(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱的に絶縁された遮断部材の内側の流れである第１の部分流（ＩＩａ）と、第２の部分流（ＩＩｂ）とに入口流（ＩＩ）を分割し、前記第１の部分流が融液（５）が発生する装填物に面する空間に入るよう誘導され、第２の部分流が前記装填物に面する空間を回避するように誘導されるように構成された、熱的に絶縁された遮蔽部材（２０、２１、３０、３１、３２、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）と、
前記装填物及び／又は融液を保持するるつぼ（６）と、
前記装填物及び／又は融液を加熱する加熱要素（１１、１２）と、
を備えたチョクラルスキー法による結晶成長のためのホットゾーン構造であって、
前記ホットゾーン構造は、前記加熱要素を保護する管（２２）と、炉のガス出口の出口流路（III）内に延在して前記第１の部分流（ＩＩａ）と、第２の部分流（ＩＩｂ）を合流させるための領域（IIIａ）とを含むこと、
前記熱的に絶縁された遮蔽部材は、前記ホットゾーン構造を連続的に熱的に絶縁し、前記熱的に絶縁された遮蔽部材は流路を含むこと、
前記流路は、前記熱的に絶縁された遮蔽部材に開口（３３ａ、３３ｃ）および経路（３４）を備え、第２の部分流を前記熱的に絶縁された遮蔽部材を通って、前記管内に、かつ前記第２の部分流を前記ホットゾーン構造の外へ流し出すパージガス排気管（４２）に向かい流れるようにしたこと、
前記第１の部分流（ＩＩａ）の一部は、前記融液（５）が発生する装填物に面する空間に誘導され、次いで、前記管（２２）に誘導されること、
前記管（２２）は加熱要素（１１、１２）の外周に設けられ、前記るつぼ（６）の反対側において前記管（２２）はパージガス排気管（４２）に連通され、前記管（２２）は前記第１の部分流の残りの部分（IIIｂ）と前記出口流路（III）内の排出流を合流させるための孔又は開口（２３）を有することを特徴とする、ホットゾーン構造。
【請求項２】
前記第１及び第２の部分流が、ホットゾーン及び／又は炉を出る前に合流するように構成された、請求項１に記載のホットゾーン構造。
【請求項３】
前記第１及び第２の部分流が、前記ホットゾーン及び／又は炉を互いに別個に出るように構成された、請求項１に記載のホットゾーン構造。
【請求項４】
結晶軸線又はその延長部周囲の少なくとも一部に設置可能な壁として少なくとも１つの管状遮蔽部材を更に含み、前記少なくとも１つの管状遮蔽部材は、前記第１の部分流及び／又は融液に生じる蒸気から、前記加熱要素、前記るつぼ、るつぼ壁部分、サセプタ（１０）、結晶（３）、管状及び／又は円錐状部材（３０、３１、３２）のうちの少なくとも１つを保護するための流路壁を少なくとも部分的に形成するように構成される請求項１に記載のホットゾーン構造。
【請求項５】
第１の部分流及び／又は第２の部分流のために、前記第１の部分流及び前記第２の部分流を合流させるための、炉のガス出口の出口流路（ＩＩＩ）内へ延在する領域を含む、請求項１に記載のホットゾーン構造。
【請求項６】
前記るつぼ、サセプタ、前記熱的に絶縁された遮蔽部材、合流領域、前記装填物、成長の段階に従ってある高さを有する融液表面、引き上げられた結晶の結晶表面部分、及び管状及び／又は円錐状部材のうちの少なくとも１つが、結晶成長又は結晶成長のある段階中に炉内の特定の流れの幾何学形状を画定する、請求項１に記載のホットゾーン構造。
【請求項７】
部分流（ＩＩａ、ＩＩｂ）の少なくとも１つが、少なくとも第１の部分と第２の部分との間の出口流路内に誘導され、前記第１及び／又は第２の部分は円筒状、円錐状、平坦及び／又は平坦な幾何学形状を有する、請求項１に記載のホットゾーン構造。
【請求項８】
前記ホットゾーン構造が、流れの幾何学形状を設定するための、第１の特徴的大きさを有する第１の結晶のための第１の流れ構成用の第１のセットと、流れの幾何学形状を設定するための、第２の特徴的大きさを有する第２の結晶のための第２の流れ構成用の第２のセットとを更に含む、請求項１に記載のホットゾーン構造。
【請求項９】
前記熱的に絶縁された遮蔽部材は、溶融及び／又は結晶成長中に熱損及び／又は加熱用の電力消費量を低減するために、少なくともるつぼ及び前記加熱要素を囲繞する請求項１に記載のホットゾーン構造。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のホットゾーン構造を含む、チョクラルスキー法による結晶成長用の炉。
【請求項１１】
熱的に絶縁された遮蔽部材（２０、２１、３０、３１、３２、３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）により、前記熱的に絶縁された遮断部材の内側の流れである第１の部分流（ＩＩａ）と、第２の部分流（ＩＩｂ）とに入口流（ＩＩ）を分割し、前記第１の部分流が融液（５）が発生する装填物に面する空間に入るよう誘導され、第２の部分流がるつぼ（６）上の融液流域に属する前記装填物に面する空間を回避するように誘導されるステップと、
前記るつぼにより前記装填物及び／又は融液を保持するステップと、
加熱要素（１１、１２）により前記装填物及び／又は融液を加熱するステップと、
を備えるチョクラルスキー法による結晶成長法であって、
ホットゾーン構造の管（２２）により前記加熱要素を保護するステップと、
前記管は前記加熱要素の外周で前記るつぼの反対側に設けられ、流路を含む前記熱的に絶縁された遮蔽部材により前記ホットゾーン構造を連続的に熱的に絶縁するステップと、
前記熱的に絶縁された遮蔽部材に開口（３３ａ、３３ｃ）および経路（３４）を備えた前記流路により、前記第２の部分流を前記熱的に絶縁された遮蔽部材を通って、パージガス排気管（４２）に連通される管（２２）内に流れるようにし、かつ前記第２の部分流を前記ホットゾーン構造の外へ流し出す前記パージガス排気管（４２）に向かい流れるようにするステップと、
前記第１の部分流（ＩＩａ）の一部を、前記融液（５）が発生する装填物に面する空間に誘導し、次いで、前記管（２２）に誘導するステップと、
前記ホットゾーン構造内で炉のガス排出口の出口流路（III）内に延在する領域（IIIａ）において、前記第１の部分流と第２の部分流を合流させるステップと、
前記管の穴又は開口（２３）によって、前記第１の部分流の残りの部分（IIIｂ）と前記出口流路内（III）の排出流を合流させるステップと、を備えることを特徴とする、チョクラルスキー法による結晶成長法。
【請求項１２】
雰囲気用のガス流を成長チャンバに送り込むステップと、
前記第１の部分流の発生部分を融液表面の方に誘導して、誘導表面によって前記第１の部分流の第２の部分を形成するステップと、
前記第１の部分流の前記発生部分及び第２の部分を相互に絶縁して、第１の部分流の第２の部分を融液温度又は融液温度近くに維持するステップと、
少なくとも前記第１の部分流を誘導してホットゾーンから出て行かせ、るつぼ及び／又は結晶引き上げ領域の融液を回避するために、出口へのシースガス流として第２の部分流を誘導するステップとを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
シリコン結晶、ゲルマニウム結晶、半導体結晶、炭素族からの元素を含む結晶、ＩＩＩ族からのドーパントを含む結晶、又はＶ族からのドーパントを含む結晶のための方法である、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、チョクラルスキーに関連する技法を用いて結晶を製造する装置及び方法に関し、より詳細には、結晶、特に半導体結晶の製造のコスト効率を改善する装置及び方法に関する。本発明は流れ構成に関する独立請求項のプリアンブルに係る流れ構成に関する。本発明は流れ構成システムに関する独立請求項のプリアンブルに係る流れ構成システムに関する。本発明は熱的構成に関する独立請求項のプリアンブルに係る熱的構成に関する。本発明は熱的構成システムに関する独立請求項のプリアンブルに係る熱的構成システムに関する。本発明はホットゾーン構造に関する独立請求項のプリアンブルに係るホットゾーン構造に関する。本発明は炉に関する独立請求項のプリアンブルに係る炉に関する。本発明は結晶成長法の独立請求項のプリアンブルに係る結晶成長法にも関する。本発明は結晶の独立請求項のプリアンブルに係る結晶にも関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体単結晶は一般に、チョクラルスキー法を用いて製造される。チャンバ内のるつぼ周囲の加熱要素を用いることによって、半導体である装填物、例えばシリコンを、例えばシリカで作製されたるつぼ内で溶融させる。不活性ガス流、典型的にはアルゴンを用いて炉及び融液表面を洗い流す。融液から結晶を引き上げるために、引き上げ機構がるつぼの上に設けられる。所謂ホットゾーンを形成する、結晶引き上げ炉の主真空チャンバ内部にある耐熱性部分は一般に、黒鉛と断熱性の軟性及び／又は剛性黒鉛フェルトとから作製される。ホットゾーンではある程度まで、その他の種々の材料（例えば、金属、複合材料、又は耐熱材料）あるいはコーティング（例えば、黒鉛上のＳｉＣ）が使用されることが知られている。るつぼ、ヒータ、及びヒータ周囲の絶縁された管状遮熱部は、既知の技法ではホットゾーンの典型的な部分の一部である。基本的な結晶成長プロセスにおいて、融液流及び／又は結晶の特性、例えば酸素濃度を制御し、成長収率を改善するために、磁場が使用されてもよいことも知られている。結晶の溶融及び／又は成長中に使用すべき、るつぼの下に設けられた追加の底部ヒータを使用して、溶融時間を短縮し、ホットゾーンの温度分布を最適化することも以前から知られている。
【０００３】
ホットゾーン設計は結晶の総コスト及び品質、ならびに生産性に重大な影響を及ぼす。しかし、従来のホットゾーンは一般に、断熱が制限されたり、局所的に失われるために、熱損及び加熱用の電力消費量が非常に高くなる設計を有しており、同時に、有害な位置に粒子が形成されて融液に達すること、ホットゾーン部分の表面では反応が強力であるためにホットゾーン部分が短寿命であること、及び／又は汚染又は他の品質面に関して結晶の品質が低いことから、この設計ではガス流特性も悪くなり、ガス消費量が増大する一方で、結晶収率は依然として比較的低いものとなっている。その結果、結晶収率及び品質が悪いこと及び炉の清掃及びホットゾーン部分の交換のために余分な時間が必要になることが相まって、電気、ガス、及び黒鉛部分のためのコストは比較的高くなり、使用可能な結晶長当たりの総生産コストは増大する。また、生産性の低下も問題であった。別の問題は、現行のホットゾーンの黒鉛部分の腐食／浸食及び／又は例えば蒸気を含んだシリコンが付着することによる種々の表面の特性の変化のために、安定性／プロセスの再現性がないことに関する可能性がある。これらの局面の一部を改善するためにホットゾーン設計の幾つかの改善が以前からなされており、以下で議論されるが、状況は未だ最適なものとはかけ離れている。
【０００４】
従来のホットゾーン設計では、電力消費量には大きな注意が払われず、品質、生産性、及び収率などの他の局面がより注目されていた。多くの場合、従来の設計は断熱が著しく制限されていた。ホットゾーンの上部部分における広い領域ならびに多くの場合に下部部分におけるやはり広い領域には、僅かの絶縁しかないことがあり、例えば貫通しているヒータ電極及びるつぼ軸ならびにホットゾーンからポンプ系までのガス出口を介して熱漏は非常に重要であり、又、断熱は一部の領域／場所では全く指定すらされてこなかった。
【０００５】
断熱の改善は多くの場合、局所的であり、融液より上の領域に集中し、結晶品質を改善しかつ／又は引き上げ速度を増大するという目的によって促進されてきた一方で、電力消費量は殆ど懸念されず、適切に対処されてこなかった。しかし、これらの設計は高い引き上げ率を可能にするために、高温の融液及びホットゾーンからの熱輻射から結晶を部分的に遮蔽するが、それらの設計は概して、ホットゾーンの電力消費量を低減するようには最適化されていないか、それが目的にされていない。出力損及び電力消費量が高いことは一般に、少なくとも局所的には最高温度が高くなること及びホットゾーン内部の温度不均一性が大きくなることにもなる。これらは反応の増大又は局所的増強のせいでホットゾーン部分の寿命を縮めたり、ホットゾーン及び結晶の温度分布をドリフトさせたりするので有害である。これらの変化が大きくなり過ぎると、部分を交換しなくてはならず、これによりコストが増大し、余分な作業と時間が必要となり、生産性が低下する。るつぼ／融液境界で温度が高くなることも、るつぼの好ましくない変化を速め、融液流の挙動も不安定にし、結晶収率の低下をもたらすので、るつぼには有害である。
【０００６】
多くの場合、不活性ガスが上方からホットゾーンに導入され、結晶及び融液表面の傍を通り、最終的には、ホットゾーンを通過後、出口を通って、結晶成長装置の主真空チャンバの下部部分に接続された真空ポンプ系へ流れる。従来のホットゾーンでは融液表面近傍の領域のガス流の幾何学形状に大きな注意が払われていなかったが、現在の既知のホットゾーンでは、融液より上の管状又は円錐状部分がこの目的に使用されることが多い。例えば、ホットゾーンに関連する問題の解決策である特許文献１を参照されたい。しかし、そのような部分にガス流を誘導することで幾つかの利点が得られるものの、それは融液からの種の蒸発をそれが問題になるレベルにまで高めることもある。また、ガス流の大半が融液表面を通過するとき、ホットゾーンの上の真空チャンバの内面から、又はホットゾーンの上面から放出される予想外の粒子が、ガス流と共に運ばれて融液領域に達する可能性が大きく、この粒子が融液及び融液／結晶境界に達する場合、これらの粒子は結晶中に転位をもたらし、ひいては収率の低下をもたらすことがある。このような表面上の粒子は、ホットゾーンに使用される材料から、炉内の反応又は凝縮から、或いは洗浄又は保守作業から生じることが多い。特定のタイプの汚染物質に加え、種々の表面からの蒸気化した汚染物質も、融液表面に接近する場合には有害である。
【０００７】
黒鉛部分の寿命及び適切なガス流経路及びホットゾーン設計によってその寿命を延ばすための方法は、既知の技術において議論されてきた。しかし、既知のガス経路の解決策は独立した解決策であり、ここではそれらの寿命及び／又は他の黒鉛をベースにした部分の寿命を延ばすために、ガス流はヒータ及び／又はるつぼから分離され、例えば温度分布には関心が向けられていない。しかし、既知のデザインの炉は一般に、チャンバへの排気ライン接続の標準的でない位置を、またガスシステム用の特別な機器も必要とし、炉及び結晶成長プロセスを大幅に変更しないと、標準的な炉には容易に採用されない。こういったデザインはそのように標準的なタイプの炉には容易には適合できず、種々のプロセスで使用すべき潜在的な補助システムに有害な影響を及ぼすことがある。
【０００８】
結晶を成長させた後、炉及びホットゾーンを清掃及び保守作業のために開放しなければならない。この作業には、例えば、使用済みの例えば石英又はシリカるつぼ及びその中に残っている材料の取り出し、及び可能性のある埃及び他の塵の除去がある。ホットゾーンの状態を検査し、最終的に、次のバッチのために炉を充填することができる。ホットゾーンの開閉及び操作が容易なことは、特に大きなホットゾーンの場合には手では容易に上昇させることのできない大きくて重い部分があるので、生産性及び結晶成長の総コストに寄与する要因であるが、この問題はこれまで文献では対処されてこなかった。外部装置を上昇のために用いてもよいが、それは費用のかかる解決策であり、外部装置を結晶成長装置及び／又はホットゾーン部分に接続及び分離するためのある程度の空間及び時間が必要となる。特に、既知の炉のるつぼの上にあるホットゾーン部分の操作は、清掃及び他の所要の操作を遅くし、ひいては生産が遅れる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第４，３３０，３６２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
生産の柔軟性には多くの場合、同じ結晶成長装置を用いて異なる結晶径を製造することが必要となる。例えば、同じ炉を用いて８インチ及び６インチのシリコン結晶又はゲルマニウム結晶を成長させる場合、両方の結晶直径について１つのホットゾーン設計では恐らくは有用でもなく、最適化されてもいない。何ら変更をせずに８インチ用のホットゾーン設計から６インチ結晶を成長させることは、コストが高くなり、生産性が低くなり、結晶品質が低下し、かつ／又は結晶収率が低下することになる。最小数の小型で比較的安価なホットゾーン部分が、ある直径から別の直径へ適合させる際に容易かつ迅速に変更されるホットゾーン設計及び手順の必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の諸実施形態は既知の技法の欠点を解決するか、又は少なくとも軽減しようとするものである。この目的は本発明の諸実施形態によって達成可能である。
【００１２】
本発明の諸実施形態は、結晶の総生産コストを低減し、生産性を増大することのできる、ホットゾーン設計、結晶成長装置用の流れ構成、炉、及び前記ホットゾーン設計を用いる方法を示す。
【００１３】
