JPH11292685A

JPH11292685A - シリコンナイトライド被覆により単結晶シリコン成長用のグラファイトサセプタの寿命を延長するための装置および方法

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Publication number: JPH11292685A
Application number: JP10853798A
Authority: JP
Inventors: Wijaranakura Witawatto; ウィタワット・ウィジャラナクラ; Randolph Hyde Gary; ゲイリー・ランドルフ・ハイド; Iemaneeberuhane Mengitsu; メンギツ・イェマネ‐ベルハネ; Uchikawa Akira; アキラ・ウチカワ
Original assignee: SEH America Inc
Current assignee: SEH America Inc
Priority date: 1998-04-03
Filing date: 1998-04-03
Publication date: 1999-10-26

Abstract

(57)【要約】【課題】チョクラルスキ（Ｃｚ）シリコン結晶の引き
上げ装置において使用されるグラファイトサセプタの寿
命を延長するための装置および方法を提供する。【解決手段】石英ルツボの外表面とグラファイトサセ
プタの内表面の間に酸素の拡散のバリアを形成しバリア
層を設けることを含み、グラファイトサセプタの破壊故
障を引き起こすグラファイトサセプタの表面侵食を減少
させ、それによってグラファイトサセプタの寿命を延長
するための装置および方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】全般的に本発明はシリコン結
晶を製造する分野に関する。特に、チョクラルスキ（Ｃ
ｚ）シリコン結晶引き上げ装置におけるグラファイトサ
セプタと石英ルツボの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン単結晶用のグラファイトサセプ
タの侵食は往々にしてグラファイトサセプタの破壊故障
につながり、グラファイトサセプターの寿命を短縮す
る。しかしながら、これまでグラファイトサセプターの
侵食を防止する有効な方法はなかった。石英ルツボを保
護層で被覆する方法および装置が１９８６年１月２１日
にＰｉｎｋｈａｓｏｖに出された米国特許第４，５６
５，７１１号に開示されている。これは二つの電極の間
でシリコンを蒸発し、石英ルツボの内表面へのキャリア
ーガスとして窒素を使用することにより、石英ルツボの
内表面にシリコンナイトライド（Ｓｉ₃Ｎ₄）を均一に
堆積する特定のテクニックと装置を開示したものであ
る。内部被覆の目的はルツボとシリコン融液の間の相互
作用を防止することである。シリコン加工において酸素
および炭素に関連する離脱を制御する方法と装置が１９
８３年８月２３日にＯｗｎｂｙらに出された米国特許第
４，４４０，２３２号に開示されている。これは炉中の
グラファイトの部品をすべてシリコンカーバイド（Ｓｉ
Ｃ）で被覆することを開示している。

【０００３】１９８２年１０月２６日にＢｅｒｋｍａｎ
らに出された米国特許第４，３５６，１５２号には改良
したシリコン溶解ルツボが開示されている。溶融シリコ
ンと直接接触するルツボ壁にライナーを設けることによ
りシリコン溶解ルツボを改良した。ライナーは両面にシ
リコンナイトライドまたはシリコンオキシナイトライド
の層を設けたグラファイトシートでできている。ライナ
ーの目的はルツボ壁の損傷を防止し、ルツボ壁からの不
純物によるシリコン融液の汚染を減少させることであ
る。石英ルツボの内表面にシリコンナイトライド（Ｓｉ
₃Ｎ₄）を被覆した単結晶シリコンシートを成長させる
ルツボと型の手段が１９７８年５月２３日にＢｅｒｋｍ
ａｎらに出されたされた米国特許第４，０９０，８５１
号に開示されている。汚染を減少させる目的でシリコン
融液に直接接触する表面にシリコンナイトライド被覆が
施される。しかしながら、上述の従来技術の参考文献に
はシリコン結晶製造プロセスおよび装置に関連した種々
の被覆技術および材料が一般的に開示されてはいるもの
の、それらはいずれもグラファイトサセプタの表面の侵
食を防止、あるいは実質的に減少させる目的で意図ある
いは設計されたものでない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】したがって、シリコン
の成長中におけるグラファイトサセプタの表面の侵食を
実質的に減少することができ、チョクラルスキ（Ｃｚ）
シリコン結晶引き上げ装置において用いられるグラファ
イトサセプタの寿命を延長する装置および方法を提供す
ることが望まれる。説明に用いられる本発明の好ましい
実施の形態はチョクラルスキ（Ｃｚ）シリコン結晶引き
上げ装置において用いられるグラファイトサセプタの寿
命を延長する装置および方法を指向している。本発明の
好ましい実施の形態の観点はグラファイトサセプタの内
表面の侵食を実質的に減少し、それによってグラファイ
トサセプタの寿命を実質的に延長することである。本発
明の好ましい実施の形態によれば、高温で石英ルツボと
直接接触するグラファイトサセプタの内表面の侵食は結
晶成長中に石英ルツボ（ＳｉＯ₂）からグラファイトサ
セプタへの酸素の拡散により引き起こされると考えられ
る。

