JPS6168389A - 単結晶成長装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、結晶原料の融液を収容するるつぼと、前記融
液を加熱する加熱手段と、前記融液から単結晶を引き上
げる引上げ手段とをそれぞれ具備する単結晶成長装置に
関するものであって、棒状のシリコン単結晶を成長させ
るのに用いて最適なものである。

従来の技術 シリコン単結晶を引き上げ成長させるには、従来がらチ
ョクラルスキー法（ＣＺ法）が用いられている。このＣ
Ｚ法による単結晶の引き上げ成長は、例えば第２図に示
すような単結晶成長装置を用いて行われている。この第
２図に示す単結晶成長装置においては、グラファイト製
のるっぽ１内に設けられている石英製のるつぼ２中にシ
リコンの融液３が収容され、さらに上記るつぼ１を囲む
ようにグラファイト製の発熱体４、保温材５がそれぞれ
設けられている。そしてこれら全体を囲むように水冷ジ
ャケット８ａ〜８ｃが設けられている。なおこの水冷ジ
ャケソ、ト８ｂには、後述の引き上げられた単結晶２０
を観察するための窓９が設けられ、また水冷ジャケット
８ａの底面には、上方から水冷シャケ・ｙ　ト８　ａ〜
８ｃ内に導入される不活性ガス（雰囲気ガス）の排出用
の排出管１０が設けられている。またるつぼ１の下部に
は、水冷ジャケソｌ−８２の底面に設けられた開口８ｄ
を通じてこのるつぼ１を回転及び昇降させるための軸１
１が設けられている。さらに発熱体４の下端はリング板
１４に固定され、このリング仮１４は、水冷ジャケット
８ａの底面に設けられた開口８ｅ、８ｆを通じてこの水
冷ジャケット８ａに固定されている軸１５に固定されて
いる。一方、融液３の上方には、引上げ軸１７の下端に
取り付けられているチャック１８に種結晶１９が保持さ
れ、この種結晶１９から棒状の単結晶２０が成長するよ
うになっている。

このように構成された単結晶成長装置を用いて種結晶１
９にシリコンの融液３から単結晶２０を成長させるには
、るつぼ１．２及び単結晶２０をそれぞれ軸１１及び引
上げ軸１７により例えば互いに逆方向に回転させつつ、
図示省略した駆動機構により引上げ軸１７を徐々に上昇
させることにより単結晶２０の引き上げを行い、かつ融
液３の液面に対して発熱体４が一定位置となるようにる
つぼ１．２を上昇させる。

上述の第２図に示す単結晶成長装置を用いたＣＺ法によ
り得られる単結晶２０の最大成長速度Ｖ　ｍ　ａ　ｘは
、この単結晶２０と融液３との固液界面が平坦でかつこ
の単結晶２０の半径方向の温度勾配が存在しないと仮定
した場合、 で与えられる。ここで、ｋは単結晶２０の熱伝導率、ｈ
はその融解熱、ρはその密度、（ｄＴ／ｄｘ）は固液界
面における固相（単結晶２０）中の温度勾配である。な
おＸは単結晶２０の軸方向の座標である。上式において
に、ｈ、ρは物質によって決まる固有の値であるため、
大きなＶ　ｍｍｘを得るためには（ｄＴ／ｄｘ）を大き
くする必要がある。ところが、上述のＣＺ法においては
、引き上げられた単結晶２０は、融液３の表面、るつぼ
２の内壁及び発熱体４等からの放射熱により熱せられる
ため、上記の（ｄＴ／ｄｘ）はその分だけ小さくなり、
従って実際に得られる成長速度は最大でも１ｍｍ／分程
度と小さかった。

なおこの成長速度は、発熱体４の温度を全体的に下げる
ことによって大きくすることが可能であるが、融液３の
表面近傍の温度は中心部に比べてかなり低くなっている
ため、このようにすると融液３のうちのこの融液３の液
面とるつぼ２とに隣接する部分３ａにおいて固化が起き
、その結果、単結晶２０の引き上げを継続することが困
難になってしまうという欠点がある。

