよう設けられ、図２に示すように、その下部は石英ガラスルツボ３の底部コーナー部の曲率半径Ｒと同じ曲率半径Ｒとなるように湾曲形成されている。
このように整流板７の下部がルツボ３の底部コーナー部の曲率半径Ｒと同じ曲率半径となるように形成されることにより、輻射シールド６（の形状）による整流効果に悪影響を与えず、また、シリコン融液Ｍが少ない場合に輻射シールド６及び整流板７を融液面に対し接近させても、整流板７がルツボ３に接触することがないようなされている。

尚、この整流板７は、輻射シールド６に固定されて設けられてもよいし、輻射シールド６に固定されず、相互間の距離が変更可能に設けられてもよい。
また、この整流板７は、熱遮断性の小さな材料、例えば透明石英ガラスなどにより形成されるのが望ましい。即ち、透明石英ガラスなどのように熱遮断性の小さい材質で形成されることにより、従来からの引上条件を変更せずに所望の結晶特性を得ることができる。

また、図１に示すように単結晶引上装置１は、シリコン融液Ｍの温度を制御するヒータ４の供給電力量を制御するヒータ制御部９と、石英ガラスルツボ３を回転させるモータ１０と、モータ１０の回転数を制御するモータ制御部１０ａとを備えている。さらには、石英ガラスルツボ３の高さを制御する昇降装置１１と、昇降装置１１を制御する昇降装置制御部１１ａと、成長結晶の引上げ速度と回転数を制御するワイヤリール回転装置制御部１２とを備えている。これら各制御部９、１０ａ、１１ａ、１２はコンピュータ８の演算制御装置８ｂに接続されている。

このように構成された単結晶引上装置１においては、最初に石英ガラスルツボ３に原料シリコンＭを装填し、コンピュータ８の記憶装置８ａに記憶されたプログラムに基づき、以下のように結晶育成工程が開始される。
先ず、演算制御装置８ｂの指令によりヒータ制御部９を作動させてヒータ４を加熱し、石英ガラスルツボ３の原料シリコンＭが溶融される。

さらに、演算制御装置８ｂの指令によりモータ制御部１０ａと、昇降装置制御部１１ａと、ワイヤリール回転装置制御部１２とが作動し、石英ガラスルツボ３が回転すると共に、巻取り機構５ａが作動してワイヤ５ｂが降ろされる。そして、ワイヤ５ｂに取付けられた種結晶Ｐがシリコン融液Ｍに接触され、種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングが行われてネック部Ｐ１が形成される。

しかる後、演算制御装置８ｂの指令によりヒータ４への供給電力や、単結晶引上げ速度（通常、毎分数ミリの速度）などをパラメータとして引上げ条件が調整され、クラウン工程、直胴工程、テール部工程等の単結晶引上工程が順に行われる。

尚、この単結晶引上工程において、図２に示すように輻射シールド６の下端とシリコン融液Ｍとの距離寸法ｄが大きくても（例えば３０〜７０ｍｍ）、整流板７が設けられているため、輻射シールド６の下方での不活性ガスＧの流路が、該流路の高さ方向に分割され、分割された夫々の流路の高さが狭くなる。その結果、不活性ガスＧの流速が速くなり、ガスの滞留や逆流現象が生じることが無い。したがって、炉体２内雰囲気中の異物はルツボ外へ確実に導かれ、不活性ガス排出口１４から炉体２の外へ排出される。

以上のように本発明に係る実施の形態によれば、単結晶引上工程において、輻射シールド６の下端とシリコン融液Ｍとの距離寸法ｄが大きくても、整流板７を設けることにより、ガスの滞留や逆流現象を防止することができる。したがって、炉体内雰囲気中の異物を確実に排出して歩留まりを向上することができ、所望の特質を有する単結晶Ｃを容易に得ることができる。

続いて、本発明に係る単結晶引上装置について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に示した構成の単結晶引上装置を用い、実際に実験を行うことにより、その効果を検証した。

