JPH03174390A - 単結晶の製造装置 - 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、シリコン、ゲルマニウム等に代表される単結
晶の製造装置に関し、特に引上げ法（チョクラルスキー
法）を応用した連続引上げ法に適用して好ましい単結晶
の製造装置に関する。

（従来の技術） 現在、集積回路（ＩＣ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）な
どのデバイスとして工業的に広く用いられている半導体
としては、シリコン、ゲルマニウム等が知られている。

このような半導体産業にて用いられるシリコン、ゲルマ
ニウム等の単結晶は、多結晶を原料として、多結晶棒に
誘導加熱で溶融帯を作りこれを種結晶側から移動させて
単結晶を成長させる浮遊帯溶融法（Ｆｌｏａｔｉｎｇ　
Ｚｏｎｅ法、以下ＦＺ法と略称）・あるいは、多結晶を
ルツボに入れて加熱溶融し種結晶を溶融液に浸漬してか
ら引き上げて丸棒の単結晶を成長させる引上げ法（Ｃｚ
ｏｃｈｒａｌｓｋ１法、以下Ｃ２法と略称）によって製
造されている。

これらの製法は単結晶の用途によって選択され、ＦＺ法
により製造された単結晶は高抵抗率の用途、ＣＺ法によ
り製造された単結晶は低〜中抵抗率の用途に供されるが
、近年、ＬＳＩ製造技術の進歩により１個の電子回路が
ますます微小化する一方、加圧基板となる単結晶ウェハ
ーの面積を大きくして１１！！Ｉのプロセスでウェハー
中に形成される回路数の増大を図ることにより、１つの
一路当たりのコストの低減が囚られている。このため単
結晶製造技術に対し、大直径化が絶えず要求されており
、同時に、単結晶製造時の時間当たりの生産性を高める
ために１本の単結晶の長さを長くするｈ゛法も追及され
ている。上述したＣ２法は、大径の単結晶インゴットが
得やすいという長所を備えているのみならず、自動直径
制御や、原料°多結晶のりチャージによる半連続化等の
技術改良が進んでコスト面でもＦＺ法を凌いでいるのが
実情である。

従来のＣ２法による単結晶の製造は、シリコンを例にと
れば、第４図に示す知＜、原料となる多結晶シリコンお
よび必要に応じてドーパント（添加物）をチャンバ内に
黒鉛製受け１１１１２８により支持され黒鉛製ルツボ１
３に包囲された石英製ルツボ１４内に入れた後、アルゴ
ン雰囲気の下、石英製ルツボ１４の周囲に配設された加
熱ヒータ１７によって多結晶シリコンおよびドーパント
を溶解し、石英製ルツボ１４の上方に設けられた引上げ
装置のチャック２５にシリコン単結晶からなる細い秤桔
品２を取り付け、これを石英製ルツボ１４内のシリコン
溶融液３に浸漬した後に、引」−げ軸１を石英製ルツボ
１４に対して相対的に回転させながら所定の速度で引き
上げる。すると、引りげ軸１に取り付けられた挿結品２
の下端に順次単結晶Ｃが成長することになり、所望の抵
抗値（不純物およびドーパント濃度により決まる）を何
する単結晶インゴットを得ることができる。

このようなＣＺ法による単結晶の引き上げを連続的に行
なう手法も既に知られているが、この連続引上げ法によ
れば、引上げ方向の不純物およびドーパント濃度の均一
化を図ることができるとノ（に、溶融液面を一定に保つ
ことができ、製造された単結晶の歩留りを向上させるこ
とができる。

ＣＺ法を応用した連続引上げ法による単結晶の製造装置
は、例えば特開昭６１−３６，１９７号公報、特開昭６
３−７９，７９０号公報、特開昭６２−２７５，０８８
号公報に示されており、何れの装置も石英製ルツボ内に
環状隔壁を設けることにより石英製ルツボ内を溶融ゾー
ンと凝固ゾーンとに区画せしめたものである。

（発明が解決しようとする課題） ところで、単結晶を製造するに当たり上述した連続引上
げ法を用いるのは、生産効率を高めることを企図したも
のであるが、単結晶の大径化や引上速度の向上技術と組
合せることにより、生産効率を飛躍的に高めることがで
きる。通常、単結晶を大径化する場合には、引上げ速度
の低下は避は難い問題である。高速用、ヒげを確保しつ
つ大径化するためには、凝固ゾーンの引りげ界面および
その近傍の融液温度を低温化し、一定の結晶条件にする
ことが望ましいと考えられている。