なお本発明に関連する先行文献としては、特公昭５１−
４７１５３号公報、特公昭５８−１０８０号公報及びＴ
ｅｘａｓ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ　Ｒｅｐｏｒｔ　Ｎ
ｏ、　Ｏ３−７７−２３（１９７７年４月）等が挙げら
れ、特に第２番目の文献には融液の上方に輻射スクリー
ンを設けることにより２顛／分の成長速度で単結晶を成
長させた実施例が述べられ、また第３番目の文献には単
結晶の周囲にコイル状の水冷パイプを配した例が開示さ
れている。

発明が解決しようとする問題点 本発明は、上述の問題にかんがみ、従来の単結晶成長装
置が有する上述のような欠点を是正した単結晶成長装置
を提供することを目的とする。

問題点を解決するための手段 本発明に係る単結晶成長装置は、結晶原料の融液を収容
するるつぼと、前記融液を加熱する加熱手段と、前記融
液から単結晶を引き上げる引上げ手段とをそれぞれ具備
する単結晶成長装置において、前記引き上げられた単結
晶の周囲に冷却された円筒を設けている。

作用 このように構成することによって、引き上げられた単結
晶を強制的に冷却することができる。

実施例 以下本発明に係る単結晶成長装置の一実施例につき図面
を参照しながら説明する。なお以下の第１図においては
第２図と同一部分には同一の符号を付し、必要に応じて
その説明を省略する。

第１図に示すように、本実施例による単結晶成長装置に
おいては、第２図に示す従来の単結晶成長装置と同様な
構成に加えて、水冷ジャケット８ｂの中央部の内壁に、
融液３の液面の上方例えば５０ｍ１程度の高さまで下方
に延びる水冷円筒２２が設けられていて、引き上げ軸１
７、単結晶２０等を取り囲んでいる。この水冷円筒２２
は単結晶２０の径よりも少し大きい内径を存し、その中
心軸は引き上げ軸１７及び単結晶２０の中心軸と一致し
ている。またこの水冷円筒２２の側面には開口２２ａが
設けられていて、さらにこの間口２２ａの下端と水冷ジ
ャケット８ｂの内壁の下端との間には湾曲板２３が設け
られている。さらに上記水冷円筒２２の下端には、モリ
ブデン（またはタンタル等）製の円筒の一端に、単結晶
２０の径よりも少し大きい内径を有するリング板をその
下端に設けた熱遮蔽体２４が取り付けられている。

また発熱体４の上部にはテーパ部４ａが設けられていて
、発熱体４の上部を下部に比べて高温に加熱し得るよう
になっている。さらに保温材５はリング板２７上に固定
され、このリング板２７はその下面に設けられているリ
ング板２８によって軸１５に固定されている。またこの
軸１５は、水冷ジャケット８ａの下面に設けられている
開口８ｅ、３ｆを通じて昇降し得るようになっている。

従って、保温材５と発熱体４とは互いの位置関係を変え
ることなく軸１５によって昇降し得るようになっている
。

一方、水冷ジャケノ１−８ｂには、引き上げられた単結
晶２０を観察するための窓９に加えて、引上げ軸１７に
関してこの窓９とはほぼ反対側の位置に窓２９が設けら
れていて、この窓２９を通じてるつぼ２中の融液３の液
面を観察し得るようになっている。

さらに、本実施例による・単結晶成長装置においては、
水冷ジャケット８Ｃと引き上げ軸１７との間を通じて上
方から水冷ジャケン１−８ａ〜８Ｃ内に不活性ガス、例
えばＡｒガスが導入されるようになっていて、この＾ｒ
ガスの雰囲気下で単結晶２０の引き上げ成長が行われる
ようになっている。

上述の実施例によれば、次のような種々の利点がある。

すなわち、単結晶２０の周囲に水冷円筒２２を設けてい
るので、この水冷円筒２２により単結晶２０を強制的に
冷却することができると共に、この水冷円筒２２により
、るつぼ１．２、発熱体４等からの放射熱を遮蔽するこ
とができるため、この放射熱によって単結晶２０が熱せ
られるのを防止することができる。従って、単結晶２０
の温度を従来に比べて十分に低くすることができるので
、既述の温度勾配（ｄＴ／ｄｘ）を従来に比べて極めて
大きくすることができ、このため単結晶２０の成長速度
を例えば２．０　ｍｍ／分と従来に比べて極めて大きく
することができる。その結果、単結晶２０の生産性が従
来に比べて高く、従って単結晶２０の成長コストを低減
することができる。

