半導体単結晶の製造装置及び製造方法
【課題】原料融液を収容するルツボ周囲の保温効果を高め、かつルツボの外側に配置された加熱ヒータの発熱量を抑制しても、半導体単結晶の成長速度の高速化と品質の安定化を十分に図ることができる半導体単結晶の製造装置を提供する。
【解決手段】ルツボ１１ａ、１１ｂと、その周囲に配置された加熱ヒータ１２とを具備する半導体単結晶の製造装置であって、前記育成炉本体１９ａ内の前記加熱ヒータ１２の周囲に保温筒２１が配置されており、該保温筒２１は内側面に上部と下部とを分ける段差部２１ａを有し、前記下部２１ｂの内径が前記上部２１ｃの内径よりも大きいものであり、前記育成炉本体１９ａ内において前記加熱ヒータ１２の下方かつ前記保温筒２１の下部の内側に断熱板２２が配置されており、該断熱板２２の外径が、前記保温筒２１の上部の内径よりも大きく、かつ前記保温筒２１の下部の内径よりも小さいものである半導体単結晶の製造装置。
【解決手段】ルツボ１１ａ、１１ｂと、その周囲に配置された加熱ヒータ１２とを具備する半導体単結晶の製造装置であって、前記育成炉本体１９ａ内の前記加熱ヒータ１２の周囲に保温筒２１が配置されており、該保温筒２１は内側面に上部と下部とを分ける段差部２１ａを有し、前記下部２１ｂの内径が前記上部２１ｃの内径よりも大きいものであり、前記育成炉本体１９ａ内において前記加熱ヒータ１２の下方かつ前記保温筒２１の下部の内側に断熱板２２が配置されており、該断熱板２２の外径が、前記保温筒２１の上部の内径よりも大きく、かつ前記保温筒２１の下部の内径よりも小さいものである半導体単結晶の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と称することがある）により、シリコン単結晶あるいはＧａＡｓ（ガリウム砒素）等の化合物半導体単結晶を育成するための半導体単結晶の製造装置と、その装置を用いて半導体単結晶を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＺ法を用いた一般的な半導体単結晶の製造装置においては、育成炉本体（メインチャンバーとも呼ばれる）の内部に原料融液を収容するルツボを備え、該ルツボの周囲に加熱ヒータを配設し、ルツボ内の原料を融解し、この融解した原料融液の温度を一定に保ちながら、原料融液に種結晶を浸漬してルツボと種結晶を互いに反対方向に回転させつつ、種結晶を上方に引き上げることによって、種結晶の下方に半導体単結晶を育成する。この時、加熱ヒータによる原料融液の加熱を効率良く行い、かつ金属製の育成炉本体の炉壁を加熱ヒータの輻射熱から保護するため、育成炉本体の内部の炉壁付近には黒鉛材等を材料とした断熱材が配置される。この断熱材によって炉壁を保護すると同時に育成炉本体内部を保温し、余分な加熱ヒータの発熱を抑え無駄なく原料融液温度を一定に保持できるようになる。
【０００３】
また、近年、半導体単結晶の育成、特に集積回路などの製造に使用するシリコンウエーハの材料となるシリコン単結晶の育成においては、ウエーハ表層部に形成される半導体素子がますます微細化する傾向にあり、単結晶育成時に内部導入されるグローン−イン欠陥（ｇｒｏｗｎ−ｉｎ ｄｅｆｅｃｔ）を極低密度に抑制した結晶を育成する必要がある。そこで、原料融液の上方に冷却筒や断熱リング等の黒鉛部材を配置して、高精度に結晶の冷却速度をコントロールしながら結晶を引き上げる方法が、多く用いられるようになってきている。
【０００４】
しかし、結晶冷却速度を制御する方法では、加熱ヒータや原料融液から育成結晶へもたらされる輻射熱を極力抑えなければならないこと、さらに、結晶引上軸方向の温度勾配の形成精度が要求されるなど、育成条件に係る制約が多く、引上速度を高速化させて単結晶育成の生産性改善を図るには一定の限界があった。特に、直径が２００ｍｍや３００ｍｍを超える大型のシリコン単結晶等の育成では、大型のルツボに１００ｋｇを超える原料を充填し溶融した後に、１４００℃以上もの高温に育成炉本体内部の雰囲気を保って結晶育成を行う必要がある。その結果、加熱ヒータの発熱量も大きなものとなり、原料融液から引き上げられる単結晶の冷却時においても、この加熱ヒータからの輻射熱が妨げとなって結晶冷却が阻害され、引上速度の劇的な高速化は困難と考えられている。
【０００５】
また、上述のような大直径でかつ結晶定径部の長い単結晶を引き上げるために、育成炉本体を大型化して原料配置スペースの拡張を図った半導体単結晶の製造装置を使用することも試みられている。この場合は、育成炉本体の大型化に伴い、その内部空間を効率良く保温することは困難になるので、原料多結晶を溶融する際や、単結晶育成時に原料融液を高温保持するために、加熱ヒータの発熱量を上げざるを得なくなる。
【０００６】
そこで断熱板を用い、育成炉下部への熱流出を軽減する方法が考えられている。
例えば、特許文献１には、ルツボの下方に配置する断熱板の積層枚数を変化させることにより単結晶中に取り込まれる酸素濃度を制御する単結晶引き上げ方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、ヒータからの輻射熱を受けてルツボの下方まで熱伝導により熱を伝え、ルツボに向かって輻射熱を放出する熱伝導輻射部材が配置されている結晶引き上げ装置が開示されている。
【０００８】
また、特許文献３には、ルツボの下方に断熱板昇降機構により昇降駆動が可能である断熱板が配置された半導体単結晶の製造装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２３５１８１号公報
【特許文献２】特開２０００−５３４８６号公報
【特許文献３】特開２００２−３２６８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような断熱板を備えた半導体単結晶の製造装置において、断熱板と加熱ヒータを個別に昇降機構により昇降させる場合、及び、断熱板と加熱ヒータを一体の昇降機構により昇降させる場合のいずれの場合でも、保温筒と加熱ヒータとの間、保温筒と断熱板との間、及び加熱ヒータと断熱板との間は機械的動作をするために間隔が必要である。このような間隔を有する部分から、加熱ヒータ下部の輻射熱エネルギーがチャンバー底部に容易に漏れ出し、熱効率の低下を招くという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、原料融液を収容するルツボ周囲の保温効果を高め、かつルツボの外側に配置された加熱ヒータの発熱量（すなわち消費電力）を抑制しても、半導体単結晶の成長速度の高速化と半導体単結晶の品質の安定化を十分に図ることができる半導体単結晶の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、育成炉本体の内部に、少なくとも、ルツボと、該ルツボの周囲に配置された加熱ヒータとを具備し、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成する半導体単結晶の製造装置であって、前記育成炉本体内の前記加熱ヒータの周囲に保温筒が配置されており、該保温筒は内側面に上部と下部とを分ける段差部を有し、前記下部の内径が前記上部の内径よりも大きいものであり、前記育成炉本体内において前記加熱ヒータの下方かつ前記保温筒の下部の内側に断熱板が配置されており、該断熱板の外径が、前記保温筒の上部の内径よりも大きく、かつ前記保温筒の下部の内径よりも小さいものであることを特徴とする半導体単結晶の製造装置を提供する。
