JPS6246991A - 単結晶成長装置の融液対流制御法 - Google Patents
単結晶成長装置の融液対流制御法Info
- Publication number
- JPS6246991A JPS6246991A JP18172085A JP18172085A JPS6246991A JP S6246991 A JPS6246991 A JP S6246991A JP 18172085 A JP18172085 A JP 18172085A JP 18172085 A JP18172085 A JP 18172085A JP S6246991 A JPS6246991 A JP S6246991A
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- Japan
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- melt
- temp
- low
- beams
- lump
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- Pending
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B15/00—Single-crystal growth by pulling from a melt, e.g. Czochralski method
- C30B15/30—Mechanisms for rotating or moving either the melt or the crystal
- C30B15/305—Stirring of the melt
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の利用分野〕
本発明はシリコン、ガリウム砒素化合物、など半導体の
単結晶、あるいはＢ１４ＧｅｓＯｕなど酸化物の単結晶
を成長させる装置に係り、特に結晶欠陥が少ない高品質
単結晶の生産に適する。
単結晶、あるいはＢ１４ＧｅｓＯｕなど酸化物の単結晶
を成長させる装置に係り、特に結晶欠陥が少ない高品質
単結晶の生産に適する。
従来の装置は、結晶の品質に重要な影響を及ぼす融液の
温度変動を抑制するだめの積極的な対策を施していない
か、あるいは磁場を印加することにより融液の対流を抑
制する方法がとられていた。
温度変動を抑制するだめの積極的な対策を施していない
か、あるいは磁場を印加することにより融液の対流を抑
制する方法がとられていた。
しかし、後者のごとく積極的な抑制策を講じたものでも
、温度変動の発生機構についての考察が欠けており専ら
経験に頼っているため、磁場印加に要する電力消費が膨
大になる装置の占有空間が増す、などの点については配
慮されていなかった。
、温度変動の発生機構についての考察が欠けており専ら
経験に頼っているため、磁場印加に要する電力消費が膨
大になる装置の占有空間が増す、などの点については配
慮されていなかった。
チョクラルスキー法による単結晶成長方法に関する発明
は特開５９−３９７９４、特開５９−４５９９１に見ら
れる。これらは結晶柱の直径の制御を目的としたもので
、特開５９−３９７９４の例ではレーザー光を、特開５
９−４５９９１の例では集光された赤外線を、結晶柱外
周近くの融液表面に照射する。
は特開５９−３９７９４、特開５９−４５９９１に見ら
れる。これらは結晶柱の直径の制御を目的としたもので
、特開５９−３９７９４の例ではレーザー光を、特開５
９−４５９９１の例では集光された赤外線を、結晶柱外
周近くの融液表面に照射する。
照射位置は静止座標から見ると固定されており、融液の
回転に伴なって加熱された融液部分が円周方向に移動す
る。結晶柱周辺の融液のある部分に注目すると、ビーム
照射位置を通過するたびに加熱を受ける。これらの従来
例が狙った効果は結晶柱周辺の融液を円周に沿ってほぼ
均一に加熱し、結晶柱の直径を一定に保つことを容易に
したり、結晶柱の直径を予めプログラム化された変化曲
線に従って変化させることにある。このためビームの照
射位置を移動させたとしても半径方向にのみ移動させる
ことを考慮している。これらの方法では、円周に沿って
移動する非軸対称な融液の対流パターンの低温部分を選
択的に加熱することができない。
回転に伴なって加熱された融液部分が円周方向に移動す
る。結晶柱周辺の融液のある部分に注目すると、ビーム
