JPH02283693A - シリコン単結晶の製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の
製造方法及び装置に関するものである。

［従来の技術］ チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造法は従
来から行われており、はぼ完成された技術となっている
。

この技術は周知のように石英製のるつぼ内に溶融したシ
リコンを入れ、シリコン稽結晶をこの溶融液表面に接す
ると同時に回転させながら徐々に引き上げると、引き上
げられたシリコン単結晶と溶融液表面の接触面の凝固と
共にシリコン単結晶が成長し、これにより円柱状のシリ
コン単結晶を得るようにしたものである。

この時、目的に応じてシリコン単結晶をＰ型又はＮ型の
半導体にするため、溶融シリコン中に適量のボロン、ア
ンチモン、リン等のドープ材を混入している。これらの
ドープ材がシリコン溶融液から結晶中に取り込まれる割
合（偏析係数）は１より小さい、シリコン単結晶中のド
ープ材濃度はその抵抗率を決定するのでシリコン単結晶
中で一定であることが望ましい。

また、上記のようにシリコン単結晶内に意識的に混入す
るドープ材以外に、製造上不可避的に酸素の存在も大き
い、即ち、シリコン単結晶内に取り込まれた酸素濃度は
半導体製品の特性や歩留を大きく左右するので、やはり
シリコン単結晶の上部から下部まで均一であることが望
ましい。

ところが、シリコン単結晶の引き上げが進むに従ってる
つぼ内の溶融液が減少し、上記不純物濃度が変化してし
まう、即ち、ドープ材の偏析係数が１より小さいために
シリコン溶融液中のドープ材濃度は次第に高くなり、そ
の結果、シリコン単結晶中のドープ材濃度がシリコン単
結晶上部から下部に向かって変化してしまう、また、シ
リコン溶融液中の酸素濃度は石英るつぼからシリコン溶
融液に溶出する酸素量に依存するためシリコン溶融液の
減少とともにシリコン単結晶に取り込まれる酸素濃度も
変化してしまう。

上記のように、引き上げられたシリコン単結晶の品質は
引き上げ方向に沿って変動している。

ところが、実際にウェーハとして使用される製品はある
限られた範囲のドープ材濃度及び酸素濃度に限られる。

その結果、引き上げられたシリコン単結晶から製品とし
て使用できる範囲はごく限られたものである。

このような問題を解決するためにいくつかの方法が提案
されているが、実用上可能と考えられる代表的な方法と
して二重構造のるつぼを用いたものがある。

第６図は従来の二重構造のるつぼを用いたシリコン単結
晶の製造装置を模式的に示した図である。外側るつぼ２
２と内側るつぼ（仕切部材）２３とを高純度石英で一体
に構成したるつぼである。２５はるつぼ２１内に入れら
れたシリコン溶融液、２６は内側るつぼ２３の溶融液面
から引き上げられたシリコン単結晶である。なお、内側
るつぼ２３の下部には外側るっぽ２２と内側るつぼ２３
との間にシリコン溶融液２５が流動するための小孔２４
が開けられている。

第６Ｇ（ａ）はバッチ式のシリコン単結晶の製造装置で
ある。内側るっぽ２３内（以下単結晶育成部Ａという）
には所定のドープ材濃度を有したシリコン溶融液が入れ
られており、外側るっぽ２２と内側るつぼ２３との間（
以下原料供給部Ｂという）にはドープ材を含まないシリ
コン溶融液２５が入れられている。単結晶育成部Ａがら
シリコン単結晶２６を引き上げると共に、原料供給部Ｂ
から単結晶育成部へに向かってシリコン溶融液２５が流
入することにより、単結晶育成部Ａ中のドープ材濃度が
常に一定になるようにしたものである。

また、第６ＩＮ（ｂ）は単結晶育成部Ａからシリコン単
結晶２６を引き上げつつ、原料供給部Ｂに、この溶融液
と同一成分の溶融液から引き上げたシリコン単結晶で、
かつ同一成分の原料インゴット２７を一定速度で装入す
るようにしたものである。

さらに、第６図（Ｃ）は単結晶育成部Ａからシリコン単
結晶２６を引き上げつつ、原料供給管２８から原料供給
部Ｂに粉末状原料２９を連続的に供給するようにしたら
のく特開昭（５８−１３０１９５号公報参照）で、これ
らはいずれも単結晶育成部Ａの溶融液中のドープ材濃度
を一定にすることを目的としたものである。

