JPH089169Y2 - 単結晶製造装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、半導体単結晶製造装置
に係り、特にるつぼ内に原料を連続的に供給し、均質な
半導体単結晶を連続的に製造する技術に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体単結晶の育成には、るつぼ内の原
料融液から円柱状の結晶を育成するＣＺ（チョクラルス
キー引上げ）法が用いられている。通常、半導体単結晶
の育成に際して、育成される単結晶の抵抗率を制御する
という方法が用いられるが、このＣＺ法を用いた場合に
は、育成される単結晶の抵抗率を制御するために、るつ
ぼ内の原料融液にド―パントと呼ばれる不純物元素を添
加する。しかしながらド―パントは一般に偏析係数が１
でないため、通常のＣＺ法では、結晶の長さが長くなる
につれ結晶中の濃度が変化する。これは、ド―パント濃
度で抵抗率の制御を行なう半導体単結晶の製造において
は深刻な問題となっている。

【０００３】この問題を解決するために、原料をるつぼ
内に連続的に供給し、原料融液中のド―パント濃度を一
定に保つ連続チャ―ジ法や二重るつぼを用いた技術（特
開昭６３−７９７９０）が提案されている。連続チャ―
ジ法における原料供給手段としては、原料溶解場所と単
結晶育成場所を分離し、輸送するもの（特開昭５２−５
８０８０，特開昭５６−１６４０９７）、棒状の原料を
用いるもの（特開昭５６−８４３９７，特開昭６２−１
０５９９２）等の提案がある。

【０００４】先にあげた連続チャ―ジ技術のうち、前二
者のものすなわち特開昭５２−５８０８０および特開昭
５６−１６４０９７に記載された技術は、原料溶解用る
つぼと結晶育成用るつぼの２つを必要とし、構造的に複
雑となり、また、供給量の制御が難しいという問題があ
る。後二者のものすなわち特開昭５６−８４３９７およ
び特開昭６２−１０５９９２に記載された技術は、棒状
原料をるつぼ内の融液により溶解するために、るつぼ内
の結晶育成場所と原料溶解場所の温度勾配を大きくする
必要があり、結晶育成中に原料溶解可能な温度勾配を実
現することは非常に困難である。さらに、これらの技術
のうち特開昭６２−１０５９９２に記載された技術で
は、原料の予備加熱に高周波を用いているが、たとえ
ば、単結晶シリコンの育成に用いられている減圧炉では
放電する危険性が高く実用的でない。また、二重るつぼ
によるものは、育成に用いられる内側るつぼは外側るつ
ぼからの熱で溶融状態を維持するようになっており、ヒ
ータからの熱を十分に伝えることができないため、内壁
から多結晶が発生しやすく成長速度の低下を余儀無くさ
れる。しかも、るつぼ材からの不純物混入量が増大する
という問題もある。 そこで、従来の連続チャ―ジ技術
の問題点を解決し、長さ方向にわたって不純物濃度がほ
ぼ均一な単結晶を連続的に製造することを目的として、
引上装置内のるつぼ内融液充填域に先端部を開放した保
護筒内に、抵抗加熱ヒ―タを設け、該抵抗加熱ヒ―タが
保護筒先端部より上方に位置し原料が溶融可能なように
温度設定できるようにし、保護筒内に装填した原料多結
晶棒がこの保護筒内下部で溶融されつつるつぼ内融液面
に供給されるようにしたものが提案されている。この装
置では、単結晶引上時には、融液中に前記保護筒の先端
部が位置することにより、保護筒内の気相部すなわち原
料供給機構の気相部と引上装置内の気相部とが融液によ
り隔てられて、互いに独立する。

【０００５】これにより、引上開始と同時に、るつぼ内
融液の減少が始まっても、この減少量に見合うよう、原
料棒の送り速度を調整し、さらに抵抗加熱ヒ―タへの電
力を制御して原料棒を溶融して、連続的に原料を供給し
ていくようになっており、また、保護筒の先端部はるつ
ぼ内融液中に維持されているため、溶融原料は保護筒内
の融液面に落ちる。従って、落下異物があってもこの保
護筒内に留まるため、高純度の単結晶を得ることができ
る。

【０００６】

【考案が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な装置においても、育成単結晶の径大化が進むにつれて
必要とするるつぼの径が大きくなり、装置が大型化し、
これに伴い原料を溶融状態に維持するために必要な熱量
も大きくなり、製造コストが増大するという問題があっ
た。

