JPH11199371A - 単結晶育成装置用カーボンヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】減肉によるカーボンヒータの強度の低下を防止
して寿命を長くする。 【解決手段】カーボンヒータ４１はるつぼ１３に貯留さ
れた融液１２に下端を接触させた種結晶を引上げて単結
晶棒を育成し引上げとともに減少する融液１２の量に応
じてるつぼ１３を上昇させるように構成された単結晶育
成装置に用いられる。カーボンヒータ４１はるつぼ１３
の側面を包囲する板状カーボン４１にその鉛直方向に交
互にスリットを設けることにより方形波状に形成され、
引上げ前のるつぼ１３の初期位置から引上げ後のるつぼ
１３の最高位置になるまでるつぼ１３の側面に対向する
部分のうち上端を除く部分であって外側部分又は内側部
分のいずれか一方又は双方が厚肉に形成される。ヒータ
表面をＳｉＣ膜により被覆することが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、るつぼに貯留され
た融液から種結晶を引上げて単結晶棒を育成する単結晶
育成装置に用いられるカーボンヒータに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の装置として、チャンバの
上方から不活性ガスを供給して融液表面から蒸発したＳ
ｉＯ_xガスを排出するガス供給手段を備えた単結晶育成
装置が知られており、この装置を使用したシリコン単結
晶棒の育成方法としてるつぼ内のシリコン融液から半導
体用の高純度シリコン単結晶棒を成長させるチョクラル
スキー法（以下、ＣＺ法という）が知られている。この
方法は、ミラーエッチングされた種結晶をシリコン融液
に接触させ、種結晶を引上げてシリコン融液から種絞り
部を作製し、その後目的とするシリコン棒の直径まで結
晶を徐々に太らせて成長させることにより、必要な面方
位を有する無転位の単結晶棒を得るものである。

【０００３】図９に示すように、るつぼ３の周囲にはる
つぼの３側面を包囲するようにカーボンヒータ１が設け
られ、このカーボンヒータ１は板状カーボンにその鉛直
方向に交互に図示しないスリットを設けることにより方
形波状に形成されたものが一般的であり、このカーボン
ヒータ１によりるつぼ３内のシリコン融液２が加熱され
て所定温度に維持されるようになっている。一方、この
ような単結晶育成装置にはるつぼ３を上昇させる駆動手
段が設けられ、この図示しない駆動手段は単結晶棒の引
上げとともに低下するシリコン融液２の表面を所定位置
に維持するため、実線で示す初期位置から減少する融液
の量に応じて実線矢印で示すようにるつぼ３を上昇さ
せ、図の一点鎖線で示す最高位置まで上昇し得るように
構成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、るつぼ３の側
面を包囲するカーボンヒータ１にあっては、使用により
カーボンヒータ１の側部、特にるつぼ３の側面に対向す
る部分１ａが減肉する不具合があることが経験的に知ら
れている。この減肉化する原理について明確に解明され
ていないが、一般的に融液表面から蒸発したＳｉＯ_xガ
スがガス供給手段によりチャンバの上方から供給された
不活性ガスにより図の破線矢印で示すように、カーボン
ヒータ１側部を通過して外部に排出される際に、ＳｉＯ
_xガスにおける酸素とカーボンヒータ１を構成する炭素
とが反応し、ＣＯとして不活性ガスとともに外部に排出
されるためと考えられている。特にるつぼ３の側面に対
向する部分が消耗するのは、るつぼ３からの反射熱によ
りその対向する部分がるつぼ３に対向しない部分に比較
して過熱するためであり、るつぼ３の最低位置からるつ
ぼ３の最高位置になるまでるつぼ３の側面に対向する部
分にあっては常に過熱されて減肉が加速されるためと解
されている。このようなカーボンヒータ１の減肉はカー
ボンヒータ１自体の強度を低下させてカーボンヒータ１
の寿命を短くする問題点がある。本発明の目的は、減肉
によるカーボンヒータの強度の低下を防止して寿命を長
くすることができる単結晶育成装置用カーボンヒータを
提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１、図２及び図４に示すように、るつぼ１３に貯留さ
れた融液１２に下端を接触させた種結晶２４を引上げて
単結晶棒２５を育成し引上げとともに減少する融液１２
の量に応じてるつぼ１３を上昇させるように構成された
単結晶育成装置１０に用いられ、るつぼ１３の側面を包
囲する板状カーボンにその鉛直方向に交互にスリット４
１ａを設けることにより方形波状に形成されたカーボン
ヒータ４１の改良である。その特徴ある構成は、引上げ
前のるつぼ１３の初期位置から引上げ後のるつぼ１３の
最高位置になるまでるつぼ１３の側面に対向する部分の
うち上端を除く部分であって外側部分又は内側部分のい
ずれか一方又は双方が厚肉に形成されたところにある。

