JP4773340B2 - 半導体単結晶製造装置 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハの材料となるシリコン単結晶等の半導体単結晶製造装置に関し、特に、チョクラルスキー法による半導体単結晶製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体集積回路においては、重金属汚染対策あるいは各種品質歩留まり向上のために、所定の酸素濃度を有するシリコンウェーハが必要とされるが、そのようなシリコンウェーハの材料であるシリコン単結晶は、チョクラルスキー法による単結晶製造装置（以下、ＣＺ装置という）によって製造することができる。
【０００３】
このＣＺ装置においては、まずチャンバ内に配置したるつぼ内に単結晶用原料を充填し、不活性パージガスをチャンバ内に導入しながらこの原料をるつぼの外側に設けたヒータで加熱溶融する。この溶融した融液に種結晶を浸漬してなじませた後、この種結晶を回転させつつ上方に引き上げて種結晶の下端に単結晶を成長させる。
【０００４】
上記ＣＺ装置を用いて製造したシリコン単結晶中の酸素の大部分はるつぼの材料の石英から供給される。
【０００５】
すなわち、高温状態でシリコン融液とるつぼの内面が接する接湯面で、るつぼ材料の石英（ＳｉＯ２）と融液のシリコン（Ｓｉ）はたえず反応し、るつぼ表面から揮発性の酸化ケイ素（ＳｉＯ）が溶出酸素として融液中に溶出する。この溶出酸素は、揮発性のＳｉＯとして融液表面から蒸発するとともに、るつぼの回転による融液の強制対流、るつぼおよびるつぼ内融液の温度分布（以下、「るつぼ内温度分布」という）による熱対流等で攪拌され、その一部は引き上げる単結晶の成長界面に輸送されて単結晶中に取り込まれる。
【０００６】
さて、実際のシリコン単結晶製造においては、単結晶中への酸素の取り込み量は、各種製造条件、たとえばＳｉＯの反応速度、パージガス条件、融液の残量、ヒータ加熱条件等に複雑に関係しており、所定の酸素濃度範囲内の単結晶を高歩留まりで製造することはなかなか困難である。
【０００７】
そこで従来、シリコン単結晶の酸素濃度制御法として、るつぼの回転速度と融液中の酸素濃度の関係に着目した方法、パージガスの圧力、流量、流速条件とＳｉＯ蒸発量の関係に着目した方法、あるいはるつぼ内印加磁場と融液中の酸素濃度の関係に着目した方法等が提案され、実行されてきた。
【０００８】
さらに、特許文献１〜４には、上記方法に替わる有力な酸素濃度制御法として、以下に概略するように、複数ヒータによって上述した「るつぼ内温度分布」を制御することで、引き上げるシリコン単結晶の酸素濃度を制御する方法や装置が開示されている。
【０００９】
特許文献１には、るつぼの側周に沿って上下方向に複数段に亙ってヒータを設け、単結晶引上げの進行状態に応じてこれらのヒータのそれぞれに適宜電力を供給することで、溶出酸素量と酸素溶出領域を適宜制御し、単結晶中の酸素濃度を所定の範囲内に制御する装置が開示されている。単結晶製造工程の前半にるつぼ底部の融液を一時固化し、るつぼの底部から溶出する溶出酸素量を制御することが特徴となっている。
【００１０】
特許文献２には、るつぼの側周に沿って上下方向にヒータを複数段設け、融液の表面の高さを最上ヒータの加熱領域内に保ちながら、全ヒータの出力に対する最上ヒータの出力の比率を所定の値以上に設定し、るつぼ底部の温度をるつぼ上部の温度より常に低く制御することで、るつぼ底部の酸素溶出量を抑制して、目標とする酸素濃度の単結晶を高い収率で製造する方法が開示されている。
【００１１】
特許文献３には、遮蔽部材を有する装置において、るつぼの側周と底部に沿って設けた複数ヒータの出力を独立に制御することによって、融液の高温域が上記遮蔽部材によって高温側にシフトするのを抑制しながら、精細に単結晶中の酸素濃度を制御して単結晶を製造する方法が開示されている。
【００１２】
特許文献４には、石英るつぼの側面の上下３段にそれぞれヒータを設け、各ヒータの電気抵抗を異ならせ、共通の電源から各ヒータに電力を供給することで、各ヒータで発生する発熱量を異ならせて、単結晶シリコンの酸素濃度を制御するという発明が記載されている。
【特許文献１】
特開昭６２−１５３１９１号公報
【特許文献２】
特許３０００９２３号公報
【特許文献３】
特許２６８１１１５号公報
【特許文献４】
特開２００１−３９７９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ところで、近年、半導体集積回路がますます多様化するとともに、従来要求されてきた酸素濃度範囲よりさらに広い酸素濃度範囲を有するシリコンウェーハの需要が高まり、そのためこのような仕様に合ったシリコン単結晶を安価に量産できるＣＺ装置の必要性が高まってきた。
【００１４】
その中にあって、上記回転速度と融液内酸素濃度の関係を利用する方法やパージガス条件を利用する方法の場合、酸素濃度制御幅が狭すぎて上記した広い酸素濃度のシリコン単結晶を歩留まりよく製造できないという問題がある。磁場発生装置を利用する方法の場合、装置が高価であり、設置場所を取り、さらには維持費用が高いため、シリコン単結晶を安価に製造できないという問題がある。
【００１５】
また、上掲した四つの公報の発明は、上記方法の有する問題をある程度解決するものの、現在要求されている広い酸素濃度範囲のシリコン単結晶を歩留まりよく製造するには不十分であることが分かってきた。
【００１６】
複数ヒータを利用する装置の場合、上記した広い酸素濃度範囲のシリコン単結晶を高歩留まりで製造するためには、「るつぼ内温度分布」を能動的に制御して、所定の場所に所定量の溶出酸素を生成させ、この溶出酸素を適切に形成した熱対流で所定の領域に輸送させることが重要な鍵となる。
