JPH10279389A - 単結晶成長方法及び単結晶成長用種結晶並びに単結晶成長用種結晶ホルダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大重量の単結晶を引き上げるに際し、ネック
部の下方にくびれを形成したり、係合段部を形成する必
要がなく、また、単結晶を側面などから把持する機構を
必要とせず、結果として単結晶成長装置に高精度、高機
能な制御装置が不要で、よって操作性が高く、成長時間
の短時間化を図ることができ、かつ大重量の単結晶を確
実に引き上げて成長させる。 【解決手段】 種結晶２２の下方に形成されるネック部
２４が大重量の単結晶を引き上げるために十分な引っ張
り強度を持つよう、その実質的な断面積を確保できるよ
う、種結晶としてあらかじめ中空部２２Ｈを有し、断面
が環状なものを用いる。単結晶の引上げのため種結晶２
２に連続して中空のネック部２４を形成し、その後単結
晶の直径を増大させて中空部のない単結晶をネック部２
４に連続して形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、引上げＣＺ（Czoc
hralski）法によりＳｉ（シリコン）の無転位の単結晶
を製造するための単結晶成長方法及び単結晶成長用種結
晶並びに単結晶成長用種結晶ホルダに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、引上げＣＺ法による単結晶製造
装置では、高耐圧気密チャンバ内を１０torr程度に減圧
して新鮮なＡｒ（アルゴン）ガスを流すとともに、チャ
ンバ内の下方に設けられた石英るつぼ内の多結晶を加熱
して溶融し、この融液の表面に種結晶を上から浸漬し、
種結晶と石英るつぼを回転、上下移動させながら種結晶
を引き上げることにより、種結晶の下に上端が突出した
円錐形の上部コーン部と、円筒形のボディー部と下端が
突出した円錐形の下部コーン部より成る単結晶（いわゆ
るインゴット）を成長させるように構成されている。

【０００３】また、この成長方法として、種結晶を融液
の表面に浸漬した時の熱衝撃により種結晶に発生する転
位を除去（無転位化）するために、種結晶を融液の表面
に浸漬した後、引上げ速度を比較的速くすることにより
種結晶より小径の例えば直径が３〜４ｍｍのネック部を
形成した後に、上記の上部コーン部の引上げを開始する
ダッシュ(Dash)法が知られている。図６は従来の単結晶
成長に用いられる種結晶３２と、その下方に形成される
ネック部３４付近の様子を示す断面図である。図６には
ネック部３４の径を上記 Dash 法により絞り、その下に
単結晶のボディー部２６を形成している様子が示されて
いる。なお、種結晶３２とネック部３４は連続した結晶
であるが、両者の境界を便宜上点線で示している。後述
する各実施形態を示す図でも同様である。

【０００４】さらに、この小径のネック部を介しては、
大径、大重量（１５０〜２００ｋｇ以上）の単結晶を引
き上げることができないので、例えば特公平５−６５４
７７号公報に示されるようにDash法により小径のネック
部を形成した後、引上げ速度を比較的遅くして大径を形
成し、次いで引上げ速度を比較的速くして小径を形成す
ることにより「球状のくびれ」を形成し、このくびれを
把持具で把持することにより大径、高重量の単結晶を引
き上げる方法が提案されている。また、くびれを把持す
る従来の装置としては、上記公報の他に、例えば特公平
７−１０３０００号公報、特公平７−５１５号公報に示
されているものがある。

