JPH03131592A - 結晶成長装置 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、主に半導体材料として用いられているシリコ
ン単結晶等の結晶成長装置に関する。

〔従来の技術〕

一般にこの種の結晶の成長装置としてはチョクラルスキ
ー法（ＣＺ法）が広く用いられている。第３図はＣＺ法
による結晶成長装置を示す模式図であり、■は水冷され
ているチャンバ１０内等に配設された坩堝を示している
。坩堝Ｉは有底円筒状をなす黒鉛製の外層容器１ａと石
英製の内層容器１ｂとを同心状に配して構成されており
、ここに結晶用原料を投入し、これを坩堝ｌの周囲に配
したヒータ２にて加熱溶融せしめた後、この溶融液１、
中に引上げ軸６にて吊り下げた種結晶７を浸し、これを
回転させつつ上方に引上げ、種結晶７の下端に単結晶８
を成長せしめることによって行なわれる。

ところで通常単結晶を半導体基板等として用いる場合は
、単結晶の電気抵抗率、電気電導型を調節するために、
坩堝１内の溶融液中には不純物元素を添加するが、この
ような不純物は単結晶８の引上げ方向に偏析し、単結晶
８の成長方向全長にわたって均一な濃度分布を維持する
ことは極めて難しい。

不純物の偏析は、溶融液と単結晶との成長界面における
単結晶中の不純物濃度Ｃ５と溶融液中の不純物濃度ＣＬ
との比ｃｓ　／ＣＬ　、即ち実効偏析係数ｋｅが１とな
らないことに起因して、単結晶の成長に伴う溶融液中の
不純物濃度、単結晶中の不純物濃度が結晶引上げ途中で
変化することによるこのような偏析を抑制する方法とし
て溶融層法が知られている。第４図は一般的な溶融層法
による結晶成長装置の模式図であり、ヒータ２の制′４
１０によって坩堝１の底部に結晶用原料の固体１ｓをま
たその上方に結晶用原料の溶融層りを共存させた状態で
第３図に示す過程と同様に単結晶８を成長させるように
なっている。

なお、この単結晶８の引上げ過程では途中ヒータ２の制
御によって単結晶８の引上げに伴う溶融層の厚さの減少
を固体層Ｓの溶融によって補充し溶融層りの体積を一定
に保持しく溶融層厚一定法という）、不純物元素は結晶
引上げ中連続的に添加し、溶融液中の不純物濃度を一定
に維持して結晶を成長させる装置（特公昭３４−８２４
２号公報）、或いは意図的に溶融液層の体積を変化させ
、（溶融層厚変化法という）、結晶引上げ中は不純物元
素を添加することなく溶融液中の不純物濃度を一定に維
持して結晶を成長させる装置がある。

溶融層法を用いて不純物の偏析なく単結晶を引上げるた
めの条件は概路次の如くに説明出来る。

第４図における坩堝内の溶融層りと固体１ｓとの層厚さ
の変化を第５図（イ）〜（ホ）に示す如き一次元モデル
図（左方が坩堝の上面側である）を用いて説明する。

第５図（イ）は原料充填終了時の状態を、また第５図（
ロ）は初期溶解終了時の状態を、第５図（ハ）、（ニ）
は結晶引上げ中における状態を、更に第５図（ホ）は結
晶引上げ終了時の状態を夫々示している。

なお、例えば原料として高純度の多結晶シリコンを用い
ても、ここでは固体層Ｓ中の不純物濃度Ｃ２は零でない
（Ｃｐ　ｆ−０）ものとする。

第５図（イ）は坩堝に対する原料の充填直後の状態を示
しており、最初に坩堝に充填した原料の重ｆｆｉ　ｒ　
Ｐを１とし、原料上面側から底面側に向けて測った重量
比Ｘの位置における不純物濃度をＣＰ（Ｘｌとする。

