JPH05221776A

JPH05221776A - 単結晶製造装置

Info

Publication number: JPH05221776A
Application number: JP2853992A
Authority: JP
Inventors: Shoei Kurosaka; 昇栄黒坂; Hiroshi Niikura; 啓史新倉; Masato Imai; 正人今井
Original assignee: Komatsu Electronic Metals Co Ltd
Current assignee: Sumco Techxiv Corp
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1992-02-14
Publication date: 1993-08-31
Anticipated expiration: 2013-05-06
Also published as: JP2747626B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、不純物が成長するケイ素単結晶中
に取り込まれるのを防止し、結晶欠陥が少なく信頼性の
高い半導体単結晶を連続して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。【構成】本発明では、原料供給機構の保護筒の上端は
気密的に封止され、前記保護筒の中間部に位置する所定
の高さに前記るつぼの原料融液を覆うように、中空二重
構造の蓋体が設置され、前記保護筒との交叉部で少なく
とも１つの連通穴を有し、前記蓋体内部を介して、保護
筒内のガスを導出する排気部を配設するようにしてい
る。望ましくは、原料供給機構の保護筒の先端はるつぼ
底面の曲率にあわせて、底面からの距離が等しくなるよ
うに成形している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体単結晶製造装置
に係り、特に高純度で均質な半導体単結晶を製造する半
導体単結晶製造技術に関する。

【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）法が用いられている。通常、半導体単結晶
の育成に際して、育成される単結晶の抵抗率を制御する
という方法が用いられるが、このＣＺ法を用いた場合に
は、育成される単結晶の抵抗率を制御するために、るつ
ぼ内の原料融液にド―パントと呼ばれる不純物元素を添
加する。しかしながらド―パントは一般に偏析係数が１
でないため、通常のＣＺ法では、結晶の長さが長くなる
につれ結晶中の濃度が変化する。これは、ド―パント濃
度で抵抗率の制御を行なう半導体単結晶の製造において
は深刻な問題となっている。

【０００３】この問題を解決するために、原料をるつぼ
内に連続的に供給し、原料融液中のド―パント濃度を一
定に保つ連続チャ―ジ法や二重るつぼを用いた技術（特
開昭６３−７９７９０）が提案されている。連続チャ―
ジ法における原料供給手段としては、原料溶解場所と単
結晶育成場所を分離し、輸送するもの（特開昭５２−５
８０８０，特開昭５６−１６４０９７）、棒状の原料を
用いるもの（特開昭５６−８４３９７，特開昭６２−１
０５９９２）等の提案がある。しかしながら輸送する技
術では、原料溶解用るつぼと結晶育成用るつぼの２つを
必要とし、構造的に複雑となり、また、供給量の制御が
難しいという問題がある。また、棒状原料を用いたもの
では、るつぼ内の融液により溶解するために、るつぼ内
の結晶育成場所と原料溶解場所の温度勾配を大きくする
必要があり、結晶育成中に原料溶解可能な温度勾配を実
現することは非常に困難である。また、二重るつぼによ
るものは、育成に用いられる内側るつぼは外側るつぼか
らの熱で溶融状態を維持するようになっているため、ヒ
ータからの熱を十分に伝えることができないため、内壁
から多結晶が発生しやすく成長速度の低下を余儀無くさ
れる。しかも、るつぼ材からの不純物混入量が増大する
という問題もある。

【０００４】そこで、従来の連続チャ―ジ技術の問題点
を解決し、長さ方向にわたって不純物濃度がほぼ均一な
単結晶を連続的に製造することを目的として、引上装置
内のるつぼ内融液充填域に先端部を開放した保護筒内
に、抵抗加熱ヒ―タを設け、該抵抗加熱ヒ―タが保護筒
先端部より上方に位置し原料が溶融可能なように温度設
定できるようにし、保護筒内に装填した原料多結晶棒が
この保護筒内下部で溶融されて、るつぼ内融液面に供給
されるようにしたものが提案されている。この装置で
は、単結晶引上時には、融液中に前記保護筒の先端部が
位置することにより、保護筒内の気相部すなわち原料供
給機構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、互いに独立する（特願平１−１００８４）。
また、融液部と原料供給機構の気相部とを独立させるた
めに、引上げ単結晶の周りを筒状体で覆ったものあるい
はさらにこれに連設させてるつぼ上の所定の高さに平板
状の隔離板を設けたものも提案されている。

