JP3835063B2 - 単結晶引上装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）を用いて、ルツボに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。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶を成長する手段の一つとして、ＣＺ法を用いた単結晶引上装置が知られている。
この単結晶引上装置は、図３および図４に示すように、チャンバ１内部のカーボンサセプタ２上に配設した石英ルツボ３内に半導体融液Ｌを貯留し、該半導体融液Ｌを石英ルツボ３の周囲に配置した円筒状のヒータ４で所定温度に加熱制御して、この半導体融液Ｌから半導体単結晶Ｃを引き上げるものである。
【０００３】
また、この単結晶引上装置では、ヒータ４の周囲に配置された円筒状の保温筒５と、該保温筒５の上部にアッパーリング６を介して取り付けられ石英ルツボ３の上方に同軸に配置された略円筒状のフロー管７とを備えている。
該フロー管７は、輻射熱を遮断するとともに、チャンバ１内に供給されるアルゴンガスを通過させて半導体融液Ｌ上に吹き付け、半導体融液Ｌから発生するＳｉＯ2を吹き流すものである。
従来のフロー管７は、内径が下方に向けて漸次小さくなったテーパ状に形成され、図４に示すように、均一な肉厚で下端７ａが断面矩形状に形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の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、結晶成長時、アルゴンガスはフロー管７内を通ってその下端から半導体融液Ｌ表面の中央に向けて吹き付けられ、さらに半導体融液Ｌ上を石英ルツボ３の半径方向外方に流れていくが、従来のフロー管７では、その下端７ａが角部（断面矩形状）となっているために、下端７ａ近傍でアルゴンガスの乱流が生じやすく、そのため半導体融液Ｌ表面が揺らされて結晶成長に乱れが生じる場合があった。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、フロー管からのアルゴンガスの乱流を防ぐことができる単結晶引上装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
すなわち、本発明の単結晶引上装置では、不活性ガスが供給されるチャンバ内にルツボを配し、該ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる単結晶引上装置であって、
前記ルツボの上方に該ルツボと同軸に配置され前記不活性ガスを流通させて前記半導体融液表面に誘導する略円筒状のフロー管を備え、該フロー管は、その下端部が上部より厚肉な保温材で形成されて、 前記フロー管の下端が前記半導体融液表面に近接して配されるとともに角部がないよう丸く面取りされ、前記下端の面取り形状における縦断面での曲率Ｒが３〜３０ｍｍの範囲に設定され、前記フロー管は、その下端面が半径方向内側から半径方向外側に上方に向けて傾斜して形成され、前記フロー管は、前記下端面の傾斜角θが水平面に対して３０°に設定されていることを特徴とする。
本発明は、不活性ガスが供給されるチャンバ内にルツボを配し、該ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる単結晶引上装置であって、前記ルツボの上方に該ルツボと同軸に配置され前記不活性ガスを流通させて前記半導体融液表面に誘導する略円筒状のフロー管を備え、該フロー管は、その下端が前記半導体融液表面に近接して配されるとともに面取りされている技術が採用される。
【０００７】
この単結晶引上装置では、フロー管の下端が半導体融液表面に近接して配されるとともに面取りされているので、フロー管内を通過して下端から半導体融液表面に不活性ガスが吹き付けられる際、面取りされた下端近傍において、乱流が発生し難く、不活性ガスがスムーズに流れる。
【０００８】
本発明の単結晶引上装置では、請求項１記載の単結晶引上装置において、前記フロー管は、その下端面が半径方向内側から半径方向外側に上方に向けて傾斜して形成されている技術が採用される。
【０００９】
この単結晶引上装置では、フロー管の下端面が半径方向内側から半径方向外側に上方に向けて傾斜して形成されているので、下端面と半導体融液表面との間のガスの流路が半径方向外側にいくほど上方に拡がることになり、フロー管内を通って半導体融液表面に吹き付けられた不活性ガスがスムーズに半径方向外側に流れ出ることができる。
【００１０】