本発明は、上部部分の、すなわち結晶引き上げ装置の引き上げ末端のある流れと組み合わせたある断熱が、結晶、融液及び／又は融液と引き上げるべき結晶との間の境界近傍のある部分の温度分布を相当改善するという事実に基づくものである。また、結晶がある所望の温度分布を有するだけでなく、るつぼ周囲の温度が適した小さな温度差で制御可能であることが好ましい。副次的作用として、反応し易い表面に対する有害物質の形成、付着及び／又は反応を相当低減することが可能である。その結果、抵抗発熱体の腐食は遅くなる。また、ホットゾーンの他の部分は長持ちし、断熱材料の寿命が延び、チャンバ部分はきれいなままになる。また、ホットゾーン構成の開放及び維持の容易性は、本発明の諸実施形態によって相当改善される。本発明の諸実施形態からもたらされる開放及び維持の容易性は、結晶成長装置及びホットゾーン内部の汚染レベルが低いこと及び清浄度が高いことにも寄与する。
【００１４】
好ましくは優れたモデリング用ソフトウェアツールを用いて、多少系統的な研究からスタートして熱が失われる場所を見出さないことには、断熱を改善することは極めて困難である。我々は絶縁部の無害に見える不連続部が実際には非常に重要である可能性があることに気付いた。これらの熱損に弱いスポットは熱橋又は冷橋として知られている。一例は、シリコン成長のために設計されたホットゾーンの絶縁部を貫通する構造的な黒鉛の役割を示す。このように絶縁が途切れていることは産業的な標準であり、断熱部内部のホットゾーン部分は適した様式で支持されなければならず、これは寸法安定性のある材料との適切な接触であることを意味する。シリコン成長のためのホットゾーンの内部と外部との典型的な温度差は約８００℃であり、外径１ｍのホットゾーン内の単一の黒鉛板（３ｃｍ厚の絶縁を遮断する場合、黒鉛板の厚みは僅か６ｍｍである）は約１０ｋＷ程度の熱損を生じる。更なる例において、絶縁部の１００ｃｍ２の穴は３０ｋＷ程度の典型的な熱損を生じる。シリコン用のホットゾーン設計には幾つかの場所に穴が必要であり、例えば、既に、パージガスをホットゾーンから流出させる穴は組み合わされた領域を有し、この領域は一般にこの１００ｃｍ２の範囲である。
【００１５】
熱橋を特定した後でも、そのようなホットゾーンの構築は、熱損に弱いこれらのスポットの有害な作用が適切に対処される場合、決して容易ではない。この問題は、例えば、（１）ホットゾーン絶縁の内部と外部との間の温度差が大きいこと、（２）結晶成長装置及びホットゾーンの構成要素のコストに対して絶縁のための空間が限られること、（３）使用可能な構造材料の典型的な熱伝導率が高いこと、（４）位置精度の損失又はホットゾーン部分の破壊なしに吸収されなければならない、ホットゾーンの種々の部分の大きな温度差によって生じる著しい寸法変化によって引き起こされる。
【００１６】
シリコンのチョクラルスキー成長のためには、融液表面をパージするのに誘導される流れに加えて他の平行なガス経路の必要性が、ホットゾーンの断熱の改善に伴って大きくなる。これはよりよい断熱によって石英又はシリカるつぼとシリコン融液との境界の温度が低くなり、融液への酸素の溶融速度が低減されるからである。これは結晶に指定された酸素濃度に到達するためには、融液表面を直接通過するガス及び融液からの酸素の蒸発を低減することによっても補償されなければならない。しかし、総ガス流はホットゾーンを効果的に洗い流して、シリコン酸化物と黒鉛との反応を制限し、黒鉛部分の寿命を長く保ち、粒子から炉をよりきれいに保つために十分高いものでなければならない。したがって、特に熱的に十分絶縁されたホットゾーンでは、アルゴンガス流が低過ぎることからの欠点を回避するために、ガスはまた他の経路を通ってホットゾーンまで誘導されなければならない。また、ガスが既にホットゾーンに入り、融液表面を通過した後に、ホットゾーンの内部の正確なガス流経路も重要になる。
【００１７】
本発明者らは、熱及びガス流設計とホットゾーンの特性とは本発明の態様によって結び付けられ、結晶収率及び品質に大きな影響を及ぼし、またそれらは完全に別個には設計することはできないことに注目している。不活性ガス流による保護特性は、ガス流経路を画定するホットゾーンと、ガス流量及び成長チャンバ内部の圧力などのガス流のプロセスパラメータとによって影響を受ける。他方、ガスのためのホットゾーンの入口又は出口も、潜在的な熱の漏洩経路である。ガス流の経路及び特性は以下の項目に影響を及ぼす：
（Ａ）ホットゾーン部分の寿命。例えば、黒鉛又は黒鉛フェルト部分、シリコン融液、及びシリカ製のるつぼの場合、その寿命限界は、主に、シリコン酸化物と黒鉛とが反応して、黒鉛表面上にシリコンカーバイドが形成され、熱伝導率、放射率、及び、ヒータの場合には、抵抗率などの材料特性が変化し、最終的には破損が生じることに起因する。上記変化は、特にホットゾーンに不均一に分布している場合、ホットゾーン及び結晶の温度分布を変化させ、これはプロセス条件の非最適化をもたらし、ひいては結晶収率及び／又は結晶品質の低下をもたらすことがある。例えば、結晶の酸素濃度がその目的値からドリフトしたり、単結晶構造が失われたりすることがある。
（Ｂ）結晶収率。ガス流が融液から蒸発する種（例えばＳｉＯ）を追い出し、融液表面近傍での粒子の（例えばＳｉＯの）形成を阻止し、融液、最終的に結晶／融液境界に達して、多くの場合、結晶又はその一部を役に立たないものにしてしまう転位形成をもたらして、結晶収率を低下させることがある。また、更なる汚染物質／付着物が融液表面の下流の炉内の更に遠くにある部分に形成されるか、又はそこから発生することがある。このような汚染物質は気相及び／又は粒子相を含むことがあり、融液までドリフトする可能性がある。（例えばＡｓ、Ｓｂ、Ｐを用いて）高濃度ドープされた結晶は、融液中で高濃度のドーパントも必要とし、このドーピング元素は酸化物として蒸発し、後で粒子を形成したり、接触させられるときにホットゾーン部分の磨耗を生じさせたりする可能性がある。
（Ｃ）結晶の酸素濃度。融液表面近傍のガス流は、融液からの酸素（例えば、ＳｉＯ又は酸素を含んだ他のガス又は蒸気として）の蒸発速度に影響を及ぼし、結晶の酸素濃度を制御する主要な要因に入る。原理上、融液表面をパージするアルゴン質量流量が大きくなれば、一般に、結晶中の酸素濃度は低下する。
（Ｄ）結晶不純物。シリコン結晶中にある主な不純物の１つは炭素である。炭素汚染の大部分は蒸発するＳｉＯガスと高温の黒鉛部分との反応から生じる。この反応はＣＯガスを発生させて、ガス流がこれを可能にする場合にはＣＯガスは融液まで達して、融液及び結晶の炭素濃度を増大させることがある。
（Ｅ）ガス消費量は本発明の諸実施形態によって低減可能であり、これに関連するコストが小さくなる。さらに、ガスが汚染物質を融液に運ぶ可能性は低くなる。
【００１８】
以下においては、チョクラルスキー型方法又はチョクラルスキー型プロセスに係る結晶製造とは、種晶等をるつぼに入っている融液と接触させ、種晶によって画定された構造を有する結晶を成長させるプロセスで結晶材料を製造することを指す。
【００１９】
以下においては、用語「結晶成長装置」とは、チョクラルスキー型に従って結晶製造するのに必要な部分を含むような装置を指すのに用いられる。これには、例えば、真空適合性のチャンバ、適した雰囲気及び圧力を成長チャンバに提供する手段、並びにるつぼ及び結晶を適した様式で移動させるのに必要なシステムを含む。結晶成長装置は異なるタイプの幾つかのヒータ用の電源、制御システム、並びに永久磁石及び／又は電磁石など、幾つかの追加の部分を含んでもよい。
【００２０】
以下においては、用語「ホットゾーン」とは、結晶成長のための適した熱及びガス流条件を作り出すのに必要とされる結晶成長装置の真空チャンバ内部で必要な部分を含むような構成を指すのに用いられる。ホットゾーンは、例えば、融液を入れるためのるつぼ、異なるタイプの１以上のヒータ、並びにるつぼ及び／又は１以上のヒータ周囲の断熱部を含む。真空チャンバの最上部からぶら下がり、るつぼの温度分布に大きく寄与しない部分は、ホットゾーンの部分であるとはみなさない。
【００２１】
以下においては、用語「炉」とは、係る結晶成長に使用すべき適切な電源、冷却システム、及びガスシステムに接続されている場合には、結晶成長装置及びホットゾーンが一緒に形成し、また形成することのできる組み合わせを指すのに用いられる。
【００２２】
以下においては、用語「るつぼ」とは、チョクラルスキー型プロセスのための融液に溶融すべき装填物を入れるのに適した任意の容器を指すのに用いられる。特に指摘しない限り、るつぼの材料及び／又はるつぼの微細構造には関係ない。また、用語「サセプタ」は、ある種のるつぼ状容器を指すのに用いられる。「サセプタ」とは、融液の入ったるつぼを機械的に支持するために用いられる。サセプタを使用しない場合、単語「サセプタ」とは、るつぼ自身のことを指す。
【００２３】
以下においては、チョクラルスキー型の方法又はプロセスに関連して用語「引き上げる（ｔｏ  ｐｕｌｌ）」は、単に引き上げることに限定されるものでなく、むしろ、固体／融液境界に対する種晶の相対運動を表現するものである。
【００２４】
以下においては、用語「ヒータ」とは、装填物、るつぼ、結晶、又は結晶成長装置内部の他のあらゆる部分を加熱するために他のエネルギー源を転換するのに用いられるデバイスのために用いられる。用語「底部ヒータ」とは、その加熱力の大半のための、結晶体の成長中のるつぼの底部の高さより下に設けられたヒータを説明するのに用いられる。用語「主ヒータ」とは、その加熱力の大半のための、るつぼ外半径の外側に設けられたヒータである。用語「表面ヒータ」とは、るつぼ外半径の内部で融液表面より上に設けられたヒータである。
【００２５】
以下においては、用語「真空」とは加圧された条件にあるガス状媒体を指し、その意味は外部空間が空っぽであることから実質的に標準気圧の状態にまで及ぶ。用語「真空チャンバ」とは、るつぼ周囲の真空を実現する及び／又は維持することのできる容器及び／又は構成を指す。この用語は、結晶成長プロセスが標準気圧又はそれ以上の圧力を必要とする場合に、全く改変しないか、又はほんの少し改変した後に真空を維持することができるようなチャンバにも用いられる。
【００２６】
以下においては、ガスなどの流体のための経路又は流路とは、流体を通路内に流す流体のための通路を指す。したがって、流路又は経路は幾つかの様式で具現化可能である。経路は管に沿ってその一端から他端まで画定することができるだけでなく、２本の管又は円筒によっても画定することができ、流路を画定する環状空間を残して、他方を一方が囲繞する２本の管又は円筒は、同軸の管又は円筒のみに限定されるものではない。同様に、円錐状の管、平坦な板、又はリングが流路を形成してもよい。非常に多くの種々の流路が考案されうる。流路は粒状物質、多孔性物質、繊維状物質、又は流体を通過させるような他の材料を含んでもよい。
【００２７】
以下においては、用語「ドーパント」とは、溶融すべき充填物の主成分以外の比較的少量の化学元素を指す。これらのドーパントは一般に元素周期表のＩＩＩ族、ＩＶ族、又はＶ族に属し、融液中のそれらの濃度は、電気的活性ドーパントについては０．１ｐｐｂ未満（１０億分の１）から最大約１パーセントまで、融液及び／又は結晶の導電率及び導電型以外の他の特性が強調される場合には、１ｐｐｍ（１００万分の１）未満乃至数％まで変動しうる。
【００２８】
本発明の一実施形態によれば、ヒータは結晶及び／又は融液に関連してほぼ円筒状の対称的幾何学形状を有しうる。しかし、本発明の別の実施形態によれば、上記ヒータは融液及び／又は結晶の温度分布を平衡化するために非対称的に設けられたヒータ部分を含むことができる。更なる実施形態によれば、１以上のヒータとホットゾーンの残りの部分との間の幾何学形状の調節を可能にする手段が使用される。本発明の一実施形態によれば、上記幾何学形状は、２つの成長間で変更されうる。一実施形態によれば、この幾何学形状は成長プロセス中に変更されてもよい。
【００２９】
本発明の流れ構成は、流れ構成に関する独立請求項の特徴部に記載されていることを特徴とする。本発明の流れ構成システムは、流れ構成システムに関する独立請求項の特徴部に記載されていることを特徴とする。本発明の熱的構成は、熱的構成に関する独立請求項の特徴部に記載されていることを特徴とする。本発明の熱的構成システムは、熱的構成システムに関する独立請求項の特徴部に記載されていることを特徴とする。本発明のホットゾーン構造は、ホットゾーン構造に関する独立請求項の特徴部に記載されていることを特徴とする。本発明の炉は、炉に関する独立請求項の特徴部に記載されていることを特徴とする。本発明の結晶成長法は、結晶成長方法に関する独立請求項の特徴部に記載されていることを特徴とする。本発明の結晶は、結晶に関する独立請求項の特徴部に記載されていることを特徴とする。
【００３０】
本発明の他の実施形態は従属項に例示として示されている。二部分構成の請求項では請求項のプリアンブル部と特徴部との境界は、係る請求項における表現「ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ」、「ｗｈｅｒｅｉｎ」及び／又は「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」について太字フォントで示されている。
【００３１】
本発明の諸実施形態は、例えば、炭素不純物濃度の点で、及び結晶として及び／又はウエハとして、未加工のまま、又は処理されたものとして販売されるべき結晶については結晶収率の点で、結晶品質を維持又は改善しながら、チョクラルスキー型方法を用いた半導体単結晶の製造をよりコスト効率の高いものにする。結晶生産のコスト効率は、例えば、電気、不活性ガス、及びホットゾーン部分の消費量及びコスト、成長プロセスの総サイクル時間に影響するオペレータの作業及び任意の手順の量及びコスト、ならびに炉の投資コストによって左右される。
【００３２】
コスト効率の改善という主な目的からは、以下の副次的目的が考慮される：
（ａ）電力消費量の低減。
（ｂ）高価で交換に時間がかかるホットゾーン部分、例えば、構造用の黒鉛部分及び絶縁部分の実用上の寿命の延長。また、絶縁が適切で、温度分布が適切に均一であれば、ホットゾーン構成要素が相当磨耗した後でも、成長プロセスはより再現性のあるものになる。
（ｃ）容易かつ高いコスト効率で結晶直径の変更にホットゾーンを適合可能にするホットゾーン構造。結晶品質及び結晶収率を維持又は改善すると同時に、よりよいコスト効率が達成される。
（ｄ）費用のかかる改変を炉に行わなくても、又は高価な追加機器を必要とせずに、合理的に可能な限り、標準的な結晶成長炉に適合する本発明の諸実施形態を用いてよりよいコスト効率が達成される。
【００３３】
これらの目的を実現するために、本発明の諸実施形態では、装置及び方法が提供される。特許請求の範囲により慎重に記載された本発明の諸実施形態は、以下の本発明の態様（参照番号（ｉ）−（ｖ）によって以下で言及される第１の態様（ｉ）、第２の態様（ｉｉ）、第３の態様（ｉｉｉ）、第４の態様（ｉｖ）、及び第５の態様（ｖ））を含むが、提示した本発明の基本的な実施形態の例には多数の変更が可能である。
（ｉ）良好かつほぼ連続的な断熱を有するように構築され、コスト効率を改善する結晶引き上げ炉のホットゾーン。
（ｉｉ）異なる２つの経路を通ってガスがホットゾーンに入る新規な不活性ガス経路であって、流れのパターンを改善し、その結果、黒鉛部分の寿命及び結晶収率及び品質を改善し、不活性ガス消費量は比較的低くなる。
（ｉｉｉ）引き上げ装置に既に存在している上昇機構を用いて、結晶成長装置の主真空チャンバの最上部と一緒にホットゾーン上部部分を上昇させることを可能にする、ホットゾーン設計及び関連する部分の接続。
（ｉｖ）ホットゾーンの比較的小さくて安価なほんの少数の部分を容易に変更することによって、ある結晶径から別の結晶径に良好に適合させることを可能にするホットゾーン。
（ｖ）オペレータの労力を省くホットゾーン設計。本発明の一実施形態のホットゾーン設計は、炉をきれいにかつ容易に接近可能に保ち、ひいては、ホットゾーン部分及び成長チャンバの清掃作業を低減する。
【００３４】
個々の実施形態は１つの態様に直接的に関連しうるが、そのような実施形態は直接的又は間接的に別の態様に関連することもある。本発明の諸実施形態は、適した部分において、更にあるカテゴリーから別のカテゴリーまで適した部分において組み合わせ可能である。
【００３５】
以下においては、例示として示した添付図面を参照することによって、本発明の諸実施形態をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係る結晶製造装置を示す縦断面図である。
【図１ｂ】ホットゾーン内の図１の詳細を示す図である。
【図２】単結晶製造装置の詳細を示す図であり、ガス出口におけるホットゾーンの設計を示す。
【図３】結晶製造装置の詳細を示す縦断面図であり、本発明の一実施形態に係るホットゾーン内のガス流経路を示す。
【図４】結晶製造装置の詳細を示す図であり、ホットゾーン設計内のガス流経路を示す。
【図５】ホットゾーン設計内に追加のガス流経路を備える結晶製造装置の詳細を示す図である。
【図６】ホットゾーンを含む結晶製造装置の詳細を示す略図であり、本発明の一実施形態に係る構成におけるチャンバの上部部分の上昇を示す。
【図７】チャンバ、その上部部分、及び本発明の一実施形態に係るホットゾーンを更に示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る、異なる結晶直径用に適合可能なホットゾーンを含む結晶製造装置の詳細を示す略図である。
【図９】ある結晶製造プロセスに適したホットゾーン部分を選択する一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
