JPH06263586A

JPH06263586A - 半導体単結晶製造装置

Info

Publication number: JPH06263586A
Application number: JP8022293A
Authority: JP
Inventors: Yoshinobu Hiraishi; 吉信平石
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1993-03-15
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1994-09-20
Anticipated expiration: 2014-09-27
Also published as: JP2952548B2

Abstract

(57)【要約】【目的】リチャージ法による単結晶の製造において、
プルチャンバの開放回数を減らして単結晶の生産性なら
びに良品率を向上させることができるようにする。【構成】上下動可能な多結晶素材用ワイヤ１０に多結
晶素材２２を釣支し、単結晶２０をプルチャンバ１内に
引き上げた後、油圧シリンダ１５により上部移動部材１
２、下部移動部材１３を滑動させ、前記多結晶素材２２
がるつぼ２８の回転中心軸にほぼ一致する位置に移動さ
せる。次に多結晶素材２２を融液３０に浸漬して溶解
し、リチャージ完了後引き上げて単結晶２０とともにプ
ルチャンバ１から取り出す。本製造装置の利用によりプ
ルチャンバ開放回数は従来の１／２となり、単結晶の冷
却時間とプルチャンバ内を低圧Ａｒガスで置換する時間
との合計分だけサイクルタイムが短縮されるとともに、
単結晶が汚染される機会が大幅に低減して良品率が向上
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はシリコン等の単結晶の製
造装置に係り、特にリチャージ法を適用する単結晶の製
造に好適な半導体単結晶製造装置の改良に関する。

【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ＣＺ法という）が用いられている。ＣＺ法におい
ては、単結晶製造装置のメインチャンバ内に設置した石
英るつぼに高純度の多結晶シリコンを充填し、前記るつ
ぼの外周に設けたヒータによって多結晶シリコンを加熱
溶解した上、種子結晶保持器に取り付けた種子結晶を融
液に浸漬し、種子結晶保持器およびるつぼを同方向また
は逆方向に回転しつつ種子結晶保持器を引き上げてシリ
コン単結晶を成長させる。図８は、ＣＺ法による従来の
一般的なシリコン単結晶製造装置の概略構成を模式的に
示したもので、１はプルチャンバ、２は単結晶引き上げ
ワイヤ巻き取りドラム３を駆動するモータ、４は単結晶
引き上げワイヤ巻き取りドラム３を含む真空容器５に回
転運動を与えるモータであり、単結晶引き上げワイヤ９
の回転を通じて最終的には種子結晶から成長した単結晶
に回転運動を与える。２５はメインチャンバ、２７は種
子結晶保持器、２９はるつぼ内の多結晶シリコン材料を
加熱溶解する黒鉛ヒータ、３０は融液、３２は断熱筒、
３３はるつぼペディスタルを介してるつぼに回転運動を
与えるモータ、３４はるつぼを上下動するモータであ
る。シリコン単結晶の引き上げに当たり、前記融液３０
とシリコン単結晶との境界に発生するメニスカスリング
がテレビカメラ３５によって撮影され、得られた映像信
号はカメラコントロールユニット３６を介して幅計測ユ
ニット３７に入力され、メニスカスリングを横切る単結
晶の直径が算出される。そして、直径制御装置３８によ
り種子結晶の引き上げ速度および融液温度を制御して、
引き上げ単結晶の直径を設定値に近づける。なお、３９
はモニタテレビである。

【０００３】上記シリコン単結晶製造装置によって成長
した単結晶は、プルチャンバに引き上げられて冷却され
る。通常は、前記単結晶の成長終了までにるつぼ内のシ
リコン融液の９０％以上を単結晶化してしまうため、黒
鉛ヒータによる加熱を停止して炉内を冷却し、次の単結
晶引き上げ準備を始める。

