(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキ法による単結晶シリコンインゴットの成長に使用する結晶成長装置に用いられる電気抵抗ヒータであって、
該結晶引き上げ装置が、ハウジングと、溶けたシリコンを含む該ハウジング中のるつぼと、成長するインゴットを溶けたシリコンから上方に引き上げる引き上げ機構とを有し、該ヒータが、
該るつぼの略上方の、該結晶引き上げ装置の該ハウジングの中に配置され、該溶けたシリコンに対して該ハウジング中で、該インゴットが上方に引き上げられる場合に、該成長するインゴットの外部表面から所定の間隔で配置されて、該インゴットに熱を放射するような大きさと形状を有する加熱要素を含み、
該加熱要素が、上端部と下端部とを有し、
該ヒータは、該加熱要素が該ハウジング中に配置された場合に、該加熱要素の該下端部が該上端部より該溶けたシリコンに近づいて配置されるように、該結晶引き上げ装置中に載置されるように形成され、
該加熱要素が、該加熱要素により生じた加熱パワー出力が、該加熱要素の該下端部から該上端部に漸次増加するように形成され、
該加熱要素は、略隣り合った関係に配置され、互いに電気的に接続された第１及び第２の垂直に配置された加熱セグメントを含み、該セグメントのそれぞれが、上端部と下端部とを有し、該第２のセグメントが、該第１のセグメントより大きい長さを有し、かつ、該加熱要素が上記ハウジングの中に配置された場合に、該第２のセグメントの該下端部が、該第１のセグメントの該下端部より、上記るつぼ中の上記溶けたシリコンに近づいて配置されるように、該第１のセグメントに対して配置された電気抵抗ヒータ。
【請求項２】
上記第１及び第２のセグメントの上端部が、上記加熱要素の上端部で略同一平面上にあり、該第２のセグメントの下端部が、該加熱要素の下端部に一致した請求項１のヒータ。
【請求項３】
上記加熱要素が、閉じた幾何学的な配列に配置され、該加熱要素の回りに電流を導くために互いに電気的に接続された複数のセグメントを含み、該セグメントが電気抵抗材料から形成され、そこを通る電流に対する該セグメントの抵抗により、熱が発生する請求項２のヒータ。
【請求項４】
上記加熱要素が、シリコンカーバイドに覆われたグラファイト材料から形成される請求項３のヒータ。
【請求項５】
チョクラルスキ法による単結晶シリコンインゴットの成長に使用する結晶成長装置に用いられる電気抵抗ヒータであって、
該結晶引き上げ装置が、ハウジングと、溶けたシリコンを含む該ハウジング中のるつぼと、成長するインゴットを溶けたシリコンから上方に引き上げる引き上げ機構とを有し、該ヒータが、
該るつぼの略上方の、該結晶引き上げ装置の該ハウジングの中に配置され、該溶けたシリコンに対して該ハウジング中で、該インゴットが上方に引き上げられる場合に、該成長するインゴットの外部表面から所定の間隔で配置されて、該インゴットに熱を放射するような大きさと形状を有する加熱要素を含み、
該加熱要素が、上端部と下端部とを有し、
該加熱要素の該下端部が、該加熱要素が該ハウジング中に配置された場合に、該上端部より該溶けたシリコンに近づいて配置され、
該加熱要素が、該加熱要素により生じた加熱パワー出力が、該加熱要素の該下端部から該上端部に漸次増加するように形成され、
該加熱要素が、上記結晶引き上げ装置中に配置された場合に、上記結晶インゴットの周辺部の少なくとも一部を囲んで延びるような大きさ及び形状であり、該加熱要素の上端部が、該加熱要素の下端部より、該インゴットの周辺部に大きく延びて囲むように、該下端部のそれより大きな周辺への延びを有する電気抵抗ヒータ。
【請求項６】
上記熱要素が、長手方向の軸に対して斜めの面により切断された管の形状を有し、上記ハウジング中に配置された場合に、該加熱要素の上端部が、上記インゴットの全体の周辺部の回りに延び、該加熱要素の下端部が、該インゴットの全体に周辺部より少ない回りに延びる請求項１のヒータ。
【請求項７】
上記結晶引き上げ装置と組み合わせた請求項１のヒータ。
【請求項８】
チョクラルスキ法による単結晶シリコンインゴット成長用結晶引き上げ装置であって、
ハウジングと、
溶けたシリコンを含みための該ハウジング中のるつぼと、
該溶けたシリコンから上方に成長するインゴットを引き上げる引き上げ機構と、