添付図面は本発明の諸実施形態の例を示すための説明的なものであって、示された実施形態のみに本発明の範囲を限定しようとするものではない。添付図面に示した物体の尺度は必ずしも原寸ではない。「水平（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ）」、「垂直（ｖｅｒｔｉｃａｌ）」、「上（ｕｐ）」又は「下（ｄｏｗｎ）」、「上がった（ｒａｉｓｅｄ）」又は「下がった（ｌｏｗｅｒｅｄ）」のような相対的用語は、結晶、るつぼ、及び／又は結晶成長装置の真空チャンバ又はそれらの部分に関連するものであり、それらは相互の場所又は変化を示すために説明的に単なる例示として使用されているだけであるが、図が示されている紙上の重力及び／又は方向には特に明言しない。したがって、幾つかの例では、上及び下は文書の紙の向き及び／又は重力に対する或いは重力の方向に関連する方向として用いられているが、実際の装置では、上及び下は、他方に関連して移動可能なある種の物体間の相対尺度であることを当業者は知っている。種々の本発明の諸実施形態は、適した組み合わせで利用されてもよい。
【００３８】
図１は本発明の一実施形態による成長チャンバの内部を略示している。結晶４、融液５、及び／又はるつぼ６等の電気、ガス、真空、磁場並びに回転及び／又は上昇を提供するのに必要な支持システム及び制御システムは、簡単にするために示されていない。
【００３９】
図１では、結晶は円錐状部材の開口部又はるつぼ軸線と同軸的な幾何学形状で示されているが、適した部分では、結晶及び／又はるつぼは異なる回転軸線を有することができる。したがって、別の実施形態によれば、結晶はるつぼの回転軸線の及び／又は融液の回転軸線の明白に外側にある軸線に沿って回転可能である。本発明の一実施形態によれば、融液を回転させて、結晶に対して回転運動をもたらす。本発明の一実施形態によれば、結晶はるつぼの非軸方向位置の融液に対して回転可能である。本発明の一実施形態によれば、結晶、融液及び／又はるつぼは、個々に又は相互に対して異なる角速度で回転可能である。一実施形態では、上記方向は反対とすることができる。本発明の一実施形態によれば、融液の角速度は結晶の角速度と実質的に同じであることが可能であるが、僅かに異なるので、結晶化すべき材料のために非常にゆっくりとした相対運動を境界において利用することを可能にする。しかし当業者は、本発明の諸実施形態の範囲から逸脱せずに、融液、るつぼ、及び結晶の回転運動を組み合わせるための幾つかの様式を諸実施形態から理解する。
【００４０】
本発明の一実施形態によれば、チャンバ１は最上部部分１ａを有する。最上部とは図に示した方向のみを指す。このチャンバは底部部分１ｃも有するが、別個の中間部１ｂは必ずしも有さない。図１の断面では、チャンバ１の左壁及び右壁はチャンバを開放するための設備を示すためのフランジを備えており、チャンバは動作中、一実施形態によれば真空に近い内部気圧を有するが、別の実施形態によれば、相当高い過圧において均一に保たれる内部気圧を有する。本発明の一実施形態に係るチャンバは、図１に示したものよりも多くの部分を含んでもよい。
【００４１】
図１の真空チャンバの断面形状は矩形を有しているが、簡単にするためにそのように示しているだけであって、チャンバの形状を限定しようとするものではない。したがって、円筒状又は管状の断面の角部分は、本発明の範囲から逸脱せずに変更可能である。本発明の一実施形態によれば、底部部分１ｃ及び／又は上部部分１ａは球形又は別の湾曲形のセグメントによって近付けることが可能である。このような実施形態では、底部部分及び／又は上部部分の湾曲を用いて、例えば、炉の内部部分へ戻る熱輻射束をホットゾーンへ誘導することができる。中間部分１ｂは一例として示した実施形態のように円筒状である必要はなく、例えば樽様形状などの他の形状も可能である。図１では、上部部分１ａ及び底部部分１ｃは管状断面を各々含む。しかし、これらの部分は管状断面を有さない設計であってもよい。
【００４２】
図１では、結晶及びるつぼの中心線は１本の線として示されている。これは標準的な工業的慣行であるが、結晶とるつぼとの相対的な場所が大きくずれていることも可能である。また、円錐状部材（部分３０、３１、及び３２）の下縁の開口の中心は、るつぼ中心線からずれていてもよい。
【００４３】
図１はまた、断熱部が、ホットゾーンの中心線近傍の融液より上の穴（結晶４はこの穴を通って引き上げられる）を除いてホットゾーン全体に亘って延在していることを示す。上記開口部は円錐状部材によって結晶４に適したサイズで実施可能であり、結晶４と円錐状部材との間には空隙を有した状態で結晶に対して適した密嵌状態を有する。ヒータ電極及びパージガス等用の絶縁部の不可避の穴は示されていない。しかし、これらの穴は、その穴を通る熱損を低減するためにできるだけ少なく、できるだけ小さく保たれるのと同時に、ヒータに必要な電流、機械的支持の通過及びパージガス排出に必要な断面を可能にするために十分大きく保たれる。例えば温度測定又は幾つかの部分の機械的操作等のために、追加の小さな開口部が含まれてもよい。主ヒータを１１で示し、任意の底部ヒータを１２で示す。主ヒータは、加熱要素のインピーダンス及びそれに関連する電気を熱に変換する能力に基づいた電気ヒータとして実施可能である。本発明の一実施形態によれば、このヒータ要素は、そのインピーダンスに対して、ひいては得られる熱に対して純抵抗成分を実質的に有する。本発明の別の実施形態によれば、ヒータは総インピーダンスに寄与する著しく誘導型のコンポーネントを有する。本発明の一実施形態によれば、更なる加熱力又は柔軟性及び／又は温度分布のより正確な調節を実現するために、幾つかのヒータ要素を用いることが可能である。
【００４４】
加熱力はホットゾーン内の他の場所で発生させることもできる。本発明の一実施形態によれば、底部ヒータ１２を用いて装填物及び／又は融液５を加熱することができる。本発明の一実施形態によれば、表面ヒータ（図示せず）を融液表面領域に用いて、融液及び／又は成長中の結晶の下縁を加熱することもできる。
【００４５】
ホットゾーンの構造的部分は一般に、絶縁部分よりも非常に高い熱伝導率を有する。本発明の構造的部分は、以下のいずれか（項（１）乃至（３））の様式で設計される。
（１）構造的部分はホットゾーン絶縁部の内側に設けられる。すなわち、それらの温度は高く、成長中の材料の融点付近である。
（２）構造的部分はホットゾーン絶縁部の外部に設けられ、それらの温度は上記融点未満で数百℃である。
（３）図１のるつぼ軸１３ａのように、絶縁部両側に延在するそれら少数の構造的部分は、結果的に生じる熱損が小さくなるように構築される。分類（３）のこれらの部分の断面積は、熱がホットゾーン内部から絶縁部を通って外部へ移動するのに必要な距離に比して小さい。
【００４６】
高温側から低温側に延びている必要のあるホットゾーンの構造的部分が他に幾つかあるが、図１の例には示していない。高温側と低温側との間の１つの境界について更なる注釈を要する。これは図１ｂの例に示すように、融液より上にある遮熱部の下縁である。高温外側遮蔽部３０から極低温の内側遮蔽部３２への熱流を低減するために、円錐状部材の内側遮蔽部３２及び外側遮蔽部３０は、好ましくは０．２乃至２ｍｍの薄い空隙５０によって分離されている。また、断熱が存在しない空隙の接触幅は小さく保たれ、２乃至８ｍｍが好ましい。一実施形態によれば、内側遮蔽部３２は上方からぶら下がっていてもよく、この小さな空隙はどの場所でも開放したままになっている。内側遮蔽部３２は遮蔽部３０の所定の小面積のスポット上で下方から支持されてもよい。或いは、無塵性絶縁体が遮蔽部３０と遮蔽部３２との間に設けられてもよく、この場合、この遮蔽部間の距離は上記よりも幾分大きくてもよく、１乃至２０ｍｍであり、接触幅は上記よりも大きくてもよい。本発明の一実施形態によれば、内側遮蔽部３２は黒鉛から作製されるが、別の実施形態によれば、他の耐熱材料、例えばモリブデンが用いられる。一実施形態では、上記無塵性断熱部は、種々の結晶に適したホットゾーンの部分に従って交換可能であるように構成することができる。
【００４７】
図１は高温に適合する金属又は他の適した耐熱材料８０の軸、ロッド、ワイヤ、又はロープ、及び融液から結晶を引き上げるように構成された引き上げ機構８１も示している。本発明の一実施形態では、機構８１は結晶を回転させるように構成された手段を含む。一実施形態では、その回転は滑らかであり、経時的に変化しないか、又はその変化は非常にゆっくりである。別の実施形態では、結晶回転速度は経時的に振動する。更なる実施形態では、結晶回転の方向は、るつぼの回転方向と反対である。別の実施形態では、その方向は同じである。
【００４８】
図１に略示した設計を用いた結果は、溶融からリコン結晶のエンドコーンまでのプロセスサイクルならびにプロセスステップ全体の電力消費量を大きく改善することを示す。ホットゾーン下縁を効果的に断熱することに特に重点が置かれず、融液より上の部分が適切に絶縁された遮熱部を含まないようなホットゾーン設計に比べ、電力消費量は５０％以上低減される。一例として、１６インチのホットゾーン（１６インチという値は、ホットゾーンに用いられる公称のシリカるつぼ直径、すなわち約４００ｍｍを意味する）の一般的な電力消費量は、結晶中には約７０乃至８０ｋＷであるが、図１に示すように連続的な絶縁部を有する２０乃至２２インチのホットゾーン（るつぼ直径が約５００乃至５５０ｍｍ）では僅か約５０乃至５５ｋＷである。２０乃至２２インチのホットゾーンについて予期される熱損は、古い型の１６インチのホットゾーンの同レベルの絶縁では１１０乃至１２０ｋＷになる。
【００４９】
上記効果的な絶縁の効果は、パージガス排気及びヒータ電極に必要な開口部に関する各種例を考えると、いっそう明白なものになる。小さな１６インチのホットゾーンは、主ヒータ用の２つの電極とパージガス用の２つの排気部しか有していなかった。大きな２０インチ乃至２２インチのホットゾーンは、主ヒータ用の４本の電極及び追加底部ヒータ用の２本の電極、すなわち計６本の電極と、パージガス用の４つの排気開口部とを有する。電極及び開口部の各々はそれに関連して著しい熱損を有し、この熱損は最小化することは可能であるが、完全には回避することはできない。避け難い開口部の数が相当多いことにも関わらず、総熱損は小さなホットゾーンの総熱損よりも著しく小さい。断熱材料２１は、管状形態を有する遮蔽部材２０によって保護及び支持することができ、部分２０はヒータ１１の周囲に位置決めされている。上記値は例示であり、その明白な実施形態は上記値だけに限定されるものではない。
【００５０】
良好な性能指数として、本発明の一実施形態に係るホットゾーンの全表面積当たりの熱損がある。上記推定を適用し易くしておくために、我々は断熱材料のホットゾーンの中心線からの最大距離と同じ半径を有する単純な円筒形の表面として上記表面積を算出する。円筒形の高さは、ホットゾーンの底部から最高点までの最大垂直寸法である。我々は熱的に重要でない可能性のある延長部を除外する。この新しいホットゾーンは１２ｋＷ／ｍ２を生み出すが、従来のホットゾーンは約３０ｋＷ／ｍ２を必要とする。上記値は結晶体の成長中の典型的な値である。
【００５１】
上記効果的な絶縁の更なる利点は、ホットゾーン内側の温度分布が非常に均一なことである。これにより、構造的な耐熱部分が被る最高温度はシリコン融点よりもごく僅かに高く、すべての構造的な部分の温度差が小さくなり、熱応力が低減されるので、構造的な耐熱部分の寿命は延びる。また、シリコン融液が放出する一酸化珪素による腐食作用が露出表面上で均一に起こり、その結果、その特性はゆっくりと且つ一カ所に集中せずに変化する。シリカるつぼが被る最高温度も低く、結晶収率が低下するように磨耗するリスクをるつぼが被るまでの有用なプロセス時間の長さは延びる
【００５２】
また、融液の温度差も相応して比較的小さいので、融液流も幾分ゆっくりで安定している。したがって、追加の磁場の必要性が低減され、磁場が使用される場合には、その磁場の値は比較的小さくなりうる。上記絶縁部はこのように、成長プロセスのある段階中の磁場強度の必要性に影響を及ぼすことがある。
【００５３】
図１は、結晶の上部部分を形成するために引き上げが始まっている状況の一例を示す。結晶４はショルダー部として現れるクラウン部と結晶体とを含む。図１にはエンドコーンが示されていないが、一実施形態に係る結晶は後のプロセスでは１つのエンドコーンを有しうる。結晶４は引き上げ機構８１に取り付けられた種晶３を用いることによって引き上げられる。引き上げ機構８１は図１では詳細に示していないが、引き上げるように構成された柔軟性のある金属ロープ８０又はロッド或いは軸、及び／又は成長段階に従って必要に応じて、所定の速度プロファイルで結晶を回転させるための機構を含むことができる。結晶４は結晶構造及び／又は引き上げるべき結晶の向きを画定する種晶３へのネック３ｂを有しうる。このような薄いネックは一般に、ダッシュ（Ｄａｓｈ）法として知られた一実施形態に従って、結晶転位をなくすのに用いられる。
【００５４】
図１は、るつぼ６内部の融液５を示す。るつぼ６は一実施形態ではシリカで作製可能であるが、別の実施形態では、溶融すべき特定の装填物のために他のるつぼ材料を使用することが可能である。一実施形態によれば、るつぼは成長した結晶の融点に比して、炉温が室温付近まで低下する毎に交換可能であるように構成可能である。るつぼは窒化物、耐熱金属、炭素、シリコン、及び／又は炭化物を含む表面コーティングを有してもよい。本発明の一実施形態によれば、るつぼの一部又は表面全体をバリウムの化合物で、又は非晶質シリカ表面の失透を強化する他の適した元素でドープしてもよい。
【００５５】
図１では、るつぼ６がサセプタ１０によって囲繞されていることも示されている。サセプタは本発明の一実施形態に係る単一部分として図１に描かれているが、るつぼ周囲に適合するようになされた幾つかの部分から作製することができる。サセプタはヒータ１１及び／又は１２から熱を導くように、かつ／又は適した均一な状態で熱をるつぼの外壁に分散させるように構成可能である。上記ヒータは円筒状に対称的に融液を囲繞するが、ヒータのより正確な構造は図１には示されていない。一実施形態では、融液及び／又は結晶に対してヒータの１つ又は幾つかがほぼ円筒状の対称性であることは無視される。
【００５６】
図１は、加熱要素１１がるつぼを囲繞する単一要素によって実現された本発明の一実施形態を示すが、別の実施形態では、１以上の加熱要素は、るつぼを囲繞するように設けられた幾つかの部分によって形成可能である。また、一実施形態では、融液の加熱は、電気コイル型構造を形成するように成形されたヒータを用いて行うことができる。ヒータに送られる電流は、融液内にある種の磁場分布を作り出すために、ある種の周波数及び位相の構成を有することができる。
【００５７】
本発明の一実施形態によれば、主ヒータ１１に加え、底部ヒータ１２を場合によっては使用可能である。装填物の溶融中に底部ヒータを使用することが可能である。本発明の一実施形態によれば、結晶体の成長中に底部ヒータを使用することもできる。この使用は融液及びホットゾーン内部のその他の場所に望まれる熱的条件、及び／又は引き上げ中に融液流を制御する必要性に応じて、ある段階、又は引き上げ全体に構成可能である。
【００５８】
図１はるつぼ軸１３ａ、るつぼ軸の外側絶縁部１３ｂ及び内側絶縁部１３ｃを示す。これらの部分はるつぼを支持するだけでなく、るつぼを上昇させかつ／又はプロセス中にるつぼの回転を維持するように構成されている。上記絶縁部は、ホットゾーンの下部部分の熱を保持するため及び軸部分を介する熱損を防止及び／又は最小化するために、本発明の一実施形態に従って使用される。本発明の一実施形態によれば、絶縁材料１３ｃは省略可能であるか、中空管として具現化することが可能である。一実施形態によれば、上記中空のるつぼ軸は、追加のパージガス流入口のための流路として用いられてもよい。本発明の別の実施形態によれば、上記流路は他のガスを導くために適した部分に使用可能であり、かつ／又は電線用の流路として使用可能である。
【００５９】
図１に示した一実施形態によれば、遮熱部２０及び絶縁部２１を用いて熱平衡を改善し、るつぼ及び融液内の熱を保つことができる。図１の断面は遮蔽部２０を含む実施形態のための円筒状幾何学形を示す。しかし、幾つかの他の形状が可能である。
【００６０】
本発明の一実施形態によれば、遮蔽部２０、断熱材２１、板３３、及び円錐状部材は別個の部分から作製されるが、絶縁体２１、３１、及び３３ｂは、連続しているか、又はほぼ連続した断熱部を形成する。他の幾つかの実現例が可能であり、部分数は図１に示したものよりも多くてもよいし、少なくてもよい。
【００６１】
