(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＺ法により引上げ炉内で原料融液から単結晶を育成する結晶成長装置において、
原料融液から育成される単結晶を包囲するように筒状の冷却体を設け、且つ該冷却体を、前記引上げ炉の炉体に、該冷却体から分割された独立の支持部材により着脱可能に支持し、
前記冷却体が、熱伝導性の良好な銅系金属により構成され、
前記支持部材が、前記銅系金属より機械的強度が高く、且つ熱伝導性の劣るものとされてなることを特徴とする結晶成長装置。
【請求項２】
育成される単結晶を包囲するように前記原料融液に接近して円筒形状の熱遮蔽体が設けられ、
該熱遮蔽体下部内側に前記冷却体が同心円状に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の結晶成長装置。
【請求項３】
前記冷却体には、該冷却体の荷重がかからない状態に支持された通水配管を通して冷却水が供給されることを特徴とする請求項２に記載の結晶成長装置。
【請求項４】
前記熱遮蔽体と前記冷却体とが、下方から上方に向かって徐々に拡径したテーパ形状になっていることを特徴とする請求項２または３に記載の結晶成長装置。
【請求項５】
前記支持部材が、炉内のガス流を阻害しないように前記炉体内の引上げ軸回りに放射状に配置された複数の支持アームであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の結晶成長装置。
【請求項６】
前記支持アームの内部には該支持アームを冷却する通水路が設けられることを特徴とする請求項５に記載の結晶成長装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体材料として使用されるシリコン単結晶等の製造に用いられる結晶成長装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン単結晶を製造するには種々の方法があるが、代表的なものとしてＣＺ法（チョクラルスキー法）がある。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、周知のとおり、石英ルツボ内に形成されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、この状態からルツボ及び種結晶を回転させながら、種結晶を上方へ徐々に引き上げることにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶を成長させる。
【０００３】
このようなＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げでは、結晶断面における欠陥分布等が結晶成長速度、即ち引上げ速度に支配されることが知られている。具体的に説明すると、引上げ速度を大きくするほど、リング状のＯＳＦ発生領域が外周部へ移動し、最終的には結晶有効部分の外側へ排除される。逆に、引上げ速度を小さくすることにより、リング状のＯＳＦ発生領域が結晶中心部へ移動し、最終的にはその中心部で消滅する。
【０００４】
ＯＳＦ発生領域の外側も内側も共に欠陥発生領域であるが、その外側と内側とでは欠陥の種類が異なる。また、引上げ速度を高速化すると、当然のことながら生産性が向上し、且つ欠陥が微細化することが知られている。これらのため、結晶成長の一つの方向として、引上げの高速化が追求されている。
【０００５】
高速引上げを実現するための技術として熱遮蔽体の設置が知られている。熱遮蔽体は、単結晶の周囲を包囲するように設けられた逆台錐形状の筒状断熱部材であり、主にルツボ内の融液やルツボの外側に配置されたヒータからの輻射熱を遮ることにより、融液から引上げられる単結晶の冷却を促進して、引上げ速度の高速化を図る。
【０００６】
また最近では、熱遮蔽体の内側に、強制的に水冷された筒状の冷却体を設置する技術も注目されている（特開昭６３−２５６５９３号公報、特開平８−２３９２９１号公報、特開平１１−９２２７２号公報、特開平１１−２９２６８４号公報）。強制的に水冷された筒状の冷却体を、熱遮蔽体の内側に、単結晶の周囲を包囲するよう設置することにより、単結晶の特に高温部分の冷却が更に促進され、引上げ速度の一層の高速化が図られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これまでに提案されている冷却体を用いた結晶成長装置では、その冷却体の筒状の本体部が、冷却体の一部、即ち、筒状の本体部と一体化したフランジ部や筒状の本体部から延出した通水配管を支持部材として、引上げ炉の炉体内に支持固定されている。
