JP3642176B2 - シリコン単結晶の引上げ装置 - 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、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融液から種絞り部を作製し、その後目的とするシリコン棒の直径まで結晶を徐々に太らせて成長させることにより、必要な面方位を有する無転位の単結晶棒を得るものである。
このＣＺ方法における装置には、チャンバ内に設けられた石英るつぼを包囲し、そのるつぼ内の多結晶シリコンを融解しかつそのシリコン融液を加熱するカーボンヒータと、石英るつぼを回転させるるつぼ回転手段とを備えたものが知られている。このようなシリコン単結晶の引上げ装置では、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多結晶シリコンを融解し、そのシリコン融液を加熱して所定温度に維持し、シリコン単結晶棒の引上げ途中における石英るつぼをるつぼ回転手段が回転させることにより均一なシリコン単結晶棒を得ることができるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、石英るつぼに当初供給される多結晶シリコンは固形物であるため、固形物である多結晶シリコンの間に存在する空間がその多結晶シリコンを融解するとともに消滅し、多結晶シリコンを融解して得られるシリコン融液の液面は石英るつぼに当初供給された多結晶シリコンの上面より下降する。一方、シリコン融液を貯留する石英るつぼの上部は開口されているため、その石英るつぼの上部からカーボンヒータにより加熱されたシリコン融液の熱はチャンバ内へ放散されやすく、多結晶シリコンの融解に伴いシリコン融液の液面が低下した場合に、石英るつぼの内周面にシリコン融液の一部が固化して付着することがある。シリコン単結晶棒の引上げ途中にこの付着したシリコンが石英るつぼの内周面から剥離してシリコン融液中に落下すると、シリコン融液中に温度差に基づく熱的ストレスが発生してシリコン単結晶の有転位化率を下げることができない恐れがある。この場合、カーボンヒータによる加熱を十分に行うことも考えられるが、カーボンヒータの電力消費量が極めて増大するとともに、その加熱により石英るつぼの劣化が促進する不具合がある。
本発明の目的は、石英るつぼの内周面に付着したシリコンを有効に融解させて引上げ途中におけるシリコンの落下を防止し、有転位化率を下げることのできるシリコン単結晶の引上げ装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１及び図２に示すように、チャンバ１１内に設けられた石英るつぼ１３と、石英るつぼ１３を包囲して前記チャンバ１１内に設けられ石英るつぼ１３内の多結晶シリコン２０を融解しかつそのシリコン融液１２を加熱するカーボンヒータ１８と、石英るつぼ１３を回転させるるつぼ回転手段１７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、多結晶シリコン２０の融解時又はシリコン融液１２の加熱時にカーボンヒータ１８からの熱を石英るつぼ１３の鉛直な内面に反射する熱反射体２７と、石英るつぼ１３の上方の第１位置と石英るつぼ１３の鉛直な内面に対向する第２位置とに熱反射体２７を昇降する反射体昇降手段４１と、第２位置で熱反射体２７を水平移動して石英るつぼ１３の鉛直な内面からの熱反射体２７の距離を調整する反射体水平移動手段５１とを備えたところにある。
石英るつぼ１３の鉛直な内面に部分的に溶け残りのシリコンが付着している場合には、るつぼ回転手段１７により石英るつぼ１３を回転させてシリコンが付着している石英るつぼ１３の鉛直な内面の部分を熱反射体２７に対向させる。これにより、熱反射体２７はカーボンヒータ１８からの熱を石英るつぼ１３の鉛直な内面に反射して、石英るつぼ１３の内面に付着したシリコンを加熱・融解する。
【０００５】
多結晶シリコン２０のカーボンヒータ１８による加熱に際し、反射体昇降手段４１は昇降ロッド４２を上方に移動させて熱反射体２７を石英るつぼ１３の上方の第１位置に位置させることにより、熱反射体２７の存在でカーボンヒータ１８の加熱による多結晶シリコン２０の融解が阻害されない。多結晶シリコン２０が融解した後は、昇降ロッド４２を下方に移動させ、熱反射体２７をシリコンが付着した石英るつぼ１３の鉛直な内面に対向する第２位置に位置させることにより、石英るつぼ１３の内面に付着したシリコンを加熱・融解させる。
【０００６】
反射体水平移動手段５１は、石英るつぼ１３の内面に付着したシリコンの大きさにより必要に応じて熱反射体２７を第２位置で水平移動させ、石英るつぼ１３の鉛直な内面と熱反射体２７の距離を調整することにより、石英るつぼ１３の内面に付着したシリコンを有効に加熱・融解させる。
【０００７】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、第２位置で熱反射体２７の反射面を上向き又は下向きに変更する反射体転向手段６１を備えたシリコン単結晶の引上げ装置である。
