JPS6278184A - 単結晶育成装置 - 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】 ［発明の技術分野］ 本発明は、単結晶原料融液に磁場を印加する磁石装置を
具備した単結晶育成装置に関する。

［発明の技術的背景］ 従来のチョクラルスキー法（ＣＺ法）による単結晶育成
装置の一例として第６図のように構成されたものがある
。すなわち、単結晶原料融液１（以下原料融液とする）
が充填しであるルツボ２はヒータ３により加熱され単結
晶原料は常に融液状態を保っている。この融液中に種結
晶４を挿入し、引上駆動８１１１１５により種結晶４を
ある一定速度にて引上げてゆくと、固−液界面境界！！
１６にて結晶が成長し、単結晶７が生成される。

この時、加熱手段例えばヒーター３の加熱によって誘起
される融液の液体的運動、すなわち熱対流８が発生する
。この熱対流８の発生原因は次の様に説明される。熱対
流は一般に流体の熱膨張による浮力と流体の粘性力との
釣合いが破れた時に生ずる。この浮力と粘性力の釣合い
関係を現わす無次元量がグラスホフ数Ｎ。ｒである。

Ｎａｒ＝（Ｉｆ　・α・ΔＴ−Ｒ３／シ３ここで、ｇ二
重力加速度 α：原料融液の熱膨張率 ΔＴニルツボ半径方向温度差 Ｒニルツボ半径 シ：原料融液の動粘性係数 一般に、グラスホフ数Ｎ。ｒが融液の幾何学的寸法、熱
的境界条件等によって決定される臨界値を越えると融液
内に熱対流が発生する。通常Ｎｏ　ｒ　＞　１０’にて
融液の熱対流は乱流状態、Ｎｏｒ＞１０’では撹乱状態
となる。現在行なわれている直径３〜４インチの単結晶
引上げの原料融液条件の場合Ｎａｒ＞１９９となり（上
記Ｎ。ｒの式による）原料融液内は撹乱状態となり原料
融液表面すなわち固−液界面境界層６は波立った状態と
なる。

このような撹乱状態の熱対流が存在すると、原ｎ融液内
、特に固−液界面での温度変動が濫しくなり固−液界面
境界層厚の位置的時間的変動が激しく、成長中結晶の微
視的再溶解が顕著となり成長した単結晶中には転位ルー
プ、積層欠陥等が発生する。しかもこの欠陥部分は不規
則な固−液界面の変動により単結晶引上方向に対して非
均−に発生する。更に、高温原料融液１（例えば１５０
０℃程度）が接するルツボ２内面に於ける原料融液１中
に溶解する不純物９が、この熱対流８により搬送され原
料融液内部全体にわたって分散する。この不純物９が核
となり単結晶中に転位ループや欠陥、成長縞等が発生し
て単結晶の品質を劣化させている。

このため、このような単結晶より集積回路（しＳｌ）の
ウェハーを製造する際、欠陥部分を含んだウェハーは電
気的特性が劣化しているため使い物にならず歩留りが悪
くなる。今後、単結晶は増々大直径化してゆくが、上記
のグラスホフ数の式からもわかるようにルツボ直径が増
大すればする程、グラスホフ数も増大し、原料融液の熱
対流は一層激しさを増し、単結晶の品質も劣化の一途を
たどることになる。

