(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により単結晶を育成する方法において、少なくとも結晶成長界面近傍に、引上げ中の単結晶を取り囲むように、銅、銀、又は銅−銀合金により形成された冷却筒を配置し、該冷却筒に冷却媒体を流通し、該冷却筒内を流通する冷却媒体の下端部と原料融液表面との距離Ｂ（ｍｍ）が、  １００≧Ｂ  の関係になるように融液面位置を調整することによって、結晶成長界面近傍を強制的に冷却しながら単結晶を育成することを特徴とする単結晶育成方法。
【請求項２】
前記冷却筒の下端部と原料融液表面との距離Ａ（ｍｍ）とし、該距離Ａと前記距離Ｂとの関係を、  Ｂ−Ａ≦５０  とすることを特徴とする請求項１に記載された単結晶育成方法。
【請求項３】
少なくとも原料融液を収容するルツボおよび原料融液を加熱するヒータを格納するメインチャンバと、該メインチャンバの上部に連設され、成長した単結晶が引上げられて収納される引上げチャンバと、引上げ中の単結晶を取り囲む冷却筒とを有するチョクラルスキー法単結晶育成装置であって、少なくとも前記冷却筒は、銅、銀、又は銅−銀合金より成り、冷却媒体を流通し、該冷却筒内を流通する冷却媒体の下端部と原料融液表面との距離Ｂ（ｍｍ）が、  １００≧Ｂ  の関係になるように融液面位置を調整することによって強制冷却され、前記メインチャンバの上部から原料融液表面に向けて延伸され、結晶成長界面近傍を冷却するものであることを特徴とする単結晶育成装置。
【請求項４】
前記冷却筒が、冷却媒体を流通させる中空構造を有するもの、または中実の冷却筒の外周に冷却媒体を流通させる冷却管を巻きつけたものであることを特徴とする請求項３に記載した単結晶育成装置。
【請求項５】
前記冷却媒体が水であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載した単結晶育成装置。
【請求項６】
前記冷却筒の下端部と原料融液表面との距離Ａ（ｍｍ）とし、該距離Ａと前記距離Ｂとの関係が、  Ｂ−Ａ≦５０  であることを特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか１項に記載された単結晶育成装置。
【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、引上げ法とも称する）によるシリコン単結晶等の製造に用いられる単結晶育成方法ならびに単結晶育成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の方法をシリコン単結晶の育成を例にとって説明する。
ＣＺ法でシリコン単結晶を製造する際に使用される単結晶育成装置は、一般的に原料融液が収容された昇降動可能なルツボと、該ルツボを取り囲むように配置されたヒータが単結晶を育成するメインチャンバ内に配置されており、該メインチャンバの上部には育成した単結晶を収納し取り出すための引上げチャンバが連設されている。このような単結晶育成装置を用いて単結晶を製造する際には、種結晶を原料融液に浸漬し、回転させながら静かに上方に引上げて棒状の単結晶を成長させる一方、所望の結晶品質を得るため融液面の高さが常に一定に保たれるように結晶の成長に合わせルツボを上昇させている。
【０００３】
そして、単結晶を育成する際には、種ホルダに取り付けられた種結晶を原料融液に浸漬した後、引上げ機構により種結晶を所望の方向に回転させながら静かにワイヤを巻き上げ、種結晶先端部に単結晶棒を成長させているが、種結晶を融液に着液させた際に生じる転位を消滅させるため、一旦、成長初期の結晶を３〜５ｍｍ程度まで細く絞り、転位が抜けたところで径を所望の直径まで拡大して、目的とする品質の単結晶棒を成長させていく。
【０００４】
このとき、単結晶棒の一定の直径を有する定径部の引上げ速度は、通常０．５〜１ｍｍ／ｍｉｎ程度の非常にゆっくりとしたものであり、無理に速く引上げようとすると種々の問題が発生する。例えば、育成中の単結晶が変形して定径を有する円柱状製品が得られなくなったり、あるいは単結晶棒にスリップ転位が発生したり、結晶が融液から切り離されて製品とならなくなってしまう等の問題が生じてしまい、結晶成長速度の高速化を図るには限界があった。
【０００５】
しかし、上記ＣＺ法により単結晶棒を製造する場合に、生産性の向上を図り、コストを低減させるためには、単結晶成長速度を高速化することが一番の有効な手段であり、これまでにも結晶成長速度の高速化を達成させるために多くの改良がなされてきた。
【０００６】
