JP4253841B2

JP4253841B2 - シリコン単結晶の育成装置

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Publication number: JP4253841B2
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Inventors: 中村　　剛; 正彦奥井
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Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2009-04-15
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Description

本発明は、坩堝内のシリコン融液から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引上げて育成する装置に関するものである。

従来、この種の育成装置として、チャンバ内の坩堝に入れた多結晶シリコンをヒータにより融解することにより坩堝内にシリコン融液を貯留し、引上げ軸の下端に固定した種結晶をシリコン融液中に浸漬した状態で坩堝及び引上げ軸を回転させながら引上げ軸を上昇させることにより、種結晶にシリコン単結晶を育成する方法が知られている。
このシリコン単結晶の育成方法では、その生産性がシリコン単結晶の引上げ速度に依存する。このため上記引上げ速度を大きくする試みが種々行われているけれども、シリコン単結晶中の点欠陥の析出挙動はＶ／Ｇ（Ｖ：シリコン単結晶の引上げ速度、Ｇ：シリコン単結晶とシリコン融液の固液界面におけるシリコン単結晶の引上げ方向の温度勾配）に支配されるため、シリコン単結晶の引上げ速度を大きくするには、大きな凝固潜熱を固液界面からシリコン単結晶中を伝わって上方に逃がす、即ち上記引上げ方向の温度勾配Ｇを増大させる必要がある。その一つの方法として、シリコン融液から引上げられるシリコン単結晶を包囲するように筒状の熱遮蔽体を設置し、更にこのシリコン単結晶を冷却するための冷却体を設置することが有効とされている（例えば、特許文献１、２及び３参照）。

しかし、上記従来の特許文献１、２又は３に記載された単結晶製造装置では、引上げ中のシリコン単結晶を冷却体により強制冷却した場合、シリコン単結晶内部の熱応力が増加することにより、シリコン融液からの引上げ中にシリコン単結晶にクラックが発生する場合があった。具体的には、シリコン単結晶の直径が１００ｍｍ程度の小径である場合には、シリコン単結晶の半径方向の温度がほぼ均一であるため、クラックは発生しないけれども、シリコン単結晶の直径が３００ｍｍ以上の大径になると、シリコン単結晶の半径方向の温度差が大きくなって、シリコン単結晶内部の熱応力が増大するため、クラックが発生するという問題点があった。
この点を解消するために、坩堝内のシリコン融液からＣＺ法により引上げられるシリコン単結晶が冷却体により強制冷却され、この冷却体の下方に位置する加熱体又は保温体がシリコン単結晶の下部を強制加熱又は保温するように構成されたシリコン単結晶製造装置（例えば、特許文献４参照。）が開示されている。このシリコン単結晶製造装置では、冷却体と加熱体又は保温体がシリコン単結晶を包囲する熱遮蔽部体の内側に配置される。
このように構成されたシリコン単結晶製造装置では、坩堝内のシリコン融液からＣＺ法によりシリコン単結晶を引上げる際に、この引上げ中のシリコン単結晶を強制冷却するとともに、その冷却部下方の結晶下部を加熱体又は保温体により強制加熱又は保温しているので、シリコン単結晶の高速育成時におけるシリコン単結晶の変形を抑制できるとともに、シリコン融液との固液界面での熱応力の増大に起因するシリコン単結晶の割れを防止できるようになっている。
特開昭６３−２５６５９３号公報（請求項１、第１図）特開平０８−０８１２９４号公報（請求項１、図１）特許第２８１１６３３号公報（請求項１、図１）特開２００３−１６５７９１号公報（請求項６、７、９及び１０、段落［００５６］、図２〜図５）

