JP4087708B2 - シリカるつぼ製造装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は石英（「シリカ」とも呼ばれる）るつぼに関し、さらに具体的には、単結晶シリコン製品を成長させるために半導体工業で使用される融解石英るつぼの製造装置に関する。
【０００２】
シリコン結晶の製造に際しては、先ず最初に多結晶質シリコンを石英るつぼ内で融解するチョクラルスキー法が多用される。多結晶質シリコンを融解した後、融液中に種晶が浸漬され、次いでるつぼを回転させながら種晶を引抜くことによって単結晶シリコンインゴットが形成される。
【０００３】
特に半導体工業用の単結晶シリコンを製造するために使用されるるつぼは、実質的に不純物を含まないことが重要である。加えて、石英るつぼは混在する気泡やその他の構造的欠陥をほとんど含まないことも好ましい。
【０００４】
従って、低い気泡含量を有しかつ／あるいはシリコン結晶成長に対してほとんど若しくは全く悪影響を及ぼさないガスを含んだ気泡を有するシリカるつぼを製造するための方法が利用できれば極めて望ましい。
【０００５】
従来、かかるるつぼを製造するためには、側壁及び底部に気体透過性領域を有する回転中空鋳型内に原料石英が導入される。原料石英の導入後、石英を融解するための熱源が鋳型内に導入される。加熱中、回転鋳型の外側に真空を加えることによって隙間のガスが抜取られる。この方法は気泡含量を低下させるが、それでも気泡は残存する。また、雰囲気を制御する試みも行われたが、石英るつぼ製造に関する特異な要求条件を十分に満たすような満足すべき装置は存在していない。
【０００６】
そこで、半導体工業界では、低い気泡含量を有するるつぼ及び／又は多結晶質の融液や引抜かれる結晶に対して有害な影響をほとんど及ぼさないガスを含んだ気泡を有するるつぼが今なお要望されている。これは、気泡の数を減少させると共に、気泡内に閉込められたガスの組成を制御して結晶成長に対する影響を低減させることによって達成することができる。また、混在するガスがシリコン融液中に極めて溶け易いかあるいはそれから放出されるように気泡中のガスの組成を制御することもできる。このような目標を達成するための重要な要求条件の１つは、気泡数の減少及び制御された気泡ガスの組成を示するつぼの製造を容易にするるつぼ製造装置が利用可能なことである。
【０００７】
【発明の概要】
本発明の一実施形態では、石英るつぼ製造装置が提供される。かかる装置は、底壁部分及び側壁部分を有しかつ内部にキャビティを画成する中空鋳型を含んでいる。それらの壁は、真空の下で鋳型の壁を通してガスを抜取ることを容易にするために複数の通路を含んでいる。この特徴は、石英粒子を壁に引寄せかつガスを除去するために役立つ。
【０００８】
また、鉛直軸線の回りでの鋳型の回転を容易にするため、鋳型用の回転可能な支持体が設けられている。この特徴も、遠心力によってけい砂を鋳型の壁上に保持することを可能にする。
【０００９】
シュラウドが中空鋳型の少なくとも一部分を包囲すると共に、シュラウドと鋳型との間の空隙にガスを供給するために１以上のガス入口が設けられている。一般に、シュラウドは鋳型の底部外側及び側壁並びに中空鋳型の上面外周部を包囲している。
【００１０】
ハウジング（又はフード）がシュラウド及び鋳型の少なくとも一部分を包囲すると共に、ハウジングはガスを排出するように配置された１以上のガス出口を有している。ハウジングは、（ａ）周囲大気から遮断されたるつぼ形成環境、あるいは（ｂ）環境中への所望の流れを維持することによって外気に対する正圧を維持するのに十分な程度の精密許容差（例えば、フードの場合）をもって生み出されたるつぼ形成環境を確立することが好ましい。これにより、制御ガスの流出が起こる一方、ハウジング内への周囲大気の流入は起こらないことが保証される。
【００１１】
また、融解及び焼結後に鋳型の通路に逆方向の圧力を加えてるつぼの取出しを可能にするため、真空系統に連結された圧縮空気源を設けることが好ましい。
