JPH07291785A

JPH07291785A - 半導体単結晶製造装置および半導体単結晶製造方法

Info

Publication number: JPH07291785A
Application number: JP10793894A
Authority: JP
Inventors: Toyoshi Iwakiri; 豊志岩切; Yutaka Shiraishi; 裕白石; Shoei Kurosaka; 昇栄黒坂; Tadashi Hata; 忠志畑; Hiroshi Niikura; 啓史新倉
Original assignee: Sumco Techxiv Corp; Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1994-04-22
Filing date: 1994-04-22
Publication date: 1995-11-07
Also published as: TW287290B; TW307416U

Abstract

(57)【要約】【目的】原料供給部の下端を融液に浸漬し、この原料
供給部から前記融液に原料多結晶を供給する連続チャー
ジ法の半導体単結晶製造において、前記原料供給部で発
生する反応生成物などが単結晶育成部に流入することを
防止する。【構成】単結晶育成部１０の排気管路１４と、原料供
給部２０の排気管路２５との合流点１８の下流側に真空
ポンプ１７を設ける。前記合流点１８の上流側の排気管
路１４と、原料供給部の排気管路２５のそれぞれにバル
ブ１５，２６を設ける。前記バルブ１５の開度をバルブ
２６の開度より絞り、単結晶育成部１０の圧力を原料供
給部２０の圧力よりも０．５〜１Ｔｏｒｒ高く維持す
る。これにより、原料供給部で発生する反応生成物など
が単結晶育成部に混入せずに半導体単結晶製造装置の外
部に排出され、育成中の半導体単結晶の有転位化を防止
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、連続チャージ法を用い
て均質な半導体単結晶を連続的に製造する半導体単結晶
製造装置および半導体単結晶製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の基板には主として高純度の
単結晶シリコンが用いられているが、この単結晶シリコ
ンの製造方法の一つにチョクラルスキー法（以下ＣＺ法
という）がある。ＣＺ法においては、半導体単結晶製造
装置のチャンバ内に設置したるつぼ軸の上端にるつぼ受
けを介して黒鉛るつぼを載置し、前記黒鉛るつぼ内に収
容した石英るつぼに多結晶シリコンを充填した上、前記
黒鉛るつぼの周囲に設けたヒータによって多結晶シリコ
ンを加熱溶解して融液とする。そして、シードチャック
に取り付けた種子結晶を前記融液に浸漬し、シードチャ
ックおよび黒鉛るつぼを同方向または逆方向に回転しつ
つシードチャックを引き上げて単結晶シリコンを成長さ
せる。

【０００３】近年は半導体ウェーハの直径が大型化し、
８インチを超える大口径ウェーハが要求されるようにな
り、単結晶シリコンの直径も８インチ以上のものが主流
になりつつある。このため単結晶製造装置も大型化し、
１サイクル当たりの処理量が増大する傾向にある。しか
し、単結晶製造装置の大型化に伴って単結晶成長工程に
おける所要時間が長くなるとともに、その前後工程、た
とえば原料多結晶の溶解所要時間や、成長した単結晶シ
リコンを炉外に取り出した後、るつぼ、ヒータ等が清掃
可能な温度に下がるまでの冷却所要時間等も従来に比べ
て長くなっている。これらは単結晶シリコンの生産性を
低下させる要因になる。また石英るつぼは、多結晶シリ
コンの溶解時に加えられる熱負荷によって変形、割れ等
が発生するため、１本の単結晶シリコン引き上げごとに
新品と交換している。

