JP4638886B2 - 単結晶を製造するための装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、鉄によりわずかにしか不純化されていない単結晶を半導体材料から製造するための装置に関する。本発明は、このような単結晶を製造するための方法にも関する。

適宜な装置がチャンバを有しており、このチャンバ内にはるつぼが位置している。このるつぼは炭素を含有する材料から成る支持るつぼ内に埋設されている。さらに前記装置はるつぼを加熱するための加熱装置及び断熱材を有している。この断熱材は、加熱装置とるつぼとの間のチャンバを保護するために配置されている。成長する単結晶を取り囲み、単結晶の冷却率を制御し、単結晶を製造する間に装置を洗浄する不活性ガスを案内するために働く放射シールドも汎用である。

日本特許第２０００３２７４８５号明細書によれば、シリコンから単結晶を形成することができる。これらの単結晶では鉄濃度が２×１０^９原子／ｃｍ^３よりも低い。このような単結晶を製造するためには、多結晶の前製品を手間のかかる方法で洗浄することが不可欠である。しかしながら、前記濃度ではまだ本発明の意味で極わずかにしか鉄により不純化されていない単結晶のために十分な特徴とはいえない。より低い鉄濃度が単結晶の縁部領域にも提供されていることの方がむしろ決定的である。Barraclough, K.G. und Ward, P.J. (Proc. Electrochem. Soc., 83-9, 388-395 (1983)) が観察したように、鉄は気相搬送に基づく機構を介して単結晶の縁部に到達し、そこから単結晶内へ拡散し、単結晶の縁部領域内の鉄濃度を著しく高める。これに抗して作用するためには、前記刊行物では特に種子結晶のための、さびない鋼から成る保持体を、モリブデンからなる保持体により代替することが提案される。

国際公開第０２／０５７５１８号パンフレットによれば、シリコンから単結晶を製造することができる。これらの単結晶では縁部領域の鉄の濃度が０．８ｐｐｔａ（３．９９×１０^１０原子／ｃｍ^３）よりも低い。この結果を得るためには、装置の炭素を含有する材料から成る設備全てが、この材料を特に鉄に乏しい構成で含有している必要があり、この材料は、シリコンカーバイドから成る同様に特に鉄に乏しい層によりシールされている必要がある。

国際公開第０１／８１６６１号パンフレットでは、不活性ガス流を制御するために被覆された管を使用することが提案される。この場合に前記層はせいぜい０．５ｐｐｍの鉄を含有していることが望ましい。そこに記載の方法によれば、単結晶の半導体ディスクは、鉄の濃度が１×１０^１０原子／ｃｍ^３よりも高くないシリコンから製造することができる。
日本国特許第２０００３２７４８５号明細書 国際公開第０２／０５７５１８号パンフレット 国際公開第０１／８１６６１号パンフレット Barraclough, K.G. und Ward, P.J. (Proc. Electrochem. Soc., 83-9, 388-395 (1983))

そこで本発明の課題は、１×１０^９原子／ｃｍ^３よりも高くない鉄濃度を有しており、この鉄濃度が単結晶の縁部領域でも、単結晶から分離されたディスクの縁部領域でも超過されないような単結晶を製造することができる経済的な択一肢を提供することである。

半導体材料から単結晶を製造するための装置であって、該装置が、チャンバ及び該チャンバ内に配置されたるつぼを有しており、該るつぼが、るつぼ加熱装置により取り囲まれており、さらに前記装置が、成長する単結晶を遮蔽するための、支持体に固定された放射シールド、及びるつぼ加熱装置とチャンバの内壁との間に設けられた断熱材を有している形式のものにおいて、弾性的なシールが設けられており、該弾性的なシールが、炭化された、又は黒鉛化された炭素繊維を含有する黒鉛フェルトから成っており、該黒鉛フェルトは、延性破壊が材料ウエブに対して縦方向に２〜５％、横方向に１３〜２０％であり、また０．３ｍｇ／ｋｇ未満の鉄含有量を有していて、２５〜５０ｃｍ ^３ ／（ｃｍ ^２ ×ｓ）のガス透過率を有しており、前記弾性的なシールが、内壁と断熱材との間のギャップをシールしており、単結晶へのガス状の鉄カルボニルの搬送を阻む障害物を形成していることを特徴とする装置より解決される。

