JPH05294779A

JPH05294779A - 単結晶引上装置

Info

Publication number: JPH05294779A
Application number: JP10456892A
Authority: JP
Inventors: Katsumi Nishizaki; 克己西崎; Kazuhiko Echizenya; 一彦越前谷; Hiroshi Kaneda; 洋金田; Yasuyuki Seki; 康之関
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1992-04-23
Filing date: 1992-04-23
Publication date: 1993-11-09

Abstract

(57)【要約】【目的】原料の初期投入量を減らしたり、ＳｉＯが冷却
ジャケットに堆積し単結晶が多結晶化したりすることな
く、また、ウエハは積層欠陥が発生せず、かつ、酸化膜
耐圧特性の良い単結晶を引き上げるため、１１００℃〜
８００℃の温度域の通過時間を短くする。また、８００
℃〜６００℃の温度域滞留時間は長くする。【構成】ＣＺ法によるＳｉ単結晶引上装置において、溶
融シリコン表面より上方の単結晶の周囲を囲み上方から
棒体で吊下された冷却ジャケット３０と、冷却ジャケッ
トの外周面及び下端面を覆う熱反射板と、冷却ジャケッ
トの上方に単結晶を取囲んで配設され上方から供給され
るＡｒガスを冷却ジャケット内面に誘導すると共に単結
晶から周囲への放熱を遮断するガスガイドチューブとを
備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＣＺ法（チョクラルス
キー法）により単結晶を成長させる際に、単結晶の冷却
速度を制御することを可能とした単結晶引上装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＣＺ法によるシリコン単結晶成長におい
ては、結晶成長条件により、ウエハに積層欠陥が発生す
ることがある。この積層欠陥が発生する原因の一つに、
単結晶の熱履歴がある。図５は、通常の結晶成長におけ
る、結晶成長過程の単結晶頂部の熱履歴を示したもので
ある。横軸は測温点の溶融シリコン表面からの距離、縦
軸は単結晶の温度である。上記の積層欠陥発生を抑制す
るためには、１１００℃〜８００℃の温度域を早く通過
させてやれば良いことが判っている。

【０００３】そこで、従来から図６に示したように、冷
却円筒２０で単結晶１２を取り囲み、単結晶の冷却速度
を早くすることによって、積層欠陥を抑制する技術が知
られている（例えば、特開昭６１−６８３８９号公報、
特開平２−９７４７８号公報、特開平２−９７４７９号
公報）。また、冷却円筒により溶融シリコンも冷却され
凝固するので、これを防止するために、溶融シリコンと
の間に熱遮蔽体を併設することも知られている（例え
ば、特開昭６３−５０３９１号公報、特開昭６３−２５
６５９３号公報、特開平１−１４５３９１号公報）。

【０００４】しかし、これら従来技術では、単結晶を広
範囲にわたって冷却円筒で取り囲んでしまうため、単結
晶が冷却され過ぎ、例えば、８００℃〜６００℃の温度
域も早く通過してしまっていた。その結果、ウエハの品
質特性試験における酸化膜耐圧特性が悪くなる問題があ
った。そこで、図７に示したように、冷却円筒２０ａを
短くし、冷却円筒の上部にアフターヒータ２１を設置す
ることによって、１１００℃〜８００℃の温度域は早く
通過させ、８００℃〜６００℃の温度域の滞留時間は長
くする技術が提案されている（特開平１−２１５７８５
号公報）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図７に示した従来技術
では、冷却円筒の内面にＡｒガスを流してＳｉＯの堆積
を防止するために、冷却円筒２０ａの外径側２０は冷却
円筒の上端で石英るつぼ上部を全面的に覆ってしまう必
要がある。そのため、冷却円筒２０ａの高さは必然的に
石英るつぼ３と干渉しない高さに高くせざるを得ない。
例えば、直径１８インチの石英るつぼを用いて、原料シ
リコンを４５ｋｇ投入して単結晶成長させる場合の冷却
円筒の最小高さを見積もると以下のようになる。