このようなことから従来、熱対流を抑制し熱的・化学的
に平衡状態に近い成長条件にて単結晶引上げを行なうた
めに、原料融液１に直流磁場を印加する単結晶生成装置
が提案（特開昭５７−１４９８９４号公報）されている
。第７図はこの概略構成を示すもので第６図と同一部分
には同一符号を付してその説明は省略する。ルツボ２の
外周に磁石１０を配置し原料融液１中に矢印１１の方向
（磁場印加方向）に一様磁場を印加する。単結晶の融液
は一般に電気伝導度σを有する導電体である。このため
、電気伝導度σを有する流体が熱対流により運動する際
磁場印加方法１１と平行でない方向に運動している流体
は、レンツの法則により磁場的抵抗力を受ける。このた
め熱対流の運動は阻止される。一般に、磁場が印加され
た時の磁気抵抗力すなわち磁気粘性係数νｅｒｆは ｖｅｒｆ　＝　（μＨＤ）　２ａ／ρ ここで、μ：ＦｉＡ点の透磁率 Ｈ：磁場強さ Ｄニルツボ直径 σ：融液の電気伝導度 ρ：融液の密度 となり、磁場強さが増大すると磁気粘性係数νｅｆｆが
増大し、先に示したグラスホフ数の式中のνが増大する
こととなりグラスホフ数は急激に減少し、ある磁場強さ
によってグラスホフ数を臨界値より小さくすることが出
来る。これにより、融液の熱対流は完全に抑制される。

このようにして磁場を印加することにより熱対流が抑制
されるので前記した単結晶中の不純物含有、転位ループ
の発生・欠陥・成長縞の発生がなくなり、しかも引上方
向に均一な品質の単結晶が得られ、単結晶の品質および
歩留りが向上する。

［背景技術の問題点］ ところで、第７図に示す従来の磁石１０を具備した単結
晶育成装置には次のような欠点がある。

育成する単結晶サイズが４インチ以上のいわゆる大型単
結晶育成装置では、ルツボ２およびヒータ３を収納して
いるチャンバー１２が数百Ｍφ以上と大型であり、ルツ
ボ２自身も６インチφ以上と大口径である。ルツボ２の
直径と深とさの関係は、通常、直径〉深さとなっており
、原料融液１を最大にチャージした場合でも１／２直径
た深さ程度である。この様な形状をしたルツボ２内にチ
ャージされた原料融液１に磁場を印加すると、第７図の
１３なる磁場強度分布となり、ルツボ２の高さ方向に対
して温度がほぼ一様となる。通常、固液界面境界層６で
の磁場強度Ｂ１とルツボ２の下部となる。従って、磁場
強度分布１３に対応する原料融液１のグラスホフ数分布
は第２図に示す１４のようになり、原料融液１のいたる
ところで臨界グラスホフ数ＮａＣ以下となる。

ここで、ＮｏｔおよびＮ。２は各々固液界面境界層６お
よびルツボ２の底部の原料融液１のグラスホフ数に対応
する。よって、ルツボ２の内部の原料融液１はいたると
ころでその熱対流が抑制され、原料融液１は完全に静止
した状態となる。この状態では、対流熱伝達による熱の
移動路がなくなり、ヒータ３からの原料融液１への熱供
給は熱伝導のみとなる。

さて、単結晶サイズが２〜３インチφと比較的小型の場
合は、ルツボ２も４〜５インチφと小型であり、磁場印
加により融液が完全に静止してもヒータ３から供給され
る熱は、原料融液１の熱伝導により充分に固液界面境界
層６まで伝えられるので、固液界面境界層１６とルツボ
２の周辺部との温度差（通常１０数℃以内）はほとんど
生じない。

これに対して、単結晶サイズが４インチφ以上の大型単
結晶育成装置では、ルツボ２の直径が６インチφ〜１４
インチφと大型化するため熱伝導のみではもはやルツボ
２の中心にある固液界面境界Ｍ６まで充分にヒータ３の
熱が伝わらない。このため、固液界面境界層６とルツボ
２の周辺部では大きな温度差（通常数１０℃程度）が生
じてしまう。固液界面境界層６にて有効に単結晶７の育
成を行なうためには、その場所が原料融液１の融液湿度
より充分に高いことが必要である。このため、ヒータ３
の電力を増大させ温度勾配に打ち勝つて、固液界面境界
層６に所要の温度を与えねばならない。更に、温度勾配
が大きいと、単結晶サイズが大きい場合は固液界面境界
層６内でも相当の温度勾配が生じてしまう。均質な単結
晶７を育成させるためには育成流域での温度一様性も要
求される。よって、このような温度の温度勾配が原料融
液１中に存在することは単結晶育成上好ましくない。ま
た、ルツボ２の中心と周辺部との温度差が大きすぎとる
と、ルツボ２に作用する熱応力が過大となりルツボ２の
割れが生じやすくなる。