本発明の単結晶引上装置では、請求項１または２記載の単結晶引上装置において、前記フロー管は、その下端部が上部より厚肉な保温材で形成されている技術が採用される。
【００１１】
この単結晶引上装置では、フロー管の下端部が上部より厚肉な保温材で形成されているので、半導体融液近傍の保温性および特に半径方向の温度均一性が向上するとともに、上下方向で保温性が異なり上下方向における温度勾配が大きくなることから、引上速度を上げることが可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る単結晶引上装置の一実施形態を、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１１はチャンバ、１２はシャフト、１３はサセプタ、１４はルツボ、１５はヒータ、１６は保温筒、１７はフロー管を示している。
【００１３】
図１は、本実施形態の単結晶引上装置を示すものであって、該単結晶引上装置は、中空の気密容器であるチャンバ１１内に、該チャンバ１１の中央下部に垂直に立設され上下動可能なシャフト１２と、該シャフト１２上に載置されたカーボン製のサセプタ１３と、該サセプタ１３に支持されシリコンの融液である半導体融液Ｌを貯留する石英（ＳｉＯ２）製のルツボ１４と、該ルツボ１４の外周に所定距離離間して配されたヒータ１５と、該ヒータ１５の周囲に配された保温筒１６とがそれぞれ配置されている。
【００１４】
また、ルツボ１４の上方に該ルツボ１４と同軸に配置された略円筒状のフロー管１７と、保温筒１６の上部に取り付けられフロー管１７を支持する円環状のアッパーリング１８とを備えている。
前記ルツボ１４は、シャフト１２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。
前記ヒータ１５は、シリコン原料をルツボ１４内で加熱・融解するとともに生じた半導体融液Ｌを保温するもので、通常、抵抗加熱が用いられる。
【００１５】
前記保温筒１６は、炭素繊維（カーボンファイバ）からなる保温材１６ａで形成されその内側面に支持板としてカーボン板１６ｂが張られている。
また、チャンバ１１上部からは、引上ワイヤ１９が昇降自在にかつ回転自在に吊り下げられ、該引上ワイヤ１９の下端部には、シリコンの種結晶が固定されている。
なお、チャンバ１１の上部には、半導体単結晶Ｃの固液界面を観察するための透明窓部２０が設けられている。
【００１６】
前記フロー管１７は、内径が下方に向けて漸次小さくなるテーパ状の円筒部材であり、その上端フランジ部１７ａがアッパーリング１８を介して保温筒１６の上部に固定されている。このフロー管１７は、成長時に半導体単結晶Ｃへの輻射熱を遮断するとともに、チャンバ１１上端のガス導入口１１ａから供給されるアルゴンガス（不活性ガス）を通過させて半導体融液Ｌ上に吹き付け、半導体融液Ｌから発生するＳｉＯ2を吹き流すものである。なお、吹き流されたＳｉＯ2を含むアルゴンガスは、チャンバ１１下端のガス排出口１１ｂから外部に順次排出される。
【００１７】
また、フロー管１７の下端１７ｂは、図１および図２に示すように、半導体融液Ｌ表面に近接して配されるとともに丸く面取りされている。なお、本実施形態では、下端１７ｂの面取り形状が曲率Ｒは１２ｍｍ（縦断面）に設定されているが、アルゴンガスの流量やフロー管の内径および配置等の条件に応じて曲率Ｒは３〜３０ｍｍの範囲に設定することが好ましい。
【００１８】
さらに、フロー管１７の下端面１７ｃは、半径方向内側から半径方向外側に上方に向けて傾斜して形成されている。なお、本実施形態では、水平面と下端面１７ｃとの傾斜角θを３０°に設定している。
また、フロー管１７は、炭素繊維からなる保温材１７ｅで形成されているとともに、その表面に支持板としてカーボン板１７ｆが張られている。そして、フロー管１７の下端部１７ｄは、上部より厚肉な保温材１７ｅで形成されている。
なお、上記保温材１６ａ、１７ｅが炭素繊維であるので、保温性や耐熱性に優れ、かつ軽量な保温筒１６およびフロー管１７が得られる。保温材としては、上記炭素繊維以外に、熱伝導度の低い材料として、グラスファイバ等を採用しても構わない。また、カーボン板１７ｆ、フロー管１７の下端面１７ｃおよび下端１７ｂにおけるカーボン板には、ＳｉＣやＰＣ等のコーティングを施してもよい。
【００１９】
この単結晶引上装置において結晶成長を行う場合、まずガス導入口１１ａからアルゴンガスを供給するとともに、ヒータ１５に通電してルツボ１４内のシリコン原料を溶融して半導体融液Ｌとし、そしてヒータ１５の電力を調整して半導体融液Ｌの中央液面付近を単結晶成長温度に保つ。次に、引上ワイヤ１９により吊り下げられた種結晶を下降させて半導体融液Ｌに浸してなじませ、いわゆるネッキングにより無転位化を行い、その後、ルツボ１５と引上ワイヤ１９とを互いに反対に回転させながら半導体単結晶Ｃを引き上げ成長する。
