JP2012101974A - 単結晶製造装置及び単結晶の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】原料融液3からチョクラルスキー法により単結晶4を引上げて製造する単結晶製造装置であって、断熱筒13は上段肉厚部13aと、上段肉厚部13aから下方に延伸し、上段肉厚部13aよりも肉厚が薄い下段肉薄部13bを有する。
【選択図】図1
Description
そこで、原料融液の上方に冷却筒や断熱リング等の黒鉛部材を配置して、高精度に結晶の冷却速度をコントロールしながら結晶を引き上げる方法が、多く用いられるようになってきている。
特に、直径が200mmや300mmを超える大型のシリコン単結晶等の育成では、大型のルツボに100kgを超える原料を充填し溶融した後に、1400℃以上もの高温にチャンバー内部の雰囲気を保って結晶育成を行う必要がある。その結果、加熱ヒーターの発熱量も大きなものとなり、原料融液から引き上げられる単結晶の冷却時においても、この加熱ヒーターからの輻射熱が妨げとなって結晶冷却が阻害され、引上速度の劇的な向上は困難と考えられている。
そこで断熱板を用い、チャンバー下部への熱流出を軽減する方法が考えられている(特許文献1)。
また、輻射熱エネルギーがチャンバー底部に漏れ出すことを防ぐ為、チャンバー底部に断熱材を厚く配置することも行われているが(特許文献2)、結晶引き上げ後の炉内冷却に要する時間が長くなり生産性が低下する問題があった。
また、断熱板の外径を上段肉厚部の内径よりも大きくし、断熱板と断熱筒を、前記段差部を用いて嵌め合わせることで、単結晶育成時の加熱ヒーターの消費電力を低減することができ、さらに単結晶成長後のチャンバー内冷却時間を短縮することが出来る。
前述のように、従来、ヒーター下部の輻射熱エネルギーがチャンバー底部に容易に漏れ出し、熱効率の低下を招いていた。そこで、輻射熱エネルギーがチャンバー底部に漏れ出すことを防ぐ為、チャンバー底部に断熱材を厚く配置することも行われていたが、結晶引き上げ後の炉内冷却に要する時間が長くなり生産性が低下する問題があった。
また、断熱板の外径を上段肉厚部の内径よりも大きくし、断熱板と断熱筒を、前記段差部を用いて嵌め合わせることで、単結晶育成時の加熱ヒーターの消費電力を一層低減することができ、さらに単結晶成長後のチャンバー内冷却時間を短縮することが出来ることを見出し、本発明を完成させた。
図1は、CZ法により半導体単結晶を育成するための、本発明に係る半導体単結晶の製造装置の一実施形態を示す概略断面図である。図1に示される半導体単結晶の製造装置は、半導体単結晶の原料である原料融液3を収容するメインチャンバー9aと、メインチャンバー9aに連接して原料融液3から引き上げられた半導体単結晶を保持し取り出すためのプルチャンバー9bにより構成される。
また、上段肉厚部13a及び下段肉薄部13bは、断熱筒13の内径が鉛直方向で異なることにより設けられているものとすることができる。断熱筒13の内径が鉛直方向で異なっていれば、より効果的に熱をチャンバー外へ放出することができるため好ましいが、断熱筒13の外径または外径及び内径が異なることにより上段肉厚部13a及び下段肉薄部13bを設けることもできる。
なお、断熱板11と加熱ヒーター2をより緻密に制御できる様に、個別に設けた昇降機構により各々独立して駆動するようにしてもよい。
断熱板11の外径を、上段肉厚部13aの内径より大きく、下段肉薄部13bの内径より小さいものとすれば、断熱板11は加熱ヒーター2の口径より大きくなり、加熱ヒーター2下部からの輻射熱が直接メインチャンバー9a下部に到達することなく、断熱筒13と断熱板11で直接輻射熱を受け、効率良く熱をルツボ下方に導く事ができ、加熱ヒーター2の消費電力を低減することができるため好ましい。
このようにすることで、原料融液3の残湯を石英ルツボ1aの底部より効率的に固化させることができるため、ルツボがヒビ割れてしまうことや残湯が漏れ出すことを回避できるため好ましい。
