JP2959543B2 - 半導体単結晶育成装置および結晶育成方法 - Google Patents
半導体単結晶育成装置および結晶育成方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
法による半導体単結晶育成装置および結晶育成方法に関
するものであり、特に半導体融液を回転させて結晶を育
成する装置および方法に関するものである。
法による半導体単結晶育成装置および結晶育成方法に関
するものであり、特に半導体融液を回転させて結晶を育
成する装置および方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】超高集積電子デバイスの基板として使用
する半導体単結晶ウエハーは、回転している半導体融液
から半導体単結晶を逆方向に回転させながら引き上げる
チョクラルスキー法により育成する。るつぼ内に保持さ
れた半導体融液は、るつぼの周りに設置した円筒状のヒ
ーターから熱を受けている。この熱による融液内の温度
分布を結晶の引き上げ軸に対して軸対称にするために、
るつぼを回転させている。このとき、融液内の温度分布
をより軸対称にするためには、るつぼの回転中心とヒー
ター中心は、結晶の引き上げ軸に一致していることが必
要である。
する半導体単結晶ウエハーは、回転している半導体融液
から半導体単結晶を逆方向に回転させながら引き上げる
チョクラルスキー法により育成する。るつぼ内に保持さ
れた半導体融液は、るつぼの周りに設置した円筒状のヒ
ーターから熱を受けている。この熱による融液内の温度
分布を結晶の引き上げ軸に対して軸対称にするために、
るつぼを回転させている。このとき、融液内の温度分布
をより軸対称にするためには、るつぼの回転中心とヒー
ター中心は、結晶の引き上げ軸に一致していることが必
要である。
【０００３】従来技術では、るつぼをヒーター内で保持
する軸を機械的に回転させる方法が一般的である。ま
た、ヒーターに位相の異なる電流を通電し、その際に発
生する回転磁界により半導体融液を自発的に回転させる
方法が、Japanese Journal ofApplied Physics vol.19
(1984) p.330-334 に記載されている。また、結晶育成
炉の周りに数個の電磁石コイルを設置し、このコイルに
通電する電流の位相をずらして磁界を回転させ、半導体
融液を自発的に回転させる方法も提案されており、例え
ば特開昭６３−６０１８９号公報等に開示されている。
する軸を機械的に回転させる方法が一般的である。ま
た、ヒーターに位相の異なる電流を通電し、その際に発
生する回転磁界により半導体融液を自発的に回転させる
方法が、Japanese Journal ofApplied Physics vol.19
(1984) p.330-334 に記載されている。また、結晶育成
炉の周りに数個の電磁石コイルを設置し、このコイルに
通電する電流の位相をずらして磁界を回転させ、半導体
融液を自発的に回転させる方法も提案されており、例え
ば特開昭６３−６０１８９号公報等に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】これらの従来技術によ
る半導体融液を回転させる方法では、それぞれ以下のよ
うな問題が生じる。
る半導体融液を回転させる方法では、それぞれ以下のよ
うな問題が生じる。
【０００５】るつぼを保持する軸を機械的に回転させる
方法では、育成する半導体結晶の直径が30cm以上のよう
に大口径化すると、保持する半導体融液の量は300kg以
上となり、装置全体が大規模化してしまう。さらに、装
置の大型化に伴い、るつぼを一定の回転数で回転軸を偏
心させること無く回転させることが困難となってくる。
方法では、育成する半導体結晶の直径が30cm以上のよう
に大口径化すると、保持する半導体融液の量は300kg以
上となり、装置全体が大規模化してしまう。さらに、装
置の大型化に伴い、るつぼを一定の回転数で回転軸を偏
心させること無く回転させることが困難となってくる。
【０００６】また、ヒーターに位相交流を通電する方法
では、交流通電のためヒーターの温度の変動が生じ、半
導体融液内にも温度の変動が生じてしまう。また、この
方法でも、育成する半導体単結晶が大口径化した場合、
交流通電によるヒーターの変形等が問題となり、ヒータ
ーの補強などが必要となり、大口径化には適していなか
った。
では、交流通電のためヒーターの温度の変動が生じ、半
導体融液内にも温度の変動が生じてしまう。また、この
方法でも、育成する半導体単結晶が大口径化した場合、
交流通電によるヒーターの変形等が問題となり、ヒータ
ーの補強などが必要となり、大口径化には適していなか
った。
【０００７】電磁石コイルにより回転磁場を形成する方
法では、磁場を均一に回転させるためにコイルへの通電
の位相を制御する必要が生じ、さらにコイルの位置関係
の精密な制御が必要となる上、回転数の任意な制御が困
難であった。
法では、磁場を均一に回転させるためにコイルへの通電
の位相を制御する必要が生じ、さらにコイルの位置関係
の精密な制御が必要となる上、回転数の任意な制御が困
難であった。
【０００８】このように、従来技術によって直径が30cm
以上の大口径の半導体単結晶を育成する場合、半導体融
液の回転が引き上げ軸中心と完全に一致していないと、
結晶の成長界面での温度分布が非軸対称となり、成長し
た単結晶中の不純物分布が不均一になり成長縞が発生し
てしまう。
以上の大口径の半導体単結晶を育成する場合、半導体融
液の回転が引き上げ軸中心と完全に一致していないと、
結晶の成長界面での温度分布が非軸対称となり、成長し
た単結晶中の不純物分布が不均一になり成長縞が発生し
てしまう。
【０００９】そこで本発明の目的は、チョクラルスキー
法による半導体単結晶育成において、直径が30cm以上の
ような大口径の半導体単結晶の育成の場合であっても、
装置の大規模化が最小限に抑えられ、かつ回転数の正確
な制御が可能であり、さらに半導体融液内を良好な温度
