JPWO2007040081A1 - 単結晶半導体製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

側面上段ヒータ１０については、電流流路の幅が、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が広くなるように構成している。これにより、側面上段ヒータ１０の電流通過断面積は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が小さくなり、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなる。一方、側面下段ヒータ２０については、電流流路の幅が、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が広くなるように構成している。これにより、側面下段ヒータ２０の電流通過断面積は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が小さくなり、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

Description

本発明は、単結晶半導体を製造する装置および製造方法に関する。

図３は従来の単結晶引上げ装置１の構成の一例を示している。

単結晶引上げ用容器２つまりＣＺ炉２内には石英るつぼ３が設けられている。この石英るつぼ３内で多結晶シリコン（Ｓi）が加熱され溶融される。溶融が安定化すると、引上げ機構４によって石英るつぼ３内のシリコン融液５から単結晶シリコン６が、ＣＺ法によって引き上げられる。引上げの際、石英るつぼ３は回転軸９によって回転する。

単結晶引上げのプロセス（１バッチ）の間で、容器２内には種々の蒸発物が発生する。そこで単結晶引上げ用容器２にアルゴン（Ａr）ガスを供給して容器２外に蒸発物とともに排気して容器２内から蒸発物を除去しクリーンにしている。アルゴンガスの供給流量は１バッチ中の各工程ごとに設定する。

また石英るつぼ３の上方にあって、単結晶シリコン６の周囲には、単結晶引上げ容器２内のガスを整流して融液５の表面５ａに導くとともに、単結晶シリコン６を熱源から遮蔽する熱遮蔽板８ａ（ガス整流筒）が設けられている。熱遮蔽板８ａの下端と融液表面５ａとの間隙の距離は適宜設定する。

引上げ成長した単結晶シリコン６中には、酸素が固溶している。酸素は石英るつぼ３からシリコン融液５中に溶け込み、単結晶シリコン６の引上げ時に単結晶シリコン６中に取り込まれる。単結晶シリコン６中の酸素濃度は、素子、デバイスの特性に重大な影響を与えるとともに、素子、デバイスの製造工程において、その歩留まりに重大な影響を与える。素子、デバイスはその種類によって必要とする酸素濃度が様々である。そのため単結晶シリコンの製造には、様々な酸素濃度に対応出来るプロセスが必要となる。また同時にこの酸素濃度は、結晶の成長方向に対して均一であるほど、素子、デバイスに必要な酸素濃度に適合する部分が多くなる。従って酸素濃度の制御範囲を結晶全体にわたって拡大すると単結晶シリコンの歩留まりを向上させることが可能となる。

石英るつぼ３の周囲には、円環状に、単一のヒータ１０が設けられている。ヒータ１０は、プラス電極１１、マイナス（アース）電極１２を備えており、これら電極間に電圧が印加されることで発熱し、石英るつぼ３内の融液５が加熱される。ヒータ１０に供給される電力を調整することで、ヒータ１０の発熱量が変化し、これにより石英るつぼ３の温度が変化し、石英るつぼ３から溶出されて単結晶シリコン６に取り込まれる酸素の挙動が変化する。このように、ヒータ１０の発熱量は、単結晶シリコン６中の酸素濃度に影響を与える。

しかしながら、図３に示す単一のヒータ１０を用いた場合には、ヒータ１０の上下方向の発熱量の分布、つまり石英るつぼ３の温度分布を大きく変えることが出来ない。このため、単一のヒータ１０に対して供給される電力を調整するだけでは、単結晶シリコン６の酸素濃度の制御幅は極めて狭く、単結晶シリコン６の成長方向の酸素濃度を均一にすることは事実上困難である。

そこで、石英るつぼ３の周囲の上下方向の各位置に複数のヒータを設けて、単結晶シリコン６の酸素濃度の制御幅を幾分でも拡大しようとする発明が、従来より下記特許文献に示すように、公知となっている。

下記特許文献１には、石英るつぼの側面の上下２段にそれぞれヒータを設けたヒータ装置が開示されている。

下記特許文献２には、石英るつぼの側面と底面それぞれにヒータを設けたヒータ装置が開示されている。

下記特許文献３には、石英るつぼの側面の上下２段にそれぞれヒータを設け、各ヒータに対して供給される電力の比率を所定の範囲に制限して、単結晶シリコンの酸素濃度を制御するという発明が記載されている。

下記特許文献４には、石英るつぼの側面の上下３段にそれぞれヒータを設け、各ヒータの電気抵抗を異ならせ、共通の電源から各ヒータに電力を供給することで、各ヒータで発生する発熱量を異ならせて、単結晶シリコンの酸素濃度を制御するという発明が記載されている。
特開昭６２−１５３１９１号公報 特許第２６８１１１５号公報 特許第３０００９２３号公報 特開２００１−３９７９２号公報 また、ヒータ以外の方法で酸素濃度を制御する下記の方法も既に実施されており、公知となっている。

