200932965 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域] 本發明關於半導體材料所用的矽之單晶成長裝置及單 晶成長方法。 【先前技術】 以往至今’作爲半導體用的矽單晶成長方法，廣泛使 用査克洛斯基法（CZ法）。特別地，該CZ法在進行大口徑 結晶的成長時優異’被廣泛使用。然而，隨著量産的進展 ’希望更提高結晶收率，而且從省資源.節能的觀點來看 ，必須提高消耗很多電力的CZ法之結晶收率。 例如’於矽單晶拉拔裝置、矽單晶拉拔方法的專利文 獻1中’記載結晶良率或運轉率高的單晶拉拔裝置或矽單 晶拉拔方法。記載原料多晶供給裝置。 又’於矽單晶的製造方法之專利文獻2中，記載施加 磁場而抑制石英坩堝內表面的劣化，延長坩堝的壽命，防 止坦渦的劣化所造成的錯位（dislocation)之方法。 另外’於與單晶的成長方法及其實施所使用的裝置有 關的專利文獻3中，記載將固體層與熔融層的界面保持平 坦’使電阻率成爲均一，以高良率得到單晶的方法。 [專利文獻1] 特開2004-338978 [專利文獻2] 特開2000-247788 [專利文獻3] 特開平09-208374 於前述習知例中，例如於專利文獻1中，作爲結晶良 率或運轉率高的單晶拉拔裝置或矽單晶拉拔方法，雖然有 200932965 記載原料的原料多晶烘給裝置，但對於結晶會多晶化或異 物的落下所致的攣晶之問題等的對策係沒有書寫，於專利 文獻2中’雖然有記載在單晶拉拔中施加磁場，而抑制石 英坦摘內表面的劣化，延長坩堝的壽命，防止坩堝的劣化 所造成的錯位之方法，但是沒有記載防止爐內氣氛所造成 的錯位之方法等，沒有解決基本的錯位之問題。 又’專利文獻3中雖然有記載電阻率的成長方向分布 或良率提高方法，但對於太陽電池用結晶等電阻率幅度大 ® 的製品，並沒有對策。 如此’在提高結晶良率方面，重要的是首先要求對於 成長結晶的多晶化或錯位之對策。 【發明內容】 發明所欲解決的問顯 本發明之目的爲例如在單晶成長法之中，於用CZ法使 矽單晶成長的過程，改善成長結晶的多晶化比率。又，同 時地’目的爲解決以下問題：於爐的開放時，爐內零件吸 附水分’其影響爲碳零件的消耗變激烈，爐的經時變化之 影響，或碳混入到結晶中，熔融矽與碳反應，生成SiC， 其混入成長中的結晶而有錯位等的問題。 解決問顆的丰段 本發明爲了達成上述目的，提供可保持高真空的爐體 ’及防止水分吸附到爐內零件，使殘留吸附物化學地積極 反應、無害化、真空排氣，防止成長中的矽單晶之錯位， 以高良率得到高品質結晶的單晶成長裝置及單晶成長方法 200932965 申請專利範圍第1項中記載單晶成長方法及單晶成長 裝置，其特徵爲在常壓、減壓或真空環境下進行結晶成長 的結晶成長爐，在具有用於短時間提高真空度的真空排氣 裝置以及可維持爐內極限真空度的真空密封材之結晶成長 爐中，具備減低爐內零件或原料結晶的水分吸附之預備過 熱裝置，邊真空排氣邊使初期真空到達度成爲1(Τ4托以上 。即，爲了減低真空延遲，在凸緣的精度或真空密封材料 ❹ 或例如在轉軸的密封中，使用磁性流體密封等等亦有效， 謀求真空洩漏的減低後，達成水分吸附的減低》 申請專利範圍第2項中記載如申請專利範圍第1項之 單晶成長方法及單晶成長裝置，其中爲了在爐的開放時不 在室內壁發生結露或吸附，具備將爐的內壁保持在室溫以 上的機構。