JP5293615B2 - 単結晶製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法を用いて単結晶インゴットを育成する単結晶製造装置に関する。

超高集積半導体素子の製造に使用される基板は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）によりシリコン単結晶インゴットを育成し、育成した単結晶インゴットをウェーハ加工して表面を鏡面に仕上げたシリコンウェーハが主に用いられている。このようなＣＺ法を用いた単結晶製造において、半導体素子の製造コスト低減を目的としたシリコンウェーハの大口径化に伴い、装置や炉内部品の大型化が進んできた経緯がある。

ＣＺ法では、石英ルツボに入れた多結晶原料を円筒状の黒鉛ヒータで加熱し、溶解したシリコンルメルトから単結晶を育成する。このように育成する単結晶インゴットの大口径化によるルツボ等のサイズの大型化に伴って、ルツボを囲繞して加熱するヒータも大型化し、たわみ等の変形が生じ、他部品と接触して放電してしまうということが問題となった。このような変形は大型化したヒータの自重によるものもあるが、これに加えて特にＭＣＺ法（磁場印加チョクラルスキー法）において、磁場中でのローレンツ力による変形は無視できないものがあり、このようなヒータの変形を防ぐために、ヒータ電極以外に補助電極を設置して、ヒータを支持する方法が採用されていた（特許文献１参照）。

特開平９−２６３４９１号公報

しかし、ヒータから補助電極を介して逃げる熱量は大きく、単結晶製造装置の消費電力を増加させていた。これにより従来のＣＺ法及びＭＣＺ法では熱効率が悪く、工業的にコスト高で、環境負荷が大きいという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ヒータの変形を抑制し、熱効率の悪化の無い単結晶製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、少なくとも、原料融液を収容するルツボと、該ルツボが囲繞される円筒状発熱部を有するヒータと、該ヒータを格納するメインチャンバーと、前記ヒータを支持して電流を供給するヒータ電極と、前記ヒータの円筒状発熱部の下方に配置される断熱板とを具備したチョクラルスキー法によって単結晶インゴットを製造する単結晶製造装置であって、前記断熱板が前記ヒータ電極に絶縁性固定部材を介して固定支持され、前記断熱板の上面の前記円筒状発熱部の下端に対応する位置に絶縁性支持部材が配置されたものであることを特徴とする単結晶製造装置を提供する。

このように、断熱板がヒータ電極に絶縁性固定部材を介して固定支持され、断熱板の上面の円筒状発熱部の下端に対応する位置に絶縁性支持部材が配置されたものであれば、断熱板上の絶縁性支持部材でヒータの円筒状発熱部を支持して変形を抑制することができ、さらには、絶縁性支持部材とヒータが接触しても、接触する絶縁性支持部材は、ヒータ電極に絶縁性固定部材を介して固定支持された断熱板上に配置されているため、接触により逃げる熱量が小さく、ヒータの熱効率の悪化はほとんどない。また、断熱板はヒータ電極及びヒータと絶縁性の部材を介しての接触になるため、放電の恐れもない。さらに、ヒータの円筒状発熱部の変形抑制のために、補助電極等の追加部材は不要となり、低コストの装置となる。

このとき、前記ヒータ電極が前記ヒータを２か所で支持するものであり、前記断熱板の上面の前記絶縁性支持部材が配置される位置が、前記円筒状発熱部の下端の前記ヒータ電極が前記ヒータを支持する位置の９０度回転した位置に対応する位置であることが好ましい。
このように、ヒータ電極がヒータを２か所で支持するものであり、断熱板の上面の絶縁性支持部材が配置される位置が、円筒状発熱部の下端のヒータ電極がヒータを支持する位置の９０度回転した位置に対応する位置であれば、ヒータの円筒状発熱部の最も変形量が大きくなる位置に絶縁性支持部材が配置されることになるため、ヒータの変形をより効果的に抑制できる装置となる。

このとき、前記絶縁性支持部材の上端と前記ヒータの円筒状発熱部の下端との間の距離が０〜５ｍｍであることが好ましい。
このように、絶縁性支持部材の上端とヒータの円筒状発熱部の下端との間の距離が０〜５ｍｍであれば、ヒータの変形を十分に抑制することができる装置となる。

このとき、前記ヒータの円筒状発熱部の内径が、８５０ｍｍ以上であることが好ましい。
このように、ヒータの円筒状発熱部の内径が、８５０ｍｍ以上の大型のものであっても、本発明の装置であれば熱効率を悪化させずに変形を抑制できるため、大口径単結晶インゴットを製造するのに好適な装置となる。

以上のように、本発明の単結晶製造装置によれば、ヒータの変形を抑制しながら、熱効率の悪化もほとんど無いため、消費電力が低減され、低コストで大口径の単結晶を製造できる装置となる。

