JP3642174B2 - シリコン単結晶の引上げ装置及びその引上げ方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶棒を引上げて育成するシリコン単結晶の引上げ装置及びその引上げ方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶棒を育成する方法としてるつぼ内のシリコン融液から半導体用の高純度シリコン単結晶棒を成長させるチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）が知られている。このＣＺ方法では、石英るつぼの周囲に設けられたカーボンヒータにより石英るつぼ内のシリコン融液を加熱して所定温度に維持し、ミラーエッチングされた種結晶をシリコン融液に接触させ、種結晶を引上げてシリコン単結晶棒を育成するものである。このシリコン単結晶棒の育成方法では、種結晶を引上げてシリコン融液から種絞り部を作製した後、目的とするシリコン単結晶棒の直径まで結晶を徐々に太らせて肩部を形成し、その後更に引上げてシリコン単結晶棒の直胴部を形成するようになっている。
【０００３】
このＣＺ方法におけるシリコン単結晶棒の品質及び生産性を向上させるために、従来この種の装置には、チャンバ内に設けられたシリコン融液を貯留する石英るつぼを上昇又は下降させるるつぼ昇降手段と、シリコン融液から成長するシリコン単結晶棒を包囲する筒状の熱遮蔽体とを備えたものが知られている。るつぼ昇降手段は、石英るつぼを上昇させることによりシリコン単結晶棒の引上げに伴うシリコン融液表面の低下を防止し、シリコン融液の表面を所定位置に維持して均一なシリコン単結晶棒を得るようにするとともに、熱遮蔽体がシリコン単結晶棒を包囲して、シリコン融液の熱が成長したシリコン単結晶棒に到達しないように遮蔽し、シリコン単結晶棒の冷却速度を向上させて引上げ速度を増大し、シリコン単結晶棒の生産性を向上するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のシリコン単結晶の引上げでは、熱遮蔽体によるシリコン融液の熱の遮蔽効果が乏しく、特にシリコン融液近傍におけるシリコン単結晶棒の冷却が十分でなかった。このため、シリコン単結晶棒の中心部の軸方向の固液界面近傍における温度勾配が変動する不具合がある。一方、シリコン単結晶棒の大口径化が進むと、上記シリコン単結晶棒の中心部の軸方向の温度勾配の変動は更に大きくなることが予想される。このため、シリコン単結晶棒中に上記温度勾配の変動に基づく熱的ストレスが発生する恐れがあった。
本発明の目的は、シリコン融液から引上げ中のシリコン単結晶棒の中心部の軸方向の固液界面近傍における温度勾配を均一にすることにより、シリコン単結晶棒中の熱的ストレスの発生を抑制できるシリコン単結晶の引上げ装置及びその引上げ方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３を上昇又は下降させるるつぼ昇降手段１７と、シリコン融液１２から成長するシリコン単結晶棒２５を包囲する筒状の熱遮蔽体２６とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置の改良である。
その特徴ある構成は、石英るつぼ１３の内面と熱遮蔽体２６の外面の間を覆う面積を有する環状の熱輻射体２７と、チャンバ１１の上部から吊り下げられ周囲にラックギヤが形成され下端に熱輻射体２７が取付けられた支持棒４２と、チャンバ１１の上部に設けられラックギヤに歯合する駆動ギヤが内蔵され駆動ギヤの回転により支持棒４２を上下動させるギヤボックス４３と、チャンバ１１の上部に設けられ駆動ギヤを駆動する駆動モータ４６とを備えたところにある。
