JP2016117642A - 浮遊帯から単結晶を結晶化させることによって単結晶を成長させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】浮遊帯から単結晶を結晶化させることによって単結晶を成長させる方法を提供する。【解決手段】浮遊帯から単結晶を結晶化させることによって単結晶を成長させる方法であって、浮遊帯は、誘導加熱され、結晶化する単結晶は、ある回転方向に回転され、回転方向は、間をおいて交互に反転され、回転方向の反転のために単結晶が静止状態にある滞留時間は、６０ミリ秒以下に制限されることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明の主題は、浮遊帯から単結晶を結晶化させることによって単結晶を成長させる方法であって、浮遊帯は、誘導加熱され、結晶化する単結晶は、ある回転方向に回転され、回転方向は、間をおいて交互に反転される。

上記のタイプの方法は、ゾーンメルト法、または浮遊帯法、略してＦＺ法である。当該方法は、シリコンから単結晶を生成するためにしばしば使用され、単結晶は次いで半導体ウェハにさらに加工され、半導体ウェハから電子部品が生成される。従来の方法で行われる場合、多結晶の供給ロッドが下端で溶融し、当該溶融部に単結晶の種結晶が押し付けられてゆっくりと下げられ、方法がさらに進むと、溶融材料が種結晶上で結晶化して、単結晶が形成される。種結晶および単結晶は、シャフト上に位置し、当該シャフトは、シャフトの回転および上げ下げを可能にする駆動装置と接続されている。供給ロッドと種結晶上で結晶化する単結晶との間に延在する浮遊帯を形成するために供給ロッドをさらに溶融して下げることによって、溶融部の体積は増加する。浮遊帯は、単結晶の結晶化に必要な材料を提供する。供給ロッドの溶融を継続することにより、供給が使い尽くされるまで単結晶が成長する。

供給装置として供給ロッドを使用する必要はない。供給ロッドの代わりに、破片または顆粒も供給装置を構成してもよい。また、供給装置は、必ずしも多結晶である必要はない。ＵＳ２００５／０１８８９１８ Ａ１およびＵＳ２００９／０２２３９４９ Ａ１には、供給装置として顆粒が使用される方法が記載されている。

結晶化する単結晶を回転させ、間をおいて交互に回転方向を反転させることが有利である。交互回転と呼ばれるこの手法は、単結晶内でドーパントをより均一に分散させ、単結晶を所望の円柱形状に成長させることを促進する。ＵＳ２００３／００２４４６８ Ａ１には、特定の交互の態様に基づいて行われる交互回転が記載されている。

浮遊帯は、誘導加熱され、安定化される。この目的で、供給装置と結晶化する単結晶との間に誘導加熱コイルが配置される。誘導加熱コイルは、通常、一巻きのほぼ環状の平坦なコイルであり、浮遊帯は、誘導加熱コイルの中心孔を通って延在する。

巻きの端部が互いに近付く誘導加熱コイルの間隙および電流源の領域が重要である。なぜなら、誘導加熱コイルによって生成される電磁場は、そこが誘導加熱コイルの他の領域よりもはるかに強いからである。この事実は、単結晶の結晶化の邪魔されない進行を危うくする可能性がある。ＤＥ２５３８８３１では、電磁場強度を下げるために巻きの端部を重ね合わせることが提案されている。ＤＥ １０ ２０１１ １２２ ３８１ Ａ１によれば、誘導加熱コイルの均一性の欠如によって引き起こされる単結晶の円錐部分の結晶化の問題は、１つの回転方向の回転量が１回転以上であると規定する交互回転のための交互の態様によって回避することができる。

ＵＳ２００５／０１８８９１８ Ａ１ ＵＳ２００９／０２２３９４９ Ａ１ ＵＳ２００３／００２４４６８ Ａ１ ＤＥ２５３８８３１ ＤＥ １０ ２０１１ １２２ ３８１ Ａ１

本発明の目的は、誘導加熱コイルの間隙および電流源の領域における過剰な電磁場強度の不利な結果に対処することを目的としたさらなる改良点を提案することである。

当該目的は、浮遊帯から単結晶を結晶化させることによって単結晶を成長させる方法によって実現され、浮遊帯は、誘導加熱され、結晶化する単結晶は、ある回転方向に回転され、回転方向は、間をおいて交互に反転され、回転方向の反転のために単結晶が静止状態にある滞留時間は、６０ミリ秒以下に制限されることを特徴とする。滞留時間を４０ミリ秒以下に制限することが好ましく、それを３０ミリ秒以下に制限することが特に好ましい。

