(57)【要約】  本発明は、種結晶を用いて坩堝に収容されたシリコン融液からインゴットを成長させるインゴット成長装置であって、前記坩堝が収容される下部と成長する前記インゴットが通過する上部とで構成されたチャンバーと、前記チャンバーの上部に配置されて前記チャンバーの下部まで延長され、成長する前記インゴットが通過できるホールを有する冷却速度制御部と、を含み、前記冷却速度制御部は、前記インゴットを保温するための断熱部と、前記断熱部の上側に配置され、前記インゴットを冷却させるための冷却部と、前記断熱部と前記冷却部との間に配置され、前記冷却部と前記断熱部との間の熱交換を抑制するための遮断部と、を含むことを特徴とする。【選択図】図１
2016513614.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
種結晶を用いて坩堝に収容されたシリコン融液からインゴットを成長させるインゴット成長装置であって、
前記坩堝が収容される下部と成長する前記インゴットが通過する上部とで構成されたチャンバーと、
前記チャンバーの上部に配置されて前記チャンバーの下部まで延長され、成長する前記インゴットが通過できるホールを有する冷却速度制御部と、を含み、
前記冷却速度制御部は、
前記インゴットを保温するための断熱部と、
前記断熱部の上側に配置され、前記インゴットを冷却させるための冷却部と、
前記断熱部と前記冷却部との間に配置され、前記冷却部と前記断熱部との間の熱交換を抑制するための遮断部と、を含むことを特徴とするインゴット成長装置。
【請求項２】
前記冷却速度制御部は、前記冷却速度制御部の外形をなすフレーム部を含み、
前記フレーム部は、前記断熱部と前記遮断部との間及び前記遮断部と前記冷却部との間をそれぞれ区画するための複数の区画部を含むことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項３】
前記断熱部は、カーボンフェルトの断熱材からなることを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項４】
前記遮断部は、前記断熱部と前記冷却部との間を真空状態にすることにより構成されることを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項５】
前記冷却部は、前記チャンバーの上部の内壁に沿う前記インゴットを冷却するための水冷管からなることを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項６】
前記断熱部は、前記インゴットの外側部の温度が８５０℃乃至４５０℃となる領域内に配置されるようなサイズで設けられることを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項７】
前記断熱部と前記遮断部、及び前記冷却部と前記遮断部は、それぞれ締結分離可能に構成されたことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項８】
前記坩堝の上側に配置される断熱手段として設けられ、成長する前記インゴットが通過できるホールを備えた上側熱遮蔽体をさらに含み、
前記断熱部は、前記上側熱遮蔽体の上面まで延長されたことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項９】
前記断熱部の側面に開口部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項１０】
前記冷却部、前記遮断部及び前記断熱部の垂直長さの比は２：１：１であることを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項１１】
前記冷却部は、水冷管と、前記水冷管に冷却水を注入する注入口と、前記冷却水が排出される排出口と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項１２】
前記断熱部は、ガス注入口と、ガス移動管と、ガス排出口と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項１３】
前記断熱部は、前記インゴットが通過できる前記ホールのサイズが徐々に増加するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項１４】
前記断熱部は、前記ホールのサイズが徐々に増加するドーム形状を有することを特徴とする請求項１３に記載のインゴット成長装置。
【請求項１５】
インゴット成長装置の内部に配置され、成長するインゴットの高さに応じて前記インゴットの冷却速度を制御するための冷却速度制御装置であって、
前記冷却速度制御装置の外形をなして、成長する前記インゴットが通過できるホールを有し、内部に少なくとも２つ以上の区画部を含むフレーム部と、
前記フレームの上部に配置され、前記インゴットを冷却する冷却部と、
前記フレームの下部に配置され、前記インゴットを保温する断熱部と、
前記フレームの上部と下部との間に配置され、前記冷却部と前記断熱部との熱交換を抑制する遮断部と、を含むことを特徴とする冷却速度制御装置。
【請求項１６】
前記断熱部と前記遮断部、及び前記冷却部と前記遮断部は、それぞれ締結分離可能に構成されたことを特徴とする請求項１５に記載のインゴット成長装置。
【請求項１７】
前記冷却部は、水冷管と、前記水冷管に冷却水を注入する注入口と、前記冷却水が排出される排出口と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載のインゴット成長装置。
【請求項１８】
前記断熱部は、ガス注入口と、ガス移動管と、ガス排出口と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載のインゴット成長装置。
【請求項１９】
前記断熱部は、前記インゴットが通過できる前記ホールのサイズが徐々に増加するように形成されたことを特徴とする請求項１５に記載のインゴット成長装置。
【請求項２０】
