(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン融液(12)を貯留する石英るつぼ(13)を上昇又は下降させるるつぼ昇降手段(17)と、前記シリコン融液(12)から成長するシリコン単結晶棒(25)を包囲する筒状の熱遮蔽体(26)とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置において、
前記熱遮蔽体(26)が前記石英るつぼ(13)の内面と前記熱遮蔽体(26)の外面の間を覆う面積を有する環状の熱輻射体(27,47)を有し、
前記熱輻射体(27,47)を前記熱遮蔽体(26)と独立して上昇又は下降して前記熱輻射体(27,47)を前記石英るつぼ(13)の所定の位置に維持する熱輻射体昇降手段(41)が設けられ、
前記熱輻射体昇降手段(41)が、前記チャンバ(11)の上部から吊り下げられ周囲にラックギヤが形成され下端に前記熱輻射体(27)が取付けられた支持棒(42)と、前記チャンバ(11)の上部に設けられ前記ラックギヤに歯合する駆動ギヤが内蔵され前記駆動ギヤの回転により前記支持棒(42)を上下動させるギヤボックス(43)と、前記チャンバ(11)の上部に設けられ前記駆動ギヤを駆動する駆動モータ(46)とを有する
ことを特徴とするシリコン単結晶の引上げ装置。
【請求項２】
所定の位置が石英るつぼ(13)の上端である請求項１記載のシリコン単結晶の引上げ装置。
【請求項３】
熱輻射体(27,47)に１又は２以上の通孔(27c,47c)が形成された請求項１又は２記載のシリコン単結晶の引上げ装置。
【請求項４】
石英るつぼ(13)に貯留されたシリコン融液(12)から成長するシリコン単結晶棒(25)を筒状の熱遮蔽体(26)で包囲した状態で引上げる方法において、
前記石英るつぼ(13)の内面と前記熱遮蔽体(26)の外面の間を覆う面積を有する環状の熱輻射体(27,47)を前記シリコン単結晶棒(25)の引上げ中に前記石英るつぼ(13)の所定の位置に維持するように上昇させることを特徴とするシリコン単結晶の引上げ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶棒を引上げて育成するシリコン単結晶の引上げ装置及びその引上げ方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶棒の育成としてるつぼ内のシリコン融液から半導体用の高純度シリコン単結晶棒を成長させるチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）が知られている。このＣＺ方法では、ミラーエッチングされた種結晶をシリコン融液に接触させ、種結晶を引上げてシリコン融液から種絞り部を作製し、その後目的とするシリコン棒の直径まで結晶を徐々に太らせて成長させることにより、必要な面方位を有する無転位の単結晶棒を得るものである。
このＣＺ方法におけるシリコン単結晶棒の品質及び生産性を向上させるために、従来この種の装置には、チャンバ内に設けられたシリコン融液を貯留する石英るつぼを上昇又は下降させるるつぼ昇降手段と、シリコン融液から成長するシリコン単結晶棒を包囲する筒状の熱遮蔽体とを備えたものが知られている。
【０００３】
このように構成されたシリコン単結晶の引上げ装置では、石英るつぼの周囲に設けられたカーボンヒータにより石英るつぼ内のシリコン融液を加熱して所定温度に維持し、シリコン単結晶棒の引上げに伴うシリコン融液表面の低下を昇降手段が石英るつぼを上昇させることによりシリコン融液の表面を所定位置に維持して均一なシリコン単結晶棒を得るとともに、熱遮蔽体がシリコン単結晶棒を包囲することにより、シリコン融液の熱が成長したシリコン単結晶棒に到達しないように熱遮蔽体が遮蔽する。