該るつぼの略上方の、該結晶引き上げ装置の該ハウジングの中に配置され、該溶けたシリコンに対して該ハウジング中で、該インゴットが上方に引き上げられる場合に、該成長するインゴットの外部表面から所定の間隔で配置されて、該インゴットに熱を放射するような大きさと形状を有する加熱要素を含む電気抵抗ヒータであって、該加熱要素が上端部と下端部とを有し、該加熱要素が該ハウジング中に配置された場合に、該加熱要素の下端部が、該上端部より、該溶けたシリコンに近づいて配置され、該加熱要素により生じた加熱パワー出力が、該加熱要素の該下端部から該上端部に、漸次増加するように、該加熱要素が形成された該電気抵抗ヒータとを含み、
該加熱要素が、略隣り合った関係に配置され、互いに電気的に接続された第１及び第２の垂直に配置された加熱セグメントを含み、該セグメントのそれぞれが、上端部と下端部とを有し、該第２のセグメントが、該第１のセグメントより大きい長さを有し、かつ、該加熱要素が上記ハウジングの中に配置された場合に、該第２のセグメントの該下端部が、該第１のセグメントの該下端部より、上記るつぼ中の上記溶けたシリコンに近づいて配置されるように、該第１のセグメントに対して配置された結晶引き上げ装置。
【請求項９】
チョクラルスキ法による単結晶シリコンの成長に使用される結晶引き上げ装置中で成長された単結晶シリコンインゴットの軸線温度勾配の均一性を制御する方法であって、該結晶引き上げ装置が、ハウジングと、溶けたシリコンを含むための該ハウジング中のるつぼと、該溶けたシリコンから上方に成長するインゴットを引き上げる引き上げ機構とを有し、該方法が、
ａ）該溶けたシリコンから該ハウジング中で該インゴットが上方に引き上げられる場合に、予め定めた第１の温度に、該インゴットが冷却されることを許容する工程と、
ｂ）該ハウジング中で該インゴットが更に上方に引き上げられた場合に、該インゴットに熱を放射し、該第１の温度から冷却される場合の、該インゴットの冷却速度を低減させる工程と、
ｃ）該ハウジング中で、該インゴットが更に上方に引き上げられた場合に、該インゴットに放射される熱量を漸次減少させて、該インゴットの温度が、該第１の温度から予め定められた第２の温度に減少する場合に、略均一な該インゴットの軸線温度勾配を維持する工程とを含み、
該成長するインゴットに熱を放射する工程と、該ハウジング中で該インゴットが更に上方に引き上げられる場合に、該成長するインゴットに放射される該熱を漸次増加させる工程とが、該ハウジング中の、該るつぼの略上方に配置された電気抵抗ヒータを通って該成長するインゴットを上方に引き上げる工程を含み、該インゴットが該ヒータを通って上方に通過する場合、漸次増加する加熱パワー出力の量を生ずるように、該ヒータが組み立てられ、該インゴットの軸線温度勾配を減少させ、該温度勾配の均一性を増加させる方法。
【請求項１０】
上記熱を放射する工程と、上記放射された熱を漸次増加させる工程とが、該インゴットの温度が、１１００℃から１０００℃に減少する場合に、該成長するインゴットの上記軸線温度勾配を制御するように行なわれる請求項９の方法。
【請求項１１】
上記熱を放射する工程と、上記放射された熱を漸次増加させる工程とが、該インゴットの温度が、１１００℃から１０００℃に減少する場合に、該成長するインゴットの上記軸線温度勾配を、約０．４℃／ｍｍに保持するように行なわれる請求項１０の方法。
【請求項１２】
チョクラルスキ法による単結晶シリコンインゴット成長用結晶引き上げ装置であって、
ハウジングと、
溶けたシリコンを含みための該ハウジング中のるつぼと、
該溶けたシリコンから上方に成長するインゴットを引き上げる引き上げ機構と、
該るつぼの略上方の、該結晶引き上げ装置の該ハウジングの中に配置され、該溶けたシリコンに対して該ハウジング中で、該インゴットが上方に引き上げられる場合に、該インゴットに熱を放射するために、該成長するインゴットの外部表面から間隔を置いた関係に配置される、大きさ及び形状の加熱要素を含む電気抵抗ヒータであって、該加熱要素が上端部と下端部とを有し、該加熱要素が該ハウジング中に配置された場合に、該加熱要素の下端部が、該上端部より、該溶けたシリコンに近づいて配置され、該加熱要素により生じた加熱パワー出力が、該加熱要素の該下端部から該上端部に、漸次増加するように、該加熱要素が形成された該電気抵抗ヒータとを含み、