前記断熱部は、前記ホールのサイズが徐々に増加するドーム形状を有することを特徴とする請求項１５に記載のインゴット成長装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単結晶シリコンインゴットを生産するインゴット成長装置に関する。より詳しくは、インゴット成長装置に冷却手段を備えて高品質のインゴットを生産する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の材料として使用されるシリコン単結晶ウェハは、一般的にチョクラルスキー法(CZ)によって製造された単結晶インゴットをスライスする工程によって製造される。
【０００３】
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶インゴットを成長させる方法は、石英坩堝に多結晶シリコンを溶融させた後、種結晶を融液の表面に浸漬させ、種結晶を引上げて細長い結晶を成長させるネッキング工程と、結晶を直径方向に成長させて目標直径とするショルダーリング(shouldering)工程と、を経る。その後、一定な直径を有するシリコン単結晶インゴットを所望の長さに成長させるボディグロイング(body growing)工程を経て、シリコン単結晶インゴットの直径を徐々に減少させてシリコン融液とインゴットを分離するテーリング(tailing)工程を経ることで、シリコン単結晶インゴットの成長が完了する。
【０００４】
前記ＣＺ法によるシリコン単結晶の成長時には、空孔(vacancy)と格子間シリコン(interstitial silicon)が、結晶が形成される固液界面を介して単結晶内に流入される。
【０００５】
そして、単結晶に流入された空孔と格子間シリコンの濃度が過飽和状態に至ると、空孔と格子間シリコンが拡散及び凝集して空孔欠陥（以下、Ｖ欠陥とする）と格子間欠陥（以下、Ｉ欠陥とする）を形成する。そして、Ｖ欠陥とＩ欠陥はウェハの特性に悪影響を及ぼすため、単結晶成長時にはＶ欠陥とＩ欠陥の形成を抑制しなければならない。
【０００６】
前記Ｖ欠陥とＩ欠陥の発生を抑制するため、単結晶の引上げ速度Ｖと固液界面での温度勾配Ｇとの比であるＶ／Ｇを特定範囲内で制御する方法が主に用いられる。Ｖ／Ｇに含まれたパラメーターのうち、Ｇは単結晶成長装置のホットゾーン(Hot-zone)の設計を介して制御する。
【０００７】
特に、Ｇは、ホットゾーン構造物である上側熱遮蔽体の構造を変更して、シリコン融液(Melt)と上側熱遮蔽との間のメルトギャップ(Melt-gap)とを調節することで主に制御される。ここで、上側熱遮蔽体とは、シリコン単結晶が引上げられる時に単結晶の表面と中心部との温度偏差を減少させるために、単結晶の表面から発生する輻射熱の外部放出を防止する遮熱部材である。即ち、前記メルトギャップは、単結晶の中心部と単結晶の表面との温度勾配の差が最小となるように決定される。
【０００８】
ところが、近年、シリコン単結晶を大口径化させながら、Ｖ／Ｇを無欠陥マージン内で制御することがだんだん難しくなっている。特に、シリコン単結晶の口径が大きくなると、単結晶の引上げ過程でシリコン融液の消耗量が増加し、その分メルトギャップの変動幅が大きくなる。そのため、上側熱遮蔽体のみによるＧ値の制御には限界があった。
【０００９】
故に、上側熱遮蔽体の構造変更のみでＧ値を制御してＶ／Ｇを無欠陥マージン内で維持することが難しくなる問題点が発生した。
【００１０】
そして、インゴットが上側熱遮蔽体を経た後、水冷管の中でインゴットが成長することになる。前記水冷管がインゴットを急激を冷却させるので、上側熱遮蔽体を経た後の温度帯域ではインゴットの冷却速度を制御することができない。そのため、水冷管によってインゴットの外側部が急激に冷却されてインゴットの中心部との温度差が大きくなり、Ｇ値の制御が難しくなる問題点が発生する。
【００１１】
また、ＶとＩ欠陥が発生した後の冷却温度帯域では、インゴットの冷却時に酸素析出核のような欠陥が発生する。そのため、前記温度帯域でもインゴットの冷却速度を制御する必要性がある。特に、近年、ウェハが３００ｍｍ以上と大口径化するにつれて、インゴットの中心部Ｃと外側部Ｅとの冷却速度の偏差がさらに大きくなってしまい、その後、そのインゴットから生産されたウェハを加工すると、面内における不均一な結晶特性、即ち、ウェハの中心部と外側部とにおけるＢＭＤ及び酸素濃度の差が大きくなる問題点が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたもので、成長するインゴットの外側部と内側部との冷却速度の差を減少させることができる冷却速度制御手段を備えることで、高品質のインゴットを生産することができるインゴット成長装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本実施例のインゴット成長装置は、種結晶を用いて坩堝に収容されたシリコン融液からインゴットを成長させるインゴット成長装置であって、前記坩堝が収容される下部と成長する前記インゴットが通過する上部とで構成されたチャンバーと、前記チャンバーの上部の内側に設けられて前記チャンバーの下部まで延長され、成長する前記インゴットを冷却させるための冷却速度制御部と、を含み、前記冷却速度制御部は、前記インゴットの外側部を保温するための断熱部と、前記断熱部の上側に配置され、前記インゴットを冷却させるための冷却部と、前記断熱部と前記冷却部との間に配置され、前記冷却部と前記断熱部との間の熱交換を抑制するための遮断部と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の実施例によれば、インゴットの成長時、インゴットが冷却される一定温度帯域でインゴットの冷却速度を制御することができる。
【００１５】
さらに、インゴットの外側部Ｅと中心部Ｃとが冷却される速度の差を減少させることで、生産されるウェハの品質を向上させることができる。
【００１６】
特に、本実施例によれば、インゴットの外側部と中心部とにおける酸素析出核の量を均一にすることができる。本実施例にはＧ（温度勾配）を精密に制御してＶ欠陥とＩ欠陥を抑制することができる長所がある。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例に係るインゴット成長装置の概略的な断面を示す図である。
