JP2561072B2 - 単結晶の育成方法及びその装置 - Google Patents
単結晶の育成方法及びその装置Info
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- JP2561072B2 JP2561072B2 JP61100551A JP10055186A JP2561072B2 JP 2561072 B2 JP2561072 B2 JP 2561072B2 JP 61100551 A JP61100551 A JP 61100551A JP 10055186 A JP10055186 A JP 10055186A JP 2561072 B2 JP2561072 B2 JP 2561072B2
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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
-
- 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
- C30B15/14—Heating of the melt or the crystallised materials
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- Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
- Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
- Y10T117/00—Single-crystal, oriented-crystal, and epitaxy growth processes; non-coating apparatus therefor
- Y10T117/10—Apparatus
- Y10T117/1024—Apparatus for crystallization from liquid or supercritical state
- Y10T117/1032—Seed pulling
- Y10T117/1068—Seed pulling including heating or cooling details [e.g., shield configuration]
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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得られた溶
融体からチョクラルスキー法によって単結晶を引上げる
際、溶融体に磁場を加えて単結晶の品質を改善し得る単
結晶の育成方法及びその装置に関する。
融体からチョクラルスキー法によって単結晶を引上げる
際、溶融体に磁場を加えて単結晶の品質を改善し得る単
結晶の育成方法及びその装置に関する。
［従来の技術］ 従来のシリコン等の単結晶の製造方法としては、チョ
クラルスキー法が知られており、このチョクラルスキー
法は、ルツボ内で溶融された多結晶の溶融液の表面に種
子結晶を接触させ、次に種子結晶を回転させながらゆっ
くり引上げて単結晶を成長させる方法である。この場
合、溶融体には、溶融体の側方から加えられる熱による
熱対流、種子結晶の回転による溶融液の表層部の遠心方
向への流れ等の循環流が生ずる。この熱対流及び循環流
は単結晶が成長する界面に温度のゆらぎをもたらし、そ
の結果、成長した単結晶の内部に特性の不均一性および
結晶の欠陥を生じさせるなどの悪影響を及ぼす。
クラルスキー法が知られており、このチョクラルスキー
法は、ルツボ内で溶融された多結晶の溶融液の表面に種
子結晶を接触させ、次に種子結晶を回転させながらゆっ
くり引上げて単結晶を成長させる方法である。この場
合、溶融体には、溶融体の側方から加えられる熱による
熱対流、種子結晶の回転による溶融液の表層部の遠心方
向への流れ等の循環流が生ずる。この熱対流及び循環流
は単結晶が成長する界面に温度のゆらぎをもたらし、そ
の結果、成長した単結晶の内部に特性の不均一性および
結晶の欠陥を生じさせるなどの悪影響を及ぼす。
そこで、溶融体がシリコンのような導電性を有する物
質である場合には、直流平行磁界を溶融体に対して水平
方向に加えることにより、溶融体に磁気粘性を生じさせ
て溶融体の循環流を抑制する。この水平磁界を加える手
段としては、有鉄芯電磁石、又は対向円柱型若しくは対
向円板型若しくは対向鞍型の無鉄芯コイルが使用されて
いる。
質である場合には、直流平行磁界を溶融体に対して水平
方向に加えることにより、溶融体に磁気粘性を生じさせ
て溶融体の循環流を抑制する。この水平磁界を加える手
段としては、有鉄芯電磁石、又は対向円柱型若しくは対
向円板型若しくは対向鞍型の無鉄芯コイルが使用されて
いる。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、従来の技術で大口径の単結晶を得よう
とすると、溶融体に対してより強力な磁界を加える必要
があるため、溶融体に磁界を加える手段には次のような
問題が生ずる。
