JPH06211590A - 単結晶体の製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】品質を維持しつつ構成部品の寿命を延ばす。 【構成】加熱チャンバ２ａの底部に断熱材６を挟むよう
にして第１と第２のガス排出口２３，２４を設けるとと
もに、それらを切り換える切換弁２７を設置する。そし
て、るつぼ３の位置が低いときには切換弁２７を第１ガ
ス排出口２３側にして、Ａｒガスを加熱ヒータ４とるつ
ぼ３の間に流し、るつぼ３の位置が高いときには切換弁
２７を第２ガス排出口２４側に切り換えて、Ａｒガスを
断熱材６と加熱チャンバ２ａ内壁の間に流す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体回路製造用の単
結晶基板の材料となる単結晶体の製造方法およびその装
置に関し、特に単結晶体の品質を確保しつつ同時に加熱
ヒータやるつぼ等の構成部品の寿命延長をも図りうるよ
うにしたものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造の分野においては、従来から
シリコン単結晶体の成長方法としてチョクラルスキー法
（ＣＺ法）が一般的に使用されている。この方法を用い
た装置の一例としては、例えば図５および図６に示すよ
うな装置が例示できる。

【０００３】これらの装置１ａ，１ｂは共に、主にシリ
コン溶融のための構造体が収容される加熱チャンバ２ａ
と引き上げられるシリコン結晶体Ｓを収納する引上げチ
ャンバ２ｂとからなるチャンバ２を有し、加熱チャンバ
２ａ内には、るつぼ３と、このるつぼ３の主に側面部を
取り囲むように配置された加熱ヒータ４とが設けられて
いる。るつぼ３には加熱ヒータ４によって溶融されるシ
リコンが収容される。このるつぼ３は、図示しない駆動
装置に回転軸５によって回転・昇降自在に支持され、結
晶引上げ中はこの駆動装置によって所定の速度で回転さ
れつつ液面低下分だけ上昇されるようになっている。通
常、るつぼ３は石英るつぼ３ａとこれを保護する黒鉛製
るつぼ３ｂとで構成されている。また、加熱ヒータ４の
外周、つまり加熱チャンバ２ａ側には断熱材６が配置さ
れている。この断熱材６によって、加熱ヒータ４からの
熱が加熱チャンバ２ａ外部に逃げるのが防止される。

【０００４】一方、引上げチャンバ２ｂ内には、頂壁を
挿通して垂下された引上げワイヤ７が設けられ、この引
上げワイヤ７の下端には種結晶８を保持するチャック９
が設けられている。この引上げワイヤ７の上端側は、ワ
イヤ巻上機１０に巻回されており、シリコン結晶体Ｓを
所定の速度で引き上げるようになっている。

【０００５】チャンバ２内には、引上げチャンバ２ｂに
形成されたガス導入口１１から例えばアルゴン（Ａｒ）
ガス等の不活性ガスが導入され、図示しない真空ポンプ
で吸引されて加熱チャンバ２ａ内を流通してガス排出口
１２ａ，１２ｂから排気される。このようにチャンバ２
内にＡｒガスを流通させるのは、加熱ヒータ４の加熱に
よるシリコンの溶融に伴ってチャンバ２内に発生するＳ
ｉＯガスやＣＯガスをシリコン融液中に混入させないよ
うにして、シリコン結晶体Ｓの不純物汚染や有転位化を
防止するためである。図５に示す装置１ａでは、ガス排
出口１２ａは、加熱チャンバ２ａの底部の加熱ヒータ４
直下付近に設けられ（これをＡタイプという）、また、
図６に示す装置１ｂでは、加熱チャンバ２ａの底部の周
縁部と断熱材６直下位置との間にガス排出口１２ｂが設
けられている（これをＢタイプという）。したがって、
Ａタイプの装置１ａでは、図５中の矢印で示すように、
ガス導入口１１から流入したＡｒガスは、主にるつぼ３
と加熱ヒータ４の間および加熱ヒータ４と断熱材６の間
を通ってガス排出口１２ａから排気されるのに対して、
Ｂタイプの装置１ｂでは、図６中の矢印で示すように、
チャンバ２内に流入したＡｒガスは、主に断熱材６と加
熱チャンバ２ａの内壁との間を通ってガス排出口１２ｂ
から排気されることになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、ガス排出
口の形成位置については概略ＡタイプとＢタイプの二つ
のタイプがあり、各タイプによってＡｒガスの流れ方が
相違している。そして、各タイプには一長一短があっ
て、従来は、設計思想によってＡタイプとＢタイプのど
ちらか一方に選択固定されていた。

