JP2013177254A - Ｆｚ法による単結晶製造装置の誘導加熱コイルの洗浄方法 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導加熱コイルの冷却効率を低下させる内部表面の生成物質を効率良く除去することで、単結晶製造における有転位化率が増加することを抑制することができる誘導加熱コイルの洗浄方法を提供する。
【解決手段】浮遊帯域１０を原料結晶棒１の下方から上方に移動させることで単結晶棒２を前記浮遊帯域１０の下方に育成するＦＺ法による単結晶製造装置１４において前記浮遊帯域１０を形成するための熱源となる誘導加熱コイル７の洗浄方法であって、前記誘導加熱コイル７の内部の冷却水を流通させる冷却水経路に、洗浄液を流入させることによって、前記誘導加熱コイル７の冷却水経路のみを洗浄するＦＺ法による単結晶製造装置１４の誘導加熱コイル７の洗浄方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料結晶棒を誘導加熱コイルで加熱溶融して浮遊帯域を形成し、該浮遊帯域を移動させることで単結晶棒を育成するＦＺ法（フローティングゾーン法または浮遊帯溶融法）による半導体単結晶製造に用いる単結晶製造装置の誘導加熱コイルの洗浄方法に関する。

ＦＺ法による半導体結晶の製造方法は以下のとおりである。
まず、原料結晶棒を、チャンバー内に設置された上軸に保持する。一方、直径の小さい単結晶の種（種結晶）を、原料結晶棒の下方に位置する下軸に保持する。次に、誘導加熱コイルにより原料結晶棒の下端部を溶融して、種結晶に融着させる。その後、種絞りによって絞り部を形成して無転位化する。そして、上軸と下軸を回転させながら原料結晶棒と単結晶棒を下降させることで浮遊帯域（溶融帯あるいはメルトという）を原料結晶棒と育成単結晶棒の間に形成し、該浮遊帯域を原料結晶棒の上端まで移動させてゾーニングし、単結晶棒を成長させる。

上記ＦＺ法において用いられる単結晶製造装置の誘導加熱コイルとしては、銅、銀又はこれらの複合材料からなる単巻又は複巻の誘導加熱コイルが用いられている。

単結晶の製造において、誘導加熱コイルが、自己発熱する原料、単結晶の溶融部分からの熱輻射を受けることから、溶損防止のために誘導加熱コイルの内部に冷却水を流している。
しかし、冷却水を流すことで誘導加熱コイルの内部に使用時間に比例したスケールの付着、内部表面の酸化膜の成長（Ｃｕ→Ｃｕ_２Ｏ→ＣｕＯ）、又は、緑青の発生があり、それにより誘導加熱コイル内部の汚れ係数が大きくなり、加えて熱伝導率が低下する。その結果、総括伝熱係数（熱貫流係数）が小さくなって冷却効果が弱くなり、誘導加熱コイルの溶損や熱変形を引き起こし、単結晶製造において不安定な磁場分布となって単結晶が有転位化する等の問題が生じる。

上記酸化膜の成長は、使用前に空気中の酸素と反応、又は接触している水から酸素を受け取り、４Ｃｕ＋Ｏ_２→２Ｃｕ_２Ｏ（酸化銅（Ｉ））のように酸化反応する。そして、さらに２Ｃｕ_２Ｏ＋Ｏ_２→４ＣｕＯ（酸化銅（ＩＩ））のように酸化反応し、熱伝導率が低下する要因となる。

特開昭５８−９９１９４号公報 特開平１−１３１０９３号公報

上記のような問題に対応するため、従来、誘導加熱コイルの内部のスケール等の除去を行う場合は、誘導加熱コイルを酸性、アルカリ性又は中性の薬品に浸漬させて処理を行っていた（例えば、特許文献１、２参照）。この時、誘導加熱コイルの内部のみならず、外側表面までも処理され、上記のような薬品による処理を繰り返し行うことで、誘導加熱コイルの表面がエッチングされて、水漏れの発生、溶接部分回りのエッチングムラによる誘導加熱コイル表面に凹凸ができるため、処理を頻繁に行うことができない。このため、単結晶製造において、誘導加熱コイル内部にスケール、銅酸化膜が堆積し、冷却効率が下がって、誘導加熱コイルの変形が発生し、それにより不安定な磁場分布となることで単結晶の有転位化率が増加するなどの問題が生じていた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、従来技術である浸漬方式の洗浄方法に伴って、接合部分回りの水漏れが発生したり、エッチングムラにより誘導加熱コイル表面に凹凸が発生するといった問題点を回避しながら、誘導加熱コイルの冷却効率を低下させる内部表面の生成物質を効率良く除去することで、単結晶製造における有転位化率が増加することを抑制することができる誘導加熱コイルの洗浄方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、浮遊帯域を原料結晶棒の下方から上方に移動させることで単結晶棒を前記浮遊帯域の下方に育成するＦＺ法による単結晶製造装置において前記浮遊帯域を形成するための熱源となる誘導加熱コイルの洗浄方法であって、前記誘導加熱コイルの内部の冷却水を流通させる冷却水経路に、洗浄液を流入させることによって、前記誘導加熱コイルの冷却水経路のみを洗浄することを特徴とするＦＺ法による単結晶製造装置の誘導加熱コイルの洗浄方法を提供する。

