WO2012026062A1 - 半導体単結晶の製造装置及び製造方法 - Google Patents

半導体単結晶の製造装置及び製造方法 Download PDF

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single crystal
heater
heat insulating
semiconductor single
heat
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祥 高島
宮原　祐一
淳 岩崎
三田村　伸晃
園川　将
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信越半導体株式会社
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    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C30B29/06—Silicon
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    • C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
    • C30B15/30—Mechanisms for rotating or moving either the melt or the crystal
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    • Y10T117/10—Apparatus
    • Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state
    • Y10T117/1032—Seed pulling
    • Y10T117/1068—Seed pulling including heating or cooling details [e.g., shield configuration]

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor single crystal manufacturing apparatus for growing a compound semiconductor single crystal such as a silicon single crystal or GaAs (gallium arsenide) by the Czochralski method (hereinafter sometimes referred to as CZ method)
  • CZ method Czochralski method
  • the present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor single crystal using an apparatus.
  • a crucible for containing a raw material melt is provided inside a growth furnace body (also called a main chamber), and a heater is disposed around the crucible. While melting the raw material in the crucible and keeping the temperature of the melted raw material melt constant, the seed crystal is immersed in the raw material melt and the crucible and the seed crystal are rotated in opposite directions, and the seed crystal is moved upward. The semiconductor single crystal is grown below the seed crystal.
  • a graphite material or the like is provided in the vicinity of the furnace wall inside the growth furnace body.
  • a heat insulating material made of is used. This heat insulating material protects the furnace wall and at the same time keeps the inside of the growth furnace main body, thereby suppressing the heat generated by an extra heater and keeping the raw material melt temperature constant without waste.
  • Patent Document 1 discloses a single crystal pulling method in which the concentration of oxygen taken into a single crystal is controlled by changing the number of stacked heat insulating plates arranged below the crucible.
  • Patent Document 2 discloses a crystal pulling apparatus in which a heat conduction radiation member that receives radiant heat from a heater and transmits heat to the lower part of the crucible by heat conduction and emits radiant heat toward the crucible is disclosed. Yes.
  • Patent Document 3 discloses a semiconductor single crystal manufacturing apparatus in which a heat insulating plate that can be driven up and down by a heat insulating plate lifting mechanism is disposed below the crucible.
  • the present invention has been made in view of such a problem, and enhances the heat retaining effect around the crucible containing the raw material melt, and reduces the heat generation amount (that is, power consumption) of the heater disposed outside the crucible.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor single crystal manufacturing apparatus capable of sufficiently increasing the growth rate of the semiconductor single crystal and stabilizing the quality of the semiconductor single crystal even if it is suppressed.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and includes at least a crucible and a heater arranged around the crucible inside the growth furnace main body, and the heater is arranged in the crucible.
  • An apparatus for producing a semiconductor single crystal which heats the raw material melt contained in the raw material melt and raises the semiconductor single crystal from the raw material melt by the Czochralski method, and surrounds the heater in the growth furnace body
  • a heat insulating cylinder is disposed on the inner surface, the heat insulating cylinder has a step portion dividing the upper part and the lower part on the inner surface, and the inner diameter of the lower part is larger than the inner diameter of the upper part.
  • a heat insulating plate is arranged below the heater and inside the lower part of the heat retaining cylinder, and the outer diameter of the heat insulating plate is larger than the inner diameter of the upper part of the heat insulating cylinder and smaller than the inner diameter of the lower part of the heat insulating cylinder.
  • the above-mentioned when pulling up and manufacturing the semiconductor single crystal by the CZ method, the above-mentioned is provided below the heater disposed around the crucible in the growth furnace body. Since the heat insulating plate having the prescribed shape is arranged, the heat retaining effect around the crucible is enhanced, and a sufficient amount of heat can be concentrated in the raw material melt even if the output of the heater is suppressed to some extent. This suppresses excessive radiant heat from the heater, increases the cooling efficiency of the semiconductor single crystal to be grown, reduces power consumption by the heater, and at the same time further increases the pulling speed and stabilizes the quality of the semiconductor single crystal. Can be achieved.
  • the thickness of the lower part of the heat insulating cylinder is 30 to 70% of the thickness of the upper part. If the wall thickness at the bottom of the heat insulation cylinder is set to 30 to 70% of the wall thickness at the top of the heat insulation cylinder in this way, radiation from the bottom of the heater is more effectively blocked, and the outflow of heat energy to the bottom of the growth furnace main body is prevented. Can be prevented.
  • the said heat insulation board is driven up by the heat insulation board raising / lowering mechanism with the said crucible. If the heat insulating plate is driven to be lifted by the heat insulating plate raising / lowering mechanism together with the crucible as described above, a state in which the temperature around the crucible is efficiently maintained regardless of the position of the crucible can always be maintained. As a result, the temperature distribution around the crucible can be appropriately maintained throughout the entire single crystal growth process.
  • the heater can be driven up and down by a heater lifting mechanism, and the heater lifting mechanism can also be used as the heat insulating plate lifting mechanism.
  • the heater and the heat insulating plate may be integrated via a common base, and the heat insulating plate lifting mechanism that also serves as the heater lifting mechanism may drive the common base up and down. . Thereby, a simpler configuration can be realized.
  • the present invention provides the raw material melt while heating the raw material melt stored in the crucible by the heater in the growth furnace body using any one of the semiconductor single crystal manufacturing apparatuses described above.