駆動モータ４６により駆動ギヤを駆動して支持棒４２を昇降させ、熱輻射体２７を熱遮蔽体２６及びるつぼ昇降手段１７とそれぞれ独立して上昇又は下降させることにより、熱輻射体２７がシリコン融液１２の熱をチャンバ内に放散するのを防ぎ、熱遮蔽体２６とともに成長したシリコン単結晶棒２５の冷却を促進し、直胴部２５ｃの形成時のシリコン単結晶棒２５の中心部の軸方向の温度勾配を均一にする。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、図４に示すように、熱輻射体２７に１又は２以上の通孔２７ｃが形成されたシリコン単結晶の引上げ装置である。
熱輻射体２７に１又は２以上の通孔２７ｃを形成することにより、不活性ガスをこの通孔２７ｃに流通させてシリコン融液１２の表面から蒸発したガスをこの不活性ガスとともに有効に排出する。
【０００８】
請求項３に係る発明は、石英るつぼ１３に貯留されたシリコン融液１２から成長するシリコン単結晶棒２５を筒状の熱遮蔽体２６で包囲した状態でシリコン単結晶を引上げるシリコン単結晶の引上げ方法の改良である。
その特徴ある点は、シリコン単結晶棒２５の肩部２５ｂ形成時に石英るつぼ１３の内面と熱遮蔽体２６の外面の間を覆う面積を有する環状の熱輻射体２７を熱遮蔽体２６に遊嵌して石英るつぼ１３の上端又は上方に配置し、シリコン単結晶棒２５の直胴部２５ｃ形成時にシリコン融液１２の液面近傍に熱輻射体２７を配置するところにある。
肩部２５ｂの形成時に熱輻射体２７を石英るつぼ１３の上端又は上方に配置し、シリコン融液１２の熱を形成途中の肩部２５ｂに積極的に放散させることにより、速やかに肩部２５ｂを形成させ、シリコン単結晶棒２５の直胴部２５ｃの形成時にシリコン融液１２の液面近傍に熱輻射体２７を配置し、シリコン融液１２の熱が直胴部２５ｃに直接放散するのを防ぎ、熱遮蔽体２６とともに成長したシリコン単結晶棒２５の冷却を促進して、直胴部２５ｃ形成時のシリコン単結晶棒２５の中心部の軸方向の温度勾配を肩部２５ｂの形成時と同等に高く維持する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、シリコン単結晶の引上げ装置１０のチャンバ１１内には、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３が設けられ、この石英るつぼ１３の外面は黒鉛サセプタ１４により被覆される。石英るつぼ１３の下面は黒鉛サセプタ１４を介して支軸１６の上端に固定され、この支軸１６の下部はるつぼ昇降手段１７に接続される。るつぼ昇降手段１７は図示しないが石英るつぼ１３を回転させる第１回転用モータと、石英るつぼ１３を昇降させる昇降用モータとを有し、これらのモータにより石英るつぼ１３が所定の方向に回転し得るとともに、上下方向に移動可能となっている。石英るつぼ１３の外周面は石英るつぼ１３から所定の間隔をあけてカーボンヒータ１８により包囲され、このカーボンヒータ１８は保温筒１９により包囲される。カーボンヒータ１８は石英るつぼ１３に投入された高純度のシリコン多結晶体を加熱・溶融してシリコン融液１２にする。
【００１０】
またチャンバ１１の上端には円筒状のケーシング２１が接続される。このケーシング２１には引上げ手段２２が設けられる。引上げ手段２２はケーシング２１の上端部に水平状態で旋回可能に設けられた引上げヘッド（図示せず）と、このヘッドを回転させる第２回転用モータ（図示せず）と、ヘッドから石英るつぼ１３の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブル２３と、上記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２３を巻取り又は繰出す引上げ用モータ（図示せず）とを有する。ワイヤケーブル２３の下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶棒２５を引上げるための種結晶２４が取付けられる。
