JP7528799B2 - 単結晶引上げ装置および単結晶引上げ方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体基板として使用されるシリコン単結晶等の単結晶の引き上げ装置および単結晶引き上げ方法に関し、より詳細には、水平磁場印加チョクラルスキー法（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ ｍｅｔｈｏｄ：ＨＭＣＺ法ともいう）による単結晶引き上げ装置および単結晶引き上げ方法に関する。

シリコンやガリウム砒素などの半導体は単結晶で構成され、小型から大型までのコンピュータのメモリ等に利用されており、記憶装置の大容量化、低コスト化、高品質化が要求されている。
シリコン単結晶の主な製法であるチョクラルスキー法は、石英坩堝中のシリコン原料を溶融して融液を形成し、そこに種結晶を接触させ、回転させながら引き上げることで単結晶を得る製法である。現在において、直径３００ｍｍ（１２インチ）以上の大口径の結晶製造は、融液に磁場を印加して対流を抑制する磁場印加ＣＺ法（以下、「ＭＣＺ法」と称する）が主流となっている。シリコン融液のような導電性を持つ流体は、磁場を印加することで対流を抑制することが可能である。対流が抑制されることで融液の温度変動を減少させることができ、操業面でも品質面でも安定した結晶の育成が可能となる。

ここで、ＭＣＺ法の対流抑制機構について述べる。融液中に熱対流などによる垂直方向の流れが発生したとすると、フレミングの右手の法則により磁場と対流の双方に直交する水平方向に電場が発生する。この電場により誘導電流が流れると、フレミングの左手の法則によりローレンツ力が生じる。この力の向きが最初に発生した流れの逆向きとなり、対流が抑制される。

ただし水平磁場を印加するＨＭＣＺ法の場合、石英坩堝壁面と磁力線が平行となる領域では、石英が絶縁体であるために誘導電流が流れず、対流が抑制されない。ここで図１３に従来の単結晶引き上げ装置１１０における１組の超電導コイル（コイル）の対の配置の平面図を示す。図１３のように単純に１組のコイルの対（１０４ａと１０４ｂ）を引き上げ装置１１０（１０９は引き上げ炉の中心軸）の外側に位置する磁場発生装置１３０の内部に配置するようなコイルの配置方法とした場合、坩堝１０６の壁面と磁力線１０７が平行となる領域が存在することは避けられず、その領域においては対流が十分に抑制されない。そして、その領域では坩堝壁面から結晶に向かう表面流速が相対的に高速となり、石英坩堝から融液中に溶解した酸素が表面で十分に蒸発されないまま結晶に到達することになる。その結果、結晶中の酸素濃度を狙い通りに下げられない場合がある。上記は特に４×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の酸素濃度の低い単結晶の製造において問題となりやすい。

この対策として、例えば特許文献１に記載の技術では、引き上げ炉の中心軸における磁力線方向をＸ軸、それに垂直な方向をＹ軸としたときに、各軸上の磁束密度分布の形状と坩堝壁における相対強度を規定している。このようにすることで、熱対流をより効果的に抑制でき、結果として酸素濃度が低減された結晶を得ることができる。このような磁束密度分布を実現する手段として、２組のコイルの対の、それぞれのコイル軸（対向配置された対のコイルの中心同士を通る軸）の間の中心角度を規定した引き上げ装置が開示されている。

特許第６４３６０３１号 特開２０１９－１９６２８９号公報 特開２００４－０５１４７５号公報 特開２００４－１８９５５９号公報

特許文献１に記載の磁束密度分布を持つ引き上げ装置であれば、酸素濃度が低く成長縞の抑制された単結晶を育成することが可能である。しかしながら、このような磁束密度分布を達成するには磁力線を湾曲させるようにコイルを配置する必要があるため、磁力線の湾曲が少ないコイル配置に比べて、コイル電流値に対する中心磁束密度は小さくなる。よって、中心軸における磁束密度（中心磁束密度）という観点では非効率といえる。

結晶引き上げ速度Ｖと結晶内温度勾配Ｇの比Ｖ／Ｇを適切な範囲に制御することで無欠陥領域単結晶が得られることが知られているが、結晶中心における温度勾配（Ｇ＿ｃｔｒ）を大きくするには、中心磁束密度を大きくすることが効果的である。Ｇ＿ｃｔｒを大きくできれば無欠陥領域単結晶を得るための引き上げ速度Ｖも高くなり、より効率よく無欠陥領域単結晶を育成することが可能となる。
逆に、中心磁束密度が低い条件ではＧ＿ｃｔｒも小さくなり、無欠陥結晶の育成効率は低下する。さらに、ある閾値を超えてＧ＿ｃｔｒが小さくなると、結晶中心に存在するＶｏｉｄ欠陥を無欠陥化するためにＶを下げても、その下げたＶによって固液界面で発生する単位時間あたりの潜熱（凝固熱）が減少し、さらにＧ＿ｃｔｒが低下する。その結果、結晶中心を完全に無欠陥化するにはＶを大きく下げざるを得ず、結果として結晶外周の温度勾配Ｇ＿ｅｄｇとの釣り合いが取れなくなり、面内全域で無欠陥領域単結晶を得ることができなくなる場合もある。

