JPH04503350A - チョクラルスキー法による結晶育成の方法及び装置 - 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】 チョクラルスキー法による結晶育成の方法及び装置本発明は、るつぼの中にある 溶融物と、溶融物から引き上げられる結晶のための結晶保持具と、回転しつつ上 昇可能な結晶保持具と同軸に配設され、溶融物の表面からその中に伸張し、中空 円筒を成す隔壁とを用いるチョクラルスキー法による結晶育成方法及び特にこの 方法の実施のための装置に関する。

チョクラルスキー法によれば温度条件の正確な制御のもとで、るつぼ内の溶融物 から結晶を自立させながら引き上げることによって、結晶を育成する。技術的に チョクラルスキー法は、特に半導体技術用の高純度の結晶の育成において極めて 重要になった。

偏析効果を減少するために、即ち溶融物及びそれと共に育成される結晶の定常な 組成を得るために、２室法によれば結晶が引き上げられる溶融物区域へ貯蔵器か ら新しい溶融物が絶えず供給される。このために溶融物の表面から溶融るつぼの 底部まで伸張し、底部に固着された中空円筒が結晶と同軸に配設される。溶融物 の供給は隔壁にある貫通孔を経て行われる。適当な２室系により又は同様の目的 を果たす内部るつぼを用いて軸方向偏析問題を改善することは恐らくできようが 、しかし、局部偏析間ＩＩＩ（条線問題）は十分に取除かれない。

成長縞を減少させるために別の方法、例えば対流を減少するための強力な磁界が 知られている。しかし、決定的な対策は費用がかかり、結晶の所期の電気的性質 を悪化し、溶融物を「過熱」する欠点がある。ヒ化ガリウム結晶の場合は更に転 位の分布が、磁界なしで製造する結晶より不均質であるという欠点が現われる。

本発明の課題は、軸方向偏析問題を更に減少することができるだけでな（、局部 及び半径方向偏析問題も減少する方法及び装置を提供することである。更に、引 き上げ結晶の構造の完全性に関する改善及び界面の改善を得ようとするものであ る。

本発明に基づき、るつぼの底に対して間隔を置いた隔壁を結晶保持具と同じ回転 方向に回転することによって、上記の課題が解決される。その際、場合によって は結晶保持具の回転速度が隔壁の回転速度と異なるようにすることができるが、 もちろん、同じ回転速度も可能である。

また、それ自体公知のように、るつぼ自体に回転運動を行わせ、その回転方向が 保持具及び隔壁の回転方向と同方向又は反対方向になるようにすることもできる 。別の実施態様によれば、溶融物の一定の湯面高さを得るために、るつぼの内面 と隔壁の間にある室に、溶融物から結晶として引き上げられる材料に相当する容 積の材料を供給することが提案される。

本発明の基本思想によれば、回転する隔壁によって結晶の下に溶融物で満たされ た環状室が形成され、環状室は残余の溶融物から「隔離」される。この内側溶融 物室では結晶及び隔壁の回転の増加と共に次第に対流自然及び強制が抑制される 。とりわけ、いわゆるティラー・ブラウトマンのセルが抑制され、マランゴニ対 流の妨害的影響が大幅に低減される。

結晶の定常状態濃度の全溶融物と比較して急速な整定が行われるため、先行技術 に基づき存在する軸方向偏析問題が大幅に減少する。この濃度は成る期間にわた りほぼ一定であって、やがて過程の終り頃に（分配係数が１未満であれば）上昇 する。引き上げ結晶の品質がこれによって向上する。特に溶融物から結晶として 引き上げられる材料量を常時補給する連続法で、結晶のドーピング濃度が素材の ドーピング濃度と一致するように平衡が成立することによって前述の利点が得ら れる。最終段階で初めて結晶のドーピング濃度が、増大する富化に対応して上昇 する。