  • a method for producing a semiconductor single crystal comprising producing a semiconductor single crystal by pulling up and growing the semiconductor single crystal by the Czochralski method.
  • the heat insulation effect around the crucible is increased in the manufacture of the semiconductor single crystal, and it is sufficient even if the output of the heater is suppressed to some extent.
  • a large amount of heat can be concentrated in the raw material melt. This suppresses excessive radiant heat from the heater, increases the cooling efficiency of the semiconductor single crystal to be grown, reduces the power consumption of the heater, and further increases the pulling speed and stabilizes the quality of the semiconductor single crystal. Can be achieved.
  • the heat retaining effect around the crucible when the semiconductor single crystal is pulled and grown and manufactured by the CZ method is increased, and even if the output of the heater is suppressed to a certain extent, the amount of heat is sufficient.
  • the output of the heater can be suppressed to some extent, deterioration of the heater and the crucible can be suppressed, and the life of each member can be improved.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor single crystal manufacturing apparatus used in Comparative Example 1.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a semiconductor single crystal manufacturing apparatus used in Comparative Example 2.
  • FIG. It is a graph which shows the measurement result of an Example and a comparative example.
  • the present invention will be described in detail with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.
  • the present invention can be applied to pulling various semiconductor single crystals.
  • a case where a silicon single crystal is mainly manufactured will be described as an example.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of a semiconductor single crystal manufacturing apparatus according to the present invention for growing a semiconductor single crystal by a CZ method.
  • the semiconductor single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1 includes a growth furnace main body (also referred to as a main chamber) 19a that contains a raw material melt 13 that is a raw material of a semiconductor single crystal, and a raw material melt connected to the growth furnace main body 19a.
  • 13 is composed of an upper growth furnace (also called a pull chamber) 19b for holding and taking out the semiconductor single crystal pulled up from 13.
  • a crucible (inner crucible) 11a containing the raw material melt 13 is disposed near the inner center of the growth furnace body 19a, and the heater 12 provided around the crucible (outer crucible) 11b generates heat.
  • the raw material is melted and held as a high-temperature melt.
  • the crucible directly holding the raw material melt 13 is a quartz crucible 11a, and this quartz crucible 11a is softened at a high temperature and is brittle and easily broken.
  • the outside of the crucible 11a is covered with a graphite crucible 11b.
  • the crystal is grown while rotating the quartz crucible 11a and the semiconductor single crystal 17 in directions opposite to each other. Therefore, the crucible support shaft 16 is provided below the graphite crucible 11b. It can be moved up and down and freely rotated by a crucible rotating lifting mechanism 20 attached to the outer lower part of the growth furnace main body 19a. Further, at the time of growing a single crystal, it is preferable to operate with the melt surface of the raw material melt 13 kept constant in order to obtain a desired crystal quality. It is a mechanism capable of holding the melt surface of the raw material melt 13 at a desired position.
  • a pulling shaft winding mechanism (not shown) for unwinding and winding a pulling shaft 15 such as a wire for pulling up the single crystal 17 is provided at the ceiling of the upper growing furnace 19b.
  • a seed crystal holder 15 a for holding the seed crystal 14 is provided at the tip of the pulling shaft 15 unwound from the top.
  • the upper growth furnace 19b has an inert gas amount introduced into the furnace by a gas supply pipe (not shown) for introducing an inert gas into the furnace or a gas flow rate control device attached to the gas supply pipe.
  • the inert gas introduced into the furnace is exhausted from a gas exhaust pipe (not shown) provided at the bottom of the growth furnace main body 19a.
  • a heat insulating cylinder 21 is provided between the heater 12 and the furnace wall of the growth furnace main body 19a in order to protect the furnace wall from high-temperature radiant heat from the heater 12 and to efficiently keep the inside of the growth furnace main body 19a.
  • the bottom of the growth furnace body 19a is also nurtured when the raw material melt 13 flows out of the crucible 11a in order to protect the furnace wall from high-temperature radiant heat and to keep the inside of the growth furnace body 19a warm.
  • a bottom heat insulating material 23 is provided for the purpose of holding the raw material melt 13 so as not to flow out of the furnace body 19a.
  • a heat insulating plate 22 is provided between the bottom heat insulating material 23 and the heater 12.
  • the heat insulating plate 22 can be moved up and down by a heat insulating plate lifting mechanism 41. Further, at the time of single crystal growth, in order to obtain a desired crystal quality, the heat insulating plate elevating mechanism 41 can hold the heat insulating plate 22 in a desired position via the heat insulating plate elevating base 42.
  • the inner surface of the heat insulating cylinder 21 has a step portion 21a that separates the upper portion and the lower portion, and the inner diameter of the lower portion 21b is larger than the inner diameter of the upper portion 21c.
  • the heat insulation cylinder 21 sets the thickness of the main-body part to 80 mm or more.
  • the step 21 a is formed in the heat insulating cylinder 21 so that the thickness of the lower part 21 b of the heat insulating cylinder 21 is 30 to 70% of the thickness of the upper part 21 c of the heat insulating cylinder 21.
  • the position where the step 21a is formed is set to a height that is equal to or higher than the uppermost position of the heat insulating plate 22 from the time of raw material melting to the time of crystal growth.
  • the heat insulating cylinder 21 has a main body made of carbon fiber.
