JP2007254165A - Single crystal pulling device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a single crystal pulling apparatus that pulls up a single crystal while growing it by the Czochralski method (hereinafter referred to as “CZ method”).
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。 The CZ method is widely used for the growth of silicon single crystals. In this method, the seed crystal is brought into contact with the surface of the silicon melt contained in the crucible, the crucible is rotated, and the seed crystal is pulled upward while rotating in the opposite direction. In this way, a single crystal is formed.
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。
As shown in FIG. 3, in the pulling method using the conventional CZ method, first, raw silicon is loaded into a
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とシリコン融液Mとの接触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ための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。 In general, prior to the start of pulling, after the temperature of the silicon melt M is stabilized, as shown in FIG. 4, necking is performed in which the seed crystal P is brought into contact with the silicon melt M to dissolve the tip of the seed crystal P. Necking is an indispensable process for removing dislocations generated in a silicon single crystal due to thermal shock generated by contact between the seed crystal P and the silicon melt M. The neck portion P1 is formed by this necking. The neck portion P1 is generally required to have a diameter of 3 to 4 mm and a length of 30 to 40 mm or more.
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徐々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。
In addition, as a process after the start of pulling, after necking is completed, a crown process for expanding the crystal to the diameter of the straight body part, a straight body process for growing a single crystal as a product, and a single crystal diameter after the straight body process are gradually reduced. The tail process is performed.
A method for producing a silicon single crystal using this CZ method is described in, for example,
ところで単結晶育成工程においては、ルツボ51に溶融されたシリコン溶融液MからSiOガスが発生する。このSiOガスは、炉体内側面で結露し固体化すると、ルツボ51内に落下し混入する虞があり、その場合、単結晶Cが有転位化し、その育成が阻害されるという問題がある。
By the way, in the single crystal growth step, SiO gas is generated from the silicon melt M melted in the
そこで、シリコン溶融液Mから発生したSiOガスを炉体外へ排気するため、ルツボ51が収容された炉体内には、従来、図5に示すように上方から下方に向けて、不活性ガスであるArガスGのガス流が形成される。
Accordingly, in order to exhaust the SiO gas generated from the silicon melt M to the outside of the furnace body, the furnace body in which the
即ち、ルツボ51の上方から供給されたArガスGは、輻射熱を遮蔽するための輻射シールド53内をシリコン溶融液Mに向けて流れ、その後、輻射シールド53の外側に沿ってルツボ外へ導出される。そして、ルツボ外へ導出されたArガスは、ルツボ51とヒータ52との間を下方へ流れ、炉体底面に設けられた排気口54から排気される。
このように形成されたガス流によれば、シリコン溶融液Mの液面上をArガスGが通過するため、溶融液Mから発生したSiOガスをArガスGと共に炉体外へ排気することができる。
According to the gas flow thus formed, since the Ar gas G passes over the surface of the silicon melt M, the SiO gas generated from the melt M can be exhausted out of the furnace body together with the Ar gas G. .
前記のように従来にあっては、シリコン溶融液Mから発生したSiOガスは、炉体内に形成されたArガスGのガス流により、ArガスGと共にヒータ52とルツボ51との間を流れて炉体外へ排気される。
しかしながら、ヒータ52は、単結晶育成中において例えば1500℃以上に発熱されるため、Arガスと共に流れるSiOガスとヒータ52の発熱部を形成するカーボンとが化学反応し、そのカーボンが浸食される虞があった。即ち、ヒータ発熱部が減肉化し、さらにSiC化してヒータ52の寿命が低下するという課題があった。
Conventionally, as described above, the SiO gas generated from the silicon melt M flows between the
However, since the
また、ヒータ発熱部が減肉化すると、経時的なヒータ発熱分布の変動により単結晶中の酸素濃度が変動し、ばらつきが生じるという課題があった。
また、カーボンとSiOガスによる反応によりCOガスが発生し、これが単結晶中に取り込まれ、単結晶中のカーボン濃度が上昇し品質悪化の原因となっていた。
Further, when the heater heat generating portion is thinned, there is a problem that the oxygen concentration in the single crystal fluctuates due to fluctuations in the heater heat generation distribution over time, causing variations.
In addition, CO gas is generated by the reaction between carbon and SiO gas, and this is taken into the single crystal, increasing the carbon concentration in the single crystal and causing quality deterioration.
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、シリコン融液から発生するSiOガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現す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。 The present invention has been made under the circumstances as described above. In the single crystal pulling apparatus, the adverse effect of the SiO gas generated from the silicon melt on the heater heating portion is suppressed, and the life of the heater is improved. An object of the present invention is to provide a single crystal pulling apparatus capable of realizing high quality crystal.