その結果、簡単に行える対策によって準定常ドーピング物質濃度で結晶材料の収 量が大幅に増加し、先行技術に基づき費用のかかる対策、例λば強力な磁界及び それに関連する欠点を我慢しないでよい。

特に結晶が引き上げられる回転溶融物区域と溶融物のその他の材料との分離が、 せん断流によって生じるので、異なる温度の溶融物区域から成長する結晶面への 対流輸送がほとんど抑制されるから、成長速度の変動がほとんど回避される。こ れによって軸方向及び半径方向不均質が大幅に減少する。その結果、本発明に係 る方法で製造した結晶は、性質が厳密な許容範囲内に保持される電子及び光電部 品及び高い集積密度を有する集積スイッチ回路に適する。

また隔壁で区画された回転する環状室により、結晶を引き上げる溶融物の振動と 表面波及び成長する結晶の周囲の熱的非対称が回避される。さもなければこれも また条線問題を招くのである。また連続法で小刻みな材料供給から生じる溶融物 の湯面高さの小さな変動が、隔壁による分離と、回転する溶融物中央区域により 抑制される。

本発明に係る方法により、シリコン結晶を引き上げようとする場合は、周知のＳ ｌＯ問題が減少する。周知のようにＳｈｏｗがるつぼ材料Ｓ＋Ｏｉから溶解し、 一部が酸素として組み入れられ又はＳｔＯとして蒸発するからである。Ｓ、結晶 の酸素濃度は用途に応じて狭い範囲、例えば１６±１　ｐｐｍに保持しなければ ならない。溶融物の容積（「環状体容積」、溶融物の残余の容積）と成長速度の 比によって、るつぼ内のシリコンの滞留時間が決まり、一方では結晶／！！ｌ状 体と他方ではるつぼとの幾何学的比率及び回転数差がティラー流及びせん断によ りＳ、０２るつぼの溶解速度を決定する。これらの比及びパラメータの最適な調 整によって、シリコン結晶の一定の酸素濃度と、酸素濃度のト分な軸方向均質性 が得られる。また短い滞留時間−在来の実例と比較して−により比較的小さな酸 素濃度が達成された。

例えば、　ｓ＋　、　に、Ａ、、　Ｇ、、　Ｉｌ、Ｐ　、　ｃ、ｒ、、ゲルマニ ウム酸ととマス、ざくろ石、チタンをドープしたサファイア又はルビーの結晶の 育成のためにチョクラルスキー法が使用され、均質性と均質な結晶分の収量が重 要である場合には必ず本発明に係る方法が適用される。

るつぼ内にある溶融物と、回転可能かつ結晶成長速度に応じて上昇可能である、 溶融物から引き上げる結晶のための結晶保持具と、結晶が成長する溶融物区域を 取囲み、結晶保持具と同軸に配設された隔壁とを有し、隔壁が溶融物の表面を貫 通して成るチョクラルスキー法による結晶育成のための装置は、隔壁が、るつぼ の底部に対して間隔を置いて終り、結晶保持具と同方向の回転運動を得るために 駆動装置と連結されていることを特徴とする。その場合、結晶の成長に応じて隔 壁とるつぼの内面との間の区域に材料を供給することによって、隔壁により区画 され、溶融物で満たされた環状室の容積が一定であることが好ましい。

るつぼの内面と隔壁の外側との間の室に送られる材料の量を光学的に又は重量決 定により測定し、結晶引き上げにより奪われる材料に絶えず適応させることによ って、これが達成される。またそれによって結晶の直径が自動的に一定に保たれ るから、大変費用のかかる補足的直径制御が多くの場合不要になる。但し溶融物 の温度は所要の精度で一定に保たなければならない。

