(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体融液を保持するルツボと、該ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる引上機構と、該引上機構で引き上げられる半導体単結晶の周囲に同心に配された冷却筒と、前記ルツボ及び前記冷却筒を収納する気密容器とを備えた単結晶引上装置であって、
前記気密容器には、外部から前記半導体融液と前記半導体単結晶との境界領域を観察可能な窓部が形成され、
前記冷却筒の下端部には、前記窓部と前記境界領域とを結ぶ直線上に切り欠き部が形成され、
前記冷却筒の内部に、冷媒を流通させる冷媒路が形成され、
前記冷媒路は、前記冷却筒の周方向に１８０度づつ第１路と第２路とに分割され、
前記第１路と前記第２路とは、互いに前記冷媒の流入口と排出口とが反対側に配されて逆方向に冷媒が流通可能であることを特徴とする単結晶引上装置。
【請求項２】
半導体融液を保持するルツボと、該ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる引上機構と、該引上機構で引き上げられる半導体単結晶の周囲に同心に配された冷却筒と、前記ルツボ及び前記冷却筒を収納する気密容器とを備えた単結晶引上装置であって、
前記気密容器には、外部から前記半導体融液と前記半導体単結晶との境界領域を観察可能な窓部が形成され、
前記冷却筒の下端部には、前記窓部と前記境界領域とを結ぶ直線上に切り欠き部が形成され、
前記冷却筒の内部に、冷媒を流通させる冷媒路が形成され、
該冷媒路は、前記切り欠き部の近傍で他の部分よりも狭められ、
前記冷媒路は、前記冷却筒の周方向に１８０度づつ第１路と第２路とに分割され、
前記第１路と前記第２路とは、互いに前記冷媒の流入口と排出口とが反対側に配されて逆方向に冷媒が流通可能であることを特徴とする単結晶引上装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）を用いて、ルツボに貯留された半導体融液より半導体単結晶を引き上げる単結晶引上装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、シリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶を成長する手段の一つとして、ＣＺ法を用いた単結晶引上装置が知られている。
この単結晶引上装置は、図３に示すように、チャンバ１内部のサセプタ２上に配設した石英ルツボ３内に半導体融液Ｌを貯留し、該半導体融液Ｌを石英ルツボ３の周囲に配置した円筒状のヒータ４で所定温度に加熱制御して、この半導体融液Ｌから半導体単結晶Ｃを引上機構１０で引き上げるものである。なお、符号７は、ガス整流用のフロー管であり、符号６はフロー管７を支持する円環状のアッパーリングである。
【０００３】
従来、この単結晶引上装置には、引き上げられる半導体単結晶Ｃを効果的に冷却して引上速度を向上させるために半導体単結晶Ｃの周囲を覆うように冷却筒８を設置しているものがある。この冷却筒８内には、冷却水等が流されており、水冷により熱吸収するようになっている。また、チャンバ１の透明窓部１ａからＣＣＤカメラ等の光学系計測装置９によって半導体単結晶Ｃと半導体融液Ｌとの境界領域を観測し、引上中の半導体単結晶Ｃの直径を計測するようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の単結晶引上装置には、以下のような課題が残されている。すなわち、引き上げた半導体単結晶の冷却効果をより高めるためには、冷却筒の長さを長くして、できる限り融液面に下端を近づけた方が良いが、冷却筒の下端が低すぎると、冷却筒が邪魔になってチャンバの窓部からＣＣＤカメラ等によって半導体単結晶と半導体融液との境界領域が観測できず、引上中の半導体単結晶の直径を計測することができないという不都合があった。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、半導体単結晶の高い冷却効果を有すると共に直径計測も可能な単結晶引上装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