確かに、上記従来の特許文献４に示されたシリコン単結晶製造装置では、シリコン融液からの引上げ中におけるシリコン単結晶の変形や割れを防止することができる。しかしながら、シリコン単結晶のチャンバからの取出し作業時や、シリコン単結晶の運搬時、円周研削時或いはブロック化切断時にシリコン単結晶にクラックが発生する場合があった。この理由としては、引上げ中のシリコン単結晶内部の熱応力が大きく、シリコン単結晶内部に有転位化した部分が存在する場合に、当該有転位化部位に歪みが残留することにより残留応力が発生し、当該部位を起点に残留応力が集中し割れやクラックが発生するものと考えられる。
本発明の目的は、シリコン融液からの引上げ時におけるシリコン単結晶の割れ及びクラックの発生を防止することにより、シリコン単結晶を高速で引上げることができる、シリコン単結晶の育成装置を提供することにある。

本発明者らは、シリコン融液とシリコン単結晶との固液界面において熱応力を低減させるのではなく、引上げ中のシリコン単結晶のうち固液界面より上方の低温側（１１００〜９００℃）におけるシリコン単結晶の熱応力を低減させることにより、シリコン単結晶の割れやクラックの発生を回避できることを知見し、本発明をなすに至った。
請求項１に係る発明は、図１に示すように、チャンバ１１内に設けられシリコン融液１３が貯留される坩堝１２と、シリコン融液１３から引上げられるシリコン単結晶２４の外周面を包囲しかつシリコン単結晶２４を強制冷却する冷却用筒体３１とを備えたシリコン単結晶の育成装置の改良である。
その特徴ある構成は、強制冷却する冷却用筒体３１の内部には冷却流体が通る冷却通路が形成され、冷却用筒体３１の内周面とシリコン単結晶２４の外周面とにより区画される空間領域に冷却用筒体３１のシリコン単結晶２４への冷却能を遮蔽するための冷却遮蔽用筒体３３が設けられたところにある。
この請求項１に記載されたシリコン単結晶の育成装置では、シリコン単結晶２４を高速で引上げるときに、冷却遮蔽用筒体３３にて冷却用筒体３１の下部又は下部及び中央部をシリコン単結晶２４から遮蔽することにより、シリコン融液１３とシリコン単結晶２４の固液界面より上方の低温側であってシリコン単結晶２４の塑性領域と弾性領域との遷移点（約１１００〜９００℃）におけるシリコン単結晶２４の熱応力が低減する。この結果、シリコン単結晶２４が上記遷移点以下の温度になっても、シリコン単結晶２４内の応力が極めて小さいため、この応力を緩和するための歪みが殆ど発生しない。

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、冷却遮蔽用筒体が少なくとも冷却用筒体の下部内周面をシリコン単結晶から遮蔽するように設けられたことを特徴とする。
この請求項２に記載されたシリコン単結晶の育成装置では、冷却遮蔽用筒体３３により冷却用筒体３１の下部内周面がシリコン単結晶２４から遮蔽されるので、シリコン融液１３から引上げられた直後のシリコン単結晶２４の外周面が急激に冷却されない。この結果、シリコン単結晶２４が上記遷移点以下の温度になっても、シリコン単結晶２４内の応力が極めて小さいため、この応力を緩和するための歪みが殆ど発生しない。

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、冷却遮蔽用筒体３３がチャンバ１１内に昇降可能に設けられたことを特徴とする。
この請求項３に記載されたシリコン単結晶の育成装置では、引上げられるシリコン単結晶２４の特性を顧客の要求に応じて変えるため、シリコン単結晶２４毎にシリコン単結晶２４の引上げ速度を変化させる場合があり、この場合、シリコン単結晶２４を引上げる前に冷却遮蔽用筒体３３を昇降させてその高さを、これから引上げるシリコン単結晶２４の特性に最適な高さに変更することにより、冷却遮蔽用筒体３３を交換することなく、シリコン単結晶２４の遷移点におけるシリコン単結晶２４の熱応力を低減することができる。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし３いずれか１項に係る発明であって、更に図１１に示すように、冷却遮蔽用筒体９３にその円周方向に所定の間隔をあけて開口部９３ａが設けられたことを特徴とする。
この請求項４に記載されたシリコン単結晶の育成装置では、引上げられるシリコン単結晶の特性によってはシリコン単結晶を比較的低速で引上げる場合があり、この場合、上記開口部９３ａから冷却用筒体の冷却効果をシリコン単結晶に付与できるので、開口部を有しない冷却遮蔽用筒体を用いた場合よりシリコン単結晶の引上げ速度を大きくしても所定の特性が得られ、シリコン単結晶の生産性を向上できる。なお、このとき熱応力低減効果は低下するけれども、引上げ速度が比較的低速であるため、熱応力低減量を大きくしなくても、凝固潜熱を固液界面からシリコン単結晶中を伝わって上方に逃がすことができる。
請求項５に係る発明は、請求項１ないし４いずれか１項に係る発明であって、冷却用筒体の下端はシリコン融液表面から上方に１００〜３００ｍｍの範囲に位置するように設置され、冷却遮蔽用筒体の下端はシリコン融液表面から上方に２０〜２５０ｍｍの範囲に位置するように設置されたシリコン単結晶の育成装置である。

