(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料を収容する直径が２２インチ以上の石英ルツボと、前記石英ルツボ内の原料を前記石英ルツボの外側から加熱して溶融するヒータと、これらを取り囲むように配置される断熱筒とを具備するＣＺ法による単結晶引上げ装置において、前記断熱筒のヒータ上端より上方に位置する部分の厚みをＴ２とし、前記断熱筒のヒータ上端より下方に位置する部分の厚みをＴ１とするとき、Ｔ２をＴ１×０．２〜０．７として、前記断熱筒のヒータ上端より上方に位置する部分の断熱性能を低下させたことを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項２】
原料を収容する直径が２２インチ以上の石英ルツボと、前記石英ルツボ内の原料を前記石英ルツボの外側から加熱して溶融するヒータと、これらを取り囲むように配置される断熱筒とを具備するＣＺ法による単結晶引上げ装置において、前記断熱筒のヒータ上端より上方に位置する部分に貫通開口部を設けて、前記貫通開口部の合計面積をＳ２とし、前記断熱筒のヒータ上端より上方に位置する部分の内周面の面積をＳ１とするとき、Ｓ２をＳ１×０．２〜０．８として、前記断熱筒のヒータ上端より上方に位置する部分の断熱性能を低下させたことを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項３】
原料を収容する直径が２２インチ以上の石英ルツボと、前記石英ルツボ内の原料を前記石英ルツボの外側から加熱して溶融するヒータと、これらを取り囲むように配置される断熱筒とを具備するＣＺ法による単結晶引上げ装置において、前記断熱筒のヒータ上端より上方に位置する部分の厚みをＴ２とし、前記断熱筒のヒータ上端より下方に位置する部分の厚みをＴ１とするとき、Ｔ２をＴ１×０．２〜０．７とするとともに、前記断熱筒のヒータ上端より上方に位置する部分に貫通開口部を設けて、前記貫通開口部の合計面積をＳ２とし、前記断熱筒のヒータ上端より上方に位置する部分の内周面の面積をＳ１とするとき、Ｓ２をＳ１×０．２〜０．８とすることにより、前記断熱筒のヒータ上端より上方に位置する部分の断熱性能を低下させたことを特徴とする単結晶引上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）による単結晶の引上げに使用される単結晶引上げ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの素材であるシリコン単結晶の製造には、ＣＺ法による引上げが多用されている。ＣＺ法による単結晶の引上げには、一般に図９のような引上げ装置が使用される。
【０００３】
即ち、メインチャンバー１内には、その中心部に位置してルツボ２が配置される。ルツボ２の外側にはヒータ３が配置され、ヒータ３の更に外側には、断熱筒４がメインチャンバー１の内面に沿って配置される。ルツボ２は内側の石英ルツボ２ａを外側の黒鉛ルツボ２ｂで保持する二重構造になっており、ペディスタルと呼ばれる支持軸５の上に載置される。支持軸５は、ルツボ２の回転及び昇降のために、周方向及び軸方向に駆動される。
【０００４】
単結晶の引上げでは、第１段階として、ルツボ２内に装填された原料（多結晶シリコン）がヒータ３により外側から加熱されて溶融される。第２段階として、メインチャンバー１上に連結された小径のプルチャンバー６内を通って引上げ軸７がメインチャンバー１内に下ろされ、その下端のチャック８に装着された種結晶がルツボ２内の原料融液１０に漬けられる。そして、引上げ軸７が回転しながら上昇することにより、種結晶の下方に単結晶１１が育成され、プルチャンバー６内に引き込まれる。
【０００５】
