(57)【要約】      （修正有）【課題】単結晶引上装置において、原料シリコン溶融時間を短縮し、操業効率を向上することのできる単結晶引上装置及び単結晶の製造方法を提供する。【解決手段】ルツボ３を鉛直軸回りに回転させる回転手段と、ルツボ３の上方において単結晶の周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成され、単結晶に対する輻射熱を遮蔽する輻射シールド６と、輻射シールド６を下方から支持する支持手段１４と、輻射シールド６を上昇移動させ、支持手段１４による支持を解除する昇降手段７ａと、輻射シールド６の裏面に設けられ、自重により下方に回動自在に設けられた処理治具１５とを備え、処理治具１５は、輻射シールド６が支持手段１４により支持された状態で輻射シールド６の裏面に固定され、輻射シールド６が昇降手段７ａにより上昇移動された状態で下方に回動し、回転手段により回転するルツボ３の内周面に対し摺接する。【選択図】図４
2008143742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体内のルツボで原料シリコンを溶融し、チョクラルスキー法によって前記ルツボから単結晶を引上げる単結晶引上装置において、
前記ルツボを鉛直軸回りに回転させる回転手段と、前記ルツボの上方において単結晶の周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成され、単結晶に対する輻射熱を遮蔽する輻射シールドと、前記輻射シールドを下方から支持する支持手段と、前記輻射シールドを上昇移動させ、前記支持手段による支持を解除する昇降手段と、前記輻射シールドの裏面に設けられ、自重により下方に回動自在に設けられた処理治具とを備え、
前記処理治具は、前記輻射シールドが前記支持手段により支持された状態で輻射シールドの裏面に固定され、前記輻射シールドが前記昇降手段により上昇移動された状態で下方に回動し、前記回転手段により回転する前記ルツボの内周面に対し摺接することを特徴とする単結晶引上装置。
【請求項２】
前記処理治具は、板状の石英により形成されていることを特徴とする請求項１に記載された単結晶引上装置。
【請求項３】
前記輻射シールドは、自重により回動した前記処理治具と係合する係止部を備え、
前記係止部により処理治具が所定回動位置に固定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された単結晶引上装置。
【請求項４】
前記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の単結晶引上装置を用い、ルツボから単結晶を引上げる単結晶の製造方法において、
前記輻射シールドを上昇移動させることにより前記処理治具を下方に回動させ、該処理治具を回転する前記ルツボの内周面に対し摺接させた状態で原料シリコンを溶融するステップと、
前記輻射シールドを前記支持手段により支持し、前記処理治具が輻射シールドの裏面に固定された状態で単結晶を引上げるステップと
を実行することを特徴とする単結晶の製造方法。
【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）によって単結晶を育成しながら引上げる単結晶引上装置及び単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶の育成に関し、ＣＺ法が広く用いられている。この方法は、石英ガラスルツボ内に収容されたシリコンの溶融液から単結晶を育成しながら引上げるものである。
具体的には、図６に示すように、炉体５０内に鉛直軸回りに回転可能なルツボ５１が設けられ、ルツボ５１の周囲にはシリコン溶融液Ｍを加熱するためのヒータ５２が設けられる。
【０００３】
そして、溶融液Ｍの表面に引上げ用ワイヤ５３に取り付けられた種結晶Ｐを接触させ、ルツボ５１を回転させるとともに、この種結晶Ｐを反対方向に回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶Ｐの下端にシリコン単結晶Ｃが形成される。
【０００４】
一般に、引上げ開始に先立ち、溶融液Ｍの温度が安定した後、図７に示すように、種結晶Ｐを溶融液Ｍに接触させて種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングを行う。ネッキングとは、種結晶Ｐと溶融液Ｍとの接触で発生するサーマルショックによりシリコン単結晶に生じる転位を除去するための不可欠の工程である。このネッキングによりネック部Ｐ１が形成される。また、このネック部Ｐ１は、一般的に、直径が３〜４ｍｍで、その長さが３０〜４０ｍｍ以上必要とされている。
【０００５】
また、引上げ開始後の工程としては、ネッキング終了後、直胴部直径にまで結晶を広げるクラウン工程、製品となる単結晶を育成する直胴工程、直胴工程後の単結晶直径を徐々に小さくするテール工程が行われる。