【０００４】大口径の単結晶シリコンをＣＺ法によって
効率よく生産する手段の一つとして、引き上げた単結晶
シリコンの量に応じて原料をるつぼ内に供給し、連続的
に単結晶シリコンを引き上げる連続チャージ法が用いら
れている。図６は連続チャージ法を用いる半導体単結晶
製造装置の一例を模式的に示す部分断面図で、石英るつ
ぼ３の周縁部上方に２組の原料供給部２０が設置されて
いる。この原料供給部２０は、チャンバ１の上部から釣
支された棒状の多結晶シリコン（以下原料結晶棒とい
う）４を溶解して融液２に滴下させるもので、原料溶解
ヒータ２８と、前記原料溶解ヒータ２８を包囲する保護
筒２９と、前記保護筒２９の下端に取り付けられた石英
製の原料供給管２７とによって構成されている。前記原
料結晶棒４は、チャンバ１の上端と原料溶解ヒータ２８
との間に取着されたシールドカバー３１によって包囲さ
れ、原料溶解ヒータ２８と保護筒２９の上部との隙間は
断熱シール部材で封止されている。また、前記保護筒２
９の下端には原料供給部２０に導入した不活性ガスをチ
ャンバ１外に排出する通路となる環状のメルトカバー３
２が取着され、前記メルトカバー３２の外縁部には排気
管３３が接続されている。前記シールドカバー３１の上
部には単結晶育成部１０に導入される不活性ガスの管路
とは別の管路が接続されていて、前記２組の原料供給部
２０に不活性ガスが導入される。この不活性ガスは前記
原料結晶棒４の周囲を流下し、保護筒２９の下部に設け
た開口部からメルトカバー３２内に入り、原料供給部２
０で発生した不純物とともに前記排気管３３を経てチャ
ンバ１外に排出される。一方、半導体単結晶製造装置の
上部から単結晶育成部１０に導入された不活性ガスは、
育成中の半導体単結晶５の周囲を流下し、前記メルトカ
バー３２と融液２との間を流れ、黒鉛るつぼ６とメイン
ヒータ７との隙間およびメインヒータ７と保温筒８との
隙間を流下して、チャンバ１の底部に設けた排気口１ａ
から前記単結晶育成部で発生した不純物とともにチャン
バ１外に排出される。また、不活性ガスの一部はチャン
バ１と保温筒８との隙間を流下して、前記排気口１ａか
らチャンバ１外に排出される。

【０００５】原料供給管２７の下端は融液２に浸漬さ
れ、落下する液滴によって単結晶育成部の融液２に振動
が伝播することを防止している。また、原料供給部２０
は、上記構造により単結晶育成部１０から隔離された独
立の空間を形成しているので、原料供給部２０と単結晶
育成部１０との気相が分離されている。チャンバ１の底
部に設けた排気口１ａに接続された排気管路と、メルト
カバー３２外縁部の排気管３３に接続された排気管路と
は合流した上、真空ポンプに至る。原料結晶棒４は１本
ずつ交互に前記原料溶解ヒータ２８内に吊り降ろされ、
片側の原料結晶棒の溶解が終了すると他側の原料結晶棒
を溶解し、連続的に原料の供給が行われる。なお、９は
るつぼ軸である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】原料供給部には、融液
と石英るつぼあるいは原料供給管との反応によって発生
するＳｉＯ_Xのアモルファスや前記ＳｉＯ_Xと原料溶解
ヒータから発生するＣとの反応によるＳｉＣと、ＣＯあ
るいはＣＯ₂ガスなどが存在する。これらの反応生成物
は原料供給部内を流下する不活性ガスによってチャンバ
外に排出されるが、その一部は単結晶育成部に洩れ出し
て融液を汚染する。前記アモルファスは融液面上を浮遊
し、育成中の半導体単結晶の固液界面に接触した場合は
前記単結晶の転位を引き起こす。また、図７に示すよう
に、原料供給管２７内すなわち保護筒２９とメルトカバ
ー３２との接続部より下方では不活性ガスの流れが悪
く、不活性ガスが前記原料供給管２７内に停滞しやす
い。このため、前記反応生成物が排出されにくく、滴下
する原料結晶棒の液滴を汚染するおそれがある。従っ
て、単結晶育成部と原料供給部の気相を分離して真空引
きするだけでは前記原料供給部内の反応生成物による融
液汚染や半導体単結晶に及ぼす悪影響を防止することが
できない。

