(57)【要約】【課題】結晶成長の初期段階においても、種結晶固定部材から効率的に放熱が行われ、単結晶の多結晶化を抑止することができる半導体結晶製造装置を提供すること。【解決手段】半導体結晶３３を成長させるための種結晶３６と、この種結晶３６を固定する種結晶固定アダプタ３７と、この種結晶固定アダプタ３７と連結され種結晶３６を引き上げるための引上軸３５と、を有する半導体結晶製造装置１３であって、種結晶固定アダプタ３７に熱交換用治具３８を取り付けたことを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体結晶を成長させるための種結晶と、
この種結晶を固定する種結晶固定部材と、
この種結晶固定部材と連結され前記種結晶を引き上げるための引上軸と、
を有する半導体結晶製造装置であって、
前記種結晶固定部材に放熱部材を取り付けたことを特徴とする半導体結晶製造装置。
【請求項２】
半導体結晶を成長させるための種結晶と、
この種結晶を固定する種結晶固定部材と、
この種結晶固定部材と連結され前記種結晶を引き上げるための引上軸と、
を有する半導体結晶製造装置であって、
前記種結晶固定部材に放熱部を形成したことを特徴とする半導体結晶製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体結晶製造装置に係り、特に液体封止チョクラルスキー法により半導体結晶を成長させるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の半導体結晶製造装置には、液体封止チョクラルスキー法（Ｌｉｑｕｉｄ  Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ  Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ  ｐｒｏｃｅｓｓ：以下、ＬＥＣ法という。）を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。ＬＥＣ法とは、多結晶原料及びＢ２Ｏ３等の封止剤を収容した熱分解窒化ホウ素（Ｐｙｒｏｌｉｔｉｃ  Ｂｏｒｏｎ  Ｎｉｔｒｉｄｅ：以下、ＰＢＮという。）製容器を不活性ガスで充填した耐圧容器内に配置し、ＰＢＮ製容器を加熱して多結晶原料を原料融液とし、種結晶を原料融液に接触させつつ種結晶とＰＢＮ製容器とを相対的に移動させて単結晶を成長させる方法である。
【０００３】
図５は、単結晶引上げ時の界面状態及び熱流状態を模式的に示している。図５に示すように、引上軸１には、種結晶固定アダプタ３が取り付けられ、さらにこの種結晶固定アダプタ３には、種結晶５が取り付けられている。引上軸１や種結晶固定アダプタ３は不活性ガス中に置かれている。また、種結晶５は、原料融液７を引き上げているが、この原料融液７の上層には、封止剤が溶融したＢ２Ｏ３融液８の層が形成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平７−２５９４号公報（第２頁、第６図）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体結晶製造装置では、単結晶１１が成長する過程において、熱歪みに起因して結晶格子がずれ、転位が発生していた。転位が集積すると多結晶化し良質の単結晶が得られなくなる。転位は固液界面９に対して垂直に伝播して行くため、転位が固液界面９の複数箇所で発生しても単結晶１１の中心に集積せず結晶外に出て行くような固液界面９の形状、すなわち原料融液７側に大きく凸化させることが必要となる。
【０００６】
そこで、固液界面９を大きく凸化させるために単結晶１１内の熱を種結晶固定アダプタ３に効率良く伝達させることが必要になる。しかしながら、結晶成長の初期段階では単結晶１１の先端側がＢ２Ｏ３融液８より露出していないことから、単結晶１１の先端側が不活性ガスに覆われている場合に比べ、原料融液７から単結晶１１の先端側への熱伝導が促進されず、結晶頭部からの放熱が十分に行われないという問題があった。その結果、固液界面９が部分的に凹化し、単結晶１１が多結晶化してしまう場合があった。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮し、結晶成長の初期段階においても、種結晶固定部材から効率的に放熱が行われ、単結晶の多結晶化を抑止することができる半導体結晶製造装置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】