溶融物に簡単に出し入れすることができるように、環状室の底側は開放している ことが好ましい。貫通孔を有する蓋被を環状室の底側に設けることももちろん可 能である。

隔壁自体をるつぼの上及び下、又はるつぼの横に支承して駆動することができる 。隔壁と、溶融るつぼの表面に対して間隔を置いて配設された円板部材とを棒状 部材を介して連結することが好ましい。円板部材は結晶保持具が貫通するスリー ブから延出しており、このスリーブが駆動装置と共働する。シリコンの製造の場 合は隔壁の構造材料として、石英ガラスで被覆した黒鉛体、窒化ケイ素体又は金 属体を使用する。ヒ化ガリウムの場合は隔壁を窒化ホウ素、窒化アルミニウム又 は酸化アルミニウムで作る。酸化物又は酸化物系化合物の結晶の育成には白金、 イリジウム、ロジウム、金及びその合金を使用する。大抵の場合、るつぼ材料を 隔壁の製作にも使用することができる。

結晶の半径ｒが５．５ｃｍ、環状室の内径ρが９０■。

るつぼの内径Ｒが１６．５ｃｍで、環状室の高さｈが７ｃｍであることが好まし い。

るつぼの回転数ω、はＯ±５　ＲＰＭであることが好ましい。これに対して、隔 壁又は結晶の回転数ω１又はω２は８ないし３２　ＲＰＭでなければならず、い かなる場合も２−１０５８ＰＭの範囲内でなければならない（ＲＰＭ＝毎分回転 数）。

本発明のその他の詳細は請求の範囲の記載から察知される特徴−単独で及び／又 は組合わせとじて−により明らかである。

次に図面に示す好適な実施例に基づいて本発明を詳述する。その他の細部、利点 及び特徴はこの実施例で明らかである。

単一の区にチョクラルスキー法による結晶育成装置のごく概略的な図が示されて いる。装置は詳しく示さない水冷鋼製容器の中にあり、溶融るつぼ（１０）を具 備する。溶融るつぼ（１０）の中に溶融物（１２）がある。

溶融物（１２）の表面（１４）の上方に結晶保持具（１６）が配設されており、 その縦軸（１８）を中心に回転可能であり、結晶成長速度に応じて軸方向に移動 することができる。結晶保持具（１６）に所望の配向の種結晶（２０）が配設さ れ、これに溶融物（１２）から結晶（２２）が成長する。本発明によれば、結晶 （２２）が成長する溶融物（１２）の中に環状室（２４）が結晶保持具（１６） と同軸に配設される。また、この環状室（２４）は結晶保持具（１６）と同方同 に回転することができる。そのために環状室（２４）は保持装置（２９）から出 る中空円筒の形の隔壁（２６）によって取囲まれる。隔壁（２６）の下端（２８ ）は溶融るつぼ（３０）の底に対して間隔を有する。また上端（３２）が溶融物 （１２）又は（２４）から突出し、その結果、表面（１４）を貫通する。隔壁（ ２６）と溶融るつぼ（１０）の間の区域に、溶融物（２４）から成長する結晶（ ２２）の材料量に相当する容積の材料が供給路（３３）を介して連続的に供給さ れる。これによって表面（１４）の高さが一定値に保たれるから、溶融物（１２ ）又は（２４）中に沈下する隔壁の高さｈは一定不変である。材料補償を調節し て一定に保つために、供給路（３３）を経て、るつぼ（ｌＯ）に到達する材料を 、例えば光学系（５２）で検出又は計数することができる。

前述のように隔壁（２６）は保持装置（２９）と連結されている。保持装置（２ ９）は本実施例では円板部材（３４）、スリーブ（３６）及び駆動装置（５６） と連結された駆動軸（３８）から成る。保持具（１６）が精密軸受（４０）、（ ４２）例えば電磁又は空気軸受を介してスリーブ（３６）に同軸に通されており 、スリーブ（３６）に対して回転及び昇降可能である。スリーブ（３６）自体も 回転可能な精密軸受（４４）を介して図示しない鋼製容器の固定部（４６）によ り支えられる。