【０００７】本発明は上記従来の問題点に着目してなさ
れたもので、第１の目的は原料供給部で発生する反応生
成物の単結晶育成部への混入防止であり、第２には原料
供給管内における不活性ガスの滞留による融液汚染を防
止することができるような半導体単結晶製造装置および
半導体単結晶製造方法を提供することを目的としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体単結晶製造装置は、るつぼに貯
留した融液に原料供給部の下端を浸漬することによって
前記原料供給部と単結晶育成部とを気相分離し、前記原
料供給部から前記融液に原料多結晶を連続的に供給しつ
つ半導体単結晶を引き上げる半導体単結晶製造装置にお
いて、前記単結晶育成部の圧力を原料供給部の圧力より
高く維持する手段を設けたことを特徴とし、具体的に
は、半導体単結晶の原料を充填するるつぼと、前記るつ
ぼの周囲に設置され、るつぼ内の原料を溶解するメイン
ヒータと、前記るつぼ内の融液に種子結晶を浸漬して半
導体単結晶を引き上げる引き上げ機構とを有し、原料溶
解ヒータにより原料結晶棒を溶解してその液滴を前記る
つぼ内に供給する原料供給部をるつぼの周縁部上方に備
えた半導体単結晶製造装置において、単結晶育成部に接
続した排気管路と原料供給部に接続した排気管路とを合
流させ、合流点より下流側に真空ポンプを備えるととも
に、前記単結晶育成部と合流点との間の排気管路および
前記原料供給部と合流点との間の排気管路のそれぞれ
に、これらの管路の開度を調節するバルブを設ける構成
とした。

【０００９】また、原料供給部の下端に取り付ける原料
供給管において、融液に浸漬する部分の上方に軸心と直
角方向に開口する少なくとも１個の開口部を設けてもよ
く、原料供給部の下端に取り付ける原料供給管におい
て、融液に浸漬する部分の上方に軸心と直角方向に開口
する開口部を設けるとともに、この開口部の開度を調節
するバルブを前記原料供給管の外側に取り付けてもよ
い。

【００１０】次に、上記の半導体単結晶製造装置を用い
る場合の半導体単結晶製造方法は、るつぼに貯留した融
液に原料供給部の下端を浸漬することによって前記原料
供給部と単結晶育成部とを気相分離し、前記原料供給部
から前記融液に原料多結晶を連続的に供給しつつ半導体
単結晶を引き上げる半導体単結晶の製造において、単結
晶育成部に接続した排気管路と原料供給部に接続した排
気管路との合流点と前記単結晶育成部との間に設けた排
気管路、および前記合流点と原料供給部との間に設けた
排気管路のそれぞれに設けたバルブの開度を調節するこ
とにより、単結晶育成部の圧力を原料供給部の圧力より
高く維持して半導体単結晶の引き上げを行うことを特徴
とし、単結晶育成部と原料供給部との圧力差を、０．５
〜１Ｔｏｒｒに維持するものとした。また、原料供給
部の下端に取り付ける原料供給管において、融液に浸漬
する部分の上方に軸心と直角方向に設けた開口部から、
単結晶育成部を流れる不活性ガスの一部を前記原料供給
管内に導入しつつ半導体単結晶の引き上げを行うように
してもよい。

【００１１】

【作用】上記構成によれば、単結晶育成部に接続した排
気管路と原料供給部に接続した排気管路との合流点の下
流側に排気ポンプを設けるとともに、前記単結晶育成部
と合流点との間の排気管路および前記原料供給部と合流
点との間の排気管路にそれぞれバルブを設け、これらの
バルブの開度を調節することにより、単結晶育成部の圧
力を原料供給部の圧力より高く維持して半導体単結晶の
引き上げを行うこととした。具体的には、前記単結晶育
成部と原料供給部との圧力差を０．５〜１Ｔｏｒｒに維
持することとしたので、原料供給部で発生する反応生成
物は単結晶育成部に混入することなく半導体単結晶製造
装置の外部に排出される。単結晶育成部の圧力を原料供
給部の圧力より僅かに高くすることにより、前記原料供
給部の不純物が単結晶育成部に混入せず、かつ真空引き
に影響を与えずに済むので、前記圧力差０．５〜１Ｔｏ
ｒｒは妥当な値である。

