JP3702672B2 - 引上げ装置内の単結晶棒の温度計測システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶棒等の単結晶棒を引上げて育成する装置に関する。更に詳しくは引上げ装置内の単結晶棒の温度を計測するシステムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図３に示すように、チャンバ１内に設けられた石英るつぼ３にシリコン融液２が貯留され、石英るつぼ３の外周面を包囲するヒータ７がシリコン融液２を加熱し、更にシリコン融液２からシリコン単結晶棒５が引上げられるように構成された引上げ装置４が知られている。この装置４では、シリコン単結晶棒５の外周面と石英るつぼ３の内周面との間にシリコン単結晶棒５を包囲するように熱遮蔽部材６が挿入される。またチャンバ１の肩部１ａには透明石英板１ｂが挿着された窓１ｃが形成され、この窓１ｃの外側にはチャンバ１内を臨む非接触式の温度センサ８が設置される。
上記引上げ装置４により引上げ中のシリコン単結晶棒５の外周面の温度分布を測定するには、引上げ中のシリコン単結晶棒５の外周面から発せられた輻射熱を温度センサ８により直接捉えて、シリコン単結晶棒５の長手方向の温度分布を測定している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来のシリコン単結晶棒の温度計測方法では、単結晶棒の外周面に不規則な凹凸があると、その温度分布を精度良く測定できない不具合があった。また光沢のあるシリコン単結晶棒の外周面は迷光、即ち主にヒータからの光を反射するため、シリコン単結晶棒からの輻射熱のみを高精度に測定することは困難であった。
本発明の目的は、単結晶棒の固液界面近傍の温度分布を監視し、その変動を抑制することにより、品質のばらつきの少ない単結晶棒を再現性良くかつ効率良く製造することができる、引上げ装置内の単結晶棒の温度計測システムを提供することにある。
本発明の別の目的は、ヒータ等から発せられかつ単結晶棒で反射した迷光の影響を殆ど受けず、また融液への炭素の混入を避けることができる、引上げ装置内の単結晶棒の温度計測システムを提供することにある。
本発明の更に別の目的は、チャンバ内の雰囲気に殆ど影響を与えず、かつ比較的簡便に高輻射率の棒をチャンバ内に設置することができる、引上げ装置内の単結晶棒の温度計測システム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に示すように、チャンバ１１内に設けられたるつぼ１３に単結晶棒１５となる材料の融液１２が貯留され、このるつぼ１３の外周面を包囲するヒータ１７が上記融液１２を加熱し、この融液１２から単結晶棒１５が引上げられるように構成された引上げ装置の改良である。
その特徴ある構成は、単結晶棒１５の外周面近傍にこの単結晶棒１５の引上げ軸に平行に設けられ下端が融液１２に接触する高輻射率の棒２３と、チャンバ１１外に設けられ上記棒２３の長手方向の温度分布を検出する非接触式の温度センサ２４とを備えたところにある。
【０００５】
この請求項１に記載された単結晶棒の温度計測システムでは、高輻射率の棒２３の下端を融液１２に接触させることにより、単結晶棒１５の固液界面における熱伝導を模することができる。このため棒２３の温度分布が引上げ中の単結晶棒１５の長手方向（引上げ方向）の温度分布に近付く。即ち、棒２３の温度分布の変化を温度センサ２４により監視することにより、単結晶棒１５の温度分布の変化を精密に推定することができる。
【０００６】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図１に示すように、高輻射率の棒２３が黒鉛により形成された棒本体２３ａと、棒本体２３ａの下端に取付けられ融液１２に接触する高純度石英製のチップ２３ｂとを有することを特徴とする。
この請求項２に記載された単結晶棒の温度計測システムでは、棒本体２３ａを高輻射率の黒鉛により形成したので、ヒータ１７等から発せられかつ単結晶棒１５で反射した迷光の影響を殆ど受けない。また融液１２に接触するチップ２３ｂを高純度石英により形成したので、融液１２への炭素の混入を避けることができる。
【０００７】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、更に図１に示すように、高輻射率の棒２３が単結晶棒１５の外周面を包囲する熱遮蔽部材２２にステー２６を介して取付けられたことを特徴とする。
この請求項３に記載された単結晶棒の温度計測システムでは、チャンバ１１内の雰囲気に殆ど影響を与えず、かつ比較的簡便に高輻射率の棒２３をチャンバ１１内に設置することができる。
