JP7006636B2 - シリコン単結晶製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶製造装置に関する。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の引き上げは、メインチャンバ内に坩堝を設置し、坩堝内に投入されたシリコンを加熱して融液状態とし、シリコン融液に種結晶を着床させ、引き上げワイヤーにより種結晶を上方に引き上げることにより行われる。引き上げられたシリコン単結晶は、メインチャンバの上部に設けられたプルチャンバ内に収納され、ゲートバルブによりメインチャンバを密閉した後、プルチャンバを移動させて引き上げ装置から取り出される。

シリコン単結晶の引き上げに際しては、坩堝内のシリコン融液表面の温度が重要なパラメータの一つであり、融液表面の温度を正確に測定をすることにより、シリコン単結晶の品質を精密に制御することが可能となる。
従来、特許文献１には、プルチャンバの上部に放射温度計と二次元温度計を配置し、
これら二つの温度計を用いて、シリコン融液表面の温度を測定する技術が開示されている。

特開２０１４－２１８４０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、シリコン融液表面から温度計までの測定距離が大きくなってしまう。特に放射温度計は、測定距離が長くなると、測定可能な測定スポット径が大きくなり、スポット内の平均温度が表示されることが原因で、測定値がばらつくという課題がある。
また、測定距離が長くなると、放射温度計がメインチャンバ、プルチャンバ内で乱反射した放射熱などの外乱を拾ってしまい、シリコン融液表面の温度を正確に測定できないという課題がある。

本発明の目的は、シリコン単結晶の品質を高精度に制御可能なシリコン単結晶製造装置を提供することにある。

本発明のシリコン単結晶製造装置は、メインチャンバと、ゲートバルブと、プルチャンバと、前記メインチャンバに配置された坩堝内のシリコン融液表面の温度を測定する融液表面温度測定部とを備え、前記融液表面温度測定部は、前記ゲートバルブおよび前記プルチャンバの間に配置され、外周面に開口が形成された筒状部と、放射熱を透過する材料から構成され、前記筒状部の開口に設けられる窓部と、前記筒状部の内側に配置され、前記シリコン融液表面から放射された放射熱を、前記窓部に導く導熱部と、前記筒状部の外側に配置され、前記窓部を介して前記導熱部から導かれた放射熱を測定する放射温度計とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、メインチャンバおよびプルチャンバの間に融液表面温度測定部が配置される。したがって、前述した特許文献１に記載の技術と比較して放射温度計の測定距離を短くでき、計測スポット径を小さくしてシリコン融液表面の温度を正確に測定できる。そして、この温度測定結果に基づいて、シリコン単結晶の品質を高精度に制御できる。

本発明のシリコン単結晶製造装置において、前記導熱部は、前記筒状部に挿通され、当該挿通方向に移動自在な支持部材によって支持されていることが好ましい。

本発明によれば、支持部材をその挿通方向に進退させることにより、導熱部を筒状部の径方向に移動させることができる。よって、シリコン融液表面上で計測スポットを移動させることにより、坩堝径方向の温度分布を容易に測定できる。また、径方向で任意の位置の温度を測定できる。

本発明のシリコン単結晶製造装置において、前記筒状部の外周面には、当該筒状部の外周方向に沿って複数の開口が形成され、前記複数の開口は、前記窓部、前記導熱部および前記放射温度計が着脱自在に配置可能に構成され、前記窓部が設けられる開口以外の開口は、蓋部によって塞がれていることが好ましい。

本発明によれば、窓部、導熱部および放射温度計を複数の開口のいずれかに移動させることができ、シリコン融液表面の所望の位置の温度を測定できる。また、窓部が設けられない開口が蓋部で塞がれることにより、メインチャンバ内の放射熱が外部に漏れることを抑制でき、シリコン融液表面の温度測定を一層正確に行うことができる。

本発明の一実施形態に係るシリコン単結晶製造装置の概略構成を示す縦断面図。 前記シリコン単結晶製造装置を構成するゲートバルブの横断面図。 前記シリコン単結晶製造装置を構成する融液表面温度測定部の縦断面図。 前記融液表面温度測定部の横断面図。