【０００５】また、他の従来例としては、例えば特開平
５−２７０９７４号公報、特開平７−１７２９８１号公
報に示されるように上記「くびれ」を形成しないでボデ
ィー部をそのまま把持する方法や、特開昭６３−２５２
９９１号公報、特開平５−２７０９７５号公報に示すよ
うに上記「球状のくびれ」の代わりに、上部コーン部と
ボディー部の間にボディー部より径が大きい「環状のく
びれ」を形成し、この「環状のくびれ」を把持する方法
が提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来は種
結晶の下方に形成される細いネック部に、その下方に形
成される単結晶の自重による引張り応力が加わらないよ
うに単結晶成長装置に工夫をこらしているが、単結晶引
上げプロセスを精密に制御する必要があり、単結晶成長
装置に種々の高精度かつ高機能な装置を追加する必要が
あった。このため、かかる従来の単結晶の自重による引
張り応力が加わらないような構成は、単結晶の製造コス
トを上昇させる原因として問題となっていた。また、結
晶成長の過程において、成長中の単結晶は外部からの振
動に敏感で、容易に多結晶化しやすいが、これを有効に
防止する手法が未だ確立されていない。さらに、従来の
高精度な制御を行う手法では、制御パラメータが多く、
単結晶成長装置の操作性が低いという問題もあった。ま
た、単結晶を把持するためのくびれや、係合段部を形成
するために時間を要し、さらに単結晶を把持するための
把持爪などを原料融液の輻射熱から保護するためにネッ
ク部を長く形成する必要があり、そのために成長時間の
長時間化が問題となっており、単結晶の生産性の低下の
原因となっていた。

【０００７】したがって、本発明は大重量の単結晶を引
上げるに際し、ネック部の下方にくびれを形成したり、
係合段部を形成する必要がなく、また、単結晶を側面な
どから把持する機構を必要とせず、結果として単結晶成
長装置に高精度、高機能な制御装置が不要で、よって操
作性が高く、成長時間の短時間化を図ることができ、か
つ大重量の単結晶を確実に引き上げて成長させることが
可能な単結晶成長方法及び単結晶成長用種結晶並びに単
結晶成長用種結晶ホルダを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では種結晶の下方に形成されるネック部が大
重量の単結晶を引き上げるために十分な引張り強度を持
つよう、その実質的な断面積を確保できるよう、種結晶
としてあらかじめ中空で、断面が環状なものを用いるよ
うにしている。

【０００９】すなわち本発明によれば、溶融原料に種結
晶を浸漬して、なじませ、前記種結晶を引き上げて単結
晶を成長させる単結晶成長方法において、前記種結晶と
して中空の種結晶を用いることを特徴とする単結晶成長
方法が提供される。

【００１０】また本発明によれば、内部に石英るつぼが
配置されるチャンバと、前記チャンバの上方に配置され
て中空な種結晶を上下方向に昇降させる種結晶昇降機構
とを有する単結晶成長装置を用いた単結晶成長方法であ
って、前記種結晶昇降機構により前記中空な種結晶を前
記石英るつぼ内の融液に浸漬してなじませるステップ
と、前記種結晶昇降機構により前記種結晶を引き上げる
ことにより前記種結晶の下に中空な単結晶のネック部を
形成するステップと、次いで前記ネック部の下に中空部
のない単結晶を成長させるべく、前記種結晶昇降機構に
よる引上げ速度を制御して前記単結晶の直径を増大させ
るステップと、前記種結晶昇降機構により前記単結晶を
引き上げて単結晶を成長させるステップとを、有する単
結晶成長方法が提供される。

【００１１】また本発明によれば、単結晶からなる単結
晶成長用種結晶において、中空部を設けたことを特徴と
する単結晶成長用種結晶が提供される。

【００１２】また本発明によれば、単結晶成長用種結晶
を単結晶成長過程の引上げ時に保持する単結晶成長用種
結晶ホルダであって、前記単結晶成長用種結晶が嵌合さ
れる凹部を有するものにおいて、前記凹部の内部空間と
前記単結晶成長用種結晶の外部とを連通させる連通口を
設けたことを特徴とする単結晶成長用種結晶ホルダが提
供される。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施の形態について説明する。図１は本発明に係
る単結晶成長方法を実現するために用いられる本発明に
かかる単結晶成長用種結晶と単結晶成長用種結晶ホルダ
の第１実施形態を示す断面図である。図１は、周知のＣ
Ｚ引上げ法に用いられる単結晶成長（製造）装置の内部
における種結晶２２及びその下方に形成されるネック部
２４付近を示す断面図である。すなわち、図２に示すよ
うに、本発明の適用される単結晶成長装置１０には、耐
圧チャンバ１２内に回転可能なペディスタル１６により
回転する石英るつぼ１４と、加熱用のヒータ１８が配さ
れ、石英るつぼ１４内には原料融液２８が保持されてい
る。図示省略の種結晶昇降装置により昇降可能なワイヤ
３０の先端には種結晶ホルダ２０が取り付けられ、種結
晶ホルダ２０は図１に示すように種結晶２２の端部を、
その凹部２０Ｒに嵌合して保持する。なお、図２では断
熱材、温度センサ、単結晶の直径測定用のＣＣＤカメラ
などは図示省略されている。

