(57)【要約】【課題】シリコン融液から発生するＳｉＯガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現することのできる単結晶引上装置を提供する。【解決手段】ルツボ３の上方から不活性ガスＧを供給する第一のガス供給手段１３、１４、１７と、前記ヒータ４の下方から不活性ガスＧを供給する第二のガス供給手段１５、１６、１７と、前記ヒータ４の上方に設けられた排気口１８から不活性ガスＧを炉体２外に排気する排気手段１９とを備え、前記第一のガス供給手段１３、１４、１７により供給される不活性ガスＧは、前記ルツボ３の上方から該ルツボ内に導入されて前記ヒータ４上方の前記排気口１８から排気され、前記第二のガス供給手段１５、１６、１７により供給される不活性ガスＧは、前記ヒータ４と前記ルツボ３との間を上方に流れて前記ヒータ４上方の前記排気口１８から排気される。【選択図】図１
2007254165.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉体内のルツボと、該ルツボ周囲に設けられたヒータとを具備し、前記ヒータの加熱により前記ルツボ内の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、
前記ルツボの上方から不活性ガスを供給する第一のガス供給手段と、前記ヒータの下方から不活性ガスを供給する第二のガス供給手段と、前記ヒータの上方に設けられた排気口から不活性ガスを炉体外に排気する排気手段とを備え、
前記第一のガス供給手段により供給される不活性ガスは、前記ルツボの上方から該ルツボ内に導入されて前記ヒータ上方の前記排気口から排気され、前記第二のガス供給手段により供給される不活性ガスは、前記ヒータと前記ルツボとの間を上方に流れて前記ヒータ上方の前記排気口から排気されることを特徴とする単結晶引上装置。
【請求項２】
前記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て設けられ、単結晶に対する輻射熱を遮蔽する輻射シールドを備え、
前記輻射シールドの下端は、前記ルツボ内において、ルツボ上端とシリコン溶融液面との間に位置するよう設置され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】
前記第一のガス供給手段により供給される不活性ガスの流量は、前記第二のガス供給手段により供給される不活性ガスの流量の２倍以上とな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。
【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、ルツボ内に収容されたシリコンの溶融液の表面に種結晶を接触させ、ルツボを回転させるとともに、この種結晶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、種結晶の下端に単結晶を形成していくものである。
【０００３】
図３に示すように、従来のＣＺ法を用いた引上げ法は、先ず、石英ガラスルツボ５１に原料シリコンを装填し、ヒータ５２により加熱してシリコン融液Ｍとする。しかる後、引上げ用のワイヤ５０に取り付けられた種結晶Ｐをシリコン融液Ｍに接触させてシリコン結晶Ｃを引上げる。
【０００４】
一般に、引上げ開始に先立ち、シリコン融液Ｍの温度が安定した後、図４に示すように、種結晶Ｐをシリコン融液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とシリコン融液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。
【０００６】
ところで単結晶育成工程においては、ルツボ５１に溶融されたシリコン溶融液ＭからＳｉＯガスが発生する。このＳｉＯガスは、炉体内側面で結露し固体化すると、ルツボ５１内に落下し混入する虞があり、その場合、単結晶Ｃが有転位化し、その育成が阻害されるという問題がある。
【０００７】
そこで、シリコン溶融液Ｍから発生したＳｉＯガスを炉体外へ排気するため、ルツボ５１が収容された炉体内には、従来、図５に示すように上方から下方に向けて、不活性ガスであるＡｒガスＧのガス流が形成される。
【０００８】
即ち、ルツボ５１の上方から供給されたＡｒガスＧは、輻射熱を遮蔽するための輻射シールド５３内をシリコン溶融液Ｍに向けて流れ、その後、輻射シールド５３の外側に沿ってルツボ外へ導出される。そして、ルツボ外へ導出されたＡｒガスは、ルツボ５１とヒータ５２との間を下方へ流れ、炉体底面に設けられた排気口５４から排気される。
このように形成されたガス流によれば、シリコン溶融液Ｍの液面上をＡｒガスＧが通過するため、溶融液Ｍから発生したＳｉＯガスをＡｒガスＧと共に炉体外へ排気することができる。
【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】
【０００９】
前記のように従来にあっては、シリコン溶融液Ｍから発生したＳｉＯガスは、炉体内に形成されたＡｒガスＧのガス流により、ＡｒガスＧと共にヒータ５２とルツボ５１との間を流れて炉体外へ排気される。
しかしながら、ヒータ５２は、単結晶育成中において例えば１５００℃以上に発熱されるため、Ａｒガスと共に流れるＳｉＯガスとヒータ５２の発熱部を形成するカーボンとが化学反応し、そのカーボンが浸食される虞があった。即ち、ヒータ発熱部が減肉化し、さらにＳｉＣ化してヒータ５２の寿命が低下するという課題があった。
【００１０】
また、ヒータ発熱部が減肉化すると、経時的なヒータ発熱分布の変動により単結晶中の酸素濃度が変動し、ばらつきが生じるという課題があった。
また、カーボンとＳｉＯガスによる反応によりＣＯガスが発生し、これが単結晶中に取り込まれ、単結晶中のカーボン濃度が上昇し品質悪化の原因となっていた。
【００１１】
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、単結晶引上装置において、シリコン融液から発生するＳｉＯガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現することのできる単結晶引上装置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】
