JPH046195A - シリコン単結晶の製造装置 - 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、チョクラルスキー法による大直径でかつ、長
尺シリコン単結晶の製造装置に関するものである。

［従来の技術］ ＬＳＩ分野ではシリコン単結晶に要求される直径は年々
大きくなっている。今日、最新のデバイスでは直径６イ
ンチのシリコン単結晶が使われている。将来は直径１０
インチあるいはそれ以上の直径のシリコン単結晶、例え
ば直径１２インチのシリコン単結晶が必要になるといわ
れている。

チョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）のシリコン単
結晶の製造方法に関して２通りの考え方がある。即ち、
るつぼを回転させる方法とるつぼを回転させない方法で
ある。今日ではＬＳＩ用に用いられる全てのＣＺ法のシ
リコン単結晶は、るつぼをシリコン単結晶の回転とは逆
方向に回転させ、かつ、主にるつぼの側面を取り囲む電
気抵抗加熱体によりるつぼを加熱する方法により製造さ
れている。多くの試みにも関わらず、るつぼを回転させ
ない方法、あるいは上記以外（電気抵抗加熱体）の加熱
方法で直径５インチ以上のシリコン単結晶が今までに作
られてないし、今後とも作られることはないだろう、こ
の理由は、るつぼの回転なしでは、あるいは電磁誘導加
熱やるつぼの底面からの電気抵抗加熱等上記以外の加熱
方法で行なうと、成長するシリコン単結晶に対して同心
円状の温度分布が得られないからである。シリコン単結
晶の成長は温度に関してきわめて敏感である。

るつぼが回転するＣＺ法（以下通常のＣＺ法という）で
は、るつぼの回転と電気抵抗側面加熱によりシリコン溶
融液に強い対流が発生し、シリコン溶融液が強く攪拌さ
れる。この結果直径５イン千以上のシリコン単結晶の育
成にとっては望ましい、即ち均一なそしてシリコン単結
晶に対して完全に同心円状の溶融液表面温度分布が得ら
れるからである。従って本発明は通常のＣ２法をベース
とする。

上記のように、通常のＣＺ法と他のＣ２法ではシリコン
溶融液の流れに大きな違いがある。この違いは結果とし
てシリコン単結晶の成長条件の大きな違いとなる。従っ
て炉内部品（例えばホ・ノドゾーン、るつぼ、仕切り部
材等）の作用も両者では大きく異なる。シリコン単結晶
の育成に対する考え方が両者では全く異なるのである。

従来のＣＺ法ではシリコン単結晶の成長とともにるつぼ
内のシリコン溶融液が減少する。従ってシリコン単結晶
の成長とともにシリコン単結晶中のドーパント濃度が上
昇し、酸素濃度が低下する。即ちシリコン単結晶の性質
がその成長方向て変動する。ＬＳＩの高密度化とともに
シリコン単結晶に要求される品質が年々厳しくなるのて
この間匪は解決されねばならない。

この問題を解決する手段として、通常のＣＺ法の石英る
つぼ内のシリコン溶融液を小孔を有する円筒状の石英製
仕切り部材で仕切り、この仕切り部材の外側に原料シリ
コンを供給しながら、仕切り部材の内側で円柱状のシリ
コン単結晶を育成する方法が古くから知られている（例
えば、特許公報−昭４０−１０１８４号公報Ｐｉ　Ｌ２
０−Ｌ３５）　、この方法の大きな問題点は特開昭６２
−２４１８８９号公報（ＰＬ１２Ｌ１も）にも指摘され
ている通り、仕切り部材の内側で仕切り部材を起点とし
てシリコン溶融液の凝固が発生しやすい、この原因は次
の通りである。

石英製仕切り部材は光ファイバーに使われていることか
らも明らかなように、輻射により熱をよく伝達する。即
ちシリコン溶融液中の熱は光として仕切り部材中を上方
に伝達し、仕切り部材のシリコン溶融液面上に露出して
いる部分より放散される。従って仕切り部材近傍では溶
融液温度が大きく低下している。さらに通常のＣＺ法で
は、溶融液の強い攪拌により溶融液の表面温度は均一で
しかも溶融液の凝固温度の直上である。以上の二つのこ
とか重なり仕切り部材に接触しているシリコン溶融液表
面は非常に凝固しやすい状態になっている。特開昭６２
−２４１８８９号公報はこの問題を避けるため、仕切り
部材を使用しない方法を提案したものである。しかしこ
の方法は原料溶解部が狭いため、原料シリコンの溶解能
力が極めて小さく、シリコン単結晶の引き上げ量に見合
う量の原料シリコンを供給することができない。