隔壁（２６）と円板部材（３４）の間の連結は、図面に参照符合（４８）及び（ ５０）を付した個別棒材によって行われる。その結果、隔壁（２６）と円板部材 （３４）の間の区域は、おおむね自由に到達可能であるから、結晶（２２）に接 した溶融物メニスカス（５Ｉ）を例えばレーザ反射系（５４）で光学的に検査す ることができる（参照符合（４９）で示唆）。溶融物から突出する環状円筒体（ ３２）の長さａによって溶融物上部区域と結晶下部区域の温度状態を調節し、経 済的な結晶引き上げ速度で結晶・溶融物界面に影響を与えて結晶（例えばＧ、Ａ 、）の構造の完全性を改善することができる。

結晶保持具（１６）の回転運動を隔壁（２６）の回転運動に対して相対的に調整 することができるが、回転方向は同じである。

結晶と隔壁が逆方向に回転するときは結晶の下の溶融物区域で対流が抑制されな いで強化される。これを条線の抑制のために使用することができ、それに伴って 若干の利点があるが、軸方向偏析問題の減少には役立たない。

本発明に基づく方法によりチョクラルスキー法で製造する結晶が育成され、先行 技術で現われる偏析問題が減少する。

また構造の損失が減少する。先行技術に従って製造された結晶は臨界結晶長さに 到達した後、結晶の完全性を失い、即ち例えば当初無転位だったシリコン結晶に 転位が又はヒ化ガリウムに双晶が形成され、更に引き上げ試験を継続すると構造 の完全性を失うに至るが、本発明方法に従って又は本発明装置で製造する結晶に おいてはこれがその後の成長段階で初めて認められる。

補足的利点は、るつぼを回転しないでよいことである。環状部の溶融物分はあま り掻き混ぜてはならず、外側の溶融物分は均質化しなければならない。これは静 止するるつぼと回転する隔壁・結晶系とで十分に達成されるが、慣用のチョクラ ルスキー法では通常、るつぼの回転が使用されるのである。

定置るつぼは特に高圧チョクラルスキー法とホットウォール法（例えばＧ、Ａ、 用）で有利である。それによって結晶引き上げ設備を大幅に簡素化することがで きるからである。

また連続引き上げ法では、るつぼが円形でなくてもよい。それによって、例えば 材料供給を簡素化することができる。

本発明を材料補給式連続引き上げ法について説明したが、材料を補給せずに現存 する溶融物分を結晶として引き上げる古典的バッチ法にも同様に適用される。そ の場合は、隔壁保持装置とるつぼの間の相対垂直運動により、これらの部材の間 に０．５ａ＋■の最小間隔を維持しさえすればよい。

本発明に基づく工程の経過は次の通りである。

直径１１ｃｍのシリコン結晶の引き上げ試験のために、黒鉛型の中にある直径３ ３ｃ＋ａ、高さ１４ｃｍの石英ガラスるつぼに２０Ｋｇの多結晶シリコンを充填 する。鋼製容器を閉じ、真空化し、約１０トルの圧力が生じるように毎時約８０ ０リツトルのアルゴンを送入したうえで、シリコンを溶解する。次にるつぼを最 適の位置に持ち上げて、隔壁を溶融物に沈下させる。その際溶融物を過熱して溶 融物の完全な固化を防止しなければならない。

最適の溶融物温度及び熱準平衡に到達した後、結晶保持具に固定した種結晶を沈 下させ、常法により引き上げ、目標直径に達するまで拡張させる。次に材料供給 を接続し、毎時１１ｃ＋ｓの結晶引き上げ速度で一定の溶融物高さを保持するこ とを可能にする経験値にセットする。

その場合るつぼは回転しないが、結晶も隔てリングも２６ＲＰＭの定速で同方向 に回転させる。溶融物温度を一定に保つ。その際、熱平衡に到達するまで、加熱 電力を当初はなお再調整しなければならない。

