JP2633057B2 - シリコン単結晶の製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、チョクラルスキー法による大直径シリコン
単結晶の製造装置に関するものである。

［従来の技術］ LSI分野ではシリコン単結晶に要求される直径は年々
大きくなっている。今日、最新鋭デバイスでは直径６イ
ンチのシリコン単結晶が使われている。将来直径10イン
チあるいはそれ以上の直径のシリコン単結晶、例えば直
径12インチのシリコン単結晶が必要になるといわれてい
る。

チョクラルスキー法（CZ法）によるシリコン単結晶の
製造方法には２通りの方法がある。るつぼを回転させる
方法と回転させない方法である。今日ではLSI用に用い
られる全てのシリコン単結晶は、るつぼの回転とシリコ
ン単結晶の回転とを互いに逆方向に回転させ、かつ、る
つぼの側面を取り囲む電気抵抗加熱体によりるつぼを加
熱することにより製造されている。多くの試みにも関わ
らず、るつぼを回転させない方法、あるいは上記以外の
加熱方法（電気抵抗加熱体）で直径５インチ以上のシリ
コン単結晶が今までに作られたことはないし、今後とも
作られることはない。この理由は、るつぼの回転なしで
は、あるいは電磁誘導加熱やるつぼの底面からの電気抵
抗加熱等の上記以外の加熱方法では、シリコン単結晶の
成長するに対して同心円状の温度分布完全が得られない
からである。シリコン単結晶の成長は温度に関してきわ
めて敏感なのである。

るつぼが回転するCZ法（以下通常のCZ法という）で
は、るつぼ回転と電気抵抗側面加熱によりシリコン溶融
液に強い対流が発生し、シリコン溶融液が良く撹拌され
る。この結果直径５インチ以上の大直径シリコン単結晶
の育成は望ましい、即ち均一なそしてシリコン単結晶に
対して完全に同心円状の溶融液表面温度分布が得られ
る。

上記のように、通常のCZ法と他のCZ法ではシリコン溶
融液の流れに大きな違いがある。この違いは結果として
シリコン単結晶の成長条件の大きな違いとなる。又、炉
内部品（例えばホットゾーン、るつぼ、仕切り部材等）
の作用も両者では大きく異なる。シリコン単結晶育成に
対する考え方が両者では全く異なるのである。

通常のCZ法ではシリコン単結晶の成長とともにるつぼ
内のシリコン溶融液が減少する。そしてシリコン単結晶
の成長とともにシリコン単結晶中のドーパント濃度が上
昇し、酸素濃度が低下する。即ちシリコン単結晶の性質
がその成長方向に変動する。LSIの高密度化にともない
シリコン単結晶に要求される品質が年々きびしくなって
きている。

この問題を解決する手段として、通常のCZ法の石英る
つぼ内のシリコン溶融液を小孔を有する円筒状の石英製
仕切り部材で仕切り、この仕切り部材の外側に原料シリ
コンを供給しながら、仕切り部材の内側で円柱状のシリ
コン単結晶を育成する方法が知られている（例えば、特
許公報 昭40−10184 P1 L20−L35）。

この方法の大きな問題点は特開昭62−241889号公報
（P2 L12−L16）にも指摘されている通り、仕切り部材
の内側で仕切り部材を起点としてシリコン溶融液の凝固
が発生しやすい。この原因は次の通りである。石英製で
ある仕切り部材は光ファイバーに使われていることから
も明らかなように、輻射により熱をよく伝達する。即ち
シリコン溶融液中の熱は光として仕切り部材中を上方に
伝達し、仕切り部材のシリコン溶融液面上に露出してい
る部分より放散される。従って仕切り部材近傍ではシリ
コン溶融液温度が大きく低下している。更に、通常のCZ
法では、シリコン溶融液の強い撹拌によりシリコン溶融
液の表面温度は均一でしかも凝固温度の直上である。こ
の二つのことが重なり仕切り部材に接触しているシリコ
ン溶融液表面は非常に凝固しやすい状態になっている。
特開昭62−241889号公報はこの問題を避けるため、仕切
り部材を使用しない方法を提案したものである。しかし
この方法は原料溶解部が狭いため、原料溶解能力が極め
て小さく、シリコン単結晶の引き上げ量に見合う量の原
料シリコンを供給することができない。

シリコン単結晶の引き上げ量に見合う量の原料シリコ
ンを供給可能にするため、仕切り部材を用い、かつそれ
からの凝固の発生を防止する方法を提案したものとして
特開平１−153589号公報がある。この特許は仕切り部材
を熱遮蔽部材で完全に覆うことを提案している。この方
法により仕切り部材からの熱の放散は防止できる。従っ
てシリコン単結晶の引き上げ量に見合う量の原料シリコ
ンを供給し、なおかつ凝固の発生を防止している。