円錐状部材は融液より上に位置するように構成された外部部分３０を含む。円錐状部材は、成長中の結晶の領域から融液領域を熱的に絶縁し、ホットゾーン内部からの熱損を低減させるための絶縁部３１も含む。円錐状部材は成長中の結晶に沿ってパージガス流を融液の方に誘導する内部部分３２も含む。部分３０の機能の１つは、絶縁部３１によって放出される粒子が融液表面に接近するのを阻止すること、及び融液から蒸発する腐食性ガスから絶縁部３１を保護することである。図１に示すように、円錐状部材は、一実施形態によれば、内側部分及び／又は外側部分のほかに内側部分と外側部分との間の絶縁部を含んだ円錐形を有するが、本発明の別の実施形態によれば、断熱部は内側部分と外側部分との間の空間の一部だけを充填し、絶縁部と内側部分及び／又は外側部分との間に空っぽの空間を残す。更なる実施形態では、上記絶縁部は２以上の別個の部分から構成される。別の実施形態によれば、内側及び／又は外側の円錐形は２以上の部分を各々含む。更に別の実施形態によれば、内側部分及び外側部分は高温に適合する構造材料を用いて相互に対して取り付けられ、断熱部を通るが、この構造を通る熱損が小さくなるように延在している。断熱部を通って接続されていることにより、円錐状部材を単一部分として取り扱うことが可能になり、本発明の代替実施形態によれば、内側部分及び外側部分は別個になっており、内側及び外側遮蔽部ならびに断熱部は別個に取り扱われる。更なる実施形態では、部分３３の外径は遮熱部２０の内径よりも小さく、絶縁部３３ｂを円筒状絶縁部２１に接続する追加の部分が存在する。円錐状部材がるつぼ半径の内側に設けられる程度に、図１では、円錐形として示されている。しかし、多数の他の設計が可能である。例えば、図８には代替的な一形状が示されている。図は回転対称設計を取っており、この設計は多くの場合、製造的観点から有利であるが、回転対称から大きくずれていることも可能である。本発明の一実施形態では、円錐状部材には３回対称（１２０°）のみが存在するが、４回、５回、６回以上の対称が実施可能である。別の実施形態では、そこを通して結晶が引き上げられる開口部の有効径は、断熱部を含みうる幾つかの適した形状の部分を用いて結晶成長中に変えられてよく、これらの部分は回転非対称的に結晶を囲繞する。
【００６２】
本発明の一実施形態によれば、ホットゾーンの下縁部は底部部分４０及び絶縁部４１も含み、この下縁部は絶縁部２１と共に連続的断熱部を形成するように構成されている。本発明の一実施形態によれば、絶縁部は貫通接続のために絶縁部４１を通る開口部を含み、この開口部はヒータ用の電流及び／又はガス流出口用の潜在的貫通接続を提供するのに必要である。これら開口部は図１には示されていない。チャンバの下部部分はるつぼ上昇機構用の開口部を含み、これに対応する開口部が底部絶縁部４１にもある。るつぼ軸１３ａは熱伝導率の低い材料から製造されてもよいし、るつぼ軸及びそれに対応する絶縁部４１の開口部を通過する熱損を低減するために、断熱部１３ｂ及び／又は１３ｃが用いられてもよい。
【００６３】
本発明の一実施形態では、主ヒータのみが使用されるが、本発明の別の実施形態によれば、ホットゾーンは主ヒータに追加して使用されるように構成された底部ヒータを含む。一実施形態によれば、底部ヒータは装填物の溶融中及び／又は結晶の引き上げ中に用いられる。
【００６４】
結晶引き上げ中に用いてもよいような磁石は、図１には示されていない。
【００６５】
図２は、パージガス出口用の開口部を通る熱損を如何にして小さく維持できるかの一実施形態を示す。図２の排気管は垂直円筒として概略的に描かれている。しかし、管４２の内側開口部は円錐状になるように構築されてもよいし、その断面は段階的、等に変化しうる。断面は円形であることが好ましいが、別の単純な形状を有してもよい。断面が円形から逸脱する場合、開口部の有効径は、管４２の開口部断面と同じ面積を有する円形の直径と同一になるように画定されうる。管４２の壁厚は８ｍｍ未満であることが好ましく、この管が著しい機械的負荷を支持しない場合、約３乃至５ｍｍ以下であることが好ましい。この管の有効内径は最も狭い地点で６０ｍｍ未満であることが好ましく、絶縁部４１は有効内径よりも少なくとも１．５倍厚い。絶縁部４１の外部に設けられた管７は、管４２の内径とほぼ同じか、それよりも大きい内径を有しうる。
【００６６】
図２示すようなこの場所において、ホットゾーン内部からパージガスを追い出すことには２つの利点がある。図２の場所又はその近傍で厚い絶縁部４１によって生じる追加の空間要件では、結晶成長装置のハードウェアに、具体的には真空チャンバに非常に小さなコストが加わる。出口がホットゾーンの上部部分に実質的に放射状に設けられる場合、大きなチャンバ径の必要性を避けることは難しく、著しいコストが加わる。もう１つの利点は、パージガスを真空ポンプへと運ぶ真空管はここでは、オペレータの作業エリアから離れて、真空チャンバの下に設けられてもよく、これにより結晶成長装置の設計及び通常の操作が簡単になる。また、真空チャンバの下に排気管の場所があることで、構成が簡単になり、真空チャンバ周囲に重い電磁石を使用することが可能になる。この磁石は多くの場合、シリコンのチョクラルスキー型成長に関連して使用される。
【００６７】
パージガスがホットゾーン内部から管４２の開口部を通して吸い込まれるとき、主真空チャンバ内部のどこかの場所よりも、ホットゾーン内部の圧力は常に僅かに低くなる。これは一酸化珪素には意図された経路以外にホットゾーン外部への道が殆どない理由となり、ホットゾーンの外面及び真空チャンバの内面は更なる作動時間の間、非常にきれいなままである。これは幾つかの利点を有する。毎操業の間に真空チャンバを内側から清掃しなくてよいので、オペレータの仕事量は大きく低減される。最も速く汚れる表面に対しても、清掃間隔は１０回又は２０回が可能である。第２に、黒鉛のようなより硬い材料よりも一酸化珪素による腐食作用を多く受け易い絶縁部は、非常に長寿命になる。我々は図１乃至２に概略的に示した設計で、ほぼすべての断熱材料をほぼ連続的な操業で少なくとも１年間使用可能であることを実証した。また、直径計測カメラ又は温度測定パイロメータのような光学機器は、その観察用ポート上の埃によって生じる変化を被らない。この全部が生産性に大きな影響を及ぼし、一部はプロセスの収率に影響を及ぼす。上記設計はＳｂ、Ａｓ又はＰがドーパントとして使用される高濃度ドープされたシリコン結晶の成長にも利点を有するが、これは上記ドーパントのみに限定されるものではない。これらドーパントの蒸発は多くの場合酸化物として、同様に埃及び粒子を表面上に生じさせるが、この傾向は本発明の一実施形態に係るホットゾーンの設計を用いることによって大幅に抑えられる。
【００６８】
図３は、パージガスＩＩの、側流ＩＩｂが融液に決して近付かないように、融液の高さより上の主真空チャンバからパージガス排気部の方に向かって側流ＩＩｂがどのように流されるかを概略的に示す。絶縁部３３ｂを貫通している経路３４は、流路を通る熱が過剰に失われるのを回避するように比較的長くて狭い流路として作製される。この流路を部分的に遮断することによって上記流れを調節する手段が、本発明の一実施形態に従って構築されうる。本発明の一実施形態によれば、上記ホットゾーン構造は、開口部（しかし、別の実施形態では、流れＩＩを２つの副流に制御可能に分割するように構成された複数の開口部）を有するキャップ３３を含む。一実施形態によれば、ディスク３３ａは流路３４の場所に適合する開口部を備えた枢動可能に構成された同軸的積層構造の２つのディスクを有することができるので、積層部分の枢動又は回転が開口面積、ひいては流れを変える。本発明の一実施形態によれば、経路３４は短い流路である。別の実施形態によれば、流路３４は流体の通過を可能にする断熱材料から作製された、粒状構造、多孔性構造、繊維状構造、又は他のその様な構造を含む。本発明の一実施形態によれば、上記材料は黒鉛フェルトである。
【００６９】
この側流ＩＩｂには幾つかの理由がある。部分３０、３１、及び３２から構築された円錐状又は管状の遮熱部がパージガス流ＩＩａを融液に非常に近い所を通過させるとき、パージガスＩＩａは揮発性一酸化珪素を融液の外部に非常に効果的に押し出す。多くの場合、酸素を含んだガスのこの効果的な追い出しが自然に生まれるような、より高い酸素濃度のシリコン結晶材料を生成することが必要である。結晶の酸素濃度は融液を覆っているパージガスＩＩａの速度及び／又は質量流量を低減することによって増大することが可能である。しかし、総ガス流ＩＩが大きすぎる程度まで低減される場合、一部の一酸化珪素は誤った方向である上流まで進む可能性があり、そこで一部は反応して一酸化炭素を形成し、一部は凝縮して粒子になる。一酸化炭素及び粒子はいずれも、成長には非常に有害であり、これは総アルゴン流ＩＩが汚染レベルを低く、かつ収率を高く維持するのに十分高いものでなければならないことによる。この側流により、流れが関連するコストを小さく維持するように然るべく小さく、同時に、不所望の汚染レベルが低く維持されるように十分高いレベルにまで総ガス流を増大し易くなる。
【００７０】
側流ＩＩｂの第２の理由は、結晶の酸素濃度が結晶の末端に向かって低下し易いことにある。これは、るつぼ内の融液の量が少なくなるときにパージガス流を低減する必要があることの理由となる。融液の高さが、成長中、ホットゾーン部分のほぼ全部に対してほぼ一定のままであるので、るつぼは成長中にかなりの量だけ上昇される。パージガスＩＩａのその部分は、結晶の周囲で融液より上を流れ、その後、るつぼ６と遮熱部３０との間の非常に狭い空間の長い経路を辿る。したがって、流れＩＩは、るつぼが上昇されるときに、流れ全体の小さな部分は融液より上を流れて酸素を蒸発し、大きな部分は側流路３４を通って酸素の蒸発には寄与しないように自然に再分配される。
【００７１】
側方流ＩＩｂの第３の理由は、融液の高さより上の外部ホットゾーン部分からの汚染及び主真空チャンバの内壁からの汚染に関連するものである。効果的な絶縁にもかかわらず、外部ホットゾーン表面への幾らかの熱損が存在し、その結果、外部ホットゾーン表面は水冷された真空チャンバ壁よりも相当高い温度になる。これにより、ホットゾーン上の空間には自然対流６３が発生する。この自然対流は、主に図３に示す方向に回転し、主に下方に向けられるパージガス流ＩＩへの汚染をもたらし易い。側流ＩＩｂが無いと、熱対流６３によって運ばれるこの汚染のかなりの部分は、パージガス流ＩＩａによって融液表面の方に引き降ろされる。側流ＩＩｂはシースガスとして働き、融液を一掃する流れＩＩａのその部分から熱対流６３を効果的に分離する。次いで、自然対流６３によって運ばれた汚染は、シリコン融液と接触せずに直接排気部まで運ばれる。本発明の一実施形態によれば、上記側流はチャンバに別個に送り込まれるが、図３には側流が同じ開口部から送り込まれているのを示している。これを用いて、ある流路から別の流路へのどのような種類の潜在的な交差汚染の可能性も最小化することができる。本発明の一実施形態によれば、特別な流れ誘導部を用いて、流れＩＩａ及びＩＩｂを互いによりよく区別することができる。本発明の一実施形態によれば、この誘導部は円錐状部材上又はキャップ３３上に設置可能な円錐状又は管状構造である。本発明の別の実施形態によれば、この誘導部は、ホットゾーンに機械的に接触させずに真空チャンバに取り付けられてもよい。本発明の一実施形態によれば、上記誘導部は、冷却用流体循環をその誘導部内部に備えることができ、この冷却用流体循環は結晶の冷却速度を増強する冷却要素としてだけでなく、対流６３の潜在的汚染のためのトラップとしても働く。
【００７２】
一実施形態では、上記流れは炉内に誘導される成分を有するが、ホットゾーンを避ける流れをもたらすように構成されている。この流れを用いて、融液から発生する物質から真空チャンバ壁、窓、及びホットゾーン断熱部外部の他の表面を保護することができる。
【００７３】
一実施形態によれば、図４は、ヒータ１１及びサセプタ１０が腐食性の一酸化珪素と接触するのを防止する目的を有するヒータ周囲の遮蔽部材である追加の管２２（図１には示さず）を示す。本発明の一実施形態によれば、ガス流は、ヒータより十分上で、ホットゾーンの外周に近付けられ、流れＩＩＩに含まれた一酸化珪素は、ヒータ又はるつぼ１０の外縁部と、全く或いは殆ど接触しない。同時に、ホットゾーンのすべての下部部分が保護される。るつぼを保護するためには、ネックの始まりからテールの末端までの成長プロセス全体の間で、すなわち、るつぼの上縁部が主ヒータ１１よりも十分上に上昇されても、るつぼとガス誘導管２２との間の空間が狭く保たれることが重要である。図４は可能な一設計を示すが、幾つかの他の設計が考えられてもよい。
【００７４】
図５はポリシリコン装填物８の溶融中に、るつぼが円錐状部材に対して、成長中よりもずっと低い位置になければならないことを示す。図５の装填物は概略的に示されており、このため、るつぼ縁部より上のパイルは必ずしも適切な縮尺ではない。その溶融位置にある間、ヒータの上端部は直接シリコン装填物に見える。ガス流の全部がこのステージのヒータの上に誘導される場合、ヒータから及び／又はヒータの上の他の表面からの相当量の炭素汚染物質が存在し、この汚染物質は既に高温のシリコン装填物の外縁と反応しうる。この汚染をシリコン装填物から追い出すためには、ＩＩＩｂで示した追加のガス流が必要である。
【００７５】
図５では、この流れは保護管２２を貫通する追加の穴又は開口部２３を用いて生み出される。排気部までのこの流れの可能性のある他の経路は、当然容易に、考案されうる。流れＩＩＩｂは、図５の第２の合流領域にて排気ガスと合流する。流れＩＩａ及びＩＩｂは、図５の第１の合流領域にて合流する。
【００７６】
この流れＩＩＩｂはヒータの磨耗に何らかを与えるが、この流れは融液の上のパージ流全体のほんの一部であり、磨耗は遅くなる。好適であるが少し複雑なアプローチは、装填物が殆ど又は完全に溶融されるときに流れのパターンを変えることであり、るつぼの場所は円錐状部材に対して十分高い場所にあるので、流れＩＩＩｂによる追加の保護はもはや必要ない。これを実現する一方法は、流れＩＩＩｂ用のホットゾーンの断熱部を通る別個の経路と、流れＩＩＩｂを遮断するか又は著しく低減するのに使用可能な追加の真空弁である。また、流れＩＩＩｂは成長プロセスの初期段階では動いている、すなわち、最も重要である装填物の溶融中、及びプロセス時間の大半の間は、流れは止まっているか、大幅に低減される。溶融ステップ中に酸素を含んだガスの生産が重要である期間は、ヒータ電力がオンである総時間の比較的短い部分にすぎないので、流れＩＩＩｂ中の一酸化珪素によって生じる磨耗も相応して非常に小さくなる。
【００７７】
図５の設計を用いて成長させた結晶のほぼ全部は、融液の固化した断片ｇが＞０．９である結晶体の末端では、０．５ｐｐｍａ未満、一般には０．２ｐｐｍａ未満の低炭素濃度を有する。
【００７８】
一実施形態によれば、図６は、主真空チャンバ１が開放されるのと同時に、一部のホットゾーン部分が真空チャンバの上部部分１ａと一緒にどのように自動的に上昇されるのかを概略的に示す。このチャンバは製造バッチ間で開放されなければならず、古いシリカるつぼの残りを残りのシリコンと一緒に取り出す必要があり、黒鉛の環境を清掃する必要がある。本発明の諸実施形態では、清掃すべき領域を露出させるのに、手動の上昇または特別なツールは一切必要ないので、特に大きなホットゾーンに対するオペレータの労働が省かれる。また、本発明では、量及び寸法は部分を安全に操作するオペレータの能力によって制限されないので、より柔軟性のあるホットゾーン設計が可能になる。この上昇は粒子又は他の汚染物質を導入することなくクリーンに実行することができる。更なる利点は、より上昇させた温度で部分を上昇可能であること及び連続する２回の成長間の中間時間が低減されることである。この上昇は部分１ａおよび１ｂが分離されるようになされる。この設計を２０インチ乃至２２インチのホットゾーンを有する本発明の一実施形態に係る炉に適用し、連続して使用したが、それらだけに限定されるものではない。図６は円錐状部材及び板３３を単一部分として上昇させることができる本発明の一実施形態を示すが、それに限定されるものではない。円錐状部材は図６に７０ｂで示すワイヤを用いて上昇される。このワイヤの取付部材７０ａはチャンバ１ａの上部部分にある。この接続７０ｂは、例えば上部ホットゾーン部分をカート又は炉外の他の適した支持構造へ移動可能にするために、取り外し可能であってもよい。上昇はワイヤを用いて実施できるが、ロッドを用いるか、又は本発明の諸実施形態から当業者が知るような他の多数の様式によって、構成することも可能である
【００７９】
本発明の一実施形態では、別個の上昇機構７２が部分７０ａに取り付けられている。この上昇機構７２は例えば真空チャンバの外部から電気的又は機械的に、動力が供給されうる。機構７２は、真空チャンバが閉じている場合であっても、ホットゾーンの上部部分の上昇を可能にする。本発明の一実施形態では、装填物の溶融中にホットゾーン内の温度分布を変えるために、一部が開放されたホットゾーンによって生じる更なる熱損が用いられる。本発明の別の実施形態では、結晶の成長が完了した後で炉の冷却を強化するために、一部が開放されたホットゾーンによって生じる更なる熱損が用いられるので、生産性が増大する。
【００８０】
図７はホットゾーン部分がどのように上昇されるかを更に概略的に示す。一実施形態によれば、上昇手段７１は、結晶成長操業から別の操業まで反復的に上部部分１ａを１ｂ（部分番号については図１を参照）から分離するように構成された実質的に任意の手段とすることができる。図７に示した部分は１ａ及び１ｂだけを含んでいるが、底部部品１ｃは図７には示されていない。一実施形態によれば、底部部品１ｃ及び中間部品１ｂは同じ部品であり、別の実施形態では、上部部分１ａ及び中間部分１ｂは単一部分を形成する。
【００８１】
図７では、参照番号１°、２°及び３°は本発明の一実施形態に係る上部部分の上昇を示しており、１°では、上記部分は一緒になっており、２°では部分１ａは上昇（矢印で示す）及び／又はリフトされており、３°では、最上部部分はチャンバ部分１ｂから横（矢印で示した運動方向）にずらされ、ホットゾーンの下部部分が露出している。しかし、ステップ３°は任意選択であり、本発明の一実施形態では、ステップ３°は省かれる。ホットゾーン部分を簡単に操作するのに、例えばステップ３°の後又はステップ２°の後に部分１ａを下降させるのに必要な、チャンバの最上部部分の追加の動きが幾つかあってもよい。
【００８２】