照射位置を通過するたびに加熱を受ける。これらの従来
例が狙った効果は結晶柱周辺の融液を円周に沿ってほぼ
均一に加熱し、結晶柱の直径を一定に保つことを容易に
したり、結晶柱の直径を予めプログラム化された変化曲
線に従って変化させることにある。このためビームの照
射位置を移動させたとしても半径方向にのみ移動させる
ことを考慮している。これらの方法では、円周に沿って
移動する非軸対称な融液の対流パターンの低温部分を選
択的に加熱することができない。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、必要とする電力消費が小さく、かつ既
設の装置の構造に大きな変更を加えずに、従って装置の
占有空間が既占有空間から僅かに増すのみで済み、融液
の温度変動を効果的に抑制する手段を提供することにあ
る。
設の装置の構造に大きな変更を加えずに、従って装置の
占有空間が既占有空間から僅かに増すのみで済み、融液
の温度変動を効果的に抑制する手段を提供することにあ
る。
融液の温度変動のうち、結晶の品質に重要な影響を及ぼ
すのは結晶が成長する固液界面近くの温度変動であるこ
とに着目し、固液界面近く、即ち融液の自由表面近くに
見られる非軸対称対流パターンの発生機構を考察したう
えで、これの発生を抑制する方法を発明した。
すのは結晶が成長する固液界面近くの温度変動であるこ
とに着目し、固液界面近く、即ち融液の自由表面近くに
見られる非軸対称対流パターンの発生機構を考察したう
えで、これの発生を抑制する方法を発明した。
本発明は、結晶柱の周辺の融液をレーザービームあるい
は電子ビームによって加熱し、これによって高温の融液
塊と低温の融液塊とを移動せしめようとする駆動力を弱
め、非軸対称な対流パターンの出現を抑制するものであ
る。加熱は、低温部が自由表面に現われる部分を選択的
に照射することにより行なう。
は電子ビームによって加熱し、これによって高温の融液
塊と低温の融液塊とを移動せしめようとする駆動力を弱
め、非軸対称な対流パターンの出現を抑制するものであ
る。加熱は、低温部が自由表面に現われる部分を選択的
に照射することにより行なう。
本発明の一実施例を第１図〜第２図に示す。
１はるつぼ、２は融液、３は結晶柱、４は引き上げ棒で
ある。５はレーザービーム発生装置で、レーザービーム
７は、第２図に示すような、３個の揺動鏡ＳＭと６個の
固定鏡Ｍにより分割し、結晶柱３の外周近傍の融液２を
加熱する。揺動鏡ＳＭの動きの位相を調節することによ
シ、ビームが照射する位置（４ケ所）を定められた周期
で変えることができる。この方法の利点は、非軸対称の
対流パターンが発生する固有の周期に合わせて加熱を行
なうことができることにある。なお、レーザービームの
代りに、電子ビームを用いても同様な効果がある。
ある。５はレーザービーム発生装置で、レーザービーム
７は、第２図に示すような、３個の揺動鏡ＳＭと６個の
固定鏡Ｍにより分割し、結晶柱３の外周近傍の融液２を
加熱する。揺動鏡ＳＭの動きの位相を調節することによ
シ、ビームが照射する位置（４ケ所）を定められた周期
で変えることができる。この方法の利点は、非軸対称の
対流パターンが発生する固有の周期に合わせて加熱を行
なうことができることにある。なお、レーザービームの
代りに、電子ビームを用いても同様な効果がある。
ここで、非軸対称対流パターンの発生機構を第４図〜第
７図を用い説明する。結晶柱３の近くの融液２の温度は
結晶柱に近づくほど下がり、等温線を示すと破線のよう
になる。第４図又は第５図において、比較的高温の融液
塊Ａ（温度Ｔム）、比較的低温の融液塊Ｂ（温度Ｔ＋＋
）を考えると、これらの流体塊はるつぼの回転あるいは
結晶柱の回転に起因する融液の回転のために遠心力にさ
らされる。融液塊Ａは高温で密度が小さいため半径の内
方向、即ち結晶柱に近づく方向に移動しようとし、融液
塊Ｂは密度が大きいので半径の外方向、即ち結晶柱から
遠ざかる方向に移動しようとする。これら融液塊を移動
させようとする駆動力は、融液内の半径方向温度こう配
が大きいほど大きい。一方、融液塊の移動に抵抗する力
は融液が有する粘性で、移動が実際に生ずｂのは上記の
駆動力が粘性力に勝ったときである。ひとたび移動が生
ずる条件が整うと、融液塊Ａが融液塊Ｂの上方にそして
ＢはＡの下方に、あるいはＢがＡの上方にそしてＡがＢ
の下方に移動する。回転する融液にはコリオリカが作用
しているので、実際には密度の小さい融液塊Ａは密度の
