JPH02233583A - 単結晶育成法及びその装置 - 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、シリコン単結晶の育成に関する，（従来の技
術） シリコン材料の融液からシリコン単結晶を育成するには
、ＣＺ法（Ｃｚｏｃｈｒｏｌｓｋｉ法）が最も一般的に
行われている。このＣＺ法は、シリコン材料の融液を融
点近傍で保ち，種結晶を中心に固化させて行くため、融
液温度の制御が、結晶育成の重要な点である。

他方、シリコン単結晶基板においては、半導体集積回路
の製造過程で、極微量の重合金の汚れを浄化する、いわ
ゆるＩ　Ｇ　（　Ｉｎｔｅｒｉｎｓｉｃ　Ｇｅｔｔｅｒ
−ｉｎｇ　）効果を得るため、適度の酸素含宥量が必要
とされる。したがって、シリコン単結晶中には、その結
晶成長方向に均一な濃度で酸素を含宥させることが不可
欠となる。この点、従来は、ルッポの回転速度と、シリ
コン単結晶中の酸素濃度との関係に着目し、均一な濃度
で酸素を含有させるため、ルッポの回転速度を育成の進
行に応じて変えて行く技術も提案されている（特開昭５
７−１３５７９６号、特開昭５７−２７９９６号）。

（発明が解決しようとする課Ｂ） 上述した融液温度の制御は、融液の温度を直接測定せず
、融液な収納、保持する容器（以下、ルツボと記す）の
温度や、ルツボ及びその外側の発熱体を保温する保温材
の温度を測定し、融液温度を類推もしくは融液温度の変
化を疑似的に観察し、制御用もしくは観測用数値として
いた。この制御用もしくは管理用温度は、融液自体の温
度でないため、融液中の「温度ゆらぎ（一種の融液温度
の変動ないし振動）」は計測されないので、融液の温度
を一定に保つことが困難であり、高品質の単結晶の育成
が図れなかった。

また、酸素濃度の制御も、前記従来の方法では、所望の
酸素濃度が得られない領域のあること、さらには、シリ
コン結晶の均一性（例えば、酸素変動幅±０．５　ｘ　
１０”ａｔｏｍｓ／ｃｃ）確保が困難である等の問題点
がある。とりわけ、従来は、結晶寸法を制御するのに、
結晶育成速度を調節しなければならないので、これに起
因して、固液界面に不自然な変動を起こさせ、結晶の均
一性を悪くしていた。

すなわち、この方法では、同じＣｚ引き上げ装置を使用
したとしても、結晶中に含宥される酸素濃度は一本の単
結晶内の長さ方向で、もしくは結晶インゴット間で、異
なっている。引き上げ装置が異なれば、同じ結晶含有酸
素濃度を目的として引き上げても、結晶インゴット間の
差はより大きくなり、６ｐｐｍ以上の違いが生じる。こ
のような結晶内酸素濃度変動、結晶間差（バッチ間差、
炉間差）の原因は不明のままであった。

それにもかかわらず、今日の半導体基板に対する要求は
厳しくなる一方で、半導体基板間の含有酸素濃度差が±
１　ｐｐｍでなければならなくなった。

すなわち、今日の半導体基板として有用であり製造上の
保留まりを向上させるためには、結晶画液界面に流れ込
む熱と不純物の量（以下、結晶成長条件と記す）をいか
に精密に制御できるかという問題を解決しなければなら
ない。

本発明は、単結晶の育成を改良することにより、上記欠
点を除去し、結晶均一性の優れた単結晶を得ることを目
的としてなされた。

（課題を解決するための手段） Ａ．発明の技術的青景 本発明は、発明者らがＣＺ法にて単結晶を育成する研究
の中で、下記の知見に基いてなされた。

すなわち、ＣＺ法における単結晶育成において、融液温
度を直接精密に測定した場合、熱及び酸素等の不純物の
実効的拡散又は移動度が、融液温度の早い変動振幅（以
下、液温振動度と記す）との間に明確な関数関係があり
、融液流れが乱流主体であるにもかかわらず、実効的拡
散率を用いて拡散方程式を解くことにより、統計的に精
度の良い融液中の温度及び酸素濃度分布が得られるとい
う事実である。

