(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
引き上げ中の単結晶を取り巻く熱遮蔽板であって、
前記単結晶と対向する内面側は、前記単結晶のうち温度がｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度である１１５０〜１０００℃付近となる部分に平行するように配置された円筒部と、この円筒部の下方に接続され、融液面に近づくに従って縮径されたテーパ部とを備え、
外面側は、環状リムの内縁から融液面に向かって垂下する円筒部を備え、
前記内面側と外面側とに挟まれた内部空間に断熱材を充填した熱遮蔽板を設けたこと
を特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】
引き上げ中の単結晶を取り巻く熱遮蔽板であって、
前記単結晶と対向する内面側は、前記単結晶のうち温度がｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度である１１５０〜１０００℃付近となる部分に平行するように配置された円筒部と、この円筒部の下方に接続され、融液面に近づくに従って縮径されたテーパ部とを備え、
外面側は、環状リムの内縁から融液面に向かって垂下する円筒部を備え、
前記内面側のテーパ部と前記外面側とに挟まれた内部空間に断熱材を充填した熱遮蔽板を設けたこと
を特徴とする単結晶製造装置。
【請求項３】
引き上げ中の単結晶を取り巻く熱遮蔽板であって、
前記単結晶と対向する内面側は、前記単結晶のうち温度がｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度である１１５０〜１０００℃付近となる部分に平行するように配置された円筒部と、この円筒部の下方に接続され、融液面に近づくに従って縮径されたテーパ部とを備え、
外面側は、環状リムの内縁から融液面に向かって垂下し前記内面側の円筒部に平行する円筒部と、この円筒部の下方に接続され、当該外周面側の円筒部の径よりも拡径された下端部とを備え、
前記内面側のテーパ部と前記外面側の下端部とに挟まれた内部空間に断熱材を充填した熱遮蔽板を設けたこと
を特徴とする単結晶製造装置。
【請求項４】
ヒータの上端位置を、融液面の上方２００ｍｍから融液面の下方５０ｍｍまでの間に設定したこと
を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の単結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法による単結晶製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶シリコンは一般にＣＺ法を用いて製造されている。ＣＺ法による単結晶製造装置では、図６に示すようにチャンバ３１の中心にるつぼ５が昇降ならびに回転自在に設置されている。るつぼ５は、黒鉛るつぼ５ａの中に石英るつぼ５ｂを収容したもので、石英るつぼ５ｂに塊状の多結晶シリコンを装填し、前記るつぼ５を取り囲むように設けられた円筒状のヒータ６によって原料を加熱溶解して融液３とする。そして、シードホルダ３２に取り付けた種結晶を融液３に浸漬し、シードホルダ３２およびるつぼ５を互いに同方向または逆方向に回転させながらシードホルダ３２を引き上げて単結晶２を所定の直径および長さに成長させる。
【０００３】
ヒータ６を取り囲む保温筒７の上端には環状リム８ガ取着され、環状リム８の内縁部に熱遮蔽板３３が掛止されている。熱遮蔽板３３は引き上げ中の単結晶２を取り囲む逆円錐台形状の筒で、炭素繊維等からなる断熱材３４を内蔵している。また、前記環状リム８の外縁部には断熱材９が貼着されている。熱遮蔽板３３は、単結晶２に対する融液３やるつぼ５、ヒータ６からの直接的な輻射熱を遮断する機能を有し、特に固液界面近傍における単結晶２の半径方向ならびに軸方向の温度勾配を大きくして単結晶２の冷却を促進することにより、引き上げ速度の向上を図っている。