上記の現象は、無欠陥領域単結晶の育成を行う際には酸素濃度に関わらず問題となり得るが、特にメモリ向け等の製品で一般的である８×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の通常酸素濃度の育成において、特許文献１の技術では他のコイル配置に比べて生産性に劣る（あるいは製造ができない）という問題がある。その理由は、８×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の酸素濃度規格であれば特許文献１のような技術を用いて積極的に酸素濃度を下げる必要がなく、図１３のような中心磁束密度を効率的に高められるコイル配置のほうがより高い引き上げ速度で単結晶が製造可能なためである。

本発明は上記に鑑みなされたものであり、低酸素濃度の単結晶製造が可能で、かつ同一装置で通常酸素濃度の無欠陥領域単結晶を高速に育成可能な単結晶引き上げ装置及び単結晶引き上げ方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、加熱ヒーター及び溶融した半導体原料が収容される坩堝が配置され中心軸を有する引き上げ炉と、該引き上げ炉の周囲に設けられ超電導コイルを有する磁場発生装置とを備え、前記超電導コイルへの通電により前記溶融した半導体原料に水平磁場を印加して、前記溶融した半導体原料の前記坩堝内での対流を抑制する単結晶引き上げ装置であって、
前記磁場発生装置の前記超電導コイルとして主コイルと副コイルを備えており、
前記主コイルとして、対向配置された超電導コイルの対が２組設けられており、
該対向配置された対の超電導コイルの中心同士を通る軸をコイル軸としたときに、前記主コイルである前記２組の超電導コイルの対における２本のコイル軸が同じ水平面内に含まれており、
該水平面内の前記中心軸における磁力線方向をＸ軸としたときに、該Ｘ軸を挟む前記２本のコイル軸間の中心角度αが１００度以上１２０度以下となるように前記主コイルが配置されており、かつ、
前記副コイルとして、対向配置された超電導コイルの対が１組設けられており、該副コイルである前記１組の超電導コイルの対における１本のコイル軸と前記Ｘ軸が一致するように前記副コイルが配置されており、
前記主コイルと前記副コイルは、電流値を独立に設定可能なものであることを特徴とする単結晶引き上げ装置を提供する。

単結晶引き上げ装置の磁場発生装置が上記のような構成であれば、製造する（引き上げる）製品品種に合わせて主コイルと副コイルの各電流値を適切な値に設定することで、低酸素濃度の単結晶製造と、通常酸素濃度の無欠陥領域単結晶の高速育成ができる単結晶引き上げ装置とすることができる。

このとき、前記主コイルおよび前記副コイルは、
レーストラック型形状と、楕円型形状と、前記引き上げ炉の外形と同じ向きに湾曲した鞍型形状のうちのいずれかであり、
鉛直方向の高さが水平方向の幅よりも短いものとすることができる。

このような形状のコイルであれば、円形コイルを用いた場合に比べてコイル軸の水平位置を磁場発生装置の筐体の端（上端側や下端側）に偏らせて配置することも可能となり、コイル軸の水平高さ（高さ位置）の設定できる範囲を拡大することができる。これにより、より低酸素濃度の単結晶を製造することも可能になる。

また、前記主コイルは、前記引き上げ炉の外形に沿った形状よりも大きい曲率で湾曲した鞍型形状であり、
前記引き上げ炉の外形に沿った形状の曲率に対する前記鞍型形状の主コイルの曲率の比が１．２以上２．０以下のものとすることができる。

このようなものであれば、引き上げ炉の外形に沿って湾曲させた鞍型コイルを用いた場合に比べてさらに低酸素濃度の単結晶製造が可能となる。

また、前記磁場発生装置は、鉛直方向に上下移動可能な昇降装置を具備するものとすることができる。

このようなものであれば、製造する単結晶の酸素濃度の狙い値ごとに適した磁場高さ（コイル軸の高さ位置）を選択することが可能となる。

また、本発明は、上記の単結晶引き上げ装置を用いて、半導体単結晶を引き上げることを特徴とする単結晶引き上げ方法を提供する。

このような単結晶引き上げ方法であれば、一台の単結晶引き上げ装置で、低酸素濃度の単結晶製造と、通常酸素濃度の無欠陥領域単結晶の高速育成の両方が可能となる。

このとき、前記引き上げる半導体単結晶を、無欠陥領域単結晶とすることができる。

本発明は無欠陥領域単結晶（特に通常酸素濃度のもの）を高速で育成することが可能である。

以上のように、本発明の単結晶引き上げ装置及び単結晶引き上げ方法によれば、一台の単結晶引き上げ装置で、低酸素濃度の単結晶製造と、通常酸素濃度の無欠陥領域単結晶の高速育成の両方が可能となる。