熱遮蔽体がシリコン融液の熱を遮蔽してシリコン単結晶棒の熱履歴を制御することにより、シリコン単結晶棒中の点欠陥の核化析出を抑制するとともに、シリコン単結晶棒の冷却速度を向上させて引上げ速度を増大し、シリコン単結晶棒の生産性を向上できるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシリコン単結晶の引上げ装置では、シリコン融液を貯留する石英るつぼの上部が開口されているため、その石英るつぼの上部からカーボンヒータにより加熱されたシリコン融液の熱がチャンバ内へ放散される。このため、シリコン融液を所定の温度に加熱維持するためにはカーボンヒータから多大の電力を供給する必要があり、特に大口径のシリコン単結晶棒を引上げる際にはカーボンヒータの電力消費量が極めて増大する不具合がある。
【０００５】
この点を解消するために、筒状の熱遮蔽体と石英るつぼとの間にシールド部材を設けた単結晶引上げ装置を本出願人は提案した（特開平１−１４５３９１）。このシールド部材は、熱遮蔽体の下部にこの熱遮蔽体の外径より大径の円筒部と、この円筒部の下端に連続して設けられ内方に先細りして熱遮蔽体とシリコン融液との間を遮断する傾斜筒部とを有する。そしてシールド部材は熱遮蔽体に対して回転しながら昇降できるようになっている。
しかし、上記シールド部材は傾斜筒部を有するため、昇降させるとシリコン融液表面に流れるキャリアガスの流速が変化する。その結果シリコン単結晶中の酸素濃度が変化するなどの悪影響を生じる。またシールド部材の昇降は熱遮蔽体の外周に設けられたねじ部に沿った回転により行われるため、単結晶引上げ中にのシールド部材を昇降させる場合、その駆動が複雑化する。
【０００６】
更に、一般的にシリコン単結晶棒の引上げに伴ってシリコン融液量が減少してその液面が低下した場合に、カーボンヒータからの加熱が十分でないと、石英るつぼの内周面にシリコン融液の一部が固化して付着することがある。シリコン単結晶棒の引上げ途中にこの付着したシリコンが石英るつぼの内周面から剥離してシリコン融液中に落下すると、シリコン融液中に温度差に基づく熱的ストレスが発生してシリコン単結晶の有転位化率を下げることができない恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、シリコン融液を少ない電力で所定の温度にするシリコン単結晶の引上げ装置及びその引上げ方法を提供することにある。
本発明の別の目的は、シリコン融液の熱がチャンバ内へ放散されることを防ぐことによりシリコン単結晶の有転位化率を下げることのできるシリコン単結晶の引上げ装置及びその引上げ方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３を上昇又は下降させるるつぼ昇降手段１７と、シリコン融液１２から成長するシリコン単結晶棒２５を包囲する筒状の熱遮蔽体２６とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置の改良である。
その特徴ある構成は、熱遮蔽体２６が石英るつぼ１３の内面と熱遮蔽体２６の外面の間を覆う面積を有する環状の熱輻射体２７を有し、熱輻射体２７を熱遮蔽体２６と独立して上昇又は下降して熱輻射体２７を石英るつぼ１３の所定の位置に維持する熱輻射体昇降手段４１が設けられ、熱輻射体昇降手段４１が、チャンバ１１の上部から吊り下げられ周囲にラックギヤが形成され下端に熱輻射体２７が取付けられた支持棒４２と、チャンバ１１の上部に設けられラックギヤに歯合する駆動ギヤが内蔵され駆動ギヤの回転により支持棒４２を上下動させるギヤボックス４３と、チャンバ１１の上部に設けられ駆動ギヤを駆動する駆動モータ４６とを有するところにある。
請求項４に係る発明は、石英るつぼ１３に貯留されたシリコン融液１２から成長するシリコン単結晶棒２５を筒状の熱遮蔽体２６で包囲した状態で引上げる方法の改良である。
その特徴ある構成は、石英るつぼ１３の内面と熱遮蔽体２６の外面の間を覆う面積を有する環状の熱輻射体２７をシリコン単結晶棒２５の引上げ中に石英るつぼ１３の所定の位置に維持するように上昇させるところにある。