【０００６】直径１８インチの石英るつぼに４５ｋｇの
シリコンを投入し、溶融した場合、溶融シリコンの表面
と石英るつぼ上端との距離は１９０ｍｍ程度になる。ま
た、通常の引上では溶融シリコンの表面とヒータとの高
さ方向位置が、単結晶成長中に変化しないように、単結
晶の成長量に対応させて、石英るつぼを上昇させる。こ
の上昇量は、単結晶成長開始時から、終了時までの全工
程において１００ｍｍ程度になる。よって、上記冷却円
筒上端の覆いが石英るつぼと干渉しないためには冷却円
筒は、最低１９０＋１００＝２９０ｍｍの高さが必要で
ある。実際には、溶融シリコン表面から冷却円筒下端ま
で３０ｍｍ程度離す必要があると考えられるので、単結
晶が冷却円筒と対面する長さは溶融シリコン上面から３
００ｍｍ以上となる。

【０００７】一方、図５に示した単結晶の熱履歴を見る
と、溶融シリコン表面から３００ｍｍ離れた位置での単
結晶の温度は８００℃程度である。したがって、溶融シ
リコン表面から３００ｍｍまでの領域を冷却円筒で覆っ
たとすると、この領域の冷却が促進され、３００ｍｍの
位置における単結晶の温度は８００℃以下になることは
明らかである。そうすると、８００℃〜６００℃の温度
域における滞在時間を長くする効果は期待できなくな
る。この問題を回避するために、例えば、石英るつぼの
高さを低くすることが考えられる。しかし、この場合に
は、初期の原料投入量が制約されるという新たな問題が
生ずる。つまり、原料として使用する多結晶シリコン
は、通常握りこぶし大の塊状のものを使用するので、充
填率が悪い。さらに、固体のシリコンは、液体のシリコ
ンより占有容積が大きいため、例えば、１８インチのる
つぼに４５ｋｇの多結晶シリコンを投入すると、るつぼ
の上端付近まで原料が詰まることになる。よって、るつ
ぼの高さを低くすると、投入する原料の量を減らさなけ
ればならない。

【０００８】さらに、冷却円筒の外径側の石英るつぼの
上部を覆っている部分を取り除くと、Ａｒガスが分散し
て流れ、溶融シリコンから蒸発したＳｉＯが冷却円筒付
近に滞留するため、時間の経過と共にＳｉＯが冷却円筒
に凝集、堆積し、多結晶化の原因となる問題が生ずる。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的
とするところは、初期に投入する原料を減らしたり、Ｓ
ｉＯの堆積により多結晶化したりすることなく、１１０
０℃〜８００℃の温度域の通過時間を短くし、かつ、８
００℃〜６００℃の温度域の通過時間を長くすることに
よって、積層欠陥が発生せず、酸化膜耐圧特性の良い単
結晶を育成できる単結晶引上装置を提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では先ず、溶融シリコンの表面直近に、引き
上げ結晶を１１００℃から８００℃まで急速に冷却する
ことができる冷却能力を有する、高さの低い冷却手段を
天井付近から棒体で吊下げ、Ａｒガスをその冷却手段の
内面に誘導するガイドチューブを設置したものである。

【００１０】すなわち、本願は、ＣＺ法によるＳｉ単結
晶引上装置において、（ａ）溶融シリコン表面直上の単
結晶の周囲を囲み上方から棒体で吊下された円筒状の冷
却ジャケット、（ｂ）この冷却ジャケットの外周面及び
下端面を覆う熱反射板、（ｃ）この冷却ジャケットより
上方に単結晶を取囲んで配設され、上方から供給される
Ａｒガスを冷却ジャケット内面に誘導すると共に単結晶
から周囲への放熱を遮断するガスガイドチューブを備え
たことを特徴とする単結晶引上装置である。