該加熱要素が、該結晶引き上げ装置の中に配置された場合に、該結晶インゴットの周辺部の少なくとも一部の周りに延びる大きさ及び形状を有し、該加熱要素の該上端部が、該加熱要素の該下端部より、該インゴットの周辺部をより大きい範囲で囲むような大きさ及び形状である結晶引き上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の背景）
本発明は、一般に、単結晶シリコンインゴットの成長に使用される結晶成長装置に関し、特に、そのような結晶成長装置に使用される電気抵抗ヒータに関する。
【０００２】
多くの半導体電子素子の製造の出発材料である単結晶シリコンは、通常、いわゆるチョクラルスキ（Ｃｚ）法により準備される。結晶の成長は、結晶引き上げ炉の中で多くの場合行なわれる。この方法では、多結晶シリコン（ポリシリコン）がるつぼに入れられ、るつぼの側壁の外部表面を囲むヒータにより溶かされる。種結晶が溶けたシリコンに接触するように入れられ、単結晶インゴットが、結晶引き上げ装置によりゆっくり引き上げられて成長する。ネックが形成された後、結晶インゴットの直径が、所望の又は目的の直径に達するまで、引き上げ速度及び／又はメルトの温度を減少させることにより、広げられる。略一定の直径を有する結晶の円筒型のメインボディが、続いて、減少するメルトのレベルを補正しながら、引き上げ速度とメルト温度とを制御して成長される。成長プロセスの終わり近くで、結晶直径が漸次減少され、エンドコーンが形成される。一般には、エンドコーンは、引き上げ速度とるつぼに供給される熱を増加させることにより形成される。直径が十分に小さくなった場合に、インゴットが続いてメルトから分離される。
【０００３】
るつぼ中でソース材料（例えばシリコン）を溶かすために使用される熱は、一般には、抵抗加熱材料（例えばグラファイト）から形成された加熱要素を通って電流が流れる電気抵抗ヒータである。電流の流れに対する抵抗は、加熱要素からるつぼ及びその中に含まれるシリコンに放射される熱を形成する。加熱要素は、並んだ関係で配置され、互いに蛇状の形状に接続された、等しい長さ及び断面の、垂直に配置された加熱セグメントを含む。即ち、隣接するセグメントは、セグメントの頂部と底部で交互に接続され、加熱要素の中で、連続した電気回路を形成する。加熱要素により形成された加熱パワーは、一般に、セグメントの断面積の関数である。
【０００４】
チョクラルスキ成長法による単結晶インゴット成長用に使用される従来の装置は、広い応用に有用な結晶インゴットの成長には申し分ないが、半導体材料の品質においては、更なる改良が望まれる。半導体材料の上に形成される集積回路の配線の幅が低減され続けるため、結晶中の欠陥の存在は、より大きな問題となる。単結晶シリコン中の多くの欠陥は、凝固後の結晶冷却時に結晶成長チャンバ中で形成される。そのような欠陥の発生は、一部は、空孔及び侵入型として知られている、過剰な（即ち、固溶限界を超えた濃度の）本質的な点欠陥の存在による。結晶インゴット中のそれらの点欠陥の型及び初期濃度は、凝固時に決定され、もし、それらの濃度がシステム中の臨界過飽和のレベルに到達しかつ点欠陥の移動度が十分に大きい場合、反応又は凝集が起こるであろうことが指摘されている。
【０００５】
単結晶インゴットから切り出されたウエハの品質の１の重要な測定として、ゲートオキサイドインテグリティ（Gate Oxide Integrity:GOI）がある。その名前が示すように、空孔は、結晶格子中のシリコン原子の不存在又は「空所」により発生する。結晶が、るつぼ中の溶けたシリコンから上方に引き上げられた場合にそれは、直ちに冷却し始める。結晶インゴットの温度が、１１５０℃から１０５０℃の範囲で下がった場合、インゴット中に存在する空孔は、インゴットの外部表面に向かって移動するか、又はインゴット中で互いに凝集する。それらの凝集は、結晶インゴットから切り出されたウエハの表面内でピットとして明らかである。
【０００６】
インゴットから切り出され、従来のプロセスにより形成されたシリコンウエハは、しばしば、ウエハの表面上に形成されたシリコン酸化層を含む。ＭＯＳデバイスのような電子回路デバイスが、このシリコン酸化層上に形成される。成長する結晶中に存在する凝集体により引き起こされるウエハの表面の欠陥は、酸化層の不充分な成長を招く。酸化膜の絶縁破壊強度としてしばしば言及される酸化層の品質は、ＭＯＳデバイスを酸化層上に形成して、そのデバイスを試験することにより定量的に測定することができる。結晶のゲートオキサイドインテグリティ（ＧＯＩ）は、結晶から処理されたウエハの酸化層上の、操作可能なデバイスのパーセンテージである。