１）るつぼ回転数、炉内圧力、炉内ガス流量によって、単結晶シリコンの酸素濃度を制御するという方法
２）磁場発生装置を設け、この磁場発生装置によって、石英るつぼ内の融液に対して磁場を印加することによって、単結晶シリコンの酸素濃度を制御するという方法

しかし、上記１）の方法は、単結晶シリコンの酸素濃度の制御幅が狭く、単結晶シリコンの歩留まりが低い。

また、上記２）の方法は、磁場発生装置の導入に伴うコストおよびその維持、管理に伴うコストが極めて高く、半導体製品を安価に製造することが困難である。

これに対して、複数のヒータを用いて、単結晶シリコンの酸素濃度を制御する方法は、上記１）の方法よりも、幾分でも単結晶シリコンの酸素濃度を制御幅を広くとれ、単結晶シリコンの歩留まりについても僅かではあるが向上する。また、上記２）の方法のように高コストになることもない。

複数のヒータを用いて、単結晶シリコンの酸素濃度を制御する方法では、複数のヒータに対して供給される電力の比率を調整することで、石英るつぼの上下方向の温度分布を能動的に変化させる。これにより酸素源である石英るつぼの溶解レートが変化したり、溶解した酸素を単結晶シリコンまで輸送する融液の対流が変化したりする。この結果、単結晶シリコンの成長方向の温度分布が変化して、単結晶シリコンの酸素濃度を変化させることができる。

しかし、上記特許文献３に示される方法は、各ヒータに対して供給される電力の比率を所定の範囲内に制限する方法であり、自ずと、単結晶シリコンの成長方向の温度分布の変化範囲は、その所定範囲内の電力比率によって規定されてしまい、温度分布を大きく変えることができない。このため、単結晶シリコンの酸素濃度の制御幅は十分な広さとはいえず、半導体製品の歩留まりは、満足できるものではない。

また、上記特許文献４に示される方法では、ヒータ単位で抵抗値を異ならせヒータ単位で発熱量を異ならせるというものであり、単結晶シリコンの成長方向の温度分布の変化範囲は、個々のヒータの高さ、ヒータの個数によって規定されてしまい、温度分布を大きく変えることができない。このため、単結晶シリコンの酸素濃度の制御幅は十分な広さとはいえず、半導体製品の歩留まりは、満足できるものではない。

本発明はこうした実状に鑑みてなされたものであり、複数のヒータを用いて、単結晶シリコンの酸素濃度を制御するに際して、石英るつぼの温度分布を変えることができるようにして、単結晶シリコンの酸素濃度の制御幅を従来よりも一層拡大して、半導体製品の歩留まりを向上させることを解決課題とするものである。

第１発明は、
単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置において、
前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
上側に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整されていること
を特徴とする。

第２発明は、
単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置において、
前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
下側に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整されていること
を特徴とする。

第３発明は、
単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置において、
前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
上側に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整され、
下側に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整されていること
を特徴とする。

第４発明は、第１発明、第２発明、第３発明において、
ヒータの電流通過断面積が、ヒータ上部とヒータ下部とで異なっていること
を特徴とする。

第５発明は、第４発明において、
前記ヒータの電流通過断面積は、電流通路の幅または電流通路の肉厚で調整されること
を特徴とする。

第６発明は、第１発明、第２発明、第３発明、第４発明、第５発明において、前記複数のヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた２個のヒータであって、上側のヒータは、その一部の電流流路が下側のヒータの上端位置に相当する位置よりも下方の位置まで入り込むように形成されているとともに、下側ヒータは、その一部の電流流路が上側ヒータの下端位置に相当する位置よりも上方の位置まで入り込むように形成されていること
を特徴とする。

第７発明は、
単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置を用いた単結晶半導体製造方法において、
前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
上側に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整して単結晶半導体を製造すること
を特徴とする。

第８発明は、
単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置を用いた単結晶半導体製造方法において、
前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
下側に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整して単結晶半導体を製造すること
を特徴とする。

第９発明は、
単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置を用いた単結晶半導体製造方法において、
前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
上側に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整し、
下側に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整して単結晶半導体を製造すること
を特徴とする。

第１０発明は、第７発明、第８発明、第９発明において、
ヒータの電流通過断面積が、ヒータ上部とヒータ下部とで異なっていること
を特徴とする。

第１１発明は、第１０発明において、
前記ヒータの電流通過断面積は、電流通過路の幅または電流通路の肉厚で調整されることを特徴とする。

第１２発明は、第７発明、第８発明、第９発明、第１０発明、第１１発明において、
前記複数のヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた２個のヒータであって、上側のヒータは、その一部の電流流路が下側のヒータの上端位置に相当する位置よりも下方の位置まで入り込むように形成されているとともに、下側ヒータは、その一部の電流流路が上側ヒータの下端位置に相当する位置よりも上方の位置まで入り込むように形成されていること
を特徴とする。