以上述べたように、本発明によれば、強制冷却する冷却用筒体の内部には冷却流体が通る冷却通路が形成され、冷却用筒体の内周面とシリコン単結晶の外周面とにより区画される空間領域に冷却用筒体のシリコン単結晶への冷却能を遮蔽するための冷却遮蔽用筒体を設けたので、シリコン単結晶を高速で引上げるときに、冷却遮蔽用筒体にて冷却用筒体の下部又は下部及び中央部をシリコン単結晶から遮蔽することにより、シリコン融液とシリコン単結晶の固液界面より上方の低温側の遷移点におけるシリコン単結晶の熱応力を低減することができる。この結果、シリコン単結晶が上記遷移点以下の温度になっても、シリコン単結晶内の応力が極めて小さいため、この応力を緩和するための歪みが殆ど発生しない。従って、シリコン単結晶に割れやクラックを発生させずに、シリコン単結晶を高速で引上げることができる。
また冷却遮蔽用筒体を、少なくとも冷却用筒体の下部内周面をシリコン単結晶から遮蔽するように設ければ、冷却遮蔽用筒体により冷却用筒体の下部内周面がシリコン単結晶から遮蔽されるので、シリコン融液から引上げられた直後のシリコン単結晶の外周面が急激に冷却されない。この結果、上記と同様の効果が得られる。

また冷却遮蔽用筒体をチャンバ内に昇降可能に設ければ、引上げられるシリコン単結晶の特性の相違によりシリコン単結晶毎にその引上げ速度を変化させる場合、特性の異なるシリコン単結晶を引上げる前に冷却遮蔽用筒体を昇降させてその高さを、これから引上げるシリコン単結晶の特性に最適な高さに変更する。この結果、冷却遮蔽用筒体を交換することなく、シリコン単結晶の遷移点におけるシリコン単結晶の熱応力を低減することができる。
更に冷却遮蔽用筒体にその円周方向に所定の間隔をあけて開口部を設ければ、引上げられるシリコン単結晶の特性に応じてシリコン単結晶を比較的低速で引上げる場合、上記開口部から冷却用筒体の冷却効果をシリコン単結晶に付与できる。この結果、開口部を有しない冷却遮蔽用筒体を用いた場合よりシリコン単結晶の引上げ速度を大きくしても所定の特性が得られるので、シリコン単結晶の生産性を向上できる。

次に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
＜第１の実施の形態＞
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は、内部を真空可能に構成されたメインチャンバ１１と、このチャンバ１１内の中央に設けられた坩堝１２とを備える。メインチャンバ１１は円筒状の真空容器である。また坩堝１２は、石英により形成されシリコン融液１３が貯留される有底円筒状の内層容器１２ａと、黒鉛により形成され上記内層容器１２ａの外側に嵌合された有底円筒状の外層容器１２ｂとからなる。外層容器１２ｂの底面にはシャフト１４の上端が接続され、このシャフト１４の下部にはシャフトを介して坩堝１２を回転させかつ昇降させる坩堝駆動手段１６が設けられる。更に坩堝１２の外周面は円筒状のヒータ１７により所定の間隔をあけて包囲され、このヒータ１７の外周面は円筒状の保温筒１８により所定の間隔をあけて包囲される。