即，通常冷卻水大多變成比室溫低，會在構成 爐的室內壁產生結露。但是該室若爲室溫以上，則可減低 吸附。 © 申請專利範圍第3項中記載如申請專利範圍第2項之 單晶成長方法及單晶成長裝置，其中將溫水供應給爐室的 水冷夾套內部，以將爐的內壁保持在室溫以上。具體地， 藉由溫度控制系統，在爐的拆卸中或在準備步驟中爐的內 面暴露於大氣時，爲了在室的內壁不產生結露，供應溫水 申請專利範圍第4項中記載如申請專利範圍第1至3 項之單晶成長方法及單晶成長裝置，其中在關閉爐，進行 200932965 真空抽吸時，使水冷夾套內部的溫度進一步上升，進行真 空抽吸。 於與真空抽吸的同時，亦比大氣暴露中還高地將爐壁 升溫，進行吸附水分的去除。 申請專利範圍第5項中記載如申請專利範圍第1至4 項之單晶成長方法及單晶成長裝置，其中使經加熱的惰性 沖洗氣體流到爐內而去除吸附水分。 即，去除氣體通路的吸附水分。 申請專利範圍第6項中記載如申請專利範圍第1至5 項之單晶成長方法及單晶成長裝置，其中藉由預備加熱裝 置將爐內零件加熱以去除吸附水分。進行保溫筒的預備過 熱。 申請專利範圍第7項中記載如申請專利範圍第1至6 項之單晶成長方法及單晶成長裝置，其中惰性供給氣體的 加熱控制、水冷夾套內的溫水溫度控制、爐內補助加熱裝 置及主加熱源的加熱器係各自按照真空度水平來控制。亦 含有主加熱器，進行升溫、吸附水分的除去。 申請專利範圍第8項中記載單晶成長方法及單晶成長 裝置，其特徵爲在供應給單晶成長爐的惰性氣體供給時， 於惰性氣體中混合0.01至3%的甲矽烷氣體或矽烷氣體， 供應給爐內。於使用微量的甲矽烷氣體或矽烷氣體時，依 照下述的化學反應式1或式2，爐內零件或矽原料的吸附 水分轉化成其它物質，可有效地去除單晶成長爐內氣氛的 水分。 200932965
SiH4 + 2H20 = Si〇2 + 4H2 -1 S1CIH3 + 2H2〇 = Si02 + HC1+ 3H2 -2 依照本發明，由於確實進行真空水平的提高、短時間 內可達到高真空度、及吸附物質的水分等之去除，可確實 地防止單晶成長時的錯位或多晶化，故可謀求結晶良率的 提高。 發明的效果 依照本發明，由於在單晶拉拔的開始前，去除爐內所 殘留的空氣、水分或烴化合物，在達到矽的溶解步驟之前 ，可容易去除與矽容易反應的此等物質，故妨礙單晶成長 的矽之碳化物、氧化物等的異物之生成係變沒有，因此得 到能改善結晶成長的良率之效果。又，以往在爐內的碳零 件有水分時，發生烴化、形狀劣化。又，由於殘留氧而二 氧化碳化，有縮短碳零件壽命的不良狀況，但依照本發明 ，藉由去除殘留氣體或殘留水分，而得到能實現長壽命化 的效果。又，由於可減少成長中的結晶中碳混入的量，故 在其後的晶圓製程之熱處理時，可減低所產生的碳所致的 氧析出。 再者，依照本發明，更由於爐內零件不會劣化，可抑 制以往製程條件的經時變化，故得到能實現品質的安定化 之效果。 【實施方式】 實施發明的最佳形熊 以下，以實施例爲基礎來說明實施本發明的最佳形態 200932965 【實施例】 藉由第1圖至第4圖來說明本發明的實施例。 第1圖係本發明中的單晶成長裝置之模型圖。 圖中，真空室1係成爲水冷夾套構造，遮蔽爐內加熱 時的熱，藉由將水冷夾套內的冷卻水進行冷卻的冷卻水結 合配管2，進行處理、冷卻。作爲環境氣體，使用氬氣或 氦氣等的惰性氣體。前述惰性氣體係經由氣體流量計3供 ❹應給爐內。 