JPH0116765B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本願の発明は、元素シリコンの融解つまりシリ
コン融液の生成と、シリコンウエハの製造のため
に切断され得る高純度シリコン棒の引上げや基層
上にシリコンまたはシリコン化合物を堆積させた
りするためのシリコンの気化等のためのシリコン
融液の使用とに関する。

〔発明の概要〕

本願の発明によるシリコン融液の高純度形成方
法は、電極が挿入されるべき穴が穿孔されている
固形のシリコン体を利用する。電極もシリコン製
であるのが好ましい。アークを発生させるために
電極を通じてアーク電流が流され、発生したアー
クは、シリコン体を融解させて、融液を収容する
空洞をそのシリコン体の内部に形成する。融液
は、シリコン棒の引上げや真空室内で気相のシリ
コンを融液から基層上に堆積させるために使用す
ることができる。

〔従来の技術〕

本出願人による同時係属出願「元素シリコンの
融解方法並びに単結晶シリコン棒の引上げ方法及
び引上げ装置」（特願昭60−123462号、昭和60年
６月６日出願）の中で、電子技術における半導体
回路素子の製造において単結晶ウエハが非常に重
要であることを、本出願人が指摘した。この様な
シリコンウエハを製造する場合、石英るつぼつま
り容器内に収容されている元素シリコンの融液中
に高純度の単結晶シリコン種結晶を上方から浸す
ことが、一方に行われている。そして、融液が維
持されるべき温度に対する感受性のために、上記
の石英るつぼは、一般には黒鉛またはカーボン製
の外側容器内に支持されている。

シリコン棒の製造には様々な技術が用いられて
おり、融液の汚染を最小限にするために制御され
た雰囲気または真空中でその工程が行われてよ
い。

石英るつぼが軟化しまたは融液に汚染物質を与
えること、汚染物質が支持容器から移動して融液
に混入すること、融液を生成するための誘導加熱
法がシリコンの安定性に不利に作用することも、
上記の出願で指摘されている。

同時係属出願「気相へ電気的に変換された材料
でセラミツク及び石英るつぼを被覆する方法」
（米国特許願第614434号、1984年５月25日出願）
では、るつぼを被覆することによつてるつぼの変
形及び劣化をある程度は防ぐことができることも
指摘されている。

石英るつぼに関する上記の同時係属出願には、
元素シリコンを気化して元の位置に気相の炭化シ
リコン及び窒化シリコンを生成する方法と、石英
るつぼをシリコン及び上記の化合物で被覆する方
法とが記載されている。

石英るつぼの軟化作用のために、被覆によつて
もなお問題点が残つていることを、上記の特願昭
60−123462号は認めている。

この結果、シリコンの微粒子または粉末（広く
言えば粒子）の熱及び電気の両方の伝導度が比較
的低く、従つてまた上記の様なシリコン粒子の塊
の中でアークを発生させて電気的融解を行い、る
つぼと生成された融液との間に残りの粒塊で遮蔽
層を形成することが可能であるという発見を利用
して、融液及び融液から製造されるシリコンの汚
染を除去する独自の方法を、特願昭60−123462号
が提供している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、汚染物質が多孔質塊の間隙を経由して
移動する可能性や、粒子の表面が汚染される可能
性や、或いは汚染物質が遮蔽層を通つて融液中へ
移動する可能性が常に存在するために、上記の方
法は、特に高純度のシリコン融液を製造する方法
としては完全には満足されるものではない。

従つて、どの様な目的にも合うシリコン融液の
生成方法であつて、そのためには上述の欠点を伴
うことなく上記の様な融液を形成することが要求
される方法の改良された方法を提供することが、
本願の発明の主な目的である。

