WO2011083529A1 - 単結晶製造装置 - Google Patents

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聡郎 島田
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    • Y10T117/1068Seed pulling including heating or cooling details [e.g., shield configuration]

Definitions

  • the present invention relates to a single crystal manufacturing apparatus for growing a single crystal ingot using the Czochralski method.
  • the substrate used for the manufacture of ultra-highly integrated semiconductor devices is a silicon wafer in which a silicon single crystal ingot is grown by the CZ method (Czochralski method), the grown single crystal ingot is processed into a wafer and the surface is mirror-finished. Mainly used.
  • CZ method Czochralski method
  • the conventional CZ method and MCZ method have problems that the thermal efficiency is poor, the cost is industrially high, and the environmental load is large.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a single crystal manufacturing apparatus that suppresses the deformation of the heater and does not deteriorate the thermal efficiency.
  • the present invention supports a crucible for containing a raw material melt, a heater having a cylindrical heat generating part surrounding the crucible, a main chamber for storing the heater, and the heater.
  • a single crystal manufacturing apparatus for manufacturing a single crystal ingot by the Czochralski method comprising a heater electrode for supplying a current and a heat insulating plate disposed below a cylindrical heat generating portion of the heater, wherein the heat insulating plate Is fixed to and supported by the heater electrode via an insulating fixing member, and an insulating supporting member is disposed at a position corresponding to the lower end of the cylindrical heating portion on the upper surface of the heat insulating plate.
  • a single crystal manufacturing apparatus is provided.
  • the heat insulating plate is fixedly supported by the heater electrode via the insulating fixing member, and the insulating supporting member is disposed at a position corresponding to the lower end of the cylindrical heat generating portion on the upper surface of the heat insulating plate,
  • the insulating support member on the heat insulating plate can support the cylindrical heating portion of the heater to suppress deformation, and further, even if the insulating support member and the heater are in contact, Since it is arranged on the heat insulating plate fixedly supported by the heater electrode via the insulating fixing member, the amount of heat escaped by the contact is small, and the thermal efficiency of the heater is hardly deteriorated.
  • the heat insulating plate comes into contact with the heater electrode and the heater through an insulating member, there is no risk of discharge. Furthermore, in order to suppress deformation of the cylindrical heat generating portion of the heater, an additional member such as an auxiliary electrode is not necessary, resulting in a low-cost device.
  • the heater electrode supports the heater at two locations, and the position of the insulating support member on the upper surface of the heat insulating plate is the position of the heater electrode at the lower end of the cylindrical heating portion. It is preferable that the position corresponds to a position rotated 90 degrees from the position where the heater is supported.
  • the distance between the upper end of the insulating support member and the lower end of the cylindrical heat generating portion of the heater is preferably 0 to 5 mm.
  • the inner diameter of the cylindrical heat generating portion of the heater is preferably 850 mm or more. In this way, even if the inner diameter of the cylindrical heating part of the heater is a large one of 850 mm or more, the apparatus of the present invention can suppress deformation without deteriorating the thermal efficiency.
  • the apparatus is suitable for manufacturing.
  • the single crystal manufacturing apparatus of the present invention since the heat efficiency is hardly deteriorated while suppressing the deformation of the heater, the power consumption is reduced, and the apparatus capable of manufacturing a large-diameter single crystal at low cost. It becomes.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an example of the single crystal production apparatus of the present invention.
  • a single crystal production apparatus 21 of the present invention shown in FIG. 2 is an apparatus for producing a single crystal ingot by the Czochralski method, and includes a quartz crucible 18 containing a raw material melt 20, a graphite crucible 19 outside thereof, A crucible support shaft 17 that supports the quartz crucible 18 and the graphite crucible 19 and rotates and moves up and down is provided.
  • a heater 13 having a cylindrical heat generating portion 14 in which a quartz crucible 18 and a graphite crucible 19 are surrounded, a heater electrode 11 that supports the heater 13 and supplies current, a main chamber 22 that houses the heater 13, and a heater And the heat insulating plate 10 disposed below the thirteen cylindrical heat generating portions 14. Furthermore, the heat insulating member 12 is disposed outside the heater 13 and the heat insulating plate 10 and inside the inner wall and bottom surface of the main chamber 22.
  • FIG. 1 is (a) a schematic perspective view and (b) a schematic side view partially showing an example of the single crystal manufacturing apparatus of the present invention.
  • the heat insulation board 10 is shown with a dotted line.
