JPWO2002103092A1 - 半導体単結晶の製造装置及びそれを用いた半導体単結晶の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チョクラルスキー法(以下、CZ法と称する)により半導体単結晶を育成するための単結晶製造装置及びそれを用いた半導体単結晶の製造方法に関する。
背景技術
従来、CZ法により育成されたSiあるはGaAs等の半導体単結晶は半導体ウェーハに加工され、半導体素子の基板として数多く使用されている。特にSi単結晶は、集積回路や種々のディスクリート部品製造用に大量に使用されている。例えば、CZ法によるSi単結晶の製造においては、特開平3−97688号公報等に、ルツボに収容された原料融液から引き上げられたSi単結晶の輻射熱を除去し、成長速度の高速化を図るため、原料融液の直上に育成した単結晶を取り囲むように、円筒状あるいは円錐状の部材を配設して、Si単結晶の引上げを行なう方法が開示されている。
上記のような半導体単結晶の製造装置において、引き上げられた単結晶を取り囲むように配置される冷却筒は、融液面上方から下流される不活性ガスの整流作用を大きくさせ、原料融液からの蒸発物を効率よく育成炉外へと排出し、蒸発物等による育成結晶の有転位化を防止できるので、例えばSi単結晶の製造装置において広く採用されている。しかし、該冷却筒は、1400℃以上にもなる高温の原料融液の直上に配置されるため、原料融液を加熱するヒータや原料融液からの幅射熱により冷却筒自体の温度が上昇すると、冷却筒による十分な冷却効果が得られなくなる欠点がある。例えば、冷却筒の材質を、比較的熱伝導率の高い黒鉛材やステンレス鋼あるいはモリブデンなどの金属製とすることにより、伝熱による熱引きを促進し、冷却効果を改善することも行なわれているが、効果は必ずしも十分ではない。特に、Si単結晶の分野では、製造される単結晶の直径が300mmあるいは400mmへと大型化傾向が著しく、熱容量もきわめて大きくなるため、より効率的な冷却方式が望まれている。
他方、原料融液を加熱するヒータは、大量の原料を高温に加熱する必要があるため、相当のエネルギーを消費する。従って、より多くの原料を少ないエネルギーで溶融・保温できるように、ヒータによる発熱を効率よく原料に集中できる加熱構造も求められている。
本発明の課題は、育成炉内に配置された熱源からの輻射熱を効率的に制御でき、ひいては製造される半導体単結晶の品質向上あるいは省エネルギーによる製造コスト削減を図ることができる半導体単結晶の製造装置と、それを用いた半導体単結晶の製造方法とを提供することにある。
発明の開示
上記の課題を解決するために、本発明に係る半導体単結晶の製造装置の第一は、育成炉内に配置されたルツボに原料融液を収容し、その原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げるとともに、炉内構造物の表面に、育成炉内に配置された熱源からの輻射熱を反射する熱反射層が形成された半導体単結晶の製造装置であって、
熱反射層は、熱源からの輻射赤外線に対する透光性を有した材料からなる複数の要素反射層の積層体であり、かつ、それら要素反射層は、互いに隣接する2層が、輻射赤外線に対する屈折率が互いに異なる材料からなることを特徴とする。
また、本発明の半導体単結晶の製造方法は、本発明の半導体単結晶の製造装置を用い、チョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて製造することを特徴とする。
上記本発明の製造装置の第一においては、炉内構造物の表面に形成する熱反射層を、熱源からの輻射赤外線に対して透光性を有し、かつ該輻射赤外線に対する屈折率の異なる材質からなる要素反射層の組合せにより構成している。これにより、熱反射層は、輻射赤外線を、金属層等と比較してはるかに高い反射率にて反射することができるので、これを利用して、育成炉内に配置された熱源からの輻射熱を効率的に制御することができる。その結果、製造される半導体単結晶の品質向上あるいは省エネルギーによる製造コスト削減を図ることができる。
要素反射層の材料が、輻射赤外線に対して透過率が高いもの、つまり赤外線吸収が少ないものであれば、熱反射層の幅射赤外線に対する反射率を高める上で有利であるので、要素反射層は、幅射赤外線に対して透明な層として構成することが望ましい。ここでいう「透明な層」とは、輻射赤外線に対する透過率が80%以上であることを意味するが、該透過率は90%以上がより好ましく、実質的に100%であればさらによい。
