JPH1053490A

JPH1053490A - 単結晶引き上げ装置

Info

Publication number: JPH1053490A
Application number: JP22591696A
Authority: JP
Inventors: Toshihiro Onizuka; 智弘鬼塚; Kyojiro Kaneko; 恭二郎金子; Hideyuki Mizumoto; 秀幸水本
Original assignee: Sumitomo Sitix Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1996-08-07
Filing date: 1996-08-07
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】電子ビーム溶解による単結晶の引き上げにお
いて特に問題となる、蒸着シリコンの脱落に起因する結
晶欠陥の発生を防止する。【解決手段】電子ビームの照射により、原料２の上部
に融液３を生成し、その融液３からＣＺ法により単結晶
５を引き上げる。融液３から蒸発するシリコンを蒸着さ
せ、且つその蒸着層の脱落を阻止する蒸着層保持板８
を、炉体１の内面に取り付ける。蒸着層保持板８として
は、例えばＳｉＣセラミックを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単結晶シリコンの
製造に用いられる単結晶引き上げ装置に関し、なかでも
特に、電子ビーム溶解を用いた単結晶の引き上げに適し
た単結晶引き上げ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体や太陽電池等の素材と
して使用される単結晶シリコンの製造は、チョクラルス
キー法（ＣＺ法）とフロートゾーン法（ＦＺ法）の２方
法により行われている。ＦＺ法は高純度の単結晶を製造
する技術であるが、単結晶の大径化は技術的に困難であ
る。また、製造コストが高く、製品価格も高い。そのた
め、ＦＺ法により製造される単結晶は、高純度が要求さ
れる特定の用途にのみ使用され、通常の半導体向け単結
晶の製造にはＣＺ法が用いられる。

【０００３】ＣＺ法は、ＦＺ法と比べて大径の単結晶を
安価に安定して製造することができる。しかし、通常の
ＣＺ法では石英るつぼが引き上げ毎に消耗し、そのるつ
ぼや装置内の雰囲気からの不純物混入等のために、ＦＺ
法に匹敵する高純度な単結晶は得られない。

【０００４】このような状況を背景として考え出された
のが電子ビーム溶解を用いた単結晶引き上げ法である。
この方法はＣＺ法の一種であるが、原料の溶解に電子ビ
ーム加熱を用いる点が通常のＣＺ法と相違し、この相違
により、ＦＺ法に匹敵する高純度の単結晶をＣＺ法より
も更に安価に製造することができる。図３に電子ビーム
溶解を用いた従来の単結晶引き上げ法を示す。

【０００５】炉体１の内部を１０^-5Ｔｏｒｒ以下の高真
空に減圧する。この状態で、炉内に設置されたブロック
状のシリコン原料２を回転させながら、その上面に電子
ビームを照射して、原料２の上部を溶解する。この溶解
により生じたシリコン融液３から、単結晶５を、引き上
げ機構４を用いてＣＺ法により回転させながら引き上げ
る。

【０００６】電子ビームの発生源である電子銃６は、引
き上げ軸と干渉しないように原料２の中心部の斜め上方
に配置されている。また、原料２の上面に照射される電
子ビームは、単結晶５との干渉を避けるために、原料２
の回転中心軸の周囲を円弧状にスキャニングされる。図
では原料２が水冷銅るつぼ１０に収容されているが、る
つぼを使用しない場合もある。この場合は、融液３は表
面張力により原料２の固体部上に保持される。