【０００８】
冷却体としては、通水により強制的に冷却された銅系の金属部材が、単結晶に対する冷却能力の点から推奨されるが、上述したような筒状の本体部とその支持部材が一体化した構造では、筒状の本体部を銅系金属で構成すると、必然的に支持部材の部分も、本体部と同じ銅系金属で構成されることになる。
【０００９】
このような冷却体は、比較的高価な銅系金属を多用するため、製作コストが高くなるたげでなく、支持部材の部分の冷え過ぎによって高速引上げでの無転位引上げ率を低下させる原因になることが、本発明者らによる調査から判明した。即ち、支持部材の部分が本体部と同じ銅系金属で構成されると、支持部材の部分が冷え過ぎ、その表面に多量に析出する酸化珪素等の落下により、引上げ中の単結晶に有転位化が発生することが、その理由と考えられる。
【００１０】
また、支持部材の部分が本体部と同じ銅系金属で構成されると、その部分の機械的強度を確保するのが難しくなる。このため、支持部材の部分の変形により本体部の位置がずれ、引上げ結晶を変形させて高速化を妨げたり、配管を破断させて水蒸気爆発を引き起こす危険性も懸念される。この危険性は、支持部材として銅製の通水配管が使用される場合に特に大きくなる。
【００１１】
更に、支持部材からの本体部の取り外しができないため、引上げ条件に応じた本体部の設計が困難であり、引上げ速度を十分に高速化できないことも懸念される。
【００１２】
本発明の目的は、引上げ結晶に対する冷却能力を低下させることなく、無転位引上げ率の低下を回避でき、合わせて、冷却体の製作コストを低減できると共に、冷却体の位置ずれによる諸問題を解決できる結晶成長装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の結晶成長装置は、ＣＺ法により引上げ炉内で原料融液から単結晶を育成する結晶成長装置において、
原料融液から育成される単結晶を包囲するように筒状の冷却体を設け、且つ該冷却体を、前記引上げ炉の炉体に、該冷却体から分割された独立の支持部材により着脱可能に支持し、
前記冷却体が、熱伝導性の良好な銅系金属により構成され、
前記支持部材が、前記銅系金属より機械的強度が高く、且つ熱伝導性の劣るものとされてなる。
また本発明は、育成される単結晶を包囲するように前記原料融液に接近して円筒形状の熱遮蔽体が設けられ、
該熱遮蔽体下部内側に前記冷却体が同心円状に設けられていることができる。
さらに、本発明は、前記冷却体には、該冷却体の荷重がかからない状態に支持された通水配管を通して冷却水が供給されることが可能である。
本発明は、前記熱遮蔽体と前記冷却体とが、下方から上方に向かって徐々に拡径したテーパ形状になっていることができる。
本発明は、前記支持部材が、炉内のガス流を阻害しないように前記炉体内の引上げ軸回りに放射状に配置された複数の支持アームであることが好ましい。
本発明は、前記支持アームの内部には該支持アームを冷却する通水路が設けられることがある。
また、本発明の結晶成長装置は、ＣＺ法により引上げ炉内で原料融液から単結晶を育成する結晶成長装置において、原料融液から育成される単結晶を包囲するように筒状の冷却体を設け、且つ該冷却体を、前記引上げ炉の炉体に、該冷却体から分割された独立の支持部材により着脱可能に支持したものであることができる。
【００１４】
筒状の冷却体を炉体に支持するのに、当該冷却体から分割された独立の支持部材を使用することにより、両者を異なる材料で構成することができる。具体的には、筒状の冷却体を熱伝導性の良好な銅系金属により構成し、支持部材を銅系金属より安価で機械的強度が高く、且つ熱伝導性の劣る例えばステンレス鋼により構成することができる。
【００１５】
これにより、引上げ結晶に対する冷却能力を低下させることなく、支持部材の冷え過ぎが防止され、無転位引上げ率の低下が回避される。また、冷却体の製作コストが低減されると共に、冷却体の支持強度が上がり、その位置ずれによる諸問題が解決される。更に、冷却体が支持部材に対して着脱可能となることにより、引上げ条件に応じた冷却体の設計が容易となる。