熱反射層は、具体的には、輻射赤外線に対する屈折率が互いに異なる2以上の要素反射層の積層体を積層周期単位として、該積層周期単位を2周期以上積層した構造とすることができる。また、本発明に係る半導体単結晶の製造装置の第二は、育成炉内に配置されたルツボに原料融液を収容し、その原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げるとともに、炉内構造物の表面に、育成炉内に配置された熱源からの輻射熱を反射する熱反射層が形成された半導体単結晶の製造装置であって、
熱反射層は、熱源からの輻射赤外線に対する透光性を有した材料からなり、かつ、層厚方向に屈折率が段階的又は連続的に変化する積層周期単位を2周期以上積層したことを特徴とする。
熱反射層の屈折率を、上記のように層厚方向において周期的に変化させることにより、輻射赤外線の反射率を高めることができ、ひいては製造される半導体単結晶の品質向上あるいは省エネルギーによる製造コスト削減といった効果を一層高めることができる。この場合、積層周期単位を構成する複数種類の材料の屈折率差が大きいほど反射率をより高めることができる。なお、積層周期単位を構成する要素反射層の層数は3層以上であってもよいし、前記した第二の構成のように、積層周期単位を屈折率が連続変化するグレーティング層としてもよい。
熱反射層は、積層周期単位1周期内の屈折率変化幅が1.1以上、好ましくは1.2以上、より好ましくは1.4以上となる材料の組合せを採用すれば、後述する反射率100%に近いような大きな熱線反射率を有する熱反射層を、比較的小さい積層周期単位の形成周期数、具体的には、5周期以下にて簡便に実現することができる。特に、屈折率差が1.5以上の組合せを用いると、4周期、3周期、あるいは2周期程度の形成周期数でも上記のような大きな熱線反射率を実現できるようになる。
熱反射層を構成する材料は、高温に対して安定な材料であって、かつ赤外線反射のために必要十分な屈折率差を確保できる材質の組合せを選択することが望ましい。具体的には、熱反射層は、例えばSi、SiO2、SiC、BN、AlN、Si3N4、Al2O3、TiO2、TiN及びCN等から選ばれる2種以上の組合せにて構成することができる。このうち、高屈折材料(屈折率2.5以上)としてはSi、SiC、TiO2を例示できる。また、種々のIII−V族化合物半導体(例えば、GaAs、AlGaAs、GaP、GaAsP、InGaAsP、InP、AlGaInP、GaN等)も高屈折率材料として本発明に好適に使用できる。他方、低屈折率材料(屈折率2.5未満)としては、AlN、BN、Al2O3、SiO2、CN等を例示できる。高反射率の積層構造を得るには、上記の高屈折材料群と低屈折率材料群との各々から材料を選択して組み合わせることが望ましく、また、組み合わせる層間の屈折率差は1.1以上、好ましくは1.2以上、より好ましくは1.4以上確保されていることが望ましい。なお、下記表1は、上記材質の屈折率の値をまとめたものである。屈折率は、厳密には波長により多少の変化があるが、0.8〜4μm程度の範囲であればほぼ無視できる。表中には、この帯域での平均的な熱線の屈折率を示している。
前記した高屈折率材料の中でも、Siは3.5と、他の材料の屈折率と比較しても群を抜いて高い屈折率を示す。従って、熱反射層を、Si層(単結晶Si、多結晶Si、またはアモルファスSi)を含むように構成すると、これと組み合わされる低屈折率材料との屈折率差を大きく確保することができ、ひいては反射率の高い積層構造を実現する上で有利となる。
本発明において採用する積層周期単位は、周期的に屈折率が変化するその層厚方向に、光量子化された電磁波エネルギーに対し、結晶内の電子エネルギーと類似したバンド構造(以下、フォトニックバンド構造という)が形成され、屈折率変化の周期に応じた特定波長の電磁波が積層体構造中に侵入することが妨げられる。この現象は、フォトニックバンド構造において、一定エネルギー域(つまり、一定波長域)の電磁波の存在自体が禁止されることを意味し、電子のバンド理論との関連からフォトニックバンドギャップとも称される。上記積層体の場合、屈折率変化が層厚方向にのみ形成されるので、狭義には一次元フォトニックバンドギャップともいう。
