(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支軸(16)の上端に固定されかつチャンバ(11)内に設けられシリコン融液(12)を貯留する石英るつぼ(13)と、前記石英るつぼ(13)を前記支軸(16)を介して上昇又は下降させるるつぼ昇降手段(17)と、前記石英るつぼ(13)の周囲の前記チャンバ(11)内に設けられたサイドカーボンヒータ(18)と、前記石英るつぼ(13)の下方の前記チャンバ(11)内に設けられたボトムカーボンヒータ(27)と、前記ボトムカーボンヒータ(27)を前記るつぼ昇降手段(17)と独立して上昇又は下降させるヒータ昇降手段(41)とを備えたシリコン単結晶の引上げ装置において、
前記ボトムカーボンヒータ(27)が前記支軸(16)を中心として同心円状に配置された２以上のリング状カーボン(27a,27b,27c)により構成された
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】
ヒータ昇降手段(41)が、上端にボトムカーボンヒータ(27)が取付けられチャンバ(11)の下部に貫通し周囲にラックギヤが形成された支持棒(42)と、前記チャンバ(11)の下方に設けられ前記ラックギヤに噛合する駆動ギヤ(43)と、前記駆動ギヤ(43)を駆動するモータ(46)とにより構成され、前記支持棒(42)がリング状カーボン(27a,27b,27c)毎に設けられた補助棒(42b,42c,42d)を有する請求項１記載のシリコン単結晶の引上げ装置。
【請求項３】
支軸(16)の上端に固定されかつチャンバ(11)内に設けられた石英るつぼ(13)に前記石英るつぼ(13)の周囲及び下方のチャンバ(11)内に配設されたサイドカーボンヒータ(18)及びボトムカーボンヒータ(27)によりシリコン多結晶を融解してシリコン融液(12)を貯留し、前記石英るつぼ(13)を前記支軸(16)を介してるつぼ昇降手段(17)により上昇させながら前記シリコン融液(12)から成長するシリコン単結晶棒(25)を引上げる方法において、
前記ボトムカーボンヒータ(27)を前記支軸(16)を中心として同心円状に配置された２以上のリング状カーボン(27a,27b,27c)により構成し、
前記シリコン単結晶棒(25)の引上げ時に前記ボトムカーボンヒータ(27)を前記るつぼ昇降手段(17)と独立してヒータ昇降手段(41)により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】
シリコン単結晶棒を育成する方法としてシリコン多結晶を融解してるつぼ内に貯留した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、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、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単結晶棒を育成するものである。このシリコン単結晶棒の育成方法では、種結晶を引上げてシリコン融液から種絞り部を作製した後、目的とするシリコン単結晶棒の直径まで結晶を徐々に太らせて肩部を形成し、その後更に引上げてシリコン単結晶棒の直胴部を形成するようになっている。
【０００３】
図４に示すように、従来この種の装置には、支軸６の上端に固定されかつチャンバ１内に設けられたシリコン融液２を貯留する石英るつぼ３と、この石英るつぼ３を支軸６を介して上昇又は下降させるるつぼ昇降手段７と、石英るつぼ３の周囲のチャンバ１内に設けられたサイドカーボンヒータ８と、石英るつぼ３の下方のチャンバ１内に設けられたボトムカーボンヒータ９とを備えたものが知られている。るつぼ昇降手段７は、支軸６を介して石英るつぼ３を上昇させることによりシリコン単結晶棒５の引上げに伴うシリコン融液２の表面の低下を防止し、シリコン融液２の表面を所定位置に維持して高品質のシリコン単結晶棒５を得るようにするとともに、サイドカーボンヒータ８及びボトムカーボンヒータ９がシリコン融液２を加熱して、シリコン融液２の温度を所定温度に維持できるように構成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のシリコン単結晶の引上げ装置では、石英るつぼ３がるつぼ昇降手段７により上昇するため、石英るつぼ３の下方のチャンバ１内に設けられたボトムカーボンヒータ９と石英るつぼ３との間の距離はシリコン単結晶棒５の引上げに伴って増大し、シリコン単結晶棒５の成長が進んでシリコン融液２の量が減ってくると、ボトムカーボンヒータ９から残液であるシリコン融液２は離れ、シリコン融液２の液面が低下することからサイドカーボンヒータ８からの熱もその残液に十分及ばないため、残ったシリコン融液２が再結晶しやすい問題点がある。シリコン単結晶棒５の成長中に残液２が再結晶を起すと成長したシリコン単結晶棒５に重大な悪影響を及すおそれがある。
【０００５】
