JPS63210092A - 単結晶製造法 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はシリコン、ＧａＡｓ等の半導体の単結晶製造法
に関する。

（従来の技術） Ｉ　Ｃ、ＬＳＩ、　／＜ワー半導体の基となるシリコン
（Ｓｉ）、ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶
は、現在主にチョクラルスキー法により製造されている
。

チョクラルスキー法による単結晶引上において間、題と
なるのは原料融液中の熱対流による結晶欠陥の発生、あ
るいは不純物の混入及びその濃度の不均一さ等である。

この問題を解決する為の１つの手段として１例えば、特
公昭５８−５０９５３号にあるごとく静磁界を加え熱対
流を抑制する方法がある事は良く知られている。

即ち、例えばＳｌでは石英（Ｓ１０□）製のルツボが単
結晶の原料融液と共に高温に加熱されており、ルツボ材
料のＳｉＯ□中の酸素が原料融液中に溶解する。

ルツボ及び単結晶゛の原流融液はルツボの外側面よリヒ
ータで加熱されている為、原料融液にはルツボ壁に沿っ
て壁を洗う様に熱対流が生じ、ルツボ壁よりの酸素の溶
解を促進する事になる。

これに対し静磁界を加えると、磁界に直交する方向の運
動（ここでは対流）を制動する力が働き。

熱対流は抑制される。それに伴いルツボ壁より酸素の溶
解量も減少する事になる。

（発明が解決しようとする問題点） パワー半導体素子用等、高い比抵抗を要求されるＳＬウ
ェハーについては低酸素濃度のウェハーとせねばならず
静磁界を印加して行う単結晶の製造法の効果は大きい。

静磁界を印加するｓｉ単結晶の製造法は低酸素濃度の単
結晶を得るには優れた方法であるが、熱対流が抑えられ
る事により、ルツボ壁近傍（即ち。

ウェハー９周辺部）の酸素濃度が中心部に比べ高くなる
と言う、ウェハー面内の不均一性を呈する。

ＬＳＩ、超ＬＳＩデバイス用のウェハーとしては、その
歩留まり上ウェハー面内の酸素濃度分布の均一性が強く
要求されるものである。又特に低酸素濃度の要求よりは
所定の濃度が均一に保たれている単結晶が要求される。

ＧａＡｓ単結晶についても、酸′Ｊ！４濃度の点につい
ては３１とは異るが結晶の格子欠陥の無い均−質な単結
晶が要求される事はＳｉと同様である。

本発明は前記のデバイスより来るニーズに対応した格子
欠陥の無い、又均−な組成の単結晶を得る事を目的とし
、ルツボ内の単結晶原料融液に上下方向の移動磁界を加
え、上下方向の撹拌を行う事により、組成分布を均一に
すると同時に温度分布も均一となり、安淀した引上げが
行えるｌ結晶製造法を提供することを目的とする。

〔発明の構成〕

（問題点を解決するための手段及び作用）格子欠陥の無
いＧａＡｓ単結晶、あるいはウェハー面内の均一な酸素
濃度を有するＳｉ単結晶を作るには、煎じ詰めると、単
結晶原料融液自体が均−質である事、及び固液界面での
温度が安定している事の２つになる（温度が不安定だと
、一旦成長した単結晶の一部が再溶解し欠陥のもととな
る）。

従来行なわれている。静磁界印加の効果として。

加熱溶融された原料が煮えたぎった状態となり、表面が
熱揺動しており、磁界により熱揺動を抑える事により表
面、即ち凝固界面の温度が安定する事が載げられる。又
引き上げている単結晶を回転させる事により融液を回転
方向に撹拌し、融液の組成の均一化が計られているが充
分ではない。

回転による撹拌のみでは充分でない理由として、流体解
析の結果解った事だが、融液は粘性が小さいのに対し、
見かけ上の慣性が大きい事から、ｊｆ１拌しても、なか
なか流れが広がらず、又平衡状態の安定した流れになる
までに数分程度の長い時間が、かかるという問題がある
。

Ｓｉ、　ＧａＡｓの溶融状態での動粘性係数はそれぞれ
、０．４　Ｘ　１０−’　、　０．３　Ｘ　ＩＰ’に対
し水はｌＸｌ０″″＠（単位はいずれもｍ３／ｓ）であ
り、水より粘性が小さく即ちサラサラしているものであ
る為単結晶を回転させ撹拌しようとしても全体が撹拌さ
れにくい、また、融液の組成が均一になる様に充分に撹
拌される為には回転方向の流れのみでは不充分であり。