【００１７】
しかしながら、上記いずれの公報の発明においても隣接ヒータのそれぞれの加熱領域が重なり合ってしまい、各ヒータの出力を独立して変化させても「るつぼ内温度分布」を能動的に付与することができないので、広い酸素濃度範囲で精密な制御を行い、歩留まりの高いシリコン単結晶を製造することは困難である。
【００１８】
たとえば上記特許文献４に示される方法では、ヒータ単位で抵抗値を異ならせヒータ単位で発熱量を異ならせるというものであり、単結晶シリコンの成長方向の温度分布の変化範囲は、個々のヒータの高さ、ヒータの個数によって規定されてしまい、「るつぼ内温度分布」を大きく変えることができない。このため、単結晶シリコンの酸素濃度の制御幅は十分な広さとはいえず、半導体製品の歩留まりは、満足できるものではない。
【００１９】
本発明は上記問題に鑑みなされたものであり、複数のヒータを用いて、単結晶シリコンの酸素濃度を制御するに際して、上下に隣接する複数のヒータの加熱領域を局所化し、るつぼおよびるつぼ内融液の温度分布を制御性よく得ることで、高酸素濃度の単結晶から低酸素濃度の単結晶まで、所定の酸素濃度規格範囲で歩留まりよく製造でき、かつ安価な半導体単結晶製造装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
以上のような目的を達成するために、第１発明においては、半導体単結晶の原料の融液を貯留するるつぼと、前記原料を加熱溶融するために前記るつぼの外側にあって上下方向に複数のヒータとを備えたチョクラルスキー法による半導体単結晶製造装置において、
前記複数のヒータの外側にあって、前記複数のヒータに対向し配置される対向物と前記るつぼの間の空間またはその空間近傍に熱遮蔽物が設けられ、前記各ヒータは、独立して電力が供給され、全ヒータによる発熱分布のうち、相対的に発熱量が少ない領域近傍の位置に前記熱遮蔽物が設けられていることを特徴としている。
【００２１】
第２発明は、第１発明において、前記発熱量の少ない領域は、上側に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整され、下側に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整されていることを特徴としている。
【００２２】
第３発明は、第１発明において、前記複数のヒータの外側に対向し存在する対向物が断熱材であることを特徴としている。
【００２３】
第４発明は、第２発明において、前記複数のヒータの外側に対向し存在する対向物が断熱材であることを特徴としている。
【００２４】
第５発明は、第１発明において、前記るつぼの全周に渡って前記熱遮蔽物が設けられていることを特徴としている。
【００２５】
第６発明は、第２発明において、前記るつぼの全周に渡って前記熱遮蔽物が設けられていることを特徴としている。
【００２６】
第７発明は、第１乃至第６発明のいずれかにおいて、前記熱遮蔽物を構成する材料が黒鉛繊維材又は黒鉛を含むことを特徴としている。
【００２７】
第８発明は、第１発明または第２発明において、前記熱遮蔽物の内周径は、前記複数のヒータの外径より大きいことを特徴としている。
【００２８】
第１発明によれば、前記複数のヒータの外側に対向し存在する対向物と前記るつぼの間の空間またはその空間近傍に熱遮蔽物が設けられているので、ヒータから放射される熱放射の方向性（指向性）を高めることができ、ヒータの加熱領域を局所化できる。また、各ヒータは、独立して電力が供給され、全ヒータによる発熱分布のうち、相対的に発熱量が少ない領域近傍の位置に前記熱遮蔽物が設けられているので、ヒータの所定領域の熱放射の指向性を高めることができる。これにより、るつぼおよびるつぼ内融液の温度分布（「るつぼ内温度分布」）を能動的に付与することができる。
【００２９】
第２発明によれば、第１発明の効果に加え、図１０に示すように、熱遮蔽物は、相対的にヒータの発熱量が少ない中間領域のヒータ外周部近傍の略中央部に設けられているので、側面上段ヒータでるつぼの上側領域を高温に、また側面下段ヒータでるつぼの下側領域を高温にすることができるとともに、熱遮蔽物を設けたことにより、側面上下段ヒータの熱放射の指向性を高めることができるので、るつぼ内温度分布を能動的に付与することができる。
【００３０】
第３発明および第４発明によれば、前記複数のヒータの外側に対向し存在する対向物が断熱材であるので、ヒータの熱放射を効果的に断熱することができる。
【００３１】
第５発明および第６発明によれば、たとえば図１において、前記るつぼの全周に渡って熱遮蔽物２０，２１が設けられてあるので、熱遮蔽効果を十分に発揮できる。
【００３２】
第７発明によれば、熱遮蔽物に用いる材料の断熱性が高く、熱的に安定なので、隣接ヒータ間の相互熱干渉を効果的に抑制することができるとともに、単結晶の汚染を回避することができる。
【００３３】
第８発明によれば、前記熱遮蔽物の内周径は、前記複数のヒータの外径より大きいので、例えば図４において、チャンバ２内への熱遮蔽物２２、２３の取り付けあるいは取り外しが容易になるとともに、熱遮蔽物が高電圧のヒータと接触して通電したり、あるいは両者間で異常放電したりするおそれを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例を説明するための概念図である。
【図２】本発明の装置と従来の装置による低酸素濃度側における比較実験結果を示す図である。
【図３】本発明の装置と従来の装置による高酸素濃度側における比較実験結果を示す図である。
