JPH0585878A

JPH0585878A - 単結晶製造装置用ドープ剤供給装置

Info

Publication number: JPH0585878A
Application number: JP4067955A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Sakai; 広義坂井; Hiroshi Kamio; 寛神尾; Yoshinobu Shima; 芳延島; Akira Kazama; 彰風間; Yoshio Mori; 吉男毛利
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1991-04-19
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1993-04-06

Abstract

(57)【要約】【目的】定量性が極めて高いドープ剤の添加が可能
で、装置本体からの着脱が可能なコンパクトなドープ剤
供給装置を提供する。【構成】抵抗率が既知であるシリコンウエハを高精度
に定型に切断したチップを供給するＣＺ法によるシリコ
ン単結晶製造装置のドープ剤供給装置において、ドープ
剤供給装置本体に傾斜して、且つ着脱容易にドープ剤チ
ップカセットを設け、このチップカセットに、厚さの異
なる駒及び前記チップを充填可能に複数の溝を設け、チ
ップをカセットから１枚ずつ落下させるためのピストン
並びにピストン駆動装置を設け、原料供給部の融液中へ
のチップの投下枚数をカウントするためのドープ剤チッ
プカウンターをドープ剤投入管の側部に設け、原料供給
装置及びドープ剤チップカウンターからの信号を受け
て、ピストンの動作を制御する送り量制御装置を設けた
ことからなる単結晶製造装置用ドープ剤供給装置であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、チョクラルスキー法に
よるシリコン単結晶の製造装置において、シリコン融液
のドープ剤濃度を調整するためのドープ剤供給装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】シリコン単結晶の製造には、石英るつぼ
内に充填されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、それを
回転させながら引き上げていく、いわゆるチョクラルス
キー法（以下ＣＺ法という）が広く行われている。

【０００３】この方法では、シリコン単結晶の抵抗率制
御の目的で、リン、ボロン等の不純物原子をシリコン融
液中にあらかじめ添加している。しかし、これらの元素
の偏析係数が１より小さいため、シリコン単結晶を引き
上げるにつれて融液のドーパント濃度が増加する。

【０００４】このため、引き上げられるシリコン単結晶
のドーパント濃度もシリコン単結晶の頭部から尾部にか
けて次第に増加し、抵抗率が仕様の範囲内に入らない部
分が非常に多く存在することになる。

【０００５】この様な問題を解決する手段として、シリ
コン原料をるつぼ内に連続的に供給すると共に、それに
見合う量のドープ剤を供給することにより、シリコン融
液中のドーパント濃度を一定に保ち、シリコン単結晶の
長手方向の抵抗率を均一にする連続ＣＺ法がある。

【０００６】また、そのためのドープ剤の供給方法とし
て、供給原料にあらかじめドープ剤を混ぜておく方法
や、ドープ剤を含んだシリコン細棒をシリコン融液中に
浸漬させる方法が知られている。

【０００７】しかし、これらの供給方法は、前者の方法
では混合の均一性に、後者の方法ではシリコン融液の波
立ち等による融解量のばらつきに問題があり、供給する
ドープ剤量の正確なコントロールは困難である。

【０００８】そこで、この様な問題を解決するため、る
つぼの内部を石英部材で仕切り、その外側にシリコン原
料を連続的に供給しながら、それに見合うだけのドープ
剤を外側に定量的かつ定期的に投下する方法として図５
に示すような装置が、特開平２−１８３７７号公報に開
示されている。

【０００９】図５において、３０はド−プ剤供給装置
で、３１は傾斜して配置され先端部が開口したシリンダ
−、３２はピストン、３３はロッド３４を介してピスト
ン３２に連結された駆動装置であり、３５はド−プ剤の
投入管、３６はド−プ剤チップである。

【００１０】このド−プ剤供給装置３０は、ドープ剤濃
度が既知であるシリコンウエハを定型に切断したチップ
３６を１個ずつシリンダ３１から押し出し、ドープ剤投
入管３５から原料供給部のシリコン融液中に落下させる
ものである。