［実施形態］
以下、本発明の一実施形態について説明する。
〔シリコン単結晶製造装置の構成〕
図１に示すように、シリコン単結晶製造装置１は、ＭＣＺ（Magnetic field applied Czochralski）法に用いられる装置である。シリコン単結晶製造装置１は、メインチャンバ２と、ゲートバルブ３と、融液表面温度測定部４と、プルチャンバ５とを備えている。

メインチャンバ２の内部には、坩堝２１、ヒータ２２、熱遮蔽体２３、冷却筒２４などが配置されている。坩堝２１には、シリコン融液Ｍが収容される。メインチャンバ２の外部には、一対の電磁コイル２５が設けられている。

ゲートバルブ３は、メインチャンバ２の上端に設けられている。ゲートバルブ３は、図２にも示すように、弁箱３１と、弁体３２と、旋回軸３３と、連結部材３４と、旋回駆動部３５とを備えている。
弁箱３１は、内部に弁体３２を収容可能に構成されている。弁箱３１は、メインチャンバ２の上端に着脱自在に固定される。弁箱３１は、メインチャンバ２への固定時に上側に位置する上開口３１１と、下側に位置する下開口３１２とを備えている。
弁体３２は、下開口３１２を閉塞可能な円板状に形成されている。旋回軸３３は、その一部が弁箱３１内に位置するように、弁箱３１に回転自在に設けられている。
連結部材３４は、弁体３２の上部と旋回軸３３とを連結する。旋回駆動部３５は、弁箱３１の外部に配置されている。
旋回駆動部３５は、旋回軸３３における弁箱３１外に位置する部分に連結され、当該旋回軸３３を回転させることで、図２に実線で示すようにメインチャンバ２の上部を閉塞する閉塞位置と、二点鎖線で示すようにメインチャンバ２の上部を開放する開放位置との間で、弁体３２を旋回させる。

融液表面温度測定部４は、図１，３，４に示すように、環状円板部４１と、筒状部４２と、測定ユニット４３と、蓋部４４とを備えている。

環状円板部４１は、筒状部４２の上端に設けられており、筒状部４２は、ゲートバルブ３の上端に設けられている。環状円板部４１は、ステンレスなどの金属で構成されている。環状円板部４１は、外形が円形で、その下端内形と同形の開口が形成されている。

筒状部４２は、平面視の外形が１６角形で、内形が円形の筒状に形成されている。筒状部４２は、例えば環状円板部４１と同じ材料で構成されている。筒状部４２における平面視で互いに隣り合わない８個の直線部分には、当該筒状部４２の内外を貫通する開口４２１がそれぞれ設けられている。

測定ユニット４３は、閉塞部材４３１と、載置台４３２と、窓部４３３と、導熱部としてのミラー４３４と、支持部材４３５と、移動駆動部４３６と、放射温度計４３７とを備えている。
筒状部４２の開口４２１には、当該開口を閉塞する閉塞部材４３１が設けられている。閉塞部材４３１は、８個の開口４２１のうちいずれか１つ、若しくは複数箇所に、着脱自在に固定される。閉塞部材４３１は、例えば筒状部４２と同じ材料で構成されている。閉塞部材４３１には、上下に並ぶ２つの貫通孔が設けられている。下側の貫通孔には、ガイド筒部材４３８が設けられている。ガイド筒部材４３８は、その中心軸が水平面と平行になるように設けられている。
載置台４３２は、板状に形成され、筒状部４２の下部から外側に延びるように固定されている。
窓部４３３は、シリコン融液Ｍの放射熱Ｈを透過する材料から構成されている。例えば、窓部４３３は、石英で構成されている。窓部４３３は、閉塞部材４３１の上側の貫通孔を塞ぐように固定されている。

ミラー４３４は、放射熱Ｈを反射する材料から構成されている。ミラー４３４は、例えばシリコンミラーで構成されている。
支持部材４３５は、棒状部４３５Ａと、ミラー保持部４３５Ｂとを備えている。棒状部４３５Ａは、外形がガイド筒部材４３８の内形と同じ形状に形成され、ガイド筒部材４３８に摺動自在に挿通されている。ミラー保持部４３５Ｂは、棒状部４３５Ａにおける筒状部４２内側の端部に設けられている。ミラー保持部４３５Ｂには、水平面とミラー４３４の反射面４３４Ａとのなす角度が４５°となるように、ミラー４３４が固定されている。