単結晶中の酸素は、石英るつぼからシリコン融液中に溶出した酸素が結晶に取り込まれたものであるが、主として石英るつぼの底部内表面からの溶出量に依存する事が一般に知られている。すなわち、石英るつぼ底部の温度が高いほど溶出量は増え、単結晶に取り込まれる酸素濃度は高くなり、逆に温度が低くなると単結晶に取り込まれる酸素濃度は低くなる。

本発明を図面に即して説明すると、図２に示すように、側面上段ヒータ１０については、電流流路の幅が、ヒータ上部の幅ｃ1よりもヒータ下部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、側面上段ヒータ１０の電流通過断面積は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が小さくなり、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

一方、側面下段ヒータ２０については、電流流路の幅が、ヒータ下部の幅ｃ1よりもヒータ上部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、側面下段ヒータ２０の電流通過断面積は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が小さくなり、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

この結果、本発明によれば、図８に示すように、側面下段ヒータ２０、側面上段ヒータ１０に対して、所定の電力比率（図では約１〜３の間の比率）で電力を供給した場合、石英るつぼ３の底部の温度分布範囲が従来例よりも拡大することがわかる。このため電力比率を調整することで、石英るつぼ３の上下方向の各位置、つまり単結晶シリコン６の成長方向の各位置での温度分布の広がりは、従来例と比較して、より拡大されて、単結晶シリコン６の酸素濃度の制御幅は、より広がることになる。

そして、本発明のヒータを使用した場合には、図９（ａ）に示すように、単結晶シリコン６の酸素濃度制御幅Ｂ１〜Ｂ２が広いため、酸素濃度規格Ｅに入る結晶定径部長さが、拡大される。この結果、図９（ｂ）に示すように、本発明のヒータを使用した場合には、単結晶シリコン６の歩留まりの範囲が、拡大される。

このように本発明のヒータを単結晶シリコン製造装置に使用すると、引き上げられる単結晶シリコン６の歩留まりが向上するという効果が得られる。

第１発明では、上側のヒータ１０のみにおいて、第２発明では、下側のヒータ２０のみにおいて、ヒータの上部と下部とで発熱量を異ならせるように抵抗値を調整する。第１発明では、たとえば図５を例にとると、側面上段ヒータ１０のみについて、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整するとともに、側面下段ヒータ２０については、図４と同様に、ヒータ上部と下部とで発熱量が同じように抵抗値が調整される。

第２発明では、側面下段ヒータ２０のみについて、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整するとともに、側面上段ヒータ１０については、図４と同様に、ヒータ上部と下部とで発熱量が同じとなるように抵抗値を調整する。

ヒータ各部の発熱量の調整は、ヒータの電流通過断面積を調整することで行う（第４発明、第５発明）。

第６発明では、図２に示すように、上側のヒータは、その一部の電流流路が下側のヒータの上端位置に相当する位置よりも下方の位置まで入り込むように形成されているとともに、下側ヒータは、その一部の電流流路が上側ヒータの下端位置に相当する位置よりも上方の位置まで入り込むように形成されている。

これにより、ヒータ１０、２０全体の上側領域の発熱量、ヒータ１０、２０全体の下側領域の発熱量に比較して、ヒータ１０、２０全体の中間領域の発熱量を少なくすることができる。

第７〜第１２発明は、第１発明〜第６発明の単結晶半導体製造装置を用いて単結晶半導体を製造する方法の発明である。

図１は実施形態のヒータが組み込まれた単結晶半導体製造装置の構成を示す側面断面図である。 図２は実施例１のヒータの構成を示す断面図である。 図３は従来のヒータが組み込まれた単結晶半導体製造装置の構成を示す側面断面図である。 図４は参考例のヒータの構成を示す断面図である。 図５は実施例２のヒータの構成を示す断面図である。 図６は実施例３のヒータの構成を示す断面図である。 図７は実施例４のヒータの構成を示す断面図である。 図８は本発明のヒータと従来のヒータを使用した場合の石英るつぼ底部の温度分布範囲の比較図である。 図９（ａ）は結晶定径部長さと単結晶シリコンの酸素濃度との関係を示すグラフで、図９（ｂ）は図９（ａ）に対応させて、単結晶シリコンの成長方向の歩留まりの長さを示した図である。

符号の説明

１０ 側面上段ヒータ
２０ 側面下段ヒータ
３０ 側面中間段ヒータ

以下図面を参照して、本発明に係る単結晶半導体製造装置およびそれに使用されるヒータの実施の形態について説明する。

図１（ａ）は、実施形態の単結晶引上げ装置１の構成を側面からみた図で断面図にて示している。実施形態のヒータはこの単結晶引上げ装置１に組み込まれている。
同図１に示すように、実施形態の単結晶引上げ装置１は、単結晶引上げ用容器としてのＣＺ炉（チャンバ）２を備えている。