【図４】本発明のほかの実施例を説明するための概念図である。
【図５】本発明のさらに他の実施例を説明するための概念図である。
【図６】本発明の他の実施例を説明するための概念図である。
【図７】本発明の熱遮蔽ブロックを用いた熱遮蔽物を説明するための横断面概念図である。
【図８】本発明のほかの実施例を説明するための概念図である。
【図９】本発明のほかの実施例におけるヒータ構造を説明するための概念図である。
【図１０】本発明のほかの実施例を説明するための概念図である。
【図１１】本発明のほかの実施例におけるヒータ構造を説明するための概念図である。
【符号の説明】
【００３６】
Ａ〜Ｃ、Ｈ、Ｊ 従来の装置のヒータの加熱領域
Ｄ〜Ｆ、Ｇ、Ｉ 本発明の装置のヒータの加熱領域
Ｇ１〜Ｇ４ パージガスの流れ方向
１ ＣＺ装置
２ チャンバ
３ るつぼ
３ａ 石英るつぼ
３ｂ 黒鉛るつぼ
３ｃ 接湯面
４ 側面ヒータ
５ 断熱体
６ パージガス整流部材
７ 引上げ機構
８ シリコン融液
９ 支持軸
１０ シリコン単結晶
１４ ボトムヒータ
２０〜２５、８０、１００ 熱遮蔽物
２０ａ 熱遮蔽ブロック
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下に、本発明に係わる半導体単結晶製造装置および黒鉛るつぼについて、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００３８】
図１は、本発明の実施例１を説明するための半導体単結晶製造装置の断面図である。
【００３９】
ＣＺ装置１は、チャンバ２内に配置したるつぼ３、るつぼ３の外側周に設けた側面ヒータ４、側面ヒータ４の外周に設けた断熱体５、るつぼ３の近傍に配置したパージガス整流部材６、および単結晶引き上げ機構７をおもな構成要素としている。
【００４０】
るつぼ３は二重構造になっており、シリコン融液８を内側に貯留するための石英（ＳｉＯ２）るつぼ３ａに、石英るつぼ３ａと相似形の黒鉛（カーボン）るつぼ３ｂが外嵌している。融液８と石英るつぼ３ａの内表面は接湯面３ｃでもって接触している。また、るつぼ３の底部は回転および昇降が可能な支持軸９で支持されており、これにより、回転して融液８の強制対流を起こすとともに、シリコン単結晶１０の製造中に融液表面８ａを略同一平面位置に維持することができる。
【００４１】
側面ヒータ４は、上ヒータ４ａ、中ヒータ４ｂ、下ヒータ４ｃの３個のヒータで構成されている。各ヒータは内径と外径を同じとし、所定の厚みを有する円筒形状の黒鉛ヒータで、上下方向に所定の間隔を保ってるつぼ３と同心にるつぼ３の側面に配置されている。また、るつぼ３を効率よく加熱できるように、黒鉛るつぼ３ｂの外周側面に近接した態様で配置されている。
【００４２】
なお、本願発明の装置に用いるヒータの材質としては、導電性のある材質で、通電加熱ができ、汚染発生源にならないものであれば、黒鉛以外の材質であってもよい。たとえばＣ／Ｃコンポジット（炭素繊維強化炭素複合材料）であってもよい。
【００４３】
断熱体５は、側面ヒータ４の発する熱を逃がさず、るつぼ３を効率よく加熱するためのもので、チャンバ２の円筒形状の内周側面と平面形状の底面を所定の厚みで覆う構造をしている。
【００４４】
なお、側面ヒータ４の外周には、断熱体５のほかにも、たとえば導入したパージガスを排気するための排気筒等の部材が配置される場合もある。以下において、側面ヒータ４の外周には断熱体５のみ配置されている場合についてまず説明し、排気筒等の部材が配置された場合については、そのあとに述べる。
【００４５】
パージガス整流部材６は、図示しないチャンバ２の上部に設けた不活性パージガス導入口から導入したパージガスをシリコン融液表面８ａ上方で整流させるためのものである。
【００４６】
単結晶引上げ機構７は、回転および昇降が可能な引上げ軸７ｂを有しており、その下端に種結晶７ａを固定することができる。
【００４７】
ここまでは従来の複数ヒータを用いた半導体単結晶製造装置と同じであるが、実施例１の場合、図１において、熱遮蔽物２０が、上下に隣接するヒータ４ａとヒータ４ｂの間隙の位置であって、隣接するヒータの相互熱干渉を抑制し、隣接するヒータの加熱領域を局所化させる位置に設けられている。同様に、熱遮蔽物２１が、上下に隣接するヒータ４ｂとヒータ４ｃの間隙の位置であって、隣接するヒータの相互熱干渉を抑制し、隣接するヒータの加熱領域を局所化させる位置に設けられている。
【００４８】
すなわち、実施例１では、上下に隣接するヒータのすべての間隙（ここでは二箇所）に熱遮蔽物が配設されている。
【００４９】
また、熱遮蔽物２０、２１は、るつぼ３の全周に渡って設けられている。
【００５０】
熱遮蔽物２０は円環（円筒）形状に形成されており、その内径が側面ヒータ４の内径とほぼ一致しており、その外径が断熱体５の内周径とほぼ一致している。また、ヒータ４ａの下端と熱遮蔽物２０の上面およびヒータ４ｂの上端と熱遮蔽物２０の下面が所定の距離離間した態様で配設できるように厚み（肉厚）が設定されている。
【００５１】
同様に、熱遮蔽物２１も円環形状に形成されており、その内外径を熱遮蔽物２０の内外径とほぼ同じとしている。また、ヒータ４ｂの下端と熱遮蔽物２１の上面およびヒータ４ｃの上端と熱遮蔽物２１の下面が所定の距離離間した態様で配設できるように厚みが設定されている。
【００５２】
熱遮蔽物２０、２１の材料としては、高温環境において汚染源にならず、断熱性が高いものほど好ましい。そのような材料として黒鉛または黒鉛繊維材があるが、黒鉛繊維材を黒鉛で覆う構造の熱遮蔽物であればさらに好ましい。
【００５３】