とすると、溶融体に対してより強力な磁界を加える必要
があるため、溶融体に磁界を加える手段には次のような
問題が生ずる。
有鉄芯電磁石においては、発生磁界の出力を増大する
に従って重量が極めて増大すると共に磁界発生用電力及
びコイル冷却水の消費量が急増する。
に従って重量が極めて増大すると共に磁界発生用電力及
びコイル冷却水の消費量が急増する。
無鉄芯コイルにおいては、重量的には有鉄芯電磁石に
比べて有利な場合もあるが、消費電力及び冷却水の観点
からはその消費量は、有鉄芯電磁石の場合よりも更に多
くなる。
比べて有利な場合もあるが、消費電力及び冷却水の観点
からはその消費量は、有鉄芯電磁石の場合よりも更に多
くなる。
本発明は以上の問題点を解決し、シリコン溶融液の対
流及び循環流を阻止し得るが故に高品質であって大口径
のシリコン単結晶の育成方法及びその装置を提供するこ
とを目的とする。
流及び循環流を阻止し得るが故に高品質であって大口径
のシリコン単結晶の育成方法及びその装置を提供するこ
とを目的とする。
［問題点を解決するための手段］ 本発明の前記目的は、円筒状ルツボ内で導電性を有す
る物質を加熱して溶融する段階と、熱対流によって生起
され、前記ルツボの側壁近傍においては上昇し、前記溶
融した物質の液面近傍においては前記ルツボの径方向内
側に向かい、前記側壁から離間した部分においては下降
し、かつ前記ルツボの底部近傍においては径方向外側に
向かう前記溶融した物質の液流にほぼ直交する方向に直
線磁界を加える段階と、前記溶融した物質から単結晶を
引上げる段階とからなり、前記直流磁界を加える段階に
おいて、前記ルツボの外径半径をｒ、前記ルツボの底部
の曲率半径をrb、前記磁界の中心軸を含む水平面上で該
中心軸から最も離れた位置にある前記ルツボの外側部を
通る磁力線の該最外側部近傍の曲率半径をRMF1、前記ル
ツボ最低部を通る磁力線の該最低部近傍の曲率半径をR
MF2とした場合に、ｒ≦RMF1≦4rおよびrb≦RMF2≦４rb
を満たす磁界が加えられることを特徴とする単結晶の育
成方法によって達成され、また、 円筒状ルツボと、このルツボの外側において前記ルツ
ボの中心軸と同心に配置されており、前記ルツボ内の導
電性を有する物質を溶融するための環状の加熱手段と、
この加熱手段の外側において、前記ルツボの中心軸に関
して対称に対向して配置されており、中心が前記ルツボ
内で溶融した前記物質の液面とほぼ同一高さに位置して
おり、平均有効半径が前記ルツボの半径の1.5〜５倍で
ある一対の電磁コイルとからなり、前記ルツボの外径半
径をｒ、前記ルツボの底部の曲率半径をrb、前記一対の
電磁コイルの中間地点において、一対のコイルの中心を
結ぶ線を含む水平面上で前記ルツボの最外側部を通る磁
力線の該最外側部近傍の曲率半径をRMF1、前記ルツボ最
低部を通る磁力線の該最低部近傍の曲率半径をRMF2とし
た場合に、ｒ≦RMF1≦4rおよびrb≦RMF2≦４rbを満たす
磁界を発生するように前記ルツボ及び前記電磁コイルが
配置されてなることを特徴とする単結晶を育成する装置
によっても達成される。
る物質を加熱して溶融する段階と、熱対流によって生起
され、前記ルツボの側壁近傍においては上昇し、前記溶
融した物質の液面近傍においては前記ルツボの径方向内
側に向かい、前記側壁から離間した部分においては下降
し、かつ前記ルツボの底部近傍においては径方向外側に
向かう前記溶融した物質の液流にほぼ直交する方向に直
線磁界を加える段階と、前記溶融した物質から単結晶を
引上げる段階とからなり、前記直流磁界を加える段階に
おいて、前記ルツボの外径半径をｒ、前記ルツボの底部
の曲率半径をrb、前記磁界の中心軸を含む水平面上で該
中心軸から最も離れた位置にある前記ルツボの外側部を
通る磁力線の該最外側部近傍の曲率半径をRMF1、前記ル
ツボ最低部を通る磁力線の該最低部近傍の曲率半径をR
MF2とした場合に、ｒ≦RMF1≦4rおよびrb≦RMF2≦４rb
を満たす磁界が加えられることを特徴とする単結晶の育
成方法によって達成され、また、 円筒状ルツボと、このルツボの外側において前記ルツ
ボの中心軸と同心に配置されており、前記ルツボ内の導
電性を有する物質を溶融するための環状の加熱手段と、
この加熱手段の外側において、前記ルツボの中心軸に関
して対称に対向して配置されており、中心が前記ルツボ
内で溶融した前記物質の液面とほぼ同一高さに位置して
おり、平均有効半径が前記ルツボの半径の1.5〜５倍で
ある一対の電磁コイルとからなり、前記ルツボの外径半
径をｒ、前記ルツボの底部の曲率半径をrb、前記一対の
電磁コイルの中間地点において、一対のコイルの中心を
結ぶ線を含む水平面上で前記ルツボの最外側部を通る磁
力線の該最外側部近傍の曲率半径をRMF1、前記ルツボ最
低部を通る磁力線の該最低部近傍の曲率半径をRMF2とし
た場合に、ｒ≦RMF1≦4rおよびrb≦RMF2≦４rbを満たす
磁界を発生するように前記ルツボ及び前記電磁コイルが
配置されてなることを特徴とする単結晶を育成する装置
によっても達成される。
［作用］ 第1A図及び第1B図は本発明の装置の溶融液の流れ及び
磁場を示す平面図及び立断面図であり、第1C図から第1E