また、熱遮蔽板３３は、チャンバ３１の上方から導入される不活性ガスを単結晶２の周囲に誘導し、融液３から蒸発するＳiＯ、ＳiＯ2 、Ｓi やるつぼ５から発生する金属蒸気等、単結晶化を阻害する各種ガスを効果的に排出して無転位結晶化率を向上させる機能を備えている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示した従来の熱遮蔽板では、融液３から放射される輻射熱や、高温下にある熱遮蔽板３３の本体表面から放射される輻射熱によって単結晶２の冷却効果が低下するため、引き上げ速度が制約されてしまう。その対策として、従来にあっては図７に示すように、引き上げ中の単結晶２と対向する内面側を上端側から下端側に近づくにつれて縮径された逆円錐台形状に形成し、外面側を円筒状に形成した熱遮蔽板４１が提案されている。この熱遮蔽板４１は下端側に近づくにつれて厚さを増し、内部空間には断熱性に優れたフェルトが断熱材４２として充填されているので、ヒータ、るつぼ及び融液等からの輻射熱を効果的に遮断し、単結晶２にその引き上げ方向に適当な温度勾配を与え、単結晶２の引き上げ速度を高め、製造効率の向上を図ることができる。
【０００５】
しかしながら、図７に示した熱遮蔽板４１は単結晶の全温度領域に対して冷却効果として作用するため、引き上げ速度は大きくなるがｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度領域（１１５０〜１０００℃）付近の温度勾配も大きくなってしまう。そのため、図６に示した製造装置で引き上げた単結晶よりもｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥密度が増加し、その結果、酸化膜耐圧特性の劣化を招き、デバイスプロセス後の歩留り低下を引き起こす。
【０００６】
本発明は上記従来の問題点に着目してなされたもので、固液界面近傍における単結晶の温度勾配を大きくして従来よりも高速で単結晶を引き上げることができるようにするとともに、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥密度は従来と同程度に抑えられるような単結晶製造装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る単結晶製造装置の第１は、引き上げ中の単結晶を取り巻く熱遮蔽板であって、前記単結晶と対向する内面側は、前記単結晶のうち温度がｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度である１１５０〜１０００℃付近となる部分に平行するように配置された円筒部と、この円筒部の下方に接続され、融液面に近づくに従って縮径されたテーパ部とを備え、外面側は、環状リムの内縁から融液面に向かって垂下する円筒部を備え、前記内面側と外面側とに挟まれた内部空間に断熱材を充填した熱遮蔽板を設けたことを特徴とする。
本発明に係る単結晶製造装置の第２は、引き上げ中の単結晶を取り巻く熱遮蔽板であって、前記単結晶と対向する内面側は、前記単結晶のうち温度がｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度である１１５０〜１０００℃付近となる部分に平行するように配置された円筒部と、この円筒部の下方に接続され、融液面に近づくに従って縮径されたテーパ部とを備え、外面側は、環状リムの内縁から融液面に向かって垂下する円筒部を備え、前記内面側のテーパ部と前記外面側とに挟まれた内部空間に断熱材を充填した熱遮蔽板を設けたことを特徴とする。
本発明に係る単結晶製造装置の第３は、引き上げ中の単結晶を取り巻く熱遮蔽板であって、前記単結晶と対向する内面側は、前記単結晶のうち温度がｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度である１１５０〜１０００℃付近となる部分に平行するように配置された円筒部と、この円筒部の下方に接続され、融液面に近づくに従って縮径されたテーパ部とを備え、外面側は、環状リムの内縁から融液面に向かって垂下し前記内面側の円筒部に平行する円筒部と、この円筒部の下方に接続され、当該外周面側の円筒部の径よりも拡径された下端部とを備え、前記内面側のテーパ部と前記外面側の下端部とに挟まれた内部空間に断熱材を充填した熱遮蔽板を設けたことを特徴とする。
