JPH04357191A

JPH04357191A - 単結晶製造装置

Info

Publication number: JPH04357191A
Application number: JP13133991A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Hiraishi; 平石　吉信
Original assignee: Sumco Techxiv Corp; Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1991-06-03
Filing date: 1991-06-03
Publication date: 1992-12-10
Anticipated expiration: 2012-07-16
Also published as: JP2631045B2

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】

【０００１】〔発明の目的〕

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体単結晶製造装置
に係り、特にそのヒータの構造に関する。

【０００３】

【従来の技術】半導体単結晶の育成には、るつぼ内の原
料融液から円柱状の結晶を育成するＣＺ（チョクラルス
キー引上げ）法が用いられている。

【０００４】図７は、従来の一般的なＣＺ法のための単
結晶製造装置を示す模式図であり、チャンバー内に設置
されたるつぼ１内に収容した単結晶原料をヒータ２によ
って加熱溶融し、この融液に引上げ軸３にとりつけた種
結晶４を浸漬し、これを回転させつつ上方に引き上げて
単結晶５を成長せしめるように構成されている。

【０００５】ところで、従来のヒータは、内周面および
外周面は、一様な円筒面状であり、図８に拡大図を示す
ように、軸方向に、ヒータ長よりも短いスリット１を両
端より交互に、しかも円周方向に等間隔に形成している
。このようにスリット１を形成することにより電流経路
を長くして所定のヒータ抵抗値を得るようにしている。　　ところで、近年シリコン単結晶の重要な品質項目の
１っとして単結晶中の酸素濃度のレベルが注目されてい
る。

【０００６】これは、ＬＳＩ製造プロセスの中で、特に
熱処理条件（温度あるいは時間）に関してＬＳＩ最終歩
留まりを高く保つための最適酸素濃度が存在することが
わかってきたためである。

【０００７】そこで、単結晶製造装置においては、広範
囲にわたる酸素濃度の制御性が要求されている。

【０００８】従来のヒータを使用した単結晶製造装置で
引き上げた単結晶の酸素濃度の軸方向の分布は一般的に
は図９のように推移する。ここで引上げ初期の酸素濃度
が高いのはこのとき石英るつぼ中の融液量が比較的多量
であり、石英るつぼと融液との接触面積が大きく酸化シ
リコンが多量に融液中に溶出するためであると考えられ
ている。この引上げ初期の単結晶は酸素濃度が高いため
に製品としての規格からはずれることがしばしばであり
、シリコン単結晶の製造において歩留まりを下げる大き
な要因となっていた。

【０００９】このように、シリコン単結晶中の酸素濃度
は、石英るつぼから溶融する二酸化シリコンに起因する
ものが大部分である。従ってシリコン単結晶中の酸素濃
度は、石英るつぼと溶融シリコンとの反応速度、および
るつぼ中の溶融シリコンの温度分布とに依存しており、
さらにこの温度分布はヒータ形状に大きく依存する。

【００１０】一般的にヒータの形状は円筒形となってい
るが、従来はるつぼ底部の温度の低下を防ぐために、円
筒をるつぼの底面よりも長く延ばす形状をとっている。そしてこの円筒の長さはそのなかにおかれる黒鉛るつぼ
の底部と側部からの入熱量の比を決める大きな要素とな
っている。すなわち、ヒータの形状が黒鉛るつぼ高さに
比較して１．５倍以上の場合、黒鉛るつぼの底面の入熱
量が大きくなり、るつぼ中の融液の底部に近い部分での
温度が高くなる。これはるつぼ底部からの沸き上がりに
よる自然対流を活発化して溶融シリコンによる石英るつ
ぼの溶解速度を大きくすることになり、融液中の酸素濃
度を高めることになり、結果としてこのような融液から
成長したシリコン単結晶の酸素濃度は一般的には高くな
るという問題があった。

【００１１】そこで、従来は引上げ初期のシリコン単結
晶中の酸素濃度を下げるためにるつぼの回転数を低く設
定して回転による強制対流を弱くする等の方法もとられ
ているが、最終的にはるつぼ内の融液の上下の温度差に
よる自然対流によって酸素濃度の下限が決まってしまい
、酸素濃度を低くするのは極めて困難であった。

【００１２】また、ヒータの円筒軸方向の長さは、ヒー
タ設計上、ヒータ電源からの制約を受ける。すなわちヒ
ータ電源出力が最大となる負荷抵抗の値は決まっている
ため、ヒータの抵抗値をその電源に最適な値に調整する
必要がある。