【図２】インゴット成長装置でインゴットの成長時に、冷却温度帯域に応じて形成される欠陥を説明するための例示を示す図である。
【図３】本発明の実施例に係る冷却速度制御部の斜視図である。
【図４】本発明の実施例に係る冷却速度制御部の断面図である。
【図５】本発明の別の実施例に係る冷却速度制御部の断面図である。
【図６】本発明のさらに別の実施例に係る冷却速度制御部の断面図である。
【図７】本発明の実施例に係る冷却速度制御部の適用前後におけるＢＭＤ値の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下では、添付される図面を参照して本実施例を詳しく説明する。但し、本実施例が開示する事項から本実施例が有する発明の思想の範囲が定められることがあるが、本実施例が有する発明の思想は、提案される実施例に対して構成要素の追加、削除、変更などの実施変形を含むことができる。
【００１９】
図１は、本発明の一実施例に係るインゴット成長装置の概略的な断面を示す。
【００２０】
図１を参照すると、本実施例に係るインゴット成長装置は、シリコン融液が収容される坩堝１２と、前記坩堝１２を加熱するヒーターと、前記坩堝１２の上側でシリコン融液の熱を遮蔽する上側熱遮蔽体１３と、前記上側熱遮蔽体１３をインゴットが通過した後、そのインゴットの冷却を制御する冷却速度制御部１００と、を含む。
【００２１】
前記冷却速度制御部１００は、前記上側熱遮蔽体１３におけるインゴットのＨ／Ｚ(hot zone)領域で熱を制御した後にインゴットの冷却温度を制御するためのものである。詳細は後述するが、前記冷却速度制御部１００は、低温帯域（前記上側熱遮蔽体１３の上に位置するインゴットが冷却される温度帯域を意味する）でもインゴットの冷却速度を制御するものである。特に、大型化するインゴットの外側部と内側部との間の冷却速度の差を減少させるためのものである。
【００２２】
例えば、温度が１５００℃程度のシリコン融液から成長したインゴットは、前記上側熱遮蔽体１３を通過して成長しながら、その温度が１０００℃程度に下降する。そして、１０００℃以下の温度で成長するインゴットは、本実施例の冷却速度制御部１００の内側を通過することになる。インゴットは、このときから、前記冷却速度制御部１００によって冷却温度が制御される。
【００２３】
即ち、インゴットが１５００℃から１０００℃に冷却される場合、空孔型と格子間型の点欠陥と点欠陥とが凝集して生じる集塊欠陥が主に発生する。このような欠陥は、上側熱遮蔽体１３によって制御される。１０００℃以下でインゴットが冷却される場合、主に酸素析出物と酸素析出物が結合して酸素析出核などの欠陥が発生する。このような欠陥は、前記冷却速度制御部１００によって制御される。
【００２４】
このような前記冷却速度制御部１００は、成長するインゴットが通過できるサイズのホールが形成されたリング形状を有し、チャンバー１１内に設けられる。前記冷却速度制御部１００は前記上側熱遮蔽体１３から所定間隔を置いて配置される。
【００２５】
さらに、前記冷却速度制御部１００は、外部構造を構成するフレーム部１１０と、成長するインゴットの外側部Ｅを保温するための断熱部１２０と、前記断熱部１２０の上側に配置され、成長するインゴットを冷却するための冷却部１４０と、前記断熱部１２０と前記冷却部１４０との間に配置され、前記冷却部１４０と前記断熱部１２０との間の熱交換を抑制するための遮断部１３０と、を含む。
【００２６】
ところで、前記冷却速度制御部１００を構成する構成要素は、インゴットが冷却される温度帯域に応じて、その形成される高さ及び長さが決定される。前記冷却温度帯域は、インゴットがそれぞれの温度帯域で冷却される時に形成される欠陥の種類に応じてその温度帯域が分けられる。まず、図２を参照してこれを説明する。
【００２７】
図２は、インゴットが冷却される温度帯域に応じて発生する欠陥の種類を説明するための例示を示す。
【００２８】
図２を参照して、シリコン融液の表面から引上げられるインゴットの冷却温度帯域である１５００〜１０８０℃を第１温度帯域２００と定義する。その後引上げられて冷却される温度帯域である１０８０〜４５０℃を第２温度帯域２１０と定義し、４５０℃以下の温度帯域を第３温度帯域２２０と定義する。
【００２９】
まず、第１温度帯域２００では、空孔型(vacancy-type)と格子間型(interstitial-type)の点欠陥(point defect)が主に発生する。
【００３０】
上述したように、第１温度帯域２００での欠陥はＶ／Ｇ値で制御し、Ｇ値は上側熱遮蔽体１３の設計で制御することができる。
【００３１】
ところが、インゴットの直径が３００ｍｍ以上へ大口径化すると、Ｇ値を前記上側熱遮蔽体１３のみで制御することが難しくなる。即ち、インゴットの口径が大きくなると、インゴットの引上げ過程でシリコン融液の消耗量が増加して前記上側熱遮蔽体１３とシリコン融液との間隔が大きくなる。その間隔が変化すると、シリコン融液界面のＧ値が変動する。このような場合、インゴットの引上げ速度Ｖを無欠陥引上げ速度へ制御しても、シリコン融液の界面の一部領域や全体領域でＶ／Ｇが無欠陥マージンを外れる。そのため、単結晶内にＶ欠陥やＩ欠陥が発生し得る。
【００３２】
その後の第２温度帯域２１０では酸素析出物が発生及び成長し、その析出物が結合して酸素析出核が主に発生する。
【００３３】
特に、１０８０〜８５０℃の間は、主に酸素析出物が生成及び成長する帯域である。８５０〜４５０℃は、主にこのような酸素析出物が凝集して酸素析出核(Nucleation or cluster)が形成される帯域である。
【００３４】
このように凝集した酸素析出核(oxygen precipitate nucleation)は、ウェハにおいてＢＭＤのような欠陥として測定される。
【００３５】
酸素析出核は、ウェハの活性領域ではウェハの欠陥として有害に働き、そのウェハで製造された集積回路装置に損傷を与える恐れがある。ところが、酸素析出核が活性領域外に存在する場合、酸素析出核は金属のゲッタリングサイトとして有益な機能を果たすことが可能である。