【０００５】これにより、引上開始と同時に、るつぼ内
融液の減少が始まっても、この減少量に見合うよう、原
料棒の送り速度を調整し、さらに抵抗加熱ヒ―タへの電
力を制御して原料棒を溶融して、連続的に原料を供給し
ていくようになっており、また、保護筒の先端部はるつ
ぼ内融液中に維持されているため、溶融原料は保護筒内
の融液面に落ちる。従って、落下異物があってもこの保
護筒内に留まるため、高純度の単結晶を得ることができ
る。

【０００６】ところで、このような装置において、育成
結晶の直径制御は中央に配置した石英筒または隔壁材料
の一部に設けられた石英窓によって行うため、視野が限
定されるという問題がある。

【０００７】また、平面で構成する隔壁板では、融液側
はその輻射を直接受けるために、熱応力が生じて反りが
発生する。また、シリコン蒸気に長時間さらされるため
にこの反りは、使用回数が多くなるほど回復は困難とな
り、保護筒と原料溶解ヒータの中心との間にずれを生ぜ
しめることになる。そしてこのようなセンタリングのず
れは原料が溶解して融液中に落下、供給される際の液は
ねを保護筒石英部の内壁に付着させてしまう。そしてこ
の現象が連続して起こると、案内筒である保護筒先端部
内にシリコン塊が生成して、連続した原料の供給を困難
にする。さらに隔壁板に固定される石英類等は隔壁板が
高温になるためにその熱を受けて変形する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の装
置では原料供給機構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、互いに独立しているため、高純
度の単結晶を連続して得ることができるが、隔壁板の存
在によって視野が狭くなり成長単結晶の観察が十分に行
えなかったり、また隔壁板が高温になるために反りを生
じたり、センタリングのずれを生じ、溶融材料が付着し
たりするという問題がある。

【０００９】本発明は、前記実情に鑑みてなされたもの
で、不純物が成長するケイ素単結晶中に取り込まれるの
を防止し、結晶欠陥が少なく信頼性の高い半導体単結晶
を連続して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。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、育成単
結晶の周りを保護筒や隔壁板で覆うことにより引上げ部
の気相部と原料供給機構の気相部とを独立させていた従
来の構造に代えて、原料供給機構の内部を気密的かつ熱
絶縁的に封止することにより、引上げ部の気相部と独立
させるようにし、不活性ガスなどを装置外に導くことを
特徴とするものである。

【００１１】すなわち本発明では、原料供給機構の保護
筒の上端は気密的に封止され、前記保護筒の中間部に位
置する所定の高さに前記るつぼの原料融液を覆うよう
に、中空二重構造の蓋体が設置され、前記保護筒との交
叉部で少なくとも１つの連通穴を有し、前記蓋体内部を
介して、保護筒内のガスを導出する排気部を配設するよ
うにしている。

【００１２】望ましくは、原料供給機構の保護筒の先端
はるつぼ底面の曲率にあわせて、底面からの距離が等し
くなるように成形している。

【００１３】

【作用】上記構成によれば、育成単結晶の周りを保護筒
や隔壁板で覆うことにより引上げ部の気相部と原料供給
機構の気相部とを独立させていた従来の構造に比べて、
原料供給機構の内部を気密的かつ熱絶縁的に封止し不活
性ガスなどを装置外に導くようにしているため、炉内全
域を見渡すことができ、より育成単結晶の観察がしやす
い。

【００１４】また、二重構造の隔壁板の中空層を原料供
給部の不活性ガス排気空間とし、この空間から装置外に
ガスを排出するようにしているため、原料供給機構を流
れるガスの排出路が炉内空間中に確保され、ガスの導入
排出を円滑に行うことができる。さらにまた、炉内体積
に対する原料供給部の空間体積を小さくすることができ
るため、装置の小型化をはかることができる。

