JP3203341B2 - 半導体単結晶棒製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チョクラルスキー法に
よる半導体単結晶棒製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種集積回路の製造に用いられる半導体
単結晶、特にシリコン単結晶の製造には、チョクラルス
キー（以下、ＣＺと略す）法により製造された単結晶棒
が用いられている。

【０００３】これまでにもＣＺ法による単結晶棒の製造
装置は、転位や各種の結晶欠陥等を極力少なくし、ま
た、より低いコストで単結晶棒を製造するために多くの
改良がなされている。

【０００４】その一つに、加熱チャンバ内部に引上げ中
の単結晶棒を取り囲むように冷却筒を設け、引上げ中の
単結晶棒を効率よく冷却することにより引上げ速度を速
くしても転位や結晶欠陥等が生じないような方法および
装置が各種提案されている。この様な冷却筒を設けた引
上げ方法およびその装置としては、例えば特開昭４７−
２６，３８８号公報、特公平３−３５，２７９号公報お
よび特開平２−９７，４８１号公報等に開示されている
ものがある。

【０００５】特開昭４７−２６，３８８号公報の開示技
術では、引上げチャンバ下部分を延長して加熱チャンバ
内部に張り出させ、単結晶棒を取り囲むようにして小円
筒を設け、不活性ガスを該引上げチャンバ上方から吹き
付ける引上げ方法およびその装置が開示されており、こ
れによると、単結晶棒の強制冷却により凝固界面が平滑
化されて各種格子欠陥の低減が図られるとされている。
しかしながら、この公報による方法では、冷却をガスに
よる強制冷却にのみ依存しているため、直径が１００ｍ
ｍを越える結晶の大口径化および減圧操業が普通になっ
た現在では冷却効果が不十分である。

【０００６】次に、特公平３−３５，２７９号公報の開
示技術では、引上げ中の単結晶を同軸に囲み、その先端
が融液に近接する先細管状体にて、その構造は熱伝導
率、熱輻射率をそれぞれ特定した３層構造からなる。こ
の方法および装置では、先細管状体が引上げチャンバ入
り口に載置されているだけなので管状体の抜熱が不十分
であり、また、管状体の外面を黒鉛や炭化珪素、窒化珪
素とすることは、中間に断熱層を設けても内面側の加熱
効果を完全に防止することは難しいなどの問題点があ
る。

【０００７】さらに、特開平２−９７，４８１号公報の
開示技術では、引上げ中の単結晶を同心に囲む先細冷却
筒にて、冷媒路を設けることにより、冷却筒の冷却効率
を高めている。この方法および装置では、構造が複雑で
高価なため、引上げ条件に応じた種々の長さの冷却筒を
常備することはコストの上昇を招き、また、この様な構
造のものは冷却筒外面にＳｉＯが付着し易く、付着した
ＳｉＯが時に落下して結晶の有転位化をもたらす。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
半導体単結晶棒製造方法および装置は、種々改良が成さ
れているが、近年の半導体単結晶棒の大口径化やより低
コストでの良品を得るためには、いまだ満足の行く方法
および装置といえるものではない。

【０００９】そこで、本発明は、結晶欠陥の少ない大口
径の半導体単結晶棒を低コストで製造するための半導体
単結晶棒製造装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記諸目的は、半導体融
液が収容されるルツボおよび該ルツボ内の原料半導体を
加熱する加熱ヒータを格納した加熱チャンバ本体と、該
加熱チャンバの開口部を覆う加熱チャンバ天井部の中央
部分に位置し、引上げられた半導体単結晶棒を収納する
引上げチャンバ部よりなる半導体単結晶棒の製造装置に
おいて、該加熱チャンバ天井部と該引上げチャンバ部と
の接合部位より加熱チャンバ内部に向かって伸延し、引
上げ中の半導体結晶棒を取り囲む共に、少なくとも一部
が加熱チャンバ内部に向かって縮径している整流冷却筒
を前記加熱チャンバ天井部と一体に形成し、かつ整流冷
却筒が銅、ニッケル、チタン、タングステンまたは白金
元素で被覆された銅またはニッケルよりなる群から選択
された少なくとも一つの素材により形成されていること
を特徴とする半導体単結晶棒製造装置により達成され
る。

