JPH09301794A - 単結晶引上げ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 引上げ中の単結晶１０の落下を防止する。そ
の防止に伴う引上げへの悪影響を回避する。 【解決手段】 単結晶１０に形成された肩部１４の上
に、ネック部１２を取り囲む筒体部３１を配置する。筒
体部３１内に、カーボンやセラミックからなる粒体５０
を装填する。筒体部３１を単結晶１０と同期して引上げ
る。ネック部１２に加わる荷重が、粒体５０を介して筒
体部３１に伝わることにより、その荷重が低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＣＺ法による単結晶
の育成に用いる単結晶引上げ方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ディバイスの製造に使用されるシ
リコンウェーハの素材としては、ＣＺ法により育成され
たシリコン単結晶が多用されている。ＣＺ法によるシリ
コン単結晶の育成では、周知の通り、引上げ軸の下端に
種結晶を装着し、石英坩堝内に生成されたシリコン融液
にこの種結晶を浸け、この状態から種結晶を回転させな
がら引上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結
晶を育成する。

【０００３】ここで種結晶は、直径が１０数ｍｍ程度の
シリコン単結晶からなる細かい棒体であり、上端部がシ
ードチャックに連結され、下端部がシリコン融液に浸漬
される。種結晶をシリコン融液に浸漬すると、熱衝撃に
より転位が導入されるため、種結晶をシリコン融液に浸
漬した後に種結晶の直径を絞り、しばらくの間この状態
を維持して結晶の無転位化を図るいわゆるネッキングが
実施される。ネック部の直径は無転位化の観点から５ｍ
ｍ以下が必要とされ、３ｍｍ以下が望ましいとされてい
る。

【０００４】ところで、ＣＺ法により育成されるシリコ
ン単結晶は、これまでは直径が８インチで重量が１００
ｋｇ前後のものが主流であった。しかし、最近になって
更なる大径化が求められ、直径が１２インチ以上のシリ
コン単結晶の育成も企画されている。単結晶の直径が大
きくなると、当然その重量も増え、直径が１２インチの
場合で重量は２００ｋｇに達する。

【０００５】育成中の単結晶の重量は種結晶の特にネッ
ク部に集中し、結晶重量が増大するとネック部にかかる
荷重も増大するが、シリコンの破壊強度は２０ｋｇ／ｍ
ｍ²程度であり、２００ｋｇのシリコン単結晶を確実に
保持するためには、少なく見積もっても５ｍｍを超える
直径がネック部に必要となる。ところが、５ｍｍを超え
る直径では種結晶を無転位化することが不可能である。
従って、現状の技術では２００ｋｇに達する単結晶の育
成は不可能である。

【０００６】このような問題を解決するために、単結晶
を成長させる過程でネック部の下にクビレ部を形成し、
そのクビレ部を複数の爪により周囲から機械的に保持し
て、ネック部に依存せずに単結晶の引上げを行う技術
は、特公平７−５１５号公報、特公平７−１０３０００
号公報等により提案されている。また、肩部の上に筒体
を載せてネック部を取り囲み、この中に熱硬化性樹脂等
の液状硬化物を注入して、その硬化物によりネック部を
補強する方法は、特開平５−２７０９６８号公報により
提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】単結晶に形成したクビ
レ部を機械的に保持する引上げ技術は、保持爪が不用意
に開かない限り、２００ｋｇを超える単結晶も確実に引
上げ、その落下を防止することができる。しかし、クビ
レ部を機械的に保持する際の衝撃により、単結晶が有転
位化するという問題がある。また現状の育成技術では、
結晶引上げ軸に対して対称的なクビレ部を形成すること
が困難である。そのため、クビレ部を保持して単結晶の
育成を行った場合には、単結晶が芯円性を損ない、これ
による有転位化や直径制御精度の低下が問題となる。ま
た単結晶が引上げ軸方向においてくねった形状になり、
後工程の外周部切削による切削代の増大も大きな問題と
なる。

【０００８】これに対し、熱硬化性樹脂等によりネック
部を補強する方法は、機械的衝撃による有転位化や結晶
形状による悪影響の問題を解決できる。しかし、引上げ
装置内が高温雰囲気に保たれ、単結晶自体も高温である
ことから、補強材である熱硬化性樹脂等から有機系のガ
スを生じ、装置内および単結晶を汚染するという問題が
あり、材質によっては熱変質により補強材としての機能
を維持できない場合も考えられる。また、筒体が載る肩
部の表面形状が周方向に対称とは言えず、完全な平坦面
でもないため、筒体からの液状硬化物の漏れも問題にな
る。