本発明の単結晶引き上げ装置の一例を示す概略図である。 本発明の装置における３組のコイルの対の配置の一例を示す平面図である。 ３組コイルにおける、主コイルの相対電流値（Ｉｍ）・副コイルの相対電流値（Ｉｓ）と中心磁束密度の関係の例を示すグラフである。 ３組コイルにおいて、Ｉｍ・Ｉｓに対する坩堝周方向におけるＢ⊥分布の例を示すグラフである。 ３組コイルにおいて、中心磁束密度を１０００Ｇに固定してＩｍとＩｓの電流比を変化させた際の、坩堝周方向におけるＢ⊥分布の例を示すグラフである。 レーストラック型形状のコイルの一例を示す側面図である。 楕円型形状のコイルの一例を示す側面図である。 引き上げ炉の外形と同じ向きに湾曲した鞍型形状の一例を示す斜視図である。 コイル形状が鞍型で、主コイルの曲率を変化させたときの、Ｉｍ：Ｉｓ＝１：０とした場合のＢ⊥分布と周角度との関係を示すグラフである。 コイル形状が鞍型（引き上げ炉の外形に沿った形状で湾曲している）の、３組のコイルの対の配置の一例を示す平面図である。 実施例１と比較例１における、無欠陥領域単結晶となる成長速度の相対値を比較したグラフである。 コイル形状が鞍型（主コイルが引き上げ炉の外形に沿った形状よりも大きい曲率で湾曲しており、副コイルが引き上げ炉の外形に沿った形状で湾曲している）の、３組のコイルの対の配置の一例を示す平面図である。 従来の単結晶引き上げ装置における１組のコイルの対の配置の一例を示す平面図である。 従来の単結晶引き上げ装置における２組のコイルの対の配置の一例を示す平面図である。 ２組コイルにおける、コイル軸間角度αと中心磁束密度の関係の一例を示す図である。 １組コイルにおける、坩堝周方向におけるＢ⊥分布の一例を示すグラフである。 ２組コイルにおける、坩堝周方向におけるＢ⊥分布の一例を示すグラフである。

以下、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図１に本発明の単結晶引き上げ装置１０の一例を示す。また、図２に、本発明の装置における３組のコイルの対の配置を示す。
図１に記載の単結晶引き上げ装置１０は、ＭＣＺ法（より具体的にはＨＭＣＺ法）によるものであり、加熱ヒーター８と、溶融した半導体原料（以下、「融液」と称する）５が収容される石英製の坩堝６が配置され、坩堝６の回転の中心軸９（引き上げ炉１の中心軸でもある）を有する引き上げ炉１と、引き上げ炉１の周囲に設けられ超電導コイル（以下、「コイル」とも言う）を有する磁場発生装置３０とを備えており、超電導コイルへの通電により融液５に水平磁場を印加して、融液の坩堝内での対流を抑制しながら、単結晶３（例えば、シリコン単結晶など）を引き上げ方向に引き上げる構成になっている。

なお、コイルとしては、図２に示すように主コイル４ｍと副コイル４ｓを備えている。主コイル４ｍとしては対向配置されたコイルの対が２組設けられている（４ａと４ｃの対と、４ｂと４ｄの対）。また副コイル４ｓとしては対向配置されたコイルの対が１組設けられている（４ｅと４ｆの対）。
ここで、対向配置された対のコイルの中心同士を通る軸をコイル軸１２としたとき、主コイル４ｍである２組のコイルの対における２本のコイル軸と、副コイル４ｓである１組のコイルの対における１本のコイル軸は、全て１つの同じ水平面１１内に含まれるように、コイル４ａ～４ｆが配置されている。
しかも、主コイル４ｍに関しては、水平面１１内での中心軸９における磁力線方向をＸ軸としたときに、該Ｘ軸を挟む、主コイル４ｍの２本のコイル軸間の中心角度αが１００度以上１２０度以下となるように配置されている。中心角度αが１２０度以下になるように主コイル４ｍが配置されていることで、隣接する主コイル４ｍ同士（すなわち、４ａと４ｂ同士、４ｃと４ｄ同士）がぶつかることなく、かつ、１００度以上であるため、低酸素濃度の単結晶の育成の場合、効果的に大幅に酸素濃度の低減を図ることができる。一方で副コイル４ｓに関しては、その１本のコイル軸とＸ軸とが一致するように配置されている。
図２に示す例では、コイル４ａとコイル４ｄの間にコイル４ｅが配置されており、コイル４ｃとコイル４ｂとの間にコイル４ｆが配置される構成となっている。
なお、符号７は磁力線を示している。