一方、メインチャンバ１１の上端には、メインチャンバより小径の円筒状のプルチャンバ１９が接続される。このプルチャンバの上端にはシード引上げ手段（図示せず）が設けられ、このシード引上げ手段は下端がメインチャンバ１１内のシリコン融液１３表面に達する引上げ軸２１を回転させかつ昇降させるように構成される。この引上げ軸２１の下端にはシードチャック２３が設けられ、このチャックは種結晶２２を把持するように構成される。この種結晶２２の下端をシリコン融液１３中に浸漬した後、シード引上げ手段により種結晶２２及び坩堝１２をそれぞれ回転させかつ上昇させることにより、種結晶２２の下端からシリコン単結晶２４を引上げて成長させるように構成される。

メインチャンバ１１内にはアルゴンガス等の不活性ガスが流通するように構成される。不活性ガスはプルチャンバ１９の側壁に接続されたガス供給パイプ２６を通ってプルチャンバ１９内に導入され、メインチャンバ１１の下壁に接続されたガス排出パイプ２７を通ってメインチャンバ１１外に排出されるように構成される。またメインチャンバ１１内には、上記不活性ガスを整流するとともに、引上げられたシリコン単結晶２４へのヒータ１７からの熱を遮蔽するために、シリコン単結晶２４の外周面を所定の間隔をあけて包囲する熱遮蔽用筒体２８が設けられる。この熱遮蔽用筒体２８は下方に向かうに従って細くなるコーン状に形成されヒータ１７からの輻射熱を遮るアッパコーン部２８ａと、このアッパコーン部２８ａ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２８ｂと、アッパコーン部２８ａの下縁に連設され下方に向かうに急激に細くなる扁平のコーン状に形成されたロアコーン部２８ｃとを有する。上記フランジ部２８ｂを保温筒１８上にリング板２９を介して載置することにより、ロアコーン部２９ｃの下縁がシリコン融液１３表面から所定の距離だけ上方に位置するように熱遮蔽用筒体２８はメインチャンバ１１内に固定される。

一方、熱遮蔽用筒体２８とシリコン単結晶２４との間には、下方に向かうに従って細くなるコーン状に形成された冷却用筒体３１が設けられる（図１、図２及び図４）。冷却用筒体３１は、シリコン融液１３から引上げられるシリコン単結晶２４の外周面を所定の間隔をあけて包囲し、かつシリコン単結晶２４を強制冷却するように構成される。冷却用筒体３１の内部（冷却用筒体の壁内）には、水等の冷却流体が通る冷却通路３１ａが形成される。冷却用筒体３１の上端には略逆Ｌ字状の４本のステー３２の下端が固着され、これらのステー３２の水平片３２ａ（図４）の先端部はフランジ部２８ｂに載るように構成される。冷却用筒体３１は、シリコン単結晶２４に所定の間隔をあけて対向する金属製内筒３１ｂと、この内筒３１ｂに嵌入されて溶接により接合された金属製外筒３１ｃとを有する。内筒３１ｂの外周面には、蛇行しつつ内筒３１ｂのほぼ全周に連続する凹溝３１ｄが形成され、この凹溝３１ｄを蓋３１ｅにて塞ぐことにより冷却通路３１ａが形成される。更に冷却用筒体３１の内周面とシリコン単結晶２４の外周面とにより区画される空間領域には、冷却用筒体３１のシリコン単結晶２４への冷却能を遮蔽するための冷却遮蔽用筒体３３が設けられる（図１〜図３）。この冷却遮蔽用筒体３３は全長にわたって同一径を有する円筒状に形成され、冷却遮蔽用筒体３３の上端には略逆Ｌ字状の４本のアッパステー３４の下端が固着され、これらのアッパステー３４の水平片３４ａの先端部はフランジ部２８ｂに載るように構成される。上記冷却遮蔽用筒体３３は、少なくとも冷却用筒体３１の下部内周面をシリコン単結晶２４から遮蔽するように設けられる。