本発明の単結晶製造装置の実施態様の一例を部分的に示す（ａ）概略斜視図と、（ｂ）概略側面図である。 本発明の単結晶製造装置の実施態様の一例を示す概略断面図である。 実施例、比較例において、単結晶インゴットを製造した際の平均消費電力を示すグラフである。 本発明の単結晶製造装置に用いることができる断熱板の一例を示す概略斜視図である。 比較例で用いた単結晶製造装置を部分的に示す（ａ）概略斜視図と、（ｂ）概略側面図である。

以下、本発明の単結晶製造装置について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の単結晶製造装置の実施態様の一例を部分的に示す（ａ）概略斜視図と、（ｂ）概略側面図である。なお、図１（ａ）では、断熱板１０を点線で示す。図２は、本発明の単結晶製造装置の実施態様の一例を示す概略図である。図４は、本発明の単結晶製造装置に用いることができる断熱板の一例を示す概略斜視図である。

図２に示す本発明の単結晶製造装置２１は、チョクラルスキー法によって単結晶インゴットを製造する装置であって、原料融液２０を収容する石英ルツボ１８と、その外側の黒鉛ルツボ１９と、石英ルツボ１８及び黒鉛ルツボ１９を支持するとともに回転・昇降させるルツボ支持軸１７とを具備する。そして、石英ルツボ１８及び黒鉛ルツボ１９が囲繞される円筒状発熱部１４を有するヒータ１３と、ヒータ１３を支持して電流を供給するヒータ電極１１と、ヒータ１３を格納するメインチャンバー２２と、ヒータ１３の円筒状発熱部１４の下方に配置される断熱板１０とを具備する。このメインチャンバー２２の内壁と底面の内側には、断熱部材１２が配置されている。

本発明の単結晶製造装置２１のヒータ１３は、例えば黒鉛ヒータとすることができ、また、図１（ａ）、（ｂ）及び図２に示すように、円筒状発熱部１４の下部に端子部１５を有し、この端子部１５とヒータ電極１１が接続されることで、ヒータ１３が電流を供給されるとともに支持される。
そして、図１（ａ）、（ｂ）及び図２に示すように、本発明の装置２１は、断熱板１０がヒータ電極１１に絶縁性固定部材１６を介して固定支持され、断熱板１０の上面の円筒状発熱部１４の下端に対応する位置に絶縁性支持部材２３が配置されたものである。

通常、断熱板１０は下方断熱による原料融液２０の保温を目的としたものであるが、このような本発明の装置２１であれば、断熱板１０上の絶縁性支持部材２３によりヒータ１３の円筒状発熱部１４の変形を抑制、防止することができる。このため、ヒータ電極の他に補助電極等の新たな部品等を追加すること無く、低コストでヒータ１３の変形を抑制できる装置となる。また、断熱板１０上の絶縁性支持部材２３と円筒状発熱部１４とが接触しても、断熱板１０がヒータ電極１１により絶縁性固定部材１６を介して支持されているため、伝熱により逃げる熱量は小さい。また、断熱板１０は、ヒータ電極１１及びヒータ１３とは絶縁性の部材を介しての接触になるため、放電も生じない。

この断熱板１０としては、図４に示すように、例えば黒鉛材２６と断熱材２７からなり、円板状のもので、ルツボ支持軸１７の通る中央の穴２４と、ヒータ１３の端子部１５が通る穴２５が形成されたものとすることができる。
また、絶縁性支持部材２３及び絶縁性固定部材１６は、端面が平面であれば、どのような形状であってもよく、材質としては、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ等とすることができる。

なお、ヒータ１３が端子部１５を有さない場合には、ヒータ電極でヒータの円筒状発熱部を直接支持することもできる。

また、図１、２に示すようなヒータ電極１１がヒータ１３を２か所で支持するものである場合は、図４に示すように、断熱板１０の上面の絶縁性支持部材２３が配置される位置が、円筒状発熱部１４の下端のヒータ電極１１がヒータ１３を支持する位置（穴２５の位置）の９０度回転した位置に対応する位置であることが好ましい。
これにより、ヒータ１３の円筒状発熱部１４の特にたわみ等の変形が生じやすい位置に、絶縁性支持部材２３が配置されることになり、円筒状発熱部１４の下端を、ヒータ電極１１の支持位置と合わせて４つの回転対称の位置で支持でき、円筒状発熱部１４の変形を効果的に抑制することができる。また、ヒータ１３の円筒状発熱部１４の内径が大きい場合には、さらに２か所より多く絶縁性支持部材２３を配置して円筒状発熱部１４を支持することもできる。