  • the heater 13 of the single crystal manufacturing apparatus 21 of the present invention can be, for example, a graphite heater, and as shown in FIGS. 1 (a), 1 (b), and 2, a terminal is provided below the cylindrical heating portion 14. Since the terminal portion 15 and the heater electrode 11 are connected to each other, the heater 13 is supplied with current and supported. As shown in FIGS.
  • the apparatus 21 of the present invention is configured such that the heat insulating plate 10 is fixedly supported by the heater electrode 11 via an insulating fixing member 16, and the heat insulating plate 10
  • the insulating support member 23 is disposed at a position corresponding to the lower end of the cylindrical heat generating portion 14 on the upper surface.
  • the heat insulating plate 10 is intended to keep the raw material melt 20 warm by downward heat insulation.
  • the insulating support member 23 on the heat insulating plate 10 causes the heater 13 to be heated. Deformation of the cylindrical heat generating portion 14 can be suppressed and prevented. For this reason, it becomes an apparatus which can suppress a deformation
  • the insulating support member 23 on the heat insulating plate 10 and the cylindrical heat generating portion 14 come into contact with each other, since the heat insulating plate 10 is supported by the heater electrode 11 via the insulating fixing member 16, The amount of heat that escapes is small. Further, since the heat insulating plate 10 comes into contact with the heater electrode 11 and the heater 13 via an insulating member, no discharge occurs.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing an example of a heat insulating plate that can be used in the single crystal production apparatus of the present invention.
  • the heat insulating plate 10 is made of, for example, a graphite material 26 and a heat insulating material 27, and has a disk shape.
  • a central hole 24 through which the crucible support shaft 17 passes and a terminal portion 15 of the heater 13 are provided. It can be assumed that a hole 25 is formed.
  • the insulating support member 23 and the insulating fixing member 16 may have any shape as long as the end surfaces are flat, and the material may be, for example, silicon carbide, silicon nitride, alumina, or the like. it can.
  • the cylindrical heating part of a heater can also be directly supported by a heater electrode.
  • an insulating support member 23 on the upper surface of the heat insulating plate 10 is disposed as shown in FIG.
  • the position where the heater electrode 11 at the lower end of the cylindrical heat generating part 14 corresponds to a position rotated 90 degrees from the position where the heater 13 is supported (position of the hole 25).
  • the insulating support member 23 is disposed at a position where the cylindrical heat generating portion 14 of the heater 13 is particularly susceptible to deformation such as deflection, and the lower end of the cylindrical heat generating portion 14 is supported by the heater electrode 11. It can be supported at four rotationally symmetrical positions together with the position, and the deformation of the cylindrical heat generating portion 14 can be effectively suppressed.
  • the inner diameter of the cylindrical heat generating portion 14 of the heater 13 is large, it is also possible to support the cylindrical heat generating portion 14 by arranging more insulating support members 23 than two places.
  • the internal diameter of the cylindrical heat generating part 14 of the heater 13 is 850 mm or more.
  • deformation can be suppressed even if the cylindrical heat generating portion 14 has a large inner diameter of 850 mm or more. For this reason, even when using a crucible having a large inner diameter for manufacturing a large-diameter single crystal ingot, it can be heated effectively and the manufacturing cost of the silicon wafer can be reduced.
  • the single crystal manufacturing apparatus of the present invention as described above can suppress the deformation of the heater without deteriorating the thermal efficiency, for example, the single crystal manufacturing by the MCZ method in which the heater is likely to be deformed by a magnetic field. It is suitable to use for.
  • Example 1 A single crystal ingot was manufactured using the single crystal manufacturing apparatus of the present invention shown in FIGS. At this time, the distance between the upper end of the insulating support member and the lower end of the cylindrical heat generating portion of the heater was 5 mm. First, 500 kg of polycrystalline raw material was charged into a quartz crucible having an inner diameter of 910 mm, and the polycrystalline was dissolved by a graphite heater having an inner diameter of 1020 mm.
  • FIG. 5 is a (a) schematic perspective view and (b) a schematic side view partially showing a single crystal manufacturing apparatus used in a comparative example.
  • the heat insulation board 100 was shown with the dotted line.
  • the heater 103 having the cylindrical heat generating portion 104 and the terminal portion 105 is supported by the heater electrode 101, and the heat insulating plate 100 is disposed below the cylindrical heat generating portion 104.
  • two heater auxiliary electrodes 102 are arranged to support the heat insulating plate 100 with the heater auxiliary electrodes 102, and the cylindrical heat generating portion is disposed on the heater auxiliary electrode 102 penetrating the hole 125 via the insulating support member 106.
  • the lower end of 104 was supported at two points.
  • a silicon single crystal ingot having a diameter of 300 mm was grown under the same conditions. The average power consumption at this time was 150 kW. The measurement results are shown in FIG.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

