JP5167960B2 - シリコン単結晶の育成装置 - Google Patents

Description

本発明は、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育成する装置、及びその装置において、ルツボに入れられたシリコンからなる塊状物又は粒状物を溶解するシリコン原料の溶解方法に関するものである。

従来、シリコン単結晶の育成方法としてルツボ内のシリコン融液から半導体用の高純度シリコン単結晶を成長させるＣＺ法が知られている。この方法は、ルツボを内部に有する炉体の上部に設けられた回転・引上げ機構からワイヤを介してルツボの上方の炉体内部に吊り下げられた種結晶用ホルダに種結晶を取付け、ワイヤを繰り出してその種結晶をシリコン融液に接触させ、種結晶を引上げてシリコン融液から種絞り部分を作製し、その後目的とするシリコン棒の直径まで結晶を徐々に太らせて成長させることにより、必要な面方向を有する無転位の単結晶インゴットを得ることができるものである。シリコン融液はルツボ内に溶解されており、ルツボはそのルツボを包囲するように設けられたカーボンヒータにより加熱される。

しかし多結晶シリコンの溶解温度は約１４００℃であり、シリコン単結晶を育成させるため、ルツボ内に当初充填された塊状物又は粒状物を完全に溶解するには比較的多くの時間を必要とする。特に今日の育成する単結晶の大口径化と長尺化に伴い比較的多量のシリコン融液を必要とし、このシリコンを溶解する時間はシリコン単結晶インゴット育成工程における効率低下と、塊状物又は粒状物が当初充填されるルツボの劣化という不具合を招いていた。
この点を解消するために、ルツボの上方部分に熱遮蔽板を設けたシリコン単結晶の育成装置（例えば、特許文献１参照。）や、シリコン単結晶の育成装置の炉体上方に、その育成装置に隣接してその育成装置とは別に原料溶解補助装置を設け、その補助装置からの赤外線やマイクロ波によりルツボに入れられた塊状物又は粒状物を直接加熱する装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。前者の装置では熱遮蔽板で覆われたルツボをカーボンヒータにより効率よく加熱することができ、後者の装置では、ルツボに入れられた塊状物又は粒状物を直接的に加熱することができるようになっている。このため、これらの装置では、ルツボに入れられたシリコンからなる塊状物又は粒状物の溶解を短時間で行うことが期待されている。
特開平１０−８１５９３号公報（明細書［０００８］〜［００１２］、図１、図２） 特開平１１−２５５５９３号公報（明細書［０００７］、図１）

しかし、近年の単結晶の大口径化はルツボの大口径化を招くため、大口径の単結晶、特に直径が４５０ｍｍ以上のシリコンウェーハ用のシリコン単結晶を育成する場合には、熱遮蔽板を設ける前者の装置であっても、ルツボの周囲に設けられたヒータから最も遠くなるルツボの中央部分における放熱を十分に抑制することができず、その中央部分の塊状物又は粒状物を溶解するまでの時間を十分に短縮できない未だ解決すべき課題が残存していた。また、後者の原料溶解補助装置を育成装置と別に設置することは、従来の育成装置に大幅な改良を必要とするとともに、育成装置にこの補助装置を隣接して設けることは単結晶を育成する設備の大型化を招く不具合もあった。
本発明の目的は、設備を大型化させることなく、シリコンからなる塊状物又は粒状物の溶解を短時間で簡便に行うことができるシリコン単結晶の育成装置及びシリコン原料の溶解方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、シリコンからなる塊状物又は粒状物を投入可能なルツボを内部に有する炉体と、前記炉体の上部に設けられ育成する単結晶をワイヤを介して回転及び引上げる回転・引上げ機構と、前記ルツボを包囲するように前記炉体の内部に配置され前記ルツボを加熱して前記ルツボに投入された前記塊状物又は粒状物を溶解するサイドヒータと、前記ルツボの上方の炉体内部に配置され前記サイドヒータとともに前記塊状物又は粒状物を加熱するためのサブヒータ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、前記サブヒータが、前記ルツボの開口部に水平状態に保たれかつ中央に第１丸孔を有する円盤状のカーボンヒータからなるか、又は前記ルツボの開口部に水平状態に保たれかつ中央に第２丸孔を有するカーボン円盤と前記カーボン円盤の上方に水平に設けられ前記カーボン円盤を発熱させるヒータ本体とからなり、前記第１又は第２丸孔より小径の頂部と前記第１又は第２丸孔より大径の底部とを有し少なくとも頂部が電気絶縁性材料からなる円錐状物を前記カーボンヒータ又は前記カーボン円盤の下方より前記第１又第２丸孔に挿入し前記円錐状物の頂部を前記ワイヤの下端に取り付けることにより前記カーボンヒータ又は前記カーボン円盤を前記炉体内に吊り下げるところにある。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、前記カーボンヒータを前記ワイヤを介して吊り下げる前記円錐状物が電気絶縁性セラミック製の円錐体であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、前記カーボン円盤を前記ワイヤを介して吊り下げる前記円錐状物が、その頂部が電気絶縁性セラミック製の円錐物とこの円錐物の下部に装着され底部が前記第２丸孔より大径に形成されたカーボン円柱とを有し、前記ヒータ本体が筒状に形成されて前記カーボン本体に嵌入され、かつ、前記ヒータ本体の発熱が前記カーボン円柱を介して前記カーボン円盤に伝達されるように構成されたことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項１に係る発明であって、前記カーボン円盤の前記第２丸孔の周囲に前記炉体内部に流通させる不活性ガスを通過させる複数の扇状のガス孔が形成されたことを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項３に係る発明であって、前記筒状に形成されたヒータ本体が嵌入状態で前記カーボン円柱の外面と５〜１０ｍｍの間隔を有し、かつ、支持具により前記ルツボの上方で固定されることを特徴とする。

