JPH06293585A

JPH06293585A - 半導体単結晶成長装置

Info

Publication number: JPH06293585A
Application number: JP10609793A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kimura; 雅規木村; Hirotoshi Yamagishi; 浩利山岸
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 1993-04-07
Filing date: 1993-04-07
Publication date: 1994-10-21
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: JP2845086B2

Abstract

(57)【要約】【目的】炉壁からの反射熱により成長中の半導体単結
晶又は原料棒が影響を受けることを防止するとともに両
者を積極的に冷却する。【構成】原料棒１を加熱溶融して半導体単結晶棒３を
成長させるＦＺ法の成長炉５内に、グラファイト等の熱
放射率が０．６より高い材料からなる円筒状部材９を原
料棒１及び／又は半導体単結晶棒３を取り囲むように設
ける。円筒状部材９は、冷却水管１１に冷却水を流すこ
とにより銅板１０を介して強制冷却される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体単結晶成長装置
に関する。さらに詳しくは、ＦＺ法（フロートゾーン
法、または浮遊帯域溶融法）により高純度半導体単結晶
棒を成長させる装置に関し、特に成長中の半導体単結晶
棒又は原料棒を効率良く冷却する方法に関するものであ
る。

【０００２】

【発明の背景技術】図３は、ＦＺ法による従来の半導体
単結晶成長装置の全体構成を示す図である。成長炉５内
には、上軸８に保持された所定直径の原料棒１と下軸７
に保持された種結晶６が収容されている。また、前記原
料棒１の断面部を部分的に加熱溶融するための輪環状の
高周波誘導加熱コイル（以下「高周波コイル」と言
う。）２が前記原料棒１と同軸に配置されている。

【０００３】成長炉５は通常はステンレス等の金属で形
成されており、その内壁は金属を機械的に研磨した面が
そのまま使用されている。また、上軸８と下軸７は連動
して回転しながら上下方向に移動する。これにより、原
料棒１と種結晶６を一体となって回転させながら上下方
向に移動させることができる。

【０００４】この成長装置を用いて半導体単結晶を成長
させる場合、まず上軸８により保持された原料棒１の下
端に下軸７により保持された種結晶６を接触させるとと
もに、両者の接触部付近が高周波コイル２と同一面（加
熱面）に来るように原料棒１及び種結晶６を移動させ
る。そして、原料棒１の下端を高周波コイル２によって
融解し、その溶融帯に種結晶６を融着した後、種絞りに
よって無転位化しつつ原料棒１と種結晶６とを一体化さ
せる。

【０００５】次に、原料棒１及び種結晶６を回転させな
がら微速度で下降させ、高周波コイル２の加熱面を原料
棒１の下端から上端へ相対的に移動させる。このとき、
原料棒１の高周波コイル２の加熱面にある領域は溶融す
る。溶融帯４は、加熱面を過ぎるに従い輻射熱を発しな
がら徐々に冷却し、種結晶の方位に従って単結晶化す
る。そして、この溶融帯４が原料棒１の下端から上端ま
で移動することによって半導体単結晶棒３が得られる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、半導体単結晶
棒３についてみると、溶融直後の結晶化した半導体単結
晶棒３の側面から発せられた輻射熱の一部は成長炉５の
内壁で反射して再び原料棒１及び半導体単結晶棒３に放
射されるため、半導体単結晶棒３は設定値よりも常に余
分にアフターヒートされた状態となり、良好な固液界面
形状を形成することが困難となっていた。また、溶融帯
４を良好な形状に保ちつつ成長速度を大きくすることも
困難であった。

【０００７】一方、原料棒１についても、少なからずプ
レヒートされた状態となり、成長軸方向の溶解面が凹凸
状となる。その結果、いわゆる「ハナ」と呼ばれる突起
が形成され、突起の成長が進むとついには高周波コイル
２に接触・放電し、操業不可能になってしまう恐れがあ
った。

【０００８】上記のような輻射熱の反射の影響が問題と
なるのは、従来の成長装置において、成長炉５の内壁
が、輻射熱の吸収率が比較的低く反射率が比較的高いス
テンレス等の金属製であるからである。例えばステンレ
スの場合、輻射熱の吸収率は約０．６であり、反射率は
約０．４である。