【００１２】また、原料供給機構の下端に取り付ける原
料供給管において、融液に浸漬する部分の上方に開口部
を設け、この開口部から、単結晶育成部を流れる不活性
ガスの一部を前記原料供給管内に導入しつつ半導体単結
晶の引き上げを行うようにすれば、原料供給管内に滞留
している不純物を含む不活性ガスの排出が容易となる。
更に、前記原料供給管の開口部にバルブを取り付け、こ
のバルブを操作して開口部の開度を調節することによ
り、単結晶育成部の不活性ガス流を適切に維持すること
ができる。

【００１３】

【実施例】以下に、本発明に係る半導体単結晶製造装置
の実施例について、図面を参照して説明する。図１は、
連続チャージ法を用いるための２組の原料供給部を備
え、前記原料供給部が単結晶育成部から隔離された半導
体単結晶製造装置における不活性ガスラインの模式的説
明図である。同図において、単結晶育成部１０に導入す
る不活性ガスは半導体単結晶製造装置の上端に接続した
管路１１から供給され、原料供給部２０に導入する不活
性ガスは半導体単結晶製造装置の上端に接続した管路２
１および管路２２から供給される。チャンバ１の底部２
箇所には、前記単結晶育成部１０を流れた不活性ガスの
排気管路１２および排気管路１３が接続され、これらの
排気管路１２，１３は合流して排気管路１４となり、バ
ルブ１５およびバルブ１６を介して真空ポンプ１７に接
続されている。また、前記チャンバ１の左右側壁には、
前記原料供給部２０を流れた不活性ガスの排気管路２３
および排気管路２４が接続され、これらの排気管路２
３，２４は合流して排気管路２５となる。この排気管路
２５は、バルブ２６を介して前記バルブ１５とバルブ１
６との中間の排気管路１４に合流点１８で合流してい
る。

【００１４】次に、上記半導体単結晶製造装置を用いる
場合の半導体単結晶製造方法について説明する。半導体
単結晶の引き上げに当たり、単結晶育成部１０と原料供
給部２０との排気能力を適切に分配するため、バルブ１
５及びバルブ２６の開度を調節する。たとえば、単結晶
育成部１０の圧力を１４．５Ｔｏｒｒ、原料供給部２０
の圧力を１３．５Ｔｏｒｒとし、差圧を１Ｔｏｒｒとす
る場合、不活性ガスの流量は単結晶育成部１０に対して
７０ｌ／ｍｉｎ、左右の原料供給部２０に対してそれぞ
れ４ｌ／ｍｉｎ、合計８ｌ／ｍｉｎとする。バルブ１５
の開度を１／２とし、バルブ２６を全開にする。このよ
うな状態で真空ポンプ１７を駆動して真空引きする。な
お、バルブ１６は全開とする。前記条件は一例であり、
単結晶育成部、原料供給部の不活性ガス流量を任意に設
定した場合でも、前記バルブ１５，２６の開度調節によ
り原料供給部を単結晶育成部に対して負圧に保つことが
できる。

【００１５】図２（ａ）は、バルブ開度を上記の通り調
節したときの原料供給管内外の融液レベルの変化を示す
説明図である。原料供給部の下端に取り付けられた原料
供給管２７の下端は融液２に浸漬されているが、単結晶
育成部に対して原料供給部の圧力が１Ｔｏｒｒ低いた
め、前記原料供給管２７内の融液レベルは原料供給管２
７の外側すなわち単結晶育成部の融液レベルより上昇し
ている。これにより、原料供給部で発生したアモルファ
スのＳｉＯ_X，ＳｉＣやＣＯ，ＣＯ₂ガスの単結晶育成
部への流入が阻止され、育成する半導体単結晶の有転位
化を防止することができる。

【００１６】上記図２（ａ）に対する比較例として、不
活性ガスの流量を単結晶育成部に対して７０ｌ／ｍｉ
ｎ、左右の原料供給部に対してそれぞれ４ｌ／ｍｉｎと
し、図１のバルブ１５を全開、バルブ２６の開度を１／
２とした上、炉内圧力すなわち単結晶育成部の圧力が１
４．５Ｔｏｒｒになるように真空引きした場合の融液レ
ベルの変化を調べた。この場合、図２（ｂ）に示すよう
に、原料供給管２７内の融液レベルは単結晶育成部の融
液レベルより下降し、原料供給部の圧力は１４．５Ｔｏ
ｒｒより高くなった。このように原料供給部が陽圧にな
ると、原料供給部内の反応生成物は単結晶育成部に流出
し、育成単結晶の有転位化を招くことがある。