径方向及び上下方向の撹拌も、併せ必要である。

実際には、第４図の簿祈結果が示すごとく、融液上部を
単結晶にて回転させ撹拌する事により、回転流に遠心力
が働き１周方向へ押し広げられる事になる。径方向の流
れはルツボ壁に当り、下方に向い、中央部で上へ向う流
れのパスを生ずる。

第４（ａ）図は流線、即ち流れのパスを表わしており、
第４（ｂ）図は各部での流れの強さも表現するように、
矢印の方向と大きさで流線を表わしている。矢印の大き
さが流れの強さと一致する。この例では、単結晶４はＩ
Ｏｒｐｍで回転させ、ルツボは逆方向に２ｒｐ鳳で回転
させている。また、ルツボ内径は３４０ｍｍ、融液高さ
は１７５ｍｍ、単結晶の径は１６０讃■とじている。

回転方向の撹拌により径及び上下方向の流れを生じさせ
る影響係数として融液の動粘性係数、ルツボの大きさ、
形状、融液の深さ、単結晶の径、単結晶の回転速度、熱
対流の大きさ、その他多くのものがあり、最適条件を選
び出す事はかなり難しい、又回転方向の撹拌により径及
び上下方向の安定した流れになるまでにはｌＯ分オーダ
以上の時間がかかり、その間条件が変る事もあり、再現
性が保つ事は非常に難しい。

（実　施　例） 以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する
。

本発明は第１図にその構成を示す通り、充分な撹拌の為
には径及び上下方向の確実な撹拌を必要とする事に注目
し、ルツボ１の外部に上下方向の移動磁界を発生する交
流マグネット２を置き上下方向の移動磁界５により、リ
ニアモータの〃に理にてルツボｌの内部の単結晶原料融
液３を上下方向に撹拌するものである。上下方向の撹拌
は径方向の流れも誘発し第１図に示すごとき撹拌流６を
生しる。この撹拌により融液の組成は均一になり又温度
も均一となるａ　Ｓｉｔ　ＧａＡｓは導電性を有してお
り１例えばＳｉの場合１４２０℃の溶融状態での電気伝
導度は１．３ＸＩＯ４ｓ／ｃ＋ａ程度である。

導電体に移動磁界を加えると、導体に電圧が誘起され２
次電流が流れ、これと磁界とで移動磁界方向の力が発生
する。

融液に加わる力Ｆは次式で与えられる。

Ｆ＝ｋｆＢ、”τｆ　　　・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・　■但しに！；定数 Ｂ；力を発生する位置での磁界密度 τ；交交流マグクツ−の極ピッチ ｆ；印加電源周波数 また、鉄心表面よりＺ＃ｌれた所での磁界密度は、β　
＝Ｂ、（１−β）ａｘｐ（−α−・　Ｚ）　・・・・・
・・・・　　■τ ｎｏ；マグネット表面での磁束密度 β；融液中での磁束の減衰係数 α；空間減衰係数 Ｚ；マグネット表面からの距離 ここで減衰係数βは移動磁界により融液に誘起され流れ
る２次電流損失により生じるものであり、但しｋｔｅｋ
ａ；係数 σ；融液の導電率 ｄ；融液の厚さ 前記０式はフレミングの左手の法則と右手の法則より容
易に導き出される式であり、撹拌力Ｆは磁束密度Ｂの２
乗と電源周波数に比例する事が解る。

又■、■式は理論式の一部を実験式で補正したものであ
り、■式の物理的意味としては、磁束密度は、融液中に
２次電流が誘起される事による減衰１゛（１−β）”と
物理的距離による減衰項Ｊｌ　ｅｘＰｌｊの２つの要因
により減衰する事である（第１図参照）。

即ち距離による減衰は、極ピッチ（マグネットの高さに
比例するものである）はマグネットにより決るものであ
り一定とすると、距離のｅｘｐｋｎｔｉｏｌに比例して
減衰する。

又■より２次電流による減衰は周波数ｆに比例する。

以上、マグネットの形状（これによりτが決る）及び配
置（これによりＺが決る）と周波数ｆにより減衰が決る
為、周波数を変える事により撹拌深さを選ぶ事ができる
。

又周波数ｆが決まれば磁束密度を変える事により撹拌力
を調節できる。従ってマグネットに加える１周波数及び
電流を電気的に設定する事により。

所要の撹拌力が確実に得られ、常に最適な撹拌力が得ら
れる様に調節できる。電磁力により直接融液を撹拌する
為に応答も良く、単結晶回転による回転方向の撹拌と併
せ確実に撹拌が制御でき、再現性も確実に期待できると
共に融液の減少等の変化に合せた撹拌制御も容易となる
。