【００１６】
冷却体は、通水により強制的に冷却される金属体からなる。その金属としては、熱伝導性が良好な銅を主成分とする銅系金属が好ましい。冷却体の具体的な寸法及び形状は、引上げ条件に応じて適宜設計される。
【００１７】
支持部材は、炉体内の引上げ軸回りに放射状に配置された複数の支持アームが、炉内のガス流を阻害しない点、材料費を節減できる点などから好ましい。支持部材の構成材料としては、銅系金属より安価で機械的強度が高く、熱伝導性の劣るものが好ましく、具体的にはステンレス鋼が最適であるが、グラファイト、カーボンファイバコンポジッド等も有効である。支持部材を銅系金属より熱伝導性の劣る材料で構成した上で、これを水冷することは、引上げ速度の高速化等の点から好ましいことである。
【００１８】
冷却体と支持部材の固定法は特に限定しないが、ボルトによる連結固定が簡便で好ましい。更に簡易的には、冷却体を支持部材に載せたり引っ掛けたりすることも可能であるが、冷却体への通水配管に荷重がかからないように注意することが重要である。
【００１９】
冷却体については又、熱遮蔽体と組み合わせ、その内側に配置するのが良い。熱遮蔽体と組み合わせることにより、結晶の冷却が促進されるだけでなく、冷却体自体の温度上昇がより効果的に抑制されることになり、引上げ速度の高速化が推進される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の結晶成長装置の一例についてその構成を示す引上げ炉の縦断面図、図２は同引上げ炉の横断面図、図３は同引上げ炉の主要部の縦断面図である。
【００２１】
引上げ炉は、炉体として円筒形状のメインチャンバー１及びプルチャンバー２を備えている。メインチャンバー１より小径で長いプルチャンバー２は、メインチャンバー１の中心部上に立設されている。
【００２２】
メインチャンバー１内の中心部にはルツボ３が配置されている。ルツボ３は、多結晶シリコンが充填される内側の石英ルツボと、その外側に嵌合される黒鉛製の支持ルツボとから構成されている。このルツボ３は、ペディスタルと呼ばれる支持軸により回転及び昇降駆動される。
【００２３】
ルツボ１の外側には、抵抗加熱式のヒータ４が同心円状に配置され、その更に外側には、保温筒５がメインチャンバー１の内面に沿って配置されている。ヒータ４は、ルツボ３内に充填された多結晶シリコンを溶融させて、そのルツボ３内にシリコンの融液６を形成する。
【００２４】
一方、ルツボ３の上方には、引上げ軸としてのワイヤ７が、プルチャンバー２内の中心部を通って吊設されている。ワイヤ７は、プルチャンバー２の上部に設けられた引上げ機構により回転駆動されると共に、軸方向に昇降駆動される。ワイヤ７の下端部には、種結晶を保持するシードチャックが取付けられている。シードチャックに保持された種結晶をルツボ３内の融液６に浸漬し、その種結晶を回転させながら徐々に上昇させるべく、ワイヤ７を駆動することにより、種結晶の下方にシリコンの単結晶８を成長させる。
【００２５】
ルツボ１の上方には又、単結晶８を包囲するように円筒形状の熱遮蔽体９がルツボ３内の融液６に接近して同心円状に設けられている。熱遮蔽体９は黒鉛からなり、ルツボ３内の融液６やヒータ４からの輻射熱を効果的に遮るために下方から上方に向かって徐々に拡径し、その下部をルツボ３内に挿入してルツボ３内の融液６の上方に位置させる。
【００２６】
熱遮蔽体９の内側には、円筒形状の冷却体１０が同心円状に設けられている。冷却体１０は、熱遮蔽体９の下部内側に配置され、熱遮蔽体９と同様に下方から上方に向かって徐々に拡径したテーパ形状になっている。
【００２７】
この冷却体１０は、熱伝導性の良好な銅系金属からなり、その内部には、環状の通水路１０ａが複数段に形成されている。そして、銅系金属からなる通水配管１１，１１を通して通水路１０ａに冷却水が供給されることにより、冷却体１０は強制的に冷却され、単結晶８の特に凝固直後の高温部分の冷却を促進する。通水配管１１，１１は、冷却体１０に溶接され、冷却体１０の荷重がかからない状態に支持されている。
【００２８】
