JPH0566072U - 単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本考案は、製造コストが低くかつ連続的に高
純度の単結晶を得ることができる単結晶製造装置を提供
することを目的とする。 【構成】 本考案では、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
解して溶融原料を前記るつぼに補給する二重らせん構造
のヒータとからなる原料補給部を具備した単結晶製造装
置において、このヒータの先端部が縮径され、るつぼの
中心部に向けて偏心せしめられるようにしている。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、半導体単結晶製造装置に係り、特にるつぼ内に原料を連続的に供給 し、均質な半導体単結晶を連続的に製造する技術に関するものである。

【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Ｃ Ｚ（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− ５８０８０，特開昭５６−１６４０９７）、棒状の原料を用いるもの（特開昭５ ６−８４３９７，特開昭６２−１０５９９２）等の提案がある。

【０００４】 先にあげた連続チャ―ジ技術のうち、前二者のものすなわち特開昭５２−５８ ０８０および特開昭５６−１６４０９７に記載された技術は、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。後二者のものすなわち特開昭５６−８４３９７お よび特開昭６２−１０５９９２に記載された技術は、棒状原料をるつぼ内の融液 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。さらに、これらの技術のうち特開昭６２−１０５９９２に記載 された技術では、原料の予備加熱に高周波を用いているが、たとえば、単結晶シ リコンの育成に用いられている減圧炉では放電する危険性が高く実用的でない。 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おり、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。 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 つつ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。

【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】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながらこのような装置においても、育成単結晶の径大化が進むにつれ て必要とするるつぼの径が大きくなり、装置が大型化し、これに伴い原料を溶融 状態に維持するために必要な熱量も大きくなり、製造コストが増大するという問 題があった。

【０００７】 本考案は前記実情に鑑みてなされたもので、製造コストが低くかつ連続的に高 純度の単結晶を得ることができる単結晶製造装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

そこで本考案では、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して溶融原料を前記るつぼに補給する二重らせ ん構造のヒータとからなる原料補給部を具備した単結晶製造装置において、この ヒータの先端部が縮径され、るつぼの中心部に向けて偏心せしめられるようにし ている。

【０００９】

【作用】

上記構成によれば、ヒータの先端部が縮径され、るつぼの中心部に向けて偏 心せしめられているため、この偏心状態に応じて、結晶育成部と原料供給部との 径方向の距離を調節することが可能となり、原料の供給位置の自由度が大きくな り結晶育成条件に応じて最適供給位置を選定することができる。

【００１０】 また、より小さい径のるつぼを用いることができるため、原料を溶融状態に維 持するために必要な熱量を低減し、製造コストの節減をはかることができる。

【００１１】 また、二重らせん構造のヒータは下方に向かって縮径した形状となっており、 より液面に近い位置で原料の多結晶棒を溶解するように最高温度点の高さを設定 することができ、落下時の液はね等の不具合を抑えることができる。

【００１２】

【実施例】

以下、本考案実施例について図面を参照しつつ詳細に説明する。

【００１３】 実施例１ 本考案の第１の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、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、原料供 給機構３００と、引上げ部４００とから構成されており、先端に円筒状供給部９ ａを備えた保護筒９で全面を覆われた抵抗加熱ヒ―タの先端部を縮径するととも にるつぼの中心方向（内方）に偏在させるようにしたことを特徴とするものであ る。

【００１４】 そして、この装置では原料供給機構３００の保護筒９の先端部を原料融液中に 浸漬し、原料供給機構３００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。

【００１５】 そして図２に示すように、原料供給機構３００は、抵抗加熱ヒ―タ１１と、こ の周りを覆う保温筒１０と、さらにこの保温筒の回りを覆う保護筒９と、この保 護筒を支持する保持管（図示せず）と、原料棒としての棒状多結晶１３を抵抗加 熱ヒ―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、抵抗加熱ヒ―タ１１は、育成単結晶への熱的影響をできるだけ抑えるため 上方では絶縁管（図示せず）を介して保温筒１０に保持され、さらにこの保温筒 １０は、保護筒９内に納められている。このように、抵抗加熱ヒ―タ１１、絶縁 管及び保温筒１０は、保護筒９内に保持されている。さらに保護筒９の先端部は 円筒状供給部９ａとしてるつぼの原料融液充填域内に位置しており、原料棒１３ の溶融により液滴が落下しても、るつぼ融液２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６に達すること をも防止している。

【００１６】 さらに、抵抗加熱ヒ―タ１１は、左右１つづつ分離して形成され、下方に向か って縮径するとともに内方に偏心させた筒状を呈した、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１３は、原料融液１００の 量を一定に保つよう育成単結晶６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、抵 抗加熱ヒ―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２ 中に供給される。

