JP3624633B2 - 単結晶引上げ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ Ｍｅｔｈｏｄ＝ＣＺ法、引上げ法）による単結晶引上げ装置において、種結晶交換用等の小容量の真空室を具備する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン等の半導体の多結晶材料から単結晶を得る方法として、チョクラルスキー法が知られている。チョクラルスキー法は、多結晶材料をいったん融解し、単結晶からなる種結晶を原料融液に接触させた後、回転させながらゆっくりと引き上げることにより単結晶棒を得る方法であり、種結晶を引き上げる手段としてシャフトを用いる方法とワイヤを用いる方法とがある。
【０００３】
従来のワイヤを用いた単結晶引上げ装置の一般的な構成例を図２に示す。この図に示すように、単結晶引上げ装置は、少なくとも原料融液を充填するルツボを収容するベースチャンバ１と、育成された結晶棒を取り出すためのプルチャンバ２と、チャンバ間を遮断するためのゲートバルブ３を具備している。
【０００４】
そして、ベースチャンバ１中には、ルツボ４と、ルツボの周囲に配置されたヒータ５および断熱材６が収容されており、ルツボ４を回転させるルツボ保持軸７及び回転機構８が設置されている。プルチャンバ２の上部には、ワイヤを回転および巻き取るワイヤ巻取機構を収納するボックス９があり、このワイヤ巻取機構から巻き出されるワイヤ１０の先端には、種結晶１１を保持する種ホルダ１２が係止されている。種ホルダ１２は、プルチャンバ２、ゲートバルブ３を通して、ベースチャンバ１内の原料融液に達することができ、回転上下動自在に構成されている。
【０００５】
プルチャンバ２は育成された単結晶棒を取り出すため開放可能に構成されており、プルチャンバ２を開放する時にベースチャンバ１を外気と遮断するため、ゲートバルブ３がプルチャンバ２とベースチャンバ１との間に配置されている。
【０００６】
次に、上記の単結晶引上げ装置による単結晶育成方法について説明する。
まず、ルツボ４内に所望の高純度多結晶材料を充填し、ヒータ５によって該多結晶材料の融点（シリコンであれば約１４００°Ｃ）以上に加熱して融解する。次に、ワイヤ１０を巻き出すことにより融液の表面略中心部に種結晶１１の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸７を適宜の方向に回転させるとともに、ワイヤ１０を回転させながらゆっくりと巻き取り、種結晶１１を引き上げることにより、単結晶育成が開始される。以後、主に引上げ速度と温度を適切に調節することにより略円柱形状の単結晶棒を得ることができる。
【０００７】
単結晶の育成が終了したなら、種ホルダ１２を上部のボックス９中に格納された不図示のワイヤ巻取機構によって上昇させ、成長単結晶棒をプルチャンバ２内に移動する。
種ホルダ１２とともに単結晶棒がプルチャンバ２内に収容されたなら、ゲートバルブ３を閉じて、プルチャンバ２とベースチャンバ１を遮断する。プルチャンバ２内を常圧にした後、プルチャンバ２の不図示の結晶取り出し用ドアを開放する。育成された結晶棒を炉外に取り出す。
【０００８】
結晶棒の取り出しが終了したら、プルチャンバ２の結晶取り出し用ドアを閉め、プルチャンバ内を真空排気の後、不活性ガス雰囲気に置換する。ガス雰囲気、圧力をベースチャンバ１と同じにし、ゲートバルブ３を開ける。そして、種ホルダ１２をワイヤ巻取機構によって下降させることによって種結晶１１を下降させ、再度結晶の引上げを行う。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このようなチョクラルスキー法において、プルチャンバを開放する必要が生じるのは、上記のような成長単結晶棒を取り出す場合に限られず、種結晶を交換する等の理由から行われる場合がある。
【００１０】
例えば、誤った軸方位の種結晶を用いた場合に、これを正規のものに取り換える場合、あるいは育成中に結晶が有転位化した場合に、育成結晶棒を再溶融の後、改めて結晶の引上げを行うが、この際種結晶が短すぎて、正規の長さを有するものに交換してからでないと引上げが出来ない場合がある。さらに、結晶育成前あるいは育成中において、原料融液にルツボその他から派生した異物が浮遊し、種結晶あるいは成長中の結晶棒に付着し、有転位化する場合がある。このような場合には、その異物が付着した種結晶あるいは結晶棒を取り出すことによって、異物を取り除く必要がある。