冷却体１０を炉体内に支持する支持部材は、ここでは炉体内の引上げ軸回りに放射状に配置された複数の支持アーム１２・・からなる。支持アーム１２・・は、メインチャンバー１の上部内周面から炉内中心に向かって水平に延出し、途中から下方へ湾曲した略逆Ｌ字形状の棒材からなり、その上端部がメインチャンバー１の側壁部に貫通して固着されている。支持アーム１２・・の各下端部には、冷却体１０の上縁部が半径方向のボルト１３によって着脱可能に連結されている。
【００２９】
各支持アーム１２は、ここではステンレス鋼からなり、その内部には、アーム長手方向に延びるＵ字状の通水路１２ａが形成されている。そして、通水路１２ａに供給される冷却水により、各支持アーム１２は強制的に冷却される。
【００３０】
次に、上記の引上げ炉を用いた結晶成長の操業例について説明する。
【００３１】
ルツボ３内に多結晶シリコン原料を１００ｋｇ装填し、その後、チャンバー内を１３３０ＰａのＡｒ雰囲気とする。ルツボ３の外側に設けられたヒータ４により、ルツボ３内の多結晶シリコン原料を溶融し、１００方位の種結晶を用いて、その下方に直径２００ｍｍの単結晶８を成長させる。
【００３２】
このとき、ルツボ３内の融液６の液面レベルが一定に維持されるように、結晶成長に従ってルツボ３を徐々に上昇させる。また、単結晶８の回転方向と同方向又は反対方向にルツボ３を回転させる。
【００３３】
この操業では、冷却体１０を銅系金属により製作したため、単結晶８の直胴部の平均引上げ速度として２．３ｍｍ／分を達成できた。また、単結晶８を５本引上げたが、５本とも無転位で引上げることができ、冷却体１０の位置ずれも生じなかった。これは、冷却体１０の支持アーム１２・・を、冷却体１０と異なるステンレス鋼により製作し、その冷え過ぎを防止できたこと、及び冷却体１０の支持強度をアップできたことが理由と判断される。
【００３４】
比較のために、冷却体１０及び支持アーム１２・・を銅系金属により一体的に製作し、両者を水冷して使用した。引上げ速度として２．３ｍｍ／分を達成できたが、５本の引上げでの無転位引上げ率は、５本中２本の４０％に止まった。支持アーム１２・・を含めた冷却体１０の製作コストは、冷却体１０を銅系金属により製作し、支持アーム１２・・をステンレス鋼により製作して、両者をボルト止めする場合と比べて約３倍に増大した。また、冷却体１０の支持強度が十分でなく、冷却体１０の位置ずれによる結晶変形や引上げ速度の低下、通水配管への荷重の付加による配管破断が懸念された。
【００３５】
また、冷却体１０及び支持アーム１２・・をステンレス鋼により一体的に製作し、両者を水冷して使用した。達成引上げ速度は１．７ｍｍ／分に低下した。５本の引上げでの無転位引上げ率は、５本中１本の２０％に止まった。これは、低速化により引上げのプロセス時間が長くなって有転位化の可能性が高まったためと推定される。支持アーム１２・・を含めた冷却体１０の製作コストは、冷却体１０を銅系金属により製作し、支持アーム１２・・をステンレス鋼により製作して、両者をボルト止めする場合と比べて約２．５倍に増大した。ただし、冷却体１０の支持強度は十分であり、冷却体１０の位置ずれの懸念はなかった。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の結晶成長装置は、引上げ結晶を冷却して引上げ速度の高速化を図る冷却体を、引上げ炉の炉体に、冷却体から分割された独立の支持部材により着脱可能に支持したことにより、引上げ結晶に対する冷却能力を低下させることなく、無転位引上げ率の低下を回避できる。また、冷却体の製作コストを低減できる。更に、冷却体の支持強度を高め、その位置ずれによる結晶変形や引上げ速度の低下、通水配管への荷重の付加による配管破断を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の結晶成長装置の一例についてその構成を示す引上げ炉の縦断面図である。
【図２】同引上げ炉の横断面図である。
【図３】同引上げ炉の主要部の縦断面図である。
【符号の説明】
１  メインチャンバー
２  プルチャンバー
３  ルツボ
４  ヒータ
６  融液
７  ワイヤ
８  単結晶
９  熱遮蔽体
１０  冷却体
１０ａ  通水路
１１  通水配管
１２  支持アーム（支持部材）
１２ａ  通水路
１３  ボルト
【図１】
0003587155.tif 000002
【図２】
0003587155.tif 000003
【図３】
0003587155.tif 000004