(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法による単結晶の製造方法において、
坩堝の回転数及び結晶の回転数又はそのいずれかを減少させることにより、坩堝の回転数と結晶の回転数とにより決まる融液の駆動振動数を融液のスロッシング共振振動数の９５％以下に保ち、又は、
坩堝の回転数及び結晶の回転数又はそのいずれかを増加させることにより、前記駆動振動数を前記スロッシング共振振動数の１０５％以上に保つことにより、
単結晶育成過程において前記駆動振動数が前記スロッシング共振振動数の９５％から１０５％の範囲に入らないようにしたことを特徴とする、単結晶の製造方法。
【請求項２】
チョクラルスキー法による単結晶の製造方法において、
単結晶育成過程において坩堝の回転数と結晶の回転数とにより決まる融液の駆動振動数が、単結晶引き上げの経過とともに変化する融液のスロッシング共振振動数の９５％から１０５％の範囲に入る場合、その間にスロッシングによる融液の振動回数が２０００回を越えないように、坩堝の回転数及び結晶の回転数又はそのいずれかを増加させることを特徴とする、単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法による単結晶製造方法において、液面ゆれによる結晶の有転位化、多結晶化、および結晶の変形を防止する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子素子や光電子素子をつくるための基板として、さまざまな元素半導体や化合物半導体の結晶が用いられているが、これらの結晶を製造する手法としてチョクラルスキー法（ＣＺ法）がある。このＣＺ法は大型の結晶を製造するために有利な手法であり、今日の半導体電子素子の主流であるシリコンの単結晶のほとんどがＣＺ法で造られている。
【０００３】
図１は、ＣＺ法による結晶製造炉の模式的な縦断面図であり、この炉では、回転および昇降可能な坩堝軸７の上に載置されたサセプター１内に収容された坩堝２に結晶原料を装填し、これをヒーター３で加熱、溶解することで融液４を得ている。一方、炉の頂部には結晶を回転させながら上方に引上げるワイヤー２１と駆動機構２０が配設されており、このワイヤーに吊した種結晶５を融液４に浸漬した後、種結晶５および坩堝１を互いに回転させながら種結晶５を上方に引上げることで結晶６を得ている。また、炉内は高温となるため、断熱材８、１０により炉体９が保護されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このＣＺ法においては、融液の自由表面から単結晶を育成するために、融液表面の安定性が、単結晶成長の安定性に大きく影響する。すなわち、機械振動等による融液面の波立ちや、これらに伴う融液の温度変動の増大により、結晶が有転位化、もしくは多結晶化し、半導体素子の基盤として使用不能なものとなることや、上記の事態を免れても結晶形状の変形が起こり、所定形状から外れることで製品歩留まりを損なう危険性がある。また、シリコン等の粘性の小さい融液や、大きい坩堝で大容量の融液を使用する場合には、融液の慣性が粘性に対して大きいために、ひとたび大きな波立ちが起きると、この波立ちは容易に減衰しない問題がでてくる。
【０００５】
従ってＣＺ法による単結晶製造装置においては、坩堝回転および結晶回転によって、融液が揺れないように、坩堝と結晶の回転軸は鉛直方向に揃え、かつ、それらの回転中心軸が一致するように極力調整されており、坩堝および結晶の回転および昇降に関する駆動系からの融液へ振動が伝達しないようにすることが提案されている（特開２０００-１６９２９０、特開２０００-８６３８７）。
【０００６】
