(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体内に設けられた石英ガラスルツボを加熱してこの石英ガラスルツボに装填されたポリシリコンを溶融し、半導体単結晶を引上げる単結晶引上装置において、前記石英ガラスルツボの上方に輻射シールドを設置し、この輻射シールドは、単結晶が貫通する開口部を有する逆截頭円錐形状の円錐部と、この円錐部の下端に連通し、円錐部の下端から放射状に水平外方に延び、かつ前記ポリシリコン融液表面との間に通気路を形成するようにポリシリコン融液表面と対向して設けられた水平部と、前記石英ガラスルツボの内表面との間に通気路を形成するように石英ガラスルツボの内表面に対向する円筒状の直胴部と、この直胴部と円錐部および水平部で形成される中空部に充填された断熱材とよりなり、前記水平部と直胴部の連通部に直胴部が単結晶の中心線方向に向かって縮径するように設けられた円弧部からなる角取部を形成したことを特徴とする単結晶引上装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は単結晶引上装置に係わり、特に輻射シールドを改良した単結晶引上装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般にシリコンウェーハ用の単結晶引上げは、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により行われている。
【０００３】
従来の単結晶引上装置において、単結晶引上げ速度の低下を防ぐため等の目的で図３に示されるように、単結晶引上装置６０の石英ガラスルツボ６１の上方に石英ガラスルツボ６１やシリコン融液６２の融液表面６３から単結晶６４への輻射熱を遮蔽し、単結晶引上げ速度の低下を防ぐため、単結晶６４を囲繞するように１層の金属板により形成された逆截頭円錐形状の輻射シールド６５を設けている。
【０００４】
このような従来の単結晶引上装置６０にあっては、単結晶引上げ速度の低下を防止する効果はあるが、融液表面６３から単結晶６４に向けて反射される反射熱により、あるいは輻射シールド６５自体が高温に加熱される結果、二次輻射熱が単結晶６４に向けて放射され、単結晶６４に対する冷却効果が不足して結晶品質の低下が避けられず、また十分な高速引上げが得られない。
【０００５】
上述従来形状の輻射シールド６５を有する単結晶引上装置６０を改良するものとして、特公平５−３５７１５号公報に記載され、図４に示すような形状の輻射シールド７０を有する単結晶引上装置７１が提案されている。図４に示すような従来の単結晶引上装置７１の輻射シールド７０は、この輻射シールド７０の内面側７２と外面側７３の間に、融液表面７４に近づくに従って、一部または全体に亘って厚さを大きくした断熱材７５を設けたものである。このような輻射シールド７０を有する単結晶引上装置７１は輻射熱の断熱性能が向上し結晶成長速度の高速化は容易に図れるが、単結晶引上装置７１内を満たす不活性ガスは輻射シールド７０の下端部７６と融液表面７４間に形成される空間距離ｄ２および輻射シールド７０の外面側７３と石英ガラスルツボ７７の内壁面７８間に形成される空間距離ｄ３を通過するが、このとき流れ方向が水平方向から垂直上昇方向に変わる下方のＬ字部７９では、ガス流れに乱れを生じ、さらに通気路の断面積が小さいことから、ガス流れの乱れが増幅され、効果的な排気がなされなくなる。排気が不十分になる結果、石英ガラスルツボ７７から発生し、不活性ガス中に含まれたＳｉＯ２が輻射シールド７０、特にＬ字部７９に付着し、輻射シールド７０の短寿命化やＳｉＯ２の融液表面７４への落下による転位の誘発を招き、単結晶引上げの生産性を低下させる問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、結晶成長速度の高速化が容易に図れ、かつ、不活性ガスの効果的な排気がなされ、不活性ガス中に含まれたＳｉＯ２により輻射シールドの短寿命化を防ぎ、さらに、ＳｉＯ２の融液表面への落下を防ぎ単結晶引上げの生産性を高めた単結晶引上装置が要望されていた。
