TWI605160B - 單結晶拉引裝置具備之加熱器關連元件之選擇方法 - Google Patents

Description

單結晶拉引裝置具備之加熱器關連元件之選擇方法

本發明是關於一種加熱器關連元件之選擇方法，其可在以CZ法拉引單結晶時，防止拉引裝置所具備的元件特別是加熱器關連元件的破損，使裝置擁有長期壽命。

一般而言，半導體元件的基板是採用從矽單結晶切出的矽晶圓，矽單結晶等的單結晶主要利用CZ法等拉引方法，藉由拉引單結晶錠來製造。在使用CZ法的單結晶的拉引方法中，例如，使用第1圖所示的一般拉引裝置10等。具體而言，首先，對設置於腔室11內的坩堝12填充多結晶矽等結晶用原料。然後，藉由設置於坩堝12外周例如圓筒狀的加熱器13對填充於此坩堝12內的結晶用原料加熱並熔化它，作為熔融液30。接著，將從腔室11上部保持種夾具且由單結晶構成的種結晶20浸泡在熔融液30內，一邊旋轉種結晶20，一邊慢慢地拉引它。然後，去除種結晶20浸泡於熔融液30時產生於種結晶20的轉位(無轉位化)，於是進行縮頸以形成頸部(亦可稱為縮小部)，接著，擴大單結晶的直徑到所想要的直徑，藉此，形成肩部(亦可稱為擴徑部、錐部)。然後，擴徑大所要的直徑後，一邊控 制拉引速度及熔融液的溫度，一邊形成本體(亦可稱為直胴部)，然後再形成尾部，藉此，製造出略為圓柱狀的單結晶31。

在單結晶的育成中，加熱器13的溫度亦上升至1000℃以上，所以，在腔室11內藉由加熱器13的熱長時間曝曬為高溫狀態。因此，當反覆進行單結晶的拉引時，拉引裝置10內的各種元件等因高熱等原因而破損的不良情況偶而會發生。

使用於CZ法的一般拉引裝置10是透過主要使用碳材料而形成的碳電極14，來和加熱器13、對設置於腔室11外之加熱器13供應電力的電源(未圖示)連結的構造。因此，加熱器13腳部13b可使用螺帽24等來固定於碳電極14的一端。另外，設置有稱為加熱器13、碳電極14之加熱器關連元件的部分位於加熱器發熱部附近，所以，特別在單結晶育成中，常曝曬成高溫狀態。因此，如第2圖所示，在加熱器13的腳部13b與碳電極14的接合部位上，容易產生因元件之熱膨脹而導致的不良情況。例如，第2(a)圖所示，在加熱前，加熱器13的腳部13b的厚度L因為加熱，熱膨脹為如第2(b)圖所示的厚度L’，碳電極14有裂痕或破裂等不良情況偶而會發生。

針對此種問題，曾有人揭示一種半導體製造裝置(例如，參照專利文獻1)，其在具備反應容器、設置於反應容器內且搭載基板之基板支持手段、對基板支持手段加熱之加熱手段、對反應容器內供給氣體之氣體供給手段的半導體製造裝置中，加熱手段具備加熱部、用來將該加熱部連接至電源之電極部的端子部，此端子部在與電極部連接的連接部與加熱部之間，固定了用來抑制加熱手段變形的固定手段。在此專利文獻 1所揭示的半導體製造裝置中，與電極部連接的連接部與加熱部之間，另外設置用來抑制加熱手段變形的固定手段，藉此，可抑制加熱器的變形歪斜，於是可防止在運作中產生溫度分布不均的情況，再者可防止加熱器的劣化而增長壽命。

先行技術文獻

專利文獻

[專利文獻1]日本特開2013-135190號公報(專利申請範圍第1項，段落【0009】)

然而，在上述習知的專利文獻1所揭示之半導體製造裝置中，作為固定手段來設置的元件的材質等有時會在加熱器因熱膨脹時導致固定手段壓迫加熱器而使其破損。又，當固定手段比加熱器過度膨脹時，有時無法得到固定的效果，於是無法充分抑制加熱器的變形歪斜等。如此，在另外設置上述習知的專利文獻1所揭示之固定手段的方法中，無法充分使裝置增長壽命。

