JPH111389A - 単結晶引上げ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 大型化したチョクラルスキー法による単結晶
引上げ装置において、迅速に種結晶の交換作業を行うこ
とが出来る装置を提供し、これによって特に大直径の単
結晶の生産性を向上せしめる。 【解決手段】 少なくとも原料融液を充填するルツボを
収容するベースチャンバと、育成された結晶棒を取り出
すためのプルチャンバと、チャンバ間を遮断するための
ゲートバルブを具備するチョクラルスキー法による単結
晶引上げ装置において、該プルチャンバの上部に小容量
のチャンバを設置した、ことを特徴とする単結晶引上げ
装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
法（Czochralski Method＝ＣＺ法、引上げ法）による単
結晶引上げ装置において、種結晶交換用等の小容量の真
空室を具備する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコン等の半導体の多結晶材料
から単結晶を得る方法として、チョクラルスキー法が知
られている。チョクラルスキー法は、多結晶材料をいっ
たん融解し、単結晶からなる種結晶を原料融液に接触さ
せた後、回転させながらゆっくりと引き上げることによ
り単結晶棒を得る方法であり、種結晶を引き上げる手段
としてシャフトを用いる方法とワイヤを用いる方法とが
ある。

【０００３】従来のワイヤを用いた単結晶引上げ装置の
一般的な構成例を図２に示す。この図に示すように、単
結晶引上げ装置は、少なくとも原料融液を充填するルツ
ボを収容するベースチャンバ１と、育成された結晶棒を
取り出すためのプルチャンバ２と、チャンバ間を遮断す
るためのゲートバルブ３を具備している。

【０００４】そして、ベースチャンバ１中には、ルツボ
４と、ルツボの周囲に配置されたヒータ５および断熱材
６が収容されており、ルツボ４を回転させるルツボ保持
軸７及び回転機構８が設置されている。プルチャンバ２
の上部には、ワイヤを回転および巻き取るワイヤ巻取機
構を収納するボックス９があり、このワイヤ巻取機構か
ら巻き出されるワイヤ１０の先端には、種結晶１１を保
持する種ホルダ１２が係止されている。種ホルダ１２
は、プルチャンバ２、ゲートバルブ３を通して、ベース
チャンバ１内の原料融液に達することができ、回転上下
動自在に構成されている。

【０００５】プルチャンバ２は育成された単結晶棒を取
り出すため開放可能に構成されており、プルチャンバ２
を開放する時にベースチャンバ１を外気と遮断するた
め、ゲートバルブ３がプルチャンバ２とベースチャンバ
１との間に配置されている。

【０００６】次に、上記の単結晶引上げ装置による単結
晶育成方法について説明する。まず、ルツボ４内に所望
の高純度多結晶材料を充填し、ヒータ５によって該多結
晶材料の融点（シリコンであれば約１４００°Ｃ）以上
に加熱して融解する。次に、ワイヤ１０を巻き出すこと
により融液の表面略中心部に種結晶１１の先端を接触又
は浸漬させる。その後、ルツボ保持軸７を適宜の方向に
回転させるとともに、ワイヤ１０を回転させながらゆっ
くりと巻き取り、種結晶１１を引き上げることにより、
単結晶育成が開始される。以後、主に引上げ速度と温度
を適切に調節することにより略円柱形状の単結晶棒を得
ることができる。

【０００７】単結晶の育成が終了したなら、種ホルダ１
２を上部のボックス９中に格納された不図示のワイヤ巻
取機構によって上昇させ、成長単結晶棒をプルチャンバ
２内に移動する。種ホルダ１２とともに単結晶棒がプル
チャンバ２内に収容されたなら、ゲートバルブ３を閉じ
て、プルチャンバ２とベースチャンバ１を遮断する。プ
ルチャンバ２内を常圧にした後、プルチャンバ２の不図
示の結晶取り出し用ドアを開放する。育成された結晶棒
を炉外に取り出す。

【０００８】結晶棒の取り出しが終了したら、プルチャ
ンバ２の結晶取り出し用ドアを閉め、プルチャンバ内を
真空排気の後、不活性ガス雰囲気に置換する。ガス雰囲
気、圧力をベースチャンバ１と同じにし、ゲートバルブ
３を開ける。そして、種ホルダ１２をワイヤ巻取機構に
よって下降させることによって種結晶１１を下降させ、
再度結晶の引上げを行う。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このようなチョクラル
スキー法において、プルチャンバを開放する必要が生じ
るのは、上記のような成長単結晶棒を取り出す場合に限
られず、種結晶を交換する等の理由から行われる場合が
ある。