【０００９】本発明の目的は、２００ｋｇを超えるよう
な単結晶についてもその落下を防止し、且つその防止に
伴う引上げへの悪影響を可及的に回避することができる
単結晶引上げ方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の単結晶引上げ方
法は、上記目的を達成するために、原料融液に漬けた種
結晶を回転させながら引上げることにより、種結晶の下
方に単結晶を育成する単結晶引上げ方法において、単結
晶の肩部を形成した後、その上にネック部近傍を取り囲
む筒体を配置し、該筒体内に粒体を装填した状態で、該
筒体を種結晶と共に強制的に引上げるものである。

【００１１】本発明の単結晶引上げ方法においては、ネ
ック部に加わる荷重が、筒体内の粒体を介して筒体に分
散伝達し、その筒体が種結晶と共に強制的に引上げられ
ることにより、ネック部に加わる荷重が低減する。つま
り、単結晶はここでは種結晶および筒体により引上げら
れ、筒体は言うならば引上げ補助部材である。

【００１２】ここで、粒体はある程度の剛性を持ってい
ればよく、材質を広い範囲で選択することが可能である
ので、引上げ装置内でも、また単結晶と接触してもガス
発生や変質を生じない無機物を選択することができる。
従って、ガスによる汚染や熱変質による保持効果の低減
を回避することができる。

【００１３】粒体は又、筒体内に徐々に装填することが
できるので、装填の衝撃による有転位化を回避すること
ができる。

【００１４】粒体は又、単結晶の肩部上面を底面として
ネック部外面と筒体内面との間の空間に装填されるが、
ネック部やその下に形成したクビレ部が非対称な形状で
あっても、これらの部分に加わる荷重は周方向均等に筒
体に分散するので、ネック部やその下に形成したクビレ
部の非対称性に起因する問題を生じない。

【００１５】粒体は又、その粒径を任意に選択すること
ができるので、肩部と筒体との間に隙間ができても、そ
の隙間からの漏れを回避することか可能である。このた
め、隙間に対して神経質になる必要がなく、状況によっ
ては筒体を肩部から意図的に離して保持することも可能
となり、これにより筒体が肩部に接触する際の衝撃によ
る有転位化の恐れを回避することができる。

【００１６】粒体は又、表面に突起のある形状とするこ
とにより、相互に効果的にかみ合うので、ネック部に加
わる荷重を粒体に効率的に伝えることができる。同様の
効果は、粒体の内面に凹凸をつけることによっても得ら
れる。

【００１７】粒体は又、多孔質あるいは中空状とするこ
とにより、粒体の装填に伴って単結晶の肩部に加わる荷
重を低減することができる。

【００１８】粒体の材質は、引上げ装置内でも、また単
結晶と接触してもガス発生や熱劣化を生じない無機物が
望ましく、そのなかでも摩擦係数が比較的大きいカーボ
ンあるいはセラミック（ＳｉＣ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，Ａｌ₂ Ｏ
₃ ）が望ましい。

【００１９】粒体の直径は、小さすぎると単結晶の肩部
と筒体との隙間からこぼれてしまい、大きすぎるとネッ
ク部の保持力が低下してしまうことから、３〜１０ｍｍ
が望ましい。

【００２０】粒体の形状としては、摩擦係数を大きくし
荷重の伝達効率を高める点から、表面に突起のあるもの
が望ましい。

【００２１】単結晶においては、ネック部の下にクビレ
部を形成するのが望ましい。こうすることにより、単結
晶と粒体との間の結合強度が増し、ネック部に加わる荷
重が粒体に効率的に伝えられる。

【００２２】筒体の材質は、汚染の危険が少ない無機物
が望ましく、具体的にはモリブデン，タングステン，タ
ンタル等が望ましく、筒体の重量を重視すると、軽量で
あるカーボンコンポジットが望ましい。

【００２３】筒体の直径は、ネック部の下にクビレ部を
形成すること、及び筒体を単結晶の肩部上に確実に乗せ
ることを考慮して結晶直径の0.３〜0.８倍が望ましい。

【００２４】筒体においては、摩擦係数を大きくし荷重
の伝達効率を高める点から、内面に凹凸をつけるのが望
ましい。また、単結晶の肩部との間の隙間を小さくする
点などから、軸方向に伸縮可能とすることが望まれる。

【００２５】筒体を種結晶と同期して強制的に引上げる
手段としては、種結晶を保持して引上げるシードチャッ
クを利用するものが、装置構成が簡単であり、且つ単結
晶の回転・引上げとの同期精度も高いので、望ましい。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図示
例に基づいて説明する。図１は本発明を実施するのに適
した単結晶引上げ装置の１例についてその主要部を示す
立面図、図２は引上げ補助部材の平面図である。