大きい融液塊Ｂよシ相対的に大きな回転速度を有してい
る。即ち融液塊の間には回転速度の差があり、これが作
用して上記のＡがＢの上へ移動するパターンとＡがＢの
下へ移動するパターンとが、結晶柱まわりの円周に沿っ
て交互に現われる。これを融液の自由表面の上方から見
ると第６図５０のごとくなる。融液の縦断面をとって見
ると第７図に示すごときパターン５０゜６０が組み合わ
さって結晶柱の回転速度と異なる速度でもって回転する
。結晶の成長界面に固定した一点から見た融液温度は、
時間と共に変動する温度で、これがため成長速度の変動
ひいては不純物原子の結晶への取り込みに変動が生じ、
結晶の不均質化をもたらす。
７図を用い説明する。結晶柱３の近くの融液２の温度は
結晶柱に近づくほど下がり、等温線を示すと破線のよう
になる。第４図又は第５図において、比較的高温の融液
塊Ａ（温度Ｔム）、比較的低温の融液塊Ｂ（温度Ｔ＋＋
）を考えると、これらの流体塊はるつぼの回転あるいは
結晶柱の回転に起因する融液の回転のために遠心力にさ
らされる。融液塊Ａは高温で密度が小さいため半径の内
方向、即ち結晶柱に近づく方向に移動しようとし、融液
塊Ｂは密度が大きいので半径の外方向、即ち結晶柱から
遠ざかる方向に移動しようとする。これら融液塊を移動
させようとする駆動力は、融液内の半径方向温度こう配
が大きいほど大きい。一方、融液塊の移動に抵抗する力
は融液が有する粘性で、移動が実際に生ずｂのは上記の
駆動力が粘性力に勝ったときである。ひとたび移動が生
ずる条件が整うと、融液塊Ａが融液塊Ｂの上方にそして
ＢはＡの下方に、あるいはＢがＡの上方にそしてＡがＢ
の下方に移動する。回転する融液にはコリオリカが作用
しているので、実際には密度の小さい融液塊Ａは密度の
大きい融液塊Ｂよシ相対的に大きな回転速度を有してい
る。即ち融液塊の間には回転速度の差があり、これが作
用して上記のＡがＢの上へ移動するパターンとＡがＢの
下へ移動するパターンとが、結晶柱まわりの円周に沿っ
て交互に現われる。これを融液の自由表面の上方から見
ると第６図５０のごとくなる。融液の縦断面をとって見
ると第７図に示すごときパターン５０゜６０が組み合わ
さって結晶柱の回転速度と異なる速度でもって回転する
。結晶の成長界面に固定した一点から見た融液温度は、
時間と共に変動する温度で、これがため成長速度の変動
ひいては不純物原子の結晶への取り込みに変動が生じ、
結晶の不均質化をもたらす。
本発明は結晶柱の周辺の融液をレーザービームあるいは
電子ビームによって加熱し、これによって高温の融液塊
と低温の融液塊とを移動せしめようとする駆動力を弱め
、非軸対称な対流パターンの出現を抑制するものである
。この際、結晶柱周辺を円周方向に一様に加熱するので
はなく、低温腕Ｂが自由表面に現れる部分を選択的に照
射する。
電子ビームによって加熱し、これによって高温の融液塊
と低温の融液塊とを移動せしめようとする駆動力を弱め
、非軸対称な対流パターンの出現を抑制するものである
。この際、結晶柱周辺を円周方向に一様に加熱するので
はなく、低温腕Ｂが自由表面に現れる部分を選択的に照
射する。
低温腕Ｂが自由表面に現れる箇所の個数は融液の半径方
向温度こう配がゆるやかな時は少なく、温度こり配が急
になるほど多くなる。温度こう配はるつぼ壁の温度、結
晶材料の融点、るつぼ内壁から結晶柱外周までの半径方
向距離が与えられると推定でき、推定温度こう配に対応
して何個の低温腕が融液自由表面に現れるかは、予め実
験を行ない確めておく。更に低温腕は一般に結晶柱の回
転より遅い速度で結晶柱周りを移動する。この移動速度
は主として結晶柱とるつぼの回転速度により決まり、こ
れも予め実験を行ない確定しておくことができる。ビー
ムを照射する際、実際にどこに低温腕があるかは、融液
表面の透明度の変化、あるいは赤外線温度センサを用い
た融液表面の温度検知により確めることができる。ビー
ムの本数、照射位置、低温腕の移動を追随する円周方向
移動速度、は運転する引上げ装置についてひとたび定め
ておけば繰り返し用いればよい。なお、これらのパラメ
ータは結晶の引上げに伴ない変化する場合もおり、この
場合には予め制御用プログラムを作成しておき、ビーム
の制御を行なう。
向温度こう配がゆるやかな時は少なく、温度こり配が急
になるほど多くなる。温度こう配はるつぼ壁の温度、結
晶材料の融点、るつぼ内壁から結晶柱外周までの半径方
向距離が与えられると推定でき、推定温度こう配に対応
して何個の低温腕が融液自由表面に現れるかは、予め実