【０００５】石英ルツボとグラファイトサセプタの接触
界面での固相反応はＳｉＯ₂（固体）＋３Ｃ（固体）−＞ＳｉＣ（固体）＋
２ＣＯ（気体）であると考えられている。ここで、上記ＳｉＯ₂固体は
石英ルツボを、上記カーボン（Ｃ）固体はグラファイト
サセプタを、上記シリコンカーバイド（ＳｉＣ）固体は
グラファイトサセプタの内表面の生成組成物を構成する
ものであり、上記ガス状一酸化炭素（ＣＯ）は蒸気生成
物である。上記反応はカーボンを消耗し、グラファイト
サセプタの侵食と破壊故障を引き起こす。したがって、
本発明の目的はグラファイトサセプタ内表面の侵食を防
止し、それによってグラファイトサセプタの破壊故障を
実質的に減少させて、その有効な寿命を延長することで
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この目的に到達するた
め、本発明の好ましい実施の形態によれば、石英ルツボ
の外表面とグラファイトサセプタの内表面との間に酸素
の拡散に有効なバリア層を設け、高温の結晶成長の間の
二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）の石英ルツボとグラファイト
サセプタからのカーボン（Ｃ）固体の直接接触を防止す
る。この構成は、グァイトサセプタの内表面での一酸化
炭素の生成とカーボンの消耗を防止し、もしこのように
しなければグラファイトサセプタの表面侵食に至る。結
果として、この構成は、もしそうしなければ表面侵食か
ら生ずるグラファイトサセプタの破壊故障を、実質的に
減少させる。さらに、バリア層はまたルツボの熱を吸収
する能力を改善する。

【０００７】好ましい実施の形態には、チョクラルスキ
（Ｃｚ）シリコン結晶引き上げ装置において用いられる
グラファイトサセプタの寿命を延長するための装置、す
なわち、石英ルツボの外表面とグラファイトサセプタの
内表面の間に設けられ、それらの間の酸素拡散を防止す
るバリア層を含む装置が含まれる。さらに、他の好まし
い実施の形態には、チョクラルスキ（Ｃｚ）シリコン結
晶引き上げ装置において用いられるグラファイトサセプ
タの寿命を延長する方法が含まれる。この方法には石英
ルツボの外表面とグラファイトサセプタの内表面の間に
バリア層を設け、それらの間の酸素拡散を防止する方法
が含まれる。本発明の好ましい実施の形態において、シ
リコンナイトライド（Ｓｉ₃Ｎ₄）は酸素拡散に有効な
バリアであるので、バリア層の材料として選択される。
本発明の一つの好ましい実施の形態において、シリコン
ナイトライド（Ｓｉ₃Ｎ₄）層が石英ルツボの外表面の
被覆として設けられる。本発明のもう一つの好ましい実
施の形態において、シリコンナイトライド（Ｓｉ
₃Ｎ₄）層がグラファイトサセプタの内表面の被覆とし
て設けられる。シリコンナイトライド（Ｓｉ₃Ｎ₄）層
は種々の手法とプロセス、例えばケミカルベーパーデポ
ジション（ＣＶＤ）によって形成することができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】上の説明を参照し、添付の図面を
関連させれば上述および他の本発明の特徴とそれらを入
手するための方法はより明確になり、最も良く理解でき
るであろう。これらの図面は本発明の典型的な実施の形
態のみを表すもので、範囲を限定するものでない。それ
らは特徴と詳細を付け加えるのに役立つ。添付の図面は
本発明の好ましい実施の形態を特定し表示するが、それ
らを参照し、以下の詳細な説明を考慮すれば、本発明の
更なる利益と利点は明白になるであろう。図１を参照す
ると、本発明を使用するチョクラルスキ（Ｃｚ）シリコ
ン結晶製造装置すなわちＣｚ結晶引き上げ装置１０の説
明図が図示されている。チョクラルスキ（Ｃｚ）シリコ
ン結晶引き上げ装置１０は、チョクラルスキ（Ｃｚ）シ
リコン結晶引き上げ装置１０の下室を形成する基盤１４
の上に設置された周辺遮蔽１２およびチョクラルスキ
（Ｃｚ）シリコン結晶引き上げ装置１０の上室を形成す
る周辺遮蔽１２の上に設置された管状の遮蔽１６を有す
る。