【０００７】
チョクラルスキ法で成長された結晶のＧＯＩは、成長されるインゴットが１０００℃より高い温度範囲、特に、１１５０℃から１０００℃の温度範囲に留まる時間を長くすることにより改良できる。もし、インゴットが、この温度範囲を通って非常に早く冷却された場合、空孔は互いに凝集するために十分な時間を有さず、インゴット中で多くの小さな凝集体となる。これは、ウエハの表面に広がった多くの小さなピットを、好ましからずもたらし、これにより、ＧＯＩに良くない影響を与える。インゴットの冷却速度を遅くして、その温度を、より長い時間、目的の温度範囲に留まらせることにより、より多くの空孔が、インゴットの外部表面に移動し、又はインゴット中に大きな凝集体を形成することができる。結果として、少ない数の大きな凝集体となり、これにより、ＭＯＳデバイスが形成されるウエハの表面に存在する欠陥の数が低減され、ＧＯＩが改良される。
【０００８】
自己侵入型の欠陥については、より少ない研究しかなされていない。これらは、一般に、低濃度の侵入型の転位ループ又はネットワークとみなされている。そのような欠陥は、ＧＯＩの減少としては反応せず、通常、電流リークと結び付けられる他のタイプのデバイス故障を引き起こすと、広く認識されている。自己侵入型の凝集は、望まれるものではなく、成長するインゴットが１０００℃より高い温度範囲に留まる時間を増加させることにより制御できることがわかっている。インゴットの部分が、比較的長い時間、１０００℃より高い温度に保持されることにより、インゴットからの自己侵入型の半径方向の外部拡散が、その濃度を、侵入型の欠陥の凝集のために要求される臨界濃度より低い濃度に抑制する。
【０００９】
この目的のために、米国特許5,248,378（Odaら）には、受動的な断熱体が、るつぼの上の結晶引き上げ装置中に配置され、１１５０℃より高温での成長するインゴットの冷却速度を低減する、単結晶シリコン結晶の製造装置が記載されている。しかしながら、Odaらにより開示された断熱体又は熱シールドは、一般には、結晶のＧＯＩを実質的に改良するのに十分な、又は侵入型の欠陥の凝集を抑制するのに十分な速度に、インゴットの冷却を遅くすることはできない。
【００１０】
Odaらは、更に、断熱体が、成長するインゴットを加熱するヒータにより置きかえられることを開示している。上述の従来のるつぼヒータに類似したヒータが、インゴットにより積極的に熱を与え、冷却速度を低減するが、そのようなヒータの使用は、多くの不利益をもたらす。例えば、従来のヒータの加熱パワー出力は、ヒータの高さに沿って概ね一定である。ヒータを通って上方に引き上げられる結晶インゴットは、ヒータの底部で急加熱され、インゴットの冷却速度を低減する。冷却速度は、インゴットがヒータを通って上方に通過するのに従って減少し続け、続いて、ヒータの上部に到達して増加する。例えば、インゴットの軸線温度勾配とインゴットの温度との関係のプロットは、図５に示される、第２のヒータを有しないで成長されたインゴットのプロットに類似するが、しかしながら、軸線温度勾配は、バレーを含む１１５０℃から１０００℃の温度範囲を通して実質的に減少する。このように、そのようなヒータは、成長するインゴットの、冷却速度又は軸線温度勾配を低減することができるが、しかしながら、軸線温度勾配の均一性を制御することはできない。なぜならば、ヒータによって生じる熱は、ヒータの長さに沿った方向に均一だからである。ヒータの冷却速度を所定のバレーに向かって十分に減少させるために、一度、インゴットが１０００℃の温度に冷却された後に、冷却速度を増加させるために、望まない長い時間が必要とされる。
【００１１】
それゆえに、１０００℃より高温で成長するインゴットの冷却速度を低減し、また、１１５０℃から１０００℃の範囲で、より好ましくは１１００℃から１０００℃の範囲で、インゴットの軸線温度勾配の均一性を制御するために使用できるヒータが要求される。
【００１２】
（発明の概要）