【００３６】
そのため、前記ＢＭＤが、所定値に維持されていれば、高品質なウェハの生産に役立つ。そこで、インゴットの生産時にＢＭＤ値を制御する必要がある。
【００３７】
最後に、第３温度帯域２２０では、シリコンインゴットの結晶が完成される。この帯域では前記欠陥の形成が急激に低下する。
【００３８】
前記冷却速度制御部１００は、主に第２温度帯域２１０でインゴットの冷却温度を制御してウェハのＢＭＤ値を制御する。前記冷却速度制御部１００は、欠陥の形成が少ない第３温度帯域２２０でインゴットを急速冷却させてインゴットの歩留まりを高めるためのものである。
【００３９】
従って、成長するインゴットの温度が主に第２温度帯域２１０と第３温度帯域２２０内に該当する場合、本実施例の冷却速度制御部１００によってインゴットの冷却速度が制御される。
【００４０】
但し、前記冷却速度制御部１００によって制御される欠陥は、酸素析出核に限定されるものではなく、インゴットの冷却速度が制御されるにつれてその他の欠陥も制御できることは言うまでもない。
【００４１】
例えば、第１温度帯域２００について上述したように、インゴットが大口径化するにつれて、前記上側熱遮蔽体１３のみでＧ値を制御することが難しくなる。Ｖ欠陥やＩ欠陥の発生可能性が高くなることを防止するため、前記冷却速度制御部１００は第１温度帯域２００まで延長される。これによりＧ値を制御することで、Ｖ欠陥やＩ欠陥の発生を抑制することができる。
【００４２】
前記冷却速度制御部１００の構成をより詳しく説明するため、図３と図４を参照する。
【００４３】
図３は、本発明の一実施例に係る冷却速度制御部１００の内部構成を示す斜視図であり、図４は、本発明の一実施例に係る冷却速度制御部１００の断面構成を示す図である。
【００４４】
図３と図４を参照すると、前記冷却速度制御部１００は円筒柱形状からなる。円筒柱の内部には、インゴットが成長するホールが設けられる。
【００４５】
さらに、前記冷却速度制御部１００の外形は前記フレーム部１１０によって形成され、前記フレーム部１１０は内側壁と外側壁で構成される。前記フレーム部１１０の内側壁と外側壁は、予め設定された間隔を置いて設けられ、断熱部１２０と冷却部１４０がその間に配置される。即ち、前記フレーム部１１０を構成する外側壁と内側壁との間は空間で構成される。
【００４６】
そして、前記フレーム部１１０の空間は、垂直方向に区間を分けるために、その空間の水平面に区画部を設けることができる。即ち、前記フレーム部１１０の内部の空間には区画部が収容され、２つ以上の区画に分離することができる。分離されたそれぞれのフレームの内部の空間を、断熱部１２０、遮断部１３０、冷却部１４０で構成することができる。
【００４７】
また、前記フレーム部１１０の側面に開口部（図示せず）を含むことができ、前記開口部にはウィンドウを介在させることができる。前記開口部は、ドームチャンバー１１に設けられたビューポートから成長するインゴットを観察できるように光を透過する役割をする。
【００４８】
そして、前記フレーム部１１０の材質には、モリブデン(Moly)、ステンレス鋼(SUS)、黒鉛(Graphite)、炭素複合材(Carbon composite material)などを使用するこができる。
【００４９】
このとき、前記フレーム部１１０は、区画された部分それぞれに応じて異なる材質からなることもできる。例えば、前記フレーム部１１０の断熱部１２０で構成される部分は、断熱効果を高めるために黒鉛(Graphite)からなり、その内側壁の表面を、単結晶の熱を反射するために熱分解黒鉛(Pyrolytic graphite)のような反射体物質でコーティングすることができる。そして、前記フレーム部１１０の冷却部１４０で構成される部分は、熱伝導率が高いステンレス鋼(SUS)からなり、その内側壁を熱を吸収することができる物質でコーティングすることができる。
【００５０】
また、前記分離された部分それぞれが異なる材質で構成される場合、冷却部１４０と断熱部１２０がそれぞれ製造された後に組立や解体ができるように冷却速度制御部１００を構成することも可能である。例えば、前記冷却部１４０と前記断熱部１２０の端部に雄ネジ部を設け、前記遮断部１３０の両端部に雌ネジ部を設ける。前記遮断部を中心にして、その両端にそれぞれ冷却部と断熱部とを締結して前記冷却速度制御部１００を構成することができる。
【００５１】
さらに、断熱部１２０の下部と遮断部１３０の上部が嵌合するように構成され、遮断部１３０の下部と冷却部１４０の上部も嵌合するように構成することもできる。
【００５２】
また、前記フレーム部１１０の上側がチャンバー１１の上部と連結され、上側熱遮蔽体１３まで垂直方向に延長される。
【００５３】
例えば、第２温度帯域２１０でインゴットの冷却温度を制御するため、前記フレーム部１１０の端部は、引上げられるインゴットの温度が１０８０〜８５０℃となる高さまで延長される。また、第１温度帯域２００まで制御するため、前記フレーム部１１０の端部が上側熱遮蔽体１３の上面まで延長されることも可能である。
【００５４】
そして、上述したように、分離されたフレーム部１１０の下部に断熱材(Insulator)が満たされて、前記断熱部１２０が形成されることになる。
【００５５】
前記断熱材の材質には、シリコン融液の汚染防止のため、カーボンフェルト(carbon felt)を使用することもできる。
【００５６】
そして、前記断熱部１２０は、インゴットの冷却時に外側部Ｅを保温してインゴットの中心部Ｃの冷却速度とインゴットの外側部Ｅの冷却速度との偏差を減少させようとするものである（図５参照）。
【００５７】
即ち、インゴットが冷却される時、インゴットの中心部Ｃは伝導だけで熱を放出する。しかし、インゴットの外側部Ｅは伝導だけではなく、対流と輻射方式によっても熱を放出するので、その熱の放出方式が異なる。さらに、熱が放出される周辺の温度も異なるので、外側部Ｅは中心部Ｃに比べて相対的により早く冷却されることになる。このように、インゴットの中心部Ｃと外側部Ｅの冷却速度が異なるようになり、それぞれの冷却履歴に偏差が生じる。このようなインゴットから生産すると、面内に不均一な結晶特性を有するウェハが生産されることになる。そのため、前記断熱部１２０によってこれを防止しようとするのである。