【０００６】この請求項１に係る発明では、るつぼ１３
の側面に対向する部分を厚肉に形成することにより、こ
の厚肉部分が減肉しても他の部分に比較して薄くなるこ
とはなく、減肉によるカーボンヒータ４１の強度が低下
することを防止する。また、るつぼ１３の側面に対向す
る部分を厚肉に形成することにより、厚肉部分における
カーボンヒータ４１の断面積を他の平板部分に比較して
増大させる。断面積の増大は電気的抵抗値の低下をもた
らし、厚肉部分における発熱量が低下する結果、厚肉部
分の過熱を抑制して減肉作用が加速されることを防止す
る。カーボンヒータ４１の上端部はるつぼ１３から反射
熱を受けてもその熱がカーボンヒータ４１の上方に放散
するため過熱することはなく、その上端部における減肉
作用が加速されることはない。

【０００７】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明において、図６に示すように、ヒータ表面がＳｉＣ膜
４１ｃにより被覆された単結晶育成装置用カーボンヒー
タである。この請求項２に係る発明では、ヒータ表面に
コーティングされたＳｉＣがカーボンヒータ４１を構成
する炭素と酸素との反応を防止して、カーボンヒータ４
１が減肉することを抑制する。

【０００８】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて詳しく説明する。図４に示すように、本発明の
カーボンヒータ４１が使用される単結晶育成装置１０の
チャンバ１１内には、シリコン融液１２を貯留する石英
から成るるつぼ１３が設けられ、このるつぼ１３の外面
は黒鉛サセプタ１４により被覆される。るつぼ１３の下
面は上記黒鉛サセプタ１４を介して支軸１６の上端に固
定され、この支軸１６の下部はるつぼ駆動手段１７に接
続される。るつぼ駆動手段１７は図示しないがるつぼ１
３を回転させる第１回転用モータと、るつぼ１３を昇降
させる昇降用モータとを有し、これらのモータによりる
つぼ１３が所定の方向に回転し得るとともに、上下方向
に移動可能に構成される。特に昇降用モータにあっては
後述する種結晶２４の引上げとともに低下するシリコン
融液１２の表面を所定位置に維持するため、減少する融
液１２の量に応じてるつぼ１３を上昇させるように構成
される。

【０００９】チャンバ１１の上面にはチャンバ１１より
小径の円筒状のケーシング２１が設けられる。このケー
シング２１の上端部には水平状態で旋回可能に引上げヘ
ッド２２が設けられ、ヘッド２２からはワイヤケーブル
２３がるつぼ１３の回転中心に向って垂下される。図示
しないが、ヘッド２２にはヘッド２２を回転させる第２
回転用モータと、ワイヤケーブル２３を巻取り又は繰出
す引上げ用モータが内蔵される。ワイヤケーブル２３の
下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶棒２
５を引上げるための種結晶２４がホルダ２３ａを介して
取付けられる。