分布にできる結晶成長装置および結晶育成方法を提供す
ることにある。
法による半導体単結晶育成において、直径が30cm以上の
ような大口径の半導体単結晶の育成の場合であっても、
装置の大規模化が最小限に抑えられ、かつ回転数の正確
な制御が可能であり、さらに半導体融液内を良好な温度
分布にできる結晶成長装置および結晶育成方法を提供す
ることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、チョクラルス
キー法による半導体単結晶育成装置において、半導体融
液中に磁界を印加する装置と、その磁界と直交する電流
を半導体融液中に印加する装置を備えたことを特徴とす
る半導体単結晶育成装置に関する。
キー法による半導体単結晶育成装置において、半導体融
液中に磁界を印加する装置と、その磁界と直交する電流
を半導体融液中に印加する装置を備えたことを特徴とす
る半導体単結晶育成装置に関する。
【００１１】また本発明は、チョクラルスキー法による
半導体単結晶育成装置において、結晶成長界面に対して
垂直でかつ結晶の引き上げ軸に対して軸対称な磁界の印
加装置と、半導体融液中に磁界と直交する電流を印加す
る装置を備えたことを特徴とする半導体単結晶育成装置
に関する。
半導体単結晶育成装置において、結晶成長界面に対して
垂直でかつ結晶の引き上げ軸に対して軸対称な磁界の印
加装置と、半導体融液中に磁界と直交する電流を印加す
る装置を備えたことを特徴とする半導体単結晶育成装置
に関する。
【００１２】さらに上記発明において、半導体融液中に
浸入する電極と、引き上げ結晶に通電する電極とを備え
たこと、半導体融液中に浸入する電極は、複数あり、そ
れらの電極を結晶の引き上げ軸に対して軸対称に配置し
たこと、半導体融液中に浸入する電極は、結晶の引き上
げ軸に対して軸対称な閉曲面であること、結晶の引き上
げ中に、電極の先端が半導体融液内表面近傍に浸入し、
融液液面からの深さを一定に保つこと、半導体融液融液
中に浸入する電極保護管の融液液面からの深さを一定に
保つこと、結晶の引き上げ中に、半導体融液中に浸入す
る電極保護管の融液液面からの深さと融液深さの比を一
定に保つことを特徴とする半導体単結晶育成装置に関す
る。
浸入する電極と、引き上げ結晶に通電する電極とを備え
たこと、半導体融液中に浸入する電極は、複数あり、そ
れらの電極を結晶の引き上げ軸に対して軸対称に配置し
たこと、半導体融液中に浸入する電極は、結晶の引き上
げ軸に対して軸対称な閉曲面であること、結晶の引き上
げ中に、電極の先端が半導体融液内表面近傍に浸入し、
融液液面からの深さを一定に保つこと、半導体融液融液
中に浸入する電極保護管の融液液面からの深さを一定に
保つこと、結晶の引き上げ中に、半導体融液中に浸入す
る電極保護管の融液液面からの深さと融液深さの比を一
定に保つことを特徴とする半導体単結晶育成装置に関す
る。
【００１３】本発明は、チョクラルスキー法による半導
体単結晶育成方法において、半導体融液中に磁界を印加
し、更にその磁界と直交する電流を半導体融液中に印加
することを特徴とする半導体単結晶育成方法に関する。
体単結晶育成方法において、半導体融液中に磁界を印加
し、更にその磁界と直交する電流を半導体融液中に印加
することを特徴とする半導体単結晶育成方法に関する。
【００１４】また本発明は、チョクラルスキー法による
半導体単結晶育成方法において、結晶成長界面に対して
垂直な磁界と、その磁界と直交する電流とを半導体融液
中に印加することを特徴とする半導体単結晶育成方法に
関する。
半導体単結晶育成方法において、結晶成長界面に対して
垂直な磁界と、その磁界と直交する電流とを半導体融液
中に印加することを特徴とする半導体単結晶育成方法に
関する。
【００１５】さらに上記発明において、結晶成長界面に
対して垂直な磁界は、結晶の引き上げ軸に対して軸対称
であること、磁界の大きさを結晶成長中に変化させて半
導体融液表面を最適な形状に維持しながら結晶を引き上
げること、電流の大きさを結晶成長中に変化させて半導
体融液表面を最適な形状に維持しながら結晶を引き上げ
ること、結晶の引き上げ中に、電極の先端が半導体融液
内表面近傍に浸入し、融液液面からの深さを一定に保ち
ながら結晶を引き上げること、結晶引き上げ中に、半導
体融液中に浸入する電極保護管の融液表面からの深さを
一定に保ちながら結晶を引き上げること、結晶の引き上
げ中に、半導体融液中に浸入する電極保護管の融液液面
からの深さと融液深さの比を一定に保ちながら結晶を引
き上げること、半導体融液の回転数を、融液の入ったる
つぼの半径方向あるいは深さ方向で変化させることを特
徴とする半導体単結晶育成方法に関する。
対して垂直な磁界は、結晶の引き上げ軸に対して軸対称
であること、磁界の大きさを結晶成長中に変化させて半
導体融液表面を最適な形状に維持しながら結晶を引き上
げること、電流の大きさを結晶成長中に変化させて半導
体融液表面を最適な形状に維持しながら結晶を引き上げ
ること、結晶の引き上げ中に、電極の先端が半導体融液
内表面近傍に浸入し、融液液面からの深さを一定に保ち
ながら結晶を引き上げること、結晶引き上げ中に、半導
体融液中に浸入する電極保護管の融液表面からの深さを
一定に保ちながら結晶を引き上げること、結晶の引き上
げ中に、半導体融液中に浸入する電極保護管の融液液面
からの深さと融液深さの比を一定に保ちながら結晶を引
き上げること、半導体融液の回転数を、融液の入ったる
つぼの半径方向あるいは深さ方向で変化させることを特
徴とする半導体単結晶育成方法に関する。
【００１６】本発明は、チョクラルスキー法による半導
体単結晶育成装置において、結晶成長界面に対して平行
な磁界を印加する装置と、半導体融液中に磁界と直交す
る電流を印加する装置を備えたことを特徴とする半導体
単結晶育成装置に関する。
体単結晶育成装置において、結晶成長界面に対して平行
な磁界を印加する装置と、半導体融液中に磁界と直交す
る電流を印加する装置を備えたことを特徴とする半導体
単結晶育成装置に関する。
