JP2010222162A - ドープ剤供給装置及び半導体単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ドープ剤の飛散や蒸発を防ぐために一度の投入量を高精度に管理でき、更に投入量を容易に変更することができるドープ剤供給装置及びこのドープ剤供給装置を備える半導体単結晶製造装置を提供する。
【解決手段】ドープ剤充填部２２の底面に配置され、ドープ剤分配部２３内に先端が延設された充填ロート管２４と、ドープ剤分配部２２の内部に配置された円筒状のドープ剤投入カップ２５と、ドープ剤投入カップに形成され、充填ロート管がドープ剤投入カップ内部に挿入される充填ロート管挿入穴２５ｂと、ドープ剤投入カップに形成され、ドープ剤投入カップ内のドープ剤をドープ剤分配部の内部に導出するドープ剤落下穴２５ａと、ドープ剤分配部に接続され、ドープ剤分配部の内部のドープ剤を石英ルツボに投入する投入管２１と、ドープ剤投入カップを揺動させる駆動手段とを備えている。
【選択図】図２

Description

本発明はドープ剤供給装置及び半導体単結晶製造装置に関し、特にドープ剤を精度良く供給できるドープ剤供給装置及びこのドープ剤供給装置を備える半導体単結晶製造装置に関する。

従来から、ＣＺ法によりシリコン単結晶インゴットを製造する際、シリコン単結晶インゴットの抵抗率を制御するために、種々のドープ剤が使用される。Ｐ型半導体用であれば、例えばボロン、Ｎ型半導体用であれば、例えばアンチモン、砒素、リンが使用される。
前記ボロンをドーピングする場合は、予め石英ルツボ内にドープ剤をポリシリコンと共に充填し、ポリシリコンとボロンを溶融し、シリコン溶融液中にボロンを含有させる。

一方、融点や昇華点が低い性質をもつアンチモン、砒素、リンをドーピングする場合は、ボロンと同様の方法ではドープ剤が蒸発してしまい、所望の抵抗率が得られない。そのため、アンチモン、砒素、リンをドーピングする際には、半導体単結晶製造装置に設置されたドープ剤供給装置により、粒状のドープ剤をシリコン融液に投入する方法が一般的である。

しかしながら、ドープ剤供給装置により粒状のアンチモン、砒素、リンをシリコン融液にドーピングすると、ドープ剤の飛散や蒸発の影響でドープ量がバラツキ、結果的に所望の抵抗率が得られない問題があった。

かかる問題点を解消すべく種々のドープ剤供給装置が提案されている。
例えば、特許文献１（特開平５−２７５３５９号公報）に示されたドープ剤供給装置１００は、図４に示すように大円筒部１０１と大円筒部１０１の上部に連通して設けられた小円筒部１０２とからなるドープ管本体１０３を備えている。
また、前記大円筒部１０１の下部に、中央部が開口して投入口１０４ａとした漏斗状の供給部１０４が設けられている。

更に、操作ワイヤ１０７によって、小円筒部１０２の下部開口部を開閉する円錐状バルブ体１０６が設けられている。また、ドープ剤Ｄを挿入するため、前記小円筒部１０２にはドープ剤Ｄの挿入口（図示せず）が設けられている。
尚、このドープ剤供給装置１００は、メインチャンバー１１０内に設けられた係止治具１１１に係止可能とされた係止円板体１０５に取り付けられている。

このドープ剤供給装置１００にあっては、操作ワイヤ１０７で円錐状バルブ体１０６を引き上げ、小円筒部１０２の下部開口部を閉じ、小円筒部１０２内に粒状のドープ剤Ｄを充填する。
その後、操作ワイヤ１０７で円錐状バルブ体１０６を引き下げ、小円筒部１０２の下部開口部を開き、ドープ剤Ｄを大円筒部１０１に落下させ、投入口１０４ａからシリコン融液中にドーピングする。

また、特許文献２（特開平６−１６８８号公報）に示されたドープ剤供給装置１２０は、図５に示すように、回転軸１２３によって回転可能な円盤１２２と、この円盤１２２の外周に固定された曲管１２１とを備えている。
この曲管１２１の一端は封じられ他方の一端は開放されている。そしてこの曲管１２１の内部には粒状ドープ剤Ｄが充填され、回転によって、前記粒状ドープ剤Ｄが導出されるように構成されている。

また、前記円盤１２２の下方にはロート管１２４が配置され、円盤１２２の回転にともなって落下する粒状ドープ剤Ｄを受けるように配置されている。更に、ロート管１２４の下方にはドープ剤投入管１２５が取付けられ、他端はシリコン融液の液面に近接して配置されている。
このドープ剤供給装置１２０によれば、ドープ剤Ｄはバルブ機構となるこの曲管１２１にあらかじめ充填され、円盤１２２をゆっくりと回転させることで、一定量の粒状ドープ剤Ｄが投入される。