【００１１】

【作用】図１に、本発明の構成を示した。本発明では、
溶融シリコンの表面直近に円筒状の冷却ジャケット３０
を設置し、その外周及び下面は熱反射板３１で覆い、上
方にガスガイドチューブ３２を配設する。冷却ジャケッ
ト３０の高さは、単結晶の１１００℃〜８００℃の温度
域の通過時間を速くすることができ、かつ８００℃〜６
００℃の温度域には影響を与えないように、測温実験に
より決定する。

【００１２】冷却ジャケット３０により溶融シリコンが
冷却されて凝固することを防止するため、冷却ジャケッ
ト３０の外側に熱反射板３１を設置する。熱反射板３１
が冷却ジャケット３０により冷却されると、凝固を防止
する効果がなくなるので、冷却ジャケット３０と、熱反
射板３１との間には隙間を設ける。通常の引上では、引
上装置の上部よりＡｒガスを流しているが、溶融シリコ
ン２の表面は、石英るつぼ３の上端より低いため、Ａｒ
ガスは溶融シリコン表面近傍までは流れ込まない。した
がって、図１に示したように、石英るつぼの上端より低
い位置に冷却ジャケット３０を設置した場合は、溶融シ
リコン２から蒸発したＳｉＯが冷却ジャケット３０近傍
に滞留し、時間の経過と共に、凝集、堆積し、溶融シリ
コン中に落下すると育成中の単結晶が多結晶化する原因
となる。そこで、本発明においては、冷却ジャケット３
０の上方にガスガイドチューブ３２を設ける。このガス
ガイドチューブ３２は、単結晶の保温筒も兼ねている。
ガスガイドチューブ３２を設置することによって、結晶
引上装置の上方から流れ込んだＡｒガスが、ガスガイド
チューブ３２の内側を通過し、さらに冷却ジャケット３
０の内側を通過した後、溶融シリコン表面と熱反射板３
１との隙間を通過して、石英るつぼの内側に沿って上に
流れ、排出されるようになる。その結果、冷却ジャケッ
ト付近にＳｉＯが滞留しなくなり、冷却ジャケットにＳ
ｉＯが堆積することを防止することができる。

【００１３】ガスガイドチューブ３２とファーネスカバ
ー８とは、Ａｒガスをスムーズに流すためには密着させ
ることが望ましいが、隙間があっても、問題はない。む
しろ、金属製のガスガイドチューブを用いる場合には、
ガスガイドチューブからの抜熱を防止するために、ファ
ーネスカバーとの間に隙間を設ける方が良い。ガスガイ
ドチューブと、冷却ジャケットとの間にも、上記と同様
の理由で、隙間があってもよい。

【００１４】

【実施例】以下、図２、３、４に基づいて、本発明の実
施例を説明する。なお、本実施例では、直径１８インチ
の石英るつぼを用い、原料のシリコンを４５ｋｇ投入
し、直径６インチの単結晶を育成した場合について説明
する。図２は、本発明の実施例を示す図である。カーボ
ン製のサポートチューブ３３にモリブデン製の冷却ジャ
ケット吊具３４を載せ、冷却ジャケット吊具３４の先端
からロッド３５（棒体）を吊り下げ、冷却ジャケット３
０を吊下固定した。また、ガスガイドチューブ３２の外
側に保持具を取り付け、この保持具を冷却ジャケット吊
具３４の先端に載せ、ガスガイドチューブ３２を固定し
た。

【００１５】図３は、冷却ジャケット吊具３４の一例を
示すもので、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）はそのＡ
−Ａ矢視図である。冷却ジャケット吊具３４は、外径Ｄ
₁ ＝６００ｍｍ、内径Ｄ₂ ＝５４２ｍｍのリング状の部
材に、中心角１２０°ごとに半径方向水平棒３４ａを内
向きに取り付け、この水平棒３４ａに冷却ジャケット吊
下ロッド３５の上端を係止させ、またガスガイドチュー
ブ３２の保持具を載置する。図３（ｂ）においてロッド
係止部直径Ｄ₃ ＝２５０ｍｍ、内径Ｄ₄ ＝２４０ｍｍで
ある。

