(57)【要約】      （修正有）【課題】ＣＺ炉の筐体の構造や、炉内部材の構造、製造条件がどのようなものであっても、多大な労力、時間を要することなく、即座にクーラの最適な設計値、最適な配置を見出すことができるようにして、シリコン単結晶製造装置の設計作業、配置作業のスピードを向上させるとともに、労力を軽減する。欠陥の発生挙動が、クーラの性能とどのような関係があるかを明らかにし、安定して無欠陥のシリコン単結晶を製造できるように、クーラを設計し配置できるようにする方法を提供する。【解決手段】クーラの吸熱量をＱ、半導体単結晶の半径をｒとしたとき、ｒ２/１１００≦Ｑ≦ｒ２/４００を満足する条件となるように、クーラを設計し配置してシリコン単結晶を製造する。また、ｒ２・７/２０５００≦Ｑ≦ｒ２・７/１９３００を満足する条件となるように、クーラを設計し配置してシリコン単結晶を製造する。【選択図】図１０
2008127217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉内にあって融液から引き上げられる半導体単結晶の周囲にクーラを配置して、クーラによって半導体単結晶を冷却しつつ半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造装置において、
クーラの吸熱量をＱ（ｋＷ）、半導体単結晶の半径をｒ（ｍｍ）としたとき、
ｒ２/１１００≦Ｑ≦ｒ２/４００
を満足する条件となるように、クーラを設計し配置して半導体単結晶を製造すること
を特徴とする半導体単結晶の製造装置。
【請求項２】
炉内にあって融液から引き上げられる半導体単結晶の周囲にクーラを配置して、クーラによって半導体単結晶を冷却しつつ半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造方法において、
クーラの吸熱量をＱ（ｋＷ）、半導体単結晶の半径をｒ（ｍｍ）としたとき、
ｒ２/１１００≦Ｑ≦ｒ２/４００
を満足する条件となるように、クーラを設計し配置して半導体単結晶を製造すること
を特徴とする半導体単結晶の製造方法。
【請求項３】
炉内にあって融液から引き上げられる半導体単結晶の周囲にクーラを配置して、クーラによって半導体単結晶を冷却しつつ半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造装置において、
クーラの吸熱量をＱ（ｋＷ）、半導体単結晶の半径をｒ（ｍｍ）としたとき、
ｒ２・７/２０５００≦Ｑ≦ｒ２・７/１９３００
を満足する条件となるように、クーラを設計し配置して半導体単結晶を製造すること
を特徴とする半導体単結晶の製造装置。
【請求項４】
炉内にあって融液から引き上げられる半導体単結晶の周囲にクーラを配置して、クーラによって半導体単結晶を冷却しつつ半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造方法において、
クーラの吸熱量をＱ（ｋＷ）、半導体単結晶の半径をｒ（ｍｍ）としたとき、
ｒ２・７/２０５００≦Ｑ≦ｒ２・７/１９３００
を満足する条件となるように、クーラを設計し配置して半導体単結晶を製造すること
を特徴とする半導体単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体単結晶製造装置および製造方法に関し、特にクーラによって半導体単結晶を冷却しつつ半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造装置および製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶はＣＺ（チョクラルスキー法）によって引上げ成長されることによって製造される。引上げ成長されたシリコン単結晶のインゴットはシリコンウェーハにスライスされる。半導体デバイスはシリコンウェーハの表面にデバイス層を形成するデバイス工程を経て作成される。
【０００３】
しかし、シリコン単結晶の成長の過程でグローイン（Grown-in）欠陥（結晶成長時導入欠陥）と呼ばれる結晶欠陥あるいは酸素析出核が発生する。グローイン欠陥は、結晶成長中に取り込まれた点欠陥の２次欠陥と考えられている。
【０００４】
近年、半導体回路の高集積化、微細化の進展に伴い、シリコンウェーハのうちデバイスが作成される表層近くには、こうしたグローイン欠陥が存在することが許されなくなってきている。このため無欠陥結晶の製造の可能性が検討されている。
【０００５】
一般にシリコン単結晶に含まれデバイスの特性を劣化させる結晶欠陥は、以下の３種類の欠陥である。
【０００６】
ａ） ＣＯＰ（Crystal Originated Particle）などと呼ばれる、空孔が凝集して生じるボイド ( 空洞 )欠陥（Ｖ欠陥）。
【０００７】
ｂ）OSF ( 酸化誘起積層欠陥, Oxidation Induced Stacking Fault ；Ｒ−ＯＳＦ)
ｃ） 格子間シリコンが凝集して生じる転位ループクラスタ（格子間シリコン型転位欠陥、I欠陥）。
【０００８】
Ｖ欠陥は、半導体デバイス工程の酸化膜耐圧特性や素子分離などの不良の原因となる。Ｒ−ＯＳＦ、Ｉ欠陥は、リーク電流特性などに悪影響を及ぼす。
【０００９】
無欠陥のシリコン単結晶とは、上記３種の欠陥のいずれも含まないか、実質的に含まない結晶として認識ないしは定義されている。
