JP4683184B2 - 単結晶引上げ装置のシードチャック - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法に用いる半導体単結晶引上げ装置のシードチャックに関する。

シリコン等の半導体の多結晶材料から単結晶を得る方法として、多結晶材料をいったん融解し、種結晶を原料融液から引き上げることにより単結晶を得るチョクラルスキー法（引上げ法）がある。このチョクラルスキー法では、種結晶を原料融液に接触後、ダッシュネック法で種絞りを行って無転位化するか、または先端が尖った種結晶を用いて、種結晶を融液に静かに接触し所定径まで浸漬させてから単結晶の引上げを行う（無転位種付け法）。その後拡径して肩部形成を経て、所定直径の直胴部形成を行う。

この場合、種結晶はシードチャックによって保持され、さらにシードチャックはワイヤーあるいはロッドの下端に吊り下げられた構造になっている。シードチャックは、耐熱性や強度の面からモリブデン等の金属製のものが使用されることが多い。モリブデン等の金属製シードチャックを用いた場合、耐熱性金属であるとはいえ高温に長時間さらされることから単結晶を汚染する可能性がある。

モリブデン等の金属製シードチャックからの金属汚染の問題に対してシードチャックの種結晶取り付け部に炭素繊維／炭素複合体を用いる方法（特許文献１参照）があるが、この方法は種結晶を直接金属で保持するため、金属汚染対策としては不十分である。また、シードチャック全体を一体成形の炭素材または炭素繊維／炭素複合体で作る発明が開示されている（特許文献２参照）。この方法では、金属汚染の問題は避けられるが、炭素材の強度、靭性は金属材料に比べ低く、製造ロット間の強度のばらつきも大きいので、安全上の問題が懸念される。

さらに、シードチャックの表面を炭素材または炭素繊維／炭素複合体で覆う方法が提案されている（特許文献３）。しかし、この方法であっても、シードチャック自体の温度上昇を抑制することが困難であるため、金属汚染対策としては不十分であった。

また、半導体結晶の高品質化に伴い、シリコン結晶にも一層の高純度が要求されるようになってきている。このためシリコン単結晶を製造する半導体単結晶引上げ装置にもますます高純度化への配慮が必要となってきている。

引上げ装置を構成する真空チャンバはステンレス等の金属性であるが、チャンバ内部は水冷され、ヒータからの輻射熱が直接当たらないように断熱筒で断熱されている。そのため、真空チャンバ自体が高温になることはないため、真空チャンバからの金属汚染は極めて低い。

これに対し、シリコン融液面の直上に垂下されるシードチャックは、水冷できず、しかもヒータや融液面から輻射熱に晒されることにより、融液面に最も近づいたときには、１０００℃以上の高温となる。特にシリコン単結晶の育成中に結晶が有転位化した場合は、ヒータに供給する電力を増加させ、それまで成長した結晶を融液に浸漬させて再溶融する。このときシードチャックを徐々に融液面直上に近づけながら、長時間保持しなければならず、金属汚染の原因となっていた。

この対策として、前述のように金属製のシードチャックを使用せず、全てが炭素製のシードチャックを用いれば金属汚染の問題はなくなるが、最近の直径３００ｍｍのような大直径、高重量の単結晶を引上げる場合には、吊り下げ用ワイヤーまたはロッドとシードチャックとの結合部に応力が集中して、破損が生じる危険が大きいため、強度の面から全てが炭素製のシードチャックを用いることは難しい。

特開平９−２４９４８８号公報 特開平７−１０６８７号公報 特開２００４−２６５２７号公報

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、金属の高い強度、靭性を有しながら、シードチャックを構成する金属からの汚染を低減することが可能な、単結晶引上げ用シードチャックを提供することである。

本発明は、チョクラルスキー法による単結晶引上げ装置の吊り下げワイヤーあるいはロッドに結合されるとともに種結晶を保持するシードチャックであって、少なくとも、前記吊り下げワイヤーあるいはロッドに結合される金属製の金属ホルダーと、該金属ホルダーの下部に連結され種結晶を保持する炭素製の種ホルダーと、該種ホルダーの外周部に取り付けられ輻射熱をカットすることで金属ホルダーの温度上昇を抑制するホルダー断熱筒とを有し、前記ホルダー断熱筒は、前記金属ホルダーの外表面とは接触せず、間隔をおいて設けられたものであることを特徴とする単結晶引上げ装置のシードチャックを提供する（請求項１）。

