JP5040848B2 - シリコン単結晶製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶製造装置に関する。

半導体デバイスの基板として用いられるシリコンウエハーは、シリコン単結晶から切り出し加工によって製造される。シリコン単結晶を製造する装置としては、従来、ＣＺ法（チョクラルスキー法）によるものが一般的である。
このＣＺ法によるシリコン単結晶製造装置は、通常、チャンバ内にシリコン融液を貯留した石英坩堝を収容し、この石英坩堝内のシリコン融液からシリコン単結晶棒を引き上げるよう構成されている。

このようなシリコン単結晶製造装置では、石英坩堝内のシリコン融液の液面の上方に、引き上げるシリコン単結晶棒の外周面を囲繞する筒状の熱遮蔽体（熱遮蔽部材、吸熱筒）を配設し、引き上げ直後のシリコン単結晶棒の熱履歴を管理するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

前記熱遮蔽体は、石英坩堝内のシリコン融液を加熱するためのヒータからの輻射熱や、石英坩堝からの輻射熱を遮ることにより、輻射熱がシリコン単結晶棒の外周面に達することを防止し、引き上げ中のシリコン単結晶棒の凝固を促進してシリコン単結晶棒を速やかに冷却させるものである。

この熱遮蔽体は、例えば図６（ａ）に示すように炭素繊維からなる断熱材１と、これを覆う黒鉛材からなる筒部材２とを有して構成されている。すなわち、炭素繊維１は発塵性物質であり、これを露出した状態にすると、シリコン融液内に入ってこれを汚染したり、シリコン単結晶棒に付着してしまうことから、黒鉛材によって断熱材１を覆い、断熱材１に起因する汚染を防止している。黒鉛材からなる筒部材２は、内筒部材３と、該内筒部材３の外側に配置された外筒部材４と、これら内筒部材３及び外筒部材４の下端部間に設けられてこれら内筒部材３と外筒部材４との間の底部側の開口を閉塞する底板部材５と、を有してなるもので、内筒部材３と外筒部材４との間に、筒状に成形された前記の断熱材１を収容し、その底部を底板部材５で覆ったものである。

ところで、このような熱遮蔽体を備えたシリコン単結晶製造装置では、所望の品質のシリコン単結晶を育成するべく、熱シミュレーション等によって引き上げ直後のシリコン単結晶棒の熱履歴を設計し、管理している。熱シミュレーション等の結果によっては、図６（ｂ）に示すように断熱材１を筒部材２の底部まで配置することなく、底板部材５上に所定の間隔（高さ）の空間部６を形成し、この空間部６に対応する箇所での断熱機能を低下させることがある。

このような設計とした場合、筒部材２内において断熱材１はその自重で落下してしまう。そこで、従来では、筒部材２の上部側のフランジ部７内に水平に配置した断熱材１ａに糸で縫い合わせ、この断熱材１ａから宙吊りにすることにより、断熱材１を筒部材２内に浮かせた状態で配設している。
特開２０００−２４７７７６号公報 特開平５−２８６７９３号公報

しかしながら、このように上部側の断熱材１ａに糸で縫い合わせる方法では、縫い合わせている糸が劣化して切れてしまったり、部品組立時の作業ミスによって断熱材１が押し下げられてしまうことがある。すると、筒状の断熱材１が浮いた状態に配設されずに、底板部材５上に直接載ってしまうことで前記の空間部６を塞いでしまい、逆にこの断熱材１と上部側の断熱材１ａとの間に空間部（図示せず）を形成してしまうことがある。

このようにして空間部６が塞がれてしまっても、断熱材１は黒鉛材からなる筒部材１で覆われているため、外部からは分からず、したがって通常はそのままシリコン単結晶の引き上げが行われてしまう。すると、得られるシリコン単結晶には、予め行った熱シミュレーション等による設計とは異なる熱履歴が与えられることになり、所望の品質のシリコン単結晶が得られなくなってしまう。

本発明は前記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、筒部材内において断熱材が落下してしまい、予め設計した熱履歴でシリコン単結晶を引き上げることができなくなるといった不都合を防止し、所望の品質のシリコン単結晶を製造できるようにした、シリコン単結晶製造装置を提供することにある。

