JP3220542B2 - 半導体単結晶棒製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チョクラルスキー法に
よる半導体単結晶棒製造装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種集積回路の製造に用いられる半導体
単結晶、特にシリコン単結晶の製造には、チョクラルス
キー（以下、ＣＺと略す）法により製造された単結晶棒
が用いられている。

【０００３】これまでにもＣＺ法による単結晶棒の製造
装置は、転位や各種の結晶欠陥等を極力少なくし、ま
た、より低いコストで単結晶棒を製造するために多くの
改良がなされている。

【０００４】その一つに、加熱チャンバ内部に引上げ中
の単結晶棒を取り囲むように冷却筒を設け、引上げ中の
単結晶棒を効率よく冷却することにより引上げ速度を速
くしても転位や結晶欠陥等が生じないような方法および
装置が提案されている。この様な冷却筒を設けた引上げ
方法およびその装置として、例えば特公平３−３５，２
７９号公報に開示されているものがある。

【０００５】特公平３−３５，２７９号公報の開示技術
では、引上げ中の単結晶を同軸に囲み、その先端が融液
に近接する先細管状体にて、その構造は熱伝導率、熱輻
射率をそれぞれ特定した３層構造からなる。この方法お
よび装置では、管状体の外面を輻射率の高い黒鉛や炭化
珪素、窒化珪素とすることにより、原料半導体融液の近
傍まで冷却筒先端部を伸延し、引上げ中の単結晶棒を冷
却しているが、該冷却筒自体の抜熱が不十分であると原
料半導体融液近傍部が高温に加熱されて、むしろ該冷却
筒が黒鉛等により形成されているためにヒータ的作用を
示し、引上げ中の単結晶棒を加熱してしまうことがあ
る。このためこの公報の技術では、該冷却筒を中間に断
熱層を設けることにより冷却筒の温度上昇を抑えている
が、該冷却筒の抜熱に付いては中間に断熱層を設けても
不十分であり、冷却筒のヒータ的作用をなくすることが
できないという問題点がある。特に、単結晶棒の大口径
化により単結晶棒はもとより、単結晶棒製造装置内部の
原料融液やヒータなどの高温源の熱容量が大きくなると
冷却筒自体の十分な抜熱が必要である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、整
流冷却筒自体の温度上昇を抑え、結晶欠陥の少ない大口
径の半導体単結晶棒を製造するための半導体単結晶棒製
造装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記諸目的は、半導体融
液が収容されるルツボおよび該ルツボ内の原料半導体を
加熱する加熱ヒータを格納した加熱チャンバ本体と、該
加熱チャンバの開口部を覆う加熱チャンバ天井部と、該
加熱チャンバ天井部の中央部分に位置し、引上げられた
半導体単結晶棒を収納する引上げチャンバ部および該加
熱チャンバ天井部と該引上げチャンバ部との接合部位よ
り加熱チャンバ内部に向かって伸延し、引上げ中の半導
体単結晶棒を取り囲む整流冷却筒が設けられた半導体単
結晶棒の製造装置において、該整流冷却筒が金属製の外
側冷却筒と、該外側冷却筒内部に嵌合する黒鉛、炭化珪
素および表面が炭化珪素で被覆された黒鉛よりなる群か
ら選択された少なくとも一つの素材により形成された内
部冷却筒からなる２重構造であることを特徴とする半導
体単結晶棒製造装置により達成される。

【０００８】本発明は、該外側冷却筒が銅、ニッケルお
よび銅、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン
または白金属元素で被覆された銅またはニッケルよりな
る群から選択された少なくとも一つの素材により形成さ
れていることを特徴とする半導体単結晶棒製造装置であ
る。