操業中は、チャンバー内が所定の減圧状態に真空排気されると共に、そのチャンバー内に上から下へ不活性ガスが流通される。また、ルツボ２は周方向に回転し、且つ原料融液１０の消費による液面低下を相殺するべく上昇する。
【０００６】
ここで、断熱筒４はヒータ熱の逸散を防止してヒータ電力を軽減するために設けられる。この効果を高めるために、断熱筒４には、その上端部から内側へ略水平に延出するリング状の断熱板１２が組み合わされることが多い。ルツボ２の上方に逆錐形状をしたフランジ付きのガス整流筒を配置する場合は、ガス整流筒の上端部から外側へ張り出すフランジ状の保持部が、この断熱板１２となる。断熱板１２はヒータ熱の逸散防止だけでなく、ガス整流機能も有する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような単結晶引上げ装置では、ルツボ２、特に石英ルツボ２ａの加熱温度が約１５００℃を超えると、石英ルツボ２ａの軟化が始まり、更に温度が高くなり１５５０℃以上になると石英ルツボ２ａに自重や外的要因により変形が生じる。この変形としては、図１０（ａ）に示すように石英ルツボ２ａの中段部が屈曲や垂れ下がりにより膨出する膨れ現象と、図１０（ｂ）に示すようにルツボ２ａの上端部が内側へ傾く倒れ現象がある。
【０００８】
このようなルツボ変形は、これまでは操業上の工夫等もあってそれほど顕著ではなかった。しかし、最近の単結晶の大径化に伴い、この変形が顕著となり、特に大きな問題になってきた。単結晶の大径化によってルツボ変形が顕著化する理由は以下の通りである。
【０００９】
図１１はルツボ内の融液面レベルでの温度分布をルツボ直径が小さい場合と大きい場合について示す。同図に示されるように、単結晶１１の大径化によりルツボ２の直径が大きくなるが、ルツボ２内の中心部における加熱温度は、ルツボ径に関係なくシリコン融点（１４２０℃）を維持する必要がある。この中心部における温度維持のため、ルツボ２の直径が大きくなるほどヒータ出力が増大され、その結果として、ヒータ３に包囲されたルツボ２の側壁部の加熱温度が上昇し、石英ルツボ２ａの変形が顕著となる。
【００１０】
そして、石英ルツボの変形が顕著になった場合は、ルツボ内の融液面変動やガス乱流による歩留り低下が問題になり、ルツボの上方に逆錐形状のガス整流筒を配置する操業では、ルツボの上昇に伴ってガス整流筒にルツボが当たり、引上げの中断を余儀なくされることもある。
【００１１】
本発明の目的は、大径ルツボを使用する場合もその変形を効果的に抑制できる単結晶引上げ装置を提供することある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、石英ルツボが操業中に上昇し、ヒータ及び断熱部材に対する位置関係が変化することから、石英ルツボが操業中に受ける熱履歴に着目し、その熱履歴に対する断熱部材の形状等の影響度を伝熱シミュレーションにより検討した。その結果、以下の事実が判明した。
【００１３】
石英ルツボの変形を支配する要因としては加熱温度と加熱時間が関係し、加熱温度が石英ガラスの軟化点を超える１６５０℃以上の温度域では短時間で石英ルツボの変形が起こり、軟化点以下の１５００℃以下の温度であっても長時間にわたって加熱されると石英ルツボの変形が起こる。
【００１４】
従来の単結晶引上げ装置で石英ルツボが変形する主たる原因は、引上げの進行に伴い石英ルツボが上昇し、石英ルツボの内側にシリコン融液がない部分がヒータ上端部より突出するにもかかわらず、当該部分が１５００℃程度の軟化点より若干低い温度域で長時間にわたって保持されることにあり、この変形原因を取り除くためには、断熱部材のヒータ上端より上方の部分で断熱性能を限定的に低下させて、当該部分の石英ルツボの温度を低下させることが有効である。
【００１５】
