(57)【要約】【課題】引き上げ速度の低下を抑えつつ、熱遮蔽体の下端部外側付近で不活性ガスの流れの滞留を抑制し、単結晶の有転位化を防止できる単結晶引き上げ装置を提供する。【解決手段】引き上げ装置は、原料融液１０を貯留するルツボ２と、ルツボ２を囲繞するヒータ４と、ルツボ２の上方で引き上げ中の単結晶１１を包囲する筒状の熱遮蔽体８と、ルツボ２、ヒータ４および熱遮蔽体８を収容し、上方から不活性ガスが供給され下方に排出されるチャンバ１と、を具備しており、熱遮蔽体８に貫通穴１５を設け、この貫通穴１５が、ヒータ４およびルツボ２の側壁から引き上げ中の単結晶１１に向かう輻射熱を通過させない経路で構成されている。貫通穴１５は、引き上げ軸６を含む断面において、引き上げ軸６に対する角度θが３０°以下でその経路が直線状であることが好ましく、引き上げ軸を中心とした径方向での長さＤが熱遮蔽体８の厚みｔ以下であることが好ましい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により原料融液から単結晶を育成する単結晶引き上げ装置であって、
原料融液を貯留するルツボと、
ルツボを囲繞するヒータと、
ルツボの上方で引き上げ中の単結晶を包囲する筒状の熱遮蔽体と、
ルツボ、ヒータおよび熱遮蔽体を収容し、上方から不活性ガスが供給され下方に排出されるチャンバと、を具備しており、
熱遮蔽体に貫通穴を設け、この貫通穴が、ヒータおよびルツボの側壁から引き上げ中の単結晶に向かう輻射熱を通過させない経路で構成されていることを特徴とする単結晶引き上げ装置。
【請求項２】
前記貫通穴は、単結晶の引き上げ軸を含む断面において、引き上げ軸に対する角度が３０°以下であり、その経路が直線状であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶引き上げ装置。
【請求項３】
前記貫通穴は、単結晶の引き上げ軸を含む断面において、引き上げ軸を中心とした径方向での長さが熱遮蔽体の厚み以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の単結晶引き上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によりルツボ内の原料融液からシリコン単結晶を引き上げ育成する装置に関し、特に、引き上げ中の単結晶の冷却を促進させるために熱遮蔽体を具備する単結晶引き上げ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶は、半導体デバイスに用いられるシリコンウェーハの素材であり、その製造には、ＣＺ法による単結晶引き上げ装置が広く採用されている。
【０００３】
図１は、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する単結晶引き上げ装置の構成を模式的に示す図である。同図に示すように、単結晶引き上げ装置は、その外郭をチャンバ１で構成され、その中心部にルツボ２が配置されている。ルツボ２は二重構造であり、内側の石英ルツボ２ａと、外側の黒鉛ルツボ２ｂとから構成され、回転および昇降が可能な支持軸３の上端部に固定されている。
【０００４】
ルツボ２の外側には、ルツボ２を囲繞する抵抗加熱式のヒータ４が配設され、その外側には、チャンバ１の内面に沿って断熱材５が配設されている。ルツボ２の上方には、支持軸３と同軸上で逆方向または同一方向に所定の速度で回転するワイヤなどの引き上げ軸６が配され、この引き上げ軸６の下端に種結晶７が取り付けられている。
【０００５】
さらに、チャンバ１内には、ルツボ２内の原料融液１０の上方で引き上げ中のシリコン単結晶１１を包囲する筒状の熱遮蔽体８が配設されている。熱遮蔽体８は、ルツボ２内の原料融液１０からの輻射熱、さらにヒータ４およびルツボ２の露出した側壁から放射される輻射熱を遮断し、引き上げ中のシリコン単結晶１１の冷却を促進させる役割を担う。
【０００６】
また、チャンバ１の上部には、Ａｒ（アルゴン）ガスなどの不活性ガスをチャンバ１内に導入する図示しないガス導入口が設けられている。チャンバ１の下部には、図示しない真空ポンプの駆動によりチャンバ１内の気体を吸引して排気する排気口９が設けられている。
【０００７】
