JP2720268B2 - 単結晶引上げ方法及び装置 - Google Patents

単結晶引上げ方法及び装置

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JP2720268B2
JP2720268B2 JP6992593A JP6992593A JP2720268B2 JP 2720268 B2 JP2720268 B2 JP 2720268B2 JP 6992593 A JP6992593 A JP 6992593A JP 6992593 A JP6992593 A JP 6992593A JP 2720268 B2 JP2720268 B2 JP 2720268B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、金属,半導体,酸化物
等の融液からの単結晶引上げを安定条件下で行う方法及
び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】融液から単結晶を育成する代表的な方法
として、チョクラルスキー法がある。チョクラルスキー
方法では、図1に示すように密閉容器1の内部に配置し
たルツボ2を、回転及び昇降可能にサポート3で支持す
る。ルツボ2の外周には、ヒータ4及び保温材5が同心
円状に設けられ、ルツボ2に収容した原料をヒータ4で
集中的に加熱し、融液6を調製する。融液6は、単結晶
成長に好適な温度に維持される。融液6に種結晶7を接
触させ、種結晶7の結晶方位を倣った単結晶8を成長さ
せる。種結晶7は、ワイヤ9を介して回転巻取り機構1
0から吊り下げられ、単結晶8の成長に応じて回転しな
がら引上げられる。また、ルツボ2も、サポート3を介
して適宜回転しながら下降する。得られた単結晶8は、
半導体デバイスの基板として使用される。ところで、半
導体デバイスの高集積化に伴って、半導体基板に対する
品質向上の要求が強くなってきている。高品質の半導体
基板を得るためには、半導体単結晶に導入される転位,
結晶欠陥等を抑制することが必要である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】高温の融液から単結晶
を引き上げるチョクラルスキー法では、得られた単結晶
の品質に結晶成長界面近傍にある融液の状態が大きな影
響を与える。たとえば、物性が大きく変動している状態
の融液から単結晶を引き上げると、微小欠陥や転位等が
単結晶に導入される。その結果、一定した品質の単結晶
が得られる歩留りが低下する。ところが、融液の物性に
関する経時的な変化を迅速に測定する実用的な手段がこ
れまでのところ開発されていない。そのため、融液の材
質,ルツボの容量,ヒータの加熱能力等を勘案し、保持
時間を経験的に設定している。調製された融液は、設定
時間保持することによって均質化されたものとして扱わ
れ、単結晶の引上げに供される。
【0004】しかし、融液の物性を的確に把握する実用
的な手段がないことから、保持時間を長く設定する場合
が多い。たとえば、3〜4時間かけてSi融液を144
0〜1460℃の高温に保持した後、単結晶の引上げを
開始している。その結果、熱エネルギーを多量に消費
し、生産性も低くなる。融液原料の溶解から単結晶引上
げ開始までの時間を短縮することができれば、これらの
欠点が解消される。そのためには、融液の物性及び物性
変動を正確に且つ迅速に測定し、融液が安定状態にある
か否かを把握することが要求される。本発明は、このよ
うな要求に応えるべく案出されたものであり、融液の密
度を測定対象とし、密度変動から融液の安定状態を推定
することによって、融液原料の溶解から短時間で単結晶
の引上げ開始を可能とし、結晶欠陥や転位等のない高品
質の単結晶を得ることを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明の単結晶引上げ方
法は、その目的を達成するため、融液に浸漬した測定子
の重量変化から前記融液の密度変動を測定し、該密度変
動が少なくなった時点で前記融液から単結晶を引き上げ
ることを特徴とする。また、単結晶引上げ装置は、密閉
容器内に配置され融液を収容するルツボと、種結晶を吊
り下げた回転巻取り機構と、前記融液に浸漬される測定
子と、該測定子で検出された前記融液の密度情報が入力
される制御装置とを備え、前記密度情報に基づいて前記
制御装置で演算された引上げ開始時点が前記回転巻取り
機構に出力されることを特徴とする。
【0006】
【作用】本発明者等の研究によるとき、融液の密度と微
細構造との間に緊密な関係があることが判った。融液の
微細構造は、結晶成長界面近傍のクラスタ、ひいては引
き上げられた単結晶に取り込まれる。たとえば、融液密
度の激しい変動は、融液の微細構造が激しく変化してい
る状態を表す。このような融液から単結晶を成長させる
と、微小欠陥,転位等の原因となる不規則性が単結晶に
取り込まれる。他方、融液密度が安定化した状態では、
微細構造も安定しているものと推察され、規則性の高い
結晶構造をもった単結晶が得られる。融液密度は、融液
の温度変化に依存する。たとえば、Si融液では、図2
に示すように、高温になるに従って段階状に密度が低下
する。他方、Ge融液では、図3に示すように、高温に
なるに従って連続的に密度が低下する。したがって、融
液密度の変動は、局部的な高温部或いは低温部が融液中
に生じていることを示す。そして、これら高温部或いは
低温部と周辺融液との間で熱の授受が盛んに行われ、微
細構造が激しく変化しているものと推察される。
【0007】融液密度は、調製された融液を高温に長時
間保持するとき、保持温度に対応した一定値に収斂す
る。たとえば、Si融液を1430℃の温度に保持する
と、図4に示すように、保持時間の経過に伴って融液密
度が変化する。すなわち、融液密度は、Si原料の溶解
開始から3時間程度までは急激に上昇し、それ以降は
2.585g/cm3 に近付く緩やかな勾配で変化す
る。また、Ge融液を990℃に保持した場合、図5に
示すように長時間保持することによって融液密度が5.