フォトニックバンドギャップを形成するための、各層の厚さおよび周期数は、反射すべき波長帯の範囲により、計算または実験的に決定することができる。1周期の厚さは、熱反射層に照射される輻射赤外線の中心波長よりも小さくすることが望ましい。そして、より望ましくは、フォトニックバンドギャップの中心波長をλmとしたとき、1周期の厚さθは、波長λmの熱線が1/2波長分(あるいはその整数倍でもよいが、その分膜厚が多く必要である。以下、1/2波長の場合で代表させる)だけ存在できるように設定する。これは、層の1周期内に入射した熱線あるいは紫外線が定在波を形成するための条件であり、結晶中の電子波が定在波を形成するブラッグ反射条件と同様である。電子のバンド理論では、このブラッグ反射条件を満足する逆格子の境界位置にエネルギーギャップが現れるが、フォトニックバンド理論でもこれは全く同様である。
例えば、積層周期単位を最も簡単に構成するには、幅射赤外線に対する屈折率が互いに異なる第一要素反射層と第二要素反射層との2層構造とすることができる。この場合、両層の屈折率の差が大きいほど、輻射赤外線の反射率を十分に高く確保する上での、必要な積層周期単位数を削減することができる。
層中に入射した熱線は、層の屈折率にほぼ逆比例して波長が短くなる。熱反射層を、前記した積層周期単位の積み重ねにより形成する場合、第一の要素反射層と第二の要素反射層のうち、高屈折率層の厚さをt1、低屈折率層の厚さをt2として、t1<t2に設定する、すなわち高屈折率層の厚さを低屈折率層の厚さよりも大きく設定すると、熱線に対する特定波長帯の反射率がさらに高められる。また、反射率95%以上となる高反射率帯の帯域幅を拡張することができる。
次に、熱反射層においては、反射すべき熱線に対する高屈折率層の屈折率をn1、同じく低屈折率層の屈折率をn2とすれば、熱線の波長を基準とした換算厚さはt1×n1となり、同じく低屈折率層の換算厚さはt2×n2となる。従って、一周期の換算厚さθ’はt1×n1+t2×n2にて表される。この値が、反射させるべき熱線の波長λの1/2に等しくなっているとき、λを含む一定波長域にフォトニックバンドギャップに基づく高反射率帯が現れる。特に、t1×n1=t2×n2の条件を満たす場合は、換算厚さθ’の2倍の波長を中心として、ほぼ左右対称対称な形で、反射率がほぼ100%に近い(記載を明確化するために、本明細書では99%以上と定義しておく)完全反射帯域が形成され、本発明の効果が最大限に高められる。各層の厚さおよび周期数は、反射すべき波長帯の範囲により、計算または実験的に決定することができる。
屈折率が3以上の半導体又は絶縁体からなる層を、高屈折率層となる第一の要素反射層として含むものとして構成することができる。屈折率が3以上の半導体又は絶縁体を第一の要素反射層として用いることにより、これと組み合わされる第二の要素反射層との間の屈折率差を大きく確保することが容易となる。屈折率が3以上の物質として、Si、Ge、6h−SiC、及びSb2S3、BP、AlP、AlAs、AlSb、GaP、ZnTe等の化合物半導体を例示できる。半導体及び絶縁体の場合、反射すべき熱線のフォトンエネルギーに近いバンドギャップエネルギーを有する直接遷移型のものは、熱線吸収を起こしやすいので、熱線のフォトンエネルギーよりも十分大きいバンドギャップエネルギー(例えば2eV以上)を有するものを使用することが望ましい。他方、これよりもバンドギャップエネルギーが小さいものであっても、間接遷移型のもの(例えばSiやGeなど)であれば熱線吸収を低くとどめることができ、本発明に好適に使用できる。
このうち前述のSiは比較的安価で薄層化も容易であり、屈折率も3.5と高い値を示す。従って、第一の要素反射層をSi層とすることで、反射率の高い積層構造を安価に実現することができる。
次に、第二の要素反射層を構成する低屈折率材料としては、SiO2、BN、AlN、Al2O3、Si3N4及びCN等を例示できる。この場合、選択した第一の要素反射層の材料種別に応じて、屈折率差が1.1以上となるように、第二の要素反射層の材料選定を行なう必要がある。なお、下記表1は、上記材質の屈折率の値をまとめたものである。このうち、特にSiO2層、BN層あるいはSi3N4層を採用することが、屈折率差を大きく確保する上で有利である。SiO2層は屈折率が1.5と低く、例えばSi層からなる第一の要素反射層との間に特に大きな屈折率差を付与することができる。また、Si層の熱酸化やCVD法等により形成が容易である利点がある。他方、BN層は、結晶構造や方位により差を生ずるが、その屈折率は1.65〜2.1の範囲である。また、Si3N4層は、膜の品質によっても異なるが、1.6〜2.1程度の屈折率を示す。これらはSiO2と比較すれば多少大きい値であるが、それでもSiとの間には1.4〜1.85もの大きな屈折率差を付与することができる。