【００１１】本発明は、該整流冷却筒内部に嵌合し、整
流冷却筒からさらに前記加熱チャンバ内に向かって伸延
する黒鉛、炭化珪素および表面が炭化珪素で被覆された
黒鉛よりなる群から選択された少なくとも一つの素材よ
り形成された内部冷却筒をさらに有することを特徴とす
る半導体単結晶棒製造装置である。

【００１２】

【作用】上述のように構成された本発明の半導体単結晶
棒製造装置は、加熱チャンバ天井部と該引上げチャンバ
部との接合部位より加熱チャンバ内部に向かって伸延
し、引上げ中の半導体単結晶棒を取り囲む整流冷却筒を
前記加熱チャンバ天井部と一体的に形成したことによ
り、整流冷却筒の抜熱が、加熱チャンバ天井部により効
果的に行われるため、引上げ中の半導体単結晶棒を急冷
することができる。そして、該整流冷却筒を、例えば熱
伝導率の高い銅、ニッケルおよび銅またはニッケルまた
は蒸気圧の低いチタン、タングステン、白金属元素で被
覆された銅またはニッケルよりなる群から選択された少
なくとも一つの素材により形成されることにより、チャ
ンバ内部の汚染を防止することができる。

【００１３】また、該整流冷却筒内部に輻射率の優れた
黒鉛、炭化珪素および表面が炭化珪素で被覆された黒鉛
よりなる群から選択された少なくとも一つの素材により
形成された内部冷却筒を嵌合させることにより、さらに
効率良く半導体棒を冷却することができる。そして、該
整流冷却筒を加熱チャンバ内部に向かって縮径させるこ
とにより、内部冷却筒の嵌合を容易に行うことができ、
該整流冷却筒が加熱チャンバ内部に向かって縮径されて
いるため、該内部冷却筒との接触面積を多くとることが
でき、しかも縮径されていることにより該整流冷却筒お
よび該内部冷却筒の内外径が熱膨脹により変化しても、
その変化に追従するため前記内部冷却筒と前記整流冷却
筒との熱伝達性は良好に保つことができるので、内部冷
却筒の抜熱も常に効果的に行われる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明にかかる単結晶棒の製造装
置の概略の構成図である。

【００１５】この単結晶棒の製造装置１は、半導体原
料、例えばシリコンを溶融するための部材や結晶化した
シリコンを引き上げる機構などを有しており、シリコン
溶融のための部材は加熱チャンバ本体２ａおよび加熱チ
ャンバ天井部２ｂよりなるチャンバ２内に収容され、こ
の加熱チャンバ本体２ａと加熱チャンバ天井部２ｂは分
離機構２０によって分離可能であり、シリコン単結晶を
引き上げる機構は引き上げチャンバ３内外に設けられて
いる。

【００１６】加熱チャンバ本体２ａ内には、溶融してい
るシリコンを収容するルツボ５が設けられ、このルツボ
５は駆動装置（図示せず）の回転軸４によって回転、昇
降自在に支持されている。駆動装置は、シリコン単結晶
棒Ｓの引き上げに伴う液面低下を補償すべくルツボ５を
液面低下分だけ上昇させ、また、シリコン融液の撹拌を
行なうためにルツボ５を常時所定の回転数で回転させ
る。回転軸４は加熱チャンバ本体２ａを貫通している
が、チャンバ内外の気密を保持し、また極めて悪い温度
条件の下での使用となるために、特殊なベアリングで保
持してある。ルツボ５は、従来と同様に石英ルツボ５ｂ
とこれを保護する黒鉛製ルツボ５ａとから構成されてい
る。

【００１７】ルツボ５の側壁部分には、シリコンを溶融
させる加熱ヒータ６がその周囲を取り囲むように配置さ
れている。この加熱ヒータ６の外側には、加熱ヒータ６
からの熱が加熱チャンバ本体２ａに直接輻射されるのを
防止する断熱部材１１がその周囲を取り囲むように設け
られている。なお、加熱ヒータ６と断熱部材１１とは支
持台２４に取り付けられている。

【００１８】引き上げチャンバ３には、ワイヤ巻上機１
０に一端が取り付けられ、引き上げチャンバ３の頂壁を
挿通して垂れ下げられた引き上げワイヤ７が設けられて
おり、この引き上げワイヤ７の下端には、種結晶を保持
するチャック９が取り付けられている。ワイヤ巻上機１
０は種結晶の下端側に徐々に成長するシリコン単結晶棒
Ｓをその成長速度等にしたがって引き上げ、同時に、ル
ツボ５の回転方向とは反対に常時回転させる。