ルツボを下段肉薄部13bより高い位置に放置する事で、ヒーター、断熱板とルツボの配置を離間させ、ルツボをチャンバーに接近させることができ、残湯ならびにメインチャンバー9a内の冷却を促進させ、冷却に要する時間を一層短縮することが出来る。
尚、図5及び図6のように、断熱板の外径を上段肉厚部の内径より大きくした場合、上記と同様に断熱筒13の上段肉厚部13aより低い位置に石英ルツボ1a内に残った原料融液3の残湯が来るように断熱板11ならびに石英ルツボ1aを下降させ、前記残湯が固化するまで放置し、残湯が固化した後にルツボを断熱筒13の下段肉薄部13bより高い位置に上昇させることによって、本発明のより良い効果を得ることができる。
図1に示す本発明の半導体単結晶の製造装置を用いて200mmのシリコン単結晶を製造する実験を行った。原料は口径650mmの石英製ルツボに残った深さ150
mmの多結晶シリコン融液の残湯とし、断熱板の厚みは80mm、外径は下記表1にあるように760mmとし、また、断熱筒の上段内径を840mm、断熱筒の下段内径を980mmとし、このときの断熱筒の上段肉厚部の肉厚を90mmとし、下段肉薄部の肉厚は20mmとした。さらに単結晶製造後のチャンバー内冷却工程において、冷却開始とともに断熱板及びルツボを下降させ、ルツボ内に残った残湯が上段肉厚部より低い位置に来るようにした。ルツボ内の残湯が固化した後も、そのままの位置で冷却を行った(図2)。
また、ルツボ内の残湯がルツボの外へ漏れ出す事は、残湯の深さが100mmだった場合は全く発生せず、残湯の深さが150mmだった場合は、比較例に比べ6分の1程度に少なくなった(図10)。
尚、図9及び図10に実施例及び比較例のチャンバー内冷却時間及び残湯漏れ発生率を比較したグラフを示す。
このことは、比較例で用いられている単結晶製造装置では、ルツボ内の残湯冷却時において残湯の表面から冷却され易く、固化の進行に伴い残湯が体積膨張し、逃げ場を失った融液が固化の比較的薄いルツボ低部より滲みだすことが残湯漏れにつながっている。一方、本発明の単結晶製造装置ではルツボ底部から残湯が固化しやすいため、このようなことが起こりにくいためであると考えられる。これは、以下の実施例2及び実施例3においても同様である。
図1に示す本発明の製造装置を用いて実施例1と同じ条件でルツボ内に残った原料融液の残湯を固化させた。さらに、残湯が固化した段階で、ルツボ位置のみを上昇させ、下段肉薄部より高い位置で放置し冷却を進めた(図3)。
また、ルツボ内の残湯がルツボの外へ漏れ出す事は、残湯の深さが100mmだった場合は全く発生せず、残湯の深さが150mmだった場合は、比較例に比べ5分の1程度に少なくなった(図10)。
図4に示す本発明の省電力型の単結晶製造装置を用いて実施例2と同じ条件でルツボに残った原料融液の残湯を固化させた。このとき、断熱筒の上段肉厚部に断熱板を嵌め込むことができる段差部を設け、さらに断熱板の外径を下記表1にあるように920mmとした以外は実施例2と同じ条件とした。
また、ルツボ内の残湯がルツボの外へ漏れ出す事は、残湯の深さが100mmだった場合は全く発生せず、残湯の深さが150mmだった場合は、比較例に比べ6分の1程度に少なくなった(図10)。
このとき、単結晶育成時の所要ヒーター電力は、比較例に比べ90%程度に抑えることができた。
図7に示す従来の単結晶製造装置で実施例1と同じ条件でルツボ内に残った原料融液の残湯を固化させた。ただし、ルツボ内原料残溶液が固化した後も、そのままの位置で冷却を行った(図8)。
また、断熱板の外径を上段肉厚部の内径よりも大きくし、断熱板と断熱筒を、前記段差部を用いて嵌め合わせることで、単結晶育成時の加熱ヒーターの消費電力を低減することができ、さらに単結晶成長後のチャンバー内冷却時間を短縮することが出来る。