反射体転向手段６１は、シリコンの付着した位置又は大きさにより必要に応じて熱反射体２７を第２位置で熱反射体２７の反射面を上向き又は下向きに変更させることにより、熱反射板２７による熱の反射方向を転向して石英るつぼ１３の内面に付着したシリコンを更に有効に加熱・融解させる。
【０００８】
【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及び図２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の下部はるつぼ回転手段１７に接続される。るつぼ回転手段１７は図示しないが石英るつぼ１３を回転させる回転用モータと、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、図２に示すように、石英るつぼ１３に投入された高純度の多結晶シリコン２０を加熱・融解することにより、図１に示すように、シリコン融液１２にする。
【０００９】
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を引上げるための種結晶２４が取付けられる。
【００１０】
一方、チャンバ１１内には引上げるシリコン単結晶棒（図示せず）の外径より僅かに大きな内径を有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の熱を引上げるシリコン単結晶棒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。
【００１１】
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、るつぼ回転手段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の引上げ用モータ及びるつぼ回転手段１７の昇降用モータ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、るつぼ回転手段１７の昇降用モータを制御するように構成される。
【００１２】
熱遮蔽体２６の外側には多結晶シリコン２０（図２）の融解時又はシリコン融液１２の加熱時にカーボンヒータ１８からの熱を石英るつぼ１３の鉛直な内面に反射する熱反射体２７が設けられる。熱反射体２７は反射体昇降手段４１により支持され、図４に示すように、この実施の形態では、熱反射体２７は円板状の断熱材２７ａの表面にカーボン２７ｂをコーティングすることにより作られる。図１及び図２に戻って、反射体昇降手段４１は周囲にラックギヤ（図示せず）が形成され下端に熱反射体２７が設けられる昇降ロッド４２と、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昇降ロッド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。反射体昇降手段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、昇降ロッド４２を上下動させることにより熱反射体２７を上昇又は下降させ、熱反射体２７を石英るつぼ１３の上方の第１位置と石英るつぼ１３の鉛直な内面に対向する第２位置とに維持するように構成される。
【００１３】
昇降ロッド４２への熱反射体２７の取付けは反射体水平移動手段５１及び反射体転向手段６１を介して行われ、図４及び図５に示すように、反射体水平移動手段５１は上面に移動用のラックギヤ５２ａが形成されかつ昇降ロッド４２の下端に水平方向に移動可能に取付けられた支持部材５２と、この支持部材５２に上端が固着された支持ロッド５３と、昇降ロッド４２の下部に枢止され移動用のラックギヤ５２ａに歯合する移動ギヤ５４とを有する。図５に示すように、移動ギヤ５４の回転軸にはプーリ５６が接続され、プーリ５６には移動ギヤ５４を回転させる移動ワイヤ５７が張設される。一方、反射体転向手段６１は支持ロッド５３の下端に上端が枢止された転向ロッド６２を有し、熱反射体２７は転向ロッド６２の下部に固着される。
【００１４】
このような構成の反射体水平移動手段５１は、図５に示す移動ワイヤ５７を上下動させてプーリ５６を介して移動ギヤ５４を回転させることにより、図３に示すように、移動ギヤ５４に歯合する支持部材５２は昇降ロッド４２に対して支持ロッド５３とともに水平に移動し、図の破線矢印で示すように移動ギヤ５４を回転させることにより支持部材５２は破線矢印方向に移動して熱反射体２７を石英るつぼ１３の内面に近接させ、図の実線矢印で示すように移動ギヤ５４を回転させることにより支持部材５２は実線矢印方向に移動して熱反射体２７を石英るつぼ１３の内面から離間させ、その距離を調整可能に構成される。
【００１５】