【００１９】チャンバ２内部は、引き上げチャンバ３に
設けられたガス導入口１２からアルゴンガスが導入さ
れ、内部を流通し、単結晶棒引上げ中は大気圧もしくは
大気圧より数Ｔｏｒｒ程度の低い圧力に保たれて、ガス
流出口１３から排出される。このようにアルゴンガスを
流通させるのは、シリコンの溶融に伴ってチャンバ内部
に発生するＳｉＯがチャンバ内部の各種部材に付着し、
これのシリコン融液上への落下によるシリコン融液内の
汚染や結晶の有転位化を防止し、かつアルゴンガスによ
り引上げ中のシリコン単結晶棒を冷却するためである。

【００２０】加熱チャンバ本体２ａおよび加熱チャンバ
天井部２ｂは、ステンレスにより形成されており、冷却
管が通り水冷されている。そして、加熱チャンバ天井部
２ｂには引上げチャンバ３下部分より加熱チャンバ本体
２ａ内部に向かって、単結晶棒を取り囲むように加熱チ
ャンバ２ｂと一体構造を成し、引上げチャンバ３下部分
より加熱チャンバ本体２ａ内部に向かって縮径している
整流冷却筒３０が設けられている。この整流冷却筒３０
は、熱伝導性の良い銅、ニッケルおよび銅、ニッケルま
たは蒸気圧の低いチタン、タングステン、白金族元素等
の金属で被覆された銅またはニッケル等の素材により形
成されており、好ましくは熱伝導性の優れた銅にニッケ
ルメッキを施したもので形成することにより、以下に説
明する黒鉛製の内部冷却筒２５を嵌合させた場合に黒鉛
と反応することなく、また、ニッケルは銅に比べるとそ
の蒸気圧が低いので、高温となるチャンバ２内部にあっ
てもチャンバ２内を汚染することがない。

【００２１】そして、この整流冷却筒は、水冷されてい
る加熱チャンバ天井部と一体構造となっているので十分
な抜熱が成されており、以下に説明する内部冷却筒２５
および内部冷却筒２５の内側を引上げ中の単結晶棒Ｓに
沿って流通しているアルゴンガスの昇温を抑制すること
ができる。また、整流冷却筒３０の素材は上述のように
ニッケルメッキ等が施されていることにより、整流冷却
筒の外側部分は、チャンバ内部の輻射熱が反射されるた
め整流冷却筒自体の昇温も少なくてすむ。

【００２２】また、この整流冷却筒３０の長さは、単結
晶棒Ｓの結晶径以上で、シリコン融液界面より３００〜
１００ｍｍ程度とすることが望ましい。この長さが結晶
径より短い場合には結晶棒Ｓからの輻射熱を十分抜熱す
ることができず、一方融液界面に１００ｍｍより近い場
合には、溶解する前の原料シリコン塊をルツボ５内に入
れたときにかさ高くなっている原料シリコン塊に接触
し、原料シリコンを汚染したりチャンバ天井部２ｂが締
まらなくなったりして不都合が生じるからである。 さ
らに、整流冷却筒３０内部には、ルツボ５の融液界面に
向けて伸延する取り外し自在の黒鉛製の内部冷却筒２５
が縮径された整流冷却筒３０に嵌合している。この内部
冷却筒２５は、整流冷却筒３０によって加熱ヒータ６お
よびシリコン融液等からの輻射熱が遮断され、引上げ中
の単結晶棒Ｓの急冷を可能としている。

【００２３】この内部冷却筒２５は、取り外しが自由に
行えるため、様々な長さや肉厚の内部冷却筒２５を取り
揃え、適宜交換することにより、引上げ中の単結晶棒の
急冷域を変化させることができ所望の品質のシリコン単
結晶を得ることが可能となる。すなわち、内部冷却筒２
５を融液界面近くまで長くした場合には、引き上げ中の
シリコン単結晶棒Ｓを引上げ直後より急冷することがで
き単結晶棒トップ側の品質のシリコン単結晶が得られ、
内部冷却筒２５を短くし、融液界面からの距離を多くと
った場合には、引上げ直後は徐冷されることになり、単
結晶棒ボトム側の品質のシリコン単結晶が得られる。