以往，惰性氣體係大略常溫供給，但於本發明中，經 由升溫熱交換器4，經過氣體閥5控制所供給的氣體，而 供應給爐內。 主控制裝置係管理單晶拉拔步驟的全部區間，在拉拔 準備步驟的室內壁暴露於空氣中的狀況下，代替冷卻水， 經由溫水閥7，將升溫熱交換器9所溫熱的溫水供應給水 _ 冷夾套內。藉由溫度計6來監視該溫水的溫度，與室溫比 〇 較下，以成爲5 °c以上的溫度之方式，將溫水加熱。將爐 關閉’完全置換空氣或水分後，一旦進入將原料多晶溶解 的步驟，則打開冷水閥8，藉由泵21從冷卻水槽14抽取 冷卻水，使水通往室。又，一般地使用複數的爐之冷卻用 循環水的情況，於爐的運轉時，可再利用溫水化的來自爐 的冷卻排水之溫度高者。 爐的真空排氣係經由真空排氣閥10，藉由真空泵11來 真空排氣’但邊保持減壓狀態，邊進行結晶成長時，以真 200932965 空排氣閥ίο當作壓力調整閥使用，進行壓 必要的減壓狀態。閥12係用於控制來置換秦 換氣體供給之控制閥。例如，於以惰性氣體 ，以乾燥氮氣體進行氣體置換，可進行與爐 留氧之置換。進行爐之冷卻的冷卻水路徑， 槽1 4到冷水閥8，溫度計6所計測的冷卻水 室1，冷卻水結合配管2係從上部的室到主 到下部室，再回到冷卻水槽1 4。冷卻水槽1 升，則藉由急冷器等的熱交換器來冷卻，以 的溫度。 爐係在大氣開放的爐之清除或原料進給 冷水閥8，打開溫水閥7，從泵22經由升溫 使比室溫高的溫度之溫水流到室中，以便在 結露。 第2圖係本發明中的保溫筒之預備過熱 〇 圖中，保溫環15係使用於遮蔽來自加熱 爐內於高溫。於本發明中，藉由來自爐內零 源16的電力，加熱預備加熱器18，促進吸 。於保溫環15爲導電性碳纖維時，絕緣材】 絕緣材。 第3圖係本發明中的單晶成長裝置之氣 〇 作爲惰性氣體，使用氦氣或氬氣，但此 力調整，成爲 [體源13的置 進行置換之前 內的水分或殘 係經由冷卻水 係供應給真空 室，然後供應 4的水溫若上 保持一定範圍 步驟中，關閉 熱交換器9， 室內壁不發生 機能的模型圖 器的熱，保持 件預備加熱電 附水分的置換 I 7係不通電的 體供給路徑圖 處顯示氣氣使 -10- 200932965 用例。氬氣通常係邊將液態氬氣化邊使用，但供應給的真 空室1的氬氣係由氬氣閥19來供給。所供給的氬氣之露 點爲-8〇°c程度，不含有水分，爐內零件放置大氣中會吸附 某一程度的水分，因此所供給的氬氣係先通過升溫熱交換 器4而加熱，由氣體閥5供應給真空室1。照原樣的狀態 ，若與習知法比較，亦大幅改善吸附水分量的置換量，由 甲矽烷氣體閥20添加0.01%至3%左右的甲矽烷氣體（SiH4) ，藉由爐內零件預備加熱裝置18來加熱，若過熱到100 °C 以上，則可急劇地將水分排出。 第4圖係本發明中的單晶成長流程圖。 圖中，爐的自動控制單元係計測每一步驟的環境溫度 ，進行控制以使得真空室1中流到水冷夾套內部的冷卻水 溫度不在環境溫度以下。即，於冷卻水溫度比室溫低時， 在真空室1的內壁有發生結露的可能性。因此，爐壁的自 動控制單元係用冷卻水的升溫控制以使高於室溫（STEP-1 ) 〇 接著’將爐大氣開放，將所準備的原材料投入下一個 結晶成長。於結晶成長完成時，首先取出成長結晶。然後 ’通往爐內清除·原料進給作業。此處，結晶成長時所生 成的粉體或堆積物係從爐內去除。於此等作業之間、相當 多的時間及原材料的倂入作業時間之間，室內壁面係暴露 在大氣中，而發生水分吸附到室壁。 