JPH08183693A - 細線状シリコンの製造方法 - Google Patents

細線状シリコンの製造方法

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JPH08183693A
JPH08183693A JP6325954A JP32595494A JPH08183693A JP H08183693 A JPH08183693 A JP H08183693A JP 6325954 A JP6325954 A JP 6325954A JP 32595494 A JP32595494 A JP 32595494A JP H08183693 A JPH08183693 A JP H08183693A
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JP
Japan
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silicon
crucible
fine
producing
seed crystal
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JP6325954A
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English (en)
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Tsuguo Fukuda
承生 福田
Arata Sakaguchi
新 阪口
Toru Yamada
透 山田
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Shin Etsu Chemical Co Ltd
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Shin Etsu Chemical Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 高品位の細線状シリコンを安定に、かつ高効
率で製造する。 【構成】 底部に細孔を貫通させた坩堝中でシリコンを
融解させたのち、この細孔から外部に現れたシリコン融
液にシリコンの種結晶を接触融着させたのち、この種結
晶を引き下げることによって、太さが1mm以下の細線状
シリコンを製造する方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、太さが1mm以下の細線
状シリコン、特にその太さが 800μm以下、さらには 5
00μm以下のシリコンを製造する方法に関するもので、
この方法を用いて作られる細線状シリコンは例えば赤外
線領域の波長の光に対する導波路の他、低コストの太陽
電池、あるいはストレインゲージ、マイクロマシン等の
分野で新たな応用が期待される。
【0002】
【従来の技術】シリコンは半導体材料として種々のエレ
クトロニクスあるいはオプトエレクトロニクスデバイス
を中心に幅広く使用され、現在ならびに将来の情報化社
会を支える基幹材料としてますますその重要性を増しつ
つある。しかしながらこれまでのシリコン材料は高純度
に精製されたシリコン多結晶を出発材料としてCZ法あ
るいはFZ法によって高度に制御された品質の棒状単結
晶とされたのち、切断加工して得られるウエーハの形で
デバイス製造の出発材料として利用されており、最近で
はこの棒状単結晶の太さはデバイス製造工程からの要請
もあって、ますます大きくなり8インチ径のウエーハが
実用化され、さらに12インチあるいはそれ以上の直径の
ウエーハへの移行が検討されている。
【0003】しかし、このような従来の方法では棒状シ
リコン単結晶を得るのに多大なコストが必要な上、この
高価な棒状シリコン単結晶を切断加工してウエーハとす
る際に大きな切断ロスを生じる。従って、いきおいシリ
コン単結晶ウエーハの価格を上昇させ、種々のデバイス
の材料コストのネックとなっている。
【0004】他方、エレクトロニクスデバイスの高性能
化、高機能化と共にますますミクロなデバイス構造が追
求され、これらの実現の手段としてシリコン材料を薄膜
状で利用することが一つの大きな材料技術の流れを形成
しつつあり、この薄膜状シリコンの形成技術の進歩は液
晶デバイスや太陽電池の製造においても大面積化の方向