【０００９】

【作用】上述のように構成された本発明の半導体単結晶
棒製造装置は、加熱チャンバ天井部と該引上げチャンバ
部との接合部位より加熱チャンバ内部に向かって伸延
し、引上げ中の半導体単結晶棒を取り囲む整流冷却筒を
金属製の外側冷却筒と、該外側冷却筒内部に嵌合する内
部冷却筒からなる２重構造とすることにより、金属製、
例えば熱伝導率の高い金属、例えば銅、ニッケルまたは
銅、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン、白
金属元素により被覆された銅またはニッケル等により形
成された外側冷却筒は原料半導体融液やヒータ等からの
輻射熱を反射し、引上げ中の単結晶棒が加熱されるのを
防止すると共に、整流冷却筒自体の温度上昇を抑え、か
つ、内部に嵌合させた内部冷却筒の抜熱を十分行うこと
ができる。 そして、該内部冷却筒を輻射率の優れた黒
鉛、炭化珪素および表面が炭化珪素で被覆された黒鉛よ
りなる群から選択された少なくとも一つの素材により形
成することにより、引上げ中の単結晶棒からの輻射熱を
効率良く吸収し半導体棒を冷却することができ、また、
上述のように、この内部冷却筒の外側は金属製の外側冷
却筒に嵌合しているため、その抜熱が効率よく行われ、
該内部冷却筒の内側を流れるアルゴンガスの温度上昇を
抑制し、ガス冷却効果を高める。

【００１０】さらに、外側冷却筒および内部冷却筒を加
熱チャンバ内部に向かって縮径させることにより、内部
冷却筒の嵌合を容易に行うことができ、該外側冷却筒と
内部冷却筒との接触面積を多くとることができ、しかも
縮径されていることにより外側冷却筒および内部冷却筒
の内外径が熱膨脹により変化しても、その変化に追従す
るため前記内部冷却筒と前記外側冷却筒との熱伝達性を
良好に保つことができるので、内部冷却筒の抜熱効果が
損われることがない。

【００１１】なお、外側冷却筒と内部冷却筒の長さは、
必ずしも同じ長さとすることはなく、好ましくは、黒鉛
等により形成された内部冷却筒を原料半導体融液直上ま
で延ばし、金属製の外側冷却筒は原料半導体融液から約
１００ｍｍ以上の所までとするのがよい。これは、黒鉛
または炭化珪素等は、原料半導体融液直上に位置させて
も、例えば原料半導体がシリコンの場合、原料半導体融
液から出るＳｉＯが付着してもそれが落下して融液を汚
染することがないが、金属の場合ＳｉＯが付着するとそ
れが落下して融液を汚染することがあるためである。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図１は、本発明にかかる半導体単結晶棒の
製造装置の概略の構成図である。

【００１３】この単結晶棒の製造装置１は、半導体原
料、例えばシリコンを溶融するための部材や結晶化した
シリコンを引き上げる機構などを有しており、シリコン
溶融のための部材は加熱チャンバ本体２ａおよび加熱チ
ャンバ天井部２ｂよりなるチャンバ２内に収容され、こ
の加熱チャンバ本体２ａと加熱チャンバ天井部２ｂは分
離機構２０によって分離可能であり、シリコン単結晶を
引き上げる機構は引き上げチャンバ３内外に設けられて
いる。

【００１４】加熱チャンバ本体２ａ内には、溶融してい
るシリコンを収容するルツボ５が設けられ、このルツボ
５は駆動装置（図示せず）の回転軸４によって回転、昇
降自在に支持されている。駆動装置は、シリコン単結晶
棒Ｓの引き上げに伴う液面低下を補償すべくルツボ５を
液面低下分だけ上昇させ、また、シリコン融液の撹拌を
行なうためにルツボ５を常時所定の回転数で回転させ
る。回転軸４は加熱チャンバ本体２ａを貫通している
が、チャンバ内外の気密を保持し、また極めて悪い温度
条件の下での使用となるために、特殊なベアリングで保
持してある。ルツボ５は、従来と同様に石英ルツボ５ｂ
とこれを保護する黒鉛製ルツボ５ａとから構成されてい
る。

