JP5951132B2 - 溶融領域における単結晶の結晶化により単結晶を製造するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶融ゾーンにおける単結晶の結晶化により単結晶を製造するための装置に関する。この装置は特にシリコン単結晶の製造に適している。

ＤＥ３０ ０７ ３７７Ａ１には、このような装置の周知の実施の形態、およびゾーンメルト法またはＦＺ法と呼ばれている方法が記載されている。この実施の形態は、引上げシャフトおよびインダクタが収容されるハウジングを含む。引上げシャフトの上端に、種結晶があり、この種結晶の上で溶融したシリコンが、結晶化し、先ず直径が小さい部分を形成し、続いて単結晶を形成する。インダクタ、すなわち平坦なコイルとして形成されたＲＦ誘導加熱コイルが、多結晶棒の下端にある多結晶シリコンを溶融させ、溶融ゾーンを生成して安定化させる。これは、単結晶の成長に必要な材料を供給する。単結晶を継続して成長させるために、多結晶棒と単結晶を下降させる。

ＦＺ（フローティングゾーン（floating zone））法の変形例として、たとえばＵＳ２０１１／００９５０１８Ａ１に記載されているＧＦＺ（粒状フローティングゾーン（granular floating zone））法がある。ＧＦＺ法では、原料として棒の代わりに多結晶細粒を使用する。さらに、２つの誘導加熱コイルが設けられる。第１の誘導加熱コイルは細粒を溶融させるためのものであり、第２の誘導加熱コイルは溶融ゾーンで熱を発生させることによって溶融ゾーンを安定化させるためのものである。

溶融ゾーンおよび冷却する単結晶における温度場、特に結晶化境界の領域における温度場は、できる限り正確に制御しなければならない。特に、急な温度勾配を抑制する必要がある。急な温度勾配は、熱応力を生じさせ、単結晶をクラックにより破壊するほどの転位形成の原因となる場合もある。温度場を制御するためには、成長中の単結晶を囲みこの単結晶に対して熱放射を反射する反射体を設けることが好都合であることが見出されている。

反射体の使用に加えて、ＣＮ１０２３２１９１Ａは、溶融ゾーンにおける温度変動を抑制するために直交磁場を使用することを提案している。

本発明の目的は、特に結晶化境界の領域において、反射体を使用しても磁場を発生させても解消することができない温度場の乱れを回避することである。

上記目的は、溶融ゾーンにおける単結晶の結晶化により単結晶を製造するための装置によって達成され、この装置は、ハウジングと、溶融ゾーンにおいて熱を発生させるためのインダクタと、結晶化する単結晶を囲み熱放射をこの単結晶に当てる再加熱器と、再加熱器の下端において再加熱器とハウジングの壁との間の中間空間の下方の境界を定める仕切り底部とを備える。

好ましくは、再加熱器は、反射体、または能動放射加熱器、たとえば加熱抵抗器である。

温度場の乱れは、ハウジング内の保護ガス、たとえばアルゴンの熱膨張によって生じ、その結果、制御不能な状態で、結晶化する単結晶および溶融ゾーンから熱が奪われる。二次反応を回避するため、かつインダクタでのまたはその導線での電気放電の発生を防止するために、保護ガスの正圧をハウジングに加え、結晶化する単結晶の周りに反射体を配置するといったような、従来の手法は、保護ガスの熱膨張によって刺激される対流の発生を促進する。結晶化する単結晶と反射体との間の中間空間はしたがって通気孔として機能し、これが保護ガスの熱膨張を促す。

本発明の目的は、保護ガスの破壊的熱膨張を実質的に防止することである。この目的は、バリアとして保護ガスの流れを妨げる仕切り底部によって達成される。仕切り底部は、ハウジング内において、再加熱器の下端で再加熱器とハウジングの壁との間の中間空間の下方の境界を定めるように、配置される。