【００１０】
また、上記３種の欠陥の発生挙動は、シリコン単結晶の成長条件Ｖ/Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：シリコン単結晶の融点近傍での軸方向温度勾配）が大きく関与していることが、たとえば下記非特許文献１により知られている。
【００１１】
すなわち、シリコン単結晶中の欠陥分布は、その成長速度や成長中の周りの熱環境に大きく影響を受ける。近年は、シリコンウェーハ全面にわたりグローイン欠陥を排除し無欠陥領域となっている無欠陥結晶の要求が高まっており、結晶の成長速度や温度分布条件を制御する製造条件の提案が数多くなされている。
【００１２】
一方、ＣＺ炉内にあって融液から引き上げられるシリコン単結晶の周囲にクーラを配置して、クーラによってシリコン単結晶を冷却しつつシリコン単結晶を引き上げ成長させてシリコン単結晶を製造する方法が従来より実施されている。
【００１３】
クーラは、シリコン単結晶を冷却し、シリコン単結晶が固化する際に凝固潜熱を吸熱するように作用する。このためクーラの設置により、シリコン単結晶が成長する時間を大幅に短縮することができる。また、シリコン単結晶の成長時間の短縮は、シリコン融液からの蒸発物による炉内環境の悪化や、石英るつぼの劣化による単結晶崩れを抑制できる。このためシリコン単結晶の成長速度の高速化を図ることによって、シリコン単結晶の生産性を向上させることができる。しかしながら、シリコン単結晶の成長速度を上げすぎると、安定した単結晶化が行なわれなくなり、単結晶化が不能になることがある。
【００１４】
下記特許文献１には、ＣＺ炉内にクーラを、その下端と融液液面との距離が１５０ｍｍ以下になるように配置した上で、成長条件Ｖ/Ｇ（Ｖ：成長速度、Ｇ：シリコン単結晶の融点近傍での軸方向温度勾配）が設定値になるように、引き上げ装置によるシリコンインゴットの引き上げ速度の調整やヒータの出力の調整等を行うという発明が記載されている。
【００１５】
また、下記特許文献２には、ＣＺ炉内に、表面が黒色化処理されたクーラを設置して、クーラの個体差によるシリコン単結晶からの熱吸収のバラツキを小さくするという発明が記載されている。
【００１６】
また、下記特許文献３には、クーラの内径、長さ、融液表面からクーラまでの距離が、シリコン単結晶の直径に対して比率となるように、クーラを設計し、ＣＺ炉内に配置するという発明が記載されている。
【００１７】
また、下記特許文献４には、水冷型のクーラの構造に関し、冷却水路をシリコン単結晶の周囲に螺旋状に配置するという発明が記載されている。
【特許文献１】特開２０００−２８１４７８号公報
【特許文献２】特開２００５−２４７６２９号公報
【特許文献３】特開２００１−２２０２８９号公報
【特許文献４】特開２００２−２５５６８２号公報
【非特許文献１】Journal of Crystal Growth  59(1982)625-643
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
ＣＺ炉内には、クーラ以外にも熱遮蔽板などの各種炉内部材が存在する。シリコン単結晶の冷却性能は、ＣＺ炉の筐体の構造や、炉内部材の構造、ヒータの電力などの各種製造条件の影響を受ける。したがって、上記各特許文献１ないし４に開示されたようにクーラを設計し、配置したとしても、特許文献１ないし４で想定しているのと異なるＣＺ炉の筐体の構造や、炉内部材の構造、製造条件である場合には、十分な冷却性能が得られず所望する成長速度、生産性が得られなかったり、単結晶化が不能になるおそれがある。このためＣＺ炉の筐体の構造や、炉内部材の構造、製造条件が異なる毎に、試行錯誤の実験を重ねて、再度、クーラの最適な設計値、最適な配置を見いださなければならない。すなわち、クーラの最適な設計値、最適な配置を見いだすために多大な労力、時間を要することになっている。
【００１９】
また、上記特許文献１ないし４のいずれにも、上記３種の欠陥の発生挙動が、クーラの性能とどのような関係があるかについては全く開示されていない。すなわち、クーラをどのように設計し配置すれば、安定した無欠陥のシリコン単結晶を製造できるかについては、全く説明されていない。
【００２０】
本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであり、ＣＺ炉の筐体の構造や、炉内部材の構造、製造条件がどのようなものであっても、多大な労力、時間を要することなく、即座にクーラの最適な設計値、最適な配置を見出すことができるようにして、シリコン単結晶製造装置の設計作業、配置作業のスピードを向上させるとともに、労力を軽減することを第１の解決課題とするものである。
【００２１】
また、本発明は、第１の解決課題に加えて、上記３種の欠陥の発生挙動が、クーラの性能とどのような関係があるかを明らかにし、安定して無欠陥のシリコン単結晶を製造できるように、クーラを設計し配置できるようにすることを第２の解決課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
第１発明は、
炉内にあって融液から引き上げられる半導体単結晶の周囲にクーラを配置して、クーラによって半導体単結晶を冷却しつつ半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造装置において、