【００１１】また、これと異なる構成のドープ剤供給装
置として、米国特許Ｎｏ．４，６９６，７１６号に開示
されている図６及び図７がある。

【００１２】図６及び図７において、４０はドープ剤供
給装置で、漏斗状ホッパ−４１とこれと管接続口４７を
介して接続され、傾斜して設けられた管４２とからな
り、この管４２の出口管４８は、開口出口４３を介して
連結されており、また管４２内には駆動ロッド４５によ
って駆動するピストン４４が設けられている。

【００１３】このドープ剤供給装置４０では、図６及び
図７に示すように、ドープ剤として球状のペレット４６
を使用している。しかし、ペレット状のドープ剤は高精
度に一定形状および一定濃度に製造することは困難であ
り、従ってドープ剤濃度を正確に把握することは困難で
ある。

【００１４】また、この装置で図５で用いているド−プ
剤チップ３６を使用するためには、まずチップをホッパ
ー４１内で一枚ずつ重ねる必要がある上、ピストン４４
もチップの厚みよりも薄いものを使用せねばならず、現
実的ではない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】特開平２−１８３７７
号公報に示された装置では、シリコンウエハを精密切断
したシリコンチップ３６をドープ剤として使用している
ため、同一濃度、同一重量とチップ自体の定量性が極め
て高いうえ、そのチップを１枚ずつ確実に投下できるこ
とから、シリコン融液のドープ剤濃度の正確なコントロ
ールが可能である。

【００１６】しかし、最近のシリコン単結晶の長尺化、
大口径化に伴い、必要となるドープ剤の量も非常に多く
なってきており、この装置でこれに対応するには、チッ
プのドーパント濃度を増すか、あるいはシリンダ長を長
くしなければならない。

【００１７】しかし、前者の場合、ドープ剤チップはシ
リコンウエハを切断したものであるが、これをスライス
するシリコン単結晶のドーパント高濃度品には製造限界
があり、従ってチップのドーパント濃度を増すにも限界
がある。その上、高濃度のドープ剤チップを使用する
と、チップの投下前後での融液のドーパント濃度差が大
きくなり、結晶の抵抗率の均一性が失われる。

【００１８】また、後者の場合、シリンダ長さだけでな
く、このドープ剤供給装置を収納する減圧雰囲気のチャ
ンバーも大型化する必要があるばかりでなく、ピストン
を支えるシャフトはシリンダ直径、つまりチップの大き
さよりも細いものであり、強度的な問題もでてくる。

【００１９】さらに、非常に長いシリンダの中にドープ
剤チップを一枚ずつ積み重ねて充填する事は極めて困難
な作業である。

【００２０】本発明は上記のような問題点を解決し、連
続的に原料を供給するＣＺ法のシリコン単結晶製造装置
に於いて、随時必要量のドープ剤をシリコン融液に添加
することにより、結晶の長手方向に抵抗率が均一なシリ
コン単結晶を得ることができるドープ剤供給の定量性が
極めて高く、装置本体からの着脱が可能でコンパクトな
ドープ剤供給装置を提供することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明は、るつぼの内部
を石英部材で仕切り、その外側に連続的に原料を供給
し、且つ抵抗率が既知であるシリコンウエハを高精度に
定型に切断したドープ剤チップを供給するチョクラルス
キー法によるシリコン単結晶製造装置のドープ剤供給装
置において、ドープ剤供給装置本体に傾斜して、且つ着
脱容易にドープ剤チップカセットを設け、ドープ剤チッ
プカセットに、厚さの異なる駒及び前記チップを充填可
能に複数の溝を設け、前記ドープ剤チップをドープ剤チ
ップカセットから１枚ずつ落下させるためのピストン並
びにピストン駆動装置を設け、原料供給部の融液中への
ドープ剤チップの投下枚数をカウントするためのドープ
剤チップカウンターをドープ剤投入管の側部に設け、原
料供給装置及びドープ剤チップカウンターからの信号を
受けて、前記ピストンの動作を制御する送り量制御装置
を設けたことからなる単結晶製造装置用ドープ剤供給装
置である。