一方図４に示すように、転向ロッド６２にはその回転方向であって転向ロッド６２の長手方向に直交して回転レバー６２ａが一体的に形成され、回転レバー６２ａの両端には回転ワイヤ６３ａ，６３ｂの下端が接続される。このような構成の反射体転向手段６１は、一方の回転ワイヤ６３ａを引上げると転向ロッド６２の図の実線矢印で示すような回転により、熱反射体２７の反射面は上向き、他方の回転ワイヤ６３ｂを引上げると転向ロッド６２の図の破線線矢印で示すような回転により、熱反射体２７の反射面は下向きに変更可能に構成される。
【００１６】
このように構成されたシリコン単結晶の引上げ装置の動作を説明する。
図２に示すように、石英るつぼ１３に高純度の多結晶シリコン２０を投入し、カーボンヒータ１８によりこの高純度の多結晶シリコン２０を加熱・融解してシリコン融液１２（図１）にする。この多結晶シリコン２０のカーボンヒータ１８による加熱・融解に際して、反射体昇降手段４１は昇降ロッド４２を上方に移動させ、熱反射体２７を石英るつぼ１３の上方の第１位置に位置させる。
多結晶シリコン２０が融解して石英るつぼ１３にシリコン融液１２が貯留されたならば、次に、石英るつぼ１３の内周面におけるシリコンの付着の有無を確認する。付着の有無の確認はチャンバ１１に設けられた図示しない観察窓から目視により行われ、石英るつぼ１３の内周面におけるシリコンの付着が確認されたならば、手動により又は自動的に反射体昇降手段４１は昇降ロッド４２を下方に移動させ、図４に示すように、熱反射体２７をシリコン１２ａが付着した石英るつぼ１３の鉛直な内面に対向する第２位置に位置させる。この場合、第２位置の熱反射体２７に対向する石英るつぼ１３の内面にシリコン１２ａが付着していない場合には、るつぼ回転手段１７により石英るつぼ１３を回転させ、シリコン１２ａが付着した石英るつぼ１３の鉛直な内面を第２位置の熱反射体２７に対向させる。
【００１７】
シリコン１２ａが付着した内面に対向した熱反射体２７はカーボンヒータ１８からの熱を石英るつぼ１３の鉛直な内面に反射して内面に付着したシリコン１２ａを加熱・融解させる。この場合に、反射体水平移動手段５１は、内面に付着したシリコン１２ａの大きさにより必要に応じて熱反射体２７を第２位置で水平移動させ、石英るつぼ１３の鉛直な内面からの距離を調整することにより熱反射体２７と付着したシリコン１２ａとの間隔を適切な距離とする。また、反射体転向手段６１は、シリコン１２ａの付着した位置又は大きさにより必要に応じて熱反射体２７を第２位置で熱反射体２７の反射面を上向き又は下向きに変更させ、熱反射体２７による熱の反射方向を転向して内面に付着したシリコン１２ａを有効に加熱・融解させる。
【００１８】
石英るつぼ１３の内面に付着したシリコン１２ａを全て加熱・融解させ、石英るつぼ１３にシリコン融液１２が貯留されたならば、引上げ手段の引上げ用モータによりワイヤ１９を繰出して種結晶２４を降下させて種結晶２４の先端部をシリコン融液１２に接触させる。図示しないが、その後種結晶２４を徐々に引上げて種絞り部の下部に育成させることにより無転位のシリコン単結晶棒を得る。
なお、上述した実施の形態では、円板状の断熱材２７ａの表面にカーボン２７ｂをコーティングした熱反射体２７を使用したが、熱反射体は四角板状でもよく、またその材質は熱反射率の高いモリブデンやモリブデンの表面にカーボンをコーティングしたものであってもよい。更に、板状のもののみならず、パラボラ状又は凹面鏡状に湾曲させたものであっても良い。パラボラ状又は凹面鏡状に湾曲させた熱反射体にあっては、反射した熱を石英るつぼの鉛直な内面の所定位置に集熱させることができる。
【００１９】
【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及び図２に示すように、内径が３２インチの石英るつぼ１３を有するシリコン単結晶の引上げ装置１０に、反射体昇降手段４１を介して直径が５０ｍｍ厚さが２ｍｍの熱反射体２７を石英るつぼ１３の鉛直な内面に対向するように設けた。この熱輻射体２７は円板状の断熱材２７ａの表面にカーボン２７ｂをコーティング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＞
図示しないが熱反射体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。
【００２０】
＜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石英るつぼにシリコン多結晶を供給して融解し、得られたシリコン融液から直径３００ｍｍのシリコン単結晶棒を引上げる場合の条件における石英るつぼ内表面の温度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。実施例１における石英るつぼ内表面の温度は、熱反射板に対向する石英るつぼの内面の温度を求め、熱反射体を水平移動して石英るつぼの鉛直な内面からの熱反射体までの距離を変化させ、その距離と石英るつぼの内面の温度との関係を求めた。比較例１における石英るつぼ内表面の温度は、実施例１における測定点に対応する位置における石英るつぼの内面の温度を求めた。この結果を図６に示す。
