JPH101388A - 磁場印加機能を備えた単結晶引上げ装置及び引上げ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 要求特性が異なる多種類の単結晶を同一の装
置で製造する。 【解決手段】 融液からチョクラルスキー法で単結晶を
引き上げる引上げ装置本体５の周囲に超伝導磁石４を配
置している。超伝導磁石４は、縦磁場又はカスプ磁場用
の超伝導コイル８ｕ，８ｄ及び横磁場用の超伝導コイル
９ａ，９ｂを同一のクライオスタット１０内に配置して
いる。 【効果】 縦磁場又はカスプ磁場と横磁場との切り替え
が容易なため、育成しようとする単結晶の要求特性に応
じた磁場を成長界面に印加することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁場印加によって融液
対流を制御しながら単結晶を引き上げる装置及び引上げ
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】融液から単結晶を引き上げる代表的な方
法として、チョクラルスキー法が知られている。チョク
ラルスキー法では、図１に示すように融液１に種結晶２
を接触させ、単結晶３を成長させる。得られる単結晶３
の特性は、融液界面によって大きく影響される。たとえ
ば、融液面の振動や熱対流が大きいと、一旦成長した結
晶が部分的に再溶解し、結晶欠陥，スワール状欠陥，成
長縞等を発生させる原因となる。融液面の振動や熱対流
は、単結晶育成雰囲気に磁場をかけることにより抑制で
きる。磁場印加しながら融液から単結晶を引き上げる
法、すなわちＭＣＺ法では、図１に示すように水平磁場
印加用の磁石４を真空槽５の外周に配置している。水平
方向の磁場を融液１に印加すると、電気伝導性のある融
液の実効粘性が上昇し、融液１内部で垂直方向の対流が
発生することが抑制される。その結果、引上げ中の単結
晶３と融液２との間の成長界面が安定化し、一定した品
質の単結晶３が育成される。この種の引上げ装置は、特
公昭５８−５０９５１号公報，特開平７−８９７９１号
公報等で紹介されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ＭＣＺ法は、大容量で
充填した融液１の対流を抑えることに有効な方法であ
り、液体ヘリウムで冷却した超伝導磁石を磁場印加手段
として使用している。超伝導磁石を超伝導モードで使用
するとき、３０００ガウス以上の強磁場を印加すること
が可能となる。磁場印加には、結晶引上げ軸に垂直な方
向に印加する縦磁場法，結晶引上げ軸に垂直な方向に印
加する横磁場法，結晶が引き上げられているＳｉ融液の
界面の上下部では縦磁場、界面近傍では横磁場となるカ
スプ法等がある。縦磁場法は、１０００ガウス程度の比
較的低磁場が結晶成長に使用されており、図２に示すよ
うに磁力線６が結晶成長軸方向と平行なため、カーボン
ヒータ７で引き起こされる融液１の熱対流を容易に抑制
できる。しかし、熱対流が磁力線６と垂直に走ると抑止
力が加わるため、結晶成長に重要なパラメータとなるド
ーパントの均一性，換言すればＳｉ単結晶の成長では抵
抗率のウエーハ面内均一性に問題がある。

【０００４】カスプ法は、図３に示すように上下一対の
超伝導コイル８ｕ，８ｄで発生させた磁場を融液に印加
する。融液１の内部では磁力線６が成長軸と平行な縦磁
場になることから、融液１の対流をある程度抑止する。
結晶成長界面では軸対称な磁場分布をもつことから、横
磁場法と同様に不純物分布を均一化させる作用を呈す
る。しかし、成長界面の上下で磁力線６が対向している
ので、磁場を有効利用する点で縦磁場法及び横磁場法に
劣る。横磁場法は、図４に示すように磁力線６が結晶成
長軸に直交するように磁場を印加する。そのため、結晶
成長に重要な成長界面の半径方向に走る対流が比較的動
き易く、ウエーハにしたときにドーパント不純物及び酸
素不純物の分布に均一なものが得られる。この点を活用
し、Ｓｉウエーハ業界で現在広く採用されている磁場印
加法であり、カスプ法に比較して強い対流抑止力のため
低酸素濃度単結晶が得られる利点がある。しかし、印加
した磁場が結晶成長軸に関して軸対称とならず異方性が
あり、カスプ法に比較して不純物分布の均一性が劣る欠
点がある。