626g/cm3 に近付く。なお、Ge融液の密度は、
昇温過程及び降温過程で異なった変動曲線をとる。この
ような融液密度の経時変化は、本発明においては、融液
に浸漬した測定子の重量変化から前記測定子に作用して
いる浮力を計測し、浮力変動に基づいて検出される。融
液密度の測定方法としては、融液に浸漬する前後におけ
る重錘の重量変化から融液密度を算出するアルキメデス
法が代表的なものである。また、本発明者等が先に特願
平4−317900号として出願した測定子を使用する
こともできる。
【0008】アルキメデス法では、たとえば図6に設備
構成を示す装置が使用される。ボブ11をワイヤ12又
はロッドで吊り下げ、測定子を構成する。そして、密度
を測定しようとする融液6に測定子を浸漬する。浸漬さ
れた測定子の重量は、天秤13で計測される。融液6に
浸漬される測定子の体積をVb ,真空中で天秤13によ
り計測された測定子の重量をMv ,融液6に浸漬された
状態での測定子の重量をM1 とすると、融液6の密度ρ
は、次式で算出される。 ρ= (Mv −M1)/Vb 測定子の体積Vb は、正確な密度が知られている水等の
液体に測定子を浸漬し、浸漬状態での重量を計測するこ
とによって、予め知ることができる。したがって、真空
中での重量Mv と浸漬状態での重量M1 との差から、密
度ρが求められる。
【0009】検出された融液6の密度は、制御装置14
に入力される。制御装置14では、融液密度に基づいて
融液6の状態を推定し、推定結果に応じた単結晶引上げ
条件を示す制御信号を回転巻取り機構10に出力する。
すなわち、融液密度及びその変動幅が適正範囲に入った
とき、引上げ開始信号を回転巻取り機構10に出力し、
種結晶7を降下させ融液6の表面に接触させる。そし
て、種結晶7を徐々に上昇させることにより、単結晶8
を融液6から引き上げる。
【0010】図6は、ボブ11及びワイヤ12からなる
一組の測定子を組み込んだ状態を示している。しかし、
本発明はこれに拘束されるものではなく、測定精度を上
げるため複数の測定子を使用し、複数の測定点で融液6
の密度を測定することも可能である。また、融液6の熱
対流を抑えて高精度で融液密度を測定するため、図6に
示すようにヒータ4を上下に二分割し、融液6の垂直方
向温度分布を制御することもできる。融液の微細構造を
表す密度を指標として採用することにより、単結晶引上
げに適した融液状態を知ることができる。そのため、保
持時間を不必要に長く設定する必要がなく、融液調製後
に短時間で単結晶の引上げを開始することができる。ま
た、急速加熱により融液原料を溶解した後、融液密度を
測定しながら放熱冷却するとき、単結晶引上げ開始可能
な時間がより短縮される。
【0011】
【実施例】
実施例1:Si単結晶の育成 Siの多結晶原料40kgをルツボに収容し、ヒータ加
熱で完全に溶解した後、温度1430℃に保持した。保
持時間に応じた融液密度の変化を測定したところ、図4
に示す経時変化がみられた。すなわち、融液密度は、完
全溶解から2時間までは急速に上昇し、3時間で最大値
2.593g/cm3 に達した後、緩やかに減少した。
融液密度が最大値になったとき単結晶の引上げを開始し
た。このとき、引上げ速度を1.0mm/分に設定し、
直径6インチのSi単結晶を成長させた。得られた単結
晶は、表1に示すように転位の少ない高品質のものであ
った。これに対し、溶解直後に単結晶を引き上げた比較
例では、多量の転位が導入されており、半導体デバイス
の基板として使用される歩留りは低いものであった。な
お、表1においては、単結晶を切断し平板に加工した
後、X線トポグラフィーで転位を測定し、転位欠陥影が
検出されなかった部分をディスロケーションフリーとし
て評価した。
【表1】
【0012】表1の対比から明らかなように、融液密度
が最大値に達した後で単結晶の引上げを開始するとき、
単結晶への転位や微小欠陥の導入が抑制されていること
が判る。このことは、融液密度が最大値に達した後の融
液が安定した状態にあり、融液或いはクラスタの微細構
造の変動が少ないことを示している。その結果、高品質
の単結晶が高い歩留りで製造される。
【0013】実施例2:Ge単結晶の育成 Geの多結晶原料1kgをルツボに収容し、ヒータ加熱
で完全に溶解した後、温度990℃に保持した。保持時
間に応じた融液密度の変化を測定したところ、図5に示
す経時変化がみられた。すなわち、融液密度は、完全溶
解から2時間までは激しく変動し、その後は緩やかに減
