JP2589212B2 - 半導体単結晶製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、るつぼ内に原料を連続的に供給し、均質な
半導体単結晶を連続的に製造する半導体単結晶製造装置
技術に関する。

（従来の技術） 半導体単結晶の育成には、るつぼ内の原料融液から円
柱状の結晶を育成するCZ（チョクラルスキー引上げ）法
が用いられている。

通常、半導体単結晶の育成に際し、育成される単結晶
の抵抗率を制御する必要があるが、このCZ法を用いた場
合には、育成される単結晶の抵抗率を制御するために、
るつぼ内の原料融液にドーパントと呼ばれる不純物元素
を添加する。しかしながらドーパントは一般に偏析係数
が１でないため、通常のCZ法では、結晶の長さが長くな
るにつれ結晶中の濃度が変化する。これは、ドーパント
濃度で抵抗率の制御を行なう半導体単結晶の製造におい
ては深刻な問題となっている。

この問題を解決するために、原料をるつぼ内に連続的
に供給し、原料融液中のドーパント濃度を一定に保つ連
続チャージ法や二重るつぼを用いた技術（特開昭63−79
790）が提案されている。連続チャージ法における原料
供給手段としては、粒状シリコンを直接供給する方法が
盛んに用いられている（特開平１−153589）等の提案が
ある。

（発明が解決しようとする課題） この粒状シリコンを用いた連続チャージ法では、単結
晶育成部と原料供給部とを二重るつぼにより分離してい
るが、この方法では内るつぼの内壁から多結晶が発生し
易く、また成長速度も低下しやすいという問題があっ
た。

また、るつぼからの酸素混入量が増大するという問題
があった。

また、育成結晶の直径の増大と共に原料供給量も増大
するため、粉塵による有転位化の確率が増加するという
問題があった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、ドーパ
ント濃度が一定で結晶欠陥が少なくさらに信頼性の高い
半導体単結晶を得ることのできる半導体単結晶製造装置
を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） そこで本発明では、るつぼ内の単結晶育成部を筒状体
で覆うと共に、この単結晶育成部から離間した位置に複
数の原料供給部を配設し、これらの原料供給部の先端を
るつぼ内の原料融液中に浸漬し、これらの原料供給部か
らるつぼ内に原料粉末を供給するようにしている。

すなわち、本発明では、育成部の周りを覆う円筒状体
が、原料融液の液面近傍で外側に折り返され、断面コの
字状の折り返し部を形成するとともに、さらにこの折り
返し部の外側に突出する突出部を構成してなる外筒と、
前記外筒の外側に位置するとともに前記突出部に当接す
るように複数の案内筒からなる原料供給部を配設し、こ
れらの原料供給部の先端をるつぼ内の原料融液中に浸漬
し、前記育成部内の気相部と、前記案内筒内の気相部と
が互いに独立となるようにし、これらの原料供給部から
るつぼ内に原料粉末を供給するようにしたことを特徴と
する。

望ましくは、引上装置内気相部と、前記案内筒内気相
部とが互いに独立となるように構成する。

さらに望ましくは、この原料供給部を保温材で保温す
るようにしている。

さらに望ましくは、この原料供給部の原料融液中に浸
漬された領域に複数個の流通孔を配設するようにしてい
る。

（作用） 上記構成によれば、るつぼ内の単結晶育成部を筒状体
で覆うことにより、原料供給に際しての粉塵から単結晶
育成部を隔離することができ、有転位化を防止すること
ができる。

また、本願発明において外筒は、るつぼ内の単結晶育
成部の周りを覆い、原料融液の液面近傍で外側に折り返
され、断面コの字状の折り返し部を形成して、さらにこ
の折り返し部の外側に突出する突出部を具備し、断面コ
の字型の二重構造をなしており、極めて良好な断熱効果
を奏効する。

コ字型の二重構造の外筒の断熱は、原料供給部から結
晶への熱的影響を低減するためである。そして、この突
出部に接するように原料粉末を供給するための案内筒を
配設することにより、極めて簡単な構成で、育成部と原
料供給部との間には、折り返し部の存在によって、二重
構造の隔壁が存在することになる。このため、原料供給
部からの熱を遮断することができ、原料供給部の熱的影
響を受けることなく、良好な単結晶の育成を行うことが
できる。また、この外筒の外側の突出部に当接するよう
に案内筒を配設しているため、実質的には外筒の二重壁
とのあいだにさらに１層の気相が存在することになり、
断熱効果がさらに完全なものとなる。また、案内筒が融
液内に浸せきされ、原料供給部の気相と育成部の気相と
を分離する。従って、原料供給部から発生する粉塵や蒸
発物が単結晶育成部に侵入するのを防止することができ
る。