また、操業中種ホルダに劣化その他の理由から異常が生じた場合に、これを新しいものに交換する必要が生じることもある。
【００１１】
さらには、例えば、アンチモン、ひ素をドープする単結晶の引上げにおいては、当初種ホルダに種結晶をセットするのではなく、ドープ剤をセットし、多結晶原料の溶融が終了してから、種ホルダを下降させることによって、原料融液にドープ剤を投入し、その後種ホルダにセットされたドープ剤投入器を、種結晶に交換して結晶の育成を行う場合もある。
【００１２】
また、本出願人はいわゆるネッキングによる絞り部を形成することなく、結晶を単結晶化させることができ、大直径かつ長尺な高重量のシリコン単結晶を、結晶保持機構のような複雑な装置を使用することなく、極めて簡単に引上げることができる、シリコン単結晶の製造方法を開発することに成功し、先に提案した（特願平９−１７６８７号）。
【００１３】
この方法は、種結晶としてシリコン融液に接触させる先端部の形状が、尖った形状または尖った先端を切り取った形状であるものとし、まず該種結晶の先端をシリコン融液にしずかに接触させた後、種結晶を低速度で下降させることによって種結晶の先端部が所望の太さとなるまで溶融し、その後、種結晶をゆっくりと上昇させ、ネッキングを行うことなく、所望径のシリコン単結晶棒を育成させる、というようなシリコン単結晶の製造方法である。
【００１４】
ところが、このようなネッキングを行わないチョクラルスキー法においては、種結晶を接触、溶融する過程で種結晶が有転位化した場合に限らず、成長単結晶が有転位化した場合においても、その再溶融の過程で転位が種結晶にまで及ぶので、再度同じ種結晶から、同様にネッキングを行うことなく単結晶を成長させることは不可能となる。すなわち、ネッキングを行わないチョクラルスキー法は、一旦種結晶あるいは単結晶に転位を発生させると、同じ種結晶からはやり直しがきかないので、種結晶を交換する必要がある。
【００１５】
従来このような成長単結晶棒の取り出し以外の場合においても、上記育成された結晶棒を取り出す場合と同様に、種ホルダ１２をプルチャンバ２内まで引上げた後、プルチャンバ２を開放して種結晶等を交換していた。
【００１６】
ところが、近年の半導体デバイスの高集積化にともない、結晶が大直径かつ長尺化しており、育成する結晶の大直径・長尺化は、必然的に単結晶引上げ装置の大型化をもたらしている。したがって、このような結晶棒を収容するプルチャンバの容量も大きくなっており、上記のように引き上げた単結晶棒を取り出すために、あるいは種結晶等を交換するためにプルチャンバを開放する必要が生じた場合、種ホルダをプルチャンバに移動し、ゲートバルブを閉じ、プルチャンバを開放し、結晶取り出しあるいは種結晶の交換を行い、プルチャンバを閉じて、真空排気の後、不活性ガス置換し、ゲートバルブを開けるといった一連の操作に要する時間が非常に長くなっている。
【００１７】
このような結晶棒の取り出し、種結晶の交換作業の長時間化は、結晶製造時間全体に及ぼす影響が無視出来ないほど大きくなっており、大直径結晶の生産性低下の原因となっている。
【００１８】
そこで、本発明は上記のような問題に鑑みてなされたもので、大型化したチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置において、迅速に種結晶の交換作業を行うことが出来る装置を提供し、これによって特に大直径の単結晶の生産性を向上せしめることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載した発明は、少なくとも原料融液を充填するルツボを収容するベースチャンバと、育成された結晶棒を取り出すためのプルチャンバと、チャンバ間を遮断するためのゲートバルブを具備するチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置において、該プルチャンバの上部に、小容量のチャンバを設置したことを特徴とする単結晶引上げ装置である。