【０００７】この引き上げ法の特徴は次の通りである。
抵抗加熱ヒーターを使用する通常のＣＺ法と比べ、エネ
ルギー効率が高いために電力使用量が少なく、原料の初
期溶解時間も短い。輻射熱が少なく、炉内温度が低いた
めに、単結晶への抜熱が大きくなり、単結晶の引き上げ
速度が大きくなる。るつぼが不要であり、るつぼを使用
する場合も水冷銅るつぼが用いられるので、るつぼの消
耗がなく、この点からも経済的である。るつぼからの酸
素混入がない上に、炭素混入の原因となる抵抗加熱ヒー
ター等のカーボン部材が排除され、更に炉内温度が低い
ために、不純物の極めて少ない高品質な単結晶が製造さ
れる。複数の電子銃を使用することにより、大径原料の
溶解が可能であるため、単結晶の大径化も容易である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電子ビーム
溶解による単結晶引き上げ法は、上記のように多くの利
点を有するにもかかわらず、工業的規模での実用化には
至っていない。その実用化を阻害している大きな原因の
一つは、炉体内が高真空であるために、シリコン融液か
らのシリコン蒸気の発生が激しく、炉体の内面に蒸着す
るシリコンの脱落により単結晶化が阻害され、全長の大
きい単結晶が得られないことである。以下にこの現象を
説明する。

【０００９】電子ビーム溶解による単結晶の引き上げで
は、原料の溶解に電子ビームが使用される。炉体内に気
体分子が存在すると、電子ビームが気体分子と衝突し、
その飛距離、平均自由行路が短くなり、また電子ビーム
がエネルギーを失う。また電子銃内のフィラメントが酸
化し、寿命が短くなるなどの弊害が発生する。これらの
ため、炉体内は１０^-5Ｔｏｒｒ以下の高真空に減圧され
る。

【００１０】ところが、このような高真空下では、原料
の溶解部、すなわちシリコン融液からシリコンが激しく
蒸発する。この多量のシリコン蒸気は炉体の内面に蒸着
する。ここにおけるシリコンの蒸発方向を図４に示し、
炉体の内面に蒸着したシリコン（シリコン蒸着層）を図
３中に７にて示す。

【００１１】シリコンからなる蒸着層は、単結晶の引き
上げの進行に連れて急速に厚さを増し、ある厚さになる
とクラックが入り、フレーク状に剥がれ落ちることによ
り、引き上げ途中の単結晶に降りかかる。この落下物が
引き上げ中の単結晶の固液界面に当たると、それを核と
して多結晶化が起こり、単結晶化が阻害される。従っ
て、電子ビーム溶解による単結晶の引き上げでは、健全
で全長の大きい単結晶を得ることが困難であり、このこ
とが実用化の大きな障害になっているわけである。ちな
みに、通常のＣＺ法では炉内圧は１０Ｔｏｒｒ以上であ
る。

【００１２】本発明の目的は、蒸着層の落下による多結
晶化を回避して、健全で全長の大きい単結晶の安定製造
を可能とする単結晶引き上げ装置を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】電子ビーム溶解による単
結晶の引き上げにおいて、全長の大きい単結晶を得るた
めには、炉体の内面に生成する蒸着層の落下を防ぐ必要
がある。蒸着層の落下を防ぐには、シリコンの蒸発を抑
えること、及び蒸着層の剥離脱落を抑えることが有効で
ある。本発明者らは後者の観点から、シリコンの蒸着お
よび剥離のメカニズムについて子細に調査した結果、次
のような知見を得ることができた。

【００１４】電子ビーム溶解による単結晶の引き上げに
使用される炉体は、通常ステンレス鋼からなる真空容器
である。炉体内のシリコン融液から蒸発したシリコン
は、そのステンレス鋼の表面に蒸着し、この蒸着層は基
本的にシリコンの単結晶である。単結晶状態で蒸着層の
生成が進んだ場合、層厚の増大につれて層内の内部応力
が大きくなることにより、転位の発生やクラックの発生
が容易に起こる。そして、蒸着層が単結晶の場合は、こ
れらの欠陥が層内を早い速度で移動するため、層の剥が
れやめくれが生じやすい。