熱遮蔽用筒体２８の下端はシリコン融液１３表面から上方に２０〜１００ｍｍの範囲に位置するように設置され、冷却用筒体３１の下端はシリコン融液１３表面から上方に１００〜３００ｍｍの範囲に位置するように設置され、冷却遮蔽用筒体３３の下端はシリコン融液１３表面から上方に２０〜２５０ｍｍの範囲に位置するように設置される。また冷却遮蔽用筒体３３は冷却用筒体３１の下部０〜２５％を遮蔽し、アッパコーン部２８ａの下部０〜１５％を遮蔽するように構成することが好ましい。冷却遮蔽用筒体３３としては、断熱性が高いか或いは輻射率の低い材料を使用することが好ましいが、材質によってはシリコン単結晶に不純物が混入するおそれがあるため、チャンバ内部品として通常用いられるカーボン単体又はカーボン繊維により形成した断熱材を使用することが更に好ましい。

ここで、熱遮蔽用筒体２８の下端をシリコン融液１３表面から上方に２０〜１００ｍｍの範囲に限定したのは、２０ｍｍ未満では熱遮蔽用筒体２８とシリコン融液１３が接触するおそれがあり、１００ｍｍを越えるとヒータ１７及びシリコン融液１３からシリコン単結晶２４への輻射熱を十分に遮蔽することができないからである。冷却用筒体３１の下端をシリコン融液１３表面から上方に１００〜３００ｍｍの範囲に限定したのは、冷却用筒体３１とシリコン融液１３が接触してしまうと、冷却用筒体３１が破損するおそれがあることから、この破損防止を考慮してその下限を１００ｍｍとし、シリコン単結晶２４への冷却能確保の観点からその上限を３００ｍｍとした。また冷却遮蔽用筒体３３の下端をシリコン融液１３表面から上方に２０〜２５０ｍｍの範囲に限定したのは、２０ｍｍ未満では冷却遮蔽用筒体３３とシリコン融液１３が接触するおそれがあり、２５０ｍｍを越えると熱応力低減効果そのものを達成することができないからである。なお、本実施の形態では、カメラ視野確保の観点から、冷却用筒体３１をコーン状とし、冷却遮蔽用筒体３３を円筒状に形成したが、何らこの形態に限定されるものではなく、どちらもコーン状或いは円筒状に形成してもよく、チャンバの大きさに応じて適宜選択すればよい。

このように構成されたシリコン単結晶の育成装置１０の動作を説明する。
シリコン単結晶２４の塑性領域と弾性領域との遷移点（明確な点はない。）は、約１１００〜９００℃の範囲内に存在すると考えられる。このため、シリコン単結晶２４の融点（約１４２０℃）から上記遷移点までは、シリコン単結晶２４内の応力を緩和するために生じた歪みがシリコン単結晶２４の塑性変形により緩和されてシリコン単結晶２４内の応力が増大することはないけれども、上記遷移点以下の温度になると、シリコン単結晶２４内の応力を緩和するために生じた歪みがシリコン単結晶２４の弾性変形により更に大きな応力が発生してシリコン単結晶２４に割れやクラックが発生する。

そこで、シリコン単結晶２４の引上げ方向の冷却用筒体３１の長さを、シリコン単結晶２４を最も低速で引上げたときのシリコン単結晶２４内の熱応力を一定に保てる最適な長さに設定した後に、シリコン単結晶２４を高速で引上げるときに、冷却遮蔽用筒体３３の長さ及び位置を調整して、冷却遮蔽用筒体３３にて冷却用筒体３１の一部をシリコン単結晶２４から遮蔽することにより、シリコン融液１３とシリコン単結晶２４の固液界面より上方の低温側であって上記シリコン単結晶２４の遷移点（約１１００〜９００℃）におけるシリコン単結晶２４の熱応力が低減する。この結果、シリコン単結晶２４が上記遷移点以下の温度になっても、シリコン単結晶２４内の応力が極めて小さいため、この応力を緩和するための歪みが殆ど発生しない。従って、シリコン単結晶２４に割れやクラックを発生させずに、シリコン単結晶２４を高速で引上げることができる。

