JPH1087393A - 単結晶引上装置におけるヒーター電極構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 中間電極へのクラック発生を未然に防止する
ことのできる、単結晶引上装置におけるヒーター電極構
造を提供する。 【解決手段】 ヒーター１０４はルツボを囲むように設
けられ、このヒーター１０４にはグラファイト製の中間
電極１６が接続され、この中間電極１６を、冷却水通路
１５ｄを有する導電性金属電極１５で支持している。導
電性金属電極１５の上端部には雄ねじ１５ｅが形成され
ており、中間電極１６の下端部は大径部１６ｃになって
いる。グラファイト製のナット部材１７が導電性金属電
極１５の雄ねじ１５ｅに螺合され、ナット部材１７の上
端の突出部１７ｂで中間電極１６の大径部１６ｃを導電
性金属電極１５の大径部１５ａに押圧する。ヒーター１
０４の径方向への熱膨張に起因して、ナット部材１７が
熱応力により破断する場合があるが、中間電極１６の導
電性金属電極１５への結合部にクラックが入らない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ルツボを用いて貯
留された半導体融液より半導体単結晶を引き上げる単結
晶引上装置に関し、特に、前記ルツボを加熱するための
ヒーターの電極構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコン（Ｓｉ）やガリウムひ素
（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶を成長する方法の一つと
して、ＣＺ法が知られている。このＣＺ法は、大口径、
高純度の単結晶が無転位あるいは格子欠陥の極めて少な
い状態で容易に得られること等の特徴を有することか
ら、様々な半導体結晶の成長に用いられている方法であ
る。

【０００３】近年、単結晶の大口径化、高純度化、酸素
濃度および不純物濃度等の均一化の要求に伴いこのＣＺ
法も様々に改良され実用に供されている。上記ＣＺ法の
改良型の一つにいわゆる二重ルツボを用いた連続チャー
ジ型磁界印加ＣＺ法（以下、ＣＭＣＺ法と省略する）が
提案されている。この方法は、外部からルツボ内の半導
体融液に磁界を印加することにより、前記半導体融液内
の対流を抑制し極めて酸素濃度の制御性がよく単結晶化
率がよい単結晶を成長させることができ、外側のルツボ
と内側のルツボとの間に原料を連続供給し長尺の半導体
単結晶を容易に得ることができる等の特徴を有する。し
たがって、大口径かつ長尺の半導体単結晶を得るには最
も優れた方法の一つと言われている。

【０００４】図３は、特開平４−３０５０９１号公報に
記載されている、上記のＣＭＣＺ法を用いたシリコンの
単結晶引上装置の一例である。この単結晶引上装置１０
１は、中空の気密容器であるチャンバ１０２内に二重ル
ツボ１０３、ヒーター１０４、原料供給管１０５がそれ
ぞれ配置され、前記チャンバ１０２の外部にマグネット
１０６が配置されている。なお、後述する本発明は、Ｃ
ＭＣＺ法による単結晶引上装置に適用されるに限らず、
例えば、磁界印加を行わない連続チャージ型ＣＺ法（Ｃ
ＣＺ法）による単結晶引上装置や、二重ルツボではなく
１つのルツボを備えた単結晶引上装置にも適用できる。

【０００５】二重ルツボ１０３は、略半球状の石英（Ｓ
ｉＯ₂）製の外ルツボ１１１と、該外ルツボ１１１内に
設けられた円筒状の仕切り体である石英（ＳｉＯ₂）製
の内ルツボ１１２とから構成され、該内ルツボ１１２の
側壁には、内ルツボ１１２と外ルツボ１１１との間（原
料融解領域）と内ルツボ１１２の内側（結晶成長領域）
とを連通する連通孔１１３が複数個形成されている。

【０００６】この二重ルツボ１０３は、チャンバ１０２
の中央下部に垂直に立設されたシャフト１１４上のサセ
プタ１１５に載置されており、前記シャフト１１４の軸
線を中心として水平面上で所定の角速度で回転する構成
になっている。そして、この二重ルツボ１０３内には半
導体融液（加熱融解された半導体単結晶の原料）１２１
が貯留されている。

【０００７】ほぼ円筒状のヒーター１０４は、半導体の
原料をルツボ内で加熱・融解するとともに生じた半導体
融液１２１を保温するもので、通常、抵抗加熱ヒーター
が用いられる。なお、ヒーター１０４の詳細構造につい
ては後述する。原料供給手段としての原料供給管１０５
は、その下端開口より、所定量の半導体の原料１１０を
外ルツボ１１１と内ルツボ１１２との間の半導体融液１
２１面上に連続的に投入するものである。