【００１３】ヒータの長さを長くしようとした場合、電
流経路長が増加するため、ヒータ抵抗値は増加するが、
電源に最適な値から外れる場合にはヒータの径方向の分
割数を減らして抵抗値を下げるようにすることができる
。そしてこの場合ヒータの機械的強度はほとんど変化し
ない。

【００１４】一方、ヒータの長さを短くしようとした場
合、一般的には電流経路長が短くなるため抵抗値が下が
る。このようななかで抵抗値を電源に最適な値に維持し
ようとした場合、径方向の分割数を大きくするか肉厚を
小さくするかの方法をとらなければならない。この場合
、いずれにしても機械的強度は著しく減少することにな
る。また、肉厚が小さいと、使用に伴う肉減りによりヒ
ータ寿命の短縮化が著しいという問題があった。

【００１５】このような問題が実質的にはヒータの長さ
を制限することになっていた。

【００１６】そこでいろいろな工夫がなされており、従
来の設計のヒータに切り込み、穴あけ、減肉等の部分的
加工を施すことによって、加熱電流通路の断面積を一部
小さく制限して部分的に高温領域を作りヒータの長さ方
向の温度分布を調整する方法も提案されている（特公昭
４９−１９９４１号）。

【００１７】しかしながら、十分な機械的強度を維持し
つつ、抵抗値を調整するのは極めて困難であった。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の単
結晶製造装置では、るつぼ底部の温度の低下を防ぐため
に、円筒をるつぼの底面よりも長く延ばす形状をとって
いるが、この場合、黒鉛るつぼの底面の入熱量が大きく
なり、るつぼ中の融液の底部に近い部分での温度が高く
なって、るつぼ底部からの沸き上がりによる自然対流を
活発化して溶融シリコンによる石英るつぼの溶解速度を
大きし、酸素濃度を高めることになり、シリコン単結晶
の酸素濃度が高くなってしまうという問題があった。

【００１９】また、このためヒータの円筒の軸方向の長
さを短くしようとすると、ヒータの円筒軸方向の長さは
、ヒータ設計上、ヒータ電源からの制約を受ける。すな
わちヒータ電源出力が最大となる負荷抵抗の値は決まっ
ているため、ヒータの抵抗値をその電源に最適な値に調
整する必要がある。しかしながら、抵抗値をあげようと
すると、切り込みによる分割数を増大したりまた、肉薄
とする等の方法をとらねばならず、このような方法では
、機械的強度が低下するという問題があり、抵抗値を大
きくするにも限界があった。

【００２０】本発明は前記実情に鑑みてなされたもので
、酸素濃度の低い単結晶シリコンを得ることのできる単
結晶製造装置を提供することを目的とする。

【００２１】また本発明では、機械的強度を維持しつつ
高い発熱量を得ることのできる単結晶製造装置用ヒータ
を提供することを目的とする。

【００２２】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、原料
融液を充填したるつぼと、るつぼの周囲に配設され、る
つぼ内の原料を溶融し原料融液を形成する筒状の加熱ヒ
―タと、るつぼ内の溶融原料に種結晶を浸漬して単結晶
を引上げる引上機構とを具備した単結晶製造装置におい
て、加熱ヒータの下端がるつぼの底部とほぼ一致するか
またはそれよりも上に位置するようにしている。

【００２３】また、本発明では円筒状ヒータの外周面お
よび内周面にヒータの軸方向とは異なる方向に溝を配設
し、熱電流経路を長くするようにしている。

【００２４】望ましくはこの溝の深さは、ヒータの肉厚
の３分の２以下となるようにしている。　　また望まし
くは、外周面および内周面の溝は、同一ピッチで形成さ
れたスパイラル状の溝であり、外周面側と内周面側とで
、溝の幅以上の距離だけ離間するように形成されている
。

【００２５】

【作用】上記第１の構成によれば、図６（ａ）　および
図６（ｂ）　にそれぞれ本発明および従来例の単結晶育
成装置の構造を示すように、ヒータの円筒方向の長さを
短くし、るつぼ側面への入熱量を大きくしてるつぼ底部
への熱の集中を少なくし、るつぼ底部からの溶融シリコ
ンの沸き上がり対流を抑制することによって、るつぼ中
の自然対流を全体的に不活発にすることができ、これに
よって石英ガラスるつぼからの酸素の溶出も小さくする
ことができ、酸素濃度を低くすることができる。

