TWI227755B - Device and method for producing single-crystal ingot - Google Patents

Description

1227755 五、發明說明（1) 發明所屬技術領域 本發明係有關於利用捷克拉爾斯基（C ζ 〇 c h r a 1 s k i )法 (以下，CZ法）製造單結晶鑄塊（尤其矽單結晶鑄塊）之單結 晶鑄塊製造裝置及方法。 習知技術 i

利用CZ法之單結晶之拉起方法係周知之技術，cz法單 結晶鑄塊製造裝置也廣為普及。在利用CZ法得到單結晶 日守’自原料液拉起單結晶，但是為了降低所拉起之單社 晶之結晶缺陷等，各式各樣的設定拉起速度等其他條件， 但是最近將缺陷形成溫度區域急冷，使結晶缺陷尺寸變 小，用以後之熱處理使晶圓表層變成無缺陷層。又，藉著 急冷’也可提南早結晶拉起禱塊之生產效率。 在將拉起之單結晶急冷上存在在c z爐内配置冷卻器的 (W093/00462號公報（特許第256224 5號））。而，也如在該 公報所示，在用以急冷之冷卻器上，由輕便或構築之泛用 性之觀點，一般採用冷卻水流通之冷卻配管。 發明所欲解決之課題

可是，在冷卻器採用冷卻水流通之冷卻配管之情況， 當因冷卻配管破裂而冷卻水漏出時，有對裝置損害很大之 問題。在發生了這種事故之情況，不僅對單結晶鑄塊之拉 起環境有不良影響，而且有時導致製程停止之事態，妨礙 單結晶鑄塊之穩定供給。 “ 本發明係鑑於上述課題而想出來的，其目的在於在具 備利用冷卻水流通之配管系冷卻之冷卻器1 9之石夕單結晶禱

1227755 五、發明說明（5) 之既定處之冷卻器之C Z法單結晶鑄塊製造裝置，其中藉著 在該熱遮蔽體内側之一部分配置冷卻器，調整該單結晶拉 起鑄塊在拉起方向之溫度梯度。 [矽單結晶鑄塊製造裝置之別的形態] 此外’本發明還提供如下所示之CZ法單結晶鑄塊製造 裝置。 、 (10) 如上述（1)項至（6)之其中之一友早释晶鑄塊 製造裝置，其特徵在於：該冷卻器在該單結晶拉起鑄塊側 之表面進行令吸熱性提高之處理。 其特徵 其特徵 在較好 (11) 如上述（1〇)之cz法單結晶鑄塊製造裝置 在於·該吸熱性提高之處理包括黑色之著色處理 (12) 如上述（11)之cz法單結晶鑄塊製造裝置 在於：該黑色之著色處理利用PVD法進行。此外 ％议町 之PVD法上列舉離子電鍍法，在較好之膜之構成物質上 舉氮化欽铭。 器 於是，若使用進行了令吸熱性提高之表面處理之冷卻 可更加提高本發明之冷卻效果，進 也可將冷卻器小型化。 7卩政果裢 [單結晶拉起鑄塊之溫度梯度之調整方法之 此外，本發明還含使用進八 〇形怎] 理之冷卻器之如下所示之方法。7 …、性提高之表面處 (13) 如上述（9)之方法，葬菩 塊側之表面進行令吸熱性提高之處用在單結晶拉起鑄 用冷卻器之吸熱效果下，調整該單纟士曰々卻為’在提高利 1227755 五、發明說明（6) ' 向之溫度梯度。 [術語之定義寻] 在本裝置，有「冷部配管之下端位於距熔液液面 15〇mm以下之位置」，冷卻配管之下端之上限係位於距熔 液液面1 5Omm之位置，但是冷卻配管之下端之下限係矽熔 液液面不接觸之距離，最好係在冷卻器不發生熔液液面之 輻射熱所引起之異常等之距離。 在追蹤進行CZ爐内之排氣之泵之抽氣量之「 置」上’係另外設置追縱栗之抽氣量並債測其變化之^

感測器也可，係泵本身以某種形或且借抓 ;,L ▲叮★石士备办丨丄 式具備那樣的债測機構的 也可。即，在泵本身例如用變頻器控制之 變化能以耗電力表達，但是在該「追蹤裝置 ，：： 泵本身掌握該耗電力之變化之情況。 」 ’也匕枯 ①組合」之術語，「單獨」意指採用上述 ③、或②和③之不同之2個以上之組合。又①和②、①旦和 至少一個」意指在①單獨之情況，如①和①在和、 組合之情況例如①和①以及②般，也容許同種類之2個以