請求項１及び請求項４に係る発明では、熱輻射体昇降手段４１で熱輻射体２７を上昇又は下降して熱輻射体２７を石英るつぼ１３の所定の位置に維持させることにより、シリコン融液１２の熱が放散することを防ぎ、熱が石英るつぼ１３を介して効率良くシリコン融液１２に伝達され、シリコン融液１２が少ない電力で所定の温度になる。
【００１０】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、所定の位置が石英るつぼ１３の上端であるシリコン単結晶の引上げ装置である。
石英るつぼ１３の上端に熱輻射体２７を位置させることにより、シリコン融液１２への加熱を石英るつぼ１３の全体で効率よく行うことができる。また、石英るつぼ１３内の側部上端までの温度を均一にする。これにより、石英るつぼ１３の上端内周面にシリコン融液１２の一部が固化して付着することが防止され、シリコン単結晶の有転位化率が低下しない。
【００１１】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、図３に示すように、熱輻射体２７に１又は２以上の通孔２７ｃが形成されたシリコン単結晶の引上げ装置である。
熱輻射体２７に１又は２以上の通孔２７ｃを形成することにより、不活性ガスをこの通孔２７ｃに流通させてシリコン融液１２の表面から蒸発したガスをこの不活性ガスとともに有効に排出する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２に示すように、シリコン単結晶の引上げ装置１０のチャンバ１１内には、シリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３が設けられ、この石英るつぼ１３の外面は黒鉛サセプタ１４により被覆される。石英るつぼ１３の下面は黒鉛サセプタ１４を介して支軸１６の上端に固定され、この支軸１６の下部はるつぼ昇降手段１７に接続される。るつぼ昇降手段１７は図示しないが石英るつぼ１３を回転させる第１回転用モータと、石英るつぼ１３を昇降させる昇降用モータとを有し、これらのモータにより石英るつぼ１３が所定の方向に回転し得るとともに、上下方向に移動可能となっている。石英るつぼ１３の外周面は石英るつぼ１３から所定の間隔をあけてカーボンヒータ１８により包囲され、このカーボンヒータ１８は保温筒１９により包囲される。カーボンヒータ１８は石英るつぼ１３に投入された高純度のシリコン多結晶体を加熱・溶融してシリコン融液１２にする。
【００１３】
またチャンバ１１の上端には円筒状のケーシング２１が接続される。このケーシング２１には引上げ手段２２が設けられる。引上げ手段２２はケーシング２１の上端部に水平状態で旋回可能に設けられた引上げヘッド（図示せず）と、このヘッドを回転させる第２回転用モータ（図示せず）と、ヘッドから石英るつぼ１３の回転中心に向って垂下されたワイヤケーブル２３と、上記ヘッド内に設けられワイヤケーブル２３を巻取り又は繰出す引上げ用モータ（図示せず）とを有する。ワイヤケーブル２３の下端にはシリコン融液１２に浸してシリコン単結晶棒２５を引上げるための種結晶２４が取付けられる。
【００１４】
更に、チャンバ１１にはこのチャンバ１１のシリコン単結晶棒側に不活性ガスを供給しかつ上記不活性ガスをチャンバ１１のるつぼ内周面側から排出するガス給排手段２８が接続される（図１）。ガス給排手段２８は一端がケーシング２１の周壁に接続され他端が上記不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続された供給パイプ２９と、一端がチャンバ１１の下壁に接続され他端が真空ポンプ（図示せず）に接続された排出パイプ３０とを有する。供給パイプ２９及び排出パイプ３０にはこれらのパイプ２９，３０を流れる不活性ガスの流量を調整する第１及び第２流量調整弁３１，３２がそれぞれ設けられる。