本発明では、サイドヒータによりルツボを加熱すると、ルツボに入れられたシリコンからなる塊状物又は粒状物は周囲から溶解が開始する。溶解が開始したシリコンのルツボ上面からは熱が放出するけれども、ルツボの上方に位置するサブヒータも発熱するので、ルツボ上面からの熱の放散はこのサブヒータが発熱することにより抑制される。そして、サブヒータはそれ自体が発熱することによりサイドヒータから最も遠くなるルツボの中央部分に存在するシリコンからなる塊状物又は粒状物を積極的に加熱して溶解させる。このため、ルツボに投入されたシリコンからなる塊状物又は粒状物を溶解する時間を従来に比較して十分に短縮することができる。

また、シリコンからなる塊状物又は粒状物を積極的に加熱して溶解させるサブヒータを、従来から種結晶を引上げるために用いられているワイヤに取付けることにより、育成装置自体の改良を不要とすることができる。また、シリコンからなる塊状物又は粒状物を積極的に加熱するための別の装置を、この育成装置に隣接して設けるようなことも必要としない。従って、本発明では、設備を大型化させることなく、シリコンからなる塊状物又は粒状物の溶解を短時間で簡便に行うことができるようになる。

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。
図１及び図２に示すように、ＣＺ法によるシリコン融液から単結晶を育成する装置では、炉体１１の内部に炉体１１と同心円状に断熱材１２とサイドヒータであるカーボンヒータ１３が配置され、炉体１１中央の回転軸１４の上端に固定された黒鉛サセプタ１６に有底円筒状の石英ルツボ１７が嵌合される。炉体１１の上部には円筒状のチャンバ１５を介して回転・引上げ機構１８が設けられ、ルツボ１７の上方にはこの回転・引上げ機構１８からワイヤ１９が吊り下げられる。このワイヤ１９はシリコン単結晶を引上げる際に必要となる図示しない種結晶を吊り下げるものであり、シリコン単結晶を育成させる際には、この回転・引上げ機構１８はワイヤを繰り出してその種結晶をシリコン融液に接触させ、その後引上げることによりその種結晶から成長した高純度のシリコン単結晶インゴットを回転しつつ引上げて種結晶の下端に高純度のシリコン単結晶インゴットを成長させるようになっている。

一方、炉体１１とチャンバ１５はヒンジ１５ａを介して取付けられ、チャンバ１５が取付けられる炉体１１の上部には、その部分における開口部１１ａを閉止可能な遮蔽板２２が設けられる。遮蔽板２２は炉体１１に設けられた収容部１１ｂに収納状態でその開口部１１ａを開放し、収容部１１ｂから突出すると開口部１１ａを閉止するように構成される。ワイヤ１９の下端には、単結晶引上げ時に用いる種結晶に代えて、サイドヒータ１３とともに、ルツボ１７に投入されたシリコン原料であるシリコンからなる塊状物又は粒状物２９を加熱するためのサブヒータ２３が取り外し可能に取付けられる。