融液内の異なる２点間の温度を測定した場合、融液温度
相互に相関が無いことから、融液流れが層流でなく乱流
主体であることがわかる。つまり、もし融液の流れが層
流主体であれば、２点での融液温度変動は、２点間の距
離を融液流れ速度で除した時間だけのずれを持っている
はずであり、相関を持つ時間に鋭い相関ピークが存在す
るはずである。また、融液容量、加熱熱量、外部温度環
境など、同一の外部条件に保持しても、液温度振動度が
違えば融液内温度分布は大きく異なる。換言すると、ル
ツボと融液との境界面において、融液に流入する熱量と
その熱量分布は等しくても、液温振動度が異なると実効
の熱拡散率が異なり、ルツボ中心部まで到達する熱量が
異なることを示す。この違いは、乱流の熱及び物質拡散
に対する寄与の度合（以下、乱流度と記す）の違いによ
るものと考えられる。シリコンのような半導体材料の融
液は、一般的に光を通さないため、乱流の状態を直接観
察したり直接記述することはできないが、液温振動が乱
流に起因することは確かであり、乱流度が大きいことは
局部的撹拌が大きいことに対応し、局部的撹拌が大きい
ことは熱及び不純物の移動、拡散が実効的に速いことに
対応するから、液温振動度が大きいことは乱流度が大き
いことであると理解され得るまた、発明者らは、乱流は
瞬間の流線を求めても無意味であるが、統計的に熱と酸
素の実効的拡散率を使い、拡散方程式を解くことにより
、状態記述が可能で実験値と良い一致を示すこと、並び
に、乱流度を制御することが実質的に固液界面に流れ込
む熱量と酸素濃度を制御し得ることを見い出した。ここ
で、乱流は、融液の流れの物性に依存したものであるが
、流れとして大きく分類すると、その流れの起因子によ
り自然対流、強制流、表面流がある。自然対流は、融液
中の温度分布の与え方により変化し、強制流は、強制撹
拌や、融液が伝導体であり磁場を印加することで変化す
るため、乱流の状態を変化させることができる。また、
融液の回転などにより、融液の慣性力を変化させること
でも乱流の状態を変化させることができる。

融液温度を測定して行う制御を例に採れば、液温振動度
をＸ、実効的熱拡散係数をＹとした場合、両者を Ｙ＝ａＸ”　＋ｂＸ＋ｃ　　＝　　■ なる実験式で表わすことが可能である。ａｊｂｌＣで表
わされる係数は、温度測定に使用する温度計測器の応答
特性により決定される。振動度と実効熱拡散係数との関
係式を立てることが可能であることは明白であり、使用
する液温振動度の範囲、求める精度により必ずしも２次
方程式である必要は無い。

このようにして求められた関係式と、関係式を求めるた
めに使用した温度計測器を使い、単結晶育成中の液温振
動度を実効拡散率に変換し、拡散方程式 θＴ／θｔ＝ＹＶ”　Ｔ　　ｍｕｍ　　■を解くことに
よって、固液界面に流れ込む熱量を精度良く計算するこ
とができる。こうして得られた固液界面への流入熱量を
一定に保つように、液温振動度分布もしくは融液の加熱
条件を変更制御する。

結晶中に取り込まれる酸素も、融液容量、加熱熱量、外
部温度環境など、同一の外部条件に保持しても、液温振
動度が違えば、結晶中に流れ込む酸素濃度の異なること
が発明者らの実験で明らかになった。上述の条件におい
ては、ルツボと融液との界面（以下、ルツボ界面と記す
）での温度分布は等しく、ルッポから溶け出す酸素もし
くは酸化物（Ｓｉｎ，Ｓｉｎ．）の量はその温度での飽
和濃度であるから、当然ルツボ界面における酸素濃度は
等しい。しかしながら、結晶に取り込まれる酸素濃度が
異なるということは、ルツボ界面から結晶までの間での
酸素の拡散率もしくは移動度と呼ばれる量が異なると考
えるのが自然である。