なお、熱遮蔽物２０、２１は、熱遮蔽効果を低減させないように、複数の支持ロッド等を介してチャンバ２の内部部品に固定しておくことが望ましい。この点は他の実施例においても同様であり、以下においてはこれに関する説明を省く。
【００５４】
次に、熱遮蔽物２０、２１を配設したことで得られる作用効果を説明する。
【００５５】
背景技術で述べたように、従来の装置に組み込まれた複数ヒータは、それぞれ独立に出力を変えられるものの、隣接するヒータの加熱領域が相互熱干渉してしまい、各ヒータの加熱領域を局所化して温度制御することができなかった。
【００５６】
これに対して、実施例１の場合は、隣接するヒータの間またはその近傍に熱遮蔽物２０、２１を設けたことにより、ヒータ間の相互熱干渉が効果的に抑制されるので、それぞれのヒータの加熱領域を十分局所化して温度制御することができる。
【００５７】
実施例１と従来の装置の加熱領域を比較できるように、図１において、左側のヒータでは従来の各ヒータの加熱領域（破線Ａ，Ｂ，Ｃ）、右側のヒータでは本発明の各ヒータの加熱領域（実線Ｄ，Ｅ，Ｆ）を模式的に示した。但し、対応する左右の各ヒータの出力は同じと仮定している。
【００５８】
従来の装置の場合、図１の断面において、各ヒータの間隙またはその間隙近傍に熱遮蔽物がないので、各ヒータからの熱放射は円形状に放射され、隣接するヒータの加熱領域と重なる部分が大きい。これに対して、実施例１の場合、熱遮蔽物２０、２１が配設されたことにより、各ヒータからの熱放射は方向性（指向性）を持つようになるので、加熱領域が局所化され、隣接するヒータの加熱領域と重なる部分が小さくなる。すなわち、本実施例の場合、熱遮蔽物２０、２１は隣接ヒータの相互熱干渉を抑制することができる。
【００５９】
しかも両装置のそれぞれ対応するヒータ出力を同じとした場合、実施例１のヒータは熱放射の方向性を持っているので、従来のヒータに比べてより遠い領域まで局所加熱することができる。よって、実施例１によれば、従来の装置に比べてより広く、また遠い領域の「るつぼ内温度分布」を能動的に温度制御することができる。
【００６０】
本発明の装置を用いれば、シリコン単結晶中の酸素濃度を以下のようにして広範囲に亙って能動的に制御することができる。
【００６１】
上述したように、シリコン単結晶中の酸素濃度は、融液に溶出されたＳｉＯの溶出量と単結晶の成長界面への溶出酸素の輸送の仕方に深く関係している。
【００６２】
そこで、本実施例の装置を用いて単結晶の成長界面に溶出酸素をできるだけ多く取り込むためには、るつぼ底部の接湯面積が大きく、また、融液表面８ａの中央に引上げ成長させる単結晶１０の成長界面があることを考慮して、次のようにすればよい。
【００６３】
すなわち、るつぼ底部およびその付近にある融液を局所加熱して、るつぼ底部付近の接湯面でるつぼ材料の石英（ＳｉＯ２）と融液のシリコン（Ｓｉ）との反応を促進させ、より多くの溶出酸素を溶出させる。それと同時に、各ヒータの出力を調整してるつぼおよびるつぼ内融液に所定の温度分布を付与し、るつぼ底部の接湯面から溶出した溶出酸素を、蒸発物として散逸させないで単結晶１０の成長界面にすみやかに輸送させる熱対流を形成する。
【００６４】
逆に、単結晶中の酸素濃度をできるだけ小さくするためには、各ヒータの出力を調整して、るつぼ底部から溶出する溶出酸素量を抑制するとともに、接湯面から溶出する溶出酸素を蒸発物としてできるだけ散逸させ、融液内酸素濃度を低下させると同時に、溶出酸素を単結晶の成長界面にすみやかに輸送させないような熱対流を形成させればよい。
【００６５】
図２に、上記説明した実施例１の装置および従来の装置による低酸素側におけるシリコン単結晶の酸素濃度の比較実験結果を示す。
【００６６】
図２において、横軸は引き上げた単結晶の成長初期（０％）から成長終了（１００％）までの結晶長（固化率）を表し、縦軸は単結晶中の酸素濃度（任意値）を表している。斜線部は低酸素濃度ウェーハに用いられるシリコン単結晶中の酸素濃度規格範囲であり、この範囲にある単結晶が良品となる。図中の実線は実施例１による改善データを、破線は従来の装置による従来データを表している。
【００６７】
図２に示されるように、従来の装置は低酸素側の限界点が高いため、成長初期の単結晶の酸素濃度を規格範囲内に収めることができず、結晶長が約２０％になった時点でやっと良品となる。また、結晶長が約７０％になった時点で再び酸素濃度が高くなってしまい、それ以後の部分は不良品となる。
【００６８】
一方、実施例１の装置の場合、上述したように、低酸素側の限界点を従来より下げることができるので、成長初期から良品であり、結晶長が約８５％になるまで酸素濃度の規格範囲内に収まっている。結果として良品率が約３５％改善されている。
【００６９】
図３に、実施例１の装置と従来の装置による高酸素側におけるシリコン単結晶の酸素濃度の比較実験結果を示す。
【００７０】
同図３に示されるように、従来の装置は高酸素側の限界点が低いため、引き上げたシリコン単結晶は、成長初期は良品であるものの、結晶成長とともにるつぼ内融液の酸素濃度が漸減する傾向にあるために、結晶長が約５５％となったところで酸素濃度規格範囲からはずれ、それ以後の部分は不良品となってしまう。
【００７１】
一方、実施例１の装置は上述した方法により高酸素濃度側の限界点を従来より上げることができるので、成長初期から結晶長が約７３％までの範囲は良品となっており、良品率が約１８％改善されている。
【００７２】
このように、実施例１の装置によれば、高酸素濃度シリコン単結晶であっても低酸素濃度シリコン単結晶であっても、従来の装置に比較して大幅に歩留まりを向上させて製造することができる。また、従来は製造できなかった高酸素濃度あるいは抵酸素濃度のシリコン単結晶を製造することができる。
