JPS62256791A - 単結晶の育成装置 - 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、導電性を有する物質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
晶の育成方法及びその装置にＩＩＩする。

［従来の技術］ 従来のシリコン等の単結晶の製造方法としては、チョク
ラルスキー法が知られており、このチョクラルスキー法
は、ルツボ内で溶融された多結晶の溶融液の表面に種子
結晶を接触させ、次に種子結晶を回転させながらゆっく
り引上げて単結晶を成長させる方法である。この場合、
溶融体には、溶融体の側方から加えられる熱による熱対
流、種子１八箇面軒り一上ム流鴎涛の夷司旭の遠１１方
向への流れ等の循環流が生ずる。この熱対流及び循環流
は単結晶が成長する界面に温度のゆらぎをもたらし、そ
の結果、成長した単結晶の内部に特性の不均一性および
結晶の欠陥を生じさせるなどの悪影響を及ぼす。

そこで、溶融体がシリコンのような導電性を有する物質
である場合には、直流平行磁界を溶融体に対して水平方
向に加えることにより、溶融体に磁気粘性を生じさせて
溶融体の循環流を抑制する。

この水平磁界を加える手段としては、有鉄芯ｆｆｉ！ｉ
ｆ石、又は対向円柱型若しくは対向円板型若しくは対向
鞍型の無鉄芯コイルが使用されている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし乍ら、従来は、溶融体に磁界が加えられた状態で
単結晶の引上げを安定的に行なうための、単結晶の直径
とルツボの直径との間の好ましい関係について必ずしも
明確でなく、確実に組織が安定的な単結晶を引上げ得な
い。

本発明は以上の問題点に鳳み、組織が安定した単結晶を
引上げるために、単結晶の直径とルツボの直径との比が
好ましい範囲にある単結晶の育成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］ 本発明の前記目的は、石英ガラス製の円筒状ルツボと、
このルツボの外側において前記ルツボの中心軸と同心に
配置されており、前記ルツボ内の導電性を有する物質を
加熱しかつ溶融するための環状の加熱手段と、この加熱
手段の外側において前記ルツボの中心軸に関して対称に
対向して配置されており、溶融した前記物質の熱対流を
阻止するための一対の磁石と、下端が前記溶融した物質
の液面の中心部に接するように保持された単結晶とから
なる前記単結晶を育成する装置において、前記単結Ｍの
直径が前記ルツボの直径の１／２以下であることを特徴
とする装置によって達成される。

［作用］ 第１Ａ図及び第１Ｂ図は本発明の装置の溶融液の流れ及
び磁場を示す平面図及び置所面図であり、これらの図に
よって本発明の方法及び装置の原理を以下に説明する。

円筒形のルツボ１に満たされた溶融体２は通常側方から
加熱されるので、溶融体２の外側部の温度は中心部の温
度より高くなり、溶融体２の外周部には、第１Ａ図及び
第１Ｂ図に示すように対流３が発生する。一方、シリコ
ン単結晶４の回転によって、溶融体２の表層部の連れ回
りが生起され、これに起因して前記表層部に遠心方向の
流れ及び溶融体の中心部の上背流による循環ｆｆ１５が
発生する。本発明の装置では、これらの対流３及び循環
流５を阻止するために、磁束線６がルツボ１の外円　乃
　汀　ｅ　１π　ζ「　−壬　ｌギ　込　。　Ｔ　１１
　）　ご　柄　Ｔ　幻　ｈ　　　　−柄　ｌ−よって、
磁束線６は溶融体２の広範囲な領域に渡って対流３及び
循環流５とほぼ直交し、溶融体２の流れの抑制が効率よ
く行なわれる。

第２図は、溶融体に磁界を与えるコイルの半径と、対向
するコイルの間隔との関係を示す説明図であり、半径ｒ
を有する同型のコイル７の夫々が、間ｌｌ？ｉ１を保つ
と共に中心がＺ軸上に位置するように対向している。こ
の時、Ｚ軸上の磁界強度Ｂの強さは第３図のグラフのよ
うになる。ｒ−ｊの時、夫々のコイル７の中心Ｏ付近で
ほぼ平坦な磁界強度Ｂの分布が得られ、ｊ＞ｒの時は、
中心Ｏ付近の磁界強度Ｂは低下する。一方、ｊ＜ｒの時
は、中心Ｏ付近の磁界強度Ｂが最大である。こうして、
一様な磁界強度Ｂを得るためには、コイルの半径ｒと対
向するコイルの間隔１をできるだけ等しくするのが望ま
しいと言える。しかしながら、コイルのｉｌｉ？贋の制
限からＪ＞ｒとなるのが通常であるー［具体例〕 以下、本発明の単結晶の育成ＩＡ置の一興体例について
述べる。