また従来のように１ｍｍ／分程度の成長速度で単結晶２
０を成長させた場合には、得られる単結晶２０中の積層
欠陥等の結晶欠陥は極めて多いのに対して、上述の実施
例のように高速、例えば２ｍｍ／分程度の成長速度で単
結晶２０を成長させた場合に得られる単結晶２０中の結
晶欠陥は極めて少なく、このため単結晶２０の品質は極
めて良好である。

また水冷円筒２２の下端に熱遮蔽体２４を設けているの
で、融液３、るつぼ２からの放射熱により単結晶２０が
加熱されるのを防止することができる。このため、この
分だけ温度勾配（ｄＴ／ｄｘ）を大きくすることができ
、従ってこれによっても単結晶２０の成長速度を大きく
することができる。

なおこの熱遮蔽体２４を設けたことにより、単結晶２０
と融液３との固液界面が平坦化され、その結果、単結晶
２０中の結晶欠陥が減少するという効果もある。

さらに発熱体４の上部にテーパ部４ａを設けているため
、この発熱体４の上部の断面積は従来に比べて小さく、
・従って融液３の液面近傍を従来に比べて高い熱量で加
熱することができる。このため、単結晶２０の成長時に
、融液３のうちのこの融液３の液面とるつぼ２の内壁と
に隣接する部分３ａにおいて固化が起きにくい。またテ
ーパ部４ａを設けた分だけこの発熱体４全体の電気抵抗
が従来に比べて高く、従って従来に比べて低い電力で融
液３を従来と同程度の温度に加熱することができる。こ
のため、発熱体４による消費電力を従来に比べて低減す
ることができる。

また第２図に示す従来の単結晶成長装置においては、装
置内に大きな自由空間が存在するため、上方から水冷ジ
ャケット８ａ〜８Ｃ内に矢印六方向に不活性ガスを導入
した場合には、この自由空間内で矢印Ｂで示されるよう
な熱対流が発生する。

このためグラファイトから成るるつぼ２、発熱体４、保
温材５等から発生する炭素がこの熱対流によって融液３
に運ばれてこの融液３中に混入し、その結果、単結晶２
０中の炭素濃度が増加するのみならず、この炭素が単結
晶２０中に結晶欠陥を生しさせる１つの原因となってい
た。また融液３と石英のるつぼ２との反応によってＳｉ
Ｏの微粒子が発生することが知られているが、従来の単
結晶成長装置においてはこのＳｉＯの微粒子が単結晶２
０と融液３との固液界面に付着し、その結果、単結晶２
０の有転位化を引き起こしてしまうという問題もあった
。これに対して、上述の実施例によれば、水冷円筒２２
及び湾曲板２３を設けているので、上方から矢印Ｃ方向
に導入される不活性ガスは、水冷円筒２２と単結晶２０
との間を通って熱遮蔽体２４と融液３との間を矢印りで
示すように流れ、次いで例えば発熱体４とるつぼ１との
間を通った後、排出管１０から装置の外部に排出される
。このため、従来のようにるつぼ２、発熱体４、保温材
５等からの炭素が融液３に混入することがない。また融
液３とるつぼ２との反応により生ずるＳｉＯの微粒子は
不活性ガスの流れによって直ちにるつぼ２の外に運ばれ
るので、このＳｉＯの微粒子が単結晶２０と融液３との
固液界面に付着することがなく、このため固液界面が常
にクリーンに保たれる。従って、上述の実施例によれば
、炭素濃度が低く、従ってこの炭素に起因する結晶欠陥
も従来に比べて極めて少ない単結晶２０を得ることがで
きると共に、ＳｉＯの微粒子による単結晶２０の有転位
化を防止することができる。さらに上記不活性ガスの流
れによって単結晶２０が冷却されるため、温度勾配（ｄ
Ｔ／ｄｘ）をさらに大きくすることができ、その結果、
単結晶２０の成長速度をさらに太き（することができる
。