このような引き上げ装置を用いたシリコン単結晶の育成では、チャンバ１内を減圧下の不活性ガス雰囲気に維持した状態で、ルツボ２に充填した多結晶シリコンなどの固形原料をヒータ４の加熱により溶融させ、原料融液１０を形成する。ルツボ２内に原料融液１０が形成されると、引き上げ軸６を下降させて種結晶７を原料融液１０に浸漬し、ルツボ２および引き上げ軸６を所定の方向に回転させながら、引き上げ軸６を徐々に引き上げ、種結晶７の下方にシリコン単結晶１１を育成する。
【０００８】
その際、チャンバ１内を減圧下の不活性ガス雰囲気に維持するため、チャンバ１の上部のガス導入口から不活性ガスが常時供給される。チャンバ１内に供給された不活性ガスは、図１中の点線矢印で示すように、熱遮蔽体８の内側を下降し、熱遮蔽体８の下端と原料融液１０の液面との隙間を経て熱遮蔽体８の外側さらにルツボ２の外側に向けて流れ、その後にルツボ２の外側を下降し、チャンバ１の下部の排気口９から排出される。このとき、原料融液１０の液面からＳｉＯ（シリコン酸化物）が蒸発しており、不活性ガスはそのＳｉＯガスを伴って排出される。
【０００９】
ところで、上述した単結晶引き上げ装置において、チャンバ１内での不活性ガスの流れは複雑な流れであり、特に熱遮蔽体８の下端部８ａの外側付近では局部的にガス流れの滞留が生じ易い。これに伴い、熱遮蔽体８の下端部８ａの端面およびその近傍の外周面には、滞留したＳｉＯガスに起因してシリコン酸化物が析出し付着し易い。このシリコン酸化物が単結晶引き上げ中に原料融液１０に落下した場合、単結晶の有転位化を引き起こすおそれがある。
【００１０】
このような問題に関連する技術として、例えば、特許文献１には、熱遮蔽体をチャンバの天井部と隙間を設けて配置することにより、チャンバ内での不活性ガスの流れを熱遮蔽体の内側と外側とに分流させる単結晶引き上げ装置が開示されている。同文献では、チャンバの天井部付近でガス流れの滞留を抑制し、これにより、チャンバの天井部に付着するシリコン酸化物を低減し、このシリコン酸化物に起因する有転位化を防止できるとしている。
【００１１】
しかし、前記特許文献１に開示された引き上げ装置では、熱遮蔽体の外側を流れる不活性ガスは、熱遮蔽体の下端部の外側付近に到達することなく、ルツボの外側に流れ込み排出されるため、熱遮蔽体の下端部外側付近では、依然ガス流れの滞留が生じる。このため、熱遮蔽体の下端部におけるシリコン酸化物の付着低減を図ることができず、このシリコン酸化物に起因する有転位化を防止できない。
【００１２】
また、特許文献２には、熱遮蔽体に開口を設け、ヒータおよびルツボの露出側壁からの輻射熱をその開口を通じて導入し、当該輻射熱を引き上げ中の単結晶に照射することにより、１３００℃から１２００℃までの単結晶の熱履歴を調整する単結晶引き上げ装置が開示されている。この引き上げ装置では、熱遮蔽体の内側を流れる不活性ガスの一部が開口を通じて熱遮蔽体の外側に導かれ、熱遮蔽体の下端部外側付近に到達すると想定できるため、熱遮蔽体の下端部外側付近でガス流れの滞留抑制が期待できる。
【００１３】
しかし、前記特許文献２に開示された引き上げ装置では、熱遮蔽体に設けられた開口を通じ、ヒータ等からの輻射熱が引き上げ中の単結晶に達することから、熱遮蔽体の断熱機能が失われる。このため、熱遮蔽体による単結晶の冷却促進を図ることができず、引き上げ速度の低下を余儀なくされる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平７−２７７８８７号公報
【特許文献２】特開平７−０３３５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、引き上げ速度の低下を抑えつつ、熱遮蔽体の下端部外側付近で不活性ガスの流れの滞留を抑制し、単結晶の有転位化を防止できる単結晶引き上げ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、熱遮蔽体の下端部外側付近でガス流れの滞留を抑制するには、熱遮蔽体に貫通穴を設け、熱遮蔽体の内側を流れる不活性ガスの一部をその貫通穴を通じて熱遮蔽体の外側に導くことが有効であり、さらに引き上げ速度の低下を抑えるには、ヒータおよびルツボの露出側壁からの輻射熱が、熱遮蔽体に設けられた貫通穴を通じて引き上げ中の単結晶に達しないようにするのが有効であることを知見した。