さらにまた、シリコンは溶融潜熱が大きいので、原料
粉末の供給は熱放出源になり、単位面積あたりの供給量
が多いと固化を引き起こすため、複数個の原料供給部を
設けることにより、単位面積あたりの供給量を低減し、
固化を防ぐようにしている。

したがってかかる構成により、 I.極めて簡単な装置構成で、原料供給部と単結晶育成部
とのあいだには３重層の気相が存在し、原料供給部から
の単結晶育成部への熱的影響を確実に防止することがで
きる。

II.原料供給部から発生する粉塵や蒸発物が単結晶育成
部に侵入するのを防止する。

III.複数恋の原料供給部を設けるようにしているため、
単位面積あたりの供給量を低減することが出来、温度低
下による、固化を防ぐことができる。

という効果を奏効する。従って、単結晶育成部において
融液中に落下し単結晶化阻害の原因となる付着物が発生
せず、その結果、単結晶の製造歩留まりを向上させるこ
とができる。

さらにまた、原料供給用の円筒の周囲を保温材で保温
することにより、円筒の冷却を防止し、結晶化を防ぐよ
うにしている。

また、原料供給部の原料融液中に浸漬された領域に複
数個の流通孔を配設するようにしているため、原料供給
部内での原料融液の対流を促進し、対流による熱伝達を
促進し、供給される原料粉末の溶融を促進することが可
能となる。

（実施例） 以下、本発明実施例について図面を参照しつつ詳細に
説明する。

本発明実施例の単結晶育成装置は、第１図乃至第３図
に示すように（第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、第３図
は原料供給部の要部図である）、原料融液を充填してな
る融液部100と、融液部100から単結晶２を引き上げつつ
冷却し育成する単結晶育成部200と、融液部100に原料粉
末を供給する原料供給部300とから構成されており、単
結晶育成部200が下方に折り返し部4sを有する黒鉛製の
外筒４で覆われると共に、原料供給部が４この石英製の
円筒からなる原料供給筒７から構成されていることを特
徴とするものである。

そしてこの原料供給筒７は、第３図に示すように、先
端部を原料融液１に浸漬されており、液面下の相対向す
る位置に２対の流通孔16を具備しており、原料供給管８
を介して引上げ単結晶２と同量の不純物を有してなる多
結晶シリコン粉末Ｐを供給するようになっている。

さらに、融液部10は、ペディスタル（るつぼ支持台）
12に装着されたるつぼ受け11に支持された黒鉛るつぼ10
内にさらに石英るつぼ９を装着し、この石英るつぼ９内
部で原料を溶融せしめ原料融液として保持するようにな
っており、外側を円筒状の黒鉛からなるヒートシールド
14と、板状黒鉛からなるシールド３とによって気密的に
封じられている。ここでこのヒートシールド14の内部に
はヒート13が配設されており、石英るつぼ９内の原料融
液の温度を所定値に制御するようにしている。

また、各原料供給筒４はシールド３に形成された穴に
気密的に挿通されている。

さらに、引上げ部200はこの原料融液内に種結晶を浸
漬し所定の速度で引き上げることにより単結晶２を育成
するようになっている。

このように融液部100のシールド３とヒートシールド1
4とによって気密的に封じられており、かつ単結晶育成
時には、常時原料供給筒７の先端部は融液１中にあり、
かつこの原料供給筒７の上方の開口端はシールド３上方
にあるため、単結晶育成部200の気相５と原料供給部300
の気相６とは完全に分離されており、原料供給に際して
の粉塵から単結晶育成部200を隔離することができ、有
転位化を防止することができる。

また、このように原料供給筒７の先端部を融液１中に
位置させることで、原料粉末の供給により粉塵が発生し
ても、落下異物が育成単結晶２に達することをも防止
し、るつぼ融液１中に生ずる温度の不均一や、液面振動
を抑えることができる。

さらにまた４個の原料供給筒７を配設し、これらの原
料供給部からるつぼ内に原料粉末を供給するようにして
いるため、原料供給部の単位面積当たりの、供給量は少
なくなり、温度低下による結晶化を防ぐことができる。

また、原料供給筒７の原料融液中に浸漬された領域に
複数個の流通孔16を配設しているため、原料供給筒７内
での原料融液の対流が促進され、対流による熱伝達が促
進されて、供給される原料粉末の溶融が促進され、原料
の溶解が円滑に進行して行くことになる。

なお、原料粉末の供給量は、原料融液１の量を一定に
保つよう育成単結晶２の重量を重量センサ（図示せず）
で検出し、この検出値の変化に応じて原料粉末供給量が
調整されるようになっており、るつぼ内の原料融液の温
度で溶融状態となる。