【００２０】
このように、小容量のチャンバを設置すれば、大容量化した結晶取り出し用のプルチャンバを開放する必要はなく、種結晶の交換等の作業はこの小容量のチャンバを用いて行うことが出来る。そして、小容量のチャンバでは、特に真空排気、不活性ガス置換の時間が格段に短縮されるので、種結晶交換等の作業時間を短縮することが出来、全体としてチョクラルスキー法による単結晶の生産性を向上せしめることが出来る。
【００２１】
本発明の請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の単結晶引上げ装置であって、前記チャンバ間を遮断するためのゲートバルブを２ケ具備することを特徴とする。
【００２２】
このように、単結晶引上げ装置にゲートバルブを２ケ具備するように構成すれば、小容量のチャンバとプルチャンバあるいはベースチャンバとの遮断が容易に出来るので、種結晶交換あるいは成長単結晶棒の取り出しのいずれの作業をも簡単、迅速に行うことが出来る。
【００２３】
また、本発明の請求項３に記載した発明は、請求項１または請求項２に記載の単結晶引上げ装置であって、前記小容量のチャンバは、種結晶交換用チャンバであることを特徴とする。
【００２４】
このように、小容量チャンバを種結晶交換用チャンバとすれば、結晶取り出し用のプルチャンバのような容量は必要なく、種ホルダと種が収容出来る容量があれば足りるので、プルチャンバに対して極めて少容量化することが出来る。
そして、本発明の装置はネッキングを行わないチョクラルスキー法のように、種結晶の交換を従来より頻繁に行う必要が生じる方法において、迅速に種結晶の交換が出来るので特に有益となる。
【００２５】
本発明の請求項４に記載した発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の単結晶引上げ装置であって、育成される単結晶が、シリコン単結晶棒であることを特徴とする。
【００２６】
このように、本発明にかかる単結晶引上げ装置は、ますます大直径・長尺化しており、装置の大型化が進んでいるシリコン単結晶棒の引上げ装置において、特に種結晶交換等の作業を迅速化することが出来、生産性の向上に寄与することが出来る。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者らは、ますます大型化している単結晶引上げ装置において、プルチャンバを開放する作業を行う場合に、大容量化したプルチャンバを排気、不活性ガス置換するのに要する時間が長くなっており、生産性に影響する度合いが大きくなっていることに鑑み、これを短く出来ないか種々検討した結果本発明を完成させたものである。
【００２８】
すなわち、大直径・長尺化した単結晶棒を取り出すために、プルチャンバを大容量化するのはやむを得ないにしても、種結晶の交換等の作業はこのような大容量化したプルチャンバで行わなければならないものではなく、種結晶の交換作業のために結晶の取り出しと同じような時間を費やすのは無駄である。そこで、結晶の取り出し作業と、種結晶等の交換作業を別のチャンバで行うことにした。
【００２９】
以下、本発明にかかる単結晶引上げ装置を図面に基づき説明すると、図１は本発明にかかる小容量のチャンバを有する装置の一構成例である。（図中、従来装置のものと同じ部材には同じ符号が付してある。）
【００３０】
この図に示すように、単結晶引上げ装置は、少なくとも原料融液を充填するルツボを収容するベースチャンバ１と、育成された結晶棒を取り出すためのプルチャンバ２と、チャンバ間を遮断するためのゲートバルブ３を具備している点は、従来装置と同様である。
【００３１】
そして、本発明にかかる装置においては、さらに結晶を取り出すためのプルチャンバ２の上部に小容量の種結晶交換用チャンバ１３が設けられており、下方のプルチャンバ２とは小型のゲートバルブ１４で遮断出来るようになっている。
この場合、種結晶交換用の小容量のチャンバ１３は、種結晶１１および種ホルダ１２を収容出来る容量があれば足り、小型のものとすることが出来る。
【００３２】