るつぼから単結晶を引き上げることにより半導体材料から単結晶を製造するための方法であって、前記単結晶が、支持体に固定された放射シールドによって取り囲まれており、前記るつぼが、チャンバ内に配置されており、るつぼ加熱装置により取り囲まれている形式のものにおいて、断熱材と、チャンバの内壁との間のギャップを、黒鉛フェルトより成る弾性的なシールによりシールし、該シールが、単結晶へのガス状の鉄カルボニルの搬送を阻む障害物を形成するようにし、前記黒鉛フェルトが、炭化された、又は黒鉛化された炭素繊維を含有しており、前記黒鉛フェルトは、延性破壊が材料ウエブに対して縦方向に２〜５％、横方向に１３〜２０％であり、また０．３ｍｇ／ｋｇ未満の鉄含有量を有していて、２５〜５０ｃｍ ^３ ／（ｃｍ ^２ ×ｓ）のガス透過率を有するようにすることを特徴とする方法によっても解決される。

有利には半導体材料はシリコン、ゲルマニウム、及び／又は光電子的、磁気電気的な半導体化合物と組み合わされたシリコンである。本発明は、製造される単結晶若しくは製造される半導体ディスクの直径とは無関係に役立つ。それでも１５０ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ及びそれ以上の直径が特に有利である。

発明者は、鉄による単結晶の汚染の主要原因がチャンバであることを確認した。チャンバは通例では冷却された容器により形成されており、この容器の壁は鉄を含有する合金、特に特殊鋼から成っている。チャンバの炭素を含有する設備、特に支持るつぼ及び断熱材が熱により負荷されたことにより生じた一酸化炭素が、不活性ガス流を介し、さらに拡散を経てチャンバの内壁へ到達すると推測される。まだ１００℃を超える熱い内壁には揮発性の鉄カルボニルが生成される。この鉄カルボニルは、断熱材とチャンバの内壁との間のギャップ内で、成長する単結晶にまで到達することができる。摂氏数百度の熱さの単結晶と接触した場合には、鉄カルボニルは生成反応とは逆に元素状態の鉄と一酸化炭素とに分解される。このような温度では鉄は単結晶の縁部に近い領域内へ拡散し、そこで鉄濃度を高める。鉄はこの機構を介して、鉄カルボニルの分解を進行させるために十分に熱い、装置の設備にも分散される。これらの設備に属するのは、例えば支持るつぼ、チャンバを保護するための断熱材及び放射シールドである。

これまでに提案された、鉄による単結晶の汚染を減じるための手段は、チャンバ壁を汚染源として考慮しておらず、経済的にも納得のいく問題解決を提供することもなかった。

本発明によれば、断熱材とチャンバ壁との間のギャップが少なくとも一箇所で弾性的なシールにより閉じられているので、ガス状の鉄カルボニルは、チャンバの内壁に沿って上方へ、次いで単結晶へ到達することができるためにはこの障害物を克服しなければならない。断熱材とチャンバの壁との間のギャップは、断熱材が正確に嵌めこまれるように製造された場合であっても製造許容差に基づき存在する。しかしながら、意図的にギャップを設け、これにより、断熱材及び断熱材を固定するための手段の熱膨張のために不可欠なスペースを膨張運動のために設けることはむしろ通例である。

本発明により設けられるシールは弾性的に変形可能であり、熱膨張を考慮した場合にもギャップが閉じられたままになるようにギャップ内に嵌め込まれている。シールはギャップ全体にわたって延びていてよく、したがってギャップを完全に充填する。しかしながら、シール材料を節約し、ギャップが部分的に存在しているようにすることが経済的な理由からも有利である。シールをリングの形で形成し、このリングが、有利には５０〜２００ｍｍまでの、特に有利には約１００ｍｍの軸線方向の幅にわたって、延びていることが特に有利である。この場合、このようなリングが複数、互いに上下に配置されていてもよい。しかしながら、シールが単結晶の軸線に対して横方向に延びる障害物を形成しており、この障害物が、ガス状の鉄カルボニルがチャンバの内壁に沿って単結晶へ搬送されることを制限することで基本的には十分である。この場合、シールを使用した場合に単結晶の縁部領域内に生じた鉄の濃度が、ほかの条件は同じであるが製造時にシールが省略された構成で引き上げられた単結晶の場合よりも少なくとも５０％だけ低い場合には搬送の制限が効果的であるといえる。単結晶の縁部領域の鉄の濃度の代わりに、単結晶から分離された半導体ディスクの縁部領域内の鉄の濃度を使用することもできる。縁部領域とは、単結晶の周又は単結晶から分離された半導体ディスクの周から、有利には５ｍｍまでの距離だけ半径方向内側に達する領域である。鉄濃度の測定は、有利には周から１，２，３，４又は５ｍｍの半径方向間隔をおいた箇所で行われる。

