JPH0431384A - 単結晶引上げ装置 - 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］ 本発明は単結晶引上げ装置に関するものである。

詳しく述べると本発明は安定した単結晶育成を行なえる
と同時に、結晶欠陥の発生の少ない単結晶を得ることの
できる単結晶引上げ装置に関するものである。

［従来の技術］ シリコン、ゲルマニウム、ガリウム砒素などのの単結晶
体の製造方法として、坩堝内の融液から結晶を成長させ
つつ引上げるチョクラルスキー法（ＣＺ法）が広く行な
われている。

従来、このＣＺ法によりシリコン単結晶を得ようとする
場合、例えば第５図に模式的に示すような構成の単結晶
引上げ装置が用いられている。

単結晶引上げ装置１は、第５図に示すように加熱チャン
バ部２ａと引上げチャンバ部２ｂとからなるチャンバ２
を有している。加熱チャンバ部りａ内には、チャンバ２
外に位置する駆動装置３よリチャンバ底部を貫通して延
長される回転軸４に支持された石英製坩堝５、および該
石英製坩堝５を所定の間隔を有して囲繞する筒状の加熱
ヒータ６か備えられている。なお、この例においては石
英製坩堝５の外周は黒鉛製坩堝７により保護されており
、さらにこの黒鉛製坩堝７は黒鉛製麦は皿８を介して回
転軸４へ支持さ°れている。

引上げチャンバ部２ｂは、前記石英製坩堝５内に形成さ
れるシリコン融液９から引上げられ育成されるシリコン
単結晶体１０の引上げ軸に沿って前記加熱チャンバ部２
ａよりも上方へ延長された、前記加熱チャンバ部２ａよ
りも内径の小さな部位である。

またチャンバ２内にはチャンバ上部壁面を挿通して上方
より垂下された先端部に種結晶１２を保持するためのチ
ャック１３を有する引上げワイヤ１４が配してあり、こ
の引上げワイヤ１４は、前記用・上げチャンバ部２ｂの
上部に設けられたワイヤ引上げ装置１１によって、回転
しながら昇降することを可能とされている。

このような構成を有する引上げ装置１において、単結晶
の育成を行なうにはまず、石英製坩堝５内に多結晶シリ
コンおよび必要に応じて添加されるドーパントなどの原
料を所定量装填し、加熱ヒータ６によって加熱して原料
を溶融してＦｉｉ！ｌＩ液９を形成する。そして、該融
液９に引上げワイヤ１４先端に取付けられた種結晶１２
を浸漬し、石英製坩堝５および種結晶１２を回転させな
がら引上げ、種結晶１２の下端に単結晶体１０を成長さ
せるものである。

ところで、このような単結晶引上げにおいて、石英製坩
堝５内に形成された高温の融液９からはシリコンモノオ
キサイド（Ｓ　ｉ　Ｏ）などが蒸発している。このよう
な蒸発物が、チャンバ２壁面において凝縮し、落下して
単結晶の成長界面に到達すると結晶が有転位化してしま
う虞れが大きいものとなる。このため、従来上記のよう
な単結晶心上げ操作時においては、不活性ガスとしての
アルゴンガスＧを引上げチャンバ部２ｂ側から加熱チャ
ンバ部２ａへと流下させ、このアルゴンガスＧに仕送さ
せて蒸発物を系外に排出することにより上記のような有
転位化の発生を抑制しようとすることが行なわれている
。

しかしながら従来の単結晶用−トげ装置１においては概
して、チャンバ２は引トげチャンバ部２ｂから加熱チャ
ンバ部２ａへとかなり急激に拡径されていく形状を有し
ており、例えは第５図に示すように引上げチャンバ部２
ｂから加熱チャンバ部２ａへと拡径されていく部位が曲
線を含む場合、その曲率半径Ｒは約１〜１０ｍｍ程度と
極めて小さなものであった。このため、加熱チャンバ部
２ａの上部域側方は大きく外方へ張り出して、いわゆる
肩部位Ａが形成されている。