【００７３】
高酸素濃度と低酸素濃度の間にある所望の酸素濃度のシリコン単結晶は、上記局所加熱できる各ヒータによって、るつぼおよびるつぼ内融液の温度分布を適宜調整して製造することができる。
【００７４】
なお、実施例１の装置では、所定のヒータの加熱領域を局所化できるので、従来の装置より効率のよい加熱制御を行うことができ、シリコン単結晶製造に要する消費電力を低減できる利点もある。
【実施例２】
【００７５】
図４は、本発明のほかの実施例を説明するための概念図である。
【００７６】
図４において、実施例２のＣＺ装置１は、実施例１のＣＺ装置１と同様、チャンバ２の内部にるつぼ３、側面ヒータ４（上ヒータ４ａ、中ヒータ４ｂ、下ヒータ４ｃ）、断熱体５等を組み込んだ構造をしており、図１と共通する部分については同じ符号が記してある。以下において、それらについての説明を省き、それ以外の部分について詳述する。
【００７７】
実施例２の場合、熱遮蔽物２２が、上下に隣接するヒータ４ａとヒータ４ｂの間隙近傍の位置であって、隣接するヒータの相互熱干渉を抑制し、隣接するヒータの加熱領域を局所化させる位置に設けられている。同様に、熱遮蔽物２３が、上下に隣接するヒータ４ｂとヒータ４ｃの間隙近傍の位置であって、隣接するヒータの相互熱干渉を抑制し、隣接するヒータの加熱領域を局所化させる位置に設けられている。
【００７８】
熱遮蔽物２２、２３は円環（円筒）形状に形成されており、それぞれの内径が側面ヒータ４の外径とほぼ一致し、それぞれの外径が断熱体５の内周径とほぼ一致している。また、熱遮蔽物２２、２３の厚み（肉厚）は、それぞれ実施例１の熱遮蔽物２０、２１と同じ厚みに設定されている。なお、熱遮蔽物２２、２３の内周径を側面ヒータ４の外径より大きくし、側面ヒータ４に接触するおそれを回避するとともに、熱遮蔽物２２、２３の厚みを実施例１の熱遮蔽物２０、２１より大きく取ることもできる。
【００７９】
上記構造にしたことにより、隣接するヒータの相互熱干渉を抑制する効果は実施例１の場合より幾分弱まるものの、従来に比べて各ヒータの加熱領域を十分局所化することができる。
【００８０】
また、実施例２の場合、実施例１に比べ、チャンバ２内への熱遮蔽物２２、２３の取り付けあるいは取り外しが容易になるとともに、熱遮蔽物が高電圧のヒータと接触して通電したり、あるいは両者間で異常放電したりするおそれを回避することができる利点がある。
【実施例３】
【００８１】
図５は、さらに本発明のほかの実施例を説明するための概念図である。
【００８２】
実施例３のＣＺ装置１は、実施例１のＣＺ装置１と同様、チャンバ２の内部にるつぼ３、側面ヒータ４（上ヒータ４ａ、中ヒータ４ｂ、下ヒータ４ｃ）、断熱体５等を組み込んだ構造をしており、図１と共通する部分については同じ符号が記してある。以下において、それらについての説明を省き、それ以外の部分について詳述する。
【００８３】
実施例３の場合、側面ヒータとともに、下ヒータ４ｃより下方位置に、ボトムヒータ１４が支持軸９を同心に包囲して設けられている。また、実施例１で説明した熱遮蔽物２０、２１とともに、下ヒータ４ｃとボトムヒータ１４の間隙には熱遮蔽物２４が設けられている。
【００８４】
ボトムヒータ１４は所定の厚みを有して円環形状に形成されており、その内径は支持軸９の外径より大きく、その外径は下ヒータ４ｃの内径より小さい。なお、シリコン単結晶製造中にるつぼ３が昇降しても、ボトムヒータ１４の上面がるつぼ３の下端と干渉しないように配置しておく。
【００８５】
熱遮蔽物２４は所定の長さを有する円筒形状に形成されており、その内径はボトムヒータ１４の外径より大きく、その外径は下ヒータ４ｃの内径より小さい。このように形成された熱遮蔽物２４は、断熱体５の底面に接してボトムヒータ１４のほぼ上面の高さまで立設した態様で、下ヒータ４ｃとボトムヒータ１４の間隙に配置されている。
【００８６】
上記構成にしたことにより、下ヒータ４ｃとボトムヒータ１４の相互熱干渉が抑制されるので、ボトムヒータ１４によりるつぼ３の底部を局所的に加熱することが可能になる。よって、「るつぼ内温度分布」をさらに能動的に制御できるので、シリコン単結晶中の酸素濃度を所定の範囲内に収めて製造することがさらに容易になる。
【実施例４】
【００８７】
図６は、ほかの実施例を説明するための概念図である。
【００８８】
実施例４のＣＺ装置１は、図１のＣＺ装置１と同様、チャンバ２の内部にるつぼ３、側面ヒータ４、断熱体５等を組み込んだ構造をしており、図１と共通する部分については同じ符号が記してある。以下において、それらについての説明を省き、それ以外の構成部分について詳述する。
【００８９】
実施例４の装置には、実施例３と同様に、側面ヒータ４（上ヒータ４ａ，中ヒータ４ｂ，下ヒータ４ｃ）とともに、下ヒータ４ｃより下方位置にボトムヒータ１４が設けられている。また、実施例１で説明した熱遮蔽物２０、２１とともに、下ヒータ４ｃとボトムヒータ１４の間隙には熱遮蔽物２５が設けられている。
【００９０】
ボトムヒータ１４は、実施例３の場合と同様、所定の長さを有する円筒形状に形成されており、その内径は支持軸９の外径より大きく、その外径は側面ヒータ４の内径より小さい。また、シリコン単結晶製造中にるつぼ３が昇降しても、ボトムヒータ１４の上面がるつぼ３の下端と干渉しないように配置しておく。
【００９１】
熱遮蔽物２５は所定の長さを有する円筒形状に形成されており、その内径はボトムヒータ１４の外径より大きく、その外径は側面ヒータ４の内径より小さい。このように形成された熱遮蔽物２５は、その円筒の上端をるつぼ３の下端外周に接し、その円筒の下端をボトムヒータ１４の外周を囲むように垂下した態様で、下ヒータ４ｃとボトムヒータ１４の間隙に配置されている。
