JP2942986B2 - 単結晶引き上げ用種結晶 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は単結晶引き上げ用種
結晶に関し、より詳細にはチョクラルスキー法（以下、
ＣＺ法と記す）等により、シリコン等からなる単結晶を
引き上げる際に用いられる単結晶引き上げ用種結晶に関
する。

【０００２】

【従来の技術】現在、ＬＳＩ（大規模集積回路）等の回
路素子形成用基板の製造に使用されているシリコン単結
晶の大部分は、ＣＺ法により引き上げられている。図２
は、このＣＺ法に用いられる単結晶引き上げ装置を模式
的に示した断面図であり、図中１１は坩堝を示してい
る。

【０００３】この坩堝１１は、有底円筒形状の石英製坩
堝１１ａと、この石英製坩堝１１ａの外側に嵌合され
た、同じく有底円筒形状の黒鉛製坩堝１１ｂとから構成
されており、坩堝１１は、図中の矢印方向に所定の速度
で回転する支持軸１９に支持されている。この坩堝１１
の外側には、抵抗加熱式のヒータ１２、ヒータ１２の外
側には保温筒１８が同心円状に配置されており、坩堝１
１内には、このヒータ１２により溶融させた結晶用原料
の溶融液１３が充填されるようになっている。また、坩
堝１１の中心軸上には引き上げ棒あるいはワイヤー等か
らなる引き上げ軸１４が吊設されており、この引き上げ
軸１４の先に種結晶保持具２５を介して単結晶引き上げ
用種結晶３６（以下、単に種結晶とも記す）が取り付け
られるようになっている。また、これら部材は、圧力の
制御が可能な水冷式のチャンバ２０内に納められてい
る。

【０００４】上記した単結晶引き上げ装置により単結晶
１７を引き上げる方法を、図２及び図３に基づいて説明
する。図３（ａ）〜（ｄ）は、単結晶を引き上げる各工
程のうちの、一部の工程における種結晶の近傍を模式的
に示した部分拡大正面図である。

【０００５】図３には示していないが、まずヒータ１２
により結晶用原料を溶融させ、チャンバ２０内を減圧し
た後、しばらく放置して溶融液１３中のガスを十分に放
出させ、その後、不活性ガスを導入してチャンバ２０内
を減圧の不活性ガス雰囲気とする。

【０００６】次に、支持軸１９と同一軸心で逆方向に所
定の速度で引き上げ軸１４を回転させながら、引き上げ
軸１４の先に取り付けられた種結晶３６を降下させ、種
結晶３６の下端部３６ａを溶融液１３に着液させる。
（以下、この工程をシーディング工程と記す）（図３
（ａ））。

【０００７】この際、種結晶３６の下端部３６ａは、急
激に温度が上昇するため熱応力による転位が導入され
る。そこで、種結晶３６の先端に結晶を成長させる際、
結晶の成長界面の形状を下に凸にし、かつ所定径になる
まで結晶を細く絞ってネック１７ａを形成し、該転位を
排除する（以下、この工程をネッキング工程と記す）
（図３（ｂ））。

【０００８】次に、単結晶１７の引き上げ速度（以下、
単に引き上げ速度とも記す）を落して単結晶１７を所定
の径まで成長させ、ショルダー１７ｂを形成する（以
下、この工程をショルダー形成工程と記す）（図３
（ｃ））。

【０００９】次に、一定の速度で単結晶１７を引き上げ
ることにより、一定の径、所定長さのメインボディ１７
ｃを形成する（以下、この工程をメインボディ形成工程
と記す）（図３（ｄ））。

【００１０】さらに、図３には示していないが、最後に
その直径を徐々に絞って単結晶１７全体の温度を徐々に
降下させ、終端コーン形成後に単結晶１７を溶融液１３
から切り離す。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記した単結晶の引き
上げ方法においては、直径が約６インチ、重量が８０ｋ
ｇ程度の単結晶１７を引き上げるために、直径が約１２
ｍｍの種結晶３６を用い、種結晶３６をピンで固定する
のが一般的であった。しかしながら、近年の半導体デバ
イスの高集積化、低コスト化及び生産性の効率化に対応
して、ウエハも大口径化が要求されてきており、最近で
は、例えば直径約１２インチ（３００ｍｍ）、重量が３
００ｋｇ程度の単結晶１７の製造が望まれている。この
場合、従来のピン固定法では、固定部が引き上げられる
大重量の単結晶１７の重さに耐えられずに破損し、単結
晶１７が落下してしまうという問題があった。