前記の熱拡散率における場合と同様、融液の液温振動度
と結晶中の酸素濃度の間に関数関係があるため、使用す
る温度測定器と実効酸素拡散率の関係を求めておけば、
結晶への酸素流入量を精度良く制御できる。前述した公
知技術において、酸素濃度制御の精度限界値が６　ｐｐ
ｍと大きかったのは、ルッポ回転と結晶中酸素濃度の関
係の経験的知識に依拠したものであったからである。ル
ツボ回転を変更すれば融液の慣性力が変化し、前述した
ように液温振動度は変化するので、結果的に酸素の実効
拡散率が変化し、結晶中酸素濃度の制御に結び付いたも
のである。しかし，実際の製造でルツボとして使われる
石英は、操業温度（約１５５０±７０℃）において軟化
しており、変形するのが常である。また、実操業におい
ては、軟化した石英ルッポな保持する炭素などの外ルッ
ポに対する石英ルツボの置き方も、バッチ間で微妙に異
なる。

さらに、発熱体も使用回数が増加するに従い発熱分布が
変化し、ルッポ界面における温度分布が変化する。これ
ら実操業上の融液を取りまく外条件の変化は、液温振動
度分布変化として測定可能であり、引き上げ操業中の時
間変化により液温振動度が変化していることは一般的で
ある。このことは、すなわち融液の乱流の状態、程度、
分布が融液を取りまく外条件に依存して敏感に変動して
おり、この変動が融液の持つ実効的熱及び酸素拡散率を
変化させるため、ルッポ回転だけの制御では、結晶に流
れ込む酸素濃度を精度良く制御できないことを示してい
る。また、ルッポから溶出する酸素濃度は、接触面積と
その温度でのシリコン飽和酸素濃度により決るため、前
記従来技術のように結晶の引き上げ長さだけでルツボ回
転を変更していっても、融液とルツボの接触面積の減少
による結晶流れ込み酸素量の減少を補償することはでき
ない。

Ｂ．発明の構成 そこで、本発明は、単結晶材料の融液から単結晶を育成
する方法において、前記融液の温度を直接測定して、該
融液の熱及び不純物の実効的拡散率と分布を求め、これ
に基き固液界面に流入する熱量と不純物濃度を目的のも
のとすべく、単結晶育成条件を制御する単結晶育成法を
第１の発明とし、単結晶材料の融液から単結晶を育成す
る装置において、前記融液の温度を直接測定する検出手
段、この検出手段からの検出信号に基き熱及び不純物の
実効的拡散率と分布を演算する演算手段、この演算手段
からの演算信号に基き単結晶の育成条件を可変とする育
成制御手段、とを備えた単結晶育成装置を第２の発明と
している。これら第１及び第２の発明の概念構成は、第
４図に示されている。

（作　用） このように構成することにより、実効的熱及び酸素拡散
率と、液温振動度のような融液乱流度の相対強度を表わ
す物理量とを関係付け、その測定可能な物理量を制御す
べく融液を取りまく外条件を制御すれば、ミクロな結晶
品質が良好で酸素濃度を精度良く制御可能な結晶が育成
される。

（実施例） 半径２０ｃｍの底面曲状のルツボ内に、シリコン材料を
融液として３５Ｋｇ投入し、該融液の温度変動を、ルツ
ボ回転数を変化させて求めた。

第１図は、上記ルツボにおいて、ルツボ回転数を１５ｒ
ｐｍとしたときの融液の温度分＊（等温線分布）を示す
。但し、融液入熱量は一定である。

第２図は、同様に、ルッポ回転数が１０ｒｐｍの場合を
示す。

第１図及び第２図のデータから、温度分布の毛離は、ル
ツボ回転数が１５ｒｐｍの方が、１０ｒｐｍの場合より
も小さいことが示される。このことから、ルツボ回転数
１０ｒｐｍの方が、１５ｒｐｍよりも融液中の温度ゆら
ぎが大きいこと、すなわち、乱流度が大きいこと、を示
している。また、乱流度の違いにより、熱の移動量が相
違することになる。

前記のルツボ条件において、ルツボ回転数を増加した場
合の、融液中の特定点（液面下、１０ｍｍ）における温
度検出の結果を第３図に示す。この結果から、ルツボ回
転数の増加、すなわち、５ｒｐｍ　→１０ｒｐｍ　＋１
５ｒｐｍとなるにしたがい、換言すれば、乱流度の減少
に伴い、融液中の特定点における温度及び温度ゆらぎは
、減少する。すなわち、乱流度の減少に伴い、入熱量一
定の条件下では、熱移動は減少し、それと同時に、熱ゆ
らぎも小さなものとなる。