【００２７】本引上げ装置は、シリコンの原料融液から
シリコン単結晶１０を引き上げる引上げ装置本体２０
と、単結晶１０の引上げを補助するために引上げ装置本
体２０のメインチャンバー２１とプルチャンバー２２と
の間に配置された引上げ補助部材３０と、同じくその引
上げ補助のためにプルチャンバー２２に取り付けた粒体
供給手段４０とを具備する。

【００２８】引上げ装置本体２０は、従来の引上げ装置
と基本的に同じであって、プルチャンバー２２内を通っ
てメインチャンバー内に垂下するワイヤ２３の下端にシ
ードチャック２４を取付け、これに装着した種結晶１１
を原料融液に浸漬した状態から、ワイヤ２３を回転させ
ながら上昇させることにより、まずネッキングを行い、
そのネック部１２の下方にグビレ部１３を形成した後、
肩部１４、胴部１５を順に育成して、メインチャンバー
２１の上面開口部２５からプルチャンバー２２内に引込
む構成になっている。

【００２９】引上げ補助部材３０は、内側に粒体が装填
される円筒状の筒体部３１と、筒体部３１の上端部から
外周側へフランジ状に延出した第１係止部３２と、筒体
部３１の上端部内側に設けた第２係止部３３と、筒体部
３１の上方に連続して設けた円筒状の枠部３４とからな
る。

【００３０】筒体部３１は、内径が単結晶１０の外径よ
り小さく、シードチャック２４の外径より大きい。筒体
部３１の下端面は、単結晶１０の肩部１４の傾斜に対応
したテーパー面になっており、内周面には凹凸が形成さ
れている。筒体部３１の上に設けた枠部３４は、粒体の
装填時に粒体がこぼれるのを防ぐ壁である。

【００３１】２つの係止部のうち、第１係止部３２は、
プルチャンバー２２内を昇降できるように、その内径よ
り小さい外径を有し、使用されないときはメインチャン
バー２１の開口部周囲に載って、引上げ補助部材３０を
メインチャンバー２１とプルチャンバー２１との間の待
機位置に保持する。

【００３２】第２係止部３３は、シードチャック２４に
載って引上げ補助部材３０の使用中にこれを保持する。
第２係止部３３の中心部には、ワイヤ２３の貫通孔３３
ａが設けられており、その周囲には、下方の筒体部３１
内に粒体を装填するために、複数の開口部３３ｂが設け
られている。また、開口部３３ｂに囲まれた下面中央部
には、シードチャック２４が嵌合する凹部３３ｃが形成
されている。そして、凹部３３ｃにシードチャック２４
が嵌合接触した状態で、筒体部３１の下端面が肩部１４
の上面に接触するか僅かに離反する程度に、筒体部３１
の高さが設定されている。

【００３３】粒体供給手段４０は、プルチャンバー２２
の下部外側に配設されており、引上げ補助部材３０が待
機位置に保持されている状態で、筒体部３１の内側に所
定量の粒体を、シュート４１により投入する。シュート
４１は、プルチャンバー２２を貫通してその中に挿入さ
れているが、引上げ補助部材３０および単結晶１０の引
上げを妨害しないために、進退可能な構成とされている
（図３参照）。

【００３４】次に、本引上げ装置を用いた単結晶１０の
育成方法について説明する。図３は単結晶１０の引上げ
プロセスを段階的に示す模式図である。

【００３５】引上げ装置本体２０のシードチャック２４
に装着された種結晶１１を、メインチャンバー２１内に
設置された坩堝内の原料融液に漬け、ワイヤ２３により
シードチャック２４を回転させながら上昇させることに
より、ネッキングを行う。ネッキングが終わると、肩部
１４を形成して、胴部１５の形成に移行するが、肩部１
４を形成するとき、ネック部１２の下にクビレ部１３を
形成する。

【００３６】育成前から育成初期にかけて、引上げ補助
部材３０は、第１係止部３２がメインチャンバー２１の
開口部周囲に係合することにより、メインチャンバー２
１とプルチャンバー２２との間の待機位置に保持されて
いる。

【００３７】単結晶１０の育成が進むと、図３（ａ）に
示すように、シードチャック２４が、待機位置にある引
上げ補助部材３０の第２係止部３３の中央部下面に当た
り、ここに設けた凹部３３ｃに嵌合する。これにより、
引上げ補助部材３０の筒体部３１の下面が、単結晶１０
の肩部１４の上面に当接するか、僅かの隙間をもって対
向する。こうして筒体部３１の底が閉じられると、粒体
供給手段４０により、ネック部１２およびクビレ部１３
が埋まるように、筒体部３１の内側に所定量の粒体５０
を投入する。