【００１２】そのため、最近ではテーパで保持する種結
晶が使用されている。図４はテーパ型の種結晶、及び該
テーパ型の種結晶が装着された種結晶保持具を模式的に
示した断面図である。

【００１３】種結晶２６は大口径部２６ａと小口径部２
６ｃ、及びこれら大口径部２６ａと小口径部２６ｃとを
接続する中間部２６ｂにより構成され、中間部２６ｂに
はテーパが付けられており、その垂直断面は直線となっ
ている。一方、種結晶保持具２５は中央部分が空洞２５
ａとなっており、空洞２５ａの下部は種結晶２６を嵌合
させることができるよう、種結晶２６の外形と合致する
形状となっている。また、空洞２５ａの上部には、引き
上げ軸１４の先端部を螺着することができるよう、ネジ
溝２５ｂが形成されている。種結晶２６の小口径部２６
ｃの直径は１４ｍｍ以上に設定されており、また、種結
晶保持具２５の上部の形状は、引き上げ軸１４の先端と
結合する構成であればよく、ネジ溝２５ｂが形成されて
いない場合もある。

【００１４】この種結晶２６を使用すれば、直径が６ｍ
ｍ以上のネック１７ａ（図３）を形成することができ、
ネック１７ａは大口径の単結晶１７（図３）の重量にも
耐え得る。この場合、引き上げる単結晶１７の重量は種
結晶保持具２５と接触している部分のうちテーパが付け
られた中間部２６ｂで支えられることになるが、通常、
種結晶２６の表面には１５０μｍ以上の凹凸が存在し、
中間部２６ｂに前記凹凸に起因した強度的に弱い部分が
存在すると、その箇所から亀裂が進行し、種結晶２６が
単結晶１７の重さに耐え切れず、破断してしまうという
課題があった。

【００１５】また、中間部２６ｂの垂直断面が直線のみ
で構成されていると、中間部２６ｂと小口径部２６ｃと
の境界部２６ｄが屈曲した形状となり、注意深く加工を
施さないと境界部２６ｄに傷等が発生し易い。境界部１
６ｄに傷が存在すると、単結晶引き上げの際に境界部１
６ｄから亀裂が進行し、種結晶２６が破断してしまうと
いう課題があった。

【００１６】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、３００ｋｇ程度の大重量の単結晶を引き上げる際に
も、破断が発生しない単結晶引き上げ用種結晶を提供す
ることを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段及びその効果】上記目的を
達成するために本発明に係る単結晶引き上げ用種結晶
（１）は、大口径部と小口径部とを有し、これら大口径
部と小口径部とを接続する中間部の垂直断面形状が曲線
を含んで構成されていることを特徴としている。

【００１８】また、本発明に係る単結晶引き上げ用種結
晶（２）は、上記種結晶（１）において、中間部の曲率
の半径が３０〜３００ｍｍであることを特徴としてい
る。

【００１９】単結晶引き上げ用種結晶（１）又は（２）
によれば、前記中間部の垂直断面形状が曲線を含んで構
成されているので、前記中間部の垂直断面形状が直線に
より構成されている場合と比べてその面積が大きくな
り、単結晶引き上げの際に中間部の単位面積当りにかか
る単結晶の重量が小さくなる。また、前記中間部と前記
小口径部とが滑らかな曲線で接続され、前記中間部と前
記小口径部との境界部に傷等が形成されにくく、前記境
界部から亀裂が進行することもない。従って、大重量の
単結晶を引き上げる際にも、前記種結晶の破断を防止す
ることができる。

【００２０】また、本発明に係る単結晶引き上げ用種結
晶（３）は、単結晶の重量を支持する部分の表面の凹凸
が１００μｍ以下に制御されていることを特徴としてい
る。

【００２１】単結晶引き上げ用種結晶（３）によれば、
前記凹凸に起因した亀裂の進行が殆ど発生せず、従っ
て、大重量の単結晶を引き上げる際にも、前記種結晶の
破断を防止することができる。

【００２２】また、本発明に係る単結晶引き上げ用種結
晶（４）は、上記種結晶（１）又は（２）において、単
結晶の重量を支持する部分の表面の凹凸が１００μｍ以
下に制御されていることを特徴としている。