【００１１】
更に、チャンバ１１にはこのチャンバ１１のシリコン単結晶棒側に不活性ガスを供給しかつ上記不活性ガスをチャンバ１１のるつぼ内周面側から排出するガス給排手段２８が接続される。ガス給排手段２８は一端がケーシング２１の周壁に接続され他端が上記不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続された供給パイプ２９と、一端がチャンバ１１の下壁に接続され他端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ３０とを有する。供給パイプ２９及び排出パイプ３０にはこれらのパイプ２９，３０を流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁３１，３２がそれぞれ設けられる。
【００１２】
一方、シリコン単結晶棒２５の外周面と石英るつぼ１３の内周面との間には、シリコン単結晶棒２５を包囲する筒状の熱遮蔽体２６が設けられる。熱遮蔽体２６はシリコン融液１２の熱をシリコン単結晶棒２５に到達しないように遮蔽するために設けられ、この熱遮蔽体２６の上縁には外方に略水平方向に張り出すフランジ部２６ａが連設される。このフランジ部２６ａを保温筒１９上に載置することにより熱遮蔽体２６はチャンバ１１内に固定され、熱遮蔽体２６の下縁は石英るつぼ１３に貯留されたシリコン融液１２表面から所定の距離だけ上方に位置するように構成される。
【００１３】
熱遮蔽体２６には環状の熱輻射体２７が遊嵌して設けられる。図５に示すように、熱輻射体２７は環状のカーボンのケーシング２７ｂの内部に断熱材２７ａを充填することにより作られ、熱輻射体２７は石英るつぼ１３の内面と熱遮蔽体２６の外面の間を覆う面積を有するように構成される。また、図４及び図５に示すように、熱輻射体２７はガス給排手段２８（図１〜図３）により供給された不活性ガスを流通させるために下部から上部に向って互いに広がるように斜めに形成された複数の通孔２７ｃと、後述する熱輻射体昇降手段４１（図１〜図３）により支持されるための一対の支持孔２７ｄが形成される。熱輻射体２７はシリコン融液１２からの放熱を反射しかつシリコン融液１２からの輻射熱を蓄熱する。これにより、熱輻射体２７はシリコン融液１２の熱がチャンバ１１内に放散するのを防ぐとともに、熱遮蔽体２６とともに成長したシリコン単結晶棒２５の冷却を促進し、とくに直胴部２５ｃの形成時（図１及び図２）におけるシリコン単結晶棒２５の軸方向の温度勾配を肩部２５ｂの形成時（図３）と同等に高く維持するようになっている。
【００１４】
図１〜図３に戻って、チャンバ１１の上部にはケーシング２１を挟むように一対の熱輻射体昇降手段４１が設けられる。熱輻射体昇降手段４１は周囲にラックギヤ（図示せず）が形成され下端が熱輻射体２７の支持孔２７ｄに挿通された支持棒４２と、チャンバ１１の上部に設けられラックギヤに歯合する駆動ギヤが内蔵され駆動ギヤの回転により支持棒４２を上下動させるギヤボックス４３と、チャンバ１１の上部にサポート部材４４を介して取付けられ回転軸４６ａが駆動ギヤに接続された駆動モータ４６とを有する。熱輻射体２７の支持孔２７ｄに挿通され支持棒４２の下部には大径部４２ａが形成され、この大径部４２ａは熱輻射体２７を下面から支持するように構成される。熱輻射体昇降手段４１は、駆動モータ４６による回転軸４６ａの回転によりギヤボックス４３に内蔵された図示しない駆動ギヤが回転し、支持棒４２を上下動させることにより熱輻射体２７を上昇又は下降させるように構成される。
【００１５】