保護ガスの熱膨張をさらに強力に妨げるためまたは完全に阻止するために、再加熱器と仕切り底部との間およびハウジングの壁と仕切り底部との間に存在し得る隙間を、バリアによって短くするかまたは閉じることが、より好ましい。適切なバリアは、上記隙間を覆う、たとえば鋼鉄、銀等の金属または石英ガラス等の、リングである。ハウジングの壁と仕切り底部との間の隙間は鋼鉄のリングで覆われることが好ましく、再加熱器と仕切り底部との間の隙間は銀または石英ガラスのリングで覆われることが好ましい。

仕切り底部を配置することによって、溶融ゾーンおよび結晶化する単結晶から制御不能な状態で保護ガスが熱を奪うことを防止し、したがって、熱が奪われたことによって温度場が乱れて結果として生じ得る損傷も防止する。さらに、熱が奪われないということには他の利点がある。インダクタの加熱パワーを減じることができ、それによって、インダクタでのまたはその導線での電気放電の発生等の事象を生じにくくし、結晶化する単結晶における熱応力を減じる。

好ましくは、再加熱器の上端は、結晶化境界の三重点の高さにある。好ましくは、再加熱器の軸方向長さは、製造する単結晶の直径の１．５倍以下である。単結晶と再加熱器との間の径方向距離は３０ｍｍ以下であることが好ましく、この径方向距離は１０ｍｍ〜２０ｍｍであることが特に好ましい。

好ましくは、本発明は、少なくとも１５０ｍｍという比較的大きい直径を有するシリコン単結晶の製造に用いられる。製造方法としてはＦＺ法およびＧＦＺ法双方が考えられる。

以下図面を用いて本発明をより詳細に説明する。

先行技術を示す概略図である。 本発明の概略図である。

図１は、溶融ゾーンにおける単結晶の結晶化により単結晶を製造するための装置の断面図である。この装置は先行技術に匹敵し得る。本発明の説明に役立つ特徴のみが示されている。単結晶１は、インダクタ３によって熱を与えられる溶融ゾーン２において成長する。三重点ＥＴＰの高さに配置されているのは、結晶化する単結晶を囲み、製造する単結晶の長さよりも短い軸方向長さを有する反射体４である。反射体４は、ハウジングの内部を、結晶化する単結晶１と反射体４との間の中間空間と、反射体４とハウジングの壁５との間の中間空間に、分割する。白抜き矢印は、熱膨張によって駆動される、ハウジング内に含まれる保護ガスの流れの、閉じた経路を示す。

図２は、図１の装置および本発明のさらに他の特徴を示す。同種の特徴は同一の参照番号で示される。本発明に従う装置は、反射体４とハウジングの壁５との間の中間空間の下方の境界を定める仕切り底部６によって特徴付けられる。反射体４を能動放射加熱器に置換えてもよい。図１よりも細く描かれている白抜き矢印は、仕切り底部６が配置されていることによって著しく妨げられる、熱膨張によって駆動されるガスの流れを示す。このガスの流れを、好ましくはバリア７を仕切り底部６の外側部に配置することによって、完全に遮断すべくより強力に妨げてもよい。バリア７は、反射体４と仕切り底部６との間の隙間および仕切り底部６とハウジングの壁５との間の隙間を短くするかまたは閉じる。

Claims (4)

1. 溶融ゾーンにおける単結晶の結晶化により単結晶を製造するための装置であって、
   ハウジングと、
   前記溶融ゾーンにおいて熱を発生させるためのインダクタと、
   結晶化させる前記単結晶を囲み熱放射を前記単結晶に当てる再加熱器と、前記単結晶は前記溶融ゾーンの下方で結晶化したものであり、
   前記再加熱器の下端において前記再加熱器と前記ハウジングの壁との間の中間空間の下方の境界を定める仕切り底部とを備える、装置。
2. 前記再加熱器は反射体であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記再加熱器は能動放射加熱器であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記仕切り底部の外側部に配置され、前記再加熱器と前記仕切り底部との間の隙間および前記仕切り底部と前記ハウジングの壁との間の隙間を短くするかまたは閉じるバリアによって特徴付けられる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。

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