【００１２】
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、炉体内のルツボと、該ルツボ周囲に設けられたヒータとを具備し、前記ヒータの加熱により前記ルツボ内の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、前記ルツボの上方から不活性ガスを供給する第一のガス供給手段と、前記ヒータの下方から不活性ガスを供給する第二のガス供給手段と、前記ヒータの上方に設けられた排気口から不活性ガスを炉体外に排気する排気手段とを備え、前記第一のガス供給手段により供給される不活性ガスは、前記ルツボの上方から該ルツボ内に導入されて前記ヒータ上方の前記排気口から排気され、前記第二のガス供給手段により供給される不活性ガスは、前記ヒータと前記ルツボとの間を上方に流れて前記ヒータ上方の前記排気口から排気されることに特徴を有する。
【００１３】
このように構成することにより、シリコン溶融液から発生したＳｉＯガスを伴う不活性ガスが、ヒータに接触しないようガス流を形成することができる。したがって、ＳｉＯガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現することができる。
【００１４】
また、前記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て設けられ、単結晶に対する輻射熱を遮蔽する輻射シールドを備え、前記輻射シールドの下端は、前記ルツボ内において、ルツボ上端とシリコン溶融液面との間に位置するよう設置されることが望ましい。
このように輻射シールドを設けることにより、第一のガス供給手段により上方から供給される不活性ガスの流れを整流することができ、シリコン溶融液から発生したＳｉＯガスを効率よく排気することができる。
【００１５】
また、前記第一のガス供給手段により供給される不活性ガスの流量は、前記第二のガス供給手段により供給される不活性ガスの流量の２倍以上となされることが望ましい。
このように不活性ガスの流量を制御することで、夫々のガス流が衝突することによる乱流発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単結晶引上装置において、シリコン融液から発生するＳｉＯガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現することのできる単結晶引上装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る単結晶引上装置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内に設けられた石英ガラスルツボ３と、石英ガラスルツボ３に装填された半導体原料（原料シリコン）Ｍを溶融するヒータ４と、育成される単結晶Ｃを引上げる引上げ機構５とを有している。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を有し、このワイヤ５ｂの先端に種結晶Ｐが取り付けられている。
【００１８】
また、メインチャンバ２ａ内において、石英ガラスルツボ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。
尚、シールド下端は、炉体２内のガス流を整流するため、ルツボ３内において、シリコン溶融液面とルツボ上端との間に位置するようになされ、溶融液面との間の距離寸法（ギャップ）は、育成する単結晶の所望の特性に応じて所定の距離に設定されている。
また、ヒータ４とメインチャンバ２ａとの間には、熱効率を向上するための断熱材２０が設けられている。
【００１９】
また、プルチャンバ２ｂの上部には、不活性ガスであるＡｒガスを炉体２内に供給するための不活性ガス第一供給口１３が設けられている。
この不活性ガス第一供給口１３には、バルブ１４を介してＡｒガス源１７が接続されており、バルブ１４が開かれることによりＡｒガスがプルチャンバ２ｂ上部から炉体２内に導入されるようになされている。即ち、不活性ガス第一供給口１３、バルブ１４、Ａｒガス源１７により第一のガス供給手段が構成されている。
【００２０】
また、ヒータ４より下方のメインチャンバ２ａの周面には、不活性ガス第一供給口１３と同様にＡｒガスＧを炉体２内に供給するための複数の不活性ガス第二供給口１５が、チャンバ周面に沿って均等に設けられている。
この不活性ガス第二供給口１５には、バルブ１６を介してＡｒガス源１７が接続されており、バルブ１６が開かれることによりＡｒガスがメインチャンバ２ａ下部から炉体２内に導入されるようになされている。即ち、不活性ガス第二供給口１５、バルブ１６、Ａｒガス源１７により第二のガス供給手段が構成されている。
【００２１】
また、ヒータ４より上方のメインチャンバ２ａの周面には、チャンバ周面に沿って均等に複数の排気口１８が設けられ、この排気口１８には排気手段としての排気ポンプ１９が接続されている。
即ち、排気ポンプ１９が駆動し、前記バルブ１４、１６が開かれることにより、不活性ガス第一供給口１３及び不活性ガス第二供給口１５からＡｒガスＧが炉体２内に供給され、夫々ガス流を形成して排気口１８から排気されるようになされている。
【００２２】
尚、不活性ガス第一供給口１３からのガス流量の調整は、バルブ１４の開閉度及び排気ポンプ１９の吸引強度を制御することによってなされ、不活性ガス第二供給口１５からのガス流量の調整は、バルブ１６の開閉度及び排気ポンプ１９の吸引強度を制御することによってなされる。
【００２３】
また、図１に示すように単結晶引上装置１は、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と前記バルブ１４、１６と前記排気ポンプ１９とはコンピュータ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においては、最初に石英ガラスルツボ３に原料シリコンＭを装填し、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、以下のように結晶育成工程が開始される。
