JPS6227398A - 二重るつぼ単結晶引上げ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 プ　産業上の利用分野 この発明は、二重るつぼを用いる単結晶引上法の改良に
関する。

単結晶をるつぼの中の原料融液から種結晶を使って引上
げる方法として、ＣＺ法やＬＥＣ法が用いられる。いず
れも工業的な製造に適した方法である。

本発明は、これらの方法に於て、二重るつぼを用いるも
のの改良である。

対象となる単結晶は、 （＋）　ｍ−ｖ族化合物半導体 ＧａＡｓ　５ＧａＰ　、　ＩｎＰ　１１ｎＡｓ　、　・
−・（ｉＤ　　Ｉ−Ｖｌ族化合物半導体 Ｚｎ５ｅ　、　ＺｎＳ　５ＣｄＴｅ　５Ｃｄｓ　、　・
・−・（１１）単体の半導体 Ｓｉ、Ｇｅ （＋＋＋＋）　　酸化物 Ｂ５０１ＬＢＯ、・・・・ などでちる。

（イ）従来技術とその問題点 るつぼの中に原料融液を入れ、ヒータで加熱しておき、
種結晶を融液に漬けて種付けし、これを回転しながら引
上げることによって単結晶を成長させる方法を広く、引
上げ法という。

Ｓｉ、Ｇｅなど単体の半導体の場合は、チョクラルスキ
ー法（ＣＺ）が用いられる。るつぼの上に液体カプセル
剤がない。

■−■族化合物半導体の場合は、Ｖ族元素の蒸気圧が高
く、融液からＶ族元素が抜けやすいので、液体カプセル
剤を融液の上に置き、不活性気体によって高圧を加え、
■族元素の抜けを防ぐ。

不純物をドープする場合、不純物の偏析係数が１より小
さいことが多く、結晶成長が進行してゆくとともに、原
料融液中の不純物濃度が高まってゆくえ こうなると、引上げられた単結晶中の不純物濃度が、フ
ロント側（種結晶に近い方）とパック側（種結晶から遠
い方）とで異なってくる。また、パック側で、不純物の
析出が生じたりする。

このような難点を解決するために二重るつぼ法が用いら
れる。

二重るつぼを用いたＬＥＣ法は、例えば特開昭５６７１
０４７９６などに記載がある。

初期の二重るつぼ法は、外るつぼに比較して、内るつぼ
が極めて小さいのが普通であった。

内るつぼの中から単結晶を引上げるのであるから、内る
つぼが小さければ、ここから引上げられる単結晶は小さ
な直径のものである。

ところが、ウェハの直径の大きい方が、ウェハプロセス
に於ける、素子単位あたりのコストは小さくなる。そこ
で、ウェハは直径の大きいものが望まれる。したがって
、引上げるべき単結晶の直径は大きい方がよい。

そこで、二重るつぼを用いる方法に於て、内るつぼの大
きいものが使用されるようになってきた。

外るつぼと内るつぼの間に殆ど隙間がない、という二重
るつぼが用いられる。

こうすると、内るつぼが大きいので、かなシ直径の大き
い単結晶を引上げる事ができる。

二重るつぼ法は、単結晶の軸方向に於ける不純物濃度の
変動を抑えるために用いられる。

しかし、実際に二重るつぼ法で単結晶を引上げてみると
、次のような難点のある事がある。

（１）単結晶化率が低い。

（１１）　　ウェハ面内に於て、ドーパント濃度の不均
一な分布ができる。

この原因については、次のように考えられる。

−引上げるべき単結晶に於て、好ましい不純物濃度がＣ
であるとする。不純物の偏析係数をｋとする。外るつぼ
の不純物濃度はＣとし、内るつぼの不純物濃度はｃ　／
　ｋとする。　こうすると、単結晶中の不純物濃度がＣ
になり、内るつぼ内の不純物濃度は一定になるはずであ
る。