【００１６】図４は今回使用した冷却ジャケット３０の
部分構成図である。冷却ジャケット３０は図４に示すよ
うに内径Ｄ＝２５０ｍｍ、高さＨ＝１００ｍｍとした。
この寸法は、１１００℃〜８００℃の温度域の単結晶の
通過時間は短く、かつ、８００℃〜６００℃の温度域に
は影響を与えないように、測温実験により決定した。冷
却ジャケット３０の本体部は、銅パイプを螺旋状に巻い
た構造とし、銅パイプに冷却水を流し、冷却した。銅を
用いた理由は熱伝導率が高いからである。なお、冷却ジ
ャケットの構造に関しては、図４のような銅パイプを螺
旋状に巻いた構造でなくても、２重管構造でもよい。

【００１７】熱反射板３１は冷却ジャケット３０が溶融
シリコンを冷却するのを防止するものでモリブデンを鏡
面研磨したものを用い、冷却ジャケット３０により冷却
されないように、冷却ジャケット３０との間に隙間を設
け、設置した。熱反射板３１は、さらに反射率を高くす
るために、金鍍金を施したものを用いてもよい。熱反射
板３１と、溶融シリコン表面との距離は２０ｍｍ、冷却
ジャケット３０と、溶融シリコン表面との距離は３０ｍ
ｍとなるように位置決めした。

【００１８】ガスガイドチューブ３２は、直径２４０ｍ
ｍ、高さ２５０ｍｍの円筒形とし、モリブデンを鏡面研
磨したものを用いた。鏡面研磨したのは、反射率を高く
し、結晶からの熱放射を防止することによって、単結晶
の保温効果を高めるためである。なお、ガスガイドチュ
ーブ３２には、もっと反射率を高くするために、金鍍金
を施したものを用いてもよいし、単体、あるいは複層構
造の断熱材を用いてもよい。要は単結晶の保温効果が高
いものであれば良い。また、今回用いたガスガイドチュ
ーブは円筒状としたが、Ａｒガスが冷却ジャケットの内
側に流れ込み易いように、下側を細く絞りこんだ、円錐
形状としてもよい。

【００１９】図８、９は、単結晶引上中の、単結晶温度
変化を示した比較図である。図８は本発明と、冷却円筒
を用いない通常の引上、及び冷却円筒により単結晶の冷
却を促進する従来技術１との比較である。冷却円筒によ
り単結晶を覆ってしまう従来技術１では、通常の引上に
比べて、１１００℃〜８００℃の温度域通過時間が短く
なっているが、８００℃〜６００℃の温度域通過時間も
短くなっていることがわかる。それに対し、本発明で
は、１１００℃〜８００℃の温度域通過時間は短くなっ
ているが、逆に、８００℃〜６００℃の温度域の通過時
間は、通常の引上より長くなっていることがわかる。こ
れは、１１００℃〜８００℃の温度域に対しては、冷却
ジャケットによる冷却効果が効き、８００℃以下の温度
域に対しては、ガスガイドチューブの保温効果が効いて
いるためである。なお、各温度域における滞留時間は、
表１に示した。

【００２０】図９は、本発明と、冷却円筒により単結晶
を覆ってしまう従来技術１、及び冷却円筒の上部に、ア
フターヒータを設置する従来技術２との比較を示した図
である。この結果より、アフターヒータを用いた従来技
術２では、６００℃付近で冷却が抑制され、６００℃付
近での滞留時間は長くなっているものの、最初に８００
℃から６００℃まで冷却される時間は、従来技術１と殆
ど変わらないことがわかる。そして、一旦６００℃付近
まで冷却されてしまうと、その後冷却を抑制しても酸化
膜耐圧特性劣化防止には効果が期待できない。それに対
し、本発明では前述の通り、１１００℃〜８００℃の温
度域通過時間は短くすることができ、逆に、８００℃か
ら６００℃まで冷却される時間は長くなっており、酸化
膜耐圧特性劣化防止効果を期待することができる。

