JPS6016892A - 単結晶製造装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明は例えば超集積回路のウエノ・−に用いるような
単結晶の製造装置の改良に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

第１図に従来のＣＺ法（チョクラルスキー法）による単
結晶製造装置を示す。

単結晶原料融液（１）（以下融液とする）が入れられで
ある坩堝（２）はヒータ（３）により加熱され、単結晶
原料は常に融液状態を保っている。この融液（１）中に
種結晶（４）を上方から挿入し、引上駆動機構（５）に
より種結晶（４）をある一定速度にて引上げてゆくと、
固体−液界面（６）にて結晶が成長し、単結晶（７）が
生成される。

この際、ヒータ（３）の加熱によって誘起される融液（
１）の流体的運動すなわち対流矢印（８）で示す熱対流
が発生する。この熱対流の発生原因は次のように説明さ
れる。

熱対流は一般に流体の熱膨張による浮力と流体の粘性力
との釣合いが破れた時に生ずる。この浮力と粘性力の釣
合い関係を表わす無次元量がグラスホフ数ＮＧｒである
。

ＮＧｒ　＝　ｇ　ｍ　ｃｔ　・ΔＴ−Ｒ３／ｖ”ここで
　ｇ：重力加速度 α：融液の熱膨張率 ΔＴ：坩堝内融液の半径方向温度差 Ｒ：坩堝半径 シ：融液の動粘性係数 一般にグラスホフ数ＮＧｒが融液の幾何学的寸法６熱的
境界条件等によって決定される臨界値を越えると、融液
内に熱対流が発生する。通常、ＮＧｒ　）１０５（二で
融液の熱対流は乱流状態、ＮＧｒ　〉ＩＱ’で攪乱状態
となる。

従来性なわれている直径３〜４インチの単結晶引上げの
融液条件の場合、　ＮＧｒ　）　１．０９となり（前記
ＮＧｒの式による）融液（１）内は攪乱状態となり、融
液表面すなわち固体−液界面（６）は波立った状態とな
る。

このような攪乱状態の熱対流が存在すると、融液（１）
内、特に固体−液界面（６）付近での温度変動が激しく
なり、固体−液界面（６）の位置的時間的変動が激しく
、成長途中結晶の微視的再溶解が顕著となり、成長した
単結晶中には転位ループ、積層欠陥等が発生する。しか
もこの欠陥部分は不規則な固体−液界面（６）の変動に
より、単結晶引上方向に対して非均−に発生する。さら
に、高温（例えば１５００℃程度）の融液（１）が接す
る坩堝（２）内面における融液（１）と坩堝（２）との
化学変化により、坩堝（２）内面から融液（１）中に溶
解する不純物（９）が熱対流によって搬送され、融液（
１）内部全体にわたって分散する。この不純物（９）が
核となり単結晶中に転位ループや欠陥、成長縞等が発生
して単結晶の品質を劣化させている。

このため、このようにして製造した単結晶から超集積回
路のウニ／・−を製造すると、欠陥部分を含んだウェハ
ーは電気的特性が劣化しているため、使い物にならず２
歩留りが悪くなる。

今後、単結晶は増々太直径化してゆくが、前記のグラス
ホフ数の式からも分るように、坩堝直径が増大すればす
る程、グラスホフ数も増大し、融液（１）の熱対流は一
層激しさを増し、単結晶の品質も劣化の一途をたどるこ
とになる。

そこで、熱対流を抑制し、熱的、化学的に平衡状態に近
い引上げ成長条件にて、単結晶製造を行なうために、融
液（１）に直流磁場を印加する手法が提案されている。

第２図に従来の磁場印加による単結晶製造装置ヲ示ス。

第２図において、第１図と同一部分には同一符号を付し
て説明を省略する。この第２図の装置は、翔堝（２）の
外周に同心（二重磁石（１０）を配置し。

融液（１）中に磁場矢印σ１）にて示す方向の一様磁場
を印加する。

単結晶原料の融液（１）は一般に電気伝導度σを有する
導電体である。このため、電気伝導度を有する流体が熱
対流により運動する除、磁場印加の矢印（Ｌｌ）方向と
平行でない方向に運動している流体は。