【００１２】
また、鋳型の回転を可能にしながら真空管路を中空鋳型に連結するために回転真空連結継手を使用することが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
半導体工業では、チョクラルスキー法に従って多結晶質シリコンから単結晶シリコンインゴットを成長させるために融解石英るつぼが使用されている。かかる方法の実施に際しては、多結晶質シリコンが石英るつぼ内に配置され、そして約１５００℃に加熱される。得られた融液に種晶を接触させた後、それを引抜いていくと、単結晶シリコンインゴットが成長する。
【００１４】
インゴットの成長時には、溶融シリコンが融解石英るつぼと反応してるつぼの壁の一部を溶解する。溶解するるつぼの壁が気泡を含んでいると、溶解過程は気泡を包囲する材料を破砕することがある。そうなると、融解石英の微細なチップ又は破片が放出されることがある。分散した破片は多数の成長部位を生じて結晶成長過程の平衡状態を狂わせる結果、結晶成長の収量が制限される。その上、気泡内に含まれていたガスが引抜かれるシリコン中に溶解したり、あるいはもし不溶であってもその中に同伴されることがある。従って、るつぼの気泡の数量、サイズ及びガス含量を管理することが望ましい。
【００１５】
るつぼ自体は、回転する黒鉛ポット内にけい砂を配置することによって製造される。遠心力がけい砂をポットの側面に密着させる結果、けい砂はボウルの形を取る。アークにより、けい砂を融解するための熱が供給される。アークを印加した場合、アークの温度は約６０００℃であり、また壁の温度は約２０００℃である。黒鉛ポットの底に設けられた一連の通路を通して真空を加えることにより、けい砂から残留ガスが除去される。
【００１６】
けい砂の粒子間のガスの全てが真空によって除去されるわけではない。また、利用可能な真空レベルの下でも、けい砂の粒子間の空隙は多少の残留ガスを保持する。その上、けい砂の粒子は急速に融合してボイド中にガスを閉込めるのが通例である。かかるガスは、周囲大気の組成にほぼ近似している。以前には、融合工程中に周囲大気の制御を持続することが困難であった。同様に、初期のるつぼ製造装置は周囲大気の効果的な監視及び改変が可能でなかった。
【００１７】
望ましくないガスの量が低減した雰囲気中でるつぼを製造すれば、気泡の数を減少させることができると共に、るつぼのボイド中に生じる気泡中での望ましくないガスの含量が低減することにもなる。このように、結晶成長中にるつぼが溶解した際により少数のより小さい気泡が融液中に放出される場合には、望ましくないガスによって結晶中に引起こされるボイド欠陥は抑制又は排除される。本発明では、るつぼ融合雰囲気を制御するためには、るつぼ融合工程を有利かつ経済的に制御するための特定の装置が必要であることが判明した。
【００１８】
図１を見ると、石英るつぼを製造するための装置１０が示されている。装置１０は、融合雰囲気１２を含んでいる。回転可能な鋳型１４には回転軸１６が設けられている。鋳型１４の壁を通して融合雰囲気１２を抜取ることを容易にするため、回転軸１６は中空であるか、あるいはその他のやり方で鋳型１４に連通する真空管路を具備していることが好ましい。また、鋳型１４には矢印１５によって略示された通路（図示せず）も設けられている。鋳型１４内には、るつぼ２０を形成するためのキャビティ１８が存在している。鋳型１４が回転されると共に、熱源２２及び２４（アーク）によって鋳型１４内に高温の雰囲気が生み出される。キャビティ１８には、鋳型１４の上方に配置された供給路（図示せず）を通して石英粉末が供給される。この石英粉末は鋳型１４の内面に付着し、熱源２２及び２４からの熱により融合してるつぼ２０を形成する。
【００１９】
鋳型１４には、通常のタイプの冷却機構を設けることができる。鋳型１４の形状及び寸法は、製造すべきるつぼの形状及び寸法に応じてほぼ決定することができる。鋳型１４は、満足すべき耐熱性及び機械的強度を有する材料で作製される。