本発明のシリコン単結晶製造装置は、シリコン原料を入れた坩堝と、該坩堝の周囲に設けられて該坩堝内の前記シリコン原料を加熱溶融するヒータと、前記坩堝内のシリコン融液からシリコン単結晶棒を引き上げる引き上げ手段と、を備えてなるシリコン単結晶製造装置であって、
前記坩堝内の前記シリコン融液の液面の上方に配置されて、前記シリコン単結晶棒の外周面を囲繞する円筒状の熱遮蔽体を有し、
前記熱遮蔽体は、内筒部材と、該内筒部材の外側に配置された外筒部材と、これら内筒部材と外筒部材との間に設けられた断熱材と、前記内筒部材及び外筒部材の下端部間に設けられてこれら内筒部材と外筒部材との間の底部側の開口を閉塞する底板部材と、を有してなり、
前記熱遮蔽体には、前記断熱材を前記底板部材の上面より上方に所定の間隔をあけて位置させ、その状態を保持する支持部が設けられていることを特徴としている。

このシリコン単結晶製造装置によれば、熱遮蔽体に支持部を設けたことにより、断熱材を底板部材の上面より上方に所定の間隔をあけて位置させ、その状態で落下させることなく確実に保持することが可能になる。

また、前記のシリコン単結晶製造装置においては、前記支持部が、前記内筒部材、外筒部材のうちのいずれかに一体に形成された突起からなっていてもよい。
突起からなる支持部が、内筒部材、外筒部材のうちのいずれかに一体に形成されているので、黒鉛材等からなる内筒部材や外筒部材と突起からなる支持部との間の熱膨張率差がなく、したがって熱膨張率差に起因して内筒部材や外筒部材にクラックなどが生じることが防止される。

また、前記のシリコン単結晶製造装置においては、前記支持部が、前記底板部材に一体に形成された突起からなっていてもよい。
突起からなる支持部が、底板部材に一体に形成されているので、黒鉛材等からなる底板部材と突起からなる支持部との間の熱膨張率差がなく、したがって熱膨張率差に起因して内筒部材や外筒部材にクラックなどが生じることが防止される。
さらに、熱遮蔽体を組み立てる際、内筒部材と外筒部材との間に断熱材を配しておき、その状態でこれらの間に例えば底板部材を嵌め込み固定するだけで、断熱材を押し上げて突起の高さに対応した分空間を形成することができる。

また、前記のシリコン単結晶製造装置においては、前記支持部が、前記底板部材上に載置された支持部品からなっていてもよい。その場合に、この支持部品は、黒鉛材に比べ高強度の炭素繊維強化炭素材からなっているのが好ましい。
支持部品として高さが異なるものを複数用意しておくことにより、設計した空間の高さにより容易に対応することができる。

本発明のシリコン単結晶製造装置によれば、熱遮蔽体に支持部を設けたことにより、所定の間隔（空間）をあけて断熱材を底板部材の上方に位置させ、その状態で落下させることなく確実に保持することができる。したがって、予め設計した通りの、所望の品質のシリコン単結晶を確実に製造することができる。

以下、図面を参照して本発明をより詳しく説明する。
図１は、本発明のシリコン単結晶製造装置の一実施形態を示す図であり、図１中符号１０はシリコン単結晶製造装置である。このシリコン単結晶製造装置１０は、ＣＺ法に基づいてシリコン単結晶を育成し、シリコン単結晶棒Ｓを引き上げるものであり、チャンバ１１内にシリコン原料を入れた石英坩堝１２を収容したものである。

この石英坩堝１２は、シリコン原料が加熱溶融されてなるシリコン融液１３を貯留するもので、その外面側は黒鉛製のサセプタ（坩堝）１４によって覆われている。石英坩堝１３の下面側は、前記サセプタ１４を介して支軸１５の上端に固定されており、この支軸１５の下部は坩堝駆動手段１６に接続されている。
坩堝駆動手段１６は、石英坩堝１２を回転させる第１回転用モータ（図示せず）と、石英坩堝１２を昇降させる昇降用モータ（図示せず）とを有し、これらモータによって石英坩堝１２を所定の方向に回転させるとともに、上下方向に移動させるようになっている。