【００５８】
例えば、ＢＭＤは第２温度帯域２１０でのインゴットの冷却履歴に応じてその値が決定される。インゴットの外側部Ｅと内側部の冷却速度が異なるようになると、インゴットの水平面で外側部Ｅと内側部のＢＭＤの値が異なるようになる。そのため、水平面で切断されて生産されるウェハは面内に不均一なＢＭＤ値を有することになる。
【００５９】
従って、前記冷却速度制御部１００の下部に前記断熱部１２０を設けて、前記断熱部１２０がインゴットの外側部Ｅを徐々に冷却させることで、インゴットの中心部Ｃと外側部Ｅとの冷却速度の偏差を減少させることができる。
【００６０】
ところが、前記断熱部１２０の長さを延長すると、インゴットの外側部Ｅと中心部Ｃとの冷却速度の偏差が減少して、より均一な品質の面を有するウェハを生産することができるが、前記断熱部１２０の長さの延長には、インゴットの冷却速度が減少して、インゴットの生産歩留まりが低下する短所がある。そこで、前記断熱部１２０は、制御しようとする欠陥が主に発生する区間にのみ形成されることが好ましい。
【００６１】
例えば、前記断熱部１２０の下部は、引上げられるインゴットの外側部Ｅの温度が１０８０〜８００℃となる高さに形成され、その上部は、インゴットの外側部Ｅの温度が４５０〜４００℃となる高さまで形成できる。特に、前記断熱部１２０が制御しようとするＢＭＤ値に決定的に影響を及ぼす酸素析出核の濃度を主に制御するため、酸素析出核が最も多く形成される温度帯域である８５０〜４５０℃で前記断熱部１２０が形成されることがインゴットの歩留まり面で好ましい。
【００６２】
そして、前記断熱部１２０の下部が上側熱遮蔽体の上面の高さまで形成されることも可能である。この場合、前記断熱部１２０には、上側熱遮蔽体を経た後のインゴットのＧ値を制御して、Ｖ欠陥とＩ欠陥を制御することができる利点がある。
【００６３】
そして、インゴットで欠陥の発生が急激に減少する高さからインゴットを速やかに冷却させるため、前記フレーム部１１０の上部に冷却部１４０が設けられる。例えば、前記冷却部１４０は、インゴットの外側部Ｅの温度が４５０〜４００℃になる高さから形成できる。これは、酸素析出核の生成が４５０℃以下から急激に低下するからである。
【００６４】
本実施例において、前記冷却部１４０は、水冷管１２２と、前記水冷管１２２に冷却水を注入する注入口１２１及び前記冷却水が排出される排出口１２３と、を含むように構成することができる。
【００６５】
即ち、前記水冷管１２２を２つ以上の通路で構成することができる。そして、前記水冷管１２２の上部の一方の側には、冷却水が流入される注入口１２１を形成することができ、下部の一方の側には、冷却水が排出される排出口１２３を形成することができる。
【００６６】
さらに、前記注入口１２１と前記排出口１２３には、冷却水を供給する供給管とポンプ（図示せず）が連結されて、これらが冷却水の流入と排出をすることで冷却水の温度を低温に維持することができる。
【００６７】
この場合、水冷管１２２の材質には、ステンレス鋼(SUS)のように熱伝導率が高い金属を使用することができる。
【００６８】
一方、前記断熱部１２０のすぐ上側に前記冷却部１４０が形成されることも可能である。しかし、前記冷却部１４０が前記断熱部１２０を冷却させて前記断熱部１２０の保温効果が減少し得る。そのため、前記断熱部１２０と前記冷却部１４０との間に別途の遮断部１３０を構成することができる。
【００６９】
即ち、前記遮断部１３０を前記断熱部１２０と前記冷却部１４０との間に設けて、前記遮断部１３０の下側の前記断熱部１２０とその上側の前記冷却部１４０との熱交換を遮断させることができる。そして、前記遮断部１３０は、前記断熱部１２０と前記冷却部１４０との間の熱交換を遮断させる程度の高さであれば充分であるので、前記遮断部１３０を、前記断熱部１２０及び前記冷却部１４０よりも低い高さを有するように形成することができる。
【００７０】
例えば、前記冷却部と前記遮断部及び前記断熱部の垂直長さの比を、２：１：１にすることができる。
【００７１】
そして、前記冷却部１４０と前記断熱部１２０との熱交換を遮断するために、前記遮断部１３０が真空状態にされることも可能であるが、前記遮断部１３０が別の断熱材や空間で構成されることも可能である。
【００７２】
また、本発明と異なる実施例において、前記断熱部１２０をガスで満たすことができる。
【００７３】
例えば、前記断熱部１２０は、ガス注入口１３１、ガス移動管１３２及びガス排出口１３２を含むように構成することができる。このとき、前記ガス注入口１３１は冷却部１４０に形成され、ガス移動管１３２が冷却部１４０まで延長されて前記ガス注入口１３１と連結できる。
【００７４】
さらに、前記ガス注入口１３１に、不活性ガスを供給するガス供給管と供給部（図示せず）とを連結できる。
【００７５】
これにより、前記断熱部１２０が不活性ガスで満たされて断熱効果を向上させることができる。
【００７６】
図５は、本発明の別の実施例に係る冷却速度制御部の断面図を示す。
【００７７】
本実施例の冷却速度制御部１００は、断熱部１４１の形状を変形させてインゴットの断熱効果を向上させようとするものである。
【００７８】
本実施例の断熱部１４１は、成長するインゴットが通過するホールのサイズを維持する第１断熱部１４２と、ホールのサイズが線形的に増加する第２断熱部１４３と、を含むように構成することができる。
【００７９】
前記第１断熱部１４２と前記第２断熱部１４３とをなすフレーム部１１０は、前記断熱部１４１の形状に沿うように形成されることは言うまでもない。
【００８０】
前記第２断熱部１４３は、シリコン融液を収容する坩堝１２の上面のサイズまで増加することができる。
【００８１】
前記断熱部１４１をこのような形状にすることで、シリコン融液から放出される熱を効果的に外部と遮断して断熱部１４１の内部空間の温度を向上させることができると共に、外部の温度を下げることができる。
【００８２】
図６は、本発明のさらに別の実施例に係る冷却速度制御部の断面図を示す。
【００８３】