【００１０】例えば、誤った軸方位の種結晶を用いた場
合に、これを正規のものに取り換える場合、あるいは育
成中に結晶が有転位化した場合に、育成結晶棒を再溶融
の後、改めて結晶の引上げを行うが、この際種結晶が短
すぎて、正規の長さを有するものに交換してからでない
と引上げが出来ない場合がある。さらに、結晶育成前あ
るいは育成中において、原料融液にルツボその他から派
生した異物が浮遊し、種結晶あるいは成長中の結晶棒に
付着し、有転位化する場合がある。このような場合に
は、その異物が付着した種結晶あるいは結晶棒を取り出
すことによって、異物を取り除く必要がある。また、操
業中種ホルダに劣化その他の理由から異常が生じた場合
に、これを新しいものに交換する必要が生じることもあ
る。

【００１１】さらには、例えば、アンチモン、ひ素をド
ープする単結晶の引上げにおいては、当初種ホルダに種
結晶をセットするのではなく、ドープ剤をセットし、多
結晶原料の溶融が終了してから、種ホルダを下降させる
ことによって、原料融液にドープ剤を投入し、その後種
ホルダにセットされたドープ剤投入器を、種結晶に交換
して結晶の育成を行う場合もある。

【００１２】また、本出願人はいわゆるネッキングによ
る絞り部を形成することなく、結晶を単結晶化させるこ
とができ、大直径かつ長尺な高重量のシリコン単結晶
を、結晶保持機構のような複雑な装置を使用することな
く、極めて簡単に引上げることができる、シリコン単結
晶の製造方法を開発することに成功し、先に提案した
（特願平９−１７６８７号）。

【００１３】この方法は、種結晶としてシリコン融液に
接触させる先端部の形状が、尖った形状または尖った先
端を切り取った形状であるものとし、まず該種結晶の先
端をシリコン融液にしずかに接触させた後、種結晶を低
速度で下降させることによって種結晶の先端部が所望の
太さとなるまで溶融し、その後、種結晶をゆっくりと上
昇させ、ネッキングを行うことなく、所望径のシリコン
単結晶棒を育成させる、というようなシリコン単結晶の
製造方法である。

【００１４】ところが、このようなネッキングを行わな
いチョクラルスキー法においては、種結晶を接触、溶融
する過程で種結晶が有転位化した場合に限らず、成長単
結晶が有転位化した場合においても、その再溶融の過程
で転位が種結晶にまで及ぶので、再度同じ種結晶から、
同様にネッキングを行うことなく単結晶を成長させるこ
とは不可能となる。すなわち、ネッキングを行わないチ
ョクラルスキー法は、一旦種結晶あるいは単結晶に転位
を発生させると、同じ種結晶からはやり直しがきかない
ので、種結晶を交換する必要がある。

【００１５】従来このような成長単結晶棒の取り出し以
外の場合においても、上記育成された結晶棒を取り出す
場合と同様に、種ホルダ１２をプルチャンバ２内まで引
上げた後、プルチャンバ２を開放して種結晶等を交換し
ていた。

【００１６】ところが、近年の半導体デバイスの高集積
化にともない、結晶が大直径かつ長尺化しており、育成
する結晶の大直径・長尺化は、必然的に単結晶引上げ装
置の大型化をもたらしている。したがって、このような
結晶棒を収容するプルチャンバの容量も大きくなってお
り、上記のように引き上げた単結晶棒を取り出すため
に、あるいは種結晶等を交換するためにプルチャンバを
開放する必要が生じた場合、種ホルダをプルチャンバに
移動し、ゲートバルブを閉じ、プルチャンバを開放し、
結晶取り出しあるいは種結晶の交換を行い、プルチャン
バを閉じて、真空排気の後、不活性ガス置換し、ゲート
バルブを開けるといった一連の操作に要する時間が非常
に長くなっている。

【００１７】このような結晶棒の取り出し、種結晶の交
換作業の長時間化は、結晶製造時間全体に及ぼす影響が
無視出来ないほど大きくなっており、大直径結晶の生産
性低下の原因となっている。