【００１５】ところが、蒸着層の生成が結晶核の多い多
結晶状に進むと、蒸着層の強度が増大し、上記のような
欠陥が発生し難い上に、その欠陥が発生しても剥がれや
めくれが生じ難い。多結晶状に蒸着層を成長させるに
は、表面の粗い物体にシリコンを蒸着させればよい。多
孔質の物体も、表面が粗いために有効である。これらの
物体は、結晶構造の面から蒸着層を強化するだけでな
く、蒸着面積の増大によるアンカー効果の面からも、蒸
着層の保持に寄与する。

【００１６】本発明の単結晶引き上げ装置は、かかる知
見に基づいて開発されたもので、炉体内でシリコン原料
を溶解し、そのシリコン融液からＣＺ法によりシリコン
単結晶を引き上げる引き上げ装置本体と、前記シリコン
融液から生じる蒸気を表面に蒸着させるべく前記炉体の
内面に沿って配設された表面の粗い蒸着層保持板とを具
備する点を構成上の特徴とする。

【００１７】蒸着層保持板は、その表面に蒸着するシリ
コンの多結晶化を促進するために、表面の粗いことが必
要であり、多孔質のものも表面が粗いために望ましい。
その表面粗さは最大高さで表して１０μｍ以上が望まし
い。また多孔質の場合は、気孔率で表して５〜８０％が
望ましく、３０〜６０％が特に望ましい。表面粗さが小
さい場合は表面に蒸着するシリコンを十分に多結晶化で
きず、アンカー効果による保持力も小さく、また板の強
度が弱くなるため、設備上好ましくない。

【００１８】蒸着層保持板の材質については、熱衝撃に
強いこと、加熱されてもガスを出さないことの他に、電
気伝導度が重要であり、３００℃以上で比抵抗が５００
Ωｃｍ以下の電気伝導性のあるものが望ましい。蒸着層
保持板に絶縁板あるいは電気抵抗の大きい板を使用した
場合は、電子ビームの行路に近い部分が帯電し、その部
分の電荷が移動できないため、帯電部分と電子ビームが
反発し合って電子ビームを歪めてしまい、電子ビームの
走査制御が困難となる。電気伝導性のある蒸着層保持板
を用いることによりこの問題が解決される。但し、絶縁
板あるいは電気抵抗の大きい板の場合も、これらを電気
的にアースすれば、上記問題は解決され、蒸着層保持板
としての使用が可能となる。

【００１９】これらの要求を満足するものとしては、Ｓ
ｉＣセラミックの焼結品がある。これは多孔質で表面が
粗い上に、３００℃以上で１４Ωｃｍの比抵抗を有し、
耐熱性にも優れる。他にはサンドブラスト処理等で表面
を粗くした石英板や多孔質セラミックス等が好適であ
る。

【００２０】蒸着層保持板の取り付け位置については、
原料からのシリコンの蒸発は上方に生じるので（図４参
照）、炉体の内面全体である必要はなく、原料より上方
の蒸着の顕著な部分に選択的に取り付けを行えばよい。
また、その取り付け形態に関しては、コーティングによ
り蒸着層保持板を炉体の内面に一体化することも可能で
ある。更には、表面を意図的に粗くした炉体構成板材も
蒸着層保持板の範疇である。

【００２１】本発明の単結晶引き上げ装置は、シリコン
融液からのシリコンの蒸発が顕著な電子ビーム溶解によ
る単結晶の引き上げに特に適するが、通常のＣＺ法によ
る引き上げにも適用可能であり、その適用により、シリ
コン融液から蒸発するＳｉＯ等のシリコン化合物からな
る蒸着層の落下による多結晶化が回避されて、長時間安
定な引き上げが可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の望ましい実施形態
を図面に基づいて説明する。図１に本発明の第１の実施
形態を示す。

