JPH0660080B2

JPH0660080B2 - 単結晶成長装置

Info

Publication number: JPH0660080B2
Application number: JP16391692A
Authority: JP
Inventors: 利彦鈴木; 金治星; 伸幸伊沢; 安教大久保
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-05-29
Filing date: 1992-05-29
Publication date: 1994-08-10
Anticipated expiration: 2009-08-10
Also published as: JPH05208891A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、結晶原料の融液を収容
するるつぼと、前記融液を加熱するために前記るつぼの
周囲に配設された加熱手段と、前記融液から単結晶を引
上げる引上げ手段とをそれぞれ具備する単結晶成長装置
に関するものであって、棒状の単結晶を高速度で成長さ
せる装置に用いて最適なものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン単結晶を引上げ成長させるに
は、従来からチヨクラルスキー法（ＣＺ法）が用いられ
ている。このＣＺ法によれば、図１２に示すように、グ
ラファイト製のるつぼ１内に設けられている石英製のる
つぼ２内に収容した結晶原料の融液３を上記るつぼ１を
囲むように設けられている発熱体４により加熱しつつ、
種結晶５から棒状に成長した単結晶６を、この種結晶５
が保持されているチャック７により、融液３から引上げ
るようにしている。この引上げの際には、るつぼ１，２
および単結晶６をそれぞれ軸８およびチャック７によっ
て、例えば互いに逆方向に一定速度で回転させると共
に、融液３の液面に対して発熱体４が一定位置となるよ
うに、軸８によってるつぼ１を上昇させている。

【０００３】このＣＺ法により得られる単結晶６の最大
成長速度Ｖ_maxは、この単結晶６と融液３との固液界面
が平坦でかつこの単結晶６の半径方向の温度勾配が存在
しないと仮定した場合、Ｖ_max＝ｋ／（ｈ・ρ）（ｄＴ／ｄｘ）で与えられる。ここで、ｋは単結晶６の熱伝導率、ｈは
その融解熱、ρはその密度、（ｄＴ／ｄｘ）は固液界面
における固相（単結晶６）中の温度勾配である。なお、
ｘは単結晶６の軸方向の座標である。上式において、
ｋ、ｈ、ρは物質によって決まる固有の値であるため
に、大きなＶ_maxを得るためには、（ｄＴ／ｄｘ）を大
きくする必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述のＣＺ
法においては、引上げられた単結晶６は、融液３の表
面、るつぼ２の内壁、発熱体４などからの放射熱により
熱せられるために、上記の（ｄＴ／ｄｘ）はその分だけ
小さくなり、従って、実際に得られる成長速度も小さ
い。

【０００５】この成長速度は、発熱体４の温度を全体的
に下げることによって大きくすることが可能である。し
かし、図９のＡおよびＢから理解されるように、融液３
の表面近傍の温度は中心部に比べてかなり低くなってい
るから、このようにすると、融液３のうちのこの融液３
の液面とるつぼ２とに隣接する部分３ａにおいて固化が
起き、その結果、単結晶６の引上げを継続することが困
難になってしまうという欠点がある。このために、図１
２に示す単結晶成長装置で、なんら支障なく単結晶６の
引上げを継続することのできる成長速度は、最大でも１
ｍｍ／分程度であった。しかも、単結晶６が大口径にな
るに従って上述の固化が起こりやすくなるために、さら
に成長速度を低下させざるを得なかった。なお、図９の
Ａ（図１０のＡおよび図１１のＡにおいても同様）にお
いて、Ｔ₁＜Ｔ₂＜Ｔ₃、Ｔ ₂〜Ｔ₅、Ｔ ₃〜Ｔ₄であ
る。

【０００６】なお、本発明に関連する先行文献として
は、特公昭５１−４７１５３号公報、特公昭５８−１０
８０号公報などが挙げられ、特に後者には、融液の上方
に輻射スクリーンを設けることにより２ｍｍ／分の成長
速度で単結晶を成長させた実施例が記載されている。