【００１７】
本発明は、このような知見に基づいて完成させたものであり、その要旨は、下記の単結晶引き上げ装置にある。すなわち、ＣＺ法により原料融液から単結晶を育成する単結晶引き上げ装置であって、原料融液を貯留するルツボと、ルツボを囲繞するヒータと、ルツボの上方で引き上げ中の単結晶を包囲する筒状の熱遮蔽体と、ルツボ、ヒータおよび熱遮蔽体を収容し、上方から不活性ガスが供給され下方に排出されるチャンバと、を具備しており、熱遮蔽体に貫通穴を設け、この貫通穴が、ヒータおよびルツボの側壁から引き上げ中の単結晶に向かう輻射熱を通過させない経路で構成されていることを特徴とする単結晶引き上げ装置である。
【００１８】
この引き上げ装置では、前記貫通穴は、単結晶の引き上げ軸を含む断面において、引き上げ軸に対する角度が３０°以下であり、その経路が直線状であることが好ましい。
【００１９】
また、上記引き上げ装置では、前記貫通穴は、単結晶の引き上げ軸を含む断面において、引き上げ軸を中心とした径方向での長さが熱遮蔽体の厚み以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の単結晶育成装置によれば、単結晶育成の際、熱遮蔽体の内側を下降する不活性ガスの一部が、貫通穴を通じて熱遮蔽体の外側に導かれ、熱遮蔽体の下端部外側付近に到達するため、当該下端部外側付近でガス流れの滞留が抑制され、これにより、熱遮蔽体の下端部に付着するシリコン酸化物を低減することができ、このシリコン酸化物に起因する単結晶の有転位化を防止することが可能になる。しかも、単結晶育成の際、ヒータおよびルツボの側壁から単結晶に向かう輻射熱が貫通穴を通過することがないため、熱遮蔽体による単結晶の冷却促進作用が確保され、引き上げ速度の低下を抑えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する単結晶引き上げ装置の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明の単結晶引き上げ装置における熱遮蔽体の要部を拡大して示す断面図である。
【図３】熱遮蔽体に設ける貫通穴の変形例を示す図である。
【図４】熱遮蔽体に設ける貫通穴の他の変形例を示す図であり、同図（ａ）は曲線状の貫通穴を示し、同図（ｂ）は鉤形状の貫通穴を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明の単結晶引き上げ装置について、その実施形態を詳述する。本発明の単結晶引き上げ装置は、前記図１に示す引き上げ装置の構成を基本とし、引き上げ中の単結晶の冷却を促進させるために筒状の熱遮蔽体を具備しており、この熱遮蔽体に貫通穴を設け、この貫通穴が、ヒータおよびルツボの側壁から引き上げ中の単結晶に向かう輻射熱を通過させない経路で構成されていることを特徴とする。
【００２３】
図２は、本発明の単結晶引き上げ装置における熱遮蔽体の要部を拡大して示す断面図である。同図では、単結晶の引き上げ軸を含む断面を示している。
【００２４】
同図に示すように、熱遮蔽体８は、ルツボ２内の原料融液１０の上方で引き上げ中のシリコン単結晶１１を包囲するように配設され、上方から下方に向かって徐々に縮径した逆円錐台形状の筒状で構成される。この熱遮蔽体８の下部には、内側から外側に貫通する貫通穴１５が設けられている。
【００２５】
図２に示す貫通穴１５は、引き上げ軸６と平行な直線状の経路を有する貫通穴であり、熱遮蔽体８の下端部外側に開口している。熱遮蔽体８には、このような貫通穴１５が、引き上げ軸６を中心とした同一円周上に等角度間隔で複数設けられている。
【００２６】
このような構成の熱遮蔽体８を備えた単結晶引き上げ装置によれば、単結晶育成の際、チャンバ内に供給された不活性ガスは、チャンバ下部の排気口への吸引作用により、図２中の点線矢印で示すように、熱遮蔽体８の内側を下降し、熱遮蔽体８の下端と原料融液１０との隙間を経て熱遮蔽体８の外側さらにルツボ２の外側に向けて流れ、その後にルツボ２の外側を下降し、排気口から排出される。このとき、熱遮蔽体８の内側を下降する不活性ガスの一部は、貫通穴１５を通じて熱遮蔽体８の外側に導かれ、熱遮蔽体８の下端部８ａの外側付近に到達するため、当該下端部８ａの外側付近でガス流れの滞留を抑制することができる。これにより、熱遮蔽体８の下端部８ａに付着するシリコン酸化物を低減することができ、このシリコン酸化物に起因する単結晶の有転位化を防止することが可能になる。