半導体単結晶の製造においては、完全に反射することができる輻射赤外線の波長帯を1〜5μm、好ましくは1〜3μmの範囲内から選択すれば、半導体の原料融液あるいはその原料融液を溶融状態に維持するためのヒータからの輻射赤外線のスペクトルの要部をおおむねカバーでき、これら輻射赤外線の効率的に反射制御が可能となる。この場合、この選択される波長帯の上限値よりは積層周期単位の厚さを小さく設定しておくことが、反射率を高める上で有効である。
なお、反射すべき波長帯の範囲は、熱源の温度に依存する。すなわち、ある一定温度の下において物体表面の単位面積から単位時間に放射される放射エネルギーのうち、最大限度の大きさを示すものは完全黒体から放射される単色放射能である。これを式で表すと次式となる(プランクの法則)。
Ebλ=Aλ−5(eB λT−1)−1〔W/(μm)2〕
ここで、Ebλ:黒体の単色放射能〔W/(μm)2〕、λ:波長〔μm〕、T:物体表面の絶対温度〔K〕、A:3.74041×10−16〔W・m2〕、B:1.4388×10−2〔m・K〕である。図9は、物体表面の絶対温度Tを変化させたときの黒体の単色放射能(Ebλ)と波長との関係を示すグラフである。Tが低くなるにつれて、単色放射能のピークが低下し、長波長側にシフトすることがわかる。
特に、製造対象となる半導体単結晶がSi単結晶である場合、Si融液やヒータの温度域を考慮すると、前記熱反射層がSi層を必須としてさらにSiO2層及びBN層の少なくともいずれかを含むように構成すること、例えば要素反射層としてSi層とSiO2層及び/又はBN層とを含むように構成することが、Si単結晶製造時の輻射熱を効率的に反射する上で有効である。なお、BNは融点がSiO2と比較して相当高く、超高温用の用途(たとえば原料融液の直上に配置されるような場合:Si単結晶製造の場合は1400℃以上)に好適である。さらにBNは、高温で分解されてもガスとして出てくるのはN2であって、ホウ素はメタルとして表面に残存するため、Siウェーハ等の半導体ウェーハの電気特性に影響を及ぼさない利点がある。
以下、SiとSiO2を用いて一次元フォトニックバンドギャップ構造を形成することにより、赤外領域をほぼ完全に反射することができる条件を、計算により検討した結果について説明する。Siは屈折率が約3.5であり、その薄膜は波長約1.1〜10μmの赤外領域の光に対して透明である。また、SiO2は屈折率が約1.5で、その薄膜は波長約0.2〜8μm(可視から赤外領域)の光に対して透明である。図3は、Si層Cにて被覆した基体100(例えば石英(SiO2))上に、100nmのSi層Aと233nmのSiO2層Bの2層からなる積層周期単位を4周期形成した熱反射層の断面図である。このような構造であれば、図4のように1〜2μm帯での赤外線の反射率がほぼ100%となり、赤外線の透過は禁止される。
例えば、1600℃の熱源の最大強度は1〜2μm帯にあるが、2μm〜3μm帯(1000〜1200℃程度の熱源からの、輻射赤外線スペクトルのピーク波長域に相当する)までカバーしようとすると、反射可能な波長帯の異なる別の周期性のある組合せを付加すればよい。すなわち、前述の100nm(Si)/233nm(SiO2)の組合せ(図3のA/B)に、それぞれの層厚さを増加させた157nm(Si)/366nm(SiO2)の組合せ(図5のA’/B’)を付加した図5のような構成とすればよい。
このような構成にすると、図6に示すように、前述の100nm(Si)/233nm(SiO2)の4周期構造が1〜2μm帯での赤外線の反射率がほぼ100%となるのに対して、157nm(Si)/366nm(SiO2)の4周期構造は2〜3μm帯での赤外線の反射率がほぼ100%となる。従って、これらを重ねた図5の構造では、1〜3μm帯の反射率がほぼ100%の材料が得られる。
同様に、3〜4.5μm帯については、Si層およびSiO2層ともにさらに厚い膜の組合せを適宜選択して4周期構造を形成すればよい。SiとSiO2の屈折率差よりも屈折率差の小さい層の組合せでは、必要な周期数を増加させる必要が生ずる場合もあるため、選択する2つの層としては屈折率差が大きい方が有利である。上記組合せでは全体の層の厚さは1.3μmで1〜2μm帯が、3.4μmで1〜3μm帯をほぼ完全に反射する。
一方、図7は、SiとSiO2同様に、比較的屈折率差の大きい6h−SiC(屈折率3.2)とh−BN(屈折率1.65)とを選択し、94nm(SiC)/182nm(BN)の4周期構造を形成した熱反射層の反射率の計算結果である。この場合は、1〜1.5μm帯での光(熱線)の反射率がほぼ100%となることがわかる。
発明を実施するための最良の形態