で重要な応用分野を形成しつつある。しかしながらオプ
ティカルな応用を考えた場合や、前記棒状シリコン単結
晶の切断ロス等によるコストの問題を考えたとき、ファ
イバー状(細線状)のシリコンの必要性が高いと思われ
る。にも拘わらず、ファイバー状材料の育成はこれまで
酸化物やハロゲン化物に集中し、シリコンについては試
みられていない。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
背景に鑑みなされたもので、高品位の細線状シリコンを
安定かつ高効率で得る方法を提供することを目的とす
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは細線状シリ
コンの物性および応用の研究の重要性を考え、種々の方
法を試みた結果、安定して細線状シリコンを得る方法の
開発に成功したもので、その主な要旨は、底部に細孔を
貫通させた坩堝中でシリコンを融解させ、この細孔から
外部に現れたシリコン融液にシリコンの種結晶を接触融
着させたのち、この種結晶を引き下げることによって太
さが1mm以下の細線状シリコンを製造する方法である。
【0007】以下、本発明を更に詳述する。本発明者ら
は太さが1mm以下、特に 800μm以下、さらには 500μ
m以下のような細線状シリコンを作成するために底部に
細孔を貫通させた坩堝中でシリコンを融解させ、この細
孔から外部に現れたシリコン融液にシリコンの種結晶を
接触融着させたのち、この種結晶を引き下げることによ
って細線状シリコンを作成した(以下、MPD法または
マイクロ引き下げ法と呼ぶ)。この方法は図1、2に示
すごとき構成の装置、すなわち底部に細孔を貫通させた
高融点材料からなる坩堝と、種結晶の保持具と、前記坩
堝又は種結晶保持具のうち少なくとも一方が上下に可動
な移動機構と、坩堝およびシリコン融液を加熱しその温
度を調整する加熱装置と、細線状シリコン作成室に不活
性ガスを導入するガス供給装置(図示せず)と、導入ガ
ス流量と排気量を調整することによって細線状シリコン
作成室の圧力を制御できる圧力調整装置と、細線状シリ
コンの太さを検出する装置とを具備する細線状シリコン
作成装置によって行われる。高融点材料(例えば炭素)
で作られた坩堝を、該坩堝を取り巻くように設置したコ
イルに高周波電流を流す所謂高周波誘導加熱によって昇
温して、その中でシリコンを融解し、坩堝底部より下方
に流出し種結晶に接触し固化するシリコンの固液界面を
外部よりCCDカメラによって観察しつつ、引き下げ駆
動機構を用いて種結晶を引き下げ、その際細線状シリコ
ンの太さおよび線引速度を加熱電力ないしは引き下げ駆
動機構によって調節しながら細線状シリコンが育成され
る。
【0008】図1はMPD法における細線状シリコン作
成装置の作成室の拡大図であるが、原料シリコンは高融
点材料(例えば炭素)で作られた坩堝1内に保持されて
おり、石英チューブ5内に設置されている。これを高周
波コイル4によって加熱昇温し、坩堝1内のシリコンを
融解し、シリコン融液2とする。不活性ガスは上部より
導入され、下部より排気される。排気には真空ポンプを
用いてもよい。シリコン融液は坩堝1の底部中央に鉛直
に設けられた細孔を通って下方に流出し、種結晶8に接
触し固化する。細孔先端におけるシリコンの固液界面を
外部よりCCDカメラ7によって観察しつつ、引き下げ
軸9を引き下げ細線状シリコンを作成する。
【0009】しかして、このようなMPD法によって細
線状シリコンを製造するに当っては、細線状シリコンの
直径を精密に制御する必要があり、主に温度(高周波の
パワー)および引き下げ速度を調整することにより任意
の直径の細線状シリコンを任意の線引速度で得ることが
できる。一般に引き下げ速度を増大すると、細線状シリ
コンの直径は減少する。温度については、シリコン融液
の温度が高い程直径は細く、引き下げ速度は速くするこ
とができる。しかし、MPD法によって、直径のそろっ
た細線状シリコンを安定して得るためには、これらのフ
ァクターの制御のみでは足りず、坩堝下端と作成する細
線状シリコンの間に形成されるシリコン融液部分の垂直
方向の長さや製造する細線状シリコンの直径と坩堝底部
の細孔の径(流出速度)との関係が極めて重要となる。
【0010】まず、坩堝下端と作成する細線状シリコン
の間に形成されるシリコン融液部分の垂直方向の長さに
ついては、これを細線状シリコンの直径の60〜 120%に