このように洗浄液を流入させて誘導加熱コイルの内部の冷却水経路のみを洗浄することで、外側表面のエッチング等が生じないようにして、冷却水経路の内壁のスケール、酸化膜、緑青等を効率的に除去することができ、冷却水経路の汚れ係数の増加を効果的に防ぐことが可能となる。これにより、冷却効率の悪化を抑制でき、誘導加熱コイルの溶損、変形を防止し、さらに、洗浄で誘導加熱コイルの熱伝導率が回復し、総括伝熱係数（熱貫流係数）が大きくなる。以上のような本発明の洗浄方法で誘導加熱コイルを洗浄することで、ＦＺ法による単結晶製造における有転位化率を改善できる。

このとき、前記洗浄液を前記冷却水経路へ流入させる際、ポンプを用いて、前記洗浄液の流量を増減変化させながら流入させることが好ましい。
また、前記洗浄液を前記冷却水経路へ流入させる際、ポンプを用いて、前記洗浄液の圧力を増減変化させながら流入させることが好ましい。

このようにして洗浄液を流入させることで、物理的な洗浄効果が加わり、洗浄処理能力の向上が見込める。

このとき、前記洗浄液を前記冷却水経路へ流入させる際、ポンプを用いて、前記冷却水経路の入口側と出口側から交互に流入させることが好ましい。
このように洗浄液を流入させることで、冷却水経路の内壁を均一に洗浄して、効果的な洗浄が可能となる。

このとき、前記洗浄液を、酸性、アルカリ性又は中性の洗浄液とすることができる。
本発明では、スケール等の種類に応じてこのような洗浄液を用いることができる。

以上のように、本発明によれば、誘導加熱コイルの外側表面のエッチング等が生じないように、冷却水経路の内壁のスケール、酸化膜、緑青等を効率的に除去することができ、ＦＺ法における単結晶製造の有転位化率を改善することができる。また、誘導加熱コイルの長寿命化が図られ、コストの低減にも資する。

ＦＺ法による単結晶製造装置の一例を示す概略図である。 ＦＺ法による単結晶製造装置の誘導加熱コイルの（ａ）平面図と（ｂ）断面図である。 実施例において誘導加熱コイルを洗浄した際の洗浄液の流量の変化を示すグラフである。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

本発明は、例えば図１に示すようなＦＺ法による単結晶製造装置において浮遊帯域を形成するための熱源となる誘導加熱コイルの洗浄方法である。
図１のＦＺ法による単結晶製造装置１４は、原料結晶棒１及び単結晶棒２を収容するチャンバー１２と、原料結晶棒１と単結晶棒２の間に浮遊帯域１０を形成するための熱源となる誘導加熱コイル７とを備えたものである。さらに、誘導加熱コイル７を駆動するための高周波発振機１３と、原料結晶棒１を保持するための上部保持治具４と、原料結晶棒１を回転させるための上軸３と、絞り部９が形成された単結晶棒２及び種結晶８を保持するための下部保持治具６と、単結晶棒２を回転させるための下軸５と、ドーパントガスを供給するためのドープノズル１１とを備えるものである。

この誘導加熱コイル７は、図２に示すように、スリット間隙２２が形成され、誘導加熱コイル７の内部には、冷却水２１を満遍なく流通させる冷却水経路２０が形成されている。本発明で洗浄できる誘導加熱コイルは、材質としては、銅、銀、又はこれらの複合材料からなるものとすることができ、また、単巻又は複巻のものとすることができる。
このような単結晶製造装置１４では、浮遊帯域１０を原料結晶棒１の下方から上方に移動させることで単結晶棒２を浮遊帯域１０の下方に育成することができる。