以上のような問題点を解決するため、従来例えば第３図
に示す単結晶育成装置が考案されている。

以下第３図について説明するが、第６図、第７図と同一
部分には同一符号を付してその説明を省略する。

チャンバー１２の外周に容器１６ａ、１６ｂにそれぞれ
収給された例えば超電導円形コイル１５ａおよび１５ｂ
を、これら円形コイル１５ａ、１５ｂの中心軸と単結晶
引上例中心軸とが一致する様に、ｔｎ石架台２ｏにｉｌ
’ｉ！置する。この場合、円形コイル１５ａ、コイル５
ｂは同一の巻線数を有し、励田電！１８に対して直列に
接続されているが、その発生する磁界はそれぞれ反対方
向となる様コイル通電電流の向きを逆になるように配置
する。コイル１５ａおよび１５ｂにより発生する磁界は
例えば第４図のようになる。すなわち、コイル１５ａお
よび１５ｂの中心軸をそれぞれＸ軸、Ｚ軸とすれば原点
に於ける磁場Ｂｏは零、その他の領域では図示の楕円型
等磁界強度分布となり、原点より遠ざかるにつれてその
磁界強度は増す。但し、ここで定義した磁界強度はＸ軸
方向成分磁界とＺＮ方向成分磁界との合成値である。Ｘ
軸上の磁界は、Ｂ３の如く、いたるところＸ軸成分のみ
であり、Ｙ軸上の磁界はＢ４の如くいたるところＸ軸成
分のみである。その他領域に関しては、磁界はＸ軸およ
びＸ軸成分を有し、かつＺ軸に対して軸対称である。磁
界の大きさ方向は、第４図に模擬的に示すようにＢｓ　
、Ｂｓ　、Ｂ７どなるにつれ、その強度は増大しかつＸ
軸成分が増大してくる。あるいは、Ｂｓ　、Ｂｅ　、Ｂ
ｅとなるにつれ、その強度は減少し、かつＺ軸成分が増
大してくる。コイル１５ａおよび１５ｂはそれぞれ容器
１６ａおよび１６ｂに収納され、これらは、接続部１７
により連結されている。コイル１５ａおよび１５ｂへの
励磁電流の供給は励磁電源１８より行なわれる。

引上駆動機構５と中央制御装置は制御回路で結ばれ、単
結晶７の引上速度が中央制御装置に入力される。励磁電
源１８より供給される励磁電流値は中央制御装置により
制御される。

次に、上記のように構成された従来の単結晶育成装置の
作用について説明する。コイル１５ａおよび１５ｂにて
発生する第４図にて示した磁界強度分布を有する磁界を
、第５図に示すようにルツボ２内の原料融液１に印加す
る。第５図に於いて、等磁界強度曲線Ｂｉがちょうど原
料融液１の臨界グラスホフ数Ｎ。Ｃに対応する様にＢ箇
を選ぶ。

例えば、Ｂｍとしては１０００〜２０００ガウスとする
。この値は、原料融液１の種類、初期チャージ量、ルツ
ボ２の内径等により決定される。このようにすれば、曲
線Ｅ３＋より内部の領域では、印加磁界強度ＢがＢ＜Ｂ
Ｉとなり、原料融液１のグラスホフ数ＮｏはＮ。＞Ｎｏ
ｃとなるので、この領域内では原料融液１の熱対流８が
発生する。

