(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる単結晶引上装置であって、
前記ルツボを載置して支持するサセプタを備え、
該サセプタは、前記ルツボ底部を支持する部分の一部に断熱材が設けられ、
前記断熱材は、前記ルツボの底部中央を中心とした円環状に配され、かつ、前記ルツボ底部中央の温度に対して前記ルツボ底部中央の周囲の温度を相対的に下げるよう前記ルツボ底部中央から離間して配されてなることを特徴とする単結晶引上装置。
【請求項２】
請求項１記載の単結晶引上装置において、
前記断熱材を設けることにより、ルツボ底部中央の周囲の温度を下げて、固液界面における温度分布を均一化させることを特徴とする単結晶引上装置。
【請求項３】
請求項１記載の単結晶引上装置において、
前記断熱材の内径は、前記半導体融液温度を下降させて酸素濃度を下げる場合には、前記断熱材の内径を小さくして、前記ルツボ自体の局所的な温度を積極的に変えるよう設定されてなることを特徴とする単結晶引上装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか記載の単結晶引上装置における制御方法であって、
ルツボ内の半導体融液における温度分布を断熱材の位置によって制御することを特徴とするルツボ内の半導体融液における温度分布制御方法。
【請求項５】
請求項４記載の制御方法において、
前記半導体融液温度を下降させて酸素濃度を下げる場合には、前記断熱材の内径を小さくするように、前記断熱材の内径を設定することを特徴とするルツボ内の半導体融液における温度分布制御方法。
【請求項６】
請求項４または５記載の制御方法において、
前記断熱材が無い状態で固液界面における温度分布が下方に凸状態であった場合でも、上記断熱材を設けることにより、前記ルツボ底部中央の周囲の温度を下げて、固液界面における温度分布を均一化させることを特徴とするルツボ内の半導体融液における温度分布制御方法。
【請求項７】
請求項４から６のいずれか記載の制御方法において、
前記断熱材によって前記半導体単結晶の外周部における温度が相対的に低下した分をヒータパワーを上げて外周からの加熱で補うことで、半径方向の温度勾配の差△Ｇを小さくすることを特徴とするルツボ内の半導体融液における温度分布制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法（チョクラルスキー法）を用いて、ルツボに貯留された半導体融液より半導体単結晶を引き上げる単結晶引上装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、シリコン（Ｓｉ）やガリウムヒ素（ＧａＡｓ）等の半導体単結晶を成長する手段の一つとして、ＣＺ法を用いた単結晶引上装置が知られている。
この単結晶引上装置は、図５に示すように、チャンバ１内部のサセプタ２上に配設した石英ルツボ３内に半導体融液Ｌを貯留し、該半導体融液Ｌを石英ルツボ３の周囲に配置した円筒状のヒータ４で所定温度に加熱制御して、この半導体融液Ｌから半導体単結晶Ｃを引き上げるものである。
従来、この単結晶引上装置では、石英ルツボ３を支持するサセプタ２として、全体をカーボンで形成したものが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の単結晶引上装置には、以下のような課題が残されている。すなわち、石英ルツボ内の原料を溶融させる際にヒータによる加熱によってサセプタも高温状態となるため、熱によるダメージを受けて寿命が短くなってしまう不都合があった。
また、シリコン単結晶の重要な特性として、酸素濃度を制御することが必要あり、従来はヒータ形状やルツボ位置等の設定を変えることにより制御していたが、より高い精度で酸素濃度をコントロールすることが望まれている。
また、高品質な結晶の成長を行うには、半導体単結晶Ｃと半導体融液Ｌとの固液界面において温度分布を径方向で均一にする必要がある。
特に、近年、固液界面での成長軸方向の温度勾配をＧとしたとき、結晶の中心部と外周部との温度勾配Ｇの差△Ｇを小さくすると、ＣＯＰ(Crystal Originated Particle)等の成長時導入欠陥の発生を抑制できることがわかり、このため固液界面の温度均一性を向上させて、△Ｇを制御し、その低減を図ることが要望されている。しかし、従来の装置では、図６に示すように、固液界面の温度分布が下方に凸状態（図中の点線は等温線）となってしまっていた。
