JPH0412085A - シリコン単結晶の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、チョクラルスキー法による大直径シリコン単
結晶の製造装置に関するものである。

［従来の技術］ ＬＳＩ分野ではシリコン単結晶に要求される直径は年々
大きくなっている。今日、最新鋭デバイスでは直径６イ
ンチのシリコン単結晶が使われている。将来直径１０イ
ンチあるいはそれ以上の直径のシリコン単結晶、例えば
直径１２インチのシリコン単結晶が必要になるといわれ
ている。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の
製造方法には２通りの方法がある。るつぼを回転させる
方法と回転させない方法である。

今日ではＬＳＩ用に用いられる全てのシリコン単結晶は
、るつぼの回転とシリコン単結晶の回転とを互いに逆方
向に回転させ、かつ、るつぼの側面を取り囲む電気抵抗
加熱体によりるつぼを加熱することにより製造されてい
る。多くの試みにも関わらず、るつぼを回転させない方
法、あるいは上記以外の加熱方法（電気抵抗加熱体）で
直径５インチ以上のシリコン単結晶が今までに作られた
ことはないし、今後とも作られることはない。この理由
は、るつぼの回転なしでは、あるいは電磁誘導加熱やる
つぼの底面からの電気抵抗加熱等の上記以外の加熱方法
では、シリコン単結晶の成長するに対して同心円状の温
度分布完全が得られないからである。シリコン単結晶の
成長は温度に関してきわめて敏感なのである。

るつぼが回転するＣＺ法（以下通常のＣＺ法という）で
は、るつぼ回転と電気抵抗側面加熱によりシリコン溶融
液に強い対流が発生し、シリコン溶融液が良く攪拌され
る。この結果直径５インチ以上の大直径シリコン単結晶
の育成は望ましい。

即ち均一なそしてシリコン単結晶に対して完全に同心円
状の溶融液表面温度分布が得られる。

上記のように、通常のＣＺ法と他のＣ７法ではシリコン
溶融液の流れに大きな違いがある。この違いは結果とし
てシリコン単結晶の成長条件の大きな違いとなる。又、
炉内部品（例えばホットゾーン、るつぼ、仕切り部材等
）の作用も両者では大きく異なる。シリコン単結晶育成
に対する考え方が両者では全く異なるのである。

通常のＣ２法ではシリコン単結晶の成長とともにるつぼ
内のシリコン溶融液が減少する。そしてシリコン単結晶
の成長とともにシリコン単結晶中のドーパント濃度が上
昇し、酸素濃度が低下する。即ちシリコン単結晶の性質
がその成長方向に変動する。ＬＳＩの高密度化にともな
いシリコン単結晶に要求される品質が年々きびしくなっ
て°きている。

この問題を解決する手段として、通常のＣ２法の石英る
つぼ内のシリコン溶融液を小孔を有する円筒状の石英製
仕切り部材で仕切り、この仕切り部材の外側に原料シリ
コンを供給しながら、仕切り部材の内側で円柱状のシリ
コン単結晶を育成する方法が知られている（例えば、特
許公報　昭４０−１０１８４　ＰＩ　Ｌ２０−Ｌ３５　
）　。

この方法の大きな問題点は特開昭６２−２４１８８９号
公報（Ｐ２　Ｌ１２−Ｌ１６）にも指摘されている通り
、仕切り部材の内側で仕切り部材を起点としてシリコン
溶融液の凝固が発生しやすい、この原因は次の通りであ
る１石英製である仕切り部材は光ファイバーに使われて
いることからも明らかなように、輻射により熱をよく伝
達する。即ちシリコン溶融液中の熱は光として仕切り部
材中を上方に伝達し、仕切り部材のシリコン溶融液面上
に露出している部分より放散される。従って仕切り部材
近傍ではシリコン溶融液温度が大きく低下している６更
に、通常のＣＺ法では、シリコン溶融液の強い攪拌によ
りシリコン溶融液の表面温度は均一でしかも凝固温度の
直上である。この二つのことが重なり仕切り部材に接触
しているシリコン溶融液表面は非常に凝固しやすい状態
になっている。特開昭６２−２４１８８９号公報はこの
問題を避けるため、仕切り部材を使用しない方法を提案
したものである。しかしこの方法はＮＦｌ溶解部が狭い
なめ、原料溶解能力が極めて小さく、シリコン単結晶の
弓き」二げ量に見合う量の原料シリコンを供給すること
ができない。

