(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英るつぼに収容した半導体融液より半導体単結晶棒を引き上げて半導体単結晶を成長させる単結晶引き上げ装置において、前記半導体融液の液面が一定の高さに保たれるように前記石英るつぼを昇降可能に設けるとともに、前記半導体融液の熱的な環境が一定に保たれるように該半導体融液を加熱する昇降可能なメインヒーター及び昇降可能なサブヒーターを具備し、
前記メインヒーターは円筒状に形成され、
前記サブヒーターは円板状に形成されるとともに、前記石英るつぼの下方において、自身の外周縁が前記メインヒーターの内周面よりも内側に位置するように配置され、
シリコン単結晶とシリコン融液との界面の位置における温度の固化温度からのずれを補正するために、単結晶重量に連動した計算により、所望の距離だけ前記石英るつぼ及び前記黒鉛るつぼを上昇させるか、あるいはメインヒーターを所望の距離だけ下降させるようになっており、
計算機により前記石英るつぼ及び黒鉛るつぼを上昇させる場合はこれらと連動して該サブヒーターが等距離上昇し、前記メインヒーターを下降させる場合はこれと連動して該サブヒーターも等距離下降するように、前記石英るつぼの昇降又は前記メインヒーターの昇降に連動して昇降することを特徴とする単結晶引き上げ装置。
【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により半導体単結晶を製造するのに用いられる単結晶引き上げ装置に関する。さらに詳しくは、多結晶半導体原料を溶融して得られる半導体融液より半導体単結晶棒を引き上げて半導体単結晶を成長させる単結晶引き上げ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体単結晶、特にシリコン単結晶を製造する方法として、いわゆるチョクラルスキー法が広く用いられている。この方法では、石英るつぼに収容されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、これを引き上げてシリコン単結晶棒を成長させるものである。
【０００３】
この方法で用いられる単結晶引き上げ装置は、多結晶シリコン原料を収容する石英るつぼ、該石英るつぼを保持する黒鉛るつぼ、該黒鉛るつぼの周囲に配されヒーター、及び該ヒーターの周囲に配される断熱材等がチャンバー内に収納された構成を有する。
【０００４】
上記単結晶引き上げ装置を用いてシリコン単結晶を成長する際には、多結晶シリコン原料を石英るつぼ内に投入し、黒鉛るつぼを円周状に取り囲むように設けられたヒーターにより黒鉛るつぼを側面から加熱する。石英るつぼ内に投入された多結晶シリコンは、黒鉛るつぼ及び石英るつぼを介して側方よりヒーターにより加熱されるとともに、ヒーターにより加熱された黒鉛るつぼの輻射熱により石英るつぼを介して下方からも加熱され、溶融してシリコン融液となる。この状態で、上方から吊り下げられた種結晶を石英るつぼ内のシリコン融液に浸漬し、種結晶を回転させながら引き上げることによりシリコン単結晶が棒状に成長し、所望のシリコン単結晶が得られる。
【０００５】
単結晶引き上げ中は、石英るつぼ内のシリコン融液がシリコン単結晶棒が成長するにつれて減少し、シリコン融液の液面は次第に低下する。シリコン融液の液面が低下して液面位置が変化すると熱的な環境も変化し、均一なシリコン単結晶が得られないので、シリコン融液の高さを一定に保つことにより熱的な環境をほぼ一定に保持する必要がある。そのために、石英るつぼは黒鉛るつぼと一体的に昇降可能に設けられ、シリコン単結晶棒の成長度合いに応じてシリコン融液が減少した分だけ石英るつぼを上昇させるようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
かかる単結晶引き上げ装置においては、単結晶の成長とともに石英るつぼを上昇させるので、石英るつぼとヒーターとの相対位置が変り、十分な加熱ができない恐れがあった。また、石英るつぼ下方からの加熱は、上述のように黒鉛るつぼの下方から石英るつぼを輻射で加熱するに留まっているので、石英るつぼの直径が大きい場合、その断面積も増大するので、下方からの加熱は弱まり、やはり十分な加熱ができない恐れがあった。
【０００７】
従来より、ヒーターを昇降可能な構造にして石英るつぼ（黒鉛るつぼ）を加熱する相対的な位置関係を一定に保つ手段（特開平３−５３９４）、あるいは石英るつぼ側方のヒーター（以下「メインヒーター」と言う。）の他に石英るつぼ下方にいわゆるサブヒーターを固定的に配置して補助的に加熱する手段（特開平２−１９２４８６）が知られているが、なお十分とは言えなかった。
【０００８】