【００１３】
このように構成された半導体単結晶の製造装置であれば、ＣＺ法により半導体単結晶を引上育成・製造するに当たり、育成炉本体内にてルツボの周囲に配置された加熱ヒータの下方に上記規定形状の断熱板を配置したので、ルツボ周囲の保温効果が高まり、加熱ヒータの出力をある程度抑制しても十分な熱量を原料融液に集中できるようになる。これによって、加熱ヒータからの過剰な輻射熱が抑制され、育成する半導体単結晶の冷却効率が高まり、加熱ヒータによる消費電力が減少すると同時に、引上速度のさらなる高速化及び半導体単結晶の品質の安定化を図ることができる。
【００１４】
この場合、前記保温筒は、前記下部の肉厚が前記上部の肉厚の３０〜７０％であることが好ましい。
このように保温筒下部の肉厚を保温筒上部の肉厚の３０〜７０％とすれば、より効果的に、加熱ヒータ底部からの輻射を遮り、育成炉本体底部への熱エネルギーの流出を防ぐことができる。
【００１５】
また、前記断熱板は、前記ルツボとともに断熱板昇降機構により上昇駆動されるものであることが好ましい。
このように断熱板をルツボとともに断熱板昇降機構により上昇駆動されるものとすれば、ルツボの位置によらずルツボ周囲を効率良く保温する状態を常に維持することができる。その結果、単結晶育成工程の全体にわたって、ルツボ周囲の温度分布を適切に維持することが可能となる。
【００１６】
この場合、前記加熱ヒータはヒータ昇降機構により昇降駆動が可能であり、前記ヒータ昇降機構が前記断熱板昇降機構に兼用されているものとすることができる。これにより、装置構成の簡略化を図ることができる。
さらにこの場合、前記加熱ヒータと前記断熱板とが共通ベースを介して一体化され、前記ヒータ昇降機構を兼ねる前記断熱板昇降機構は前記共通ベースを昇降駆動するものであるものとすることもできる。これにより、一層簡略な構成を実現できる。
【００１７】
また、本発明は、上記のいずれかの半導体単結晶の製造装置を用いて、前記育成炉本体内において、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成することにより半導体単結晶を製造することを特徴とする半導体単結晶の製造方法を提供する。
【００１８】
上記のいずれかの半導体単結晶の製造装置を用いた半導体単結晶の製造方法であれば、半導体単結晶の製造において、ルツボ周囲の保温効果が高まり、加熱ヒータの出力をある程度抑制しても十分な熱量を原料融液に集中できるようになる。これによって、加熱ヒータからの過剰な輻射熱が抑制され、育成する半導体単結晶の冷却効率が高まり、加熱ヒータの消費電力が減少すると同時に、引上速度のさらなる高速化及び半導体単結晶の品質の安定化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る半導体単結晶の製造装置であれば、ＣＺ法により半導体単結晶を引上育成・製造する際のルツボ周囲の保温効果が高まり、加熱ヒータの出力をある程度抑制しても十分な熱量を原料融液に集中できるようになる。これによって、加熱ヒータからの過剰な輻射熱が抑制され、育成する半導体単結晶の冷却効率が高まり、加熱ヒータによる消費電力が減少すると同時に、引上速度のさらなる高速化及び半導体単結晶の品質の安定化を図ることができる。また、加熱ヒータの出力をある程度抑制することができるので、加熱ヒータ及びルツボの劣化を抑制することもでき、各部材のライフの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る半導体単結晶の製造装置の実施形態の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る半導体単結晶の製造装置の実施形態の他の一例を示す概略断面図である。
【図３】比較例１で用いた半導体単結晶の製造装置を模式的に示す断面図である。
【図４】比較例２で用いた半導体単結晶の製造装置を模式的に示す断面図である。
【図５】実施例及び比較例の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は種々の半導体単結晶の引き上げについて適用することができる。以下では、主にシリコン単結晶を製造する場合を例に挙げて説明する。
【００２２】
図１は、ＣＺ法により半導体単結晶を育成するための、本発明に係る半導体単結晶の製造装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１に示される半導体単結晶の製造装置は、半導体単結晶の原料である原料融液１３を収容する育成炉本体（メインチャンバーとも言う）１９ａと、育成炉本体１９ａに連接して原料融液１３から引き上げられた半導体単結晶を保持し取り出すための上部育成炉（プルチャンバーとも言う）１９ｂより構成される。
【００２３】
育成炉本体１９ａの内部中心付近には、原料融液１３を収容したルツボ（内側のルツボ）１１ａが配置され、ルツボ（外側のルツボ）１１ｂの周りに備えられた加熱ヒータ１２を発熱させることで原料を融解し、高温の融液として保持している。育成する半導体単結晶１７がシリコン単結晶である場合は、原料融液１３を直接保持するルツボは石英製ルツボ１１ａであり、この石英製ルツボ１１ａは高温で軟化し、また脆く壊れやすいため石英製ルツボ１１ａの外側は黒鉛製ルツボ１１ｂで覆われている。そして、ＣＺ法による単結晶の育成では、該石英製ルツボ１１ａと半導体単結晶１７を互いに反対方向に回転させながら結晶を成長させることから、この黒鉛製ルツボ１１ｂの下部にはルツボ支持軸１６が取り付けられ、育成炉本体１９ａの外側下部に取り付けられたルツボ回転昇降機構２０によって、上下動かつ回転動自在とされている。また、単結晶育成時には、結晶品質を所望のものとするため、原料融液１３の融液面を一定に保って操業を行った方が好ましいものであることから、このルツボ回転昇降機構２０によって原料融液１３の融液面を所望の位置に保持できる機構とされている。
【００２４】