しかし、この断熱性能を低下させる領域をヒータ上端より下方の部分まで広げると、放熱を伴うために大きなヒータ電力が必要になり、特に大きなヒータ電力はメルト時やディップ時に、石英ルツボの温度を軟化点を遙かに超える温度まで上昇させ、逆に石英ルツボの変形を促進する原因になる。
【００１６】
本発明の単結晶引上げ装置は、かかる知見に基づいて開発されたものであり、第１の構成として、ヒータの外側に配置される断熱筒のヒータ上端近傍より上方に位置する部分の断熱性能を低下させる手段を講じたものである。
【００１７】
また第２の構成として、断熱筒の上端部から内側へ略水平に延出するリング状の断熱板の気流遮蔽機能を低下させずにその断熱性能を低下させる手段を講じたものである。
【００１８】
第１の構成での断熱性能を低下させる手段、即ち断熱筒のヒータ上端近傍より上方に位置する部分の断熱性能を低下させる手段としては、断熱筒のヒータ上端近傍より上方に位置する部分の厚みＴ２を、断熱筒のヒータ上端近傍より下方に位置する部分の厚みＴ１より部分的又は全体的に薄くすることや、断熱筒のヒータ上端近傍より上方に位置する部分に貫通開口部を設けることなどがあり、複数種類の手段を組み合わせて用いることも可能である。
【００１９】
断熱筒のヒータ上端近傍より上方に位置する部分の厚みＴ２を、断熱筒のヒータ上端近傍より下方に位置する部分の厚みＴ１より全体的に薄くする場合、Ｔ２は（Ｔ１×０．２〜０．７）以下が好ましい。Ｔ２が（Ｔ１×０．７）を超えると、ルツボの高温状態が長時間続き、ルツボ変形を抑える効果が不十分となる。Ｔ２が（Ｔ１×０．２）未満の場合は、ヒータ出力の増大が顕著になり、短時間とは言え、メルト時やディップ時にルツボが軟化点を超える１６５０℃以上の高い温度に加熱され、その変形を抑える効果が不十分となる。
【００２０】
断熱筒のヒータ上端近傍より上方に位置する部分に貫通開口部を設ける場合、貫通開口部の合計面積をＳ２、断熱筒のヒータ上端近傍より上方に位置する部分の内周面の面積をＳ１として、Ｓ２は（Ｓ１×０．２〜０．８）が好ましい。Ｓ２が（Ｓ１×０．２）未満の場合は、ルツボの高温状態が長時間続き、ルツボ変形を抑える効果が不十分となる。Ｓ２が（Ｓ１×０．８）を超えると、ヒータ出力の増大が顕著になることにより、短時間とはメルト時やディップ時にルツボが軟化点を超える１６５０℃以上の高い温度に加熱され、その変形を抑える効果が不十分となる。
【００２１】
断熱筒のヒータ上端近傍より上方に位置する部分の厚みＴ２を、断熱筒のヒータ上端近傍より下方に位置する部分の厚みＴ１より部分的に薄くする場合や、断熱筒のヒータ上端近傍より上方に位置する部分に貫通開口部を設ける場合、これらの放熱促進部は断熱筒の周方向に均等に設けることが重要である。
【００２２】
第２の構成での断熱性能を低下させる手段、即ち、断熱板の気流遮蔽機能を低下させずにその断熱性能を低下させる手段としては、断熱性能が部分的に低い部分を断熱板に形成することなどがある。
【００２３】
断熱性能が部分的に低い部分を断熱板に形成する手段としては、断熱板を部分的に薄くすることや、断熱板が外側のシェル部と内側の充填部とからなるボックス構造の場合は、内側の充填部を抜き取る所謂肉抜きなどがある。いずれの手段の場合も、断熱性能が部分的に低い部分、即ち放熱促進部は、断熱板の周方向に均等に形成することが重要である。
【００２４】
断熱板の肉抜きを行う場合、その肉抜き部の合計面積をＳ２′、断熱板の断熱筒から内側へ突出する部分の片側の表面積をＳ１′として、Ｓ２′は（Ｓ１′×０．２〜０．７）が好ましい。Ｓ２′が（Ｓ１′×０．２）未満の場合は、ルツボの高温状態が長時間続き、ルツボ変形を抑える効果が不十分となる。Ｓ２′が（Ｓ１′×０．７）を超えると、ヒータ出力の増大が顕著になることにより、ルツボが１６５０℃以上の高い温度に加熱され、その変形を抑える効果が不十分となる。
【００２５】
