JP3873561B2 - 単結晶育成装置及びそれを用いたシリコンの融解方法 - 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（以下、「ＣＺ法」という。）によりシリコン単結晶を育成する装置及びそれを用いたシリコンの融解方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン単結晶の育成方法としてルツボ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を成長させるＣＺ法が知られている。この方法は、ルツボを内部に有する炉体の上部に設けられた回転・引上げ機構からワイヤを介してルツボの上方の炉体内部に吊り下げられた種結晶用ホルダに種結晶を取付け、ワイヤを繰り出してその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分を作製し、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、必要な面方向を有する無転位の単結晶インゴットを得ることができるものである。シリコン融液はルツボ内に融解されており、ルツボはカーボンヒータにより加熱される。
【０００３】
しかし多結晶シリコンの融解温度は約１４００℃であり、シリコン単結晶を育成させるため、ルツボ内に当初充填された塊状物又は粒状物を完全に融解するには比較的多くの時間を必要とする。特に今日の育成する単結晶の大口径化と長尺化に伴い比較的多量のシリコン融液を必要とし、このシリコンを融解する時間はシリコン単結晶インゴット育成工程における効率低下という不具合を招いていた。
この点を解消するために、育成されるシリコン単結晶インゴットの通過部分を除いたルツボの上方部分に赤外線反射板を設けた装置が提案されている（例えば特公昭５７−４０１１９，特公平６−３３２１８）。これらの装置では赤外線反射板で囲まれたルツボをカーボンヒータにより効率よく加熱することができ、ルツボに入れられたシリコンからなる塊状物又は粒状物の融解を短時間で簡便に行うことができ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、上述した装置では、育成される単結晶インゴットの通過部分には反射板が設けられないため、その通過部分から熱が炉体上方に放散し、塊状物又は粒状物を融解する時間の短縮を十分に図ることができない不具合があった。また、反射板をルツボ上方の全部分にまで設けた場合には、反射板が単結晶インゴットの育成の障害になるために、塊状物又は粒状物が融解した後にその反射板を取外して炉体から取出す必要が生じ、反射板を取出すことの手間が増加する未だ解決しなければならない問題点が残存していた。
本発明の目的は、シリコンからなる塊状物又は粒状物の融解を短時間で簡便に行うことができる単結晶育成装置及びそれを用いたシリコンの融解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、ルツボ１７と断熱材１２を内部に有する炉体１１の上部に設けられた回転・引上げ機構１８と、回転・引上げ機構１８からワイヤ１９を介してルツボ１７の上方の炉体内部に吊り下げられた種結晶用ホルダ２１とを備えた単結晶育成装置の改良である。
その特徴ある構成は、断熱材１２の上縁にルツボ１７の上部を取り囲むように内方に向って配置され育成される単結晶インゴットの外径より僅かに大きい孔２３ａが中央に形成された円板状の赤外線反射板２３と、赤外線反射板２３の孔２３ａより僅かに小さな外径を有し下面が鏡面仕上げされたシリコンの融点以上の融点を有する円板２７と、円板２７の中央に立設され上部が種結晶用ホルダ２１に離脱可能に取付けられるロッド２８とを備えたところにある。