一方、曲線Ｂｍより外部の領域では、これとは逆に、Ｂ
＞ＢｍとなりＮｏ　＜Ｎ。Ｃとなるので、原料融液１は
熱対流８が抑制され完全に静止した状態となる。ここで
、原料融液１が静止している領域長さＨｌは、固液界面
境界層６の厚みをδ。

原料融液１の初期高さをＨａとすれば、δ〈Ｈｌ＜Ｈａ
　となり、原料融液１の種類、初期チャージ量、ルツボ
２の内径等により決定される。コイル１５ａ、１５ｂの
形状、アンペアターン、コイル間距離等は、所要の８１
．０．’Ｈａ　、ａｍ等に適合する様に磁界計算によっ
て求められる。曲線Ｂｇ＋より内部領域では、熱対流８
が存在しているので、ヒータ３からの熱はこの熱対流に
よる対流熱伝達により有効に中心部まで伝熱される。こ
れにより、この領域内はほぼ一様の温度分布となる。一
方、曲線Ｂｍより外部領域では、原料融液１は完全に静
止しているので対流熱伝達による熱の移動はない。従来
の原料融液１の熱対流８がいたるところで抑制される場
合は、固液界面境界層ｉＩ６へのヒータ３よりの熱移動
はルツボ２の周囲よりの熱伝導によるもののみであった
が、第３図の場合は固液界面境界Ｈ６のすぐ下の深さＨ
ｌ　（Ｈｔｘ１／２Ｄ）より下部の一様温度融液部から
の熱伝導により固液界面境界層６が有効に加熱される。

従って、第７図に示す従来装置に比べて固液界面境界層
６への伝熱効果が高められるので、ルツボ２の周辺部と
の温度差が小さくなる。しかも、固液界面境界層６は静
止状態となっているので、熱的化学的安定状態で単結晶
７が育成出来るのは第７図に示す従来装置と同様である
。また、単結晶７が育成される固液界面境界層６の真下
まで原料融液１は熱対流８により良く攪拌されているの
で、均質な原料融液１が育成部へと供給される。

ところが、この様に構成された第３図の従来の単結晶育
成装置には次のような欠点がある。

単結晶育成装置のチャンバー１２はその機種によっては
上部すなわち、コイル１５ａおよび容器１６ａが配置さ
れる位置にチャンバー接続用のフランジ、クランプ等の
構造物がある場合がある。

例えば、高圧容器となるＧａＡＳ（ヒ素ガリウム）単結
晶用の装置では通常この様な構造となっている。

この場合は、これら構造物が干渉するため容器１６ａに
相当する部分には大きなコイルを配置することが不可能
となる。すなわち、コイル１５ａと１５ｂを同一の巻線
数にする事ができず上記した効果を有する単結晶育成装
置が提供できなくなる。

［発明の目的コ そこで、本発明は上記した従来装置のもつ欠点を除去す
るためになされたもので、固液界面境界層とルツボ周辺
部とのｉｒ！ｉ差を小さくでき、これによって高品質な
（均一な）単結晶を育成できる上、いかなる機種に対し
ても適用が可能な単結晶育成装置を提供することを目的
としている。

［発明の概要］ 本発明は上記目的を達成するために、容器内の単結晶原
料を加熱手段により加熱して原料融液を作り、この原料
融液中に種結晶を挿入し、この種結晶を引上駆動機構に
よりある一定速度で引上げて固液界面境界層にて単結晶
が育成される単結晶育成装置において、上記原料融液を
収容するルツボを介して相対向するコイルにより発生す
る磁界が互いの磁界を打消すように配置し、しかも上記
の相対向するコイルの巻線数を変えて非対称な磁界分布
を形成させる磁石装置を備えたものである。