又，近年來上拉單結晶進展為大口徑化，隨之而來的是設置於處理室內的加熱器等也傾向於大型化。又，藉由裝置的大型化，上拉中的單結晶與加熱器之間的距離也會變大，因此，上拉中的加熱器溫度需要設置得比習知的還高溫。因為此種理由，上拉中的加熱器腳部等所得到的熱應力增大，與上述加熱器關連元件破損有關的問題也漸漸變得明顯。又， 過去將同一製造廠所製造的元件組合在一起使用在加熱器和碳電極上，所以，與上述加熱器關連元件破損有關的問題不會發生，但，為了提高零件使用的自由度，會使用不同製造廠所製造的元件、不同的材料等，於是此種問題便發生。

本發明的目的在得到一種加熱器關連元件之選擇方法，其中，當使用CZ法上拉單結晶時，防止上拉裝置所具備的尤其是加熱器關連元件破損，使裝置得到長期壽命。

本發明之第一觀點為一種加熱器關連元件之選擇方法，當使用熔化填充於坩堝內之結晶用原料來作為加熱器關連元件並進行溫度控制的加熱器和具備用來連結上述加熱器及電源之碳電極的拉引裝置並以CZ法來育成單結晶時，選擇將上述加熱器的腳部的熱膨脹係數與上述碳電極的熱膨脹係數的差作為熱膨脹係數差△C時的上述熱膨脹係數差△C在以下列算式(1)所算出的極限熱膨脹係數差△C_L以下的上述加熱器及上述碳電極。

極限熱膨脹係數差(△C_L)=σ/(E×A×△T) (1)

其中，在算式(1)中，σ為上述碳電極的拉伸強度，E為上述碳電極的楊格率，A為碳電極相對破斷應力的安全率，△T表示發熱時的溫度T₁和將上述加熱器的腳部以螺帽固定在上述碳電極上時的溫度T₂之間的溫度差。

本發明的第二觀點為，在根據第一觀點的發明中，熱膨脹係數差△C在0.5×10^-6/K以內。

在本發明的第一觀點中，當使用熔化填充於坩堝內之結晶用原料來作為加熱器關連元件並進行溫度控制的加熱器和具備用來連結加熱器及電源之碳電極的拉引裝置並以CZ法來育成單結晶時，選擇將加熱器的腳部的熱膨脹係數與碳電極的熱膨脹係數的差作為熱膨脹係數差△C時的熱膨脹係數差△C在以下列算式(1)所算出的極限熱膨脹係數差△C_L以下的加熱器及碳電極。如此，若熱膨脹係數△C選擇上述極限熱膨脹係數差△C_L以下的加熱器及碳電極，在單結晶育成中，於加熱器的腳部以螺帽固定於碳電極之一端的接合部位，可降低熱膨脹差所引起的應力，大幅防止該部位所在的裂痕、破損等的發生，進而使裝置增長壽命。

12‧‧‧坩堝

13‧‧‧加熱器

13b‧‧‧加熱器的腳部

14‧‧‧碳電極

第1圖為表示在CZ法中一般使用之上拉裝置之其中一例的概略圖。

第2圖為模式圖，說明在單結晶育成中之裝置內使加熱器關連元件產生破損的原理。

接著，根據圖面說明用來實施本發明的型態。

首先，說明在CZ法中一般使用的上拉裝置。作為其中一例，在本發明實施型態中所使用的裝置如第1圖所示。此外，在第1圖、第2圖中，同一符號表示同一元件或同一部位。

上拉裝置10具有處理室11，在處理室11的中央， 配置有用來填充結晶用原料的坩堝12。坩堝12一般是由有底圓筒狀石英坩堝12a及配置於其外周的黑鉛坩堝12b所構成。坩堝12透過支軸16連接至驅動手段17，當驅動驅動手段17時，坩堝12以既定速度旋轉並升降。