本発明では、例えば、ＦＺ法により単結晶の製造を行った後に、単結晶製造装置から誘導加熱コイルを取り外し、誘導加熱コイルの冷却水経路に洗浄液を流入させることによって、冷却水経路のみを洗浄する。
従来の方法では誘導加熱コイルを洗浄液に浸漬させていたため、冷却水経路の内壁の洗浄だけではなく、外側表面も洗浄液に接触してエッチング等されて、凹凸が形成されたり、接続部も侵食されて水漏れの問題が生じていた。しかし、本発明のように、誘導加熱コイルの冷却水経路に洗浄液を流入させて、冷却水経路のみを洗浄することで、上記問題も生じず、冷却水経路の内壁のスケール、酸化膜、緑青等を効率的に除去できる。これにより、冷却効率の悪化を抑制して、誘導加熱コイルの溶損、変形を防止し、さらに、誘導加熱コイルの熱伝導率が回復することで総括伝熱係数（熱貫流係数）を大きく維持できる。

本発明において用いることができる洗浄液としては、例えば、酸性、アルカリ性又は中性の洗浄液を用いることができる。具体的には、例えば、５％〜５０％の塩酸等のような酸性の洗浄液による酸処理、５％〜５０％のアンモニア水等のようなアルカリ性の洗浄液によるアルカリ処理、又は中性薬品による洗浄を実施できる。

洗浄の方法として、図２に示すような誘導加熱コイル７の内部に形成された冷却水経路２０の冷却水を流入される入口側から、ポンプを用いて洗浄液を流入させて流通させ、出口側から排出することにより洗浄を実施できる。

また、洗浄液の流量、圧力を増減変化（揺動）させながら流入させることが好ましい。
このように流量や圧力を増減変化させながら洗浄液を流入させることで、化学的洗浄効果だけでなく、物理的洗浄効果も加わるため、洗浄を効果的に実施できる。

また、上記のように冷却水経路の冷却水の入口側から出口側へ一方的に流入させるのみではなく、ポンプを用いて、洗浄液を冷却水経路の入口側と出口側から交互に流入させることが好ましい。
冷却水経路の入口側と出口側から交互に洗浄液を流通させることで、誘導加熱コイル内部の洗浄ムラの改善が見込める。

上記のような方法は、流量、圧力のいずれかのみを増減変化させたり、交互に流入させるのみでも洗浄効果を向上できるが、これらの方法を組み合わせて洗浄することでより効率的に洗浄することも好ましい。また、洗浄時間は、冷却水経路の汚れの度合いによって適宜変更することができるが、１０分間程度実施することで冷却水経路の内壁のスケール、酸化膜、緑青等を効果的に除去することができる。
また、その他の条件等は適宜設定することができ、例えば洗浄効率が最適である温度の洗浄液により処理を行うことが好ましい。

洗浄液により洗浄した後は、例えば、ポンプを用いて純水による洗浄を５分間、アルコールによる洗浄を５分間行う。洗浄後、エアーブローを行い、誘導加熱コイルの冷却水経路の内部に残った純水、アルコールを除去する。

以上のような本発明の洗浄方法であれば、良好に誘導加熱コイルの冷却水経路の洗浄を実施でき、ＦＺ法による単結晶製造における単結晶の有転位化率を改善できるとともに、コストの低減を図れる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
１０００Ωｃｍ以上の直径１３０ｍｍのＣＺシリコン単結晶を原料結晶棒として、ＦＺ法によりゾーニングを行い直径１５５ｍｍのＦＺシリコン単結晶の製造を４０回実施した。
実施例では、単結晶製造毎に濃度３０％の塩酸により誘導加熱コイルの冷却水経路のみの洗浄を行った。洗浄方法としては、洗浄液の流量を、図３のように最大流量１０Ｌ／ｍｉｎ、最小流量３Ｌ／ｍｉｎで揺動させ、かつ冷却水の入口側、出口側から交互に洗浄液を流入させる処理を１０分間行った（数値が正：入口側からの流入、数値が負：出口側から流入）。塩酸の温度は４０℃として処理を行った。

上記条件においてＦＺ法によるシリコン単結晶の製造を行ったところ、無転位結晶取得率が８５．０％であった。使用した誘導加熱コイル７のスリット間隙２２（図２（ａ））の変形（間隙が狭くなる）の程度を確認したところ、使用前のスリット間隙の距離を１００％とした場合、４０回目の単結晶製造後には９７．５％でほとんど変形が生じていなかった。