［発明が解決しようとする課題］ 上記の二重構造のるつぼを用いてシリコン単結晶の引き
上げを行う場合、るつぼ側面から単結晶育成部Ａに投入
される熱量は、原料供給部Ｂを介して間接的に投入され
るので一重構造のるつぼを用いた場合に比べて、るつぼ
底部からの入熱の割合が大きくなる。一方、るつぼ材質
である石英は温度１１００℃以上で軟化が始まり、高温
になるほど軟らかくなり、石英るつぼの変形を生ずるこ
とがある。特に上記の二重構造のるつぼを用いた場合、
内側るつぼの底部が局部的に加熱されやすいので、内側
るつぼ自身の自重により変形を生じやすく、このことは
特に単結晶育成部Ａ内に装入したシリコン原料を加熱溶
解する時がもっとも深刻である。即ち、シリコン単結晶
製造プロセス中、加熱溶解の時はもっとも大きな投入熱
量を必要とし、内側るつぼ底部がプロセス中で最も高温
にさらされるからである。シリコン原料が完全に溶解し
てしまった後は、その保温のための熱量は比較的小さく
てすみ、またシリコン溶融液中の対流伝熱により内側る
つぼの底部が局部的に高温になることはないのでこの時
におけるるつぼの変形はほどんと起こらない。

るつぼが変形してしまうと、内側るつぼの形状が真円で
なくなるために、単結晶引き上げ中にるつぼを回転させ
た場合にシリコン溶融液の動揺を引き起こしたり、原料
供給部Ｂの間隙が部分的に狭くなり原料供給が困難にな
ってしまうという問題を生じる。

この問題を解決するために石英るつぼ上部に補強リンク
を設ける方法（特開昭６４−７６９９２号公報）がある
が、この方法ではるつぼ上部に補強リンクが取り付けら
れるのでるつぼ上部の変形は防止できても、最も問題と
なる内側るつぼ底部の変形は防止できない、さらに、原
料供給を行う時は問題が発生し、材質によっては補強リ
ンクからの不純物がるつぼ中のシリコン溶融液に混入す
る可能性がある。

本発明は、上記の課題を解決すべくなされたもので、る
つぼ内に装入したシリコン原料を加熱溶解する時に、る
つぼ上部からの放散熱を低減することにより内側るつぼ
の過剰加熱を防止し、その変形が生じないシリコン単結
晶の製造方法及び装置を得ることを目的としたものであ
る。

［課題を解決するための手段］ この発明は、シリコン溶融液が入れられたるつぼ内を、
引き上げられるシリコン単結晶を囲みかつ前記シリコン
溶融液が静かに移動しうるように小孔が貫通された仕切
部材で仕切り、前記仕切部材の外側にシリコン原料を連
続的に供給しながら、前記仕切部材の内側からシリコン
単結晶を引き上げてシリコン単結晶を製造する方法にお
いて、前記るつぼ内に装入したシリコン原料を加熱溶解
する時は、熱遮蔽部材でるつぼ上面を覆い、シリコン単
結晶を引き上げる時は、るつぼ上面を開放することを特
徴とするシリコン単結晶の製造方法と、るつぼ上面に開
閉又は移動可能な熱遮蔽部材を配置するシリコン単結晶
の製造袋！である。

［作用］ この発明はるつぼ上部に熱遮蔽部材を配置するので、シ
リコン原料の加熱溶解時はるつぼの上面に熱遮蔽部材で
覆うので、チャンバー上部がちの放散熱が減少し、るつ
ぼ内の熱がとじこめられるので、るつぼ内の温度分布は
均一になる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例を模式的に示したシリコン単
結晶の製造装置を示す断面図である０図において１は石
英のるつぼで、黒鉛るつぼ２の中にセットされており、
黒鉛るつぼ２はペデスタル３上に上下動および回転可能
に支持されている。

４は石英るつぼ１内に入れられたシリコン原料で、これ
から柱状に育成されたシリコン単結晶５が引き上げられ
る。６は黒鉛るつぼ２を取り囲むヒータ、７はこのし一
タロを取り囲むホットシン断熱材で、その外側はステン
レス製のチャンバー８で取り囲まれている。これらは通
常のチョクラルスキー法によるシリコン単結晶引き上げ
装置と基本的には同じである。１１は高純度の石英から
なる円筒状の仕切部材（内側るつぼ）で、第１図に示す
ように高さ方向のほぼ中央部から下の領域には、少なく
とも１個の小孔１２が貫通されている。１３は熱遮蔽部
材で、るつぼ２の上部からの放散熱を低減するために配
置したものである。

第２図は第１図のＡ−Ａの断面図で、中心に穴の開いた
円盤状の保温カバー９で、中心の穴をふさぐことのでき
る面積を有する２つの方形の熱遮蔽部材１３が蝶番１９
等によって取り付けられている。

熱遮蔽部材１３の材質はモリブデン等の高融点金属やそ
の合金、あるいは炭化珪素、窒化珪素、酸化珪素等で被
覆した黒鉛で構成する。

熱遮蔽部材１３の手順は、まず、るつぼ１内にシリコン
原料４を装入した後、第１図に示すように熱遮蔽部材１
３と一体となった保温カバー９をるつぼ１の上部に設置
する。このとき２枚の熱遮蔽部材１３がるつぼ１の上部
を覆いふさぐようにワイヤー１４によって吊り下げられ
ている。そして、シリコン原料４を加熱溶解する。