【００２４】また、この内部冷却筒２５の素材となる黒
鉛は、融液界面近くに設置してＳｉＯが付着しても融液
内に落下することなく融液の汚染や結晶の有転位化を生
ずることがない。

【００２５】以上のように構成された本発明による半導
体単結晶棒製造装置を用いてシリコン単結晶を製造した
結果を整流冷却筒３０のみを用いた場合と、整流冷却筒
内部に、内部冷却筒２５を嵌合させて製造した場合につ
いて表１に示す。また、比較のために、本発明に係る整
流冷却筒のない半導体単結晶棒製造装置を用いてシリコ
ン単結晶棒を製造した場合および整流冷却筒に代わり単
に黒鉛製の冷却筒を加熱チャンバ天井部２ｂからぶら下
げてシリコン単結晶棒を製造した場合について同じく表
１に示す。なお、このときのルツボは１６インチ直径の
ものを使用し、製造した単結晶棒は呼び径６インチのも
のである。

【００２６】

【表１】

【００２７】表１からわかるように、本発明の半導体単
結晶棒製造装置により製造したシリコン単結晶棒は無転
位単結晶引き上げ率が高く、かつ引上げ速度を速くする
ことが可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体単
結晶棒製造装置は、金属製の整流冷却筒を水冷された加
熱チャンバ天井部と一体構造としたことにより、整流冷
却筒自体の抜熱に優れ、内部を流通するアルゴンガスの
昇温を抑制すると同時に、原料半導体融液からの輻射熱
を反射することができるため、単結晶棒をより急冷する
ことができる。さらに内部に取り外し自在の黒鉛製の内
部冷却筒を嵌合させることにより原料融液直上から引上
げ中の単結晶棒を急冷することが可能である。そして、
この黒鉛製の内部冷却筒は取り外しが自在であるため、
各種の長さ、形状のものを常備しても大きなコスト上昇
を招くことなく、所望の品質の半導体単結晶棒を製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による半導体単結晶棒製造装置を説明
するための図面である。

【符号の説明】

１…半導体単結晶棒製造装置、 ２…チャン
バ、２ａ…加熱チャンバ本体、 ２ｂ…
加熱チャンバ天井部、３…引上げチャンバ、
４…回転軸、５…ルツボ、
５ａ…黒鉛ルツボ、５ｂ…石英ルツボ、
６…加熱ヒータ、７…ワイヤ、
９…チャック、１０…ワイ
ヤ巻上機、 １１…断熱材、１２…
ガス導入口、 １３…ガス排出
口、２０…分離機構、 ２５…
整流冷却筒、３０…内部冷却筒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江阪 久雄 千葉県富津市新富20−１ 新日本製鐵株 式会社 技術開発本部内 (56)参考文献 特開 平１−160891（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−68389（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−97481（ＪＰ，Ａ) 特公 平３−35279（ＪＰ，Ｂ２) (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】 半導体融液が収容されるルツボおよび該
   ルツボ内の原料半導体を加熱する加熱ヒータを格納した
   加熱チャンバ本体と、該加熱チャンバの開口部を覆う加
   熱チャンバ天井部の中央部分に位置し、引上げられた半
   導体単結晶棒を収納する引上げチャンバ部よりなる半導
   体単結晶棒の製造装置において、該加熱チャンバ天井部
   と該引上げチャンバ部との接合部位より加熱チャンバ内
   部に向かって伸延し、引上げ中の半導体結晶棒を取り囲
   む共に、少なくとも一部が加熱チャンバ内部に向かって
   縮径している整流冷却筒を前記加熱チャンバ天井部と一
   体に形成し、かつ整流冷却筒が銅、ニッケル、チタン、
   タングステンまたは白金元素で被覆された銅またはニッ
   ケルよりなる群から選択された少なくとも一つの素材に
   より形成されていることを特徴とする半導体単結晶棒製
   造装置。
2. 【請求項２】 該整流冷却筒内部に嵌合し、整流冷却筒
   からさらに前記加熱チャンバ内に向かって伸延する黒
   鉛、炭化珪素および表面が炭化珪素で被覆された黒鉛よ
   りなる群から選択された少なくとも一つの素材より形成
   された内部冷却筒をさらに有することを特徴とする請求
   項１に記載の半導体単結晶棒製造装置。