兄。即’採用2個溫度感測器和1個流量感測 。。之形悲也包括於本裝置之概念。 音沪二ϊ i感測器」例如係熱電偶。χ ’「流量感測器」 式量測氣體之流量的’也包括量測氣體之通 測Ϊ別-妾！測氣體之通過速度的。「红外線吸光度量 d感刺為」係量測紅外線之吸收量的、量測紅外線之吸收

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率的都可。又’「紅外線吸光度量測感 式、透射型式之種類。 測器 不管反射型 在料堝内之原料熔⑨内施加磁場之磁 置」上例如可使用在特開昭56-45889號公報八n卞用裝 在「產生尖點磁場之磁場作用裝置」上=广又 58-2 1 7493號公報公開的。 使用在特開昭 ^令部用流體」在代表上係水 況’因只要係高效率散熱的，未限制法之情 以外之氣體、液體。 不ΙΓ制-種矢員’也可使用水 在7吸熱性提高之處理」之例子上，不檑^ 4 施形態後述之「里色腺 J千上不僅包括在實 理），品〇 w Γ 膜之形成處理（即黑色之著色處 」 且進行著色處理，也口晷孫八&从綠 降低之顏色，不是里 一要糸7、、、工外線之反射率 w Λ …、色也可（例如褐色、红愛多耸荽名老 理）。又，在這種黑色處理 ;:、土荨者色處 例如改變冷卻器 卜之耆色處理之外，也包括 理（例如在表面 / 2表面之狀態而降低熱反射率之處 衣面形成凹凸之處理等）。 「包括：包ί黑色之著色處理之處理」之術語， 色處理」：夕曰卜i,::熱性提高之處理」包括「黑色之著 之著色處理」伴^勺=涵因此，例如，在上述之「黑色_ 或改變冷卻器之通匕。、、色處理以外之著色處理之處理’ (例如在表而也狀或表面之狀態而降低熱反射率之處理 在「”= rt;處理等)也可。 離子電鍍、直办\ ^括在後述之實施形態採用之濺鍍、 -、二療鐘。可是，使用所形成之膜之密接性高

1227755 五、發明說明（8) 之離子電鍍更好。又，在考慮了膜之構成元素之 情況使用濺鍍較好。 匕之 來旦/本發明之裝置及方法，無受到拉起之單結晶鑄塊之種 類，響之因素，因可認為係可應用於CZ法整體之方法，未 限定為所拉起之單結晶鑄塊係矽單結晶鑄塊之情況。· 發明之實施形態 圖1係表示本發明之矽單結晶鑄塊製造裝置之 實施形態之方塊圖。 、 [整體構造] 本發明之矽單結晶鑄塊製造裝置和一般之cz法 „裝置-樣，4密閉容器之搶室U内具備用 ^射藏石夕炫液1 2之掛禍1 3和用將該掛竭1 3加熱之加熱 ^。而且’此外也和一般之CZ法矽單結晶鑄塊製造裝置二 本’適當的具備供給加熱器14電力之電極、支撐坩禍Η之 :堝：：箄令坩堝1 3轉動之踏板、隔熱材料、熔化物儲存 ""^ 间、 又’在本裝置，具備用以遮蔽自矽熔液1 2盥 ^ ^ ^ 〜塊17之熱輻射之熱遮蔽體18及配置於該埶 遮蔽體18之内側之冷卻器19。 /”、、 見供二2未圖*，在本發明之矽單結晶鑄塊製造裝置 體之引入·排氣夺Γ” 一般配備之情性氣 也兼具調整惰性=之=，在這種系統下’熱遮蔽體18 孔體之通路之作用。又，在本裝置連接將 f1乳之真空栗2〇(此外，藉著在真空泵20具備偵 '、即"“之開度或偵測供給之電量之裝置，不必另外設置