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Abstract

 本発明は、原料融液を収容するルツボと、該ルツボが囲繞される円筒状発熱部を有するヒータと、該ヒータを格納するメインチャンバーと、前記ヒータを支持して電流を供給するヒータ電極と、前記ヒータの円筒状発熱部の下方に配置される断熱板とを具備したチョクラルスキー法によって単結晶インゴットを製造する単結晶製造装置であって、前記断熱板が前記ヒータ電極に絶縁性固定部材を介して固定支持され、前記断熱板の上面の前記円筒状発熱部の下端に対応する位置に絶縁性支持部材が配置されたものである単結晶製造装置である。これにより、ヒータの変形を抑制して、熱効率の悪化の無い単結晶製造装置を提供することを目的とする。

Description

単結晶製造装置
 本発明は、チョクラルスキー法を用いて単結晶インゴットを育成する単結晶製造装置に関する。
 
 超高集積半導体素子の製造に使用される基板は、CZ法(チョクラルスキー法)によりシリコン単結晶インゴットを育成し、育成した単結晶インゴットをウェーハ加工して表面を鏡面に仕上げたシリコンウェーハが主に用いられている。このようなCZ法を用いた単結晶製造において、半導体素子の製造コスト低減を目的としたシリコンウェーハの大口径化に伴い、装置や炉内部品の大型化が進んできた経緯がある。
 CZ法では、石英ルツボに入れた多結晶原料を円筒状の黒鉛ヒータで加熱し、溶解したシリコンメルトから単結晶を育成する。このように育成する単結晶インゴットの大口径化によるルツボ等のサイズの大型化に伴って、ルツボを囲繞して加熱するヒータも大型化し、たわみ等の変形が生じ、他部品と接触して放電してしまうということが問題となった。このような変形は大型化したヒータの自重によるものもあるが、これに加えて特にMCZ法(磁場印加チョクラルスキー法)において、磁場中でのローレンツ力による変形は無視できないものがあり、このようなヒータの変形を防ぐために、ヒータ電極以外に補助電極を設置して、ヒータを支持する方法が採用されていた(特許文献1参照)。
 