特開平５−２７５３５９号公報 特開平６−１６８８号公報

ところで、上記した従来のドープ剤供給装置であっても、以下に示す課題があった。
即ち、特許文献１（特開平５−２７５３５９号公報）に示されるドープ剤供給装置にあっては、円錐状バルブ体を昇降させドープ剤の投入量を調整しているが、円錐状バルブ体の昇降による場合には、ドープ剤の断続的な投入の微調整には不向きであり、ドープ剤の飛散や蒸発を防ぐために一度の投入量を少なくすることが困難であった、またドープ剤を精度良く投入できないという課題があった。

また、特許文献２（特開平６−１６８８号公報）に示されるドープ剤供給装置にあっては、曲管の断面積と一度の投入量に比例関係があるため、ドープ剤の飛散や蒸発を防ぐために一度の投入量を少なくするには、曲管断面積を小さくしなければならない。
一方、小さな曲管の断面積を有しているドープ剤供給装置でドープ剤充填量も多くしようすると、曲管自体が長大としなければならない。そのため、ドープ剤の投入量を変更するには、円盤及び曲管を変更しなければならず、一度の投入量を変更することは困難であった。

このように上記したドープ剤供給装置であっても、ドープ剤の飛散や蒸発を防ぐために一度の投入量を高精度に管理でき、更に投入量を容易に変更することは困難であった。
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、ドープ剤の飛散や蒸発を防ぐために一度の投入量を高精度に管理でき、更に投入量を容易に変更することができ、シリコン単結晶インゴットの抵抗率のバラツキを抑制することができるドープ剤供給装置及びこのドープ剤供給装置を備える半導体単結晶製造装置を提供することを目的とするものである。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明にかかるドープ剤供給装置は、ドープ剤が充填されるドープ剤充填部と、前記ドープ剤充填部と連通するドープ剤分配部と、前記ドープ剤充填部の底面に配置され、前記ドープ剤分配部内に先端が延設された充填ロート管と、前記ドープ剤分配部の内部に、軸線を横にして配置された円筒状のドープ剤投入カップと、前記ドープ剤投入カップの周側面に形成され、前記充填ロート管がドープ剤投入カップ内部に挿入される充填ロート管挿入穴と、前記ドープ剤投入カップの周側面に形成され、ドープ剤投入カップ内のドープ剤をドープ剤分配部の内部に導出するドープ剤落下穴と、前記ドープ剤分配部に接続され、ドープ剤分配部の内部のドープ剤を石英ルツボに投入する投入管と、前記ドープ剤投入カップを揺動させる駆動手段と、前記駆動手段を制御し、前記ドープ剤投入カップに所定揺動をなさせる制御手段と、を備えていることを特徴している。

ここで、前記制御手段によって、ドープ剤投入カップの揺動速度、あるいは揺動終点位置における保持時間を変更し、ドープ剤落下穴からのドープ剤の導出量を変更すことが望ましい。
また、本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明にかかる半導体単結晶製造装置は、上記ドープ剤供給装置を備えることが望ましい。

このように、ドープ剤投入カップを揺動させ、ドープ剤落下穴からドープ剤を導出するように構成されているため、一回の揺動動作で所定量のドープ剤を投入管から石英ルツボ内部に投入することができる。即ち、一回の揺動動作でドープ剤落下穴からドープ剤を高精度に導出させることができ、高精度な投入を行うことができる。
また、ドープ剤投入カップの揺動速度、あるいは揺動終点位置における保持時間を変更することによって、容易にドープ剤の導出量（投入量）を変えることができ、ドーピング作業性が飛躍的に向上する。
更に、上記ドープ剤供給装置を備える半導体単結晶製造装置にあっては、より容易に、しかも正確にドーピング作業を行うことができる。

本発明によれば、ドープ剤の飛散や蒸発を防ぐために一度の投入量を高精度に管理でき、更に投入量を容易に変更することができ、シリコン単結晶インゴットの抵抗率のバラツキを抑制することができるドープ剤供給装置及びこのドープ剤供給装置を備える半導体単結晶製造装置を得ることができる。

図１は本発明にかかる実施形態を示す断面図。 図２は図１に示されたドープ剤供給装置の断面図。 図３は図２に示されたドープ剤供給装置の要部の斜視図。 特許文献１に示されたドープ剤供給装置の断面図。 特許文献２に示されたドープ剤供給装置の斜視図。