図はルツボと磁力線との関係を示す模式図である。これ
らの図によって本発明の方法及び装置の原理を以下に説
明する。
磁場を示す平面図及び立断面図であり、第1C図から第1E
図はルツボと磁力線との関係を示す模式図である。これ
らの図によって本発明の方法及び装置の原理を以下に説
明する。
円筒形のルツボ１に満たされた溶融体２は通常側法か
ら加熱されるので、溶融体２の外側部の温度は中心部の
温度より高くなり、溶融体２の外周部には、第1A図及び
第1B図に示すように対流３が発生する。一方、シリコン
単結晶４の回転によって、溶融体２の表層部の連れ回り
が生起され、これに起因して前記表層部に遠心方向の流
れ及び溶融体の中心部の上昇流による循環流５が発生す
る。本発明の装置では、これらの対流３及び循環流５を
阻止するために、磁束線６がルツボ１の外周及び底部に
ほぼ沿って加えられており、これによって、磁束線６は
溶融体２の広範囲な領域に渡って対流３及び循環流５と
ほぼ直交し、溶融体２の流れの抑制が効率よく行われ
る。
ら加熱されるので、溶融体２の外側部の温度は中心部の
温度より高くなり、溶融体２の外周部には、第1A図及び
第1B図に示すように対流３が発生する。一方、シリコン
単結晶４の回転によって、溶融体２の表層部の連れ回り
が生起され、これに起因して前記表層部に遠心方向の流
れ及び溶融体の中心部の上昇流による循環流５が発生す
る。本発明の装置では、これらの対流３及び循環流５を
阻止するために、磁束線６がルツボ１の外周及び底部に
ほぼ沿って加えられており、これによって、磁束線６は
溶融体２の広範囲な領域に渡って対流３及び循環流５と
ほぼ直交し、溶融体２の流れの抑制が効率よく行われ
る。
第1C図は、コイルの中心を結ぶ線に対して垂直で、ル
ツボ中心軸を含む断面においてルツボおよび磁力線の関
係を示す模式図である。図中ｘはコイルの中心を結ぶ線
であり、磁界の中心軸である。磁界の強度はｘを中心と
する同心円状に分布している。磁界の中心軸ｘを含む水
平面上で前記ルツボの最外側部を通る磁力線を6rで示し
ており、ルツボの最低部を通る磁力線を6rbで示してい
る。
ツボ中心軸を含む断面においてルツボおよび磁力線の関
係を示す模式図である。図中ｘはコイルの中心を結ぶ線
であり、磁界の中心軸である。磁界の強度はｘを中心と
する同心円状に分布している。磁界の中心軸ｘを含む水
平面上で前記ルツボの最外側部を通る磁力線を6rで示し
ており、ルツボの最低部を通る磁力線を6rbで示してい
る。
第1C図における磁界の中心軸ｘを含む水平面（Ｄ−
Ｄ′）を上から見た模式図が第1D図であり、第1C図にお
ける磁界の中心軸ｘ及びルツボ中心軸を含む鉛直面（Ｅ
−Ｅ′）を側面から見た模式図が第1E図である。
Ｄ′）を上から見た模式図が第1D図であり、第1C図にお
ける磁界の中心軸ｘ及びルツボ中心軸を含む鉛直面（Ｅ
−Ｅ′）を側面から見た模式図が第1E図である。
また、第1C図は、第1D図におけるルツボ中心軸及び磁
界中心軸を含む面（Ｃ−Ｃ′）を鉛直面から見た模式図
であると共に、第1E図におけるルツボ中心軸及び磁界中
心軸を含む面（Ｃ−Ｃ′）を側面から見た模式図であ
る。
界中心軸を含む面（Ｃ−Ｃ′）を鉛直面から見た模式図
であると共に、第1E図におけるルツボ中心軸及び磁界中
心軸を含む面（Ｃ−Ｃ′）を側面から見た模式図であ
る。
ちなみに、第1A図は第1C図における溶融面（Ａ−
Ａ′）を上から見た場合に対応し、第1B図は第1C図にお
けるルツボ中心軸及び磁界中心軸を含む面を側面から見
た場合に対応する（第1E図と同じ視点になる）。
Ａ′）を上から見た場合に対応し、第1B図は第1C図にお
けるルツボ中心軸及び磁界中心軸を含む面を側面から見
た場合に対応する（第1E図と同じ視点になる）。
第1D図において、磁界の中心軸から最も離れたルツボ
外側部を通る磁力線6rの該ルツボ外側部近傍の曲率半径
（微少長さ範囲の部分の曲率半径）をRMF1で示す。
外側部を通る磁力線6rの該ルツボ外側部近傍の曲率半径
（微少長さ範囲の部分の曲率半径）をRMF1で示す。
同様に、第1E図において、ルツボ最低部を通る磁力線
6rbのルツボ最低部近傍の曲率半径（微少長さ範囲の部
分の曲率半径）をRMF2で示す。
6rbのルツボ最低部近傍の曲率半径（微少長さ範囲の部
分の曲率半径）をRMF2で示す。
一般的に、磁力線の形状及びルツボの形状並びに位置
関係から r:RMF1＜rb：RMF2となる場合が多い。
関係から r:RMF1＜rb：RMF2となる場合が多い。
第２図は、溶融体に磁界を与えるコイルの半径と、対
向するコイルの間隔との関係を示す説明図であり、半径
ｒを有する同型のコイル７の夫々が、間隔ｌを保つと共
に中心がＺ軸上に位置するように対向している。この
時、Ｚ軸上の磁界強度Ｂの強さは第３図のグラフのよう
になる。ｒ＝ｌの時、夫々のコイル７の中心Ｏ付近でほ
ぼ平坦な磁界強度Ｂの分布が得られ、ｌ＞ｒの時は、中
心Ｏ付近の磁界強度Ｂは低下する。一方、ｌ＜ｒの時
は、中心Ｏ付近の磁界強度Ｂが最大である。こうして、
一様な磁界強度Ｂを得るためには、コイルの半径ｒと対
向するコイルの間隔ｌをできるだけ等しくするのが望ま
しいと言える。しかしながら、コイルの配置の制限から