ＣＺ炉２内には、多結晶シリコンの原料を溶融して融液５として収容する石英るつぼ３が設けられている。石英るつぼ３は、その外側が黒鉛るつぼ７によって覆われている。るつぼ３、７の周囲にあって、るつぼ３、７の側面には、石英るつぼ３内の多結晶シリコン原料を加熱して溶融する側面上段ヒータ１０、側面下段ヒータ２０が設けられている。側面上段ヒータ１０、側面下段ヒータ２０は、石英るつぼ３の側面の上下方向に沿って上下２段の各位置にそれぞれ配置されている。

図１（ｂ）は、側面上段ヒータ１０、側面下段ヒータ２０を上面からみた図であり、側面上段ヒータ１０、側面下段ヒータ２０は、石英るつぼ３の外周に沿って、円環状に形成されている。

なお、図１では、図示していないが、側面下段ヒータ２０の更に下段にあって、るつぼ３、７の底面に、円環状の底面ヒータを設けてもよい。

図２は、側面上段ヒータ１０、２０を、図１（ｂ）の矢視Ａからみた断面図（Ａ−Ａ断面図）であり、実施例１のヒータの構成を示している。

側面上段ヒータ１０、側面下段ヒータ２０は、独立して電力が供給されるものであり、通電されることによって発熱する導体で構成されている。すなわち、各ヒータ１０、２０に対応して独立した電源が設けられており、各ヒータ１０、２０毎に、プラス電極１１、２１、マイナス（アース）電極１２、２２を備えている。各ヒータ１０、２０に印加される電圧を独立して調整することによって発熱量、つまり石英るつぼ３に対する加熱量を独立して調整することができる。

側面上段ヒータ１０用電源の電圧が、ヒータ１０のプラス電極１１、マイナス電極１２間に印加されることによって側面上段ヒータ１０に電流が流れ、発熱する。側面上段ヒータ１０用電源の電圧を変化させることで、側面上段ヒータ１０の発熱量が調整され、石英るつぼ３の上側の加熱量が制御される。

また、側面下段ヒータ２０用電源の電圧が、ヒータ２０のプラス電極２１、マイナス電極２２間に印加されることによって側面下段ヒータ２０に電流が流れ、発熱する。側面下段ヒータ２０用電源の電圧を変化させることで、側面下段ヒータ２０の発熱量が調整され、石英るつぼ３の下側の加熱量が制御される。

側面上段ヒータ１０、側面下段ヒータ２０は、たとえば黒鉛（カーボン）で構成されている。なお、ヒータ１０、２０の材質としては、導電性のある材質で、通電加熱ができ、汚染発生源にならないものであれば、黒鉛以外の材質であってもよい。たとえばC／Cコンポジット（炭素繊維強化炭素複合材料）であってもよい。

側面上段ヒータ１０、側面下段ヒータ２０とＣＺ炉２の内壁との間には、断熱材で構成された保温筒８ｂが設けられている。

石英るつぼ３の上方には引上げ機構４が設けられている。引上げ機構４は、引上げ軸４ａと種結晶４ｂを含む。

石英るつぼ３内での溶融が安定化すると、引上げ軸４ａが鉛直方向に移動し種結晶４ｂが融液５に浸漬されて融液５から単結晶シリコンのインゴット６が、ＣＺ法により引き上げられる。引上げの際、石英るつぼ３は回転軸９によって回転する。ＣＺ炉２の底面には、回転軸９が挿通される軸孔４９が形成されている。

ＣＺ炉２内と外気を遮断することで炉２内は真空（たとえば２０Torr程度）に維持される。すなわちＣＺ炉２には不活性ガスとしてのアルゴンガスが供給され、ＣＺ炉２の排気口からポンプによって排気される。これにより炉２内は所定の圧力に減圧される。

単結晶引上げのプロセス（１バッチ）の間で、ＣＺ炉２内には種々の蒸発物が発生する。そこでＣＺ炉２にアルゴンガスを供給してＣＺ炉２外に蒸発物とともに排気してＣＺ炉２内から蒸発物を除去しクリーンにしている。アルゴンガスの供給流量は１バッチ中の各工程ごとに設定する。

石英るつぼ３の上方にあって、単結晶シリコン６の周囲には、熱遮蔽板８ａ（ガス整流筒）が設けられている。熱遮蔽板８ａは、保温筒８ｂに支持されている。熱遮蔽板８ａは、ＣＺ炉２内に上方より供給されるキャリアガスとしてのアルゴンガスを、融液表面５ａの中央に導き、さらに融液表面５ａを通過させて融液表面５ａの周縁部に導く。そして、アルゴンガス７は、融液５から蒸発したガスとともに、ＣＺ炉２の下部に設けた排気口から排出される。このため融液５から蒸発される酸素を安定に保ち液面上のガス流速を安定化することができる。