また、シリコン融液２の量が減ってボトムカーボンヒータ９からシリコン融液２が離れた状態で、サイドカーボンヒータ８及びボトムカーボンヒータ９によりシリコン融液２の温度制御を行うことは、シリコン融液２の液面が低下していることからシリコン融液２を貯留する石英るつぼ３自体が熱ストレスを受けてその寿命が低下する問題点がある。この残液が再結晶した状態におけるシリコン単結晶棒５の引上げを防止するために従来はシリコン融液２の残量が貯留当初のシリコン融液２の量の約３０％程度の量になったところでシリコン単結晶棒５の引上げを終了させている。従って、引上げられたシリコン単結晶棒５の重量を石英るつぼ３に当初貯留されたシリコン融液２の重量で除した値に１００を乗じた値として表される、いわゆる固化率が約７０％と比較的小さい不具合があった。特に、大口径のシリコン単結晶棒を引上げるために大口径のるつぼを使用するようになるとその傾向が強くなる。
【０００６】
本発明の目的は、カーボンヒータ及び石英るつぼの劣化を抑制しつつ固化率を向上し得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。
【０００７】
【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、支軸１６の上端に固定されかつチャンバ１１内に設けられシリコン融液１２を貯留する石英るつぼ１３と、この石英るつぼ１３を支軸１６を介して上昇又は下降させるるつぼ昇降手段１７と、石英るつぼ１３の周囲のチャンバ１１内に設けられたサイドカーボンヒータ１８と、石英るつぼ１３の下方のチャンバ１１内に設けられたボトムカーボンヒータ２７と、ボトムカーボンヒータ２７をるつぼ昇降手段１７と独立して上昇又は下降させるヒータ昇降手段４１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、図３に示すように、ボトムカーボンヒータ２７が支軸１６を中心として同心円状に配置された２以上のリング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃにより構成されたところにある。
【０００８】
シリコン単結晶棒２５ｃの引上げに際して、るつぼ昇降手段１７は、支軸１６を介して石英るつぼ１３を上昇させることによりシリコン単結晶棒２５の引上げに伴うシリコン融液１２表面の低下を防止する。ヒータ昇降手段４１はボトムカーボンヒータ２７を上方に移動させることにより、ボトムカーボンヒータ２７を石英るつぼ１３に近づける。ボトムカーボンヒータ２７は石英るつぼ１３に近接した状態で加熱することにより電力消費量を抑制しつつシリコン融液１２の融液面温度を所定の温度に保つ。
そして、ボトムカーボンヒータ２７を１又は２以上のリング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃにより構成することにより、石英るつぼ１３を有効に加熱することができる。
【０００９】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、ヒータ昇降手段４１が、上端にボトムカーボンヒータ２７が取付けられチャンバ１１の下部に貫通し周囲にラックギヤが形成された支持棒４２と、チャンバ１１の下方に設けられラックギヤに噛合する駆動ギヤ４３と、駆動ギヤ４３を駆動するモータ４６とにより構成され、支持棒４２がリング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃ毎に設けられた補助棒４２ｂ，４２ｃ，４２ｄを有するたシリコン単結晶の引上げ装置である。
ラックギヤに噛合する駆動ギヤの回転により支持棒４２が昇降するため、容易にボトムカーボンヒータ２７の位置を制御できる。
【００１１】
そして、リング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃを支持する補助棒４２ｂ，４２ｃ，４２ｄを支持棒が備えることにより、リング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃを確実に支持してボトムカーボンヒータ２７を石英るつぼ１３に有効に近づけることができる。
【００１２】
請求項３に係る発明は、図１に示すように、支軸１６の上端に固定されかつチャンバ１１内に設けられた石英るつぼ１３に石英るつぼ１３の周囲及び下方のチャンバ１１内に配設されたサイドカーボンヒータ１８及びボトムカーボンヒータ２７によりシリコン多結晶を融解してシリコン融液１２を貯留し、石英るつぼ３を支軸１６を介してるつぼ昇降手段１７により上昇させながらシリコン融液１２から成長するシリコン単結晶棒２５を引上げる方法の改良である。
その特徴ある点は、ボトムカーボンヒータ２７を支軸１６を中心として同心円状に配置された２以上のリング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃにより構成し、シリコン単結晶棒２５の引上げ時にボトムカーボンヒータ２７をるつぼ昇降手段１７と独立してヒータ昇降手段４１により上昇させるところにある。