以下に本発明を実施するための最良の形態を、添付の図面を参照して説明する。図1は、本発明の半導体単結晶製造装置の一実施形態である、Si単結晶製造装置1を示す断面概略図である。該装置1は、Si融液14を満たしたルツボ12を収容し、その育成炉は、Si単結晶23が育成される育成炉本体2と、該育成炉本体2の上方に一体形成され、Si融液14から引き上げられたSi単結晶23を収容保持する回収空間形成部4を有する。育成炉本体2内部の略中央には、ルツボ支持軸13を介して内側に石英製ルツボ12aを、外側に黒鉛製ルツボ12bを配したルツボ12が置かれている。このルツボ12は、ルツボ支持軸13の下端に取り付けられているルツボ駆動機構19により、Si単結晶23の育成条件や作業工程に合わせて回転及び上下動が可能となっている。また、ルツボ12を取り囲む形でルツボ内Si融液(原料融液)14を加熱するヒータ15が設けられ、そのヒータ15と炉内壁との間に、黒鉛等で構成された筒状の断熱部材16が配置されている。
ルツボ12に収容されたSi融液14の上方には、冷却筒31が、自身の下部が、Si融液面14aの上方にてルツボ12内に位置するように配置されている。この冷却筒31は、熱源となるSi融液(原料融液)14から引き上げられたSi単結晶(半導体単結晶)23を取り囲む形で配置されている。該冷却筒31を本発明でいう炉内構造物として、図2に示すように、その外周面の少なくとも一部を熱反射層34にて覆っている。該熱反射層34は、発明の開示の欄にて既に詳しく説明したものであり、具体的には図3あるいは図5のような積層構造を有するものとして構成される。
このような熱反射層34は、Si融液14あるいはヒータ15から冷却筒31に向かう幅射赤外線を反射して、冷却筒31が該赤外線により昇温することを抑制する。その結果、引き上げられるSi単結晶23の冷却ムラの防止及び冷却効率の向上を図ることができ、ひいては高品質のSi単結晶23を高能率にて製造することが可能となる。
本実施形態においては、冷却筒31は、熱反射層34が外周面に形成される石英製の筒状基体33と、その筒状基体33の内側に配置される黒鉛製の筒状本体部32とを有する。石英は比較的耐熱性が高く、かつ平滑な表面を形成しやすいので、熱反射層34を均一に形成する基体材質として優れる。他方、筒状本体部32は、熱伝導性と熱容量の高い黒鉛にて構成されることにより、引き上げられたSi単結晶23の冷却を促進する役割を果たす。このような黒鉛製の冷却筒は従来のSi単結晶引上装置においても使用されていたが、本発明により、その外側に熱反射層34を形成した筒状の基体33を配置することで、Si融液やヒータ等からの幅射熱による温度上昇が抑制されることで、冷却効率の一層の向上を図ることができるようになる。
なお、熱反射層34は、図10に示すように、Si融液14からの輻射熱を特に受けやすい冷却筒31の外周面下部にのみ選択的に形成するようにしてもよい。また、筒状本体部32の下部は、熱反射層34の形成により、Si融液14及びヒータ15からの輻射熱による温度上昇が抑制されるので、その厚みを減じたり、場合により、図11に示すように、筒状本体部32の下部のみを省略したりする構成も可能である。
図8A〜図8Dは、熱反射層34の製造フローを示している。まず、熱線反射材料の基体33(ここでは石英)を必要な形状、ここでは筒状に加工する(図8A)。なお、基体33の材料としては、機械的強度のある耐熱性の基体であればSiO2以外にも、Si、SiCあるいはBNなどを用いることができる。これらは、半導体デバイスを作製するための基板や、それらの基板を熱処理する一般的な熱処理装置の反応管や熱処理治具等に用いられており、汎用性が高く、様々な形状に加工が可能である。
次に、この基体33の表面に熱源から放射される熱線に対して透明であり、屈折率の互いに異なる要素反射層(ここではSi層A,CとSiO2層B)を順次形成する(図8B〜図8D)。これらの層の形成方法は特に限定されないが、CVD法を用いればSi、SiO2、SiC、BN、Si3N4、CN(例えばβ−C3N4)などの様々な種類の層を形成することができる。CVD法以外にも、高周波スパッタリングやイオンプレーティング等の種々の気相成長法を採用することができる。また、A,CとしてSi層を形成する場合には、Si層を熱酸化することによりSiO2層を形成することができるが、CVD法によりSi層(多結晶Si層)を形成した場合には、SiO2層もCVD法により形成すれば、両層の界面の平坦性が良好となる。こうして、周期構造を有する熱反射層34が形成される(図8D)。なお、ここでは基体33の材質として石英(SiO2)を使用したので、Si層Cを形成したが、基体33としてSiなどの他の材料を使用すれば、Si層Cを形成せずに、Si層AとSiO2層Bとのペアを積層周期単位とする4周期積層構造により、図8Dの構造と同一の特性を得ることができる。