【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、シリコン単結晶棒１５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の下面は上記黒鉛サセプタ１４を介して支軸１６の上端に固定され、この支軸１６の下部はるつぼ駆動手段（図示せず）に接続される（図１）。るつぼ駆動手段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ヒータ１７により包囲され、このヒータ１７の外周面はヒータ１７から所定の間隔をあけて保温筒１８により包囲される。ヒータ１７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・融解してシリコン融液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１９が接続される。このケーシング１９には引上げ手段２１が設けられる。引上げ手段２１はケーシング１９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２１ａと、上記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２１ａ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２１ａの下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶棒１５を引上げるための種結晶２１ｂが取付けられる。
【００１０】
またシリコン単結晶棒１５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１５の外周面を包囲する熱遮蔽部材２２が設けられる（図１及び図２）。この熱遮蔽部材２２は円筒状に形成されヒータ１７からの輻射熱を遮る筒部２２ａ（図１）と、筒部２２ａの下縁に連設され下方に向かうに従って直径が小さくなるコーン部２２ｂ（図１及び図２）と、筒部２２ａの上縁に連設され外方に略水平方向に張り出すフランジ部２２ｃ（図１）とを有する。上記フランジ部２２ｃを保温筒１８上に載置することにより、コーン部２２ｂの下縁がシリコン融液１２表面から所定の距離だけ上方に位置するように熱遮蔽部材２２がチャンバ１１内に固定される（図１）。上記熱遮蔽部材２２は黒鉛により形成される。
【００１１】
本実施の形態の特徴ある構成は、シリコン単結晶棒１５の外周面近傍にこのシリコン単結晶棒１５の引上げ軸に平行に設けられた高輻射率の棒２３と、チャンバ１１外に設けられ上記棒２３の長手方向の温度分布を検出する非接触式の温度センサ２４とを備えたところにある（図１及び図２）。上記棒２３はその下端がシリコン融液１２に接触し、棒本体２３ａと、この棒本体２３ａの下端に取付けられたチップ２３ｂとを有する。棒本体２３ａは高輻射率の材料、例えば黒鉛、ＳｉＣ等により形成されるが、黒鉛により形成されることが好ましい。チップ２３ｂはシリコン融液１２に接触するように構成され、高純度石英により形成されることが好ましい。また上記棒本体２３ａ及びチップ２３ｂの外径は４〜１２ｍｍ、好ましくは８ｍｍ程度の小径に形成され、チップ２３ｂはこの実施の形態では棒本体２３ａの下端に螺合される。なお、棒本体２３ａを高輻射率の材料により形成したのはヒータ１７等からの迷光の影響を避けるためであり、チップ２３ｂを高純度石英により形成したのはシリコン融液１２への炭素の混入を避けるためである。
【００１２】
またチャンバ１１の肩部１１ａには透明石英板１１ｂが挿着された窓１１ｃが形成され、上記温度センサ２４はこの窓１１ｃの外側にチャンバ１１内を臨むように設置される（図１）。温度センサ２４はこの実施の形態ではＣＣＤ（Charge Coupled Device：電荷結合素子）センサである。更に上記棒２３は熱遮蔽部材２２のコーン部２２ｂにステー２６を介して取付けられる（図１及び図２）。ステー２６は略直角三角形の細い枠状に形成される。図２に詳しく示すように、棒２３はステー２６の斜辺部２６ａに平行にかつ斜辺部２６ａから所定の間隔をあけてボルト２７及びナット２８により取付けられ、ステー２６は短辺部２６ｂをボルト２９によりコーン部２２ｂ上面に固定することにより熱遮蔽部材２２に取付けられる。上記のようにステー２６を形成することにより、チャンバ１１内の雰囲気に殆ど影響を与えず、かつ比較的簡便に高輻射率の棒２３をチャンバ１１内に設置することができるようになっている。
【００１３】
一方、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（図示せず）が接続される。また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、るつぼ駆動手段には石英るつぼ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２１の引上げ用モータ及びるつぼ駆動手段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２１ａの巻取り長さ、即ちシリコン単結晶棒１５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、るつぼ駆動手段の昇降用モータを制御するように構成される。