尚、このＣＺ法を用いたシリコン単結晶の製造方法については、例えば特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００５−９７０４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで前記ＣＺ法において、ルツボ５１内にシリコン溶融液Ｍを形成するには、先ず図８（ａ）に示すようにルツボ５１内に塊状の原料シリコンＳを装填し、ヒータ５２の加熱により溶融する作業を行なう。この加熱工程によって図８（ｂ）に示すように、原料シリコンＳは徐々に溶融液Ｍとなる。
【０００７】
しかしながら、殆どの原料シリコンＳが溶融され、ルツボ５１内に溶融液Ｍが生成されても、図８（ｃ）に示すようにルツボ５１の内周面には、原料シリコンＳが溶融せずに溶着して残り、これを完全に溶融するためにヒータ５２の加熱量（ヒータ５２への供給電流）を増加させなければならなかった。
その結果、ルツボ５１の変形や溶融時間の延長を引き起こし、操業効率が低下するという課題があった。
【０００８】
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、チョクラルスキー法によってルツボからシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、原料シリコン溶融時間を短縮し、操業効率を向上することのできる単結晶引上装置及び単結晶の製造方法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】
【０００９】
前記した課題を解決するために、本発明に係る単結晶引上装置は、炉体内のルツボで原料シリコンを溶融し、チョクラルスキー法によって前記ルツボから単結晶を引上げる単結晶引上装置において、前記ルツボを鉛直軸回りに回転させる回転手段と、前記ルツボの上方において単結晶の周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成され、単結晶に対する輻射熱を遮蔽する輻射シールドと、前記輻射シールドを下方から支持する支持手段と、前記輻射シールドを上昇移動させ、前記支持手段による支持を解除する昇降手段と、前記輻射シールドの裏面に設けられ、自重により下方に回動自在に設けられた処理治具とを備え、前記処理治具は、前記輻射シールドが前記支持手段により支持された状態で輻射シールドの裏面に固定され、前記輻射シールドが前記昇降手段により上昇移動された状態で下方に回動し、前記回転手段により回転する前記ルツボの内周面に対し摺接することに特徴を有する。
尚、前記処理治具は、板状の石英により形成されていることが望ましい。
【００１０】
このように構成すれば、原料シリコン溶融時においては、輻射シールドを支持手段から上昇移動させることにより、処理治具を下方に回動させ、回転するルツボの内周面に摺接させることができる。
このため、原料シリコン溶融時においてルツボ内周面に原料シリコンの溶着が発生しても、処理治具によって取り除くことができる。
したがって、従来のように原料シリコンを溶解するためヒータの加熱力を増大させる必要がなく、溶融時間を短縮し、操業効率を向上することができる。
また、ヒータの加熱力増大によるルツボの変形も回避することができる。
【００１１】
また、前記輻射シールドは、自重により回動した前記処理治具と係合する係止部を備え、前記係止部により処理治具が所定回動位置に固定されることが望ましい。
このように係止部を設けることによって、処理治具をルツボの内周面に対し適切な圧力で押し当てることができる。
【００１２】
また、前記した課題を解決するために、本発明に係る単結晶の製造方法は、前記請求項１または請求項２に記載の単結晶引上装置を用い、ルツボから単結晶を引上げる単結晶の製造方法において、前記輻射シールドを上昇移動させることにより前記処理治具を下方に回動させ、該処理治具を回転する前記ルツボの内周面に対し摺接させた状態で原料シリコンを溶融するステップと、前記輻射シールドを前記支持手段により支持し、前記処理治具が輻射シールドの裏面に固定された状態で単結晶を引上げるステップとを実行することに特徴を有する。
【００１３】
このようなステップを実行することにより、原料シリコン溶融時において処理治具により溶着シリコンを取り除き、溶融時間を短縮することができる。
その結果、シリコン単結晶引上げに係る全体の操業時間が短縮され、操業効率を向上することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、チョクラルスキー法によってルツボからシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、原料シリコン溶融時間を短縮し、操業効率を向上することのできる単結晶引上装置及び単結晶の製造方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る単結晶引上装置及び単結晶の製造方法の実施の形態について図面に基づき説明する。図１は本発明に係る単結晶引上装置１の全体構成を示すブロック図である。