本発明の多くの目的及び特長の中で、以下の内容は注目すべきである。改良されたゲートオキサイドインテグリティを有する結晶の成長を容易にした結晶引き上げ装置に使用される電気抵抗ヒータの提供。１１００℃から１０００℃の範囲でより均一な軸線温度勾配を提供するヒータの提供。１０００℃より高い温度でインゴットを保持する時間を増加させるヒータの提供。１１００℃から１０００℃の範囲の温度でインゴットを保持する時間を増加させるヒータの提供。及び、本質的な点欠陥の凝集を容易に低減するヒータの提供。
【００１３】
一般に、チョクラルスキ法により単結晶シリコンインゴットを成長させるために使用される結晶引き上げ装置に使用される本発明の電気抵抗ヒータは、結晶引き上げ装置のハウジング内に配置される大きさ及び形状の加熱要素を含み、かかる加熱要素は、成長するインゴットの外部表面から間隔を隔てた関係で、るつぼの略上部に配置され、溶けたシリコンに対してハウジング中でインゴットが上方に引き上げる場合に、インゴットに対して熱を放射する。加熱要素は、上端部及び下端部を有する。加熱要素がハウジングの中に配置された場合に、加熱要素の下端部は、上端部より溶けたシリコンに実質的に近づく。加熱要素は、加熱要素により形成された加熱パワー出力が、加熱要素の下端部から上端部に漸次増加するように、形成される。
【００１４】
他の具体例では、チョクラルスキ法により単結晶シリコンインゴットを成長させるために使用される結晶引き上げ装置中で成長される、単結晶シリコンインゴットの軸線温度勾配に均一性を制御する方法が、ハウジング中で溶けたシリコンからインゴットが上方に引き上げられる場合に、予め決められた第１の温度までインゴットを冷却することを許容する工程を含む。ハウジング中で、更にインゴットが上方に引き上げられた場合に、熱がインゴットに放射され、第１の温度から冷却されるインゴットの冷却速度を低減する。インゴットに放射される熱の量は、ハウジング中で、インゴットが更に上方に引き上げられる場合に、漸次増加して、インゴットの温度が、第１の温度から予め定めた第２の温度に減少する場合に、略均一なインゴットの軸線温度勾配を維持する。
【００１５】
本発明の他の目的及び特長は、以下において、一部が明らかにされ、一部が指摘されるであろう。
【００１６】
（好ましい具体例の詳細な説明）
図面、特に図１を参照して、本発明の原理に従って形成された電気加熱ヒータは、全体が２１で示される。ヒータは、全体が２３で示されるような、チョクラルスキ法による単結晶シリコンインゴット（例えば、図１のインゴットＩ）の成長に使用されるタイプの結晶引き上げ装置で使用されることが好ましい。結晶引き上げ装置２３は、内部を分離するための（全体が２５で表示される）ハウジングを含み、かかるハウジング２５は、底部結晶成長チャンバ２７と、上部引き上げチャンバ２９とを含む。引き上げチャンバ２９は、成長チャンバより小さな横断寸法を有する。石英るつぼ３１は、単結晶シリコンインゴットＩがそこから成長される溶けた半導体のソース材料Ｍを含む。るつぼ３１は、円筒型の側壁３３を含み、ターンテーブル３５に載置されて垂直軸の回りを回転する。るつぼ３１は、また、成長チャンバ２７の中で上昇させることができ、インゴットＩが成長し、ソース材料がメルトから持ち出された場合に、溶けたソース材料Ｍの表面を同じレベルに維持する。
【００１７】
全体が３７で示される、るつぼ３１中のソース材料Ｍを溶かすためのるつぼヒータは、るつぼの側壁３３から半径方向に間隔をおいて配置されて、るつぼを囲む、略垂直に配置された加熱要素３９を含む。加熱要素３９は、るつぼ３１と結晶引き上げ装置のハウジング２５の内壁を、シース材料Ｍ（例えば、シリコン）の融点より高い温度に加熱する。ハウジング２５の内部の加熱を確実にするために、断熱材４１が配置される。加えて、上部引き上げチャンバの壁を含むハウジングの中に経路を有し、冷却水を循環させる。それらの経路のいくつかは、図１において、参照番号４３で表示される。
【００１８】
引き上げメカニズムは、メカニズム（図示せず）から下方に向かって引き上げチャンバ２９の上に延びた引き上げシャフト４５を含み、引き上げシャフトを上昇、下降及び回転させることができる。結晶引き上げ装置２３は、引き上げ装置のタイプによっては、シャフト４５よりむしろ引き上げワイヤ（図示せず）を有してもよい。引き上げシャフト４５は、単結晶シリコンインゴットＩの成長に使用される種結晶４９を保持する種結晶チャック４７中で終端する。引き上げられた位置の種チャック４７とインゴットＩとを明確に示すために、図１では、引き上げシャフト４５が部分的に破断されている。結晶引き上げ装置２３の全体の構造や操作は、以下でより説明される内容を除いて、当業者に良く知られており、更に説明はしない。