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、炉体内のルツボと、該ルツボ周囲に設けられたヒータとを具備し、前記ヒータの加熱により前記ルツボ内の原料シリコンを溶融し、チョクラルスキー法によって前記ルツボから単結晶を引上げる単結晶引上装置において、前記ルツボの上方から不活性ガスを供給する第一のガス供給手段と、前記ヒータの下方から不活性ガスを供給する第二のガス供給手段と、前記ヒータの上方に設けられた排気口から不活性ガスを炉体外に排気する排気手段とを備え、前記第一のガス供給手段により供給される不活性ガスは、前記ルツボの上方から該ルツボ内に導入されて前記ヒータ上方の前記排気口から排気され、前記第二のガス供給手段により供給される不活性ガスは、前記ヒータと前記ルツボとの間を上方に流れて前記ヒータ上方の前記排気口から排気されることに特徴を有する。 In order to solve the above-described problems, a single crystal pulling apparatus according to the present invention includes a crucible in a furnace body and a heater provided around the crucible, and raw silicon in the crucible is heated by the heater. In a single crystal pulling apparatus that melts a single crystal from the crucible by the Czochralski method, a first gas supply means for supplying an inert gas from above the crucible, and an inert gas from below the heater A second gas supply means for supplying gas; and an exhaust means for exhausting the inert gas from the furnace through an exhaust port provided above the heater, and the exhaust gas supplied by the first gas supply means. The active gas is introduced into the crucible from above the crucible and exhausted from the exhaust port above the heater, and the inert gas supplied by the second gas supply means is connected to the heater and the front gas. Characterized in that is exhausted from the exhaust port of the heater upward flows between the crucible upward.
このように構成することにより、シリコン溶融液から発生したSiOガスを伴う不活性ガスが、ヒータに接触しないようガス流を形成することができる。したがって、SiOガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現することができる。 By comprising in this way, a gas flow can be formed so that the inert gas with SiO gas generated from the silicon melt may not contact the heater. Therefore, it is possible to suppress the adverse effect of the SiO gas on the heater heat generating part, improve the life of the heater, and improve the quality of the single crystal.
また、前記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を備え、前記輻射シールドの下端は、前記ルツボ内において、ルツボ上端とシリコン溶融液面との間に位置するよう設置されることが望ましい。
このように輻射シールドを設けることにより、第一のガス供給手段により上方から供給される不活性ガスの流れを整流することができ、シリコン溶融液から発生したSiOガスを効率よく排気することができる。
In addition, an upper portion and a lower portion are provided so as to surround the periphery of the single crystal, and a radiation shield that shields radiant heat to the single crystal is provided. It is desirable to be placed between the molten liquid surface.
By providing the radiation shield in this way, the flow of the inert gas supplied from above by the first gas supply means can be rectified, and the SiO gas generated from the silicon melt can be efficiently exhausted. .
また、前記第一のガス供給手段により供給される不活性ガスの流量は、前記第二のガス供給手段により供給される不活性ガスの流量の2倍以上となされることが望ましい。
このように不活性ガスの流量を制御することで、夫々のガス流が衝突することによる乱流発生を抑制することができる。
Further, it is desirable that the flow rate of the inert gas supplied by the first gas supply means is at least twice the flow rate of the inert gas supplied by the second gas supply means.
By controlling the flow rate of the inert gas in this way, it is possible to suppress the occurrence of turbulent flow due to collision of the respective gas flows.
本発明によれば、単結晶引上装置において、シリコン融液から発生するSiOガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現することのできる単結晶引上装置を得ることができる。 According to the present invention, in a single crystal pulling apparatus, the adverse effect of the SiO gas generated from the silicon melt on the heater heat generating part can be suppressed, and the life of the heater can be improved and the quality of the single crystal can be improved. A crystal pulling apparatus can be obtained.
