[发明专利]单晶制造装置及单晶的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单晶制造装置及单晶的制造方法，在根据切克劳斯基法(Czochralski method，以下称为“CZ法”)，例如提拉直径大约200mm(8英寸)以上的大口径单晶后，能冷却热区零件。

背景技术

近年，太阳能电池、金氧半导体(MOS(Metal Oxide Semiconductor))晶体管等的半导体元件，为了提高性能和降低成本，作为基板而使用的硅等的芯片，持续进行大直径化。因此，根据CZ法而培育出来的单晶晶棒，例如也变成要被制造出直径200mm(8英寸)或直径300mm(12英寸)的单晶晶棒。

此种单晶晶棒，例如根据图2所示的单晶制造装置而制造出来。图2是表示利用CZ法时所使用的通常的单晶制造装置的示意图。

此种通常的单晶制造装置20，是根据CZ法而使单晶31从原料熔液30成长的装置，并构成在其主腔室21内，具备：坩埚23，其用以收容将多晶原料熔化而成的原料熔液30；位于该坩埚23周围的加热器25；及位于该加热器25周围的隔热材26。特别是带有热量的坩埚23、加热器25、隔热材26这样的零件，被称为热区零件。

拉拔腔室22，连接在主腔室21的上端，用于收纳被提拉上来的单晶31，然后加以取出。而且，在主腔室21的上端部与拉拔腔室22之间，设有闸阀28，用以开闭主腔室21的上端的开口部。进而，在拉拔腔室22的上方，设有单晶提拉机构(图示图未示)，用于卷起钢线34，且在该机构的前端安装有晶种夹头33。

当采用此种单晶制造装置20来制造单晶31时，先使晶种32保持在晶种夹头33的前端，将该晶种32浸渍于原料熔液30中，然后一边使该晶种32旋转一边缓慢地往上方提拉而培育出棒状的单晶31。

此时，在腔室内，为了排出由熔液表面蒸发出来的氧化物，一边实行真空排气一边使氩等惰性气体流通。

一旦单晶的提拉结束，则切断加热器的电源，并关闭闸阀，取出已收纳在拉拔腔室内的单晶。然后，等待热区零件的冷却，并将腔室内的压力恢复成常压，然后将主腔室内的热区零件解体。一旦热区零件的解体结束，在实行清扫、交换等动作后，再度组装热区零件，经过腔室的组装、原料的充填、抽真空、多晶原料的熔化后，再度实行单晶的提拉。

根据此种CZ法来实施的单晶制造，为了谋求提高生产性、降低成本，使单晶成长速度高速化，是作为一种重要的手段，目前为止已进行许多改良。然而，根据CZ法来实施的单晶制造的操作循环，是由单晶的提拉、及上述提拉以外的许多任务序来构成，目前的状况，大幅地缩短提拉时间是困难的。因此，缩短单晶的提拉以外的工序所需要的时间，被认为对于提高操作效率即提高单晶制造装置的运转率而促进生产性是有效的。

单晶提拉工序以外，单晶提拉前的多晶原料的熔化和热区零件的冷却时间所占的比例大。热区零件的冷却时间是依据以下的条件来决定的：当将主腔室内恢复成常压时，加热器等碳构件，被冷却至即使接触到空气中的氧气也不会劣化的程度为止的温度。即使是制造目前主流的直径200mm(8英寸)、晶身部的长度为1m的单晶的情况，该冷却时间，在自然冷却的情况下，高达大约8小时，大约将近占了提拉以外的工序所需要的时间的一半。

热区零件的冷却时间，正是单晶制造装置的停止时间。因此，此冷却时间，将成为显著地降低单晶制造装置的运转率的原因。随着持续要求单晶的大型化，也实施许多300mm(12英寸)以上的大型单晶的制造。此情况，热区零件的热容量，比目前显著地变大，对应此情形，冷却时间也会变长，由于冷却时间的延长而造成的装置的运转率的降低，已成为越来越严重的问题。

在国际公开WO 01/057293号小册子中，揭示一种技术，其冷却筒和冷却辅助构件，被配置成可以包围被提拉上来的单晶，用于冷却刚提拉上来的单晶，但是，由于冷却筒远离残留在坩埚内的原料熔液，所以几乎不会对单晶提拉结束后的热区零件的冷却时间的缩短有所帮助。

又，在日本特开平9-235173号公报中，作为一种单晶提拉后的热区零件的冷却方法，通过使常温以下的惰性气体流过主腔室内部，缩短热区零件的冷却时间，而谋求提高单晶制造装置的运转率。

然而，以当时的技术制造出来的单晶，其直径大约200mm，晶身部的长度大约70cm左右，单晶制造所需要的多晶原料大约200kg左右，但是现在为了提高提拉效率，所制造的单晶的晶身长度也变长，所需要的多晶原料大约300kg，其重量变重。

如上述，作为原料熔液而熔化的多晶原料的量越多，则包含坩埚的热区零件会大型化，其热容量也会越大。