さらにこの装置において、引上げ部200の外筒４が原
料融液部100の近傍で断面コの字状の二重構造をなすよ
うに折り返し部4sを構成することにより、結果的に引上
げ部が原料供給部先端の高温部から受ける熱的影響を防
止することができる。

以上のような効果により、本発明では、連続チャージ
式半導体単結晶製造装置において最大の問題である原料
供給が、育成中の単結晶に悪影響を与えることなく可能
となる。その結果、るつぼ内の原料融液中のドーパント
濃度が制御でき、単結晶の軸方向の抵抗率は一定とな
る。

なお、前記実施例では、原料供給筒に流通孔を設ける
ようにしたが、必ずしも流通孔を設けなくても良い。

また、原料供給量は、あらかじめ一定の値に決定して
おくこともできるし、引上げ単結晶の重量変化を測定し
つつ、逐次調整するようにしてもよい。

さらにまた、石英るつぼ９内の原料融液の液面のレベ
ルの光センサ等で検出し、このレベルの変化に応じて原
料粉末供給量を変化させ、原料融液の液面のレベルが常
に一定となるようにしてもよい。

また、第４図に示すように原料供給筒７のまわりに、
カーボン等の保温材料15を装着するようにしてもよい。

これにより、原料粉末が効率よく溶融せしめられ、極
めて溶融状態が良好となる。

さらに、本発明は前記実施例に限定されることなく、
種々の応用例、例えば、シリコン以外の単結晶の育成、
磁場の印加等においても適用可能である。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、るつぼ内
の単結晶育成部を筒状体で覆うと共に、この単結晶育成
部から離間した位置に複数の原料供給部を配設し、これ
らの原料供給部の先端をるつぼ内の原料融液中に浸漬
し、これらの原料供給部からるつぼ内に原料粉末を供給
するようにしているため、原料の融解および熱の供給が
円滑に進められ、結晶性が良好で、信頼性の高い半導体
単結晶を得ることが可能となる。

また、引上装置内気相部と、前記案内筒内気相部とが
互いに独立となるように構成することにより、原料供給
部から発生する粉塵や蒸発物が単結晶育成部に侵入する
のを防止することができる。従って、単結晶育成部にお
いて融液中に落下し単結晶化阻害の原因となる付着物が
発生せず、その結果、単結晶の製造歩留まりを向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明実施例の単結晶製造装置の縦断面図、第
２図は第１図中のＡ−Ａ線に沿う横断面図、第３図は原
料供給筒を示す図、第４図は本発明の他の実施例の原料
供給筒を示す図である。 １……原料融液、２……育成単結晶、 ３……シールド、４……外筒 ５……育成部の気相、６……原料供給部の気相 ７……原料供給筒、８……原料供給管 ９……石英るつぼ、10……黒鉛るつぼ、 11……るつぼ受け、 12……ペディスタル（るつぼ支持台）、 13……ヒート、14……ヒートシールド 15……保温材料、16……流通孔、 100……融液部 200……単結晶育成部 300……原料供給部。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−160891（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−158189（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−122068（ＪＰ，Ｕ) 実開 平２−11166（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭57−40119（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】原料を充填するるつぼと、 前記るつぼの周囲に配設され、るつぼ内の原料を溶融し
   原料融液を形成する加熱ヒータと、 前記るつぼ内の溶融原料に種結晶を浸漬して単結晶を育
   成する育成部と、 前記育成部の周りを覆う円筒状体からなり、この円筒状
   体が、原料融液の液面近傍で外側に折り返され、断面コ
   の字状に折り返し部を形成するとともに、さらにこの折
   り返し部の外側に突出する突出部を有し、断面二重構造
   をなす外筒と、 前記外筒の外側に位置するとともに前記突出部に当接す
   るように複数の案内筒からなる原料供給部を配設し、こ
   れらの原料供給部の先端をるつぼ内の原料融液中に浸漬
   し、前記育成部内の気相部と、前記案内筒内の気相部と
   が互いに独立となるようにし、これらの原料供給部から
   るつぼ内に原料粉末を供給するようにしたことを特徴と
   する半導体単結晶製造装置。
2. 【請求項２】前記原料供給部は、原料融液中に浸漬され
   た領域に複数個の流通孔を配設してなることを特徴とす
   る請求項（１）に記載の半導体単結晶製造装置。
3. 【請求項３】前記原料供給部の案内筒は保温材で被覆さ
   れていることを特徴とする請求項（２）に記載の半導体
   単結晶製造装置。