すなわち、本発明の単結晶引上装置は、半導体融液を保持するルツボと、該ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる引上機構と、該引上機構で引き上げられる半導体単結晶の周囲に同心に配された冷却筒と、前記ルツボ及び前記冷却筒を収納する気密容器とを備えた単結晶引上装置であって、前記気密容器には、外部から前記半導体融液と前記半導体単結晶との境界領域を観察可能な窓部が形成され、前記冷却筒の下端部には、前記窓部と前記境界領域とを結ぶ直線上に切り欠き部が形成され、前記冷却筒の内部に、冷媒を流通させる冷媒路が形成され、前記冷媒路は、前記冷却筒の周方向に１８０度づつ第１路と第２路とに分割され、前記第１路と前記第２路とは、互いに前記冷媒の流入口と排出口とが反対側に配されて逆方向に冷媒が流通可能であることを特徴とする。
本発明の単結晶引上装置は、半導体融液を保持するルツボと、該ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる引上機構と、該引上機構で引き上げられる半導体単結晶の周囲に同心に配された冷却筒と、前記ルツボ及び前記冷却筒を収納する気密容器とを備えた単結晶引上装置であって、前記気密容器には、外部から前記半導体融液と前記半導体単結晶との境界領域を観察可能な窓部が形成され、前記冷却筒の下端部には、前記窓部と前記境界領域とを結ぶ直線上に切り欠き部が形成され、前記冷却筒の内部に、冷媒を流通させる冷媒路が形成され、該冷媒路は、前記切り欠き部の近傍で他の部分よりも狭められ、前記冷媒路は、前記冷却筒の周方向に１８０度づつ第１路と第２路とに分割され、前記第１路と前記第２路とは、互いに前記冷媒の流入口と排出口とが反対側に配されて逆方向に冷媒が流通可能であることを特徴とする。
【０００７】
本発明の単結晶引上装置は、半導体融液を保持するルツボと、該ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる引上機構と、該引上機構で引き上げられる半導体単結晶の周囲に同心に配された冷却筒と、前記ルツボ及び前記冷却筒を収納する気密容器とを備えた単結晶引上装置であって、前記気密容器には、外部から前記半導体融液と前記半導体単結晶との境界領域を観察可能な窓部が形成され、前記冷却筒の下端部には、前記窓部と前記境界領域とを結ぶ直線上に切り欠き部が形成されている。
この単結晶引上装置では、冷却筒の下端部に、窓部と境界領域とを結ぶ直線上に切り欠き部が形成されているので、冷却筒の下端部が邪魔にならず、切り欠き部を介して窓部から境界領域を観察でき、冷却筒を半導体融液面により近づけることができる。
【０００８】
また、本発明の単結晶引上装置は、前記冷却筒の内部に冷媒を流通させる冷媒路が形成され、該冷媒路は、前記切り欠き部の近傍で他の部分よりも狭められていることが好ましい。すなわち、この単結晶引上装置では、冷媒路が切り欠き部の近傍で他の部分よりも狭められているので、この部分で冷媒の流速が高くなり、切り欠き部の近傍で冷媒が滞留してしまうことを防ぐことができる。
【０００９】
また、本発明の単結晶引上装置は、前記冷媒路が、前記冷却筒の周方向に１８０度づつ第１路と第２路とに分割され、前記第１路と前記第２路とは、互いに前記冷媒の流入口と排出口とが反対側に配されて逆方向に冷媒が流通可能であることが好ましい。すなわち、この単結晶引上装置では、第１路と第２路とが、互いに冷媒の流入口と排出口とが反対側に配されて逆方向に冷媒が流通可能であるので、冷却筒の周方向における温度差を極力低減することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る単結晶引上装置の一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
これらの図にあって、符号１１はチャンバ、１２はシャフト、１３はサセプタ、１４はルツボ、１５はヒータ、１６は保温筒を示している。