図３に示すように、サブヒータ２３の取付けはセラミックから成る電気絶縁性の円錐状物２４を介してワイヤ１９に取付けられる。即ち、ワイヤ１９は導電物であるので耐熱性と電気絶縁性のあるセラミックからなる円錐状物２４を介してサブヒータ２３はワイヤ１９に取付けられる。サブヒータ２３はカーボンヒータであって、塊状物又は粒状物２９を効率よく加熱するために円盤状に形成されるとともに、円錐状物２４の底部の外径より小さな内径を有する丸孔２３ａがその中央に形成される。この丸孔２３ａに円錐状物２４をその頂部から挿入することによりサブヒータ２３は円錐状物２４の中間に取付けられる。この円盤状のカーボンヒータからなるサブヒータ２３は、丸孔２３ａから周囲に至るスリット２３ｂが形成され、そのスリット２３ｂから円周方向に外周と内周から交互に切り込み２３ｃが形成されて円周方向に方形波状のサブヒータ２３が形成される。そして、そのサブヒータ２３の両端部であるスリット２３ｂの両側には電力入力用の耐熱性のある電極２６，２６がそれぞれ接続され、これらの電極２６，２６に電力を供給することによりサブヒータ２３が発熱し、サイドヒータ１３とともにルツボ１７に投入されたシリコンからなる塊状物又は粒状物２９を加熱するように構成される。

ここで、サブヒータ２３の外径は引上げるシリコン単結晶の直径の９５〜１０５％の範囲にあることが好ましい。下限値未満では加熱効果に乏しく、上限値を超えると、ルツボ１７上部に図示しないコーン状の断熱材を設ける場合には、この断熱材の開口部の直径を広げる必要が生じ、シリコン単結晶を引上げるときに放熱してしまう不具合がある。また、サブヒータ２３の厚さは５〜３０ｍｍの範囲にあることが好ましい。下限値未満では耐久性に乏しく、上限値を超えると、サブヒータ２３がサブヒータ２３自身の重みに耐えられなくなる不具合がある。

次に、このような育成装置における本発明のシリコン原料の溶解方法を説明する。
図２に示すように、先ずシリコンからなる塊状物又は粒状物２９を炉体内部に設けられたルツボ１７に入れる。この実施の形態におけるシリコンは粒状物からなる新規の多結晶シリコンであるが、シリコンは育成に失敗した単結晶を砕いたものであっても良く、またシリコンは塊状物であってもよい。その後、炉体１１の上部に設けられた回転・引上げ機構１８から繰り出されたワイヤ１９にサブヒータ２３を取付ける。サブヒータ２３の取付けは、炉体１１に対してチャンバ１５を傾動させてチャンバ１５の下端からワイヤ１９の下端を引出した状態で行われる。そして、図３に示すように、サブヒータ２３中央の第１丸孔２３ａに円錐状物２４をその頂部から挿入し、その後その円錐状物２４をワイヤ１９の下端に取付ける。このようにしてサブヒータ２３をワイヤ１９の下端に取付けた後、そのサブヒータ２３をワイヤ１９の下端とともに炉体１１内部に戻す。

図１に示すように、サブヒータ２３をワイヤ１９の下端とともに炉体１１内部に戻した後、チャンバ１５を再び戻してそのサブヒータ２３をルツボ１７の上方に位置させて、その円盤状のサブヒータ２３を水平状態に保つ。次に、ワイヤ１９を繰り出してサブヒータ２３を下降させ、そのサブヒータ２３がルツボ１７の近傍に達した時点でワイヤ１９の繰り出しを停止させ、ルツボ１７の開口部の一部を覆うように円盤状のサブヒータ２３を水平に保持する。その後、サイドヒータであるカーボンヒータ１３によりそのルツボ１７を加熱するとともに、サブヒータ２３も発熱させてルツボ１７に入れられた塊状物又は粒状物２９を溶解する。

