JPH04154687A - 半導体単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、るつぼ内に原料を連続的に供給し、均質な半
導体単結晶を連続的に製造する半導体単結晶製造装置技
術に関する。

（従来の技術） 半導体単結晶の育成には、るつぼ内の原料融液から円柱
状の結晶を育成するＣＺ（チョクラル。

キー引上げ）法が用いられている。

通常、半導体単結晶の育成に際し、育成され、。

単結晶の抵抗率を制御する必要があるが、このく２法を
用いた場合には、育成される単結晶の抵を率を制御する
ために、るつぼ内の原料融液にドーパントと呼ばれる不
純物元素を添加する。しが１ながらドーパントは一般に
偏析係数が１でないｔめ、通常のＣＺ法では、結晶の長
さが長くなるｃｚつれ結晶中の濃度が変化する。これは
、ドーパニド濃度で抵抗率の制御を行なう半導体単結晶
の１造においては深刻な問題となっている。

この問題を解決するために、本発明者らは、韓結晶引上
時にその気相部が装置内気相部に対して独立となるよう
に構成した原料供給機構がら新たな原料を溶融供給しつ
つ、単結晶の引上を連続的に行なう装置および方法を提
案している（特願平１−１０００８４）。

この半導体単結晶製造装置は、第７図に示すように、引
上装置内のるつぼ内融液充填域に先端部ス　　を開放し
た保護筒９内に、抵抗加熱ヒータ１１を設け、該抵抗加
熱ヒータ１１が保護筒９先端部よ５　　り上方に位置す
ると共に下部程高温となるように゛　　構成し、原料棒
１３が溶融可能なように温度設定ｔ　　できる構造とし
、単結晶引上時には、融液１００−　　中に前記保護筒
９の先端部が位置することにより、保護筒９内の気相部
と引上装置内の気相部とが融−液により隔てられて、互
いに独立となるようにす・　　るとともに、保護筒９内
に装填・した原料多結晶棒１３が抵抗加熱ヒータ１１に
より保護筒９内下部Ｊ　　で溶融されつつるつぼ内融液
１００面に供給されるようになっている。

１　　　この装置は、先端に円筒状石英を備えた保護筒
て抵抗加熱ヒータ全面を覆い、その先端部を原料融液中
に浸漬しるつぼ内融液中に維持されるよう１　　にし、
原料供給機構内気相部と引上装置内気相部を互いに隔離
しているため、供給原料融液の落下による振動を防止す
るとともに落下異物があってもこの保護筒内に留め、落
下異物の成長単結晶への付着を防ぐことができ、単結晶
の多結晶化を防止し、高純度の単結晶を得ることができ
るという効果を呈する。

またさらに、本発明者らは、この保護筒にガス供給管及
び系外への排気管を設けるようにし、保護筒内への不活
性ガスの供給も可能になり、−酸化シリコンの滞留を防
いて、ヒータの寿命を延ばす構造をも提案している。

（発明が解決しようとする課題） この構造では、原料供給機構内気相部と引上装置内気相
部を互いに隔離してはいるが、完全分離構造ではないた
め、わずがな不純物の混入は免れ得す、これが得られる
単結晶の純度の低下につながるという問題があった。

本発明は、前記実情に鑑みてなされたもので、ドーパン
ト濃度が一定で結晶欠陥が少なくさらに信頼性の高い半
導体単結晶を得ることのできる半導体単結晶製造装置を
提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） そこで本発明では、原料供給機構内気相部と引上装置内
気相部との間に隔離部材を配設し、これらを完全分離構
造とし、それぞれを独立して真空排気するように構成し
ている。

望ましくは、原料供給機構内気相部が引上装置内気相部
と同等かより高真空であるようにしている。

（作用） 上記構成によれば、原料供給機構内気相部と引上装置内
気相部を完全分離構造とし、それぞれを独立して真空排
気しているため、結晶欠陥の原因となる不純物の混入を
完全に防止することができ、さらに信頼性の高い半導体
単結晶を得ることが可能となる。