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、円筒形状のメインチャンバ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。
Embodiments of a single crystal pulling apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of a single
This single
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、シールド下端は、炉体2内のガス流を整流するため、ルツボ3内において、シリコン溶融液面とルツボ上端との間に位置するようになされ、溶融液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に設定されている。
また、ヒータ4とメインチャンバ2aとの間には、熱効率を向上するための断熱材20が設けられている。
Further, in the main chamber 2a, an upper portion and a lower portion are formed so as to surround the periphery of the single crystal C above and in the vicinity of the
The lower end of the shield is positioned between the silicon melt surface and the crucible upper end in the
Further, a
また、プルチャンバ2bの上部には、不活性ガスであるArガスを炉体2内に供給するための不活性ガス第一供給口13が設けられている。
この不活性ガス第一供給口13には、バルブ14を介してArガス源17が接続されており、バルブ14が開かれることによりArガスがプルチャンバ2b上部から炉体2内に導入されるようになされている。即ち、不活性ガス第一供給口13、バルブ14、Arガス源17により第一のガス供給手段が構成されている。
Further, an inert gas
An Ar
また、ヒータ4より下方のメインチャンバ2aの周面には、不活性ガス第一供給口13と同様にArガスGを炉体2内に供給するための複数の不活性ガス第二供給口15が、チャンバ周面に沿って均等に設けられている。
この不活性ガス第二供給口15には、バルブ16を介してArガス源17が接続されており、バルブ16が開かれることによりArガスがメインチャンバ2a下部から炉体2内に導入されるようになされている。即ち、不活性ガス第二供給口15、バルブ16、Arガス源17により第二のガス供給手段が構成されている。
Further, on the peripheral surface of the main chamber 2 a below the
An Ar
また、ヒータ4より上方のメインチャンバ2aの周面には、チャンバ周面に沿って均等に複数の排気口18が設けられ、この排気口18には排気手段としての排気ポンプ19が接続されている。
即ち、排気ポンプ19が駆動し、前記バルブ14、16が開かれることにより、不活性ガス第一供給口13及び不活性ガス第二供給口15からArガスGが炉体2内に供給され、夫々ガス流を形成して排気口18から排気されるようになされている。
Further, the peripheral surface of the main chamber 2 a above the
That is, when the
尚、不活性ガス第一供給口13からのガス流量の調整は、バルブ14の開閉度及び排気ポンプ19の吸引強度を制御することによってなされ、不活性ガス第二供給口15からのガス流量の調整は、バルブ16の開閉度及び排気ポンプ19の吸引強度を制御することによってなされる。
The gas flow rate from the inert gas
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と前記バルブ14、16と前記排気ポンプ19とはコンピュータ8の演算制御装置8bに接続されている。
As shown in FIG. 1, the single
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。
In the single
First, the
また、演算制御装置8bの指令によりバルブ14、16が開かれ、排気ポンプ16が駆動されて、炉体2内にArガス流が形成される。
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。
Further, the
Further, the
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。
Thereafter, the pulling conditions are adjusted by parameters of the power supplied to the
尚、この単結晶引上工程においてArガスの流れは、図2に示すように形成される。
即ち、不活性ガス第一供給口13から導入されたArガスGは輻射シールド6の上方からルツボ3内に導入されてシリコン溶融液Mの液面上を通過し、その後、溶融液Mから発生するSiOガスを伴い輻射シールド6の外側に沿ってルツボ3外へ導出される。
ここで、前記したように輻射シールド6の下端は、シリコン溶融液面とルツボ上端との間に位置するようになされているため、不活性ガス第一供給口13から供給されるArガスGの流れが整流され、効率よくSiOガスがルツボ3外へ導出される。
そして、ルツボ3外へ導出された(SiOガスを伴う)ArガスGは、ルツボ3とヒータ4の上方に設けられた排気口18から排気される。
In this single crystal pulling step, the Ar gas flow is formed as shown in FIG.
That is, Ar gas G introduced from the inert gas
Here, as described above, the lower end of the
The Ar gas G led out of the crucible 3 (with SiO gas) is exhausted from the
また、不活性ガス第二供給口15から導入されたArガスGはルツボ3とヒータ4との間を通って上方へ流れ、前記排気口18から排気される。即ち、このルツボ3とヒータ4との間において、下方から上方に向うガス流を形成することにより、シリコン溶融液Mから発生したSiOガスがヒータ4に接触することのないようになされている。
The Ar gas G introduced from the inert gas
尚、炉体2上部の不活性ガス第一供給口13から下方に向けて導入されるArガスGの流量は、炉体2下部の不活性ガス第二供給口15から上方に向けて導入されるArガスGの流量の2倍以上とすることにより、夫々のガス流が衝突することによる乱流発生を抑制することができる。
The flow rate of Ar gas G introduced downward from the inert gas
以上のように本発明に係る実施の形態によれば、シリコン溶融液から発生したSiOガスを伴うArガスGが、ヒータ4に接触しないようガス流を形成することができる。したがって、SiOガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現することができる。
As described above, according to the embodiment of the present invention, it is possible to form a gas flow so that the Ar gas G accompanied by the SiO gas generated from the silicon melt does not contact the
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。 Next, the single crystal pulling apparatus according to the present invention will be further described based on examples. In this example, the effect was verified by actually performing an experiment using the single crystal pulling apparatus having the configuration described in the above embodiment.