また、上部育成炉１９ｂの天井部には、単結晶１７を引き上げるためのワイヤ等の引上軸１５を巻き出し、巻き取る不図示の引上軸巻き取り機構があり、引上軸巻き取り機構から巻き出された引上軸１５の先端には、種結晶１４を保持するための種結晶ホルダー１５ａが備えられている。単結晶１７を育成する際には、引上軸巻き取り機構から引上軸１５を巻き出し、種結晶１４の先端部を原料融液１３の融液面に着液して静かに巻き上げることにより、種結晶１４の下方に単結晶１７を育成するものである。さらに、上部育成炉１９ｂには、炉内に不活性ガスを導入するための不図示のガス供給管やガス供給管に取り付けられているガス流量制御装置によって、炉内に導入する不活性ガス量を調整され、育成炉本体１９ａ底部に設けられた不図示のガス排気管より炉内に導入された不活性ガスが排気される機構とされている。
【００２５】
一方、加熱ヒータ１２と育成炉本体１９ａの炉壁の間には、加熱ヒータ１２による高温の輻射熱から炉壁を保護し、育成炉本体１９ａの内部を効率良く保温するために加熱ヒータ１２の周囲に保温筒２１が設けられ、また育成炉本体１９ａの底部にも、高温の輻射熱からの炉壁保護と、育成炉本体１９ａ内部の保温のため、さらには、万が一原料融液１３がルツボ１１ａから流出した際に、育成炉本体１９ａの外に流出しないよう原料融液１３を保持する目的として底部断熱材２３が備えられている。さらに、上記底部断熱材２３と加熱ヒータ１２との間において、断熱板２２を設けている。これにより、ルツボ１１ａや加熱ヒータ１２から育成炉本体１９ａ下部や底部断熱材２３に輻射される熱を遮蔽するようにしている。断熱板２２は断熱板昇降機構４１によって、上下動することができる。また、単結晶育成時には、結晶品質を所望のものとするため、断熱板昇降機構４１によって、断熱板昇降ベース４２を介して断熱板２２を所望の位置に保持できる機構となっている。
【００２６】
そして、本発明に係る半導体単結晶の製造装置では、保温筒２１の内側面に上部と下部とを分ける段差部２１ａを有し、下部２１ｂの内径が上部２１ｃの内径よりも大きいものとする。また、保温筒２１は、特に、その本体部の厚みを８０ｍｍ以上とすることが好ましい。また、保温筒２１の下部の肉厚が保温筒２１の上部の肉厚の３０〜７０％となるように保温筒２１に段差を形成することが好ましい。段差を形成する位置は原料溶融時から結晶育成時を通しての断熱板２２の位置の最上位置以上となる高さとする。
なお、保温筒２１は炭素繊維製の本体部を有することが望ましい。
【００２７】
また、断熱板２２の外径が、保温筒２１の上部２１ｃの内径よりも大きく、かつ保温筒２１の下部２１ｂの内径よりも小さいものとする。また、特に、断熱板の厚さを５０ｍｍ以上とすることが好ましい。なお、断熱板２２は炭素繊維製の本体部を有することが望ましい。
【００２８】
そして、半導体単結晶１７の引き上げにおいて、図１に示したように断熱板２２の位置を保温筒２１の段差部に嵌め合う状態、すなわち、断熱板２２を、加熱ヒータ１２の下方かつ保温筒２１の下部（段差部２１ａより下）２１ｂの内側に配置した状態することで、結晶育成中の加熱ヒータ１２の下部からの輻射熱が直接的に底部断熱材２３へ到達することを防ぎ、ヒータ電力を効率良く原料融液１３に伝えることができる。
【００２９】
このように、保温筒２１の段差部と断熱板２２を嵌め合い配置とすることで、断熱板２２は加熱ヒータ１２の口径より大きくなり、加熱ヒータ１２の下部からの輻射熱が直接チャンバー下部に到達することなく、保温筒２１と断熱板２２で直接受け、効率良くルツボ下方に反射することができる。
【００３０】
また、本発明においては、半導体単結晶の引上時において加熱ヒータ１２を、ルツボ１１ａ、１１ｂ及び断熱板２２とともにヒータ昇降機構３１により、ヒータ昇降ベース３２を介して上昇駆動できるようにすることが好ましい。結晶成長による原料融液１３の減少に伴いルツボ１１ａ、１１ｂは上昇し、さらに原料融液１３を収容したルツボ全体の熱容量も変化するが、加熱ヒータ１２をルツボ１１ａ、１１ｂに追随上昇させることにより、加熱ヒータ１２の発熱中心をルツボ１１ａ、１１ｂの移動ひいては原料融液１３の減少に合わせて移動できるので、より適切な原料融液１３の加熱が行えるようになる。
【００３１】
また、断熱板２２と加熱ヒータ１２の移動を組み合わせることにより、より精度よく炉内の温度雰囲気を調整することが可能となり、効率的な原料融液１３の加熱を達成できる。
【００３２】
図２は、本発明に係る半導体単結晶の製造装置の実施形態の他の一例として、加熱ヒータ１２と断熱板２２とを共通ベースを介して一体化した態様を示す概略断面図である。
この実施形態では、断熱板２２と加熱ヒータ１２とを、一体化した昇降機構５１により共通ベース（共通の昇降ベース）５２を介して駆動するようにしている。断熱板２２は酸化アルミニウムや石英ガラス等の絶縁体からなる断熱板支持絶縁体５３により支持されており、これにより、加熱ヒータ１２への供給電流が断熱板２２側へ流れないようにされている。その他の構成は図１に示した半導体単結晶の製造装置の実施形態と同様である。
【００３３】
他方、図１に示したように、加熱ヒータ１２を、断熱板昇降機構４１とは別に設けられたヒータ昇降機構３１により、断熱板２２とは独立に加熱ヒータ１２を昇降駆動する構成とした場合には、原料融液減少に伴うルツボ全体の熱容量変化などにもきめ細かく対応することができ、より精度高く雰囲気温度を制御して高品質の半導体単結晶を引き上げることが可能となる。
【００３４】
上記本発明の半導体単結晶の製造装置においては、半導体単結晶の種々の引上パターンを記憶する記憶装置と、該記憶装置に記憶された引上パターンデータに基づき、半導体単結晶の引上に追従してルツボが上昇するように、ルツボ回転昇降機構２０の動作制御を行うルツボ上昇制御部と、ルツボの上昇に追従して断熱板２２が上昇するように断熱板昇降機構４１の動作制御を行う断熱板上昇制御部とを設けておくことができる。さらに、加熱ヒータ１２を組み合わせて移動するようにヒータ昇降機構の動作制御を行うヒータ上昇制御部を設けておくことができる。同じ装置を用いる場合であっても、例えば要求される半導体単結晶の寸法や品質レベルにより、半導体単結晶の引上パターンは異なるものが採用される。そこで、半導体単結晶の種々の引上パターンを記憶装置に記憶しておき、必要な引上パターンを随時読み出して装置駆動に適用するとともに、ルツボあるいは断熱板２２さらには加熱ヒータ１２の上昇駆動を、その読み出された引上パターンデータに基づいて制御するようにすれば、製造する単結晶の品番変更がなされた場合でも容易に対応でき、ひいては種々の品種の単結晶を同じ装置を用いて簡便に製造できる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。
本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。
【００３６】
（実施例１、実施例２）
（１）単結晶の育成条件
図２に示す本発明の半導体単結晶の製造装置を用いて、以下の条件にて直径２００ｍｍのシリコン単結晶の育成を行った。
