(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体溶液中に磁界と電流とを印加したチョクラルスキー法による単結晶の引上装置において、単結晶を引き上げるメイン引上手段と単結晶に形成した係合段部を係合部材を介して把持する保持機構と、この保持機構を昇降させるサブ引上手段を有し、通電が上記のメイン引上手段およびサブ引上手段に施されることを特徴とする半導体単結晶の引上装置。
【請求項２】
係合段部が係合部材によって保持された段階で、上記のメイン引上手段への通電を遮断し、上記サブ引上手段にのみ通電が施されることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶の引上装置。
【請求項３】
単結晶の引上手段がシャフト式であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体単結晶の引上装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）の一種である磁界と電流によって溶融液を回転させるＣＺ法（以下「ＥＭＣＺ法」という）によって単結晶を製造する引上装置に関し、更に詳しくは、通電時にシード部が発熱することにより発生する単結晶の落下を防止し、且つ消費電力を低減できる単結晶引上装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン等の単結晶の製造方法として代表的なものにＣＺ法がある。ＣＺ法は、坩堝内の結晶原料の溶融液に種結晶を接触させ、坩堝を回転させるとともに、坩堝の回転と反対方向に前記の種結晶を回転させながら上方へ引き上げることによって単結晶を製造することをその基本思想とするものである。通常ＣＺ法で単結晶を製造する場合には、種結晶を溶融液に接触させた時の熱ショックによって発生する転位を単結晶の本体に及ばないようにするため、ダッシュズネック処理が採用されている。
【０００３】
図１は、ダッシュズネック処理におけるネック部（以下、「ダッシュズネック」という）の形状を模式的に表した図である。図１に示すように、単結晶の育成おけるダッシュネック処理は、単結晶本体９が生成する部分の上部に直径約３mm、長さ約30mmのダッシュズネック４を形成させ、上述した転位を単結晶本体へ及ぼさないようにしている。
【０００４】
近年の半導体用デバイス製造における効率化の要請により、引き上げられる単結晶自体の大型化および大重量化が進んでいる。この単結晶の大型化は、以下の▲１▼〜▲３▼に示すような問題を誘発している。
▲１▼単結晶の大型化に伴い、坩堝等の装置自体が大規模化する。
▲２▼引き上げの全般にわたり、大型化した坩堝を一定の回転数で偏心させることなく回転させることは困難である。
▲３▼引き上げ中に、大重量化した単結晶の落下が発生する。
【０００５】
上記の▲１▼および▲２▼の問題を解決する手段として、特開平１１−１７１６８６号公報、またはその改良発明である特開２０００−６３１９５号公報に開示されるような、溶融液中に磁界および電流を印可することによって発生するローレンツ力で坩堝内の溶融液を回転させることを特徴とするＥＭＣＺ法が提案されている。これらの公報で提案されるＥＭＣＺ法を用いれば、坩堝自体の回転を機械的に制御する従来の方法に比べ、小型の装置で単結晶の製造を行うことができ、更には単結晶内の不純物の分布を均一にできるという利点がある。
【０００６】
しかしながら、上記のＥＭＣＺ法は、種結晶および単結晶本体に通電させることを前提としているため、上記のダッシュズネック等の径が小さい部分（図１中のａで示した部分）、即ち、電気抵抗が非常に高い部分においてジュール熱が増大する。これに起因して、局所的な降伏応力の低下が発生するため、ＥＭＣＺ法による単結晶の引き上げは、従来のＣＺ法に比べ軽量でも単結晶の落下事故が発生するという問題がある。さらに、電磁力を増大させていくと溶融液の回転に乱れが生じるため、単結晶の引き上げ軸の振れが大きくなる。このため、単結晶が溶融液から離れ、安定した引き上げができず、直径制御が困難となり、または単結晶が有転位化するため歩留まりが低下する等の問題も誘発する。
【０００７】
一方、前記の▲３▼の問題に関連して、本出願人は、単結晶本体の上部に形成した逆円錐状の係合段部を機械的に保持することで、引上工程において大重量の単結晶が落下するのを防止する装置を実用化している（特許第２９９０６５８号公報参照）。