少した。融液密度が最大値になったとき単結晶の引上げ
を開始した。このとき、引上げ速度を9mm/時に設定
し、直径2インチのGe単結晶を成長させた。得られた
単結晶は、表2に示すように転位の少ない高品質のもの
であった。これに対し、溶解直後に単結晶を引き上げた
比較例では、多量の転位が導入されており、半導体デバ
イスの基板として使用される歩留りは極めて低いもので
あった。
【表2】
【0014】実施例3:Ge単結晶の育成 Geの多結晶原料を完全に溶解した後のGe融液は、図
7に示した温度履歴で密度が変化する。そこで、原料溶
解後に、Ge融液を1100℃の一定温度まで加熱する
ことによって安定相を作り、次いで融点(920℃)近
傍までGe融液を降温した。この状態で引上げを開始す
るとき、単結晶中への転位や微小欠陥の導入が抑制さ
れ、高品質の単結晶が高い歩留りで製造された。また、
昇温−降温の加熱サイクルを採用することにより、Ge
原料の溶解から引上げ開始までの時間を1時間に短縮す
ることができた。以上の実施例においては、Si及びG
eの融液から単結晶を引き上げる場合を例にとって説明
した。しかし、本発明はこれに拘束されるものではな
く、その他の融液を使用した単結晶引き上げにも同様に
適用される。たとえば、Si−Ge混合融液,GaA
s,ZnSe,ZnTe,SiS,GeS等の化合物融
液,Fe,Ni,Cu等の金属質融液,アントラセン等
の有機質融液等についても、同様に融液密度を測定し、
密度変動が少なくなった状態で引き上げを開始すること
により、高品質の単結晶が得られる。
【0015】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、融液密度を指標として融液の安定状態を推定し、密
度変動が少なくなった時点で単結晶の引上げを開始して
いる。そのため、単結晶引上げに適した融液の状態を正
確に把握することができ、原料溶解から短時間で単結晶
引上げを開始することができ、不必要に長い保持時間を
おくことがないため生産性が向上する。また、得られた
単結晶も、転位や微小欠陥の導入が少ない高品質の製品
となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来のチョクラルスキー法による単結晶引上
げを説明する図
【図2】 Si融液密度の温度依存性を表すグラフ
【図3】 Ge融液密度の温度依存性を表すグラフ
【図4】 Si融液密度の経時変化を表すグラフ
【図5】 Ge融液密度の経時変化を表すグラフ
【図6】 本発明に従った単結晶引上げを説明する図
【図7】 Ge融液密度の温度履歴
【符号の説明】
1:密閉容器 2:ルツボ 3:サポート 4:
ヒータ 5:保温材 6:融液 7:種結晶 8:単結晶 9:ワイヤ
10:回転巻取り機構 11:ボブ 12:ワ
イヤ 13:天秤 14:制御装置
フロントページの続き (72)発明者 時崎 栄治 茨城県つくば市東光台1−15−4スカイ ハイツB−202 (72)発明者 寺嶋 一高 神奈川県海老名市中野206−3 (56)参考文献 特開 平4−317494(JP,A) 特公 昭52−47749(JP,B2)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 融液に浸漬した測定子の重量変化から前
    記融液の密度変動を測定し、該密度変動が少なくなった
    時点で前記融液から単結晶を引き上げることを特徴とす
    る単結晶引上げ方法。
  2. 【請求項2】 密閉容器内に配置され融液を収容するル
    ツボと、種結晶を吊り下げた回転巻取り機構と、前記融
    液に浸漬される測定子と、該測定子で検出された前記融
    液の密度情報が入力される制御装置とを備え、前記密度
    情報に基づいて前記制御装置で演算された引上げ開始時
    点が前記回転巻取り機構に出力されることを特徴とする
    単結晶引上げ装置。
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EP94104296A EP0619387B1 (en) 1993-03-29 1994-03-18 Pull method for growth of Si single crystal using density detector and apparatus therefor
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