【０００７】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、単結晶の高速引上げが可能で、かつ、転位の誘発を防いで単結晶引上げの生産性を高め、さらに輻射シールドの長寿命化を図った単結晶引上装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述目的を達成するためになされた本願請求項１の発明は、炉体内に設けられた石英ガラスルツボを加熱してこの石英ガラスルツボに装填されたポリシリコンを溶融し、半導体単結晶を引上げる単結晶引上装置において、前記石英ガラスルツボの上方に輻射シールドを設置し、この輻射シールドは、単結晶が貫通する開口部を有する逆截頭円錐形状の円錐部と、この円錐部の下端に連通し、円錐部の下端から放射状に水平外方に延び、かつ前記ポリシリコン融液表面との間に通気路を形成するようにポリシリコン融液表面と対向して設けられた水平部と、前記石英ガラスルツボの内表面との間に通気路を形成するように石英ガラスルツボの内表面に対向する円筒状の直胴部と、この直胴部と円錐部および水平部で形成される中空部に充填された断熱材とよりなり、前記水平部と直胴部の連通部に直胴部が単結晶の中心線方向に向かって縮径するように設けられた円弧部からなる角取部を形成したことを特徴とする単結晶引上装置であることを要旨としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる単結晶引上装置の一実施の形態について添付図面に基づき説明する。
【００１０】
図１は本発明に係わる単結晶引上装置１で、この引上装置１は水冷された炉体２と、この炉体２に収納され原料であるポリシリコンを溶融し溶融シリコン３にする石英ガラスルツボ４と、この石英ガラスルツボ４を保持する黒鉛ルツボ５と、この黒鉛ルツボ５を囲繞するヒータ６とを有している。引上装置１は内側に石英ガラスルツボ４が外側に黒鉛ルツボ５が配置されて二重層構造に構成されている。この黒鉛ルツボ５は炉体２を貫通し、モータ（図示せず）に結合されて回転され、かつ昇降装置（図示せず）によって昇降されるルツボ回転軸８に取り付けられている。
【００１１】
このルツボ回転軸７により回転される石英ガラスルツボ４の上方には、単結晶引上げのためのシード８が取り付けられた引上げ用のワイヤー９が設けられている。このワイヤー９は炉体２外に設けられモータ（図示せず）により付勢されワイヤー９を巻き取ると共に回転させるワイヤー回転装置（図示せず）が取り付けられている。
【００１２】
また、石英ガラスルツボ４およびシリコン融液３の上方には、このシリコン融液３からの熱輻射を防止し、かつ炉体２内を流れる不活性ガス、例えばアルゴンガス（以下Ａｒという。）の通気を制御する輻射シールド１０が設けられている。
【００１３】
図２に拡大して示すように、輻射シールド１０は、輻射シールド１０の内面部１１を形成し、単結晶２０が貫通する開口部１２を有する逆截頭円錐形状の円錐部１１と、この円錐部１１の下端に連通しこの円錐部１１の下端から放射状に水平外方に延び、かつ前記融液表面１３に対向する水平部１４と、前記石英ガラスルツボ４の内表面１５に対向し垂直に延びる円筒状の直胴部１６と、この直胴部１６と前記円錐部１１および水平部１４で形成される中空部１７に充填された断熱材１８とより形成されている。従って、輻射シールド１０は円錐部１１と直胴部１６と断熱材１８で３重層に形成され、断熱性が強化されている。
【００１４】
さらに、水平部１４と直胴部１６が連通する連通部１９には直胴部１６が単結晶２０の中心線方向に向かって縮径するように設けられた角取部、例えば円筒状の円弧部１９が形成されている。
【００１５】