第11頁 1227755 五、發明說明（9) 後述之感測器）。 r二ί本發明之石夕單結晶鑄塊製造裝置，具備供給石夕 二 之電磁閥51及52。藉著利用該電磁閥51及 52仏a矽熔液12尖點磁場，可消滅在矽熔液12内發生之微 J之對/’IL可更^進結晶缺陷之降低或穩定之拉起等。 [冷卻器] . 在本么明之矽單結晶鑄塊製造裝置，其特徵在於在熱 遮蔽體18之内側之一部分配置由冷卻水在管中流通之配管 所構成之冷卻器19，其下端19a與矽熔液液面12a之距離設 為150mi^以下。如已說明所示，藉著將冷卻器19之下端19& 設於此範圍，經由在該部分之溫度梯度之增大，結晶缺陷 尺寸可微小化，同時，可提高矽單結晶鑄塊之拉起速度， 因而可貝現生產效率之提高。此外，本發明之冷卻器1 g本 身之高度（自配管之下端至上端為止之長度）只要有1〇〇mm 就夠了。 冷卻水在用配管構成之冷卻器1 9之中流通，但是經由 供水管2 1 a供給冷卻水。在包括該供水管2 1 &之供排水管2 1 穿入艙室11内之處安裝伸縮構件23，用以保持氣密。而， 冷卻器1 9本身不動，利用設於坩堝丨3之下部之圖上未示升 降器將坩堝1 3上下移動。在本裝置，坩堝丨3按照矽單結晶 鑄塊之拉起所伴隨之矽熔液液面1 2 a之下降上升，將冷卻 器之下知1 9 a和石夕溶液液面1 2 a之間之距離L調整成1 5 0 m in以 下。 在本貫施例，構成冷卻器1 9之配管之内徑係1 7 m m以

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五、發明說明（10) 下，在配管内流通之冷卻水之流動速度設為1 5升/分以 下。配管内徑和一樣之習知技術相比，小至在截面積上變 成約一半’但是即使這樣’只要距離L係1 5 0 m m以下，在對 於缺陷形成溫度區域之拉起方向之溫度梯度之貢獻之觀點 上冷卻效果無大的差別，這已如上所述。可是，藉著使配 管内徑變小，因在冷卻器1 9滯留之水量變少，在萬一冷卻 器1 9之冷卻配管破損而發生了漏水之情況，也因對應二在 冷卻器1 9滯留之水量少，漏水量也少，和習知之相同型式 之裝置相比，可使在發生了漏水之情況之受害止於最小。 即’若利用本裝置，可在令生產效率提高下降低漏水 受害。 又，本發明之冷卻器1 9，為了提高輻射率並提高吸埶 量，在矽鑄塊17側之表面（和矽鑄塊17相向之表面）形成^ 色膜，該黑色膜利用PVD法（在低溫（200〜4〇〇t)之均勻之'、、 塗層處理）形成。 在此，利用PVD法所形成之黑色膜（著色膜）之特性如 以下之表1所示。此外，在如下之表，「紅外吸收率約 75%」表示紅外吸收率比未形成黑色膜之情況提高。 表1 &外吸收荜耐處理爐 一 — 小

分類 著色膜__贫度 濺鍍 TiAl 2000vkg/mm2 離子電鍍 ΏΑ1Ν 23〇g：^^rim2

於是，因在冷卻器丨9之矽鑄塊丨7側 令該矽鑄塊17側表面之輻射率提高 之表面形成黑色 ，吸熱量變多，可 1227755

五、發明說明（11) 令冷卻效果更提高。因而，藉在冷卻器1 9之矽鑄塊1 7側之 表面進行黑色PVD處理，可提高矽鑄塊17之拉起速度。 又’藉著用P V D法形成膜，也可得到如下之優點。 (1)因利用PVD法之膜之耐熱溫度係約6 〇 〇 °c，在因發 生故卩早專而切斷往冷卻器1 9之冷卻水之情況也可令膜變質 之可能性顯著降低。例如，在形成黑色膜之處理上到目前 為止進行之英格（INCO)法，因膜（英格（INC0)膜）之耐熱溫 度係2 0 0 °C，在冷卻水停止時膜可能變質。 (2 )因利用PVD法之膜之強度或耐熱性優異，在加工、

设置、使用時等難受傷，降低膜剝離之可能性。 因此，在製作加工或設置時碰到某種硬的之情況，也 可防止黑色膜剝離（因英格（丨NC0)膜之膜強度或對sus母 之密接強度弱，可能連黑色膜都剝離）。 又’因像這樣黑色膜剝離之可能性小 成為污染源之優點。 也令”、、巴腰_ 此外，在除去附著於冷卻器19表面之 也可防止連黑色膜都剝離（在英格（INCG)法^ 都剝離）。又非晶形Si〇2之除去也變得容易。此連”、、色据 於是，若依據本發明，因形成難剝。