【００２０】
鋳型１４内の融合雰囲気１２は高度に制御される。具体的には、鋳型１４の底部及び側壁を包囲するシュラウド２６が設けられる。また、シュラウド２６は入口導管３０及び３２を通って流入するガスを雰囲気１２中に導くために役立つ肩部２８を含んでいる。
【００２１】
シュラウド２６それ自体は、ハウジング３４によって部分的に包囲されている。ハウジング３４は、シュラウド２６と共に気密の（又は少なくとも正圧の）シール３６を形成し、それによって制御雰囲気３８を生み出す。また、ハウジング３４は排気ダクト４０をも含んでいる。肩部２８及び雰囲気３８から導かれたガスは、鋳型１４に流入して所望の融合雰囲気１２を生成することができる。有利な点は、ガスが雰囲気１２中に直接注入されないことである。さもないと、加熱電流及び／又は形成されるるつぼの壁が悪影響を受けることがある。
【００２２】
シュラウド２６に１組のガス入口配管３０，３２を設けると共に、回転ポットの底縁の外周に対して少なくとも実質的に封止された好ましくは円筒形のシュラウド２６本体を回転ポットの周囲に設けることにより、適切なガス雰囲気を設計することができる。ガスは入口配管３０，３２を通って流入し、そして円筒形のシュラウド２６本体と回転鋳型１４との間の空隙に到達する。この空隙はプレナムのように働いて、ガスを低下した速度で流し込む。また、ガスはポットの上縁に向って進み、次いでるつぼの開口に向って進むので、ガスは比較的ゆっくりと流れることができる。遅い線速度で大きい体積流量を得ることが望ましい。その上、高速ジェットとしての流れは大電流アークの内部及び周囲での正常な流れパターンを乱すことがある。それでも、鋳型１４の上面より上方の容積への流入量は同じ容積からの全ての流出量の和より大きいことが好ましい。
【００２３】
選択可能なガスとしては、限定されるわけではないが、ヘリウム、水素、酸素、窒素、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、また（望ましさの程度は落ちるが）フッ素、塩素、臭素、ラドン、一酸化炭素、二酸化炭素及び水蒸気が挙げられる。選択可能なガスとしてはまた、限定されるわけではないが、上記ガスの混合物、例えばヘリウム＋水素、ヘリウム＋窒素、窒素＋酸素及びヘリウム＋ネオンのような二元混合物、ヘリウム＋酸素＋窒素及びネオン＋酸素＋窒素のような三元混合物なども挙げられる。
【００２４】
けい砂層の背後に真空系統が存在することにより、ポット内には負圧が生じる。制御ガスがポット内に引込まれ、次いでけい砂層を通して抜取られることにより、ポット内には負圧が生じる。真空は、好ましくは７５０００Ｐａ未満であり、一層好ましくは１５０００Ｐａ未満であり、また最も好ましくは５０００Ｐａ未満である。
【００２５】
この領域からの流出量は、流入量が全ての流出量より大きくなるように制御されることが望ましい。このようにすれば、上記の領域は正圧となり、従って所望のガス組成を有する制御容積を生み出すことが一層確実に可能となる。けい砂層を通過した後のガスは黒鉛製の鋳型内に排出され、次いで真空管路中に抜取られて真空ポンプに向かう。
【００２６】
融合ポット排気口のすぐ真空ポンプ側の配管は、ガス組成を監視するために好適な位置を提供する。例えば、この位置にガス分光計を使用することができる。また、この位置では、けい砂層を通して実際に抜取られたガスの組成を監視することができる。けい砂層中に制御ガスが引込まれるのに伴い、それは本来の周囲空気に置き換わり始める。もし空気と異なるガスを使用すれば、空気の組成から選択されたガスの組成への漸進的な変化を監視することができる。このような雰囲気の転換は、真空排気速度、供給源流量及びその他の流量に応じて１〜２分から数分の時間を要することがある。全ての因子が満たされた場合、例えば純粋な窒素を用いて約１〜１．５分で空気を置換することができる。その場合、本来の空気の残分は約２〜３分で１０％未満ないし２％未満となる。制御雰囲気がけい砂層中に引込まれ、次いでけい砂層を通して抜取られるから、けい砂層中のガスの供給源である制御ガス容積に対する制御を確保することにより、けい砂粒子間の隙間に存在するガスを制御することができる。
