JPH0769778A - 単結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 坩堝１１内の結晶用原料を引き上げて単結晶
１６を成長させる単結晶成長装置１０において、炉壁２
１ａと坩堝１１との間に位置する断熱材２２の一部が移
動可能に構成されている単結晶成長装置１０。 【効果】 略室温に冷却されている炉壁２１ａを坩堝１
１に対して露出させたり隠したりすることができ、炉壁
２１ａを露出させることによって、全融再凝固方式を用
いた溶融層法における固体層１８の形成時間を大きく短
縮することができ、生産効率を大幅に向上させることが
でき、また炉壁２１ａを隠すことによって、原料の溶解
及び単結晶の成長に要する時間を短時間に維持すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は単結晶成長装置に関し、
より詳細には、例えばＬＳＩ、ＣＣＤ、太陽電池等の半
導体材料として使用されるシリコン単結晶等のような、
不純物がドーピングされた結晶を成長させるための単結
晶成長装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】単結晶を成長させるには種々の装置及び
方法があるが、その方法の一つにチョクラルスキー法
（以下、ＣＺ法と記す）がある。

【０００３】図４は従来のＣＺ法に用いられる単結晶成
長装置を示す模式的断面図であり、図中１１は坩堝を示
している。この坩堝１１は有底円筒形状の石英製の内層
容器１１ａと、この内層容器１１ａの外側に嵌合された
有底円筒形状の黒鉛製の外層保持容器１１ｂとから構成
されており、坩堝１１は図中矢印方向に所定速度で回転
する昇降可能な支持軸１９により支持されている。この
坩堝１１の外側には抵抗加熱式のヒーター１２が、また
ヒーター１２の外側には保温筒２２がそれぞれ同心円状
に配置されており、坩堝１１内にはこのヒーター１２に
より溶融させた結晶用原料の溶融液１３が充填されてい
る。また坩堝１１の中心軸上には、支持軸１９と同一軸
心で逆方向に所定の速度で回転する引き上げ棒、ワイヤ
等からなる引き上げ軸１４が配設されており、この引き
上げ軸１４の先に取り付けられた種結晶１５を溶融液１
３の表面に接触させて引き上げ軸１４を結晶成長に合わ
せて回転させつつ上方へ引き上げることにより、溶融液
１３を凝固させて単結晶１６を成長させている。

【０００４】ところで、半導体結晶をこの引き上げ方法
で成長させる場合、単結晶１６の電気抵抗率、電気伝導
型を調整するために、引き上げ前に溶融液１３中に不純
物元素を添加（ドーピング）する。通常のＣＺ法におい
ては、添加した前記不純物濃度が単結晶１６の結晶成長
方向に沿って変化していく、いわゆる偏析現象が生じ、
その結果、結晶成長方向に均一な電気的特性を有する単
結晶１６が得られないという問題があった。

【０００５】この偏析は、凝固の際の溶融液１３と単結
晶１６との界面における単結晶１６中の不純物濃度Ｃｓ
と溶融液１３中の不純物濃度Ｃｌとの比Ｃｓ／Ｃｌ（実
効偏析係数Ｋｅ）が１でないことに起因している。例え
ば実効偏析係数Ｋｅ＜１の場合では、単結晶１６が成長
するに伴って溶融液１３中の不純物濃度が次第に高くな
っていき、単結晶１６に偏析が生じるのである。

【０００６】上記した不純物の偏析を抑制しながら単結
晶を成長させる方法の一つとして、溶融層法による単結
晶引き上げ方法が挙げられる。

【０００７】図５は溶融層法に用いられる単結晶成長装
置を示す模式的断面図であり、図中１１は図４に示した
ものと同様に構成された坩堝を示しており、坩堝１１上
部の外側には上部ヒータ１２ａが同心円状に配設され、
この上部ヒータ１２ａの下方には上部ヒータ１２ａと略
同一形状に形成された下部ヒータ１２ｂが同心円状に配
設されており、上部ヒータ１２ａ及び下部ヒータ１２ｂ
はそれぞれパワーが調節可能となっている。また、上部
ヒータ１２ａ及び下部ヒータ１２ｂの外側には有底円筒
形状の保温筒２２が周設されており、この保温筒２２に
よって上部ヒータ１２ａ及び下部ヒータ１２ｂの熱が有
効に利用されるようになっている。