また熱遮蔽板８ａは、単結晶シリコン６を、石英るつぼ３、融液５、ヒータ１０、２０などの熱源で発生する輻射熱から、断熱、遮蔽する。また熱遮蔽板８ａは、単結晶シリコン６に、炉内で発生した不純物（たとえばシリコン酸化物）等が付着して、単結晶育成を阻害することを防止する。熱遮蔽板８ａの下端と融液表面５ａとの間隙の距離の大きさは、回転軸９を上昇下降させ、るつぼ３の上下方向位置を変化させることで調整することができる。

また、石英るつぼ３の上下方向位置を変化させることで、るつぼ３と、上下ヒータ１０、２０との上下の位置関係も相対的に変化する。

図４に、参考例のヒータの構成を示す。以下、図２に示す実施例１のヒータと、図４に示す参考例のヒータを対比して説明する。

図４に示す参考例の場合には、側面上段ヒータ１０の電流流路の幅ｃ、肉厚ｄは、ヒータ各部で同じであり、ヒータ上部とヒータ下部とで発熱量は異なることはない。同様に、側面下段ヒータ２０についても、電流流路の幅ｃ、肉厚ｄは、ヒータ各部で同じであり、ヒータ上部とヒータ下部とで発熱量が異なることはない。

これに対して図２に示すように、実施例１のヒータにあっては、側面上段ヒータ１０については、電流流路の幅が、ヒータ上部の幅ｃ1よりもヒータ下部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、側面上段ヒータ１０の電流通過断面積は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が小さくなり、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

一方、側面下段ヒータ２０については、電流流路の幅が、ヒータ下部の幅ｃ1よりもヒータ上部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、側面下段ヒータ２０の電流通過断面積は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が小さくなり、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

さらに、図２に示す実施例１の側面上段ヒータ１０は、その一部の電流流路が、図４に示す参考例の側面下段ヒータ２０の上端位置に相当する位置よりも下方の位置まで入り込むように形成されているとともに、図２に示す実施例１の側面下段ヒータ２０は、その一部の電流流路が、図４に示す参考例の側面上段ヒータ１０の下端位置に相当する位置よりも上方の位置まで入り込むように形成されている。これにより、図４に示す実施例１のヒータ１０、２０を全体としてみたとき、ヒータ１０、２０全体の上側領域の発熱量、ヒータ１０、２０全体の下側領域の発熱量に比較して、ヒータ１０、２０全体の中間領域の発熱量が、少なくなる。

側面上段ヒータ１０および側面下段ヒータ２０の主発熱部の発熱部高さXは、ヒータ全体の高さＹに対して１／２．５倍以下とするのが好ましい。

また、側面上段ヒータ１０において、ヒータ上部よりヒータ下部の発熱量を小さくするために、ヒータ上部に対するヒータ下部の電流通過断面積比を１．５倍以上にするのが好ましい。同様に、側面下段ヒータ２０において、ヒータ下部よりヒータ上部の発熱量を小さくするために、ヒータ下部に対するヒータ上部の電流通過断面積比を１．５倍以上にするのが好ましい。たとえばヒータの幅ｃ１とヒータの幅ｃ２は、ｃ２≧１．５×ｃ１の関係を満たすことが好ましい。

なお、図２の実施例１のヒータを構成するに際して、スリットの数に制限はなく、所望するヒータ抵抗値に合わせてスリットの数を設定すればよい。

また、ヒータを構成する電流流路の間隔（スリット幅ａ）は例えば５〜３０ｍｍ程度に、上段ヒータ１０と下段ヒータ２０の間隔ｂは、例えば１０〜３０ｍｍ程度に設定することが望ましい。これら間隔ａ、ｂを広くすると、隙間からの熱の逃げが多くなり、本発明の効果が得られ難くなり、逆に間隔ａ、ｂを狭くすると、放電の可能性が高くなり、プロセス自体が成立しなくなることがあるからである。

図８は本発明のヒータと従来のヒータを使用した場合の石英るつぼ底部の温度分布範囲を比較した図である。

同図８において、本発明のヒータは図２の上下段ヒータ１０、２０であり、従来のヒータは図４の上下段ヒータ１０，２０である。

図の横軸は下段ヒータの電力出力を上段ヒータの電力出力で割った電力比率（図では約１〜３の間）であり、電力比率が大きいほど下段ヒータ２０の出力が上段ヒータの出力より大きいことを意味する。図の縦軸は石英るつぼ３底部の中心部の温度を任意値で示している。また、電力比率が１から３の間における本発明の温度分布範囲Ｈ１と従来の温度分布範囲Ｈ２がそれぞれ示されている。

図８によれば、本発明の場合、石英るつぼ３の底部の温度分布範囲は従来よりも大きい。このため電力比率を調整することで、石英るつぼ３の上下方向の各位置、つまり単結晶シリコン６の成長方向の各位置での温度分布の広がりは、参考例と比較して、より拡大されて、単結晶シリコン６の酸素濃度の制御幅は、より広がることになる。