シリコン単結晶の引き上げ量に見合う量の原料シリコン
を供給可能にするため、仕切り部材を用い、かつそれか
らの凝固の発生を防止する方法を提案したものとして特
開平１−１５３５８９号公報がある。この特許は仕切り
部材を熱遮蔽部材で完全に覆うことを提案している。こ
の方法により仕切り部材からの熱の放散は防止できる。

従ってシリコン単結晶の引き上げ量に見合う量の原料シ
リコンを供給し、なおかつ凝固の発生を防止している。

［発明が解決しようとする課Ｍ］ 特開平１−１５３５８９号公報の方法によれば、シリコ
ン単結晶の引き上げ量に見合う量の原料シリコンを供給
し、なおかつ凝固の発生を防止できる。しかし生産性の
向上のため結晶引き上げ速度を速くすると、それにとも
なって原料シリコン供給量も多くしなければならない、
原料シリコン供給量を大きくすればするほど原料溶解部
の温度は下がるので、シリコン単結晶の引き上げ量に見
合う量の原料を供給しながらシリコン単結、晶を育成す
る方法では、引き上げ速度に自ずから上限がある。この
引き上げ速度の上限値はシリコン単結晶装置の構成によ
り異なるが、発明者らが検討したところ、特開平１．−
１５３！５８９の方法では直径６インチの結晶で引き上
げ速度を１ｍｍ／ｓｉｎ以上にすると原料溶解部の温度
低下により仕切り部材の外側がら凝固が発生することが
わかった。従って特開平１−１５３５８９の方法では、
結晶引き上げ速度を１１ａ／ｓｉｎ以上に保持するため
にはなんらかの手段が効じなければならない。

この発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、連続
的にシリコン単結晶の引き上げ量に見合う量の原料シリ
コンを供給するシリコン単結晶製造装置において、従来
の装置に比べ、仕切り部材からの凝固発生を防止し、結
晶引き上げ速度の上限値を向上させることを目的とする
。

［課題を解決するための手段］ 本発明に係るシリコン単結晶製造装置は、シリコン溶融
液を内蔵する自転型石英るつぼと、前記石英るつぼを支
持する黒鉛製るつぼと、前記黒鉛製るつぼを側面から加
熱する電気抵抗加熱体と、前記石英るつぼ内でシリコン
溶融液を単結晶育成部と原料溶解部とに分割しかつシリ
コン溶融液が流通できる小孔を有する石英製るつぼ部材
と、前記仕切り部材と前記原料溶解部を覆う保温カバー
と、前記原料溶解部に原料シリコンを連続的に供給する
原料供給装置と、を有するシリコン単結晶製造装置にお
いて、前記黒鉛製るつぼの円筒部分のシリコン溶融液面
上方５０■■に相当する位置より、シリコン溶融液面下
方２０ｍｍに相当する位置までの範囲に、複数個以上の
開口部を設けることを特徴とする。

［作用］ 原料シリコンの供給量を多くした時、仕切り部材の外側
、即ち原料溶解部で凝固発生が起こるのは、シリコン溶
融液のるつぼ半径方向の温度勾配が小さくなっているた
めである。これはシリコン溶融液の側方より火熱した熱
エネルギーが、供給された原料シリコンに奪われ、原料
溶解部の温度が下がることによる。

