JP2010501466A - 結晶製造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 例えばホットゾーンを開放し、ホットゾーンを新しい結晶径に容易に適合させる手段を提供することによって、電力消費量を低減し、ホットゾーン部分の寿命を延ばし、生産性を改善することのできる示された新規なホットゾーン構造、ガス流、及び成長プロセスによって実現される。
Description
(A)ホットゾーン部分の寿命。例えば、黒鉛又は黒鉛フェルト部分、シリコン融液、及びシリカ製のるつぼの場合、その寿命限界は、主に、シリコン酸化物と黒鉛とが反応して、黒鉛表面上にシリコンカーバイドが形成され、熱伝導率、放射率、及び、ヒータの場合には、抵抗率などの材料特性が変化し、最終的には破損が生じることに起因する。上記変化は、特にホットゾーンに不均一に分布している場合、ホットゾーン及び結晶の温度分布を変化させ、これはプロセス条件の非最適化をもたらし、ひいては結晶収率及び/又は結晶品質の低下をもたらすことがある。例えば、結晶の酸素濃度がその目的値からドリフトしたり、単結晶構造が失われたりすることがある。
(B)結晶収率。ガス流が融液から蒸発する種(例えばSiO)を追い出し、融液表面近傍での粒子の(例えばSiOの)形成を阻止し、融液、最終的に結晶/融液境界に達して、多くの場合、結晶又はその一部を役に立たないものにしてしまう転位形成をもたらして、結晶収率を低下させることがある。また、更なる汚染物質/付着物が融液表面の下流の炉内の更に遠くにある部分に形成されるか、又はそこから発生することがある。このような汚染物質は気相及び/又は粒子相を含むことがあり、融液までドリフトする可能性がある。(例えばAs、Sb、Pを用いて)高濃度ドープされた結晶は、融液中で高濃度のドーパントも必要とし、このドーピング元素は酸化物として蒸発し、後で粒子を形成したり、接触させられるときにホットゾーン部分の磨耗を生じさせたりする可能性がある。
(C)結晶の酸素濃度。融液表面近傍のガス流は、融液からの酸素(例えば、SiO又は酸素を含んだ他のガス又は蒸気として)の蒸発速度に影響を及ぼし、結晶の酸素濃度を制御する主要な要因に入る。原理上、融液表面をパージするアルゴン質量流量が大きくなれば、一般に、結晶中の酸素濃度は低下する。
(D)結晶不純物。シリコン結晶中にある主な不純物の1つは炭素である。炭素汚染の大部分は蒸発するSiOガスと高温の黒鉛部分との反応から生じる。この反応はCOガスを発生させて、ガス流がこれを可能にする場合にはCOガスは融液まで達して、融液及び結晶の炭素濃度を増大させることがある。
(E)ガス消費量は本発明の諸実施形態によって低減可能であり、これに関連するコストが小さくなる。さらに、ガスが汚染物質を融液に運ぶ可能性は低くなる。
(a)電力消費量の低減。
(b)高価で交換に時間がかかるホットゾーン部分、例えば、構造用の黒鉛部分及び絶縁部分の実用上の寿命の延長。また、絶縁が適切で、温度分布が適切に均一であれば、ホットゾーン構成要素が相当磨耗した後でも、成長プロセスはより再現性のあるものになる。
(c)容易かつ高いコスト効率で結晶直径の変更にホットゾーンを適合可能にするホットゾーン構造。結晶品質及び結晶収率を維持又は改善すると同時に、よりよいコスト効率が達成される。
(d)費用のかかる改変を炉に行わなくても、又は高価な追加機器を必要とせずに、合理的に可能な限り、標準的な結晶成長炉に適合する本発明の諸実施形態を用いてよりよいコスト効率が達成される。
(i)良好かつほぼ連続的な断熱を有するように構築され、コスト効率を改善する結晶引き上げ炉のホットゾーン。
(ii)異なる2つの経路を通ってガスがホットゾーンに入る新規な不活性ガス経路であって、流れのパターンを改善し、その結果、黒鉛部分の寿命及び結晶収率及び品質を改善し、不活性ガス消費量は比較的低くなる。
(iii)引き上げ装置に既に存在している上昇機構を用いて、結晶成長装置の主真空チャンバの最上部と一緒にホットゾーン上部部分を上昇させることを可能にする、ホットゾーン設計及び関連する部分の接続。
(iv)ホットゾーンの比較的小さくて安価なほんの少数の部分を容易に変更することによって、ある結晶径から別の結晶径に良好に適合させることを可能にするホットゾーン。
(v)オペレータの労力を省くホットゾーン設計。本発明の一実施形態のホットゾーン設計は、炉をきれいにかつ容易に接近可能に保ち、ひいては、ホットゾーン部分及び成長チャンバの清掃作業を低減する。