保持する必要がある。これは、60%未満だと細線状シリ
コンと坩堝下端面とが融着し、その後の作成が不可能と
なることがあるからであり、また 120%以上とするとシ
リコン融液滴が表面張力の限界を越え、融液の切れ、落
下等が発生し細線状シリコンの断線が生じることがある
からである。
【0011】また、坩堝の細孔の径が製造する細線状シ
リコンの太さに対し 0.1〜 1.0倍の範囲外となると、前
記温度および引き下げ速度を制御しても、細線状シリコ
ンを安定して成長させることが困難となる。すなわち、
細孔径が成長シリコンより大きすぎる場合は、流出シリ
コンが多量となり、過度に引き下げ速度を増大させ、温
度は下げねばならず、断線しやすく直径も不均一となり
易い。一方、細孔径が小さいと、引き下げ速度を低速と
し、温度を過度に上げねばならず、成長シリコンの直径
の安定性が得られない。よって坩堝の細孔の内径は、製
造する細線状シリコンの所望の径の 0.1〜 1.0倍の範囲
とするのが良い。坩堝底部からのシリコン融液の流出速
度の調整は、上記細孔径や温度に限らず、坩堝内のシリ
コン融液表面に加わる圧力を制御することによってもで
きる。これは例えば、図1で邪魔板14を設置すれば、坩
堝上部と下部で圧力差が生じることを利用することによ
り、簡単に行うことが出来る。導入不活性ガス量と排気
量を調節することによって、種々の圧力差を生じさせる
ことができ、シリコン融液の流出速度を制御することが
可能である。
【0012】このようなMPD法においては、シリコン
融液を保持し、細孔よりシリコン融液を流出させる坩堝
の材質・形状等が重大な要素となるが、これを従来のC
Z法で一般に用いられている石英ガラス製とすると、そ
の軟化のためシリコン融液の保持が十分でないばかり
か、細孔が融着しシリコン融液の流出が不可能になった
り、逆に亀裂や割れが生じシリコン融液の洩れが生じる
という問題が生じる。そこで、本発明においてはこのよ
うな問題が生じない炭素材を用いることとした。炭素材
としては、一般炭素材料、例えばコークスやタールピッ
チを原料として製造される炭素材を用いればよいが、特
には等方性カーボン、ガラス状炭素あるいは、パイロリ
ティックグラファイトとするのが好ましい。このような
材料は、気体透過率が小さく、その有する空隙が少ない
ため、シリコン融液がしみ込み難く、炭素との反応によ
るSiCの形成も坩堝内表面層の一部に限られる。従っ
て、SiCとの熱膨張率の違いから坩堝が応力を受け使
用後破損するという問題が生じにくい。
【0013】細線状シリコンは、従来用いられていた棒
状シリコン単結晶にくらべ、著しく体積に対する表面積
が大きい。したがって、前記CZ法やFZ法に対し、表
面からの汚染あるいは表面が酸化されるという問題が起
こりやすい。そこでMPD法においてはその雰囲気ガス
は高純度で、水分等も少ないものである必要があり、導
入する不活性ガスの不純物含有量は1000ppm 以下、望ま
しくは100ppm以下であることが好ましく、さらには細線
状シリコン作成室の雰囲気中の水分含有量が25℃におけ
る蒸気圧で10-3気圧以下であることが好ましい。一方、
細線状シリコンの表面積の大きいという特徴は、放熱に
よる冷却速度が速いという特性を持ち、従って、MPD
法による細線状シリコンの成長速度は、1mm/min 以
上、特には5mm/min 以上といった高速成長が可能であ
る。
【0014】
【実施例】
(実施例1)本発明の方法を用いて実際に細線状シリコ
ン(目的径 500μm)を製造した。装置は図1および2
に示したごときものを用いた。坩堝の材質としては、か
さ比重が 2.00g/cm3、炭素粒子の最大粒子径2μmの等
方性黒鉛を採用した。細孔径は 200μmφとした。10mm
φ×110mm 長の坩堝の中に粒径 0.1〜1mmの高純度シリ
コン1.0gを入れ、入電する前に炉内を真空脱気して、作
成室内の水分を25℃における蒸気圧で10-3気圧(露点−
20℃)以下にした。雰囲気は不純物含有量が10ppm 以下
の高純度のArを流し(流量2L/min)、高周波誘導加熱
装置(周波数 14.7kHz)により加熱した。シリコンを融
解したのち、坩堝細孔から外部に現れたシリコン融液に
シリコンの種結晶(単結晶、方位〈100〉)を接触融
着させたのち、この種結晶を平均 2.2mm/minの速度で引
き下げた。この引き下げ時における投入電流は85A、電
圧は60Vであった。坩堝底部より下方に流出し固化する