シリコン単結晶の引き上げ速度は、シリコン溶＠液内の
側部方向と下部力・向から結晶凝固界面に到達する総熱
量がどれだけあるかにより決まる。

従って、同じ引き上げ速度の場合、シリコン溶融液内の
側部方向からの入熱の比率を大きくした方が、即ち、る
つぼ半径方向の温度勾配が大きくなるようにした方が、
仕切り部材からの凝固は起こりにくい０本発明に係るシ
リコン単結晶の製造装置では、シリコン溶融液面付近に
相当する部分の黒鉛るつぼに、複数個以上の開口部を設
けているので、シリコン溶融液に対して電気抵抗加熱体
がらの直接入熱がおこなわれ、側部入熱の比率が大きく
なる。このため従来の装置に比べて、仕切り部材からの
凝固が起こりに＜＜、結晶引き上げ速度を速くすること
ができる。

黒船るつぼに開口部がない場合よりも、原料溶解部に対
する火熱効率を上げることのできる開口部の上下方向の
範囲を調べるため、高さ方向の幅ｌＯ龍の狭い幅の開口
部をシリコン溶融液面に対して様々な位置に配置し、シ
リコン単結晶の育成実験を行った。第３図がら明らがな
ように、仕切り部材からの凝固を防止しつつ引き上げる
ことのできる最大引き上げ速度は、シリコン溶融１液面
下方２０ＩＩ１１より下では開口がない場合よりも小さ
くなる。これは開口部がシリコン溶融液面に対して下方
位置になるに従って、シリコン溶融液に対する電気抵抗
加熱体からの入熱が側方入熱傾向がら下方入熱傾向とな
るためである。即ち、るつぼ半径方向の温度勾配が小さ
くなり、仕切り部材からの凝固が起こりやすくなる。ま
た開口による最大引き上げ速度の向上に対する寄与は　
シリコン溶融液面に相当する付近の開口部で最も大きく
、シリコン溶融液面上方５０＋ｕ＋より上ではあまり効
果のないことがわかった。

［実施例］ 本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の実施例の直径６インチのシリコン単結
晶の製造装置を示す縦断面図で、第２図は本発明の実施
例の黒鉛製るつぼの複数個以上の開口部を示す斜視図で
、（ａ）は本発明の一実施例を示す図で、（ｂ）は本発
明の他の一実施例でのる、１は直径２０インチの石英る
つぼで、黒鉛るつぼ２の中にセットされている。黒鉛る
つぼ２の円筒部に複数の開口部２２がある。この開口部
２２はシリコン溶融液面より上方４０龍以下、シリコン
溶融液面より下方５龍以上の範囲に相当する大きさであ
る。即ち直径４５＋ａｍΦの開口部で、個数は２０であ
る。この開口部２２によりシリコン溶融液７に対して電
気抵抗加熱体からの直接入熱が行なわれ、るつぼ側方の
入熱が大きくなる。

黒鉛るつぼ２はベデイスタル４で支えられている。ベデ
ィスタル４は炉外で電動モーターに結合されており、黒
鉛るつぼ２に回転運動（１０ｒｐ■）を与える働きをす
る。７はるつぼ１内に入れられたシリコン溶融液である
。これから柱状のシリコン単結晶５が回転（２０ｒｐ朧
）しながら１．２ａｍ／ｇｉｎの速度で引き上げられる
。３は黒鉛るつぼを取り囲む電気抵抗加熱体である。

雰囲気ガスは引き上げチャンバー内２０から炉内に導入
され最終的に炉底の排出口１つから減圧装置（図示せず
）により排出される。

炉内（チャンバー上１１６．およびチャンバー胴１７内
）の圧力は０．０１−０．０３気圧である０以上は通常
のＣ２法によるシリコン単結晶の製造装置と同じである
。

８はるつぼ１内にこれと同心円に配置された高純度気泡
入り石英ガラスからなる仕切り部材である。その直径は
３５Ｃ１１である。この仕切り部材８には小孔１０が開
けられており、原料溶解部のシリコン溶融液はこの小孔
１０を通って単結晶育成部に流入する。この仕切り部材
の下縁部はるつぼ１とあらかじめ融着されているか、又
は、原料シリコンを溶解する際の熱により融着している
。