以下、本発明の単結晶引き上げ装置１０について（特にはコイルについて）、従来の単結晶引き上げ装置における構成と比較しつつ、さらに詳細に説明する。
ここでまず、図１４に従来の単結晶引き上げ装置２１０における２組のコイルの対（２０４ａと２０４ｃの対、２０４ｂと２０４ｄの対）を配置した平面図を示す。図１４に示すように、図１４における中心角度α（２０９は中心軸）を１００～１２０°の範囲にすれば、特許文献１で開示されたコイル配置となる。
図１５に、各コイルの電流値を一定にした状態でαを変化させたときの、中心磁束密度の相対値を示す。αが大きくなるほど中心磁束密度の相対値が小さくなっているが、これはαが大きくなるほど各コイル軸とＸ軸との角度（α／２）が大きくなり、各コイルから発生する磁力線のＸ方向成分が小さくなるためである。このように、中心磁束密度を基準に考えれば特許文献１で開示されたコイル配置は効率的とはいえず、その結果、上述したように無欠陥領域単結晶となる成長速度が遅くなったり、場合によっては無欠陥領域単結晶が得られなくなったりする場合がある。

本発明ではこの点に鑑み、図２に示すように、また、前述したように、コイル軸１２がＸ軸と一致するようにもう１組のコイルの対（副コイル４ｓ：４ｅと４ｆの対）を追加し、副コイル４ｓの電流値を、追加する前の２組のコイルの対（主コイル４ｍ：４ａと４ｃの対、４ｂと４ｄの対）に対して独立に設定可能なものとすることを考案した。例えば、主コイル４ｍ、副コイル４ｓに対して別々に配線されており、コンピュータ等の設定により、各々独立して所望の電流値で通電できるような構成とすることができる。
このような構成にすれば、副コイルの電流値をある程度高く設定することにより、中心磁束密度を向上させ、無欠陥領域単結晶となる成長速度を上げることができる。また、低酸素濃度の結晶を製造する際は、副コイルの電流値をゼロまたは低い値に設定することで特許文献１と類似の磁場分布を発生させることができ、低酸素濃度の結晶製造が可能である。
このように、主コイルと副コイルの電流値を互いに独立に設定できるような構成にすることで、磁場による対流抑制力をよりきめ細かく制御することができ、より多様な品質の単結晶を製造することが可能となる。

中心磁束密度を高くすることで無欠陥領域単結晶となる成長速度が速くなることについては、実際の結晶製造において効果が確認されているが、その作用は以下のように考えられる。
まず中心磁束密度が低い場合では、磁場によって対流がそれほど強く抑制されないため、融液内の流路は、坩堝側壁にて上昇し、融液表面を中央に向かって流れ、中央部で下降するという比較的単純なものとなる。坩堝底部が側壁部に比べて低温となるような温度分布とした場合、底部から側壁部に向かう自然対流は発生しないので、上記流路は側壁部より上方のみを循環するものとなり、底部には低温の融液が溜まると考えられる。固液界面の直下にこのような低温の融液が存在していると、固液界面へ熱が十分に供給されないので、固液界面が下方（融液側）に向かって凸形状となりやすく、結晶中心の結晶内温度勾配Ｇ＿ｃｔｒが低下してしまうと考えられる。

一方、中心磁束密度が高い場合では、磁場により対流が強く抑制される環境でありながら結晶回転による強制対流も存在するため、安定した流路が形成されず、特に固液界面直下の対流は複雑になると考えられる。その結果、底部の融液が攪拌されて界面直下の融液が均熱化し、中心磁束密度が低いときに比べて固液界面に熱が供給されるのでＧ＿ｃｔｒが増加すると考えられる。

続いて、低酸素濃度の結晶製造で特に問題となる、磁場分布と酸素濃度の関係についてより詳細に述べる。
上述した磁場による対流抑制機構の通り、融液５の熱対流を抑制する力は、磁力線が坩堝壁と平行となる領域では働かない。このことから、磁束密度成分を坩堝内壁に垂直な成分の磁束密度（以下、「Ｂ⊥」と称する）と平行な成分の磁束密度（以下、「Ｂ∥」と称する）の２つに分解したとき、対流抑制に寄与するのはＢ⊥成分のみとなる。このことは特許文献２に詳細が述べられている。

図１６には、図１３において中心磁束密度を１０００Ｇとしたときの坩堝周方向のＢ⊥分布を示す。また、図１７には、図１４にてコイル軸間の中心角度αを１２０°、中心磁束密度を１０００Ｇとしたときの坩堝周方向のＢ⊥分布を示す。横軸のθは、図１３および図１４の中に示したように、坩堝内周上の点と中心軸１０９、２０９とを結んだ線分がＸ軸となす角度である。
図１３、図１４いずれのコイル配置でも、θ＝９０、２７０°の位置ではＢ⊥がゼロになっており、対流抑制力が働いていないことがわかる。これは、コイル配置がＹ軸について対称であるために、Ｙ軸上の点ではＹ成分が必ずゼロになることに起因するものであり、Ｙ軸対称である以上どのような配置にしても避けられない。しかしながら、図１４（図１７）では図１３（図１６）に比較してゼロからの立ち上がりが急峻であり、ゼロ付近の値となる範囲が非常に狭いことから、実質的には十分に対流が抑制されているといえる。このように、図１４のコイル配置はメルト全体の対流を抑制するのに適したものだといえる。