験を行ない確めておく。更に低温腕は一般に結晶柱の回
転より遅い速度で結晶柱周りを移動する。この移動速度
は主として結晶柱とるつぼの回転速度により決まり、こ
れも予め実験を行ない確定しておくことができる。ビー
ムを照射する際、実際にどこに低温腕があるかは、融液
表面の透明度の変化、あるいは赤外線温度センサを用い
た融液表面の温度検知により確めることができる。ビー
ムの本数、照射位置、低温腕の移動を追随する円周方向
移動速度、は運転する引上げ装置についてひとたび定め
ておけば繰り返し用いればよい。なお、これらのパラメ
ータは結晶の引上げに伴ない変化する場合もおり、この
場合には予め制御用プログラムを作成しておき、ビーム
の制御を行なう。
他の実施例を第３図に示す。上述の実施例と同様に引き
上げ装置の上部にレーザービーム発生装置４を置き、レ
ーザービーム７を結晶柱３の上方に設置した回転鏡９に
より反射し、るつぼ１の上方に設けた固定鏡８に当てる
。固定鏡８で反射されたビーム７は結晶柱３の周辺の融
液２を加熱する。回転鏡９０回転数とビーム照射位置の
移動とは同期しているので、回転数を調節して照射位置
の移動速度を変えることができる。第１の実施例と比較
した場合のこの方法の利点は、レーザービームの照射位
置を連続的に変えられるので、非軸対称対流パターンの
発生周期とよりよく一致した周期で加熱を行ない、これ
によって非軸対称対流パターンの発生をより確実に抑制
することができる点にある。更に第１の実施例では固定
鏡Ｍから外れた位置の炉壁をビームが照射してしまう期
間があり、無効なエネルギー消費があるが、この実施例
ではレーザー発生装置から発したビームのエネルギーが
有効に利用できる。
上げ装置の上部にレーザービーム発生装置４を置き、レ
ーザービーム７を結晶柱３の上方に設置した回転鏡９に
より反射し、るつぼ１の上方に設けた固定鏡８に当てる
。固定鏡８で反射されたビーム７は結晶柱３の周辺の融
液２を加熱する。回転鏡９０回転数とビーム照射位置の
移動とは同期しているので、回転数を調節して照射位置
の移動速度を変えることができる。第１の実施例と比較
した場合のこの方法の利点は、レーザービームの照射位
置を連続的に変えられるので、非軸対称対流パターンの
発生周期とよりよく一致した周期で加熱を行ない、これ
によって非軸対称対流パターンの発生をより確実に抑制
することができる点にある。更に第１の実施例では固定
鏡Ｍから外れた位置の炉壁をビームが照射してしまう期
間があり、無効なエネルギー消費があるが、この実施例
ではレーザー発生装置から発したビームのエネルギーが
有効に利用できる。
なお、第６図には、１個のレーザービーム発生装置しか
例示されていないが、複数個のレーザービーム発生装置
と反射鏡を垂直方向に重ねて設置し、かつ、回転鏡の回
転位相をずらせることにより、複数個のビームを異なる
位相で結晶周りに移動させることもできる。
例示されていないが、複数個のレーザービーム発生装置
と反射鏡を垂直方向に重ねて設置し、かつ、回転鏡の回
転位相をずらせることにより、複数個のビームを異なる
位相で結晶周りに移動させることもできる。
本発明によれば、低温腕にビームを照射することによυ
結晶柱周辺の融液の温度変動を抑制することができるの
で、結晶の固液界面における成長速度の変動を抑制し、
ひいては不純物原子が結晶内に取り込まれる濃度の変動
を抑え、即ち高品質単結晶が得られる。
結晶柱周辺の融液の温度変動を抑制することができるの
で、結晶の固液界面における成長速度の変動を抑制し、
ひいては不純物原子が結晶内に取り込まれる濃度の変動
を抑え、即ち高品質単結晶が得られる。
第１図は本発明の一実施例の単結晶成長装置の要部縦断
面を示す図、第２図は第１図の装置の平面図、第３図は
本発明の他の実施例の平面図、第４図、第５図は各々結
晶柱と融液部分の断面図、第６図及び第７図は従来の冷
却法における問題点を説明するための図で、第６図は平
面図、第７図は縦断面図である。 １・・・るつぼ、２・・・融液、３・・・結晶柱、５・
・・レーザ竿１０ 不２ 口 早 ３ 口 箒４ 口 第 ５ ［￥］
面を示す図、第２図は第１図の装置の平面図、第３図は
本発明の他の実施例の平面図、第４図、第５図は各々結
晶柱と融液部分の断面図、第６図及び第７図は従来の冷
却法における問題点を説明するための図で、第６図は平
面図、第７図は縦断面図である。 １・・・るつぼ、２・・・融液、３・・・結晶柱、５・
・・レーザ竿１０ 不２ 口 早 ３ 口 箒４ 口 第 ５ ［￥］