【００１７】図３は請求項３に基づく原料供給管の断面
図である。原料供給管２７には、この原料供給管の下端
を融液に浸漬したとき融液面より上方となる位置に、軸
心と直角方向に開口する少なくとも１個の開口部２７ａ
が設けられている。図４は前記原料供給管２７の機能を
示す説明図である。さきに述べたように、原料供給部の
圧力は単結晶育成部の圧力より０．５〜１Ｔｏｒｒ低く
設定されているので、原料供給管２７の外側すなわち単
結晶育成部から開口部２７ａに不活性ガスが流入する。
原料供給管２７内の融液面付近からメルトカバー３２に
流入する不活性ガス流が形成されることにより、従来、
原料供給管２７内に滞留しがちであったアモルファスシ
リコン、ＣＯ₂などの不純物は前記メルトカバー３２内
を通って排出される。

【００１８】図５は請求項４に基づく原料供給管の断面
図である。この原料供給管２７には、下端を融液に浸漬
したとき融液面より上方となる位置に、軸心と直角方向
に開口する少なくとも１個の開口部２７ａと、前記開口
部２７ａの開度を調節するバルブ２７ｂとが設けられて
いる。このバルブ２７ｂは前記原料供給管２７の外側に
摺動自在に取り付けられ、図示しない開閉機構によって
駆動される。前記開口部２７ａの開度調節により、単結
晶育成部を通る不活性ガスの流れ、特に育成中の半導体
単結晶の周囲を流下した後、融液面に沿ってるつぼの内
壁に流れ、るつぼとメインヒータとの隙間あるいはメイ
ンヒータと保温筒との隙間を流下する不活性ガス流の乱
れを防止することができる。なお、前記バルブ２７ｂ
は、原料供給管２７の外周に沿って回動するリングに開
口部２７ａと重なり合う開口部を設けたものでもよい。

【００１９】原料供給管の材質としては、一般に用いら
れている石英のほかに、融液と反応しにくいＳｉＣまた
はＳｉ₃Ｎ₄を用いてもよい。また本実施例では、原料
結晶棒を溶解してその液滴を融液に供給する連続チャー
ジ法の半導体単結晶製造について説明したが、本発明は
これに限るものではなく、単結晶育成部と原料供給部と
が気相分離されていれば融液に粒状の原料多結晶をその
まま供給する連続チャージ法の半導体単結晶製造に対し
ても適用することができる。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、単
結晶育成部の排気管路と原料供給部の排気管路との合流
点の下流側に排気ポンプを設けるとともに、前記合流点
に至る単結晶育成部の排気管路と原料供給部の排気管路
のそれぞれにバルブを設け、これらのバルブの開度を調
節して単結晶育成部の圧力を原料供給部の圧力より高く
維持することにしたので、原料供給部で発生する反応生
成物は単結晶育成部に混入することなく半導体単結晶製
造装置の外部に排出される。また、原料供給部の下端に
取り付ける原料供給管において、融液に浸漬する部分の
上方に開口部を設け、この開口部から単結晶育成部のガ
スの一部を前記原料供給管内に導入しつつ半導体単結晶
の引き上げを行うようにすれば、原料供給管内に滞留し
ている不純物を含む不活性ガスの排出が容易となる。更
に、前記原料供給管の開口部にバルブを取り付け、この
バルブを操作して開口部の開度を調節することにより、
単結晶育成部の不活性ガス流を適切に維持することがで
きる。これらの改良を施すことにより、連続チャージ法
を用いる半導体単結晶の製造において、原料供給部で発
生する反応生成物に起因する半導体単結晶の有転位化を
未然に防止することが可能となり、高品質の半導体単結
晶を能率良く製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】連続チャージ法を用いる半導体単結晶製造装置
における不活性ガスラインの模式的説明図である。

【図２】原料供給管内外の融液レベルの変化を示す説明
図で、（ａ）は単結晶育成部の圧力を原料供給部の圧力
より高く維持した場合、（ｂ）は単結晶育成部の圧力が
原料供給部の圧力より低くなった場合を示す。