【００１９】
本発明の電気抵抗ヒータ２１は、下部成長チャンバ２７のドーム型の下方の壁に隣接したハウジング２５の上部引き上げチャンバ２９中に搭載された略管状の加熱要素５１を含む。加熱要素５１は、結晶成長チャンバ２７の中に下方に延びて、溶けたソース材料Ｍを含むるつぼ３１の上で実質的に終端する。加熱要素５１の中央開口部５３は、引き上げ装置２３のハウジング２５を通ってインゴットが上方に引き上げられる場合に、成長インゴットＩが加熱要素の中央を通ることを許容する。
【００２０】
図２に示すように、加熱要素５１は、並んだ関係に配置され、互いに接続されて電気回路を形成する、垂直に配置された加熱セグメント５５を含む。特に、それぞれが５７及び５９で示される、隣接した加熱要素の上端部及び下端部は、交互に接続されて連続した蛇状の形状となり、図示した具体例では円筒型である、閉じた幾何学的形状を形成する。対向して搭載されたブラケット６１は、加熱セグメント５５と電気的に接続するように加熱要素５５の上部に接続され、ヒータ２１を上部引き上げチャンバ２９の壁に載せるために、加熱要素から上方に延びる。上部引き上げチャンバ２９の壁の開口部（図示せず）は、従来構造の電極（図示せず）により搭載ブラケット６１が電流源（図示せず）に電気的に接続されることを許容する。かかる電極は、加熱要素５１を通して電流を流すために、開口部を通って搭載ブラケットに接続するように延びる。特に、好ましくはグラファイト、グラファイト絶縁体又は他の適した絶縁体、又はそれらの材料のいくつかの組合せからなる、管状の熱シールド６３は、加熱要素５１と上部引き上げチャンバ２９の壁との間に配置され、水冷された側壁による加熱要素の冷却を防止する。
【００２１】
加熱要素５１は、そこを通る電流に抵抗を提供する、汚染のない抵抗加熱材料から形成される。加熱要素により生じるパワー出力は、材料の電気抵抗に伴って増加する。特に好ましい抵抗加熱材料は、シリコンカーバイドで被覆されたグラファイトである。しかしながら、本発明の範囲から離れることなく、加熱要素５１は、高純度の押し出されたグラファイト、アイソモールドされたグラファイト、カーボンファイバ複合体、タングステン、金属又は他の適した材料から形成することができる。加熱要素５１が、加熱コイル（図示せず）を形成するために石英管の上に巻きつけたタングステン又はモリブデンワイヤのようなワイヤから形成されることも予定されている。加熱要素５１のパワー出力分布を形成するために、コイルの間の間隔は、加熱要素の上方に向かって間隔が狭くなるように、変化させても良い。加熱要素５１は、１０００℃から１１００℃の範囲の温度の熱を放射できることが好ましい。
【００２２】
再度、図２を参照すると、加熱要素５１の加熱セグメント５５は長さがばらついている。即ち、セグメントの上端部５７は、加熱要素の上部で、加熱要素の周辺の回りで平面であり、セグメントの下端部５９は、セグメントの長さがばらついているため、互いに垂直方向にずれている。最も長いセグメント６５の下端部５９は、加熱要素５１の底部を規定する。例として、図１に示す加熱要素５１の加熱セグメント５５は、８つの異なった長さである。最も短いセグメント６７は、加熱要素５１の上部から下方に、おおよそ７１ｍｍ延び、一方、最も長いセグメント６５は、加熱要素の上部から下方に、おおよそ４００ｍｍ延びている。このように、上部から下方に延びたそれぞれの加熱セグメント５５の最初の７１ｍｍは、結晶インゴットＩの部分に半径方向に対向し、加熱要素５１は、加熱要素の上部近傍のインゴットの全周を実質的に囲む。これとは対対照的に、最も長い加熱セグメント６５は、加熱要素５１の底部近傍の結晶インゴットの周囲の約１／８のみで、インゴットＩと半径方向に対向する。このように、加熱要素５１は、その底部よりその上部で、より多くの熱を結晶に放射することがわかる。
【００２３】