【０００８】上記の原料供給管１０５から供給される原
料１１０としては、例えば、多結晶シリコンのインゴッ
トを破砕機等で破砕してフレーク状にしたもの、あるい
は、気体原料から熱分解法により粒状に析出させた多結
晶シリコンの顆粒が好適に用いられ、必要に応じてホウ
素（Ｂ）（ｐ型シリコン単結晶を作る場合）やリン
（Ｐ）（ｎ型シリコン単結晶を作る場合）等のドーパン
トと呼ばれる添加元素がさらに供給される。また、ガリ
ウムヒ素（ＧａＡｓ）の場合も同様で、この場合、添加
元素は亜鉛（Ｚｎ）もしくはシリコン（Ｓｉ）等とな
る。

【０００９】上記の単結晶引上装置１０１により、内ル
ツボ１１２の上方かつ軸線上に配された引上軸１２４に
チャック（不図示）を介して種結晶１２５を吊下げ、引
上軸１２４をその軸線回りに回転させつつ引上げるとと
もに、シャフト１１４を介して二重ルツボ１０３を上昇
させて、半導体融液１２１上部において種結晶１２５を
核として半導体単結晶１２６を成長させる。

【００１０】ところで、上記の単結晶引上装置では、特
開昭６３ー３０３８９４号公報に記載されているよう
に、単結晶を成長する前工程において、外ルツボ１１１
に予め多結晶シリコン塊等の多結晶原料を融解させて半
導体融液１２１を貯留し、外ルツボ１１１の上方に配さ
れた内ルツボ１１２を、外ルツボ１１１内に載置して、
二重ルツボ１０３を形成している。

【００１１】このように多結晶原料を融解後に二重ルツ
ボ１０３を形成するのは、多結晶原料を完全に融解して
半導体融液１２１を得るために、ヒーター１０４によっ
て外ルツボ１１１内の原料を単結晶成長温度以上の温度
まで高温加熱する必要があり、この際に、予め内ルツボ
１１２を外ルツボ１１１内に形成させていると、内ルツ
ボ１１２に大きな熱変形が生じてしまうからである。

【００１２】したがって、原料を完全に融解した後、ヒ
ーター１０４による加熱をある程度弱めてから内ルツボ
１１２を外ルツボ１１１に形成させることによって、初
期原料融解保持時の高温加熱を避け、内ルツボ１１２の
変形を抑制している。

【００１３】また、内ルツボ１１２に形成された連通孔
１１３は、原料供給時に、半導体融液１２１を外ルツボ
１１１側から内ルツボ１１２内にのみ流入させるように
一定の開口面積以下に設定されている。この理由は、結
晶成長領域から半導体融液１２１が対流により原料融解
領域に戻る現象が生じると単結晶成長における不純物濃
度および融液温度等の制御が困難になってしまうためで
ある。

【００１４】図４（ａ），（ｂ）はそれぞれ前記ヒータ
ー１０４の一例の平面図、正面図であり、図５はヒータ
ー１０４の電極部の拡大図である。先ず、図４に示すよ
うに、ヒーター１０４はほぼ円筒状のものであり、その
下端部の相対向する部位には、ヒーター１０４の外方へ
突出する一対の突出部１，２が一体的に設けられてい
る。また、ヒーター１０４には、その上方および下方か
ら交互に切り込まれて上下方向に延びる複数のスリット
３が設けられている。これにより、前記一対の突出部
１，２に電圧を印加すると、ヒーター１０４に図４
（ｂ）中矢印で示すように電流が流れる。なお、前記突
出部１，２はヒーター１０４の内方へ突出するような形
態としてもよい。

【００１５】次に、図５に示すように、ヒーター１０４
の電極部の構成については、ヒーター１０４の突出部１
には貫通孔１ａが形成されており、この貫通孔１ａに
は、グラファイト製の中間電極６のねじ部６ａが挿入さ
れている。そして、このねじ部６ａにはナット７が螺合
されて突出部１に結合されている。中間電極６には、耐
熱性に優れ、また結晶汚染の可能性が小さいグラファイ
トが用いられている。中間電極６の下端部にはねじ穴６
ｂが形成され、このねじ穴６ｂには、導電性金属電極５
のねじ部５ａがねじ込まれている。導電性金属電極５
は、その上端よりねじ部５ａ、フランジ部５ｂおよび小
径の本体部５ｃから構成されている。本体部５ｃにはそ
の軸方向に延びるような冷却水の通路５ｄが形成されて
いる。導電性金属５は、例えば銅、銅合金あるいはステ
ンレス等により形成されるが、これに限定されない。