【００１７】また、チョクラルスキー法による半導体単
結晶育成装置において、カスプ磁界を印加する装置と、
その磁界と直交する電流を半導体融液中に印加する装置
を備えたことを特徴とする半導体単結晶育成装置に関す
る。
結晶育成装置において、カスプ磁界を印加する装置と、
その磁界と直交する電流を半導体融液中に印加する装置
を備えたことを特徴とする半導体単結晶育成装置に関す
る。
【００１８】本発明は、チョクラルスキー法による半導
体単結晶育成方法において、結晶成長界面に対して平行
な磁界を印加し、更にその磁界と直交する電流を半導体
融液中に印加することを特徴とする半導体単結晶育成方
法に関する。
体単結晶育成方法において、結晶成長界面に対して平行
な磁界を印加し、更にその磁界と直交する電流を半導体
融液中に印加することを特徴とする半導体単結晶育成方
法に関する。
【００１９】また本発明は、チョクラルスキー法による
半導体単結晶育成方法において、カスプ磁界を印加し、
更にその磁界と直交する電流を半導体融液中に印加する
ことを特徴とする半導体単結晶育成方法に関する。
半導体単結晶育成方法において、カスプ磁界を印加し、
更にその磁界と直交する電流を半導体融液中に印加する
ことを特徴とする半導体単結晶育成方法に関する。
【００２０】
【作用】本発明では、磁界中で半導体融液内に電流を通
電することにより、ローレンツ力が半導体融液に作用
し、半導体融液が自発的に回転する原理を応用してい
る。この原理によって、るつぼを回転させることなく半
導体融液を回転させることができる。
電することにより、ローレンツ力が半導体融液に作用
し、半導体融液が自発的に回転する原理を応用してい
る。この原理によって、るつぼを回転させることなく半
導体融液を回転させることができる。
【００２１】このため、直径が30cm以上の半導体単結晶
を育成する際の300kg以上の半導体融液を用いる場合で
も、装置を大規模化することなく簡便に、結晶引き上げ
軸に一致した回転軸に対して正確に半導体融液を回転さ
せること可能となる。
を育成する際の300kg以上の半導体融液を用いる場合で
も、装置を大規模化することなく簡便に、結晶引き上げ
軸に一致した回転軸に対して正確に半導体融液を回転さ
せること可能となる。
【００２２】また、印加する磁場強度と電流の大きさを
変化させることにより、半導体融液の回転数を任意に変
化させることができる。その際に、磁場強度と電流の大
きさはそれぞれを独立に変化させることが可能であり、
回転数制御をより精密に行うことが可能である。
変化させることにより、半導体融液の回転数を任意に変
化させることができる。その際に、磁場強度と電流の大
きさはそれぞれを独立に変化させることが可能であり、
回転数制御をより精密に行うことが可能である。
【００２３】さらに、成長している半導体単結晶と半導
体融液間に電流を通電する際に、半導体融液内に挿入す
る電極あるいは電極保護管の位置を変えることにより、
半導体融液内での回転数の分布を変化させることが可能
となる。
体融液間に電流を通電する際に、半導体融液内に挿入す
る電極あるいは電極保護管の位置を変えることにより、
半導体融液内での回転数の分布を変化させることが可能
となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を挙げ
て詳細に説明する。
て詳細に説明する。
【００２５】本発明の半導体単結晶育成装置を図１に示
す。結晶育成炉本体内（１）に設置されたヒーター
（２）内にるつぼ（３）を設置し、半導体融液（４）を
作製する。この半導体融液から半導体単結晶（５）を電
気伝導性のある材質を用いた引き上げ軸（６）により上
方に引き上げていく。種結晶と引き上げ軸は、通常のチ
ョクラルスキー法による結晶成長の場合と同様にして結
合させておくが、電気伝導を良好に保つために、種結晶
と引き上げ軸との接触面積が大きくなるようにしておく
ことが好ましい。
す。結晶育成炉本体内（１）に設置されたヒーター
（２）内にるつぼ（３）を設置し、半導体融液（４）を
作製する。この半導体融液から半導体単結晶（５）を電
気伝導性のある材質を用いた引き上げ軸（６）により上
方に引き上げていく。種結晶と引き上げ軸は、通常のチ
ョクラルスキー法による結晶成長の場合と同様にして結
合させておくが、電気伝導を良好に保つために、種結晶
と引き上げ軸との接触面積が大きくなるようにしておく
ことが好ましい。
【００２６】半導体単結晶の育成中には、成長している
半導体単結晶と、るつぼ内の半導体融液との間に電流を
流す。このために、電極（７）を片方の先端が開放され
た石英またはp-ＢＮ（Pyrolytic-Boron Nitride）の保
護管（８）内に取り付けたものを、半導体融液内に挿入
し、外部電源（９）から電流を印加しながら、半導体単
結晶を育成する。この際に、結晶育成炉本体の周りに設
置した電磁石コイル（１０）により結晶成長界面に垂直
でかつ引き上げ軸に対して軸対称的な磁界（１１）を形
成し、半導体融液に印加する。結晶育成中の半導体融液
の回転の状況および結晶成長の様子は、結晶育成炉
（１）本体上部に取り付けたCCDカメラ（１２）でモニ
ターし、半導体融液（４）を任意の回転数になるよう
に、印加する磁界の強度と電流の大きさを制御する。ま
た、結晶育成炉本体（１）の側面に取り付けたＸ線源
（１３）とＸ線カメラ（１４）により半導体融液の断面
形状をモニターし、半導体融液表面が適切な形状を維持
するように、磁界強度と電流の大きさを制御する。
半導体単結晶と、るつぼ内の半導体融液との間に電流を
流す。このために、電極（７）を片方の先端が開放され
た石英またはp-ＢＮ（Pyrolytic-Boron Nitride）の保
護管（８）内に取り付けたものを、半導体融液内に挿入
し、外部電源（９）から電流を印加しながら、半導体単
結晶を育成する。この際に、結晶育成炉本体の周りに設
置した電磁石コイル（１０）により結晶成長界面に垂直
でかつ引き上げ軸に対して軸対称的な磁界（１１）を形
成し、半導体融液に印加する。結晶育成中の半導体融液