図８は、成長すべき異なる種類の結晶のためにホットゾーン部分の迅速な交換を可能にする構成を略示している。このため、成長すべき結晶の種類に従って、ガス流だけでなく結晶からみた熱環境に影響を及ぼす部分は交換されてもよい。この交換は引き続く成長間で必要な通常の時間に比べて、３０分未満の追加時間で行うことができ、部分交換は必要ない。
【００８３】
融液上の外側遮熱部は、内側遮蔽部３２ｂの下部部分及び真下に設けられた絶縁部３１ｂが最初に上昇された後で、外側遮蔽部３０ｂの内部部分が内側遮熱部３２ａを通して上昇されるような直径において分離される。
【００８４】
図８に示す構成は可能性のある設計の一例に過ぎず、したがって、当業者には本発明の諸実施形態の範囲から逸脱することなく、図示の例からの幾つかの異なる改変例が可能である。例えば、図８の内側部分３０ｂは板として示されている。しかし、図示の部分の設計は、形状が円錐状の部分又は設計の点でより複雑な構造を含んでもよい。絶縁部３１ｂは、その外径がまた内側遮蔽部の上部部分の開口部よりも僅かに大きくなるように、黒鉛フェルトのような軟性及び可撓性材料から切り出されうる。絶縁部３１ｂ又は遮蔽部３０ｂは、幾つかの別個のピースから構築されてもよい。更に、遮蔽部３２ｂの懸架は先に議論したように異なるやり方で構築されうる。
【００８５】
本発明の諸実施形態がホットゾーン部分を例えばあるプロセスから別のプロセスへ種々の直径の結晶に良好かつ容易に適合させるので、電力消費量、結晶の形状、ガス流特性及び／又は結晶の品質が改善されることが経験から示されている。これらの結果は電力消費量、温度分布及びガス流に関して行われるシミュレーションによっても裏付けられる。
【００８６】
部分３２ｂ及び／又は３２ａは、炭素ベースの材料又は他の耐熱構造材料から作製されてもよいし、熱を結晶から上方に少なくとも部分的に反射するように構成されたより反射性のものでもよい。本発明の一実施形態によれば、図示の部分は下位部分の下位構造を有することができ、例えば、絶縁部材３１ｂは二等分されたものから作製されてもよい。一実施形態によれば、部分３２又は部分３２ａ及び／又は部分３２ｂの熱移動及び／又は冷却は、前記１以上の部分内部の適した流体循環を用いて強化されるので、輻射による結晶の正味の冷却が増大される。一実施形態によれば、この流体循環はヒートパイプに類似して上記１以上の部分内部にありうる。別の実施形態によれば、この流体循環は外部冷却システムに接続されている。本発明の一実施形態によれば、冷却された部分は図１に示した冷却された部分３２から、又は図８に示した部分３２ａ及び３２ｂから分離されうるので、ガス流は図示の部分によって誘導され、強化された冷却は図面に示していない部分を主に用いて実現される。本発明の一実施形態によれば、そういった追加の部分は部分３２ａ及び／又は３２ｂの上に設けることが可能であり、かつ／又はそれらによって少なくとも部分的に囲繞することも可能である。
【００８７】
図９は、結晶成長操業のために適した部分の選択方法の一例を示す。最初に、適したホットゾーン部分（３０ｂ、３１ｂ、及び３２ｂ）は結晶幾何学形状、特に引き上げるべき結晶の直径５２に対応するように、かつ／又は他の考慮事項に従って選択される。このセットの内側開口部の直径５１を結晶直径５２（図８）と適合させる。
【００８８】
チョクラルスキー型方法を用いて単結晶を製造するための本発明の一実施形態に係る炉は、
融液を保持するるつぼと、
るつぼ内の材料を溶融して融液を作るために、るつぼを加熱するヒータと、
るつぼ内の融液から結晶を引き上げるように構成された引き上げ機構と、
ホットゾーンを収容する、結晶成長炉の真空チャンバと、
チャンバを開放するために引き上げチャンバの上部部分を上昇させる機構と、加えて、
熱伝導材料及び断熱材料から成るホットゾーン構造とを備える。
【００８９】
本発明の一実施形態によれば、引き上げ時、上記成長チャンバは圧力が低下した状態になる。本発明の一実施形態によれば、この圧力は室内の大気圧と実質的に同じである。本発明の一実施形態によれば、この圧力は、ほぼ工業条件において現実的に達成可能な低さである。本発明の一実施形態によれば、この低い圧力は、すぐ上で述べた極端な値の間にある。一実施形態によれば、チャンバ内に存在するガスは、ある引き上げの環境を画定するための所定の組成を有する。しかし、一実施形態では、融液から生じる成分がこの環境に加えられる。
【００９０】
本発明の一実施形態によれば、結晶成長装置は、必要なパージガス及びホットゾーンの雰囲気を調節するためのガスを提供する支持ユニットを含む。本発明の一実施形態によれば、こういったパージ手段はＡｒ及び／又はＨｅ又は別の適したガスを含んだ物質を用いて結晶成長装置をパージすることができる。
【００９１】
本発明の一実施形態に係るるつぼは、２０インチ未満の直径を有することができる。本発明の一実施形態によれば、シリカるつぼの直径は約２０乃至３２インチの範囲にある。本発明の一実施形態によれば、上記るつぼは、さらに大型にすることが可能であるが、４８インチ未満が好ましい。
【００９２】
本発明の一実施形態に係る装置は、半導体材料からなる結晶を製造するように構成された装置である。本発明の一実施形態によれば、この半導体材料はシリコン、ゲルマニウム、又は他の半導体材料、或いはそれらの混合物であるが、任意選択で又は追加で、ホウ素、リン、アンチモン、ヒ素、又はアルミニウムなどの種々のドーパントを含んでもよい。また、シリコン又はゲルマニウム以外の他のＩＶ族物質を、１ｐｐｍａから最大数％未満の濃度で使用可能である。
【００９３】
本発明の一実施形態に係る結晶は、本発明の一実施形態に係る方法によって製造されてきた。本発明の一実施形態によれば、この結晶は半導体結晶である。本発明の一実施形態によれば、この結晶はシリコン及び／又はゲルマニウムを含む。本発明の一実施形態によれば、この結晶はＩＩＩ族元素の少なくとも１つの元素をドーパントとして含む。本発明の一実施形態によれば、この結晶はＶ族元素の少なくとも１つの元素をドーパントとして含む。本発明の一実施形態によれば、この結晶はサファイアの構造を正確に又は実質的に含む。本発明の一実施形態によれば、この結晶は閃亜鉛鉱の構造を含む。本発明の一実施形態によれば、この結晶はダイヤモンド構造を含む。本発明の一実施形態によれば、この結晶はシリコン及び／又はゲルマニウム以外のＩＶ族元素の他の元素も含む。
【００９４】
本発明の一実施形態によれば、成長中にはアルゴン流が用いられる。ガス質量流量として定義する場合、一実施形態によれば、アルゴン流は平均値が５０ｓｌｐｍ未満であり、別の実施形態では、質量流量は２０インチ乃至２２インチのホットゾーンにおいて平均値が３５ｓｌｐｍ未満である。本発明の別の実施形態によれば、質量流量は平均値が２５ｓｌｐｍ未満である。この値は１００ｋｇ装填物を有する炉の例であり、値は結晶体形成中に変動しうる。上記値はホットゾーンのサイズとともにほぼ増減する。
【００９５】
本発明の一実施形態によれば、上記方法は、磁場が融液と引き上げるべき結晶との間の境界領域において第１の値を有し、融液のどこか他の場所で第２の値を有するように作られた磁場に融液を曝露するステップを含む。この磁場は、るつぼ内の融液の運動を加速させるだけでなく、磁場の適切な選択によって、必要に応じて減速させることも可能である。また、融液の垂直運動は、磁場の適切な選択によって制御可能である。ある実施形態では、所要の磁場強度はホットゾーンの断熱によって大幅に低減可能であるので、より穏やかでかつ／又は制御可能な融液の流れが得られる。
【００９６】
本発明の一実施形態によれば、上記方法は、場所の関数として強度分布を有する磁場に融液を曝露するステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は前記第１の値が２０ｍＴ未満を、第２の値が融液のどこか他の場所で５０ｍＴ未満を有するように作られた磁場に融液を曝露するステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は、磁場がるつぼ回転軸線に対して実質的に対称的になるように磁場に融液を曝露するステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は磁場によって融液を回転させるステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は円筒対称性から大きくずれた磁場に融液を曝露するステップを含む。本発明の別の実施形態によれば、磁場は著しい時間依存性を有する。
【００９７】
本発明の一実施形態に係る炉は、大きさが５０ｍＴ未満の磁場を融液領域に生成し、２０ｍＴ未満の磁場を結晶と融液との境界に生成するように構成され、成長プロセスの少なくとも一部の間で使用されるように更に構成された磁石又は幾つかの磁石を含む。一実施形態では、この磁石は融液流を提供して融液の温度変化を低減するように構成されている。
【００９８】
本発明の一実施形態に係る融液からのチョクラルスキー型結晶引き上げ方法に適したホットゾーン構成は、本発明の一実施形態に係る流れ構成を含む。本発明の一実施形態によれば、このホットゾーン構成は、実質的に連続した様式でホットゾーンを熱的に絶縁するように構成された絶縁部を含む。本発明の一実施形態によれば、サセプタの外面は融液からの蒸気に対して保護される。本発明の一実施形態によれば、ヒータ表面は融液の蒸気に対して保護される。本発明の一実施形態によれば、上記ホットゾーン構成は、先に前記表面をパージして融液から生じる蒸気からその表面を保護するために予熱されたシースガス流を提供する手段を含む。本発明の一実施形態によれば、上記ホットゾーン構成はオペレータの労力を低減するように設計されている。
【００９９】
本発明の一実施形態に係る、チョクラルスキー型方法を用いて単結晶を製造するためのホットゾーン構成は、
ヒータ及び／又はるつぼ周囲の実質的に連続する断熱部と、
ヒータ電極、及びるつぼを支持する軸のための、融液表面より上の結晶用の絶縁部にある必要な開口部と、
排気ライン及びパージガスライン用の穴とを備える。
【０１００】
上記融液はシリコン、ゲルマニウム、又は他の半導体材料或いはそれらの混合物のような半導体材料を含むことができる。上記融液は主ヒータとすることができるヒータを用いて固体装填物から達成されるが、追加で、主ヒータに加えて底部ヒータが使用可能である。この底部ヒータは半導体材料の溶融の一部の間に使用されるだけでなく、結晶の引き上げ中にも使用される。
【０１０１】
結晶引き上げのために溶融すべき材料は、ＩＩＩ族またはＶ族元素の少なくとも１つのドーパントを含むことができる。ホウ素、リン、アンチモン、ヒ素、およびアルミニウムのうちの少なくとも１つなどのドーパントが使用され得る。また、ＩＶ族元素が含まれてもよい。
【０１０２】
加熱は、当業者が本発明の諸実施形態からわかるような幾つかの様式で行うことができる。上記ヒータは少なくとも１つの加熱要素である主ヒータを含むことができるが、一実施形態では、ヒータは幾つか存在することができる。主ヒータは、一実施形態ではほぼ純抵抗性のヒータとすることができるが、別の実施形態では、少なくとも１つのヒータ要素は、高周波の交流電流又は電圧によって駆動される著しく誘導型の構成要素を含む。
【０１０３】
主ヒータに加えて、るつぼ及びホットゾーンを底部から加熱するように構成された底部ヒータが存在してもよい。本発明の一実施形態によれば、上記ヒータは直流（ＤＣ）によって給電されうる抵抗要素を有する。一実施形態によれば、この要素は加熱要素の誘導特性を利用するために交流（ＡＣ）によって給電される。一実施形態によれば、融液をより均一な温度に保つために及び／又は融液と結晶との境界領域の温度を微調整するために、追加のヒータを用いて融液表面を加熱する。
【０１０４】
本発明の一実施形態によれば、炉はホットゾーン内部から引き上げ装置の水冷表面までのエネルギー損がホットゾーンの表面積に亘って平均化された２０ｋＷ／ｍ２未満である絶縁部を含むことができる。このような絶縁部は典型的には１５ｋＷ／ｍ２未満、有利には１２ｋＷ／ｍ２未満、更に有利には１０ｋＷ／ｍ２未満のエネルギー損を有することができる。本発明の一実施形態に係る炉は、ホットゾーンにおいて主断熱材料として用いられる黒鉛フェルトを含む。この絶縁部は、適した部分では軟性及び／又は剛性とすることができる。この絶縁部は１回使用される部分を含んでよいが、好ましくは、この部分は幾つかの結晶又はバッチを引き上げるのに使用可能である。一実施形態では、エアロゲル又は類似の高度に多孔性の構造がホットゾーン絶縁部に用いられる。
【０１０５】
本発明の一実施形態によれば、融液は断熱性部材によって部分的に被覆される。本発明の一実施形態によれば、この被覆部材は、板又はほぼ円錐状表面或いはこの組み合わせである。本発明の一実施形態によれば、被覆部材は、結晶の成長中であっても被覆された表面積が調整可能になるように構成された幾つかの部分を含む。本発明の一実施形態によれば、結晶引き上げ中に融液は表面ヒータによって加熱される。本発明の一実施形態によれば、被覆部材はヒータを含む。
【０１０６】
炉内の適した領域におけるパージガス流速は、引き上げ中に、適した組成のガスを真空に近い状態の炉内に保持及び／又は提供するのに大き過ぎないが十分効果的であることが引き上げには重要である。本発明の一実施形態によれば、上記流れはチョクラルスキー型の方法を用いて単結晶を製造するための炉用の流れ構成によって実施可能である。
このような炉は、
（ｉ）とりわけ、（ｉ１）溶融半導体材料を保持するるつぼと、（ｉ２）るつぼをある温度まで加熱して、るつぼ内の半導体材料を溶融するためのヒータとを含む、ホットゾーンを収容する、結晶成長炉の引き上げチャンバと、
（ｉｉ）半導体結晶をるつぼから引き上げるための、るつぼの上にある引き上げ機構とを備えることができる。
また、このような流れ構成は、
引き上げチャンバの上部部分への１以上の不活性ガス入口と、
引き上げチャンバの底部からの１以上のガス出口と、
ホットゾーン上方からの不活性ガス流路とホットゾーンに入るときに少なくとも第１の経路と第２の経路とに分割される不活性ガス流路とを含む、不活性ガス流経路とを更に備える。
【０１０７】
本発明の一実施形態に係るチョクラルスキー型方法は、引き上げチャンバの最上部から異なる２つの経路：第１経路及び第２経路（第１経路は引き上げられた結晶表面に沿って融液の方に誘導され、第２の経路は融液領域を回避する）を通してホットゾーン内へ不活性ガス流を誘導するステップを含む。
【０１０８】
本発明の一実施形態によれば、流れ構成は、管状又は円錐状部分によって画定された結晶周囲の流路として構成され、ひいては、流れが融液表面領域に行くように構成されるように構成された、前記第１ルートを含む。本発明の一実施形態によれば、上記流れ構成は、融液より上の管状又は円錐状部分を支持するホットゾーンの最上部キャップを貫通する少なくとも１つ又は幾つかのオリフィスを通る流路として構成されるが、流れが融液表面近傍又はるつぼ内の融液表面の上の空間を通過しないように構成された、第２の経路を含む。
【０１０９】
本発明の一実施形態によれば、パージガス流は、第１のガス流の一部と第２のガス流の全部とが後で混合され、ヒータ及びサセプタが設けられた空間の外部で、主ヒータより大きな半径に設けられた２つの管状部分間の流路の最上部に誘導され、同時に、第１の流れの一部がサセプタ及びヒータを一掃し、流路の下縁で、内部部分の１以上のオリフィスを貫通する同じ流路に達するように構成されている。
【０１１０】
本発明の一実施形態によれば、この成長法はシリコン結晶の炭素濃度を結晶体の末端において実質的に０．５ｐｐｍａ未満に、有利には０.２ｐｐｍａ未満に、より有利には０．１ｐｐｍａ未満に維持する。
【０１１１】
一実施形態によれば、チョクラルスキー型方法を用いて半導体単結晶を製造するように構成された装置は、流れ構成を含む。本発明の一実施形態によれば、引き上げるべき結晶は直径１５０乃至２２０ｍｍを有するシリコン結晶体を含むことができる。本発明の一実施形態によれば、この装置はＡＳＴＭ  Ｆ  １２１−８３規格に従って測定される場合に１５±１ｐｐｍａの酸素濃度を結晶中に維持する手段を含む。本発明の一実施形態によれば、前記酸素濃度は、結晶体の少なくとも９０％について、結晶長に沿った結晶の中心線又はその近傍で計測したときに、結晶中では±１ｐｐｍａの範囲内で１５ｐｐｍａ未満である。
【０１１２】
本発明の一実施形態に係る装置は、１５ｐｐｍａの酸素濃度を有する結晶に対して８０ｓｌｐｍ未満のシリコン結晶体全体へのアルゴンガスの平均質量流量を監視及び／又は投入する手段を含み、本発明の別の実施形態によれば、この値は６０ｓｌｐｍ未満であり、更に別の実施形態では、４０ｓｌｐｍ未満である。このアルゴン流量は一例として示した酸素濃度値に拘束されるものではない。上記流れは本発明の一実施形態に係る結晶体長の最初の３０％の間に画定された平均である。
【０１１３】
本発明の一実施形態に係るチョクラルスキー型方法による結晶引き上げのための流れ構成は、管状又は円錐状部分によって画定された結晶周囲の流路（この流路は融液表面領域に開放されている）と、融液より上の管状又は円錐状部分を支持するホットゾーンの最上部キャップを貫通する１つ又は幾つかのオリフィスを通る第２の流路（この第２経路の流路は融液表面又は融液表面の上の開放空間を回避する）とを含む。本発明の一実施形態によれば、この流れ構成は、前記第１及び第２の経路を通るガス流用の経路を含み、流れは大きな半径に設けられた２つの管状部分の間の出口流路の最上部内に誘導され、ヒータ及びるつぼが設けられた空間の外部で、その流れが混合される。迅速な組立て及び／又は結晶成長装置によって製造可能な異なるタイプの結晶を考慮するために、この流れ構成は少なくとも２つのセットの使用される適合部分を含むことができる。この２つのセットの選択は、第１のセットが第１の直径用に、第２のセットが第２の直径用になるように、例えば成長すべき結晶の直径に基づいてなされる。しかし、上記適合部分用のセットは、他の幾つかの様式に基づくように、例えば結晶方位、抵抗率、ドーパント、等によって選択可能である。この流れ構成は、本発明の一実施形態に従って、適合のために用いられる部分によって画定される結晶用の開口部の内径が、成長中の結晶の１．１乃至１．８倍、より好ましくは結晶の直径の約１．２乃至１．６倍の範囲になるように設計可能である。