請求項２に係る発明は、シリコンからなる塊状物又は粒状物２９を炉体１１内部に設けられたルツボ１７に入れ、育成される単結晶インゴットの外径より僅かに大きい孔２３ａが中央に形成された円板状の赤外線反射板２３を炉体１１内部に設けられた断熱材１２の上縁にルツボ１７の上部を取り囲むように内方に向って配置し、炉体１１の上部に設けられた回転・引上げ機構１８からワイヤ１９を介して吊り下げられた種結晶用ホルダ２１に赤外線反射板２３の孔２３ａより僅かに小さな外径を有しシリコンの融点以上の融点を有する円板２７の中央に立設されたロッド２８を取付け、ワイヤ１９を繰り出して断熱材１２の上縁に配置された赤外線反射板２３の中央に形成された孔２３ａに円板２７を通過させるように円板２７を下降させ、円板２７がルツボ１７の上方に達した時点でワイヤ１９の繰り出しを停止してルツボ１７の開口部の一部を覆うように円板２７を水平に保持し、ルツボ１７を加熱して塊状物又は粒状物２９を融解するシリコンの融解方法である。
【０００６】
この請求項１に係る単結晶育成装置及び請求項２に係る融解方法では、ルツボ１７を加熱してシリコンの融解が開始すると、図１及び図３の実線矢印で示すように、融解が開始したシリコンのルツボ１７上面から放出する熱の放散を反射部材２６の円板２７が防止するとともにこの熱をシリコン２４からなる塊状物又は粒状物に向けて反射する。円板２７により反射した熱が加わることにより、シリコンからなる塊状物又は粒状物の融解時間は従来より短縮する。
円板２７の下面を鏡面仕上げするのは、円板２７の下面が反射する熱量を大きくするためであり、鏡面仕上げにはミラーポリッシュ又はミラーエッチングが挙げられる。
【０００７】
【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詳しく説明する。
図１及び図２に示すように、ＣＺ法によるシリコン融液から単結晶を育成する装置では、炉体１１の内部に炉体１１と同心円状に断熱材１２とカーボンヒータ１３が配置され、炉体１１中央の回転軸１４の上端に固定された黒鉛サセプタ１６に有底円筒状の石英ルツボ１７が嵌合される。炉体１１の上部には円筒状のチャンバ１５を介して回転・引上げ機構１８が設けられ、ルツボ１７の上方にはこの回転・引上げ機構１８からワイヤ１９を介して種結晶用ホルダ２１が吊り下げられる。シリコン単結晶を育成させる際には、この種結晶用ホルダ２１に図示しない種結晶を取付け、回転・引上げ機構１８はその種結晶から成長した高純度のシリコン単結晶インゴットを回転しつつ引上げて種結晶の下端に高純度のシリコン単結晶インゴットを成長させるようになっている。
【０００８】
一方、炉体１１とチャンバ１５はヒンジ１５ａを介して取付けられ、チャンバ１５が取付けられる炉体１１の上部には、その部分における開口部１１ａを閉止可能な遮蔽板２２が設けられる。遮蔽板２２は炉体１１に設けられた収容部１１ｂに収納状態でその開口部１１ａを開放し、収容部１１ｂから突出すると開口部１１ａを閉止するように構成される。また、断熱材１２上縁にはルツボ１７及びカーボンヒータ１３の上部を取り囲むように内方に向って、円板状の赤外線反射板２３が配置され、その赤外線反射板２３は育成される単結晶インゴットに当接しないようにその中央に育成される単結晶インゴットの外形より僅かに大きい孔２３ａが設けられる。
図４に示すように、種結晶用ホルダ２１は、チャック本体２１ｄの底部に種結晶挿入穴２１ａが中心軸に沿って形成され、この挿入穴２１ａに直交しかつ挿入穴２１ａの軸心に対して偏倚してピン孔２１ｂが形成される。ピン孔２１ｂはピン孔２１ｂの中央部分における断面積が約半分程度挿入穴２１ａに重なるように形成される。シリコン単結晶を育成させる際の種結晶の取付けは、図示しない種結晶を挿入穴２１ａに挿入して、種結晶用ホルダ２１のピン孔２１ｂに係止ピン２４を挿入することにより行うようになっている。
【０００９】
本発明の反射部材２６は、この種結晶用ホルダ２１に離脱可能に取付けられるものであって、円板２７と上部がそのホルダ２１に取付け可能に構成されたロッド２８とを備える。円板２７はシリコンの融点以上の融点を有するモリブデンにより作られ、赤外線反射板２３の孔２３ａより僅かに小さな外径を有する板材である。この円板２７の下面はミラーポリッシュ又はミラーエッチング等の鏡面仕上げがなされる。ロッド２８はモリブデンからなる断面円形の棒材であって、円板２７の中央に形成された図示しない装着孔に下端を圧入することによりその円板２７の中央に立設される。ロッド２８は図示しない種結晶と類似の形状に作られる。即ち、ロッド２８は種結晶用ホルダ２１の挿入穴２１ａに挿入可能な外径を有し、ロッド２８上部の側部には下方に向かって深く切欠かれた切欠き面２８ａが形成される。