シリコンウエハが切断され得る特に高純度のシ
リコン棒を製造する方法を提供することが、本願
の発明の他の目的である。

高純度のシリコン被覆を形成する方法を提供す
ることも、本願の発明の一つの目的である。

さらに、上記の方法を実行するための改良され
た装置を提供することも、本願の発明の他の目的
である。

上述の先願で説明されている原理を拡張するシ
リコンの融解方法及びその装置を提供すること
も、本願の発明の一つの目的である。

〔問題点を解決するための手段〕

元素シリコンの特性を利用しておりるつぼを全
く使用しないシリコン融液の生成を提供すること
ができることを、本願の発明者が発明した。シリ
コン融液の生成は、単結晶または多結晶の塊とし
ての元素シリコンのブロツクを形成し、このブロ
ツク内にアーク発生用の一対の電極を配すること
によつて行われる。アークの発生は、電極とアー
クとを通じて電流が流れる様にして行われる。す
ると、シリコンブロツクが内部から外部へ向かつ
て融解して、上述の融液が生成される。この融液
は、単結晶棒の引上げや、シリコンウエハの製造
や、被覆のために利用され得る。内部に融液が生
成されている固形のシリコンブロツクは、不純物
に対して実質的に不透性であつて、ブロツク内の
元の位置に形成されている融液を収容している空
洞へ不純物を侵入させないという事実のために、
必要であれば、特に高純度の元素シリコンの鋳造
にも、上記の融液が利用され得る。

本願の発明は、単一のシリコンブロツクに穿孔
された穴に電極がぴつたりはめ込まれ得るにもか
かわらず、電極の電気伝導度が電極の周囲のシリ
コンブロツクの電気伝導度よりも高いために、電
極及び電極間の間隙を通つて電流を流してアーク
を発生させることができるという発見に基づいて
いる。実際、電極自体が、シリコンから成つてお
り、シリコンブロツクの穴に挿入された時に形成
される界面によつてのみシリコンブロツクから分
離されている場合でも、電流は主として電極及び
電極間の間隙を通じて流れ、電極に隣接している
部分を通つて分散する電流は極めてわずかであ
る。ブロツクへの電流及び電力の消散が上述の融
解操作を妨げる程十分には大きくないことは、本
当に驚くべきことである。

電極を加熱し及び／または電極の周囲のブロツ
クを冷却することによつて電極に沿う電流を増大
させることが可能であることを、本願の発明者は
発見した。上述の界面を横切る方向における電気
伝導度及び熱伝導度は、電極に沿う方向及びブロ
ツク内における電気伝導度及び熱伝導度よりも明
らかに著しく低い。

このために、電極の電気伝導度を高めるために
電極を加熱し、ブロツクの電気伝導度を低くする
ためにブロツクの外部を冷却することによつて、
電極が存在する領域での局部的な熱の発生が一層
確実に行われる。一旦初期融液が生成されると、
シリコン体のうちで融液に隣接する領域の融解ま
たは溶解は、一層容易に進行する。電極がシリコ
ンから成つている場合、電極から汚染物質が融液
中に混入することは勿論ない。

なお、電極は空洞の壁と実質的に同じ割合で融
解する傾向があるので、電極間の間隙が空洞の幅
よりも狭くなる様に、周期的、連続的、または断
続的に電極を押し出すことが望ましい。

電流は、蒸気の発生を伴うことなく融解を行う
様に調節でき、またシリコンを気化させて基層を
被覆させるために増大させることもできる。

例えば、融液からシリコン棒を引上げるために
融解を行う場合には、70アンペアの電流が使用さ
れ、シリコンの気化を行う場合には、同一の構成
で上記電流を例えば120アンペアまで増大させる
ことができる。

更に、本願の発明によれば、アーク発生用電極
を他の電極のうちの一つの電極に近づけ実際に接
触させてアークを発生させた後、更にアークを発
生させつつまたは発生させることなくアーク発生
用電極を離間させるかまたは融解されるべき場所
に残すことができる。

〔実施例〕

上記及び上記以外の本願の発明の目的、構成及
び効果は、以下の記述から容易に明らかになる。
以下、図面を参照しながら本願の発明の実施例を
説明する。

第１図の１０で示されているシリコン体は、夫
夫の電極が挿入され得る穴１１及び１２を備えて
いる。シリコン体１０は融解シリコンを適当な形
の鋳型で鋳造して製造することができ、その結
果、穴１１と１２とが穿孔されている。

第２図に示されている装置は、穴１２へアーク
発生用電極１３が挿入されるシリコン体１０用の
テーブルまたは支持台２３を備えていてよい。矢
印１４と電極移動部材１５とで示されている様
に、アーク発生用電極１３は上下に移動可能であ
る。電極１３の温度がシリコン体１０の温度より
も高くなる様に、電極１３を取り巻いているコイ
ル１７を加熱器１６が有している。従つて、電極
１３の電気伝導度は、シリコン体１０の電気伝導
度よりも高い。