の回転の状況および結晶成長の様子は、結晶育成炉
（１）本体上部に取り付けたCCDカメラ（１２）でモニ
ターし、半導体融液（４）を任意の回転数になるよう
に、印加する磁界の強度と電流の大きさを制御する。ま
た、結晶育成炉本体（１）の側面に取り付けたＸ線源
（１３）とＸ線カメラ（１４）により半導体融液の断面
形状をモニターし、半導体融液表面が適切な形状を維持
するように、磁界強度と電流の大きさを制御する。
【００２７】
【実施例】上記の装置を用いて行った実施例を以下に示
す。
す。
【００２８】実施例１〜４ 直径7.5cmの石英るつぼ内に0.3Kgのシリコン融液を作製
し、直径0.4cmのグラファイト製の電極棒を石英保護管
内に取り付け、これをシリコン融液内に挿入して、直径
が3cmのシリコン単結晶を育成し、本発明により半導体
融液が自発的に回転する効果を確認した。なお、グラフ
ァイト製の電極は石英保護管内部で、シリコン融液にコ
ンタクトしている。
し、直径0.4cmのグラファイト製の電極棒を石英保護管
内に取り付け、これをシリコン融液内に挿入して、直径
が3cmのシリコン単結晶を育成し、本発明により半導体
融液が自発的に回転する効果を確認した。なお、グラフ
ァイト製の電極は石英保護管内部で、シリコン融液にコ
ンタクトしている。
【００２９】実施例１〜４においては、シリコン融液内
に１本の電極を挿入し、その電極あるいは保護管の位置
を変化させて、結晶の育成をおこなった。各実施例での
電極を取り付けした保護管の先端位置は、それぞれ図２
から図５に示す以下の位置にした。実施例１（図２）で
は、石英るつぼから1cm離れた位置で融液表面から深さ1
cmの位置、実施例２（図３）では、石英るつぼから1cm
離れた位置で融液表面から融液の深さ（h）の2分の１の
深さ（h/2）の位置、実施例３（図４）では、石英るつ
ぼ内のシリコン融液半径（r）の2分の１の位置（r/2）
で深さ1cmの位置、実施例４（図５）では、るつぼ内の
シリコン融液半径（r）の2分の１の位置（r/2）で融液
高さ（h）の2分の１の深さの位置（h/2）とした。
に１本の電極を挿入し、その電極あるいは保護管の位置
を変化させて、結晶の育成をおこなった。各実施例での
電極を取り付けした保護管の先端位置は、それぞれ図２
から図５に示す以下の位置にした。実施例１（図２）で
は、石英るつぼから1cm離れた位置で融液表面から深さ1
cmの位置、実施例２（図３）では、石英るつぼから1cm
離れた位置で融液表面から融液の深さ（h）の2分の１の
深さ（h/2）の位置、実施例３（図４）では、石英るつ
ぼ内のシリコン融液半径（r）の2分の１の位置（r/2）
で深さ1cmの位置、実施例４（図５）では、るつぼ内の
シリコン融液半径（r）の2分の１の位置（r/2）で融液
高さ（h）の2分の１の深さの位置（h/2）とした。
【００３０】実施例５〜７ 直径75cmの石英るつぼ内に300Kgのシリコン融液を作製
し、直径0.4cmのグラファイト製の電極棒を石英保護管
内に取り付け、これをシリコン融液内に挿入して、直径
が30cmのシリコン単結晶を育成した。
し、直径0.4cmのグラファイト製の電極棒を石英保護管
内に取り付け、これをシリコン融液内に挿入して、直径
が30cmのシリコン単結晶を育成した。
【００３１】これらの実施例では、挿入する電極の数を
以下のように変えて結晶の育成をおこなった。実施例５
では、図６に示すように２本の電極を挿入し、電極を取
り付けた保護管の先端位置をシリコン融液の半径（r）
の２分の１の位置(r/2)であってそれぞれの位置が中心
と結ぶ二つの直線のなす角度が１８０度の位置になるよ
うにし、融液表面から1cmの深さの位置とした。また実
施例６では、図７に示すように３本の電極を挿入し、電
極を取り付けた保護管の先端位置をシリコン融液の半径
（r）の２分の１の位置(r/2)であってそれぞれの位置が
中心と結ぶ各直線間の角度が120度の位置になるように
し、融液表面からの深さが1cmの位置とした。また実施
例７では、図８に示すように６本の電極を挿入し、電極
を取り付けた保護管の先端位置をシリコン融液の半径
（r）の2分の１の位置(r/2)であってそれぞれの位置が
中心と結ぶ各直線間の角度が60度の位置になるように
し、融液表面からの深さが１cmの位置とした。
以下のように変えて結晶の育成をおこなった。実施例５
では、図６に示すように２本の電極を挿入し、電極を取
り付けた保護管の先端位置をシリコン融液の半径（r）
の２分の１の位置(r/2)であってそれぞれの位置が中心
と結ぶ二つの直線のなす角度が１８０度の位置になるよ
うにし、融液表面から1cmの深さの位置とした。また実
施例６では、図７に示すように３本の電極を挿入し、電
極を取り付けた保護管の先端位置をシリコン融液の半径
（r）の２分の１の位置(r/2)であってそれぞれの位置が
中心と結ぶ各直線間の角度が120度の位置になるように
し、融液表面からの深さが1cmの位置とした。また実施
例７では、図８に示すように６本の電極を挿入し、電極
を取り付けた保護管の先端位置をシリコン融液の半径
（r）の2分の１の位置(r/2)であってそれぞれの位置が
中心と結ぶ各直線間の角度が60度の位置になるように
し、融液表面からの深さが１cmの位置とした。
【００３２】実施例８ 本実施例では、図９に示すように、内側の直径がシリコ
ン融液の半径（r）の２分の１(r/2)の円形状のリングを
電極（７）として使用した。このリングの中心を結晶の
引き上げ軸の中心に一致させ、保護管８をその下端がシ
リコン融液内の融液表面から1cmの深さの位置になるよ
うに挿入して結晶の育成をおこなった。
ン融液の半径（r）の２分の１(r/2)の円形状のリングを
電極（７）として使用した。このリングの中心を結晶の
引き上げ軸の中心に一致させ、保護管８をその下端がシ
リコン融液内の融液表面から1cmの深さの位置になるよ
うに挿入して結晶の育成をおこなった。
【００３３】実施例９ 本実施例では、直径100cmの石英るつぼを使用して、直