然後’進行爐的組裝，於進行真空抽吸的時間點，對 前述室壁的水分吸附係成爲快速達到指定真空度的弊病。 -11- 200932965 ' (STEP-2)。 因此，將爐大氣開放時，必須進行室爐壁面的升溫， 以謀求水分吸附的減低。 接著，將爐組裝’將爐密閉，開始真空粗抽吸。 (STEP-3) ° 再者，爲了快速去除前述室爐壁面的吸附水分，進一 步提高冷卻水溫。又，於使爐內成爲減壓狀態後，使置換 氣體流動，而且重複進行真空抽吸的動作，提高置換率。 β 再者，將高溫的置換氣體供應給爐內，以氣體置換爐 內零件表面的吸附水分，進行排氣，同時進行真空抽吸以 便快速達到目標設定真空度（STEP-4)。 在已進行置換氣體的階段，進入爐內零件預備加熱步 驟（STEP-5)。 例如’在爐內進行多孔質的爐內保溫材之保溫筒的預 備過熱。從l〇〇C起升溫到200°C，而且藉由惰性氣體的 供給或已升溫的惰性氣體之供給，進行水分或殘留氣體的 〇置換。 於殘留氣體的置換完成之時間點，停止惰性氣體的供 給，藉由真空抽吸’確認極限真空度。於極限真空度成爲 10E - 4托以下時’當作沒有真空洩漏者，轉移到結晶成長 製程（STEP-6)。 接著，停止爐內零件的預備加熱（STEP-7)。 預備加熱裝置之目的基本上爲藉由多孔質的爐內保溫 材之升溫來促進吸附物的蒸發，雖然在單晶成長程序中停 -12- 200932965 止，但視情況而定’亦可挪用於爐內的溫度分布改善。 接著，轉移到單晶成長程序（STEP-8)。 於單晶成長程序中’首先進行多晶原料的溶解、晶種 的成長’接著進行到目的之單晶成長步驟，若單晶成長程 序完成’則經過冷卻步驟，進行爐的拆卸 '結晶取出，成 爲由最初狀態起的重複作業。 於未順利地進行真空步驟時，進行真空密封保養作業 (STEP-9)。 於真空的保持狀態差的所謂真空爐有洩漏時，進行真 空密封材料的交換或凸緣的接合部分之夾緊等的保養作業 。於有極微量的洩漏時，由於惰性氣體中所添加的甲矽烷 氣體（SiHO與空氣或水分反應，排出爐外，故有效地提高 結晶的良率。 於本發明中，具有如此地改善單晶良率之優點。 於本發明的說明中，雖然對矽單晶作記載，但本發明 ❹ 中去除水分或氧等的吸附物之手法當然可適用於矽多晶或 其它無機單晶·多晶的製造時之品質改良、良率改善。又 ’除了結晶製造以外，於藉由真空蒸鍍法、化學氣相成長 法、分子線外延法等來形成無機材質或有機材質薄膜時， 亦使用真空室來進行製造，但於此情況下，亦可採用本發 明於去除裝置內部的吸附氣體或水分，有效地進行品質改 良或良率改善。 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示本發明中的單晶成長裝置之模型圖。 -13- 200932965 第2圖係顯示本發明中的保溫筒之預備過熱機能的模 型圖。 第3圖係顯示本發明中的單晶成長裝置之氣體供給路 徑圖。 第4圖係顯示本發明中的單晶成長流程圖。 【主要元件符號說明】
1 真空室 2 3 冷卻水結合配管 氣體流量計 4 升溫熱交換器 5 氣體閥 6 溫度計 7 溫水閥 8 冷水閥 9 升溫熱交換器 10 真空排氣閥 11 真空泵 12 閥 13 置換氣體源 14 冷卻水槽 15 保溫環 16 爐內零件預備加熱電源 17 絕緣材 18 預備加熱器 -14- 200932965 19 氬氣閥 20 甲矽烷氣體閥 2 1 泵 22 溫水泵