【００１６】前記中間電極６の下端は、導電性金属電極
５のフランジ部５ｂの上面に面接触している。また、前
記小径の本体部５ｃは、チャンバ１０２（図３参照）の
底部（チャンバーベース）１０２ａを貫通しており、前
記本体部５ｃが前記底部１０２ａに接触しないように、
絶縁材料で形成されたスリーブ４が前記底部１０２ａに
嵌め込まれている。ヒーター１０４の他の突出部２の電
極構造は、一方の突出部１の電極構造と同一なので、図
示や説明は省略する。上記の構成により、一対の導電性
金属電極５（１つの電極は不図示であり、一方は陽極、
他方は陰極）間に電圧を印加させて、ヒーター１０４に
所定の電流（例えば１５００アンペア）を流すことがで
きる。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図５に示す
ように、例えばヒーター１０４の径方向への熱膨張やヒ
ーター１０４の振動や中間電極６の寿命等の原因によ
り、中間電極６のねじ穴６ｂよりクラック（割れ）８が
入った場合には、導電性金属電極５から中間電極６への
電流供給は前記クラック８より上方のねじ穴部で集中し
て行われ、これにより、冷却水通路５ｄ内の冷却水の温
度が上昇し、一部が沸騰を始め、冷却水通路５ｄの上部
に水蒸気による空間が生じる。このような状態でヒータ
ー１０４への通電を継続させると、一対の導電性金属電
極５の冷却水に直接接していない部位の冷却効率が低下
し、溶損を起こすと考えられる。導電性金属電極５が溶
損すると、冷却水通路５ｄ内の冷却水がチャンバ内に吹
き出て、汚染されるという問題点がある。また、前記の
ような溶損が生じると、条件によっては水蒸気爆発を引
き起こす可能性もある。

【００１８】本発明は、上記従来技術の有する問題点に
鑑みてなされたものであり、ヒーターにおけるグラファ
イト製の中間電極へのクラック発生や、導電性金属電極
の溶損を未然に防止することのできる、単結晶引上装置
におけるヒーター電極構造を提供することを目的として
いる。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明のヒーター電極構造は、気密容器と、前記気密
容器内で半導体融液を貯留するルツボと、前記ルツボを
囲むように設けられたヒーターと、前記ヒーターに接続
されたグラファイト製の一対の中間電極にそれぞれ結合
された、冷却水通路をそれぞれ有する一対の導電性金属
電極とを備えた単結晶引上装置において、前記導電性金
属電極の上端部には雄ねじが形成されており、前記中間
電極の下端部は大径部になっており、その下端面は、前
記導電性金属電極の上端面に一様に当接するように載置
され、さらに、上端部内周に突出部を有するグラファイ
ト製のナット部材が、前記中間電極の大径部に挿通さ
れ、かつ前記導電性金属電極の前記雄ねじに螺合されて
いることで、前記ナット部材の前記突出部により、前記
中間電極の前記大径部を前記導電性金属電極に押圧する
ような構成になっていることを特徴とするものである。

【００２０】また、前記中間電極の下端面および前記導
電性金属電極の上端面の一方が凸円錐面、他方が凹円錐
面になっている。

【００２１】上記構成の請求項１に記載の発明では、中
間電極が導電性金属電極に載置されてナット部材により
連結され、従来のように中間電極にはねじ穴がないの
で、例えばヒーターの径方向への熱膨張やヒーターの振
動等に起因して、ナット部材が熱応力により破断する場
合があるが、中間電極の導電性金属電極への結合部にク
ラックが入らない。これにより、導電性金属電極から中
間電極への電流供給は、互いに一様に接触した接触面を
介して行われて、従来のような局部的に電流が集中する
ことはない。請求請２に記載の発明では、中間電極を導
電性金属電極に載せるだけで芯出しが自動的に行われ
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態例につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の単結晶引上
装置におけるヒーター電極構造の一実施形態例の断面図
である。なお、本実施形態例において、従来技術の説明
で使用した図５と同一構造のものは同一符号を付した。