従って、比較的内径の小さな引上げチャンバ部２ｂ側か
ら加熱チャンバ部２ａへと導入されたアルゴンガスＧの
流れは、加熱チャンバ部２ａの肩部位Ａまでは十分に回
り込ます、この肩部位Ａには渦流が生じてしまう。融液
９から蒸発上４した蒸発物の一部がこの肩部位Ａに到達
するとこの部位において滞留（、、てしまい、前記した
ような−ｈ転位化の問題か発生する虞れか生じるものと
なっていた。

さらに、引上げ操作貼にチャンバ２の壁面は通常冷却水
により冷却されているか、前記しまたように加熱チャン
バ部２ａから引上はチャンバ部２ｂへはかなり急激に縮
径された構造を白−するために、引上けられる単結晶体
１０か加熱チャンバ部２ａから引上げチャンバ部２ｂへ
と突入する際に急激に冷却されることとなる。シリコン
単結晶でＮｆｆ１化したものは、引−Ｌげ中の結晶か急
冷されると結晶欠陥か発生しやすくなり、このような構
成の単結晶引上、げ装置は結晶欠陥の発生の面でも問題
のあるものであった。

［発明か解決しようとする課題］ 従って、本発明は安定した単結晶育成を行なえると同時
に、結晶欠陥の発生の少ない単結晶を得ることのできる
新規な単結晶引上げ装置を提供することを目的とするも
のである。

［課題を解決するだめの手段］ 一ト記諸目的は、坩堝およびこの坩堝に対する加熱手段
を収容する加熱チャンバ部と、この加熱チャンバ部の上
方に単結晶の引にげ軸に沿って延長された前記加熱チャ
ンバ部よりも内径の小さな弓上はチャンバ部とからなる
チャンバをａし、前記坩堝内に形成された原料融液に種
結晶を浸漬し弓上げて単結晶を育成する単結重心ｌｆげ
装置であって、軸方向断面において前記チャンバの内面
が弓上げチャンバ部から加熱チャンバ部へと拡径されて
いく部位で、（ａ）曲線を含む場合にその曲率半径Ｒを
少なくとも５０ｍｍ以上とする、（ｂ）折線を含む場合
に隣接する折線間の交差角θｉを３５°以下とする、ま
たは（Ｃ）折線を含みかつ隣接する折線と折線の間に曲
線かある場合に隣接する折線と折線の延長線−Ｌに形成
される交差角θを３５°以下とすることを特徴とする単
結晶引上げ装置によって達成される。

［作用］ 本発明の単結晶引上げ装置においては、チャンバの引上
げチャンバ部から加熱チャンバ部へと拡ｉ￥される部位
における形状を十記のことく限定し、この部位における
チャンバの内径変化を緩やかなものとすることて、加熱
チャンバ部の土７部域側力における外方への張出し、い
わゆる肩部位を小さくするないしはなくしたものである
。このように、チャンバ形状を流線形状に近つけること
により、引−１−げチャンバ部側から加熱チャンバ部へ
と流入するガスの流れはスムーズなものとなり、加熱チ
ャンバ部内に渦流なとの発生はなくなる。このため、加
熱チャンバ部内に滞留するＳｉＯなとか単結晶成長界面
に（−１着し有転位化してしまうなとといった問題が発
生する虞れか少なくなり、安定した単結晶育成か行なえ
るものとなる。

さらに、」−記したように引上げチャンバ部から加熱チ
ャンバ部へと拡径される部位におけるチャンバの内径変
化を緩やかなものとし７たために、融液より引上げられ
育成してくる単結晶体が加熱チャンバ部から引上げチャ
ンバ部へと突入するに際して、冷却されているチャンバ
壁面に急に近づくことなく漸次辻づいていくために、単
結晶体の急冷が避けられ適度に徐冷されることとなり、
結晶欠陥の発生も抑制されるものである。

以下、本発明を実施態様に基づきより詳細に説明する。

第１図は本発明の単結晶引上げ装置の一実施態様として
のシリコン単結晶引上げ装置の構成を模式的に示す断面
図である。

第１図に示す単結晶引上げ装置］は、前述したような従
来の単結晶用１−げ装置と同様に、加熱チャンバ部２ａ
と引上げチャンバ部２ｂとからなるチャンバ２を打して
いる。ここで引上げチャンバ部２ｂは、育成されるシリ
コン単結晶体１０のづ上げ軸に沿って前記加熱チャンバ
部２ａよりも上方へ延長された、前記加熱チャンバ部２
ａよりも内径の小さな部位である。