図９（ａ）は、単結晶シリコン６の酸素濃度の制御幅をグラフで示し、図９（ｂ）は、図９（ａ）に対応させて、単結晶シリコン６（インゴット）の成長方向における歩留まり範囲を示している。図９（ａ）の横軸は、結晶定径部長さ（％）であり、縦軸は単結晶シリコン６の酸素濃度（任意値）である。

図９（ａ）では参考例のヒータを使用した場合の単結晶シリコン６の酸素濃度を破線で示し、本発明（実施例１）のヒータを使用した場合の単結晶シリコン６の酸素濃度を実線で示している。

同図９（ａ）に示すように、参考例のヒータを使用した場合の単結晶シリコン６の酸素濃度の上限値はＡ１であり、同下限値はＡ２であり、これら上限値Ａ１、下限値Ａ２の幅が参考例のヒータを使用した場合の単結晶シリコン６の酸素濃度制御幅を示す。

一方、本発明（実施例１）のヒータを使用した場合の単結晶シリコン６の酸素濃度の上限値はＢ１であり、同下限値はＢ２であり、これら上限値Ｂ１、下限値Ｂ２の幅が本発明（実施例１）のヒータを使用した場合の単結晶シリコン６の酸素濃度制御幅を示す。

本発明（実施例１）のヒータを使用した場合の単結晶シリコン６の酸素濃度制御幅Ｂ１〜Ｂ２は、参考例のヒータを使用した場合の単結晶シリコン６の酸素濃度制御幅Ａ１〜Ａ２よりも明らかに広いことがわかる。

図９（ａ）において、Ｅは酸素濃度規格を示している。この酸素濃度規格Ｅに酸素濃度が入ることが、単結晶シリコン６の歩留まりの条件となる。

本発明（実施例１）のヒータを使用した場合には、単結晶シリコン６の酸素濃度制御幅Ｂ１〜Ｂ２が広いため、参考例のヒータを使用した場合よりも、酸素濃度規格Ｅに入る結晶定径部長さが、拡大される。この結果、図９（ｂ）に示すように、本発明（実施例１）のヒータを使用した場合の単結晶シリコン６の歩留まりの範囲は、参考例のヒータを使用した場合の単結晶シリコン６の歩留まりの範囲よりも、拡大される。

このように本発明（実施例１）のヒータを単結晶シリコン製造装置に使用すると、引き上げられる単結晶シリコン６の歩留まりが向上するという効果が得られる。

上述した図２に示す実施例１のヒータの構成は、一例であり、図５、図６、図７に示す構成のヒータであってもよい。

図５は、実施例２のヒータの構成を示している。

この実施例２のヒータは、側面上側ヒータ１０の下端位置、側面下側ヒータ２０の上端位置が、図４に示す参考例の側面上側ヒータ１０の下端位置、側面下側ヒータ２０の上端位置と同じ位置になっている他は、図２の実施例１のヒータと同様に構成されている。

すなわち、側面上段ヒータ１０については、電流流路の幅が、ヒータ上部の幅ｃ1よりもヒータ下部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、側面上段ヒータ１０の電流通過断面積は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が小さくなり、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

一方、側面下段ヒータ２０については、電流流路の幅が、ヒータ下部の幅ｃ1よりもヒータ上部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、側面下段ヒータ２０の電流通過断面積は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が小さくなり、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

側面上段ヒータ１０および側面下段ヒータ２０の主発熱部の発熱部高さXは、ヒータ全体の高さＹに対して１／２．５倍以下とするのが好ましい。

また、側面上段ヒータ１０において、ヒータ上部よりヒータ下部の発熱量を小さくするために、ヒータ上部に対するヒータ下部の電流通過断面積比を１．５倍以上にするのが好ましい。同様に、側面下段ヒータ２０において、ヒータ下部よりヒータ上部の発熱量を小さくするために、ヒータ下部に対するヒータ上部の電流通過断面積比を１．５倍以上にするのが好ましい。たとえばヒータの幅ｃ１とヒータの幅ｃ２は、ｃ２≧１．５×ｃ１の関係を満たすことが好ましい。

この実施例２のヒータを使用した場合には、図８において実施例１のヒータを使用した場合と同様に、電力比率の操作範囲を一定とした場合に、石英るつぼ３の底部の温度分布範囲が従来よりも拡大されるため、実施例１のヒータを使用した場合と同様に、単結晶シリコン６の酸素濃度幅Ｂ１〜Ｂ２が拡大され（図９（ａ））、この結果、単結晶シリコン６の歩留まりが向上する（図９（ｂ））。

図６は、実施例３のヒータの構成を示している。

この実施例３のヒータは、上述した図５の実施例２のヒータと同様に、側面上側ヒータ１０の下端位置、側面下側ヒータ２０の上端位置が、図４に示す参考例の側面上側ヒータ１０の下端位置、側面下側ヒータ２０の上端位置と同じ位置になっている。

