JPH0611680B2 - ドープ剤添加装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は半導体単結晶の引き上げの際に使用するドー
プ剤添加装置に関するものである。

従来の技術 シリコン等の半導体結晶の育成において、石英製のルツ
ボを用いて、このルツボの中で単結晶原料を溶融し、種
結晶を単結晶原料の溶融液面に接すると同時に回転させ
ながら引き上げていって、半導体単結晶を形成すること
はよく知られている。このような半導体単結晶の引き上
げによれば、円柱状の単結晶が形成される。

従来の半導体単結晶の引き上げ方法において、所望の比
抵抗を得るために所定量のドープ剤を投入することが行
われていた。従来は、ルツボ内で単結晶原料を加熱する
前に一定量のドープ剤を投入していた。

しかし、単結晶原料をツルボにセットした時に、ドープ
剤を一緒にルツボ内に入れていると、単結晶原料を昇温
させていく際にドープ剤が多量に蒸発してしまう欠点が
あった。つまり、単結晶の引上げを開始する前に、すで
に相当量のドープ剤が蒸発してしまうのである。

そこで、ルツボ内に単結晶原料のみを投入して予め溶融
した後、投入管からドープ剤を溶融シリコン中に投入す
ることが提案された（特開昭６１−９１０９３号公報参
照）。

発明が解決しようとする課題 しかし、投入管を用いた場合には以下のような問題点が
ある。

（１）従来例では投入管に、溶融シリコンと石英製ルツ
ボとの反応により生成したＳｉＯが付着しやすい。その
原因は投入管が炉内に位置するからである。そして、投
入管に付着して蓄積されたＳｉＯがシリコン単結晶の成
長界面に落下し、シリコン単結晶に転移が発生しやすく
なる。

（２）とくに投入管が炉側の熱によって加熱されると、
ドープ剤の投入時にドープ剤が投入管の管壁に融着し易
く、所定量のドープ剤を炉内に添加するのが困難であ
る。投入管がつねに炉内に位置していると、この問題が
大となるのである。

（３）投入管が常に炉内に位置すると、投入管が炉から
の熱を受けて高温状態になるため、なおさら、溶融シリ
コンと石英製ツルボとの反応により生成したＳｉＯが投
入管の管壁に付着して蓄積されることが促進され、その
結果、シリコン単結晶の成長界面に落下し、シリコン単
結晶に移転が発生し易くなる。

発明の目的 この発明の目的は、前述のような従来技術の欠点を解消
して、ドーパント濃度の精密な制御を可能とするドープ
剤添加装置を提供することである。

課題を解決するための手段 このような目的を達成するため、本発明は、引き上げ法
による半導体単結晶の製造装置において、炉の上方部に
投入管を設け、この投入管は弁座を有するとともに、そ
の弁座をはさんで上部に大径部を有し、下部に小径部を
有し、弁座に弁が配置してあり、その弁に操作棒の一端
が固定してあり、前記大径部にドープ剤を入れ、投入管
と炉との間をシール構造にするともに、投入管と操作棒
との間をシール構造にし、しかも投入管を炉に対して相
対的に移動可能とし、ドープ剤の投入時に投入管の小径
部のみが炉内に突出してドープ剤の入る大径部はつねに
炉外に位置する構成にし、さらに小径部の外周に炉に近
接して冷却手段が設けられていることを特徴とするドー
プ剤添加装置を要旨とする。

実施例の概要 本発明によるドープ剤添加装置は、シリコン等の半導体
結晶を引き上げ法により形成する半導体結晶の製造装置
に使用するものである。

以下、第１図及び第２図を参照して、まず本発明による
ドープ剤添加装置を本発明の好適な実施例によりごく簡
単に説明する。

炉１内においてルツボ５内の単結晶原料６を溶融した後
に後述するようにドープ剤１５を投入する。したがっ
て、ドープ剤１５を投入する際には単結晶原料６は相当
程度に昇温されて溶融液の状態になっている。つまり、
炉１側は相当な高温状態にある。

炉１の上方部に投入管８を設け、その投入管８に弁座９
を形成する。この投入管８がその弁座９をはさんで上方
に大径部８ａを有し、下方に小径部８ｂを有する。大径
部８ａにドープ剤１５を入れる。その弁座９に弁１０を
配置し、その弁１０に操作棒１１の一端を固定し、操作
棒１１の他端を投入管８の外側に出し、投入管８と炉１
および操作棒１１との間をシール構造にして気密を保つ
ようにしている（具体的シール構造は後記する）。しか
も、投入管８を炉１に対して相対的に移動可能とし、ド
ープ剤１５の投入の時に投入管８の小径部８ｂのみが炉
１内に突出して、ドーブ剤１５の入る大径部８ａはつね
に炉１外に位置する。