【０００７】本考案は前記実情に鑑みてなされたもの
で、製造コストが低くかつ連続的に高純度の単結晶を得
ることができる単結晶製造装置を提供することを目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで本考案では、るつ
ぼの周縁部の上方に設置された原料結晶棒と、この周り
に環回され原料結晶棒を溶解して溶融原料を前記るつぼ
に補給する二重らせん構造のヒータとからなる原料補給
部を具備した単結晶製造装置において、このヒータの先
端部が、外側では前記るつぼ外壁に沿うように縮径さ
れ、るつぼの中心部に向けて偏心せしめられるようにし
ている。また本考案の第２では複数の原料供給部を設け
たことを特徴とする。

【０００９】

【作用】すなわち本願考案は、原料を供給しつつ単結晶
の引上げを行う連続チャージ式の単結晶育成装置におい
て、ヒータの先端部を、外側では前記るつぼ外壁に沿う
ように縮径し、前記るつぼの中心部に向けて偏心せし
め、溶融原料は偏心したヒータの傾斜面に沿って静かに
落下させ、るつぼ内の融液の対流を起こすことなく静か
に単結晶の引上げを行うようにしたものである。従って
かかる構成によれば、 落下位置がほぼ一定となり、また 最高温度となる点を偏心状態により調整することがで
き、より液面に近い位置で原料の多結晶棒を溶解するこ
とができる上、溶融原料は偏心したヒータの傾斜面に沿
って静かに落下するため、液はねが大幅に抑制される。
そして 結晶育成部と原料供給部との径方向の距離を調節する
ことが可能となり、原料の供給位置の自由度が大きくな
り結晶育成条件に応じて最適供給位置を選定することが
できる。 るつぼを加熱するための第１のヒータからの距離を大
きくすることができるため、原料供給筒が熱により劣化
するのを防止することができる。 結晶育成に用いられる領域としてるつぼ面積が最大限
に利用されるため、より小さい径のるつぼを用いること
ができ、原料を溶融状態に維持するための熱量を低減
し、製造コストの節減をはかることができるという効果
を奏効する。そしてまた、第２のヒータを複数個配設す
るようにしたもので、かかる構成によれば、上記第１の
効果に加え、 熱環境をバランスよく整えることができ、るつぼ内の
対流を防止することが可能となるという効果を奏効す
る。

【００１０】また、より小さい径のるつぼを用いること
ができるため、原料を溶融状態に維持するために必要な
熱量を低減し、製造コストの節減をはかることができ
る。

【００１１】また、二重らせん構造のヒータは下方に向
かって縮径した形状となっており、より液面に近い位置
で原料の多結晶棒を溶解するように最高温度点の高さを
設定することができ、落下時の液はね等の不具合を抑え
ることができる。

【００１２】

【実施例】以下、本考案実施例について図面を参照しつ
つ詳細に説明する。

【００１３】実施例１ 本考案の第１の実施例の単結晶育成装置は、図１および
図２に示すように、単結晶製造装置本体１００と、この
内部に設けられた原料融液部２００と、原料供給機構３
００と、引上げ部４００とから構成されており、先端に
円筒状供給部９ａを備えた保護筒９で全面を覆われた抵
抗加熱ヒ―タの先端部を縮径するとともにるつぼの中心
方向（内方）に偏在させるようにしたことを特徴とする
ものである。

【００１４】そして、この装置では原料供給機構３００
の保護筒９の先端部を原料融液中に浸漬し、原料供給機
構３００によって原料融液部２００に原料を供給しつつ
連続的に引上げを行うようになっている。

【００１５】そして図２に示すように、原料供給機構３
００は、抵抗加熱ヒ―タ１１と、この周りを覆う保温筒
１０と、さらにこの保温筒の回りを覆う保護筒９と、こ
の保護筒を支持する保持管（図示せず）と、原料棒とし
ての棒状多結晶１３を抵抗加熱ヒ―タ１１内の空間に送
る原料棒送り（図示せず）とより構成されている。ここ
で、抵抗加熱ヒ―タ１１は、育成単結晶への熱的影響を
できるだけ抑えるため上方では絶縁管（図示せず）を介
して保温筒１０に保持され、さらにこの保温筒１０は、
保護筒９内に納められている。このように、抵抗加熱ヒ
―タ１１、絶縁管及び保温筒１０は、保護筒９内に保持
されている。さらに保護筒９の先端部は円筒状供給部９
ａとしてるつぼの原料融液充填域内に位置しており、原
料棒１３の溶融により液滴が落下しても、るつぼ融液２
中に生ずる温度の不均一や、液面振動を抑え、またこの
液面振動、さらには落下異物が育成単結晶６に達するこ
とをも防止している。