シールは弾性的な材料、有利には炭化されたか、又は黒鉛化された炭素繊維を含有する黒鉛フェルトから成っている。有利にはこの材料は、５０〜８０ｍｍまでの直径を有する試験ロッドに、材料ウェブに対して横方向又は縦方向の巻き方向で一層状に破損しないように巻きつけるために十分に弾性的である。ＤＩＮ５２１４３による材料の延性破壊は、有利には材料ウェブに対して縦方向に２〜５％まで、横方向に２０％までである。ＤＩＮ５３８８７による材料のガス透過率は、窒素中の差圧が３００Ｐａの場合に有利には２０〜５０ｃｍ^３／（ｃｍ^２×ｓ）である。ＤＩＮ ＩＳＯ８６５８による材料の鉄含有量は、有利には０．３ｍｇ／ｋｇ未満である。メーカSGL Carbonの商標Sigratherm^(R)ＧＦＡ１０の黒鉛フェルトが特に有利である。この材料は、９〜１０ｍｍまでの厚さを有するウェブの形で提供される。複数層状又はラビリンスシールの形に折り畳まれた状態では、この材料はチャンバの内壁と断熱材との間の、ウェブの厚さよりも厚いギャップをシールするためにも適している。

上に述べた課題を解決するために提案される付加的な手段が、チャンバの内壁にセラミックの層を設けることである。酸化アルミニウムから成る層が特に有利である。この層は、一酸化炭素とチャンバ内壁との直接の接触を阻止し、これにより、鉄カルボニルの生成を減じる。

弾性的なシールとセラミックの層とを組合せて、又は弾性的なシールとの組合せでのみ講じることのできる別の手段が、単結晶を冷却するためのアクティブな冷却装置を設けることである。アクティブな冷却装置とは、供給されたエネルギの使用下に熱を除去する冷却装置、例えば熱交換原理に基づいて作動する装置のことである。アクティブな冷却装置は、例えばシリコン単結晶の欠陥形成を制御するためにも使用され、成長する単結晶を取り囲む通例で提供されている放射シールドの構成部分であってよい。本発明の根底にある課題を解決するためのこの冷却装置の役割は、成長する単結晶の表面及び単結晶の周囲に、鉄カルボニルがもはや熱により分解しない温度を設定することである。放射シールド内に組み込まれた適宜なアクティブな冷却装置の例が、アメリカ特許第５，５６７，３９９号明細書に記載されている。

最後に付加的な別の手段として、チャンバ内に位置しており、単結晶を製造する間には２００℃よりも高い温度に加熱される、炭素を含有する材料から成る断熱材及びほかの全ての設備を規則的な間隔で交換することが提案される。これらの設備は、析出された鉄が表面から洗浄された後に場合によっては続けて使用することができる。

次に本発明の実施の形態を図面に基づきさらに詳しく説明する。

図１は、チョクラルスキー法により半導体材料から単結晶を製造するための装置を概略的に示している。この場合に図面は本発明を理解するために役立つ特徴のみに制限されている。実線で示した太い矢印は、通例のようにチャンバを洗浄するために挿入された不活性ガス流の主方向を示している。破線で示した矢印は、本発明により妨げられない場合に鉄カルボニルが単結晶に到達することのできる経路を示している。本発明はチャンバ１を有しており、このチャンバ１内には、単結晶３の製造時に機能を果たす、るつぼ２及びさらなる装置が格納されている。これらの装置に属するのは、るつぼ２内に含まれている融体５から単結晶３を引き上げる機構４、るつぼ２を保持するために軸６に配置された支持るつぼ７、及びるつぼを取り囲むるつぼ加熱装置８である。チャンバの内壁９が断熱材１０により、るつぼ加熱装置８の高温発生に対して保護されている。通例ではさらなる装置としてさらに別の箇所にも断熱材、例えば、軸６及びチャンバの底の領域内に断熱材が提供されている。断熱材１０とチャンバの内壁９との間には、ギャップ１１が提供されており、このギャップ１１は弾性的なシール１２により閉鎖されている。有利な構成によれば、前記シール１２はリングの形で形成されている。成長する単結晶３は放射シールド１３により取り囲まれている。この放射シールド１３は、自ら断熱するエレメントを有していてよく、支持体１６に固定されている。本発明の別の構成によれば、放射シールドに対して付加的に、又はこの放射シールド内に組み込まれて、単結晶を冷却するためのアクティブな冷却装置１４が提供されている。本発明の別の有利な構成によれば、付加的にチャンバの内壁９にはセラミックの層１５が設けられており、このセラミックの層１５は、一酸化炭素と壁材料の鉄とが反応して鉄カルボニルが生成されることを阻止する。層１５は、図１には示唆されているのみである。