【０１１４】
本発明の一実施形態によれば、流れ構成部分、特に円錐状上部部分及び／又は板状底部部分は黒鉛で作製可能である。絶縁部は軟性または剛性黒鉛フェルトで作製可能である。適した黒鉛部分は、Ｓｉ、高密度ＳｉＣ、及び／又はダイヤモンドフィルム及び／又は熱分解黒鉛で少なくとも部分的に被覆可能である。
【０１１５】
本発明の一実施形態によれば、ホットゾーンの最上部部分は、結晶成長装置の上部部分と一緒にホットゾーン部分を操作し易いように構成された手段を含む。このホットゾーン部分は、個々の部分の上昇又はホットゾーン部分の下位群の上昇のための操作ツールを含むことができる。上記構造は、上昇されない部分から上昇すべきある部分をロック及び／又は解放するように構成された高速ロッキング手段、及び上昇させるべき部分を誘導するように構成された誘導構造を含みうる。
【０１１６】
本発明の諸実施形態は、ホットゾーン部分の上昇及び／又は操作又は交換のような状況においてオペレータによる結晶成長装置／炉の操作を容易にする。このような構成によって、ホットゾーンの上部部分を上昇させることが可能となり、オペレータがるつぼ及びホットゾーンの他の部分に容易に近付くことも可能になる。この構造はホットゾーンを清掃し、使用済みのシリカるつぼ及び残っている半導体材料をるつぼから取り出すときに有利であり、生産性が向上する。したがって、新たな操業のための炉の準備において時間を節約することができ、ひいては生産性が上がる。るつぼは結晶成長装置内で装填可能であるが、本発明の一実施形態によれば、るつぼはチャンバ外で装填可能である。一実施形態によれば、装填物をるつぼ内に装填し、るつぼを装填物とサセプタと一緒に結晶成長装置内で上昇させる。
【０１１７】
炉の部分を種々の結晶サイズに適合可能にするとともに、容易に交換可能にすることで、他には適合しない単一のホットゾーン設計を用いて、異なる径の結晶を成長させることに比べて、コスト、品質、収率、又は生産性の点で利益が得られる。
【０１１８】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、融液からのチョクラルスキー型結晶成長用のるつぼを備える炉のために、炉の流れ入口にあるガス流用の少なくとも１つの入口流路と、炉のガス出口にある少なくとも１つの出口流路と、結晶の成長中は、第１の部分流が誘導表面に沿って、ホットゾーンを出る前に融液領域に入るが、第２の部分流は、ホットゾーンを出る前にるつぼ内の前記融液の上の空間を回避するように構成されるように、前記少なくとも１つの入口流を前記第１の部分流と前記第２の部分流とに分割するように構成された、この２つの流路の間のホットゾーン内の流れ誘導構成とを備える。
【０１１９】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は誘導表面を含む。この誘導表面は、種晶の支持体、種晶、結晶、結晶部分、第１ディスク部材、第２ディスク部材、追加のパージ管、管状及び／又は円錐状部材のうちの少なくとも１つに属する表面を部分的に含む。本発明の一実施形態に係る流れ構成は前記第１の部分流を含む。この第１の部分流は、融液が生じる装填物に面している空間に入る流れを誘導する手段を含むが、前記第２の部分流は装填物に面する前記空間を回避するように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、融液から蒸発した種が他の炉部分に移動するのを阻止するように構成された前記少なくとも１つの流れ構成を含む。
【０１２０】
本発明の一実施形態によれば、前記第１及び第２の部分流はホットゾーン及び／又は炉を出る前に合流するように構成されるが、別の実施形態によれば、ホットゾーン及び／又は炉を相互に別個に出るように構成されている。本発明の一実施形態によれば、上記流れ構成は、Ｓｉ、Ｐ、Ｓｂ、Ａｓ、Ｇｅ、Ｓｉの酸化物、Ｐの酸化物、Ｓｂの酸化物、Ａｓの酸化物、及びＧｅの酸化物のうち少なくとも１つを含むような蒸発性の材料を用いて作動可能であるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、前記入口流路で不活性ガス、アルゴン、ヘリウム、窒素、水素の少なくとも１つを含むようなガスを用いて動作可能であるように構成されている。
【０１２１】
本発明の一実施形態によれば、管状及び／又は円錐状部材は、円筒状及び／又はディスク様部分とは異なる部分を含むことができる。本発明の一実施形態によれば、この形態は、冷却中の結晶から熱を反射することができる、成長した結晶に向いた部分を含む。
【０１２２】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、成長すべき結晶の軸線周囲に同軸的又は実質的に同軸的に設置可能な管状及び／又は円錐状部材を含む。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、前記管状及び／又は円錐状部材に、誘導表面の第２の部分における前記第１の部分流の第２の部分との熱相互作用から、誘導表面の第１の部分における前記第１の部分流の発生部分を絶縁するよう構成された断熱部を含み、前記第１の部分流の発生部分は融液表面に入り、前記第１の部分流の第２の部分は融液表面を出て行く。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、成長した結晶の冷たい部分と、るつぼ内の前記融液より上の空間のホットゾーン領域からの少なくとも一部とを互いから絶縁するように構成された、前記断熱部を含む。
【０１２３】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、管状及び／又は円錐状部材が融液からの熱輻射を反射するように構成された第１反射表面及び／又は結晶からの熱輻射を反射するように構成された第２反射表面を有するように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、第１反射表面が前記第２反射表面から断熱されるように構成されている。本発明の一実施形態によれば、少なくとも１つの反射表面は流れ誘導部分として働くように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、管状及び／又は円錐状部材が前記第１の部分流の第２の部分の温度をほぼ融液表面温度に保つように構成されている。
【０１２４】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、管状及び／又は円錐状部材に、融液領域近傍の空隙によって互いに分離された第１及び第２の表面を含む。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、管状及び／又は円錐状部材が融液領域近傍の空隙によって互いに分離された第１及び第２の表面を含むように構成されている。本発明の一実施形態によれば、この空隙は、管状及び／又は円錐状部材の表面を前記第１及び第２の反射表面に分割する反射表面の空隙である。本発明の一実施形態によれば、空隙上の支持が必要な場合、前記空隙上の分離は、接触面積に亘る熱伝導をできるだけ回避するように接触面積が最小の支持橋によって部分的に正確に実施される。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、成長すべき結晶用の開口部を備えるような管状及び／又は円錐状部材を含み、このような管状及び／又は円錐状部材は、第１ディスク部材及び第２ディスク部材のような少なくとも１つの部分を更に含み、前記部分はガス流経路を融液領域の方に向けて画定するように構成されている。
【０１２５】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、そのような流れ誘導部を流れ構成に含み、少なくとも１つの管状遮蔽部材が、前記第１の部分流及び／又は融液に生じる蒸気から、加熱要素、前記るつぼ、るつぼ壁部分、サセプタ、結晶、管状及び／又は円錐状部材のうちの少なくとも１つを保護するための流路壁を少なくとも部分的に形成するように構成されるように、結晶軸線又はその延長部周囲の少なくとも一部に設置可能な壁として、少なくとも１つ管状遮蔽部材を更に含む。
【０１２６】
本発明の一実施形態に係るは流れ構成は、第１の部分流及び／又は第２の部分流のために、前記第１の部分流及び前記第２の部分流を合流させるための、炉のガス出口の出口流路内へ延在する領域を含む。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、ガス出口が、前記第１流の蒸気に発生するような材料を収集するように構成された収集システム内に入るよう構成されるようになされている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、流れ構成の収集システムが廃棄物管理システム又はその一部であるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、流れ構成の収集システムが、収集した材料を保管するように構成された精製システム又はその一部であるように構成されている。
【０１２７】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、酸素又は空気を出口又は排気ラインに供給して融液から発生する排気ガス及び／又は埃の成分を不動態化するように構成された、炉のガス出口まで延在する追加の流路を含む。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、材料がＳｂ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｂの酸化物、Ａｓの酸化物、Ｐの酸化物、Ｓｉの酸化物、Ｇｅの酸化物のうちの少なくとも１つを含んだ不動態化すべき蒸気及び／又は埃に耐えるように構成されている。
【０１２８】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、流れ誘導構成が溶融温度の融液から結晶温度の結晶に所定の熱流束を設定するよう構成されるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、流れ誘導構成が流れ誘導構成の絶縁部の少なくとも一部を介して熱流束を最小化するよう構成されるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、流れ誘導構成が、流れを誘導して、前記第１の部分流の第２の部分の蒸気の相転移を出口の前で阻止するよう構成されるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、合流領域場所が前記合流領域場所の調節のために操作可能な少なくとも１つの弁を含む弁セットによって調整可能であるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、合流領域場所が結晶成長の段階に従って調節可能であるように構成されている。
【０１２９】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、合流領域が、結晶成長の第１の段階において第１領域に設定されるように、かつ結晶成長の第２段階において第２領域に設定されるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、結晶成長の第１段階と第２の段階との間で、前記第１領域及び前記第２領域が共に合流領域として少なくとも部分的に作動可能であるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、第１及び第２領域が、第１の部分流及び／又は第２の部分流の流れの入ってくる部分のために同時に、合流領域として使用されるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、合流領域が結晶成長装置の成長チャンバ外部の領域への特別な流路を介して調節可能に構成されるように構成されている。
【０１３０】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、合流領域が前記領域に入る流れによって運ばれる、融液に発生する蒸気から形成された材料を凝結しかつ／又は受け取るように構成された部分を含むように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、上記流れ構成が、前記第１の部分流に発生する第３の流れ（少なくとも１つの流れを含む複数の追加の流れの１つである）を合流領域に誘導する手段を含むように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、前記第１の部分流および前記第２の部分流の合計及び／又は比が結晶引き上げ及び／又は結晶引き上げのあるプロセスステップ中に一定に保たれるよう設定するように構成されている。
【０１３１】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、結晶体の成長中に結晶体の末端の方に低減するように、第１の部分流と前記第２の部分流との流速比を設定する手段を含む。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、上記流速比がるつぼ内の第１の量の材料に関する第１の値と、るつぼ内の第２の量の材料に関する第２の値とを有するように構成されており、前記材料は装填物及び／又は融液を含む。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、るつぼ内の材料が第１の量から第２の量に刺激として変化するようになされるときに、流速比の前記第１の値が前記刺激に応答して第２の値に変化するように構成されるように構成されている。
【０１３２】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、るつぼ、サセプタ、遮蔽部材、合流領域、装填物、成長の段階に従ってある高さを有する融液表面、引き上げられた結晶の結晶表面部分、及び結晶成長又は結晶成長のある段階中に炉内の特定の流れの幾何学形状を画定するように構成された管状及び／又は円錐状部材のうちの少なくとも１つを含む。本発明の一実施形態に係る流れ構成では、前記特定の流れは、第１の部分流、第２の部分流、合流した流れ、これらのいずれかの一部のうちの少なくとも１つである。
【０１３３】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、流れ構成が、引き上げ段階に従って第１の部分流及び／又は第２の部分流のガス成分組成を所定の組成の成分に調節するように作動可能な流れ制御手段を含むように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成では、上記ガス流の少なくとも１つが少なくとも第１の部分と第２の部分との間の流路に誘導され、前記第１及び／又は第２の部分は円筒状、実質的に円筒状、厳密に円筒状、円錐状、実質的に円錐状、平坦及び／又はほぼ平坦な幾何学形状を有する。本発明の一実施形態に係る流れ構成では、前記少なくとも２つの部分が、流れの幾何学形状を設定するために、以下の組み合わせの物体：るつぼ、サセプタ、第１遮蔽部材、第２遮蔽部材、第１ディスク、第２ディスク、管状及び／又は円錐状部材、融液表面、装填物の表面、結晶の表面、前記物体の下位構造部分から選択可能である。
【０１３４】