【０００４】ところで近年は、半導体ウェーハの直径が
大型化し、６インチを超える大径ウェーハが要求される
ようになり、単結晶の直径も６インチ以上のものが主流
になりつつある。このため単結晶製造装置も大型化し、
１サイクル当たりの処理量も増大する傾向にある。この
ような最近の状況下では製造する単結晶の生産性が低下
する傾向にあり、この点が問題になっている。すなわ
ち、製造装置の大型化によって単結晶成長工程における
所要時間が長くなるとともに、その前後工程、たとえば
メインチャンバ、プルチャンバ内を低圧Ａｒ雰囲気に置
換するための時間や、原料を加熱溶解する時間、あるい
は結晶成長後、メインチャンバ内に配設された黒鉛製炉
内部品を大気中で清掃可能な常温付近まで冷却する時
間、前記炉内部品やチャンバ内面を清掃する時間等も著
しく増大している。その結果、サイクルタイムの増加
と、結晶成長を行っている時間のサイクルタイム中に占
める割合の低下とが起こり、これらが単結晶の生産性低
下を引き起こす一つの原因となっている。

【０００５】単結晶の生産性低下のもう一つの原因は、
歩留りの低下である。ＣＺ法により単結晶を製造する場
合、単結晶の成長に伴って融液中のドーパント濃度が増
大し、単結晶の抵抗率が減少する。６インチ以上の単結
晶の主な用途は高集積度のメモリ用であり、比較的抵抗
率範囲の狭いウェーハに需要が集中するため、１本の単
結晶インゴットから製品として使用できる部分が限定さ
れてしまう。その結果、歩留りが低下する。

【０００６】単結晶の生産性低下を解決する手段として
従来から知られている方法にリチャージ法がある。この
方法は図５に示すように、るつぼ内に全量の１／２〜１
／３程度の融液３０を残して単結晶２０の成長を終了さ
せ、ゲートバルブ２４を閉じてプルチャンバ１内で単結
晶２０を冷却した後、扉３１を開いて単結晶２０を取り
出す。次に、保持器２１を用いて棒状の多結晶素材２２
を単結晶引き上げワイヤ９に吊り下げ、扉３１を閉めて
プルチャンバ１内を真空引きし、Ａｒ置換する。それか
ら図６に示すようにゲートバルブ２４を開き、前記多結
晶素材２２を下降させて融液３０に浸漬し、徐々に溶解
する。多結晶素材２２を必要量溶解した後、図７に示す
ように残った多結晶素材２２をプルチャンバ１内に引き
上げ、ゲートバルブ２４を閉じてプルチャンバ１内で多
結晶素材２２を冷却する。その後、扉３１を開いて多結
晶素材２２を取り出す。そして、種子結晶を取り付けた
種子結晶保持器２７を単結晶引き上げワイヤ９に取り付
け、扉３１を閉めてプルチャンバ１内を真空引きし、Ａ
ｒ置換した後ゲートバルブ２４を開き、最初の結晶成長
と同様に種子結晶から単結晶を成長させる。

【０００７】上記リチャージ法は炉内部品の冷却時間や
チャンバ清掃時間等を０．５〜１バッチ分省略すること
ができる。また、抵抗率の高い素材を補給するため融液
中のドーパント濃度が低下し、最初に引き上げた単結晶
と同じ抵抗率範囲の単結晶を再度製造することができ
る。従って、総合的な歩留りが向上する。更に、通常は
１本の単結晶インゴットを引き上げるたびに１個必要と
する石英るつぼも、単結晶インゴット１．５〜２本程度
に１個の割合となるので、製造コストが低減する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、リチャ
ージ法は単結晶の生産性向上に有効な手段であるが、更
に改善すべき点がある。すなわち、（１）図５において、単結晶が取り出し可能な温度に下
がるまでに長時間を要することである。この時間は結晶
の大径化に伴って増加し、６インチ結晶でも２〜３時間
を必要とする。（２）冷却した単結晶を取り出す際、プルチャンバが大
気に開放されるため、多結晶素材をワイヤに吊り下げた
後、プルチャンバ内をＡｒ置換しなければならないが、
この作業に時間と工数がかかる。これは、プルチャンバ
内に大気が僅かでも残留していると、ゲートバルブを開
いたとき融液表面や黒鉛製炉内部品が酸化され、単結晶
化を阻害するため、プルチャンバ内の真空引きとＡｒ充
填とを慎重に繰り返す必要があるからである。