【００１６】さらに、抵抗加熱ヒ―タ１１は、左右１つ
づつ分離して形成され、下方に向かって縮径するととも
に内方に偏心させた筒状を呈した、二重らせん構造を形
成しており、上端がそれぞれの電極になっている。原料
棒１３は、原料融液１００の量を一定に保つよう育成単
結晶６の重量を重量センサ（図示せず）で検出し、この
検出値の変化に応じて原料棒送りの送り量が調整される
ようになっており、抵抗加熱ヒ―タ１１中に送り込ま
れ、加熱部の下部で溶融状態になり、原料融液２中に供
給される。

【００１７】また、原料供給機構を図１のように単結晶
引上域を除く二箇所かそれ以上の箇所に設ければ、一方
の原料棒が消耗した場合、あらかじめ装填してあった他
方の原料棒を供給し、その間、ゲ―トバルブ（図示せ
ず）を閉じて、消耗した原料棒を新しい原料棒と交換す
ることも可能である。この作業を繰り返すことにより、
半導体単結晶を連続的に育成することができる。

【００１８】さらに、原料融液部２００は、ヒータ１内
に、ペディスタル（るつぼ支持台）１９に支持された黒
鉛るつぼ３内にさらに石英るつぼ４を装着し、この石英
るつぼ４内部で原料を溶融せしめ原料融液２として保持
するようになっている。

【００１９】さらに、引上げ部３００はこの原料融液内
に種結晶を浸漬し所定の速度で引き上げることにより単
結晶６を育成するようになっている。

【００２０】次に、この単結晶製造装置を用いてシリコ
ン単結晶の育成を行う方法について説明する。

【００２１】まず、石英るつぼ３内を加熱するためのヒ
ータ１をオンし、原料融液を得ると共に、抵抗加熱ヒ―
タ１１をオンし所定の温度プロファイルをもつように
し、原料棒としての棒状多結晶シリコン（引上げ単結晶
と同一の不純物濃度を有するもの）１３を原料棒送りに
よって所定の速度で抵抗加熱ヒ―タ１１内の空間に送
る。 そして、この原料融液内に種結晶を浸漬し、引上
げ部４００によって所定の速度で引き上げることにより
単結晶６を育成するようになっている。

【００２２】単結晶育成時の条件は、石英るつぼ４の直
径１６インチ、石英るつぼ３内の融液量２５kg、原料棒
１３の直径が３．５インチ、育成単結晶６の直径６イン
チ、抵抗率（リンド―プ）１０Ω・ｃｍ、引上げ速度１
mm／min ．である。

【００２３】このようにして育成した単結晶は極めて高
純度で品質の良好なものとなっている。通常のＣＺ法で
は、成長とともに抵抗率が大きく変化するのに対して、
本考案を用いて育成した単結晶ではほぼ一定である。

【００２４】また、抵抗加熱ヒータの下方を内側に偏在
させるようにしているため、保護筒は、引上げの障害に
ならないように単結晶育成域を外して設置することがで
きる。 さらに、るつぼを２インチ程度小さくすること
ができるため、同一の径の単結晶の引上げに対して５０
％程度融液の量を少なくすることができ、コストが大幅
に低減される。

【００２５】また、原料棒の溶融用ヒ―タに抵抗加熱ヒ
―タを用いていることから、単結晶製造装置内での放電
発生が防止される。そしてさらに、この抵抗加熱ヒ―タ
は二重らせん構造を採用しているため、形状をコンパク
トにできる上、ヒ―タ最先端の温度を最高温度に設定で
き、それにより原料の溶融部を融液面に近づけることが
でき、原料融液直上での溶解が可能となり、液はねや液
面振動の発生を低減することができる。

【００２６】また、保護筒及び抵抗加熱ヒ―タを下に向
かって縮径させているため、原料供給量の制御が容易に
なる。

【００２７】しかも二重るつぼによるものに較べ、るつ
ぼ材からの不純物混入量の低減、高速成長が可能とな
る。

【００２８】以上のような効果により、本考案では、連
続チャ―ジ式半導体単結晶製造装置において最大の問題
である原料供給が、小型のるつぼを用いても、育成中の
単結晶に悪影響を与えることなく可能となる。その結
果、るつぼ内の原料融液中のド―パント濃度が制御で
き、単結晶の軸方向の抵抗率は一定となる。