クーラの吸熱量をＱ（ｋＷ）、半導体単結晶の半径をｒ（ｍｍ）としたとき、
ｒ２/１１００≦Ｑ≦ｒ２/４００
を満足する条件となるように、クーラを設計し配置して半導体単結晶を製造すること
を特徴とする。
【００２３】
第２発明は、
炉内にあって融液から引き上げられる半導体単結晶の周囲にクーラを配置して、クーラによって半導体単結晶を冷却しつつ半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造方法において、
クーラの吸熱量をＱ（ｋＷ）、半導体単結晶の半径をｒ（ｍｍ）としたとき、
ｒ２/１１００≦Ｑ≦ｒ２/４００
を満足する条件となるように、クーラを設計し配置して半導体単結晶を製造すること
を特徴とする。
【００２４】
第３発明は、
炉内にあって融液から引き上げられる半導体単結晶の周囲にクーラを配置して、クーラによって半導体単結晶を冷却しつつ半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造装置において、
クーラの吸熱量をＱ（ｋＷ）、半導体単結晶の半径をｒ（ｍｍ）としたとき、
ｒ２・７/２０５００≦Ｑ≦ｒ２・７/１９３００
を満足する条件となるように、クーラを設計し配置して半導体単結晶を製造すること
を特徴とする。
【００２５】
第４発明は、
炉内にあって融液から引き上げられる半導体単結晶の周囲にクーラを配置して、クーラによって半導体単結晶を冷却しつつ半導体単結晶を引き上げ成長させて半導体単結晶を製造する半導体単結晶の製造方法において、
クーラの吸熱量をＱ（ｋＷ）、半導体単結晶の半径をｒ（ｍｍ）としたとき、
ｒ２・７/２０５００≦Ｑ≦ｒ２・７/１９３００
を満足する条件となるように、クーラを設計し配置して半導体単結晶を製造すること
を特徴とする。
【００２６】
第１発明、第２発明によれば、クーラ２０の吸熱量をＱ、半導体単結晶の半径をｒとしたとき、下記式
ｒ２/１１００≦Ｑ≦ｒ２/４００  …（４）
を満足する条件となるように、クーラ２０を設計し配置してシリコン単結晶１０を製造すれば、成長速度Ｖの向上が図られしかも単結晶化が不能にならないという作用効果が得られる。
【００２７】
上記（４）式が示す範囲は、図１０において、ラインＬ１uを上限とし、ラインＬ1Lを下限とする範囲である。よって、この範囲に収まるようにクーラ２０を設計しＣＺ炉２に配置すればよい。
【００２８】
すなわち、製造しようとするシリコン単結晶１０の半径ｒが定まると、上記（４）式に適合する範囲に吸熱量Ｑが収まるように、クーラ２０を設計する。そして、クーラ２０をＣＺ炉２に配置する際には、実際の吸熱量Ｑが、上記（４）式に適合する範囲に収まるように、熱遮蔽板８からクーラ２０の下端までの距離Ｐ（図１参照）、熱遮蔽板８の下端と融液表面５ａとのギャップＤ等を調整して配置すればよい。
【００２９】
第１発明、第２発明によれば、ＣＺ炉２の筐体の構造や、炉内部材の構造、製造条件がどのようなものであっても、多大な労力、時間を要することなく、即座にクーラ２０の最適な設計値、最適な配置を見出すことができるようになる。このためシリコン単結晶製造装置の設計作業、配置作業のスピードを向上させることができるとともに、労力を軽減することができる。
【００３０】
第３発明、第４発明によれば、クーラ２０の吸熱量をＱ、半導体単結晶の半径をｒとしたとき、下記（７）式
ｒ２・７/２０５００≦Ｑ≦ｒ２・７/１９３００    …（７）
を満足する条件となるように、クーラ２０を設計し配置してシリコン単結晶１０を製造すれば、安定して無欠陥のシリコン単結晶１０を製造できるという作用効果が得られる。
【００３１】
図１０に示す結晶半径ｒと吸熱量Ｑの関係で示すと、上記（７）式が示す範囲は、ラインＬ２uを上限とし、ラインＬ2Lを下限とする範囲である。よって、この範囲に収まるようにクーラ２０を設計しＣＺ炉２に配置すればよい。
【００３２】
すなわち、製造しようとするシリコン単結晶１０の半径ｒが定まると、上記（７）式に適合する範囲に吸熱量Ｑが収まるように、クーラ２０を設計する。そして、クーラ２０をＣＺ炉２に配置する際には、実際の吸熱量Ｑが、上記（７）式に適合する範囲に収まるように、熱遮蔽板８からクーラ２０の下端までの距離Ｐ（図１参照）、熱遮蔽板８の下端と融液表面５ａとのギャップＤ等を調整して配置すればよい。
【００３３】
図１０に示すように、上記（７）式が示す範囲は、第１発明、第２発明における前述の（４）式が示す範囲を包含する。このため上記（７）式が示す範囲は、当然に、成長速度Ｖの向上が図られしかも単結晶化が不能にならないという第１発明、第２発明の作用効果が得られる範囲でもある。
【００３４】
よって第３発明、第４発明によれば、第１発明、第２発明と同様に、ＣＺ炉２の筐体の構造や、炉内部材の構造、製造条件がどのようなものであっても、多大な労力、時間を要することなく、即座にクーラ２０の最適な設計値、最適な配置を見出すことができるようになる。このためシリコン単結晶製造装置の設計作業、配置作業のスピードを向上させることができるとともに、労力を軽減することができる。更に第３発明、第４発明によれば、安定して無欠陥のシリコン単結晶を製造できるように、クーラ２０を設計し配置することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図面を参照して本発明に係る半導体単結晶の製造装置および製造方法の実施の形態について説明する。