【００１４】図１の断面図に示されるように、本発明の
種結晶２２は中空である。すなわち、図１の線III-III
で示される断面が図３に示されるように第１実施形態で
は種結晶２２は内部に中空部２２Ｈを有す円筒状であ
り、よって断面形状は環状である。図３においてＴは種
結晶２２の肉厚、すなわち外径と内径の差の２分の１で
ある。かかる種結晶２２は、図６に示すような一般に用
いられている通常の円柱状の単結晶からなる種結晶の軸
を含む中心部をドリル刃にてくり抜くことにより製造す
ることができる。なお、各実施形態における種結晶２２
は外径が１５ｍｍ、肉厚が３ｍｍの中空円筒状である、
これ以外のサイズとすることは自由である。

【００１５】図１に示されるように、種結晶ホルダ２０
の凹部２０Ｒの内部空間が種結晶ホルダ２０の外部と連
通するよう、連通路２０Ｃと、これにつながる凹部２０
Ｒに設けられた開口２０Ｅと側面部に設けられた開口２
０Ｄとが設けられている。この連通路２０Ｃを介して種
結晶２２の内部空間には雰囲気と同じ圧力がかかること
となる。すなわち、図２に示すチャンバ１２の内部は１
０Ｔｏｒｒ程度の気圧とされるが、種結晶２２の内部空
間に雰囲気を導入しない場合は、種結晶２２の外周にか
かる圧力でネック部２４が押し潰され、中空部２４Ｈを
環状のまま維持できなくなることがあり得るので、かか
る構成にて種結晶２２及びネック部２４の内外の圧力差
をなくすようにしているのである。なお、ネック部２２
４の周囲からの圧力による中空部２４Ｈの破壊を防止す
るためには、種結晶２２及びネック部２４の内部空間２
２Ｈ、２４Ｈの圧力を外部より少し高くしておくことも
できる。そのためには、種結晶ホルダ２０の開口２０Ｄ
に図示省略のポンプにて圧縮アルゴンガスを供給するこ
とができる。

【００１６】次に第１実施形態による単結晶成長のプロ
セスについて説明する。種結晶２２を上下方向に昇降さ
せる種結晶昇降機構は、その引上げ速度が制御手動又は
自動で制御可能であり、またヒータ１８への電力供給も
同様に制御可能である。まず、種結晶昇降機構により中
空な種結晶２２を石英るつぼ１４内の融液２８に浸漬し
てなじませる。次いで、種結晶昇降機構により種結晶２
２を引き上げることにより種結晶２２の下に中空な単結
晶のネック部２４を形成する。次いでネック部２４の下
に中空部のない単結晶を成長させるべく、種結晶昇降機
構による引上げ速度を制御して単結晶の直径を増大させ
る。次に、種結晶昇降機構により単結晶を引き上げて単
結晶を成長させる。このように本発明では、中空の種結
晶２２を用いることで、その下に同様に中空なネック部
２４を形成することができ、よって、転位と結晶の自由
表面を近い位置で保つことができ、かつネック部２４が
十分な引張り強度を有するように、必要な断面積を確保
することができる。

【００１７】図１の第１実施形態では、ネック部２４の
径は下方に行くにしたがって、例えば外径が３ｍｍ程度
に細く絞り込まれてテーパー状に形成されている。この
ネック部２４を形成する、いわゆるネッキングプロセス
の開始後、転位が結晶外へ導出されて消失したことを確
認すると、単結晶の直径を急激に増大させることによ
り、ネック部２４にあった中空部２４Ｈは単結晶２６の
ボディー部２６には形成されなくなる。よって、通常の
単結晶成長と同様に、無転位の単結晶成長が可能であ
る。