【００２３】本実施形態では、真空容器からなる炉体１
の中心部に、偏平な円柱状のシリコン原料２が配置され
る。原料２はその回転のために、昇降式の回転台１１の
上に載置される。原料２の上面に電子ビームを照射する
電子銃６は、炉体１の天井部に設けられ、原料上面の回
転中心軸周囲に円弧状に電子ビームを照射することによ
り、原料２の上部に融液３を形成する。融液３から単結
晶５を引き上げる引き上げ機構４は、電子銃６と並んで
炉体１の天井部中心位置に設けられている。

【００２４】そして、炉体１の、原料２より上方の部分
には、ＳｉＣセラミックの焼結板からなる蒸着層保持板
８が、炉体１の内面に沿って取り付けられている。ま
た、原料２の周囲には、原料２からの輻射熱による炉内
温度上昇を抑えるために、円筒状の熱遮蔽体９が配置さ
れている。

【００２５】単結晶５の引き上げ操作では、まず炉内を
１０^-5Ｔｏｒｒ以下の高真空に減圧する。この状態で原
料２を回転させながらその上面に電子ビームを円弧状に
照射し、原料２の上部に融液３を生成する。原料２の回
転および電子ビームの照射を続けながら、引き上げ機構
４を用いて単結晶５を逆方向に回転させながら融液３か
ら引き上げる。

【００２６】この引き上げ中に、融液３からはシリコン
が激しく蒸発する。その蒸気は蒸着層保持板８の表面に
蒸着し、炉体１の内面には蒸着しない。ここで、蒸着層
保持板８を形成するＳｉＣセラミックの焼結板は、多孔
質で表面が粗い。そのため、蒸着層保持板８の表面に蒸
着するシリコンは、核の多い多結晶となり、機械的強度
が向上する。そのため、シリコンの蒸着層では、クラッ
クの起点となる欠陥が生じ難い上に、クラックの進展す
る速度も遅い。また、アンカー効果により蒸着層を保持
する力も大きい。その結果、蒸着層の剥離脱落が抑制さ
れ、引き上げ途中における蒸着層の剥離脱落による単結
晶５の多結晶化が防止される。かくして、健全で全長の
大きい単結晶５が安定に製造される。

【００２７】ＳｉＣセラミックの焼結板からなる蒸着層
保持板８は、シリコン蒸気中に長時間曝しても蒸着層の
落下を生じない。そのため、クリーニングを行うことな
く複数回の引き上げに繰返し使用することができる。従
って、メンテナンスも楽である。蒸着層が落下する程度
に層厚が大きくなると、蒸着層保持板８を取り替える。
取り外した蒸着層保持板８から混酸（フッ酸＋硝酸）で
のエッチングにより蒸着層を取り除くことにより、再使
用が可能である。

【００２８】次に、本実施形態の試験結果について説明
する。

【００２９】炉体として容量４５０リットル、寸法５０
ｃｍ×６０ｃｍ×１５０ｃｍの真空容器を用いた。原料
として直径が２１ｃｍの多結晶シリコンを用いた。蒸着
層保持板を形成するＳｉＣセラミックの焼結板は、気孔
率が５０％（表面粗さ：最大高さ４０μｍ）で、１３ｃ
ｍ×３８ｃｍ×0.５ｃｍの寸法のものを１２枚使用し
た。

【００３０】電子ビームによる原料溶解条件としては、
加速電圧は３０ｋＶ、エミッション電流は0.５〜0.６
Ａ、電子ビーム操作範囲は外径１３０ｍｍ、内径１００
ｍｍ、操作角度２７０°とした。単結晶の引き上げ条件
としては、原料回転数は２０ｒｐｍ、単結晶回転数は１
５ｒｐｍ、引き上げ速度は0.７ｍｍ／ｍｉｎ、単結晶の
目標引き上げ直径は３ｃｍ、目標引き上げ長さは１０ｃ
ｍとした。