【００２３】図１に示すように、銅電極（導電性金属電
極）１５は、小径の本体部１５ｃの上端部に大径部１５
ａが一体的に形成された略２段円柱形状をなしており、
大径部１５ａの外周面には雄ねじ１５ｅが形成されてい
る。また、大径部１５ａの上端面は凹円錐面１５ｂにな
っている。一方、グラファイト製の中間電極１６は、上
端より順次小径ねじ部１６ａ，中径部１６ｂおよび大径
部１６ｃになった略３段円柱形状をなしており、この大
径部１６ｃの外径は銅電極１５の大径部１５ａの外径よ
りも若干小さくなっている。また、中間電極１６の大径
部１６ｃの下端面は凸円錐面１６ｄになっており、この
凸円錐面１６ｄは、前記銅電極１５の前記凹円錐面１５
ｂと一様に接触するようになっている。なお、銅電極１
５の上端面および中間電極１６の下端面を互いに一様に
接触するような水平面に形成してもよい。

【００２４】符号１７はグラファイト製のナット部材を
示している。このナット部材１７の上端部内周にはリン
グ状の突出部１７ｂが一体的に形成され、また、外周面
は通常のレンチ（不図示）の先端が嵌め合うように六角
形になっている。ナット部材１７は前記中間電極１６の
大径部１６ｃに挿通され、その雌ねじ１７ａは前記銅電
極１５の雄ねじ１５ｅに螺合されている。これにより、
銅電極１５および中間電極１６は結合されている。ま
た、ナット部材１７の上端の突出部１７ｂは、中間電極
１６の中径部１６ｂと大径部１６ｃとの断差部を下方へ
押圧し、ナット部材１７の下端はスリーブ４のフランジ
部４ａに接触しているが、これに限らず、非接触として
もよい。ナット部材１７の材質としては、耐熱性に優
れ、また結晶汚染の可能性が小さいグラファイトが用い
られている。図１の状態から、中間電極１６と銅電極１
５との結合を解除するには、レンチ（不図示）によりナ
ット部材１７を左回りに回転させてナット部材１７と銅
電極１５との螺合を解けばよい。

【００２５】上記構成の本実施形態例では、中間電極１
６が銅電極１５に載置されてナット部材１７により連結
される構造になっており、中間電極１６にはねじ穴がな
いので、例えばヒーター１０４の径方向への熱膨張やヒ
ーター１０４の振動等に起因して、ナット部材１７が熱
応力により破断する場合があるが、中間電極１６の銅電
極１５への結合部にクラックが入らない。これにより、
銅電極１５から中間電極１６への電流供給は、互いに一
様に接触した接触面（凹円錐面１５ｂおよび凸円錐面１
６ｄ）を介して行われて、従来のような電流の局部的な
集中が発生しない。したがって、冷却水通路１５ｄ内の
冷却水の温度が過度に上昇しないため沸騰せず、冷却水
通路１５ｄの上部に水蒸気による空間が生じない。結果
的に、銅電極１５はその冷却水通路１５ｄの冷却水によ
り効率的に冷却され、このような状態でヒーター１０４
への通電を継続させても、銅電極１５の溶損が起こらな
い。また、ヒーター１０４をチャンバーに装着する際に
は、中間電極１６を銅電極１５に載せるだけで、芯出し
が自動的に行われ、ヒーター１０４の設置を容易に行う
ことができる。

【００２６】図２は図１の変形例を示し、この例では、
銅電極２５の大径部２５ａの上面に凸円錐面２５ｂを形
成し、これに対応して、中間電極２６の大径部２６ｃの
下端面に凹円錐面２６ｄを形成したものである。このよ
うな、構成においても上記のような芯出し容易の効果が
得られる。