ただし、図５の実施例２のヒータと異なり、電流流路の幅ｃではなく、電流流路の肉厚ｄを変えることで、発熱量を変化させている。

すなわち、側面上段ヒータ１０については、電流流路の肉厚が、ヒータ上部の肉厚ｄ1よりもヒータ下部の肉厚ｄ2の方が広くなるように構成している。これにより、側面上段ヒータ１０の電流通過断面積は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が小さくなり、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

一方、側面下段ヒータ２０については、電流流路の肉厚が、ヒータ下部の肉厚ｄ1よりもヒータ上部の肉厚ｄ2の方が広くなるように構成している。これにより、側面下段ヒータ２０の電流通過断面積は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が小さくなり、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

側面上段ヒータ１０および側面下段ヒータ２０の主発熱部の発熱部高さXは、ヒータ全体の高さＹに対して１／２．５倍以下とするのが好ましい。

また、側面上段ヒータ１０において、ヒータ上部よりヒータ下部の発熱量を小さくするために、ヒータ上部に対するヒータ下部の電流通過断面積比を１．５倍以上にするのが好ましい。同様に、側面下段ヒータ２０において、ヒータ下部よりヒータ上部の発熱量を小さくするために、ヒータ下部に対するヒータ上部の電流通過断面積比を１．５倍以上にするのが好ましい。たとえばヒータの肉厚ｄ１とヒータの肉厚ｄ２は、ｄ２≧１．５×ｄ１の関係を満たすことが好ましい。

この実施例３のヒータを使用した場合には、図８において実施例１のヒータを使用した場合と同様に、電力比率の操作範囲を一定とした場合に、石英るつぼ３の底部の温度分布範囲が従来よりも拡大されるため、実施例１のヒータを使用した場合と同様に、単結晶シリコン６の酸素濃度幅Ｂ１〜Ｂ２が拡大され（図９（ａ））、この結果、単結晶シリコン６の歩留まりが向上する（図９（ｂ））。

図７は、実施例４のヒータの構成を示している。

この実施例４のヒータは、実施例１、実施例２、実施例３のヒータと異なり、上下２段のヒータではなく、上下３段のヒータで構成されている。

すなわち、石英るつぼ３の上下方向の各位置には、上側より、側面上段ヒータ１０、側面中間段ヒータ３０、側面下段ヒータ２０が順に配置される。

側面上段ヒータ１０については、電流流路の幅が、ヒータ上部の幅ｃ1よりもヒータ下部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、側面上段ヒータ１０の電流通過断面積は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が小さくなり、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

一方、側面下段ヒータ２０については、電流流路の幅が、ヒータ下部の幅ｃ1よりもヒータ上部の幅ｃ2の方が広くなるように構成している。これにより、側面下段ヒータ２０の電流通過断面積は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が広くなり、それに応じて抵抗値は、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が小さくなり、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなる。

これに対して、側面中間段ヒータ３０については、電流流路の幅が、ヒータ各部で同じ幅ｃ２になるように構成されている。これは、側面上段ヒータ１０の上部、側面下段ヒータ２０の下部に比して、側面中間段ヒータ３０の発熱量が少なくなるように、側面中間段ヒータ３０の電流流路の幅を、側面上段ヒータ１０、側面下段ヒータ２０の電流流路の最大幅（ｃ2）と同等にしているが、それ以上の大きさの幅にしてさらに発熱量が少なくなる様にしてもよい。

なお、ヒータにおける電流通過断面積の設定だけでなく、側面中間ヒータ３０に供給する電力を、ヒータ３段全ての合計電力の３３％以下に設定する事が好ましい。これにより、側面上段ヒータ１０のヒータ上部および側面下段ヒータ２０のヒータ下部の発熱量を、他のヒータ部の発熱量に比べて相対的に大きくすることができる。

側面上段ヒータ１０および側面下段ヒータ２０の主発熱部の発熱部高さXは、ヒータ全体の高さＹに対して１／２．５倍以下とするのが好ましい。

また、側面上段ヒータ１０において、ヒータ上部よりヒータ下部の発熱量を小さくするために、ヒータ上部に対するヒータ下部の電流通過断面積比を１．５倍以上にするのが好ましい。同様に、側面下段ヒータ２０において、ヒータ下部よりヒータ上部の発熱量を小さくするために、ヒータ下部に対するヒータ上部の電流通過断面積比を１．５倍以上にするのが好ましい。たとえばヒータの幅ｃ１とヒータの幅ｃ２は、ｃ２≧１．５×ｃ１の関係を満たすことが好ましい。

なお、図７の実施例４では、ヒータ各部の電流流路の幅ｃを変化させて、ヒータ各部の発熱量を変化させているが、図６と同様に、ヒータ各部の電流流路の肉厚ｄを変化させて、ヒータ各部の発熱量を変化させてもよい。

