JPH0633962U - 半導体単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 引き上げ単結晶を取り囲む輻射スクリーンを
融液近傍上方に備えた単結晶製造装置において、周方向
の熱バランスの崩れを最小に抑え、不活性ガスの流れを
乱すことなく、るつぼの内壁周辺を直接観察することが
できるようにする。 【構成】 アッパチャンバ２に覗き窓３を設けるととも
に、輻射スクリーン上部のフランジ１１ａに観察窓１２
を設け、覗き窓３と観察窓１２とを通して炉内を観察す
る。観察窓１２は、前記覗き窓３に対して水平方向にθ
（θ＝１０〜８０°）だけずれた位置に設け、フランジ
１１ａに直接または黒鉛製窓枠を介して石英ガラスをは
め込むものとし、前記石英ガラスは１枚ないし多層構成
とする。観察窓１２を小さくしても炉内状況を十分観察
することができるとともに、観察窓１２からの熱損失を
抑えることにより熱バランスの崩れを最小に抑えること
ができ、不活性ガスの流れを乱すことがない。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、チョクラルスキー法による半導体単結晶製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

半導体集積回路の基本材料であるシリコン単結晶の製造方法の一つとして、る つぼ内の原料融液から円柱状の単結晶を引き上げるチョクラルスキー法（以下Ｃ Ｚ法という）が用いられている。ＣＺ法においては、単結晶製造装置のチャンバ 内に設置したるつぼに原料である多結晶を充填し、前記るつぼの外周に設けたヒ ータによって原料を加熱溶解した上、シードチャックに取り付けた種子結晶を融 液に浸漬し、シードチャックおよびるつぼを同方向または逆方向に回転しつつシ ードチャックを引き上げて単結晶を成長させる。このような単結晶製造装置にお いて、単結晶の引き上げ速度を早めるとともに不純物による汚染を防止して単結 晶の無転位化を向上させる手段として、単結晶引き上げ領域の周囲に輻射スクリ ーンを配設することが知られている。前記輻射スクリーンは単結晶引き上げ領域 を取り巻く熱遮蔽体で、一般に下端開口部の直径が上端開口部の直径より小さい 円錐状の筒である。輻射スクリーンは融液、ヒータ、るつぼ等から単結晶に加え られる輻射熱を遮断するとともに、チャンバ上方から導入される不活性ガスを引 き上げ単結晶の周囲に誘導し、るつぼ中心部から周縁部を経てチャンバ下方に至 るガス流を形成させることによって、単結晶の冷却ならびに融液から発生する酸 化珪素や黒鉛るつぼから発生する金属蒸気等、単結晶化を阻害するガスを排除す る機能を備えている。