一方、シリコン単結晶棒２５の外周面と石英るつぼ１３の内周面との間には、シリコン単結晶棒２５を包囲する筒状の熱遮蔽体２６が設けられる。熱遮蔽体２６はシリコン融液１２の熱をシリコン単結晶棒２５に到達しないように遮蔽するために設けられ、この熱遮蔽体２６の上縁には外方に略水平方向に張り出すフランジ部２６ｂが連設される。このフランジ部２６ｂを保温筒１９上に載置することにより熱遮蔽体２６はチャンバ１１内に固定され、熱遮蔽体２６の下縁は石英るつぼ１３の上昇によりシリコン融液１２表面から所定の距離だけ上方に位置するように構成される。
【００１５】
熱遮蔽体２６には環状の熱輻射体２７が遊嵌して設けられる。図４に示すように、熱輻射体２７は環状のカーボンのケーシング２７ｂの内部に断熱材２７ａを充填することにより作られる。熱輻射体２７はシリコン融液１２からの放熱を反射しかつシリコン融液１２からの輻射熱を蓄熱する。これにより、シリコン融液１２の熱がチャンバ１１内に放散するのを防ぐようになっている。更に図３に示すように、熱輻射体２７は石英るつぼ１３の内面と熱遮蔽体２６の外面の間を覆う面積を有するように構成され、ガス給排手段２８により供給された不活性ガスを流通させるために下部から上部に向って互いに広がるように斜めに形成された複数の通孔２７ｃと、後述する熱輻射体昇降手段４１で支持するための一対の支持孔２７ｄが形成される。
【００１６】
図１及び図２に戻って、チャンバ１１の上部にはケーシング２１を挟むように一対の熱輻射体昇降手段４１が設けられる。熱輻射体昇降手段４１は周囲にラックギヤ（図示せず）が形成され下端が熱輻射体２７の支持孔２７ｄに挿通された支持棒４２と、チャンバ１１の上部に設けられラックギヤに歯合する駆動ギヤが内蔵され駆動ギヤの回転により支持棒４２を上下動させるギヤボックス４３と、チャンバ１１の上部にサポート部材４４を介して取付けられ回転軸４６ａが駆動ギヤに接続された駆動モータ４６とを有する。熱輻射体２７の支持孔２７ｄに挿通され支持棒４２の下部には大径部４２ａが形成され、この大径部４２ａは熱輻射体２７を下面から支持するように構成される。熱輻射体昇降手段４１は、駆動モータ４６による回転軸４６ａの回転によりギヤボックス４３に内蔵された図示しない駆動ギヤが回転し、支持棒４２を上下動させることにより熱輻射体２７を熱遮蔽体２７と独立して、かつ石英るつぼ１３と同一速度で上昇又は下降させるように構成される。
【００１７】
一方、引上げ手段２２における引上げ用モータの出力軸（図示せず）にはロータリエンコーダ（図示せず）が設けられ、るつぼ昇降手段１７には石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の重量を検出する重量センサ（図示せず）と、支軸１６の昇降位置を検出するリニヤエンコーダ（図示せず）とが設けられる。ロータリエンコーダ、重量センサ及びリニヤエンコーダの各検出出力はコントローラ（図示せず）の制御入力に接続され、コントローラの制御出力は引上げ手段２２の引上げ用モータ、るつぼ昇降手段の昇降用モータ及び熱輻射体昇降手段４１の駆動モータ４６にそれぞれ接続される。またコントローラにはメモリ（図示せず）が設けられ、このメモリにはロータリエンコーダの検出出力に対するワイヤケーブル２３の巻取り長さ、即ちシリコン単結晶棒２５の引上げ長さが第１マップとして記憶され、重量センサの検出出力に対する石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面レベルが第２マップとして記憶される。コントローラは重量センサの検出出力に基づいて石英るつぼ１３内のシリコン融液１２の液面を常に一定のレベルに保つように、るつぼ昇降手段１７の昇降用モータを制御するとともに、熱輻射体２７を石英るつぼ１３の所定の位置に維持するように熱輻射体昇降手段４１の駆動モータ４６を制御するように構成される。
【００１８】
このように構成されたシリコン単結晶の引上げ装置の動作を説明する。