第４Ａ図及び第４Ｂ図は、溶融体に加えられる磁束線を
示す本発明の装置の要部の立面部分断面図及び平面部分
断面図である炭素製ルツボ支持部１０の中に半径ｒの石
英ガラス製ルツボ１１が内挿されており、その中に溶融
体１２が満たされている。

石英ガラス製ルツボ１１の底部の曲率半径はｒｂである
。一方、直径りの育成シリコン単結晶１３の下面が溶融
体１２の表面に接するように活量引上げ用ワイヤ１４に
懸吊されている。前述のルツボ１１は半径ｒｈの円筒状
電熱ヒータ１５に収容され、ｅ−タ１５は炭素製円筒状
保温部材１６に収容されている。

半径／ｌｒｏの平板状！ｆ３電導コイル１７が低温保持
手段１８と共に保温部材１６の両側に間隔しを保つて対
向しており、コイル１７の半径ｒ。、ルツボ１１の底部
半径ｒ　　及びコイル１７の間隔りを適宜に選択するこ
とによって、コイル１７の磁束線１９は、ルツボ１１の
外側部に沿って通ると共にルツボ１１の底部に沿って通
り得る。

磁束１１９がルツボ１１の外側部及び底部に沿って通る
ための条件について更に詳細に述べると、磁力線１９の
曲率半径Ｒと、ルツボ１１の外形半径Ｆ ｒ並びにルツボ１１の底部半径ｒｂの間に夫々、ｒ≦　
ＲＭＦ　≦４ｒ ｒ　　≦Ｒ≦４ｒ ＭＦｂ の関係が成り立つ必要がある。

このような条件を満たすには、コイル１７の半径ｒに ｒ　ｃ−（１，５〜５）ｒ の関係があるのが望ましい。

一方、溶融体の加熱手段は、通常、ルツボの外側におい
てルツボの中心軸と同心に配置された環状の炭素部材か
ら成り、この環状の加熱手段には、上端からのスリット
と下端からのスリットが周方向に沿って交互に設けられ
ている。したがって、加熱電流は加熱手段の中を、加熱
手段の長手方向に関してジグデグ状に流れ、この電流と
磁場との作用で生ずるヒータ１５の振動を避けるために
、ヒータ１５の加熱電流のリップル値は極力小さい方が
好ましい。しかし、通常、加熱電流には３〜５％のリッ
プルが存在し、この範囲の電流値の変動がある場合に、
コイル１７とヒータ１５とが近接して配置されると、コ
イル１７の過大な磁界とヒータ１５の変りＪ電流によっ
てヒータ１５に大ぎな繰返し応力が＾湿状態で作用する
ため、ヒータ１５の寿命が短くなる。

実験の結果によれば、ヒータ１５の半径をｒｈ１コイル
１７の半径をｒ　　対向するコイル１７間の距Ｃゝ 離をＬとして ｒ　　＞ｒ　　　及びｌ−＞　３　ｒ　ｈｈ となるように、コイル１７の半径ｒ。及びコイル１７間
の間隔しを選定すると、加熱１！流のリップル値が４％
時にｒ。≦ｒｈ又はＬ≦３ｒｈの場合に比べて、ヒータ
１５の耐用使用回数が２０％〜３０％増大した。

ところで、溶融体に磁界が加えられた状態で単結晶の引
上げを安定的に行なうために、単結晶１３の直径りとル
ツボ１１の直径２ｒの間にＤ／２ｒ＜０．７５の関係が
あるのが望ましく、さらに実験の結束によれば、育成単
結晶１３中の酸素濃度は、０／２ｒの値に関係している
ことが判明した。

すなわち、溶融体１２に３０００ガウスの磁界が加えら
れた状態において、０．’２ｒ＜ｏ、ｙ以下の時は容易
に単結晶の酸素濃度を１０Ｘ　１０　　ａｔｏｍｓ／Ｃ
ＩＲ”以下とし得、Ｄ／２ｒ＜０．６以下の時ハ５×１
０１７ａｔｏ１１ｓ／ｃＩＲ３以下とシ得り。好ましく
は、Ｄ／２　ｒ＜０．５以下とするのがよく、この場合
は酸素濃度は１ｘ　１０１０１１ａｔｏ／ａ３トＬ／　
ｍ　タ。（ｅＬ、、、以上の実験で、単結晶１３の直径
りは１００ｓφ以上である。