単結晶の高速引き上げを行う場合に最も重要な要素は、固液界面近傍における単結晶の軸方向温度勾配であり、前記温度勾配はヒータ、るつぼ及び融液等からの輻射熱の影響が大きいことがわかっている。軸方向温度勾配と引き上げ速度とは正相関の関係にあり、軸方向温度勾配を大きくすることにより引き上げ速度を上げることができる。上記構成によれば、熱遮蔽板の下端の厚さを最も厚くしたので、輻射熱の断熱性が向上して引き上げ中の単結晶が急冷され、固液界面近傍の結晶温度勾配が大きくなって単結晶の形状が安定しやすくなる。これにより、引き上げ速度を図７に示した従来例と同等に保つことができる。一方、熱遮蔽板の上部は内面側、外面側ともに円筒状で厚さが薄いため、単結晶の温度勾配は小さくなる。
【０００８】
また上記構成によれば、引き上げ中の単結晶がｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度領域となる部分に対して熱遮蔽板の内面側及び外面側がともに円筒状で、熱遮蔽板の厚さが下部に比べて著しく薄いため、ホットゾーンからの輻射熱が遮断されにくい。この輻射熱は熱遮蔽板を介して単結晶に放射される。従って、ｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度領域は、前記厚さの薄い円筒部分に囲まれて単結晶からの放熱が抑制され、欠陥密度を低減させる。
【０００９】
本発明に係る単結晶製造装置の第４は、上記第１乃至第３発明の単結晶製造装置に設けたヒータの上端位置を、融液面の上方２００ｍｍから融液面の下方５０ｍｍまでの間に設定したことを特徴とする。ヒータの上端位置が融液面より２００ｍｍ以上高くなると、ヒータの輻射熱の影響を受けて単結晶の軸方向温度勾配が小さくなり過ぎてしまい、引き上げ速度を上げることができない。これとは逆にヒータの上端位置が融液面より５０ｍｍ以上低くなると、横方向の温度勾配が小さくなり過ぎて石英るつぼから結晶が張り出すという不具合が発生する。上記構成によれば、ヒータの上端位置が前記数値の間に収まるように設定したので、これらの不具合発生を回避して結晶引き上げ速度を上げることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態および実施例】
次に、本発明に係る単結晶製造装置の実施例について図面を参照して説明する。なお、前記従来技術で説明した構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００１１】
図１に第１実施例の単結晶製造装置の下部構造を示す。熱遮蔽板１の内面側は、引き上げ中の単結晶２に平行な円筒部１ａと、この円筒部１ａの下端に段差を介して接続され、融液面３ａに近づくに従って縮径されるテーパ部１ｂとを備えている。前記内面側は、引き上げ中の単結晶２がｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度すなわち１１５０〜１０００℃付近となる領域に対して円筒部１ａが対向するように設定されている。一方、熱遮蔽板１の外面側は、引き上げ中の単結晶２に平行な円筒部１ｃのみからなり、前記内面、外面及び底面によって囲まれた空間には炭素繊維等からなる断熱材４が充填されている。この熱遮蔽板１の上端は、るつぼ５、ヒータ６、保温筒７の上方に設けられた環状リム８の内縁部に掛止されている。熱遮蔽板１の下端と融液面３ａとの間隔を小さくすると、単結晶２への融液３からの輻射熱を低減させることができ、単結晶２の軸方向温度勾配が大きくなるが、単結晶化率に影響すると考えられている不活性ガスの流れを乱さないようするため、前記間隔を少なくとも１０〜３０ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００１２】