【００１５】さらに原料供給機構の保護筒の上端は気密
的に封止され、中空二重構造の蓋体は、融液側ではるつ
ぼ加熱用ヒータや融液表面からの熱輻射を遮断する役割
をはたし、中空層を介して上側に設置される隔壁材料は
輻射熱の影響を受けず、変形を生じることもない。

【００１６】従ってこの上側の隔壁材料に原料供給機構
を固定するようにすれば、そりや変形による位置ずれを
生じることもない。

【００１７】また隔壁板が二重構造であるため炉内上方
への断熱性が良く結晶の成長速度を促進することができ
る。

【００１８】また、原料供給機構から結晶育成部への異
物の侵入がないため、高純度化をはかることができる。

【００１９】さらに原料供給機構の保護筒の先端をるつ
ぼ底面の曲率にあわせて、底面からの距離が等しくなる
ように成形しているため、浸漬深さが一定になるように
確保されており、原料溶解時に異物が保護筒内に落下し
ても浸漬深さを十分に確保しているため異物が融液を介
して結晶育成部に侵入したりすることもない。そしてさ
らに、原料供給の際、液滴落下によって生じる液面振動
の広がりを確実に抑制することができる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
つつ詳細に説明する。

【００２１】本発明実施例の単結晶育成装置は、図１お
よび図２に示すように（図１は断面図、図２は要部斜視
図である）、単結晶製造装置本体１００と、この内部に
設けられた原料融液部２００と、引上げ部３００と、原
料供給機構４００とから構成されている。ここでは原料
供給機構４００内部と引上げ部とを二重構造の隔壁板を
介して気密的かつ熱絶縁的に隔離したことを特徴とする
ものである。

【００２２】そして、この装置では原料供給機構４００
の保護筒１２の先端部を原料融液４中に浸漬し、原料供
給機構４００によって原料融液部２００に原料を供給し
つつ連続的に引上げを行うようになっている。

【００２３】そして、原料供給機構４００は、原料溶解
ヒ―タ１１と、この周りを断熱気密シール部材１２ｓを
介して覆う保護筒１２と、この保護筒を支持するととも
に融液４から所定の間隔を隔てて設置されたドーナッツ
状の隔壁上板１３ａと、この下方に排気空間１５となる
所定の間隙を隔てて形成された隔壁下板１３ｂとからな
る二重構造の隔壁板１３と、原料棒としての棒状多結晶
１０を原料溶解ヒ―タ１１内の空間に送る原料棒送り
（図示せず）とより構成されている。ここで、原料溶解
ヒ―タ１１は、育成単結晶への熱的影響をできるだけ抑
えると共に原料供給機構内部を気密的にシールするため
上方では断熱気密シール部材１２ｓを介して保護筒１２
に保持されている。そしてこの保護筒１２の先端部は円
筒状供給部１２ａとしてるつぼの原料融液充填域内に位
置しており、るつぼ底面の曲率にあわせて、底面からの
距離が等しくなるように成形されているため、原料棒１
０の溶融により液滴が落下しても、融液４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３に達することをも防止し
ている。

【００２４】さらに、原料溶解ヒ―タ１１は、左右１つ
づつ分離して形成され、下方に向かって縮径した二重ら
せん構造を形成しており、上端がそれぞれの電極になっ
ている。原料棒１０は、原料融液４の量を一定に保つよ
う育成単結晶３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の送り量が調
整されるようになっており、原料溶解ヒ―タ１１中に送
り込まれ、加熱部の下部で溶融状態になり、原料融液４
中に供給される。１５は排気口であり原料供給機構内の
ガスは原料供給機構の隔離板内空間を通りさらに排気管
１４を介してこの排気口１５から装置外に排出される。

【００２５】また、原料供給機構を図１のように単結晶
引上域を除く二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―トバルブ（図示せ
ず）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。

【００２６】さらに、原料融液部２００は、ヒータ９内
に、ペディスタル（るつぼ支持台）８に支持されたるつ
ぼ受け７内に黒鉛るつぼ６、さらに石英るつぼ５を装着
し、この石英るつぼ５内部で原料を溶融せしめ原料融液
４として保持するようになっている。