請求項１に記載の半導体結晶製造装置は、半導体結晶を成長させるための種結晶と、この種結晶を固定する種結晶固定部材と、この種結晶固定部材と連結され前記種結晶を引き上げるための引上軸とを有する半導体結晶製造装置であって、前記種結晶固定部材に放熱部材を取り付けたことを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、種結晶固定部材に放熱部材を取り付けたので、種結晶中の温度勾配が大きくなり、引上げ中の半導体結晶からの熱が効率良く種結晶固定部材に伝達され、この伝達された熱は種結晶固定部材と当接した放熱部材から雰囲気中に放熱される。そのため、半導体結晶と原料融液との固液界面を原料融液側に向けて大きく凸化させることが可能で、結晶成長の初期段階に発生しやすい半導体結晶の多結晶化を抑止することができる。
【００１０】
請求項２に記載の半導体結晶製造装置は、半導体結晶を成長させるための種結晶と、この種結晶を固定する種結晶固定部材と、この種結晶固定部材と連結され前記種結晶を引き上げるための引上軸とを有する半導体結晶製造装置であって、前記種結晶固定部材に放熱部を形成したことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、種結晶固定部材に放熱部を形成したので、引上げ中の半導体結晶からの熱が効率良く種結晶固定部材に伝達され、この伝達された熱は種結晶固定部材に形成された放熱部から雰囲気中に放熱される。そのため、半導体結晶と原料融液との固液界面を原料融液側に向けて大きく凸化させることが可能で、結晶成長の初期段階に発生しやすい半導体結晶の多結晶化を抑止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の半導体結晶製造装置の一実施形態を示す説明図である。この一実施形態の半導体結晶製造装置１３は、円筒状のチャンバー１５を有している。このチャンバー１５内には、カップ状のＰＢＮ製容器１７が設けられ、このＰＢＮ製容器１７には多結晶原料及び封止剤が収容されている。ここでは、多結晶原料としてＧａＡｓが約７ｋｇ、液体封止剤としてＢ２Ｏ３が約３００ｍｇ装填されている。ＧａＡｓは、他の半導体材料と比べ熱伝導率が高い傾向にある。例えば、常温では５４Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を示す。これは、炭素鋼と同程度の値である。これに比べて、例えば常温において、ＺｎＳｅは１９Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＺｎＴｅは１８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＣｄＴｅは２０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＩｎＳｂは１７Ｗ／（ｍ・Ｋ）、ＣｄＴｅは７．５Ｗ／（ｍ・Ｋ）の熱伝導率を示す。
【００１４】
ＰＢＮ製容器１７の開口端には、耐熱性の高い材料であるモリブデン鋼製の支持部材２１が設けられている。この支持部材２１の先端側には、グラファイト製の熱遮蔽板２３が設けられ、さらにこの熱遮蔽板２３には、モリブデン製の円筒状の熱反射板２５が設けられている。
【００１５】
また、チャンバー１５内には、ＰＢＮ製容器１７を電磁誘導加熱するためのコイル部２７と、このコイル部２７を覆うように配置されコイル部２７を保護する保護部材２９が設けられている。
【００１６】
ＰＢＮ製容器１７の底部中央には、ＰＢＮ製容器１７を回転させＰＢＮ製容器１７内の多結晶原料や封止剤の状態を周方向に均一にするための回転軸３１が連結されている。また、チャンバー１５の上方からは、半導体結晶３３を引き上げるための引上軸３５が挿入され、この引上軸３５の先端側には、種結晶３６が取り付けられた種結晶固定アダプタ３７が設けられている。種結晶３６は、半導体結晶３３を成長させ始めるために上下方向に（１００）の面方位を有している。種結晶固定アダプタ３７の周囲には、放熱部材である熱交換用治具３８が設けられている。
【００１７】
次に、図２を用いて熱交換用治具３８について詳細に説明する。熱交換用治具３８は、半裁分割された分割部４０Ａ及び分割部４０Ｂと、この分割部４０Ａと分割部４０Ｂとを締結するための４本の六角ボルト４２及び４個のナット４４と、を有している。
【００１８】
