JP3191042B2 - Ｃｚシリコン単結晶製造装置 - 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、チョクラルスキー
法により、多結晶シリコンからシリコン単結晶を育成す
るＣＺシリコン単結晶製造装置、特に、大口径の単結晶
シリコンを製造するＣＺシリコン単結晶製造装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】多結晶シリコン塊または粒状多結晶シリ
コンからシリコン単結晶を育成する方法として、チョク
ラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という。）が一般的に
知られている。このＣＺ法を利用したシリコン単結晶の
製造は、以下のように行われている。多結晶シリコン塊
あるいは粒状多結晶シリコンをチャンバー内に配した石
英ルツボ内部に充填し、石英ルツボを所定の速度で回転
させる。次に、石英ルツボの周囲に設けられたヒーター
を、ヒーターを支持する電極によって通電し、発熱させ
る。このヒーターの発熱により、石英ルツボは加熱され
ることになる。電極のヒーターへの通電を継続して行う
ことによって、石英ルツボ内の温度は、ヒーターからの
加熱により、をシリコンの融点（１４１２℃）以上に達
する。これにより、石英ルツボ内の多結晶シリコンは融
解することになる。この融解した多結晶シリコン（シリ
コン融液）に、チャンバー上部から種結晶を接触させ、
熱的に平衡状態となるようにヒーターのパワーを調節す
る。その後、パワーを若干低下させた状態で、種結晶３
０８を所定速度で回転させつつ引上げワイヤー３１９に
より上昇させると、直径２〜３ｍｍの絞り部分の下端に
シリコン単結晶３２１が育成される。このようなＣＺ法
を利用した従来のシリコン単結晶製造装置により工業的
に量産されているシリコン単結晶の最大直径は、約２０
０ｍｍである。

【０００３】ここで、電極は、ヒーターを支持するた
め、電極の素材としては、高強度性が要求される。ま
た、１０００℃以上の高温下に晒されるため、高耐熱性
も要求される。更にヒーターに数千Ａの電流を流すた
め、高電気伝導度も要求される。このため、シリコン単
結晶製造装置に用いられる電極には、一般的に高強度性
及び高耐熱性及び高電気伝導度を有するカーボン電極が
用いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】カーボン電極は、高強
度性及び高耐熱性を有する点で優れているが、同時に高
熱伝導性を有するという性質がある。このため、ヒータ
ーの熱量は、カーボン電極に伝達され、更に電極の軸方
向に沿って下部の金属シャフトに伝達される。ここで、
金属製シャフトは水で冷却されており、このため、ヒー
ターから発熱した熱量は、この金属製シャフトから外部
へ漏洩されてしまう。尚、この熱損失は、ヒーターから
発熱した全熱量の約１０％であることが知られている。

【０００５】直径約２００ｍｍ程度の小口径のシリコン
単結晶を製造する場合、ルツボに充填する多結晶シリコ
ンは少量で済み、ルツボは大容量を必要としない。この
ため、ルツボの周囲に設けられ、ルツボを加熱するヒー
ターも小径で充分であり、多結晶シリコンを融解するた
めに必要なヒーターの発熱量も少量で済むことになる。
従って、従来からのシリコン単結晶製造装置で、小口径
のシリコン単結晶を製造する場合には、チャンバー下部
から漏洩する熱量は、誤差の範囲内となり、熱損失によ
り、ルツボ内の温度がシリコンの融点以下に下がること
は少なかった。

【０００６】一方、近年、直径１２インチ以上の大口径
のシリコン単結晶の製造が試みられている。しかし、大
口径のシリコン単結晶を製造する場合、融解する多結晶
シリコンは大量となり、これに応じてルツボの容量も大
きくなるため、ルツボを包囲するヒーターは大径となり
重量も増大するため、ヒーターを支持する電極は、この
重量を支えるため、必然的に大径にする必要がある。ま
た、大量の多結晶シリコンを融解するためには、ヒータ
ーからの熱量が多量に必要となってくる。このため、約
１０％の熱損失は、誤差の範囲を超え、漏洩する熱量に
より、ルツボ内の温度をシリコンの融点以上に保持する
ことができなくなる。ルツボ内の温度がシリコンの融点
以下に下がると、多結晶シリコンを融解することができ
ず、従ってシリコン単結晶を製造することができなくな
るため、ヒーターの発熱量を増大させ、ルツボ内の温度
をシリコンの融点以上に保持する必要がある。このた
め、従来のシリコン単結晶製造装置で、大口径のシリコ
ン単結晶を製造する場合、ヒーターの熱的な負荷の増大
によりヒーターの耐久性や電力コストが問題となり、そ
の製造コストが増大することになる。このため、大口径
のシリコン単結晶の製造は、小口径のシリコン単結晶製
造と比較して、製造コストの面で実現が困難であるとい
う問題があった。

