单晶制造装置的制作方法

1.本发明涉及一种单晶制造装置，尤其涉及根据切克劳斯基法(cz法)的单晶的提拉工序前或提拉工序中用于供给掺杂剂的掺杂剂供给装置。


背景技术：

2.作为半导体器件的基板材料的单晶硅大多以cz法制造。cz法是下述方法，即将晶种浸泡在石英坩埚内收纳的硅熔液中，通过一边旋转晶种及石英坩埚一边慢慢提拉晶种，在晶种下方生长大直径的单晶。根据cz法，可以以高良率制造高品质的硅单晶锭。
3.单晶硅的电阻率(以下简称为电阻率)的调整中使用各种掺杂剂。代表性的掺杂剂为磷(p)、砷(as)、锑(sb)、硼(b)等。这些掺杂剂例如与多晶硅原料一起投入石英坩埚内，以加热器的加热与硅原料一起熔化。由此，产生包含规定量掺杂剂的硅熔液。
4.掺杂剂有时在晶体提拉中途投入硅熔液中。例如，锑比起磷、硼，融点较低，因为在减压下蒸发速度非常快，所以如果和磷、硼相同地与多晶硅原料一起熔化，则从原料熔化至晶体提拉工序的初期阶段掺杂剂大量蒸发，不能提高硅熔液中的掺杂剂浓度。因此，晶体提拉中途追加供给掺杂剂，由此抑制硅熔液中的掺杂剂浓度下降。
5.并且，即使使用蒸发速度比较慢的掺杂剂的情况下，也发生供给的掺杂剂沿着单晶的提拉方向偏析的现象，变得很难在提拉方向上得到均匀的电阻率。为了解决这样的问题，多晶硅原料不只在初期装填时，在晶体提拉中途也供给掺杂剂的方法是有效的。例如，通过追加供给与初期装填的掺杂剂相同导电型的掺杂剂，可以提拉电阻率大不相同的2种单晶硅。并且，通过追加供给与初期装填的掺杂剂相反导电型的掺杂剂，可以尽量拉长在提拉方向上具有均匀电阻率的单晶的晶体长度。
6.关于在单晶的提拉之前或提拉中途供给掺杂剂的方法，例如在专利文献1中记载的掺杂剂添加装置，具备：掺杂供给管，贯穿腔室上部，到达腔室内的坩埚上方；密封盖，密闭该掺杂供给管贯穿腔室的部分；掺杂加料斗，在腔室外部经由掺杂供给活栓安装至掺杂供给管；以及连通管，连通该掺杂加料斗与腔室内部。供给掺杂剂时腔室内虽然是减压下的氩气环境，但根据该掺杂剂添加装置，能够将掺杂剂添加装置内调整为与腔室内相同的环境。
7.并且，专利文献2中记载了下述结构：为了在坩埚上方配置热屏蔽构件的情况下也可以没问题地向坩埚内的原料熔液供给掺杂剂，在热屏蔽构件上方配设在热屏蔽构件内侧的掺杂供给管从中途被导出至热屏蔽构件外侧，掺杂供给管的至少下端部面对热屏蔽构件的外侧。现有技术文献专利文献
8.专利文献1：日本特开平9-227275号公报专利文献2：日本特开平11-343196号公报


技术实现要素：

发明所要解决的技术问题
9.但是，现有的掺杂供给装置，因为具有固定单一掺杂剂供给管至腔室、热屏蔽构件的结构，部件的折损、脱落经常发生。并且，现有的掺杂剂供给装置，不能应对热屏蔽构件可上下方向移动的结构，或限制热屏蔽构件移动。
10.因此，本发明的目的在于提供具备掺杂剂供给装置的单晶制造装置，所述掺杂剂供给装置没有部件的折损、脱落，也可以应对热屏蔽构件的上下方向移动。用于解决技术问题的方案
11.为了解决上述技术问题，根据本发明的单晶制造装置，其特征在于具备：腔室；坩埚，设置在所述腔室内；热屏蔽构件，配置在所述坩埚上方；以及掺杂剂供给装置，从所述腔室的外侧对所述坩埚内供给掺杂剂；所述掺杂剂供给装置，包含贯穿所述腔室到达所述坩埚上方的掺杂剂供给管；所述掺杂剂供给管，具有：第1掺杂管，贯穿所述腔室；以及第2掺杂管，从所述第1掺杂管分离独立，配置在所述第1掺杂管下端的稍下方；所述第1掺杂管从所述热屏蔽构件分离独立；所述第2掺杂管，从所述腔室分离独立且设置在所述热屏蔽构件中。