  • the outer diameter of the heat insulating plate 22 is larger than the inner diameter of the upper part 21 c of the heat insulating cylinder 21 and smaller than the inner diameter of the lower part 21 b of the heat insulating cylinder 21.
  • the thickness of the heat insulating plate is preferably 50 mm or more.
  • the heat insulating plate 22 preferably has a carbon fiber main body.
  • the heat insulating plate 22 is fitted to the stepped portion 21 a of the heat insulating tube 21, that is, the heat insulating plate 22 is placed below the heater 12 and the heat insulating tube.
  • the radiant heat from the lower part of the heater 12 during crystal growth is prevented from reaching the bottom heat insulating material 23 directly, and the heater power Can be efficiently transmitted to the raw material melt 13.
  • the heat insulating plate 22 becomes larger than the diameter of the heater 12, and the radiant heat from the lower portion of the heater 12 is directly applied to the lower portion of the chamber. Without reaching, it can be directly received by the heat insulating cylinder 21 and the heat insulating plate 22 and efficiently reflected downward in the crucible.
  • the heater 12 when the semiconductor single crystal is pulled up, the heater 12 can be driven to rise through the heater lifting base 32 by the heater lifting mechanism 31 together with the crucibles 11a and 11b and the heat insulating plate 22. preferable.
  • the heater 12 As the raw material melt 13 decreases due to crystal growth, the crucibles 11a and 11b rise, and the heat capacity of the entire crucible containing the raw material melt 13 also changes, but the heater 12 is raised following the crucibles 11a and 11b. Since the heating center of the heater 12 can be moved in accordance with the movement of the crucibles 11a and 11b and the decrease in the raw material melt 13, the raw material melt 13 can be heated more appropriately.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment in which the heater 12 and the heat insulating plate 22 are integrated through a common base as another example of the embodiment of the semiconductor single crystal manufacturing apparatus according to the present invention.
  • the heat insulating plate 22 and the heater 12 are driven via a common base (common lift base) 52 by an integrated lift mechanism 51.
  • the heat insulating plate 22 is supported by a heat insulating plate supporting insulator 53 made of an insulating material such as aluminum oxide or quartz glass, thereby preventing a supply current to the heater 12 from flowing to the heat insulating plate 22 side.
  • Other configurations are the same as those of the embodiment of the semiconductor single crystal manufacturing apparatus shown in FIG.
  • a semiconductor single crystal is stored based on a storage device (not shown) that stores various pulling patterns of the semiconductor single crystal 17 and pulling pattern data stored in the storage device.
  • the crucible ascending / descending mechanism 20 for controlling the operation of the crucible rotation elevating mechanism 20 and the heat insulating plate 22 are raised following the rise of the crucibles 11a and 11b so that the crucible rises following the pulling up of the crucible 17.
  • a heat insulating plate raising control unit (not shown) that controls the operation of the heat insulating plate lifting mechanism 41 can be provided.
  • a heater raising control unit (not shown) that controls the operation of the heater lifting mechanism 31 so as to move in combination with the heater 12 can be provided.
  • Example 1 Example 2
  • Example 2 Single Crystal Growth Conditions A silicon single crystal was grown under the following conditions using the semiconductor single crystal manufacturing apparatus of the present invention shown in FIG. a) Raw material: 200 kg of polycrystalline silicon was filled in a quartz crucible 11a having a diameter of 650 mm. b) Growth crystal: 200 mm in diameter. A seed crystal 14 having a crystal axis direction ⁇ 100> was used. c) A heat insulating plate 22 having a thickness of 80 mm was used. The outer diameter of the heat insulating plate 22 was set to the conditions of Example 1 and Example 2 described in Table 1. d) Heater 12: A slit overlapping section having a length (heat generating portion) of 200 mm was used.
  • the top wall thickness of the heat insulating cylinder 21 was 90 mm.
  • the inner diameter of the upper part of the heat insulation cylinder and the inner diameter of the lower part of the heat insulation cylinder were the conditions of Example 1 and Example 2 described in Table 1, respectively.
  • the power consumed when growing the constant diameter portion of the silicon single crystal is the case where a conventional heat insulating plate is used.
  • both Example 1 and Example 2 were able to grow single crystals with less power consumption by about 10%. Further, almost no deformation of the crucible caused by the high temperature heating of the quartz crucible 11a for a long time was observed, and it was confirmed that the load due to the heating to the crucible was reduced.
  • Comparative Example 1 Using the semiconductor single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 3, a silicon single crystal having a diameter of 200 mm was pulled under substantially the same conditions as in Examples 1 and 2 except for the conditions listed in Table 1.
  • the semiconductor single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 3 is obtained by replacing the manufacturing apparatus shown in FIG. 2 with a heat insulating plate and a heat insulating cylinder that are not fitted to each other (the heat insulating plate 72 and the heat insulating cylinder 71). There is no step in the heat insulating cylinder 71, and the inner diameter and the outer diameter of the heat insulating plate 72 are the conditions of Comparative Example 1 described in Table 1 above.
  • the power consumption during the formation of the crystal constant diameter portion was about 10% higher than in Example 1.
  • the radiant heat from the heater 12 increased, and a distortion that was considered to be deformed by heating was recognized in a part of the upper part of the crucible 11a. .
  • the amount of heat generated by the heater 12 increases due to an increase in the amount of heat energy flowing from the gap between the heat insulating plate 72 and the heat insulating cylinder 71 to the chamber bottom (bottom heat insulating material 23), and the heat flux directly above the raw material melt 13. This is probably because the atmospheric temperature is high.