【００２７】
また、単結晶育成の際、図２中の実線矢印で示すように、ヒータ４およびルツボ２の露出した側壁からシリコン単結晶１１に向けて輻射熱が放射されているが、熱遮蔽体８に設けた貫通穴１５の経路が引き上げ軸６に対して平行な直線状であるため、その輻射熱が貫通穴１５を通過することはない。このため、熱遮蔽体８は、貫通穴１５を有していても、輻射熱に対する断熱機能を十分に発揮し、シリコン単結晶１１の冷却促進作用が確保されることから、引き上げ速度の低下を抑えることが可能になる。
【００２８】
図３は、熱遮蔽体に設ける貫通穴の変形例を示す図である。同図も単結晶の引き上げ軸を含む断面を示している。
【００２９】
同図に示す貫通穴１５は、前記図２に示す貫通穴１５と同様に直線状の経路を有する貫通穴であり、その貫通経路が引き上げ軸６を基準に所定の角度θで傾斜した構成である。この貫通穴１５の傾斜角度θは、４５°を超えないこととする。傾斜角度θが４５°を超えると、ヒータ４およびルツボ２の露出側壁からの輻射熱（図３中の実線矢印参照）が貫通穴１５を通過し、引き上げ中のシリコン単結晶１１に達するため、熱遮蔽体８によりシリコン単結晶１１の冷却促進を図ることができないからである。より望ましくは、貫通穴１５の傾斜角度θを３０°以下とする。
【００３０】
さらに、ヒータ４およびルツボ２の露出側壁からの輻射熱をより確実に貫通穴１５を通過させない構成にするために、引き上げ軸６を中心とした径方向で貫通穴１５の長さＤを熱遮蔽体８の厚みｔ以下とするのが好ましい。貫通穴１５の長さＤの下限は特に規定しないが、貫通穴１５への不活性ガスの流通量を確保する観点から、熱遮蔽体８の厚みｔの１／４以上とするのが好ましい。
【００３１】
図４は、熱遮蔽体に設ける貫通穴の他の変形例を示す図であり、同図（ａ）は曲線状の貫通穴を示し、同図（ｂ）は鉤形状の貫通穴を示す。同図も単結晶の引き上げ軸を含む断面を示している。
【００３２】
同図（ａ）に示す貫通穴１５は、円弧で構成される曲線状の経路を有する貫通穴であり、同図（ｂ）に示す貫通穴１５は、経路が折れ曲がった鉤形状の貫通穴であり、いずれも、ヒータ４およびルツボ２の露出側壁からシリコン単結晶１１に向かう輻射熱（図４（ａ）、（ｂ）中の実線矢印参照）を通過させない経路になっている。
【００３３】
前記図３および図４（ａ）、（ｂ）に示すいずれの貫通穴１５を設けた場合でも、単結晶育成の際、熱遮蔽体８の内側を下降する不活性ガスの一部が、貫通穴１５を通じて熱遮蔽体８の下端部８ａの外側付近に到達し、しかも、ヒータ４およびルツボ２の露出側壁からシリコン単結晶１１に向かう輻射熱が貫通穴１５を通過することがない。これらのことから、熱遮蔽体８の下端部８ａの外側付近でガス流れの滞留を抑制し、当該下端部８ａに付着するシリコン酸化物を低減することができ、単結晶の有転位化を防止することが可能になる。しかも、熱遮蔽体８によるシリコン単結晶１１の冷却促進作用が十分に確保されることから、引き上げ速度の低下を抑えることが可能になる。
【実施例】
【００３４】
本発明の単結晶引き上げ装置による効果を確認するため、熱遮蔽体に設ける貫通穴として前記図１および図２に示す直線状経路の貫通穴を採用し、寸法を種々変更した熱遮蔽体を用いて、直胴部の目標直径を３００ｍｍとするシリコン単結晶の育成試験を行った。
【００３５】
（実施例１）
実施例１の試験では、熱遮蔽体の厚みｔを２０ｍｍとし、引き上げ軸に対する貫通穴の傾斜角度θを０°（引き上げ軸と平行）、１０°、２０°、３０°および４５°に変更した熱遮蔽体を用いて、５本ずつ単結晶を育成した。貫通穴の長さＤは１０ｍｍ（ｔ／２）と一定にした。また、比較のために、貫通穴を設けていない熱遮蔽体を用いて単結晶を５本育成した。
【００３６】
各熱遮蔽体を用いた育成の際、単結晶を監視することにより直胴部での有転位化の有無を調査した。これと同時に、直胴部を育成する際の平均引き上げ速度を調査した。さらに、育成した単結晶の直胴部からサンプルウェーハを採取し、品質評価の代表として酸素濃度を調査した。表１に、実施例１の試験条件と調査結果を示す。