ヒータ昇降手段４１はボトムカーボンヒータ２７を上方に移動させることにより、ボトムカーボンヒータ２７を石英るつぼ１３に近づけ、ボトムカーボンヒータ２７は石英るつぼ１３に近接した状態で加熱することにより電力消費量を抑制しつつシリコン融液１２の融液面温度を所定の温度に保つ。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に本発明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（図２）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サイドカーボンヒータ１８により包囲され、このサイドカーボンヒータ１８は保温筒１９により包囲される。
【００１４】
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。
【００１５】
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。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。
【００１６】
一方、引上げられるシリコン単結晶棒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２６ａが連設される。このフランジ部２６ａ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に貯留されたシリコン融液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。
【００１７】
石英るつぼ１３の下方のチャンバ１１内にはボトムカーボンヒータ２７が設けられ、チャンバ１１の下部には一対のヒータ昇降手段４１が設けられる。ボトムカーボンヒータ２７はサイドカーボンヒータ１８とともに石英るつぼ１３に投入された高純度のシリコン多結晶を加熱・融解してシリコン融液１２にする。ヒータ昇降手段４１は周囲にラックギヤが形成されチャンバ１１の下部である下壁に挿通された支持棒４２と、チャンバ１１の下方に設けられラックギヤに噛合する駆動ギヤと、この駆動ギヤを駆動する駆動モータ４６とを有する。駆動ギヤはギヤボックス４３に内蔵されて駆動モータ４６による駆動ギヤの回転により支持棒４２を上下動可能に構成され、支持棒４２の上端にはボトムカーボンヒータ２７が固定される。このヒータ昇降手段４１は、支持棒４２を上下動させることによりボトムカーボンヒータ２７を上昇又は下降させるように構成される。
【００１８】
図３に詳しく示すように、本実施の形態におけるボトムカーボンヒータ２７は、支軸１６を中心として同心円状に配置された３個のリング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃにより構成される。一対の支持棒４２はそれぞれ支持棒本体４２ａとリング状カーボン毎に設けられた３本の導電性のある補助棒４２ｂ，４２ｃ，４２ｄを有する。即ち、補助棒は合計６本設けられる。一対の補助棒４２ｂ，４２ｃ，４２ｄの上端はリング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃにそれぞれ接続され、図３において左右それぞれ２本の補助棒４２ｂ，４２ｃの下端には導電性のある台板４７，４８が固着される。左右の補助棒４２ｄは台板４７，４８を貫通して固着され、各補助棒４２ｄの下端には絶縁カップリング４５，４５がそれぞれ設けられる。絶縁カップリング４５は支持棒本体４２ａと補助棒４２ｄと同軸に、かつ電気的に非接触で結合するように構成される。
【００１９】
図の右側に示す補助棒４２ｂ，４２ｃ，４２ｄには、リング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃに電力を供給するための電源装置５１が固定接点５１ａ，５１ｂ，５１ｃを介して接続される。固定接点５１ａ，５１ｂ，５１ｃは図の右側に示す補助棒４２ｂ，４２ｃ，４２ｄに接触し、これらが上下動している間電源装置５１の電力を補助棒４２ｂ，４２ｃ，４２ｄに供給し得るように構成される。台板４８の折曲げられた鉛直面４８ａには接地された固定接点５３が接触して設けられる。固定接点５３は補助棒４２ｂ，４２ｃ，４２ｄとともに台板４８が上下動している間、補助棒４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ及びリング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃを接地するように構成される。
【００２０】
図１及び図２に戻って、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。更にこの引上げ装置１０にはシリコン融液１２の融液面温度を検出する図示しない温度センサが設けられる。ロータリエンコーダ、重量センサ、リニヤエンコーダ及び温度センサ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１７の昇降用モータ及びヒータ昇降手段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、ボトムカーボンヒータ２７をるつぼ昇降手段１７と独立して上昇又は下降するようにヒータ昇降手段４１の駆動モータ４６を制御するように構成される。
【００２１】
このように構成された装置による本発明によるシリコン単結晶の引上げ方法を説明する。