【０００８】
図２は、上記の機械的保持装置を使用する際の単結晶の形状を模式的に表した図である。図２に示すとおり、上記の装置を単結晶の引き上げに採用する場合、ダッシュズネック４および単結晶本体９の間に径大部５、係合段部６、くびれ部７および単結晶ショルダー８を設ける必要がある。上記の装置は、この係合段部６を機械的に保持するため、ダッシュズネック４を起点とする落下を防止できる。しかしながら、この装置は、ＥＭＣＺ法による単結晶の引き上げを想定したものではなく、前記の▲１▼および▲２▼の問題を解決するには至らない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題に鑑みなされたもので、ＥＭＣＺ法に特有の問題である単結晶の引き上げ時における局所的な電気抵抗の増大、即ち、局所的なジュール熱の増大を抑えることによって、大重量化した単結晶であっても落下することなく、安全に引き上げることができる装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【発明を解決する手段】
本発明者は、上記のＥＭＣＺ法における単結晶の落下および振れの増大の問題に関して研究を重ねた結果、以下の（Ａ）〜（Ｄ）に示す知見を得た。
（Ａ）ＥＭＣＺ法による単結晶の育成では、ＣＺ法に比べ軽量でも引き上げ中に単結晶が落下するため、機械的に単結晶を保持する機構を設ける必要がある。（Ｂ）局所的なジュール熱の発生を低減するためには、通常の通電ルートに加え、いわゆるバイパスを設け、ダッシュズネックおよび係合段部の電気抵抗値を下げる必要がある。
（Ｃ）バイパスを設けることで通電される系における電気抵抗値を下げることができるため、結果として消費電力の低減ができる。また、系により大きな電流を印可することができるので、多大な消費電力を必要とする磁界を低減しても、溶融液を回転させるのに十分な電磁力を確保することができる。
（Ｄ）電磁力の増大に伴い発生する単結晶の振れを防止するためには、単結晶の引上手段はシャフト式であるのが望ましい。
【００１１】
本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであって、以下の(1)〜(3)に示す単結晶引上装置を要旨とする。
(1)半導体溶液中に磁界と電流とを印加したチョクラルスキー法による単結晶の育成において、単結晶を引き上げるメイン引上手段と単結晶に形成したくびれ部を係合部材を介して把持する保持機構と、この保持機構を昇降させるサブ引上手段を有することを特徴とする単結晶の引上装置であって、通電が上記メイン引上手段および上記サブ引上手段に施されることを特徴とする単結晶引上装置である（以下、「第１の装置」という）。
(2)係合段部を係合部材で保持した段階で、メイン引上手段の通電を遮断し、サブ引上手段にのみ通電を施すことを特徴とする上記の(1)の単結晶引上装置である（以下、「第２の装置」という）。
(3)単結晶の引上手段がシャフト式であることを特徴とする上記の(1)または(2)の単結晶引上装置である（以下、「第３の装置」という）。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明の装置構成を説明する図であり、(a)はワイヤー式の単結晶引上装置を示し、(b)はシャフト式の単結晶引上装置を示している。なお、同じ機能の構成部には同じ番号を付している。
【００１３】
以下、図３に基づいて本発明の装置構成および特徴を説明する。
【００１４】
１．本発明の装置構成について
本発明の単結晶引上装置では、石英坩堝1aおよび黒鉛坩堝1bより構成される坩堝１に満たされた溶融液２に種結晶３を接触させ、単結晶本体９を成長させる。更に詳しくは、メイン引上手段14によって種結晶３を溶融液２面へ接触後、種結晶３を回転させながら引き上げて、前記の図２に示すダッシュズネック４を成形し、次いで径大部５、係合段部６、くびれ部７および単結晶ショルダー８を成形し、その後、単結晶本体９の引き上げを行う。
【００１５】
なお、坩堝１は、坩堝軸10によって支持されており、坩堝１の周囲には溶融液２を加熱するヒーター11、および断熱材12が設置されている。更に、断熱材12の周囲には、カプス磁場または縦磁場を発生させる磁場印加装置13が設置されている。