ｋの値によるが、外るつぼと内るつぼに於ける不純物濃
度は著しく違うのが普通である。

内るつぼは浮いているから、内るつぼ内の融液量は不変
である。単結晶を引上げた分だけ、外るつぼから細孔を
通って内るつぼへ融液が入ってくる。

外るつぼの、一般により熱く、濃度も大きく異なる原料
融液が、かなシ速い速度（１〜１０ｍル’５ｅｃ）で内
るつぼの中へ流れ込む。

融液は粘度の高い流体である。

温度や不純物濃度の不均一があっても、対流などによっ
て、やがて均一化されるはずである。

しかしながら、内るつぼに於ける、融液の運動はあまシ
活発でない。

温度のゆらぎ、不純物濃度のゆらぎが、均一化されず長
く残る事もある。

温度のゆらぎがあると、成長が不安定になる。

これは双晶発生の有力な原因になる。

不純物濃度にゆらぎがあると、固化した結晶中にも濃度
のゆらぎが生ずる。

二重るつぼ法は成長方向（軸方向）に関してマクロに濃
度を一定にできるが、ミクロな濃度不均一分布の発生を
抑える事ができない。

ウェハは、単結晶インゴットを軸に対して直角（又は斜
めに）にスライスしたものである。

このため、ウニへの面内に不純物濃度の不均一性が現わ
れる。

沙）　　　目　　　　　的 内るつぼの中の原料融液の中に生じた不純物濃度及び温
度の不均一性を減少させ、不純物濃度が一様であって、
単結晶化率の高い単結晶引上げ方法を提供する事を目的
とする。

に）構　成 内るつぼの融液の不均一性を解消するために、内るつぼ
の融液を攪拌する装置を設ける。

内るつぼの融液を攪拌する事によって、温度と不純物濃
度の一様性を高める事ができる。

これらの変数の分布が一様である融液から引上げた単結
晶はζ不純物濃度が一様であるし、単結晶である部分も
よシ多くなる。

以下図面によって成長装置を説明する。

第１図は単結晶成長装置の略断面図である。

単結晶１は、内融液２から、種結晶１６に続いて引上げ
られる。種結晶１６は上軸１０の下端に取付けである。

原料融液は、内るつぼ３によって、内融液２と、外部液
４に分けられる。外るつぼ５は、外部液４、内るつぼ３
などを内部に支持している。

外るつぼ５は例えばＰＢＮ製のるつぼである。

サセプタ６はカーボン製のるつぼであって、下軸９によ
って支持される。下軸９と上軸１０は、耐圧容器１５の
中心に於て、昇降回転自在に設けられる。

外るつぼ５はサセプタ６の中に置かれている。

サセプタ６の周囲には、カーボン抵抗体よりなるヒータ
７が設けられる。

ヒータ７を囲んで、断熱材８が設置される。

耐圧容器１５は、ヒータや断熱材、るつぼなどを内部に
含んでおり、不活性気体を導入して、内部を高圧に維持
する事ができる。

ＣＺ法であれば、゛内融液、外部液は、上部空間に対し
て露出しているが、ＬＥＣ法の場合は、さらに液体カプ
セル１γが内外融液を覆っている。

内るつぼ３の底面又は側面には、融液が通るべき流通孔
１２が穿孔されている。

以上の溝底は、通常の二重るつぼ法と同じである。

本発明に於ては、さらに、副軸１１と、これによって支
持され、下端は内融液２の中に没した攪拌器１，３を新
しく加えている。

副軸１１は耐圧容器１１の一箇所を上下に貫いて装入さ
れる。これは昇降移動する事ができる。

第２図は攪拌器１３のみを示す斜視図である。

攪拌器１３は、２本の平行な縦棒２１．２１と、この直
下にある足２２．２２、及び縦棒を上方で連結する半円
弧状の連結棒２３とよりなっている。

単結晶を成長させる場合、原料多結晶と不純物、液体カ
プセル剤を内るつぼの中へ入れて、ヒータで加熱する。

原料融液は内るつぼと、外るつぼに分かれる。この時の
不純物濃度は等しい。さらに、なんらかの手段で、内る
つぼだけに不純物を添加する。

こうすると、外るつぼの不純物濃度をＣに、内るつぼの
不純物濃度をｃ／ｋにする事ができる。

液体カプセル剤は内外融液の上を被覆している。

不活性気体を導入し、液体カプセルに数十ａｔｍの圧力
をかける。

種結晶１６を降下し、内融液２に漬ける。種付けした後
、上軸を回転させながら、徐々に引上げる。

下軸も回転させる。

結晶が引上げられると、内融液が減少するが、減少分だ
け、外融液から補充され、内融液の量は一定に保たれる
。

流通孔１２から流入した融液は、高温でおって、低不純
物濃度である。融液の粘度は高い。しかし、攪拌器１３
があるので、これによって内融液が攪拌される。このた
め、不純物濃度や温度の差は急速に消失し、一様性の高
い融液となる。