加熱セグメント５５の断面積は、セグメントの高さ方向に沿って実質的に等しく、その抵抗は、加熱要素５１を通して略一定である。このように、加熱要素５１により放射される熱の温度は、略均一である。例えば、本発明の加熱要素５１は、約１０００℃から１１００℃の範囲の温度で、熱を放射できることが好ましい。なぜならば、１０００℃より高い温度、好ましくは１１００℃から１０００℃の範囲で、インゴットの冷却速度を低減することが望まれるからである。また、インゴットが再加熱される程度にまでインゴットが過剰に加熱されることは望まれない。しかしながら、この発明の範囲から離れることなく、所望のインゴットの冷却速度に依存して、温度がこの範囲の外側に下げられてもかまわない。加熱セグメント５５の長さのばらつきにより、加熱パワー出力が、加熱要素の底部に向かって漸次減少する。
【００２４】
図示された具体例のように、セグメント５５は、最も短いセグメント６７が加熱要素５１の一方の側に配置され、最も長いセグメント６５がこの加熱要素の反対側に配置され、最も長いセグメントと最も短いセグメントとの間で中間のセグメントの長さが漸次増加するように配置される。図６に、本発明の電気抵抗ヒータ２１の代わりの具体例を示す。かかる電気加熱ヒータでは、加熱要素５１が、１０４ｍｍから３５０ｍｍの範囲の４つの異なった長さの加熱セグメントを含む。セグメント５５は、同じ長さのセグメントが、加熱要素５１の周辺に等しい間隔を隔てるように配置される。加熱パワー出力が、ヒータ２１の底部から上部に増加するように、加熱要素５１が分布される限り、本発明の範囲から離れることなく、加熱セグメント５５を、図２及び図６に示された加熱セグメント以外の構造とすることも予定されている。
【００２５】
加熱要素５１の好ましい作製方法では、抵抗加熱材料から形成される管（図示せず）の部分が切り取られ、加熱セグメント５５の下端部５９の階段形状がほぼ形成される。垂直方向に延びたスロット６９、７１が、続いて、管に切りこまれ、蛇状の形状を形成する。下方に延びたスロット６９は、加熱要素５１の上部から下方に延びて、セグメント５５の下端部５９の近くで終端し、下端部において互いに接続された隣接したセグメントを残す。上方に延びたスロット７１は、加熱要素５５の下端部５９から上方に延びて、加熱要素５１の上部の近くで終端し、それらのセグメントの上端部５７において、互いに接続された隣接したセグメントを残す。加熱要素５１の周辺部の回りで、交互に上方及び下方に延びたスロット６９、７１は、蛇状の形状の加熱要素を形成する。
【００２６】
操作において、多結晶シリコン（ポリシリコン）がるつぼ３１中に堆積され、るつぼヒータ３７から放射される熱により溶かされる。溶けたシリコンＭと接触するように種結晶４９が入れられ、単結晶シリコンインゴットＩが、引き上げメカニズムでゆっくり引き上げられることにより成長する。成長するインゴットは、メルトから上方に引き上げられると直ちに、本質的な冷却速度で冷却が始まる。上部結晶成長チャンバ２７と下部引き上げチャンバ２９とを通って上方に引き上げられる場合に、インゴットＩは、この実質的な速度で、連続して冷却される。インゴットＩが、ヒータ２１の加熱要素５１の底部に到着した場合、成長するインゴットは、液体／固体界面の約１４００℃の初期温度から、約１１００℃まで冷却される。インゴットＩの部分が、最も長いセグメント６５を備えた半径表示に入った場合、熱がそれらの部分に照射されて、更なる冷却の速度を減少させる。インゴットＩが、加熱要素５１を通って上方に引き上げられた場合、インゴットに熱を放射する加熱セグメント５５の数が、漸次増加する。加熱パワーの漸次の増加は、インゴットが、加熱要素５１の上部まで及び上部の上に引き上げられた場合に、上部引き上げチャンバの側壁の冷却効果に対するインゴットＩの増加する露出に対して、均一に対抗する。これにより、インゴットの冷却速度は、略均一の速度に維持される。
【００２７】
例として、上述のタイプの結晶引き上げ装置２３中の、チョクラルスキ法による１組の単結晶シリコンインゴットの成長をシミュレートするために、有限要素モデル分析が行なわれた。第１のインゴットＩの成長が、引き上げハウジング２５の上部引き上げチャンバ２９中で、本発明のヒータ２１なしでシミュレートされた。本発明の電気抵抗ヒータ２１は、第２のインゴットＩの成長のシミュレートのために設計された。図３及び図４を参照すると、双方のケースで、成長するインゴットＩの温度が、インゴットの高さに沿って記録され、等温線が、インゴットの冷却パターンを表示するために描かれた。図３（上部引き上げチャンバ中の、追加のヒータなしに成長されたインゴットに対応）において、１０００℃より高温の等温線は比較的互いに近づいており、インゴットＩの速い冷却速度を示す。図４に示すように、本発明のヒータ２１が使用された場合、特に１０００℃と１１００℃の範囲において等温線は更に間隔を隔て、インゴットＩの所望の遅い冷却速度を示す。