引上げ速度、即ち結晶成長速度は、成長中の結晶の熱収支によって決定される。結晶に取り込まれる熱量は、融液やヒータから結晶へ入る流入熱量と、融液が結晶化する際に発生する固化潜熱とがあり、育成中の結晶の熱収支を考えた場合、結晶表面や種結晶を通して結晶の外へ放出される流出熱量が、流入熱量と固化潜熱との和に等しい必要がある。固化潜熱は、単位時間あたりに成長する結晶の体積に依存しているため、結晶成長速度を高速化するには、高速化により増大する固化潜熱の増加分を、流入熱量を減少し相殺するか、若しくは流出熱量を増加させることによって相殺する必要がある。
そこで、一般的には結晶表面から放出される熱を効率的に除去し、流出熱量を増加させる方法が取られている。
【０００７】
その一つにメインチャンバ内部に引上げ中の単結晶棒を取り囲むように冷却手段を設け、引上げ中の単結晶棒を効率良く冷却することにより、引上げ速度を速くする装置が提案されている。例えば、特開平６−２１１５８９号公報に開示された装置がある。この装置は、引上げ中の単結晶棒を同心円上に取り囲むように引上げチャンバ下部よりメインチャンバ内部に向かって、金属製の外側冷却筒と黒鉛等からなる内部冷却筒の二重構造を有する整流冷却筒を設け、外側冷却筒により内部冷却筒に生じた熱を外へ移送することで内部冷却筒の温度上昇を抑え、結晶の冷却効率を向上させたものである。
【０００８】
また、成長している単結晶をより効果的に冷却させるために水等の冷却媒体を用いる装置も開示されている。例えば、特開平８−２３９２９１号公報に開示されている単結晶育成装置では、液体冷媒を流通させる冷却ダクトをメインチャンバ内に通し、その下に銀等の高熱伝導率を有する材質からなる冷却部材を設け、結晶表面から放出される熱を速やかに外部へ移送することで効果的な結晶冷却を行っている。しかし、一般的に冷却媒体として用いられる水等の流体が１０００℃を超えるような高温に加熱されている融液面に近づくことは、水蒸気爆発の誘因ともなり危険であるため、この装置では、冷却ダクトを融液面から離すことで安全を確保している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコンウェーハの大直径化が進み、特に直径３００ｍｍのシリコンウェーハの量産化が検討されている昨今では、上記のような冷却構造を用いても結晶の冷却が不十分となり、結晶成長速度の高速化が困難であるため、結晶の生産性低下を招くことが明らかとなってきた。
【００１０】
すなわち、特開平８−２３９２９１号公報に記載されている様な冷却構造であれば、高い熱伝導率を有する冷却部材をシリコンの融液面に近づけることができるのである程度の冷却効果は得られるが、前述した安全性の問題から、この冷却部材を冷却するための液体冷媒を流通させる冷却ダクトは、溶融液を収容したルツボが到達し得る最大高さまで上昇した時に、溶融液に触れないように十分に離間させなければならないという制約があったため、冷却部材の先端まで冷却媒体の冷却効果が十分に伝わりにくいという問題があることことがわかった。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、３００ｍｍ以上の直径を有するシリコン単結晶を成長させる場合であっても、成長する単結晶に対する冷却効果を最大限に発揮し、結晶成長速度の高速化を図ることのできる単結晶育成方法ならびに単結晶育成装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る単結晶育成方法は、チョクラルスキー法により単結晶を育成する方法において、少なくとも結晶成長界面近傍に、引上げ中の単結晶を取り囲むように、銅または銅より熱伝導度の大きい金属により形成された冷却筒を配置し、該冷却筒に冷却媒体を流通することによって、結晶成長界面近傍を強制的に冷却しながら単結晶を育成することを特徴としている。
【００１３】
このように、耐熱性、熱伝導度の高い銅または銅より熱伝導度の大きい金属により形成され、冷却媒体を流通して強制冷却される冷却筒を、原料融液表面に近接する単結晶の成長固液界面の直上近傍に設置して結晶成長界面近傍を強制冷却することにより、原料融液から引上げられた非常に高温の単結晶は、ヒータからの輻射熱を遮られるとともに、急速に熱が奪れるので結晶の成長速度を著しく速めることが可能となる。
【００１４】
この場合、冷却筒の下端部と原料融液表面との距離Ａ（ｍｍ）と、冷却筒内を流通する冷却媒体の下端部と原料融液表面との距離Ｂ（ｍｍ）とが、  １００≧Ｂ≧Ａ≧５  の関係になるように融液面位置を調整して単結晶を引上げることが好ましい。また、距離Ａと距離Ｂとの関係を  Ｂ−Ａ≦５０  とするのがより好ましい。
【００１５】
このように原料融液面から所定の距離を確保して冷却筒の下端部および冷却筒内の冷却媒体の下端部を配置することにより、融液に接触することなく冷却筒および冷却媒体を融液面に近接させることができるので、成長中の単結晶を効率よく安全に冷却することができる。従って、直径３００ｍｍを超える大型単結晶を高速度で育成することができ、生産性と歩留りの向上を図ることができる。
【００１６】