さらにまた、上述の実施例においては、水冷ジャケット
８ｂに、窓９に加えて窓２９を設けているので、単結晶
２０のみならず融液３の液面も観察することができるの
で、液面の状態のチェック等を行う場合に便利であると
いう利点もある。

なお水冷円筒２２を設けたことによって、結晶原料であ
る多結晶シリコンのるつぼ２への装填及び融解が従来に
比べて難しくなるが、上述の実施例によれば、るつぼ１
を軸１１によって昇降す、ることかできると共に、発熱
体４及び保温材５を軸１５によって昇降することができ
るので、この問題は解決される。すなわち、結晶原料の
装填及び融解は、るつぼｌ、発熱体４及び保温材５を軸
１１．１５によって下方に下げた状態で行い、単結晶２
０の引き上げを行う際に、これらを再び軸１１．１５に
よって所定の位置まで上昇させればよい。

本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、本発
明の技術的思想に基づく種々の変形が可能である。例え
ば、水冷円筒２２の形状は必要に応して変更可能である
のみならず、この水冷円筒２２の代わりに他の種類の冷
媒等で冷却された円筒を用いてもよい。また水冷円筒２
２の下端と融液３の液面との距離は必要に応じて選択可
能であるが、不活性ガスの流れを円滑にするためには２
０〜１００ｍｍであるのが好ましく、２０〜６０ｍｍで
あるのがより好ましい。なお水冷円筒２２は必ずしも水
冷ジャケット８ｂと一体である必要はなく、この水冷ジ
ャケラ１−８ｂとは別に設けることも可能である。

さらに水冷ジャケット８ａの周囲に電磁石を設けて、融
液３に磁場を印加しつつ単結晶２０の引き上げ成長を行
うようにしてもよい（ＭＣＺ法）。

このようにすれば、電気伝導性を有する融液３は上記磁
場により電磁気的な力を受け、その結果熱対流が抑制さ
れる。このように熱対流が抑制された状態では、発熱体
４における温度分布が融液３の温度分布に忠実に反映さ
れるので、融液３の中心部では温度が低（、周辺では温
度が高くなると共に、融液３の液面に隣接する部分とそ
の中心部との温度差が上述の実施例よりもさらに小さく
なっている。その結果、磁場を印加しない場合に比べて
単結晶２０の成長速度をさらに大きくすることがてきる
。なお磁場の印加方向は垂直方向であってもよい。

具体例 １２インチ径のるつぼ２に原料として２０に＋ｒの多結
晶シリコンを装填し、次いでこれを融解させた後、単結
晶２０を引き上げ成長させた。従来は成長速度１．２ｍ
ｍ／分で融液３のうちのるつぼ２と液面とに隣接する部
分３ａで固化が起きたのに対して、上述の実施例のよう
に水冷円筒２２、熱遮蔽体２４を設けると共に、発熱体
４にテーバ部４ａを設けた場合には、２．３１ＩＩＺ分
の成長速度で直径４インチの単結晶２０を成長させるこ
とができた。

発明の効果 本発明に係る単結晶成長装置によれば、引き上げられた
単結晶の周囲に冷却された円筒を設けているので、この
単結晶と融液との固液界面におけるこの単結晶の温度勾
配を従来に比べて大きくすることができ、このため従来
に比べて大きな成長速度でしかも結晶欠陥が少なくて品
質が良好な単結晶を成長させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る単結晶成長装置の一実施例を示す
断面図、第２図はＣＺ法による従来の単結晶成長装置を
示す断面図である。 なお図面に用いられた符号において、 １．２−・−−−−−・・−・−・るつぼ３・−・・・
−−−一−−−−−−・・・融液４・−・・・・−・・
・−−−−−−・−発熱体（加熱手段）１７−・・・−
・−・−・−引上げ軸（引上げ手段）１９−・・・・・
・−・−・−・・・種結晶２０−・−・−・・−・・・
・・−・−単結晶２２−・・−・−・−・−・・・水冷
円筒である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　結晶原料の融液を収容するるつぼと、前記融液を加熱
   する加熱手段と、前記融液から単結晶を引き上げる引上
   げ手段とをそれぞれ具備する単結晶成長装置において、
   前記引き上げられた単結晶の周囲に冷却された円筒を設
   けたことを特徴とする単結晶成長装置。