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、るつぼに入れた融液から単結晶を凝固させつつ引き
上げる装置において、融液の温度変動を抑制するために
、レーザービーム、あるいは電子ビームなどの照射によ
る光学的方法により、結晶柱周辺の融液を加熱するもの
において、結晶柱周辺の融液自由表面に表われる低温塊
を検出し、該低温塊に１個ないし複数個のビームを照射
しながら該ビームを結晶柱周囲の円周方向に移動させる
ことを特徴とする単結晶成長装置の融液対流制御法。 ２、低温塊の位置を融液表面の透明度の変化によつて検
出することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の単
結晶成長装置の融液対流制御法。 ３、低温塊の位置を融液表面の温度によつて検出するこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の単結晶成長
装置の融液対流制御法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18172085A JPS6246991A (ja) | 1985-08-21 | 1985-08-21 | 単結晶成長装置の融液対流制御法 |
| DE19863627215 DE3627215A1 (de) | 1985-08-21 | 1986-08-11 | Verfahren zum steuern der konvektion einer schmelze beim zuechten eines einkristalls |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18172085A JPS6246991A (ja) | 1985-08-21 | 1985-08-21 | 単結晶成長装置の融液対流制御法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6246991A true JPS6246991A (ja) | 1987-02-28 |
Family
ID=16105691
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18172085A Pending JPS6246991A (ja) | 1985-08-21 | 1985-08-21 | 単結晶成長装置の融液対流制御法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6246991A (ja) |
| DE (1) | DE3627215A1 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04144990A (ja) * | 1990-10-05 | 1992-05-19 | Osaka Titanium Co Ltd | 結晶成長方法 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DD161231A1 (de) * | 1981-03-31 | 1985-07-31 | Freiberg Spurenmetalle Veb | Verfahren zur ueberwachung, steuerung und regelung von kristallzuechtungsprozessen |
-
1985
- 1985-08-21 JP JP18172085A patent/JPS6246991A/ja active Pending
-
1986
- 1986-08-11 DE DE19863627215 patent/DE3627215A1/de not_active Ceased
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH04144990A (ja) * | 1990-10-05 | 1992-05-19 | Osaka Titanium Co Ltd | 結晶成長方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE3627215A1 (de) | 1987-02-26 |
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