すなわち、るつぼの原料融液充填域に先端部が開口して
、この先端部においてのみ引上装置内と連通する案内筒
内に、案内筒先端部より上方に先端がくるように、下部
で半導体原料を溶融可能に温度制御される抵抗加熱ヒー
タを配設して原料供給機構を構成し、この原料供給機構
によって、原料棒を加熱溶融しつつるつぼ内に原料融液
を供給するとともに、このるつぼの原料融液の気相部と
、原料供給機構の他端側の開口を気密的に隔離すべくる
つぼと原料供給機構の他端側の開口との間に隔離部材を
配設することにより、この隔離部材を介して結晶引上げ
部と原料供給部とが完全分離構造をなすようになってい
るため、溶融原料は案内筒内の融液面に落ち、落下異物
があってもこの保護筒内に留まる。また、気相も完全に
分離されているため不純物の混入を皆無とすることがで
きるため、高純度の単結晶を得ることが可能となる。

また、望ましくは、原料供給機構内気相部が引上装置内
気相部と同等かより高真空であるようにしているため、
仮に引上装置内気相部から原料供給機構内気相部への気
体の混入はあったとしても、その逆はまったくあり得な
い。従ってさらに信頼性の高い半導体単結晶を得ること
が可能となる。

（実施例） 以下、本発明実施例について図面を参照しつつ詳細に説
明する。

実施例１ 本発明の第１の実施例の単結晶育成装置は、第１図乃至
第３図に示すように（第２図は第１図のＡ−Ａ断面図、
第３図は原料供給機構の要部図である）、単結晶製造装
置本体１８０と、この内部に設けられた原料融液部１０
０と、原料供給機構２００と、引上げ部３００とから構
成されており、これらの間に隔離板８を設け、この隔離
板８によって、原料供給機構２００の気相と引上げ部３
００の気相とを完全に隔離したことを特徴とするもので
ある。

この隔離板８は原料融液部１００と本体１８０との間に
設置された断熱用のヒートシールド２２上部に機密的に
固着されている。

そしてこの隔離板８によって隔離された原料供給機構を
含む単結晶製造装置本体１８０の上方は第１の排気口Ｏ
１によって真空排気され、引上げ部および原料融液部１
００は下方に設けられた第２の排気口０２によって真空
排気され、互いに独立に排気されるようになっている。

そして、原料供給機構２００は、下方にテーパ部を有す
る案内筒１２の先端を石英るつぼ４内の原料融液に浸漬
し、この案内筒を介して原料供給を行うように構成され
ている。

さらにこの案内筒１２内には、表面を保温筒１０て覆わ
れさらにその外側を保護−筒９て覆われた抵抗加熱ヒー
タ１１を装着して、原料融液部１００に溶融された原料
棒を供給しつつ連続的に引上げを行うようになっている
。ここで引上げ装置気相部１０１内に設けられた外筒１
６の外側もシール部材８ｓを介し該隔離板８の穴に気密
的に挿通せしめられている。この外筒１６は石英、カー
ボン等熱的に安定な材料で構成される。