【００１１】
図１は、本実施形態の単結晶引上装置を示すものであって、該単結晶引上装置は、中空の気密容器であるチャンバ１１内に、該チャンバ１１の中央下部に垂直に立設され上下動可能なシャフト１２と、該シャフト１２上に載置されたカーボン製のサセプタ１３と、該サセプタ１３上に載置されて支持されシリコンの融液である半導体融液Ｌを貯留する石英（ＳｉＯ2）製のルツボ１４と、該ルツボ１４の外周に所定距離離間して配されたヒータ１５と、該ヒータ１５の周囲に配された保温筒１６とがそれぞれ配置されている。
【００１２】
前記ルツボ１４は、シャフト１２の軸線を中心として水平面上で所定の角速度で回転する構成になっている。
前記ヒータ１５は、シリコン原料をルツボ１４内で加熱・融解するとともに生じた半導体融液Ｌを保温するもので、通常、抵抗加熱が用いられる。
【００１３】
また、この単結晶引上装置は、ルツボ１４の上方に該ルツボ１４と同軸に配置された略円筒状のフロー管１７と、保温筒１６の上部に取り付けられフロー管１７を支持する円環状のアッパーリング１８とを備えている。
上記フロー管１７は、内径が下方に向けて漸次小さくなるテーパ状の円筒部材であり、その上端フランジ部がアッパーリング１８を介して保温筒１６の上部に固定されている。このフロー管１７は、成長時に半導体単結晶Ｃへの輻射熱を遮断するとともに、チャンバ１１の上部から供給されるアルゴンガス（不活性ガス）を通過させて半導体融液Ｌ上に吹き付け、半導体融液Ｌから発生するＳｉＯ２を吹き流すものである。なお、吹き流されたＳｉＯ２を含むアルゴンガスは、チャンバ１１の下部から外部に順次排出される。
【００１４】
上記保温筒１６は、炭素繊維（カーボンファイバ）からなる保温材で形成されその内側面に支持板としてカーボン板が張られている。
また、チャンバ１１上部からは、引上ワイヤ１９がモータ等の引上機構２０によって昇降自在にかつ回転自在に吊り下げられ、該引上ワイヤ１９の下端部には、シリコンの種結晶が固定されている。
【００１５】
また、チャンバ１１の上部には、外部から半導体融液Ｌと半導体単結晶Ｃとの境界領域（半導体単結晶Ｃの固液境界領域）を観察するための透明窓部１１ａが設けられている。さらに、該透明窓部１１ａを介してチャンバ１１の外部から上記境界領域を観察し、半導体単結晶Ｃの直径を計測するＣＣＤカメラ等の光学系計測装置２１がチャンバ１１上部に設置されている。
【００１６】
さらに、この単結晶引上装置は、引上機構２０で引き上げられる半導体単結晶Ｃの周囲に同心に配された冷却筒２２がチャンバ１１上部に固定されている。
上記冷却筒２２は、図２に示すように、その下端部に透明窓部１１ａと上記境界領域とを結ぶ直線上に矩形状に切り欠き部２２ａが形成されている。なお、この冷却筒２２の下端は、従来の切り欠き部２２ａの無いものよりも、半導体融液面に近く下方に設定されている。
【００１７】
また、冷却筒２２の内部には、冷媒として冷却水を流通させる冷媒路２３が形成され、該冷媒路２３は、冷却筒２２の周方向に１８０度づつ第１路２３ａと第２路２３ｂとに第１仕切板２２ｂ及び第２仕切板２２ｃで分割されている。これらの第１路２３ａと第２路２３ｂとは、互いに冷却水の流入口２２ｄと排出口２２ｅとが反対側に配されて逆方向に冷却水が流通可能となっている。すなわち、第１路２３ａと第２路２３ｂとでは、冷却水の流入口２２ｄと排出口２２ｅとが互い違いに配置されている。
【００１８】
さらに、冷媒路２３は、切り欠き部２２ａの近傍で他の部分よりも狭められている。すなわち、第１路２３ａには、周方向における切り欠き部２２ａの前後に下部に冷却水の上流側流通部２３ｃ及び下流側流通部２３ｄを開けて上流側仕切板２２ｆ及び下流側仕切板２２ｇがそれぞれ設けられていると共に、切り欠き部２２ａの上方にも冷却水の上部流通部２３ｅを冷却筒２２上部に開けて上部仕切板２２ｈが設けられている。
【００１９】
すなわち、流入口２２ｄから冷媒路２３内に流入した冷却水は、切り欠き部２２ａの近傍まで流れると、上流側流通部２３ｃから上流側仕切板２２ｆと上部仕切板２２ｈとの間、上部流通部２３ｅ、下流側仕切板２２ｇと上部仕切板２２ｈとの間、下流側流通部２３ｄをこの順に介して流れ、最終的に排出口２２ｅから外部へと排出される。なお、図中において、矢印は冷却水の流れる方向を示している。