【００１８】そこで、本発明は上記のような問題に鑑み
てなされたもので、大型化したチョクラルスキー法によ
る単結晶引上げ装置において、迅速に種結晶の交換作業
を行うことが出来る装置を提供し、これによって特に大
直径の単結晶の生産性を向上せしめることを目的とす
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の請求項１に記載した発明は、少なくとも原
料融液を充填するルツボを収容するベースチャンバと、
育成された結晶棒を取り出すためのプルチャンバと、チ
ャンバ間を遮断するためのゲートバルブを具備するチョ
クラルスキー法による単結晶引上げ装置において、該プ
ルチャンバの上部に、小容量のチャンバを設置したこと
を特徴とする単結晶引上げ装置である。

【００２０】このように、小容量のチャンバを設置すれ
ば、大容量化した結晶取り出し用のプルチャンバを開放
する必要はなく、種結晶の交換等の作業はこの小容量の
チャンバを用いて行うことが出来る。そして、小容量の
チャンバでは、特に真空排気、不活性ガス置換の時間が
格段に短縮されるので、種結晶交換等の作業時間を短縮
することが出来、全体としてチョクラルスキー法による
単結晶の生産性を向上せしめることが出来る。

【００２１】本発明の請求項２に記載した発明は、請求
項１に記載の単結晶引上げ装置であって、前記チャンバ
間を遮断するためのゲートバルブを２ケ具備することを
特徴とする。

【００２２】このように、単結晶引上げ装置にゲートバ
ルブを２ケ具備するように構成すれば、小容量のチャン
バとプルチャンバあるいはベースチャンバとの遮断が容
易に出来るので、種結晶交換あるいは成長単結晶棒の取
り出しのいずれの作業をも簡単、迅速に行うことが出来
る。

【００２３】また、本発明の請求項３に記載した発明
は、請求項１または請求項２に記載の単結晶引上げ装置
であって、前記小容量のチャンバは、種結晶交換用チャ
ンバであることを特徴とする。

【００２４】このように、小容量チャンバを種結晶交換
用チャンバとすれば、結晶取り出し用のプルチャンバの
ような容量は必要なく、種ホルダと種が収容出来る容量
があれば足りるので、プルチャンバに対して極めて少容
量化することが出来る。そして、本発明の装置はネッキ
ングを行わないチョクラルスキー法のように、種結晶の
交換を従来より頻繁に行う必要が生じる方法において、
迅速に種結晶の交換が出来るので特に有益となる。

【００２５】本発明の請求項４に記載した発明は、請求
項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の単結晶引上
げ装置であって、育成される単結晶が、シリコン単結晶
棒であることを特徴とする。

【００２６】このように、本発明にかかる単結晶引上げ
装置は、ますます大直径・長尺化しており、装置の大型
化が進んでいるシリコン単結晶棒の引上げ装置におい
て、特に種結晶交換等の作業を迅速化することが出来、
生産性の向上に寄与することが出来る。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本
発明者らは、ますます大型化している単結晶引上げ装置
において、プルチャンバを開放する作業を行う場合に、
大容量化したプルチャンバを排気、不活性ガス置換する
のに要する時間が長くなっており、生産性に影響する度
合いが大きくなっていることに鑑み、これを短く出来な
いか種々検討した結果本発明を完成させたものである。

【００２８】すなわち、大直径・長尺化した単結晶棒を
取り出すために、プルチャンバを大容量化するのはやむ
を得ないにしても、種結晶の交換等の作業はこのような
大容量化したプルチャンバで行わなければならないもの
ではなく、種結晶の交換作業のために結晶の取り出しと
同じような時間を費やすのは無駄である。そこで、結晶
の取り出し作業と、種結晶等の交換作業を別のチャンバ
で行うことにした。

【００２９】以下、本発明にかかる単結晶引上げ装置を
図面に基づき説明すると、図１は本発明にかかる小容量
のチャンバを有する装置の一構成例である。（図中、従
来装置のものと同じ部材には同じ符号が付してある。）

【００３０】この図に示すように、単結晶引上げ装置
は、少なくとも原料融液を充填するルツボを収容するベ
ースチャンバ１と、育成された結晶棒を取り出すための
プルチャンバ２と、チャンバ間を遮断するためのゲート
バルブ３を具備している点は、従来装置と同様である。