このように、少なくとも、吊り下げワイヤーあるいはロッドに結合される金属製の金属ホルダーと、該金属ホルダーの下部に連結され種結晶を保持する種ホルダーと、該種ホルダーの外周部に取り付けられ輻射熱をカットすることで金属ホルダーの温度上昇を抑制するホルダー断熱筒とを有し、前記ホルダー断熱筒は、前記金属ホルダーの外表面とは接触せず、間隔をおいて設けられた構造であれば、金属の高い強度、靭性を有し、かつヒータや融液面からの輻射熱が金属ホルダーに直接当たるのを防止することができるため、金属ホルダーの温度上昇を抑制することができる。その結果、金属の高い強度、靭性を有しながら、シードチャックの構成金属からの汚染が低減できる。

また、前記ホルダー断熱筒は、前記金属ホルダーの外表面との距離が、金属ホルダーの下端から上方にかけて徐々に大きくなる逆円錐台形状であることが好ましい（請求項２）。
このように、前記ホルダー断熱筒が、前記金属ホルダーの外表面との距離が、金属ホルダーの下端から上方にかけて徐々に大きくなる逆円錐台形状であれば、ヒータや融液面からの輻射熱をより効果的に断熱することができるので、金属ホルダーの温度上昇の抑制に極めて効果的である。

さらに、前記ホルダー断熱筒は、中空外殻と該中空内に挿入される断熱部材とからなるものであることが好ましい（請求項３）。
このように、前記ホルダー断熱筒は、中空外殻と該中空内に挿入される断熱部材からなるものであれば、優れた断熱効果を有する。なお、中空外殻は炭素製であることが好ましく、断熱部材は高純度の炭素繊維を用いることが好ましい。これにより、断熱筒の断熱効果を高めつつ、断熱部材７からの単結晶の汚染を防止することができる。

また、前記ホルダー断熱筒は、前記種ホルダーと一体構造であるか、または前記種ホルダーに脱着自在のものであることが好ましい（請求項４）。
このように、前記ホルダー断熱筒は、前記金属ホルダーの下部に連結される種ホルダーと一体構造であるか、または前記種ホルダーと着脱自在のものとすれば、ヒータや融液面からの輻射熱が直接金属ホルダーに当たるのを確実に防ぐことができる。また、前記ホルダー断熱筒が種ホルダーに着脱自在のものであれば、前記ホルダー断熱筒または前記種ホルダーが劣化した場合、劣化した部品のみを交換することができるという利点がある。

以上のように、本発明によれば、吊り下げワイヤーあるいはロッドとの結合部をモリブデン等の金属製の金属ホルダーとすることにより、シードチャックは高い強度、靭性を有する。従って、例え直径３００ｍｍ以上といった大直径、高重量の単結晶を引き上げる場合でも十分に対応できる。さらに、金属ホルダーの外側にホルダー断熱筒を設け、かつ前記ホルダー断熱筒が前記金属ホルダーの外表面とは接触せず、間隔をおいて設けられたものであることにより、ヒータや融液面からの輻射熱を効率よく断熱することができる。その結果、金属ホルダーの温度上昇を抑制することができ、シードチャックを構成する金属からの汚染を低減することができる。

以下、本発明に係るシードチャックの実施の形態を図面に基づいて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１および図２の断面図に例を示すように、本発明に係るシードチャック２０、３０は、吊り下げワイヤー１０に結合される金属製の金属ホルダー１を有し、この金属ホルダー１はタングステンやモリブデン等の高融点金属が用いられる。この金属ホルダー１の下部には、種結晶４を保持する炭素製の種ホルダー２が螺合あるいは嵌合等により連結される。そして、種ホルダー２の外周部に輻射熱をカットすることで金属ホルダー１の温度上昇を抑制するホルダー断熱筒６が配置される。

このとき、前記ホルダー断熱筒６は、図１および図２に示すように、金属ホルダー１に接触せず、間隔９をおいて設けられたものであることが重要である。これにより、直接の輻射熱をホルダー断熱筒によりカットできるだけでなく、金属ホルダー１の周りの空間である間隔９により断熱が効率的になり、金属ホルダー１へ伝熱せず、温度上昇を効果的に抑制することができる。

さらに、前記ホルダー断熱筒６は、図２のように金属ホルダー１の外表面との距離が一定である円筒形状とすることや、図１のように金属ホルダー１の外表面との距離が金属ホルダー１の下端から上方にかけて徐々に大きくなる逆円錐台形状とすることができる。図１のように逆円錐台形状とした方が、金属ホルダー１の周りの空間である間隔９が広く断熱がより効率的であり、金属ホルダー１の温度上昇の抑制効果をより大きくすることができる。