【００２９】なお、本考案の装置において、保護筒の材
質としては石英、カ―ボンが望ましいが、特にその先端
部の融液に触れる部分については高純度の石英にすると
良い。また抵抗加熱ヒ―タは、通常のカ―ボンヒ―タに
用いられている材質のもので良い。また保温筒について
は、カ―ボン、炭化シリコン等を使用することができ
る。 なお、前記実施例では原料棒の送り速度を、あら
かじめ決定しておいた一定値としたが、引上げ単結晶の
重量変化を測定しつつ、逐次調整するようにしてもよ
い。

【００３０】また、石英るつぼ４内の原料融液の液面の
レベルを光センサ等で検出し、このレベルの変化に応じ
て原料送り量を変化させ、原料融液の液面のレベルが常
に一定となるようにしてもよい。

【００３１】さらにまた、前記実施例では、抵抗加熱ヒ
ータを１インチ程度偏心させるようにしたが、図３に変
形例を示すように、内側すなわち結晶育成部側では真っ
直ぐになるようにさらに偏心させるようにしてもよい。
さらに、本考案は前記実施例に限定されることなく、種
々の応用例、例えば、シリコン以外の単結晶の育成、磁
場の印加等においても適用可能である。

【００３２】

【考案の効果】以上説明してきたように、本考案によれ
ば、原料を供給しつつ、単結晶の引上げを行う連続チャ
ージ式の単結晶育成装置において、ヒータの先端部を、
外側では前記るつぼ外壁に沿うように縮径し、前記るつ
ぼの中心部に向けて偏心せしめ、溶融原料は偏心したヒ
ータの傾斜面に沿って静かに落下させ、るつぼ内の融液
の対流を起こすことなく静かに原料を供給しつつ、結晶
を育成することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１の実施例の単結晶育成装置の説明
図。

【図２】同装置の抵抗加熱ヒータの拡大図。

【図３】同装置の抵抗加熱ヒータの変形例を示す図。

【符号の説明】

１００ 単結晶製造装置本体 ２００ 原料融液部 ３００ 原料供給機構 ４００ 引上げ部 １ ヒータ ２ 融液 ３ 石英るつぼ ４ 黒鉛るつぼ ６ 引上げ単結晶 ９ 保護筒 ９ａ 供給部 １０ 保温筒 １１ ヒータ １９ ペディスタル（るつぼ支持台）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−279582（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−119593（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−233580（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−12385（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 原料融液を充填したるつぼと、 前記るつぼの周囲に配設され、るつぼ内の原料を溶融し
   原料融液を形成する第１の加熱ヒ―タと、 前記るつぼ内の溶融原料に種結晶を浸漬して単結晶を引
   上げる引上機構と、 前記るつぼの周縁部の上方に設置された原料結晶棒と、
   この周りに装着され原料結晶棒を溶解して溶融原料を前
   記るつぼに補給する二重らせん構造の第２のヒータと、
   前記第２のヒータの周りを覆い、先端がるつぼ内の溶融
   原料に浸漬されるように構成された原料供給筒とからな
   る原料補給部とを具備した単結晶製造装置において、 前記第２のヒータの先端部が、外側では前記るつぼ外壁
   に沿うように縮径され、前記るつぼの中心部に向けて偏
   心せしめられていることを特徴とする単結晶製造装置。
2. 【請求項２】 原料融液を充填したるつぼと、 前記るつぼの周囲に配設され、るつぼ内の原料を溶融し
   原料融液を形成する第１の加熱ヒ―タと、 前記るつぼ内の溶融原料に種結晶を浸漬して単結晶を引
   上げる引上機構と、 前記るつぼの周縁部に沿って所定の間隔で、上方に設置
   された原料結晶棒と、この周りにそれぞれ装着され原料
   結晶棒を溶解して溶融原料を前記るつぼに補給する二重
   らせん構造の第２のヒータと、前記第２のヒータの周り
   を覆い、先端がるつぼ内の溶融原料に浸漬されるように
   構成された原料供給筒とからなる複数の原料補給部とを
   具備した単結晶製造装置において、 前記各第２のヒータの先端部が、外側では前記るつぼ外
   壁に沿うように縮径され、前記るつぼの中心部に向けて
   偏心せしめられていることを特徴とする単結晶製造装
   置。