【００２８】
加えて、インゴットＩの軸線温度勾配が、成長するインゴットの温度に対して記録され描かれた。結果を図５に示す。１１００℃と１０００℃の間の所望の温度範囲において、追加のヒータ２１を有する引き上げ装置２３に中で成長したインゴットＩの軸線温度勾配は、凝固後に、約０．４℃／ｍｍに低減された。かかる値は、追加のヒータのない引き上げ装置で成長されたインゴットの軸線温度勾配より、実質的に小さい。更に、本発明のヒータ２１が組み込まれた場合、軸線温度勾配は、所望の温度範囲において、約０．４℃／ｍｍで、略均一であった。
【００２９】
上述の内容からわかるように、ここで記載された電気抵抗ヒータ２１は、本発明のさまざまな目的を満足し、他の有利な結果を達成する。その中で、加熱セグメント５５が結晶成長チャンバ２７の中に延びて異なった長さを有する、結晶引き上げ装置のハウジング２５の上部チャンバ２９に載置された分布した加熱要素２１の提供は、ヒータ２１の底部から上部に、増加した加熱出力分布を形成する。インゴットが加熱要素５１を通って上方に引き上げられる場合に、成長するインゴットＩに放射される熱の量は、それゆえに、増加する。これにより、所望の冷却速度に下げられるインゴットの冷却速度が低減され、続いて、１１００℃から１０００℃の所望の温度範囲を通って、比較的均一なインゴットの軸線温度勾配を維持する。
【００３０】
この温度範囲において、約０．４℃／ｍｍの、一定の軸線温度勾配を維持することは、インゴットＩが１０００℃を超えて冷却された後に、再度、増加するのに先立って、０．４℃／ｍｍより小さい略鋭いバレーに落ち込む温度勾配より有利となる。特に、インゴットＩの軸線温度勾配が、０．４℃／ｍｍのような鋭いバレーに落ち込む点で、インゴットの温度が１０００℃に冷却された後に、冷却速度が再度増加するためには、より長くかかる。これにより、空孔の更なる凝集の危険性が増加し、これにより、インゴットのＧＯＩに対する潜在的な否定的な影響を有する。本発明のヒータ２１を用いることにより、少し高いが、しかし均一な軸線温度勾配が、所望の冷却範囲を通じて維持される。このように、空孔の凝集に制御が達成される一方で、同時に、インゴットの温度が一度１０００℃より低く冷却された後に、冷却速度を増加させるために必要とされる時間が減少する。１０００℃より上の実質的に低減された冷却速度は、インゴットから半径方向の、自己侵入型の外部拡散のための十分な時間を許容し、侵入型欠陥の凝集のために必要な臨界濃度より低い濃度に抑制する。
【００３１】
本発明の範囲から離れることなく、多くの変形が上記構造で行うことができ、上記記載に含まれ、又は図面を伴って示される全ての内容は、例示として解釈され、限定するものと解釈すべきでない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  結晶引き上げ装置の模式的な部分垂直断面図であり、単結晶シリコンインゴットの成長中の位置における第１の具体例の電気抵抗ヒータを示す。
【図２】  電気抵抗ヒータの斜視図である。
【図３】  結晶成長装置の模式的な垂直断面図であり、本発明の電気加熱ヒータを備えない場合の、有限要素分析を用いて作成した成長する結晶の等温線を示す。
【図４】  結晶成長装置の模式的な垂直断面図であり、本発明の電気加熱ヒータを含む場合の、有限要素分析を用いて作成した成長する結晶の等温線を示す。
【図５】  結晶インゴットの軸線温度勾配と、有限要素分析のインゴットのための温度との関係の図である。
【図６】  本発明の電気加熱ヒータの第２の具体例の斜視図である。対応する引用符号は、全ての図面を通じて対応する部分を示す。
【図１】
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【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】
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