【００３１】そして、本発明にかかる装置においては、
さらに結晶を取り出すためのプルチャンバ２の上部に小
容量の種結晶交換用チャンバ１３が設けられており、下
方のプルチャンバ２とは小型のゲートバルブ１４で遮断
出来るようになっている。この場合、種結晶交換用の小
容量のチャンバ１３は、種結晶１１および種ホルダ１２
を収容出来る容量があれば足り、小型のものとすること
が出来る。

【００３２】この小容量のチャンバ１３は種結晶の交換
等が出来るように、例えばベローズチャンバになってお
り、開放可能に構成されている。そして小容量のチャン
バ１３を開放する時にプルチャンバ２およびベースチャ
ンバ１を外気と遮断するため、ゲートバルブ１４が小容
量のチャンバ１３とプルチャンバ２との間に配置されて
いる。

【００３３】また、ベースチャンバ１中には、ルツボ４
と、ルツボの周囲に配置されたヒータ５および断熱材６
が収容されており、ルツボ４を回転させるルツボ保持軸
７及び回転機構８が設置されている。小容量のチャンバ
１３の上部には、ワイヤを回転および巻き取るワイヤ巻
取機構を収納するボックス９があり、このワイヤ巻取機
構から巻き出されるワイヤ１０の先端には、種結晶１１
を保持する種ホルダ１２が係止されている。種ホルダ１
２は、小容量のチャンバ１３、ゲートバルブ１４、プル
チャンバ２、ゲートバルブ３を通して、ベースチャンバ
１内の原料融液に達することができ、回転上下動自在に
構成されている。

【００３４】プルチャンバ２は育成された単結晶棒を取
り出すため開放可能に構成されており、プルチャンバ２
を開放する時にベースチャンバ１を外気と遮断するた
め、ゲートバルブ３がプルチャンバ２とベースチャンバ
１との間に配置されている。

【００３５】次に、上記の本発明にかかる単結晶引上げ
装置による単結晶育成方法について説明すると、これは
従来の装置とほぼ同様に行うことが出来る。まず、ルツ
ボ４内に所望の高純度多結晶材料を充填し、ヒータ５に
よって該多結晶材料の融点（シリコンであれば約１４０
０°Ｃ）以上に加熱して融解する。この時、ゲートバル
ブ３およびゲートバルブ１４は、開の状態にしておく。
次に、ワイヤ１０を巻き出すことにより融液の表面略中
心部に種結晶１１の先端を接触又は浸漬させる。その
後、ルツボ保持軸７を適宜の方向に回転させるととも
に、ワイヤ１０を回転させながらゆっくりと巻き取り、
種結晶１１を引き上げることにより、単結晶育成が開始
される。以後、主に引上げ速度と温度を適切に調節する
ことにより略円柱形状の単結晶棒を得ることができる。

【００３６】単結晶の育成が終了したなら、種ホルダ１
２を上部のボックス９中に格納された不図示のワイヤ巻
取機構によって上昇させ、成長単結晶をプルチャンバ２
内に移動する。種ホルダ１２とともに単結晶棒がプルチ
ャンバ２内に収容されたなら、ゲートバルブ３を閉じ
て、プルチャンバ２とベースチャンバ１を遮断する。小
容量のチャンバ１３とともにプルチャンバ２内を常圧に
した後、プルチャンバ２の不図示の結晶取り出し用ドア
を開放する。育成された結晶棒を炉外に取り出す。

【００３７】結晶棒の取り出しが終了したら、プルチャ
ンバ２の結晶取り出し用ドアを閉め、小容量のチャンバ
１３およびプルチャンバ２内を真空排気の後、不活性ガ
ス雰囲気に置換する。ガス雰囲気、圧力をベースチャン
バ１と同じにし、ゲートバルブ３を開ける。そして、種
ホルダ１２をワイヤ巻取機構によって下降させることに
よって種結晶１１を下降させ、再度結晶の引上げを行
う。

【００３８】次に、本発明にかかる単結晶引上げ装置に
よって、種結晶を交換する手順につき説明する。上記の
ような装置により、種結晶の交換作業は結晶取り出し作
業と類似の手順で行えば良いが、種結晶を移動させ交換
するチャンバを、小容量のチャンバ１３とし、この小容
量のチャンバ１３を下方のプルチャンバ２と遮断するた
めにゲートバルブ１４を用いる。

【００３９】すなわち、種結晶あるいは種ホルダ等を交
換する必要が生じた場合、まずワイヤ巻取機構によって
種ホルダ１２を上昇させ、例えば種結晶交換用の小容量
のチャンバ１３内まで種結晶１１を移動させる。