本発明にかかるドープ剤供給装置及びこのドープ剤供給装置を用いた半導体単結晶製造装置の一実施形態を図１乃至図３に基づいて説明する。尚、図１は本発明にかかる実施形態を示す断面図、図２は図１に示されたドープ剤供給装置の断面図、図３は図２に示されたドープ剤供給装置の要部の斜視図である。

図１に示すように、半導体単結晶製造装置１はＣＺ法によりシリコン単結晶インゴットを製造する製造装置であって、従来の半導体単結晶製造装置と同様に、炉体２内には、黒鉛製ルツボ３によって保持される石英ルツボ４が配置されている。
そして、前記石英ルツボ４内にポリシリコンを充填し、黒鉛製ヒータ５によって石英ルツボ４を加熱することにより、前記石英ルツボに充填されたポリシリコンを溶融し、シリコン単結晶インゴットを引上げるように構成されている。

また、石英ルツボ４の上方には輻射熱遮蔽板６が設置され、前記輻射熱遮蔽板６は輻射熱遮蔽板支持筒７により保持されている。また、熱源である黒鉛製ヒータ５を囲むように黒鉛製内部保温筒８が配置され、前記黒鉛製内部保温筒８の外側には高断熱性保温筒９が配置される。
更に、前記高断熱性保温筒９の上面には保温板１０が配置されている。
また前記黒鉛製ルツボ３の下面には黒鉛製ルツボ受皿１２が配置され、黒鉛製シャフト１１によって回転可能に支持されている。

また、半導体単結晶製造装置は、種結晶を降ろし、成長した単結晶インゴットを引上げる引上げ装置（図示せず）が設けられている。この引上げ装置における、単結晶インゴットを引上げるワイヤＷは、黒鉛製シャフト１１の軸線延長線上に位置するように配置される。
尚、図示しないが、半導体単結晶製造装置は、チャンバ内部を所定の圧力、雰囲気になすためのガス導入手段と、ガス排出手段を備えている。

更に、ドープ剤供給装置２０について説明する。
このドープ剤供給装置２０は、図１に示すように、炉体２の外部に設けられ、粒状ドープ剤Ｄを石英ルツボ４の内部に投入管２１を介して投入できるように構成されている。また、このドープ剤供給装置２０の内部は、図２に示すように、ドープ剤充填部２２と、ドープ剤分配部２３とに区分されている。

前記ドープ剤充填部２２は、予めドープ剤を充填しておく室であり、その底面２２ａは円錐形状になされ、中心部分には前記ドープ剤分配部２３に連通する貫通孔２２ｂが形成されている。
また、前記ドープ剤充填部２２の底面２２には、先端がドープ剤分配部２３内に延設された充填ロート管２４が設けられている。

前記ドープ剤分配部２３の内部には、円筒状のドープ剤投入カップ２５が軸線ｌを横にして、更に前記軸線ｌを中心に正負回転運動可能に（正負揺動可能に）収容されている。具体的には、ドープ剤投入カップ２５は、図２の揺動開始位置と、揺動終了位置との間を揺動可能に構成されている。

また、このドープ剤投入カップ２５の周側面には、ドープ剤を導出させるドープ剤落下穴２５ａと、前記充填ロート管２４が挿入される充填ロート管挿入穴２５ｂが設けられている。
また、ドープ剤投入カップ２５の両側面は閉塞されている。またドープ剤投入カップ２５の右側面には、図３に示すように、回転軸２６を有する回転円盤２７が接続され、モータ２８によって正負揺動可能に形成されている。
このモータ２８はコンピュータ等の制御手段２９によって制御され、制御手段２９によって、ドープ剤投入カップ２５の揺動速度、あるいは揺動終点位置における保持時間を変更することができるようになされている。これにより、ドープ剤投入カップ２５のドープ剤落下穴２５ａからのドープ剤の導出量を変更することができる。

前記ドープ剤分配部２３は、充填ロート管２４によって供給されるドープ剤をドープ剤投入カップ２５によって、所定量に分配する室であり、その底面２３ａは円錐形状になされ、中心部分には貫通孔２３ｂが形成されている。
また、前記貫通孔２３ｂには、投入管２１が接続され、粒状ドープ剤Ｄを石英ルツボ４の内部に投入できるように構成されている。