この実験では、直径12インチのシリコン単結晶の育成を、内直径32インチのルツボにおいて実施し、ヒータの減肉状態を検証した。
また、輻射シールド上方からルツボ内に供給するガス流量は、ヒータ下方から上方に供給するガス流量の3倍とした。
In this experiment, a silicon single crystal having a diameter of 12 inches was grown in a crucible having an inner diameter of 32 inches, and the thickness reduction of the heater was verified.
In addition, the gas flow rate supplied from above the radiation shield into the crucible was set to three times the gas flow rate supplied from below the heater.
この実験結果を図6のグラフに示す。このグラフに示されるように、従来の構成により行った比較例の結果に対し、本発明の構成によればヒータ減肉量が約6分の1となり、ヒータの寿命が向上することが確認された。
また、製造された単結晶の酸素濃度のばらつきが減少し、単結晶中のカーボン濃度の減少が確認された。
The result of this experiment is shown in the graph of FIG. As shown in this graph, it is confirmed that the heater thinning amount is reduced to about one-sixth of the result of the comparative example performed by the conventional configuration, and the life of the heater is improved. It was.
In addition, the variation in oxygen concentration of the manufactured single crystal was reduced, and a decrease in the carbon concentration in the single crystal was confirmed.
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、シリコン融液から発生するSiOガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現できることを確認した。 From the experimental results of the above examples, by using the single crystal pulling apparatus of the present invention, the adverse effect on the heater heat generating part due to the SiO gas generated from the silicon melt is suppressed, the life of the heater is improved, the high single crystal is increased. It was confirmed that quality could be realized.
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。 The present invention relates to a single crystal pulling apparatus that pulls a single crystal by the Czochralski method, and is suitably used in the semiconductor manufacturing industry and the like.
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
8 コンピュータ
8a 記憶装置
8b 演算記憶装置
13 不活性ガス第一供給口(第一のガス供給手段)
14 バルブ(第一のガス供給手段)
15 不活性ガス第二供給口(第二のガス供給手段)
16 バルブ(第二のガス供給手段)
17 Arガス供給源(第一のガス供給手段、第二のガス供給手段)
18 排気口
19 排気ポンプ(排気手段)
C 単結晶
G Arガス(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
DESCRIPTION OF
4
14 Valve (first gas supply means)
15 Inert gas second supply port (second gas supply means)
16 valve (second gas supply means)
17 Ar gas supply source (first gas supply means, second gas supply means)
18
C single crystal G Ar gas (inert gas)
M Raw material silicon, Silicon melt P Seed crystal P1 Neck
Claims (3)
前記ルツボの上方から不活性ガスを供給する第一のガス供給手段と、前記ヒータの下方から不活性ガスを供給する第二のガス供給手段と、前記ヒータの上方に設けられた排気口から不活性ガスを炉体外に排気する排気手段とを備え、
前記第一のガス供給手段により供給される不活性ガスは、前記ルツボの上方から該ルツボ内に導入されて前記ヒータ上方の前記排気口から排気され、前記第二のガス供給手段により供給される不活性ガスは、前記ヒータと前記ルツボとの間を上方に流れて前記ヒータ上方の前記排気口から排気されることを特徴とする単結晶引上装置。 A single crystal puller comprising a crucible in the furnace body and a heater provided around the crucible, melting the raw silicon in the crucible by heating the heater, and pulling the single crystal from the crucible by the Czochralski method. In the upper device,
A first gas supply means for supplying an inert gas from above the crucible, a second gas supply means for supplying an inert gas from below the heater, and an exhaust port provided above the heater. An exhaust means for exhausting the active gas out of the furnace body,
The inert gas supplied by the first gas supply means is introduced into the crucible from above the crucible, exhausted from the exhaust port above the heater, and supplied by the second gas supply means. The single crystal pulling apparatus, wherein the inert gas flows upward between the heater and the crucible and is exhausted from the exhaust port above the heater.
前記輻射シールドの下端は、前記ルツボ内において、ルツボ上端とシリコン溶融液面との間に位置するよう設置され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。 An upper part and a lower part are formed so as to surround the periphery of the single crystal, and includes a radiation shield that shields radiation heat to the single crystal,
2. The single crystal pulling apparatus according to claim 1, wherein the lower end of the radiation shield is installed in the crucible so as to be positioned between the upper end of the crucible and the silicon melt surface.
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