【００２２】

【作用】本発明に使用するドープ剤カセットには、図１
及び図２に示すように２本あるいはそれ以上の溝が掘っ
てあり、この溝にセットする駒がカセットから落ちない
様、装置にセットする際に下端となる方の溝の端部が狭
められている。

【００２３】ここに、それぞれの溝で厚さの異なる駒を
セットし、その上にドープ剤チップを積み重ねる。

【００２４】このチップの充填作業は、カセットが装置
本体から取り外せるだけでなく、図５の従来装置のシリ
ンダとは異なりカセットの上面が開いているため、作業
性が格段に向上している。

【００２５】また、カセットの溝を複数にすることによ
り、セットするチップ枚数の大幅増加を実現しつつ、ド
ープ剤カセットおよびドープ剤供給装置全体がコンパク
トにまとまったものとなっている。

【００２６】さらに、このような装置においてはドープ
剤の不純物による汚染を極力避けなければならないが、
本発明のドープ剤供給装置では、ドープ剤カセットを石
英ガラスやシリコンで製作できる上、ドープ剤カセット
がドープ剤供給装置本体から取り外せるためにこれを日
常的に洗浄することもできる。

【００２７】ドープ剤チップの投下は、チップを充填し
たドープ剤カセットをドープ剤供給装置本体に傾斜させ
て設置し、駆動装置によりピストンを下方から微量ずつ
前進させてチップを押し出すことにより行い、ドープ剤
投入管に設置されたドープ剤カウンターにより投入枚数
をカウントし、規定枚数投下した時点で駆動装置を停止
させる。

【００２８】この際、使用するドープ剤チップの厚さに
対して、それぞれの溝で使用する駒同志の厚さを適切に
選べば、異なった溝から同時にチップが落下することな
く、最前列のドープ剤チップから順に一枚ずつドープ剤
カセットより投下することができ、ドープ剤チップの正
確な添加が可能となる。

【００２９】

【実施例】図１及び図２は、本発明に係わるドープ剤供
給装置の実施例の側面的及び平面的な模式図、図３は本
発明に関わるドープ剤供給装置を備えた、連続ＣＺ法に
よるシリコン単結晶製造装置の一例を示す模式図であ
る。

【００３０】図１〜図３において、１は石英からなるる
つぼで、黒鉛るつぼ２により支持されており、黒鉛るつ
ぼ２はペデスタル３上に回転可能に支持されている。

【００３１】石英るつぼ１と同じく石英製のリング状の
仕切り部材４により、単結晶育成部Ａと原料供給部Ｂと
に分けられている。

【００３２】なお、この仕切り部材４の下部にはシリコ
ン融液６が移動する流通孔５が設けられている。７は単
結晶育成部Ａより引き上げられたシリコン単結晶、９は
黒鉛るつぼ２の外側に設けられたヒーター、１０は加熱
炉のチャンバーである。

【００３３】１１はシリコン原料１３の供給装置で、シ
リコン原料１３は原料投入管１２を通って原料供給部Ｂ
へ供給される。

【００３４】２０は本発明に係わるドープ剤供給装置
で、２１は傾斜して配置されたドープ剤チップカセッ
ト、２２は熊手のごとくドープ剤チップカセット２１の
溝の本数だけ爪のついたピストン、２３はシャフト２４
を介してピストン２２に連結されたピストン２２の駆動
装置であり、これらはドープ剤供給装置用チャンバー１
０ａ内に収容されている。尚、駆動装置２３は、シャフ
ト２４を真空シ−ルしたうえでチャンバ−１０ａの外に
設置してもよい。

【００３５】２６はドープ剤チップカセット２１に充填
されたドープ剤チップであり、これはシリコンウエハを
素材としているために抵抗率および厚みが高精度に既知
である上、これを角板状に精密切断するために高精度に
定型化されたものである。