小径部８ｂの外周に炉１の上壁に近接してＯリング１３
を介して水冷方式の下方プレート２４を冷却手段として
設ける。大径部８ａの近くには上方プレート２３が設け
てある。

また、投入管８を炉１に対して移動させる際に伸縮する
気密性の蛇腹２２が上方プレート２３と下方プレート２
４との間に設けられている。さらに保護管２１を投入管
８と蛇腹２２との間に介在させる。投入管８の上下移動
の際には、蛇腹２２が伸縮し、投入管８、上方プレート
２３および保護管２１が一緒に上下移動する。

下方プレート２４は水冷方式になっていて、小径部８ｂ
の下方プレート２４と対向する部分及びその近傍を保護
管２１を介して冷却するので、投入管８の内部は炉１内
から輻射熱を受けても、下方プレート２４と対向する部
分及び下方プレート２４より上方に位置する装置部分は
加熱が抑制される。

さらに、蛇腹２２を縮ませて投入管８を炉方向に動かす
と、小径部８ｂが冷却手段の近くを通過していくとき、
保護管２１を介して小径部８ｂの各部が順に冷却され
る。その結果、ドープ剤の通路がより効率的かつ効果的
に冷却される。そのためドーブ剤１５が下方プレート２
４の位置を通過するまでに過大に加熱されることがな
い。

これにより、単結晶原料６が溶融液の状態に至るまで加
熱される間に投入管８の中でドープ剤１５が蒸発するこ
とが完全に回避される。

投入管８を最下位置にしてからドープ剤１５を投入し、
そのあと投入管８を最上位置に移動する。任意のタイミ
ングでドープ剤の再投入を行うことができる。必要に応
じて２つの相違する比抵抗規格部分を所望の長さに形成
する。

また、蛇腹２２の材料はＳＵＳ（ステンレス鋼）とし、
保護管２１の材料もＳＵＳ（ステンレス鋼）にするのが
好ましい。

実施例の詳細な説明 以下、図面を参照して、この発明の好適な実施例を詳細
に説明する。

第１図において、炉１は、上室２と下室３とにより構成
されている。下室３には従来と同様にヒーター４の内側
にルツボ（たとえば石英ガラス製ルツボ）５が回転可能
に配置されている。そのルツボ５の中に単結晶原料（た
とえば多結晶シリコン）６が入れられて、ヒーター４に
より加熱される。尚、１２は保温筒である。

ドープ剤添加装置７は、投入管８を有し、炉１の上方部
に設けられている。

第２図は第１図に概念的に概略が示されたドープ剤添加
装置７の具体例の１つを詳細に示している。

第２図において、投入管８には大径部８ａと小径部８ｂ
の間に弁座９が形成されている。弁座９には弁１０が配
置してある。その弁１０には操作棒１１の一端が固定し
てある。操作棒１１は大径部８ａの中を延びて、他端が
投入管８の外側に出ている。さらに、投入管８の大径部
８ａと操作棒１１との間には栓１４が設けてある。この
栓１４はゴム製であり、投入管８と栓１４との間がＯリ
ング３１で気密にシールされている。

投入管８の大径部８ａの内部スペースにドープ剤（たと
えばアンチモン）１５を入れて必要に応じて操作棒１１
をその軸方向に動かすことにより弁１０を開いて、ドー
プ剤１５を小径部８ｂの先端部８ｃからルツボ５内の単
結晶原料６の溶融液に投入することができるようになっ
ている。

投入管８は石英ガラスで作り、操作棒１１はステンレス
で作るのが好ましい。

炉１の内部は従来と同様に真空または減圧あるいは不活
性ガスの状態に保持できるようになっている。そして、
操作棒１１を操作する時も、炉１の内部は所定の真空等
の状態に維持できるようになっている。

投入管８は炉１に対してその軸方向に小径部８ｂの範囲
にわたって移動できるようになっており、その際にも、
Ｏリング１３及び後述する気密構造により投入管８と炉
１との間で気密状態が保持できるようになっている。

投入管８の外側に保護管２１が設けてあり、その保護管
２１の外側に更に投入管８を炉１に対して移動させる際
に伸縮する気密性の蛇腹２２が設けてある。蛇腹２２の
材料はＳＵＳ（ステンレス鋼）とし、保護管２１の材料
もＳＵＳ（ステンレス鋼）にするのが好ましい。蛇腹２
２の上端と下端にはそれぞれドーナツ状の上方プレート
２３と下方プレート２４が気密に固定してある。