１４は原料供給袋！で、原料溶解部の上部に開口を持っ
ており１粒状の原料シリコンはこの供給装置を通って原
料溶解部に供給される。供給割合は、シリコン結晶化量
と等しい量、即ち約５２ｇ／ｓｉｎである。この原料供
給装置１４はチャンバー上蓋１６の外部に設けた原料供
給チャンバー（図示せず）に連結されており、原料シリ
コンを連続的に供給する。

１５は保温カバーであり、板厚０．２ｍｍのタンタル板
で構成されている。これは仕切り部材８および原料溶解
部からの熱の放散を抑制する。

上記のように構成した本発明の一実施例であるシリコン
単結晶の製造装置において、シリコン単結晶の育成実験
を行なったところ、直径６インチのシリコン単結晶に関
し、黒鉛るつぼに開口部がない場合、仕切り部材からの
凝固のため引き上げ速度を１■■／■ｉｎ以上にできな
かったのに対して、黒鉛るつぼに開口部がある場合は仕
切り部材からの凝固を防止しでき、シリコン単結晶の引
き上げ速度を１．１〜１．３ｍｍ／朧ｉｎにすることが
できた。

また、第２図（ｂ）本発明における別の実施例である。

この開口部２２はシリコン溶融液面より上方４．０　ａ
ｍ　、シリコン溶融液面より下方５　ｍｍの範囲に相当
する大きさである。即ち、矩形４５×２００關の開口部
で、個数は６である。この実施例においても、第２図（
ａ）の場合と同様の効果が得られた。

「発明の効果］ 本発明は以上のように構成したので、シリコン単結晶の
引き上げ量に見合う量の原料シリコンを連続的にを供給
し、なおかつ凝固の発生を防止し、直径６インチのシリ
コン単結晶を引き上げ速度１．１＋ｎ／■１ｎ以上の高
速引き上げができるようになった。本発明は生産性の向
上、シリコン単結晶の育成条件の広範囲化による結晶品
質特性の多様化など効果大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のシリコン単結晶の製造装置を示す断面
図、第２図は本発明の黒鉛るつぼの斜視図で、（ａ）は
一実施例の斜視図、（ｂ）は別の実施例の斜視図、第３
図は本発明の実験例で、シリコン溶融液面からの上方位
置とシリコン単結晶の引き上げ速度を示すグラフ図であ
る。 １・・・石英るつぼ、２・・・黒鉛るつぼ、３・・・電
気抵抗加熱体、４・・・ベディスタル、５・・・シリコ
ン単結晶、７・・・シリコン溶融液、８・・・仕切り部
材、１０・・・小孔、１４・・・シリコン供給袋！、１
５・・・保温カバー、１６・・・チャンバー上蓋、１７
・・チャンバー胴、１９・・・排出口、２０・・引き上
げチャンバー内、２２・・・黒鉛るつぼの開口部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　シリコン溶融液を内蔵する自転型石英るつぼと、前記
   石英るつぼを支持する黒鉛製るつぼと、前記黒鉛製るつ
   ぼを側面から加熱する電気抵抗加熱体と、前記石英るつ
   ぼ内でシリコン溶融液を単結晶育成部と原料溶解部とに
   分割しかつシリコン溶融液が流通できる小孔を有する石
   英製るつぼ部材と、前記仕切り部材と前記原料溶解部を
   覆う保温カバーと、前記原料溶解部に原料シリコンを連
   続的に供給する原料供給装置とを有するシリコン単結晶
   製造装置において、前記黒鉛製るつぼの円筒部分のシリ
   コン溶融液面上方５０ｍｍに相当する位置より、シリコ
   ン溶融液面下方２０ｍｍに相当する位置までの範囲に、
   複数個以上の開口部を設けることを特徴とするシリコン
   単結晶の製造装置。