例：
図１に示した設備の特徴を有する、単結晶を引き上げるための１装置において、内壁９の層１５は有していないが、特に約１００ｍｍの軸線方向の幅を有する弾性的なリングの形で形成されたシール１２を有する装置では、２００ｍｍの直径を有する、シリコンから成るロッド状の単結晶が引き上げられ、単結晶から分離されたディスクの縁部領域の鉄の濃度が測定された。測定されたディスクは、同じ軸線方向のロッド位置で取り出された。タイプＡのディスクは、本発明による弾性的なシールが省略された装置により製造された単結晶のものである。タイプＢのディスクを供給した単結晶は同じ装置で製造されたが、チャンバの内壁と断熱材との間のギャップが、タイプSigratherm^(R)の黒鉛フェルトＧＦＡ１０から成る、単結晶の軸線に対して横方向に延びるリングによりシールされていたという相違点を有している。タイプＣのディスクを供給した単結晶を製造するためには、弾性的なシールに対して付加的にアクティブな冷却装置も使用された。この冷却装置は放射シールド内に組み込まれていた。ディスクの縁部Ｒから１ｍｍ、３ｍｍ及び５ｍｍの半径方向の間隔をおいた３つの位置の鉄濃度の測定結果が次の表にまとめられている。縁部領域の外部で鉄濃度が縁部領域内よりも高い場合はなかった。濃度測定はＡＳＴＭ Ｆ ３９１により行われた。

シールが提供されていることにより鉄濃度を少なくとも５０％だけ低減できたことをこの結果が示している。タイプＣのディスクの場合の鉄濃度は調査した位置では１×１０^９原子／ｃｍ^３の検出限界（ＮＷＧ）以下でさえあった。

チョクラルスキー法に基づき半導体材料から単結晶を作製するための装置の断面図である。

符号の説明

１ チャンバ、 ２ るつぼ、 ３ 単結晶、 ４ 機構、 ５ 融体、 ６ 軸、 ７ 支持るつぼ、 ８ るつぼ加熱装置、 ９ 内壁、 １０ 断熱材、 １１ ギャップ、 １２ シール、 １３ 放射シールド、 １４ 冷却装置、 １５ 層、 １６ 支持体

Claims (10)

1. 半導体材料から単結晶を製造するための装置であって、該装置が、チャンバ及び該チャンバ内に配置されたるつぼを有しており、該るつぼが、るつぼ加熱装置により取り囲まれており、さらに前記装置が、成長する単結晶を遮蔽するための、支持体に固定された放射シールド、及びるつぼ加熱装置とチャンバの内壁との間に設けられた断熱材を有している形式のものにおいて、弾性的なシールが設けられており、該弾性的なシールが、炭化された、又は黒鉛化された炭素繊維を含有する黒鉛フェルトから成っており、該黒鉛フェルトは、延性破壊が材料ウエブに対して縦方向に２〜５％、横方向に１３〜２０％であり、また０．３ｍｇ／ｋｇ未満の鉄含有量を有していて、２５〜５０ｃｍ ^３ ／（ｃｍ ^２ ×ｓ）のガス透過率を有しており、前記弾性的なシールが、内壁と断熱材との間のギャップをシールしており、単結晶へのガス状の鉄カルボニルの搬送を阻む障害物を形成していることを特徴とする、半導体材料から単結晶を製造するための装置。
2. 前記シールが、単結晶への鉄カルボニルの搬送を少なくとも５０％だけ減じる、請求項１記載の装置。
3. 弾性的なシールが、リングの形で形成されている、請求項１又は２記載の装置。
4. 成長する単結晶を冷却するためのアクティブな冷却装置が設けられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 内壁を被覆するセラミックの層が設けられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. るつぼから単結晶を引き上げることにより半導体材料から単結晶を製造するための方法であって、前記単結晶が、支持体に固定された放射シールドによって取り囲まれており、前記るつぼが、チャンバ内に配置されており、るつぼ加熱装置により取り囲まれている形式のものにおいて、断熱材と、チャンバの内壁との間のギャップを、黒鉛フェルトより成る弾性的なシールによりシールし、該シールが、単結晶へのガス状の鉄カルボニルの搬送を阻む障害物を形成するようにし、前記黒鉛フェルトが、炭化された、又は黒鉛化された炭素繊維を含有しており、前記黒鉛フェルトは、延性破壊が材料ウエブに対して縦方向に２〜５％、横方向に１３〜２０％であり、また０．３ｍｇ／ｋｇ未満の鉄含有量を有していて、２５〜５０ｃｍ ^３ ／（ｃｍ ^２ ×ｓ）のガス透過率を有するようにすることを特徴とする、るつぼから単結晶を引き上げることにより半導体材料から単結晶を製造するための方法。
7. 単結晶への鉄カルボニルの搬送を少なくとも５０％だけ減じる、請求項６記載の方法。
8. 単結晶をアクティブに冷却する、請求項６又は７記載の方法。
9. 引き上げられる単結晶が配置されているチャンバの内壁をセラミックの層により被覆する、請求項６から８までのいずれか１項記載の方法。
10. チャンバの、炭素を含有する設備の表面から、規則的な間隔をおいて、析出された鉄を洗浄する、請求項６から９までのいずれか１項記載の方法。

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