【０００９】このように、従来の単結晶製造装置にリチ
ャージ法を適用した場合、リチャージを１回行うごとに
図５および図７に示したようにプルチャンバを２回開放
しなければならず、引き上げた単結晶の冷却やＡｒ置換
に多大の時間を要するとともに、単結晶化を阻害にする
要因が存在するという問題点がある。本発明は上記従来
の問題点に着目してなされたもので、リチャージ法の欠
点を解消し、プルチャンバ内に引き上げられた単結晶の
冷却時間を有効に活用するとともに、プルチャンバの開
放回数を減らしてＡｒ置換所要時間を低減させることに
よって、単結晶の生産性ならびに良品率を向上させるこ
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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係る半導体単結晶製造装置は、成長する単
結晶を回転させつつ引き上げるケーブル方式の単結晶引
き上げ機構を備えた単結晶製造装置において、釣支した
多結晶素材をチャンバ内で上下動させるワイヤ巻き上げ
機構と、前記単結晶を釣支する引き上げワイヤの下端部
分および多結晶素材を釣支するワイヤの下端部分を、前
記チャンバの気密状態を維持したままチャンバ内で水平
方向に移動させるワイヤ移動機構とを設ける構成とし、
このような構成において、ワイヤ移動機構は、多結晶素
材を釣支するワイヤの下端部分の中心軸がるつぼ回転軸
にほぼ一致する位置まで前記ワイヤの下端部分と引き上
げワイヤの下端部分とを同時に移動させることができる
ものとし、具体的には、単結晶を釣支する引き上げワイ
ヤを挟むように単結晶引き上げワイヤ巻き取りドラムの
直下に設けられ、前記引き上げワイヤを垂直に保持する
一対のガイドローラと、多結晶素材を釣支するワイヤを
挟むように多結晶素材用ワイヤ巻き取りドラムの直下に
設けられ、前記多結晶素材用ワイヤを垂直に保持する一
対のガイドローラとを配設した固定部材と、前記単結晶
引き上げワイヤおよび多結晶素材用ワイヤをそれぞれ挟
むように設けられた各一対のガイドローラを有し、プル
チャンバ内を水平方向に滑動する移動部材と、前記移動
部材を駆動する手段とからなるものである。また本単結
晶製造装置は、単結晶引き上げ機構の回転中心軸と、多
結晶素材を釣支するワイヤの中心軸との距離が少なくと
も単結晶の直径より大きいことを特徴としている。

【００１１】

【作用】上記構成によれば、ケーブル方式の単結晶引き
上げ機構を備えた単結晶製造装置に、多結晶素材を釣支
するワイヤ巻き上げ機構と、単結晶引き上げワイヤおよ
び多結晶素材を釣支するワイヤのそれぞれ下端部分をプ
ルチャンバ内で横方向に移動させるワイヤ移動機構とを
設け、前記多結晶素材用ワイヤの下端部分をるつぼ回転
軸にほぼ一致する位置まで移動可能としたので、多結晶
素材用ワイヤを用いて多結晶素材をプルチャンバ内にあ
らかじめ釣支しておけば、成長した単結晶をプルチャン
バ内に引き上げた後、直ちにリチャージを行うことがで
きる。図に基づいて説明すると、図１は成長した単結晶
２０をプルチャンバ１内に引き上げた状態を示し、多結
晶素材用ワイヤ１０にはあらかじめ棒状の多結晶素材２
２が釣支されている。ここでワイヤ移動機構を駆動する
と、図３に示すように多結晶素材２２がるつぼ回転中心
軸にほぼ一致する位置まで移動し、単結晶２０は高温の
融液３０からの輻射熱を直接には受けない位置に移動す
ることになる。この状態で多結晶素材用ワイヤ巻き取り
ドラム７を駆動して多結晶素材２２を融液３０内に吊り
下ろし、溶解させる。このように、単結晶の冷却と多結
晶の溶解とを同時に行うことが可能となる。所定量の融
解が完了した後、図４に示すように多結晶素材２２の残
部をプルチャンバ１内に引き上げ、ゲートバルブ２４を
閉じる。そして、前記多結晶素材の残部を冷却した後、
プルチャンバ１から前記単結晶２０と多結晶素材２２の
残部とを取り出し、単結晶引き上げワイヤ９に新しい種
子結晶を取り付ける。また、リチャージを２回行う場合
は多結晶素材用ワイヤ１０に新しい多結晶素材を取り付
ける。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明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プルチャンバおよび結晶引き上
げ機構に重点をおいた模式的断面図で、１本目の単結晶
をプルチャンバに引き上げた状態を示す。同図におい
て、１はプルチャンバ、２は単結晶引き上げワイヤ巻き
取りドラム３を駆動するモータ、４は単結晶引き上げワ
イヤ巻き取りドラム３を含む真空容器５に回転運動を与
えるモータ、６は多結晶素材用ワイヤ巻き取りドラム７
を駆動するモータである。８は単結晶引き上げワイヤ９
および多結晶素材用ワイヤ１０をそれぞれ挟むように配
設された回動自在の各一対のステンレス鋼製ガイドロー
ラで、これらのガイドローラ８はプルチャンバ１内の上
部に設けられた固定部材１１にそれぞれ軸着されてい
る。