【００２７】単結晶引上装置としてＣＭＣＺ法を採用し
たが、他の単結晶製造方法を適用しても構わない。例え
ば、磁界印加を行わない連続チャージ型ＣＺ法（ＣＣＺ
法）を採用したり、二重ルツボではなく１つのルツボを
備えた単結晶引上装置でもよい。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、以上説明したとおりに構成さ
れているので、以下に記載するような効果を奏する。請
求項１に記載の発明は、グラファイト製の中間電極の導
電性金属電極への接続部にねじ穴がないので、例えばヒ
ーターの径方向への熱膨張による熱応力やヒーターの振
動等により、ナット部材が破断するような場合があって
も、中間電極の導電性金属電極への結合部にクラックが
入らない。これにより、導電性金属電極から中間電極へ
の電流供給は、互いに一様に接触した接触面を介して行
われて、従来のような電流の局所的な集中が発生しな
い。したがって、冷却水通路内の冷却水の温度が過度に
上昇せずに沸騰せず、冷却水通路の上部に水蒸気による
空間が生じない。結果的に、導電性金属電極はその冷却
水通路内の冷却水により効率的に冷却され、このような
状態でヒーターへの通電を継続させても、導電性金属電
極の溶損が起こらない。このように溶損が起こらないの
で、冷却水がチャンバ内に吹き出ず、汚染されないとと
もに、水蒸気爆発を確実に防止できる。また、ヒーター
を、上記のように溶損しない導電性金属電極により確実
に支持できて、ヒーターが崩れない。

【００２９】請求項２に記載の発明は、上記効果の他、
ヒーターをチャンバーに装着する際には、中間電極を導
電性金属電極に載せるだけで芯出しを自動的に行うこと
ができるので、ヒーターの設置が容易になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の、単結晶引上装置におけるヒーター
電極構造の一実施形態例の断面図である。

【図２】 図１の変形例を示す図である。

【図３】 ＣＭＣＺ法を用いたシリコンの単結晶引上装
置の一例を示す断面図である。

【図４】 （ａ），（ｂ）はそれぞれ図３に示したヒー
ターの一例の平面図、正面図である。

【図５】 従来のヒーターの電極部の拡大図である。

【符号の説明】

１，２ 突出部 １ａ，２ａ 貫通孔 ３ スリット ４ スリーブ ４ａ フランジ ５ 銅電極（導電性金属電極） ５ａ ねじ部 ５ｂ フランジ部 ５ｃ 本体部 ５ｄ 通路 ６ 中間電極 ６ａ ねじ部 ６ｂ ねじ穴 ７ ナット ８ クラック １５，２５ 銅電極 １５ａ，２５ａ 大径部 １５ｂ，２５ｂ 円錐面 １５ｃ，２５ｃ 小径部 １５ｄ，２５ｄ 冷却水通路 １５ｅ 雄ねじ １６，２６ 中間電極 １６ａ，２６ａ 小径ねじ部 １６ｂ 中径部 １６ｃ，２６ｃ 大径部 １６ｄ，２６ｄ 円錐面 １７ ナット部材 １７ａ 雌ねじ １７ｂ 突出部 １０１ 単結晶引上装置 １０２ チャンバ １０２ａ 底部 １０３ 二重ルツボ １０４ ヒーター １０５ 原料供給管 １０６ マグネット １１０ 原料 １１１ 外ルツボ １１２ 内ルツボ １１３ 連通孔 １１４ 回転軸 １１５ サセプタ １２１ 半導体融液 １２４ 引上軸 １２５ 種結晶 １２６ 半導体単結晶

フロントページの続き (72)発明者 喜田 道夫 東京都千代田区大手町一丁目５番１号 三 菱マテリアルシリコン株式会社内 (72)発明者 降屋 久 東京都千代田区大手町一丁目５番１号 三 菱マテリアルシリコン株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気密容器と、前記気密容器内で半導体融
   液を貯留するルツボと、前記ルツボを囲むように設けら
   れたヒーターと、前記ヒーターに接続されたグラファイ
   ト製の一対の中間電極にそれぞれ結合された、冷却水通
   路をそれぞれ有する一対の導電性金属電極とを備えた単
   結晶引上装置において、 前記導電性金属電極の上端部には雄ねじが形成されてお
   り、 前記中間電極の下端部は大径部になっており、その下端
   面は、前記導電性金属電極の上端面に一様に当接するよ
   うに載置され、 さらに、上端部内周に突出部を有するグラファイト製の
   ナット部材が、前記中間電極の大径部に挿通され、かつ
   前記導電性金属電極の前記雄ねじに螺合されていること
   で、前記ナット部材の前記突出部により、前記中間電極
   の前記大径部を前記導電性金属電極に押圧するような構
   成になっていることを特徴とする、単結晶引上装置にお
   けるヒーター電極構造。
2. 【請求項２】 前記中間電極の下端面および前記導電性
   金属電極の上端面の一方が凸円錐面、他方が凹円錐面に
   なっている請求項１に記載の単結晶引上装置におけるヒ
   ーター電極構造。