JPH10502046A - 結晶成長装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多数の成分を含んだメルトから一様な結晶を成長させる装置および方法を改良したものであって、外側から内側のるつぼへのメルトの流れを改良するインジェクタと、外側るつぼの外部にあって、粘着する可能性を減らして内側るつぼを配置させるガイドロッドと、結晶成長が終了した後に内側るつぼを引き揚げる手段とを有する二重るつぼ組立体と、結晶成長の前に装置から閉じ込められたガスを取り除く方法を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】 結晶成長装置及び方法 本発明は、均一組成をもつ結晶の成長方法に関する。 欠陥の少ない単結晶の成長は、例えば半導体産業において重要な研究課題とな っている。このような結晶は、非常に多くの半導体装置の製造に必要不可欠な前 駆物質である。 単結晶を成長させるチョクラルスキー種引上げ法がよく知られている(Z．Phys ik．Chem．(Liebzig)92，219(1918)）。この方法によると、種結晶が、溶融材料 （メルト）に接触するように動かされ、結晶化を促進する。このように作られる 結晶は、成長するにつれてメルトから引き上げられる。 しかしながら、１つ以上の成分のメルトを不適当に凝固させると（液相線と固 相線の温度が異なる場合）、この方法は、結晶全体にわたる均一な組成を生じさ せない。これは、与えられたメルトから結晶化する結晶の組成が、組成の点でそ のメルトとは異なるためである（例えば、Macmillan から1956年に発行されたSG lasstone の“The Elements of Physical Chemistry”の384ページを参照された い）。閉鎖されたシステムにおいては、メルトの組成、および成長する結晶は、 結晶化が進むにつれて変化する。 均一組成の結晶を生成するために、二重るつぼ法が開発された(Journal of Ap plied Physics，29，no.8，(1958)ページ1241-1244 と米国特許第 5,047,112号 を参照）。 典型的には、この技術の装置は、成長されるべき結晶と同じ組成のメルトが入 った外側るつぼを備える。内側るつぼは、外側るつぼ内のメルト上に浮かんでお り、内側るつぼの底部または側壁を通る小さいチャネルが、外側るつぼからメル トが流れ込めるようにする。 結晶が、（チャネルを介して外側るつぼから補充される）内側るつぼのメルト から引き上げられ、平衡状態の下で、外側るつぼの溶融材料と同じ組成を有する 。 典型的には、各るつぼの内容物のそれぞれの溶融点が異なっており、（不適当 に凝固するメルトに用いられる場合の）二重るつぼ法に必要不可欠な特徴は、外 側るつぼと内側るつぼの間で温度差が維持されなければならないことである。す なわち、内側るつぼのメルトから結晶が引き上げられる温度が、外側るつぼ内の メルトを溶融した状態にしておくために必要な温度よりも低い。 任意のメルトの組成に対して、生じる温度差は、とりわけ各るつぼの寸法（壁 および基部厚さを含む）、るつぼ材料の熱伝導性、および溶融に用いられる熱源 のパワー及び構成に依存する。 ２つのるつぼのそれぞれの内容物の溶融点に差があり、２つのるつぼ間で温度 差が維持される結果の１つとして、メルトがチャネルを通じて内側るつぼに流れ る際に、メルトが凝固する傾向にある。不適当に凝固するメルトに浮遊るつぼ法 を用いるとき、凝固したメルトが結果的に封鎖する、という１つの大きな問題が 生じる。 ホールを封鎖するように凝固する傾向は、その径を大きくすることによって低 減することができるが、これは、内側るつぼ内のメルトが、外側るつぼに戻るよ うに拡散する、という傾向を強くする（例えばG R Blackwell，Solid State Ele ctronics 7 105(1964)を参照）。このことが生じるとき、外側るつぼのメルトの 組成はもはや一定ではなく、生成される結晶の組成はもはや均一ではない。 