図１に示すように、石英るつぼ１３に高純度のシリコン多結晶体を投入し、カーボンヒータ１８によりこの高純度のシリコン多結晶体を加熱・溶融してシリコン融液１２にする。石英るつぼ１３にシリコン多結晶体が投入されたならば、熱輻射体昇降手段４１は支持棒４２を下方に移動させ、この実施の形態では熱輻射体２７を石英るつぼ１３の上端に位置させる。石英るつぼ１３の上端に位置する熱輻射体２７はシリコン融液１２の熱がチャンバ１１内へ放散することを防ぎ、カーボンヒータ１８からの熱が石英るつぼ１３を介して効率良くシリコン融液１２に伝達され、シリコン融液１２を少ない電力で所定の温度にする。
【００１９】
シリコン多結晶体が溶融してるつぼ１３にシリコン融液１２が貯留されたならば、次に、第１及び第２流量調整弁３１，３２を開くことにより不活性ガスをケーシング２１内に供給してシリコン融液１２の表面から蒸発したガスをこの不活性ガスとともに排出パイプ３０から排出させる。この状態で、引上げ手段の図示しない引上げ用モータによりワイヤ１９を繰出して種結晶２４を降下させ、種結晶２４の先端部をシリコン融液２３に接触させる。その後種結晶２４を徐々に引上げて種絞り部２５ａを形成した後、更に種結晶２４を引上げることにより種絞り部２５ａの下部に無転位のシリコン単結晶棒２５を育成させる。
【００２０】
シリコン単結晶棒２５の育成に伴い、シリコン融液１２の表面は低下し、減少する融液１２の量に応じて図示しない昇降用モータはるつぼ１３を上昇させ、図２に示すように、種結晶２４の引上げとともに低下するシリコン融液１２の表面を所定位置に維持させる。この石英るつぼ１３の上昇とともに、熱輻射体昇降手段４１は石英るつぼ１３と同一速度で熱輻射体２７を上昇させ、石英るつぼ１３の上端に熱輻射体２７を常に位置させる。石英るつぼ１３の上端に位置する熱輻射体２７はシリコン単結晶棒２５の育成時におけるシリコン融液１２のチャンバ１１内への放熱を防ぎ、カーボンヒータ１８からの熱を石英るつぼ１３を介して効率良くシリコン融液１２に伝達し、石英るつぼ１３内の温度を均一にしてシリコン融液１２を少ない電力で所定の温度に維持する。
【００２１】
なお、上述した実施の形態では、環状のカーボンのケーシング２７ｂの内部に断熱材２７ａを充填した熱輻射体２７を使用したが、熱輻射体はシリコン融液１２のチャンバ１１内への放熱を防ぐことができる限り、図５及び図６に示すような環状のモリブデンからなる板材であっても良い。このような板状の熱輻射体４７にあっては、支持孔４７ｄ及びガス給排手段により供給された不活性ガスを流通させるための複数の通孔４７ｃを打抜き又は一部立ち上げにより形成することができる。
また、上述した実施の形態では、熱輻射体２７を石英るつぼ１３の上端に位置させたが、シリコン融液への加熱を効率よく行うことができる限り、熱輻射体２７の位置は必ずしも石英るつぼ１３の上端でなくても良い。
【００２２】
【実施例】
次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく説明する。
＜実施例１＞
図１及び図２に示すように、内径が約４００ｍｍの石英るつぼ１３と内径及び高さがともに約４００ｍｍの熱遮蔽体２６とを有するシリコン単結晶の引上げ装置１０に、石英るつぼ１３の内面と熱遮蔽体２６の外面の間を覆う面積を有する厚さ約３８ｍｍの環状の熱輻射体２７を熱遮蔽体２６に遊嵌し、熱輻射体昇降手段４１の支持棒４２に吊持した。この熱輻射体２７は厚さ約２２ｍｍであって、環状のカーボンのケーシング２７ｂの内部に断熱材２７ａを充填したものを使用した。このように構成された引上げ装置１０を実施例１とした。
＜比較例１＞
図示しないが熱輻射体２７を設けないことを除いて、引上げ装置を上記実施例１と同一に構成した。この引上げ装置を比較例１とした。
【００２３】
＜比較試験及び評価＞