【００９２】
上記構成にしたことにより、実施例３の場合とほぼ同様の効果が得られる。
【００９３】
なお、熱遮蔽物２４、２５は必ずしも円筒形状に限る必要はなく、たとえば六角形のような形状であってもよい。
【００９４】
実施例１〜４では、側面ヒータ４を３個とした態様で説明したが、側面ヒータ数は２個あるいは４個以上であってもよい。
【００９５】
また、上記実施例では、すべての隣接するヒータの間隙に熱遮蔽物を設けていた。本発明はこれらに限られるものではなく、装置コスト・メンテナンス等を考慮して、任意に隣接するヒータの間隙に熱遮蔽物を配設してもよい。たとえば、図１において、熱遮蔽物２０を除き、熱遮蔽物２１のみを配置しておくことも好適に可能である。また、図５において、熱遮蔽物２０を設けず、熱遮蔽物２１、２４のみを用いた装置とすることも可能である。
さて、以上の熱遮蔽物はいずれも一体構造のものとして説明してきたが、本発明の熱遮蔽物はるつぼ３の周囲に沿って分割して配置されてもよい。
【００９６】
図７に、その１例として、図１において、るつぼ３の周囲に四個の熱遮蔽ブロックを配置して熱遮蔽物を構成した場合のＰ−Ｐ線における横断面図を示す。
【００９７】
同図において、熱遮蔽ブロック２０ａは同一形状をしており、互いに等間隔になるように配置されている。
【００９８】
特に、ヒータ４の外周に排気筒等が設けられた場合には、適宜熱遮蔽物を分割して、排気筒等に接触しない態様の配置をすればよい。
【００９９】
このように分割した熱遮蔽ブロックを設けても、単結晶製造時にるつぼ３が所定の周期で回転するので、熱的むらを十分緩和できるとともに、本発明の目的である隣接ヒータ間の相互熱干渉を抑制することができる。なお、熱遮蔽ブロックの形状、分割数、相互間隔等は、排気筒等の形状および単結晶製造条件に合わせて適宜決めることができる。
【０１００】
熱遮蔽ブロックを用いる利点として、一体物に比較して加工および形成するのが容易になることと、チャンバ内への装着やメンテナンスが容易になることがあげられる。
【０１０１】
なお、場合によっては、排気筒等の部位に熱遮蔽物を設けることもできる。
【実施例５】
【０１０２】
ヒータ間の熱放射を効果的に分離するためには、熱遮蔽物が相対的にヒータの発熱量が少ない領域に配置されるのが好ましい。そこで、広い範囲で単結晶の酸素濃度を制御するために、ヒータ４の上側領域と下側領域に大きい電力量（発熱量）を与え、一方、ヒータ４の中間領域に小さな電力量（発熱量）を与え、相対的に発熱量の小さな中間領域に熱遮蔽物を配置することが好ましい。なお、必ずしも熱遮蔽物をヒータ４の中央部に設ける必要はなく、求められる単結晶品質により、熱遮蔽物の位置を適宜決定することができる。
【０１０３】
図８は、本願発明の熱遮蔽物を適用したほかの実施例を説明するための断面概念図である。
【０１０４】
実施例５では、図８に示すように、断熱材５の内側表面と側面ヒータ４の外側表面で構成される空間の略中央部に、ヒータの外表面から所定の距離を有して熱遮蔽物８０が配置されている。また、側面ヒータ４は、上下３段の側面ヒータ４（上ヒータ４ａ、中間ヒータ４ｂ、下ヒータ４ｃ）で構成されている。なお、図８では、図示していないが、下ヒータ４ｃの更に下段にあって、るつぼ３の底面に、円環状のボトムヒータを設けてもよい。
【０１０５】
以下に述べるように、熱遮蔽物８０は、ヒータ全体として比較的発熱量が少ない領域に配置される。
【０１０６】
図９は、上ヒータ４ａ、中間ヒータ４ｂ、下ヒータ４ｃを展開した展開図であり、実施例５に適用した側面ヒータ４の構成を示している。
【０１０７】
図９に示すように、各ヒータは、独立して電力が供給されるものであり、通電されることによって発熱する導体で構成されている。各ヒータに対応して独立した電源が設けられている。
【０１０８】
すなわち、各ヒータ４ａ、４ｂ、４ｃ毎に、プラス電極４ａ1、４ｂ1、４ｃ1、マイナス（アース）電極４ａ2、４ｂ2、４ｃ2、を備えている。各ヒータ４ａ、４ｂ、４ｃに印加される電圧を独立して調整することによって発熱量、つまりるつぼ３に対する加熱量を独立して調整することができる。
【０１０９】
上ヒータ４ａ用電源の電圧が、ヒータ４ａのプラス電極４ａ1、マイナス電極４ａ2間に印加されることによって上ヒータ４ａに電流が流れ、発熱する。上ヒータ４ａ用電源の電圧を変化させることで、上ヒータ４ａの発熱量が調整され、るつぼ３の上側の加熱量が制御される。
【０１１０】
また、中間ヒータ４ｂ用電源の電圧が、ヒータ４ｂのプラス電極４ｂ1、マイナス電極４ｂ2間に印加されることによって中間ヒータ４ｂに電流が流れ、発熱する。中間段ヒータ用電源の電圧を変化させることで、中間ヒータ４ｂの発熱量が調整され、るつぼ３の中央部の加熱量が制御される。
【０１１１】
また、下ヒータ４ｃ用電源の電圧が、ヒータ４ｃのプラス電極４ｃ1、マイナス電極４ｃ2間に印加されることによって下ヒータ４ｃに電流が流れ、発熱する。下ヒータ４ｃ用電源の電圧を変化させることで、下ヒータ４ｃの発熱量が調整され、るつぼ３の下側の加熱量が制御される。
【０１１２】
上ヒータ４ａについては、電流流路の幅が、ヒータ上部の幅ｃ1よりもヒータ下部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、上ヒータ４ａの電流通過断面積は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が小さくなり、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなる。