【０００８】このように構成された単結晶成長装置を用
いた溶融層法では、坩堝１１内の上部にある原料を、上
部ヒータ１２ａ及び下部ヒータ１２ｂのパワーを個別に
調節しながら溶融させることにより、上層には溶融層１
３を、また下層には固体層１８を形成し、さらに上部ヒ
ータ１２ａ及び下部ヒータ１２ｂのパワーを個別に調節
し、固体層１８を次第に溶融させていきながら、後は上
記したＣＺ法による引き上げと同様の引き上げ方法で単
結晶１６を成長させる。

【０００９】前記溶融層法としては、今までに溶融層厚
一定法及び溶融層厚変化法の二つの方法が提案されてい
る。

【００１０】溶融層厚一定法は、単結晶１６を引き上げ
る際、引き上げられた単結晶１６の量にかかわらず、上
部ヒータ１２ａ及び下部ヒータ１２ｂのパワーを調節
し、坩堝１１内における溶融層１３の体積を一定に保つ
ように固体層１８を溶融させていく方法であり、特公昭
３４−８２４２号、特公昭６２−８８０号及び実公平３
−７４０５号公報等に開示されている。この方法では、
実効偏析係数Ｋｅの値に拘らず、単結晶１６の成長に伴
って新たに不純物濃度の低い固体層１８を溶融させて溶
融層１３中の不純物濃度を低減させるため、その不純物
濃度の低減を調節するために不純物を連続的に添加し、
溶融層１３中の不純物濃度をほぼ一定に保って単結晶１
６中における不純物の偏析を抑制している。一方、溶融
層厚変化法は、意図的に溶融層１３の液量を変化させる
ことにより、単結晶引き上げ中に不純物を添加すること
なく溶融層１３の不純物濃度Ｃｌを一定に保ち、単結晶
中の不純物の偏析を抑制する方法であり、特開昭６１−
２０５９６１号、特開昭６１−２０５９６２号及び特開
昭６１−２１５２８５号公報等に開示されている。

【００１１】なお前記した二つの溶融層法において、溶
融層１３の厚さの制御は、上部ヒータ１２ａ及び下部ヒ
ータ１２ｂの発熱体の長さやパワー、坩堝１１の深さや
保温筒２２の形状及び材質を予め適切に選択することに
より行われる。

【００１２】ところで、成長させた単結晶特性の評価方
法として、例えばある位置の電気抵抗率を１とし、その
比が１〜１．３（有効範囲）の電気抵抗率を有する単結
晶の長さと全引き上げ単結晶の長さとの割合を電気抵抗
率歩留りとして表わす方法があるが、例えばリンを不純
物としてＳｉ単結晶を引き上げる場合、前記溶融層法に
おいては、引き上げに伴い溶融液の不純物濃度を一定に
できるため、不純物の偏析が抑制されることとなり、上
記した電気抵抗率歩留りが通常の引き上げ方法（ＣＺ法
等）に比較して大幅に改善されることとなった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】近年の前記溶融層法で
は、結晶原料を一旦すべて溶融させ、その後坩堝１１内
の下部に所定厚さの固体層１８を形成する全融再凝固方
式が多く採用されている。しかしながら、この全融再凝
固方式を用いた場合、固体層１８を再形成する必要があ
り、プロセスが増えるため、操業に要する時間が長くな
り、生産効率が低下するという課題があった。そこで、
生産効率の向上を図るために、固体層１８の形成時間を
短縮することができる技術の開発が望まれている。

【００１４】図５に示した従来の単結晶成長装置におい
ては、全融再凝固方式を採用した前記溶融層法により固
体層１８を形成する場合、下部ヒータ１２ｂのパワーを
オフにすることにより坩堝１１下部を低温に保ち、坩堝
１１下部内の溶融層１３の温度を下げ、溶融層１３を再
凝固させ、坩堝１１下部に固体層１８を形成する。従っ
て、坩堝１１下部における固体層１８の形成速度を大き
くするには、坩堝１１下部からの放熱を促進する必要が
ある。