本発明の一実施形態に係る流れ構成は、上記物体の少なくとも２つが、結晶表面及び遮蔽部材又は管状及び／又は円錐状部材によって画定された結晶周囲の流路として画定される第１ルートを画定するように構成されており、融液表面領域へ開放されているこの流路は、融液表面及び第１ディスク又は管状及び／又は円錐状部材の外部部分によって画定される。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、第２の経路が、融液表面及びるつぼ内の融液表面より上の開放空間を避けて第２の部分流用の第２の経路を形成するために、第２ディスクを貫通する１つ又は幾つかのオリフィスを通る流路として画定されるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、上記流れが、結晶体の成長中のプロセスステップに亘って平均化した場合に５０ｓｌｐｍ未満の平均ガス質量流量を有する結晶成長装置への入口流であるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、前記平均値が３５ｓｌｐｍ未満になるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、前記平均値が１５ｓｌｐｍ未満になるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成システムは、上記システムが第１の特徴的大きさを有する第１の結晶のための第１の流れ構成用の第１のセットと、第２の特徴的大きさを有する第２の結晶のための第２の流れ構成用の第２のセットとを含むように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、上記システムが上記特徴的大きさを有するように成長すべき結晶を成長させる流れ構成を形成するための設置可能な部分のサブセットを含むように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、上記第１の特徴的大きさが第１の範囲にあるように、第２の特徴的大きさが結晶の大きさの第２の範囲にあるように構成されている。本発明の一実施形態によれば、大きさは、適した部分の更なるある大きさのために組み合わせ可能である。本発明の一実施形態に係る流れ構成システムは、前記セットが第１ディスク、第２ディスク、管状及び／又は円錐状部材、管状及び／又は円錐状部材内の断熱部を含むように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成は、第１ディスク、第２ディスク、管状及び／又は円錐状部材の開口が結晶の直径の約１．０乃至２．５倍の範囲になるように、本発明の別の実施形態によれば、約１．０２乃至１．７倍の範囲になるように、更なる実施形態によれば、約１．２乃至１．４倍の範囲になるように構成されている。
【０１３５】
本発明の一実施形態に係る流れ構成システムは、ある流れ構成用の流れの幾何学形状を設定するためのセットを形成するための、るつぼ、サセプタ、第１遮蔽部材、第２遮蔽部材、第１ディスク、第２ディスク、管状及び／又は円錐状部材、融液表面、装填物の表面、結晶の表面、前記物体の下位構造部分のうちの少なくとも１つの物体が、黒鉛、金属、複合材料、耐熱材料、熱分解黒鉛、ダイヤモンドフィルム、カーバイド、窒化物及び／又は希土類族の金属の化合物のうちの少なくとも１つを含むコーティングによって作製されるか、それによって少なくとも被覆されるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成システムは、前記部分の少なくとも１つがＣＶＤコーティング法、イオンコーティング法、プラズマコーティング法及び／又は放電コーティングによってもたらされたコーティングによって少なくとも部分的に被覆されるように構成されている。本発明の一実施形態に係る流れ構成システムは、前記部分の少なくとも１つが、Ｓｉ、Ｃ、Ｎ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｏ、Ｍｏの少なくとも１つを含むコーティングによって作製されるか又は少なくとも部分的に被覆されるように構成されている。
【０１３６】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、チョクラルスキー型結晶成長用の炉のために、
装填物及び／又は融液を保持するるつぼと、
るつぼ内の材料を溶融するため及び／又は結晶の成長中に材料を融解状態に維持するための少なくとも１つのヒータと、
溶融及び／又は結晶成長中に熱損及び／又は加熱用の電力消費量を低減するために、少なくともるつぼ及びヒータを囲繞する実質的に連続する断熱部とを備える。
【０１３７】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、前記絶縁部を貫通する熱的に重要な貫通接続部として、結晶用の貫通接続部、ヒータのヒータ電極用の貫通接続部、るつぼ軸用の貫通接続部、融液表面の上にある結晶用の貫通接続部、及びパージガス用の貫通接続部を少なくとも含む。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、ホットゾーンが結晶用の貫通接続部を含むように構成されている。この貫通接続部の開口部の最大内径を画定する部分の内径及び／又は管状及び／又は円錐状部材の断熱部の内径は、結晶体の直径の１．５倍未満である。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、ホットゾーンが結晶用の貫通接続部を含むように構成されている。この貫通接続部の開口部の最大内径を画定する部分の内径及び／又は管状及び／又は円錐状部材の断熱部の内径は、結晶体の直径の１．４倍未満である。
【０１３８】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、ホットゾーンがホットゾーン領域に排気ガスを導くかつ／又はホットゾーン領域の外に排気ガスを導くように構成された排気ライン構成用の断熱部を貫通する貫通接続部を含むように構成されている。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、絶縁部が貫通領域の排気ラインの有効径の１．５倍の厚さを少なくとも局所的に有するように構成されている。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、ホットゾーンが、上記排気管又は１以上の排気管の有効内径が最も狭い地点で６０ｍｍ未満である排気ラインを有するように構成されている。
【０１３９】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、ホットゾーンがホットゾーンの表面積当たりの加熱電力消費量を、結晶体の９０％以上に亘り、２０ｋＷ／ｍ２未満の値に設定することのできる断熱部を含むように構成されている。本発明の別の実施形態によれば、この値は１５ｋＷ／ｍ２未満であることが有利であるが、本発明の更に別の実施形態によれば、１０ｋＷ／ｍ２未満であることが更にずっと有利である。
【０１４０】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、本発明の一実施形態に係る流れ構成を含む。
【０１４１】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、磁場によって少なくとも部分的に貫通される材料を含むので、溶融及び／又は結晶成長の少なくとも一部の間に融液領域に磁場を発生するように構成された磁石の使用が促進される。
【０１４２】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、るつぼ又はサセプタの外面を融液と接触する可能性のある蒸気から保護するように構成された遮蔽部材を含む。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、るつぼ、サセプタ、ホットゾーン部分、填物に関連する結晶成長装置部分、融液及び／又は結晶の温度を調節するように構成された熱的構成を含む。
【０１４３】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、熱的構成及び／又はその一部が、融液に発生する蒸気から保護するように構成された遮蔽部を含むように構成されている。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、熱的構成が融液温度に関して、しかし別の実施形態ではホットゾーンのある部分に関して、結晶温度、半径方向及び／又は軸線方向の結晶温度プロファイルを調節すべく動作可能に構成されるように構成されている。本発明の一実施形態によれば、上記熱的構成はヒータを含む。本発明の別の実施形態によれば、上記熱的構成はクーラを含む。本発明の一実施形態によれば、上記熱的構成はヒータ及び／又はクーラ用の電源を含む。本発明の一実施形態によれば、上記熱的構成は、熱的構成の電気、及び／又はヒータ及び／又はクーラの質量流量を制御する手段を含む。
【０１４４】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、上記炉が、融液成分が発生する蒸気及び／又は粒子を防止するために、熱的構成の部材の表面、その遮蔽部及び／又は絶縁部を貫通する開口部にシースガス流を流すための手段を含むように構成されている。
【０１４５】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、るつぼを少なくとも部分的に囲繞するように位置決めされた、装填物及び／又は融液を加熱するように構成された少なくとも１つのヒータを含む。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、装填物及び／又は融液を加熱するように構成された少なくとも１つの底部ヒータを含む。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、装填物及び／又は融液を加熱するように構成された、ほぼ、るつぼ装填物及び／又は融液表面の高さにある少なくとも１つの表面ヒータを含む。
【０１４６】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、少なくとも部分的に互いの磁場を補償しながら、装填物及び／又は融液を加熱するように構成された少なくとも２つの加熱要素を有する少なくとも１つヒータを備えるように構成されている。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、装填物、融液、サセプタ、るつぼ、及び他のホットゾーン部分の少なくとも１つを加熱するように構成されたインダクション型ヒータを含む。
【０１４７】
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、成長した結晶を加熱するように構成されたヒータを含む。本発明の一実施形態によれば、そのようなヒータは結晶及び／又はホットゾーンの温度を調節するように構成された熱的構成の一部である。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、結晶又はその一部を冷却するように構成された冷却部材を含む。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造では、前記冷却部材は冷却媒体を循環させるように構成された冷却用円筒部を含む。本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造は、磁場を融液に発生する手段をホットゾーン構造に備える。
【０１４８】
本発明の一実施形態の炉は、チョクラルスキー型結晶成長のために、
装填物及び／又は融液を保持するるつぼと、
るつぼをある温度まで加熱して、るつぼ内の材料を溶融するためのヒータ及び制御手段を含む、熱的構成と、
融液るつぼから結晶を引き上げるように構成された引き上げ機構と、
少なくとも１つの前記るつぼと前記ヒータとを、成長すべき結晶を成長させるための雰囲気内に密閉するように構成された成長チャンバと、
本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造とを備える。
【０１４９】
本発明の一実施形態の炉は、成長チャンバへの及び／又は成長チャンバからのガスのための１以上のガス入口及び／又は出口を更に含むことができる。本発明の一実施形態の炉は、炉を出るガスを成長チャンバの底部を通して誘導する誘導手段を含むガスのための経路を含む。本発明の一実施形態の炉は、結晶を成長させるために炉を動作可能に対処及び／又は維持するように構成された少なくとも１つの流れを、遮断状態から完全に開放された状態までの流れ状態に前記流れを制御するように構成されて弁及び／又はその中に複数のオリフィス又は少なくとも１つのオリフィスを含むオリフィス板を含んだ経路に通らせる手段を含む。本発明の一実施形態によれば、前記流れは、融液表面領域に向けられた流れ及び／又は融液表面領域を回避するように向けられた流れとすることができる。本発明の一実施形態の炉は、排気ガスの少なくとも１つの成分を収集する手段を含むことができる。
【０１５０】
本発明の一実施形態の炉は、排気流路に繋がる流路に酸素又は空気を供給して、融液から生じるガス及び／又は埃の成分を不動態化するように構成された流路を含む。本発明の一実施形態の炉は、不動態化すべき蒸気及び／又は埃が、Ｓｂ、Ａｓ、Ｐ、Ｓｉ、Ｓｂの酸化物、Ａｓの酸化物、Ｐの酸化物、Ｓｉの酸化物の１つ又は幾つかを含むように構成されている。本発明の一実施形態の炉は、前記流れの制御が、少なくとも１以上のオリフィスの有効面積を調節するように構成された流れコントローラによって実施されるように構成されている。
【０１５１】
本発明の一実施形態の炉は、るつぼと結晶との間及び／又は前記るつぼとガス出口流路との間に断熱材料を含む。
【０１５２】
本発明の一実施形態に係る炉では、前記断熱材料は、結晶の特徴的大きさの範囲の特徴的大きさに成長すべく結晶を成長させるように動作可能であるように構成されたセットの一員である。上記るつぼ直径は特定の値に限定されるものではないが、本発明の一実施形態によれば、るつぼ直径は約１６インチ乃至１３２インチの領域にある。
【０１５３】
本発明の一実施形態に係る炉は、壁ヒータ、底部ヒータ、融液表面にある表面ヒータ、輻射ヒータ、インダクション型ヒータ、渦電流をベースにしたヒータ、外部加熱要素、及び内部の追加の取外し可能な加熱要素のうちの少なくとも１つのヒータを少なくとも備え、前記ヒータは、結晶引き上げ中に単独で又は別のヒータと組み合わせて動作可能であるように構成されている。本発明の一実施形態に係る炉は、成長した結晶の冷却を強化するように構成されたクーラを含む。
【０１５４】
本発明の一実施形態に係る炉は、ヒータが、初期装填物重量当たりの電力消費量及び／又はネック中の初期融液重量当たりの電力消費量が結晶体の９０％以上の間で０．７Ｗ／ｇ未満で、装填物を溶融するように及び／又は装填物を融液として溶融状態に維持するように構成されるようになされている。本発明の一実施形態に係る炉は、総電力消費量が結晶体の９０％以上の間で５５ｋＷ未満であるヒータを含む。本発明の一実施形態に係る炉は、ホットゾーンの内部から引き上げ装置の水冷された表面までのエネルギー損が結晶体の９０％以上の間でホットゾーンの表面積ｍ２当たり２０ｋＷ未満である絶縁部を含む。本発明の一実施形態に係る炉は、結晶体の９０％以上の間で、エネルギー損が１５ｋＷ／ｍ２未満、有利には１２ｋＷ／ｍ２未満、更に有利には１０ｋＷ／ｍ２未満である絶縁部を含む。本発明の一実施形態に係る炉は、結晶体の９０％以上の間で、電力消費量が１５ｋＷ／ｍ２未満、有利には１２ｋＷ／ｍ２、更に有利には１０ｋＷ／ｍ２未満である絶縁部を含む。
【０１５５】
本発明の一実施形態に係る炉は、貫通接続開口部又は穴をホットゾーンの前記絶縁部に含めるように画定された、エネルギー損を有する絶縁部を含む。
【０１５６】
本発明の一実施形態に係る炉は、融液に磁場を生成するように構成された磁石を含む。本発明の一実施形態に係る炉では、前記磁石は５０ｍＴ未満の磁場を融液領域に生成するように構成されている。本発明の一実施形態によれば、前記磁石は結晶と融液との境界に２０ｍＴ未満の磁場を生成するように構成されている。本発明の一実施形態に係る炉では、前記磁石は、融液内に流れを提供して、磁石を用いない融液流に起因する温度変化と比較して、融液領域内及び／又は結晶／融液境界近傍の融液領域内により小さい温度変化を実現するように構成されている。
【０１５７】
本発明の一実施形態に係る炉は、黒鉛フェルトを有する絶縁部を含む。実施形態の一変形例によれば、黒鉛フェルトはホットゾーンにおいて主断熱材料として用いられる。本発明の一実施形態に係る炉は、高度に多孔性の材料を含む。本発明の一実施形態の変形例によれば、それはホットゾーンに主断熱材料を含む。
【０１５８】
本発明の一実施形態に係る炉は、ある圧力まで成長チャンバを真空排気する真空手段を含む。この手段は、ポンプ又はポンプ群ならびにポンプ群のポンプの真空及び／又は吸引を制御するように構成された流れコントローラによって実施可能である。本発明の一実施形態に係る炉は、成長チャンバ内の雰囲気組成を整えるように構成された雰囲気手段を含む。このような手段は、圧力のかかったガスと、炉の成長用チャンバ内に、ホットゾーンに及び／又は流れ構成の第１及び／又は第２の部分流内に放出されるガス量を制御するためのコントローラとを備えるガス源によって実現可能である。
【０１５９】
本発明の一実施形態に係る炉は、約１６インチ乃至１３２インチの範囲にある直径を有するるつぼを含む。このようなるつぼは石英またはシリカ製とすることができるが、コーティングによって被覆可能である。本発明の一実施形態に係る炉は、それ自身の特徴的寸法を有する平行な結晶を引き上げるのに利用可能であるように構成されている。本発明の一実施形態に係る炉は、少なくとも１つのるつぼを含むるつぼ群のるつぼにドーパント、装填物及び／又は融液を送り込むように構成された送り込み手段を含む。
【０１６０】
本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、チョクラルスキー型結晶成長のために、
成長チャンバと、
成長チャンバ内の、本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造のホットゾーン部分を取り付けるように構成された取付手段とを少なくとも備える。
【０１６１】