浮遊るつぼ法の別の特徴は、システムにわたり対称的な温度分布が維持される 場合には、内側るつぼが、外側るつぼと同心に維持されなければならないことで ある。内側るつぼが外側るつぼの壁の方に動いていく場合には、外側のメルトが 望ましくない位置で凝固する。 この問題に対応して、内側るつぼが、スペーサすなわちフェンダを組み込んで 設計されてきており、内側るつぼが外部るつぼにほぼ同心に維持されることを保 証する。しかしながら、この設計は、別の問題、すなわち内側るつぼの粘着の問 題を生じさせる。結晶成長が進むと、外側るつぼのメルトレベルが下降し、浮遊 する内側るつぼが、それに応じて下降する。内側るつぼにフェンダすなわちスペ ーサを組み込んだ状態では、内側るつぼが粘着する傾向は強くなり、均一でない 結晶成長を生じさせ、特別な場合には、成長プロセスを全て停止させる。 二重るつぼ法の他の欠点は、結晶成長が終了した後に、残留メルトが、２つの るつぼを共に加熱する二重るつぼ組立体中で、冷えて凝固することである。この ことにより、るつぼは壊され、又は処分される。冷却および凝固が生じる前に、 ２つのるつぼが分離されるのが理想的であるが、結晶成長は、通常、高い温度で 行われ、二重るつぼ組立体は、典型的には成長中、密閉された不活性大気中に維 持され、メルトの成分が酸化されたり、また別に劣化されることから阻止する。 従って、残留メルトを大気外に曝さずに、冷える前に２つのるつぼを手動で分離 することは困難である。 二重るつぼ法を利用するときに生じる別の一般的な問題は、両方のるつぼを適 切なメルトで充填した後、メルトを内側るつぼに流すようするためのガスがチャ ネル内に閉じ込められることが多く、メルトガス界面での表面張力が、外側るつ ぼから内側るつぼにメルトが流れるのを阻止することである。 本発明は、メルトがチャネルを通じて内側るつぼに流れるときの、メルトの温 度の下降量を減らすことによって、上述の問題の解決法を提供する。この手段は インジェクタの形態をとり、所望であれば取り除いて交換できるという付加的な 利点を有する。内側るつぼの粘着の問題は、外側るつぼの外部に配置手段を組み 込むことによって低減され、るつぼ内で凝固する残留メルトの問題は、結晶成長 が終了した直後に内側るつぼを引き揚げる手段を備えることによって低減される 。本発明の別の態様は、外側るつぼから内側るつぼへのメルトの流れを促進する ために、内側るつぼ内のチャネルから閉じ込められたガスを取り除く方法を含む 。 本発明によると、結晶成長装置が、溶融材料の供給源を有する第１るつぼと、 第１るつぼ内の溶融材料上に浮遊し、溶融材料を第１るつぼから流れ込ませる手 段を有する第２るつぼと、第１るつぼの内容物を加熱する手段と、第２るつぼ内 のメルトから成長する結晶を引き上げる手段とを備えており、前記溶融材料を第 １るつぼから入れる手段が、第２るつぼを形成する材料よりも高い熱伝導性を示 す材料から形成されるインジェクタを備え、そのインジェクタは、第１るつぼ内 の溶融材料との比較的高い熱接触(thermal contact)を有し、第２るつぼ内の材 料との比較的低い熱接触を有するように形成されていることを特徴とする。 好適な実施例では、インジェクタが取外し可能である。 さらに好適な実施例では、シーラントが、インジェクタと内側るつぼの間のシ ールを改良するために用いられる。 さらに好適な実施例では、第１るつぼの外部に、２つのるつぼの壁の間の距離 を制御する配置手段を備える。 さらに好適な実施例では、成長する結晶を引き上げる手段が、第２るつぼにリ ンクした垂直方向に調整可能な引き上げロッドを備え、結晶成長が終了した後に 、引き上げロッドを上げることによって、第２るつぼを第１るつぼから引き揚げ る。 本発明の別の態様によると、結晶成長の二重るつぼ法を改良したものが、第１ および第２るつぼに入れられたメルトを含んで、ガス密なチャンバに二重るつぼ 組立体を密閉するステップと、第２るつぼのチャネルから閉じ込められたガスを 取り除くために、チャンバの圧力を小さくするステップと、チャンバを再加圧す るステップを有する。 