本発明に係る単結晶育成装置は、少なくとも原料融液を収容するルツボおよび原料融液を加熱するヒータを格納するメインチャンバと、該メインチャンバの上部に連設され、成長した単結晶が引上げられて収納される引上げチャンバと、引上げ中の単結晶を取り囲む冷却筒とを有するチョクラルスキー法単結晶育成装置であって、少なくとも前記冷却筒は、銅または銅より熱伝導度の大きい金属より成り、冷却媒体を流通することによって強制冷却され、前記メインチャンバの上部から原料融液表面に向けて延伸され、結晶成長界面近傍を冷却するものであることを特徴としている。
【００１７】
このように単結晶育成装置を構成すれば、結晶成長界面近傍において成長中の単結晶を効率よく急速に強制冷却することができるので、結晶成長速度を上げることができ、単結晶製造の生産性と歩留りの向上を図ることができる。
冷却筒の材質である銅または銅より熱伝導度の大きい金属、例えば銀、銅−銀合金等は、非常に耐熱性に優れているとともに熱伝導度が非常に高いので、融液およびヒータからの輻射熱を効果的に遮るとともに、冷却媒体で強制冷却されていれば銅等で形成された冷却筒の表面温度は低く、融液面から引上げられた直後の非常に高温の単結晶棒を冷却するのに適している。
【００１８】
この場合、冷却筒が、冷却媒体を流通させる中空構造を有するもの、または中実の冷却筒の外周に冷却媒体を流通させる冷却管を巻きつけたものとすることができる。また、冷却媒体は水とすることが好ましい。
【００１９】
このように、冷却筒の構造を、箱形円筒状の中空構造を有するいわゆるジャケット構造とするか、あるいは中実の一枚板で円筒を形成し、その外周に冷却管を巻きつけたいわゆる蛇管構造とし、中空構造の冷却筒あるいは冷却管を流通する冷却媒体を、熱伝導度が高く、安価で腐食性のない水とすれば、ヒータおよび融液面からの輻射熱と成長中の結晶から放出される流出熱を吸収し、効率良く成長中の単結晶を冷却することができる。
【００２０】
この場合、結晶引上げ中の冷却筒の下端部と原料融液表面との距離Ａ（ｍｍ）と、冷却管内を流通する冷却媒体の下端部と原料融液表面との距離Ｂ（ｍｍ）とが、  １００≧Ｂ≧Ａ≧５  の関係を有するように配置されていることが好ましく、また、距離Ａと距離Ｂとの関係が  Ｂ−Ａ≦５０  であることが好ましい。
【００２１】
このように原料融液面から上記の関係を有する所定の距離を設けて冷却筒の下端部および冷却筒内の冷却媒体の下端部を配置すれば、冷却筒により成長中の単結晶を効率よく安全に冷却することができる。従って、成長速度を高めて直径３００ｍｍを超える大型単結晶を極めて高い生産性で育成することができる装置となる。
【００２２】
以下、本発明を詳細に説明するが、本発明は、これらに限定されるものではない。
チョクラルスキー法による結晶成長速度を高速化させるためには、引上げ結晶を効率よく冷却することが必要である。従って、前述の特開平６−２１１５８９号公報や特開平８−２３９２９１号公報のように、メインチャンバ内部に引上げ中の単結晶棒を取り囲むように冷却手段を設けた単結晶育成装置を用いることが有効である。しかし例えば、冷却手段として用いる冷却水等の冷却媒体を流通させる冷却管が破損して冷却水が漏れ、高温の原料融液表面にかかると、水蒸気爆発の誘因となり危険であるため、このような冷却管はルツボ内のシリコン融液表面から極力離すことで安全性を確保することが、当業者間の常識であった。具体的には、特開平８−２３９２９１号公報のように、ルツボが誤って最大高さまで上昇しても、冷却媒体を流通させる冷却管が原料融液に触れないように配置されていた。
【００２３】
しかしながら、このように冷却管を原料融液から離間させればさせるほど、引上げ結晶の冷却効果が低下してしまい、結晶成長速度の高速化を妨げる要因となっていた。かといって、従来の装置以上に冷却手段を原料融液に近づけて冷却効果を高めることは、上記した安全上の問題があるため実用上は不可能であることが、当業者間において認知されていた。
【００２４】
そこで本発明者等は、この安全上の問題を解決するとともに、冷却効果を格段に向上させる手段を見出すべく、下記実験を行なうことにより、冷却媒体を流通させる冷却管として銅のような熱伝導度の高い材料を用いれば、仮に高温の原料融液にその冷却管が接触したとしても、冷却管は全く破損や溶解することなく冷却媒体を保持できる、すなわち、極めて安全に冷却媒体と原料融液を近づけることが可能になるという新規な知見を得ることにより本発明を完成させたものである。
【００２５】
（実験１）
図３に示す様なＵ字形状の銅管１４（外径８ｍｍ、肉厚０．８ｍｍ）と、原料を溶融する小型の石英ルツボ５（ルツボ内径４８ｍｍ、底部に加熱ヒータあり）を用意した。
【００２６】