分割部４０Ａは、筒状の本体部４０ａと、この本体部４０ａの外周に設けられた一対二組の輪環状の放熱フィン４０ｂと、六角ボルト４２を挿通させるための貫通孔４０ｃが形成された４枚の締結板部４０ｄとを有している。この締結板部４０ｄは、分割部４０Ａのほぼ開口端に位置している。また、本体部４０ａの内壁４０ｅには、３箇所に突条部４０ｆが形成されている。この突条部４０ｆの内周面４０ｇは、種結晶固定アダプタ３７の外周面を押圧し、種結晶固定アダプタ３７を保持する役割を果たす。
【００１９】
また、分割部４０Ｂも分割部４０Ａと同一形状に形成されている。なお、分割部４０Ａ，４０Ｂの材料としては耐熱性や耐食性に優れたモリブデン鋼が用いられている。モリブデン鋼の熱伝導率は３００Ｋで１３８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、６００Ｋで１２６Ｗ／（ｍ・Ｋ）である。すなわち、半導体結晶３３の材料であるＧａＡｓよりも熱伝導率が高く、放熱フィン４０ｂからの放熱を効果的に行うことができる。反対に、例えば分割部４０Ａ，４０Ｂに熱伝導率の低い材料を用いた場合には、結晶成長の初期段階において半導体結晶３３からの熱を十分に放熱できず、固液界面４９（図４参照）を凸化させることができない。
【００２０】
次に、熱交換用治具３８を種結晶固定アダプタ３７に取り付ける方法について説明する。熱交換用治具３８を種結晶固定アダプタ３７に取り付けるにあたっては、先ず、片方の手で分割部４０Ａをつかみ、もう片方の手で分割部４０Ｂをつかんで、それぞれの締結板部４０ｄを向かい合わせ、その内側に種結晶固定アダプタ３７が位置するようにする。次いで、分割部４０Ａと分割部４０Ｂとを当接させて突条部４０ｆと種結晶固定アダプタ３７とを当接させる。
【００２１】
次いで、この状態を片方の手で分割部４０Ａ，４０Ｂを把持しながら維持し、４箇所の貫通孔４０ｃのそれぞれに六角ボルト４２を挿通する。すると、分割部４０Ａと分割部４０Ｂとは仮止めされた状態になるので、分割部４０Ａ，４０Ｂから手を離し、両方の手を使いながら六角ボルト４２とナット４４とを締結させる。最後に、４箇所の六角ボルト４２とナット４４とが確実に締結されていることを確認し、熱交換用治具３８の取付けを終了する。
【００２２】
また、図３に示したような熱交換用治具３８Ａも考えられる。熱交換用治具３８Ａにおいては、図２に示した熱交換用治具３８のように六角ボルトとナットで種結晶固定アダプタ３７に取り付けるのではなく、凹部４０ｈにタングステンワイヤーを巻き付けることにより種結晶固定アダプタ３７に取り付ける。六角ボルトとナットで固定した場合、熱やチャンバー中の飛散物の付着によりネジ切り部が潰れてしまうことがありうるが、タングステンワイヤーで固定することにより、このような不都合を解消することができる。
【００２３】
次に、半導体結晶製造装置１３の使用方法について説明する。半導体結晶製造装置１３を使用するにあたっては、先ず、ＰＢＮ製容器１７に多結晶原料としてＧａＡｓ及びＢ２Ｏ３を収容し、チャンバー１５内の残留気体を不図示のポンプにより吸引し、チャンバー１５内を真空状態にする。次いで、Ａｒガス等の不活性ガスをチャンバー１５内に導入して、約６ｋｇ／ｃｍ２に加圧する。次いで、コイル部２７に周波数５ｋＨｚの高周波電流を通電し、ＧａＡｓの溶融速度を速めるためにチャンバー１５内に設けられた不図示のカーボンリングを電磁誘導加熱する。すると、ＰＢＮ製容器１７内に収容された固体状のＧａＡｓ及びＢ２Ｏ３は溶融し始め、この溶融状態となったＧａＡｓ自身、高周波誘導に十分な電気伝導度を有するようになることにより、直接電磁誘導加熱される。なお、ＧａＡｓ及びＢ２Ｏ３は高融点材料であり、ＧａＡｓの融点は約１５００Ｋである。
【００２４】
次いで、ＧａＡｓ及びＢ２Ｏ３の多結晶原料が全て溶融した後、不図示の回転制御装置を作動させて回転軸３１を回転させる。これにより、ＰＢＮ製容器１７内の融液の状態が周方向に均一にされ、良好な半導体結晶３３が得られる。次いで、コイル部２７を用いた電磁誘導加熱のパワーを半導体結晶３３の製造に適したパワーに落とす。
【００２５】
次いで、引上軸３５を下降させることにより種結晶固定アダプタ３７を下降させ、種結晶３６をＧａＡｓ融液３９に接触させる。最後に、引上軸３５を所定の速度で引き上げ、半導体結晶３３を形成する。なお、引上軸３５の上昇速度は、例えば２０ｍｍ／ｈｒ程度とする。以下に、引上速度の算出式を示す。
【００２６】
Ｖ＝（１／ρＨ）×（ＫＳ×（ｄＴＳ／ｄＺ）−ＫＬ×（ｄＴＬ／ｄＺ））
Ｖ：引上速度
ρ：単結晶の密度
Ｈ：凝固潜熱
ＫＳ：単結晶の熱伝導率
ＫＬ：融液の熱伝導率
ＴＳ：単結晶の温度