いま第５図（イ）に示す如く結晶用原料を坩堝に充填し
た後、これをその上面側から溶解する。

第５図（ロ）は初期溶解終了時の状態を示しており、坩
堝上部に融液率ｆＬ　　（＝ｆＯ）の溶融ｉ　Ｌとその
下部に下部固体率ｆ、の固体層Ｓを共存させ、この状態
で単結晶の引上げを開始する。なお初期溶融液中の不純
物濃度をＣ８とする。

次に第５図（ハ）に示す如く、結晶を初期充填原料重量
１に対し重量比（結晶引上げ率）でｆ。

たけ引上げたときの溶融層りの重量比（融液率）をｆｌ
、固体として残っている原料の重量比（固体率）をｆ、
とし、このときの固体層−溶融層界面における固相中の
不純物濃度をＣＰ、また液相中不純物濃度をＣｔとする
と、結晶引上げ率ｆ３＋融液率ｆＬ、固体率ｆ２間には
下記（１）弐が成立する。

Ｉｓ　＋ｆＬ＋　ｒｐ　”ｆｏ　”ｆｐ　＝１　　・・
（１１但しｆｓ＋ｆＬ＝ｆ。

次に第５図（ハ）の状態から結晶引上げ率をｆ。

からｆ、＋Δｆ３まで引上げると溶融率ｆＬはｆＬ＋Δ
ｆＬに、固体率ｒ、はｆ、＋Δｆ、に変化するものとし
、更にこの間に結晶〜溶融液界面における固相中の不純
物濃度をＣ３、また融液層中の不純物濃度をＣＬ＋ΔＣ
ＬとするとＡ領域の不純物は保存されるから下記（２）
弐が成立する。

ＣＬ−ｆＬ＋Ｃａ　・Δｆ、＋Ｃ，−Δｆ。

＝Ｃ，・Δｆｓ＋（ＣＬ＋ΔＣｔ）’（ｒｔ。

＋Δｆｔ）　　由（２） 但し、ｃ、　　・Δｆ、：不純物添加量。

Ｃ８：結晶化率に対する単位 不純物添加量 結晶−融液界面における固相中の不純物濃度Ｃ３と液相
中不純物濃度ＣＬとの間には下記（３）式の関係が成立
するから、 ＣＢ　＝ｋｅ−Ｃｔ　　　−（３） 但し、ｋｅ：実効偏析係数 （２）式中の二次の漱小項を省略し、（３）式を適用す
ると下記（４）式が得られる。

而して溶融層法において無偏析条件は（４）式中のｄｃ
Ｌ／ｄ　ｆｓ　＝０．ＣＰ　＝０として下記（５）式で
与えられる。

結晶の引上げ過程で固体層Ｓを溶融し、溶融層厚を一定
に維持する溶融液層厚一定法ではｄｆＬ／ｄｆ、＝Ｏで
あるから下記（６）式で表わされる不純物を連続的に添
加すれば上記（５）式の条件を満足することが可能とな
る。

Ｃｍ　＝ｋｅＣｔ　＝ｋｅＣｏ　　　・・・（６）但し
、Ｃ０：初期溶融液層中不純物濃度一方溶融Ｎ厚変化法
では不純物を連続添加しないからＣ１−０、ｄ　ｆｔ　
／ｄ　ｆｓ　＝　　ｋｅが満たされるよう結晶引上げに
伴って溶融層厚を下記（７）弐を満足するよう変化させ
ればよい。

ｆ　Ｌ　＝　ｆ　ＬＯｋｅ　ｆ　ｓ　　　・・・（７）
但しｆ　ＬＯ：初期溶融液率 多くの場合不純物の実効偏析係数ｋｅは１より小さいか
らｆ、。＝ｋｅと選定することにより最後まで無偏析条
件を維持することができる。

なお固体層が全部溶融した時点以後は無偏析条件が成立
せず、下記（８）式に従って偏析が進行する。

Ｃ５＝ｋ（３Ｃｏ　Ｈ（１（ｆ　ｓ　　ｆ　ｓ’）／　
ｆ　Ｌ”ｌ　”−’・・・（８） 但し、ｆｓ　　、　　Ｌ　　　：夫々固体層が全部溶融
した時点での結晶引上げ率、 融液率である。