【００２１】なお、本比較実験において、従来技術２で
用いた冷却円筒の高さは３００ｍｍとし、溶融シリコン
表面から３０ｍｍ離して設置した。冷却円筒の長さをも
っと短くすれば８００℃〜６００℃の温度域対流時間を
長くできると思われるが、問題点として指摘したよう
に、石英るつぼと干渉するため、長さは短くできない。
また、アフターヒータの温度をもっと高くすれば、冷却
抑制効果は強くできるが、高さ３００ｍｍの冷却円筒を
用いるかぎりは、８００℃から６００℃までの冷却を大
幅に遅くすることは不可能である。

【００２２】表２は、積層欠陥、酸化膜耐圧特性の比較
である。表２より、本発明、冷却円筒により結晶を覆っ
てしまう従来技術１、ならびに、アフターヒータを用い
る従来技術２とも、積層欠陥の発生は同じように抑制で
きるが、従来技術１及び従来技術２では、酸化膜耐圧特
性劣化は防止できないことがわかる。それに対し、本発
明では、酸化膜耐圧劣化も起こしていない。

【００２３】また、本発明において、引上中にＳｉＯが
冷却ジャケットに堆積し、単結晶が多結晶化する問題も
一度も発生しなかった。

【００２４】

【表１】 ──────────────────────────────────── 温度域１１００〜８００℃ ８００〜６００℃ 本発明３時間５時間通常の引上げ４時間４時間従来技術１２時間３時間従来技術２２時間３．２時間 ────────────────────────────────────

【００２５】

【表２】 ──────────────────────────────────── 積層欠陥密度酸化膜耐圧（個／ｃｍ² ）（ＭＶ／ｃｍ）本発明０１０．３通常の引上げ３×１０³ １０．１従来技術１０７．４従来技術２０７．５ ────────────────────────────────────

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、高
さの低い冷却ジャケットを、溶融シリコン表面近傍に設
置できるようになったため、原料の初期投入量を減らし
たり、ＳｉＯが冷却ジャケットに堆積し単結晶が多結晶
化したりすることなく、１１００℃〜８００℃の温度域
の通過時間を短くすることができ、かつ、８００℃〜６
００℃の温度域滞留時間を長くできるようになった。そ
の結果、積層欠陥が発生せず、かつ、酸化膜耐圧特性の
良い単結晶を引き上げることが可能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略構成図である。

【図２】本発明の一実施例における装置の概略配置図で
ある。

【図３】本発明で用いる冷却ジャケット吊具の概略構成
図である。

【図４】冷却ジャケットの一実施例を示す概略部分構成
図である。

【図５】冷却円筒を用いない通常の引上における単結晶
の熱履歴を示す図である。

【図６】冷却円筒で単結晶を覆ってしまう従来技術１を
示す概略構成図である。

【図７】冷却円筒の上部にアフターヒータを設置する従
来技術２を示す概略構成図である。

【図８】本発明の効果を示す単結晶の熱履歴比較図であ
る。

【図９】本発明の効果を示す単結晶の熱履歴比較図であ
る。

【符号の説明】

１炉体２溶融シリコ
ン３石英るつぼ４カーボンる
つぼ５るつぼ回転軸６ヒータ７断熱材８ファーネス
カバー９単結晶保持ケーブル１０シードチャ
ック１２単結晶２０ａ冷却円筒２１アフターヒータ３０冷却ジャケ
ット３１熱反射板３２ガスガイド
チューブ３３サポートチューブ３４冷却ジャケ
ット吊具３５ロッド３４ａ水平棒

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者金田洋千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内 (72)発明者関康之千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究本部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＣＺ法によるＳｉ単結晶引上装置におい
て、溶融シリコン表面直上の単結晶の周囲を囲み上方か
ら棒体で吊下された冷却ジャケットと、該冷却ジャケッ
トの外周面及び下端面を覆う熱反射板と、該冷却ジャケ
ットの上方に単結晶を取囲んで配設され上方から供給さ
れるＡｒガスを該冷却ジャケット内面に誘導すると共に
単結晶から周囲への放熱を遮断するガスガイドチューブ
とを備えたことを特徴とする単結晶引上装置。