しかしながら、上述した従来の製造装置にあっては、引
」二げにより成長する単結晶を大径化すると八に引上げ
速度を向−ヒさせるためには、溶融ゾーンに供給する単
位時間当たりの原料を増加させる必要があり、しかも、
この原料を溶解するために単位時間当たりの溶解熱量も
増加させなければならないが、加熱ヒータを単にパワー
アップするだけでは、溶融ゾーンの温度」１昇にともな
って凝固ゾーンの温度も上昇してしまい、引りげられる
単結晶の径が細くなって、当初の目的を達成することが
できないという問題点が提起された。すなわち、石英製
ルツボ内を環状隔壁により溶融ゾーンと凝固ゾーンとに
区画した場合、両ゾーンの温度制御を如何に独立して行
なうかが、連続引上げ法による単結晶の製造を成功させ
る上で重要な課題である。

そこで本発明者らは、黒鉛の線膨脹率（４，８ＸＩＯ−
６［℃−１］　）　、シリコンの線膨脹率（４，６ｘｌ
Ｏ−６［’Ｃ−’］　）　、石英の線膨脹率（０，５０
Ｘ　１０−’［℃−’］　）の相違に着口すると」（に
、この線膨脹率の相違によって装置の冷却時に発生する
黒鉛製ルツボおよび黒鉛製受け皿の割れ対策が必要であ
る（第４図および第５図に示す隙間Ｓ参照）ことに鑑み
、従来より行われていたルツボおよび受け皿の分割位置
と環状隔壁との位置とを関係付けることにより、溶融ゾ
ーンと凝固ゾーンとの温度制御を独立して行なうことが
できることを見出だし、本発明を完成するに至った。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされ
たものであり、原料の溶解を確実に行なうと共に、引上
げられる単結晶の大径化と高速化を図ることを目的とす
る。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するための本発明は、石英製ルツボの外
周に黒鉛製ルツボを設け、この黒鉛製ルツボを受け皿に
より支持すると共にζルツボ内に環状隔壁を設けること
によりルツボ内を溶融ゾーンと凝固ゾーンとに区画し、
環状隔壁に開設した連通孔を介して両ゾーンを連通させ
、溶融ゾーンにて溶融した溶融液を凝固ゾーンに導き、
凝固ゾーンの溶融液に浸漬させた後にこの挿粘昂を引き
」−げることにより単結晶を育成させる単結晶の製造装
置において、前記環状隔壁が設けられた位置に沿って、
黒鉛製ルツボと受け皿のうち少なくともいずれか一方分
割することを特徴とする単結晶の製造装置である。また
、黒鉛製ルツボまたは受け皿の分割部の隙間に断熱材を
装入することもできる。

（作用） このように構成した本発明にあっては、環状隔壁が設け
られた位置で黒鉛製ルツボを分割しているため、溶解熱
のうち黒鉛製ルツボを伝わった熱は、環状隔壁が設けら
れた位置で遮断されることとなり、したがって凝固ゾー
ンの温度に影響を与えることがなく、これにより、単結
晶の大径化と共に引上げ速度の高速化をより確実に行な
うことができる。

（実施例） 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の一実施例に係る黒鉛製ルツボを示す平
面図、第２図は同実施例に係る黒鉛製受け皿を示す平面
図、第３図は同実施例の単結晶の製造装置を示す断面図
であり、第１図および第２図の■−■線に沿う断面図で
ある。

本実施例の連続引」二げ装置は、加熱チャンバとその」
ニガに設けられた引上げチャンバとからなるチャンバ（
不図示）を有している。加熱チャンバ内には黒鉛製受け
冊２８に支持された黒鉛製ルツボ１３および石英製ルツ
ボ１４が設けられ、この黒鉛製ルツボ１３および石英製
ルツボ１４は一転軸１５を介して駆動装置（不図示）に
より回転するように構成されている。

この黒鉛製ルツボ１３および黒鉛製受け皿２８は、第１
〜２図に示すように所定の形状に分割されており、これ
により装置冷却時の割れ防止に加え、断熱効果をも発揮
することとなる。

本実施例によれば、黒鉛製ルツボ１３は、後述する環状
隔壁１８が設けられている位置を境界部分として半径方
向に外側ルツボ１３ａと内側ルツボ１３ｂとに２分割さ
れ、外側ルツボ１３ａはさらに円周方向に３分割されて
いる。環状隔壁１４が設けられた位置に沿って黒鉛製ル
ツボ１３を半径方向に分割することは必須であるが、こ
れに加えて円周方向に３分割することは必ずしも必要で
はなく、２分割であっても、また４分割以上であっても
、さらに円周方向の分割を省略することも可能である。