本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、石英るつぼ内の半導体融液の熱的な環境を一定に保ち、均質な半導体単結晶を得ることができる単結晶引き上げ装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本願の請求項１記載の発明は、石英るつぼに収容した半導体融液より半導体単結晶棒を引き上げて半導体単結晶を成長させる単結晶引き上げ装置において、前記半導体融液の液面が一定の高さに保たれるように前記石英るつぼを昇降可能に設けるとともに、前記半導体融液の熱的な環境が一定に保たれるように該半導体融液を加熱する昇降可能なメインヒーター及び昇降可能なサブヒーターを具備し、
前記メインヒータは円筒状に形成され、
前記サブヒーターは円板状に形成されるとともに、前記石英るつぼの下方において、自身の外周縁が前記メインヒーターの内周面よりも内側に位置するように配置され、
シリコン単結晶とシリコン融液との界面の位置における温度の固化温度からのずれを補正するために、単結晶重量に連動した計算により、所望の距離だけ前記石英るつぼ及び前記黒鉛るつぼを上昇させるか、あるいはメインヒーターを所望の距離だけ下降させるようになっており、
計算機により前記石英るつぼ及び黒鉛るつぼを上昇させる場合はこれらと連動して該サブヒーターが等距離上昇し、前記メインヒーターを下降させる場合はこれと連動して該サブヒーターも等距離下降するように、前記石英るつぼの昇降又は前記メインヒーターの昇降に連動して昇降することを特徴とする単結晶引き上げ装置を提供する。
【００１１】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１２】
本願発明は、固定的なサブヒーターによるメインヒーター、黒鉛るつぼ及びチャンバーの相対位置変更ができない点を、サブヒーターを昇降可能とする機構を具備させることにより改良しようとするものである。すなわち、従来の単結晶引き上げ装置の欠点であったサブヒーターの固定的な配置を改良し、サブヒーターを例えば２本の電極とともに上下に昇降可能な可動式とすることにより、かかる問題を解決したものである。
【００１３】
また、本願発明は、サブヒーターの昇降について、石英るつぼの昇降に連動した機構も設けたことを特徴とする。すなわち、単結晶引き上げ中に単結晶の成長に伴うシリコン融液表面の位置の下降を補って常に一定位置を保つように、例えばコンピューターを使用して石英るつぼ位置そのものを連動させて上昇させていくようにする。サブヒーターの上下方向の位置もかかる石英るつぼ位置の同期的な移動に合わせてコンピューターにより移動距離を動的に計算し、移動させていくことが本発明の特徴である。
【００１４】
また、サブヒーターの昇降は、石英るつぼの移動に連動させるだけでなく、メインヒーターの移動にも連動させて行うようにすることも可能である。前述のように、単結晶引き上げにおいては、石英るつぼ中のシリコン融液の熱的な環境を一定に保つために、石英るつぼ位置を一定に保ち、メインヒーターをシリコン融液表面位置の減少量に合わせコンピューターで計算し、連動させて下降させていく方法も知られている。本発明では、メインヒーターに連動させてサブヒーターを石英るつぼに対して相対的に移動させる機構を持たせることにより、シリコン融液に対して熱的なバランスをとろうとするものである。
【００１５】
本発明においては、上述のようにサブヒーターが昇降可能に設けられているので、サブヒーターが固定式である場合に比べ、以下のような利点がある。すなわち、石英るつぼ又はメインヒーターを単結晶引き上げ中に移動させた場合、サブヒーターが固定式である場合には、石英るつぼ又はメインヒーターに対してのサブヒーターの空間的な相対位置が変り、固液界面における温度を固化温度に一定に保とうとする本来の絶対的な目的を達成するためには、著しく複雑な制御が必要になる。
【００１６】
すなわち、加熱系においては輻射伝熱が支配的であるが、固液界面の温度を制御する際には、メインヒーター、石英るつぼ及びサブヒーターが所定の相対的位置にある場合の各々の輻射伝熱形態係数を計算し、それをもとに固液界面温度を一定に保つように伝熱計算を行い、その結果に基づいてメインヒーター及びサブヒーターの出力制御を行う。したがって、メインヒーター又は石英るつぼとサブヒーターとの相対的な位置が変化した場合は、固液界面温度を一定に保つように新たな伝熱計算が必要となり、制御が著しく複雑になる。
【００１７】
しかし、本発明においては、メインヒーター又は石英るつぼとサブヒーターとの相対的位置は常に一定に保たれるので、伝熱計算を繰り返す必要はなく、制御が極めて容易である。
【００１８】
【実施の形態】