【０００３】 原料多結晶の溶解と、これに続く単結晶の引き上げ工程においては、石英るつ ぼの変形による輻射スクリーンと石英るつぼとの干渉、原料多結晶の石英るつぼ 内壁への付着、るつぼ温度の低下によって発生する融液と石英るつぼとの接触面 における結晶成長等、種々のトラブルが発生することがある。輻射スクリーンは 単結晶の品質ならびに生産性を向上させる効果があるが、輻射スクリーンを設置 することによって単結晶引き上げ領域の周囲が包囲されてしまうので、るつぼお よびるつぼ周辺の監視ができず、前記トラブルの発生を検出することができない 。この問題を解決する技術として、石英ガラスで蓋をした黒鉛製筒体からなる観 察窓を輻射スクリーン上端の環状リムに設け、チャンバ天井壁に設けた覗き窓と 前記輻射スクリーンに設けた観察窓とを通してるつぼ、融液面、単結晶周縁およ びヒータを観察可能とした実開昭６３−１６２８６９による提案が開示されてい る。また、輻射スクリーンの円錐状の筒部に開口部を設け、チャンバ天井壁に設 けた覗き窓と前記輻射スクリーンに設けた開口部とを通してるつぼ内壁面と融液 との境界部を観察可能とした実開平２−５７９６２あるいは実開平２−６１９６ ３による提案が開示されている。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、上記従来の技術には次のような問題点がある。すなわち、 （１）実開昭６３−１６２８６９による提案では、輻射スクリーン上端の環状リ ムに石英ガラスで蓋をした黒鉛製筒体からなる比較的大きな観察窓を設けたので 炉内の周方向の熱バランスが崩れ、前記黒鉛製筒体部で不活性ガスのよどみがで きる。そのため排気ガスの流れが乱れ、単結晶の安定成長を阻害する。また、輻 射スクリーンの構造が複雑になるため、コストアップを招く。 （２）実開平２−５７９６２あるいは実開平２−６１９６３による提案では、輻 射スクリーン上端の取付板または円錐状の筒部に開口部を設けたので炉内の周方 向の熱バランスが崩れ、前記開口部で不活性ガスの流れが変化してしまうため、 単結晶の安定成長が阻害される。 本考案は上記従来の問題点に着目してなされたもので、周方向の熱バランスの崩 れを最小に抑え、排気ガスの流れを乱すことなく、るつぼおよびるつぼ周辺を直 接観察することができるような半導体単結晶製造装置を提供することを目的とし ている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため、本考案に係る半導体単結晶製造装置は、半導体単結 晶の原料を充填するるつぼと、このるつぼの周囲にあってるつぼ内の原料を溶解 するヒータと、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶を引き上げる引き上げ 機構と、単結晶の周囲を取り囲む輻射スクリーンを融液近傍上方に配設した単結 晶製造装置において、チャンバ上部に覗き窓を設けるとともに、輻射スクリーン 上の、前記覗き窓に対して水平方向に１０〜８０°ずれた位置に観察窓を設ける 構成とし、このような構成において、 輻射スクリーン上に設ける観察窓は、チャンバ外部から覗き窓と前記観察窓と を通して少なくともるつぼの内壁、融液の外周部およびヒータの内周面を直接観 察することができるものとした。また、 輻射スクリーン上に設ける観察窓は、前記輻射スクリーンに穿設した穴に１枚 ないし複数枚の耐熱性透明板を直接はめ込んだものとし、あるいは、 輻射スクリーン上に設ける観察窓は、前記輻射スクリーンに穿設した穴に、黒 鉛製または炭化珪素を被覆した黒鉛製の窓枠を介して１枚ないし複数枚の耐熱性 透明板をはめ込んだものでもよい。

【０００６】

【作用】

上記構成によれば、融液近傍上方に単結晶を取り囲む輻射スクリーンを備えた 単結晶製造装置において、チャンバ上部に覗き窓を設けるとともに、輻射スクリ ーン上の、前記覗き窓に対して水平方向に１０〜８０°ずれた位置に観察窓を設 ける構成とし、これらの二つの窓を通してチャンバ外部から少なくともるつぼの 内壁、融液の外周部およびヒータの内周面を直接観察できるようにしたので、輻 射スクリーンによって遮られていたるつぼおよびるつぼ周辺の状況を容易に観察 することができる。前記二つの窓の位置を互いにずらし、斜め上方から炉内を観 察することにより、観察窓を小さくしても炉内状況を十分観察することができる 。そして前記観察窓に装着する耐熱性透明板は、輻射スクリーンに穿設した穴に 直接、あるいは黒鉛製の窓枠を介してはめ込むことにしたので、炉内の周方向の 熱バランスの崩れを最小に抑えるとともに、不活性ガスの流れを乱すことがない 。また、耐熱性透明板のるつぼ側端面温度は８００°Ｃ以上を維持し、融液等か ら発生する蒸発物の付着を防止するので、視界を確保することができる。

【０００７】

【実施例】

以下に、本考案に係る半導体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。図１は半導体単結晶製造装置の概略構成を示す部分断面図、図２は 図１のＡ−Ａ断面図である。これらの図において、１はメインチャンバ、２はア ッパチャンバで、炉外から炉内を観察するため、石英ガラスを用いた覗き窓３が 前記アッパチャンバ２に設置されている。メインチャンバ１内に設置された黒鉛 るつぼ４に石英るつぼ５が嵌着され、この石英るつぼ５内に貯留されたシリコン 融液６からシリコン単結晶７が引き上げられる。８はるつぼ軸、９は黒鉛ヒータ 、１０は断熱筒で、断熱筒１０の上面に輻射スクリーン１１が固定されている。 この輻射スクリーン１１は、単結晶引き上げ領域を取り巻く熱遮蔽体であり、下 端開口部の直径が上端開口部の直径より小さい円錐状の筒で、上端開口部の周縁 に環状のフランジ１１ａを備えている。前記フランジ１１ａに設けられた穴に石 英ガラスがはめ込まれ、観察窓１２を形成している。