【００３６】
以下図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００３７】
図１は、実施形態に用いられるシリコン単結晶製造装置の構成の一例を側面からみた図である。
【００３８】
同図１に示すように、実施形態の単結晶引上げ装置１は、単結晶引上げ用容器としてのＣＺ炉（チャンバ）２を備えている。
【００３９】
ＣＺ炉２内には、多結晶シリコンの原料を溶融して融液５として収容する石英るつぼ３が設けられている。石英るつぼ３は、その外側が黒鉛るつぼ１１によって覆われている。石英るつぼ３の周囲には、石英るつぼ３内の多結晶シリコン原料を加熱して溶融するヒータ９が設けられている。ヒータ９は円筒状に形成されている。ヒータ９は、その出力（パワー；ｋＷ）が制御されて、融液５に対する加熱量が調整される。たとえば、融液５の温度が検出され、検出温度をフィードバック量とし融液５の温度が目標温度になるように、ヒータ９の出力が制御される。
【００４０】
石英るつぼ３の上方には引上げ機構４が設けられている。引上げ機構４は、引上げ軸４ａと引上げ軸４ａの先端のシードチャック４ｃを含む。シードチャック４ｃによって種結晶１４が把持される。
【００４１】
石英るつぼ３内で多結晶シリコン（Ｓi）が加熱され溶融される。融液５の温度が安定化すると、引上げ機構４が動作し融液５からシリコン単結晶１０（シリコン単結晶）が引き上げられる。すなわち引上げ軸４ａが降下され引上げ軸４ａの先端のシードチャック４ｃに把持された種結晶１４が融液５に着液される。種結晶１４を融液５になじませた後引上げ軸４ａが上昇する。シードチャック４ｃに把持された種結晶１４が上昇するに応じてシリコン単結晶１０が成長する。
【００４２】
引上げの際、石英るつぼ３は回転軸１５によって回転する。また引上げ機構４の引上げ軸４ａは回転軸１５と逆方向にあるいは同方向に回転する。
【００４３】
回転軸１５は鉛直方向に駆動することができ、石英るつぼ３を上下動させ任意のるつぼ位置に移動させることができる。
【００４４】
ＣＺ炉２内と外気を遮断することで炉２内は真空（たとえば数十Torr程度）に維持される。すなわちＣＺ炉２には不活性ガスとしてのアルゴンガス７が供給され、ＣＺ炉２の排気口からポンプによって排気される。これにより炉２内は所定の圧力に減圧される。
【００４５】
単結晶引上げのプロセス（１バッチ）の間で、ＣＺ炉２内には種々の蒸発物が発生する。そこでＣＺ炉２にアルゴンガス７を供給してＣＺ炉２外に蒸発物とともに排気してＣＺ炉２内から蒸発物を除去しクリーンにしている。アルゴンガス７の供給流量は１バッチ中の各工程ごとに設定する。
【００４６】
シリコン単結晶１０の引上げに伴い融液５が減少する。融液５の減少に伴い融液５と石英るつぼ３との接触面積が変化し石英るつぼ３からの酸素溶解量が変化する。この変化が、引き上げられるシリコン単結晶１０中の酸素濃度分布に影響を与える。
【００４７】
石英るつぼ３の上方にあって、シリコン単結晶１０の周囲には、熱遮蔽板８（ガス整流筒）が設けられている。熱遮蔽板８は、ＣＺ炉２内に上方より供給されるキャリアガスとしてのアルゴンガス７を、融液表面５ａの中央に導き、さらに融液表面５ａを通過させて融液表面５ａの周縁部に導く。そして、アルゴンガス７は、融液５から蒸発したガスとともに、ＣＺ炉２の下部に設けた排気口から排出される。このため液面上のガス流速を安定化することができ、融液５から蒸発する酸素を安定な状態に保つことができる。
【００４８】
また熱遮蔽板８は、種結晶１４および種結晶１４により成長されるシリコン単結晶１０を、石英るつぼ３、融液５、ヒータ９などの高温部で発生する輻射熱から、断熱、遮蔽する。また熱遮蔽板８は、シリコン単結晶１０に、炉内で発生した不純物（たとえばシリコン酸化物）等が付着して、単結晶育成を阻害することを防止する。熱遮蔽板８の下端と融液表面５ａとのギャップＤの大きさは、回転軸１５を上昇下降させ、石英るつぼ３の上下方向位置を変化させることで調整することができる。また熱遮蔽板８を昇降装置により上下方向に移動させてギャップＤを調整してもよい。
【００４９】
融液５から引き上げられるシリコン単結晶１０の周囲には、クーラ２０を配置されている。クーラ２０は、熱遮蔽板８の内側に配置されている。クーラ２０は、シリコン単結晶１０を冷却しつつシリコン単結晶１０を引き上げ成長させるために設けられている。
【００５０】
本実施例では、水冷型のクーラ２０がＣＺ炉２内に配置される場合を想定する。
【００５１】
図２は、クーラ２０の冷却水回路の構成図である。
【００５２】
クーラ２０は、たとえば、引き上げ中のシリコン単結晶（インゴット）１０を取り巻くように螺旋状に形成された管２１として構成されている。管２１の入口２１ａは、ＣＺ炉２の外部の供給管２２と接続されている。管２１の出口２１ｂは、ＣＺ炉２の外部の戻り管２３と接続されている。ポンプ２４の吐出口は、供給管２２に連通している。タンク２５は、戻り管２３に連通している。ポンプ２４が作動すると、冷却水が圧送され、供給管２２、管２１の入口２１ａを介して管２１内を所定の流量で流れる。これにより管２１の内部の冷却水と、管２１の周囲のシリコン単結晶１０を含む熱源との間で熱交換が行われ、シリコン単結晶１０を含む熱源から放熱された熱が吸収される。熱を吸収した冷却水は、管２１の出口２１ｂから戻り管２３を介してタンク２５に排出される。ポンプ２４は、タンク２５の冷却水を吸い上げ、再度、冷却水を圧送する。以上のように冷却水がクーラ２０内を循環することにより、引き上げ中のシリコン単結晶１０が冷却される。なお、図２では、熱を吸収した冷却水を放熱させるための熱交換器は省略している。