12.根据本发明，可以提供单晶制造装置，掺杂剂供给管的设置容易，没有部件的折损、脱落，也可以应对热屏蔽构件的上下方向移动。
13.本发明中，所述第1掺杂管与所述第2掺杂管可以彼此完全分开，所述第1掺杂管的一部分可以插入所述第2掺杂管内部。并且，所述第1掺杂管与所述第2掺杂管彼此完全分开时，优选为配置所述第2掺杂管的上侧开口部在所述第1掺杂管下端的正下方。通过形成所述第1掺杂管与所述第2掺杂管互相分离独立的结构，可以使所述第1掺杂管从所述热屏蔽构件分离独立，而且使所述第2掺杂管从所述腔室(尤其是上室)分离独立。
14.本发明中，优选为设置成所述第2掺杂管能够相对于所述热屏蔽构件上下移动。根据该结构，第2掺杂管的设置容易，没有部件的折损、脱落，可以应对热屏蔽构件的上下方向移动。
15.本发明中，所述第2掺杂管，优选为具有大径部、小径部以及锥形部；所述大径部具有比所述第1掺杂管下端的内径更大的开口半径，所述小径部具有比所述大径部更小的开口半径，所述锥形部连接所述大径部与所述小径部。在此情况下，所述大径部配置在比所述小径部更上方即所述第1掺杂管侧。根据该结构，可以准确地执行从第1掺杂管到第2掺杂管的交接，还有对热屏蔽构件设置第2掺杂管也很容易。
16.本发明中，所述锥形部的外表面相对于铅垂轴的锥形角度(锐角)，优选为在与所述锥形部相向的所述热屏蔽构件的内壁面相对于所述铅垂轴的倾斜角度以下，尤其优选为与所述热屏蔽构件的内壁面的倾斜角大致相等。由此，可以对热屏蔽构件以点接触或线接触的状态支撑第2掺杂管，可以抑制第2掺杂管的破损、变形。
17.本发明中，优选为所述第2掺杂管的轴线从所述第2掺杂管的上端到下端直线状延伸。由此，可以使用制造容易且廉价的第2掺杂管。
18.本发明中，所述掺杂剂供给管优选为石英制。例如，使用碳制的掺杂剂供给管的情况下，由于掺杂剂的碳污染，单晶硅中的碳浓度有可能上升。但是，掺杂剂供给管为石英制的情况下，可以防止掺杂剂的杂质污染。石英管在常温下容易碎裂，还有在高温下有可能热
变形。但是，在第2掺杂管只是插入于热屏蔽构件的贯穿孔的情况下，可以防止掺杂剂供给管的破损、变形。
19.本发明中，所述热屏蔽构件优选为构成为在所述腔室内自由升降，根据所述热屏蔽构件的升降，所述第1掺杂管与所述第2掺杂管的相对位置关系改变。由此，配合热屏蔽构件的上下方向移动，可以调整掺杂剂供给管的全长，热屏蔽构件的上下移动不被掺杂剂供给管限制。并且，热屏蔽构件自由升降的情况下，即使坩埚内填充堆积如山的固体原料，通过往上方转移热屏蔽构件，也可以回避热屏蔽构件与固体原料的干扰，可以增加熔液的初期装填量。
20.本发明中，所述腔室优选为具有设置所述坩埚的主室以及覆盖所述主室的上部开口的上室，所述上室构成为可从所述主室装卸，根据所述上室的装卸，所述第1掺杂管与所述第2掺杂管的相对位置关系改变。在此情况下，因为固定第1掺杂管至上室侧，第2掺杂管安装至主室内的热屏蔽构件，所以把上室安装至主室或从主室取下的操作很容易。
21.本发明中，所述第2掺杂管插入所述热屏蔽构件中形成的贯穿孔，所述第2掺杂管的下端不露出，比所述贯穿孔的下侧开口端在更内侧结束，所述第2掺杂管的下端优选为以碳制的环形盖覆盖。因为所述第2掺杂管只是插入热屏蔽构件的贯穿孔，其设置很容易。并且，因为第2掺杂管的下端不露出且以环形盖覆盖，可以保护第2掺杂管的下端不受热，可以防止热变形等。