【００１３】１２はプルチャンバ１を水平方向に貫通す
る上部移動部材、１３は同じく下部移動部材で、プルチ
ャンバ１の外部に突出する前記各部材の両端部分は図示
しないダイナミックベローズによって被覆されているた
め、上部移動部材１２、下部移動部材１３はプルチャン
バ１内の気密を保ったまま水平移動することができる。
これらの部材１２，１３の一端はそれぞれ垂直部材１４
に連結され、垂直部材１４には油圧シリンダ１５のロッ
ド端部が連結されている。１６はプルチャンバ１の外部
に水平に設けられたレールで、前記油圧シリンダ１５の
伸縮に伴って垂直部材１４がレール１６上を滑動するこ
とにより、上部移動部材１２、下部移動部材１３がプル
チャンバ１内を水平に移動する。前記上部移動部材１２
には、単結晶引き上げワイヤ９および多結晶素材用ワイ
ヤ１０をそれぞれ挟むように配設された回動自在の各一
対のステンレス鋼製ガイドローラ１７が配設されてい
る。また前記下部移動部材１３には、両端に設けられた
ハンドル１８の操作によって図２に示すように９０°変
位する２本の揺れ止め棒１９が、単結晶引き上げワイヤ
９に釣支された単結晶２０と多結晶素材用ワイヤ１０に
保持器２１を介して釣支された棒状の多結晶素材２２と
を挟む位置に垂直に取着されている。２３は前記ハンド
ル１８を所望の位置に固定する止めねじである。２４は
プルチャンバ１とメインチャンバ２５との接続部近傍に
設けられたゲートバルブで、ハンドル２６を操作して開
放した状態を示している。

【００１４】次に、この半導体単結晶製造装置を用いる
場合のリチャージについて説明する。単結晶引き上げワ
イヤ９の先端に種子結晶保持器２７を介して種子結晶を
取着し、多結晶素材用ワイヤ１０の先端に保持器２１を
介して棒状の多結晶素材２２を釣支した上、図示しない
プルチャンバ１の正面扉を閉めてプルチャンバ１および
メインチャンバ２５内を気密状態とし、低圧Ａｒ雰囲気
に置換する。るつぼ２８に充填した多結晶素材が黒鉛ヒ
ータ２９により加熱、溶解された後、前記種子結晶をる
つぼ２８内の融液３０に浸漬し、単結晶引き上げワイヤ
９を巻き上げつつ単結晶を成長させる。所定の寸法に成
長した単結晶２０をプルチャンバ１内に引き上げた後、
ハンドル１８を９０°回転させて図２に示すように２本
の揺れ止め棒１９を水平方向に設置し、揺れ止め棒１９
を単結晶２０、多結晶素材２２の外周にそれぞれ当接さ
せた後、止めねじ２３により前記揺れ止め棒１９の位置
を固定する。