【０００８】 図２は図１のＡ−Ａ断面図に前記覗き窓３を投影したもので、覗き窓３を２点 鎖線で示している。同図において、観察窓１２は覗き窓３に対して水平方向に角 度θだけずらした位置、たとえば３０°ずらした位置に設けられ、覗き窓３と観 察窓１２とを通して斜め上方から観察することにより、観察窓１２の面積が小さ くても石英るつぼ５の内壁、融液６の外周部および黒鉛ヒータ９内周面を直接観 察することができる。観察窓１２の大きさの一例を示すと、３２×６０ｍｍであ る。なお、観察窓１２の形状は長方形に限らず、正方形あるいは円形等でもよい 。

【０００９】 図３および図４は図１のＰ部拡大図で、請求項３による観察窓の実施例を示し ている。図３では輻射スクリーンのフランジ１１ａに設けられた段付き穴に、フ ランジ１１ａの厚さと同じ厚さの石英ガラス１３がはめ込まれている。観察窓１ ２の大きさが３２×６０ｍｍ程度であればこの窓から逃げる熱量が少なく、石英 ガラス１３は冷えにくいため、融液から蒸発する酸化珪素等が１バッチの単結晶 育成で石英ガラス１３に付着することはない。しかし、連続して数バッチの育成 に使用すると前記蒸発物が石英ガラス１３に析出することがあるので、多層構造 の石英ガラスを用いることが望ましい。すなわち図４に示すように、観察窓を石 英ガラス１４，１５，１５，１６の４枚構成とし、熱抵抗を与えることにより融 液等からの蒸発物が下側すなわち融液側の石英ガラス１６に付着するのを防止す ることができる。なお、単結晶引き上げ時の融液側における石英ガラス近傍の温 度測定結果の一例を示すと、図３の場合は約８００°Ｃ、図４の場合は約９００ °Ｃであった。

【００１０】 図５〜図１０は図１のＰ部拡大図で、請求項４による観察窓の実施例を示して いる。図５に示すように輻射スクリーン１１が３層構造で、中間層１１ｂにカー ボンフェルト等のけば立ちやすい断熱材を使用している場合は、フランジ１１ａ に設けられた段付き穴に黒鉛製またはＳｉＣを被覆した黒鉛製の窓枠１１ｃを嵌 着して中間層１１ｂのけば立ちを押さえた上、前記窓枠１１ｃの中に石英ガラス をはめ込む。図５はフランジ１１ａの厚さと同じ厚さの石英ガラス１３をはめ込 んだ場合、図６はフランジ１１ａに設けられた段付き穴の段から上の部分のみに 窓枠１１ｄを嵌着し、フランジ１１ａの厚さと同じ厚さの石英ガラス１３をはめ 込んだ場合を示す。この場合、石英ガラス１３の下部は３層構造の輻射スクリー ンのうち高温になっている下層に直接接触しているので高温を保つことができ、 石英ガラス１３に対する融液等からの蒸発物付着防止効果がより大きくなる。図 ７は前記窓枠１１ｃの中に図４に示した４枚構成の石英ガラス１４，１５，１５ ，１６をはめ込んだもので、石英ガラス１６に対する融液等からの蒸発物付着を 防止する効果が大きい。

【００１１】 図８〜図１０はフランジ１１ａに設けられた段付き穴に前記窓枠１１ｃを嵌着 し、窓枠１１ｃの段から上の部分のみに石英ガラスをはめ込んだもので、石英ガ ラスの下側にくぼみが形成されている。くぼみの深さが数ｍｍであれば不活性ガ スの滞留は起こらない。この構造は石英ガラスに段付き部を設けないので、石英 ガラスのコストを下げることができる。図８は１枚の石英ガラス１７を用いた場 合、図９は２枚構成の石英ガラス１８，１５を用いた場合を示す。また図１０は 、２枚の石英ガラス１９，１５の間にスペーサ２０を挟着して空間を形成し、多 層構造の効果を持たせたもので、コスト低減効果が大きい。