上記のように駆動系に対する徹底した対策をとることで、単結晶製造中に恒常的に起こる液面の揺れを抑制することができる。しかしながら、実際の結晶引上げにおいて起きている揺れの多くは、単結晶育成中に突発的に始まり、ある程度の時間経過後に収拾する特性を持っており、この種の液面揺れに対しては、駆動系の設置精度の向上や、振動伝達系への対策は、直接的な解決策となっていないことが明らかであり、実際あまり効果がない。
【０００７】
本発明は上記のような、結晶引上げ中に起こる融液面の波立ちによる、結晶の有転位化、多結晶化、および結晶形状の変形を防止しすることで、製品歩留まりを向上させ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、発明者らは、ＣＺ法による単結晶引き上げ時に発生する液面揺れの原因を調査研究した結果、坩堝内に入れられた融液のスロッシング共振によるものであることを突き止めた。すなわち、融液のスロッシング共振の振動数は単結晶育成による融液の減少に伴って減少するが、このスロッシング振動数が結晶の回転数の整数倍（特に結晶の晶癖線数倍）に近づいたときに顕著な液面揺れが起こりはじめる。また、融液量が更に減少し、結晶回転が融液を駆動する振動数よりスロッシング共振振動数が大きくなると、液面揺れがおさまることも明らかになった。
【０００９】
従って、本発明は、単結晶育成過程において坩堝回転数と結晶回転数とにより決まる融液を駆動する振動数が、単結晶引上げの経過とともに変化する融液のスロッシング共振振動数（坩堝形状と融液量で決まる固有振動数）の９５％から１０５％の範囲に入らないように、坩堝回転数及び結晶回転数又はそのいずれかを制御することを提案する。
【００１０】
また、シリコン単結晶においては、結晶中の酸素濃度の軸方向のおよび径方向の分布が、坩堝回転数および結晶回転数の影響を受けるため、品質維持の目的から、結晶育成中に坩堝回転数および結晶回転数を大きく変更できない事情があるが、このような場合本発明は、単結晶育成過程において坩堝の回転数と結晶の回転数とにより決まる融液を駆動する振動数が、融液のスロッシング共振振動数の９５％から１０５％の範囲に入る場合、その間にスロッシングによる融液の振動回数が２０００回を越えないように、坩堝回転数及び結晶回転数又はそのいずれかを制御することを提案する。
【００１１】
上述のように、融液駆動振動数が融液のスロッシング共振振動数の９５％〜１０５％の範囲に入る期間を、２０００回を超えないように短くすることで、融液面のゆれは起こるものの、結晶の変形や、多結晶化を防止することができる。
【００１２】
ここで、坩堝内融液のスロッシング振動数は、容器形状と融液量で決まる量で、融液の密度および粘性にほとんど依存しないことが知られているが、この関係は以下の方法で知ることができる。
【００１３】
まず、第１は、使用する容器形状が、円筒や半球形のような場合で、融液量とスロッシング振動数の関係式が解析的に求められている場合は、これを使用すればよい。図２は、内径１５０ｍｍの円筒形状の坩堝内で起こる各種のスロッシングの共振振動数と、坩堝内の融液量の関係を解析解（機械工学便覧  ｐ．Ａ３-１３５  （日本機械学界編１９８７））に基づいて示したものであり、図中の実線は、（１，１）モードのスロッシング共振が起きる条件、破線は（１，２）モード、一点鎖線が（０，１）モードのスロッシング共振が起こる条件を示している。ここで共振モードの括弧内の数値は、１番目が融液表面の周方向の波数、２番目が径方向の波数を示す。
【００１４】