【００２０】
また、上流側仕切板２２ｆ及び下流側仕切板２２ｇと上部仕切板２２ｈとの間隔をＤ１とし、上流側仕切板２２ｆと冷却筒２２の下端との間隔をＤ２とし、上流側仕切板２２ｆと切り欠き部２２ａとの間隔をＤ３とし、切り欠き部２２ａの幅をＤ４とすると、以下の２つの関係式（１）（２）を満足するように各間隔が設定されていることが、切り欠き部２２ａ近傍の流速を効果的に高めるために望ましい。
・Ｄ３＝Ｄ１−Ｄ４／２      ・・・（１）
・Ｄ１＞Ｄ３＞Ｄ２          ・・・（２）
【００２１】
この単結晶引上装置において結晶成長を行う場合、まずチャンバ１１内にアルゴンガスを供給するとともに、ヒータ１５に通電してルツボ１４内のシリコン原料を溶融して半導体融液Ｌとし、そしてヒータ１５の電力を調整して半導体融液Ｌの中央液面付近を単結晶成長温度に保つ。次に、引上ワイヤ１９により吊り下げられた種結晶を下降させて半導体融液Ｌに浸してなじませ、いわゆるネッキングにより無転位化を行い、その後、ルツボ１５と引上ワイヤ１９とを互いに反対に回転させながら半導体単結晶Ｃを引き上げ成長する。この際、光学系計測装置２１によって、透明窓部１１ａから切り欠き部２２ａを介して上記境界領域を観察し、半導体単結晶Ｃの直径を計測しながら、引上機構２０による引上速度を調整する。
【００２２】
このように本実施形態では、冷却筒２２の下端部に、透明窓部１１ａと上記境界領域とを結ぶ直線上に切り欠き部２２ａが形成されているので、切り欠き部２２ａを介して透明窓部１１ａから上記境界領域を観察でき、冷却筒２２を半導体融液面により近づけることができる。
また、切り欠き部２２ａの近傍では、冷媒路２３の他の部分よりも上記仕切板により流路断面積が狭くなっているので、冷却水の流速が速くなり、冷却水の滞留を防ぐことができる。
さらに、第１路２３ａと第２路２３ｂとは、互いに冷却水の流入口２２ｄと排出口２２ｅとが反対側に配されて逆方向に冷却水が流通可能であるので、冷却筒２２の周方向における温度差を極力低減することができる。
【００２３】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、切り欠き部は２以上設けても構わず、複数の切り欠き部を設けた場合は、各切り欠き部に対応して上記仕切板を設けることが好ましい。
また、切り欠き部の形状は、矩形状に限らず、半円形や三角形などの他の形状としても構わない。
また、冷媒として冷却水を使用したが、他の冷媒、例えばＡｒガス等の気体や水銀等の液体でも構わない。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。すなわち、本発明の単結晶引上装置によれば、冷却筒の下端部に、窓部と境界領域とを結ぶ直線上に切り欠き部が形成されているので、切り欠き部を介して窓部から境界領域を観察でき、冷却筒を半導体融液面により近づけることができる。したがって、より効果的に半導体単結晶を冷却することができ、成長速度を速めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る単結晶引上装置の一実施形態を示す全体断面図である。
【図２】  本発明に係る単結晶引上装置の一実施形態において、冷却筒の内部構造及び冷却水の流れを説明するために冷却筒を透視的に見た概略構造図である。
【図３】  本発明に係る単結晶引上装置の従来例を示す全体断面図である。
【符号の説明】
１１  チャンバ（気密容器）
１１ａ  透明窓部
１４  ルツボ
１９  ワイヤ
２０  引上機構
２１  光学系計測装置
２２  冷却筒
２２ａ  切り欠き部
２２ｄ  冷却水の流入口
２２ｅ  冷却水の排出口
２３  冷媒路
２３ａ  第１路
２３ｂ  第２路
Ｃ  半導体単結晶
Ｌ  半導体融液
【図１】
0004016644.tif 000002
【図２】
0004016644.tif 000003
【図３】
0004016644.tif 000004