JPH0416589A - 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】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、ルツボ内の原料融液から単結晶を引き上げる
単結晶製造装置に係り、特に高品質の単結晶を得られる
単結晶製造装置に関するものである。

［従来の技術］ 一般に、ＬＳＩ等の半導体基板材料として広く用いられ
るシリコンや化合物半導体等の単結晶の製造には、ルツ
ボ内の原料融液から種結晶を用いて単結晶を引き上げる
チョクラルスキ装置（以下Ｃ７装置という）が知られて
いる。しかし、そのＣＺ装置では、結晶径か大きくなる
程引き上げられた単結晶内に格子欠陥が発生し易い。

このため、格子欠陥を少なくする手段がいくつか提案さ
れている１例えば、単結晶を加熱して融液との温度差を
小さくし単結晶の肩部から発生する格子欠陥を少なくす
る単結晶成長法（特開昭５６−１００１９５号公報）や
引き上げられた単結晶を、これを囲んだ冷却筒で強制的
に冷却する引上装置（実開平１−９４４６８号公報）が
ある。

「発明が解決しようとする課題〕 しかしなから、上述の単結晶成長法や引上装置では、い
ずれもある程度、格子欠陥か少ない単結晶を得られるが
、これ以上の品質のよい高品質の単結晶を製造すること
が期待できない。

また、前者の成長法では、凝固を促進する単結晶の抜熱
能力が低くなり、単結晶の結晶成長速度すなわち引き上
げ速度が遅くなる。後者の引上装置では、冷却筒を融液
に比較的近く設置すると、冷却筒により融液面の凝固が
起こり、結晶成長が阻害されるので、冷却筒の設置が難
しく、容易には単結晶を得られない。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべくなされたもの
で、高品質の単結晶を速やかにかつ容易に製造すること
を可能にした単結晶製造装置を提供することを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、上記目的を達成するために、ルツボ内の原料
ａｉ液から単結晶を引き上げて単結晶を製造する装置に
おいて、上記原料融液付近の単結晶を加熱するための加
熱手段を設けると共に、上記単結晶の上方に、これを囲
繞して上記加熱手段により加熱後の単結晶を冷却するた
めの冷却手段を設けたものである。

Ｕ作用Ｊ 上記構成によれば、引き上げられた単結晶は、原料融液
付近で加熱手段により加熱されるために、径方向の温度
差が小さくなり固液界面の凹凸が小さくなるので、凝固
型による格子欠陥の発生の確率が少なくなる。そして、
加熱後、冷却手段により強制的に冷却されるために、単
結晶からの抜熱能力が大きくなるので、格子欠陥の発生
の確率が少なくなると共に、速やかに単結晶を引き上げ
られる。これにより、格子欠陥が可及的に少ない高品質
の単結晶が得られることになる。また、冷却手段と原料
融液との間には、加熱手段が存在するために、冷却手段
が原料融液の凝固を促して結晶成長を阻害することがな
いので、冷却手段の設置を容易に行える。

［実施例］ 以下、本発明の一実總例を添付図面に基づいて説明する
。

第１図において、１はＳＵＳ製の水冷二重壁の真空チャ
ンバを示し、その内部中央部にはグラファイト製のルツ
ボ受皿２に配置された石英製のルツボ３が設けられ、こ
のルツボ３内のシリコン等の原料融液４から柱状の単結
晶５が引き上げられる。

ルツボ受皿２の下部には、昇降自在かつ回転自在なルツ
ボ回転軸６が取り付けられていると共に、周囲には、ル
ツボ３を囲繞し、ルツボ３を介して原料融液４を加熱す
るし−タ７が周設され、このし−タ７と真空チャンバ１
との間に遮熱板８か配設されている。

また、真空チャンバ１内には、加熱手段１０を構成する
抵抗加熱コイル１１が設けられている。

この加熱コイル１１は、原料融液４から引き上げられた
単結晶５を囲繞するように単結晶５の軸とほぼ同軸上に
かつ原料融液４近傍に配置されており、原料融液４付近
の単結晶５を加熱してその半径方向の温度差ができるだ
け小さくなるようになっている。尚、加熱手段は原料融
液付近の単結晶を加熱するならば、どのような手段を用
いてもよく、例えばレーザ等による光照射で単結晶を加
熱するようにしてもよい。