また第２の方法として、坩堝内に所定量の水を入れて波み立たせ、この液面振動の時間変化を変位センサーで検知し、ＦＦＴアナライザーにより振動応答を解析することで、その所定融液量でのスロッシング共振振動数を実験的に求めることができる。融液量とスロッシング振動数の関係は、上記の測定を坩堝内の水量を変えて繰り返すことで求まる。スロッシング共振振動数は融液の密度と粘性に依存しないため、実際の原料融液を用いずとも水で十分代用が可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図３は、本発明に関する実施例と比較例を説明するもので、ＣＺ法による単結晶引き上げ装置にて、内半径１５０ｍｍ、深さ１５０ｍｍの円筒坩堝から、１００方位の種結晶を用いてシリコン単結晶を育成した場合において、結晶回転に起因する最も大きな励起源となる融液駆動振動数、すなわち、１００方位の結晶の成長界面の端に生ずる４つの晶癖線に起因する結晶の坩堝に対する相対回転数の４倍の融液駆動振動数の値と、融液量の関係を、図２と重ねて示したものである。
【００１６】
［比較例１］
ＣＺ法による単結晶引き上げ装置にて、内半径１５０ｍｍ、深さ１５０ｍｍの円筒坩堝に２０ｋｇのシリコン原料を溶解し、１００方位の種結晶を用いてシリコン単結晶の育成を開始した。種付け時より坩堝を一定の回転数１０ｒｐｍとし、結晶を坩堝と逆方向に一定の回転数２０ｒｐｍ（相対回転数３０ｒｐｍ）で回転させながら結晶を成長させた。このとき、種結晶の方位が１００であるため結晶の成長界面の端には晶癖線による４個の突起がほぼ均等な大きさで形成され、坩堝内の融液に対して、主として１２０ｒｐｍの振動数で融液に振動が継続的に与えられていた。結晶を育成するに従い、坩堝内の融液が９．５ｋｇとなったとき、結晶が融液に与えている１２０ｒｐｍの振動数が（１，２）モードのスロッシング共振振動数に近づいたため、突如として液面の揺れが発生した。さらに、坩堝内の融液が９．０ｋｇとなった時に結晶の変形が大きくなり結晶径の規格範囲から外れた。この状態のまま結晶を育成したが、融液量が８ｋｇとなったところで液面の揺れがおさまり、結晶径が規格の範囲に戻った。このまま結晶の引き上げを継続したところ、融液量が５ｋｇとなった時点で、（０，１）モードのスロッシング共振による液面揺れがはじまり、融液量が４．５ｋｇとなった時点で結晶が多結晶化したことが判明した。そのまま結晶を引き上げ継続したところ融液量が４ｋｇとなったときに液面の振動がおさまった。
【００１７】
［実施例１］
内半径１５０ｍｍ、深さ１５０ｍｍの円筒坩堝に２０ｋｇのシリコン原料を溶解し、１００方位の種結晶を用いてシリコン単結晶を育成した。種付け時から融液量が１３ｋｇになるまでは、坩堝を一定の回転数１０ｒｐｍで回転させ、結晶も坩堝と逆方向に一定の回転数２０ｒｐｍで回転させながら結晶を育成させた。このとき、種結晶の方位が１００であるため結晶の成長界面の端には４本の晶癖線による突起が形成され、１２０ｒｐｍの振動数で融液に振動が継続的に与えられていた。融液量が１２．５ｋｇとなった時点から、表１に示すように、融液量の減少とともに坩堝回転数及び／又は結晶回転数を減少させることにより、結晶による融液の駆動振動数が、絶えずスロッシングの振動数の９５％以下になるように坩堝と結晶の回転数を制御した。
【００１８】
この結果、結晶引き上げ中に液面が揺れることがなく、結晶の変形および多結晶化を起こさずに、融液３．３ｋｇを残して、結晶引上げを完了することができた。
【００１９】
表１は、実施例１による結晶育成時の、坩堝回転数、結晶回転数、スロッシング共振振動数及び駆動振動数に対する共振振動数の比との関係を示す。
【００２０】
【表１】
0003927786.tif 000002
【００２１】
［実施例２］