第６図は溶融層厚変化法における温度制御の例を示す説
明図であり、第６図（イ）は坩堝及び坩堝内の溶融液、
固体層の厚さ寸法を、また第６１（ロ）は各部の温度分
布を示しており、ヒータの発熱長、坩堝深さ、支柱軸の
形状、材料の選択条件はシュミレーション、実験により
決定され、定性的には以下のように説明される。

ヒータから溶融液に供給される熱量は単結晶を通しての
伝導熱、溶融液表面からの輻射熱等の熱量Ｑカと坩堝内
の原料、坩堝軸１ｃを介して放散される伝導熱量ＱＬと
の和となる。結晶引上条件を安定させるためには熱量Ｑ
ｕは引上期間を通じて略一定になるよう設定され、また
、ヒータの電力（発熱量）、熱量ＱＬを一定とみなせる
から下記（９）式が成立する。

Ｔ、、ｌ−Ｔ。

ＱＬ＝λ６　・Ｓ。

！！ｂ 但し、Ｔ、：溶融液層と固体層との境界温度Ｔｏ　：坩
堝軸下部の温度 λ、：固体層Ｓの熱伝導率 λＣ：外層容器の熱伝導率 λ３　：内層容器の熱伝導率 Ｓｃ　：坩堝内断面積 ＳＰ　：坩堝軸の断面積 λ、：坩堝軸の熱伝導率 ！Ｐ　：チャンバ内の坩堝軸長 （９）式からＴ　ｂ　、　Ｔ　Ｐを消去すると下記０ω
式の如くになる。

ＱＬ　　　　　　λ６　　ｓｃ　　　　λ３　　ｓｃλ
ｃ　　ＳＣλＰ　　ｓ。

通常の結晶引上げ過程では溶融液表面の位置は一定に維
持されるから（第６図の！−一定）ΔＩ！２＋Δ１６＋
Δｌ！ｐ＝０である。また、Δ１６　　　　　Δｆ。

Δｆ、＋Δｆ４．＋Δｆｒ＝ｏであるがらΔｆ、ｏｃΔ
Ｘ、が成立する。

従ってＱＯ）、　（ＩＩ）式から下記αの式を得る。

ΔｆＬ　　　　Δｆｓ＋Δｆ。

Δｆ、　　　　　　Δｆ。

Δｌｌ。

基軸の熱の伝え易さλＰ　ＳＰが等しければ溶融層厚を
一定に維持出来、またλｐ　ｓｐ　＞λ６　ｓｃであれ
ば溶融層厚さは結晶の引上げに伴って減少することとな
り、これらの伝導条件を適切に設定すことにより溶融層
厚の制御が可能となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで溶融層法では上述した如＜　（５）、　（６）
、　（７１式に示す条件に従う限り理論上は単結晶中の
不純物濃度分布の均一化が可能で、不純物濃度の均一な
単結晶が得られるはずであるが、現実には坩堝内に装入
した原料全体を単結晶化することは難しい。特に半導体
用材料としてのシリコン原料は固体の密度が溶融液の密
度よりも小さいため、固体層Ｓの厚さが一定値以下にな
ると固体層Ｓが溶融液中に浮遊し、単結晶の引上げの障
害となり、坩堝内に相当量の原料を残した状態で単結晶
の引上げを停止せざるを得す、原料の歩留りが悪いとい
う問題があった。

本発明はかかる事情に鑑みなされたものであって、その
目的とするところは結晶用原料の歩留り低下の要因とな
っている固体層の浮遊を抑制し、歩留りの大幅な向上を
図れるようにした結晶成長装置を提供するにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る結晶成長装置は、水冷されているチャンバ
内で、周囲にヒータ及びその外周に位置して保温材を配
設した坩堝内の結晶用原料を、前記ヒータにて上側から
下側へ向けて溶融しつつ、その溶融液から結晶を引き上
げて成長させる装置において、前記保温材内の一部に熱
伝導率の高い物質を介装せしめてあることを特徴とする
。