さらに、真空チャンバ１の上部中央部に立設された単結
晶５の収納筒１２には、単結晶５を囲繞するように単結
晶５の軸とほぼ同軸上に冷却手段としての水冷スリーブ
１３か垂設されている、二のスリーブ１３の下部が抵抗
加熱コイル１１の直上に位置されており、抵抗加熱コイ
ル１１で加熱後の単結晶５を水冷スリーブ１３内で強制
的に冷却するようになっている。尚、冷却手段は、単結
晶を強制的に冷却するものであればどの裸なものでもよ
く、例えばコイル状の水冷装置でもよい。

第１図中、１４はシードホルダ、１うはアルゴン等の不
活性カスを真空チャンバ１内に導入した場合のガス流、
１６は遮熱リング及び１７は覗き窓をそれぞれ示してい
る。

次に本実線側の作用について説明する。

先ず、ルツボ３をヒータ７で加熱してルツボ３内の原料
シリコン〈ポリシリコン）を溶融する。

次に、原料溶融後、ルツボ３を回転させると共に、種結
晶（シード）をルツボ３内の原料融液４に接触させて回
転させなから所定の速度で徐々に引き上げる。これによ
り、結晶成長が行われ、柱状の単結晶５が得られる。こ
のとき、原料融液４には、磁場コイル９により縦磁場が
印加され、原料融液４内の熱対流が抑制されなから単結
晶５が引き上げられる。

単結晶５は、引き上げられた原料融液４付近で抵抗加熱
コイル１１により加熱され、そして水冷スリーブ１３内
で強制的に冷却されるために、格子欠陥が可及的に少な
い高品質の単結晶５になる。

すなわち、抵抗加熱コイル１１で原料融液４付近の単結
晶５を加熱することで、単結晶５の径方向の熱の発散が
抑制される。これにより、単結晶５の径方向の温度差か
小さくなるために、同体と液体との固液界面の凹凸が小
さくなるので、凝固型による格子欠陥の発生の確率が少
なくなる。

その加熱された単結晶５が水冷スリーブ１３で強制的に
冷却されると、単結晶５の長手方向の凝固速度が高くな
るために、単結晶５からの抜熱能力が大きくなるほど、
すなわち温度勾配が高いほど格子欠陥の発生の確率が少
なくなるので、単結晶５の長手方向の格子欠陥の発生の
確率か少なくなる。かくして、凝固型による格子欠陥の
発生の確率が少ないまま高品質の単結晶５が得られるこ
とになる。

このように、原料融液４付近の単結晶５を加熱した後、
冷却することにより、凝固を促す単結晶５の抜熱能力が
小さくならないので、単結晶の成長速度すなわち引き上
げ速度が遅くなることがなくなり、速やかに単結晶５を
引き上げられる。また、抵抗加熱コイル１１により加熱
された単結晶５を冷却スリーブ１３で冷却するので、冷
却スリーブ１３の原料融液４方向への配置が容易である
。

すなわち、冷却スリーブ１３を抵抗加熱コイル１１近傍
に配！しても、冷却スリーブ１３と原料融液４との間に
は抵抗加熱コイル１１が存在するから、冷却スリーブ１
３が原料融液４の凝固を促して結晶成長を阻害すること
がなくなる。このため、冷却スリーブ１３に熱遮蔽板等
を設けることなく、容易に冷却スリーブ１３を配置する
ことができ、しかもスリーブ１３の冷却に起因する格子
欠陥の減少を容易に行えることになる。

また、ボロン（Ｂ）、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）
等のドーグ元素の添加により単結晶の抵抗率を決定する
場合でも、ドープ元素の単結晶内の分布がほぼ均一にな
り、単結晶内部の格子欠陥か可及的に少なくなる。すな
わち、単結晶の径方向の温度差が小さくなり、固液界面
の凹凸が小さくなることによって、ドーグ元素の径方向
の分布がほぼ均一になるので、径方向のドープ元素の分
布による格子欠陥か少なくなる。また、単結晶からの抜
熱能力が大きくなることによって、ドープ元素の長手方
向の分布がほぼ均一になるから、単結晶の径及び長手方
向のドープ元素による格子欠陥が少なくなる。