【００２３】単結晶引き上げ用種結晶（４）によれば、
単結晶の重量を支持する部分である前記中間部の垂直断
面形状が曲線を含んで構成されており、かつ表面処理が
施されているので、単結晶引き上げの際に前記中間部の
単位面積当りにかかる単結晶の重量が小さくなり、かつ
前記凹凸に起因した亀裂の進行が発生することもない。
従って、大重量の単結晶を引き上げる際にも、前記種結
晶の破断をより効果的に防止することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る単結晶引き上
げ用種結晶の実施の形態を図面に基づいて説明する。な
お、従来例と同一機能を有する構成部分には、同一の符
号を付すこととする。

【００２５】実施の形態に係る単結晶引き上げ用種結晶
を用いる単結晶引き上げ装置は、特に限定されるもので
はなく、ＣＺ法に用いられる単結晶引き上げ装置（図
２）であってもよく、溶融層法に用いられる単結晶引き
上げ装置であってもよい。また、実施の形態に係る単結
晶引き上げ用種結晶は、１２インチ以上の大口径、大重
量の単結晶の引き上げに用いることを前提としている。

【００２６】図１は、実施の形態に係る単結晶引き上げ
用種結晶及び該単結晶引き上げ用種結晶が装着された種
結晶保持具を模式的に示した断面図である。

【００２７】種結晶１６は、大口径部１６ａと小口径部
１６ｃ、及びこれら大口径部１６ａと小口径部１６ｃと
を接続する中間部１６ｂにより構成されている。この中
間部１６ｂの垂直断面形状は、上方にいくに従って広が
る曲線を含んで構成されており、また中間部１６ｂと小
口径部１６ｃとの境界部１６ｄも曲面によりスムーズに
接続されており、直線的な屈曲部は存在せず、加工によ
る傷等も発生しにくくなっている。すなわち、中間部１
６ｂの垂直断面を構成する前記曲線は、境界部１６ｄ近
傍において、その垂線が小口径部１６ｃの垂直断面を構
成する直線と一致するように構成されているため、境界
部１６ｄが滑らかになっている。

【００２８】一方、種結晶保持具１５は中央部分に空洞
１５ａが形成され、空洞１５ａの下部は種結晶１６を嵌
合させることができるよう、種結晶１６の外形と合致す
る形状になっている。また、種結晶保持具１５の上部に
は、引き上げ軸１４の先端を螺着することができるよ
う、ネジ溝１５ｂが形成されている。種結晶１６の小口
径部１６ｃの直径は、１４ｍｍ以上に設定されている。
また、種結晶保持具１５の上部は、引き上げ軸１４を接
続することができる形状であればよく、ネジ溝１５ｂの
代わりに水平方向に貫通孔が形成され、該貫通孔に棒を
通して引き上げ軸１４の下端部が引っかけられるように
構成されていてもよい。

【００２９】この種結晶１６を使用すれば、大重量の単
結晶１７（図３）にも十分耐えられる。この場合、引き
上げる単結晶１７の重量を中間部１６ｂで受けることに
なるが、中間部１６ｂの垂直断面形状が曲線（例えば円
の一部）を含んで構成されているため、中間部１６ｂの
垂直断面形状が直線のみで形成されている場合と比較し
てその外周面積は大きくなる。従って、単結晶引き上げ
の際に中間部１６ｂの単位面積当りにかかる単結晶１７
の重量が小さくなる。

【００３０】中間部１６ｂの垂直断面形状は特に限定さ
れるものではないが、例えば弧、楕円の一部等を含んだ
ものが挙げられる。中間部１６ｂの垂直断面形状が弧を
含んだ形状である場合、その曲率半径は３０〜３００ｍ
ｍが好ましい。また、小口径部１６ｃの直径は６〜３０
ｍｍが好ましく、大口径部１６ａの直径は、１０〜５０
ｍｍが好ましい。

【００３１】中間部１６ｂ及び境界部１６ｄの垂直断面
形状が曲線を含んで構成されており、中間部１６ｂの外
周面積が従来の場合よりも大きいため、中間部１６ｂの
単位面積当りにかかる単結晶１７の重量は小さくなり、
特に表面処理を施さなくても種結晶１６が破断する確率
は低くなる。しかし、種結晶１６に表面処理を施すこと
により、種結晶１６の破断の確率をより低くすることが
できる。前記表面処理が施された種結晶１６の表面の凹
凸は１００μｍ以下であるのが好ましく、５０μｍ以下
であるのがより好ましい。種結晶１６は、種結晶１６作
製用の単結晶を切り出し加工することにより作製され
る。この種結晶１６の表面処理は、紙やすりや砥石等を
用いて表面研磨した後、フッ硝酸に種結晶１６を浸漬
し、洗浄することにより行う。