そして第３図に示すように、原料供給機構２００は、抵
抗加熱ヒータ１１と、この周りを覆う保温筒１０と、さ
らにこの保温筒の回りを覆う保護筒９と、この保護筒９
を支持する保持管１５０と、隔離板８に気密的に支持さ
れ、保護筒９で覆われた抵抗加熱ヒータ１１を挿通しか
つ、先端部が原料融液中に浸漬された案内筒１２と、原
料棒としての棒状多結晶を抵抗加熱ヒータ１１内の空間
に送る原料棒送り手段２０とより構成され、この保護筒
９は保持管１５０によって案内筒１２内壁の所定の位置
に装着され、案内筒を伝って原料棒の融解によって生成
された融液が原料融液中に滴下されるようになっている
。ここで、抵抗加熱ヒータ１１は、育成単結晶への熱的
影響をできるだけ抑えるため上方では絶縁管１８を介し
て保温筒１０に保持され、さらにこの保温筒１０は、保
護筒９内に納められている。さらに保護筒９は、第１図
に示すように、その上端部で単結晶製造装置本体１８０
内に設けられた保持管１５０に気密に固定され、先端部
はるつぼの原料融液充填域に位置している。従って、単
結晶育成時には、常時前記保護筒９の挿通され案内筒１
２の先端部は融液１００中にあり、かつ案内筒の上方の
開口端は隔離板８の上方にあるため、保護筒との間に小
さな隙間が生じたりしても、原料供給機構内気相部１０
２と、単結晶製造装置内気相部１０１とは、互いに完全
に独立するようになっている。また、このように保護筒
の先端部を融液１００中に位置させることで、原料棒１
３の溶融により液滴が落下しても、るつぼ融液１００中
に生ずる温度の不均一や、液面振動を抑え、またこの液
面振動、さらには落下異物が育成単結晶６に達すること
をも防止している。

さらに、抵抗加熱ヒータ１１は、左右に分離した筒状を
呈し、加熱部１７０が下に向がって縮径せしめられた二
重らせん構造をなし、上端がそれぞれの電極１６０゛に
なっている。また保護筒９も下に向かって縮径せしめら
れている。原料棒１３は、原料融液１００の量を一定に
保つよう育成単結晶６の重量を重量センサ（図示せず）
で検出し。

この検出値の変化に応じて原料棒送り手段２ｏの送り量
が調整されるようになっており、抵抗加熱ヒータ１１中
に送り込まれ、加熱部１７０の下部で溶融状態になり、
原料融液１００中に供給される。

また、原料供給機構を第１図のように単結晶引上域を除
く三箇所かそれ以上の箇所に設ければ、一方の原料棒が
消耗した場合、あらかじめ装填してあった他方の原料棒
を供給し、その間、ゲートバルブ１７を閉じて、消耗し
た原料棒を新しい原料棒と交換することも可能である。

この作業を繰り返すことにより、半導体単結晶を連続的
に育成することができる。

さらに、原料融液部１００は、ヒータ１内に、ペディス
タル（るつぼ支持台）１つに装着されたるつぼ受け２３
に支持された黒鉛るつぼ３内にさらに石英るっは４を装
着し、この石英るっぽ４内部で原料を溶融せしめ原料融
液として保持するようになっている。

さらに、引上げ部３００はこの原料融液内に種結晶を浸
漬し所定の速度で引き上げることにより単結晶６を育成
するようになっている。

この装置では、単結晶製造装置内気相部と原料供給機構
内気相部とを完全に隔離するために、隔離板８を配設し
、この隔離板に気密的に挿通された案内筒の先端部が融
液中に位置するようにし、この案内筒内に保護筒で被覆
された抵抗加熱ヒータを設置し、原料棒を溶融しながら
滴ドさせるようにしているため、落下した異物が結晶育
成部に到達することを防ぐことができる上、原料供給に
よる融液面の振動も抑えることができる。

また振動そのものも保護筒内に留まり、融液面全面に伝
播することはない。

しかも二重るつぼによるものに較べ、るつぼ材からの不
純物混入量の低減、高速成長が可能となる。

また、原料棒の溶融用ヒータに抵抗加熱ヒータを用いて
いることから、単結晶製造装置内での放電発生が防止さ
れる。そしてさらに、この抵抗加熱ヒータは二重らせん
構造を採用しているため、形状をコンパクトにできる上
、ヒータ最先端の温度を最高温度に設定でき、それによ
り原料の溶融部を融液面に近づけることができ、原料融
液直上での溶解が可能となり、不純物の混入を大幅に低
減することができる。