ａ）原料：多結晶シリコン２００ｋｇを口径６５０ｍｍの石英製ルツボ１１ａに充填した。
ｂ）育成結晶：直径２００ｍｍとした。種結晶１４は、結晶軸方向の方位が＜１００＞のものを使用した。
ｃ）断熱板２２の厚みが８０ｍｍのものを使用した。断熱板２２の外径は表１に記載の実施例１及び実施例２の条件とした。
ｄ）加熱ヒータ１２：スリット重なり区間の長さが２００ｍｍのものを使用した。
ｅ）保温筒２１の上部肉厚は９０ｍｍのものを使用した。保温筒上部の内径と保温筒下部の内径は、それぞれ、表１に記載の実施例１及び実施例２の条件とした。
ｆ）４０００Ｇの水平磁場を印加して単結晶を育成した。
これらの条件により断熱板２２及び加熱ヒータ１２を、ルツボ１１ａの移動に合わせ移動させながら、繰り返し単結晶製造を行った。
【００３７】
【表１】
【００３８】
以上のシリコン単結晶の製造においては、シリコン単結晶の定径部を育成する際に消費した電力（結晶定径部を形成する際の電力の平均値）は、従来の断熱板を使用した場合（後述する比較例１）に比べ、実施例１及び実施例２ともに１０％程度少ない消費電力で単結晶を育成することができた。また、石英製ルツボ１１ａが長時間にわたり高温加熱されることにより生じるルツボの変形もほとんど観察されず、ルツボへの加熱による負荷が軽減されていることを確認した。
【００３９】
（比較例１）
図３に示した半導体単結晶の製造装置を用いて、表１中に併記した条件以外は実施例１、２と略同じ条件で、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。図３に示した半導体単結晶の製造装置は、図２に示す製造装置から、断熱板と保温筒を嵌め合い配置とならないもの（断熱板７２及び保温筒７１）に交換したものである。保温筒７１に段差はなく、その内径及び断熱板７２の外径は、上記表１中に記載の比較例１の条件とした。
【００４０】
その結果、結晶定径部の形成時消費電力は実施例１よりも１０％程度も高くなっていた。さらに、結晶引き上げ終了後に石英製ルツボ１１ａの状態を観察したところ、加熱ヒータ１２からの輻射熱が増加したことで、ルツボ１１ａの上方部の一部に加熱により変形したと思われる歪みが認められた。これは、断熱板７２と保温筒７１の隙間から、チャンバー底部（育成炉本体１９ａの底部）への熱エネルギーの流出量が増えたことにより加熱ヒータ１２の発熱量が増え、原料融液１３の直上の雰囲気温度が高温になるためであると考えられる。
【００４１】
（比較例２）
図４に示した半導体単結晶の製造装置を用いて、表１中に併記した条件以外は実施例１、２と略同じ条件で、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。図４に示した半導体単結晶の製造装置は、図２に示す製造装置から、保温筒８１に段差を有するが、断熱板８２の外形が保温筒８１の上部の内径より小さく、保温筒８１と断熱板８２で重なりができないものに交換したものである。保温筒８１の内径及び断熱板８２の外径は、上記表１中に記載の比較例２の条件とした。
【００４２】
その結果、結晶定径部の形成時消費電力は実施例１よりも約９％も高くなり、比較例１に近い結果であった。さらに、結晶引上げ終了後に石英製ルツボ１１ａの状態も比較例１と同様にルツボ１１ａの上方部の一部に加熱により変形したと思われる歪みが認められた。これは、断熱板２２を大きくしても断熱板２２の外径が保温筒上部の内径より小さく、隙間が形成される場合ではチャンバー底部（育成炉本体１９ａの底部）への熱エネルギーの流出を防止することができなかったためと考えられる。
【００４３】
これらの実施例、比較例の測定結果を、比較例１の値を１００％とした場合の値を並記することにより比較し、図５に示した。この図より、断熱板の外径と保温筒上部の内径で重なり合う部分を設けることが、加熱ヒータ底部からの輻射を遮りチャンバー底部へ熱エネルギーの流出を防止することに効果があると考えられる。また、保温筒の肉厚については、断熱板の外径、保温筒の内径、嵌め合い代（保温筒上部の内径と保温筒下部の内径との差）、保温筒段差部肉厚を加味し、保温筒上部の肉厚を８０ｍｍ以上とし、保温筒下部の肉厚を保温筒上部の肉厚の３０〜７０％となるように保温筒に段差を形成することが望ましい。
【００４４】
なお、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。
【符号の説明】
【００４５】
１１ａ…（石英製）ルツボ、 １１ｂ…（黒鉛製）ルツボ、 １２…加熱ヒータ、
１３…原料融液、 １４…種結晶、 １５…引上軸、 １５ａ…種結晶ホルダー、
１６…ルツボ支持軸、 １７…半導体単結晶、
１９ａ…育成炉本体、 １９ｂ…上部育成炉、 ２０…ルツボ回転昇降機構、
２１、７１、８１…保温筒、
２１ａ…段差部、 ２１ｂ…保温筒下部、 ２１ｃ…保温筒上部、
２２、７２、８２…断熱板、 ２３…底部断熱材、
３１…ヒータ昇降機構、 ３２…ヒータ昇降ベース、
４１…断熱板昇降機構、 ４２…断熱板昇降ベース、
５１…一体昇降機構、 ５２…共通ベース、５３…断熱板支持絶縁体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と称することがある）により、シリコン単結晶あるいはＧａＡｓ（ガリウム砒素）等の化合物半導体単結晶を育成するための半導体単結晶の製造装置と、その装置を用いて半導体単結晶を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＺ法を用いた一般的な半導体単結晶の製造装置においては、育成炉本体（メインチャンバーとも呼ばれる）の内部に原料融液を収容するルツボを備え、該ルツボの周囲に加熱ヒータを配設し、ルツボ内の原料を融解し、この融解した原料融液の温度を一定に保ちながら、原料融液に種結晶を浸漬してルツボと種結晶を互いに反対方向に回転させつつ、種結晶を上方に引き上げることによって、種結晶の下方に半導体単結晶を育成する。この時、加熱ヒータによる原料融液の加熱を効率良く行い、かつ金属製の育成炉本体の炉壁を加熱ヒータの輻射熱から保護するため、育成炉本体の内部の炉壁付近には黒鉛材等を材料とした断熱材が配置される。この断熱材によって炉壁を保護すると同時に育成炉本体内部を保温し、余分な加熱ヒータの発熱を抑え無駄なく原料融液温度を一定に保持できるようになる。
【０００３】
また、近年、半導体単結晶の育成、特に集積回路などの製造に使用するシリコンウエーハの材料となるシリコン単結晶の育成においては、ウエーハ表層部に形成される半導体素子がますます微細化する傾向にあり、単結晶育成時に内部導入されるグローン−イン欠陥（ｇｒｏｗｎ−ｉｎ ｄｅｆｅｃｔ）を極低密度に抑制した結晶を育成する必要がある。そこで、原料融液の上方に冷却筒や断熱リング等の黒鉛部材を配置して、高精度に結晶の冷却速度をコントロールしながら結晶を引き上げる方法が、多く用いられるようになってきている。