22.本发明中，所述环形盖的外侧开口优选为朝向斜下方即所述坩埚的侧壁部侧。由此，第2掺杂管即使是笔直往下方延伸的形状，也可以投入掺杂剂至坩埚内的尽量偏内壁面，可以防止投入时熔液的飞溅、单晶的有位错化。发明效果
23.根据本发明，可以提供具备掺杂剂供给装置的单晶制造装置，所述掺杂剂供给装置没有部件的折损、脱落，也可以应对热屏蔽构件的上下方向移动。
附图说明
24.图1是表示根据本发明实施方式的单晶制造装置结构的概略侧面剖视图。图2是图1的掺杂剂供给装置的放大图。图3是显示开始晶体提拉工序前的准备阶段中令热屏蔽构件上升的状态的概略剖视图。图4是显示分解腔室的状态的概略侧面剖视图。
具体实施方式
25.以下，一边参考附图，一边详细说明关于本发明的优选实施方式。
26.图1是表示根据本发明实施方式的单晶制造装置结构的概略侧面剖视图。
27.如图1所示，单晶制造装置1，具备：腔室10；石英坩埚12，设置在腔室10内；石墨制的基座13，支撑石英坩埚12；转轴14，可升降及旋转地支撑基座13；加热器15，配置在基座13周围；热屏蔽构件16，配置在石英坩埚12上方；单晶提拉线17，在石英坩埚12上方与转轴14配置在同轴上；卷绕机构18，配置在腔室10上方；以及掺杂剂供给装置20，供给掺杂剂至石
英坩埚12内。
28.腔室10由主室10a、覆盖主室10a的上部开口的上室10b、以及连结至上室10b的上部开口的细长圆筒状拉晶室10c构成，石英坩埚12、基座13、加热器15以及热屏蔽构件16设置在主室10a内。基座13固定至贯穿腔室10的底部中央沿铅垂方向设置的转轴14的上端部，转轴14由转轴驱动机构19升降及旋转驱动。
29.加热器15用于熔化石英坩埚12内填充的多晶硅原料并产生硅熔液3。加热器15是碳制电阻加热式加热器，设置为围绕基座13内的石英坩埚12。加热器15外侧设置绝热材料11。绝热材料11沿着主室10a的内壁面配置，由此提高主室10a内的保温性。
30.为了防止单晶硅由于来自加热器15及石英坩埚12的辐射热而被加热、并且抑制硅熔液3的温度变动而设置热屏蔽构件16。热屏蔽构件16是从上方往下方直径缩小的大致圆筒状构件，覆盖硅熔液3上方的同时，设置为围绕生长中的单晶硅2。作为热屏蔽构件16的材料，优选使用石墨。因为热屏蔽构件16的下端部位于石英坩埚12的内侧，即使令石英坩埚12上升也不干扰热屏蔽构件16。热屏蔽构件16的中央设置比单晶硅2的直径更大的开口部，通过开口部提拉单晶硅2至上方。
31.详细内容在后面叙述，但优选为热屏蔽构件16构成为在腔室10内自由升降。热屏蔽构件16可以用千斤顶等顶起，也可以用线材等拉起。热屏蔽构件16自由升降的情况下，石英坩埚12内即使填充堆积如山的固体硅原料，由于转移热屏蔽构件16至上方，也可以回避热屏蔽构件16与固体硅原料的干扰，可以增加石英坩埚12内硅熔液3的初期装填量。
32.石英坩埚12的上方，设置作为单晶硅2的提拉轴的线材17以及卷绕线材17的卷线机构18。卷线机构18具有令单晶硅2与线材17一起旋转的功能。卷线机构18配置在拉晶室10c上方，线材17从卷线机构18通过拉晶室10c内延伸至下方，线材17的前端部到达主室10a的内部空间为止。图1中，显示生长中途的单晶硅2由线材17吊设的状态。提拉单晶时浸泡晶种在硅熔液3内，一边分别旋转石英坩埚12与晶种，一边慢慢提拉线材17，由此使单晶生长。
33.拉晶室10c的上部，设置用于导入氩气至腔室10内的气体吸气口10d，主室10a的底部设置用于排出腔室10内的氩气的气体排气口10e。氩气从气体吸气口10d导入腔室10内，其导入量由阀控制。并且，因为密闭的腔室10内的氩气从气体排气口10e往腔室外部排出，可以回收腔室10内的sio气体、co气体，保持腔室10内清洁。
