JPH0718764Y2 - 半導体単結晶育成装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本考案は、２重構造のルツボを用いて単結晶を育成させ
る半導体単結晶育成装置に係わり、特に融液近傍におけ
る炭素化合物の排出性を高める改良に関する。

「従来の技術」 CZ法によってB,R,Sb等のドーパントを添加したシリコン
単結晶を製造する場合には、これらドーパント原子の偏
析係数が１でないため、育成された単結晶中のドーパン
ト濃度が長手方向に不均一になり、その一部分しか所望
の品質にならない問題があった。

その改善策として、特開昭49-10664号公報やUSP4352784
号では、外ルツボ体と内ルツボ体とからなる２重ルツボ
を用い、各ルツボで区画された原料融液のドーパント濃
度差を利用して、実質的に単結晶中のドーパント濃度を
均一にし、収率を向上させる技術が開示されている。第
９図はその装置例を示し、符号１は炉体、２は外ルツボ
体2Aに円筒形の内ルツボ体2Bを収めた２重ルツボ、３は
黒鉛サセプタ、４はヒーター、５は保温筒で、炉体１内
にはガス導入口６からアルゴンガスが供給され、原料融
液Ｙから発生する不純物とともにガス排出口７から排出
される。なお、内ルツボ体2Bの下端には透孔が形成され
ている。

「考案が解決しようとする課題」 ところが、この種の２重ルツボを備えた装置でシリコン
単結晶を実際に製造すると、得られた単結晶中の炭素濃
度が育成開始側から終了側にかけて漸次増大し、部分的
に半導体素子として使用可能な炭素濃度の規格を越えて
しまい、単結晶の収率を悪化させる現象がしばしば確認
された。

この種の炭素汚染は、炉体内に使用されている種々のグ
ラファイト部品（ヒータ4,保温筒5,サセプタ3,内ルツボ
体2Bの支持体等）に由来するもので、まず原料融液Ｙと
石英ルツボ２との反応により揮発性のSiOが発生し、こ
のSiOが高温のグラファイト部品の表面で次式の通りCO
を発生する。

SiO＋2C→SiC＋CO したがって、１重ルツボよりも２重ルツボにおいて炭素
汚染が顕著であるとすれば、２重ルツボの場合には、発
生するCOを原料融液Ｙ中により多く溶け込ませる何等か
の機構が存在することが予想される。

そこで本考案者らはCOガスの挙動について詳細な検討を
試み、次のような知見を得るに至った。すなわち、ガス
導入口６から供給されたアルゴンガスは、単結晶Ｔに沿
って下方に流れ、内ルツボ体2Bと単結晶Ｔの間隙を通っ
た後、内ルツボ体2Bおよび外ルツボ体2Aの上方を通過し
てガス排出口７から排出される。その際、内ルツボ体2B
と外ルツボ体2Aとの間隙において図示のようにガスが比
較的長時間滞留し、このガス中のCO濃度が上昇するとと
もに、そのCOが継続的に融液Ｙに接触するため、効率良
く融液Ｙ中に溶け込み、融液Ｙひいては単結晶ＴのCO濃
度を高めてしまうのである。

この現象の改善策としては、まず炉体１内に供給するア
ルゴンガス流量を増すことが考えられるが、その場合に
はガス供給に要するコストが著しく高くなるうえ、単結
晶Ｔの育成条件に与える悪影響も無視できなくなる。

「課題を解決するための手段」 本考案は上記課題を解決するためになされたもので、外
ルツボ体または／および内ルツボ体の周壁部に、その下
端縁が２重ルツボ内の原料融液から３〜30mmの高さに位
置する複数の通気口を形成したことを特徴とする。

「作用」 この半導体単結晶育成装置では、炉体上部から炉体内に
導入されたアルゴンガスの一部が、内ルツボ体または／
および外ルツボ体の周壁部に形成された複数の通気口を
通り抜けて、外ルツボ体と内ルツボ体の間隙に流通する
ため、この間隙に不純物を含むガスが滞留せず、速やか
に排出される。したがって、従来装置に比べて融液への
COの溶入量が低減され、単結晶中の炭素濃度が低下す
る。