【０００７】本発明は、上述の問題にかんがみ、従来の
単結晶成長装置が有する上述のような欠点を是正した単
結晶成長装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】本発明は、結晶原料の
融液を収容するるつぼと、断面積が前記融液の液面近傍
に対向する部分よりもそれより下方に位置する部分で大
きくなっている発熱体から成り前記融液の液面近傍に対
向する部分ではそれより下方に位置する部分よりも高い
温度で加熱する加熱手段と、前記融液から単結晶を引き
上げる引上げ手段と、前記引上げ手段により引上げられ
る前記単結晶の側面と前記加熱手段のこの側面に対向す
る部分との間に介在させた熱遮蔽手段とをそれぞれ具備
し、前記加熱手段による選択的加熱作用と前記熱遮蔽手
段による熱遮蔽作用との共働作用によって、前記融液の
液面近傍が前記るつぼに接する部分から前記るつぼの中
心に向うに従って次第に低い温度となる温度分布を有す
るように構成されていることを特徴とする単結晶成長装
置に係るものである。

【０００９】

【実施例】以下、本発明に係る単結晶成長装置の一実施
例につき、図面を参照しながら説明する。なお、以下の
図面においては、図１２と同一部分には同一の符号を付
し、必要に応じてその説明を省略する。

【００１０】図１に示すように、本実施例による単結晶
成長装置においては、図１２に示す従来の単結晶成長装
置と同様に、グラファイト製のるつぼ１内に設けられて
いる石英製のるつぼ２中にシリコンの融液３が収容さ
れ、さらに、上記るつぼ１を囲むようにグラファイト製
の発熱体４および保温材９がそれぞれ設けられている。
そして、これら全体を囲むように、水冷ジャケット１０
ａ〜１０ｃが設けられている。なお、この水冷ジャケッ
ト１０ｂには、引上げられた単結晶６を観察するための
窓１２が設けられ、また、水冷ジャケット１０ａの底面
には、上方から水冷ジャケット１０ａ〜１０ｃの内側に
導入される不活性ガス（雰囲気ガス）を排出するための
排出管１３が設けられている。また、るつぼ１の下部に
は、このるつぼ１を回転および昇降させるための軸８が
水冷ジャケット１０ａの底面に設けられた開口１０ｄを
通して設けられている。さらに、発熱体４の下端はリン
グ板１４に固定され、このリング板１４の下部には、発
熱体４を昇降させるための昇降軸１５が水冷ジャケット
１０ａの底面に設けられた開口１０ｅ，１０ｆを通して
設けられている。一方、融液３の上方には、その底面に
単結晶６よりも少し径の大きい開口を有する例えばモリ
ブデン製の円筒から成る熱遮蔽体１６が設けられてい
る。さらにその上方には、引上げ軸１７の下端に取付け
られているチャック７に保持された種結晶５が設けら
れ、この種結晶５から棒状の単結晶６が成長するように
なっている。

【００１１】上記発熱体４は、図２に示すように、その
上部にテーパ部４ａが設けられている円筒状のグラファ
イトにその中心軸方向に延びる上部溝４ｂおよび下部溝
４ｃをその周方向に等間隔にかつ交互に設けたものであ
る。さらに、上記下部溝４ｃの一端には、この下部溝４
ｃの中心軸に対してほぼ４５°をなす方向に延びる溝４
ｄ，４ｅが形成されている。

【００１２】このように構成された単結晶成長装置を用
いて種結晶５にシリコンの融液３から単結晶６を成長さ
せるには、るつぼ１，２および単結晶６をそれぞれ軸８
および引上げ軸１７により例えば互いに逆方向に回転さ
せつつ、図示を省略した駆動機構により引上げ軸１７を
徐々に上昇させることによって単結晶６の引上げを行う
と共に、融液３の液面に対して発熱体４が一定位置とな
るようにるつぼ１，２を上昇させる。

【００１３】上述の実施例によれば、次のように利点が
ある。すなわち、発熱体４の上部にはテーパ部４ａが設
けられ、さらに下部溝４ｃの一端に溝４ｄ，４ｅが設け
られているので、上記テーパ部４ａにおける発熱体４の
断面積は、その下部に比べて小さく、特に溝４ｄ，４ｅ
の近傍においてはきわめて小さくなっている。従って、
電流通電時においては、この発熱体４のテーパ部４ａが
下部に比べて高温に熱せられるので、このテーパ部４ａ
とほぼ同一の高さに位置する融液３の液面とるつぼ２の
内壁とにそれぞれ隣接する部分３ａの温度と融液３中の
最高温度との差は、図１０のＡおよびＢに示すように、
従来に比べて小さい（なお、発熱体４全体の電気抵抗は
テーパ部４ａなどを設けた分だけ従来に比べて高く、従
って、同一通電量では従来に比べて温度が高くなるの
で、本実施例においては、従来よりも通電量を少し落と
しており、このために、融液３中の温度は従来よりも多
少低くなっていると考えられる）。ゆえに、既述の温度
勾配（ｄＴ／ｄｘ）を大きくするために発熱体４の温度
を下げた場合においても、上記温度差が従来に比べて小
さい分だけ、融液３のうちのこの融液３の液面とるつぼ
２の内壁とに隣接する部分３ａの固化が起きにくくなる
ので、その分だけ発熱体４の温度を下げることができ
る。従って、単結晶６の成長速度を例えば２．０ｍｍ／
分と従来に比べてきわめて大きくすることができ、しか
も、単結晶６の成長を連続して行うことができる。その
結果、生産性が従来に比べて高く、従って、単結晶６の
成長コストを低減することができる。