【００３６】このドープ剤チップ２６は、ドープ剤投入
管２５を通って原料供給部Ｂへ供給される。

【００３７】また、ドープ剤チップ２６の投下枚数はド
ープ剤カウンター２８によりカウントされる。

【００３８】なお、このドープ剤供給装置において、ド
ープ剤チップ２６と直接接触する部分については、ドー
プ剤チップ２６との摩擦が少なく、かつ不要な不純物が
発生しない材料、例えばドープ剤チップカセット２１は
石英ガラスや純粋な多結晶または単結晶シリコン、投入
管は石英ガラスで構成されている。

【００３９】次に、上記のように構成した本発明ドープ
剤供給装置２０によるドープ剤の投入方法について述べ
る。

【００４０】まず、ピストン２２を後退させ、ドープ剤
チップカセット２１をドープ剤供給装置本体２０から取
り外す。

【００４１】このドープ剤チップカセット２１にはドー
プ剤チップ２６を充填するための複数の溝が掘られてお
り、ドープ剤供給装置本体２０に傾斜して装着する際に
下方となる端部が狭まっている。その幅は、ピストン２
２の爪が通り抜け、かつ駒２９が通らないように決定さ
れる。

【００４２】この部分に、厚さの異なるシリコン製の駒
２９をそれぞれの溝にセットし、その上にドープ剤チッ
プ２６を積み重ね、これを供給装置に傾斜させて装着す
る。ドープ剤チップ２６の投下は、駆動装置２３により
ピストン２２を微量ずつ前進させることにより行う。こ
れにより、ドープ剤チップ２６全体が押し上げられるこ
とになるが、それぞれの溝にセットされた駒２９の厚さ
が異なるため、最先端のチップから順に一枚ずつカセッ
トから落下し、ドープ剤投入管２５を経て、るつぼ１内
の原料供給部Ｂへ投下されることになる。

【００４３】ここで、駒２９の幅は、溝の壁面との摩擦
が生じない範囲で幅広のものが好ましく、また、ドープ
剤チップ２６の一辺の長さは、チップが正しく積み重な
り、かつ溝の壁面との摩擦を避けるため、溝の幅の７割
以上で駒２９の幅よりも狭いものが好ましい。また、ド
ープ剤チップカセット２１の本体へ取り付ける際の傾斜
角度は、水平面からの角度で表わすと、ピストン２２を
押し出す際の振動等によりチップが倒れない様、１０度
以上とすべきである。さらに、チップの厚さが０．４ｍ
ｍ以上、０．５ｍｍ以下の場合には、２０度以上である
事が望ましい。一方、最先端のチップがカセットからす
べり落ちるためには、チップ同志の摩擦が非常に少ない
為、８０度以下であれば十分に落下する。

【００４４】次に、ドープ剤チップカセット２１の溝に
セットする駒同志の厚みの差と、ドープ剤チップ２６を
１枚ずつ投下できる確率との関係を図４に示す。

【００４５】これは、厚さ１ｍｍのドープ剤チップ２６
をドープ剤チップカセット２１の２列の溝に充填し、こ
の際にそれぞれの溝にセットする駒の厚みの差を様々に
変化させて、ドープ剤チップの投下を行った実験結果で
ある。なお、この時のドープ剤チップカセット２１の傾
斜角度は４０度、ピストン２２の前進速度は１．５ｍｍ
／ｍｉｎである。

【００４６】図４に示されているように、駒同志の厚さ
の差が小さいと、それぞれの溝での最先端のドープ剤チ
ップの位置がほぼ同じになるため、２枚のドープ剤チッ
プが同時に投下される確率は高いが、駒同志の厚さの差
が０．２ｍｍ以上の場合、ドープ剤チップが１枚ずつ投
下される確率はほぼ１である。これより、ドープ剤チッ
プを正確に１枚ずつ投下するためには、それぞれの溝に
セットする駒同志の厚さの差、即ちドープ剤チップの位
置の差を０．２ｍｍ以上とすべきであることが判る。