シリコン単結晶の引き上げ量に見合う量の原料シリコン
を供給可能にするため、仕切り部材を用いかつそれから
の凝固の発生を防止する方法を提案したものとして特開
平］−１５３５８９号公報がある。

この公開特許は仕切り部材を保温カバーで完全に覆うこ
とを提案している。この方法により仕切り部材からの熱
の放散は防止できる。従ってシリコン単結晶の引き上げ
量に見合う量の原料を供給し、なおかつ凝固の発生を防
止できる。

［発明が解決しようとするＩＬ 特開平１−１５３５８９号公報の方法によれば、原理的
にはシリコン単結晶の製造装置の単結晶収納部の大きさ
の許容する長さのシリコン単結晶の育成が可能なはずで
ある。しかし６インチ以上の大直径のシリコン単結晶の
育成に関して、長さ１ｍ以上の長尺単結晶は引き上げ例
が少なく、まして、シリコン結晶の引き上げ量に見合う
量の原料を供給する方法についてはほとんど報告されて
いない。

この問題について発明者らが検討したところ、特開平１
−１５３５８９号公報の方法ではシリコン結晶の長さが
１ｍ以上になると、シリコン単結晶は有転位化しやすく
なることがわかった。この有転位化の確率の増大は、シ
リコン単結晶の長尺化とともに、炉内の雰囲気ガス（Ａ
ｒ）の流れが変化してしまうためであることが判明した
。これは、シリコン溶融液より蒸発しなＳｉＯ蒸気が低
温の雰囲気ガスにより固化、凝集し、シリコン溶融液の
結晶近傍に落下し、それがシリコン単結晶の凝固界面に
付着することにより転位が起こる転位発生メカニズムに
関係することがわがっな、シリコン単結晶の長さが短い
間、即ちシリコン単結晶の先端部が単結晶収納部にはい
る前の状態では、第４図（ａ）に示すように雰囲気ガス
流Ａはシリコン単結晶５により拡散し、雰囲気ガスによ
り凝縮したＳｉＯが成長中のシリコン単結晶５のごく近
傍に落下することは起こりにくい、これに対して、シリ
コン単結晶５の長さが長い場合、即ちシリコン単結晶５
のかなりの部分が単結晶収納部２０に入っている状態で
は、第４図（ｂ）に示すように雰囲気ガス流Ｂは単結晶
収納部２０内においてシリコン単結晶５に沿った流れが
作られる。この低温の雰囲気ガス流Ｂはシリコン単結晶
５に沿って直接シリコン溶融液７直上まで到達するので
、シリコン溶融液７に比較的近い位置でＳｉＯ蒸気の固
化、凝集が起こりやすい、なおかっ、この雰囲気ガス流
Ｂはシリコン単結晶５が単結晶収納部２０に入る前より
も流速が速くなっているので、雰囲気ガスにより固化し
たＳｉＯが成長中のシリコン単結晶５のごく近傍に落下
する確率は飛躍的に増大する。これにともなって、シリ
コン単結晶５が有転位化する確率は増大する。

又、前記課題を解決する方法として、まず単結晶収納部
２０の炉体に対する開口面積を大きく、即ち単結晶収納
部２０の容積を大きくすることが考えられる。しかしこ
のようにした場合、シリコン溶融液などからの高温輻射
を充分に遮れないことにより、シリコン単結晶の冷却を
充分におこなうことができず、シリコン単結晶の品質に
悪影響を与えるため好ましくない。