【００１６】
溶融液２中には、磁界印加装置13によって結晶成長界面に対し垂直方向に磁界が印可されており、また磁界に垂直方向には電流が流され、溶融液２は、ローレンツ力によって上記の単結晶本体９の回転と逆方向に回転している。
【００１７】
単結晶本体９がある程度引き上げられた段階で、サブ引上手段15によって保持機構16を下降させる。この際、係合部材17に設置されたクランプレバー18、またはクランプ爪19およびリンクレバー20は、逆円錐状の係合段部６に押し上げられて開いた状態で径大部５を通過する。係合部材17は、径大部５を通過した後、係合段部６を保持する。係合部材17の保持が完了した後、メイン引上手段14およびサブ引上手段15は、同調しながら単結晶を引き上げていく。なお、保持機構16の上部にはエコライザー21が設置されており、このエコライザー21によって引き上げ時における単結晶本体９の傾きを防止することができる。
【００１８】
ここで、電極22は溶融液２中にあり、他方の電極はメイン引上手段14およびサブ引上手段15に接続されている。したがって、係合段部６を係合部材17で保持する前の状態、即ち、係合段部６と係合部材17が離れている状態では、通電はメイン引上手段14にのみ施されており、ダッシュズネック４および係合部材６において、局所的なジュール熱の増大がある。
【００１９】
２．第１の装置について
第１の装置を用いれば、係合段部６を係合部材17で保持した後には、サブ引上手段15を介して係合部材17からも係合部材６に通電が施されるので、ダッシュズネック４および係合部材６の発熱を抑制することができる。また、メイン引上手段14の外にサブ引上手段15をも通電パスとして利用するので、系全体の電気抵抗を低減することができ、消費電力を低減することができる。
【００２０】
３．第２の装置について
第２の装置を用いれば、係合段部６と係合部材17とが接触する段階でメイン引上手段14への通電が遮断され、サブ引上手段15にのみ通電が施されるので、ダッシュズネック４の発熱を無くし、係合部材６の発熱を抑制することができる。また、メイン引上手段14に比べサブ引上手段15の電気抵抗は小さいので、消費電力を低減することができる。
【００２１】
４．第３の装置について
第３の装置で規定する「シャフト式の引上手段」は、図３(b)に示すように、メイン引上手段14をメインボールネジ23の旋回作用によって、サブ引上手段15をサブボールネジ24の旋回作用によって、それぞれ独立して昇降可能とする構造を有している。また、種結晶３は、結晶回転モーター25の下部に設置されたシャフト26によって保持されている。この構成により、大きな電磁力を印可したときに生じる溶融液２の回転に乱れがあっても、単結晶本体９が振れることはなく、振れの増大による単結晶本体９の離液を防止し、直径制御の安定化し、更に単結晶本体９の有転位化を防止することができる。また、各々の引上手段には電源27からの導線が接続されており、メイン引上手段14およびサブ引上手段15は、通電パスとしても利用される。
【００２２】
なお、上記の溶融液２の回転の乱れは、単結晶本体９の周りに複数本の電極22を等間隔に配置することで低減することができる。
【００２３】
図４は、ＥＭＣＺ法による単結晶の引上装置について、複数本の電極の配置状況を結晶軸に対し平行方向から見た図であり、(a)は２本の電極を配置した状況を示す図であり、(b)は３本の電極を配置した状況を示す図である。図４(a)または(b)に示すとおり、電極22は、単結晶本体９の中心点を中心とする同心円上を等間隔で２本または３本配置されている。このような位置に電極22を配置すれば、溶融液２の回転の乱れを低減することができるため、ワイヤー方式による単結晶引上装置を用いても、単結晶本体９を引き上げる際に振れが発生することはほとんどない。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
図３(a)に示すワイヤー方式の引上装置を用いて、直径3〜3.5mmのダッシュズネックを成形した後、直径305mm、長さ1000mmのシリコン単結晶を育成する試験を行った結果を表１に示す。なお、本試験は、坩堝内のシリコン原料のチャージ量を300kgとし、電磁力を１A・T（磁界強度：0.1T、電流：10A）として行った。また、本発明例１、２および比較例２においては、単結晶の重量が60kgに達したときに係合部材によって係合段部を保持して、単結晶の引き上げを行った。