【００１５】ルツボ５の側壁部分には、シリコンを溶融
させる加熱ヒータ６がその周囲を取り囲むように配置さ
れている。この加熱ヒータ６の外側には、加熱ヒータ６
からの熱が加熱チャンバ本体２ａに直接輻射されるのを
防止する断熱部材１１がその周囲を取り囲むように設け
られている。なお、加熱ヒータ６と断熱部材１１とは支
持台２４に取り付けられている。

【００１６】引き上げチャンバ３には、ワイヤ巻上機１
０に一端が取り付けられ、引き上げチャンバ３の頂壁を
挿通して垂れ下げられた引き上げワイヤ７が設けられて
おり、この引き上げワイヤ７の下端には、種結晶を保持
するチャック９が取り付けられている。ワイヤ巻上機１
０は種結晶の下端側に徐々に成長するシリコン単結晶棒
Ｓをその成長速度等にしたがって引き上げ、同時に、ル
ツボ５の回転方向とは反対に常時回転させる。

【００１７】チャンバ２内部は、引き上げチャンバ３に
設けられたガス導入口１２からアルゴンガスが導入さ
れ、内部を流通し、単結晶棒引上げ中は大気圧もしくは
数Ｔｏｒｒ程度の低い圧力に保たれて、ガス流出口１３
から排出される。このようにアルゴンガスを流通させる
のは、シリコンの溶融に伴ってチャンバ内部に発生する
ＳｉＯがチャンバ内部の各種部材に付着し、これのシリ
コン融液上への落下によるシリコン融液内の汚染や結晶
の有転位化を防止し、かつアルゴンガスにより引上げ中
のシリコン単結晶棒を冷却するためである。

【００１８】加熱チャンバ本体２ａおよび加熱チャンバ
天井部２ｂは、ステンレスにより形成されており、冷却
管が通り水冷されている。そして、加熱チャンバ天井部
２ｂには引上げチャンバ３下部分より加熱チャンバ本体
２ａ内部に向かって、単結晶棒を取り囲むように加熱チ
ャンバ２ｂに載置されて、引上げチャンバ３下部分より
加熱チャンバ本体２ａ内部に向かって縮径している外側
冷却筒３０と、該外側冷却筒に嵌合する内部冷却筒２５
の２重構造の整流冷却筒が設けられている。この外側冷
却筒３０は、熱伝導性の良い銅、ニッケルおよび銅、ニ
ッケルまたは蒸気圧の低いチタンモリブデン、タングス
テン、白金属元素等の金属で被覆された銅またはニッケ
ル等の素材により形成されており、好ましくは銅にニッ
ケルまたは白金メッキを施したもので形成することによ
り、黒鉛製の内部冷却筒２５を嵌合させた場合に黒鉛と
反応することなく。また、銅は熱伝導性に優れニッケル
および白金は銅に比べてその蒸気圧が低いので、高温と
なるチャンバ２内部にあってもチャンバ２内を汚染する
ことがない。

【００１９】そして、内部冷却筒２５が十分抜熱されて
いるため、内部冷却筒２５の内側を引上げ中の単結晶棒
Ｓに沿って流通しているアルゴンガスの昇温を抑制する
ことができる。また、外側冷却筒３０の素材は上述のよ
うに銅、ニッケルまたは白金メッキ等が施されているこ
とにより、外側冷却筒の外側部分は、チャンバ２内部の
輻射熱が反射されるため冷却筒３０自体の昇温も少なく
てすむ。

【００２０】また、この外側冷却筒３０の長さは、単結
晶棒Ｓの結晶径以上で、シリコン融液界面より３００〜
１００ｍｍ程度とすることが望ましい。この長さが結晶
径より短い場合には結晶棒Ｓからの輻射熱を十分抜熱す
ることができず、一方融液界面に１００ｍｍより近い場
合には、ＳｉＯが付着し、それが落下して融液を汚染す
る恐れがある。