この小容量のチャンバ１３は種結晶の交換等が出来るように、例えばベローズチャンバになっており、開放可能に構成されている。そして小容量のチャンバ１３を開放する時にプルチャンバ２およびベースチャンバ１を外気と遮断するため、ゲートバルブ１４が小容量のチャンバ１３とプルチャンバ２との間に配置されている。
【００３３】
また、ベースチャンバ１中には、ルツボ４と、ルツボの周囲に配置されたヒータ５および断熱材６が収容されており、ルツボ４を回転させるルツボ保持軸７及び回転機構８が設置されている。小容量のチャンバ１３の上部には、ワイヤを回転および巻き取るワイヤ巻取機構を収納するボックス９があり、このワイヤ巻取機構から巻き出されるワイヤ１０の先端には、種結晶１１を保持する種ホルダ１２が係止されている。種ホルダ１２は、小容量のチャンバ１３、ゲートバルブ１４、プルチャンバ２、ゲートバルブ３を通して、ベースチャンバ１内の原料融液に達することができ、回転上下動自在に構成されている。
【００３４】
プルチャンバ２は育成された単結晶棒を取り出すため開放可能に構成されており、プルチャンバ２を開放する時にベースチャンバ１を外気と遮断するため、ゲートバルブ３がプルチャンバ２とベースチャンバ１との間に配置されている。
【００３５】
次に、上記の本発明にかかる単結晶引上げ装置による単結晶育成方法について説明すると、これは従来の装置とほぼ同様に行うことが出来る。
まず、ルツボ４内に所望の高純度多結晶材料を充填し、ヒータ５によって該多結晶材料の融点（シリコンであれば約１４００°Ｃ）以上に加熱して融解する。この時、ゲートバルブ３およびゲートバルブ１４は、開の状態にしておく。次に、ワイヤ１０を巻き出すことにより融液の表面略中心部に種結晶１１の先端を接触又は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸７を適宜の方向に回転させるとともに、ワイヤ１０を回転させながらゆっくりと巻き取り、種結晶１１を引き上げることにより、単結晶育成が開始される。以後、主に引上げ速度と温度を適切に調節することにより略円柱形状の単結晶棒を得ることができる。
【００３６】
単結晶の育成が終了したなら、種ホルダ１２を上部のボックス９中に格納された不図示のワイヤ巻取機構によって上昇させ、成長単結晶をプルチャンバ２内に移動する。
種ホルダ１２とともに単結晶棒がプルチャンバ２内に収容されたなら、ゲートバルブ３を閉じて、プルチャンバ２とベースチャンバ１を遮断する。小容量のチャンバ１３とともにプルチャンバ２内を常圧にした後、プルチャンバ２の不図示の結晶取り出し用ドアを開放する。育成された結晶棒を炉外に取り出す。
【００３７】
結晶棒の取り出しが終了したら、プルチャンバ２の結晶取り出し用ドアを閉め、小容量のチャンバ１３およびプルチャンバ２内を真空排気の後、不活性ガス雰囲気に置換する。ガス雰囲気、圧力をベースチャンバ１と同じにし、ゲートバルブ３を開ける。そして、種ホルダ１２をワイヤ巻取機構によって下降させることによって種結晶１１を下降させ、再度結晶の引上げを行う。
【００３８】
次に、本発明にかかる単結晶引上げ装置によって、種結晶を交換する手順につき説明する。
上記のような装置により、種結晶の交換作業は結晶取り出し作業と類似の手順で行えば良いが、種結晶を移動させ交換するチャンバを、小容量のチャンバ１３とし、この小容量のチャンバ１３を下方のプルチャンバ２と遮断するためにゲートバルブ１４を用いる。
【００３９】
すなわち、種結晶あるいは種ホルダ等を交換する必要が生じた場合、まずワイヤ巻取機構によって種ホルダ１２を上昇させ、例えば種結晶交換用の小容量のチャンバ１３内まで種結晶１１を移動させる。
【００４０】
種ホルダ１２とともに種結晶１１が小容量チャンバ１３内に位置したなら、ゲートバルブ１４を閉じて、小容量のチャンバ１３とプルチャンバ２を遮断する。ベローズからなる小容量チャンバ１３内を常圧にした後、ベローズチャンバを縮めることによって、小容量のチャンバ１３を開放する。種結晶を新しいものに交換する。
【００４１】
種結晶を交換したら、ベローズを伸ばすことによって小容量チャンバ１３を外気と遮断し、チャンバ内を真空排気の後、不活性ガス雰囲気に置換する。ガス雰囲気、圧力をプルチャンバ２およびベースチャンバ１と同じにし、ゲートバルブ１４を開ける。そして、種ホルダ１２をワイヤ巻取機構によって下降させることによって種結晶１１を下降させ、再度チョクラルスキー法により単結晶の引上げを行う。