先ずはじめに、安全性を考慮し、シリコンよりも融点の低いＳｉＧｅ（Ｓｉ：１重量％、固化点：約１０５０℃）を溶融原料として予備実験を行なった。このＳｉＧｅ２００ｇを石英ルツボ５内に投入し、ルツボ５の底のヒータ７の温度を１２２２℃に維持した状態で原料を溶融し、Ｕ字型銅管１４に冷却水（４．７Ｌ／ｍｉｎ）を流しながら、原料融液４中に水冷銅管１４を浸漬したところ、ＳｉＧｅ融液に触れても水冷銅管１４（銅の融点：１０８３℃）は全く溶融することなく、反対に水冷銅管１４周囲のＳｉＧｅ融液が固化する現象が起こった。
【００２７】
このように、銅の融点程度の温度を有する融液に浸漬しても水冷銅管が溶融することがないことから、ある程度の安全性は確認されたので、次に、原料をシリコン（Ｓｉ、固化点：約１４２０℃）に変更し、ルツボの底のヒータ７の温度を１５４０℃に維持した状態で原料を溶融し、前記と同様の実験を行なった。その結果、１４２０℃以上の高温のシリコン融液中に水冷銅管を３分間浸漬したにもかかわらず、銅管の周りのＳｉの固化が発生しただけであり、冷却水の出口温度が２５℃から２８℃に上昇したが、銅管は溶融シリコンにより全く浸食されていなかった。
【００２８】
尚、シリコン融液への浸漬実験後の銅管の表面を観察したところ、銅管をＵ字型に曲げ加工した際に付いた傷がそのまま残っていることが判った。すなわち、溶融シリコンは銅管とは全く反応せずに固化したことが確認された。
【００２９】
以上の結果は次のように解釈することができる。銅管が溶融するには表面の温度が銅の融点である１０８３℃に達しなければならないが、内面は水冷されているので１００℃以下（２５〜２８℃）であることを考慮すると、肉厚０．８ｍｍの間に約１０００℃の温度差を生じなければならないことになる。このときの温度勾配は１．２５×１０6 Ｋ／ｍとなるので、銅の０℃における熱伝導率４０１Ｗ／ｍＫを掛けて、５．０×１０8 Ｗ／ｍ2 の熱流速が存在することになる。この熱流速をシリコン融液が銅管に供給するためには融液の熱伝導率４０Ｗ／ｍＫで割って１．２５×１０7 Ｋ／ｍ、すなわち、銅管に接触する部分のシリコン融液に１ｍｍあたり１２５００Ｋの温度勾配を生じなければならない。このような状態は数学的には接触した瞬間の極く僅かな時間存在するかもしれないが、継続して存在することはなく、実質的には無視でき、直ちにシリコンの固化が始まる。それゆえ、水冷銅管には全く変化が生じないものと考えられる。
【００３０】
一方、現在の単結晶育成装置の冷却筒として一般的に用いられているステンレス鋼（例えば、ＳＵＳ３１６Ｌ（ＪＩＳ規格））は熱伝導率が銅の１０分の１以下（２０℃で１６Ｗ／ｍＫ）と低いため、原料融液に接触した場合、表面温度が上昇し易い。また、冷却筒の構造上熱応力のかかる部分に溶接部を設ける必要があるので信頼性が低い。その点、銅は延性があるという特性をも合せ持っているため、熱応力が生じても亀裂を生じにくく、冷却筒に適した材料であると考えられる。また、円筒状の銅板に銀ろう付けにより銅管を巻く等の方法により冷却筒を構成することも可能である。銅表面は１００℃以下になっているので表面からの銅の汚染は考えられない。
【００３１】
（実験２）
次に、水冷銅管の水冷効果を確認するため、実験例１と同一の水冷銅管１４の先端に銅板１５（長さ５０ｍｍ、幅２０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を図４に示すように銀ろうを用いて溶接し、シリコン融液中に銅板部分を浸漬させる実験を行なった。銅板１５の下端には熱電対２１を設置し、温度測定が可能となるようにした。
【００３２】
冷却水の流量を６．６Ｌ／ｍｉｎとし、シリコン融液の温度を融点より１００℃高い１５２０℃に調節した状態において、融液面から約４ｃｍ上方に位置する銅板１５の下端の温度は４６５℃になった。この状態から銅板１５を下降させ、シリコン融液４に触れさせると、接触部分はゆっくり赤熱しやがて融解してしまった。次に銅板１５を一旦融液から引き離し、融液の温度を５０℃下げて融点より５０℃高い温度（１４７０℃）で維持して、再び銅板１５を下降させてシリコン融液４に触れさせると今度は接触部分のシリコンが固化した。
【００３３】
一方、銅板をステンレス鋼板（ＳＵＳ３１６Ｌ）に変更し、１４７０℃のシリコン融液の液面の４ｃｍ上方に位置するステンレス鋼板の下端の温度を測定したところ、９０５℃となった。この状態でステンレス鋼板を下降させ、シリコン融液に触れさせると、接触部分は白い光を発して一瞬の内に溶解した。さらに、短くなったステンレス鋼板を再びシリコン融液に触れさせると、やはり接触部分は白い光を発して一瞬の内に溶解した。ステンレス鋼板の長さが約３０ｍｍ短くなり、水冷銅管に近くなっても同様の反応を示した。
【００３４】