34.掺杂剂供给装置20具备掺杂剂供给管21、掺杂剂加料斗22以及密封盖23；掺杂剂供给管21贯穿腔室10，其下端部到达石英坩埚12上方；掺杂剂加料斗22，设置在腔室10外侧，连接至掺杂剂供给管21的上端；密封盖23，密闭掺杂剂供给管21所贯穿的上室10b的开口部10f。
35.单晶硅2的制造中，石英坩埚12内填充多晶硅原料，安装晶种至线材17的前端部。接着，石英坩埚12内的硅原料以加热器15加热产生硅熔液3。
36.单晶的提拉工序中，首先为了使单晶无位错化，通过缓冲缩径法进行晶种的缩径。接着，为了得到需要直径的单晶，培育直径慢慢扩大的肩部，在单晶成为了所希望的直径后培育直径维持恒定的主体部。主体部生长至规定长度为止后，为了以无位错化状态从硅熔液3切割分离单晶，进行尾部的生长。
37.在单晶硅2的提拉开始之前或晶体提拉工序中途，从掺杂剂供给装置20供给掺杂剂5至硅熔液3。
38.图2是图1的掺杂剂供给装置20的放大图。
39.如图1及图2所示，掺杂剂供给装置20具备贯穿腔室10到达石英坩埚12上方的掺杂剂供给管21、连接至掺杂剂供给管21上端的掺杂剂加料斗22、以及密闭上室10b中形成的开口部10f的密封盖23。从掺杂剂加料斗22供给的掺杂剂原料通过掺杂剂供给管21输送至腔室10内。
40.掺杂剂供给管21是石英玻璃制，由通过上室10b的开口部10f拉进主室10a内的第1掺杂管24以及主室10a内配置在第1掺杂管24的下端稍下方的第2掺杂管25构成。
41.第1掺杂管24为从掺杂剂加料斗22的设置位置通过上室10b的开口部10f曲折到达第2掺杂管25正上方为止的石英玻璃管。第1掺杂管24，经由密封盖23固定至上室10b。第1掺杂管24从热屏蔽构件16分离独立。
42.第2掺杂管25具有大径部25a、锥形部25b以及小径部25c；大径部25a具有比第1掺杂管24下端更大的开口半径，锥形部25b的开口半径慢慢变小，小径部25c具有比大径部25a更小的开口半径。即，第2掺杂管25具有其上端部的开口尺寸比下端部的开口尺寸更扩大的漏斗形状。
43.第2掺杂管25的中心轴线从其上端到下端直线状延伸，没有弯曲的部分。因此，只要插入第2掺杂管25的小径部25c至贯穿孔16a，就可以安装第2掺杂管25至热屏蔽构件16。这样的第2掺杂管25因为其形状比较单纯，容易制造且制造成本廉价。第2掺杂管25仅是插入在热屏蔽构件16的贯穿孔16a内，设置为能够相对于热屏蔽构件16上下移动。还有，第2掺杂管25从腔室10分离独立。
44.热屏蔽构件16中设置从其内周面侧到外周面侧往垂直方向贯穿的贯穿孔16a，第2掺杂管25的小径部25c插入其贯穿孔16a。因为第2掺杂管25的小径部25c周围被热屏蔽构件16围绕，可以抑制来自加热器15、硅熔液3的辐射热影响，防止第2掺杂管25的热变形。
45.第2掺杂管25的锥形部25b的外表面相对于铅垂轴的锥形角度(锐角)，优选为大致等于与锥形部25b相向的热屏蔽构件16的内壁面16b相对于铅垂轴的倾斜角度。由此，可以以与热屏蔽构件16线接触的状态支撑第2掺杂管25，可以抑制第2掺杂管25的破损、变形。并且，锥形角度的顶点是锥形部25b的下端。锥形部25b的外表面的锥形角度可以小于与锥形部25b相向的内壁面16b的倾斜角度。在此情况下，第2掺杂管25以锥形部25b的连接根的一点由热屏蔽构件16支撑，可以没问题地支撑。
