JP6610226B2 - 半導体単結晶棒の製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、原料結晶棒を誘導加熱コイルで加熱溶融して溶融帯域を形成し、この溶融帯域を移動させることで晶出側半導体単結晶棒を育成するＦＺ法（フローティングゾーン法または浮遊帯溶融法）による半導体単結晶棒の製造装置に関する。

従来のＦＺ法で用いられる半導体単結晶棒の製造装置および製造方法について、図２を参照して説明する。図２に示す半導体単結晶棒の製造装置１１５は、例えば、原料結晶棒１０１および晶出側単結晶棒（育成単結晶棒）１０２を収容するチャンバー１１２と、原料結晶棒１０１と晶出側単結晶棒１０２の間に溶融帯域（浮遊帯域）１１１を形成するための加熱源となる誘導加熱コイル１０７と、誘導加熱コイル１０７に電力を供給する高周波発振機１１３と、原料結晶棒１０１を保持するための上部保持具１０４と、原料結晶棒１０１を回転・移動させるための上軸１０３と、晶出側単結晶棒１０２を保持するための下部保持具１０６と、晶出側単結晶棒１０２を回転・移動させるための下軸１０５を備えている。

誘導加熱コイル１０７は、その内部を冷却水が通ることにより冷却される。そして、原料結晶棒１０１の一部分を、誘導加熱コイル１０７で溶融して溶融帯域１１１を形成し、その誘導加熱コイル１０７に対し上側の原料結晶棒１０１および下側の晶出側単結晶棒１０２を軸方向へ移動させることにより溶融帯域１１１を軸方向に移動させて、晶出側単結晶棒１０２を育成する。このような浮遊溶融帯域半導体製造方法において、溶融帯域１１１およびその付近をＣＣＤカメラで撮像し、その画像を画像処理して幾何学量を測定し、その測定値に応じて制御出力量を計算し、誘導加熱コイル１０７に供給する電力や、移動回転軸に固定された晶出側半導体単結晶棒１０２および原料結晶棒１０１の移動速度や回転速度を調節するような半導体単結晶棒の製造装置および製造方法が知られている（特許文献１〜３）。

近年、ＦＺ法による半導体単結晶棒の製造においても大直径ウェーハの要求が多くなり、シリコン単結晶においては直径１５０ｍｍ、あるいは、直径２００ｍｍを超える大直径化ウェーハを安定製造する必要が出てきた。

大直径結晶においては、これまでに比較してより多くの原料を溶融させて、溶融帯域のメルトを保持する必要がある。そのため、溶融帯域のメルト量はこれまでと比較して大幅に増加しており、その熱容量も大きくなっている。さらに、誘導加熱コイルからの溶融パワーを増加させることも必須である。そのため、誘導加熱コイルにより大きな電力が供給されることになり、その誘導加熱コイルのスリット部で放電が頻発するようになった。ひとたび、誘導加熱コイルにて放電が発生すると高周波出力が停止するため、溶融帯域のメルトが滴下してしまうことがあった。また、誘導加熱コイルにて放電が発生すると、その誘導加熱コイルが融解し、そこから冷却水が漏れる場合もあった。

特公平５-７１５５２号公報 特公平６-５１５９８号公報 特公平６-５７６３０号公報

近年の大直径化に伴い、結晶成長中の溶融帯域のメルトの量が多くなってきている。そのため、誘導加熱コイルの放電トラブルや地震などにより、溶融帯域のメルトが滴下してチャンバーの底部に接触し、水冷されているチャンバーが溶けるなどの半導体単結晶棒製造装置への重大な損傷が発生していた。

また、チャンバー内において、誘導加熱コイルの放電トラブルなどにより、水冷している誘導加熱コイルやその他の冷却水ラインから水漏れが発生することがあった。そして、これらの漏れ出た水が、溶融帯域のメルトと接触すると、水蒸気が発生しチャンバー内の圧力が急激に上昇してしまい、チャンバーが損傷する可能性がある。また、チャンバー内で水漏れが発生し、チャンバーの下部に水が溜まった場合には、誘導加熱コイルの放電、地震、又はその他の要因でそこに溶融帯域のメルトが滴下すると、高温のメルトと水が接触し、水蒸気が発生し急激な圧力上昇が起こる可能性があった。特に、後者の水が溜まったところに高温のメルトが接触した場合には、急激な圧力上昇により水蒸気爆発に至る可能性も考慮する必要がある。

さらに、上述した大直径化による結晶成長中の溶融帯域のメルトの量の増加に伴い、メルトの持っている熱容量が大きくなっているため、漏れた水との接触により水へ与える熱エネルギーも大きくなり、上記のような急激な圧力上昇が発生するリスクが高くなっていた。