本発明を、単なる例示のために、以下の図面に関連して説明する。 図１は、結晶成長の二重るつぼ法で典型的に用いられる従来の装置を示す。 図２は、本発明の特徴を組み込んだ装置の一部を示す。 図３ａは、本発明で用いるインジェクタの横断面を示し、図３ｂは、本発明で 用いるインジェクタの底面を示す。 図４は、本発明の特徴を組み込んだ別の二重るつぼ装置の一部を示す。 図１を参照すると、典型的な二重るつぼ装置１が、第１（外側）るつぼ２と第 ２（内側）るつぼ３を有する。るつぼ２および３は、石英、硼珪酸ガラス、窒化 硼素、またはガラスカーボン(vitreous carbon)のような不活性材料から形成さ れる。狭いチャネル４が、内側るつぼ３に含まれる。 完成した結晶に望ましい組成の材料が、外側るつぼ２内に入れられ、サセプタ ６を介してＲＦ誘導コイル５により加熱され、外側のメルト７を生成する。 内側るつぼ３が、外側メルト７上に配置され、典型的には材料を充填され、そ の材料は、メルト８を形成するように加熱された後に、所望の組成の結晶を形成 するように結晶化する。 プロセスの最初の段階で、チャネル４に閉じ込められるガスが、内側るつぼ３ の中にメルト７が流れ込むのを阻止し、または抑制する。 スペーサ９が、外側るつぼ２にほぼ同心となる位置に、内側るつぼ３を維持す る。 浮遊るつぼ装置が、垂直方向に調整可能で回転可能な引き上げロッド１０を備 え、そのロッド１０に対して、種結晶１１が、圧締め又はワイヤ締結などの機械 的手段により固定される。 この装置は、アルゴンのような不活性ガスで高圧に充填されるチャンバ１２を 形成する壁を備える。代わりに、チャンバ１２が排気されてもよい。 ある環境の下では、あるメルトの多くの揮発性成分が、蒸発することによって 激減する傾向がある。この損失は、例えばB₂O₃の封入層１３によって低減される ことができる（例えば英国特許第 1,113,069号参照）。 動作中、引き上げロッド１０は下げられており、種結晶１１が、内側メルト８ に接触するように動かされ、結晶化が促進される。結晶１４が成長するとき、結 晶１４は、引き上げロッド１０により回転されて、内側メルト８から離れるよう に上方に引き上げられる。内側メルトは、結晶化によって減るため、新しいメル トがチャネル４を通じて入り、平衡状態の下で、そのようにして入る新しいメル トが、成長する結晶と同じ組成を有する。 図２を参照すると、従来技術に共通した特徴のいくつかが省略されている。こ の具体例において、るつぼ２および３が石英により形成される。外側のメルト７ は、インジェクタ７を通って内側るつぼ３に入り込む。 メルト７および８が形成された後、チャンバ１２は、チャネル４に閉じ込めら れたガスを除去するのに効果的な十分低い圧力に排気される。ガスを取り除くの に必要な真空は、とりわけメルト７および８の粘性と周囲の圧力に依存し、100N m^-2よりも小さいのが典型的である。 ガスがチャネル４から取り除かれた後、チャンバ１２は、結晶成長が行われて いた状態に戻される。 内側るつぼ３は、それに取り付けられ、ホール１７に配置されている３つの等 置されたガイドロッド１６（２つは図示される）により外側るつぼ２にほぼ同心 に保たれる。この特定の具体例においては、定位ホール１７が、サセプタ６内に 位置している。しかしながら、内側るつぼ３を配置する手段が外側るつぼ２の外 部にある、という別の構成も、当業者には明らかであろう。 内側るつぼ３は、プレート１９に取り付けられている軽い鎖１８を介して引き 上げロッド１０にリンクされる。引き上げロッド１０は、それが通るプレート１ ９に独立して自由に回転することができる。引き上げロッド１０に沿ったプレー ト１９の配置は、止め２０により保たれる。鎖１８の長さは、結晶成長が終了す るまでに、実質的に全てのゆるみが張られて、引き上げロッド１０を更に上げる ことにより内側ロッド３とガイドロッド１６を引き上げる長さである。