JP3640940B2

JP3640940B2 - 半導体単結晶製造装置

Info

Publication number: JP3640940B2
Application number: JP2002210465A
Authority: JP
Inventors: 純輔冨岡; 昌弘柴田; 文規杉田
Original assignee: コマツ電子金属株式会社
Priority date: 2002-07-19
Filing date: 2002-07-19
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: JP2003089594A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体単結晶製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の基板には主として高純度のシリコン単結晶が用いられているが、このシリコン単結晶の製造方法の一つにチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）がある。ＣＺ法においては、一例として図３に示すように、半導体単結晶製造装置のチャンバ１内に設置した石英るつぼ５にシリコン多結晶を充填し、前記石英るつぼ５の周囲に設けたヒータ６によってシリコン多結晶を加熱溶解して融液４とした上、シードチャック１４に取り付けた種子結晶を前記融液４に浸漬し、シードチャック１４および石英るつぼ５を同方向または逆方向に回転しつつシードチャック１４を引き上げてシリコン単結晶９を成長させる。なお、図３において３は石英るつぼ５を収容する黒鉛るつぼ、７，８は断熱材である。
【０００３】
石英るつぼ５に充填したシリコン多結晶が溶解すると、融液４と石英るつぼ５との反応によりＳｉＯガスが発生する。このＳｉＯガスが前記石英るつぼ５の内面や引き上げ中の単結晶９の表面、チャンバ１の内壁などに凝縮、付着し、これが融液４内に剥落すると成長中の単結晶に付着し転位が発生して歩留りを悪化させる。また、ヒータ６や黒鉛るつぼ３、断熱筒７が高温に加熱されるとＣ，ＣＯの蒸気が発生し、これが融液４内に混入すると成長中の単結晶のＣ濃度が高くなる。このような問題を解決するため、Ａｒなどの不活性ガスを用いて前記蒸発物、反応生成物を炉外に排出している。半導体単結晶製造装置の上部から導入された不活性ガスは、単結晶９に沿って流下した後、融液面から石英るつぼ５の内壁に沿って上昇し、黒鉛るつぼ３とヒータ６との隙間、あるいはヒータ６と断熱筒７との隙間を流下してチャンバ１に取着した排気管（図示せず）を経て前記蒸発物、反応生成物とともに炉外に排出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の蒸発物、反応生成物は不活性ガスとともに炉外に運ばれる途中、黒鉛るつぼ３やヒータ６、断熱筒７などに付着する。黒鉛るつぼ３は不活性ガスが流れることによってＳｉＯとの反応によるＳｉＣ化が促進される。分割面のＳｉＣ化により減肉が起こり、黒鉛るつぼ３が変形する。これに伴って前記黒鉛るつぼ３内に収容された石英るつぼ５も変形して融液面位置が変化し、融液４の温度分布が変化して引き上げ中の単結晶９の成長が阻害される。一方、ヒータ６はＳｉＣ化によってその中央部やスリット部が速やかに減肉する。その結果、融液４の温度分布が変化し、単結晶の品質たとえば酸素濃度に悪影響を与える。
【０００５】
上記不具合を解決するため、特開昭６４−３７４９２によれば、るつぼ内から発生するガスを不活性ガスとともにるつぼよりも高い位置で吸引、排出するようにした単結晶成長装置が開示されている。しかしこの単結晶成長装置の構造では、ＳｉＯガスが水冷されているチャンバ内壁にるつぼの上方で触れるため、前記ＳｉＯガスが凝固して付着、堆積し、時間がたつにつれて融液内に落下する確率が増す。従って、引き上げ単結晶が多結晶化し、単結晶取得率の低下を招き、コストアップになる。また、従来の単結晶製造装置は排気口がチャンバ下部ないし底面に設けられているため装置の改造を必要とし、コストアップにつながる。
【０００６】
また、特開平２−１４８９８にはチャンバ内空間を、ヒータを含む空間とるつぼを含む空間とに分離し、その境界に遮蔽壁を設けたことを特徴とする単結晶製造装置が開示されている。この装置の問題点として、ヒータとるつぼとの間に遮蔽壁を設けるため熱効率が低下すること、ヒータの耐用寿命は延びるがるつぼの寿命は延びないこと、従来の単結晶製造装置を改造しなければならないためコストアップとなる点が挙げられる。
【０００７】
本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、ＣＺ法による半導体単結晶の引き上げにおいて、融液からの蒸発物や反応生成物を黒鉛るつぼ、ヒータに触れることなく炉外に排出させることが可能で、かつ安価な構造の半導体単結晶製造装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る半導体単結晶製造装置は、半導体単結晶の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあってるつぼ内の原料を加熱するヒータと、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引き上げ機構とを備えた半導体単結晶製造装置において、前記ヒータの外周面に近接して内筒を設けるとともに、前記ヒータを取り巻くように配置した断熱筒の内周面を外筒で被覆し、半導体単結晶製造装置の上部から導入したパージ用不活性ガスを、前記内筒と外筒との隙間を流下させて半導体単結晶製造装置から排出する構成とした。
【０００９】
【作用】