本発明者らが、従来のＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置について鋭意研究を行ったところ、溶融帯域のメルトが滴下した場合、容易にチャンバー底部へ到達してしまう構造となっていたことが分かった。また、従来のＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置では、チャンバー内での冷却水漏れの検出をオペレーターの目視に頼っており、早期発見が困難であった。そのため、チャンバー内で水漏れがあった場合には、チャンバー内の急激な圧力上昇とそれによるチャンバー損傷のリスクが潜在リスクとして存在していた。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、誘導加熱コイルの放電トラブルや地震などで溶融帯域のメルトの滴下が発生した場合でも、チャンバーの損傷を確実に防止することができる半導体単結晶棒の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、原料結晶棒および晶出側単結晶棒を収容するチャンバーと、前記原料結晶棒の一部分を加熱溶融して溶融帯域を形成するための誘導加熱コイルと、該誘導加熱コイルに電力を供給する高周波発振機とを有するＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置であって、
前記チャンバー内に、前記溶融帯域から滴下したメルトを受けるための受け皿を具備するものであることを特徴とする半導体単結晶棒の製造装置を提供する。

このように、チャンバー内に受け皿を具備したＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置であれば、滴下したメルトを受け皿に収容することができ、メルトがチャンバーの底部と接触することを防ぐことができるので、メルトによるチャンバーの損傷を確実に防止することができる。

このとき、前記半導体単結晶棒の製造装置は、前記チャンバー内に、さらに、水漏れを検出する漏水センサーを具備するものであることが好ましい。

このように、さらに漏水センサーを具備した半導体単結晶棒の製造装置であれば、チャンバー内で冷却水が漏れた場合に、早期に発見することができ、製造装置の修理等の適切な措置を直ちに行うことができる。さらには、チャンバー内にメルトを受ける受け皿と漏水センサーの両方を具備することにより、冷却水と高温のメルトが接触することをより確実に防止することができ、チャンバー内の急激な圧力上昇が発生するリスクをほぼ零とすることができる。

このとき、前記受け皿は、前記原料結晶棒よりも高融点の材料からなるものであることが好ましい。

このような高融点の材料からなる受け皿であれば、溶融帯域から滴下したメルトを確実に収容し、メルトのチャンバーへの接触をより確実に防止することができる。

以上のように、本発明によれば、ＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置において、溶融帯域からのメルトの滴下によるチャンバーの損傷を確実に防止することができる。さらに、万が一、冷却水漏れおよびメルトの滴下が重なった場合に発生し得るチャンバー内の急激な圧力上昇のリスクをほぼ零にすることができ、安全に半導体単結晶棒の製造を行うことが可能となる。

本発明のＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置の一例を示す概略図である。 従来のＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置の一例を示す概略図である。

以下、本発明について、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。

前述したように、従来のＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置においては、誘導加熱コイルの放電トラブルや地震などにより溶融帯域のメルトが滴下した場合、チャンバー底部にメルトが到達してしまい、チャンバーが溶けるなどして、チャンバーを損傷することがあった。

また、従来のＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置においては、チェンバー内での冷却水漏れの検知はオペレーターの目視に頼っていた。しかしながら、チャンバーはその保温や断熱の観点から、オペレーターからは内部の一部分しか確認できない構造となっており、水漏れを確実に見つけることは困難であった。

本発明者らは、冷却水漏れによりチャンバー底部に溜まった水に高温のメルトが到達し、水蒸気によりチャンバー内の圧力が急激に上昇し、チャンバーが損壊する可能性があることを見出した。そこで、溶融帯域の下部にメルトの受け皿を備えることにより、チャンバーの損傷を防止するとともに、チャンバー内の冷却水漏れを早期に発見するために、チャンバー内に漏水センサーを設置し、漏水が検出された場合には切電する等適切な措置を行うことにより、急激な圧力上昇が発生する可能性をほぼ零とすることができることを見出し、本発明を完成させた。

以下では、まず本発明の半導体単結晶棒の製造装置について図１を参照して詳細に説明する。

図１に本発明の半導体単結晶棒の製造装置の概略図を示す。この半導体単結晶棒の製造装置１５は、例えば、少なくとも、原料結晶棒１および晶出側単結晶棒（育成単結晶棒）２を収容するチャンバー１２と、原料結晶棒１および晶出側単結晶棒２の間に溶融帯域（浮遊帯域）１１を形成するための加熱源となる誘導加熱コイル７と、誘導加熱コイル７に電力を供給する高周波発振機１３と、原料結晶棒１を保持するための上部保持具４と、原料結晶棒１を回転・移動させるための上軸３と、晶出側単結晶棒２を保持するための下部保持具６と、晶出側単結晶棒２を回転・移動させるための下軸５とを備えるものである。ここまでは、一般的なＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置と略同様である。