以上の実験の結果、銅の場合、水冷部分から５ｃｍ程度離れたところでも温度の上昇がかなり抑えられおり、シリコン融液温度が融点＋５０℃程度であれば銅の溶解は起らない。従って、銅で冷却筒を作製する場合、銅板を円筒状に丸めてその外側に水冷銅管を巻いたような構造でも十分に冷却効果が得られ、かつ、誤って冷却筒が融液内に浸漬されても銅が溶融しない安全な冷却筒を得ることができる。これは、銅より熱伝導度が大きい銀や、銅と銀の合金等においても同様のことが言える。
【００３５】
また、上記の実験では、ステンレスは白い光を発して一瞬の内にシリコン融液に溶解したことから、溶解時に発熱反応が起こると推定される。発熱反応が起こると、一部分の反応が周囲の反応を促進するために爆発的に反応が進行する。このような材料を、シリコン融液に接触する可能性のある部分の材料として使用するのは危険である。その点、銅はシリコンに穏やかに溶解したのでそのような危険性はなく、反応性の面を考慮しても銅は好適な材料であるといえる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら、シリコン単結晶の育成を例にあげて具体的に説明するが、本発明はこれらシリコン単結晶の成長のみに限定されるものではない。例えば、本発明の装置は化合物半導体等の他の単結晶育成においても利用可能なものである。
【００３７】
図１は、本発明に係る単結晶育成装置の一例を示す概略構成の断面図である。図１（ａ）、（ｂ）に示した単結晶育成装置２０は、原料、例えば多結晶シリコン融液４を収容するルツボ５、多結晶シリコン原料を加熱、溶融するためのヒータ７等がメインチャンバ１内に格納され、メインチャンバ１上に連設された引上げチャンバ２の上部には、育成された単結晶を引上げる引上げ機構（図示せず）が設けられている。
【００３８】
引上げチャンバ２の上部に取り付けられた引上げ機構からは引上げワイヤ１６が巻き出されており、その先端には、種結晶１７を取り付けるための種ホルダ１８が接続され、種ホルダ１８の先に取り付けられた種結晶１７を原料融液４に浸漬し、引上げワイヤ１６を引上げ機構によって巻き取ることで種結晶１７の下方に単結晶棒３を形成する。
【００３９】
なお、上記ルツボは、内側に原料融液４を直接収容する石英ルツボ５と、外側を該石英ルツボ５を支持するための黒鉛ルツボ６とから構成されている。ルツボ５，６は、単結晶育成装置２０の下部に取り付けられた回転駆動機構（図示せず）によって回転昇降動自在なルツボ回転軸１９に支持されており、単結晶育成装置中の融液面の変化によって結晶の直径や結晶品質が変わることのないよう、融液面を一定位置に保つため、結晶と逆方向に回転させながら単結晶棒３の引上げに応じて融液が減少した分だけルツボを上昇させている。
【００４０】
ルツボ５，６を取り囲むように加熱ヒータ７が配置されており、この加熱ヒータ７の外側には、ヒータ７からの熱がメインチャンバ１に直接輻射されるのを防止するための断熱部材８がヒータの周囲を取り囲むように設けられている。
また、チャンバ１、２の内部には、炉内に発生した反応ガスを炉外に排出する等を目的とし、引上げチャンバ２の上部に設けられたガス導入口１０からアルゴンガス等の不活性ガスが導入され、引上げ中の単結晶棒３、融液４の上部を通過してチャンバ１、２の内部を流通し、ガス流出口９から排出される。
なお、メインチャンバ１および引上げチャンバ２は、ステンレス等の耐熱性および剛性に優れた金属により形成されており、冷却管（図示せず）を通して水冷されている。ここまでの装置構成は、一般の単結晶育成装置とほぼ同様である。
【００４１】
本発明に係る単結晶育成装置では、銅または銅より熱伝導度の大きい金属より成り、冷却媒体を流通することによって強制冷却され、メインチャンバの上部から原料融液表面に向けて延伸され、結晶成長界面近傍を冷却する冷却筒１１を具備している。この引上げ中の単結晶の強制冷却手段である冷却媒体を流通させる冷却筒１１としては、中空構造を有する円筒型の中空冷却筒１１ａ（図１（ｂ）参照）、あるいは中実の一枚板の冷却筒の外周に冷却媒体を流通させる冷却管１３を巻きつけた冷却管付き冷却筒１１ｂ（図２参照）を例示することができる。これら中空冷却筒１１ａまたは冷却管付き冷却筒１１ｂは、引上げ中の単結晶棒３を取り囲むように、例えばメインチャンバ１の天井部から原料融液表面に向かって延伸し、その先端を結晶成長界面２２近傍に配置している。
【００４２】
このように本発明の冷却筒１１は、冷却媒体で強制冷却されているものであり、これを結晶成長界面２２の近傍、すなわち融液面の直上に近接して配置されるものである。従来の冷却筒は、融液面から離れた位置でしか冷却媒体を流通することができなかったが、本発明では、結晶成長界面の直近において、成長直後の結晶を直接的に冷却媒体を流通させた冷却筒で強制冷却できるので、極めて冷却効果が高い。
【００４３】