この実施態様の単結晶引上げ装置は、軸方向断面におい
て前記チャンバ２の内面が引上げチャンバ部２ｂから加
熱チャンバ部２ａへと拡径されていく・部位で曲線を含
むものであるが、本発明の単結晶引上げ装置においては
この曲線の曲率半径Ｒをできるだけ大きくして、チャン
バの急激な内径変化を避けることが望ましく、曲率半径
Ｒを少なくとも５０ｍｍ以上、より望ましくは３００ｍ
ｍ以上とする。

なお、この実施態様において、加熱チャンバ部りａ内に
は、従来の単結晶引上げ装置と同様に、チャンバ２外に
位置する駆動装置３よりチャンバ底部を貫通して延長さ
れる回転軸４に支持された石英製坩堝５、および該石英
製坩堝５を所定の間隔を有して囲繞する筒状の加熱ヒー
タ６が備えられている。さらに、上記石英製坩堝５の外
周は黒鉛製坩堝７により保護されており、この黒鉛製坩
堝７は黒鉛製麦は皿８を介して回転軸４へ支持されてい
る。

またチャンバ２内にはチャンバ上部壁面を挿通して上方
より垂下された先端部に種結晶１２を保持するだめのチ
ャック１３を有する引上げワイヤ１４が配してあり、こ
の引上げワイヤ１４は、前記引上げチャンバ部２ｂのＬ
部に設けられたワイヤ引上げ装置１１によって、回転し
ながら昇降することを可能とされている。

さらに、この単結晶引上げ装置においては、弓上げ操作
時にチャンバ２を不活性ガスであるアルゴンガスＧ雰囲
気に保つことができるように、弓上げチャンバ部２ｂの
途中には不活性ガス供給タクト１５が連結されており、
また加熱チャンバ部２ａの、下方部位にはガス排出ダク
ト（図示せず）が設けである。

しかしながら、本発明の単結晶引上げ装置１において、
上記したような石英製坩堝５、加熱ヒータ６および駆動
装置３などの形状、種類等、あるいは不活性ガス供給・
排出ダクトの配置等は特に限定されるものではない。例
えは、石英製坩堝５を、連続的な単結晶引上げを行なう
装置において見られるように、一部に貫通孔を有する内
坩堝とこれを囲繞する外坩堝とからなる２重構造等にす
ることもできる。また、加熱ヒータ６としては、抵抗加
熱法によるものあるいは誘導加熱法によるものなどを用
いることができる。さらにこの実施例においては、石英
製坩堝５を外部の駆動装置３により回転させる構成とし
ているが、このような回転手段を何ら設けない態様や、
あるいはさらに上記のような回転手段に代えて石英製坩
堝５内に形成される融液９に回転磁界を与えて融液９を
回転させるような態様などを取ることも可能である。

さらにまた、単結晶引上げ操作を通じて、融液９量を一
定に保つために、坩堝５内に原料を補充するための原料
供給管を配したような態様を取ることも可能である。

第２図は本発明の単結晶引上げ装置の別の実施態様に係
わるシリコン単結晶引上げ装置の構成を模式的に示す断
面図である。

この第２図に示す単結晶引上げ装置１は、第１図に示す
単結晶引上げ装置と、チャンバ２の形状が若干具なる以
外は同様の構成を有するものである。すなわち、この第
２図に示す単結晶引上げ装置１においては、軸方向断面
においてチャンバ２の内面が引上げチャンバ部２ｂから
加熱チャンバ部２ａへと拡径されていく部位で折線を含
むものである。このようにチャンバ２の拡径部分が折線
を含むものである場合、本発明の単結晶引上げ装置にお
いては、隣接する折線間の交差角θｉ　（θθ２、・・
・）をできるだけ小さくして、チャンバの急激な内径変
化を避けることが望ましく、交差角θ５を少なくとも３
５°以下、より望ましくは２０°以下とする。さらに、
このようにチャンバ２の拡径部分が折線を含むものであ
る場合、折線の数が増える程、各交差角θｉの大きさは
より小さなものとする必要がある。