【０００７】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであり、大口径のシリコン単結晶を製造する場
合において、電極からチャンバー下部へ漏洩する熱量を
抑制することにより、ヒーターの発熱量を低減させるこ
とができるシリコン単結晶製造装置を提供することを目
的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、請求項１に係る発明は、多結晶シリコンを充填す
るルツボと、該ルツボを加熱するヒーターと、該ヒータ
ーに通電する電極とを備え、前記電極には、軸方向の熱
伝導を抑制する低熱伝導部材が介在配置され、前記電極
がカーボン電極からなり、前記低熱伝導部材がカーボン
繊維強化複合材で形成されていることを特徴とするＣＺ
シリコン単結晶製造装置を提供する。

【０００９】本発明は、低熱伝導部材を介在配置させた
電極を有するＣＺシリコン単結晶製造装置であり、電極
からチャンバー下部へ漏洩する熱量を前記低熱伝導部材
によって低減することができる。

【００１０】本発明では、電極に軸方向の熱伝導を抑制
する低熱伝導部材を介在配置させている。ここで、「軸
方向の熱伝導を抑制する」とは、電極上部と下部との間
の熱伝達を減少させること、または遮断することをい
う。また、「介在配置されている」とは、低熱伝導部材
が電極の横断面全体にわたって電極にサンドイッチ状に
配置されていることをいう。従って、ヒーターが発熱し
た場合には、ヒーターからの熱量の一部が電極に伝達さ
れるが、低熱伝導部材が電極中に熱隔壁のように介在配
置されているため、電極の低熱伝導部材よりも上方の部
分から低熱伝導部材よりも下方の部分への熱伝導が抑制
される。このため、電極の軸方向への熱伝導が減少し、
その結果、電極下部から外部へ漏洩する熱量は低減され
る。

【００１１】ここで、低熱伝導部材は、電極中に上述の
如く介在配置されていれば、その構成は特に限定される
ものではなく、例えば、ディスク状の低熱伝導部材を柱
状電極中の任意の軸方向位置にサンドイッチ状に配置し
て構成することができる。また、低熱伝導部材を電極の
複数の軸方向位置に配置させるように構成してもよい。

【００１２】このように、低熱伝導部材を電極に介在配
置させることによって、電極下部から外部へ漏洩する熱
量を低減できるため、ルツボ内の多結晶シリコンに加わ
る熱量を維持し、ルツボ内の温度をシリコンの融点以上
に保持することができる。言い換えると、電極中に介在
配置された低熱伝導部材により、電極下部から外部へ漏
洩する熱量が低減されるため、熱損失を考慮してヒータ
ーの発熱量を多量に必要とすることがなくなり、その結
果、大口径のシリコン単結晶を製造する場合でも、製造
電力コストが減少することになる。

【００１３】電極の材質は、大径かつ、大重量のヒータ
ーを支持するものであるため、高強度性を有する材質で
あることが好ましい。このような材質の電極として、例
えば、カーボン電極を用いることができる。

【００１４】低熱伝導部材は、大径かつ、大重量のヒー
ターを支持する電極の一部を構成するため、低熱伝導性
とともに高強度性を有する材質であることが好ましい。
また、低熱伝導性部材は、ヒーターを通電する電極の一
部を構成するため、電気抵抗率は、電極本体を構成する
材料の電気抵抗率と大差ないことが望ましいが、電極軸
方向の寸法を適切に選ぶことによって電極の電気抵抗率
よりも十数％高い電気抵抗率のものを用いることも可能
である。例えば、電極をカーボン電極とした場合には、
低熱伝導性部材として、高強度性を有し、かつ電極のカ
ーボンと電気抵抗率が同等（±１０％程度）のカーボン
繊維強化複合材を用いることで、本発明の効果を達成す
ることができる。