径40cmのシリコン単結晶を育成した。本実施例では、実
施例６（図７）と同様に直径0.4mmのカーボン製の電極
を３本、シリコン融液の半径(r)の２分の１の位置（r/
2）であってそれぞれ位置が中心と結ぶ直線間の角度が1
20度の位置とし、保護管８をその下端が融液表面からの
深さ１cmの位置になるように挿入して、結晶育成をおこ
なった。
径40cmのシリコン単結晶を育成した。本実施例では、実
施例６（図７）と同様に直径0.4mmのカーボン製の電極
を３本、シリコン融液の半径(r)の２分の１の位置（r/
2）であってそれぞれ位置が中心と結ぶ直線間の角度が1
20度の位置とし、保護管８をその下端が融液表面からの
深さ１cmの位置になるように挿入して、結晶育成をおこ
なった。
【００３４】以上の実施例において印加した磁界大きさ
及び電流の大きさ、並びにその他の結晶育成の条件を表
１にまとめて示す。また、これらの実施例１〜９の方法
での半導体融液の回転数、および育成した結晶中の成長
縞を観察した結果を表２にまとめた。
及び電流の大きさ、並びにその他の結晶育成の条件を表
１にまとめて示す。また、これらの実施例１〜９の方法
での半導体融液の回転数、および育成した結晶中の成長
縞を観察した結果を表２にまとめた。
【００３５】
【表１】
【００３６】
【表２】 また、半導体融液の回転の様子を観察するために、半導
体融液表面に浮遊させたトレーサー粒子を、炉の上部に
取り付けたCCDカメラで観察した。この半導体融液の回
転の様子を観察した結果を、トレーサー粒子の移動速度
を矢印の長さとして、電極の挿入位置ごとに分けて図１
０にまとめて示した。
体融液表面に浮遊させたトレーサー粒子を、炉の上部に
取り付けたCCDカメラで観察した。この半導体融液の回
転の様子を観察した結果を、トレーサー粒子の移動速度
を矢印の長さとして、電極の挿入位置ごとに分けて図１
０にまとめて示した。
【００３７】図１０（a）は、電極保護管の先端位置
が、るつぼ壁から1cmで融液表面から1cmの実施例１の場
合を示すものあり、半導体融液全体がほぼ同じ回転数で
回転していることを示している。
が、るつぼ壁から1cmで融液表面から1cmの実施例１の場
合を示すものあり、半導体融液全体がほぼ同じ回転数で
回転していることを示している。
【００３８】図１０（b）は、電極保護管の先端位置
が、るつぼ壁から1cmで融液表面から融液高さ（h）の２
分の１の深さ（h/2）の位置の、実施例２の場合の結果
である。融液表面近くでは回転数が実施例１に比べて遅
くなっていたが、融液の深部のほうでは実施例１と同様
の回転数で全体が回転していた。
が、るつぼ壁から1cmで融液表面から融液高さ（h）の２
分の１の深さ（h/2）の位置の、実施例２の場合の結果
である。融液表面近くでは回転数が実施例１に比べて遅
くなっていたが、融液の深部のほうでは実施例１と同様
の回転数で全体が回転していた。
【００３９】図１０（c）は、電極保護管の先端位置
が、融液半径（r）の２分の１（r/2）で融液表面から1c
mの場合の、実施例３、実施例５〜１０の場合の結果で
ある。融液表面付近では、シリコン単結晶に近い領域で
は実施例１よりも早い速度で回転しているが、るつぼ壁
に近い領域では非常に遅い速度で回転していた。
が、融液半径（r）の２分の１（r/2）で融液表面から1c
mの場合の、実施例３、実施例５〜１０の場合の結果で
ある。融液表面付近では、シリコン単結晶に近い領域で
は実施例１よりも早い速度で回転しているが、るつぼ壁
に近い領域では非常に遅い速度で回転していた。
【００４０】図１０（d）は、電極保護管の先端位置
が、融液半径（ｒ）の２分の１（r/2）で、融液表面か
ら融液高さ（h）の２分の１の深さ（h/2）の、実施例４
の場合の結果である。融液表面付近では、シリコン単結
晶に近い領域では遅い速度で回転しており、るつぼ壁近
くの領域ではほとんど回転していなかった。融液の深部
では、シリコン単結晶に近いの領域では速い速度で回転
していたが、るつぼ壁近傍ではやはりほとんど回転して
いなかった。
が、融液半径（ｒ）の２分の１（r/2）で、融液表面か
ら融液高さ（h）の２分の１の深さ（h/2）の、実施例４
の場合の結果である。融液表面付近では、シリコン単結
晶に近い領域では遅い速度で回転しており、るつぼ壁近
くの領域ではほとんど回転していなかった。融液の深部
では、シリコン単結晶に近いの領域では速い速度で回転
していたが、るつぼ壁近傍ではやはりほとんど回転して
いなかった。
【００４１】これらの実施例から、本発明による方法で
半導体融液を0.01rpmの精度で5000rpmのまでの範囲で回
転できることがわかる。また、本発明による方法で育成
した半導体単結晶中には成長縞が発生しておらず、半導
体融液が結晶の引き上げ軸に完全に一致して回転するこ
とがわかる。
半導体融液を0.01rpmの精度で5000rpmのまでの範囲で回
転できることがわかる。また、本発明による方法で育成
した半導体単結晶中には成長縞が発生しておらず、半導
体融液が結晶の引き上げ軸に完全に一致して回転するこ
とがわかる。
【００４２】また、図１０に示す融液の回転の観察結果
から、電極あるいは電極保護管の挿入位置によって半導
体融液内の回転数の分布を変化させることができること
が確認される。
から、電極あるいは電極保護管の挿入位置によって半導
体融液内の回転数の分布を変化させることができること
が確認される。
【００４３】比較例１〜３ 上述の本発明の効果を明らかにするために、比較例とし
て、機械的な方法でるつぼを回転させる従来の方法によ
り、シリコン単結晶を育成した場合の結果を示す。比較
例１は、実施例１と同様に直径7.5cmの石英るつぼか
ら、直径3.0cmのシリコン単結晶を育成した。るつぼの
回転数は、0.1rpmから20rpmまで変化させて単結晶の育
成をおこなった。
て、機械的な方法でるつぼを回転させる従来の方法によ
り、シリコン単結晶を育成した場合の結果を示す。比較
例１は、実施例１と同様に直径7.5cmの石英るつぼか
ら、直径3.0cmのシリコン単結晶を育成した。るつぼの