第３図は本発明の単結晶引上げ装置のさらに別の実施態
様に係わるシリコン単結晶引上げ装置の構成を模式的に
示す断面図である。

この第３図に示す単結晶引上げ装置１は、第１図に示す
単結晶引上げ装置と、チャンバ２の形状が若干具なる以
外は同様の構成を有するものである。すなわち、この第
３図に示す単結晶引上げ装置１においては、軸方向断面
においてチャンバ２の内面が引」−げチャンバ部２ｂか
ら加熱チャンバ部２ａへと拡径されていく部位で折線を
含み、かつ隣接する折線と折線の間に曲線を６するもの
である。このようにチャンバ２の拡径部分が折線を含み
かつ隣接する折線と折線との間に曲線を有する場合、本
発明の単結晶用−にげ装置においては、隣接する折線と
折線の延長線上に形成される交差角θｉ　（θｉ　　θ
２、・・・）をできるた゛け小さくして、チャンバの急
激な内径変化を避けることが望ましく、交差角θｉを少
なくとも３５°以下、より望ましくは２０°以下とする
。さらに、このようにチャンバ２の拡径部分か折線を含
みかつ隣接する折線と折線との間に曲線を何するもので
ある場合、折線の数か増える程、各交差角θｉの大きさ
はより小さなものとする必要がある。

第１〜３図に示すような構成を有する本発明の単結晶引
上げ装置を用いてのシリコン単結晶の育成は、従来の単
結晶引上げ装置を用いる場合とほぼ同様にして行なわれ
る。すなわちます、石英製坩堝５内に多結晶シリコンお
よび必要に応じて添加されるドーパントなどの原料を所
定量装填し、加熱ヒータ６によって加熱して原料を溶融
して融液９を形成する。

引上げ操作を開始する際には、加熱チャンバ部２ａの下
方部位に連結されたガス排出ダクト（図示せず）より、
チャンバ２内のガスを系外へ吸弓排出するとともに、不
活性ガス供給タクト１５よりチャンバ２内にアルゴンガ
スＧを導入し、チャンバ２内を減圧アルゴン雰囲気ある
いは常圧アルゴン雰囲気にする。

そして、融液９に引上げワイヤ１４先端に取付けられた
種結晶１２を浸漬し、石英製坩堝５および種結晶１２を
回転させながら引上げ、種結晶１２の下端に単結晶体１
０を成長させるものであるものであるが、本発明の単結
晶引上げ装置１においては第１〜３図に示すようにいず
れもチャンバ２の引上げチャンバ部２ｂから加熱チャン
バ部２ａへと拡径される部位における内径の変化が緩や
かなものとされているために、引上げチャンバ部２ｂ側
より加熱チャンバ部２ａへと導入されるアルゴンガスＧ
の流れは、加熱チャンバ部りａ内において石英製坩堝５
１一部近傍に至るまでに適度に外方に広かりながら下降
するスムーズなもののみとなり、渦流などが発生するこ
とがないために、融液９から蒸発するＳｉＯは前記スム
ーズな流れに乗って系外へ排出されることとなり、この
ような蒸発物に起因する結晶のｈ゛転位化の虞れは極め
て小さいものとなる。さらに、育成されてくる単結晶体
１０は、加熱チャンバ部２ａ側から内径の小さな引上げ
チャンバ部２ｂへと至ることとなるが、本発明の単結晶
用」こげ装置においては、第１〜３図に示すように引に
げチャンバ部２ｂから加熱チャンバ部２ａへと拡径され
る部位におけるチャンバの内径変化を緩やかなものとし
たために、下方より突入してくる単結晶体１０に対して
はチャンバ２の壁面（通常冷却水により冷却されている
。）は徐々に近接するものとなる。このため単結晶体１
０は徐冷され、結晶欠陥の発生が抑えられる。