【０００７】すなわち、Ａタイプの場合には、ガス導入
口１１から流入したＡｒガスはるつぼ３の位置にかかわ
りなくそのままほぼストレートにるつぼ３や加熱ヒータ
４に沿って流下するので、ガス流はあまり乱れず、チャ
ンバ２内のＳｉＯガスやＣＯガスを効率よく円滑に排気
することができるという長所を有する。この反面、ガス
流中のＳｉＯガスは加熱ヒータ４やるつぼと３と接触す
るため、これら炭素で出来た部材３，４とＳｉＯガスと
が反応して加熱ヒータ４等が損耗し、その寿命の低下を
もたらすという短所に加えて、ガス流が加熱ヒータ４の
近傍を通るため、加熱されて排気温度が高くなり、排気
管系のバルブやＯリング等に損傷をもたらすおそれがあ
る。

【０００８】これに対し、Ｂタイプの場合には、ガス導
入口１１から流入したＡｒガスは主に断熱材６とチャン
バ２ａ内壁との間を流下し、るつぼ３や加熱ヒータ４に
沿ってはほとんど流れないので、排気されるＳｉＯガス
やＣＯガスは加熱ヒータ４やるつぼ３とあまり接触せ
ず、したがって加熱ヒータ４やるつぼ３の寿命が長いと
いう長所のほか、上述のようにガス流は主に断熱材６の
外側を流れ加熱ヒータ４によって直接加熱されることは
ないので、排気温度が比較的低く、そのため排気管系を
痛めるおそれも少ないという長所を有する。しかしこの
反面、図中の点線で示すようなガス流の乱れが存在し、
るつぼ３の上部近傍にＡｒガスのほとんど流れないよど
みが生じ、このようなよどみではＳｉＯガスやＣＯガス
が滞留するので、付着したＳｉＯ粉やＣＯガスが融液の
中に落下または侵入してシリコン結晶体Ｓの不純物汚染
や有転位化を引き起こすおそれがある。この短所は、断
熱材６に対してるつぼ３の位置が低くなるほど、ガス流
の乱れが大きくなってよどみが顕在化するので、顕著に
なる。

【０００９】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、シリコン結晶体の不純物汚
染や有転位化を防止してその品質を維持するとともに、
加熱ヒータやるつぼの損耗ならびに排気管系の損傷をで
きるだけ防止して構成部品の寿命延長をも図ることがで
きる単結晶体の製造方法およびその装置を提供すること
を目的とする。

【００１０】

【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、昇降自在のるつぼ内で溶融する融液に種結
晶を接触させ、この種結晶を不活性ガス雰囲気下で徐々
に引き上げることで単結晶を成長させる単結晶の製造方
法において、前記るつぼの位置が相対的に低いときには
前記るつぼおよびこの外周に配置された加熱ヒータに沿
って流下する不活性ガスの流れを形成し、前記るつぼの
位置が相対的に高いときには前記加熱ヒータの外周に配
置された断熱材とチャンバ内壁との間を流下する不活性
ガスの流れを形成することを特徴とする。

【００１１】また、チャンバ内に融液を収容するるつぼ
とこのるつぼの外周に配置され前記るつぼを加熱する加
熱ヒータとを有し、前記チャンバの上部に設けられた不
活性ガス導入口から流入する不活性ガスを前記るつぼ方
向に流下させつつ、前記るつぼ内の融液から単結晶体を
引き上げ成長させる単結晶体の製造装置において、前記
加熱ヒータの外周にこの加熱ヒータからの熱を遮断する
断熱材を配置するとともに、前記チャンバの下部に前記
断熱材を挟んで内側と外側にそれぞれ第１と第２の不活
性ガス排出口を設け、これら第１と第２の不活性ガス排
出口を切り換える切換手段を有することを特徴とする。