ルツボ１７の周囲に配置されたサイドヒータ１３の熱により周囲からルツボ１７に入れられた多結晶シリコンからなる塊状物又は粒状物２９の溶解が開始する。溶解が開始した多結晶シリコンのルツボ１７上面からは熱が放出するけれども、ルツボ１７の上方に位置するサブヒータ２３も発熱するので、ルツボ１７上面からの熱の放散はこのサブヒータ２３が発熱することにより抑制される。そして、ルツボ１７上面からの熱の放散を抑制するとともに、サブヒータ２３はそれ自体が発熱することによりサイドヒータ１３から最も遠くなるルツボ１７の中央部分に存在するシリコンからなる塊状物又は粒状物を積極的に加熱して溶解させる。このため、ルツボ１７に投入されたシリコンからなる塊状物又は粒状物が完全に溶解するまでの時間を従来に比較して十分に短縮することができる。

また、シリコンからなる塊状物又は粒状物を積極的に加熱して溶解させるサブヒータ２３は、従来から種結晶を引上げるために用いられているワイヤ１９に取付けるものであるので、この育成装置自体を改良する必要はない。また、シリコンからなる塊状物又は粒状物を積極的に加熱する別の装置をこの育成装置に併設するようなことも必要としない。従って、本発明では、設備を大型化させることなく、シリコンからなる塊状物又は粒状物の溶解を短時間で簡便に行うことができるようになる。

シリコンからなる塊状物又は粒状物が溶解した後には、このシリコン融液３１から半導体用の高純度シリコン単結晶を成長させる。この成長に際して、サブヒータ２３に代えて図示しない種結晶をワイヤ１９の下端に取付ける。サブヒータ２３の取り外し及び種結晶の取付けは、炉体１１に対してチャンバ１５を傾動させてチャンバ１５の下端からワイヤ１９の下端を引出した状態で行われる。この際、図２に示すように、遮蔽板２２を収容部１１ｂから突出させて炉体１１の開口部１１ａを閉止することにより炉体１１内部が冷却されることを防止する。そして、サブヒータ２３を図示しない種結晶に代えた後、このチャンバ１５を再び戻すとともに、遮蔽板２２を収容部１１ｂに収納して開口部１１ａを再び開放する。その後、種結晶をシリコン融液３１に接触させ、回転・引上げ機構１８はその種結晶から成長した高純度のシリコン単結晶インゴットを回転しつつ引上げて種結晶の下端に高純度のシリコン単結晶インゴットを成長させる。

なお、上述した実施の形態では、円盤状のカーボンヒータからなるサブヒータ２３を説明したが、図４に示すように、サブヒータは、電気絶縁性セラミック製の円錐物２５の下部に装着されたカーボン円柱３５を覆う筒状のヒータ本体３３と、カーボン円柱３５の下部に水平に設けられヒータ本体３３の発熱により昇温して塊状物又は粒状物２９を加熱するカーボン円盤３４とを備えるようなものであっても良い。図４に示すカーボン円盤３４は中央にカーボン円柱３５の底部の外径より小さな内径を有する第２丸孔３４ａが形成され、この丸孔３４ａにカーボン円柱３５をその頂部から挿入することによりこのカーボン円盤３４はカーボン円柱３５の下部に水平に取付けられる。このカーボン円盤３４の丸孔３４ａの周囲には、塊状物又は粒状物２９を溶解させる際に炉体１１内部に流通させる不活性ガスを通過させる複数の扇形のガス孔３４ｂが形成される。これらのガス孔３４ｂは、カーボン円盤３４が小径の場合、形成しなくても良い。

一方、ヒータ本体３３はカーボン円柱３５に嵌入した際にその内面がカーボン円柱３５の外面と５〜１０ｍｍの間隔をあけるような筒状に形成される。この筒状のヒータ本体３３は、図示しない支持具によりルツボ１７の上方で固定される。このヒータ本体３３には、周方向の連続を絶ってカーボン円柱３５への嵌入を可能とするスリット３３ｂが縦方向に形成される。そのスリット３３ｂから周方向に上端と下端から交互に切り込み３３ｃが形成されて周方向に方形波状のヒータ本体３３が形成される。そして、そのヒータ本体３３の両端部であるスリット３３ｂの両側には電力入力用の耐熱性のある電極２６，２６がそれぞれ接続され、これらの電極２６，２６に電力を供給することによりヒータ本体３３が発熱する。その熱がカーボン円柱３５を介してカーボン円盤３４に伝達することよりそのカーボン円盤３４が昇温されるとともに、円錐物２５によってワイヤ１９には熱が伝達されないように構成される。そして、昇温したカーボン円盤３４はそれ自体が発熱してサイドヒータ１３とともにルツボ１７に投入されたシリコンからなる塊状物又は粒状物２９を加熱するように構成される。

