JP3428266B2 - 単結晶引上装置 - Google Patents
単結晶引上装置Info
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Description
を用いて貯留された半導体融液より半導体単結晶を引き
上げる単結晶引上装置に関する。
(GaAs)等の半導体単結晶を成長する方法の一つと
して、CZ法が知られている。このCZ法は、大口径、
高純度の単結晶が無転位あるいは格子欠陥の極めて少な
い状態で容易に得られること等の特徴を有することか
ら、様々な半導体結晶の成長に用いられている方法であ
る。
濃度および不純物濃度等の均一化の要求に伴いこのCZ
法も様々に改良され実用に供されている。上記CZ法の
改良型の一つにいわゆる二重ルツボを用いた連続チャー
ジ型磁界印加CZ法(以下、CMCZ法と略称する)が
提案されている。この方法は、外部からルツボ内の半導
体融液に磁界を印加することにより、前記半導体融液内
の対流を抑制し極めて酸素濃度の制御性が良く単結晶化
率が良い単結晶を成長することができ、外側のルツボと
内側のルツボとの間に原料を連続供給し長尺の半導体単
結晶を容易に得ることができる等の特徴を有する。した
がって、大口径かつ長尺の半導体単結晶を得るには最も
優れた方法の一つであると言われている。
記載されている上記のCMCZ法を用いたシリコンの単
結晶引上装置の一例である。この単結晶引上装置1は、
中空の気密容器であるチャンバ2内に、二重ルツボ3、
ヒーター4、原料供給装置5がそれぞれ配置され、該チ
ャンバ2の外部にマグネット6が配置されている。
2)製の外ルツボ11と、図7の(a)に示すように、
該外ルツボ11内に設けられた円筒状の仕切り体である
石英(SiO2)製の内ルツボ12とから形成され、該
内ルツボ12の側壁には、内ルツボ12と外ルツボ11
との間(原料融解領域)と内ルツボ12の内側(結晶成
長領域)とを連通する連通孔13が複数個形成されてい
る。
部に垂直に立設されたシャフト14上のサセプタ15に
載置されており、前記シャフト14の軸線を中心として
水平面上で所定の角速度で回転する構成になっている。
そして、この二重ルツボ3内には半導体融液(加熱融解
された半導体単結晶の原料)21が貯留されている。
加熱・融解するとともに生じた半導体融液21を保温す
るもので、通常、抵抗加熱が用いられる。原料供給装置
5は、所定量の半導体の原料22を外ルツボ11と内ル
ツボ12との間の半導体融液21面上に連続的に投入す
るものである。
二重ルツボ3内の半導体融液21に磁界を印加すること
で、半導体融液21内で発生するローレンツ力により該
半導体融液21の対流の制御および酸素濃度の制御、液
面振動の抑制等を行うものである。
2としては、例えば、多結晶シリコンのインゴットを破
砕機等で破砕してフレーク状にしたもの、あるいは、気
体原料から熱分解法により粒状に析出させた多結晶シリ
コンの顆粒が好適に用いられ、必要に応じてホウ素
(B)(p型シリコン単結晶を作る場合)やリン(P)
(n型シリコン単結晶を作る場合)等のドーパントと呼
ばれる添加元素がさらに供給される。また、ガリウムヒ
素(GaAs)の場合も同様で、この場合、添加元素は
亜鉛(Zn)もしくはシリコン(Si)等となる。
12の上方かつ軸線上に配された引上軸24に種結晶2
5を吊り下げ、半導体融液21上部において種結晶25
を核として半導体単結晶26を成長させる。
開昭63−303894号公報に記載されているよう
に、単結晶を成長する前工程において、外ルツボ11に
予め多結晶シリコン塊等の多結晶原料を融解させて半導
体融液21を貯留し、外ルツボ11の上方に配された内
ルツボ12を、外ルツボ11内に載置して、二重ルツボ
3を形成している。このように多結晶原料の融解後に二
重ルツボ3を形成するのは、多結晶原料を完全に融解し
て半導体融液21を得るために、ヒーター4によって外
ルツボ11内の原料を単結晶成長温度以上の温度まで高
温加熱する必要があり、この際に、予め内ルツボ12を
外ルツボ11内に載置させていると、内ルツボ12に大
きな熱変形が生じてしまうからである。
ーター4による加熱をある程度弱めてから内ルツボ12
を外ルツボ11に載置させることによって、初期原料融
解時の高温加熱を避け、内ルツボ12の変形を抑制して
いる。
3は、原料供給時に半導体融液21を内ルツボ12の外