レンツの法則により、磁気的抵抗力を受ける。従って、
熱対流の運動は阻止される。

一般に、磁場が印加された時の磁気抵抗力すなわち磁気
粘性係数νｅｆｆは、 ｐｅＨ−（μＨＤ）”　ａ／ｐ ここで　μ：融液の透磁率 Ｈ：磁場強さ Ｄ＝＃Ｉ堝直径 σ：融液の電気伝導度 ρ：融液の密度 となり、磁場強さＨが増大すると、磁気粘性係数νｅｆ
ｆ　が増大し、先に示したグラスホフ数の式中のνが増
大することとなり、グラスホフ数は急激に減少し、ある
磁場強さＨによってグラスホフ数を臨界値より小さくす
ることが出来る。これにより、融液（１）の熱対流は完
全に抑制される。

このようにして磁場を印加することにより、熱対流が抑
制されるので、上記した単結晶中の不純物含有、転位ル
ープの発生、欠陥、成長縞の発生がなくなり、しかも、
引上方向に均一な品質の単結晶が得られ、単結晶の品質
および歩留りが向」二する。

第３図に磁場強度と単結晶中に含まれる不純物濃度の関
係を示す。磁場強度がＢ、以、上になると不純物濃度は
減少し、ある磁場強度Ｂ２にて不純物濃度は最低に近く
なる。すなわち、この磁場強度１３゜にて融液（１）の
グラスホフ数が臨界値以下となり、融液（１）の熱対流
が抑制されるためである。この磁場強度なり２以上に増
大させても、既に熱対流は抑制されているので、不純物
濃度は殆んど低下しなくなる。

不純物濃度に関しては、多すぎると前記の如く転移ルー
プ、欠陥の原因となるが、逆に少なすぎると熱衝撃に対
して弱い単結晶となり、ウェハーとしては不適当となる
。そこで、高品質の単結晶を得るためには、不純物濃度
を第３図中のハツチング部Ｃ１〜Ｃ２領域にする必要が
ある。

一方、単結晶を引上けてゆくと、単結晶の生成分だけ坩
堝内の融液量が減少するので、固体−液界面（６）が低
下してゆく。そのため、単結晶製造中は常に固体−液界
面（６）にＢ２以上の磁場を印加するために、坩堝空間
全体にＢ２以上の磁場の印加が可能な電磁石α０）を配
置している。このため、磁場強度が最大となる坩堝中心
では、”　ＢＳ＞Ｂ２なる磁場を印加する様な電磁石０
０）となり、磁場強度の余裕が過大となる。従って従来
の電磁石（１０）は比較的大きなものが必要となり、コ
スト高となる。また電磁石００）が比較的大きな為、磁
場影響範囲も広がる。

その結果、電磁石の漏れ磁場は引上駆動機構（５）まで
影響を及ぼすことになり、その引上駆動機構（５）に設
置されたモータ類に悪影響を与える。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、固体−液界面（融液面）にのみ必要最
低限の磁場が印加でき、引上駆動機構等の他の部位に磁
場による悪影響を与えないコンパクトな電磁石を具備し
た単結晶製造装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明においては、ヒータで加熱した単結晶原料融液中
に種結晶を上方から挿入し、前記融液面に電磁石で磁場
を印加し、引上駆動機構により種結晶を引上げて単結晶
を生成させる単結晶製造装置において、電磁石を超電導
電磁石とすることにより、電磁石を小形化し、かつ融液
面（固体−液界面とも言う）のみに所要の磁場が印加出
来、引上駆動機構等の他の部位にはほとんど漏れ磁場の
影響を与えず、又、小形のため安価で、坩η、・□１の
保守点検、清掃の際の電磁石の取外しも容易にするもの
である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例について、第４図を参照して説
明する。第４図において、第１図および第２図と同一部
分には同一符号を付して説明を省略する。