ここで、本発明のコイル配置（図２）における磁場分布について詳細に考える。以降の説明では、主コイルと副コイルがすべて同一形状で、かつα＝１２０°の場合についての結果を示すが、本発明はこれに限定されるものではない。
図３には、主コイルの相対電流値（Ｉｍ）、副コイルの相対電流値（Ｉｓ）と中心磁束密度Ｂ＿ｃｔｒとの関係を示す。相対電流値は、４個の主コイルのみに電流を流した際に中心磁束密度が１０００Ｇとなる電流値を１としており、０、０．５、１の範囲で主・副コイルの電流値をそれぞれ変化させた結果を示している。
図３から読み取れるように、主コイルと副コイルによって発生する中心磁束密度の大きさはそれぞれが独立に寄与しており、総合的な中心磁束密度は、主・副コイルそれぞれの電流値から求められる中心磁束密度を合計することで求められる。なお、副コイルだけに電流値１を流した結果（Ｉｍ，Ｉｓ）＝（０，１）も中心磁束密度が１０００Ｇとなっているが、これは主コイルとＸ軸との角度が６０°、副コイルとＸ軸との角度が０°であり、主コイル４個の磁束密度の合計（４×Ｂ×ｃｏｓ（６０°））と、副コイル２個の合計（２×Ｂ×ｃｏｓ（０°））が等しくなるためである。

図４には、Ｉｍを１に固定し、Ｉｓを変化させた際のＢ⊥分布の計算結果を９０°～２７０°の範囲で示す。
Ｉｓが０または０．２５のときのＢ⊥分布は２組コイルの分布（図１７）と類似しており、これらの条件では低酸素濃度の結晶が製造可能である。ここからさらにＩｓを増加させると、θ＝１８０°付近のＢ⊥が増加し、Ｂ⊥分布はより均一化する。このようなＢ⊥分布では融液全体の対流が十分に抑制されるため、一見すると低酸素濃度の結晶製造により有利に働くように思える。
しかしながら、実際に結晶製造を行ったところ、例えば（Ｉｍ，Ｉｓ）＝（１，１）のような条件では、必ずしも酸素濃度が低下せず、逆に酸素濃度が上昇する場合があることが明らかになった。これは、坩堝壁面での対流が全体的に抑制されることで、坩堝壁に接している融液が坩堝回転とともに連れ回りしにくくなり、坩堝と融液の相対速度が増加することで融液への酸素溶出が促進されたためと考えられる。また、対流抑制により熱輸送が減少し、坩堝壁面の温度が結晶に対して高温化することで坩堝の溶出が促進された効果も考えられる。対流抑制には、融液の表面流速減少によって酸素を下げる（＝酸素の蒸発時間を長くする）効果もあるが、上記の条件では酸素溶出促進効果のほうがより強く働き、酸素濃度の上昇という結果につながったと考えられる。

一方、中心磁束密度を１０００Ｇに固定してＩｍとＩｓの電流比を変化させた際のＢ⊥分布を図５に示す。図中のＩｍとＩｓは、相対電流値そのものではなく電流値の比であり、例えばＩｍ：Ｉｓ＝１：１の場合の実際の相対電流値は、（Ｉｍ，Ｉｓ）＝（０．５，０．５）となる。
これらの条件で結晶製造を行った結果、Ｉｓの電流比が大きいＩｍ：Ｉｓ＝１：１等の条件では、Ｉｍ：Ｉｓ＝１：０に比べて酸素濃度が上昇することが分かった。これは、θ＝９０°からのＢ⊥の立ち上がりがなだらかになるため、対流が十分に抑制されずに酸素蒸発が不十分な融液が結晶に到達した結果と考えられる。

以上のように、主コイルの電流値Ｉｍを固定した場合と、中心磁束密度を固定した場合のいずれにおいても、副コイルの電流Ｉｓを増加しすぎると酸素濃度が高くなってしまうことが分かった。そのため、低酸素濃度の結晶を含む様々な品種を作り分けるためには、Ｉｓを可変とし、品種によってＩｍ、Ｉｓそれぞれの電流値を独立に制御する必要がある。

なお、特許文献３の図１２に、３組のコイルの対を配置した磁場発生装置が例示されている。このコイル配置は本発明と類似しているが、当該文献にはコイルの電流値を独立に制御できるという記述がなく、また発明の目的が均一な磁束密度分布を発生させることであることから、各コイルの電流値はすべて同じであるものと考えられる。よってこの構成では、上述の通り低酸素濃度の結晶製造ができないため、本発明とは技術的に差異のあるものである。