回転数は、0.1rpmから20rpmまで変化させて単結晶の育
成をおこなった。
【００４４】比較例２は、実施例５と同様に、直径75cm
の石英るつぼから直径30cmのシリコン単結晶を育成し
た。るつぼの回転数は、0.1rpmから20rpmの範囲で変化
させて単結晶の育成をおこなった。
の石英るつぼから直径30cmのシリコン単結晶を育成し
た。るつぼの回転数は、0.1rpmから20rpmの範囲で変化
させて単結晶の育成をおこなった。
【００４５】比較例３では、実施例９の場合と同様に、
直径100cmの石英るつぼから直径40cmのシリコン単結晶
を、るつぼ回転数0.1rpmから20rpmの範囲で変化させて
育成した。
直径100cmの石英るつぼから直径40cmのシリコン単結晶
を、るつぼ回転数0.1rpmから20rpmの範囲で変化させて
育成した。
【００４６】表３に、これらの比較例１〜３の結晶育成
条件と、育成した結晶中の成長縞の観察結果をまとめ
た。
条件と、育成した結晶中の成長縞の観察結果をまとめ
た。
【００４７】
【表３】 これらの比較例の結果から、るつぼを回転させる従来の
方法によりシリコン単結晶を育成した場合は、育成した
シリコン単結晶中に成長縞が発生しており、シリコン融
液内の温度分布が結晶の引き上げ軸に対して非軸対称と
なっており、るつぼの回転では融液内の温度分布を完全
に軸対称にすることが困難であることがわかる。
方法によりシリコン単結晶を育成した場合は、育成した
シリコン単結晶中に成長縞が発生しており、シリコン融
液内の温度分布が結晶の引き上げ軸に対して非軸対称と
なっており、るつぼの回転では融液内の温度分布を完全
に軸対称にすることが困難であることがわかる。
【００４８】実施例１０及び１１ シリコン以外の半導体単結晶の育成においても本発明が
適用できることを確かめるために、実施例１０として、
実施例７と同様の電極の配置で、直径15cmのGaAs単結晶
を直径30cmのp-ＢＮるつぼから育成した。また実施例１
１として、実施例７と同様の電極の配置で直径10cmのGa
P単結晶を直径25cmのp-ＢＮるつぼから育成した。結果
を表４にまとめた。
適用できることを確かめるために、実施例１０として、
実施例７と同様の電極の配置で、直径15cmのGaAs単結晶
を直径30cmのp-ＢＮるつぼから育成した。また実施例１
１として、実施例７と同様の電極の配置で直径10cmのGa
P単結晶を直径25cmのp-ＢＮるつぼから育成した。結果
を表４にまとめた。
【００４９】
【表４】 この結果より、シリコン以外の半導体単結晶の育成にお
いても、本発明により半導体融液を自発的に回転させる
ことが可能であることがわかる。またこの結果、半導体
単結晶中の成長縞の発生を抑制できることが確認され
る。
いても、本発明により半導体融液を自発的に回転させる
ことが可能であることがわかる。またこの結果、半導体
単結晶中の成長縞の発生を抑制できることが確認され
る。
【００５０】本発明は、磁界の発生、あるいは融液内電
極、半導体結晶電極について、それらの構造、材料、方
式については以上の実施例に限定されることはなく、液
面に対して垂直磁界、及びその磁界に直交する電流を発
生する構造、方式を全て含むものである。
極、半導体結晶電極について、それらの構造、材料、方
式については以上の実施例に限定されることはなく、液
面に対して垂直磁界、及びその磁界に直交する電流を発
生する構造、方式を全て含むものである。
【００５１】実施例１２、１３ 実施例１〜１１では主に磁場の方向が結晶成長面に対し
て垂直の場合を述べたが、半導体融液中の磁界と直交す
る電流が半導体融液中に印加されるのであれば、本願は
磁場の方向に限定されず、例えばカスプ磁場や水平磁場
の場合も含まれる。
て垂直の場合を述べたが、半導体融液中の磁界と直交す
る電流が半導体融液中に印加されるのであれば、本願は
磁場の方向に限定されず、例えばカスプ磁場や水平磁場
の場合も含まれる。
【００５２】これを確認するために実施例１２として、
カスプ磁場を印加した場合において、実施例７と同様の
電極の配置で、直径30.0cmのシリコン単結晶を直径75cm
の石英るつぼから育成した。印加したカスプ磁場の形状
は、図１１（ａ）〜（ｃ）に示した３種類の場合につい
て行った。
カスプ磁場を印加した場合において、実施例７と同様の
電極の配置で、直径30.0cmのシリコン単結晶を直径75cm
の石英るつぼから育成した。印加したカスプ磁場の形状
は、図１１（ａ）〜（ｃ）に示した３種類の場合につい
て行った。
【００５３】また実施例１３として、図１２に示すよう
に、結晶の引き上げ方向に対して垂直な方向の水平磁場
を印加した場合において、図１３に示す配置で電極を配
置して直径30.0cmのシリコン単結晶を直径75cmの石英る
つぼから育成した。なお、図１２（ａ）は平面図、図１
２（ｂ）は側面図である。
に、結晶の引き上げ方向に対して垂直な方向の水平磁場
を印加した場合において、図１３に示す配置で電極を配
置して直径30.0cmのシリコン単結晶を直径75cmの石英る
つぼから育成した。なお、図１２（ａ）は平面図、図１
２（ｂ）は側面図である。
【００５４】実施例１２及び１３の結果を表５にまとめ
た。この結果から、磁場の形状によらず、印加した磁場
と直交する電流が半導体融液中に印加されれば本発明の
効果が得られことが確認される。
た。この結果から、磁場の形状によらず、印加した磁場
と直交する電流が半導体融液中に印加されれば本発明の
効果が得られことが確認される。
【００５５】
【表５】
【００５６】
【発明の効果】このように本発明は、チョクラルスキー
法による半導体単結晶の育成において、成長している半
導体単結晶と半導体融液間の成長界面に垂直、かつ結晶
引き上げ軸に対して軸対称な磁界中で、成長している半
導体単結晶と半導体融液間に電流を印加することによっ
て、るつぼを回転すること無しに、半導体融液を自発的
に回転させて結晶の育成を行うことができる。
法による半導体単結晶の育成において、成長している半