ｌ＞ｒとなるのが通常である。
向するコイルの間隔との関係を示す説明図であり、半径
ｒを有する同型のコイル７の夫々が、間隔ｌを保つと共
に中心がＺ軸上に位置するように対向している。この
時、Ｚ軸上の磁界強度Ｂの強さは第３図のグラフのよう
になる。ｒ＝ｌの時、夫々のコイル７の中心Ｏ付近でほ
ぼ平坦な磁界強度Ｂの分布が得られ、ｌ＞ｒの時は、中
心Ｏ付近の磁界強度Ｂは低下する。一方、ｌ＜ｒの時
は、中心Ｏ付近の磁界強度Ｂが最大である。こうして、
一様な磁界強度Ｂを得るためには、コイルの半径ｒと対
向するコイルの間隔ｌをできるだけ等しくするのが望ま
しいと言える。しかしながら、コイルの配置の制限から
ｌ＞ｒとなるのが通常である。
［具体例］ 以下、本発明の単結晶の育成装置の一具体例について
述べる。
述べる。
第4A図及び第4B図は、溶融体に加えられる磁束線を示
す本発明の装置の要部の立面部分断面図及び平面部分断
面図である炭素製ルツボ支持部10の中に半径ｒの石英ガ
ラス製ルツボ11が内挿されており、その中に溶融体12が
満たされている。石英ガラス製ルツボ11の底部の曲率半
径はrbである。一方、直径Ｄの育成シリコン単結晶13の
下面が溶融体12の表面に接するように結晶引上げ用ワイ
ヤ14に懸吊されている。前述のルツボ11は半径rhの円筒
状電熱ヒータ15に収容され、ヒータ15は炭素製円筒状保
温部材16に収容されている。半径rcの平板状超電導コイ
ル17が低温保持手段18と共に保温部材16の両側に間隔Ｌ
を保って対向しており、コイル17の半径rc、ルツボ11の
外径半径ｒ、ルツボ11の底部半径rb、及びコイル17の間
隔Ｌを適宜に選択することによって、コイル17の磁束線
19を、ルツボ11の外側部およびルツボ11の底部にほぼ沿
わせて通らせるよう設定することが可能となる。それに
より対流３および循環流５をルツボ内の広い範囲で効果
的に阻止することが可能となる。
す本発明の装置の要部の立面部分断面図及び平面部分断
面図である炭素製ルツボ支持部10の中に半径ｒの石英ガ
ラス製ルツボ11が内挿されており、その中に溶融体12が
満たされている。石英ガラス製ルツボ11の底部の曲率半
径はrbである。一方、直径Ｄの育成シリコン単結晶13の
下面が溶融体12の表面に接するように結晶引上げ用ワイ
ヤ14に懸吊されている。前述のルツボ11は半径rhの円筒
状電熱ヒータ15に収容され、ヒータ15は炭素製円筒状保
温部材16に収容されている。半径rcの平板状超電導コイ
ル17が低温保持手段18と共に保温部材16の両側に間隔Ｌ
を保って対向しており、コイル17の半径rc、ルツボ11の
外径半径ｒ、ルツボ11の底部半径rb、及びコイル17の間
隔Ｌを適宜に選択することによって、コイル17の磁束線
19を、ルツボ11の外側部およびルツボ11の底部にほぼ沿
わせて通らせるよう設定することが可能となる。それに
より対流３および循環流５をルツボ内の広い範囲で効果
的に阻止することが可能となる。
ここで磁束線19がルツボ11の外側部およびルツボ11の
底部にほぼ沿って通っている状態とは、以下のような状
況を言う。
底部にほぼ沿って通っている状態とは、以下のような状
況を言う。
すなわち、コイル間の中間（L/2）において、ルツボ
の最外側部を通る磁力線の曲率半径RMF1およびルツボ最
低部を通る磁力線の曲率半径RMF2と、ルツボの外径半径
ｒ、ルツボの底部の曲率半径rbとの間に夫々、 ｒ≦RMF1≦4r rb≦RMF2≦４rb の関係が成り立っているような状態を言う。この範囲外
ではもはや磁力線がルツボ11の外側部およびルツボ11の
底部にほぼ沿って通っている状態とはいえない。
の最外側部を通る磁力線の曲率半径RMF1およびルツボ最
低部を通る磁力線の曲率半径RMF2と、ルツボの外径半径
ｒ、ルツボの底部の曲率半径rbとの間に夫々、 ｒ≦RMF1≦4r rb≦RMF2≦４rb の関係が成り立っているような状態を言う。この範囲外
ではもはや磁力線がルツボ11の外側部およびルツボ11の
底部にほぼ沿って通っている状態とはいえない。
ここで、ｒ＞RMF1とすることは、コイルとルツボの位
置関係上、不可能であり、また、RMF1＞4rとなると磁力
線はより直線に近くなりルツボ形状に沿った形とは言い
難く、対流および循環流を広い範囲で阻止することはで
きない。
置関係上、不可能であり、また、RMF1＞4rとなると磁力
線はより直線に近くなりルツボ形状に沿った形とは言い
難く、対流および循環流を広い範囲で阻止することはで
きない。
このような曲率を有する磁力線を発生させるために要
求される前述の選択事項の内、コイルの条件としては、
コイル17の半径rcを、 rc＝（1.5〜５）ｒ となるように設定することが必要である。
求される前述の選択事項の内、コイルの条件としては、
コイル17の半径rcを、 rc＝（1.5〜５）ｒ となるように設定することが必要である。
ここで、RMF1をｒに近づけるためにはルツボとコイル
間の距離を短くし、コイル径をある程度小さくすること
が望ましい。しかし、ルツボとコイル間の距離について
はヒータ、チャンバ等の装置が存在することから実質的
にルツボ半径ｒに応じて距離が長くなるため、短くする
には限界があり、また、コイルの径についても、あまり