【００１０】
ロッド２８上部のホルダ２１への取付けは、図示しない種結晶の取付けと同様にロッド２８の上部を挿入穴２１ａに挿入した後、種結晶用ホルダ２１のピン孔２１ｂに係止ピン２４を挿入することにより行われる。ピン孔２１ｂに挿入された係止ピン２４の胴部はロッド２７に形成された切欠き面２８ａに当接し、ロッド２８の挿入穴２１ａに対する移動が禁止され、係止ピン２４は反射部材２６を種結晶用ホルダ２１に取付けるように構成される。一方、ピン孔２１ｂから係止ピン２４を抜くと、ロッド２８の挿入穴２１ａに対する移動が許容され、反射部材２６は種結晶用ホルダ２１から取り外すことができるように構成される。
【００１１】
次に、このような構成の反射部材を用いたシリコンの融解方法を説明する。
図２に示すように、先ずシリコンからなる塊状物又は粒状物２９を炉体内部に設けられたルツボ１７に入れる。この実施の形態におけるシリコンは粒状物からなる新規の多結晶シリコンであるが、シリコンは育成に失敗した単結晶を砕いたものであっても良く、またシリコンは塊状物であってもよい。その後、炉体１１の上部に設けられた回転・引上げ機構１８からワイヤ１９を介して吊り下げられた種結晶用ホルダ２１に、係止ピン２４を用いて反射部材２６のロッド２８を取付ける。図２に示すように、反射部材２６の取付けは、炉体１１に対してチャンバ１５を傾動させてチャンバ１５の下端から種結晶用ホルダ２１を引出した状態で行われる。ロッド２７を種結晶用ホルダ２１に取付けた後には、このチャンバ１５を再び戻してその反射部材２６をルツボ１７の上方に位置させる。
【００１２】
次に、ワイヤ１９を繰り出してルツボ１７の上方でルツボ１７の開口部の一部を覆うように反射部材２６の円板２７を水平に保持させる。円板２７は赤外線反射板２３の孔２３ａより小さな外径を有するので、ワイヤ１９を繰り出すと、反射部材２６はその孔２３ａを通過して下降する。反射部材２６がルツボ１７の近傍に達した時点でワイヤ１９の繰り出しを停止することにより、図３に示すように、ルツボ１７の開口部の一部を覆うように反射部材２６の円板２７は水平に保持される。その後、カーボンヒータ１３によりそのルツボ１７を加熱してそのルツボ１７に入れられた塊状物又は粒状物２９を融解する。
【００１３】
ルツボ１７の周囲に配置されたカーボンヒータ１３の熱により周囲からルツボ１７に入れられた多結晶シリコンからなる塊状物又は粒状物２４の融解が開始する。図１及び図３の実線矢印で示すように、融解が開始した多結晶シリコンのルツボ１７上面から放出する熱の放散はこの反射部材２６の円板２７が防止するとともに、円板２７はこの熱を塊状物又は粒状物２４に向けて反射する。特に鏡面仕上げした円板２７下面の反射率は鏡面仕上げしない場合と比較して向上しているので、ルツボ１７上面から放出する熱を有効に反射して、この熱により多結晶シリコンの融解は更に速くなる。
また、育成されるシリコン単結晶インゴットの通過部分を除いたルツボ１７上方部分に赤外線反射板２３を設けたこの実施の形態では、図１に示すように、融解が開始したルツボ１７上面からの熱の放散を、本発明の反射部材２６が赤外線反射板２３がとともにより有効に防止する。これにより、シリコンからなる塊状物又は粒状物の融解時間はより一層短縮する。
【００１４】
シリコンからなる塊状物又は粒状物が融解した後、このシリコン融液３１から半導体用の高純度シリコン単結晶を成長させる。この成長に際して、反射部材２６に代えて図示しない種結晶を種結晶用ホルダ２１に取付ける。反射部材２６の取り外し及び種結晶の取付けは、炉体１１に対してチャンバ１５を傾動させてチャンバ１５の下端から種結晶用ホルダ２１を引出して行われる。この際、図２に示すように、遮蔽板２２を収容部１１ｂから突出させて炉体１１の開口部１１ａを閉止することにより炉体１１内部が冷却されることを防止する。ロッド２７を種結晶に代えた後、このチャンバ１５を再び戻すとともに、遮蔽板２２を収容部１１ｂに収納して開口部１１ａを再び開放する。その後、種結晶をシリコン融液３１に接触させ、回転・引上げ機構１８はその種結晶から成長した高純度のシリコン単結晶インゴットを回転しつつ引上げて種結晶の下端に高純度のシリコン単結晶インゴットを成長させる。
【００１５】