【００２１】
図６より明らかなように、比較例１では熱反射板を備えていないことから石英るつぼ内表面の温度は一定値を示した。これに対して、実施例１では石英るつぼの内面からの熱反射体までの距離が短いほど石英るつぼの内面の温度は高く、その距離が大きくなるに従って石英るつぼ内表面の温度は低くなり、比較例１における石英るつぼ内表面の温度より僅かに高い温度まで低下することが判る。
実施例１において石英るつぼの内面の温度が変化するのは熱反射体がカーボンヒータからの熱を石英るつぼの鉛直な内面に反射していることに起因しているためと考えられ、石英るつぼの内面からの熱反射体までの距離が短いほど石英るつぼの内面の温度が高いのは、熱反射体が反射した熱が他の部分に放散されずに石英るつぼの内面に有効に反射したためと考えられる。従って、熱反射板によりカーボンヒータからの熱を反射して石英るつぼの内周面に付着したシリコンを加熱することにより、その付着したシリコンを有効に融解させることができるものと考えられる。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、熱反射体により多結晶シリコンの融解時又はシリコン融液の加熱時にカーボンヒータからの熱を石英るつぼの鉛直な内面に反射するようにしたので、石英るつぼの内面に付着したシリコンを加熱・融解させることができる。この結果、本発明に係る引上げ装置では、石英るつぼの内周面に付着したシリコンを有効に融解させて引上げ途中におけるシリコンの落下を防止し、シリコン単結晶の有転位化率を下げることができる。
また、装置が反射体昇降手段を備えれば、多結晶シリコンのカーボンヒータによる加熱に際し、熱反射体を石英るつぼの上方の第１位置に位置させることにより、熱反射体の存在でカーボンヒータの加熱による多結晶シリコンの融解が阻害されない。一方、多結晶シリコンが融解した後、熱反射体をシリコンが付着した石英るつぼの鉛直な内面に対向する第２位置に位置させることにより、石英るつぼの内面に付着したシリコンを加熱・融解させることができる。
【００２３】
更に、装置が反射体水平移動手段を備えれば、石英るつぼの内面に付着したシリコンの大きさにより必要に応じて熱反射体を水平移動させ、石英るつぼの鉛直な内面と熱反射体の距離を調整することにより、石英るつぼの内面に付着したシリコンを有効に加熱・融解させることができる、また、装置が更に反射体転向手段を備えれば、シリコンの付着した位置又は大きさにより必要に応じて熱反射体の反射面を上向き又は下向きに変更させることにより、熱反射板による熱の反射方向を転向して石英るつぼの内面に付着したシリコンを更に有効に加熱・融解させることもできる。
【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】るつぼにシリコン多結晶が供給された状態を示す図１に対応する断面構成図。
【図３】その反射体水平移動手段により反射体が移動した状態を示す側面図。
【図４】その反射体水平移動手段と反射体転向手段の構成を示す側面図。
【図５】図４のＡ−Ａ線断面図。
【図６】石英るつぼの内面から反射体までの距離に対する石英るつぼ内表面の温度の変化を示す図。
【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 るつぼ回転手段
１８ カーボンヒータ
２０ 多結晶シリコン
２７ 熱反射体
４１ 反射体昇降手段
５１ 反射体水平移動手段
６１ 反射体転向手段

Claims (2)

1. チャンバ(11)内に設けられた石英るつぼ(13)と、前記石英るつぼ(13)を包囲して前記チャンバ(11)内に設けられ前記石英るつぼ(13)内の多結晶シリコン(20)を融解しかつそのシリコン融液(12)を加熱するカーボンヒータ(18)と、前記石英るつぼ(13)を回転させるるつぼ回転手段(17)とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置において、
   前記多結晶シリコン(20)の融解時又はシリコン融液(12)の加熱時に前記カーボンヒータ(18)からの熱を前記石英るつぼ(13)の鉛直な内面に反射する熱反射体(27)と、
   前記石英るつぼ (13) の上方の第１位置と前記石英るつぼ (13) の鉛直な内面に対向する第２位置とに前記熱反射体 (27) を昇降する反射体昇降手段 (41) と、
   第２位置で前記熱反射体 (27) を水平移動して前記石英るつぼ (13) の鉛直な内面からの前記熱反射体 (27) の距離を調整する反射体水平移動手段 (51) 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. 第２位置で熱反射体(27)の反射面を上向き又は下向きに変更する反射体転向手段(61)を備えた請求項１記載のシリコン単結晶の引上げ装置。

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