側から内ルツボ12の内側にのみ流入させるように一定
の開口径以下に設定されている。すなわち、この理由は
連通孔13の開口面積が大きすぎると、結晶成長領域か
ら半導体融液21が対流により原料融解領域に戻る現象
が生じると単結晶成長における不純物濃度および融液温
度等の制御が困難になってしまうためである。
すぎる場合は、内ルツボ12の外側から内ルツボ12の
内側へ半導体融液21が流入し難くなり、内ルツボ12
の外側と内ルツボ12の内側における半導体融液21の
液位に差が生じ易くなるとともに、この差を相殺させよ
うとする力で液面が揺れてしまい単結晶成長に悪影響を
及ぼしてしまう。このため、前記連通孔13は、内ルツ
ボ12の内側から内ルツボ12の外側に半導体融液21
が逆流しないとともに、内ルツボ12の内側と内ルツボ
12の外側の半導体融液21の液位差が生じない範囲の
開口径に設定されている。
単結晶引上装置には、以下のような課題が残されてい
る。すなわち、外ルツボ11内に半導体融液21を貯留
した後に、内ルツボ12を載置し二重ルツボを形成する
ため、内ルツボ12に形成されている複数の連通孔13
には、図7の(b)に示すように、雰囲気ガスとして用
いられる不活性ガス、例えばアルゴン等の気泡Aが付着
してしまう場合がある。このように気泡Aが付着した状
態の連通孔13では、実質的な開口径が狭まってしまう
とともに、半導体融液21が外ルツボ11から連通孔1
3を通して内ルツボ12内に流入する際に、融液流抵抗
が増大してその流れが阻害されてしまう。すなわち、連
通孔13の開口径が前述した好適な範囲より小さくなっ
てしまい、単結晶成長が困難となってしまう。また、連
通孔13の開口径を大きく設定すれば、付着した気泡A
の影響が低減されると考えられるが、上述したように連
通孔13の開口径には上限があり、開口径の拡大化も制
限される。
ので、内ルツボを設置する際に生じる気泡の付着を抑制
し、長尺大口径の単結晶を安定して引き上げる装置を提
供することを目的とする。
決するために以下の構成を採用した。すなわち、請求項
1記載の単結晶引上装置では、気密容器の内部に設けら
れた外ルツボに半導体融液を貯留し、この外ルツボ内に
筒状仕切り体である内ルツボを載置して二重ルツボを形
成し、前記内ルツボ内の半導体融液より半導体単結晶を
引き上げる単結晶引上装置において、前記内ルツボの下
端には、切欠部が形成され、該切欠部は、前記二重ルツ
ボを形成した状態で半導体融液を内ルツボの内部に流入
させる連通部となり、前記内ルツボは、少なくとも切欠
部の下部周辺が他の部分より厚肉に設定された厚肉部と
されている。
孔ではなく切欠部を形成しているので、内ルツボの下端
を半導体融液に接触させた段階で既に切欠部の下部に半
導体融液が浸入するとともに、内ルツボの下端が半導体
融液内に挿入されて行くに従って、その半導体融液が切
欠部に徐々に浸入して切欠部の気泡を押し出すことか
ら、切欠部への気泡の付着が防止される。また、二重ル
ツボを形成した状態の切欠部は、熱変形しやすいが、こ
の単結晶引上装置では、外ルツボに近接する切欠部の下
部周辺が他の部分より厚肉とされた厚肉部であるので、
該厚肉部が他の部分より強度が高い。したがって、熱に
より切欠部が軟化しても変形し難く、その形状が保持さ
れる。なお、切欠部全体の強度を向上させるために、切
欠部の下部周辺のみならず、切欠部の全周辺が厚肉部と
されることが望ましい。
項1記載の単結晶引上装置において、前記切欠部は、上
方に向かって幅が漸次狭められた頂部を有する。
形成されているので、切欠部の開口面積が同一である場
合に、例えば、頂部が形成されていない単なる矩形状の
切欠部等に比べて下端幅を広く設定することができる。
すなわち、二重ルツボを形成する際に、半導体融液に最
初に接触し浸入する部分である切欠部の下端部分が広く
設定できることから、半導体融液が切欠部内部に浸入し
易くなり、付着していた気泡が押し出され易くなる。
項1または2記載の単結晶引上装置において、前記切欠
部は、下端幅が最大幅に設定する。
が最大幅に設定されているので、二重ルツボを形成する
際に、半導体融液に最初に接触し浸入する部分である切
欠部の下端部分が最も広いことから、半導体融液が切欠
部内部に浸入し易くなり、付着していた気泡がさらに押
し出され易くなる。
項1から3のいずれかに記載の単結晶引上装置におい
て、前記切欠部は、下部に垂直に立ち上がる立ち上がり
部を形成する。
