JPS623093A - 結晶の成長装置 - 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〕 本発明は導電性を有する物質を加熱して溶融体とし、そ
の溶融体から結晶を引上げる装置に関する。更に詳しく
は、かかる装置の小型、軽量化全可能とする新規な結晶
引上げ装置に関する。

〔従来の技術〕

溶融体から結晶を引上げる方法の代表的なものはチョク
ラルスキー法である。チョクラルスキー法においては、
第３図に示すように、円形の横断面をもつるつぼｌの外
側に、円筒形の加熱体！をるつぼ／と同心に配置し、た
とえば加熱体２に電流を流すことによって発生するジー
ール熱によりるつぼｌ内に所定の物質の溶融体３をつく
り、結晶方位がそろった単結晶からなる種結晶Ｊ′ヲ溶
融体３の回転中心線弘上に位置させるとともに、溶融体
３の表面に接触させ、種結晶！に接続した支持体６を徐
々に引上げることにより、種結晶ｊと同様な結晶方位を
もった単結晶７を成長させる。

この場合、溶融体３は加熱体λにより主として側面から
加熱されているから、溶融体３の中心部の温度は外周部
の温度より低い。このため、溶融体３の内部に矢印２０
で大まかに示されるような熱対流が生ずる。この熱対流
は単結晶７が成長する界面りに温度のゆらぎをもたらし
、その結果成長した単結晶７の内部に特性の不均一性お
よび結晶欠陥を生じさせるなどの悪影響を及ぼす。

そこで、溶融体３が半導体工業において重要な結晶材料
であるシリコンのような導電性を有する物質である場合
には、溶融体３に対して１ｏｏｏ工ルステツド以上の強
い直流磁界を印加することによシ、上述のような熱対流
を抑制している。すなわち、第μ図に示すように、加熱
体２′ｆ：挾むように巨大な２個の磁石３１ｒを配置し
、これらの磁石３ｒから発生する横方向の直流磁界ｓｒ
＠溶融体３に印加している。なお加熱体コは上述のよう
に熱を発生するための手段であシ・そこに流れる電流に
基づいて直流磁界が発生することがあったとしても、そ
の直流磁界の強さは熱対流の抑制に関しては無視できる
程度に弱いものであった。

Ｃ発゛明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、かかる従来の装置には、以下の問題点が
あった。

問題点ｌ：従来の装置においては、重量が数トンにも達
する巨大な磁石３ｇが必要であるため、装置全体が大型
化２重量化し、又装置の平面寸法（第≠図中にＷｌで示
す、）が大きくなるという問題があった。

即ち、装置収容上、極めて重要、かつ現実的な要求であ
る装置の小型化、軽量化が困難であるという欠点があっ
た。

問題点２＝従来のこの種の装置においては、溶融体３の
横断面形状は普通回転中心線ｔに対して対称な円形であ
シ、また単結晶７の横断面も普通円形であることが望ま
れるのに対して、磁石３ｒＫよる直流磁界ｔｒは回転中
心線≠に対して非対称である。

従って、溶融体３の横断面内での温度条件その他にも非
対称性が生じ、単結晶７の横断面の変形横断面内での特
性の不均一性が生ずるなどの、結晶成長に係わる問題点
が副作用として発生するという欠点があった。

この現象について、補足説明を行なう。

溶融体が加熱体によって外側から均一に加熱されている
場合に、溶融体に磁界を印加しないときには、第７図に
模式的に示すよう釦、溶融体内にはａ　−ｆで示すよう
な熱対流が生ずる。

ところで、第μ図に示すような従来装置においては、磁
界が溶融液（単結晶）の回転中心線に対して直交するよ
うに水平磁界として与えられる。

即ち、溶融体に対して非対称な横磁界を印加したことに
なシ、この場合は第７図に示す熱対流ａ〜ｆの縦方向の
流れが抑制され、また熱対流ａ＋　　ｄの横方向の流れ
は抑制されないが、熱対流す、ｃ。

ｃ、ｆの横方向の流れの磁力線と直角方向の成分が抑制
されるので、熱対流ｂ＋ｃ＊ｅ＋ｆの横方向の流れは磁
力線と平行となる。（第ｒ図（ａ））このため・熱対流
ａ−ｆによる熱の流れは第ｒ図（ｂ）で示すようになる
ので、溶融体の等混線は第を図（、）で示すように楕円
形となるから、回転を伴わずに引き上げる場合には、結
晶の横断面形状が楕円形となってしまう３そして、結晶
の横断面形状が楕円形となるのを防止するため、結晶を
回転したときには、結晶の一つの成長点がたとえば第を
図（ｃ）に示すＡ−Ｄ点を通ることになるから、結晶が
成長する界面に温度のゆらぎが生じて、結晶の成長速度
に変化が生ずるので、結晶の横断面における不純物濃度
が不均一となり、また結晶欠陥が生ずるという欠点があ
った。

