JPH10167875A

JPH10167875A - 単結晶製造装置

Info

Publication number: JPH10167875A
Application number: JP32160596A
Authority: JP
Inventors: Kinji Hoshi; 金治星; Atsuo Ohigata; 厚夫大日方; Tokuichi Kiji; 徳一木地; Toyohiko Tanaka; 豊彦田中
Original assignee: TECHNO DENKI KOGYO KK; Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Current assignee: TECHNO DENKI KOGYO KK; Mitsubishi Steel Mfg Co Ltd
Priority date: 1996-12-02
Filing date: 1996-12-02
Publication date: 1998-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】同一電力で高い磁束密度を得るか、又は同じ
磁束密度を得るのに小さな電力量しか必要とせず、かつ
コイル外部への漏洩磁界が少ないカスプ磁界を発生コイ
ルを用いた単結晶製造装置を提供する。【解決手段】ルツボ内に収容した半導体材料の融液の
対流の制御を、外周部から励磁したカスプ磁界発生コイ
ル対により形成されたカスプ磁界によって行いつつ、ル
ツボから単結晶の引き上げを行う装置において、該カス
プ磁界発生コイル対の各々の内側を除く外側、上側及び
下側の三面の内少なくとも２面が強磁性体ヨークで覆わ
れていることを特徴とする単結晶製造装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料を加熱
して得られた溶融体からチョクラルスキー法によって単
結晶を引上げる際、溶融体に磁場を加えて単結晶の品質
を改善し得る単結晶の製造装置に関する。

【０００２】特に半導体超ＬＳＩの基板材料であるシリ
コン単結晶引上げ装置に有効な技術に関する。

【０００３】

【従来の技術】先に本発明者の一人を含むグループは、
チョクラルスキー法によって単結晶を引上げる際に、ル
ツボ内の融液に静磁界を印加し、熱対流を制御すること
により融液の温度が安定し、またルツボからの汚染が減
少して単結晶の品質を改善することを見出し、かつ実証
した（例えば日経マイクロエレクトロニクス１９８０年
９月１５日号、特公昭５８−５０９５１号）。この方法
は本発明の発明者の一人を含むグループによってＭａｇ
ｎｅｔｉｃ−ＦｉｅｌｄＡｐｐｌｉｅｄＣｚｏｃｈ
ｒａｉｓｋｉ（ＭＣＺ）法と命名された。

【０００４】当初の磁界印加単結晶引上装置は、ルツボ
を収容したチャンバーの両側に、常電導コイル対を設
け、これらをつなぐ磁路を構成する鉄心よりなる直流電
磁石により構成され、引上機のチャンバーの内部にある
ルツボ内の原料融液に直流水平磁界を加えて熱対流を抑
制する方法である。

【０００５】一般に、半導体の融液は電気伝導度σの導
伝体であり、磁界に直角方向に運動している流体には下
記式（１）で表わされる単位面積当りｆなる制動力が働
く。

【０００６】ｆ＝ｋ・σ・Ｖ・Ｂ² （１）ここで、ｋは定数、σは融液の電気伝導度、Ｖは磁束と
直角方向の流速成分、Ｂは磁束密度を示す。

【０００７】磁場が印加されない状態では、図１に示す
ように、石英ルツボ３内の融液４内には通常乱流状態の
熱対流６が発生している。この熱対流が融液内、固液界
面７での温度変動をもたらし、成長結晶中の微視的再溶
解が顕著となる。この結果、成長した結晶中には転位ル
ープ、空孔、格子間原子などの欠陥が発生し、かつ酸素
などの不純物原子が縞状に偏析する。

【０００８】また、対流の存在はシリコン融液と石英ル
ツボの反応を促進し、結晶中の酸素濃度を高める。

【０００９】したがって、融液に磁界を加えることの効
果は固液界面付近の熱擾乱を抑止することによって結晶
欠陥の発生を防ぐと共に、ルツボ壁付近の対流を抑制す
ることによって結晶中の酸素濃度を制御することであ
る。