本実施例の冷却速度制御部１００は、断熱部１４５の形状を変形させてインゴットの断熱効果を向上させようとするものである。
【００８４】
本実施例の断熱部１４５は、成長するインゴットが通過するホールのサイズを維持する第１断熱部１４６と、ホールのサイズが徐々に増加するドーム形状に形成された第２断熱部１４７と、を含むように構成することができる。
【００８５】
前記第１断熱部１４６と前記第２断熱部とをなすフレーム部１１０は、前記断熱部１４５の形状に沿うように形成されることは言うまでもない。
【００８６】
前記第２断熱部１４６は、シリコン融液を収容する坩堝１２の上面のサイズまで増加することができる。
【００８７】
前記断熱部１４５をこのような形状にすることで、シリコン融液から放出される熱を効果的に外部と遮断して、断熱部１４５の内部空間の温度を向上させることができると共に、外部の温度を下げることができる。
【００８８】
上述したいくつかの実施例の冷却速度制御部１００によって、インゴットでは断熱部１２０により第２温度帯域２１０でインゴットの外側部Ｅと中心部Ｃとの冷却速度の偏差が減少することになり、インゴットは冷却部１４０を経て最終生産されることになる。以下、冷却速度制御部１００の適用によるインゴットの変化を説明する。
【００８９】
図７は、本発明の一実施例に係る冷却速度制御部１００の適用前後におけるＢＭＤ値の変化を示すグラフである。
【００９０】
まず、適用前のグラフは、前記冷却速度制御部１００を備えず、水冷管のみを備えるインゴット成長装置でインゴットを成長させた後、そのインゴットを水平面で切断することで生産されたウェハのＢＭＤ値を測定したものである。
【００９１】
前記グラフを見ると、最初のインゴットの外側部Ｅから中心部Ｃに行くほどＢＭＤ値が上昇することが確認できる。中心部Ｃからその次の外側部Ｅに行くほどＢＭＤ値が減少することがわかる。即ち、ＢＭＤの傾き値が大きいことがわかる。
【００９２】
その理由は、インゴットの外側部Ｅが水冷管によって急激に冷却されるので、酸素析出核が形成される時間が減少してＢＭＤ値が小さく示されるからである。インゴットの中心部Ｃが外側部Ｅに比べて徐々に冷却されるので、酸素析出核が形成される時間が増加してＢＭＤ値が増加することになるからである。
【００９３】
反面、前記インゴット成長装置でインゴットを成長させた後、そのインゴットを水平面で切断することで生産されたウェハのＢＭＤ値を見ると、その値が一定を示していることが確認できる。
【００９４】
即ち、前記グラフを見ると、インゴットの外側部ＥのＢＭＤ値と中心部ＣのＢＭＤ値との差がほとんど無いことが確認できる。即ち、ＢＭＤの傾き値がほぼ０に近い値に測定されていることが確認できる。
【００９５】
その理由は、インゴットの外側部Ｅが断熱部１２０によって保温されることにより、インゴットの外側部Ｅと中心部Ｃが冷却される時間はほぼ同一となり、冷却時間に比例するＢＭＤ値がインゴットの外側部Ｅと中心部Ｃで近似するからである。
【００９６】
上述した本実施例のインゴット成長装置によって、第２温度帯域２１０以下の帯域でインゴットの冷却温度を制御して、インゴットの外側部Ｅと内側部との冷却速度の偏差を減少させることができる。本実施例のインゴット成長装置には、前記インゴットから均一な品質のウェハを生産することができる長所がある。
【００９７】
以上、本発明は図面に図示された一実施例を基に説明したが、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、この説明から様々な変形及び均等な他実施例が可能であることが理解できる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明は、ウェハを生産するためのインゴットを成長させる装置及びこれに使用される冷却装置であるので、産業上の利用可能性がある。
【図１】
2016513614.tif 000003
【図２】
2016513614.tif 000004
【図３】
2016513614.tif 000005
【図４】
2016513614.tif 000006
【図５】
2016513614.tif 000007
【図６】
2016513614.tif 000008
【図７】
2016513614.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成27年9月3日(2015.9.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
そして、単結晶に流入された空孔と格子間シリコンの濃度が過飽和状態に至ると、空孔と格子間シリコンが拡散及び凝集して空孔欠陥（以下、Ｖ欠陥とする）と格子間欠陥（以下、Ｉ欠陥とする）を形成する。そして、Ｖ欠陥とＩ欠陥はウェハの特性に悪影響を及ぼすため、シリコン単結晶インゴットの成長時にはＶ欠陥とＩ欠陥の形成を抑制しなければならない。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
ところが、近年、シリコン単結晶インゴットの直径を大口径化させながら、Ｖ／Ｇを無欠陥マージン内で制御することがだんだん難しくなっている。特に、シリコン単結晶の口径が大きくなると、単結晶の引上げ過程でシリコン融液の消耗量が増加し、その分メルトギャップの変動幅が大きくなる。そのため、上側熱遮蔽体のみによるＧ値の制御には限界があった。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
また、ＶとＩ欠陥が発生した後の冷却温度帯域では、インゴットの冷却時に酸素析出核のような欠陥が発生する。そのため、前記温度帯域でもインゴットの冷却速度を制御する必要性がある。特に、近年、ウェハが３００ｍｍ以上と大口径化するにつれて、インゴットの中心部Ｃと外側部Ｅとの冷却速度の偏差がさらに大きくなってしまい、その後、そのインゴットから生産されたウェハを加工すると、面内における様々な結晶欠陥、即ち、ウェハの中心部と外側部とにおけるＢＭＤ及び酸素濃度の差が大きくなる問題点が発生する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