ヒータ６の上端は、融液面３ａの上方２００ｍｍから融液面３ａの下方５０ｍｍまでの間に位置するように設定されている。ヒータ６の上端位置に対して融液面３ａが低くなると単結晶２の軸方向温度勾配は徐々に小さくなり、これとは逆に融液面３ａが高くなると単結晶２の軸方向温度勾配は次第に大きくなる。そして、ヒータ６の上端が融液面３ａより２００ｍｍ以上高い位置にある場合、ヒータ６から放射される輻射熱により単結晶２の軸方向温度勾配が小さくなり過ぎてしまい、高速引き上げが困難となる。また、ヒータ６の上端が融液面３ａより５０ｍｍ以上低くなると、横方向の温度勾配が小さくなり過ぎて石英るつぼから結晶が張り出すという不具合が発生する。従って、前記数値の範囲内にヒータ６の上端位置を設定することが望ましい。
【００１３】
上記第１実施例の単結晶製造装置に設置した熱遮蔽板１では、固液界面近傍（融点〜１３００℃）の温度勾配Ｇ1 を、図７に示した第２従来例の単結晶製造装置と同じ程度まで大きくすることができるため、結晶引き上げ速度も従来と同程度まで上げることが可能である。また、結晶欠陥形成温度領域（１１５０〜１０８０℃付近）では単結晶の放熱が抑制されるため、前記温度領域の温度勾配Ｇ2 は第２従来例の単結晶製造装置使用時より小さくなり、結晶欠陥密度が低減される。
【００１４】
上記第１実施例の単結晶製造装置を用いて単結晶を引き上げたときの単結晶の温度勾配と、図６、図７に示した従来の単結晶製造装置使用時の温度勾配との比較結果を図２に示す。図６に示した第１従来例では熱遮蔽板による熱遮蔽効果が一様に低いため、単結晶の軸方向温度勾配は全体的に小さい。特に固液界面近傍の温度勾配Ｇ1 が小さいため、高速引き上げが困難であることがわかる。しかし、結晶欠陥形成温度領域の温度勾配Ｇ2 が小さいので、結晶欠陥密度は低く抑えられる。また、図７に示した第２従来例では熱遮蔽板の下部に近づく程熱遮蔽効果が高くなるため、特に温度勾配Ｇ1 が大きく、それに対応して温度勾配Ｇ2 も大きくなって高密度の結晶欠陥が発生する。これに対し図１に示した第１実施例の単結晶製造装置を用いると、固液界面近傍の温度勾配Ｇ1 を図７に示した熱遮蔽板使用時と同じ程度まで大きくすることができるため、結晶引き上げ速度も図７の第２従来例と同程度まで上げることが可能である。また、温度勾配Ｇ2 は図６の第１従来例よりも小さくなり、結晶欠陥形成温度領域が急冷されない。以上を総合すると、本発明の単結晶製造装置に設置されている熱遮蔽板を用いると、温度勾配Ｇ1 を第２従来例なみに大きくし、温度勾配Ｇ2 を第１従来例よりも小さくすることが可能となる。
【００１５】
上記第１実施例の単結晶製造装置を用いて製造した単結晶の欠陥密度と、図６、図７に示した従来の単結晶製造装置を用いて製造した単結晶の欠陥密度との比較結果を図３に示す。ただし、図３において第１実施例（図１）及び第２従来例（図７）は、単結晶の平均引き上げ速度を第１従来例（図６）よりも約２０％増加したときのデータである。この図で明らかなように、図７の第２従来例では結晶欠陥形成温度領域が急冷されるため、ＬＳＴＤ密度が３×１０6 ／ｃｍ3 を超える値になっているが、第１実施例の単結晶製造装置を用いると、２×１０6 ／ｃｍ3 未満に低減させることができる。また、第１実施例の単結晶製造装置を用いて平均引き上げ速度を第１従来例と同等に維持した場合は、ＬＳＴＤ密度が更に低下する。
【００１６】
図４に第２実施例の単結晶製造装置に設置する熱遮蔽板を示す。この熱遮蔽板１１は図１に示した熱遮蔽板１と同一形状であるが、上部を構成する円筒部１１ａが内面側、外面側に共通の１層となっている。すなわち、内面側は、引き上げ中の単結晶２に平行な円筒部１１ａと、この円筒部１１ａの下端に段差を介して接続され、融液面３ａに近づくに従って縮径されるテーパ部１１ｂとを備え、外面側は前記円筒部１１ａのみからなる。断熱材１２は、前記テーパ部１１ｂと外面側の円筒部１１ａとに挟まれた部分に充填されている。
【００１７】
上記熱遮蔽板１１を用いると、固液界面付近の温度勾配Ｇ1 が第１実施例の熱遮蔽板１とほぼ同一になるため、結晶引き上げ速度も同じ程度まで上げることが可能である。また、結晶欠陥形成温度領域では熱遮蔽板１１が１層となっているため、断熱性能が小さく、ヒータから単結晶２に放射される熱量が大きくなる。従って、第１実施例の熱遮蔽板よりも温度勾配Ｇ2 が更に小さくなり、結晶欠陥密度が更に低減される。