【０００９】チョクラルスキ（Ｃｚ）シリコン結晶引き
上げ装置１０の中心にグラファイトサセプタ１８が位置
する。グラファイトサセプタ１８は回転できるシャフト
２０に乗っている。グラファイトサセプタ１８の内部に
は、シリコン融液２４を入れた石英ルツボ２２がある。
典型的なチョクラルスキシリコン結晶引き上げ装置にお
いては、石英ルツボ２２の外表面がグラファイトサセプ
タ１８の内表面と接触するように、石英ルツボ２２の外
部の輪郭は、グラファイトサセプタ１８の内部の輪郭と
類似である。しかしながら、石英ルツボ２２の外部の輪
郭は内部の輪郭と異なることもある。加熱器２６はグラ
ファイトサセプタ１８と周辺遮蔽１２の間に組み立てら
れる。加熱器２６は基盤１４の下部で手が届く電極２８
を持つ電熱ヒーターである。また、一つまたはそれ以上
の熱遮蔽３０が加熱器２６と周辺遮蔽１２の間に組み立
てられる。種結晶をつるすための、長く延びた回転ケー
ブル３２が管状の遮蔽１６により形作られる上室から下
方に延びている。シリコン結晶のインゴット３４の種結
晶とネック部が概略的に図１の３６で示されている。シ
リコン融液２４からシリコン結晶のインゴット３４を引
き上げる間、種結晶とネック部３６は吊り下げケーブル
３２によって回転することができる。種結晶とネック部
３６を吊り下げケーブル３２で回転する場合、グラファ
イトサセプタ１８もシャフト２０により反対方向に回転
することができ、シリコン結晶のインゴット３４の形成
を促進する。

【００１０】本発明の実施の形態の観点は、石英ルツボ
２２とグラファイトサセプタ１８の間のバリア層４０を
設けることにより、従来のチョクラルスキ（Ｃｚ）シリ
コン結晶引き上げ装置の改良をすることである。一つの
好ましい実施の形態において、バリア層４０は図２に示
すように、石英ルツボ２２の外表面４４への被覆であ
る。組み立て後、バリア層４０を被覆した石英ルツボ２
２は図２に示すようにグラファイトサセプタ１８の内表
面４６と接触する。もう一つの好ましい実施の形態にお
いて、バリア層４０が図３に示すように、グラファイト
サセプタ１８の内表面４６への被覆であることも可能で
ある。組み立て後、バリア層４０を被覆したグラファイ
トサセプタ１８は石英ルツボ２２の外表面４４と接触す
る。いずれの配置においても、最終結果は実質的に同じ
であり、組み立て後、被覆バリア層４０が石英ルツボ２
２の外表面４４とグラファイトサセプタ１８の内表面４
６の間に設けられる。

【００１１】被覆層４０は石英ルツボ２２の外表面４４
とグラファイトサセプタ１８の内表面４６の間の酸素拡
散と相互作用のバリアを提供する。以上に議論したよう
に、従来のグラファイトサセプタの内表面の侵食は結晶
成長中に石英ルツボとグラファイトサセプタが直接接触
する時、石英ルツボ（ＳｉＯ₂）からグラファイトサセ
プターへの酸素の拡散により引き起こされる。本発明の
好ましい実施の形態におけるように、バリア層４０によ
り隔離されれば、石英ルツボ２２とグラファイトサセプ
タ１８の直接接触は起こらない。この配置によれば、高
温の結晶成長時に従来のグラファイトサセプタで内表面
からのカーボンのロスにより引き起こされる侵食は効果
的に防止される。したがって、本発明の好ましい実施の
形態によれば、さもないとグラファイトサセプタ１８の
表面の侵食から生ずる破壊故障を減少させ、グラファイ
トサセプタ１８の寿命を実質的に延長する。