【００４２】
このように、種結晶の交換を種結晶交換用の小容量のチャンバを用いて行えば、チャンバの容量が小さいために、チャンバの開放、真空置換等に時間がかからないとともに、不活性ガス等の節約をすることが出来、迅速に種結晶の交換作業が出来るので、きわめて簡単かつ効率的に種結晶の交換をすることが出来る。
そして、このような作業性の向上は、作業上の安全性の向上にもつながる。
【００４３】
尚、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。
【００４４】
例えば、本発明は、通常のチョクラルスキー法のみならず、単結晶の引上げ時に磁場を印加するＭＣＺ法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ ｃｒｙｓｔａｌ ｇｒｏｗｔｈ ｍｅｔｈｏｄ）にも同様に適用できることは言うまでもなく、本明細書中で使用したチョクラルスキー法という用語には、通常のチョクラルスキー法だけでなく、ＭＣＺ法も含まれる。
【００４５】
また、本発明の実施形態で説明した、ベースチャンバ、プルチャンバ、ゲートバルブ、小容量のチャンバ等の文言は、必ずしも図面に示した形態の物でなくとも、同じ機能を奏するものであれば良く、その名称に拘泥されるものではない。
【００４６】
また、本発明の装置で育成される単結晶として、シリコン単結晶棒を挙げたが、本発明の装置はシリコンの引上げ装置のみに用いられるものではなく、化合物半導体、酸化物単結晶等の引上げにも応用することが出来る。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明では、単結晶引上げ装置に小容量のチャンバを設置したので、このチャンバを用いて種結晶あるいは種ホルダ等を迅速に交換することが出来る。
そして、これによって大型化したチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置によって大直径の単結晶を生産する場合に、全体として操業時間を短縮することが出来るので、単結晶の生産性を向上せしめることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる小容量のチャンバを有するチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置の一構成例である。
【図２】従来のチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置の構成例である。
【符号の説明】
１…ベースチャンバ、 ２…プルチャンバ、
３…ゲートバルブ、 ４…ルツボ、
５…ヒータ、 ６…断熱材、
７…ルツボ保持軸、 ８…回転機構、
９…ボックス、 １０…ワイヤ、
１１…種結晶、 １２…種ホルダ、
１３…小容量チャンバ、 １４…ゲートバルブ。

Claims (4)

1. 少なくとも原料融液を充填するルツボを収容するベースチャンバと、育成された結晶棒を取り出すためのプルチャンバと、チャンバ間を遮断するためのゲートバルブを具備するチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置において、該プルチャンバの上部に小容量のチャンバを設置した、ことを特徴とする単結晶引上げ装置。
2. 前記チャンバ間を遮断するためのゲートバルブを２ケ具備することを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上げ装置。
3. 前記小容量のチャンバは、種結晶交換用チャンバである、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶引上げ装置。
4. 育成される単結晶が、シリコン単結晶棒である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の単結晶引上げ装置。

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