温状態の半導体融液および外ルツボに直接当接するた
め、熱変形が生じ易いが、この単結晶引上装置では、切
欠部の下部に立ち上がり部を形成しているので、切欠部
周辺において垂直方向に対する強度が高い。したがっ
て、熱により切欠部が軟化しても特に垂直方向に変形し
難く、その形状が保持される。
項1から4のいずれかに記載の単結晶引上装置におい
て、前記内ルツボは、前記外ルツボ内側の傾斜面に下端
が当接して配置されるとともに、下端外周面が下端内方
に向かって傾斜したテーパ面とする。
態の切欠部は、熱変形しやすいが、この単結晶引上装置
では、内ルツボの下端外周面がテーパ面とされているの
で、外ルツボの内側における傾斜面に前記下端外周面が
面接触して内ルツボを支持する。したがって、内ルツボ
の下端に加わる自重を面接触により分散させて該下端の
熱変形が低減されるとともに、下端に形成される切欠部
の形状も保持される。さらに、内ルツボの下端外周面が
外ルツボの内側と面接触しているので、外ルツボとの密
着性が向上する。したがって、たとえ内ルツボを載置す
る際に位置ずれが生じても、内ルツボの下端と外ルツボ
との間に隙間が生じ難くなる。
図1および図2を参照しながら説明する。これらの図に
あって、符号31はシリコンの単結晶引上装置、32は
切欠部、33は内ルツボを示している。
示すように、従来例で説明した単結晶引上装置1におい
て連通孔13が形成された内ルツボ12の代わりに、切
欠部32が形成された内ルツボ33を用いたものであ
り、図1において図6に示す構成要素と同一の要素には
同一符号を付してあり、この同一要素については説明を
省略する。
すように、円筒状の仕切り体である石英製の内ルツボ3
3を半導体融液21が貯留された外ルツボ11内に載置
した二重ルツボ構造を有するものである。前記内ルツボ
33は、その下端の2カ所に互いに軸線に対して対称な
位置に切欠部32が形成されている。これらの切欠部3
2は、二重ルツボを形成した状態で半導体融液21を内
ルツボ33の外側から内ルツボ33の内部に流入させる
連通部を形成するものである。
うに、下部に垂直に立ち上がる立ち上がり部32Aが形
成されているとともに、その上部には上方に向かって幅
が漸次狭められた90度の角度を有する頂部32Bが形
成されている。また、切欠部32は、下端幅Wが最大幅
に設定されている。
るように設定されている。すなわち、下端幅Wが5mm
未満の範囲では、外ルツボ11側から内ルツボ33内へ
半導体融液21が流入し難くなり内ルツボ33内外の液
位に差が生じてしまうためである。また、内ルツボ33
内から外ルツボ11側へ半導体融液21が戻る逆流現象
等を考慮して、特に、下端部Wの好適な範囲としては、
内ルツボ33の内径をφとすると、0.050<W/φ
<0.055の範囲に設定することが望ましい。
W2/2≦S≦2W2となる範囲に設定されている。上記
範囲の下限未満であると、切欠部32からの半導体融液
21の流入が、単結晶成長に対して不足するとともに、
内ルツボ33の内外での液位に差が生じてしまう不都合
が生じるためである。したがって、切欠部32の個数お
よび切欠部32一つの開口面積は、設定された開口総面
積Sおよび下端幅Wにより決定される。
態におけるシリコン等の半導体単結晶を成長させる方法
について説明する。
ン塊等の多結晶原料を所定量だけ外ルツボ11内に入
れ、チャンバ2内を真空ポンプ等で排気し真空状態とす
る。また、該チャンバ2内にアルゴン(Ar)等の不活
性ガスを導入し、シャフト14を軸線を中心として所定
の角速度で水平面上で回転させることで外ルツボ11を
所定の角速度で回転させながら、ヒーター4に通電し外
ルツボ11内の多結晶原料を単結晶成長温度以上の温度
まで加熱し、この原料を完全に融解する。
した後、ヒーター4による加熱を若干弱めるとともに、
外ルツボ11の上方に軸線を同じくして配される内ルツ
ボ33を半導体融液21内に載置し、形成する。
切欠部32を形成しているので、内ルツボ33の下端を
半導体融液21に接触させた段階で既に切欠部32の下
部に半導体融液21が浸入するとともに、その半導体融
液21が切欠部32に徐々に浸入して切欠部32の気泡
を押し出すことから、切欠部32への気泡の付着が防止
される。そして、内ルツボ33が外ルツボ11内に載置
されて二重ルツボを形成した状態では、前記切欠部32
は、半導体融液21を内部に流入させる連通部となる。
ているので、切欠部32の開口面積が同一である場合