【００４０】種ホルダ１２とともに種結晶１１が小容量
チャンバ１３内に位置したなら、ゲートバルブ１４を閉
じて、小容量のチャンバ１３とプルチャンバ２を遮断す
る。ベローズからなる小容量チャンバ１３内を常圧にし
た後、ベローズチャンバを縮めることによって、小容量
のチャンバ１３を開放する。種結晶を新しいものに交換
する。

【００４１】種結晶を交換したら、ベローズを伸ばすこ
とによって小容量チャンバ１３を外気と遮断し、チャン
バ内を真空排気の後、不活性ガス雰囲気に置換する。ガ
ス雰囲気、圧力をプルチャンバ２およびベースチャンバ
１と同じにし、ゲートバルブ１４を開ける。そして、種
ホルダ１２をワイヤ巻取機構によって下降させることに
よって種結晶１１を下降させ、再度チョクラルスキー法
により単結晶の引上げを行う。

【００４２】このように、種結晶の交換を種結晶交換用
の小容量のチャンバを用いて行えば、チャンバの容量が
小さいために、チャンバの開放、真空置換等に時間がか
からないとともに、不活性ガス等の節約をすることが出
来、迅速に種結晶の交換作業が出来るので、きわめて簡
単かつ効率的に種結晶の交換をすることが出来る。そし
て、このような作業性の向上は、作業上の安全性の向上
にもつながる。

【００４３】尚、本発明は、上記実施形態に限定される
ものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の
特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一
な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかな
るものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００４４】例えば、本発明は、通常のチョクラルスキ
ー法のみならず、単結晶の引上げ時に磁場を印加するＭ
ＣＺ法(Magnetic field applied Czochralski crystal
growth method)にも同様に適用できることは言うまでも
なく、本明細書中で使用したチョクラルスキー法という
用語には、通常のチョクラルスキー法だけでなく、ＭＣ
Ｚ法も含まれる。

【００４５】また、本発明の実施形態で説明した、ベー
スチャンバ、プルチャンバ、ゲートバルブ、小容量のチ
ャンバ等の文言は、必ずしも図面に示した形態の物でな
くとも、同じ機能を奏するものであれば良く、その名称
に拘泥されるものではない。

【００４６】また、本発明の装置で育成される単結晶と
して、シリコン単結晶棒を挙げたが、本発明の装置はシ
リコンの引上げ装置のみに用いられるものではなく、化
合物半導体、酸化物単結晶等の引上げにも応用すること
が出来る。

【００４７】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明では、単結
晶引上げ装置に小容量のチャンバを設置したので、この
チャンバを用いて種結晶あるいは種ホルダ等を迅速に交
換することが出来る。そして、これによって大型化した
チョクラルスキー法による単結晶引上げ装置によって大
直径の単結晶を生産する場合に、全体として操業時間を
短縮することが出来るので、単結晶の生産性を向上せし
めることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる小容量のチャンバを有するチョ
クラルスキー法による単結晶引上げ装置の一構成例であ
る。

【図２】従来のチョクラルスキー法による単結晶引上げ
装置の構成例である。

【符号の説明】

１…ベースチャンバ、 ２…プルチャ
ンバ、３…ゲートバルブ、 ４…ル
ツボ、５…ヒータ、 ６…断
熱材、７…ルツボ保持軸、 ８…回
転機構、９…ボックス、 １０…
ワイヤ、１１…種結晶、 １２
…種ホルダ、１３…小容量チャンバ、
１４…ゲートバルブ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも原料融液を充填するルツボを
   収容するベースチャンバと、育成された結晶棒を取り出
   すためのプルチャンバと、チャンバ間を遮断するための
   ゲートバルブを具備するチョクラルスキー法による単結
   晶引上げ装置において、該プルチャンバの上部に小容量
   のチャンバを設置した、ことを特徴とする単結晶引上げ
   装置。
2. 【請求項２】 前記チャンバ間を遮断するためのゲート
   バルブを２ケ具備することを特徴とする請求項１に記載
   の単結晶引上げ装置。
3. 【請求項３】 前記小容量のチャンバは、種結晶交換用
   チャンバである、ことを特徴とする請求項１または請求
   項２に記載の単結晶引上げ装置。
4. 【請求項４】 育成される単結晶が、シリコン単結晶棒
   である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のい
   ずれか１項に記載の単結晶引上げ装置。