又，用來熔融填充於坩堝12b內的結晶用原料並進行上拉中的熔融溫度等溫度控制的加熱器13以圍繞在坩堝12之側面外周的狀態，設置成圓筒狀。加熱器13透過碳電極14，與未圖示出的電源連結，從電源對加熱器13供給電力。因此，加熱器13的腳部13b一般藉由螺帽24固定於碳電極14的一端，又，未圖示出的電源的電源端子部接合至碳電極的另一端。從電源供給的電力轉換為熱，從加熱器13的發熱部13a發出熱來，填充於坩堝12內的結晶用原料藉由從此加熱器13所發出的熱來熔解，成為熔融液30。又，單結晶上拉的過程中，已熔融的熔融液30藉由來自該加熱器13的熱控制到所要的熔融溫度。

加熱器13的外周藉由保溫筒15包圍。又，在處理室11的上端，連接有圓筒狀的外殼18，在此外殼18上，設有上拉手段19。又，上拉手段19於其先端安裝種結晶20，其為一邊旋轉一邊上拉棒狀單結晶31的構造。又，為了遮蔽從加熱器到從熔融液30上拉之單結晶31的熱，單結晶31的外周面隔出既定的間隔，被熱遮蔽元件21包圍。在處理室11上部，連接有氣體供給管22，在處理室11底部，連接有排出管23。從氣體供給管22以既定流量將氬氣等惰性氣體供給至處理室11內，再從氣體排出管23排出。

使用此種上拉裝置以育成矽單結晶等單結晶的具體步驟如下。首先，於設置於上拉裝置10之處理室11內的坩堝12內填充結晶用原料，使用加熱器13加熱並熔解，變成熔融液30。作為結晶用原料，可採用高純度的矽多結晶體等。又，可根據需要將dopant不純物跟矽多結晶體一起投入坩堝12內。

接著，藉由驅動手段17透過支軸16以既定的速度旋轉坩堝12。然後，藉由未圖示出的上拉用馬達，釋出上拉裝置19使種結晶20下降，使種結晶20的先端部與熔融液30接觸。之後，一邊以既定的旋轉速度使種結晶20和坩堝12朝向相反方向旋轉，一邊藉由上拉裝置19慢慢上拉種結晶20，藉此，在種結晶20的下方育成既定長度的棒狀單結晶31。具體而言，熔解接觸過熔融液30的種結晶20之後，首先，開始上拉形成頸部(縮小部)，然後，慢慢增大結晶半徑形成肩部。接著，再回到定形的本體(直胴部)的上拉。此外，一邊考慮隨著上拉育成而減少的熔融液面的高度，一邊控制上拉速度和熔融液溫度使結晶成長速度最佳化。形成本體後，慢慢縮小結晶半徑，形成尾部。在育成此種單結晶的一連串步驟中，處理室11內因為來自加熱器13的熱而始終被曝曬成高溫狀態，特別是設置於加熱器13附近的加熱器13、碳電極14等加熱器關連元件不容易受到熱所產生的影響。

另外，在本發明之加熱器關連元件之選擇方法中，當藉由此種CZ法育成矽單結晶等時，作為上述上拉裝置10所具備的加熱器13、連結加熱器13及電源端子部的碳電極 14，兩者的熱膨脹係數差，亦即，熱膨脹係數差△C選擇以下列算式(1)算出的極限熱膨脹係數差△C_L以下。如此，在單結晶育成的過程中，於加熱器13的腳部13b藉由螺帽24固定於碳電極14之一端的接合部位上，過去如第2圖所示，加熱器13的腳部13b與碳電極14的熱膨脹差導致較大的應力，但上述熱膨脹係數差△C選擇以下列算式(1)算出的極限熱膨脹係數差△C_L以下的加熱器13及碳電極14，藉此，可減低該應力。因此，若選擇滿足上述條件的加熱器及碳電極來實施單結晶的育成，上述接合部位即使長時間曝曬在高溫狀態，也可大幅防止裂痕、破損等情況發生，增長裝置的壽命。又，此方法不僅是選出熱膨脹係數差較小的方法，預先從下列算式(1)找出引起裂痕、破損等的極限以選擇出兩元件，所以，可防止兩元件的選擇範圍無故變小。

上述熱膨脹係數差△C_L以下列算式(1)算出。

極限熱膨脹係數差(△C_L)=σ/(E×A×△T) (1)