副軸１１を上下に動かすことによって、さらに攪拌効果
が高まる。

攪拌器１３の形状は任意である。第２図〜第８図にＡ−
Ｇまでの攪拌器の例を示す。

第３図の攪拌器Ｂは、３枚の板状の縦棒２４．２４．２
４を、上部で連結環２５によって連結したものである。

これは攪拌器が３つに増えるから、より攪拌効率が高い
。

第４図に示す攪拌器Ｃは、縦棒２６の下端に切欠き付き
リング２７を固着したものである。切欠き２８は内融液
の°中にあって、融液に擾乱を与える事ができる。

第５図に示す攪拌器りは、縦棒２９の下端に円板３０を
固着したものである。円板３０は、内融液の中であって
単結晶の直下に介在することになる。円周方向に攪拌す
る作用は少ない。しかし、副軸１１に固結した縦棒２９
を上下動させることによって、円板３０は、内融液を上
下に動かずことができる。効果的な攪拌を行う事ができ
る。

第６図〜第８図に示すものは、攪拌器の足の部分の改良
である。

攪拌器・Ｅは、足の部分が、３段の水平な攪拌フィン３
１となっている。これは上下動した時に融液を盛んにか
きまぜることができる。

第７図に示すものは攪拌器の足が上向斜面を有するくさ
び形３２となっている。くさびに向う方向に流れる融液
に対して効果的である。

第８図に示す例Ｇは、攪拌器の足の下面に段がある。こ
れも攪拌効果を挙げる事ができる。

副軸１１によって、攪拌器１３を支持したものでは、攪
拌器自体が静止しているので、自在に融液を攪拌する事
ができない。

攪拌器自体を自由に回動したい、という場合は、例えば
第９図に示すような装置を用いる。

これは遊星歯車装置４０を用い、副軸１１を回転させて
、攪拌器を回転させるようにしている。

遊星歯車装置４０は、中心の太陽歯車４１と、３〜４の
遊星歯車４２と、これらに噛合う外殼歯車４３とよりな
っている。遊星軸４５が遊星歯車４２を貫き、これを回
転自在に支持している。遊星軸４５の両端はキャリヤ４
４に固定されている。

太陽歯車４１の軸孔を上軸１０が貫いている。

両者の間にはなんらかの廻り止め機構があって、上軸１
０と太陽歯車４１とは同一回転をする。ただし、固結さ
れているのではなく、上軸１０に対し、太陽歯車４１は
上下に相対移動する事ができる。

副軸１１の下端に駆動歯車４７が固定されている。

外殼歯車４３は通常、単なる内歯歯車であるが、ここで
は外周部へさらに外歯歯車４６が切っである。

副軸１１下端の駆動歯車４７は、この外歯歯車４６と噛
みあっている。

遊星歯車４２の両側にこの歯先円より大きいスラスト円
板４８．４８、・・・・が設けられている。

また駆動歯車４７の両側にも、スラスト円板４９４９が
設けられている。

スラスト円板４９．４８は、遊星歯車装置４０の重さを
副軸１１によって支えるためのものである。太陽歯車４
１は、上軸１０の上を軸方向に滑る事ができるので、遊
星歯車装置４０の重さは、遊星歯車側方のスラスト円板
４８．４８から外殼歯車４３に伝わシ、さらにスラスト
円板４９．４９から駆動歯車４７及び副軸１１に伝わる
。

キャリヤ４４に攪拌器１３の上端が固結されている。

副軸１１を昇降すれば、攪拌器１３を昇降することがで
きる。

さらに、副軸を回転することによって、攪拌器を任意の
速度で回転させることもできる。

太陽歯車、遊星歯車、外殼内歯歯車の歯数を８１Ｐ、Ｉ
とする。これらの角速度をΩＳ１Ωｐ１Ωｉとする。歯
車に転位がなければＳ＋２Ｐ＝Ｉである。

角速度の間には次の関係がある。

ＳΩ５−４−Ｉｎｉ　＝　　（Ｓ−）−Ｉ）ΩＣ（１）
外殼歯車の外歯歯車の歯数を０、駆動歯車の歯数をＤと
すると、これらは噛み合っているので、角速度ΩｉとΩ
ｄの間に、 ０Ω１＝−ＤΩｄ　　　　　　　　　　（２）という関
係がある。