［発明が解決しようとする課題］ 特開平１−153589号公報の方法によれば、シリコン単
結晶の引き上げ量に見合う量の原料シリコンを供給し、
なおかつ凝固の発生を防止できる。しかし生産性の向上
のため結晶引き上げ速度を速くすると、それにともなっ
て原料シリコン供給量も多くしなければならない。原料
シリコン供給量を大きくすればするほど原料溶解部の温
度は下がるので、シリコン単結晶の引き上げ量に見合う
量の原料を供給しながらシリコン単結晶を育成する方法
では、引き上げ速度に自ずから上限がある。この引き上
げ速度の上限値はシリコン単結晶装置の構成により異な
るが、発明者らが検討したところ、特開平１−153589の
方法では直径６インチの結晶で引き上げ速度を1mm/min
以上にすると原料溶解部の温度低下により仕切り部材の
外側から凝固が発生することがわかった。従って、特開
平１−153589の方法では、結晶引き上げ速度を1mm/min
以上に保持するためにはなんらかの手段が効じなければ
ならない。

この発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、連
続的にシリコン単結晶の引き上げ量に見合う量の原料シ
リコンを供給するシリコン単結晶製造装置において、従
来の装置に比べ、仕切り部材からの凝固発生を防止し、
結晶引き上げ速度の上限値を向上させることを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るシリコン単結晶製造装置は、シリコン溶
融液を内蔵する自転型石英るつぼと、前記石英るつぼを
支持する黒鉛製るつぼと、前記黒鉛製るつぼを側面から
加熱する電気抵抗加熱体と、前記石英るつぼ内でシリコ
ン溶融液を単結晶育成部と原料溶解部とに分割しかつシ
リコン溶融液が流通できる小孔を有する石英製るつぼ部
材と、前記仕切り部材と前記原料溶解部を覆う保温カバ
ーと、前記原料溶解部に原料シリコンを連続的に供給す
る原料供給装置と、を有するシリコン単結晶製造装置に
おいて、前記黒鉛製るつぼの円筒部分のシリコン溶融液
面上方50mmに相当する位置より、シリコン溶融液面下方
20mmに相当する位置までの範囲に、複数個以上の開口部
を設けることを特徴とする。

［作用］ 原料シリコンの供給量を多くした時、仕切り部材の外
側、即ち原料溶解部で凝固発生が起こるのは、シリコン
溶融液のるつぼ半径方向の温度勾配が小さくなっている
ためである。これはシリコン溶融液の側方より入熱した
熱エネルギーが、供給された原料シリコンに奪われ、原
料溶解部の温度が下がることによる。

シリコン単結晶の引き上げ速度は、シリコン溶融液内
の側部方向と下部方向から結晶凝固界面に到達する総熱
量がどれだけあるかにより決まる。従って、同じ引き上
げ速度の場合、シリコン溶融液内の側部方向からの入熱
の比率を大きくした方が、即ち、るつぼ半径方向の温度
勾配が大きくなるようにした方が、仕切り部材からの凝
固は起こりにくい。本発明に係るシリコン単結晶の製造
装置では、シリコン溶融液面付近に相当する部分の黒鉛
るつぼに、複数個以上の開口部を設けているので、シリ
コン溶融液に対して電気抵抗加熱体からの直接入熱がお
こなわれ、側部入熱の比率が大きくなる。このため従来
の装置に比べて、仕切り部材からの凝固が起こりにく
く、結晶引き上げ速度を速くすることができる。

黒鉛るつぼに開口部がない場合よりも、原料溶解部に
対する入熱効率を上げることのできる開口部の上下方向
の範囲を調べるため、高さ方向の幅10mmの狭い幅の開口
部をシリコン溶融液面に対して様々な位置に配置し、シ
リコン単結晶の育成実験を行った。第３図から明らかな
ように、仕切り部材からの凝固を防止しつつ引き上げる
ことのできる最大引き上げ速度は、シリコン溶融液面下
方20mmより下では開口がない場合よりも小さくなる。こ
れは開口部がシリコン溶融液面に対して下方位置になる
に従って、シリコン溶融液に対する電気抵抗加熱体から
の入熱が側方入熱傾向から下方入熱傾向となるためであ
る。即ち、るつぼ半径方向の温度勾配が小さくなり、仕
切り部材からの凝固が起こりやすくなる。また開口によ
る最大引き上げ速度の向上に体する寄与は、シリコン溶
融液面に相当する付近の開口部で最も大きく、シリコン
溶融液面上方50mmより上ではあまり効果のないことがわ
かった。

［実施例］ 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の実施例の直径６インチのシリコン単
結晶の製造装置を示す縦断面図で、第２図は本発明の実
施例の黒鉛製るつぼの複数個以上の開口部を示す斜視図
で、（ａ）は本発明の一実施例を示す図で、（ｂ）は本
発明の他の一実施例である。１は直径20インチの石英る
つぼで、黒鉛るつぼ２の中にセットされている。黒鉛る
つぼ２の円筒部に複数の開口部22がある。この開口部22
はシリコン溶融液面より上方40mm以下、シリコン溶融液
面より下方5mm以上の範囲に相当する大きさである。即
ち直径45mmΦの開口部で、個数は20である。この開口部
22によりシリコン溶融液７に対して電気抵抗加熱体から
の直接入熱が行なわれ、るつぼ側方の入熱が大きくな
る。黒鉛るつぼ２はペディスタル４で支えられている。
ペディスタル４は炉外で電動モーターに結合されてお
り、黒鉛るつぼ２に回転運動（10rpm）を与える働きを
する。７はるつぼ１内に入れられたシリコン溶融液であ
る。これから柱状のシリコン単結晶５が回転（20rpm）
しながら1.2mm/minの速度で引き上げられる。３は黒鉛
るつぼを取り囲む電気抵抗加熱体である。