【００１４】また、従来のように１ｍｍ／分程度の成長
速度で単結晶６を成長させる場合に得られる単結晶６中
の積層欠陥密度は、図３に示すようにきわめて大きいの
に対して、上述の実施例のように高速、例えば２ｍｍ／
分程度の成長速度で単結晶６を成長させた場合に得られ
る単結晶６中の積層欠陥密度は、この図３に示すように
きわめて小さいから、単結晶６の品質はきわめて良好で
ある。

【００１５】また、融液３の上方には、既述のように、
その底面に単結晶６よりも少し径の大きい開口を有する
円筒から成る熱遮蔽体１６を設けているので、この融液
３、発熱体４などからの放射熱により単結晶６が加熱さ
れるのを防止することができる。このために、この分だ
け温度勾配（ｄＴ／ｄｘ）を大きくすることができるか
ら、これによっても単結晶６の成長速度を大きくするこ
とができる。

【００１６】さらに、発熱体４の上部の断面積は従来に
比べて小さいので、この発熱体４全体の電気抵抗もその
分だけ高く、従って、従来に比べて低い電力で融液３を
従来と同程度の温度に加熱することができる。このため
に、発熱体４による消費電力を従来に比べて低減するこ
とができる。

【００１７】本発明は、上述の実施例に限定されるもの
ではなく、本発明の技術的思想に基づく種々の変形が可
能である。例えば、上述の実施例においては、発熱体４
の上部にテーパ部４ａを設けると共に、下部溝４ｃの一
端に溝４ｄ，４ｅを設けたが、テーパ部４ａのみを設け
てもよい。さらに、例えば図４に示すように発熱体４を
上部が薄肉となるようにテーパ状としたり、図５に示す
ように発熱体４の上部に凹部４ｆを設けたり、図６に示
すように発熱体４の上部に例えばそれぞれ深さの異なる
多数の溝４ｇを設けたりしてもよい。さらにまた、図７
に示すように発熱体４の上部の幅ｔ₁を下部の幅ｔ₂に
比べて小さくしてもよい。

【００１８】さらに、図８に示す別の実施例のように、
上述の実施例または上述の種々の変形例において水冷ジ
ャケット１０ａの周囲に電磁石２１を設けて、融液３に
磁場を印加しつつ単結晶６の引上げ成長を行うようにし
てもよい。このようにすれば、電気伝導性を有する融液
３は上記磁場により電磁気的な力を受け、その結果、熱
対流が抑制される。このように熱対流が抑制された状態
では、発熱体４における温度分布が融液３の温度分布に
忠実に反映されるので、図１１のＡおよびＢに示すよう
に、融液３の中心部では温度が低く周辺では温度が高く
なると共に、融液３の液面とるつぼ２の内壁とにそれぞ
れ隣接する部分とその中心部との温度差が上述の実施例
よりもさらに大きくなる。その結果、磁場を印加しない
場合に比べて単結晶６の成長速度をさらに大きくするこ
とができる。なお磁場の印加方向は垂直方向であっても
よい。

【００１９】具体例１１２インチ径のるつぼ２に原料として２０ｋｇの多結晶
シリコンを装填し、次いで、これを融解させた後、単結
晶６を引上げ成長させた。第１２図に示す従来の場合
は、１．２ｍｍ／分の成長速度で融液３のうちのるつぼ
２と液面とに隣接する部分３ａで固化が起きたのに対し
て、融液３の上方に熱遮蔽体１６を設けた場合には、
１．５ｍｍ／分の成長速度で単結晶６の成長を行うこと
ができた。さらに、上述の実施例のように熱遮蔽体１６
を設けると共に、発熱体４にテーパ４ａおよび溝４ｄ，
４ｅを設けた場合には、２．０ｍｍ／分の成長速度で直
径４インチの単結晶６を成長させることができた。