小さくすると、本願明細書で前述したように、相対的に
コイル径rcに対するコイル間距離１が大きくなり、均一
な磁界強度が得られなくなる。
間の距離を短くし、コイル径をある程度小さくすること
が望ましい。しかし、ルツボとコイル間の距離について
はヒータ、チャンバ等の装置が存在することから実質的
にルツボ半径ｒに応じて距離が長くなるため、短くする
には限界があり、また、コイルの径についても、あまり
小さくすると、本願明細書で前述したように、相対的に
コイル径rcに対するコイル間距離１が大きくなり、均一
な磁界強度が得られなくなる。
したがって、rcについては1.5以上に設定することが
必要である。
必要である。
また、rcが５を越えると、ほぼコイル中心軸上に位置
しているルツボを通る磁力線はほぼ平行に近くなってし
まう。さらにコイル径が大きいため、磁束密度が薄ま
り、コイル中心軸上に位置するルツボ内の溶融体に充分
な強度の磁界を与えられなくなる恐れがある。また、装
置の大型化を招く。
しているルツボを通る磁力線はほぼ平行に近くなってし
まう。さらにコイル径が大きいため、磁束密度が薄ま
り、コイル中心軸上に位置するルツボ内の溶融体に充分
な強度の磁界を与えられなくなる恐れがある。また、装
置の大型化を招く。
実際には装置上の制約から、ルツボの外径ｒによりコ
イル間距離は制約され、ある程度以下にはできなくな
る。また、コイル間距離が長くなるとルツボ近傍を通る
磁力線はより平行に近くなってしまう。また、ルツボ外
径は引き上げようとする単結晶の径に影響するため、ル
ツボ外径ｒに対する制約の方がルツボ底部の曲率半径に
対する制約よりも大きい。
イル間距離は制約され、ある程度以下にはできなくな
る。また、コイル間距離が長くなるとルツボ近傍を通る
磁力線はより平行に近くなってしまう。また、ルツボ外
径は引き上げようとする単結晶の径に影響するため、ル
ツボ外径ｒに対する制約の方がルツボ底部の曲率半径に
対する制約よりも大きい。
したがって、ルツボの外径ｒ（これによりコイル間距
離１もほぼ決定される）、およびコイル半径rcを適宜決
定して、ｒ≦RMF1≦4rを満たし、その後、rb≦RMF2≦４
rbを満たすようにルツボ底部の半径rbを決定するように
すると好便であるが、これに限定されるものではない。
離１もほぼ決定される）、およびコイル半径rcを適宜決
定して、ｒ≦RMF1≦4rを満たし、その後、rb≦RMF2≦４
rbを満たすようにルツボ底部の半径rbを決定するように
すると好便であるが、これに限定されるものではない。
一方、溶融体の加熱手段は、通常、ルツボの外側にお
いてルツボの中心軸と同心に配置された環状の炭素部材
から成り、この環状の加熱手段には、上端からのスリッ
トと下端からのスリットが周方向に沿って交互に設けら
れている。したがって、加熱電流は加熱手段の中を、加
熱手段の長手方向に関してジグザグ状に流れ、この電流
と磁場との作用で生ずるヒータ15の振動を避けるため
に、ヒータ15の加熱電流のリップル値は極力小さい方が
好ましい。しかし、通常、加熱電流には３〜５％のリッ
プルが存在し、この範囲の電流値の変動がある場合に、
コイル17とヒータ15とが近接して配置されると、コイル
17の過大な磁界とヒータ15の変動電流によってヒータ15
に大きな繰返し応力が高温状態で作用するため、ヒータ
15の寿命が短くなる。
いてルツボの中心軸と同心に配置された環状の炭素部材
から成り、この環状の加熱手段には、上端からのスリッ
トと下端からのスリットが周方向に沿って交互に設けら
れている。したがって、加熱電流は加熱手段の中を、加
熱手段の長手方向に関してジグザグ状に流れ、この電流
と磁場との作用で生ずるヒータ15の振動を避けるため
に、ヒータ15の加熱電流のリップル値は極力小さい方が
好ましい。しかし、通常、加熱電流には３〜５％のリッ
プルが存在し、この範囲の電流値の変動がある場合に、
コイル17とヒータ15とが近接して配置されると、コイル
17の過大な磁界とヒータ15の変動電流によってヒータ15
に大きな繰返し応力が高温状態で作用するため、ヒータ
15の寿命が短くなる。
実験の結果によれば、ヒータ15の半径をrh、コイル17
の半径をrc、対向するコイル17間の距離をＬとして rc＞0.8rh及びＬ＞３rh となるように、コイル17の半径rc及びコイル17間の間隔
Ｌを選定すると、加熱電流のリップル値が４％時にrc≦
0.8rh又はＬ≦３rhの場合に比べて、ヒータ15の耐用使
用回数が20％〜30％増大した。
の半径をrc、対向するコイル17間の距離をＬとして rc＞0.8rh及びＬ＞３rh となるように、コイル17の半径rc及びコイル17間の間隔
Ｌを選定すると、加熱電流のリップル値が４％時にrc≦
0.8rh又はＬ≦３rhの場合に比べて、ヒータ15の耐用使
用回数が20％〜30％増大した。
そころで、溶融体に磁界が加えられた状態で単結晶の
引上げを安定的に行なうために、単結晶13の直径Ｄとル
ツボ11の直径2rの間にD/2r＜0.75の関係があるのが望ま
しく、さらに実験の結果によれば、育成単結晶13中の酸
素濃度は、D/2rの値に関係していることが判明した。
引上げを安定的に行なうために、単結晶13の直径Ｄとル