第５図は、低湿保持手段の高さの制限を示す説明図であ
り、引上げ結晶２０は引上げチャンバ２１内に配置され
ている。コイル２２の中心線２３は溶融体の液面２４に
ほぼ一致している。この低温保持手段２５においてコイ
ル２２の直径を大きくすると、対向する平板状超電導コ
イルのための垂直軸を有する円筒型低温保持手段２５の
外径、及び高さが増大する。この円筒型低温保持手段を
装備した実験装置では、低温保持手段の高さは、コイル
の上端に３００ＩｎＩＩ＆を加えた値とするのが望まし
く、低温保持手段の内径は少なくともコイル開孔１１１
Ｌより　１００Ｍ以上小さい値であると共に外径は望ま
しい。

また、装置の操作上の観点から大型の低温保持手段は望
ましくなく、測定用窓２６が充分に機能するような高さ
に制限されるのが望ましい。すなわち、単結晶２０の直
径を光学的に測定する測定手段２７の外形寸法は１０ａ
　Ｘ　１０ｃｍ　Ｘ　３０α又は７αφ×１０ａ程度で
あり、引上げ単結晶２０を視認するためには、測定手段
２７の保持位置が単結晶の界面の中心と測定用窓２６の
中心を結ぶね２８上になければならず、その高さは引上
げチャンバ２０のフランジ上２００ｆｉが下限である。

したがって、低温保持手段２５の高さの限界は第５図に
おけるｈｌが２００ａｍ＋以下であり、この範囲であれ
ば、低温保持手段２５の取付は及び測定手段２７の操作
に支承はない。

当然ながら、低温保持手段２５の形状は種々変形しても
よく、例えば分離型の低温保持手段を使用することによ
り、上述のような制限は緩和される。また、低温保持手
段の外形が円筒状でもよく、内部が円筒状であって外部
が角柱筒としてもよい。この場合、ルツボの最大径４５
０ｓφ用の低温保持手段の寸法及び重量の一例としては
、内部円筒径は９００調、外部角柱寸法は１３５０ｍ（
巾）×１４６０ｍ　（奥行）　ｘ　１１３５５１１　（
ｉａす）　テアリ、総ｆｆ１ｆｆｌは２．６１であった
。

第６Ａ図は、昇降可能な低温保持手段を装着した単結晶
の合成装置の説明図であり、引上げチャンバ３１に対向
して低温保持手段３２が配置されている。ヒータ雪のホ
ットゾーン構成部品交換時、ルツボ交換時、多結晶シリ
コンの装着時、及びチャンバ内面清浄時のような保守時
には、第６Ｂ図に示すように低温保持手段３２が引上げ
チャンバ３１の下方に下げられ得て保守性を向上させて
いる。ざらに引上げチャンバ３１は回転支柱３３及び回
転支持腕３４に支持されており、前述の保守時には、第
６Ｂ図の如く引上げチャンバ３１を回転支柱３３の回り
に回転させて、ホットゾーン構成部品３５を露出させて
、作業性を向上させている。

［発明の効果］ 本発明の装置によれば、単結晶の直径とルツボの直径と
の比が好ましい範囲にあるが故に、組織が安定した単結
晶を引上げ得る。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は本発明の装置の溶融体の流れ及び磁場を示す
平面図、第１Ｂ図は第１Ａ図の真新面図、第２図は溶融
体に磁界を与えるコイルの半径と対向するコイルの間隔
との関係を示す説明図、第３図は第２図におけるＺ軸上
の磁界の強さを示ずグラフ、第４Ａ図は溶融体に加えら
れる磁束線を示す本発明の装置の要部の立面部分語面図
、第４Ｂ図は第４Ａ図の平面部分断面図、第５図は低温
保持手段の高さの制限を示す概略図、第６Ａ図及び第６
Ｂ図は１降可能な低温保持手段を装着した単結晶の育成
装置の説明図である。 １．１１・・・・・・ルツボ、２，１２・・・・・・溶
融体、３．１９・・・・・・磁束線、１５・・・・・・
ヒータ、１７・・・・・・コイル、２５・・・・・・低
温保持手段。 第１Ａ図 第１Ｂ図 第４Ａ図 第４８図 第６Ａ図　　　　　第６Ｂ図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）石英ガラス製の円筒状ルツボと、このルツボの外
   側において前記ルツボの中心軸と同心に配置されており
   、前記ルツボ内の導電性を有する物質を加熱しかつ溶融
   するための環状の加熱手段と、この加熱手段の外側にお
   いて前記ルツボの中心軸に関して対称に対向して配置さ
   れており、溶融した前記物質の熱対流を阻止するための
   一対の磁石と、下端が前記溶融した物質の液面の中心部
   に接するように保持された単結晶とからなる前記単結晶
   を育成する装置において、前記単結晶の直径が前記ルツ
   ボの直径の１／２以下であることを特徴とする装置。
2. （２）前記物質が多結晶シリコンからなることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の装置。