46.如上所述，第1掺杂管24及第2掺杂管25都是石英制。例如，第1掺杂管24及第2掺杂管25至少一方为碳制的情况下，由于掺杂剂的碳污染，单晶硅中的碳浓度上升。但是，第1掺杂管24及第2掺杂管25都是石英制的情况下，可以防止掺杂剂的杂质污染。还有石英管在常温下容易碎裂，还有高温下有可能热变形，但第2掺杂管25只是插入热屏蔽构件16的贯穿孔16a，因为没有用螺丝等固定牢固，不只是其设置容易，也可以防止第2掺杂管25的破损、变形。
47.热屏蔽构件16的贯穿孔16a内插入的第2掺杂管25的小径部25c下端不露出，比贯穿孔16a的下侧开口端在更内侧结束，第2掺杂管25的下端以涂布了sic的碳制环形盖16c覆盖。因此，可以保护第2掺杂管25的下端部不受热，可以防止热变形等。
48.环形盖16c的外侧开口，优选为朝向接近石英坩埚12的侧壁部的斜下方。由此，第2掺杂管25即使是笔直往下方延伸的形状，也可以投入掺杂剂5至石英坩埚12内的尽量偏内
壁面(参考图1)，可以防止投入时熔液的飞溅、单晶的有位错化。
49.以上的结构中，在开始提拉单晶硅2前以及晶体提拉工序中途，从掺杂剂供给装置20对石英坩埚12内的硅熔液3追加供给粒状的掺杂剂5。从掺杂剂加料斗22排出的掺杂剂5，通过第1掺杂管24及第2掺杂管25供给至硅熔液3。
50.图3是显示开始晶体提拉工序前的准备阶段中令热屏蔽构件16上升的状态的概略剖视图。
51.如图3所示，在准备阶段中为了向石英坩埚12内装填尽可能多的硅原料4，石英坩埚12内固体的硅原料4堆积如山，通过将其熔化，可以产生大量的硅熔液3。此时，为了不干扰多晶硅原料，通过转移热屏蔽构件16至上方，可以回避热屏蔽构件16干扰堆积如山的硅原料4。还有，因为掺杂剂供给管21分开成第1掺杂管24与第2掺杂管25，可以应对热屏蔽构件16的移动。
52.图4是显示分解腔室10的状态的概略侧面剖视图。
53.如图4所示，腔室10由主室10a、上室10b、拉晶室10c的组合构成，可如图示分解这些。此时，掺杂剂供给管21因为分开成第1掺杂管24与第2掺杂管25，容易对主室10a取下及安装上室10b。这样，第1掺杂管24与第2掺杂管25的相对位置关系，根据上室10b的装卸改变。
54.如以上说明，本实施方式的晶体制造装置1，因为用于从腔室10外侧往内部送入掺杂剂的掺杂剂供给管21分割为二，配合热屏蔽构件16的上下方向移动，可以调整掺杂剂供给管21的全长。并且，因为第2掺杂管25只要插入热屏蔽构件16的贯穿孔16a，不只其设置容易，也可以防止破损、变形。
55.以上，说明关于本发明的优选实施方式，本发明不限定于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内可以作各种改变，这些当然也包含在本发明的范围内。
56.例如，上述实施方式中，掺杂剂供给管21由独立的2个掺杂管24、25构成，但也可以使用3个以上的掺杂管构成。
57.例如，晶体提拉工序中第1掺杂管24与第2掺杂管25在上下方向不重叠而分离，但也可以重叠。附图标记说明
58.1-单晶制造装置，2-单晶硅，3-硅熔液，4-固体硅原料，5-掺杂剂，10-腔室，10a-主室，10b-上室，10c-拉晶室，10d-气体吸气口，10e-气体排气口，10f-开口部，11-绝热材料，12-石英坩埚，13-基座，14-转轴，15-加热器，15b-锥形部，16-热屏蔽构件，16a-热屏蔽构件的贯穿孔，16b-热屏蔽构件的内壁面，16c-环形盖，17-线材，18-卷线机构，19-转轴驱动机构，20-掺杂剂供给装置，21-掺杂剂供给管，22-掺杂剂加料斗，23-密封盖，24-第1掺杂管，25-第2掺杂管，25a-大径部，25b-锥形部，25c-小径部。