に、例えば、頂部32Bが形成されていない単なる矩形
状の切欠部に比べて下端幅Wを広く設定することができ
る。すなわち、半導体融液21に最初に接触し浸入する
部分である切欠部32の下端部分が広く設定できること
から、半導体融液21が切欠部32内部に浸入し易くな
り、付着していた気泡が押し出され易くなる。
設定されているので、半導体融液21に最初に接触し浸
入する部分である切欠部32の下端部分が最も広いこと
から、付着していた気泡がさらに押し出され易くなる。
た後、マグネット6に通電し所定の磁界を印加し、ヒー
ター4の電力を調整して半導体融液21の中央液面23
付近を単結晶成長温度に保ち、引上軸24により吊り下
げられた種結晶25を半導体融液21になじませた後、
この種結晶25を核として半導体単結晶26を成長させ
る。ここでは、種結晶を無転位化した後にこの単結晶の
径を徐々に大口径化し所定の径の半導体単結晶26とす
る。
晶26の成長量(引上量)に応じてシリコンの粒状の原
料22が連続的に投入され(必要に応じてドーパントを
入れる。)、この投入された原料22は外ルツボ11内
の内ルツボ33の外側で融解し、連通部である切欠部3
2を通って内ルツボ33内に連続的に供給される。以上
により、半導体単結晶26を成長させることができる。
は、下部に立ち上がり部32Aを形成しているので、高
温状態の外ルツボ11に直接当接して熱の影響が強くて
も、垂直方向に対して高強度を有することにより、熱で
切欠部が軟化しても垂直方向に変形し難く、その形状が
保持される。
び図4を参照しながら説明する。これらの図にあって、
符号41は内ルツボ、42は切欠部を示している。
形態における内ルツボ41は下端外周面41Aが下端内
方に向かって傾斜したテーパ面とされている点である。
すなわち、内ルツボ41は、外ルツボ11内側の傾斜面
に下端が当接して配置されるとともに、前記傾斜面に沿
ってテーパ面とされた下端外周面41Aが前記傾斜面に
面接触して内ルツボ41を支持する。したがって、内ル
ツボ41の下端に加わる自重を面接触により分散させて
該下端の熱変形が低減されるとともに、下端に形成され
る切欠部42の形状を保持することができる。なお、切
欠部42は、第1形態における切欠部32と同様に、立
ち上がり部42Aおよび頂部42Bを有しており、前記
立ち上がり部42Aの周辺がテーパ面とされる。
外ルツボ11の内側と面接触しているので、外ルツボ1
1との密着性が向上する。したがって、たとえ内ルツボ
41を載置する際に位置ずれが生じても、内ルツボ41
の下端と外ルツボ11との間に隙間が生じ難くなる。
照しながら説明する。これらの図にあって、符号51は
内ルツボ、52は切欠部を示している。
形態における内ルツボ51は、切欠部52の下部周辺が
他の部分より厚肉に設定された厚肉部51Aとされてい
る点である。すなわち、外ルツボ11に近接する切欠部
52の下部周辺が厚肉部51Aとされているので、該厚
肉部51Aは他の部分より強度が高くなる。したがっ
て、熱により切欠部52が軟化しても変形し難く、その
形状が保持される。なお、切欠部52は、第1形態にお
ける切欠部32と同様に、立ち上がり部52Aおよび頂
部52Bを有しており、前記立ち上がり部52Aの周辺
が厚肉部51Aとされる。
含むものである。 (1)内ルツボ33、41、51は円筒状に形成された
仕切り体であるが、筒状であれば他の形状でも構わな
い。例えば、有底円筒状の仕切り体としてもよい。 (2)切欠部32、42、52の上部には90度の頂部
32B、42B、52Bを形成したが、他の頂部形状を
有していても構わない。例えば、切欠部上部が円弧状と
されていてもよい。
32、42、52をそれぞれ2個設けたが、単数または
3ヶ以上設けても構わない。特に、成長する単結晶の大
口径化にともなってルツボを大口径化する場合は、内ル
ツボの周方向に多数箇所設けることが望ましい。 (4)単結晶引上装置としてCMCZ法を採用したが、
二重ルツボ構造であるなら、他の単結晶製造方法を適用
しても構わない。例えば、磁場印加を行わない連続チャ
ージ型CZ法(CCZ法)を採用してもよい。
側に凸状の厚肉部51Aを形成したが、内ルツボのいず
れか一側に凸状となる厚肉部でも構わない。また、切欠
部52全体の強度を向上させるために、切欠部52の下
部周辺のみならず、切欠部52の全周辺を厚肉部とする
ことが望ましい。