＜第２の実施の形態＞
図５〜図７は本発明の第２の実施の形態を示す。図５〜図７において図１〜図３と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、冷却遮蔽用筒体３３が熱遮蔽用筒体２８のロアコーン部２８ｃ上に載るように構成される。円筒状の冷却遮蔽用筒体３３の下端にはフラットバー状の４本のロアステー５４の上端が固着され、これらのロアステー５４の下端に対向するロアコーン部２８ｃ上には４つの突起５８がそれぞれ設けられる。４本のロアステー５４の下端は４つの突起５８によりロアコーン部２８ｃ上に載った状態で所定の位置に固定される。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたシリコン単結晶の育成装置では、冷却遮蔽用筒体３３の鉛直方向（シリコン単結晶２４の引上げ方向）の位置を低くするとき、ロアステー５４を切断して短くするだけで済むことを除いて、動作は第１の実施の形態と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。

＜第３の実施の形態＞
図８〜図１０は本発明の第３の実施の形態を示す。図８〜図１０において図１〜図３と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、冷却遮蔽用筒体３３がメインチャンバ１１内に昇降可能に設けられる。円筒状に形成された冷却遮蔽用筒体３３の上端には、フラットバー状の４本のアッパステー７４の下端が固着される。これらのアッパステー７４の上端は昇降手段７６に接続される。昇降手段７６は、プルチャンバ１９の下部外周面に回転可能に取付けられた４つのドラム７６ａと、これらのドラム７６ａに巻回され定滑車７６ｂを介して配索されかつ下端がアッパステー７４の上端に取付けられた４本のワイヤケーブル７６ｃと、４つのドラム７６ａを駆動する４つの回転モータ（図示せず）とを有する。これらの回転モータを正転又は逆転することにより、冷却遮蔽葉筒体３３を上下動させてその高さを調整できるようになっている。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたシリコン単結晶の育成装置の動作を説明する。
通常、シリコン単結晶２４の引上げ速度によって引上げられるシリコン単結晶２４の特性が変化することから、顧客の要求に応じて引上げ速度を種々変更したシリコン単結晶２４の引上げ操業が行われる。このため、引上げ速度によってシリコン単結晶２４の遷移点に発生する熱応力が異なることから、各種引上げ速度に応じて冷却遮蔽用筒体３３及び冷却用筒体３１の鉛直方向（シリコン単結晶２４の引上げ方向）の位置を最適位置に調整する必要がある。この実施の形態では、引上げ速度（単結晶特性）に応じて、冷却遮蔽用筒体３３の鉛直方向の位置を回転モータにより速やかに調整して、冷却遮蔽用筒体３３を設置高さを、これから引上げるシリコン単結晶２４の特性に最適な高さに変更する。この結果、各種引上げ速度に応じたそれ専用の冷却遮蔽用筒体或いは冷却用筒体をそれぞれ用意する必要はなく、これらの部材の交換作業も行うことなく、シリコン単結晶２４の遷移点におけるシリコン単結晶２４の熱応力を低減することができる。上記以外の動作は第１の実施の形態と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。

＜第４の実施の形態＞
図１１は本発明の第４の実施の形態を示す。図１１において図３と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、冷却遮蔽用筒体９３にその円周方向に所定の間隔をあけて複数の開口部９３ａが設けられる。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。
このように構成されたシリコン単結晶の育成装置の動作を説明する。
、引上げられるシリコン単結晶の特性によってはシリコン単結晶を比較的低速で引上げる場合がある（例えば、グローイン欠陥（grown-in欠陥）を全く含まない無欠陥シリコン単結晶を製造する場合など）。この場合、上記開口部９３ａから冷却用筒体の冷却効果をシリコン単結晶に付与できる。この結果、開口部を有しない冷却遮蔽用筒体を用いた場合よりシリコン単結晶の引上げ速度を大きくしても所定の特性が得られるので、シリコン単結晶の生産性を向上できる。なお、このとき熱応力低減効果は低下するけれども、引上げ速度が比較的低速であるため、熱応力低減量を大きくしなくても、大きな凝固潜熱を固液界面からシリコン単結晶中を伝わって上方に逃がすことができる。