この実施例４のヒータを使用した場合には、図８において実施例１のヒータを使用した場合と同様に、電力比率の操作範囲を一定とした場合に、石英るつぼ３の底部の温度分布範囲が従来よりも拡大されるため、側面上段ヒータ１０の発熱領域と側面下段ヒータ２０の発熱領域とが明確に分離する温度分布を呈し、実施例１のヒータを使用した場合と同様に、単結晶シリコン６の酸素濃度幅Ｂ１〜Ｂ２が拡大され（図９（ａ））、この結果、単結晶シリコン６の歩留まりが向上する（図９（ｂ））。

以上説明した実施例では、上側に位置するヒータ１０については、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整するとともに、下側に位置するヒータ２０については、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整しているが、本発明としては、上側のヒータ１０のみにおいて、あるいは、下側のヒータ２０のみにおいて、ヒータ上部と下部とで発熱量を異ならせるように抵抗値を調整する実施も可能である。たとえば図５に示す実施例２を例にとると、側面上段ヒータ１０のみについて、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整する（たとえば電流流路の幅ｃ1、ｃ2を異ならせる）とともに、側面下段ヒータ２０については、図４の参考例と同様に、ヒータ上部と下部とで発熱量が同じとする（たとえば電流流路の幅ｃを同じとする）実施も可能である。

逆に、側面下段ヒータ２０のみについて、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整するとともに、側面上段ヒータ１０については、図４の参考例と同様に、ヒータ上部と下部とで発熱量が同じとする実施も可能である。

また、実施例４では上下３段のヒータ構成であったが、石英るつぼ３の上下方向の各位置に４段以上のヒータを配置した構成にしてもよい。その場合、たとえば最上段に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整するとともに、最下段に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整する。その他についても実施例４に準じて行うことができるので、その説明については省略する。

本発明は、シリコン単結晶のみならず、ガリウム砒素等の化合物半導体を製造する装置に対しても、同様に適用することができる。

Claims (12)

1. 単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置において、
   前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
   各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
   上側に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整されていること
   を特徴とする単結晶半導体製造装置。
2. 単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置において、
   前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
   各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
   下側に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整されていること
   を特徴とする単結晶半導体製造装置。
3. 単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置において、
   前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
   各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
   上側に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整され、
   下側に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値が調整されていること
   を特徴とする単結晶半導体製造装置。
4. ヒータの電流通過断面積が、ヒータ上部とヒータ下部とで異なっていることを特徴とする請求項１、２、３記載の単結晶半導体製造装置。
5. 前記ヒータの電流通過断面積は、電流通路の幅または電流通路の肉厚で調整されることを特徴とする請求項４記載の単結晶半導体製造装置。
6. 前記複数のヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた２個のヒータであって、上側のヒータは、その一部の電流流路が下側のヒータの上端位置に相当する位置よりも下方の位置まで入り込むように形成されているとともに、下側ヒータは、その一部の電流流路が上側ヒータの下端位置に相当する位置よりも上方の位置まで入り込むように形成されていることを特徴とする請求項１、２、３、４、５記載の単結晶半導体製造装置。
7. 単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置を用いた単結晶半導体製造方法において、
   前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
   各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
   上側に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整して単結晶半導体を製造すること
   を特徴とする単結晶半導体製造方法。
8. 単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置を用いた単結晶半導体製造方法において、
   前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
   各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
   下側に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整して単結晶半導体を製造すること
   を特徴とする単結晶半導体製造方法。
9. 単結晶半導体の原料を溶解するるつぼと、このるつぼの周囲にあって、るつぼ内の原料を加熱するヒータとがチャンバ内に配置され、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引上げ機構が備えられた単結晶半導体製造装置を用いた単結晶半導体製造方法において、
   前記ヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた複数のヒータであって、
   各ヒータは、独立して電力が供給され、通電されることによって発熱する導体で構成され、
   上側に位置するヒータについては、ヒータ上部よりもヒータ下部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整し、
   下側に位置するヒータについては、ヒータ下部よりもヒータ上部の方が相対的に発熱量が少なくなるように、ヒータ各部における抵抗値を調整して単結晶半導体を製造すること
   を特徴とする単結晶半導体製造方法。
10. ヒータの電流通過断面積が、ヒータ上部とヒータ下部とで異なっていることを特徴とする請求項７、８、９記載の単結晶半導体製造方法。
11. 前記ヒータの電流通過断面積は、電流通過路の幅または電流通路の肉厚で調整されることを特徴とする請求項１０記載の単結晶半導体製造方法。
12. 前記複数のヒータは、るつぼの上下方向の各位置に設けられた２個のヒータであって、上側のヒータは、その一部の電流流路が下側のヒータの上端位置に相当する位置よりも下方の位置まで入り込むように形成されているとともに、下側ヒータは、その一部の電流流路が上側ヒータの下端位置に相当する位置よりも上方の位置まで入り込むように形成されていることを特徴とする請求項７、８、９、１０、１１記載の単結晶半導体製造方法。

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