可令裝置重複使用時之確實性增加以外 j膜，除 型化時成為問題之黑色膜之剝離 7 π在冷部器- [安全對策] 正體之損害降低。 在本實施形態之矽單結晶鑄塊 室11内之壓力變化之壓力感測 。，安裝追蹤) 1貝測真空泵20所吸

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體之溫度 室11内之 器1 9之配 成水蒸氣 察知漏水 器3 4偵測 各感測器 期待偵測 又，由一 五、發明說明（12) 艙室11内之氣 泵2 0所吸入艙 3 4。這在冷卻 爐内之熱而變 藉著偵測確實 置紅外線感測 關於這些 漏水，但是由 個設置也可。 裔也無妨。 變化之溫度感 氣體之紅外線 管發生了漏水 ’因令發生溫 。因水蒸氣會 之’令漏水偵 ’只要設置其 之萬全之觀點 樣之觀點，設 測器3 3 吸收之 之情況 度變化 吸收紅 測之確 中一個 5使得 置多個 以及偵 紅外線 ’所漏 或壓力 外線， 實性增 ’可充 適當的 同種類 測真空 感測器 之水因 變化， 藉著設 大。 分察知 組合多 之感測 产 、 —^ ㈡石不仔畏比 ，，無可和別的條件變化區化之感應，為 ，氣所彳丨起之，應裝在水蒸氣集中之場所， 氣路徑（即，和真空泵2〇連接之管）較好。 器34因即使是微量之水蒸氣也可馬上偵測， 徑，可裝在艙室11之内壁面等任何場所。 在此，該各感測器和控制器3 5連接。在 壓力感測器31直接，而溫度感測器3 3及紅 由各自對應之處理裝置33a、34a和控制器35 例如，在利用壓力感測器31偵測到$ 起，,11内壓力上升之情況，利用紅外線‘ 水療氣之吸收帶之異常吸收之情況，或者^ 事態之情況，控制器3 5動作，令顯示器3 6真 卻水之流入之電磁閥3 7，冷卻水停止流入二 平父夕重之水蒗 確實的掌握水 基本上裝在排 ’紅外線感測 不僅排氣路 本實施形態， 線感測器34經 連接。 生之水蒸氣引 測器3 4確認在 時偵測到這些 ’關閉調整冷 同時，打開平

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常關閉之電磁閥39，將排出管21b之末端向大氣開放。、 是，在發生了漏水之情況，所漏之水變成水蒸氣，因壓、 增加，在此情況，經由電磁閥39向外部排出冷卻器丨9 = 冷卻水，可令落入矽熔液水之水量降低。 之

此外，向大氣開放之管也和供水管2 1 a連接，可連八 後要供給冷卻器1 9内的也排出。因而，在漏水時，因作^可 能的多排出滯留於冷卻器1 9内之水，對於裝置之損室變口 小，在那種情況也可避免裝置停止作業等事態。但=$ 實施形態之矽單結晶鑄塊製造裝置，為了期待對贫；緊急 態之萬全’在其對策上，在艙室12安裝安全閥4〇。又了 冷卻水之流出管或大氣開放管也安裝止回閥41〜43， 對於緊急事態之萬全。 ’ 發明之效果 如ΐ述所示，本發明之單結晶鑄塊製造裝置，藉著石 實冷^單結晶鑄塊之熔液液面附近，有助於增大在^起〕 向度梯度，可實現結晶缺陷尺寸之微小化和生產效j 之提回，而且可實現以少量的冷卻水冷卻，可同古〗 結晶鑄塊之生產效率和降低漏水事故所引起之損害。阿-

=外，因在冷卻器之矽鑄塊側之表面進行 高之J理，可令冷卻效果更提高，在將冷卻器小型 況，可更有助於本發明降低在漏水時 圖式簡單說明 才心損口 # ^ 係表不本發明之矽單結晶鑄塊製造裝置之適合之 實施形怨之方塊圖。 心口 < 1227755 五、發明說明（14) 符號說明 11〜艙室；1 2〜矽熔液；1 2 a〜矽熔液液面；1 3〜坩堝； 14〜加熱器；17〜矽鑄塊；18〜熱遮蔽體；19〜冷卻器；19a〜 冷卻器之下端；20〜真空泵；23〜伸縮構件；L〜冷卻器之下 端19a和矽熔液液面12a之間之距離；31〜壓力感測器；32〜 溫度感測器；34〜紅外線感測器；33a、34a〜處理裝置；· 3 5〜控制器；3 6〜顯示器；3 7、3 9〜電磁閥；4 0〜安全閥； 41-43〜止回閥；51、52〜電磁閥。