【０００４】
しかし、結晶冷却速度を制御する方法では、加熱ヒータや原料融液から育成結晶へもたらされる輻射熱を極力抑えなければならないこと、さらに、結晶引上軸方向の温度勾配の形成精度が要求されるなど、育成条件に係る制約が多く、引上速度を高速化させて単結晶育成の生産性改善を図るには一定の限界があった。特に、直径が２００ｍｍや３００ｍｍを超える大型のシリコン単結晶等の育成では、大型のルツボに１００ｋｇを超える原料を充填し溶融した後に、１４００℃以上もの高温に育成炉本体内部の雰囲気を保って結晶育成を行う必要がある。その結果、加熱ヒータの発熱量も大きなものとなり、原料融液から引き上げられる単結晶の冷却時においても、この加熱ヒータからの輻射熱が妨げとなって結晶冷却が阻害され、引上速度の劇的な高速化は困難と考えられている。
【０００５】
また、上述のような大直径でかつ結晶定径部の長い単結晶を引き上げるために、育成炉本体を大型化して原料配置スペースの拡張を図った半導体単結晶の製造装置を使用することも試みられている。この場合は、育成炉本体の大型化に伴い、その内部空間を効率良く保温することは困難になるので、原料多結晶を溶融する際や、単結晶育成時に原料融液を高温保持するために、加熱ヒータの発熱量を上げざるを得なくなる。
【０００６】
そこで断熱板を用い、育成炉下部への熱流出を軽減する方法が考えられている。
例えば、特許文献１には、ルツボの下方に配置する断熱板の積層枚数を変化させることにより単結晶中に取り込まれる酸素濃度を制御する単結晶引き上げ方法が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２には、ヒータからの輻射熱を受けてルツボの下方まで熱伝導により熱を伝え、ルツボに向かって輻射熱を放出する熱伝導輻射部材が配置されている結晶引き上げ装置が開示されている。
【０００８】
また、特許文献３には、ルツボの下方に断熱板昇降機構により昇降駆動が可能である断熱板が配置された半導体単結晶の製造装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−２３５１８１号公報
【特許文献２】特開２０００−５３４８６号公報
【特許文献３】特開２００２−３２６８８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のような断熱板を備えた半導体単結晶の製造装置において、断熱板と加熱ヒータを個別に昇降機構により昇降させる場合、及び、断熱板と加熱ヒータを一体の昇降機構により昇降させる場合のいずれの場合でも、保温筒と加熱ヒータとの間、保温筒と断熱板との間、及び加熱ヒータと断熱板との間は機械的動作をするために間隔が必要である。このような間隔を有する部分から、加熱ヒータ下部の輻射熱エネルギーがチャンバー底部に容易に漏れ出し、熱効率の低下を招くという問題があった。
【００１１】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、原料融液を収容するルツボ周囲の保温効果を高め、かつルツボの外側に配置された加熱ヒータの発熱量（すなわち消費電力）を抑制しても、半導体単結晶の成長速度の高速化と半導体単結晶の品質の安定化を十分に図ることができる半導体単結晶の製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、育成炉本体の内部に、少なくとも、ルツボと、該ルツボの周囲に配置された加熱ヒータとを具備し、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成する半導体単結晶の製造装置であって、前記育成炉本体内の前記加熱ヒータの周囲に保温筒が配置されており、該保温筒は内側面に上部と下部とを分ける段差部を有し、前記下部の内径が前記上部の内径よりも大きいものであり、前記育成炉本体内において前記加熱ヒータの下方かつ前記保温筒の下部の内側に断熱板が配置されており、該断熱板の外径が、前記保温筒の上部の内径よりも大きく、かつ前記保温筒の下部の内径よりも小さいものであることを特徴とする半導体単結晶の製造装置を提供する。
【００１３】
このように構成された半導体単結晶の製造装置であれば、ＣＺ法により半導体単結晶を引上育成・製造するに当たり、育成炉本体内にてルツボの周囲に配置された加熱ヒータの下方に上記規定形状の断熱板を配置したので、ルツボ周囲の保温効果が高まり、加熱ヒータの出力をある程度抑制しても十分な熱量を原料融液に集中できるようになる。これによって、加熱ヒータからの過剰な輻射熱が抑制され、育成する半導体単結晶の冷却効率が高まり、加熱ヒータによる消費電力が減少すると同時に、引上速度のさらなる高速化及び半導体単結晶の品質の安定化を図ることができる。
【００１４】
この場合、前記保温筒は、前記下部の肉厚が前記上部の肉厚の３０〜７０％であることが好ましい。
このように保温筒下部の肉厚を保温筒上部の肉厚の３０〜７０％とすれば、より効果的に、加熱ヒータ底部からの輻射を遮り、育成炉本体底部への熱エネルギーの流出を防ぐことができる。
【００１５】
また、前記断熱板は、前記ルツボとともに断熱板昇降機構により上昇駆動されるものであることが好ましい。
このように断熱板をルツボとともに断熱板昇降機構により上昇駆動されるものとすれば、ルツボの位置によらずルツボ周囲を効率良く保温する状態を常に維持することができる。その結果、単結晶育成工程の全体にわたって、ルツボ周囲の温度分布を適切に維持することが可能となる。
【００１６】
この場合、前記加熱ヒータはヒータ昇降機構により昇降駆動が可能であり、前記ヒータ昇降機構が前記断熱板昇降機構に兼用されているものとすることができる。これにより、装置構成の簡略化を図ることができる。
さらにこの場合、前記加熱ヒータと前記断熱板とが共通ベースを介して一体化され、前記ヒータ昇降機構を兼ねる前記断熱板昇降機構は前記共通ベースを昇降駆動するものであるものとすることもできる。これにより、一層簡略な構成を実現できる。
【００１７】
また、本発明は、上記のいずれかの半導体単結晶の製造装置を用いて、前記育成炉本体内において、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成することにより半導体単結晶を製造することを特徴とする半導体単結晶の製造方法を提供する。
【００１８】