実施例１及び比較例１の各引上げ装置にて直径約３００ｍｍのシリコン単結晶棒を引上げ速度０．４ｍｍ／分で２００ｍｍ、６００ｍｍ及び１０００ｍｍ引上げたときの石英るつぼ内表面の温度を輻射伝熱を考慮した熱伝導解析プログラムにてシミュレーション計算し、比較を行った。石英るつぼ内表面の温度はるつぼ内底部中央（図２のＣ点）、るつぼ内底部の側部（同Ｄ点）及びるつぼ内側面上部（同Ｅ点）の温度における平均値により表した。この結果を図７に示す。
図７より明らかなように、実施例１ではシリコン単結晶棒引上げ当初に最小値を示し、その後僅かに温度が上昇する点で、シリコン単結晶棒引上げ当初に最大値を示し、その後徐々に温度が低下する比較例１と相違する。また、実施例１の最大値は比較例１の最小値より低い温度であることも判る。比較例１のシリコン単結晶棒引上げ当初における石英るつぼの温度が最大値を示すのは、シリコン多結晶体を加熱・溶融する際におけるシリコン融液の熱が放散されることに伴い、石英るつぼの温度を先行して上昇させる必要があるためと考えられる。また、実施例１の最大値は比較例１の最小値より低い温度であるのは、石英るつぼの上端に位置させた熱輻射体２７が、シリコン融液１２の熱がチャンバ１１内へ放散することを防ぎ、カーボンヒータ１８からの熱を石英るつぼ１３を介して効率良くシリコン融液１２に伝達したためと考えられる。従って、実施例１は比較例１に比較してより低い温度でシリコン多結晶体を加熱・溶融させることができ、シリコン単結晶棒の引上げ時における温度変化も少ないことが判る。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、石英るつぼの内面と熱遮蔽体の外面の間を覆う面積を有する環状の熱輻射体を設け、熱輻射体を熱遮蔽体に独立して上昇又は下降して熱輻射体を石英るつぼの所定の位置に維持するようにしたので、シリコン融液の熱がチャンバ内へ放散されることが防止され、熱を石英るつぼを介して効率良くシリコン融液に伝達し、シリコン融液を少ない電力で所定の温度にすることができる。この結果、石英るつぼ内表面の温度も従来の熱遮蔽体のみを設けた引上げ装置と比べて低下させることができ、シリコン単結晶の有転位化率を下げることができる。
また、石英るつぼの上端に熱輻射体を位置させれば、シリコン融液への加熱を石英るつぼの全体で効率よく行い、石英るつぼ内の側部上端までの温度を均一にすることができる。更に、熱輻射体に１又は２以上の通孔を形成すれば、不活性ガスをこの通孔に流通させてシリコン融液の表面から蒸発したガスをこの不活性ガスとともに有効に排出することができる。この結果、石英るつぼの上端内周面にシリコン融液の一部が固化して付着することを防止して、シリコン単結晶の有転位化率を下げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコン単結晶の引上げ装置の断面構成図。
【図２】シリコン単結晶棒が引上げられた状態を示す図１に対応する断面構成図。
【図３】その熱輻射体の平面図。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図。
【図５】その別の熱輻射体の平面図。
【図６】図５のＢ−Ｂ線断面図。
【図７】シリコン単結晶棒の引上げ長さに対する石英るつぼ内表面の温度の変化を示す図。
【符号の説明】
１０  シリコン単結晶の引上げ装置
１１  チャンバ
１２  シリコン融液
１３  石英るつぼ
１７  るつぼ昇降手段
２５  シリコン単結晶棒
２６  熱遮蔽体
２７  熱輻射体
４１  熱輻射体昇降手段
４２  支持棒
４３  ギヤボックス
４６  駆動モータ
【図１】
0003642175.tif 000002
【図２】
0003642175.tif 000003
【図３】
0003642175.tif 000004
【図４】
0003642175.tif 000005
【図５】
0003642175.tif 000006
【図６】
0003642175.tif 000007
【図７】
0003642175.tif 000008