また、保護筒及び抵抗加熱ヒータを下に向かって縮径さ
せているため、原料供給量の制御が容品になる。

さらに、保護筒は、単結晶育成域を外して引上げ装置内
に設けられているから引上げの障害になることはない。

以上のような効果により、本発明では、連続チャージ式
半導体単結晶製造装置において最大の問題である原料供
給が、育成中の単結晶に悪影響を与えることなく可能と
なる。その結果、るつぼ内の原料融液中のドーパント濃
度が制御でき、単結晶の軸方向の抵抗率は一定となる。

次に、この第１図の単結晶製造装置を用いてシリコン単
結晶の育成を行う方法について説明する。

まず、排気口０１および０２を独立に真空排気し、原料
融液部１００を１０〜２−”Ｔｏｒｒ、上方の原料供給
部を１０−３〜１０−’Ｔｏｒｒとする。

そして、石英るつぼ３内を加熱するためのヒータ１をオ
ンし、原料融液を得ると共に、抵抗加熱ヒータ１１をオ
ンし所定の温度プロファイルをもつようにし、原料棒と
しての棒状多結晶シリコン（引上げ単結晶と同一の不純
物濃度を有するもの）］３を原料棒送り２０によって所
定の速度て抵抗加熱ヒータ１１内の空間に送る。

そして、この原料融液内に種結晶を浸漬し、引上げ部３
００によって所定の速度で引き上げることにより単結晶
６を育成するようになっている。

単結晶育成時の条件は、石英るつぼ４の直径１６インチ
、石英るつぼ３内の融液量１５ｋｇ、原料棒１３の直径
が５０１１１１％育成単結晶６の直径４インチ、抵抗率
（リンドープ）１５Ω・国、引上げ速度１ｍｍ／１ｎ、
である。そして原料棒の送り速度と抵抗加熱ヒータの電
力は第４図に示すような関係を維持するようにした。ま
た、原料棒１３の送り速度は４　ａｍ／　ｗｉｎ、、抵
抗加熱ヒータ１１の電力６ＫＷで行なった。ここではあ
らかじめ引上げ単結晶の重量変化と原料棒の送り速度と
の関係を測定し、その測定結果によって得られた一定の
送り速度を用いた。

このようにして育成した単結晶の軸方向の抵抗率変化を
第５図に示す。参考のために、るつぼ内の融液量が同一
の場合の、棒状原料をるつぼ内の融液により溶解する通
常のＣＺ法の結果を同時に示す。通常のＣ２法では、成
長とともに抵抗率が大きく変化するのに対して、本発明
を用いて育成した単結晶ではほぼ一定である。

また、軸方向の酸素濃度変化を第６図に示す。

育成条件は同一である。この図からも明らかなように、
本発明を用いて育成した単結晶は、軸方向で均一で、し
かも、通常のＣ２法よりも低酸素濃度である。二重るり
は法と比べると２／３以下である。これにより、酸素濃
度の制御範囲を広げることが可能となる。

なお、本発明の装置において、保護筒の材質としては石
英、カーボンが望ましいが、特にその先端部の融液に触
れる部分については高純度の石英にすると良い。また抵
抗加熱ヒータは、通常のカーボンヒータに用いられてい
る材質のもので良い。

また保温筒については、カーボン、炭化シリコン等を使
用することができる。

また、前記実施例では原料棒の送り速度を、あらかじめ
決定しておいた一定値としたが、引上げ単結晶の重量変
化を測定しつつ、逐次調整するようにしてもよい。

さらにまた、石英るつぼ４内の原料融液の液面のレベル
を光センサ等で検出し、このレベルの変化に応して原料
送り量を変化させ、原料融液の液面のレベルが常に一定
となるようにしてもよい。

さらにまた、前記実施例では、保護筒及び抵抗加熱ヒー
タを下に向かって縮径させるようにしたが、抵抗加熱ヒ
ータのみを下に向かって縮径させるようにした構造でも
前記効果は達成できる。しかし、保護筒も下に向かって
縮径させるようにしたほうか熱効率の面で有効である。