【００１５】上記の操作が終わったら油圧シリンダ１５
をロッド引込み側に駆動し、垂直部材１４を介して上部
移動部材１２、下部移動部材１３を図１の右方向に移動
させると、多結晶素材用ワイヤ１０の中心軸がるつぼ２
８の回転軸にほぼ一致する。このとき、図３に示すよう
に単結晶引き上げワイヤ９および多結晶素材用ワイヤ１
０はそれぞれガイドローラ８およびガイドローラ１７の
片側に当接し、これらのガイドローラを回転させつつ単
結晶２０および多結晶素材２２の位置が上昇する。この
上昇量ｈは、ガイドローラ８とガイドローラ１７との垂
直距離をａ、ガイドローラ１７の水平移動量をｂとする
と、ｈ≒（ａ²＋ｂ²）^1/2−ａで表すことができる。本実施例ではａ＝３００ｍｍ，ｂ
＝２００ｍｍとしたので、上昇量ｈは約６０ｍｍであ
る。従って、上部移動部材１２の下端と種子結晶保持器
２７上端との垂直距離および上部移動部材１２の下端と
保持器２１上端との垂直距離は、それぞれ少なくとも１
００ｍｍ程度に保っておく必要がある。また、油圧シリ
ンダ１５の駆動速度を大きくすると移動中に単結晶２０
が揺れ、甚だしい場合は落下することもある。本実施例
では油圧シリンダ１５を４０ｍｍ／分で駆動したので、
揺れ止め棒１９を単結晶２０および多結晶素材２２に僅
かに押し気味に当接させるだけで横揺れを抑止すること
ができた。単結晶２０および多結晶素材２２に対する揺
れ止め棒１９の接触状況は、プルチャンバ１の正面扉に
設けられた覗き窓から確認することができる。単結晶２
０および多結晶素材２２の移動が終わったら、ハンドル
１８を操作して揺れ止め棒１９をもとの位置に戻す。

【００１６】次に、多結晶素材２２を下降させ、るつぼ
２８に残留する融液３０に浸漬させて溶解する。この
間、単結晶２０はプルチャンバ１内で冷却される。リチ
ャージ完了後、多結晶素材２２の残部をプルチャンバ１
に引き上げ、ゲートバルブ２４を閉鎖してプルチャンバ
１にＡｒガスを導入し、プルチャンバ１内を大気圧に戻
した後、正面扉を開いて単結晶２０と多結晶素材２２の
残部とを取り出す。その後、種子結晶保持器２７に新し
い種子結晶を取り付ける。リチャージを２回行う場合は
保持器２１に新しい多結晶素材を取り付ける。そして、
ワイヤ移動機構を駆動して上部移動部材１２、下部移動
部材１３を初期位置に戻した後、正面扉を閉じてプルチ
ャンバ１内を低圧Ａｒ雰囲気に置換し、ゲートバルブ２
４を開いて１本目と同様に単結晶の成長を行う。

【００１７】本実施例では、従来のリチャージ法を用い
た場合と比較して、リチャージ１回で５％、リチャージ
２回で７％のサイクルタイム短縮を達成することがで
き、生産性向上に大きく寄与することができた。また、
プルチャンバの大気開放回数が従来の装置の１／２にな
ることに伴い、融液表面から発生するアモルファスダス
トのゲートバルブ内面への付着量が減った。このため、
単結晶の成長時に前記アモルファスダストが剥離して融
液に落下し、単結晶化を阻害するという問題を軽減させ
ることができ、リチャージ後の単結晶成長において１０
０％単結晶化する割合は、従来の単結晶製造装置では引
き上げ本数比で８０％程度に対し、本発明による装置で
は９０％を超えた。