【００２１】この内部冷却筒２５は、取り外しが自由に
行えるため、様々な長さや肉厚の内部冷却筒２５を取り
揃え、適宜交換することにより、引上げ中の単結晶棒の
急冷域を変化させることができ所望の品質のシリコン単
結晶を得ることが可能となる。すなわち、内部冷却筒２
５を融液界面近くまで長くした場合には、引き上げ中の
シリコン単結晶棒Ｓを引上げ直後より急冷することがで
き単結晶棒トップ側の品質のシリコン単結晶が得られ、
内部冷却筒２５を短くし、融液界面からの距離を多くと
った場合には、引上げ直後は徐冷されることになり、単
結晶棒ボトム側の品質のシリコン単結晶が得られる。

【００２２】また、この内部冷却筒２５の素材となる黒
鉛は、融液界面近くに設置してもＳｉＯが付着しても融
液内に落下することなく融液の汚染や結晶の有転位化を
生ずることがない。

【００２３】以上のように構成された本発明による半導
体単結晶棒製造装置を用いてシリコン単結晶を製造した
ときの単結晶引上げ速度および結晶欠陥発生率の結果を
表１に示す。また、比較のために、整流冷却筒として、
金属製の整流冷却筒を用いた場合と、黒鉛のみの整流冷
却筒を用いた場合について同じく表１に示す。なお、こ
のときのルツボは１６インチ直径のものを使用し、製造
した単結晶棒は呼び径６インチのもので、冷却筒の下部
分はシリコン融液界面から７０ｍｍのところまで伸延し
たものを用いた。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１からわかるように、本発明の半導体単
結晶棒製造装置により製造したシリコン単結晶棒は結晶
欠陥発生率が低く、かつ引上げ速度を速くすることが可
能である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体単
結晶棒製造装置は、整流冷却筒を金属製の外側冷却筒と
黒鉛等による内部冷却筒の２重構造としたことにより、
整流冷却筒自体の抜熱に優れ、内部を流通するアルゴン
ガスの昇温を抑制すると同時に、原料半導体融液からの
輻射熱を反射することができるため、単結晶棒をより急
冷することができる。さらに内部の黒鉛製の内部冷却筒
を嵌合させることにより原料融液直上から引上げ中の単
結晶棒を急冷することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による半導体単結晶棒製造装置を説明
するための図面である。

【符号の説明】

１…半導体単結晶棒製造装置、 ２…チャン
バ、２ａ…加熱チャンバ本体、 ２ｂ…
加熱チャンバ天井部、３…引上げチャンバ、
４…回転軸、５…ルツボ、
５ａ…黒鉛ルツボ、５ｂ…石英ルツボ、
６…加熱ヒータ、７…ワイヤ、
９…チャック、１０…ワイ
ヤ巻上機、 １１…断熱材、１２…
ガス導入口、 １３…ガス排出
口、２０…分離機構、 ２５…
内部冷却筒、３０…外側冷却筒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−286793（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−89388（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体融液が収容されるルツボおよび該
   ルツボ内の原料半導体を加熱する加熱ヒータを格納した
   加熱チャンバ本体と、該加熱チャンバの開口部を覆う加
   熱チャンバ天井部と、該加熱チャンバ天井部の中央部分
   に位置し、引上げられた半導体単結晶棒を収納する引上
   げチャンバ部および該加熱チャンバ天井部と該引上げチ
   ャンバ部との接合部位より加熱チャンバ内部に向かって
   伸延し、引上げ中の半導体単結晶棒を取り囲む整流冷却
   筒が設けられた半導体単結晶棒の製造装置において、該
   整流冷却筒が金属製の外側冷却筒と、該外側冷却筒内部
   に嵌合する黒鉛、炭化珪素および表面が炭化珪素で被覆
   された黒鉛よりなる群から選択された少なくとも一つの
   素材により形成された内部冷却筒からなる２重構造であ
   ることを特徴とする半導体単結晶棒製造装置。
2. 【請求項２】 該金属性の外側冷却筒が銅、ニッケルお
   よび銅、ニッケル、チタン、モリブデン、タングステン
   または白金属元素で被覆された銅またはニッケルよりな
   る群から選択された少なくとも一つの素材により形成さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結
   晶棒製造装置。