【００１０】このようなルツボ内に水平磁界を印加する
方法とは別に、カスプ磁界を印加する方法も知られてい
る。従来のカスプ型磁界印加単結晶引上装置は、図２に
断面図を示すごとく、カスプ磁界発生装置対を配したチ
ャンバー内のルツボ２をヒーター３で加熱し、半導体材
料を融液４とし、破線で示されるようカスプ磁界の下で
単結晶５を引上げるものである。図２中、矢印ｒとｚは
円筒座標の２つの軸を示し、装置の垂直軸においてｒ＝
０、コイル対の中間線でｚ＝０である。破線は磁力線を
示す。矢印Ｈ_Zはｒ＝０における融液の底に直交した垂
直磁場であり、矢印Ｈ_Rはｚ＝０におけるルツボの側面
に垂直な放射状磁場を示している。そして、ｚ＝０では
融液の表面に直交する磁場成分は存在しない。

【００１１】熱対流による融液の流れは原理的に重力に
平行なループを形成している。カスプ磁界では図２に示
すように水平と垂直の再成分の磁界を含むために水平磁
界にくらべて対流抑制効果が大きい。一方、ルツボ溶解
の抑制についてはルツボ壁と直交する磁束密度が大きい
ほど効果的である。有鉄心の水平磁界では高磁束密度の
発生が比較的容易であるが、空芯のカスプ磁界コイルで
は大電流を必要とする。このため、カスプ磁界を用いた
引上げは１ｃｃ中１．０×１０¹⁸前後の中酸素濃度結晶
の引上げに、それ以下の低酸素濃度結晶では水平磁界が
使われることが多い。

【００１２】従来のカスプ磁界発生コイルは常電導と超
電導の両者が実用化されており、前者の場合は後者にく
らべて構造が単純で操作が簡便かつ、設備費が安い特長
をもつが反面使用電力が大きい欠点があった。後者の場
合は使用電力が非常に小さいが、前者の長所がそのまま
欠点になっている。両者に共通した課題はコイル外側へ
の漏洩磁界が大きいことであり、このために作業者の健
康に対する配慮（磁界が人体に及ぼす影響は明らかにな
っていない）、結晶引上げ機支柱の非磁性体化、制御機
器類の磁気シールド化などが必要である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、カスプ磁界
を発生させるコイルにおいて、同一電力量で高い磁束密
度が得られるか、または同じ磁束密度を得るのに小さい
電力量しか必要とせず、コイル外部への漏洩磁界が小さ
く、この結果として人体への影響が少なく、かつ結晶引
上機の構成材料にステンレススチールなどの高価な非磁
性体の使用を最小にする磁場発生装置を備えた単結晶製
造装置を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは鋭意検討し
た結果、カスプ磁界発生コイルを強磁性体ヨークで覆う
ことによって上記課題が解決されることを見出し本発明
に至った。

【００１５】即ち、本発明は以下の（１）〜（５）であ
る。

【００１６】（１）ルツボ内に収容した半導体材料の融
液の対流の制御を、外周部から励磁したカスプ磁界発生
コイル対により形成されたカスプ磁界によって行いつ
つ、ルツボから単結晶の引き上げを行う装置において、
該カスプ磁界発生コイル対の各々の内側を除く外側、上
側、及び下側の三面の内少なくとも２面が強磁性体ヨー
クで覆われていることを特徴とする単結晶製造装置。

【００１７】（２）強磁性体ヨークの厚さが５０ｍｍ以
上１５０ｍｍ以下であることを特徴とする上記（１）記
載の単結晶製造装置。

【００１８】（３）カスプ磁界発生コイル対が常電導コ
イル対であることを特徴とする上記（１）又は（２）記
載の単結晶製造装置。

【００１９】（４）カスプ磁界発生コイル対が超電導コ
イル対であることを特徴とする上記（１）又は（２）記
載の単結晶製造装置。

【００２０】（５）カスプ磁界発生コイル対がメンテナ
ンス用に脱着可能であることを特徴とする上記（１）な
いし（４）記載の単結晶製造装置。

【００２１】本発明によれば、従来型のコイルにヨーク
を付加することによって磁束を有効に集束することがで
きるので同一電力で高い磁束密度が得られるか、同じ磁
束密度であれば使用電力を大巾に減少させることができ
る。またこのヨークは磁気シールドも兼ねるので漏洩磁
界を減少させ上記の課題を同時に解決することができ
る。

【００２２】図３は従来型のカスプ磁界発生用円形空芯
コイルの縦断面であり、図４、５、６は、本発明になる
ヨーク付カスプ磁界発生コイルの縦断面である。

【００２３】図３に示される磁界発生用コイル対１で
は、何らヨークが設けられていないのに対して、図４、
５、６に示される本発明の磁界発生コイル対は強磁性体
からなるヨーク８で内側を除く少なくとも２方向が覆わ
れている。