一方、引上げ手段２２における引上げ用モータの出力軸（図示せず）にはロータリエンコーダ（図示せず）が設けられ、るつぼ昇降手段１７には石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の重量を検出する重量センサ（図示せず）と、支軸１６の昇降位置を検出するリニヤエンコーダ（図示せず）とが設けられる。ロータリエンコーダ、重量センサ及びリニヤエンコーダの各検出出力はコントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、コントローラの制御出力は引上げ手段２２の引上げ用モータ、るつぼ昇降手段１７の昇降用モータ及び熱輻射体昇降手段４１の駆動モータ４６にそれぞれ接続される。またコントローラにはメモリ（図示せず）が設けられ、このメモリにはロータリエンコーダの検出出力に対するワイヤケーブル２３の巻取り長さ、即ちシリコン単結晶棒２５の引上げ長さが第１マップとして記憶され、重量センサの検出出力に対する石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面レベルが第２マップとして記憶される。コントローラは重量センサの検出出力に基づいて石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面を常に一定のレベルに保つように、るつぼ昇降手段１７の昇降用モータを制御するとともに、熱輻射体２７をるつぼ昇降手段１７と独立して上昇又は下降するように熱輻射体昇降手段４１の駆動モータ４６を制御するように構成される。
【００１６】
このように構成された装置による本発明によるシリコン単結晶の引上げ方法を説明する。
図３に示すように、石英るつぼ１３に高純度のシリコン多結晶体を投入し、カーボンヒータ１８によりこの高純度のシリコン多結晶体を加熱・溶融してシリコン融液１２にする。このシリコン多結晶体の溶融に際し、熱輻射体昇降手段４１は支持棒４２を上方に移動させ、この実施の形態では熱輻射体２７を石英るつぼ１３の上方に配置する。シリコン多結晶体が溶融して石英るつぼ１３にシリコン融液１２が貯留されたならば、次に、第１及び第２流量調整弁３１，３２を開くことにより不活性ガスをケーシング２１内に供給してシリコン融液１２の表面から蒸発したガスをこの不活性ガスとともに排出パイプ３０から排出させる。
【００１７】
次に、引上げ手段の図示しない引上げ用モータによりワイヤ１９を繰出して種結晶２４を降下させ、種結晶２４の先端部をシリコン融液１２に接触させる。その後種結晶２４を徐々に引上げて種絞り部２５ａを形成した後、更に種結晶２４を引上げることにより種絞り部２５ａの下部に先ず肩部２５ｂを育成させる。この肩部２５ｂの形成時において、熱輻射体２７が石英るつぼ１３の上方に配置されているので、シリコン融液１２の熱が形成途中の肩部２５ｂに積極的に放散し、速やかに肩部２５ｂの形成が行われる。
【００１８】
肩部２５ｂが育成されたならば、図１に示すように、更に種結晶２４を引上げることにより肩部２５ｂの下方に直胴部２５ｃを形成する。この直胴部２５ｃの形成に際し、熱輻射体昇降手段４１は支持棒４２を下方に移動させ、シリコン融液１２の液面近傍に予め熱輻射体２７を配置する。シリコン融液１２の液面近傍に位置する熱輻射体２７は、シリコン融液１２の熱が直胴部２５ｃに直接放散するのを防ぎ、熱遮蔽体２６とともに成長したシリコン単結晶棒２５の冷却を促進し、直胴部２５ｃの形成時における単結晶棒２５の中心部の軸方向の温度勾配を肩部２５ｂの形成時と同等に高く維持する。
【００１９】
直胴部２５ｃの育成に伴い、シリコン融液１２の表面は低下し、減少する融液１２の量に応じて図示しない昇降用モータはるつぼ１３を上昇させ、図２に示すように、種結晶２４の引上げとともに低下するシリコン融液１２の表面を所定位置に維持させる。この石英るつぼ１３の上昇にもかかわらず、熱輻射体昇降手段４１はシリコン融液１２の液面近傍に熱輻射体２７を維持させる。シリコン融液１２の液面近傍に位置する熱輻射体２７はシリコン融液１２の熱が直胴部２５ｃに直接放散するのを防ぎ、熱遮蔽体２６とともに成長したシリコン単結晶棒２５の冷却を促進し、直胴部２５ｃの中心部における軸方向の固液界面における温度勾配を均一にする。