上記構成によれば、半導体単結晶製造装置のヒータの外周面に近接する内筒と、断熱筒の内周面を被覆する外筒とを設け、パージ用不活性ガスを前記内筒と外筒との隙間を流下させて装置外に排出することにしたので、融液などからの蒸発物や反応生成物は前記不活性ガスとともに内筒と外筒との隙間を流下し、黒鉛るつぼやヒータにはほとんど接触しない。従って、黒鉛るつぼやヒータのＳｉＣ化が回避され、耐用寿命を延長させることができる。内筒および外筒は前記蒸発物、反応生成物に触れて劣化するので、適当な周期で交換しなければならないが、そのコストは黒鉛るつぼやヒータに比べると著しく低い。
【００１０】
【実施例】
以下に、本発明に係る半導体単結晶製造装置の実施例について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１実施例として熱遮蔽体タイプの半導体単結晶製造装置の概略構造を模式的に示した部分断面図である。チャンバ１の中心に設けられたるつぼ軸２の上端に図示しないるつぼ受けを介して黒鉛るつぼ３が載置され、融液４を貯留する石英るつぼ５は前記黒鉛るつぼ３の中に収容されている。ヒータ６および断熱材７は前記黒鉛るつぼ３の周囲を取り巻くように同心円状に設けられている。単結晶９は石英るつぼ５の中心から引き上げられる。前記断熱材７の上端には輻射スクリーン１０が取り付けられている。輻射スクリーン１０は単結晶引き上げ領域を取り巻く熱遮蔽体で、下端開口部の直径が上端開口部の直径より小さい円錐状の筒である。輻射スクリーン１０は融液４、石英るつぼ５などから単結晶９に加えられる輻射熱を遮断して単結晶９の冷却を促進し、単結晶引き上げ速度を早めるとともに、結晶欠陥の発生を防止する。また、チャンバ１の上方から導入される不活性ガスを単結晶９の周囲に誘導し、石英るつぼ５の中心部から周縁部を経てチャンバ１に設けられた排気孔に至るガス流を形成させることによって、融液４から発生するＳｉＯなど、単結晶化を阻害する蒸発物、反応生成物を排除する機能を備えている。なお図１においては、構造のやや異なる２種類の断熱材７および輻射スクリーン１０を中心線の左右に併記しているが、どちらを使用しても効果は同じである。
【００１１】
ヒータ６の外周面に近接してヒータ６を取り巻くように内筒１１が設置され、断熱材７の内周面には外筒１２が取り付けられている。前記外筒１２は断熱筒７の内周面に密接していてもよく、近接していてもよい。内筒１１および外筒１２はいずれもカーボンまたは炭素繊維強化カーボンからなる。内筒１１の上端には環状のフランジ部１１ａが設けられ、前記フランジ部１１ａの内縁は黒鉛るつぼ３の外周面に近接している。
【００１２】
単結晶９の引き上げに当たりチャンバ１の上部から導入されたＡｒガスは、単結晶９の外周面に沿って流下し、輻射スクリーン１０の下端と融液４との隙間を通過した後、石英るつぼ５の内面に沿って上昇する。そして、内筒１１と外筒１２との隙間を流下し、チャンバ１の外に排出される。内筒１１のフランジ部１１ａ内縁が黒鉛るつぼ３の外周面に近接しているため、Ａｒガスは黒鉛るつぼ３とヒータ６との隙間にはほとんど流入しない。Ａｒガスがこのような経路を流れることにより、融液４などから発生する蒸発物や反応生成物を高温の状態に保持したまま、かつ黒鉛るつぼ３、ヒータ６に触れさせることなく排出することができる。従って、黒鉛るつぼ３およびヒータ６のＳｉＣ化が回避され、耐用寿命を大幅に延長させることができる。
【００１３】
融液４などから発生する蒸発物や反応生成物がＡｒガスとともに内筒１１と外筒１２との隙間を流下するので、前記内筒１１の外周面および外筒１２の内周面は当然のことながら化学反応を起こして劣化する。従って、適当な周期で交換する必要があるが、内筒１１および外筒１２は黒鉛るつぼ３あるいはヒータ６に比べると著しく安価である。また本実施例の場合、単結晶製造装置に対して特別な改造を必要としないため、装置コストの上昇を招くことはない。
【００１４】
図２は、本発明の第２実施例としてパージチューブタイプの半導体単結晶製造装置の概略構造を模式的に示した部分断面図である。図１の輻射スクリーンに代えて、チャンバ１の上端中央部には円錐状または円筒状のパージチューブ１３が下方に向かって取着され、チャンバ１の上部から導入されたＡｒガスを単結晶９の周囲に誘導する。内筒１１、外筒１２を含むその他の構造は、図１に示した熱遮蔽体タイプの半導体単結晶製造装置の場合と同一であり、Ａｒガスの流通経路も同じであるので、説明を省略する。また、図２においても、構造のやや異なる２種類の断熱材７を中心線の左右に併記しているが、どちらを使用しても効果は同じである。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＣＺ法による半導体単結晶製造装置において、ヒータとチャンバ壁との間に内筒を設け、内筒とチャンバ壁との間に断熱部材を設け、パージ用不活性ガスを内筒と断熱部材との隙間を流下させて炉外に排出する構造としたので、融液などから発生する蒸発物や反応生成物は前記不活性ガスとともに内筒と断熱部材との隙間を流下し、黒鉛るつぼやヒータにはほとんど接触しない、従って、黒鉛るつぼやヒータのＳiＣ化が回避され、従来は比較的早期に交換しなければならなかった黒鉛るつぼ、ヒータの耐久寿命を大幅に延長させることができる。内筒および断熱部材は前記蒸発物、反応生成物に触れて劣化するので、適当な周期で交換しなければならないが、そのコストは黒鉛るつぼやヒータに比べると著しく低い。また、本発明の実施に当たり、前記内筒と断熱部材との新設以外には単結晶製造装置を改造する必要がほとんどなく、低コストで設備の改良ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】熱遮蔽体タイプの半導体単結晶製造装置の概略構造を模式的に示した部分断面図である。
【図２】パージチューブタイプの半導体単結晶製造装置の概略構造を模式的に示した部分断面図である。
【図３】従来の半導体単結晶製造装置の概略構造を模式的に示した部分断面図である。
【符号の説明】
３…黒鉛るつぼ、５…石英るつぼ、６…ヒータ、７…断熱材、９…単結晶、１１…内筒、１２…外筒。