支持台２３中で冷却コイル１９の曲り角に接続
されていてよい冷却コイル１８によつて、シリコ
ン体１０が近接包囲されていてよい。シリコン体
１０の温度を電極１３の温度よりも低くするため
に、冷却コイル１８，１９には、冷却剤循環器２
０によつて循環冷却流体が供給されている。管２
１及び２２が、冷却コイル１８，１９に接続され
ている。

アーク発生用電極１３は、間隙２６を形成して
いる一対のアーク接続用電極２４及び２５と協働
している。

電極２４及び２５を取り巻いている夫々のコイ
ル２９及び３０を備えている夫々の加熱器２７及
び２８によつて、電極２４及び２５が交互に加熱
される。加熱器２７，２８は、加熱用流体を循環
させることのできる加熱器か、または電極２４，
２５を取り巻いている抵抗加熱コイルに電流を流
すことのできる加熱器であつてよい。

切換装置３２を経由して、アーク電流供給源３
１が電極１３，２４，２５に接続され得る。

ある位置（図示されている位置）で、アーク電
流供給源３１の一方の端子に電極２４及び２５が
接続され、且つアーク電流供給源３１の他方の端
子が電極１３に接続される様に、切換装置３２が
接続されている。なおアーク電流供給源３１は、
直流電源であつてよい。

部材１５を使用することによつて、電極１３を
電極２４及び２５に近接及び接触させることがで
きる。このために、電極１３を引き離した時にア
ークが発生し、その後このアークが安定する。

電極２４及び２５を通じてアーク電流を流すた
めに、スイツチ３２が操作されてよい。その後、
電極１３は引き離されるか、またはアークの発生
を再度行う場合はその位置に残される。

第３図から明らかな様に、シリコン体１０内で
融解している空洞３５の幅Ｗよりも小さい間隙２
６を維持可能な電極供給装置３３及び３４を、電
極２４及び２５が備えることができる。

特願昭60−123462号で述べた様に、軸３６上の
種結晶を上方から融液中に浸し次いで矢印３７で
示す通り上方へ引上げることによつて、融液から
シリコン棒を引上げることができる。上記の出願
中で述べた様に軸３６とシリコン体１０とは互い
に逆方向へ回転可能であり、またその処理は吸引
ポンプ３９を備えている真空室３８内で行われ
る。

第４図の実施例では、真空質１３８は、ポンプ
１３９によつて排気されており、また板として表
されている基層１４０を収容している。シリコン
体１１０で形成されており上方へ移動する容器か
らのシリコン蒸気によつて、基層１４０の表面１
４１が被覆される。基層１４０に接触するために
シリコン蒸気が上昇して来る空洞１３５は、シリ
コン体１１０によつて取り囲まれている。表面１
４１を完全に被覆するために、シリコン体１１０
は部材１４２及び１４３によつてＸ軸及びＹ軸に
沿つて移動可能となつている。既述の様な方法に
よつて一対の電極１２４及び１２５の間でアーク
が維持され、アーク発生のための使用が終了した
後は、電極１１３が引下げられる。

何れの実施例においても、るつぼを使用する必
要はなく、また汚染物質発生源に直接に接してい
る融液の容器であつた容器をブロツク１１０を支
持するための容器として提供することができる。

具体例 第１図に示されている様な円筒状のシリコン体
が半径方向に穿孔されており、このシリコン体の
直径に沿つて伸びる貫通孔が形成されている。そ
して、貫通孔中に一対の電極棒が挿入されて、互
いに接触させられている。電極棒もまたシリコン
から成つている。約80アンペアのアーク電流が電
極棒に流され、これらの電極棒はアークを発生さ
せるために互いに離間させられる。アークの周囲
のシリコンブロツクが融解した時は、アークの電
圧が80〜100ボルトに、電流が80〜100アンペアに
夫々維持される。融液がシリコン体の表面に達し
た時、電流は約120アンペアに増加され、この表
面でシリコン融液の気化が発生し、この気化が基
層の被覆に用いられる。

特願昭60−123462号で述べた様に、上記の融液
はシリコン棒引上げ用の融解シリコン源としても
使用される。電極はシリコン床に挿入された時点
で約300℃に加熱され、一方、シリコン体の表面
は約０℃に冷却される。