【００１２】

【作用】上記のようなプロセスで製造されると、るつぼ
の位置が相対的に低く、したがって不活性ガス流の乱れ
が生じやすいときには、チャンバ内に導入された不活性
ガスはほぼストレートにるつぼや加熱ヒータに沿って流
下することになり、不活性ガス流の乱れは生じないの
で、排気の効率が上ってＳｉＯガスやＣＯガスの排気が
円滑になされて、品質が確保される。また、るつぼの位
置が相対的に高く、したがって不活性ガス流の乱れがそ
もそも生じにくいときには、不活性ガスは断熱材とチャ
ンバ内壁との間を流下することになるので、ＳｉＯガス
やＣＯガスとるつぼや加熱ヒータとの接触が回避され加
熱ヒータ等の損耗の度合いが減少するほか、加熱ヒータ
により直接加熱されることもなくなって排気温度が低下
する。したがって、全体として設備の劣化が遅くなり寿
命が延びる。

【００１３】また、上記のような構成にすると、切換手
段により第１不活性ガス排出口と第２不活性ガス排出口
を切り換えることによって、るつぼの相対位置に応じて
不活性ガスの流れを最適状態にすることができるように
なる。

【００１４】

【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。図１は本発明の一実施例による単結晶体の製造
装置の概略構成図、図２は同実施例の制御装置の動作フ
ローチャート、図３は同実施例によるるつぼ位置が低い
ときのガス流状態を示す図、図４は同じく同実施例によ
るるつぼ位置が高いときのガス流状態を示す図である。
なお、図５および図６の部材と共通の部材には同一の符
号を付してある。

【００１５】この単結晶体の製造装置２０は、シリコン
を溶融するための部材や結晶化したシリコンを引き上げ
る機構などを有しており、シリコン溶融のための部材は
加熱チャンバ２ａ内に収容され、シリコン単結晶を引き
上げる機構は、この加熱チャンバ２ａから分離機構１３
によって分離可能とされた引上げチャンバ２ｂ内外に設
けられている。

【００１６】加熱チャンバ２ａ内には、溶融しているシ
リコンを収容するるつぼ３が設けられ、このるつぼ３は
駆動装置２１に回転軸５によって回転・昇降自在に支持
されている。駆動装置２１は、シリコン単結晶Ｓの引上
げに伴う液面低下を補償すべくるつぼ３を液面低下分だ
け上昇させ、また、シリコン融液の攪拌を行うためにる
つぼ３を常時所定の回転数で回転させる。回転軸５は加
熱チャンバ２ａを貫通しているが、チャンバ２内外の気
密を保持し、またきわめて悪い温度条件の下での使用と
なるために、図示しない特殊なベアリングで保持されて
いる。るつぼ３は、従来と同様に石英るつぼ３ａとこれ
を保護する黒鉛製るつぼ３ｂとから構成されている。

【００１７】るつぼ３の側壁部分には、シリコンを溶融
させる加熱ヒータ４がその周囲を取り囲むように配置さ
れている。この加熱ヒータ４の外側には、この加熱ヒー
タ４からの熱が加熱チャンバ２ａに直接輻射されるのを
防止する断熱材６がその周囲を取り囲むように設けられ
ている。この断熱材６は環状の支持部２２に取り付けら
れている。この支持部２２は熱抵抗率の非常に大きな材
料で作られ、この支持部２２によって、断熱材６の下を
Ａｒガスが径方向に流れるのを完全に遮断している。そ
の結果、後述するようにどちらのガス排出口に切り換え
られようとも、チャンバ２内のガス流の乱れをそれぞれ
の最小限に抑えることができる。

【００１８】引上げチャンバ２ｂには、一端がワイヤ巻
上機１０に取り付けられ、この引上げチャンバ２ｂの頂
壁を挿通して垂れ下げられた引上げワイヤ７が設けら
れ、この引上げワイヤ７の下端には、種結晶８を保持す
るチャック９が取り付けられている。ワイヤ巻上機１０
は種結晶８の下端側に徐々に成長するシリコン単結晶体
Ｓをその成長速度等に従って引き上げ、同時に、るつぼ
３の回転方向とは反対に常時回転させる。