また、円錐部１１と直胴部１６の上端部２２、２３からは、各々放射状に水平外方に延びる環状、鍔状あるいはフランジ形状のリム部２４、２５が設けられ、これらの環状リム部２４、２５から下方に延びる円筒状の支持部２６とで断熱材２７充填用の中空部２８が形成されるように設けられている。
【００１６】
上述のように単結晶２０の中心線方向に向かって縮径するように設けられた円筒状の円弧部１９は、この円弧部１９の外側面の水平投影長さはＡ、垂直投影長さはＢに設計されており、すなわちＡ＝Ｂで円弧部１９の曲率半径になるように設計されている。
【００１７】
一方、輻射シールド１０の取付は、開口部１２の内側壁面３０と単結晶２０の外壁側壁３１間に空間距離Ｄ１の通気路３２、回転軸７を上昇させることにより常時ほぼ一定の高さに維持される融液表面１３と水平部１４間に空間距離Ｄ２の通気路３３、および直胴部１６と石英ガラスルツボ４の内壁面１５間に空間距離Ｄ３の通気路３４が形成されるように支持部２６を介して炉体２の取付部３５に取り付けられている。
【００１８】
ここで各空間距離の間にＡ＝Ｂ＞Ｄ２、Ｄ３の関係が成り立つように輻射シールド１０を取り付ける。
【００１９】
なお、３６は炉体２の炉底部３７に設けられた排気口である。
【００２０】
本発明に係わる単結晶引上装置１は上述のような構造になっているから、シリコン単結晶２０を引上げるには、ナゲット状ポリシリコンを石英ガラスルツボ４に入れ、Ａｒを炉体２の上方より炉体２内に流入させ、ヒータ６を付勢して石英ガラスルツボ４を加熱し、モータを付勢してこのモータに結合された回転軸７を回転させて石英ガラスルツボ４を回転させる。
【００２１】
一定時間が経過した後、シード軸９を下ろし、種結晶を融液表面１３に接触させ、単結晶２０を成長させ、単結晶２０を引上げる。
【００２２】
この単結晶引上げ工程において、輻射シールド１０が融液表面１３の上方に設けられているので、シリコン融液３から単結晶２０の一次輻射熱は効果的に遮断される。さらに輻射シールド１０は断熱材１８を含む３重層で形成されているので、輻射シールド１０の円錐部１１の温度は低く抑えられ、この円錐部１１から単結晶２０への二次輻射熱も効果的に遮断され、単結晶２０の縦軸方向の温度勾配が大きくなり、高速引上げで単結晶化率の高い結晶引上げが可能となる。
【００２３】
一方、炉体２上部から導入された不活性ガス、例えばＡｒはシード軸１０、シリコン単結晶２０に沿って降下し、輻射シールド１０に設けられた開口部１２に形成される通気路３２さらに通気路３３および通気路３４を経て、炉体２の底部３８に設けられた排気口１２から炉体２外に排出される。
【００２４】
上述のようなＡｒの炉体２流通過程において、通気路３３と通気路３４間に形成されるコーナ部、すなわちＡｒの流れ方向が水平方向から垂直上昇方向に変わる位置、輻射シールド１０の底部外周側に円弧部１９を周方向に設け通気路３３と通気路３４を拡大したので、Ａｒの流れに乱れが生じることがなく排気が十分効果的に行われ、一層単結晶化率の高い結晶引上げが可能となる。
【００２５】
さらに、輻射シールド１０は底部外周側に円弧部１９を設け、通気路３３と通気路３４を拡大し排気が十分効果的に行われるようにしたので、ＳｉＯ２が輻射シールド１０に付着するのを防止して輻射シールド１０の長寿命化を可能にし、さらに輻射シールド１０に付着したＳｉＯ２が融液表面１３に落下して転位の誘発を招くこともなく単結晶化率の高い結晶引上げが可能となる。
【００２６】
【実施例】
［実施例］
（試験方法）：図２に示す実施の形態の単結晶引上装置において、円弧部の外側面の水平投影長さＡ、垂直投影長さＢをＡ＝Ｂ、融液表面と水平部間の通気路の空間距離Ｄ２および直胴部と石英ガラスルツボの内壁面間の通気路の空間距離Ｄ３としたとき、各空間距離の間にＡ＝Ｂ＞Ｄ２、Ｄ３の関係が成り立つように輻射シールドを取り付け、単結晶引上げ試験を行った。
【００２７】