【０００４】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、サセプタの低温化を図り熱によるダメージを低減するとともに融液の温度分布を制御し、酸素濃度及び界面温度分布を高精度で制御することができる単結晶引上装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、
本発明の単結晶引上装置では、ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる単結晶引上装置であって、
前記ルツボを載置して支持するサセプタを備え、
該サセプタは、前記ルツボ底部を支持する部分の一部に断熱材が設けられ、
前記断熱材は、前記ルツボの底部中央を中心とした円環状に配され、かつ、前記ルツボ底部中央の温度に対して前記ルツボ底部中央の周囲の温度を相対的に下げるよう前記ルツボ底部中央から離間して配されてなることを特徴とする。
本発明は、前記断熱材を設けることにより、ルツボ底部中央の周囲の温度を下げて、固液界面における温度分布を均一化させることができる。
本発明は、前記断熱材の内径は、前記半導体融液温度を下降させて酸素濃度を下げる場合には、前記断熱材の内径を小さくして、前記ルツボ自体の局所的な温度を積極的に変えるよう設定されてなることができる。
本発明のルツボ内の半導体融液における温度分布制御方法は、上記のいずれか記載の単結晶引き上げ装置における制御方法であって、
ルツボ内の半導体融液における温度分布を断熱材の位置によって制御することができる。
本発明は、上記の制御方法において、
前記半導体融液温度を下降させて酸素濃度を下げる場合には、前記断熱材の内径を小さく設定するように、前記断熱材の内径を設定することができる。
本発明は、上記の制御方法において、
前記断熱材が無い状態で固液界面における温度分布が下方に凸状態であった場合でも、上記断熱材を設けることにより、前記ルツボ底部中央の周囲の温度を下げて、固液界面における温度分布を均一化させることができる。
本発明は、上記の制御方法において、
前記断熱材によって前記半導体単結晶の外周部における温度が相対的に低下した分をヒータパワーを上げて外周からの加熱で補うことで、半径方向の温度勾配の差△Ｇを小さくすることができる。
本発明の単結晶引上装置では、ルツボ内の半導体融液から半導体単結晶を引き上げる単結晶引上装置であって、前記ルツボを載置して支持するサセプタを備え、該サセプタは、その一部に断熱材が設けられている技術が採用される。
【０００６】
この単結晶引上装置では、サセプタの一部に断熱材が設けられているので、断熱材の部分で温度を比較的低くすることができ、熱によるダメージが低減される。また、断熱材を配した部分の温度を選択的に低くすることができることから、断熱材近傍におけるルツボ内の温度も低く設定することができる。したがって、ルツボ内の半導体融液における温度分布を断熱材の位置によって制御することが可能になる。
本発明者らは、シミュレーション等によりルツボ底部の融液温度と酸素濃度との関係について調べた結果、図７に示すように、酸素濃度がルツボ底部の融液温度に依存（シミュレーションで求めたルツボ底部の融液温度が高いほど、酸素濃度も上昇）するという知見を得ることができた。すなわち、融液界面温度を維持しつつ酸素濃度の制御を行うには、ルツボ自体の局所的な温度を積極的に変える必要があることが判明した。そこで、このような知見に基づいて、上記単結晶引上装置の構成を発明したものである。したがって、上記断熱材の位置、大きさ、形状及び材質によって、ルツボ内面の局所的な温度を自在に変えることができ、特にルツボ底部に断熱材を配置することにより、酸素濃度及び融液温度分布を高精度に制御することが可能になる。
【０００７】
本発明の単結晶引上装置では、上記の単結晶引上装置において、前記断熱材は、前記ルツボの底部中央を中心とした円環状に配されている技術が採用される。
【０００８】
この単結晶引上装置では、断熱材がルツボの底部中央を中心とした円環状に配されているので、断熱材の内径を変えることによりルツボの底部中央の温度を変えて酸素濃度を制御することができる。また、断熱材がルツボ底部中央から離間して配されることになり、ルツボ底部中央の温度に対して底部中央の周囲の温度を相対的に下げることができる。したがって、断熱材が無い状態で固液界面における温度分布が下方に凸状態であった場合でも、上記断熱材を設けることにより、ルツボ底部中央の周囲の温度を下げて、固液界面における温度分布を均一化させることができる。また、断熱材によって半導体単結晶の外周部における温度が相対的に低下するが、その分をヒータパワーを上げて外周からの加熱で補うと、結果的に半径方向の温度勾配が小さくなって△Ｇを小さくすることができる。