【００２７】さらに、引上げ部３００はこの原料融液内
にシードホルダー１に支持された種結晶２を浸漬し所定
の速度で引き上げることにより単結晶３を育成するよう
になっている。

【００２８】また、石英るつぼ５と保温筒１６との間に
はヒータ９が配設され石英るつぼ５の温度を所定の値に
保持するようになっている。

【００２９】そしてこの引上げ部３００と融液部２００
とを含む単結晶製造装置本体１００の上方に配設された
供給口１７を介してアルゴンガスが供給され、下方に配
設された排気口１８を介して真空排気され、独立に排気
されるようになっている。

【００３０】そして、単結晶製造装置本体１００の上方
に設けられた供給口１７から供給されるアルゴンガス
は、隔離板３と引上げ単結晶１との間をとおって流れ、
原料融液からの蒸発物（酸化ケイ素，金属酸化物）とと
もに、下方に設けられた排気口１８から排気される。

【００３１】これら隔壁板１３、保温筒、保護筒は、石
英、カーボン等熱的に安定な材料で構成される。

【００３２】次に、こ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。

【００３３】まず、排気口１８を真空排気し、装置本体
内１００を１０^-2〜１０^-3Torrを原料供給機構４００内
部を１０^-1〜１０^-4Torrとする。

【００３４】そして石英るつぼ５内を加熱するためのヒ
ータ９をオンし、原料融液４を得ると共に、原料溶解ヒ
―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）１０を原料棒送りに
よって所定の速度で原料溶解ヒ―タ１１内の空間に送
る。

【００３５】そして、この原料融液内に種結晶を浸漬
し、引上げ部３００によって所定の速度で引き上げるこ
とにより単結晶３を育成するようになっている。

【００３６】このようにして育成した単結晶は極めて高
純度で品質の良好なものとなっている。通常のＣＺ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、本発明を用いて育成した単結晶では不純物の混入が
大幅に低減される。

【００３７】なお、本発明の装置において、融液近傍の
部品の材質としては石英、カ―ボンが望ましいが、特に
融液に触れる部分については高純度の石英にするのが望
ましい。

【００３８】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。

【００３９】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、炉内全域を見渡すことができ、より育成単結晶の観
察がしやすくまた、原料供給機構を流れるガスの排出路
が炉内空間中に確保され、ガスの導入排出を円滑に行う
ことができる。

【００４０】さらに原料供給機構の保護筒の上端は気密
的に封止され、中空二重構造の蓋体は、融液側ではるつ
ぼ加熱用ヒータや融液表面からの熱輻射を遮断する役割
をはたし、中空層を介して上側に設置される隔壁材料は
輻射熱の影響を受けず、変形を生じることがない上、炉
内上方への断熱性が良く結晶の成長速度を促進すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の単結晶育成装置の説明図。

【図２】同単結晶育成装置の要部斜視図。

【符号の説明】

１００単結晶製造装置本体２００原料融液部３００引上げ部４００原料供給機構１シードホルダー２種結晶３単結晶４融液５石英るつぼ６黒鉛るつぼ７るつぼ受け８ペディスタル９ヒータ１０原料棒１１原料溶解ヒータ１２保護筒１２ｓ断熱気密シール部材１２ａ供給部１３ａ隔壁上板１３ｂ隔壁下板１３隔離板１４排気管１５排気口１６保温筒１７導入口１８排出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料融液を充填したるつぼと、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第１の加熱ヒ―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、前記るつぼの周縁部の上方に設置された原料結晶棒と、
この周りに環回され原料結晶棒を溶解する第２のヒータ
と、前記第２のヒータの外側を覆い、かつ縮径された先
端部がるつぼの液面に浸漬せしめられ、溶融原料を前記
るつぼの液面まで導き前記るつぼに補給する保護筒とか
らなる原料補給部とを具備した単結晶製造装置におい
て、前記保護筒の上端は気密的に封止され、前記保護筒の中
間部に位置する所定の高さに前記るつぼの原料融液を覆
うように、中空二重構造の蓋体が設置され、前記保護筒
との交叉部で少なくとも１つの連通穴を有し、前記蓋体
内部を介して、保護筒内のガスを導出する排気部を具備
したことを特徴とする単結晶製造装置。