下方プレート２４は、縦断面矩形の円管状になってい
て、保護管２１の外周に近接して図示されていない固定
手段により炉１に固定されており、概略を概念的に図示
してある入口２４ａと出口２４ｂを有しており、入口２
４ａから冷却水が下方プレート２４内にはいって出口２
４ｂから出て、その間に冷却作用をする水冷方式の冷却
手段を構成している。下方プレート２４は、まず保護管
２１を冷却し、その冷却された保護管２１がその内側の
投入管８を冷却する。つまり投入管８は下方プレート２
４により保護管２１を介して間接的に冷却されるのであ
る。

互いに固定関係にある下方プレート２４と炉１との間に
Ｏリング１３が設けてあり、両者間をシールしている。
保護管２１の上部２１ａと上方プレート２３との間にＯ
リング２５が設けてあり、両者間をシールしている。ま
た、投入管８の大径部８ａに対応して保持管２６が設け
てある。保持管２６は内部壁と外部壁とにより二重構造
になっており、内部壁と投入管８の大径部８ａとの間に
ワッシャ２７とＯリング２８とが交互に複数組配置して
あり、両者間をシールしている。保持管２６の外部壁の
上部には蓋３０がシール状態にネジ止めしてある。蓋３
０の中心部には穴が形成してあり、そこに操作棒１１が
通っている。栓１４はＯリング３１により大径部８ａと
の間をシールして投入管８の大径部８ａの上部に着脱自
在に嵌着してある。また、保持管２６の下方部と保護管
２１の上方部２１ａとの間にはＯリング３２が設けてあ
り、両者間をシールしている。蓋３０と栓１４の間には
スペーサ３５が設けてあり、操作棒１１に沿ってワッシ
ャ４１とＯリング４２が配置してあり、操作棒１１とス
ペーサ３５との間をシールしている。保持管２６の外側
壁の上部に蓋３０がシール状態にねじ止めしてある。同
時にスペーサ３５の上端面と蓋体３０及び、スペーサ３
５の下端面と栓１４の上面とは相互にシール状態で密接
している。これは、投入管８と操作棒１１との間をシー
ル構造にするためである。

第２図から明らかなように、投入管８はシール状態を維
持しつつ炉１に対して相対的に移動可能となっている。
その際、蛇腹２２が伸縮し、保持管２６の下方部と保護
管２１の上部２１ａ等がボルト等（図示せず）で互に固
定されていて、投入管８と保護管２１と保持管２６等が
一緒に移動するようになっている。また、ガイド３３
は、炉１に固定された下方プレート２４に上向きに固定
されていて、上方プレート２３、保護管２１の上部２１
ａ、保持管２６の下方部を貫通しており、それにより保
護管２１や投入管８等の移動コースを案内するものであ
る。ガイド３３の上方部にはストッパ１６が固定されて
いて、保持管２６の下方部がガイド３３から抜け出ない
ようになっている。

ガイド３３には上方プレート２３の下面と下方プレート
２４の上面とに上端及び下端を当接させて、コイルバネ
（図示せず）が挿通されていて、付勢力を与えている。

前述の実施例の作用について説明すれば、まずツルボ５
の中に単結晶原料６を入れる。他方、保持管２６から蓋
３０を取り外し、また大径部８ａから栓１４を取り外
し、投入管８に対して操作棒１１を動かして弁１０を閉
じた状態にした上で所定量のドープ剤１５（例えばアン
チモン）を投入管８の大径部８ａの中に入れて、栓１４
及び蓋３０を閉じる。

炉１および投入管８を気密状態に保持した後、ルツボ５
内の単結晶原料６をヒーター４により加熱する。他方、
炉１の内部を真空や不活性ガスの状態にする。

ルツボ５内の単結晶原料６が昇温して溶融液の状態にな
ったとき、投入管８の小径部８ｂを炉内に移動させ、小
径部８ｂの先端を溶融液に接触させるか、または接触さ
せずに所望のタイミングで操作棒１１を操作して弁１０
を開いてドープ剤１５を投入管８から単結晶原料６の溶
融液に投入する。その後投入管８を最上位置に移動す
る。

また、複数の比抵抗規格にしたがって１本の単結晶を作
りたいときには、ドープ剤１５をのルツボ５内の単結晶
原料溶融液６に所望の時間を隔てて複数回投入する。た
とえば、炉１に複数の投入管８を予め設けておき、所定
のタイミングで所定量のドープ剤１５を単結晶原料溶融
液６に投入することもできる。