【００１５】

【００１６】本発明では、電極をカーボンとし、低熱伝
導部材をカーボン繊維強化複合材で構成することによ
り、電極が高強度かつ低熱伝導性を保持するものであ
る。大口径のシリコン単結晶を製造する場合において、
ルツボの容量が大きくなり、このため、ヒーターも大径
かつ大重量となる。このため、ヒーターを支持する電極
は、ヒーターを支えるため、大径、かつ高強度性を有す
ることが必要である。更に、電極の高強度性を維持する
ためには、電極中に介在配置する低熱伝導部材も高強度
性を有することが必要である。また、電極は、ヒーター
に通電するためのものであるため、電極に介在配置され
る低熱伝導部材の電気抵抗率は、電極の電気抵抗率と大
差ないことが必要である。本発明では、高強度性を有す
る電極として、カーボン電極を採用し、低熱伝導性部材
として、高強度性を有し、かつ電気抵抗率がカーボンと
同等であるカーボン繊維強化複合材を採用している。こ
のため、大口径のシリコン単結晶を製造する場合に、高
強度性を保持しながら、電極下部から外部へ漏洩する熱
量を低減することができ、その結果、シリコン単結晶の
製造コストを低減することができる。

【００１７】尚、カーボン繊維強化複合材は、高強度性
を有しかつ電気抵抗率がカーボンと同等であるので、カ
ーボン電極に介在させるだけではなく、電極自体をカー
ボン繊維強化複合材で構成しても良い。

【００１８】即ち、請求項２に係る発明は、多結晶シリ
コンを充填するルツボと、該ルツボを加熱するヒーター
と、該ヒーターに通電する電極とを備え、前記電極がカ
ーボン繊維強化複合材で形成されていることを特徴とす
るＣＺシリコン単結晶製造装置を提供する。

【００１９】本発明では、電極自体を、高強度性を有し
かつ電気抵抗率がカーボンと同等であるカーボン繊維強
化複合材で構成することにより、介在させることと同様
に、電極が高強度かつ低熱伝導性を保持するものであ
る。このため、大口径のシリコン単結晶を製造する場合
に、高強度性を保持しながら、電極下部から外部へ漏洩
する熱量を低減することができ、その結果、シリコン単
結晶の製造コストを低減することができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施形態
について、図示例とともに説明する。図１には、本発明
の一実施形態に係るＣＺシリコン単結晶製造装置の概略
構成図を示している。また、図２には、本発明の一実施
形態に係るＣＺシリコン単結晶製造装置に使用されるヒ
ーター及び電極の斜視図を示している。

【００２１】この実施形態に係るＣＺシリコン単結晶製
造装置は、石英ルツボ５、ルツボ回転軸１５、ヒーター
９、電極１３を備えた引上炉１として構成されている。

【００２２】引上炉１のチャンバー内部には、多結晶シ
リコンを充填するための石英ルツボ５が、黒鉛ルツボ３
内に嵌合支持されている。この石英ルツボ５は、大口径
のシリコン単結晶を製造するため、少なくとも１２イン
チ以上の口径を有している。石英ルツボ５を保持する黒
鉛ルツボ３は、金属シャフト１９上に結合配置されたル
ツボ回転軸１５上のターンテーブルに支持されている。
ルツボ回転軸１５は、金属シャフト１９を介して回転駆
動され、石英ルツボ５及び黒鉛ルツボ３は、ルツボ回転
軸１５を中心軸として回転可能に構成されている。この
石英ルツボ５及び黒鉛ルツボ３の周囲には、石英ルツボ
５内に装入された原料多結晶シリコンを融解するための
ヒーター９が設けられている。このヒーター９は、支持
台１２を介して、ヒーターに通電するための電極１３に
よって炉体に支持されている。尚、図２の符号２２は、
ヒーター９のミランダ形状を形成する絶縁スリットであ
る。

【００２３】更に、電極１３は、金属シャフト２０の上
に設置されており、金属シャフト２０は、内部を水で冷
却されている。ここで、電極１３は、カーボン素材から
なるカーボン電極であり、電極の軸方向の一箇所には、
軸方向の熱伝導を抑制するための低熱伝導部材として、
ディスク状のカーボン繊維強化複合材１７が上下から電
極のカーボン部材で挟持されるように介在配置されてい
る。石英ルツボ５内の多結晶シリコンの方から、引上げ
ワイヤー２５により種結晶ホルダ１０が吊り下げられて
おり、種結晶ホルダ１０には、種結晶８が保持されてい
る。この種結晶８は、引上げワイヤー２５により、上昇
下降及び軸心回りの回転（以下、「自転」という。）が
可能である。