結晶成長 が終了した後に、引き上げロッド１０を更に上げることによって外側るつぼ２か ら内側るつぼ３の引き上げに効果的であるような別の構成も、当業者にとっては 明らかであろう。 図３ａおよび３ｂを参照すると、インジェクタ１５が内側るつぼ３の壁部また は床部に設けられ、この具体例においては、このインジェクタ１５は、高い伝導 性を有する材料であるグラファイトにより形成される。インジェクタ１５は、チ ャネル４を備え、一端がフランジの形状のほぼ円錐形であり、外側のメルト７と の熱接触が、内側のメルト８の熱接触よりもかなり大きい。従って、メルトがチ ャネルを通過するときに下がる温度量は、少なくなる。 インジェクタ１５はアイ２３に位置決めされる石英ロッド２２によって定位置 に保持される。石英ロッド２２は典型的にはおよそ２〜３cmであり、その断面径 はおよそ１〜２mmであって、これらの寸法で大きな可撓性とレジリエンスを示す 。 インジェクタ１５は取外し可能であって、チャネル４に閉じ込められたガスを 取り除く上述した排気手続の代わりとして、装置の組立前に、インジェクタが取 り除かれ、メルト材料で充填されることもできる。 内側メルト８よりも高い外側メルト７との熱接触を生じる別のインジェクタの 構成は、当業者にとって明らかであろう。 インジェクタ１５と内側るつぼ３の壁の間のシールは、例えばグラファイトペ ーパ等の適切なシーラント２４を用いることによって改良される。 図４を参照すると、図示されるように引き上げロッド１０が所定の高さに上げ られるとき、プレート１９を介して引き上げロッド１０に接続されるフック２５ が、ガイドロッド１６に取り付けられるリング２６に係合する。従って、引き上 げロッド１０を更に上げることによって、内側るつぼ３を上昇させることができ る。引き上げロッド１０は、それが通過するプレート１９に独立して自由に回転 できる。引き上げロッド１０に沿ったプレートの配置は、止め２０によって維持 される。この構成は、動作中に、内側るつぼ３がプレート１９のリンクに対して 独立して回転することができる、という利点を有する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．結晶成長装置であって、 メルトの供給源を有する第１るつぼと、 第１るつぼ内のメルト上に浮遊し、メルトを第１るつぼから流れ込ませる手 段を備えた第２るつぼと、 第１るつぼの内容物を加熱する手段と、 第２るつぼ内のメルトから成長する結晶を引き上げる手段とを有しており、 前記メルトを第１るつぼから流れ込ませる手段が、第２るつぼを形成する材 料よりも高い熱伝導性を示す材料から形成されるインジェクタを備え、そのイン ジェクタは、第１るつぼ内のメルトと比較的高い熱接触を有し、第２るつぼ内の 材料と比較的低い熱接触を有するように形成されていることを特徴とする装置。 ２．インジェクタが取外し可能であることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ３．シーラントが、インジェクタと第２るつぼの間のシールを改良するために用 いられることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ４．第１るつぼの外側に、２つのるつぼの壁の間の距離を制御するための配置手 段を備えることを特徴とする請求項１に記載の装置。 ５．前記成長する結晶を引き上げる手段が、第２るつぼにリンクした垂直方向に 調整可能な引き上げロッドを備え、結晶成長が終了した後に、引き上げロッドを 上げることによって、第２るつぼを第１るつぼから引き揚げることを特徴とする 請求項１に記載の装置。 ６．結晶成長についての二重るつぼ法を用いた結晶成長方法であって、 第１るつぼ及び第２るつぼに入れられたメルトを含んで、ガス密なチャンバ に二重るつぼ組立体を密閉し、 第２るつぼのチャネルから閉じ込められたガスを取り除くために、チャンバ 内の圧力を下げ、 チャンバを再加圧するステップを有する方法。