【００５３】
ここで、クーラ２０の吸熱量Ｑ（ｋＷ）は、Ｔoutを管２１の出口２１ｂ側の冷却水の温度（℃）、Ｔinを管２１の入口２１ａ側の冷却水の温度（℃）、ｆを冷却水の流量（ｌ/min）、ｃを水の比熱（約０．０６９７６）として、下記（１）式で表すことができる。
【００５４】
Ｑ＝（Ｔout−Ｔin）×ｆ×ｃ  …（１）
クーラ２０の吸熱量Ｑを求めるには、たとえば図２に示すように、供給管２２に温度計測用センサ３１を設け、戻り管２３に温度計測用センサ３２および流量計３３を設け、温度計測用センサ３１によって入口側冷却水温Ｔinを計測し、温度計測用センサ３２によって出口側冷却水温Ｔoutを計測し、流量計３３によって冷却水流量ｆを計測し、これら計測された入口側冷却水温Ｔin、出口側冷却水温Ｔoutを上記（１）式に代入して、吸熱量Ｑを演算すればよい。
【００５５】
クーラ２０は、シリコン単結晶１０を冷却し、シリコン単結晶１０が固化する際に凝固潜熱を吸熱するように作用する。このためクーラ１０の設置により、シリコン単結晶１０が成長する時間を大幅に短縮することができる。また、シリコン単結晶１０の成長時間の短縮は、シリコン融液５からの蒸発物による炉内環境の悪化や、石英るつぼ３の劣化による単結晶崩れを抑制できる。このためシリコン単結晶１０の成長速度Ｖの高速化を図ることによって、シリコン単結晶１０の生産性を向上させることができる。しかしながら、シリコン単結晶１０の成長速度Ｖを上げすぎると、安定した単結晶化が行なわれなくなり、単結晶化が不能になることがある。
【００５６】
（第１実施例）
そこで、成長速度の向上が図られしかも単結晶化が不能にならない条件を見出すために、実験を行なった。
【００５７】
本実施例では、クーラ１０の吸熱量Ｑ（ｋＷ）と、製造しようとするシリコン単結晶１０の大きさ、つまりシリコン単結晶１０の半径ｒ（ｍｍ）との間に、一定の関係が成立するのではないかと考え、実験を行なった。その結果、図３、図４に示す実験結果が得られた。
【００５８】
比較例として、図１の単結晶引き上げ装置１において、クーラ２０が設置されていない構成のものと対比した。実験は、シリコン単結晶１０の半径ｒが１００ｍｍの場合と、１５０ｍｍ場合のそれぞれについて行った。
【００５９】
図３は、比較例と実験例とを対比した表である。比較例と実験例それぞれの結晶半径ｒ、冷却水流量ｆ、入口側冷却水温Ｔin、出口側冷却水温Ｔout、吸熱量Ｑ、成長速度比Ｖ´を示している。
【００６０】
図３では、シリコン単結晶１０の半径ｒが１００ｍｍ場合の比較例を、「比較例１」で、シリコン単結晶１０の半径ｒが１００ｍｍ場合の各実験結果を、「実験例１」、「実験例２」、「実験例３」で示している。また、シリコン単結晶１０の半径ｒが１５０ｍｍ場合の比較例を、「比較例２」で、シリコン単結晶１０の半径ｒが１５０ｍｍ場合の各実験結果を、「実験例４」、「実験例５」、「実験例６」で示している。
【００６１】
図４は、吸熱量Ｑと成長速度比Ｖ´の関係を、結晶半径ｒの大きさ、つまり半径１００ｍ、半径１５０ｍｍごとに示したグラフである。
【００６２】
クーラ２０の吸熱量Ｑを種々変化させて、比較例の吸熱量Ｑと対比した。比較例の吸熱量Ｑは、クーラ２０が設置されていないため、０とした。また、クーラ２０の吸熱量Ｑを種々変化させたときの成長速度Ｖを、比較例の成長速度Ｖと対比した。
【００６３】
図３、図４では、クーラ２０の吸熱量Ｑを種々変化させたときの成長速度Ｖを、比較例の成長速度Ｖを「１」としたときの比率、つまり成長速度比Ｖ´で示している。成長速度比Ｖ´が大きい値を示しても、単結晶化が不能になった実験例では、「成長不能」と評価した。  
クーラ２０は、吸熱量Ｑが種々変化するように、冷却水流量ｆ、入口側冷却水温Ｔin、出口側冷却水温Ｔoutがそれぞれ異なる値となるように設計し、ＣＺ炉２内に設置した。  
「成長速度の向上が図られる」という評価は、比較例の成長速度Ｖに対して１.５倍以上の成長速度Ｖが得られること、つまり成長速度比Ｖ´が１.５以上であることを基準にした。
【００６４】
図３、図４からわかるように、シリコン単結晶１０の半径ｒが１００ｍｍの場合には、成長速度比Ｖ´が１.５以上で、成長不能にはならなかった実験例は、実験例１、実験例２であった。実験例１の吸熱量Ｑ、成長速度比Ｖ´はそれぞれ１０．３、１．５３であった。また実験例２の吸熱量Ｑ、成長速度比Ｖ´はそれぞれ１２．６、１．８０であった。
【００６５】
また、成長不能になった実験例は、実験例３であった。実験例３の吸熱量Ｑは、２５．６であった。
【００６６】
よって、単結晶シリコン１０の半径ｒが１００ｍｍの場合には、成長速度比Ｖ´が１.５以上で、成長不能にはならないための条件として、下記（２）式の関係が成立する。
【００６７】
ｒ２/１１００（＝９．０９）≦Ｑ（＝１０．３（実験例１）、１２．６（実験例２））
≦ｒ２/４００（＝２５＜２５．６（実験例３））  …（２）