【００４７】例えば、ドープ剤チップカセット２１の溝
が４列で、厚さ１ｍｍのドープ剤チップを使用する場
合、それぞれの溝にセットする駒同志の厚さの差をチッ
プ厚さの１／４である０．２５ｍｍとすれば、最も薄い
駒にチップ１枚を加えた厚さと最も厚い駒の厚さの差も
０．２５ｍｍとなり、すべての溝同志で上記の条件を満
たす。即ち、ド−プ剤チップは４列の溝から順に１枚ず
つ等間隔に投下されることになる。また、これと反対の
見方をすると、使用するドープ剤チップカセット２１の
溝の本数がｎ本である場合、上記条件を満足するために
は、使用するドープ剤チップ２６の厚さは０．２×ｎ
ｍｍ以上でなければならない。ただし、ピストンの前進
速度が速いと、２枚が同時に投下される確率は増加す
る。前進速度は１０ｍｍ／ｍｉｎ以下にする必要があ
る。

【００４８】ドープ剤チップ２６の投下枚数は、ドープ
剤チップ投入管２５に設置されたドープ剤チップカウン
ター２８によりカウントし、規定枚数投下された時点で
駆動装置２３を停止させる。

【００４９】このピストン２２の前進及び停止の作動
は、原料供給装置１１およびドープ剤チップカウンター
２８からの信号を受けた送り量制御装置２７により制御
される。

【００５０】ここで、ドープ剤チップカウンター２８に
は、ドープ剤チップ投入管２５が石英ガラス製であるた
め、光を利用したコンパクトなセンサーが使用できる。

【００５１】また、ドープ剤チップカウンター２８の設
置位置は、ドープ剤チップ２６がドープ剤カセット２１
から落下後ただちにカウントして送り量制御装置２７に
信号を送れるように、ドープ剤チップ投入管２５のなる
べく高い位置に設置するのが好ましい。

【００５２】次に本実施例では、図３に示すシリコン単
結晶製造装置を使用し、幅７ｍｍの４本の溝が掘られた
ドープ剤チップカセットに、０．２５ｍｍずつ厚さの異
なる幅６．５ｍｍの４つの駒２９をセットし、抵抗率
０．０１Ωcm、厚さ１．０ｍｍのシリコンウエハを５×
５ｍｍ角に精密切断したドープ剤チップ２６を充填し
て、ドープ剤供給装置本体２０に傾斜角度４０度で設置
した。

【００５３】そして、原料供給装置１１によりシリコン
原料１３を原料供給部Ｂへ供給すると共に、供給するシ
リコン原料５９４ｇ毎にピストン２２を１．５ｍｍ／ｍ
ｉｎの速度で前進させる事によってドープ剤チップ２６
を１枚ずつ投下したところ、全長にわたってドーパント
濃度が均一で、抵抗率が１０Ωcmのシリコン単結晶が得
られた。

【００５４】なお、この実施例で必要なドープ剤チップ
２６の枚数は、直径６インチ、結晶長１ｍの結晶を２本
引き上げた場合で１８０枚、また、ピストン２２の総ス
トロークは約４５ｍｍであった。

【００５５】もし、図５に示した従来型の装置でこれと
同じドープ剤チップを使用すると、ピストンの総ストロ
ークは１８０ｍｍ、シリンダ長だけで約２００ｍｍも必
要となる。これほど長いシリンダにチップを図５の様に
積み重ねるのは極めて困難な作業である。

【００５６】さらに、ピストンを押すシャフトの長さ
は、駆動装置からシリンダ先端まで３００ｍｍ程度、さ
らにこれを収納するチャンバ−の長さはシャフトのスト
ロ−クを考慮すると、５００ｍｍ以上も必要となるた
め、ドープ剤供給装置およびそれを収納するチャンバー
が大型化するばかりでなく、シャフトがシリンダ内部に
入り込むために、シャフトの太さの制限による強度不足
やシャフトとシリンダとの接触による汚染が問題となっ
てくる等、このようなドープ剤供給装置は前述したよう
に現実的ではない。