第２の構成では、断熱板によるガス整流作用を変化させないために、断熱板の気流遮蔽機能を低下させないことが必要であり、このために貫通開口部は除外される。
【００２６】
本発明は、ルツボ変形が特に問題となる直径が２２インチ以上の石英ルツボを使用する単結晶引上げ装置に特に有効である。
【００２７】
本発明の単結晶引上げ装置は、断熱部材に断熱性能を低下させる手段、換言すれば放熱を促進する手段を講じることにより、ルツボ上端部の加熱温度を変形が問題にならない１５５０℃以下に抑えることができる。放熱を促進するための各種の具体的手段は、ルツボ上端部の加熱温度が１５５０℃以下に抑えられるように設計することが望まれる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る単結晶引上げ装置の縦断面図、図２は同単結晶引上げ装置の主要部の縦断面図、図３は同主要部の斜視図である。
【００２９】
第１実施形態に係る単結晶引上げ装置は、図９に示した従来の単結晶引上げ装置と比較して断熱筒４の構造が相違する。他の部分の構造は、図９に示した従来の単結晶引上げ装置と同じであるので、詳しい説明を省略する。
【００３０】
断熱筒４は、ルツボ２を加熱する環状のヒータ３の外側に、メインチャンバーの内面に沿って設けられる円筒体である。断熱筒４の上部は、ヒータ３の上端より上方に突出しており、その突出部分４２、即ち断熱筒４のヒータ上端より上方の部分は、断熱筒４のヒータ上端より下方の本体部分４１より全周にわたって薄肉とされている。具体的には、突出部分４２の外面側の部分を除去することで、突出部分４２の厚みＴ２を全周にわたって本体部分４１の厚みＴ１の（０．２〜０．７）倍としている。
【００３１】
断熱筒４の上端部には、内側へ略水平に延出したリング状の断熱板１２が一体的に設けられている。断熱板１２及び断熱筒４は、カーボンシェル内にカーボンファイバーを充填したボックス構造である。
【００３２】
このような単結晶引上げ装置では、断熱筒４の突出部分４２の厚みＴ２を本体部分４１の厚みＴ１より薄くしたことにより、ルツボ２、特に石英ルツボ２ａの側壁部が通過する位置での温度分布は図４のように変更される。
【００３３】
即ち、図４は石英ルツボの側壁部が通過する位置での高さ方向の温度分布図であり、図中の温度分布曲線Ａは断熱筒が全高にわたって一定厚の従来装置の場合、温度分布曲線Ｂは突出部分の厚みを本体部分の厚みの０．５倍とした本発明装置の場合、温度分布曲線Ｃは断熱筒のヒータ中段より上方の部分の厚みを薄くした比較装置の場合、温度分布曲線Ｄは断熱筒のヒータ外側部分の厚みを薄くした比較装置の場合をそれぞれ示す。
【００３４】
石英ルツボは引上げの進行に伴って上昇する。断熱筒が全高にわたって一定厚の従来装置（Ａ）の場合、ヒータ内側で１５００℃を超えるだけでなく、ヒータ上端より上方、即ち断熱筒の突出部分内側でも広い領域にわたって１５００℃を超える。その結果、石英ルツボの側壁部、特にその上端部は操業中の長い期間にわたって変形が問題になる１５００℃以上の高温にさらされる。
【００３５】
しかるに、断熱筒の突出部分の厚みをその下方の本体部分の厚みより薄くした本発明装置（Ｂ）では、全体的な断熱性能の低下によるヒータ出力の増大によりヒータ内側では若干温度が上がるが、ヒータ上端より上方、即ち断熱筒の突出部分内側では極端に温度が下がり、１５００℃以下に維持される。その結果、石英ルツボの側壁部、特にその上端部の加熱温度は１５００℃以下に抑えられる。
【００３６】
断熱筒のヒータ中段より上方で厚みを薄くした比較装置（Ｃ）の場合は、ヒータ上端より上方、即ち断熱筒の突出部分内側では温度が下がるが、全体的な断熱性能の低下によるヒータ出力の増大が顕著になり、ヒータ内側での温度が極端に上昇する。その結果、メルト時やディップ時に石英ルツボの変形が問題になる。断熱筒のヒータ上端より上方で厚みを極端に薄くした場合にも同様の傾向となる。