【００１４】
このように構成されたシリコン単結晶棒１５の温度計測システムの動作を説明する。
引上げ中のシリコン単結晶棒１５の外周面近傍に小径の高輻射率の棒２３を設置し、この棒２３の下端、即ち高純度石英製のチップ２３ｂをシリコン融液１２に接触させることにより、シリコン単結晶棒１５の固液界面における熱伝導を模することができる。このため棒２３の温度分布が引上げ中のシリコン単結晶棒１５の長手方向（引上げ方向）の温度分布に近付く。そこで、棒２３の外周面から発せられた輻射熱を温度センサ２４にて検出することにより、この棒２３の長手方向の温度分布を測定することができ、棒２３の温度分布の変化を監視することにより、シリコン単結晶棒１５の温度分布の変化を精密に推定することができる。この結果、測定された棒２３の温度分布が予め定められた温度分布からずれていた場合には、石英るつぼ１３の位置や保温筒１８の形状を調節することにより、或いはシリコン単結晶棒１５の引上げ速度を調整することにより、温度分布を修復して温度分布の変動を抑制する。これにより品質のばらつきの少ないシリコン単結晶棒１５を再現性良くかつ効率良く製造することができる。
なお、上記実施の形態では、単結晶棒としてシリコン単結晶棒を挙げたが、ゲルマニウムやガリウムヒ素等の単結晶棒でもよい。
【００１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、引上げ装置内の単結晶棒の外周面近傍にこの単結晶棒の引上げ軸に平行に高輻射率の棒を設け、この棒の下端を融液に接触させ、更にチャンバ外に設けられた非接触式の温度センサが上記棒の長手方向の温度分布を検出するように構成したので、高輻射率の棒下端の融液への接触により、単結晶棒の固液界面における熱伝導を模することができる。このため棒の温度分布が引上げ中の単結晶棒の長手方向の温度分布に近付く。即ち、棒の温度分布の変化を温度センサにより監視すれば、単結晶棒の温度分布の変化を精密に推定することができる。この結果、上記棒の温度分布が予め定められた温度分布からずれていれば、るつぼ位置等を調節したり、単結晶棒の引上げ速度を調整することにより、温度分布の変動を抑制することができるので、品質のばらつきの少ない単結晶棒を再現性良くかつ効率良く製造することができる。
【００１６】
また高輻射率の棒の棒本体を黒鉛により形成し、棒本体の下端に取付けられた高純度石英製のチップが融液に接触するように構成すれば、ヒータ等から発せられかつ単結晶棒で反射した迷光の影響を殆ど受けず、また融液への炭素の混入を避けることができる。
更に高輻射率の棒を単結晶棒の外周面を包囲する熱遮蔽部材にステーを介して取付ければ、チャンバ内の雰囲気に殆ど影響を与えず、かつ比較的簡便に高輻射率の棒をチャンバ内に設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態のシリコン単結晶棒の引上げ装置を示す断面構成図。
【図２】高輻射率の棒を含む引上げ装置の要部拡大断面図。
【図３】従来例を示す図１に対応する断面構成図。
【符号の説明】
１０ 引上げ装置
１１ チャンバ
１２ シリコン融液
１３ 石英るつぼ
１５ シリコン単結晶棒
１７ ヒータ
２２ 熱遮蔽部材
２３ 高輻射率の棒
２３ａ 棒本体
２３ｂ チップ
２６ ステー

Claims (3)

1. チャンバ(11)内に設けられたるつぼ(13)に単結晶棒(15)となる材料の融液(12)が貯留され、前記るつぼ(13)の外周面を包囲するヒータ(17)が前記融液(12)を加熱し、前記融液(12)から単結晶棒(15)が引上げられるように構成された引上げ装置において、
   前記単結晶棒(15)の外周面近傍にこの単結晶棒(15)の引上げ軸に平行に設けられ下端が前記融液(12)に接触する高輻射率の棒(23)と、
   前記チャンバ(11)外に設けられ前記棒(23)の長手方向の温度分布を検出する非接触式の温度センサ(24)と
   を備えたことを特徴とする単結晶棒の温度計測システム。
2. 高輻射率の棒(23)が黒鉛により形成された棒本体(23a)と、前記棒本体(23a)の下端に取付けられ融液(12)に接触する高純度石英製のチップ(23b)とを有する請求項１記載の単結晶棒の温度計測システム。
3. 高輻射率の棒(23)が単結晶棒(15)の外周面を包囲する熱遮蔽部材(22)にステー(26)を介して取付けられた請求項１又は２記載の単結晶棒の温度計測システム。

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