【００２７】
全ての関連する流入量と流出量との間のバランスを取ることが好ましい。また、流入するガス流量は真空排気流量及びフード排気流量を越えることが好ましい。これにより、ポット開口の上方には所望制御ガスの望ましい正圧領域が生み出される。
【００２８】
融合ポットの上方には、適切に封止された構造のフードを使用することが好ましい。適切に封止されていないフードでは、制御雰囲気への移行が遥かに遅くなるばかりでなく、同じ最終値に到達しない。
【００２９】
所望の雰囲気制御レベルが達成された後、アークを印加して該アークに電力を供給することにより、けい砂層が加熱されて融解し始める。けい砂層の内面が融解し始めると、連続したガスの流れに対するシールの形成が開始される。
【００３０】
加えて、本発明の装置はるつぼの内面上に生じる蒸着物の斑点を低減させる。また、従来のようにジェット状の雰囲気制御ガスを使用した場合には、蒸気スポットが生じることによって形成中のるつぼの表面が乱された。ガス空間の範囲を制限すると共に、ガス流速を比較的小さくすることにより、本発明の装置は蒸気スポットを低減させる。
【００３１】
アーク効果に加え、高い拡散率を有することが知られているガスを選択することによってガスの拡散能力を制御することができる。これにより、真空系統は特定の目標領域内でのるつぼの気泡密度を低減させる点でより有効となり得る。
【００３２】
融合の周囲雰囲気を制御することにより、少なくとも下記の利点を得ることができる。
【００３３】
１．気温及び湿度の季節的変動を排除することができる。
【００３４】
２．アークを適切に維持することができる。存在するガスのプラズマ化学特性を選択することができる。窒素は、あるいは主として窒素は、アークを抑制することが知られている。その他のガス（例えば、アルゴンやヘリウム）は、初期イオン化電位が低いためにアーク安定性を向上させる。従って、必要に応じてアーク雰囲気を素早く調整することができる。
【００３５】
３．ガス混合物の移動度（拡散率）を選択することができる。多孔質のけい砂層を通して１種以上のガスが抜取られるから、けい砂層中での移動度がより大きいガスは、所定の組合せの条件に対してより低い気泡密度及び（恐らくは）より小さい気泡サイズ（体積）を有する融合層を生じる可能性が大きい。移動度の大きいガスは、移動度のより小さいガスの下で融解した場合に比べ、より少ない気泡及びより小さい気泡を含んだ融解石英を生じるはずである。例えば、ヘリウムを選択すれば、通常の空気よりも遥かに大きい拡散率を持ったガスが得られる。
【００３６】
４．ガスの酸化電位は、組成によって選択することができる。そこで、酸素の存在量を調整することによって気相の酸化性を加減することができる。これは、けい砂の粒子中又は粒子上に有機ガス生成剤から生じる部分の気泡構造に顕著な影響を及ぼすことがある。また、これは電極消耗速度及びるつぼ表面の酸化にも影響を及ぼすことがある。
【００３７】
５．選ばれた雰囲気が製造される成長シリコン結晶中の微小欠陥に関して最も有利となるようにするため、顧客の要請及び／又は要求条件に合わせてガス又は混合ガスを選択することができる。例えば、窒素を除去しながらるつぼを製造することができる。シリコン融液を含む結晶引抜き装置が窒化シリコン又はオキシ窒化シリコンを生成し、次いでそれらが成長するシリコン結晶中に混入することを知れば、窒化物又はオキシ窒化物を含まない結晶を製造することが結晶引抜き及び結晶製品にとって有利となり得る。
【００３８】
【実施例】