【００２５】
【表１】
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表１に示すとおり、比較例１では、重量が70kgとなったときから単結晶が落下し始めたが、本発明例１、２および比較例２においては、単結晶の落下は見られなかった。しかしながら、比較例２では、係合段部における発熱は改善されず、降伏応力の低下による単結晶の落下、または係合段部に亀裂が入った場合に単結晶本体への影響が懸念される。また、系全体の電気抵抗が高く、消費電力は低減されない。一方、本発明例１および２では係合段部の発熱がほとんどなかった。さらに、本発明例においては、比較例に対し電気抵抗が半分程度であり、消費電力が低減されている。
【００２６】
（実施例２）
図３(a)に示すワイヤー方式の引上装置および図３(b)に示すシャフト方式の引上装置を用いて、直径3〜3.5mmのダッシュズネックを成形した後、直径305mm、長さ1000mmのシリコン単結晶を育成する試験を行った結果を表２に示す。なお、本試験は、坩堝内のシリコン原料のチャージ量を300kgとし、電磁力を0.3〜1.5A・Tとして行った。また、電極本数が２本の場合は、前記の図４(a)に示すように電極を配置した。
【００２７】
【表２】
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表２に示すとおり、引上手段がワイヤー方式であり、且つ電極を１本のみ配置した本発明例３〜５では、電磁力が0.5A・T付近から単結晶が振れ始める。これは、電磁力が0.3A・T付近では、溶融液は引き上げ軸を中心として同心円状に回転しているが、0.5A・T付近から溶融液の回転が乱れ始めるからである。一方、引上手段がシャフト式の本発明例６では、溶融液の回転の乱れに関係なく、0.5A・T以上でも結晶の振れが発生することはなかった。
【００２８】
また、本発明例７〜９は、引上手段がワイヤー方式であるが、２本の電極を配置しているので溶融液の回転の乱れがほとんどなく、電磁力が1.5A・Tとなるまで単結晶の振れは発生しなかった。したがって、電極を２本またはそれ以上等間隔に配置すれば、1.5A・T未満までの電磁力を印加してもワイヤー方式で十分対応できる。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の装置を用いてＥＭＣＺ法による単結晶の引き上げを行えば、ＥＭＣＺ法に特有のジュール熱による局所的な降伏応力の低下を抑制することができるので、大重量の単結晶であっても落下事故が発生することなく、単結晶を安全に製造することができる。また、系全体の電気抵抗値を低減することができるので、消費電力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般的なダッシュズネックの形状を示す模式図である。
【図２】機械的保持装置を使用する際の単結晶の形状を示す模式図である。
【図３】本発明の装置構成を説明する図であり、(a)はワイヤー式の単結晶引上装置を示す図であり、(b)はシャフト式の単結晶引上装置を示す図である。
【図４】ＥＭＣＺ法による単結晶の引上装置について、複数本の電極の配置状況を示す図であり、(a)は２本の電極を配置した状況を示す図であり、(b)は３本の電極を配置した状況を示す図である。
【符号の説明】
１…坩堝、1a…石英坩堝、1b…黒鉛坩堝、２…溶融液、３…種結晶、４…ダッシュズネック、５…径大部、６…係合段部、７…くびれ部、８…単結晶ショルダー、９…単結晶本体、10…坩堝軸、11…ヒーター、12…断熱材、13…磁界印加装置、14…メイン引上手段、15…サブ引上手段、16…保持機構、17…係合部材、18…クランプレバー、19…クランプ爪、20…リンクレバー、21…エコライザー、22…電極、23…メインボールネジ、24…サブボールネジ、25…結晶回転モーター、26…シャフト、27…電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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