また、石英坩堝１２の外周面側には、石英坩堝１２から所定の間隔をあけて、グラファイト製で抵抗加熱式のヒータ１７が配設されている。このヒータ１７は、石英坩堝１２を囲んで配置された円筒状のもので、石英坩堝１２内のシリコン原料（シリコン融液１３）を所定温度に加熱し、溶融させるものである。また、このヒータ１７の周囲には、該ヒータ１７を囲んで保温筒１８が配設されている。この保温筒１８は、例えば黒鉛製の断熱材によって形成されたものである。

チャンバ１１の上端には、円筒状のケーシング１９が接続されており、このケーシング１９内には引き上げ手段２０が設けられる。引き上げ手段２０は、ケーシング１９の上端部に水平状態で旋回可能に設けられた引き上げヘッド（図示せず）と、このヘッドを回転させる第２回転用モータ（図示せず）と、ヘッドから石英坩堝１２の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブル２１と、前記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２１を巻取り又は繰出す引き上げ用モータ（図示せず）と、を有して構成されている。ワイヤケーブル２１の下端には、シリコン融液１２に浸してシリコン単結晶棒Ｓを引き上げるための種結晶（シード）２２が取付けられている。

また、チャンバ１１には、内部を減圧する真空ポンプ等の減圧手段（図示せず）が接続されており、さらに、チャンバ１１内に不活性ガスであるアルゴン（Ａｒ）を供給し、さらに、排出するガス給排手段（図示せず）が接続されている。このような構成のもとにチャンバ１１内では、減圧下において不活性（Ａｒ）雰囲気のもとで、シリコン単結晶棒Ｓの引き上げが行われるようになっている。

一方、前記の引き上げ用モータの出力軸（図示せず）にはロータリエンコーダ（図示せず）が設けられており、坩堝駆動手段１６には石英坩堝１２内のシリコン融液１３の重量を検出する重量センサ（図示せず）と、支軸１５の昇降位置を検出するリニヤエンコーダ（図示せず）とが設けられている。これらロータリエンコーダ、重量センサ及びリニヤエンコーダの各検出出力は、コントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、コントローラの制御出力は引き上げ手段２２の引き上げ用モータ及びるつぼ駆動手段の昇降用モータにそれぞれ接続されている。

また、前記コントローラにはメモリ（図示せず）が設けられており、このメモリにはロータリエンコーダの検出出力に対するワイヤケーブル２１の巻取り長さ、すなわちシリコン単結晶棒Ｓの引き上げ長さが第１マップとして記憶され、重量センサの検出出力に対する石英坩堝１２内のシリコン融液１３の液面レベルが第２マップとして記憶されている。このような構成のもとにコントローラは、重量センサの検出出力に基づいて石英坩堝１２内のシリコン融液１３の液面を常に一定のレベルに保つよう、坩堝駆動手段１６の昇降用モータを制御するようになっている。

また、石英坩堝１２内のシリコン融液１３の液面の上方には、シリコン単結晶棒Ｓの外周面を囲繞して円筒状の熱遮蔽体２３が配置されている。この熱遮蔽体２３は、前記ヒータ１７からの輻射熱を遮る筒部材２４と、この筒部材２４の上端縁に連設されその外方へ略水平に張り出したフランジ部２５と、図２に示すようにこれら筒部材２４及びフランジ部２５内に配設された断熱材２６、３２とを有して構成されている。また、この熱遮蔽体２３は、前記フランジ部２５が前記保温筒１８上に懸架されたことにより、筒部材２４の下縁がシリコン融液１３の表面から所定の距離だけ上方に位置するよう、チャンバ１１内に配置されている。

筒部材２４は、黒鉛材からなる円筒状の内筒部材２７と、該内筒部材２７の外側に配置された黒鉛材からなる円筒状の外筒部材２８と、これら内筒部材２７及び外筒部材２８の下端部間に設けられてこれら内筒部材２７と外筒部材２８との間の底部側の開口を閉塞する円環板状の底板部材２９と、を有してなるものである。これら内筒部材２７、外筒部材２８、底板部材２９については、例えばその表面を炭化珪素（ＳｉＣ）等でコーティングしておいてもよい。内筒部材２７と外筒部材２８との間には、円筒状に成形された断熱材２６が収容されている。