〔発明の効果〕

本願の発明は、固形のシリコン体の内部に少な
くとも一対の電極を配し、これらの電極の間でア
ークを発生させて、固形のシリコン体を内部から
外部へ向かつて融解させる様にしている。従つ
て、シリコン融液を収容するためのるつぼが不要
であり、このるつぼから汚染物質が融液中へ混入
することがないので、高純度のシリコン融液を形
成することができる。

また本願の発明は、固形のシリコン体の内部に
配されている一対のシリコン電極に十分な大きさ
の電流を流す手段と、シリコン体を冷却するため
の手段とによつて、熱を局部的に発生させてシリ
コンの融解を局所化させる様にしている。従つ
て、高純度のシリコン融液を確実に形成すること
ができる。

また本願の発明は、固形のシリコン体に開口が
形成されるまでシリコンを融解し、このシリコン
融液からシリコン棒を引上げる様にしているの
で、高純度のシリコン棒を製造することができ
る。

また本願の発明は、固形のシリコン体の内部に
シリコン融液を形成し、このシリコン融液を真空
室内で気化させて、基層に堆積させる様にしてい
る。従つて、基層を高純度のシリコンで被覆する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願の発明によるシリコンの融解に用
いられるシリコン体の立面図、第２図は融解操作
の開始前における融解装置の高度に図式化された
断面図、第３図は融液からのシリコン棒の引上げ
に用いられた時の第２図の装置の一部のみを同様
に図式化した断面図、第４図は第３図に類似して
いるがシリコンの被覆を基層に形成する装置の断
面図である。 なお図面に用いた符号において、１０……シリ
コン体、１１，１２……穴、１３……アーク発生
用電極、１８，１９……冷却コイル、２０……冷
却剤循環器、２４，２５……アーク持続用電極、
３１……アーク電流供給源、３５……空洞、３８
……真空室、１１０……シリコン体、１１３……
電極、１２４，１２５……電極、１３５……空
洞、１３８……真空室、１４０……基層である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固形のシリコン体に少なくとも一つの穴を形
   成し、少なくとも一方の電極が前記穴に挿入され
   ている一対の電極を前記シリコン体の内部で互い
   に近接配置する工程と、 前記シリコン体の内部の前記電極の端部同士の
   間で電気アークを発生させて、前記シリコン体か
   らシリコンを融解させると共に融解したシリコン
   を収容する空洞を前記シリコン体の内部に形成す
   るために、前記電極を通じて電流を流す工程とを
   夫々具備するシリコンの融解方法。 ２ 前記シリコン体の内部で前記電気アークを発
   生させている間は前記シリコン体を冷却する工程
   を更に具備する特許請求の範囲第１項に記載の方
   法。 ３ 前記電極を通じて前記電流を流している間は
   前記電気アークとは独立に前記電極を加熱する工
   程を更に具備する特許請求の範囲第１項に記載の
   方法。 ４ 前記電極がシリコンから成つている特許請求
   の範囲第１項に記載の方法。 ５ 一対のシリコン電極が内部で互いに近接配置
   されている固形のシリコン体と、 前記シリコン体の内部の前記電極同士の間で電
   気アークを発生させて、前記シリコン体からシリ
   コンを融解させると共にシリコン融液を収容する
   空洞を前記シリコン体の内部に形成するために、
   十分な大きさの電流を前記電極を通じて流すため
   の手段と、 前記シリコン体を冷却するための手段とを夫々
   具備するシリコンの融解装置。 ６ 前記アークを発生させるために少なくとも一
   つの他方の電極に対して近接及び離間可能なアー
   ク発生用電極を更に具備する特許請求の範囲第５
   項に記載の装置。 ７ 前記アークとは独立に前記電極を加熱するた
   めの手段を更に具備する特許請求の範囲第５項に
   記載の装置。 ８ 前記融液からシリコン棒を引上げるための手
   段を更に具備する特許請求の範囲第５項に記載の
   装置。 ９ 前記シリコン体を収容する真空室を更に具備
   する特許請求の範囲第５項に記載の装置。 １０ 前記真空室内において前記融液からのシリ
   コン蒸気を基層に堆積させる手段を更に具備する
   特許請求の範囲第９項に記載の装置。