第３図は２つの比抵抗規格を満足する１本の単結晶１９
を作った例を示している。縦軸に比抵抗を示し、横軸に
単結晶の長さを示している。ルツボ５内の単結晶原料６
を所定温度に昇温させて完全に溶融したのちに、第１番
目の投入管８から所定量のドープ剤１５を単結晶原料６
の溶融液に投入して、曲線１７により示された第１の比
抵抗規格にしたがって、単結晶１９を引き上げる。その
引上げ途中のポイントＤで第２の投入管８からドープ剤
１５を投入して添加することにより、その後曲線１８に
よって示された第２の比抵抗規格にしたがって単結晶１
９を引き上げる。その結果、１本の単結晶１９であるに
もかかわらず２つの比抵抗規格を満たすことになる。

たとえば、第３図の例のように、第１の比抵抗規格を１
０〜８Ωcmとし、第２の比抵抗規格を３〜２Ωcmとする
ことができる。

このようなやり方で実際に単結晶の引き上げを行ったと
ころ、第３図に示された図表のような結果が得られた。

発明の効果 この発明によれば、単結晶原料が所定の温度に昇温され
て溶融液となった後に、ドープ剤を投入して添加できる
ので、単結晶原料をルツボにセットした時に一緒にドー
プ剤を投入して両者を同時に加熱昇温する従来のやり方
に比べて、ドープ剤の蒸発量が非常に少なくなる。

また、ドープ剤の投入時に投入管を炉内方向に移動させ
て投入管の小径部のみを炉内に突出させ、しか冷却手段
を炉に近接して小径部の外周に設けているので、投入管
の大径部全体と小径部の上方部が過大な温度に熱せられ
ることがなく、投入管の全体がつねに炉内に位置する従
来例の場合と違って、溶融シリコンと石英製ルツボとの
反応により生成したＳｉＯが投入管の内壁に付着するこ
とが大幅に回避できる。したがって、ＳｉＯが蓄積され
にくく、リコン単結晶の成長界面への落下が減少し、シ
リコン単結晶に転移が発生し難くなる。

投入管の静止時に投入管の小径部の冷却手段と対向する
部分及びその近傍が冷却されるだけでなく、投入管の移
動時に小径部が冷却手段の近くを通るとき小径部の各部
が順に冷却される。これにより投入管の冷却効率が格段
によくなる。

しかも、ドープ剤を入れる大径部はつねに炉外に位置
し、かつ冷却手段が存在するので、投入管の大径部はつ
ねに過熱が抑制され、比較的低温に維持され、したがっ
てトープ剤が管壁に融着することがなく、ドーパント濃
度の制御が精密に行えるようになった。

また、単結晶の引き上げの途中であっても、任意にドー
プ剤を再投入できるので、引上げ途中に自然凝固で定ま
る濃度以外に任意の濃度をもつ単結晶を製造でき、それ
によってドーパント濃度を精密に制御することができ
る。

なお、本発明はいろいろなドープ法に適用できるもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の好適な実施例によるドープ剤添加装
置を備えた半導体単結晶製造装置の主要部分の概略を示
す断面図、第２図は第１図のドープ剤添加装置を具体的
に示す部分拡大図、第３図は、本発明によるドープ剤添
加態様の一例を示すグラフである。 １……炉 ４……ヒーター ５……ルツボ ６……単結晶原料 ７……ドープ剤添加装置 ８……投入管 ９……弁座 １０……弁 １１……操作棒 １３……Ｏリング １４……栓 １５……ドープ剤 １９……単結晶

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樋口 孝良 神奈川県秦野市曽屋30 東芝セラミツクス 株式会社秦野工場内 (56)参考文献 特開 昭58−217496（ＪＰ，Ａ) 特公 昭54−3827（ＪＰ，Ｂ２)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】引き上げ法による半導体単結晶の製造装置
   において、炉の上方部に投入管を設け、この投入管は弁
   座を有するとともに、その弁座をはさんで上部に大径部
   を有し、下部に小径部を有し、弁座に弁が配置してあ
   り、その弁に操作棒の一端が固定してあり、前記大径部
   にドープ剤を入れ、投入管と炉との間をシール構造にす
   るとともに、投入管と操作棒との間をシール構造にし、
   しかも投入管を炉に対して相対的に移動可能とし、ドー
   プ剤の投入時に投入管の小径部のみが炉内に突出してド
   ープ剤の入る大径部はつねに炉外に位置する構成にし、
   さらに小径部の外周に炉に近接して冷却手段が設けられ
   ていることを特徴とするドープ剤添加装置。