【００３７】
【表１】
2010202436.tif 000003
【００３８】
同表において、引き上げ速度は、各試験条件で平均引き上げ速度の平均値を算出し、貫通穴を設けていない熱遮蔽体を用いた場合を１（基準）として指数化して示している。酸素濃度は、各試験条件での酸素濃度の平均値を算出し、貫通穴を設けていない熱遮蔽体を用いた場合を基準にして、±１０％以内の場合は優として「○」、±１０％を超え±１５％以内の場合は良として「△」、±１５％を超える場合は不可として「×」で評価している。また、有転位化は、各試験条件で５本とも有転位化が発生しなかった場合は優として「○」、１本でも有転位化が発生した場合は不可として「×」で評価している。
【００３９】
表１に示すように、熱遮蔽体に直線状経路の貫通穴を設けた場合、引き上げ軸に対する貫通穴の傾斜角度θを問わず、有転位化が発生することなく、酸素濃度が良好であり、引き上げ速度も貫通穴なしの場合に比べて９％以内の低下に抑えることができた。特に、貫通穴の傾斜角度θが３０°以下の場合は、引き上げ速度の低下を４％以内に留めることができた。
【００４０】
（実施例２）
実施例２の試験では、熱遮蔽体の厚みｔを２０ｍｍとし、貫通穴の長さＤをｔ／４、ｔ／２、３ｔ／４、１ｔおよび１．５ｔに変更した熱遮蔽体を用いて、５本ずつ単結晶を育成し、上記実施例１の試験と同様の調査を行った。引き上げ軸に対する貫通穴の傾斜角度θは、０°と一定にした。表２に、実施例２の試験条件と調査結果を示す。
【００４１】
【表２】
2010202436.tif 000004
【００４２】
表２に示すように、貫通穴の長さＤが熱遮蔽体の厚みｔ以下の場合では、有転位化が発生することなく、酸素濃度が良好であり、貫通穴なしの場合に対する引き上げ速度の低下を５％以内に抑えることができた。一方、貫通穴の長さＤが熱遮蔽体の厚みｔを超える１．５ｔの場合では、有転位化の発生はないが、引き上げ速度が１２％低下し、酸素濃度が増加した。
【００４３】
（実施例３）
実施例３の試験では、熱遮蔽体の厚みｔを４０ｍｍとし、上記実施例２の試験と同様に、貫通穴の傾斜角度θを０°と一定にした上で、貫通穴の長さＤを変更した熱遮蔽体を用いて、５本ずつ単結晶を育成し、上記実施例１の試験と同様の調査を行った。表３に、実施例３の試験条件と調査結果を示す。
【００４４】
【表３】
2010202436.tif 000005
【００４５】
表３に示すように、貫通穴の長さＤが熱遮蔽体の厚みｔ以下の場合では、有転位化が発生することなく、酸素濃度が良好であり、貫通穴なしの場合に対する引き上げ速度の低下を７％以内に抑えることができた。一方、貫通穴の長さＤが熱遮蔽体の厚みｔの１．５倍の場合では、有転位化の発生はないが、引き上げ速度が１５％低下し、酸素濃度が増加した。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の単結晶育成装置によれば、単結晶育成の際、熱遮蔽体の内側を下降する不活性ガスの一部が、貫通穴を通じて熱遮蔽体の下端部外側付近に到達するため、当該下端部外側付近でガス流れの滞留が抑制され、これにより、熱遮蔽体の下端部に付着するシリコン酸化物を低減することができ、このシリコン酸化物に起因する単結晶の有転位化を防止することが可能になる。しかも、単結晶育成の際、ヒータおよびルツボの側壁からの輻射熱が貫通穴を通過することがないため、熱遮蔽体による単結晶の冷却促進作用が確保され、引き上げ速度の低下を抑えることが可能になる。
【符号の説明】
【００４７】
１：チャンバ、    ２：ルツボ、    ２ａ：石英ルツボ、    ２ｂ：黒鉛ルツボ、
３：支持軸、    ４：ヒータ、    ５：断熱材、    ６：引き上げ軸、
７：種結晶、    ８：熱遮蔽体、    ８ａ：下端部、    ９：排気口、
１０：原料融液、    １１：シリコン単結晶、    １５：貫通穴
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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