例えば、本発明の単結晶の製造装置及び製造方法を、磁場を印加することなく原料融液からシリコン単結晶を引き上げるCZ法による単結晶の製造装置及びシリコン単結晶の製造方法を例に挙げて説明したが、単結晶の製造装置のチャンバー外側に磁石を配置して、原料融液に磁場を印加しながらシリコン単結晶を育成するMCZ法を用いたシリコン単結晶の製造方法及び製造装置にも当然利用できる。また、本発明の単結晶の製造装置を、GaAs等に代表される化合物半導体単結晶の製造装置として利用することも可能である。さらには、単結晶は半導体であることに限定されない。
3、103…原料融液、 4、104…単結晶、 5…引上げ軸、 6…支持軸、
7、107…種結晶、 9a、109a…メインチャンバー、 9b…プルチャンバー
11…断熱板、 13、113…断熱筒、 13a…上段肉厚部、
13b…下段肉薄部、 15…段差部、 16…底部断熱材、 41…ルツボ昇降機構、
51…断熱板及びヒーター昇降機構、 52…共通ベース、 53…断熱板支持絶縁体。
Claims (8)
- チャンバー内において、ルツボ下部には断熱板が設けられ、前記ルツボ周囲に加熱ヒーターが配置され、該加熱ヒーターの周囲には、前記加熱ヒーターのチャンバー方向への輻射熱を抑制する筒状の断熱材からなる断熱筒が設けられており、前記ルツボ内の原料融液を前記加熱ヒーターで加熱しつつ、前記原料融液からチョクラルスキー法により単結晶を引上げて製造する単結晶製造装置であって、前記断熱筒は上段肉厚部と、該上段肉厚部から下方に延伸し、前記上段肉厚部よりも肉厚が薄い下段肉薄部を有するものであることを特徴とする単結晶製造装置。
- 前記下段肉薄部の肉厚が、10mm以上40mm未満であることを特徴とする請求項1に記載の単結晶製造装置。
- 前記上段肉厚部及び前記下段肉薄部は、前記断熱筒の内径が鉛直方向で異なることにより設けられているものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の単結晶製造装置。
- 前記断熱板の外径が、前記上段肉厚部の内径より大きく、前記下段肉薄部の内径より小さいものであることを特徴とする請求項3に記載の単結晶製造装置。
- 前記上段肉厚部の下端部に、前記断熱板を嵌め込むことができる段差部が設けられているものであることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の単結晶製造装置。
- チャンバー内において、ルツボ下部には断熱板が設けられ、前記ルツボ周囲に加熱ヒーターが配置され、該加熱ヒーターの周囲には、前記加熱ヒーターのチャンバー方向への輻射熱を抑制する筒状の断熱材からなる断熱筒が設けられており、前記ルツボ内の原料融液を前記加熱ヒーターで加熱しつつ、前記原料融液からチョクラルスキー法により単結晶を引上げて製造する単結晶の製造方法であって、前記請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の単結晶製造装置を用いて結晶を製造することを特徴とする単結晶の製造方法。
- チャンバー内において、ルツボ下部には断熱板が設けられ、前記ルツボ周囲に加熱ヒーターが配置され、該加熱ヒーターの周囲には、前記加熱ヒーターのチャンバー方向への輻射熱を抑制する筒状の断熱材からなる断熱筒が設けられており、前記ルツボ内の原料融液を前記加熱ヒーターで加熱しつつ、前記原料融液からチョクラルスキー法により単結晶を引上げて製造する単結晶の製造方法であって、結晶を製造した後に、前記ルツボ内に残った原料融液の残湯が前記上段肉厚部より低い位置に来るように前記断熱板及び前記ルツボを下降させ、前記残湯を固化させることを特徴とする請求項6に記載の単結晶の製造方法。
- 前記ルツボ内に残った原料融液の残湯が前記上段肉厚部より低い位置に来るように前記断熱板及び前記ルツボを下降させ、前記残湯を固化させた後、前記断熱板は移動させずに、前記ルツボのみを前記下段肉薄部より高い位置に移動させることを特徴とする請求項7に記載の単結晶の製造方法。
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