先ず、石英るつぼ１３に高純度のシリコン多結晶を投入し、サイドカーボンヒータ１８及びボトムカーボンヒータ２７によりこの高純度のシリコン多結晶を加熱・融解してシリコン融液１２にする。シリコン多結晶が融解して石英るつぼ１３にシリコン融液１２が貯留された後、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から排出させるとともに、シリコン単結晶棒２５を引上げるシリコン融液１２の融液面温度を所定の温度に調整する。この温度調整はサイドカーボンヒータ１８及びボトムカーボンヒータ２７による所定時間の加熱により行われる。
【００２２】
シリコン融液１２の融液面温度を調整した後、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を降下させてその先端部をシリコン融液１２に接触させる。その後種結晶２４を徐々に引上げて図２に示すように種絞り部２５ａを形成した後、更に種結晶２４を引上げて種絞り部２５ａの下部に先ず肩部２５ｂを育成させる。その後種結晶２４を更に引上げることにより図１に示すように肩部２５ｂの下方に直胴部２５ｃを形成する。
【００２３】
直胴部２５ｃの形成に際して、るつぼ昇降手段１７は、支軸１６を介して石英るつぼ１３を上昇させることによりシリコン単結晶棒２５の引上げに伴うシリコン融液１２表面の低下を防止してシリコン融液１２表面を略均一に維持させる。直胴部２５ｃが所定長さ育成されるとシリコン単結晶棒２５の表面積は増大し、この表面積から放散される熱量は上昇する。この放散される熱量の上昇に伴い直胴部２５ｃが所定長さ育成されたシリコン融液１２の融液面温度は低下する。ヒータ昇降手段４１は支持棒４２を図１の破線矢印で示すように上方に移動させることにより、ボトムカーボンヒータ２７を石英るつぼ１３に近づけて融液面温度の低下を防止する。即ち、ヒータ昇降手段４１はボトムカーボンヒータ２７を石英るつぼ１３に近づけ、ボトムカーボンヒータ２７が石英るつぼ１３に近接した状態で加熱することにより電力消費量を抑制しつつシリコン融液１２の融液面温度を所定の温度に保つ。
【００２４】
なお、上述した実施の形態では、３個のリング状カーボン２７ａ，２７ｂ，２７ｃからなるボトムカーボンヒータ２７を使用したが、ボトムカーボンヒータは単一のリングヒータからなるボトムカーボンヒータでも良く、２個、４個又は５個のリングヒータからなるボトムカーボンヒータでも良い。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ボトムカーボンヒータをるつぼ昇降手段と独立して上昇又は下降させるヒータ昇降手段を備えたので、シリコン単結晶棒の引上げ時にボトムカーボンヒータをるつぼ昇降手段と独立してヒータ昇降手段により上昇させることにより、ボトムカーボンヒータは石英るつぼに近接した状態でシリコン融液を加熱する。このため、従来に比較してシリコン融液の温度制御が容易になり、カーボンヒータ及び石英るつぼの劣化を抑制しつつ有効に温度制御を行うことができる。この結果、シリコン融液の残液が石英るつぼに当初貯留されたシリコン融液の３０％未満であってもシリコン融液の温度制御が可能になり、シリコン融液のシリコン単結晶棒への固化率を８０％程度まで向上させることができる。
【００２６】
また、ヒータ昇降手段が、上端にボトムカーボンヒータが取付けられチャンバの下部に貫通し周囲にラックギヤが形成された支持棒と、チャンバの下方に設けられラックギヤに噛合する駆動ギヤと、駆動ギヤを駆動するモータとにより構成すれば、ラックギヤに噛合する駆動ギヤの回転により支持棒が昇降するため、容易にボトムカーボンヒータの位置を制御することができる。
更に、ボトムカーボンヒータが支軸を中心として同心円状に配置された１又は２以上のリング状カーボンにより構成すれば、石英るつぼを有効に加熱することができ、支持棒がリング状カーボン毎に設けられた補助棒を有すれば、リング状カーボンを支持棒が確実に支持してボトムカーボンヒータを石英るつぼに有効に近づけることもできる。
【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直動部引上げ時における断面構成図。
【図２】その引上げ装置の肩部引上げ時における図１に対応する断面構成図。
【図３】そのボトムカーボンヒータとヒータ昇降手段との構成を示す斜視図。
【図４】従来例を示す図１に対応する断面図。
【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
１６  支軸
１７  るつぼ昇降手段
１８  サイドカーボンヒータ
２５  シリコン単結晶棒
２７  ボトムカーボンヒータ
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ  リング状カーボン
４１  ヒータ昇降手段
４２  支持棒
４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ  補助棒
４３  駆動ギヤ
４６  駆動モータ
【図１】
0003719336.tif 000002
【図２】
0003719336.tif 000003
【図３】
0003719336.tif 000004
【図４】
0003719336.tif 000005