(1)構造的部分はホットゾーン絶縁部の内側に設けられる。すなわち、それらの温度は高く、成長中の材料の融点付近である。
(2)構造的部分はホットゾーン絶縁部の外部に設けられ、それらの温度は上記融点未満で数百℃である。
(3)図1のるつぼ軸13aのように、絶縁部両側に延在するそれら少数の構造的部分は、結果的に生じる熱損が小さくなるように構築される。分類(3)のこれらの部分の断面積は、熱がホットゾーン内部から絶縁部を通って外部へ移動するのに必要な距離に比して小さい。
融液を保持するるつぼと、
るつぼ内の材料を溶融して融液を作るために、るつぼを加熱するヒータと、
るつぼ内の融液から結晶を引き上げるように構成された引き上げ機構と、
ホットゾーンを収容する、結晶成長炉の真空チャンバと、
チャンバを開放するために引き上げチャンバの上部部分を上昇させる機構と、加えて、
熱伝導材料及び断熱材料から成るホットゾーン構造とを備える。
ヒータ及び/又はるつぼ周囲の実質的に連続する断熱部と、
ヒータ電極、及びるつぼを支持する軸のための、融液表面より上の結晶用の絶縁部にある必要な開口部と、
排気ライン及びパージガスライン用の穴とを備える。
このような炉は、
(i)とりわけ、(i1)溶融半導体材料を保持するるつぼと、(i2)るつぼをある温度まで加熱して、るつぼ内の半導体材料を溶融するためのヒータとを含む、ホットゾーンを収容する、結晶成長炉の引き上げチャンバと、
(ii)半導体結晶をるつぼから引き上げるための、るつぼの上にある引き上げ機構とを備えることができる。
また、このような流れ構成は、
引き上げチャンバの上部部分への1以上の不活性ガス入口と、
引き上げチャンバの底部からの1以上のガス出口と、
ホットゾーン上方からの不活性ガス流路とホットゾーンに入るときに少なくとも第1の経路と第2の経路とに分割される不活性ガス流路とを含む、不活性ガス流経路とを更に備える。
装填物及び/又は融液を保持するるつぼと、
るつぼ内の材料を溶融するため及び/又は結晶の成長中に材料を融解状態に維持するための少なくとも1つのヒータと、
溶融及び/又は結晶成長中に熱損及び/又は加熱用の電力消費量を低減するために、少なくともるつぼ及びヒータを囲繞する実質的に連続する断熱部とを備える。
装填物及び/又は融液を保持するるつぼと、
るつぼをある温度まで加熱して、るつぼ内の材料を溶融するためのヒータ及び制御手段を含む、熱的構成と、
融液るつぼから結晶を引き上げるように構成された引き上げ機構と、
少なくとも1つの前記るつぼと前記ヒータとを、成長すべき結晶を成長させるための雰囲気内に密閉するように構成された成長チャンバと、
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造とを備える。
成長チャンバと、
成長チャンバ内の、本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造のホットゾーン部分を取り付けるように構成された取付手段とを少なくとも備える。
雰囲気用のガス流を成長チャンバに送り込むステップと、
成長チャンバに送り込まれたガス流を第1の部分流と第2の部分流とに分割するステップと、
前記第1の部分流の発生部分を融液表面の方に誘導して、誘導表面によって前記第1の部分流の第2の部分を形成するステップと、
前記第1の部分流の前記発生部分及び第2の部分を相互に絶縁して、第1の部分流の第2の部分を融液温度又は融液温度近くに維持するステップと、
少なくとも前記第1の部分流を誘導してホットゾーンから出て行かせるステップと、
るつぼ及び/又は結晶引き上げ領域の融液を回避するために、出口へのシースガス流として第2の部分流を誘導するステップとを含む。
1a 上部部分
1b 中間部分
1c 底部部分
3 種晶
3b ネック
4 結晶
5 融液
6 るつぼ
7 管
8 シリコン装填物
10 サセプタ
11 主ヒータ
12 底部ヒータ
13a るつぼ軸
13b 外側絶縁部
13c 内側絶縁部
20 遮蔽部
21 絶縁部
23 開口部
30 外側遮蔽部
30b 外側遮蔽部
31 絶縁部
31b 絶縁部
32 内側遮蔽部
32b 内側遮蔽部
33 キャップ
33a ディスク
33b 絶縁部
34 流路
40 底部部分
41 絶縁部
42 管
63 対流
72 上昇機構
80 耐熱材料(金属材料)
81 引き上げ機構
II 流れ
IIa 流れ(パージガス流)
IIb 流れ(側流)
III 流れ
IIIb 流れ(追加のガス流)
Claims (15)
- チョクラルスキー法による結晶成長のためのホットゾーン構造であって、