  • Example 2 Using the semiconductor single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 4, a silicon single crystal having a diameter of 200 mm was pulled up under substantially the same conditions as in Examples 1 and 2 except for the conditions listed in Table 1.
  • the semiconductor single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 4 is different from the manufacturing apparatus shown in FIG. 2 in that the heat insulating cylinder 81 has a step, but the outer shape of the heat insulating plate 82 is smaller than the inner diameter of the upper part of the heat insulating cylinder 81.
  • the heat insulating plate 82 is replaced with one that cannot be overlapped.
  • the inner diameter of the heat insulating cylinder 81 and the outer diameter of the heat insulating plate 82 were the conditions of Comparative Example 2 described in Table 1 above.
  • the thickness of the upper part of the heat insulation cylinder is 80 mm or more and the thickness of the lower part of the heat insulation cylinder is 30 to 70% of the thickness of the upper part of the heat insulation cylinder.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the above-described embodiment is an exemplification, and the present invention has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

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Abstract

　本発明は、育成炉本体の内部に、ルツボと、該ルツボの周囲に配置された加熱ヒータとを具備する半導体単結晶の製造装置であって、前記育成炉本体内の前記加熱ヒータの周囲に保温筒が配置されており、該保温筒は内側面に上部と下部とを分ける段差部を有し、前記下部の内径が前記上部の内径よりも大きいものであり、前記育成炉本体内において前記加熱ヒータの下方かつ前記保温筒の下部の内側に断熱板が配置されており、該断熱板の外径が、前記保温筒の上部の内径よりも大きく、かつ前記保温筒の下部の内径よりも小さいものである半導体単結晶の製造装置である。これにより、原料融液を収容するルツボ周囲の保温効果を高め、かつルツボの外側に配置された加熱ヒータの発熱量（すなわち消費電力）を抑制しても、半導体単結晶の成長速度の高速化と品質の安定化を十分に図ることができる半導体単結晶の製造装置が提供される。

Description

半導体単結晶の製造装置及び製造方法
　本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と称することがある）により、シリコン単結晶あるいはＧａＡｓ（ガリウム砒素）等の化合物半導体単結晶を育成するための半導体単結晶の製造装置と、その装置を用いて半導体単結晶を製造する方法に関する。
　ＣＺ法を用いた一般的な半導体単結晶の製造装置においては、育成炉本体（メインチャンバーとも呼ばれる）の内部に原料融液を収容するルツボを備え、該ルツボの周囲に加熱ヒータを配設し、ルツボ内の原料を融解し、この融解した原料融液の温度を一定に保ちながら、原料融液に種結晶を浸漬してルツボと種結晶を互いに反対方向に回転させつつ、種結晶を上方に引き上げることによって、種結晶の下方に半導体単結晶を育成する。この時、加熱ヒータによる原料融液の加熱を効率良く行い、かつ金属製の育成炉本体の炉壁を加熱ヒータの輻射熱から保護するため、育成炉本体の内部の炉壁付近には黒鉛材等を材料とした断熱材が配置される。この断熱材によって炉壁を保護すると同時に育成炉本体内部を保温し、余分な加熱ヒータの発熱を抑え無駄なく原料融液温度を一定に保持できるようになる。
　また、近年、半導体単結晶の育成、特に集積回路などの製造に使用するシリコンウエーハの材料となるシリコン単結晶の育成においては、ウエーハ表層部に形成される半導体素子がますます微細化する傾向にあり、単結晶育成時に内部導入されるグローン－イン欠陥（ｇｒｏｗｎ－ｉｎ　ｄｅｆｅｃｔ）を極低密度に抑制した結晶を育成する必要がある。そこで、原料融液の上方に冷却筒や断熱リング等の黒鉛部材を配置して、高精度に結晶の冷却速度をコントロールしながら結晶を引き上げる方法が、多く用いられるようになってきている。
