JP6064675B2 - 半導体単結晶棒の製造方法 - Google Patents
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Description
半導体単結晶棒を所望の結晶直径で成長させることは非常に重要であり、その半導体単結晶棒の結晶径は、原料結晶棒の溶融量とのバランスで決定され、
(原料結晶径)2×原料下降速度=(半導体単結晶径)2×単結晶下降速度
の式が成り立ち、これを満足するように適切に制御されなければならない。
つまり、半導体単結晶棒を所望の結晶直径で成長させるには、半導体単結晶棒を育成している間、原料結晶棒の結晶直径を常に正確に測定する必要がある。
しかしながら、これまでより大直径の原料結晶棒から大直径の半導体単結晶棒を製造するFZ結晶の製造においては、より多くの原料を溶融させ、より多くの溶融帯域のメルトを保持する必要があるため、誘導加熱コイルからの溶融パワーを増加させることが必須であった。そこで、特許文献4では、原料結晶棒の周囲に保温筒を設けることにより、高周波電力の増加を抑制し、安定的に結晶製造する方法が開示されている。
つまり、保温筒を設置することにより、原料結晶棒の撮影したい部分が保温筒によりさえぎられ、原料結晶棒の結晶直径をカメラにより測定できなくなり、適切な原料下降速度で制御できず、所望の結晶直径の晶出側半導体単結晶棒が得られない場合があった。
このように、原料結晶棒の軸方向の測定位置に対する直径値を測定して単結晶棒の製造に利用することにより、表面の凹凸が大きい、といった軸方向で結晶直径が大きく変化している原料結晶棒を用いても、安定して半導体単結晶棒を成長させることができる。
このように、半導体単結晶を成長させる際、誘導加熱コイルの上側にある原料結晶棒の周囲を保温筒で覆うことにより、溶融する原料結晶棒を保温することができるので誘導加熱コイルの高周波電力の消費を抑制でき、かつ、原料結晶棒の結晶直径値はあらかじめ測定されているため、CCDカメラで原料結晶棒の直径値を測定する必要がないのでCCDカメラの撮像範囲と保温筒とが干渉することもなく、原料結晶棒を保温しながら安定的に半導体単結晶を成長させることができる。
まず本発明の半導体単結晶棒の製造方法を実施可能な半導体結晶棒製造装置について図2を参照して説明する。
原料結晶棒2の結晶径Dpや晶出側の半導体結晶棒6の結晶径Ds、溶融帯域4におけるゾーン長Lやネック径Dn等のパラメータに基づいて自動制御が可能な構成となっている。その他、さらにこの例では晶出側の融液肩部の直径Dmについても自動制御を行う構成となっている。
主に、各パラメータの測定のためのCCDカメラ7や画像処理装置8、得られた測定値から制御機器への制御値を計算するための制御コンピュータ9、制御値に基づき、誘導加熱コイル5に供給する電力を制御するための高周波発振機10、原料結晶棒2や半導体単結晶棒6の移動速度を制御する可変速モーター11、12が挙げられる。
画像処理装置8は、CCDカメラ7により撮影された映像信号の処理を行い、各パラメータの値を検出するためのものである。
また、調節器16からの制御値に基づいて、移動速度調整・駆動回路18、19で制御された可変速モーター11、12のそれぞれによって、原料結晶棒2、半導体結晶棒6の移動速度を制御できるようになっている。
まず、原料結晶棒の直径値を測定する(図1の工程(a))。
原料結晶棒2の結晶直径Dpは、FZ結晶製造のために成長炉3にセットする前に、あらかじめ測定される。この際、結晶直径測定方法は特に限定されず、ノギスのような接触式測定器を使用してもよいし、レーザー変位計のような非接触式の測定器を用いてもよい。
また、種結晶(不図示)を下軸(不図示)のホルダー(不図示)に取り付ける。
この時、工程(a)でパターン設定器13に登録した原料結晶棒の直径値と、原料結晶棒2の移動速度Vpなどから算出される原料結晶棒2の長さ方向の位置情報を基に、原料結晶棒2の結晶直径Dpを算出する。
さらに、画像処理装置8によって得られた半導体単結晶棒の結晶直径Dsあるいは融液肩部直径Dmを用いることにより、適切な原料結晶棒2の移動速度Vpで制御することが可能となり、所望の結晶直径の半導体単結晶棒を得ることが可能となる。