更に、従来装置においては、溶融体に横磁界を印加して
いるので先にも述べたように、溶融体内の熱対流閉曲線
のうち、縦方向の流れが抑制されることになる。抑制さ
れない横方向の流れを省略し、抑制に寄与する長さのみ
を矢印で示したものがｍｉｏ図である。同図におい文、
（、）は結晶引上げ開始直後の溶融液が多く残っている
場合を示し、（ｂ）は結晶引上げ完了直前の溶融液が少
ししか残っていない場合を示す。この両者を比較すれば
明らかなように、第グ図に示す従来例においては、結晶
の成長に伴って、残存溶融体の量が減少すると、熱対流
の縦方向の流れが短くなるから、溶融体の量の減少とと
もに横磁界による熱対流の抑制効果が減少し、溶融体の
攪拌が増大してくる。この結果不純物の濃度を結晶の長
さ方向において一定とすることはできないという欠点が
あった。

〔問題点を解決するための手段〕

上記、問題点を解決するために、本発明においては導電
性を有する物質を加熱して溶融体とし、その溶融体から
結晶を引上げる結晶の成長装置において、溶融体の対流
抑制用の磁界印加手段として、上記溶融体の回転中心線
を中心とする円筒形のソレノイドを少なくとも設けたも
のである。

以下、実施例を示して、本発明の作用、効果全説明する
。

〔実施例〕

第１図は、この発明に係る結晶の成長装置の第１の実施
例を示す図である。この結晶の成長装置においては、加
熱体２の外側に、加熱体λと同心の円筒形のソレノイド
どが配置されている。このようなソレノイドｒに直流電
流を流すと、ソレノイドとの内側の溶融体３が存在する
場所に、ソレノイドｒの巻数と電流の大きさに比例した
強さをもち、主として縦方向の直流磁界／♂が発生する
ことは、ビオ、サバールの法則によシ古くから知られて
いるところである。たとえば、ソレノイドｒの巻数を、
ソレノイドｒの高さ／蒔当り１０巻きとし、電流の大き
さをｌＯＯアンペアとすれば・直流磁界ｌ了の強さは約
／３００エルステッドとなり、熱対流を抑制する忙十分
な強さとなる。このよ５Ｋ、本発明においては、従来例
と同様に熱対流を抑制するの〈十分な強度の磁界を発生
できる点は共通であるが、第≠図に示す従来装置とは構
成において相違する。すなわち、本願発明においては、
溶融体の回転中心線を中心とする円筒形のソレノイドを
設けているのく対して、従来装置においては、電磁石（
磁場装置）をその磁力線が水平となるように設置してい
る。

この構成の相違に起因して、本願発明と従来装置・とけ
効果においても相違する。即ち、本発明の属するごとき
溶融体から結晶を引上げる結晶成長装置においては、一
般に直径に比べ高さが１〜１０倍である縦長構造をして
いるし、又、るつぼ等の構成要件も円筒形に近い形をし
ているものが多い。

換言すれば、装置全体が縦長の円筒状にみなせる点に着
眼し、本発明においては、その外側に同じく縦長のソレ
ノイドを設け、これにより対流抑制用の磁界を発生させ
たものである。このようにすれば、磁界印加手段も含め
た全体の寸法が磁界印加手段を持たぬ第３図の基本構造
に比べて、わずかに増加するだけで良いという極めて実
用上優れた効果が得られる。第７図と第≠図は、現実の
装置の主要部をほぼ同一縮尺率で図示したものであるが
・ＷｌとＷｏを比較すれば明らかなように装置の小型化
が可能であることがわかる。