第４図は本発明の単結晶引上げ装置のさらに別の実施態
様に係わるシリコン単結晶引上げ装置の構成を模式的に
示す断面図である。

この第４図に示す単結晶用Ｉ−げ装置１は、加熱チャン
バ部りａ内に、単結晶の引」−げ軸に沿って育成される
単結晶体１０を一定間隔を持って囲繞する筒状部材１６
が配されている以外は、第１図に示す実施態様の単結晶
引上げ装置と同様の構成を何するものである。このよう
に単結晶体１０を囲続する筒状部月１６を配すると、単
結晶体１０近傍を流下するアルゴンガスＧの整流効果が
高められ、第４図に模式するように加熱チャンバ部りａ
内にはより良好なアルゴンガス流れが形成されることが
期待される。なお、この筒状部材１６を構成する材質と
しては特に限定されるものではなく、例えば、黒鉛、石
英、炭化珪素、あるいはＭＯ１Ｔｉ１ステンレス鋼など
の金属等が用いられ得る。なお、図示はしていないが、
第２図または第３図に示すような形状のチャンバ２を有
する単結晶引上げ装置１においても、第４図に示される
ような筒状部材１６を配すれば坩堝内融液面直上のアル
ゴンガスＧの流れを十分確保しつつ、チャンバ、内金体
のガス流れをスムーズにすることができるものである。

なお、以上は本発明の単結晶引上げ装置を、シリコン単
結晶引上げの場合を例にとり説明したが、本発明は、シ
リコン以外のもの、例えばゲルマニウム、ガリウム砒素
などの単結晶体を育成するものにおいても同様に適用可
能である。

［実施例コ 以下、本発明を実施例によりさらに具体的に説明する。

加熱チャンバ部２ａの内径が８００ｍｍ、引上げチャン
バ部２ｂの内径が３００ｍｍで、軸方向断面においてチ
ャンバ２の内面が引上げチャンバ部２ｂから加熱チャン
バ部２ａへと拡径されていく部位で曲線を含み、その曲
率半径Ｒが３００ｍｍとされた概ね第１図に示すような
形状のチャンバ２を有する単結晶引上げ装置１を用いて
、チャンバ２内にアルゴンガスＧを流しながら直径５イ
ンチのシリコン単結晶体１０（長さ　約１００１００Ｏ
を育成した。この引上げ操作を１０回繰返したところ、
いずれの回においても引上げ終了後にチャンバ２の壁面
にはＳｉＯ等の汚れは付着しておらず、またいずれの回
においても引上げ途中でシリコン単結晶体１０が有転位
してしまう現象は起らず、無転位結晶育成の成功率は１
００％であった。これらの点から引上げ操作時における
チャンバ２内のガス流れが良好であることが示された。

さらに、育成されたシリコン単結晶体１０から切出した
ウェハを１１００℃で８０分間熱処理した後、ウェハ表
層部を約２μｍエツチングして表面を向学顕微鏡にて観
察し、結晶欠陥の有無を調べた結果、結晶欠陥の発生の
あるウェハの枚数比率は１．２％と低い値であり、この
点から単結晶引上げ操作時において単結晶体には良好な
熱履歴が与えられたことが示された。

一方、比較のために、加熱チャンバ部２ａの内径および
引上げチャンバ部２ｂの内径は、それぞれ８００ｍｍお
よび３００ｍｍと、上記実施例におけるものと同様であ
るが、引上げチャンバ部２ｂから加熱チャンバ部２ａへ
と拡径されていく部位が・曲率半径Ｒ＝３ｍｍの曲線を
有する概ね第５図に示すような形状のチャンバ２を何す
る単結晶引上げ装置１を用い、上記と同様にして直径５
インチのシリコン単結晶体１０を育成する操作を１０回
行なった。その結果、多くの回において、弓上げ終了後
にチャンバ２の壁面にはＳｉＯ等の汚れが付着しており
、またいくつかの回においては引−ヒげ途中でシリコン
単結晶体１０が有転位してしまい、無転位結晶育成の成
功率は７０％と、あまり満足のいくものではなかった。