FZ法においては、原料結晶棒からのメルト供給量と半導体単結晶の結晶化量が均衡することより、以下の式が示される。
(Ds)2×Vs=(Dp)2×Vp
これにより半導体単結晶棒6が製造される。
このように、半導体単結晶を成長させる際、誘導加熱コイルの上側にある原料結晶棒2の周囲を保温筒20で覆うことにより、溶融する原料結晶棒を保温することができるので誘導加熱コイル5の高周波電力の消費を抑制でき、かつ、原料結晶棒の直径値はあらかじめ測定されているため、CCDカメラで原料結晶棒の直径値を測定する必要がないのでCCDカメラの撮像範囲と保温筒とが干渉することもなく、原料結晶棒を保温しながら安定的に半導体単結晶を製造することができる。
(実施例1)
図2に示したFZ法による半導体単結晶の製造装置1を用いて、直径155mmのシリコン単結晶棒を製造する。
まず、原料シリコン結晶棒の結晶直径Dpをあらかじめ、ノギスにて測定した。なお、この原料結晶棒は円筒研削されており、直径の軸方向の変化はほとんど無いため、3箇所(両端、中央)の直径値の平均値を利用した(工程(a))。
このような条件の下、結晶製造を行ったところ、得られたシリコン単結晶棒の結晶直径は、長さ1500mmの全長において、狙い値155mmに対して、±1mmの範囲であった。また、誘導加熱コイル5に接続されてる発振機10の溶融パワーは112kWであった。
シリコン単結晶製造の際、円筒研削されておらず表面に凹凸のある原料シリコン結晶棒を用い、原料シリコン結晶棒の長さ10mmごとに結晶直径をあらかじめ測定した(工程(a))。測定には、レーザー変位計を用い、それぞれの長さ位置における原料結晶棒の直径を測定した。この得られたデータを、パターン設定器に登録し、原料結晶棒の直径値とした。なお、シリコン単結晶製造中の原料結晶棒の長さ(位置)は、原料下降速度Vpから算出し、求めた。
それ以外は、実施例1と同様にして製造を行った。
実施例1と同様な原料シリコン結晶棒を用い、あらかじめ原料シリコン結晶棒の結晶直径Dpを測定せず、シリコン単結晶の直胴部を育成する際、実施例1とは異なり、原料結晶棒の結晶直径値を、他のパラメータと同様にCCDカメラにて撮像することにより測定した。
それ以外は、実施例1と同様にして製造を行った。
シリコン単結晶製造の際、実施例2と同様な原料シリコン結晶棒を用い、比較例1とは異なり、誘導加熱コイル直上の保温筒20を図4に示すように、CCDカメラの撮像範囲と干渉しないところまで離した。
それ以外は、比較例1と同様にして製造を行った。
4…溶融帯域、 5…誘導加熱コイル、 6…半導体単結晶棒(シリコン単結晶棒)、
7…CCDカメラ、 8…画像処理装置、 9…制御コンピュータ、
10…高周波発振機、 11、12…可変速モーター、 13…パターン設定器、
14…データ演算器、 15…比較器、 16…調節器、 17…発振機制御回路、
18、19…移動速度調整・駆動回路、 20…保温筒、 Dm…融液肩部の直径、
Dn…ネック径、 Dp…原料結晶棒の直径、 Ds…半導体結晶棒の直径、
L…ゾーン長、 Vs…半導体単結晶の移動速度、 Vp…原料結晶棒の移動速度。
Claims (1)
- 原料結晶棒を成長炉に収容し、該原料結晶棒の一部分を誘導加熱コイルで溶融して溶融帯域を形成し、前記誘導加熱コイルと、上側の前記原料結晶棒および下側の晶出側単結晶棒とを軸方向で相対的に移動させて前記溶融帯域を軸方向に移動させることで半導体単結晶棒を成長させて製造するFZ法による半導体単結晶棒の製造方法において、
前記原料結晶棒を成長炉に収容する前に、あらかじめ前記原料結晶棒の軸方向の測定位置に対する前記原料結晶棒の直径値を測定し、
前記半導体単結晶を成長させる際、前記誘導加熱コイルの上側にある前記原料結晶棒を保温筒で覆い、前記原料結晶棒の直径値を測定せず、前記あらかじめ測定された原料結晶棒の直径値に基づいて前記原料結晶棒の移動速度および前記半導体単結晶棒の移動速度のうちいずれか1つ以上を制御することを特徴とする半導体単結晶棒の製造方法。
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