また、図１（ｂ）に示すような、絶縁性支持部材２３の上端とヒータ１３の円筒状発熱部１４の下端との間の距離Ｄが０〜５ｍｍであることが好ましい。
単結晶製造前のヒータ１３を設置した状態で絶縁性支持部材２３を円筒状発熱部１４の下端と接触させておくか（Ｄ＝０ｍｍ）、又は、下端と５ｍｍ以内の距離であれば、他部材との接触等の問題が生じない程度にヒータ１３の変形を確実に抑制することができる。

また、ヒータ１３の円筒状発熱部１４の内径が、８５０ｍｍ以上であることが好ましい。
上記したような本発明の単結晶製造装置であれば、円筒状発熱部１４が、８５０ｍｍ以上と大きな内径を有するものであっても変形を抑制することができる。このため、大口径単結晶インゴットを製造するための大きな内径のルツボを使用する際にも、効果的に加熱でき、シリコンウェーハの製造コストを低減できる。

以上のような、本発明の単結晶製造装置であれば、熱効率を悪化させることなく、ヒータの変形を抑制することができるため、例えば、磁場によりヒータに変形が生じやすいＭＣＺ法による単結晶製造に用いるのが好適である。

以下、実施例及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）
図１、２、４に示す本発明の単結晶製造装置を用いて、単結晶インゴットの製造を行った。このとき、絶縁性支持部材の上端とヒータの円筒状発熱部の下端との間の距離を５ｍｍとした。
まず、５００ｋｇの多結晶原料を、内径９１０ｍｍの石英ルツボにチャージし、内径１０２０ｍｍの黒鉛ヒーターにより多結晶を溶解した。その後、水平磁場を中心強度が０．４Ｔとなるように印加し、融液の熟成工程を経て、＜００１＞面を有する種結晶を融液に浸した。このとき炉内に流すＡｒ流量は２００Ｌ／ｍｉｎ．、炉内の圧力は排気管に抵抗を設けることにより１００ｈＰａ（７５ｔｏｒｒ）に調整した。
種結晶を融液に着液させた後に、ネッキングを行うことなく所望の直径３００ｍｍまで拡径させ、その後、製品部である定径の比抵抗が１０Ω・ｃｍに調整されたボロンドープの直径３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを育成した。このときの平均消費電力は１３８ｋＷであった。測定結果を図３に示す。

（比較例）
図５は、比較例で用いた単結晶製造装置を部分的に示す（ａ）概略斜視図と、（ｂ）概略側面図である。なお、図５（ａ）の概略斜視図では、断熱板１００を点線で示した。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、円筒状発熱部１０４と端子部１０５を有するヒータ１０３をヒータ電極１０１で支持し、円筒状発熱部１０４の下方に断熱板１００を配置した。ただし、ヒータ補助電極１０２を２つ配置して、このヒータ補助電極１０２で断熱板１００を支持するとともに、ヒータ補助電極１０２上に絶縁性支持部材１０６を介して円筒状発熱部１０４の下端を２点で支持するものとした。その他は実施例と同様の装置を用いて、同じ条件で直径３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを育成した。このときの平均消費電力は１５０ｋＷであった。測定結果を図３に示す。

図３に示すように、本発明の単結晶製造装置であれば、単結晶の製造において、消費電力を８％程度削減できるという効果が確認された。

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、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。

１０…断熱板、 １１…ヒータ電極、 １２…断熱部材、 １３…ヒータ、
１４…円筒状発熱部、 １５…端子部、 １６…絶縁性固定部材、
１７…ルツボ支持軸、 １８…石英ルツボ、 １９…黒鉛ルツボ、
２０…原料融液、 ２１…単結晶製造装置、 ２２…メインチャンバー、
２３…絶縁性支持部材、 ２４、２５…穴、 ２６…黒鉛材、 ２７…断熱材。

Claims (4)

1. 少なくとも、原料融液を収容するルツボと、該ルツボが囲繞される円筒状発熱部を有するヒータと、該ヒータを格納するメインチャンバーと、前記ヒータを支持して電流を供給するヒータ電極と、前記ヒータの円筒状発熱部の下方に配置される断熱板とを具備したチョクラルスキー法によって単結晶インゴットを製造する単結晶製造装置であって、
   前記断熱板が前記ヒータ電極に絶縁性固定部材を介して固定支持され、前記断熱板の上面の前記円筒状発熱部の下端に対応する位置に絶縁性支持部材が配置されたものであることを特徴とする単結晶製造装置。
2. 前記絶縁性支持部材の上端と前記ヒータの円筒状発熱部の下端との間の距離が０〜５ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造装置。
3. 前記ヒータの円筒状発熱部の内径が、８５０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の単結晶製造装置。
4. 前記ヒータ電極が前記ヒータを２か所で支持するものであり、前記断熱板の上面の前記絶縁性支持部材が配置される位置が、前記円筒状発熱部の下端の前記ヒータ電極が前記ヒータを支持する位置の９０度回転した位置に対応する位置であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。

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