ところで、本発明における主コイル４ｍおよび副コイル４ｓの形状については特に限定されないものの、例えば、よく使用されているような円形コイルとすることができる。
あるいは、レーストラック型形状と、楕円型形状と、引き上げ炉の外形と同じ向きに湾曲した鞍型形状のうちのいずれかであり、鉛直方向の高さが水平方向の幅よりも短いものとすることができる。図６、図７に上記のようなレーストラック型形状、楕円型形状の側面図の一例を示す。また、図８に上記鞍型形状の斜視図の一例を示す。
これにより、円形コイルを用いた場合に比べてコイル軸の水平位置を磁場発生装置の筐体の端に偏らせて配置することが可能となる。すなわち、形状として、円形コイルに比べて高さが低いコイルとなるため、筐体の端側（上端側や下端側）に寄せやすく、そのため、コイル軸の水平位置をより高く、あるいはより低く設定することができる。特許文献４に示されるように、コイル軸の水平位置を変更することによって酸素濃度を制御することが可能であるが、特に、コイル軸の水平位置を高くしておけば、低酸素濃度の単結晶を製造する場合に有利である。

鞍型形状の主コイルのより具体的な一形態として、例えば、引き上げ炉の外形に沿った形状の曲率に対する上記鞍型形状の主コイルの曲率の比（曲率比）が１．２以上２．０以下のものが挙げられる。すなわち、引き上げ炉の外径に沿った形状の曲率を１としたときに、コイルの肉厚中心で１．２以上２．０以下の曲率を有するものである。このような鞍型形状であれば、さらに低酸素濃度の単結晶製造が可能となる。

図９は、コイル形状が鞍型で、主コイルの曲率を変化させたときの、Ｉｍ：Ｉｓ＝１：０とした場合（すなわち、４つの主コイルのみ通電した場合）のＢ⊥分布を周角度に対してプロットしたものだが、引き上げ炉の外形に沿った形状を基準として、そこから曲率比を大きくしていくと、各コイルの中心領域付近に相当する１２５°と２３５°付近のＢ⊥が緩和されていることがわかる。本発明の磁場分布であれば、Ｘ軸に平行な断面と垂直な断面における対流抑制力の差は従来の水平磁場に比べて小さくはなっているが、それでも全周で４か所あるこの角度領域（主コイルにおけるコイル軸付近の角度領域）では特に坩堝に直交する磁束密度成分が強いことから、ルツボ壁近傍における酸素の拡散境界層が薄くなるために、他の角度領域に比べて石英ルツボから酸素が溶解しやすくなっている。コイルから離れた場所の磁束密度はコイルまでの距離の２乗に反比例することから、コイルの曲率を大きくすることでこれらの角度領域における磁束密度を低下させることが可能である。上記曲率比の適正な範囲としては、、コイル軸付近の角度領域における磁束密度の低下の効果のため１．２以上が良く、またコイルを収める筐体の外形が大きくなりすぎるのを防いだり、中心磁場強度が低下して最大磁場強度の低下を招いてしまうのを防ぐことから、２．０以下が好ましい。

また、図１に示すように、磁場発生装置３０は、鉛直方向に上下移動可能な昇降装置３１を具備したものとすることができる。例えば磁場発生装置３０は昇降装置３１の上に設置されているものであることが好ましい。例として、上記のようにコイル形状を円形以外にしてコイル軸の水平高さを高くした場合は、低酸素濃度の結晶製造には適するものの、酸素濃度を高くすることは難しくなる。そこで磁場発生装置を昇降装置により上下に移動できるようにすれば、狙いの酸素濃度によって最適なコイル軸の水平高さを選択することができ、対応可能な品種の幅を拡大できる。

次に、図１を参照しながら、本発明の単結晶引き上げ方法の実施態様の一例を説明する。本発明の単結晶引き上げ方法は、上記で説明した図１の単結晶引き上げ装置を用いて、シリコン単結晶等の半導体単結晶を引き上げるものである。
具体的には、以下のようにして半導体単結晶を引き上げる。まず、単結晶引き上げ装置１０において、石英坩堝６内に半導体原料を入れて加熱ヒーター８により加熱し、半導体原料を溶融させる。次に、超電導コイル４ａ～４ｆへの通電により、融液５に磁場発生装置３０によって発生させた水平磁場を印加して、融液５の石英坩堝６内での対流を抑制する。
前述したように、磁場発生装置３０としては、図２に示すように、それぞれ対向配置された超電導コイルの対４ａ～４ｄをそれぞれのコイル軸１２が同じ水平面内に含まれるように２組設けている。そして、コイル軸間のＸ軸を挟む中心角度αを１００°以上１２０°以下とする主コイル４ｍ（４ａ～４ｄ）を配置し、さらに、副コイル４ｓとしてコイル軸がＸ軸と一致するように１組の超電導コイルの対（４ｅと４ｆ）を配置している。コイル形状については、図２では円形としているが、図８や図１０（３組のコイルの対の配置の一例を示す平面図）に示す鞍型や、図７の楕円型、図６のレーストラック型等の形状としてもよい。また、磁場発生装置３０は昇降装置３１の上に載せて上下方向に動かせるようにしてもよい。上記のようにコイル形状を変更したり、昇降装置を用いたりすることでコイル軸の水平高さを調節できるので、製造できる酸素濃度の範囲をより広げることができる。