ところが、インゴットの直径が３００ｍｍ以上へ大口径化すると、Ｇ値を前記上側熱遮蔽体１３のみで制御することが難しくなる。即ち、インゴットの口径が大きくなると、インゴットの引上げ過程でシリコン融液の消耗量が増加して前記上側熱遮蔽体１３の下部とシリコン融液の表面との間のメルトギャップが大きくなる。そのメルトギャップが変化すると、シリコン融液界面のＧ値が変動する。このような場合、インゴットの引上げ速度Ｖを無欠陥引上げ速度へ制御しても、シリコン融液の界面の一部領域や全体領域でＶ／Ｇが無欠陥マージンを外れる。そのため、単結晶内にＶ欠陥やＩ欠陥が発生し得る。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
そして、前記フレーム部１１０の空間は、垂直方向に区間を分けるために、その空間の水平面に区画部(partition)を設けることができる。即ち、前記フレーム部１１０の内部の空間には区画部が収容され、２つ以上の区画に分離することができる。分離されたそれぞれのフレームの内部の空間を、断熱部１２０、遮断部１３０、冷却部１４０で構成することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
さらに、断熱部１２０の上部と遮断部１３０の下部が嵌合するように構成され、遮断部１３０の上部と冷却部１４０の下部も嵌合するように構成することもできる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５２】
また、前記フレーム部１１０の上側がチャンバー１１の上部と連結され、前記フレーム部１１０の下側が上側熱遮蔽体１３まで垂直方向に延長される。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
即ち、インゴットが冷却される時、インゴットの中心部Ｃは伝導だけで熱を放出する。しかし、インゴットの外側部Ｅは伝導だけではなく、対流と輻射方式によっても熱を放出するので、その熱の放出方式が異なる。さらに、熱が放出される周辺の温度も異なるので、外側部Ｅは中心部Ｃに比べて相対的により早く冷却されることになる。このように、インゴットの中心部Ｃと外側部Ｅの冷却速度が異なるようになり、それぞれの冷却履歴に偏差が生じる。このようなインゴットから生産すると、面内に不均一な結晶欠陥を有するウェハが生産されることになる。そのため、前記断熱部１２０によってこれを防止しようとするのである。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７３】
例えば、前記断熱部１２０は、ガス注入口１３１、ガス移動管１３２及びガス排出口１３３を含むように構成することができる。このとき、前記ガス注入口１３１は冷却部１４０に形成され、ガス移動管１３２が冷却部１４０まで延長されて前記ガス注入口１３１と連結できる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７７】
本実施例の冷却速度制御部１００は、断熱部１２０の形状を変形させてインゴットの断熱効果を向上させようとするものである。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７８】
本実施例の断熱部１２０は、成長するインゴットが通過するホールのサイズを維持する第１断熱部１２４と、ホールのサイズが線形的に増加する第２断熱部１２５と、を含むように構成することができる。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
前記第１断熱部１２４と前記第２断熱部１２５とをなすフレーム部１１０は、前記断熱部１２０の形状に沿うように形成されることは言うまでもない。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８０】
前記第２断熱部１２５は、シリコン融液を収容する坩堝１２の上面のサイズまで増加することができる。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
前記断熱部１２０をこのような形状にすることで、シリコン融液から放出される熱を効果的に外部と遮断して、断熱部１２０の内部空間の温度を向上させることができると共に、外部の温度を下げることができる。
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
本実施例の冷却速度制御部１００は、断熱部１２０の形状を変形させてインゴットの断熱効果を向上させようとするものである。
【手続補正１６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８４】
本実施例の断熱部１２０は、成長するインゴットが通過するホールのサイズを維持する第１断熱部１２６と、ホールのサイズが徐々に増加するドーム形状に形成された第２断熱部１２７と、を含むように構成することができる。
【手続補正１７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８５】
前記第１断熱部１２６と前記第２断熱部１２７とをなすフレーム部１１０は、前記断熱部１２０の形状に沿うように形成されることは言うまでもない。
【手続補正１８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８６】
前記第２断熱部１２７は、シリコン融液を収容する坩堝１２の上面のサイズまで増加することができる。
【手続補正１９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８７】
前記断熱部１２０をこのような形状にすることで、シリコン融液から放出される熱を効果的に外部と遮断して、断熱部１２０の内部空間の温度を向上させることができると共に、外部の温度を下げることができる。
【手続補正２０】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
種結晶を用いて坩堝に収容されたシリコン融液からインゴットを成長させるインゴット成長装置であって、