【００２６】また第２の構成によれば、ヒータの長手方
向に流れる電流の経路長を溝によって実効的に長くしヒ
ータの抵抗値を下げることなくヒータの長さを短縮する
ことができる。これはヒータの径方向に溝を入れること
により、ヒータの軸方向に流れる電流が、厚さ方向にも
経路を形成するためである。従ってるつぼ中の融液の上
部を集中的に加熱することが可能となり、るつぼ底部の
温度を従来の設計寸法によるヒータに比べて１０〜２０
℃程度低くすることができる。これにより引上げ初期の
融液の対流を著しく抑制し、るつぼと融液の接触面積が
従来と同一にもかかわらずつるぼ内での対流による酸素
の溶出を抑制することができる。これにより引上げ初期
のシリコン単結晶中の酸素濃度を従来の設計によるヒー
タを使用した場合に比べて著しく低くすることができる
。

【００２７】また、溝の深さを、ヒータの肉厚の３分の
２以下とすることにより、機械的強度の低下もほとんど
ない。

【００２８】また、ヒータ外周面および内周面の溝を、
同一ピッチで形成されたスパイラル状の溝であって、外
周面側と内周面側とで、溝の幅以上の距離だけ離間する
ように形成することにより、機械的強度にほとんど影響
なく、均一な発熱量を有する高抵抗のヒータを得ること
ができる。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。

【００３０】実施例１本発明の第１の実施例の単結晶育成装置は、図１および
図２に示すように（図１は全体説明図、図２はヒータを
示す図である）、ヒータ１２の下端が石英るつぼ１１の
底部の高さよりも高い位置にある点と、このヒータが図
２に示すようにように黒鉛からなる円筒状体の外周面お
よび内周面に交互にヒータの軸方向とは異なる方向の溝
Ｖを配設し、電流経路を長くし、単位面積あたりの発熱
量を大きくしたことを特徴とするものである。

【００３１】このヒータは図３に従来のヒータとの比較
図を示すように、肉厚３Ｄ＝６０ｍｍの円筒状ヒータの
外周面に深さ２Ｄ＝４０ｍｍの溝を１ピッチ２Ｄ＝４０
ｍｍで形成するとともに、内周面にはこれと１ピッチづ
つずらした位置に同様に深さ２Ｄ＝４０ｍｍの溝を１ピ
ッチ２Ｄ＝４０ｍｍで形成している。

【００３２】すなわち、この装置は、チャンバー１８内
に設置された石英るつぼ１内に収容した単結晶原料をヒ
ータ１２によって加熱溶融し、この融液に引上げ軸１３
にとりつけた種結晶１４を浸漬し、これを回転させつつ
上方に引き上げて単結晶１５を成長せしめるように構成
されている。ここでは、ヒータ１２内に、ペディスタル
（るつぼ支持台：図示せず）に装着されたるつぼ受けに
支持された黒鉛るつぼ１６内にさらに石英るつぼ１１を
装着し、この石英るつぼ１１内部でシリコン原料を溶融
せしめ原料融液として保持するようになっている。

【００３３】次に、この図１の単結晶製造装置を用いて
シリコン単結晶の育成を行う方法について説明する。

【００３４】まず、排気口から真空排気し、チャンバー
１８内をＡｒで置換する。その後、真空ポンプで排気し
ながらしＡｒを３０〜１００リットル／分流してチャン
バー内の圧力を１〜１０Ｔｏｒｒに維持する。

【００３５】そして、ヒータ１２をオンし、多結晶シリ
コンを装填した石英るつぼ１１を加熱して、原料融液を
得ると共に、この原料融液内に種結晶を浸漬し、引上げ
部によって所定の速度で引き上げることにより単結晶１
５を育成するようになっている。

【００３６】単結晶育成時の条件は、石英るつぼ１１の
直径１６インチ、石英るつぼ１１内の融液量４５ｋｇ、
育成単結晶１５の直径６インチ、抵抗率（リンド―プ）
１５Ω・ｃｍ、引上げ速度１ｍｍ／ｍｉｎ．である。そ
して、ここでは溶融後は石英るつぼ上端とヒータ上端が
一致する位置に黒鉛るつぼ位置をセットして５ＲＰＭで
黒鉛るつぼを回転させ通常のＣＺ法と同様に種結晶をる
つぼと反対方向に回転させながら引上げを行った。種結
晶の回転速度は２０ＲＰＭとした。