特開平9-263491号公報
 しかし、ヒータから補助電極を介して逃げる熱量は大きく、単結晶製造装置の消費電力を増加させていた。これにより従来のCZ法及びMCZ法では熱効率が悪く、工業的にコスト高で、環境負荷が大きいという問題があった。
 本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、ヒータの変形を抑制し、熱効率の悪化の無い単結晶製造装置を提供することを目的とする。
 上記目的を達成するために、本発明は、原料融液を収容するルツボと、該ルツボが囲繞される円筒状発熱部を有するヒータと、該ヒータを格納するメインチャンバーと、前記ヒータを支持して電流を供給するヒータ電極と、前記ヒータの円筒状発熱部の下方に配置される断熱板とを具備したチョクラルスキー法によって単結晶インゴットを製造する単結晶製造装置であって、前記断熱板が前記ヒータ電極に絶縁性固定部材を介して固定支持され、前記断熱板の上面の前記円筒状発熱部の下端に対応する位置に絶縁性支持部材が配置されたものであることを特徴とする単結晶製造装置を提供する。
 このように、断熱板がヒータ電極に絶縁性固定部材を介して固定支持され、断熱板の上面の円筒状発熱部の下端に対応する位置に絶縁性支持部材が配置されたものであれば、断熱板上の絶縁性支持部材でヒータの円筒状発熱部を支持して変形を抑制することができ、さらには、絶縁性支持部材とヒータが接触しても、接触する絶縁性支持部材は、ヒータ電極に絶縁性固定部材を介して固定支持された断熱板上に配置されているため、接触により逃げる熱量が小さく、ヒータの熱効率の悪化はほとんどない。また、断熱板はヒータ電極及びヒータと絶縁性の部材を介しての接触になるため、放電の恐れもない。さらに、ヒータの円筒状発熱部の変形抑制のために、補助電極等の追加部材は不要となり、低コストの装置となる。
 このとき、前記ヒータ電極が前記ヒータを2か所で支持するものであり、前記断熱板の上面の前記絶縁性支持部材が配置される位置が、前記円筒状発熱部の下端の前記ヒータ電極が前記ヒータを支持する位置の90度回転した位置に対応する位置であることが好ましい。
 このようにすることにより、ヒータの円筒状発熱部の最も変形量が大きくなる位置に絶縁性支持部材が配置されることになるため、ヒータの変形をより効果的に抑制できる装置となる。
 このとき、前記絶縁性支持部材の上端と前記ヒータの円筒状発熱部の下端との間の距離が0~5mmであることが好ましい。
 このようにすることにより、ヒータの変形を十分に抑制することができる装置となる。
 このとき、前記ヒータの円筒状発熱部の内径が、850mm以上であることが好ましい。
 このように、ヒータの円筒状発熱部の内径が、850mm以上の大型のものであっても、本発明の装置であれば熱効率を悪化させずに変形を抑制できるため、大口径単結晶インゴットを製造するのに好適な装置となる。
 以上のように、本発明の単結晶製造装置によれば、ヒータの変形を抑制しながら、熱効率の悪化もほとんど無いため、消費電力が低減され、低コストで大口径の単結晶を製造できる装置となる。
 