断熱材２６は、黒鉛より高温強度が高い炭素繊維強化炭素材からなるもので、例えば、石油ピッチ等から生成された炭素繊維が板状に形成され、さらに圧縮、純化されてフェルト状に成形されたものである。

このような断熱材２６は、図６（ａ）に示したように通常はその底部が底板部材５（２９）の上面に直接載置され、その状態に保持される。しかし、熱シミュレーション等の結果によっては、前述したように筒部材２（２４）の底部に空間部を形成することがある。
そこで、本発明では、図２に示すように断熱材２６を筒部材２４の底部にまで配置することなく、底板部材２９上に所定の間隔（高さ）をあけて位置させている。

すなわち、本実施形態では、このように断熱材２６を底板部材２９の上面より上方に所定の間隔（高さ）をあけて位置させ、その状態を保持して空間部３０を形成するべく、支持部となる突起３１を外筒部材２８の内面に形成している。突起３１は、黒鉛材からなる外筒部材２８に一体に形成されたもの、つまり黒鉛材によって外筒部材２８とともに一体に成形された棒状（柱状）のものである。このような突起３１は、外筒部材２８の内面の予め設定された高さ、すなわち、熱シミュレーション等の結果によって設計された前記空間部３０を形成し得る高さ位置に配置されている。また、外筒部材２８の内面に、その周方向に沿って複数個が等間隔に配置されている。

なお、その高さ（長さ）や太さ（径）については、その個数とともに断熱材２６の重量を十分に支持し得る強度を有するように設計され、形成されている。ただし、その高さ（長さ）については、当然ながら、対向する内筒部材２７の内面に当接しない範囲で設計され、形成されている。
また、支持部となる突起３１の数については、特に限定されないものの、３個以上１２個以下とするのが好ましい。２個以下では断熱材２６の支持が不安定になり、１３個以上では空間部３０を多くの突起３１で埋めてしまうことにより、空間部３０の実質的な容積を設計された容積に比べて狭めてしまい、所望の効果、すなわち断熱機能低下の効果が損なわれるおそれがあるからである。

フランジ部２５は、内筒部材２７に連設する円環板状の上フランジ３３と、外筒部材２８に連設する円環板状の下フランジ３４と、これら上フランジ３３と下フランジ３４との間に収容された断熱材３２と、を有してなるものである。断熱材３２は、前記断熱材２６と同様に、黒鉛より高温強度が高い炭素繊維強化炭素材によって形成されている。なお、前記の筒部材２４内に収容された断熱材２６については、従来と同様にしてこの断熱材３２に糸で縫い合わせておいてもよいが、本発明では基本的に断熱材２６を突起３１などの支持部で保持するため、このような糸による縫い合わせを省略することができる。

このような熱遮蔽体２３を備えたシリコン単結晶製造装置１０によってシリコン単結晶棒Ｓを引き上げるには、まず、図１に示したチャンバ１１内を所定の圧に減圧し、その状態でチャンバ１１内に不活性ガス（Ａｒ）を所定流量で流す。そして、ヒータ１７によって石英坩堝１２内のシリコン原料を加熱し、これを溶融させてシリコン融液１３とする。

次に、溶融後融点付近の温度において、引き上げ手段２０における種結晶２２をシリコン融液１３に漬け、ヒータ１７によって種結晶２２がシリコン融液１３となじむ程度に液温を調節する。そして、なじんだら、種結晶２２内の転位を除去するため、種結晶２２を上方に引き上げながら直径５ｍｍ前後のシード絞りを行う（ネック工程）。

シード絞り後、製品径となるように液温と引上速度を調節しながら、円錐状に結晶径を拡大させる（肩工程）。
結晶径が製品径に達したら、製品となる部位を鉛直方向に一定長さ育成し（直銅工程）、シリコン単結晶棒Ｓを形成する。その後、結晶径を円錐状に減径させ（テール工程）、直径が十分に小さくなったところで融液から切り離し、シリコン単結晶棒Ｓを得る。