【００１０】チャンバ１１にはこのチャンバ１１の上部
からＡｒガスのような不活性ガスを供給しかつ上記不活
性ガスをチャンバ１１の下部から排出するガス給排手段
２８が接続される。ガス給排手段２８は一端がケーシン
グ２１の周壁に接続され、他端が図示しない不活性ガス
のタンクに接続された供給パイプ２９と、一端がチャン
バ１１の下壁に接続され、他端が真空ポンプ（図示せ
ず）に接続された排出パイプ３０とを有する。供給パイ
プ２９及び排出パイプ３０にはこれらのパイプ２９，３
０を流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流
量調整弁３１，３２がそれぞれ設けられる。

【００１１】この装置では、るつぼ１３に多結晶を融解
して作ったシリコン融液１２を貯留し、そのシリコン融
液面の直上に種結晶２４をホルダ２３ａを介してワイヤ
ケーブル２３に吊り下げる。次に、第１及び第２流量調
整弁３１，３２を開くことにより供給パイプ２９から不
活性ガスをケーシング２１内に供給してシリコン融液１
２の表面から蒸発したＳｉＯ_xガスをこの不活性ガスと
ともに排出パイプ３０から排出させる。この状態で、引
上げヘッド２２の図示しない引上げ用モータによりワイ
ヤ１９を繰出して種結晶２４を降下させ、種結晶２４の
先端部をシリコン融液２３に接触させる。種結晶２４の
先端部をシリコン融液１２に接触させると、熱応力によ
りこの先端部にスリップ転位が導入されるため、その後
種結晶２４を徐々に引上げて直径が約３ｍｍの種絞り部
２５ａを形成する。種絞り部２５ａを形成することによ
り、種結晶２４に導入された転位は消滅し、その後、更
に種結晶２４を引上げることにより種絞り部２５ａの下
部に無転位のシリコン単結晶棒２５を育成させる。この
とき、図示しない昇降用モータは減少する融液１２の量
に応じてるつぼ１３を上昇させ、種結晶２４の引上げと
ともに低下するシリコン融液１２の表面を所定位置に維
持する。

【００１２】本実施の形態に係るカーボンヒータ４１
は、るつぼ１３の側面を包囲するようにるつぼ１３から
所定の間隔をあけてチャンバ１１内に設けられ、このカ
ーボンヒータ４１とチャンバ１１との間には保温筒１９
が設けられる。図２及び図３に示すように、カーボンヒ
ータ４１は板状カーボンにその鉛直方向に交互にスリッ
ト４１ａを設けることにより方形波状に形成され、図１
に示すように、カーボンヒータ４１によりるつぼ１３に
投入された高純度のシリコン多結晶は溶融してシリコン
融液１２になる。このカーボンヒータ４１の特徴ある点
は、引上げ前の実線で示するつぼ１３の初期位置から引
上げ後の一点鎖線で示するつぼ１３の最高位置になるま
で、るつぼ１３の側面に対向する部分のうち上端を除く
部分であって外側部分及び内側部分の双方が厚肉に形成
されたところにある。

【００１３】図１に示すように、カーボンヒータ４１の
上端から厚肉部４１ｂのセンタ位置（Ｂ−Ｂ）までの長
さＣは、カーボンヒータ４１の高さをｈとするときに、
ｈ／５〜ｈ／２であることが好ましく、ｈ／３が更に好
ましい。厚肉部４１ｂのセンタ位置（Ｂ−Ｂ）が上記範
囲外であるとカーボンヒータ４１が反射熱を受けない部
分を厚肉にすることになり適当でない。また、厚肉部４
１ｂの厚さｔ₁はカーボンヒータ４１の厚さをｔ₀とする
ときに、１．０３ｔ₀〜１．５ｔ₀であることが好まし
く、更に好ましいのは１．１ｔ₀〜１．２ｔ₀である。厚
肉部４１ｂの厚さが１．０３ｔ₀未満であると本発明の
目的を達成できず、１．５ｔ₀を越えてもカーボンヒー
タ４１の寿命は長くならない。なお、図１に示すよう
に、厚肉部４１ｂは一定の割合で厚肉に形成される以外
に、図５に示すように、るつぼの側面に対向する部分の
うち上端を除く部分であって外側部分及び内側部分の双
方の上下方向略中央を最大厚になるように滑らかに厚肉
にすることもできる。図５に示すように滑らかに厚肉に
すれば、ガス供給手段２８による不活性ガスのカーボン
ヒータ４１の側部における流れを円滑に行うことができ
る。