移動磁界を発生させる交流マグネットは多相交流電源に
より励磁されるものでありそのいつくかの例を第２図に
載げる。

第２（ａ）図は２極３相のリングコイル形マグネットの
断面図を示す。Ｕ相＋側コイル、Ｖ相＋側コイル、Ｗ側
＋側コイル及びＵ相−側コイル、Ｖ相−側コイル、Ｗ相
−側コイルの６組のコイルより構成されており、図に示
す結線となっている。

図に示す様に３相電源を接続すると、Ｕ、Ｖ、Ｗの＋側
が正極（Ｎｔり、Ｕ、Ｖ、Ｗの一側が負極（Ｓ極）とな
り、交流電源の相の回転に従って両端が上から下へ移動
する移動磁界を発生する。又Ｕ相とＷ相を入れ換えれば
相回転は逆になり移動磁界の方向、即ち撹拌方向も下か
ら上へと逆になる。

リング状コイルとする事はコイルがルツボを囲う様に配
されルツボの全周に亘り均一な上下方向の撹拌力を与え
られる。

第２図（ｂ）図は２極２相の例を示す。電源が９０″の
位相差を持つ２相電源で駆動するものであり、第２（ａ
）図の２極３相と同様に上下方向の移動磁界を生ずる。

２極２相のほうが２極３相に比ベコイルの数が少ない為
、高さが小さくでき１機械的な寸法制約がある場合に有
利となる。

第２（ｃ）図は単極３相の場合の例を示す、この場合に
は前記２例の２極タイプとは異なり単極である為、移動
磁界とはならず交番磁界となる。交番磁界を加えた場合
には、単相の誘導電動機の回転する原理と同様に、静止
している物を始動する力はゼロであるが、一旦どちらか
へ動き出せばその方向に動かし続ける力を発生する。

従って単極３相の場合には撹拌方向を任意に選択する事
はできないが、コンパクトかつ簡単な構造で済むと言う
メリットがある。

以上３例につい、てはルツボ全周を囲う様リング状コイ
ルにて構成されているマグネットの例を示したが、全周
に旦らずその１部にのみ上下方向の撹拌をしても、それ
なりの効果は得られる。

またルツボの底部あるいは上面を半径方向に撹拌する様
なマグネットを配しても同様な効果が得られる。

どんなマグネットをどのように配するかは引上機の機械
構造とも絡み、どうするのが最適かは一概には言えぬが
、概路次により決める。

まず機械条件上、マグネットを配する所を、ルツボの周
囲にするか、底部又は上部にするか、さらにルツボの周
Ｖ１に配する場合にはチャンバーの内部に置けるか、外
部にしか置けないかを決める。

先に述べた様にマグネットの寸法、特に高さはマグネッ
トのタイプにより異り、高さの制約が厳しければ単極−
３相あるいは２相−２相を選ぶ。

まだ先の０式に示すごとく、距離による磁束密度の減衰
は極ピッチ（極間の寸法であり、マグネットの高さら比
例する）が大きい程減衰は小さいのでルツボとマグネッ
トの距離が大きくなる場合にはマグネットの高さを大き
く取る必要がある。

単極−３相のマグネットの代りにルツボを囲う様に配さ
れているヒータを第３図のごとく３分割し各相１ターン
コイルとし、ヒータと共用する事もできる。但しこの場
合には原料の溶融に必要な所定の発熱を必要とする為、
必要な撹拌力の調整は０式に従って周波数を蛮える事に
よって行う。

〔発明の効果〕

以上述べたごとくＣＺ法におけるＳｉ、あるいはＧａＡ
ｓの単結晶の製造においてルツボの外部より上下方向の
移動磁界を加え上下方向に撹拌する事により単結晶融液
は全体が確実に撹拌される。

融液全体を良く撹拌する事により組成が均一になると共
に温度も均一となり、欠陥の無い均質な酢結晶を得る事
ができる。

撹拌は電磁力により融液を直接撹拌する為確実であり又
再現性、制御性に優れているものである。

第１図は本発明の概略を示す図、第２Ｖ（ａ）、（ｂχ
（ｃ）２、Δは交流マグネット２のコイルの構成図、第
３図はヒータを３分割しコイルと共用する場合の例を示
す図、第４図は断面形状であって融液を単結晶を回転さ
せて撹拌した時の流体解析の例を示す図である。

１・・・ルツボ ２・・・移動磁界発生交流マグネット ３・・・原料融液 ４・・・単結晶 第１図 （α） （ｂ） 第２図 （Ｃ） 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単結晶引上用のルツボ内の単結晶原料融液に上下方向の
   移動磁界を加え撹拌することを特徴とする単結晶製造法
   。