その際、引き上げるシリコン単結晶棒Ｓの外周面を囲繞して熱遮蔽体２３を配設しているので、この熱遮蔽体２３によってヒータ１７からの輻射熱や石英坩堝１２からの輻射熱を遮ることができる。したがって、輻射熱がシリコン単結晶棒Ｓの外周面に達することを防止し、引き上げ中のシリコン単結晶棒Ｓの凝固を促進してシリコン単結晶棒Ｓを速やかに冷却させることができる。

また、特に本発明では、突起３１からなる支持部によって断熱材２６を浮かせた状態に配置し、空間部３０を形成してその状態を保持しているので、空間部３０に対応する範囲（箇所）において熱遮蔽体２３による断熱機能を低下させ、予め設計された通りの熱履歴を引き上げ直後のシリコン単結晶棒Ｓに与えることができる。

このように、本実施形態のシリコン単結晶製造装置１０にあっては、突起３１（支持部）を設けたことによって断熱材２６の落下を防止し、空間部３０を確実に確保しているので、予め設計された通りの熱履歴を引き上げ直後のシリコン単結晶棒Ｓに与えることができ、これによって所望の品質のシリコン単結晶を確実に製造することができる。
また、突起３１を、外筒部材２８に一体に形成しているので、黒鉛材からなる外筒部材２８と突起３１との間の熱膨張率差がなくなり、したがって熱膨張率差に起因して外筒部材２８にクラックなどが生じることを防止することができる。

なお、前記実施形態では、本発明における支持部となる突起３１を、筒部材２４における外筒部材２８の内面に配設したが、外筒部材２８でなく、内筒部材２７に内面に配設するようにしてもよく、さらには、内筒部材２７、外筒部材２８の両方に配設するようにしてもよい。

また、本発明では、支持部となる棒状（柱状）の突起３１を、内筒部材２７や外筒部材２８でなく、図３に示すように底板部材２９に一体に形成してもよい。すなわち、底板部材２９の上面に、所定の高さ（長さ）、つまり熱シミュレーション等の結果によって設計された前記空間部３０の高さに対応する高さに、突起３１を形成してもよい。
このように構成しても、断熱材２６を突起３１で支持することにより、断熱材２６の落下を防止して空間部３０を確実に確保することができる。したがって、設計通りの熱履歴を引き上げ直後のシリコン単結晶棒Ｓに与えることができ、これによって所望の品質のシリコン単結晶を確実に製造することができる。

また、突起３１を、底板部材２９に一体に形成しているので、黒鉛材からなる底板部材２９と突起３１との間の熱膨張率差がなくなり、熱膨張率差に起因して底板部材２９にクラックなどが生じることを防止することができる。
さらに、熱遮蔽体２３を組み立てる際、内筒部材２７と外筒部材２８との間に断熱材２６を配しておき、その状態でこれらの間に例えば底板部材２９を嵌め込み固定するだけで、突起３１によって断熱材２６を押し上げて突起３１の高さに対応した分、空間部３０を形成することができる。よって、空間部３０を有する熱遮蔽体２３を容易に組み立てることができる。

また、突起３１の高さが異なる底板部材２９を複数用意しておくことにより、設計した空間部３０の高さに容易に対応して所望の熱遮蔽体２３を組み立てることができる。すなわち、製造するシリコン単結晶の品質変更に伴って、シリコン単結晶棒Ｓに与える熱履歴が変更し、空間部３０の高さが変更する場合に、単に底板部材２９のみを交換することで、品質変更に容易に対応することができる。

なお、このような底板部材２９に一体に配設する突起３１についても、その太さ（径）や個数については、断熱材２６の重量を十分に支持し得る強度を有するように設計され、形成される。支持部となる突起３１の数についても、前述した理由により、３個以上１２個以下程度が好適とされる。

また、本発明では支持部を、前記の突起３１に代えて、図４に示すように底板部材２９上に載置した支持部品３５によって構成してもよい。支持部品３５は、例えば図５に示すように円環板状の載置部３６と、同じ円環板状の断熱材２６を保持（支持）する保持部３７と、これら載置部３６と保持部３７とを連結する複数の柱状の連結部３８とからなるもので、載置部３６が底板部材２９の上面に載置されることにより、保持部３７上に断熱材２６を支持（保持）するものである。なお、連結部３８については、複数の柱状体で構成するのに代えて、例えば円筒状のもので構成してもよい。