上記のいずれかの半導体単結晶の製造装置を用いた半導体単結晶の製造方法であれば、半導体単結晶の製造において、ルツボ周囲の保温効果が高まり、加熱ヒータの出力をある程度抑制しても十分な熱量を原料融液に集中できるようになる。これによって、加熱ヒータからの過剰な輻射熱が抑制され、育成する半導体単結晶の冷却効率が高まり、加熱ヒータの消費電力が減少すると同時に、引上速度のさらなる高速化及び半導体単結晶の品質の安定化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る半導体単結晶の製造装置であれば、ＣＺ法により半導体単結晶を引上育成・製造する際のルツボ周囲の保温効果が高まり、加熱ヒータの出力をある程度抑制しても十分な熱量を原料融液に集中できるようになる。これによって、加熱ヒータからの過剰な輻射熱が抑制され、育成する半導体単結晶の冷却効率が高まり、加熱ヒータによる消費電力が減少すると同時に、引上速度のさらなる高速化及び半導体単結晶の品質の安定化を図ることができる。また、加熱ヒータの出力をある程度抑制することができるので、加熱ヒータ及びルツボの劣化を抑制することもでき、各部材のライフの向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る半導体単結晶の製造装置の実施形態の一例を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る半導体単結晶の製造装置の実施形態の他の一例を示す概略断面図である。
【図３】比較例１で用いた半導体単結晶の製造装置を模式的に示す断面図である。
【図４】比較例２で用いた半導体単結晶の製造装置を模式的に示す断面図である。
【図５】実施例及び比較例の測定結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本発明は種々の半導体単結晶の引き上げについて適用することができる。以下では、主にシリコン単結晶を製造する場合を例に挙げて説明する。
【００２２】
図１は、ＣＺ法により半導体単結晶を育成するための、本発明に係る半導体単結晶の製造装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１に示される半導体単結晶の製造装置は、半導体単結晶の原料である原料融液１３を収容する育成炉本体（メインチャンバーとも言う）１９ａと、育成炉本体１９ａに連接して原料融液１３から引き上げられた半導体単結晶を保持し取り出すための上部育成炉（プルチャンバーとも言う）１９ｂより構成される。
【００２３】
育成炉本体１９ａの内部中心付近には、原料融液１３を収容したルツボ（内側のルツボ）１１ａが配置され、ルツボ（外側のルツボ）１１ｂの周りに備えられた加熱ヒータ１２を発熱させることで原料を融解し、高温の融液として保持している。育成する半導体単結晶１７がシリコン単結晶である場合は、原料融液１３を直接保持するルツボは石英製ルツボ１１ａであり、この石英製ルツボ１１ａは高温で軟化し、また脆く壊れやすいため石英製ルツボ１１ａの外側は黒鉛製ルツボ１１ｂで覆われている。そして、ＣＺ法による単結晶の育成では、該石英製ルツボ１１ａと半導体単結晶１７を互いに反対方向に回転させながら結晶を成長させることから、この黒鉛製ルツボ１１ｂの下部にはルツボ支持軸１６が取り付けられ、育成炉本体１９ａの外側下部に取り付けられたルツボ回転昇降機構２０によって、上下動かつ回転動自在とされている。また、単結晶育成時には、結晶品質を所望のものとするため、原料融液１３の融液面を一定に保って操業を行った方が好ましいものであることから、このルツボ回転昇降機構２０によって原料融液１３の融液面を所望の位置に保持できる機構とされている。
【００２４】
また、上部育成炉１９ｂの天井部には、単結晶１７を引き上げるためのワイヤ等の引上軸１５を巻き出し、巻き取る不図示の引上軸巻き取り機構があり、引上軸巻き取り機構から巻き出された引上軸１５の先端には、種結晶１４を保持するための種結晶ホルダー１５ａが備えられている。単結晶１７を育成する際には、引上軸巻き取り機構から引上軸１５を巻き出し、種結晶１４の先端部を原料融液１３の融液面に着液して静かに巻き上げることにより、種結晶１４の下方に単結晶１７を育成するものである。さらに、上部育成炉１９ｂには、炉内に不活性ガスを導入するための不図示のガス供給管やガス供給管に取り付けられているガス流量制御装置によって、炉内に導入する不活性ガス量を調整され、育成炉本体１９ａ底部に設けられた不図示のガス排気管より炉内に導入された不活性ガスが排気される機構とされている。
【００２５】
一方、加熱ヒータ１２と育成炉本体１９ａの炉壁の間には、加熱ヒータ１２による高温の輻射熱から炉壁を保護し、育成炉本体１９ａの内部を効率良く保温するために加熱ヒータ１２の周囲に保温筒２１が設けられ、また育成炉本体１９ａの底部にも、高温の輻射熱からの炉壁保護と、育成炉本体１９ａ内部の保温のため、さらには、万が一原料融液１３がルツボ１１ａから流出した際に、育成炉本体１９ａの外に流出しないよう原料融液１３を保持する目的として底部断熱材２３が備えられている。さらに、上記底部断熱材２３と加熱ヒータ１２との間において、断熱板２２を設けている。これにより、ルツボ１１ａや加熱ヒータ１２から育成炉本体１９ａ下部や底部断熱材２３に輻射される熱を遮蔽するようにしている。断熱板２２は断熱板昇降機構４１によって、上下動することができる。また、単結晶育成時には、結晶品質を所望のものとするため、断熱板昇降機構４１によって、断熱板昇降ベース４２を介して断熱板２２を所望の位置に保持できる機構となっている。
【００２６】
そして、本発明に係る半導体単結晶の製造装置では、保温筒２１の内側面に上部と下部とを分ける段差部２１ａを有し、下部２１ｂの内径が上部２１ｃの内径よりも大きいものとする。また、保温筒２１は、特に、その本体部の厚みを８０ｍｍ以上とすることが好ましい。また、保温筒２１の下部の肉厚が保温筒２１の上部の肉厚の３０〜７０％となるように保温筒２１に段差を形成することが好ましい。段差を形成する位置は原料溶融時から結晶育成時を通しての断熱板２２の位置の最上位置以上となる高さとする。
なお、保温筒２１は炭素繊維製の本体部を有することが望ましい。
【００２７】
また、断熱板２２の外径が、保温筒２１の上部２１ｃの内径よりも大きく、かつ保温筒２１の下部２１ｂの内径よりも小さいものとする。また、特に、断熱板の厚さを５０ｍｍ以上とすることが好ましい。なお、断熱板２２は炭素繊維製の本体部を有することが望ましい。
【００２８】
そして、半導体単結晶１７の引き上げにおいて、図１に示したように断熱板２２の位置を保温筒２１の段差部に嵌め合う状態、すなわち、断熱板２２を、加熱ヒータ１２の下方かつ保温筒２１の下部（段差部２１ａより下）２１ｂの内側に配置した状態することで、結晶育成中の加熱ヒータ１２の下部からの輻射熱が直接的に底部断熱材２３へ到達することを防ぎ、ヒータ電力を効率良く原料融液１３に伝えることができる。
【００２９】
このように、保温筒２１の段差部と断熱板２２を嵌め合い配置とすることで、断熱板２２は加熱ヒータ１２の口径より大きくなり、加熱ヒータ１２の下部からの輻射熱が直接チャンバー下部に到達することなく、保温筒２１と断熱板２２で直接受け、効率良くルツボ下方に反射することができる。