　しかし、結晶冷却速度を制御する方法では、加熱ヒータや原料融液から育成結晶へもたらされる輻射熱を極力抑えなければならないこと、さらに、結晶引上軸方向の温度勾配の形成精度が要求されるなど、育成条件に係る制約が多く、引上速度を高速化させて単結晶育成の生産性改善を図るには一定の限界があった。特に、直径が２００ｍｍや３００ｍｍを超える大型のシリコン単結晶等の育成では、大型のルツボに１００ｋｇを超える原料を充填し溶融した後に、１４００℃以上もの高温に育成炉本体内部の雰囲気を保って結晶育成を行う必要がある。その結果、加熱ヒータの発熱量も大きなものとなり、原料融液から引き上げられる単結晶の冷却時においても、この加熱ヒータからの輻射熱が妨げとなって結晶冷却が阻害され、引上速度の劇的な高速化は困難と考えられている。
　また、上述のような大直径でかつ結晶定径部の長い単結晶を引き上げるために、育成炉本体を大型化して原料配置スペースの拡張を図った半導体単結晶の製造装置を使用することも試みられている。この場合は、育成炉本体の大型化に伴い、その内部空間を効率良く保温することは困難になるので、原料多結晶を溶融する際や、単結晶育成時に原料融液を高温保持するために、加熱ヒータの発熱量を上げざるを得なくなる。
　そこで断熱板を用い、育成炉下部への熱流出を軽減する方法が考えられている。
　例えば、特許文献１には、ルツボの下方に配置する断熱板の積層枚数を変化させることにより単結晶中に取り込まれる酸素濃度を制御する単結晶引き上げ方法が開示されている。
　また、特許文献２には、ヒータからの輻射熱を受けてルツボの下方まで熱伝導により熱を伝え、ルツボに向かって輻射熱を放出する熱伝導輻射部材が配置されている結晶引き上げ装置が開示されている。
　また、特許文献３には、ルツボの下方に断熱板昇降機構により昇降駆動が可能である断熱板が配置された半導体単結晶の製造装置が開示されている。
特開平９－２３５１８１号公報 特開２０００－５３４８６号公報 特開２００２－３２６８８８号公報
　上記のような断熱板を備えた半導体単結晶の製造装置において、断熱板と加熱ヒータを個別に昇降機構により昇降させる場合、及び、断熱板と加熱ヒータを一体の昇降機構により昇降させる場合のいずれの場合でも、保温筒と加熱ヒータとの間、保温筒と断熱板との間、及び加熱ヒータと断熱板との間は機械的動作をするために間隔が必要である。このような間隔を有する部分から、加熱ヒータ下部の輻射熱エネルギーがチャンバー底部に容易に漏れ出し、熱効率の低下を招くという問題があった。
　本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、原料融液を収容するルツボ周囲の保温効果を高め、かつルツボの外側に配置された加熱ヒータの発熱量（すなわち消費電力）を抑制しても、半導体単結晶の成長速度の高速化と半導体単結晶の品質の安定化を十分に図ることができる半導体単結晶の製造装置を提供することを目的とする。
　本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、育成炉本体の内部に、少なくとも、ルツボと、該ルツボの周囲に配置された加熱ヒータとを具備し、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成する半導体単結晶の製造装置であって、前記育成炉本体内の前記加熱ヒータの周囲に保温筒が配置されており、該保温筒は内側面に上部と下部とを分ける段差部を有し、前記下部の内径が前記上部の内径よりも大きいものであり、前記育成炉本体内において前記加熱ヒータの下方かつ前記保温筒の下部の内側に断熱板が配置されており、該断熱板の外径が、前記保温筒の上部の内径よりも大きく、かつ前記保温筒の下部の内径よりも小さいものであることを特徴とする半導体単結晶の製造装置を提供する。
　このように構成された半導体単結晶の製造装置であれば、ＣＺ法により半導体単結晶を引上育成・製造するに当たり、育成炉本体内にてルツボの周囲に配置された加熱ヒータの下方に上記規定形状の断熱板を配置したので、ルツボ周囲の保温効果が高まり、加熱ヒータの出力をある程度抑制しても十分な熱量を原料融液に集中できるようになる。これによって、加熱ヒータからの過剰な輻射熱が抑制され、育成する半導体単結晶の冷却効率が高まり、加熱ヒータによる消費電力が減少すると同時に、引上速度のさらなる高速化及び半導体単結晶の品質の安定化を図ることができる。
　この場合、前記保温筒は、前記下部の肉厚が前記上部の肉厚の３０～７０％であることが好ましい。
　このように保温筒下部の肉厚を保温筒上部の肉厚の３０～７０％とすれば、より効果的に、加熱ヒータ底部からの輻射を遮り、育成炉本体底部への熱エネルギーの流出を防ぐことができる。
　また、前記断熱板は、前記ルツボとともに断熱板昇降機構により上昇駆動されるものであることが好ましい。
　このように断熱板をルツボとともに断熱板昇降機構により上昇駆動されるものとすれば、ルツボの位置によらずルツボ周囲を効率良く保温する状態を常に維持することができる。その結果、単結晶育成工程の全体にわたって、ルツボ周囲の温度分布を適切に維持することが可能となる。
　この場合、前記加熱ヒータはヒータ昇降機構により昇降駆動が可能であり、前記ヒータ昇降機構が前記断熱板昇降機構に兼用されているものとすることができる。これにより、装置構成の簡略化を図ることができる。
　さらにこの場合、前記加熱ヒータと前記断熱板とが共通ベースを介して一体化され、前記ヒータ昇降機構を兼ねる前記断熱板昇降機構は前記共通ベースを昇降駆動するものであるものとすることもできる。これにより、一層簡略な構成を実現できる。
　また、本発明は、上記のいずれかの半導体単結晶の製造装置を用いて、前記育成炉本体内において、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成することにより半導体単結晶を製造することを特徴とする半導体単結晶の製造方法を提供する。