ツボ11の直径2rの間にD/2r＜0.75の関係があるのが望ま
しく、さらに実験の結果によれば、育成単結晶13中の酸
素濃度は、D/2rの値に関係していることが判明した。
すなわち、溶融体12に3000ガウスの磁界が加えられた
状態において、D/2r＜0.7以下の時は容易に単結晶の酸
素濃度を10×1017atoms/cm3以下とし得、D/2r＜0.6以下
の時は５×1017atoms/cm3以下とし得た。好ましくは、D
/2r＜0.5以下とするのがよく、この場合は酸素濃度は１
×1017atoms/cm3とし得た。但し、以上の実験で、単結
晶13の直径Ｄは100mmφ以上である。
状態において、D/2r＜0.7以下の時は容易に単結晶の酸
素濃度を10×1017atoms/cm3以下とし得、D/2r＜0.6以下
の時は５×1017atoms/cm3以下とし得た。好ましくは、D
/2r＜0.5以下とするのがよく、この場合は酸素濃度は１
×1017atoms/cm3とし得た。但し、以上の実験で、単結
晶13の直径Ｄは100mmφ以上である。
第５図は、低温保持手段の高さの制限を示す説明図で
あり、引上げ結晶20は引上げチャンバ21内に配置されて
いる。コイル22の中心線23は溶融体の液面24にほぼ一致
している。この低温保持手段25においてコイル22の直径
を大きくすると、対向する平板状超電導コイルのための
垂直軸を有する円筒型低温保持手段25の外径、及び高さ
が増大する。この円筒型低温保持手段を装備した実験装
置では、低温保持手段の高さは、コイルの上端に300mm
を加えた値とするのが望ましく、低温保持手段の内径は
少なくともコイル間距離Ｌより100mm以上小さい値であ
ると共に外径は 以上の値とするのが望ましい。
あり、引上げ結晶20は引上げチャンバ21内に配置されて
いる。コイル22の中心線23は溶融体の液面24にほぼ一致
している。この低温保持手段25においてコイル22の直径
を大きくすると、対向する平板状超電導コイルのための
垂直軸を有する円筒型低温保持手段25の外径、及び高さ
が増大する。この円筒型低温保持手段を装備した実験装
置では、低温保持手段の高さは、コイルの上端に300mm
を加えた値とするのが望ましく、低温保持手段の内径は
少なくともコイル間距離Ｌより100mm以上小さい値であ
ると共に外径は 以上の値とするのが望ましい。
また、装置の操作上の観点から大型の低温保持手段は
望ましくなく、測定用窓26が充分に機能するような高さ
に制限されるのが望ましい。すなわち、単結晶20の直径
を光学的に測定する測定手段27の外形寸法は10cm×10cm
×30cm又は7cmφ×10cm程度であり、引上げ単結晶20を
視認するためには、測定手段27の保持位置が単結晶の界
面の中心と測定用窓26の中心を結ぶ線28上になければな
らず、その高さは引上げチャンバ20のフランジ上200mm
が下限である。したがって、低温保持手段25の高さの限
界は第５図におけるh1が200mm以下であり、この範囲で
あれば、低温保持手段25の取付け及び測定手段27の操作
に支承はない。
望ましくなく、測定用窓26が充分に機能するような高さ
に制限されるのが望ましい。すなわち、単結晶20の直径
を光学的に測定する測定手段27の外形寸法は10cm×10cm
×30cm又は7cmφ×10cm程度であり、引上げ単結晶20を
視認するためには、測定手段27の保持位置が単結晶の界
面の中心と測定用窓26の中心を結ぶ線28上になければな
らず、その高さは引上げチャンバ20のフランジ上200mm
が下限である。したがって、低温保持手段25の高さの限
界は第５図におけるh1が200mm以下であり、この範囲で
あれば、低温保持手段25の取付け及び測定手段27の操作
に支承はない。
当然ながら、低温保持手段25の形状は種々変形しても
よく、例えば分離型の低温保持手段を使用することによ
り、上述のような制限は緩和される。また、低温保持手
段の外形が円筒状でもよく、内部が円筒状であって外部
が角柱筒としてもよい。この場合、ルツボの最大径450m
mφ用の低温保持手段の寸法及び重量の一例としては、
内部円筒径は900mm、外部角柱寸法は1350mm（巾）×146
0mm（奥行）×1135mm（高さ）であり、総重量は2.6tで
あった。
よく、例えば分離型の低温保持手段を使用することによ
り、上述のような制限は緩和される。また、低温保持手
段の外形が円筒状でもよく、内部が円筒状であって外部
が角柱筒としてもよい。この場合、ルツボの最大径450m
mφ用の低温保持手段の寸法及び重量の一例としては、
内部円筒径は900mm、外部角柱寸法は1350mm（巾）×146
0mm（奥行）×1135mm（高さ）であり、総重量は2.6tで
あった。
第6A図は、昇降可能な低温保持手段を装着した単結晶
の育成装置の説明図であり、引上げチャンバ31に対向し
て低温保持手段32が配置されている。ヒータ等のホット
ゾーン構成部品交換時、ルツボ交換時、多結晶シリコン
の装着時、及びチャンバ内面清浄時のような保守時に
は、第6B図に示すように低温保持手段32が引上げチャン
バ31の下方に下げられ得て保守性を向上させている。さ