〔作用〕

本発明にあっては、水冷されているチャンバに対向して
いる熱伝導率の高い物質と直接接触している部分及びこ
れと対向している部分の温度が他の部分よりも相対的に
温度が低下せしめられることとなる。

〔原理〕

前述した如く溶融層法による結晶成長装置にあっては坩
堝内に原料、即ち固体層が残存した状態で結晶成長作業
が終了するが、このときの結晶製造歩留りは結晶引上げ
率、換言すれば固体層の浮上限界での坩堝内に残留する
溶融層と、固体層との和の比率により決まる。

そこで、固体ＭＳの浮上限界を遅延させ、また坩堝的原
料を減少、即ち結晶化できれば歩留の向上を図れること
となる。固体層の浮上限界は固体層と坩堝層との接触面
積に左右されるから、一般に第４図に示す如く溶融層り
と固体層Ｓとの界面形状は凸形となっているのが、これ
を凹形又は平坦にすれば固体層率の変化がなくても坩堝
周壁に対する固体層Ｓの接触面積が増大し、また（５）
〜（７）式で与えられる条件式から、初期融液率ｆＬｏ
が小さくなる程、固体層Ｓの浮上限界における融液率を
小さく、換言すれば結晶化率を大きくできることとなる
。従って、００）式から明らかなように坩堝軸下部温度
Ｔ０を小さ（すれば固体層厚ｅ０が増大、即ち融液率を
低減出来、結晶化率を増大することが可能となる。

〔実施例〕

以下本発明をその実施例を示す図面に基づき具体的に説
明する。第１図は本発明装置の模式的縦断面図であり、
図中１０は水冷されているチャンバ、１は坩堝、２はヒ
ータ、３は保温筒、４はプルチャンバ、１１は固体原料
の供給器を示している。

水冷されているチャンバ１０の内部中央に坩堝１が配設
され、この坩堝１の周囲にヒータ２が、またこのヒータ
２の周囲に保温筒３が配設されている。チャンバ１の上
部壁には坩堝１」二に面してシャッタ１２にて開閉され
るプルチャンバ４が立設してあり、このプルチャンバ４
上から昇、降並びに回転可能な引上げ軸６が吊り下げら
れている。

坩堝１は、石英製の内装容器１ｂの外周にグラファイト
製の外層容器１ａを配した二重構造に構成されており、
その底部中央にはチャンバ１の底壁を貫通させた軸１ｃ
の上端が連結され、該軸１ｃにて回転させつつ昇降せし
められるようになっている。

保温筒３は熱伝導率の低い材料、例えばカーボンファイ
ハー成形材を用いて円筒形に形成されており、坩堝１、
ヒータ２の外周を囲う態様でこれらと同心状に配設され
ている。保温筒３の高さ方向の中間部には熱伝導率の高
い材料、例えばグラファイト等を用いて形成された冷却
材３ａ、３ｂが全周にわたって環状に介装せしめられて
いる。

この冷却材３ａ、３ｂは熱伝導率が高いために周囲にあ
る水冷されているチャンバ１０の熱伝達による温度低下
が一般に熱伝導率の低い保温筒３の温度低下より大きく
、従って冷却材の坩堝側の面は周囲の保温筒３の材料よ
りも温度が低く、これと対向する坩堝１の周壁の熱を吸
収し、固液界面の固体層Ｓはその周壁部分において第１
図に示す如く平坦、又は第２図に示す如く盛り上がり、
全体として凹形状となる。

プルチャンバ４の上方から回転、界陣機構〈図示せず）
に連繋された引上げ軸５の上端が導入され、その下端に
はチャックに掴持させた種結晶７が吊設され、この種結
晶７を坩堝２内の溶融液になじませた後、回転させつつ
上昇させることによって、種結晶７の下端にシリコンの
単結晶８を成長せしめるようになっている。