　上記のいずれかの半導体単結晶の製造装置を用いた半導体単結晶の製造方法であれば、半導体単結晶の製造において、ルツボ周囲の保温効果が高まり、加熱ヒータの出力をある程度抑制しても十分な熱量を原料融液に集中できるようになる。これによって、加熱ヒータからの過剰な輻射熱が抑制され、育成する半導体単結晶の冷却効率が高まり、加熱ヒータの消費電力が減少すると同時に、引上速度のさらなる高速化及び半導体単結晶の品質の安定化を図ることができる。
　本発明に係る半導体単結晶の製造装置であれば、ＣＺ法により半導体単結晶を引上育成・製造する際のルツボ周囲の保温効果が高まり、加熱ヒータの出力をある程度抑制しても十分な熱量を原料融液に集中できるようになる。これによって、加熱ヒータからの過剰な輻射熱が抑制され、育成する半導体単結晶の冷却効率が高まり、加熱ヒータによる消費電力が減少すると同時に、引上速度のさらなる高速化及び半導体単結晶の品質の安定化を図ることができる。また、加熱ヒータの出力をある程度抑制することができるので、加熱ヒータ及びルツボの劣化を抑制することもでき、各部材のライフの向上を図ることができる。
本発明に係る半導体単結晶の製造装置の実施形態の一例を示す概略断面図である。 本発明に係る半導体単結晶の製造装置の実施形態の他の一例を示す概略断面図である。 比較例１で用いた半導体単結晶の製造装置を模式的に示す断面図である。 比較例２で用いた半導体単結晶の製造装置を模式的に示す断面図である。 実施例及び比較例の測定結果を示すグラフである。
　以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は種々の半導体単結晶の引き上げについて適用することができる。以下では、主にシリコン単結晶を製造する場合を例に挙げて説明する。
　図１は、ＣＺ法により半導体単結晶を育成するための、本発明に係る半導体単結晶の製造装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１に示される半導体単結晶の製造装置は、半導体単結晶の原料である原料融液１３を収容する育成炉本体（メインチャンバーとも言う）１９ａと、育成炉本体１９ａに連接して原料融液１３から引き上げられた半導体単結晶を保持し取り出すための上部育成炉（プルチャンバーとも言う）１９ｂより構成される。
　育成炉本体１９ａの内部中心付近には、原料融液１３を収容したルツボ（内側のルツボ）１１ａが配置され、ルツボ（外側のルツボ）１１ｂの周りに備えられた加熱ヒータ１２を発熱させることで原料を融解し、高温の融液として保持している。育成する半導体単結晶１７がシリコン単結晶である場合は、原料融液１３を直接保持するルツボは石英製ルツボ１１ａであり、この石英製ルツボ１１ａは高温で軟化し、また脆く壊れやすいため石英製ルツボ１１ａの外側は黒鉛製ルツボ１１ｂで覆われている。そして、ＣＺ法による単結晶の育成では、該石英製ルツボ１１ａと半導体単結晶１７を互いに反対方向に回転させながら結晶を成長させることから、この黒鉛製ルツボ１１ｂの下部にはルツボ支持軸１６が取り付けられ、育成炉本体１９ａの外側下部に取り付けられたルツボ回転昇降機構２０によって、上下動かつ回転動自在とされている。また、単結晶育成時には、結晶品質を所望のものとするため、原料融液１３の融液面を一定に保って操業を行った方が好ましいものであることから、このルツボ回転昇降機構２０によって原料融液１３の融液面を所望の位置に保持できる機構とされている。
　また、上部育成炉１９ｂの天井部には、単結晶１７を引き上げるためのワイヤ等の引上軸１５を巻き出し、巻き取る不図示の引上軸巻き取り機構があり、引上軸巻き取り機構から巻き出された引上軸１５の先端には、種結晶１４を保持するための種結晶ホルダー１５ａが備えられている。単結晶１７を育成する際には、引上軸巻き取り機構から引上軸１５を巻き出し、種結晶１４の先端部を原料融液１３の融液面に着液して静かに巻き上げることにより、種結晶１４の下方に単結晶１７を育成するものである。さらに、上部育成炉１９ｂには、炉内に不活性ガスを導入するための不図示のガス供給管やガス供給管に取り付けられているガス流量制御装置によって、炉内に導入する不活性ガス量を調整され、育成炉本体１９ａ底部に設けられた不図示のガス排気管より炉内に導入された不活性ガスが排気される機構とされている。
　一方、加熱ヒータ１２と育成炉本体１９ａの炉壁の間には、加熱ヒータ１２による高温の輻射熱から炉壁を保護し、育成炉本体１９ａの内部を効率良く保温するために保温筒２１が設けられ、また育成炉本体１９ａの底部にも、高温の輻射熱からの炉壁保護と、育成炉本体１９ａ内部の保温のため、さらには、万が一原料融液１３がルツボ１１ａから流出した際に、育成炉本体１９ａの外に流出しないよう原料融液１３を保持する目的として底部断熱材２３が備えられている。さらに、上記底部断熱材２３と加熱ヒータ１２との間において、断熱板２２を設けている。これにより、ルツボ１１ａや加熱ヒータ１２から育成炉本体１９ａ下部や底部断熱材２３に輻射される熱を遮蔽するようにしている。断熱板２２は断熱板昇降機構４１によって、上下動することができる。また、単結晶育成時には、結晶品質を所望のものとするため、断熱板昇降機構４１によって、断熱板昇降ベース４２を介して断熱板２２を所望の位置に保持できる機構となっている。
　そして、本発明に係る半導体単結晶の製造装置では、保温筒２１の内側面に上部と下部とを分ける段差部２１ａを有し、下部２１ｂの内径が上部２１ｃの内径よりも大きいものとする。また、保温筒２１は、特に、その本体部の厚みを８０ｍｍ以上とすることが好ましい。また、保温筒２１の下部２１ｂの肉厚が保温筒２１の上部２１ｃの肉厚の３０～７０％となるように保温筒２１に段差２１ａを形成することが好ましい。段差２１ａを形成する位置は原料溶融時から結晶育成時を通しての断熱板２２の位置の最上位置以上となる高さとする。