Claims

半導体単結晶の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあってるつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた半導体単結晶製造装置において、
ヒータと、
前記ヒータとチャンバ壁との間に設けられた内筒と、
前記内筒とチャンバ壁との間に設けられた断熱筒と、
前記断熱筒の内周面を被覆する外筒とを備え、
チャンバ上部より導入されたパージ用ガスを、前記内筒と前記外筒との隙間に流して前記チャンバの外部に排出させること
を特徴とする半導体単結晶製造装置。
半導体単結晶の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあってるつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた半導体単結晶製造装置において、
ヒータと、
前記ヒータとチャンバ壁との間に設けられた内筒と、
前記内筒とチャンバ壁との間に設けられた断熱部材とを備えるとともに、
前記内筒に、前記ヒータの上端を覆うフランジ部を設け、
チャンバ上部より導入されたパージ用ガスを、前記内筒と前記断熱部材との隙間に流して前記チャンバの外部に排出させること
を特徴とする半導体単結晶製造装置。
半導体単結晶の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあってるつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた半導体単結晶製造装置において、
ヒータと、
前記ヒータとチャンバ壁との間に設けられた内筒と、
前記内筒とチャンバ壁との間に設けられた断熱部材とを備えるとともに、
前記るつぼ内の融液の上方に、下端開口部の直径が上端開口部の直径より小さい円錐状の筒を設け、
チャンバ上部より導入されたパージ用ガスを、前記円錐状の筒の下端と前記融液との間を介して、前記内筒と前記断熱部材との隙間に流して前記チャンバの外部に排出させること
を特徴とする半導体単結晶製造装置。
前記ヒータと前記隙間の上方を覆う部材であって、前記円錐状の筒に接続されている部材が設けられていること
を特徴とする請求項３記載の半導体単結晶製造装置。
請求項１から４のいずれかに記載の半導体単結晶製造装置を用いて半導体単結晶を製造する半導体単結晶製造方法。