【００１５】しかしながら、原料の溶解時及び単結晶の
成長時における上部ヒータ１２ａ及び下部ヒータ１２ｂ
の消費電力を少なくする目的で、保温筒２２が上部ヒー
タ１２ａ、下部ヒータ１２ｂ及び坩堝１１を取り囲むよ
うに配設されているため、坩堝１１の保温効果は得られ
るものの、主に輻射により行われる坩堝１１下部からの
放熱は阻害される。そのため、坩堝１１下部からの放熱
を促進することは難しく、固体層１８の形成速度を速く
することができず、固体層１８の形成時間を短縮するこ
とができず、生産効率の向上を図ることができないとい
う課題があった。

【００１６】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであって、略室温に冷却されている炉壁を坩堝に対し
て露出させたり隠したりすることができ、該炉壁を露出
させることによって、全融再凝固方式を用いた溶融層法
における固体層の形成時間を大きく短縮することがで
き、生産効率を大幅に向上させることができ、また前記
炉壁を隠すことによって、原料の溶解及び単結晶の成長
に要する時間を短時間に維持することができる単結晶成
長装置を提供すること目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る単結晶成長装置は、坩堝内の結晶用原料
を引き上げて単結晶を成長させる単結晶成長装置におい
て、炉壁と前記坩堝との間に位置する断熱材の一部が移
動可能に構成されていることを特徴としている。

【００１８】

【作用】上記した構成の単結晶成長装置によれば、前記
炉壁と前記坩堝との間に位置する断熱材の一部が移動可
能に構成されているので、略室温に冷却されている前記
炉壁を前記坩堝に対して露出させたり隠したりすること
が可能となる。したがって、前記炉壁を露出させること
によって、全融再凝固方式を用いた溶融層法における固
体層の形成時に前記炉壁を吸熱源とすることが可能とな
り、前記坩堝下部からの放熱が促進され、前記固体層の
形成時間が大きく短縮され、生産効率が大幅に向上す
る。また、前記炉壁を隠すことによって、原料の溶解時
及び単結晶の成長時にヒータの熱が有効に利用されるこ
ととなり、前記坩堝の保温が十分に行われ、原料の溶解
及び単結晶の成長に要する時間が短時間に維持される。

【００１９】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る単結晶成長装
置の実施例及び比較例を図面に基づいて説明する。

【００２０】図１は本発明に係る単結晶成長装置の一実
施例を示した模式的断面図であり、図中１０は単結晶成
長装置を示している。図示しない水冷機構により略室温
に維持されているチャンバー２１のほぼ中央位置には結
晶用原料が充填される坩堝１１が配設されており、坩堝
１１は有底円筒形状の石英製の内層容器１１ａと、この
内層容器１１ａの外側に嵌合された有底円筒形状の黒鉛
製の外層保持容器１１ｂとから構成されている。また、
坩堝１１の底部の略中心箇所にはチャンバー２１の底壁
を貫通する支持軸１９が取り付けられ、この支持軸１９
によって坩堝１１が回転及び昇降可能に支持されてい
る。さらに、この坩堝１１の外周には抵抗加熱式の上部
ヒータ１２ａ及び下部ヒータ１２ｂが同心円状に配設さ
れており、上部ヒータ１２ａ及び下部ヒータ１２ｂは個
別にパワー調節が可能となっている。また、上部ヒータ
１２ａ及び下部ヒータ１２ｂの外周と炉壁２１ａとの間
には黒鉛製のフェルト等の断熱材を用いて形成された略
有底円筒形状の保温筒２２が配設されている。この保温
筒２２は上部保温筒２２ａと下部保温筒２２ｂとから構
成されており、下部保温筒２２ｂには駆動機構２４が接
続され、この駆動機構２４は駆動部２４ａと下部保温筒
支持棒２４ｂとから構成されている。駆動部２４ａはサ
ーボ機構付き駆動用モータ（図示せず）及びラックアン
ドピニオン（図示せず）を備え、下部保温筒支持棒２４
ｂは前記ラックアンドピニオンを介して前記駆動用モー
タに接続され、下部保温筒２２ｂは駆動機構２４によっ
て昇降されるようになっている。