この実験では、直径３００ｍｍのシリコン単結晶の育成を、炉内圧２５、５０、１００（ｔｏｒｒ）、ガス流量５０、１５０、２５０（ｌ／ｍｉｎ）の夫々について実施し、得られた結晶の状態を判定した。尚、シールド下端面と融液表面との間の距離寸法（ギャップ）は、３０〜７０ｍｍに設定した。
ギャップ５０ｍｍの場合の実験結果を表１に示す。表１において、○印は引上歩留まり・結晶特性共に所定の条件（結晶欠陥・狙い酸素濃度など）を満たしたもの、×印は引上歩留まり・結晶特性共に前記所定の条件を満たさなかったもの、△印は引上歩留まりはよいが、結晶特性が前記所定の条件を満たさなかったものを示している。

また、比較例として、従来の輻射シールドのみの構成、即ち前記実施の形態で示した整流板を具備しない単結晶引上装置で、直径３００ｍｍのシリコン単結晶の育成を、炉内圧２５、５０、１００（ｔｏｒｒ）、ガス流量５０、１５０、２５０（ｌ／ｍｉｎ）の夫々について実施し、得られた結晶の状態を判定した。尚、比較例においては、シールド下端面と融液表面との間の距離寸法（ギャップ）は、１０〜２５ｍｍと３０〜７０ｍｍの２つの場合について実施した。
この比較例の結果を表２（ギャップ：２０ｍｍ）と表３（ギャップ５０ｍｍ）に示す。表２、３において、○印は引上歩留まり・結晶特性共に所定の条件（結晶欠陥・狙い酸素濃度など）を満たしたもの、×印は引上歩留まり・結晶特性共に前記所定の条件を満たさなかったもの、△印は引上歩留まりはよいが、結晶特性が前記所定の条件を満たさなかったものを示している。

実施例の実験結果（表１、２、３）に示されるように、ギャップが５０ｍｍの場合、従来の単結晶引上装置を用いて製造した単結晶では所定の特性条件（結晶欠陥・狙い酸素濃度など）を満たす単結晶、安定した引上歩留まりを得ることができなかったが、本発明の単結晶引上装置を用いて製造した単結晶では、引上歩留まり・結晶特性共に前記所定の条件を満たす単結晶を得ることのできる割合が格段に向上した。

以上の実施例の実験結果から、本発明の単結晶引上装置を用いることにより、炉体内雰囲気中の異物を確実に排出して歩留まりを向上することができ、所望の特質を有する単結晶を容易に得ることができることを確認した。

本発明は、チョクラルスキー法によって単結晶を引上げる単結晶引上装置に関するものであり、半導体製造業界等において好適に用いられる。

図１は、本発明に係る単結晶引上装置の構成を模式的に示すブロック図である。図２は、図１の単結晶引上装置が有する輻射シールド及び整流板の断面図である。図３は、輻射シールドを有する単結晶引上装置において、従来のＣＺ法を用いた引上げ法を説明するための図である。図４は、従来のＣＺ法を用いた引上げ法においてネック部の形成を説明するための図である。図５は、炉体内における不活性ガスの逆流現象を説明するための図である。

符号の説明

１単結晶引上装置
２炉体
２ａメインチャンバ
２ｂプルチャンバ
３石英ガラスルツボ（ルツボ）
４ヒータ
５引上げ機構
６輻射シールド
７整流板
８コンピュータ
８ａ記憶装置
８ｂ演算記憶装置
１３不活性ガス供給口（不活性ガス供給手段）
１４不活性ガス排出口
Ｃ単結晶
Ｇ不活性ガス
Ｍ原料シリコン、シリコン融液
Ｐ種結晶
Ｐ１ネック部

Claims

チョクラルスキー法によってルツボから単結晶を引上げる単結晶引上装置において、
前記ルツボの上方で単結晶の周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成されて設けられ、単結晶に対する輻射熱を遮蔽する輻射シールドと、
前記輻射シールドの上方から下方に向けて不活性ガスを供給するガス供給手段と、
前記輻射シールドと前記ルツボとの間に形成される空間に設けられ、前記ガス供給手段によりルツボ内に供給されルツボ外に導出される不活性ガスの流路を、該流路の高さ方向に分割する整流板とを備えることを特徴とする単結晶引上装置。
前記ルツボの底面コーナー部は、所定の曲率半径を有するように形成され、
前記整流板の下部は、前記ルツボの底面コーナー部と同じ曲率半径を有するよう形成されていることを特徴とする請求項１に記載された単結晶引上装置。
前記整流板は、透明石英ガラスにより形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された単結晶引上装置。