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Claims (1)

1. —-一- 891Q5R46 p 年"]月疗日 攸x， 六、申請專利^ I 一種捷克拉爾斯基法（以下，CZ法）單結晶鑄媿…製邊 裝置’自掛堝内之原料熔液拉起單結晶鑄塊，且在爐内具 備圍繞拉起中之單誥晶鑄塊（以下，拉起單結晶鑄塊）而遮 蔽來自炼液液面之輻射熱之熱遮蔽體和配置於該熱蔽體内 侧並冷卻該拉起單結晶鑄塊之既定處用以調整該單結晶鑄 塊之結晶缺陷之冷卻器， 其特徵在於： 該冷卻器由冷卻水流通之冷卻配管構成，而且配置於 該熱遮蔽體内側之一部分。 2·如申請專利範圍第1項之CZ法單結晶鑄塊製造裝 置’其中該冷卻器係冷卻水流通之冷卻配管，圍繞該單会士 晶拉起鑄塊，而且冷卻器之内徑比該熱遮蔽體之内徑大。 3 ·如申請專利範園弟1或2項之c Z法單結晶鑄塊製造裳 置’其中該冷卻配管之下端位於距離矽熔液液面為15〇111/ 以下之位置。 4·如申請專利範圍第1或2項之cz法單結晶鑄塊製造裝 置’其中以單獨或組合各自具備至少一個如下之任一偵測 裝置： 、“ ① 裝在C Z爐之排氣路控内之溫度感測器； ② 追蹤進行CZ爐内之排氣之泵之抽氣量之追蹤裝置 以及 ③裝在CZ爐内或CZ爐之排 度之感測器。 5 ·如申請專利範圍第1或2 氟路徑内之量測紅外線吸光 項之CZ法單結晶鑄塊製造裝

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   置，其中包括對 用裝置。 該 互修正 坩堝内之原料熔液内施加磁場之磁場作 6 由 置，复甲清專利範圍第5項之CZ法單結晶鑄塊製造裝 二中該磁場作用裝置係對該原料熔液内產生等軸 而且?放射狀^尖點磁場之磁場作用裝置。 裝置？，·如申請專利範圍第1項所述之以法單結晶鑄塊製造· 中該冷卻配管之設定方法之特徵在於： 15〇精著將該冷卻配管下端位置之液面高度設在低於 下，該冷卻配管内徑小於丨7_以下，而且按照該 & # ΐ結晶，塊之直徑調整該冷卻水之流通速度，提高該 *入Γ結晶鑄塊在拉起方向之溫度梯度，同時提高裝置之 女王性’而且提高該配管之配置之彈性。 8·如申請專利範圍第7項之CZ法單結晶鑄塊製造裝 ，其中該冷卻配管配置於爐内之該熱遮蔽體内侧之一部 分0 9.如申請專利範圍第i項所述之以法單結晶鑄塊製造 其中該拉起單結晶鑄塊之溫度梯度調整方法之特徵 在於： ，著在該熱遮蔽體内側之一部分配置冷卻器，調整該 拉起單結晶鑄塊在拉起方向之溫度梯度。 10·如申請專利範圍第i或2項之cz法單結晶鑄塊製造 裝置，其中該冷部器在該單結晶拉起鑄塊側之表面進行令 吸熱性提高之處理。

   7054-3115-PF2.ptc 第19頁 1227755 修正 曰 ^號 891ΠΜ/|β 六、申請專利範圍 ”中該吸熱性提高之處理包括黑色之著色處理。 置 12·如申請專利範圍第li項之CZ法單結晶鑄塊製造裝 中該黑色之著色處理利用p ^ D法進行。 置 U_+如^申#請專利範圍第9項之CZ法單結晶鑄塊製造裝. 熱性提高：Π曰拉起鑄塊側之表面進行令吸 下，調整該單結晶拉起鑄，J高利用冷卻器之吸熱效果 Α在拉起方向之溫度梯度。

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