【００２１】一方坩堝１１の上方にはチャンバー２１の
上部に連接形成された小型のほぼ円筒状のプルチャンバ
ー２３を通して引き上げ軸１４が回転並びに昇降可能な
ように吊設されており、引き上げ軸１４の下端には、シ
ードチャック１４ａを介して種結晶１５が装着されてい
る。そして、種結晶１５の下端を坩堝１１内の溶融層１
７中に浸漬した後、これを回転させつつ上昇させること
により、種結晶１５の下端から単結晶１６を成長させて
いくようになっている。

【００２２】このように構成された単結晶成長装置１０
を使用し、全融再凝固方式を用いた溶融層法によりシリ
コン単結晶１６を成長させる場合、まず黒鉛製の外層保
持容器１１ｂに石英製の内層容器１１ａを嵌合させたサ
イズが例えば１６×１４インチの坩堝１１内に結晶原料
として塊状シリコンの多結晶６５ｋｇを充填し、加えて
ドーパントとしてリン・シリコン合金０．６ｍｇを添加
する。そして、チャンバー２１内を１０ｔｏｒｒのアル
ゴン雰囲気に設定し、駆動機構２４を作動させて下部保
温筒２２ｂを上げ、上部ヒータ１２ａのパワーを５０ｋ
ｗ、下部ヒータ１２ｂのパワーを５０ｋｗに設定し、合
計１００ｋｗの電力を印加することにより、原料を一旦
全部溶融させる。

【００２３】この後、下部保温筒２２ｂを下げて炉壁２
１ａを坩堝１１に対して露出させ、下部ヒータ１２ｂの
パワーをオフにするとともに上部ヒータ１２ａのパワー
を約７０ｋｗに落として維持し、坩堝１１内下部に固体
層１８を形成する。そして、略所望厚さの固体層１８が
得られた時点で下部保温筒２２ｂを上げ、固体層１８の
厚さを安定させる。

【００２４】次に、種結晶１５の下側を溶融層１７に浸
漬し、坩堝１１の回転数を１ｒｐｍ、引き上げ軸１４の
回転数を１０ｒｐｍの条件に設定してお互いに逆方向に
回転させつつ、シリコン単結晶１６を引き上げる。そし
て、ボディ部１６ａのはじまる箇所までシリコン単結晶
１６を引き上げた後、上部ヒータ１２ａ及び下部ヒータ
１２ｂのパワーを調節することにより固体層１８の溶解
量を制御し、かつ溶融層１７中の不純物濃度を一定に保
ちつつ引き上げ速度を１．０ｍｍ／ｍｉｎに維持し、結
晶径が６インチで長さが１．０ｍのシリコン単結晶１６
を成長させる。

【００２５】図２は上記した実施例に係る単結晶成長装
置１０を使用し、下部保温筒２２ｂを３０ｍｍ降下させ
た場合と、５０ｍｍ降下させた場合と、１００ｍｍ降下
させた場合とにおいて、厚さが９０ｍｍの固体層１８を
形成した際の、固体層１８の厚さと形成時間との関係を
示したグラフである。なお、固体層１８の厚さが約８５
ｍｍとなった時点で下部保温筒２２ｂを上昇させて下部
保温筒２２ｂの降下距離を０ｍｍにし、固体層１８の厚
さを安定させた。また、図２には合わせて、比較例とし
て従来の単結晶成長装置（図５参照）を使用し、実施例
の場合と略同様にして厚さが９０ｍｍの固体層１８を形
成した際の、固体層１８の厚さと形成時間との関係も示
した。