［発明の実施例］ 以下本発明について口面を参照して説明する。

はじめに第１図に示す単結晶育成装置の第１の実施例に
ついて説明するが、第６図および第７図と同一部分には
同一符号を付してその説明を省略する。

チャンバー１２の外周に、容器１６ａ、１６ｂにそれぞ
れ収納された例えば超電導円形コイル１５ａおよび１５
ｂを、これら円形コイル１５ａ。

１５ｂの中心軸と単結晶引上機中心軸とが一致する様に
、磁石架台２０上に配置する。この場合、チャンバー１
２の上部側にフランジ、クランプ等の障害物２１がある
場合は、その位置に設置する円形コイル１５ａはこれら
と干渉しない程度に小さくする。下部に設置するコイル
１５ｂはコイル１５ａとの組み合せにより以下に説明す
る第２図。

第５図に示すような磁界分布になる様にその形状、アン
ペアターンを選んでやる。従って、コイル１５ａとコイ
ル１５ｂの巻線数は互いに異なる。

コイル１５ａとコイル１５ｂは励磁電源１８に対して直
列に接続され各コイル１５ａ、１５ｂには同一の電流が
供給される。又、コイル１５ａとコイル１５ｂはその発
生する磁界はそれぞれ反対方向となる様に配置されてい
る。

この時、コイル１５ａ、コイル１５ｂにより発生する磁
界は例えば第２図のようになる。すなわち第４図の磁界
分布に於いて、Ｘ軸が図中上方へ変位した形となる。コ
イル１５ｂのアンペアターンがコイル１５ｂのアンペア
ターンよりも大きいので、Ｘ軸がコイル１５ａ側に変位
し楕円形等磁界分布もそれに対応してコイル１５ａ側に
ずれる。

このずれの程度は両コイル１５ａ、１５ｂのアンペア・
ターンの相違割合に比例する。

今、ルツボ装置とこの楕円形磁界分布が第５図に示す如
くなる様にコイル１５ｂの巻線数およびコイル１５ａと
コイル１５ｂとの間隔を電磁解析により決める。この場
合、コイル１５ａの形状および巻線数は、チャンバー１
２の形状およびコイル１５ａの取付位置により一義的に
決められてしまう。

引上駆動機構ｍ構１５に中央制御装＠１９は制御回路で
結ばれ、単結晶７の引上速度が中央制御ｌ装置１９に入
力され、コイル１５ａ、１５ｂへの励磁電流が中央制ｍ
装胃１９により制御されるのは第３図に示す従来の単結
晶育成装置と同一である。

次に、上記のように構成された本発明の実施例の単結晶
育成装置の作用について説明する。コイル１５ａおよび
コイル１５ｂにて発生する第２図に示した磁界強度分布
を有する磁界を、第５図に示すようにルツボ２内の原料
融液１に印加する。

従って、原料融液１と磁界分布との関係は第３図の従来
の単結晶育成ｉ置と同一になるので、同一の作用が得ら
れる事は明らかである。しかも、本発明の実施例の場合
は、コイル１５ａの大きさをチャンバー１２にある障害
物と干渉しない様にすることができるので、どのような
機種のチャンバーでも第３図に示す従来の単結晶育成装
置と同一の融液状態効果が得られる。

以上述べた実施例ではチャンバー１２の上部側に７ラン
ジ、クランプ等の障害物２１がある場合であるが、この
場合には次のように単結晶育成装置の機種によっては、
フランジ、クランプ等の障害物がチャンバー１２の下部
側についているものもあり、この場合には次のように構
成する。すなわち、第１の実施例とは逆に、コイル１５
ｂの形状をこの障害物と干渉しない様にし、コイル１５
ａの形状アンペア・ターンおよび両コイル間隔を適正に
選んでこれにより発生する磁界分布およびルツボ内原料
融液１との関係が第５図に示す如くなる様にする。

この時、両コイルによって発生する磁界分布は第４図に
於いて、そのＸ軸がコイル１５ｂ側に変位し、楕円等磁
界分布がコイル１５ｂ側にずれた分布となる。いままで
の説明から明らかな様に、この場合もその作用・効果は
第１の実施例と同一となる。