【００２０】具体例２具体例１の場合と同様に、１２インチ径のるつぼ２に２
０ｋｇの多結晶シリコン原料を装填して融解させ、次い
で、単結晶６の引上げを行った。上述の実施例のように
熱遮蔽体１６とテーパ部４ａおよび溝４ｄ，４ｅが設け
られた発熱体４とを設置した場合、成長速度２．０ｍｍ
／分で単結晶６を成長させることができた。さらに、図
８に示すように磁場を印加して単結晶６の成長を行った
場合には、成長速度２．３ｍｍ／分を達成することがで
きた。

【００２１】

【発明の効果】本発明に係る単結晶成長装置は、断面積
が融液の液面近傍に対向する部分よりもそれより下方に
位置する部分で大きくなっている発熱体から成り前記融
液の液面近傍に対向する部分ではそれより下方に位置す
る部分よりも高い温度で加熱する加熱手段と、引上げ手
段により引上げられる単結晶の側面と前記加熱手段のこ
の側面に対向する部分との間に介在させた熱遮蔽手段と
をそれぞれ具備し、前記加熱手段による選択的加熱作用
と前記熱遮蔽手段による熱遮蔽作用との共働作用によっ
て、前記融液の液面近傍がるつぼに接する部分からるつ
ぼの中心に向うに従って次第に低い温度となる温度分布
を有するように構成されている。従って、前記融液の液
面近傍をるつぼに接する部分よりも中心部分で充分に低
温にすることができると共に、るつぼに接する融液の液
面近傍よりも単結晶部分を充分低温にすることができる
から、加熱手段の発熱量を比較的低くした場合に、るつ
ぼに接する融液の液面近傍で固化が起きるのを効果的に
防止することができ、このために、従来の装置に比べ
て、大きな成長速度で、しかも、結晶欠陥が少なくて高
品質の単結晶を成長させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶成長装置の一実施例を示す
断面図である。

【図２】図１に示す単結晶成長装置における発熱体の拡
大斜視図である。

【図３】成長された単結晶中の積層欠陥密度と酸素濃度
と引上げ速度との関係を示すグラフである。

【図４】本発明の一変形例を示す断面図である。

【図５】本発明の別の変形例を示す断面図である。

【図６】本発明のさらに別の変形例を示す断面図であ
る。

【図７】本発明のさらに別の変形例を示す正面図であ
る。

【図８】本発明の別の実施例を示す断面図である。

【図９】ＡおよびＢは、それぞれ従来の融液中の温度分
布を等温線で示す模式図および融液の中心軸方向の温度
分布を示すグラフである。

【図１０】ＡおよびＢは、本発明の実施例についての図
９のＡおよびＢと同様な模式図およびグラフである。

【図１１】ＡおよびＢは、融液に磁場を印加した図８に
示す本発明の別の実施例についての図９のＡおよびＢと
同様な模式図およびグラフである。

【図１２】ＣＺ法による従来の単結晶成長装置の要部を
示す断面図である。

【符号の説明】

１，２るつぼ３融液４発熱体（加熱手段）４ａテーパ部５種結晶６単結晶１６熱遮蔽体（熱遮蔽手段）１７引上げ軸（引上げ手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大久保安教東京都品川区北品川６丁目７番35号ソニー株式会社内 (56)参考文献特開昭58−89790（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】結晶原料の融液を収容するるつぼと、断面積が前記融液の液面近傍に対向する部分よりもそれ
より下方に位置する部分で大きくなっている発熱体から
成り前記融液の液面近傍に対向する部分ではそれより下
方に位置する部分よりも高い温度で加熱する加熱手段
と、前記融液から単結晶を引き上げる引上げ手段と、前記引上げ手段により引上げられる前記単結晶の側面と
前記加熱手段のこの側面に対向する部分との間に介在さ
せた熱遮蔽手段とをそれぞれ具備し、前記加熱手段による選択的加熱作用と前記熱遮蔽手段に
よる熱遮蔽作用との共働作用によって、前記融液の液面
近傍が前記るつぼに接する部分から前記るつぼの中心に
向うに従って次第に低い温度となる温度分布を有するよ
うに構成されていることを特徴とする単結晶成長装置。