図1に戻り、ルツボ12の外側には、ルツボ12に入れられた多結晶原料を融解し、Si融液14を所望の温度に保つためのヒータ15が図示しないヒータ電極部を支えとして育成炉本体2の底面上に立設されている。単結晶育成時においては、そのヒータ電極部からヒータ15に電力を供給することによりヒータ15を発熱させ、Si融液14を高温に保つようにする。
また、回収空間形成部4には、育成炉にArガス等の不活性ガスを導入するためのガス導入口9aがあり、操業時においては、ガス導入口9aに接続された不活性ガス管9を介して不活性ガスが、該不活性ガス管9上にあるガス流量制御装置122により流量調整された後、育成炉本体2内に導入される。
育成炉本体2の内部には、前記した断熱部材16及び下部保温材3が設けられている。これらは、該育成炉本体2の内部を効率よく保温するとともに、炉壁を保護する役割を果たす。そして、育成炉本体2の底面部には、育成炉内に導入された不活性ガスを排気するためのガス排出口11が設けられ、育成炉内の不活性ガスはこの排ガス口11から排ガス管7を経由して育成炉外へと排出される。なお、排ガス管7の途中にはコンダクタンスバルブ18が設置され、さらにその先には、育成炉からの不活性ガスの排気を補助するための図示しない真空ポンプが設けられており、育成炉の内部が減圧状態に保たれるようになっている。
回収空間形成部4の上方には、Si融液14からSi単結晶23を引き上げるためにワイヤー22を巻き取ったり、単結晶育成時に結晶を回転させたりするための図示しないワイヤー巻取り巻出し機構が設けられている。そして、そのワイヤー巻取り巻出し機構から巻き出されたワイヤー22の先端には、種ホルダー20が取り付けられ、該種ホルダー20に種結晶が係止されている。
以下、上記単結晶製造装置1を用いたSi単結晶の製造方法の例について説明する。始めに、単結晶製造装置1内に設けられた石英製ルツボ12aに多結晶Si原料を充填し、ヒータ15を発熱させることによりこれを融解して、Si融液14とする。そして、所望の温度で融液14が安定した後、前述のワイヤー巻取り巻出し機構を操作してワイヤー22を巻き出し、種ホルダー20に係止されている種結晶先端をSi融液14の表面に静かに接触させる。その後、ルツボ12と種結晶とを互いに反対方向に回転させながらワイヤー22を巻き取り、引き上げることによって、種結晶の下方にSi単結晶23を育成することができる。
なお、図12に示すように、冷却筒31の下端面には、半径方向外向きに膨出する形で熱反射板35を設けることができる。そして、その熱反射板35を炉内構造物として、そのSi融液(原料融液)14に面する表面に熱反射層34を形成することができる。このようにすると、Si融液(原料融液)14から冷却筒31に向かう輻射熱をより効果的に反射することができ、冷却筒31の温度上昇をさらに効果的に抑制することができる。また、熱反射板35は、Si融液14からの輻射熱を遮蔽し、融液の保温効果を高めて融液14の温度変動をより小さくする役割も果たす。本実施形態では、この熱反射板35の基体も石英にて構成している。また、その形態は、半径方向において外側に向かうほど径大となるテーパ状部材としているが、水平円板リング形態としてもよい。
また、図13に示すように、冷却筒31の上端部には、引き上げられたSi単結晶23の冷却効率ひいては生産性を高めるために、冷却流体(水等)Wが流通される強制冷却筒50を、冷却筒31とともにSi単結晶を取り囲む形態で配置することができる。
上記実施形態においては、熱反射層34の形成対象となる炉内構造物を冷却筒31あるいは熱反射板35とし、輻射赤外線の発生源となる熱源が主にSi融液14及びヒータ15である場合を考えていたが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、図14に示すように、ヒータ15を主な熱源とみなし、断熱部材16を炉内構造物として、該断熱部材16の内周面に熱反射層34を形成することができる。これにより、ヒータ15から育成炉本体2の内壁(炉内壁)に向かう輻射熱を効果的に遮断でき、育成炉本体2の温度上昇を抑制することができる。また、ヒータ15から育成炉本体2の内壁側へ向かおうとする輻射熱をルツボ12側へ反射させることができるので、ヒータ15の発熱をSi融液14により効率的に集中させることが可能となり、ひいては省エネルギーを図ることができる。この場合、断熱部材16の本体部を黒鉛製とし、その内側にBN等で構成された筒状の基体を配置して、その基体内周面に熱反射層34を形成するとよい。また、育成炉本体2の温度上昇を抑制するために、その内壁面に熱反射層34を形成することも可能である。