【図３】請求項３に基づく原料供給管の断面図である。

【図４】図３の原料供給管を用いた場合の不活性ガスの
流れを示す説明図である。

【図５】請求項４に基づく原料供給管の断面図である。

【図６】連続チャージ法を用いる半導体単結晶製造装置
の一例を模式的に示す部分断面図である。

【図７】原料供給管内における不活性ガスの滞留を示す
説明図である。

【符号の説明】

２融液３石英るつぼ４原料結晶棒５半導体単結晶７メインヒータ１０単結晶育成部１２，１３，１４，２３，２４，２５排気管路１５，１６，２６，２７ｂバルブ１７真空ポンプ１８合流点２０原料供給部２７原料供給管２７ａ開口部２８原料溶解ヒータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者畑忠志神奈川県平塚市四之宮2612 コマツ電子金属株式会社内 (72)発明者新倉啓史神奈川県平塚市四之宮2612 コマツ電子金属株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】るつぼに貯留した融液に原料供給部の下
端を浸漬することによって前記原料供給部と単結晶育成
部とを気相分離し、前記原料供給部から前記融液に原料
多結晶を連続的に供給しつつ半導体単結晶を引き上げる
半導体単結晶製造装置において、前記単結晶育成部の圧
力を原料供給部の圧力より高く維持する手段を設けたこ
とを特徴とする半導体単結晶製造装置。
【請求項２】半導体単結晶の原料を充填するるつぼ
と、前記るつぼの周囲に設置され、るつぼ内の原料を溶
解するメインヒータと、前記るつぼ内の融液に種子結晶
を浸漬して半導体単結晶を引き上げる引き上げ機構とを
有し、原料溶解ヒータにより原料結晶棒を溶解してその
液滴を前記るつぼ内に供給する原料供給部をるつぼの周
縁部上方に備えた半導体単結晶製造装置において、単結
晶育成部に接続した排気管路と原料供給部に接続した排
気管路とを合流させ、合流点より下流側に真空ポンプを
備えるとともに、前記単結晶育成部と合流点との間の排
気管路および前記原料供給部と合流点との間の排気管路
のそれぞれに、これらの管路の開度を調節するバルブを
設けたことを特徴とする請求項１の半導体単結晶製造装
置。
【請求項３】原料供給部の下端に取り付ける原料供給
管において、融液に浸漬する部分の上方に軸心と直角方
向に開口する少なくとも１個の開口部を設けたことを特
徴とする請求項２の半導体単結晶製造装置。
【請求項４】原料供給部の下端に取り付ける原料供給
管において、融液に浸漬する部分の上方に軸心と直角方
向に開口する開口部を設けるとともに、この開口部の開
度を調節するバルブを前記原料供給管の外側に取り付け
たことを特徴とする請求項２の半導体単結晶製造装置。
【請求項５】るつぼに貯留した融液に原料供給部の下
端を浸漬することによって前記原料供給部と単結晶育成
部とを気相分離し、前記原料供給部から前記融液に原料
多結晶を連続的に供給しつつ半導体単結晶を引き上げる
半導体単結晶の製造において、単結晶育成部に接続した
排気管路と原料供給部に接続した排気管路との合流点と
前記単結晶育成部との間に設けた排気管路、および前記
合流点と原料供給部との間に設けた排気管路のそれぞれ
に設けたバルブの開度を調節することにより、単結晶育
成部の圧力を原料供給部の圧力より高く維持して半導体
単結晶の引き上げを行うことを特徴とする半導体単結晶
製造方法。
【請求項６】単結晶育成部と原料供給部との圧力差
を、０．５〜１Ｔｏｒｒに維持することを特徴とする請
求項５の半導体単結晶製造方法。
【請求項７】原料供給部の下端に取り付ける原料供給
管において、融液に浸漬する部分の上方に軸心と直角方
向に設けた開口部から、単結晶育成部を流れる不活性ガ
スの一部を前記原料供給管内に導入しつつ半導体単結晶
の引き上げを行うことを特徴とする請求項５の半導体単
結晶製造方法。