本発明の単結晶製造装置の実施態様の一例を部分的に示す(a)概略斜視図と、(b)概略側面図である。 本発明の単結晶製造装置の実施態様の一例を示す概略断面図である。 実施例、比較例において、単結晶インゴットを製造した際の平均消費電力を示すグラフである。 本発明の単結晶製造装置に用いることができる断熱板の一例を示す概略斜視図である。 比較例で用いた単結晶製造装置を部分的に示す(a)概略斜視図と、(b)概略側面図である。
 以下、本発明の単結晶製造装置について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
 図2は、本発明の単結晶製造装置の一例を示す概略図である。図2に示す本発明の単結晶製造装置21は、チョクラルスキー法によって単結晶インゴットを製造する装置であって、原料融液20を収容する石英ルツボ18と、その外側の黒鉛ルツボ19と、石英ルツボ18及び黒鉛ルツボ19を支持するとともに回転・昇降させるルツボ支持軸17とを具備する。そして、石英ルツボ18及び黒鉛ルツボ19が囲繞される円筒状発熱部14を有するヒータ13と、ヒータ13を支持して電流を供給するヒータ電極11と、ヒータ13を格納するメインチャンバー22と、ヒータ13の円筒状発熱部14の下方に配置される断熱板10とを具備する。さらに、ヒータ13および断熱板10の外側で、メインチャンバー22の内壁と底面の内側には、断熱部材12が配置されている。
 ここで、図1は、本発明の単結晶製造装置の一例を部分的に示す(a)概略斜視図と、(b)概略側面図である。なお、図1(a)では、断熱板10を点線で示す。本発明の単結晶製造装置21のヒータ13は、例えば黒鉛ヒータとすることができ、また、図1(a)、(b)及び図2に示すように、円筒状発熱部14の下部に端子部15を有し、この端子部15とヒータ電極11が接続されることで、ヒータ13が電流を供給されるとともに支持される。
 そして、図1(a)、(b)及び図2に示すように、本発明の装置21は、断熱板10がヒータ電極11に絶縁性固定部材16を介して固定支持され、断熱板10の上面の円筒状発熱部14の下端に対応する位置に絶縁性支持部材23が配置されたものである。
 通常、断熱板10は下方断熱による原料融液20の保温を目的としたものであるが、このような本発明の装置21であれば、断熱板10上の絶縁性支持部材23によりヒータ13の円筒状発熱部14の変形を抑制、防止することができる。このため、ヒータ電極の他に補助電極等の新たな部品等を追加すること無く、低コストでヒータ13の変形を抑制できる装置となる。また、断熱板10上の絶縁性支持部材23と円筒状発熱部14とが接触しても、断熱板10がヒータ電極11により絶縁性固定部材16を介して支持されているため、伝熱により逃げる熱量は小さい。また、断熱板10は、ヒータ電極11及びヒータ13とは絶縁性の部材を介しての接触になるため、放電も生じない。
 図4は、本発明の単結晶製造装置に用いることができる断熱板の一例を示す概略斜視図である。断熱板10としては、図4に示すように、例えば黒鉛材26と断熱材27からなり、円板状のもので、ルツボ支持軸17の通る中央の穴24と、ヒータ13の端子部15が通る穴25が形成されたものとすることができる。
 また、絶縁性支持部材23及び絶縁性固定部材16は、端面が平面であれば、どのような形状であってもよく、材質としては、例えば、炭化ケイ素、窒化ケイ素、アルミナ等とすることができる。
 なお、ヒータ13が端子部15を有さない場合には、ヒータ電極でヒータの円筒状発熱部を直接支持することもできる。
 また、図1、2に示すようなヒータ電極11がヒータ13を2か所で支持するものである場合は、図4に示すように、断熱板10の上面の絶縁性支持部材23が配置される位置が、円筒状発熱部14の下端のヒータ電極11がヒータ13を支持する位置(穴25の位置)の90度回転した位置に対応する位置であることが好ましい。
 これにより、ヒータ13の円筒状発熱部14の特にたわみ等の変形が生じやすい位置に、絶縁性支持部材23が配置されることになり、円筒状発熱部14の下端を、ヒータ電極11の支持位置と合わせて4つの回転対称の位置で支持でき、円筒状発熱部14の変形を効果的に抑制することができる。また、ヒータ13の円筒状発熱部14の内径が大きい場合には、さらに2か所より多く絶縁性支持部材23を配置して円筒状発熱部14を支持することもできる。
 また、図1(b)に示すような、絶縁性支持部材23の上端とヒータ13の円筒状発熱部14の下端との間の距離Dが0~5mmであることが好ましい。
 単結晶製造前のヒータ13を設置した状態で絶縁性支持部材23を円筒状発熱部14の下端と接触させておくか(D=0mm)、又は、下端と5mm以内の距離であれば、他部材との接触等の問題が生じない程度にヒータ13の変形を確実に抑制することができる。
 また、ヒータ13の円筒状発熱部14の内径が、850mm以上であることが好ましい。
 上記したような本発明の単結晶製造装置であれば、円筒状発熱部14が、850mm以上と大きな内径を有するものであっても変形を抑制することができる。このため、大口径単結晶インゴットを製造するための大きな内径のルツボを使用する際にも、効果的に加熱でき、シリコンウェーハの製造コストを低減できる。
 以上のような、本発明の単結晶製造装置であれば、熱効率を悪化させることなく、ヒータの変形を抑制することができるため、例えば、磁場によりヒータに変形が生じやすいMCZ法による単結晶製造に用いるのが好適である。
 