【００１２】グラファイトサセプタ１８の表面侵食を防
止するのに、石英ルツボ２２の全外表面４４あるいはグ
ラファイトサセプタ１８の内表面４６を被覆することは
必ずしも必要でないことは理解されるべきである。特定
の結晶引き上げ装置および石英ルツボの寸法に依って、
石英ルツボ２２あるいはグラファイトサセプタ１８にお
けるシリコンナイトライドの堆積の位置および範囲は変
わる。一般的に言えば、腐食が最も起きる個所に、シリ
コンナイトライドをより多く堆積する。この技術におい
てスキルを有する者であれば、過度の実験作業をするこ
となく、石英ルツボ２２あるいはグラファイトサセプタ
１８へのシリコンナイトライドの堆積の位置および範囲
を決めることは可能であるはずである。本発明の実施の
形態において、被覆において使用される材料は、シリコ
ンナイトライド（Ｓｉ₃Ｎ₄）である。シリコンナイト
ライド（Ｓｉ₃Ｎ₄）層は、ケミカルベーパーデポジシ
ョン（ＣＶＤ）または他の適切な被覆プロセスにより石
英ルツボ２２の外表面４４とグラファイトサセプタ１８
の内表面４６に被覆される。

【００１３】

【発明の効果】本発明の好ましい実施の形態における重
要な利点は、グラファイトサセプタの寿命を実質的に延
長することである。本発明の発明者の実験によれば、石
英ルツボ２２の外表面４４とグラファイトサセプタ内表
面の間のＣＶＤシリコンナイトライド（Ｓｉ₃Ｎ₄）層
はグラファイトサセプタの破壊表面の侵食を減少させ、
グラファイトサセプタの寿命を約２５０％延長した。加
えて、石英ルツボへのシリコンナイトライドの被覆は、
上記ルツボの熱を吸収する能力を改善する。石英ルツボ
は半透明で、シリコンナイトライドの被覆が熱を吸収す
るので、シリコン融液全体の加熱を改善する。勿論、研
究の結果明白になったものであれ、また、機械的、化学
的あるいは電子的な設計のルーチンの事項であれ、本発
明の種々の面からの変形はこの技術においてスキルを有
する者には明白である。特定の設計は特別の応用に依存
し、他の実施の形態も可能である。このように、本発明
の範囲はここで説明した特別な実施の形態に限定される
ものでなく、添付の請求の範囲およびその均等物によっ
てのみ規定されるべきである。本発明によるシステムは
本質的な特徴を離脱することなく他の特定な形式で実施
できる。説明した実施例はすべての点で単に記述するた
めのもので制限するためのものでないと考えられるべき
である。したがって、本発明の範囲は前述の説明よりも
むしろ添付の特許請求の範囲により示される。特許請求
の範囲の均等物の意味および範囲内の変更はすべてそれ
らの範囲に包含される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を使用した、チョクラルス
キ（Ｃｚ）シリコン結晶引き上げ装置の配置を図示する
説明図である。

【図２】酸素の拡散を防止するバリアー層が石英ルツボ
の外表面の被覆として設けられている、本発明の好まし
い実施の形態を図示する説明図である。

【図３】酸素の拡散を防止するバリアー層がグラファイ
トサセプタの内表面の被覆として設けられている、本発
明の好ましい実施の形態を図示する説明図である。

【符号の説明】

１０Ｃｚ結晶引き上げ装置１２周辺遮蔽１４基盤１６遮蔽１８グラファイトサセプタ２０シャフト２２石英ルツボ２４シリコン融液２６加熱器２８電極３０熱遮蔽３２吊り下げケーブル３４インゴット３６ネック部４０バリア層４４外表面４６内表面

フロントページの続き (72)発明者ゲイリー・ランドルフ・ハイドアメリカ合衆国、98682 ワシントン、ヴァンクーヴァー、ノース・イースト・フィフティース・ストリート 14616 (72)発明者メンギツ・イェマネ‐ベルハネアメリカ合衆国、ワシントン、ヴァンクーヴァー、ノース・イースト・サーティーファースト・アヴェニュー 15909 (72)発明者アキラ・ウチカワアメリカ合衆国、98684 ワシントン、ヴァンクーヴァー、ノース・イースト・セヴンス・ストリート 1301、＃ピー‐６