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、石英ガラスルツボ３の原料シリコンＭが溶融される。
【００２５】
また、演算制御装置８ｂの指令によりバルブ１４、１６が開かれ、排気ポンプ１６が駆動されて、炉体２内にＡｒガス流が形成される。
さらに、演算制御装置８ｂの指令によりモータ制御部１０ａと、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、石英ガラスルツボ３が回転すると共に、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。
【００２６】
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。
【００２７】
尚、この単結晶引上工程においてＡｒガスの流れは、図２に示すように形成される。
即ち、不活性ガス第一供給口１３から導入されたＡｒガスＧは輻射シールド６の上方からルツボ３内に導入されてシリコン溶融液Ｍの液面上を通過し、その後、溶融液Ｍから発生するＳｉＯガスを伴い輻射シールド６の外側に沿ってルツボ３外へ導出される。
ここで、前記したように輻射シールド６の下端は、シリコン溶融液面とルツボ上端との間に位置するようになされているため、不活性ガス第一供給口１３から供給されるＡｒガスＧの流れが整流され、効率よくＳｉＯガスがルツボ３外へ導出される。
そして、ルツボ３外へ導出された（ＳｉＯガスを伴う）ＡｒガスＧは、ルツボ３とヒータ４の上方に設けられた排気口１８から排気される。
【００２８】
また、不活性ガス第二供給口１５から導入されたＡｒガスＧはルツボ３とヒータ４との間を通って上方へ流れ、前記排気口１８から排気される。即ち、このルツボ３とヒータ４との間において、下方から上方に向うガス流を形成することにより、シリコン溶融液Ｍから発生したＳｉＯガスがヒータ４に接触することのないようになされている。
【００２９】
尚、炉体２上部の不活性ガス第一供給口１３から下方に向けて導入されるＡｒガスＧの流量は、炉体２下部の不活性ガス第二供給口１５から上方に向けて導入されるＡｒガスＧの流量の２倍以上とすることにより、夫々のガス流が衝突することによる乱流発生を抑制することができる。
【００３０】
以上のように本発明に係る実施の形態によれば、シリコン溶融液から発生したＳｉＯガスを伴うＡｒガスＧが、ヒータ４に接触しないようガス流を形成することができる。したがって、ＳｉＯガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現することができる。
【実施例】
【００３１】
続いて、本発明に係る単結晶引上装置について、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。
【００３２】
この実験では、直径１２インチのシリコン単結晶の育成を、内直径３２インチのルツボにおいて実施し、ヒータの減肉状態を検証した。
また、輻射シールド上方からルツボ内に供給するガス流量は、ヒータ下方から上方に供給するガス流量の３倍とした。
【００３３】
この実験結果を図６のグラフに示す。このグラフに示されるように、従来の構成により行った比較例の結果に対し、本発明の構成によればヒータ減肉量が約６分の１となり、ヒータの寿命が向上することが確認された。
また、製造された単結晶の酸素濃度のばらつきが減少し、単結晶中のカーボン濃度の減少が確認された。
【００３４】
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、シリコン融液から発生するＳｉＯガスによるヒータ発熱部への悪影響を抑制し、ヒータの寿命向上、単結晶の高品質化を実現できることを確認した。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
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】
【００３６】
【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の単結晶引上装置の炉体内の不活性ガスのガス流を示す図である。
【図３】図３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４】図４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５】図５は、従来の炉体内における不活性ガスのガス流を示す図である。
【図６】図６は、実施例の結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
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      石英ガラスルツボ（ルツボ）
４      ヒータ
５      引上げ機構
６      輻射シールド
８      コンピュータ
８ａ    記憶装置
８ｂ    演算記憶装置
１３    不活性ガス第一供給口（第一のガス供給手段）
１４    バルブ（第一のガス供給手段）
１５    不活性ガス第二供給口（第二のガス供給手段）
１６    バルブ（第二のガス供給手段）
１７    Ａｒガス供給源（第一のガス供給手段、第二のガス供給手段）
１８    排気口
１９    排気ポンプ（排気手段）
Ｃ      単結晶
Ｇ      Ａｒガス（不活性ガス）
Ｍ      原料シリコン、シリコン融液
Ｐ      種結晶
Ｐ１    ネック部
【図１】
2007254165.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007254165.tif 000007
【図６】
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