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〜図４に示すように、シリコン単結晶の育成装置１０は、メインチャンバ１１内の中央に設けられシリコン融液１３を貯留する坩堝１２と、坩堝１２をシャフト１４を介して回転させかつ昇降させる坩堝駆動手段１６と、坩堝１２の外周面を所定の間隔をあけて包囲するヒータ１７とを備える。またメインチャンバ１１内には、シリコン単結晶２４の外周面を所定の間隔をあけて包囲する熱遮蔽用筒体２８を設け、熱遮蔽用筒体２８とシリコン単結晶２４との間には、下方に向かうに従って細くなるコーン状に形成された冷却用筒体３１を設け、更に冷却用筒体３１の内周面とシリコン単結晶２４の外周面とにより区画される空間領域には、冷却用筒体３１のシリコン単結晶２４への冷却能を遮蔽するための冷却遮蔽用筒体３３を設けた。熱遮蔽用筒体２８をその下端がシリコン融液１３表面から上方に４０ｍｍに位置するように設置し、冷却用筒体３１をその下端がシリコン融液１３表面から上方に２００ｍｍに位置するように設置した。また冷却遮蔽用筒体３３をカーボン単体からなる断熱材により高さ×厚さがそれぞれ１０ｍｍ×１０ｍｍの円筒状に形成し、この冷却遮蔽用筒体３３をその下端がシリコン融液１３表面から上方に２２０ｍｍに位置するように設置した。この装置を用いて直径２００ｍｍの５本のシリコン単結晶２４を０．６ｍｍ／分の引上げ速度でそれぞれ引上げた。これらのシリコン単結晶２４を実施例１とした。
＜実施例２＞
カーボン単体からなる断熱材に代えてカーボン単体及びカーボン繊維の複合材により冷却遮蔽用筒体を形成したことを除き、実施例１と同一の装置を用いて直径２００ｍｍの５本のシリコン単結晶を０．６ｍｍ／分の引上げ速度でそれぞれ引上げた。これらのシリコン単結晶を実施例２とした。

＜実施例３＞
冷却遮蔽用筒体を高さ×厚さがそれぞれ１３０ｍｍ×４５ｍｍの円筒状に形成し（カーボン単体からなる断熱材の高さを６０ｍｍとした。）、この冷却遮蔽用筒体をその下端がシリコン融液表面から上方に１８０ｍｍに位置するように設置したことを除き、実施例１と同一の装置を用いて直径２００ｍｍの５本のシリコン単結晶を０．８ｍｍ／分の引上げ速度でそれぞれ引上げた。これらのシリコン単結晶を実施例３とした。
＜実施例４＞
カーボン単体からなる断熱材に代えてカーボン単体及びカーボン繊維の複合材により冷却遮蔽用筒体を形成したことを除き、実施例３と同一の装置を用いて直径２００ｍｍの５本のシリコン単結晶を０．８ｍｍ／分の引上げ速度でそれぞれ引上げた。これらのシリコン単結晶を実施例４とした。

＜実施例５＞
冷却遮蔽用筒体を高さ×厚さがそれぞれ２５０ｍｍ×８０ｍｍの円筒状に形成し（カーボン単体からなる断熱材の高さを８０ｍｍとした。）、この冷却遮蔽用筒体をその下端がシリコン融液表面から上方に１５０ｍｍに位置するように設置したことを除き、実施例１と同一の装置を用いて直径２００ｍｍの５本のシリコン単結晶を１．０ｍｍ／分の引上げ速度でそれぞれ引上げた。これらのシリコン単結晶を実施例５とした。
＜実施例６＞
カーボン単体からなる断熱材に代えてカーボン単体及びカーボン繊維の複合材により冷却遮蔽用筒体を形成したことを除き、実施例５と同一の装置を用いて直径２００ｍｍの５本のシリコン単結晶を１．０ｍｍ／分の引上げ速度でそれぞれ引上げた。これらのシリコン単結晶を実施例６とした。