【００１８】
図５に第３実施例の単結晶製造装置に設置する熱遮蔽板を示す。この熱遮蔽板２１の内面側は、引き上げ中の単結晶２に平行な円筒部２１ａと、円筒部２１ａの下端に接続され、融液面３ａに近づくに従って縮径されるテーパ部２１ｂとを備えている。前記内面側は、引き上げ中の単結晶２がｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥形成温度すなわち１１５０〜１０００℃付近となる領域に対して円筒部２１ａが対向するように設定されている。一方、熱遮蔽板２１の外面側は、引き上げ中の単結晶２に平行な円筒部２１ｃと、その下端に接続され、融液面３ａに近づくに従って拡径されるテーパ部２１ｄと、これに続く円筒部２１ｅとを備えている。熱遮蔽板２１の底面幅は図１に示した熱遮蔽板１、図４に示した熱遮蔽板１１と同一であり、内面側の円筒部２１ａとテーパ部２１ｂとの接続部に段差を設けていないため、前記円筒部２１ａは図１、図４に示した熱遮蔽板よりも単結晶２に近接した位置に設置されている。また、熱遮蔽板２１の内部空間には炭素繊維等からなる断熱材２２が充填されている。
【００１９】
熱遮蔽板２１を用いると、固液界面近傍の温度勾配Ｇ1 は第１実施例とほぼ同一になり、結晶引き上げ速度も同じ程度まで上げることができる。また、結晶欠陥形成温度領域では単結晶２と熱遮蔽板２１との間隔が狭くなることにより、単結晶２からの熱放射が抑制され、第１実施例よりも温度勾配Ｇ2 が更に小さくなり、結晶欠陥密度が更に低減される。また、第２実施例と同様に結晶欠陥形成温度領域にあたる部分の熱遮蔽板を１層構造とすれば温度勾配Ｇ2 が更に小さくなるため、第２実施例よりも欠陥密度が低減される。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、次の効果が得られる。
（１）固液界面近傍ではヒータ、るつぼ及び融液等からの輻射熱を効果的に遮断し、単結晶の軸方向温度勾配を大きくすることができるので、引き上げ速度を従来技術（第２従来例）と同等以上のレベルに維持することが可能で、単結晶の生産性向上に寄与する。
（２）その反面、結晶欠陥形成温度領域ではヒータ、るつぼ及び融液等からの輻射熱を従来技術（第１従来例）と同等以上に受けるとともに、単結晶からの放熱を抑制するようにしたので、高速引き上げを行ってもｇｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥密度は従来技術（第１従来例）と同程度に低減され、結晶品質を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の単結晶製造装置の下部構造を示す模式的縦断面図である。
【図２】単結晶の温度勾配を示す図である。
【図３】単結晶の欠陥密度の軸方向分布を示す図である。
【図４】第２実施例の単結晶製造装置の熱遮蔽板を示す模式的縦断面図である。
【図５】第３実施例の単結晶製造装置の熱遮蔽板を示す模式的縦断面図である。
【図６】第１従来例の単結晶製造装置の下部構造を示す模式的縦断面図である。
【図７】第２従来例の単結晶製造装置の熱遮蔽板を示す模式的縦断面図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３３，４１  熱遮蔽板
１ａ，１ｃ，１１ａ，２１ａ，２１ｃ，２１ｅ  円筒部
１ｂ，１１ｂ，２１ｂ，２１ｄ  テーパ部
２  単結晶
３ａ  融液面
４，９，１２，２２，３４，４２  断熱材
５  るつぼ
６  ヒータ
８  環状リム
【図１】
0004166316.tif 000002
【図２】
0004166316.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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