【００１８】図４は本発明の第２実施形態を示す断面図
であり、図１と同一構成要素は同一参照符号で示されて
いる。第２実施形態で用いる種結晶自体は図１、図３に
示される第１実施形態のものと同じである。第２実施形
態は、第１実施形態が図１に示すようにネック部２４を
次第に細くして、テーパー状になるよう種結晶２２を引
き上げているのに対し、ネック部２４Ａの径が実質的に
種結晶２２の径と同一で、テーパー状ではない、同径の
円筒となるよう形成している点が異なる。なお、第２実
施形態では、ネック部２４Ａの径を絞らないので、種結
晶２２の肉厚Ｔ（図３）を転位が結晶外へ導出されるに
十分な薄さに設計しておく必要がある。２４ＡＨネック
部２４Ａの中空部であり、その径が一定している。第２
実施形態においても、ネック部２４Ａを形成開始後、転
位が結晶外へ導出されて消失したことを確認すると、単
結晶の直径を急激に増大させることにより、ネック部２
４Ａにあった中空部２４ＡＨは単結晶２６のボディー部
２６には形成されなくなる。よって、通常の単結晶成長
と同様に、無転位の単結晶成長が可能である。

【００１９】図５は本発明の第３実施形態を示す断面図
であり、図２と同一構成要素は同一参照符号で示されて
いる。第３実施形態で用いる種結晶自体は第１及び第２
実施形態のものと、次の点でのみ異なる。すなわち、種
結晶ホルダ２０Ａには連通路を設けず、代わりに種結晶
２２Ａ自体に、その内外を連通させる連通口（路）２２
Ｃを設けている。連通口２２Ｃの作用は第１、第２実施
の形態と同様であり、必要に応じて前述の加圧用ポンプ
を接続することができる。第３実施形態ではネック部２
４Ａは第２実施形態と同様に、実質的に種結晶２２の径
と同一で、テーパー状ではない、同径の円筒となるよう
形成している例が示されているが、引上げ速度の制御に
より図１のようにテーパー状とすることもできる。

【００２０】なお、上記実施形態では種結晶は円筒形状
であるものを例にとって説明下が、、断面の形状が多角
形である、中空多角柱状の種結晶を用いるもちいること
もできる。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、中
空の種結晶を用いて、その下方に中空のネック部を形成
して、その下方に単結晶のボディー部を形成するように
したので、次の効果がある。まず、大重量の単結晶を引
き上げるに際し、ネック部の下方にくびれを形成した
り、係合段部を形成する必要がないので、工程が簡略化
され、成長時間の短縮を図り、コスト低減が可能であ
る。また、単結晶を側面などから機械的に把持する機構
を必要としないので、単結晶成長装置のコスト低減に寄
与でき、その結果単結晶自体の製造コストの低減が可能
となる。また、かかる把持機構を必要としないので、把
持機構の爪部を原料融液の輻射熱から保護するためにネ
ック部を長く形成するといった工程が不要であり、成長
時間の短時間化を図ることができる。

【００２２】また、把持機構を使用しないので、把持機
構の部材が単結晶に触れることによる単結晶の多結晶化
を抑制することができる。さらに、１５０〜２００ｋｇ
を超える大重量の単結晶の引上げには従来必要であった
多くの制御パラメータを用いた高精度、高機能な制御が
不要であり、１５０〜２００ｋｇ以下の単結晶を引き上
げる単結晶成長装置と同程度の制御装置と操作が要求さ
れるに過ぎず、操業中のトラブルを少なく抑えることが
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る単結晶成長方法の第１実施形態を
実現するために用いられる本発明にかかる単結晶成長用
種結晶と単結晶成長用種結晶ホルダを示す断面図であ
る。