この発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、連続
的に原料シリコンを供給する方式のシリコン単結晶の製
造装置において、結晶長さ１ｍ以上の長尺のシリコン単
結晶を安定して製造することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るシリコン単結晶の製造装置は、シリコン溶
融液を内蔵する自転型石英るつぼと、前記石英るつぼを
側面がち加熱する電気抵抗加熱体と、前記石英るつぼ内
で溶融シリコンを単結晶育成部と原料溶解部とに分割し
がっ溶融液が流通できる小孔を有する石英製仕切り部材
と、前記仕切り部材と前記原料溶解部を覆う保温カバー
と、前記原料溶解部に原料シリコンを連続供給する原料
供給装置とを有するシリコン単結晶の製造装置において
、炉体上面部と単結晶収納部との接合部近傍に内径がシ
リコン単結晶の直径より大きく、かつ単結晶収納部の直
径より小さな円錐状の金属製リング管を具備したことを
特徴とする。

［作用コ 本発明はシリコン単結晶の製造装置において、炉体上面
部と単結晶収納部との接合部近傍に内径がシリコン単結
晶の直径より大きく、かつ単結晶収納部の直径より小さ
な円錐状の金属製リング管から構成されているので、第
３図に示すように単結晶収納部より流れてきた雰囲気ガ
ス流Ｃは円錐状の金属製リング管２２で拡散される。こ
のためシリコン単結晶５に沿った流れはがなり解消され
、なおかつ雰囲気ガス流の速度も減速される。

そして雰囲気ガス流Ｃがシリコン単結晶５の崩れを起こ
し易くなるような流れに変化することを防止できる。そ
して、雰囲気ガスにより固化したＳｉＯが成長中のシリ
コン単結晶のごく近傍に落下する確率は減少させること
ができる。

円錐状の金属製リング管の水平面に対する最小角度は円
錐状の金属製リング管と炉体上面部の間隔がせばまりそ
の部分で雰囲気ガス流が増速することがないように、５
°以上であることが必要である。また、円錐状の金属製
リング管の水平面に対する最大角度は雰囲気ガス流がシ
リコン単結晶を直接冷却させないために６０’以下が１
町しい。

［実施例コ 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の実施例を直径６インチのシリコン単結
晶を育成す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。１は直径２０インチの石英るつぼで、黒鉛
るつぼ２の中にセットされている。黒鉛るつぼ２はベデ
ィスタル４で支えられている。ベディスタル４は炉外で
電動モターに結合されており、黒鉛るっぽ２に回転運動
（１０ｒｐｍ）を与える働きをする。７はるっぽ１内に
入れられたシリコン溶融液である。これがら柱状のシリ
コン単結晶５が回転（２Ｏｒｐｍ）Ｌながら１　、１　
ａｍ／　ｗｉｎの速度で引き上げられる８３は黒鉛るつ
ぼを取り囲む電気抵抗加熱体である。雰囲気ガスは単結
晶収納部２０の上部から炉内（１６は炉体上面部、１７
は炉体胴部及び２０は単結晶収納部）に導入され最終的
に炉底の排出口１９から減圧装置（図示せず）を経由し
てシリコン単結晶の製造装置から排出される。

炉内の圧力は０．０１−０．０３気圧である。

以上は通常のチョクラルスキー法によるシリコン単結晶
製造装置と基本的には同じである。

８はるつぼ１内にこれと同心円に配置された高純度気泡
入り石英ガラスからなる仕切り部材である。その直径は
３５０ｍｍである。この仕切り部材８には小孔１０が開
けられており、原料溶解部のシリコン溶融液７はこの小
孔１０を通って単結晶育成部に流入する。この仕切り部
材８の下縁部はるつぼ１とあらかじめ融着されているか
、原料シリコンを溶融する際の熱により融着しており、
原料溶解部の高温のシリコン溶融液７はこの小孔１０の
みを通り単結晶育成部に流入する。１４は原料供給装置
で、原料溶解部の上部に開口を持っており、粒状の原料
シリコンはこの供給装置１４を通って原料溶解部に供給
される。供給割合は、シリコン単結晶した量と等しい量
、即ち約４８ｇ／＋ｓ　ｉ　ｎである。この原料供給装
置１４は炉体上面部１６の外部に設けた原料供給チャン
バー（図示せず）に連結されており、粒状の原料シリコ
ンをシリコン溶融液７に連続的に供給する。