内半径１５０ｍｍ、深さ１５０ｍの円筒坩堝に２０ｋｇの原料を溶解し、１００方位の種結晶を用いてシリコン単結晶を育成した。種付け時から融液量が１２．５ｋｇになるまで、坩堝を一定の回転数１０ｒｐｍで回転させ、結晶は坩堝と逆方向に一定の回転数２０ｒｐｍで回転させながら結晶を育成させた。この時点で結晶による融液の駆動振動数は１２０ｒｐｍであったが、融液量が１２．５ｋｇとなったとき（１，２）モードのスロッシング共振振動数が１２８．７ｒｐｍとなり、結晶による駆動振動数の９３％まで接近したため、結晶回転数と坩堝回転数をそれぞれ、２２ｒｐｍと１２ｒｐｍに１５分の間（すなわち、該当のスロッシングによる融液の振動回数１９３０＝１２８．７ｒｐｍ×１５ｍｉｎの振動に相当する時間）に増加させた。この１５分間に液面の振動が認められたが、結晶の変形は起こらず、多結晶化も生じなかった。その間に融液量は１２．０ｋｇとなり、融液駆動振動数が（１，２）モードのスロッシング共振振動数の１０６％となった。その後表２に示したように、融液量９．０ｋｇとなった時点で坩堝回転数を１１ｒｐｍに結晶回転数を２１ｒｐｍに減少させ、融液量が６．０ｋｇとなった時点で、坩堝回転数を１０ｒｐｍに戻し、結晶回転数を２１ｒｐｍに保持した。その時点での駆動振動数に対する（１，２）モードのスロッシング共振振動数の比は１１６％になった。さらに引き上げを継続し、融液量が５．５ｋｇとなった時点で、結晶が駆動する駆動振動の周期が、（０，１）モードのスロッシング共振周期に近づいたため、結晶回転数と坩堝回転数を１５分間の間に（該当のスロッシングの共振域を通過させる時間）それぞれ、２１ｒｐｍと１２ｒｐｍに増加させて、共振域を通過させた。この１５分間（振動回数１９３３＝１２８．９ｒｐｍ×１５ｍｉｎ）に液面の振動が認められたが、結晶の変形なく、多結晶化も起こらなかった。さらに、結晶の引き上げを継続し、融液量が４．０ｋｇとなった時点で、坩堝回転数と結晶回転数とを共にもとの回転数（１０ｒｐｍ、２０ｒｐｍ）に戻した。
【００２２】
この結果、結晶引き上げ中に液面が揺れることがなく、結晶の変形および多結晶化を起こさずに、融液３．３ｋｇを残して、結晶引上げを完了することができた。
【００２３】
表２は、実施例２による結晶育成時の、坩堝回転数、結晶回転数、共振振動数及び駆動振動数に対するスロッシング共振振動数の比との関係を示す。
【００２４】
【表２】
0003927786.tif 000003
【００２５】
上述のように本発明においては、図３から明らかなように実施例１では、結晶による融液駆動振動数（１，１）モードのスロッシング共振振動数の曲線と（１，２）モードのスロッシング共振振動数の曲線との間に結晶による融液駆動振動数の曲線が来るように、坩堝回転数及び／又は結晶回転数が制御され、実施例２では、結晶による融液駆動振動数曲線が（０，１）モードのスロッシング共振振動数曲線と交差しているが、その交差移行期間を短期間として、すなわちスロッシングによる融液の振動回数２０００回を超えないように、坩堝回転数及び／又は結晶回転数が制御される。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＣＺ法において結晶を引上げ製造する際に、突発的に発生する液面ゆれを、結晶及び坩堝の回転数により決まる融液の駆動振動数が該当の残湯量でのスロッシング共振周期に一致しないようにすることによって回避することができ、結晶の多結晶化、有転位化を防止し、歩留まりを大きく向上させることができた。
【００２７】
本発明は、融液面ゆれに対する従来のチョクラルスキー法による単結晶製造装置の機械機構の調整・改善等の対策より顕著な効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＺ法による結晶製造炉の概略図である。
【図２】内径１５０ｍｍの円筒坩堝におけるスロッシング共振振動数と融液量の関係を示す曲線図である。
【図３】本発明に関する実施例および比較例による操業条件とスロッシング共振振動数との関係を示す曲線図である。
【符号の説明】
１  サセプター
２  坩堝
３  ヒーター
４  融液
５  種結晶
６  結晶
８  断熱材
９  炉体
１０  断熱材
２０  結晶駆動機構
２１  ワイヤー
【図１】
0003927786.tif 000004
【図２】
0003927786.tif 000005
【図３】
0003927786.tif 000006