ボに切欠部を形成しているので、二重ルツボを形成する
際に、半導体融液が切欠部の気泡を押し出すことから、
切欠部への気泡の付着が防止され、半導体融液の流入時
における抵抗の増加を抑制することができる。したがっ
て、設定通りの連通部の開口面積が得られ、良好な単結
晶成長を行うことができる。また、外ルツボに近接する
切欠部の下部周辺が他の部分より厚肉とされた厚肉部で
あるので、該厚肉部の強度が他の部分より高く、熱によ
り切欠部が軟化しても変形し難いことから、その形状を
保持することができる。したがって、請求項4記載の単
結晶引上装置と同様に、切欠部の熱変形による連通部の
開口面積変化等を抑制することができる。
れば、切欠部に頂部が形成されているので、例えば、頂
部を有しない単なる矩形状の切欠部に比べてその下端幅
を広く設定することができ、二重ルツボを形成する際
に、半導体融液が切欠部内部に浸入し易くなり、付着し
ていた気泡をより押し出し易くすることができる。
れば、切欠部の下端幅が最大幅に設定されているので、
二重ルツボを形成する際に、半導体融液が切欠部内部に
浸入し易くなり、付着していた気泡をさらに押し出し易
くすることができる。
れば、切欠部の下部に立ち上がり部を形成しているの
で、切欠部下部周辺における垂直方向に対する強度が高
く、熱により切欠部が軟化しても変形し難いため、その
形状を保持することができる。したがって、切欠部の熱
変形による連通部の開口面積変化等を抑制することがで
きる。
れば、内ルツボの下端外周面がテーパ面とされているの
で、外ルツボ内側の傾斜面に前記下端外周面が面接触し
て内ルツボを支持することから、下端の熱変形が低減さ
れるとともに、下端に形成された切欠部の形状を保持す
ることができる。さらに、内ルツボの下端外周面が外ル
ツボ内面と面接触しているので、外ルツボとの密着性が
向上し、たとえ内ルツボを載置する際に位置ずれが生じ
ても、内ルツボの下端と外ルツボとの間に隙間が生じ難
くなるとともに、該隙間による連通部の開口面積の増大
を抑制することができる。
断面図である。
る内ルツボを示す斜視図および要部を拡大した正面図で
ある。
る内ルツボを示す正面図である。
る外ルツボおよび内ルツボを示す要部を拡大した断面図
である。
る内ルツボを示す要部を拡大した断面図である。
面図である。
内ルツボを示す斜視図および要部を拡大した正面図であ
る。
Claims (5)
- 【請求項1】 気密容器の内部に設けられた外ルツボに
半導体融液を貯留し、この外ルツボ内に筒状仕切り体で
ある内ルツボを載置して二重ルツボを形成し、前記内ル
ツボ内の半導体融液より半導体単結晶を引き上げる単結
晶引上装置において、 前記内ルツボの下端には、切欠部が形成され、 該切欠部は、前記二重ルツボを形成した状態で半導体融
液を内ルツボの内部に流入させる連通部となり、 前記内ルツボは、少なくとも切欠部の下部周辺が他の部
分より厚肉に設定された厚肉部とされている ことを特徴
とする単結晶引上装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の単結晶引上装置におい
て、 前記切欠部は、上方に向かって幅が漸次狭められた頂部
を有することを特徴とする単結晶引上装置。 - 【請求項3】 請求項1または2記載の単結晶引上装置
において、 前記切欠部は、下端幅が最大幅に設定されていることを
特徴とする単結晶引上装置。 - 【請求項4】 請求項1から3のいずれかに記載の単結
晶引上装置において、 前記切欠部は、下部に垂直に立ち上がる立ち上がり部が
形成されていることを特徴とする単結晶引上装置。 - 【請求項5】 請求項1から4のいずれかに記載の単結
晶引上装置において、前記内ルツボは、前記外ルツボ内側の傾斜面に下端が当
接して配置されるとともに、下端外周面が下端内方に向
かって傾斜したテーパ面とされている ことを特徴とする
単結晶引上装置。
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1995
- 1995-12-27 JP JP34169995A patent/JP3428266B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JPH09175884A (ja) | 1997-07-08 |
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