【００１７】 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。

【００１８】 さらに、原料融液部２００は、ヒータ１内に、ペディスタル（るつぼ支持台） １９に支持された黒鉛るつぼ３内にさらに石英るつぼ４を装着し、この石英るつ ぼ４内部で原料を溶融せしめ原料融液２として保持するようになっている。

【００１９】 さらに、引上げ部３００はこの原料融液内に種結晶を浸漬し所定の速度で引き 上げることにより単結晶６を育成するようになっている。

【００２０】 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。

【００２１】 まず、石英るつぼ３内を加熱するためのヒータ１をオンし、原料融液を得ると 共に、抵抗加熱ヒ―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）１３を原料棒送りによって所定の速度で抵抗加熱ヒ―タ１１内の空間に送る 。 そして、この原料融液内に種結晶を浸漬し、引上げ部４００によって所定の 速度で引き上げることにより単結晶６を育成するようになっている。

【００２２】 単結晶育成時の条件は、石英るつぼ４の直径１６インチ、石英るつぼ３内の融 液量２５kg、原料棒１３の直径が３．５インチ、育成単結晶６の直径６インチ、 抵抗率（リンド―プ）１０Ω・ｃｍ、引上げ速度１mm／min ．である。

【００２３】 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、本考 案を用いて育成した単結晶ではほぼ一定である。

【００２４】 また、抵抗加熱ヒータの下方を内側に偏在させるようにしているため、保護筒 は、引上げの障害にならないように単結晶育成域を外して設置することができる 。 さらに、るつぼを２インチ程度小さくすることができるため、同一の径の単 結晶の引上げに対して５０％程度融液の量を少なくすることができ、コストが大 幅に低減される。

【００２５】 また、原料棒の溶融用ヒ―タに抵抗加熱ヒ―タを用いていることから、単結晶 製造装置内での放電発生が防止される。そしてさらに、この抵抗加熱ヒ―タは二 重らせん構造を採用しているため、形状をコンパクトにできる上、ヒ―タ最先端 の温度を最高温度に設定でき、それにより原料の溶融部を融液面に近づけること ができ、原料融液直上での溶解が可能となり、液はねや液面振動の発生を低減す ることができる。

【００２６】 また、保護筒及び抵抗加熱ヒ―タを下に向かって縮径させているため、原料供 給量の制御が容易になる。

【００２７】 しかも二重るつぼによるものに較べ、るつぼ材からの不純物混入量の低減、高 速成長が可能となる。

【００２８】 以上のような効果により、本考案では、連続チャ―ジ式半導体単結晶製造装置 において最大の問題である原料供給が、小型のるつぼを用いても、育成中の単結 晶に悪影響を与えることなく可能となる。その結果、るつぼ内の原料融液中のド ―パント濃度が制御でき、単結晶の軸方向の抵抗率は一定となる。

【００２９】 なお、本考案の装置において、保護筒の材質としては石英、カ―ボンが望まし いが、特にその先端部の融液に触れる部分については高純度の石英にすると良い 。また抵抗加熱ヒ―タは、通常のカ―ボンヒ―タに用いられている材質のもので 良い。また保温筒については、カ―ボン、炭化シリコン等を使用することができ る。 なお、前記実施例では原料棒の送り速度を、あらかじめ決定しておいた一 定値としたが、引上げ単結晶の重量変化を測定しつつ、逐次調整するようにして もよい。

【００３０】 また、石英るつぼ４内の原料融液の液面のレベルを光センサ等で検出し、この レベルの変化に応じて原料送り量を変化させ、原料融液の液面のレベルが常に一 定となるようにしてもよい。

【００３１】 さらにまた、前記実施例では、抵抗加熱ヒ―タを１インチ程度偏心させるよう にしたが、図３に変形例を示すように、内側すなわち結晶育成部側では真っ直ぐ になるようにさらに偏心させるようにしてもよい。

【００３２】 さらに、本考案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、磁場の印加等においても適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１の実施例の単結晶育成装置の説明
図。

【図２】同装置の抵抗加熱ヒータの拡大図。

【図３】同装置の抵抗加熱ヒータの変形例を示す図。

【符号の説明】

１００ 単結晶製造装置本体 ２００ 原料融液部 ３００ 原料供給機構 ４００ 引上げ部 １ ヒータ ２ 融液 ３ 石英るつぼ ４ 黒鉛るつぼ ６ 引上げ単結晶 ９ 保護筒 ９ａ 供給部 １０ 保温筒 １１ ヒータ １９ ペディスタル（るつぼ支持台）

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【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、
   この周りに装着され原料結晶棒を溶解して溶融原料を前
   記るつぼに補給する二重らせん構造の第２のヒータとか
   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、 前記第２のヒータの先端部が縮径
   され、前記るつぼの中心部に向けて偏心せしめられてい
   ることを特徴とする単結晶製造装置。