第３図はシリコン原料の加熱溶解が完了した後、シリコ
ン単結晶を引き上げる場合のシリコン単結晶の製造装置
を示す断面図である。

この図においてシリコン原料の加熱溶解が完了した後、
ワイヤー１４を引き上げることによってるつぼ１上部を
開放する。この後、シリコン種結晶を仕切部材１１の内
側のシリコン溶融液１６の液面に接触させる。シリコン
種結晶をるつぼ１を回転させながら徐々に引き上げると
、シリコン単結晶が成長し、円柱状のシリコン単結晶５
が得られる。この間シリコン溶融液１６は仕切部材１１
の小孔１２を通って静かに移動する。

第４図はこの発明の他の実施例を模式的に示したシリコ
ン単結晶の製造装置を示す断面図で、第５図は第４図の
Ｂ−Ｈの断面図である。なお、第１図、第２図の一実施
例と同−ｍ能の部分には同じ符号を付し、説明を省略す
る。保温カバー９は中央に穴が開いた円盤で、それは炉
内に固定されている。熱遮蔽部材１３は保温カバー９の
穴より大きい円盤形状をしており、熱遮蔽部材１３を種
結晶取り付はワイヤー１５に取り付けして、種結晶取り
付はワイヤー１５を巻き上げることにより、熱遮蔽部材
１３が上下に移動できる。るつぼ内にシリコン原料を装
入した後炉内に保温カバ９を設置し、種結晶取り付はワ
イヤー１５に熱遮蔽部材１３を取り付けし、種結晶取り
付はワイヤー１５を下降させて保温カバー９の開口部の
位置まで降下させて保持する。この状態でるつぼ１をヒ
ータ６で加熱して、シリコン原料５を加熱溶解する。シ
リコン原料５が完全に溶解すると、種結晶取り付はワイ
ヤー１５を巻き上げることにより熱遮蔽部材１３が巻き
上げられ、系外で取りはずし、種結晶取り付はワイヤー
１５にシリコン種結晶を付は替える。

以後、本発明の一実施例（第３図）で説明した動作を繰
り返す。

このような方法により、加熱溶解時の投入熱量が従来法
より２０〜３０％低減されるので、仕切部材１１が局部
加熱により変形を生ずることは回避される。

［発明の効果コ この発明は二重構造のるつぼの上部に熱遮蔽部材を配置
することが特徴である。そしてシリコン原料を加熱する
前に保温カバーの開口部を熱遮蔽部材で覆う、そうする
とチャンバー上部からの放散熱が減少する。更にるつぼ
内の熱がとじこめられるので、るつぼ内の温度分布が均
一となる。このためシリコン原料の加熱溶解の時に投入
するエネルギーが減少し、更に仕切部材が局部的に加熱
されて変形することを防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を模式的に示したシリコン単
結晶の製造装置を示す断面図、第２図は第１図のＡ−Ａ
の断面図、第３図はシリコン原料の加熱溶解が完了した
後、シリコン単結晶を引き上げる場合のシリコン単結晶
の製造装置を示す断面図、第４図はこの発明の他の実施
例を模式的に示したシリコン単結晶の製造装置を示す断
面図、第５図は第４図のＢ−Ｂの断面図、第６図は従来
の二重構造のるつぼを用いたシリコン単結晶の製造装置
を模式的に示した図である。 １・・・るつぼ、２・・・黒鉛るつぼ、３・・・ペデス
タル、４・・・シリコン原料、５・・・シリコン単結晶
、６・・・ヒータ、７・・・ホットゾーン断熱材、８・
・・チャンバー　９・・・保温カバー１１・・・仕切部
材、１２・・・小孔、１３・・・熱遮蔽部材、１４・・
・ワイヤー、１５・・・種結晶取り付はワイヤー６・・
・シリコン溶社液、 ９・・・蝶番。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン溶融液が入れられたるつぼ内を、引き上
   げられるシリコン単結晶を囲みかつ前記シリコン溶融液
   が静かに移動しうるように小孔が貫通された仕切部材で
   仕切り、前記仕切部材の外側にシリコン原料を連続的に
   供給しながら、前記仕切部材の内側から単結晶を引き上
   げてシリコン単結晶を製造する方法において、前記るつ
   ぼ内に装入したシリコン原料を加熱溶解する時は、熱遮
   蔽部材でるつぼ上面を覆い、シリコン単結晶を引き上げ
   る時は、るつぼ上面を開放することを特徴とするシリコ
   ン単結晶の製造方法。
2. （２）シリコン溶融液が入れられたるつぼ内を、引き上
   げられるシリコン単結晶を囲みかつ前記シリコン溶融液
   が静かに移動しうるように小孔が貫通された仕切部材で
   仕切り、前記仕切部材の内側から単結晶を引き上げてシ
   リコン単結晶を製造する装置において、るつぼ上面に開
   閉または移動可能な熱遮蔽部材を具備することを特徴と
   するシリコン単結晶の製造装置。