なお、前記ドープ剤供給装置２０は昇降機構（図示せず）が付加されており、ドーピング時以外は炉体上方に上昇させ、ドーピング時には投入管２１の先端がシリコン融液に近接するまで下降させることができるように構成されている。
また、ドープ剤供給装置２０は、炉体２に形成された投入管２１が挿通する孔２ａが開放された状態で、炉体２内の圧力を保ちつつ、ベローズ３０を介して、炉体２に連結されている。従って、ドープ剤供給装置２０の内部は炉体２の内部と通じており、減圧状態となる。
更に、ドープ剤充填部２２、充填ロート管２４、ドープ剤投入カップ２５はアルミニウム、ステンレス、テフロン（登録商標）あるいはポリカーボネイトを用いるのが好ましい。更に投入管２１は石英ガラスで形成されているのが好ましい。

このドープ剤供給装置２０の動作について、図２、図３に基づいて説明する。
前記ドープ剤投入カップ２５において、供給されたドープ剤がドープ剤落下穴２５ａより導出されない位置を揺動開始位置、ドープ剤が落下穴２５ａより導出される位置を揺動終点位置とする。
そして、前記開始位置から終点位置までの回転を正方向回転、逆に終点位置から開始位置までの回転を負方向回転とし、回転速度、回転終点位置における保持時間をあらかじめ設定し、ドープ剤投入カップ２５の正負方向回転（揺動回転）を連続運転する。

これにより、ドープ剤Ｄはドープ充填部２２から充填ロート管２４を介してドープ剤投入カップ２５に連続的に供給される。
そして、ドープ剤投入カップ２５は上記したように所定の条件下で連続的に動作するため、一回の揺動動作で所定量のドープ剤Ｄをドープ剤落下穴２５ａよりドープ剤分配部２３内に導出する。このドープ剤分配部２３内に導出されたドープ剤をＤは、投入管２１によって石英ルツボ２の内部に投入される。

そして、このドープ剤供給装置２０において、一回の揺動で投入できるドープ剤量を増加させるには、揺動速度を遅くし、あるいは（及び）揺動終点位置における保持時間を通常より長く設定すれば良い。
また、このドープ剤供給装置２０において、一回の揺動で投入できるドープ剤量を減少させるには、揺動速度を速くし、あるいは（及び）揺動終点位置における保持時間を通常より短く設定すれば良い。
このように、ドープ剤投入カップ２５の揺動（回転）を行うモータを制御手段２９によって制御することによって、容易にドープ剤Ｄの投入量を変えることができ、ドーピング作業性が飛躍的に向上する。

尚、一回の揺動動作で投入できるドープ剤Ｄの量を、揺動速度、揺動終点位置における保持時間、あるいはドープ剤落下穴の開口面積の関係から予め求めておく。そして、シリコン単結晶インゴットを製造するに際し、揺動速度、揺動終点位置における保持時間を調整することによって、ドープ剤Ｄの飛散や蒸発が少ない適切な量を投入することができる。また、ドープ剤落下穴の開口面積が異なるドープ剤投入カップ２５を用意して、適切なドープ剤投入カップ２５を用いるようにしても良い。

１ 半導体単結晶製造装置
２ 炉体
４ 石英ルツボ
２０ ドープ剤供給装置
２１ 投入管
２２ ドープ剤充填部
２３ ドープ剤分配部
２４ 充填ロート管
２５ ドープ剤投入カップ
２５ｂ 充填ロート管挿入穴
２５ａ ドープ剤落下穴
２８ 駆動手段（モータ）
２９ 制御手段

Claims (3)

1. ドープ剤が充填されるドープ剤充填部と、
   前記ドープ剤充填部と連通するドープ剤分配部と、
   前記ドープ剤充填部の底面に配置され、前記ドープ剤分配部内に先端が延設された充填ロート管と、
   前記ドープ剤分配部の内部に、軸線を横にして配置された円筒状のドープ剤投入カップと、
   前記ドープ剤投入カップの周側面に形成され、前記充填ロート管がドープ剤投入カップ内部に挿入される充填ロート管挿入穴と、
   前記ドープ剤投入カップの周側面に形成され、ドープ剤投入カップ内のドープ剤をドープ剤分配部の内部に導出するドープ剤落下穴と、
   前記ドープ剤分配部に接続され、ドープ剤分配部の内部のドープ剤を石英ルツボに投入する投入管と、
   前記ドープ剤投入カップを揺動させる駆動手段と、
   前記駆動手段を制御し、前記ドープ剤投入カップに所定揺動をなさせる制御手段と、
   を備えていることを特徴するドープ剤供給装置。
2. 前記制御手段によって、ドープ剤投入カップの揺動速度、あるいは揺動終点位置における保持時間を変更し、ドープ剤落下穴からのドープ剤の導出量を変更すことを特徴とする請求項１記載のドープ剤供給装置。
3. 前記請求項１または請求項２に記載されたドープ剤供給装置を備えることを特徴とする半導体単結晶製造装置。

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