前記ホットゾーン構造が、入口流を第1の部分流と第2の部分流とに分割して、前記第1の部分流が誘導表面に沿って誘導されてホットゾーンを出る前に融液流域に入り、前記第2の部分流がホットゾーンを出る前にるつぼ内の融液より上の空間を回避するように構成された流れ誘導構成を含むことを特徴とする、ホットゾーン構造。 - 前記第1の部分流が誘導されて、融液が発生する装填物に面する空間に入り、前記第2の部分流が、前記装填物に面する前記空間を回避するように構成された、請求項1に記載のホットゾーン構造。
- 前記第1及び第2の部分流が、ホットゾーン及び/又は炉を出る前に合流するように構成された、請求項1に記載のホットゾーン構造。
- 前記第1及び/又は第2の部分流が、ホットゾーン及び/又は炉を互いに別個に出るように構成された、請求項1に記載のホットゾーン構造。
- 前記流れ誘導構成は、少なくとも1つの管状遮蔽部材が、前記第1の部分流及び/又は融液に生じる蒸気から、加熱要素、前記るつぼ、るつぼ壁部分、サセプタ、結晶、管状及び/又は円錐状部材のうちの少なくとも1つを保護するための流路壁を少なくとも部分的に形成するように構成されるように、結晶軸線又はその延長部周囲の少なくとも一部に設置可能な壁として、少なくとも1つ管状遮蔽部材を更に含む、請求項1に記載のホットゾーン構造。
- 前記ホットゾーン構造が、第1の部分流及び/又は第2の部分流のために、前記第1の部分流及び前記第2の部分流を合流させるための、炉のガス出口の出口流路内へ延在する領域を含む、請求項1に記載のホットゾーン構造。
- るつぼ、サセプタ、遮蔽部材、合流領域、装填物、成長の段階に従ってある高さを有する融液表面、引き上げられた結晶の結晶表面部分、及び管状及び/又は円錐状部材のうちの少なくとも1つが結晶成長又は結晶成長のある段階中に炉内の特定の流れの幾何学形状を画定する、請求項1に記載のホットゾーン構造。
- ガス流の少なくとも1つが、少なくとも第1の部分と第2の部分との間の流路内に誘導され、前記第1及び/又は第2の部分は円筒状、実質的に円筒状、厳密に円筒状、円錐状、実質的に円錐状、平坦及び/又はほぼ平坦な幾何学形状を有する、請求項1に記載のホットゾーン構造。
- 前記ホットゾーン構造が、流れの幾何学形状を設定するための、第1の特徴的大きさを有する第1の結晶のための第1の流れ構成用の第1のセットと、第2の特徴的大きさを有する第2の結晶のための第2の流れ構成用の第2のセットとを更に含む、請求項1に記載のホットゾーン構造。
- 前記ホットゾーン構造が、
装填物及び/又は融液を保持するるつぼと、
るつぼ内の材料を溶融するため及び/又は結晶の成長中に材料を融解状態に維持するためのヒータと、
溶融及び/又は結晶成長中に熱損及び/又は加熱用の電力消費量を低減するために、少なくともるつぼ及びヒータを囲繞する実質的に連続する断熱部とを備える、請求項1に記載のホットゾーン構造。 - 請求項1乃至10のいずれか一項に記載のホットゾーン構造を含む、チョクラルスキー法による結晶成長用の炉。
- チョクラルスキー法による結晶成長法であって、入口流を炉のホットゾーンで第1の部分流と第2の部分流とに分割して、前記第1の部分流が誘導表面に沿って誘導されてホットゾーンを出る前に融液流域に入り、前記第2の部分流がホットゾーンを出る前にるつぼ内の融液より上の空間を回避するようにすることを特徴とする、チョクラルスキー法による結晶成長法。
- 雰囲気用のガス流を成長チャンバに送り込むステップと、
成長チャンバ送り込まれたガス流を第1の部分流と第2の部分流とに分割するステップと、
前記第1の部分流の発生部分を融液表面の方に誘導して、誘導表面によって前記第1の部分流の第2の部分を形成するステップと、
前記第1の部分流の前記発生部分及び第2の部分を相互に絶縁して、第1の部分流の第2の部分を融液温度又は融液温度近くに維持するステップと、
少なくとも前記第1の部分流を誘導してホットゾーンから出て行かせ、るつぼ及び/又は結晶引き上げ領域の融液を回避するために、出口へのシースガス流として第2の部分流を誘導するステップとを更に含む、請求項12に記載の方法。 - シリコン結晶、ゲルマニウム結晶、半導体結晶、炭素族からの元素を含む結晶、III族からのドーパントを含む結晶、又はV族からのドーパントを含む結晶のための方法である、請求項12に記載の方法。
- 結晶であって、前記結晶が請求項12乃至14のいずれか一項に記載の方法によって製造されることを特徴とする結晶。
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