導線にて形成した超電導電磁石α２を用いる。この超電
導電磁石α２は坩堝（２）の外周に同心状に配置された
円筒形コイルであり、融液（１）に縦方向矢印ｃ′３Ｉ
で示す磁場を印加させるものであり、ねじ（１４）ｌ二
よって上下移動可能なテーブル（１５）上に載置され、
超電導電磁石α２）の中心平面（Ｘ）は融液（１）の固
体−液界面（６）と一致させる。そして、中心平面（Ｘ
）上の坩堝（２）中心における磁場強度を第３図に示し
たＢ２なる値になるように、超電導電磁石（１２１の巻
数、電流値を設定する。

次に作用について説明する。

超電導電磁石（１２）の中心平面（Ｘ）と融液（１１の
固体−液界面（６）とが一致しているので、固体−液界
面には常にＢ２なる磁場が印加される。＄３図に示すよ
うに、Ｂ２なる磁場によって単結晶中の不純物濃度はＣ
１〜Ｃ２なる領域の値となる。従って、単結晶は熱衝撃
に強く、転位ループ、欠陥、成長縞等のない高品質の結
晶となる。そして電磁石を超電導電磁石にしたので、細
い超電導線に大電流を流し得るから、従来の常電導電磁
石に比べて、同じ磁場強度Ｂ２を得るのに非常に小形の
もので済む。このため、磁場が影響する範囲が狭くなり
、固体−液界面（６）にのみ強力な磁場が印加され、他
の部位。

例えば引上駆動機構（５）にはほとんど漏れ磁場の影響
がなくなり、引上駆動機構（５）に用いているモータ類
が漏れ磁場により誤動作することが回避出来る。

次に他の実施例について第５図を参照して説明する。こ
の実施例は２個の超電導電磁石０汎（＋２）を平行に同
軸におき、その中心軸を含む中心平面（Ｘ）を融液（１
）の固体−液界面（６）と一致させ、横方向矢印００で
示す磁場を印加させるものであり、他は第４図に示した
実施例と同様である。

このようにしても第４図（二足した実施例と同様な作用
効果が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明には次のような動床がある。

（ａ）　超電導電磁石を用いて、電磁石を小形化したの
で、固体−液界面のみに所要の磁場が印加出来、引上駆
動機構等の他の部位にはほとんど漏れ磁場の影響がない
単結晶製造装置が提供出来る〇（ｂ）　超電導電磁石を
用いているので、常電導衛。

磁石使用時に比べて消費電力量が著しく減少し。

運転コストが低減される。

（Ｃ）　電磁石部分が小形となるので、坩堝の保守点検
、清掃時に超電導電磁石を取外しが容易になり、保守作
業が容易になる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はそれぞれ異なる従来の単よび第５
区はそれぞれ異なる本発明の単結晶製造装置の実施例を
示す縦断面図である。 １・・・融　液　３・・ヒータ ４・・・種結晶　５・・・引上駆動機構６・−融液面で
ある固体−液界面 ７・・・単結晶　１２・・超電導電磁石Ｘ・・中心平面 代理人　弁理士　井　上　−男 ′−φハへ八〜Ｖ ℃〜ＩＩＩムダい ″）−’Ａ／いΔ夕い ″）■φΔ勺■八 へ一 第　３　図 １ Ｂｔ　Ｂｚ　βｊ −洒賜尊洟 第　４　図 第　５　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　ヒータで加熱した単結晶原料融液中に種結晶を
   上方から挿入し、前記融液面に電磁石で磁場を印加し、
   引上駆動ａ４８により種結晶を引上げて単結晶を生成さ
   せる単結晶製造装置において、電磁石を超電導電磁石と
   したことを特徴とする単結晶製造装置。
2. （２）　超電導電磁石の中心平面は融液面に合せて上下
   移動可能にしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の単結晶製造装置。