静止状態における単結晶の滞留時間を制限することは、浮遊帯およびそこに隣接した単結晶の一部が一方の側で過剰な電磁場強度にさらされる時間を最小限にするという目的を追求する。滞留時間が比較的長くなると、単結晶が間隙および電流源の下方のその上部周縁においてメルトバックされるリスクが高くなる。

理想的なケースでは、滞留時間は無視できるほどのものであるだろう。実際には、そのようなことはない。なぜなら、加速のための信号が駆動装置に伝達された後にシャフトおよびその結果単結晶を実際に動かす前に、抵抗、例えば駆動装置からシャフトへの力の伝達に関連するシャフトのベアリングにおける摩擦力、にまず打ち勝たなければならないからである。

静止状態における単結晶の滞留時間を制限するための好ましい手法は、速度プロファイルの事前設定に従った加速局面中の単結晶の回転運動を開始させる駆動装置の回転速度を制御するというものであり、その結果、加速局面の開始時であって少なくとも加速局面の１/４以上の期間中における駆動装置の回転速度の増加は、毎分３０００回転／分以上である。駆動装置の回転速度の増加は、この期間中は好ましくは線形的であり、単結晶の回転運動も実際により迅速に再開するという効果を発生させる。この期間中の駆動装置の回転速度の増加は、好ましくは３５００ｒｐｍ^２以上であり、特に好ましくは３８００ｒｐｍ^２以上である。しかし、４５００ｒｐｍ^２を超える駆動装置の回転速度の増加は、その効果のために、結晶化する単結晶から浮遊帯の材料が強制的に力を受けるというリスクを伴う。

加速局面に先立って減速局面があり、当該減速局面中、駆動装置は速度プロファイルの事前設定に従って制御され、それによって、単結晶の静止状態に達するまで、駆動装置の回転速度は下げられる。事前設定に従った駆動装置の回転速度の減少は、好ましくは同様に線形的である。

加速局面の開始時であって加速局面の少なくとも１/４の期間中における速度プロファイルの事前設定に従った駆動装置の回転速度の増加量は、好ましくは、先立つ減速局面の終了前の対応する期間中における速度プロファイルの事前設定に従った駆動装置の回転速度の減少量よりも大きい。

加速局面の開始時における駆動装置の速度プロファイルの事前設定に従った３０００ｒｐｍ^２以上の駆動装置の速度の増加は、単結晶の回転運動のオーバーシュートを回避する傾向があるという効果もある。オーバーシュートの場合、単結晶の回転速度は、当面は、駆動装置の速度プロファイルの事前設定によって予め決定される駆動装置の回転速度よりも大きく、時間が経つにつれて事前設定の値のまわりで振動するようになる。オーバーシュートは、単結晶の回転運動に対する抵抗に急に打ち勝ったことの表れである。

したがって、駆動装置の回転運動を開始させた際に、駆動装置から単結晶を保持するシャフトへの力の伝達が、できるだけロスの少ない状態で行われ、できる限り、伝達された力が、単結晶を動かして単結晶の回転運動を維持するためだけに利用されるようにすることが得策である。ベルトによる低振動力伝達の駆動装置が好ましくは設けられ、駆動シャフトと単結晶を保持するシャフトとの間の比較的高いベルト張力が選択される。ベルト張力は、好ましくは、使用されるベルトの機械的負荷の許容限界に近い。このような振動が例えば短時間の衝撃によって機械的に開始された後で駆動装置が停止しているときに張力を受けるベルトの一部において１００Ｈｚ以上１５０Ｈｚ以下の固有振動を引き起こすベルト張力が特に好ましい。

間隙および電流源の領域における過剰な電磁場強度は、好ましくは制限される。したがって、この領域において放出される電力は、間隙および電流源からさらに遠い領域における誘導加熱コイルによって放出される電力の５倍と同じぐらいであるべきである。

したがって、誘導加熱コイルは、好ましくは、端部が重なり合う一巻きの平坦なコイルとして形成される。鋭角でテーパ状になって重なり合う端部が、特に好ましい。

本発明に係る方法は、スペースの欠如により高さが比較的低い誘導加熱コイルが使用されるまたは使用されなければならない場合に特に有利である。誘導加熱コイルの高さは、誘導加熱コイルの上側と下側との間の最大距離である。誘導加熱コイルの高さが低ければ、誘導加熱コイルの間隙および電流源の領域における過剰な電磁場強度が大きくなる。スペースの欠如は、特に顆粒および／または破片をそこで溶融する目的で誘導加熱コイルの上方にプレートまたはるつぼが設けられる場合に起こる。