この支持部品３５は、断熱材２６と同じ炭素繊維強化炭素材（Ｃ／Ｃ複合材）が成形されて形成されたもので、これによって断熱材２６と支持部品３５との間、さらには内筒部材２７や外筒部材２８、底板部材２９との間で熱膨張率差がなくなり、熱膨張率差に起因するクラックの発生などが防止されている。

このように構成しても、断熱材２６を支持部品３５で支持することにより、断熱材２６の落下を防止して空間部３０を確実に確保することができる。したがって、設計通りの熱履歴を引き上げ直後のシリコン単結晶棒Ｓに与えることができ、これによって所望の品質のシリコン単結晶を確実に製造することができる。
また、設計した空間部３０の高さに対応して異なる高さの複数種の支持部品３５を用意しておくことにより、設計した空間部３０の高さに対応した所望の熱遮蔽体２３を容易に組み立てることができる。すなわち、製造するシリコン単結晶の品質変更に伴って、シリコン単結晶棒Ｓに与える熱履歴が変更し、空間部３０の高さが変更する場合に、単に支持部品３５のみを交換することで、品質変更に容易に対応することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば前記実施形態では、突起３１を内筒部材２７や外筒部材２８、底板部材２９と同じ材質でこれらと一体に形成したが、内筒部材２７や外筒部材２８、底板部材２９に熱膨張率が近い材質であれば、これらとは別に形成し、嵌合等によってこれらに取り付けるようにしてもよい。
また、支持部の形状等についても、前記した棒状（柱状）の突起３１や支持部品３５以外にも、断熱材２６を支持できる形状であれば、任意のものを用いることができる。

本発明のシリコン単結晶製造装置の一実施形態の概略構成図である。 熱遮蔽体の一例を示す側断面図である。 熱遮蔽体の他の例を示す側断面図である。 熱遮蔽体の他の例を示す側断面図である。 支持部品を示す斜視図である。 （ａ）、（ｂ）は従来の熱遮蔽体を説明するための側断面図である。

符号の説明

１０…シリコン単結晶製造装置、１１…チャンバ、１２…石英坩堝、１３…シリコン融液、１７…ヒータ、２０…引き上げ手段、２３…熱遮蔽体、２４…筒部材、２６…断熱材、２７…内筒部材、２８…外筒部材、２９…底板部材、３０…空間部、３１…突起（支持部）、３５…支持部品（支持部）

Claims (5)

1. シリコン原料を入れた坩堝と、該坩堝の周囲に設けられて該坩堝内の前記シリコン原料を加熱溶融するヒータと、前記坩堝内のシリコン融液からシリコン単結晶棒を引き上げる引き上げ手段と、を備えてなるシリコン単結晶製造装置であって、
   前記坩堝内の前記シリコン融液の液面の上方に配置されて、前記シリコン単結晶棒の外周面を囲繞する円筒状の熱遮蔽体を有し、
   前記熱遮蔽体は、内筒部材と、該内筒部材の外側に配置された外筒部材と、これら内筒部材と外筒部材との間に設けられた断熱材と、前記内筒部材及び外筒部材の下端部間に設けられてこれら内筒部材と外筒部材との間の底部側の開口を閉塞する底板部材と、を有してなり、
   前記熱遮蔽体には、前記断熱材を前記底板部材の上面より上方に所定の間隔をあけて位置させ、その状態を保持する支持部が設けられていることを特徴とするシリコン単結晶製造装置。
2. 前記支持部は、前記内筒部材、外筒部材のうちのいずれかに一体に形成された突起からなることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶製造装置。
3. 前記支持部は、前記底板部材に一体に形成された突起からなることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶製造装置。
4. 前記支持部は、前記底板部材上に載置された支持部品からなることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶製造装置。
5. 前記支持部品は、炭素繊維強化炭素材からなることを特徴とする請求項４記載のシリコン単結晶製造装置。

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