【００２４】本発明のヨーク付きカスプ磁界発生コイル
を用いることにより、磁束を有効に集束させることがで
き、磁束密度分布は融液底部及び中心部においてはルツ
ボ壁に沿ったゆっくりした流れを止める程度に密度が大
きく、表面近傍では結晶回転による撹拌効果を大きく妨
げない程度に密度が小さくなる。そして、本発明によれ
ば、シリコン単結晶の引上げの場合において石英ルツボ
の溶解量がヨーク無しのカスプ磁界印加とくらべて大差
の無い結果が得られることが引上げた単結晶内の酸素濃
度測定から実証された。さらに単結晶の面内酸素濃度の
ミクロな分布が改善されることが分かった。更に、引上
げの無転位化率の向上が見られ対流が安定したことが実
証された。

【００２５】

【発明の実施の形態】表１は従来型（図３）および本発
明（図４〜６）のカスプ形磁界発生コイルにおける同一
電力量で発生する空隙磁束密度絶対値他の比較である。
なお磁束密度の測定位置は上下両コイルの境界かつ、コ
イル中心から３００ｍｍ離れた位置である。表１からわ
かるように従来型（図３）にくらべ本発明の（図４〜
６）のコイルは同一の電力量に対してすべての型におい
て空隙磁束密度が高く、特に図５のそれは従来型にくら
べて約２．２倍であった。

【００２６】図７は上述と同じ条件で測定した引上げ方
向の磁束密度絶対値の分布であり、これからもわかるよ
うにヨークの付加によって磁束密度は著しく増加するこ
とが明らかである。なお引上方向Ｚ軸の０位置は両コイ
ルの境界である。

【００２７】なおヨーク材の厚さが５０ｍｍ以下では上
述の効果が減少し、１５０ｍｍ以上ではヨークの重量が
増大して好ましくない。

【００２８】

【表１】

【００２９】表２は同一磁束密度を得るための使用電力
他の比較である。測定位置は両コイルの境界かつ、コイ
ル中心から３００ｍｍの場所である。これから明らかの
ように本発明の型（図４〜６）では従来型（図３）にく
らべていずれも使用電力量が小さく、特にＣ型のそれで
は約１／４．８に減少する。

【００３０】

【表２】

【００３１】図８は上述と同一条件で測定した引上方向
Ｚ軸に沿った磁束密度絶対値の分布である。なおＺ軸の
０点は両コイルの下コイルと上コイルの空隙中心を示
す。

【００３２】図８でＺ軸約２００ｍｍ以上の位置で磁束
密度の低下が見られるが、ルツボ中の融液の高さを考慮
して、実用的に２００ｍｍ以下を使用するので影響は無
い。図４〜６即ちＢ，Ｃ，Ｄ各型のコイルの使い分けは
主としてコイル全体の重量、寸法および磁束密度分布な
どの引上機との整合によってきめられるが、実質的にＢ
とＤ型の差は少ない。

【００３３】図９は電力量を３７０ｋＷ加えた場合の従
来型コイルにおけるコイル外側への漏洩磁束密度の分布
であり、図１０は本発明図５（Ｃ型）のコイルの同様の
分布である。

【００３４】これからわかるようにコイル中心から１．
７ｍの位置における磁束密度は従来型の９０〜９５Ｇに
対し本発明のそれは２０〜２５Ｇと小さく、磁気シール
ド効果の大きいことを示している。

【００３５】

【実施例】カスプ磁界を用いたシリコン単結晶の引上げ
方法についてはたとえば特公開昭６３−２４８７９３、
特公開平２−５５２８４などに記述されている。すなわ
ち、石英ルツボ内に収容した原料融液にカスプ磁界を印
加してチョクラルスキー法により単結晶を引上げる方法
である。

【００３６】この実施例では本発明になるカスプ磁界発
生装置と従来のそれとを用いて、実際にシリコン単結晶
を５本まで引上げて得られた結晶の品質、歩留りを比較
した。