本発明の半導体単結晶棒の製造装置１５では、さらに、溶融帯域１１からメルトが滴下した場合にそれを収容する受け皿２１がチャンバー内に、好ましくはチャンバーの底部より上方に配置されている。この受け皿２１は、溶融金属（原料結晶棒）の融点よりも高融点の材料、特には高融点金属からなることが好ましい。例えば、半導体単結晶棒の製造装置１５が、シリコン単結晶の製造装置であれば、シリコンよりも高融点であるモリブデン（Ｍｏ）製の受け皿とすることができる。また、モリブデンの他にも、同様にシリコンよりも高融点の金属であるタングステン（Ｗ）などを受け皿の材料として用いることもできる。さらに、石英やグラファイト、セラミックスなどのシリコンより融点が高い非金属材料を用いることもできる。

また、この受け皿２１の容量が、溶融帯域中の溶融メルトの体積より大きいものを使用することが好ましい。さらに、受け皿２１は、溶融帯域１１の直径の最も大きい部分よりも大きな直径を有する円形の受け皿であることが好ましく、溶融帯域１１の下方に配置されることが好ましい。このことにより、万が一メルトが滴下した場合でも、十分な容量を持つ高融点の受け皿２１により、メルトがチャンバー底部に到達することが確実に抑止される。尚、受け皿２１の形状は平面視で円形であることが好ましいが、これに限定されるものではない。

このように、受け皿２１をチャンバー内に配置することにより、仮にチャンバー底部に漏水が溜まっているような場合でも、高温のメルトと水の接触によるチャンバー内部の急激な圧力の上昇を防ぐことができる。

本発明の半導体単結晶棒の製造装置１５には、さらに、漏水を検知するための漏水センサー２０がチャンバー１２の底部に設けられている。漏水センサー２０として、抵抗式の漏水センサーや光電式の漏水センサーを使用することができる。漏水センサー２０は、わずかな漏水でも検出できるように、少なくともチャンバー１２の底面に設けられることが好ましい。しかしながらこれに限定されず、チャンバー内で漏水が発生した場合に直ちに検出しやすい位置、例えば、誘導加熱コイル７の下方や冷却水の循環路の下方に配置することもできる。さらに、これらの複数の位置に配置してもよい。

次に、上述したような本発明の半導体単結晶棒の製造装置１５を用いた、半導体単結晶棒の製造方法について以下で説明する。

まず、原料結晶棒１をチャンバー１２内に設置された上軸３の上部保持具４に保持する。一方、直径の小さい単結晶の種（種結晶）９を原料結晶棒１の下方に位置する下軸５の下部保持具６に保持する。次に、高周波発振機１３によって電極８を介して誘導加熱コイル７により原料結晶棒１を加熱、溶融させて種結晶９に融着させる。その後、種絞りにより絞り部１０を形成して育成する単結晶を無転位化する。

そして、上軸３と下軸５を回転させながら原料結晶棒１と晶出側単結晶棒２を下降させて溶融帯域１１を原料結晶棒１と晶出側単結晶棒２の間に形成し、その溶融帯域１１を原料結晶棒１の上端まで移動させてゾーニングし、晶出側単結晶棒２を成長させる。

上記の半導体単結晶棒の製造工程において、メルトが溶融帯域から滴下した場合であっても、受け皿２１でメルト受けることができるので、メルトがチャンバー底部に到達することが確実に抑止される。

さらに、上記の半導体単結晶棒の製造工程中に、万が一冷却水が漏れた場合、漏水センサー２０で漏水を検知し、漏水アラームを発報させ、オペレーターに通知する。このようにすることにより、半導体単結晶棒の製造を中止して切電するなどの適切な措置を即座に実施することができ、安全に装置を停止することができる。尚、半導体単結晶棒の製造装置の停止は、オペレーターが手動で行ってもよいし、自動停止するようにしてもよい。

半導体単結晶棒の製造装置を、以上のような受け皿と漏水センサーを備えた構成とすることにより、溶融帯域から滴下したメルトによるチャンバー底部の損傷を防ぐことができるのに加え、チャンバーの底部に水が溜まった状態で、滴下したメルトと水が接触することによるチャンバー内の急激な圧力上昇の発生を確実に防ぐことができる。それにより、半導体単結晶棒の製造装置を安全に操業（稼働）することが可能になる。

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に示したＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置１５を用いて、直径２００ｍｍのシリコン単結晶棒を製造した。