ＴＬ：融液の温度
Ｚ：引上軸方向の距離
図４は、ＧａＡｓ単結晶引上げ時の界面状態及び熱流状態を示している。図に示すように、引上軸３５には、種結晶固定アダプタ３７が取り付けられ、さらにこの種結晶固定アダプタ３７には種結晶３６が取り付けられている。また、種結晶固定アダプタ３７の外周には、熱交換用治具３８が設けられている。引上軸３５の周囲は不活性ガス空間４７により覆われている。また、種結晶３６は、原料融液４３を引き上げているが、この原料融液４３の上層には、封止剤が溶融したＢ２Ｏ３融液４５の層が形成されている。
【００２７】
また、単結晶３３を引上げ中の原料融液４３は、Ｂ２Ｏ３融液４５により断熱され、不活性ガス空間４７との温度差が数百Ｋに達している。また、Ｂ２Ｏ３融液４５は、揮発性の高い原料融液４３中のＡｓが揮発するのを抑止している。
【００２８】
次に、熱交換用治具３８を設けたことによる半導体結晶３３内の作用について説明する。本実施形態では、種結晶固定アダプタ３７に熱交換用治具３８を設けたので、半導体結晶３３から種結晶固定アダプタ３７を介して不活性ガス空間４７に放熱される放熱量が多くなる。そのため、結晶底部３３ａから結晶頭部３３ｂへの熱流が強くなり、固液界面４９がこの熱流の向きに対して垂直に形成されることから、結晶底部３３ａの凸化が顕著になる。熱歪みにより発生した転位は界面形状に対して垂直に伝播するため、結晶底部３３ａの凸化が顕著になると、転位の集中が低減される。そのため、結晶底部３３ａが凹化した場合に発生する固液界面４９での応力集中や転位密度の増加が抑止される。
【００２９】
以上述べたように本発明の一実施形態によれば、種結晶固定アダプタ３７に熱交換用治具３８を取り付けたので、引上げ中の半導体結晶３３からの熱が効率良く種結晶固定アダプタ３７に伝達され、さらに熱交換用治具３８に伝達され、主にこの熱交換用治具３８の放熱フィン４０ｂから雰囲気中に放熱される。そのため、半導体結晶３３と原料融液４３との固液界面４９を原料融液４３側に向けて大きく凸化させることが可能であり、結晶成長の初期段階に発生しやすい半導体結晶３３の多結晶化を抑止することができる。
【００３０】
また、本発明の一実施形態によれば、半導体結晶３３の材料に半導体としては比較的熱伝導率が高いＧａＡｓを用いたので、放熱フィン４０ｂからの放熱も促進され、固液界面４９を大きく凸化させることができる。
【００３１】
なお、上述した一実施形態では、種結晶固定アダプタ３７に、放熱フィン４０ｂが形成された熱交換用治具３８を取り付けた例について説明したが、種結晶固定アダプタ３７に直接放熱部を形成するようにしても良い。
【００３２】
また、上述した一実施形態では、電磁誘導加熱の原理を用いてＧａＡｓを溶融した例について説明したが、ヒーターからの輻射熱により加熱するようにしても良い。
【００３３】
さらに、上述した一実施形態では、ＧａＡｓの半導体結晶３３を作製した例について説明したが、本発明はこれに限定されない。ただし、半導体結晶になったときに熱伝導率が高い材料程、凸化を促進させることができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、種結晶固定部材に放熱部材を取り付けたので、引上げ中の半導体結晶からの熱が効率良く種結晶固定部材に伝達され、半導体結晶と原料融液との固液界面を原料融液側に向けて大きく凸化させることが可能であり、結晶成長の初期段階に発生しやすい半導体結晶の多結晶化を抑止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体結晶製造装置の一実施形態を示す説明図である。
【図２】図１の熱交換用治具の詳細を示す説明図である。
【図３】図１の熱交換用治具の詳細を示す他の説明図である。
【図４】図１の半導体結晶製造装置による半導体結晶引上げ時の界面形状及び熱流状態を示す説明図である。
【図５】従来の半導体結晶製造装置による半導体結晶引上げ時の界面形状及び熱流状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１３  半導体結晶製造装置
３３  半導体結晶
３６  種結晶
３７  種結晶固定アダプタ
３５  引上軸
３８  熱交換用治具
３８Ａ  熱交換用治具
４０ｂ  放熱フィン
４０ｈ  凹部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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