【００３７】単結晶引上げ条件の良否を判断する代表的
な指標は引上げた結晶の無転位化率、すなわち、歩留り
と酸素濃度分布であり、表３にそれぞれの比較を示し
た。

【００３８】実施例では石英ルツボ直径５６０ｍｍ、シ
リコン融液１００ｋｇとし、図５に示すカスプ磁界発生
装置を用いてリンドープしたｎ型の約２０Ωｃｍ、直径
２００ｍｍφの単結晶を＜１００＞方向に引上げた。磁
束密度の大きさは固化率０．２の位置においてルツボ底
部の中心でルツボ壁と直交する成分が１，２００Ｇ、固
液界面の中心から１００ｍｍ離れた位置で固液界面と平
行な成分が４００Ｇとし、上述の特公開などに記述され
ているように結晶の長さ方向に酸素濃度分布の均一化を
はかるために引上げの進行と共に固液界面とコイルの相
対位置を徐々に変化させた。

【００３９】

【表３】

【００４０】表３において無転位化率とは融液重量に対
して無転位で引上った単結晶の重量比を示したものであ
り、無転位確率とは何回のシード付けによって無転化が
得られたかを示すものであり、たとえば１回目のシード
付けによって無転位化が得られれば確率１００％とな
り、２回目で成功すれば確率５０％となる。そしてこれ
らの指標が大きいことは引上げ条件、とくに融液中の対
流変動などの擾乱が小さいことを示している。

【００４１】長さ方向酸素濃度分布変化率とは固化率
０．２〜０．８の間の等間隔５点の中心位置の酸素濃度
の変化を（最大値−最小値／最大値）×１００で表した
ものであり、半径方向酸素濃度分布変化率は同じ固化率
範囲からウェーハを５枚切り出し、Ｎ₂雰囲気中で４５
０℃、３時間の酸素ドナー化処理を行ったのち、拡がり
抵抗測定機により、５０μｍステップで半径方向の抵抗
値を測定し、最大ドナー発生量が酸素濃度の３乗に比例
するとして酸素濃度に換算し、同様に変化率を求め、５
枚の平均値を示したものである。

【００４２】表３に示すように本発明による実施例の結
果はすべての指標において大差のないことを示してい
る。

【００４３】

【発明の効果】以上の通り、本発明に係る磁界発生装置
は従来のそれにくらべ、消費電力を少なくすることがで
き、コイル外部への漏洩磁界が小さく、かつ周辺機器の
材料に高価なステンレススチールの使用を少なくするこ
とができる。さらに、本発明に係る磁界発生装置を用い
て引上げを行うことにより、高品質の半導体単結晶を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】磁場を印加しない単結晶引上げ装置。

【図２】従来のカスプ型単結晶引上げ装置。

【図３】従来型単結晶引上げ装置の磁場装置。

【図４】本発明の単結晶引上げ装置の磁場装置。

【図５】本発明の他の磁場装置。

【図６】本発明の他の磁場装置。

【図７】引上げ方向の磁束密度分布。

【図８】引上方向の磁束密度分布。

【図９】従来型の水平断面方向の漏洩磁束密度分布。

【図１０】実施例の水平断面方向の漏洩磁束密度分布。

【符号の説明】

１カスプ磁界発生コイル対２ルツボ３ヒーター４半導体融液５単結晶６対流７固液界面８ヨーク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者木地徳一東京都江東区辰巳３丁目５番３号三菱製鋼株式会社環境エンジニアリング事業部内 (72)発明者田中豊彦東京都江東区辰巳３丁目５番３号三菱製鋼株式会社環境エンジニアリング事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ルツボ内に収容した半導体材料の融液の
対流の制御を、外周部から励磁したカスプ磁界発生コイ
ル対により形成されたカスプ磁界によって行いつつ、ル
ツボから単結晶の引き上げを行う装置において、該カス
プ磁界発生コイル対の各々の内側を除く外側、上側、及
び下側の三面の内少なくとも２面が強磁性体ヨークで覆
われていることを特徴とする単結晶製造装置。
【請求項２】強磁性体ヨークの厚さが５０ｍｍ以上１
５０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の単
結晶製造装置。
【請求項３】カスプ磁界発生コイル対が常電導コイル
対であることを特徴とする請求項１又は２記載の単結晶
製造装置。
【請求項４】カスプ磁界発生コイル対が超電導コイル
対であることを特徴とする請求項１又は２記載の単結晶
製造装置。
【請求項５】カスプ磁界発生コイル対がメンテナンス
用に脱着可能であることを特徴とする請求項１ないし４
記載の単結晶製造装置。