この単結晶引上装置１は、円筒形状のメインチャンバ２ａの上にプルチャンバ２ｂを重ねて形成された炉体２と、炉体２内に設けられたルツボ３と、ルツボ３に装填された半導体原料Ｍを溶融するヒータ４とを有している。ヒータ４の周囲には、ヒータ４の熱を効果的にルツボ３に与えるために、メインチャンバ２ａの内壁に沿って保温部材１３が設けられている。尚、ルツボ３は二重構造であり、内側が石英ガラスルツボ３ａ、外側が黒鉛ルツボ３ｂで構成されている。
【００１６】
また、炉体２の上方には、単結晶Ｃを引上げる引上げ機構５が設けられ、この引上げ機構５は、モータ駆動される巻取り機構５ａと、この巻取り機構５ａに巻き上げられる引上げワイヤ５ｂとにより構成される。そして、ワイヤ５ｂの先端に種結晶Ｐが取り付けられ、単結晶Ｃを育成しながら引上げるようになされている。
【００１７】
また、メインチャンバ２ａ内において、ルツボ３の上方且つ近傍には、単結晶Ｃの周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成され、育成中の単結晶Ｃにヒータ４等からの余計な輻射熱を与えないようにするための輻射シールド６が設けられている。
この輻射シールド６は、外側が水平環状部６ａ、内側が傾斜環状部６ｂにより形成され、傾斜環状部６ｂは図示するように中心方向下方に向け直線状に傾斜している。
【００１８】
また、輻射シールド６は昇降駆動部７（昇降手段）によるワイヤ７ａ（昇降手段）の巻き上げ、巻き戻しにより上下移動可能に構成されている。
即ち、原料シリコン溶融時において輻射シールド６は、ルツボ３上方に上昇移動して配置され、単結晶引上げ時においては、図１に示すように、その下端がルツボ３内に位置するよう配置される。また、単結晶引上げ時において輻射シールド６は、保温部材１３の上端部に設けられた支持部材１４（支持手段）上に水平環状部６ａが載置され支持される。
【００１９】
さらに、この輻射シールド６について図２、図３に基づき説明する。図２は輻射シールド６の平面図、図３は輻射シールド６の一部拡大図である。
図２、図３に示すように、輻射シールド６の裏面側には、周方向に所定幅を有し、水平環状部６ａ及び傾斜環状部６ｂに沿って径方向に延設された処理治具１５が設けられている。尚、この処理治具１５は、所定の厚さ寸法を有する板状体であって、その材質は石英である。
【００２０】
また処理治具１５は、水平環状部６ｂの下面に形成された支軸６ｃによって自重により下方に回動自在に設けられるが、図３（ａ）に示すように、輻射シールド６が支持部材１４上に載置された状態では、輻射シールド６の水平環状部６ａ及び傾斜環状部６ｂの裏面に密着して固定されるように構成されている。
即ち、輻射シールド６が支持部材１４上に載置される際、支軸６ｃを中心に下方に回動する処理治具１５は、支持部材１４に押し上げられると共に、水平環状部６ｂと支持部材１４との間に挟まれた状態で固定される。
【００２１】
一方、原料シリコンＳの溶融時において、輻射シールド６は昇降駆動部７によりルツボ３上方に移動しているが、そのとき処理治具１５は、支持部材１４による支持が解除されているため、図３（ｂ）に示すように自重によって下方に回動し、その先端を含む所定領域が石英ガラスルツボ３ａの内面に当接する状態となされる。
【００２２】
即ち、原料シリコン溶融時には、ルツボ３が回転動作され、回転するルツボ３の内周面に対して処理治具１５が摺接するように構成されている。
尚、処理治具１５が設けられた水平環状部６ａの周縁部には、回動した処理治具１５の後端と係合し、処理治具１５の回動度を制限する係止部６ｄが形成されている。
【００２３】
また、単結晶引上装置１は、図１に示すようにシリコン融液Ｍの温度を制御するヒータ４の供給電力量を制御するヒータ制御部９と、石英ガラスルツボ３を回転させるモータ１０（回転手段）と、モータ１０の回転数を制御するモータ制御部１０ａとを備えている。さらには、石英ガラスルツボ３の高さを制御する昇降装置１１と、昇降装置１１を制御する昇降装置制御部１１ａと、成長結晶の引上げ速度と回転数を制御するワイヤリール回転装置制御部１２とを備えている。これら各制御部９、１０ａ、１１ａ、１２と前記昇降駆動部７はコンピュータ８の演算制御装置８ｂに接続されている。
【００２４】
このように構成された単結晶引上装置１を用いた単結晶引上げ工程においては、先ず、原料シリコンＭの溶融工程が行なわれる。
炉体２内には、所定の不活性ガス流が形成され、ルツボ３に原料シリコンＳが装填される。次いで、コンピュータ８の記憶装置８ａに記憶されたプログラムに基づき、先ず、演算制御装置８ｂの指令によりヒータ制御部９を作動させてヒータ４を加熱し、ルツボ３の原料シリコンＳの溶融作業が開始される。
尚、原料シリコンＳの溶融時においてはモータ制御部１０ａによりモータ１０の駆動が制御され、ルツボ３は所定の回転速度で回転する。
【００２５】
ここで、図４に示すように輻射シールド６はルツボ３上方に配置され、これにより処理治具１５は下方に回動し、その先端を含む所定領域が石英ガラスルツボ３ｂの内周面に摺接した状態となされる。
即ち、処理治具１５の所定領域が石英ガラスルツボ３ｂの内周面に対し摺接し、図４に示すようにルツボ内周面に原料シリコンＳが溶着していたとしても、処理治具１５によって全て取り除かれ、溶融液Ｍ内に落とされる。