【００３８】粒体５０の投入が終わった後も、図３
（ｂ）に示すように、引き続きワイヤ２３によりシード
チャック２４を回転させながら上昇させる。これにより
単結晶１０が引上げられるが、このとき引上げ補助部材
３０は、第２係止部３３がシードチャック２４に載って
引上げられることにより、種結晶１１を含む単結晶１０
と同期して回転上昇する。ここで、引上げ補助部材３０
の筒体部３１は、筒体部３１内に装填された粒体５０を
介して単結晶１０のネック部１２およびクビレ部１３と
機械的に連結されている。そのため、単結晶１０は引上
げ補助部材３０によっても引上げられることになる。つ
まり、単結晶１０は、ネック部１２の近傍が粒体５０に
より保持されて、引上げ補助部材３０により補助的に引
上げられるのである。

【００３９】かくして、単結晶１０のネック部１２に加
わる荷重が低減される。図４はネック部の最小径と破断
強度との関係を、ネック部を保持したときと保持しない
場合とについて示す図表である。ネック部を保持して引
上げを行うことにより、ネック部の破断強度を倍増させ
ることができるので、２００ｋｇを超えるような単結晶
についてもその引上げが可能となる。

【００４０】実験では、直径８インチ、重量２００ｋｇ
のシリコン単結晶を育成するにあたって、上記方法を用
いた。引上げ補助部材３０は筒体部３１の内面に凹凸を
形成したモリブデン部材とし、筒体部３１の直径は６イ
ンチとした。粒体５０は平均直径が３ｍｍで表面に多数
の突起が形成されたコンペイ糖状のカーボン粒とし、装
填重量は２ｋｇとした。単結晶１０の育成初期に、ネッ
ク部１２の下に最大径８０ｍｍ、最小径４０ｍｍのクビ
レ部１３を形成した。ネック部１２を３ｍｍまで絞った
が、最後まで有転位化を生じることなく引上げを行うこ
とができた。また、問題となる装置内汚染および単結晶
汚染は生じなかった。

【００４１】図５は引上げ補助部材の別の例を示す立面
図である。ここに示された引上げ補助部材３０は、筒体
部３１を２重構造とし、外筒３１ｂを内筒３１ａに対し
て軸方向に移動可能としたものである。このように、筒
体部３１を軸方向に伸縮可能な構造とすることにより、
引上げ補助部材３０がシードチャック２４から離れる事
態や、単結晶１０と引上げ補助部材３０との間の隙間が
大きくなる事態が回避される。

【００４２】すなわち、図１〜３に示した引上げ補助部
材３０では、第２係止部３３がシードチャック２４に完
全に載ること、換言すれば筒体部３１が単結晶１０の肩
部１４に支持されないことが必要である。筒体部３１が
単結晶１０の肩部１４に載ってしまうと、第２係止部３
３がシードチャック２４から浮き上がり、引上げ補助部
材３０による補助的な引上げができなくなるからであ
る。そのため、肩部１４と筒体部３１との間に隙間があ
くことが多くなる。しかるに、図５に示した引上げ補助
部材３０では、筒体部３１の伸縮のため、その下端面が
肩部１４の上面に接触しても、第２係止部３３がシード
チャック２４に載ることとなり、その結果として肩部１
４と筒体部３１との間の隙間が可及的に小さく抑えられ
る。

【００４３】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の単結晶引
上げ方法は、ネック部近傍を取り囲む筒体内に粒体を装
填した状態で、該筒体を種結晶と共に引上げることによ
り、２００ｋｇを超えるような単結晶についてもその引
上げを可能にする。しかも、有転位化や汚染といった単
結晶の落下防止に伴う引上げへの悪影響を可及的に回避
することができる。従って、大径単結晶の育成技術の確
立に大きな効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するのに適した単結晶引上げ装置
の１例についてその主要部を示す立面図である。

【図２】引上げ補助部材の平面図である。

【図３】単結晶の引上げプロセスを段階的に示す立面図
である。

【図４】ネック部の最小径と破断強度との関係を、ネッ
ク部を保持したときと保持しない場合とについて示す図
表である。

【図５】引上げ補助部材の別の例を示す立面図である。

【符号の説明】

１０ 単結晶 １１ 種結晶 １２ ネック部 １３ クビレ部 １４ 肩部 １５ 胴部 ２０ 引上げ装置本体 ２１ メインチャンバー ２２ プルチャンバー ２３ ワイヤ ２４ シードチャック ３０ 引上げ補助部材 ３１ 筒体部 ３２ 第１係止部 ３３ 第２係止部 ４０ 粒体供給手段 ５０ 粒体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料融液に漬けた種結晶を回転させなが
   ら引上げることにより、種結晶の下方に単結晶を育成す
   る単結晶引上げ方法において、単結晶の肩部を形成した
   後、その上にネック部近傍を取り囲む筒体を配置し、該
   筒体内に粒体を装填した状態で、該筒体を種結晶と共に
   強制的に引上げることを特徴とする単結晶引上げ方法。