ΩＳは上軸１０の角速度であシ、Ωｄは副軸の角速度で
ある。

攪拌器の角速度ΩＣは、 ５＋Ｌ　　　　　（ｊ＋Ｌ　）　ＬＪ によって与えられる。上軸の回転数は自由に変える事が
できないとしても、Ωｄは自由に与えうるから、攪拌器
の速度を任意のものとする事ができるのである。

（３）実施例 第１図に示す装置を用いて、Ｉｎ添加ＧａＡｓ単結晶を
引上げた。

外るつぼはＰＢＮ製である。

内るつぼもＰＢＮ製である。内径は１２０朋φである。

内るつぼの底面の中心から５０門の位置に、４つの流通
孔を互に対称になるよう穿孔した。つまり、４つの流通
孔は底面に於て、正方形の頂点をなすよう配置されてい
る。流通孔はｌ　ｍｍφの穴で長さは１朋である。

ＭＯのおもシ及びＰＢＮの浮きを用いて、内るつぼに生
ずる浮力及び重力を調整した。

攪拌器には、ＰＢＮ製の５Ｍφのパイプ２本を用いた。

このパイプの長さは５０朋で、ＭＯ棒にねじこまれてい
る。２本のパイプは、約１１０朋φのステンレスリング
の直径上の２点から垂直に下つている。パイプとリング
の接続点は固結されている。

ステンレスリングは、るつぼや上軸と同心になるよう、
副軸に固定されている。

４　ｋＱのＧａＡｓ多結晶と、１２　ｇのＩｎとを外る
つぼの中に入れた。この上に内るつぼを置き、６００ｇ
のＢ２Ｏ３（液体カプセル剤）を内るつぼに入れた。

上軸にカゴを取シ付け、ここに約４５　ｇのＩｎＡｓを
入れた。上軸下端に種結晶を取付けた。種結晶の方位は
（１００）である。

容器を閉じ、ヒータに通電し、昇温した。不活性気体を
入れ高圧を加えた。液体カプセル剤、原料多結晶が融け
た。

内るつぼは原料融液の上に浮いていた。そこで副軸を下
ろし、攪拌器の足で、内るつぼを融液中へ押下げた。原
料融液の圧力が高まるので、これは流通孔を通って内る
つぼの中へ流入していった。

内るつぼの運動は、浮力と重力とが約９合う位置で平衡
し停止する。この時、内るつぼ内の原料融液の深さは、
１．６ａｎであった。

攪拌器の足が、内るつぼの融液の液面（Ｂ２Ｏ３とＧａ
ＡＳ融液の界面）から直下１０の位置にあるよう、副軸
の位置を決めた。

上軸を下げ、カゴの中のＩ　ｎＡｓを内るつぼに近づけ
た。ＩｎＡｓが融けて内るつぼの中へ入った。

こうして、内るつぼのＩｎ濃度は約３　ｗｔ％となった
。

外るつぼのＩｎ濃度は０，３ｗｔ％である。

種結晶を内るつぼ融液に漬けて、種付けした。

以後、単結晶引上げを行った。上軸回転は５甲り下軸回
転は３Ｑ　ｒｐｍであった。引上げ速度はＩＱｍｍ／ｂ
ｒであまた。

内るつぼの融液量は一定であるが、外るつぼの融液量は
、結晶化した分だけ減少してゆく。このため、内るつぼ
の液面も下降する。

引上げられた結晶の重量から、融液面の下降量を計算し
、副軸を徐々に下げ、攪拌器の足が常時融液表面下１ｍ
の高さにあるようにした。

攪拌器は静止している。しかし、下軸が回転してい、る
ので、融液も下軸回転によって回転運動している。この
ため攪拌器は融液に対して相対的に回転する事になシ、
融液をかきまぜる事ができる。