このように、黒鉛製ルツボ１３を分割することにより、
各境界部分には俺かな隙間Ｓが形成されることとなり、
これが断熱効果の要因となる。

一方、本実施例に係る黒鉛製受け１１１１２８は、黒鉛
製ルツボ１３と同じ位置で半径方向に外側受けＩｕ２８
ａと内側受けＩ’ｌｌ　２８　ｂとに２分割されている
。そして、各境界部分には僅かな隙間Ｓが形成されて、
上記黒鉛製ルツボ１３と同様に、この隙間Ｓが断熱効果
の要目となる。

なお、本発明は上記実施例に比定されることなく、黒鉛
製ルツボ１３と黒鉛製受け皿２８のうち何れか一方を分
割しても良い。

本実施例の製造装置にあっては、略円筒状に形成された
黒鉛製ルツボ１３および石英製ルツボ１４の周囲には、
加熱ヒータ１７が設けられて石英製ルツボ１４内に収容
した原料を溶融するようになっている。さらに、受け皿
２８の下方であって後述する溶融ゾーン１９に対応した
位置には、ボトムヒータ２７が設けられている。このボ
トムヒータ２７は、溶融ゾーン１９におけるＩＪ：＜料
の溶解をより早くかつ確実に行なうためのものであるが
場合によっては省略することも可能である。

なお、加熱ヒータ１７は、抵抗加熱法によるものであっ
ても、あるいは誘導加熱法によるものであっても用いる
ことができるが、大型の連続引−ヒげ装置に適用する場
合には経済性を考慮して抵抗加熱ヒータとすることが好
ましい。

石英製ルツボ１４内には、環状に形成された隔壁１８が
設けられ、これにより石英製ルツボ１４は溶融ゾーン１
９と凝固ゾーン２０とに仕切られているが、この隔壁１
８の下端縁に開設された連通孔２６を介して両ゾーン１
９．２０は連通している。溶融ゾーン１９には、原料供
給装置からノズル２２を介して原料である多結晶と必要
に応じてさらにドーパントとが供給される。

引上げチャンバの１一部には、引上げ装置が設けられ、
引上げ軸である引上げワイヤ１を回転させると共に昇降
させるように構成されている。引上げワイヤ１の先端に
は、チャック２５が取り付けられて、このチャック２５
に挿結晶２を把持せしめ、引上げ装置を駆動させて引上
げワイヤ１を挿結晶２の先端が石英製ルツボ１４内の溶
融液３に所定量だけ浸漬するまで下降させた後に、引−
にげワイヤｌを引上げ速度を制御しながら上昇させれば
、種納品２の下端に単結晶Ｃが成長することになる。

なお、チャンバ内であって、成長した単結晶Ｃが所定温
度まで冷却する位置に、支持装置および切断装置を設け
ることもでき、これら支持装におよび切断装置の取り付
は位置は、弓しヒげられた単結晶Ｃを支持装置により把
持し得る程度に単し’ｊ品Ｃが冷却した状態である位置
に設定することが好ましい。この支持装置は、何れも単
結晶Ｃの側面を把持する把持部とこの把持部を開閉して
単結晶Ｃを把持する位置と単結晶Ｃを開放する位置とに
作動させる駆動部とから構成され、さらに引上げ装置に
同期して昇降し得るように構成されることが好ましい。

また、両支持装置の間にはレーザー切断装置が設けられ
て、単結晶を切断して回収する。さらに、レーザー切断
装置により切断された単結晶Ｃは、引上げチャンバに開
設したー収用卯から取り出されるようになっている。

次に、上述した本実施例の連続用」二げ装置を用いて単
結晶を製造する方法を説明する。本発明の製造装置は、
シリコン精品、ゲルマニウム結晶、ガリウムーヒ素納品
の他、金属精品、金層酸化物結晶に適用することができ
る。

まず、原料供給装置から所定量の多桔品原料と必要に応
じてこれに添加すべきドーパントとからなる原料を石英
製ルツボ１４内の溶融ゾーン１つに供給し、加熱ヒータ
１７を作動させて溶解させる。このとき、補助的にボト
ムヒータ２７を作動させると溶解時間が短縮されるとノ
（に、溶は残りの原料が凝固ゾーン２０に侵入すること
を防止できる。溶融ゾーン１９にて溶解した原料は、環
状隔壁１８の連通孔２６を通過して凝固ゾーン２０に流
れる。なお、引上げを開始する前にルツボ１４内に溶融
液３を充満させる場合には、凝固ゾーン２０および溶融
ゾーン１９の両方に原料を供給することも可能である。