なお、上述した実施の形態では、円板２７としてシリコンの融点以上の融点を有するモリブデンを使用したが、円板２７は、タングステンやシリコンウエーハであってもよい。反射部材２６をシリコンウエーハで作った場合には、るつぼ１７に入れたシリコンが全て融解した後、反射部材２６をシリコンからなる塊状物又は粒状物が融解したシリコン融液中に融解させることができ、反射部材２６をシリコン融液に融解させれば、後工程でこの反射部材２６を炉体１１から取出す作業を不要にすることができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、下面が鏡面仕上げされたシリコンの融点以上の融点を有する円板と、円板の中央に立設され上部がホルダに取付け可能に構成されたロッドとを備えた単結晶育成装置の反射部材を用い、シリコンからなる塊状物又は粒状物を炉体内部に設けられたルツボに入れ、炉体の上部に設けられた回転・引上げ機構からワイヤを介して吊り下げられた種結晶用ホルダにそのロッドを取付け、ワイヤを繰り出してルツボの上方でルツボの開口部の一部を覆うように円板を水平に保持し、ルツボを加熱して塊状物又は粒状物を融解するので、ルツボを加熱してシリコンの融解が開始すると、ルツボ上面から放出する熱の放散を円板が防止するとともにこの熱を反射する。円板により反射した熱によりシリコンからなる塊状物又は粒状物の融解時間を従来より短縮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の反射部材を含む単結晶育成装置の概略断面図。
【図２】そのチャンバが傾動した状態を示す図１に対応する概略断面図。
【図３】反射部材をルツボの上方に配置させた状態を示す断面図。
【図４】その反射部材をホルダに取付ける状態を示す斜視図。
【符号の説明】
１１ 炉体
１７ ルツボ
１８ 回転・引上げ機構
１９ ワイヤ
２１ 種結晶用ホルダ
２６ 反射部材
２７ 円板
２８ ロッド
２９ シリコンからなる塊状物又は粒状物

Claims (2)

1. ルツボ(17)と断熱材(12)を内部に有する炉体(11)の上部に設けられた回転・引上げ機構(18)と、前記回転・引上げ機構(18)からワイヤ(19)を介して前記ルツボ(17)の上方の炉体内部に吊り下げられた種結晶用ホルダ(21)とを備えた単結晶育成装置において、
   前記断熱材(12)の上縁に前記ルツボ(17)の上部を取り囲むように内方に向って配置され育成される単結晶インゴットの外径より僅かに大きい孔(23a)が中央に形成された円板状の赤外線反射板(23)と、
   前記赤外線反射板(23)の孔(23a)より僅かに小さな外径を有し下面が鏡面仕上げされたシリコンの融点以上の融点を有する円板(27)と、
   前記円板(27)の中央に立設され上部が前記種結晶用ホルダ(21)に離脱可能に取付けられるロッド(28)と
   を備えたことを特徴とする単結晶育成装置。
2. シリコンからなる塊状物又は粒状物(29)を炉体(11)内部に設けられたルツボ(17)に入れ、
   育成される単結晶インゴットの外径より僅かに大きい孔 (23a) が中央に形成された円板状の赤外線反射板 (23) を前記炉体 (11) 内部に設けられた断熱材 (12) の上縁に前記ルツボ (17) の上部を取り囲むように内方に向って配置し、
   前記炉体(11)の上部に設けられた回転・引上げ機構(18)からワイヤ(19)を介して吊り下げられた種結晶用ホルダ(21)に前記赤外線反射板(23)の孔(23a)より僅かに小さな外径を有しシリコンの融点以上の融点を有する円板(27)の中央に立設されたロッド(28)を取付け、
   前記ワイヤ(19)を繰り出して断熱材(12)の上縁に配置された前記赤外線反射板(23)の中央に形成された前記孔(23a)に前記円板(27)を通過させるように前記円板(27)を下降させ、
   前記円板(27)が前記ルツボ(17)の上方に達した時点で前記ワイヤ(19)の繰り出しを停止して前記ルツボ(17)の開口部の一部を覆うように前記円板(27)を水平に保持し、
   前記ルツボ(17)を加熱して前記塊状物又は粒状物(29)を融解するシリコンの融解方法。

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