【００５７】従って、本発明のドープ剤供給装置よりも
ドーパント濃度の濃いドープ剤チップを使用し、ドープ
剤チップの投入間隔も開けなければならないため、シリ
コン融液中のドーパント濃度の変動は本実施例よりもか
なり大きいものであった。

【００５８】さらに、本実施例では、厚さ１．０ｍｍの
チップに対して０．２５ｍｍずつ厚さの異なる駒を使用
したのでドープ剤チップは１枚ずつ投下されたが、例え
ばドープ剤チップの濃度や厚みの関係で一度に２枚ずつ
投入したい場合には、厚さの異なる２種類の駒を２個ず
つ使用することにより、ドープ剤チップをほぼ同時に２
枚ずつ投下することもできる。このことは、従来の装置
にはなかった機能である。

【００５９】また、これらの駒の厚さを変えることによ
る効果は、ピストン２２の厚さをそれぞれの溝で変える
ことによっても得られる。

【００６０】

【発明の効果】本発明のドープ剤供給装置は、以上のよ
うに構成されているため、定量性が極めて高いドープ剤
の添加が可能である。

【００６１】従って、連続的に原料を供給するＣＺ法の
シリコン単結晶製造において、随時必要量のドープ剤を
シリコン融液に供給することにより、結晶の長手方向に
抵抗率が均一なシリコン単結晶を得ることができる。

【００６２】なお、本発明のドープ剤供給装置は、構造
が簡単なうえにコンパクトにまとまっており、結晶の長
尺化、大口径化に対しても既設の炉構造に影響を与える
ことなく適用でき、また、ドープ剤供給装置本体からの
着脱が可能なカセットにドープ剤チップをセットするた
めにドープ剤チップの充填が容易である等、非常に汎用
性に富むものであり、実施による効果大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わるドープ剤供給装置の実施例の側
面的模式図、

【図２】本発明に係わるドープ剤供給装置の平面的な模
式図、

【図３】本発明に関わるドープ剤供給装置を備えた、連
続ＣＺ法によるシリコン単結晶製造装置の一例を示す模
式図、

【図４】本発明の実施例における、ドープ剤カセットの
溝にセットする駒同志の厚みの差と、ドープ剤チップを
１枚ずつ投下できる確率との関係グラフ、

【図５】従来のドープ剤供給装置を示す模式図、

【図６】従来のドープ剤供給装置を示す模式図、

【図７】従来のドープ剤供給装置を示す模式図。

【符号の説明】

１石英るつぼ、２黒鉛るつぼ、３ペデスタル、４仕切り部材、５流通孔、６シリコン融液、７シリコン単結晶、９ヒーター、１０チャンバー、１１原料供給装置、１２原料投入管、１３シリコン原料、Ａ単結晶育成部、Ｂ原料供給部、２０ドープ剤供給装置、２１ドープ剤チップカセット、２２ピストン、２３駆動装置、２４シャフト、２５ドープ剤投入管、２６ドープ剤チップ、２７送り量制御装置、２８ドープ剤チップカウンター、２９駒。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者風間彰東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内 (72)発明者毛利吉男東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】るつぼの内部を石英部材で仕切り、その
外側に連続的に原料を供給し、且つ抵抗率が既知である
シリコンウエハを高精度に定型に切断したドープ剤チッ
プを供給するチョクラルスキー法によるシリコン単結晶
製造装置のドープ剤供給装置において、該ドープ剤供給装置本体に傾斜して、且つ着脱容易にド
ープ剤チップカセットを設け、該ドープ剤チップカセットに、厚さの異なる駒及び前記
ドープ剤チップを充填可能に複数の溝を設け、前記ドープ剤チップを前記ドープ剤チップカセットから
１枚ずつ落下させるためのピストン並びにピストン駆動
装置を設け、原料供給部のシリコン融液中へのドープ剤チップの投下
枚数をカウントするためのドープ剤チップカウンターを
ドープ剤投入管の側部に設け、原料供給装置及び該ドープ剤チップカウンターからの信
号を受けて、前記ピストンの動作を制御する送り量制御
装置を設けたことからなる単結晶製造装置用ドープ剤供
給装置。