引上げを行なう際には、加熱チャンバ内にアルゴンガス
を吹き込み、加熱チャンバ内を減圧アルゴン雰囲気にす
る。

ついで、引りげ軸１のチャック２５に面ｈ　（：１．の
定まった秤結晶２を取り付け、引上げ装置を作動させて
引上げ軸を秤結晶２の下端部が溶融液３に浸漬するまで
降下させる。

’３１１げの最初においては、引上げ速度を速く設定し
、かつ／または溶融液温度を高くすることにより、種結
晶２の径を細く絞り、転ｆ１″１．を挿粘品表面から追
い出して無転転位する。続いて、引」二げ速度および／
または溶融液温度を下げることにより、所望の径を有す
る単結晶Ｃを成長させる。この場合、駆動装置により石
英製ルツボ１４を凹転させると共に、引上げｆ［ｌ１１
もこの回転に同期させて回転させ、溶融液３の攪件と温
度の均一化を図ることが好ましい。

なお、本実施例の引上げ操作を行なっている間は、原料
供給装置からノズル２２を介して石英製ルツボ１４の溶
融ゾーン１９に原料が供給されており、これによって溶
融液３の液面が常に一定に保たれている。

このように構成した本実施例にあっては、溶融ゾーン１
９に多量の原料を供給して多大な溶解熱量を！ｊえた場
合にあっても、環状隔壁１８が設けられた位置で黒鉛製
ルツボ１３および受け１■２８を分割しているため、溶
融液３を伝わった溶解熱は環状隔壁１８が設けられた位
置にある隙間Ｓで遮断されることとなり、したがって凝
固ゾーン２０の温度に影響を与えることがない。これに
より、溶融ゾーン１９と凝固ゾーン２０との温度制御を
独立して行なうことができ、単結晶Ｃの大径化と八に引
−にげ速度の高速化を実現することができる。

しかも、溶融ゾーン１つの下方にボトムヒータ２７を設
けているため、溶融ゾーン１９への溶解黒の供給をより
迅速にかつ確実に行なうことができる。

また、黒鉛製ルツボ１３および黒鉛製受け１１１１２８
を分割することにより、製造装置が冷却した際における
黒鉛製ルツボ１３および黒鉛製受け！１１１２８の割れ
を防止することができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されることなく、
本発明の要旨を越えない限りにおいて、種々に改変する
ことが可能である。

（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、原料の溶解を確実に
行なうと共に、引上げられる単結晶の大径化と高速化を
図ることができる単結晶の製造装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る黒鉛製ルツボを示す平
面図、第２図は同実施例に係る黒鉛製受け皿を示す平面
図、第３図は本発明の一実施例に係る製造装置を示す断
面図、第４〜５図は従来の製造装置を示す断面図である
。 １・・・引上げ軸、 ３・・・溶融液、 １３・・・黒鉛製ルツボ、 １７・・・加熱ヒータ、 １９・・・溶融ゾーン、 ２７・・・ボトムヒータ、 Ｓ・・・隙間。 ２・・・種粘品、 Ｃ・・・単結晶、 ４・・・石英製ルツボ、 ８・・・環状隔壁、 ０・・・凝固ゾーン、 ８・・・黒鉛製受け皿、 特許出廟人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）石英製ルツボの外周に黒鉛製ルツボを設け、この黒
   鉛製ルツボを黒鉛製受け皿により支持すると共に、ルツ
   ボ内に環状隔壁を設けることによりルツボ内を溶融ゾー
   ンと凝固ゾーンとに区画し、環状隔壁に開設した連通孔
   を介して両ゾーンを連通させ、溶融ゾーンにて溶融した
   溶融液を凝固ゾーンに導き、凝固ゾーンの溶融液に浸漬
   させた種結晶を引き上げることにより単結晶を育成させ
   る単結晶の製造装置において、前記環状隔壁が設けられ
   た位置に沿って、黒鉛製ルツボと受け皿のうち少なくと
   もいずれか一方を分割したことを特徴とする単結晶の製
   造装置。 ２）黒鉛製ルツボまたは受け皿の分割部の隙間に断熱材
   を装入したことを特徴とする請求項１記載の単結晶の製
   造装置。