以上述べた本発明の単結晶育成装置の第１あるいは第２
の実施例によれば、次のような効果が得られる。

（１）　　固液界面境界層６の近傍は熱対流８が抑制さ
れ、熱的・化学的平衡状態に近い成長条件が満されると
同時に、これより下部の領域では、熱対流８により原料
融液１が良く攪拌され原料融液１が均質化され、かつ温
度が一様に保たれている。

このため、固液界面境界層６への熱伝導効果が高められ
、ルツボ２の周辺と固液界面境界層６との温度差が小さ
くなる上に、充分に攪拌された原料融液１が固液界面境
界層６に供給されるので、均質な単結晶７が育成される
。

（２ルツボ２の中心と周辺部との温度差が小さいので、
熱応力によるルツボ２の割れが回避される。

（３）原料融液１に印加される磁界は、軸対称であり引
上軸に対して水平・垂直画成分を含んでいる。このため
、あらゆる方向の熱対流を抑制することが出来る。

（４）　　対向したコイル１５ａ、１５ｂが互いに反対
方向の磁界を発生させるので、コイル１５ａ。

１５ｂの容器１６ａ、１６ｂ外部への漏洩磁界は相対す
るコイルによって発生する磁界により打消されるので、
漏洩磁界は小さくなる。

＋ｓ　　ｆ１１石装置として、コイル１５ａ、１５ｂの
巻線数を変えて非対称な磁界分布を形成させるようにし
たので、チャンバ一部の障害物と干渉しない様にコイル
を配置することができる。すなわち、いかなる機種に対
しても適用が可能である。

［発明の効果１ 以上述べた本発明によれば固液界面境界層とルツボ周辺
部との温度差を小さくできるので、高品質な単結晶を育
成できる上に、いなかる機種に対しても適用が可能な単
結晶育成装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の単結晶育成装置の第１の実施例を示す
概略構成図、第２図は同実施例の単結晶育成装置により
発生する磁界強度分布を示す分布図、第３図は従来の単
結晶育成装置の一例を示す概略構成図、第４図は第３図
の単結晶育成装置により発生する磁界強度分布を示す分
布図、第５図は第３図の単結晶育成装置の磁界と融液状
況を示す模式図、第６図は従来の単結晶育成装置の他の
例を示す概略構成図、第７図は第６図の単結晶育成Ｈａ
の動作を説明するための図である。 １・・・原料融液、２・・・ルツボ、３・・・ヒータ、
４・・・種結晶、５・・・引上駆動１ｆｌ　ｖ４．６・
・・固液界面境界層、７・・・単結晶、８・・・熱対流
、９・・・不純物、１０・・・磁石、１１・・・［ム場
方向、１２・・チャンバー、１３・・・電場分布、１４
・・・グラスホフ数分布、１５ａ・・・円形コイル、１
５ｂ・・・円形コイル、１６ａ・・・容器、１６１１・
・・容器、１７・・・接続部、１８・・・励（■−１１
９・・・中央制御Ｉｌ装置、２０・・・ｌｉ石石臼台２
１・・・障害物。 第１図 第３図 第　５　図 第６図 第７図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）容器内の単結晶原料を加熱手段により加熱して原
   料融液を作り、この原料融液中に種結晶を挿入し、この
   種結晶を引上駆動機構によりある一定速度で引上げて固
   −液界面境界層にて単結晶が育成される単結晶育成装置
   において、上記原料融液を収容するルツボを介して相対
   向するコイルにより発生する磁界が互いの磁界を打消す
   ように配置し、しかも上記の相対向するコイルの巻線数
   を変えて非対称な磁界分布を形成させる磁石装置を備え
   た単結晶育成装置。
2. （２）相対向するコイルは超電導コイルとしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の単結晶育成装
   置。
3. （３）相対向するコイルにより発生する磁界方向を単結
   晶引上方向に対して平行にしたことを特徴とする特許請
   求の範囲第（１）項記載の単結晶育成装置。