こうして、約８　ｋｇのＧａＡｓ結晶を引上げた。冷却
後、炉の外へ取り出して調べた。全体が単結晶であった
。双晶の発生はみられない。

インゴットの軸方向に於けるＩｎ濃度は、全体に於て０
．３０±０．０１％の範囲に含まれた。

インゴットをスライスしてウェハとし、ウェハ面内での
Ｉｎ濃度の分布を調べた。Ｉｎ濃度のばらつきは、中心
値に比べて１．０〜１．１％にすぎず極めて少なかった
。

攪拌器を用いない二重るつぼ法によって作ったＧａＡｓ
ウェハの場合、通常、この値のバラツキは、２．０〜３
．０％である。

攪拌器の作用によって、バラツキが、大幅に減少してい
゛る、という事が分る。

防）効　果 二重るつぼ引上げ法に於て、外るつぼから内るつぼに入
った熱い融液が十分混らずに固液界面に当たると、固液
界面は急激に後退（上昇）する。

熱い融液が尚たらないと、固液界面は進出（下降）する
。熱い融液の流れ王台によって起こる急激な固液界面の
変動は、双晶の発生を促す。

本発明に於ては、外るつぼから流入した融液が十分混ざ
るために、内るつぼ融液に於て、不純物濃度、温度が均
一になる。

引上げた単結晶は、ウェハ面内に於て不純物濃度が一定
になる。

また、融液温度が安定しているから、固液界面が安定し
ておシ、双晶は発生せず、単結晶を得やすい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る単結晶引上げ装置の断面
図。 第２図は２本の縦棒を攪拌棒とする攪拌器Ａの斜視図。 第３図は３本の攪拌棒を有する攪拌器Ｂの斜視図。 第４図は切欠き付リングを有する攪拌器Ｃの斜視図。 第５図は円板を攪拌板とする攪拌器りの斜視図。 第６図は下端にフィンを有する攪拌器Ｅの下端斜視図。 第７図は下端にくさび形を有する攪拌器Ｆの下端斜視図
。 第８図は下端に段部を有する攪拌器Ｇの下端斜視図。 第９図は遊星歯車を用いた攪拌器の断面図。 １・・・・単　結　晶 ２・・・・内　融　液 ３・・・・内るつぼ ４・・・・外融　液 ５・・・・外るつぼ ６・・・・サセプタ ７　　・・・・　　ヒ　　　　−　　　タ８・・・・断
　熱　材 ９・・・・下　　軸 １０・・・・上　　軸 １１・・・・副　　軸 １２・・・・流　通　孔 １３・・・・攪　拌　器 発　　明　　者　　　　　　　　　　　多　　１）　紘
　　二重　　井　　龍　　資 特許出願人　　　　　　住友電気工業株式会社第１図 第４図 切欠き付きリング 第７図　　　　　第８図 くさび形 第９図 １０上軸 ９′下軸

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料融液を入れるべき外るつぼと、融液の通る流
   通孔を有し外るつぼの融液上に浮べられ原料融液を入れ
   るべき内るつぼと、外るつぼを支持する回転昇降自在の
   下軸と、内外るつぼの周囲に設けられ原料融液を加熱す
   るヒータと、下端に取付けた種結晶により内るつぼ融液
   から単結晶を引上げるべき回転昇降自在の上軸と、内る
   つぼの融液を攪拌するための攪拌器と、攪拌器を支持し
   少なくとも昇降可能な副軸と、内外るつぼ、ヒータ、上
   軸、下軸、副軸などを囲む耐圧容器とより構成される事
   を特徴とする二重るつぼ単結晶引上げ装置。
2. （２）撹拌器は、２本の縦棒と、これらの上端を結合す
   る半円弧状の連結棒とからなるものである特許請求の範
   囲第（１）項記載の二重るつぼ単結晶引上げ装置。
3. （３）攪拌器は、３本の縦棒と、これらの上端を結合す
   る連結環とからなるものである特許請求の範囲第（１）
   項記載の二重るつぼ単結晶引上げ装置。
4. （４）攪拌器は、縦棒の下端に切欠き付きリングを水平
   に固着したものである特許請求の範囲第（１）項記載の
   二重るつぼ単結晶引上げ装置。
5. （５）攪拌器は、縦棒の下端に円板を水平に固着したも
   のである特許請求の範囲第（１）項記載の二重るつぼ単
   結晶引上げ装置。
6. （６）攪拌器の上端は、太陽歯車が上軸に廻り止め結合
   されている遊星歯車装置のキャリヤに固結されており、
   遊星歯車装置の外殼歯車には外歯歯車が切つてあつて、
   副軸の下端に固結した駆動歯車と前記外歯歯車が噛合し
   ていることを特徴とした特許請求の範囲第（１）項記載
   の二重るつぼ単結晶引上げ装置。