さらに、育成されたシリコン単結晶体１０から切出した
ウェハの結晶欠陥発生のあるウェハの枚数比率を上記と
同様にして調べたところ、７％と比較的高い値となった
。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明の単結晶引上げ装置は、軸方向
断面においてチャンバの内面が引上げチャンバ部から加
熱チャンバ部へと拡径されていく部位で、（ａ）曲線を
念む場合にその曲率半径Ｒを少なくとも５０ｍｍ以上と
する、（ｂ）折線を含む場合に隣接する折線間の交差角
θｉを３５°以下とする、または（ｃ）折線を含みかつ
隣接する折線と折線の間に曲線がある場合に隣接する折
線と折線の延長線上に形成される交差角θｉを３５０以
下とし、この部位におけるチャンバの内径変化を緩やか
なものとしたものであるので、融液中から発生する蒸発
物に起因して結晶か有転位化するというような問題を生
じることなく安定した単結晶育成を行なえると同時に、
結晶欠陥の発生の少ない単結晶を得ることができるもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の単結晶用−トげ装置の一実施態様の構
造を模式的に示す断面図、第２〜４図はそれぞれ本発明
の単結晶引上げ装置の別の実施態様の構造を模式的に示
す断面図であり、また第５図は従来の単結晶引上げ装置
の構造を模式的に示す断面図である。 １・・・単結晶引上げ装置、２・・・チャンバ、２ａ・
・・加熱チャンバ部、２ｂ・・・引上げチャンバ部、３
・・・駆動装置、４・・・回転軸、５・・・石英製坩堝
、６・・・加熱ヒータ、７・・・黒鉛製用鍋、８・・・
黒鉛製受皿、９・・・融液、１０・・・単結晶体、１１
・・・ワイヤ引上げ装置、１２・・・種結晶、１３・・
・チャック、１４・・・引上げワイヤ、１５・・・不活
性ガス供給ダクト、 １６・・・筒状部材、 Ａ・・・引上げチャンバ部の肩部位、 Ｇ・・・アルゴンガス。 特許■願人 新 日本製鐵株式會社

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）坩堝およびこの坩堝に対する加熱手段を収容する
   加熱チャンバ部と、この加熱チャンバ部の上方に単結晶
   の引上げ軸に沿って延長された前記加熱チャンバ部より
   も内径の小さな引上げチャンバ部とからなるチャンバを
   有し、前記坩堝内に形成された原料融液に種結晶を浸漬
   し引上げて単結晶を育成する単結晶引上げ装置であって
   、軸方向断面において前記チャンバの内面が引上げチャ
   ンバ部から加熱チャンバ部へと拡径されていく部位で曲
   線を含む場合にその曲率半径Ｒを少なくとも５０ｍｍ以
   上としたことを特徴とする単結晶引上げ装置。
2. （２）坩堝およびこの坩堝に対する加熱手段を収容する
   加熱チャンバ部と、この加熱チャンバ部の上方に単結晶
   の引上げ軸に沿って延長された前記加熱チャンバ部より
   も内径の小さな引上げチャンバ部とからなるチャンバを
   有し、前記坩堝内に形成された原料融液に種結晶を浸漬
   し引上げて単結晶を育成する単結晶引上げ装置であって
   、軸方向断面において前記チャンバの内面が引上げチャ
   ンバ部から加熱チャンバ部へと拡径されていく部位　で
   折線を含む場合に隣接する折線間の交差角θ＿ｉを３５
   ゜以下とすることを特徴とする単結晶引上げ装置。
3. （３）坩堝およびこの坩堝に対する加熱手段を収容する
   加熱チャンバ部と、この加熱チャンバ部の上方に単結晶
   の引上げ軸に沿って延長された前記加熱チャンバ部より
   も内径の小さな引上げチャンバ部とからなるチャンバを
   有し、前記坩堝内に形成された原料融液に種結晶を浸漬
   し引上げて単結晶を育成する単結晶引上げ装置であって
   、軸方向断面において前記チャンバの内面が引上げチャ
   ンバ部から加熱チャンバ部へと拡径されていく部位で折
   線を含みかつ隣接する折線と折線の間に曲線がある場合
   に隣接する折線と折線の延長線上に形成される交差角θ
   ＿ｉを３５゜以下とすることを特徴とする単結晶引上げ
   装置。
4. （４）加熱チャンバ部内には、単結晶の引上げ軸に沿っ
   て育成される単結晶を一定間隔を持って囲繞する筒状部
   材が配されているものである請求項１〜３のいずれかに
   記載の単結晶引上げ装置。