【００２６】
このようにしてシリコン溶融液Ｍが生成されると、単結晶引上げ作業が開始される。
即ち、演算制御装置８ｂの指令により、さらに昇降装置制御部１１ａと、ワイヤリール回転装置制御部１２とが作動し、回転するルツボ３の高さ位置が調整されると共に、巻取り機構５ａが作動してワイヤ５ｂが降ろされる。
そして、ワイヤ５ｂに取付けられた種結晶Ｐがシリコン融液Ｍに接触され、種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングが行われてネック部Ｐ１が形成される。
【００２７】
しかる後、演算制御装置８ｂの指令によりヒータ４への供給電力や、単結晶引上げ速度（通常、毎分数ミリの速度）などをパラメータとして引上げ条件が調整され、クラウン工程、直胴工程、テール部工程等の単結晶引上工程が順に行われる。
【００２８】
以上のように本発明に係る実施の形態によれば、原料シリコン溶融時においては、輻射シールド６は支持部材１４による支持が解除されているため、処理治具６が下方に回動し、回転するルツボ３の内周面に摺接するようになされる。
このため、原料シリコン溶融時においてルツボ３内周面に原料シリコンの溶着が発生しても、処理治具６によって取り除かれ、溶融液Ｍ内に落とされる。
したがって、従来のように原料シリコンを溶解するためヒータ４の加熱力を増大させる必要がなく、原料シリコン溶融時間を短縮し、操業効率を向上することができる。
また、ヒータ４の加熱力増大によるルツボ３の変形も回避することができる。
【実施例】
【００２９】
続いて、本発明に係る単結晶引上装置及び単結晶の製造方法について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に示した構成の単結晶引上装置を用い、実際に実験を行うことにより、その効果を検証した。
【００３０】
この実験では、直径２４インチの石英ガラスルツボに、１５０ｇの原料シリコン（多結晶シリコン）を充填し、前記実施の形態と同様の処理治具を用いた溶融実験を１０回実施した。
実験の結果、１０回中３回、ルツボ内周面に溶着シリコンが発生したが、処理治具により全て取り除くことができた。
また、従来、１５０ｋｇの原料シリコンを完全に溶融するために平均８時間必要であったが、溶着シリコンを溶解する処理が必要ないため、１０回の実験において平均３０分溶融時間が短縮した。
また、ヒータの加熱力を増大させる必要がないため、ルツボの変形も生じなかった。
【００３１】
以上の実施例の実験結果から、本発明の単結晶引上装置を用いることにより、ヒータの加熱力を増大させる（電流を増加する）ことなくルツボ内周面に溶着した原料シリコンを取り除くことができ、短時間で原料シリコンを溶融できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、チョクラルスキー法によって単結晶を引上げる単結晶引上装置に関するものであり、半導体製造業界等において好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、本発明に係る単結晶引上装置の構成を模式的に示すブロック図である。
【図２】図２は、図１の単結晶引上装置が備える輻射シールドの平面図である。
【図３】図３は、図１の単結晶引上装置が備える輻射シールドの一部拡大図である。
【図４】図４は、図１の単結晶引上装置において、原料シリコン溶融時の状態を説明するための図である。
【図５】図５は、図１の単結晶引上装置において、単結晶引上げ時の状態を説明するための図である。
【図６】図６は、従来のＣＺ法を用いた引上げ法を説明するための図である。
【図７】図７は、従来のＣＺ法を用いた引上げ法においてネック部の形成を説明するための図である。
【図８】図８は、従来の原料シリコン溶融時の状態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３４】
１      単結晶引上装置
２      炉体
２ａ    メインチャンバ
２ｂ    プルチャンバ
３      ルツボ
４      ヒータ
５      引上げ機構
６      輻射シールド
６ｄ    係止部
７      昇降駆動部（昇降手段）
７ａ    ワイヤ（昇降手段）
８      コンピュータ
８ａ    記憶装置
８ｂ    演算記憶装置
１０    モータ（回転手段）
１０ａ  モータ制御部
１４    支持部材（支持手段）
１５    処理治具
Ｃ      単結晶
Ｍ      シリコン融液
Ｐ      種結晶
Ｐ１    ネック部
Ｓ      原料シリコン
【図１】
2008143742.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008143742.tif 000008
【図７】
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【図８】
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