【０００５】そこで、これらの長所を生かすため、製造
しようとする単結晶の要求特性に応じて各磁場印加方法
を随時選択して適用することが試みられている。たとえ
ば、縦磁場法とカスプ法は、同一の超伝導磁石を使用し
た場合でも電流供給方法の変更で容易に切り替えること
ができる。しかし、縦磁場法又はカスプ法と横磁場法と
の切り替えには、超伝導磁石の変更が必要とされ、莫大
な費用がかかる。本発明は、このような問題を解消すべ
く案出されたものであり、複数種類の磁場を発生させる
コイルを一つの引上げ装置に付設することにより、縦磁
場法又はカスプ法と横磁場法との切り替えを容易に行
い、欠陥が少なく要求特性を備えた単結晶を高生産性で
融液から引き上げることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の単結晶引上げ装
置は、その目的を達成するため、単結晶を引き上げる融
液が収容された真空槽と、該真空槽の周囲に配置された
超伝導磁石とを備え、該超伝導磁石は、縦磁場又はカス
プ磁場を形成する超伝導コイル及び横磁場を形成する超
伝導コイルを同一の超伝導磁石に配置していることを特
徴とする。縦磁場又はカスプ磁場用超伝導コイル及び横
磁場用超伝導コイルは、引き上げようとする単結晶の要
求特性に応じて切り替えられる。これにより、高価な磁
石を作り替えることなく、また大規模な工事を必要とす
ることなく、単結晶引上げの際に超伝導磁石による磁場
印加方式を簡単に切り替えることが可能となる。

【０００７】

【実施の形態】本発明に従った単結晶引上げ装置は、た
とえば図５に示すように、引上げ装置本体６の周囲に超
伝導磁石４を配置している。超伝導磁石４としては、縦
磁場又はカスプ磁場を発生させる上下の超伝導コイル８
ｕ，８ｄを、横磁場を発生させる一対の超伝導コイル９
ａ，９ｂを同一のクライオスタット１０内に組み込んで
いる。クライオスタット１０には、液体ヘリウム１１が
充填されている。一対の超伝導コイル８ｕ，８ｄは、同
一巻線方向で超伝導線を巻くことにより作製されてお
り、結晶成長軸と垂直になるように配置されている。上
下のコイル８ｕ，８ｄに同じ方向の電流を流すと、縦磁
場法となり、成長軸と平行に走る磁力線が発生する。上
下のコイル８ｕ，８ｄにそれぞれ反対方向の電流を流す
と、コイル８ｕ，８ｄの中間で磁力線がコイル半径方向
に走るカスプ磁場が発生する。

【０００８】超伝導コイル８ｕ，８ｄの外側には、結晶
成長軸と平行になるように超伝導線を巻いた一対の超伝
導コイル９ａ，９ｂが配置されている。同一方向に磁力
線が走るような電流をコイル９ａ，９ｂに流すと、融液
に横磁場が印加される。なお、中間で反転するようなカ
スプモードも考えられるが、通常は採用されない。縦磁
場又はカスプ磁場用の超伝導コイル８ｕ，８ｄは、横磁
場用の超伝導コイル９ａ，９ｂよりも結晶成長軸に近い
内側に配置することは好ましい。一般には、カスプモー
ドにある超伝導コイル８ｕ，８ｄが上下コイルの間で磁
場を打ち消しあうことから磁場効率が悪くなるが、この
配置により、超伝導コイル８ｕ，８ｄの内径（ボーア
径）を可能な限り小さくして磁場効率の低下が抑制され
る。

【０００９】縦磁場又はカスプ磁場用の超伝導コイル８
ｕ，８ｄ及び横磁場用の超伝導コイル９ａ，９ｂは、液
体ヘリウム１１を充填した同一のクライオスタット１０
に収納されている。同一のクライオスタット１０内に収
納するため、製作コストが抑えられ、ヘリウムの消費量
も少なく、しかも結晶成長炉周りのスペースも有効に使
用される。なお、実施例では同一のクライオスタット１
０内に超伝導コイル８ｕ，８ｄ及び９ａ，９ｂを収納し
たが、超伝導コイル８ｕ，８ｄ及び９ａ，９ｂをそれぞ
れ別個のクライオスタットに収納しても縦磁場又はカス
プ磁場と横磁場との切り替えを容易に行えることは勿論
である。

【００１０】縦磁場又はカスプ磁場用の上下の超伝導コ
イル８ｕ，８ｄは、クライオスタット１０の器壁から突
出する電極部を介し、電源に至るそれぞれの電線１２，
１３に接続されている。横磁場用の超伝導コイル９ａ，
９ｂは、同様にクライオスタット１０の器壁から突出す
る電極部を介し、電源に至るそれぞれの電線１４，１５
に接続されている。結晶成長中に磁場印加方式を切り替
える必要がないので、結晶成長のバッチごとに磁場印加
方式に応じてそれぞれの超伝導コイル８ｕ，８ｄ及び９
ａ，９ｂの電極に適宜の電線１２〜１５を差し込み、必
要とする超伝導モードに設定する。

【００１１】以上の超伝導磁石４を使用して印加する磁
場モードを切り替えるとき、要求される特性を備えた単
結晶を同一の引上げ装置で生産することが可能となる。
たとえば、横磁場法は、高い磁場効率で低酸素濃度のＳ
ｉ単結晶を引き上げるときに使用される。また、若干高
酸素濃度で不純物の均一性が要求される単結晶の育成に
は、カスプ法を採用する。また、酸素濃度の非対称性が
問題となるような単結晶の育成に際しては、成長界面に
おける融液の流動を自由にする縦磁場法を採用する。縦
磁場が印加された融液では、成長界面で磁場がほぼゼロ
となり、結晶中にドーパントや酸素が均一な濃度で取り
込まれる。