＜比較例１＞
冷却遮蔽用筒体を用いなかったことを除き、実施例１と同一の装置を用いて直径２００ｍｍの５本のシリコン単結晶を０．６ｍｍ／分の引上げ速度でそれぞれ引上げた。これらのシリコン単結晶を比較例１とした。
＜比較例２＞
冷却遮蔽用筒体を用いなかったことを除き、実施例１と同一の装置を用いて直径２００ｍｍの５本のシリコン単結晶を０．８ｍｍ／分の引上げ速度でそれぞれ引上げた。これらのシリコン単結晶を比較例２とした。
＜比較例３＞
冷却遮蔽用筒体を用いなかったことを除き、実施例１と同一の装置を用いて直径２００ｍｍの５本のシリコン単結晶を１．０ｍｍ／分の引上げ速度でそれぞれ引上げた。これらのシリコン単結晶を比較例３とした。

＜比較試験及び評価＞
実施例１〜６及び比較例１〜３の５本ずつのシリコン単結晶にクラックが発生したか否かを調べた。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、比較例２のシリコン単結晶では５本中１本、比較例３のシリコン単結晶では５本中３本にクラックが発生していたのに対し、実施例１〜６のシリコン単結晶にはクラックが全く発生しなかった。

本発明第１実施形態のシリコン単結晶の育成装置を示す縦断面構成図である。図１のＡ部拡大図である。その育成装置の冷却遮蔽用筒体の斜視図である。その育成装置の冷却用筒体の斜視図である。本発明第２実施形態のシリコン単結晶の育成装置を示す縦断面構成図である。図５のＢ部拡大図である。その育成装置の冷却遮蔽用筒体の斜視図である。本発明第３実施形態のシリコン単結晶の育成装置を示す縦断面構成図である。図８のＣ部拡大図である。その育成装置の冷却遮蔽用筒体の斜視図である。本発明第４実施形態の冷却遮蔽用筒体の斜視図である。

符号の説明

１０シリコン単結晶の育成装置
１１メインチャンバ
１２坩堝
１３シリコン融液
２４シリコン単結晶
３１冷却用筒体
３３，９３冷却遮蔽用筒体
９３ａ開口部

Claims

チャンバ内に設けられシリコン融液が貯留される坩堝と、前記シリコン融液から引上げられるシリコン単結晶の外周面を包囲しかつ前記シリコン単結晶を強制冷却する冷却用筒体とを備えたシリコン単結晶の育成装置において、
前記強制冷却する冷却用筒体の内部には冷却流体が通る冷却通路が形成され、
前記冷却用筒体の内周面と前記シリコン単結晶の外周面とにより区画される空間領域に前記冷却用筒体の前記シリコン単結晶への冷却能を遮蔽するための冷却遮蔽用筒体が設けられたことを特徴とするシリコン単結晶の育成装置。
冷却遮蔽用筒体が少なくとも冷却用筒体の下部内周面をシリコン単結晶から遮蔽するように設けられた請求項１記載のシリコン単結晶の育成装置。
冷却遮蔽用筒体がチャンバ内に昇降可能に設けられた請求項１記載のシリコン単結晶の育成装置。
冷却遮蔽用筒体にその円周方向に所定の間隔をあけて開口部が設けられた請求項１ないし３いずれか１項に記載のシリコン単結晶の育成装置。
冷却用筒体の下端はシリコン融液表面から上方に１００〜３００ｍｍの範囲に位置するように設置され、
冷却遮蔽用筒体の下端はシリコン融液表面から上方に２０〜２５０ｍｍの範囲に位置するように設置された請求項１ないし４いずれか１項に記載のシリコン単結晶の育成装置。