なお、ｒ２は、ｒの２乗である。また、図３、図４からわかるように、シリコン単結晶１０の半径ｒが１５０ｍｍの場合には、成長速度比Ｖ´が１.５以上で、成長不能にはならなかった実験例は、実験例４、実験例５であった。実験例４の吸熱量Ｑ、成長速度比Ｖ´はそれぞれ２３．２、１．５２であった。また実験例５の吸熱量Ｑ、成長速度比Ｖ´はそれぞれ３６．８、１．７２であった。
【００６８】
また、成長不能になった実験例は、実験例６であった。実験例６の吸熱量Ｑは、５７．２であった。
【００６９】
よって、単結晶シリコン１０の半径ｒが１５０ｍｍの場合には、成長速度比Ｖ´が１.５以上で、成長不能にはならないための条件として、下記（３）式の関係が成立する。
【００７０】
ｒ２/１１００（＝２０．４５）≦Ｑ（＝２３．２（実験例４）、３６．８（実験例５））
≦ｒ２/４００（＝５６．３＜５７．２（実験例６））  …（３）
以上（２）、（３）式より、クーラ２０の吸熱量をＱ、半導体単結晶の半径をｒとしたとき、下記（４）式
ｒ２/１１００≦Ｑ≦ｒ２/４００  …（４）
を満足する条件となるように、クーラ２０を設計し配置してシリコン単結晶１０を製造すれば、成長速度Ｖの向上が図られしかも単結晶化が不能にならないことがわかった。
【００７１】
図１０は、結晶半径ｒと吸熱量Ｑの関係を示した図である。上記（４）式が示す範囲は、ラインＬ１uを上限とし、ラインＬ1Lを下限とする範囲である。よって、この範囲に収まるようにクーラ２０を設計しＣＺ炉２に配置すればよいということになる。
【００７２】
すなわち、製造しようとするシリコン単結晶１０の半径ｒが定まると、上記（４）式に適合する範囲に吸熱量Ｑが収まるように、クーラ２０を設計する。そして、クーラ２０をＣＺ炉２に配置する際には、実際の吸熱量Ｑが、上記（４）式に適合する範囲に収まるように、熱遮蔽板８からクーラ２０の下端までの距離Ｐ（図１参照）、熱遮蔽板８の下端と融液表面５ａとのギャップＤを調整して配置すればよい。
【００７３】
以上のように本第１実施例によれば、ＣＺ炉２の筐体の構造や、炉内部材の構造、製造条件がどのようなものであっても、多大な労力、時間を要することなく、即座にクーラ２０の最適な設計値、最適な配置を見出すことができるようになる。このためシリコン単結晶製造装置の設計作業、配置作業のスピードを向上させることができるとともに、労力を軽減することができる。
【００７４】
（第２実施例）
上述したように、Ｖ欠陥、Ｒ−ＯＳＦ、Ｉ欠陥といった３種の欠陥の発生挙動は、シリコン単結晶１０の成長速度Ｖなどの成長条件によって、変化することが知られている。
【００７５】
すなわち、単結晶引き上げ軸に対して垂直に切り出した縦割りのシリコンウェーハ面でみたとき、上記３種の欠陥の分布は、その成長速度や成長中の周りの熱環境に大きく影響を受ける。図９（ａ）、（ｂ）は結晶温度分布（炉内温度環境）が異なる２種類の結晶の引上げ速度と欠陥分布との関係を示した図である。同図９（ａ）、（ｂ）に示すように、結晶の温度分布条件によってシリコンウェーハ全面に無欠陥の領域が存在しない場合（図９（ａ））と、成長速度Ｖを制御することによりウェーハ全面に無欠陥の領域をつくることができる場合（図９（ｂ））とがあることがわかる。
【００７６】
しかしながら、従来にあっては、上記３種の欠陥の発生挙動が、クーラ２０の性能とどのような関係があるかについては明らかになっていなかった。
【００７７】
そこで、本実施例では、クーラ２０の吸熱量Ｑという指標が、上記３種の欠陥の発生挙動に影響していると考え、実験を行った。実験は、安定して無欠陥のシリコン単結晶１０を製造できるようにするための条件を見いだすために行った。その結果、図６、図７、図８、図９に示す実験結果が得られた。
【００７８】
実験は、シリコン単結晶１０の半径ｒが１００ｍｍの場合と、１５０ｍｍ場合のそれぞれについて行った。クーラ２０の吸熱量Ｑを種々変化させると、それに応じて成長速度許容幅ΔＶが変化することがわかった。
【００７９】
成長速度許容幅ΔＶの定義については、図５を用いて説明することができる。
【００８０】
図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、シリコン単結晶面（シリコンウェーハ面）内の欠陥の発生分布と成長速度Ｖとの関係を示した図である。
【００８１】
図５において、横軸は、成長速度Ｖである。図５の縦軸は、シリコン単結晶１０の結晶中心から結晶外周（結晶端）までの各結晶半径位置を示している。
【００８２】
図５（ａ）、（ｂ）からもわかるように、一般的につぎのようなことが知られている。
【００８３】
ｉ）成長速度Ｖが速い場合には、シリコン単結晶１０は空孔型点欠陥が過剰となり、ボイド欠陥、つまりＶ欠陥のみが発生する。
【００８４】
ｉｉ）成長速度Ｖを減じると、シリコン単結晶１０の外周付近にリング状にＯＳＦ、つまりＲ−ＯＳＦが発生し、Ｒ−ＯＳＦ部の内側にＶ欠陥（ボイド欠陥）が存在する構造となる。
【００８５】
ｉｉｉ）成長速度Ｖを更に減じると、リング状のＯＳＦ（Ｒ−ＯＳＦ）の半径は減少し、リング状ＯＳＦ部の外側に欠陥が存在しない領域、つまり無欠陥領域が生じ、Ｒ−ＯＳＦ部の内側にＶ欠陥（ボイド欠陥）が存在する構造となる。
【００８６】
ｉＶ）さらに成長速度Ｖを減じると、シリコン単結晶１０全体に転位ループラスタ、つまりＩ欠陥が存在する構造となる。
【００８７】
上述した現象が起こるのは成長速度Ｖの減少に伴いシリコン単結晶１０が空孔型点欠陥過剰な状態から格子間型点欠陥過剰な状態へと変化するためであると考えられている。