ここで、引き上げられた単結晶中が銅のような重金属不純物に汚染されていると、その単結晶を用いて作製されるデバイス特性は劣化することが良く知られているので、銅製の冷却筒を結晶成長界面近傍に接近させて単結晶を引き上げる場合、引き上げられた単結晶が銅に汚染されることが懸念される。しかしながら、本実施形態のように結晶成長界面近傍（界面から数ｍｍ〜数１０ｍｍ程度）に接近した冷却筒が十分冷却されている場合は汚染の心配は全くない。その根拠は以下の通りである。
【００４４】
すなわち、ＦＺ（Ｆｌｏａｔｉｎｇ  Ｚｏｎｅ）法により単結晶を成長する場合、銅製の高周波加熱コイル（コイルの内部には冷却水が流通されている）を用い、高周波加熱によりそのコイルの内側で原料を溶融して単結晶の成長を行なうのであるが、その際、原料融液が銅製コイルに数ｍｍ程度に接近した状態で単結晶が成長されているにもかかわらず、作製された単結晶にはデバイス特性を劣化させるような銅汚染が全く検出されないからである。
【００４５】
一方、前述の特開平８−２３９２９１号公報に記載された発明の場合は、上部にのみ冷却水が供給された冷却筒の下端部を、本実施形態と同様に結晶成長界面近傍に配置して単結晶を引上げることは可能であるが、冷却水が冷却筒の下端部よりも非常に離れた位置に配置されており、下端部の冷却効果が不十分となって高温化してしまい、銅汚染が導入され易くなるため、引き上げられる結晶の品質面においても好ましくない。
【００４６】
図１に示す単結晶育成装置２０の冷却筒１１内には、冷却媒体導入口１２から冷却媒体が導入され、該冷却媒体は、冷却筒内を循環して冷却筒を強制冷却した後、外部へ排出される。排出された冷却媒体は、熱交換器により冷却されて再び冷却筒に供給されて循環されるのが通常である。
なお、冷却媒体としては、従来冷却媒体として使用されている液体あるいは気体を使用することができるが、冷却特性のほか、取り扱い性、コスト面等からも水を使用するのが好適である。また、これら冷却筒内に流す冷却媒体の流量や温度を必要に応じて調節すれば、冷却筒の除去熱量を変化させることができるので、これにより単結晶成長速度に合わせた所望の冷却雰囲気を作り出すことが可能である。また、図２の冷却管の巻線密度分布を変えることにより、引上げ結晶中の温度分布を変化させることもできる。
【００４７】
冷却筒の材質としては、特に熱伝導性に優れた銅または銅より熱伝導度の高い金属を使用する。後者には銀および銀−銅合金等が挙げられる。これら銅等を採用した理由は上記（実験１）、（実験２）の項で述べたように、直接水で強制冷却されていれば、冷却筒あるいは冷却管内の温度は１００℃以下になっているので、冷却筒の表面が溶融したり、損傷を受けたりすることはない。また、例えシリコン融液が水冷銅筒あるいは水冷銅管の表面に付着あるいは接触しても、銅筒あるいは銅管が浸食されたり、ヒートショックで破損するようなことは起らないことが上記実験で証明されているので、冷却筒の下端部を結晶成長界面の近傍まで接近させることができ、育成単結晶の強制冷却効果を最大限発揮させることができる。
【００４８】
そして、銅等で作られた冷却筒の耐熱性は優れている上、上記のように熱伝導性が非常に高いので、単結晶棒から放射された流出熱を吸収した後、冷却筒の内部を通る水等の冷却媒体に効率良く伝え、結晶周囲の温度を低下させるので、単結晶の冷却速度を著しく向上させることができる。
【００４９】
ここで、本発明の冷却筒の形状は、上記図１、図２に示したようなものに限られるものではない。例えば図１（ｂ）の中空構造のものであれば、中空部にいわゆるじゃま板を入れ、均一かつ効率よく冷却できるようにしてもよい。また、図２のように冷却管を用いる場合は、冷却管が表面に露出しないよう冷却筒の外側を銅板で覆うようにしてもよい。また、本発明の冷却筒は、結晶成長界面近傍が強制冷却されるようになっておればよく、必ずしも融液表面近傍からメインチャンバの天井部までの全ての領域から強制冷却されていなくともよい。結晶成長界面近傍を強制冷却できれば、成長速度を向上させる効果は従来に比べ十分に発揮することができるからである。さらに図１、２では、冷却筒がほぼ垂直方向にのみ筒形状を有するものとしたが、例えば先端部を融液面と平行になるように配置されるものであってもよい。
【００５０】
そして、銅等で作られた冷却筒の下端部と原料融液表面との距離Ａ（ｍｍ）と、冷却筒内を流通する冷却媒体の下端部と原料融液表面との距離Ｂ（ｍｍ）とが、  １００≧Ｂ≧Ａ≧５  の関係を有するように、また、距離Ａと距離Ｂとの関係が、  Ｂ−Ａ≦５０  となるようにルツボおよび冷却筒を配置するのが良い。このような関係になるように融液面位置を調整しながら単結晶を引上げれば、確実に強制冷却効果が発揮され結晶成長速度を速めることができるし、冷却筒の先端が融液によって侵されることもない。
【００５１】