【００３１】この試験操業では、１回の引き上げにつ
き、電子ビームの照射による融液の生成に１０分、その
融液からの単結晶の引き上げに３時間を要する。この
間、原料からはシリコンが激しく蒸発する。蒸着層保持
板のない場合は、炉体の内面をクリーニングしながら引
き上げを繰り返したが、平均で溶解開始から約１時間経
過した時点より蒸着層の落下が始まり、約３ｃｍを引き
上げた時点で転位が発生し、健全な単結晶は１本も得ら
れなかった。しかし、蒸着層保持板を設けた場合は、引
き上げ終了まで蒸着層の落下は生じず、これにより転位
のない健全な単結晶が安定に製造された。また、電子ビ
ームの走査制御に支障を生じることもなかった。この蒸
着層保持板は、１５回の引き上げでも取り替えを必要と
しなかった。

【００３２】ＳｉＣセラミックの焼結板に代えて、ステ
ンレス鋼板上に約７０メッシュのＳｉＣ粒子を焼結させ
た厚さ約２ｍｍの板（焼結部の気孔率約１０％）を用い
たが、この場合も同様の結果が得られた。

【００３３】蒸着層保持板として使用可能な種々の材質
について、シリコン蒸着層の落下が始まるまでの時間を
調査した。シリコンの蒸着速度は約0.７５×１０^-6ｇ／
ｃｍ²・ｓｅｃである。ＳｉＣセラミックの焼結板（表
面粗さ：最大高さ４０μｍ）は５０時間、石英板（表面
粗さ：最大高さ１５μｍ）は約３０時間であった。ちな
みに、炉体構成材であるステンレス鋼板は１時間程度で
あった。

【００３４】図２に本発明の第２実施形態を示す。本実
施形態では、原料２が水冷銅るつぼ１０内に収容されて
いる。ここでも、炉体１の内面に蒸着層保持板８を取り
付けることにより、シリコン蒸着層の落下による結晶欠
陥の発生が防止される。水冷銅るつぼ１０を使用する場
合は、図示のように、融液３をるつぼ１０の内面に接触
させないように、電子ビームの照射範囲を設定するのが
良い。融液３がるつぼ１０の内面に接触すると、シリコ
ンの急冷に伴う突沸現象により、単結晶化が阻害される
おそれがあるからである。

【００３５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の単結晶引き上げ装置は、原料から生じる蒸気を表面に
蒸着させ、且つその蒸着層の脱落を阻止する蒸着層保持
板を炉体の内面に沿って配設することにより、蒸着層の
脱落による転位の発生を回避し、健全で全長が長い単結
晶の安定製造を可能にする。従って、原料からの蒸発が
激しい電子ビーム溶解による単結晶の引き上げに適用し
て、その実用化の大きな阻害要因を取り除くことがで
き、その実用化に多大の貢献をする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態を示す引き上げ装置の
模式側面図である。

【図２】本発明の第２の実施形態を示す引き上げ装置の
模式側面図である。

【図３】従来の引き上げ装置を模式的に示す側面図であ
る。

【図４】原料からのシリコンの蒸発方向を示す模式図で
ある。

【符号の説明】

１炉体２原料３融液４引き上げ装置５単結晶６電子銃７蒸着層８蒸着層保持板９熱遮蔽板１０水冷銅るつぼ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炉体内でシリコン原料を溶解し、そのシ
リコン融液からＣＺ法によりシリコン単結晶を引き上げ
る引き上げ装置本体と、前記シリコン融液から生じる蒸
気を表面に蒸着させるべく前記炉体の内面に沿って配設
された表面の粗い蒸着層保持板とを具備することを特徴
とする単結晶引き上げ装置。
【請求項２】引き上げ装置本体が、電子ビーム溶解を
用いて単結晶の引き上げを行う請求項１に記載の単結晶
引き上げ装置。
【請求項３】蒸着層保持板が、蒸発シリコンを結晶核
の多い多結晶状に膜成長させるのに適した表面粗さをも
つ請求項２に記載の単結晶引き上げ装置。