【０００９】このような成長炉５内壁での輻射熱の反射
の影響は、例えば高周波コイルと成長炉５内壁との間隔
を限りなく大きくすることにより理論的には無視するこ
とができるが、このような方法は現実的ではなく、コス
ト等の問題により実現は困難である。このように、従来
の成長装置を用いて単結晶を成長させる場合、成長中の
半導体単結晶棒又は原料棒は、炉壁からの反射熱により
アフターヒート又はプレヒートされるため所期の温度分
布が得られず、種々の問題を生じていた。

【００１０】そこで本発明は、成長中の半導体単結晶又
は原料棒が炉壁からの反射熱の影響を受けるのを防止す
るとともに両者を積極的に冷却することができ、良好な
固液界面形状を形成することあるいは溶融帯を良好な形
状に保ちつつ成長速度を大きくすることができる半導体
単結晶成長装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、成長炉内にお
いて原料棒を加熱溶融して半導体単結晶を成長させるＦ
Ｚ法による半導体単結晶成長装置において、前記成長炉
内に、熱放射率が０．６より高い材料からなる円筒状部
材を前記半導体原料棒及び／又は前記半導体原料棒の単
結晶化した部分を取り囲むように設けるとともに、前記
円筒状部材を強制冷却する冷却手段を設けたものであ
る。

【００１２】円筒状部材は、前記成長炉の炉壁を被覆す
るように形成されているものでもよい。また円筒状部材
は、例えば熱放射率の高いＳｉＣコートしたグラファイ
トからなる。

【００１３】

【作用】本発明は、熱放射率の高い材料からなる強制冷
却された円筒状部材により成長中の単結晶を同軸に取り
囲み、成長中の単結晶が輻射熱の反射による影響を受け
るのを防止するとともに積極的に冷却することを可能に
し、固液界面形状の調整幅を広くしたり、あるいは成長
速度を速くすることができる技術を提供するものであ
る。

【００１４】本発明の着目点は、熱放射率が高い材料ほ
ど吸収率が高く、逆に反射率が低いことを結晶の温度分
布の調整ないしは積極的な冷却に応用した点にある。あ
る固体の表面に入射した熱放射線は、一部は表面で反射
され、残りは吸収されて熱に変わる。つまり、吸収率ａ
と反射率ｒとの間には、ａ＋ｒ＝１の関係がある。一方、吸収率は熱放射線を発する物体の
温度の関数でもあるが、固体表面と同一温度の黒体から
放射される放射エネルギーに対する吸収率はその温度に
おける熱放射率に等しい。

【００１５】従来法においては、成長中の単結晶から輻
射熱として放射された熱放射線は成長装置の内壁により
反射され、再び単結晶に熱エネルギーを与えていた。こ
れに対して本発明においては、熱放射率の高い材料すな
わち吸収率の高い材料からなる円筒状部材を半導体原料
棒や半導体原料棒の単結晶化した部分を取り囲むように
設けたことにより、単結晶棒から輻射熱として放射され
た熱放射線は前記円筒状部材により効率的に吸収され
る。吸収された熱エネルギーは、前記円筒状部材を強制
冷却することによって除熱される。従って、成長中の単
結晶棒が従来法より効率的に冷却され、溶融帯を良好な
形状に保つことができるので成長速度を上げることがで
きる。また、円筒状部材の長さと単結晶に対する成長軸
方向の位置を調節することにより、積極的に冷却される
部分と徐冷される部分とを調節することができ、適度な
固液界面形状を得ることができる。

【００１６】例えば、円筒状部材の材料としてグラファ
イトを選択した場合、グラファイトの熱放射率はステン
レスの０．６より大きく約０．８１なので、極めて効率
良く輻射熱を吸収し、半導体単結晶棒の方へ戻る反射熱
は従来に比べて大幅に減少する。そして、円筒状部材を
強制冷却することにより、円筒状部材が吸収した輻射熱
を除熱することができるので、円筒状部材自体が熱を放
射することも防止でき、半導体単結晶棒はアフターヒー
トされず、十分に冷却させることができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について詳細に説明す
る。