【００１８】本実施例ではワイヤ移動機構の移動部材駆
動手段として油圧シリンダを用いたが、これに限るもの
ではなく、たとえばモータとボールねじとを使用しても
よく、その場合スロースタートを行うようにするならば
単結晶の揺れ抑止機構は特に必要としない。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、気
密状態のプルチャンバ内に引き上げられた成長単結晶
と、前記プルチャンバ内にあらかじめ釣支しておいた棒
状の多結晶素材とを外部から移動操作可能とし、単結晶
引き上げ位置に前記多結晶素材を移動させてリチャージ
することができる単結晶製造装置としたので、前記単結
晶の冷却と多結晶素材の溶解とを同時に行うことができ
る。このため、従来の単結晶製造装置と比較して単結晶
の冷却時間とプルチャンバ内を低圧Ａｒガスで置換する
時間との合計分だけサイクルタイムを短縮することが可
能となる。また、従来の単結晶製造装置では１回のリチ
ャージに対して、単結晶を取り出す際と、多結晶素材の
残部を取り外して種子結晶に交換する際の計２回必要と
していたプルチャンバの大気開放を、本発明による装置
では１回とすることができる。更に、ゲートバルブ開閉
回数の半減により、前記ゲートバルブの内面に付着する
アモルファスダスト量が少なくなり、単結晶が多結晶化
する確率の増大や大気中のダストによる汚染機会の増大
を大幅に低減させることができるので、良品率が向上
し、併せて単結晶の生産性向上に大きく寄与する。これ
らの効果はリチャージの回数を多くする程顕著に現れ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】半導体単結晶製造装置の模式的断面図である。

【図２】下部移動部材に設けた揺れ止め棒の説明図であ
る。

【図３】引き上げ単結晶および多結晶素材をプルチャン
バ内で移動させた状態を示す説明図である。

【図４】溶解した多結晶素材の残部をプルチャンバ内に
引き上げ中の状態を示す説明図である。

【図５】従来の単結晶製造装置において、成長単結晶を
取り出し、多結晶素材を取り付ける状態を示す説明図で
ある。

【図６】図５の多結晶素材を溶解する状態を示す説明図
である。

【図７】図６で溶解した多結晶素材の残部を種子結晶に
交換する状態を示す説明図である。

【図８】従来の単結晶製造装置の概略構成を示す模式図
である。

【符号の説明】

１プルチャンバ３単結晶引き上げワイヤ巻き取りドラム７多結晶素材用ワイヤ巻き取りドラム８，１７ガイドローラ９単結晶引き上げワイヤ１０多結晶素材用ワイヤ１１固定部材１２上部移動部材１３下部移動部材２０単結晶２２多結晶素材２５メインチャンバ２８るつぼ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成長する単結晶を回転させつつ引き上げ
るケーブル方式の単結晶引き上げ機構を備えた単結晶製
造装置において、釣支した多結晶素材をチャンバ内で上
下動させるワイヤ巻き上げ機構と、前記単結晶を釣支す
る引き上げワイヤの下端部分および多結晶素材を釣支す
るワイヤの下端部分を、前記チャンバの気密状態を維持
したままチャンバ内で水平方向に移動させるワイヤ移動
機構とを設けたことを特徴とする半導体単結晶製造装
置。
【請求項２】ワイヤ移動機構は、多結晶素材を釣支す
るワイヤの下端部分の中心軸がるつぼ回転軸にほぼ一致
する位置まで前記ワイヤの下端部分と引き上げワイヤの
下端部分とを同時に移動させ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。
【請求項３】単結晶を釣支する引き上げワイヤを挟む
ように単結晶引き上げワイヤ巻き取りドラムの直下に設
けられ、前記引き上げワイヤを垂直に保持する一対のガ
イドローラと、多結晶素材を釣支するワイヤを挟むよう
に多結晶素材用ワイヤ巻き取りドラムの直下に設けら
れ、前記多結晶素材用ワイヤを垂直に保持する一対のガ
イドローラとを配設した固定部材と、前記単結晶引き上げワイヤおよび多結晶素材用ワイヤを
それぞれ挟むように設けられた各一対のガイドローラを
有し、プルチャンバ内を水平方向に滑動する移動部材
と、前記移動部材を駆動する手段とからなるワイヤ移動機構
を備えていることを特徴とする請求項２の半導体単結晶
製造装置。
【請求項４】単結晶引き上げ機構の回転中心軸と、多
結晶素材を釣支するワイヤの中心軸との距離が少なくと
も単結晶の直径より大きいことを特徴とする請求項１の
半導体単結晶製造装置。