更に、ソレノイドを使用することにより、少ない電力で
強い磁界を印加できるので、装置の小型化のみならず、
装置の軽量化や装置価格の安価が可能となる。

更に、磁界の強度分布の点からもンし・ノイドは溶融体
の攪拌抑制に有利である。すなわち、ソレノイド等の磁
場印加手段の中心と溶融体の中心を一致させて配するの
が装置の全体構成上自然であるが、第７図に示すように
溶融体の熱対流閉ループを考えると、溶融体の中心部で
は回転中心線に沿って下降する成分があるが、この場合
は第り図（ａ）に示すように、縦磁界を印加できる本発
明の構成においては、実線で示す部分（対流の方向が磁
界と平行な部分）には、対流抑制が作用せず、点線で示
す部分（対流の方向が磁界と直交する部分）のみに抑制
力が作用するので、この中心部には縦磁界の抑制効果は
作用せず、回転中心線から半径方向に離れた部分で縦磁
界と作用する横方向の流れが生じている。したがって、
磁界により有効拠熱対流閉ループを抑制するには、溶融
体の中心部よりも半径方向に離れた部分の磁界強度が強
くなるような磁界印加手段がより効果的であるが、ソレ
ノイドは中央を通る磁界が最も弱く、ソレノイドに近づ
く周辺部はど強くなる特性であるので、上記の目的に合
致する。したがって、少ない電力小さく、発熱体の震動
、破損が生じないという利点もある。これに対して、従
来装置のように電磁石を使用して縦磁界を印加するとき
には、λつの磁極の間の空隙の長さが極めて長い巨大な
電磁石を設置しなければならないので、装置が大形、大
重量（ソレノイドを使用した場合と比較して約２０倍）
となるとともに、価格が高価（ソレノイドを使用した場
合と比較して約ｉｏ倍）となり、また空隙内に発生する
磁界の強さは空隙の長さのおよそ２乗に反比例し、しか
も上述のソレノイドの磁界分布とは逆に、電磁石の磁極
の中央部の磁力線が最も強く、外側に向って磁力線が弱
くなるから、所望の強さの磁界を発生させるための消費
電力は莫大なものとならざるをえず、さらに磁界分布の
外乱が大きく、発熱体の震動、破損が生ずる。

次に本発明の秦する別の効果について説明する。

本発明においては、溶融体の回転中心線に対、して、ど
の放射方向に対しても対称な直流磁界を溶融体に印加し
ているので、第７図及び第？図（ａ）〜（ｃ）で説明し
たような従来装置が横（水平）方向の磁界を印加してい
ることによって生ずる熱の流れが非対称になったり、固
液界面の等温線が楕円化することもない。

即ち、第ｒ図に対比して本発明の特徴を図示すれば第り
図のようになる。同図に示すように、溶融体に対称な縦
磁界を印加したときには、磁力線と直角な流れは抑制さ
れ、磁力線と平行な流れは抑制されないので、熱対流ａ
〜「の縦方向の流れは抑制されないが、熱対流ａ　＝　
ｆの横方向の流れが抑制され、しかも熱対流ａ　＝　ｆ
は閉じた流れであるため、熱対流ａ　＝　ｆは全体的に
弱められるとともに、熱対流ａ　−ｆは溶融体の回転中
心線に対して対称に抑制されるので、熱対流ａ−ｆは溶
融体の回転中心線に対して対称となり、熱対流ａ〜ｆに
よる熱の流れは第り図（ｂ）で示すようになるから、結
晶育成上置も重要な溶融体の上部主面内の等温線は第り
図（ｃ）で示すように円形となる。（なお、第７図（ａ
）で示すように、熱対流の閉ループのうち、外部磁界に
より本質的に弱められる部分を破線で示し、弱められな
い部分を実線で示す。）このため、回転を伴っても、ま
たは伴わずに引き上げる場合においても、結晶の横断面
形状が円形となる。また、回転を伴って引き上げる場合
でも、結晶の外周部の特定の点は常に同一温度の溶融体
と接しながら回転することになるので、結晶の成長速度
も変化せず、結晶の横断面における不純物濃度が均一と
なり、また結晶欠陥が生ずることもないという利点があ
る。

さらに、本発明のように、溶融体に縦磁界を印加したと
きには、熱対流の横方向の流れが抑制され、かつ第１１
図（ａ）、　（ｂ）に示すように、溶融体の量が減少し
たとしても、熱対流の横方向の流れ（実線の矢印で示す
。なお、抑制されない熱対流の縦方向は省略しである。

）の長さは変化しないから、溶融体の量が減少したとし
ても、縦磁界による熱対流の抑制効果は常に一定である
。ここで溶融体が強く攪拌、されている場合には、不純
物の濃度が結晶の長さ方向において大きく変化するのに
対して、溶融体が全く攪拌されていない場合には不純物
の濃度が結晶の長さ方向において一定となることが知ら
れている。したがって、本発明のように、溶融体の量の
減少にかかわらず、熱対流拌がほとんど無い状態に保持
することができるので、不純物の濃度を結晶の長さ方向
において一定とすることができるという利点がある。