【図２】本発明の適用される単結晶成長装置の模式的断
面図である。

【図３】図１における第１実施形態における種結晶を線
III-IIIで切断したときの断面図である。

【図４】本発明に係る単結晶成長方法の第２実施形態を
示す断面図である。

【図５】本発明に係る単結晶成長方法の第３実施形態を
実現するために用いられる本発明にかかる単結晶成長用
種結晶を示す断面図である。

【図６】従来の単結晶成長方法及び装置に用いられる種
結晶及びネック部付近の断面図である。

【符号の説明】

１０ 単結晶成長（製造）装置 １２ 耐圧チャンバ １４ 石英るつぼ １６ ペディスタル １８ ヒータ ２０、２０Ａ 種結晶ホルダ ２０Ｃ 連通路 ２０Ｄ、２０Ｅ 開口 ２０Ｒ 凹部 ２２ 種結晶 ２２Ｃ 連通口 ２２Ｈ、２４Ｈ、２４ＡＨ 中空部 ２４、２４Ａ ネック部 ２６ ボディー部 ２８ 原料融液 ３０ ワイヤ Ｔ 種結晶の肉厚

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶融原料に種結晶を浸漬して、なじま
   せ、前記種結晶を引き上げて単結晶を成長させる単結晶
   成長方法において、前記種結晶として中空の種結晶を用
   いることを特徴とする単結晶成長方法。
2. 【請求項２】 前記種結晶から下方へ行くにしたがって
   直径の細くなる中空のネック部を前記種結晶に連続して
   形成するステップを更に有する請求項１記載の単結晶成
   長方法。
3. 【請求項３】 前記種結晶に連続して前記種結晶の直径
   と実質的に同一の直径の中空のネック部を形成するステ
   ップを更に有する請求項１記載の単結晶成長方法。
4. 【請求項４】 前記種結晶に連続して中空のネック部を
   形成するステップと、その後前記単結晶の直径を増大さ
   せて中空部のない単結晶を前記ネック部に連続して形成
   するステップとを、 更に有することを特徴とする請求項１記載の単結晶成長
   方法。
5. 【請求項５】 内部に石英るつぼが配置されるチャンバ
   と、前記チャンバの上方に配置されて中空な種結晶を上
   下方向に昇降させる種結晶昇降機構とを有する単結晶成
   長装置を用いた単結晶成長方法であって、 前記種結晶昇降機構により前記中空な種結晶を前記石英
   るつぼ内の融液に浸漬してなじませるステップと、 前記種結晶昇降機構により前記種結晶を引き上げること
   により前記種結晶の下に中空な単結晶のネック部を形成
   するステップと、 次いで前記ネック部の下に中空部のない単結晶を成長さ
   せるべく、前記種結晶昇降機構による引上げ速度を制御
   して前記単結晶の直径を増大させるステップと、 前記種結晶昇降機構により前記単結晶を引き上げて単結
   晶を成長させるステップとを、 有する単結晶成長方法。
6. 【請求項６】 単結晶からなる単結晶成長用種結晶にお
   いて、中空部を設けたことを特徴とする単結晶成長用種
   結晶。
7. 【請求項７】 前記単結晶成長用種結晶の肉厚が、単結
   晶成長用種結晶を用いて単結晶のネック部を成長させた
   ときに、転位が結晶外へ導出されるに十分な薄さの肉厚
   を有することを特徴とする請求項６記載の単結晶成長用
   種結晶。
8. 【請求項８】 前記単結晶成長用種結晶が円筒状又は中
   空多角柱状である請求項６又は７記載の単結晶成長用種
   結晶。
9. 【請求項９】 前記単結晶成長用種結晶に前記中空部の
   内部と外部とを連通させる連通口を設けたことを特徴と
   する請求項６ないし８のいずれか１つに記載の単結晶成
   長用種結晶。
10. 【請求項１０】 単結晶成長用種結晶を単結晶成長過程
    の引上げ時に保持する単結晶成長用種結晶ホルダであっ
    て、前記単結晶成長用種結晶が嵌合される凹部を有する
    ものにおいて、前記凹部の内部空間と前記単結晶成長用
    種結晶の外部とを連通させる連通口を設けたことを特徴
    とする単結晶成長用種結晶ホルダ。