【００８８】
このようにシリコン単結晶１０の成長速度Ｖの減少に伴い、Ｖ欠陥領域−Ｒ−ＯＳＦ−無欠陥領域−Ｉ欠陥領域と分布しており、無欠陥領域は、Ｒ−ＯＳＦとＩ欠陥領域の間に存在していると考えられている。
【００８９】
そこで、Ｒ−ＯＳＦと無欠陥領域との境界に相当する成長速度Ｖの最小成長速度をＶ１とし、Ｉ欠陥領域と無欠陥領域との境界に相当する成長速度Ｖの最大成長速度をＶ２とし、Ｖ１−Ｖ２を成長速度許容幅ΔＶと定義する。
【００９０】
図５（ａ）からわかるように、成長速度許容幅ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）が負となる場合には、シリコン単結晶面の半径方向位置全体、つまりシリコンウェーハの全面には、無欠陥領域が存在しないことになる。これに対して、図５（ｂ）からわかるように、成長速度許容幅ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）が正となる場合には、シリコン単結晶面の半径方向位置全体、つまりシリコンウェーハの全面にわたって、無欠陥領域が存在することになる。ただし、成長速度許容幅ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）が正となる場合であっても、その幅ΔＶが狭いと、わずかな製造条件等の変動によって欠陥が生じるおそれがあるため、安定してシリコン単結晶全面にわたり無欠陥領域となるシリコン単結晶１０を製造することが難しくなる。このため、所定のしきい値以上の成長速度許容幅ΔＶが必要と考えられる。そのしきい値は、０.５（ｍｍ/min）前後で製造する１％の０.００５（ｍｍ/min）は必要であると考えられる。
【００９１】
以上のように、安定して無欠陥のシリコン単結晶１０を製造するための条件は、成長速度許容幅ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）が正となる場合であって、その幅ΔＶがしきい値０.００５（ｍｍ/min）以上であるということになる。
【００９２】
上記のことを踏まえ図６ないし図９の実験結果について説明する。
【００９３】
図６、図７は、シリコン単結晶１０の半径ｒが１００ｍｍの場合の実験結果を示している。
【００９４】
図６は、各実験例ごとにクーラ２０の吸熱量Ｑを種々変化させたときの、熱遮蔽板８の下端と融液表面５ａとのギャップＤ、冷却水流量ｆ、入口側冷却水温Ｔin、出口側冷却水温Ｔout、吸熱量Ｑ、成長速度許容幅ΔＶの値を表にて示している。
【００９５】
図７は、図６に対応するグラフで、クーラ２０の吸熱量Ｑと成長速度許容幅ΔＶを示している。
【００９６】
実験では、ギャップＤを４０ｍｍ、５０ｍｍ、６０ｍｍ、７０ｍｍと変化させるとともに、出口側冷却水温Ｔoutを５５.1、５２.９、５２、５１.１℃と変化させ、吸熱量Ｑを１４.1、１２.８、１２.３、１１.８（ｋＷ）と変化させた。このとき、冷却水流量ｆは、８（ｌ/min）に固定するとともに、入口側冷却水温Ｔinを２９.８〜２９.９℃の範囲にほぼ固定した。その結果、成長速度許容幅ΔＶが−０.０２５、０.０１１、０.０１４、０.００１（ｍｍ/min）と変化した。ただし、熱遮蔽板８からクーラ２０の下端までの距離Ｐは、３０ｍｍに設定した。
【００９７】
図８、図９は、シリコン単結晶１０の半径ｒが１５０ｍｍの場合の実験結果を示している。図８、図９はそれぞれ、上述の図６と同様の表、図７と同様の関係を示したグラフである。
【００９８】
実験では、ギャップＤを８０ｍｍ、９０ｍｍ、１００ｍｍ、１１０ｍｍ、１２０ｍｍ、１３０ｍｍと変化させるとともに、出口側冷却水温Ｔoutを５７.５、５６.６、５６、５５.１、５４.６、５３.９℃と変化させ、吸熱量Ｑを３９.３、３８.１、３７.２、３５.９、３４.８、３３.８（ｋＷ）と変化させた。このとき、冷却水流量ｆは、２２.２（ｌ/min）に固定するとともに、入口側冷却水温Ｔinを３１.９〜３２.１℃の範囲にほぼ固定した。また、ここでは、３０００Ｇの強度の水平磁場を印加している。その結果、成長速度許容幅ΔＶが−０.００２、０.０２０、０.０１７、−０.００５、−０.０１６、−０.０２３（ｍｍ/min）と変化した。ただし、熱遮蔽板８からクーラ２０の下端までの距離Ｐは、１２０ｍｍに設定した。
【００９９】
このように、クーラ２０の吸熱量Ｑを変化させると、成長速度許容幅ΔＶが変化することがわかった。すなわち、クーラ２０の吸熱量Ｑを変化させると、シリコン単結晶面内の欠陥の発生分布が、図５（ａ）、図５（ｂ）に例示するように変化し、成長速度許容幅ΔＶが負となったり、正となることが明らかになった。
【０１００】
図７からわかるように、シリコン単結晶１０の半径ｒが１００ｍｍの場合には、安定して無欠陥のシリコン単結晶１０を製造するための条件、つまり成長速度許容幅ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）が正となる場合であって、その幅ΔＶがしきい値０.００５（ｍｍ/min）以上である条件は、
１２（ｋＷ）＜Ｑ＜１３．１（ｋＷ）
の範囲であると考えられる。これにシリコン単結晶１０の半径ｒの条件を加えると、
ｒ２・７/２０５００（＝１２．２５）≦Ｑ≦ｒ２・７/１９３００（＝１３）
…（５）
なる関係が成立していればよいといことになる。なお、ｒ２．７は、ｒの２．７乗である。