【０００９】
本発明の単結晶引上装置では、上記の単結晶引上装置において、前記断熱材は、前記ルツボの底部中央に面して配されている技術が採用される。
【００１０】
この単結晶引上装置では、断熱材がルツボの底部中央に面して配されているので、ルツボの底部中央における温度を低くすることができ、底部中央から上昇する酸素を選択的に抑制し、酸素濃度を低く抑えることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る単結晶引上装置の第１実施形態を、図１から図３を参照しながら説明する。
これらの図にあって、符号１１はチャンバ、１２はシャフト、１３はサセプタ、１４はルツボ、１５はヒータ、１６は保温筒を示している。
【００１２】
図１は、本実施形態の単結晶引上装置を示すものであって、該単結晶引上装置は、中空の気密容器であるチャンバ１１内に、該チャンバ１１の中央下部に垂直に立設され上下動可能なシャフト１２と、該シャフト１２上に載置されたサセプタ１３と、該サセプタ１３上に載置されて支持されシリコンの融液である半導体融液Ｌを貯留する石英（ＳｉＯ2）製のルツボ１４と、該ルツボ１４の外周に所定距離離間して配されたヒータ１５と、該ヒータ１５の周囲に配された保温筒１６とがそれぞれ配置されている。
【００１３】
また、この単結晶引上装置は、ルツボ１４の上方に該ルツボ１４と同軸に配置された略円筒状のフロー管１７と、保温筒１６の上部に取り付けられフロー管１７を支持する円環状のアッパーリング１８とを備えている。
前記ルツボ１４は、シャフト１２の軸線を中心として水平面上で所定の角速度で回転する構成になっている。
前記ヒータ１５は、シリコン原料をルツボ１４内で加熱・融解するとともに生じた半導体融液Ｌを保温するもので、通常、抵抗加熱が用いられる。
【００１４】
前記保温筒１６は、炭素繊維（カーボンファイバ）からなる保温材１６ａで形成されその内側面に支持板としてカーボン板１６ｂが張られている。
また、チャンバ１１上部からは、引上ワイヤ１９が昇降自在にかつ回転自在に吊り下げられ、該引上ワイヤ１９の下端部には、シリコンの種結晶が固定されている。
なお、チャンバ１１の上部には、半導体単結晶Ｃの固液界面を観察するための透明窓部２０が設けられている。
【００１５】
前記フロー管１７は、内径が下方に向けて漸次小さくなるテーパ状の円筒部材であり、その上端フランジ部１７ａがアッパーリング１８を介して保温筒１６の上部に固定されている。このフロー管１７は、成長時に半導体単結晶Ｃへの輻射熱を遮断するとともに、チャンバ１１上端のガス導入口１１ａから供給されるアルゴンガス（不活性ガス）を通過させて半導体融液Ｌ上に吹き付け、半導体融液Ｌから発生するＳｉＯ２を吹き流すものである。なお、吹き流されたＳｉＯ２を含むアルゴンガスは、チャンバ１１下端のガス排出口１１ｂから外部に順次排出される。
【００１６】
前記サセプタ１３はカーボン製であるが、ルツボ１４の底部を支持する部分の一部に、ルツボ１４の底部中央を中心とした円環状の断熱材１３ａが埋め込まれている。
該断熱材１３ａは、例えば、フェルト状の炭素繊維で形成されているものである。
【００１７】
この単結晶引上装置において結晶成長を行う場合、まずガス導入口１１ａからアルゴンガスを供給するとともに、ヒータ１５に通電してルツボ１４内のシリコン原料を溶融して半導体融液Ｌとし、そしてヒータ１５の電力を調整して半導体融液Ｌの中央液面付近を単結晶成長温度に保つ。次に、引上ワイヤ１９により吊り下げられた種結晶を下降させて半導体融液Ｌに浸してなじませ、いわゆるネッキングにより無転位化を行い、その後、ルツボ１５と引上ワイヤ１９とを互いに反対に回転させながら半導体単結晶Ｃを引き上げ成長する。
【００１８】
本実施形態では、サセプタ１３において、ルツボ１４の底部中央に面した位置に断熱材１３ａが埋設されているので、断熱材１３ａの部分で温度を相対的に低くすることができ、熱によるダメージが低減される。また、断熱材１３ａの内径を変えることによりルツボ１４の底部中央の温度を変えて酸素濃度を制御することができる。すなわち、図２に示すように、ルツボ１４底部の融液温度は断熱材１３ａの内径に依存し、例えば、該内径を小さくするほど前記融液温度が下降し、酸素濃度も下げることができる。したがって、ヒータ形状やルツボ位置だけでなく、断熱材１３ａの内径を設定することにより、所定の酸素濃度を高精度に得ることが可能になる。
【００１９】