「実施例」 第１図および第２図は、本考案に係わる半導体単結晶育
成装置の一実施例を示す縦断面図である。

図中符号10は上体10Aおよび下体10Bからなる炉体で、こ
の炉体10の中央には昇降および回転する下軸11が配置さ
れ、この下軸11の上端には黒鉛サセプタ12を介して石英
製の２重ルツボ13が固定されている。また、サセプタ12
の外周を取り巻いてヒーター14、保温筒15が順に配置さ
れ、さらに炉体10の上方には、種結晶16を保持するワイ
ヤ17を昇降・回転させ、２重ルツボ13内の融液Ｙの中央
から単結晶Ｔを育成させる引上機構（図示略）が設けら
れている。

前記２重ルツボ13は、有底円筒状の外ルツボ体13Aと、
その中に同軸に配置された円筒形の内ルツボ体13Bとか
らなり、この内ルツボ体13Bの下端には透孔（図示略）
が形成されている。また、炉体10の内部には、炉体上壁
を垂直に貫通して原料供給管18が固定され、その下端が
内ルツボ体13Bと外ルツボ体13Aの間隙の上方に位置決め
されている。炉体10にはさらにガス導入口19、ガス排出
口20が形成されている。

前記外ルツボ体13Aおよび内ルツボ体13Bの周壁部には、
それぞれ丸い通気口21,22が周方向等間隔に複数形成さ
れている。これら通気口21,22の下端縁の原料融液Ｙか
らの高さＨはいずれも３〜30mmとされ、また直径は10〜
30mm程度とされている。原料融液Ｙからの高さが3mm未
満だと、原料供給管18から原料が落下した時に、波立っ
た融液が通気口21を通ってルツボ外にこぼれたり、通気
口22を通って単結晶Ｔの成長部に悪影響を与えるおそれ
がある。他方、下端縁の高さが30mm以上だと、通気口2
1,22よりも下方においてガスが滞留し、滞留防止効果が
低減する。また通気口21,22の直径が10mm未満だと十分
なガスの流通性が得られず、30mm以上だと原料落下時に
融液Ｙの跳ねがこれを通過して単結晶Ｔの成長部に影響
を与えるおそれがある。なお通気口21,22の個数は、２
重ルツボ13のサイズを考慮して十分な通気性が得られる
ように設定される。

この半導体単結晶育成装置を使用するには、まず２重ル
ツボ13内にシリコン原料を充填し、ヒーター14に通電す
るとともにガス導入口19からアルゴンガスを供給し、原
料を溶解する。次いで、種結晶16を融液Ｙに浸漬して単
結晶Ｔを育成しつつ、原料供給管18を通じて原料を供給
し、融液Ｙの減少分を補う。この時、融液Ｙとルツボ13
が反応してSiOが生成し、さらにこのSiOの一部が炉体10
内のグラファイト部品と反応してCOを生じる。

一方、ガス導入口19から供給されたアルゴンガスは、単
結晶Ｔに沿って降下した後、内ルツボ体13Bの通気口22
を通って内ルツボ体13Bと外ルツボ体13Aの間隙に入り、
さらに通気口21を通ってルツボ外に流れる。この時、ル
ツボ13の回転に伴い、融液Ｙに対する各通気口21,22の
位置は常に変化するため、ガスの流通は前記間隙の全周
に亙って均一に行なわれる。したがつて、COやSiOを含
むガスが滞留することなく速やかに前記間隙から排出さ
れるので、従来装置に比して融液Ｙに溶け込むCO総量が
著しく減少し、炭素濃度の低い良質の単結晶Ｔを製造す
ることが可能である。

また、ガス滞留の問題を解決したことにより、内ルツボ
体13Bおよび外ルツボ体13Aの周壁部を従来装置よりも高
く設定できるので、原料供給管18からの原料落下により
融液Ｙが跳ねた場合にも、この跳ねが内ルツボ体13Bの
内側に飛び入ることがなく、単結晶Ｔの成長部に影響を
与えて転位欠陥等を生じるおそれがない。同時に周壁部
を高めれば単結晶Ｔに達する輻射熱が低減できるため、
単結晶Ｔの育成速度を向上することが可能である。

なお、上記実施例では外ルツボ体13Aと内ルツボ体13Bの
双方に通気口21,22を形成していたが、第３図のように
外ルツボ体13Aにのみ、あるいは第４図のように内ルツ
ボ体13Bにのみ通気口を形成してもよい。いずれの場合
にも、図示のようにガス滞留防止効果が得られる。