【００２６】図２より明らかなように、比較例に係る単
結晶成長装置では、９０ｍｍの固体層１８を形成するの
に約９時間を要している。これに対して実施例に係る単
結晶成長装置１０では、下部保温筒２２ｂを３０ｍｍ降
下させた場合、９０ｍｍの固体層１８を形成するのに約
７時間を要しており、固体層１８の形成時間が２時間程
度短縮されている。また５０ｍｍ降下させた場合、約５
時間を要しており、４時間程度短縮されている。さらに
３０ｍｍ降下させた場合は、約２時間を要しており、７
時間程度短縮されている。このように、下部保温筒２２
ｂを降下させることにより固体層１８の形成時間を大き
く短縮することができ、生産効率を大幅に向上させるこ
とができることを確認することができた。

【００２７】また図３は、実施例により得られたシリコ
ン単結晶１６の結晶の長さに対する抵抗率の変化を示し
たグラフである。なお、結晶長は単結晶１６の最上部を
０とした。

【００２８】得られたシリコン単結晶１６の電気的特性
の一つである抵抗率の軸方向分布は図３に示したよう
に、結晶全長にわたって規格の１：１．３に収まり、問
題の無いことを確認することができた。

【００２９】以上説明したように実施例に係る単結晶成
長装置１０にあっては、炉壁２１ａと坩堝１１との間に
位置する保温筒２２の一部が移動可能に構成されている
ので、略室温に冷却されている炉壁２１ａを坩堝１１に
対して露出させたり隠したりすることができる。したが
って、炉壁２１ａを露出させることによって、全融再凝
固方式を用いた溶融層法における固体層１８の形成時
に、炉壁２１ａを吸熱源とすることができ、坩堝１１下
部からの放熱を促進させることができ、固体層１８の形
成時間を大きく短縮することができ、生産効率を大幅に
向上させることができる。また炉壁２１ａを隠すことに
よって、原料の溶解時及び単結晶１６の成長時に、上部
ヒータ１２ａ及び下部ヒータ１２ｂの熱を有効に利用す
ることができ、坩堝１１の保温を十分に行うことがで
き、原料の溶解及び単結晶１６の成長に要する時間を短
時間に維持することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係る単結晶
成長装置においては、坩堝内の結晶用原料を引き上げて
単結晶を成長させる単結晶成長装置において、炉壁と前
記坩堝との間に位置する断熱材の一部が移動可能に構成
されているので、略室温に冷却されている前記炉壁を前
記坩堝に対して露出させたり隠したりすることができ
る。したがって、本発明の装置を用いれば、前記炉壁を
露出させることによって、全融再凝固方式を用いた溶融
層法における固体層の形成時に、前記炉壁を吸熱源とす
ることができ、前記坩堝下部からの放熱を促進させるこ
とができ、前記固体層の形成時間を大きく短縮すること
ができ、生産効率を大幅に向上させることができる。ま
た、前記炉壁を隠すことによって、原料の溶解時及び前
記単結晶の成長時に、ヒータの熱を有効に利用すること
ができ、前記坩堝の保温を十分に行うことができ、原料
の溶解及び前記単結晶の成長に要する時間を短時間に維
持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶成長装置の実施例を示した
模式的断面図である。

【図２】実施例に係る単結晶成長装置と、比較例に係る
単結晶成長装置とを使用して単結晶の引き上げを行った
際の、固体層の厚さと形成時間との関係を示したグラフ
である。

【図３】実施例に係る単結晶成長装置を使用して成長さ
せた単結晶の抵抗率分布を示したグラフである。

【図４】従来のＣＺ法による単結晶成長方法に使用した
単結晶成長装置を示した模式的断面図である。

【図５】従来の溶融層法による単結晶成長方法に使用し
た単結晶成長装置を示した模式的断面図である。

【符号の説明】

１０ 単結晶成長装置 １１ 坩堝 １６ 単結晶 ２１ａ 炉壁 ２２ 保温筒（断熱材）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤原 秀樹 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内 (72)発明者 奥井 正彦 大阪府大阪市中央区北浜４丁目５番33号 住友金属工業株式会社内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 坩堝内の結晶用原料を引き上げて単結晶
   を成長させる単結晶成長装置において、炉壁と前記坩堝
   との間に位置する断熱材の一部が移動可能に構成されて
   いることを特徴とする単結晶成長装置。