【００１８】図１は本発明の半導体単結晶成長装置の一
実施例を示すシリコン単結晶成長装置の概略図である。
基本構成は図３に示した従来の成長装置と同じである
が、本実施例の装置はＳｉＣコートしたグラファイト製
の円筒状部材９を備えている。この円筒状部材９は、シ
リコン原料棒１の溶融帯４から下部の結晶化したシリコ
ン単結晶棒３を取り囲むように配置されている。そし
て、円筒状部材９の外側には銅板１０が巻きつけられ、
さらにその外側に冷却水管１１が設けられている。この
冷却水管１１に冷却水を流すことにより、円筒状部材９
は銅板１０を介して強制的に冷却されるようになってい
る。

【００１９】本実施例の成長装置においては、溶融直後
の結晶化したシリコン単結晶棒３の側面から放射された
輻射熱の多くはグラファイト製の円筒状部材９に吸収さ
れ、シリコン原料棒１及びシリコン単結晶棒３に戻る熱
は極めて少なくなる。

【００２０】図２は、シリコン単結晶棒３の側面の温度
分布を放射温度計により溶融帯から成長方向に沿って測
定した結果を示す。図において黒丸は本実施例の成長装
置における温度分布を示し、白丸は円筒状部材９を設け
ない場合の温度分布を示す。

【００２１】図から分るように、円筒状部材９を設けな
い場合は、溶融帯４（約１４００℃）からの距離が５０
ｍｍの位置でまだ１１００℃以上であるが、円筒状部材
９を備えた本実施例の場合は、同位置で１０００℃まで
冷却される。このように、シリコン単結晶棒３がより積
極的に冷却された様子が分る。

【００２２】なお、本実施例では溶融帯４より下部のシ
リコン単結晶棒３の周囲にのみ円筒状部材９を配置した
が、溶融帯４より上部のシリコン原料棒１をも取り囲む
ようにしてシリコン原料棒１のプレヒートを防止するよ
うにしてもよいことは言うまでもない。また、本実施例
のように独立した円筒状部材９を用いずに、成長炉５の
内壁にグラファイト等を被覆するようにしてもよい。さ
らに、円筒状部材９の冷却方法についても、本実施例の
ような冷却水管１１の代りに他の冷却手段を用いてもよ
い。

【００２３】一方、本実施例ではシリコン単結晶棒の成
長に円筒状部材９を用いたが、例えば、ＧａＡｓ、Ｇａ
Ｐ、ＬａＢ₆等、シリコン以外の半導体単結晶をＦＺ法
にて成長する場合にも適用できる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、炉
壁からの反射熱により成長中の半導体単結晶又は原料棒
が影響を受けることを防止するとともに両者を積極的に
冷却することが可能となり、良好な固液界面形状を形成
することあるいは溶融帯を良好な形状に保ちつつ成長速
度を大幅に上げることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体単結晶成長装置の一実施例を示
す概略図である。

【図２】シリコン単結晶棒３の側面の温度分布を放射温
度計により成長方向に沿って測定した結果を示すグラフ
である。

【図３】ＦＺ法による従来の半導体単結晶成長装置の全
体構成を示す概略図である。

【符号の説明】

１原料棒２高周波コイル３半導体単結晶棒４溶融帯５成長炉６種結晶７下軸８上軸９円筒状部材１０銅板１１冷却水管

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】成長炉内において半導体原料棒を加熱溶
融して半導体単結晶を成長させるＦＺ法による半導体単
結晶成長装置において、前記成長炉内に、熱放射率が
０．６より高い材料からなる円筒状部材を、前記半導体
原料棒及び／又は前記半導体原料棒の単結晶化した部分
を取り囲むように設けるとともに、前記円筒状部材を強
制冷却する冷却手段を設けたことを特徴とする半導体単
結晶成長装置。
【請求項２】前記円筒状部材は、前記成長炉の炉壁を
被覆するように形成されているものである請求項１に記
載の半導体単結晶成長装置。
【請求項３】前記円筒状部材はＳｉＣコートしたグラ
ファイトからなる請求項１又は請求項２に記載の半導体
単結晶成長装置。