移動駆動部４３６は、載置台４３２上における平面視で支持部材４３５の棒状部４３５Ａと重ならない位置に固定されている。移動駆動部４３６は、連結部材４３６Ａを介して棒状部４３５Ａにおける筒状部４２外側の端部に固定されている。移動駆動部４３６は、棒状部４３５Ａを介してミラー４３４を移動させる。
放射温度計４３７は、筒状部４２外側の載置台４３２上における平面視で移動駆動部４３６と重ならない位置に固定されている。放射温度計４３７は、ミラー４３４の反射面４３４Ａで反射された放射熱Ｈを測定する。

蓋部４４は、筒状部４２と同じ材料で構成されている。蓋部４４は、閉塞部材４３１と同形状であるが、閉塞部材４３１のような貫通孔を有さない。蓋部４４は、筒状部４２の８個の開口４２１のうち、測定ユニット４３が設けられていない開口４２１に着脱自在に固定され、開口４２１を閉塞する。

プルチャンバ５は、融液表面温度測定部４の環状円板部４１の上部に設けられている。プルチャンバ５には、メインチャンバ２内にＡｒガスなどの不活性ガスを導入するための図示しない導入部や、シリコン単結晶Ｓを引き上げるケーブル５１を昇降および回転させる図示しない引き上げ駆動部などが設けられている。

〔融液表面温度測定部を用いたシリコン単結晶の製造方法〕
次に、融液表面温度測定部４を用いたシリコン単結晶Ｓの製造方法について説明する。なお、本実施形態では、外周研削後の直胴部Ｓ２の直径が３００ｍｍのシリコン単結晶Ｓを製造する場合を例示するが、２００ｍｍ、４５０ｍｍあるいは他の大きさのシリコン単結晶Ｓを製造してもよい。また、抵抗率調整用のドーパントをシリコン融液Ｍに添加してもよいし、しなくてもよい。

まず、ミラー４３４が図１における実線で示す位置に存在している状態で、図示しない制御部が、メインチャンバ２内を減圧下の不活性ガス雰囲気に維持し、坩堝２１を回転させるとともに、坩堝２１に充填した多結晶シリコンなどの固形原料をヒータ２２の加熱により溶融させ、シリコン融液Ｍを生成する。
このシリコン融液Ｍの生成後、まず、放射温度計４３７は、シリコン融液Ｍ表面における第１の測定点Ｐ１の温度を測定する。その後、制御部が移動駆動部４３６を駆動させ、ミラー４３４を図１に二点鎖線で示す２箇所の位置に順次移動させつつ、放射温度計４３７が、シリコン融液Ｍ表面における第２の測定点Ｐ２の温度と第３の測定点Ｐ３の温度とを測定する。このとき、第２の測定点Ｐ２および第３の測定点Ｐ３のうち一方のみの温度を測定してもよい。また、第１の測定点Ｐ１と第２の測定点Ｐ２との間や、第２の測定点Ｐ２と第３の測定点Ｐ３との間、あるいは第３の測定点Ｐ３よりも図１における右側の任意の位置の温度を測定してもよい。
そして、制御部は、第１～第３の測定点Ｐ１～Ｐ３の測定結果に基づいて、シリコン融液Ｍ表面の温度分布を検出する。制御部は、所望の温度分布になるようにヒータ２２を制御してから、再度、第１～第３の測定点Ｐ１～Ｐ３の温度を測定し、所望の温度分布になるまで、ヒータ２２の制御と第１～第３の測定点Ｐ１～Ｐ３の温度測定とを繰り返す。

制御部は、シリコン融液Ｍ表面が所望の温度分布になると、電磁コイル２５を制御して、シリコン融液Ｍに磁場を印加する。その後、制御部は、ミラー４３４が図１の実線で示す位置に存在している状態で、磁場の印加を継続したまま、肩部Ｓ１、直胴部Ｓ２、図示しないテール部を有するシリコン単結晶Ｓを引き上げる。
この引き上げの際、放射温度計４３７が第１の測定点Ｐ１の温度を所定のタイミングで測定する。制御部は、この温度測定結果に基づいて、シリコン融液Ｍの温度が肩部Ｓ１、直胴部Ｓ２、テール部の形成に適した温度になるように、ヒータ２２を制御する。