【００２０】
本実施形態では、フロー管１７の下端１７ｂが半導体融液Ｌ表面に近接して配されるとともに面取りされているので、フロー管１７内を通過して下端１７ｂから半導体融液Ｌ表面にアルゴンガスが吹き付けられる際、面取りされた下端１７ｂに角部がないため、乱流が発生し難く、アルゴンガスがスムーズに流れる。
また、フロー管１７の下端面１７ｃが半径方向内側から半径方向外側に上方に向けて傾斜して形成されているので、下端面１７ｃと半導体融液Ｌ表面との間のガスの流路が半径方向外側にいくほど上方に拡がることになり、半導体融液Ｌ表面に吹き付けられたアルゴンガスがスムーズに半径方向外側に流れ出る。
【００２１】
さらに、フロー管１７の下端部１７ｄが、フロー管１７の上部より厚肉（すなわち上部より下端部１７ｄが膨らんだ形状）な保温材１７ｅで形成されているので、半導体融液Ｌ近傍の保温性および特に半径方向の温度均一性が向上するとともに、上下方向で保温性が異なり上下方向における温度勾配が大きくなることから、引上速度を上げることが可能となる。
【００２２】
なお、保温性の向上により固液界面上方における温度が均一化されるため、半導体融液Ｌが安定して品質の高い結晶を引き上げることができる。
特に、近年、固液界面での成長軸方向の温度勾配をＧとしたとき、結晶の中心部と外周部との温度勾配Ｇの差△Ｇを小さくすると、ＣＯＰ(Crystal Originated Particle)等の成長時導入欠陥の発生を抑制できることがわかり、本実施形態では、固液界面上方における保温性が向上するので、△Ｇが低減されて低ＣＯＰ化等を図ることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明の単結晶引上装置によれば、フロー管の下端が半導体融液表面に近接して配されるとともに面取りされているので、フロー管下端から半導体融液表面に不活性ガスが吹き付けられる際、乱流が発生し難く、不活性ガスがスムーズに流れて乱流による結晶成長への影響を低減させることができ、結晶の品質や歩留まり等を向上させることができる。
【００２４】
本発明の単結晶引上装置によれば、フロー管の下端面が半径方向内側から半径方向外側に上方に向けて傾斜して形成されているので、半導体融液表面に吹き付けられた不活性ガスがスムーズに半径方向外側に流れ出ることができ、さらに乱流の発生を抑制することができる。
【００２５】
本発明の単結晶引上装置によれば、フロー管の下端部が上部より厚肉な保温材で形成されているので、半導体融液近傍の保温性および半径方向の温度均一性が向上し、半導体融液が安定して、高品質の結晶を引上成長することが可能となる。特に、△Ｇが低減されて低ＣＯＰ化や低酸素濃度化を図ることができ、いわゆるピュアシリコン等を成長することも可能となる。したがって、高性能デバイス用の単結晶を製造することが可能となる。また、上下方向で保温性が異なり上下方向における温度勾配が大きくなることから、引上速度を上げることができ、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る単結晶引上装置の一実施形態を示す全体断面図である。
【図２】 本発明に係る単結晶引上装置の一実施形態を示す要部の断面図である。
【図３】 本発明に係る単結晶引上装置の従来例を示す全体断面図である。
【図４】 本発明に係る単結晶引上装置の従来例を示す要部の断面図である。
【符号の説明】
１１ チャンバ
１４ ルツボ
１５ ヒータ
１６ 保温筒
１６ａ、１７ｅ 保温材
１７ フロー管
１７ｂ フロー管の下端
１７ｃ フロー管の下端面
１７ｄ フロー管の下端部
Ｃ 半導体単結晶
Ｌ 半導体融液
Claims (1)
- 不活性ガスが供給されるチャンバ内にルツボを配し、該ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる単結晶引上装置であって、
前記ルツボの上方に該ルツボと同軸に配置され前記不活性ガスを流通させて前記半導体融液表面に誘導する略円筒状のフロー管を備え、
該フロー管は、その下端部が上部より厚肉な保温材で形成されて、
前記フロー管の下端が前記半導体融液表面に近接して配されるとともに角部がないよう丸く面取りされ、
前記下端の面取り形状における縦断面での曲率Ｒが３〜３０ｍｍの範囲に設定され、
前記フロー管は、その下端面が半径方向内側から半径方向外側に上方に向けて傾斜して形成され、
前記フロー管は、前記下端面の傾斜角θが水平面に対して３０°に設定されていることを特徴とする単結晶引上装置。
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