以下に、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は本発明の単結晶引き上げ装置の一実施形態を示す縦断面図である。図において、密閉タンク状のチャンバー１内の中心には中空状の支持軸２が下方から垂直に臨んでおり、支持軸２の上端部には上下２段の支持台３及び４が取り付けられている。そして、支持台３上には、石英るつぼ５と該石英るつぼ５の周囲を囲ってこれを保護する黒鉛るつぼ６が載置されている。石英るつぼ５と黒鉛るつぼ６は、支持軸２が軸方向に移動することにより上下に昇降できる構造になっている。
【００２０】
一方、チャンバー１内において、石英るつぼ５及び黒鉛るつぼ６の側方の周囲には円筒状のメインヒーター７が配置され、さらにメインヒーター７の周囲には同じく円筒状の断熱材８が配されている。メインヒーター７の下部には電極９が配され、上下に昇降できるようになっている。
【００２１】
また、チャンバー１内において、石英るつぼ５及び黒鉛るつぼ６の下方には円板状のサブヒーター１０が配されている。サブヒーター１０の下端部には電極１１が配され、上下に昇降できるようになっている。
【００２２】
なお、チャンバー１の周壁には冷却水通路（図示せず。）が設けられ、ここに冷却水を流すことによってチャンバー１壁面が冷却されている。
【００２３】
次に、当該単結晶引き上げ装置を用いてシリコン単結晶を成長させる工程について説明する。まず、石英るつぼ５内に投入された多結晶シリコン原料は、メインヒーター７及びサブヒーター１０によって加熱されて溶融せしめられ、石英るつぼ５内にシリコン融液１３が満たされる。そして、上方から吊り下げられる種結晶１５をシリコン融液１３に浸漬し、種結晶１５を回転させながら所定の速度で引き上げることにより、種結晶１５の先に所望のシリコン単結晶棒１４が成長する。
【００２４】
シリコン単結晶の引き上げ重量が増すにつれてシリコン融液１３の体積が減少するので、メインヒーター７に対するシリコン融液１３の表面位置は徐々に変わってくる。これによるシリコン単結晶とシリコン融液との界面の位置における温度の固化温度からのずれを補正するために、単結晶重量に連動した計算により、所望の距離だけ石英るつぼ５及び黒鉛るつぼ６を上昇させるか、あるいはメインヒーター７を所望の距離だけ下降させる。また、サブヒーター１０は、図２に示すように、計算機により石英るつぼ５及び黒鉛るつぼ６を上昇させる場合はこれらと連動させて等距離上昇させ、メインヒーター７を下降させる場合はこれと連動させて等距離下降させる。
【００２５】
【実施例】
次に、当該単結晶引き上げ装置を用いてシリコン単結晶棒を引き上げて成長させた例を示す。
【００２６】
まず、石英るつぼ５内にシリコン多結晶原料２１０ｋｇを投入し、メインヒーター７によって加熱して溶融させ、石英るつぼ５内にシリコン融液１３を得た。このシリコン融液１３に、上方から吊り下げられた種結晶を浸漬し、該種結晶を回転させながらこれを所定の速度で引き上げ、種結晶の先に直径３００ｍｍの単結晶を成長させた。単結晶の引き上げ重量が増すにつれシリコン融液の体積が減少てシリコン融液の表面位置がメインヒーター７に対して相対的に変るので、単結晶と融液との界面の位置における温度を固化温度に保つために、単結晶重量に連動した計算により、所望の距離だけ石英るつぼ５及び黒鉛るつぼ６を上昇させた。また、サブヒーター１０を、石英るつぼ５及び黒鉛るつぼ６と連動させて等距離上昇させた。引き上がったシリコン単結晶棒は、直径の公差が３００ｍｍ±５ｍｍの範囲内に収まり、高精度のシリコン単結晶棒が得られた。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明で明らかな如く、本発明によれば、石英るつぼに収容した半導体融液より半導体単結晶棒を引き上げて半導体単結晶を成長させる単結晶引き上げ装置において、前記半導体融液の液面が一定の高さに保たれるように前記石英るつぼを昇降可能に設けるとともに、前記半導体融液の熱的な環境が一定に保たれるように該半導体融液を加熱する昇降可能なメインヒーター及び昇降可能なサブヒーターを具備したことにより、複雑な制御を行うことなく石英るつぼ内の半導体融液の熱的な環境を一定に保ち、均質な半導体単結晶を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる単結晶引き上げ装置を示す縦断面図である。
【図２】サブヒーターの昇降制御法を示すブロック図である。
【符号の説明】
１    チャンバー
２    支持軸
３，４  支持台
５    石英るつぼ
６    黒鉛るつぼ
７    メインヒーター
８    断熱材
９，１１  電極
１０  サブヒーター
１３  シリコン融液
１４  シリコン単結晶棒
１５  種結晶
【図１】
0003907727.tif 000002
【図２】
0003907727.tif 000003