JPH05124890A - 半導体単結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、高精度に成長速度を制御すること
のできる単結晶成長装置を提供することを目的とする。 【構成】 本発明では、単結晶の成長速度を検出し、こ
の検出値に基づいて成長単結晶と原料融液との間に電流
を供給する電流供給手段の電流方向を制御し、単結晶と
原料融液との界面でペルチエ効果による吸発熱を制御し
て単結晶の成長速度を制御するようにしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、るつぼ内の原料融液か
ら、均質な半導体単結晶を製造する半導体単結晶製造装
置に関する。

【０００２】

【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（チョクラルス
キー引上げ）法、フローティングゾーン法が広く用いら
れている。

【０００３】通常、ＣＺ法では、半導体単結晶の育成に
際し、育成される単結晶を高品質に維持するために、所
定の真空度に真空排気されたチャンバー内にるつぼを設
置し、このるつぼ内の原料融液から結晶を引き上げつつ
育成するという方法がとられている。

【０００４】引上げ単結晶の直径を制御するために引上
げ速度を制御するかあるいは原料融液の温度を制御する
かの方法をとらなければならないが、カメラを用いて引
上げ単結晶の直径を検出する光学式制御方法あるいは、
重量センサを用いて引上げ単結晶の重量を検出する重量
式制御方法等によって検出された成長速度に応じて、引
上げ速度を制御する方法が主流である。

【０００５】例えば図６に示すように、従来の光学式半
導体単結晶育成装置は、減圧下に保持されたチャンバー
１０１内に設置された石英るつぼ１０２内に収容した単
結晶原料１０３をヒータ１０４によって加熱溶融し、こ
の融液に引上げ軸１０５にとりつけた種結晶を浸漬し、
これを回転させつつ上方に引き上げて単結晶１０６を成
長せしめるように構成されている。ここでは、ヒータ１
０４の内側に、ペディスタル（るつぼ支持台）１０７に
装着されたるつぼ受け１０８を用いて黒鉛るつぼ１０９
を装着し、さらにこの黒鉛るつぼに石英るつぼ１０２を
装着し、この石英るつぼ１０２内部でシリコン原料を溶
融せしめ原料融液として保持するようになっている。こ
こで１１０は保温筒である。そして、この光学式制御方
法では、カメラ１１１によって引上げ単結晶の直径を観
察しその大きさに応じて引上げ速度を制御するものであ
る。

【０００６】しかしながら通常の場合結晶成長速度は１
〜３mm/min程度であり、それ以上に成長速度を上げよう
とすると、加熱電力を下げるしかないが、その際、結晶
と融液との界面部分のみならず、融液全体の温度を下げ
ることになるため、限界がある。また結晶の直径を定め
られた径に保つためには、加熱電力を調整するが、系の
熱容量のために時間的な遅れを余儀無くされていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の装置
では、成長速度を上げる必要がある場合、融液全体の温
度を下げなければならず熱容量が大きいため、限界があ
る。

【０００８】また結晶の直径を定められた径に保つため
には、加熱電力を調整するが、系の熱容量のために時間
的な遅れを余儀無くされ、高精度に径を制御するのは困
難であった。

【０００９】本発明は、前記実情に鑑みてなされたもの
で、高精度に成長速度を制御することのできる単結晶成
長装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、単結
晶の重量あるいは直径などを測定することにより成長状
態を検出し、この検出値に基づいて成長単結晶と原料融
液との間に電流を供給する電流供給手段の電流方向を制
御し、単結晶と原料融液との界面でペルチエ効果による
吸発熱を制御して単結晶の成長速度を制御するようにし
ている。

【００１１】

【作用】本発明は、溶融状態の半導体は、自由電子が多
数放出され、金属としての物性を示す点に着目してなさ
れたもので、シリコン等のペルチエ係数（熱電能）の高
い物質をチョクラルスキー法等で引き上げる場合、融液
と引上げ単結晶との界面で、金属−半導体接合が形成さ
れ、ペルチエ効果を呈するという事実にもとづき、電流
方向の制御により融液−単結晶界面で吸発熱現象を生起
せしめ、発熱と冷却を高速で制御することができるもの
である。

【００１２】すなわち、上記構成によれば、成長単結晶
と原料融液との間に電流を供給する電流供給手段の電流
方向を制御し、ペルチエ効果による吸発熱を制御して単
結晶と原料融液との界面温度を局所的に調整することに
より、時間的な遅れを生じることなく単結晶の成長速度
を高精度に制御することができる。

【００１３】

【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。

【００１４】本発明の第１の実施例の単結晶育成装置
は、図１に断面図を示すように、カーボン製のるつぼ１
を用いるようにし、このるつぼ１を介してるつぼ内に充
填されたInSb融液２と、このInSb融液２に浸漬される単
結晶引上げ軸３に取り付けられた種結晶４上に成長する
InSb単結晶５との間に電流を供給し、InSb融液２とInSb
単結晶５との界面に金属−半導体接合を形成し、ペルチ
エ効果による吸発熱を行うことにより結晶の成長速度を
制御することを特徴とするものである。

【００１５】ここで引上げ軸は重量センサ６に接続さ
れ、この重量センサの出力に基づいて制御装置７が電流
方向を切り替える極性切り替えスイッチ８を切り替え、
定電流源９からの電流を制御し、InSb融液２とInSb単結
晶５との界面の温度を局所的に制御することによって、
結晶半径の等しい半導体単結晶を成長させることがでけ
きる。

【００１６】また単結晶５を引き上げる引上げ軸３はス
テンレス製の保温筒１０で保護され、また下方にはカー
ボン製のシードアダプター（図示せず）が設置され種結
晶４を支持している。