固液界面は外部よりCCDカメラによって坩堝下端と作
成される細線状シリコンの間に形成されるシリコン融液
部分の垂直方向の長さおよび製造する細線状シリコンの
直径を観察し、引き下げ速度、高周波のパワーを調製し
た。この結果、 450〜 500μmφ×20cm長の細線状シリ
コン単結晶(方位〈100〉)を安定して製造すること
ができた。
【0015】
【発明の効果】本発明によって、従来作成困難であった
直径が1mm以下、特に 800μm以下、さらには 500μm
以下の高品位の細線状シリコンを安定かつ高効率で製造
することができる。このようにして得られた細線状シリ
コンは、光導波路等のオプティカルな使用に応用するこ
とが可能であり、また切断等による材料ロスのないシリ
コン材料となる。従って、低コストで高機能材料とし
て、その利用価値はすこぶる高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】MPD法における細線状シリコン作成装置の作
成室の拡大図である。
【図2】MPD法の装置構成の概略図である。
【符号の説明】
1…坩堝 2…シリコン融液 3…細線状シリコン 4…高周波コイル 5…石英チューブ 6…Arフロー 7…CCDカメラ 8…種結晶 9…引き下げ軸及び種結晶保持具 10…高周波電源 11…引き下げ機構制御装置 12…引き下げ機構 13…マッチングトランス 14…邪魔板

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 底部に細孔を貫通させた坩堝中でシリコ
    ンを融解させ、この細孔から外部に現れたシリコン融液
    にシリコンの種結晶を接触融着させたのち、この種結晶
    を引き下げることによって太さが1mm以下の細線状シリ
    コンを製造する方法。
  2. 【請求項2】 底部に細孔を貫通させた高融点材料から
    なる坩堝と、種結晶の保持具と、前記坩堝又は種結晶保
    持具のうち少なくとも一方が上下に可動な移動機構と、
    坩堝およびシリコン融液を加熱しその温度を調整する加
    熱装置と、細線状シリコン作成室に不活性ガスを導入す
    るガス供給装置と、導入ガス流量と排気量を調整するこ
    とによって、細線状シリコン作成室の圧力を制御できる
    圧力調整装置と、細線状シリコンの太さを検出する装置
    とを具備する細線状シリコン作成装置によって、製造す
    ることを特徴とする請求項1の細線状シリコンの製造方
    法。
  3. 【請求項3】 前記坩堝の材質に炭素を用いることを特
    徴とする請求項1、2の細線状シリコンを製造する方
    法。
  4. 【請求項4】 細線状シリコン作成室に導入する不活性
    ガスの不純物含有量が1000ppm 以下であることを特徴と
    する請求項1〜3の細線状シリコンを製造する方法。
  5. 【請求項5】 細線状シリコン作成室の零囲気中の水分
    含有量が25℃における蒸気圧で10-3気圧以下であること
    を特徴とする請求項1〜4の細線状シリコンの製造方
    法。
  6. 【請求項6】 坩堝下端と作成されるシリコンの間に形
    成されるシリコン融液部分の垂直方向の長さを、作成す
    るシリコン直径の60〜 120%に保持することを特徴とす
    る請求項1〜5の細線状シリコンの製造方法。
  7. 【請求項7】 前記坩堝の細孔の内径を製造する細線状
    シリコンの所望径の0.1〜 1.0倍の範囲とすることを特
    徴とする請求項1〜6の細線状シリコンの製造方法。
  8. 【請求項8】 坩堝内のシリコン融液表面に加わる圧力
    を制御して、細孔から流出するシリコン融液量を調整す
    ることを特徴とする請求項1〜7の細線状シリコンの製
    造方法。
  9. 【請求項9】 線引速度を1mm/min 以上で行うことを
    特徴とする請求項1〜8の細線状シリコンの製造方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2004094705A1 (ja) * 2003-04-23 2004-11-04 Stella Chemifa Corporation フッ化物結晶の製造装置
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