導体単結晶と半導体融液間の成長界面に垂直、かつ結晶
引き上げ軸に対して軸対称な磁界中で、成長している半
導体単結晶と半導体融液間に電流を印加することによっ
て、るつぼを回転すること無しに、半導体融液を自発的
に回転させて結晶の育成を行うことができる。
【００５７】また、磁界の大きさと印加する電流の大き
さをそれぞれ任意に変化させることによって、半導体融
液の回転数を任意に設定することができる。
さをそれぞれ任意に変化させることによって、半導体融
液の回転数を任意に設定することができる。
【００５８】さらに、半導体融液内に挿入する電極の位
置を変化させることにより、半導体融液内の回転数の分
布を変化させることができる。このため、結晶中に混入
する不純物元素の濃度の変化を容易に制御することが可
能となる。
置を変化させることにより、半導体融液内の回転数の分
布を変化させることができる。このため、結晶中に混入
する不純物元素の濃度の変化を容易に制御することが可
能となる。
【００５９】本発明による半導体融液を自発的に回転さ
せる方法では、半導体融液はその回転軸が結晶の引き上
げ軸に完全に一致して回転するため、融液内の温度分布
が結晶引き上げ軸に対称となり、育成した結晶中に成長
縞が発生することが無い。
せる方法では、半導体融液はその回転軸が結晶の引き上
げ軸に完全に一致して回転するため、融液内の温度分布
が結晶引き上げ軸に対称となり、育成した結晶中に成長
縞が発生することが無い。
【図１】本発明の半導体単結晶育成装置の構成図であ
る。
る。
【図２】本発明による半導体単結晶育成の実施例１とし
て、直径3.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
て、直径3.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
【図３】本発明による半導体単結晶育成の実施例２とし
て、直径3.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
て、直径3.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
【図４】本発明による半導体単結晶育成の実施例３とし
て、直径3.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
て、直径3.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
【図５】本発明による半導体単結晶育成の実施例４とし
て、直径3.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
て、直径3.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
【図６】本発明による半導体単結晶育の実施例５とし
て、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
て、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
【図７】本発明による半導体単結晶育成の実施例６とし
て、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
て、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
【図８】本発明による半導体単結晶育成の実施例７とし
て、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
て、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
の挿入位置を説明するための図である。
【図９】本発明による半導体単結晶育成の実施例８とし
て、直径40.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
とその挿入位置を説明するための図である。
て、直径40.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、電極
とその挿入位置を説明するための図である。
【図１０】本発明によるシリコン単結晶育成（実施例１
〜９）において、シリコン融液の回転する様子を観察し
た結果を示す図である。矢印の長さは移動速度の大きさ
を示す。
〜９）において、シリコン融液の回転する様子を観察し
た結果を示す図である。矢印の長さは移動速度の大きさ
を示す。
【図１１】本発明による半導体単結晶育成の実施例１２
として、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、
カスプ磁場の形状を説明するための図である。
として、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、
カスプ磁場の形状を説明するための図である。
【図１２】本発明による半導体単結晶育成の実施例１３
として、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、
水平磁場の位置を説明するための図である。
として、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、
水平磁場の位置を説明するための図である。
【図１３】本発明による半導体単結晶育成の実施例１３
として、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、
電極の挿入位置を説明するための図である。
として、直径30.0cmのシリコン単結晶を育成した際の、
電極の挿入位置を説明するための図である。
１ 結晶育成炉本体 ２ ヒーター ３ るつぼ ４ 半導体融液 ５ 半導体単結晶 ６ 結晶引き上げ軸 ７ 電極 ８ 電極保護管 ９ 電源 １０ 電磁石コイル １１ 磁界 １２ CCDカメラ １３ Ｘ線源 １４ Ｘ線カメラ １５ 磁力線