主コイルと副コイルの電流値、および磁場発生装置のコイル軸の水平高さは、製造する単結晶の狙いとする酸素濃度やｇｒｏｗｎ－ｉｎ欠陥領域によって変更することができる。例えば、酸素濃度４×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３（ｏｌｄ ＡＳＴＭ）以下の低酸素濃度の結晶を引き上げる場合には、主コイルに対する副コイルの電流比Ｉｓ／Ｉｍを０～０．２５程度の小さい比率とすれば、製造することが可能である。このとき、コイル軸の水平高さをできるだけ高くして融液面付近に近づける条件とすることで、より酸素濃度を下げやすくなる。

なお、低酸素濃度の無欠陥領域単結晶を製造する場合には、例えば、副コイルの電流比をある程度高くする（例えばＩｓ／Ｉｍ＝０．５等）か、あるいは電流比０～０．２５のままで中心磁束密度を高くすることで、従来技術に比べて育成速度の高速化が可能である。ただし、欠陥領域の指定がない場合に比べると、前記条件変更を行うことで製造可能な酸素濃度の下限は多少増加することとなる。

一方、酸素濃度８×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上の酸素濃度の結晶を無欠陥領域単結晶として引き上げる場合は、例えば、副コイルの電流比Ｉｓ／Ｉｍが０．５以上となるように副コイル比率を大きくし、中心磁束密度を例えば２０００Ｇ以上と高くすることで、無欠陥領域単結晶となる成長速度が速い条件で製造が可能となる。このとき、コイル軸の水平高さを融液面から下方に遠ざける条件とすることで、より高酸素濃度の結晶製造が容易となる。

上記のように、製造する単結晶の狙い酸素濃度やｇｒｏｗｎ－ｉｎ欠陥領域によって適したコイル電流値や磁場高さを設定したら、次に、融液５中に種結晶２を、例えば石英坩堝６の中央部上方から下降させて静かに挿入し、引き上げ機構（不図示）により種結晶２を回転させながら、所定の速度で引き上げ方向に引上げていく。これにより、固体・液体境界層に単結晶が成長し、半導体単結晶３が生成される。
このような単結晶引き上げ方法であれば、無欠陥領域単結晶を高い引き上げ速度で製造したり、低酸素濃度を含む様々な酸素濃度範囲の単結晶を製造したりすることが１台の装置で可能となる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
図１に示す単結晶引き上げ装置１０において、磁場発生装置３０として図２に示す構造の３組の円形コイルの対（主コイルとして、４ａと４ｃの対と、４ｂと４ｄの対。副コイルとして、４ｅと４ｆの対）を使用し、Ｘ軸を挟むコイル軸間の中心角度αを１２０°とした磁場発生装置を用いる構成とした。このような単結晶引き上げ装置を用いて、以下に示す条件で、シリコン単結晶の引き上げを行った。このときの狙い酸素濃度は９×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３とした。
使用坩堝 ：直径８００ｍｍ
半導体原料のチャージ量 ：４００ｋｇ
育成する単結晶 ：直径３０６ｍｍ
中心磁束密度 ：２０００Ｇ
コイル電流比（主：副） ：１：１
単結晶回転速度 ：１１ｒｐｍ
坩堝回転速度 ：０．５ｒｐｍ
コイル軸の水平高さ ：融液面の２００ｍｍ下方
このようにして育成した半導体単結晶において、無欠陥領域単結晶となる成長速度を求めた。その結果の相対値を図１１に示す。

（比較例１）
図１４に示す２組の円形コイルの対（２０４ａと２０４ｃの対と、２０４ｂと２０４ｄの対）で、Ｘ軸を挟むコイル軸間の中心角度αを１２０°とした磁場発生装置を使用した以外は、実施例１と同じ構成の単結晶引き上げ装置を用いて、実施例１と同一条件にてシリコン単結晶の引き上げを行った。この条件に関して、比較例１ではコイルは上記のように２組の対であり、主と副の区別はなく、その２組の対で中心磁束密度が実施例１と同様に２０００Ｇとなるようにした。
育成したシリコン単結晶において無欠陥領域単結晶となる成長速度の相対値を図１１に示す。

上記のように本発明における単結晶引き上げ装置を用いた実施例１と、従来の単結晶引き上げ装置を用いた比較例１の結果を比較したところ、図１１の通り、比較例１では実施例１に比較して無欠陥領域単結晶となる成長速度は５．４％低かった。このように本発明の装置を用いれば、図１４の２組のコイルの対だけの従来構成のものを用いた場合に比べ、酸素濃度が通常レベルの無欠陥領域単結晶の引き上げをより高速で行うことができ、生産性を向上させることができることが分かる。

（実施例２）
実施例１の磁場発生装置を使用し、以下に示す条件以外は実施例１と同じ条件にて、シリコン単結晶の引き上げを行った。
中心磁束密度 ：１０００Ｇ
コイル電流比（主：副） ：１：０．２５
坩堝回転速度 ：０．０３ｒｐｍ
コイル軸の水平高さ ：融液面の１２０ｍｍ下方
育成したシリコン単結晶の酸素濃度を調査したところ、３．２～３．９×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となった。