　なお、保温筒２１は炭素繊維製の本体部を有することが望ましい。
　また、断熱板２２の外径が、保温筒２１の上部２１ｃの内径よりも大きく、かつ保温筒２１の下部２１ｂの内径よりも小さいものとする。また、特に、断熱板の厚さを５０ｍｍ以上とすることが好ましい。なお、断熱板２２は炭素繊維製の本体部を有することが望ましい。
　そして、半導体単結晶１７の引き上げにおいて、図１に示したように断熱板２２の位置を保温筒２１の段差部２１ａに嵌め合う状態、すなわち、断熱板２２を、加熱ヒータ１２の下方かつ保温筒２１の下部（段差部２１ａより下）２１ｂの内側に配置した状態することで、結晶育成中の加熱ヒータ１２の下部からの輻射熱が直接的に底部断熱材２３へ到達することを防ぎ、ヒータ電力を効率良く原料融液１３に伝えることができる。
　このように、保温筒２１の段差部２１ａと断熱板２２を嵌め合い配置とすることで、断熱板２２は加熱ヒータ１２の口径より大きくなり、加熱ヒータ１２の下部からの輻射熱が直接チャンバー下部に到達することなく、保温筒２１と断熱板２２で直接受け、効率良くルツボ下方に反射することができる。
　また、本発明においては、半導体単結晶の引上時において加熱ヒータ１２を、ルツボ１１ａ、１１ｂ及び断熱板２２とともにヒータ昇降機構３１により、ヒータ昇降ベース３２を介して上昇駆動できるようにすることが好ましい。結晶成長による原料融液１３の減少に伴いルツボ１１ａ、１１ｂは上昇し、さらに原料融液１３を収容したルツボ全体の熱容量も変化するが、加熱ヒータ１２をルツボ１１ａ、１１ｂに追随上昇させることにより、加熱ヒータ１２の発熱中心をルツボ１１ａ、１１ｂの移動ひいては原料融液１３の減少に合わせて移動できるので、より適切な原料融液１３の加熱が行えるようになる。
　また、断熱板２２と加熱ヒータ１２の移動を組み合わせることにより、より精度よく炉内の温度雰囲気を調整することが可能となり、効率的な原料融液１３の加熱を達成できる。
　図２は、本発明に係る半導体単結晶の製造装置の実施形態の他の一例として、加熱ヒータ１２と断熱板２２とを共通ベースを介して一体化した態様を示す概略断面図である。
　この実施形態では、断熱板２２と加熱ヒータ１２とを、一体化した昇降機構５１により共通ベース（共通の昇降ベース）５２を介して駆動するようにしている。断熱板２２は酸化アルミニウムや石英ガラス等の絶縁体からなる断熱板支持絶縁体５３により支持されており、これにより、加熱ヒータ１２への供給電流が断熱板２２側へ流れないようにされている。その他の構成は図１に示した半導体単結晶の製造装置の実施形態と同様である。
　他方、図１に示したように、加熱ヒータ１２を、断熱板昇降機構４１とは別に設けられたヒータ昇降機構３１により、断熱板２２とは独立に昇降駆動する構成とした場合には、原料融液１３の減少に伴うルツボ全体の熱容量変化などにもきめ細かく対応することができ、より精度高く雰囲気温度を制御して高品質の半導体単結晶１７を引き上げることが可能となる。
　上記本発明の半導体単結晶の製造装置においては、半導体単結晶１７の種々の引上パターンを記憶する不図示の記憶装置と、該記憶装置に記憶された引上パターンデータに基づき、半導体単結晶１７の引上に追従してルツボが上昇するように、ルツボ回転昇降機構２０の動作制御を行う不図示のルツボ上昇制御部と、ルツボ１１ａ、１１ｂの上昇に追従して断熱板２２が上昇するように断熱板昇降機構４１の動作制御を行う不図示の断熱板上昇制御部とを設けておくことができる。さらに、加熱ヒータ１２を組み合わせて移動するようにヒータ昇降機構３１の動作制御を行う不図示のヒータ上昇制御部を設けておくことができる。同じ装置を用いる場合であっても、例えば要求される半導体単結晶１７の寸法や品質レベルにより、半導体単結晶１７の引上パターンは異なるものが採用される。そこで、半導体単結晶１７の種々の引上パターンを記憶装置に記憶しておき、必要な引上パターンを随時読み出して装置駆動に適用するとともに、ルツボ１１ａ、１１ｂあるいは断熱板２２さらには加熱ヒータ１２の上昇駆動を、その読み出された引上パターンデータに基づいて制御するようにすれば、製造する単結晶の品番変更がなされた場合でも容易に対応でき、ひいては種々の品種の単結晶を同じ装置を用いて簡便に製造できる。
　以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。
　本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。
（実施例１、実施例２）
（１）単結晶の育成条件
　図２に示す本発明の半導体単結晶の製造装置を用いて、以下の条件にてシリコン単結晶の育成を行った。
ａ）原料：多結晶シリコン２００ｋｇを口径６５０ｍｍの石英製ルツボ１１ａに充填した。
ｂ）育成結晶：直径２００ｍｍとした。種結晶１４は、結晶軸方向の方位が＜１００＞のものを使用した。
ｃ）断熱板２２の厚みが８０ｍｍのものを使用した。断熱板２２の外径は表１に記載の実施例１及び実施例２の条件とした。
ｄ）加熱ヒータ１２：スリット重なり区間の長さ（発熱部）が２００ｍｍのものを使用した。
ｅ）保温筒２１の上部肉厚は９０ｍｍのものを使用した。保温筒上部の内径と保温筒下部の内径は、それぞれ、表１に記載の実施例１及び実施例２の条件とした。
ｆ）中心の磁束密度４０００Ｇの水平磁場を印加して単結晶を育成した。