【０１１３】
一方、下ヒータ４ｃについては、電流流路の幅が、ヒータ下部の幅ｃ1よりもヒータ上部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、下ヒータ４ｃの電流通過断面積は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が小さくなり、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなる。
【０１１４】
これに対して、中間ヒータ４ｂについては、電流流路の幅が、ヒータ各部で同じ幅ｃ1になるように構成されている。なお、上ヒータ４ａ、下ヒータ４ｃに比して、中間ヒータ４ｂの発熱量が少なくなるように、中間ヒータ４ｂの電流流路の幅を、上ヒータ４ａ、下ヒータ４ｃの電流流路の最大幅（ｃ2）と同等か、それ以上の大きさの幅にしてもよい。
【０１１５】
上記した上ヒータ４ａ、中間ヒータ４ｂ、下ヒータ４ｃは、それぞれ独立して発熱量を制御できるので、たとえば中間ヒータ４ｂの発熱量が上ヒータ４ａおよび下ヒータ４ｃの発熱量より小さくなるように制御できる。
【０１１６】
実施例５では、図８に示すように、熱遮蔽物８０が、上ヒータ４ａおよび下ヒータ４ｃに比較して発熱量が相対的に少なくなるように制御された中間ヒータ４ｂの略中央部外側近傍に配置される。
【０１１７】
なお、実施例５では、ヒータ各部の電流流路の幅ｃを変化させて、ヒータ各部の発熱量を変化させているが、たとえばヒータ各部の電流流路の幅ｃを一定とし、ヒータ各部の電流流路の肉厚を変化させることでヒータ各部の発熱量を変化させてもよい。
【０１１８】
図８の図中において、実施例５による加熱領域（実線Ｇ）および従来の３段ヒータによる加熱領域（破線Ｈ）を示す。従来の３段ヒータを使用した場合、加熱領域は中央段ヒータ領域において十分分離されていないが、実施例５の場合、ヒータ４の上下方向の加熱領域が中央段ヒータ領域において十分分離されるとともに、ヒータ４の上部および下部領域の加熱領域に方向性を持たせられる。
【０１１９】
以上のように、実施例５によれば、熱遮蔽物８０を中間ヒータ４ｂの外周面近傍に配置したことにより、上ヒータ４ａと下ヒータ４ｃの熱放射の方向性を高めることができる。また、上ヒータ４ａの上部側と下ヒータ４ｃの下部側の発熱量を相対的に大きくすることができるので、たとえば中間ヒータ４ｂの熱放射量を適宜設定することによって、全体としてのヒータ４の上部領域および下部領域から方向性の高い熱放射を行うことが可能になる。
【実施例６】
【０１２０】
図１０は、本願発明の熱遮蔽物を用いたさらにほかの実施例を説明するための断面概念図である。
【０１２１】
図１０において、断熱部材５の内側表面と側面ヒータ４の外側表面で構成される空間の略中央部に、側面ヒータ４の表面から所定の距離を有して熱遮蔽物１００が配置されている。また、ヒータは、上下２段の側面ヒータ４（上段ヒータ４ａ、下段ヒータ４ｃ）で構成されている。なお、図１０では、図示していないが、下ヒータ４ｃの更に下段にあって、るつぼ３の底面に、円環状のボトムヒータを設けてもよい。
【０１２２】
以下に述べるように、熱遮蔽物１００は、ヒータ全体として比較的発熱量が少ない領域に配置される。
【０１２３】
図１１は、上ヒータ４ａ、下ヒータ４ｃを展開した展開図であり、実施例６に適用する側面ヒータ４の構成を示している。
【０１２４】
図１１に示すように、各ヒータは、独立して電力が供給されるものであり、通電されることによって発熱する導体で構成されている。各ヒータに対応して独立した電源が設けられている。
【０１２５】
すなわち、上ヒータ４ａ、下ヒータ４ｃは、独立して電力が供給されるものであり、通電されることによって発熱する導体で構成されている。すなわち、各ヒータ４ａ、４ｃに対応して独立した電源が設けられており、各ヒータ４ａ、４ｃ毎に、プラス電極４ａ1、４ｃ1、マイナス（アース）電極４ａ2、４ｃ2を備えている。各ヒータ４ａ、４ｃに印加される電圧を独立して調整することによって発熱量、つまりるつぼ３に対する加熱量を独立して調整することができる。
【０１２６】
上ヒータ４ａ用電源の電圧が、上ヒータ４ａのプラス電極４ａ1、マイナス電極４ａ2間に印加されることによって上ヒータ４ａに電流が流れ、発熱する。上ヒータ４ａ用電源の電圧を変化させることで、上ヒータ４ａの発熱量が調整され、るつぼ３の上側の加熱量が制御される。
【０１２７】
また、下ヒータ４ｃ用電源の電圧が、下ヒータ４ｃのプラス電極４ｃ1、マイナス電極４ｃ2間に印加されることによって下ヒータ４ｃに電流が流れ、発熱する。下ヒータ４ｃ用電源の電圧を変化させることで、下ヒータ４ｃの発熱量が調整され、るつぼ３の下側の加熱量が制御される。
【０１２８】
また、実施例６のヒータ４の場合、上ヒータ４ａについては、電流流路の幅が、ヒータ上部の幅ｃ1よりもヒータ下部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、上ヒータ４ａの電流通過断面積は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が小さくなり、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなる。
【０１２９】