前記坩堝が収容される下部と成長する前記インゴットが通過する上部とで構成されたチャンバーと、
前記チャンバーの上部に配置されて前記チャンバーの下部まで延長され、成長する前記インゴットが通過できるホールを有する冷却速度制御部と、を含み、
前記冷却速度制御部は、
前記インゴットを保温するための断熱部と、
前記断熱部の上側に配置され、前記インゴットを冷却させるための冷却部と、
前記断熱部と前記冷却部との間に配置され、前記冷却部と前記断熱部との間の熱交換を抑制するための遮断部と、を含むことを特徴とするインゴット成長装置。
【請求項２】
前記冷却速度制御部は、前記冷却速度制御部の外形をなすフレーム部を含み、
前記フレーム部は、前記断熱部と前記遮断部との間及び前記遮断部と前記冷却部との間をそれぞれ区画するための複数の区画部を含むことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項３】
前記断熱部は、カーボンフェルトの断熱材からなることを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項４】
前記遮断部は、前記断熱部と前記冷却部との間を真空状態にすることにより構成されることを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項５】
前記冷却部は、前記チャンバーの上部の内壁に沿う前記インゴットを冷却するための水冷管からなることを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項６】
前記断熱部は、前記インゴットの外側部の温度が８５０℃乃至４５０℃となる領域内に配置されるようなサイズで設けられることを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項７】
前記断熱部と前記遮断部、及び前記冷却部と前記遮断部は、それぞれ締結分離可能に構成されたことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項８】
前記坩堝の上側に配置される断熱手段として設けられ、成長する前記インゴットが通過できるホールを備えた上側熱遮蔽体をさらに含み、
前記断熱部は、前記上側熱遮蔽体の上面まで延長されたことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項９】
前記断熱部の側面に開口部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項１０】
前記冷却部、前記遮断部及び前記断熱部の垂直長さの比は２：１：１であることを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項１１】
前記冷却部は、水冷管と、前記水冷管に冷却水を注入する注入口と、前記冷却水が排出される排出口と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項１２】
前記断熱部は、ガス注入口と、ガス移動管と、ガス排出口と、を含むことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項１３】
前記断熱部は、前記インゴットが通過できる前記ホールのサイズが徐々に増加するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載のインゴット成長装置。
【請求項１４】
前記断熱部は、前記ホールのサイズが徐々に増加するドーム形状を有することを特徴とする請求項１３に記載のインゴット成長装置。
【請求項１５】
インゴット成長装置の内部に配置され、成長するインゴットの高さに応じて前記インゴットの冷却速度を制御するための冷却速度制御装置であって、
前記冷却速度制御装置の外形をなして、成長する前記インゴットが通過できるホールを有し、内部に少なくとも２つ以上の区画部を含むフレーム部と、
前記フレームの上部に配置され、前記インゴットを冷却する冷却部と、
前記フレームの下部に配置され、前記インゴットを保温する断熱部と、
前記フレームの上部と下部との間に配置され、前記冷却部と前記断熱部との熱交換を抑制する遮断部と、を含むことを特徴とする冷却速度制御装置。
【請求項１６】
前記断熱部と前記遮断部、及び前記冷却部と前記遮断部は、それぞれ締結分離可能に構成されたことを特徴とする請求項１５に記載の冷却速度制御装置。
【請求項１７】
前記冷却部は、水冷管と、前記水冷管に冷却水を注入する注入口と、前記冷却水が排出される排出口と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載の冷却速度制御装置。
【請求項１８】
前記断熱部は、ガス注入口と、ガス移動管と、ガス排出口と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載の冷却速度制御装置。
【請求項１９】
前記断熱部は、前記インゴットが通過できる前記ホールのサイズが徐々に増加するように形成されたことを特徴とする請求項１５に記載の冷却速度制御装置。
【請求項２０】
前記断熱部は、前記ホールのサイズが徐々に増加するドーム形状を有することを特徴とする請求項１５に記載の冷却速度制御装置。
【手続補正２１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2016513614.tif 000010
【手続補正２２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2016513614.tif 000011
【手続補正２３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６】
2016513614.tif 000012
【国際調査報告】
2016513614.tif 000013
2016513614.tif 000014
2016513614.tif 000015
2016513614.tif 000016
2016513614.tif 000017
2016513614.tif 000018