　これらの条件により断熱板２２及び加熱ヒータ１２を、ルツボ１１ａ、１１ｂの移動に合わせ移動させながら、繰り返し単結晶製造を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　以上のシリコン単結晶の製造においては、シリコン単結晶の定径部を育成する際に消費した電力（結晶定径部を形成する際の電力の平均値）は、従来の断熱板を使用した場合（後述する比較例１）に比べ、実施例１及び実施例２ともに１０％程度少ない消費電力で単結晶を育成することができた。また、石英製ルツボ１１ａが長時間にわたり高温加熱されることにより生じるルツボの変形もほとんど観察されず、ルツボへの加熱による負荷が軽減されていることを確認した。
（比較例１）
　図３に示した半導体単結晶の製造装置を用いて、表１中に併記した条件以外は実施例１、２と略同じ条件で、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。図３に示した半導体単結晶の製造装置は、図２に示す製造装置から、断熱板と保温筒を嵌め合い配置とならないもの（断熱板７２及び保温筒７１）に交換したものである。保温筒７１に段差はなく、その内径及び断熱板７２の外径は、上記表１中に記載の比較例１の条件とした。
　その結果、結晶定径部の形成時消費電力は実施例１よりも１０％程度も高くなっていた。さらに、結晶引き上げ終了後に石英製ルツボ１１ａの状態を観察したところ、加熱ヒータ１２からの輻射熱が増加したことで、ルツボ１１ａの上方部の一部に加熱により変形したと思われる歪みが認められた。これは、断熱板７２と保温筒７１の隙間から、チャンバー底部（底部断熱材２３）への熱エネルギーの流出量が増えたことにより加熱ヒータ１２の発熱量が増え、原料融液１３の直上の雰囲気温度が高温になるためであると考えられる。
（比較例２）
　図４に示した半導体単結晶の製造装置を用いて、表１中に併記した条件以外は実施例１、２と略同じ条件で、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。図４に示した半導体単結晶の製造装置は、図２に示す製造装置から、保温筒８１に段差を有するが、断熱板８２の外形が保温筒８１の上部の内径より小さく、保温筒８１と断熱板８２で重なりができないものに交換したものである。保温筒８１の内径及び断熱板８２の外径は、上記表１中に記載の比較例２の条件とした。
　その結果、結晶定径部の形成時消費電力は実施例１よりも約９％も高くなり、比較例１に近い結果であった。さらに、結晶引上げ終了後に石英製ルツボ１１ａの状態も比較例１と同様にルツボ１１ａの上方部の一部に加熱により変形したと思われる歪みが認められた。これは、断熱板２２を大きくしても断熱板２２の外径が保温筒上部の内径より小さく、隙間が形成される場合ではチャンバー底部（底部断熱材２３）への熱エネルギーの流出を防止することができなかったためと考えられる。
　これらの実施例、比較例の測定結果を、比較例１の値を１００％とした場合の値を並記することにより比較し、図５に示した。この図より、断熱板の外径と保温筒上部の内径で重なり合う部分を設けることが、加熱ヒータ底部からの輻射を遮りチャンバー底部へ熱エネルギーの流出を防止することに効果があると考えられる。また、保温筒の肉厚については、断熱板の外径、保温筒の内径、嵌め合い代（保温筒上部の内径と保温筒下部の内径との差）、保温筒段差部肉厚を加味し、保温筒上部の肉厚を８０ｍｍ以上とし、保温筒下部の肉厚を保温筒上部の肉厚の３０～７０％となるように保温筒に段差を形成することが望ましい。
　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 (6)

  1. 　育成炉本体の内部に、少なくとも、ルツボと、該ルツボの周囲に配置された加熱ヒータとを具備し、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成する半導体単結晶の製造装置であって、
    　前記育成炉本体内の前記加熱ヒータの周囲に保温筒が配置されており、該保温筒は内側面に上部と下部とを分ける段差部を有し、前記下部の内径が前記上部の内径よりも大きいものであり、
    　前記育成炉本体内において前記加熱ヒータの下方かつ前記保温筒の下部の内側に断熱板が配置されており、該断熱板の外径が、前記保温筒の上部の内径よりも大きく、かつ前記保温筒の下部の内径よりも小さいものであることを特徴とする半導体単結晶の製造装置。
  2. 　前記保温筒は、前記下部の肉厚が前記上部の肉厚の３０～７０％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶の製造装置。
  3. 　前記断熱板は、前記ルツボとともに断熱板昇降機構により上昇駆動されるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載に記載の半導体単結晶の製造装置。
  4. 　前記加熱ヒータはヒータ昇降機構により昇降駆動が可能であり、前記ヒータ昇降機構が前記断熱板昇降機構に兼用されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体単結晶の製造装置。
  5. 　前記加熱ヒータと前記断熱板とが共通ベースを介して一体化され、前記ヒータ昇降機構を兼ねる前記断熱板昇降機構は前記共通ベースを昇降駆動するものであることを特徴とする請求項４に記載の半導体単結晶の製造装置。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体単結晶の製造装置を用いて、前記育成炉本体内において、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成することにより半導体単結晶を製造することを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
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