（実施例３）
コイル電流比（主：副）を１：１にしたこと以外は実施例２と同一条件にてシリコン単結晶の引き上げを行った。
育成したシリコン単結晶の酸素濃度を調査したところ、４．０～４．９×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となった。

実施例２と実施例３を比較すると、実施例２では実施例３に比較して酸素濃度の低いシリコン単結晶を得ることができた。主コイルと副コイルの電流値の独立設定により、それらの比を適宜設定するだけで、実施例３のようなやや低い程度のレベルの酸素濃度の単結晶のみならず、実施例２のように４．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満という、さらに低酸素濃度の単結晶を得ることもできる。このように本発明の単結晶引き上げ装置および引き上げ方法により、種々のレベルの酸素濃度の単結晶を簡便に引き上げることが可能である。

（実施例４）
図１０に示す３組の鞍型コイルの対で、Ｘ軸を挟むコイル軸間の中心角度αを１２０°とした磁場発生装置を使用し、コイル軸の水平高さを融液面と同じ高さに設定し、その他の条件は実施例２と同一にしてシリコン単結晶の引き上げを行った。
育成したシリコン単結晶の酸素濃度を調査したところ、２．５～３．２×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となり、鞍型コイルを用いてコイル軸の水平高さを上昇させることで、実施例２よりも、さらに酸素濃度の低いシリコン単結晶が得られた。

（実施例５）
図１２に、コイル形状が鞍型の、３組のコイルの対の配置の一例を示す。より具体的には、主コイルが引き上げ炉の外形に沿った形状よりも大きい曲率で湾曲しており（曲率比１．８）、副コイルが引き上げ炉の外形に沿った形状で湾曲している態様である。このような図１２に示す３組の鞍型コイルの対を有する磁場発生装置を使用し、以下に示す条件以外は実施例４と同じ条件にて、シリコン単結晶の引き上げを行った。
育成したシリコン単結晶の酸素濃度を調査したところ、２．２～３．０×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３となり、曲率の大きい鞍型コイルを用いてコイル軸の水平高さを上昇させることで、実施例４よりも、さらに酸素濃度の低いシリコン単結晶が得られた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…引き上げ炉、 ２…種結晶、 ３…単結晶、 ４ａ～４ｆ…超電導コイル、
４ｍ…主コイル、 ４ｓ…副コイル、 ５…半導体原料（融液）、
６…坩堝、 ７…磁力線、 ８…加熱ヒーター、 ９…中心軸、
１０…本発明の単結晶引き上げ装置、 １１…コイル軸を含む水平面、
１２…コイル軸、 ３０…磁場発生装置、 ３１…昇降装置。

Claims (5)

1. 加熱ヒーター及び溶融した半導体原料が収容される坩堝が配置され中心軸を有する引き上げ炉と、該引き上げ炉の周囲に設けられ超電導コイルを有する磁場発生装置とを備え、前記超電導コイルへの通電により前記溶融した半導体原料に水平磁場を印加して、前記溶融した半導体原料の前記坩堝内での対流を抑制する単結晶引き上げ装置であって、
   前記磁場発生装置の前記超電導コイルとして主コイルと副コイルを備えており、
   前記主コイルとして、対向配置された超電導コイルの対が２組設けられており、
   該対向配置された対の超電導コイルの中心同士を通る軸をコイル軸としたときに、前記主コイルである前記２組の超電導コイルの対における２本のコイル軸が同じ水平面内に含まれており、
   該水平面内の前記中心軸における磁力線方向をＸ軸としたときに、該Ｘ軸を挟む前記２本のコイル軸間の中心角度αが１００度以上１２０度以下となるように前記主コイルが配置されており、かつ、
   前記副コイルとして、対向配置された超電導コイルの対が１組設けられており、該副コイルである前記１組の超電導コイルの対における１本のコイル軸と前記Ｘ軸が一致するように前記副コイルが配置されており、
   前記主コイルと前記副コイルは、電流値を独立に設定可能なものであり、
   前記主コイルおよび前記副コイルは、
   レーストラック型形状と、楕円型形状と、前記引き上げ炉の外形と同じ向きに湾曲した鞍型形状のうちのいずれかであり、
   鉛直方向の高さが水平方向の幅よりも短いものであることを特徴とする単結晶引き上げ装置。
2. 前記主コイルは、前記引き上げ炉の外形に沿った形状よりも大きい曲率で湾曲した鞍型形状であり、
   前記引き上げ炉の外形に沿った形状の曲率に対する前記鞍型形状の主コイルの曲率の比が１．２以上２．０以下であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶引き上げ装置。
3. 前記磁場発生装置は、鉛直方向に上下移動可能な昇降装置を具備するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単結晶引き上げ装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の単結晶引き上げ装置を用いて、半導体単結晶を引き上げることを特徴とする単結晶引き上げ方法。
5. 前記引き上げる半導体単結晶を、無欠陥領域単結晶とすることを特徴とする請求項４に記載の単結晶引き上げ方法。
   

Images