【００２０】
なお、上述した実施の形態では、環状のカーボンのケーシング２７ｂの内部に断熱材２７ａを充填した熱輻射体２７を使用したが、熱輻射体はシリコン融液１２のチャンバ１１内への放熱を防ぐことができる限り、図６及び図７に示すような環状のモリブデンからなる板材であっても良い。このような板状の熱輻射体４７にあっては、支持孔４７ｄ及びガス給排手段により供給された不活性ガスを流通させるための複数の通孔４７ｃを打抜き又は一部立ち上げにより形成することができる。
【００２１】
また、上述した実施の形態では、肩部２５ｂの形成に際し、熱輻射体２７を石英るつぼ１３の上方に配置したが、熱輻射体２７を石英るつぼ１３の上端に配置しても良い。熱輻射体２７を石英るつぼ１３の上端に配置すれば、石英るつぼ１３の上端に位置する熱輻射体２７はシリコン融液１２の熱がチャンバ１１内へ放散することを防ぎ、カーボンヒータ１８からの熱が石英るつぼ１３を介して効率良くシリコン融液１２に伝達され、シリコン融液１２を少ない電力で所定の温度にすることができる。
【００２２】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１に示すように、内径が約４００ｍｍの石英るつぼ１３と内径及び高さがともに約４００ｍｍの熱遮蔽体２６とを有するシリコン単結晶の引上げ装置１０に、石英るつぼ１３の内面と熱遮蔽体２６の外面の間を覆う面積を有する厚さ約３８ｍｍの環状の熱輻射体２７を熱遮蔽体２６に遊嵌し、熱輻射体昇降手段４１の支持棒４２に吊持した。この熱輻射体２７は厚さ約２２ｍｍであって、環状のカーボンのケーシング２７ｂの内部に断熱材２７ａを充填することにより作られたものを使用した。このように構成された引上げ装置１０を実施例１とした。
＜比較例１＞
図示しないが熱輻射体２７を設けないことを除いて、引上げ装置を上記実施例１と同一に構成した。この引上げ装置を比較例１とした。
【００２３】
＜比較試験及び評価＞
実施例１及び比較例１の各引上げ装置にて直胴部の直径３００ｍｍのシリコン単結晶棒を引上げ速度０．４ｍｍ／分で２００ｍｍ、６００ｍｍ及び１０００ｍｍ引上げたときのシリコン単結晶棒の軸方向の固液界面近傍における温度勾配をを輻射伝熱を考慮した熱伝導解析プログラムにてシミュレーション計算し、比較を行った。この結果を図８に示す。
図８より明らかなように、比較例１ではシリコン単結晶棒を２００ｍｍ引上げた時点が最大値を示し、その後６００ｍｍ引上げた時点において最小値を示し、１０００ｍｍ引上げた時点で僅かに上昇した。これに対して、実施例１ではシリコン単結晶棒を２００ｍｍ引上げた時点が最小値を示し、その後６００ｍｍ引上げた時点で僅かに上昇し、１０００ｍｍ引上げた時点で僅かに下降してその値がほぼ均一化していることが判る。
これは、実施例１では熱輻射体がシリコン融液のチャンバ内への放熱を防ぎ、シリコン融液の熱が直胴部に直接放散するのを防止して熱遮蔽体とともに成長したシリコン単結晶棒の冷却を促進したのに対し、比較例１ではシリコン融液からチャンバ内へ熱が放散され、この熱により直胴部の中心部における軸方向の固液界面近傍における温度勾配が低下したためと考えられる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、熱遮蔽体が石英るつぼの内面と熱遮蔽体の外面の間を覆う面積を有する環状の熱輻射体を有し、熱輻射体昇降手段により熱輻射体を熱遮蔽体及びるつぼ昇降手段とそれぞれ独立して上昇又は下降させるようにしたので、シリコン融液の熱がチャンバ内に放散するのを防ぎ、熱遮蔽体とともに成長したシリコン単結晶棒の冷却を促進し、直胴部形成時の単結晶棒の中心部の軸方向の温度勾配を肩部形成時と同等に高く維持することができる。