【００１９】チャンバ２内には、前述のように、加熱ヒ
ータ４の加熱によるシリコンの溶融に伴ってチャンバ２
内に発生するＳｉＯガスやＣＯガスをシリコン融液内に
混入させないようにするためにＡｒガスを流通させる
が、そのために、引上げチャンバ２ｂには、Ａｒガスを
チャンバ２内に導入するための不活性ガス導入口として
のガス導入口１１が形成され、また、本実施例では、加
熱チャンバ２ａの底部に、支持部２２を基準にしてその
内側と外側にそれぞれ第１不活性ガス排出口としての第
１ガス排出口２３および第２不活性ガス排出口としての
第２ガス排出口２４が形成されている。第１ガス排出口
２３と第２ガス排出口２４はそれぞれ従来のＡタイプと
Ｂタイプの各ガス排出口に対応するものである。第１ガ
ス排出口２３と第２ガス排出口２４はそれぞれ分岐管２
５，２６に接続され、これら分岐管２５，２６は切換手
段としての切換弁２７を介して本管２８に接続されてい
る。本管２８には、排気されるガス流の圧力を調節する
圧力制御弁２９と、真空ポンプ３０とが設けられてい
る。排気管３１はこの本管２８と分岐管２５，２６とで
構成されている。したがって、ガス導入口１１からチャ
ンバ２内に導入されたＡｒガスは、真空ポンプ３０によ
り引かれて加熱チャンバ２ａ内を流通し、切換弁２７の
位置に応じて第１ガス排出口２３または第２ガス排出口
２４から排出され、排気管３１を通って外に排気され
る。

【００２０】さらに、本実施例では、装置２０を自動制
御するべく制御装置３２が設けられている。この制御装
置３２には、駆動装置２１、切換弁２７、圧力制御弁２
９、真空ポンプ３０などが接続されているほか、制御に
必要な各種センサが接続されている。この制御装置３２
は、各種センサからの信号を演算処理して、駆動装置２
１、切換弁２７、圧力制御弁２９、真空ポンプ３０など
を総合的に制御する。その中で、切換弁２７の制御に関
しては、制御装置３２は、るつぼ３の断熱材６に対する
相対位置に応じて切換弁２７を第１ガス排出口２３側ま
たは第２ガス排出口２４側に切り換える。具体的には、
後述するように、るつぼ３の位置が「低い」ときには第
１ガス排出口２３と排気管３１とを連通させ、るつぼ３
の位置が「高い」ときには第２ガス排出口２４と排気管
３１とを連通させるような制御を行っている。というの
は、るつぼ３の位置が相対的に低いときには、ガス流の
乱れが発生しやすく品質の点で問題が生じやすいので、
チャンバ２内に発生するＳｉＯガスやＣＯガスを円滑に
排出して品質を確保するという点を重視すべきであっ
て、かかる観点からは、従来のＡタイプの場合のように
Ａｒガスをるつぼ３と加熱ヒータ４との間に流すのがＣ
Ｏガス等の円滑な排出の点で好ましい。これに対し、る
つぼ３の位置が相対的に高いときには、あまりガス流の
乱れは発生せず、品質不良の原因となるＡｒガスのよど
みが生じにくいので、たとえ従来のＢタイプの場合のよ
うにＡｒガスを断熱材６と加熱チャンバ２ａ内壁との間
に流したとしても一定レベル以上の品質を維持すること
は可能である。そこで、このときには、むしろ、上記の
場合に犠牲にされていた加熱ヒータ４やるつぼ３の寿命
の低下および排気温度の高温化という問題を改善するべ
く、従来のＢタイプのようなＡｒガスの流れ方が加熱ヒ
ータ４やるつぼ３の寿命延長および排気温度の低温化の
点で好ましいからである。

【００２１】本実施例においては、るつぼ３の位置の
「高い」または「低い」は、石英るつぼ３ａの上端が断
熱材６の上端より上にある場合を「高い」、そうでない
場合を「低い」と定義している。また、るつぼ３の位置
は、駆動装置２１内のモータに取り付けられたエンコー
ダ等の位置検出センサによって検知される。