本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、取付手段が、前記ホットゾーン構造のホットゾーン部分の所定の組み合わせから成る前記ホットゾーン部分の少なくとも１つが上昇可能に構成されるようになされるように構成されている。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、成長チャンバの上部部分を開放及び密閉する機構を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置では、前記機構は前記上部部分の上昇及び／又は枢動のための構成を更に含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、前記ホットゾーン部分を上昇可能にして成長チャンバを密閉させるように構成する手段を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、前記少なくとも１つのホットゾーン部分を上昇可能にするように及び／又は成長チャンバの上部部分に対して枢動可能にするように構成する手段を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置では、上記機構は組立てられたホットゾーン構造及び／又はそれらの所定の組み合わせへのアクセスを提供するように構成されている。本発明の一実施形態によれば、前記組み合わせは、管状及び／又は円錐状部材，絶縁体、るつぼ、サセプタ、及び／又はヒータを含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、前記アクセスが、ホットゾーン部分の清掃、るつぼからの材料の取り出し、サセプタからの材料の取り出し、ホットゾーン部分の交換、るつぼの装填、ホットゾーン部分を成長すべき結晶のある特徴的寸法へ適合させることのうちの少なくとも１つのための特別なアクセスを含むように構成されている。
【０１６２】
本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、装填物、融液、るつぼ、及び引き上げるべき結晶から選択可能な少なくとも１つの第１の回転可能な物体を、前記少なくとも１つの第１の回転可能な物体とは異なる第２の回転可能な物体に対して、回転運動させるように構成された回転手段を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、最上部部分と底部部分とを含む成長チャンバを備える。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、中間部分を含む成長チャンバを更に備えることができる。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、成長チャンバが密閉されるときに底部部分領域の方に延びるように前記ホットゾーンを設けるための構成を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、前記少なくとも１つのホットゾーン部分と成長チャンバの前記最上部部分との間に機械的接続部を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、上記接続部が通常の動作から解放可能であるように構成されている。
【０１６３】
本発明の一実施形態に係る結晶成長装置は、第１又は第１の範囲の結晶の特徴的な大きさに適合されたホットゾーン部分の第１のセットと、第２又は第２の範囲の結晶の特徴的な大きさに適合されたホットゾーン部分の第２のセットを設けるための構成を備え、前記セットは第１の結晶成長プロセスと第２の結晶成長プロセスとの間で交換可能であるように構成されている。本発明の一実施形態に係る結晶成長装置では、前記特徴的大きさは結晶の直径、結晶の方位、ドーパント、結晶の抵抗率のうちの少なくとも１つである。
【０１６４】
本発明の一実施形態に係る炉は、本発明の一実施形態に係る結晶成長装置と本発明の一実施形態に係るホットゾーン構造とを含む。
【０１６５】
本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、装置を準備するステップ、結晶を引き上げるステップ、及び引き上げ後の操作を行うステップを含み、上記方法は、準備段階では、ホットゾーン部分及び／又は絶縁部分のセットを選択して、そのセットに従う結晶のある特徴的大きさの範囲内である種の結晶を成長させるための結晶成長装置に適合させるステップを含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、装填すべき装填物を選択して結晶を引き上げる融液を提供する段階を含む。
【０１６６】
本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、種晶等を選択して、その結晶構造とともに引き上げるべき結晶を提供する段階を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、ホットゾーン内の雰囲気及び／又はガス流を調節するステップを含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、引き上げられた結晶を冷却するステップを含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、融液を磁場に曝露するステップを含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、成長チャンバを開放して結晶を取り出すステップを含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、結晶を成長させた後及び／又は結晶を取り出した後で成長チャンバを清掃するステップを含む。
【０１６７】
本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、
雰囲気用のガス流を成長チャンバに送り込むステップと、
成長チャンバに送り込まれたガス流を第１の部分流と第２の部分流とに分割するステップと、
前記第１の部分流の発生部分を融液表面の方に誘導して、誘導表面によって前記第１の部分流の第２の部分を形成するステップと、
前記第１の部分流の前記発生部分及び第２の部分を相互に絶縁して、第１の部分流の第２の部分を融液温度又は融液温度近くに維持するステップと、
少なくとも前記第１の部分流を誘導してホットゾーンから出て行かせるステップと、
るつぼ及び／又は結晶引き上げ領域の融液を回避するために、出口へのシースガス流として第２の部分流を誘導するステップとを含む。
【０１６８】
本発明の一実施形態によれば、上記方法は、結晶のネックを融液から少なくとも部分的に熱的に絶縁する段階を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、引き上げるべき結晶、るつぼ、サセプタ、および別のものに関する融液のうちの少なくとも１つの物体を回転させるステップを引き上げ段階において含む。
【０１６９】
本発明の一実施形態によれば、上記方法は、少なくとも、前記物体の第１のものの回転方向、角速度及び／又は角運動量が前記物体の別のものとは異なるように回転させるステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は、上記回転ステップが融液の少なくとも一部の回転を磁場によって加速、維持及び／又は減速させるステップを含むように、回転させるステップを含む。
【０１７０】
本発明の一実施形態によれば、上記方法は、磁場が融液のある領域において垂直成分を含む流れの中で融液を移動させる力を構成するように、回転させるステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は、場所の関数として強度分布を有する磁場に融液を曝露するステップを含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法では、融液を磁場に曝露する上記ステップは、磁場が融液と引き上げるべき結晶との間の境界領域において第１の範囲の値の第１の値を有し、第２の範囲の値の第２の値を融液のその他の場所で有するように行われる。
【０１７１】
本発明の一実施形態によれば、上記方法はるつぼ回転軸線又はその延長部に対して部分的に対称的である磁場を利用するステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は直流又は実質的に直流による磁場を利用するステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は２０ｍＴ未満である第１の値を有する磁場を利用するステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は５０ｍＴ未満である第２の値を有する磁場を利用するステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は、そのような磁場を利用して、磁場強度を、結晶成分濃度の半径方向の不均一性を何ら生じないか又はその大きな増大を生じない値に制限及び／又は調節することに寄与するようにするステップを含む。
【０１７２】
本発明の一実施形態によれば、上記方法は、るつぼ回転軸線に対して実質的に対称的である、時間間隔に亘って局所平均を有する磁場を利用するステップを含む。
【０１７３】
本発明の一実施形態によれば、上記方法は、融液の少なくとも流れ成分を制御する上記方法において調節可能な磁場を利用するステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は、融液及び／又は融液のある部分の組成成分濃度を制御するのに使用することのできる磁場を利用するステップを含む。本発明の一実施形態によれば、上記方法は、結晶又はこの結晶の一部の成分濃度を制御するために使用することのできる磁場を利用するステップを含む。本発明の一実施形態によれば、前記成分は酸素であるか、又は酸素を含む。
【０１７４】
本発明の一実施形態によれば、上記磁場の回転又はその磁場成分の回転は、融液周囲の電磁石の磁場強度を変えることによって実施可能である、本発明の一実施形態によれば、上記磁場の回転又は磁場成分の回転は、少なくとも１つの永久磁石を融液周囲の方向に機械的に回転させることによって実現される。本発明の一実施形態によれば、上記磁場の回転またはその磁場成分の回転は、少なくとも２つの永久磁石の各々を、融液周囲のそれ自身の方向に機械的に回転させることによって実現される。
【０１７５】
本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、引き上げ中に、Ａｒを含んだガスを送り込むステップを含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、結晶体に亘り前記ガスの平均質量流量がＡＳＴＭ  Ｆ  １２１−８３単位に従って約１４乃至１６ｐｐｍａの平均酸素濃度を有する結晶について、５０ｓｌｐｍ未満、より好ましくは３０ｓｌｐｍ未満になるようにガスを送り込むステップを含む。本発明の一実施形態によれば、そういった別の既知の成分をガス中に使用することが可能である。
【０１７６】
本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、シリコン結晶のための方法を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、ゲルマニウム結晶用の方法を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、炭素族からのある元素を含む結晶のための方法を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、ＩＩＩ族からのドーパントを含む結晶のための方法を含む。本発明の一実施形態に係る結晶成長法は、Ｖ族からのドーパントを含む結晶のための方法を含む。
【０１７７】
本発明の一実施形態に係る結晶は、本発明の一実施形態に従って製造された結晶である。
【０１７８】
本発明の一実施形態に係る結晶は半導体結晶を含む。本発明の一実施形態に係る結晶は、単結晶である結晶を含む。本発明の一実施形態に係る結晶はシリコン、ゲルマニウム及び／又はそれらの混合物を含む。本発明の一実施形態に係る結晶は、ＩＩＩ族、ＩＶ族、又はＶ族元素のうちの少なくとも１つの元素をドーパントとして含む。
【０１７９】
本発明の一実施形態によれば、上記結晶は正確に又は実質的にサファイアの結晶構造を含む。本発明の別の実施形態によれば、上記結晶は亜鉛鉱型の構造を有する。本発明の別の実施形態によれば、上記結晶はウルツ鉱型の結晶構造を含むことができる。本発明の一実施形態によれば、上記結晶はダイヤモンドの結晶構造を含むことができる。本発明の一実施形態によれば、上記結晶は岩塩の結晶構造を含むことができる。
【０１８０】
本発明の一実施形態に係る結晶は、ホウ素、リン、アンチモン、ヒ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、又は任意の比のこれらの少なくとも２つの組み合わせのうち少なくとも１つを含む。本発明の一実施形態に係る結晶は、直径１５０乃至１１００ｍｍを有する、本発明の一実施形態に係る結晶組成及び／又は構造体を含む。本発明の一実施形態に係る結晶は、直径１５０乃至５００ｍｍを有するシリコン結晶体を含む。本発明の一実施形態に係る結晶は、直径１５０乃至２２０ｍｍを有するシリコン結晶体を含む。
【０１８１】
本発明の一実施形態によれば、上記結晶は目標値及び許容差によって、或いは受容可能な上限及び／又は下限によって定められた、受容可能なレベル又は受容可能な範囲内の結晶及び／又は融液中の酸素濃度を含む。本発明の一実施形態によれば、上記結晶のための酸素目標値は、ＡＳＴＭ  Ｆ  １２１−８３単位に従って、０．５乃至２５ｐｐｍａの範囲であり、３乃至１７ｐｐｍａの範囲が好ましい。本発明の一実施形態によれば、上記結晶の酸素濃度の許容差は、ＡＳＴＭ  Ｆ  １２１−８３単位に従って±１ｐｐｍａより優れている。
【０１８２】
本発明の一実施形態によれば、上記結晶の濃度は成長された結晶のある部分において画定された平均である。本発明の一実施形態に係る結晶は、結晶体の末端及び／又は最初の装填物の約９０％が引き上げられた結晶体の位置において実質的に０．５ｐｐｍａ未満の炭素濃度を有する。本発明の一実施形態に係る結晶は、０．２ｐｐｍａ未満、有利には０．１ｐｐｍａ未満、更に有利には０．０３ｐｐｍａ未満の炭素濃度を有する。
【０１８３】
本発明の一実施形態によれば、本発明の一実施形態に係る炉は、少なくとも１つのドーパントを融液及び／又は装填物に提供するように構成されたドーパント手段を含む。上記ドーパントは幾つかの様式で装填物に加えることができ、かつ／又は固相及び／又は気相において、特別な種類のドーパント手段によって諸部分又は諸部位に加えることができる。本発明の一実施形態によれば、上記ドーパント手段は、少なくとも１つのドーパントを、融液が溶融相のときには気相で融液に加え、溶融前及び／又は溶融中には装填物の上に加える手段を含む。
【０１８４】
当業者であれば、本明細書を読んで理解すれば、前記第１の流れ及び前記第２の流れは炉内に流入する及び／又は炉から出る流れの数を制限しないことを理解するはずである。したがって、前記第１の流れ及び前記第２の流れは、経路の少なくとも２つの異なる組み合わせを経由する炉内の少なくとも２つの流れの経路（少なくとも１つの経路の組み合わせは、融液表面の方に誘導され、少なくとも別の経路の組み合わせは融液を回避する）を説明のために具体化するために示されている。少なくとも１つの流れを、炉及び／又はその一部のためのシースガス流として用いることができ、融液及び結晶はガス、融液、その成分及び／又は成長操業中に炉内の物質からの化学反応により形成される成分から発生する汚染から保護されている。
【０１８５】
本発明の幾つかの実施形態が示され、説明されてきたが、特許請求の範囲に定めた本発明の精神及び範囲から逸脱せずに、多くの変更及び改良が行われてよいことを理解されたい。
【符号の説明】
【０１８６】
１  真空チャンバ
１ａ  上部部分
１ｂ  中間部分
１ｃ  底部部分
３  種晶
３ｂ  ネック
４  結晶
５  融液
６  るつぼ
７  管
８  シリコン装填物
１０  サセプタ
１１  主ヒータ
１２  底部ヒータ
１３ａ  るつぼ軸
１３ｂ  外側絶縁部
１３ｃ  内側絶縁部
２０  遮蔽部
２１  絶縁部
２３  開口部
３０  外側遮蔽部
３０ｂ  外側遮蔽部
３１  絶縁部
３１ｂ  絶縁部
３２  内側遮蔽部
３２ｂ  内側遮蔽部
３３  キャップ
３３ａ  ディスク
３３ｂ  絶縁部
３４  流路
４０  底部部分
４１  絶縁部
４２  管
６３  対流
７２  上昇機構
８０  耐熱材料（金属材料）
８１  引き上げ機構
ＩＩ  流れ
ＩＩａ  流れ（パージガス流）
ＩＩｂ  流れ（側流）
ＩＩＩ  流れ
ＩＩＩｂ  流れ（追加のガス流）
【図１】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0005707040.tif 000007
【図６】
0005707040.tif 000008
【図７】
0005707040.tif 000009
【図８】
0005707040.tif 000010
【図９】
0005707040.tif 000011