また、熱輻射体に１又は２以上の通孔を形成すれば、不活性ガスをこの通孔に流通させてシリコン融液の表面から蒸発したガスをこの不活性ガスとともに有効に排出することができる。
【００２５】
更に、シリコン単結晶棒の肩部の形成時に熱輻射体を石英るつぼの上端又は上方に配置すれば、シリコン融液の熱を形成途中の肩部に積極的に放散させることにより、速やかに肩部を形成させることができ、シリコン単結晶棒の直胴部の形成時にシリコン融液の液面近傍に熱輻射体を配置すれば、シリコン融液の熱が直胴部に直接放散するのを防ぎ、熱遮蔽体とともに成長したシリコン単結晶棒の冷却を促進して、直胴部形成時の単結晶棒の中心部の軸方向の温度勾配を肩部の形成時と同等に高く維持する。この結果、シリコン単結晶棒の中心部の軸方向の固液界面近傍における温度勾配を均一にし、シリコン単結晶棒中の熱的ストレスの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコン単結晶の引上げ装置の断面構成図。
【図２】シリコン単結晶棒の直胴部が引上げられた状態を示す図１に対応する断面構成図。
【図３】シリコン単結晶棒の肩部が引上げられた状態を示す図１に対応する断面構成図。
【図４】その熱輻射体の平面図。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図。
【図６】その別の熱輻射体の平面図。
【図７】図６のＢ−Ｂ線断面図。
【図８】シリコン単結晶棒の引上げ長さに対するシリコン単結晶棒の中心部の軸方向の固液界面近傍における温度勾配の変化を示す図。
【符号の説明】
１０ シリコン単結晶の引上げ装置
１１ チャンバ
１２ シリコン融液
１３ 石英るつぼ
１７ るつぼ昇降手段
２５ シリコン単結晶棒
２５ｂ 肩部
２５ｃ 直胴部
２６ 熱遮蔽体
２７ 熱輻射体
４１ 熱輻射体昇降手段
４２ 支持棒
４３ ギヤボックス
４６ 駆動モータ

Claims (3)

1. シリコン融液(12)を貯留する石英るつぼ(13)を上昇又は下降させるるつぼ昇降手段(17)と、前記シリコン融液(12)から成長するシリコン単結晶棒(25)を包囲する筒状の熱遮蔽体(26)とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置において、
   前記石英るつぼ(13)の内面と前記熱遮蔽体(26)の外面の間を覆う面積を有する環状の熱輻射体(27)と、
   前記チャンバ (11) の上部から吊り下げられ周囲にラックギヤが形成され下端に前記熱輻射体 (27) が取付けられた支持棒 (42) と、
   前記チャンバ (11) の上部に設けられ前記ラックギヤに歯合する駆動ギヤが内蔵され前記駆動ギヤの回転により前記支持棒 (42) を上下動させるギヤボックス (43) と、
   前記チャンバ (11) の上部に設けられ前記駆動ギヤを駆動する駆動モータ (46) と
   を備えたことを特徴とするシリコン単結晶の引上げ装置。
2. 熱輻射体(27)に１又は２以上の通孔(27c)が形成された請求項１記載のシリコン単結晶の引上げ装置。
3. 石英るつぼ(13)に貯留されたシリコン融液(12)から成長するシリコン単結晶棒(25)を筒状の熱遮蔽体(26)で包囲した状態で引上げる方法において、
   前記シリコン単結晶棒(25)の肩部(25b)形成時に前記石英るつぼ(13)の内面と前記熱遮蔽体(26)の外面の間を覆う面積を有する環状の熱輻射体(27)を前記熱遮蔽体(26)に遊嵌して前記石英るつぼ(13)の上端又は上方に配置し、
   前記シリコン単結晶棒(25)の直胴部(25c)形成時に前記シリコン融液(12)の液面近傍に前記熱輻射体(27)を配置する
   ことを特徴とするシリコン単結晶の引上げ方法。

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