すなわち、冷却筒の先端または冷却筒内を流通する冷却媒体の下端部は、原料融液表面から５ｍｍ以上離れていることが好ましい。冷却筒が融液面に近いほど結晶を急冷する効果は向上するが、冷却筒がこれ以上近づくと融液面が振動した時、冷却筒の先端が融液と接触してしまう恐れがある。一方１００ｍｍ以上離れると、結晶の冷却効果が減少するので、１００ｍｍ以下とするのがよい。また、Ｂ−Ａ≦５０  とするのは、冷却媒体の流通位置を冷却筒の先端からこれ以上離すと、冷却筒先端が効率よく冷却されないため、結晶冷却効果が減少するとともに、万が一冷却筒が融液に接触するようなことが発生した場合に、冷却筒の先端が一部溶損する可能性があるからである。
【００５２】
さらに、このように冷却筒１１を設けることで、冷却筒１１上部側よりその内側を通過させるアルゴン等の不活性ガスの整流効果を高め、ガスによる冷却効果を得ることもできる。
冷却筒をメインチャンバ内に配置する方法は、図示したようにメインチャンバ１の天井部から融液表面に向けて延伸させるように設置するのが簡単であるが、メインチャンバの側壁に係止するように構成してもよい。
【００５３】
以上説明した本発明に係る単結晶育成装置では、冷却筒に対する融液表面の位置を変化させることで成長単結晶の熱履歴を自在にコントロールできる。例えば、冷却筒と融液表面を近づけると急冷効果が得られる。逆に、冷却筒と融液表面を遠ざけると、徐冷効果が得られる。従って、冷却筒と融液面の位置を制御すれば、グローンイン（ｇｒｏｗｎ−ｉｎ）欠陥と呼ばれる結晶欠陥の凝集温度帯や結晶中の酸素析出に係わる温度帯を所望の帯域にコントロールすることも可能である。このような制御を結晶成長中に自在に行うため、冷却筒を昇降するための駆動機構を具備するようにしてもよい。
【００５４】
また、本発明の装置は、融液４を収容するメインチャンバ１の外側に電磁石（不図示）を配設して、チャンバ内の融液４に磁場を印加しながら単結晶３を育成する磁界下引上げ法（以下、ＭＣＺ法と称する）の育成装置で使用することも当然可能であり、同種の効果が得られることは言うまでもない。特に、大型の単結晶製造を目的としたＭＣＺ法単結晶育成装置に本発明の装置を用いれば、より効果的に結晶成長速度を向上させられるので、大幅な生産性向上が期待できる。
【００５５】
本発明の効果を確認するため、総合伝熱解析ソフトＦＥＭＡＧ（Ｆ．Ｄｕｐｒｅｔ，Ｐ．Ｎｉｃｏｄｅｍｅ，Ｙ．Ｒｙｃｋｍａｎｓ，Ｐ．Ｗｏｕｔｅｒｓ，ａｎｄ Ｍ．Ｊ．Ｃｒｏｃｈｅｔ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｈｅａｔ  Ｍａｓｓ Ｔｒａｎｓｆｅｒ，３３，１８４９（１９９０））を使用して熱シミュレーションによる解析を行なった結果を以下に記載する。
【００５６】
（シミュレーション結果）
図５はシミュレーションにより算出された、引上げ中の直径８インチ結晶の引上げ軸方向の温度分布を示している。太線は、図１に示す様な本発明の冷却筒を有する単結晶育成装置を用いた場合であり、冷却筒の温度は３０℃に固定されているものと仮定し、融液面と冷却筒との間隔は５０ｍｍとした。一方、細線は冷却筒の上部のみが水冷され、下部には従来から用いられている特定の構造の断熱材を有するＨＺ構造とし、融液面と断熱材との間隔は１７ｍｍとした。
【００５７】
図５から本発明の構造の場合、従来構造に比べて格段に冷却効果が高いことがわかる。また、引上げ結晶中の固液界面近傍の融点から１４００℃の間の温度勾配Ｇ（Ｋ／ｃｍ）は、結晶中心において、本発明の構造では５２．３（Ｋ／ｃｍ）であり、従来構造の３６．６に比べて非常に大きいことも算出された。
【００５８】
図６は、従来から用いられているＨＺ構造を有する単結晶育成装置を用いた場合の前記温度勾配Ｇと量産可能な製品結晶（直径８インチ）の最大引上げ速度（実測値）との関係を表したグラフである。図６中、黒丸と白丸はそれぞれ磁場印可なし、磁場印可有りの場合の実験値をプロットしたものである。それぞれのプロットを結ぶ近似直線から、本発明の構造を用いた場合（Ｇ＝５２．３Ｋ／ｃｍ）には、磁場印可なしの場合は約２．０ｍｍ／ｍｉｎ、磁場有りの場合は約２．７ｍｍ／ｍｉｎもの高速引上げが可能であることが予測されることがわかった。
【００５９】
【実施例】
以下、実施例および比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
前記図１に示した単結晶育成装置２０のメインチャンバ１の外側に電磁石（不図示）を配設して、ＭＣＺ法を用いてシリコン単結晶棒の育成を行った。このとき、冷却筒１１の構造は中空冷却筒１１ａとし、その材質には銅を用い、冷却媒体としては水を用いた。そして、冷却筒１１の先端は融液面から２０ｍｍ離した状態まで近付けて操業を行った。一方、シリコン融液４には、水平磁場で中心の磁場強度が４０００Ｇとなるように磁場を印加し、ホットゾーンは直径２４インチのルツボが収容できるものとした。
【００６０】