【００１４】このように構成された単結晶育成装置用カ
ーボンヒータでは、シリコン融液１２表面から蒸発した
ＳｉＯ_xガスをガス供給手段２８によりチャンバ１１の
上方から供給された不活性ガスにより外部に排出させな
がら種結晶２４を引上げて無転位のシリコン単結晶棒２
５を育成すると、シリコン融液１２表面から蒸発したＳ
ｉＯ_xガスは不活性ガスによりカーボンヒータ４１の側
部を通過する。この通過の際に、ＳｉＯ_xガスにおける
酸素とカーボンヒータを構成する炭素とが反応し、ＣＯ
として不活性ガスとともに外部に排出され、カーボンヒ
ータ４１は徐々に減肉する。カーボンヒータ４１の減肉
は、るつぼ１３の側面に対向する部分のうち上端を除く
部分を厚肉に形成したので、比較的減肉量の多いるつぼ
１３に対向する部分が減肉しても他の部分に比較して薄
くなることはなく、減肉によるカーボンヒータ４１の強
度が低下することを防止する。

【００１５】図６に本発明の別の実施の形態に係るカー
ボンヒータ４１を示す。この実施の形態では、カーボン
ヒータ４１の表面がＳｉＣ膜４１ｃにより被覆される。
カーボンヒータ４１の表面をＳｉＣ膜４１ｃにより被覆
すれば、カーボンヒータ４１を構成する炭素とＳｉＯ_x
における酸素との反応を防止して、カーボンヒータ４１
が減肉することを更に抑制することができる。このＳｉ
Ｃ膜４１ｃは化学気相堆積（ＣＶＤ）法、蒸着法等によ
り１０〜２００μｍの厚さで形成される。

【００１６】なお、上述した２つの実施の形態では、カ
ーボンヒータ４１の外側部分及び内側部分の双方を厚肉
に形成したが、カーボンヒータ４１の内側部分のみを厚
肉に形成しても良く、カーボンヒータ４１の外側部分の
みを厚肉に形成しても良い。図７にカーボンヒータ４１
の内側部分のみを厚肉にしてその表面をＳｉＣ膜４１ｃ
で被覆した例及び図８にカーボンヒータ４１の外側部分
のみを厚肉にしてその表面をＳｉＣ膜４１ｃで被覆した
例をそれぞれ示す。外側部分のみ又は内側部分のみを厚
肉に形成することにより、カーボンヒータと保温筒との
スペース又はカーボンヒータとるつぼとのスペースを増
加させずに、カーボンヒータの減肉を防止することがで
きる。

【００１７】また、厚肉部分におけるカーボンヒータ４
１の断面積は他の平板部分に比較して電気的抵抗値が低
下するため、厚肉部分４１ｂにおける発熱量は低下す
る。このため、るつぼ１３から反射熱を受けることに起
因する厚肉部分の過熱を抑制して減肉作用が加速される
ことを防止する。また、カーボンヒータ４１の上端はる
つぼ１３から反射熱を受けても、その熱がカーボンヒー
タ４１上方のチャンバ１１内に放散するため過熱するこ
とはなく、減肉作用が加速されることはない。更に、上
述した実施の形態では、シリコン単結晶育成装置におけ
るカーボンヒータについて説明したが、本発明はシリコ
ン単結晶に限らず、Ｇｅ、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓ等の他の
半導体、各種金属、各種化合物等のＣＺ法による単結晶
育成装置のカーボンヒータにも適用することができる。