本発明に係る方法は、好ましくは半導体材料から単結晶を生成するために使用され、特に好ましくはシリコンから単結晶を生成するために使用される。浮遊帯を生成するための供給装置は、好ましくは多結晶であり、ロッド、破片および／または顆粒の形態をとる。

図面に基づいて、本発明について以下でより詳細に説明する。

減速局面の開始と加速局面の終了との間の駆動装置の回転速度のプロファイルの事前設定を表わす破線によって示される曲線を有する図である。実線は、駆動装置によって動かされる単結晶の結果として生じる回転速度のプロファイルを表わす。 減速局面の開始と加速局面の終了との間の駆動装置の回転速度のプロファイルの事前設定を表わす破線によって示される曲線を有する図である。実線は、駆動装置によって動かされる単結晶の結果として生じる回転速度のプロファイルを表わす。 駆動シャフトから単結晶を保持するシャフトへのベルトによる力の伝達の概略図である。

図１に従って、事前設定に従った駆動装置の回転速度のプロファイルは、減速局面の終了時における回転速度の減少量と加速局面の開始時における回転速度の増加量とが同一であるように選択される。Ｒ_ｒおよびＲ_ｌは、回転運動の回転方向および毎分回転数でのそれらの回転速度を表わす。加速局面の開始時における駆動装置の回転速度の増加は、３０００ｒｐｍ^２未満である。その結果、静止状態における単結晶の滞留時間ＤＴが比較的長くなり、単結晶の回転速度のプロファイルは、加速局面中にオーバーシュートを示す。

図２に従って、駆動装置の回転速度のプロファイルは、減速局面の終了時における回転速度の減少量と加速局面の開始時における回転速度の増加量とが同一でないように選択される。やはり、Ｒ_ｒおよびＲ_ｌは、回転運動の回転方向および毎分回転数でのそれらの回転速度を表わす。減速局面の終了時における回転速度の減少量は、加速局面の開始時における回転速度の加速量未満である。特に、加速局面の開始時における駆動装置の回転速度の増加は、３５００ｒｐｍ^２である。その結果、静止状態における単結晶の滞留時間ＤＴが６０ミリ秒未満と短くなり、単結晶の回転速度のプロファイルは、加速局面中にいかなるオーバーシュートも示さない。

図２に従って実現される単結晶の回転速度のプロファイルは、駆動シャフト１から単結晶を保持するシャフト２へのベルト３による力の伝達によって実現された（図３）。ベルト３の、張力を受けた下方部分４において、駆動シャフトが停止している状態では１４０Ｈｚの固有振動が測定された。

Claims (5)

1. 浮遊帯から単結晶を結晶化させることによって前記単結晶を成長させる方法であって、前記浮遊帯は、誘導加熱され、前記結晶化する単結晶は、ある回転方向に回転され、前記回転方向は、間をおいて交互に反転され、前記回転方向の反転のために前記単結晶が静止状態にある滞留時間は、６０ミリ秒以下に制限されることを特徴とする、方法。
2. 速度プロファイルの事前設定に従った加速局面中の前記単結晶の回転運動を開始させる駆動装置の回転速度を制御し、その結果、前記加速局面の開始時であって前記加速局面の１/４以上の期間中における前記駆動装置の前記回転速度の増加は、３０００ｒｐｍ^２以上であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記加速局面の開始時であって前記加速局面の少なくとも１/４の期間中における前記速度プロファイルの前記事前設定に従った前記駆動装置の前記回転速度の増加量は、前記加速局面に先立つ減速局面の終了前の対応する期間中における前記速度プロファイルの前記事前設定に従った前記駆動装置の前記回転速度の減少量よりも大きいことを特徴とする、請求項２に記載の方法。
4. 端部が重なり合う一巻きの平坦なコイルとして形成される誘導加熱コイルにより前記浮遊帯を加熱することを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 一巻きの平坦なコイルとして形成され、かつ、２０ｍｍ以下の高さを有する誘導加熱コイルにより前記浮遊帯を加熱することを特徴とする、請求項３に記載の方法。

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