【００３０】
また、本発明においては、半導体単結晶の引上時において加熱ヒータ１２を、ルツボ１１ａ、１１ｂ及び断熱板２２とともにヒータ昇降機構３１により、ヒータ昇降ベース３２を介して上昇駆動できるようにすることが好ましい。結晶成長による原料融液１３の減少に伴いルツボ１１ａ、１１ｂは上昇し、さらに原料融液１３を収容したルツボ全体の熱容量も変化するが、加熱ヒータ１２をルツボ１１ａ、１１ｂに追随上昇させることにより、加熱ヒータ１２の発熱中心をルツボ１１ａ、１１ｂの移動ひいては原料融液１３の減少に合わせて移動できるので、より適切な原料融液１３の加熱が行えるようになる。
【００３１】
また、断熱板２２と加熱ヒータ１２の移動を組み合わせることにより、より精度よく炉内の温度雰囲気を調整することが可能となり、効率的な原料融液１３の加熱を達成できる。
【００３２】
図２は、本発明に係る半導体単結晶の製造装置の実施形態の他の一例として、加熱ヒータ１２と断熱板２２とを共通ベースを介して一体化した態様を示す概略断面図である。
この実施形態では、断熱板２２と加熱ヒータ１２とを、一体化した昇降機構５１により共通ベース（共通の昇降ベース）５２を介して駆動するようにしている。断熱板２２は酸化アルミニウムや石英ガラス等の絶縁体からなる断熱板支持絶縁体５３により支持されており、これにより、加熱ヒータ１２への供給電流が断熱板２２側へ流れないようにされている。その他の構成は図１に示した半導体単結晶の製造装置の実施形態と同様である。
【００３３】
他方、図１に示したように、加熱ヒータ１２を、断熱板昇降機構４１とは別に設けられたヒータ昇降機構３１により、断熱板２２とは独立に加熱ヒータ１２を昇降駆動する構成とした場合には、原料融液減少に伴うルツボ全体の熱容量変化などにもきめ細かく対応することができ、より精度高く雰囲気温度を制御して高品質の半導体単結晶を引き上げることが可能となる。
【００３４】
上記本発明の半導体単結晶の製造装置においては、半導体単結晶の種々の引上パターンを記憶する記憶装置と、該記憶装置に記憶された引上パターンデータに基づき、半導体単結晶の引上に追従してルツボが上昇するように、ルツボ回転昇降機構２０の動作制御を行うルツボ上昇制御部と、ルツボの上昇に追従して断熱板２２が上昇するように断熱板昇降機構４１の動作制御を行う断熱板上昇制御部とを設けておくことができる。さらに、加熱ヒータ１２を組み合わせて移動するようにヒータ昇降機構の動作制御を行うヒータ上昇制御部を設けておくことができる。同じ装置を用いる場合であっても、例えば要求される半導体単結晶の寸法や品質レベルにより、半導体単結晶の引上パターンは異なるものが採用される。そこで、半導体単結晶の種々の引上パターンを記憶装置に記憶しておき、必要な引上パターンを随時読み出して装置駆動に適用するとともに、ルツボあるいは断熱板２２さらには加熱ヒータ１２の上昇駆動を、その読み出された引上パターンデータに基づいて制御するようにすれば、製造する単結晶の品番変更がなされた場合でも容易に対応でき、ひいては種々の品種の単結晶を同じ装置を用いて簡便に製造できる。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これは本発明を限定するものではない。
本発明の効果を確認するために以下の実験を行った。
【００３６】
（実施例１、実施例２）
（１）単結晶の育成条件
図２に示す本発明の半導体単結晶の製造装置を用いて、以下の条件にて直径２００ｍｍのシリコン単結晶の育成を行った。
ａ）原料：多結晶シリコン２００ｋｇを口径６５０ｍｍの石英製ルツボ１１ａに充填した。
ｂ）育成結晶：直径２００ｍｍとした。種結晶１４は、結晶軸方向の方位が＜１００＞のものを使用した。
ｃ）断熱板２２の厚みが８０ｍｍのものを使用した。断熱板２２の外径は表１に記載の実施例１及び実施例２の条件とした。
ｄ）加熱ヒータ１２：スリット重なり区間の長さが２００ｍｍのものを使用した。
ｅ）保温筒２１の上部肉厚は９０ｍｍのものを使用した。保温筒上部の内径と保温筒下部の内径は、それぞれ、表１に記載の実施例１及び実施例２の条件とした。
ｆ）４０００Ｇの水平磁場を印加して単結晶を育成した。
これらの条件により断熱板２２及び加熱ヒータ１２を、ルツボ１１ａの移動に合わせ移動させながら、繰り返し単結晶製造を行った。
【００３７】
【表１】
【００３８】
以上のシリコン単結晶の製造においては、シリコン単結晶の定径部を育成する際に消費した電力（結晶定径部を形成する際の電力の平均値）は、従来の断熱板を使用した場合（後述する比較例１）に比べ、実施例１及び実施例２ともに１０％程度少ない消費電力で単結晶を育成することができた。また、石英製ルツボ１１ａが長時間にわたり高温加熱されることにより生じるルツボの変形もほとんど観察されず、ルツボへの加熱による負荷が軽減されていることを確認した。
【００３９】
（比較例１）
図３に示した半導体単結晶の製造装置を用いて、表１中に併記した条件以外は実施例１、２と略同じ条件で、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。図３に示した半導体単結晶の製造装置は、図２に示す製造装置から、断熱板と保温筒を嵌め合い配置とならないもの（断熱板７２及び保温筒７１）に交換したものである。保温筒７１に段差はなく、その内径及び断熱板７２の外径は、上記表１中に記載の比較例１の条件とした。
【００４０】
その結果、結晶定径部の形成時消費電力は実施例１よりも１０％程度も高くなっていた。さらに、結晶引き上げ終了後に石英製ルツボ１１ａの状態を観察したところ、加熱ヒータ１２からの輻射熱が増加したことで、ルツボ１１ａの上方部の一部に加熱により変形したと思われる歪みが認められた。これは、断熱板７２と保温筒７１の隙間から、チャンバー底部（育成炉本体１９ａの底部）への熱エネルギーの流出量が増えたことにより加熱ヒータ１２の発熱量が増え、原料融液１３の直上の雰囲気温度が高温になるためであると考えられる。
【００４１】
（比較例２）
図４に示した半導体単結晶の製造装置を用いて、表１中に併記した条件以外は実施例１、２と略同じ条件で、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。図４に示した半導体単結晶の製造装置は、図２に示す製造装置から、保温筒８１に段差を有するが、断熱板８２の外形が保温筒８１の上部の内径より小さく、保温筒８１と断熱板８２で重なりができないものに交換したものである。保温筒８１の内径及び断熱板８２の外径は、上記表１中に記載の比較例２の条件とした。
【００４２】