【００１８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、る
つぼの側面に対向する部分のうち外側部分又は内側部分
のいずれか一方又は双方を厚肉に形成したので、厚肉部
分が減肉しても他の部分に比較して薄くなることはな
く、減肉によるカーボンヒータの強度が低下することを
防止することができる。また、るつぼの側面に対向する
部分を厚肉に形成したので、厚肉部分におけるカーボン
ヒータの断面積を他の平板部分に比較して増大させる。
断面積の増大は電気的抵抗値の低下をもたらし、厚肉部
分における発熱量が低下する結果、厚肉部分の過熱を抑
制して減肉作用が加速されることを防止することができ
る。この結果、減肉によるカーボンヒータの強度の低下
を防止してカーボンヒータの寿命を長くすることができ
る。

【００１９】また、ヒータ表面をＳｉＣ膜により被覆す
れば、このＳｉＣ膜の存在によりカーボンヒータを構成
する炭素と酸素との反応が禁止され、減肉によるカーボ
ンヒータの強度の低下を有効に防止してカーボンヒータ
の寿命を更に長くすることができる。このため、るつぼ
の側面に対向する部分を厚肉に形成することにより、単
結晶棒を大口径化させるためにカーボンヒータの出力を
向上させたとしてもカーボンヒータの寿命を大口径化以
前の時より短縮することはない。なお、カーボンヒータ
の上端部はるつぼから反射熱を受けてもその熱がカーボ
ンヒータの上方に放散するため過熱することはなく、そ
の上端部における減肉作用が加速されることはない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のカーボンヒータとるつぼとの位置関係
を示す側面図。

【図２】そのカーボンヒータを示す図３のＡ−Ａ線断面
図。

【図３】そのカーボンヒータの展開図。

【図４】そのカーボンヒータを使用する装置の構成を示
す断面図。

【図５】本発明の他のカーボンヒータを示す図２に対応
する断面図。

【図６】ヒータ表面をＳｉＣ膜により被覆したカーボン
ヒータを示す図５に対応する断面図。

【図７】内側部分のみを厚肉に形成したカーボンヒータ
を示す図６に対応する断面図。

【図８】外側部分のみを厚肉に形成したカーボンヒータ
を示す図６に対応する断面図。

【図９】従来例を示す図１に対応する側面図。

【符号の説明】

１０ 単結晶育成装置 １２ シリコン融液 １３ るつぼ ２４ 種結晶 ２５ 単結晶棒 ４１カーボンヒータ ４１ａ スリット ４１ｃ ＳｉＣ膜

フロントページの続き (72)発明者 内藤 宣正 東京都千代田区大手町１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 細田 浩二 東京都千代田区大手町１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】 るつぼ(13)に貯留された融液(12)に下端
   を接触させた種結晶(24)を引上げて単結晶棒(25)を育成
   し引上げとともに減少する融液(12)の量に応じて前記る
   つぼ(13)を上昇させるように構成された単結晶育成装置
   (10)に用いられ、 前記るつぼ(13)の側面を包囲する板状カーボンにその鉛
   直方向に交互にスリット(41a)を設けることにより方形
   波状に形成されたカーボンヒータ(41)において、 引上げ前の前記るつぼ(13)の初期位置から引上げ後の前
   記るつぼ(13)の最高位置になるまで前記るつぼ(13)の側
   面に対向する部分のうち上端を除く部分であって外側部
   分又は内側部分のいずれか一方又は双方が厚肉に形成さ
   れたことを特徴とする単結晶育成装置用カーボンヒー
   タ。
2. 【請求項２】 ヒータ表面がＳｉＣ膜(41c)により被覆
   された請求項１記載の単結晶育成装置用カーボンヒー
   タ。