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶の成長にグラファイトサセプタお
よび石英ルツボを使用するチョクラルスキＣｚシリコン
結晶引き上げ装置用の装置であって、酸素の拡散のバリアである材料を含み、石英ルツボの外
表面とグラファイトサセプタの内表面との間に設けら
れ、グラファイトサセプタの表面侵食を実質的に減少さ
せ、グラファイトサセプタの寿命を延長するバリア層を
有する装置。
【請求項２】上記の材料がシリコンナイトライドを含
む請求項１に記載の装置。
【請求項３】上記の材料が石英ルツボの外表面に被覆
されている請求項１に記載の装置。
【請求項４】上記の材料がグラファイトサセプタの内
表面に被覆されている請求項１に記載の装置。
【請求項５】上記の材料が石英ルツボの外表面に部分
的に被覆されている請求項１に記載の装置。
【請求項６】上記の材料がグラファイトサセプタの内
表面に部分的に被覆されている請求項１に記載の装置。
【請求項７】単結晶の成長用にグラファイトサセプタ
およびシリコン融液を入れた石英ルツボを使用するチョ
クラルスキＣｚシリコン結晶引き上げ装置用の装置であ
って、酸素の拡散のバリアである材料を含み、石英ルツボの外
表面に設けられ、グラファイトサセプタの表面侵食を実
質的に減少させ、シリコン融液の加熱を改善するバリア
層を有する装置。
【請求項８】上記の材料がシリコンナイトライドを含
む請求項７に記載の装置。
【請求項９】上記の材料が石英ルツボの外表面に被覆
されている請求項７に記載の装置
【請求項１０】上記の材料が石英ルツボの外表面に部
分的に被覆されている請求項７に記載の装置
【請求項１１】単結晶の成長用にグラファイトサセプ
タおよびシリコン融液を入れた石英ルツボを使用するチ
ョクラルスキＣｚシリコン結晶を引き上げる方法であっ
て、（ａ）酸素の拡散のバリアである材料を準備し、か
つ（ｂ）グラファイトサセプタの侵食を実質的に減少さ
せ、シリコン融液の加熱を改善する石英ルツボの外表面
とグラファイトサセプタの内表面との間に、上記バリア
材料を含有する層を設けるステップを含む方法。
【請求項１２】上記材料がシリコンナイトライドを含
む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】上記ステップ（ｂ）が石英ルツボの外
表面に上記バリア材料を被覆することを含む請求項１１
に記載の方法。
【請求項１４】上記ステップ（ｂ）がグラファイトサ
セプタの内表面に上記バリア材料を被覆することを含む
請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】上記ステップ（ｂ）が石英ルツボの外
表面に上記バリア材料を被覆することを含む請求項１１
に記載の方法。
【請求項１６】上記ステップ（ｂ）がグラファイトサ
セプタの内表面に上記バリア材料を部分的に被覆するこ
とを含む請求項１１に記載の方法
【請求項１７】単結晶の成長用にグラファイトサセプ
タおよびシリコン融液を入れた石英ルツボを使用するチ
ョクラルスキＣｚシリコン結晶を引き上げる方法であっ
て、（ａ）酸素の拡散のバリアである材料を準備し、かつ
（ｂ）グラファイトサセプタの表面侵食を実質的に減少
させ、シリコン融液の加熱を改善ために石英ルツボの外
表面に上記バリア材料を含有する層を設けるステップを
含む方法。
【請求項１８】上記材料がシリコンナイトライドを含
む請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】上記ステップ（ｂ）が石英ルツボの外
表面に上記バリア材料を被覆することを含む請求項１７
に記載の方法。
【請求項２０】上記ステップ（ｂ）が石英ルツボの外
表面に上記バリア材料を部分的に被覆することを含む請
求項１７に記載の方法
【請求項２１】チョクラルスキＣｚシリコン結晶の引
き上げ装置において使用されるグラファイトサセプタで
あって、酸素の拡散のバリアとなる材料を含む層からな
るグラファイトサセプタ。
【請求項２２】上記材料がシリコンナイトライドを含
む請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】上記バリア層がグラファイトサセプタ
の内表面に被覆されていることを含む請求項２１に記載
のグラファイトサセプタ。
【請求項２４】チョクラルスキＣｚシリコン結晶の引
き上げ装置において使用される石英ルツボであって、酸
素の拡散のバリアである材料を含む層からなり、上記バ
リア層が石英ルツボの内表面に被覆されている石英ルツ
ボ。
【請求項２５】上記材料がシリコンナイトライドを含
む請求項２４に記載の石英ルツボ。