この口径２４インチのルツボに１５０ｋｇの多結晶シリコン原料を入れ、直径８インチ（２００ｍｍ）、定径部の長さが約１００ｃｍの単結晶を育成した。その結果、単結晶定径部の平均引上げ速度が２．６ｍｍ／ｍｉｎで変形することなく略円柱状のシリコン単結晶を得ることができた。
通常、同じような長尺の単結晶を引上げる場合、直径８インチでは、平均引上げ速度は最大でも１．８ｍｍ／ｍｉｎ程度であるからそれに比べ平均引上げ速度を極めて増加することができたことになる。
【００６１】
（実施例２）
次に、実施例１と同じ装置を用いて、その口径３２インチのルツボに１５０ｋｇの多結晶シリコン原料を入れ、直径１２インチ（３００ｍｍ）、定径部の長さが約４５ｃｍの単結晶を育成した。その結果、単結晶定径部の平均引上げ速度が１．６ｍｍ／ｍｉｎで変形することなく略円柱状のシリコン単結晶を得ることができた。これは比較例２と比較すると約２倍の引上げ速度を達成したことになる。
【００６２】
（比較例１）
前記実施例で使用した単結晶育成装置の冷却筒に替わり、メインチャンバの天井から冷却媒体を流通させていない黒鉛筒を吊り下げた単結晶育成装置を用い、それ以外の条件は、実施例１と同様の条件下で単結晶の育成を行った。また、育成した単結晶のそれぞれの長さも実施例と略同等の長さとした。その結果、定径部の平均引上げ速度が１．８ｍｍ／ｍｉｎ以下の引上げ速度では結晶変形のない略円柱状の単結晶を育成することはできたが、それ以上の引上げ速度のものは、育成途中で結晶に変形が生じたり、スリップ転位が入るなどの問題が起こり正常に単結晶を育成することができなかった。
【００６３】
（比較例２）
次に比較例１で使用した単結晶育成装置を用いて直径１２インチ（３００ｍｍ）、定径部の長さが約４５ｃｍの単結晶を育成した。その結果、単結晶定径部の平均引上げ速度が０．８ｍｍ／ｍｉｎ以下では結晶変形のない略円柱状のシリコン単結晶を得ることができたが、それ以上の引上げ速度のものは、育成途中で結晶に変形が生じたり、スリップ転位が入るなどの問題が起こり正常に単結晶を育成することができなかった。
【００６４】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００６５】
例えば、本発明の装置を磁場を印加しないで単結晶を育成するＣＺ法単結晶育成装置、あるいは融液に水平磁場を印加して単結晶を育成するＨＭＣＺ法単結晶育成装置を例にあげて説明したが、その他のカスプ磁場や垂直磁場等を用いた単結晶育成装置でも同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の単結晶育成方法および単結晶育成装置は、少なくとも結晶成長界面近傍に、引上げ中の単結晶を取り囲むように、銅または銅より熱伝導度の大きい金属により形成された冷却筒を配置し、該冷却筒に冷却媒体を流通することによって、結晶成長界面近傍を強制的に冷却しながら単結晶を育成することを特徴としている。こうすることで結晶の冷却効果を最大限に発揮することができ、引上げ速度を向上させ単結晶の生産性を飛躍的に高めることができる。また、冷却筒の材質として、冷却媒体によって強制冷却される銅等の耐熱性に優れ、熱伝導度の高い金属を使用したので、例え冷却筒が非常に高温の融液に接触したとしても浸食されたり、破損する恐れは無く保護されており、安全性が一層確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る単結晶育成装置の一例の概略構成を示す説明図である。
（ａ）  断面図、  （ｂ）  冷却筒まわりの詳細図。
【図２】本発明に係る単結晶育成装置の冷却筒まわりの別の態様を示す詳細図である。
【図３】  本発明で用いた実験装置を示す概略説明図である。
【図４】  本発明で用いた実験装置の別の態様を示す概略説明図である。
【図５】  直径８インチ結晶の引上げ軸方向の温度分布を示す図である。
【図６】  直径８インチ結晶を引上げる場合の温度勾配Ｇと最大引上げ速度の関係を示した関係図である。
【符号の説明】
１…メインチャンバ、  ２…引上げチャンバ、  ３…単結晶（棒）、
４…原料融液、  ５…石英ルツボ、  ６…黒鉛ルツボ、
７…（加熱）ヒータ、  ８…断熱部材、  ９…ガス流出口、
１０…ガス導入口、  １１…冷却筒、  １１ａ…中空冷却筒、
１１ｂ…冷却管付き冷却筒、  １２…冷却媒体導入口、
１３…冷却管、  １４…銅管、  １５…銅板、
１６…引上げワイヤ、  １７…種結晶、  １８…種ホルダ、
１９…ルツボ回転軸、
２０…単結晶育成装置、  ２１…熱電対、
２２…結晶成長界面、
Ａ…冷却筒下端部と原料融液表面との距離（ｍｍ）、
Ｂ…冷却筒内を流通する冷却媒体の下端部と原料融液表面との距離（ｍｍ）。
【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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