但，在算式(1)中，σ為碳電極14的拉伸強度，E為碳電極14的楊格率，A為碳電極相對破斷應力的安全率，△T表示發熱時的溫度T₁和將加熱器13的腳部13b以螺帽24固定在碳電極14上時的溫度T₂之間的溫度差。

上述算式(1)求出的方式如下。首先，若將室溫狀態下的加熱器13的腳部13b的厚度設為L，碳電極14拉伸強度設為σ，碳電極14的楊格率設為E，安全率設為A，則碳電極14的極限延伸X以下列算式(2)來表示。

碳電極的極限延伸(X)=σ×L×A/E (2)

此外，所謂碳電極14的極限延伸X，是指碳電極達到斷裂的極限延伸量。又，在算式(1)、算式(2)中，所謂相對於碳電極之斷裂應力的安全率A，是指相對於碳電極達到斷裂強度之理論值得安全邊界率。

另一方面，加熱器13的腳部13b的厚度延伸Y以下列算式(3)來表示。

加熱器腳部的厚度延伸(Y)=L×△T×△C_L (3)

此外，所謂加熱器腳部13b的厚度延伸Y，是指加熱器腳部被加熱時的延伸量。又，在算式(3)中，L、△T、△C_L與上述算式(1)相同。所謂△T中發熱時的溫度T₁，具體地說，是指腳部在加熱器發熱時的最高溫度。又，所謂△T中將加熱器13的腳部13b以螺帽24固定在碳電極14上時的溫度T2，是指進行上述加熱前的室溫。

另外，當碳電極14的極限延伸X和加熱器13的腳部13b的厚度延伸Y不相等時，亦即，將X=Y時會造成碳電極14等產生龜裂時，得到下列算式(1')，針對△C_L來解，則會得到上述算式(1)。

σ×L×A/E=L×△T×△C_L (1')

在本發明的選擇方法中，從這樣導出的算式(1)求出極限熱膨脹係數差△C_L，加熱器13的腳部13b與碳電極14的熱膨脹係數的差分值，亦即，上述熱膨脹係數差△C與上述算出的極限熱膨脹係數差△C_L作對比，△C選擇代表△C_L以下的值的加熱器13及碳電極14。此外，上述熱膨脹係數差△C宜在上述算出的極限熱膨脹係數差△C_L以下，若能進一步在 0.5×10^-6/K以內，則更好。若組合所選擇的加熱器13及碳電極14並設置於上拉裝置10以實施單結晶的上拉，可在這些接合部位抑制碳電極等產生裂痕、破損等不良情況，於是得以增長裝置的壽命。

[實施例]

接著，伴隨比較例詳細說明本發明的實施例。

<第1實施例及第1、第2比較例>

使用第1圖所示的上拉裝置10，根據以下的步驟來育成矽單結晶。此時，關於設置於上拉裝置10上的加熱器13及碳電極14，製造廠將各種不同的加熱器13及碳電極14的組合表示如表1，變更各個實施例及比較例來進行。

具體而言，首先，在設置於上拉裝置10之處理室11內的坩堝12內填充多結晶矽作為結晶用原料，從未圖示出的電源對加熱器13供給電力，藉由加熱器13加熱以產生矽熔液(熔融液30)。

接著，藉由驅動手段17透過支軸16以既定的速度旋轉坩堝12，並且釋出上拉裝置19使種結晶20下降，使種結晶20的先端部與矽熔液接觸。之後，一邊以既定的旋轉速度使種結晶20和坩堝12朝向相反方向旋轉，一邊藉由上拉裝置19慢慢上拉種結晶20，藉此，在種結晶20的下方育成既定長度的棒狀矽單結晶(單結晶31)。

此外，關於坩堝12旋轉數、種結晶20上拉速度等條件，在使用CZ法的單結晶的育成方法中，採用一般採用的條件。關於這些加熱器及碳電極的組合以外的溫度條件、上 拉條件等，各實施例及比較例的變更幾乎不實施。