らに引上げチャンバ31は回転支柱33及び回転支持腕34に
支持されており、前述の保守時には、第6B図の如く引上
げチャンバ31を回転支柱33の回りに回転させて、ホット
ゾーン構成部品35を露出させて、作業性を向上させてい
る。
の育成装置の説明図であり、引上げチャンバ31に対向し
て低温保持手段32が配置されている。ヒータ等のホット
ゾーン構成部品交換時、ルツボ交換時、多結晶シリコン
の装着時、及びチャンバ内面清浄時のような保守時に
は、第6B図に示すように低温保持手段32が引上げチャン
バ31の下方に下げられ得て保守性を向上させている。さ
らに引上げチャンバ31は回転支柱33及び回転支持腕34に
支持されており、前述の保守時には、第6B図の如く引上
げチャンバ31を回転支柱33の回りに回転させて、ホット
ゾーン構成部品35を露出させて、作業性を向上させてい
る。
［発明の効果］ 本発明の方法及び装置によれば、シリコン溶融体の対
流及び循環流を阻止し得るが故に高品質であって大口径
のシリコン単結晶を育成し得る。
流及び循環流を阻止し得るが故に高品質であって大口径
のシリコン単結晶を育成し得る。
第1A図は本発明の装置の溶融体の流れ及び磁場を示す平
面図、第1B図は第1A図の立断面図、第1C図はルツボと磁
力線との関係を示す鉛直面の模式図、第1D図はルツボと
磁力線との関係を示す水平面の模式図、第1E図はルツボ
と磁力線との関係を示す他の鉛直面の模式図、第２図は
溶融体に磁界を与えるコイルの半径と対向するコイルの
間隔との関係を示す説明図、第３図は第２図におけるＺ
軸上の磁界の強さを示すグラフ、第4A図は溶融体に加え
られる磁束線を示す本発明の装置の要部の立面部分断面
図、第4B図は第4A図の平面部分断面図、第５図は低温保
持手段の高さの制限を示す概略図、第6A図及び第6B図は
昇降可能な低温保持手段を装着した単結晶の育成装置の
説明図である。 1,11……ルツボ、2,12……溶融体、3,19……磁束線、15
……ヒータ、17……コイル、25……低温保持手段。
面図、第1B図は第1A図の立断面図、第1C図はルツボと磁
力線との関係を示す鉛直面の模式図、第1D図はルツボと
磁力線との関係を示す水平面の模式図、第1E図はルツボ
と磁力線との関係を示す他の鉛直面の模式図、第２図は
溶融体に磁界を与えるコイルの半径と対向するコイルの
間隔との関係を示す説明図、第３図は第２図におけるＺ
軸上の磁界の強さを示すグラフ、第4A図は溶融体に加え
られる磁束線を示す本発明の装置の要部の立面部分断面
図、第4B図は第4A図の平面部分断面図、第５図は低温保
持手段の高さの制限を示す概略図、第6A図及び第6B図は
昇降可能な低温保持手段を装着した単結晶の育成装置の
説明図である。 1,11……ルツボ、2,12……溶融体、3,19……磁束線、15
……ヒータ、17……コイル、25……低温保持手段。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大和 充博 秦野市曽屋30番地 東芝セラミツクス株 式会社中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭62−3091（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−286294（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−53188（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−36391（ＪＰ，Ａ)
Claims (5)
- 【請求項１】円筒状ルツボ内で導電性を有する物質を加
熱して溶融する段階と、熱対流によって生起され、前記
ルツボの側壁近傍においては上昇し、前記溶融した物質
の液面近傍においては前記ルツボの径方向内側に向か
い、前記側壁から離間した部分においては下降し、かつ
前記ルツボの底部近傍においては径方向外側に向かう前
記溶融した物質の液流にほぼ直交する方向に直流磁界を
加える段階と、前記溶融した物質から単結晶を引き上げ
る段階とからなり、 前記直流磁界を加える段階において、前記ルツボの外径
半径をｒ、前記ルツボの底部の曲率半径をrb、磁界の中
心軸を含む水平面上で該中心軸から最も離れた位置にあ
る前記ルツボの外側部を通る磁力線の該最外側部近傍の
曲率半径をRMF1、前記ルツボ最底部を通る磁力線の該最
低部近傍の曲率半径をRMF2とした場合に、ｒ≦RMF1≦4r
およびrb≦RMF2≦４rbを満たす磁界が加えられることを
特徴とする単結晶の育成方法。 - 【請求項２】前記物質が多結晶シリコンからなる特許請
求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項３】円筒状ルツボと、このルツボの外側におい
て前記ルツボの中心軸と同心に配置されており、前記ル
ツボ内の導電性を有する物質を溶融するための環状の加
熱手段と、この加熱手段の外側において、前記ルツボの
中心軸に関して対称に対向して配置されており、中心が
前記ルツボ内で溶融した前記物質の液面とほぼ同一高さ
に位置しており、平均有効半径が前記ルツボの半径の1.