（比較例１）
１０００Ωｃｍ以上の直径１３０ｍｍのＣＺシリコン単結晶を原料結晶棒として、ＦＺ法によりゾーニングを行い直径１５５ｍｍのＦＺシリコン単結晶の製造を４０回実施した。
比較例１では、誘導加熱コイルの内部の冷却水経路の洗浄を行わずに単結晶の製造を実施した。

上記条件においてＦＺ法によるシリコン単結晶の製造を行ったところ、無転位結晶取得率が８０．０％であった。使用した誘導加熱コイルのスリット間隙の変形（間隙が狭くなる）の程度を確認したところ、使用前のスリット間隙の距離を１００％とした場合、４０回目の単結晶製造後には８５．０％で大きな変形が生じていた。

実施例と比較例１の比較において、比較例１に比べ実施例では無転位結晶取得率が５．０％改善した。誘導加熱コイルの内部を洗浄液で処理することでスケール、銅酸化膜の酸化銅（Ｉ）、（ＩＩ）を除去し、汚れ係数が小さくなった。このため、熱伝導率の低下を防ぎ、総括伝熱係数が減少しないことで誘導加熱コイルの冷却が適正に行われ、スリット間隙の変形の程度が改善した。
また、高周波電流は、表面又は表層から非常に浅い部分に流れており、表面の粗さ、酸化膜、窒化膜により損失変化する。本発明の洗浄により誘導加熱コイルの冷却水経路のスケール、銅酸化膜の酸化銅（Ｉ）、（ＩＩ）等を除去したことで誘導加熱コイルの内部表面における損失が小さくなっていると考えられる。

（比較例２）
１０００Ωｃｍ以上の直径１３０ｍｍのＣＺシリコン単結晶を原料結晶棒として、ＦＺ法によりゾーニングを行い直径１５５ｍｍのＦＺシリコン単結晶の製造を４０回実施した。
比較例２では、単結晶製造毎に、温度４０℃、濃度３０％の塩酸に誘導加熱コイルを浸漬させる処理を１０分間行った。

比較例２では、浸漬による誘導加熱コイルの外側表面がエッチングされ、接続部に３０回目の洗浄で水漏れが発生した。

以上より、本発明の洗浄方法を用いることで、ＦＺ法による単結晶製造において、有転位化率を改善し、かつ誘導加熱コイルの寿命の長期化を図ることができることが分かった。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…原料結晶棒、 ２…単結晶棒、 ３…上軸、 ４…上部保持治具、
５…下軸、 ６…下部保持治具、 ７…誘導加熱コイル、 ８…種結晶、
９…絞り部、１０…浮遊帯域、 １１…ドープノズル、 １２…チャンバー、
１３…高周波発振機、 １４…単結晶製造装置、 ２０…冷却水経路、
２１…冷却水、 ２２…スリット間隙。

Claims (5)

1. 浮遊帯域を原料結晶棒の下方から上方に移動させることで単結晶棒を前記浮遊帯域の下方に育成するＦＺ法による単結晶製造装置において前記浮遊帯域を形成するための熱源となる誘導加熱コイルの洗浄方法であって、
   前記誘導加熱コイルの内部の冷却水を流通させる冷却水経路に、洗浄液を流入させることによって、前記誘導加熱コイルの冷却水経路のみを洗浄することを特徴とするＦＺ法による単結晶製造装置の誘導加熱コイルの洗浄方法。
2. 前記洗浄液を前記冷却水経路へ流入させる際、ポンプを用いて、前記洗浄液の流量を増減変化させながら流入させることを特徴とする請求項１に記載のＦＺ法による単結晶製造装置の誘導加熱コイルの洗浄方法。
3. 前記洗浄液を前記冷却水経路へ流入させる際、ポンプを用いて、前記洗浄液の圧力を増減変化させながら流入させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＦＺ法による単結晶製造装置の誘導加熱コイルの洗浄方法。
4. 前記洗浄液を前記冷却水経路へ流入させる際、ポンプを用いて、前記冷却水経路の入口側と出口側から交互に流入させることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のＦＺ法による単結晶製造装置の誘導加熱コイルの洗浄方法。
5. 前記洗浄液を、酸性、アルカリ性又は中性の洗浄液とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のＦＺ法による単結晶製造装置の誘導加熱コイルの洗浄方法。

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