図１の装置を使用しながら、微量のアルゴンを含んだＮ₂＋Ｏ₂から成る制御雰囲気の下でるつぼ（２２インチ及び２４インチ）を製造した。るつぼ（２２インチ）は、（アルゴンを含まない）窒素−酸素混合物の下で製造した。２２インチの試験るつぼに関するアルゴンの残留分率は、０．３５２〜０．０１４の範囲内にあった。この残留分率は、試験体に関するガス環境中のアルゴンレベルを通常の空気環境中のアルゴンレベルと関係づける分率である。るつぼ（２４インチ）は、微量のアルゴンを含むか若しくはアルゴンを全く含まない同様な窒素−酸素混合物の下で製造した。そこでアルゴンの残留分率を測定したところ、０．１１７〜０．０１１の範囲内にあった。ヘリウムの下でも試験るつぼを製造したが、ヘリウムの存在はるつぼの内面領域の気泡のサイズを縮小させることが判明した。これらの試験るつぼから作成した試験片を真空封入して、チョクラルスキー法による結晶引抜きのシミュレーションを行ったところ、気泡サイズの成長は普通の閉込められた空気を含む気泡に比べて遥かに少ないことが判明した。
【００３９】
以上、好適な実施形態に関連して本発明を説明した。自明のことながら、本明細書を読んで理解した当業者には様々な変更例や改変例が想起されるであろう。前記特許請求の範囲又はその同等物の範囲内に含まれる限り、本発明はかかる変更例や改変例の全てを包括することが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るるつぼ製造装置を示す略図である。
【符号の説明】
１０ 石英るつぼ製造装置
１２ 融合雰囲気
１４ 中空鋳型
２０ るつぼ
２２ 熱源
２４ 熱源
２６ シュラウド
３０ 入口導管
３２ 入口導管
３６ ガスシール
３８ 制御雰囲気
４０ 排気ダクト

Claims (12)

1. 石英るつぼの製造装置（１０）であって、
   底壁部分及び側壁部分を有し内部にキャビティ（１８）を画成する中空鋳型であって、前記壁がそれらを通してのガスの流通を容易にするために複数の通路を含んでいる中空鋳型（１４）と、
   前記鋳型（１４）を鉛直軸線の回りに回転させるための前記鋳型（１４）用の回転可能な支持体（１６）と、
   石英粒子を前記壁に引寄せ前記中空鋳型の壁及び底部を通してガスを吸引する真空管路と、
   前記中空鋳型（１４）の少なくとも一部分を包囲するシュラウド（２６）と、
   前記シュラウド（２６）と前記中空鋳型（１４）との間の空隙にガスを供給するように配置された１以上のガス入口（３０，３２）と、
   前記シュラウド（２６）及び前記中空鋳型（１４）の少なくとも一部分を包囲するハウジング（３４）と、
   前記シュラウド（２６）と前記鋳型（１４）との間の前記空隙から流出することのあるガスを排出するように配置された１以上のガス出口とを含む装置（１０）。
2. 融解及び焼結後にるつぼ（２０）の取出しを可能にするため、前記鋳型（１４）の通路に連結された圧縮空気源をさらに含む請求項１記載の装置（１０）。
3. 真空管路を前記中空鋳型（１４）に連結するための回転真空連結継手を含む請求項１記載の装置（１０）。
4. 前記真空管路による真空が７５０００Ｐａ未満である請求項１記載の装置（１０）。
5. 真空管路に連通したガス組成分析装置を含む請求項１記載の装置（１０）。
6. 前記シュラウド（２６）が前記中空鋳型（１４）の底部外側、側壁及び上面外周部を包囲する請求項１記載の装置（１０）。
7. １以上の電気加熱部材をさらに含む請求項１記載の装置（１０）。
8. 前記ハウジングが前記シュラウド（２６）と共にガスシール（３６）を形成する請求項１記載の装置（１０）。
9. 前記ハウジングがフードから成る請求項１記載の装置（１０）。
10. 外気に対して正圧の制御雰囲気（３８）を生み出すことを容易にするため、前記フードが前記シュラウド（２６）に十分に接近している請求項９記載の装置（１０）。
11. 前記１以上のガス出口が前記ハウジング内のダクトを含む請求項１記載の装置（１０）。
12. 前記１以上のガス出口が前記フードと前記シュラウド（２６）との間の空隙を含む請求項１０記載の装置（１０）。

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