雰囲気ガスは引き上げチャンバー内20から炉内に導入
され最終的に炉底の排出口19から減圧装置（図示せず）
により排出される。

炉内（チャンバー上蓋16、およびチャンバー胴17内）
の圧力は0.01−0.03気圧である。以上は通常のCZ法によ
るシリコン単結晶の製造装置と同じである。

８はるつぼ１内にこれと同心円に配置された高純度気
泡入り石英ガラスからなる仕切り部材である。その直径
は35cmである。この仕切り部材８には小孔10が開けられ
ており、原料溶解部のシリコン溶融液はこの小孔10を通
って単結晶育成部に流入する。この仕切り部材の下縁部
はるつぼ１とあらかじめ融着されているか、又は、原料
シリコンを溶解する際の熱により融着している。14は原
料供給装置で、原料溶解部の上部に開口を持っており、
粒状の原料シリコンはこの供給装置を通って原料溶解部
に供給される。供給割合は、シリコン結晶化量と等しい
量、即ち約52g/minである。この原料供給装置14はチャ
ンバー上蓋16の外部に設けた原料供給チャンバー（図示
せず）に連結されており、原料シリコンを連続的に供給
する。

15は保温カバーであり、板厚0.2mmのタンタル板で構
成されている。これは仕切り部材８および原料溶解部か
らの熱の放散を抑制する。

上記のように構成した本発明の一実施例であるシリコ
ン単結晶の製造装置において、シリコン単結晶の育成実
験を行なったところ、直径６インチのシリコン単結晶に
関し、黒鉛るつぼに開口部がない場合、仕切り部材から
の凝固のため引き上げ速度を1mm/min以上にできなかっ
たのに対して、黒鉛るつぼに開口部がある場合は仕切り
部材からの凝固を防止しでき、シリコン単結晶の引き上
げ速度を1.1〜1.3mm/minにすることができた。

また、第２図（ｂ）本発明における別の実施例であ
る。この開口部22はシリコン溶融液面より上方40mm、シ
リコン溶融液面より下方5mmの範囲に相当する大きさで
ある。即ち、矩形45×200mmの開口部で、個数は６であ
る。この実施例においても、第２図（ａ）の場合と同様
の効果が得られた。

「発明の効果］ 本発明は以上のように構成したので、シリコン単結晶
の引き上げ量に見合う量の原料シリコンを連続的にを供
給し、なおかつ凝固の発生を防止し、直径６インチのシ
リコン単結晶を引き上げ速度1.1mm/min以上の高速引き
上げができるようになった。本発明は生産性の向上、シ
リコン単結晶の育成条件の広範囲化による結晶品質特性
の多様化など効果大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシリコン単結晶の製造装置を示す断面
図、第２図は本発明の黒鉛るつぼの斜視図で、（ａ）は
一実施例の斜視図、（ｂ）は別の実施例の斜視図、第３
図は本発明の実験例で、シリコン溶融液面からの上方位
置とシリコン単結晶の引き上げ速度を示すグラフ図であ
る。 １……石英るつぼ、２……黒鉛るつぼ、３……電気抵抗
加熱体、４……ペディスタル、５……シリコン単結晶、
７……シリコン溶融液、８……仕切り部材、10……小
孔、14……シリコン供給装置、15……保温カバー、16…
…チャンバー上蓋、17……チャンバー胴、19……排出
口、20……引き上げチャンバー内、22……黒鉛るつぼの
開口部。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】十分な深さのシリコン溶融液を内蔵する自
   転型石英るつぼと、該石英るつぼを支持する黒鉛製るつ
   ぼと、該黒鉛製るつぼを側面から加熱する電気抵抗加熱
   体と、前記石英るつぼ内でシリコン溶融液を単結晶育成
   部と原料溶解部とに分割し、且つシリコン溶融液が流通
   できる小孔を有する石英製仕切り部材と、該仕切り部材
   と前記原料溶解部を覆う保温カバーと、前記原料溶解部
   にシリコン溶融液表面が一定のレベルを保つように原料
   を連続的に供給する原料供給装置とを有する直径６″以
   上のシリコン単結晶を引き上げるためのシリコン単結晶
   製造装置において、 シリコン引き上げ速度を1.1〜1.3m/minにするために、
   前記黒鉛製るつぼの円筒部分のシリコン溶融液面上方50
   mmに相当する位置からシリコン溶融液面下方20mmに相当
   する位置にわたった開口部を円周方向に複数個設けるこ
   とを特徴とするシリコン単結晶製造装置。