また、断熱材１３ａがルツボ１４底部中央の周囲に配されることになり、ルツボ１４底部中央の温度に対して底部中央の周囲の温度を相対的に下げることができる。したがって、断熱材１３ａが無い状態で固液界面での温度分布が下方に凸状態であった場合でも、断熱材１３ａを設けることにより、図３に示すように、ルツボ１４中央の周囲の温度を下げることができ、固液界面における温度分布（図中の点線は等温線）を均一化（フラット化）させることができる。
【００２０】
さらに、断熱材１３ａによって半導体単結晶Ｃの外周部における温度が相対的に低下するが、ヒータ１５のパワーを上げて半径方向外方からの加熱で補うことができ、結果的に半径方向の温度勾配が小さくなって△Ｇを小さくすることができる。
このように、断熱材１３ａを配した部分の温度を選択的に低くすることができることから、半導体融液Ｌにおける温度分布を断熱材１３ａの位置によって制御することが可能になる。
【００２１】
次に、本発明に係る単結晶引上装置の第２実施形態を、図４を参照しながら説明する。
【００２２】
第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、円環状の断熱材１３ａを設けたサセプタ１３を用いているのに対し、第２実施形態では、図４に示すように、円板状の断熱材２３ａをルツボ１４の底部中央に面して配したサセプタ２３を採用している点である。
すなわち、本実施形態では、断熱材２３ａによってルツボ１４の底部中央における温度を選択的に低くすることができ、底部中央から上昇する酸素を抑制し、酸素濃度を低く抑えることができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明の単結晶引上装置によれば、サセプタの一部に断熱材が設けられているので、断熱材の部分で温度を比較的低くすることができ、熱によるダメージが低減され、石英ルツボの寿命を向上させることができる。また、断熱材を配した部分の温度が低くなることから、ルツボ内の半導体融液における温度分布を断熱材の位置によって制御することができ、酸素濃度の制御等が可能になる。
【００２４】
本発明の単結晶引上装置によれば、断熱材がルツボの底部中央を中心とした円環状に配されているので、ルツボ底部中央の温度に対して周囲の温度を相対的に下げることができる。したがって、下方に凸状態であった固液界面の温度分布を均一化させることができる。また、断熱材によって半導体単結晶の外周部における温度が相対的に低下することを、ヒータパワーを上げて補うことができ、結果的に半径方向の温度勾配が小さくなって△Ｇを小さくすることができる。すなわち、△Ｇの低減によって低ＣＯＰ化等を図ることができ、いわゆるピュアシリコン等を成長することも可能となる。したがって、高性能デバイス用の単結晶を製造することが可能となる。
【００２５】
本発明の単結晶引上装置によれば、断熱材がルツボの底部中央に面して配されているので、ルツボの底部中央における温度を低くすることができ、底部中央から上昇する酸素を抑制し、低酸素濃度の単結晶を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る単結晶引上装置の第１実施形態を示す全体断面図である。
【図２】  本発明に係る単結晶引上装置の第１実施形態における断熱材の内径とルツボ底部の融液温度との関係を示すグラフである。
【図３】  本発明に係る単結晶引上装置の第１実施形態におけるルツボ内融液の温度分布を示す要部断面図である。
【図４】  本発明に係る単結晶引上装置の第２実施形態を示す全体断面図である。
【図５】  本発明に係る単結晶引上装置の従来例を示す全体断面図である。
【図６】  本発明に係る単結晶引上装置の従来例におけるルツボ内融液の温度分布を示す要部断面図である。
【図７】  本発明に係る単結晶引上装置の従来例におけるルツボ底部の融液温度と酸素濃度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１３、２３  サセプタ
１３ａ、２３ａ  断熱材
１４  ルツボ
Ｃ  半導体単結晶
Ｌ  半導体融液
【図１】
0003870646.tif 000002
【図２】
0003870646.tif 000003
【図３】
0003870646.tif 000004
【図４】
0003870646.tif 000005
【図５】
0003870646.tif 000006
【図６】
0003870646.tif 000007
【図７】
0003870646.tif 000008