また、ホルダー断熱筒６は、例えば炭素製の中空外殻８と該中空内に断熱部材７を挿入したものが好ましく、断熱部材７は灰分１００ｐｐｍ以下の高純度の炭素繊維を用いることが好ましい。これにより、断熱筒の断熱効果を高めつつ、断熱部材７からの単結晶の汚染を防止することができる。また、ホルダー断熱筒６の表面粗さＲａを１０μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下とすれば、ヒータや融液面からの輻射熱をカットする効果を一層高めることができる。

さらに、ホルダー断熱筒６は、種ホルダー２と一体構造である場合、あるいは種ホルダー２に脱着自在のものである場合のどちらの構造であっても、同様の断熱効果を得ることができる。特に、種ホルダー２と脱着自在のものである場合、前記ホルダー断熱筒６または前記種ホルダー２のどちらか一方のみが劣化した場合、劣化した部品のみを交換することができ、コスト面での利点が大きい。

なお、種ホルダー２の下部には中空部３が設けられ、この中空部３に種結晶４が挿入され、種止めピン５により種結晶４が保持される。また、種ホルダー２自体は、図１および図２のように一体構造のものとすればよいが、目的に応じて分割可能な構造でも良く、例えば、金属ホルダー１との連結部材と種結晶４の保持部材とをそれぞれ別体とし、これらを組み合わせて種ホルダー２を構成する構造としてもよい。なお、金属ホルダー１と種ホルダー２が連結したものは、ほぼ円柱状に形成され、図５に示す従来のシードチャック６０に相当するが、その詳細な形状や構造、大きさは、引き上げる単結晶の直径や重量、引上げ条件などを考慮して適宜に設定される。

以上のような本発明に係るシードチャックは、例えば図３に示したようなチョクラルスキー法による単結晶引上げ装置４０において用いられる。この単結晶引上げ装置４０は、チャンバ４６内において、巻取機構に接続された吊り下げワイヤー１０に結合されるとともにシリコンの種結晶４を保持する本発明に係るシードチャック２０と、シリコンの高純度多結晶材料を充填するルツボ４３とが設けられ、ルツボ４３を回転させる回転機構と連結されたルツボ保持軸４５と、ルツボ４３の周囲に配置されたヒータ４１と、ヒータ４１からの輻射熱により金属製のチャンバの温度が上昇することによる単結晶の金属汚染を抑制するための断熱筒４４とを備えている。吊り下げワイヤー１０については、シャフト方式のロッドが用いられる場合もある。

この単結晶引上げ装置４０により単結晶を育成するにあたり、まずルツボ４３内でヒータ４１によりシリコンの高純度多結晶材料を融点（約１４２０℃）以上に加熱して融解する。次に、ワイヤー１０を巻き出すことにより融液面４２の中心部に、シードチャック２０に固定された種結晶４の先端を接触または浸漬させる。その後、ルツボ保持軸４５を適宜の方向に回転させるとともにワイヤー１０を回転させながら巻き取り種結晶４を引き上げることにより単結晶育成が開始される。
この際、シードチャック２０は、ヒータ４１および融液面４２に近接するため輻射熱を受けるが、本発明では、ホルダー断熱筒６により金属ホルダー１に当たる輻射熱をカットすることで、単結晶の金属汚染の原因となる、金属ホルダー１の温度上昇を抑制することができる。このとき、ホルダー断熱筒６の表面粗さＲａを１０μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下とすることにより、金属ホルダー１に当たる輻射熱を効率的にカットすることができるので、金属ホルダー１の温度上昇の抑制をより確実なものとすることができる。

その後、吊り下げワイヤー１０を徐々に巻き上げることにより結晶を育成し、拡径して肩部形成を経て、所定直径の直胴部形成が行われ、引上げ速度と温度を適切に調節することにより、目的に応じた円柱形状の単結晶を得ることができる。この時、本発明のシードチャック２０は、吊り下げワイヤー１０との結合部をモリブデン等の金属製の金属ホルダーとしているため、シードチャックは高い強度、靭性を有し、例え直径３００ｍｍ以上といった大直径、高重量の単結晶を引き上げる場合でも十分に対応でき、かつ、シードチャックの構成金属からの単結晶の金属汚染を低減することができる。

以下、実施例および比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
まず、図２に示すように種ホルダー２の外周部から金属ホルダー１の外表面を間隔９を持って覆うようにホルダー断熱筒６を設置し、金属ホルダー１の下端との距離が１０ｍｍ、金属ホルダー１の外表面との間隔９が１５ｍｍとなるような円筒形状とした本発明に係るシードチャック３０を用い、口径５５０ｍｍ（２２インチ）のルツボ４３にシリコン多結晶７５ｋｇを充填して溶融し、種結晶４が融液面４２に接触する位置まで下降させたときの金属ホルダー１の表面温度分布について、総合伝熱解析ソフトＦＥＭＡＧにより熱シュミレーション解析を行った。その結果、金属ホルダー１の最下端部が最高温度であり、１０５８℃であった（図６参照）。