固体原料の供給器１１は、その下部に原料投入管１１ｂ
を備え、その下端を坩堝内の周縁部寄りの上方に臨ませ
てあり、ホッパｌｌａから落下した原料は原料投入管ｌ
ｌｂを経て坩堝ｌ内に供給されるようになっている。

なお、図面に示していないが不純物についての供給器も
同様にして設けられている。

而してこのような本発明装置は、先ず供給器１１を通じ
て坩堝１内に結晶用の固体原料、例えば高純度の多結晶
シリコンを充填する。

次にチャンバ１０内の雰囲気ガスを不活性ガス等と置換
した後、ヒータ２の電力を溶解条件に設定し、充填され
た固体原料の熔解を行いつつ溶融液中には図示しない不
純物供給器から不純物を添加する。

充填した固体原料は予め定めた初期融液率が得られる迄
溶解し、不純物の溶融ＩＬと、その下部固体層Ｓとが共
存する状態に設定する。この状態では坩堝１の周面に対
向させた冷却材３ａ、　３ｂによって若干温度が低下す
るため溶融層−固体層の界面における固体層面は坩堝１
の周壁と接する周囲が盛り上がった凹形となる。

初期溶解が終了すると、結晶の引上げを開始し、これに
伴う溶融層厚さの減少はヒータ２により固体層Ｓを溶融
することによって補充する。

引上げた単結晶８はシャッタ１２を通してプルチャンバ
４内に引き込んだ後、シャッタ１２を閉じる。

再び供給器１１から固体原料を坩堝１内に投入し、ヒー
タ２の制御によって固体原料を溶解し、前述した過程を
反復する。プルチャンバ４内に引き入れた単結晶８はプ
ルチャンバ４を取り外すことにより外部に取り出される
。

第２図は本発明の他の実施例を示す部分断面図であり、
この実施例では保温筒３内に介装する冷却材３ａは１個
の場合を示している。他の構成及び作用は実質的に第１
図に示す実施例と同じであり、対応する部分には同じ番
号を付して説明を省略する。

〔数値例〕

坩堝として内径：　１５０ｍｍ　、深さ２００ｍｍ　、
厚さ４ｍｍの石英製内層容器、グラファイト製の外層容
器、同じくグラファイト製の坩堝軸で構成し、原料とし
て７　ｋｇの多結晶シリコンを、また不純物としてシリ
コンに対する偏析係数ｋｅ＝０．３５のリンを用い、溶
融層厚変化法による第１図に示す如き結晶成長装置を用
いて結晶を引上げた。

この結果、従来装置では結晶化率ｆＳ＝０．６２で固体
層が溶融層中に浮遊したが、本発明装置にあっては結晶
化率ｆ、＝０．７１まで固体層の浮遊が認められなかっ
た。また本発明装置により得た結晶について、引上軸方
向の電気抵抗率ρを測定向上した。

〔効果〕

以上の如く本発明装置にあっては固体層の浮遊限界を遅
延させ、結晶化率を高め得、同時に偏析を防止できるた
め、製品の歩留りの向上が図れる等本発明は優れた効果
を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の模式的縦断面図、第２図は坩堝内
の固体層の形状を示す説明図、第３，４図はチョクラル
スキー法、溶融層法の説明図、第５図は溶融層法での充
填材料の相変化を示す説明図、第６図は坩堝の温度制御
の内容を示す説明図である。 １・・・坩堝　２・・・ヒータ　３・・・保温筒３ａ、
　３ト・・冷却材　４・・・プルチャンバ　６・・・引
上げ軸　７・・・種結晶　８・・・単結晶　１０・・・
チャンバ１１・・・固体原料供給器

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、水冷されているチャンバ内で、周囲にヒータ及びそ
   の外側に位置して保温材を配設した坩堝内の結晶用原料
   を、前記ヒータにて上側から下側へ向けて溶融しつつ、
   その溶融液から結晶を引き上げて成長させる装置におい
   て、前記保温材の一部に熱伝導率の高い物質を 介装せしめてあることを特徴とする結晶成長装置。