【０１０１】
同様に、図９からわかるように、シリコン単結晶１０の半径ｒが１５０ｍｍの場合には、安定して無欠陥のシリコン単結晶１０を製造するための条件、つまり成長速度許容幅ΔＶ（＝Ｖ１−Ｖ２）が正となる場合であって、その幅ΔＶがしきい値０.００５（ｍｍ/min）以上である条件は、
３６．５（ｋＷ）＜Ｑ＜３９（ｋＷ）
の範囲であると考えられる。これにシリコン単結晶１０の半径ｒの条件を加えると、
ｒ２・７/２０５００（＝３６．６）≦Ｑ≦ｒ２・７/１９３００（＝３８．９）
…（６）
なる関係が成立していればよいといことになる。
【０１０２】
以上（５）、（６）式より、クーラ２０の吸熱量をＱ、半導体単結晶の半径をｒとしたとき、下記（７）式
ｒ２・７/２０５００≦Ｑ≦ｒ２・７/１９３００    …（７）
を満足する条件となるように、クーラ２０を設計し配置してシリコン単結晶１０を製造すれば、安定して無欠陥のシリコン単結晶１０を製造できることがわかった。
【０１０３】
図１０に示す結晶半径ｒと吸熱量Ｑの関係で示すと、上記（７）式が示す範囲は、ラインＬ２uを上限とし、ラインＬ2Lを下限とする範囲である。よって、この範囲に収まるようにクーラ２０を設計しＣＺ炉２に配置すればよいということになる。
【０１０４】
すなわち、製造しようとするシリコン単結晶１０の半径ｒが定まると、上記（７）式に適合する範囲に吸熱量Ｑが収まるように、クーラ２０を設計する。そして、クーラ２０をＣＺ炉２に配置する際には、実際の吸熱量Ｑが、上記（７）式に適合する範囲に収まるように、熱遮蔽板８からクーラ２０の下端までの距離Ｐ（図１参照）、熱遮蔽板８の下端と融液表面５ａとのギャップＤを調整して配置すればよい。
【０１０５】
なお、図１０からもわかるように、上記（７）式が示す範囲は、第１実施例における前述の（４）式が示す範囲を包含する。このため上記（７）式が示す範囲は、当然に、成長速度Ｖの向上が図られしかも単結晶化が不能にならないという第１実施例の作用効果が得られる範囲でもある。
【０１０６】
以上のように本第２実施例によれば、第１実施例と同様に、ＣＺ炉２の筐体の構造や、炉内部材の構造、製造条件がどのようなものであっても、多大な労力、時間を要することなく、即座にクーラ２０の最適な設計値、最適な配置を見出すことができるようになる。このためシリコン単結晶製造装置の設計作業、配置作業のスピードを向上させることができるとともに、労力を軽減することができる。更に本第２実施例によれば、安定して無欠陥のシリコン単結晶を製造できるように、クーラ２０を設計し配置することができる。
【０１０７】
なお、実施例では、水冷型のクーラを想定して説明したが、クーラに用いる冷却媒体は任意であり、シリコン単結晶１０から放熱された熱を吸熱してシリコン単結晶１０を冷却することができる熱交換器であればよい。
【０１０８】
なお、実施例では、半導体単結晶としてシリコン単結晶を製造する場合を想定して説明したが、本発明は、ガリウム砒素などの化合物半導体を製造する場合にも同様にして適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】図１は、実施形態の単結晶引上げ装置の構成を概略的に示す図である。
【図２】図２は、実施例に用いた水冷型クーラの冷却水回路の構成図である。
【図３】図３は、第１実施例を説明する図で、比較例と実験例とを対比した表である。
【図４】図４は、第１実施例を説明する図で、吸熱量と成長速度比の関係を、結晶半径の大きさごとに示したグラフである。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、シリコン単結晶面（シリコンウェーハ面）内の欠陥の発生分布と成長速度Ｖとの関係を示した図である。
【図６】図６は、第２実施例を説明する図で、シリコン単結晶の半径が１００ｍｍのときに、各実験例ごとにクーラの吸熱量を種々変化させたときの、熱遮蔽板の下端と融液表面とのギャップ、冷却水流量、入口側冷却水温、出口側冷却水温、吸熱量、成長速度許容幅の値を示した表である。
【図７】図７は、図６に対応するグラフで、クーラの吸熱量と成長速度許容幅を示したグラフである。
【図８】図８は、第２実施例を説明する図で、シリコン単結晶の半径が１５０ｍｍのときに、各実験例ごとにクーラの吸熱量を種々変化させたときの、熱遮蔽板の下端と融液表面とのギャップ、冷却水流量、入口側冷却水温、出口側冷却水温、吸熱量、成長速度許容幅の値を示した表である。
【図９】図９は、図８に対応するグラフで、クーラの吸熱量と成長速度許容幅を示したグラフである。
【図１０】図１０は、結晶半径と吸熱量の関係で示したグラフである。
【符号の説明】
【０１１０】
１  シリコン単結晶製造装置、  ２  ＣＺ炉、１０  シリコン単結晶、２０  クーラ
【図１】
2008127217.tif 000003
【図２】
2008127217.tif 000004
【図３】
2008127217.tif 000005
【図４】
2008127217.tif 000006
【図５】
2008127217.tif 000007
【図６】
2008127217.tif 000008
【図７】
2008127217.tif 000009
【図８】
2008127217.tif 000010
【図９】
2008127217.tif 000011
【図１０】
2008127217.tif 000012