（実施例２）
次に、図１に示すように種ホルダー２の外周部から金属ホルダー１の外表面を間隔９をおいて覆うようにホルダー断熱筒６を設置し、ホルダー断熱筒６と金属ホルダー１の外表面との間隔９が金属ホルダー１の下端から上方にかけて徐々に大きくなる逆円錐台形状とした。このときのホルダー断熱筒６の傾斜角度は４５°、ホルダー断熱筒６の上端部での金属ホルダー１の外表面とホルダー断熱筒６との間隔９は１１０ｍｍとした。この本発明に係るシードチャック２０について、実施例１と同様の熱解析を行った。その結果、温度は、実施例１と比較して金属ホルダー全領域にわたり著しく低下し、最高温度は最下端部の９８０℃であった（図６参照）。

（比較例１）
また、図５に示すようにホルダー断熱筒６が設置されていない従来のシードチャック６０について、実施例１と同様の熱解析を行った。その結果、金属ホルダー全領域にわたって実施例１および実施例２よりも高温となり、最高温度は最下端部の１０７２℃であった（図６参照）。ホルダー断熱筒を設置しない場合、金属ホルダー１の温度上昇が大きくなることが確認された。

（比較例２）
さらに、図４に示すように金属ホルダー１の外表面に断熱材１１を接触させた形状のシードチャック５０を用いた場合につき、実施例１と同様の熱解析を行った。その結果、金属ホルダー１の最高温度は最下端部の１０８２℃であり、比較例１よりもむしろ高温となり、より不純物汚染の危険が生じるものであった（図６参照）。
以上のように、ホルダー断熱筒６は、金属ホルダー１の外表面に接触させて金属ホルダー１を覆うように設けられただけでは、金属ホルダー１の温度上昇を抑制することはできず、むしろ高温となり得るのであり、金属ホルダー１の外表面とは接触せず、間隔９をおいて設けられることにより、金属ホルダー１の温度上昇を抑制できることが確認された。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

ホルダー断熱筒が逆円錐台形状である本発明に係るシードチャックの構造を示した断面図である。 ホルダー断熱筒が円筒形状である本発明に係るシードチャックの構造を示した断面図である。 本発明に係るシードチャックを具備したワイヤー方式の単結晶引上げ装置の概略構成を示す模式図である。 金属ホルダーに接触した断熱材を有するシードチャックの構造を示した断面図である。 従来のシードチャックの構造を示した断面図である。 比較例１、２、実施例１、２について、金属ホルダー表面の温度分布を、総合伝熱解析ソフトＥＥＭＡＧにより解析した結果であり、横軸を金属ホルダー下端からの距離、縦軸を金属ホルダーの表面温度として示したグラフである。

符号の説明

１…金属ホルダー、 ２…種ホルダー、 ３…中空部、 ４…種結晶、
５…種止めピン、 ６…ホルダー断熱筒、 ７…断熱部材、 ８…中空外殻、
９…間隔、 １０…ワイヤー、 １１…断熱材、
２０、３０、５０、６０…シードチャック、 ４０…単結晶引上げ装置、
４１…ヒータ、 ４２…融液面、 ４３…ルツボ、
４４…断熱筒、 ４５…ルツボ保持軸、 ４６…チャンバ。

Claims (4)

1. チョクラルスキー法による単結晶引上げ装置の吊り下げワイヤーあるいはロッドに結合されるとともに種結晶を保持するシードチャックであって、少なくとも、前記吊り下げワイヤーあるいはロッドに結合される金属製の金属ホルダーと、該金属ホルダーの下部に連結され種結晶を保持する炭素製の種ホルダーと、該種ホルダーの外周部に取り付けられ輻射熱をカットすることで金属ホルダーの温度上昇を抑制するホルダー断熱筒とを有し、前記ホルダー断熱筒は、前記金属ホルダーの外表面とは接触せず、間隔をおいて設けられたものであることを特徴とする単結晶引上げ装置のシードチャック。
2. 前記ホルダー断熱筒は、前記金属ホルダーの外表面との距離が、金属ホルダーの下端から上方にかけて徐々に大きくなる逆円錐台形状であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶引上げ装置のシードチャック。
3. 前記ホルダー断熱筒は、中空外殻と該中空内に挿入される断熱部材とからなるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶引上げ装置のシードチャック。
4. 前記ホルダー断熱筒は、前記種ホルダーと一体構造であるか、または前記種ホルダーに脱着自在のものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の単結晶引上げ装置のシードチャック。

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