【００１２】

【考案の効果】

以上説明したように本考案によれば、融液近傍上方に引き上げ単結晶を取り囲 む輻射スクリーンを備えた単結晶製造装置において、チャンバ上部に覗き窓を設 けるとともに、輻射スクリーン上の、前記覗き窓に対して水平方向に１０〜８０ °ずれた位置に観察窓を設け、これらの二つの窓を通してチャンバ外部からるつ ぼの内壁周辺を直接観察できるようにしたので、輻射スクリーンによって遮られ ていたるつぼの内壁周辺の状況を容易に観察することができ、原料多結晶のるつ ぼ内壁への付着や融液とるつぼとの接触面における結晶成長等、種々のトラブル を早期に発見して対策をとることができる。前記二つの窓の位置を互いにずらし 、斜め上方から炉内を観察する構成としたので、観察窓を小さくしても炉内状況 は十分に観察可能であるとともに、観察窓からの熱損失を最小に抑えることがで き、周方向の熱バランスの崩れを最小とし、不活性ガスの流れを乱すことがない 。また、石英ガラス等の耐熱性透明板のるつぼ側端面温度は８００°Ｃ以上を維 持し、融液等から発生する蒸発物の付着を防止するので、視界を確保することが できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体単結晶製造装置の概略構成を示す部分断
面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図３】図１のＰ部拡大図で、請求項３に基づく観察窓
の第１実施例を示す。

【図４】図１のＰ部拡大図で、請求項３に基づく観察窓
の第２実施例を示す。

【図５】図１のＰ部拡大図で、請求項４に基づく観察窓
の第１実施例を示す。

【図６】図１のＰ部拡大図で、請求項４に基づく観察窓
の第２実施例を示す。

【図７】図１のＰ部拡大図で、請求項４に基づく観察窓
の第３実施例を示す。

【図８】図１のＰ部拡大図で、請求項４に基づく観察窓
の第４実施例を示す。

【図９】図１のＰ部拡大図で、請求項４に基づく観察窓
の第５実施例を示す。

【図１０】図１のＰ部拡大図で、請求項４に基づく観察
窓の第６実施例を示す。

【符号の説明】

１ メインチャンバ ２ アッパチャンバ ３ 覗き窓 ４ 黒鉛るつぼ ５ 石英るつぼ ６ シリコン融液 ７ シリコン単結晶 ９ 黒鉛ヒータ １１ 輻射スクリーン １１ａ フランジ １１ｃ，１１ｄ 窓枠 １２ 観察窓 １３，１４，１５，１６，１７，１８，１９ 石英ガラ
ス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 古市 登 神奈川県平塚市四之宮2612 小松電子金属 株式会社内

Claims (4)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体単結晶の原料を充填するるつぼ
   と、このるつぼの周囲にあってるつぼ内の原料を溶解す
   るヒータと、溶解した原料に種子結晶を浸漬して単結晶
   を引き上げる引き上げ機構と、単結晶の周囲を取り囲む
   輻射スクリーンを融液近傍上方に配設した単結晶製造装
   置において、チャンバ上部に覗き窓を設けるとともに、
   輻射スクリーン上の、前記覗き窓に対して水平方向に１
   ０〜８０°ずれた位置に観察窓を設けたことを特徴とす
   る半導体単結晶製造装置。
2. 【請求項２】 輻射スクリーン上に設ける観察窓は、チ
   ャンバ外部から覗き窓と前記観察窓とを通して少なくと
   もるつぼの内壁、融液の外周部およびヒータの内周面を
   直接観察することができるものであることを特徴とする
   請求項１の半導体単結晶製造装置。
3. 【請求項３】 輻射スクリーン上に設ける観察窓は、前
   記輻射スクリーンに穿設した穴に１枚ないし複数枚の耐
   熱性透明板を直接はめ込んだものであることを特徴とす
   る請求項１の半導体単結晶製造装置。
4. 【請求項４】 輻射スクリーン上に設ける観察窓は、前
   記輻射スクリーンに穿設した穴に、黒鉛製または炭化珪
   素を被覆した黒鉛製の窓枠を介して１枚ないし複数枚の
   耐熱性透明板をはめ込んだものであることを特徴とする
   請求項１の半導体単結晶製造装置。