【００３２】図４に示した種結晶２６のように、中間部
２６ｂの垂直断面形状が直線のみを含んで構成されてい
るものであっても、種結晶２６に表面処理を施し、表面
の凹凸を少なくすることにより、単結晶１７を引き上げ
る際に種結晶２６が破断する確率が小さくなる。この場
合には、表面処理が施された部分の凹凸が１００μｍ以
下であるのが好ましく、５０μｍ以下であるのがより好
ましい。

【００３３】なお、種結晶１６、２６を保持する種結晶
保持具１５、２５自体も大重量の単結晶１７を引き上げ
る際に破断しないよう、高強度の材料で構成されている
必要があり、例えば炭素繊維により強化された黒鉛材等
が使用される。

【００３４】

【実施例及び比較例】以下、実施例に係る単結晶引き上
げ用種結晶を説明する。また、比較例として、従来の単
結晶引き上げ用種結晶を用いて単結晶の引き上げを行っ
た場合についても説明する。以下、その条件、及び結果
（単結晶引き上げにおける結晶落下の回数）を下記の表
１〜４に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】

【表３】

【００３８】

【表４】

【００３９】上記表４に示した結果より明らかなよう
に、実施例１及び実施例２の場合には、中間部１６ｂの
垂直断面形状が円弧を含んで構成されており、かつ表面
処理が施されているため、単結晶１７の引き上げ途中に
おける落下が０／３０、１／３０であり、落下の確率は
極めて低かった。また、実施例１の場合と同様の形状で
表面処理が施されていない種結晶１６を使用した実施例
４の場合、単結晶１７の引き上げ途中における落下が５
／３０と落下の回数は多くなってはいるものの、約８３
％の単結晶１７を落下させずに引き上げることができ
た。また、実施例３の場合、種結晶２６の中間部２６ｂ
の垂直断面形状が直線のみを含んで構成されているもの
の、表面処理が施されているので、単結晶１７の引き上
げ途中における落下は３／３０とその確率は低かった。

【００４０】これに対し、比較例１の場合には、種結晶
２６の中間部２６ｂの垂直断面形状が直線のみを含んで
構成されており、表面の凹凸が１５０μｍ以上であるた
め、単結晶１７の引き上げ途中における落下は２５／３
０と、８３％の高い確率で落下が発生した。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る、中間部の垂直断面
形状に直線的な屈曲部を持たない単結晶引き上げ用種結
晶、及び該単結晶引き上げ用種結晶が装着された種結晶
保持具を模式的に示した断面図である。

【図２】ＣＺ法において使用される単結晶引き上げ装置
を模式的に示した断面図である。

【図３】（ａ）〜（ｄ）は、従来の単結晶引き上げ用種
結晶の工程の一部における種結晶の近傍を模式的に示し
た部分拡大正面図である。

【図４】本発明の他の実施の形態及び従来の大重量の単
結晶を引き上げる際に用いられる、中間部の垂直断面形
状が直線のみを含んで構成されている単結晶引き上げ用
種結晶、及び該単結晶引き上げ用種結晶が装着された種
結晶保持具を模式的に示した断面図である。

【符号の説明】

１６、２６ 単結晶引き上げ用種結晶 １６ａ、２６ａ 大口径部 １６ｂ、２６ｂ 中間部 １６ｃ、２６ｃ 小口径部 １６ｄ、２６ｄ 境界部

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 大口径部と小口径部とを有し、これら大
   口径部と小口径部とを接続する中間部の垂直断面形状が
   曲線を含んで構成されていることを特徴とする単結晶引
   き上げ用種結晶。
2. 【請求項２】 中間部の曲率の半径が３０〜３００ｍｍ
   であることを特徴とする請求項１記載の単結晶引き上げ
   用種結晶。
3. 【請求項３】 単結晶を支持する部分の表面の凹凸が１
   ００μｍ以下に制御されていることを特徴とする単結晶
   引き上げ用種結晶。
4. 【請求項４】 単結晶を支持する部分の表面の凹凸が１
   ００μｍ以下に制御されていることを特徴とする請求項
   １又は請求項２記載の単結晶引き上げ用種結晶。