すなわち、シリコン単結晶棒の成長は、原料結晶棒１を誘導加熱コイル７により溶融して種結晶９に融着させ、さらにこの種付けの際に結晶に生じた転位を抜くための絞りを行う工程を行った後、シリコン単結晶を２００ｍｍの直径まで拡げながら成長させる工程、および、シリコン単結晶棒を２００ｍｍの一定の直径に制御しつつ成長させていく工程を経て行った。この際、ＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置１５として、チャンバー１２の底部に抵抗式の漏水センサー２０を敷設し、さらには、モリブデン製のメルトの受け皿２１を溶融帯域１１の下方に配置したものを用いた。

そして、直径２００ｍｍのシリコン単結晶棒の製造を所定期間実施したところ、地震の揺れなどにより溶融帯域のメルトが滴下することはあったが、それらはすべて受け皿２１の上に落下し、固化していた。すなわち、チャンバー１２の底部にメルトが到達することは一度もなかった。従って、チャンバー１２が損傷することも一度もなかった。

また、直径２００ｍｍのシリコン単結晶棒の製造を所定期間実施したところ、誘導加熱コイル７からの水漏れにより、チャンバー１２内に水が溜まることがあったが、漏水センサー２０が機能することにより、水漏れを即座に発見することができた。そして、漏水が確認された際には、半導体単結晶棒の製造装置１５の稼働を停止し、漏れた水を除去するなどの適切な措置を迅速に行うことができた。

さらには、チャンバー１２内での水とメルトとの接触が確実に防止されたため、チャンバー１２内の圧力が急激に上昇するような事態も一度も発生しなかった。このようにして、チャンバー１２の底部に溜まった水と溶融帯域１１から滴下したメルトの接触による急激な圧力上昇が発生するリスクをほぼ零とすることができた。

（比較例）
シリコン単結晶棒の製造を行う際、実施例とは異なり、チャンバーの底部にメルトの受け皿および漏水センサーを設置していない図２のような従来の半導体単結晶棒の製造装置１１５を用いて操業を行った。

この場合には、地震により溶融帯域のメルトが大量に滴下した場合に、チャンバー１１２の底部にメルトが到達し、チャンバー１１２は破壊には至らなかったが、底部に損傷を受けたことがあった。また、もし、この際に水漏れが発生していたら、水とメルトが接触する可能性があった。

本発明の半導体単結晶棒の製造装置によれば、実施例に示したように、シリコン結晶棒製造中にチャンバー内で溶融帯域のメルトが滴下した場合でもチャンバー底部へのメルトの到達を確実に防止することができた。これに対し、比較例の従来の半導体単結晶棒の製造装置では、チャンバーの底部に重大な損傷が発生する場合があった。さらに、本発明の半導体単結晶棒の製造装置によれば、冷却水漏れを早期に検出することで、水と高温のメルトとの接触を確実に防ぐことができた。それにより、チャンバー内の急激な圧力上昇のリスクをほぼ零にすることができ、安全に半導体単結晶棒の製造を行うことが可能となった。

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。

１…原料結晶棒、 ２…晶出側単結晶棒（育成単結晶棒）、 ３…上軸、
４…上部保持具、 ５…下軸、 ６…下部保持具、 ７…誘導加熱コイル、
８…電極、 ９…種結晶、 １０…絞り部、 １１…溶融帯域（浮遊帯域）、
１２…チャンバー、 １３…高周波発振機、
１５…本発明の半導体単結晶棒の製造装置、 ２０…漏水センサー、
２１…受け皿、 １０１…原料結晶棒、 １０２…晶出側単結晶棒（育成単結晶棒）、
１０３…上軸、 １０４…上部保持具、 １０５…下軸、 １０６…下部保持具、
１０７…誘導加熱コイル、 １１１…溶融帯域（浮遊帯域）、 １１２…チャンバー、
１１３…高周波発振機、 １１５…従来の半導体単結晶棒の製造装置。

Claims (2)

1. 少なくとも、原料結晶棒および晶出側単結晶棒を収容するチャンバーと、前記原料結晶棒の一部分を加熱溶融して溶融帯域を形成するための誘導加熱コイルと、該誘導加熱コイルに電力を供給する高周波発振機とを有するＦＺ法による半導体単結晶棒の製造装置であって、
   前記チャンバー内に、
   前記溶融帯域中のメルトの体積よりも大きい容量を有し、前記溶融帯域の直径の最も大きい部分よりも大きな直径を有する円形の、前記溶融帯域から滴下したメルトを受けるための受け皿と、
   前記チャンバーの底面に設けられ、水漏れを検出する漏水センサーと、
   を具備するものであることを特徴とする半導体単結晶棒の製造装置。
2. 前記受け皿は、前記原料結晶棒よりも高融点の材料からなるものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶棒の製造装置。

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