<比較測試及評估>

關於在第1實施例及第1、第2比較例中所使用的上拉裝置10，在矽單結晶上拉後，評估加熱器13的腳部13b與碳電極14的接合部位是否有斷裂。又，設置於各裝置10的加熱器13的腳部13b與碳電極14的極限熱膨脹係數差△C_L在分別實施單結晶的上拉之前，藉由以下的方法來求得。這些結果如以下的表1所示。此外，表1所示的熱膨脹係數差△C從製造廠的型錄值(加熱器的腳部的熱膨脹係數、碳電極的熱膨脹係數)算出該差值來求得。

(i)有無斷裂：在進行矽單結晶上拉之後，以目視觀察加熱器13的腳部13b與碳電極14的接合部位，評估產生裂痕或龜裂的情況是否有斷裂。

(ii)極限熱膨脹係數差△C_L：以下列算式(1)算出。

極限熱膨脹係數差(△C_L)=σ/(E×A×△T) (1)

此外，相對於碳電極之斷裂應力的安全率A在本實施例中設為2，碳電極14的拉伸強度σ及楊格率E採用製造廠的型錄值。又，藉由算出△T時的發熱時的溫度T₁為爐內的熱環境模擬(使用軟體名稱：CGsim)來類推。又，△T中加熱器13的腳部13b以螺帽24固定於碳電極14上時的溫度T₂為室溫(25℃)。

從表1可知，若比較第1實施例及第1、第2比較例，第1、第2比較例選擇加熱器的腳部的熱膨脹係數與碳電極的熱膨脹係數的差亦即熱膨脹係數差△C超過極限熱膨脹係數差△C_L的加熱器及碳電極，在，第1、第2比較例中，所有矽單結晶被上拉後，加熱器的腳部與碳電極的接合部位可看到斷裂。另一方面，第1實施例選擇上述熱膨脹係數差△C在極限熱膨脹係數差△C_L以下的加熱器及碳電極，在第1實施例中，即使長時間被曝曬在高溫狀態的單結晶被上拉後，在上述接合部位看不見斷裂。所以，加熱器的腳部與碳電極的熱膨脹係數差△C選擇藉由上述算式(1)定義的極限熱膨脹係數差△C_L以下的加熱器及碳電極，藉此，確認可得到一效果，亦即，在上述接合部位抑制碳電極等產生裂痕、破損等。

[產業可利性]

本發明之加熱器關連元件之選擇方法可良好應用於使用CZ法育成矽單結晶等時所使用之裝置的延長壽命。

10‧‧‧拉引裝置

11‧‧‧腔室

12‧‧‧坩堝

12a‧‧‧石英坩堝

12b‧‧‧黑鉛坩堝

13‧‧‧加熱器

13a‧‧‧發熱部

13b‧‧‧加熱器的腳部

14‧‧‧碳電極

15‧‧‧保溫筒

16‧‧‧支軸

17‧‧‧驅動手段

18‧‧‧外殼

19‧‧‧拉引裝置

20‧‧‧種結晶

21‧‧‧熱遮蔽元件

22‧‧‧氣體供應管

23‧‧‧氣體排出管

24‧‧‧螺帽

31‧‧‧單結晶

Claims (2)

1. 一種加熱器關連元件之選擇方法，當使用熔化填充於坩堝內之結晶用原料來作為加熱器關連元件並進行溫度控制的加熱器和具備用來連結上述加熱器及電源之碳電極的拉引裝置並以CZ法來育成單結晶時，選擇將上述加熱器的腳部的熱膨脹係數與上述碳電極的熱膨脹係數的差作為熱膨脹係數差△C時的上述熱膨脹係數差△C在以下列算式(1)所算出的極限熱膨脹係數差△C_L以下的上述加熱器及上述碳電極：極限熱膨脹係數差(△C_L)=σ/(E×A×△T) (1)其中，在算式(1)中，σ為上述碳電極的拉伸強度，E為上述碳電極的楊格率，A為碳電極相對破斷應力的安全率，△T表示發熱時的溫度T₁和將上述加熱器的腳部以螺帽固定在上述碳電極上時的溫度T₂之間的溫度差。
2. 如申請專利範圍第1項之選擇方法，其中，上述熱膨脹係數差△C在0.5×10^-6/K以內。