 以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
(実施例)
 図1、2、4に示す本発明の単結晶製造装置を用いて、単結晶インゴットの製造を行った。このとき、絶縁性支持部材の上端とヒータの円筒状発熱部の下端との間の距離を5mmとした。
 まず、500kgの多結晶原料を、内径910mmの石英ルツボにチャージし、内径1020mmの黒鉛ヒーターにより多結晶を溶解した。その後、水平磁場を中心強度が0.4Tとなるように印加し、融液の熟成工程を経て、<001>面を有する種結晶を融液に浸した。このとき炉内に流すAr流量は200L/min.、炉内の圧力は排気管に抵抗を設けることにより100hPa(75torr)に調整した。
 種結晶を融液に着液させた後に、ネッキングを行うことなく所望の直径300mmまで拡径させ、その後、製品部である定径の比抵抗が10Ω・cmに調整されたボロンドープの直径300mmのシリコン単結晶インゴットを育成した。このときの平均消費電力は138kWであった。測定結果を図3に示す。
 
(比較例)
 図5は、比較例で用いた単結晶製造装置を部分的に示す(a)概略斜視図と、(b)概略側面図である。なお、図5(a)の概略斜視図では、断熱板100を点線で示した。図5(a)、(b)に示すように、円筒状発熱部104と端子部105を有するヒータ103をヒータ電極101で支持し、円筒状発熱部104の下方に断熱板100を配置した。ただし、ヒータ補助電極102を2つ配置して、このヒータ補助電極102で断熱板100を支持するとともに、穴125を貫通したヒータ補助電極102上に絶縁性支持部材106を介して円筒状発熱部104の下端を2点で支持するものとした。その他は実施例と同様の装置を用いて、同じ条件で直径300mmのシリコン単結晶インゴットを育成した。このときの平均消費電力は150kWであった。測定結果を図3に示す。
 図3に示すように、本発明の単結晶製造装置であれば、単結晶の製造において、消費電力を8%程度削減できるという効果が確認された。
 なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

Claims (4)

  1.  原料融液を収容するルツボと、該ルツボが囲繞される円筒状発熱部を有するヒータと、該ヒータを格納するメインチャンバーと、前記ヒータを支持して電流を供給するヒータ電極と、前記ヒータの円筒状発熱部の下方に配置される断熱板とを具備したチョクラルスキー法によって単結晶インゴットを製造する単結晶製造装置であって、
     前記断熱板が前記ヒータ電極に絶縁性固定部材を介して固定支持され、前記断熱板の上面の前記円筒状発熱部の下端に対応する位置に絶縁性支持部材が配置されたものであることを特徴とする単結晶製造装置。
     
  2.  前記ヒータ電極が前記ヒータを2か所で支持するものであり、前記断熱板の上面の前記絶縁性支持部材が配置される位置が、前記円筒状発熱部の下端の前記ヒータ電極が前記ヒータを支持する位置の90度回転した位置に対応する位置であることを特徴とする請求項1に記載の単結晶製造装置。
     
  3.  前記絶縁性支持部材の上端と前記ヒータの円筒状発熱部の下端との間の距離が0~5mmであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の単結晶製造装置。
     
  4.  前記ヒータの円筒状発熱部の内径が、850mm以上であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の単結晶製造装置。
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