【００１７】他の部分は図６に示した従来例の装置と同
様に形成されており、減圧下に保持したチャンバーＣ内
のるつぼ１内に収容したInSb原料融液２をヒータ１１に
よって加熱溶融して、この融液に引上げ軸３にとりつけ
た種結晶４を浸漬し、これを回転させつつ上方に引き上
げて単結晶５を成長せしめるように構成されている。次
に、この単結晶製造装置を用いてｐ型のInSb単結晶の育
成を行う方法について説明する。

【００１８】まず、チャンバーＣを真空排気し、１０^-2
〜^-3Torrとする。

【００１９】そして、ガス導入口（図示せず）からチャ
ンバー内にアルゴンガスを導入し、さらにチャンバーＣ
内のるつぼ１を加熱するためのヒータ１１をオンし、原
料融液を得る。

【００２０】そして、この原料融液内に種結晶を浸漬
し、重量センサ６で引上げ軸を含めた成長単結晶の重量
を測定し、その時点での規定量よりも大きいときは、電
流方向をａとすると図２(a) に示すように正孔が融液方
向に移動し界面で発熱を引き起こし界面温度が局所的に
高くなる。このため成長速度は低下する。

【００２１】一方、重量センサ６の出力が、その時点で
の規定量よりも小さいときは、電流方向をｂとすると図
２(b) に示すように正孔が反対方向に移動し界面で吸熱
を引き起こし界面温度が局所的に低くなる。このため成
長速度は増大する。

【００２２】このようにして、引上げ界面の温度を局所
的に調整することにより、成長速度を調整しながらInSb
単結晶５を高精度の半径を有するように成長させること
ができる。

【００２３】この装置を用いることにより、安定で信頼
性の高い良好な結晶を得ることができる。

【００２４】なお、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、シリコン等InSb以外の
単結晶の育成等においても適用可能である。

【００２５】また、前記実施例では重量センサを用いて
成長速度を測定したが、図３に直径監視カメラ１６を用
いて測定する等、測定方法は適宜変更可能である。また
電流制御回路１７を用いて電流方向のみならず電流量に
ついても制御するようにしてもよい。

【００２６】また、前記実施例ではｐ型のInSb単結晶の
成長について説明したが、ｐ型の場合には電流方向と吸
発熱方向とは反対となる。

【００２７】次に、本発明の第２の実施例として図４に
示すように、石英るつぼを用い、シリコン融液２２内に
通電用の電極２３を浸漬するようにしたものである。こ
こではシリコンの溶融温度は高いため、カーボンるつぼ
１の内側に絶縁性の石英るつぼ２１が設置されている。
他の部分については前記第１の実施例とまったく同様で
ある。

【００２８】さらに本発明の第３の実施例として図５に
示すようにＣＺ法のみならず帯域溶融法にも適用可能で
ある。

【００２９】すなわち、この装置は、シリコン多結晶棒
３２のまわりを、加熱コイル３１によって走査し、加熱
溶融する一方でこの融液を凝固させ種結晶３４からシリ
コン単結晶３５を成長させるもので、ここでは種結晶３
４と多結晶棒３２との間に定電流源３９から電流制御回
路３７を介して電流を供給し、ペルチエ効果により溶融
部Ｍと単結晶３５との界面の温度を局所的に調整するこ
とにより、成長速度を調整しながらシリコン単結晶３５
を成長させるようにしたものである。

【００３０】この装置によっても容易に、安定で信頼性
の高い良好な結晶を得ることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、成長単結晶と原料融液との間に電流を供給する電流
供給手段の電流方向を制御し、ペルチエ効果による吸発
熱を制御して単結晶と原料融液との界面温度を局所的に
調整することにより、時間的な遅れを生じるなく単結晶
の成長速度を高精度に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の単結晶製造装置の断面
図

【図２】同装置の動作説明図

【図３】第１の実施例の単結晶製造装置の変形例を示す
要部図

【図４】本発明の第２の実施例の単結晶製造装置の要部
図

【図５】本発明の第３の実施例の単結晶製造装置の要部
図

【図６】従来例の単結晶製造装置の断面図

【符号の説明】

１０１ チャンバー １０２ 石英るつぼ １０３ 単結晶原料 １０４ ヒータ １０５ 引上げ軸 １０６ 単結晶 １０７ ペディスタル（るつぼ支持台） １０８ るつぼ受け １０９ 黒鉛るつぼ １１０ 保温筒 １１１ カメラ １ カーボンるつぼ ２ 融液 ３ 引上げ軸 ４ 種結晶 ５ 単結晶 ６ 重量センサ ７ 制御装置 ８ 極性切り替えスイッチ ９ 定電流源 １０ 保温筒 １１ ヒータ １６ カメラ １７ 制御回路 ２１ 石英るつぼ ２２ 融液 ２３ 電極 ３１ 加熱コイル ３２ シリコン多結晶棒 ３４ 種結晶 ３５ シリコン単結晶 ３７ 電流制御回路 ３８ スイッチ ３９ 定電流源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料を充填するるつぼと、 前記るつぼ内で溶融せしめられ原料融液を形成する半導
   体材料と、 前記るつぼ内の原料融液に種結晶を浸漬して単結晶を成
   長させる成長部とを具備した半導体単結晶成長装置にお
   いて、 前記原料融液は、前記単結晶と前記原料融液との間でペ
   ルチエ効果を有する材料で構成されており、 前記成長単結晶と原料融液との間に電流を供給する電流
   供給手段と、 前記単結晶の成長状態を検出するセンサと、 前記センサの検出値に基づいて前記電流供給手段の電流
   方向を制御し、前記成長単結晶と原料融液との界面を加
   熱または冷却することによって成長速度を制御する制御
   手段とを備えたことを特徴とする半導体単結晶成長装
   置。