【００３７】このようにして成長せしめられたシリコン
単結晶の軸方向の酸素濃度を測定した。その結果を図４
に示す。図中実線ａは本発明実施例の装置で成長させた
単結晶の酸素濃度である。比較のために破線ｂに図７に
示した従来例の装置を用いて成長させた単結晶の酸素濃
度を測定した結果を示す。これらの比較から、従来に比
べ、本発明の装置を用いて育成した単結晶では酸素濃度
が低減されていることがわかる。特に引上げ初期の酸素
濃度は従来に比較して２〜３×１０１７ａｔｍ／ｃｍ３
　程度低くなっていることがわかる。

【００３８】図３の比較から、ヒータの実質的な厚さＤ
を同一にして溝の深さを２Ｄとした場合、同一に分割数
でヒータ抵抗値を一定に保ったままヒータ長さをほぼ１
／２以下にすることができる。

【００３９】このように分割数を増したり肉厚を減少し
たりすることなくヒータ長さを大幅に小さくし、同程度
の発熱量を得ることができるため、機械的強度を良好に
維持する事が可能となる。

【００４０】なお、前記実施例では、リング状の溝を形
成したが、図５に変形例を示すようにスパイラル状の溝
を形成するようにしてもよい。

【００４１】さらに、本発明は前記実施例に限定される
ことなく、種々の応用例においても適用可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明の第１
によれば、ヒータの円筒方向の長さを短くし、るつぼ側
面への入熱量を大きくしてるつぼ底部への熱の集中を少
なくしているため、引上げ結晶の酸素濃度を低くするこ
とができる。

【００４３】また本発明の第２によれば、ヒータの長手
方向に流れる電流の経路長を溝によって実効的に長くし
ているため、ヒータの抵抗値を下げることなくヒータの
長さを短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の単結晶育成装置の説明
図。

【図２】同単結晶育成装置のヒータの部分断面拡大図。

【図３】同ヒータの説明図。

【図４】本発明の単結晶育成装置で育成した単結晶シリ
コンと従来例の装置で育成した単結晶シリコンとの酸素
濃度の軸方向推移を示す図。

【図５】本発明の他の実施例のヒータを示す図。

【図６】本発明の単結晶育成装置を従来の単結晶育成装
置の比較図。

【図７】従来例の単結晶育成装置を示す図。

【図８】同ヒータを示す図。

【図９】従来例の単結晶育成装置で引き上げた単結晶シ
リコンの酸素濃度の軸方向推移を示す図。

【符号の説明】１　　石英るつぼ２　　ヒータ３　　引上げ軸４　　種結晶５　　単結晶１１　　石英るつぼ１２　　ヒータ１３　　引上げ軸１４　　種結晶１５　　単結晶１６　　黒鉛るつぼ１７　　保温剤１８　　チャンバー

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　原料融液を充填したるつぼと、前記る
つぼの周囲に配設され、るつぼ内の原料を溶融し原料融
液を形成する円筒状の加熱ヒ―タと、前記るつぼ内の溶
融原料に種結晶を浸漬して単結晶を引上げる引上機構と
を具備した単結晶製造装置において、前記加熱ヒータの
下端が、前記るつぼの底端と同程度かまたは底端よりも
上に位置するようにしたことを特徴とする単結晶製造装
置。
【請求項２】　　原料融液を充填したるつぼと、前記る
つぼの周囲に配設され、るつぼ内の原料を溶融し原料融
液を形成する円筒状の加熱ヒ―タと、前記るつぼ内の溶
融原料に種結晶を浸漬して単結晶を引上げる引上機構と
を具備した単結晶製造装置において、前記加熱ヒータは
、円筒状をなし、その外周面および内周面にヒータの軸
方向とは異なる方向に溝を具備し、電流経路を実質的に
長くするようにしたことを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項３】　　前記溝の深さは、ヒータの肉厚の３分
の２以下となるようにしたことを特徴とする請求項２記
載の単結晶製造装置。
【請求項４】　　前記ヒータは、軸方向に直角に外周お
よび内周面上に複数のリング状の溝を具備してなること
を特徴とする請求項２記載の単結晶製造装置。
【請求項５】　　前記ヒータは、軸方向に直角に外周お
よび内周面上に複数のスパイラル状の溝を具備してなる
ことを特徴とする請求項２記載の単結晶製造装置。
【請求項６】　　前記ヒータは、外周および内周面上に
、軸方向に直角となるように、同一ピッチで形成された
スパイラル状の溝であり、外周面側と内周面側とで、溝
の幅以上の距離だけ離間するように形成されていること
を特徴とする請求項２記載の単結晶製造装置。