その結果、結晶定径部の形成時消費電力は実施例１よりも約９％も高くなり、比較例１に近い結果であった。さらに、結晶引上げ終了後に石英製ルツボ１１ａの状態も比較例１と同様にルツボ１１ａの上方部の一部に加熱により変形したと思われる歪みが認められた。これは、断熱板２２を大きくしても断熱板２２の外径が保温筒上部の内径より小さく、隙間が形成される場合ではチャンバー底部（育成炉本体１９ａの底部）への熱エネルギーの流出を防止することができなかったためと考えられる。
【００４３】
これらの実施例、比較例の測定結果を、比較例１の値を１００％とした場合の値を並記することにより比較し、図５に示した。この図より、断熱板の外径と保温筒上部の内径で重なり合う部分を設けることが、加熱ヒータ底部からの輻射を遮りチャンバー底部へ熱エネルギーの流出を防止することに効果があると考えられる。また、保温筒の肉厚については、断熱板の外径、保温筒の内径、嵌め合い代（保温筒上部の内径と保温筒下部の内径との差）、保温筒段差部肉厚を加味し、保温筒上部の肉厚を８０ｍｍ以上とし、保温筒下部の肉厚を保温筒上部の肉厚の３０〜７０％となるように保温筒に段差を形成することが望ましい。
【００４４】
なお、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。
【符号の説明】
【００４５】
１１ａ…（石英製）ルツボ、 １１ｂ…（黒鉛製）ルツボ、 １２…加熱ヒータ、
１３…原料融液、 １４…種結晶、 １５…引上軸、 １５ａ…種結晶ホルダー、
１６…ルツボ支持軸、 １７…半導体単結晶、
１９ａ…育成炉本体、 １９ｂ…上部育成炉、 ２０…ルツボ回転昇降機構、
２１、７１、８１…保温筒、
２１ａ…段差部、 ２１ｂ…保温筒下部、 ２１ｃ…保温筒上部、
２２、７２、８２…断熱板、 ２３…底部断熱材、
３１…ヒータ昇降機構、 ３２…ヒータ昇降ベース、
４１…断熱板昇降機構、 ４２…断熱板昇降ベース、
５１…一体昇降機構、 ５２…共通ベース、５３…断熱板支持絶縁体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
育成炉本体の内部に、少なくとも、ルツボと、該ルツボの周囲に配置された加熱ヒータとを具備し、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成する半導体単結晶の製造装置であって、
前記育成炉本体内の前記加熱ヒータの周囲に保温筒が配置されており、該保温筒は内側面に上部と下部とを分ける段差部を有し、前記下部の内径が前記上部の内径よりも大きいものであり、
前記育成炉本体内において前記加熱ヒータの下方かつ前記保温筒の下部の内側に断熱板が配置されており、該断熱板の外径が、前記保温筒の上部の内径よりも大きく、かつ前記保温筒の下部の内径よりも小さいものであることを特徴とする半導体単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記保温筒は、前記下部の肉厚が前記上部の肉厚の３０〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項３】
前記断熱板は、前記ルツボとともに断熱板昇降機構により上昇駆動されるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記加熱ヒータはヒータ昇降機構により昇降駆動が可能であり、前記ヒータ昇降機構が前記断熱板昇降機構に兼用されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項５】
前記加熱ヒータと前記断熱板とが共通ベースを介して一体化され、前記ヒータ昇降機構を兼ねる前記断熱板昇降機構は前記共通ベースを昇降駆動するものであることを特徴とする請求項４に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体単結晶の製造装置を用いて、前記育成炉本体内において、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成することにより半導体単結晶を製造することを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
【請求項１】
育成炉本体の内部に、少なくとも、ルツボと、該ルツボの周囲に配置された加熱ヒータとを具備し、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成する半導体単結晶の製造装置であって、
前記育成炉本体内の前記加熱ヒータの周囲に保温筒が配置されており、該保温筒は内側面に上部と下部とを分ける段差部を有し、前記下部の内径が前記上部の内径よりも大きいものであり、
前記育成炉本体内において前記加熱ヒータの下方かつ前記保温筒の下部の内側に断熱板が配置されており、該断熱板の外径が、前記保温筒の上部の内径よりも大きく、かつ前記保温筒の下部の内径よりも小さいものであることを特徴とする半導体単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記保温筒は、前記下部の肉厚が前記上部の肉厚の３０〜７０％であることを特徴とする請求項１に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項３】
前記断熱板は、前記ルツボとともに断熱板昇降機構により上昇駆動されるものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記加熱ヒータはヒータ昇降機構により昇降駆動が可能であり、前記ヒータ昇降機構が前記断熱板昇降機構に兼用されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項５】
前記加熱ヒータと前記断熱板とが共通ベースを介して一体化され、前記ヒータ昇降機構を兼ねる前記断熱板昇降機構は前記共通ベースを昇降駆動するものであることを特徴とする請求項４に記載の半導体単結晶の製造装置。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の半導体単結晶の製造装置を用いて、前記育成炉本体内において、前記加熱ヒータにより前記ルツボ内に収容した原料融液を加熱しつつ、該原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて育成することにより半導体単結晶を製造することを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−４６３７１（Ｐ２０１２−４６３７１Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８９１２９（Ｐ２０１０−１８９１２９）
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
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