【００３７】
断熱筒のヒータ外側で厚みを薄くした比較装置（Ｄ）の場合は、ヒータ出力の大幅増大により広い領域で温度が上がる。
【００３８】
なお、本発明の単結晶引上げ装置においてもヒータ３の内周域に位置する石英ルツボ２の温度は１５５０℃を超えるが、石英ルツボ２内にはシリコン融液が存在し、このシリコン融液の内圧により、問題となる石英ルツボ２の変形は生じ難い。その後、石英ルツボ２の上端がヒータ３の上端部を越えると、突出した当該部分の温度は低下し、高温にさらされる時間が短くなり、その変形が顕著に抑制される。
【００３９】
第１実施形態では、突出部分４２の厚みを全周にわたって薄くしたが、周方向の複数箇所で厚みを薄くすることも可能である。即ち、薄肉の放熱促進部を周方向に複数設けることも可能である。
【００４０】
図５は本発明の第２実施形態に係る単結晶引上げ装置の主要部の斜視図である。
【００４１】
第２実施形態に係る単結晶引上げ装置では、断熱筒４の突出部分４２の厚さが本体部分４１の厚さと同一であり、その代わり、突出部分４２に、複数の貫通開口部４３，４３・・からなる放熱促進部が周方向に等間隔で設けられている。貫通開口部４３，４３・・の合計面積Ｓ２は、突出部分４２の内周面の面積Ｓ１の（Ｓ１×０．２〜０．８）に設定されている。これ以外の構造は、第１実施形態に係る単結晶引上げ装置と同一である。
【００４２】
第２実施形態に係る単結晶引上げ装置でも、第１実施形態に係る単結晶引上げ装置と同様に、断熱筒４の突出部分４２で放熱が促進されることにより、石英ルツボの側壁部が高温にさられる時間が短くなり、その変形が抑制される。ちなみに、図４中の温度分布曲線Ｂは、第２実施形態に係る単結晶引上げ装置で貫通開口部４３，４３・・の合計面積Ｓ２を突出部分４２の内周面の面積Ｓ１の０．５倍としたときに略対応する。
【００４３】
図６は断熱筒の突出部分の厚さ及び突出部分に設けられた貫通開口部の合計面積が石英ルツボの変形量に及ぼす影響を示す図表である。ルツボ変形量は直径が３４インチの石英ルツボを使用して直径が１２インチのシリコン単結晶を引上げたときの石英ルツボの変形による正規内面からの最大突出量である。
【００４４】
断熱筒が全高にわたって等厚で、突出部分に貫通開口部をもたない場合、ルツボ変形量は約４０ｍｍに達するが、断熱筒の突出部分の厚さをその下の本体部分の厚さより薄くすることにより、ルツボ変形量が小さくなり、Ｔ２≦０．７×Ｔ１ではルツボ変形量は５ｍｍ以下に抑制される。また、突出部分に貫通開口部を設けることによってもルツボ変形量は小さくなり、Ｓ２≧０．２×Ｓ１ではルツボ変形量は５ｍｍ以下に抑制される。
【００４５】
第２実施形態では、貫通開口部は角形であるが、円形でもよく、その形状は問わない。
【００４６】
第２実施形態では又、突出部分はその下の本体部分と等厚であるが、突出部分を本体部分より薄くした上で、その突出部分に貫通開口部を設けることも可能である。
【００４７】
図７は本発明の第３実施形態に係る単結晶引上げ装置の主要部の縦断面図である。
【００４８】
第３実施形態に係る単結晶引上げ装置では、断熱筒４の上端部から内側へ略水平に突出するリング状の断熱板１２が部分的な肉抜き構造とされている。即ち、カーボンシェルの内側に充填されたカーボンファイバーを抜き取ることにより形成された放熱促進部としての肉抜き部１２′が断熱板１２に部分的に設けられている。
【００４９】
肉抜き部１２′は、ここでは断熱板１２の半径方向一部に全周連続して設けられているが、周方向の複数位置に設けることもできる。また、周方向の複数位置で半径方向の全体に設けることもできる。
【００５０】
肉抜き部１２′の合計面積Ｓ２′は、断熱板１２の断熱筒４から内側へ突出する部分の片側の表面積Ｓ１′に対する比率で表して０．２〜０．８とされている。
【００５１】