一方、下ヒータ４ｃについては、電流流路の幅が、ヒータ下部の幅ｃ1よりもヒータ上部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、下ヒータ４ｃの電流通過断面積は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が小さくなり、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなる。
【０１３０】
さらに、図１１に示すように、上ヒータ４ａは、その一部の電流流路が、下段ヒータ４ｃの上端位置に相当する位置よりも下方の位置まで入り込むように形成されているとともに、下ヒータ４ｃは、その一部の電流流路が、上ヒータ４ａの下端位置に相当する位置よりも上方の位置まで入り込むように形成されている。
【０１３１】
これにより、図１０に示す実施例６の上下ヒータ４ａ、４ｃを全体としてみたとき、ヒータ４全体の上側領域の発熱量、ヒータ４全体の下側領域の発熱量に比較して、ヒータ４全体の中間領域の発熱量が、少なくなる。
【０１３２】
実施例６では、熱遮蔽物１００が、ヒータ４全体として比較的発熱量が少ない中間領域の略中央部に配置される。
【０１３３】
なお、図１１の実施例６のヒータを構成するに際して、スリットの数に制限はなく、所望するヒータ抵抗値に合わせてスリットの数を設定すればよい。
【０１３４】
また、ヒータを構成する電流流路の間隔（スリット幅）、上ヒータ４ａと下ヒータ４ｃの間隔（上下ヒータ間隔）は、例えば１０〜３０ｍｍ程度に設定することが望ましい。これらの間隔を広くすると、隙間からの熱の逃げが多くなり、本発明の効果が得られ難くなり、逆に間隔を狭くすると、放電の可能性が高くなり、プロセス自体が成立しなくなることがあるからである。
【０１３５】
図１１の図中において、実施例６による加熱領域（実線Ｉ）および従来の２段ヒータによる加熱領域（破線Ｊ）を示す。従来の２段ヒータを使用した場合、加熱領域は側面ヒータ４全体の中間領域において十分分離されていないが、実施例６の場合、加熱領域が側面ヒータ４の中間領域において十分分離されるとともに、側面ヒータ４の上部および下部領域の加熱領域の方向性を高めることができる。
【０１３６】
以上のように、実施例６によれば、熱遮蔽物１００を側面ヒータ４の中間領域近傍に配置したことにより、上ヒータ４ａと下ヒータ４ｃの熱放射の方向性を高めることができる。また、上ヒータ４ａの上部側と下ヒータ４ｃの下部側の発熱量を相対的に大きくすることができるので、全体としてのヒータ４の上部領域および下部領域から方向性の高い熱放射を行うことが可能になる。
【０１３７】
以上説明したように、本発明の装置によれば、複数のヒータおよび対向物とで構成される空間またはその空間近傍に熱遮蔽物が設けられているため、ヒータの加熱領域を局所化させることができる。その結果、「るつぼ内温度分布」を能動的に制御できるので、高酸素濃度の単結晶から低酸素濃度の単結晶まで、所定の酸素濃度規格範囲の単結晶を歩留まりよく製造することができる。
【０１３８】
また、本発明の装置の場合、チャンバを特に変更する必要がなく低コストで装置改造ができること、所定ヒータの加熱領域を局所化して効率よく加熱制御を行うことができるので、単結晶製造にかかる消費電力を従来に比べて低減できること等の利点がある。
【０１３９】
以上においてはシリコン単結晶の製造に用いた実施例を説明したが、本発明はこれに限られることなく本発明の主旨を逸脱しないかぎりガリウム砒素（GaAs）等の半導体単結晶製造においても同様に適用できる。
【産業上の利用可能性】
【０１４０】
本発明の半導体単結晶製造装置により、広範囲の酸素濃度および所定の酸素濃度規格範囲が要求される半導体ウェーハ用の半導体単結晶を、安価にしかも安定して市場に供給することができる。

Claims (8)

1. 半導体単結晶の原料の融液を貯留するるつぼと、前記原料を加熱溶融するために前記るつぼの外側にあって上下方向に複数のヒータとを備えたチョクラルスキー法による半導体単結晶製造装置において、
   前記複数のヒータの外側にあって、前記複数のヒータに対向し配置される対向物と前記るつぼの間の空間またはその空間近傍に熱遮蔽物が設けられ、
   前記各ヒータは、独立して電力が供給され、
   全ヒータによる発熱分布のうち、相対的に発熱量が少ない領域近傍の位置に前記熱遮蔽物が設けられていること
   を特徴とする半導体単結晶製造装置。
2. 前記発熱量の少ない領域は、上側に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整され、下側に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整されていること
   を特徴とする請求項１記載の半導体単結晶製造装置。
3. 前記複数のヒータの外側に対向し存在する対向物が断熱材であること
   を特徴とする請求項１記載の半導体単結晶製造装置。
4. 前記複数のヒータの外側に対向し存在する対向物が断熱材であること
   を特徴とする請求項２記載の半導体単結晶製造装置。
5. 前記るつぼの全周に渡って前記熱遮蔽物が設けられていることを特徴とする請求項１記載の半導体単結晶製造装置。
6. 前記るつぼの全周に渡って前記熱遮蔽物が設けられていることを特徴とする請求項２記載の半導体単結晶製造装置。
7. 前記熱遮蔽物を構成する材料が黒鉛繊維材又は黒鉛を含むことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体単結晶製造装置。
8. 前記熱遮蔽物の内周径は、前記複数のヒータの外径より大きいことを特徴とする請求項１または２記載の半導体単結晶製造装置。

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