技术特征：
1.一种单晶制造装置，其特征在于，包括：腔室；坩埚，设置在所述腔室内；热屏蔽构件，配置在所述坩埚上方；以及掺杂剂供给装置，从所述腔室的外侧对所述坩埚内供给掺杂剂；所述掺杂剂供给装置，包含贯穿所述腔室到达所述坩埚上方的掺杂剂供给管；所述掺杂剂供给管，具有：第1掺杂管，贯穿所述腔室；以及第2掺杂管，从所述第1掺杂管分离独立，配置在所述第1掺杂管下端的稍下方；所述第1掺杂管从所述热屏蔽构件分离独立；所述第2掺杂管从所述腔室分离独立且设置在所述热屏蔽构件中。2.根据权利要求1所述的单晶制造装置，其中，所述第2掺杂管设置为能够相对于所述热屏蔽构件上下移动。3.根据权利要求1或2所述的单晶制造装置，其中，所述第2掺杂管，具有：大径部，具有比所述第1掺杂管下端的内径更大的开口半径；小径部，具有比所述大径部更小的开口半径；以及锥形部，连接所述大径部与所述小径部。4.根据权利要求3所述的单晶制造装置，其中，所述锥形部的外表面相对于铅垂轴的锥形角度，为与所述锥形部相向的所述热屏蔽构件的内壁面相对于所述铅垂轴的倾斜角度以下，其中，所述锥形角度为锐角。5.根据权利要求1至4中任一项所述的单晶制造装置，其中，所述第2掺杂管的轴线从所述第2掺杂管上端到下端直线状延伸。6.根据权利要求1至5中任一项所述的单晶制造装置，其中，所述掺杂剂供给管是石英制。7.根据权利要求1至6中任一项所述的单晶制造装置，其中，所述热屏蔽构件构成为在所述腔室内自由升降，根据所述热屏蔽构件的升降，所述第1掺杂管与所述第2掺杂管的相对位置关系改变。8.根据权利要求1至7中任一项所述的单晶制造装置，其中，所述腔室具有设置所述坩埚的主室以及覆盖所述主室的上部开口的上室，所述上室构成为可从所述主室装卸，根据所述上室的装卸，所述第1掺杂管与所述第2掺杂管的相对位置关系改变。9.根据权利要求1至8中任一项所述的单晶制造装置，其中，所述第2掺杂管插入所述热屏蔽构件中形成的贯穿孔中，所述第2掺杂管的下端不露出，比所述贯穿孔的下侧开口端在更内侧结束，所述第2掺杂管的下端以碳制的环形盖覆盖。10.根据权利要求9所述的单晶制造装置，其中，所述环形盖的外侧开口朝向斜下方即所述坩埚的侧壁部侧。

技术总结
本发明提供一种具备掺杂剂供给装置的单晶制造装置，所述掺杂剂供给装置没有部件的折损、脱落，也可以应对热屏蔽构件的上下方向移动。单晶制造装置(1)，具备：腔室(10)；坩埚(12)，设置在腔室(10)内；热屏蔽构件(16)，配置在坩埚(12)上方；以及掺杂剂供给装置(20)，从腔室(10)的外侧对坩埚(12)内供给掺杂剂。掺杂剂供给装置(20)，包含贯穿腔室(10)到达坩埚(12)上方的掺杂剂供给管(21)。掺杂剂供给管(21)，具有：第1掺杂管(24)，贯穿腔室(10)；以及第2掺杂管(25)，从第1掺杂管(24)分离独立，配置在第1掺杂管(24)稍下方。第1掺杂管(24)从热屏蔽构件(16)分离独立。第2掺杂管(25)从腔室(10)分离独立且设置在热屏蔽构件(16)中。(10)分离独立且设置在热屏蔽构件(16)中。(10)分离独立且设置在热屏蔽构件(16)中。


技术研发人员：早川裕
受保护的技术使用者：胜高股份有限公司
技术研发日：2021.09.21
技术公布日：2023/7/22