（試験結果）：実施例は、従来の単層構造の輻射シールド（図３）を用いて単結晶を引上げた場合に比べて、単結晶引上げ速度が５０％向上した。また、単結晶化率は１００％であった。このように、引上げ速度については大幅な改善がみられ、単結晶化率も１００％と好結果を得た。さらに、引上げ直後の輻射シールドを観察したが、輻射シールドのどの部分にも一切ＳｉＯ２が付着されておらず、効果的な排気がなされていることが立証された。
【００２８】
［比較例］
（試験方法）：実施例同様の試験であるが、各空間距離の間にＡ＝Ｂ＜Ｄ２、Ｄ３の関係が成り立つように輻射シールドの取り付け、単結晶引上げ試験を行った。
【００２９】
（試験結果）：従来の単層構造の輻射シールドを単結晶を引上げた場合に比べて、単結晶引上げ速度が５０％向上した。単結晶化率は８２％であった。このように、引上げ速度については大幅か改善がみられるが、引上げ直後の輻射シールドを観察では、輻射シールドの円錐部下部にＳｉＯ２の付着が確認され、効果的な排気がなされていないことが確認された。この円錐部下部に付着したＳｉＯ２が、融液表面に落下し、単結晶の転位発生の原因となり、単結晶化率が８２％に低下したと考えられる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に係わる単結晶引上装置は、輻射シールドを３重層にしたので、融液表面、輻射シールドから単結晶への熱輻射は効果的に遮断され、単結晶の縦軸方向の温度勾配が大きくなり、高速引上げで単結晶化率の高い結晶引上げが可能となる。さらに、通気路と通気路との連通部に円弧部からなる角取部を設け、通気路を拡大することにより十分な排気を行い、一層単結晶化率の高い結晶引上げを可能にし、またＳｉＯ２が輻射シールドに付着するのを防止して、輻射シールドの長寿命化を図り、さらに輻射シールドに付着したＳｉＯ２が融液表面に落下して単結晶の転位の誘発を防止して単結晶化率の高い結晶引上げが可能とした。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係わる単結晶引上装置の概略図。
【図２】  図１の要部を拡大して示した断面図。
【図３】  従来の単結晶引上装置の概略図。
【図４】  従来の単結晶引上装置の概略図。
【符号の説明】
１  単結晶引上装置
２  炉体
３  溶融シリコン
４  石英ガラスルツボ
５  黒鉛ルツボ
６  ヒータ
７  ルツボ回転軸
８  シード
９  ワイヤー
１０  輻射シールド
１１  内面部
１２  開口部
１３  融液表面
１４  水平部
１５  内表面
１６  直胴部
１７  中空部
１８  断熱材
１９  連通部（円弧部）
２０  単結晶
２１  中心線
２２  端部
２３  端部
２４  環状リム部
２５  環状リム部
２６  支持部
２７  断熱材
２８  中空部
３０  壁面
３１  側壁
３２  通気路
３３  通気路
３４  通気路
３５  取付部
３６  排気口
３７  炉底部
３８  単結晶引上装置
３９  石英ガラスルツボ
４０  シリコン融液
４１  輻射シールド
４２  単結晶
４３  開口部
４４  円錐部
４５  直胴部
４６  断熱材
４７  水平部
４８  傾斜部
５０  壁面部
５１  側壁
５２  通気路
５３  回転軸
５４  融液表面
５５  通気路
５６  内壁面
５７  通気路
５８  炉体
５９  コーナ部
６０  単結晶引上装置
６１  石英ガラスルツボ
６２  シリコン融液
６３  融液表面
６４  単結晶
６５  輻射シールド
７０  輻射シールド
７１  単結晶引上装置
７２  内面側
７３  外面側
７４  融液表面
７５  断熱材
７６  下端部
７７  石英ガラスルツボ
７８  内壁面
７９  Ｌ字部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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