5〜５倍である一対の電磁コイルとを有し、前記ルツボ
の外径半径をｒ、前記ルツボの底部の曲率半径をrb、前
記一対の電磁コイルの中間地点において、一対のコイル
の中心線を結ぶ線を含む水平面上で前記ルツボの最外側
部を通る磁力線の該最外側部近傍の曲率半径をRMF1、前
記ルツボ最底部を通る磁力線の該最低部近傍の曲率半径
をRMF2とした場合に、ｒ≦RMF1≦4rおよびrb≦RMF2≦４
rbを満たす磁界を発生するように前記ルツボ及び前記電
磁コイルが配置されてなることを特徴とする単結晶を育
成する装置。 - 【請求項４】前記物質が多結晶シリコンからなる特許請
求の範囲第３項に記載の装置。 - 【請求項５】前記コイルが超電導コイルからなる特許請
求の範囲第３項又は第４項に記載の装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61100551A JP2561072B2 (ja) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | 単結晶の育成方法及びその装置 |
| DE19873709731 DE3709731A1 (de) | 1986-04-30 | 1987-03-25 | Verfahren und vorrichtung zur einkristallzuechtung |
| US07/031,521 US4849188A (en) | 1986-04-30 | 1987-03-26 | Method of and device for growing single crystals |
| GB8709962A GB2191112B (en) | 1986-04-30 | 1987-04-28 | Method of and device for growing single crystals. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61100551A JP2561072B2 (ja) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | 単結晶の育成方法及びその装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62256787A JPS62256787A (ja) | 1987-11-09 |
| JP2561072B2 true JP2561072B2 (ja) | 1996-12-04 |
Family
ID=14277078
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61100551A Expired - Fee Related JP2561072B2 (ja) | 1986-04-30 | 1986-04-30 | 単結晶の育成方法及びその装置 |
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| Country | Link |
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| JP (1) | JP2561072B2 (ja) |
| DE (1) | DE3709731A1 (ja) |
| GB (1) | GB2191112B (ja) |
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| GB8805478D0 (en) * | 1988-03-08 | 1988-04-07 | Secr Defence | Method & apparatus for growing semi-conductor crystalline materials |
| JPH0431386A (ja) * | 1990-05-25 | 1992-02-03 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | 半導体単結晶引上方法 |
| JP2546736B2 (ja) * | 1990-06-21 | 1996-10-23 | 信越半導体株式会社 | シリコン単結晶引上方法 |
| US5196085A (en) * | 1990-12-28 | 1993-03-23 | Massachusetts Institute Of Technology | Active magnetic flow control in Czochralski systems |
| US5178720A (en) * | 1991-08-14 | 1993-01-12 | Memc Electronic Materials, Inc. | Method for controlling oxygen content of silicon crystals using a combination of cusp magnetic field and crystal and crucible rotation rates |
| JPH08143391A (ja) * | 1993-06-01 | 1996-06-04 | Texas Instr Inc <Ti> | チョクラルスキ結晶引上げ装置に使用する螺旋加熱器 |
| JPH0920595A (ja) * | 1995-07-04 | 1997-01-21 | Shin Etsu Handotai Co Ltd | シリコン単結晶の製造装置 |
| JP3520883B2 (ja) * | 1995-12-29 | 2004-04-19 | 信越半導体株式会社 | 単結晶の製造方法 |
| US20060005761A1 (en) * | 2004-06-07 | 2006-01-12 | Memc Electronic Materials, Inc. | Method and apparatus for growing silicon crystal by controlling melt-solid interface shape as a function of axial length |
| US7223304B2 (en) * | 2004-12-30 | 2007-05-29 | Memc Electronic Materials, Inc. | Controlling melt-solid interface shape of a growing silicon crystal using a variable magnetic field |
| US7291221B2 (en) * | 2004-12-30 | 2007-11-06 | Memc Electronic Materials, Inc. | Electromagnetic pumping of liquid silicon in a crystal growing process |
| US20230407523A1 (en) | 2020-11-10 | 2023-12-21 | Sumco Corporation | Single crystal manufacturing method, magnetic field generator, and single crystal manufacturing apparatus |
Family Cites Families (17)
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|---|---|---|---|---|
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| GB2059932B (en) * | 1979-09-20 | 1983-10-12 | Sony Corp | Solidification processes |
| JPH0244799B2 (ja) * | 1981-10-26 | 1990-10-05 | Sony Corp | Ketsushoseichohoho |
| US4606037A (en) * | 1983-01-18 | 1986-08-12 | Agency Of Industrial Science & Technology | Apparatus for manufacturing semiconductor single crystal |
| US4637854A (en) * | 1983-01-18 | 1987-01-20 | Agency Of Industrial Science And Technology | Method for producing GaAs single crystal |
| EP0135676A3 (en) * | 1983-06-30 | 1989-02-01 | International Business Machines Corporation | Apparatus for growing czochralski crystals and growth method using such apparatus |
| JPS6027682A (ja) * | 1983-07-26 | 1985-02-12 | Toshiba Corp | 単結晶引上装置 |
| JPS6033296A (ja) * | 1983-07-29 | 1985-02-20 | Toshiba Ceramics Co Ltd | 単結晶半導体引上装置 |
| JPS6036391A (ja) * | 1983-08-05 | 1985-02-25 | Toshiba Corp | 単結晶引上装置 |
| US4565671A (en) * | 1983-08-05 | 1986-01-21 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Single crystal manufacturing apparatus |
| JPS6153189A (ja) * | 1984-08-21 | 1986-03-17 | Toshiba Corp | 単結晶引上装置 |
| EP0194051B1 (en) * | 1985-02-14 | 1990-04-18 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Method for manufacturing single crystal |
| JPS61286294A (ja) * | 1985-06-07 | 1986-12-16 | Toshiba Corp | 単結晶引上装置 |
| JPS623091A (ja) * | 1985-06-26 | 1987-01-09 | Toshiba Corp | 単結晶引上装置 |
| JPS6153188A (ja) * | 1985-07-27 | 1986-03-17 | Sony Corp | 結晶成長法 |
| JP2948988B2 (ja) * | 1992-07-14 | 1999-09-13 | 京セラ株式会社 | 電解メッキ方法 |
| JP2645202B2 (ja) * | 1992-07-31 | 1997-08-25 | 株式会社東芝 | プラント模擬装置 |
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1986
- 1986-04-30 JP JP61100551A patent/JP2561072B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1987
- 1987-03-25 DE DE19873709731 patent/DE3709731A1/de not_active Ceased
- 1987-03-26 US US07/031,521 patent/US4849188A/en not_active Expired - Lifetime
- 1987-04-28 GB GB8709962A patent/GB2191112B/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| GB8709962D0 (en) | 1987-06-03 |
| DE3709731A1 (de) | 1987-11-05 |
| GB2191112B (en) | 1990-03-14 |
| JPS62256787A (ja) | 1987-11-09 |
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