図４に示すようなサブヒータ３３，３４であっても、ルツボ１７に入れられた多結晶シリコンからなる塊状物又は粒状物２９を溶解させる際に、ルツボ１７上面からの熱の放散を抑制するとともに、ヒータ本体３３の発熱により昇温したカーボン円盤３４はサイドヒータ１３から最も遠くなるルツボ１７の中央部分に存在するシリコンからなる塊状物又は粒状物を積極的に加熱して溶解させる。このため、ルツボ１７に投入されたシリコンからなる塊状物又は粒状物が完全に溶解するまでの時間を従来に比較して十分に短縮することができる。

本発明実施形態のシリコン単結晶の育成装置の概略断面図である。 そのチャンバが傾動した状態を示す図１に対応する概略断面図である。 その円盤状のサブヒータを示す斜視図である。 ヒータ本体とカーボン円盤からなる別のサブヒータを示す斜視図である。

符号の説明

１１ 炉体
１３ サイドヒータ
１７ ルツボ
１８ 回転・引上げ機構
１９ ワイヤ
２３ サブヒータ
２９ シリコンからなる塊状物又は粒状物

Claims (5)

1. シリコンからなる塊状物又は粒状物を投入可能なルツボを内部に有する炉体と、前記炉体の上部に設けられ育成する単結晶をワイヤを介して回転及び引上げる回転・引上げ機構と、前記ルツボを包囲するように前記炉体の内部に配置され前記ルツボを加熱して前記ルツボに投入された前記塊状物又は粒状物を溶解するサイドヒータと、前記ルツボの上方の炉体内部に配置され前記サイドヒータとともに前記塊状物又は粒状物を加熱するためのサブヒータとを備えたシリコン単結晶の育成装置において、
   前記サブヒータが、前記ルツボの開口部に水平状態に保たれかつ中央に第１丸孔を有する円盤状のカーボンヒータからなるか、又は前記ルツボの開口部に水平状態に保たれかつ中央に第２丸孔を有するカーボン円盤と前記カーボン円盤の上方に水平に設けられ前記カーボン円盤を発熱させるヒータ本体とからなり、
   前記第１又は第２丸孔より小径の頂部と前記第１又は第２丸孔より大径の底部とを有し少なくとも頂部が電気絶縁性材料からなる円錐状物を前記カーボンヒータ又は前記カーボン円盤の下方より前記第１又第２丸孔に挿入し前記円錐状物の頂部を前記ワイヤの下端に取り付けることにより前記カーボンヒータ又は前記カーボン円盤を前記炉体内に吊り下げることを特徴とするシリコン単結晶の育成装置。
2. 前記カーボンヒータを前記ワイヤを介して吊り下げる前記円錐状物が電気絶縁性セラミック製の円錐体である請求項１記載のシリコン単結晶の育成装置。
3. 前記カーボン円盤を前記ワイヤを介して吊り下げる前記円錐状物が、その頂部が電気絶縁性セラミック製の円錐物とこの円錐物の下部に装着され底部が前記第２丸孔より大径に形成されたカーボン円柱とを有し、前記ヒータ本体が筒状に形成されて前記カーボン本体に嵌入され、かつ、前記ヒータ本体の発熱が前記カーボン円柱を介して前記カーボン円盤に伝達されるように構成された請求項１記載のシリコン単結晶の育成装置。
4. 前記カーボン円盤の前記第２丸孔の周囲に前記炉体内部に流通させる不活性ガスを通過させる複数の扇状のガス孔が形成された請求項１記載のシリコン単結晶の育成装置。
5. 前記筒状に形成されたヒータ本体が嵌入状態で前記カーボン円柱の外面と５〜１０ｍｍの間隔を有し、かつ、支持具により前記ルツボの上方で固定される請求項３記載のシリコン単結晶の育成装置。

Images