Claims (21)
- 【請求項１】 チョクラルスキー法による半導体単結晶
育成装置において、半導体融液中に磁界を印加する装置
と、その磁界と直交する電流を半導体融液中に印加する
装置を備えたことを特徴とする半導体単結晶育成装置。 - 【請求項２】 チョクラルスキー法による半導体単結晶
育成装置において、結晶成長界面に対して垂直でかつ結
晶の引き上げ軸に対して軸対称な磁界の印加装置と、半
導体融液中に磁界と直交する電流を印加する装置を備え
たことを特徴とする半導体単結晶育成装置。 - 【請求項３】 半導体融液中に浸入する電極と、引き上
げ結晶に通電する電極とを備えたことを特徴とする請求
項２記載の半導体単結晶育成装置。 - 【請求項４】 半導体融液中に浸入する電極は、複数あ
り、それらの電極を結晶の引き上げ軸に対して軸対称に
配置したことを特徴とする請求項３記載の半導体単結晶
育成装置。 - 【請求項５】 半導体融液中に浸入する電極は、結晶の
引き上げ軸に対して軸対称な閉曲面であることを特徴と
する請求項３記載の半導体単結晶育成装置。 - 【請求項６】 結晶の引き上げ中に、電極の先端が半導
体融液内表面近傍に浸入し、融液液面からの深さを一定
に保つことを特徴とする請求項３記載の半導体単結晶育
成装置。 - 【請求項７】 結晶の引き上げ中に、半導体融液融液中
に浸入する電極保護管の融液液面からの深さを一定に保
つことを特徴とする請求項３記載の半導体単結晶育成装
置。 - 【請求項８】 結晶の引き上げ中に、半導体融液中に浸
入する電極保護管の融液液面からの深さと融液深さの比
を一定に保つことを特徴とする請求項３記載の半導体単
結晶育成装置。 - 【請求項９】 チョクラルスキー法による半導体単結晶
育成方法において、半導体融液中に磁界を印加し、更に
その磁界と直交する電流を半導体融液中に印加すること
を特徴とする半導体単結晶育成方法。 - 【請求項１０】 チョクラルスキー法による半導体単結
晶育成方法において、結晶成長界面に対して垂直な磁界
と、その磁界と直交する電流とを半導体融液中に印加す
ることを特徴とする半導体単結晶育成方法。 - 【請求項１１】 結晶成長界面に対して垂直な磁界は、
結晶の引き上げ軸に対して軸対称であることを特徴とす
る請求項１０記載の半導体単結晶育成方法。 - 【請求項１２】 磁界の大きさを結晶成長中に変化させ
て半導体融液表面を最適な形状に維持しながら結晶を引
き上げることを特徴とする請求項１０記載の半導体単結
晶育成方法。 - 【請求項１３】 電流の大きさを結晶成長中に変化させ
て半導体融液表面を最適な形状に維持しながら結晶を引
き上げることを特徴とする請求項１０記載の半導体単結
晶育成方法。 - 【請求項１４】 結晶の引き上げ中に、電極の先端が半
導体融液内表面近傍に浸入し、融液液面からの深さを一
定に保ちながら結晶を引き上げることを特徴とする請求
項１０記載の半導体単結晶育成方法。 - 【請求項１５】 結晶引き上げ中に、半導体融液中に浸
入する電極保護管の融液表面からの深さを一定に保ちな
がら結晶を引き上げることを特徴とする請求項１０記載
の半導体単結晶育成方法。 - 【請求項１６】 結晶の引き上げ中に、半導体融液中に
浸入する電極保護管の融液液面からの深さと融液深さの
比を一定に保ちながら結晶を引き上げることを特徴とす
る請求項１０記載の半導体単結晶育成方法。 - 【請求項１７】 半導体融液の回転数を、該半導体融液
の入ったるつぼの半径方向あるいは深さ方向で変化させ
ること特徴とする請求項１０記載の半導体単結晶育成方
法。 - 【請求項１８】 チョクラルスキー法による半導体単結
晶育成装置において、結晶成長界面に対して平行な磁界
を印加する装置と、半導体融液中に磁界と直交する電流
を印加する装置を備えたことを特徴とする半導体単結晶
育成装置。 - 【請求項１９】 チョクラルスキー法による半導体単結
晶育成装置において、カスプ磁界を印加する装置と、そ
の磁界と直交する電流を半導体融液中に印加する装置を
備えたことを特徴とする半導体単結晶育成装置。 - 【請求項２０】 チョクラルスキー法による半導体単結
晶育成方法において、結晶成長界面に対して平行な磁界
を印加し、更にその磁界と直交する電流を半導体融液中
に印加することを特徴とする半導体単結晶育成方法。 - 【請求項２１】 チョクラルスキー法による半導体単結
晶育成方法において、カスプ磁界を印加し、更にその磁
界と直交する電流を半導体融液中に印加することを特徴
とする半導体単結晶育成方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9343261A JP2959543B2 (ja) | 1997-12-12 | 1997-12-12 | 半導体単結晶育成装置および結晶育成方法 |
| DE19857339A DE19857339A1 (de) | 1997-12-12 | 1998-12-11 | Einkristallzuchtgerät und Kristallzuchtverfahren |
| US09/209,770 US6077346A (en) | 1997-12-12 | 1998-12-11 | Semiconductor single crystal growing apparatus and crystal growing method |
| KR1019980054469A KR100307991B1 (ko) | 1997-12-12 | 1998-12-11 | 반도체단결정성장장치및결정성장방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9343261A JP2959543B2 (ja) | 1997-12-12 | 1997-12-12 | 半導体単結晶育成装置および結晶育成方法 |
Publications (2)
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