さらに、本発明は前記実施例に限定されることなく、種
々の応用例、例えば、シリコン以外の単結晶の育成、磁
場の印加や粒状原料の使用等においても適用可能である
。

実施例２ 次に、本発明の第２の実施例について第７図を参照しつ
つ説明する。

なお、この実施例の説明に当たって前記本発明の実施例
１と同一構成部分には同一符号を付し、重複する説明を
省略する。

この装置において、第１図に示した本発明の実施例１と
異ムる点は、引上げ部３００の外筒１６が原料融液部１
００の近傍で断面コの字状の二重構造をなすように折り
返し部１６ｓを有し、この折り返し部が隔離板８の穴に
挿通され気密的に支持されている点のみであり、これに
より、結果的に引上げ部が原料供給部先端の高温部から
受ける熱的影響を防止することができる。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、本発明によれば、原料供給機
構内気相部と引上装置内気相部を完全分離構造とし、そ
れぞれを独立して真空排気しているため、結晶欠陥の原
因となる不純物の混入を完全に防止することができ、さ
らに信頼性の高い半導体単結晶を得ることが可能となる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例を示す単結晶製造装置
の縦断面図、第２図は、第１図中のＡ−Ａ線に沿う横断
面図、第３図は、抵抗加熱ヒータの縦断面図、第４図は
、原料送り速度、溶解電力、原料直径の関係を示す図、
第５図は、本発明の一実施例による育成単結晶の重量と
抵抗率の関係を示す図、第６図は、本発明の第１の実施
例による育成単結晶の重量と酸素濃度の関係を示す図、
第７図は、本発明の第２の実施例を示す単結晶製造装置
の縦断面図、第８図は従来例の単結晶製造装置の縦断面
図である。 １・・・ヒータ、　　　　　３・・・黒鉛るつぼ、４・
・・石英るつぼ、　　６・・・・育成単結晶、８・・・
隔離板、　　　　９・・・保護筒、９Ｓ・・・ストッパ
ー、　１０・・・保温筒、１１・・・抵抗加熱ヒータ、 １２・・・案内筒、 １３・・・原料棒、　　　１４・・・種結晶、１６・・
・外筒、　　　　１７・・・ゲートバルブ、１９・・・
ベディスクル（るつぼ支持台）、２０・・・原料棒送り
手段、 ２２・・・ヒートシールド、 ２３・・・るつぼ受け、１５０・・・保持管、１８０・
・・単結晶製造装置本体、 １００・・・原料融液部、２００・・・原料供給機構、
３００・・・引上げ部。 第１図 第２図 ＩＩＡ料婦逮りＱｌ　（ｍｍ／ｍａｎ、）第４図 第７図 １ソ 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料を充填するるつぼと、 前記るつぼの周囲に配設され、るつぼ内の原料を溶融し
   原料融液を形成する加熱ヒータと、前記るつぼ内の溶融
   原料に種結晶を浸漬して単結晶を引上げる引上機構と、 前記るつぼの原料融液充填域に先端部が開口して、この
   先端部においてのみ引上装置内と連通する案内筒と、前
   記案内筒先端部より上方に先端がくるように該案内筒内
   に設けられ下部で半導体原料を溶融可能に温度制御され
   る抵抗加熱ヒータとからなり、単結晶引上域を外れて装
   置内に設置された原料供給機構と、 前記るつぼの原料融液の気相部と、前記原料供給機構の
   他端側の開口を気密的に隔離すべくるつぼと前記原料供
   給機構の他端側の開口との間に配設された隔離部材と を具備し、 単結晶引上時には、前記案内筒の先端部が原料融液中に
   浸漬されると共に他端部の開口が隔離部材で気密的に隔
   離されることにより、引上装置内気相部と、前記案内筒
   内気相部とが互いに独立するよう構成されたことを特徴
   とする半導体単結晶製造装置。
2. （２）前記原料供給機構の前記案内筒内気相部が、るつ
   ぼ側の気相部よりも高真空となるように構成したことを
   特徴とする請求項（１）に記載の半導体単結晶製造装置
   。