第３実施形態に係る単結晶引上げ装置では、断熱板１２に肉抜き部１２′を設けたことにより、第１実施形態及び第２実施形態に係る単結晶引上げ装置と同様に、ヒータ３より上方での熱逸散が促進され、雰囲気温度が低下することにより、石英ルツボの側壁部が高温にさられる時間が短くなり、その変形が抑制される。ちなみに、図４中の温度分布曲線Ｂは、第３実施形態に係る単結晶引上げ装置では肉抜き部１２′の合計面積Ｓ２′を、断熱板１２の断熱筒４から内側へ突出する部分の片側の表面積Ｓ１′の０．４倍としたときに略対応する。
【００５２】
また、肉抜き部１２′ではシェルがそのまま残され、ガス流通がないので、整流機能は不変である。
【００５３】
図８は断熱板に設けられた肉抜き部の面積が石英ルツボの変形量に及ぼす影響を示す図表である。ルツボ変形量は直径が３４インチの石英ルツボを使用して直径が１２インチのシリコン単結晶を引上げたときの石英ルツボの変形による正規内面からの最大突出量である。
【００５４】
放熱促進部である肉抜き部が断熱板に設けられていない場合、ルツボ変形量は約３５ｍｍに達するが、肉抜き部を設けることにより、ルツボ変形量は小さくなり、Ｓ２′≧０．２×Ｓ１′ではルツボ変形量は５ｍｍ以下に抑制される。しかし、Ｓ２′＞０．７×Ｓ１′では、ヒータ出力の増大によりルツボ変形量は再び増大する。
【００５５】
第３実施形態では、断熱筒の突出部分はその下の本体部分と等厚であるが、突出部分を本体部分より薄くしたり、その突出部分に貫通開口部を設けることも可能である。
【００５６】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明の単結晶引上げ装置は、ヒータの外側に設けられる断熱部材の上部で限定的に断熱性能を低下させ、放熱を促進する手段を講じることにより、石英ルツボの直径が大きい場合もその変形を効果的に防止することができる。従って、ルツボ変形に起因するルツボ内の融液面変動やガス乱流による歩留り低下や、ルツボの上方に逆錐形状のガス整流筒を配置する操業で問題となる引上げの中断を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る単結晶引上げ装置の縦断面図である。
【図２】同単結晶引上げ装置の主要部の縦断面図である。
【図３】同主要部の斜視図である。
【図４】石英ルツボの側壁部が通過する位置での温度分布図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る単結晶引上げ装置の主要部の斜視図である。
【図６】断熱筒の突出部分の厚さ及び突出部分に設けられた貫通開口部の合計面積が石英ルツボの変形量に及ぼす影響を示す図表である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る単結晶引上げ装置の主要部の縦断面図である。
【図８】断熱板に設けられた肉抜き部の面積が石英ルツボの変形量に及ぼす影響を示す図表である。
【図９】従来の単結晶引上げ装置の縦断面図である。
【図１０】石英ルツボの変形を説明するための模式図である。
【図１１】融液面レベルでの水平方向の温度分布図である。
【符号の説明】
１  メインチャンバー
２  ルツボ
２ａ  石英ルツボ
２ｂ  黒鉛ルツボ
３  ヒータ
４  断熱筒
４１  本体部分
４２  突出部分（ヒータ上端より上方の部分）
４３  貫通開口部（放熱促進部）
５  支持軸
６  プルチャンバー
７  引上げ軸
８  チャック
１０  原料融液
１１  シリコン単結晶
１２  断熱板
１２′  肉抜き部（放熱促進部）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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