【００２４】次に、本実施形態のシリコン単結晶製造装
置を使用した場合のシリコン単結晶の製造方法について
説明する。

【００２５】まず、原料多結晶シリコンを石英ルツボ５
内に充填した後、石英ルツボ５を所定の速度で回転させ
る。次に、電極１３からヒーター９内に通電することに
より、ヒーター９を発熱させる。これにより、ヒーター
９に包囲された石英ルツボ５が加熱されることになる。
電極１３によるヒーター９への通電を継続して行うこと
により、石英ルツボ５内の多結晶シリコンが融点（１４
１２℃）に達すると、石英ルツボ内の多結晶シリコンが
融解する。次に、種結晶８を引上げワイヤー２５により
下降し、融解した多結晶シリコン（シリコン融液）７の
中に浸着させた後、熱的に平衡となるようにヒーター９
のパワーを調節する。その後、パワーを若干低下させた
状態で、種結晶８を所定速度で自転させつつ、引上げワ
イヤー２５により、所定の速度で種結晶８の引上げを開
始する。これにより、直径２〜３ｍｍの絞り部分に続い
て大口径のシリコン単結晶６が育成される。

【００２６】ここで、電極１３の通電によりヒーター９
は発熱するが、発熱したヒーター９からの熱量は、黒鉛
ルツボ３及び石英ルツボ５に伝達されるとともに、電極
１３にも伝達される。このうち、ヒーター９から電極に
伝達された熱量は、電極１３の上部から下部に軸方向に
沿って伝導により移動することになる。ここで、本実施
形態では、電極１３の途中に、低熱伝導部材としてのカ
ーボン繊維強化複合材１７が介在配置されているため、
このカーボン繊維強化複合材１７よりも下部には熱量が
伝導移動しにくくなっている。このため電極１３を介し
てチャンバーの下部から外部へ漏洩する熱量が減少する
ことになり、それに応じて石英ルツボ５内の温度低下も
抑制されることになる。従って、従来のように、熱の漏
洩を考慮して、ヒーター９の発熱量を過大に増大させる
必要はなく、その分だけヒーターの発熱量を低減してそ
の耐久性の向上と電力コストの低減を果たすことができ
る。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したとおり、本発明に係るシリ
コン単結晶製造装置は、ヒーターに通電する電極に、軸
方向の熱伝導を抑制する低熱伝導部材を介在配置したた
め、大口径のシリコン単結晶を製造する場合でも、電極
からチャンバー下部へ漏洩する熱量を抑制させることが
でき、ヒーターの発熱量を過大に増加させることなく、
ルツボ内の温度低下を抑制し、ヒーターの耐久性の向上
及び電力コストの低減を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態におけるＣＺシリコン単結晶
製造装置の概略構成図である。

【図２】本発明の実施形態におけるＣＺシリコン単結晶
製造装置に用いるヒーター及び電極の斜視図である。

【符号の説明】

１：引上炉 ３：黒鉛ルツボ ５：石英ルツボ ６：シリコン単結晶 ７：シリコン融液 ８：種結晶 ９：ヒーター １０：種結晶ホルダ １１：熱遮蔽材 １２：ヒーター支持台 １３：電極 １５：ルツボ回転軸 １７：カーボン繊維強化複合部材（低熱伝導部） １９、２０：金属シャフト ２１：観察窓 ２２：絶縁スリット ２３：光学系 ２５：引上げワイヤー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 町田 倫久 東京都千代田区丸の内１−４−２ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (72)発明者 白石 裕 東京都千代田区丸の内１−４−２ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (72)発明者 松原 順一 東京都千代田区丸の内１−４−２ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (72)発明者 飯田 哲広 東京都千代田区丸の内１−４−２ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (72)発明者 高瀬 伸光 東京都千代田区丸の内１−４−２ 株式 会社スーパーシリコン研究所内 (56)参考文献 特開 平９−157084（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−96355（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多結晶シリコンを充填するルツボと、 該ルツボを加熱するヒーターと、 該ヒーターに通電する電極とを備え、 前記電極には、軸方向の熱伝導を抑制する低熱伝導部材
   が介在配置され、前記電極がカーボン電極からなり、前記低熱伝導部材が
   カーボン繊維強化複合材で形成されている ことを特徴と
   するＣＺシリコン単結晶製造装置。
2. 【請求項２】 多結晶シリコンを充填するルツボと、 該ルツボを加熱するヒーターと、 該ヒーターに通電する電極とを備え、 前記電極がカーボン繊維強化複合材で形成されている こ
   とを特徴とするＣＺシリコン単結晶製造装置。