制御部は、シリコン単結晶Ｓがシリコン融液Ｍから切り離されると、シリコン融液Ｍへの磁場の印加を停止し、シリコン単結晶Ｓを冷却するようにヒータ２２を制御する。制御部は、シリコン単結晶Ｓ全体がプルチャンバ５内に収容されたら、ゲートバルブ３の旋回駆動部３５を制御して弁体３２を閉塞位置に移動させる。その後、シリコン単結晶Ｓをプルチャンバ５から取り出す。

〔実施形態の作用効果〕
上記実施形態によれば、メインチャンバ２とプルチャンバ５との間に融液表面温度測定部４を配置しているため、放射温度計４３７の測定距離を短くできる。したがって、計測スポット径を小さくして、シリコン融液表面の温度測定のバラツキを小さくすることができ、正確な温度測定結果に基づきシリコン単結晶Ｓの品質を高精度に制御できる。
計測スポット径が小さくなるので、計測位置の制限となる計測視野の干渉による視野欠けを抑制でき、坩堝２１の径方向の測定位置を拡大できる。したがって、より広い範囲の温度分布を測定できる。
さらに、筒状部４２に複数の開口４２１を形成しているため、測定したいシリコン融液Ｍ表面の位置に応じて、例えば図４に二点鎖線で示すように、測定ユニット４３の配置位置変更、もしくは追加ができる。
また、測定ユニット４３をユニット構造にしたので、測定位置変更が容易になる。

［変形例］
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能である。

例えば、筒状部４２に開口４２１を１個だけ設けてもよい。この場合、１個の開口４２１に測定ユニット４３を着脱不能に固定してもよいし、着脱可能に固定してもよい。
ミラー４３４を移動不能に閉塞部材４３１または窓部４３３に固定してもよい。
複数の測定ユニット４３を同時に複数の開口４２１のそれぞれに配置して、各放射温度計４３７で温度測定を行ってもよい。
環状円板部４１を設けずに、筒状部４２上にプルチャンバ５を直接固定してもよい。
上記実施形態では、シリコン融液Ｍへの磁場印加前、肩部Ｓ１形成時、直胴部Ｓ２形成時、テール部形成時の全てのタイミングで温度測定を行ったが、１つ以上３つ以下のタイミングで行ってもよい。シリコン融液Ｍへの磁場印加前に、１つの測定点のみの温度を測定してもよい。
電磁コイル２５を有さない、いわゆるＣＺ法によるシリコン単結晶Ｓの製造に本発明を適用してもよい。

１…シリコン単結晶製造装置、２…メインチャンバ、３…ゲートバルブ、４…融液表面温度測定部、５…プルチャンバ、２１…坩堝、４２…筒状部、４２１…開口、４３３…窓部、４３４…ミラー（導熱部）、４３５…支持部材、４３７…放射温度計、Ｈ…放射熱、Ｍ…シリコン融液、Ｓ…シリコン単結晶。

Claims (3)

1. メインチャンバと、
   ゲートバルブと、
   プルチャンバと、
   前記メインチャンバに配置された坩堝内のシリコン融液表面の温度を測定する融液表面温度測定部とを備え、
   前記融液表面温度測定部は、
   前記ゲートバルブおよび前記プルチャンバの間に配置され、外周面に開口が形成された筒状部と、
   放射熱を透過する材料から構成され、前記筒状部の開口に設けられる窓部と、
   前記筒状部の内側に配置され、前記シリコン融液表面から放射された放射熱を、前記窓部に導く導熱部と、
   前記筒状部の外側に配置され、前記窓部を介して前記導熱部から導かれた放射熱を測定する放射温度計とを備えていることを特徴とするシリコン単結晶製造装置。
2. 請求項１に記載のシリコン単結晶製造装置において、
   前記導熱部は、前記筒状部に挿通され、当該挿通方向に移動自在な支持部材によって支持されていることを特徴とするシリコン単結晶製造装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のシリコン単結晶製造装置において、
   前記筒状部の外周面には、当該筒状部の外周方向に沿って複数の開口が形成され、
   前記複数の開口は、前記窓部、前記導熱部および前記放射温度計が着脱自在に配置可能に構成され、
   前記窓部が設けられる開口以外の開口は、蓋部によって塞がれていることを特徴とするシリコン単結晶製造装置。

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