さらに、本発明はSi単結晶の成長のみに限定されるものではなく、例えば、本発明の装置は、GaAsをはじめとする化合物半導体等、他の半導体単結晶育成においても利用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
図1は、本発明に係る半導体単結晶製造装置の一例を示す断面模式図。
図2は、図1の要部を示す拡大模式図。
図3は、Si層とSiO2層の4周期構造を有する熱反射層の例を示す断面模式図。
図4は、図3の構造を有する熱反射層の赤外線反射率特性を示す図。
図5は、図3の4周期構造に、厚さの異なるSiとSiO2との4周期構造をさらに積層した熱反射層の断面模式図。
図6は、図5の構造を有する熱反射層の赤外線反射率特性を示す図。
図7は、6h−SiC層とh−BN層の4周期構造を有する熱反射層の熱赤外線反射率特性を示す図。
図8Aは、熱反射層の製造フローの一例を示す図。
図8Bは、図8Aに続く図。
図8Cは、図8Bに続く図。
図8Dは、図8Cに続く図。
図9は、物体表面の絶対温度Tを変化させたときの黒体の単色放射能(Ebλ)と波長との関係を示すグラフ。
図10は、図1の装置の冷却筒に対する、熱反射層の形成態様の変形例を示す要部断面模式図。
図11は、図1の装置の冷却筒に対する、筒状本体部の形成態様の変形例を示す要部断面模式図。
図12は、図1の装置の冷却筒に熱反射板を設けた変形例を示す要部断面模式図。
図13は、図1の装置の冷却筒に強制冷却筒を設けた変形例を示す要部断面模式図。
図14は、ヒータの周囲に配置する断熱部材の内周面に熱反射層を設けた装置の例を示す断面模式図。
Claims (20)
- 育成炉内に配置されたルツボに原料融液を収容し、その原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げるとともに、炉内構造物の表面に、育成炉内に配置された熱源からの輻射熱を反射する熱反射層が形成された半導体単結晶の製造装置であって、
前記熱反射層は、前記熱源からの輻射赤外線に対する透光性を有した材料からなる複数の要素反射層の積層体であり、かつ、それら要素反射層は、互いに隣接する2層が、前記輻射赤外線に対する屈折率が互いに異なる材料からなることを特徴とする半導体単結晶の製造装置。 - 前記熱反射層は、前記輻射赤外線に対する屈折率が互いに異なる2以上の要素反射層の積層体を積層周期単位として、該積層周期単位を2周期以上の複数組積層した構造を有することを特徴とする請求の範囲第1項記載の半導体単結晶の製造装置。
- 育成炉内に配置されたルツボに原料融液を収容し、その原料融液からチョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げるとともに、炉内構造物の表面に、育成炉内に配置された熱源からの輻射熱を反射する熱反射層が形成された半導体単結晶の製造装置であって、
前記熱反射層は、前記熱源からの輻射赤外線に対する透光性を有した材料からなり、かつ、層厚方向に屈折率が段階的又は連続的に変化する積層周期単位を2周期以上積層したことを特徴とする半導体単結晶の製造装置。 - 前記積層周期単位の1周期内の屈折率の変化幅が1.1以上となるように設定されていることを特徴とする請求の範囲第2項又は第3項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記熱反射層の構成材質は、Si、SiO2、SiC、BN、AlN、Si3N4、Al2O3、TiO2、TiN及びCNから選ばれる2種以上が選択されることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第4項のいずれか1項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記炉内構造物の前記熱反射層が形成される基体が、Si、SiO2、SiC、BN、AlN、Si3N4、Al2O3、TiO2及びTiNのいずれかからなることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第5項のいずれか1項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記熱反射層がSi層