１．４ｍの結晶長さに到達した後、当業者に知られている方法で過程を終了し、 隔壁を溶融物から除去する。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の７第１項）平成　３年　４ 月１２日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．るつぼの中にある溶融物と、溶融物から引き上げられる結晶のための結晶保 持具と、回転しつつ上昇可能な結晶保持具と同軸に配設され、溶融物の表面から その中に伸張し、中空円筒を成す隔壁とを用いるチョクラルスキー法による結晶 育成方法において、るつぼの底に対して間隔を置いた隔壁が回転することを特徴 とする方法。 ２．るつぼの底に対して間隔を置いた隔壁を同方向に回転し、その際好ましくは 結晶保持具の回転速度が隔壁の回転速度と異なることを特徴とする請求項１に記 載の方法。 ３．結晶育成中に結晶保持具及び／又は隔壁の回転速度を変更することを特徴と する請求項１に記載の方法。 ４．るつぼを結晶保持具及び隔壁と同方向又は逆方向に回転することを特徴とす る請求項１に記載の方法。 ５．溶融物の一定の湯面高さを得るために、るつぼの内面と隔壁の間にある室に 、溶融物から結晶として引き上げられる材料に相当する容積の材料を供給して、 直径を自動的に一定に保つことを特徴とする請求項１に記載の方法。 ６．るつぼから取り除かれた隔壁の場合に、材料が融解されることを特徴とする 請求項１に記載の方法。 ７．るつぼの中にある溶融物と、回転可能であるとともに結晶成長速度に応じて 上昇可能である、溶融物から引き上げられる結晶のための結晶保持具と、溶融物 区域を取囲み、結晶保持具と同軸に配設された隔壁とを有し、そこから溶融物が 成長し隔壁が溶融物の表面を貫通して成るチョクラルスキー法による結晶育成の ための装置において、隔壁（２６）がるつぼ（１０）の底部（３０）に対して間 隔を置いて終り、結晶保持具（１６）と同方向の回転連動を得るために駆動装置 と連結されていることを特徴とする装置。 ８．隔壁（２６）が溶解るつぼ（２４）で満たされた環状室を区画し、環状室の 高さｈが結晶（２２）の育成中に、好ましくは一定であることを特徴とする請求 項７に記載の装置。 ９．環状室（２４）の底側が開放していることを特徴とする請求項８に記載の装 置。 １０．環状室（２４）の底側が貫通孔を備えた蓋被を有することを特徴とする請 求項８に記載の装置。 １１．隔壁が溶融物（１２，２４）の表面に対して間隔を置いて配設された円板 部材（３４）と棒形部材（４８，５０）を介して連結され、円板部材（３４）が 結晶保持具（１６）が貫通するスリーブ（３６）から延出し、該スリーブ（３６ ）が回転駆動装置と共働することを特徴とする請求項７に記載の装置。 １２．隔壁（２６）がるつぼ（１０）の側部又はるつぼの下部に支承されること を特徴とする請求項７に記載の装置。 １３．結晶（２２）の半径ｒが１ｃｍ≦ｒ≦１２ｃｍ、環状室（２４）の半径ρ が１．５≦ρ≦１８ｃｍ、るつぼ（１０）の半径Ｒが２≦Ｒ≦３２ｃｍで環状室 （２４）の高さｈが０．１≦ｈ≦１０ｃｍであることを特徴とする請求項７に記 載の装置。 １４．結晶保持具（１６）の回転数ω１が少なくとも２ＲＰＭ，最大１０５ＲＰ Ｍであることを特徴とする請求項７に記載の装置。 １５．隔壁（２６）の回転数ω２が少なくとも２ＲＰＭ，最大１０５ＲＰＭであ ることを特徴とする請求項７に記載の装置。 １６．溶融物（１２）に補給される材料を光学的に検出することを特徴とする請 求項７に記載の装置。