【００１２】

【実施例】直径３０ｃｍの石英ルツボ中に多結晶Ｓｉ減
量を３０ｋｇチャージし、Ｓｉ単結晶を成長させた。結
晶方位が（１００）となるように種結晶をＳｉ融液に接
触させた後、直径１００ｍｍとなるように結晶回転１０
ｒｐｍ，ルツボ回転０．５ｒｐｍでＳｉ単結晶を育成し
た。先ず、上下の超伝導コイル８ｕ，８ｄに同一方向の
直流電流を供給し、縦磁場モードで結晶成長させた。予
め測定しておいた磁場強度が結晶成長界面の中心で１０
００ガウスとなるように、コイル８ｕ，８ｄにに供給す
る電流値を設定した。得られたＳｉ単結晶の平均酸素濃
度は１５ｐｐｍａであり、磁場印加なしで単結晶を成長
させたときの値（約１７ｐｐｍａ）よりも２ｐｐｍａ低
い単結晶棒が得られた。育成された単結晶棒を輪切りに
してウエーハを作製し、酸素濃度分布の面内バラツキを
調査した。縦磁場を印加して育成した単結晶では、最大
濃度と最少濃度との差が１．５ｐｐｍａであり、磁場印
加しない場合の濃度差０．８ｐｐｍａに比較して若干大
きくなっていた。

【００１３】次いで、上下の超伝導コイル８ｕ，８ｄに
逆方向の電流を供給し、カスプモードで同様に単結晶を
育成した。予め測定した磁場強度は、ルツボ底部で２０
００ガウス，成長界面近傍で０ガウスとなった。このと
き、電流値を４倍にしたため、縦磁場モードに比較して
ルツボ底部で２０００ガウスと約２倍になった。得られ
た単結晶の平均酸素濃度は約１４．５ｐｐｍａであり、
ウエーハにした後の最大酸素濃度と最少酸素濃度との差
は０．３ｐｐｍａであった。すなわち、縦磁場法に比較
して酸素濃度のバラツキを大幅に小さくすることができ
た。

【００１４】また、超伝導コイル９ａ，９ｂに電極をつ
なぎ替え、横磁場を印加した。このとき、ルツボ軸中心
で４０００ガウスとなるように予め単結晶成長前に磁場
強度を測定し、そのときの電流値を決定した。この電流
を超伝導コイル９ａ，９ｂに供給し、融液からＳｉ単結
晶を成長させた。育成されたＳｉ単結晶の平均酸素濃度
は１２ｐｐｍａで、ウエーハにおける最大酸素濃度と最
少酸素濃度との差は０．４ｐｐｍａであった。この結果
から、横磁場法によるとき酸素濃度の低い単結晶が得ら
れ、酸素濃度のバラツキも抑制されていることが判る。
このようにして、同一の装置を使用して印加する磁場を
切り替えることにより、要求特性を満足する単結晶の作
り分けを簡単に行うことが可能になった。

【００１５】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明において
は、引上げ装置本体の周囲に配置した超伝導磁石に縦磁
場又はカスプ磁場を発生させる超伝導ソレノイド及び横
磁場を発生させる超伝導ソレノイドコイルを組み込むこ
とにより、育成しようとする単結晶の要求特性に応じて
磁場印加を容易に切り替えることが可能となる。その結
果、低酸素濃度が要求される単結晶，高酸素濃度の均質
な単結晶，ドーパント濃度が高い単結晶等を同一の装置
で製造することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 超伝導磁石を配置したＭＣＺ法の単結晶引上
げ装置

【図２】 縦磁場法で単結晶を引き上げている状態

【図３】 カスプ法で単結晶を引き上げている状態

【図４】 横磁場法で単結晶を引き上げている状態

【図５】 本発明に従って超伝導磁石を配置した単結晶
引上げ装置

【符号の説明】

１：融液 ２：種結晶 ３：単結晶 ４：超伝導
磁石 ５：真空槽 ６：磁力線 ７：カーボンヒータ ８ｕ，８ｄ：縦
磁場又はカスプ磁場用の超伝導コイル ９ａ，９ｂ：
横磁場用の超伝導コイル １０：クライオスタット
１１：液体ヘリウム １２〜１５：電線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高野 清隆 東京都千代田区丸の内１−４−２ (72)発明者 高瀬 伸光 東京都千代田区丸の内１−４−２ (72)発明者 飯田 哲広 東京都千代田区丸の内１−４−２ (72)発明者 松原 順一 東京都千代田区丸の内１−４−２

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 単結晶を引き上げる融液が収容された真
   空槽と、該真空槽の周囲に配置された超伝導磁石とを備
   え、該超伝導磁石は、縦磁場又はカスプ磁場を形成する
   超伝導コイル及び横磁場を形成する超伝導コイルを同一
   の超伝導磁石に配置したものである磁場印加機能を備え
   た単結晶引上げ装置。
2. 【請求項２】 引き上げようとする単結晶の要求特性に
   応じて請求項１記載の縦磁場又はカスプ磁場用超伝導コ
   イル及び横磁場用超伝導コイルを切替え使用する単結晶
   引上げ方法。