【００２２】次に、以上のように構成された本発明の装
置の作用と、この装置によって実現される本発明の方法
とを説明する。

【００２３】まず、シリコン単結晶体を製造するにあた
って、分離機構により引上げチャンバ２ｂを加熱チャン
バ２ａから分離し、るつぼ３に原料となるシリコン粗結
晶体と非常に微量の不純物を投入して、分離機構１３に
より引上げチャンバ２ｂを加熱チャンバ２ａに取り付け
る。この状態で加熱ヒータ２ａを加熱してるつぼ３内の
シリコンが溶融されるのを待つ。このシリコンが溶融状
態となったら、ワイヤ巻上機１０を作動させて引上げワ
イヤ７を下ろし、チャック９に取り付けられた種結晶８
がシリコン融液表面に接するようにする。この状態で、
種結晶８にシリコンの結晶が成長し始めると、今度はワ
イヤ巻上機１０を所定の速度で引き上げて図１などに示
すようにシリコン結晶体Ｓを成長させていく。この過程
において、制御装置３２は、るつぼ３の位置に応じて切
換弁２７を第１ガス排出口２３側または第２ガス排出口
２４側に切り換えて、チャンバ２内を流通するＡｒガス
の流れのルートを制御する。

【００２４】すなわち、図２のフローチャートに示すよ
うに、制御装置３２は、るつぼ３の位置を検知すべく図
示しない位置検出センサの信号を入力して（Ｓ１）、前
記定義に従ってるつぼ３の位置が「低い」かどうかを判
断する（Ｓ２）。

【００２５】この判断の結果としてるつぼ３の位置が
「低い」とき（つまり石英るつぼ３ａの上端が断熱材６
の上端より下にあるかまたは等しいとき）、具体的に
は、例えば、るつぼ３内のシリコンが溶融を始めた初期
溶融のときや、シリコン中の酸素含有量が低い低酸素材
を引き上げるときなどには、切換弁２７を第１ガス排出
口２３側に設定して、チャンバ２内のＡｒガス流を第１
ガス排出口２３から排気するようにする（Ｓ３）。この
とき、ガス導入口１１から流入したＡｒガスは、従来の
Ａタイプの場合と同様、図３に示すように、るつぼ３と
加熱ヒータ４の間および加熱ヒータ４と断熱材６との間
を通って第１ガス排出口２３から排出される。前述のよ
うに、このときの排気効率は高いので、チャンバ２内に
発生するＳｉＯガスやＣＯガスを迅速かつ円滑にチャン
バ２の外に排気することができ、シリコン結晶体Ｓの不
純物汚染や有転位化を防止してすぐれた品質を確保する
ことができる。

【００２６】これに対して、ステップ２の判断の結果と
してるつぼ３の位置が「高い」とき（つまり石英るつぼ
３ａの上端が断熱材６の上端より高いとき）、具体的に
は、例えばシリコン単結晶体Ｓの成長が進みその引上げ
量が大きいときには、切換弁２７を第２ガス排出口２４
側に切り換えて、チャンバ２内のＡｒガス流を第２ガス
排出口から排気するようにする（Ｓ４）。このような切
り換えが許容されうるのは、前述したように、るつぼ３
の位置が「高い」ときには、そもそも断熱材６との高さ
関係においてガス流が大きく乱れるおそれがなく一定レ
ベル以上の排気効率は達成されるので、品質の確保はな
されており、ことさらにこの点を重視する必要はないか
らである。このとき、ガス導入口１１から流入したＡｒ
ガスは、従来のＢタイプの場合と同様、図４に示すよう
に、断熱材６と加熱チャンバ２ａ内壁との間を通って第
２ガス排出口２４から排出される。したがって、前述の
ように、排気されるＳｉＯガスやＣＯガスはるつぼ３や
加熱ヒータ４とあまり接触しないので、るつぼ３や加熱
ヒータ４の損耗が減少し、それらの寿命が延長されるほ
か、ガス流は加熱ヒータ４により直接加熱されることは
ないので、排気温度が低下して排気管系の損傷も減少
し、その寿命が向上する。