また、前記実施例では通気口21,22の形状が円形であっ
たが、例えば四角形や、周方向または上下方向に延びる
スリット状等に変更してもよい。また、前記実施例では
内ルツボ体13Bの上端が水平面になっていたが、ここを
面取り加工して断面半円状にしたり、外側に向って下が
る傾斜面、あるいは内側に向って下がる傾斜面等にすれ
ば、アルゴンガス気流の流路を調節することができる。
同様に、内ルツボ体13B全体を上に向って窄まる円錘状
にすることも可能で、この場合にはより多量のガスが内
ルツボ体13Bと外ルツボ体13Aの間隙を通過するようにな
る。

また、原料供給管18を設けない構成（バッチ式）も可能
で、その場合には融液Ｙの減少とともにルツボ13を上昇
させつつ育成を行なえばよい。

「実験例」 次に、実験例を挙げて本考案の効果を実証する。

第１図に示した装置を用い、次の育成条件において全長
500mmのシリコン単結晶を作成した。なお、外ルツボ体
および内ルツボ体の双方に、直径20mmの円形の通気口を
原料融液から10mmの位置に下端がくるようにそれぞれ周
方向等間隔に８個形成した。

外ルツボ体の内径:250mm 内ルツボ体の内径:170mm 原料の初期充填量:8kg 初期融液の深さ:80mm 単結晶の外径:75mm 外ルツボ体の融液からの高さ:60mm 内ルツボ体の融液からの高さ:60mm アルゴンガスの供給量:50l/分（常圧） ルツボへの原料供給：なし（バッチ式） 一方、上記装置の２重ルツボのみを通気口を形成してい
ない同サイズのものに交換し、他は全く同じ条件で単結
晶引き上げを行なった。

また同様に、今度は原料供給管を用いて原料供給を行な
いつつ、前記２種と同じルツボを用い同条件でそれぞれ
単結晶を作成した。ただし単結晶の長さはいずれも500m
mとした。

こうして得られた４本の単結晶について、IR測定装置
（炭素検出限界0.1×10¹⁷atoms/cm³）を用い、その炭素
濃度を長手方向に多点測定した。その結果を第５図（バ
ッチ法の場合）および第６図（原料を追加供給した場
合）にそれぞれ示す。これらのグラフから明らかなよう
に、従来の２重ルツボを用いた装置では育成に伴い炭素
濃度が漸次増加するのに比して、本考案の装置では単結
晶の大部分において炭素濃度がそれよりも低く抑えられ
た。

「考案の効果」 以上説明したように、本考案に係わる半導体単結晶育成
装置においては、炉体上部から導入されたアルゴンガス
が単結晶に沿って降下した後、内ルツボ体および／また
は外ルツボ体の周壁部の複数の通気口を通って内ルツボ
体と外ルツボ体の間隙に常に流通する。これにより、CO
やSiOを含むガスが滞留することなく速やかに前記間隙
から排出されるから、従来装置に比して融液に溶け込む
CO総量が著しく減少し、炭素濃度の低い良質の単結晶を
製造することが可能である。

また、ガス滞留の問題を解決することによって、内ルツ
ボ体および外ルツボ体の周壁部を従来よりも高く設定可
能なので、原料供給管からの原料落下により融液が跳ね
た場合にも、この跳ねが内ルツボ体の内側に飛び入って
単結晶の成長部に影響を及ぼすのを阻止することがで
き、単結晶内の転位及び欠陥等を低減することができ
る。

また周壁部を高めれば単結晶に達する輻射熱が減少する
ため、単結晶育成速度の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案に係わる半導体単結晶育成装置の一実
施例の縦断面図、第２図は同装置の要部の縦断面図であ
る。また、第３図および第４図は本考案の他の実施例を
示す縦断面図、第５図および第６図は本考案の効果を示
すグラフである。 一方、第７図は従来の半導体単結晶育成装置の縦断面図
である。 Ｔ……単結晶、Ｙ……原料融液、10……炉体、13……２
重ルツボ、13A……外ルツボ体、13B……内ルツボ体、18
……原料供給管、19……ガス導入口、20……ガス排出
口、21,22……通気口、Ｈ……通気口下端縁の融液から
の高さ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)考案者 佐平 健彰 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三菱 金属株式会社中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−132583（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】内ルツボ体および外ルツボ体からなる２重
   ルツボを炉体内に備え、前記内ルツボ体の内側から単結
   晶を引き上げ育成する半導体単結晶育成装置において、 前記外ルツボ体または／および内ルツボ体の周壁部に、
   その下端縁が２重ルツボ内の原料融液から３〜30mmの高
   さに位置する複数の通気口を形成したことを特徴とする
   半導体単結晶育成装置。