１５は保温カバーであり、板厚０．２ｍｍのタンタル板
で構成されている。これは仕切り部材８および原料溶解
部からの熱の放散を抑制する。

第２図は本発明の実施例の円錐状の金属製リング管の斜
視図で、２２は本発明の円錐状の金属製リング管、２３
は取付治具で、金属製リング管２２を炉体上面部１６に
取り付けるため取付治具２３である。

この円錐状の金属製リング管２２の内径は、シリコン単
結晶５との接触を防ぐためシリコン単結晶５の引き上げ
直径よりも大きく、また雰囲気ガス流に影響を与えるた
めに単結晶収納部の直径より小さくなければならない。

この実施例では円錐状の金属製リング管２２の内径が１
７８＋ａｍ、外径が３００１のものを使用した。この金
属製リングの材料はステンレスで、その厚さは２■を使
用した。テーパー角度は３０°で、単結晶収納部の直径
は２２０■であった。

円錐状の金属製リング管２２を使用しないシリコン単結
晶の製造装置では、シリコン単結晶の長さ１ｍ弱（０，
７〜０．９ｍ）のところで結晶の有転位化が頻発したが
、これに対し、円錐状の金属製リング管２２を使用した
シリコン単結晶の製造装置でシリコン単結晶の引き上げ
を行なったところ、シリコン単結晶の長さ１ｍ（１，２
〜１．６ｍ）を越える無転位シリコン単結晶を安定して
育成できるようになった。

［発明の効果］ 本発明は以上のように構成されているので、シリコン単
結晶の長尺化にともない雰囲気ガス流がシリコン単結晶
の崩れを発生しないような雰囲気ガス流にし、シリコン
単結晶の直径６インチ以上で、かつ単結晶長さの１ｍ以
上のシリコン単結晶を安定して育成できるようになった
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のシリコン単結晶の製造装置を
示す断面図、第２図は本発明の実施例の円錐状の金属製
リング管の斜視図、第３図は本発明実施例の雰囲気ガス
流の模式図、第４図は従来技術のシリコン単結晶の製造
装置内の雰囲気ガス流の模式図、（ａ）はシリコン単結
晶が単結晶収納部に入る前の段階の図、（ｂ）はシリコ
ン単結晶が単結晶収納部に入った後の段階を示す図であ
る。 １・・・石英るつぼ、２・・・黒鉛るつぼ、３・・・電
気抵抗加熱体、４・・・ペディスタル、５・・・シリコ
ン単結晶、７・・・シリコン溶融液、８・・・仕切り部
材、１０・・小孔、１４・・・シリコン供給装置、１５
・・・保温カバー、１６・・・炉体上面部、１７・・・
炉体胴部、１９・・・排出口、２０・・・単結晶収納部
、２２・・・円錐状の金属製リング管、２３・・・取付
治具。 Ａ・・・従来技術で、シリコン単結晶が単結晶収納部に
入る前の段階の単結晶収納部、シリコン単結、晶近傍を
通る雰囲気ガスのガス流、 Ｂ・・・従来技術で、シリコン単結晶が単結晶収納部に
入った後の段階の単結晶収納部、シリコン単結晶近傍を
通る雰囲気ガスのガス流、 Ｃ・・・本発明で実施例で、シリコン単結晶が単結晶収
納部に入った後の段階の単結晶収納部、シリコン単結晶
近傍を通る雰囲気ガスのガス流。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリコン溶融液を内蔵する自転型石英るつぼと、
   前記石英るつぼを側面から加熱する電気抵抗加熱体と、
   前記石英るつぼ内で溶融シリコンを単結晶育成部と原料
   溶解部とに分割しかつ溶融液が流通できる小孔を有する
   石英製仕切り部材と、前記仕切り部材と前記原料溶解部
   を覆う保温カバーと、前記原料溶解部に原料シリコンを
   連続供給する原料供給装置とを有するシリコン単結晶の
   製造装置において、炉体上面部と単結晶収納部との接合
   部近傍に内径がシリコン単結晶の直径より大きく、かつ
   単結晶収納部の直径より小さな円錐状の金属製リング管
   を具備したことを特徴とするシリコン単結晶の製造装置
   。
2. （２）前記円錐状の金属製リング管は炉体上面から釣り
   下げられ、かつその円錐状のテーパーが水平面に対する
   角度が５〜６０°であることを特徴とした請求項第１記
   載のシリコン単結晶の製造装置。