これは、本発明の発明者達が、従来のｃＺ装置より品質
のよい高品質の単結晶を製造するために研究した結果、
第２図〜第５図に示すように、従来のＣ２装！での固液
界面が平坦ではなく凹凸があることに着目し、固液界面
をほぼ平坦に維持したまま単結晶を冷却することで高品
質の単結晶が得られることを見出たした。

第２図は、原料融液から引き上げられた単結晶（インゴ
ット）の長手方向の中心及び外周近傍と温度との関係を
示す図、第３図は、界面直上の第１図中のａ部における
径方向と温度との関係を示す図、第４図は、冷却スリー
ブ位置にある第１図中のｂ部における径方向と温度との
関係を示す図、第５図は単結晶内の流熱ベクトル線及び
界面形状を示す模式図であり、（Ａ）本発明に係る単結
晶製造装置、（Ｂ）通常のＣＺ装置、（Ｃ）加熱のみの
Ｃ２装置及び（Ｄ＞冷却のみのＣＺ装置の場合について
示されている。

それら図から凝固速度すなわち全体的抜熱能力（ｄＴ／
ｄ２　＞や固液界面の凹凸状態等が分がるから、全体的
ｄＴ／ｄ２が大きいほどインゴットの長手方向の添加元
素の分布が均一である■の点と、固液界面の凹凸が小さ
いほど添加元素の径方向の分布や凝固型による格子欠陥
の発生の確率か少ない■の点について比較検討してみる
。

先ず、通常のＣ２装置では、■及び■の点で影響を及ぼ
す０次に、冷却スリーブのみでは、■の効釆が大きいが
、界面近くの径方向の熱の発散が大きくなり、インゴッ
トの中心と外周との温度差が大きくなるので、■の点で
影響を及ぼす。また、加熱スリーブのみでは、■の効果
は良くなるが、全体的ｄＴ／ｄＺが小さくなり、■の点
で影響を及ぼす１本発明に係る単結晶製造装！では、抵
抗加熱コイル１１の上方に設けた冷却スリーブ１３の冷
却によって全体的ｄＴ／ｄＺが大きくなると共に、抵抗
加熱コイル１１による界面近くの外周の加熱によってｄ
Ｔ／ｄｒが大きくなるのが防止されるので、はぼ平坦な
界面が維持されることになる。

したがって、本発明に係る単結晶製造装置は、ドーズ元
素及び凝固歪による格子欠陥が少ない高品質の単結晶が
得られることになり、スペック内に入る所望の抵抗値部
分の収率が向上することになる。

［発明の効果］ 以上要するに本発明によれば、原料融液付近の単結晶を
加熱する加熱手段とその加熱後の単結晶を冷却する冷却
手段を設けなので、高品質の単結晶を速やかにかつ容易
に製造できるという優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す断面図、第２図は単結
晶の温度分布を示す図、第３図は単結晶のａ部における
温度分布を示す図、第４図は単結晶のｂ部における温度
分布を示す図、第５図は単結晶内の流熱ベクトル線及び
界面形状を示す模式図である。 図中、３はルツボ、４は原ｆｌ融液、５は単結晶、１０
は加熱手段、１３は冷却手段である。 特許出願人　　石川島播ｍｆ！工業株式会社代理人弁理
士　　絹　　谷　信　ａ（外１名）日 Ｅ ト、 ト、 凹 ト、 ト、 冒

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、ルツボ内の原料融液から単結晶を引き上げて単結晶
   を製造する装置において、上記原料融液付近の単結晶を
   加熱するための加熱手段を設けると共に、上記単結晶の
   上方に、これを囲繞して上記加熱手段により加熱後の単
   結晶を冷却するための冷却手段を設けたことを特徴する
   単結晶製造装置。