を含むことを特徴とする請求の範囲第第5項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記半導体単結晶がSi単結晶であり、前記熱反射層がSi層を必須としてさらにSiO2層及びBN層の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求の範囲第7項記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記積層周期単位は、前記輻射赤外線に対する屈折率が互いに異なる第一要素反射層と第二要素反射層との2層構造からなることを特徴とする請求の範囲第2項記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記積層周期単位をなす前記第一の要素反射層と前記第二の要素反射層のうち、高屈折率層の厚さをt1、低屈折率層の厚さをt2として、t1<t2に設定される請求の範囲第9項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 反射すべき熱線に対する前記高屈折率層の屈折率をn1、同じく前記低屈折率層の屈折率をn2として、t1×n1とt2×n2とがほぼ等しくなるように、前記高屈折率層の厚さt1と、前記低屈折率層の厚さt2とが各々定められている請求の範囲第10項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記積層周期単位は、屈折率が3以上の半導体又は絶縁体からなる層を前記第一の要素反射層として含むことを特徴とする請求の範囲第9項ないし第11項のいずれか1項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記第一の要素反射層がSi層である請求の範囲第12項記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記第二の要素反射層として、SiO2、BN、AlN、Si3N4、Al2O3、TiO2、TiN、CNのいずれかからなる層を含む請求の範囲第12項又は第13項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記輻射赤外線の波長帯が1〜5μmの範囲内であることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第14項のいずれか1項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記炉内構造物は、前記熱源となる原料融液から引き上げられた半導体単結晶を取り囲む冷却筒であり、該冷却筒の外周面の少なくとも一部を前記熱反射層にて覆ったことを特徴とする請求の範囲第1項ないし第15項のいずれか1項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記冷却筒は、前記熱反射層が外周面に形成される石英製の筒状基体と、その筒状基体の内側に配置される黒鉛製の筒状本体部とを有することを特徴とする請求の範囲第16項記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記炉内構造物は、前記熱源となる原料融液より引き上げられた半導体単結晶を取り囲む冷却筒の下端面に、半径方向外向きに膨出する形で一体化された熱反射板であり、その熱反射板の原料融液に面する表面に前記熱反射層が形成されていることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第17項のいずれか1項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 前記ルツボを取り囲む形でルツボ内の原料融液を加熱するヒータが設けられ、そのヒータと育成炉内壁との間に筒状の断熱部材が配置され、該ヒータを前記熱源とし、前記断熱部材を前記炉内構造物として、該断熱部材の内周面に前記熱反射層が形成されていることを特徴とする請求の範囲第1項ないし第18項のいずれか1項に記載の半導体単結晶の製造装置。
- 請求の範囲第1項ないし第19項のいずれか1項に記載の半導体単結晶の製造装置を用い、チョクラルスキー法により半導体単結晶を引き上げて製造することを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
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