【００２７】このように、るつぼ３の位置に応じてチャ
ンバ２内のガス流のルートを最適状態に制御するように
したので、従来のＡタイプの装置１ａとＢタイプの装置
１ｂの各長所を積極的に享受できるようになり、品質の
維持を図りつつ、全体としてるつぼ３や加熱ヒータ４、
ならびに排気管３１系の寿命を向上させることができ
る。

【００２８】これを裏づけるために、本実施例の装置２
０および方法を使用したときの炭素濃度（固化率０．８
のとき）、加熱ヒータ４の寿命（抵抗率が５％変化する
までの時間）および排気温度（排気管の温度）を従来技
術（ＡタイプとＢタイプ）と比較する実験を行った。そ
の結果は次の表１に示す通りである。

【００２９】

【表１】

【００３０】以上の結果からわかるように、本発明の装
置２０を用いて本発明の方法を実施すると、炭素濃度の
低下、ヒータ寿命の延長、そして排気温度の低下といっ
た結果が得られるので、単結晶体の品質を維持しつつ同
時に装置の部品寿命を延ばすことができるようになる。

【００３１】なお、本実施例では、切換弁２７を自動制
御で切り換える構成を例示したが、これに限らず、状況
に応じて手動で切換弁２７を操作するようにしてもよ
い。

【００３２】また、本実施例では、るつぼ３の「高い」
「低い」を石英るつぼ３ａの上端と断熱材６の上端との
関係で定義したが、これに限定されないことはもちろん
である。上述した効果が得られるようなタイミングであ
れば、その切り換え時期はどのような基準であってもよ
い。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、るつ
ぼの相対位置に応じてチャンバ内の不活性ガスの流れを
最適化したので、品質を維持しつつ装置の部品寿命を延
ばすことができる。

【００３４】また、不活性ガス排出口を２系列設けて切
換弁で切り換えるようにしたので、チャンバ内の不活性
ガスの流れを自由に切り換えることができるようにな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による単結晶体の製造装置の
概略構成図である。

【図２】同実施例の制御装置の動作フローチャートであ
る。

【図３】同実施例によるるつぼ位置が低いときのガス流
の様子を示す図である。

【図４】同じくるつぼ位置が高いときのガス流の様子を
示す図である。

【図５】従来の装置の一例を示す概略構成図である。

【図６】従来の装置の他の一例を示す概略構成図であ
る。

【符号の説明】 ２…チャンバ ２ａ…加熱チャンバ ２ｂ…引上げチャンバ ３…るつぼ ４…加熱ヒータ ６…断熱材 ８…種結晶 １１…ガス導入口 ２２…支持部 ２３…第１ガス排出口（第１不活性ガス排出口） ２４…第２ガス排出口（第２不活性ガス排出口） ２７…切換弁（切換手段） ３１…排気管 ３２…制御装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】昇降自在のるつぼ内で溶融する融液に種結
   晶を接触させ、この種結晶を不活性ガス雰囲気下で徐々
   に引き上げることで単結晶を成長させる単結晶の製造方
   法において、 前記るつぼの位置が相対的に低いときには、前記るつぼ
   およびこの外周に配置された加熱ヒータに沿って流下す
   る不活性ガスの流れを形成し、 前記るつぼの位置が相対的に高いときには、前記加熱ヒ
   ータの外周に配置された断熱材とチャンバ内壁との間を
   流下する不活性ガスの流れを形成することを特徴とする
   単結晶体の製造方法。
2. 【請求項２】チャンバ内に融液を収容するるつぼとこの
   るつぼの外周に配置され前記るつぼを加熱する加熱ヒー
   タとを有し、前記チャンバの上部に設けられた不活性ガ
   ス導入口から流入する不活性ガスを前記るつぼ方向に流
   下させつつ、前記るつぼ内の融液から単結晶体を引き上
   げ成長させる単結晶体の製造装置において、 前記加熱ヒータの外周にこの加熱ヒータからの熱を遮断
   する断熱材を配置するとともに、前記チャンバの下部に
   前記断熱材を挟んで内側と外側にそれぞれ第１と第２の
   不活性ガス排出口を設け、これら第１と第２の不活性ガ
   ス排出口を切り換える切換手段を有することを特徴とす
   る単結晶体の製造装置。