育成中の結晶の横１０ｍｍで融液表面からの深さ１０ｍ
ｍの箇所（以下、Ｍ点と記す）に、Ｒ熱電対（白金一白
金・ロジウム）の線径０．１ｍｍを石英管で保護したも
のを使用し融液温度を測定した。

（この熱電対は応答性かで＝０．４３、９９．８％応答
が１．６秒であった。）測定のアナログデータは１２ｂ
ｉｔＡ／Ｄコンバータによりデジタルデータに変換しコ
ンピュータ中に取り込み、２０秒間隔で平均値と液温振
動度を演算した。融液の実効的熱拡散率は、乱流度を直
接測定する代わりに、この液温振動度を前記■式に代入
して求めた。熱電対の特性により、このときの■式中の
係数は各々、ａ　＝　−　１　／３０ｆ）　．　　ｂ　
＝０．１７、ｃ　＝０．０２６７であった。このＭ点で
の液温振動度は、固液界面直下での液温振動度とほぼ等
しいことが予め実験により確認されているので、Ｍ点の
融液温度とそれにより計算された熱拡散率を使い、拡散
方程式（前記■式）を解くことにより、固液界面に流入
する実効熱量を算出できる。そして、この固液界面に流
入する熱量を一定にするように、ルツボ界面から流入す
る熱量の大きさ分布と融液内熱拡散率を制御する。ルツ
ボ界面から流入する熱量は、発熱体の発熱量と、発熱体
と融液との相対位置を変えることにより制御する。発熱
体が複数あれば、それぞれの発熱量を制御することで、
もしくは融液な取りまく保温材料との相対位置を変更す
ることによっても、同様の制御結果が得られる。

酸素濃度制御に関しては、引き上げられた結晶の大きさ
をＣＯＤカメラを使った光学的方法で測定し、コンピュ
ータに自動入力しつつ、引き上げ結晶長さを考慮して、
引き上げ体積を算出することでルツボ内に残った融液量
を知ることができる。この融液残量から、融液とルツボ
とのその時点での接触面積が概算できる。ここでルツボ
から溶出する融素濃度は、接触面積とその温度でのシリ
コンの飽和酸素濃度により演算でき、酸素の実効拡散は
液温振動度で演算できるため、結晶へ流れ込む酸素濃度
を決定できる。ルツボの温度は代表的３点（ルツボ底、
ルツボ横、Ｒ部）を測定できるようになっていて、ルツ
ボへの発熱体からの加熱は上記３点で同一温度を与える
ように制御されている。これによりルツボ界面から結晶
までの間の実効的酸素拡散率を変化させ、引き上げに伴
う融液量変化による融液とルツボとの接触面積、つまり
は全溶出酸素量変化を補う６第５図にこのようにして育
成された単結晶の長さ方向の酸素濃度分布を示す。なお
、第６図は従来法による酸素濃度分布を示すものである
。

（発明の効果） 本発明は、以上説明したように、実効的熱及び酸素拡散
率と、液温振動度のような融液乱流度の相対強度を表わ
す物理量とを関係付け、その測定可能な物理量を制御す
べく融液な取りまく外条件（実操業条件）を制御するも
のであるから、従来行われていなかった融液の制御、例
えば温度変動ないし熱の移動、酸素量の制御などを木目
細かく行うことが可能となり、その結果、シリコン単結
晶中の酸素濃度の均一性の確保はもちろん、高品質の単
結晶の育成を行うことができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はルッポ内融液の温度分布を示す図、
第３図はルツボ回転数と温度ゆらぎの関係を示す図、第
４図は本発明の概念構成を示す図、第５図は本発明によ
る単結晶の酸素濃度分布を示す図、第６図は従来法によ
る酸素濃度分布を示す図である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶材料の融液から単結晶を育成する方法にお
   いて、前記融液の温度を直接測定して、該融液の熱及び
   不純物の実効的拡散率と分布を求め、これに基き固液界
   面に流入する熱量と不純物濃度を目的のものとすべく、
   単結晶育成条件を制御することを特徴とする単結晶育成
   法。
2. （２）単結晶材料の融液から単結晶を育成する装置にお
   いて、前記融液の温度を直接測定する検出手段、この検
   出手段からの検出信号に基き熱及び不純物の実効的拡散
   率と分布を演算する演算手段、この演算手段からの演算
   信号に基き単結晶の育成条件を可変とする育成制御手段
   、とを備えたことを特徴とする単結晶育成装置。