このように、溶融体の回転中心線に対して対称となるよ
うに縦方向の磁界を印加することは多くの利点を有する
が、第弘図に示す従来例の磁界印加手段をそのまま転用
することはできない。第よ図及び第６図は第弘図に示す
従来装置をるつぼや結晶引上げ部等の寸法はそのままで
、溶融液に同一強度の磁界を印加できるように、電磁石
を縦方向に配置した場合の装置の大きさを示したもので
ある。幅Ｗ、高さＨとも極めて大きくなり、体積比で５
〜１０倍、重量比で１０−２０倍となる。

これに対し、本発明においては、第１図〜第２図に示す
ように、磁界印加手段の付加による装置全体の寸法２重
量増加は、第３図に比べて著しく少なぐてよい。

なお、第２図は本発明の第２の実施例である。

（なお、気密容器３０等は省略しである）この結晶の成
長装置においては、第１図に示す加熱体２およびソレノ
イド♂の代りに、加熱と磁界印加の２つの作用をする加
熱兼磁界印加体♂が配置されている。（換言すれば、加
熱体２が省略されている。）この加熱兼磁界印加体ｒは
円筒形のソレノイドであり、るつぼｌと同心に設けられ
ており、またそのソレノイドの高さ／（Ｆｆｆｉ当りの
巻数をたとえば１巻とし、流す電流２！ｒの大きさをた
とえば１ｏｏｏアンペアとすれば、溶融体３を十分加熱
し、かつ熱対流の抑制に十分な強さの磁界を印加するこ
とができる。さらに、加熱兼磁界印加体ｒによｐ発生す
る主として縦方向の磁界が溶融体３の回転中心線≠に対
して対称となることは明らかである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明においては、導電性を有す
る物質全加熱して溶融体とし、その溶融体から結晶を引
上げる結晶の成長装置において、溶融体の熱対流抑制用
の磁界印加手段として、溶融体の回転中心線を中心とす
る円筒形のソレノイドを設けることにより装置の小型、
軽量化、低価格化が可能となる。

更に、ソレノイドを用いているので、磁界分布の外乱が
小さく、発熱体の震動、破損が生じない。

また、溶融体の回転中心線に対して、等方向な直流磁界
（縦方向磁界）を溶融体に印加するので、熱の流れが対
称となり、固液界面の等混線も同心円状となる。このだ
め、回転して結晶を引上げても、結晶の成長点は同一温
度の地点を回転するので、温度ゆらぎを受けず不純物濃
度の均一性を確保できるとともに、欠陥の発生を抑制で
きる。更に、溶融体の量の減少にかかわらず、熱対流の
抑制効果が常に一定であるので、不純物の濃度全結晶の
長さ方向において一定にできる。

なお、直径３インチの結晶引上げ装置に適用（７た場合
の従来例との比較を下の表に示す。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれ本発明の実施例、第３図は従
来の磁界を印加しない基本的な結晶の成長装置を示す概
略断面図、第μ図は従来の磁界を印加する結晶成長装置
の説明図、第！、６図は第≠図に示す従来の結晶成長装
置の磁界印加装置を単に垂直方向に磁界を印加するよう
に設計変更した場合の装置全体の大きさを比較するため
の説明図、第７図は溶融体内の対流を説明するための図
、第ｒ図は第≠図に示す従来例における印加磁界と溶融
体内の対流との関係を説明するための図、第７図は本発
明における印加磁界と溶融体内の対流との関係を説明す
るための図、第１０図及び第１１図はそれぞれ第≠図に
示す従来例、および本発明において、磁界が抑制できる
対流の部分の大きさについて、結晶引上直後及び結晶引
上げ完了直前の状態を対比した説明図である。 ／・・・るつぼ、λ・・・加熱体、３・・・溶融体、≠
・・・回転中心線、！・・・種結晶、乙・・・支持体、
７・・・単結晶、ｒ・・・ソレノイド、り・・・固液界
面、／ｒ・・・ソレノイドの作る直流磁界、２０・・・
加熱体により生ずる溶融体中の対流、２ｒ・・・ソレノ
イドに流す電流、３０・・・気密容器、３！、　≠Ｋ・
・・電磁石、５Ｋ・・電磁石の作る直流磁界。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電性を有する物質を加熱して溶融体とし、その
   溶融体から結晶を引上げる結晶の成長装置において、溶
   融体の熱対流抑制用の磁界印加手段として上記溶融体の
   回転中心線を中心とする円筒形のソレノイドを具備する
   ことを特徴とする結晶の成長装置。
2. （２）ソレノイドが溶融体に磁場を印加する装置と、溶
   融体を加熱する装置を兼ねていることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の結晶の成長装置。